用于離子遷移譜儀的非放射性電離源的研究進展

楊俊超，楊 柳，楊 杰，張根偉，趙 將，曹樹亞

（國民核生化災害防護國家重點實驗室,北京102205）

0 引言

在20世紀70年代發(fā)展起來的離子遷移譜技術（IMS），是目前應用最為廣泛的痕量化學物質(zhì)檢測技術之一，具有靈敏度高、分析速度快、能耗低、易于小型化并且工作在大氣壓下等特點，被廣泛應用于對毒品[1]、爆炸物[2]和化學戰(zhàn)劑[3]等毒害物質(zhì)的檢測和鑒定。位于電離區(qū)的電離源是離子遷移譜儀中最關鍵的部件之一。放射性離子源由于電離能高、使用壽命長（半衰期長達79年）、穩(wěn)定、便宜、體積小、噪音小而且不需外加能源，成為現(xiàn)在IMS的通用電離源，主要為63Ni,241Am和T源。但放射源帶來的線性范圍窄、選擇性不好等問題，以及由于放射性污染帶來的管理和使用的成本和限制，讓使用者望而卻步。IMS的一個重要的研究方向就是發(fā)展可替代的非放射性電離源，近年來發(fā)展相對成熟的主要有電暈放電電離源、電噴霧電離源、光電離源（包括激光電離和紫外光電離）、表面電離源、介質(zhì)阻擋電離等。該文對離子遷移譜儀工作原理及離子產(chǎn)生過程進行了簡要介紹，對這幾種非放射性電離技術的發(fā)展現(xiàn)狀進行了重點介紹并對未來的發(fā)展趨勢進行了展望。

1 離子遷移譜儀

1.1 離子遷移譜儀的工作原理

傳統(tǒng)離子遷移譜儀（IMS）遷移管的基本結構圖如圖1所示，它主要由電離區(qū)、反應區(qū)、離子柵門、遷移區(qū)和檢測器等幾部分組成，它的基本原理是樣品氣體首先通過電離區(qū)和反應區(qū)生成產(chǎn)物離子，然后在電場作用下，通過周期性打開的離子柵門進入遷移區(qū)，在遷移區(qū)環(huán)境氣壓和弱電場強度條件（100 V/cm～300 V/cm）下逆著漂移氣流到達檢測器，最后得到電壓或電流信號隨遷移時間變化的譜圖，就是離子遷移譜[4]，產(chǎn)物離子在遷移區(qū)弱電場作用下獲得的恒定速度就是遷移速度，它與遷移區(qū)電場強度成正比[5]：

圖1 傳統(tǒng)離子遷移譜儀遷移管結構圖Fig.4 Structure of traditional ion mobility tube

式中Vd為產(chǎn)物離子在遷移區(qū)的遷移速度(cm/s)，K為產(chǎn)物離子的遷移率系數(shù)(cm2V-1s-1)，E為遷移區(qū)電場強度(V/cm)，不同的產(chǎn)物離子由于結構、性質(zhì)的差異，離子遷移率不同，經(jīng)過遷移區(qū)到達檢測器的時間也不一樣，最后會在離子遷移譜圖的不同的遷移時間位置上出現(xiàn)樣品信號峰。這是IMS對不同樣品進行定性檢測的基礎。為了減少溫度和氣壓的影響，通常換算成273K和760 mmHg條件下的約化遷移率K0：

式中：T為絕對溫度(K);p為離子群通過氣體的氣壓(torr或mmHg)。

1.2 離子遷移譜儀的離子產(chǎn)生過程

使用電離源的種類不同，載氣不同，離子遷移譜儀電離區(qū)的離子產(chǎn)生過程大致相同，下面以傳統(tǒng)的放射性Ni源，載氣為清潔空氣為例，作簡要說明。

1.2.1 正反應離子生成

63Ni源是β源，發(fā)射出來的初生電子能量平均值為17 keV，這個高能電子與氮氣分子碰撞后會形成一個正離子和一個次生電子，如方程（3）所示[4]：

在常壓條件下，N2+與載氣中的氣體分子發(fā)生碰撞并導致進一步的離子化反應，如方程（4）~方程（8）所示[4]：

1.2.2 正產(chǎn)物離子生成

當將樣品分子(M)引入反應區(qū)時，反應離子就會與它們發(fā)生碰撞。碰撞產(chǎn)生的激發(fā)態(tài)的過渡中間體-加成離子([MH+(H20)n])會逆向解離生成反應物或發(fā)生取代脫水反應生成產(chǎn)物離子。這些進一步反應的途徑涉及到第三個反應體(Z)，這可以穩(wěn)定產(chǎn)物，如方程(9)[4]所示：

1.2.3 負反應離子生成

在環(huán)境壓力條件下，從63Ni中發(fā)出的高能會通過一系列碰撞過程迅速熱能化。在空氣中，熱能化的即低能量的電子能夠通過三體碰撞附著在（具有很好電子親和性的）氧分子上形成O2-負離子，并通過方程(10)~(12)進行水合反應[4]：

1.2.4 負產(chǎn)物離子生成

清潔空氣中形成的主要反應離子是O2-(H2O)n。與正離子以質(zhì)子轉移為主的反應途徑不同，負反應離子的第一步是先形成加成離子，如方程(13)所示，由于加成物通過與第三個反應體進行碰撞而得以穩(wěn)定，所以M與O2-之間形成的水合加成離子可以保存下來[4]。

2 非射性電離源

2.1 電暈放電電離源

近來，電暈放電電離源在IMS中的應用逐漸增多。直流連續(xù)放電[6]和脈沖式放電[7]等多種放電模式相繼應用到IMS中去。電暈放電所產(chǎn)生的電子密度非常大，在純凈的氮氣氣氛中陰極電暈放電所發(fā)射的電子密度是63Ni源的106倍，因此靈敏度比較高，非常有利于檢測能生成高電負性離子的化合物。電暈放電可以檢測一些63Ni源IMS不能檢測或靈敏度很低的非揮發(fā)性鏈烷烴和芳香族化合物等，還可以對液體樣品直接進行分析。電暈放電離子源耗能少，離子流大，結構簡單。與其他電離源相比，尖端放電式結構及脈沖電場的工作方式，目前被認為是比較適宜于微型化IMS的一種電離源[8]。而微型化一直是IMS的一個重點研究方向，因此電暈放電得到了研究者的極大關注。

但電暈放電離子源也存在著不少問題。Robert等人對電暈放電的機制進行了分析[9]，正電暈放電時，無論載氣為空氣或氮氣產(chǎn)生的正反應離子均為H+(H2O)n與放射源產(chǎn)生正反應離子相同；負電暈放電時，空氣作為載氣時，會產(chǎn)生中性氣體分子，臭氣和氮氧化物對生成的離子的反應進行干擾，產(chǎn)生除放射源的O2-,還會產(chǎn)生CO3-、NO2-和NO3-等，并且隨載氣流速不同，產(chǎn)生的反應離子會在它們之間轉化，造成不穩(wěn)定。這些離子的生成會抑制O2-的產(chǎn)生，而它們不能與一些化合物反應如（methyl salicylate水楊酸乙酯），因此可能造成得不到相應的IMS譜圖。此外，隨著放電時間的增加，電暈放電的針電極會有損耗，造成放電電流的減弱，影響離化效果。電暈放電研究的重點一方面是采取各種措施實現(xiàn)盡可能長時間的穩(wěn)定放電。另一方面是在負電暈放電中產(chǎn)生穩(wěn)定的反應離子，以便實現(xiàn)對各種樣品分子的穩(wěn)定檢測。

Davis等人采用錐形的針電極，針尖曲率半徑25微米，針電極電壓為8500 V，針尖電極連接一個1000兆歐的限流電阻，使電離過程十分穩(wěn)定，最后得到的IMS分辨率達到44~49。針尖在六個月里工作100個小時以上后，在顯微鏡下觀察幾乎沒有發(fā)生變化，進行反應離子測試，如圖2所示，得到的反應離子電流與六個月前也基本沒有變化[10]。檀景輝等人證明用針-網(wǎng)結構代替針-板結構，并不會影響他們之間的電場分布[11]。Shu Li等人采用鎢針-金屬網(wǎng)的電暈放電結構如圖3所示，用氮氣作為載氣，對甲苯、甲醇和甲醛的檢測限分別達到7.8,11.3,和4.6 ppb[12]。另一些研究者嘗試用線-板結構代替?zhèn)鹘y(tǒng)的針-板結構，采用鎢線（直徑30 μm）與板平行的放電結構，放電面積更大，電極壽命也更長。在5~7 kV電壓下，放電電流達20~90 μA[13]。

圖2 電暈放電反應離子電流圖紅線為新針，藍線為使用100 h后放電針的離子電流圖Fig.2 Diagram of ion current in corona discharge reaction The red line is the ion current diagram of a new needle,and the blue line is the ion current diagram of the needle used for 100 hours

圖3 針-網(wǎng)式電暈放電離子源IMS結構圖Fig.3 Structure of needle-net corona discharge ion source

負電暈放電一方面需要延長穩(wěn)定放電時間，方法同正電暈放電。另一方面由于在電離區(qū)產(chǎn)生了上述的中性分子（以O3為主還有NOX），這些分子的電子吸附性都比O2強得多，因此會造成負電暈放電中很少甚至沒有O2-(H2O)n的產(chǎn)生，在不同的放電條件（載氣流速[9]，載氣中氮氧比例[14]等）下，會產(chǎn)生N2O2-、O3-、NO2-、NO3-、CO3-和CO4-等。這些離子的生成會抑制O2-的產(chǎn)生，而它們不能與一些化合物反應，會影響IMS對相應化合物的檢測。負電暈放電的研究重點就是通過一切可能的措施來增加穩(wěn)定反應離子（O2-(H2O)n）的產(chǎn)量。Martin Sab等人設計了如圖4(a)所示為單向氣流離子遷移譜結構圖，漂移氣從1口進入，經(jīng)過放電針從2口出氣，可以有效地減少放電區(qū)的中性分子。圖4(b)為它對應的電暈放電結構，1為放電針電極，2為板電極，3為放電區(qū)，放電區(qū)的錐形結構，以及放電區(qū)與反應區(qū)的錐形連接都有利于減少放電區(qū)的中性分子進入反應區(qū)，并且可以減少樣品分子對放電區(qū)域的干擾。最后檢測得到的O2-及其水合物占所有反應離子的74%[15]。

圖4 (a)單向氣流離子遷移譜結構圖 (b)電暈放電結構圖Fig.4(a)structure of ion mobility spectrum in unidirectional flow(b)structure of corona discharge ion source

Bell等人，在IMS電離區(qū)加入了流向針尖的反向氣體流，用以減少負電暈放電時產(chǎn)生的中性分子臭氧和氮氧化物對離化反應的影響。通過對流出氣流和放電區(qū)的臭氧和氮氧化物氣體測試，此方法確實能夠有效減少放電區(qū)的中性氣體分子，最后得到的反應離子峰為O2-及其水合物，與放射源相似[16]。

另一種避免負電暈放電時中性氣體的產(chǎn)生的方法是以純N2作為載氣和漂移氣體。N2作為載氣的好處是同等條件下放電電流特別大，一些研究者發(fā)現(xiàn)在以空氣作為載氣時，正負電暈放電電流差不多，在以氮氣作為載氣時，負電暈放電的電流比正電暈電流放電大兩個數(shù)量級[12]。但N2作為載氣時，電負性的樣品分子（爆炸物等）會影響放電過程，有可能造成放電的湮滅，因此需要設計特殊的結構使放電區(qū)與反應區(qū)隔離開，使樣品分子不能進入放電區(qū)。Tabrizchi等人設計了一種針-板結構的電暈放電IMS，其中板電極為2 mm厚的石墨板，中間開口1.5 mm以便電子從電離區(qū)進入反應區(qū)，為了防止電負性的樣品分子使放電湮滅，與板電極相距7 mm處，增加一個平行石墨板，在它們之間充入氮氣用來隔離電離區(qū)與反應區(qū)，兩板之間加有1 kV的電壓，以使電離區(qū)的產(chǎn)生的電子進入反應區(qū)與樣品分子反應。氮氣作為載氣負電暈放電電流為mA級，反應離子峰為電子峰，到達法拉第盤的電子電流達到200 nA。實驗對TNT,RDX和PETN的離子遷移譜圖進行了分析，檢測限分別達到7×10-11g,3×10-10g和8×10-11g，比放射性63Ni高很多，動態(tài)范圍達到4個數(shù)量級[17-18]。

脈沖電暈放電離子源在空氣作為載氣時，不僅可以減少其他反應離子的生成，增大O2-(H2O)n的比例，它的功耗又小，可以減少放電極的損耗，延長穩(wěn)定放電的時間。但脈沖電源使用制作困難，與IMS的離子柵門的一致性匹配困難，限制了它的使用。

2.2 電噴霧電離源

電噴霧電離技術 （Electrospray Ionization,ESI）是20世紀80年代美國科學家約翰-芬恩教授提出并成功應用于大分子檢測的[19-20]，電噴霧電離源由噴霧針頭和柵狀或板狀電極構成。當噴霧針頭相對柵狀或板狀電極的電位為數(shù)千伏且二者之間有氣溶膠形成時，就會發(fā)生電噴霧電離。電噴霧電離包括三個基本過程，即電噴霧、離子的形成和離子的輸送。 電噴霧電離源作為一種軟電離源，與IMS技術結合，適合于對蛋白質(zhì)、肽類和低聚核苷酸等分析極性強的大分子化合物的分離和檢測，即使其穩(wěn)定性較差也不會令其分解[21]。1972年，Gieniec等[22]用電噴霧電離室替代放射源，安裝在Franklin GNO公司的商用儀器等離子體色譜儀（即離子遷移譜儀）上，不過由于設計上的缺陷，儀器的靈敏度和分辨率都有所下降。Kanu等[23]對噴霧針結構和電離源系統(tǒng)的改進，在不同流量下（nL/min~μL/min），對不同化合物的電離效率和靈敏度進行測試，ESI-IMS的靈敏度和分辨率都有了一定的提高[24]，二次電噴霧 電 離 技 術 （secondary electrospray ionization，SESI）是在ESI的基礎上研制出來的，Wu等報道了一種二級電噴霧電離的離子遷移譜裝置[25];基于ESI又發(fā)展了對固體樣品進行檢測的電噴霧解吸電離源 （desorption electrospray ionization，DESI）[26-27]。 然而，這兩種電離源的發(fā)展尚受限于泵與噴霧針的技術水平。

總之，電噴霧電離(ESI)技術和IMS技術的結合，使液體樣品可以直接引入IMS，使生物大分子等液態(tài)樣品直接轉化為氣態(tài)，突破了傳統(tǒng)IMS不能分析非揮發(fā)性和高分子量化合物的限制，既可用于分析揮發(fā)性有機化合物，還廣泛應用在生物有機樣品，如蛋白質(zhì)、肽類和低聚核苷酸的分離和檢測上，大大擴展了IMS的應用領域。但ESI-IMS在實際使用過程中，主要問題在于漂移管對上次液體樣品的殘余或吸附的記憶效應會導致下次采樣前需要長時間的徹底沖洗。如何減小記憶效應，縮短兩次測量之間的時間間隔，是ESI-IMS需要解決的首要問題[28-30]。此外，ESI工作離不開溶劑，溶劑中大量的霧化離子也會隨樣品分子進入漂移管，造成IMS譜峰展寬，降低IMS的分辨率[31-32]，這些都是ESI應用于IMS檢測研究，需要重點關注的。

2.3 光致電離源

紫外光燈電離和激光電離都屬于光電離。單光子電離有機化合物所需的能量在光譜的紫外區(qū)，而更長波長的激光則多用于多光子電離過程。通過選擇合適的波長選擇性地電離目標分子，可以提高的選擇性。它的檢測原理是氣體分子與光子直接作用形成正離子，其反應如方程（14）所示：

式中：hv為光子的能量，M為中性氣體分子。

紫外燈是一級電離源，電離過程中不會產(chǎn)生反應離子，所得到的遷移譜中沒有反應離子峰，這對產(chǎn)物離子峰和反應離子峰比較接近的小離子尤其有利，光電離源不易飽和，還能拓寬IMS的線性范圍。上述這些優(yōu)點顯著地提高了IMS分析性能，簡化了遷移率譜和數(shù)據(jù)采集部分。紫外燈電離源已被用于測定苯、甲苯、二甲苯等芳烴、鹵代烯烴以及多種化學戰(zhàn)劑類似物[8]。但是光電離源需要外加電源，尤其是激光源耗能大，而且結構比較復雜，不便于微型化，并且紫外燈只能用于電離那些電離能低于10.6 eV的物質(zhì)，應用面相對較窄。

基質(zhì)輔助激光解吸電離離子源(Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization,MALDI)是基于激光電離的一種形式，它的原理是用激光照射樣品與基質(zhì)形的共結晶薄膜，基質(zhì)從激光中吸收能量并傳遞給樣品分子，電離過程中將質(zhì)子在基質(zhì)與樣品間發(fā)生轉移，達到目標分子電離的目的。它是一種軟電離技術，適用于混合物及生物大分子的測定，目前主要應用于檢測固態(tài)樣品的離子質(zhì)譜儀中，其最大不足在于適合的激光器造價不菲，且僅對部分固態(tài)樣品有效。

2.4 表面電離源

表面電離（Surface Ionization,SI)的原理最初是由烏茲別克斯坦的Rasulev小組研究出來的，并應用于IMS進行了實驗測試[33-34],如圖5所示的表面電離源由參雜了鉑族金屬的單晶鉬加熱到300~500℃作為發(fā)射極，某些分子（主要為含氮分子）與加熱的發(fā)射極的活性表面碰撞或接觸時將會經(jīng)歷電子轉移過程，形成正產(chǎn)物離子。該電離技術比放射性電離源動態(tài)范圍更大，體積小，并且不存在放射源的諸多管理等問題。SIIMS對胺類和煙草的生物堿及除草劑等含氮物質(zhì)的檢測限能達到皮克級，動態(tài)范圍也達到了5個數(shù)量級[35]。SI-IMS存在的主要問題是對發(fā)射極的穩(wěn)定性要求較高，當有些化合物與發(fā)射極表面接觸后，會影響發(fā)射極的使用，電離效果也與某些被測物質(zhì)的結構相關，檢測范圍受限。表面電離源的研究重點在于設計結構簡單，性能穩(wěn)定可靠的發(fā)射極。

圖5 表面電離源示意圖Fig.5 Diagram of surface ionization source

2.5 介質(zhì)阻擋放電

介質(zhì)阻擋放電 （dielectric barrier discharge，DBD）是有絕緣介質(zhì)插入放電空間的一種非平衡態(tài)氣體放電。介質(zhì)阻擋放電能夠在高氣壓和很寬的頻率范圍內(nèi)工作，通常的工作氣壓為10~10000。電源頻率可從50Hz至1MHz。電極結構的設計形式多樣。在兩個放電電極之間充滿某種工作氣體，并將其中一個或兩個電極用絕緣介質(zhì)覆蓋，也可以將介質(zhì)直接懸掛在放電空間或采用顆粒狀的介質(zhì)填充其中，當兩電極間施加足夠高的交流電壓時，電極間的氣體會被擊穿面產(chǎn)生放電，即為介質(zhì)阻擋放電。介質(zhì)阻擋放電使放電氣體產(chǎn)生低溫等離子體，通過多次微觀放電過程產(chǎn)生出高能電子、中性亞穩(wěn)態(tài)分子和自由基離子[36]。DBD具有尺寸小、耗能低（<1 W）、氣流溫度低（~600 K）的特點。Michels等[37]研制了一種介質(zhì)阻擋放電等離子體電離源（dielectric barrier discharge plasma ionization），利用交流電發(fā)生器的正脈沖在毛細管中放電形成等離子體，等離子體電離生成的N2+是下一步形成產(chǎn)物離子的關鍵，DBD也被認為是一種可以取代電暈放電的電離源，不過它們都只適用于氣體樣品的電離。Mohammad[38]設計出了一種新穎的介質(zhì)阻擋低溫等離子體電離源-離子遷移譜儀，氣體樣品可以直接引入反應區(qū)與反應離子發(fā)生反應，液體或固體樣品在等離子體作用下?lián)]發(fā)或解吸附，然后再與反應離子結合生成樣品離子，這樣這種介質(zhì)阻擋低溫電離源-離子遷移譜儀就可直接用于氣、液、固體樣品的電離，應用前景十分廣闊。

2.6 復合電離源

上述每種電離源都有各自的優(yōu)點和缺陷，為了滿足離子遷移譜儀對檢測物質(zhì)種類和應用范圍的需求，吸取各種電離源的長處，提高離子遷移譜儀的檢測選擇性，對多通道復合電離源-離子遷移譜儀的研究也多了起來。Adamov等人[39]將常壓光致電離源(APPI)、電暈放電電離源(CDAPCI)、電噴霧電離源(ESI)、以及傳統(tǒng)的放射性電離源(R-APCI)等4種電離源耦合在一臺離子遷移譜儀上，如圖6所示。這4種離子源相互之間可以快速切換，不僅可以在相同條件下對不同電離源作用下同一樣品的離子遷移譜儀特性進行比較，還可以提高IMS的檢測選擇性。在Adamov研究工作的基礎上，Bahrami等[40]將兩種非放射性電離源，光致電離源(UV-APPI)和電暈放電電離源(CD-APCI)耦合在一臺離子遷移譜儀上，不僅實現(xiàn)了兩種電離源的自由切換，還可以同時實現(xiàn)對樣品分子的電離。

圖6 多電離源復合電離離子遷移譜系統(tǒng)示意圖Fig.6 Diagram of multiple ionization sources combined ionization ion mobility spectrometry system

3 總結與展望

離子遷移譜技術由于靈敏度高、分析速度快、能耗低、易于小型化并且工作在大氣壓下等特點，是目前應用在痕量化學物質(zhì)現(xiàn)場檢測領域最成功、最廣泛的技術之一，并逐步由軍事、安全領域走向民品化的應用。由于使用的傳統(tǒng)放射性電離源，導致IMS線性范圍窄且使用和管理受到諸多限制，嚴重地阻礙了IMS的進一步發(fā)展和應用。該文對多種非放射性電離源進行了介紹和分析，并對它們存在的問題和未來的發(fā)展趨勢進行了展望，電暈放電，電噴霧電離，紫外燈電離，基質(zhì)輔助激光電離，表面電離，介質(zhì)阻擋放電，都有在特定條件下，取代傳統(tǒng)放射源的潛質(zhì)。近年來對復合電離源耦合離子遷移譜儀的研制，使IMS不僅可以用于對氣相的揮發(fā)性有機物進行檢測，對固體和液體樣品也可以實現(xiàn)直接檢測，多種電離源耦合使用也可以極大地提高IMS的檢測選擇性和靈敏度，拓寬IMS的檢測范圍，這可能是未來IMS電離源發(fā)展的一個重要方向。