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離子遷移譜技術IMS和FAIMS介紹
瀏覽次數:178發布日期:2024-04-07

離子遷移譜技術是應用最早且最為廣泛的痕量化學物質探測技術之一,在實驗室檢測、化學化工、安檢安防等領域都有廣泛應用。而非線性離子遷移譜是以離子遷移理論為基礎的另一種檢測理論,利用目標物離子在高電場作用下的遷移率非線性效應,操縱離子通行軌跡進而對離子進行區分和識別。


兩種技術都是源自于氣相色譜(GC)理論,但都是應用于常壓大氣環境下的氣體分子(離子)檢測。因此,對于環境穩定性的依賴相對較強,溫度、濕度、氣壓乃至采樣干擾都會對檢測結果造成影響。常規的手段除了溫濕度控制和采樣清潔度控制外,還有通過增加已知標的物的反應物離子峰(RIP),間接的修正環境不穩定因素造成的波譜漂移問題。


因此,離子遷移譜類技術(包括IMS和FAIMS)可以認為是實驗室級精準檢測技術在常規環境下的降維應用,其在識別精度及靈敏度層面不及實驗室級精準檢測技術,但是其使用的便捷性卻得到了極大的提升,其具備定性半定量的特點可以滿足“違禁品識別"領域中的大客流、高通量、快速檢測的要求。


此外,隨著離子遷移譜類技術的不斷發展,很多交叉領域也被融合到現有技術中,如基于MEMS加工的微型氣流通道可以在極小尺寸的范圍內實現多變量、低采樣的并行檢測,極大地提升了檢測設備的融合性與便捷性。


離子遷移譜和非線性離子遷移譜,都是對大氣環境下的帶電分子進行控制和檢測的理論,同是基于離子遷移率K這一物理量,但兩種技術利用的方式不同,詳細介紹如下:


1.離子遷移譜技術(IMS)


IMS技術通過檢測被電離分子在恒溫、低濕、恒電場的條件下,通過對樣品通過相同長度的電場通道所需花費的時間測量,進而區分樣品類型,如圖1所示。


以爆炸物樣品為例,當樣品分子置于遷移通道左端時,樣品分子靠近電離源時會被電離帶上負電,遷移通道內電場的方向為自右至左,帶負電的樣品離子在電場的作用下會向傳感器方向進行遷移,由于管道內的環境是一定的,在這種環境下樣品離子的遷移率K也是固定的,因此其遷移速度v=K×E也為固定值,所以同種離子到達傳感器的時間也是固定的,通過測量分子到達傳感器的時間T來判斷樣品種類。


實際應用時,由于離子在電場作用下的速度較快,為了減少遷移通道的尺寸,會逆著離子行進方向增加一個反向氣流,同時減少所有離子的移動速度。同時,由于管道內環境需要保持高度一致性,一般情況下會對管道壁進行加熱,約180℃-200℃。此時的內環境溫度高于室外環境溫度,在少量采樣的情況下不會對內環境造成影響。


2.非線性離子遷移譜技術(FAIMS)


區別于IMS技術,FAIMS技術利用的是樣品分子(離子)在空氣中的遷移率K的高電場下的非線性效應。在電場強度E低于10000V/cm時,離子的遷移速度v和離子的遷移率K依舊成線性關系,即v=K×E。但是當電場強度大于10000V/cm時,遷移率K會隨著電場強度E發生變化,可表述為K=K0(1+α(E))。對于不同的樣品離子,其非線性系數α也不同。當樣品離子處于正負強度非對稱且周期總和為0的交變電場作用下時,在電場較強的半個周期內,離子運動的非線性效應會較為明顯,假定該離子的非線性系數α>0,則該離子在這半個周期內的運動距離S圖1高場會比另半個周期內的運動距離S低場要大,即S高場-S低場>0,離子在整個不對稱電場的周期作用下會產生一個沿電場方向的凈位移(δS)。


如圖2所示,遷移通道的上下電極之間會加有強度不對稱的周期電壓,從而在上下電極之間形成強度不對稱的周期電場。同時,在遷移通道中存在著自左向右的流動氣流。離子的行進軌跡如圖2所示,這是在不進行刻意修正的情況下電場和氣流雙重作用下的結果。但是通過調整電極板間距、電場強度差、電場頻率等信息可以控制離子無法通過遷移通道,而不是直接撞擊在電極側壁上,失去電子,從而無法被傳感器進行檢測。


FAIMS技術的主要實現思路就是控制諸如電場強度、頻率、電極間距這些參量,控制選定的離子通過遷移通道而阻礙其他的離子通過,從而實現離子篩選和識別的目的。


3.IMS和FAIMS的區別


兩種離子遷移譜技術雖然都利用電離源進行電離后再進行遷移檢測,但由于檢測的方式和檢測的條件不同,兩種檢測方式也具有不一樣的特點。IMS技術的設備由于在設計中會對電場通道進行恒溫恒濕等處理,因此其檢測結果受到外界環境的干擾相對較少,但同樣是由于如此,設備的體積以及啟動時間都會有所妥協。FAIMS原理的設備由于是通過測量樣品通過管道時預置條件而并非通過時間,對外界環境沒有太高要求,不需要對環境進行預處理,因此可以將設備的體積減小,縮短啟動時間,但相對的控制手段較為復雜。


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