一种IMS信号校正算法

郑小保，徐威，张国栋

（1.中国电子科技集团公司第二十二研究所，山东 青岛 266107；2.中国移动通信集团设计院有限公司山东分公司，济南 250001）

离子迁移谱（Ion Mobility Spectrometry，IMS）技术是20世纪60年代发展起来的一门检测技术，主要用来分析混合气体中存在的微量气体成分，特别适合于一些挥发性有机化合物的痕量探测，如毒品、爆炸物、化学战剂和大气污染物等。但是实际得到的IMS信号的迁移率受环境因素影响比较大，提高IMS信号迁移率的探测精度，减少误判一直是 IMS技术的研究热点之一。

IMS信号的迁移率随周围环境因素的变化而变化，迁移管的构造、电场强度、温度、气压和湿度等一些因素都会对它产生影响。一般采用精确控制或测量迁移环境的做法来提高迁移率的探测精度，但有些是不易控制的，有些精确测量的成本比较高。利用修正技术，对 IMS信号的峰位置进行校正，减弱外界因素对 IMS技术中离子迁移率的影响，一方面保证物质的正确识别，另一方面还可以降低设备的实现难度及成本。

1 离子迁移率

离子迁移率是单位强度电场作用下的离子平均迁移速度，用K表示，其单位为 m2/(V·s)，计算公式为：

式中：E为电场强度；为离子的速度

离子迁移率和中性迁移气体分子之间的基本关系最早由法国科学家 Langevin给出，但是计算出的迁移率值和实验值差别非常大。之后，陆续有人对这一理论进行了修改，并不断提出了新的理论。迄今为止，传统弱场下最为成功的离子迁移率理论是由Mason等提出的，由式（2）表示：

式中：e为离子所带电荷，；N为中性迁移气体分子的密度，；k为玻尔兹曼常数，；μ为折合质量，，其中m为离子的质量，M为迁移气体分子的质量，effT为离子的有效温度（K），在单一温度近似情况下，它就是迁移管内中性气体分子的温度；α为校正因子，在mM＞情况下，α一般小于0.02；Deff()TΩ是碰撞截面，其值取决于有效温度导致的离子团形状。

从式（2）可以看到：迁移率K反比于碰撞截面以及迁移气体的密度，为了消除迁移气体密度的影响以及调整到标准条件下，常采用约化迁移率：

式中：P为环境大气压；T为迁移管温度。约化迁移率相当于把迁移率对环境气压和环境温度进行了归一化，一般认为它是常数，只与离子和迁移气体分子的性质以及它们之间的相互作用有关。实际上，迁移管的构造、电场强度、温度、气压和湿度等一些因素仍会对它产生影响。因此，在实际应用中，一般需针对所使用的迁移管及其工作条件对约化迁移率进行相应的修正。

2 校正算法

实际应用中，离子的迁移率是依据测定它通过迁移区的时间获得的，因此离子的迁移时间t是一个非常重要的参数，常被用来直接标定离子的迁移率。只有在实际测得的离子迁移时间和样本库中存储的离子迁移时间差别不是很大时，才能判定所测样品中含有某种物质。离子迁移率和离子迁移时间的关系为：

式中：L为迁移管中迁移区的长度；E为迁移管中的电场强度；V为迁移区两端电压；t为物质的迁移时间。对同一台仪器，迁移区的长度、迁移区两端所加的电压均为常数，即Kt×常数。所以对未知样品的约化迁移率一般通过式（5）计算得到：

式中：0K′与0K分别为待测和己知样品的约化迁移率；t′与0t分别为其对应的迁移时间。

式中：L为迁移管迁移区的长度；V为迁移区两端电压；P为环境大气压；T为迁移管温度；t为迁移时间；t0为约化迁移时间。

假定在某一段时间内P、V和T为常数，则某物质的迁移时间可以表示为t=t0×A，A为在一段时间内由P、V和T决定的常数。选定一种物质作为校正物，其约化迁移时间为t1。假定得到了校正物和未知物质在一定环境下的迁移时间分别为t1′和t2′，其校正物的约化迁移时间t1为已知。根据t1=t1′A1，就可以计算出此时的A1，则可进一步得到未知物质的约化迁移为实际测量值，很容易得到未知物质的约化迁移时间，这样就对未知物质的迁移时间做了校正，可以对物质进行准确判断。

通过式（6）可以对迁移管两端的电压V、环境大气压P和迁移管温度T的变化进行校正。

3 校正结果

用CTZ-1型微量炸药探测仪上实际采集的TNT（样品）信号对本校正方法进行实际验证。性能样机的基本参数：迁移管管长为70 mm，单帧迁移谱信号长度为40 ms。

以如下采样参数下的数据得到的空气离子迁移时间作为标校物的标准迁移时间，其约化迁移时间的参数为 1。标准环境：迁移温度为 75 ℃，环境温度为 15 ℃，压强为 1.01 MPa，迁移区两端电压为4000 V。此环境下空气的离子迁移时间为14.16 ms，样品的离子迁移时间为 19.56 ms。样品质量浓度为10 ng/μL。

其他环境不变，高压从3600～4000 V变化时，TNT样品和空气的IMS信号迁移时间如图1所示。迁移时间基本随着迁移区电压的变化呈线性变化。

从图2可以看出，校正后的TNT的离子迁移时间基本为一条直线。校正前 TNT的离子迁移时间平均误差为1.024 ms，校正后TNT的离子迁移时间平均误差减少为0.038 ms。经过修正后的IMS信号峰位置的平均误差减少了96%，基本上去除了电压变化对峰位置的影响，大大提高了判断的准确性。

图1 IMS信号迁移时间和迁移电压之间的关系Fig.1 Relationship between migration time and migration voltage of IMS signal

图2 迁移电压变化时修正前后的TNT信号Fig.2 TNT signal before and after correction when the migration voltage changes

其他环境不变，迁移温度在50～120 ℃变化时，TNT的离子迁移时间和空气的离子迁移时间如图 3所示。迁移时间基本随着迁移区温度的变化呈线性变化。

图3 IMS信号迁移时间和迁移温度之间的关系Fig.3 Relationship between migration time and migration temperature of IMS signal

从图4可以看出，校正后的TNT信号基本为一条直线，校正前 TNT的离子迁移时间平均误差为1.14 ms，校正后平均误差减少到0.54 ms。经过校正后的TNT的离子迁移时间平均误差减少了53%，使峰位置的精确判断得到了较大的提高，减少了虚警和误判，提高了IMS的性能。

图4 迁移温度变化时修正前后的TNT信号Fig.4 TNT signal before and after correction when the migration temperature changes

4 结论

通过对校正算法的讨论，实现了对探测物质离子迁移时间的校正，有效降低了外界环境对离子迁移率的影响，为 IMS信号的校正技术提供了一个思路。最后通过实际验证证明了该方法的有效性，为该校正技术在IMS信号处理中的应用奠定了基础。