ИОННОЕ МОДИФИЦИРОВАНИЕ
ION MODIFICATION

Данное изобретение относится к устройствам и способам, в частности к спектрометрам и способам спектрометрии.
Спектрометры ионной подвижности (СИП) могут идентифицировать материал из исследуемого образца путем ионизации материала (например молекул, атомов и т.д.) и измерения времени, которое требуется полученным в результате ионам для прохождения известного расстояния при известном электрическом поле. Время пролета ионов может быть измерено детектором и связано с подвижностью ионов. Подвижность иона связана с его массой и геометрической конфигурацией. Следовательно, путем измерения времени пролета иона в детекторе можно установить тип иона. Эти времена пролета могут быть представлены графически или численно в виде плазмограммы.
В некоторых случаях для установления типа ионов может использоваться модифицирование части ионов с использованием радиочастотного (РЧ) электрического поля (например, путем их расщепления) для получения дополнительной информации. Это создает дополнительные степени свободы при измерении параметров ионов и, следовательно, может повысить способность обнаружения различий между ионами, которые могут быть трудно различимы. Когда измерения выполняются в присутствии загрязнений или в сложных рабочих условиях либо когда образец содержит ионы с похожими геометрическими конфигурациями и массами и т.д., способность СИП обнаруживать и идентифицировать ионы и модифицирование ионов является одним из способов решения этих проблем.
Ниже, исключительно в качестве примера, приведено описание вариантов выполнения изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает спектрометр,
фиг. 2А-2Е изображают упрощенные схемы спектрометров, показывающие варианты спектрометра, изображенного на фиг. 1, и
фиг. 3 изображает блок-схему способа работы спектрометра.
Варианты выполнения изобретения относятся к селективному применению тепловой энергии в комбинации с переменным, например радиочастотным, электрическим полем для модифицирования ионов из исследуемого образца. Это может обеспечить возможность использования для модифицирования ионов меньшего количества энергии, чем может потребоваться при использовании только электрического поля или только тепловой энергии. Это может обеспечить получение переносного спектрометрического устройства, например ручного и/или питаемого от батарей, работающего с повышенной эффективностью.
Спектрометр ионной подвижности может определять, содержит ли образец ионы, имеющие первую характеристику, например время пролета, соответствующую одному или более интересующим веществам. Затем спектрометр ионной подвижности может работать с приложением тепловой энергии совместно с радиочастотным (РЧ) электрическим полем к исходным ионам с получением дочерних ионов. Дочерние ионы при этом могут иметь вторую характеристику (например второе время пролета), что может обеспечить возможность определения типа или набора возможных типов исходных ионов на основании первой характеристики и второй характеристики.
В качестве другого примера изобретения спектрометр ионной подвижности может содержать модификатор ионов, предназначенный для приложения радиочастотного (РЧ) электрического поля к ионам в области спектрометра, например в заданной области, смежной с модификатором ионов, нагреватель, предназначенный для нагрева указанной области, и контроллер, предназначенный для управления нагревателем с обеспечением нагрева указанной области до приведения модификатора ионов в действие для приложения радиочастотного электрического поля. Данный нагрев может быть локализован так, что указанная область нагревается больше, чем другие области спектрометра. Например, модификатор ионов может быть выполнен с обеспечением приложения РЧ электрического поля в области дрейфовой камеры спектрометра, а нагреватель может быть выполнен с обеспечением большего нагрева этой области по сравнению с другими областями дрейфовой камеры.
На фиг. 1 изображен спектрометр 100 ионной подвижности (СИП), который содержит ионизационную камеру 102, отделенную от дрейфовой камеры 104 заслонкой 106. Заслонка 106 может управлять прохождением ионов из камеры 102 в камеру 104. На фиг. 1 показан ионизирующий источник 110, предназначенный для ионизации материала в камере 102. Как показано на чертеже, спектрометр 100 имеет впускное отверстие 108 для введения материала исследуемого образца в камеру 102.
В примере, изображенном на фиг. 1, дрейфовая камера 104 расположена между ионизационной камерой 102 и детектором 118, так что ионы могут достигать детектора 118 после пересечения дрейфовой камеры. Камера 104 может содержать ряд электродов 120a-d для создания в ней электрического поля, обеспечивающего перемещение ионов из ионизационной камеры вдоль камеры 104 к детектору 118.
СИП 100 может подавать поток дрейфового газа в направлении, по существу противоположном траектории перемещения ионов к детектору 118. Например, дрейфовый газ может проходить от местоположения вблизи детектора 118 к заслонке 106. Как показано на чертеже, для пропускания дрейфового газа через дрейфовую камеру могут использоваться впускное отверстие 122 для дрейфового газа и выпускное отверстие 124 для дрейфового газа. К примерам дрейфовых газов относятся, без ограничения этим, азот, гелий, воздух, рециркулируемый воздух, (например очищенный или осушенный воздух) и т.д.
Детектор 118 может быть присоединен с обеспечением подачи сигнала к определителю 200 характеристик. Электрический ток от детектора 118 может использоваться определителем 200 для установления того, что ионы достигли детектора 118, при этом характеристика ионов может быть определена на основании времени, которое требуется ионам для прохождения от заслонки 106 вдоль камеры 104 к детектору 118. Примеры детектора 118 выполнены с обеспечением подачи сигнала, указывающего, что ионы достигли детектора 118. Например, детектор может содержать пластину Фарадея, которая может быть заряжена для захвата ионов.
Электроды 120a-d могут быть расположены с обеспечением направления ионов к детектору 118, например, электроды 120a-d могут содержать кольца, которые могут быть расположены вокруг камеры 104 с обеспечением фокусирования ионов на детектор 118. Несмотря на то что пример, показанный на фиг. 1, содержит набор электродов 120a-d, в некоторых примерах для приложения электрического поля, направляющего ионы к детектору 118, могут использоваться только два электрода или может использоваться один электрод в комбинации с детектором 118. Также возможны другие конфигурации электродов, к примерам которых относятся, без ограничения этим, электроды других геометрических форм и электрически резистивные и/или проводящие покрытия (например резистивный электрический проводник), такие как непрерывное покрытие.
Радиочастотный (РЧ) электрод 126 может быть расположен поперек камеры 104 так, что ионы, выходящие из ионизационной камеры к детектору, проходят мимо РЧ электрода. РЧ электрод может содержать решетку из проводников, которые могут содержать металл, например никель. В одном примере диаметр проводников может составлять 20 микрометров. В одном примере эти проводники могут быть разнесены на 30 микрометров. РЧ электрод может содержать два электрода, например две решетки, которые могут отстоять друг от друга. В одном примере расстояние между двумя решетками может составлять 250 микрометров. РЧ электрод может подвергать ионы в области камеры 104 воздействию РЧ электрического поля. Если электрод 126 содержит два электрода, указанная область может быть образована промежутком между ними.
На фиг. 1 электрод 126 содержит нагреватель 127, предназначенный для подачи тепловой энергии к указанной области дрейфовой камеры, в которой расположен электрод 126, подвергающий ионы воздействию РЧ электрического поля. В примере, изображенном на фиг. 1, нагреватель 127 содержит резистивный электрический проводник, который может быть частью электрода 126.
В примере, изображенном на фиг. 1, определитель 200 присоединен к контроллеру 202, который может быть выполнен с обеспечением селективного управления приложением радиочастотного электрического напряжения к электроду 126 и нагреванием с помощью нагревателя 127. Соответственно, контроллер 202 может управлять приложением тепловой энергии и/или РЧ электрического поля на основании характеристики ионов, определенной с помощью определителя 200.
Спектрометр 100 может содержать предохранитель 123, который может содержать проводник, предназначенный для создания эквипотенциального экрана, блокирующего электрическое поле, связанное с ионом, направляющимся к детектору, до того, как ион в действительности достигнет детектора. Это может предохранять детектор от ложной регистрации прибытия иона до того, как ион достигнет детектора 118. Предохранитель 123 может быть снабжен проводящим материалом, который может быть расположен в виде решетки. Предохранитель 123 может быть присоединен к выбранному напряжению, например, с помощью контроллера 202.
Спектрометр 100 может содержать датчик 105 для измерения температуры в дрейфовой камере 104 и подачи сигнала, основанного на измеренной температуре, к контроллеру 202. Датчик 105 может быть расположен в камере 104, например, датчик 105 может поддерживаться ее стенкой. Температурный датчик 105 может представлять собой любой датчик, такой как электрический датчик (например электронный датчик), который может содержать термистор или термопару. Контроллер 202 может быть получать сигнал от температурного датчика 105 и обеспечивать работу нагревателя 127 для приложения тепловой энергии, в случае если температура меньше выбранной пороговой температуры. Например, контроллер 202 может быть выполнен таким образом, что нагреватель 127 работает только тогда, когда температура меньше выбранной пороговой температуры.
При работе спектрометра 100 материал из образца может быть введен через впускное отверстие 108 в ионизационную камеру 104, где он может быть ионизирован с помощью источника 110. Затем контроллер 202 может приводить в действие заслонку 106 для обеспечения введения ионов в дрейфовую камеру 104 так, что определитель 200 может определить характеристику ионов (например, на основании их времени пролета в камере 104).
Контроллер 202 может быть выполнен таким образом, что, в случае если определитель 200 определяет, что ионы из образца имеют выбранную характеристику, например время пролета, соответствующее интересующему веществу, может быть выполнено определение для установления типа ионов. Это может включать получение дополнительных ионов из образца и приведение в действие заслонки 106 для введения этих ионов в камеру 104. Затем контроллер 202 может приводить в действие либо электрод 126, либо нагреватель 127 для модифицирования ионов, например, путем их расщепления и последующего определения первой характеристики этих ионов, например, их времени пролета.
Контроллер также может быть выполнен таким образом, что, в случае когда первая характеристика модифицированных ионов содержит выбранную характеристику, например время пролета, соответствующую интересующему веществу, РЧ электрическое поле и тепловая энергия могут быть приложены совместно с обеспечением модифицирования ионов из образца для определения второй характеристики, которая может представлять собой последующее измерение того же свойства данных модифицированных ионов, например времени пролета, связанного с модифицированными ионами.
Приложение тепловой энергии совместно с РЧ электрическим полем может включать приведение нагревателя 127 в действие при помощи контроллера 202 для приложения тепловой энергии в течение выбранного периода времени до приведения в действие заслонки 106 для введения ионов в дрейфовую камеру. В вариантах выполнения контроллер может быть выполнен с обеспечением приложения тепловой энергии совместно с РЧ электрическим полем путем приведения в действие заслонки 106 для введения ионов в камеру 104 и последующего приведения в действие нагревателя 127 для приложения тепловой энергии к области вокруг РЧ электрода.
На фиг. 1 электрод 126 содержит нагреватель 127. Например, один или более проводников электрода 127 могут быть соединены с обеспечением приема электрического тока для омического нагрева электрода, причем указанный ток может представлять собой ток, подаваемый в дополнение к РЧ напряжению, используемому для приложения РЧ электрического поля. Например, для обеспечения нагрева через один или более проводников РЧ электрода может пропускаться постоянный ток.
Нагреватель 127 может не входить в состав электрода 126. В дополнение или как вариант, нагреватель может содержать решетку из проводников, которая может быть расположена поперек дрейфовой камеры. В вариантах выполнения, в которых электрод 126 содержит решетку, шаг решетки нагревателя (например, расстояние между соседними проводниками) может быть выбран на основании шага электрода 126. Например, шаг проводников в нагревателе 127 может быть таким же, как шаг проводников электрода 126, либо шаг проводников электрода 126 может быть целым кратным шагу проводников в нагревателе или наоборот. В этих примерах схемы расположения проводников нагревателя 127 и электрода 126 могут соответствовать друг другу, например, так, что поперечное сечение дрейфовой камеры, вдоль которой могут проходить ионы, не уменьшается из-за присутствия нагревателя. Решетка из проводников может содержать прямые проводники, расположенные параллельно, например, проводники могут быть расположены в виде сетки так, что они пересекают друг друга, или проводники решетки могут быть расположены так, что они не пересекаются.
Если нагреватель 127 не входит в состав электрода 126, нагреватель 127 может быть расположен так, что взаимное (например емкостное и/или индуктивное) электрическое соединение между нагревателем 127 и электродом 126 не препятствует модифицированию ионов электродом 126.
Нагреватель 127 может быть отнесен от электрода 126 на расстояние, выбранное так, что нагреватель 127 не препятствует модифицированию ионов электродом 126. Дополнительно или как вариант, геометрическая конфигурация и/или ориентация нагревателя относительно РЧ электрода могут быть выбраны так, что нагреватель не препятствует модифицированию ионов электродом 126. Дополнительно или как вариант, электрический потенциал нагревателя 127 может быть выбран на основании электрического потенциала электрода 126 так, что присутствие нагревателя 127 не препятствует модифицированию ионов электродом 126. В некоторых примерах нагреватель 127 расположен по отношению к электроду 126 с обеспечением блокирования емкостного и/или индуктивного соединения между нагревателем 127 и электродом 126. В некоторых примерах напряжение и/или импеданс нагревателя 127 выбраны с обеспечением блокирования емкостного и/или индуктивного соединения между нагревателем 127 и электродом 126.
Нагреватель 127 может быть расположен между впускным отверстием 122 и электродом 126, например, нагреватель 127 может входить в состав предохранителя 123. Нагреватель может быть расположен между электродом 126 и выпускным отверстием 124, например, нагреватель может входить в состав заслонки 106. Нагреватель может быть расположен у впускного отверстия 122 для обеспечения нагрева дрейфового газа при его поступлении или до его поступления в камеру 104. Нагреватель 127 может содержать теплоизлучающий источник, такой как источник инфракрасного излучения, например лазер, который может быть установлен с обеспечением направления тепловой энергии к области дрейфовой камеры, к которой РЧ электрод прикладывает РЧ электрическое поле.
Приложение тепловой энергии может включать нагревание указанной области вокруг РЧ электрода до температуры, которая недостаточна для модифицирования ионов без приложения РЧ электрического поля. Например, приложение тепловой энергии может включать нагревание указанной области до температуры, составляющей по меньшей мере 30°C, например по меньшей мере 35°C, например по меньшей мере 40°C, и/или до температуры меньше 120°C, например меньше 100°C. Контроллер 202 может быть выполнен с обеспечением управления нагревателем 127 на основании сигнала от температурного датчика.
Определитель 200 может содержать таймер и может быть присоединен с обеспечением определения времени между введением ионов в дрейфовую камеру и обнаружением одного или более ионов детектором 118. Время введения ионов может быть определено на основании работы заслонки 106.
Определитель характеристик может содержать справочную таблицу, позволяющую определить характеристики на основании данных значений времени. Определенная характеристика ионов может содержать одну или более характеристик, выбранных из списка, содержащего время пролета ионов, заряд ионов, массу ионов, подвижность ионов и отношение их массы к заряду. Например, время пролета может представлять собой время между введением ионов в камеру 104 и их прибытием к детектору, например время между срабатыванием заслонки 106 для обеспечения возможности прохождения ионов в камеру 104 и их прибытием к детектору 118.
Контроллер 202 и/или определитель 200 могут быть снабжены любым подходящим управляющим средством, например аналоговой и/или цифровой логической схемой, программируемыми вентильными матрицами (FPGA), специализированными интегральными микросхемами (ASIC), цифровым процессором обработки сигналов (DSP) или программным обеспечением, загруженным в программируемый процессор общего назначения.
На фиг. 2А-2Е изображены упрощенные схемы примеров спектрометров, показывающие варианты спектрометра, изображенного на фиг. 1.
На фиг. 1 и фиг. 2А-2Е для обозначения аналогичных элементов используются аналогичные номера позиций.
На фиг. 2А изображен спектрометр 100-А, который содержит нагреватель 127, расположенный в камере 104 между детектором 118 и электродом 126. Нагреватель 127 может представлять собой резистивный нагреватель, например решетку из проводников, расположенную поперек дрейфовой камеры.
На фиг. 2B изображен спектрометр 100-В, который содержит нагреватель 127, расположенный в камере 104 между камерой 102 и электродом 126. Нагреватель 127 может представлять собой резистивный нагреватель, например решетку из проводников, расположенную поперек дрейфовой камеры.
На фиг. 2С изображен спектрометр 100-С, который содержит нагреватель 127-С, расположенный вокруг камеры 104 и поддерживаемый ее стенкой. Нагреватель 127-С может представлять собой пленочный нагреватель, например, содержащий резистивную пленку или ленту для нагревания области камеры 104 вокруг электрода 126.
На фиг. 2D изображен спектрометр 100-D, который содержит нагреватель 127-D, расположенный у впускного отверстия 122 и предназначенный для нагревания дрейфового газа, проходящего в камеру 104. Нагреватель 127-Е, показанный на фиг. 2Е, может быть расположен во впускном отверстии для дрейфового газа и/или вокруг указанного отверстия, например, он может содержать резистивную пленку, покрытие или ленту, поддерживаемую стенкой отверстия 122. В дополнение или как вариант, нагреватель 127-D, показанный на фиг. 2D, может содержать решетку из проводников, расположенную поперек впускного отверстия для дрейфового газа.
На фиг. 2Е изображен спектрометр 100-Е, в котором в стенке камеры 104 может быть выполнено пропускающее окно 129 для обеспечения возможности излучения тепловой энергии теплоизлучающим источником 127-Е в область дрейфовой камеры, содержащей электрод 126.
На фиг. 3 проиллюстрирован способ, в котором может быть выполнено спектрометрическое измерение. В случае когда спектрометрическое измерение дает неопределенный результат 298, способ может включать выполнение дополнительного определения для устранения неоднозначности результата. В этом случае способ включает определение 300 того, содержит ли образец ионы, имеющие первую характеристику, например выбранное время пролета. В случае если определено, что образец действительно 302 содержит ионы, имеющие первую характеристику, способ может включать получение 304 ионов из образца и приложение 306 энергии для модифицирования ионов с получением дочерних ионов. Приложение 306 энергии может включать приложение радиочастотного (РЧ) электрического поля, или приложение тепловой энергии, или приложение тепловой энергии совместно с РЧ электрическим полем к данным ионам для получения дочерних ионов.
Затем может быть определена 308 вторая характеристика дочерних ионов, например время пролета дочерних ионов. Это может обеспечить возможность установления 310 типа исходных ионов на основании первой характеристики и на основании второй характеристики дочерних ионов. Первая и вторая характеристики могут быть последовательными измерениями одного и того же параметра, например времени пролета.
В некоторых вариантах выполнения, в случае когда спектрометрическое измерение, выполненное без модифицирования ионов, дает неопределенный результат 298, способ может включать получение 304 ионов из образца и приложение 306 радиочастотного (РЧ) электрического поля или приложение тепловой энергии для модифицирования ионов с получением первых дочерних ионов. Затем может быть определена 308 характеристика первых дочерних ионов, например время пролета первых дочерних ионов.
Для получения дополнительной информации из образца могут быть получены дополнительные ионы, и затем к ионам может быть приложено РЧ электрическое поле совместно с тепловой энергией для модифицирования ионов с получением вторых дочерних ионов. Затем может быть определена 308 характеристика данных вторых дочерних ионов, например их время пролета. Это может обеспечить возможность установления 310 типа исходных ионов на основании характеристики исходных ионов и характеристики первых и вторых дочерних ионов.
В первом примере, относящемся к способу, способ включает определение того, содержит ли образец ионы, имеющие первую характеристику, и приложение РЧ электрического поля и/или тепловой энергии для модифицирования первого набора ионов, извлеченных из образца. Во втором примере приложение тепловой энергии включает приложение тепловой энергии к области дрейфовой камеры спектрометра в течение выбранного периода до или после введения ионов в указанную область. Данный второй пример может опционально обладать признаками первого примера. В третьем примере дрейфовая камера спектрометра содержит электрод для приложения РЧ электрического поля, при этому тепловую энергию локализуют в пределах выбранного участка электрода. Данный третий пример может опционально обладать признаками первого и/или второго примеров. В четвертом примере приложение тепловой энергии совместно с РЧ электрическим полем включает приложение тепловой энергии до приложения РЧ электрического поля. Данный четвертый пример может опционально обладать признаками любого из одного или более из первого, второго и третьего примеров. В пятом примере способ включает определение температуры области дрейфовой камеры спектрометра, и приложение тепловой энергии только в том случае, если температура меньше выбранной пороговой температуры. Данный пятый пример может опционально обладать признаками любого из одного или более из примеров с первого по четвертый.
В первом примере, относящемся к устройству, спектрометр ионной подвижности выполнен с возможностью приложения РЧ электрического поля или тепловой энергии к первому набору ионов, в случае когда определитель характеристик определяет, что ионы из образца имеют первую характеристику, и последующего приложения РЧ электрического поля и тепловой энергии ко второму набору ионов, в случае когда определитель характеристик определяет, что первый набор ионов имеет вторую характеристику.
Во втором примере, относящемся к устройству, определитель характеристик содержит дрейфовую камеру спектрометра и заслонку для управления прохождением ионов в дрейфовую камеру, при этом контроллер выполнен с обеспечением приведения нагревателя в действие для приложения тепловой энергии в течение выбранного периода. Данный второй пример устройства может опционально обладать признаками первого примера устройства.
В третьем примере, относящемся к устройству, контроллер выполнен с обеспечением приведения нагревателя в действие для приложения тепловой энергии, в случае когда температура ниже выбранной пороговой температуры. Данный третий пример устройства может опционально обладать признаками первого и/или второго примеров устройства.
В четвертом примере, относящемся к устройству, спектрометр подвижности ионов содержит модификатор ионов, предназначенный для приложения РЧ электрического поля к ионам в области спектрометра, нагреватель, предназначенный для нагрева указанной области, и контроллер, предназначенный для приведения нагревателя в действие с обеспечением нагрева указанной области до приведения модификатора ионов в действие с приложением РЧ электрического поля. Данный четвертый пример устройства может опционально обладать признаками первого и/ли второго и/или третьего примеров устройства.
В пятом примере, относящемся к устройству, нагреватель и модификатор ионов расположены так, что нагреватель не препятствует модифицированию ионов РЧ электрическим полем. Данный пятый пример устройства может опционально обладать признаками одного или более из любого из примеров устройства с первого по четвертый.
Следует понимать, что в контексте данного изобретения РЧ электрические поля представляют собой любое переменное электрическое поле, частотные характеристики которого подходят для приложения энергии, обеспечивающей модифицирование ионов (например, путем передачи им энергии с повышением их эффективной температуры).
В контексте данного описания специалисту будут очевидны другие примеры и варианты.
Аспекты описания обеспечивают программные продукты для вычислительных машин и машиночитаемые носители, например вещественные долговременные средства, хранящие инструкции для программирования процессора на выполнение любого одного или более из способов, описанных в данном документе. В контексте данного описания специалистам будут очевидны другие варианты и модификации.