二维高集成高场不对称波形离子迁移谱

论文摘要

高场不对称波形离子迁移谱（FAIMS）,也称为差分离子迁移谱（DMS）,作为一种工作于大气压下的快速离子分离识别技术,发展已有二十余年时间。从上世纪80年代后期前苏联的秘密研究,到上世纪90年代中后期圆筒式聚焦离子迁移管的研制,再到本世纪初基于MEMS工艺的平板离子迁移管的引入,FAIMS发展突飞猛进,业已在质谱前端同分异构体分离和复杂基质目标离子提取,痕量危险品、环境污染、工业气体的检测及监测方面展现了广泛的应用前景。物质离子在高电场作用下其离子迁移率会发生非线性变化,而不同的物质离子具有不同的非线性变化特性。FAIMS工作基本方式就是利用该特性,通过在离子行径方向的纵向施加一个高低非对称电场,对离子的离子迁移率进行差分以彰显其非线性项,从而实现将具有不同非线性变化特性的离子进行空间分离和检测。作为一种现场检测手段,相比于同类检测方法,FAIMS具有高灵敏度、核心器件体积小且可MEMS制作、与其他物质分离方法正交性高的优点。然而,现阶段该技术发展存在两个瓶颈问题,严重制约了其在现场检测方面的应用。其一,集成化。现场检测技术必须有高的集成度,虽然FAIMS核心器件-FAIMS迁移管体积小且可用MEMS工艺加工制造,但是其正常运行必须附带有大量的外围器件,包括载气接口、进样接口、离子源接口以及温控模块等,这不仅使得其体积难以进一步减小,而且在装置的气密性、温控精度和功率消耗、器件维护与清洗等方面存在诸多问题。其二,分辨识别能力。FAIMS具有高的灵敏度,但是现阶段分辨率却并不出色,最高分辨率仅50。FAIMS基本原理来自于离子迁移率非线性项,该项相比于其线性项-低场离子迁移率较小,且迄今为止并未有很好的理论指导,因而在利用该非线性项得到的FAIMS谱图峰位置存在未知的漂移,且有很多物质离子的FAIMS谱图峰位置都在0V附近,从而在利用谱图峰位置反推求解其非线性项特性时存在较大的误差。这严重制约了其分辨能力的提高。针对这两个问题,本文主要工作包括：其一,从厚膜工艺出发,设计并制作了高集成度FAIMS迁移管。该迁移管将载气接口、进样接口、离子源接口以及温控等几乎所有FAIMS迁移管外围功能模块集成于一体,体积仅95mm×75mm×2mm。该高集成FAIMS迁移管具有气密性好、温控精度高、功耗小、维护简单以及力学性能高的优点。利用该离子迁移管,我们搭建了相应的FAIMS检测平台和便携式FAIMS样机,并对大量物质进行检测,获得了足够多的FAIMS谱图,这证明了该方案的可行性。该部分的研究为微型化FAIMS奠定了基础。其二,发展了一种FAIMS谱图峰峰形理论,并基于该理论,提出了一种二维分辨识别方法。FAIMS谱图峰峰形蕴含了大量的信息,包括扩散系数信息、流场信息、FAIMS迁移管结构信息、环境信息、电场信息以及低场离子迁移率信息。本文从离子运动轨迹入手,首次得到了一个简洁的FAIMS谱图峰峰形理论,该理论将低场离子迁移率、离子迁移管结构参数、电场参数、流场参数与FAIMS谱图峰峰高和半高宽联系起来,并给出了定量表达式。利用高集成化的FAIMS迁移管所测的大量数据,我们对该理论的有效性进行了检验,得到了很好的结果。基于该理论,我们首次提出了一种基于FAIMS谱图半高宽-载气流量曲线的低场离子迁移率获取方法,通过该方法,我们对十余种物质的低场离子迁移率进行了提取,结果表明,该方法能够对低场离子迁移率差别超过0.2cm2V-1s-1的物质离子进行识别。该方法的有效性为FAIMS分辨率提高提供了一个简单有效的途径,其优点包括：其一,不需要与其他分离检测技术联用,仅需要对FAIMS谱图进行分析,避免了采用技术联用导致的体积增加、接口复杂和条件控制困难的缺点；其二,低场离子迁移率与离子迁移率非线性项正交性强,其分辨率提高是以乘积的方式体现出来。从而,该方法为FAIMS对离子的分离识别增加了一个新的维度,实现了二维分辨识别。除这两个主要内容以外,本文工作还包括：对物质离子非线性变化二阶四阶系数求解方法提出了修正。以往的求解方法多为近似,而本文通过对电场叠加的解析,获得了严格的离子迁移率非线性项的二阶四阶系数表达式,这同样有益于FAIMS分辨率的提升。制做了一种紫外灯污染程度检测模块。紫外灯容易受到污染,而现有的紫外灯污染检测要么需要昂贵的检测仪器和严格的检测条件,要么检测不准确且存在安全问题。本文利用厚膜工艺加工了一个简单的紫外灯污染检测模块,检测快速且稳定性高。本文针对现有的FAIMS技术用于现场检测存在的集成度和分辨率不够的问题,提出了一种基于厚膜工艺的高集成度FAIMS迁移管制作方法和基于FAIMS谱图分析的二维分辨识别方法。并通过大量实验数据对这两种方法进行了验证,结果证明了这两种方法的有效性,为这两个问题的解决提供了理论和应用基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 离子迁移率
• 1.1.1 低场离子迁移率
• 1.1.2 高场离子迁移率
• 1.2 离子迁移谱研究意义及现状
• 1.2.1 离子迁移谱基本结构
• 1.2.2 低场离子迁移谱
• 1.3 高场不对称波形离子迁移谱
• 1.3.1 工作原理
• 1.3.2 FAIMS发展历程及产业化现状
• 1.3.3 FAIMS发展趋势和现场检测领域存在问题
• 1.4 本文工作及创新点
• 1.5 本章小结
• 第二章 FAIMS谱图理论及二维分辨识别
• 2.1 现有的FAIMS二维检测识别方法
• 2.1.1 基于IMS-FAIMS联用的二维检测识别
• 2.1.2 基于高阶分离电压波形FAIMS二维检测识别
• 2.1.3 基于物理化学作用的二维检测识别
• 2.1.4 基于补偿电压漂移的二维检测识别
• 2.1.5 基于准确求解四阶非线性变化系数的二维检测识别
• 2.1.6 基于GC-FAIMS和FAIMS-MS的二维检测识别
• 2.1.7 现有的FAIMS二维检测识别方法的缺点与不足
• 2.2 现有FAIMS谱图理论
• 2.3 基于离子运动轨迹的FAIMS谱图理论
• 2.3.1 谱图峰位置理论
• 2.3.2 谱图峰形状理论
• 2.4 基于FAIMS谱图分析的二维检测方法
• 2.4.1 基于谱图峰位置的二阶四阶系数获得方法
• 2.4.2 基于谱图峰形状的低场离子迁移率获得方法
• 2.5 本章小结
• 第三章 高集成度FAIMS迁移管
• 3.1 现有的FAIMS迁移管
• 3.1.1 基于常规机械加工的圆筒式离子迁移管
• 3.1.2 基于MEMS的FAIMS迁移管
• 3.2 基于厚膜工艺的高集成度高稳定性离子迁移管设计
• 3.2.1 FAIMS迁移管功能要求
• 3.2.2 FAIMS迁移管设计要求
• 3.3 FAIMS迁移管设计制作
• 3.3.1 厚膜FAIMS迁移管设计
• 3.3.2 工艺流程
• 3.3.3 FAIMS迁移管性能检测及维护
• 3.3.4 紫外灯性能检测模块
• 3.4 FAIMS离子迁移谱仪
• 3.5 本章小结
• 第四章 实验结果分析及二维分辨识别
• 4.1 实验对象
• 4.1.1 实验条件
• 4.1.2 实验结果
• 4.2 结果分析与FAIMS谱图峰模型
• 4.2.1 FAIMS谱图峰峰位置
• 4.2.2 FAIMS谱图峰峰高
• 4.2.3 FAIMS谱图峰半高宽
• 4.3 离子迁移率的获取及二维检测识别
• 4.3.1 离子迁移率非线性变化规律的获取
• 4.3.2 低场离子迁移率的获得
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 FAIMS发展历程回顾
• 5.2 我们的工作
• 5.3 展望
• 附录
• 参考文献
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果
• 致谢