用于离子迁移率谱仪的瞬态漂移电场研究

0　引言

离子迁移率谱技术是20世纪60年代末发展起来的一种新的检测技术[1],它被广泛应用于测定痕量化学战剂、毒品、炸药以及大气污染物等[2-4]。离子迁移率谱仪( IMS)具有体积小、质量轻、功耗低、价格便宜、灵敏度高、选择性好、使用范围广和可在线分析等优点。

IMS利用不同气相离子在电场中迁移率的差别来检测物质,其原理与飞行时间质谱相似,主要的区别是IMS所检测的是离子在大气环境下的迁移率,工作时不需要真空环境。IMS的核心部件———漂移管主要由离化区、离子门、离子漂移室和收集离子的法拉第盘4部分组成[5]。

IMS工作时,干燥空气或氮气携带待测样品进入离化区形成离子,然后通过离子门进入离子漂移室,在100 V/cm量级的弱电场作用下,离子经过一定时间漂移到法拉第盘,得到不同漂移时间所对应的离子流强度,通过分析所得到的IMS谱图可以得到样品中某些特定物质的定性或半定量信息。

为了在长约5 cm的离子漂移室得到200 V/cm左右的电场,传统IMS将1 kV以上的直流高压经电阻分压后加在漂移环电极上。但使用高压电源具有一定的危险性,且高压电源难以利用比较成熟的集成电路实现,不利于IMS的小型化。为了降低IMS建立漂移电场所需的电压,提出一种利用低电压建立瞬态漂移电场实现离子漂移的方法,搭建了用于验证该方法的实验装置,并选择一种常见爆炸物TNT(2, 4, 6-三硝基甲苯)进行了实验。

1　瞬态漂移电场IM S原理

大气环境下,离子在电场中的宏观运动情况由所受的电场力决定,而离子在某一时刻所受到的电场力与它此时刻所在区域的电场有关。从理论上讲,如果离子在运动过程中能够保证每个时刻所在区域的电场强度总为 E,则离子的运动情况与在一个强度为 E的恒定均匀电场中的运动情况相同。

根据此原理,并不需要在漂移的全过程中保持整个离子漂移室的电场,而只需保持离子所在区域的漂移电场。离子在漂移室运动的宏观表现已为人们所熟知,根据漂移室电场强度及特定离子的迁移率K可以知道离子某时刻在漂移室的位置,只需在该区域建立所需的漂移电场即可,从而显著降低建立漂移电场所需的电压。

考虑到实际IMS漂移管中需要检测的特定离子团会分布在一定空间,而且漂移环上电压的切换需要一定时间,所以仅在两个相邻电极之间建立漂移电场不能保证离子团中的大部分离子顺利通过离子漂移室。在相邻3个漂移环间建立漂移电场,从而使离子团中的大部分离子在瞬态漂移电场作用下顺利通过离子漂移室。

2　瞬态漂移电场电路

为了验证瞬态漂移电场方法,建立了瞬态漂移电场IMS实验装置。瞬态漂移电场原理如图1所示。离子漂移室共有5个漂移环(图中1~5),漂移环及栅网把离子漂移室均匀地分成6个区域。图1中的6~10为高速开关电路, 11~20为控制信号。