[发明专利]使用掺杂剂的离子迁移谱仪(IMS)的检测系统及检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及使用掺杂剂的离子迁移谱仪(IMS)及检测方法和系统。

背景技术

离子迁移(IMS)技术作为一种痕量探测技术起源于二十世纪六十年代，早期的专利(US 3699333和4777363)对这一技术进行了详尽的描述。离子迁移谱仪的基本原理是：使被检测的样品蒸气或气化后的固体微粒离化形成离子，然后在弱电场的作用下，离子在迁移管中进行定向迁移，由迁移管终端的检测器测量出离子通过电场所用的迁移时间，进而根据离子所用的迁移时间可以计算出离子的迁移率(即单位电场强度作用下离子的迁移速度)。由于在一定的条件下，各种物质离子的迁移率具有特异性，和离子本身的质量、所带电荷数、空间结构等因素相关，因而将检测得到的不同离子对应的迁移率与标准物质库进行匹配，就可以判断出物质的种类。

迁移管是离子迁移谱仪的核心部件，其基本结构如图1所示，包括样品入口、离化区、离子门、迁移区和探测器等几个部分。

迁移管的最前部是样品入口，被测样品在载气的带动下由此进入离化区，载气一般是净化过的空气。离化区中的离子源63Ni发出的电子会和空气中的N2或O2以及空气中存在的少量水分子发生反应，生成(H2O)nH+，(H2O)nNO+，(H2O)nNH4+，(H2O)nO2-，(H2O)n(CO2)mO2-，(H2O)nOH-等反应物团簇离子，当待测物或样品分子进入离化室后，就会和反应物离子反应生成对应的产物离子。当离子门打开时，该产物离子由离化区进入迁移区，在电场作用下发生定向迁移，并最终撞击到置于迁移区终端的探测器上，产生表征离子流强度的微弱电流信号，形成的谱图显示离子强度随时间变化的实时信息。由于不同产物离子的迁移率各不相同，到达探测器所需的迁移时间也不同，通过谱图分析并与标准物质库进行匹配，就可以判断出物质的种类。

在离子迁移管的离化区中进行的待测样品气体分子的离化为二次离化过程：载气和样品蒸气的浓度比导致载气分子较于样品蒸气分子更易为离子源所离化，因此电离过程首先对空气分子进行，生成反应物离子。由于离化载气分子的自由程远远小于反应室的几何尺寸，离化了的载气分子和样品蒸气分子间将频繁碰撞，从而使电荷或质子从离化了的载气分子转移到样品分子上。这种电荷或质子的转移反应由参加反应的分子的电子或质子亲和力决定，电荷会从电子或质子亲和力小的分子转移到亲和力大的分子上面。在离子迁移谱仪的实际使用中，通常通过加入掺杂剂的方式来改变反应物的分子组成和离化机理，从而改变生成的产物离子的化学组成，以提高仪器的检测灵敏度和选择性。掺杂试剂分子必须具备低于样品分子(如爆炸物)但高于载气中所含其它组分的电子亲和力，因此可优先离化生成组成较为稳定的团簇离子，以避免载气中具有较低亲和力的干扰物参与离化反应，同时由于样品分子的电子或质子亲和力大于试剂分子，这些离子继而再和样品蒸气分子反应生成可供检测的样品分子离子。掺杂剂的加入还可使生成的产物离子对应的谱图峰位发生移动，使原来没加入掺杂试剂时由于峰位重合而难以识别的离子峰分离开来，从而实现在干扰物存在状况下对待测组分的识别。目前在爆炸物探测中常用的掺杂剂是卤代化合物，在毒品探测中常用的掺杂剂是烟酰胺、丙酮、氨水等。

在过去的30多年里，发达国家对IMS技术开展了大量的研究工作，并在仪器结构，分离原理，采样技术等诸多方面申请了许多专利(US4311669，US4551624，DE19502674，WO9306476等)。其中一些专利描述了化学掺杂剂的加入方式及相关应用：