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離子遷移譜技術(shù)IMS和FAIMS介紹
瀏覽次數:468發(fā)布日期:2024-04-07

離子遷移譜技術(shù)是應用最早且最為廣泛的痕量化學(xué)物質(zhì)探測技術(shù)之一,在實(shí)驗室檢測、化學(xué)化工、安檢安防等領(lǐng)域都有廣泛應用。而非線(xiàn)性離子遷移譜是以離子遷移理論為基礎的另一種檢測理論,利用目標物離子在高電場(chǎng)作用下的遷移率非線(xiàn)性效應,操縱離子通行軌跡進(jìn)而對離子進(jìn)行區分和識別。


兩種技術(shù)都是源自于氣相色譜(GC)理論,但都是應用于常壓大氣環(huán)境下的氣體分子(離子)檢測。因此,對于環(huán)境穩定性的依賴(lài)相對較強,溫度、濕度、氣壓乃至采樣干擾都會(huì )對檢測結果造成影響。常規的手段除了溫濕度控制和采樣清潔度控制外,還有通過(guò)增加已知標的物的反應物離子峰(RIP),間接的修正環(huán)境不穩定因素造成的波譜漂移問(wèn)題。


因此,離子遷移譜類(lèi)技術(shù)(包括IMS和FAIMS)可以認為是實(shí)驗室級精準檢測技術(shù)在常規環(huán)境下的降維應用,其在識別精度及靈敏度層面不及實(shí)驗室級精準檢測技術(shù),但是其使用的便捷性卻得到了極大的提升,其具備定性半定量的特點(diǎn)可以滿(mǎn)足“違禁品識別"領(lǐng)域中的大客流、高通量、快速檢測的要求。


此外,隨著(zhù)離子遷移譜類(lèi)技術(shù)的不斷發(fā)展,很多交叉領(lǐng)域也被融合到現有技術(shù)中,如基于MEMS加工的微型氣流通道可以在極小尺寸的范圍內實(shí)現多變量、低采樣的并行檢測,極大地提升了檢測設備的融合性與便捷性。


離子遷移譜和非線(xiàn)性離子遷移譜,都是對大氣環(huán)境下的帶電分子進(jìn)行控制和檢測的理論,同是基于離子遷移率K這一物理量,但兩種技術(shù)利用的方式不同,詳細介紹如下:


1.離子遷移譜技術(shù)(IMS)


IMS技術(shù)通過(guò)檢測被電離分子在恒溫、低濕、恒電場(chǎng)的條件下,通過(guò)對樣品通過(guò)相同長(cháng)度的電場(chǎng)通道所需花費的時(shí)間測量,進(jìn)而區分樣品類(lèi)型,如圖1所示。


以爆炸物樣品為例,當樣品分子置于遷移通道左端時(shí),樣品分子靠近電離源時(shí)會(huì )被電離帶上負電,遷移通道內電場(chǎng)的方向為自右至左,帶負電的樣品離子在電場(chǎng)的作用下會(huì )向傳感器方向進(jìn)行遷移,由于管道內的環(huán)境是一定的,在這種環(huán)境下樣品離子的遷移率K也是固定的,因此其遷移速度v=K×E也為固定值,所以同種離子到達傳感器的時(shí)間也是固定的,通過(guò)測量分子到達傳感器的時(shí)間T來(lái)判斷樣品種類(lèi)。


實(shí)際應用時(shí),由于離子在電場(chǎng)作用下的速度較快,為了減少遷移通道的尺寸,會(huì )逆著(zhù)離子行進(jìn)方向增加一個(gè)反向氣流,同時(shí)減少所有離子的移動(dòng)速度。同時(shí),由于管道內環(huán)境需要保持高度一致性,一般情況下會(huì )對管道壁進(jìn)行加熱,約180℃-200℃。此時(shí)的內環(huán)境溫度高于室外環(huán)境溫度,在少量采樣的情況下不會(huì )對內環(huán)境造成影響。


2.非線(xiàn)性離子遷移譜技術(shù)(FAIMS)


區別于IMS技術(shù),FAIMS技術(shù)利用的是樣品分子(離子)在空氣中的遷移率K的高電場(chǎng)下的非線(xiàn)性效應。在電場(chǎng)強度E低于10000V/cm時(shí),離子的遷移速度v和離子的遷移率K依舊成線(xiàn)性關(guān)系,即v=K×E。但是當電場(chǎng)強度大于10000V/cm時(shí),遷移率K會(huì )隨著(zhù)電場(chǎng)強度E發(fā)生變化,可表述為K=K0(1+α(E))。對于不同的樣品離子,其非線(xiàn)性系數α也不同。當樣品離子處于正負強度非對稱(chēng)且周期總和為0的交變電場(chǎng)作用下時(shí),在電場(chǎng)較強的半個(gè)周期內,離子運動(dòng)的非線(xiàn)性效應會(huì )較為明顯,假定該離子的非線(xiàn)性系數α>0,則該離子在這半個(gè)周期內的運動(dòng)距離S圖1高場(chǎng)會(huì )比另半個(gè)周期內的運動(dòng)距離S低場(chǎng)要大,即S高場(chǎng)-S低場(chǎng)>0,離子在整個(gè)不對稱(chēng)電場(chǎng)的周期作用下會(huì )產(chǎn)生一個(gè)沿電場(chǎng)方向的凈位移(δS)。


如圖2所示,遷移通道的上下電極之間會(huì )加有強度不對稱(chēng)的周期電壓,從而在上下電極之間形成強度不對稱(chēng)的周期電場(chǎng)。同時(shí),在遷移通道中存在著(zhù)自左向右的流動(dòng)氣流。離子的行進(jìn)軌跡如圖2所示,這是在不進(jìn)行刻意修正的情況下電場(chǎng)和氣流雙重作用下的結果。但是通過(guò)調整電極板間距、電場(chǎng)強度差、電場(chǎng)頻率等信息可以控制離子無(wú)法通過(guò)遷移通道,而不是直接撞擊在電極側壁上,失去電子,從而無(wú)法被傳感器進(jìn)行檢測。


FAIMS技術(shù)的主要實(shí)現思路就是控制諸如電場(chǎng)強度、頻率、電極間距這些參量,控制選定的離子通過(guò)遷移通道而阻礙其他的離子通過(guò),從而實(shí)現離子篩選和識別的目的。


3.IMS和FAIMS的區別


兩種離子遷移譜技術(shù)雖然都利用電離源進(jìn)行電離后再進(jìn)行遷移檢測,但由于檢測的方式和檢測的條件不同,兩種檢測方式也具有不一樣的特點(diǎn)。IMS技術(shù)的設備由于在設計中會(huì )對電場(chǎng)通道進(jìn)行恒溫恒濕等處理,因此其檢測結果受到外界環(huán)境的干擾相對較少,但同樣是由于如此,設備的體積以及啟動(dòng)時(shí)間都會(huì )有所妥協(xié)。FAIMS原理的設備由于是通過(guò)測量樣品通過(guò)管道時(shí)預置條件而并非通過(guò)時(shí)間,對外界環(huán)境沒(méi)有太高要求,不需要對環(huán)境進(jìn)行預處理,因此可以將設備的體積減小,縮短啟動(dòng)時(shí)間,但相對的控制手段較為復雜。


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