用于毒品和爆炸物现场检测的双路IMS痕量探测仪研究

　　0 引言

　　毒品和爆炸物的检测关乎国计民生和国家安全，其检测技术和方法特别重要。目前，除了实验室常用的电化学分析法，如气相或液相色谱( HPLC，GC) 、质谱( MS) 等，可用于毒品和爆炸物的现场检测方法有: X 射线或γ 射线、离子迁移谱( IMS) 、中子检测、表面声学( SAW) 等。

　　离子迁移谱( IMS) 检测方法是20 世纪60 年代末出现的，经过几十年的发展已成为基于分子水平上较成熟的现场痕量检测技术。相对于其他检测方法，它具有简单实用、检测限低、响应迅速、灵敏度高的特点。但是传统的离子迁移谱仪只能工作在正/负电场的单一模式下，在单次分析的条件下只能对毒品或爆炸物中的一种给出检测结果，而无法对毒品和爆炸物进行同时检测。另外，虽然大多数的爆炸物能被负模式的IMS 仪探测，但仍有某些特定种类的爆炸物只能在正模式下被探测[1]。因此，为了适应安防安检现场复杂的检测需求，就需要对能同时工作在正/负模式下的IMS 探测仪进行研究。

　　1 IMS 探测仪的基本原理

　　1. 1 IMS 探测仪工作原理

　　IMS 探测仪中的离子迁移管结构如图1 所示。

　　其工作原理如下[2]:

　　待测样品的微粒通过进样口进入离化区，在离化源( 通常为63Ni) 的作用下通过质子夺取反应、电子附着反应、电子交换反应等生成相对稳定的产物离子[3]。产物离子通过离子门的控制在同一时间内成批进入迁移区进行迁移。迁移区为大气环境的一段均匀电场，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，所以在经过一段电场以后它们就被分离，先后到达收集器形成微弱的脉冲电信号，从而完成被检测的过程。

　　1. 2 毒品和爆炸物的离化原理

　　在IMS 技术中，电离是在大气环境气压条件下进行的，而不是象质谱分析那样工作在高真空条件下。载气和迁移气一般都是用经过净化后含有极少量水份的空气。这种电离被称作大气压环境下化学电离( APCI) 。通常这种电离方式可以获得带电量相对稳定的离子。载气分子在离化源的作用下最初的反应式如下[1，4 - 5]:

　　N2 + e -!N2+ + 2e - ( 1)

　　生成的N2+并不稳定，接下来它还会和空气中其他成份发生一系列的反应，最终形成的反应物正离子主要有H+ ( H2 O) n、NO+ ( H2 O) n、NH4+ ( H2O) n ( 其中n 的数目决定于载气中水蒸气的浓度和IMS 迁移管的工作温度[6]) ，反应物负离子主要有( H2O) nO2-、( H2O) n ( CO2 ) m O2-、( H2O) nOH -[7 - 8]。

　　通常，毒品和爆炸物分子能够和上述的反应物离子相互作用生成产物离子。一般来说毒品分子大多具有很高的质子亲和力，在离化中能够产生正离子，其反应式如下: