近日，中科院大连化物所质谱与快速检测研究中心（102组群）杨其穆等人研发了一种三态Bradbury-Nielsen gate（BNG）工作模式，首次揭示了离子汇聚效应并将其与时间压缩效应相结合，攻克了传统离子迁移谱（IMS）中分辨率与灵敏度难以协同提升的技术难题，显著提升了危险化学品检测性能，为环境监测、公共安全等领域提供了更强大的技术支撑。

图1 (a) BNG-IMS 装置示意图；(b)双态模式下BNG门控电势波形；(c) 三态模式下BNG门控电势波形。

离子迁移谱（IMS）凭借便携、快速、低成本等优势，在爆炸物筛查、食品安全检测等领域发挥着重要作用。其中，BNG作为IMS的核心部件，其性能直接影响检测效果。传统双态BNG模式（图1b）中，增大两组栅丝间的门控电压差（GVD）可以增强时间压缩效应以提高分辨率，本文首次展示了增大GVD引起的离子汇聚效应，在双态BNG模式下将GVD从100 V提升至1000 V时，BNG前的离子数密度提升近200%。COMSOL仿真结果表明，BNG高压栅丝附近存在E_x<0 V/mm的离子偏转区，使离子在BNG门前富集（图2）；GVD为100 V和1000 V时的离子电流密度分布和电场线对比显示（图3），100 V时偏转区浅，电场线分布均匀，1000 V时偏转区扩展至电离区，电场线明显聚焦到低压栅丝附近，因此具有更强的离子汇聚效应。

图2 GVD=1000 V时电离区和漂移区按不同Ex值划分的区域色温图

图 3. (a) GVD=100 V和 (b)1000 V时离子电流密度(J)和电场线(白色)的分布

双态BNG工作模式下，增大GVD虽然可以提高分辨率，但会伴随严重的离子清空效应，导致低迁移率离子的灵敏度大幅下降。为了减少迁移率歧视效应，团队开发了三态BNG工作模式（图1c），在传统“开启-关闭”两状态间加入“压缩状态”，有效减少了高GVD下的离子清空区，让会聚的离子得以高效注入漂移区，同时保留了时间压缩效应带来的高分辨率。实验测试中，三态BNG模式相比于传统双态BNG模式展现出卓越性能（图4）：正模式下(DEHP)H⁺的离子电流提高21.9倍，并保持96的分辨率；负模式下(MS·O₂)⁻的离子电流提高26倍，分辨率达103。这一成果成功解决了传统模式中灵敏度与分辨率的矛盾，让不同迁移率的离子都能被高效检测，适用于其他使用BNG的IMS系统，从而提高复杂样品的分析性能。

图4 (a) 正模式下DEHP和TEP混合物和(b) 负模式下MS和DEP混合物的离子迁移谱图

相关研究以“Tristate Bradbury−Nielsen Gate for Enhancing the Sensitivity of High-Resolution Ion Mobility Spectrometry”为题，发表在Analytical Chemistry上。该工作第一作者是102组群杨其穆博士，通讯作者是陈创研究员和李海洋研究员。上述工作得到了国家自然科学基金、大连市科技人才创新支持计划和大连化物所创新研究基金等项目的资助。