[發明專利]離子遷移率分析器和其組合設備以及離子遷移率分析方法

有效

• 申請號: 201210530144.9
• 申請日: 2012-12-10
• 公開（公告）號: CN103871820B
• 公開（公告）日: 2017-05-17
• 發明（設計）人: 蔣公羽;程玉鵬;張小強;孫文劍
• 申請（專利權）人: 株式會社島津制作所
• 主分類號: H01J49/02
• 分類號: H01J49/02;H01J49/26;G01N27/62
• 代理公司: 上海市華誠律師事務所31210
• 代理人: 肖華

技術領域

本發明涉及一種離子遷移率分析器，特別涉及一種在某一運動分析空間中的相對位置上選擇富集特定遷移率的離子，使其與其他不同遷移率的離子相區分的儲存型離子遷移率分析器。

背景技術

離子遷移譜是一種可以實現對物質進行快速篩選分離和檢測的生化分析檢測裝置。近些年來，全世界各國不斷加強對軍械走私，販毒買賣，公共安防，國土安全等領域的監查力度，人們迫切希望有一種儀器可以兼具快速檢測，方便攜帶，易于操作，同時又可以實現高選擇性和高靈敏度的檢測。由于離子遷移譜在以上領域的出色表現，近些年來人們對離子遷移譜技術的研究興趣越來越濃厚，其整體性能也得了到不斷的提升，與此同時人們對其在各種應用場合下的要求也變得越來越高。此外，由于離子遷移譜的分離機制基于離子的在氣相環境下遷移率的不同，其本質是離子大小和形狀的差異，所以離子遷移譜提供了一種不同于色譜和質譜儀器的分離方法。在傳統的應用領域里，離子遷移譜同色譜或者質譜的聯用裝置可以極大地提高原有裝置對離子的鑒別能力，降低假陽性的發生概率。同時，離子遷移譜還可以測定離子的大小，所以其在大氣氣溶膠檢測和生物大分子結構研究（如蛋白組學）等領域也發揮出了重要的作用，并展示出了巨大的潛能。

目前，主流的質譜廠商已經商業化的離子遷移譜儀器主要有兩種：離子遷移譜（IMS）和差分遷移譜（DMS）。對前者而言，其最典型的裝置是將很多環形電極堆疊并隔離開來組成所謂的遷移管結構，并在其內部充有一定氣壓的氣體（通常氣壓在1～20Torr），并在堆疊的環形電極上施加軸向電壓分布，因此在遷移管內部存在沿軸向的遷移電場。離子在遷移電場和中性氣體分子碰撞的雙重作用下，除了各向都有的擴散運動，還會有沿軸向的定向遷移運動。根據離子遷移方程，

其中，為離子的遷移速度；K是離子遷移率；是遷移電場強度。

在相同的電場強度下，由于離子的遷移率各不相同，所以其遷移速度也不一樣，因此離子在遷移管內的遷移時間也不同，不同的離子得以分離。對于后者DMS而言，其離子分離機制與前者所有不同，并不是直接利用不同離子間遷移率的差異，而是由于離子自身的遷移率在高電場和低電場下會發生非線性變化，而不同離子的變化情況均不相同，因此DMS根據高低場下遷移率的差異來實現特定離子的篩選。DMS由于其結構簡單，最簡單的結構只需要兩個同軸套筒結構或者平行極板結構的電極，同時其可以在大氣壓下工作，不需要笨重的真空泵，所以其非常適合便攜式和小型儀器的研制。然而，由于其分離機制的復雜性，其譜圖很難進行明確的解析，目前仍未有被廣泛認可的譜圖解析方法。除了上述兩種離子遷移譜技術，還有一種常見的基于遷移率分離的裝置，叫做差分遷移率分析器（DMA）。其基本結構是在兩塊平行極板間施加一個垂直的電場，并在極板間存在沿軸向的平行氣流。離子從其中一個極板的入口注入，當離子進入極板間的遷移區后，離子整體的運動可以分解為兩個方向上的運動分量，一個是順著氣流并與其基本同速的水平運動，另一個是與電場方向相同，且垂直于氣流的離子遷移運動。根據離子遷移運動方程，不同的離子在垂直方向上的運動速度不同，因此離子穿過氣流橫向截面的時間也不一樣，最終離子到達另一極板時距離離子入口的水平距離也不一樣。由于DMA自身結構的限制，以及離子擴散的影響，其分離能力很難得到進一步提高，通常只有幾十甚至更低的分辨率，相對而言人們對其研究也較少。而對于IMS而言，理論上可以通過延長遷移距離和電場強度來獲得非常高的離子分辨能力。實際上，人們試圖通過各種方法來提高IMS的分辨能力。

來自Brigham Young University的Alan L.Rockwood等人在美國專利US7199362B2中公開了一種交叉氣流離子遷移譜分析器，在遷移管徑向和軸向同時施加氣流，并在徑向上施加與徑向氣流相反的電場來平衡氣流的作用，這樣對于擁有合適遷移率的離子可以在徑向方向上保持平衡，實現特定遷移率離子的選擇，與此同時軸向的氣流將分離得到的離子傳輸到下一級單元或檢測器。然而，由于該方法用到的交叉氣流控制起來非常困難，所以實際上很難實現很高的離子分辨。Hitachi的Satoshi Ichimura等人在美國專利申請US20030213903A1中提到了一種對沖氣流離子遷移譜方法，其通過逐漸收縮遷移管的內徑來改變遷移管內部氣體的流速，同時施加反向的均勻電場，因此不同遷移率的離子將在不同的軸向位置上保持平衡，從而得到分離。但是，由于該方法無法抑制離子在徑向上的擴散，離子損失嚴重，因而離子檢測比較困難。