离子迁移谱电离源研究进展

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离子迁移谱及其应用

离子迁移谱技术及其应用离子迁移谱(Ion Mobility Spectrometry,IMS)技术是上世纪60年代末70年代初发展起来的一种微量化学物质分析检测技术，早期也称为等离子色谱(Plasma Chromatography)。

其利用样品在大气压下电离形成的气相离子在弱电场中漂移，由于各离子的大小、电荷、质量和形状不同使得它们通过迁移管的时间不同，由此来进行离子的分离定性[1]。

1离子迁移谱技术的发展IMS诞生之前，质谱分析技术己经发展的比较成熟，气相色谱技术(GC)在当时也是一种发展比较成熟的化学分析方法。

随着时代的发展，仪器的小型化和样品分析时间的缩短成为人们关心的问题。

但是MS需要在真空条件下进行，仪器造价较高；而GC虽然是一种比较精确的测量方法，但复杂耗时。

针对MS和GC 的上述弱点，诞生了IMS技术。

第一台IMS的诞生，可以追溯到1965年，当时一个名为Franklin GNO Corporatoin的研究机构遇到了一个问题，就是如何在环境大气压下，把空气中某些化合物产生的负离子分离开来。

他们经过研究意识到可以制造一台仪器，利用离子迁移的原理进行化学分析，这样就首次出现了IMS。

Cohen等人在1970年对IMS作了具体描述，同时在杂志中也出现了越来越多的文章来介绍这项技术。

其中Karasek的一篇文章可谓影响深远，他在文中介绍了IMS中离子分子的形成过程，并与当时人们熟悉的色谱技术相比较，从此人们开始对IMS产生了浓厚的兴趣。

经过四十年的发展，传统的IMS技术已经发展的比较成熟，并且己经有商品化的产品在实际中应用，如加拿大的Barringer、美国的Ion Track Instruments 以及英国的Graseby Technology，它们生产的IMS产品已经在检测毒品、爆炸物以及化学毒气方面得到了广泛而卓有成效的应用[2]。

2IMS原理及仪器IMS的基本原理是被检测的样品蒸气或微粒先进行离子化形成离子，然后使产生的离子进入一弱电场中进行漂移，在漂移过程中离子与逆流的中性漂移气体分子不断发生碰撞。

气相色谱离子迁移谱

气相色谱离子迁移谱气相色谱离子迁移谱是一种结合了气相色谱和质谱技术的分析方法，它可以用于鉴定和定量各种有机化合物。

在气相色谱离子迁移谱中，气相色谱仪作为样品分离的工具，而质谱仪则用于对样品分子的分子量和结构进行鉴定。

气相色谱离子迁移谱的分析原理基于质谱技术中的电离反应。

样品在离子化区被化学电离，形成带正电荷或负电荷的离子，然后通过一系列的离子温度分析器（ITA）和离子透镜（IMS）进行质量分析和选择性分析。

分析结果以离子通量的形式记录，其中轴向的离子通量可用来表示分子质量。

离子通量测量量的灵敏度和分辨率受到离子透镜和离子分离器的控制，因此调整这些参数是获得准确分析结果的重要因素。

气相色谱离子迁移谱广泛应用于化学分析、材料研究和生化分析等领域。

它也是一种适用于极微量检测和高灵敏度分析的方法。

相对于其他传统的质谱方法，气相色谱离子迁移谱具有许多优点。

首先，它能够消除如通量和反应效率等问题，这些问题常常会导致原始质谱数据的不可靠性。

其次，气相色谱离子迁移谱具有更高的灵敏度和分辨率，可以检测到更小的物质浓度和痕量物质。

最后，气相色谱离子迁移谱是一种非损伤性的技术，可以减少样品的浪费和污染。

尽管气相色谱离子迁移谱在许多方面都具有优势，但它仍存在某些局限性。

例如，这种方法只适用于能够气相化的物质，并且样品必须经过排除内部和外部干扰等预处理。

这些要求可能会增加分析时间和复杂性，并影响到灵敏度和准确性。

此外，气相色谱离子迁移谱还需要高精度的设备，限制了它在实际应用中的广泛应用。

总之，气相色谱离子迁移谱结合了气相色谱和质谱技术，是一种非常有用的分析方法。

它在高灵敏度和分辨率的同时也具有高度的特异性和选择性，可以广泛应用于许多领域。

但是，要在实际应用中获得准确和稳定的分析结果，需要精细的操作和设备控制。

离子迁移谱系统的优化设计及其在甲苯检测中的应用

袁家鹏，祥和，然强孔夏
（曲阜师范大学物理工程学院，山东曲阜２３６）７１５
摘要：对痕量甲苯的检测为例，究了以激光作为电离源的离子迁移谱对痕量物质进行检测的方法．对离子迁以研
中图分类号：６７３０５．９文献标识码：Ａ文章编号：０５４４（０８０ — ０２０１０ — ６２２０）７０１－４
１引言
空气污染一直是当今世界的一大难题，解决空气污染问题的首要条件是污染物的检测，子离迁移谱技术是最近几十年发展起来的对微量化学物质进行检测的一种方法，痕量物质检测方面在已经被广泛应用］ｉ．离子迁移谱（ｏｂｌｙｉｎｍｏｉｔｉｓｅｔｍｅｒ，ＭＳ是２ｐｃｒｔｙＩ）ｏＯ世纪７Ｏ年代发展起来的一种新的气相分离和检测技术］通过电离源。
２实验原理及装置
首先使被检测的样品蒸汽或微粒离化形成离
子，后让离子在一弱电场中产生漂移，然并测量出离子通过电场所用的时间，而根据漂移时间可进
对气体或颗粒物质的蒸气进行电离，测不同离检
仪器相比，子迁移谱仪还具有仪器简单、积离体
小、功耗低、析时间快以及能在大气压和室温下分
工作等优点］．现在离子迁移谱技术已经在大气和水有机污染检测、品检测［爆炸物探测ｌ、毒、ｇ］化学战剂检测］工厂有毒气体监测等领域得到、

离子源的研究及应用

离子源的研究及应用离子源是指将物质中的分子、原子或离子电离，并通过一定的方法使它们聚集成束的设备。

它是现代科技的重要组成部分，广泛应用于原子物理、环境监测、半导体制造等领域。

本文将从离子源的研究历程、运作原理和应用领域三个方面进行阐述。

一、离子源的研究历程离子源的研究历程可以追溯到19世纪初，当时科学家发现，将大气压下的气体通入一个焦耳管内，加上足够的电压后，就可产生明亮的气体放电。

这种放电现象是气体分子电离的结果。

不过，该设备杂质较多，产生随机气体等缺陷，限制了离子源的普及。

20世纪初，英国物理学家Rutherford提出了核反应理论，而离子源在该学说的发展过程中起到了重要作用。

20世纪30年代，人们开始尝试用离子源进行分离和提取元素，由此在核物理学、同位素、质谱分析等领域取得了重大突破。

20世纪50年代，离子源技术发生了重大变革，主要是离子注入技术的发明，同时磁控溅射技术的提出，也奠定了离子源在半导体制造中的地位。

二、离子源的运作原理离子源的运作原理基于电离现象与电场力学。

大多数离子源通过加热样品或施加电场来产生离子，形成一个离子云。

离子源一般都具有一个离子取出口，可以使离子通过取出口并聚集成束。

离子源有许多种类，其中较为常见的是电子喷射离子源、磁控溅射源和电子轰击离子源。

电子喷射离子源是利用电场将高能电子喷射进样品的表面，使它们撞击样品原子或分子，从而将它们电离的过程。

电子轰击离子源则是利用电子束辐照样品，使样品原子或分子通过电离获得电荷。

磁控溅射源则是利用高频电场让样品表面的金属原子或分子离开，经过电离后形成离子束。

三、离子源的应用领域离子源技术在物理学、化学、医学、半导体制造、环境工程等领域都有广泛的应用。

在原子物理和同位素领域，离子源被用来制造原子钟、核研究等。

在材料科学和半导体制造中，离子源技术具有重要的应用价值，包括掺杂、表面改性、膜制备和表面分析。

离子注入和磁控溅射技术被广泛应用于引入或剥离掺杂剂、薄膜制备和表面改性等方面。

行波离子迁移谱技术及应用研究进展

第 29 卷第 3 期分析测试技术与仪器Volume 29 Number 3 2023年9月ANALYSIS AND TESTING TECHNOLOGY AND INSTRUMENTS Sep. 2023综述(231 ~ 244)行波离子迁移谱技术及应用研究进展潘慢慢1, 2 ，李　杭2 ，徐一仟1, 2 ，杨其穆1, 2 ，蒋丹丹2 ，王卫国2 ，陈　创2, 3 ，李海洋2（1. 中国科学院大学，北京　100049；2. 中国科学院大连化学物理研究所，辽宁大连　116023；3. 国民核生化灾害防护国家重点实验室，北京　102205）摘要：离子迁移谱（ion mobility spectrometry，IMS）是利用离子迁移率K（离子碰撞截面）差异来实现不同离子的分离与测定，具有分析速度快、检测灵敏度高的优点，其与质谱联用在蛋白质组学、代谢组学、医药等领域已获得了广泛的应用. 随着分析对象复杂性的增加，对IMS的分辨能力也提出了更高要求. 行波离子迁移谱（travelling wave ion mobility spectrometry，TWIMS）采用时域连续的行波电场实现离子传输与分离，其分析通道的长度不受行波电压幅值的限制，理论上可以无限延长离子分析通道来提高分辨能力. 目前，TWIMS的分辨率最高可达1 860，对于分析存在多种同分异构体的复杂样品别具优势. 对TWIMS的原理及分辨能力的影响因素进行了介绍，进一步探讨了不同结构TWIMS仪器的特点、性能和应用，对TWIMS未来发展方向进行了展望.关键词：离子碰撞截面；行波离子迁移谱；循环式离子迁移谱；无损离子操纵结构；离子淌度质谱中图分类号：O657. 63 文献标志码：A 文章编号：1006-3757（2023）03-0231-14DOI：10.16495/j.1006-3757.2023.03.001Advancement of Traveling Wave Ion Mobility Spectrometry andIts ApplicationPAN Manman1, 2， LI Hang2， XU Yiqian1, 2， YANG Qimu1, 2， JIANG Dandan2，WANG Weiguo2， CHEN Chuang2, 3， LI Haiyang2（1. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China；2. Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, Liaoning China；3. State Key Laboratory of NBC Protection forCivilian, Beijing 102205, China）Abstract：Ion mobility spectrometry (IMS) utilizes the difference in ion mobility K (collision cross section) to realize the separation and determination of different ions, which has the advantages of fast analysis speed and high sensitivity. And it coupling with mass spectrometry (IM-MS) was widely used in the fields of proteomics, metabolomics, medicine, etc.With the increasing complexity of the analyzed objects, higher demands are put on the resolution of the IMS. Traveling wave ion mobility spectrometry (TWIMS) uses a time-domain continuous traveling wave electric field to realize ion transport and separation. The analytical path length of the TWIMS is not limited by the amplitude of the travelling wave收稿日期：2023−05−24；　修订日期：2023−07−13.基金项目：国家自然科学基金项目（Nos. 22027804, 21974141），国民核生化灾害防护国家重点实验室科研基金项目（SKLNBC2021-16），大连化物所创新研究基金项目（DICP I202141）[Natural Science Foundation of China (Nos.22027804, 21974141), State Key Laboratory of NBC Protection for Civilian (SKLNBC2021-16), Dalian Institute of Chemical Physics (DICP I202141)]作者简介：潘慢慢（1998−），女，博士研究生，主要从事质谱分析工作，E-mail：通信作者：陈创（1984−），男，博士，《分析测试技术与仪器》青年编委，主要从事质谱分析工作，E-mail：；李海洋（1964−），男，博士，《分析测试技术与仪器》编委，主要从事质谱分析工作，E-mail：.voltage, theoretically the path can be extended indefinitely to improve the resolution. Currently, the resolution of TWIMS can reach up to 1 860, which is advantageous for the analysis of complex samples with the multiple isomers. The principle of TWIMS and the influencing factors of resolution were introduced, the characteristics, performance and applications of TWIMS instruments with different structures were further discussed, and finally the future development directions of TWIMS were prospected.Key words：collision cross section；travelling wave ion mobility spectrometry；cyclic ion mobility spectrometry；structure for lossless ion manipulation；ion mobility-mass spectrometry离子迁移谱（ion mobility spectrometry，IMS）是利用电场驱动气相离子在中性气体中迁移从而实现不同迁移率离子分离和识别的一种技术[1]. IMS能够灵敏检测pg或ng/L量级的目标物，并且具有ms级单谱图分析速度、适用于发展便携式仪器等优点，被广泛应用于化学战剂监测、爆炸物检测等领域. IMS与质谱（mass spectrometry，MS）的联用结合了IMS灵敏、快速、能提供离子结构信息和MS提供精确质量信息的特点，在食品安全、医药和生物分析等领域得到了迅速发展[2-6].在低电场条件下（E/N<2 Td），离子在中性气体中的迁移速度V d与电场强度E成正比，比例系数即为离子迁移率K，其关系如式（1）：根据Revercomb等[7]对电场作用下气相离子的运动进行的研究，离子迁移率K与碰撞截面（collision cross section，CCS）满足式（2）：其中，z是电荷数，e是单位电荷，N是中性气体的分子数密度，µ是离子和中性气体分子的约化质量，k是玻尔兹曼常数，T eff是有效温度，α为修正因子，ΩD (Teff)是离子的碰撞截面（即CCS），与离子的大小和形状有关，直接反映离子的结构信息. 因此IMS 可以区分MS无法分辨的同分异构体，离子的CCS 差异越小，要求IMS的分辨率越高.根据分离方式的不同，IMS可以分为迁移时间离子迁移谱（DTIMS）、非对称场离子迁移谱（FAIMS/DMS）、行波离子迁移谱（TWIMS）、阱离子迁移谱（TIMS）等，通过提高电场强度或延长离子迁移路径，可以提高IMS的分辨率[8]. 对于DTIMS 而言，延长路径的同时需要提高电压，由于空气击穿电压的限制，依靠延长路径提高分辨率非常有限.而与DTIMS依靠直流电场驱动离子不同，TWIMS 依靠沿迁移区轴向移动的脉冲电压驱动离子，电压幅值不随迁移路径的延长而增大，理论上可以无限延长迁移路径而不受电压的限制. 正是由于这一特性，TWIMS的分辨率目前已经超过1 860，成为目前超高分辨IMS-MS技术的主流[9]. 不同类型IMS 技术对比如表1所列.本文首先介绍TWIMS的原理及分辨能力的影响因素，进一步探讨不同结构TWIMS仪器的特点、性能和应用，最后对TWIMS未来发展方向进行展望.1　TWIMS原理1.1　TWIMS分离原理2004年，Giles等[14]首次将行波应用于环形电极堆栈离子导向器，提出一种使用行波进行离子迁表 1 不同IMS技术对比Table 1　Comparison of different IMSIMS技术工作气压[10]分离场CCS测量最高分辨率/(Ω/ΔΩ)联用技术迁移时间离子迁移谱（DTIMS）266 Pa~大气压强直流电场直接测量250[11]IMS-MS, GC (gaschromatography)-IMS等非对称场离子迁移谱（FAIMS/DMS）大气压强非对称射频电场无法测量Null GC-DMS, DMS-MS等行波场离子迁移谱（TWIMS）~533 Pa方波直流电场需经校准 1 860[9]550[12]TWIMS-MS阱离子迁移谱（TIMS）~400 Pa气流场结合直流电场需经校准400[13]TIMS-MS232分析测试技术与仪器第 29 卷移率分离的新模式，如图1所示. 通过在相邻电极环依次施加脉冲电压产生行波电场，离子在波前位置时，电场驱动离子轴向前进，而离子处于波后位置时，电场驱使离子反向运动，造成运动轨迹折返，即翻滚事件[图1（a）（c）]. 迁移率K较大的离子随波迁移能力强，发生翻滚的次数少，所需总迁移时间较短. 而迁移率K较小的离子随波迁移能力弱，发生翻滚的次数多，所需总迁移时间较长. 如此，不同迁移率离子即可分离. 当离子迁移率K足够大时，离子可以随波作“冲浪”运动[图1（b）].ion trajectory ring electrode(d)stacked-ring ionguidetimeringelectrodeions travelling wavevoltage pulse(a)(b)(c)图1　行波场中离子（a）（c）翻滚事件和（b）“冲浪”行为的SIMION轨迹模拟，（d）行波场的产生[14] Fig. 1　SIMION simulation showing ions (a) (c) roll over wave and (b) surf wave, (d) generation of travelling wave[14]此后数年，尽管TWIMS仪器和相关应用快速发展，但对于其分离原理的认识仍停留在定性阶段，影响离子传输时间和分辨率的因素没有得到深入研究. 直到2008年，Shvartsburg等[15]构建了简化的TWIMS数值分析模型，不考虑离子的速度弛豫、扩散和射频产生的聚焦场，使用推导和离子动力学模拟对迁移时间和分辨率进行预测，并与实际结果进行比较.定义c为行波前最大场强处（E max）的离子漂移速度和波速（s）的比值，如式（3）所列：以波长为b的三角波为例，其任一位置的电场E都相同，即E=Emax . 当c≥1，即KEmax≥s时，离子在波前的运动速度与波速相同，因此离子表现为随着行波一起运动，迁移时间t即为迁移管长L除以行波波速s.当c<1，即KE max<s时，由于离子的翻滚事件，造成迁移率分离. 离子在波前和波后的运动时间分别为t F和t B，其公式如式（4）（5）所列：由于t F>t B，离子每被一个三角波超越，在轴向会产生向前的净位移d，如式（6）：v离子的平均运动速度为式（7）：对于长度为L的迁移管，离子迁移时间t为式（8）：对于形状更复杂的行波如半正弦波，在满足KEmax<<s时，有相似结论，即：从公式（9）可以看出，与DTIMS不同，TWIMS 中离子迁移速度与离子迁移率和电场强度并非线性关系，无法直接用迁移时间t计算CCS，需要使用结构相似的标准物进行校准方程的拟合，然后将待测物的迁移时间代入校准方程计算出CCS.2018年，Richardson等[16]进一步拓展了TWIMS 的理论，推导出平滑移动的正弦行波驱动下离子迁移时间的表达式，不经校准可直接测量CCS. 然而，动力学推导仍被限制在轴向，没有考虑高场下的离子加热，且实际设备中行波并非是平滑移动的，关于TWIMS的理论仍然需要科研工作者继续探索.第 3 期潘慢慢，等：行波离子迁移谱技术及应用研究进展2331.2　TWIMS分辨率的影响因素在离子迁移与扩散相互独立的前提下，不考虑库伦斥力，对于三角波而言，扩散控制分辨率R TW 为式（10）：其中，E与行波波幅U的关系为E=2U/b. 因此，在保证c<1适用于所有离子的前提下，可以通过提高行波波幅或减小波长以提高电场强度、延长路径来提高分辨率，这是TWIMS仪器设计改进的理论依据.而对于DTIMS，扩散控制分辨率R DT为式（11）：提高电场强度和延长路径，同样可以提高DTIMS的分辨率. 然而，DTIMS的电场是通过在迁移管两端施加电压差形成的，越长的迁移路径，意味着越大的电压差，过高的电压会引起放电. 不同与DTIMS，TWIMS的电场是在电极单元的单个或多个电极上循环施加脉冲电压形成的行波电场，脉冲电压幅值与迁移路径总长度无关. 因此，通过延长路径提高分辨率不受电压限制.2　TWIMS的仪器进展TWIMS于2004年出现后，经过近二十年的发展，目前的仪器按照结构主要分为三类：第一类是Waters公司早期开发的环形电极堆栈结构（stacked ring ion guide，SRIG）的TWIMS，第二类是Waters 公司于2019年推出的循环离子迁移谱（cyclic ion mobility， cIM），第三类是基于无损离子操纵结构（structures for lossless ion manipulations，SLIM）的TW-SLIM. 下面将介绍它们的结构特点、性能以及应用.2.1　环形电极堆栈结构2006年，Waters推出首款基于SRIG的TWIM-Q-ToF-MS（TWIM-quadrupole-time of flight-MS）系统，即Synapt HDMS[17].如图2（b）所示，Synapt HDMS包括三个施加行波和射频限制的SRIG（即TriWave结构），依次为trap、IM和transfer，其中IM的结构如图2（a）所示. trap用于离子积累，然后将离子团簇释放到IM离子导向器中进行迁移率分离，transfer用于将分离后的离子传送到ToF-MS中进行质荷比分析.(a)sideplategas inion transmission aperturering electrodesprintedcircuitboardsendplateanalyte spray(b)lockspraybafflelockmassreference sprayT-waveion guidequadrupoledre lenstrapgateIMS transfereinzellens transferlensespusherreflectronair-cooled turbomolecular pumpsoil-freescroll pumpisolation valveand removablesample conedetector2 mmdiameteraperture图2　（a）第一代行波离子迁移管[14]，（b）Synapt HDMS示意图[18]Fig. 2　(a) First generation TWIM separator[14], (b) schematic diagram of Synapt HDMS system[18]根据分辨率影响因素的理论基础，Waters公司于2009年对行波离子迁移管进行改进，推出了Synapt G2 HDMS. 相比第一代TWIM，Synapt G2的改进如图3所示，增加电极环的数目以延长迁移路径，脉冲电压施加到4个电极环上，比原来两个电极环时平均场强提高了约20%，行波幅值从30 V 提高到40 V，进一步提高了电场强度[19]. 由于低电场条件的限制，在提高行波幅值的同时，需要提高气压以避免离子热化. 因此，在IM前增加了一个充满氦气的腔室以平衡N2的压强，将工作气压从50 Pa提升到了300 Pa. 试验结果显示，Synapt G2将SDGRG和GRGDS两种反序小肽离子的分辨率提234分析测试技术与仪器第 29 卷高了近4倍，达到了45.在之后几年，Waters 公司又相继推出了Synapt G2-S 、Synapt G2-Si 和Vion 等产品，在分辨率、灵敏度和配套软件等方面均有所提升[20].由于技术成熟、商品化程度高， SRIG 的IMS-MS 系统在蛋白质组学[21-22]、脂质组学[23-24]、代谢组学[25-26]、医药[27-29]等领域得到了广泛应用. Hale等[21]使用液体萃取表面技术（LESA ）结合TWIM-MS 对小鼠肾脏组织切片的蛋白质进行质谱成像分析，将蛋白质结构与组织特征进行关联. 其中，TWIMS 提供内源蛋白质的空间、构象和质量信息，以及计算检测到的蛋白质或蛋白质复合物的碰撞截面. 此外，按到达时间过滤质荷比（m/z ）维度中的离子信号，增加低强度信号来提高信噪比，进一步提高离子图像的特异性. Zang 等[25]使用流动注射法（flow injection ，FI ）结合TWIM-MS 对61名前列腺癌患者和42名对照者的血清提取物进行非靶向代谢分析，将质量数、CCS 值和裂解模式与标准物或数据库进行匹配，鉴定出特征代谢物. 使用监督多元分类方法，将前列腺癌患者样本与对照样本区分开来，具有良好的准确性（88.3%~89.3%）、敏感性（88.5%~90.2%）和特异性（88.1%），展示了FI-TWIM-MS 作为用于代谢组学研究的高通量分析工具的潜力. 与超高效液相色谱（ultra-performance liquid chromatography ，UPLC ）联用后，UPLC-TWIM-MS 的多维分离能力在复杂中药成分中已知、未知化合物及其异构体的发现和鉴定上有巨大的应用前景，对中药的质量评价和解释作用机制有重要意义，已成功应用于龟龄集[27]、桔梗[28]、丹芝片[29]等中药.此外，TWIM 有助于在Q-ToF-MS 仪器上实现电子转移解离功能（electron transfer dissociation ，ETD ）[30]. ETD 是一种自由基驱动的裂解技术，与碰Synaptstacked ring ion guidenitrogenions in ionsin ions out ions out nitrogen out nitrogen outnitrogen outmax. field 25 V/cm (10 V applied)~90% of applied v oltagemax. field 21 V/cm (10 V applied)~60% of applied v oltage(b)(c)4 repeat pattern6 repeatpattern(a)helium outT-wave IMS cellT-wave IMS cellhelium cellheliumSynapt G2stacked ring ion guidenitrogen图3　Synapt HDMS 和Synapt G2 HDMS 的（a ）IM 腔室，行波电压（b ）施加方式和（c ）重复模式对比图[19]Fig. 3　Comparison of (a) IM cells, (b) applied voltage and (c) repeat pattern of travelling wave betweenSynapt HDMS and Synapt G2 HDMS[19]第 3 期潘慢慢，等：行波离子迁移谱技术及应用研究进展235撞诱导解离（collision induced dissociation，CID）互补，在N-Cα键裂解后产生一系列c和z离子，对于蛋白质翻译后修饰的识别和定位非常有价值[31]. 在Synapt系统中，trap用于捕获辉光放电产生的阴离子，从而实现与进入的阳离子的气相反应. 改变行波的速度，可以精细地控制阴离子/阳离子相互作用的水平，从而控制ETD碎片的水平[32]. 结合电喷雾电离，TWIM-MS成为肽和蛋白质的测序和结构分析的有力工具.2012年，Waters基于SRIG开发出了Stepwave 技术，用于大气压离子源（如ESI）的离子传输[33]. 通过缺口处相对平行排列且内径不同的两个SRIG之间的施加电势差，实现离子的离轴传输和聚焦，而通过去除气体分子和未电离的中性分子，提高信噪比和灵敏度.2.2　循环离子迁移谱结构尽管TWIMS通过延长路径提高分辨率不受电压限制，但仍受到仪器体积的制约. 为了解决上述问题，2014年Giles等[34]提出一种循环离子迁移谱，即Cyclic Ion Mobility（如图4所示）. cIM包括主体[图4（b]与MS系统的主离子光轴相交的接口区域[图4（c）]两个部分，路径长度共计98 cm，可以取代传统线性TWIM单元，嵌入到Synapt G2-Si系统中[图4（a）][12, 35]. 主体部分由印刷电路板支撑，电极结构如图4（d）所示. 相邻的cIM电极上同时施加反相的射频（2.5 MHz，300 V p-p）和行波脉冲（最大波幅45 V，波速300~1 000 m/s），射频形成的赝势阱提供z方向的限制，行波驱动离子进行迁移率分离.侧板上的repeller电极上施加高于行波波幅的直流电压（60 V），提供x方向的限制. cIM主体部分的电极形成了一个5 cm×0.5 cm的矩形离子通道，离子容量比孔径0.5 cm的线性TWIM高10倍[35]. z方向的窄电极间距，可以最大程度的减少“赛道效应”，即外圈的离子比内圈的离子迁移路径更长引起峰展宽. 接口区域是cIM的关键部分，需要在离子进入、射出和迁移率分离三种功能之间切换，且对离子传输率和分辨率不能有显著影响. Giles等[35]设计出阵列电极结构，将其分为两组，分别施加x方向[图4（e）]、y方向[图4（f）]的行波，从而实现功能切换. 此外，阵列电极结构允许cIM在多通道模式和旁道模式进行切换，在旁道模式下，离子不经过cIM的主体部分，不进行迁移率分离.cIM前后均连接传统线性TWIM，可以实现离子的注入、喷射、存储、激活. 将其与cIM的功能进行组合，可以实现IMS n（多级IMS）功能. IMS n可以选择将cIM中的特定迁移率范围的离子喷射出去，剩余的离子继续执行迁移率分离，重复这一过程将持续减小分析范围. 该功能可以避免在多通道试验中，较大迁移率离子超过较小迁移率离子产生的“套圈”现象. IMS n激活是指将特定迁移率的离子喷射回前级TWIM，其余离子被喷射到ToF中以去除，前级TWIM中的离子经过碰撞诱导激活/解离后重新注入cIM进行迁移率分离，再将分离后的离子喷射到ToF进行检测或者继续进行IMS n分析.√6初代cIM系统对松三糖和棉子糖的分析结果显示，6次循环后分辨率达到139，约为单次通过分辨率的倍，且相比于单次通过离子损失小于15%[34]. 2017年，第二代cIM系统问世，SDGRG和GRGDS两种反序肽离子经过50次循环后，分辨率超过500，实现了超高分辨离子迁移谱的一项巨大进步[12]. 2019年，Waters公司推出了商品化仪器Select Series cyclic IMS.Sisley等[36]使用LESA-QcIM-MS分析小鼠大脑和大鼠肾脏组织中的蛋白质，在cIM前通过四极杆隔离将m/z检测范围缩小到870~920（即QcIM）以避免“套圈”现象，1、2和3次通过后分别检测到24、37和54种蛋白质，充分体现了多通道cIM 的高分辨率在复杂生物样品检测上的优势.Eldrid等[37]研究了cIM中气相蛋白质离子的稳定性，并且利用IMS n结合碰撞诱导展开（CIU）探索了+7细胞色素C（CytC）离子的展开行为（如图5所示）. 结果显示在与迁移率分离兼容的时间尺度上（几百毫秒），蛋白质可以很大程度保留其天然和多聚体状态. 对已激活的+7 CytC离子的不同到达时间范围的切片分别进行IMS n激活，探索了不同构象之间的转化现象以及展开顺序，展现了cIM在研究蛋白质动力学、稳定性和展开行为的应用潜力. 2021年，Eilrid等[38]将此方法命名为slice-CA（碰撞激活，collision activation），并研究了一种由胰岛β细胞产生的与Ⅱ型糖尿病有关的激素hIAPP，揭示了hIAPP解离前构象之间的相互转换.除了生物样品，cIM在石油组学上也获得了应用[39-40]. 石油作为最复杂的混合物之一，存在大量的236分析测试技术与仪器第 29 卷同分异构体和同量异位素，对IM-MS 的分辨率要求很高. Ruger 等[40]证明，在多次通过后，QcIM-MS可以更深入地了解瓦斯油中异构体的分布，并且消除同量异位素的干扰，结合碰撞诱导解离技术，可以分离多环芳烃和杂环化合物.2.3　无损离子操纵结构2014年，Garimella 等人提出了无损离子操纵结构（SLIM ）[41-44]. SLIM 由一对蚀刻了条状电极的平行印刷线路板组成，通过在电极上施加电压产生静电场、射频电场和驱动电场，可以实现离子无损传输、迁移率分离、选择性离子捕获和积累等复杂操作[45-46]. SLIM 分为基于直流（DC ）的DC-SLIM 和基于行波（TW ）的TW-SLIM ，由于DC-SLIM 的分辨率有限，TW-SLIM 更受青睐.TW-SLIM 通常由6列射频电极和5列行波电极以及两边的保护电极组成（如图6所示），与cIM 相似，相邻两列射频电极上施加反相射频提供纵向限制，保护电极上施加直流电势提供横向限制，行波电极上施加行波驱动离子进行迁移率分离. 射频电极与行波电极间隔分布，既简化了电源，又保证离子束缚的有效性[47]. 由于印刷线路板工艺成熟，SLIM 具有加工方便、组装灵活、成本低廉的优点，结合TWIMS 电压不随迁移路径延长而增大的特点，目前TW-SLIM 已经实现了商品化[9].ESIstepwaveIGquadtrapIGHecyclic IMSpre-array store post-array store IG arrayreflectronrepellercIM electrode0.5 cm5 cmrepellerPCBs (d)yxPCBscIM electrodes(b)(c)(e)(f)array PCBentrancearray electrodescIM electrodesexitrepellerzx yzx yzx yentrancezxtransferWdetectorpusher(a)图4　cIM 的结构示意图[35]（a ）cIM 平台概览，（b ）cIM 设备，（c ）包含阵列电极结构的离子注入/喷射区域，（d ）cIM 电极结构，（e ）离子注入/喷射模式下行波方向为x 或-x ，（f ）分离模式下行波方向为yFig. 4　Schematic diagram of structure of cIM[35](a) overview of cIM plateform, (b) cIM device, (c) ion entry/exit region, consisting of array electrodes, (d) structure of cIMelectrodes, (e) ion injection/ejection mode, array TWs applied in x (or -x ) direction,(f) separation mode, array TWs applied in y -direction第 3 期潘慢慢，等：行波离子迁移谱技术及应用研究进展2372.3.1　多圈循环式TW-SLIM为了在相对紧凑的空间尽可能的实现路径的延长，Hamid 等[48]将90°转弯结构应用在TW-SLIM 上，在有16个90°转弯结构的TW-SLIM 模块上，离子传输效率接近100%且分辨率没有显著损失. 在此基础上，Deng 等[49]开发出了分析通道长13 m 的蛇形路径TW-SLIM[图7（a ）]，并且对气压、板间距、行波和射频等参数进行了优化，单峰分辨率达到46，峰容量和峰生成率分别为246和370 s −1，实现了异构糖LNFP i 和LNFP ii 的基线分离. 目前，MOBILion Systems 公司已经将其集成到MS 系统中，完成了仪器的商品化，即MOBIE. 2021年，Wormwood Moser 等[50]结合流动注射分析，使用MOBIE 原型机分析了野生型小鼠半脑的脑提取物，仅需2 min 即可实现神经节苷脂的定量和高选择性测量，比传统的LC-MS 更加快速、高通量，且无需色谱样品制备步骤.在13 m 蛇形路径的基础上，结合动态开关结构，Smith 等人提出了多圈循环式TW-SLIM [图7（b ）][9, 43]. 离子经过40次多圈飞行后，分析路径长度超过500 m ，分离能力达到1 860，并且可以实现基本无损的离子传输. 在初步应用中，9次通过后，低聚糖LNnH 新的构象特征首次被清楚地区分（如图8所示）. 与cIM 相似，多圈循环式TW-SLIM 也存在离子飞行“套圈”现象并导致迁移率分析窗口受限. TW-SLIM 可以利用出口处的动态开关结构，摒弃一部分离子，避免“套圈”现象，简化分析结果.异构体的存在使得分析生物样品和其他复杂混合物具有挑战性，多圈循环式TW-SLIM 的超高分辨率在分析结构差异极小的异构体上有巨大优势[51]. Nagy 等[52]将α-环糊精用作手性主体，通过对环糊精与氨基酸分子形成的主客体非共价复合物进行高分辨的迁移率分离，实现了D -和L -对映体氨基酸混合物的快速检测. 此外，多圈循环式TW-SLIM 在聚糖、蛋白质等生物分子的异构体的分离和鉴定都得到了应用[53-54].然而，超长飞行路径不可避免的伴随着离子团Relative intensityV oltage/V16~17 ms slicefull ATD(a)(b)A r r i v a l t i m e /m s 1.01520253035400.50020406080100V oltage/V19~20 ms slice(c)20406080100V oltage/V23~24 ms slice (d)20406080100V oltage/V26~27 ms slice (e)20406080100Int1.00.5αβγδαβγδεζ图5　激活的+7 CytC 离子的（a ）到达时间分布，（b ）16~17 ms 、（c ）19~20 ms 、（d ）23~24 ms 和（e ）26~27 ms 切片的CIU 指纹，α、β、γ、δ、ε和ζ表示离子种群[37]Fig. 5　(a) Arrival time distribution of activated +7 CytC ion, and CIU fingerprints for slices (b) 16~17 ms, (c) 19~20 ms,(d) 23~24 ms, (e) 26~27 ms, populations labeled as α, β, γ, δ, ε and ζ[37]RFguardguardTWTWTWTWTW1234567812345678图6　TW-SLIM 的电极结构[47]Fig. 6　Structure of electrodes in TW-SLIM[47](a)(b)TWRFguardswitch ONswitch OFFMSentranceg u a r d图7　（a ）13 m 长的蛇形TW-SLIM [49]，（b ）循环蛇形路径TW-SLIM 和动态离子开关[9]Fig. 7　(a) 13 m serpentine path length TW-SLIM [49],(b) serpentine ultralong path with extended routing TW-SLIM and dynamic ion switch[9]238分析测试技术与仪器第 29 卷扩散导致的峰展宽、信噪比低、灵敏度降低等缺陷.为了解决这一问题，Garimella 等[55]提出了一种时空操纵气相离子群的方法，即压缩比离子迁移率程序（compression ratio ion mobility programming ，CRIMP ），利用断续前进的行波，将迁移率分离中的离子分布折叠成更紧密的离子包. 与使用离子漏斗进行富集相比，CRIMP 显著提高了肽的检测限，灵敏度提高了100倍以上[56]. 具有高灵敏度、高分离能力的多通道蛇形TW-SLIM 与MS 的耦合，对于解决蛋白质组学、代谢组学等长期存在的低丰度、异构混合物的挑战具有重大意义[57].2.3.2　并行分析TW-SLIM长迁移率分离时间（秒级）与有限的离子积累时间（毫秒级）的结合导致长路径TW-SLIM 存在占空比低、离子利用率低的缺点. 为了提高离子利用率，增加离子捕获区域的大小、in-SLIM 离子积累、多路复用策略等方法被相继提出，然而这些方法受到空间电荷容量、检测器的饱和点等限制[58-59]. 2022年，Deng 等[60]开发出一种新的并行分析TW-SLIM ，占空比达100%，分辨率达到150，并和三重四极质谱仪（QQQ ）联用，用于靶向定量分析.并行分析TW-SLIM 由入口、开关板载积累区域（SOBA ）、两条平行离子路径和出口部分组成，每条离子路径包括一个30 cm 的预过滤区域、离子开关、离子检测器、板载积累区域（OBA ）和一条集成了多个迁移率过滤门的4.8 m 的蛇形路径SLIM （如图9所示）. SOBA 处积累的离子可以进入任一路径的预过滤区域，经过低分辨的迁移率分离后通过离子开关将无需检测的离子传输到离子检测器，目标离子进入OBA 区域进行富集，再通过离子门注入到后面的长蛇形路径中进行迁移率分离.通过将SOBA 积累的离子多次注入到同一路径以及在两条路径分别同时进行离子积累和迁移率分离，并行分析TW-SLIM 的占空比大大提高，8次注入后利血平离子的占空比达100%，多种标准分析物的实际离子利用效率约为80%. 预过滤对目标离子靶向富集，增加了OBA 区域的目标离子容量，提高灵敏度，结合蛇形路径中的多个过滤门进一步去除干扰离子，大大提高了信噪比. 在过滤模式下，SLIM-QQQ 比QQQ 对醛固酮和可的松的灵Drift time/s0.12900.1320.1350.1380.1410.1441LNnH(a)LNHLNHβ-D-Gal-(1→3)-β-D-GlcNAc-(1→3)-[β-D-Gal-(1→4)-β-D-GlcNAc-(1→6)]-β-D-Gal-(1→4)-D-Glcβ-D-Gal-(1→4)-β-D-GlcNAc-(1→3)-[β-D-Gal-(1→4)-β-D-GlcNAc-(1→6)]-β-D-Gal-(1→4)-D-GlcOH OH OH OHOHOHOHOHOHOHOH OHNHAcOH AcHNHOHOHOHOHOO O OOOO O O OO O OH OH OH OHOHOHOHOHOH OHOHOHNHAcOH AcHNHOHOHOHOHOO O OOOO OO OO ODrift time/s1.120 1.14 1.161.18 1.20 1.22 1.241LNnHLNnH(b)LNH图8　（a ）1次和（b ）9次通过后获得的乳-N -六糖和乳-N -新六糖的迁移率分离结果[9]Fig. 8　IM-MS separation of sugar isomers lacto-N -hexaose and lacto-N -neohexaose obtained at (a) 1 pass and (b) 9 passes[9]第 3 期潘慢慢，等：行波离子迁移谱技术及应用研究进展239。

离子迁移谱技术研究和应用进展

离子迁移谱技术研究和应用进展
郭成海;曹树亚;张国胜;杨柳;潘勇
【期刊名称】《生命科学仪器》
【年(卷),期】2008(006)007
【摘要】本文介绍了传统的离子迁移谱、吸气式离子迁移谱和场离子谱技术的原理、漂移管结构、性能特点和它们在化学战剂、爆炸物和违禁药品检测等多个领域的应用概况.
【总页数】11页(P3-13)
【作者】郭成海;曹树亚;张国胜;杨柳;潘勇
【作者单位】防化研究院,北京,102205;防化研究院,北京,102205;防化研究院,北京,102205;防化研究院,北京,102205;防化研究院,北京,102205
【正文语种】中文
【中图分类】TH74
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1.离子迁移谱仪的电离技术研究进展 [J], 刘林;花榕;王姜;石磊;李金英;周书民;陈焕文
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3.超高分辨离子迁移谱技术及应用进展 [J], 徐一仟;杨其穆;蒋丹丹;厉梅;王卫国;陈创;李海洋
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军;王海燕
5.基于二维相关离子迁移谱的中药材鉴别技术研究 [J], 张正勇;宋超;沙敏;刘军;王海燕
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高场不对称波形离子迁移谱分离检测3种二甲苯同分异构体

高场不对称波形离子迁移谱分离检测3种二甲苯同分异构体王晗;刘友江;李山;徐青;胡俊;马贺;陈池来【摘要】二甲苯的3种同分异构体邻二甲苯、间二甲苯和对二甲苯的分离和同时检测难度极大.本研究采用自制的真空紫外光电离源高场不对称波形离子迁移谱仪,提出了\"指纹特征获取-分离参数选择-异构体实验分析\"的同分异构体检测方法,进行了邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯3种同分异构体同时检测的研究.在二甲苯异构体指纹谱图分析的基础上,提取了邻、间、对二甲苯的特征离子峰,基于分离电压幅值-峰位置关系分析,以及谱图叠加的方法,确定了最佳分离条件为分离电压700 V、载气流量400 L/h.在此条件下,得到邻、间、对二甲苯特征离子峰峰位置分别为4.36、14.96和11.16 V,保持了较大的间距,同时与二甲苯混合物检测谱图中峰位置为4.33、14.71和11.25 V的离子峰保持了良好的一一对应关系,误差仅为0.03、0.25和0.09 V.采用本方法实现了二甲苯混合物的同时分离检测,验证了方法的准确性.在保留特征离子峰的前提下,间二甲苯检出限为0.047 mg/m3,低于国家标准GB/T 18883-2002规定的二甲苯室内空气检出量0.20 mg/m3,线性范围为0.24～2.40 mg/m3.本研究为二甲苯异构体的检测提供了技术支持,同时为UV-FAIMS对同分异构体的快速、高精度检测提供了参考方法.【期刊名称】《分析化学》【年(卷),期】2019(047)006【总页数】8页(P933-940)【关键词】高场不对称波形离子迁移谱;同分异构体;二甲苯【作者】王晗;刘友江;李山;徐青;胡俊;马贺;陈池来【作者单位】中国科学院合肥智能机械研究所传感技术国家重点实验室, 合肥230031;中国科学技术大学, 合肥 230026;中国科学院合肥智能机械研究所传感技术国家重点实验室, 合肥 230031;中国科学院合肥智能机械研究所传感技术国家重点实验室, 合肥 230031;中国科学院合肥智能机械研究所传感技术国家重点实验室, 合肥 230031;中国科学院合肥智能机械研究所传感技术国家重点实验室, 合肥230031;中国科学技术大学, 合肥 230026;中国科学院合肥智能机械研究所传感技术国家重点实验室, 合肥 230031;中国科学技术大学, 合肥 230026;中国科学院合肥智能机械研究所传感技术国家重点实验室, 合肥 230031【正文语种】中文1 引言二甲苯是指苯环上具有两个不同位置甲基的芳香烃，包括邻、间、对3种同分异构体。

离子迁移研究

毒品、爆炸物品离子化机理

毒品和爆炸物品之所以可以用离子迁移率探测器检测，是由它们分子化学特性决定。毒品属于生物碱(如海洛因和可卡因是从植物中提炼出来的三元替代烷基生物碱)，具有很高的质子亲和力，尤其是在气相条件下，其俘获质子的能力更大，极易俘获质子而成为正离子：而大部分的爆炸物电子亲和力很大，易俘获电子成为负离子。所以在离子迁移率探测器里工作气体(载气) 在离子源(射线，激光等方法)的作用下离子化，离子化后的载气与样品气体发生作用，使样品气体离子化 (二次离子化)；离子化后的待测气体离子团在电场作用下向收集极漂移，对应不同的物质，形成对应的不同时间峰，从而被区分。样品气体的离子化是IMS工作的第一步。
仪器在毒品和爆炸物定性检测方面的实际应用
lawrence在文献中给出了阿片类毒品的折合迁移率和分子量的对数之间的关系，两者基本成线性关系。
这些样品有两个峰，但峰间距不一样，且都是先形成迁移率小的峰，然后形成迁移率大的峰。
IMS技术在爆炸物检测中的应用

大多数爆炸物都有相当高的电负性，在大气压化学电离过程中容易形成负离子，因此探测爆炸物时一般使用负离子检测模式。空气中负极性反应离子主要是水o2。为了增加选择性和去除背景干扰，常常添加挥发性反应物，通过电离反应产生反应物离子，如cl 等。
离子迁移谱技术
(Ion Mobility Spectrometry ,IMS)
离子迁移谱技术是二十世纪七十年代发展起来的一门新兴的化学分析技术，被广泛应用于测定痕量的化学武器、毒品、爆炸物、以及空气污染物等，跟其他的有机化合物分析仪器相比较，它体积小、灵敏度高、适用范围广、分析时间快、能在大气压和室温下工作，是一种前景广阔的检测仪器。

离子迁移谱(IMS)在环境污染物检测中的研究进展

Hale Waihona Puke 达到ｐ／的量级。ｇｌ
其中Ｖ为离子迁移速度，Ｋ为离子迁移率，Ｅ为迁移ｄ
管内的电场强度。因此我们通过测定离子穿过迁移管的迁移
时间或迁移速度就可以间接获得离子的迁移率。
作为一种分析技术，ＭＳ主要用来分析混合物中的微量Ｉ
１２７
张
锋：离子迁移谱（ＭＳＩ）在环境污染物检测中的研究进展
重叠以及叠加峰。国光谱化学与应用化学研究所开发了毛德
泛地应用在机场安检和战地勘查，并在环境检测、工业生产
等方面有应用。
ＩＭＳ是在大气压力下工作，根据样品分子在漂移管的特征分析时间，对微量气体进行检测的一种仪器Ｉ。在一定条件下，离子的迁移率是物质本身的一种属性，不同的物质迁移率不同，因此通过精确测定物质的离子迁移率，就可以对
ＩＭＳ技术同时还具备能在大气压力条件下工作、测灵敏度探
高、分析时间快、体积小、重量轻和功耗低等特点。这些优
点恰好满足对环境污染成分进行快速、确分析的条件，使准
渐增多。近年来反恐缉毒的需求极大地促进了现场高灵敏、高选择性检测设备的发展。ＭＳ特别适合于一些挥发性有机Ｉ化合物的痕量探测，如化学战剂、毒品、爆炸物和大气污染
的研究和发展起到一定的借鉴作用。
关键词：离子迁移谱：Ｉ；环境污染物ＭＳ
１概述离子迁移（ＭＳ检测技术是ＣｈｎＫｒｅ在ｌ７［）ｏｅ和ａａｋ０ｓ９

低流速、低电压微型差分迁移率谱的研究

低流速、低电压微型差分迁移率谱的研究李山;陈池来;朱德泉;王泓伟;刘友江;阮智铭;余建文;朱利凯【摘要】差分迁移率谱(DMS)是面向现场检测的离子迁移谱(IMS)技术发展热点之一,近年来逐渐从气溶胶检测走向物质成分检测,但现阶段存在传统结构导致的流速(＞100 L/min)和电压(＞1 kv)过大问题.本实验采用厚膜工艺制造的窄间隙离子迁移管,以10.6 eV真空紫外灯为电离源,自行研制了低流速(＜7 L/min)、低电压(＜30 V)工作条件的差分迁移率谱(DMS),以丙酮、丁酮、邻二甲苯和对二甲苯等VOCs为检测对象,比较了不同流场条件下差分迁移率谱的分辨率、灵敏度变化特性,求解分析了不同离子的离子迁移率.结果表明,鞘气Qs和载气Qa流速比Qs/Qa 是DMS分辨率和灵敏度的关键参数,当流速比Qs/Qa=3 ～9时,所有物质信号强度单调递增;Q/Qa＞9时,单调递减.分辨率在Qs/Qa=3 ～6时,单调递增;Qs/Qa=6～ 10时,增长速率逐渐降低并趋向饱和;Qs/Qa＞10时,出现不稳定跳变.通过总流量Q和分离电压K关系求解出的不同物质离子迁移率(K)与参考值符合程度极高,误差小于3％.另外,在S/N=3条件下,丁酮检出限可达0.6 μg/L.本工作为应用于物质成分现场检测的差分迁移率谱技术提供了微型化和工作条件优化基础.【期刊名称】《分析化学》【年(卷),期】2015(043)012【总页数】6页(P1814-1819)【关键词】差分迁移率谱;现场检测;微型化;低流速;低电压【作者】李山;陈池来;朱德泉;王泓伟;刘友江;阮智铭;余建文;朱利凯【作者单位】安徽农业大学工学院,合肥230030;中国科学院合肥物质科学研究院传感技术国家重点实验室,合肥230031;中国科学院合肥物质科学研究院传感技术国家重点实验室,合肥230031;安徽农业大学工学院,合肥230030;中国科学院合肥物质科学研究院传感技术国家重点实验室,合肥230031;中国科学技术大学自动化系,合肥230027;中国科学院合肥物质科学研究院传感技术国家重点实验室,合肥230031;中国科学技术大学自动化系,合肥230027;中国科学院合肥物质科学研究院传感技术国家重点实验室,合肥230031;中国科学院合肥物质科学研究院传感技术国家重点实验室,合肥230031;中国科学院合肥物质科学研究院传感技术国家重点实验室,合肥230031【正文语种】中文离子迁移谱（Ion mobility spectrometry,IMS）[1]是一类基于气态离子的离子迁移率差别,利用流场和电场共同作用实现物质离子识别的分析技术,具有分析速度快、灵敏度高等优点,在化学战剂、爆炸物、毒品、麻醉剂、挥发性有机物、生物小分子等痕量检测领域具有独特的优势和广泛的应用[2～4]。

离子迁移谱技术发展趋势和应用前景

海军未来新型舰艇的发展方向是装备集体防护系统或有限区域集体防护系统，以解决在核生化作战条件下的防护问题。舰艇集体防护系统的对多种类型毒剂探测报警仪器是舰艇防化作业环节中重要的
Ｌｉ—ｉｇＷＵＢ — ｏＷＡＧＸｎ－ｎＩｎｘｎ，ｏｔ，ＪａａＮｉｇｊａ
（ｈｅｅｒｎｔｕｅｏＳＣ，ａｄｎ０２，ｈｎＴｅ７ＲｓａｃＩｓｔｔｆＩＨｎａ５０７ＣｉＩ８ｈｉＣ６ａ）
０引言
进展，并进入实用的阶段，为对痕量有机化合物进成
行有效而灵敏分析的重要方法之一 … 。它的检测原理是首先将样品分子电离形成产物离子，物离子随产之注入一均匀电场中迁移。离子的迁移率和其质量、
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第２８卷第２期
２００６年４月
文章编号：６２— ６９２０）２— ０３—０１７７４（０６００１３
舰
船
科
学
技
术
Ｖｏ．８，Ｎｏ．１２２Ａｐ．，２０６ｒ０
ＳＰＳＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＨＩＣＩ
ＡｓａｔＯｉｎｌ，ｉｏｉｔｓｅｔｍｔ（Ｍ）ｉｄｖｌｐｄａｎａａｔａｔｃｎｑｅｉｂｔｃ：ｒｉａｙｏｍｂｌｙｐｃｏｅｒＩＳｓｅｅｏｅｓａｎｌｉｌｅｈｉｕｎｒｇｌｎｉｒｙｙｃ

电晕放电和紫外光电离源的离子迁移谱仪研制与应用

电晕放电和紫外光电离源的离子迁移谱仪研制与应用Hamed Bahrami，Mahmoud Tabrizchi*Department of chemistry ，Isfahan University of Technology, Isfahan 84156-83111, Iran摘要本文介绍了一种配备了两种非放射性电离源的离子迁移谱仪（IMS），即常压光电离和电晕放电电离源。

这两种电离源不仅可以单独作为IMS的电离源，而且可以同时使用。

光致电离源需要在平行于离子迁移管的轴向位置上安装一个紫外灯；电晕放电电极垂直于光电离安装。

实验证明，由光电离产生的离子流强度与紫外灯强度、进样速率以及漂移管电场成线性关系。

通过对选取样品的离子迁移谱信号分析，考察同时操作两种离子源离子迁移谱仪的性能。

选取在光致电离源和电晕放电电离源单独或同时作用下的一个峰作为特征峰，可以精确的与每个单独离子源作用时的离子迁移谱进行比较。

最后，证明了该装置能够辨别两种离子源单独作用时无法区分两个漂移时间相近的峰。

1.引言离子迁移谱技术（IMS）是20世纪70年代出现的一种分析技术[1]。

在IMS 中，大气压中的样品蒸汽离化形成离子，然后让离子在电场作用中产生漂移，并通过测量离子的离子迁移率来区分不同的物质。

在实际应用中，首先样品分子在载气作用下雨与位于电离反应区的电离源产生离子分子反应，形成各种产物离子。

在电场的驱使下，这些离子脉冲依次通过周期性开启的离子门进入漂移区。

在与逆流的漂移气体分子不断碰撞，由于这些离子在电场中各自的迁移速率不同，使得不同的离子分离。

IMS具有低于ppb的检出限和快速响应时间的特点，使其变得极其有用。

如今，使用便携式的IMS设备进行不同化合物痕量快速分析已经成为一种常用检测技术。

IMS技术已经广泛应用在许多领域，如爆炸物[2,3]、化学战剂[4]、毒品[5]等的检测。

另外，IMS对于在常压空气中的物质检测技术已经很成熟[6]。

离子迁移谱技术在分析与检测中的应用

离子迁移谱技术在分析与检测中的应用随着科技的不断发展，生产、制造、工艺等方面的复杂性也在逐渐提高，这也就需要更加准确和精确的分析与检测技术来支持生产和质量监控的需要。

在众多的技术手段中，离子迁移谱技术作为一种基于离子迁移的质谱分析技术，在分析与检测领域中有着广泛的应用。

一、离子迁移谱技术的基本概念与原理离子迁移谱技术是指在大气压下，将样品中的气态、液态或固态分子产生电离；用电场将电离后的离子分子和中性分子分别加速并分离；然后用磁场将其引导到检测器中，在检测器中得到各种离子的信号。

通过对这些信号进行分析和比较，即可获得样品中的各种成分的信息。

离子迁移谱技术的工作基于物质实体的电离、电场加速、磁场弯曲等原理，即离子化技术、离子加速技术和离子分析技术三个部分。

二、离子迁移谱技术的应用1. 化学分析领域离子迁移谱技术在化学分析领域应用非常广泛，可以应用于环境污染物的分析、生物样品中的有机化合物检测、药物代谢产物的检测等领域，如研究粒子物理化学、使用质谱鉴定和含稳定同位素的药物的治疗学。

同时，离子迁移谱技术还可以用于表征生物大分子（蛋白质、核酸、糖、多糖等）的结构、组成以及检测小分子化合物与生物大分子发生的相互作用等。

2. 材料分析领域离子迁移谱技术在材料分析领域可以用于表征材料分子分布等方面，如表面材料分析、涂层的分析、研究材料性质变化机制等。

可以测量各种材料的化学组成、分子形状、结构和相互作用。

3. 医学领域离子迁移谱技术在医学领域应用广泛，可以用于体内分子的检测，如使用吸血鬼蝙蝠发现抗血液癌症药物等。

经常用于分析毒物、毒素和药物代谢产物等样品，可以很好的确定一些致病因素和检测疾病的预后。

4. 环境检测领域离子迁移谱技术在环境检测领域可用于监测污染物如挥发性有机物、常规化学物质、气固颗粒、微生物感染等。

它还可以用于水质检测，如测量水样中的重金属离子、营养物质、登录痕迹和其他污染物。

5. 制药和食品领域离子迁移谱技术在制药和食品领域可用于检测食品的质量以及评估制药产生的化合物。

离子迁移谱的优缺点

离子迁移谱的优缺点
离子迁移谱(IMS)是大气压下的质谱。

IMS技术在小型化以及微型化方面则具有其独特之处：
第一，不需要真空系统，整个装置可以做得很小。

第二，其灵敏度极高，而质谱一般是微克(ug)量级，在不加任何富集的情况下，IMS就可以达到皮克(pg)量级，这些特点使得其很适合于现场在线快速分析;加上近几年出现的更新探测器技术，又可能达到飞克(fg)量级;如果再加上新的手段，其在灵敏度上的前景就不可限量。

第三，具有很好的结构区分性，能对同分异构体等实现很好的区分。

IMS原理很简单，采用电离源将中性分子电离成离子，再在电场作用下漂移，不同的离子的迁移率不同，从而将其鉴别出来。

其优势是成本低（相对于质谱仪），还有就是能在常压下进行鉴别，不像质谱仪需要高真空。

但是由于长期不能建立很好的离子反应模型，所以一直不被看好。

光电离-离子迁移谱快速监测一次性医疗器械中的环己酮

ｅｍａｌｃｕａｏｍ．ｃｃ－ｉ：ｙｈ＠ｉｆａ．ｎ
ｅａ：４ｉ＠ｇａ．ｏ－ｉ９１ｕｒｉｃｒｍｌｈａｌｎ
＊通讯联系人
第１期
光谱学与光谱分析
４７
发射的真空紫外光能量为１．Ｖ，不会电离空气主要成分０６ｅＮ２Ｏ，Ｃ，ｚＯｚ和Ａｒ但可以电离包括环己酮（，电离能９１．６
摘
要
聚氯乙烯制成的一次性医疗器械在生产加工过程中，常使用环已酮作为部件粘结剂。由于残留的
环己酮可释放到医疗器械管道和储存的溶液中，可能对病人产生一定的副作用，因此，医疗器械中环己酮并的快速检测口显重要。利用自主研制的紫外光电离离子迁移谱装置对环己酮进行检测，检测限为１ｐ，５ｐｂ
ｕｖＩ＿ＭＳ实验的具体参数，于表１中。列
Ｆｉ．２Ｓｃｍｅｏｙｉｅｐ枷Ｉｄｖｃｇｈｅｆｓｒｎｇｕｐｅｉｅ
在注射泵进样时，通过调节注射泵推进流量和载气流量
对样品气体稀释，进样浓度容易控制。次实验中，置灵本装
第３卷２
ｃｅｆｉｔＲ）ｏｆｃｎ，分别为０９４和０９５ｉｅ．９．９。在０２～１．ｐ．５３９ｐｍ浓度范围以内，两条曲线基本重合，说明两种进样方式制备
的环Ｌ酮基本一致。三
用气密型玻璃注射器分别抽取Ａ，Ｂ和Ｃ三个品牌一次性输液器包装袋内的气体，通过注射泵进样，测量的离子迁移谱如图５，ａｂ和Ｃ示。三个品牌样品离子的迁移时间都所

一种电晕放电电离源结构及离子迁移谱仪的制作方法

一种电晕放电电离源结构及离子迁移谱仪的制作方法
制作一种电晕放电电离源结构及离子迁移谱仪可以按照以下步骤进行：
1. 准备材料和仪器
- 金属材料，如不锈钢或铝合金，用于制作电极和电离源结构。

- 高温耐热绝缘材料，如陶瓷或聚四氟乙烯（PTFE），用于制作电极和电离源之间的绝缘层。

- 气体供应装置，如气体罐、压力控制器和气体输送管道。

- 谱仪所需的电子学设备，如放大器、逆变器和数据采集系统。

2. 设计和制作电离源结构
- 设计电离源的形状和尺寸，通常是一个封闭的金属结构，内
部有一对相对的电极。

电极之间的间隙会形成电晕放电区域。

- 使用金属材料加工制作电离源结构，确保电极之间的间隙足
够小以产生电晕放电，但不会导致放电过大或间隙过小。

- 在电离源结构内部，使用绝缘材料制作绝缘层，以防止电极
之间的短路。

3. 安装和连接电离源结构
- 将电离源结构安装在离子迁移谱仪的样品室内部，确保电离
源的位置和方向正确。

- 使用电缆将电离源和谱仪的电子学设备连接起来，并确保连
接良好。

4. 装配和测试离子迁移谱仪
- 将谱仪的其他部件和设备组装起来，如偏转板、检测器和电
子学设备。

- 启动谱仪，并进行测试和校准，确保离子迁移谱仪正常工作
和精确测量。

总的来说，制作一种电晕放电电离源结构及离子迁移谱仪需要进行材料准备、电离源结构设计和制作、电离源的安装和连接，以及离子迁移谱仪的装配和测试等步骤。

具体的步骤和方法可能因具体的制作要求和设备设计而有所不同。