CN103868981A

CN103868981A - 定性识别样品中一种或二种以上特定物质的方法

Info

Publication number: CN103868981A
Application number: CN201210539702.8A
Authority: CN
Inventors: 李海洋; 彭丽英; 王卫国; 王祯鑫; 程莎莎; 梁茜茜
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2012-12-12
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2014-06-18

Abstract

本发明涉及定性识别样品中一种或二种以上特定物质的方法，采用不同物质的离子迁移率随温度变化的不同，测量时通过迁移管加热升温，实现迁移率相近、难以识别与分离的不同物质的测量。本发明采用离子迁移谱，通过设计程序升温系统，改变迁移管温度，进而使不同物质的迁移率发生改变，利用不同物质的迁移率K或约化迁移率K_o随温度的变化趋势不一样，从而实现对难以识别和分离的一种或多种物质的测量。

Description

定性识别样品中一种或二种以上特定物质的方法

技术领域

本发明涉及离子迁移谱技术领域，尤其涉及一种利用离子迁移率对温度变化曲线定性识别样品中一种或两种以上特定物质的方法。

背景技术

离子迁移谱（IMS，Ion Mobility Spectrometry是Cohen和Karasek在1970年提出的。它是一种利用气相离子在电场中的迁移率不同而对样品分子进行识别分离与检测的技术。由于不同样品的产物离子的质量、所带电荷、碰撞截面和空间构型各不相同，因而在电场中各自的离子迁移率或约化迁移率不同，故可以对不同的样品分子做出定性分析。与此同时当迁移管温度发生变化时，样品分子的迁移率或约化迁移率会随着发生变化，并且不同的样品分子变化趋势不相同，利用不同的变化趋势也可以识别和分析不同样品分子。

近年来，离子迁移谱仪作为一种快速的分析仪器，它具有大气压力条件下工作、灵敏度高、分析速度快、价格便宜、便携等优点，特别适合于一些挥发性有机化合物的痕量探测，如爆炸物、化学战剂、毒品、大气和工作环境污染等，已经广泛的应用在机场安检和战地勘查，并在环境监测、工业生产、生物医学等方面获得了越来越多的应用。

如图1所示，常规的离子迁移谱仪包括进样系统1、反应区18、迁移区19和信号检测部分20等部分。其中离子源位于电离区3中，气态样品分子在这区间电离成离子，离子门4将离化区和迁移区划分开。另外，信号检测与输出部分由法拉底盘10、放大器11、A/D转换器12以及数据处理单元13等组成。当气态样品分子进入反应区电离成离子后，经过脉冲控制周期性开启的离子门进入迁移区，其中迁移区分布有均匀电场，产物离子在从电场中获得能量作定向漂移的同时又与逆向流动的中性迁移气体分子不断碰撞而损失能量，因此在宏观上形成了沿电场方向的迁移速度。由于不同的产物离子，它的质量、所带电荷、碰撞截面和分子的空间结构均不相同，因此不同的样品分子具有不同的迁移速度，而漂移经过相同长度的迁移区到达法拉第盘所需要的迁移时间也不相同。利用迁移时间可以计算得到不同样品分子的离子迁移率和约化迁移率。利用不同的离子迁移率或约化迁移率可以对不同的样品分子进行识别。

虽然离子迁移率或约化迁移率可以对不同的样品分子进行识别，但是相似结构和性质的物质具有相近的离子迁移率或约化迁移率，而且不同的迁移管，结构不能完全一致，这会使得迁移区分布的电场均匀性和迁移气体的均匀性都会受到影响，不仅导致产物离子的损失，而且还会导致即使在同一台设备上，不同时间对同一物质测得的离子迁移率都会发生变化。

因此，虽然通过离子迁移谱能够对物质进行识别，但是离子迁移率与迁移气体的温度、湿度以及气体流场均匀性密切相关，通过离子迁移率建立的离子迁移谱库会受到检测环境和设备的制约，导致在不同的环境和设备下，对同一被检测物质会得到不同的识别结果，因此，利用离子迁移谱进行物质识别的方法存在一定的技术缺陷，不能作为对物质识别标定的唯一标准。

发明内容

本发明目的在于提供一种利用物质的离子迁移率或约化迁移率随温度的变化曲线识别物质和分离两种或三种以上的物质的方法，使得离子迁移谱不再受检测环境和设备的制约，使用该方法建立的离子迁移率随温度变化曲线数据库具有通用性。

为了实现上述目的，定性识别样品中一种或二种以上特定物质的方法，采用离子迁移谱仪进行检测，以空气为载气和漂气；

1）首先，将所需定性识别的特定物质标准品送入离子迁移谱仪进行检测，通过改变迁移管内的温度，获取从20-150℃范围内的3个或4个以上不同温度下的特定物质标准品的离子峰；以特定物质标准品迁移率或约化迁移率为纵坐标、以温度为横坐标；建立所需定性识别的特定物质标准品迁移率或约化迁移率于温度从20-150℃范围内的变化曲线；

2）然后，将待测样品送入离子迁移谱仪进行检测，通过改变迁移管内的温度，获取从20-150℃范围内的3个或4个以上不同温度下的待测样品的离子峰组，将待测样品的每个离子峰组中的离子峰按顺序编号；

以不同离子峰组中相对应编号的离子峰的迁移率或约化迁移率为纵坐标，以离子峰的离子迁移率或约化迁移率所对应的离子峰组的采集温度为横坐标；建立待测样品中所有物质的离子迁移率或约化迁移率于温度从20-150℃范围内的变化曲线；

3）最后，将步骤2）获得的待测样品中所有物质的变化曲线与步骤1）获得的所需定性识别的特定物质标准品的变化曲线进行比对，定性识别样品是否含有所需定性识别的特定物质。

所需定性识别的特定物质可为一种或二种以上的物质；

定性识别样品是否含有所需定性识别的特定物质通过将步骤2）获得的待测样品中所有物质的变化曲线与步骤1）获得的所需定性识别的特定物质标准品的变化曲线进行比对，通过比对变化曲线线型的一致性来确认，如果线型一致，则说明含有特定物质。

采用离子迁移谱仪进行检测过程：将样品由载气载带进入离子迁移管，在离子迁移管反应区内生成产物离子，产物离子进入具有匀强电场分布的迁移区，不同产物离子先后到达法拉第盘探测器被检测到，被检测到的离子流经放大器放大，并有A/D采样器数模转换后，输出给数据处理单元；

整个检测过程中需程序加热迁移管，改变迁移管内的温度；

数据处理单元计算不同温度下不同样品分子的离子迁移率或约化迁移率，并以温度为因变量作变化曲线；

将样品分子的离子迁移率或约化迁移率随温度的变化曲线与标准品分子的离子迁移率或约化迁移率随温度的变化曲线进行对比判别，并显示识别结果。

数据处理单元为计算机。

测量过程中，用温度控制系统对迁移管进行快速程序升温或用制冷系统进行快速降温，进而得到不同温度下物质的离子迁移率或约化迁移率。

根据两种或三种以上物质的标准品分子的离子迁移率随温度的变化曲线，可以确认他们离子迁移率或约化迁移率之差绝对值最大时的温度，可以确认此温度条件为定性检测样品中是否含有所述两种或三种以上物质的最佳温度。

样品分子的迁移率K或约化迁移率K_o随温度的变化曲线，包括：根据K＝_Vd/E＝L₂/Vt_d，K_o＝K(P/101)(273/T)计算迁移率K或约化迁移率K_o值，其中V_d为样品分子在迁移管中的迁移速度，E为迁移管中的电场强度，L为迁移管长度，t_d为样品分子的迁移时间，P为工作压力，T是工作是的绝对温度。

所述数据处理单元所显示识别结果，包括：若有一致的迁移率变化曲线，则显示该物质名称，若没有相符合的物质，则显示不含任何已知物质。

对于离子迁移谱的测量模式：包括在正离子模式或负离子模式下测量。

附图说明

图1为常规离子迁移谱仪结构装置；

图2为本发明所述离子迁移谱识别和分离物质的方法。

图3为空气离子峰RIP的IMS谱图随温度的变化。

图4为NO的产物离子峰的IMS谱图随温度的变化。

图5为RIP和NO的产物离子Ko随温度的变化曲线。

具体实施方式

该方法包括：气态样品由载气载带进入迁移管，在反应区内生成产物离子，产物离子进入具有匀强电场分布的迁移区，不同产物离子先后到达法拉第盘探测器被检测到，被检测到的离子流经放大器放大，并有A/D采样器数模转换后，输出给数据处理单元。整个检测过程中需程序加热迁移管，改变迁移管内的温度。数据处理单元计算不同温度下不同样品分子的离子迁移率或约化迁移率，并以温度为因变量作变化曲线。将样品分子的离子迁移率随温度的变化曲线与数据中保存的常见已知物的变化曲线进行对比判别，并显示识别结果。另外，还包括对于，两种或两种以上难以分离的样品分子的离子迁移率随温度的变化曲线进行对比，确认他们迁移率差距最大的温度，在这个温度下测量这几种物质，在其他条件相同的情况下，可以较好的分离这几种样品分子。

其中本方法中离子迁移率K的计算公式为：

K = \frac{V_{d}}{E} = \frac{L^{2}}{{Vt}_{d}} . . . (1)

约化迁移率K_o的计算公式为：

K_{o} = K (\frac{P}{101}) (\frac{273}{T}) . . . (2)

虽然上式已经将温度效应和压力效应除去，但是按照离子迁移率的微观理论公式—Mason-Schamp方程：

K = \frac{3 ze}{{16 N}_{o}} \times {(\frac{2 π}{μkT})}^{1 / 2} \times (\frac{1 + α}{Ω_{D}}) . . . (3)

结合公式（2）来计算可以发现其实K_o是反比于（T）^-1/3，因此K_o也随温度发生变化。由于不同的产物离子，具有不同的质量、所带电荷、碰撞截面和分子的空间结构，因此，不同物质具有不同的变化趋势，且该趋势几乎不受检测环境和设备的影响，有效的克服了背景技术中所述的技术缺陷，令离子迁移率或约化迁移率随温度的变化曲线数据库具有一定的通用性和可靠性。

下面结合附图对本发明进行详细描述。

常规离子迁移谱仪如图1所示，从左至右依次包括进样部分1、进样口2、电离-反应区18、离子门5、迁移区19、信号接收与检测系统20，所述迁移区19是由绝缘环和电极环7同轴交替叠加构成的筒状空间结构；沿筒状空间结构的轴线方向，于迁移区19的一端依次设置有离子门5和电离区3，在离子门5与电离源区3之间设置有绝缘环和电极环，绝缘环和电极环内部的筒状空间结构作为反应区4；在靠近离子门5的反应区4的绝缘环上设置有出气口6；在电离源区3外侧端设置有载气入口2；于迁移区19的另一侧依次设置有栅网9和法拉第盘10；法拉第盘10通过导线与信号放大器11连接；信号接收与检测系统20由法拉第盘10和放大器11构成；于法拉第盘7的外侧设置有法拉第盘屏蔽筒，在法拉第盘屏蔽筒上设置有漂气进气口8；另外，直流高压电源14经过分压板给迁移管中的电极环供电，为反应区和迁移区提供均匀电场，15为分压板接地线。整个迁移管由温度控制系统16控制温度，在迁移管外围配制制冷系统17如制冷风扇用于快速降低温度。

图2所示，本发明目的在于提供一种利用物质的离子迁移率或约化迁移率随温度的变化曲线识别物质和分离两种或两种以上的物质的方法。

步骤20，气态样品分子由载气载带进入电离区，电离成产物离子。

步骤21，程序升温加热迁移管，即加热迁移管中的被检测样品离子。

步骤22，产物离子经过反应区后进入迁移区，在相应迁移管温度下，不同物质具有不同的迁移速率和时间，因此被分离开。

步骤23，不同的物质离子先后到达法拉第盘被检测到，经过放大器放大后输出给A/D数模转换器，将模拟信号转换为数字信号，接着又数据处理单元输出。

步骤24，数据处理单元计算不同物质在不同温度下的迁移率或约化迁移率，计算公式如发明内容中的公式1和公式2，接着以温度为因变量作图，得到不同物质随温度的变化曲线。

步骤25，若测量未知样品，可将未知物质随温度变化的迁移率变化曲线与数据库中的已知物进行对比判别，识别物质，若有一致的迁移率变化曲线，则显示该物质名称，若没有相符合的物质，则显示不含任何已知物质。

步骤26，若需测量两种或两种以上迁移率相近或相似的物质，则可取出他们的迁移率随温度的变化曲线进行比较，找出迁移率变化曲线中差距最大的温度，在此温度下进行下测量，可以达到较好的分离效果。

实施例1

按照上述的实施步骤，对负离子模式下的空气离子峰RIP以及一氧化氮NO进行程序升温检测，得到相应产物离子K_o在30-150℃之间随温度的变化曲线。空气离子峰RIP和NO的产物离子峰的IMS谱图随温度的变化分别如图3和图4所示。图5为RIP和NO的产物离子K_o随温度的变化曲线。

Claims

1.定性识别样品中一种或二种以上特定物质的方法，其特征在于：

采用离子迁移谱仪进行检测，以空气为载气和漂气；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所需定性识别的特定物质可为一种或二种以上的物质；

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

整个检测过程中需程序加热迁移管，改变迁移管内的温度；

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

数据处理单元为计算机。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

样品分子的迁移率K或约化迁移率K_o随温度的变化曲线，包括：根据K＝V_d/E＝L²/Vt_d，K_o＝K(P/101)(273/T)计算迁移率K或约化迁移率K_o值，其中V_d为样品分子在迁移管中的迁移速度，E为迁移管中的电场强度，L为迁移管长度，t_d为样品分子的迁移时间，P为工作压力，T是工作是的绝对温度。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述数据处理单元所显示识别结果，包括：若有一致的迁移率变化曲线，则显示该物质名称，若没有相符合的物质，则显示不含任何已知物质。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：对于离子迁移谱的测量模式：包括在正离子模式或负离子模式下测量。