[发明专利]离子分离、富集与检测装置

说明书

技术领域

本发明涉及对化合物进行富集与检测的技术，尤其涉及一种离子分离、富 集与检测装置。

背景技术

随着全世界范围内对走私、贩毒、恐怖主义的打击以及对国土安全的重视， 快速、准确、灵敏的检测设备越来越为各国机场、海关、体育场等大型公共场 所不可或缺。目前，离子迁移谱仪以其快速、轻便、灵敏度与选择性较高等特 点在以上领域得到了广泛的应用。离子迁移谱是一种相对较新的气相分离与检 测方法，与气相色谱不同的是，在离子迁移谱中，待分离的化合物必须先经过 电离形成离子，再对其在电场的作用下根据其离子的大小进行分离。

目前安置在各个安检机关的离子迁移谱仪可以从原理上分为两类，第一类 为传统的离子迁移谱仪(Ion Mobility Spectrometry，IMS)，其原理为在一充满 中性气体的气流管道中施加一轴向的直流电场，处于此电场中的离子在加速电 场和与中性气体碰撞的双重作用下会进行匀速运动，其运动速度与电场强度成 正比(v＝KE)。公式中v为离子运动速度，E为场强，K为离子迁移率；其中离 子迁移率与离子的横截面积成反比，因而它是离子大小的量度。而第二类离子 差分迁移谱仪(Differential Mobility Spectrometry，DMS)则利用不同离子在高 电场和低电场下离子迁移率的差别的不同而对其进行分离，其原理大致如下： 离子随气流进入两平行电极板之间，其中一个电极上被施以一个非对称的射频 信号——持续较短的强场信号和与之反向的持续较长的弱场信号；持续时间长 短的差异设置能使离子在强场和弱场的作用下的离子迁移率相等，那么其在径 向上的净位移为零(K_HE_Ht_H+K_LE_Lt_L＝0)。式中K为离子迁移率，E为场强， t为时间，H代表强场场强，L代表弱场场强。而通常离子在强场和弱场的作用 下离子迁移率会产生变化，这就使得离子在径向上的净位移不为零。这就需要 在另一个电极板上加一个直流补偿电压(Compensation Voltage)来抵消由迁移率 变化造成的位移差，以确保离子能在气流的引导下通过电极板对并在出口处被 检测到。由于不同离子在强场和弱场下离子迁移率的变化不同，其所需补偿电 压值也不同，因而这些不同的补偿电压值就成为区分不同离子的标志。DMS 的一个变体为FAIMS，即强场不对称离子迁移谱(High Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry)，两者的基本原理相同，只是前者为平板结构，而后者 的离子迁移管几何构型为同心圆柱管。虽然和质谱仪相比，离子迁移谱仪的分 辨率还较低，但由于离子迁移谱仪可以在大气压下工作，从而省去了昂贵且占 用空间的真空系统，因而可以将其制成便携式的仪器，便于快速的现场检测。

目前安检部门使用离子迁移谱仪较常用的取样方法为用纸片在受测试的 样本上轻刮以取得少量样本，再将纸片转移至离子迁移谱仪的离子源进行检 测。目前这两种方法的检测限通常在纳克至皮克级。然而，此种方法的局限性 在于需要有专人对被测者或被测物进行取样；并且局部取样也不能覆盖被测物 全部，这样容易产生漏检的情况。

为解决这类问题，另一种安检部门装备的离子迁移谱类仪器涉及使用封闭 风室对被测者全身进行吹洗后用离子迁移谱检测气流中所含物质。由于在此种 方法中被测物混迹在大量的环境气体中，其浓度较第一种方法大大降低，这就 需要检测仪器有更高的灵敏度。为了能够进一步提高仪器的灵敏度，被测物的 预富集是可行的方法之一。如美国专利号6345545所述，由气流带入检测器的 样品首先要经过一些有强吸附作用的栅网，富集一段时间之后在栅网上施加一 个冲击波使得吸附物脱附出来并引入下一级检测器。此种富集方式已经在美国 Syagen公司的产品Guardian Portal上使用。然而，此种方式依然会有大量的被 测物未被吸附，并且物理吸附和解吸都需要相对较长时间。