СПОСОБ ХИМИЧЕСКОЙ КАЛИБРОВКИ, СИСТЕМА И УСТРОЙСТВО
CHEMICAL CALIBRATION METHOD, SYSTEM AND DEVICE

Настоящее изобретение относится к способу калибровки детектирующего устройства для детектирования целевых химикатов. Более конкретно, описание относится к способу, включающему применение изофлурана в качестве аналитического стандарта для калибровки детектирующего устройства, включающего ионизатор и детектор для детектирования ионов, образованных в результате ионизации.
Аналитические стандарты применяют в различных областях, чаще всего в качестве инструмента для калибровки устройства или системы. Термин "калибровка" согласно определению Международного бюро мер и весов: "процедура, которая на первом этапе устанавливает при определенных условиях соотношение между количественными величинами с установлением неопределенности измерений, определяемой эталонами и соответствующими показаниями с погрешностями измерений (откалиброванного оборудования или вторичного стандартного образца), и на втором этапе использует эту информацию для установления соответствия полученного результата измерения с показанием". Таким образом, калибровка является общепринятым средством для уменьшения последствий непостоянства условий эксперимента, таких как давление и температура, на измерение параметров в устройстве или системе, тем самым повышая надежность полученных экспериментально данных.
Для детектирующего устройства достоверность полученных экспериментально данных является ключевым требованием и в зависимости от применения может иметь чрезвычайно важное значение. Например, детектирующие устройства могут применяться военными, полицией и службами безопасности в качестве средства детектирования боевых отравляющих веществ или, альтернативно, медицинскими работниками для детектирования некоторых биологических материалов. Несмотря на их потенциал по совершенствованию процедуры и по применению детектирующего устройства, примеры применяемых надежных аналитических стандартов в качестве средств, гарантирующих, что экспериментальные данные, полученные в отношении конкретного аналитического образца, являются релевантными и надежными, остаются немногочисленными.
Настоящее изобретение относится к применению 1-хлор-2,2,2-трифторэтил-дифторметилового простого эфира, известного также как изофлуран (CAS номер: 26675-46-7), в качестве аналитического стандарта для калибровки детектирующего устройства.
В одном из аспектов изобретения, предложен способ калибровки детектирующего устройства, включающего ионизатор для ионизации образца, детектор для детектирования ионов, образованных в результате ионизации, при этом указанный способ включает:
i) введение калибровочного образца, содержащего изофлуран, в детектирующее устройство;
ii) накопление экспериментальных данных, связанных с детектированием отрицательных ионов мономера и димера изофлурана, образованных в результате ионизации калибровочного образца, и
iii) калибровку детектирующего устройства для детектирования известного целевого химиката, на основании сравнительной оценки экспериментальных данных, накопленных для отрицательного иона мономера изофлурана, и экспериментальных данных, накопленных для отрицательного иона димера изофлурана.
В другом аспекте настоящего изобретения, предложена система для калибровки детектирующего устройства, в которой детектирующее устройство включает ионизатор для ионизации образца и детектор для детектирования ионов, образованных в результате ионизации, при этом калибровочный образец содержит изофлуран, а секция анализа выполнена с возможностью:
i) накопления экспериментальных данных, относящихся к детектированию ионов мономера и димера изофлурана, образованных в результате ионизации калибровочного образца, и
ii) калибровки детектирующего устройства для детектирования известного целевого химиката на основании оценки экспериментальных данных, собранных для иона мономера изофлурана, в сопоставлении с экспериментальными данными, собранными для иона димера изофлурана.
В еще одном аспекте настоящего изобретения предложено устройство, включающее детектирующее устройство, содержащее ионизатор для ионизации образца и детектор для детектирования ионов, образованных в результате ионизации, калибровочного образца, содержащего или состоящего из по существу изофлурана, и средство, выполненное для введения калибровочного образца в детектирующее устройство в ответ на изменение температуры, давления и/или электрического поля детектирующего устройства.
В еще одном аспекте настоящего изобретения, предложено применение калибровочного образца, содержащего или состоящего из по существу изофлурана, для калибровки детектирующего устройства для детектирования целевого химиката, при этом детектирующее устройство включает ионизатор для ионизации образца и детектор для детектирования ионов, образованных в результате ионизации.
Далее в качестве примера со ссылкой на прилагаемые графические материалы будут приведены примеры воплощения настоящего изобретения, на которых:
Фиг. 1 соответствует диаграмме, иллюстрирующей способ по настоящему изобретению.
Фиг. 2 показывает детектирующее устройство в виде спектрометра для детектирования подвижности ионов согласно примеру воплощения настоящего изобретения.
Фиг. 3 соответствует серии спектров, демонстрирующих пики времен дрейфа ионов мономера и димера изофлурана, а также пика реактант-иона (ПРИ), полученных при ионизации воздуха в недопированном режиме работы спектрометра подвижности ионов с отрицательной полярностью, при этом уровни влажности внутри СИП ячейки повышаются.
0
Фиг. 4 представляет график, демонстрирующий влияние температуры на пониженную ионную подвижность (K) ионов мономера и димера изофлурана.
Фиг. 5 представляет блок-схему, которая иллюстрирует пример поставляемого по запросу генератора паров (OVG), который можно использовать для ввода калибровочного образца изофлурана в детектирующее устройство, при этом в поставляемом по запросу генераторе паров используют единственный проницаемый для паров проход.
Фиг. 6 представляет блок-схему, которая иллюстрирует другой пример поставляемого по запросу генератора паров (OVG), который можно использовать для ввода калибровочного образца изофлурана в детектирующее устройство, при этом в поставляемом по запросу генераторе паров используют единственный проницаемый для паров проход.
Фиг. 7 представляет блок-схему, которая иллюстрирует пример поставляемого по запросу генератора паров (OVG), который можно использовать для ввода калибровочного образца изофлурана в детектирующее устройство, при этом в поставляемом по запросу генераторе паров используют проницаемый для паров проход, имеющий выходное отверстие канала, и один или более проницаемых для паров проходов, которые закрыты.
Фиг. 8 представляет блок-схему, которая иллюстрирует другой пример поставляемого по запросу генератора паров (OVG), который можно использовать для ввода калибровочного образца изофлурана в детектирующее устройство, при этом в поставляемом по запросу генераторе паров используют проницаемый для паров проход с выходным отверстием канала и один или более проницаемых для паров проходов, которые закрыты.
В примере, проиллюстрированном на Фиг. 1, первая часть способа 101 включает ионизацию калибровочного образца, содержащего или состоящего из по существу изофлурана. Изофлуран, структурная химическая формула которого представлена на рисунке ниже, в основном известен своим применением в качестве обезболивающего средства, часто применяется для анестезии в ветеринарии и, как правило, существует в виде рацемической смеси (R) и (S) оптических изомеров.
3
2
3
2
2
-
-
Итак, калибровочный образец вводится в детектирующее устройство, где он ионизируется ионизатором детектирующего устройства. При ионизации изофлуран может образовывать отрицательные ионы мономера и димера. Указание на отрицательный ион мономера изофлурана и отрицательный ион димера изофлурана соответствует аддуктам [CFCH(Cl)OCFH-X] и [(CFCH(Cl)OCFH)2-X], соответственно, при этом X представляет собой О, Br или Cl. Природа X в этих аддуктах зависит от основной химии внутри детектора, которую, например, можно модифицировать посредством наличия или отсутствия допирующей добавки во время работы детектора.
Авторы изобретения обнаружили, что природа ионов мономера и димера такова, что специфические экспериментальные условия, обычно связанные с детектирующими устройствами, по-разному влияют на них. Именно соотношение между экспериментальными данными, связанными с детектированием двух разных ионов, можно выявить и использовать для калибровки детектирующего устройства для детектирования конкретного целевого химиката.
В примере способа, проиллюстрированного на Фиг. 1, показано детектирование 102 отрицательного иона мономера изофлурана и отрицательного иона димера изофлурана с помощью детектора детектирующего устройства, подходящего для детектирования ионов, образованных в результате ионизации. В некоторых примерах воплощения детектирующее устройство включает дрейфовую камеру между ионизатором и детектором, по которой ионы могут двигаться из ионизатора в детектор, решетку для регулирования пролета ионов из ионизатора в дрейфовую камеру и множество электродов, выполненных для обеспечения постоянства отрицательного градиента электрического поля внутри дрейфовой камеры для перемещения ионов из ионизатора в детектор. Детектор может быть связан с секцией анализа. В некоторых примерах воплощения секция анализа содержит компьютерную систему. Указанная компьютерная система может включать компьютерные программные продукты, которые могут быть записаны на постоянные машиночитаемые носители и могут быть пригодны для программирования процессора для осуществления любого одного или нескольких способов, описанных в данной заявке.
Способ, проиллюстрированный на Фиг. 1, включает накопление данных 103, относящихся к детектированию отрицательных ионов мономера и димера изофлурана, образованных в результате ионизации калибровочного образца. В примерах воплощения, в которых детектирующее устройство включает дрейфовую камеру между ионизатором и детектором, решетку и множество электродов, экспериментальные данные, полученные как часть способа настоящего изобретения, могут включать времена дрейфа через дрейфовую камеру отрицательных ионов мономера и димера изофлурана, образованных в результате ионизации калибровочного образца. Другими словами, время дрейфа соответствует времени пролета ионов мономера и димера в дрейфовой камере после ионизации и до детектирования. Если детектор связан с секцией анализа, секция анализа может быть выполнена с накоплением экспериментальных данных, относящихся к детектированию отрицательно заряженных ионов мономера и димера изофлурана, образованных в результате ионизации калибровочного образца.
Способ, проиллюстрированный на Фиг. 1, включает калибровку детектирующего устройства 104 для известного целевого химиката на основании оценки экспериментальных данных, накопленных для иона мономера изофлурана, в сопоставлении с экспериментальными данными, накопленными для отрицательного иона димера изофлурана. В некоторых примерах воплощения эта часть способа может включать оценку времени дрейфа отрицательного мономера изофлурана в сравнении с временем дрейфа отрицательного иона димера изофлурана. В некоторых примерах воплощения степень кластеризации нейтральных молекул в детектирующем устройстве вокруг иона мономера изофлурана определяют с помощью отношения времени дрейфа иона мономера изофлурана ко времени дрейфа иона димера изофлурана.
Таким образом, калибровка может включать модифицирование параметра детектирования времени дрейфа в детекторе для детектирования конкретного известного целевого химиката. Например, она может быть основана на сравнении измеренного уровня кластеризации нейтральных молекул в детектирующем устройстве вокруг иона мономера изофлурана в сопоставлении с предварительно определенными временами дрейфа целевого химиката в зависимости от изменения степеней кластеризации. Когда детектирующее устройство откалибровано, можно проводить анализ анализируемого образца с помощью детектирующего устройства с модифицированным параметром детектирования. Если секция анализа предназначена в качестве средства для проведения способа согласно настоящему описанию, такая секция анализа может быть выполнена для калибровки детектирующего устройства для детектирования известного целевого химиката на основании оценки экспериментальных данных, собранных для иона мономера изофлурана в сопоставлении с экспериментальными данными, собранными для иона димера изофлурана.
В некоторых примерах воплощения калибруемое детектирующее устройство согласно настоящему изобретению является спектрометром подвижности ионов, более конкретно спектрометром подвижности ионов в режиме работы с отрицательной полярностью. Спектрометрия подвижности ионов (СИП) является аналитическим методом, который способен разделять ионы в газовой фазе согласно отношениям их размера к заряду в результате взаимодействия ионов с буферным газом в электрическом поле. Метод СИП способен идентифицировать химикаты на основании времени, затраченного на пролет ионизованного химиката через дрейфовую камеру, разделяющую ионизатор и детектор. Выводимые данные СИП детектора можно визуально представить графически в виде спектра высоты пика в зависимости от времени пролета иона ("времени дрейфа").
Спектрометры подвижности ионов применяли в многочисленных приложениях, наиболее заметно в детектировании боевых отравляющих веществ, взрывчатых веществ и запрещенных лекарственных препаратов, благодаря их высокой чувствительности, портативности, легкости в эксплуатации и быстрому времени ответа, они стали незаменимыми устройствами для сотрудников вооруженных сил, полиции и службы безопасности. Спектрометры подвижности ионов также использовали при детектировании биологических материалов, в том числе в части устройств для медицинской диагностики, а также для непрерывного мониторинга молекулярного загрязнения воздуха (воздушно-капельного инфицирования).
Фиг. 2 является иллюстрацией спектрометра 200 подвижности ионов, который включает камеру 202 ионизации, которая отделяется от дрейфовой камеры 204 решеткой 206. Решетка 206 может регулировать прохождение ионов из камеры 202 ионизации в дрейфовую камеру 204. На Фиг. 2 источник 210 ионизации установлен для ионизации материала в камере 202 ионизации. В примере, проиллюстрированном на Фиг. 2, дрейфовая камера 204 лежит между камерой 202 ионизации и детектором 218 так, что ионы могут достичь детектора 218 путем пересечения дрейфовой камеры 204. Дрейфовая камера 204 может включать последовательность электродов 220 для использования электрического поля в дрейфовой камере для перемещения ионов из камеры 202 ионизации по дрейфовой камере 204 в направлении детектора 218. Спектрометр подвижности ионов 200 можно выполнить с возможностью обеспечения потока буферного газа в направлении, как правило, противоположном направлению движения иона в детектор 218. Например, дрейфовый газ может протекать из устройств вблизи детектора 218 в направлении решетки 206.
Детектор 218 можно использовать для характеристики ионов, детектируемых на основании времени прохождения ионов из решетки 206 по дрейфовой камере 204 в детектор 218. Примеры детектора 218 выполнены с возможностью получения сигнала, показывающего, что ионы достигли детектора 218. Например, детектор может включать цилиндр Фарадея (англ. - a faraday plate), который генерирует электрический ток при нейтрализации на нем ионов.
Электроды 220 могут быть установлены для направления ионов в направлении детектора 218, например, электроды 220 могут содержать кольца, которые могут быть установлены вокруг дрейфовой камеры 204 для собирания ионов в детектор 218. Хотя пример на Фиг. 2 включает множество электродов 220, в некоторых примерах могут применяться только два электрода или может применяться единственный электрод в комбинации с детектором 218 для приложения электрического поля, чтобы направлять ионы в направлении детектора 218. Возможны также другие конфигурации электродов, примеры включают, но не ограничиваются электродами других геометрических форм, с плохо проводящими и/или хорошо проводящими электричество покрытиями (например, провода с высоким сопротивлением), и в частности, со сплошным покрытием.
СИП может работать, но не одновременно, либо в режиме отрицательной полярности, либо в режиме положительной полярности в зависимости от того, приложен, соответственно, отрицательный или положительный градиент электрического поля. Исторически детектирование аналитов, образующих положительные ионы, в спектрометре подвижности ионов, и, следовательно, детектируемых в режиме положительной полярности, первоначально относилось к детектированию наркотических средств, тогда как детектирование взрывчатых веществ более часто проходит в режиме отрицательной полярности.
Кроме физических характеристик иона, на скорость перемещения ионов в буферном газе в дрейфовой камере 204 под воздействием электрического поля обычно влияет напряженность поля, природа буферного газа, температура и давление. Количественной мерой конкретного иона в области СИП является коэффициент подвижности иона (K), который определяется скоростью иона и напряженностью электрического поля в соответствии с уравнением (1) ниже:
-1
-1
d
0
где ν - скорость иона в см с, Е - электрическое поле в области дрейфа в В см, L -длина области дрейфа в см, V - суммарный перепад напряжения в вольтах через область дрейфа и t - время ("время дрейфа"), затраченное на прохождение ионом расстояния L в секундах. Обычно коэффициент подвижности иона модифицируется и регистрируется в виде приведенного коэффициента подвижности (K), который соответствует измеренному коэффициенту подвижности, приведенному к стандартным давлению и температуре, в соответствии с уравнением (2) ниже:
где Р - давление в области дрейфа в торр, а Т - температура буферного газа в градусах Кельвина. Одна из проблем уравнения (2) для определения приведенной подвижности состоит в том, что оно не учитывает воздействия изменений в разрезе случайных столкновений ионов, возникающих в результате изменений температуры (воздействие которой проиллюстрировано на Фиг. 4, как обсуждается ниже). Как заявлено в Analyst, 2010, 135, 1433-1442, это обстоятельство привело к применению аналитических стандартов в СИП в качестве средства калибровки подвижностей ионов, полученных экспериментально. В прошлом был предложен ряд аналитических стандартов для применения в СИП, включая протон-связывающие димеры 2,4-лутидина и диметилметилфосфоната, которые демонстрируют незначительные изменения в приведенной подвижности в диапазоне температур от комнатной температуры вплоть до 250°С.
Путем применения аналитического стандарта приведенные подвижности можно вычислить из экспериментально определенных величин подвижности в соответствии с уравнением (3) ниже. Это соотношение использовали в прошлом для корректировки неопределенностей измерений по отношению к напряженности электрического поля, температуре и давлению в СИП.
В последние годы считают, что на величины приведенной подвижности влияют не только температура и давление, но также результат кластеризации нейтральных молекул, таких как вода, воздух, диоксид углерода и летучие органические соединения, вокруг ионов, пересекающих дрейфовую камеру. В некоторых случаях, это может стать результатом загрязнения буферного газа. Кластеризация вокруг иона влияет на его подвижность при движении через дрейфовую камеру. Было показано, что это явление, например, влияет на подвижность связанных водородной связью димеров 2,4-лутидина и диметилметилфосфоната, которые прежде применяли в качестве аналитических стандартов.
Как следствие, возрос интерес к разработке аналитических стандартов, которые испытывают лишь незначительное влияние кластеризации нейтральных молекул, например, возникающей в результате высоких уровней содержания влаги в дрейфовой камере, связанных с высокой относительной влажностью. Это также приводит к новому подходу к калибровке спектрометров подвижности ионов, один из которых основан на применении «стандарта подвижности», а также «стандарта измерительного прибора», как предложено в Analyst, 2010, 135, 1433-1442. Стандарт подвижности соответствует аналитическому стандарту, который чувствителен к кластеризации, тогда как стандарт, который не испытывает влияния кластеризации и, таким образом, чьи величины подвижности остаются во всех случаях не подверженными влиянию загрязнения буферного газа, считают стандартом измерительного прибора. Ди-трет-бутил пиридин (DTBP) выделили в качестве примера стандарта измерительного прибора для СИП, поскольку его подвижность не зависит от температуры буферного газа и уровня влажности.
Калибровка спектрометра подвижности ионов, например, показанная на Фиг. 2, с помощью стандарта подвижности и стандарта измерительного прибора, может сначала включать определение постоянной измерительного прибора (Ci) с помощью уравнения (4) ниже (перегруппировка представленного выше уравнения 2). Предлагают, что величину постоянной измерительного прибора нужно определять при последовательном изменении длины области дрейфа, давления, температуры и/или градиента электрического поля.
После определения постоянной измерительного прибора (Ci) следующим шагом можно использовать стандарт подвижности для определения того, происходит ли в спектрометре кластеризация. Если произведение экспериментально измеренного времени дрейфа стандарта подвижности и его приведенного коэффициента подвижности равно измеренной постоянной измерительного прибора (Ci), это указание на отсутствие кластеризации. В этом случае, уравнение (5) ниже можно применять для определения величины приведенной подвижности неизвестного аналита.
Альтернативно, если происходит кластеризация, например, в результате загрязнения в спектрометре, тогда можно определить поправочный коэффициент, который будет специфичным для определенного аналита при специфической температуре и степени кластеризации, для оценки эффекта кластеризации на подвижность иона. Кластеризация влияет на подвижность иона, главным образом, из-за своего тормозящего действия на перемещение ионов через дрейфовую камеру. Такой поправочный коэффициент можно использовать для калибровки спектрометра подвижности ионов для детектирования специфического целевого химиката при специфических рабочих условиях спектрометра.
3
2
3
2
2
-
-
Авторами изобретения было обнаружено, что один лишь изофлуран можно эффективно использоваться и в качестве стандарта измерительного прибора, и в качестве стандарта подвижности для определения степени кластеризации в спектрометре подвижности ионов и для калибровки с целью детектирования специфического целевого химиката. Обнаружили, что изофлуран образует два реперных пика при работе спектрометра подвижности ионов в режиме отрицательной полярности, соответствующих указанным выше ионам мономера и димера, [CFCH(Cl)OCFH-X] и [(CFCH(Cl)OCFH)-X]. Обнаружили, что пик димера лишь незначительно чувствителен к кластеризации с нейтральными молекулами в спектрометре, и, тем самым, соответствует требованию к стандарту измерительного прибора. При этом обнаружили, что пик подвижности мономера чувствителен к кластеризации нейтральных молекул в спектрометре, и, тем самым, соответствует требованию к стандарту подвижности. Это проиллюстрировано на чертежах, прилагаемых к заявке.
2
2
На Фиг. 3 показано, что, когда влажность, то есть содержание воды, внутри дрейфовой камеры спектрометра подвижности ионов увеличивается (на верхнем скриншоте 30 млн частей НО, на нижнем скриншоте 215 млн частей НО), увеличивается степень кластеризации вокруг иона мономера изофлурана, что приводит к соответствующему увеличению времени дрейфа. Напротив, ион димера не подвержен влиянию кластеризации и, следовательно, его время дрейфа остается постоянным независимо от увеличения влажности.
0
На Фиг. 4 приведен график приведенных подвижностей ионов мономера и димера изофлурана (K), измеренных при работе спектрометра подвижности ионов в недопированном режиме с отрицательной полярностью. Очевидно, что ион димера изофлурана является стабильным в протестированном диапазоне температур без каких-либо наблюдаемых изменений приведенной подвижности иона. Напротив, отмечается значительное увеличение для Ко иона мономера изофлурана при увеличении температуры. Это связано с потерей воды при дегидратации, то есть уменьшением степени кластеризации молекул воды вокруг иона мономера при увеличении температуры. На Фиг. 4 проиллюстрировано, насколько существенно изменение температуры может влиять на приведенную подвижность иона мономера.
Постоянную измерительного прибора (Ci) можно определить для специфических условий, при которых работает спектрометр, на основе экспериментально определяемого времени дрейфа для иона димера изофлурана. В свою очередь, постоянную измерительного прибора можно использовать для определения того, происходит ли какая-либо кластеризация нейтральных молекул вокруг ионов в дрейфовой камере, путем определения, равна ли она произведению экспериментально определенного времени дрейфа для иона мономера изофлурана и его коэффициента приведенной подвижности.
Если эти величины не равны, степень различия можно использовать для количественной оценки степени кластеризации нейтральных молекул вокруг ионов аналита внутри спектрометра. Таким образом, отношение подвижностей мономера изофлурана и димера изофлурана можно использовать на практике для определения степени кластеризации вокруг мономера.
Эту зависимость кластеризации можно использовать для определения ожидаемых времен дрейфа пика(ов) производных ионов (ППИ) (PIPs (англ. - Product Ion Peak(s))) целевых химикатов, которые чувствительны к кластеризации, для которых времена дрейфа были предварительно определены для меняющихся степени кластеризации в зависимости от температуры в диапазоне температур. Например, предварительно определенные значения могут быть получены из данных, полученных для времен дрейфа ППИ для ряда специфических условий температуры и влажности. Очевидно, что специалист в данной области техники может легко получить эти предварительно определенные величины экспериментально. Альтернативно, вместо этого может быть сделано обращение к моделирующему программному обеспечению (ПО), которое может использовать эмпирические данные для моделирования влияния кластеризации на времена дрейфа ППИ целевых химикатов и формирования ожидаемых времен дрейфа для ППИ целевых химикатов при специфических рабочих условиях детектора. Такое ПО коммерчески доступно из различных источников, известных специалисту в данной области техники, и точность его предсказаний можно легко проверить экспериментально.
При определении ожидаемых времен дрейфа для ППИ целевого химиката при специфической комбинации условий проведения эксперимента, параметры детектирования детектора можно подстроить для определения таких ППИ с учетом ожидаемых времен дрейфа. Например, положение окна, соответствующее диапазону времен дрейфа, через которое пики ионов могут быть визуализированы, можно подстроить так, чтобы визуализировать ППИ в пределах диапазона времени дрейфа, который является приемлемым в отношении ожидаемого времени дрейфа целевых химикатов ППИ. Таким образом, спектрометр можно калибровать для детектирования специфического целевого химиката.
0
0
0
Таким образом, калибровка представляет собой двухстадийный способ: сначала приведенную подвижность (K) иона димера используют для калибровки K пространства внутри детектора. Потом K иона мономера используют для определения степени кластеризации, которая имеется внутри ячейки, при этом регистрационные окна перемещаются соответственно. Способ по настоящему изобретению можно осуществить при любых изменениях давления, температуры и/или градиента электрического поля, если эти параметры непрерывно контролируются во время работы детектирующего устройства.
Настоящее изобретение подходит для калибровки спектрометров подвижности ионов с функцией нагрева и без нее. В частности, настоящее изобретение подходит для калибровки спектрометра подвижности ионов без функции нагрева, который функционирует при температуре окружающей среды. С точки зрения применения спектрометров подвижности ионов, часто температура окружающей среды может чрезвычайно широко варьироваться (например, от заметно ниже 0°С вплоть до 40°С). Этот диапазон температур может иметь существенное влияние на положение (время дрейфа) пика ППИ целевых химикатов, как указано выше. При фиксировании температуры, как в спектрометре подвижности ионов с функцией нагрева, изменения положения пиков, возникающие в результате изменения температуры, заметно снижены. Однако в спектрометре без функции нагрева, изменения температуры окружающей среды могут приводить к заметным сдвигам в положении пиков, как показано для иона мономера изофлурана на Фиг. 4.
Способ по настоящему изобретению позволяет подстроить параметры детектирования, например, положение окна для детектирования целевого химиката в широком диапазоне температуры окружающей среды, так например, от -31°С до 50°С, включая от -10°С до 40°С. Кроме того, изофлуран является особенно предпочтительным в том, что он обладает летучестью, что делает его подходящим для применения в спектрометре подвижности ионов, функционирующем в широком диапазоне температур.
Детектирующее устройство, описанное в данной заявке, может включать осушитель, такой как, например, молекулярные сита, для осушения дрейфового газа в дрейфовой камере. Кроме того, как будет понятно специалистам, можно применять ловушки (скрубберы) для минимизации загрязнения летучими органическими веществами. Эти компоненты могут снизить загрязнение в дрейфовой камере и/или степень кластеризации нейтральных молекул вокруг ионов в дрейфовой камере.
63
Будет ясно, что источник ионизации детектирующего устройства может быть выбран из любого подходящего источника для целей ионизации. Например, в качестве радиоактивных источников можно использовать Ni фольгу, ионизацию электрораспылением, распылением коронным разрядом и ионизацию коронным разрядом, матрично-активированную лазерную десорбцию/ионизацию или фотоисточники ионизации. В некоторых примерах воплощения настоящего изобретения допирующий агент (допант) можно использовать для активирования ионизации и, например, для образования отрицательных ионных аддуктов изофлурана, описанных ранее. Подходящие допанты включают гексахлорэтан (НСЕ; CAS# 67-72-1) и пентахлорэтан (РСЕ; CAS# 76-01-1).
Детектор в детектирующем устройстве по настоящему изобретению может представлять собой пластину, которая работает как цилиндр Фарадея. Однако будет понятно, что другие детекторы можно использовать согласно настоящему изобретению в качестве альтернативы или дополнительно к ней, например, масс-спектрометр.
Детектирующее устройство также может быть снабжено средством, которое выполнено для введения калибровочного образца в детектирующее устройство в ответ на изменение температуры, давления и/или электрического поля детектирующего устройства. Детектирующие устройства могут содержать генератор паров для подачи допирующего химиката в детектор. Генераторы паров можно также использовать для подачи тестового химиката для тестирования или калибровки детектора, фильтра или другого оборудования. В некоторых видах применения важно, что генератор паров можно быстро включить и выключить, и что можно исключить утечку, когда детектор выключен. Например, в спектрометре подвижности ионов, быстрое включение/выключение генератора паров делает возможным быстрое переключение между различными условиями допирования, такими как, между различными уровнями допанта или различными допирующими веществами. Такое быстрое переключение позволяет также по-разному допировать разные области СИП детектора, обеспечивая отсутствие утечек в недопированные области устройства, когда устройство выключено.
Для улучшения способности спектрометра идентифицировать ионы в анализируемом образце, предложено модифицировать некоторые ионы с помощью радиочастоты, РЧ, электрического поля (например, путем их фрагментирования) для обеспечения дополнительной информации, которую можно использовать для проведения опознания ионов. Это обеспечивает дополнительные степени свободы при определении ионов, и, следовательно, может обеспечить способность выявлять различия между ионами. Если измерения проводят в присутствии загрязнителей или в трудных условиях работы, или образец содержит ионы химикатов различной природы с похожими геометрическими характеристиками и массами и т.д., способность спектрометров подвижности ионов регистрировать и идентифицировать ионы может снижаться, а модификация ионов будет одним из путей решения этих проблем.
В аспектах настоящего изобретения калибровочный образец можно вводить в детектирующее устройство с помощью поставляемого по запросу генератора паров, содержащего: источник паров, содержащий калибровочный образец, связанный путем потока, для обеспечения подачи паров через заслонку в выходное отверстие для распыления паров в детектирующее устройство. Заслонка может содержать первый проницаемый для паров проход, установленный для осложнения диффузии паров от источника в выходное отверстие. Первый проницаемый для паров проход может содержать материал, предназначенный для поглощения паров, например, путем абсорбции. Абсорбция включает по меньшей мере одно из следующих: абсорбцию паров на поверхности, химическую абсорбцию, поглощение паров путем химического или молекулярного воздействия и по меньшей мере временное удерживание паров в пористом материале. Проницаемый для паров проход выполнен для обеспечения продвижения паров через диффузионный барьер от источника в выходное отверстие под действием разности давлений (например, нагнетания насосом или продавливания потока, в отличие от простой разницы концентраций).
Генератор паров может также содержать по меньшей мере один дополнительный проницаемый для паров проход, действующий в качестве поглотителя, связанный с выходным отверстием с помощью первого проницаемого для паров прохода. Поглотитель может содержать материал, предназначенный для поглощения паров, чтобы изменить направление диффузии паров в сторону от выходного отверстия. В некоторых примерах воплощения первый проницаемый для паров проход и поглотитель установлены таким образом, что при изменении разности давлений между выходным отверстием и источником паров сопротивление продвижению потока паров через первый проницаемый для паров проход к выходному отверстию становится меньше, чем сопротивление продвижению потока паров в поглотитель. В некоторых примерах воплощения путь потока включает ответвление, которое связывает источник паров с первым проницаемым для паров проходом, и закрытое ответвление, содержащее поглотитель. В некоторых примерах воплощения поглотитель содержит по меньшей мере один второй проницаемый для паров проход, при этом источник паров содержит испарительную камеру, а заслонка содержит систему для абсорбции.
В одном или более воплощениях генератор паров включает испарительную камеру, выполненную для получения паров, и систему абсорбции паров, выполненную для улавливания потоков паров из испарительной камеры, например, через диффузионный барьер. Система абсорбции паров включает первый проницаемый для паров проход, имеющий выходное отверстие прохода. Система абсорбции паров может дополнительно включать один или более вторых проницаемых для паров проходов, которые закрыты.
Если система абсорбции паров принимает поток (например, подаваемый под давлением поток) паров из испарительной камеры, поток паров проходит через первый проницаемый для паров проход в выходное отверстие прохода по меньшей мере по существу без абсорбции паров из потока паров. Однако если поток паров поступает не из испарительной камеры, пары, поступающие в систему абсорбции паров из испарительной камеры, проходят в первый проницаемый для паров проход и затем по меньшей мере в один второй проницаемый для паров проход и по меньшей мере по существу абсорбируются.
На Фиг. 5-8 показаны поставляемые по запросу генераторы 500 паров в соответствии с приведенными в качестве примера воплощениями настоящего изобретения. Как показано, генератор 500 паров включает входное отверстие 502 и выходное отверстие 503 паров, соединенное с входным отверстием детектирующего устройства 504. Генератор 500 паров выполнен для обеспечения легко регулируемой подачи паров в детектирующее устройство 504. В некоторых воплощениях генератор 500 паров может подавать поток паров к разным детектирующим устройствам. Например, в одном из воплощений детектирующее устройство 504 может включать СИП детектор. В некоторых воплощениях генератор 500 паров и детектирующее устройство 504 могут представлять собой часть системы 50 детектирования (например, СИП системы детектирования). В таких системах 50 детектирования генератор 500 паров и система детекторов может размещаться внутри общего корпуса.
Генератор 500 паров включает генератор 506 потока газа (например, воздуха), такой как, например, вентилятор, компрессор, источник сжатого газа и т.д.. Генератор 506 потока выполнен с возможностью включения или выключения для подачи потока газа (воздуха), при необходимости, к его выходному отверстию 507. Генератор 506 потока может включать различные фильтры или другие устройства для удаления загрязняющих веществ и паров воды из газа (например, из атмосферного воздуха) перед подачей газа к выходному отверстию 507.
Выходное отверстие 507 генератора 506 потока находится в соединении по текучей среде с (например, соединено с) входным отверстием 508 на одном конце испарительной камеры 509. Испарительная камера 509 может иметь различные конфигурации и может содержать любой вид источника паров или источник проницаемости, например, источник диффузии. Например, в представленном воплощении испарительная камера 509 включает корпус 510, который содержит фитиль, абсорбирующий материал 511, насыщенный соединением, например, изофлураном, в жидком состоянии таким образом, что внутреннее пространство 512 внутри корпуса 510 над абсорбирующим материалом 511 по меньшей мере по существу заполнено парами жидкости при давлении насыщенных паров жидкости при температуре окружающей среды. Испарительная камера 509 включает выходное отверстие 513 на конце, противоположном входящему отверстию 508, через которое поток паров, состоящий из паров и газа, может вытекать из испарительной камеры 509.
Выходное отверстие 513 испарительной камеры находится в соединении по текучей среде с (например, соединено с) входным отверстием 514 системы 515 абсорбции паров, например, через диффузионный барьер. Система абсорбции паров 515 включает поглотитель 516 паров, выполненный с возможностью абсорбции паров, генерируемых испарительной камерой 509. Проницаемый для паров проход (основной путь потока) 517 с выходным отверстием (выходное отверстие 503 паров) проходит через абсорбент 516 паров и соединяется с детектирующим устройством 504. В приведенных для примера воплощениях система 515 абсорбции паров включает единственный проницаемый для паров проход 517. Однако предполагают, что дополнительные проницаемые для паров проходы 517 могут быть обеспечены параллельно показанному проходу 517. Кроме того, можно обеспечить вторую систему абсорбции паров между входным отверстием 508 испарительной камеры 509 и генератором 506 потока для предотвращения испарения из камеры 509 проходящего в генератор 506 потока в значительных количествах, когда перекрыт поток газа (например, когда выключен генератор 506 потока). Пневмоклапан может быть установлен между указанной второй системой абсорбции паров и испарительной камерой. Такой клапан можно держать закрытым, пока не потребуется поток газа (воздуха).
Поставляемый по запросу генератор 500 паров может дополнительно содержать один или более диффузионных барьеров 505. В некоторых воплощениях диффузионные барьеры могут содержать проточные части с небольшой площадью сечений, которая ограничивает скорость диффузии (и, следовательно, потерь) паров из генератора 500 паров, когда генератор 500 находится в выключенном состоянии (например, когда генератор 500 паров не подает потока паров).
Когда генератор 500 паров находится в выключенном состоянии (например, в состоянии "off", то есть когда поток паров не подается), генератор 506 потока остается выключенным так, что нет потока газа (воздуха) через испарительную камеру 509 и проницаемый для паров проход 517. Проницаемый для паров проход 517 открыт во внутреннее пространство 512 испарительной камеры 509 так, что некоторая часть паров может дрейфовать в проход 517. Если происходит такой дрейф, пар диффундирует в абсорбирующий пары материал и там абсорбируется. Канал, длину, пористость и природу абсорбента 516 паров выбирают так, что в условиях нулевого потока (например, в условиях отсутствия или практически отсутствия потока) количество пара, которое выделяется из концевой части выходного отверстия 503 прохода 517, незначительно в контексте применения, в котором используется генератор 500 паров. Например, если генератор 500 паров используют в качестве источника калибровочного вещества в СИП детекторе, поток паров калибровочного вещества в выключенном состоянии принимают в качестве несущественного для получения с помощью СИП детектора любого значимого пика иона калибровочного вещества.
Генератор 500 паров включают для получения потока паров из его выходного отверстия 503 путем включения генератора 506 потока для получения потока газа (воздуха) во входном отверстии 508 испарительной камеры 509. Этот поток газа (воздуха) собирает пары, генерированные в испарительной камере 509, и проталкивает их через выходное отверстие 513 и в проход 517 системы 515 абсорбции паров. Скорость потока в проходе 517 выбирают так, что время пребывания собранных паров в проходе достаточно мало для того, чтобы небольшое количество паров абсорбировалось на абсорбенте 516 паров. Таким образом, большая часть паров проходит через проницаемый для паров проход 517 к концевой части выходного отверстия 503 прохода 517 для доставки в детектирующее устройство 504 по сравнению с тем, когда генератор потока выключен. Поток паров может быть непрерывным или импульсным.
Генератор 500 паров выполнен с возможностью очень быстрого выключения потока паров, когда он не требуется, так, чтобы пары не просачивались в значительной степени. В системе СИП детектирования это эффективно предупреждает пропускание паров допанта в СИП детектор, когда система выключена и не подключена к сети. Это также может обеспечить допирование выбранных областей СИП детектора с пониженным риском того, что допант просочится в недопированные области, когда устройство выключено. В традиционных системах поток газа через СИП детектор может сохранять недопированные области свободными от допанта, когда устройство приведено в действие, но при его отключении поток газа прекращается, и незначительное подтекание допанта загрязняет все области устройства. Раньше было очень трудно по-разному допировать разные области СИП детектора, если только устройство не подключено к сети постоянно.
На Фиг. 5-8 проиллюстрирован генератор 506 потока, который находится в соединении по текучей среде с (например, соединен с) входным отверстием 502 испарительной камеры 509 для проталкивания воздуха в камеру 509. Однако в других воплощениях генератор 506 потока может присоединяться ниже по потоку от испарительной камеры 509 и устанавливаться для втягивания воздуха в камеру 509. Например, генератор 506 потока может подсоединяться между выходным отверстием 513 испарительной камеры 509 и входным отверстием 514 системы 515 абсорбции паров (концевая часть входного отверстия 514 проницаемого для паров прохода 517) или может подсоединяться ниже по потоку относительно системы 515 абсорбции паров (у концевой части выходного отверстия 503 прохода 517).
В воплощениях, показанных на Фиг. 7 и 8, проиллюстрирована система 515 абсорбции паров, которая дополнительно включает один или более дополнительных проницаемых для паров проходов (областей), которые являются закрытыми (например, заблокированными), так что образуют «тупиковые» проницаемые для паров проходы (проиллюстрированы четыре (4) тупиковых проницаемых для паров прохода 717A-D, совместно обозначенные 717). Как показано, тупиковые проницаемые для паров проходы 717 могут поэтому только частично проходить через абсорбент 516 паров и не содержат выходных отверстий.
Когда система 515 абсорбции паров получает поток паров из испарительной камеры 509 (например, включен генератор 506 потока), поток паров проходит через первичный проницаемый для паров проход 517, который функционирует как основной путь потока, в выходное отверстие прохода 503 по меньшей мере по существу без абсорбции паров из потока паров абсорбентом 516 паров. Однако когда поток паров из испарительной камеры не подается, (например, генератор 506 потока выключен, так что поток паров незначительный или отсутствует), пары, поступающие в систему 515 абсорбции паров из испарительной камеры 509, проходят в проницаемый для паров проход 517 и/или тупиковые проницаемые для паров проходы 717 и по меньшей мере по существу абсорбируются абсорбентом 516 паров.
Когда генератор 500 паров находится в выключенном состоянии (например, когда не подается поток паров), пары, диффундирующие из испарительной камеры 509, поступают в систему 515 абсорбции паров, как раньше, но теперь передаются и в проницаемый для паров проход 517 (основной путь потока), и в тупиковые проницаемые для паров проходы 517. В результате, площадь абсорбции, предназначенная для паров, (и, следовательно, степень абсорбции) значительно возрастает. Однако когда генератор 500 паров находится во включенном состоянии (например, когда подают поток паров), тупиковые проницаемые для паров проходы 717 действуют как мертвые зоны по существу без обмена газа и не вносят вклад в абсорбцию паров из потока паров. Следовательно, нет существенного изменения концентрации паров, выходящих из генератора 500 паров с тупиковыми проницаемыми для паров проходами 717 от воплощений, которые включают только проницаемый для паров проход 517 без тупиковых проницаемых для паров проходов 717.
В воплощениях добавление тупиковых проницаемых для паров проходов 717 позволяет увеличить ширину температурного интервала, в котором может функционировать поставляемый по запросу генератор 500 паров. С ростом температуры эффективность проницаемости и источники диффузии увеличиваются, возрастает скорость диффузии, а способность абсорбирующих материалов (например, активированного угля) захватывать химикаты часто снижается. Следовательно, большая концентрация паров при более высокой скорости доставляется в систему 515 абсорбции паров от генератора 500 паров. Такое увеличение будет осложняться уменьшением абсорбционной емкости/степени абсорбции, что приводит к уменьшению способности системы 515 абсорбции паров взаимодействовать с парами. Следовательно, может увеличиться подтекание в выключенном состоянии. Следовательно, если проницаемый для паров проход 517 систем 515 абсорбции паров, показанный на Фиг. 5 и 6 (без тупиковых проницаемых для паров проходов 717), разработан подходящей длины для обеспечения подходящей концентрации паров на выходе из генератора 500 паров во включенном состоянии при чрезвычайно низких температурах, проходы 517 могут быть недостаточно длинными для абсорбции всех паров в выключенном состоянии при чрезвычайно высоких температурах. Добавление тупиковых проницаемых для паров проходов 717 в систему абсорбции паров 515, как показано на Фиг. 7 и 8, увеличивает абсорбцию в выключенном состоянии, хотя и не уменьшает концентрацию паров во включенном состоянии, выходящих из генератора 500 паров. Соответственно, добавление тупиковых проницаемых для паров проходов 717 в систему 515 абсорбции паров позволяет уменьшить утечки паров в более широком интервале температур без ограничения способности генератора 500 паров подавать необходимое количество паров при чрезвычайно низких температурах. Кроме того, добавление тупиковых проницаемых для паров проходов 717 делает возможным дальнейшее увеличение концентрации паров, выходящих из генератора 500 паров не в ущерб возможности генератора 500 паров ограничивать подтекание паров в выключенном состоянии.
В воплощениях добавление тупиковых проницаемых для паров проходов 717 в систему 515 абсорбции паров, как показано на Фиг. 5 и 6, может способствовать укорочению основного пути потока (например, укорочению паропроницаемого прохода 517), что позволит генератору 500 паров выдавать более высокие концентрации паров во включенном состоянии без ограничения возможности генератора 500 ограничивать подтекание в выключенном состоянии. Кроме того, в ситуациях, где система 50 детектирования должна работать в интервале температур, добавление тупиковых проницаемых для паров проходов 717 в систему 515 абсорбции паров улучшает способность генератора 500 паров поставлять подходящую концентрацию паров, выходящих из генератора 500 паров во включенном состоянии при низкой температуре за счет короткого основного пути потока (когда активность источника ниже, чем при высокой температуре), при этом одновременно ограничивая подтекание генератора 500 паров в выключенном состоянии до подходящих уровней при более высоких температурах (когда активность источника и скорость диффузии выше, чем при низких температурах).
Размеры, расположение и конфигурация систем 515 абсорбции паров поставляемых по запросу генераторов 500 паров, показанных на Фиг. 5-8, включающих проницаемый для паров проход 517 (основной путь потока) и/или тупиковые проницаемые для паров проходы 717, могут изменяться в зависимости от ряда факторов, включающих, но не ограничиваясь указанными: активность источника паров (испарительной камеры 509), необходимые обеспечиваемые концентрации, потоки, используемые во включенном состоянии генератора 500 паров, приемлемую степень испускания в выключенном состоянии и условия (например, температуру), при которой функционирует генератор 500 паров. Соответственно, любые размеры, расположение или конфигурации представлены здесь в целях иллюстрации и не обязательно должны восприниматься в качестве ограничивающих настоящее изобретение.
В воплощениях, показанных на Фиг. 5 и 7, проницаемый для паров проход 517 и/или тупиковые проницаемые для паров проходы 717 системы 515 абсорбции паров включают механическим образом обработанные каналы, сформированные в блоке 516 абсорбирующего материала, такого как, например, углерод (например, активированный уголь) или спеченный материал, такой как, например, материал из молекулярных сит, которые могут состоять из цеолитов. В других воплощениях проницаемый для паров проход 517 и тупиковые проницаемые для паров проходы 717 могут формироваться путем формования блока 516 вокруг расположенной в центре конструкции, которую потом удаляют. Абсорбирующий материал выполнен для абсорбции паров (например, паров ацетона и т.д.). Например, сам материал может формироваться из абсорбирующего материала, такого как, например, углерод (например, активированный уголь), или сам материал может быть неабсорбирующим материалом, который становится абсорбирующим путем пропитки подходящим веществом. Таким образом, пары (например, пары ацетона и т.д.) могут абсорбироваться абсорбентом 516 паров обычно вдоль длины проницаемого для паров прохода 517 и внутри тупиковых проницаемых для паров проходов 717.
В воплощении, показанном на Фиг. 6 и 8, проницаемый для паров проход 517 и/или тупиковые проницаемые для паров проходы 717 имеют длины трубки 619, имеющей проницаемую для паров внешнюю стенку или мембрану 620, которые по меньшей мере по существу заключены внутри внешнего корпуса 621, сформированного из непроницаемого для паров материала. Например, как показано, трубка 619, образующая проницаемый для паров проход 517, может проходить аксиально вдоль центра корпуса 621, тогда как трубки 619, образующие тупиковые проницаемые для паров проходы 717, расположены вокруг центральной трубки. Как показано, трубка 619, которая образует проницаемый для паров проход 517, включает первый конец, связанный с входным отверстием 514, и второй конец, связанный с выходным отверстием 503 для пара. Аналогично, трубки, которые образуют тупиковые проницаемые для паров проходы 717, включают первые концы, которые связаны с входным отверстием 514. Однако вторые концы этих трубок блокированы и не выходят из корпуса 621. Канал, длина, толщина стенки и материал трубок 619 можно выбрать таким образом, в условиях нулевого потока, что количество паров, которые выходят из концевой части выходного отверстия 503 трубки 619 не значительно в контексте области применения, в которой применяют генератор 500 паров.
В одном примере длина трубки 619, образующей проницаемый для паров проход 517, показанной на Фиг. 6, приблизительно составляет сто миллиметров (100 мм) с внешним диаметром приблизительно 1 миллиметр (1 мм) и внутренним диаметром приблизительно полмиллиметра (0,5 мм). Однако предполагается использование трубок 619 с другими размерами. Пространство между внешней поверхностью трубок 619 и внутренней поверхностью корпуса 621 по меньшей мере по существу заполнено материалом 516, который легко абсорбирует пары, сгенерированные испарительной камерой 509. В воплощениях материал 516 может содержать гранулы активированного угля, которые эффективно абсорбируют пары, такие как, например, пары ацетона и т.д.. Таким образом, трубки 619 могут быть окружены со всех сторон гранулами абсорбирующего активированного угля. В воплощениях трубки 619 могут формироваться из эластомерного пластика, такого как, например, силиконовая резина и т.д..
В воплощениях поставляемый по запросу генератор 500 паров может дополнительно включать пневмоклапан, подсоединенный так, чтобы блокировать поток паров из испарительной камеры 509 к проходу абсорбента, пока используют поток паров. Пневмоклапан обладал бы преимуществом, связанным с предотвращением непрерывной абсорбции паров в абсорбенте 516 паров, тем самым продлевая срок службы испарительной камеры 509 и абсорбирующего материала абсорбента 516 паров. Таким образом, проницаемый для паров проход 517 и/или тупиковые проницаемые для паров проходы 717 могут захватывать пар, который проникает через уплотнения клапана, обеспечивая более низкую степень диффузии. Следовательно, размер системы 515 абсорбции паров (например, длина, площадь поверхности и т.д. проницаемого для паров прохода 517 и/или тупиковых проницаемых для паров проходов 717) можно уменьшить.
На Фиг. 5-8 абсорбент 516 паров показан как располагающийся вокруг проницаемого для паров прохода 517 и/или тупиковых проницаемых для паров проходов 717. Однако в воплощениях весь генератор 500 паров может быть по меньшей мере по существу окружен абсорбентом паров так, что пары по существу не выходят из генератора 500 паров в выключенном состоянии.
Поставляемый по запросу генератор 500 паров, описанный в данной заявке, предусматривает эффективное улавливание паров. Генератор 500 паров можно использовать для периодического обеспечения внутреннего калибровочного образца изофлурана в систему 50 детектирования, такую как, например, СИП система детектирования.
В дополнительном аспекте настоящее изобретение относится также к применению калибровочного образца, содержащего или состоящего из по существу изофлурана, для калибровки детектирующего устройства, как описано выше в настоящем изобретении, для детектирования целевого химиката.
Воплощения настоящего изобретения, описанные выше в данной заявке, можно объединять с любыми другими совместимыми воплощениями для создания воплощений в рамках настоящего изобретения.