离子迁移谱（IMS）是一种常压下快速、 高灵敏度的痕量化学物质检测方法, 广泛应用于化学战剂、 爆炸物和毒品等检测领域。 在离子迁移谱定性和定量分析中, 采集到的原始谱图除了包含样品自身信息外, 还包含了电噪声、 背景干扰等噪声, 特别是当分析物浓度低时, 噪声会严重影响定性和定量分析的准确性。 为提高离子迁移谱技术化学物质识别准确率, 需要对离子迁移谱谱图信号进行重构。 本文提出一种可同时实现离子迁移谱谱图重构和特征峰提取的新方法。 通过建立优化目标函数, 采用l1范数作为线性惩罚项, λ为正则化参数用来调节惩罚项在优化过程中的比例。 为了求解优化目标函数, 首先构造一个由Gaussian分布函数构成的超完备字典来表示离子迁移谱离子特征峰峰形, 采用替代函数方法对优化目标函数进行迭代求解, 当达到重构谱图与原始谱图均方根误差小于设定的阈值时停止迭代。 为了验证提出的方法性能, 分别采用仿真数据和甲基磷酸二甲酯（DMMP）样本数据进行验证, 其中仿真数据由高斯分布函数字典原子及高斯白噪声组成。 与此同时, 我们对仿真数据和真实样本数据分别采用小波软阈值、 小波硬阈值及S-G平滑滤波算法进行去噪重构。 采用均方根误差（RMSE）和信噪比（SNR）作为评价指标, 实验结果表明该方法成功实现离子迁移谱谱图重构和特征峰提取, 预处理结果比其他三种方法有显著的性能提升, 为开展离子迁移谱定性和定量分析研究提供了基础。

光学检测的指纹图谱具有专属性强、稳定性好、重现性好的特性。通过离子迁移谱毒品探测仪(IMS)与易制毒化学品拉曼快速检查仪分别采集离子与拉曼光谱的双谱图数据,然后将两个谱图进行创新数据融合后,结合主成分分析(PCA)和支持向量机(SVM)分类法对毒品进行鉴别。实验结果表明,融合后的数据相较于分别用单谱图数据进行鉴别,有效提高了对毒品的识别率和准确性。为鉴别毒品提供了一种安全、快速、可靠的新分析方法。

哈达玛多路复用技术能有效改善离子迁移谱的信噪比,但在哈达玛还原谱中出现了假峰等 失真现象,严重影响了离子迁移谱(IMS)的检测性能。通过改变多路复用参数来观察哈达玛变换离子迁移谱 中的假峰变化情况,分析了各种多路复用参数与哈达玛变换离子迁移谱中假峰的关联性。实验结果表 明:多路复用参数的变化可能会改变假峰的位置或峰型,但无法从根本上消除哈达玛离子迁移谱的假峰现象。 结果进一步证明了哈达玛多路复用中固有的调制缺陷可能是哈达玛变换离子迁移谱中出现假峰的主要原因之一。

常温大气压下,在电子能量为0.35～0.65 eV的范围内,使用 氮气负电晕放电-电子吸附-离子迁移谱, 测量了CH2 Br2 , CH2 BrCl,CHBr3 的电子吸附速率常数,得到电子吸附速率常数的大小关系 为k(CH2 Br2 )>k(CH2 BrCl), k(CH2 Br2 )>k(CHBr3 ),并根据电子亲和势对CH2 Br2 和CH2 BrCl的 大小关系进行理论分析。首次对CHBr3 的电子吸附过程进行了定性分析,发现样品蒸汽 在迁移区通入迁移管时,溴离子会与CHBr3 分子络合成团簇离子Br-(H2 O)n (CHBr3 )m 。

为了改进离子门的驱动方式, 简化离子门驱动电源设计和提高离子迁移谱分辨率, 通过增加一组电阻实现离子门两端的不对称供电, 再对低电压端的电压进行控制实现离子门功能。 分析了该方式下的两种情况对迁移管内的电场、 离子迁移谱的分辨率和信噪比的影响。 借助SIMION7.0对离子门两边的电场分布进行了模拟和比较, 并应用数值化拉普拉斯方程的方法计算了迁移管轴线的电场数据。 实验证明: 相比常规迁移谱的离子门浮地驱动电源, 这种驱动方法成本低, 离子门电源的设计简单, 能够明显提高离子迁移谱的分辨率。 该方法能够应用于离子迁移谱的测量仪器或实验设备。

通过改变采样点数,理论优化了Hadamard变换离子迁移谱(Hadamard transform ion mobility spectrometry, HT-IMS)谱图的采样速率;通过增加模拟的白噪声,分析了 该方法提高谱图信噪比的效果和对分辨率的影响。 初步结果表明,在单次离子门门宽0.4 ms内,采集8个及以上数据点可以完整地反演IMS谱图; Hadamard变换方法得 到的谱图的信噪比是传统IMS谱图信噪比的15.8倍,是相同时间内多次传统IMS谱图平均后信噪比的4.6倍; 变换过程对IMS谱图分辨率无明显影响。Hadamard变换IMS的模拟不仅为采样速率等参数的选择和优化提供理论依据, 而且为下一步实验控制和反演奠定软件基础。

利用紫外光照射金属表面产生电子作为离子源,建立了一套光电子源离子迁移谱仪,由于 卤化物具有较强的吸附电子能力,该装置可以应用于卤化物的检测。使用CCl4 样品,得到了 该装置的离子峰强度、半峰宽、分辨率随迁移管电场、离子门脉宽、离子门电压的变化关系, 并进行了简单的理论分析。兼顾离子峰强度与分辨率,得到了优化的实验参数,在该参数下CCl4 的检测限 达到4 ppb, 线性范围跨越2个数量级。

自行研制的紫外光电离-离子迁移谱装置, 对碳链异构、 官能团异构和官能团位置异构的11种同分异构体挥发性有机物进行了实验研究, 结果表明, 这些有机同分异构体能够在离子迁移谱中实现分离。 得到了11种挥发性有机物离子的约化迁移率, 对实验所研究的同分异构体而言, 迁移率大小符合以下规律: 直链<分支<环状, 一级<二级<三级, 对位<间位<邻位, 醇类<酮类<芳香类。 实验中用指数稀释法对11种样品进行了定量分析, 利用该方法得到装置检测限达到ppb～ppm量级。 其中对丙醛、 叔丁醇、 乙苯、 乙醚等同分异构体的光电离离子迁移谱研究均为首次报道。

报道了自主研制的光电离-离子迁移谱装置的基本结构和性能。采用10.6 eV Kr灯为电离源,以苯为检测样品, 对迁移电场电压、离子门电压和脉冲宽度参数进行优化，得到最佳装置参数为离子门脉冲宽度0.15 ms， 离子门电压80 V，迁移区电压2153 V。使用指数稀释方法制备样品浓度，获得了离子迁移谱检测苯的标准曲线， 对苯的检测限为400 ppt，检测线性动态范围跨越三个数量级。

基于高场非对称波形离子迁移谱原理设计了一种由离子源,迁移区和检测器3部分组成的生化传感器。传感器采用真空紫外灯作离子源,高纯氮(99.999%)为载气,在常压下工作。加工了两种由两平行金属极板组成的迁移区,一种由两平板铜块组成,尺寸为25 mm×10 mm×1 mm;另外一种由微机电(MEMS )工艺加工,尺寸为20 mm×10 mm×1.5 mm。MEMS工艺加工的迁移区间距为1.5 mm,电场强度＜10 000 V/cm,不能过滤丙酮离子;铜块迁移区间距为1 mm,电场强度＞10 000 V/cm。当方波非对称射频电压峰峰值为1 600 V,频率为195.8 kHz,占空比为30%,补偿电压为-8.63 V时,采用平板铜块迁移区实现了丙酮离子的位移补偿,实验结果验证了传感器的性能。