离子迁移谱技术介绍

行业与解决方案

一.离子迁移谱技术的发展历史

离子迁移谱（ion mobility spectrometry, IMS）技术发展历史可追溯至20世纪60年代末，其核心理论源于气体中离子迁移率差异的分离思想。

1970年，Cohen和Karasek研制出首台商业化漂移管型IMS，早期主要用于环境污染物检测，但因灵敏度不足和技术限制陷入沉寂。

1980年代，反恐与安检需求兴起，IMS凭借快速响应（毫秒级）、高灵敏度（ppb级）及便携性在爆炸物、毒品检测领域实现突破，典型代表如⁶³Ni放射源的小型化设备。

1990年代后，电喷雾电离与激光解吸电离技术的引入，推动IMS进入生物大分子分析领域，开启与质谱联用的新纪元。

2000年以来，高分辨迁移谱技术蓬勃发展，如差分迁移谱利用非对称电场增强选择性，行波离子迁移谱通过行波电场提升分辨率，而捕集离子迁移谱实现多维分离能力。

如今，IMS已从基础研究工具拓展至临床诊断（如呼气诊断）、精准医疗、及太空探测、，成为现代分析科学不可或缺的分离平台。

二.离子迁移谱仪的基本结构

便携式离子迁移谱仪结构示意图

离子迁移谱仪的典型结构包括采样与进样系统、离子迁移管、载气和迁移气体循环系统、离子门控制系统、高压电源系统、温度加热控制电路、信号放大采集和数据处理系统。

离子迁移谱仪的核心组件为离子迁移管，传统的线性电场迁移管由离化区、离子门、迁移区构成。

⁶³Ni源线性电场离子迁移管结构示意图

离化区：用于将样品分子电离生成产物离子。常见电离源：⁶³Ni、电晕放电、辉光放电、低温等离子体电离、大气压光电离、脉冲电子源、电喷雾电离和二次电喷雾电离。

离子门：由离子门栅及绝缘片组成，通过脉冲电压控制离子的周期性注入。

迁移区：离子分离的区域，由多个间隔排布的迁移区电极组成，形成均匀电场，驱动离子漂移。离子在均匀电场及中性气体的双重作用下，根据迁移速率K的不同而被分离。离子的迁移率K表示为离子速度Vd与电场E的函数：

三 .离子迁移谱离化区正负离子生成的主要反应类型

3.1正离子生成主要反应类型

离子迁移谱仪（IMS）迁移管离化区中正离子的生成主要依赖于质子转移反应(PTR)，这是一种通过质子（H⁺）从反应离子向样品分子转移的电离反应。质子转移反应的本质是质子亲和力（Proton Affinity,PA）的差异驱动的化学反应：

 反应离子（如H₃O⁺）作为质子供体其质子亲和力（PA）需低于目标样品分子（M）的PA。当反应离子与样品分子碰撞时，若PA_M>PA_H3O+，质子自发转移，生成样品正离子（MH⁺）。

示例反应方程：H⁺(H₂O)n + M → MH⁺ + (H₂O)n

3.2负离子生成主要反应类型

离子迁移谱（IMS）中负离子的生成机制主要依赖于迁移管离化区内发生的电子捕获和离子-分子反应过程。其核心是利用样品分子与反应离子（或自由电子）的相互作用，最终形成稳定的负离子。

①电子亲和反应（Electron Attachment，EA）：M+e⁻(H₂O)n→M⁻+nH₂O(需目标样品分子M有更高电子亲和势EA)

②离子-分子反应过程（电子传递反应）：O₂⁻ + M → M⁻ + O₂

③质子剥离反应（Proton Abstraction）：M+O₂⁻→[M−H]⁻+HO₂

3.3离子迁移谱仪正负离子模式下的应用特征

特征	负离子模式	正离子模式
常用反应试剂离子	e-(H₂O)n，O₂⁻，Cl⁻	H⁺(H₂O)n，NH₄⁺
主要反应机理	电子捕获、电子传递、质子剥离	质子转移、加成反应
优势检测物	爆炸物（TNT, RDX）、有机酸、卤代物	碱类（毒品、胺类）、酮类
干扰源	环境氧含量、湿度	氨气、有机溶剂蒸气

四.传统线性电场离子迁移谱的工作流程

①样品引入与电离：气体分子经膜进样后由载气带入电离区后，载气分子和样品分子在离子源的作用下发生一系列的电离反应和离子-分子反应，形成各种产物离子。

②离子门控制与离子注入：电场作用下，电离后的离子群通过周期性开启的离子门进入迁移区。

③离子迁移与分离：在与逆流的中性漂移气体分子不断碰撞的过程中，由于这些离子在电场中各自迁移速率不同，使得不同的离子得到分离，先后到达离子接收盘，并最终在检测器上形成电流脉冲信号。

④信号检测与数据处理：各离子组分先后到达离子接收盘，在检测器上形成电流脉冲信号，通过高速采集软件记录离子电流随时间的变化，生成离子迁移谱图。测量出离子通过迁移管电场所用的时间就能获得各个离子的特征迁移速度。对比已知迁移率的标准物质或数据库，确定样品成分；通过信号积分计算浓度。

五.离子迁移谱应用技术特点

不需要真空系统，能在大气压条件下工作，使得整个仪器装置可以微型化；因为体积小、重量轻、功耗低等可以微型化，使得设备可以便携、现场使用。
其灵敏度极高，在不加任何富集的情况下，IMS很容易就可以达到纳克(ng) 量级，这些特点使得其很适合于现场在线快速分析。
分析速度极快，离子在迁移管中迁移速度为毫秒级别，适合在现场快速分析。
仪器系统操作简单易用，无需载气等耗材，低维护费用。
无需样品前处理，可直接检测固态与液态样品挥发出来的气体组分分子。
可检测组分种类广泛：化学战剂 (CWA)、爆炸物、毒品、工业有毒化合物(TIC)、卤代物、酮类、醛类、醇类、胺类、磷有机物等。

六.离子迁移谱仪应用案例

BW-CSD9220便携式化学毒剂检测仪

BW-CSD9220便携式化学毒剂检测仪融合了离子迁移谱与拉曼光谱、阵列电化学传感三种技术，可检测气、固、液全形态的化学战剂（CWAs）及工业有毒有害气体（TICs）。其中气态化学战剂（沙林、梭曼、维埃克斯、芥子气、路易氏剂、光气、氢氰酸等）及多种气态工业毒害气体（氟化氢、氯气、硫化氢、二氧化硫）由离子迁移谱技术完成检测分析。

BW-GCIMS410气相色谱-离子迁移谱联用仪（六通阀、气袋、吸附热解吸）

BW-GCIMS410 气相色谱-离子迁移谱联用仪（GC-IMS）将气相色谱（GC）技术和离子迁移谱（IMS）技术结合起来，不但具备气相色谱（GC）良好的分离能力，同时具备离子迁移谱（IMS）超高灵敏度，无需样品前处理即可实现复杂基质样品中的痕量挥发性有机物（VOCs）分析。

BW-JNCM310无人值守核化预警监测系统

BW-JNCM310无人值守核化预警监测系统是一款多场景应用的区域实时无人值守监测设备，该设备集成离子迁移谱技术、核辐射监测技术、自组网和北斗通讯技术，能实现对多场景无人区域的化学毒气监测、工业毒剂监测、核探测组网监测，及时提供区域的核化危害信息，通过算法模型将所测得数据进行分析，为后方人员防护、避让、处置提供科学依据。其中离子迁移谱模块可在线实时监测包括沙林（GB）、维埃克斯（VX）、梭曼（GD）、氢氰酸（HCN）、路易氏剂（L）、芥子气（HD）、氯化氰（CK）、光气（CG）在内的8种化学战剂，以及二氧化硫（SO2）、硫化氢（H2S）、氯气（Cl2）、二氧化氮（NO2）等工业有毒气体。

核化高空侦采检无人机

核化高空侦采检无人机结合无人机、物联网技术、核化探测技术，为国防安全、核电、环保等领域，提供一体化的毒气和核辐射监测解决方案。离子迁移谱因其重量轻、体积小、检测速度快等特点成为高空化学毒剂和工业有毒气体侦检的首选配置。