[发明专利]用于离子迁移率谱仪的微机电表面离化源

说明书

技术领域

本发明涉及离子迁移率谱仪(IMS：Ion Mobility Spectrometer)技术领域，尤其涉及用于离子迁移率谱仪的微机电(MEMS)表面离化源及其工作方式。

背景技术

离子迁移率谱仪是一种新的检测仪器，它与飞行时间质谱有些类似，但不需要高真空条件，而是在大气压下工作。离子迁移率谱仪是根据大气压下离子在弱电场中(约200V/cm量级)迁移率的不同来鉴别不同物质。它主要由漂移管和外围电路及气路系统、进样系统组成。漂移管是离子形成和漂移的场所，是离子迁移率谱仪(IMS)中最重要的器件，它的性能直接决定了整个仪器的指标。

传统漂移管主要由四部分组成：1离化区；2离子漂移区；3位于离化室与漂移区之间的离子门；4作为离子检测器的法拉第盘。使用离子迁移率谱仪(IMS)检测样品时，首先使被测物(可以是气体或者微粒)在离化区离化形成带电离子，然后离子通过离子门进入漂移区，在电场作用下经过一定时间漂移至法拉第盘，测量离子通过漂移区所需的时间计算出离子的迁移率。

用于探测化学战剂(CWAs)、有毒工业化学物质(TICs)、毒品和爆炸物的离子迁移率谱仪通常采用放射离化(Radio Ionization，RI)方法。放射离化源机械稳定性好、无需额外能源，能较好地满足便携式离子迁移率谱仪(IMS)的要求。

但是，使用放射源作为离子迁移率谱仪(IMS)的离化装置也面临一些问题。

首先，放射离化源存在安全隐患，而且定期对放射源进行检测和处理也给使用带来很多不便。

其次，根据离子迁移率谱仪(IMS)的检测原理，为了测量离子在漂移区的漂移时间，需要对进入漂移区的离子进行“调制”，使得进入漂移区的离子在时间上为分立的离子团(一般要求离子团之间的时间间隔大于离子在漂移区的漂移时间)，而放射离化过程在放射源失效之前一直稳定地进行，需要另外的装置对进入漂移区的离子进行“调制”，传统离子迁移率谱仪(IMS)中常用的“调制”装置为离子门。为了提高离子门的“调制”效果，减小离子迁移率谱图中的基电流以提高图谱的信噪比，传统漂移管在离子门之前必须有一定大小的离子存储区，漂移管很难做到小型化、微型化。

最后，由于放射离化方法的气相离子-分子化学反应原理限制，采用放射离化的离子迁移率谱仪(IMS)容易受到水蒸汽等物质的干扰，需要对载气和漂移气体进行严格处理。而且由于存在反应离子和被测物分子之间的电荷竞争，使得采用放射离化的离子迁移率谱仪(IMS)线性范围小，容易出现饱和现象。

由于上述问题，越来越多的研究工作正致力于寻找放射离化的替代方法，其中表面离化(Surface Ionization，SI)作为离子迁移率谱仪(IMS)的新型离化方法受到高度重视。

表面离化技术是一种利用热固体表面将一些有机分子热离化，从而获得正离子或负离子的方法。作为一种放射离化的替代方法，表面离化具有一些独特性能：1、由于水蒸汽等大多数小分子不发生表面离化，不会形成背景离子，所以对载气和迁移气体无需过滤、干燥等特殊处理；2、表面离化对一些含氮、含磷的有机化合物离化效率非常高，使得采用表面离化方法的离子迁移率谱仪(SI-IMS)对这些化合物有很好的选择性和极高的灵敏度；3、表面离化(SI)机理不同于RI的气相离子-分子化学反应，不存在反应离子与分析物分子之间的电荷竞争，分析物分子直接离化形成离子，从而采用表面离化方法的离子迁移率谱仪(SI-IMS)具有更宽的响应范围。

有机分子的表面离化分为两个过程：

表面离化过程1：一定催化温度条件下，有机分子在离化材料催化作用下裂解形成活化基团，反应如下：

活化基团通过中心原子与离化材料原子的共轭电子作用吸附在离化材料表面。

表面离化过程2：受外部能量微扰(如电场、热脉冲以及分子碰撞等)的作用，共轭电子的占有轨道能级发生改变，共轭电子偏向一方而使活化基团极化带电，带电基团在电场力作用下脱离离化材料表面转变成离子。例如，对于正离子来说，它的形成过程可以表示为：