国外台式双管双模离子迁移谱探测仪综述

本文编译自《国际纳米技术与生物医学工程会议 2019年度会议》（第四届纳米技术与生物医学工程国际会议），由电子/自旋电子学和电子学纳米工程研究所，国立原子能研究大学光子学专业（莫斯科工程物理研究所）发表的论文。版权及最终解释权归原文发表者所有。本译文仅做学习交流用途。

本文介绍双管双模式离子迁移谱探测仪，能够同时检测正离子和负离子。 分析了双极性离子迁移谱仪的实现方法。

离子迁移谱 正负离子检测

离子迁移谱（IMS）能够通过气相分子在大气压下迁移时间的区别来识别化学物质。离子迁移率可用于检测和识别特定分子， 具有高灵敏度，选择性强，快速性，尺寸小和重量轻，简便性等特点，用于分析其他方法和技术都不容易解决的问题。大多数现有的离子迁移谱仪都需要在电离区和迁移区内产生恒定的电场，并且只能在正负离子探测模式之间进行缓慢的切换（切换高电压会引起电干扰，并导致高灵敏度的微电流放大器过载，因而需要比较长的切换时间才能进行测量）。如果有必要同时检测正负离子物质，则必须将探测仪的极性在很短的时间内进行探测模式的切换，在大部分情况下这种方式很难实现。

本文介绍了现有的双模同时检测的离子迁移谱仪，能够实现同时检测正极和负极物质。 本文揭示了几种不同设计的缺点，并提出了一种如何实现交替检测两种极性离子的最佳方法（准同步检测）。

有些检测任务要求设备能够同时在负离子检测模式和正离子检测模式下运行。 以下是世界市场上一些最知名和使用最广泛的此类IMS探测器。

Smiths Detection（英国）的IONSCAN 500DT 是一种双管台式痕量炸药和毒品探测器。 该设备可以在三种模式下运行：“同时检测爆炸物和毒品”或“仅测爆炸物”或“仅测毒品”。 样品分析时间为8 s。 工作温度范围为0至40°C，相对湿度小于95％。 IONSCAN500DT包括再生空气净化系统（APS），可减少维护时间。 独特的采样棒简化了操作员的样品收集，并消除了与涂抹棉塞采样器的直接接触。 该设备的显著缺点是使用放射性电离源，19 kg重，40 x 57 x 40 cm的尺寸，最大消耗功率600 W，通过市电供电（无法使用电池驱动）。 冷启动时间为30分钟。

德国布鲁克公司开发了一种双管离子迁移谱仪DE-tector ，用于同时检测痕量的爆炸物和毒品。 该装置的优点包括不含放射性电离源。 它使用获得专利的非放射性XPITM光电离源。 使用特殊的特氟龙采样条直接从表面擦拭。 样品分析时间不超过10 s。 工作温度范围为5至40°C，相对湿度为5至95％。 该设备由AC 100–240 V AC，47–63 Hz供电，但也可与UPS一起使用。 缺点是重量为19千克，尺寸为52 x 44 x 40厘米，消耗功率高达400W。冷启动时间为30分钟。

L3的台式探测器QS-B220 用于同时探测痕量爆炸物和毒品。 QS-B220的工作原理是基于离子迁移谱和光电离源。为了提高灵敏度，QS-B220检测器配备了一个解吸器。该设备的优势是不含放射性电离源，从而消除了许可，检查，运输以及使用寿命结束时处置相关的问题。自动和连续的自校准功能（无需进行侵入操作）能够适应环境的变化。采样是通过用特殊的采样布擦拭表面来完成的。样品分析时间不超过10 s。工作温度范围为-10至55°C，相对湿度小于95％。可以在4572 m的海拔高度上操作。该设备的缺点是重量为15.7千克，尺寸为39.6 x 39.7 x 41.2厘米，仅通过市电供电（不带电池），冷启动时间为30分钟。

该探测仪可同时识别爆炸物和毒品，具有获得专利的再生式干燥剂，从而简化了维护。具有自动校准可确保准确检测。为了更好地寻找过氧化物炸药，使用了一种新的专利合金掺合料。样品分析时间为8 s。工作温度范围为0至40°C，存储温度为0至50°C，设备的防护等级为IP20 。该设备可以使用100–120 V，200–240 V，47–63 Hz交流市电电源或11至18 V，10 A直流电源设备或内置电池供电，电池持续时间为60分钟，功耗为150W。该设备的显著缺点是使用放射性电离源。与便携式设备相比，尺寸38 x 48 x 50 cm，重量12 kg，冷启动时间30分钟，电池供电独立工作时间短。

以上分析表明，现有的双管离子迁移谱仪能够在两种模式下同时检测物质，但也有明显的缺陷。多数设备都使用基于63-Ni或氚3放射性同位素电离源。尽管具有制造容易，不需功率消耗和性能稳定等特征，但是放射性电离源具有明显的缺点。主要问题是制造商和消费者对使用含有放射性物质的设备在心里上不容易接受，需要进行特别的认证，以及运输，存储及报废处理的复杂性有关；处置带有放射源的设备，特别是寿命终端或由于某种原因而无法使用时需要特别处理的问题。

随着这种装置的大量生产，处置包含在探测器中的放射性物质会成为严重的环境问题。同样，几乎所有此类双管IMS设备都是台式，尺寸大，重量大，能耗大，无法使用自带电池自主工作。这限制了它们成为便携式设备的可能性。因此开发便携式探测设备非常重要。

在需要对待分析物质进行有效检测的情况下，例如在检查点，可以在一个设备中安装两组电离区，迁移管，检测单元，气体净化系统和高压控制系统，也就是说，实际上是安装两个以固定极性运行的并行探测器。由于尺寸，重量和能耗的显着增加，降低了快速搜索目标物质的效率。对于两套装置，需要对装置内部的气流进行采样和分离，这导致采样系统的复杂化。可能有如下几种检测器设计和气流分离选项：

第一种方案中（图1）样品依次通过第一和第二套设备串联进样。在这种情况下，待分析的样品通过采样系统首先进入第一组设备的电离室，适当极性的离子从那里在迁移区中移动到检测节点1。然后样本进入第二组设备的电离室。通过连接通道，不同极性的离子从此处通过漂移区移至检测节点2。由于第一套设备的电离区中会发生离子交换反应，从而降低了第二组设备进行测量时的灵敏度。因此，实际上，此方案是不合适的。

第二种方案（图2）是在样品供应通道中安装一个气流分离器。 在这种情况下，被分析的样品气体首先进入采样系统，然后分别进入通过通道1检测正离子的第一组设备的电离室，以及通过通道2检测负离子的第二组设备的电离室。此方案的缺点是：

•由于采用了气流分离器，采样系统设计增加了复杂性

•由于样品输运长度的增加和附加弯头的出现，使样品运输效率恶化

•难以监控进入每组设备的待测物质的比例

•会减少提供给每组设备的待测物的进样量，这也会导致灵敏度降低

第三种方法（图3）使用公共电离室来处理正极和负极性离子。 这种离子迁移谱仪具有两个迁移区，两个检测节点，两个门系统，两个收集器以及一个标准采样系统和电离区域。 在这种情况下，使用门将获得的离子保留在电离区域中，然后同时注入到相应的漂移区域中。 正离子进入漂移区1，负离子进入漂移区2。

该方法的缺点是离子源和栅极的结构更为复杂。由于传统的电离源是针对单个迁移管的，因此，在两种极性下操作时，此类离子源中样品分子的电离效率较低。同样在这种结构中，由于需要体积电离，因此只能基于放射性同位素电离源。

另外，这种结构下，电离区的电位接地，但两组迁移管的离子探测器都必须施加高电位，这个探测电路需要高电压的隔离电源浮动在正高压或者负高压才能工作。对于一种特殊的离子源来说，离子化后的样品分子产生之后进入带有离子阱的分离室。样品分子通过载气传输到双迁移区中心的离子阱。然后将离子阱中的离子注入相应的漂移区。这个方案的电离效率低，因为在从电离室到离子阱的传输过程中会损失大量离子。这种方案的缺点是结构和生产过程复杂，组装要求严格以及成本高。而且由于两组迁移管线性串联的结构也会增加探测仪的线性尺寸。

对现有设计的回顾表明，便携式双模式离子迁移谱仪的实现可分为两种主要领域-组件的小型化和开发一套电路解决方案以实现快速切换探测器的极性。

第一种方案有几个限制：设备的分辨率直接取决于迁移管的长度。因此，长度的减小将导致分辨率的降低，从而导致装置参数的劣化。迁移区的直径与确保场的均匀性有关。由于离子轨迹的强曲率，减小迁移区电极的直径将导致电荷损失。为了保持电场的均匀性，有必要减少电极的厚度，这将导致更多层次的电极结构，迁移管的结构更为复杂，人工及加工成本增加。减小离子迁移的有效通道直径将减少离子密度，因为电荷密度受到库仑扩散的限制。减少离子密度会降低检测器上的电荷，增加噪声水平。减小气体通道的直径还将导致气流阻力增加，并且由于吸附和扩散到气体通道管壁材料上而导致样品损失增加，从而将降低仪器的灵敏度。总而言之，小型化不能解决与样品进料通道中气流分离有关的问题，而且导致系统更加复杂，成本更高。

第二种方案是升级离子迁移谱的电子控制单元，使得在单个漂移管上获得两种极性离子的准双极性离子的检测成为可能。高压块用于在迁移区中形成高压。为了提供双极模式，必须实现高电压极性的快速，连续切换，以及提供漂移场电平的稳定性。高压分压器用于分配高压并形成均匀的漂移场。

为了确保快速极性切换，分压器必须具有频率补偿和相关电路的低电容。离子检测微电流信号的数模转换允许后续处理和数据积累。 为了同时检测正极性和负极性离子，有必要开发一种双极跨阻抗电荷敏感型离子电流放大器。 还必须使高压系统对电荷敏感放大器的干扰最小化。

当被分离的离子组接近收集器时，屏蔽收集器网格可将来自离子组的感应电流降至最低。 为了确保双极性模式，有必要制定一种快速极性切换和在保护栅上形成稳定电压的方案。 样品被离子化的离子源必须确保在两个极性下均有效运行。 离子门允许控制离子注入的开始时间和持续时间。 离子门控制单元需要升级以与双极高压系统兼容。离子迁移谱仪控制系统可同步控制电子单元。 必须升级控制系统以实现快速切换双极运行算法。

此方法主要依赖于电路的开发，所有元件都保留在现有技术内，装配过程的各个阶段工艺操作均保持不变，无需对人员进行再培训。 此开发选项的劳动强度较低，需要的研究较少。

现代安全检查设备的关键要求之一是能够同时检测多种物质，长期自主运行以及使设备的质量和尺寸特征小型化。目前几乎所有能够同时检测不同类别物质的离子迁移谱仪器都是台式仪器，具有体积大，重量大，能耗大且无法依赖电池运行的缺点。

因此需要开发便携式双模式探测仪，该设备能够在电离时同时检测形成正离子和负离子的物质，从而可以实时检测爆炸物，毒品和有毒物质。可以将两个电离区，迁移区，检测单元，气体净化系统和高压单元安装到一个设备中，即以固定极性运行的两个并联设备中。该变体具有与尺寸，重量，价格和能量消耗的增加相关的许多缺点。而且，设备内部气流的采样和分离的组织变得更加复杂。设备组件小型化的方向是技术上复杂且昂贵的开发，需要额外的研究。最有希望的是通过对电路进行现代化改造来实现双极性离子迁移谱仪，而无需对设计进行任何重大更改。