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

1、高場不對稱波形離子遷移譜(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)檢測等多個領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。FAIMS利用不同離子在強(qiáng)電場中離子遷移率非線性變化特性來實(shí)現(xiàn)離子的分離和識別，其具有靈敏度高、核心器件小、檢測時間短等優(yōu)點(diǎn)。作為一種現(xiàn)場快速檢測技術(shù)，靈敏度和分辨率是其

2、關(guān)鍵指標(biāo)。因此，如何提升FAIMS的檢測靈敏度和分辨率是需要研究的兩個重要問題。
　　FAIMS的檢測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特征的識別方法等。在離子遷移管和離子源確定的情況下，有必要從信號本身出發(fā)，通過信號處理可以從FAIMS譜圖信號本身中提取微弱信號特征，這樣就提高了微弱信號的可用性，即相當(dāng)于提高了檢測靈敏度。目前針對FAIMS譜圖信號處理方面的研究嚴(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)信號較為微弱時，譜圖特征受噪聲干擾嚴(yán)重，因此有必要通過信號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、
　　本文針對以上兩個問題，主要工作包含以下兩個方面:
　　其一，根據(jù)FAIMS譜圖的特點(diǎn)，本文在FAIMS譜圖信號處理方面比較了多種信號處理方法，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譜圖信號的信噪比，顯著提高了微弱譜圖信號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α2和α4

5、缺乏先驗(yàn)值，α2、α4的求解精度評估不足，本文建立了α2和α4求解結(jié)果誤差的評估標(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)