趙東杰,劉 軍,丁慶行

(1.北京物資學(xué)院信息學(xué)院,北京 101149;2.北京物資學(xué)院北京高校物流技術(shù)工程中心,北京 101149)

基于PTFE基材的FAIMS傳感器設(shè)計(jì)*

趙東杰1,2*,劉 軍1,2,丁慶行1,2

(1.北京物資學(xué)院信息學(xué)院,北京 101149;2.北京物資學(xué)院北京高校物流技術(shù)工程中心,北京 101149)

為降低FAIMS傳感器制作的復(fù)雜度與成本,設(shè)計(jì)了一種基于PTFE基板的FAIMS傳感器。該傳感器由漂移管、離子源及外圍電路組成。其中漂移管基于PTFE基板構(gòu)建,使用PCB工藝制備Au電極,利用厚度為0.4 mm氧化鋁條作為絕緣支撐片將上下電極隔離并形成通道,用于離子分離與檢測(cè),漂移管的總體積1.9 cm3。離子源通過(guò)針-網(wǎng)式電暈放電建立,通過(guò)軟焊接工藝連接到FAIMS上基板。外圍電路包括FAIMS工作所需的高頻高壓非對(duì)稱電場(chǎng)及補(bǔ)償電場(chǎng)產(chǎn)生電路和微弱離子電流放大電路。常溫下,傳感器響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間小于3 s。利用化學(xué)戰(zhàn)劑模擬劑甲基膦酸二甲酯DMMP(Dimethyl Methylphosphonate)測(cè)試了傳感器的靈敏度,實(shí)現(xiàn)了0.5 μg/m3的量級(jí)DMMP樣品的檢測(cè)。

高場(chǎng)非對(duì)稱波形離子遷移率譜;電暈放電;離子源;甲基膦酸二甲酯

高場(chǎng)非對(duì)稱波形離子遷移率譜FAIMS(High Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry)是一種利用氣相離子在高電場(chǎng)中的非線性運(yùn)動(dòng)特性來(lái)進(jìn)行物質(zhì)探測(cè)與分析的技術(shù)方法[1]。從分離方法角度,一般認(rèn)為傳統(tǒng)IMS(Ion Mobility Spectrometry)方法屬于一階分離方法;而FAIMS屬于二階方法,因而具有更高分辨率[2]。對(duì)比電子鼻[3]與金屬氧化物氣體傳感器[4]等技術(shù)方法,FAIMS使用譜圖解析方法來(lái)檢測(cè)與解析不同的氣體分子,其分辨率與靈敏度更高。目前已應(yīng)用于爆炸物和化學(xué)戰(zhàn)劑的探測(cè)、新藥開(kāi)發(fā)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品衛(wèi)生安全等領(lǐng)域[5]。

目前,FAIMS制備方法主要有3種:①利用MEMS工藝對(duì)玻璃與硅片鍵合制備FAIMS傳感器[6],器件成本低,但與離子源耦合困難、氣密性差②使用深刻蝕技術(shù)在硅片上形成離子通道[7],其核心器件實(shí)現(xiàn)了微型化,但離子通道狹小,離子損失較多;③陶瓷技術(shù)進(jìn)行傳感器的制備與封裝[8],工藝復(fù)雜,易引入雜質(zhì)。本文設(shè)計(jì)了基于PTFE基板的FAIMS器件,降低了工藝復(fù)雜度與成本,與離子源耦合簡(jiǎn)單,氣密性良好,設(shè)計(jì)了電暈放電離子源作為FAIMS電離源,開(kāi)發(fā)了外圍電路,搭建化學(xué)戰(zhàn)劑模擬劑測(cè)試系統(tǒng),完成了傳感器的初步性能測(cè)試。

1 FAIMS傳感器設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

由于離子遷移率在高電場(chǎng)下的非線性特性,將離子置于高低變化的交變電場(chǎng)中,在電場(chǎng)的作用下離子將會(huì)出現(xiàn)偏移運(yùn)動(dòng)。

在高場(chǎng)強(qiáng)下,遷移率系數(shù)可表示為與電場(chǎng)強(qiáng)度相關(guān)的表達(dá)式,K(E/N)如式(1)所示[9]:

K(E/N)=K(0)[1+α2(E/N)2+α4(E/N)4+…+
α2n(E/N)2n]

(1)

式中:K(0)是電場(chǎng)強(qiáng)度為0時(shí)的遷移率系數(shù);α2,α4,α2n是與電場(chǎng)強(qiáng)度相關(guān)的偶次項(xiàng)系數(shù);E/N是對(duì)氣體壓力歸一化的電場(chǎng)強(qiáng)度。式中使用E/N的偶次冪級(jí)數(shù)是基于對(duì)稱性考慮,即離子運(yùn)動(dòng)速度的絕對(duì)值與電場(chǎng)方向無(wú)關(guān)。

不同離子具有不同的α2n特征值,因此對(duì)應(yīng)了不同的Kvs.E/N特征曲線。式(1)可以簡(jiǎn)化為一個(gè)α的函數(shù)來(lái)描述離子遷移率與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系:

K(E/N)=K(0)[1+α(E/N)]

(2)

式中:α(E/N)=α2(E/N)2+α4(E/N)4+…+α2n(E/N)2n,此函數(shù)描述了離子遷移率與電場(chǎng)的非線性關(guān)系。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本論文所設(shè)計(jì)的電暈放電離化FAIMS(CD-FAIMS)系統(tǒng)的主要組成如圖1所示。

圖1 FAIMS系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)包括離子源、漂移管以及外圍電路3部分,其中:①漂移管是FAIMS的核心部件,離子將在漂移管中分離和檢測(cè)。所設(shè)計(jì)的漂移管要求具有一定的分辨率和檢測(cè)靈敏度以滿足對(duì)不同離子的檢測(cè)要求。②離子源是FAIMS重要部分,離子源將樣品分子電離成離子并注入漂移管。離子源的性能對(duì)響應(yīng)靈敏度以及分辨率都有很大的影響。③外圍電路包括FAIMS工作所需的高頻高壓非對(duì)稱電場(chǎng)及補(bǔ)償電場(chǎng)產(chǎn)生電路、微弱離子電流放大電路。

1.2.1 漂移管設(shè)計(jì)及優(yōu)化

FAIMS工作過(guò)程如下:

①樣品氣體利用載氣送入FAIMS漂移管。

②樣品氣在經(jīng)過(guò)離化區(qū)時(shí),與離子源產(chǎn)生的反應(yīng)離子相互作用形成產(chǎn)物離子,然后進(jìn)入有非對(duì)稱電場(chǎng)和補(bǔ)償電場(chǎng)的過(guò)濾區(qū),在補(bǔ)償電場(chǎng)與非對(duì)稱電場(chǎng)的共同作用下實(shí)現(xiàn)不同種類離子分離。

③分離后的樣品離子到達(dá)檢測(cè)區(qū),在偏轉(zhuǎn)電壓的作用下離子被檢測(cè)電極收集形成微弱的電流信號(hào)(nA～pA量級(jí))。

④離子電流信號(hào)由電流放大電路放大成電壓信號(hào)輸出,由采集電路采樣并被記錄,得到離子信號(hào)強(qiáng)度與補(bǔ)償電壓的檢測(cè)譜圖。

從上述FAIMS工作過(guò)程可知,FAIMS可劃分為3個(gè)功能區(qū)域:離化區(qū)、過(guò)濾區(qū)和檢測(cè)區(qū)。帶有樣品的載氣從樣品氣入口進(jìn)入,將依次通過(guò)離化區(qū)、過(guò)濾區(qū)和檢測(cè)區(qū),最后被排出漂移管。圖2是本論文所設(shè)計(jì)的漂移管結(jié)構(gòu)圖。

圖2 平板型FAIMS漂移管結(jié)構(gòu)圖

FAIMS中各電極的尺寸影響離子在漂移管內(nèi)停留時(shí)間以及受非對(duì)稱電場(chǎng)作用時(shí)間,對(duì)離子分離效果與離子通過(guò)率均產(chǎn)生影響。下面從離子在過(guò)濾區(qū)的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行初步討論,分析電極尺寸以及過(guò)濾電極間隙對(duì)離子分離與離子檢測(cè)的影響。

圖3 離子在非對(duì)稱電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)軌跡

①離子在非對(duì)稱電場(chǎng)作用下的偏移量分析

當(dāng)非對(duì)稱電壓波形(圖3)施加在過(guò)濾區(qū)電極上時(shí),會(huì)形成一交變的非對(duì)稱的電場(chǎng),設(shè)d為上下電極的間隙;

Emax=Vmax/d,Emin=Vmin/d

(3)

FAIMS要求交變電場(chǎng)的最大幅值|Emax|>10 000 V/cm,并且非對(duì)稱波形電場(chǎng)應(yīng)滿足單周期電場(chǎng)的平均值為零,即

|Emax|t1=|Emin|t2=β

(4)

式中:t1為單周期內(nèi)高電場(chǎng)持續(xù)時(shí)間;t2為單周期內(nèi)低電場(chǎng)持續(xù)時(shí)間,β為一常數(shù)。

離子在y方向的運(yùn)動(dòng)速度vy為:

vy=K(E)E(t)

(5)

式中:K為離子遷移率,E為y方向隨時(shí)間t變化的電場(chǎng)強(qiáng)度。

在單周期t1時(shí)間段內(nèi),高電場(chǎng)持續(xù)時(shí)間下離子速度vup為:

vup=Kup|Emax|

(6)

在單周期t2時(shí)間段內(nèi),低電場(chǎng)持續(xù)時(shí)間下離子速度vdown為:

vdown=Kdown|Emin|

(7)

低電場(chǎng)下,離子遷移率Kdown保持不變;高電場(chǎng)下,不同種類離子的離子遷移率Kup會(huì)有3種變化可能:增大、不變、減小,對(duì)應(yīng)的離子運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3中的A,B,C曲線。

離子在y方向單周期運(yùn)動(dòng)距離Δy為:

Δy=vupt1-vdownt2=Kup|Emax|t-Kdown|Emin|t2

(8)

將式(6)代入式(8)可得:

Δy=β(Kup-Kdown)=βΔK

(9)

式中:β為由非對(duì)稱電場(chǎng)決定的常數(shù)。由式(9)可知,離子在單周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)距離Δy由高低電場(chǎng)下離子遷移率的差值ΔK決定。

假設(shè)載氣只影響離子在z方向(水平)的運(yùn)動(dòng),離子在隨載氣通過(guò)過(guò)濾電極區(qū)域時(shí),y方向的總運(yùn)動(dòng)距離Y(偏移)為10:

(10)

式中:tres為離子過(guò)濾電極板內(nèi)停留時(shí)間。

②過(guò)濾電極尺寸與離子偏移量的關(guān)系

設(shè)過(guò)濾電極長(zhǎng)度為L(zhǎng)1,檢測(cè)電極長(zhǎng)度為L(zhǎng)3,兩對(duì)電極之間的距離為L(zhǎng)2,電極寬度為w,則可計(jì)算過(guò)濾電極面積A=L1w;過(guò)濾電極區(qū)域的體積為V=Ad。設(shè)載氣流量為Q,則有:

(11)

設(shè)非對(duì)稱波形的占空比D=t1/T,式(11)用式(12)表達(dá)10:

(12)

這說(shuō)明當(dāng)載氣流量與電場(chǎng)強(qiáng)度固定時(shí),對(duì)于特定離子(ΔK≠0),在y方向的偏移量Y與電場(chǎng)分離電壓Vmax、占空比D和過(guò)濾電極的面積A成正比。因此離子在非對(duì)稱電場(chǎng)作用下的Y除了與電場(chǎng)強(qiáng)度及自身特性(ΔK)相關(guān)外,還和漂移管過(guò)濾區(qū)電極尺寸(A=L1w)成正比。

由式(12)可知,當(dāng)w一定時(shí),過(guò)濾電極尺寸越大,Y越大,離子遷移率變化幅度越大,離子分離特征越顯著,器件對(duì)不同被測(cè)物的分辨率越高。但過(guò)濾電極尺寸的增加將使得離子停留時(shí)間的tres延長(zhǎng),而離子在狹小的間隙中停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng),其擴(kuò)散、中和與湮滅等過(guò)程將導(dǎo)致部分離子損失,從而導(dǎo)致離子通過(guò)數(shù)量的大大下降,進(jìn)而使FAIMS檢測(cè)靈敏度下降。目前,參考已有報(bào)道的FAIMS過(guò)濾電極長(zhǎng)度在幾毫米到幾十毫米不等11,本論文將L1設(shè)定為11 mm,w設(shè)定為5 mm。

③過(guò)濾電極間隙對(duì)離子通過(guò)率的影響

間隙d的取值直接影響非對(duì)稱電壓波形在過(guò)濾電極上形成的電場(chǎng)強(qiáng)度,并且約束了離子在y方向的隨電場(chǎng)振蕩的最大位移幅度。

計(jì)算t1時(shí)間段內(nèi),高電場(chǎng)持續(xù)時(shí)間下離子的y方向的運(yùn)動(dòng)距離為:

yt1=vupt1=Kup|Emax|t1

(13)

在常壓大氣環(huán)境中,離子遷移譜技術(shù)一般關(guān)注質(zhì)量在14 amu～500 amu的離子,其離子遷移率在0.8 cm2/(V·s)～2.4 cm2/(V·s)范圍變化[12]。設(shè)非對(duì)稱波形頻率為1 MHz、占空比為0.3,當(dāng)Emax=20 000 V/cm時(shí),|ΔK|一般在0～0.1范圍變化。取Kup的最大值為2.64 cm2/(V·s),以及將Emax=20 000 V/cm,t1=0.3×10-6s代入公式計(jì)算可得ymax的最大值0.158 mm。

如果漂移管間隙d

④非對(duì)稱強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)檢測(cè)電極的干擾及解決措施

由于過(guò)濾區(qū)有高頻非對(duì)稱強(qiáng)電場(chǎng)(～1 MHz,20 000 V/cm),將對(duì)與其距離很近的檢測(cè)電極產(chǎn)生很大干擾,給離子電流信號(hào)檢測(cè)帶來(lái)極大的噪聲。為減小此干擾,通常在過(guò)濾電極和檢測(cè)電極之間增加屏蔽電極或者增加兩對(duì)電極距離,但是同時(shí)也帶來(lái)新的問(wèn)題:①增加屏蔽電極或增加檢測(cè)區(qū)與過(guò)濾區(qū)距離,都增加了離子運(yùn)動(dòng)行程,會(huì)造成一定量的離子損失;②屏蔽電極將改變漂移管內(nèi)的電場(chǎng)分布,使一部分離子接觸屏蔽電極而損失。這兩個(gè)問(wèn)題都會(huì)帶來(lái)離子的損失進(jìn)而降低檢測(cè)靈敏度。

本論文使用了外屏蔽電極的結(jié)構(gòu)屏蔽來(lái)自漂移管外部空間輻射,同時(shí)通過(guò)優(yōu)化離子電流放大電路中的濾波部分來(lái)降低干擾影響。同時(shí),在保證過(guò)濾電極與檢測(cè)電極之間有安全的電氣絕緣距離的前提下,盡可能地減小L2,可以縮短離子水平運(yùn)動(dòng)距離,提高離子信號(hào)幅度。

根據(jù)以上分析,設(shè)定所設(shè)計(jì)的平板型FAIMS漂移管尺寸如表1所示。

表1 FAIMS漂移管主要參數(shù)

1.2.2 漂移管制備

對(duì)于平板型FAIMS的漂移管,其組成材料應(yīng)滿足對(duì)樣品氣體無(wú)吸附等要求,制備時(shí)應(yīng)使形成的間隙通道距離均勻以保證離子通過(guò)率的一致性。

①基板材料及電極制備

由于FAIMS的檢測(cè)靈敏度高,即使微量雜質(zhì)從材料中釋放出來(lái)也能造成污染,干擾檢測(cè)結(jié)果;樣品在這些材料表面的吸附或分解也會(huì)造成污染,以致難以清洗,使檢測(cè)重復(fù)性下降。

聚四氟乙烯PTFE(Polytetrafluoroethylene)是一種性能優(yōu)異的氟碳化合物,可在-200 ℃～250 ℃范圍內(nèi)長(zhǎng)期使用。由于分子結(jié)構(gòu)中含有氟原子,PTFE表現(xiàn)出高度的化學(xué)穩(wěn)定性,幾乎耐一切酸堿等化學(xué)物質(zhì)的侵入,具有突出的不粘性,耐老化性和抗輻射性能。PTFE也是非常好的印刷電路板介質(zhì),高頻損耗小、介電常數(shù)低、一致性好。因此本論文選擇聚四氟乙烯作為制備漂移管的基板材料,以PCB工藝制備出PTFE基板上各個(gè)Au電極,如圖4所示。上下兩個(gè)基板的四周邊緣設(shè)計(jì)了用于裝配時(shí)的焊接和密封的結(jié)構(gòu)。

圖4 FAIMS上下基板

②漂移管裝配

使用厚度為0.4 mm氧化鋁陶瓷條作為絕緣支撐片,用于將上下電極隔離并形成狹縫。上下基板邊緣通過(guò)軟焊接成一體,保證了整個(gè)器件氣密性和通道間隙的一致性。樣品氣入口和離子源接口也通過(guò)焊接的方法將銅質(zhì)的氣路接頭和離子源底座安裝在漂移管上。

漂移管的總尺寸為45 mm×18 mm×2.4 mm。樣品載氣通過(guò)進(jìn)樣口進(jìn)入FAIMS漂移管中。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在常溫工作時(shí)響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間小于3 s,證明了所選用材料的對(duì)樣品吸附很少,保證了檢測(cè)的重復(fù)性和可靠性。

1.3 離子源

1.3.1 電暈放電離子源結(jié)構(gòu)選擇

電暈放電是一種大氣環(huán)境下的氣體放電現(xiàn)象,電極的幾何形狀對(duì)電暈放電起到重要作用,具有不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的電極是構(gòu)成電暈放電離子源的重要部件[13]。

常見(jiàn)的電極結(jié)構(gòu)有針-針結(jié)構(gòu)、針-筒結(jié)構(gòu)和針-網(wǎng)結(jié)構(gòu)。針-針結(jié)構(gòu)放電時(shí)會(huì)形成雙極電暈,即正電暈與負(fù)電暈可以同時(shí)出現(xiàn),因此在放電區(qū)域有大量正負(fù)離子同時(shí)存在,易發(fā)生湮滅,不利于生成反應(yīng)物離子并注入離化區(qū),并且增加了離子種類使檢測(cè)更加復(fù)雜。針-筒與針-網(wǎng)結(jié)構(gòu)由于兩電極的曲率半徑不同,不會(huì)發(fā)生雙極電暈現(xiàn)象,根據(jù)施加電壓極性的不同而分別生成需要的正、負(fù)離子。其中針-筒式結(jié)構(gòu)由于放電區(qū)域電場(chǎng)的束縛作用使得產(chǎn)生的離子注入到離化區(qū)效率低。而針-網(wǎng)式結(jié)構(gòu)放電較穩(wěn)定,離子注入方向與放電區(qū)電場(chǎng)方向相同,離子注入效率相對(duì)較高,在IMS與質(zhì)譜中已獲得廣泛使用[14]。為了便于在平板型FAIMS上安裝,本論文選用針-網(wǎng)結(jié)合放電結(jié)構(gòu)。

1.3.2 半封閉離子源制備與安裝

根據(jù)FAIMS漂移管的尺寸(45 mm×18 mm×2.4 mm)以及氣密性的要求,設(shè)計(jì)了半封閉放電結(jié)構(gòu)離子源。鉬電暈網(wǎng)、銅底座和聚四氟乙烯外筒等組成部件尺寸參數(shù)如表2所示。

表2 電暈離子源參數(shù)

電暈放電電極的表面電場(chǎng)越不均勻,其放電越容易進(jìn)行,越易形成穩(wěn)定的自持放電。選用硬度和熔點(diǎn)都很高的鎢作為制備電暈放電針材料,通過(guò)電化學(xué)腐蝕加工制備出針電極,具有尖端尺寸小、無(wú)表面應(yīng)力、加工后工件無(wú)變形等優(yōu)點(diǎn)。圖5是制備的鎢針照片。

圖5 電化學(xué)腐蝕方法制備的鎢針

將鉬網(wǎng)與銅底座一同焊接在FAIMS上基板的離子源接口,外筒與銅底座利用螺紋連接,保證氣密性。使用儲(chǔ)能焊方法將放電針與M2的螺紋柱焊接成一體,旋入外筒的頂部,可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺釘調(diào)整針-網(wǎng)距離,如圖6所示。放電針接正高壓,不銹鋼網(wǎng)和底座接地,通過(guò)調(diào)節(jié)電壓形成穩(wěn)定的正電暈放電。

圖6 電暈離子源與FAIMS漂移管裝配示意圖

1.4 外圍電路

外圍電路決定FAIMS系統(tǒng)的非對(duì)稱電場(chǎng)頻率、幅度以及離子電流探測(cè)的靈敏度,因此提高外圍電路的性能有利于改善系統(tǒng)FAIMS靈敏度與分辨率。

1.4.1 非對(duì)稱波形電路

非對(duì)稱波形是影響FAIMS性能的關(guān)鍵因數(shù)。波形的非對(duì)稱性影響高低電場(chǎng)的差值;其頻率影響離子在分離電場(chǎng)下的振蕩次數(shù),這些都將直接影響FAIMS檢測(cè)的靈敏度與分辨率。利用單電感反激電路制備出非對(duì)稱波形發(fā)生器[15],能夠?qū)崿F(xiàn)輸出頻率為0.8 MHz～1.5 MHz,峰峰值為0～1 500 V。

1.4.2 離子電流放大電路

FAIMS檢測(cè)區(qū)的離子電流信號(hào)在10-9A～10-13A量級(jí),因此需要高增益的微弱電流放大電路。同時(shí)由于非對(duì)稱電場(chǎng)等干擾較大,在所設(shè)計(jì)的放大電路中要采取措施抑制這些干擾。放大電路包括前置放大、二級(jí)放大以及低通濾波部分。利用具有極低偏置輸入電流的OPA129UB運(yùn)放作為離子流檢測(cè)的前置運(yùn)放實(shí)現(xiàn)I/V轉(zhuǎn)換,并通過(guò)二級(jí)放大電路將信號(hào)放大,增益為7.2×1010V/A。

1.4.3 補(bǔ)償電壓電路

補(bǔ)償電壓通過(guò)對(duì)離子在高場(chǎng)非對(duì)稱波形下運(yùn)動(dòng)偏移進(jìn)行修正,能使特定離子通過(guò)過(guò)濾區(qū)。對(duì)補(bǔ)償電壓的輸出要求是:輸出電壓幅度連續(xù)變化,輸出電壓上升速率可調(diào)。補(bǔ)償電壓波形發(fā)生電路采用C8051F410為核心的單片機(jī)控制電路。單片機(jī)控制16 bit高速數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC8581,通過(guò)編程輸出-5 V～+5 V范圍連續(xù)變化的鋸齒波,再通過(guò)高壓運(yùn)放OPA445將鋸齒波信號(hào)線性放大。最終獲得輸出波形為鋸齒波,頻率為1 Hz,輸出范圍為-21 V～+21 V。通過(guò)電感與非對(duì)稱電壓波形耦合疊加在過(guò)濾電極上,形成帶補(bǔ)償電壓掃描的高頻非對(duì)稱波形。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

通入流量2.5 L/min濃度為10 μg/m3的DMMP(Dimethyl methylphosphonate,DMMP,甲基膦酸二甲酯,CAS 756-79-6)樣品氣,在非對(duì)稱電壓為650V(頻率為1.17 MHz)、補(bǔ)償電壓-21 V～+21 V、掃描周期1 s時(shí)測(cè)量CD-FAIMS響應(yīng),得到圖譜如圖7所示。由圖中可見(jiàn),在補(bǔ)償電壓CV分別為-17.5 V與-10.1 V位置出現(xiàn)了兩個(gè)明顯的離子峰。第一個(gè)離子峰是由反應(yīng)離子產(chǎn)生的;第二個(gè)則是由DMMP特征離子形成。

圖7 DMMP檢測(cè)譜

反應(yīng)離子(RI)主要是水分子通過(guò)質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng)形成的H+(H2O)n。通入DMMP樣品時(shí),DMMP分子與H+(H2O)n發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移反應(yīng),形成DMMP離子DMMP·H+(H2O)n。

(14)

為觀測(cè)FAIMS對(duì)化學(xué)戰(zhàn)劑的檢測(cè)靈敏度,分離電壓的正幅值(Ud)為650 V,使用標(biāo)準(zhǔn)DMMP滲透管(VICI公司,70 ℃時(shí)滲透率25 ng/min)配置出1 μg/m3～10 μg/m3低濃度的樣品氣,通入CD-FAIMS檢測(cè),圖譜如圖8所示。

DMMP離子峰強(qiáng)度與濃度近似呈線性關(guān)系(R2=0.999),如圖8所示。實(shí)驗(yàn)中所配置的最小檢測(cè)濃度為1 μg/m3,此時(shí)FAIMS輸出的離子峰信號(hào)幅度38 mV,噪聲約為6 mV,根據(jù)3倍噪聲標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算的理論檢出限為～0.5 μg/m3。

圖8 DMMP濃度曲線

3 結(jié)論

本文介紹了一種基于PTFE基材制備低成本高靈敏度的FAIMS傳感器,包括漂移管、離子源、外圍電路等。FAIMS漂移管裝置由PTFE基板制備Au電極,通過(guò)軟焊接封裝而成,封裝之后漂移管的總尺寸為4.2 cm×1.8 cm×0.24 cm。

FAIMS漂移管的總體積約為1.9 cm3,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于制備;電暈放電離子源與FAIMS漂移管垂直安裝,半封閉結(jié)構(gòu)將放電區(qū)域與外界環(huán)境隔離,同時(shí)也避免了樣品氣直接通過(guò)放電區(qū)域,使離子源工作環(huán)境能夠保持穩(wěn)定;利用單電感反激電路制備出非對(duì)稱波形發(fā)生器,實(shí)現(xiàn)了信號(hào)采集與圖譜記錄;采用滲透管制作了痕量樣品氣體發(fā)生裝置,實(shí)現(xiàn)了0.5 μg/m3的量級(jí)DMMP樣品氣的檢測(cè)。

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趙東杰(1980-),男,河北承德人,北京物資學(xué)院講師,主要研究方向?yàn)殡x子遷移譜技術(shù)及其應(yīng)用,智能傳感技術(shù)在物流系統(tǒng)中的應(yīng)用,zdj_bj@163.com;

劉軍(1963-),男,山西大同人,北京物資學(xué)院教授,主要研究方向?yàn)橹悄軅鞲屑夹g(shù)在物流系統(tǒng)中的應(yīng)用,物聯(lián)網(wǎng)工程與技術(shù)、DCS倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng),liujun006@ailiyun.com;

丁慶行(1992-),男,河南許昌人,北京物資學(xué)院在讀研究生,主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)工程與技術(shù)、DCS倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)控系統(tǒng),graceding1@163.com。

DesignofaPTFE-BasedFAIMSSensor*

ZHAODongjie1,2*,LIUJun1,2,DINGQingxing1,2

(1.School of Information,Beijing Wuzi University,Beijing 101149,China;2.Beijing Higher Institution Engineering Research Center of Logistics Technology,Beijing Wuzi University,Beijing 101149,China)

In order to reduce the complexity and cost of FAIMS sensor,an FAIMS sensor based on PTFE is designed. The sensor consists of drift tube,ionization source and peripheral circuit. The drift tube is built on the PTFE substrate,where the Au electrodes were produced byPCB process;and the total volume of the drift tube is 1.9 cm3. A corona discharge ionization source is on the top of the FAIMS substrate. The peripheral circuit includes the high frequency and high-voltage asymmetric waveform,the compensating electric waveform generating circuit and the weak ion current amplifying circuit. It is less than 3 seconds of the response recovery time. A chemical agent simulant(Dimethyl methylphosphonate,DMMP)was tested,and the detection of DMMP is the 0.5 μg/m3.

FAIMS;corona discharge;ionization source;DMMP

TP393

A

1004-1699(2017)11-1636-07

項(xiàng)目來(lái)源:北京高校物流技術(shù)工程研究中心項(xiàng)目(BJLE2010)

217-04-17修改日期2017-06-28

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.11.004