CN105895491A - 一种质谱仪用射频电源及质谱仪 - Google Patents

一种质谱仪用射频电源及质谱仪 Download PDF

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Abstract

一种质谱仪用射频电源及质谱仪，该质谱仪用射频电源包括信号源、互补信号产生电路、信号耦合电路和驱动电路；其中信号源产生两路正弦信号RF和AC；互补信号产生电路产生RF+、RF‑、AC+和AC‑四路信号，其中RF+和RF‑互补，AC+和AC‑互补；信号耦合电路将AC+和AC‑耦合到RF+信号上，得到RF+AC+耦合信号和RF+AC‑耦合信号；驱动电路将RF+AC+耦合信号、RF+AC‑耦合信号和RF‑信号放大产生高压射频电压，并输出到负载上；或者，信号耦合电路将AC+和AC‑耦合到RF‑信号上，得到RF‑AC+耦合信号和RF‑AC‑耦合信号，驱动电路将RF‑AC+耦合信号、RF‑AC‑耦合信号和RF+信号放大产生高压射频电压，并输出到负载上。该质谱仪用射频电源可以实时改变射频电压频率和幅度，灵活性、可控性好，驱动信号精度高。

Description

一种质谱仪用射频电源及质谱仪
技术领域
本发明涉及一种质谱仪用射频电源及质谱仪。
背景技术
射频电源作为质谱仪的重要组成部件，加载在四极设备(包括离子阱、四极杆、多极杆或者离子漏斗等设备)上，用于在这些设备中构造不同形式的四极场，用于控制离子在四极设备中的运动。离子在四极场中的运动可以用马修方程(Mathieu Equation)来描述。在马修方程中关于射频电源的参数有两个：射频电压的频率Ω0和射频电压的幅度V。长期以来，由于高压射频电源难于制作和实现，质谱仪上用的射频电源主要是使用谐振方案实现，由于谐振只发生在某个非常窄的频率范围，这使得在实际操作中只能改变马修方程中射频的幅值V这个参数来改变四极场，一定程度限制了四极设备应用的灵活性。
所以，设计制造出能够大范围快速改变频率的高压射频电源非常有意义，特别是对离子阱和滤质器的操作。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种可以实时改变频率和幅度的质谱仪用射频电源及具有该射频电源的质谱仪。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种质谱仪用射频电源，包括信号源、互补信号产生电路、信号耦合电路和驱动电路；
其中所述信号源产生两路正弦信号RF和AC；
所述互补信号产生电路产生RF+、RF-、AC+和AC-四路信号，其中RF+和RF-互补，AC+和AC-互补；
所述信号耦合电路将AC+和AC-耦合到RF+信号上，得到RF+AC+耦合信号和RF+AC-耦合信号，所述驱动电路将RF+AC+耦合信号、RF+AC-耦合信号和RF-信号放大产生高压射频电压，并输出到负载上；或者，所述信号耦合电路将AC+和AC-耦合到RF-信号上，得到RF-AC+耦合信号和RF-AC-耦合信号，所述驱动电路将RF-AC+耦合信号、RF-AC-耦合信号和RF+信号放大产生高压射频电压，并输出到负载上。
进一步地：
所述互补信号产生电路使用同相放大器和反相放大器产生幅度相同相位差180°的RF+、RF-信号，幅度相同相位差180°的AC+、AC-信号。
所述互补信号产生电路也可以使用差分电压反馈ADC驱动器实现，可以得到严格反相的互补信号。
所述信号耦合电路在低压端使用线性运算电路将RF+或RF-和AC+、AC-信号耦合在一起。
所述驱动电路包括线性放大电路，由直流高压电源为所述驱动电路提供电源，通过所述线性放大电路产生施加到负载上的高压射频电压。
所述驱动电路使用高压运算放大器或者分立元件搭建的比例放大电路产生高压射频电压，产生的高压射频电压的频率在0Hz～1MHz范围内可连续调节，输出电压0V～600V线性连续可调。
所述负载是通过施加射频电压构造四极场控制离子运动的设备。
所述负载为射频离子阱、滤质器或离子漏斗。
所述驱动电路输出的高压射频电压对所述负载具有频率Ω0和幅度V可调节性。
一种质谱仪，具有所述的质谱仪用射频电源。
本发明的有益效果：
本发明提供一种频率和幅度均可调节的质谱仪用射频电源，该射频电源可以输出频率可变的高压射频电压，直接驱动离子阱、滤质器、离子漏斗等四极设备，为这些四极设备的操作提供了一种新的模式，增加了质谱分析中的灵活性。该射频电源控制信号在低压端设置和耦合，减小了在高压端耦合的难度，可控性好，驱动电压精度高。本发明的射频电源直接使用线性放大电路产生射频高压。与当前广泛使用的线圈升压的谐振电路方案相比，本发明的射频电源不需要线圈升压及谐振，具有在一定范围内频率、幅度可任意调节的特点。本发明的射频电源，操作离子阱或滤质器等四极设备负载可以使用扫频模式、扫幅模式、扫频扫幅结合模式，丰富了质量扫描方法。
附图说明
图1为本发明一种实施例的射频电源的结构框图；
图2为本发明一种实施例的射频电源中互补信号产生电路部分图；
图3为本发明一种实施例的射频电源中信号耦合电路和驱动电路部分图。
图4为本发明一种实施例的射频电源直接驱动离子阱的连接模式图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
参阅图1和图4，在一种实施例中，一种质谱仪用射频电源，包括信号源、互补信号产生电路、信号耦合电路和驱动电路；其中所述信号源产生两路正弦信号RF和AC；所述互补信号产生电路基于正弦信号RF和AC产生RF+、RF-、AC+和AC-四路信号，其中RF+和RF-互补，AC+和AC-互补；所述信号耦合电路将AC+和AC-耦合到RF+信号上，得到RF+AC+耦合信号和RF+AC-耦合信号，所述驱动电路将RF+AC+耦合信号、RF+AC-耦合信号和RF-信号放大产生高压射频电压，并输出到负载上；或者，所述信号耦合电路将AC+和AC-耦合到RF-信号上，得到RF-AC+耦合信号和RF-AC-耦合信号，所述驱动电路将RF-AC+耦合信号、RF-AC-耦合信号和RF+信号放大产生高压射频电压，并输出到负载上。如图4所示，互补信号产生电路可以有两个，两个互补信号产生电路分别用于将RF信号转换为互补的RF+和RF-信号，以及将AC信号转换为互补的AC+和AC-信号。
在优选的实施例中，所述互补信号产生电路可使用同相放大器和反相放大器产生幅度相同相位差180°的RF+、RF-信号、幅度相同相位差180°的AC+、AC-信号。
在优选的实施例中，所述互补信号产生电路也可以使用差分电压反馈ADC驱动器实现。对于离子阱，四极场中心与离子阱几何中心重合时有利于离子从出射孔(槽)出射，因此，构造严格对称的四极场有利于提高离子阱的性能。使用差分电压反馈ADC驱动器实现上述互补信号产生电路，可以产生严格反相的RF驱动信号。
如图2所示，在一个优选的实施例中，一个互补信号产生电路包括四个运算放大器，第一放大器的+端接输入信号，第一放大器的-端接第一放大器的输出端，第一放大器的输出端通过电阻R2接第二放大器的+端，第二放大器的-端通过电阻R3接地，并通过同大小的电阻R3接第二放大器的输出端，第二放大器的输出端作为该互补信号产生电路的同相输出端；第三放大器的+端接地，第三放大器的-端通过电阻R1接输入信号，并通过同大小的电阻R1接第三放大器的输出端，第三放大器的输出端通过电阻R2接第四放大器的+端，第四放大器的-端通过电阻R4接第二放大器的-端，并通过电阻R3接地，以及通过同大小的电阻R3接第四放大器的输出端，第四放大器的输出端作为该互补信号产生电路的反相输出端。其中R3使用高精度电阻，以保证同相输出和反向输出严格互补。
在优选的实施例中，所述信号耦合电路在低压端使用线性运算电路将RF+和AC+、AC-信号耦合在一起。
在优选的实施例中，所述驱动电路可包括线性放大电路，由直流高压电源为所述驱动电路提供电源，通过所述线性放大电路产生施加到负载上的高压射频电压。
在优选的实施例中，所述驱动电路可使用高压运算放大器或者分立元件搭建的比例放大电路产生高压射频电压，产生的高压射频电压的频率在0Hz～1MHz范围内可连续调节，输出电压0V～600V线性连续可调。
在不同的实施例中，所述负载可以是通过施加射频电压构造四极场控制离子运动的任意设备，例如射频离子阱、滤质器或离子漏斗等。
在上述实施例中，质谱仪用射频电源产生的高压射频电压对于所述负载具有频率Ω0和幅度V可调节性。
在另一种实施例中，一种质谱仪，其可具有前述任一实施例的质谱仪用射频电源。
根据本发明的一些实施例，射频电源用于产生提供给离子阱或滤质器等负载的高压射频电压，具有以下特征：(1)RF信号通过线性放大电路产生最终施加在负载上的高压射频电压；(2)高压射频电压对任意负载具有频率和幅度可调节特征，实现射频电源的幅度和频率可以实时改变；(3)高压射频电压和辅助AC在低压端进行信号耦合。
在一些实施例中，所述互补信号产生电路产生RF+、RF-、AC+和AC-四路信号，其中RF+和RF-互补，AC+和AC-互补。对于离子阱，工作在共振激发模式时需要将RF+和RF-其中一路与AC+和AC-耦合，升压后施加在离子阱出射电极上，所以需要信号耦合电路，不妨取RF+与AC+和AC-耦合，通过耦合电路后得到RF+AC+耦合信号和RF+AC-耦合信号。对于不需要耦合AC的场合，可直接将AC接零电位。驱动电路根据负载的需求将RF+/RF-、RF+AC+耦合信号和RF+AC-耦合信号线性放大，输出到负载上。
以下结合附图进一步描述具体实施例及其优点。
实施例1：固定射频幅度扫描频率进行质量数扫描
参阅图1至图4，图4展示本发明应用在线性离子阱质量分析器上的一个示例。图4中线性离子阱工作在共振激发质量扫描模式，扫描变量为射频频率Ω0(通过扫描RF信号的频率间接实现)。
射频电源施加方式：在离子阱上电极和下电极上施加n·RF-电压(即经过n倍放大的RF-信号)，左极板施加n·(RF+AC+)电压(即经过n倍放大之后的RF+AC+耦合信号)，右极板施加n·(RF+AC-)电压(即经过n倍放大的RF+AC-耦合信号)。
本实施例的射频电源方案：信号源输出RF和AC两路信号，本示例中选择RF幅度V＝5伏；RF的频率Ω0从1MHz向100kHz进行扫描，步进为-0.1kHz；AC的幅度选择1V，频率选择350kHz。两路信号经过互补信号产生电路，分别得到RF+和RF-、AC+和AC-两组互补信号。经过信号耦合电路，将AC+和AC-耦合到RF+信号上，得到RF+AC+耦合信号和RF+AC-耦合信号。然后将RF+AC+耦合信号、RF+AC-耦合信号和RF-信号通过驱动电路放大n＝100倍。由于共振激发AC只需要1～2伏，所以需要在互补信号产生电路中对AC信号进行等倍数缩小。这样最终施加在离子阱上的射频电压幅度为1000V，通过从大到小扫描RF信号频率得到“m/z相对扫描频率Ω0”的质谱图。
实施例2：跳频扫描射频幅度进行质量数扫描
参阅图1至图4，图4展示本发明应用在线性离子阱质量分析器上的一个示例。图4中线性离子阱工作在共振激发质量扫描模式，扫描变量为射频幅度(通过扫描RF信号幅度间接实现)。与传统的扫描射频幅度的质量扫描模式不同的是，本实例可以根据不同质量数的离子选择合适的射频电压频率Ω0。
射频电源施加方式：在离子阱上电极和下电极上施加n·RF-电压(即经过n倍放大的RF-信号)，左极板施加n·(RF+AC+)电压(即经过n倍放大的RF+AC+信号)，右极板施加n·(RF+AC-)电压(即经过n倍放大的RF+AC-信号)。
本实施例的射频电源方案：信号源输出RF和AC两路信号，本示例中选RF的频率Ω0为离散的频率点，RF信号幅度V从0～5V线性扫描。AC的幅度选择1V，频率选择350kHz。两路信号经过互补信号产生电路，分别得到RF+和RF-、AC+和AC-两组互补信号。经过信号耦合电路，将AC+和AC-耦合到RF+信号上，得到RF+AC+耦合信号和RF+AC-耦合信号。然后将RF+AC+耦合信号、RF+AC-耦合信号和RF-信号通过驱动电路放大n＝100倍。由于共振激发AC只需要1～2伏，所以需要在互补信号产生电路中对AC信号进行等倍数缩小。这样最终施加在离子阱上的射频电压幅度为1000V，通过改变不同的RF频点然后从小到大扫描RF信号的幅度得到“某频点下的m/z相对扫描电压V”的质谱图。
跳频扫描射频电压幅度进行质量数扫描具有一个非常突出的优点在于可以动态调整质谱分析质量范围和分辨率。具体操作：首先选择较低频点进行大范围质量扫描，此时得到的谱图分辨率较低。然后根据具体的分析需求通过调整RF频点来调整质量范围，通过缩小质量范围来提高分辨率，而此时射频电源的幅度V扫描范围并未改变，因此为质量扫描提供了非常方便的方案。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种质谱仪用射频电源，其特征在于,包括信号源、互补信号产生电路、信号耦合电路和驱动电路；
其中所述信号源产生两路正弦信号RF和AC；
所述互补信号产生电路基于正弦信号RF和AC产生RF+、RF-、AC+和AC-四路信号，其中RF+和RF-互补，AC+和AC-互补；
所述信号耦合电路将AC+和AC-耦合到RF+信号上，得到RF+AC+耦合信号和RF+AC-耦合信号，所述驱动电路将RF+AC+耦合信号、RF+AC-耦合信号和RF-信号放大产生高压射频电压，并输出到负载上；或者，所述信号耦合电路将AC+和AC-耦合到RF-信号上，得到RF-AC+耦合信号和RF-AC-耦合信号，所述驱动电路将RF-AC+耦合信号、RF-AC-耦合信号和RF+信号放大产生高压射频电压，并输出到负载上。
2.如权利要求1所述的质谱仪用射频电源，其特征在于,所述互补信号产生电路使用同相放大器和反相放大器产生幅度相同相位差180°的RF+、RF-信号，幅度相同相位差180°的AC+、AC-信号。
3.如权利要求1所述的质谱仪用射频电源，其特征在于,所述互补信号产生电路使用差分电压反馈ADC驱动器实现。
4.如权利要求1所述的质谱仪用射频电源，其特征在于，所述信号耦合电路在低压端使用线性运算电路将RF+或RF-和AC+、AC-信号耦合在一起。
5.如权利要求1所述的质谱仪用射频电源，其特征在于,所述驱动电路包括线性放大电路，由直流高压电源为所述驱动电路提供电源，通过所述线性放大电路产生施加到负载上的高压射频电压。
6.如权利要求1所述的质谱仪用射频电源，其特征在于,所述驱动电路使用高压运算放大器或者分立元件搭建的比例放大电路产生高压射频电压，产生的高压射频电压的频率在0Hz～1MHz范围内可连续调节，输出电压0V～600V线性连续可调。
7.如权利要求1至6任一项所述的质谱仪用射频电源，其特征在于，所述负载是通过施加射频电压构造四极场控制离子运动的设备。
8.如权利要求7所述的质谱仪用射频电源，其特征在于，所述负载为射频离子阱、滤质器或离子漏斗。
9.如权利要求1至8任一项所述的质谱仪用射频电源，其特征在于，所述驱动电路输出的高压射频电压对所述负载具有频率Ω0和幅度V可调节性。
10.一种质谱仪，其特征在于,具有如权利要求1至9任一项所述的质谱仪用射频电源。
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