一、项目概述

在国家自然科学基金委的支持下，由中国科学院大连化学物理研究所李海洋研究员承担的国家重大科研仪器研制项目“多模态气相离子迁移率的精准测量和反应选控装置”（项目编号：22027804）圆满结题。该项目直面离子迁移谱技术中长期存在的测量精度不足、缺乏标准数据库、难以支撑微观机理研究等核心挑战，经过五年攻关，项目团队成功突破了高精度迁移率测量、离子筛选与反应调控、多模态迁移谱与质谱联用等多项关键技术，并成功研制出一套国际先进的多模态、全链条精密科学装置（见图1）。

图1 多模态气相离子迁移率的精准测量和反应选控装置的a)设计原理与b) 设备整机实物图

该装置独创性地将常压离子选控、变气压迁移率动态测量、低气压迁移率比对与高分辨质谱表征融为一体，形成了一个闭环研究平台。它不仅将离子迁移率的测量精度提升了一个数量级，更成为探索常压电离机理、离子传输规律及化学反应动力学的强大工具。目前，该项目不仅完成了全部研制目标，更利用该装置在变气压电离机理等基础科学问题上取得了重要发现，为我国在高端分析仪器创制和基础研究领域做出了贡献。

二、核心研制成果：四大关键部件与联用

项目成功攻克了多项关键技术，自主研制了四大关键部件，共同构成了覆盖“离子产生-筛选-反应-多维表征”的完整技术体系与全链条的精密测量系统。

1. 常压离子选控迁移谱 (AP-DTIMS)：实现超高精度测量与操控

作为装置的“智慧大脑”，该模块解决了常压下离子迁移率精准测量的难题。通过创新的多级离子门时域压缩与协同控制技术，它能像一把精密的“离子筛”，在复杂背景中精准筛选出特定迁移率的离子，并用于可控的离子-分子反应研究。

· 核心成果：实现了0.09%的极高迁移率测量精度（目标值为0.2%）；单峰分辨率超过200，成功实现了对迁移率差异极微（0.01 cm²V⁻¹s⁻¹）的芬太尼与海洛因的基线分离，为精准识别奠定了坚实基础（见图2）。

图2 a) AP-DTIMS核心部件设计图；b)超高分辨离子谱峰分离及精确离子迁移率测量

2. 阱离子迁移谱 (TIMS)：解锁低气压下离子的高效存储与高分辨分离

该模块工作在低气压区间（1-1000 Pa），利用电场与气流平衡设计，实现了离子的高效存储与高分辨分离。它特别适用于研究射频场对离子结构的“加热”效应，为理解商品化仪器中的离子行为提供了独特视角。

· 核心成果：获得了优于60的分辨能力，并可通过延长洗脱时间进一步提升分辨率，清晰揭示了相似结构离子的结构信息（如六氯-1,3-丁二烯，见图3）。

图3 a) TIMS洗脱时间对C₄Cl₆产物离子分辨能力的影响；b) TIMS与质谱相结合的二维分离识别；c) TIMS分离原理示意与核心部件设计图

3. 低气压离子迁移谱 (LP-DTIMS)：建立迁移率测量的“标尺”

作为低气压下的“基准测量单元”，本模块采用经典的均匀场设计，能直接、准确地测量离子迁移率，其数据可作为校准其他非线性迁移谱技术的权威参考。

· 核心成果：在百帕级气压下，对苯甲醚等典型化合物的离子谱峰分辨率达到148，提供了可靠的低气压迁移率基准数据（见图4）。

图4 a) LP-DTIMS核心部件设计图；b) LP-DTIMS中苯甲醚离子谱峰

4. 高分辨W-反射式飞行时间质谱 (W-TOFMS)：完成离子的终极“身份鉴定

为精准测定离子的核心身份信息——质荷比（m/z），项目研制了高性能W-TOFMS。其创新的W型光路设计，在紧凑空间内实现了约5米的有效飞行路径，从而大幅提升了其质量分辨能力。

· 性能突破：对常规有机物（如苯，m/z 78）的质量分辨率超过23,000，同时具备宽广的质量检测范围（31-12,000 u）和碰撞解离功能，确保了从小分子到生物大分子离子的准确鉴定与结构解析（见图5）。

图5 a) W-TOFMS核心部件设计图；b) 基于W-TOFMS获得的丙酮-苯甲醚光电离质谱图；c) VUV光电离-丙酮&TEP 测量谱图（m/z 31-365）；d) NanoESI-Tune Mix校准品测量谱图（m/z 219-2722）；e) NanoESI-Cytochrome C测量谱图（分子质量12384 Da）

5．二维数据的解析

将功能、工作环境各异的四大模块无缝集成，并实现协同运行与数据深度融合，是本项目面临的重大挑战，也是标志性成就之一。项目团队自主研发了智能化的“矩阵存储累加”采集算法和多路混频时序控制器，成功实现了离子迁移谱与质谱的高速、二维联用分析（见图6）。

这意味着，单个样品进入系统后，可一次性获得其离子在常压下的迁移率、反应特性、在真空接口区的行为变化、在低气压下的迁移率比对数据，以及最终内核离子的精确质量。这套系统为科学家提供了一个全新的“全景式”离子研究平台。

图6 a) 多路混频脉冲发生器实现二维分离的时序控制；b) LP-DTIMS-WTOF二维分离谱图（扫描时间2min，NanoESI-Tune Mix标准品）

三、科学发现：从仪器创新到机理突破

利用这台自研的科学装置，项目团队不仅在仪器研制上取得了成功，更在基础科学前沿取得了多项重要发现。现仅稍加列举。

1. 发现三分子一步质子转移反应新机制

在甲苯-丙酮/乙醇二元体系中，研究团队通过双离子门时序筛选技术，将光电离区域与反应区域分离，首次在实验上验证了该体系中质子转移反应遵循“三分子一步反应”机制。这一发现深化了对常压下复杂气相离子反应路径的理解，为多组分体系中反应调控提供了理论基础。

图7 高分辨离子选控迁移谱实现C₇H₈⁺离子选择性注入与反应机制探究

2. 揭示气压驱动的光电离离子损失的微观机制

以往光电离源的优化多凭经验。研究团队通过精密控制电离区气压与电场，首次揭示了离子复合反应是导致常压下信号损失的关键因素，并在宽气压范围（0.1–1 bar）内量化了复合过程与空间电荷效应对离子信号的影响。结果表明：常压下约90%的离子损失源于离子复合；降低工作气压可显著抑制复合过程，在优化条件下使甲苯检测灵敏度提升4倍以上。该模型为发展高性能光电离源提供了关键理论依据。

图8 升高甲苯浓度时，甲苯离子信号强度a)和离子数密度b)随气压变化的趋势与模型拟合；气压从1 bar降至0.4 Bar，

c)苯系物线性定量范围提升2倍；d)检测灵敏度提升4倍以上

四、总结与展望

本项目的成功实施，是我国在高端精密科学装置自主创新征程上的一个标志性成果。所研制的科学装置不仅是一台性能参数国际先进的仪器，更是一个孕育重大科学发现的“摇篮”。它成功地将仪器创制与前沿科学探索紧密结合，实现了从“工具研制”到“知识创造”的升华。

相关研究与成果有望在公共安全检测、大气环境监测、生命科学研究和高端仪器设备研发等领域产生深远影响。更为重要的是，项目锤炼了一支跨学科的、具备“仪器-方法-机理”全链条研究能力的青年科技人才队伍，为我国后续高端科学仪器的持续创新奠定了坚实的人才与技术基础。