本發(fā)明涉及化合物探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種提高離子遷移譜儀分辨率及靈敏度的方法。

背景技術(shù)：

離子遷移譜(ionmobilityspectrometry，ims)又稱離子淌度譜，是上世紀(jì)70年代出現(xiàn)的一種新型快速分離檢測(cè)技術(shù)。由于離子化及分離過程均在大氣壓下進(jìn)行，與傳統(tǒng)質(zhì)譜儀器相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，分析速度快，分析成本低的特點(diǎn)。同時(shí)，離子遷移譜的分離速度非?？欤ǔ资撩雰?nèi)就可以完成一次分析，幾秒至幾十秒內(nèi)就能給出分析的結(jié)果，能夠在大氣環(huán)境中對(duì)微量化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，特別適于現(xiàn)場(chǎng)分析。目前，離子遷移譜在機(jī)場(chǎng)、車站等安檢場(chǎng)合，易制毒化學(xué)品的檢測(cè)，化學(xué)戰(zhàn)試劑的檢測(cè)等方法得到了廣泛應(yīng)用，在傳統(tǒng)的安全領(lǐng)域具有獨(dú)特的作用。離子遷移譜通常由離子源、離子門、遷移分離區(qū)和檢測(cè)器組成。固體、液相或氣體樣品在離子源中電離產(chǎn)生離子，離子在電場(chǎng)的驅(qū)使下通過周期性開啟的離子門進(jìn)入漂移區(qū)，并在與逆流的中性漂移氣體分子不斷碰撞的過程中，由于這些離子在電場(chǎng)中各自遷移速率不同，使得不同的離子得到分離并先后到達(dá)收集極被檢測(cè)。因此通過測(cè)量遷移時(shí)間就可確定分析目標(biāo)物質(zhì)的存在，而應(yīng)用峰面積或峰高可確定相應(yīng)物質(zhì)的濃度。

上述過程中離子門開門時(shí)間和離子進(jìn)入遷移區(qū)后的遷移時(shí)間之比稱為占空比(dutycycle,dc)，dc決定了儀器的信噪比和靈敏度，同時(shí)也影響著分析的分辨率。通常來說，dc越低，分辨率越高，但靈敏度越低。相比傳統(tǒng)的周期性單次開門方法，hadamard變換方法可以將占空比提高到50％，與常規(guī)方法相比可提高靈敏度3-5倍。然而，hadamard變換所帶來的假峰失真現(xiàn)象導(dǎo)致儀器誤報(bào)。另一種基于傅里葉變換的多路復(fù)用技術(shù)同樣可以將占空比提高到50％，但由于傅里葉變換需要對(duì)離子流信號(hào)使用窗函數(shù)進(jìn)行加窗處理，從而降低了其有用信號(hào)，且對(duì)分辨率的不利影響也非常明顯，因而離子遷移譜的性能有待進(jìn)一步提高。

采用巴克碼(barkercodes)對(duì)離子門進(jìn)行調(diào)制并利用互相關(guān)變換的多路復(fù)用方法亦可將離子遷移譜(correlationims)的占空比提高至50％，信噪比明顯提高。但由于巴克碼的長度有限，在與離子遷移時(shí)間匹配時(shí)限制較多，且其長達(dá)500微秒以上的離子門控制脈沖導(dǎo)致離子遷移譜分辨率很低。一種改進(jìn)的方法是采用預(yù)變形模擬chirp信號(hào)的互相關(guān)變換離子遷移譜同樣可以將占空比提高到50％，仍然有明顯的波峰旁瓣，因而靈敏度提高有限，且分辨率仍然較低。

對(duì)上述多路復(fù)用技術(shù)進(jìn)行分析可發(fā)現(xiàn)，離子遷移譜信號(hào)的編解碼過程都是生成一個(gè)離子門控制序列，按照序列對(duì)離子門進(jìn)行調(diào)制并獲取檢測(cè)信號(hào)，再利用檢測(cè)信號(hào)對(duì)控制序列進(jìn)行hadamard變換、傅里葉變換、互相關(guān)變換等數(shù)學(xué)運(yùn)算而得到原始的離子遷移譜信號(hào)。盡管以上過程在數(shù)學(xué)上非常嚴(yán)謹(jǐn)有效，但由于以上方法都是基于處理線性系統(tǒng)而提出，而離子在遷移管中的傳輸并非線性關(guān)系，應(yīng)用于離子遷移譜時(shí)都產(chǎn)生較大偏差，具有較大的缺陷。

基于多路復(fù)用技術(shù)離子遷移譜信號(hào)劣化的原因主要有以下：首先，儀器存儲(chǔ)或?qū)崟r(shí)產(chǎn)生的控制序列在經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后送到離子門控制器，再經(jīng)離子門控制器隔離高壓后將信號(hào)放大送入離子門，在此過程中信號(hào)的傳遞和轉(zhuǎn)換存在較大程度的延遲。在隔離高壓時(shí)通常使用光電轉(zhuǎn)換的方式，光電轉(zhuǎn)換本身是一個(gè)非線性過程，因而控制序列與離子門的控制輸出之間存在較大的誤差。另外，在對(duì)離子門進(jìn)行調(diào)制時(shí)，其方波脈沖的上升沿及下降沿都會(huì)對(duì)檢測(cè)器產(chǎn)生不利的影響，通常，脈沖上升沿會(huì)在檢測(cè)器上產(chǎn)生一個(gè)正峰，而脈沖下降沿會(huì)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)峰，這些信號(hào)會(huì)迭加在離子檢測(cè)信號(hào)上，因而帶來較大的干擾，特別是對(duì)于采用多路復(fù)用技術(shù)的離子遷移譜，會(huì)在正常信號(hào)上產(chǎn)生額外的噪音，甚至產(chǎn)生假峰。

其次，離子遷移譜常用的b-n離子門本身存在較大的耗盡效應(yīng)。由于離子在大氣中的運(yùn)動(dòng)速度有限，因而在離子門打開時(shí)，離子需要較長的時(shí)間通過離子門，當(dāng)離子門關(guān)閉時(shí)，剛通過離子門的離子會(huì)變離子門垂直電場(chǎng)所吸引而折返，因而在離子門高速開關(guān)時(shí)，離子的通過率會(huì)迅速降低，且離子遷移譜峰的前后沿并不對(duì)稱，不符合高斯分布。

再次，離子在遷移區(qū)移動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生擴(kuò)散效應(yīng)。擴(kuò)散會(huì)造成離子遷移說的峰形展寬，盡管峰形展寬本身是符合高斯分布的，但由于展寬的程度與遷移電壓、遷移管長度、溫度、壓力及離子本身的遷移率有關(guān)因而是非線性的，會(huì)造成多路復(fù)用技術(shù)的數(shù)學(xué)變換誤差。

最后，空間電荷效應(yīng)也是譜圖劣化的原因之一。由于同種離子在遷移管中互相排斥，這種庫侖斥力會(huì)造成譜圖較大程度的展寬。研究發(fā)現(xiàn)，離子門脈沖寬度與庫侖斥力的大小有關(guān)，因而利用預(yù)變形模擬chirp信號(hào)的互相關(guān)變換離子遷移譜并不能消除這種誤差。

以上情況都會(huì)造成基于多路復(fù)用技術(shù)的離子遷移譜信噪比降低，其峰形展寬也會(huì)造成分辨率的降低。由于離子遷稱譜檢測(cè)器的輸出非常微弱，輸出電流通常處于10^-9～10^-12安培之間，為了提高信號(hào)放大過程的信噪比，放大器的帶寬通常限制在一個(gè)比較窄的水平，這樣也會(huì)造成放大器的響應(yīng)速率慢，從而進(jìn)一步降低離子遷移譜的分辨率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題，提供一種提高離子遷移譜儀分辨率及靈敏度的方法，可采用不同的控制序列對(duì)離子門進(jìn)行調(diào)制，且可以采用不同的占空比。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種提高離子遷移譜儀分辨率及靈敏度的方法，包括以下步驟：

步驟一，將待分析樣品進(jìn)行離子化；

步驟二，對(duì)來自于離子源的連續(xù)離子流進(jìn)行頻率調(diào)制；

步驟三，在關(guān)閉遷移電壓的情況下將離子門調(diào)制信號(hào)連續(xù)送入離子門并同時(shí)采集法拉第盤檢測(cè)器信號(hào)，得到檢測(cè)器原始輸出的第一平均譜圖i(t)；在打開遷移電壓的情況得到檢測(cè)器原始輸出的第二平均譜圖p(t)；

步驟四，對(duì)第一平均譜圖i(t)進(jìn)行處理記錄，得到各不同質(zhì)荷比的離子強(qiáng)度隨時(shí)間的變化曲線；

步驟五，對(duì)第二平均譜圖p(t)進(jìn)行處理然后利用互相關(guān)變換重建離子遷移譜。

所述步驟二中，對(duì)連續(xù)離子流進(jìn)行頻率調(diào)制，采用方波chirp信號(hào)或者正弦波，占空比保持恒定，或呈線性或非線性單向變化。

所述步驟二中，調(diào)制周期在50ms到10s之間，離子遷移譜相應(yīng)的獲取頻率為20～0.1hz；

調(diào)制的最高頻率為20khz，最低頻率為0hz；

離子門控制序列d/a及檢測(cè)器輸出a/d轉(zhuǎn)換的時(shí)間增量相同，在1微秒至100微秒之間。

所述在步驟三中，在關(guān)閉遷移電壓的情況下將離子門調(diào)制信號(hào)連續(xù)送入離子門并同時(shí)采集法拉第盤檢測(cè)器信號(hào)，重復(fù)10～100次，求取檢測(cè)器原始輸出的第一平均譜圖i(t)。

所述步驟三中，第二平均譜圖p(t)的獲取方法包括，在離子化區(qū)域引入高濃度單一成分，或者直接利用背景離子或溶劑離子作為模式離子，使得通過離子門進(jìn)入分離區(qū)的離子為單一物種；

將離子門與檢測(cè)器之間的距離設(shè)為5mm，將離子門調(diào)制信號(hào)連續(xù)送入離子門并同時(shí)采集法拉第盤檢測(cè)器輸出的模式離子信號(hào)，重復(fù)10～100次，求取檢測(cè)器原始輸出的第二平均譜圖p(t)。

所述步驟四的具體步驟為，

將第一平均譜圖i(t)放大后經(jīng)ad轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)s(t)，導(dǎo)入計(jì)算機(jī)得到離子隨時(shí)間的變化曲線或者經(jīng)過接口導(dǎo)入質(zhì)譜儀直接進(jìn)行鑒定分析，記錄各不同質(zhì)荷比的離子強(qiáng)度隨時(shí)間的變化曲線。

所述步驟五包括，

將第二平均譜圖p(t)和數(shù)字信號(hào)s(t)分別減去第一平均譜圖i(t)得到差譜信號(hào)y(t)和x(t)；

對(duì)差譜信號(hào)x(t)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化得到x(t)，求取模式離子的遷移時(shí)間dtm，并且求取y(t)對(duì)x(t)的互相關(guān)rxy(t)；

根據(jù)樣品中遷移率最小的離子及模式離子遷移時(shí)間dtm對(duì)rxy(t)進(jìn)行裁切，得到樣品的重建的離子遷移譜。

對(duì)差譜信號(hào)x(t)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的方法為，x(t)＝(x(t)-min(x))/(max(x)-min(x))。

求取y(t)對(duì)x(t)的互相關(guān)rxy(t)的方法為：

所述步驟一中，將待分析樣品置于正離子模式、負(fù)離子模式下或二者自動(dòng)切換的雙模式下進(jìn)行電離，使其離子化，其離子化的方式包括電噴霧電離、大氣壓化學(xué)電離、大氣壓光電離、放射源電離或?qū)崟r(shí)直接分析電離，離子化連續(xù)不間斷進(jìn)行。

本發(fā)明的有益效果：

1.控制靈活。本發(fā)明提供的方法可采用不同的控制序列對(duì)離子門進(jìn)行調(diào)制，且可以采用不同的占空比。

2.靈敏度高。本發(fā)明提供的方法可將離子的利用率提高到50％～95％，較傳統(tǒng)方法靈敏度提高3～10倍，與傳統(tǒng)的多路復(fù)用技術(shù)相比，靈敏度可提高1-2倍。與質(zhì)譜儀聯(lián)用時(shí)，靈敏度提高更為顯著。

3.分辨率高。本發(fā)明提供的方法與常規(guī)方法相比可以大幅提高分辨率，進(jìn)而提高化合物識(shí)別及定量的效果。

4.簡(jiǎn)單。本發(fā)明提供的方法可以不經(jīng)改造即可應(yīng)用到已有的離子遷移譜儀，離子遷移譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀、氣相色譜-離子遷移譜聯(lián)用儀、液相色譜-離子遷移譜聯(lián)用儀上，并大幅提高其性能。

附圖說明

圖1為本實(shí)施例離子遷移譜儀示意圖；

圖2為本發(fā)明離子遷移譜圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

一種提高離子遷移譜儀分辨率及靈敏度的方法，具體步驟如下：

(1)對(duì)樣品進(jìn)行離子化；所述離子化的方式包括電噴霧、大氣壓化學(xué)電離、大氣壓光電離、放射源電離或?qū)崟r(shí)直接分析電離源，離子化連續(xù)不間斷進(jìn)行。根據(jù)分析的樣品，電離可在正離子模式下或負(fù)離子模式下進(jìn)行。

(2)對(duì)連續(xù)的離子流進(jìn)行頻率調(diào)制，頻率調(diào)制可以采用升頻或降頻的方法，根據(jù)所需要的信噪比及采樣速率，調(diào)制周期可在50ms到10s之間選擇，離子遷移譜相應(yīng)的獲取頻率為20～0.1hz，可以與hplc或gc的數(shù)據(jù)采集速度相適應(yīng)。調(diào)制的最高頻率為10khz，最低頻率為0hz。離子門控制序列d/a及檢測(cè)器輸出a/d轉(zhuǎn)換的時(shí)間增量相同，為v之間進(jìn)行優(yōu)選。

(3)獲取離子門脈沖干擾信號(hào)，其實(shí)現(xiàn)方法是在關(guān)閉遷移電壓的情況下將離子門調(diào)制信號(hào)連續(xù)送入離子門并同時(shí)采集檢測(cè)器信號(hào)，重復(fù)10～100次，求取檢測(cè)器原始輸出的第一平均譜圖i(t)。

(4)獲取離子門工作特性曲線，其實(shí)現(xiàn)方法是在在離子化區(qū)域引入高濃度單一成分，或者直接利用背景離子或溶劑離子等作為模式離子。將離子門與檢測(cè)器之間的距離設(shè)為5mm，將離子門調(diào)制信號(hào)連續(xù)送入離子門并同時(shí)采集檢測(cè)器輸出的模式離子信號(hào)，重復(fù)10～100次，求取檢測(cè)器原始輸出的第二平均譜圖p(t)。

(5)將調(diào)制后的離子流在遷移電場(chǎng)作用下引入到遷移裝置中進(jìn)行離子分離，所述遷移裝置中通在固定壓力、固定流速的逆向運(yùn)行的中性氣體，所述中性氣體為氮?dú)?、空氣、氦氣或二氧化碳?/p>

(6)將步驟(3)處理后的包括了離子遷移速率信息的連續(xù)離子流經(jīng)法拉弟盤檢測(cè)器檢測(cè)，放大后經(jīng)ad轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)s(t)，或者經(jīng)過接口導(dǎo)入質(zhì)譜儀，記錄各不同質(zhì)荷比的離子強(qiáng)度隨時(shí)間的變化曲線。

(7)對(duì)s(t)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，即x(t)＝(s(t)-min(s))/(max(s)-min(s))，并求取模式離子的遷移時(shí)間dtm。

(8)求取y(t)對(duì)x(t)的互相關(guān)rxy(t)，即：

并根據(jù)樣品中遷移率最小的離子及模式離子遷移時(shí)間dtm對(duì)rxy(t)進(jìn)行裁切，得到樣品的離子遷移譜。

(10)可將以上多路復(fù)用的離子遷移譜作為氣相色譜或液相色譜的檢測(cè)器，從而對(duì)復(fù)雜體系進(jìn)行二維分離，并同時(shí)得到保留時(shí)間、離子的遷移時(shí)間及強(qiáng)度等定性和定量信息。

(11)可將以上多路復(fù)用的離子遷移譜連接不同類型的質(zhì)譜檢測(cè)器，并連接氣相色譜或液相色譜，從而對(duì)復(fù)雜體系進(jìn)行三維分離，并同時(shí)得到保留時(shí)間、離子的遷移時(shí)間、質(zhì)荷比及強(qiáng)度等定性和定量信息。

在對(duì)樣品進(jìn)行離子化處理之前：對(duì)復(fù)雜的樣品，利用毛細(xì)管電色譜、氣相色譜、液相色譜或毛細(xì)管電泳手段對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)分離，或者經(jīng)過稀釋、富集、純化、除雜預(yù)處理后直接用注射泵導(dǎo)入到離子源中。

所述步驟(2)中調(diào)制通過以下裝置實(shí)現(xiàn)：b-n離子門、tyndall離子門或其它離子?xùn)鸥瘛?/p>

如圖1所示，采用所述一種提高離子遷移譜儀分辨率及靈敏度的方法的裝置：順次包括離子源1、離子門2、遷移管4、檢測(cè)器7，離子門2與離子門控制器3，調(diào)制方法使離子流的占空比達(dá)到50％，頻率調(diào)制的方式可采用頻率升高或頻率降低，或者二者的組合。遷移管4上設(shè)有遷移氣入口5，并且遷移管6與高壓電源6連接。

還包括與離子源1連接的氣相色譜儀、液相色譜儀、毛細(xì)管電泳儀、離子色譜儀或超臨界流體色譜儀，或通過大氣壓接口與離子遷移譜相聯(lián)用的質(zhì)譜儀。

色譜-離子遷移譜及離子遷移譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀在分析或檢測(cè)蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)、脂類組學(xué)、食品安全、天然產(chǎn)物和環(huán)境污染物中的應(yīng)用以及毒品、爆炸物、化學(xué)戰(zhàn)試劑、突發(fā)環(huán)境事故等檢測(cè)中的應(yīng)用。

本實(shí)施例中所使用的離子遷移譜儀的結(jié)構(gòu)如圖1所示，離子遷移譜工作在大氣壓下，離子源為電噴霧離子源，離子遷移譜的溫度為50℃，遷移氣體為空氣，流速為900ml.min^-1,遷稱管的總長度為31厘米，由一個(gè)b-n型離子門隔開為兩個(gè)區(qū)域，前端為離子化區(qū)，長度為7.8厘米，后端為遷移區(qū)，長度為23.2厘米。遷移區(qū)后接一飛行時(shí)間質(zhì)譜儀。

本發(fā)明可大幅提高離子遷移譜系統(tǒng)的性能，如傳統(tǒng)的離子遷移譜儀在50ms的離子遷移譜圖中，為達(dá)到良好的分離效果，離子門的開啟時(shí)間為0.25ms，若采用方波chirp進(jìn)行離子門調(diào)制，占空比為50％，則離子的利用效率為：

0.25/50＝0.5％，

離子利用效率從0.5％提高到50％，到達(dá)質(zhì)譜儀檢測(cè)器的離子數(shù)量提高了100倍。從離子的利用效率及提高的倍數(shù)可以看到本發(fā)明對(duì)離子遷移譜儀所起的作用以及其顯著的優(yōu)越性。

按照50ms的周期提取溴化四正癸基銨t10a的離子遷移譜圖，由圖2可以看出，本發(fā)明離子遷移譜圖的分辨率高，比傳統(tǒng)離子遷移譜圖信噪比也提高了很多。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。