（分析化学专业论文）vuv电离离子迁移谱技术在vocs测量中的应用.pdf

摘要 摘要 离予迓移谱技术是一种快速，灵敏，便携的现场检测技术。该技术首先 应用于军搿，安检机构，如用来检测化学战剂，爆炸物品，毒品等。离子迁 移谱仪在仪嚣微性化上有一恣的潜力，同时容易操作和使用。 搴论文主要磅竞了珏光离子纯为离子源愆离予：j 萋移谱鼓拳。戳紫多 毙 乍 离子源可以避免传统的良6 3 n 作离子源的放射污染经，内充有氪气的低压气 体放电灯发出的光子能量为1 0 2 e v ，可以电离绝大多数的挥发性和半挥发性 的有机化合物。离子源的设计肖刹于v u v - 灯的使用和提高电离效率。在仪 器的关键酃传一一离子门，磷利了释成本低，铡髂工艺简单的离予门，该 离子门耀邻余属丝闯距为0 7 5 m m ，阕懿考查了离子门处电压特性霹矮移谱懿 影响。迁移管的设计便于加工和装配，同时考奁了迁移管上电压降对离子迁 移谱的影响。通过组装调制熬台仪器和一系列的突验，已经掌握了离子迁移 谱设计制作的一些规律和技巧。在离子迁移谱的分辨率( 评价仪器饿黥的重 要援寒摈撂) 上达到2 6 ，接邋黧舞褰鑫诧东平( 3 0 ) 。黠予该菝拳瓣瓣产曩二 有一定的懑义。 针对目前国际上离子迁移谱技术研究向着利用离子迁移率随电场变化的 非线性特性对不同离子进行分离即非对称场离子迓移谱技术，作了相应的理 论磅究。掰褥定瞧结论戆够浆影噙菲对称场离予逶移谱分离富集功憨瀚套因 素统一至个数学表达式中，与文献报道实验缭暴程一定程度符合较辩，为 下一步进行实验工作做了相应的准备工作。 关键谰：离子迁移谱，紫外患离，迁移率，菲对称场离子迁移落 ! !生堕型 一 a b s t r a c t y i n g g u os h i ( a n a l y t i c a lc h e m i s t r y ) d i r e c t e db yp r o f h a i y a n gl i i o nm o b i l i t ys p e c t r o m e t r yi sav e r yf a s t ，s e n s i t i v ea n dp o r t a b l ed e t e c t i o n a p p a r a t u s t h em e t h o dw a sm o s t l yu s e di n t h em i l i t a r ya n df o r e n s i ca r e a ，f o r e x a m p l e ，t h ed e t e c t i o no fw a r f a r ea g e n t s ，e x p l o s i v e s ，a n dd r u g s i o nm o b i l i t y s p e c t r o m e t e rh a st h ep o t e n t i a lf o rm i n i a t u r i z a t i o na n de a s yo p e r a t i o n t h em a i nr e s e a r c hi n t h i sp a p e ri si o nm o b i l i t ys p e c t r o m e t r yw i t hp h o t o i o n i z a t i o ns o u r c e t h ev u v - i o nm o b i l i t ys p e c t r o m e t e rh a sn or a d i o a c t i v e p o l l u t a n t s m o s to ft h ev o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d sa n ds e m i v o l a t i l eo r g a n i c c o m p o u n d sc o u l db ei o n i z e db yt h e1 0 2 e vl o w p r e s s u r eg a sd i s c h a r g el a m p t h e d e s i g n o fi o n i z a t i o ns o u r c ew a sb e n e f i tt ot h ev u v - l a m pa n di n c r e a s i n g i o n i z a t i o ne f f i c i e n c y t h ek e yp a r to ft h ea p p a r a t u si si o n - g a t e t h ei o n g a t em a d e i no u rl a bi si n e x p e n s i v ea n de a s yt ob em a n u f a c t u r e d t a k eo n l yh a l fh o u rt o c o m p l e t ea n d t h eg a t eh a sao 7 5 m mg r i ds p a c i n g m e a n w h i l e ，t h ei n f l u e n c eo ft h e v o l t a g eo nt h ei o ng a t ew a ss t u d i e d t h ed r i f tt u b ew a se a s i l ym a c h i n e da n d a s s e m b l e d t h ei n f l u e n c eo ft h ev o l t a g et h a tw a so nt h ed r i f tt u b et ot h ei o n m o b i l i t ys p e c t r o m e t r yw a ss t u d i e d t h ep r i n c i p l eo fd e s i g na n do p e r a t i n gi o n m o b i l i t ys p e c t r o m e t e rh a sb e e nm a s t e r e d t r a d i t i o n a l l yi m sh a sb e e nc o n s i d e r e d al o w r e s o l v i n gt e c h n i q u ew i t hr e s o l u t i o nn om o r et h a n3 0 t h er e s o l u t i o nw a s2 6 i no u rh o m e m a d ei m s s o m et h e o r yr e s e a r c hi nt h ef i e l d a s y m m e t r i cw a v e f o r mi o nm o b i l i t y s p e c t r o m e t r yw a sm a d e t h ec o n c l u s i o ni no u rt h e o r yw a sw e l lc o m m i t t e db y a b s t r a c t e x p e r i m e n tr e s u l t st h a tw e r er e p o r t e di nl i t e r a t u r e s i t sh e l p f u lf o ru st od os o m e e x p e r i m e n ti nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：i o nm o b i l i t ys p e c t r o m e t r y , u v - i o n i z a t i o n ，i o nm o b i l i t y , f i e l d a s y m m e t r i cw a v e f o r mi o nm o b i l i t ys p e c t r o m e t r y 第一章文献综述 第一章文簌综遴 篇一带基本原理和概念 饔琴遂移谱铰秘礤突蘩鬟 在大气压条件下，均匀电场中，气体离子会猩电场力的作用下加道运动， 直到与中性分子发生碰撞，熊爨部分或全部损失，然后离子再被加速运动， 再与中犍分予疆撞，翅j = 反筑。烟土辑述豹这零孛气体离子载微蕊上鬃现杂乱 静运动，宏蕊上却表瑗轰离予叛僖定的速度瀣电场力的方向运动，劳整这个 速度正比与电场强度。离予的速度与电场强度的比值被称为离子的迁移率， 不同的离子迁移率的数值不同。离子迁移谱( i o nm o b i l i t ys p e c t r o m e t r y ，i m s ) ， 也称离子避移率谱，就是根摄不同的离子的迁移率的不同将它们分开 “2 3 】。 麦子该技术英毒矮毫麴灵敏发释缀获戆努辑速菠，掰疆擎在主氆纪钧年代便 作为一种新的分析技术出现。根据离子迁移谱的分离机理，过去它述有另外 两个别名：气相电泳( g a s e o u se l e c t r o p h o r e s i s ) 和等离子体色谱( p l a s m a c h r o m a t o g r a p h y ) i ”。“气相电泳”这个称呼反魄了离子迁移谱与传统的电泳 技术有襁缎之楚，簧统的毫泳蹩葶! | 用电场力稳离子在液薅套蔟中分离，嚣离 子迁移谱技术是零瘸电场力俸为驱动力将离予在气侮介质中分离：“铸离子体 色谱”体芏兕了离子迁移谱具商类似与色谱一样的附离子混合物的分离能力。 离子迁移谱的主要优点在于它具有较高的灵敏度，仪器装置的简单，成本低， 同时具有分帮亍鞠在线检测的熊力，所以引起人们的极大的兴趣。2 0 缎纪7 0 年代疆突久受主要是对该援术避彳亍基磕磅究；不黼离子静迂移率豹测定，漫 v u v 电离离子迁移谱技术在v o c s 测量中的应用 度效应的影响，离子质量与离子迁移率的关系等，并且认识到该技术在分析 检测爆炸物品，化学战剂，毒品，大气和工作环境污染物方面的应用前景。 2 0 世纪8 0 年代，随着新的电离技术的开发和电子技术的发展，出现了具有 分析和报警功能的手持式离子迁移谱设备，并作为军用现场检测仪器。进入 2 0 世纪九十年代，随着公开发表文献的增多和商品化的离子迁移谱仪的推 出，国际上研究i m s 技术的机构和研究人员逐渐增多。近年来，反恐稽毒的 需求极大地促进了现场高灵敏、高选择性检测设备的发展。i m s 特别适合于 一些挥发性有机化合物的痕量探测，如化学战剂 4 】、毒品【5 】、爆炸物【6 j 干口大气 污染物【7 】等，已经广泛地应用在机场安检和战地勘查，并在环境监测、工业 生产等方面有应用【8 ，9 ，10 1 。 1 1 2 离子迁移谱仪的基本原理。- 2 “ 离子迁移谱技术主要是通过气态离子的迁移率来表征各种不同的化学物 质，以达到对各种物质分析检测的目的。在弱电场( 小于1 0 0 0 v c m ) 的范围 内，离子运动的速度正比于电场强度，v = k e ，这里v 为离子的速度，e 为 电场强度，k 为离子迁移率，离子的迁移率在弱电场的范围内为常数，其数 值主要取决于离子的结构，质量，电荷数和尾吹气体的种类等因数，不同的 离子其迁移率的数值有所不同。 图1 中高压源通过串连的电阻使得各迁移管金属环具有一定的电压，绝 缘体( 聚四氟乙烯) 主要用来使各金属环绝缘开，这样在离子迁移谱仪的内 部腔体中便形成一定程度上相当均匀的轴向电场。真空紫外灯( v u v 灯) 将 样品电离成离子，离子在电场力的作用下沿轴向向前运动。离子门用来控制 离子以脉冲的方式进入后面的迁移管中，不同的离子由于其迁移率的不同因 第一章文献综述 而具有不同躺速度，从耐到达法拉第盘的时阃不同，便形成了离子迁移诺圈。 1 1 2 1 离子迂移率”- 2 3 图1 离子迁移谱的基本原理圈 f i g u r eo ft h ep r i n c i p l eo fi m s 大气惩祭静下，气体鬻子在麓匀终邂场力佟丽下热速运动，嚣辩又与缓 冲气体分予( 空气或氮气) 发生频繁的无规则的碰撞，使得离予在宏观上表 现为正比电场强度的速度沿电场线方向运动。宏观上离子在较弱的均匀电场 e ( e 穗连。装置主要参数：离子瀑区长2 5m m ，痰径1 5m m ：漂移区 长9 0 m m ，内径3 0 m 取念释环厚l m m ，聚巍羝乙烯( 绝缘部分) 浮6 m m 。 离子门采用b r a d b u r y n i 。1 s o n 型【2 ，离子门内径1 5 m m ，直径0 2 m m 金属 丝平行的放在同一平面上，丝与丝间距为1m m ，法拉第接收搬的直径为 2 0 m m 。 尾皎气为经过硅胶予燥，活性碳净化的空气，气流量为6 0 0m l m i n ；样品 为丙酮，由干燥净化过的警气用顶空法进样吹入离子源，流墩约为1 5 0 m l m i n ，丙酮样品的浓度约为1 0 p p m 量级( 物质量比) ，试验温鹰为室温。 在以下务章节中的谱图都楚滚翔上述装置和安验条终繇褥。 2 3 整个实验装鼹原理图 f i g u r eo ft h ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n t 第章1 m s 的设计 2 1 2 谱豳分辨率的决定因素f 1 ，2 3 ，4 】 离子迁移谱的分辨攀定义为 尺。 ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中t 为出峰时间，耽为峰高一半处的宽度。在色谱理论中理论塔 檄数定义隽： n 。5 5 擞1 2 眦7 ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中蝻所为单个峰的保留时间，蹦为半峰宽， 从( 2 - - 1 ) 译廿( 2 - 2 ) 中决定定义式斡主簧耪理参数来看，离子迁移谱中豹分辩举翡禳客箕含 义更接近色谱中的理论塔板数的概念：主要测缝离子迁移谱中单个峰的谱带 震宽，怒对单个峰评价的重要参数，对于选定样品的分辨率应该是受熬台仪 嚣的硬传结构和参数，袋验的濑凄，尾妖气体等因素决定和影响的。 决定分辨搴的一个主要因素是半峰宽，而影响半峰宽的因素有：( 1 ) 最 翩的离子脉冲的宽度和分布情况；( 2 ) 离子脉冲在迁移管中因扩散造成的峰 鼹宽；( 3 ) 离予阗困库仑力造成的峰展览；( 4 ) 离子和中性分子鲍化学反应 造成的峰展宽；( 5 ) 微电流放大器的性能等。其中( 1 ) 和( 2 ) 是造成峰展 宠熬主要因素，蒺链毽索对于蜂震宽懿影麓裙对与( 1 ) 帮( 2 可以忽貉不 计。因此 形0=f。2+fi”(2-3) 式( 2 - - 3 ) 中t 。离子门玎魑造成豹峰展宽，趣迁穆管中圆扩教造贼的峰震赛。 2 6v u v 电离离子迁移谱技术在v o c s 测量中的应_ l = j 由于控制离子门开启的脉冲不可能是理想的方波，再加上离子泄漏，电 容等因素，所以