离子门参数对真空紫外光电离-大气压离子迁移谱仪性能的影响

　　离子迁移谱仪(ion mobility spectrometer,IMS),也称离子迁移率谱和离子淌度谱仪,是20世纪70年代初出现的一种新的分离和检测技术[1],它根据离子漂移时间的差别对离子进行识别。由于离子迁移谱仪工作在大气压条件下,易于微型化,成本低,所以有人称其为“穷人的质谱”(poor man's mass spectrometer)[2]。在早期的研究工作中,IMS装置结构简单和灵敏度高(检出限达ng级甚至pg级)的特点引起了人们极大的兴趣。IMS技术发展初期主要应用于爆炸物和化学毒剂的检测方面,并于20世纪80年代初,研制出军用现场检测仪器。但是,当时由于其分辨率低,并且人们对大气压力下离子化的特性了解不多,IMS技术在民用方面的发展缓慢。进入20世纪90年代,随着公开发表文章的增多和商品化离子迁移谱仪的推出,国际上研究IMS技术的机构和人员逐渐增多[3]。近年来,反恐稽毒的需求极大地促进了现场高灵敏、高选择性检测设备的发展。IMS特别适合于一些挥发性有机化合物的痕量探测,如化学战剂、毒品、爆炸物和大气污染物等,已经广泛地应用在机场安检和战地勘查,并在环境监测、工业生产等方面也有应用[324]。

　　离子迁移谱仪的工作原理[5]是在大气压条件下,离子在弱电场(小于1 000 V·cm-1)的范围内其运动速度正比于电场强度,v=KE,这里v为离子的速度;E为电场强度;K为离子迁移率。离子迁移率在弱电场的范围内为常数,其数值主要取决于离子的结构、质量、电荷数和尾吹气体的种类等因数,不同的离子其迁移率的数值是不同的。

　　鉴于IMS的重要而广泛的应用价值,大连化物所快速分离与检测实验室在国家863计划的支持下,近几年来对大气压离子迁移谱技术进行了研究和探索,研制了不用放射性元素电离的便携式大气压离子迁移谱仪。

　　1　仪器介绍

　　离子迁移谱仪的核心部件———离子迁移管的实物照片示于图1。

　　实验室自制离子迁移谱仪工作是在室温和常压条件下。高压电源通过串联的电阻使各不锈钢金属环具有一定的电压,聚四氟乙烯主要用来使各不锈钢金属环绝缘,这样在离子迁移谱仪的内部腔体内便形成一定程度上相当均匀的轴向电场。真空紫外灯(VUV2lamp)将样品电离成离子,离子在电场力的作用下沿轴向运动。离子门用来控制离子以脉冲的方式进入迁移管,不同迁移率的离子从离子门至法拉第接收盘的漂移时间不同,便形成了离子迁移谱图(这与时间飞行质谱有相似之处)。

　　实验室自制离子迁移谱仪中的离子门为Bradbury2Nielson型离子门[627]。该离子门是将两排金属丝平行的放在同一平面上,当离子门开启时,离子门相邻金属丝的电压相等(U1=U2),在离子门处近似只有轴向电场,离子可以穿过离子门;当离子门关闭时,离子门相邻金属丝具有一定的电压差(U1≠U2),该电压差所产生的垂直于轴向的电场使离子在离子门处撞到离子门金属丝而中和成中性分子,从而没有离子通过离子门进入漂移区。