电喷雾质谱测定是一种被广泛应用于生物分子结构分析(即蛋 白质、肽和DNA)的强有力的分析工具。参见Richard B.Cole，John Wiley和Sons于1997年发表的“电喷雾电离质谱测定基础、装置 和应用”(Electrospray Ionization Mass Spectrometry Fundamental. Instrument and Applications)一文。该技术在大部分药品的开发中 扮演着重要的角色，并且正被用来进行对人类暴露于致癌物质的定 量测量。由于制药市场的大小和潜在的回报，人们对开发基于电喷 雾质谱测定的仪器表现出兴趣，并且技术上得到了加强。
近年来，总的趋势是将分析所需的样品量最小化，微电喷雾 离子化(micro-ESI，micro-ES)和纳米喷雾(nanospray)是这些 方法中的两种。这两种方法有很多共同点，并且它们常常被互换 使用。micro-ES是具有与“传统”电喷雾相同系统元件的小型电 喷雾源。这些元件包括包含分析样品的泵浦液流源、通过其抽吸 液体的小直径尖锐中空针，以及产生喷雾的高压源。纳米喷雾依 赖于针中的液体对吸引器反向电极的静电吸引力来产生流动，而 不是依赖泵浦。该特性使纳米喷雾作为一种使样品浪费最少的方 法而非常有吸引力。由于电喷雾、micro-ES和纳米喷雾都是被统 称为电喷雾类别的种类(species)，它们在本专利中将被互换地 称为电喷雾。
电喷雾离子化过程的性质使样品制备成为主要的考虑事项。 与样品一起存在的溶剂、缓冲盐显著地增加了光谱的复杂度，降 低了探测极限。电喷雾离子化过程产生了大量的溶剂离子，这些 溶剂离子产生了强烈的质谱背景，这严重地限制了对溶液中痕量 级的许多化合物的识别。即使没有这些溶剂离子的竞争，许多应 用也需要与复杂混合物一起工作，这些混合物使得必须在质量分 析之前进行一定程度的分离。参见J.Lee、J.F.Kelly、 I.Chernushevich、D.J.Harrison和P.Thibalut发表的“使用组合毛 细管电泳/纳米电喷雾质谱微制造器件从胶体隔离的膜蛋白质中 分离和识别肽”(Separation and Identification of Peptides from Gel-Isolated Membrane Proteins Using a Microfabricated Device for Combined Capillary Electrophoresis/Nanoelectrospray Mass Spectrometry，Anal.Chem.2000，72，599-609)一文。因此，需要 更好的方法来去除不需要的溶剂和从背景中分离样品离子。
电喷雾质谱测定(ES-MS)为确定肽、蛋白质的结构提供了强 有力的工具。因为长程结构确定了蛋白质的功能，所以这很重要。 关于蛋白质的结构信息一般从它的氨基酸序列确定。为了识别该 序列，蛋白质通常使用酶进行分解(digest)，肽片段通过串联 (tandem)质谱测定进行排序。另一个可能获取序列的方法是分解 蛋白质并且测量肽片段的分子重量。这些是输入到计算机程序的 数据，该计算机程序在理论上对所有在数据库中能找到的蛋白质 进行分解，并且将这些理论片段与所测量的分子重量进行比较。
近来，已经注意到离子淌度光谱测定能够为电喷雾/质谱测量 提供有用的信息。离子淌度光谱测定通常是一种对分子大小和外 形很敏感的常压测量技术。通过结合IMS和质谱的蛋白质识别可 以减少对蛋白质分解的需要，并且简化了样品制备。
商业上可以应用的IMS系统是基于飞行时间(time-of-flight， TOF)的，即它们测量使离子从快门通过内部气氛(1到760托) 达到探测器所需要的时间。该漂移时间依赖于离子的淌度(即， 大小、质量和电荷)，并且以所探测的离子种类为特征。TOF-IMS 是一种对于包括麻醉药、爆炸物和化学战争制剂的许多化合物探 测有用的技术。参见PCT申请No.PCT/CA99/00715和美国专利 No.5,420,424，通过在此引述将这些文献合并于本文。在离子淌 度光谱测定中，使用具有恒定低场强电场的电池漂移管确定气相 离子淌度。打开闸门使离子进入漂移管，并且基于漂移速率的不 同将它们依次分离。这些条件下的离子漂移速率与电场强度成比 例，从试验确定的离子淌度与所施加的电场无关。现在的光谱测 定仪使用用于离子识别的常规机制漂移管(最小大小为40cm3)。
在传统的飞行时间离子淌度光谱测定仪(TOF-IMS)中，在 低强度电场中进行离子识别(低于100V/cm)，此时每种离子的淌 度系数实质上与场强无关(W.Mcdaniel and Edward A.Mason，The mobility and diffusion of ions in gases，John Wiley & Sons，1973)。
在高电场中，离子淌度变得依赖于所施加的电场强度，并且 离子迁移速率可能不再随着场强线性变化。在本公开的主题中利 用了该原则。
场非对称波形离子淌度光谱测定仪(FAIMS，也称为RF-IMS) 利用这些明显更高的电场，并且基于离子在高强度与低强度的电 场中淌度的差异来识别离子种类。
FAIMS光谱测定仪使用诸如紫外光致电离灯的离子源来将 气体样品转化为离子种类的混合物，每种离子类型对应于气体样 品中具体的化学物质。然后离子种类通过离子过滤器，这里在电 极之间施加特定的电场来选择允许通过该过滤器离子类型。一旦 通过了过滤器，离子类型撞击探测器电极，并且产生电信号。为 了探测样品中离子种类的混合物，施加于过滤器电极之间的电场 能够扫描整个范围以及所产生的光谱。该离子过滤器通过组合离 子过滤器电极之间所产生的两个电场获得，一个是非对称的、周 期性射频(RF)电场，一个是直流补偿电场。非对称的射频电场 在其最大正场强与负场强之间有显著的差异。非对称的射频电场 将离子分散以及使它们偏转到离子过滤器电极，在这里它们被中 和，而补偿电场阻止特定的离子分散以使其通过到达探测器。在 离子在高电场中的淌度相对于其在低电场中的淌度的差值的基 础上，在装置中对离子进行过滤。即，由于它们与低电场的淌度 相对的高电场的淌度的化合物依赖行为，离子被分离。
FAIMS方法是建立在Mason和McDaniel观察的基础上 [.W.McDaniel and Edward A.Mason，The mobility and diffusion of ions in gases，John Wiley & Sons，1973]，他们发现离子的淌度受到 所施加的电场强度影响。电场相对于气体密度的比(E/V)大于 40Td(在大气压下E＞10,700V/cm)时，淌度系数K(E)具有对电 场的非线性依赖关系。该依赖关系被认为是对于每一离子种类是 特定的。下面是一些由Mason和McDaniel给出的例子 [.W.McDaniel and Edward A.Mason，The mobility and diffusion of ions in gases，John Wiley & Sons，1973]。离子簇CO+CO的淌度随 着场强的增加而增加(参考[.W.McDaniel and Edward A.Mason， The mobility and diffusion of ions in gases，John Wiley & Sons， 1973]的图7-1-K-1)。对于一些分子和原子离子，淌度系数能以更 复杂的方式改变。例如，对于原子离子K+，在一氧化碳气体中的 淌度系数随着电场增加而以20％增加，但是在E/N大于～200Td 时，系数开始减少(参考[.W.McDaniel and Edward A.Mason，The mobility and diffusion of ions in gases，John Wiley & Sons，1973]的 图7-1-K-3)。对于其他的离子，例如N+、N3+和N4+，淌度变化很 小(参考[.W.McDaniel and Edward A.Mason，The mobility and diffusion of ions in gases，John Wiley & Sons，1973]的图 7-1-H-1/2)。图1A图示说明了离子淌度对电场的三种可能的依赖 关系。为简单起见，我们将假设在弱电场(E大约为102-103V/cm) 中的淌度K(Emin)低电场值对于所有三种离子类型是相同的。但 是，在Emax的淌度系数K(Emax)值对于每种离子类型是不相同的。
淌度系数K(E)的电场依赖性能够用E/N[18]的偶数次幂顺序 展开表示：
K(E)＝K(0)[1+α1(E/N)2+α2(E/N)4+...]          (1)
其中，K(0)是弱电场中离子的淌度系数，α1和α2是展开系 数。该等式能够使用如等式2所示的有效α(E)进行简化[T.W.Carr， Plasma Chromatography，Plenum Press，New York and London， 1984]，
K(E)≈K(0)[1+α(E)]                            (2)
根据该展开式，当α(E)＞0时，淌度系数K(E)随着场强增加 而增加，当α(E)～0时，淌度系数K(E)不改变，当α(E)＜0时， 淌度系数K(E)随着场强增加而减少。从动量与能量平衡方面考 虑，也能够推导出场依赖淌度系数的展开式。其中离子能量 ε＝3/2kTeff能够表示为它的有效温度的函数[18-20]。
$K\left(E\right)=\frac{V}{E}=\frac{q}{N}{\left(\frac{1}{3\mathrm{\mu k}{T}_{\mathrm{eff}}}\right)}^{1/2}\frac{1}{\Omega \left(T_{\mathrm{eff}}\right)}--\left(3\right)$
其中α(E)＜0的情形能够在等式3所表达的模型的基础上进 行解释，如果假设离子中性横截面(ion neutral cross-section)ΩTeff 对于刚球相互作用不会显著地改变[T.W.Carr，Plasma Chromatography，Plenum Press，New York and London，1984， E.A.Mason and E.W.McDaniel，Transport Properties of Ions in Gases，Wiley，New York，1988]，并且约化质量μ不变。在这些条 件下，人们发现如果离子的有效温度或能量增加，淌度K(E)将增 加。物理上，对该效应有着简单的解释。当电场强度增加时，离 子被更强地驱动穿过中性气体。这增加了离子中性碰撞频率，其 导致平均离子速率和离子淌度系数减少。
但是刚球模型不能解释那些显示某些离子淌度随着电场(α (E)＞0)增加而增加的实验结果。在高电场强时允许离子解簇 (de-clustering)发生，可以给出一种对在高E/N值时淌度增加可 能的解释。弱电场环境条件中的离子一般不以游离态存在。它们 通常是带有n个例如水分子的极性分子团簇形式(例如， MH+(H2O)n)。当电场强度增加时，由于碰撞之间的能量传递，动 能增加，从而离子的有效温度(Teff)也增加。这能导致离子团 簇级别的减小(n减小)，从而导致更小的离子横截面ΩTeff和更小 的离子约化质量。根据等式3，如果进行解簇，并且横截面和约 化质量以足够补偿Teff增加的方式减少，那么α(E)＞0的情形就 能够得到解释。
当α(E)～0时的第三种情形能解释为：由于解簇导致的离子 横截面减少，由离子有效温度的增加得到补偿。这导致离子的淌 度系数没有净变化。
下面对用于离子过滤的FAIMS的操作的机理进行说明。考 虑对电场有不同淌度系数依赖关系的三种离子(即，α(E)＞0， α(E)＜0，α(E)～0)，它们是由于中性分子局部电离，而形成在两 个电极之间的狭窄缝隙中的相同位置，如图1B所示。在缝隙之 间，载气流纵向地沿着漂移管输运这些离子。如果这时在电极上 施加非对称RF电场，离子响应RF电场，在随着载气流沿漂移 管移动时，在与载气流动垂直的方向上振荡。这里，使用最大场 强为|Emax|＞10,000V，最小场强|Emin|＜＜|Emax|的简化非对称RF电场 波形(图1C)来说明RF-IMS的操作原理。设计非对称RF电场 波形使得电场的时间平均值为0，并且
|Emax|t1＝|Emin|t2＝β                           (1)
t1是周期中施加高电场的部分，t2是施加低电场的时间。β 是对应于周期中高电场和低电场曲线以下的面积的常数。离子在 y方向的速度由下式给出：
Vy＝K(E)E(t)                                     (2)
这里在该情形中，K是离子种类完全在y方向的离子淌度系 数，E是完全在y方向的电场强度。如果RF电压脉冲的正极幅 度(t1期间)所产生的电场强度大于10,000V/cm，那么向着上电 极的速度为：
Vup＝Kup|Emax|                                   (3)
由于在高电场条件下每个离子的淌度系数Kup是不同的，如 图1 A所示，所以对每个离子种类该速度值也是不同的(图1B)。 α(E)＞0的离子将移动得更快，α(E)＜0的离子速度最小，因此每 种离子轨迹的斜率也是不同的。在周期的下一个部分(t2)，一旦 RF电场的极性进行切换，所有这三种离子类型将开始以相同的 速度向下朝下极板移动：
Vdown＝K(Emin)|Emin|                          (4)
在该低场强的条件下(见图1A)，所有这三种离子类型将具 有相同的离子淌度系数Kdown。因此，在周期的该部分，所有这 三种离子轨迹将有着相同的速率(图1B)。
在y方向上离子相对于其起始位置的位移是离子在y方向的 速度Vy乘以施加电场的时间长度Δt：
Δt＝VyΔt                                    (5)
在所施加的RF电场的一个周期中，离子在正、负y方向上 移动。将等式2带入等式5，离子在RF电场一个周期中的平均 位移量可以写为：
ΔyRF＝Kup|Emax|t1-Kdown|Emin|t2              (6)
使用等式1，展开式可以重写为：
ΔyRF＝β(Kup-Kdown)＝βΔK                   (7)
由于β是由所施加的RF电场所确定的常数，离子在每个RF 电场周期T＝t1+t2的y位移量取决于在高电场和低电场之间离子 淌度的变化。假设载气仅仅在z方向输运离子。在离子过滤极板 之间，在离子停留时间tres期间，(由于电场的)从其起始位置的 总的离子位移量Y(y方向)可以表示为：
$Y=\frac{\Delta y_{\mathrm{RF}}}{(t_1+t_2)}{t}_{\mathrm{res}}=\frac{\mathrm{\beta \Delta K}}{T}{t}_{\mathrm{res}}---\left(8\right)$
在离子过滤器区域中的平均离子停留时间在等式9中给出。 A是过滤器区域的横截面面积，L是离子过滤器电极长度，V是 离子过滤器区域的体积，V＝AL，并且Q是载气的体积流率。
$t_{\mathrm{res}}=\frac{\mathrm{AL}}{Q}=\frac{V}{Q}--\left(9\right)$
将等式9带入等式8，注意从等式1有β＝|Emax|t1，并且定义 RF脉冲的占空比为D＝t1/T。因此离子种类位移量的等式8可以 重写为：
$Y=\frac{\Delta {\mathrm{KE}}_{\max }\mathrm{VD}}{Q}--\left(10\right)$
其中，Y是现在基于离子过滤器区域中的平均离子停留时间 的离子在y方向上总的位移量。从等式10，很明显缝隙中离子在 垂直方向上的位移量与低场强条件和高电场强条件之间的离子 淌度差值成正比。具有不同ΔK值的不同种类的离子对于给定tres 将位移不同的Y值。包括最大场强值、离子过滤器区域体积、占 空比和流速的所有其他参数对于所有离子种类在一阶实质上是 相同的。
当在与平均RF致(y定向的)离子运动相反方向上，除RF 电场外还施加低强度DC电场(|Ec|＜|Emin|＜＜|Emax|)，特定的离子 种类的轨迹能被“拉直”，见图1D(1)，1D(2)，1D(3)。这允许特 定的种类的离子不受妨碍地在离子过滤器电极间通过，而所有其 他种类的离子被偏向到过滤器电极。DC电压“调谐”过滤器并 产生补偿RF致运动的电场，其特征在于离子种类，并且被称为 补偿电压。在气体样品中离子完整的光谱能够通过划过 (ramping)或扫过施加于过滤器的DC补偿电压获得。离子电流 强度与扫描电压的关系形成了RF-IMS光谱。如果不是对一个离 子过滤器电极施加扫描电压，而施加固定的DC电压(补偿电压)， 该光谱测定仪将如仅允许一种离子通过的连续离子过滤器一样 工作。
在PCT申请No.PCT/CA99/00715中，电喷雾离子化腔或电 喷雾源被用来产生离子，这些离子最后被输运到分析区域，高频 电压非对称波形和DC补偿电压作用于该区域。
因此，本发明的目的是提供一种使用场非对称波形离子淌度 来提高化合物探测的方法和装置。
发明概述
在场非对称离子淌度测定仪的实践和新的改进中达到了本 发明的目的，具体地说是在三个方面：1)样品制备和引入，2) 离子过滤，3)输出和信号收集。
本发明的实施例对多个方面的组合进行了说明，包括使用 FAIMS离子过滤器来对离子进行过滤，其中，除高电场非对称波 形射频信号外，通过对可变DC补偿信号进行控制，或使用FAIMS 过滤器，获得对哪种离子被过滤的控制，在FAIMS过滤器，对 哪种离子被过滤的控制通过变换高电场非对称波形射频信号的 波长、频率、幅度、周期、占空比等获得；使用平面FAIMS过 滤器，其使用绝缘衬底来非常精确地控制离子过滤器电极之间的 缝隙，并确保离子过滤器电极是平行的，这允许获得完全可再生 场，其导致了更高分辨率的光谱测定仪，使用平面FAIMS过滤 器，其中，绝缘分隔物与过滤器电极的边缘重合，这导致具有对 化合物更精确识别的更高分辨率的FAIMS，由于所有的样品都被 强制在离子过滤器电极之间通过，没有离子能绕过过滤器电极而 仍然到达过滤器电极。
在通过诸如电喷雾头的喷雾源的使用中，获得了去溶剂化， 其中为了获得可靠、可重复的光谱，对离子的去溶剂化非常重要。 去溶剂化电极可以被包括来助于去溶剂化，增强的去溶剂化可以 通过对去溶剂化电极施加对称RF信号获得。RF信号为离子提供 能量，这升高了离子的有效温度和帮助增强去溶剂化过程。
去溶剂化电极也能被用来控制来自电喷雾和其他电喷雾源 的气体样品中的离子团聚程度。对离子团聚进行控制能允许有更 多可重复的测量，并且也能够提供关于正被探测的离子的额外的 信息。
本发明的新的实施例与样品制备部分相关。该实施例包括电 喷雾头的使用和从离子过滤器电极分隔开的吸引电极的使用。将 吸引电极从离子过滤器电极分隔开的优点在于，这允许相对离子 过滤器电极自由地对吸引电极施加不同的电势，并且这允许对 FAIMS中的电喷雾条件和离子引入条件进行优化。离子过滤器和 吸引电极的分离也能够在圆柱形FAIMS构造中实现。
此外，能够提供引导电极，还允许对离子注入进离子过滤器 进行优化。在本发明另一个实施例中，能将电喷雾组件连接到一 个FAIMS衬底上，引导电极被用来引导离子进入离子化区域。 引导电极可以是独立式的附加结构，或者能被连接到，或接近一 个FAIMS衬底。组件能够具有反向气流来增强去溶剂化。
本发明也说明了对这一概念的实现：能够将飞行时间测量和 FAIMS方法进行组合，通过由飞行时间测量提供的额外的信息， 使用电喷雾提供改进的对离子种类的识别。能够对离子从FAIMS 管口到探测器的行进时间进行测量。这可以通过对吸引电极和引 导电极电势进行独立地控制获得。例如，起始对吸引电极电势进 行调节，使得没有离子使其进入漂移管，而是在引导电极被收集。 然后，对吸引电极施加脉冲电压，使得一些离子使其进入离子化 区域和进入离子过滤器。既然能对离子从离子化区域行进到探测 器的时间进行测量，这提供了关于离子识别的额外的区分信息。
本发明新的方面是在绝缘或被绝缘的衬底上形成电极的概 念，其中绝缘衬底能形成壳。该方法在对器件构造进行简化方面 取得了显著的进步。这使得低成本、可大批量制造工艺能被使用， 例如微加工、能导致低成本的多芯片模块、微型传感器。
对于输出部分，所推荐的FAIMS的实施例首先具有同时对 例如带正、负电荷的离子的多个离子进行探测的能力的输出部 分。
既然FAIMS中的样品分析通常在气相中进行，液体样品需 要从液相转换为气相。在优选实施例中，电喷雾方法(我们的定 义涵盖了“传统的”、微型和/或纳米喷雾)被用来将液体样品转 换为气相离子。出自电喷雾针尖的离子流优选地被平面FAIMS 作用。在本发明的优选的实施例中，所有的样品制备、离子化、 过滤和探测功能都在单一的“芯片”上进行。
在另一个实施例中，电喷雾FAIMS被用作质谱测定仪的过 滤器。被耦合到质谱测定仪的FAIMS提供了增强的分辨率、更 好的探测极限，能够更好地提取正被分析的分子的形状和结构信 息。FAIMS技术以离子淌度为基础，其中，离子过滤和识别高度 依赖于离子的大小和形状。由于蛋白质的性质在很大程度上确定 了它的功能，因此该信息在基因组和蛋白质组研究(即，制药工 业)中很感兴趣，所以FAIMS能用作低成本、大容量的蛋白质 表征方法。一个特定的实施例包括可置换的FAIMS过滤器芯片， 其被插入到安装于质谱测定仪入口的载体。FAIMS电喷雾器件也 能够提供关于正被分析的分子的结构(构造)信息，以及不能简 单通过电喷雾质谱测定仪获得的信息。此外，FAIMS允许在异构 体(具有相同质量，但形状不同的分子)之间进行区分，这不能 单独通过电喷雾质谱测定仪获得。
在一个特定的实施例中，电喷雾FAIMS在单独的外壳中形 成过滤器和探测系统。本发明的电喷雾FAIMS构造能够被用作 用于液体样品分析的独立探测器，或作为质谱测定仪的前端。本 发明也具有其他例如液相色谱、高压液相色谱和毛细管电泳的液 体分离技术。本发明优选的实施例包括平面FAIMS装置，在一 个实施例中，该器件与电喷雾离子化源集成在一个公共的壳或衬 底上，并且被耦合到质谱测定仪。
本发明的另一个实施例可以包括圆柱形或同轴FAIMS器件。 本发明的实施例使分子在从例如电喷雾针尖或毛细管电泳出口 的源喷射后能被过滤，并且在经由FAIMS过滤器的过滤之前被 离子化，经由内部电极，或质谱测定仪或其他探测器被探测。在 本发明的一个实施例中，微加工(MEMS)处理使电喷雾针尖能 和FAIMS过滤器集成为简单的器件，并且导致精确但是紧密的 用于准确、高度可重复的、液体样品评价的分析系统。在本发明 的另一个实施例中，可以是用于生物制剂探测的便携、微型、低 成本的生物传感器，其使用集成的电喷雾FAIMS芯片。优选地， 它们是使用微加工制造技术制备的。在一个实施例中，通过被用 作质谱测定仪的预过滤器的FAIMS过滤器，获得了大气压化学 离子化(APCI)。
在本发明之前，传统的加工导致高的制造成本，以及FAIMS 器件之间差的重复性。此外，现有技术的圆柱形FAIMS几何结 构要么在与质谱测定仪接口连接时限制了收集效率，要么允许样 品中性物质和样品离子都进入质谱测定仪，导致了更加复杂的光 谱。在本发明的实施例，有利地是在样品离子化之后进行离子过 滤，因此在电喷雾过程中不可避免产生的缓冲盐和溶剂离子被从 感兴趣的生物分子中分离。这提供了明显简单得多的质谱和提高 了探测极限和对生物分子的识别。
将电喷雾和FAIMS过滤器器件组合使得分析探测器件具有 大大增强的敏感度和分辨率。在一些情形，该能力被提供来对没 有FAIMS存在的情形下不能识别的化合物进行分解。将电喷雾 和FAIMS过滤器器件组合在通过用于高通量、低成本样品分析 的器件运行低浓度的样品时，引起样品之间的污染的问题，但是 这些在本发明的实践中得到了克服。
本发明新的FAIMS是低成本的、可批量制造的、小而紧密 的、基于离子淌度差别的光谱测定仪。本发明相对现有的器件提 供几个额外的好处，尤其是那些使用诸如包括有陶瓷封装的 MEMS制造技术、PC板制造技术或塑料工艺的批量制造技术构 造的发明。批量制造技术导致低成本的、被制作得能置换的器件， 因此避免了样品交叉污染的问题。这些芯片将对于任何使用质谱 测定仪作为FAIMS接口过滤器用于生物分子识别的实验室是可 用的。这样的过滤器包括能够被插入到接口固定装置的FAIMS 接口芯片，该接口固定装置包含过滤电子设备。电喷雾针尖或电 泳芯片能与FAIMS芯片集成(制造为一部分)。MEMS技术不是 所需要的而是优选的，并且在批量制造的FAIMS芯片中赋予了 可靠性和可重复性；这降低了它们的成本，并使可置换器件称为 可能。该可置换性避免了从一个样品到下一个样品的污染，这对 于服从、用于和/或由类似于EPA和FDA调节制剂执行的测试是 无价的，对它们污染是一个主要关注的问题。
本发明的一个实施例中，制造了平面MEMS FAIMS芯片， 其中，离子被聚焦到质谱测定仪中，并且收集效率接近100％。 在这个实施例中，没有离子需要被注入到FAIMS离子过滤器区 域中。该器件是在平面表面上微加工的。它能够轻易地与微加工 的或传统的电喷雾针尖和/或微加工的电泳芯片进行集成。这是一 个简化的设计，具有减少的制造要求，并且能被配置来仅仅使用 单一的气流通道。
微加工提供了优良的制造重复性和过滤器性能。这很关键， 从而结果在从一个器件到下一个器件，从一个实验室到下一个实 验室之间一致。微加工使得不能以其他方式制作的FAIMS过滤 器芯片新的构造成为可能。这些新的构造较为简单，并且在传送 离子到质谱测定仪和过滤不需要的离子时具有更高的效率。
已经成功地制造和表征了MEMS FAIMS漂移管。已经证实 了高的光谱测定仪灵敏度和来分解在传统TOF-IMS中没有被分 离的化学物质的能力。MEMS FAIMS使得实现微型化的、低成 本、高灵敏度、高可靠性的探测器成为可能。本发明的FAIMS 光谱测定仪也已经被证实为质谱测定仪的预过滤器。新的 FAIMS/MS组合允许对复杂混合物进行更好的解析。
通过使用诸如微加工的微制造方法，用于生物制剂探测的、使 用集成电喷雾FAIMS芯片的便携、微型、低成本的生物传感器是 可能的，这是由于这些技术以及所能够的产品使得尺寸减小和成本 降低成为可能。这些仪器具有许多用途，包括本领域中有益的高质 量的生物分析。例如，被怀疑暴露在生物制剂的人可为仪器提供一 滴血液。血液将预缓冲盐进行混合、处理，通过电喷雾喷嘴被引入 到FAIMS，在此对离子进行分析。如果探测到具体的生物分子， 将发出警告。同样，微加工使得以其他方式不能利用的FAIMS过 滤器芯片新的构造成为可能。例如，本专利中所公开的平面FAIMS。 这些新的构造更加简单，并且在传送离子到质谱测定仪和过滤不需 要的离子时具有更高的效率。在优选实施例中，电喷雾和FAIMS 形成了在单一的壳中的大气压化学离子化(APCI)预过滤器、分 析过滤器以及探测系统。新的FAIMS-APCI提供了高性能、低成本、 可批量制造的、小而紧密的离子淌度测定仪。
在本发明的一个实施方案中，其突破可以归功于提供了多用 途的壳/衬底/封装，它们简化了元件的形成以及作为结果的组装。 附加特征包括这样的可能性，将衬底用作在其上建立过滤器的物 理平台以及来为整个器件赋予结构；来将衬底用作被绝缘的平台 或范围，其定义了通过器件的流动路径；和/或使用衬底来提供能 改进性能的绝缘结构。在器件中能结合进隔离物，其提供了定义 结构以及用于进一步偏压控制的硅电极对的可能性。能够利用多 电极形成和功能隔离物的排布，这提高了性能和容量。过滤使用 了与控制元件一道被施加到过滤器上的FAIMS非对称周期电压， 并且该元件可以是偏压信号或电压，或者可以简单地用另外的方 式提供，例如通过对相同的非对称信号的占空比的控制，并且这 去掉了对DC补偿电路的需要。该紧密的排布使得能够排除用于 清洗离子的加热器，并甚至可以使用例如过滤器或探测器电极的 现有的电极来进行加热/温度控制。
本发明的实施方案包括场非对称离子淌度测定仪装置，一些 优选实施例包括样品制备部分、离子过滤部分、输出部分和控制 部分，过滤器包括用于离子过滤的FAIMS过滤器。本发明的实 施例还可以多样地包括：平面FAIMS过滤，其使用绝缘衬底来 非常准确地控制离子过滤器电极之间的缝隙，并且确保离子过滤 器电极是平行的，这使得能够获得导致较高分辨率的光谱测定仪 的可再生的电场；FAIMS过滤器，其中绝缘隔离物与过滤器电极 的边缘重合。由于使得所有的样品都通过离子过滤器之间，而没 有离子能够绕过过滤器电极，并且仍然到达探测器电极，因此这 得到了更高分辨率的FAIMS，并且具有对化合物更精确的识别； 电喷雾头通过去溶剂化电极提供了对离子的去溶剂化；通过施加 对称RF信号到去溶剂电极能够获得增强的去溶剂化；RF信号为 离子提供能量，这升高了它们的有效温度，并且帮助增强去溶剂 化过程；其中，在本发明的实践中，提供了去溶剂电极，其用于 控制气体样品中离子团聚的程度、更多可重复的测量以及提供对 于正被测量的离子的额外的信息。
新的方面包括在绝缘的或被绝缘的衬底上形成电极，其中， 绝缘衬底能够形成壳，并且在对器件构造的简化中提供了明显的 进步，由于低的成本，诸如微加工、能导致低成本的多芯片模块 以及使用FAIMS结构的微型传感器的批量制造的技术得到了使 用；在输出部分中具有能同时探测例如带正、负电荷的离子种类 的能力；还结合了电喷雾头的使用以及吸引电极的使用，该吸引 电极被从离子过滤器电极分离以使得相对于离子过滤器电极施 加不同的电势，并且这使得能对电喷雾条件和将离子引入FAIMS 器件的条件进行优化。FAIMS器件可以是圆柱形类型、平面类型 或者其他形式。引导电极允许对将离子注入到离子过滤器中进行 进一步的优化。
也可能形成与FAIMS器件结合的飞行时间测量器件，其通 过由飞行时间测量所提供的额外信息，使用电喷雾来提供对改进 的离子种类的识别；能够对离子从FAIMS管口行进到探测器的 时间进行测量，这可以通过对吸引电极和引导电极电势独立地控 制获得；其中，电喷雾组件能够被附加到FAIMS的一个衬底， 并且引导电极被用来引导离子进入离子化区域；反向气流增强了 去溶剂化；其中，引导电极可以是被附加于、连接到或接近FAIMS 的衬底的独立式结构。其中，除高电场非对称波形射频信号外， 通过控制可变的DC补偿信号，能够获得对哪种离子被过滤的控 制，或者通过改变诸如占空比、幅度或高电场非对称波形射频信 号的频率等获得对哪种离子被过滤的控制。
所有的样品制备、离子化、过滤和探测功能能够在本发明的 单独的芯片或工件上进行；其中，电喷雾FAIMS被用作质谱测 定仪的过滤器、芯片载体和被插入到载体中的可置换的FAIMS 过滤器芯片，该载体能够被安装在质谱测定仪的入口；其中，电 喷雾FAIMS在单独的壳中形成过滤器和探测系统；其中，本发 明的电喷雾FAIMS构造能被用作液体样品的独立探测器或作为 质谱测定仪的前端；其中，本发明也具有对诸如液相色谱、高压 液相色谱和毛细管电泳的其他液体分离技术的应用；其中，本发 明的优选实施例包括FAIMS装置，其中在一个实施例中，FAIMS 器件在公共的壳或衬底上与电喷雾离子源进行集成，并且被耦合 到质谱测定仪；其中，本发明的实施例能够在分子从诸如电喷雾 针尖或毛细管电泳出口的源被喷射以后，对它们进行过滤，在通 过FAIMS过滤器进行过滤之前已经进行了离子化，经过内部探 测器、质谱测定仪或其他探测器被探测，并且在本发明的实践中， 微加工(MEMS)使得电喷雾针尖能够与平面电场非对称波形离 子淌度测定仪过滤器被集成到简单单元/器件，并且仍然产生用于 精确、高度可重复的、液体样品评估的精确的分析系统，或者在 本发明的其他实践中，用于使用集成的电喷雾FAIMS芯片的生 物制剂探测的、便携、微型、低成本的生物传感器是可能的，并 且可以使用微加工制造技术进行制备；其中，FAIMS部件是平面 的，并为质谱测定仪形成大气压化学离子化(APCI)预过滤器； 其中，离子过滤在样品离子化之后进行，从而在电喷雾过程中不 可避免产生的缓冲盐和溶剂离子从感兴趣的生物分子分离，这提 供明显简单得多的质谱，并且提高了探测极限和对生物分子的识 别；其中，将电喷雾与FAIMS过滤器器件组合使得具有高度增 强的灵敏度和分辨率的分析探测器件成为可能，其中在一些情 形，提供了可以对在没有FAIMS存在时不能被识别的化合物进 行分解的能力，并且将电喷雾与现有技术的FAIMS过滤器器件 进行组合在通过用于高通量、低成本样品分析的器件运行低浓度 的样品时，引起了样品间的污染的问题，但是这些在本发明的实 践得到了克服。
在本发明的实践中，质谱测定仪被直接耦合到在漂移管一端 的排出端口，其中，可以放置挡板来调整废气流相对漂移气流的 速度。可以使用多种样品制备部分，无论是简单的来吸取空气气 氛中的样品的端口，还是电喷雾、气相色谱、液相色谱等，可以 使用分导气流来阻止团聚和允许对离子种类更好的识别。
对给定离子种类，单体和团聚离子数量间的关系取决于样品 的浓度和具体的实验条件(例如，湿度、温度、低的速率、RF 电场的强度)。在本发明的实践中，单体或团聚状态都被探测以 对提供化学物质识别的有用信息。在一个实例中，平面双通道 FAIMS被用来获得该结果，其中，对样品中性物质施加幕气流， 阻止它们进入第二通道“II”，单体状态的离子能够被探查。在另 一个实施例中，暮气流可以以相同的方向流动并在管口被排出， 或者在引导电极被包括来将离子引导进入第二通道“II”时在相 反方向流动，吸引电极也被用来吸引离子进入通道“II”，从而由 于使用泵，样品中性物质和样品离子现在可以被吸进通道“II”， 所以当暮气被关闭时，团聚状态的离子能被观察到。
本发明的方法包括耦合FAIMS器件到质谱测定仪，以通过 增强的分辨率、更佳的探测极限、提取正被分析的分子的形状和 结构信息的能力，分子能够包括比如蛋白质和肽的生物分子， FAIMS技术建立在离子淌度的基础上，其中，对离子的过滤和识 别高度的依赖于离子的大小和形状，FAIMS电喷雾器件提供了正 被分析的分子的结构(构造)信息，以及不能简单地使用电喷雾 一质谱测定仪就能获得的序列信息，并且允许在异构体(具有等 同的质量而形状不同的分子)之间进行区分，这是不能单独使用 电喷雾-质谱测定仪就能识别的。
本发明的实施方案对FAIMS衬底的多功能用途进行了说明。 衬底是用于精确确定和定位器件的构成部件或部分的平台(或物 理支撑机构)。衬底形成壳，并且通过过滤器、可能是探测器以 及其他元件围绕流动路径。该多功能设计减少了部件数量，同时 精确地定位构成部件使得在批量制造中获得质量和一致性。更小 的器件也具有意想不到的性能改进，可能是因为更小的漂移管， 也可能是因为衬底也具有电子隔离功能。由于是绝缘的或是绝缘 体(例如，玻璃、陶瓷、塑料)，衬底能够是具有改善的性能特 征的、形成诸如电极的元件直接的平台。
本发明的实施方案可以是圆柱形或平面的等。在所公开的实 施例中，将衬底用作支撑/壳并不排出其他“壳”部件或其他结构 被构造在器件周围。例如，在器件上放置湿度屏障也许是合适的。 同样，额外的比如电池的元件能被安装在衬底/壳的外侧，例如， 在电池外壳中。但是，这里所要求保护的发明的实施例能够提供 衬底绝缘功能、支撑功能、多功能壳功能以及其他功能。
绝缘的或被绝缘的衬底/流动路径发明在简化结构方面获得 了优异的性能。在FAIMS器件中使用电学上被绝缘的流动路径 使得所施加的非对称周期电压能够从输出部件隔离(例如，从探 测器的电极)，在此处进行探测。因为被绝缘的衬底在流动路径 中的过滤器和探测器之间提供了被绝缘的区域，所以能够完成这 种减少，该分隔又有利的将过滤器电场从探测器分离开。较少噪 声的探测环境意味着更灵敏的FAIMS器件。
此外，通过在绝缘性衬底上形成电极，离子过滤器电极和探 测器电极能被放置得更加接近，这意想不到地增强了离子收集效 率和有利地减少了器件的需要所调整、加热和控制的质量。这也 减少对电力的需求。此外，使用小的电极减少了电容，这又减少 了电力的消耗。同样，由于衬底的绝缘表面是用于形成这样的电 极的极好的平台，因此紧密地分隔开的电极本身导致了大规模生 产的工艺。
所要求保护的实施方案导致了能获得这样的FAIMS器件： 具有高分辨率、操作快速和高灵敏度，但却有低的部件数量以及 处于能被大量地、成本上有效地制造和组装的构造中。非常明显 的是，对于这样的有能力的FAIMS器件，封装是非常紧密的， 并且具有在每十亿或万亿分之一的范围内灵敏度。此外，该更小 的器件的减少的硬件(real estate)导致了减少的电力需要，无论 是在识别离子或是在加热器件表面中，这使得能够使用更小的电 池。根据本发明的简化和紧密的FAIMS光谱测定仪的好处一般 需要如1秒这样少(甚至更少)的时间来产生给定样品的完整的 光谱。还没有能够获得这样的有益结果的FAIMS系统在现有技 术中被教导或公开。
附图说明
如在附图中所示的，根据下面本发明的优选实施例的更具体 的说明，本发明前述的以及其他的目的、特征和优点将变得清楚， 在全部不同的视图中，附图中类似的标记指代相同的部件。对于 附图不必按比例的，而应该强调对本发明的原理的图示说明。
图1A示出了三种不同离子种类的淌度对电场的依赖关系；
图1B示出了在离子过滤器的上、下平行板电极之间的缝隙 中，在载气流和非对称射频电场波形同时作用下离子的轨迹；
图1C示出了简化的用于离子过滤的非对称的RF电场波形；
图1D1示出了被施加来抵偿有RF电场产生的唯一的补偿电压；
图1D2示出了在仅具有所施加的RF电场的情形下离子从原 点位置的轨迹，以及在仅具有所施加的补偿的情形下离子的轨 迹；
图1D3示出了在具有所施加的RF和补偿电场的情形下离子 的轨迹；
图2是本发明实践中的化学传感器的示意图；
图3A示出了具有液体样品制备部分的化学传感器系统，该 制备部分包括本发明实践中的电喷雾；
图3B示出了具有液体样品制备部分的化学传感器系统，该 制备部分包括本发明实践中的电喷雾；
图3B1示出了本发明实践中的机加工的电喷雾头；
图3C示出了本发明实践中的蛇行管；
图3D示出了本发明实践中的形成壳的衬底；
图4A示出了本发明实践中的具有分隔开的被绝缘衬底的 FAIMS光谱测定仪；
图4B示出了本发明实践中的另一结构性电极的实施例；
图4C示出了本发明实践中的具有与电极边缘重叠的绝缘分 隔物的过滤器的侧横截面视图；
图4D示出了本发明实践中的电喷雾头，该电喷雾头具有对 通向喷雾针尖的分离通道进料的样品贮存器；
图5A示出了本发明实践中的用于去溶剂化的对称AC射频 电场；
图6示出了被连接到质谱测定仪的现有技术的圆柱形 FAIMS；
图7A、7B示出了本发明实践中的改进的圆柱形FAIMS；
图8示出了本发明实践中的电喷雾安装塔架；
图9A示出了本发明实践中的与引导电极合作的电喷雾头；
图9B示出了本发明实践中的与引导电极合作的电喷雾头；
图10A示出了本发明实践中的控制系统；
图10B示出了本发明实践中的控制信号；
图11A示出了本发明实践中的芯片插座；
图11B示出了本发明实践中的与质谱测定仪相接的芯片插座；
图12A、12B示出了本发明实践中的平面FAIMS；
图12C、12D示出了现有技术的圆柱形FAIMS器件；
图13A、13B示出了本发明实践中的要么从通过上衬底的管 口从上方或从侧面插进离子区域的电喷雾针尖；
图14A、14B示出了本发明实践中的由纵向电场驱动的实施例；
图15A、15B示出了本发明实践中的分导气流实施例；
图16示出了本发明实践中的双通道实施例；
图17示出了本发明实践中的对于不同离子化源的酮类与补 偿电压的依赖关系；
图18示出了本发明实践中的双通道实施例；
图19示出了本发明实践中的探测光谱。

下面对本发明的优选实施方案进行说明。
本发明提供了优选地由高电场非对称波形离子淌度光谱测 定仪实现的、用于分析液体样品中的化合物的方法和装置。
在如图2所示的本发明说明性的实施例中，化学传感器系统 10包括样品制备部分10A，过滤器部分10B以及输出部分10C。 在实践中，在样品制备部分10A将液体样品S离子化，所产生的 离子然后被传输到过滤器部分10B并被过滤，然后通过过滤器部 分的离子被传送到输出部分10C以进行探测。液体样品制备部分 10A、过滤器部分10B以及输出部分10C在控制器部分10D的控 制和指示下工作。控制器部分10D优选地控制系统10的操作， 并且评价和报告探测数据D。
在本发明的优选实施方案中，液体样品制备部分10A包括电 喷雾头，其接收、调节和离子化液体样品S。这些离子被输运到 部分10B中的优选的平面高电场非对称离子淌度光谱测定仪 (PFAIMS)过滤器，后者过滤所传送的离子并且将感兴趣的离子 种类传递到输出部分10C。在本发明多个实施例中，通过使用读 出装置，输出部分10C的功能可以包括对离子种类的即时探测或 将离子转移到诸如质谱(MS)的另一个部件以在此对离子种类进 行探测，该读出装置可以利用指示被探测的离子种类的数据D。
如本领域技术人员所理解的那样，在本发明的实施例中具有 平坦表面的FAIMS过滤器是优选的，但是使用多个非平面部件 和表面，本发明的实施例也是可以操作的，这些部件包括过滤器、 探测器、流动路径、电极等。这里对PFAIMS的说明是描述性的， 而非限制性的。
在图3A、3B的实施例中，液体样品制备部分10A包括具有 用于接收液体样品S的腔14的电喷雾样品离子化源或头12。在本 发明实施中，液体样品S可以在溶剂X中包含生物化合物，例如 化合物A和B。本发明致力于识别液体样品中一种或多种化合物。
在对部分10A的电喷雾器件的实施中，高电压18由控制器 10D施加于电喷雾头12的腔14中的液体样品S上。由控制器10D 驱动的，于电喷雾针尖20的液体样品S与吸引部分22之间的电 势差在离子区域23中使样品S的溶剂X中的化合物A和B电离。 这产生了代表化合物A和B的离子24和26以及溶剂分子28。 在优选实施例中，离子和溶剂被沿着流动路径30向下驱动或拉 动到PFAIMS离子过滤器40中平行的过滤器电极44、46之间的 过滤器部分10B。
在PFAIMS离子过滤器件40中的过滤是以离子淌度的差值 为基础，该差值受到离子大小和形状等项目的影响。这使得能基 于离子的特征对离子种类进行分离。在本发明的一个实施例中， 通过控制器10D内的RF/DC发生器电路施加高强度的非对称波 形射频(RF)信号48以及DC补偿信号50到过滤器电极44、 46上。该非对称电场在高电场强度条件和低电场强度条件之间交 替变换，这使得离子根据它们的淌度响应电场进行移动。一般地， 高电场中的淌度与低电场中的淌度不同。淌度差值在离子在过滤 器电极之间纵向移动通过过滤器时产生离子净横向位移。在没有 补偿偏移信号的情形，这些离子将撞击一个过滤器电极并被中 和。如果存在经过选择的补偿偏压信号50(或其他补偿)，特定 的离子种类将返回到流动路径的中央，并将通过过滤器。因此， 在存在被补偿的非对称RF信号48时，能够根据离子的种类将离 子相互分离开。未被选择的种类将撞击电极并被中和，感兴趣的 种类将通过过滤器。为了选择哪个离子种类通过过滤器，数据和 系统控制器10D调节施加在过滤器电极44、46上的信号48、50。
应该理解的是，隔离离子24和26以获得对化合物A和B或 其中任一个明确无误的识别是最好不过的，这就如使用PFAIMS 过滤器40所能获得的那样。PFAIMS过滤器40基于离子A和B 的淌度来在它们之间进行区分，从而根据由控制器10D所施加的 补偿，原则上仅拿出一个或另一个以在输出部分10C进行探测。 例如，在图3A、3B中，离子24显示为通过过滤器40的离子24’。
再次参考图3A、3B，输出部分10C包括具有探测电极70、 72的探测器69。控制器10D测量电极70、72上的电流，以作为 对通过过滤器40的离子24指示。这些电极由控制器10D的偏压 信号71、73维持在一定电势。在控制器10D的控制下，取决于 电极的极性和探测电极上的控制信号71、73，通过过滤器40的 离子24’将它们的电荷沉积在探测电极70、72上。此外，通过扫 描补偿(即，偏压)，能探测到样品S中离子种类完整的光谱。
通过控制器10D的智能控制，可以选择不同的操作范围，由 此可以将对感兴趣的离子种类进行过滤作为目标。在本发明的一 个实施例的实践中，结合补偿偏压50，施加非对称电信号48， 其结果是在电控制器10D的控制下，过滤器传输所期望的离子种 类。同样，通过在预定电压范围内扫描偏压50，能够获得样品S 中离子种类完整的光谱。
在另一个实施方案中，还是在电控制器所提供的控制信号的 探测下，对于补偿是以占空比变化的非对称电信号形式，并且不 需要补偿偏压的情形，使得非对称电信号所期望的离子种类通过 成为可能。利用这些特征，装置是可调谐的，即，其能被调谐来 过滤离子种类，仅有所期望而选择的种类通过到达探测器。
本发明另一个优点是：过滤器能使具有相似淌度而极性不同 的多种离子通过，这些离子种类能同时被探测到。如果每个探测 电极70、72被保持在不同的极性，那么通过过滤器(具有相似 淌度而极性不同)的多种离子就能同时被探测到。所探测到的离 子与所施加的控制信号48、50以及电势偏压信号71、73相关联， 以确定图2的数据D所指示的被探测到的离子种类。
如图3A所示，该多功能可以进一步参考输出部分10C进行 理解，其中上电极70被维持在预定的电压，且与通过过滤器40 的感兴趣的离子极性相同，而下电极72被维持在另外的电压， 这可能是接地。上电极70将离子24’向下偏转到下电极72以进 行探测。但是，任一电极都可依赖于离子的电荷、极性以及施加 于电极的信号来对离子进行探测。因此，使用上电极70作为一 个探测器，下电极72作为第二探测器，并且在控制器10D中使 用两个不同的探测器电路，及因此发出两路不同的输出，通过过 滤器的、具有相似淌度而极性不同的多种离子能够同时被探测 到。于是探测器69可以同时对通过PFAIMS过滤器40的多个种 类进行探测，例如在碳氢气体背景中包括硫的气体样品。
电子控制器10D为系统10提供控制电子信号。在PFAIMS 器件具有至少如图4A所示的连接到控制电路10D的引线和连接 焊盘的控制部分的情形，控制电路可以在板上，或不在板上。来 自控制器的信号经由这些连接被施加到过滤器电极。
在图4A所示的实施例中，PFAIMS系统10包括光谱测定仪 芯片100，该芯片100具有分隔开的、在其上形成的(金的等) 过滤器电极44、46的绝缘衬底52、54(例如，Pyrex玻璃、陶 瓷、塑料等)。衬底52、54在它们之间确定了漂移管29和流动 路径30，从而具有了壳的功能。衬底优选地是绝缘的，或者具有 用于被绝缘安装的电极的表面60、62。电极44、46形成离子过 滤器40，过滤器电极被安装在绝缘表面60、62，它们在流动路 径30两侧相对。
如图4A、4B、4C所示，衬底52、54由隔离物53、55分隔 开，例如，这些隔离物可以是绝缘的且由陶瓷、塑料、特富龙 等形成，或者通过刻蚀或切割硅晶片形成，或者产生衬底52、54 的延长部分而形成。隔离物的厚度确定了带有电极44、46的衬 底52、54的面之间的距离“D”。在图4A的实施例中，硅隔离 物能被用作电极53’、55’，并且通过控制器10D将限制电压施加 到硅晶片电极上以将所过滤的离子限制在流动路径的中心。这种 限制措施将导致更多的离子撞击探测器，也增强了探测。
在图4B本发明的另一个实施例中，另一种结构电极44x、 46x，替代了衬底52、54，并且被安装在绝缘隔离物53、55上且 由它们分隔开，在其中间形成流动路径30。在流动路径的一端， 样品制备部分10A将离子输入到过滤器部分10B，在另一端，经 过过滤的离子通过进入到输出部分10C。与衬底起到结构功能和 形成壳的方式相同，结构电极44x、46x也起到壳的功能，同时 也是电极。由于具有衬底，这些电极的外表面可以是或不是平坦 的，并且可以被绝缘表面61所覆盖。
在图4C的实施例中，如侧横截面所示，绝缘隔离物53、55 与过滤器电极44、46的边缘44f、46f重叠。这确保了在流动路 径(即，漂移管)29中流动的离子被限制在过滤器电极44、46 之间均匀的横向电场的区域中，而远离存在非均匀边缘电场“f” 的电极边缘44f、46f。另一个好处是所有的离子被强制从过滤器 电极之间通过，并被该均匀电场所作用。
回到图3A，在操作中，离子24、26流入过滤器40。一些离 子在它们与过滤器电极44、46相撞击时被中和。这些被中和的 离子一般被载气所清洗。例如，通过对流动路径30进行加热也 能够进行清洗，比如可以通过将电流施加到适当配置的过滤器电 极(例如，如图3D所示的蛇形管44’、46’)或施加到电阻性隔 离物电极进行加热。图4A的隔离物电极53、55能够使用电阻性 材料形成，因此能被用作加热电极53r、55r。
离子24被传输到图3A所示的输出部分10C。设置排出端口 42以将所传输的离子24排出分子28。对离子24进行分离使探 测功能简单了，并且使得化学分析更加精确。但是即使使用了该 防范措施，仍然有一些溶剂分子依附于感兴趣的离子24。因此， 在优选实施例中，提供了在对例如24和26的离子进行过滤前对 它们进行去溶剂化(desolvate)的装置。去溶剂化可以通过加热 获得。例如，任何电极44、46、53r和55r可以具有由控制器10D 施加于其上的加热器信号。在另一个实施例中，进入的气流可以 由加热器元件89加热，如图3B所示。
本领域的普通技术人员应该理解的是，对电喷雾离子进行去 溶剂化或“干燥”是电喷雾过程中关键的部分。首先当离子从电 喷雾针尖喷射出时，其处于液滴的形式，有大量的溶剂包裹着液 滴。当液滴通过空气到达反向电极时，溶剂最后蒸发掉，留下接 着能进行分析的去溶剂化的离子。在分析之前非完全的去溶剂化 可能使分析失真。因此，在没有其他的辅助的情形，可能需要 长的离子行程，以允许离子充分去溶剂化。因此，应该理解的是， 在实施本发明中去溶剂化是有益的。
在本发明的另一个实施方案中，使用对称RF电场来加强对 在分析之前电喷雾中所产生的离子的去溶剂化。如图5A、5B所 示，垂直于载气流所施加的对称射频电场导致在电喷雾过程中所 产生的离子对称地振荡，并且被加热，由于这些离子沿着漂移管 运动，从而离子在没有从该信号净偏移的情形被去溶剂化。
更具体地说，离子与中性分子之间的相互作用升高了它们的 有效温度，增强了它们的去溶剂化。在它们振荡期间，离子将影 响中性空气分子，它们的内部温度将上升。离子内部温度上升增 强了溶剂的蒸发，缩短了实现被去溶剂化的带电离子的时间。该 动作使得去溶剂化可以在相对较短长度的漂移管中进行。去溶剂 化导致更加准确的探测数据，并且上述方法可以轻易地与本发明 的PFAIMS过滤器相结合。
通过在其间具有空隙、相互平行配置的两个电极之间施加电 压，能够产生去溶剂化电场。例如，在控制器10D的控制下，任 何电极对44、46和53、55可以被用于这一功能。如图3B所示 的分隔开的去溶剂电极77、79优选地可以被用于这一功能。
在本发明的另一个实施方案中，如图3B和3B1所示，微加 工的电喷雾头80被安装在衬底52上。电极82、84、86、88形 成在衬底52的相对一侧，并且引导电喷雾离子24、26进入漂移 管29中的流动路径30的离子区域23。吸引电极22具有施加于 其上的电势以吸引离子24、26进入离子区域23。载气流90被设 定在所期望的流速以捕获离子24、26，并且携带它们到达过滤器 40以进行已经说明过的过滤功能。气体排气装置91包括载气90， 并且将非离子化成分和经过中和的离子带走。
施加于电极22、82、84、86、88，甚至是去溶剂电极77、 79的电势能被设置，并且它们相互之间以及与电极44、46之间 能被独立地控制。例如，这有利地使得吸引器电极22被与诸如 邻近的过滤器电极46的任何其他电极不同的信号所驱动。尤其 是通过提供衬底的被绝缘的表面使得这变得方便，并且分隔电极 允许对独立于过滤器驱动需求的离子引入进行优化。
该构造也使得引导电极82、84、86、88以及吸引器电极22 能够在脉冲模式中单独被操作(例如，接通或切断)。在该模式 中，选择一定量的离子引入到离子区域23中。比如这些离子从 管口到探测器72的运动时间可以被用在操作的“飞行时间” (TOF)FAIMS模式。在该模式中，飞行时间与离子种类相关联， 因此需要用于种类区分的附加信息。这导致了对圆柱状FAIMS 器件的改进。
如在IMS技术领域的普通技术人员所理解的那样，该TOF 是对IMS器件中所实践的飞行时间的模拟，但是现在却在FAIMS 结构得到实践。因此，本发明可以在一个操作器件中提供IMS 和FAIMS探测数据；IMS和FAIMS数据的组合能够产生更好的 探测结果。
在优选实施方案中，如图3A-3B、4A-4B所示，壳64由衬底 52、54组成，并且具有从输入部分10A通过离子过滤器10B延 伸到输出部分10C而确定的内部流动路径30。更具体地说，衬底 52、54给出了工作表面60、62，在那里其偏向于形成电极。这些 表面60、62可以曲面或平面的，优选的是绝缘的(或被绝缘的)， 例如在形成时使用玻璃或陶瓷衬底。这使得它可以采用现在的比 如微电子机械系统(MEMS)、多芯片模块(MCM)或其他工艺 的大规模制造技术，并得到非常紧密的封装和小电极尺寸的结果。 这样，通过中间有流动路径30的镶面的过滤器电极44、46，离 子过滤器优选地是被确定在这些被绝缘的表面上，衬底的被绝缘 的表面又将过滤器电极的控制信号48、50从探测器电极70、72 分隔开，以得到更低的噪声和改善的性能。这不像在(美国专利) 5,420,424中传统的现有技术的FAIMS器件的外圆柱体的延伸导 电区域，该专利通过在此引述而全文合并于本文。
将进一步理解的是，出于几何与物理上的考虑，现有技术的 圆柱形设计中的离子将在漂移管的横截面上分布，并且因此仅有 一部分离子在靠近质谱测定仪入口96的区域R中能得以利用。 现有技术中圆柱形的FAIMS构造如图6所示(参见 PCT/CA99/00715，这里全文引用以作参考)，努力通过使得额外 的离子被传送到质谱入口96，以克服该限制。但是，中性样品分 子也可能进入质谱测定仪入口96，因为在注入溶剂分子28的中 性分子和样品离子24之间没有进行分离。这导致质谱中明显更 复杂的光谱，分辨率下降。
例如，在图3B的构造中，本发明克服了这些缺点。在本发明 的实践中，几乎所有进入探测器区域69的离子24都被聚焦到质谱 测定仪入口96。这导致探测效率急剧上升，以及系统灵敏度的提 高，尤其是与圆柱形FAIMS器件相比，在圆柱形FAIMS器件中， 离子沿着整个流动路径的周边分布，而不是在质谱测定仪入口。
此外，如图7A所示的参考本发明新的圆柱形设计，在吸引 器电极22’的吸引下，电喷雾针尖20通过外电极44C中的管口 31’将样品喷射进流动管道30’，样品被气体G的流动带向过滤器 部分10B’。吸引器电极靠近内电极46C形成，但是却被绝缘条 In1、In2电学上隔开。因此，吸引器电极能与例如46C的邻近电 极隔开而被独立地偏压。该实施例也组合了功能和结构元件，从 而减少了部件数量，比如内圆柱体元件能通过绝缘层In1、In2的 粘合功能而配合在一起。
在图7B所示的另一个实施方案中，吸引器电极22”接近外 线圈电极44C’形成，并且通过绝缘线圈In3在此被绝缘。样品在 吸引器电极22”的吸引以及在被过滤器部分10B”的流动管道 30”中的气体G携带时，电喷雾针尖20将样品S从这一侧引入 到线圈46C”的内部，线圈46C”可以是分离的电极或内电极46C’ 的延伸部分。同样地，电极22”被绝缘器In3从电极44C’分隔开， 因此电极是被独立驱动的。
在图8所示的本发明的另一个实施方案中，安装于衬底52 的电喷雾组件80”包括电喷雾头12。离子由引导电极“F”(本 实施例中有3个)携带到管口31，并也被吸引器电极22和诸如 82、84和/或86、88的引导电极吸引进入离子区域23。
优选地，在每个引导电极上施加分离DC偏压“DC”以产生 引导离子进入离子区域23的电势梯度。通过也施加对称RF信号 “DS”来增强去溶剂化，引导电极能够被用于另外的功能，如此 前所述的那样。
在端口P1引入净化气体G来进一步增强去溶剂化。该气体 与腔室93中所引导的离子相反流动，并在端口P2、P3排出。这 优选地在没有压力梯度跨过管口31时操作。
为了提高喷雾条件，针尖20与上引导电极F1之间的间隔20S 在本发明的实践中能被调节。在一个实施例中，壳12a的位置能 够相对于基底B进行调节，这反过来调节了间隔20S。在另一个 实施例中，头12的高度能够相对于电极F1进行调节。
在如图9A和9B所示的另一个实施方案中，间隔开的引导电 极F(图9A)或者F1、F2、F3(图9B)在一定的气流CG中浸 洗。该气流可以没被限制，或者被包含在壳H1中。电喷雾头12 被可调节地安装在固定架M1中，其中它的传送角度能相对于衬 底52进行调节。此外，它的高度能相对于衬底调节。
参考图4A，样品贮存器92接收液体样品S，接着该样品被 如前所述地那样进行离子化和过滤。在这样的实施方案中，单个 的光谱测定仪芯片100结合了诸如微流电喷雾模块80’的离子源 和平面高电场非对称波形离子淌度过滤器40。还可以包括内探测 器，或离子被输出以进行探测。有多种微加工的微流元件或它们 的组合可以被用作离子源，这包括电喷雾、纳米电喷雾、液体色 谱仪、电泳分离。
在另一个实施方案中，图4A的电喷雾头80’可以被安装于衬 底52(优选地是通过阳极焊接或铜焊)。在该实施例中不需要引 导电极82和84。
在图4D的实施方案中，微流电喷雾模块80’包括样品贮存器 92对加长的蛇行分离管道92a供料，并通向管口20’然后到针尖 20。管道92a可以是液体色谱仪或电泳分离等，以在针尖20进 行离子化之前对样品中的成分进行调节或分离。
对于有或者没有微流模块这样的芯片100的动机是减小样品 制备和分析中的变化，这能够通过减少人们的相互影响和提供能 将所有重要的元件结合到单一结构中的器件获得。这些芯片100 使得它们自身具有低的制造成本，从而是可置换的。为每个样品 分析使用新的芯片减少了样品间的交叉污染。此外，通过减少人 们的干涉，减少了样品制备时间。在传统排布中，电喷雾针尖或 微流元件的位置必须每次相对于任何过滤器或质谱入口进行再 调节。这增加了时间和成本。使用本发明的集成微流芯片/PFAIMS 装置，微流元件和PFAIMS入口的相对位置被固定下来。一旦完 成了分析，只不过将整个芯片抛弃，加载有要分析的和可能要安 装于质谱测定仪的样品的新芯片。这允许明显更快的分析次数和 更高的通过量。
如图10A所示，在本发明的一个说明性实施方案中，控制器 10D包括几个子系统，这包括电喷雾控制10D1、用于为过滤器 电极44、46施加RF非对称驱动信号和DC控制偏压的、与高压 RF波形和DC发生器10D3合作的波形发生器(合成器)10D2， 以及用于探测探测器电极上的离子的探测器电子设备10D4。计 算机10D5手收集信号和控制系统。在一个实施例中，通过软交 换半谐振电路在发生器10D3中产生RF电场，该半谐振电路结 合了回扫变压器来快速地产生高压脉冲。该电路在频率为 100KHz-4MHz附近提供了电压至少为1400伏、占空比约为 10-70％的峰至峰RF电压。用于驱动过滤器电极的RF波形例子 如图10B所示，虽然在本发明的实践中其还可以有变化。
芯片100优选地被插入到芯片接收器组件220。组件220包 括用于接收芯片的插口222。该插口电学上连接到控制器10D。 芯片接收器220的一个优选实施例还起着将化学传感器系统10 耦合到质谱测定仪MS98的功能，如图11B所示。接收器组件 220被固定于质谱测定仪的面224，从而系统10的出口管口99 通过管口99x与MS管口进口96对齐，由此引导离子24’进入 MS以进行探测和分析。
结合图3A的探测器电极70、72，可以对通过过滤器40的 离子进行如上所述的探测。在图3B中示出的另一个实施方案中， 电极70此刻被用作转向器电极来将离子24’偏转到质谱测定仪 98的入口96。离子被引导或由聚焦电极72a、72b将其聚焦，通 过衬底54’中的管口99，以及经由安装适配器102通过充气室 101。假设进入室101的低流速充气阻止了中和的样品离子或溶 剂分子进入质谱测定仪入口96。被聚焦在质谱测定仪入口的离子 接着根据质谱程序标准被探测。应该理解的是，充气室101没有 示出在图11B中，尽管其可以在该实施例中被有利地使用。
本发明的组件可以轻易地依着质谱测定仪入口96(有或者没 有充气室)装配上去，例如，如图3B、11B以及12A-12B所示。 (图3B或12A-12B中侧装的)转向器电极几乎允许100％的离子 被偏转到质谱。
该高效率和图12C-12D中现有技术中被安装于质谱的入口 96的圆柱形设计形成了对照，其中，漂移管中的全部离子中仅有 很小一部分被推动它们进入入口96的电场所影响，并且导致在 现有技术中可以利用的离子中仅有一部分被探测到。
现在应该理解的是，在本发明的实践中，能够使用几种离子 探测器进行化学分析。在图3A和4A的实施例中，探测器完全 在组件10的内部。在图3B的实施例中，组件10通过适配器102 与质谱测定仪98紧密配合，就犹如探测器一样。在图3B的实施 例中，如果在聚焦电极72a、72b上的电流被监测，那么额外的 探测器信息对于处理质谱测定仪98的探测信息是可以利用的。 即使没有聚焦电极72a、72b，本发明的FAIMS光谱也能够通过 监测质谱测定仪中总的离子电流而重建。
本发明另一个实施方案如图13A、13B所示，其中电喷雾针 尖20已被插入进离子区域23，这要么从上方通过上衬底52’中 的管口31(图13A)，要么从侧边(图13B)。在流动路径30中 的离子在气流90中运动时，吸引器电极104、106对它们进行吸 引和引导。在图13A中，来自电喷雾针尖20的液滴在贮存器54a 中聚集，这也可以使用排出孔54b提供。
在离子通过离子过滤器之后以及在它们进入输出部分10C之 前，对离子进行会聚是适当的。这在探测器提高了信噪比，并提 高了灵敏度。离子收集器或离子阱能够以这种方式收集离子，将 它们集中，然后立刻将经过集中的离子传送到输出部分。中性的 物质不会被收集在离子收集器中，并被来自离子收集器T的气流 连续地清除。
例如在图3A、B、C中，在本发明的许多实施方案中可以应 用离子收集器。如图13A所示的一个说明性的实施方案中，其中 离子收集器T通过几个适当偏压的电极对形成。在一个例子中， 对于正离子，将电极进行偏压以在电极对76b的区域中形成电势 最小值，在电极对76a和76c上的电势要高一些。离子被允许在 收集器中聚积，在一段期望的时间量以后，导致收集到所期望数 目的离子，通过对施加到电极76a、76b和76c的电压进行调节 可以打开该收集器。当打开收集器时，所收集的离子24’流入输 出部分10C。
在如上所述的实施方案中，离子过滤器40包括间隔开的电 极44、46，它们由RF和DC发生器10D3在离子在漂移管29中 被气流推动时驱动。在图14A、14B的实施例中，示出了本发明 的由纵向电场驱动的实施例，一种新颖的输运漂移管29中的离 子的方法。
在图14A、14B的实施方案中，使用由电极110和112产生 的纵向电场，推动离子到达输出部分10C。这些实施例说明了在 非常紧密的设计中被简化的气流结构，并且气流是连续可选的。
在一个实施方案中，离子实际上在与气流122相反的方向上 运动，并被电场矢量120推动。与离子运动方向相反的气流增加 了样品离子的去溶剂化。这也维持了一个没有中性样品分子的清 洁的离子过滤器40。因此，这减少了离子簇形成的水平，导致了 对离子种类更精确的探测。此外，反向气流清除和减少了在离子 化区域23中对先前样品的记忆效应。该实施例能够包括集成的 电喷雾针尖20，其从上方或侧面插入进离子区域23，如图所示。
在图14A、14B的由纵向电场驱动的实施例中，离子24、26 不是被气流122而是被于纵向RF和DC发生器10D3’一道的合 作电极110、112组产生的纵向电场的作用所输运。作为一个具 体的电极偏移方案中的PFAIMS的操作的例子，在步进DC电势 以形成纵向电势梯度来驱动离子到探测器时，电极对110a-h， 112a-h中的几个或全部具有所施加的RF电压。该实施例能够在 没有气流时操作，或能够可选地包括排气气流122，其可以在排 气端口124排出中性物质和溶剂分子。
在一个例子中，电极110、112a可以具有施加于其上的10V DC，并且电极110h、112h可以有所施加的100V DC。现在在区 域10A中的负离子由电极对110a-112a所吸引，并且还由电极对 110h、112h所吸引，然后如果被过滤器传送，它们的动量携带它 们进入区域10C。
该RF和补偿可以被施加到多个电极110a-h、112a-h，并且 将以上面所阐述的方式操作。
在图14A的另一个实施方案中，电喷雾针尖能够在管口31 上方的离子化区域23(未示出)的外部，在离子化区域23中电 极112j起着吸引电极的作用。在图14B中的由纵向电场驱动的 实施例中，离子过滤器包括间隔开，的从电极134、136绝缘的 电阻层144、146，例如通过绝缘介质140、142——一种低温氧 化物进行。衬底最好是绝缘的。电阻层144、146最好是沉积在 绝缘层140、142上的陶瓷材料。终端电极对150、152、154、156 与电阻层连接，并且使得穿过每个电阻层的电压降产生纵向电场 矢量。电极150和154根据应用进行偏压，例如它们可以被设置 在1000伏，而电极152和156可以在0伏。
当在圆柱形设计中实施图14B的实施例时，电极150和154 形成一个环状电极，电极152和156形成一个电极，电阻层144、 146形成圆柱体。
本发明的还可以进行飞行时间离子淌度光谱测定功能。例 如，在图14A的实施例中，电极104、106进行脉冲以从针尖20 拉动被离子化的样品，开始时间循环。电极110a-h，112a-h相对 它们的近邻进行偏压，从而离子被所产生的指向输出部分10C的 纵向电场梯度所驱动。反向气流122能被应用来清除样品中性物 质。这些电极的组合能被用来形成如上所述的离子收集器T(参 见图13A)。
在图15A的分导气流实施方案中，电喷雾针12通过衬底52 被插入到离子区域23中，但是它可以如图3A所示那样被安装于 漂移管的外部。在该设计中的离子流发生器在流动路径30的相 对一侧包括多个分段电极160、162以产生纵向电场E。在优选 实施例中，一个或多个分离的电极160′、162′被置于气体入口170 的下游而将纵向电场E延伸到气体的分导流之外，由此确保了离 子在被载气流172携带时流入过滤器40。
在图15B的实施方案中，质谱测定仪98被直接耦合到漂移 管30的末端。该设计的优势在于，由于分导气体流，离子过滤 器40免于样品中性物质的影响。这阻止了中性样品分子与离子 的团聚，并且导致了更高的探测精确度。用于中性物质N通气的 通气器件103将中性物质排出到MS入口之外。
如图所示，可以放置挡板174来调节废气流176相对于漂移 气流172的速度。一般地，漂移气流172的速度大于废气流176。 但是，用于使废气流速度不同于漂移气流速度的其他方式落在本 发明的范围内。
在图15A、图15B的实施方案中，可以使用多个样品制备部 分，无论是简单的吸取空气气氛样品的端口，或者电喷雾、气相 色谱、液相色谱等。不管使用什么，如图所示的分导气流实施例 都能够防止团聚，并且允许更好地识别离子种类。
通常，样品离子趋向于在单体或团聚状态被发现。对于给定 离子种类，单体与团聚离子数量间的关系依赖于样品的浓度和具 体的实验条件(例如，湿度、温度、流速、RF电场的强度)。单 体和团聚状态都提供对于化学识别有用的信息。对处于促进团聚 的条件和促进只有单体离子形成的环境中相同的样品进行分开 的调查将是有用的。如图16所示实施例的平面双通道PFAIMS 能被用来获得该效果。
在图16的双通道实施方案中，如图所示的第一通道“I”用 于接收在离子区域194的漂移气流190中的离子24和分子28。 还包括有PFAIMS过滤器电极44、46以及探测器电极70、72。
为了调查处于单体状态的样品离子，离子从气流(通过电极 198和200之间的电场的作用)被提取出来，并且它们向上流入 上室“II”。通常是溶剂的中性分子28继续通过通道“I”流动， 在漂移气体排出装置192流出。电喷雾针尖20和吸引电极191 之间的电势差通过衬底56中的管口196将离子聚积到离子区域 194。第二气流202阻止样品中性物质进入室“II”，并且携带离 子24到达PFAIMS过滤器40(室II中的电极44、46)，然后对 所传输的离子进行探测，例如这通过图3A中的探测器电极70、 72，或者通过图3B中的质谱测定仪。第二气流202被作为气流 204排出。当探测以及吸引器电极198、200没有被通电，那么能 在室“I”中通过局部探测器电极72和70观察处于团聚状态的 样品离子。通过对电极198和200进行交替通电和断电，能够获 得明显更多的信息对化学样品进行更好地识别。
图17示出了在本发明的一个实施例中获得的酮样品的同系 物，范围从丁酮到癸酮。从图中，明显的是对于同样的化学物质， 与单体离子(底部区域)相比团聚离子(顶部区域)需要非常不 一样的补偿信号。于是通过观察单体和团聚峰所在位置的差异， 对化学化合物的识别能够得到显著地提高。例如，对于丁酮，单 体状态的峰的位置出现在接近-9伏的位置，而团聚峰出现在0附 近。例如，对于癸酮，单体峰接近0，而团聚峰在4伏附近。
图18所示的实施方案的动机与实施方案16相同。在该系统 中，单体状态和团聚状态操作条件间的切换可以通过控制幕气流 190a和192a获得。通过施加幕气流，样品中性物质28被防止进 入通道“II”，并且单体状态中的离子能被调查。例如，幕气流 190a和192a可以在相同方向上流动，并在管口196排出。在气 体流入的同时，通道“II”保持为与图16中的系统相同的构造。 包括引导电极206和208来引导离子进入通道“II”。也使用吸引 电极200来吸引离子进入通道“II”。当关闭幕气时，由于此刻通 过使用泵204a将样品中性物质和样品离子吸入通道“II”，于是 可以观测到团聚状态的离子。也可以使用气流202和204。输出 部分可以被连接到质谱测定仪。
在本发明的应用中，高电场非对称离子淌度过滤技术使用高 频高压波形。垂直于离子输运施加电场，平面构造是优选的。该 优选的平面构造允许漂移管被小尺寸、便宜地制造，优选的是微 加工的。同样，能对电子设备微型化，所估计的总功率能够低至 4瓦(未加热)或更低，即适用于现场设备的水平。
我们已经说明了包含电喷雾和过滤元件的新颖的装置。我们 还公开了微加工的PFAIMS电喷雾接口芯片。与所有现有的用于 电喷雾质谱的生物分子过滤方法相比，该PFAIMS电喷雾接口芯 片提供了独特的好处。同时，该方法能与许多诸如毛细管电泳的 液中分离技术结合使用。
在本发明一个实施方案的实践中，三丁胺被电喷雾进入 PFAIMS过滤器和探测器。图19所示为所得到的溶剂中胺的光谱 以及溶剂洗提液单独的光谱。实际上没有对于洗提液单独的响 应，而对胺有明显的响应。这证明了本发明的实用价值和功能。
本发明在紧密且低成本的封装中提供了改进的化学分析。以 紧密、可现场使用的(fieldable)封装中基于离子淌度的识别化 学物质种类的新方法和装置，本发明克服了现有技术的TOF-IMS 和FAIMS器件的成本、尺寸或性能的限制。其结果是，新颖的 平面、高电场非对称离子淌度光谱测定装置件能够与电喷雾针尖 紧密地耦合来获得一类新的化学传感器，即，要么是独立的 (standalone)或者被耦合到MS的器件。能够提供一种可现场使 用的、集成的PFAIMS化学传感器，其能够快速产生精确、实时 (或近乎实时)、现场、正交(orthogonal)数据来对范围宽泛的 化学化合物进行识别。这些传感器还具有对宽范围的种类同时进 行探测的能力，以及对一个样品中的正、负离子同时进行探测的 能力。仍十分令人吃惊的是，这些可以通过费用有效的、紧密的、 可批量制造的封装获得，该封装可以在需要低功率的现场中操 作，但是它能产生能完全识别多种被探测到的种类的正交数据。
PFAIMS设计相对现有技术的圆柱形设计的另一个优点是 PFAIMS能够对具有不同电场强度依赖关系α的所有类型的离子 进行过滤和起作用(有关α更多的细节请参见背景技术部分)。 这个事实使得在未知的复杂样品混合物中进行测量的复杂程度 明显减少了。
本技术领域普通技术人员应该理解的是，在如图12C-D所示 的现有技术的圆柱形设计中，放射状电场分布是非均匀的。同时， 在本发明的实践中，例如如图3A、3B所示的PFAIMS，在PFAIMS 设计中在离子过滤器电极(忽略边缘电场)之间的电场分布是均 匀的，电场是均匀的。
已经发现，当到达离子聚焦的条件时，在平面PFAIMS设计 中对离子进行分离的时间明显地小于(约10倍)现有技术中圆 柱形FAIMS设计。
但是，本发明的实施方案可以在使用圆柱形、平面和其他构 造的方法和装置中实施，并仍然处于在本发明的精神和范围内。 本发明的应用例子包括在生物和化学传感器等中的应用。上面所 提出的特定实施方案的多个修改也是在本发明的精神和范围内。 这里所公开的例子通过图示说明的方法示出，而不是进行限制。 这些和其他实施方案的范围仅有下面的权利要求进行限制。
尽管本发明已经参考其优选实施例进行了具体的图示和说 明，但是本领域的普通技术人员应该理解的是，在不背离所附权 利要求涵盖的本发明的范围的情形下，对形式和细节可以进行许 多的改变。