專利名稱：基于離子遷移率的分離方法和設(shè)備的制作方法
基于離子遷移率的分離方法和設(shè)備相關(guān)申請的交叉參考本申請分別要求于2008年10月31日提交的相應(yīng)的美國臨時專利申請第 61/109，946號的權(quán)益和優(yōu)先權(quán)，將該申請的全部內(nèi)容結(jié)合于本文中作為參考。
背景技術(shù)：
離子遷移率光譜儀(IMS)已經(jīng)成為檢測痕量化學(xué)和/或生物分子的常用工具。與其他光譜測定化學(xué)分析技術(shù)(例如質(zhì)譜)相比，IMS是一項分辨率相對低的技術(shù)。在某些情況下由于缺少足夠的分辨率來防止不需要的干擾化學(xué)和/或生物分子的響應(yīng)使IMS的極高靈敏度、小尺寸、低能耗和環(huán)境氣壓運行優(yōu)勢完全抵消或最低限度使其降低。在一般意義上，當(dāng)前使用離子遷移光譜儀通過在給定的電場條件下區(qū)分它們的離子遷移率和/或離子遷移率差異分離樣品的組分。本發(fā)明描述了在IMS中采用除了組分的離子遷移率和/或離子遷移率差異之外的至少一種其它性質(zhì)來區(qū)分樣品中的組分。本發(fā)明是在一般生命科學(xué)研究、藥物開發(fā)和臨床應(yīng)用中用于樣品的分析性分離的基礎(chǔ)廣泛的方法。本發(fā)明能夠用于分離當(dāng)前需要幾種色譜方法諸如HPLC、手性色譜法和離子色譜法的化學(xué)混合物。現(xiàn)有技術(shù)水平的離子遷移率光譜儀缺乏基于樣品中待分離的所述組分除了其離子遷移率之外的其它性質(zhì)進(jìn)行分離的能力。對于每種物質(zhì)，可以針對物質(zhì)(待分離的組分) 的其它性質(zhì)，并因此可以調(diào)諧整個IMS分離。本發(fā)明的目的是通過使用影響其測定的離子遷移率的物質(zhì)的其它性質(zhì)來調(diào)諧IMS中的分離。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個方面中，在低電場條件下，離子遷移率與離子化樣品組分的折合質(zhì)量、碰撞截面(尺寸和/或形狀)以及電荷狀態(tài)有關(guān)，并且組分通過在電場的影響之下組分在漂移介質(zhì)中行進(jìn)所花費的時間或在電場和/或載氣流的影響下在不對稱電場中的飛行路徑進(jìn)行相互區(qū)分。在一個實施方式中，本發(fā)明描述了在IMS中使用組分的除了在傳統(tǒng)惰性漂移氣體中測定的離子遷移率之外的至少一種匹配性質(zhì)，即折合質(zhì)量、碰撞截面(尺寸和/或形狀)和電荷狀態(tài)以提高樣品的分離度和/或分辨率?；谄ヅ湫再|(zhì)的分離通過改變漂移介質(zhì)，例如，將改性劑引入到IMS的漂移介質(zhì)中來實現(xiàn)；這種改性劑基于樣品組分的匹配性質(zhì)選擇性地與樣品中的一種或多種組分發(fā)生相互作用。能夠用于增強(qiáng)樣品組分的分離度和/或分辨率的物質(zhì)(樣品中的組分)的匹配性質(zhì)，可以包括但不限于電荷強(qiáng)度、 反應(yīng)性、極性、疏水性和/或親水性、尺寸排阻性質(zhì)、結(jié)構(gòu)選擇性親合力(一種親合力)、酸性和/或堿性、PH、物質(zhì)的相、電磁輻射、磁性、生物活性、沸點等。本發(fā)明描述了離子遷移率設(shè)備和方法，其中將能量源加入到IMS中從而為離子、 中性分子和/或漂移介質(zhì)提供另外的能量?？梢詫υ撃芰窟M(jìn)行調(diào)諧以改變樣品組分和漂移介質(zhì)之間的相互作用程度，其中所述漂移介質(zhì)包括各種漂移氣體和/或改性劑。在一個實施方式中，其它能量首先去除現(xiàn)存的離子化的樣品組分-中性分子簇，隨后容許樣品組分以游離形式與漂移介質(zhì)在所選的能級下發(fā)生相互作用。


當(dāng)結(jié)合附圖時通過以下描述可以更充分地理解本發(fā)明的以上和其他方面、實施例和特征。在附圖中相同的參考符號通常是指全文各個附圖中的相同特征和結(jié)構(gòu)元素。本附圖不一定按比例繪制，取而代之的是重點放在示出本發(fā)明的主旨上。圖1顯示了飛行時間類型的IMS系統(tǒng)的基本組件。圖2顯示了 HPLC保留模型。圖3顯示了在IMS漂移管中的動態(tài)極性相互作用。圖4顯示了動態(tài)介質(zhì)分離。圖5顯示了用于影響組分分離的具有非常類似的質(zhì)量和尺寸但極性不同的三種改性劑。圖6顯示了樣品中具有非常類似的分子量但總極性不同的兩種組分。圖7顯示了動態(tài)漂移介質(zhì)發(fā)生器，其容許將不同氣體混合，以及使用氣體或氣體混合物作為載體遞送已知濃度的作為漂移介質(zhì)的預(yù)混液體改性劑。圖8顯示了用于影響組分分離的具有非常類似的質(zhì)量和尺寸但PKa不同的三種改性劑。圖9顯示了樣品的三種組分，這三種組分是具有相同分子量但不同？&值的不同異構(gòu)體形式。圖10顯示了陽離子-π相互作用的實例。圖11顯示了通過增加各種取代基對π體系的影響。圖12顯示了用于陽離子-π相互作用的一些所選改性劑。圖13顯示了苯環(huán)的靜電表面。圖14顯示了吲哚分子的靜電表面。圖15顯示了用于陰離子-π相互作用的一些所選改性劑。圖16顯示了三氟苯分子的靜電表面。圖17顯示了多種改性劑相互作用。圖18顯示了對組分或漂移介質(zhì)施加能量。圖19顯示了施加RF能量和其它能量源。
具體實施例方式除非在本文中另有說明，術(shù)語“基于離子遷移率的光譜儀”意圖表示任何根據(jù)在相同或不同物理和/或化學(xué)條件下的離子遷移率和/或遷移率差異分離離子的器件，該光譜儀還可以包括在分離過程之后檢測離子。本文的許多實施例使用飛行時間型IMS作為實例；術(shù)語基于離子遷移率的光譜儀也可以包括許多其他類型的光譜儀，例如差分遷移率光譜儀(DMQ和場不對稱離子遷移率光譜儀(FAIMQ，以及其他派生和/或組合形式的光譜儀。除非另有說明，術(shù)語離子遷移率光譜儀或IMS可以與以上定義的術(shù)語基于離子遷移率的光譜儀互換使用。如本文中使用的，術(shù)語“分析儀器”通常指基于離子遷移率的光譜儀、MS和具有相同或相似功能的任何其他儀器。除非在本文中另有說明，術(shù)語“質(zhì)譜儀”或MS意圖表示測量已經(jīng)被轉(zhuǎn)化成離子或打算隨后測定質(zhì)荷比的儲存離子的化學(xué)/生物化合物的質(zhì)荷比的任何設(shè)備或儀器。MS的實例包括但是不限于離子阱質(zhì)譜儀(ITMS)、飛行時間質(zhì)譜儀(TOFMS) 以及具有一個或多個四級濾質(zhì)器的MS。在本文的說明書和權(quán)利要求中使用的短語“和/或”應(yīng)當(dāng)理解成表示要素的“兩者之一或兩者都”這樣的聯(lián)合，即，在一些情況下要素共同存在，而在其他情況下單獨存在。除非本文中另有說明，術(shù)語“化學(xué)和/或生物分子”意圖表示單個或多個帶電荷或不帶電荷的，由原子、分子、粒子和亞原子粒子衍生而來的粒子?；镜娘w行時間類型的IMS系統(tǒng)的組件在圖1中的簡圖中顯示。樣品在離子化/ 反應(yīng)區(qū)(反應(yīng)區(qū)在圖中并未明確指出)被離子化，然后施以脈沖使其進(jìn)入漂移區(qū)，并在恒定電場的影響下以與遷移氣體流111相反的方向110行進(jìn)。粒子經(jīng)過粒子遷移漂移管同時與中性漂移氣體分子(通常是惰性氣體諸如氮氣)發(fā)生碰撞。通常在與樣品加入端113相反的一端加入漂移氣體112。離子遷移率通過分子(折合質(zhì)量、碰撞截面(尺寸和/或形狀)) 和分子的電荷狀態(tài)而與分子水平上的離子-遷移氣體碰撞過程有關(guān)。在漂移管的末端的法拉第板上對離子進(jìn)行檢測并測定每個離子從離子門118行進(jìn)到檢測器115的時間。在本發(fā)明的一個方面中，在低電場條件下，離子遷移率與組分的折合質(zhì)量、碰撞截面(尺寸和/或形狀)和電荷狀態(tài)有關(guān)并且組分通過該組分在電場的影響下在漂移介質(zhì)中行進(jìn)所花的時間相互區(qū)分開。漂移介質(zhì)一般包含純凈氣體或氣體混合物，如惰性氣體，相互作用氣體和/或化學(xué)改性劑。對一種或多種這些氣體的比率進(jìn)行調(diào)節(jié)以實現(xiàn)最大IMS性能。在一個方面，如果實施液相離子遷移率測定，則漂移介質(zhì)可以包含液體形式的純凈化學(xué)品或化學(xué)品混合物。化學(xué)改性劑是加入到漂移介質(zhì)的其它部分中改變漂移介質(zhì)性質(zhì)的化學(xué)品。一般將改性劑均勻地與漂移介質(zhì)的其它部分混合。在一個方面，改性劑也可以是夾帶在漂移介質(zhì)的其它部分中的懸浮的大分子或納米粒子。在一個實施方式中，本發(fā)明描述了同時利用組分的固有離子遷移率之外的至少一種匹配性質(zhì)，即折合質(zhì)量、碰撞截面(尺寸和/或形狀)和在惰性氣體中的電荷狀態(tài)的類型在IMS中分離樣品中的組分以提高樣品的分離度和/或分辨率。在本發(fā)明中，應(yīng)該將匹配性質(zhì)解釋為在IMS中在匹配漂移介質(zhì)中可以影響離子遷移率特征(諸如漂移時間、離子飛行路徑、空間分布等)的樣品組分的任何性質(zhì)。在一個方面，樣品組分涉及漂移介質(zhì)的相互作用，這是在基于離子遷移率的分離的現(xiàn)有技術(shù)之外的。作為非限制性的實例，當(dāng)使用酸性漂移介質(zhì)時樣品組分的堿性可以影響漂移特征。然而，單詞“匹配”不應(yīng)該被解釋為“堿性-酸性”；在許多情況下它們可以是相同的或相反的。在這個具體實例中，堿性漂移介質(zhì)也可以導(dǎo)致漂移特征變化?；谄ヅ湫再|(zhì)的分離可以通過改變漂移介質(zhì)，諸如將改性劑引入到IMS的漂移介質(zhì)中來實現(xiàn)；基于樣品組分的匹配性質(zhì)這種改性劑選擇性地與樣品中的一種或多種組分發(fā)生相互作用。可以用于增強(qiáng)樣品組分的分離度和/或分辨率的物質(zhì)(樣品的組分)的匹配性質(zhì)，可以包括但不限于 電荷強(qiáng)度、反應(yīng)性、極性、疏水性和/或親水性、尺寸排阻性質(zhì)、結(jié)構(gòu)選擇性親合力(多種親合力)、酸性和/或堿性、PH、物質(zhì)的相、電磁輻射、磁性、生物活性、沸點等。作為非限制性實例，對于飛行時間類型的IMS，當(dāng)漂移介質(zhì)通過加入改性劑發(fā)生改變時，組分在電場影響下在漂移介質(zhì)中行進(jìn)所花的時間根據(jù)改性劑的尺寸增加或降低?？梢詫⒏男詣┘尤氲狡茪怏w中以便使漂移介質(zhì)的組成處于0至100%之間。正常情況下，漂移氣體是惰性氣體諸如氮氣，所以組分行進(jìn)由于與氮氣分子發(fā)生碰撞而受到阻滯。由于氮氣是惰性氣體，不存在暫時保持組分和氮氣分子在一起的其它相互作用力。組分只要與氮氣分子碰撞就會減速并在電場的影響下繼續(xù)沿著遷移管行進(jìn)。當(dāng)改性劑連同氮氣漂移氣體一起加入時就形成了漂移介質(zhì)。如果改性劑分子大于氮氣分子，則樣品組分行進(jìn)將會由于以下事實進(jìn)一步受到阻滯與這種更大的改性劑碰撞將會比與較小的氮氣分子碰撞更多地減緩組分。現(xiàn)在，由于改性劑不可能是惰性氣體，相互作用力可以進(jìn)一步阻滯樣品組分的行進(jìn)而不僅僅是尺寸上的差異。如果改性劑的相互作用力為100%，由此在整個行進(jìn)時間內(nèi)改性劑結(jié)合組分，則行進(jìn)時間通過組分、改性劑加組分的增加的尺寸來測定。因此，用于與樣品組分發(fā)生相互作用的改性劑的尺寸決定了延長的行進(jìn)時間。對于以下非限制性實例，討論負(fù)離子，但是這種方法對正離子也是有效的。例如，如圖17中所示，如果組分1701在作為漂移氣體的純凈氮氣中的漂移時間為5ms，并且通過加入與氮氣具有相同尺寸和分子量的改性劑1702，但與改性劑1702相互作用完全形成分子1703，則漂移時間可能變成9ms，例如，在該實例中改性劑在整個行進(jìn)時間內(nèi)都與組分結(jié)合。在完全結(jié)合改性劑(9ms)和未結(jié)合改性劑(5ms)之間的組分的漂移時間差值，就是相互作用力為100%有效的漂移時間的量(％is)。在0有效性時，差值為0ms。因此，在該實例中，通過調(diào)諧相互作用力，額外的漂移時間可以從0調(diào)節(jié)至％is。改性劑越大，額外的漂移時間就變得越長。改性劑與樣品組分的相互作用并不需要限制于該組分(分子)的一個位點。例如，如圖17中所示，如果組分1704具有三個不同的官能團(tuán)(禮、1 2、和1 3)，則可以將三種不同的改性劑(M1J2和M3) 1705加入漂移氣體中，生成漂移介質(zhì)。改性劑1705可以具有與官能團(tuán)(禮、1 2、和1 3)特異性的相互作用從而產(chǎn)生結(jié)合的組分1706。通過3種相互作用改性劑，額外的漂移時間可以比僅具有一種改性劑相互作用提高更多。我們通過選擇用于特異性相互作用的改性劑可以調(diào)諧每種改性劑相互作用的相互作用。另外，改性劑可以在與組分發(fā)生相互作用之前或之后彼此發(fā)生相互作用以提高該組分的漂移時間。如圖17中所示， 組分1707與1708的改性劑M1相互作用以形成結(jié)合的組分1709，其中M2連接至M1且M3連接至M2。在本發(fā)明的一個實施方式中，可以使用基于離子遷移率的分離方法，該分離方法包括離子化樣品的組分；基于其測定的離子遷移率特征在漂移介質(zhì)中分離該樣品的至少一種組分；和通過離子化的組分和漂移介質(zhì)之間的離子分子相互作用改變測定的離子遷移率特征，其中離子分子相互作用涉及組分和漂移介質(zhì)的至少一種匹配性質(zhì)。漂移介質(zhì)可以包含已知比率在0至100%范圍內(nèi)的一種或多種惰性漂移氣體、相互作用漂移氣體，和/或改性劑。色譜分離方法一般是極性驅(qū)動的。意思是，具有不同極性的混合物中的化合物以不同的保留時間從柱子上洗脫下來。利用流動性和固定相分離混合物。各種形式的色譜法， 氣相(GC)、液相(LC)、超臨界流體(SFC)、離子交換等，根據(jù)流動相(GC vs. LC)的物理狀態(tài)或根據(jù)分離機(jī)理而不同。將在下面解釋高壓液相色譜(HPLC)方法，即使可以利用其它色譜技術(shù)，諸如手性色譜法、離子色譜法、GC和SFC。HPLC是用于高分辨分離分子的通用的、已證明的色譜技術(shù)，涉及采用中壓到高壓流動的流動相的動態(tài)吸附過程。固定相是吸附劑并且分離是基于其中表面相互作用競爭的反復(fù)吸附-解吸步驟?；趦上嗟南鄬O性定義兩種模式正相的，其中固定床是強(qiáng)極性的而流動相是非極性的和反相的，其中正好相反。在正相中，極性分子比極性小的分子保留時間更長。HPLC的保留機(jī)理在正相中采用偶極-偶極(極性的)相互作用而在反相中采用疏水性(非特異性)相互作用。根據(jù)在表面上暴露的官能團(tuán)的類型，吸收劑可以是正相(-0Η、-ΝΗ2)或反相化8、(18、苯基)。也可以通過化學(xué)結(jié)合有機(jī)配體以顯著改變硅膠表面的吸附性能對固定相進(jìn)行化學(xué)改性以增強(qiáng)在正相中的極性相互作用，其中配體類型決定了吸附劑保留能力和選擇性。圖2中所示的保留模型假設(shè)少量的樣品201不會顯著干擾柱子205中的流動相203平衡。如果與固定相(硅膠)207結(jié)合的配體206優(yōu)選極性相互作用，則樣品中的高極性分子保留在固定相208上的時間比極性更低的分子更長。對于HPLC 分離，總體保留包括兩個并行過程。第一，分子將流動相中的210分配到吸收層212中。第二，分子在固定相上進(jìn)行極性相互作用競爭。僅當(dāng)樣品的相互作用比流動相的相互作用更強(qiáng)時，分子才吸附215并被保留在固定相上；因此，分子的保留時間對應(yīng)于其相互作用的強(qiáng)度。在化學(xué)中，極性是指導(dǎo)致分子具有電偶極的電荷分離。極性分子由于在具有不對稱電荷分布的一個分子(或大分子的部分)和也具有不對稱電荷分布的另一個分子之間的偶極-偶極分子間作用力而可以結(jié)合在一起。分子極性取決于化合物中原子之間的電負(fù)性差異和化合物結(jié)構(gòu)的不對稱性。當(dāng)比較具有相似摩爾質(zhì)量的極性分子和非極性分子時，極性分子因為它們的分子之間的偶極-偶極相互作用一般具有更高的沸點。分子極性構(gòu)成許多物理性質(zhì)包括表面張力、溶解性以及熔點和沸點的基礎(chǔ)。許多分子在各種原子上具有不一致分布的正負(fù)電荷。這就是采用離子化合物像氫氧化物(OH)的情況，其中電子密度在原子之間并非均等共享。因此，在每個分子上的電荷分布都將是不同的。蔗糖(一種糖品種) 具有許多極性氧-氫(OH)基團(tuán)并在總體上是高極性的。對于大分子，可能存在極性和非極性區(qū)域。表面活性劑是一端具有連接的極性基團(tuán)和另一端具有非極性基團(tuán)的大分子。雖然可以將分子描述為“極性共價的”，“非極性共價的”或“離子的”，但必須注意到，這經(jīng)常是一個相對術(shù)語，一個分子僅僅是比另一個分子更具極性或更具非極性。在本發(fā)明的一個實施方式中，用于增強(qiáng)樣品的分離度和/或分辨率的除了離子遷移率之外的待分離的樣品的組分的匹配性質(zhì)，即組分的折合質(zhì)量、碰撞截面(尺寸和/或形狀)和組分的電荷狀態(tài)類型，是該組分和漂移介質(zhì)的整體極性。類似于HPLC原理，IMS極性驅(qū)動的分離技術(shù)采用了一種或多種改性劑，將其加入到漂移氣體中，通過分子的固有極性在一定程度上選擇性與樣品的一種分子相對于其它分子發(fā)生相互作用。因此可以將改性劑加入到漂移氣體中，與漂移管中極性最強(qiáng)的離子最強(qiáng)地相互作用最長時間，同時極性較小的離子相互作用較短的時間，完成極性驅(qū)動的IMS分離。圖3顯示了漂移管300的延伸部分，其中樣品的極性最強(qiáng)的組分離子301與改性劑320具有強(qiáng)的基于極性的相互作用308。 樣品302和303的其它組分是比組分301極性更低的分子。在該非限制性實例中，將改性劑320與漂移氣體315 —起加入并以與樣品組分離子330相反的方向經(jīng)過漂移管300。與樣品行進(jìn)軸比較，漂移氣體和改性劑可以以各種不同的軸加入。例如，可以以垂直方向加入漂移氣體和改性劑以便使漂移氣體和改性劑作為橫向流加入。在離子處于漂移管和/或反應(yīng)區(qū)中的時間期間，動態(tài)極性相互作用310相繼發(fā)生，減緩301行進(jìn)通過恒定電場，因為組分301是極性最強(qiáng)的組分并與改性劑320產(chǎn)生最強(qiáng)的相互作用。例如，在樣品中給定三種不同的氨基酸蘇氨酸、纈氨酸和苯丙氨酸，圖4光譜(a)中所模擬的，傳統(tǒng)IMS漂移光譜僅能分離三種氨基酸中的一種。苯丙氨酸403具有最大分子量(MW)為165amu并因此具有最長的漂移時間。具有MW為119amu的蘇氨酸401和具有MW為117的纈氨酸，彼此是不能區(qū)分開的，因為質(zhì)量差值僅為2amu。為了使蘇氨酸401和纈氨酸402彼此分離，可以向漂移氣體中加入改性劑以使這兩種組分之一移動到更長的遷移時間，如圖4譜圖(b)中所示的。由于蘇氨酸401是比纈氨酸402極性更強(qiáng)的分子，則使用與極性最強(qiáng)的組分相互作用的改性劑。因此，極性較弱的纈氨酸402并不像蘇氨酸401 —樣與改性劑發(fā)生作用，并且以比纈氨酸402更短的漂移時間更快地行進(jìn)通過IMS的漂移區(qū)和/或反應(yīng)區(qū)。因此，通過靶向樣品的每種組分固有的極性性質(zhì)將纈氨酸402和蘇氨酸401分離，并如圖4譜圖(c)中所示。極性驅(qū)動的IMS分離機(jī)制來源于樣品離子和改性劑之間的分子間作用力。與共價鍵合和離子鍵合不同，這些相互作用是不穩(wěn)定的、瞬間的吸引力，來源于具有永久偶極的分子之間的偶極-偶極相互作用，該永久偶極在兩個點偶極之間具有通過氫鍵、成簇或其它相互作用力產(chǎn)生的靜電相互作用。電負(fù)性更大的原子如氮、氧和鹵素都傾向于帶部分負(fù)電荷， 而像碳和氫的原子都傾向于是更中性的或帶部分正電荷。氫鍵是在兩個高度電負(fù)性的原子與共價結(jié)合至一個分子上的氫之間的一種特殊的偶極-偶極相互作用，所述的這個分子作為另一個分子的的氫供體。漂移介質(zhì)包含漂移氣體和改性劑，也可以改變漂移氣體以增強(qiáng)與改性劑的分離。選擇極性較弱的漂移氣體可能增強(qiáng)極性組分和極性改性劑之間的相互作用，因為這種相互作用可以被放大，類似于在其中溶劑主要是非極性的正相HPLC中改變流動相。流動相的組成是影響分離的變量之一，因為樣品與流動相競爭與固定相的正表面 (positive surface)相互作用。在新型IMS分離中使用的改性劑可以單獨加入或作為混合物一起加入。將會在IMS中可以使用具有類似尺寸和/或形狀的改性劑，從而使這種改性劑導(dǎo)致類似的離子遷移率變化并且改性劑極性相互作用將會是分子分離的驅(qū)動因素?？梢允褂镁哂袕V譜極性(從低到高)的類似尺寸的改性劑來實現(xiàn)分子分離。具有類似極性的分子傾向于相互吸引；具有不同極性的那些表現(xiàn)出弱得多的吸引力(如果有)，并可能甚至相互排斥。在飛行過程中可以將這些改性劑的量調(diào)節(jié)為梯度。為調(diào)諧極性驅(qū)動的IMS分離， 可以增加或降低改性劑的濃度；可以通過向漂移氣體中引入較弱極性的改性劑到較強(qiáng)極性的改性劑，或較強(qiáng)極性到較弱極性的改性劑對改性劑的梯度進(jìn)行控制。圖5顯示了用于影響組分分離并具有非常類似的尺寸的三種不同極性的改性劑。改性劑501是極性最弱的， 改性劑502是極性較強(qiáng)的，而改性劑503是極性最強(qiáng)的。每一種改性劑都可以單獨加入或作為混合物一起加入。在飛行過程中可以將改性劑的量調(diào)節(jié)為梯度。加入這些改性劑的方法可能涉及在漂移介質(zhì)中加入一定量的改性劑從而形成恒定濃度的改性劑；在恒定的改性劑條件下實施離子遷移率測定。另外，當(dāng)實施一系列的離子遷移率測定時可以增加或降低改性劑的濃度；通過向漂移氣體中引入較弱極性的改性劑到較強(qiáng)極性的改性劑，或較強(qiáng)極性到較弱極性的改性劑可以對改性劑的梯度進(jìn)行控制。 給定樣品中的兩個組分在漂移介質(zhì)中具有相同的離子遷移率，但具有不同的極性，當(dāng)向漂移介質(zhì)中加入改性劑時極性組分與極性改性劑具有更強(qiáng)的相互作用。因此，極性較弱的組分更快地通過IMS的遷移區(qū)域，從而可以分離兩個組分。在可選的實施方式中，由于漂移介質(zhì)由漂移氣體和改性劑組成，也可以改變漂移氣體以增強(qiáng)與改性劑的分離。例如， 選擇極性較弱的漂移氣體可以增強(qiáng)極性組分和極性改性劑之間的相互作用，因為這種相互作用可以被放大。
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通過使用先前討論的極性原理，可以對改性劑進(jìn)行選擇以通過針對組分的其它性質(zhì)(其極性)區(qū)分出樣品中的具有非常相似的分子量和/或尺寸和形狀的兩種組分。例如如圖6中所示，N-甲基丙胺604(C4HnN)具有的分子量為73而甲基丙基醚608 (C4HltlO)具有的分子量為74。這兩種分子在尺寸和形狀上非常相似并且鍵連接性是相同的。然而，每個分子的總極性是不同的。甲基丙基醚608比N-甲基丙胺604極性更強(qiáng)。存在的氧比氮極性更強(qiáng)，因為氧比氮電負(fù)性更強(qiáng)。鍵中原子之間電負(fù)性差異越大，鍵極性越強(qiáng)。較大的分子可能具有多個能夠影響分子總極性的官能團(tuán)。分子結(jié)構(gòu)、活性和物理化學(xué)特性通過其組成原子及其之間的鍵的排布來確定。在分子內(nèi)，負(fù)責(zé)具體性質(zhì)和可預(yù)測的化學(xué)反應(yīng)的某些原子的具體排布被稱為官能團(tuán)。這種結(jié)構(gòu)經(jīng)常決定該分子是否是極性的或非極性的。根據(jù)每個分子含有的主要官能團(tuán)將有機(jī)分子分類成各類。采用基于極性的 IMS分離技術(shù)，可以通過這些官能團(tuán)的性質(zhì)和位置來測定不同種類的分子的漂移時間。一般而言，從最強(qiáng)極性到最弱極性的官能團(tuán)的排序為酰胺>酸>醇>酮 醛>胺>酯>醚> 烷烴。本發(fā)明的另一個實施方式是控制在IMS中與樣品組分相互作用的改性劑和漂移氣體的數(shù)量和/或濃度。使用動態(tài)漂移介質(zhì)產(chǎn)生和控制混合劑以在數(shù)秒內(nèi)在不同漂移介質(zhì)之間切換，如圖7中所示。通常，經(jīng)由ESI源連續(xù)地將樣品注入IMS中以便采用一種漂移介質(zhì)組成然后轉(zhuǎn)換到下一種獲得一系列的離子遷移率譜圖。動態(tài)漂移介質(zhì)發(fā)生器701以自動化模式迅速混合并凈化不同的漂移介質(zhì)。圖7顯示了提出的動態(tài)漂移介質(zhì)生成器，其容許混合不同氣體705，以及采用氣體或氣體混合物作為載體向漂移管715中遞送作為漂移介質(zhì)的已知濃度的預(yù)混改性劑710。該系統(tǒng)涉及精確溫度控制以蒸發(fā)液體化學(xué)改性劑并將漂移氣體預(yù)熱至IMS所需的溫度。在本發(fā)明的另一個實施方式中，待分離的樣品組分的匹配性質(zhì)是組分和漂移介質(zhì)的固有PH。在該非限制性實例中，可以將改性劑加入到漂移氣體中，針對組分的匹配性質(zhì)即組分的酸性或堿性。將具有類似質(zhì)量和尺寸的改性劑加入漂移氣體中，以便使所述組分與所用的不同改性劑的常規(guī)碰撞不會影響遷移率的差異。圖8顯示了用于影響組分分離并具有非常類似的質(zhì)量和尺寸且PKa不同的三種改性劑。改性劑801具有的pKa為0. 7，改性劑 802具有的10，而改性劑803具有的41?？梢詥为毜亍⒆鳛榛旌衔?、或作為梯度(較低的PKa至較高的pKa或較高的pKa至較低的pKa)將改性劑加入到漂移氣體中。匹配性質(zhì)可以是相同的或相反的。例如，酸性組分優(yōu)選與堿性漂移介質(zhì)相互作用，而堿性組分優(yōu)選與酸性漂移介質(zhì)相互作用。樣品的每種組分的酸性可以顯著不同或略微不同，并可以有針對性地向漂移管中加入至少一種改性劑?？梢詫A視為酸的化學(xué)相反物，因此可以將堿性理解為酸性的相反物。對于酸性，隨著氫上電子密度降低，其更容易被抽取出來(abstracted)，換句話說，其酸性更強(qiáng)。電負(fù)性元素不需要直接鍵合至酸性的氫來提高其酸性。電負(fù)性原子可以通過誘導(dǎo)效應(yīng)從酸性鍵中將電子密度拉出來。隨著電負(fù)性原子離開酸性鍵，吸電子能力迅速降低。非限制性實例在圖9中顯示，其中樣品的三種組分是不同的異構(gòu)體形式；2-氯丁酸901、3_氯丁酸902和4-氯丁酸903。每個分子的分子量是相同的(MW= 1M)，但是對于每個分子酸性(PKa)是不同的。較強(qiáng)的酸比較弱的酸具有更小的pKa。隨著氯原子進(jìn)一步遠(yuǎn)離酸性的O-H鍵，其吸電子效應(yīng)降低。這三種化合物的pKa為2-氯丁酸901pKa = 2. 86，3-氯丁酸902pKa = 4. 0，和4-氯丁酸903pKa = 4. 5。因此，具有高pKa的改性劑將會與樣品中最低PKa的組分發(fā)生最強(qiáng)的相互作用，因為該改性劑是共軛堿。經(jīng)常以HA — !T+A_的形式概括酸的反應(yīng)，其中HA表示酸，而A—是共軛堿。酸-堿共軛對相差一個質(zhì)子，并可以通過加入或除去一個質(zhì)子(分別是質(zhì)子化和去質(zhì)子化)而相互轉(zhuǎn)化。注意到，酸能夠是帶電荷的種類而共軛堿可以是中性的，在這種情況下可以將一般化反應(yīng)流程寫成HA+ — H++A。 例如，如果我們運行梯度改性劑諸如圖8中所示的的三種改性劑來分離圖9中所示的樣品的三種組分，則與組分902和903相比，改性劑803將會與組分901發(fā)生最強(qiáng)的相互作用。 組分的總PH(酸性或堿性)是由這種改性劑靶向的使樣品中的組分得到所需分離的其它性質(zhì)。在本發(fā)明的另一個實施方式中，待分離的樣品的組分的匹配性質(zhì)是組分和漂移介質(zhì)的表面張力。在該非限制性實例中，可以將靶向組分界面張力的膠束加入到漂移氣體中。 與鄰近分子接觸的分子比其沒有接觸鄰近分子的情況處于更低的能量狀態(tài)。所有內(nèi)部分子都具有盡其可能具有的那么多的鄰近分子。但是邊界分子比內(nèi)部分子具有更少的鄰近分子并因此處于較高的能量狀態(tài)。對于最低化其能量狀態(tài)的組分，其必須使其邊界分子的數(shù)量最少，因此必須使其表面積最小。另外，改性劑能夠是表面活性劑、磷脂或膠狀體。當(dāng)在液相或高壓條件(例如，幾個大氣壓)下實施離子遷移率的測定時，這種相互作用可能變得顯 著。
在本發(fā)明的又一個實施方式中，待分離樣品的組分的匹配性質(zhì)是組分和漂移介質(zhì)的固有電荷強(qiáng)度(其可以是正離子或負(fù)離子)。這將類似于離子交換色譜法基于蛋白質(zhì)的總電荷之間的差異分離分子的方式。這種新型方法涉及漂移介質(zhì)，具體而言向離子遷移率光譜儀(IMS)的漂移氣體中加入至少一種改性劑，該改性劑在更大程度上與具有最大電荷強(qiáng)度的樣品組分相互作用。本實施方式的具體方面是針對電荷強(qiáng)度不同的樣品組分而使用陽離子/陰離子-η相互作用方法。陽離子-π相互作用是富電子π體系(例如苯、乙烯)的面與相鄰陽離子(例如 Li\Na+)之間的非共價分子相互作用。這種相互作用是單極(陽離子)和四極(π體系)之間的非共價鍵合的實例。陽離子-η相互作用能量與氫鍵或鹽橋是同一數(shù)量級的并在分子識別方面起重要作用。陽離子-η相互作用在強(qiáng)度方面與氫鍵相當(dāng)并且在某些情況下可以是決定性的分子間作用力。一些標(biāo)準(zhǔn)影響鍵合的強(qiáng)度陽離子的性質(zhì)，JI體系上的取代基， 以及當(dāng)用于HPLC應(yīng)用時的溶劑。陽離子-π相互作用并不僅僅是對于金屬的。Meot-Ner 在20世紀(jì)80年代中期的研究表明更復(fù)雜的有機(jī)陽離子在氣相中也是良好的結(jié)合劑。陽離子-η相互作用已經(jīng)用在藥物設(shè)計、結(jié)構(gòu)生物學(xué)、構(gòu)象分析和不對稱催化中。色氨酸和酪氨酸的氨基酸側(cè)鏈或DNA堿基都能夠與陽離子種類(不僅是金屬離子，也可以是帶電荷的氨基酸側(cè)鏈)結(jié)合。因此，陽離子-η相互作用可以在穩(wěn)定蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)方面起到重要作用。陽離子-η相互作用的另外作用在圖10中顯示，其中尼古丁乙酰膽堿受體經(jīng)由陽離子-η相互作用使其內(nèi)源性配體乙酰膽堿(帶正電荷的分子)與季銨結(jié)合。陰離子-π相互作用與陽離子-η相互作用相反，但是基本原理是相同的。迄今為止已知的實例顯著較少。為了吸引負(fù)電荷，必須反轉(zhuǎn)η體系的電荷分布。這通過沿著η 體系放置幾個強(qiáng)吸電子取代基來實現(xiàn)(例如，六氟苯)。本發(fā)明的一個實施方式是向漂移氣體中加入至少一種改性劑以產(chǎn)生區(qū)分樣品正離子組分的陽離子-η相互作用。改性劑經(jīng)由最強(qiáng)正離子組分的陽離子-η相互作用而阻滯沿著漂移管行進(jìn)。由于許多原因，對于不同的分子，離子陽離子電荷的強(qiáng)度可以是不同的。構(gòu)成分子的原子及其位置對于促成陽離子強(qiáng)度起重要作用。因此，樣品的每種組分具有不同的總正電荷強(qiáng)度。π體系上的取代基的電子性質(zhì)也對吸引作用的強(qiáng)度具有影響。因此在這種情況下，可以通過改變改性劑上的官能團(tuán)選擇或調(diào)整改性劑以產(chǎn)生與所關(guān)注的樣品組分之間的想要的相互作用強(qiáng)度。吸電子基團(tuán)(例如，氰基-CN)降低π體系中的負(fù)電荷的量并由此削弱這種相互作用。相反，供電子取代基(例如，氨基-NH2)提高四極的電荷分離并增強(qiáng)陽離子-η結(jié)合。在圖11中對于幾個取代基定量地說明了這種關(guān)系。圖12示出了可以用于陽離子-π相互作用的一些所選的改性劑苯1201、茴香醚 1202、三甲氧基苯1203和吲哚1204。這些僅僅是一些代表性實例而非限制性的。茴香醚 1202、三甲氧基苯1203和吲哚1204在π體系上全都具有供電子取代基。苯環(huán)的靜電表面在圖13中顯示。對于苯與Na+的氣相結(jié)合的理論值以kcal/mol計為27. 1。通過在π體系如吲哚分子上加入供電子取代基，該值增加到32. 6，如圖14中所示。在非限制性實例中，給定待分離的樣品中兩種組分具有類似的質(zhì)量，一種組分在分子EWG-NH4+上具有吸電子基團(tuán)(EWG)而另一種組分在分子EDG-NH4+上具有供電子基團(tuán) (EDG)。由于質(zhì)量相同，但是總正離子電荷強(qiáng)度不同，針對樣品組分的這種額外性質(zhì)加入改性劑。選擇吲哚且作為改性劑加入到漂移氣體中以誘導(dǎo)陽離子-η相互作用。EWG-NH4+分子的行進(jìn)比EDG-NH4+分子的行進(jìn)受到更大的阻滯，因為吲哚與EWG-NH4+分子的相互作用更強(qiáng)。EWG-NH4+分子的陽離子電荷由于鄰近NH4+的吸電子基團(tuán)而更強(qiáng)。針對組分的這種額外性質(zhì)增強(qiáng)了基于遷移率的分離作用。本發(fā)明的又一個實施方式是向漂移氣體中加入至少一種改性劑以產(chǎn)生區(qū)分負(fù)離子的陰離子-η相互作用。改性劑經(jīng)由最強(qiáng)負(fù)離子的陰離子-η相互作用而阻滯沿著遷移管行進(jìn)。由于許多原因，對于不同的分子，離子的陰離子電荷的強(qiáng)度可以是不同的。構(gòu)成分子的原子及其位置對于促成陰離子強(qiáng)度起重要作用?？梢杂糜陉庪x子-π相互作用的一些所選的改性劑三氟苯1501、六氟苯1502和硝基苯1503在圖15中示出。這些僅僅是一些代表性實例而非限制性的。通過加入吸電子基，與苯相比，三氟苯具有的值是12. 4，如圖16中所示。本發(fā)明的另一個實施方式是加入漂移介質(zhì)，該漂移介質(zhì)在一定程度上通過組分的匹配性質(zhì)(即親合力)相對于其它組分與一種組分選擇性地發(fā)生相互作用。親合力是一種分子與另一種分子締合的傾向。親合力的一些實例可以是但并不限于相互作用力、分子表面(利用原子對匹配功能的形狀或體積和利用電荷匹配功能的表面電位)，以及與生物靶點(受體、酶、運輸系統(tǒng)等)的結(jié)合。在該非限制性的實例中，漂移介質(zhì)可以具有一種或多種相互締合的分子。例如，如果兩種漂移介質(zhì)分子A和B締合到一起，第三種分子C (樣品的組分)能夠置換較弱的分子(在這種情況下是B)以形成更強(qiáng)的締合作用A和C，因為A 和C的親合力比A和B的親合力更大。因此，在基于IMS的分離中，與對于漂移介質(zhì)具有高親合力的樣品組分將對結(jié)合位點進(jìn)行有效競爭，并由此置換漂移介質(zhì)中具有較弱親合力的分子。在另一個方面，分子A和B可以在組分C離去之后重組。與具有較弱親合力的組分相比，與漂移介質(zhì)的這種親合力將會減緩具有較強(qiáng)親合力的組分的漂移時間，從而經(jīng)由它們與漂移介質(zhì)的親合力來分離這些組分。對于以不同速率行進(jìn)并因此進(jìn)行分離/分辨的兩種組分來說，樣品組分和漂移介質(zhì)之間的某種相互作用必須存在顯著的差異。調(diào)整IMS的漂移介質(zhì)以最大化這種差異的效果。本發(fā)明的另一個實施方式是加入漂移介質(zhì)，該漂移介質(zhì)通過組分的另一匹配性質(zhì) (即尺寸排阻性質(zhì))在一定程度上相對于其它組分，選擇性地與一種組分發(fā)生相互作用?；跇悠方M分的流體力學(xué)體積通過加入暫時截留(相互作用)具有特定尺寸和/或形狀的組分的漂移介質(zhì)可以分離樣品組分。在主-客體化學(xué)中，包含化合物是一種絡(luò)合物，其中一種化學(xué)化合物(“主體”)形成空穴而第二“客體”化合物分子位于該空穴中。在該非限制性實例中，加入漂移介質(zhì)，該漂移介質(zhì)相對于大組分將瞬時截留樣品的小組分。漂移介質(zhì)分子具有能夠放入小組分，但是不能放入大組分的空穴(孔洞)。大組分不能進(jìn)入漂移介質(zhì)分子中而被排阻。因為它們不能進(jìn)入漂移分子中，所以它們只是與其發(fā)生碰撞。小組分能夠進(jìn)入漂移介質(zhì)分子中，因此與只是與其發(fā)生碰撞相比，小組分的行進(jìn)受到阻滯且稍后被檢測出。 在本發(fā)明的一個實施方式中，可以將能夠提供尺寸排阻性質(zhì)的精細(xì)(微米和/或納米)粒子均勻地或不均勻地混合到漂移流夾帶的漂移介質(zhì)中以實現(xiàn)預(yù)期的分離。注意，將這些粒子制成疏電的(具有低電荷親合力)以確保它們不會從樣品組分中移走電荷。本發(fā)明的另一個實施方式是加入漂移介質(zhì)，該漂移介質(zhì)通過組分的另一匹配性質(zhì) (即尺寸排阻性質(zhì))在一定程度上相對于其它組分，選擇性地與一種組分發(fā)生相互作用。基于樣品組分的流體力學(xué)體積通過加入瞬時截留(相互作用)具有特定尺寸和/或形狀的組分的漂移介質(zhì)可以分離樣品的組分。在主-客體化學(xué)中，包含化合物是一種絡(luò)合物，其中一種化學(xué)化合物(“主體”)形成空穴而第二“客體”化合物分子位于該空穴中。在該非限制性實例中，加入漂移介質(zhì)，該漂移介質(zhì)相對于大組分將瞬時截留樣品的小組分。漂移介質(zhì)分子具有能夠放入小組分，但是不能放入大組分的空穴(孔洞)。大組分不能進(jìn)入漂移介質(zhì)分子中而被排阻。因為它們不能進(jìn)入漂移分子中，所以它們只是與其發(fā)生碰撞。小組分能夠進(jìn)入漂移介質(zhì)分子中，因此與只是與其發(fā)生碰撞相比，小組分的行進(jìn)受到阻滯且稍后被檢測到。在本發(fā)明的一個實施方式中，可以將能夠提供尺寸排阻性質(zhì)的納米粒子和/或大分子均勻地或不均勻地混合到漂移流夾帶的漂移介質(zhì)中以實現(xiàn)預(yù)期的分離。注意，將這些粒子制成疏電的(具有低電荷親合力)以確保它們不會從樣品組分中移走電荷。除了選擇實現(xiàn)所針對的樣品組分的最大分離的漂移介質(zhì)之外，這些組分可以是在其中使用純惰性氣體漂移介質(zhì)的傳統(tǒng)的基于離子遷移率的光譜儀中重疊的一對對映體或化學(xué)/生物分子，本發(fā)明也描述了通過改變離子化樣品組分和漂移介質(zhì)之間的相互作用程度來調(diào)諧基于離子遷移率的光譜儀的性能的方法和設(shè)備。這種調(diào)諧方法涉及向待分離的樣品組分和/或漂移介質(zhì)中的可能與樣品組分相互作用的的中性分子施加能量。離子化樣品組分和漂移介質(zhì)中的中性分子之間的相互作用程度處于沒有相互作用(離子和中性分子發(fā)生彈性碰撞)至競爭相互作用(離子和中性分子形成永久性的簇或產(chǎn)物離子)的范圍中；介乎二者之間，離子和中性分子可以基于它們的匹配性質(zhì)發(fā)生相互作用從而導(dǎo)致測定的粒子遷移率特征(例如，漂移時間)發(fā)生變化；或它們可以形成臨時簇，其具有的壽命顯著短于在光譜儀中的分析時間。本發(fā)明中所描述的預(yù)期用于優(yōu)化相互作用程度的可調(diào)諧的基于離子遷移率的光譜儀和方法包括但不限于，阻止離子和中心分子形成簇或多個簇，選擇性地防止某些離子和/或中性分子形成簇(多個簇)，改變簇(多個簇)的壽命，將離子
13和/或中性分子提高到能夠發(fā)生相互作用的能級，調(diào)諧至其中樣品組分和改性劑具有最佳相互作用從而導(dǎo)致樣品組分達(dá)到最大分離的給定能級。在一個實施方式中，用能量源調(diào)諧離子能量結(jié)合向漂移介質(zhì)中加入化學(xué)改性劑的方法可以增強(qiáng)和/或控制漂移介質(zhì)(包括化學(xué)改性劑)與離子的相互作用程度從而改進(jìn)樣品離子的總分離。本發(fā)明使用能量源向基于離子遷移率的光譜儀中的離子或中性分子提供能量而作為優(yōu)化離子和中性分子之間相互作用的方式以實現(xiàn)這些裝置中的最佳分離。向光譜儀中不僅提供中性氣體(漂移氣體)，而且還要提供至少一種化學(xué)改性劑。化學(xué)改性劑與待分離的離子發(fā)生氣相相互作用。調(diào)諧離子能量以實現(xiàn)介質(zhì)(包括漂移氣體和化學(xué)改性劑)中給定離子的最佳分離。在分離過程期間可以從低到高對離子能級進(jìn)行掃描。例如，在一個能級下采集一個離子遷移譜圖，然后在不同能級下采集另一離子遷移譜圖；這個過程可以重復(fù)進(jìn)行直至能夠獲得基于離子遷移率的最大性能。能量源可以向光譜儀任何區(qū)域(離子化區(qū)、反應(yīng)區(qū)和/或漂移區(qū))中的離子提供能量。作為非限制性實例，圖18顯示在漂移區(qū)內(nèi)將漂移介質(zhì)1801引入到IMS中。在飛行時間IMS中，漂移管被離子門1802分成離子化/ 反應(yīng)區(qū)和漂移區(qū)。樣品組分在離子門1802之前被離子化而隨后在電場影響下被引入到漂移區(qū)。離子軌跡1803和漂移介質(zhì)流1806的方向相反。采用能量源1810，在適合基于離子遷移率的分離的能級對漂移管1808中的樣品組分和/或漂移介質(zhì)進(jìn)行調(diào)諧。在漂移管的末端在收集器1807上收集或檢測分離的樣品組分。如專利申請12/026，192中所描述的，可以通過提供RF電場給離子而調(diào)整基于離子遷移率的光譜儀中的離子能量。通過調(diào)節(jié)RF波形的頻率、振幅和/或其它參數(shù)，對離子能量進(jìn)行調(diào)諧同時基于其在飛行時間離子遷移率光譜儀中的靜態(tài)離子遷移率或在場不對稱離子遷移率光譜儀中的離子遷移率變化進(jìn)行分離。作為非限制性實例，圖19顯示了采用以DC和RF兩種場偏置的電極的T0F-IMS。類似地，在漂移區(qū)中將漂移介質(zhì)1901引入IMS。 在飛行時間IMS中，漂移管被離子門1902分成離子化/反應(yīng)區(qū)和漂移區(qū)。樣品組分在離子門1902之前被離子化而隨后在電場影響下被引入漂移區(qū)中。在這種情況下，通過電極1908 將RF電場施加于漂移管(離子化區(qū)和/或漂移區(qū))上以維持離子處于給定能級(將RF電場施加于IMS的設(shè)備和方法描述在美國專利申請12/026，192中)。離子以方向1903行進(jìn)通過漂移介質(zhì)流1906。在一個實施方式中，能量源1910可以與RF電場同時使用或作為備選能量源使用以實現(xiàn)性能目標(biāo)。當(dāng)同時使用時，其它能量源1910和RF電場可以用于為不同樣品組分、與樣品組分締合的中性分子和/或漂移介質(zhì)提供能量。作為非限制性實例，RF 電場可以用于保持樣品組分不與周圍中性分子(諸如水)成簇，而對其它能量源1910進(jìn)行調(diào)整以實現(xiàn)基于組分-漂移介質(zhì)相互作用的分離。另外，其它能量源1910利用被導(dǎo)入到漂移管內(nèi)的具有選擇性加熱水分子的帶寬的激光束，從而防止它們成簇，而RF電場使樣品組分離子保持在適合組分-漂移介質(zhì)相互作用的能級下從而實現(xiàn)基于離子遷移率的分離。在漂移管的末端在收集器1907上收集或檢測分離的樣品組分。在各種實施方式中，基于離子遷移率的光譜儀可以配備能量源?；陔x子遷移率的光譜儀包括漂移介質(zhì)，其中樣品的至少一種組分與其它組分基于它們所測定的離子遷移率特征分離；向離子化的樣品組分、與樣品組分締合的中性分子和/或漂移介質(zhì)提供除了在給定的工作溫度下的熱能之外的能量的能量源。其它能量可以通過改變樣品組分和漂移介質(zhì)之間的離子分子相互作用程度來影響基于離子遷移率的光譜儀中的分離。一種基于離子遷移率的光譜儀，包括漂移介質(zhì)，其中樣品的至少一種組分基于其離子遷移率特征得到分離；向樣品和/或影響樣品中組分分離的漂移介質(zhì)提供除了在給定的溫度下的熱能之外的能量的能量源；和可以對能級進(jìn)行調(diào)整從而改變樣品組分和漂移介質(zhì)之間的相互作用程度用于組分的分離。漂移介質(zhì)包括已知比率在0至100%范圍內(nèi)的一種或多種惰性漂移氣體、相互作用的漂移氣體，和/或改性劑。能量源產(chǎn)生一定范圍的電磁能量，具體而言在可見、紅外、微波無線電范圍中。能量來自包含激光和/或無線電頻率電場的源。能量也應(yīng)用于防止中性分子在漂移介質(zhì)中在分離之前和/或分離期間與樣品組分成簇。一種基于離子遷移率的光譜儀，其中能量采用一定范圍的電磁能量的方式產(chǎn)生， 具體而言在可見、紅外、微波無線電范圍中。作為非限制性的實例，能量可以來自包括激光和/或無線電頻率電場的源。對樣品組分和/或漂移介質(zhì)施加的能量也可以用于防止中性分子與樣品組分在光譜儀中在分離發(fā)生之前和/或分離期間成簇。用于破簇和最佳分離的能級可以不必是相同水平的。如果需要，能量源可以提供幾種不同的能級，例如，所述能量源可以使用一種或多種激光源而提供不同波長的光子能量。另外，不同的能量源可以同時用于相同的光譜儀，例如，將RF電場和激光源施加到相同的光譜儀。在一個實施方式中，其它能量用于首先從離子化的樣品組分簇中去除中性分子[現(xiàn)有的簇](優(yōu)選在進(jìn)入基于離子遷移率的光譜儀的漂移區(qū)之前)，隨后允許游離形式的樣品組分與漂移介質(zhì)在所選能級下在漂移區(qū)域內(nèi)發(fā)生相互作用同時維持破簇的組分。一種基于離子遷移率的分離方法，包括在漂移介質(zhì)中分離樣品的至少一種組分同時向組分、與組分締合的中性分子和/或漂移介質(zhì)提供除了在給定溫度下的熱能之外的能量以影響樣品中組分的分離；該方法也涉及調(diào)整所述能級以改變組分-漂移介質(zhì)相互作用的程度從而優(yōu)化組分的分離作用。這種基于離子遷移率的分離方法可能使用的漂移介質(zhì)包含已知比率在0 100%范圍內(nèi)的一種或多種惰性漂移氣體、相互作用的漂移氣體和/或改性劑。其中，惰性氣體通常用在可轉(zhuǎn)化的離子遷移率光譜儀裝置中，諸如氮氣、氦氣，空氣等；本發(fā)明中相互作用的漂移氣體一般是指在環(huán)境條件下處于氣相中并且稍微具有反應(yīng)性的分子，例如但不限于CO2、NxOx、sox、CF4等。相互作用的氣體當(dāng)以純凈的和/或混合的形式用作漂移介質(zhì)時可以在基于離子遷移率的光譜儀中與離子發(fā)生氣相離子分子相互作用。當(dāng)與其它氣體混合時，相互作用的氣體可以作為漂移氣體(介質(zhì))的改性劑起作用。在一個方面，改性劑(或化學(xué)改性劑)是指將一種或多種化學(xué)品(在環(huán)境條件下為氣體、液體或固體形式)混合到漂移介質(zhì)(通常是惰性氣體或相互作用的氣體)中。改性劑通常與漂移介質(zhì)的其余部分處于相同的相中，例如，漂移氣體改性劑在基于離子遷移率的光譜儀的工作條件下處于氣相中；如果漂移介質(zhì)處于液相中，則改性劑也處于液相中。通過采用改性劑改變漂移介質(zhì)的性質(zhì)，樣品組分可以與漂移介質(zhì)發(fā)生選擇性的或非選擇性的相互作用。當(dāng)運行基于離子遷移率的分離方法時，漂移介質(zhì)可以包括比率在0 100%范圍內(nèi)的惰性氣體、 相互作用的氣體和/或化學(xué)改性劑。
1權(quán)利要求
1.一種基于離子遷移率的分離方法，包括a.離子化樣品的組分；b.基于樣品組分的測定到的離子遷移率特征分離漂移介質(zhì)中的樣品的至少一種組分；和c.通過離子化的組分和漂移介質(zhì)之間的離子分子相互作用改變測定的離子遷移率特征，其中所述離子分子相互作用涉及組分和漂移介質(zhì)的至少一種匹配性質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離子遷移率的分離方法，其中所述漂移介質(zhì)包含已知比率在0至100%范圍內(nèi)的惰性漂移氣體、相互作用的漂移氣體和/或改性劑中的一種或多種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離子遷移率的分離方法，其中所述匹配性質(zhì)是組分和漂移介質(zhì)的極性。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離子遷移率的分離方法，其中所述匹配性質(zhì)是組分和漂移介質(zhì)的固有PH。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離子遷移率的分離方法，其中所述匹配性質(zhì)是組分和漂移介質(zhì)的酸性。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于離子遷移率的分離方法，其中酸性組分優(yōu)選與堿性漂移介質(zhì)相互作用。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離子遷移率的分離方法，其中所述匹配性質(zhì)是組分和漂移介質(zhì)的堿性。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于離子遷移率的分離方法，其中堿性組分優(yōu)選與酸性漂移介質(zhì)相互作用。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離子遷移率的分離方法，其中所述匹配性質(zhì)特別地是組分和漂移介質(zhì)的表面張力；組分的表面張力基于界面張力。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離子遷移率的分離方法，其中所述匹配性質(zhì)是組分和漂移介質(zhì)的固有電荷強(qiáng)度。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的基于離子遷移率的分離方法，其中組分和漂移介質(zhì)的固有電荷強(qiáng)度通過陽離子-H相互作用。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的基于離子遷移率的分離方法，其中組分和漂移介質(zhì)的固有電荷強(qiáng)度通過陰離子-η相互作用。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離子遷移率的分離方法，其中所述匹配性質(zhì)是組分和漂移介質(zhì)的尺寸排阻。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離子遷移率的分離方法，其中所述匹配性質(zhì)是組分和漂移介質(zhì)的親合力。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離子遷移率的分離方法，其中所述匹配性質(zhì)是疏水性質(zhì)和/或親水性質(zhì)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于離子遷移率的分離方法，其中相互作用可以涉及組分與漂移介質(zhì)中的一種或多種改性劑相互作用。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的基于離子遷移率的分離方法，其中所述改性劑的其中之一與漂移介質(zhì)中的一種或多種其它改性劑相互作用。
18.一種基于離子遷移率的分離方法，包括a.基于樣品組分的測定的離子遷移率特征分離漂移介質(zhì)中的樣品的至少一種組分；b.為組分或漂移介質(zhì)提供除了給定溫度下的熱能之外的能量從而影響樣品中組分的分離；和c.調(diào)諧能級以改變組分的分離程度。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的基于離子遷移率的分離方法，其中漂移介質(zhì)包含已知比率在0至100%的范圍內(nèi)的惰性漂移氣體、相互作用的漂移氣體和/或改性劑中的一種或多種。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的基于離子遷移率的分離方法，其中使用一定范圍的電磁能量的方法產(chǎn)生能量，具體而言所述電磁能量在可見光、紅外、微波無線電范圍內(nèi)。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的基于離子遷移率的分離方法，其中能量來自包含激光和/ 或射頻電場的源。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的基于離子遷移率的分離方法，還包括在漂移介質(zhì)中的分離之前和/或分離期間使用能量防止中性分子與樣品組分成簇。
23.一種基于離子遷移率的光譜儀，包含a.漂移介質(zhì)，其中基于樣品組分的離子遷移率特征分離樣品的至少一種組分；b.多種能量源的其中之一，所述能量源為樣品和/或漂移介質(zhì)提供除了給定溫度下的熱能之外的能量從而影響樣品中組分的分離；和c.能級，可以為組分的分離而調(diào)諧所述能級以改變樣品組分和漂移介質(zhì)之間的相互作用程度。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的基于離子遷移率的光譜儀，其中所述漂移介質(zhì)包含已知比率在0至100%范圍內(nèi)的惰性漂移氣體、相互作用的漂移氣體和/或改性劑中的一種或多種。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的基于離子遷移率的光譜儀，其中所述能量源產(chǎn)生一定范圍內(nèi)的電磁能量，具體而言在可見、紅外、微波無線電范圍內(nèi)。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的基于離子遷移率的光譜儀，其中能量來自包含激光和/或射頻電場的源。
27.根據(jù)權(quán)利要求23所述的基于離子遷移率的光譜儀，還包括在漂移介質(zhì)中的分離之前和/或分離期間使用能量防止中性分子與樣品組分成簇。
全文摘要
本發(fā)明描述了在基于離子遷移率的光譜儀中使用除了傳統(tǒng)離子遷移率測定中的分子性質(zhì)之外的組分的至少一種匹配性質(zhì)分離樣品中的組分以提高樣品的分離度和分辨率。基于匹配性質(zhì)的分離通過改變IMS的漂移介質(zhì)而實現(xiàn)。除了改變漂移介質(zhì)之外，在分離過程期間也對離子的能級和/或漂移介質(zhì)進(jìn)行控制。本發(fā)明描述了離子遷移設(shè)備和調(diào)諧方法，在所述離子遷移率設(shè)備中將能量源加入到IMS中以對離子和/或漂移介質(zhì)提供額外的能量，所述調(diào)諧方法涉及選擇漂移介質(zhì)并優(yōu)化能級從而達(dá)到最佳性能。
文檔編號H01J49/00GK102272879SQ200980153287
公開日2011年12月7日 申請日期2009年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月31日
發(fā)明者克林頓·阿倫·克魯格, 吳青 申請人:卓漂儀譜公司