CN107275181B - 一种用于驱动质谱仪的正弦波频率扫描装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种用于驱动质谱仪的正弦波频率扫描装置，涉及终端技术领域。其中，该装置包括：微控制单元、信号输出模块和宽频高压放大器，微控制单元用于从终端获取预置的正弦波数据，并将正弦波数据传输至信号输出模块，信号输出模块用于接收所述正弦波数据，并当接收到微控制单元发送的转换信号后，将正弦波数据转换为正弦波电压信号，以及，将正弦波电压信号传输至宽频高压放大器，宽频高压放大器与离子阱质量分析器电连接，用于将正弦波电压信号放大为高压正弦波信号，并将高压正弦波信号传输至离子阱质量分析器的两个极板，以向两个极板提供正弦波频率扫描的射频电压。本发明实施例通过上述正弦波频率扫描装置降低了功耗。
Description
技术领域
本发明属于质谱分析技术领域，尤其涉及一种用于驱动质谱仪的正弦波频率扫描装置。
背景技术
质谱分析是利用荷质比对样品进行质量分析和结构鉴定的一种分析方法。现阶段，由于质谱分析方法的分析速度快、灵敏度高和特异性强，被广泛应用于环境检测、临床分析、有机合成、药物研发等领域。通常，质谱仪主要由离子源、离子传输系统、质量分析器、检测器、真空系统和数据采集系统组成。其中，质量分析器有多种类型，例如，四极杆、离子阱、飞行时间、傅里叶变换离子回旋共振阱等。相比于其它质量分析器，离子阱质量分析器可以在更高的气压条件下工作，成为小型化质谱仪的理想选择之一。
在利用离子阱质量分析器进行质量分析时，在质量分析器的电极上加载射频电压，并扫描射频电压来筛选离子，以对离子进行质量分析。目前，射频电压主要有两种扫描方式，一种是幅度扫描，即在单频正弦波频率保持不变的情况下，对其电压幅度进行线性扫描实现对离子的质量分析；另外一种是频率扫描，即在射频电压幅度保持不变的情况下，对其频率进行扫描实现对离子的质量分析。
然而，对于幅度扫描模式，为实现对高荷质比(m/z)的质量分析需要高达几千伏的电压，若环境中气压较高，容易导致电极之间放电。频率扫描模式可以很好的解决上述问题，当前使用的频率扫描模式为Ding团队开发的方波频率扫描。该方波频率扫描方法可以使频率扫描范围从200kHz到1MHz，最高电压幅度可达到1000V，可实现17kDa的离子分析。但是，为实现高压方波频率扫描采用特殊的驱动电路，该驱动电路中需要采用高速功率场效应管搭成的开关电路，为实现占空比，开关电路需高速切换，产生的功耗较大。
发明内容
本发明提供一种用于驱动质谱仪的正弦波频率扫描装置，旨在解决采用方波频率扫描模式造成的功耗大的问题。
本发明提供的一种用于驱动质谱仪的正弦波频率扫描装置，包括：所述装置包括：微控制单元、信号输出模块和宽频高压放大器，其中，所述微控制单元与所述信号输出模块电连接，所述信号输出模块与所述宽频高压放大器电连接；
所述微控制单元，用于从终端获取预置的正弦波数据，并将所述正弦波数据传输至所述信号输出模块；
所述信号输出模块，用于接收所述正弦波数据，并当接收到所述微控制单元发送的转换信号后，将所述正弦波数据转换为正弦波电压信号，以及，将所述正弦波电压信号传输至所述宽频高压放大器；
所述宽频高压放大器与离子阱质量分析器电连接，用于将所述正弦波电压信号放大为高压正弦波信号，并将所述高压正弦波信号传输至所述离子阱质量分析器的两个极板，以向所述两个极板提供正弦波频率扫描的射频电压。
本发明提供的一种用于驱动质谱仪的正弦波频率扫描装置，利用宽频高压放大器将正弦波信号放大为高压正弦波信号，一方面在电路中利用功耗较低的电压放大器就可以实现高压放大，降低了功耗，另一方面，从理论分析正弦波频率扫描比方波频率的功耗更低，进一步降低了功耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例。
图1是本发明第一实施例提供的一种用于驱动质谱仪的正弦波频率扫描装置的示意图；
图2是本发明第二实施例提供的一种用于驱动质谱仪的正弦波频率扫描装置的示意图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图1为本发明第一实施例提供的用于驱动质谱仪的正弦波频率扫描装置的示意图，图1所示的正弦波频率扫描装置主要包括：微控制单元101、信号输出模块102和宽频高压放大器103，其中，微控制单元101与信号输出模块102电连接，信号输出模块102与宽频高压放大器103电连接。上述各个模块的功能如下所述：
微控制单元101，用于从终端获取预置的正弦波数据，并将该正弦波数据传输至信号输出模块102。
正弦波数据为终端通过模拟离子阱质量分析器的极板中正弦波射频电压的扫描方式得到的数据，正弦波数据包括：正弦波的振幅、相位和频率等。
信号输出模块102，用于接收该正弦波数据，并当接收到微控制单元101发送的转换信号后，将该正弦波数据转换为正弦波电压信号，以及，将该正弦波电压信号传输至宽频高压放大器103。
转换指令为用于将正弦波数据转换为正弦波电压信号的指令。离子阱质量分析器为线性离子阱质量分析器，包括一对极板和两对电极杆。
宽频高压放大器103与离子阱质量分析器电连接，用于将该正弦波电压信号放大为高压正弦波信号，并将该高压正弦波信号传输至离子阱质量分析器的两个极板，以向该两个极板提供正弦波频率扫描的射频电压。
本发明实施例提供的用于驱动质谱仪的正弦波频率扫描装置，利用宽频高压放大器将正弦波信号放大为高压正弦波信号，一方面在电路中利用功耗较低的电压放大器就可以实现高压放大，降低了功耗，另一方面，正弦波频率扫描比方波频率的功耗更低，进一步降低了功耗。
请参阅图2，图2为本发明第二实施例提供的用于驱动质谱仪的正弦波频率扫描装置的示意图，图2所示的正弦波频率扫描装置主要包括：微控制单元201、信号输出模块202、宽频高压放大器203、端盖直流电压输出模块204、第二数模转换模块205、高压模块206、信号放大器207和模数转换模块208，其中，信号输出模块202包括：现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)模块212、第一数模转换模块222和存储模块232，宽频高压放大器203包括：功率放大器213和高频变压器223。
上述各个模块的连接关系为：微控制单元201与FPGA模块212的一端电连接，FPGA模块212的另一端分别与第一数模转换模块222和存储模块223的一端电连接，第一数模转换模块222的另一端与功率放大器213电连接，第一数模转换模块222与离子阱质量分析器的第一对电极杆电连接，功率放大器213的另一端分别与高频变压器223电连接，高频变压器223的另一端与离子阱质量分析器的两个极板电连接，微控制单元201与端盖直流电压输出模块204的一端电连接，端盖直流电压输出模块204的另一端与离子阱质量分析器中的第二对相对的电极杆电连接，微控制单元201与第二数模转换模块205的一端电连接，第二模数转换模块205的另一端与检测器电连接，微控制单元201与模数转换模块208的一端电连接，模数转换模块208的另一端与信号放大器207的一端电连接，信号放大器207的另一端与检测器电连接。
上述各个模块的功能如下所述：
微控制单元201，用于从终端获取预置的正弦波数据，并将该正弦波数据传输至信号输出模块202。
正弦波数据为终端通过模拟离子阱质量分析器的极板中正弦波射频电压的扫描方式得到的数据，正弦波数据包括：正弦波的振幅、相位和频率等。
信号输出模块202，用于接收该正弦波数据，并当接收到微控制单元201发送的转换指令后，将该正弦波数据转换为正弦波电压信号，以及，将该正弦波电压信号传输至宽频高压放大器203。
转换指令为用于将正弦波数据转换为正弦波电压信号的指令。
宽频高压放大器203与离子阱质量分析器电连接，用于将该正弦波电压信号放大为高压正弦波信号，并将该高压正弦波信号传输至离子阱质量分析器的两个极板，以向该两个极板提供正弦波频率扫描的射频电压。
具体的，高压正弦波信号的扫描方式可以为线性扫描或非线性扫描中的任一种。宽频高压放大器203将放大后的高压正弦波信号传输给离子阱的两个极板，向两个极板提供射频电压，使得离子阱质量分析器中的离子在射频电压的作用下进行质量分析。优选地，利用宽频高压放大器203将频率成分为200kHz到800kHz范围内的任意信号放大至峰峰值为600V的交流信号，可以保证幅频特性平坦，功耗小于22W。利用正弦波频率扫描时的输出功耗为：现有的方波频率扫描功耗为：P＝C×f×Vpp 2，由上述公式可见，正弦波频率扫描的功耗约为方波功耗的0.79倍，此外，由于方波频率扫描电路需要高达几百到几千伏正负电源供电，电源效率较低，而正弦波频率扫描电路只需几十伏的单电源供电，电源效率高，方波供电电源的功耗要大于正弦波的供电电源的功耗。
进一步地，
该转换信号为扫描切换信号，扫描切换信号包括调用预置的频率扫描函数计算的正弦波数据。
根据质谱仪的工作原理，离子的荷质比可知，质谱仪的质量分辨率由加载在离子阱质量分析器的极板中的电压的幅度V、场半径r0、电压频率Ω(t)和离子囚禁参数q决定。其中，在本发明实施例中电压幅度V、场半径r0，囚禁参数q是一定的，电压频率是随时间变化的函数，则质量分辨率由电压频率扫描函数决定。
在实际应用中，质量分辨率与荷质比的变化速度有关，通常，荷质比的变化速度先慢后快可以提高小分子的质量分辨率，荷质比的变化速度先快后慢可以提高大分子的质量分辨率，荷质比的变化速度一定时，所有分子的质量分辨率是一样的。因此，为了提高分子的质量分辨率，不同的样品可以选择不同的荷质比的变化速度函数，例如，要检测的样品为大分子的蛋白质样品，预估蛋白质样品的荷质比，选用荷质比的变化速度为先快后慢的函数，并通过预估的蛋白质样品的荷质比和扫描时间确定荷质比的变化速度函数中的未知参数，得到荷质比的变化速度方程，进而计算得到频率扫描函数。需要说明的是，频率扫描函数和荷质比的变化速度函数的平方为倒数关系，即，假设荷质比的变化速度函数为v(t)，则因此，选定荷质比的变化速度函数后，对其求倒数并开方，得到预置的频率扫描函数Ω(t)。利用频率函数计算相位函数θ(t)＝∫Ω(t)dt，并将相位函数带入到正弦波函数中，得到正弦波频率扫描信号函数y＝Asin(θ(t))，进而由正弦波频率扫描信号函数的公式得到正弦波数据。上述过程即为利用预置的频率扫描函数得到正弦波数据的过程。
信号输出模块201，还用于接收到该扫描切换信号后，将计算的正弦波数据转换为正弦波电压信号，并将该正弦波电压信号和该扫描时间传输给该宽频高压放大器
宽频高压放大器203，还用于将该正弦波电压信号放大为高压正弦波信号，并按照该扫描时间将该高压正弦波信号传输至该离子阱质量分析器的两个极板，以使该两个极板按照该扫描时间进行扫描。
假设需要对样品的质量实现线性扫描，荷质比的变化速度函数为：v(t)＝kt+b1，预估该样品的荷质比范围和扫描时间，确定荷质比的变化速度函数中的未知参数kt,b1，得到荷质比的变化速度方程，进而得到频率扫描函数为:如此，通过估计样品的荷质比范围和扫描时间来选择合适的荷质比的变化函数和频率扫描函数，从而提高样品的质量分辨率。
进一步地，宽频高压放大器203包括：两个功率放大器213和高频变压器223。
功率放大器213，用于同时接收该正弦波电压信号，并分别将该正弦波电压信号的电压进行放大、差分得到双极信号，以及，将该双极信号传输给高频变压器223。
具体的，功率放大器213为两个，两个功率放大器213将该正弦波电压信号放大到相同的幅度，并同时将二者进行差分，得到相位相反的正弦波电压信号。
高频变压器223，用于接收该双极信号，并将该双极信号放大为该高压正弦波信号。
具体的，高频变压器为低品质因数的高频变压器。该高压正弦波信号为宽频的高压正弦波信号。
利用两个功率放大器222和高频变压器223不仅保证频带的平坦度，还可以满足功率放大器213对高压摆率和驱动电流的需求。另外，从电路结构分析，采用两个功率放大器222和高频变压器223的电路结构在实现正弦波频率扫描的同时，高频变压器223可以采用谐振、变压等功耗较低的放大技术实现高压技术的同时减小了功耗。
进一步地，信号输出模块202包括：FPGA模块212、第一数模转换模块222和存储模块232。
FPGA模块212，用于接收该正弦波数据，并将该正弦波数据发送给存储模块223，以及，当接收到转换指令后，从存储模块223中提取该正弦波数据，并将该正弦波数据传输给第一数模转换模块222。
第一数模转换模块222，用于将该正弦波数据转换为该正弦波电压信号，并将该正弦波电压信号传输至宽频高压放大器203。
需要说明的是，正弦波电压信号为任意频率的信号。优选的，第一数模转换模块222以40每秒采样百万次(Million Samples Per Second，MSPS)的转换速率将正弦波数据转换为正弦波电压信号。
进一步地，第一数模转换模块222，还用于向该离子阱质量分析器中第一对相对的电极杆输出共振激发信号。
作为发明的一个实施例，离子阱质量分析器为线性离子阱质量分析器，包括一对极板和两对电极杆。在其它的实施例中，可按照实际情况向质量分析器的电极传输共振激发信号。需要说明的是，共振激发信号为正弦波信号，用于激发离子阱质量分析器中的离子发生共振。
存储模块232，用于存储该正弦波数据。
具体的，存储模块223为大容量的存储单元。
进一步地，该装置还包括：
端盖直流电压输出模块204，用于当接收到输出指令后，向该离子阱质量分析器中第二对相对的电极杆输出直流电压。
输出指令为用于控制端盖直流电压输出模块204给离子阱质量分析器中第二对相对的电极杆输出直流电压的指令。具体的，输出指令是由微控制单元201发送的。端盖直流电压输出模块204输出的直流电压可以对离子阱质量分析器中的离子提供轴向的束缚力，保证离子沿离子阱质量分析器的轴向运动。
进一步地，该装置还包括：第二数模转换模块205和高压模块206；
第二数模转换模块205，用于接收微控制单元201输出的控制电压信号，并将该控制电压信号转换为模拟电压，以控制该高压模块的电压值。
模拟电压信号包括：高电平信号和低电平信号。具体的，高电平信号用于控制高压模块206输出工作电压，低电平信号用于控制低压模块不输出工作电压。
高压模块206，用于向检测器提供工作电压。
进一步地，该装置还包括：信号放大器207和模数转换模块208。
信号放大器207，用于接收检测器传输的电流信号，并将该电流信号放大并转换为电压信号。
电流信号为检测器检测到的关于离子荷质比的信号。
模数转换模块208，用于接收该信号放大器传输的电压信号，并将该电压信号转换为数字信号，以及，将该数字信号传输给微控制单元201，以使微控制单元201将该数字信号传输给该终端后处理为质谱图。
本发明实施例提供的用于驱动质谱仪的正弦波频率扫描装置，利用宽频高压放大器将正弦波信号放大为高压正弦波信号，一方面在电路中利用功耗较低的电压放大器就可以实现高压放大，降低了功耗，另一方面，从理论分析正弦波频率扫描比方波频率的功耗更低，进一步降低了功耗。
以上为对本发明所提供的用于驱动质谱仪的正弦波频率扫描装置，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种用于驱动质谱仪的正弦波频率扫描装置，其特征在于，所述装置包括：微控制单元、信号输出模块和宽频高压放大器，其中，所述微控制单元与所述信号输出模块电连接，所述信号输出模块与所述宽频高压放大器电连接；
所述微控制单元，用于从终端获取预置的正弦波数据，并将所述正弦波数据传输至所述信号输出模块；
所述信号输出模块，用于接收所述正弦波数据，并当接收到所述微控制单元发送的转换信号后，将所述正弦波数据转换为正弦波电压信号，以及，将所述正弦波电压信号传输至所述宽频高压放大器；
所述宽频高压放大器与离子阱质量分析器电连接，用于将所述正弦波电压信号放大为高压正弦波信号，并将所述高压正弦波信号传输至所述离子阱质量分析器的两个极板，以向所述两个极板提供正弦波频率扫描的射频电压。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述转换信号为扫描切换信号，所述扫描切换信号包括调用预置的频率扫描函数计算的正弦波数据和扫描时间；
所述信号输出模块，还用于接收到所述扫描切换信号后，将计算的正弦波数据转换为正弦波电压信号，并将所述正弦波电压信号和所述扫描时间传输给所述宽频高压放大器；
所述宽频高压放大器，还用于将所述正弦波电压信号放大为高压正弦波信号，并按照所述扫描时间将所述高压正弦波信号传输至所述离子阱质量分析器的两个极板，以使所述两个极板按照所述扫描时间进行扫描。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述宽频高压放大器包括：两个功率放大器和高频变压器，其中，所述两个功率放大器的一端分别与所述信号输出模块电连接，所述两个功率放大器的另一端分别与所述高频变压器的一端电连接，所述高频变压器的另一端与所述离子阱质量分析器的两个极板电连接；
所述两个功率放大器，用于同时接收所述正弦波电压信号，并分别将所述正弦波电压信号的电压进行放大、差分得到双极信号，以及，将所述双极信号传输给所述高频变压器；
所述高频变压器，用于接收所述双极信号，并将所述双极信号放大为所述高压正弦波信号。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述信号输出模块包括：现场可编程门阵列模块、第一数模转换模块和存储模块，其中，所述现场可编程门阵列模块的一端与所述微控制单元电连接，所述现场可编程门阵列模块的另一端分别与所述第一数模转换模块的一端和所述存储模块的一端电连接，所述第一数模转换模块的另一端与所述功率放大器电连接；
所述现场可编程门阵列模块，用于接收所述正弦波数据，并将所述正弦波数据传输给所述存储模块，以及，当接收到转换信号后，从所述存储模块中提取所述正弦波数据，并将所述正弦波数据传输给所述第一数模转换模块；
所述第一数模转换模块，用于将所述正弦波数据转换为所述正弦波电压信号，并将所述正弦波电压信号传输至所述宽频高压放大器；
所述存储模块，用于存储所述正弦波数据。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，
所述第一数模转换模块与所述离子阱质量分析器的第一对电极杆电连接，还用于向所述第一对相对的电极杆输出共振激发信号。
6.根据权利要求1所述装置，其特征在于，所述装置还包括：
端盖直流电压输出模块的一端与所述微控制单元电连接，所述端盖直流电压输出模块的另一端与所述离子阱质量分析器中的第二对相对的电极杆电连接，用于当接收到所述微控制单元发送输出信号后，向所述第二对相对的电极杆输出直流电压。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：第二数模转换模块和高压模块，其中，所述第二数模转换模块的一端与所述微控制单元电连接，所述第二数模转换模块的另一端与检测器电连接，所述检测器用于检测所述离子阱质量分析器分析的离子；
所述第二数模转换模块，用于接收所述微控制单元输出的控制电压信号，并将所述控制电压信号转换为模拟电压，以控制所述高压模块的电压值；
所述高压模块，用于向检测器提供工作电压。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：信号放大器和模数转换模块，其中，所述信号放大器的一端与所述检测器电连接，所述信号放大器的另一端与所述模数转换模块的一端电连接，所述模数转换模块的另一端与所述微控制单元电连接；
所述信号放大器，用于接收所述检测器传输的电流信号，并将所述电流信号放大并转换为电压信号；
所述模数转换模块，用于接收所述信号放大器传输的电压信号，并将所述电压信号转换为数字信号，以及，将所述数字信号传输给所述微控制单元，以使所述微控制单元将所述数字信号传输给所述终端后处理为质谱图。
9.根据权利要求1-8任一项所述的装置，其特征在于，所述高压正弦波信号的扫描方式包括线性扫描或非线性扫描中的任一种。
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