用于改进违禁品检测的系统和方法技术方案

描述了一种用于多级微分迁移率光谱仪(多级DMS)的系统及其操作和使用方法。将电离源中产生的离子引入多级DMS的分离区域，该分离区域包括至少两个DMS级。每个DMS级被配置为生成分离场和补偿场以表征、分离或选择离子种类。分离区域还包括放置在多级DMS的各个相邻级之间的离子改变级。离子的改变可以是化学的和物理的两者。然后通过法拉第板检测器或质谱仪测量或进一步表征通过多级DMS的所有DMS级分离、改变和选择性地通过的离子。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于改进违禁品检测的系统和方法交叉引用为了优先权，本说明书依赖于2017年12月28日提交的名称为“DualStageDifferentialMobilitySpectrometer”的美国专利临时申请第62/611,313号，其全部内容通过引用并入本文。
本说明书涉及用于微分迁移率光谱测定(DMS)的系统。更具体地，本说明书涉及多级DMS分析仪以及操作和使用方法。
技术介绍
离子迁移率方法(诸如微分迁移率光谱测定(DMS))用于化学测量中，并且基于源自样品的离子的形成和这些离子在电场和支撑气体氛围中的表征。支撑氛围可以包括在从几托到环境压力范围内的压力下的空气、氮气以及包括氢气和氦气的气体的组合。电场中气体离子的表征是基于离子群的速度并且建立样品中物质的识别的测量。然后，物质识别可以用于提取关于样品的成分的信息。在DMS中，离子表征发生在振荡的非对称电场中，这是通过在所施加场的极端情况下，在强场中变为场依赖性的离子迁移率系数中的差异而引起的。在DMS测量中，离子以气流中携带通过振荡场(也称为分离场，并且通常超过10,000V/cm)，该振荡场在两个平行板之间形成，具有用于气体和离子流的窄间隙或通道。场依赖性迁移率产生离子的离轴位移，并且施加校正场以将离子重新定位到间隙的中心，在该间隙的中心处，离子通过法拉第板、质谱仪或其他检测器来记录信号。校正场或补偿场的扫描产生DMS分析仪中的所有离子的测量、微分迁移率光谱，其提供样品的化学测量。基于场依赖性迁移率的原理，已经采用两种结构来表征强非对称电场中的气体离子。这些包括具有弯曲表面的结构，并且可以在被称为场非对称离子迁移率光谱测定(FAIMS)的技术实施方式中发现，并且具有在被称为微分迁移率光谱测定(DMS)的实施方式中发现的平面表面。即使存在相似之处，DMS与FAIMS之间的差异也是显著的，诸如，用于生成电场的所施加的波形、两个电场(分离场和补偿场)中的离子表征的总体概念以及控制用于测量的参数的方法。DMS和FAIMS两者都被认为是离子过滤器，而不是离子光谱仪。尽管1秒至3秒提供了DMS光谱的最佳质量，但是小型DMS分析仪中所需的补偿场或电压的扫描大约为0.5秒。样品的化学信息可以从色散图中获得，其中，随着分离场改变重复获得DMS光谱。当分离场的变化足够大时，用于场依赖性迁移率的图案变得显而易见，用DMS分析仪提供关于物质的其他化学信息。在分离场的范围上同时扫描补偿场的时间本质上比获得单个DMS光谱慢，并且可能需要60秒或更长时间。这里简要概述的DMS的原理与被称为微分迁移率分析或分析仪(DMA)的另一离子迁移率方法的原理截然不同。与DMS不同，在DMS中，离子的高场迁移率与低场迁移率之间的差异用于离子表征和分离，DMA仅基于离子的低场迁移率分离进行操作。操作原理的差异转化为实际实现的差异。尽管DMS仪器可以易于小型化，但是用于DMA的技术更大并且更复杂。即使基于DMS的小型化分析仪可以提供高通用性和高灵敏度，但是对于在环境压力下的空气中操作的DMS分析仪，响应的特异性或选择性仍在某种程度上受到限制。响应的选择性受操作参数、漂移管设计和产生具有相对宽的峰宽的光谱的离子行为的控制。在环境条件下操作的单级DMS分析仪具有有限的分辨能力，尤其是对于高于200amu的物质。来自具有这种分子质量的物质的离子趋于在接近0V的补偿电压下聚集，使来自其他感兴趣的物质和来自干扰两者的分析分辨率很小。随着要检测的违禁品物质的数量增加，单级DMS系统的这种行为可能对警报统计具有不利影响并且导致高假警报率(FAR)。响应的选择还受DMS光谱中峰最大值之间的差异的控制。由于用于摩尔质量为150Da或更大的离子的峰趋向于接近零的补偿场，因此在DMS光谱中发生离子峰的显著重叠，并且来自具体物质的响应难以或无法与其他物质区分。当分析混合物，且尤其是复杂混合物时，这会导致响应选择性或假警报的损失。当DMS分析仪用于有毒或危险样品的测量时，高FAR降低了测量的值或置信度。使用在环境压力下在空气中操作的分析仪来改进DMS中的响应的选择性的努力已经包括将化学改性剂、小的挥发性物质添加到支撑气体氛围中以改变用于离子的场依赖性迁移率系数。改性剂被添加到包括离子源的整个气体中，影响电离化学，并且有时干扰测量。改进响应的选择性的另一方法是选择提供最佳峰位置的分离场，如由用于离子的色散图所控制的。这需要预先了解离子和干扰。已经有两种方法来增加单级DMS的有限分辨能力或添加超出核心微分迁移率光谱的分析值。在第一种方法中，有时DMS包括在联用仪器(hyphenatedinstruments)中，试剂已经被添加到DMS分析仪中。这产生了离子环境的变化(没有离子的化学改变)，该变化对离子的微分迁移率有影响并且有时补偿电压偏移，从而允许离子峰的更好分辨率。第二种方法是将单级DMS分析仪与其他仪器组合，例如，作为具有色谱仪的检测器，其中，化合物在其检测之前被预分离，以及作为具有质谱仪和迁移率光谱仪的预过滤器。本说明书的作者前面的已经将两个DMS单元组合成串联微分迁移率光谱仪(DMS/DMS)。使用DMS/DMS系统发现，具有两级而没有离子的化学改变或物理改变的DMS的过滤能力对于日益复杂的混合物(诸如在违禁品检测中发现的混合物)可能是不足的。使用基本性能、峰宽和色散图的当前水平的DMS分析仪需要响应的选择性的进展，以在检测爆炸物、麻醉剂或其他感兴趣的物质，尤其是复杂混合物方面提供更大的置信度。这应该通过低功率、紧凑、手持或便携的DMS系统来实现，并且通过在空气氛围中在环境压力下的操作以合理的成本实现。
技术实现思路
结合系统、工具和方法描述和示出以下实施方式及其方面，该系统、工具和方法旨在是示例性和说明性，而不限制范围。在一些实施方式中，本说明书公开了一种微分迁移率光谱仪(DMS)。DMS包括腔室和检测器。离子流从第一端朝向与第一端相对的第二端行进通过腔室。该腔室包括第一DMS级和第二DMS级，该第一DMS级被配置为在其中生成第一补偿非对称电场，以将离子种类的第一混合物与离子流分离，该第二DMS级被配置为在其中生成第二补偿非对称电场，以将离子种类的第二混合物与离开第一DMS级的离子种类的第一混合物分离。检测器设置在腔室的第二端处，并且被配置为在离子种类的第二混合物离开第二DMS级时从离子种类的第二混合物收集电荷，并且生成表示入射到检测器上的离子种类的第二混合物的特征信号。在一些实施方式中，本说明书公开了一种进行微分迁移率光谱测定的方法。该方法包括在第一微分迁移率光谱仪(DMS)级接收多个离子流。该方法包括在第一DMS级内生成第一补偿非对称电场，以将离子种类的第一混合物与多个离子流分离，第一补偿非对称电场对应于离子种类的第一混合物。该方法包括在第二DMS级接收离子种类的第一混合物。该方法包括在第二DMS级内生成第二补偿非对称电场，以分离源自离子种类的第一混合物并在第二DMS级接收的离子种类的第二混合物，第二补偿非对称电场对应于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多级微分迁移率光谱仪(DMS)，包括：/n腔室，离子流从第一端朝向与所述第一端相对的第二端行进通过所述腔室，所述腔室包括：/n多个DMS级，所述多个DMS级包括：/n第一DMS级，被配置为在其中生成第一补偿非对称电场，以将离子种类的混合物与在离子源中生成的所述离子流分离；/n第二DMS级，被配置为在其中生成第二补偿非对称电场，以将通过所述第一DMS级过滤一些离子种类而产生的离子种类的第二混合物分离；以及/n设置在所述腔室的所述第二端处的至少一个检测器，所述检测器被配置为收集从最后DMS级离开的所述离子种类的电荷，并且生成表示离开所述最后DMS级并且入射到所述检测器上的所述离子种类的特征信号。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171228 US 62/611,3131.一种多级微分迁移率光谱仪(DMS)，包括：
腔室，离子流从第一端朝向与所述第一端相对的第二端行进通过所述腔室，所述腔室包括：
多个DMS级，所述多个DMS级包括：
第一DMS级，被配置为在其中生成第一补偿非对称电场，以将离子种类的混合物与在离子源中生成的所述离子流分离；
第二DMS级，被配置为在其中生成第二补偿非对称电场，以将通过所述第一DMS级过滤一些离子种类而产生的离子种类的第二混合物分离；以及
设置在所述腔室的所述第二端处的至少一个检测器，所述检测器被配置为收集从最后DMS级离开的所述离子种类的电荷，并且生成表示离开所述最后DMS级并且入射到所述检测器上的所述离子种类的特征信号。


2.根据权利要求1所述的多级DMS，还包括电离源，所述电离源设置在所述腔室的所述第一端处并且被配置为：
接收感兴趣的物质的样品；
通过所述样品生成离子；并且
将所生成的离子导入所述多级DMS的所述第一DMS级中。


3.根据权利要求2所述的多级DMS，其中，所述电离源还被配置为：
接收试剂和掺杂剂中的至少一种；并且
通过所述样品以及所述试剂和所述掺杂剂中的至少一种来生成所述离子。


4.根据权利要求1所述的多级DMS，其中，所述腔室还包括设置在任何一对相邻DMS级之间的至少一个改变级，所述改变级被配置为：
从所述腔室中的相邻DMS对的前面的DMS级接收预过滤的离子群；
对所述离子群执行化学改变和物理改变中的至少一种，从而通过由至少一个所述前面的DMS级预过滤的所述离子群产生改变的离子；并且
将所述改变的离子导入所述多级DMS内的所述DMS对的后续DMS级中。


5.根据权利要求4所述的多级DMS，其中，所述改变级包括至少一个裂解器，所述裂解器被配置为解离由所述前面的DMS级预过滤的所述离子群。


6.根据权利要求4所述的多级DMS，其中，所述改变级包括至少一个混合腔室，在所述混合腔室中，预定浓度的掺杂剂被注入到从所述混合腔室之前的DMS级出现的离子混合物中。


7.根据权利要求1所述的多级DMS，其中，所述第一DMS级包括第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极在所述第一电极和所述第二电极之间限定分析间隙，并且所述离子流穿过所述分析间隙，所述第一电极和所述第二电极被配置为产生所述第一补偿非对称电场，所述第一补偿非对称电场包括根据横向施加在所述第一电极和所述第二电极中的至少一个电极上的分离电压限定的分离场，以及根据横向施加在所述第一电极和所述第二电极中的至少一个电极上的补偿电压限定的补偿场。


8.根据权利要求7所述的多级DMS，还包括电压发生器，所述电压发生器由控制器操作并耦接到相应DMS级的对应电极，所述电压发生器被配置为：
生成具有变化的振幅的波形，从而实现低场强与高场强之间的特征振荡；并且
生成至少一个补偿电压信号，所述至少一个补偿电压信号扫过以下中的至少一个：预定范围的补偿电压和对应于用于离子种类的混合物的所述补偿场的设定补偿电压。


9.根据权利要求1所述的多级DMS，所述多级DMS被配置为与离子迁移率光谱测定(IMS)设备和离子阱迁移率光谱测定(ITMS)设备中的至少一个集成，其中，所述IMS设备和...

【专利技术属性】
技术研发人员：加里·A·埃斯曼，马伦·R·门利亚迪夫，哈特维希·施密特，斯特凡·R·卢科维，彼得·福勒，李京一，
申请(专利权)人：拉皮斯坎系统股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US