一種IMS信號校正算法

鄭小保，徐威，張國棟

（1.中國電子科技集團公司第二十二研究所，山東 青島 266107；2.中國移動通信集團設計院有限公司山東分公司，濟南 250001）

離子遷移譜（Ion Mobility Spectrometry，IMS）技術是20世紀60年代發展起來的一門檢測技術，主要用來分析混合氣體中存在的微量氣體成分，特別適合于一些揮發性有機化合物的痕量探測，如毒品、爆炸物、化學戰劑和大氣污染物等。但是實際得到的IMS信號的遷移率受環境因素影響比較大，提高IMS信號遷移率的探測精度，減少誤判一直是 IMS技術的研究熱點之一。

IMS信號的遷移率隨周圍環境因素的變化而變化，遷移管的構造、電場強度、溫度、氣壓和濕度等一些因素都會對它產生影響。一般采用精確控制或測量遷移環境的做法來提高遷移率的探測精度，但有些是不易控制的，有些精確測量的成本比較高。利用修正技術，對 IMS信號的峰位置進行校正，減弱外界因素對 IMS技術中離子遷移率的影響，一方面保證物質的正確識別，另一方面還可以降低設備的實現難度及成本。

1 離子遷移率

離子遷移率是單位強度電場作用下的離子平均遷移速度，用K表示，其單位為 m2/(V·s)，計算公式為：

式中：E為電場強度；為離子的速度

離子遷移率和中性遷移氣體分子之間的基本關系最早由法國科學家 Langevin給出，但是計算出的遷移率值和實驗值差別非常大。之后，陸續有人對這一理論進行了修改，并不斷提出了新的理論。迄今為止，傳統弱場下最為成功的離子遷移率理論是由Mason等提出的，由式（2）表示：

式中：e為離子所帶電荷，；N為中性遷移氣體分子的密度，；k為玻爾茲曼常數，；μ為折合質量，，其中m為離子的質量，M為遷移氣體分子的質量，effT為離子的有效溫度（K），在單一溫度近似情況下，它就是遷移管內中性氣體分子的溫度；α為校正因子，在mM＞情況下，α一般小于0.02；Deff()TΩ是碰撞截面，其值取決于有效溫度導致的離子團形狀。

從式（2）可以看到：遷移率K反比于碰撞截面以及遷移氣體的密度，為了消除遷移氣體密度的影響以及調整到標準條件下，常采用約化遷移率：

式中：P為環境大氣壓；T為遷移管溫度。約化遷移率相當于把遷移率對環境氣壓和環境溫度進行了歸一化，一般認為它是常數，只與離子和遷移氣體分子的性質以及它們之間的相互作用有關。實際上，遷移管的構造、電場強度、溫度、氣壓和濕度等一些因素仍會對它產生影響。因此，在實際應用中，一般需針對所使用的遷移管及其工作條件對約化遷移率進行相應的修正。

2 校正算法

實際應用中，離子的遷移率是依據測定它通過遷移區的時間獲得的，因此離子的遷移時間t是一個非常重要的參數，常被用來直接標定離子的遷移率。只有在實際測得的離子遷移時間和樣本庫中存儲的離子遷移時間差別不是很大時，才能判定所測樣品中含有某種物質。離子遷移率和離子遷移時間的關系為：

式中：L為遷移管中遷移區的長度；E為遷移管中的電場強度；V為遷移區兩端電壓；t為物質的遷移時間。對同一臺儀器，遷移區的長度、遷移區兩端所加的電壓均為常數，即Kt×常數。所以對未知樣品的約化遷移率一般通過式（5）計算得到：

式中：0K′與0K分別為待測和己知樣品的約化遷移率；t′與0t分別為其對應的遷移時間。

式中：L為遷移管遷移區的長度；V為遷移區兩端電壓；P為環境大氣壓；T為遷移管溫度；t為遷移時間；t0為約化遷移時間。

假定在某一段時間內P、V和T為常數，則某物質的遷移時間可以表示為t=t0×A，A為在一段時間內由P、V和T決定的常數。選定一種物質作為校正物，其約化遷移時間為t1。假定得到了校正物和未知物質在一定環境下的遷移時間分別為t1′和t2′，其校正物的約化遷移時間t1為已知。根據t1=t1′A1，就可以計算出此時的A1，則可進一步得到未知物質的約化遷移為實際測量值，很容易得到未知物質的約化遷移時間，這樣就對未知物質的遷移時間做了校正，可以對物質進行準確判斷。

通過式（6）可以對遷移管兩端的電壓V、環境大氣壓P和遷移管溫度T的變化進行校正。

3 校正結果

用CTZ-1型微量炸藥探測儀上實際采集的TNT（樣品）信號對本校正方法進行實際驗證。性能樣機的基本參數：遷移管管長為70 mm，單幀遷移譜信號長度為40 ms。

以如下采樣參數下的數據得到的空氣離子遷移時間作為標校物的標準遷移時間，其約化遷移時間的參數為 1。標準環境：遷移溫度為 75 ℃，環境溫度為 15 ℃，壓強為 1.01 MPa，遷移區兩端電壓為4000 V。此環境下空氣的離子遷移時間為14.16 ms，樣品的離子遷移時間為 19.56 ms。樣品質量濃度為10 ng/μL。

其他環境不變，高壓從3600～4000 V變化時，TNT樣品和空氣的IMS信號遷移時間如圖1所示。遷移時間基本隨著遷移區電壓的變化呈線性變化。

從圖2可以看出，校正后的TNT的離子遷移時間基本為一條直線。校正前 TNT的離子遷移時間平均誤差為1.024 ms，校正后TNT的離子遷移時間平均誤差減少為0.038 ms。經過修正后的IMS信號峰位置的平均誤差減少了96%，基本上去除了電壓變化對峰位置的影響，大大提高了判斷的準確性。

圖1 IMS信號遷移時間和遷移電壓之間的關系Fig.1 Relationship between migration time and migration voltage of IMS signal

圖2 遷移電壓變化時修正前后的TNT信號Fig.2 TNT signal before and after correction when the migration voltage changes

其他環境不變，遷移溫度在50～120 ℃變化時，TNT的離子遷移時間和空氣的離子遷移時間如圖 3所示。遷移時間基本隨著遷移區溫度的變化呈線性變化。

圖3 IMS信號遷移時間和遷移溫度之間的關系Fig.3 Relationship between migration time and migration temperature of IMS signal

從圖4可以看出，校正后的TNT信號基本為一條直線，校正前 TNT的離子遷移時間平均誤差為1.14 ms，校正后平均誤差減少到0.54 ms。經過校正后的TNT的離子遷移時間平均誤差減少了53%，使峰位置的精確判斷得到了較大的提高，減少了虛警和誤判，提高了IMS的性能。

圖4 遷移溫度變化時修正前后的TNT信號Fig.4 TNT signal before and after correction when the migration temperature changes

4 結論

通過對校正算法的討論，實現了對探測物質離子遷移時間的校正，有效降低了外界環境對離子遷移率的影響，為 IMS信號的校正技術提供了一個思路。最后通過實際驗證證明了該方法的有效性，為該校正技術在IMS信號處理中的應用奠定了基礎。