阅读说明：本技术 使用正掺杂剂用于物质检测的系统和方法 (System and method for substance detection using positive dopants ) 是由 弗拉迪米尔·罗曼诺夫 尤多·H·韦尔柯克 汉·莱 斯蒂芬·卢科维 于 2018-06-05 设计创作，主要内容包括：本公开涉及用于检测感兴趣物质的方法和系统。方法和系统包括使掺杂剂前体改性以释放掺杂剂,和使掺杂剂与所述感兴趣物质接触。系统和方法还包括执行感兴趣物质的分析和检测所述感兴趣物质。(The present disclosure relates to methods and systems for detecting a substance of interest. Methods and systems include modifying a dopant precursor to release a dopant, and contacting the dopant with the substance of interest. The system and method further include performing an analysis of the substance of interest and detecting the substance of interest.)

使用正掺杂剂用于物质检测的系统和方法

优先权

本申请要求2017年6月7日提交的名称相同的美国专利申请15/616,433的优先权的利益，通过引用以其整体并入本文中。

技术领域

本文中描述的实施方式一般性地涉及用于化学物质的检测技术，并且更特别地，涉及使用各种掺杂剂前体产生氨掺杂剂。更具体地，方法和系统包括使掺杂剂前体改性以释放作为用于与感兴趣物质接触的掺杂剂的氨。系统和方法还包括进行对感兴趣物质的分析以检测和/或测定感兴趣物质。

背景技术

掺杂剂可用于提高对某些感兴趣物质(例如：***物和麻醉品)的检测灵敏度和/或选择性。在一些情况下，可能希望由掺杂剂前体产生掺杂剂。然而，一些掺杂剂前体在温度操作范围内可能具有各自掺杂剂的高度可变的(和因此可控性较低的)排放速率。即，温度的变化可能显著改变掺杂剂自掺杂剂前体的排放速率。释放过量的掺杂剂不利地影响感兴趣物质的检测。

因此，存在对于利用以通常恒定且良好控制的掺杂剂排放速率释放掺杂剂的掺杂剂前体的检测系统和方法的需要。本公开实现了这些益处，同时增加了操作温度的范围并消除或减少了由于存在过量掺杂剂而对感兴趣物质的检测产生不利影响的可能性。

发明内容

本说明书公开了一种用于检测感兴趣物质的方法。方法包括将感兴趣物质引入到痕量检测系统的装置中，和加热掺杂剂前体以释放掺杂剂，其中掺杂剂前体包括脲、有机铵盐、胍无机盐、多磷酸铵和取代酰胺中的至少一种。方法还包括将掺杂剂引入到痕量检测系统的装置中，其中掺杂剂接触感兴趣物质，和进行感兴趣物质的分析。方法还包括检测感兴趣物质。

本说明书还公开了一种用于检测感兴趣物质的方法。方法包括将感兴趣物质引入到痕量检测系统的装置中，和催化分解掺杂剂前体以释放掺杂剂，其中掺杂剂前体包括脲、有机铵盐、胍无机盐、多磷酸铵和取代酰胺中的至少一种。方法还包括将掺杂剂引入到痕量检测系统的装置中，其中掺杂剂接触感兴趣物质，和进行感兴趣物质的分析。方法还包括检测感兴趣物质。

本说明书还公开了一种用于检测感兴趣物质的系统。系统包括经配置以接收感兴趣物质和掺杂剂前体的入口，其中掺杂剂前体包括脲、有机铵盐、胍无机盐、多磷酸铵和取代酰胺中的至少一种。系统还包括改性器(改性剂，modifier)，该改性器经配置以使掺杂剂前体改性以释放掺杂剂。系统还包括与入口流动连通耦合的分析装置，其中分析装置经配置以进行对感兴趣物质的分析。

本说明书还公开了一种用于检测感兴趣物质的方法，该方法包括：将感兴趣物质引入到痕量检测系统的装置中；加热掺杂剂前体以释放掺杂剂，其中掺杂剂前体包括脲、有机铵盐、胍无机盐，多磷酸铵和取代酰胺中的至少一种；将掺杂剂引入到痕量检测系统的装置中，其中掺杂剂接触感兴趣物质；进行感兴趣物质的分析；和检测感兴趣物质。

可选地，加热掺杂剂前体包括将掺杂剂前体加热到约20℃至约150℃的温度。

可选地，加热掺杂剂前体包括将掺杂剂前体加热从而以约0.1μg/分钟至约100μg/分钟的排放速率释放掺杂剂。

可选地，将掺杂剂引入到痕量检测系统的装置中包括将掺杂剂引入到检测器、解吸器、传输线、取样阱和电离区的至少一个中。

可选地，检测感兴趣物质包括在约-10℃至约65℃的环境温度范围检测感兴趣物质。

可选地，感兴趣物质包括以下各项中的至少一种：***物、含能材料、***物示踪剂、麻醉品、毒素、化学战剂、生物战剂、污染物、杀虫剂、有毒工业化学品、有毒工业材料、自制***物、药物痕量污染物、用于医学应用的生物标志物、用于医学应用的化学标志物、用于临床卫生应用的生物标志物、用于临床卫生应用的化学标志物、它们的前体、它们的副产物、它们的代谢物和它们的组合。

本说明书还公开了一种用于检测感兴趣物质的方法，该方法包括：将感兴趣物质引入到痕量检测系统的装置中；催化分解掺杂剂前体以释放掺杂剂，其中掺杂剂前体包括脲、有机铵盐、胍无机盐，多磷酸铵和取代酰胺中的至少一种；将掺杂剂引入到痕量检测系统的装置中，其中掺杂剂接触感兴趣物质；进行感兴趣物质的分析；和检测感兴趣物质。

可选地，将掺杂剂引入到痕量检测系统的装置中包括将掺杂剂引入到检测器、解吸器、传输线、取样阱和电离区的至少一个中。

可选地，催化分解掺杂剂前体包括使掺杂剂前体分解从而以约0.1μg/分钟至约100μg/分钟的排放速率释放掺杂剂。

可选地，催化分解掺杂剂前体包括使用金属、金属氧化物、酶和它们的组合中的至少一种分解掺杂剂前体。

可选地，检测感兴趣物质包括在约-10℃至约65℃的环境温度范围检测感兴趣物质。

可选地，感兴趣物质包括以下各项中的至少一种：***物、含能材料、***物示踪剂、麻醉品、毒素、化学战剂、生物战剂、污染物、杀虫剂、有毒工业化学品、有毒工业材料、自制***物、药物痕量污染物、用于医学应用的生物标志物、用于医学应用的化学标志物、用于临床卫生应用的生物标志物、用于临床卫生应用的化学标志物、它们的前体、它们的副产物、它们的代谢物和它们的组合。

本说明书还公开了一种用于检测感兴趣物质的系统，该系统包括：入口，该入口经配置以接收感兴趣物质；掺杂剂前体，其中掺杂剂前体包括脲、有机铵盐、胍无机盐、多磷酸铵和取代酰胺中的至少一种；改性器，该改性器经配置以使掺杂剂前体改性从而释放掺杂剂；和分析装置，该分析装置与入口流动连通耦合，其中分析装置经配置以进行对感兴趣物质的分析。

可选地，改性器经配置以使掺杂剂前体改性从而以约0.1μg/分钟至约100μg/分钟的排放速率释放掺杂剂。

可选地，经配置以使掺杂剂前体改性的改性器包含经配置以加热掺杂剂前体的加热器和经配置以分解掺杂剂前体的催化剂中的至少一种。

可选地，加热器经配置以将掺杂剂前体加热到约20℃至约150℃的温度。

可选地，所述催化剂包括金属、金属氧化物、酶和它们的组合中的至少一种。

可选地，分析装置经配置以在约-10℃至约65℃的环境温度范围检测感兴趣物质。

可选地，感兴趣物质包括以下各项中的至少一种：***物、含能材料、***物示踪剂、麻醉品、毒素、化学战剂、生物战剂、污染物、杀虫剂、有毒工业化学品、有毒工业材料、自制***物、药物痕量污染物、用于医学应用的生物标志物、用于医学应用的化学标志物、用于临床卫生应用的生物标志物、用于临床卫生应用的化学标志物、它们的前体、它们的副产物、它们的代谢物和它们的组合。

可选地，分析装置包括以下各项中的至少一种：离子迁移率谱仪(IMS)、反向离子迁移率谱仪、离子阱迁移率谱仪(ITMS)、漂移谱仪(DS)、呼吸式离子迁移率谱仪、非线性漂移谱仪、场离子谱仪(FIS)、射频离子迁移率增量谱仪(IMIS)、场非对称离子迁移率谱仪(FAIMS)、超高场FAIMS、差分离子迁移率谱仪(DIMS)、差分迁移率谱仪(DMS)、漂移谱仪、非线性漂移谱仪、捕获离子迁移率谱仪(TIMS)、行波离子迁移率谱仪、半导体气体传感器、拉曼谱仪、激光二极管检测器、质谱仪(MS)、气相色谱(GC)、电子捕获检测器、光电离检测器、基于化学发光的检测器、电化学传感器、红外谱仪、芯片实验室检测器和它们的组合。

在下文提供的附图和发明详述中将更详细地描述本说明书的前述和其他实施方式。

附图说明

当参考附图阅读以下发明详述时，会更好地理解本公开的这些和其他特征、方面和优点，其中在整个附图中，相同的字符表示相同的部分，其中：

图1A是根据本公开的苯甲醚、水杨酸甲酯和氨基甲酸铵的排放速率的图形描绘的示例性实施方式；

图1B是根据本公开的苯甲醚、水杨酸甲酯和氨基甲酸铵的排放速率的图形描绘的示例性实施方式；

图2A是根据本公开的用于水杨酸甲酯的内部校准的示例性实施方式；

图2B是根据本公开的用于水杨酸甲酯的内部校准的示例性实施方式；

图3A是根据本公开的反应物离子峰面积的示例性实施方式；

图3B是根据本公开的反应物离子峰面积的示例性实施方式；和

图4是根据本公开的痕量检测系统的框图的示例性实施方式。

发明详述

在以下说明书和权利要求书中，引用了具有以下含义的多个术语。

除非上下文明确另外指出，否则单数形式“一种”、“一个”和“该”包括复数个提及对象。

“可选的”或“可选地”意思指随后描述的事件或境况可能发生或者可能不发生，并且说明包括其中事件发生的情况和其中它不发生的情况。

如本文中在整个说明书和权利要求书中使用的，近似语言可用来修饰可允许变化的任何定量表示，而不导致它所涉及的基本功能的改变。因此，由诸如“约”、“大约”和“基本上”的一个或多个术语修饰的值不限于所明确指出的精确值。在至少一些情况下，所述近似语言可对应于用于测量所述值的仪器的精度。在此以及在整个说明书和权利要求书中，范围限制可被组合和/或互换。这样的范围被识别出并包括包含在其中的所有子范围，除非上下文或语言另外指出。

本说明书针对多个实施方式。提供以下公开内容是为了使本领域普通技术人员能够实施本发明。在本说明书中使用的语言不应被解释为任何一个

具体实施方式

的一般性否认，或不应被用于限制权利要求超出其中所使用的术语的含义。在不背离本发明的主旨和范围的情况下，本文中定义的一般性原理可应用于其他实施方式和应用。而且，所使用的术语和措词是为了描述示例性实施方式的目的，并且不应被认为是限制性的。因此，本发明应被赋予最宽泛的范围，其包括与所公开的原理和特征一致的许多替代、修改和等同形式。为了清楚起见，没有详细描述与涉及本发明的技术领域中已知的技术材料相关的细节以免不必要地使本发明不清楚。

在本申请的说明书和权利要求书中，词语“包含”、“包括”和“具有”中的每一个和它们的形式不必然限于所述词语可能关联的列表中的成员。本文中应当注意，与具体实施方式相关联描述的任何特征或组件可以与任何其他实施方式一起使用和实施，除非另外明确指出。

2017年6月7日提交的，归属于本说明书的申请人的美国专利申请15/616,433通过引用以其整体并入本文中。

痕量检测系统被用于分析、检测和识别各种感兴趣物质，例如***物和麻醉品。在本公开的一些实施方式中，添加一种(或多种)掺杂剂以提高感兴趣物质的检测灵敏度和/或选择性。在一些实施方式中，感兴趣物质包括以下各项中的至少一种：***物、含能材料、***物示踪剂、麻醉品、毒素、化学战剂、生物战剂、污染物、杀虫剂、有毒工业化学品、有毒工业材料、自制***物、药物痕量污染物、用于医学应用的生物标志物、用于医学应用的化学标志物、用于临床卫生应用的生物标志物、用于临床卫生应用的化学标志物、它们的前体、它们的副产物、它们的代谢物和它们的组合。在一些实施方式中，感兴趣物质包含感兴趣反应物离子和感兴趣离子簇。

在一些实施方式中，将掺杂剂作为气相掺杂剂直接引入到痕量检测系统中，或根据需要由掺杂剂前体产生。在一些实施方式中，掺杂剂前体是固相前体、液相前体或气相前体，使得需要一些类型的改性以释放希望的气相掺杂剂。例如，在一些实施方式中，将掺杂剂前体(例如，如在掺杂剂室、储器、管、瓶或块中所包含的)加热以将掺杂剂蒸气释放到痕量检测系统中。

图1A是根据本公开在约30℃至约55℃的掺杂剂块温度(block temperature)下，水杨酸甲酯(MS)内部校准物、苯甲醚掺杂剂和得自氨基甲酸铵(AC)掺杂剂前体的氨掺杂剂的排放速率的图形描绘的示例性实施方式。图1B是根据本公开的从约30℃至约65℃的苯甲醚、MS和AC的排放速率的图形描绘的示例性实施方式。关于图1A和图1B，苯甲醚被用作掺杂剂并且MS被用作内部校准物，而AC被用作掺杂剂前体以释放作为掺杂剂的氨。在约30℃下，苯甲醚和MS以液相存在，并且当加热时分别释放出气相苯甲醚和MS。在约30℃和约55℃之间或在约30℃和约65℃之间不发生苯甲醚或MS的分解。在图1A和图1B中示出的实施方式中，AC被用作氨掺杂剂的掺杂剂前体。在约30℃下，AC以固相存在，并且当加热时分解以释放气相的氨。

在下文示出表1(参见图1A和图1B)。在约30℃下的排放速率规格，对于苯甲醚为“x”a.u.，对于AC为“z”a.u.，而对于MS为“y”a.u.(其中a.u.代表对于排放速率的任意单位，例如μg/分钟)。如图1A、图1B和表1示出的，苯甲醚和MS二者的相对排放速率随着掺杂剂块的温度升高而表现出相对良好控制的、缓慢增加的排放速率。然而，高于约55℃，AC的排放速率开始显著增加并且不是良好控制的。因此，接近或高于约55℃的检测条件不适合提供得自氨基甲酸铵的氨掺杂剂的恒定的、良好控制的掺杂剂排放速率。

表1

图2A和图2B是根据本公开的分别在约29℃和约65℃的掺杂剂块温度下水杨酸甲酯(MS)的内部校准的示例性实施方式。在每个图中，上面的部分描绘了负离子模式谱(负模式谱，negative mode spectrum)，而下面的部分描绘了正离子模式谱(正模式谱，positivemode spectrum)。图2A的下面的部分示出了在正离子模式中在约9.8任意单位的漂移时间处的MS校准峰。图2A的上面的部分示出了在负离子模式中没有检测到在9.8任意单位的漂移时间处或附近的MS校准物峰。在比较图2A和图2B的下面的部分的过程中，看到了当将掺杂剂块的温度从约29℃(图2A)升高到约65℃(图2B)时，当在正离子模式中使用MS作为校准物时显著的峰抑制。具体地，图2B的下面的部分没有显示出MS校准物峰，指示出MS在约65℃的较高温度(相对于约29℃的温度)下的假阴性结果(false negative result)。

另外地，如在图2A的上面的部分中所见的，一个相对强的(即，高强度)MS峰在负离子模式中在约5.1任意单位的漂移时间处出现。然而，在图2B的上面的部分中在负离子模式中该相同的峰以在较低的强度存在。这是有重大意义的，因为它表明不仅是峰位置相关性，而且峰强度(peak intensity)的强度(strength)也是重要的，因为如果强度太小，那么系统将忽略它而不校准它。

图3A和图3B是根据本公开的分别在约29℃和约65℃的掺杂剂块温度下反应物离子峰面积的示例性实施方式。在这些示例性实施方式中，将氨基甲酸铵用作氨掺杂剂的掺杂剂前体。在每个图中，上面的部分描绘了负离子模式谱，而下面的部分描绘了正离子模式谱。图3A和图3B示出了当掺杂剂块温度从约29℃(图3A)升高到约65℃(图3B)时，得自氨基甲酸铵前体的氨的掺杂剂排放速率的增加不利地影响(例如，抑制)了各种反应物离子峰。例如，在约3.6任意单位的漂移时间处的反应物离子峰在约29℃的较低温度下在正离子模式中具有高的响应强度(图3A的下面的部分)。然而，在约65℃下，所述3.6任意单位反应物离子峰的响应强度是显著更低的(图3B的下面的部分)。另外地，在图3A的上面的部分中，在约3.6任意单位的漂移时间处存在反应物离子峰以非常高的强度存在，但在图3B的下面的部分中，其以低得多的强度存在。这些结果归因于在较高温度下得自氨基甲酸铵前体的氨的较高的、不受控制的排放速率，如下文进一步讨论的。

氨掺杂剂前体包括例如氨基甲酸铵、脲和碳酸胍。当加热时，氨基甲酸铵、脲和碳酸胍的每一种释放出氨，该氨在痕量检测系统中被用作掺杂剂。得自每个相应掺杂剂前体的氨的排放速率取决于在给定温度下掺杂剂前体的热稳定性。例如，氨基甲酸铵在高于约50℃的温度下显示出高的热分解速率。相反，碳酸胍和脲的热分解在高于约150℃的温度下开始。因此，包括脲和碳酸胍的氨掺杂剂前体由于它们较高的热分解温度(高于约150℃)而有利于在痕量检测系统中使用，这与在接近约50℃的较低的(例如环境)检测温度下热分解的氨前体如氨基甲酸铵形成对比。

图4是根据本公开的痕量检测系统400的框图的示例性实施方式。系统400包括入口402，该入口402经配置以接收感兴趣物质，和掺杂剂前体404。系统400还包括改性器406，该改性器406经配置以使掺杂剂前体404改性以释放掺杂剂。系统400还包括分析装置408，该分析装置408与入口402流动连通，如由箭头410指示的。分析装置408经配置以进行对感兴趣物质的分析。在一些实施方式中，系统400包括至少一个附加组件，例如取样阱(未示出)、解吸器412、传输线414、电离区416和检测器418。

根据本公开，掺杂剂前体404包括脲、有机铵盐、胍无机盐、多磷酸铵、取代酰胺和它们的组合中的至少一种。更具体地，例如，掺杂剂前体404包括草酸的铵盐，二羧酸的铵盐，柠檬酸的铵盐，三羧酸的铵盐，甲酸铵，碳酸胍和甲酰胺。在一些实施方式中，将这些掺杂剂前体404中的每一个进行改性以释放气相氨，该气相氨作为用于检测广泛范围的感兴趣物质的掺杂剂。

在一些实施方式中，经配置以使掺杂剂前体404改性的改性器406包括加热器。在这些实施方式中，使掺杂剂前体改性包括加热掺杂剂前体404以释放掺杂剂。在一些实施方式中，加热器是急速加热器或稳态加热器。在一些实施方式中，将掺杂剂前体404加热到约20℃至约150℃，约40℃至约150℃，约40℃至约100℃或约65℃至约100℃的温度。

在一些实施方式中，经配置以使掺杂剂前体404改性的改性器406包括催化剂。在这些实施方式中，使用催化分解使掺杂剂前体404改性以释放掺杂剂。在一些实施方式中，催化剂包括金属、金属氧化物、酶和它们的组合中的至少一种。在一些实施例中，例如，掺杂剂前体的催化分解有效地降低了从前体释放掺杂剂所需的温度。因此，在一些实施方式中，改性器406包括催化剂和加热器二者。

根据本公开，期望掺杂剂以相对恒定和良好控制的排放速率从掺杂剂前体释放，以避免由存在过量掺杂剂引起的对感兴趣物质的峰的不利影响。在一些实施方式中，掺杂剂以约0.1μg/分钟至约100μg/分钟，约0.5μg/分钟至约40μg/分钟，约5μg/分钟至约30μg/分钟或约15μg/分钟至约20μg/分钟的排放速率从掺杂剂前体释放。在其他实施方式中，将掺杂剂以约20μg/分钟或更低的浓度速率引入到分析装置中。

在一些实施方式中，一旦掺杂剂前体404被改性器406改性以释放掺杂剂，掺杂剂就被引入到系统400的装置中以接触感兴趣物质。在一些实施方式中，在进入分析装置408或检测器418之前或之后，掺杂剂接触感兴趣物质。例如，在一些实施方式中，掺杂剂在入口402处、在取样阱(未示出)上、在解吸器412内、在传输线414内、在电离区416内或在检测器418内接触感兴趣物质。

在一些实施方式中，如所期望的，通过在痕量检测系统内稀释掺杂剂的浓度以进一步操纵掺杂剂。准确的稀释依赖于来自掺杂剂前体的良好控制和恒定的排放速率。在一些实施方式中，将掺杂剂以稀释或非稀释的气流引入到痕量检测系统中。另外，在一些实施方式中，将掺杂剂以连续或脉冲(即，非连续)的方式引入到痕量检测系统中。例如，可以通过脉冲被施加到掺杂剂前体的加热(当使用加热器时)或通过使用阀和/或泵控制所述稀释的或非稀释的气流来实现脉冲的掺杂剂引入。

在一些实施方式中，一旦将掺杂剂引入到痕量检测系统中并接触感兴趣物质，就分析和检测感兴趣物质。取决于实施方式，检测所处的环境温度是在检测器418装置外壳(enclosure)或分析装置408外壳内部或外部的温度。在一些实施方式中，检测在约-10℃至约65℃或约0℃至约65℃的环境温度范围进行。

在本公开的一些实施方式中，分析装置408包括离子迁移率谱仪(IMS)、反向离子迁移率谱仪、离子阱迁移率谱仪(ITMS)、漂移谱仪(DS)、呼吸式离子迁移率谱仪、非线性漂移谱仪、场离子谱仪(FIS)、射频离子迁移率增量谱仪(IMIS)、场非对称离子迁移率谱仪(FAIMS)、超高场FAIMS、差分离子迁移率谱仪(DIMS)、差分迁移率谱仪(DMS)、漂移谱仪、非线性漂移谱仪、捕获离子迁移率谱仪(TIMS)、行波离子迁移率谱仪、半导体气体传感器、拉曼谱仪、激光二极管检测器、质谱仪(MS)、气相色谱(GC)、电子捕获检测器、光电离检测器、基于化学发光的检测器、电化学传感器、红外谱仪、芯片实验室检测器和它们的组合中的至少一种。

用于确定感兴趣物质的存在的检测系统的示例性实施方式，和操作这样的系统的方法不限于本文中描述的具体实施方式，而是，可以独立于本文中描述的其他组件和/或步骤和与其分开地利用系统的组件和/或方法的步骤。例如，方法还可以与需要确定感兴趣物质的存在的其他系统组合使用，并且它们不限于仅与如本文中描述的物质检测系统和方法一起实践。而是，所述示例性实施方式可以与当前经配置以确定感兴趣物质的存在的许多其他物质检测应用相关联地实施和利用。

尽管可能在一些附图中而没有在其他附图中示出本公开的各种实施方式的具体特征，但这仅是为了方便。根据本公开的原理，可以与任何其他附图的任何特征组合地来参考和/或要求保护附图的任何特征。

一些实施方式涉及使用一个或多个电子或计算装置。这样的装置典型地包括处理器或控制器，例如通用目的中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、微控制器、精简指令集计算机(RISC)处理器，专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路(PLC)和/或能够进行本文中描述的功能的任何其他电路或处理器。本文中描述的方法可以被编码为体现在计算机可读介质中的可进行指令，所述计算机可读介质包括但不限于存储装置和/或存储器。当由处理器进行时，这样的指令使所述处理器能进行本文中描述的方法的至少一部分。以上实施例仅是示例性的，并且因此无意以任何方式限制术语处理器的定义和/或含义。

本书面描述使用实例来公开包括最佳模式的公开内容，并且还使任何本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及进行任何结合的方法。本公开的可专利范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其他实例。如果这样的其他实例具有没有不同于权利要求书的字面语言的结构元件，或者如果这样的其他实例包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等效结构元件，则这样的其他实例意欲在权利要求的范围内。