[發明專利]用于離子遷移率譜儀的微機電表面離化源

有效

• 申請號: 200610012042.2
• 申請日: 2006-05-31
• 公開（公告）號: CN101082601A
• 公開（公告）日: 2007-12-05
• 發明（設計）人: 何秀麗;郭會勇;高曉光;李建平
• 申請（專利權）人: 中國科學院電子學研究所
• 主分類號: G01N27/64
• 分類號: G01N27/64;H01J49/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司
• 代理人: 周國城

技術領域

本發明涉及離子遷移率譜儀(IMS：Ion?Mobility?Spectrometer)技術領域，尤其涉及用于離子遷移率譜儀的微機電(MEMS)表面離化源及其工作方式。

背景技術

離子遷移率譜儀是一種新的檢測儀器，它與飛行時間質譜有些類似，但不需要高真空條件，而是在大氣壓下工作。離子遷移率譜儀是根據大氣壓下離子在弱電場中(約200V/cm量級)遷移率的不同來鑒別不同物質。它主要由漂移管和外圍電路及氣路系統、進樣系統組成。漂移管是離子形成和漂移的場所，是離子遷移率譜儀(IMS)中最重要的器件，它的性能直接決定了整個儀器的指標。

傳統漂移管主要由四部分組成：1離化區；2離子漂移區；3位于離化室與漂移區之間的離子門；4作為離子檢測器的法拉第盤。使用離子遷移率譜儀(IMS)檢測樣品時，首先使被測物(可以是氣體或者微粒)在離化區離化形成帶電離子，然后離子通過離子門進入漂移區，在電場作用下經過一定時間漂移至法拉第盤，測量離子通過漂移區所需的時間計算出離子的遷移率。

用于探測化學戰劑(CWAs)、有毒工業化學物質(TICs)、毒品和爆炸物的離子遷移率譜儀通常采用放射離化(Radio?Ionization，RI)方法。放射離化源機械穩定性好、無需額外能源，能較好地滿足便攜式離子遷移率譜儀(IMS)的要求。

但是，使用放射源作為離子遷移率譜儀(IMS)的離化裝置也面臨一些問題。

首先，放射離化源存在安全隱患，而且定期對放射源進行檢測和處理也給使用帶來很多不便。

其次，根據離子遷移率譜儀(IMS)的檢測原理，為了測量離子在漂移區的漂移時間，需要對進入漂移區的離子進行“調制”，使得進入漂移區的離子在時間上為分立的離子團(一般要求離子團之間的時間間隔大于離子在漂移區的漂移時間)，而放射離化過程在放射源失效之前一直穩定地進行，需要另外的裝置對進入漂移區的離子進行“調制”，傳統離子遷移率譜儀(IMS)中常用的“調制”裝置為離子門。為了提高離子門的“調制”效果，減小離子遷移率譜圖中的基電流以提高圖譜的信噪比，傳統漂移管在離子門之前必須有一定大小的離子存儲區，漂移管很難做到小型化、微型化。

最后，由于放射離化方法的氣相離子-分子化學反應原理限制，采用放射離化的離子遷移率譜儀(IMS)容易受到水蒸汽等物質的干擾，需要對載氣和漂移氣體進行嚴格處理。而且由于存在反應離子和被測物分子之間的電荷競爭，使得采用放射離化的離子遷移率譜儀(IMS)線性范圍小，容易出現飽和現象。

由于上述問題，越來越多的研究工作正致力于尋找放射離化的替代方法，其中表面離化(Surface?Ionization，SI)作為離子遷移率譜儀(IMS)的新型離化方法受到高度重視。

表面離化技術是一種利用熱固體表面將一些有機分子熱離化，從而獲得正離子或負離子的方法。作為一種放射離化的替代方法，表面離化具有一些獨特性能：1、由于水蒸汽等大多數小分子不發生表面離化，不會形成背景離子，所以對載氣和遷移氣體無需過濾、干燥等特殊處理；2、表面離化對一些含氮、含磷的有機化合物離化效率非常高，使得采用表面離化方法的離子遷移率譜儀(SI-IMS)對這些化合物有很好的選擇性和極高的靈敏度；3、表面離化(SI)機理不同于RI的氣相離子-分子化學反應，不存在反應離子與分析物分子之間的電荷競爭，分析物分子直接離化形成離子，從而采用表面離化方法的離子遷移率譜儀(SI-IMS)具有更寬的響應范圍。

有機分子的表面離化分為兩個過程：

表面離化過程1：一定催化溫度條件下，有機分子在離化材料催化作用下裂解形成活化基團，反應如下：

活化基團通過中心原子與離化材料原子的共軛電子作用吸附在離化材料表面。

表面離化過程2：受外部能量微擾(如電場、熱脈沖以及分子碰撞等)的作用，共軛電子的占有軌道能級發生改變，共軛電子偏向一方而使活化基團極化帶電，帶電基團在電場力作用下脫離離化材料表面轉變成離子。例如，對于正離子來說，它的形成過程可以表示為：