离子迁移谱仪和用于通过离子迁移谱分析样本的方法

摘要

本发明涉及一种离子迁移谱仪，所述离子迁移谱仪至少具有第一漂移室和用于将离子受控地转移到所述第一漂移室中的第一可切换离子门，其中：所述第一离子门被设计为至少具有第一反电极和第一注入电极的场切换离子门；其中，第一电离室形成在所述第一反电极与所述第一注入电极之间，待通过离子迁移谱分析的离子能够从电离源被馈送到所述第一电离室中。本发明还涉及离子迁移谱仪，其至少具有第一漂移室和用于将离子受控地转移到第一漂移室中的第一可切换离子门，以及与第一漂移室分开的第二漂移室和用于将离子受控地转移到第二漂移室中的第二可切换离子门。本发明还涉及用于借助于离子迁移谱仪、例如前述类型的离子迁移谱仪通过离子迁移谱分析样本的方法，其中借助于电离源，待分析的离子从样本中产生并且被提供在离子迁移谱仪的电离室中。

说明书

技术领域

本发明总体上涉及离子迁移谱仪的领域和用于通过离子迁移谱分析样本的方法。在这种情况下，缩写IMS既用于测量方法“离子迁移谱”又用于测量装置“离子迁移谱仪”。

本发明涉及离子迁移谱仪，其至少包括第一漂移室和用于将离子受控地转移到第一漂移室中的第一可切换离子门，其中第一离子门体现为至少包括第一反电极和第一注入电极的场切换离子门，其中第一电离室形成在第一反电极与第一注入电极之间，待通过离子迁移谱分析的电离室离子能够从电离源馈入到所述第一电离室中。

本发明还涉及离子迁移谱仪，其至少包括第一漂移室和用于将离子受控地转移到第一漂移室中的第一可切换离子门，以及与第一漂移室分开的第二漂移室和用于将离子受控地转移到第二漂移室中的第二可切换离子门。

本发明还涉及用于借助于离子迁移谱仪、例如上述类型的离子迁移谱仪通过离子迁移谱分析样本的方法，其中借助于电离源，待分析的离子从样本中产生并且提供在离子迁移谱仪的电离室中。

背景技术

例如从DE 10 2015 112 869 A1或EP 2 428 797 A1中已知用于离子迁移谱的装置和方法。

发明内容

本发明基于在实际实用性方面改进这种离子迁移谱仪和用于离子迁移谱的方法的目的。

该目的借助于离子迁移谱仪实现，所述离子迁移谱仪至少包括第一漂移室和用于将离子受控地转移到第一漂移室中的第一可切换离子门，其中第一离子门被实现为至少包括第一反电极和第一注入电极的场切换离子门，其中第一电离室形成在第一反电极与第一注入电极之间，待通过离子迁移谱分析的电离室离子能够从电离源被馈送到所述第一电离室中，其中至少一个第一附加电极布置在所述第一离子门与所述第一漂移室之间，待借助于所述第一离子门转移到所述第一漂移室中的离子附加地能够受到所述第一附加电极的影响。凭借附加存在的第一附加电极(其在具有场切换离子门的离子迁移谱仪中原本并不存在)，可能实现离子迁移谱仪的多种扩展功能，所述多种扩展功能使得离子迁移谱仪的分辨能力和灵敏度能够提高。通过在电极之间产生对应的电势梯度，第一附加电极可以能够实现例如也在下面说明的双场切换方法、扩展场切换方法及其组合，其被称为扩展双场切换方法。用于实现这种离子迁移谱仪的费用相对较低，特别是因为可以使用场切换离子门。因此，离子迁移谱仪可以在其结构上特别紧凑地并且成本效益高地实现。

场切换离子门包括反电极和注入电极。当使用场切换离子门时，电离，即从样本中提供离子，是在没有电场或几乎没有电场的空间中实现的，所述空间也被称为电离室。电离室位于反电极与注入电极之间，其中如从电离室观察的那样，离子迁移谱仪的漂移室位于注入电极的后面。借助于场切换离子门的电极的对应电势切换，在电离室中作为离子包提供的离子可以转移到漂移室中，其中它们通过沿电离室在那里产生的电场被引导远至离子检测器，在所述离子检测器处检测碰撞离子。这种设计的离子迁移谱仪可以在其结构上特别紧凑地并且成本效益高地实现，因为在这种情况下，例如如从DE 10 2015 112 869A1已知的附加的反应室无需设置在漂移室的上游。因此，可以将离子迁移谱仪具体化为使得仅通过场切换离子门的电极在电离室中产生电场，从而不需要用于在电离室中产生电场的附加的场产生装置。

本发明基于用于将离子从相应的电离室馈送到离子迁移谱仪的相应的漂移室中的场切换原理。术语“场切换”或“场切换离子门”包括以下功能：在没有电场或至少几乎没有电场的电离空间中实现待分析的离子的提供，即分析物分子的电离，使得在该电离阶段期间，由于没有电场，所以所提供的离子尚未在任何方向上移动。如果随后旨在进行分析步骤，则相应地切换场切换离子门的电极，即切换至少一个电极，因此使离子在漂移室的方向上运动。

因此，在场切换离子门的情况下，至少在电离阶段，电离室基本上没有电场。为了实现这种电离室中没有电场的状态，在场切换离子门的反电极和注入电极之间可以存在相同的电势。也可以在反电极和注入电极之间施加微小的电势差，以补偿电场从漂移室的场穿通。然而，在这种情况下，反电极与注入电极之间的电势差恰好不会在电离室中产生电场，而是抵消漂移室的电场的穿通，并且因此补偿在没有电场状态的方向上的电离室的状态。

离子迁移谱仪可以包括一个第一附加电极或多个第一附加电极。由于多个第一附加电极的存在，所描述的有利的方法步骤也可以多样地进行，例如在这种情况下，通过双场切换对离子包的压缩可以作为多场切换来进行。

根据本发明的一个有利的改进形式，第一附加电极布置在第一漂移室的面对第一离子门的端部处。以这种方式，可以在结构尺寸方面进一步优化离子迁移谱仪。此外，第一附加电极可以执行其期望的功能，例如用于特别有效地屏蔽漂移室中的电场。

根据本发明的一个有利的改进形式，第一附加电极与第一注入电极之间的距离小于第一反电极与第一注入电极之间的距离。通过这种方法，也可以进一步提高离子迁移谱仪的结构尺寸以及第一附加电极的有效性。因此，例如，可以在也在下面说明的第二压缩步骤中特别有效地压缩离子包。

根据本发明的一个有利的改进形式，第一附加电极以电势不可切换的方式体现。因此，使离子迁移谱仪的操作所需的电路硬件的结构保持简单，并提高了屏蔽效果。例如，离子迁移谱仪可以仅在第一注入电极处实现电势切换的方式体现。

引言中提到的目的另外借助于离子迁移谱仪来实现，所述离子迁移谱仪至少包括第一漂移室和用于将离子受控地转移到第一漂移室中的第一可切换离子门，以及与第一漂移室分开的第二漂移室和用于将离子受控地转移到第二漂移室中的第二可切换离子门，其中第一离子门和/或第二离子门体现为场切换离子门。以这种方式，例如，由于以下事实，可以实现具有双极性的离子迁移谱仪：包括第一漂移室的部分被配置成用于分析正离子，并且包括第二漂移室的部分被配置成用于分析负离子。这种具有一个或两个离子门作为场切换离子门的离子迁移谱仪的实现使得能够在测量期间实现特别紧凑的结构，同时具有超高分辨能力和极高的灵敏度。

根据本发明的一个有利的改进形式，所述第一离子门至少包括第一反电极和第一注入电极，其中第一电离室形成在所述第一反电极与所述第一注入电极之间，待通过离子迁移谱分析的离子能够从电离源被馈送到所述电离室中。因此，在这种情况下，第一离子门被配置为场切换离子门。在此，类似于前面的说明，第一注入电极可以被布置成比第一反电极更靠近第一漂移室。

根据本发明的一个有利的改进形式，所述第二离子门至少包括第二反电极和第二注入电极，其中第二电离室形成在所述第二反电极与所述第二注入电极之间，待通过离子迁移谱分析的离子能够从电离源被馈送到所述电离室中。在这种情况下，第二离子门被配置为场切换离子门。在此，第二注入电极可以被布置成比第二反电极更靠近第二漂移室。

在第一漂移室的远离第一注入电极的端部处，离子迁移谱仪可以包括用于检测第一离子种类，例如正离子的第一检测器。在第二漂移室的远离第二注入电极的端部处，离子迁移谱仪可以包括用于检测第二离子种类，例如负离子的第二检测器。

形成在第一反电极与第一注入电极之间的第一电离室可以连接到形成在第二反电极与第二注入电极之间的第二电离室，或者可以被实现为公共电离室。独立于此，但也可与这些特征结合，离子迁移谱仪可以通过公共电离源来体现，所述公共电离源在相应的电离室或公共电离室中提供两种极性的离子。

根据本发明的一个有利的改进形式，所述第一离子门和所述第二离子门由至少第一多功能电极和第二多功能电极的布置形成，其中所述第一多功能电极设置在所述第一漂移室的上游，并且所述第二多功能电极设置在所述第二漂移室的上游，其中所述第一多功能电极形成所述第一离子门的所述注入电极，并且所述第二多功能电极形成所述第一离子门的所述反电极，并且所述第二多功能电极形成所述第二离子门的所述注入电极，并且所述第一多功能电极形成所述第二离子门的所述反电极。因此，可以实现离子门的特别简单的结构。然后包括第一电离室和第二电离室的公共电离室可以形成在多功能电极之间。

在上面说明的具有多功能电极的实施例中，可以省去仅执行反电极的功能的纯反电极。因此，可以实现具有两个离子门的离子迁移谱仪的更简单结构，这需要更少的电极。实现更高的正离子和负离子产率的公共电离室是另外有利的。为了执行也在下面说明的扩展场切换和扩展双场切换的方法，在不同情况下提供两个第一附加电极和两个第二附加电极是有利的。在这种情况下，最靠近相应的漂移室定位的附加电极可以保持在固定电势下；更靠近多功能电极布置的其他附加电极可以被切换为不同的电势。

离子迁移谱仪可以第一漂移室和第二漂移室在相同或至少基本上平行的轴上一个接一个地布置的方式实现。这实现了离子迁移谱仪的相对较长的结构长度以及较小的直径。

根据本发明的一个有利的改进形式，第一漂移室和第二漂移室基本上平行地靠近彼此布置。因此，可以进一步减小离子迁移谱仪的结构尺寸。具体地，与上面说明的实施例相比，结构长度基本上减半。在这种设计的情况下，相应的离子门的电极的布置可以互换，即在这种情况下，第一反电极可以被布置成比第一注入电极更靠近第一漂移室，并且第二反电极可以被布置成比第二注入电极更靠近第二漂移室。

根据本发明的一个有利的改进形式，第一反电极和第二反电极彼此短路或者被实现为公共反电极。因此，关于结构尺寸并且关于所需的部件两者，离子迁移谱仪的结构可以进一步优化。此外，可以进一步简化电气结构。该实施例例如适于离子迁移谱仪，其中第一漂移室和第二漂移室在相同或至少基本上平行的轴上一个接一个地布置。可替代地，也可以规定，第一注入电极和第二注入电极彼此短路或者被实现为公共注入电极。例如，如果第一漂移室和第二漂移室基本上平行地靠近彼此布置，则这是有利的。

根据本发明的一种有利的改进形式：

a)至少一个第一附加电极布置在所述第一离子门与所述第一漂移室之间，待借助于所述第一离子门转移到所述第一漂移室中的离子附加地能够受到所述第一附加电极的影响，

和/或

b)至少一个第二附加电极布置在所述第二离子门与所述第二漂移室之间，待借助于所述第二离子门转移到所述第二漂移室中的离子附加地能够受到所述第二附加电极的影响。

因此，可以存在一个或多个第一附加电极和/或一个或多个第二附加电极。分别存在的第一附加电极和第二附加电极的数量可以是不同的，即，离子迁移谱仪也可以在单个IMS管配备有附加电极方面不对称地体现。

根据本发明的一个有利的改进形式，第一附加电极和/或第二附加电极以电势可切换的方式体现。如果旨在进行扩展场切换，则这是特别有利的。因此，如果漂移室中的检测器电势或梯度适应于扩展场切换的情况，则相应的附加电极的电势可以适应。

根据本发明的一个有利的改进形式，所述离子迁移谱仪包括作为电离源的X射线电离源、紫外(UV)电离源、电晕电离源、等离子体电离源、介电势垒放电源和/或电子发射器。以这种方式，具体地与场切换离子门相关联，可以进一步提高上述高灵敏度和分辨能力。

电离源可以例如横向地布置在相应的电离室的旁边。在这种情况下，有利的是使用具有大的穿透深度或至少大的孔径角的电离源。也可以例如通过将电离源结构整合到反电极或作为电离源的反电极的实施例中而将电离源与反电极(第一反电极和/或第二反电极)结合在一起。

电离源可以是非放射性电离源或放射性电离源。例如，反电极可以涂覆有放射性材料。

就给出关于场切换离子门及其反电极和注入电极的一般性解释而言，这既适用于第一离子门也适用于第二离子门，也就是说同样适用于第一反电极和第二反电极以及第一注入电极和第二注入电极。具有第一附加电极的离子迁移谱仪的上面说明的实施例在具有单极性(仅具有一个漂移室)的离子迁移谱仪的情况下、以及在具有第一漂移室和第二漂移室的所述实施例的情况下可有利地结合。在最后提到的情况下，第二附加电极然后可以设置在第二漂移室的上游。

前文中提到的目的另外借助于用于借助于前述类型的离子迁移谱仪通过离子迁移谱分析样本的方法来实现，其中借助于电离源，待分析的离子从样本中产生并且被提供在第一电离室中，并且在过程中产生的离子在第一离子门的控制下被引导通过第一漂移室到达第一离子检测器，其中第一电离室至少在离子产生周期中基本上无电场，其特征在于以下特征a)、b)中的一个或两个：

a)在离子包被转移到第一漂移室中之前，通过切换第一注入电极与第一反电极之间的电势差，被提供在第一电离室中的离子包在第一压缩步骤中被第一次压缩，并且在经过第一注入电极之后，通过切换第一附加电极与第一注入电极之间的电势差，该离子包至少在第二压缩步骤中被第二次压缩，

b)至少在离子产生时段期间，通过第一附加电极或至少附加屏蔽电极将在第一电离室中产生的离子与在第一漂移室中产生的电场部分基本上屏蔽开。

以这种方式，可以实现双场切换或多场切换(特征a))、扩展场切换(特征b))或与其组合的方式的扩展双场切换(特征a)和b)的组合)的有利方法。借助于这些方法，可以提高离子迁移谱仪的分辨能力，而无需漂移室的延长(在其他方面需要)。同样可以更紧凑地构造具有可比较的分辨能力，即具有更短的漂移室的离子迁移谱仪。

由于借助于电离源进行电离，待分析的离子被提供在第一电离室中。提供的这些离子也称为离子包。借助于离子门的切换，即例如场切换离子门的电极，离子包的离子在漂移室的方向上移动并在工艺中被第一次压缩。在这种情况下，术语“压缩”涉及离子包在期望的飞行方向上的范围，即在通过漂移室的漂移方向上的范围。由于离子包的压缩，离子包变得更窄，这导致离子迁移谱的分辨能力增强。通过在第二压缩步骤中使用第一附加电极进行离子包的进一步(第二)压缩，与现有技术的离子迁移谱方法相比，离子包在转移到漂移室中时可以更窄。第二压缩步骤之后可以是一个或多个其他压缩步骤(多场切换)，以使离子包更窄。然而，在许多情况下，第二压缩步骤对于实际应用将是足够的。

第一压缩步骤可以通过借助于离子门在电离室中产生电场，即通过在注入电极与反电极之间产生电势差来实现。第二压缩步骤可以通过在电离室与漂移室之间产生另一个电场来实现。为此，例如可以在注入电极与附加电极之间产生电势差。

在上述类型的离子迁移谱仪的情况下，具体地在使用场切换离子门时，更具体地在注入电极被布置成非常靠近漂移室(这当然是期望的)以实现小的结构尺寸的情况下，可能发生漂移室中存在的电场到电离室中的场穿通。在某些情况下，场穿通的影响区域中的离子可能已经进入漂移室，这即使在关闭状态下也导致离子门的一定透过率。因此，可能发生进入漂移室的少量泄漏电流，这可能导致离子迁移谱仪的灵敏度和选择性的显著降低。为了抵消这种影响，可设想例如通过向反电极施加所谓的阻塞电压在电离室中产生与漂移室的场相反的非常低的电场。然而，这具有使电离室中的离子在反电极的方向上移动的作用，这确实在一定程度上防止离子通过闭合的离子门，但是导致反电极处的离子损失。这也降低了离子迁移谱仪的灵敏度。此外，可能发生对特定离子种类的其他区分。这可以通过根据本发明的扩展场切换方法，特别是通过电离室中产生的离子的通过第一附加电极或至少附加屏蔽电极屏蔽实现的屏蔽来防止。如从电离室观察的那样，然后将第一附加电极或屏蔽电极布置在第一注入电极的后面。以这种方式，只要关闭离子门，电离室仍可以在基本上没有电场的情况下运行。然而，由于场穿通的区域被电离室屏蔽，因此防止了不希望的离子通过闭合的离子门。因此，通过这种方法，可以简单的方式提高离子迁移谱仪的灵敏度和选择性，并且可以避免对特定离子种类的不希望的区分。

前文中提到的目的另外借助于用于通过离子迁移谱分析样本的方法实现，其中借助于电离源，待分析的离子从所述样本中产生并且被提供在第一电离室和/或第二电离室中，并且在所述过程中产生的正离子和负离子在相应的第一离子门和第二离子门的控制下通过分开的漂移室被引导到分开的相应的离子检测器，其中所述第一电离室和/或所述第二电离室至少在离子产生时段期间基本上没有电场。通过这种方法，也可以实现与场切换离子门相关联的优点。

已经说明的方法可以用于上面说明的离子迁移谱仪的任何实施例中。

根据本发明的一个有利的改进形式，第一反电极和第二反电极具有相同的电势。因此，简化了用于驱动离子门的电路结构以及离子门本身的结构。

根据本发明的一个有利的改进形式，第一离子门和/或第二离子门的打开和关闭通过相应的离子门的注入电极和/或反电极的电势切换来实现。通过这种方法，也简化了离子门的电驱动。可以避免在其他电极或在多个电极处的进一步的电势切换。

根据本发明的一个有利的改进形式，在第一压缩步骤中，第一反电极与第一注入电极之间的电势梯度大于漂移室中的电势梯度。因此，可以实现在第一压缩步骤中的离子包的有效压缩。

根据本发明的一个有利的改进形式，在第二压缩步骤中，第一注入电极与第一附加电极之间的电势梯度大于漂移室中的电势梯度。因此，可以实现在第二压缩步骤中的离子包的有效压缩。

根据本发明的一个有利的改进形式，第一注入电极与第一附加电极之间的电势梯度在第二压缩步骤中大于在第一压缩步骤中。因此，可以实现在第二压缩步骤中的离子包的特别大的压缩。

根据本发明的一个有利的改进形式，在第一压缩步骤中，第一注入电极与第一附加电极之间的电势梯度基本上等于漂移室的电势梯度。以这种方式可以实现离子包从离子门到漂移室中的均匀转移。

根据本发明的一个有利的改进形式，在第一压缩步骤中，第一注入电极与第一附加电极之间的电势梯度大于第一反电极与第一注入电极之间的电势梯度并且大于漂移室的电势梯度。以这种方式可以有利地实现离子聚焦，所述离子聚焦可以例如用于扩展场切换中。

根据本发明的一个有利的改进形式，第一注入电极与用于屏蔽的电极(即第一附加电极或屏蔽电极)之间的电势梯度等于零，或至少在离子产生时段期间与漂移室中的电势梯度相反。通过这种方法，可以在扩展场切换中实现良好的屏蔽效果，而不会发生可感知的离子损失。

根据本发明的一个有利的改进形式，在切换到第一压缩步骤时，第一注入电极与第一附加电极之间的电势梯度切换晚于第一反电极与第一注入电极之间的电势梯度切换。以这种方式可以消除不希望的快离子。

根据本发明的一个有利的改进形式，在离开第一压缩步骤时，即例如在改变为第二压缩步骤时，第一反电极与第一注入电极之间的电势梯度切换早于第一注入电极与第一附加电极之间的电势梯度切换。以这种方式可以消除不希望的慢离子。

在这种情况下，电势梯度被理解为是指在漂移室的纵向轴线的方向上或在离子在漂移室中的期望的漂移方向上的电势的梯度。

在具有第二漂移室的离子迁移谱仪的情况下，例如在双极性的情况下，上面关于第一离子门、第一反电极、第一注入电极、第一附加电极和第一漂移室提到的特征也可以用作第二离子门，即第二反电极、第二注入电极和第二附加电极和/或第二漂移室的对应部件的有利的改进形式。

附图说明

下面使用附图基于示例性实施例更详细地解释本发明。

在附图中：

图1示出具有两个漂移室的离子迁移谱仪；

图2示出具有两个漂移室的离子迁移谱仪的另一个实施例；

图3示出具有一个漂移室的离子迁移谱仪；

图4示出在双场切换期间根据图3的离子迁移谱仪中的示例性电势分布图；

图5示出在扩展场切换期间根据图3的离子迁移谱仪中的示例性电势分布图；

图6示出在扩展双场切换期间根据图3的离子迁移谱仪中的示例性电势分布图；

图7示出具有两个漂移室的离子谱仪的另一个实施例；

图8示出具有两个漂移室的离子迁移谱仪的另一个实施例；图9示出在正常场或双场切换期间根据图8的离子迁移谱仪中的示例性电势分布图；

图10示出具有两个漂移室和两个多功能电极的离子迁移谱仪的实施例；

图11、图12示出根据图10的离子迁移谱仪中的示例性电势分布图；

图13示出具有两个漂移室的离子迁移谱仪；

图14、图15示出在扩展场切换期间根据图13的离子迁移谱仪中的示例性电势分布图；图16示出在一个实施例中的具有两个漂移室的离子迁移谱仪；

图17示出根据图16的离子迁移谱仪中的示例性电势分布图；

图18示出具有呈平行布置的两个漂移室的离子迁移谱仪；图19至图22示出根据图18的离子迁移谱仪中的示例性电势分布图；

图23示出具有呈平行布置的两个漂移室的离子迁移谱仪的另一个实施例；图24至图27示出根据图23的离子迁移谱仪中的示例性电势分布图；

图28示出具有呈平行布置的两个漂移室的离子迁移谱仪的另一个实施例；以及图29至图32示出根据图28的离子迁移谱仪中的示例性电势分布图。

具体实施方式

图1示出具有两个IMS管1、2的基本上同轴布置的离子迁移谱仪1、2。IMS管1包括第一离子门10，所述第一离子门10包括第一反电极11和第一注入电极12。第一电离室13形成在第一注入电极12与第一反电极11之间。在第一注入电极12的后面，第一漂移室14与第一电离室13相邻，并且终止于第一离子检测器16处。在第一漂移室14的区域中，存在例如呈围绕第一漂移室14的环形电极的形式的第一场产生装置15。第一场产生装置15可以在第一漂移室14中产生电场，所述电场对待检查的离子施加期望的漂移效果，使得所述离子从第一离子门10被传输到第一离子检测器16。漂移气体可以例如在与离子的漂移方向相反的方向上流过第一漂移室14。为此，第一IMS管1包括第一漂移气体入口接头17和第一漂移气体出口接头18。可以在第一漂移气体入口接头17处将漂移气体引入IMS管1中。可以在第一漂移气体出口接头18处将漂移气体从IMS管1中排放。

离子迁移谱仪或第一IMS管1和第二IMS管2可以包括用于引入和排放样本气体的附加接头。这些接头例如可以布置在第一电离室13和/或第二电离室23的区域中。

第二IMS管2以与第一IMS管1类似的方式构造，但是相对于其镜像对称地布置。第二IMS管2包括具有第二反电极21和第二注入电极22的第二离子门20，其中第二电离室23形成在第二注入电极22与第二反电极21之间。第二IMS管2的其他部件是第二漂移室24、第二场产生装置25、第二离子检测器26、第二漂移气体入口接头27和第二漂移气体出口接头28。第二IMS管2的对应元件具有与以上针对第一IMS管1的部件所说明的功能相同的功能。例如，第一IMS管1可以用于分析正离子，并且第二IMS管2用于分析负离子。

在这种情况下，第一反电极11和第二反电极21也可以体现为公共反电极或电互连的反电极。

离子迁移谱仪另外包括在第一电离室13和第二电离室23中提供离子的电离源3。第一离子门10和第二离子门20各自被实施为场切换离子门。

图2示出离子迁移谱仪的一个有利实施例，所述离子迁移谱仪同样包括第一IMS管1和第二IMS管2，并且其余部分包括已经参考图1说明的部件。与图1的实施例相反，在图2中，IMS管1、2基本上平行地靠近彼此布置，因此导致布置的结构长度较短。在这种情况下，可能形成由第一电离室13和第二电离室23制成的公共电离室，所述公共电离室如在图1的实施例中那样由公共电离源3供应有离子。

在根据图2的实施例中，第一离子门10和第二离子门20可以各自以与图1的实施例中相同的方式被构造，即，使得与相应的反电极相比，相应的注入电极被布置得更靠近面向离子门的漂移室。图2示出在这方面的修改的布置，其中相应的离子门10、20的注入电极和反电极的位置互换。显然，第一注入电极12进一步远离第一漂移室14，并且第一反电极11被布置成更靠近第一漂移室14。以类似的方式，第二注入电极22进一步远离第二漂移室24，并且第二反电极21更靠近第二漂移室24。这使得第一反电极11和第二反电极21可以被实施为公共反电极或至少为电互连的反电极。这简化了离子迁移谱仪的构造和离子迁移谱仪的电操作所需的电路构造。

图3示出仅具有一个IMS管1的离子迁移谱仪。离子迁移谱仪具有与图1的实施例的第一IMS管1相当的构造，具体地，其中第一离子门10的部件包括第一反电极11和第一注入电极12，第一电离室13形成在第一反电极11和第一注入电极12之间，并且第一漂移室14与第一离子门10相邻，第一场产生装置15布置在所述第一漂移室的区域中。第一离子检测器16布置在第一漂移室14的端部处。此外，存在第一漂移气体入口接头17和第一漂移气体出口接头18。

作为附加元件，根据图3的离子迁移谱仪包括附加电极19，所述附加电极19如从第一反电极11观察时被布置在第一注入电极12的后面，例如在第一漂移室14的开始处。第一附加电极19可以与第一注入电极12或第一反电极11类似地被实现为例如环形电极或栅极。通过向第一附加电极19施加合适的电势并通过切换第一离子门10的至少一个其他电势，例如第一注入电极12处的电势，可以实现用于双场切换、用于扩展场切换和用于扩展双场切换的方法。下面参考图4至图6中的时序图对此进行说明。

图4至图6示出相对于IMS管1的纵向范围s的电势差U。电势差U是相对于第一离子检测器16的相应的电势差。第一反电极11、第一注入电极12、第一附加电极19和第一离子检测器16的位置由垂直线表示。在图4至图6的所有示例中，假定在第一漂移室14中存在具有相对较低的电势梯度D以及因此电场的较低场强的线性电势分布图。

图4示出双场切换的一个示例。在这种情况下，第一注入电极12的电势在两个值之间来回切换。实线A表示在第一电离室13中不存在电场的电势分布，因为在第一反电极11与第一注入电极12之间没有产生电势差。在这个阶段中，待分析的离子可以借助于电离源3产生并被提供到第一电离室13中。因此，第一离子门10在该状态下关闭。

如果足够数量的待分析离子已经积累在第一电离室13中，则切换第一注入电极12处的电势，使得建立由虚线B表示的电势分布。然后，由于下降的电势分布，位于第一电离室13中的离子包在朝向第一漂移室14的方向上从第一电离室13移动。在这种情况下，实现离子包的第一压缩。在特定时间段之后，当可以假定离子包已通过第一注入电极12但尚未通过第一附加电极19时，第一注入电极12处的电势再次切换为首次出现的值，使得再次出现由实线A表示的电势分布。在该状态下，如上所述，第一电离室中的场强基本上等于零。然后在第一注入电极12与第一附加电极19之间的空间中存在相对陡峭的电势梯度，因此存在相对强的电场，这导致位于该间隙中的离子包的第二压缩。现在已经被第二次压缩的该离子包然后被转移到第一漂移室14中。

在图4中另外明显的是，定义第二电势值可能是有利的，所述第二电势值施加到第一注入电极12并且导致根据虚线B的电势分布，使得在该操作阶段中，第一注入电极12与第一附加电极19之间的电势梯度至少基本上等于第一漂移室14中的电势梯度D。以这种方式确保了离子包从第一注入电极12与第一附加电极19之间的间隙均匀地被转移到第一漂移室14中。

图5示出扩展场切换的一个示例。在此，第一注入电极12的电势也在两个不同的值之间来回切换。首先应假定导致由实线A表示的电势分布的电势值施加到第一注入电极12。在该状态下，第一离子门10处于关闭状态，即，第一电离室13基本上是没有电场的。此外，选择第一注入电极12处的电势，使得在第一注入电极12与第一附加电极19之间的间隙中电势也是恒定的，并且因此该空间也基本上是没有电场的。以这种方式可以防止由第一漂移室14中的电势梯度D导致的电场穿通到第一电离室13中。

然后将第一注入电极12处的电势切换为不同的值，使得建立由虚线B表示的电势分布。在这种情况下，第一反电极11与第一注入电极12之间的电势梯度例如对应于由图4中的虚线B表示的电势分布；同样，第一注入电极12与第一附加电极19之间的电势分布可以对应于参考图4的虚线B表示的电势分布。因此，在该状态下，第一离子门切换为传输，使得离子包从第一电离室13移动到第一漂移室14。

图6示出在扩展双场切换的情况下的示例性电势分布，因此以上参考图4和图5说明的方法的组合。在这种情况下，第一注入电极12处的电势在三个不同的值之间切换。应当假定序列以根据实线A的电势分布开始。在该状态下，第一离子门10关闭，或者换句话说，该状态对应于上面参考图5根据其中的实线A说明的状态。第一电离室13以及第一注入电极12与第一附加电极19之间的间隙基本上是没有电场的。因此，第一附加电极19可以执行其功能以屏蔽来自第一漂移室14的场穿通。

然后，切换第一注入电极12处的电势，使得产生由虚线B表示的电势分布。在该状态下，第一离子门10打开。已经积累在第一电离室13中的离子包在朝向第一漂移室14的方向上移动并且在过程中被第一次压缩。这对应于在以上参考图4和图5说明的示例中的根据虚线B的电势分布的情况下同样产生的序列。

然后再次切换第一注入电极12的电势，使得产生由点线C表示的电势分布。在该状态下，第一离子门10再次关闭。因此，第一电离室13基本上是没有电场的。然而，与由实线A表示的电势分布相反，第一电离室13的该没有电场状态在更高的电势值处获得。因此，在第一注入电极12与第一附加电极19之间的间隙中，存在相对强的电场，即明显的电势梯度，使得位于该间隙中的离子在被转移到第一漂移室14中之前被第二次压缩。在这种情况下，根据点线C的电势分布可以例如对应于根据图4的实线A的电势分布。

然后将第一注入电极12处的电势再次切换为首次提到的值，使得建立根据图6的实线A的电势分布。

图7示出具有两个漂移室的离子迁移谱仪的另一个实施例，所述两个漂移室一个接一个地布置，即如在图1的实施例中那样。与图1的实施例相反，图7中的离子迁移谱仪包括IMS管1中的第一附加电极19和IMS管2中的第二附加电极29。因此，可以提供具有两个漂移室的离子迁移谱仪，例如具有双极性的离子迁移谱仪，其具有用于进行双场切换、扩展场切换和扩展双场切换的对应功能。在这种情况下，第一离子门10和第二离子门20的相应注入电极处的电势将以如上面针对仅具有一个IMS管1的图3的实施例所说明的对应的方式进行切换。不言而喻，如果旨在分析在相应IMS管1、2中具有不同极性的离子，则以相反的方式切换第一注入电极12和第二注入电极22处的电势。

图8示出离子迁移谱仪的另一个实施例，其类似于图7的实施例。与图7相反，省略了第一反电极11和第二反电极21。因此，还形成由第一电离室13和第二电离室23制成的公共电离室。因此，简化了离子迁移谱仪的构造。另外，离子损失可以进一步最小化。尽管如此，仍可以实现离子迁移谱仪的全部功能，包括上述对双场切换、扩展场切换和扩展双场切换的扩展。

图9示出当实现双场切换时根据图8的离子迁移谱仪的示例性电势分布。类似于图4至图6中的图示，再次示出了相对于离子迁移谱仪的纵向范围s的电势差U。此外，示出了第一离子检测器16和第二离子检测器26、第一注入电极12和第二注入电极22以及第一附加电极19和第二附加电极29的位置。在此，在不同情况下，在第一注入电极12和第二注入电极22处的电势在两个不同的值之间来回切换。具有实线A的电势分布表示离子门10、20关闭的状态。在公共电离室中，因此存在没有电场的空间，并且离子可以由电离源3提供。

然后以相反的方式切换第一注入电极12和第二注入电极22处的电势，使得产生由虚线B表示的电势分布。以这种方式，正离子和负离子彼此分开，并且作为相应的分开的离子包在朝向相应的第一漂移室14或第二漂移室24的方向上传输。在这种情况下，实现相应的离子包的第一压缩。

一旦相应的离子包已经通过分别分配给它的注入电极12或22，电势分布就可以再次切换为根据实线A的分布。在该状态下，在第一注入电极12/第一附加电极19和第二注入电极22/第二附加电极29的相应间隙中存在相对陡峭的电势梯度。因此实现相应的离子包的第二压缩。在这种情况下，序列对应于已经参考图4针对一个IMS管1所说明的序列。第二IMS管2的序列结果相同，但极性相反。

在这种离子门包括注入电极和反电极的情况下，在许多应用中，注入电极被布置成比反电极更靠近分配给离子门的漂移室。在一些应用中，例如在具有双极性的离子迁移谱仪的情况下，布置也可以颠倒，即在此类情况下，反电极被布置成比注入电极更靠近分配给离子门的漂移室。

即使在根据图8的离子迁移谱仪的实施例中不存在第一反电极和第二反电极作为单独的组件，在所描述的注入电极处的电势的切换的功能的情况下也仍然存在相应的反电极的功能。关于第一离子门10分配到其上的IMS管1，第二注入电极22执行第一反电极的功能。以对应的方式，对于第二离子门20分配到其上的第二IMS管2，第一注入电极12执行第二反电极的功能。如明显的是，本实施例中的第一注入电极12和第二注入电极22具有上述第一多功能电极和第二多功能电极的功能。

也可以分别在离子门的相应的反电极和相应的注入电极处切换电势，并且使用由已提到的三个电极，即反电极、注入电极和附加电极构成的设置来进行双场切换、扩展场切换和/或扩展双场切换的方法。

图10示出具有以轴向对准方式布置的两个漂移室14、24的离子迁移谱仪，所述谱仪比参考图8所说明的实施例更大程度地简化。根据图10的实施例再次包括由第一注入电极12和第二注入电极22形成的两个多功能电极。与图8的实施例相比，图10的实施例缺少第一附加电极19和第二附加电极29。即便使用双离子迁移谱仪的这种进一步简化的实施例，也可以实现离子分析中的期望功能。

图11示出漂移室14、24中和公共电离室13、23中的电势分布的一个实施例。根据图11，在离子产生周期中，存在与图8的实施例基本上相同的电势分布，但是在相应的注入电极与附加电极之间没有电势梯度，因为在图10的实施例中不存在附加电极。这由图11中的实线表示。根据场切换原理，在公共电离室13、23中存在电势梯度A，由于所述电势梯度，电离室13、23基本上没有电场。在第一漂移室14中和第二漂移室24中存在具有电势梯度D的漂移场。如果在足够数量的离子已经积累在电离室13、23中之后，进而进行场切换离子门的切换，使得离子被转移到相应的漂移室14、24中(离子注入周期)，那么这通过切换注入电极12、22处的电势来实现，如由图11中的点线表示。然后在电离室13、23中存在相对陡峭的电势梯度B。电势水平在相应的漂移室14、24中分别改变，其中电势梯度E，即在距离s上的电势的相应斜率保持相同并且对应于电势梯度D的斜率。这通过将相应的检测器16、26处的电势切换成与相应的注入电极12、22处的电势相同的幅度来实现。

与图11相比，图12示出电势的切换的替代实施例。在离子产生周期中，存在与图11相同的状态，即公共电离室13、23中的基本上中性电势梯度A和漂移室14、24中的相应的电势梯度D。在用于将离子转移到相应的漂移室14、24中的场切换离子门的切换期间，实现与根据图11说明的相同的注入电极12、22处的电势切换，即，电势梯度B在公共电离室13、23中产生。然而，与图11相反，在此检测器16、26处的电势未被切换。这导致在漂移室14、24中的相应的电势梯度E在幅度上小于电势梯度D，使得与图11中的变型相比，离子在相应漂移室14、24中的移动速度在最初、即在离子注入时段期间较低。然后可能再次实现切换至更高的电势梯度，例如电势梯度D。

上面参考根据图10的离子迁移谱仪的实施例描述的电势的切换类型也可以有利地用于根据图8的离子迁移谱仪的实施例中。在根据图8的实施例中，除了由注入电极12、22形成的多功能电极之外，还存在附加电极19、29。这也被认为是根据图13的离子迁移谱仪的实施例中的基础，该谱仪与图8的实施例相当。在该离子迁移谱仪中，可以根据图14实现电势切换。在这种情况下，电势分布以及电势梯度A和B之间的切换对应于图11中的实施例。同样地，与图11类似，在相应的漂移室14、24中，电势梯度在离子产生时段(电势梯度D)与离子注入时段(电势梯度E)(即离子被转移到相应的漂移室14、24中的时段)之间发生平行位移。在这种情况下，电势梯度D、E平行延伸，这通过相应的检测器16、26处的电势的切换来实现。

另外，在第一注入电极12与第一附加电极19之间或第二注入电极22与第二附加电极29之间的相应的空间中的离子产生时段中，设置电势梯度，所述电势梯度在很大程度上是中性的，即基本上对应于电势梯度A，但是在这种情况下可以具有与分别分配的漂移室14、24中的电势梯度D相反的微小斜率。以这种方式，可以通过相应的附加电极19、29抵消从相应的漂移室14、24到公共电离室13、23中的电场的穿通。

电势的切换也可以根据图15来实现，电势的切换类型基本上对应于图12中的实施例。如图12中那样，在图15中，检测器16、26处的电势未切换，这导致电势梯度E在幅度上小于电势梯度D。

图16示出具有轴向布置的漂移室14、24的离子迁移谱仪的一个实施例，其中，除了多功能电极，即第一注入电极12和第二注入电极22以及第一附加电极19和第二附加电极29之外，还存在相应的另外的第一附加电极31和另外的第二附加电极32，附加电极31、32在相应的漂移室14、24的方向上设置在相应的附加电极19、29的上游。

图17示出根据图16的离子迁移谱仪的有利的电势分布。离子产生时段中的电势分布再次由实线表示，并且离子注入时段中的电势分布由点线表示。以这种方式，可以有利地实现扩展场切换，而不需要改变相应的漂移室14、24中的电势或电势分布D。在这种情况下，离子门与相应的漂移室之间的电势梯度的转变可以通过另外的第一附加电极31和另外的第二附加电极32来调节。

图18示出具有平行布置的漂移室14、24的离子迁移谱仪，所述谱仪基本上对应于图2中的实施例。图19至图22示出在离子产生时段和离子注入时段中的有利的电势分布。在这种情况下，各图的上半部分示出离子迁移谱仪的上半部分中的电势分布，并且图的下半部分示出离子迁移谱仪的下半部分中的电势分布。为了进一步区分，在此，离子迁移谱仪的上半部分中的电势分布由实线表示，并且下半部分中的电势分布由点线表示。该分配也适用于图24至图27和图29至图32。

图19示出离子产生时段内的电势分布，并且图20示出离子注入时段内的相关联的电势分布。在此假定两个场切换离子门使用公共注入电极12、22，或者这些注入电极12、22处于相同的电势。公共反电极11、21也是可能的。在这种情况下，图19和图20示出在离子门10、20的正常场切换操作期间的有利切换循环。在这种情况下，仅在相应的反电极11、21处进行电势切换。

与此相反，图21和图22示出电势分布，其中在注入电极12、22和反电极11、21两者处进行电势切换，这在图22中导致电离室13、23中的电势的相交分布。在这种情况下，图21再次示出离子产生周期中的电势分布，并且图22示出离子注入周期中的电势分布。

根据图21和图22的实施例的优点在于，在相应的一对反电极和注入电极之间存在相同的场强，但是反电极11、21之间的电势差较小。因此，例如可以防止发生故障。此外，由于可以多样地使用一些电势，因此简化了驱动。如明显的是，如果最终要在漂移室14、24中获得相同的电势梯度，则基本上对应于图11、图12的方法的根据图21和图22的实施例需要在相应的检测器16、26处的电势切换。可替代地，相应的检测器处的电势可以保持恒定，这导致相应的漂移室14、24中的电势梯度减小。

图23示出在很大程度上对应于图18中的实施例的离子迁移谱仪。与图18相反，在图23的实施例中，相应的第一附加电极19和第二附加电极29设置在相应的漂移室14、24的上游。因此，在图23的实施例中，可以有利地在两个离子门中进行扩展场切换。

图24和图25示出图23的实施例的可能的电势分布，其中根据图24和图25的电势分布在很大程度上对应于图19和图29的实施例。在这种情况下，在相应的注入电极和附加电极之间的空间中，产生具有与相应的漂移室中的场对应的相反梯度的屏蔽场，以便抵消从漂移室到电离室中的场的穿通。在这种情况下，图24示出离子产生周期内的电势分布，并且图25示出离子注入周期内的电势分布。

图26和图27示出与图21和图22可比较的电势分布。与图21和图22相反，在图26和图27中，再次产生了用于抵消场穿通的注入电极和附加电极之间的对应场。在这种情况下，图26示出离子产生时段中的电势分布，并且图27示出离子注入时段中的电势分布。

图28示出在很大程度上对应于图23中的实施例的离子迁移谱仪的一个实施例。与图23相反，在图28的实施例中还存在已经提到的另外的第一附加电极31和另外的第二附加电极32。在这种情况下，另外的第一附加电极31在漂移室14的方向上设置在第一附加电极19的上游，并且另外的第二附加电极32在第二漂移室24的方向上设置在第二附加电极29的上游。

在图28的实施例中，电极的这种配置使得可能实现扩展场切换和双场切换两者，即在第二压缩步骤中对离子包的压缩。

图29和图30示出根据图28的离子迁移谱仪的有利的电势分布，其类似于图19和图20中的切换逻辑来体现。图29示出离子产生时段中的电势分布，并且图30示出离子注入时段中的电势分布。

图31和图32示出类似于图21和图22中的实施例的电势分布。明显的是，具体地在离子产生周期中，在相应的附加电极与另外的附加电极之间的空间中产生了相对陡峭的电势梯度。图31示出离子产生时段中的电势分布，并且图32示出离子注入时段中的电势分布。

因此，在陡峭的电势梯度的基础上，图29和图31还示出在双场切换期间第二压缩步骤的可能的电势分布。

附图标记列表

1,2 离子迁移谱仪(第一IMS管、第二IMS管)

3 电离源

10 第一离子门

11 第一反电极

12 第一注入电极

13 第一电离室

14 第一漂移室

15 第一场产生装置

16 第一离子检测器

17 第一漂移气体入口接头

18 第一漂移气体出口接头

19 第一附加电极

20 第二离子门

21 第二反电极

22 第二注入电极

23 第二电离室

24 第二漂移室

25 第二场产生装置

26 第二离子检测器

27 第二漂移气体入口接头

28 第二漂移气体出口接头

29 第二附加电极

31 另外的第一附加电极

32 另外的第二附加电极

A 实线

B 虚线

C 点线

D 电势梯度

U 电势

s 纵向范围