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第1部分 离子迁移谱的发展史、理论和基本原理第1章 离子迁移谱技术简介2

1.1 基础知识2

1.1.1 离子迁移谱的定义2

1.1.2 对离子在迁移谱仪中进行的过程的描述2

1.1.3 气体正离子的生成4

1.1.4 气体负离子的生成5

1.1.5 离子的分离和迁移率的测定5

1.2 大气压条件下气体中离子的研究7

1.2.1 发现和创新时期（1850-1938）7

1.2.2 基础研究时期（1948—1970）10

1.2.2.1 对高压和常压空气中离子研究兴趣的再现11

1.2.2.2 在弱电场条件下用迁移率表征离子的漂移管11

1.3 IMS技术作为一种分析方法的早期发展（1970—1990）16

1.3.1 F.W.Karasek将IMS用于化学分析的研究16

1.3.2 IMS在军事和公共安全检测方面的研究进展18

1.3.3 快速响应的气密漂移管21

1.4 现代离子迁移谱分析技术21

1.4.1 化学毒剂检测22

1.4.2 炸药的检测22

1.4.3 毒品的检测22

1.4.4 离子迁移谱专著22

1.4.5 不对称场离子迁移谱23

1.4.6 IMS学会和国际学术会议23

1.4.7 挥发性有机物分析仪24

1.4.8 离子迁移谱仪在生物分子测试方面的应用24

1.5 IMS的现状和未来发展趋势25

1.5.1 谱图库的建立和离子迁移谱仪的标准化25

1.5.2 仪器的商业化25

1.5.3 公司商业化运作的发展情况26

1.5.4 应用情况28

参考文献28

第2章 气相离子的迁移35

2.1 概述35

2.2 离子在气体中的低速运动35

2.2.1 气相离子的扩散36

2.2.2 电场对离子运动的作用36

2.2.3 气体密度对离子运动的影响37

2.3 离子与中性气体分子的相互作用模型38

2.3.1 迁移率方程39

2.3.2 刚性球模型40

2.3.3 极化极限模型41

2.3.4 12,4硬核势能模型42

2.4 模型和实验验证42

2.4.1 引言42

2.4.2 同系物系列离子半径43

2.4.3 实验测定的同系物系列离子的迁移率及其与离子质量的关系44

2.4.4 实验测定的同系物系列离子的迁移率及其与温度的关系46

2.4.4.1 实验结果46

2.4.4.2 温度和漂移气体的影响效果48

2.4.4.3 温度和漂移气对K0影响的综合效应51

2.4.5 一种简单的Gedanken实验52

2.4.6 通过改变漂移气改善离子峰的分辨率53

2.5 迁移率与电场强度的关系53

参考文献59

附录A 迁移率计算值受所选参数的影响情况63

绪言63

A1 α*的选择63

A2 rm和z的选择66

A3 n的选择68

A4 参数选择的分析总结69

第3章 离子迁移谱仪中的气相离子反应70

3.1 气相离子反应概述70

3.2 常压下的气相离子反应71

3.2.1 反应离子的生成71

3.2.1.1 正反应离子的生成71

3.2.1.2 负反应离子的形成74

3.2.2 产物离子的形成77

3.2.2.1 正产物离子的生成反应77

3.2.2.2 负产物离子的生成反应80

3.3 分析上的气相离子反应80

3.3.1 定量响应方面的问题81

3.3.1.1 样品浓度对信号响应的影响81

3.3.1.2 检测限83

3.3.1.3 重复性、稳定性和线性范围85

3.3.2 实验参数对离子迁移谱的影响89

3.3.2.1 温湿度的影响89

3.3.2.2 气体试剂的选用和新反应离子的产生91

3.4 离子迁移谱的解析94

3.4.1 离子迁移谱的生成过程概述94

3.4.1.1 高稳定性的离子95

3.4.1.2 低稳定性的离子95

3.4.1.3 中等稳定性的离子96

3.4.2 对混合物的响应96

3.4.3 利用离子迁移谱鉴定化合物97

3.5 结束语98

参考文献98

第2部分 离子迁移谱技术104

第4章 离子迁移谱仪的漂移管104

4.1 引言104

4.2 进样系统和样品的引入105

4.2.1 总体设计方面的考虑105

4.2.2 气体试剂106

4.2.3 气体、蒸气和环境空气109

4.2.3.1 采用分离膜的进样系统110

4.2.3.2 样品气体的指数稀释和动态稀释111

4.2.3.3 环境空气样品的预浓缩112

4.2.3.4 腐蚀性气体113

4.2.4 液体样品114

4.2.4.1 液体样品的喷雾进样和电喷雾电离114

4.2.4.2 固相微萃取115

4.2.4.3 半渗透膜115

4.2.5 固体样品116

4.2.5.1 样品的加热气化116

4.2.5.2 样品的激光加热气化或蒸发117

4.3 电离源118

4.3.1 放射源—镍、镅和氚119

4.3.2 电晕放电电离119

4.3.3 光致电离：放电管和激光120

4.3.4 表面电离122

4.3.5 电喷雾电离123

4.3.6 基体辅助激光解吸电离123

4.3.7 火焰电离124

4.4 漂移管125

4.4.1 传统的线性电场漂移管125

4.4.1.1 漂移管的结构与设计125

4.4.1.2 载气和漂移气127

4.4.1.3 漂移管内的电场129

4.4.1.4 离子栅门131

4.4.2 强不对称场或微分离子迁移谱仪133

4.4.2.1 圆筒形的不对称场离子迁移谱仪136

4.4.2.2 平板形微分迁移谱137

4.4.3 漂移管的其他设计形式138

4.4.3.1 吸气器式分析仪的设计138

4.4.3.2 传统漂移管的平板形设计139

4.4.3.3 其他类型的漂移管140

4.4.4 微型漂移管141

4.5 离子信号的检测、处理、分析和显示142

4.5.1 检测器件和检测方法142

4.5.2 信号的采集和处理143

4.5.3 谱图分析144

4.5.4 信号的显示方式144

4.6 漂移管制作材料的选择146

4.6.1 导电材料的选择147

4.6.2 绝缘材料的选择148

4.6.3 其他材料的选择149

4.7 结语149

参考文献150

第5章 IMS与其他分析技术的联用163

5.1 IMS与其他分析技术的联用简介163

5.2 气相色谱与IMS的联用（GC/IMS）164

5.2.1 基础知识和相关背景介绍164

5.2.2 数据采集和分析170

5.2.2.1 连续扫描法171

5.2.2.2 重构离子色谱和离子监测法173

5.2.3 信号响应特征176

5.2.3.1 通过气体试剂或电离方法的选择来改变测量的选择性177

5.2.3.2 信号的定量响应180

5.2.4 关于色谱分离柱的问题182

5.2.4.1 高分辨率的毛细管柱182

5.2.4.2 多毛细管分离柱（MCCs）183

5.2.5 仪器183

5.2.5.1 环境气体监测仪（EVM）184

5.2.5.2 挥发性有机物分析仪（VOA）185

5.2.5.3 气相色谱—离子扫描仪（GC/IONSCAN）187

5.2.5.4 Varian微型微分迁移谱检测器188

5.2.5.5 美军的热解式GC/IMS仪器188

5.3 液相色谱与IMS的联用（LC/IMS）技术190

5.3.1 发展简史190

5.3.2 近期的研究发展191

5.4 IMS与质谱的联用（IMS/MS）技术191

5.4.1 概况介绍191

5.4.2 IMS漂移管与MS仪器之间的接口193

5.4.3 分析信息的采集195

5.4.3.1 用IMS/MS获取离子迁移谱数据196

5.4.3.2 用IMS/MS获取质谱数据196

5.4.3.3 各个离子迁移峰的质谱图196

5.4.3.4 调谐离子迁移谱197

5.4.4 IMS/MS仪器198

5.4.4.1 使用四极杆质谱仪的传统型IMS/MS仪器198

5.4.4.2 使用四极杆质谱仪的低压IMS/MS仪器199

5.4.4.3 IMS/TOF MS和IMS／离子阱／TOF MS仪器199

5.4.4.4 场离子谱与质谱的联用仪器201

5.5 结语203

参考文献203

第3部分 离子迁移谱的应用210

第6章 离子迁移谱在司法、军事、安全和反恐方面的应用210

6.1 概况介绍210

6.2 化学战剂（CWAS）的IMS检测211

6.3 爆炸物的IMS检测215

6.3.1 爆炸物检测概述215

6.3.2 用手持式、便携式仪器和检测门对爆炸物进行检测218

6.3.3 爆炸物检测的研究和运用情况219

6.3.3.1 人行道入口检测门和行李监测系统221

6.3.3.2 自制炸药和其他替代炸药222

6.3.3.3 爆炸物数据库223

6.4 毒品的IMS检测224

6.4.1 情况简介和相关的离子反应224

6.4.2 在实验室和野外的应用225

6.4.3 毒物的离子迁移率数据227

6.5 IMS在司法方面的一些应用229

6.5.1 催泪剂的检测229

6.5.2 纵火现场的检测229

6.5.3 公共场所的安全检测229

6.6 结语230

参考文献230

第7章 IMS在生物、生物分子研究和医学上的应用238

7.1 概述238

7.2 用IMS进行医疗诊断239

7.2.1 通过呼吸气体的测量对麻醉程度和肺部疾病进行诊断239

7.2.2 阴道感染的诊断240

7.3 食品的新鲜程度和气味的测定242

7.4 蛋白质、肽、氨基酸及其他生物大分子和生物聚合物244

7.4.1 构象研究245

7.4.2 生物分子的碱金属离子246

7.4.3 对生物分子的深入研究247

7.5 细菌的检测和判定247

7.5.1 热解GC/IMS法247

7.5.2 基于酶的免疫试验的离子迁移谱250

7.6 结语250

参考文献251

第8章 IMS在工业和环境检测方面的应用256

8.1 概述256

8.2 酸性和腐蚀性气体的测定256

8.3 挥发性有机化合物和卤化碳的测定258

8.4 水、空气、洁净空间和工业流程中氨的测定261

8.5 气体纯度和收集器效率的测定262

8.6 电气开关中绝缘气体SF6纯度的测定263

8.7 半导体加工过程中污染物的测定264

8.8 空气的重复循环和控制265

8.9 国际空间站上空气中VOCs的监测267

8.10 制药工业：清洁状况检验269

8.11 结语270

参考文献270

第9章 IMS一些有待开发的应用275

9.1 概述275

9.2 在空气质量监测和职业保健上的应用275

9.2.1 在大学的化学试剂贮藏室进行的测量276

9.2.2 皮肤膏药生产过程中析出的尼古丁的检测276

9.2.3 对大学实验室内空气质量的监测278

9.3 工业上泄漏气体的监测280

9.4 用作确定火源的烟雾报警器281

9.5 在吸附层和表面分析上的应用282

9.5.1 对天然聚合物—木材进行热解吸分析283

9.5.2 对吸附物和合成聚合物进行激光蒸发分析283

9.6 金属和无机物离子的测定284

9.7 带电气溶胶粒子的电迁移率分析仪285

9.8 结语286

参考文献287

第10章 离子迁移谱的现状，面临的问题和发展趋势290

10.1 离子迁移谱技术的现状290

10.2 在提高IMS仪器性能和应用进展上面临的问题292

10.2.1 IMS的理论和实际应用上的问题292

10.2.2 硬件和仪器使用方面的问题293

10.3 IMS的未来293

10.4 最后的一点想法294