FAIMS微弱信號(hào)處理與離子遷移率非線性函數(shù)系數(shù)誤差分析.pdf

1、高場(chǎng)不對(duì)稱波形離子遷移譜(High-field Asymmetric Waveform Ion MobilitySpectrometry, FAIMS)是一種大氣環(huán)境下的痕量物質(zhì)分析檢測(cè)技術(shù)，其在公共安全、環(huán)境污染中的有害、有毒、易爆物質(zhì)檢測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。FAIMS利用不同離子在強(qiáng)電場(chǎng)中離子遷移率非線性變化特性來實(shí)現(xiàn)離子的分離和識(shí)別，其具有靈敏度高、核心器件小、檢測(cè)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。作為一種現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)技術(shù)，靈敏度和分辨率是其

2、關(guān)鍵指標(biāo)。因此，如何提升FAIMS的檢測(cè)靈敏度和分辨率是需要研究的兩個(gè)重要問題。
　　FAIMS的檢測(cè)靈敏度受很多因素影響，如離子遷移管的參數(shù)、離子源離化效率以及譜圖信號(hào)特征的識(shí)別方法等。在離子遷移管和離子源確定的情況下，有必要從信號(hào)本身出發(fā)，通過信號(hào)處理可以從FAIMS譜圖信號(hào)本身中提取微弱信號(hào)特征，這樣就提高了微弱信號(hào)的可用性，即相當(dāng)于提高了檢測(cè)靈敏度。目前針對(duì)FAIMS譜圖信號(hào)處理方面的研究嚴(yán)重缺乏，這影響了FAIMS在既定

3、結(jié)構(gòu)下檢測(cè)靈敏度的進(jìn)一步提升。
　　FAIMS的分辨率受譜圖特征的提取精度，以及離子遷移率非線性函數(shù)的二階、四階系數(shù)（α2、α4）求解精度影響。一方面，當(dāng)信號(hào)較為微弱時(shí)，譜圖特征受噪聲干擾嚴(yán)重，因此有必要通過信號(hào)處理方法濾除噪聲來提高譜圖特征值的獲取精度;另一方面，目前α2和α4缺少先驗(yàn)值和誤差分析方法，α2和α4的求解結(jié)果的準(zhǔn)確性無法驗(yàn)證，因此有必要建立關(guān)于α2和α4求解結(jié)果誤差的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上提高α2和α4的求解精度。

4、
　　本文針對(duì)以上兩個(gè)問題，主要工作包含以下兩個(gè)方面:
　　其一，根據(jù)FAIMS譜圖的特點(diǎn)，本文在FAIMS譜圖信號(hào)處理方面比較了多種信號(hào)處理方法，包括數(shù)值平均法、傅里葉變換降噪法、小波變換法等，其中小波變換法在去除噪聲和保持信號(hào)完整性等關(guān)鍵指標(biāo)上效果最優(yōu)。據(jù)此，通過提高FAIMS譜圖信號(hào)的信噪比，顯著提高了微弱譜圖信號(hào)的可用性和所獲取譜圖特征的精確度，并進(jìn)而提高了FAIMS的靈敏度和分辨率。
　　其二，針對(duì)α2和α4

5、缺乏先驗(yàn)值，α2、α4的求解精度評(píng)估不足，本文建立了α2和α4求解結(jié)果誤差的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上完成FAIMS實(shí)驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化。本文探究了α2和α4的分布特點(diǎn)和二者之間的相關(guān)性，研究了分離電壓取點(diǎn)數(shù)量和取點(diǎn)方式對(duì)其求解結(jié)果誤差的影響。在擬合α2和α4數(shù)據(jù)不同范圍的頻數(shù)后，發(fā)現(xiàn)了α2和α4符合正態(tài)分布，該結(jié)果可以用于α2和α4分布的求解結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差的確定;通過對(duì)α2和α4散點(diǎn)進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)α2和α4之間具有很強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性;發(fā)現(xiàn)了分離電壓選取點(diǎn)