新型便携式FAIMS仪器在大气痕量气体检测中的性能评估及其环境应用研究

《Journal of Environmental Management》：Performance valuation of a newly developed portable FAIMS instrument for atmospheric trace gas detection

本研究针对传统痕量气体监测设备昂贵笨重、难以同时检测多种气体的问题，开发了一种基于绝缘体上硅微机电系统(SOI-MEMS)和自定义大气压化学电离源(APCI)的便携式场不对称离子迁移谱(FAIMS)仪器。研究通过对NH3、NO2、SO2等7种关键大气痕量气体的系统测试，证实该仪器对NH3/NO2/SO2的检测限分别达到0.1/0.2/0.2 ppb，并通过产物离子峰/反应离子峰(PIP/RIP)比值法有效消除了湿度干扰。17天野外试验成功捕获到环境NH3的亚ppb级浓度变化，标志着FAIMS技术在实时多气体移动监测领域取得重要突破。

　　

随着工业化进程加速，大气中痕量气体的实时监测已成为环境管理和健康风险评估的重要课题。传统监测仪器如化学发光法氮氧化物分析仪和紫外荧光法二氧化硫分析仪虽精度较高，但存在设备昂贵（超3万美元）、体积庞大、难以实现多组分同步监测等局限。而新兴的小型传感器虽成本较低，但对氨气(NH₃)、二氧化硫(SO₂)等关键污染物的检测限通常高于环境浓度1-2个数量级，无法满足环境级监测需求。这种技术缺口严重制约了大气污染源的精准识别和迁移转化规律研究。

为突破此技术瓶颈，理光公司先进技术研发部的Katsuya Ujimoto团队在《Journal of Environmental Management》发表研究，研制出重量仅3kg、尺寸220×160×120mm的便携式场不对称离子迁移谱(FAIMS)仪器。该设备创新性地采用针-筒式电晕放电电离源和绝缘体上硅微机电系统(SOI-MEMS)制造的叉指梳状离子过滤器，通过施加0-50 kV/cm的分离电场(DF)和-1.75至+1.75 kV/cm的补偿电场(CF)，实现了离子在非对称电场中的差异化迁移。

关键技术方法包括：1）基于渗透管和扩散管的标准气体发生系统，精确生成0.1-1500 ppb浓度范围的待测气体；2）通过质量流量控制器(MFC)调控湿度（1.6-14.1 g/m³，相当于7.7%-68%相对湿度）；3）采用正负电晕放电模式分别检测不同极性离子，扫描参数为40步DF和280步CF；4）引入产物离子峰/反应离子峰(PIP/RIP)比值法进行湿度校正。

研究结果方面：

3.1 氨气检测性能

在正离子模式下，NH₃通过质子转移反应生成NH₄⁺(H₂O)_n-x离子，在补偿电场(CF)约-1.1 kV/cm处形成特征峰。检测线性范围3-100 ppb，检测限达0.1 ppb，优于传统电化学传感器2个数量级。

3.2 氮氧化物等检测

负离子模式下，NO₂通过电子转移反应生成NO₂^-/NO₃^-等离子，特征峰位于CF约-0.2 kV/cm。SO₂则形成HSO₃^-/SO₅^-双特征峰，而H₂S仅在500 ppb以上产生可辨信号。三者的检测限分别为0.2 ppb、0.2 ppb和200 ppb。

3.3 有机物检测能力

α-蒎烯在正负离子模式均出现响应，正离子模式灵敏度更高（检测限4 ppb）。而CO/CO₂需浓度超过1000 ppm才产生显著信号，表明其对常规环境监测干扰可忽略。

3.5 温湿度影响机制

创新性发现当绝对湿度>8.5 g/m³（25℃时RH=41.5%）时，NH₃和SO₂的PIP/RIP比值波动分别稳定在26%和5%以内。通过此比值法有效克服了水分子对水合质子簇[H⁺(H₂O)_n]粒径分布的影响，解决了长期困扰IMS技术的湿度干扰难题。

结论表明，该FAIMS仪器成功实现了对NH₃/NO₂/SO₂的ppb级检测，其灵敏度与大型站式仪器相当，且具备多组分同步检测优势。通过17天野外试验捕获到工业区NH₃浓度从亚ppb到数ppb的合理波动，验证了实际应用的可靠性。该技术为移动源排查、社区级污染绘图、个人暴露评估等场景提供了创新解决方案，有望推动大气监测从定点式向网格化、移动化范式转变。未来需通过长期稳定性测试和多种环境下的交叉验证，进一步优化仪器在复杂基质中的抗干扰能力。