Field Asymmetric waveform Ion Mobility Spectrometry (FAIMS)

【2004】Modeling the resolution and sensitivity of FAIMS analyses 【必读】
Author: Alexandre A.Shvartsburg，KeqiTang，Richard D.Smith
Affliliation: Biological Sciences Division, Environmental Molecular Sciences Laboratory, Pacific Northwest National Laboratory, Richland, Washington, USA
SOUREC:J Am Soc Mass Spectrom,2004,15(10):1487-1498
Abstract:
Field asymmetric waveform ion mobility spectrometry (FAIMS) is rapidly gaining acceptance as a robust, versatile tool for post-ionization separations prior to mass-spectrometric analyses. The separation is based on differences between ion mobilities at high and low electric fields, and proceeds at atmospheric pressure. Two major advantages of FAIMS over condensed-phase separations are its high speed and an ion focusing effect that often improves sensitivity. While selected aspects of FAIMS performance are understood empirically, no physical model rationalizing the resolving power and sensitivity of the method and revealing their dependence on instrumental variables has existed. Here we present a first-principles computational treatment capable of simulating the FAIMS analyzer for virtually any geometry (including the known cylindrical and planar designs) and arbitrary operational parameters. The approach involves propagating an ensemble of ion trajectories through the device in real time under the influence of applied asymmetric potential, diffusional motion incorporating the high-field and anisotropic phenomena, and mutual Coulomb repulsion of ionic charges. Calculations for both resolution and sensitivity are validated by excellent agreement with measurements in different FAIMS modes for ions representing diverse types and analyte classes.
DOI：10.1016/j.jasms.2004.06.018

【2005】Optimization of the design and operation of FAIMS analyzers【必读】
Author: Alexandre A. Shvartsburg, Keqi Tang, and Richard D. Smith
Affliliation: Biological Sciences Division, Environmental Molecular Sciences Laboratory, Pacific Northwest National Laboratory, Richland, Washington, USA
SOUREC:J Am Soc Mass Spectrom,2005, 16(1): 2–12
Abstract:
Field asymmetric waveform ion mobility spectrometry (FAIMS) holds significant promise for post-ionization separations in conjunction with mass-spectrometric analyses. However, a limited understanding of fundamentals of FAIMS analyzers has made their design and operation largely an empirical exercise. Recently, we developed an a priori simulation of FAIMS that accounts for both ion diffusion (including anisotropic components) and Coulomb repulsion, and validated it by extensive comparisons with FAIMS/MS data. Here it is corroborated further by FAIMS-only measurements, and applied to explore how key instrumental parameters (analytical gap width and length, waveform frequency and profile, the identity and flow speed of buffer gas) affect FAIMS response. We find that the trade-off between resolution and sensitivity can be managed by varying gap width, RF frequency, and (in certain cases) buffer gas, with equivalent outcome. In particular, the resolving power can be approximately doubled compared to “typical” conditions. Throughput may be increased by either accelerating the gas flow (preferable) or shortening the device, but below certain minimum residence times performance deteriorates. Bisinusoidal and clipped-sinusoidal waveforms have comparable merit, but switching to rectangular waveforms would improve resolution and/or sensitivity. For any waveform profile, the ratio of two between voltages in high and low portions of the cycle produces the best performance.
DOI：10.1021/jasms.8b02272


【2005】新型不对称场离子迁移谱检测技术及其应用
作者：纪军，张彦，王梨平，黄启斌
作者机构:防化研究院 403 室
文献来源：现代科学仪器, 2005, 03:9-12
摘要：
介绍了国外一种新型的气相离子 检测技术—高电场不对波形离子迁移谱检测技术(FAIMS),详细地阐述了其基本工作原理,并与传统的离子迁移谱检测技术进行了对比.该技术具有革命性的 创新,大大提高了在大气压条件下检测离子的选择性和灵敏度.该技术可以将旋光异构体分子区分开来,检测灵敏度可达到ppb浓度水平,在气体检测,质谱分析 等领域具有极其广阔的应用前景.
DOI：10.3969/j.issn.1003-8892.2005.03.003

【2007】高场不对称波形离子迁移谱仪（FAIMS）关键技术初步研究
作者：高磊；
学位授予单位：中北大学；授予学位：硕士；学科专业：微电子学与固体电子学
导师姓名：熊继军 唐飞
学位年度：2007
摘要：
本文通过分析西方发达国家FAIMS技术检测器的发展历程，针对微型化学战剂检测器的各个组成部件，尽量采用当今较为成熟的技术方案，设计了基于这种技术的微型化学战剂检测器原理样机。围绕研究目标，对比各种离子化方法，选择介质阻挡放电电离为样机的离子化方法。阐明介质阻挡放电的放电模式，分析放电过程中对样品的电离机理，并提出一种评价离子源电离效率的方法。研究了载气流量对介质阻挡放电离子源电离效率的影响。证明采用阻抗匹配网络可以在一定载气流量范围内提高离子源的电离效率。另外，本文还设计加工了多种放电电极，并通过实验选择了极佳电极。深入分析FAIMS理论，设计加工了平板型离子迁移区电极，推导了不对称波形电压的极大振幅与扫描电压的关系。把介质阻挡放电离子源和平板型离子迁移区组装在一起，构成了简易的FAIMS器件。极后用氮气为载气，以乙醇、丙酮的混合蒸汽为实验对象(实验条件所限，选用无毒物质作为检测对象)，用这种简易的FAIMS器件对FAIMS原理进行验证。
doi：10.7666/d.y1102006

【2007】使用高场非对称波形离子迁移谱(FAIMS)技术提高液相色谱-质谱(LC-MS)分析的选择性
作者：Roger Guevremont， Beata Kolakovskl
作者单位 ：Ionalytics Corp.,1200 Montreal Rd.,M50-IPF,Ottawa,Canada
文献来源：生命科学仪器,2007,06:23-26
摘要：
对一些审查严格的应用领域,如制药工业等,方法的选择性至关重要。高场非对称波形离子迁移谱(FAIMS)技术可以有效提高方法的选择性。本文描述了这种与色谱和质谱正交的技术,并显示了在LC-MS流程中它能够显著提高实验室的产出率。

【2008】同轴型非对称场离子迁移谱仪分离与聚焦原理的数学模型
作者：时迎国，杜明娟，任万彬
作者单位：辽宁石油化工大学
文献来源：分析仪器,2008,1:49-53
摘要：
同轴型非对称场离子迁移谱仪能在室温,大气压条件下对离子混合物进行快速分离和聚焦,是一种新的分离方法.本文以简单的数学模型说明同轴型非对称场离子迁移谱仪的分离与聚焦原理.模型结论表明,非对称场离子迁移谱仪的分离聚焦效果与驱散电压,非对称场电源的频率,同轴圆筒的结构及离子的种类等因素有关.该模型以文献报道数据为基础,模型的结论与文献报道实验结果符合较好.
DOI：10.3969/j.issn.1001-232X.2008.01.018

【2008】FAIMS离子检测用高场非对称波电源设计
作者：陈天志，唐飞，熊继军，林镇翔
作者单位：清华大学,中北大学电子测试技术国防重点实验室,太原
文献来源：科学技术与工程 ，2008, 8(13) ：3470-3473
摘要：
介绍一种用于FAIMS(高场非对称波形离子迁移谱技术)离子检测器的电源,并简要说明FAIMS工作原理.针对FAIMS离子检测器的特点,设计了高场非对称波电源.实验结果表明,设计思路正确,电源达到了预定要求.
基金项目：国家自然科学基金(60706030)
DOI：10.3969/j.issn.1671-1815.2008.13.013

【2008】高场非对称波形离子迁移谱仪的初步研究
作者：王志刚，熊继军，张文栋
作者单位：中北大学电子测试技术国家重点实验室
文献来源：微纳电子技术，2008,3：158-161
摘要：
介绍了一种基于高场非对称波形离子迁移谱技术的生化检测方法,它 根据各种离子在高电场中迁移率变化不同的特性实现对各种生化物质进行检测.经过理论计算,分析了高场非对称波形离子迁移谱仪的基本原理,推导出补偿电压与 非对称波形射频电压之间的关系式.但是,迁移率有效系数是一个与离子自身的性质,电场强度,温度,浓度,气压等有关的量,从理论上无法直接计算它的值.通 过实验研究,发现补偿电压与非对称波形电压成线性关系.这有助于进一步认识离子在高场非对称波形离子迁移谱仪中的运动特性,同时也为提高它的性能提供了依 据.
DOI：10.3969/j.issn.1671-4776.2008.03.007

【2009】一种用于高场非对称波形离子迁移谱系统的新型敞开式化学离子源
Novel Chemical Ion Source for a High-Field Asymmetric Waveform Ion Mobility Spectrometer Used under Ambient Conditions
作者：刘坤，唐飞，王晓浩，魏学业，熊继军
作者单位： 北京交通大学电子信息与工程学院，清华大学精密仪器与机械学系，中北大学电子与计算机科学学院
文献来源：物理化学学报,2009,25(8):1662-1670
摘要：
根据高场非对称波形离子迁移谱(FAIMS)系统的要求,本文提出了一种新型敞开式直流电晕放电化学离子源.该离子源主要由内线电极,外筒电极和牵引电极组成,内,外电极半径分别是0.08,2mm.筒壁电极上开有对称的4个槽,用于通入样品和牵引离子.质谱实验结果表明,该离子源能够在敞开环境下很好地离子化丙酮,乙醇,苯胺,N,N-二甲基甲酰胺,甲基磷酸二甲酯(DMMP),乙酸乙酯,甲酸,乙酸,苯酚等正,负电性物质.静电计测试实验结果说明该离子源能够稳定地产生离子电流.通过分析不同时刻的谱图发现,在不同时间点上产生的主要离子相同,具有很好的稳定性.利用感应耦合等离子体(ICP)工艺在硅片上加工了该离子源,从而验证了该结构可以由微机电系统(MEMS)加工技术实现.该离子源具有体积小,结构简单,无辐射,工作稳定等特点,不仅可以满足FAIMS系统的要求,还可用于敞开式质谱,微型质谱仪,离子迁移谱(IMS)等仪器.
DOI：10.3866/PKU.WHXB20090813

【2009】FAIMS的高场非对称波电源研究现状与进展
Research and progress of high-field asym-metric wave power of FAIMS
作者：刘宏伟，姚远程，张岩
作者单位：西南科技大学
文献来源：微型机与应用，2009, 28(22)：1-3
摘要： 介绍了目前国内外FAIMS电源的研究现状及主要研究成果,分析了其面临的主要问题及可能的解决途径,极后对FAIMS电源的发展方向提出了一些新的看法.
doi：10.3969/j.issn.1674-7720.2009.22.001
基金项目：国家自然科学基金(10876035)

【2010】用于高场非对称波形离子迁移谱系统的阵列式微法拉第筒离子检测器
作者：唐飞，王晓浩，张亮
作者单位：清华大学精密仪器与机械学系精密测试技术及仪器国家重点实验室
文献来源：光学精密工程, 2010,18(12): 2597-2602
摘要：
提出了一种可减小高场非对称波形离子迁移谱(FAIMS)系统体积的阵列式微法拉第筒离子检测器,该检测器具有结构简单,稳定性好,噪声小,量程大,可在大气压条件下工作等优点.阵列式微法拉第筒包括栅电极,敏感电极,屏蔽电极3部分,其中敏感电极由数十个直径为200 μm的硅圆柱交错排列而成.通过典型的MEMS工艺制作,法拉第筒与平板型FAIMS系统的MEMS工艺完全兼容.Fluent仿真结果表明,这种阵列式的设计,气体运动阻力较小,流场分布有助于载气中离子被充分吸收.与KEITHLEY 237电流表级联后,测得阵列式微法拉第筒的噪声水平在0.5 pA以下.对丙酮样本进行了实验测试,结果显示其输出信号为210 pA左右,表明该阵列式微法拉第筒满足FAIMS系统的要求.
DOI：10.3788/OPE.20101812.2597

【2010】一种微型FAIMS传感器芯片的研制
Design and Fabrication of a Miniature FAIMS Sensor Chip.
作者：李华, 王晓浩, 唐飞, 张亮, 杨吉, 吝涛, 丁力.
LI Hua, WANG Xiao-Hao, TANG Fei, ZHANG Liang, YANG Ji, LIN Tao, DING Li.
作者单位：清华大学精密仪器与机械学系，精密测试技术与仪器国家重点实验室；中北大学电子与计算机科学技术学院；岛津分析技术研发上海有限公司
文献来源：物理化学学报, 2010, 26(05): 1355-1363
摘要：
基于微机电系统(MEMS)技术, 研制了一种微型高场非对称波形离子迁移谱(FAIMS)传感器芯片. 芯片尺寸为18.8 mm×12.4 mm×1.2 mm, 由离子化区、迁移区、离子检测区组成. 采用真空紫外灯离子源在大气压环境下对样品进行离子化, 经过离子化区中聚焦电极的电场作用, 实现离子在进入迁移区之前的聚焦, 提高离子信号的强度. 通过在上下玻璃上溅射Au/Cr(300 nm/30 nm)金属, 并与厚度为200 μm、采用感应耦合等离子体(ICP)工艺刻蚀的硅片键合, 形成迁移区的矩形通道, 尺寸为10 mm×5 mm×0.2 mm. 离子检测区为三排直径200 μm、间距100 μm交错排列的圆柱阵列式微法拉第筒, 能同时检测正负离子. 采用频率为2 MHz, 极大电压为364 V, 占空比为30%的高场非对称方波电压进行FAIMS芯片实验. 以丙酮和甲苯为实验样品, 载气流速80 L•h-1, 补偿电压从-10 V到3 V以0.1 V的步长进行扫描, 得到了丙酮和甲苯的FAIMS 谱图, 验证了FAIMS芯片的性能. 丙酮和甲苯的FAIMS-MS实验进一步表明FAIMS系统实现了离子分离和过滤功能.
Abstract:
Based on micro-electro-mechanical system (MEMS) technology, a miniature high-field asymmetric waveformion mobility spectrometry (FAIMS) sensor chip was designed and fabricated. The chip's dimensions are 18.8 mm×12.4 mm×1.2 mm. It consists of an ionization region, a drift tube, and an ion detection region. In the ionization region, the sample is ionized by a vacuum ultraviolet ion source at ambient pressure. The produced ions were then focused before entering the drift tube under the influence of the electrical field created by the focusing electrodes in the ionization region, which increased the ion signal intensity. A 200 μm thick silicon wafer was etched by inductively coupled plasma (ICP) and then bonded together with two glass plates sputtered with Au/Cr (300 nm/30 nm) to form a rectangular drift tube with dimensions of 10 mm×5 mm×0.2 mm. The ion detection region is a micro Faraday cup, which is made up of three rows of staggered cylinders of 200 μm in diameter and with a 100 μm spacing interval. The Faraday cup can detect positive and negative ions simultaneously. The FAIMS chip was investigated using high-field asymmetric rectangular waveform power with a peak voltage of 364 V at a frequency of 2 MHz and a duty cycle of 30%. Acetone and toluene samples were used to characterize the sensor chip. With a carrier gas flow rate of 80 L•h-1 and by sweeping the compensation voltage from -10 to 3 V at a 0.1 V steps, acetone and toluene spectra were obtained. The FAIMS-MS experiments further show that ions can be separated and filtered by the FAIMS system.



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【wkh, 2020-12-06 16:06:56】 【责任人 wkh】 [已阅读 806 次]