离子迁移谱仪探测硫磺的理论分析与实现

　　0 引 言

　　IMS(Ion Mobility Spectrometry)技术[1]即离子迁移谱分析技术，是上世纪六十年代末发展起来的一种微量化学分析检测技术，早期也称为等离子色谱(Plasma Chro-matography)。该技术是利用大气压下电场使气相带电离子簇的分离，它比色谱分离速度快，测量速度毫秒级，且不需要真空。由于其快速、便捷的优点，IMS 分析检测技术在许多领域都有广泛的应用，特别是在爆炸物[2-3]、毒品[4-5]和化学战剂(Chemical Warfare Agents,CWAs)[6-7]等检测方面的应用已达到相当高的水平。

　　从目前国内外报道文献，离子迁移数据多数来自于有机化合物的检测。对爆炸品，其中TNT、黑索金(RDX)、奥克托金(HMX)等军事炸药文献报道较多，对它们的离化理论模型研究也较为深入;相对来说无机化合物的IMS 谱图报道不多，尤其是无机物单质。例如，硫磺的IMS 理论模型较少涉及，它的IMS 信号峰的形成一直没有较为合理的解释。

　　本文就硫磺的I M S 离化模型和过程做初步探讨。

　　1 仪器的工作原理概述

　　痕量待检物质在离化源的作用下，可以产生相应产物离子。若将这些产物离子放置在大气环境恒定电场中，它们因受电场的加速和中性大气分子的碰撞减速，在宏观上就表现为获得了一个恒定的平均速度。由于不同的产物离子其荷质比、空间几何构型和碰撞截面不同，因而获得的平均速度也不同，再经过电场作用后就被分离，先后到达收集器，最终完成样品的检测。

　　IMS 探测仪在系统结构(实物图如图1 所示)包括四部分，即离子迁移管、电路、气路、控制系统，其中离子迁移管是仪器的核心部件( 如图2) ，其性能好坏直接关系到仪器的灵敏度和分辨率，它主要由进样装置、离化区、离子门、迁移区、电荷收集器以及迁移管外围气路六个部分组成。在迁移管中，还需引入尾吹气体，当离子在迁移区内漂移时，会与从迁移管尾部吹来气体发生碰撞，一方面可以把一些杂质从迁移管中去掉，另一方面可以阻止多余的中性样品分子进入迁移区后继续产生离化反应，避免了由于继续反应导致的谱线变宽，从而提高了仪器的灵敏度和分辨率。电路系统和控制系统为实现数据的采集和处理提供逻辑支持，为人机对话提供硬件保障。

　　2 实验结果和讨论

　　本实验的数据来自公安部第三研究所自主研发的IMS爆炸物探测仪，采用63N i 为离子源、以干燥的空气作为载气和迁移气。

　　2.1 样品

　　本实验的化学样品列表如表1 。

　　2.2 结果与讨论

　　根据电离能数据计算表明，63Ni 为离子化源的周围近距离区域有O3存在的可能。63Ni 释放出的β离子平均能量达到14KeV，最大能量甚至达到67KeV[1];而电离氧气分子的临界能量为67.2KeV，处于可电离氧气分子的临界值67.2KeV附近。