1、離子遷移譜技術(shù)(Ion Mobility Spectrometry ,IMS) 離子遷移譜技術(shù)是二十世紀(jì)七十年代發(fā)展起來的一門新興的化學(xué)分析技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于測(cè)定痕量的化學(xué)武器、毒品、爆炸物、以及空氣污染物等，跟其他的有機(jī)化合物分析儀器相比較，它體積小、靈敏度高、適用范圍廣、分析時(shí)間快、能在大氣壓和室溫下工作，是一種前景廣闊的檢測(cè)儀器。 IMS技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展IMS檢測(cè)原理：n首先使被檢測(cè)的樣品蒸氣或微粒離化形成離子,然后讓離子在一弱電場(chǎng)中產(chǎn)生漂移,并測(cè)量出離子通過電場(chǎng)所用的時(shí)間,進(jìn)而根據(jù)離子所用的漂移時(shí)間可以計(jì)算出離子的遷移率(遷移率的定義是指在單位電場(chǎng)強(qiáng)度作用下離子的漂移速度).由于在一定的

2、條件下,各種物質(zhì)離子的遷移率互不相同,因而也就導(dǎo)致不同的離子通過電場(chǎng)的漂移時(shí)間各不相同.這樣,我們就可以根據(jù)漂移時(shí)間的測(cè)量來間接達(dá)到對(duì)樣品的分離和檢測(cè)。離子的遷移率:n離子的遷移率就是通過測(cè)定離子穿過遷移管的遷移時(shí)間或者說遷移速度來間接獲得的。遷移率被定義為單位電場(chǎng)強(qiáng)度作用下離子的遷移速度，用公式表示如下: Vd=K*E 式中K為離子的遷移率，E為遷移管內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度，Vd為離子的遷移速度。 迄今為止，傳統(tǒng)弱場(chǎng)下最為成功的離子遷率理論是由Masno等提出的:n上式中，e為離子所帶電荷，N為中性遷移氣體分子的密度，k為玻爾茲曼常數(shù)，為折合質(zhì)量=mM/（m+M)，其中m為離子的質(zhì)量，M為遷移氣體分子

3、的質(zhì)量，Teff任為離子的有效溫度(K) ，在單一溫度近似情況下它就是遷移管內(nèi)中性氣體分子的溫度。a是校正因子，在mM情況下，一般小于0.02， 為碰撞截面，它是有效溫度的函數(shù)。 毒品、爆炸物品離子化機(jī)理n毒品和爆炸物品之所以可以用離子遷移率探測(cè)器檢測(cè)，是由它們分子化學(xué)特性決定。毒品屬于生物堿(如海洛因和可卡因是從植物中提煉出來的三元替代烷基生物堿)，具有很高的質(zhì)子親和力，尤其是在氣相條件下，其俘獲質(zhì)子的能力更大，極易俘獲質(zhì)子而成為正離子：而大部分的爆炸物電子親和力很大，易俘獲電子成為負(fù)離子。所以在離子遷移率探測(cè)器里工作氣體(載氣)在離子源(射線，激光等方法)的作用下離子化，離子化后的載氣與樣

4、品氣體發(fā)生作用，使樣品氣體離子化(二次離子化)；離子化后的待測(cè)氣體離子團(tuán)在電場(chǎng)作用下向收集極漂移，對(duì)應(yīng)不同的物質(zhì)，形成對(duì)應(yīng)的不同時(shí)間峰，從而被區(qū)分。樣品氣體的離子化是IMS工作的第一步。IMS中的化學(xué)離化過程n由于IMS工作在大氣環(huán)境氣壓下,而且載氣在很多情況下用的是空氣,這使得IMS中的化學(xué)離化變得非常的復(fù)雜.在這里,我們僅以空氣作載氣,品和爆炸物為被檢測(cè)樣品為例作一簡(jiǎn)單介紹:n在IMS離子源中,63Ni發(fā)出的電子會(huì)和空氣中的N2發(fā)生如下反應(yīng): N2+e-N2+2 e-n 生成的N2+并不穩(wěn)定,接下來它還會(huì)和空氣中存在的少量水分子或氧分子發(fā)生一系列的反應(yīng),最終形成的正離子主要有(H2O)nH

5、+, (H2O)nNO+H2O)nNH4+,其中n的數(shù)目決定于載氣中水蒸氣的濃度和IMS的工作溫度.我們把上述這些離子稱之為反應(yīng)物離子.與此同時(shí),空氣中的O2也會(huì)通過電子吸附或電荷轉(zhuǎn)移而最終形成負(fù)反應(yīng)物離子(H2O)nO2-,(H2O)n(CO2)mO2-,(H2O)nOH- 當(dāng)我們所要探測(cè)的毒品或爆炸物分子進(jìn)入遷移管遇到反應(yīng)物離子后,它們就會(huì)分別與上述的反應(yīng)物離子發(fā)生反應(yīng),從而使被測(cè)樣品分子離化,形成正的或負(fù)的產(chǎn)物離子.這個(gè)過程稱為在大氣壓條件下的化學(xué)離化,由于涉及的反應(yīng)能量較低,通常不會(huì)形成碎片分子.樣品分子和反應(yīng)物離子形成產(chǎn)物離子的反應(yīng)主要是依靠它們之間的質(zhì)子親和力或電子親合力進(jìn)行的.一

6、般來說,毒品分子(如海洛因、可卡因、大麻等)大都具有很高的質(zhì)子親和力,而爆炸物分子(如TNT,RDX,HMX等)則具有很高的電子親和力,使電荷從反應(yīng)物離子轉(zhuǎn)移到樣品分子上,把樣品分子離化.通過變換遷移管內(nèi)電場(chǎng)的方向,我們就可以在一臺(tái)機(jī)器上對(duì)正負(fù)產(chǎn)物離子分別進(jìn)行探測(cè). 樣品分子與反應(yīng)物離子的反應(yīng)主要有以下幾種類型(M為樣品分子): M+(H2O)nH+MH+nH2O質(zhì)子轉(zhuǎn)移 M+(H2O)nO2-MO2-+nH2O負(fù)離子轉(zhuǎn)移 M+(H2O)nO2-M-+O2+nH2O電荷轉(zhuǎn)移 M+e-M-電子吸附 當(dāng)樣品分子M的濃度比較大時(shí),上面幾式中形成的單體產(chǎn)物離子有些還會(huì)與樣品分子及水分子等繼續(xù)反應(yīng),最終

7、形成二聚物離子.多聚物離子或團(tuán)簇離子.團(tuán)簇離子本身并不穩(wěn)定,它在形成的同時(shí)也進(jìn)行著分解.這種不穩(wěn)定性和形成的團(tuán)簇的多樣性不利于譜線的觀察和結(jié)果的分析,因此保持遷移管內(nèi)部工作條件的一致并盡量減少團(tuán)簇形成的種類對(duì)我們的探測(cè)非常重要.在實(shí)際應(yīng)用中,通常還在樣品中故意加入某種化學(xué)試劑,來提高儀器的靈敏度和選擇特性.試劑的質(zhì)子或電子親和力通常和樣品的質(zhì)子或電子親和力相近,但要略小.這樣,反應(yīng)物分子就會(huì)先和試劑分子發(fā)生反應(yīng),形成中間產(chǎn)物離子,然后中間產(chǎn)物離子再和樣品分子反應(yīng),最終形成產(chǎn)物離子,有效地避免了那些比試劑的親和力小的雜質(zhì)的干擾.例如,在探測(cè)毒品時(shí),通常就會(huì)加入煙酰胺來提高儀器的靈敏度和選擇特性.

8、公安部第三研究所研制的XT12-01離子遷移譜毒品偵查儀 離子遷移率譜儀硬件結(jié)構(gòu) 一個(gè)基本的硯IMS系統(tǒng)如圖所示，它基本上由以下七大部分組成:離子遷移管，載氣和遷移氣體循環(huán)系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱氣路系統(tǒng))，采樣與進(jìn)樣系統(tǒng)，離子門控制系統(tǒng)，高壓電源系統(tǒng)，溫度加熱控制電路，信號(hào)放大、采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。在這里面，除了遷移管、氣路系統(tǒng)以及采樣與進(jìn)樣系統(tǒng)是純粹的硬件外，其余部分則是控制電路并直接由計(jì)算機(jī)對(duì)工作狀態(tài)進(jìn)行總體控制。 探測(cè)器形成的離子譜圖 離子遷移譜圖 離子門門柵結(jié)構(gòu)n遷移管的最前面是樣品入口，進(jìn)樣主要有兩種方式： 被動(dòng)進(jìn)樣裝置 主動(dòng)進(jìn)樣裝置n 樣品分子在電離區(qū)里形成離子后，并不直接進(jìn)入遷移區(qū)，而是先集

9、結(jié)在離子門的前部。只有在離子門開啟時(shí)，才能同步進(jìn)入遷移區(qū)中進(jìn)行漂移。離子門主要用于除去吸入氣體中的部分水分子和氨分子，抑制形成離子團(tuán)簇進(jìn)而提高儀器的分辨率，同時(shí)又保持系統(tǒng)內(nèi)部干凈。n 在兩個(gè)門柵上加上和離子遷移方向相反的電壓信號(hào)，產(chǎn)生大約600V/cm的電場(chǎng)。在離子門關(guān)閉時(shí)，離子門前面存在一個(gè)勢(shì)阱，離子就存在這個(gè)勢(shì)阱中。當(dāng)電壓信號(hào)撤去時(shí)，離子門開啟，離子在電場(chǎng)力的作用下進(jìn)入遷移區(qū)內(nèi)產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)。離子門的開關(guān)時(shí)間對(duì)儀器的分辨率和靈敏度有極大的影響，開門時(shí)間越長(zhǎng)，進(jìn)入遷移區(qū)的離子數(shù)就越多，靈敏度提高，到了一定時(shí)間后離子峰幅度到達(dá)最大值，同時(shí)離子峰變寬，儀器分辨率降低，反之亦然。n 在構(gòu)造上，遷移管

10、是由若干個(gè)不銹鋼金屬環(huán)和絕緣陶瓷環(huán)交替排列組成的空腔管子，內(nèi)徑約為7.5mm，外徑約15mm，總長(zhǎng)度約14cm，其中遷移區(qū)長(zhǎng)度約7cm，陶瓷環(huán)的厚度一般是金屬環(huán)厚度的10倍左右n 在遷移管的兩端加上1500v左右的高壓，并在每個(gè)絕緣陶瓷環(huán)上鍍上800k的電阻，這樣在遷移區(qū)就產(chǎn)生了210v/cm的均勻電場(chǎng)。遷移管的外面是加熱層和保溫層，電離區(qū)的注入溫度保持在180，遷移區(qū)內(nèi)遷移溫度保持在140左右，這一方面可以方便地對(duì)一些難于揮發(fā)的固態(tài)物質(zhì)，如毒品等進(jìn)行采樣另一方面升高溫度可以減少管內(nèi)的記憶效應(yīng)，提高儀器的靈敏度。 n 在遷移管的后部還需充入遷移氣體，并和載氣構(gòu)成一回路。氣體流量約200ml/m

11、in。加入遷移氣體一方面可以把一些雜質(zhì)氣體從遷移管中去掉，另一方面可以阻止多余的中性樣品分子進(jìn)入遷移區(qū)后繼續(xù)產(chǎn)生離化反應(yīng)，避免了由于繼續(xù)反應(yīng)導(dǎo)致的譜線變寬，從而提高了儀器的靈敏度和分辨率。 整個(gè)外圍氣路的連接管道全部由內(nèi)徑1mm的不銹鋼管組成，接合處必須使用耐高溫、化學(xué)惰性強(qiáng)的橡膠管。n遷移管的末端是電荷收集器，用以獲得離子信號(hào)，通常是一個(gè)法拉第盤，法拉第盤采取凸面結(jié)構(gòu)，對(duì)離子有一定的聚焦作用。由法拉第盤采集到的離子電荷變成電流，一般是nA級(jí)，經(jīng)放大后進(jìn)入信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。在法拉第盤的前面通常需要加一個(gè)格柵，它的目的主要是為了隔斷離子云的靜電場(chǎng)，防止靜電感應(yīng)在探測(cè)回路中產(chǎn)生電流。同時(shí)可以產(chǎn)生防止電荷的堆積，提高探測(cè)效率，并可以屏蔽由于離子門開啟和關(guān)閉時(shí)電壓脈沖所造成的噪聲。格柵一般通過一個(gè)高通濾波器接地。 儀器在毒品和爆炸物定性檢測(cè)方面的實(shí)際應(yīng)用lawrence在文獻(xiàn)中給出了阿片類毒品的折合遷移率和分子量的對(duì)數(shù)之間的關(guān)系，兩者基本成線性