CN102768935A - 用于同步离子屏蔽质量分离器的驱动设备 - Google Patents

Abstract

本发明描述和示出一种用于同步离子屏蔽质量分离器的驱动设备，具有参考振荡器(1)、直接数字合成器(2)、低通滤波器(3)和比较器(4)，其中同步离子屏蔽质量分离器具有梳形分离电极(6)，其中参考振荡器(1)给直接数字合成器(2)提供参考频率，由直接数字合成器(2)产生的输出信号由低通滤波器(3)滤波并且低通滤波器(3)的输出信号由比较器(4)处理。根据本发明，通过如下方式实现可灵活使用的和成本低的驱动设备：由可编程元件(11)把比较器(4)的输出信号转换为与梳形分离电极(6)的齿(7)的数目相应的数目的输出信号。

Description

用于同步离子屏蔽质量分离器的驱动设备

技术领域

本发明涉及用于同步离子屏蔽质量分离器的驱动设备，具有参考振荡器、直接数字合成器、低通滤波器和比较器，其中同步离子屏蔽质量分离器具有梳形分离电极，参考振荡器给直接数字合成器提供参考频率，由直接数字合成器产生的输出信号由低通滤波器滤波，并且低通滤波器的输出信号由比较器处理。此外本发明涉及用于驱动同步离子屏蔽质量分离器的方法，其中同步离子屏蔽质量分离器具有梳形分离电极。

背景技术

此类质量分离器在质谱仪中用于根据带电粒子-离子-的质量或者根据其质量/电荷比分开带电粒子，因此所述质量分离器也称为分析器。质量分离器构成质谱仪的整个空间需求的基要部分。因此在质谱仪的最小化的范围内，开发特别小但是此外高效率的质量分离器具有特别的意义，所述质量分离器此外以极端的精度分开不同离子。这样的质量分离器例如在由J.-P.Hauschild等人的论文“Mass spectra measured by a fully integrated MEMS mass spectrometer”(International Journal of Mass Spectrometry，Elservier，2007年3月)中描述，并且在那里称为同步离子屏蔽质量分离器。

同步离子屏蔽质量分离器基本上由梳形分离电极组成。该梳形分离电极具有多个齿，所述齿并排地以与梳脊微小的间隔布置，使得在分离电极的齿和梳脊之间保留小的间隙。梳脊还经常具有小的突起(Vorstülpung)，所述突起分别与齿相对。要分析的离子由电场(根据其电荷)被施加力，并且(根据其质量)被加速。在经历电场后，离子具有相同的运动方向。一方面电场强度和另一方面离子的质量和电荷确定离子在经历电位差后的速度。

从间隙的一端、即质量分离器的输入端，加速的离子平行于梳脊被引入质量分离器中。为了能够使离子沿间隙没有问题地移动，质量分离器通常在最大程度上被抽真空。在小型质量分离器的情况下对于真空的要求不像在非最小化的质量分离器的情况下那样严格，因为离子在最小化的质量分离器中必须经过显著小的路程，并且因此与剩余气体原子或者分子相撞的概率减小。

通过在梳形分离电极的齿和梳脊之间施加电压而引起电场，通过间隙运动的离子从其原始运动方向偏转，使得所述离子与梳形分离电极碰撞并且不到达间隙的另一端、即质量分离器的输出端。根据离子的电荷和电场的方向，偏转的离子要么碰撞分离电极的齿，要么碰撞梳脊。如果质量分离器例如被放入质谱仪中，则这些偏转的离子不再能够供进一步分析使用。

从现有技术已知，在每隔一个的齿和梳脊之间施加电压并且不对位于其间的齿和梳脊施加电压。由此沿齿产生交替地施加电压和不施加电压的简单的模式，下面称为信号序列。这种信号序列的简化的表示在这里用零和一进行，其中一代表存在电位差，而零代表不存在电位差。因此交替地施加电压和不施加电压的前述信号序列相应于交替的零和一的信号序列。在具有10个齿的梳形分离电极的情况下例如在严格交变地存在和不存在电位差的情况下得出：

0101010101。

为获得根据离子质量的离子分离，根据现有技术以确定的时钟频率在分离电极的输出端的方向上使信号序列分别推移一个齿。也就是说在下一时钟步骤中为具有10个齿的前述梳形分离电极得出下面的信号序列：

1010101010。

仅具有确定的、通过时钟频率和分离电极的几何结构确定的速度的离子跟随信号序列的迁移的零，亦即分离电极中的无场的(feldfrei)区域，并且到达质量分离器的输出端。具有过小或者过高速度的离子在分离电极的间隙中移动期间到达以下区域，在所述区域内所述离子由在齿和梳脊之间笼罩着的电场偏转。结果，仅具有确定的质量电荷比的离子由质量分离器允许通过，也即与具有其他质量电荷比的离子分离。通过改变时钟频率可以选择其他的离子速度并且因此可以选择质量分离器的其他的质量电荷比。虽然质量分离器不根据质量而是根据质量电荷比选择，但是通常仍论及质量分离器。

从现有技术已知的质量分离器通常如下方式被驱动：把在开始时所述的质量分离器的比较器的输出信号分成两个信号并且把所述信号之一逆转(invertieren)。由此得到两个以相同的时钟频率转换的互补信号。这两个信号再次被用于驱动分离电极的齿，其中信号中的一个控制分离电极的第一个和每隔一个的另外的齿-亦即奇数齿并且两个电极中的另一个控制分离电极的第二个和每隔一个的另外的齿-亦即偶数齿。

此外从J.-P.Hauschild等人的论文“The novel synchronous ion shield massanalyzer”(Journal ofMass Spectrometry，2009，44)中已知一种方法，其中，通过相对于切断时间延长分离电极的齿上的电压的接通时间，提高同步离子屏蔽质量分离器的分辨率。用于实现该方法的驱动电路在G.Quiring等人的“Optimierung der Ansteuerung des SIS-Massenseparators im planar integriertenMikro-Massenspektrometer”(Mikrosystemtechnik Kongress，2009，VDE VerlagGmbH)中予以描述。该驱动电路基本上包括四个并行的信号路径，所述信号路径分别具有直接数字合成器、低通滤波器和比较器。由于信号路径的多重实施，该驱动电路在技术上是耗费的并且成本高的。此外可能的信号序列非常有限。

发明内容

因此本发明的任务是，说明一种用于驱动同步离子屏蔽质量分离器的驱动设备和方法，其可灵活地被使用并且成本低。

前面导出和说明的任务从开始时所述的驱动设备出发通过如下方式解决：由可编程元件把比较器的输出信号转换为与梳形分离电极的齿数相应的数目的输出信号。可编程元件的使用使得能够在相应编程和驱动该可编程元件时输出原则上相应于任意的信号序列的输出信号。因此利用本发明的驱动设备不仅能够产生从现有技术中已知的信号序列，而且能够使用尤其不依赖于硬件地特定于应用的信号序列。为了用相同的硬件产生另外的信号序列，已经足够的是，改变可编程元件的编程。此外，本发明的驱动设备比现有技术的驱动设备显著更简单地构建，使得由此得出巨大的成本优点。

根据本发明的一种有利的改进方案规定，可编程元件是形式为FPGA的可编程逻辑元件。本发明的另一种有利的改进方案的特征在于，可编程逻辑元件是CPLD。在此情况下FPGA表示所谓的现场可编程门阵列，其是可编程集成电路。同样，可编程集成电路是复杂可编程逻辑器件，简称CPLD。FPGA和CPLD是广泛分布的并且因此是用于实现特定编程的适宜的微芯片。根据对于信号序列的要求，按照可以考虑的FPGA和CPLD的特定的优点和缺点的权衡来使用FPGA或CPLD。

可替代地，作为可编程元件也可以使用微控制器，其中这里应该检验是否能够满足对于微控制器和在那里实现的操作系统的在时间上准确地切换的信号序列的要求。对于本应用情况优选地可以使用具有有实时特性的操作系统的数字信号处理器。

此外，前面导出的和说明的任务还从开始时所述的用于驱动同步离子屏蔽质量分离器的方法出发通过如下方式解决：根据当前实施方案使用驱动设备的输出信号用来驱动梳形分离电极的齿。利用已述的驱动设备能够利用本发明方法实现用于驱动同步离子屏蔽质量分离器的特别灵活的可能性，因为可用驱动设备产生的信号序列原则上是任意的，并且这在驱动设备的特别简单和成本低的构造情况下实现。并非每一个信号序列均适用于驱动同步离子屏蔽质量分离器。例如仅由一组成的信号序列导致没有离子能够通过质量分离器。在下面描述选择特别有利的信号序列。

根据本发明的一种有利的改进方案规定，驱动设备的输出信号具有信号序列，其中该信号序列交替地由n个零和m个一组成，其中可编程元件的所有k个时钟使该信号序列继续迁移(weiterwandern)j步，其中n、m、k和j是大于零的自然数并且其中n大于或者等于商(j mod(n+m))/k。对于这种信号序列有决定意义的是后面所述的条件，即n大于或者等于商(j mod(n+m))/k。在此情况下，j mod(n+m)表示在用n+m除j时的余数。首先该条件保证离子完全能够通过质量分离器。这在简单的例子中变得特别清楚。

例如如果n等于1，m等于2，k等于1和j等于2，则这意味着，通过零代表的并且其中不进行离子偏转的无场的区域正好为一个齿宽。如果所述齿在每一时钟正好继续迁移两个齿，则这意味着，离子不具有从时钟的无场的区域到达下一时钟的下一无场的区域的可能性，因为在一个时钟中的无场的区域和在下一时钟中的无场的区域之间始终存在持续具有电场的区域。在具有10个齿的梳形分离电极的情况下这看上去例如如下(粗体表示始终有场的位置)：

1.时钟：0110110110

2.时钟：1101101101。

在该例子以及所有后面的例子情况下认为：离子从左边被引入质量分离器，也就是说，在第一时钟中首先碰到无场的齿，其相应于第一时钟的上述信号序列中的第一个数字0。在第二时钟中，所述离子不具有到达下一无场的齿的可能性，因为在第二齿处的持续的电场阻断通向下一无场的齿的路径，该下一无场的齿通过第二时钟的信号序列的第三个数字0代表。

本发明的一种有利的扩展方案的特征在于，数目n等于2，数目m等于2，数目k等于1和数目j等于2。该信号序列的前两个时钟在其他的时钟中重复，并且在具有10个齿的梳形分离电极的情况下例如得出：

1.时钟：0011001100

2.时钟：1100110011。

根据本发明的一种特别有利的改进方案规定，数目n等于2，数目m等于2，数目k等于1和数目j等于1。该信号序列的前四个时钟在其他的时钟中重复，并且在具有10个齿的梳形分离电极的情况下例如得出：

1.时钟：0011001100

2.时钟：1001100110

3.时钟：1100110011

4.时钟：0110011001。

在本发明的另一种优选的扩展方案中规定，数目n等于1，数目m等于1，数目k等于1和数目j等于1。该本发明扩展方案正好相应于从现有技术中已知的由交替的一和零组成的信号序列，其在每一时钟继续迁移一步。该信号序列的前两个时钟在其他的时钟中重复，并且在具有10个齿的梳形分离电极的情况下例如得出：

1.时钟：0101010101

2.时钟：1010101010。

根据本发明的另一种优选的扩展方案，数目m大于数目n。在此情况下，当数目n等于3并且数目m等于5时特别有利。

此外在一个优选的实施例中规定，驱动设备的输出信号具有信号序列，其中该信号序列由后面跟随一的e个零组成，其中可编程元件的所有g个时钟使信号序列继续迁移h步，其中e、g和h是大于零的自然数并且其中e大于或者等于商h/g。后面提到的条件、即e大于或者等于商h/g对于这种信号序列具有意义。这里该条件也保证离子完全能够通过质量分离器。亦即该信号序列仅由e个零的唯一的块和此外仅由一组成。也就是说利用该信号序列仅单个“包”离子(亦即在代表e个齿的无场的区域的由e个零组成的块中)由质量分离器接受，并且仅该包的具有确定的速度并且因此具有确定的质量电荷比的离子能够通过质量分离器。

如果不满足e大于或者等于商h/g的条件，则这意味着，离子不具有从第一时钟的无场的块到达后面的时钟的下一无场的块的可能性，因为在一个时钟中的无场的块和下一时钟中的无场的块之间始终存在持续具有电场的区域。

在本发明的一种特别有利的扩展方案中规定，数目e等于1，数目g等于1以及数目h等于1。这相应于以下信号序列，其中唯一的零沿分离电极的齿迁移。在具有5个齿的梳形分离电极的情况下得出下面的信号序列：

1.时钟：01111

2.时钟：10111

3.时钟：11011

4.时钟：11101

5.时钟：11110

6.时钟和所有其他时钟：11111。

根据本发明的另一种有利的扩展方案规定，信号序列通过移位寄存器实现。该移位寄存器在可编程元件中实现。在移位寄存器的存储元件中存储的零和一的序列在每一时钟中继续迁移预先给定的数目的步。在此情况下，移位寄存器的末尾处的值被重新引回该移位寄存器的开头。移位寄存器的存储元件的值同时构成可编程元件的输出信号。

在本发明的一种特别有利的扩展方案中规定，在元件的每一个时钟从存储器中读出信号序列，在所述每个时钟设置输出信号的变化。代替移位寄存器，适合于在可编程元件中设置存储器，在所述存储器中存储在每一时钟要使用的信号序列。该信号序列在每一时钟从存储器中读出，并且在可编程元件的输出端处输出。

附图说明

详细地，现在有许多设计和改进本发明驱动设备的可能性。为此参照置于权利要求1后的权利要求以及下面的参考附图对于本发明的优选实施例的详细的描述。在附图中：

图1示意示出从现有技术已知的驱动设备，

图2示意示出从现有技术已知的同步离子屏蔽质量分离器的作用原理，

图3示意示出本发明驱动设备，

图4示意示出在使用移位寄存器的情况下本发明方法的作用原理，和

图5示意示出在使用存储器的情况下本发明方法的作用原理。

具体实施方式

在图1中所示的从现有技术已知的驱动设备为产生参考频率信号而具有参考振荡器1。参考振荡器1的参考频率信号由直接数字合成器2转换为预先给定的频率。在通过低通滤波器3对直接数字合成器2的频率信号低通滤波后，现在清除了不希望的频率分量的频率信号由比较器4处理。比较器4输出两个相同的输出信号，其中一个通过反相器5逆转。被逆转的和未逆转的信号用于驱动梳形分离电极6。分离电极6具有多个齿7和梳脊8。未逆转的信号用于驱动分离电极6的第一个和每隔一个的另外的齿7。被逆转的信号用于驱动分离电极6的第二个和每隔一个的另外的齿7。

从图2可以看出在图1中所示的分离电极6的更准确的作用原理。分离电极6的梳脊8通过电压源9和多个开关10与分离电极6的齿7连接。在此情况下，给每一个齿7分配开关10。如果所有的开关10都打开，则与梳脊6并行运动的离子能够不受阻碍地在梳脊6和齿7之间移动。如果开关10之一被闭合，则在相应的齿7和梳脊6之间施加通过电压源9预先给定的电压。在相应的齿7和梳脊6之间的从该电压产生的电场能够使并行于梳脊6在梳脊6和齿7之间移动的离子偏转。通常这些离子与分离电极6的结构碰撞，并且不可供进一步分析使用。

如从图1可见，给分离电极6的齿7分配的开关10由比较器4的被逆转的和未逆转的信号控制，由此得出，在每隔一个的齿7上施加电压而在剩余的齿7上不施加电压。由在齿处的交替地施加的电压和未施加的电压组成的该信号序列以通过直接数字合成器2预先给定的频率逆转。这与以下意义相同，即在齿7上施加的信号序列以直接数字合成器2的频率的每一时钟继续在分离电极6的输出端的方向上迁移一步。

在图2中，如从示例性地描述要分析的离子的可能的路径的所画入的箭头得知，输出端布置在分离电极的上端。具有与沿齿7迁移的信号序列相同的速度的离子，当在进入分离电极的情况下在第一齿上未施加电压时，亦即所述离子在信号序列中首先碰到零，能够跟随该通过零代表的该无场的区域通过分离电极6，并且从而到达分离电极6的输出端。具有比信号序列低或者高的速度的离子，在分离电极6内碰到以下区域，在该区域中，所述离子通过由在该区域中的齿7上施加的电压引起的场被偏转，而不到达分离电极6的输出端。齿7的驱动的一种未示出的可能性在于，来自比较器4的逆转的信号和未逆转的信号分别在可能的放大后作为电压信号直接在齿7上施加。在该未示出的实施方案中不需要电压源9和开关10。

从图3可以看出本发明驱动设备的作用原理。与图1的从现有技术已知的驱动设备同样地，本发明驱动设备也具有参考振荡器1、直接数字合成器2、低通滤波器3和比较器4，它们以和图1相同的方式接线。但是本发明驱动设备的比较器4仅输出唯一的输出信号，其被输送给可编程元件11。可编程元件11具有相应于梳形分离电极6的齿7的数目的数目的输出信号。这意味着，给分离电极6的每一个齿7分配可编程元件11的输出信号，并且因此每一个齿7可通过可编程元件11的相应的输出信号单独地控制。

图4示出可编程元件11，其中通过移位寄存器实现本发明方法。在此情况下，可编程元件11内的移位寄存器具有多个存储元件12，其相应于可编程元件11的输出端13的数目。在可编程元件11的存储元件12中存储希望的信号序列。在本情况下是交替的零和一的简单的序列。在可编程元件11的每一个时钟，在所述每一个时钟设置输出信号的变化，把在移位寄存器的每一个存储元件12中存储的值向移位寄存器的下一存储元件12转交。在此情况下，在移位寄存器的最后的存储元件12中存储的值向移位寄存器的第一存储元件12转交。

图5示出可编程存储元件11，其具有存储器14。在存储器14中存储要由可编程元件11输出的信号序列。在可编程元件的每一个时钟，在所述每一个时钟设置输出信号的变化，从存储器14中读出信号序列，并且通过存储元件12和输出端13输出。以这种方式能够由可编程元件11输出几乎任意的信号序列。在本例子中示出交替的零和一的简单的信号序列。

Claims (13)

1.用于同步离子屏蔽质量分离器的驱动设备，具有参考振荡器(1)、直接数字合成器(2)、低通滤波器(3)和比较器(4)，其中同步离子屏蔽质量分离器具有梳形分离电极(6)，参考振荡器(1)给直接数字合成器(2)提供参考频率，由直接数字合成器(2)产生的输出信号由低通滤波器(3)滤波，并且低通滤波器(3)的输出信号由比较器(4)处理，其特征在于，

由可编程元件(11)把比较器(4)的输出信号转换为与梳形分离电极(6)的齿(7)的数目相应的数目的输出信号。

2.根据权利要求1所述的驱动设备，其特征在于，可编程元件(11)是可编程逻辑元件，特别是形式为现场可编程门阵列(FPGA)或者形式为复杂可编程逻辑器件(CPLD)的可编程逻辑元件，或者可编程元件(11)是微控制器，特别是形式为数字信号处理器(DSP)的微控制器。

3.用于驱动同步离子屏蔽质量分离器的方法，其中同步离子屏蔽质量分离器具有梳形分离电极(6)，其特征在于，

根据权利要求1或2之一所述的驱动设备的输出信号被用于驱动梳形分离电极(6)的齿(7)。

4.根据权利要求3所述的用于驱动同步离子屏蔽质量分离器的方法，其特征在于，驱动设备的输出信号具有信号序列，其中信号序列交替地由n个零和m个一组成，其中可编程元件(11)的所有k个时钟使信号序列继续迁移j步，其中n、m、k和j是大于零的自然数并且其中n大于或者等于商(j mod(n+m))/k。

5.根据权利要求4所述的用于驱动同步离子屏蔽质量分离器的方法，其特征在于，数目n等于2，数目m等于2，数目k等于1和数目j等于2。

6.根据权利要求4所述的用于驱动同步离子屏蔽质量分离器的方法，其特征在于，数目n等于2，数目m等于2，数目k等于1和数目j等于1。

7.根据权利要求4所述的用于驱动同步离子屏蔽质量分离器的方法，其特征在于，数目n等于1，数目m等于1，数目k等于1和数目j等于1。

8.根据权利要求4所述的用于驱动同步离子屏蔽质量分离器的方法，其特征在于，数目m大于数目n。

9.根据权利要求8所述的用于驱动同步离子屏蔽质量分离器的方法，其特征在于，数目n等于3和数目m等于5。

10.根据权利要求3所述的用于驱动同步离子屏蔽质量分离器的方法，其特征在于，驱动设备的输出信号具有信号序列，其中信号序列由后面跟随一的e个零组成，其中可编程元件(11)的所有g个时钟使信号序列继续迁移h步，其中e、g和h是大于零的自然数并且其中e大于或者等于商h/g。

11.根据权利要求10所述的用于驱动同步离子屏蔽质量分离器的方法，其特征在于，数目e等于1，数目g等于1和数目h等于1。

12.根据权利要求4到9之一所述的用于驱动同步离子屏蔽质量分离器的方法，其特征在于，信号序列通过移位寄存器实现。

13.根据权利要求4到11之一所述的用于驱动同步离子屏蔽质量分离器的方法，其特征在于，在元件(11)的每一个时钟，从存储器(14)中读出信号序列，在所述每一个时钟设置输出信号的变化。

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