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质量鉴别器

阅读：1059发布：2020-08-06

IPRDB可以提供质量鉴别器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且公开了一种用于质量鉴别的分析装置。该分析装置包括：样本室，其用于保持气态样本；分析室，其被设置成接收来自所述样本室的样本气体；质量鉴别器，其被设置成在所述分析室中在从所述样本气体产生的多个离子种类之间进行鉴别；以及壁部，其将所述样本室与所述分析室隔开，所述壁部包括能够控制成裂开并由此将样本气体从所述样本室释放到所述分析室的裂开区。在一个实施方式中，所述裂开区在施加电流或机械力时裂开。所述壁部可以是微加工的。还公开了一种质量鉴别方法。，下面是质量鉴别器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种分析装置，该分析装置包括：

样本室，其用于保持气态样本；

分析室，其被设置成接收来自所述样本室的样本气体；

质量鉴别器，其被设置成在所述分析室中在从所述样本气体产生的多个离子种类之间进行鉴别；以及壁部，其将所述样本室与所述分析室隔开，所述壁部包括能够控制成裂开并由此将样本气体从所述样本室释放到所述分析室的裂开区。

2.根据权利要求1所述的分析装置，其中，所述样本室通过进口阀而关闭，该进口阀被设置用于将所述样本引入到所述样本室中。

3.根据任一前述权利要求所述的分析装置，其中，所述壁部的所述裂开区在由控制器施加电流或机械力时裂开。

4.根据权利要求3所述的分析装置，其中，所述裂开区由比所述壁部的其余部分薄的部分组成。

5.根据权利要求3或权利要求4所述的分析装置，其中，所述壁部是微加工的。

6.根据权利要求3到5中的任一项所述的分析装置，其中，所述壁部是金属性的、绝缘的或半导电的，或者它们的组合。

7.根据任一前述权利要求所述的分析装置，其中，所述裂开区包括金属薄膜、绝缘薄膜、或半导电薄膜。

8.根据任一前述权利要求所述的分析装置，其中，所述质量鉴别器包括：离子制备区，其用于从所述样本产生离子。

9.根据权利要求8所述的分析装置，其中，所述质量鉴别器还包括：透镜作用区，其被设置成将所述离子聚焦成离子束；

磁体，其被设置用于使所述离子束偏转；以及

检测器，其被设置成检测入射的离子。

10.根据权利要求8或权利要求9所述的分析装置，其中，所述离子制备区包括一对火花电极，所述一对火花电极之间具有所述样本气体能够流过的间隙，所述一对火花电极被设置成使得在所述电极上施加电势差时产生放电，由此在所述样本流过所述间隙时使所述样本离子化。

11.根据任一前述权利要求所述的分析装置，其中，在将样本引入到所述样本室中之前，所述样本室和所述分析室是抽空的。

12.根据权利要求11所述的分析装置，其中，所述样本室和所述分析室被抽空至小于-2

10 Pa的压力。

13.根据权利要求10或者权利要求11到12在引用权利要求10时的任一项所述的分析装置，其中，所述火花电极和在所述火花电极上施加的电势差被设置成，使得在所述分析室或其局部中的压力超出阈值时产生放电。

14.根据权利要求13所述的分析装置，其中，所述分析室或其局部中的压力的所述阈值为100Pa。

15.根据权利要求10或者权利要求11到14在引用权利要求10时的任一项所述的分析装置，其中，所述离子制备区还包括一对离子引出电极。

16.根据权利要求15所述的分析装置，其中，所述离子引出电极被设置成在所述火花电极的区域中提供电场。

17.根据权利要求9到16在引用权利要求9时的任一项所述的分析装置，其中，所述透镜作用区包括聚焦镜。

18.根据权利要求17所述的分析装置，其中，所述聚焦镜包括三对电极，每一对电极之间都具有离子能够穿过的间隙。

19.根据权利要求9到18在引用权利要求9时的任一项所述的分析装置，其中，所述磁体包括钕铁硼化物。

20.根据权利要求9到19在引用权利要求9时的任一项所述的分析装置，其中，所述检测器是法拉第杯。

21.根据任一前述权利要求所述的分析装置，其中，在所述分析室中设置有吸气材料。

22.根据任一前述权利要求所述的分析装置，该分析装置是通过微加工而制造的。

23.根据权利要求3、权利要求8、或引用它们的任一权利要求所述的分析装置，该分析装置包括电气端子，所述电气端子用于外部连接到所述裂开区、所述离子制备区、所述透镜作用区和所述检测器中的至少一方。

24.一种分析系统，该分析系统包括根据权利要求3到23中的任一项所述的分析装置，并且还包括控制器，该控制器被设置成向所述裂开区提供电流。

25.根据权利要求24所述的分析系统，其中，所述控制器包括电流源和开关。

26.根据权利要求24或25在引用权利要求10时所述的分析系统，其中，所述控制器还被设置成在所述火花电极上提供电势差。

27.根据权利要求26所述的分析系统，其中，所述控制器包括电压源和第二开关。

28.根据权利要求24到27中的任一项所述的分析系统，该分析系统还包括读出装置，该读出装置被设置成向用户显示离子种类分析结果。

29.根据权利要求28所述的分析系统，其中，所述分析装置设置在第一单元中，所述读出装置设置在第二单元中，所述第一单元被设置成可拆卸地接合至所述第二单元，以将离子种类分析结果从所述第一单元传送到所述第二单元。

30.一种利用分析装置的质量鉴别方法，所述分析装置包括样本室和通过壁部与所述样本室隔开的分析室，所述壁部包括能够控制成裂开的裂开区，所述质量鉴别方法包括以下步骤：将气态样本引入到所述样本室中；

使所述壁部在所述裂开区裂开，从而将所述样本穿过所述壁部释放到所述分析室中；

从释放到所述分析室中的气态样本产生多个离子种类；以及在从样本气体产生的所述多个离子种类之间进行鉴别。

31.根据权利要求30所述的质量鉴别方法，其中，通过施加电流而使所述裂开区裂开。

32.根据权利要求30或31所述的质量鉴别方法，其中，产生多个离子种类的步骤包括以下步骤：在所述分析室中的一对火花电极上施加电势差，以在所述电极上产生放电，该放电使所述样本离子化。

33.根据权利要求30到32中的任一项所述的质量鉴别方法，其中，在将所述气态样本引入到所述样本室之前，抽空所述样本室和所述分析室。

34.根据权利要求33所述的质量鉴别方法，其中，将所述样本室和所述分析室抽空至-2小于10 Pa的压力。

35.根据权利要求30到34中的任一项所述的质量鉴别方法，其中，所述分析室中的压力在使所述壁部裂开的步骤之后上升，并且，在所述分析室或其局部中的压力超出阈值之后，出现产生多个离子种类的步骤。

36.根据权利要求35所述的质量鉴别方法，其中，所述分析室或其局部中的压力的所述阈值为100Pa。

说明书全文

质量鉴别器

技术领域

[0001] 本发明涉及质量鉴别器。具体来说，该质量鉴别器可以包括微加工的部件和控制器。

背景技术

[0002] 质谱仪是测量离子的质荷比以允许确定样本成分的分析仪器。它们包括三个基本部件：离子源；质量分离器；以及一个或更多个检测器。离子源将气态样本转换成离子。质量分离器分离出具有不同质荷比的离子，使得不同离子种类入射在不同检测器上，或同一空间灵敏检测器的不同部位上。通常来说，通过电子轰击、大电场感应，或热电离作用等使得样本离子化。已知用于执行质量分离的许多技术。例如，具有不同质荷比的离子通过电场和磁场的组合作用而按不同量偏转。因此，可以使用横跨离子的路径施加的电场和磁场来将它们分离成不同种类。

[0003] 大多数质谱仪是占用大量空间的笨重物品。

[0004] 已经进行了缩减质谱仪的尺寸以使它们便携的努力。例如，GB 2026231描述了这种装置。然而，这种装置依旧较大和昂贵。

[0005] GB 2384908和GB 2411046描述了微型质谱仪。这些装置需要精确制造。后一装置还需要精细控制气体样本的流动。这通过使用隔膜来实现。

[0006] 所有现有技术装置都是昂贵的。与其它相比，有些装置提供了更长的操作周期和更大的准确度。

[0007] 在医学诊断中，希望具有准确的一次性装置来检测病人。在使用之后，这种装置将被丢弃，由此避免将传染病传染给其他病人。这种装置理想上小且紧凑，并且结果可以通过护士或病人的普通医师或内科医生容易且快速地获取。

发明内容

[0008] 本发明尝试解决现有技术的问题。因此，本发明提供了一种诸如质量鉴别部件、组件或子系统的分析装置，该分析装置包括：样本室，其用于保持气态样本；分析室，其被设置成接收来自所述样本室的样本气体；质量鉴别器，其被设置成在所述分析室中在从所述样本气体产生的离子种类之间进行鉴别；以及壁部，其将所述样本室与所述分析室隔开，所述壁部包括能够控制成裂开并由此将样本气体从所述样本室释放到所述分析室的裂开区。所述裂开区还已知为裂口区和/或易碎区。在裂开之后，产生连接两个室的孔。因为裂开区，所以分析装置是单一用途的一次性装置。我们用术语“质量鉴别器”表示如下的质谱仪：
能够在少量离子之间进行鉴别，而不能够向全质谱仪那样识别任何离子种类(或者更准确地说，具有特定质荷比的离子)。这种分析装置在呼吸分析中获得应用。与单个分析装置相比，可以一起使用多个分析装置(例如，成堆使用)，以在更多离子种类之间进行鉴别。

[0009] 所述样本室可以是开放或关闭室。如果所述样本室关闭，则其可以通过进口阀关闭，进口阀被设置用于将所述样本引入到所述样本室中。

[0010] 所述壁部的裂开区可以在通过控制器施加电流时裂开。因此，所述裂开区至少部分地可以由在施加电流时熔解的可熔材料制成。所述裂开区可以由比所述壁部的其余部分更薄的部分组成。

[0011] 所述分析装置可以通过微加工、印刷、电镀、LIGA或微铣削等方法来制造。印刷法和电镀法对于淀积用于电极的导电或可熔材料来说特别有用。如果将印刷法用于任何电极，则金属将采用具有粘合基体的粉末形式。所有电极都在不导电基板上制作，不导电基板可以由玻璃、硅、硅石或其组合制成。所述裂开区可以包括金属膜。

[0012] 所述分析装置还可以包括：离子制备区，其用于从所述样本产生离子。还可以具有：透镜作用区(lensing region)，其被设置成将所述离子聚焦成离子束；磁体，其被设置用于使所述离子束偏转；以及检测器，其被设置成检测入射的离子。

[0013] 所述离子制备区可以包括一对火花电极，所述一对火花电极之间具有气体样本可以流过的间隙，所述一对火花电极被设置成使得在所述一对火花电极上施加足够电势差将导致产生放电，由此在所述样本流过所述间隙时离子化所述样本。所述离子制备区还可以包括一对离子引出电极。所述一对离子引出电极被设置成在所述一对火花电极的区域中提供电场。所述一对离子引出电极和所述裂开区中的熔化孔被调整尺寸以控制从所述样本室流动到所述质量鉴别室的气体。

[0014] 在将所述样本引入到所述样本室中之前，可以抽空所述样本室和所述分析室，例-1 -3 -2 -4如，抽空至压力小于10 Pa(10 mb)或者10 Pa(10 mb)。可以将所述火花电极隔开，并且所述火花电极上的电势差的量值可以为：当所述压力上升到阈值之上时产生放电。所述电极可以保持在固定电压或基座电压(pedestal voltage)，使得压力上升直到足以发生电击穿和产生火花为止。所述压力在已经开始火花之后继续上升。所述阈值压力可以为大约
10Pa(0.1mb)或100Pa(1mb)。在所述火花之后，通过各种电极之间的间隙和裂开的尺寸来控制所述分析室中的压力。所述透镜作用区的电极上的电压和所控制的压力上升维持火花过程，并且允许测量过程进行达足够长，以获取可靠的测量。

[0015] 所述透镜作用区可以包括聚焦镜(Einzel lens)。

[0016] 所述磁体可以包括钕铁硼化物或其他材料。作为代替，所述磁体可以为电磁体。优选的是，设置一对磁体。

[0017] 可以在所述分析室中设置吸气材料。我们用术语吸气材料来表示用于吸收微量气体的材料。

[0018] 所述分析装置可以通过微加工来制造。所述分析装置可以设置为大致平坦的装置，多个电极和孔设置在单一平面中，使得离子种类沿该平面中的路径行进。被设置成使所述离子偏转的所述磁体被设置成提供与所述平面垂直的场，并且结果是很可能成为位于所述元件的所述平面以外的唯一组件。所述分析装置可以在位于公共轴上的所述电极之间设置有孔，所述轴可以相对于所述装置的中心有所偏移。

[0019] 所述装置还可以包括电气端子以将所述裂开区、离子制备区、透镜作用区以及检测器中的至少一个连接至外部控制器。

[0020] 还提供了一种分析系统或质量鉴别系统，该分析系统或质量鉴别系统包括所述分析装置，并且还包括控制器，该控制器被设置成向所述电极和裂开区提供电场和电流。

[0021] 所述控制器可以包括电流源和开关。另外，其可以包括电压源、进一步的开关、以及用于监测在所述检测器上接收到的电流的计量器。所述控制器还可以包括定时装置，该定时装置用于对向所述电极施加电压进行定时，尤其是对向所述裂开区和所述火花间隙施加电流进行定时。

[0022] 所述分析系统还可以包括诸如显示器或一组LED指示器的读出装置，以向用户显示鉴别的结果。所述读出装置可以设置在分离的基本单元或读卡器中，例如，在已经在所述样本室中接收到所述样本之后，在已经将所述样本引入到所述分析室中之后，或者在已经出现了鉴别事件之后，可以将所述分析装置插入到所述基本单元或读卡器中。这样，可以认为所述分析装置是由通过所述基本单元的插座或盒体容纳的盒子。

[0023] 本发明还提供了一种利用分析装置的质量鉴别方法，所述分析装置包括样本室和通过壁部与所述样本室隔开的分析室，所述壁部包括能够控制成裂开的裂开区，所述方法包括以下步骤：将气态样本引入到所述样本室中；施加电流以使所述壁部在所述裂开区裂开，从而将所述样本穿过所述壁部释放到所述分析室中；在所述分析室中在一对火花电极上施加电势差，使得在所述电极上产生放电，所述放电使得所述样本离子化；以及在从所述样本气体产生的离子种类之间进行鉴别。

[0024] 在制造所述分析装置期间，抽空所述样本室和所述分析室。保持这种真空状态，直到将所述气态样本引入到所述样本室中为止。可以将所述样本室和所述分析室抽空至小于-210 Pa的压力。

[0025] 所述火花电极上的放电可以在所述分析室中或其局部中的压力超出阈值之后出现。所述分析室中或其局部中的压力的阈值为100Pa。

附图说明

[0026] 下面，参照附图，对本发明的实施方式连同现有技术的多个方面进行描述，在附图中：

[0027] 图1是根据第一实施方式的质量鉴别部件的示意图；

[0028] 图2是具有裂开区的壁部的显微照片，所述壁部可以用于隔开图1的实施方式的两个室，图2示出了在裂开之前的壁部；

[0029] 图3a、b、c和d示意性地示出了质量鉴别部件的立体图和其截面图；

[0030] 图4是图2的壁部在裂开之后的显微照片；

[0031] 图5示意性地示出了可以用于控制裂开点的附加特征；

[0032] 图6例示了聚焦镜的区域中的电场线；

[0033] 图7a是根据第一实施方式的包括图1的部件的质量鉴别系统的示意图；

[0034] 图7b是根据第二实施方式的包括图1的部件的质量鉴别系统的示意图；

[0035] 图8是根据第二实施方式的质量鉴别器的示意图；以及

[0036] 图9是根据第三实施方式的质量鉴别器的示意图。

具体实施方式

[0037] 图1示出了分析装置或质量鉴别部件1的第一实施方式。分析装置包括样本室10和质量鉴别室20。质量鉴别室20可以被视为包含两个区域，即，离子制备区50和分析区70。离子制备区50具有与常规质谱仪中的离子源相同的功能。

[0038] 所述两个室可以由纯净的、低释气材料制造，从而能够产生真空并且能在室10、20内保持真空。另外，可以在分析区70中包括作为用于从真空系统中去除微量气体的材料的吸气材料。

[0039] 样本室10被设置成包围大量样本。样本通过进口阀30引入到样本室10中。进口阀30可以是基于硅隔膜的微型阀、穿孔系统、或吹破(break-by-blow)系统，并且可以位于样本室10的周边或边缘上的任何位置处。

[0040] 样本室10和质量鉴别室20由壁部15隔开。壁部15包括可以破裂以提供允许材料从样本室10传递至鉴别室20的孔的区域。这可以通过在壁部15中包括预先削弱的部分来实现，例如与壁部15的其余部分相比厚度缩减的部分，使得受到控制的预先削弱部分的裂开导致提供所述孔。容易裂开的部分称为裂开区，但还可以称为裂口区或易碎区。

[0041] 在图1所示的特定实施方式中，壁部15中的预先削弱部分被设置为可熔器件40，可熔器件40被制造为薄金属膜。当在可熔器件上施加电流时，发热造成膜熔解或熔化，并由此开孔。在图2和4中更详细地示出了可熔器件40的示例。可以对图2和4的可熔器件进行各种修改，并且可以使用另选可熔器件。

[0042] 图2示出了熔化之前的可熔器件。在这个实施例中，该器件由二氧化硅在硅基板上制成，在顶部淀积有金属镀敷层。在图2中，淡灰色示出了金属镀敷。在这个实施例中，未破裂结构具有长100μm×宽6μm×厚0.2μm的预先削弱结构。厚度是由金属镀敷层的厚度确定的。金属镀敷优选地包括如下的金属：其具有所需要的物理特性、熔解温度低、不透气性良好、容易淀积到半导体基板并且能够良好粘附到半导体基板，例如铬、铝等。可以利用金属镀敷作为掩模而将所述结构蚀刻到半导体基板中，或者建造并接着在顶面上涂覆金属镀敷。图3示出了分析装置的截面。图3b示出了图3a的装置的沿Y-Y*线的截面，并且附加地示出了分析装置的盖子4和基部3。图3c示出了沿X-X*线进行截面的可熔器件。盖子粘合至装置的侧面5，以使可熔器件40与盖子相接触。金属镀敷层15a处于不导电(例如，半导体)基板15b的顶部，以形成可熔器件，并且与盖子相接触。在制造期间，当将盖子密封在顶部上时形成样本与分析容积之间的密封。壁部15和可熔器件40形成两个容积之间的隔障。

[0043] 图4示出了其中已经打开了间隙的熔化之后的可熔器件。放电样本中的间隙为1.2mm宽。图2和4所示的可熔器件具有从两侧变窄的收窄部分。在另一实施例中，可熔器件仅从一侧变窄，如图3d的立体图所示。图3d的结构相对于图2和4的结构的优点在于，减小的金属镀敷区域需要更少电流来熔化器件并且破裂以提供间隙。在熔化之后，形成在金属层中的间隙靠近盖子，并且气体从样本室10向鉴别室20流动，即，气体从图1和3a中的左侧向右侧流动，而在图4中从顶部向底部流动。在另选实施方式中，可以将可熔金属镀敷层设置成夹在两个半导体基板之间，使得可以在壁部15的收窄部中的任何点产生间隙。

[0044] 可熔器件可以附加地包括用于在施加电流时控制破裂的方位的特征。如图5所示，这些特征可以采用整形特征的形式，如薄截面或槽口。

[0045] 作为使用可熔器件40来从样本室释放样本的替代，可以使用任何类型的微构造阀或者可裂开区，该可裂开区与上述结构类似，但它在施加机械力时裂开，如通过扭曲或破裂操作而裂开。

[0046] 可熔器件40具有允许样本从样本室10传递到鉴别室20的功能。其不参与随后的离子光学(在下面描述)，并由此可以定位在样本室10与鉴别室20之间的边界上的任何点处。

[0047] 在鉴别室20中，在可熔器件40之后的是一系列组件。这些组件具有在随后的离子光学中起作用的部分。这些组件中的每一个组件的起作用部分位于公共轴上。该轴可以位于鉴别室20的中心，但优选地稍微向鉴别室20的一侧偏移。离子分离区50中的所有组件和峡谷电极区60具有公共轴。

[0048] 在壁部15和可熔器件40之后设置的第一组特征部是离子制备区中的特征部。首先，存在由一对电极构成的火花间隙电极52。这一对电极具有大约50μm至100μm的宽度，并且从该室壁部向鉴别室20的公共轴延伸。随着电极接近公共轴，宽度逐渐变细至一点，以在公共轴处提供间隙，并且将特征部分裂成两个所需电极。这些电极的高度典型为100μm-200μm(即，在图1中，这是出纸面的方向)。电极尖端点之间的间隙为
50μm-100μm。该间隙的大小被调整为，当诸如样本气体的样本在间隙之间通过并且在电极之间的间隙上施加电压时，出现火花。因压力/电压/间隙尺寸需求满足气体的击穿电压需求而出现火花。

[0049] 火花间隙电极结构制造在不导电基板上。这可以是半导体基板、玻璃，或在硅晶片上生长的硅石。这些电极本身由淀积在不导电结构上的金属形成。金属可以按许多方式来淀积，例如，作为具有粘合基体的粉末，或者通过薄膜溅射来淀积。典型地讲，为了产生火6
花，在上述的50μm-100μm的间隙上施加200V-300V。这造成～2×10 伏特/米的电场。
对于其它尺寸的间隙，需要类似的电场。

[0050] 离子分离区50的最后组件是离子引出电极54。其除了靠近鉴别室20的公共轴的电极端部为矩形而不是逐渐变细至一点以外，其余部分具有与火花间隙电极类似的构造。离子制备电极之间的间隙大约为500μm。

[0051] 离子引出电极具有三个主要功能。第一，与可熔器件40提供的开口一样，离子引出电极54之间的开口足够小，以抵抗材料从离子制备区向分析区70流动。第二，将这些电极设置成可以施加DC电压，以在这些电极的端部之间提供电场。该电场帮助从离子制备区50引出正离子。第三，这些电极提供的电场向邻近的火花间隙电极52延伸。实验表明，这个电场导致火花间隙电极52处的气体放电超出火花间隙区向离子引出电极54延伸。这结果是提供更多离子。因此，这个电极还可以称为放电维持电极。

[0052] 离子制备电极54由于其提供低导通/流速孔，因而可以按与可熔器件40类似的方式制作。然而，电极54之间的间隙需要精确地定位在该室的公共轴上。为实现这一点，离子制备电极可以利用与火花间隙电极52相同的技术来制造。

[0053] 在离子制备区50之后，质量鉴别室中的下一组组件是峡谷电极60。在图1所示实施方式中，具有三对峡谷电极(用标号62、64、66来标识)。峡谷电极60充当二维聚焦镜。已知其它类型的离子束聚焦排布结构并且可以使用它们来代替聚焦镜。

[0054] 峡谷电极60利用诸如微加工或印刷的精密显微制作技术制成。这些峡谷电极60隔开100μm-200μm，并且每一对电极的端部之间的间隙大约为100μm-200μm。三对电极中的中间一对电极64可以比外侧电极宽。图6示出了聚焦镜产生的电场。示出了电场线以表示电场怎样聚焦离子。在这种情况下，聚焦镜仅是二维器件，因为在此描述的质量鉴别器是平面装置。

[0055] 在峡谷电极60之后，在离子束100的路径的区域中设置有一对磁体80(图1中仅示出了一个磁体)。磁体80被放置成，一个磁体80在离子束平面的上方，而另一个磁体80在其下方。离子束可以穿过两个磁体之间的空间。优选的是，这些磁体是诸如钕铁硼化物磁体的强永磁体，但可以使用其它材料。还可以使用电磁体。优选的是，这些磁体在它们之间的中点处产生大约0.3特斯拉的磁场。由于磁体位于装置平面的上方和下方，所以因磁场而造成的离子束的任何偏转处于装置的平面中。

[0056] 全部电极52、54、62、64、66在每一个高度上都具有相同截面，即，它们是直棱柱。

[0057] 在鉴别室20的分析区70的远端部处是法拉第杯90。法拉第杯是形成导电电极的金属杯。所述杯保持在某个电势，使得落在其上的任何离子将造成电流流动。感生的电流与入射的离子的数量成比例。在图1所示实施方式中，设置了两个杯：各自用于所关注的相应离子种类。将来自法拉第杯90的电流提供给低噪声、低电流测量电路(未示出)。需要-15 12 13 16大约10 安培的灵敏度。使用两个法拉第杯来监测两个种类，如 CO2和 CO2或者C O2和
18
C O2的分子离子。法拉第杯的位置偏离轴，以收集被磁体80偏转之后的离子。法拉第杯可以被制作为根据所检查的离子种类而位于不同位置中。另外，如果存在两种以上的种类被调查，则可以使用两个以上的法拉第杯。

[0058] 分析装置1可以被包括作为如7a所示的质量鉴别系统200的部件。系统200包括用于控制装置或部件1的操作的控制器210。控制器210可以包括控制系统220和分析系统230。控制系统220可以包括电流源，该电流源用于提供电流以使得将样本室和鉴别室隔开的壁部的裂开区熔化或裂开。控制系统220还可以包括用于在各种电极上(例如在火花间隙电极52和聚焦镜电极60上)施加电势差的电压源。控制器210通过连接部212(到熔化/裂开器件的电流源连接部)、214(到火花间隙电极、并且可选地到离子引出电极的电压连接部)、以及216(到峡谷电极的电压连接部)而连接至质量鉴别的部件。控制器还可以控制施加电流和电压的定时以优化分析过程，例如基于从可熔器件40熔化起的时刻在火花间隙上的电压的定时，或基于分析室20中的压力上升在火花间隙上的电压的定时。控制器还可以连接218至检测器，以读取到达检测器的离子电荷/电流。分析系统230可以设置成针对所检测到的离子电荷/电流执行计算，以向用户提供关于样本内容的指示。控制器210可以设置为与装置1集成的单元或者设置至装置1。

[0059] 在另选实施方式中，质量鉴别系统201不包括分析系统230。在这种情况下，如图7b所示，分析系统230可以设置在诸如计算机的分离的基本单元中，系统210可以连接到该基本单元。与图7a的系统200相比，图7b的系统201更紧凑并且制造上更便宜。系统201可以设置为较小的便携式单元，大小如信用卡、香烟盒，或USB存储棒。系统201包括质量鉴别部件1和进行测量所需要的全部控制系统。存储测量的原始结果直到将该单元连接或插入到基站或计算机230中。当连接时，通过分析单元230将分析结果提供给用户。鉴别系统201与分析系统230之间的连接可以通过USB或其它适当的连接来实现。下面描述图
1所示的分析装置1的操作。

[0060] 如上所述，装置1具有两个容积：样本室10和质量鉴别室20。在初始条件下，在-4 -2使用之前，制造这两个容积，并且将它们保持在大约10 毫巴(10 Pa)的高度真空状态。如上所述，利用纯净低释气材料并且通过在分析区70中包括吸气材料来维持这种状态。诸如呼吸样本的样本通过样本进口阀30而引入。样本通常可以是任何气体样本，如混合气体样
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本甚至气雾。随着呼吸样本的引入，样本室10中的压力上升至大约1000毫巴(10Pa)。

[0061] 下一个步骤是初始化测量序列。首先，将各种电压施加至相应电极。例如，在火花间隙电极52、离子引出电极54以及峡谷电极60上施加电压。在该初始化步骤之后，可以开始测量序列。将样本气体保持在样本室10中，并且通过存在的可熔器件40来防止它进入鉴别室20。通过使得可熔器件40的裂开区(其在图1的实施方式中可以熔化)裂开，可熔器件40中的孔打开。通过在电极上施加电流而使可熔器件熔化。电流加热可熔器件的导电部分，造成较窄的预先削弱部分熔解或熔化。一旦打开，孔将具有一尺寸，以限制样本气体从样本室10向鉴别室20的流动。例如，如图2所示，孔的尺寸小于5μm，并且优选为1μm-2μm。在图1的实施方式中，该孔具有单一功能：允许呼吸从样本储存器传递到离子制备区，而不参与离子光学。

[0062] 在一些样本气体已经流过熔化的可熔器件40之后，鉴别室20中的压力将上升。

[0063] 离子引出电极54将鉴别室20划分成多个区域。第一区域是离子制备区20，而第二区域是分析区70。还调整离子引出电极54的大小，以减慢样本气体的流动。因此，在可熔器件40裂开之后，样本气体流动到离子制备区50中，离子制备区50中压力上升。在上述初始化步骤中，在火花间隙电极上施加大约200V至300V的电压。火花间隙电极之间的6
小(～100μm)间隙导致大约2×10 伏特/米的电场。当离子制备区50中的压力达到大约1毫巴(100Pa)时，在火花间隙电极52之间的间隙中自发地出现放电。放电因气体击穿和电离作用而引起。作为放电的结果，产生包含正和负离子、电子，以及中性气体原子的混合物的等离子。如果鉴别器由透明材料制成，则可以看见放电。由于气流的设计，在火花间隙上的放电与来自熔化间隙的样本气体的压力波一致，并且在系统中压力上升。

[0064] 离子制备区50中的压力持续上升。压力上升的速度由可熔器件40中的孔提供的对流动的抵抗而确定。只要离子制备区50中的压力维持在大约0.5毫巴(50Pa)的压力下限P1之上并且在预定的压力上限P2之下，放电就持续。如果压力变得低于压力下限P1，则3
气体浓度太低而不能继续放电。压力上限P2为至少10毫巴(10Pa)，并且，可以比10毫巴
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高得多，例如，100毫巴(10Pa)。在超过P2的压力下，气体浓度太高而不能保持自由的电子和离子。因此，气体浓度使得放电熄灭。压力在整个系统中最终等于大约300毫巴。

[0065] 在通过火花间隙电极53产生了离子之后，离子向离子引出电极54移动。如上所述，离子引出电极54提供向火花间隙电极52延伸的DC电场，并且帮助引出离子。离子引出电极54还抵抗样本气体流动到分析区70中。离子引出电极54的位置在装置的公共轴上，以确保离子释放到随后的峡谷电极60的轴上。

[0066] 离子引出电极54之间的孔允许分析区70中的压力从初始的高度真空开始上升。-3
随着压力的上升，离子的平均自由路程缩减。当压力达到大约5×10 毫巴(0.5Pa)时，离子的平均自由路程太短，无法让足够的离子在没有与中性气体分子碰撞的情况下到达法拉第杯检测器90。因而，电极阻碍气体分子在离子制备区50中的流动，以将分析区70中的压-3
力维持在低于大约10 毫巴(0.1Pa)。这种阻碍足够以减慢压力的上升，从而能够进行测量。

[0067] 离子引出电极54向峡谷电极区域60提供带热能的离子。在图1的实施方式中，峡谷电极60由三对电极62、64、66构成，这三对电极一起形成单型透镜。从离子引出电极54退出的离子的运动方向具有一范围。事实上，这些方向占据大约2π的分布。峡谷电极60采用这个分布，并且灌进足够数量的退出离子引出电极54的离子，作为近似线性束100。选择施加至峡谷电极60的电压，以在离子穿过峡谷电极60之后向离子提供具有低能量(大约或稍微小于10eV)的离子。在一些应用中，在聚焦镜中，将外侧电极62、66接地，而将中间电极64保持在大约100V-500V。在图1所示实施方式中，两个外侧电极62、66保持在固定电压，以向离子提供所需的能量。例如，施加大约10V的电压，以产生具有大约10eV电压的离子。优选的是，所述电极利用精密显微制作技术来制造，该技术精确得足以使得从一个装置至另一装置根本不需要或很少需要调整电压，从而产生可操作装置。

[0068] 如上所述，近似线性并且良好受限的离子束从峡谷电极60的输出部分出射。该离子束穿过一对磁体80之间。所述离子由于磁体产生的磁场而偏转，使得从磁体出射的离子束相对于离子束退出峡谷电极60的方向偏转某角度。所述磁体被设置成使得磁场的方向垂直于装置1的平面，并且离子束的偏转处于装置1的平面中。偏转的量值取决于离子的质荷比。因此，对于单电荷离子，重离子的偏转角度小于轻离子的偏转角度。例如，单电荷碳-12离子比单电荷碳-13离子偏转得更多。因为离子束的偏转是角度效应，所以具有不同质荷比的离子在略有不同并且发散的路径上从磁体出射。

[0069] 在装置的端部，偏离的离子束的路径中的是法拉第杯结构。一个法拉第杯90用于检测所关注的相应离子种类。随着离子落在法拉第杯90上，在杯上形成小电荷。该电荷与入射的到法拉第杯上的离子的数量成比例。所形成的电荷可以读出为电流。通过低噪声电流测量电路来检测来自各个法拉第杯的电流。在其它实施方式中，可以将大量法拉第杯检测器用于记录不同离子的空间分离，并由此产生不同的诊断。另选的是，代替离散检测器，可以使用贯穿连续偏转范围的检测器阵列。

[0070] 在另一另选实施方式中，可以将多个鉴别系统堆叠在一起，以分析比单独利用一个鉴别器单元可能做到的更宽的离子种类范围。堆中的每一个鉴别器都被设置成检测不同离子组。这可以通过改变检测器的位置以将不同的偏转量匹配到更重或不同带电离子的路径来实现。

[0071] 在一个实施方式中，控制器210可以包括测量电路，该测量电路被设置成计算各个检测器上的电荷或电流的比率。另选的是，如图7b所示，可以在系统外部的装置(如连接到系统230的计算机)中执行计算。

[0072] 所计算出的质荷比可以用于确定特定化学物种人员的生物吸收。例如，病人可以咽下掺杂有诸如碳-13、氮-15或氧-18的标记物种的化合物或将这种化合物注射到病人体内。接着，可以利用装置1来检测标记物种到达病人呼吸中的速度。吸收速度可以确定病人是否具有特定疾病、病患，或医疗状况。使用比率避免了个体装置之间的校准问题，因为影响一个离子种类的因素也影响其它离子种类。

[0073] 在通过裂开可熔器件40来初始化测量过程之后，离子制备区50和分析区70内的压力开始上升。测量过程必须在离子制备区50和分析区70中的压力达到不可接收的程度之前进行并且完成，这防止了产生离子或者缩减它们的平均自由路程，使得仅非常少量的离子到达检测器90。气体分子的数量上升也可以通过碰撞而使得离子偏转或者造成离子中和。

[0074] 优选的是，可熔器件40和离子制备电极中的孔具有范围在1μm至100μm的直径，以确保低流速通过孔。直径在这个范围的孔使得压力上升能够在长为2秒钟的时段内进行，但是也可以短至几毫秒。因为测量时段的持续时间短，所以我们有时将该技术称作“闪速质谱仪”。

[0075] 图1的实施方式例示了怎样可以实现紧凑的、低成本的质量鉴别器。装置1的紧凑性表示其可以实现为可以插入到基站(如计算机或简单读卡器装置)中的卡。基站(参见图7b)可以对从检测器产生的电流进行分析，并且提供质量鉴别器测量输出，作为样本中存在的选定离子的数量的比率。所述卡可以近似是信用卡大小，但可以具有更大的厚度，或者可以进一步缩减尺寸以提供USB存储棒大小的装置。装置1被希望是一次使用之后即丢弃的一次性装置。

[0076] 图8和9示出了质量鉴别装置的另选实施方式。

[0077] 图8示出了离子引出电极54与峡谷电极60之间的附加过滤器300。过滤器300提供一窄间隙，该窄间隙被设置成防止中性粒子(如分子)传递至峡谷电极60。过滤器可以利用与其它电极中的一部分相同的微加工技术来制造。

[0078] 图9示出了其中将可熔器件40和火花间隙电极52组合成单个电极对53的基本装置，电极对53执行两个电极的功能，另外，如图9所示，可以不包括离子引出电极。例如，如果峡谷电极60设置有窄孔，并且电极53提供足够数量的粒子，则可以不包括离子引出电极。

[0079] 本领域技术人员容易理解，在不脱离所附权利要求书的范围的情况下，可以针对上述质量鉴别部件或系统进行各种修改和改变，例如，可以使用不同材料、尺度以及电极构造。

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一种钢管质量检测装置-专利编号CN110567647A	2020-05-11	981
作为服务的网络质量-专利编号CN103929270A	2020-05-11	600
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