用于离子迁移率谱仪的MEMS表面离化源研究

• 作 者: 郭会勇
• 机 构: 中国科学院电子学研究所
• 出 处: 中国科学院电子学研究所
• 发表日期: 2007年期
• 关键词: 离子迁移率谱仪 表面离化 MEMS工艺 有限元方法 含氮有机物

离子迁移率谱仪(IMS)是一种通过鉴别特征离子来检测痕量物质的高灵敏度分析仪器。样品分子的离子化是离子迁移率谱仪工作过程中不可缺少的环节，针对不同种类和形式的被测样品，选择合适的离化方式能有效提高IMS仪器的检测性能，同时也能简化仪器操作和系统硬件。表面离化(SI)具有选择性高、抗干扰能力强以及含氮有机物离化效率高等特点，是一种可用于毒品及某些化学战剂检测的IMS离化方法。本论文设计并制备了一种用于IMS的新型MEMS表面离化源，研究了它的离化特性，并完成了几种相关物质的测试实验。
提出了一种单离子栅的表面离化迁移管结构，通过表面离化源上的脉冲电压同步实现离子的形成和向迁移区的注入。相对于传统IMS迁移管，该SI—IMS的迁移管不但结构简单，同时还具有动态响应特性好、离子注入时间短和离子迁移率谱无基电流的特点。
采用MEMS工艺制备了用于IMS的微热板型表面离化源。用有限元方法对微热板的结构及尺寸进行了模拟优化，为设计和制备性能稳定、功耗较低的梁支型微热板提供了依据。制作的MEMS表面离化源为规整的平板式微热板阵列，离化面与离子栅高度平行，从而形成均匀电场，确保离子进入迁移区时的同步和一致；梁支型微热板四周空隙为理想的气体通道，能使样品气体与离化材料快速充分接触，同时还能简化迁移管气路。
研究了MEMS表面离化源的离子迁移率谱相关特性以及工作条件对离子迁移率谱的影响。代表性胺类物质(三乙胺)的测试结果表明，迁移管温度、表面离化温度、高压脉冲宽度以及迁移气体流速等因素都会影响离子迁移率谱；当表面离化源温度为～530℃、迁移管温度为195℃、迁移气体流速为150 ml/min以及脉冲宽度为100μs时，所获取的离子迁移率谱质量较好。三种含氮有机物的测试结果表明，该MEMS—SI—IMS具有较好的响应特性，计算得到盐酸地芬尼多的检测下限约为190 ng；实验测得二异丙基氨基乙醇(DIPAE)和二乙基氨基乙醇(DEEA)的检测下限约为0.2 ppm。