高場(chǎng)不對(duì)稱波形離子遷移譜技術(shù)研究.pdf

1、高場(chǎng)不對(duì)稱波形離子遷移譜(FAIMS)作為一種廣譜分析技術(shù)，具有檢測(cè)速度快、靈敏度高、易于微型化等特點(diǎn)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、毒品、爆炸物、化學(xué)戰(zhàn)劑、蛋白質(zhì)檢測(cè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。其工作原理為利用離子在高電場(chǎng)中的遷移率的非線性變化實(shí)現(xiàn)離子的分離。每種離子由于質(zhì)量、截面積等固有參數(shù)的區(qū)別使得它們?cè)诟唠妶?chǎng)中具有不同的遷移率變化趨勢(shì)，當(dāng)控制離子所處的電場(chǎng)條件發(fā)生變化時(shí)，可使得不同的離子通過電場(chǎng)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)離子的選擇性分離。
　　 離子在電場(chǎng)

2、中的運(yùn)動(dòng)行為受到多種因素的影響，這也使得電場(chǎng)中離子運(yùn)動(dòng)的分析更加復(fù)雜。目前國內(nèi)外對(duì)高電場(chǎng)中離子擴(kuò)散、載氣流速分布對(duì)離子運(yùn)動(dòng)行為的影響進(jìn)行了大量的研究，取得了一定的研究成果。但缺少補(bǔ)償電場(chǎng)波形及周期、致偏電壓對(duì)離子運(yùn)動(dòng)的影響的分析和研究，而這兩個(gè)因素對(duì)FAIMS靈敏度和分辨率均產(chǎn)生一定的影響。FAIMS遷移管中遷移區(qū)與檢測(cè)區(qū)的距離小，且遷移區(qū)施加有高頻高壓電場(chǎng)，對(duì)檢測(cè)區(qū)的干擾較大，給檢測(cè)區(qū)的微弱電流信號(hào)檢測(cè)帶來了較大的困難。另外，在特定的

3、射頻電壓條件下，兩種物質(zhì)的補(bǔ)償電壓可能會(huì)非常接近，為兩者的分離和識(shí)別造成了困難。
　　 針對(duì)上述問題，本文從FAIMS關(guān)鍵性能指標(biāo)及影響因素，遷移管芯片的設(shè)計(jì)制作與樣機(jī)的研制，測(cè)控參數(shù)的影響，爆炸物、毒品及揮發(fā)酚的FAIMS檢測(cè)實(shí)驗(yàn)等四個(gè)方面開展了FAIMS的研究。首先，在FAIMS關(guān)鍵性能指標(biāo)及影響因素方面，分別考慮離予擴(kuò)散、載氣流速分布、補(bǔ)償電場(chǎng)周期及波形對(duì)離子在遷移區(qū)中的通過率，致偏屯壓對(duì)檢測(cè)區(qū)左端離子到達(dá)檢測(cè)屯極比例的影

4、響，得到了FAIMS的靈敏度與載氣流速、射頻電壓幅值等影響參數(shù)的關(guān)系模型；分析了離子擴(kuò)散作用、載氣流速分布、補(bǔ)償電場(chǎng)周期對(duì)遷移譜譜峰半峰寬的影響，得到了半峰寬的數(shù)學(xué)模型，并依據(jù)分辨率的定義建立了FAIMS的分辨率與載氣流速等影響參數(shù)的關(guān)系模型。隨后，在遷移管芯片的設(shè)計(jì)方面，為了降低遷移區(qū)電極對(duì)檢測(cè)區(qū)電極的電場(chǎng)干擾，提出了帶有主屏蔽電極和輔助屏蔽電極的遷移管結(jié)構(gòu)，并依據(jù)仿真結(jié)果對(duì)相應(yīng)的尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)了遷移管的MEMS制作工藝，并針對(duì)

5、硼硅玻璃材料高溫條件下存在漏電流的問題，設(shè)計(jì)了基于厚膜技術(shù)的遷移管制作方法。設(shè)計(jì)了FAIMS的測(cè)控系統(tǒng)以使得儀器的主要參數(shù)能夠被精確控制。在測(cè)控參數(shù)的影響方面，分析研究了載氣流速、射頻電壓幅值、致偏電壓三個(gè)重要參數(shù)對(duì)FAIMS性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所建立的理論模型，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)上述幾個(gè)關(guān)鍵測(cè)控參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，使得儀器工作在一個(gè)最佳的綜合性能。最后，在爆炸物、毒品及揮發(fā)酚的FAIMS檢測(cè)實(shí)驗(yàn)方面，對(duì)TNT、海洛因及五種最為常見的揮

6、發(fā)酚進(jìn)行了FAIMS檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，獲得了樣品的遷移譜圖，針對(duì)特定射頻電壓幅值條件下兩種物質(zhì)的補(bǔ)償電壓有可能相近的問題，提出以射頻電壓和補(bǔ)償電壓為參量的二維譜圖數(shù)據(jù)庫方法，提高了儀器檢測(cè)的準(zhǔn)確性。
　　 本文以FAIMS的檢測(cè)關(guān)鍵性能指標(biāo)與影響因素的關(guān)系模型和關(guān)鍵測(cè)控參數(shù)的優(yōu)化為研究重點(diǎn)，主要的創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
　　 1.首次研究了致偏電壓對(duì)FAIMS靈敏度、補(bǔ)償電場(chǎng)波形對(duì)靈敏度和分辨率的影響，建立了靈敏度、分辨率與

7、致偏電壓、補(bǔ)償電壓波形等參數(shù)之間關(guān)系的理論模型，為致偏電壓等測(cè)控參數(shù)的優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。
　　 2.針對(duì)遷移管中遷移區(qū)與檢測(cè)區(qū)存在較強(qiáng)電場(chǎng)干擾以致FAIMS檢測(cè)限無法進(jìn)一步降低的問題，提出了帶有輔助屏蔽電極和主屏蔽電極的遷移管結(jié)構(gòu)，仿真結(jié)果顯示，施加屏蔽電極后遷移區(qū)對(duì)檢測(cè)區(qū)的電場(chǎng)干擾強(qiáng)度降低為未施加時(shí)的0.32‰，滿足了FAIMS的低檢測(cè)限應(yīng)用需求。
　　 3.針對(duì)高溫工作時(shí)作為遷移管基片的硼硅玻璃材料存在漏電流不利于