高场不对称波形离子迁移谱对挥发性有机物定量检测中的离子传输损耗行为研究

Ion mobility spectrometry is a trace detection technology with the advantages of rapid response and high sensitivity. It plays a dominant role in the detection of explosives, drugs, and chemical poisons in the public safety early warning field. At the present stage, the lack of ion transport loss model required for quantitative detection makes it difficult to be effectively applied in the field of environmental monitoring..Based on the discovery of ion transport saturation and ion recombination, this project will study the loss of ion transmission in high-field asymmetric waveform ion mobility spectroscopy (FAIMS) that have broad application prospects for on-site detection of volatile organic compounds (VOCs). By adopting the idea of independent research on the ion transport process and ion separation process, as well as adopting a method with a wide range of parameters, the effect of ion recombination and transport on the ion loss under the electric field coupling conditions of a complex flow field in a tiny space will be fully discussed. Under the support of theoretical and simulation analysis, a wide range of quantification of typical VOCs can be achieved by constructing an ion transmission efficiency model. .The research results will provide a wide-range quantitative method for on-site inspection of VOCs in FAIMS technology. More importantly, it will promote the breakthrough of ion mobility spectrometry technology in quantitative analysis.

离子迁移谱是危害毒险品的主流探测技术，具有快速、高灵敏等现场检测优势，广泛应用于公共安全预警领域。现阶段，定量问题是该技术走向环境监测等领域的重要障碍，其根本原因在于缺乏可靠的离子传输损耗模型。.本项目以具有MEMS微型化优势的高场不对称波形离子迁移谱（FAIMS）作为研究对象，选择适合于挥发性有机物（VOCs）洁净稳定电离的紫外光离子源，在前期离子传输饱和现象和离子复合关键作用发现的基础上，对离子传输损耗行为进行深入探讨。通过区分离子传送和离子分离过程，采用宽范围参量分析的方法，探寻微小空间复杂流场电场耦合下离子复合、输运行为的损耗表达方式；在理论和仿真分析支持下，构建VOCs离子全过程传输效率模型，进而实现对典型VOCs的宽量程定量。.本研究成果将为FAIMS技术的VOCs现场检测奠定宽量程定量方法基础，更重要的是，为离子迁移谱技术从安全预警领域走向更广阔的定量分析领域取得突破。

高场不对称波形离子迁移谱（high-Field Asymmetric waveform Ion Mobility Spectrometry, FAIMS）是一种基于高电场下离子迁移率非线性变化差异的离子分离和物质成分检测技术，其独立使用以及与色谱、质谱联用已在公共安全、生物医药、临床分析等诸多领域得到了成功应用。然而，精确的离子损耗模型缺失，导致了FAIMS在物质成分宽范围定量上的困难，制约了其在环境VOCs定量分析领域的广泛应用。本项目针对以上问题，首先，提出了多级分离方式的FAIMS方法，实现了多种VOCs的精准识别。研制分离电压源、超弱信号探测器等关键模块，搭建了用于VOCs离子传输机理研究的实验验证FAIMS样机。采用具有宽线性范围、电离过程简单的真空紫外光（Vacuum Ultraviolet, UV）电离源，将低温等离子体领域离子复合理论引入FAIMS离子传输损耗分析，对VOCs的定量检测方法开展了系统性研究。通过引入大气压下等离子体复合理论，建立了FAIMS分析器内部离子传送过程中离子复合损耗数学模型。依托该实验平台依次对以上数学模型进行了一一的验证、并获得了很好的实验效果，实现了宽流速范围、宽分离电压范围定量检测，构建了典型苯、甲苯、苯乙烯等多种典型VOCs的谱图库。本研究成果将为FAIMS技术的VOCs现场检测奠定宽量程定量方法基础，更重要的是，为离子迁移谱技术从安全预警领域走向更广阔的定量分析领域取得突破。