简析横向对比传统离子迁移谱技术离子:迁移谱类技术的原理及应用 - 品至安防-方案下载坑

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简析横向对比传统离子迁移谱技术离子:迁移谱类技术的原理及应用

2022-06-15 17:12:49616人已围观 0

  物质检测技术,对安检领域中的“违禁品检测”而言一直是刚需性应用,无论是对梯恩梯、黑索金这类爆炸物,还是对冰毒、海洛因这类毒品,快速而准确地识别出被测物质的类型是最主要的目的。常规应用的物质检测技术有离子迁移谱技术、激光拉曼光谱技术、红外光谱技术和X 射线物质识别技术等,各类技术都有自己所涵盖的物质检测领域以及各自所具备的优缺点,选择更适合安检环境中大客流、高通量、快速检测等特点的检测技术,才能使安检更为有效、准确。


本文主要介绍了在物质检测中非线性离子迁移谱技术的原理,横向对比了与其同源的传统离子迁移谱技术,阐述了双方技术特点、应用特点以及技术优缺点。同时横向对比了离子迁移谱类技术和激光拉曼光谱技术的各自特点及应用场景。关于非线性离子迁移谱,本文介绍了其工作特点及检测性能,并给出了一些可行的改进点和方向。最后,对痕量物质检测技术在未来安检领域中的应用做了展望,包括应用方式的变化和技术联用的实施。


一、背景介绍

离子迁移谱技术是应用最早且最为广泛的痕量化学物质探测技术之一,在实验室检测、化学化工、安检安防等领域都有广泛应用。而非线性离子迁移谱是以离子迁移理论为基础的另一种检测理论,利用目标物离子在高电场作用下的迁移率非线性效应,操纵离子通行轨迹进而对离子进行区分和识别。


两种技术都是源自于气相色谱(GC)理论,但都是应用于常压大气环境下的气体分子(离子)检测。因此,对于环境稳定性的依赖相对较强,温度、湿度、气压乃至采样干扰都会对检测结果造成影响。常规的手段除了温湿度控制和采样清洁度控制外,还有通过增加已知标的物的反应物离子峰(RIP),间接的修正环境不稳定因素造成的波谱漂移问题。


因此,离子迁移谱类技术(包括IMS和FAIMS)可以认为是实验室级精准检测技术在常规环境下的降维应用,其在识别精度及灵敏度层面不及实验室级精准检测技术,但是其使用的便捷性却得到了极大的提升,其具备定性半定量的特点完全可以满足“违禁品识别”领域中的大客流、高通量、快速检测的要求。


此外,随着离子迁移谱类技术的不断发展,很多交叉领域也被融合到现有技术中,如基于MEMS加工的微型气流通道可以在极小尺寸的范围内实现多变量、低采样的并行检测,极大地提升了检测设备的融合性与便捷性。


二 从离子迁移谱(IMS)到非线性离子

迁移谱(FAIMS)

离子迁移谱和非线性离子迁移谱,都是对大气环境下的带电分子进行控制和检测的理论,同是基于离子迁移率K这一物理量,但两种技术利用的方式不同,详细介绍如下:


1.离子迁移谱技术(IMS)

IMS技术通过检测被电离分子在恒温、低湿、恒电场的条件下,通过对样品通过相同长度的电场通道所需花费的时间测量,进而区分样品类型,如图1所示。

    

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图1


以爆炸物样品为例,当样品分子置于迁移通道左端时,样品分子靠近电离源时会被电离带上负电,迁移通道内电场的方向为自右至左,带负电的样品离子在电场的作用下会向传感器方向进行迁移,由于管道内的环境是一定的,在这种环境下样品离子的迁移率K也是固定的,因此其迁移速度v=K×E也为固定值,所以同种离子到达传感器的时间也是固定的,通过测量分子到达传感器的时间T来判断样品种类。

  

实际应用时,由于离子在电场作用下的速度较快,为了减少迁移通道的尺寸,会逆着离子行进方向增加一个反向气流,同时减少所有离子的移动速度。同时,由于管道内环境需要保持高度一致性,一般情况下会对管道壁进行加热,约180℃-200℃。此时的内环境温度完全高于室外环境温度,在少量采样的情况下不会对内环境造成影响。

  

2.非线性离子迁移谱技术(FAIMS)

区别于IMS技术,FAIMS技术利用的是样品分子(离子)在空气中的迁移率K的高电场下的非线性效应。在电场强度E低于10000V/cm时,离子的迁移速度v和离子的迁移率K依旧成线性关系,即v=K×E。但是当电场强度大于10000V/cm时,迁移率K会随着电场强度E发生变化,可表述为K=K0(1+α(E))。对于不同的样品离子,其非线性系数α也不同。当样品离子处于正负强度非对称且周期总和为0的交变电场作用下时,在电场较强的半个周期内,离子运动的非线性效应会较为明显,假定该离子的非线性系数α>0,则该离子在这半个周期内的运动距离S图1高场会比另半个周期内的运动距离S低场要大,即S高场-S低场>0,离子在整个不对称电场的周期作用下会产生一个沿电场方向的净位移(δS)。

    

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图2


如图2所示,迁移通道的上下电极之间会加有强度不对称的周期电压,从而在上下电极之间形成强度不对称的周期电场。同时,在迁移通道中存在着自左向右的流动气流。离子的行进轨迹如图2所示,这是在不进行刻意修正的情况下电场和气流双重作用下的结果。但是通过调整电极板间距、电场强度差、电场频率等信息可以控制离子无法通过迁移通道,而不是直接撞击在电极侧壁上,失去电子,从而无法被传感器进行检测。

  

FAIMS技术的主要实现思路就是控制诸如电场强度、频率、电极间距这些参量,控制选定的离子通过迁移通道而阻碍其他的离子通过,从而实现离子筛选和识别的目的。

  

3.IMS和FAIMS的区别

两种离子迁移谱技术虽然都利用电离源进行电离后再进行迁移检测,但由于检测的方式和检测的条件不同,两种检测方式也具有不一样的特点。IMS技术的设备由于在设计中会对电场通道进行恒温恒湿等处理,因此其检测结果受到外界环境的干扰相对较少,但同样是由于如此,设备的体积以及启动时间都会有所妥协。FAIMS原理的设备由于是通过测量样品通过管道时预置条件而并非通过时间,对外界环境没有太高要求,不需要对环境进行预处理,因此可以将设备的体积减小,缩短启动时间,但相对的控制手段较为复杂。


三、拉曼光谱识别技术与离子迁移谱类技术的特点对比

离子迁移谱技术相对于拉曼光谱技术而言,离子迁移谱技术的识别速度更快,通常在10S内可完成一次采样和识别过程,但对样品种类的区分只能具体到部分相似种类的集合,如TNT和DNT在离子迁移谱类设备中无法进行区分。离子迁移谱类设备适合于做前期的快速初筛。

    

拉曼光谱技术通过采用激光散射光谱可以准确测量出样品的分子结构,但是检测时间较长,普通测量的积分时间一般在30S以上,在样品形态较差或数量较小的情况下,测量时间通常在2分钟左右。因此拉曼光谱技术适用作为后期的物质的精细识别,两者技术可以做到优势互补。

   

同时最关键的一点,拉曼光谱对于样品质量的需求极大,通常都是宏观以克为单位的固定样品或液体样品。但离子迁移谱类设备属于痕量物质检测,通常检测的物质质量为微克级或PPM级浓度。


四、离子迁移谱技术的优点与不足及改进方向

目前的离子迁移谱技术针对抗干扰能力强、误报率低、更安全便捷等要求,还需要有一定的改良。由于离子迁移谱技术是一门快速、便捷、痕量侦测技术,因此设备需要有足够的稳定性来减少错报漏报的问题。由于离子迁移谱技术是一项痕量技术,因此需要降低外界对其的干扰情况。外界的干扰主要分为两个方面:一是环境干扰,主要是在于温度、湿度之类的干扰,因为针对目前的离子迁移谱技术,无论是IMS技术还是FAIMS技术,其核心理论是需要样品分子在迁移管道内运动,环境的温度会影响分子的运动效果,湿度则是会影响电离的效果。因此针对环境问题有两种解决方法:一种是通过对外界环境进行一定的控制,例如进行加热去湿等方式来保证迁移管道内的温度和湿度保持一致;另一种是通过其他传感器来检测外界环境,对检测的信号进行调节与判断。二是电磁干扰,由于离子迁移管道内的传感器获得的信号幅值很低,易收到外界环境以及设备本身的干扰,因此会对传感器输出的信号进行接地屏蔽并进行一定量的放大,使其在不失真的情况下获得可以进行测量的信号。

    

作为一个快速测量的技术,为了降低后续的无用处理,误报率低是一个重要指标。针对这一要求,一是选择电离性能稳定的电离源,这样能降低电离状态的不同产生的干扰;二是将设备尽量平稳放置来降低因为晃动等原因产生的干扰。此外在安全便捷方面,离子迁移谱技术的设备由于原理相对较为简单,使得设备的体积会比较小,便于携带和现场检测。


五、痕量物质检测技术展望

随着检测技术的不断发展,新形态的爆炸物和毒品也是层出不穷。其中影响较大的莫过三过氧化三丙酮(TATP)这种新型熵炸药,TATP不含有传统有机炸药中的含氮高能基团,因此在多数情况下被认为无法通过离子迁移谱类设备进行检测。但是由于离子迁移谱具备负离子和正离子两个极性离子的检测能力,酮基这类基团在电离源作用下通常带正电,因此在IMS系统中,通过正离子检测模式的切换,可以实现对TATP的探测。同时,在FAIMS系统中,由于不单纯依赖电场进行离子轨迹驱动,在不进行模式切换的情况下依然可以实现TATP的探测。

    

另一方面,多技术联用目前被广泛应用在实验室级检测,例如GC-MS联用(气相色谱与质谱仪联用)、FAIMS-IMS联用(非线性离子迁移谱与离子迁移谱联用)和FAIMS-MS联用(非线性离子迁移谱与质谱仪联用)。在违禁品探测领域,通过对单一技术的系统进行小型化、模块化的设计,可以实现更为集约化的集成,满足便携性和快速性的要求,同时极大增加了检测的准确性。多技术的联用也是未来物质检测领域的一个重要方向。

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