CN101413919A - 一种对样品进行识别与解析的方法及离子迁移谱仪 - Google Patents

Abstract

一种对样品进行识别与解析的方法，将样品同时并行通过光离子化电离VUV、放射性⁶³Ni电离、尖端放电电离和电喷雾电离四种方式中的任意两种或三种方式组合进行电离；之后再同时进行正负离子模式检测，得到正负离子信号谱图，得到的离子信号用微电流放大器分别放大后，进入多通道数据采集卡采集，通过计算机对数据进行分析得到待测样品的种类和浓度。本发明的优点：根据离子迁移谱不同电离源和不同检测模式下测量化合物种类的不同，实现拓宽离子迁移谱测量的化合物种类，同时根据谱图本身的特征和谱图之间的差异，来分析识别样品，从而实现提高离子迁移谱对样品分析识别能力，同时又能保持离子迁移谱仪小型、便携的优点。

Description

一种对样品进行识别与解析的方法及离子迁移谱仪

技术领域

本发明属于分析仪器离子迁移谱仪，具体来说涉及到离子迁移谱仪的电离方式与检测模式，利用这种方法可以拓宽离子迁移谱测量的化合物种类，同时极大地提高离子迁移谱对样品的快速识别与解析能力。

背景技术

离子迁移谱(Ion Mobility Spectrometry，IMS)技术是20世纪70年代出现的一种分析检测技术，80年代该技术被应用于现场分析检测，它的基本原理是：在大气压条件下，待测样品被电离形成离子，生成的离子在外加电场力作用下运动。在弱电场(小于1000V/cm)的范围内，离子运动的速度正比于电场强度，v＝KE，这里v为离子的速度，E为电场强度，K为离子迁移率，离子的迁移率在弱电场的范围内为常数，其数值主要取决于离子的结构、质量、电荷数和尾吹气的种类等因素，不同的离子其迁移率的数值有所不同。这样，根据测量得到的迁移时间就可以推断出样品的成分。同时依据浓度的对数值与峰面积之间呈正比例的关系，可以进行定量计算。

离子迁移谱依据离子迁移率K₀来对不同化合物进行识别，K₀是归一化后的约化迁移率， $K_0=K\×\frac{P}{101}\×\frac{273}{T},$ 它是与离子的质量和结构以及漂移气体分子的性质有关的常数，是离子迁移谱中用来识别物种的特征量。常温常压下离子迁移谱的理论极限分辨率(门宽窄，信号强度弱)只有100左右，商品化仪器的分辨率在30左右。常见的小分子化合物K₀的值一般在1.5～2.0cm²V^-1s^-1之间。不同的化合物的K₀值差别很小，如VUV光电离甲醛、乙醛、丙酮和丁酮得到离子的K₀的最大差别只有1％。单一电离源的离子迁移谱的可分辨的化合物容量只有20—30。为解决这种低分辨引起峰重叠，通常在测量时利用在电离区添加一种试剂，实现选择电离对某一类化合物进行测量，如含硝基的爆炸物和含氨基的毒品。我们最近研制了VUV光电离、放射性⁶³Ni和尖端放电(CD)的离子迁移谱仪，对常见的有机化合物，如甲醛、乙醛、丙酮和丁酮、苯系物、H₂S和HCl等化合物进行测量时发现，同一种化合物在不同的电离方式下可以产生不同的离子，对应不同的迁移率。同一种电离源，得到的正负离子迁移谱也有很大的差别。因此我们提出组合电离模式的离子迁移谱分析仪，拓宽了离子迁移谱测量的化合物种类，同时极大地提高了离子迁移谱对样品的快速识别与解析能力。如单一迁移谱的分辨能力为10，三电离源的分辨能力可以达到10³，考虑单一电离源改变迁移管的正负极性，理论分辨能力可以达到10⁶。

发明内容

本发明的目的是提供一种对样品进行识别与解析的方法及离子迁移谱仪，提高离子迁移谱对样品的分析识别能力。

为实现上述目的，本发明将至少两种电离方式，正、负离子两种检测模式相组合，构成复合阵列型离子迁移谱仪，一种样品经此复合阵列型离子迁移谱(如光离子化源和放射性⁶³Ni结合)进行分析检测，可以得到至少四张谱图，分别是光离子化电离后的正离子信号谱图、负离子信号谱图，以及放射性⁶³Ni电离后的正离子信号谱图、负离子信号谱图。

一种对样品进行识别与解析的方法，其特征在于：所述的对样品进行识别与解析的方法为，将样品同时并行通过光离子化电离VUV、放射性⁶³Ni电离、尖端放电电离和电喷雾电离四种方式中的任意两种或三种方式组合进行电离；之后再同时进行正负离子模式检测，得到正负离子信号谱图，得到的离子信号用微电流放大器分别放大后，进入多通道数据采集卡采集，通过计算机对数据进行分析得到待测样品的种类和浓度。

所述的对样品进行识别与解析的方法，其中待测样品包括爆炸物、毒品、易制毒化学品、化学试剂、环境及工业中的可挥发性有机物。

所述的对样品进行识别与解析的方法，其中正、负离子检测模式分别由正离子检测的离子迁移管及其信号采集系统，和负离子检测的离子迁移管及其信号采集系统构成，其中正、负离子检测模式分别检测正离子和负离子。

所述的对样品进行识别与解析的方法，其中正、负离子检测模式采用一套离子迁移管及其信号采集系统，通过采取正、负离子检测模式切换的方法来完成。

所述的二种或三种电离方式组合，分别由配有一种电离源的离子迁移管及其信号采集系统，和配有另外一种电离源的离子迁移管及其信号采集系统构成。

所述的离子迁移谱仪为复合阵列型离子迁移谱仪，具体为正、负离子检测模式与二到三种电离方式相组合，构成的同时检测四路信号的复合阵列型离子迁移谱仪，此复合阵列型离子迁移谱仪由VUV光电离源和放射性⁶³Ni电离源、VUV光电离源和放电电离源或者是VUV光电离源和电喷雾电离源组成的两套迁移管组成，两套迁移管可以单独工作、同时工作和组合工作，同时每套迁移管均可以进行正、负离子检测模式切换，这两套离子迁移谱仪共享漂移气体的净化系统、控制系统和保温系统。

本发明的技术方案如下：

为了提高离子迁移谱对样品的分析识别能力，我们将至少两种电离方式(这里以VUV光电离和放射性⁶³Ni电离为例)，正、负离子两种检测模式相结合，构成一种复合阵列型离子迁移谱仪如图1所示。此复合阵列型离子迁移谱仪由VUV光电离源和放射性⁶³Ni电离源组成的两套迁移管组成，两套迁移管可以单独工作、同时工作和组合工作，同时每套迁移管均可以进行正、负离子检测模式切换。这两套离子迁移谱仪共享漂移气体的净化系统、控制系统和保温系统。样品经进样系统分两路分别进入两套迁移谱仪，在迁移谱仪中样品在电离区被电离，电离得到的离子经离子门进入迁移区，在迁移区中得到分离，最后进入发拉第筒。得到的离子信号用微电流放大器分别放大后，进入多通道数据采集卡采集，PC104工业计算机对数据进行分析得到待测样品的种类和浓度。上述过程如图3所示。图2给出的是三种电离模式(如VUV光电离、放射性⁶³Ni电离和放电电离)相组合所构成的复合阵列型离子迁移谱仪的示意图。

实验中采用的VUV灯光电离的机理为：VUV灯能够发射出能量为10.6eV的光子，大多数有机化合物的电离能小于10.6eV，吸收光子而得到电离；放射性⁶³Ni电离的机理为：放射性⁶³Ni源发射出来的平均能量为17KeV的β射线，与载气发生一系列复杂的反应，最终形成试剂离子H₃O⁺(正离子模式)或者是O₂ ^-(负离子模式)，试剂离子再与待测样品发生分子离子反应，从而使待测样品得到电离。

从上面对两种电离源的描述可以看出，不同的电离方式、不同的检测模式其电离机理不同，电离形成的离子也不同，因此不同电离方式、不同检测模式的离子迁移谱仪所组成的复合阵列型离子迁移谱仪，可以拓宽离子迁移谱测量的化合物种类，同时极大地提高了离子迁移谱对样品的快速识别与解析能力。

本发明的优点：

根据离子迁移谱不同电离源和不同检测模式下测量化合物种类的不同，实现拓宽离子迁移谱测量的化合物种类，同时根据谱图本身的特征和谱图之间的差异，来分析识别样品，从而实现提高离子迁移谱对样品分析识别能力，同时又能保持离子迁移谱仪小型、便携的优点。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为复合阵列型离子迁移谱仪示意图(VUV光电离源和放射性⁶³Ni电离源组合)；

图2为复合阵列型离子迁移谱仪示意图(VUV光电离源、放射性⁶³Ni电离源和放电电离源组合)；

图3为复合阵列型离子迁移谱仪检测流程图；

图4为甲醇在放射性⁶³Ni电离源和VUV光电离源、正离子检测模式下的迁移谱图；

图5为二溴甲烷和四氯化碳在放射性⁶³Ni电离、负离子检测模式下的迁移谱图；

图6为二溴甲烷和四氯化碳在VUV光电离、正离子检测模式下的迁移谱图；

图7为丁酮在放电电离和VUV光电离，正离子检测模式下的迁移谱图；

图8为苯乙烯在VUV光电离、放电电离和放射性⁶³Ni电离，正离子检测模式下的迁移谱图。

具体实施方式

图4-8给出了一些化合物在此复合阵列型离子迁移谱仪给出的迁移谱图，对本发明的应用给出了具体说明。这些谱图的实验条件均为：迁移管长度为9.6cm，迁移电场为200V/cm，离子门开门时间为0.2ms，周期为90ms，载气流速100mL/min，漂气流速500mL/min，实验温度保持在室温。

实施例1

图4给出的是甲醇在放射性⁶³Ni电离源和VUV光电离源组合，正离子检测模式下的迁移谱图。其在VUV光电离方式、正离子检测模式下没有响应，但是在⁶³Ni电离方式、正离子检测模式下有响应，在迁移时间为27.83ms的位置出现一特征峰。这样，甲醇这类物质在放射性⁶³Ni电离方式和VUV光电离方式下能否响应，以及响应强度和位置的不同，为离子迁移谱识别样品提供了更多的信息，同时⁶³Ni电离方式弥补了甲醇在VUV光电离模式下不能电离的缺点，拓宽了离子迁移谱测量的化合物的种类。

实施例2

图5给出的是二溴甲烷和四氯化碳在放射性⁶³Ni电离，负离子检测模式下的迁移谱图，图6给出的是二溴甲烷和四氯化碳在VUV光电离，正离子检测模式下的迁移谱图。从图中可以看出，二溴甲烷和四氯化碳在负离子检测模式下的迁移时间十分接近(21.31ms和21.28ms)，难以区分，但是它们在VUV光电离，正离子检测模式下的响应却不一样，二溴甲烷在迁移时间为21.75ms的位置有很强的响应，而CC14则基本没有响应。因此，物质在正、负离子检测模式下响应的不同可以为离子迁移谱仪识别样品提供更多信息，同时正负离子模式的应用也拓宽了可以测量的化合物的种类。

实施例3

图7给出的是丁酮在VUV光电离和放电电离，正离子检测模式下的迁移谱图。从图中可以看出，丁酮在放电电离方式下有两个特征峰，响应时间分别为23.58ms和24.36ms，在VUV光电离方式下有一个特征峰，响应时间为22.43ms。因此，物质在VUV光电离和放电电离两种电离方式下响应时间以及响应强度的不同，可以为离子迁移谱识别样品提供更多的信息。

实施例4

图8给出的是苯乙烯在VUV光电离、放电电离和放射性⁶³Ni电离，正离子检测模式下的迁移谱图。从图中可以看出，苯乙烯在三种电离方式下的响应(无论是响应时间，还是响应强度)均不同。利用软件对三种电离方式的谱图进行解析，可以为离子迁移谱识别样品提供了更加丰富的信息。

Claims (6)

1、一种对样品进行识别与解析的方法，其特征在于：所述的对样品进行识别与解析的方法为，将样品同时并行通过光离子化电离VUV、放射性⁶³Ni电离、尖端放电电离和电喷雾电离四种方式中的任意两种或三种方式组合进行电离；之后再同时进行正负离子模式检测，得到正负离子信号谱图，得到的离子信号用微电流放大器分别放大后，进入多通道数据采集卡采集，通过计算机对数据进行分析得到待测样品的种类和浓度。

2、按照权利要求1所述的对样品进行识别与解析的方法，其特征在于：所述的对样品进行识别与解析的方法，其中待测样品包括爆炸物、毒品、易制毒化学品、化学试剂、环境及工业中的可挥发性有机物。

3、按照权利要求1所述的对样品进行识别与解析的方法，其特征在于：所述的对样品进行识别与解析的方法，其中正、负离子检测模式分别由正离子检测的离子迁移管及其信号采集系统，和负离子检测的离子迁移管及其信号采集系统构成，其中正、负离子检测模式分别检测正离子和负离子。

4、按照权利要求1所述的对样品进行识别与解析的方法，其特征在于：所述的对样品进行识别与解析的方法，其中正、负离子检测模式采用一套离子迁移管及其信号采集系统，通过采取正、负离子检测模式切换的方法来完成。

5、根据权利要求1到3之一中所述的对样品进行识别与解析的方法，其特征在于：所述的二种或三种电离方式组合，分别由配有一种电离源的离子迁移管及其信号采集系统，和配有另外一种电离源的离子迁移管及其信号采集系统构成。

6、一种权利要求1所述的对样品进行识别与解析的方法的专用设备离子迁移谱仪，其特征在于：所述的离子迁移谱仪为复合阵列型离子迁移谱仪，具体为正、负离子检测模式与二到三种电离方式相组合，构成的同时检测四路信号的复合阵列型离子迁移谱仪，此复合阵列型离子迁移谱仪由VUV光电离源和放射性⁶³Ni电离源、VUV光电离源和放电电离源或者是VUV光电离源和电喷雾电离源组成的两套迁移管组成，两套迁移管可以单独工作、同时工作和组合工作，同时每套迁移管均可以进行正、负离子检测模式切换，这两套离子迁移谱仪共享漂移气体的净化系统、控制系统和保温系统。

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