基于MEMS工藝的高場非對稱性波形離子遷移譜儀的研究.pdf

1、高場非對稱波形離子遷移譜儀(FAIMS)作為一種重要的氣相檢測手段，可用于爆炸物、化學(xué)危險品、違禁毒品以及環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的檢測。雖然，F(xiàn)AIMS在化學(xué)分析、生物分子領(lǐng)域的研究和應(yīng)用中已有報道，但FAIMS自身都僅僅只是作為前端過濾裝置，和液相色譜(HPLC)及質(zhì)譜(MS)聯(lián)用，來確定離子身份。
　　FAIMS是一種工作在大氣環(huán)境之下的氣相痕量檢測技術(shù)，由于其具有檢測速度快、操作便捷、能夠?qū)崿F(xiàn)正、負(fù)兩種模式同時掃描等傳統(tǒng)的氣相檢測技

2、術(shù)所無法比擬的優(yōu)勢，很快便成為一種主流的氣相檢測手段之一。而得益于微納加工技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。FAIMS的遷移區(qū)得以通過深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)的方法，做在硅片上，實現(xiàn)了FAIMS核心部件的微型化，使得便攜式的氣相檢測裝置的實現(xiàn)變得可能。并且芯片式FAIMS擁有造價低廉、工作電壓低等傳統(tǒng)FAIMS無法比擬的優(yōu)點。
　　本工作基于微機電系統(tǒng)(MEMS)工藝，利用剝離(lift-off)工藝和深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)工藝在4寸硅片上

3、設(shè)計并制作了FAIMS的電極和溝道，完成了FAIMS芯片的制作。并在此基礎(chǔ)上搭建了芯片式FAIMS測試系統(tǒng)。通過對測試條件的優(yōu)化，將其作為單獨的檢測裝置，完成了對多種常見毒品、爆炸物和危險品的測量。并提出特征點指紋圖像識別技術(shù)，對毒品、爆炸物和危險品的FAIMS譜圖進(jìn)行了譜圖識別工作。同時針對芯片式FAIMS因溝道尺度相比傳統(tǒng)FAIMS急劇減小而對離子遷移造成的影響的各個方面進(jìn)行了考察，包括對補償電場帶來的影響進(jìn)行了深入研究，并對載氣速

4、度及分子數(shù)密度分布進(jìn)行了重新評估，在此基礎(chǔ)上提出了離子遷移率的精確算法，獲得了更加可靠的常見毒品、爆炸物、危險品的離子遷移函數(shù)。為離子分離的有效區(qū)域的識別奠定了基礎(chǔ)。
　　本工作還研究了芯片式FAIMS在醫(yī)學(xué)生物方面的應(yīng)用。將其作為單獨的檢測裝置，應(yīng)用于苯丙氨酸濃度（多種醫(yī)學(xué)疾病的臨床判斷標(biāo)準(zhǔn)）的檢測工作，提出采用金屬擴散管-芯片式FAIMS技術(shù)對苯丙氨酸濃度進(jìn)行了快速檢測分析，優(yōu)化了檢測條件并在此基礎(chǔ)上獲得了苯丙氨酸的FAIMS