微型化离子迁移谱仪研究进展

    离子迁移谱技术（IMS）作为一项卓越的痕量气态物质探测技术，被广泛应用在手持式气体检测仪器中。据报道，在目前有超过 5 万台手持式 IMS 分析仪已装备在军队中作为生化武器探测器；有超过 1万台 IMS 仪器应用于机场，用于爆炸物和毒品的探测；还有一定数量的 IMS 仪器应用于石化产品的检测、医学诊断、过程控制和空气质量分析等在线检测领域^[1-2]。

    IMS 在微型化方面具有独特的优势：首先，它不需要真空系统，结构比质谱仪等大型分析仪器要简单；其次，在不需要任何富集手段的情况下，依然可以达到极低的探测限（pg 量级）；再者，它可以在数秒钟之内完成一次探测，适合于在线检测^[3-7]。IMS仪器的核心部分包括电离源、离子分离区以及离子电流捕获装置。本文将主要从这三个方面，对离子迁移谱仪微型化的发展现状进行详细论述，并对未来的研究热点以及发展趋势进行介绍和分析。

    1　传统 IMS 基本原理

    传统 IMS 的结构如图 1 所示。被测样品由载气送入电离区，在离子源的作用下形成表征被测物的产物离子。若是对固态样品的检测，例如毒品、爆炸物等，则需要有加热装置（图中未画出），使固态样品变为蒸汽，再生成产物离子。

    在脉冲电压的控制下，离子门开启极短的时间（约 0.2ms）。产物离子在离子门开启时进入迁移区，在轴向均匀弱电场和逆向漂移气体的共同作用下，匀速向迁移区末端的离子收集盘移动。在相同的环境下，不同种类的离子具有不同的迁移速率，经过固定长度的迁移区后，不同种类的离子之间得以分离。^{[1-2, 8-10]}

    理 论 和 实 验 表 明，在 弱 电 场 情 况 下（小 于10000V/cm），离子迁移速率与所施加的迁移电场遵循如下关系：

    V ＝ KE（m/s）           （1）

    其中 V（m/s）是离子迁移速率，E(V/cm) 是迁移电场的场强，K 是一个与场强无关的常数，被称作离子迁移率，换算过来的单位是 cm²/V/s。

    为了使得不同环境不同地点的数据具有可比性，消除气压和温度的影响，经常使用归一化迁移率：

    K₀＝ K(P/760)(273/T)           （2）

    其中 P 为环境大气压（mmHg），T 为迁移区温度（K）。

    以时间为横坐标，以离子电流为纵坐标，以离子门开启的时刻为时间原点，可以得到离子迁移谱。离子种类即被测物种类，可以根据离子电流峰值出现的时间予以确定。离子电流峰值与时间轴所包围的面积，则可以在一定程度上表征被测物的浓度^[11-12]。