离子迁移谱技术IMS和FAIMS介绍

离子迁移谱技术是应用最早且最为广泛的痕量化学物质探测技术之一，在实验室检测、化学化工、安检安防等领域都有广泛应用。而非线性离子迁移谱是以离子迁移理论为基础的另一种检测理论，利用目标物离子在高电场作用下的迁移率非线性效应，操纵离子通行轨迹进而对离子进行区分和识别。

两种技术都是源自于气相色谱（GC）理论，但都是应用于常压大气环境下的气体分子（离子）检测。因此，对于环境稳定性的依赖相对较强，温度、湿度、气压乃至采样干扰都会对检测结果造成影响。常规的手段除了温湿度控制和采样清洁度控制外，还有通过增加已知标的物的反应物离子峰（RIP），间接的修正环境不稳定因素造成的波谱漂移问题。

因此，离子迁移谱类技术（包括IMS和FAIMS）可以认为是实验室级精准检测技术在常规环境下的降维应用，其在识别精度及灵敏度层面不及实验室级精准检测技术，但是其使用的便捷性却得到了极大的提升，其具备定性半定量的特点可以满足“违禁品识别”领域中的大客流、高通量、快速检测的要求。

此外，随着离子迁移谱类技术的不断发展，很多交叉领域也被融合到现有技术中，如基于MEMS加工的微型气流通道可以在极小尺寸的范围内实现多变量、低采样的并行检测，极大地提升了检测设备的融合性与便捷性。

离子迁移谱和非线性离子迁移谱，都是对大气环境下的带电分子进行控制和检测的理论，同是基于离子迁移率K这一物理量，但两种技术利用的方式不同，详细介绍如下：

1.离子迁移谱技术（IMS）

IMS技术通过检测被电离分子在恒温、低湿、恒电场的条件下，通过对样品通过相同长度的电场通道所需花费的时间测量，进而区分样品类型，如图1所示。

以爆炸物样品为例，当样品分子置于迁移通道左端时，样品分子靠近电离源时会被电离带上负电，迁移通道内电场的方向为自右至左，带负电的样品离子在电场的作用下会向传感器方向进行迁移，由于管道内的环境是一定的，在这种环境下样品离子的迁移率K也是固定的，因此其迁移速度v=K×E也为固定值，所以同种离子到达传感器的时间也是固定的，通过测量分子到达传感器的时间T来判断样品种类。

实际应用时，由于离子在电场作用下的速度较快，为了减少迁移通道的尺寸，会逆着离子行进方向增加一个反向气流，同时减少所有离子的移动速度。同时，由于管道内环境需要保持高度一致性，一般情况下会对管道壁进行加热，约180℃-200℃。此时的内环境温度高于室外环境温度，在少量采样的情况下不会对内环境造成影响。

2.非线性离子迁移谱技术（FAIMS）

区别于IMS技术，FAIMS技术利用的是样品分子（离子）在空气中的迁移率K的高电场下的非线性效应。在电场强度E低于10000V/cm时，离子的迁移速度v和离子的迁移率K依旧成线性关系，即v=K×E。但是当电场强度大于10000V/cm时，迁移率K会随着电场强度E发生变化，可表述为K=K0（1+α（E））。对于不同的样品离子，其非线性系数α也不同。当样品离子处于正负强度非对称且周期总和为0的交变电场作用下时，在电场较强的半个周期内，离子运动的非线性效应会较为明显，假定该离子的非线性系数α＞0，则该离子在这半个周期内的运动距离S图1高场会比另半个周期内的运动距离S低场要大，即S高场-S低场＞0，离子在整个不对称电场的周期作用下会产生一个沿电场方向的净位移（δS）。

如图2所示，迁移通道的上下电极之间会加有强度不对称的周期电压，从而在上下电极之间形成强度不对称的周期电场。同时，在迁移通道中存在着自左向右的流动气流。离子的行进轨迹如图2所示，这是在不进行刻意修正的情况下电场和气流双重作用下的结果。但是通过调整电极板间距、电场强度差、电场频率等信息可以控制离子无法通过迁移通道，而不是直接撞击在电极侧壁上，失去电子，从而无法被传感器进行检测。

FAIMS技术的主要实现思路就是控制诸如电场强度、频率、电极间距这些参量，控制选定的离子通过迁移通道而阻碍其他的离子通过，从而实现离子筛选和识别的目的。

3.IMS和FAIMS的区别

两种离子迁移谱技术虽然都利用电离源进行电离后再进行迁移检测，但由于检测的方式和检测的条件不同，两种检测方式也具有不一样的特点。IMS技术的设备由于在设计中会对电场通道进行恒温恒湿等处理，因此其检测结果受到外界环境的干扰相对较少，但同样是由于如此，设备的体积以及启动时间都会有所妥协。FAIMS原理的设备由于是通过测量样品通过管道时预置条件而并非通过时间，对外界环境没有太高要求，不需要对环境进行预处理，因此可以将设备的体积减小，缩短启动时间，但相对的控制手段较为复杂。