CN108008202A - 一种质谱用多极杆电容的测量方法 - Google Patents

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姜永泽
周立
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    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
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Abstract

本发明公开了一种质谱用多极杆电容的测量方法，包括：信号处理模块、内部时钟模块、功率放大模块、隔离变压器模块、多极杆总成、反馈控制模块；通过使用DDS连接射频的频率源，可以使射频输出的高压的频率在较大范围内变化，找出调谐电流最小的频率,然后使用精度高的标准电容与射频连接，在不改变射频电感等其它参数的情况下，达到与射频电源在相同频率下共振调谐状态的标准电容就是多极杆的分布电容，具有成本低，系统稳定性强，效率高，重复性强，可高质量的解决技术问题等优点。

Description

一种质谱用多极杆电容的测量方法
技术领域
本发明涉及化学分析技术领域，尤其是涉及一种质谱用多极杆电容的测量方法。
背景技术
作为化学分析仪器的一种，质量分析仪器因为可以直接给出化学物质的分子量信息，越来越成为一种最重要的化学分析手段。其中，多极杆质谱仪具有高通量，高动态范围，易维护操作成为主流的质谱检测仪器。
多极杆及其射频电源是多极杆质谱仪的核心部件。多极杆通常由多个柱状电极按特定的空间分布组成。例如四极杆，其中两个电极杆组成一对正极杆，另外两个电极杆组成一对负极杆。工作时，需在正极杆上施加电压V1＝U+Vcos(ωt)，同时在负极杆上施加电压V2＝-(U+Vcos(ωt))，其中U为DC直流电压，V为高频交流电压。通过调整U和V的大小及比例，可以使特定荷质比的离子通过四极杆的中心通道达到检测器，从而实现离子筛选得到质谱数据。其中，离子选出用射频与四极杆的组装制作精度决定了质谱的分辨率，灵敏度，质量范围，质量准确性等质谱的主要性能指标。
根据马修方程，多极杆质谱仪是通过多根精密加工装配的多根金属杆（对象为一组）以及其上加载的交直流电场，选择荷质比需要的离子通过多极杆形成的电场，达到化学物质检出的目的。根据使用目的，外接的射频电源输出高压加载到多极杆上，不局限于选择唯一质荷比的离子通过，还包括蓄积选择的固定离子，选择的离子与其它气体碰撞并产生新的离子等操作。其中射频电源输出射频电压和直流电压，输出次级线圈量，在射频电源的频率下，相当于电感，而多极杆在相同的频率下，相当于电容。当电容与电感在规定的频率下完成了共振时，消耗的射频系统功率最低，而且输出的正弦波更加单纯，谱峰的分辨率，强度等指标更优越。
但是由于多极杆尺寸较大，形成的电容属于空间分布电容，形状复杂，难于计算，而且利用通常的LCR电桥测试不能给出准确度较高的数值，而且普通的LCR电桥的精度，频率点等的使用也受LCR电桥的限制，影响准确测量电容值，而多极杆空间电容的大小是设计多极杆质谱仪的重要参数之一，它的准确测量是实现质谱以及质谱联用仪等化学分析仪器自主设计的必要的过程。由于多极杆的负载电容通常只有10-50pF之间，而且其电容值受空间分布电容的影响，常常会有微小变化，准确测量多极杆电容，计算出与之匹配的射频电源参数，是非常重要的。
发明内容
有鉴于此，需要克服现有技术中的上述缺陷中的至少一个。本发明提出一种可以平稳、高精度、低成本地实现质谱用多极杆电容的测量方法，
该方法包括采用信号发生器输出扫描信号进行频率扫描，找到与多极杆总成产生谐振的射频电源频率，固定射频电源频率和电感值，选择标准电容代替所述多极杆总成，通过所述标准电容的串和/或并联，使所述标准电容与所述射频电源谐振，根据LC共振公式：F =1/[2π ×√(L×C)] ，通过计算得到标所述准电容的电容值为多极杆总成的分布电容值。
另外，根据本发明公开的质谱用多极杆电容的测量方法，还具有如下附加技术特征：
进一步地，包括信号处理模块、内部时钟模块、功率放大模块、隔离变压器模块、多极杆总成、反馈控制模块。（其中“多极杆总成”包括四极杆总成、六极杆总成、八极杆总成等多极杆总成）；
进一步地，用于产生频率可变信号且输出传输信号到功率放大模块的所述信号处理模块与所述功率放大模块相连接，且包括信号发生器、信号发生频率控制器和功率放大模块幅值控制器；
进一步地，为所述功率放大模块提供固定频率信号且用于调节谐振频率的所述内部时钟模块与所述功率放大模块相连接；
进一步地，用于放大所述信号处理模块输出信号且为所述隔离变压器模块提供驱动电压的所述功率放大模块与所述信号处理模块、所述隔离变压器模块、所述内部时钟模块、所述反馈控制模块相连接
进一步地，从所述功率放大模块获取到电压进行变压且用于驱动多极杆总成工作的所述隔离变压器模块与所述功率放大模块、多极杆总成相连接；
进一步地，用于筛选粒子的所述多极杆总成与所述隔离变压器模块、反馈控制模块相连接；
进一步地，用于实时检测所述隔离变压器模块输出到所述多极杆总成工作电压的所述反馈控制模块与所述功率放大模块、所述多极杆总成相连接。
进一步地，所述信号处理模块输出DDS信号。
进一步地，所述功率放大模块幅值控制器可控制输入所述功率放大模块的信号。
进一步地，所述功率放大模块包括DA转换、I2C、SPI控制方式。
进一步地，所述多极杆总成为圆柱形多极杆总成，或任意形状的一对空间分布容性负载。
进一步地，所述反馈控制模块由光耦开关或互感线圈等具有隔离功能的器件组成。
进一步地，所述信号发生器模块输出的扫描信号为精度在16位的0~10V的扫描信号。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明的质谱用多极杆电容的测量方法的工作原理示意图。
图1中，1是信号处理模块，2是内部时钟模块，3是功率放大模块，4是隔离变压器模块，5是多极杆总成，6是反馈控制模块。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明的发明构思如下，通过使用信号处理模块连接射频的频率源，可以使射频输出的高压的频率在较大范围内变化，找出调谐电流最小的频率,然后使用精度高的标准电容与射频连接，在不改变射频电感等其它参数的情况下，达到与射频电源在相同频率下共振调谐状态的标准电容就是多极杆的分布电容，具有成本低，系统稳定性强，效率高，重复性强，可高质量的解决技术问题等优点。
下面将参照附图来描述本发明，其中图1是根据本发明的质谱用多极杆电容的测量方法原理图。
根据本专利背景技术中对现有技术所述，市面上作为化学分析仪器的一种，质量分析仪器因为可以直接给出化学物质的分子量信息，越来越成为一种最重要的化学分析手段，其中，多极杆质谱仪具有高通量，高动态范围，易维护操作成为主流的质谱检测仪器，而离子选出用射频与多极杆的组装制作精度决定了质谱的分辨率，灵敏度，质量范围，质量准确性等质谱的主要性能指标，射频电源的高频电压输出与多极杆负载在调谐状态下，其消耗的电源功率最小，且系统工作最稳定，有利于其质谱峰的质量，因为多极杆的负载电容通常只有10-50pF之间，而且其电容值受空间分布电容的影响，常常会有微小变化，准确测量多极杆电容，计算出与之匹配的射频电源参数，是非常重要的；而本发明公开的质谱用多极杆电容的测量方法通过使用信号处理模块连接射频的频率源，可以使射频输出的高压的频率在较大范围内变化，找出调谐电流最小的频率,然后使用精度高的标准电容与射频连接，在不改变射频电感等其它参数的情况下，达到与射频电源在相同频率下共振调谐状态的标准电容就是多极杆的分布电容，具有成本低，系统稳定性强，效率高，重复性强，可高质量的解决技术问题等优点。
这里测量标准电容时，为避免对分布电容产生干扰，不能直接将标准电容放置于桌子表面，需要用特氟龙板隔开或悬空，且电容需为NPO电容（保持在30ppm/℃内）。
另外，根据本发明公开的质谱用多极杆电容的测量方法还具有如下附加技术特征：
根据本发明的一些实施例，所述信号处理模块输出DDS信号。
DDS信号频率为0~5MHZ，其中，可产生DDS信号的途径为FPGA、DSP、DDS芯片。
根据本发明的一些实施例，所述信号处理模块包括信号发生器，信号发生频率控制器，功率放大模块幅值控制器。
信号发生器可以为SDG6000X、泰克AFG3101。
根据本发明的一些实施例，所述功率放大模块可根据幅值控制器控制信号。
根据本发明的一些实施例，所述功率放大模块包括DA转换、I2C、SPI控制方式。
根据本发明的一些实施例，所述反馈控制模块由光耦开关或互感线圈等具有隔离功能的器件组成。
根据本发明的一些实施例，所述多极杆为圆柱形多极杆，或任意形状的一对空间分布电极。
根据本发明的一些实施例，所述采用信号发生器模块输出的扫描信号为精度在16位的0~10V的扫描信号。
本技术方案不仅适用于圆柱形多极杆，同样适用于任意形状的一对空间分布电极，如六极杆，八极杆，离子漏斗等；其原理上适用于其它类似的空间分布电容的高精度精确测定。
本技术方案适当调节射频的电感值，可以在任意设定频率、直流电压和交流电压下测得多极杆的电容值。
任何提及“一个实施例”、“实施例”、“示意性实施例”等意指结合该实施例描述的具体构件、结构或者特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处的该示意性表述不一定指的是相同的实施例。而且，当结合任何实施例描述具体构件、结构或者特点时，所主张的是，结合其他的实施例实现这样的构件、结构或者特点均落在本领域技术人员的范围之内。
尽管参照本发明的多个示意性实施例对本发明的具体实施方式进行了详细的描述，但是必须理解，本领域技术人员可以设计出多种其他的改进和实施例，这些改进和实施例将落在本发明原理的精神和范围之内。具体而言，在前述公开、附图以及权利要求的范围之内，可以在零部件和/或者从属组合布局的布置方面作出合理的变型和改进，而不会脱离本发明的精神。除了零部件和/或布局方面的变型和改进，其范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种质谱用多极杆电容的测量方法，该方法包括：
采用信号发生器输出扫描信号进行频率扫描，找到与多极杆总成产生谐振的射频电源频率，固定射频电源频率和电感值，选择标准电容代替所述多极杆总成，通过所述标准电容的串和/或并联，使所述标准电容与所述射频电源谐振，通过计算得到标所述准电容的电容值为多极杆总成的分布电容值。
2.根据权利要求1所述的一种质谱用多极杆电容的测量方法，其特征在于，包括：信号处理模块、内部时钟模块、功率放大模块、隔离变压器模块、多极杆总成、反馈控制模块。
3.根据权利要求2所述的一种质谱用多极杆电容的测量方法，其特征在于，用于产生频率可变信号且输出传输信号到所述功率放大模块的所述信号处理模块与所述功率放大模块相连接，且包括所述信号发生器、信号发生频率控制器和功率放大模块幅值控制器。
4.根据权利要求2所述的一种质谱用多极杆电容的测量方法，其特征在于，为所述功率放大模块提供固定频率信号且用于调节谐振频率的所述内部时钟模块与所述功率放大模块相连接。
5.根据权利要求2所述的一种质谱用多极杆电容的测量方法，其特征在于，用于放大所述信号处理模块输出信号且为所述隔离变压器模块提供驱动电压的所述功率放大模块与所述信号处理模块、所述隔离变压器模块、所述内部时钟模块、所述反馈控制模块相连接。
6.根据权利要求2所述的一种质谱用多极杆电容的测量方法，其特征在于，从所述功率放大模块获取到电压进行变压且用于驱动多极杆总成工作的所述隔离变压器模块与所述功率放大模块、多极杆总成相连接。
7.根据权利要求2所述的一种质谱用多极杆电容的测量方法，其特征在于，用于筛选粒子的所述多极杆总成与所述隔离变压器模块、反馈控制模块相连接。
8.根据权利要求2所述的一种质谱用多极杆电容的测量方法，其特征在于，用于实时检测所述隔离变压器模块输出到所述多极杆总成工作电压的所述反馈控制模块与所述功率放大模块、所述多极杆总成相连接。
9.根据权利要求2所述的一种质谱用多极杆电容的测量方法，其特征在于，所述信号处理模块输出的扫描信号为精度在16位的0~10V的扫描信号。
10.根据权利要求2所述的一种质谱用多极杆电容的测量方法，其特征在于，所述反馈控制模块包括光耦开关和/或互感线圈。
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