Technology

Ion Mobility Spectrometry (IMS) is an analytical technology to separately detect gaseous compounds in a mixture of analytes. The separation is based on the specific drift times, that ionized compounds need to pass a fixed distance (drift tube) in a defined electric field

Compared to other techniques e.g. TOF-MS, ions travel at atmospheric pressure versus a flow of inert drift gas. The drift time of each substance is determined by its ion‘s mass and geometric structure, as slowing collisions with the drift gas molecules are more frequent for sterically demanding structures. Therefore IMS can even differentiate isobaric molecules. 

For detection, the resulting ion current is measured by an electrometer as a function of time. Atmospheric Ionization of molecules can be obtained by several techniques. G.A.S. uses photoionization with a 10.6eV UV-lamp or soft chemical-ionization initiated by a low-radiation tritium (H3) source (below excemption limits of EURATOM). While the first directly produces positive ions, the latter generates rectand ions with the gas atmosphere by a cascade of reactions following the collision of a fast electron emitted from the β-radiator H3[1]. The so-called Reaction Ion Peak (RIP) representing the total of all ions available is formed. In nitrogen and air, resp., the reactand ions can be descibed as H+(H2O)n and O2-(H2O)n. Chemical ionization of analytes by reactand ions then result in the formation of specific analyte ions, when the affinity of the analyte towards the reactand ion is higher when compared to water. The proton affinity of water is 691kJ/mol, so all molecules with a higher proton affinity will be ionized by proton transfer, which is typically given for all heteroatom-organic compounds. 

 

G.A.S. Gesellschaft für analytische Sensorsysteme mbH
BioMedizinZentrumDortmund
Otto-Hahn-Str. 15
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Germany
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离子迁移谱(IMS)工作原理

离子迁移谱(IMS)是分离检测混合分析物中气体化合物的一种分析技术。它的分离以特定的漂移时间为基础,即电离的化合物需要在一个定义的电场通过固定的距离(漂移管)。

相比于飞行时间质谱(TOF-MS)等其他技术,离子在大气压力下相对于惰性漂移气体流进行迁移。由于空间结构减缓与漂移气体分子碰撞的频繁,所以每种物质的漂移时间由其离子质量和几何结构确定。因此,离子迁移谱(IMS)甚至可以区分同分异构体。检测时,通过静电计测得离子电流结果,作为时间函数。可以通过几种技术获得分子的大气电离。G.A.S.采用由低辐射氚(H3)源引发的软化学电离(低于国际原子能机构(IAEA)或欧洲原子能共同体(EURATOM)的豁免限制)。

在第一步中,β-辐射器发射的快电子与漂移气体环境[1]发生碰撞后,级联反应生成了反应物离子。即形成了所谓的反应离子峰(RIP),它表示所有形成的可用离子总和。在氮气或空气中,反应物离子为H+(H2O)n(正模式)或O2-(H2O)n(负模式)。当分析物对反应物离子的亲和力高于水的亲和力时,分析物的化学电离通过反应物离子会导致特定分析物离子的形成。水的质子亲和力为691千焦/摩尔,因此所有具有更高的质子亲和力的分子会因为质子转移发生电离,通常杂原子有机化合物会出现这种情况。

[1] Eiceman, G.和Karpas, Z.,离子迁移谱,国际标准图书号(ISBN)0-88493-2247-2

 

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气相色谱(GC)与离子迁移谱(IMS)联用技术

如食品,香料,天然气和环境应用复杂的分析物的混合物经常要求二次独立分离步骤以来分离分析最低(ppb)的浓度水平的多种化合物。

为克服 IMS 在分离效率方面的限制 G.A.S. 在几乎所有的 IMS 系统都配备了气相色谱 (GC) 色谱柱。 待测样品的挥发性化合物通过气相色谱柱及时预分离。 分离的化合物直接洗脱到 IMS 电离室中,从而可以避免分析物和/或离子相互作用以及分析物对反应离子的竞争。 通过这种方式,GC-IMS 设置实现了分析混合物的双重分离和 IMS 静电计的检测。 基于保留指数 (RI) 的化合物分离既提供了鉴定信息(使用 NIST Kovats RI 数据库),又抑制了 IMS 电离和检测过程中不需要的化合物相互作用。 这种配置提高了检测器对单个化合物的选择性。

由于 IMS 测量速度极快(高达 21 毫秒/光谱),因此提供了分析物信号的连续高分辨率记录。 所示图描绘了 GC-IMS 样品流和检测导致 GC-和 IMS 分离的 3D 数据集,与其相应强度同样都可使用 G.A.S. 的VOCal 和其他软件工具处理。

为了优化分析性能,对其飞行时间 IMS G.A.S. 最近进一步开发了一种特殊的电离结构,可提高复合进样时间的分辨率,从而形成一个缩小的“虚拟”空隙体积,在电离区域内有更有效的样品和漂移气流控制。 这种 FOCUS-IMS® 设置(正在申请专利)导致信号峰形和电子压力控制器 (EPC) 应用流量之间的相关性。 峰对称性和半峰全宽 (FWHM) 可与最先进的质谱仪相媲美。

载气和漂移气体的比例能控制样品在电离球中的大小和停留时间,这个从而成为操作员可调节的参数,可根据应用需要来优化灵敏度和冲洗特性。因此,升高漂移气流会降低整个浓度范围内的灵敏度,与经典 IMS 设计相比FOCUS-IMS® 的线性范围可以显着增加(参见技术说明)。


 

GC_IMS_technology

GC-IMS数据分析软件-VOCal

G.A.S. 提供全方位的软件工具阵容,支持自动数据采集以及数据可视化,评估,校准,定量和定性表征。

GC-IMS技术意味着耦合高灵敏度检测器的化合物的二维分离。 VOCal软件可实现非常直观的数据处理以及测量数据的2维或3维表示。 如果需要,可以以覆盖模式或差异地形图来便于比较多个测量。 此外,通过使用GC或IMS监控器,可易于访问分离的每个维度,它可以提供数据的一维视图即色谱图或离子迁移谱。 在许多应用中,定期检测某些物质的浓度非常重要。 使用用户友好的定量工具,可以建立校准曲线和模型,随后可用于自动物质定量。 如有必要,可以将建立的量化模型转移到G.A.S. 测量系统,从而进行独立于计算机的分析(例如现场测量)。

另一个重要功能,特别是在质量控制或风味分析领域中,例如是特定物质的指纹分析。 为此,VOCal可通过特殊插件定制来扩展。 这些插件在评估不同样品的信号模式(识别特定的标记化合物,物质的不同量)方面为分析人员提供了支持,并且还有助于通过指纹分析得到的结果的可理解的图形表示。

此外,集成的软件“ GCxIMS库搜索”可利于快速地识别和表征未知的挥发性有机化合物(VOC)。 通过匹配(GC和IMS)两种化合物特有的分离特性来实现化合物测定。 该软件具有完整的NIST2014保留指数数据库的非受限版本,包括〜400.000带注释的Kovats / Lee保留指数和〜83.000化合物以及由G.A.S.开发的IMS漂移时间数据库, 其 包含数百种物质的特定漂移时间。 这两个库都可以由用户定制和扩展。


 

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