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• 近年来，国内连续出现的环境污染和危化品公共安全事件牵动了社会的神经，环境监测任务日益繁重，推动了对通用、高灵敏度、快速检测技术需求的增长。离子迁移谱(Ion mobility spectrometry，IMS)技术^{[1, 2]}无需真空环境，可直接在常压下工作，功率要求较低，检测速度快^{[3, 4]}，为满足这种需求提供了较好的解决方案。结合微加工技术的强场非对称波形离子迁移谱(Field asymmetric waveform ion mobility spectrometry，FAIMS)技术^[5~9]，解决了传统IMS技术分辨率低、体积大和检测耗时长的问题^[1]。本课题组长期跟踪FAIMS技术的发展，与产业合作方苏州微木智能系统有限公司致力于开发出能够满足日常检验监管工作的检测设备。图 1是FAIMS检测核心的结构原理图，样品气化和电离的程度直接影响检测结果，因此，与食品安全领域的应用^{[10, 11]}相比，基于FAMIS技术搭建的检测设备对丙酮、苯酚和环己烷等化工品具有更好的适用性。

  图 1  FAIMS的结构原理 Figure 1.  The structure diagram of FAIMS

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  1   实验部分

  1.1   仪器

  检测平台的工作流程如图 2所示：整个检测流程以洁净空气作为载气(由空压机作为气源，结合滤芯进行过滤净化)，利用两台流量控制器(MFC)分别对两路气流进行控制(根据流量比的不同调节待测样品气体的浓度)，载气与样品气混合后通入检测器，进行测试数据采集，测试时的气压由气路中的压力调节阀控制。

  图 2  设备结构图 Figure 2.  Structure of the equipment

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  1.2   样品制备

  单一纯品：分别移取1mL待测样品(丙酮、苯酚、环己烷)加入金属扩散管中，管口覆盖2层聚四氟乙烯(PTFE)滤膜及密封垫圈，使用封盖密封保存待测。

  1：1混合样品：分别移取1mL待测样品(丙酮、苯酚、环己烷)，再分别两两配比装入同一个金属扩散管中，管口覆盖2层PTFE滤膜及密封垫圈，使用封盖密封保存待测。

  1：1：1混合样品：分别移取1mL待测样品(丙酮、苯酚、环己烷)，将三种样品加入同一个金属扩散管中，管口覆盖2层PTFE滤膜及密封垫圈，使用封盖密封保存待测。

  2.1   设备参数

  将待测样品放入痕量气体发生器(VG炉)密封，设定加热温度50℃，依据测试浓度要求分别设置MFC1和MFC2的数值，调节压力阀使得压力数值达到1bar，总流量值2000 mL/min，气流稳定后，点击测试软件开启扫描，输出结果。将未加样品的金属扩散管放入VG炉中，设定MFC2流量值2000mL/min，测得的结果作为背景值。

  2.2   鉴别检测

  如图 1结构原理所示，样品分子或载气电离生成的气相离子在FAIMS的交变电场和补偿电压作用下实现分离和检测。图 3为交变电场下的三维图谱，丙酮和环己烷是正离子扫描图，苯酚是负离子扫描图。图中横坐标是补偿电压(CV)，单位是V，纵坐标是场强，以最大场强的百分比计，颜色深浅区别离子浓度高低。对比背景和加入待测样品后的数据信号，确定待测物质的特征信号，随着样品离子浓度的增加，背景信号逐渐减弱甚至消失。综合信号强度、背景干扰等因素选择某一场强对应的扫描信号转换成二维图。图 4、图 5和图 6分别为气流比1500：500(MFC1：MFC2)时丙酮、苯酚和环己烷与背景的二维叠加谱图。其中，丙酮与苯酚场强为55%，环己烷为45%，叠加的背景二维图根据样品场强从三维图谱转换而来。

  图 3  交变电场下丙酮、苯酚、环己烷的三维图谱 Figure 3.  3D spectra of phenol, acetone and cyclohexane under alternating electric field

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  图 4  丙酮和背景的二维叠加图谱 Figure 4.  Two-dimension overlapped spectra of acetone and background

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  图 5  苯酚和背景的二维叠加图谱 Figure 5.  Two-dimension overlapped spectra of phenol and background

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  图 6  环己烷和背景的二维叠加图谱 Figure 6.  Two-dimension overlapped spectra of cyclohexane and background

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  图 7是丙酮和环己烷混合物的二维谱图，场强为55%。图中横坐标为CV，纵轴是相对离子电流强度。三维强场图显示，丙酮、苯酚和环己烷产生了背景以外的显著信号；在二维叠加谱图上，丙酮、苯酚和环己烷均有独立的信号峰，说明实验使用的检测设备可以对三者进行有效地检测。丙酮和环己烷混合物在二维谱图上峰位不重叠，表明检测设备能够从混合物中将两者区分开。丙酮和苯酚，环己烷和苯酚以及三者的混合物通过正负模式的切换使用，也能实现各物质的分离检出。

  图 7  丙酮和环己烷混合物的二维图谱 Figure 7.  Two-dimension spectra of the mixture of acetone and cyclohexane

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  2.3   不同浓度的检测

  检测器捕捉到样品离子，通过信号放大将离子电流转换成一个相对量值，即相对离子电流强度。在二维图谱上样品离子电流强度最高时对应的CV值即是样品谱线峰位。由表 1数据可见，FAIMS设备对不同浓度三种有机物的检测结果，其RSD小于5%，可以满足日常检测要求。考察相对离子电流强度和流量比(浓度)的相关性，作回归计算，得到R_丙酮=0.982，R_苯酚=0.996，R_环己烷=0.999，说明相对离子电流强度和浓度是高度相关的，其数值随着浓度的升高而增加。

  表 1  不同流量比条件下丙酮、苯酚和环己烷的FAIMS检测结果 Table 1.  Test results of acetone, phenol and cyclohexane in various flow ratio by FAIMS

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  Sample	Ratio of flowMFC1：MFC2	Degree of field/%	CV/V	Mean of current value*	FAIMSRSD% n=6	Regression equation
  Acetone	1950：50 1750：250 1500：500	45%	-0.80	0.5383 0.8386 1.3650	4.6 4.5 4.4	y=0.27544+0.70692 x
  Phenol	1950：50 1750：250 1500：500	45%	-0.495	0.3029 0.3462 0.4600	4.8 4.7 4.6	y=0.42114+3.69623 x
  Cyclohexane	1950：50 1750：250 1500：500	55%	-0.03	0.2424 0.6267 1.0606	4.9 4.7 4.5	y=0.15928+3.62967 x
  *电流值为相对量，无单位，已扣除背景电流值

  2.4   实际应用

  将不同流量比的混合气体接入吸附管或吸收液中，再用色谱或质谱方法进行定量，可以对FAIMS检测设备进行量度刻度。实际检测气体样品时，只需要通过MFC1或者MFC2一路直接进气检测，而液体样品需要使用金属扩散管放入痕量气体发生器通过MFC2进样。需要注意的是，液体样品尤其是混合物，由于在空气中蒸汽压的不同，其定量检测更为复杂。FAIMS设备体积小，结构简单，无苛刻的环境要求，检测时间大大缩短，易于实现现场快速检测，适合于环境监测中对空气中有机挥发物的检测，也可以在危化品检验监管中用于物质鉴别或渗漏物检测。

  3   结论

  本文利用强场非对称微芯片的离子迁移谱技术搭建了化工品检测设备，利用流量控制器和痕量气体发生器，实现了对空气中不同浓度丙酮、苯酚和环己烷的检出。通过调节正负模式下交变电场强度和补偿电压大小，成功对丙酮、苯酚、环己烷的混合物实现分离检测。该设备检测时间短，体积小，功耗低，可以满足现场快速检测需求，为开发便携式检测设备提供了有力的技术支持，方便环境监测和危化品检验监管工作。利用FAIMS技术开发具有创新性的检测设备，实现该技术在环境和化工领域的应用，有望使我国检验机构抢占检测技术的国际领先地位。

• 1. [1]

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  2. [2]

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  4. [4]

     刘波, 赵将, 张根伟等.仪表技术与传感器, 2015, 6:71-74. http://mall.cnki.net/magazine/Article/XDYQ200404001.htm

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  图 1  FAIMS的结构原理

  Figure 1  The structure diagram of FAIMS

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  图 2  设备结构图

  Figure 2  Structure of the equipment

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  图 3  交变电场下丙酮、苯酚、环己烷的三维图谱

  Figure 3  3D spectra of phenol, acetone and cyclohexane under alternating electric field

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  图 4  丙酮和背景的二维叠加图谱

  Figure 4  Two-dimension overlapped spectra of acetone and background

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  图 5  苯酚和背景的二维叠加图谱

  Figure 5  Two-dimension overlapped spectra of phenol and background

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  图 6  环己烷和背景的二维叠加图谱

  Figure 6  Two-dimension overlapped spectra of cyclohexane and background

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  图 7  丙酮和环己烷混合物的二维图谱

  Figure 7  Two-dimension spectra of the mixture of acetone and cyclohexane

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  表 1  不同流量比条件下丙酮、苯酚和环己烷的FAIMS检测结果

  Table 1.  Test results of acetone, phenol and cyclohexane in various flow ratio by FAIMS

  Sample	Ratio of flowMFC1：MFC2	Degree of field/%	CV/V	Mean of current value*	FAIMSRSD% n=6	Regression equation
  Acetone	1950：50 1750：250 1500：500	45%	-0.80	0.5383 0.8386 1.3650	4.6 4.5 4.4	y=0.27544+0.70692 x
  Phenol	1950：50 1750：250 1500：500	45%	-0.495	0.3029 0.3462 0.4600	4.8 4.7 4.6	y=0.42114+3.69623 x
  Cyclohexane	1950：50 1750：250 1500：500	55%	-0.03	0.2424 0.6267 1.0606	4.9 4.7 4.5	y=0.15928+3.62967 x
  *电流值为相对量，无单位，已扣除背景电流值

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