差分式离子迁移谱中离子传输的数值模拟研究

　　离 子 迁 移 谱(Ion Mobility Spectrometry，IMS)技术是 20 世纪 70 年代兴起的一种大气化学分析方法。由于其具有灵敏度高、设备简单等突出优点，现在已经被广泛应用在毒品、麻醉剂以及爆炸物的检测过程中^[1]。目前已有超过 5000 台离子迁移谱应用在军事，公共安全等各个领域。传统离子迁移谱利用在低场(<2 Td)情况下 , 不同离子的迁移率差异来进行分离和检测。人们后来发现，在高场条件下(>70 Td)离子的迁移率会随着电场增加而发生变化。于是人们尝试里面高场下离子迁移率变化的特性来实现低场时无法区分的离子进行分离检测。1993 年，Buryakov^[2]等首次报道了利用一种高频非对称场(high-frequency amplitude-asymmetric strong electric field)进行离子分离的新方法。1998 年，Guevremont^[3]和 Eiceman^[4]等小组也对该技术进行了研究。该技术又被称作非对称场离子迁移谱 ( Field Asymmetric-waveform IonMobility Spectrometry, FAIMS )以及为差分式离子迁移谱(Differential Mobility Spectrometry，以下简称 DMS)。为了方便起见，本文沿用差分式离子迁移谱这一叫法。

　　差分式离子迁移谱自问世以来，以其分辨率高、速度快、体积小、功耗低等特点广泛应用于化学战剂、毒品和爆炸物等的检测^[5]。近几年，DMS和质谱、迁移谱的联用技术更是在生物医学领域大放异彩，取得了很多有价值的科研成果^[6-10]。目前 DMS 的结构主要有三种：平板型，圆柱型以及球型。三种结构都有各自特点，平板型 DMS 的分辨率好一些，易于制作;圆柱型 DMS 有可以将离子聚焦的特点，灵敏度好一些，在与质谱联用的技术上得到了很好的应用;球型 DMS 由圆柱型发展而来，主要用作质谱前端的预分离。

　　虽然差分迁移谱已经被广泛应用，但是响应理论研究却不多。本文提出了一种数学模型来模拟DMS 中的运动，利用 Simion 程序对离子的运动规律进行模拟，深入了解 DMS 的工作机理和各参数对DMS 性能的影响，对 DMS 的开发和性能优化提供参考。

1　差分式离子迁移谱的工作原理

　DMS 是利用离子迁移率在高低场下的差异进行离子分离的，其工作原理图如图 1 所示：

　　样品由载气载带进入电离区，然后被电离的样品离子进入迁移区。迁移区一般为两块平行的平板或是同轴的圆筒结构。在其中的一块平板上加上非对称波形的射频电场(Dispersion Voltage，DV)，另一块接地。在迁移区内离子除了在气流方向运动外，还在高频电场的作用下会在与载气方向垂直的方向上做上下震荡的运动。由于在高场离子的迁移率不同，在高频电场的每个周期，离子都会在垂直方向上产生一个位移 δy。经过多个周期后离子就会打到极板上而湮灭掉(如图 1 中离子 1)。如果在高频电场上施加一匹配的补偿(CompensationVoltage,CV)，使离子在 y 方向的总位移 s 小于其初始位置到极板的距离，从而使离子能够通过漂移区，到达检测极(图 1 中离子 2)。通过在一定范围内对补偿电压进行扫描，就可以使得不同的样品离子在特定补偿电压下通过迁移区，而后被检测器检测。这样得到的迁移谱图用标准物质表征后就可以用作样品的鉴定。