Obturador para un espectrómetro de movilidad iónica.

Obturador para un espectrómetro de movilidad iónica

Campo

La invención se refiere a un obturador para un espectrómetro de movilidad iónica, que comprende una primera superficie de electrodo con varios elementos de primer electrodo dispuestos en el primer plano y a una distancia uno del otro; una segunda superficie de electrodo dispuesta paralela y a una distancia de la primera superficie de electrodo y que tiene varios segundos elementos de electrodo dispuestos en el segundo plano y a una distancia uno del otro; y un circuito para aplicar una diferencia de potencial entre los primeros elementos de electrodo y los segundos elementos de electrodo. Tal obturador se conoce como obturador Tyndall-Powell.

Antecedentes

En la espectrometría de movilidad iónica, las moléculas para análisis se ionizan y posteriormente se transportan a un obturador debido a una diferencia de potencial general en el espectrómetro. Al aplicar una diferencia de potencial inversa entre los primeros elementos de electrodo y los segundos elementos de electrodo, es decir, una diferencia de potencial opuesta a la diferencia de potencial general, el obturador se cierra y evita que los iones pasen hacia la placa colectora del espectrómetro. Si, por otro lado, se aplica una diferencia de potencial directo sobre el primer y segundo elemento de electrodo, es decir, en el mismo sentido que la diferencia de potencial general en el espectrómetro, el obturador se abre y permite que los iones pasen y continúe su camino en dirección a una placa colectora.

Cuando la diferencia de potencial sobre el primer y el segundo elemento de electrodo se cambia brevemente de reversa a adelante y luego de vuelta a reversa, es decir, el obturador se abre brevemente y luego se cierra, se emiten pequeñas ráfagas de iones en la dirección de la placa colectora a través del llamado espacio de deriva.

Se aplica un campo eléctrico o potencial de deriva sobre este espacio de deriva entre el obturador y la placa colectora, por lo que los iones migrarán en la dirección de la placa colectora. Dado que diferentes tipos de iones tienen una velocidad de desplazamiento diferente dentro del potencial de deriva, esto se conoce como movilidad de iones, un enjambre de un tipo de iones llegará a la placa colectora en un momento diferente de un enjambre de otro tipo.

En función del tiempo que tarda un enjambre de iones en pasar del obturador a la placa colectora, también denominado tiempo de deriva, es posible determinar qué tipo de iones y, por lo tanto, qué moléculas están involucradas.

Sin embargo, el inconveniente del obturador conocido es que, cuando el obturador se abre y cierra brevemente de nuevo, se expulsa un enjambre de iones relativamente alargado en la dirección de la placa colectora. Para permitir la medición de la diferencia en los tiempos de deriva entre los diferentes tipos de iones, es necesario que los enjambres de diferentes iones se separen por completo a lo largo del espacio de deriva como resultado de la movilidad específica de los iones. Debido a que el enjambre de iones expulsados a través del obturador es alargado, se requiere una longitud considerable para el espacio de deriva. Esta longitud suele ser de al menos aproximadamente 4 a 20 centímetros.

Un inconveniente adicional de esta longitud del espacio de deriva es que la carcasa de este espacio debe cumplir con requisitos de diseño altamente específicos para obtener una diferencia de potencial uniforme a través del espacio.

Otro inconveniente del obturador conocido es que la forma del enjambre de iones expulsado tiene una forma irregular. Esta forma se asemeja en cierta medida a la forma de una raya. La curva de detección de un enjambre de iones específicos en la placa colectora tendrá una forma errática, por lo que es más difícil distinguir diferentes tiempos de deriva de los diferentes enjambres de iones entre sí.

Todos estos inconvenientes mencionados anteriormente dificultan la reducción del tamaño de los espectrómetros de movilidad iónica conocidos.

Técnica anterior

En una tesis doctoral de Stephen Charles Denson titulada "Improving the sensitivity and resolution of Miniature Ion Mobility Spectrometers with a Capacitive Trans-Impedance Amplifier", se divulga un obturador de haz de iones de tres componentes. Este obturador se indica en la referencia para operar de la misma manera que un obturador de compresión de dos componentes, excepto que utiliza una tercera pantalla de otro componente capaz de proporcionar un gradiente de potencial uniforme a través del radio del tubo de deriva. Los voltajes en las pantallas primera (S1) y tercera (S3) se mantienen constantes mientras que el voltaje en la segunda pantalla (S2) (que se encuentra entre el puño y las segundas pantallas) varía para controlar el obturador. Para cerrar el obturador, el voltaje en la pantalla S2 se establece más alto que en las pantallas S1 y S3 (|V^s1 | <|V^s2|> |V^s3|) , la diferencia de potencial inversa entre S1 y S2 impide que los iones alcancen segunda pantalla. El obturador se abre bajando |Vs2| de modo que se aplique un gradiente de potencial directo a través del espacio entre las pantallas SI y S3 (|V^{s i}|> |V^s2|> |V^s3|) . Se afirma que la entaja que ofrece la tercera pantalla es que la concentración de iones no cae en el área antes de la pantalla S1 cuando el obturador está cerrado. Sin embargo, al igual que con el obturador Tyndall-Powell, la referencia establece que el obturador de tres componentes debe dejarse abierto para que los iones viajen a través de dos etapas del obturador o los iones se perderán cuando se cierre el obturador.

El obturador de tres componentes en esta referencia todavía determina el tamaño del enjambre de iones admitidos en el espacio de deriva estableciendo el período de tiempo que el obturador está abierto y mientras se aplique un potencial de avance a través de las tres pantallas, el obturador permanecerá abierto y continuará admitiendo iones en el espacio de deriva.

Resumen

Con el fin de mitigar los inconvenientes indicados anteriormente de la técnica anterior, la presente invención proporciona un obturador para un espectrómetro de movilidad iónica como se expone en lo sucesivo en la reivindicación 1 de las reivindicaciones adjuntas.

Cuando se usa el obturador en un espectrómetro de movilidad iónica, los iones o las moléculas ionizadas llegarán primero a la tercera superficie del electrodo. Una vez que los iones han pasado a través de la superficie del tercer electrodo, llegarán a las superficies del primer y segundo electrodo que, al menos con respecto a la posición de cierre del obturador, funcionan de la misma manera que un obturador Tyndall-Powell.

En cuanto se invierte el potencial entre la primera y la segunda superficie del electrodo, como en un obturador Tyndall-Powell habitual, mientras el potencial de la superficie del tercer electrodo permanece igual, los iones entre la superficie del primer electrodo y la tercera superficie de electrodo se atraerá a la superficie del tercer electrodo, mientras que los iones entre la primera y la segunda superficie del electrodo se impulsan en la dirección del espacio de deriva.

El resultado es que solo los iones ubicados entre la primera y la segunda superficie del electrodo pueden continuar así hacia el espacio de deriva, incluso cuando el obturador permanece abierto durante un tiempo considerable. Esto se debe a que se bloquea un suministro de iones adicionales en la superficie del tercer electrodo.

Al disponer una tercera superficie de electrodo, la longitud de un enjambre de iones admitido puede por lo tanto mantenerse corta ya que no puede tener lugar un suministro adicional de iones tan pronto como se abre el obturador. Ahora que la longitud de un enjambre de iones puede mantenerse corta, los enjambres de diferentes tipos de iones se separarán más rápidamente, por lo que la placa colectora se puede colocar a una distancia más corta del obturador, mientras que se puede obtener la misma precisión logrado en la detección de los diferentes enjambres de iones. Se ha encontrado además que la forma del enjambre de iones expulsados a través del obturador de acuerdo con la invención es más uniforme, en particular más lineal y paralela a la superficie del colector, por lo que el tiempo de duración en el que un enjambre de un El tipo de iones detectados también es más corto. Como resultado, se puede hacer una distinción más fácilmente entre los diferentes enjambres.

En una realización del obturador de acuerdo con la invención,...