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離子遷移譜技術(shù)IMS和FAIMS介紹
閱讀：2071 發(fā)布時(shí)間：2024-4-7離子遷移譜技術(shù)是應(yīng)用最早且最為廣泛的痕量化學(xué)物質(zhì)探測(cè)技術(shù)之一，在實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)、化學(xué)化工、安檢安防等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。而非線性離子遷移譜是以離子遷移理論為基礎(chǔ)的另一種檢測(cè)理論，利用目標(biāo)物離子在高電場(chǎng)作用下的遷移率非線性效應(yīng)，操縱離子通行軌跡進(jìn)而對(duì)離子進(jìn)行區(qū)分和識(shí)別。
兩種技術(shù)都是源自于氣相色譜（GC）理論，但都是應(yīng)用于常壓大氣環(huán)境下的氣體分子（離子）檢測(cè)。因此，對(duì)于環(huán)境穩(wěn)定性的依賴相對(duì)較強(qiáng)，溫度、濕度、氣壓乃至采樣干擾都會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成影響。常規(guī)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(biāo)的物的反應(yīng)物離子峰（RIP），間接的修正環(huán)境不穩(wěn)定因素造成的波譜漂移問題。
因此，離子遷移譜類技術(shù)（包括IMS和FAIMS）可以認(rèn)為是實(shí)驗(yàn)室級(jí)精準(zhǔn)檢測(cè)技術(shù)在常規(guī)環(huán)境下的降維應(yīng)用，其在識(shí)別精度及靈敏度層面不及實(shí)驗(yàn)室級(jí)精準(zhǔn)檢測(cè)技術(shù)，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(diǎn)可以滿足“違禁品識(shí)別"領(lǐng)域中的大客流、高通量、快速檢測(cè)的要求。
此外，隨著離子遷移譜類技術(shù)的不斷發(fā)展，很多交叉領(lǐng)域也被融合到現(xiàn)有技術(shù)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(nèi)實(shí)現(xiàn)多變量、低采樣的并行檢測(cè)，極大地提升了檢測(cè)設(shè)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(duì)大氣環(huán)境下的帶電分子進(jìn)行控制和檢測(cè)的理論，同是基于離子遷移率K這一物理量，但兩種技術(shù)利用的方式不同，詳細(xì)介紹如下：
1.離子遷移譜技術(shù)（IMS）
IMS技術(shù)通過檢測(cè)被電離分子在恒溫、低濕、恒電場(chǎng)的條件下，通過對(duì)樣品通過相同長度的電場(chǎng)通道所需花費(fèi)的時(shí)間測(cè)量，進(jìn)而區(qū)分樣品類型，如圖1所示。
以爆炸物樣品為例，當(dāng)樣品分子置于遷移通道左端時(shí)，樣品分子靠近電離源時(shí)會(huì)被電離帶上負(fù)電，遷移通道內(nèi)電場(chǎng)的方向?yàn)樽杂抑磷?，帶?fù)電的樣品離子在電場(chǎng)的作用下會(huì)向傳感器方向進(jìn)行遷移，由于管道內(nèi)的環(huán)境是一定的，在這種環(huán)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(dá)傳感器的時(shí)間也是固定的，通過測(cè)量分子到達(dá)傳感器的時(shí)間T來判斷樣品種類。
實(shí)際應(yīng)用時(shí)，由于離子在電場(chǎng)作用下的速度較快，為了減少遷移通道的尺寸，會(huì)逆著離子行進(jìn)方向增加一個(gè)反向氣流，同時(shí)減少所有離子的移動(dòng)速度。同時(shí)，由于管道內(nèi)環(huán)境需要保持高度一致性，一般情況下會(huì)對(duì)管道壁進(jìn)行加熱，約180℃-200℃。此時(shí)的內(nèi)環(huán)境溫度高于室外環(huán)境溫度，在少量采樣的情況下不會(huì)對(duì)內(nèi)環(huán)境造成影響。
2.非線性離子遷移譜技術(shù)（FAIMS）
區(qū)別于IMS技術(shù)，F(xiàn)AIMS技術(shù)利用的是樣品分子（離子）在空氣中的遷移率K的高電場(chǎng)下的非線性效應(yīng)。在電場(chǎng)強(qiáng)度E低于10000V/cm時(shí)，離子的遷移速度v和離子的遷移率K依舊成線性關(guān)系，即v=K×E。但是當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度大于10000V/cm時(shí)，遷移率K會(huì)隨著電場(chǎng)強(qiáng)度E發(fā)生變化，可表述為K=K0（1+α（E））。對(duì)于不同的樣品離子，其非線性系數(shù)α也不同。當(dāng)樣品離子處于正負(fù)強(qiáng)度非對(duì)稱且周期總和為0的交變電場(chǎng)作用下時(shí)，在電場(chǎng)較強(qiáng)的半個(gè)周期內(nèi)，離子運(yùn)動(dòng)的非線性效應(yīng)會(huì)較為明顯，假定該離子的非線性系數(shù)α＞0，則該離子在這半個(gè)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)距離S圖1高場(chǎng)會(huì)比另半個(gè)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)距離S低場(chǎng)要大，即S高場(chǎng)-S低場(chǎng)＞0，離子在整個(gè)不對(duì)稱電場(chǎng)的周期作用下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沿電場(chǎng)方向的凈位移（δS）。
如圖2所示，遷移通道的上下電極之間會(huì)加有強(qiáng)度不對(duì)稱的周期電壓，從而在上下電極之間形成強(qiáng)度不對(duì)稱的周期電場(chǎng)。同時(shí)，在遷移通道中存在著自左向右的流動(dòng)氣流。離子的行進(jìn)軌跡如圖2所示，這是在不進(jìn)行刻意修正的情況下電場(chǎng)和氣流雙重作用下的結(jié)果。但是通過調(diào)整電極板間距、電場(chǎng)強(qiáng)度差、電場(chǎng)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(cè)壁上，失去電子，從而無法被傳感器進(jìn)行檢測(cè)。
FAIMS技術(shù)的主要實(shí)現(xiàn)思路就是控制諸如電場(chǎng)強(qiáng)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(shí)現(xiàn)離子篩選和識(shí)別的目的。
3.IMS和FAIMS的區(qū)別
兩種離子遷移譜技術(shù)雖然都利用電離源進(jìn)行電離后再進(jìn)行遷移檢測(cè)，但由于檢測(cè)的方式和檢測(cè)的條件不同，兩種檢測(cè)方式也具有不一樣的特點(diǎn)。IMS技術(shù)的設(shè)備由于在設(shè)計(jì)中會(huì)對(duì)電場(chǎng)通道進(jìn)行恒溫恒濕等處理，因此其檢測(cè)結(jié)果受到外界環(huán)境的干擾相對(duì)較少，但同樣是由于如此，設(shè)備的體積以及啟動(dòng)時(shí)間都會(huì)有所妥協(xié)。FAIMS原理的設(shè)備由于是通過測(cè)量樣品通過管道時(shí)預(yù)置條件而并非通過時(shí)間，對(duì)外界環(huán)境沒有太高要求，不需要對(duì)環(huán)境進(jìn)行預(yù)處理，因此可以將設(shè)備的體積減小，縮短啟動(dòng)時(shí)間，但相對(duì)的控制手段較為復(fù)雜。