СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
METHOD AND APPARATUS FOR CHEMICAL ANALYSIS

Настоящее изобретение относится к способу химического анализа, в котором
- ионизируют газовый поток,
- подводят ионизированный газовый поток к плоскому фильтрующему устройству, установленному в проточном канале,
- фильтруют ионизированный газовый поток, используя способ DMS/FAIMS, чтобы удалить по меньшей мере некоторые из ионов из газового потока.
Изобретение также относится к соответствующему устройству.
Фигура 1 показывает идеализированную схему принципа известной технологии FAIMS (спектрометрия подвижности ионов в асимметричном поле), также называемой DMS (дифференциальная спектрометрия подвижности). Она используется, например, для разделения различных типов ионов в газообразной форме. Эта технология основана на использовании высокочастотного переменного электрического поля в ионно-фильтрующем устройстве. Фильтрующее устройство состоит из, например, подложки 102, выполненной с возможностью образовывать проточный канал 18, и обращенных друг к другу плоских фильтрующих электродов 103, расположенных на ней.
Устройство допускает прохождение только ионов 104, которые ведут себя особым образом в электрическом поле, и фильтрует другие ионы 105, нейтрализуя их электрически. Нейтрализация удаляет ионы, так как конечная скорость, полученная ионами в электрическом поле, зависит от напряженности поля. В асимметричном поле ионы колеблются в фильтре с асимметричной скоростью, что вызывает общее перемещение ионов к электродам в предпочтительном направлении относительно поля. Зависимость ионов от электрического поля очень мала, и эта разница может быть компенсирована увеличением постояннотоковой (DC) компоненты компенсационного напряжения (CV) до поля с изменяемой частотой, которая исключает особый тип зависимости от поля.
С помощью расположения ионно-переносящего газового потока между двумя параллельными электродами 103 и установки типа электрического поля, указанного выше, между этими электродами, некоторые из ионов 105 могут быть удалены с помощью полученного таким образом устройства, и необходимая полоса пропускания может быть выбрана с помощью вышеупомянутого компенсационного напряжения. С помощью электрического поля после фильтра в направлении потока для сбора ионов 104, которые прошли через фильтр, возможно определение качества и/или числа (ссылочная позиция 16 на Фигурах 1 и 6-8) прошедших ионов 104.
Со своей стороны, Фигура 2 показывает ситуацию, более соответствующую реальности в отношении поведения ионов в вышеупомянутой технологии фильтрации. Профиль 101 потока газового потока показывает, что ионизированный газовый поток, подлежащий анализу, охватывает всю площадь поперечного сечения проточного канала 18. Поскольку ионы распределяются равномерно по проточному каналу 18, фильтрующие электроды 103 также будут неминуемо собирать ионы 104b, что особенно необходимо, чтобы проходить через фильтр. Эти ионы 104b, которые находятся слишком близко к краю проточного канала 18, нейтрализуются и таким образом выходят из потока, который прошел через фильтр. Это уменьшает сигнал, полученный от системы, содержащей фильтр, а также соотношение "сигнал-шум".
Настоящее изобретение предназначено для создания способа и устройства, которые будут улучшать сигнал, полученный от химического анализа. Отличительные признаки способа согласно изобретению заявлены в пункте 1 формулы изобретения, а отличительные признаки устройства - в пункте 7 формулы изобретения.
В изобретении параллельный, главным образом неионизированный газовый поток, который находится с по меньшей мере одной стороны ионизированного газового потока, подводят вместе с ионизированным газовым потоком в фильтрующее устройство. Использование этого решения предотвращает или по меньшей мере уменьшает фильтрацию ионов, что желательно, чтобы проходить фильтрацию. В дополнение к полученному измеренному сигналу соотношение "сигнал-шум" измеренного сигнала в химическом анализе также улучшается.
Согласно одному варианту выполнения ионизированный газовый поток может быть подведен к плоскому фильтрующему устройству между главным образом неионизированным газовым потоком. В этом случае неионизированный газовый поток образуется с обеих сторон ионизированного газового потока, так что эти потоки создают вид многослойной структуры. Фильтрация ионов, осуществляемая с использованием принципа DMS/FAIMS, следовательно, может быть задействована в так называемом образе второго порядка.
Согласно одному варианту выполнения ионизированный газовый поток также может быть сглажен (спрямлен) главным образом неионизированным газовым потоком до того, как оба потока подводят к плоскому фильтрующему устройству. Таким образом, производительность фильтрации может быть дополнительно улучшена.
Посредством изобретения возможно, например, решение проблемы, относящейся к плоской DMS/FAIMS фильтрации, при которой некоторые из ионов в воздухе или газе, текущем в проточном канале фильтрующего устройства, располагаются так близко к краю проточного канала, что они попадают на осадительные электроды DMS/FAIMS, даже если не должны были. При использовании защитного потока в виде многослойной структуры согласно изобретению, например, на обеих сторонах ионного потока, в котором кто-то заинтересован, только подлежащие фильтрации ионы попадают на сборочные электроды и нейтрализуются, тогда как необходимые ионы, проходящие через фильтр, остаются преимущественно в середине проточного канала. Таким образом, в целом изложено, что изобретение представляет собой применение защитного потока в качестве фактора, защищающего сигнал, т.е. улучшающего соотношение "сигнал-шум". Сигнал натурного измерения может быть измерен только снаружи DMS фильтра и после него тем или иным путем. Другие отличительные признаки изобретения и другие преимущества, достигнутые изобретением, рассмотрены более тщательно в этой части описания.
В дальнейшем изобретение, которое не ограничивается вариантами выполнения, раскрытыми здесь далее, описывается более подробно со ссылкой на сопровождающие фигуры, на которых
Фигура 1 показывает схему принципа DMS/FAIMS фильтрации в идеальной ситуации,
Фигура 2 показывает схему недостатков в работе фильтра согласно предшествующему уровню техники и поведение ионов в нем,
Фигура 3 показывает грубую схему рабочего принципа фильтрующего устройства согласно изобретению и поведение ионов в нем,
Фигура 4 схематически показывает один вариант выполнения конструкции фильтра согласно изобретению,
Фигура 5 схематически показывает второй вариант выполнения конструкции фильтра,
Фигуры 6 и 7 показывают несколько путей приведения потоков к фильтрующему устройству,
Фигура 8 показывает примеры размеров одного фильтрующего устройства, и
Фигуры 9а и 9b показывают еще один третий путь приведения потоков к фильтрующему устройству.
В последующем со ссылкой на Фигуры 3-7 описан способ для химического анализа согласно изобретению. Термин "химический анализ" может относиться к, например, качественному и/или количественному обнаружению веществ из газового потока или подобных структурных элементов в газовом потоке. Аэрозоль, в котором частицы взвешены в газе, также может рассматриваться как газовый поток в контексте изобретения.
Фигура 3 схематически показывает на очень грубом уровне пример решения согласно изобретению и поведение ионов в фильтрующем устройстве 10. Так называемое решение второго порядка согласно изобретению основано на идее принятия плоского ионизированного газового потока 24 плоской областью 28 фильтрации с одного края или в середине проточного канала 18. Другими словами ионизированный газовый поток 24, который является объектом фильтрации, сужается относительно высоты всего проточного канала 18.
Описание способа можно начать, например, с ионизации газового потока, который следует проанализировать. Ионизация может иметь место, например, снаружи проточного канала 18, в случае которого ионы приводятся от действительного источника к проточному каналу 18 вместе с газовым потоком. Ионизация газового потока может быть выполнена, например, определенным образом из предшествующего уровня техники, который известен как таковой или находится на стадии разработки. Некоторые не ограничивающие примеры представляют собой радиоактивный ионизатор, коронный разрядник, технологии электрораспыления или какой-либо другой хорошо известный способ. Расстояние от ионизатора (не показан) до входного отверстия проточно-канальной конструкции 18 должно быть установлено относительно коротким для уменьшения потерь.
Далее ионизированный газовый поток 24 подводят в проточный канал 18, образующий фильтрующее устройство 10. Параллельный, главным образом неионизированный газовый поток 13 образуют на по меньшей мере одной стороне ионизированного газового потока 24 уже когда он подводится в проточный канал 18, или только внутри действующего проточного канала 18. В любом случае параллельный, главным образом неионизированный газовый поток 13 образуют до того, как ионизированный газовый поток 24 подвергается фильтрации в области 28 фильтрации. Таким образом, в изобретении подлежащий анализу газовый поток 24 образуют из части потока, который является более узким относительно высоты проточного канала 18. Таким образом разновидность "защитного потока" 13 создают в направлении потока на по меньшей мере одной стороне ионизированного газового потока 24 между газовым потоком 24 и стенкой 12 проточного канала 18. Применение защитного потока 13 делает возможным, например, уменьшение нейтрализации крайних ионов 25 ионного потока 24, которые предназначаются для дальнейшего анализа.
Фигура 3 показывает зоны 26, 27 потока газовых потоков 13, 24 и их профили потока. Теперь нейтральные, т.е. главным образом неионизированные потоки 13 находятся на обеих сторонах относительно ионизированного потока 24. Таким образом, потоки 13, 24 образуют многослойную структуру. Каждый поток 13, 24 может быть отделен от других конструкцией (не показана), которая плоско разделяет проточный канал 18 на части до области 28 фильтрации.
Далее ионизированный газовый поток 24 подводят в область 28 фильтрации, расположенную в проточном канале 18, при этом из него фильтруют необходимые ионы. Параллельный, главным образом неионизированный газовый поток 13, который находится на по меньшей мере одной стороне ионизированного газового потока 24, подводят к области 28 фильтрации вместе с ионизированным газовым потоком 24. В этом случае ионизированный газовый поток 24 подводят к области 28 фильтрации между главным образом неионизированным газовым потоком 13, который таким образом находится на обеих сторонах ионизированного газового потока 24.
Далее ионизированный газовый поток 24 фильтруют, используя способ DMS/FAIMS, для удаления по меньшей мере некоторых из ионов 105 из газового потока 24. По существу касательно электрических полей, использованных в нем, осуществление DMS/FAIMS фильтрации будет очевидно специалисту в области техники и по этой причине не будет рассматриваться дополнительно в этой связи. При фильтрации ионы 25, предназначенные для фильтрации из ионизированного газового потока 24, расположенного в середине, перемещаются в область 28 фильтрации через зоны 27 прохода, образованные защитными потоками 13 у краев проточного канала 18 и нейтрализуются, так как их зависимость от поля заставляет их перемещаться к фильтрующим электродам 33. В свою очередь ионы 14 из газового потока 24, проходящие фильтрацию, не успевают переместиться к фильтрующим электродам 33. В середине проточного канала 18 имеется зона 26 колебания для проходящих ионов 14, которые не попадают на области 28 фильтрации электродов 33 в области 28 фильтрации.
Фигуры 4-7 показывают в грубо упрощенной форме некоторые схематические конструктивные решения для реализации фильтрующего устройства 10 для химического анализа в виде поперечных сечений проточного канала 18 в его продольном направлении, т.е. направлении потока. Устройство 10 включает в себя проточно-канальную конструкцию 18 для ионизированного газового потока 24. Газовый поток 24 выполнен с возможностью фильтрования в устройства 10 с использованием способа DMS/FAIMS в плоской области 28 фильтрации, установленной в проточном канале 18. Область 28 фильтрации включает в себя два DMS/FAIMS электрода 33, которые могут быть управляемы способом, который известен как таковой, с использованием известных средств управления (не показаны). Устройство 10 включает в себя средства 11 для создания главным образом неионизированного газового потока 13 на по меньшей мере одной стороне ионизированного газового потока 24.
В варианте выполнения, показанном на Фигуре 4, средства 11 включают в себя конструкцию 11, разделяющую газовый поток 18 на части до области 28 фильтрации. Посредством конструкции 11 несколько более узких проточных каналов, чья высота является только частью высоты всего проточного канала 18, образуются в проточном канале 18. Посредством конструкции 11 ионизированный газовый поток 24, предназначенный для анализа, может быть расположен в середине проточного канала 18, с главным образом неионизированными, т.е. нейтральными газовыми потоками 13 на обеих сторонах относительно него. Посредством канальной конструкции 11 нейтральные, т.е. защитные потоки 13 сохраняются отдельно от ионизированного потока 24 в середине.
В вариантах выполнения по Фигурам 4-7 устройство 10 включает в себя две продольные стенки 11 в направлении проточного канала 18, установленные в проточном канале 18. Также стенки 11 являются плоскими.
Главным образом неионизированный газовый поток 13 и ионизированный газовый поток 24 объединяют друг с другом до того, как их подводят к области 28 фильтрации. С этой целью между разделяющей проточный канал 18 на части конструкцией 11 и областью 28 фильтрации оставляют маленький зазор 19, который свободен от разделяющих конструкций 11. Разумеется, неионизированный газовый поток 13 и ионизированный газовый поток 24 могут быть объединены друг с другом уже когда их приводят в проточный канал 18, но затем они могут пагубно смешиваться друг с другом до области 28 фильтрации до такой степени, которая ослабляет результат фильтрации.
Фигуры 5-7 показывают второй вариант выполнения фильтрующего устройства 10. В ней главным образом неионизированный газовый поток 13 используется для сглаживания ионизированного газового потока 24 на обеих сторонах, когда они подводятся к области 28 фильтрации. Один путь осуществления этого заключается в расположении дроссельной конструкции 15 в области 28 фильтрации, чтобы сглаживать ионизированный газовый поток 24, используя главным образом неионизированный газовый поток 13. Конструкция 15 теперь осуществляется посредством слоя материала, установленного на протяжении всей длины области 28 фильтрации, который уменьшает высоту проточного канала 18 в области 28 фильтрации. Конструкция 15 находится в подложке 12 на противоположных краях проточного канала 18. В свою очередь DMS/FAIMS электроды 33 теперь находятся на поверхностях слоя 15 материала, противоположных друг другу.
Свободный от конструкций зазор 19, оставшийся между разделяющей конструкцией 11 и областью 28 фильтрации, теперь допускает поворот боковых потоков 13, и объединенный поток 24* будет приспособлен переходить в область 28 фильтрации. Сглаживание эффективного потока 24 в середине, достигнутое поворачиванием боковых потоков 13, улучшает производительность. Край 15а стороны входа дроссельной конструкции 15 является вертикальным. Оптимально, однако, когда его формы могут быть слегка изогнуты или скошены так, что острый угол не будет вызывать проблем.
Фигуры 6 и 7 показывают схематические примеры того, как потоки 13, 24 могут быть приведены в фильтрующее устройство 10, а также, следовательно, в проточный канал 18. Кроме того, эта фигура схематически показывает анализатор 16, который идет после фильтрующего устройства 10. Газовые потоки 13, 24 могут быть приведены в устройство 10 с различных его сторон или даже от той же самой стороны в зависимости от осуществления.
В варианте выполнения по Фигуре 6 главным образом неионизированный газовый поток 13 образуют приведением нейтрального защитного газового потока 13 к проточному каналу 18. Если фильтрующее устройство 10 рассматривается в его типичном рабочем положении, в котором электроды 33 расположены на верхней и нижней поверхности проточного канала 18, ионизированный поток 24 приводится в фильтрующее устройство 10 с его конца не без изменения направления. Нейтральные потоки 13 приводят в фильтрующее устройство 10 сверху него и снизу него.
Вариант выполнения по Фигуре 7 показывает пример варианта выполнения, в котором узкий ионный поток 24 создается нейтрализацией боковых потоков 13. Теперь все газовые потоки, которые следует привести к фильтрующему устройству 10, могут быть одним и тем же ионизированным газовым потоком 24', приводимым из ионизатора и, например, подводимым сверху в фильтрующее устройство 10 в его обычном рабочем положении. В этом случае главным образом неионизированный газовый поток 13 образуют нейтрализацией части газового потока 24' только когда он находится в проточном канале 18. Для нейтрализации боковых потоков 13, разделяющую проточный канал 18 на части конструкцию 11 оснащают электродными средствами 38, с помощью которых обеспечивают возможность нейтрализации части ионизированного газового потока 24', приводимого к проточному каналу 18, для создания главным образом неионизированных газовых потоков 13. Этот вариант выполнения имеет преимущество простого осуществления. При создании ионизированного потока 24 и нейтрального потока 13 с помощью устройства 10 вовсе нет необходимости в "чистых" потоках в качестве защиты и для подведения в устройство 10.
В обоих вариантах выполнения потоки 24, 13 после разделяющей конструкции 11, расположенной в проточном канале 18, объединяют для образования единственного потока 24' так, что ионизированный поток 24 остается в виде своей собственной узкой полосы относительно поперечного сечения канала 18, например, в центре канала 18. Конструкция потока, подобно конструкции второго порядка, может быть осуществлена внутри DMS/FAIMS фильтра 10, когда нейтрализация подвижности прохода будет уменьшена, а соотношение "сигнал-шум" будет улучшаться. В устройстве согласно изобретению, подобно конструкции второго порядка, потоки могут быть расположены, как показано на фигурах и таким образом, чтобы защищать зону 26 ионизации, кроме тех случаев, когда она нарушается отдельно.
Фигуры 6 и 7 схематически показывают перелет 24а ионов в анализатор 16 в электрическом поле, установленном для измерения. Это не влияет на профиль потока, так как концентрация относительно массового потока несущественна. Создается область измерения или измерение выполняется с использованием электродов 16а, а те имеют противоэлектрод 16b. Используя электроды, например, делают анализ подвижности ионов, т.е. различные подвижности сообщаются различным электродам с помощью либо постоянного электрического поля, либо регулированием амплитуды электрического поля таким образом, чтобы изменять так называемую граничную подвижность, полученную электродом.
DMS
Фигура 8 показывает несколько дополнительных примеров размеров или размерных соотношений устройства 10. Длина L DMS электродов 33, т.е. области 28 в направлении потока, т.е. продольном направлении устройства 10, может составлять, например, 10-80 мм. Высота D проточного канала 18 может составлять, например, 1-10 мм. Толщина W дроссельных конструкций 15 всей высоты H проточного канала 18 может составлять, например, 25-75%. Высота S проточных подканалов, образованных разделяющей конструкцией 11, может составлять, например, 0,1-2 мм. Соотношение между высотой D проточного канала 18 и подканалов может быть > 3S, но, однако, предпочтительно D < 10S.
Толщина W дроссельных конструкций 15 в области DMS/FAIMS электродов 33 может составлять 50-90% высоты S боковых проточных каналов. Дроссельные пластины 15 сужают область 28 фильтрации на входной стороне, что сглаживает объединенный поток 24* после разделяющих конструкций 11.
Фигуры 9а и 9b показывают еще один путь приведения потоков 13, 24 к фильтрующему устройству 10. Фигура 9b показывает поперечное сечение фильтрующего устройства 10 по Фигуре 9а, если смотреть с торца, от точка входа газовых потоков 13, 24 в устройство 10. В этом варианте выполнения потоки 13, 24 приводят в фильтрующее устройство 10 сбоку, если фильтрующее устройство 10 рассматривается в его типичном рабочем положении, когда электроды 33 находятся на верхней и нижней стенках 12 проточного канала 18. Конкретное преимущество этого варианта выполнения заключается в изготовлении фильтрующего устройства 10, особенно когда детали элемента 10 производят, используя литьевое формование или какой-либо другой способ, который позволяет сделать весь набор каналов из одной детали. Когда газовые потоки 13, 24 приводят в фильтрующее устройство 10 таким образом, в фильтрующем устройстве 10 могут быть легко размещены соединения газового потока.
В данном варианте выполнения ионизированный газовый поток 24 приводят с одной стороны фильтрующего устройства 10 в подканал, ограниченный конструкциями 11 стенки, установленными в проточном канале 18. В свою очередь, неионизированные защитные потоки 13 приводят в фильтрующее устройство 10 с противоположной стороны в рамки каналов, ограниченных конструкциями 11 стенки, расположенными в проточном канале 18, и внешней стенкой 12 проточного канала 18. Еще один предполагаемый путь - приводить все потоки 13, 24 с одной и той же стороны устройства 10.
Боковые потоки 13 располагают таким образом, что средний поток 24 образует узкую и сглаженную часть в середине канала 18. Согласно одному варианту выполнения потоки 13, 24 могут иметь одинаковую амплитуду (одинаковый массовый поток) в подканалах одинакового размера. Тем не менее одним из показателей качества устройства 10 может быть суженность (чем уже, тем лучше) потока 24 в середине относительно общего потока. Высота боковых каналов может быть изменена с массовыми потоками таким образом, что скорости потока в различных каналах являются более или менее одинаковыми. В этом случае турбулентность и размывание среднего потока 24 не будет иметь место при объединении потоков 13, 24. Может быть оптимальным использование каналов одного размера, при этом одинаковый массовый поток обеспечивает одинаковые скорости во всех каналах одного размера. Однако не исключаются каналы различных размеров, поскольку в практическом устройстве большие боковые проточные каналы могут, в некоторых случаях, иметь значительное преимущество. Соотношение величин потока среднего канала и боковых каналов может составлять 1:2 или даже 1:200. Другими словами, 200 литров в минуту вытекало бы из боковых каналов, тогда как 1 литр в минуту вытекал бы из среднего, но в этом случае размеры должны быть, разумеется, довольно большими.
Следует понимать, что описание выше и соответствующие фигуры предназначены только для иллюстрации настоящего изобретения. Таким образом, изобретение никоим образом не ограничивается только вариантами выполнения, раскрытыми или изложенными в формуле изобретения, но многие другие изменения и модификации изобретения, которые возможны в пределах объема охраны изобретательской идеи, определенной в прилагаемой формуле изобретения, будут очевидны специалисту в данной области техники.