Ion Mobility Spectrometry: Principles and Applications

Abstract

General principles are reviewed for ion mobility spectrometry including new methods for ion separation through field dependent mobilities in strong electric fields with high frequency asymmetric waveform. Additionally, recent advances in the instrumentation for the characterization of ion mobilities in air at ambient pressure are described and critically reviewed. Advances in instrumentation, understanding of principles of measurements by IMS, and the development of hyphenated technologies have resulted in an increase in the number of applications in recent years.     

高场不对称波形离子迁移谱谱图峰分析方法研究

从离子运动轨迹入手,引入损耗高度,建立了高场不对称波形离子迁移谱(FAIMS)的谱图峰模型. 该模型将流场分布、离子迁移管结构、分离电压以及补偿电压等FAIMS关键参数与FAIMS谱图峰形、峰高、半高宽联系起来,得到了清晰的量化关系,与实验数据符合较好.     

酮类有机物放电离子淌度谱研究

离子淌度谱是一种快速检测痕量挥发性有机物的高灵敏方法。在放电离子源离子淌度谱装置上,研究了八种酮类有机物的离子淌度谱。实验测量了各种离子的约化迁移率,其中丙酮、正丁酮、1-甲基-2-吡咯烷酮、环己酮、苯乙酮的实验结果与前人63Ni放射源离子淌度谱相一致,而甲基异丙基酮、4-甲基-2-戊酮、环戊酮单体和二聚体离子的约化迁移率则是首次报道。实验测量的约化迁移率与离子质量线性相关,获得的对酮类有机物检测灵敏度在ng·L-1量级。     

同分异构体挥发性有机物的放电离子淌度谱研究

离子淌度谱利用大气压下不同离子在电场中的运动速度不同来达到分离离子的目的。离子在电场中的运动速度不仅与离子的质量有关,也与离子的结构有关,因此离子淌度谱可以有效地用来区分同分异构体。文章报道了用自行研制的放电离子源离子淌度谱仪对碳骨架异构、官能团类别异构和官能团位置异构的三类同分异构体进行了实验研究,得到了九种挥发性有机物的离子淌度谱,测量了各离子的约化迁移率,与前人使用神经网络理论得到的计算值相一致。实验表明这些同分异构体有机物能够在高分辨的离子淌度谱中实现分离,而且对本实验所研究的九种同分异构体有机物而言,迁移率大小符合规律：醇类<酮类<芳香类,直链<分支<环状,对位<间位<邻位。实验中使用指数稀释法对样品进行了定量分析,利用该方法得到的检测限达到ng·L-1量级。其中对官能团类别异构的同分异构体以及丁醇同分异构体的放电离子淌度谱研究均为首次报道。     

基于UV-FAIMS的挥发性氯代苯检测方法

挥发性氯代苯是一类典型的环境有机污染物,离子迁移谱(IMS)是一种大气压下基于离子迁移率的快速现场检测技术。采用自制的真空紫外离子源-高场不对称波形离子迁移谱(UV-FAIMS),对空气中氯苯、对二氯苯、邻二氯苯、间二氯苯进行了检测。获取了不同分离电压条件下的CV-I谱图,并以此得到了四种物质的CV-DV指纹谱图。在指纹谱图支持下,设计了对二氯苯、邻二氯苯、间二氯苯三种同分异构体最优化分离检测参数,结果表明在800和1 000 V的分离电压下,通过特征峰的选取,在补偿电压(CV)为20.4 V(DV=800 V),3.2 V (DV=800 V)和11.9 V (DV=1 000 V)处三种物质的混合物可以得到有效的分离识别。研究了流速对谱图峰位置和峰形的影响,得到不同流速下灵敏度和识别精度关系,为优化流量的选取提供了依据。在特征识别前提下考察了DV=450 V条件下,CV=4.3 V的对二氯苯特征峰的UV-FAIMS检测限,结果高达0.05 mg·m-3。该研究为卤代苯等多同分异构体苯类环境污染物的快速高精度检测提供了一种方法参考。     

Separation of Ions from Volatile Organic Compounds Using High-Field Asymmetric Waveform Ion Mobility Spectrometry-Mass Spectrometer

对高场非对称波形离子迁移谱-质谱联用(FAIMS-MS)进行了分析. FAIMS将离子从气态的挥发性有机化合物中分离出来. 采用真空紫外灯离子源在常压下对样品进行电离,紫外灯发射的光子能量为10.6 eV,波长116.5 nm. 迁移区由两块平行的金属平板电极构成,尺寸为10 mm×8 mm ×0.5 mm. 采用频率1 MHz、电压峰值1.36 kV、占空比30%的高场非对称方波电压,对丙酮、丁酮和两者混合物进行FAIMS-MS实验. 质谱结果表明,离子和中性分子之间存在分子离子反应,同时在丙酮和丁酮的混合物中有质子转移. 调节补偿电压从-30～10 V以0.1 V的步长扫描,实现了在质谱仪之前进行离子分离的功能.     

化学计量的氧化钠团簇阳离子结构的离子迁移质谱法研究

本文通过离子迁移质谱法研究了氧化钠团簇阳离子(Na_nO_m⁺,n≤11)的稳定结构. 质谱结果表明化学计量组成Na(Na₂O)_(n-1)/2⁺ (n=3、5、7、9和11)系列是稳定的,并且NaO(Na₂O)_(n-1)/2⁺ (n=5、7、9和11)系列作为二级稳定系列. 为了获得这些团簇离子的结构,通过离子迁移率测量实验测定离子和氦缓冲气体之间的碰撞截面. 同时计算了这些组合物优化结构的理论碰撞截面. 结果表明,Na(Na₂O)_(n-1)/2⁺和NaO(Na₂O)_(n-1)/2⁺的结构除了n=9之外,其它具有相似结构框架. Na(Na₂O)_(n-1)/2⁺所有的化合键位于钠和氧之间. 另一方面,NaO(Na₂O)_(n-1)/2⁺中除了Na-O键之外,还存在一个O-O氧键,表明NaO(Na₂O)_(n-1)/2⁺具有过氧化物离子(O₂^2-)作为Na(Na₂O)_(n-1)/2⁺的氧化物离子(O^2-) 的替代物. Na(Na₂O)_(n-1)/2⁺和NaO(Na₂O)_(n-1)/2⁺两种稳定系列都是闭壳组合物. 这些闭壳特征对氧化钠簇阳离子的稳定性具有强烈影响.     

离子淌度谱和SIMPLISMA用于痕量有机化合物的检测

离子淌度谱(IMS)是检测痕量挥发性有机化合物的灵敏方法。SIMPLISMA(simpletouseinteractiveselfmodelingmixtureanalysis)是一种自模型曲线分辨方法。文章将SIMPLISMA用于DMMP,DIMP和DEMP的IMS检测和数据的处理。这些化合物的IMS谱数据经SIMPLISMA处理后,可以提取出IMS的谱特征,并去除大部分噪声的影响。经SIMPLISMA提取的IMS谱可被用于其他计算,如曲线分辨和模式识别等。     

Corona Discharge Ion Mobility Spectrometry of Ten Alcohols

利用电晕放电离子源离子迁移谱装置对十种醇类有机物的迁移谱进行了研究. 在质子化的水合氢离子为反应离子和纯净空气为迁移气体的条件下,各种醇类有机物在其离子迁移谱中都获得了不同的产物离子峰. 利用指数稀释法得到各种样品的检测限在几个pmol/L量级. 利用所得到的离子迁移谱,以硬球碰撞为模型,得到了大气压下离子-分子相互作用的多个化学物理参数,包括离子分子碰撞、扩散系数、碰撞速率常数和离子半径.     

CHCl3电子吸附速率常数的离子迁移谱

利用电晕放电离子迁移谱, 使用高纯氮气作为载气和迁移气体, 研究了电场强度在200～500 V/cm变化时CHCl₃的解离电子吸附速率常数, 得到样品所对应的电子吸附速率常数为1.26×10^-8～8.24×10^-9 cm³/(molecules s)．利用该装置测量了固定电场下,样品的电子吸附速率常数与样品浓度之间的关系．此外利用所获得的离子迁移谱图得到了不同电场强度下Cl^-与CHCl₃之间的离子分子反应速率常数.     

非对称离子门控制方法和对离子迁移谱分辨率的改善

为了改进离子门的驱动方式,简化离子门驱动电源设计和提高离子迁移谱分辨率,通过增加一组电阻实现离子门两端的不对称供电,再对低电压端的电压进行控制实现离子门功能。分析了该方式下的两种情况对迁移管内的电场、离子迁移谱的分辨率和信噪比的影响。借助SIMION7.0对离子门两边的电场分布进行了模拟和比较,并应用数值化拉普拉斯方程的方法计算了迁移管轴线的电场数据。实验证明：相比常规迁移谱的离子门浮地驱动电源,这种驱动方法成本低,离子门电源的设计简单,能够明显提高离子迁移谱的分辨率。该方法能够应用于离子迁移谱的测量仪器或实验设备。     

一种新颖的在线监测仪器--离子流动光谱仪

离子流动光谱仪（IMS）体积小，重量轻，耗能少，价格便宜，灵敏度高，适用范围广，能用于在线分析，是一种前景广阔的监测仪器。但有关的报道在国内却很少，本文介绍了它的基本原理、仪器构造、特点，局限性以及与色谱和质谱的连用，向小型化发展的方向。从德国光谱化学与应用光谱学研究所在此方面所作的工作讨论了离子流动光谱仪在爆炸物监控、化学武器鉴定、毒品稽查以及在线工业分析和环境监测中的应用。     

甲基异戊酮的离子迁移谱

在自行研制的离子迁移谱仪器上,制备了反应离子质子化水团蔟离子[H＋（H2O）n],并研究了甲基异戊酮的迁移谱。甲基异戊酮的产物离子峰的个数由浓度决定,当浓度在0.004μg/L时出现一个产物离子峰,当浓度达到0.1μg/L时出现两个产物离子峰,当浓度达到1μg/L时出现一个产物离子峰。甲基异戊酮与反应离子发生反应,生成单体团簇离子和二聚体团簇离子。实验测量了各种离子的约化迁移率。     

Ion Mobility Measurements and Ion Chemical Reaction Studies at Heavy Elements in a Buffer Gas Cell

Drift time measurements of ions in a buffer gas cell filled with argon have been performed from which changes of the ion mobility and ionic radii for various heavy elements and their compounds were determined. The ionic radius of americium shrinks by (3.1 1.3)% with respect to that of plutonium, and an increase of the radius by (28 2)% of plutonium oxide with respect to plutonium was found. Ion chemical reactions of erbium ions were studied online in an argon buffer gas cell to which the reaction gases oxygen (O) and methane (CH) were added. The erbium ions were implanted into the buffer gas cell with an energy of 50 MeV. The online measured reaction constant = (3.2 0.4) 10 cm/(molecule s) for the reaction Er + O ErO + O agrees with a reference measurement = (3.6 0.4) 10 cm/(molecule s), performed with a Fourier-Transform-Mass-Spectrometer.     

Ion Mobility Measurements of Carbon Tetrachloride

Abstract

The ion mobility and drift velocity of carbon tetrachloride have been measured at various ratios of E/P_o, ranging from 1.0 to 9 volts/ (cm-Torr). The technique employed for these measurements utilizes a polonium alpha particle source which serves both as the source for ionization as well as the means for producing a reference pulse from a solid state silicon barrier detector. The thermal electrons which are produced are readily captured by carbon tetrachloride and the resulting negative ion, assumed to be CC1₄ ^?, is detected by means of a proportional counter located at the end of the drift path. The zero field reduced mobility obtained for CC1₄ ^?was 0.42 cm²/(volt-sec). The nature of the ionic species is explained in terms of the quantum mechanical theory of ionic mobility as put forth by Dalgarno.     

离子迁移谱检测技术及其应用

离子迁移谱技术是最近几十年发展起来的对微量化学物质进行检测的一种方法．目前它在探测各种化学物质，尤其是毒品和爆炸物方面获得了广泛的应用．文章主要对离子迁移谱仪的原理和检测方法、核心部件——迁移管的构造、其中的化学反应过程以及仪器的应用等几个方面作了介绍．     

混合载气高场不对称波形离子迁移谱中He‐N2 比例对挥发性有机物混叠峰分离的影响研究

载气混合是提高高场不对称波形离子迁移谱（FAIMS）离子分离能力的一个重要方法,在生物大分子质谱研究领域已得到广泛应用,但缺乏在环境小分子领域的研究。选取挥发性有机物（VOCs）中芳香烃、醇、烷烃、酸、酮类中的五种物质（邻二甲苯、异丁醇、正己烷、乙酸、丙酮）为研究对象,研究了混合气体中He-N₂比例对VOCs中单体-二聚体离子混叠峰峰位置、分离度及总离子通过率的影响。实验结果表明,随着FAIMS载气中He比例的增加,5种VOCs中单体及二聚体离子峰峰位置发生偏移,且单体峰与二聚体峰偏移程度不同,单体峰偏移量先增加后减少,而二聚体峰峰位置偏移量逐渐增加;随着FAIMS载气中He比例的增加,五种VOCs离子混叠峰的分离度逐渐增加并趋于饱和,邻二甲苯、异丁醇、正己烷、乙酸、丙酮5种样品的混叠峰分离度达到饱和时对应He比例分别是：20%,30%,10%,40%和20%;随着FAIMS载气中He比例的增加,邻二甲苯、异丁醇、正己烷、丙酮的离子信号强度无明显变化,乙酸的离子信号强度下降明显。该研究为提高FAIMS对环境小分子的分离能力提供了一种可行的方法。同时,也验证了高电场下布朗定律在小分子离子应用上的有效性。     

离子迁移谱在生物医学中的应用介绍

概述了离子迁移谱的特点及其工作原理,给出了离子迁移谱技术应用领域,并对该技术在生物医学领域中的应用及其最新进展进行了阐述,最后通过对研究结果进行分析,得出结论:离子迁移谱在生物医学这一领域正逐步吸引越来越多的科学家的兴趣,具有重要的应用价值和发展前景。     

Ion Mobility of Complexonates

Ion mobilities of silver, cobalt, zinc, gadolinium and europium and their complexonates with NTA, EDTA and DTPA are determined. It is shown that – contrary to the published data the ion mobility of complexonates does not depend on the mobility of the central cation; – complexonates with equal charges show similar mobilities, the deviation being not more than 15% of the average value; – a tendency for the ion mobility to decrease with increasing molecular weight of the complexonate is observed.     

Ion Energy Effects in Photographic Detection in Organic Mass Spectrometry

The relative response of emulsion (Ilford Q2) and evaporated AgBr (Ionomet) plates to a polyatomic (C₉H₂₀ ⁺) and a monoatomic (¹²⁹Xe⁺) ion has been studied as a function of ion energy. Data from the former are readily interpreted qualitatively and semi-quantitatively. Previously reported fragmentation numbers of impacting ions are corrected. Evidence is suggested to relate fragmentation number to a thermodynamic quantity.