CN112509904A - 可切换的数字离子阱质谱射频电源系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可切换的数字离子阱质谱射频电源系统及其控制方法，包括控制系统、质荷比判断模块、高压调节电路、运算放大电路、NNMOS电路以及离子阱，其中：控制系统将所需质荷比传输至质荷比判断模块；质荷比判断模块判断对应的质荷比，根据判断结果实时动态选择NNMOS电路或者运算放大电路输出主射频方波信号至离子阱，其中高压调节电路调节输入信号。本发明由实际工况利用程控调节高压及电路切换，具有更高的集成度，通过配套设计的散热方案使其在可靠性安全性方面有更好的保证。
Description
技术领域
本发明涉及质谱分析领域，具体地，涉及一种数字离子阱的射频电源系统及其 控制方法。
背景技术
离子阱(Ion trap)早在50年代末它就被应用于改进光谱测量的精确度，它的原理十分简单：利用电荷与电磁场间的交互作用力来牵制带电粒子的运动，以达到将 其局限在某个小范围内的目的。离子阱大致分为三维离子阱(3D Ion Trap)、离子 阱(Linear IonTrap)、轨道离子阱(Orbitrap)三种。本专利涉及的离子阱属于 离子阱。
数字离子阱质谱仪系统，是将EI源(电子轰击电离源)与数字离子阱质量分析 器联用，以PDMS膜结构(聚二甲基硅烷，Polydimethylsiloxane，PDMS)为直接进 样方式，能够实现对大气中挥发性有机物VOCs的实时在线检测。
数字线形离子阱安装在离子阱腔体中，由主射频矩形波信号和共振激发信号驱动。离子引入阶段时，当线形离子阱施加主射频数字波形时，高精度缓冲气体模块 开启，具有高动能的样品离子与缓冲气体碰撞冷却后，被囚禁于阱中心区域。离子 扫描阶段时，在数字离子阱电极上加载偶极激发电压，样品离子产生共振。通过对 主射频电压和共振激发电压的频率扫描，阱中的离子按照质荷比大小依次逐出离子 阱。
射频矩形波由射频电源模块产生，如图1所示，控制系统DDS模块产生引入、 扫描等各阶段高频方波信号后传输至射频电源模块，射频电源模块对方波信号进行 处理后产生主射频方波信号。主射频方波信号和共振激发信号经过耦合后驱动线形 离子阱。现有传统的成熟产品中，为主射频方波直流高压模块选用的是高精度低纹 波的双路稳压模块，信号控制电路模块的主要架构为MOS管控制，上述设计在实际 应用中存在以下两点缺陷。其一，在对水等起始质量较低的物质进行检测分析时， 所需主射频为低压高频时，主射频方波信号的直流正端稳压模块的输出电压在扫面 阶段会出现电压波动较大等现象，导致小质量数物质无法检测。其二，在对宽质量 范围物质进行长期监测时，尤其是大质量数检测，即所需主射频为高压低频时，由 于散热老化等影响，容易造成MOS管击穿致使系统失效。因此，急需一种用于数字 离子阱质谱仪可切换的射频电源系统，针对高质量数和低质量数离子的检测实时动 态可调。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种可切换的数字离子阱质谱射频电源系统及其控制方法。
根据本发明提供的一种可切换的数字离子阱质谱射频电源系统，包括控制系统、质 荷比判断模块、高压调节电路、运算放大电路、NMOS电路以及离子阱，其中：
控制系统将所需质荷比传输至质荷比判断模块；
根据判断结果实时动态选择NMOS电路或者运算放大电路输出主射频方波信号至离 子阱，并通过高压调节电路调节电源电压值。
优选地，控制系统通过DA电路对高压调节电路进行调节。
优选地，质荷比判断模块判断所需质荷比大小：
若所需质荷比低于设定的质荷比阈值，则通过NNMOS电路输出低压高频的主射频方 波信号；
若所需质荷比高于设定的质荷比阈值，则通过运算放大电路输出主高压低频的射频 方波信号。
优选地，所述运算放大电路为以高增益带宽积(GBW)和高耐压值的运算放大器为核 心的信号控制电路。
优选地，还包括设置在控制系统和高压调节电路之间、用于实现闭环监测的模数转 换电路。
优选地，还包括LDO电路，所述LDO电路对高压调节电路输出的电压进行稳压处理。
根据本发明提供的一种基于上述的可切换的数字离子阱质谱射频电源系统的控制方 法，包括如下步骤：
信信号传输步骤：控制系统将所需质荷比传输至质荷比判断模块；
信号判断步骤：质荷比判断模块判断所需质荷比，得出判断结果；
信号执行步骤：根据判断结果选择NNMOS电路或者运算放大电路输出主射频方波信 号至离子阱，并通过高压调节电路调节电源电压值。
质谱数据整合步骤：通过不同频段主射频信号驱动离子阱，得到分段扫描质谱信号， 将其整合，得到所需完整质谱图。
优选地，质荷比判断模块判断所需质荷比大小：
若所需质荷比低于设定的质荷比阈值，则通过NNMOS电路输出低压高频的主射频方 波信号；
若所需质荷比高于设定的质荷比阈值，则通过运算放大电路输出主高压低频的射频 方波信号。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供了一种可实时切换的针对宽范围质荷比检测的数字离子阱质谱射频电源模块。在现有成熟技术基础上，对高压直流电源模块和数字运算放大电路进 行优化，提高模块可靠性安全性，对于技术的可持续发展具有重要意义。
2、本发明能够实现程控高压调节，是针对检测物质的质荷比跨度较大而设计的优化技术方案，根据实际应用环境的不同，对主射频方波信号电压进行优化调整及 闭环监控。
3、本发明中通过设置主射频运算放大电路，满足高质荷比物质检测对主射频方波信号的要求，即高电压低频率，同时也提升了长时间连续监测控制电路的可靠性 和安全性。
4、本发明不但可以实现水、氮气、氧气等低质荷比物质的实时在线检测，还可 长时间对高质荷比物质进行检测并保证稳定可靠。这就使得该设计方案大大拓展了 产品的检测范围，对于产品开发具有开拓性意义。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为现有的信号控制流程图。
图2为本发明的高压调节电路示意图。
图3为本发明的主射频运算放大电路示意图。
图4为本发明的电路控制流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人 员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于 本发明的保护范围。
如图2-4所示，根据本发明提供的可切换的数字离子阱质谱射频电源系统及其控制方法，针对现有成熟产品中主射频方波信号的直流供电电压由精密电阻进行调节， 无法进行程控闭环监测，且主射频方波信号在检测水、氮气、氧气等低质荷比物质 时扫描频率较高但正负电压要求不高，而对高质荷比物质进行检测时对电压要求较 高，扫描频率却只在百KHz量级的缺陷，本发明从电压调节和方波信号控制两方面 进行改进。具体的，本发明包括控制系统、质荷比判断模块、高压调节电路、运算放 大电路、NMOS电路以及离子阱，其中：控制系统将所需质荷比后传输至质荷比判断模块； 质荷比判断模块判质荷比大小，根据判断结果实时动态选择NMOS电路或者运算放大电 路输出主射频方波信号至离子阱，高压调节电路调节输入信号。控制系统通过DA电路 对高压调节电路进行调节。
质荷比判断模块比判断所需质荷比大小，若所需质荷比低于设定的质荷比阈值，即 所需主射频为低压高频时，则通过NMOS电路输出主射频方波信号；若所需质荷比高于设定的质荷比阈值，即所需主射频为高压低频时，则通过运算放大电路输出主射频方 波信号。
进一步地，所述运算放大电路为以高增益带宽积(GBW)和高耐压值的运算放大器为 核心的信号控制电路。
更为详细的，本发明设计直流高压电源程控模块，由控制系统及其周边高精度DA电 路对高压电源进行调节，并由模数转换电路进行闭环监测。在检测低质荷比物质时调低高压电源压降，通过指令驱动芯片和NMOS电路产生射频电源信号的同时，避免电路在 高频扫描期间芯片及MOS管过载过热；在检测高质荷比物质时提升高压电源压降，选用 以高增益带宽积(GBW)和高耐压值的运算放大器为核心的电路，实现现有成熟产品中以 MOS管为主要器件的主射频运算放大电路，对控制系统产生的数字方波进行处理,满足 该工况下对射频方波信号电压需求。本发明还采用LDO电路对高压模块输出进行稳压处 理，减小电源波动对产品性能的影响。与现有的方案相比，由实际工况利用程控调节 高压及电路切换，具有更高的集成度，通过配套设计的散热方案使其在可靠性安全性方 面有更好的保证。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、 “竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的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申请和简化描述，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申请的 限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上 述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改， 这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的 特征可以任意相互组合。
Claims (8)
1.一种可切换的数字离子阱质谱射频电源系统，其特征在于，包括控制系统、质荷比判断模块、高压调节电路、运算放大电路、NMOS电路以及离子阱，其中：
控制系统将高频方波信号后传输至质荷比判断模块；
质荷比判断模块判断高频方波信号对应的质荷比，根据判断结果实时动态选NNMOS电路或者运算放大电路输出主射频方波信号至离子阱，高压调节电路调节输入信号。
2.根据权利要求1所述的可切换的数字离子阱质谱射频电源系统，其特征在于，控制系统通过DA电路对高压调节电路进行调节。
3.根据权利要求1所述的可切换的数字离子阱质谱射频电源系统，其特征在于，质荷比判断模块比较所需质荷比与设定的质荷比阈值，
若所需质荷比低于设定的质荷比阈值，则通过NNMOS电路输出低压高频的主射频方波信号；
若所需质荷比高于设定的质荷比阈值，则通过运算放大电路输出主高压低频的射频方波信号。
4.根据权利要求1所述的可切换的数字离子阱质谱射频电源系统，其特征在于，所述运算放大电路为以高增益带宽积(GBW)和高耐压值的运算放大器为核心的信号控制电路。
5.根据权利要求1所述的可切换的数字离子阱质谱射频电源系统，其特征在于，还包括设置在控制系统和高压调节电路之间、用于实现闭环监测的模数转换电路。
6.根据权利要求1所述的可切换的数字离子阱质谱射频电源系统，其特征在于，还包括LDO电路，所述LDO电路对高压调节电路输出的电压进行稳压处理。
7.一种基于权利要求1-6任一项所述的可切换的数字离子阱质谱射频电源系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
信号传输步骤：控制系统将所需质荷比传输至质荷比判断模块；
信号判断步骤：质荷比判断模块判断所需质荷比，得出判断结果；
信号执行步骤：根据判断结果选择NNMOS电路或者运算放大电路输出主射频方波信号至离子阱，并通过高压调节电路调节电源电压值。
质谱数据整合步骤：通过不同频段主射频信号驱动离子阱，得到分段扫描质谱信号，将其整合，得到所需完整质谱图。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，质荷比判断模块比较高频方波信号对应的质荷比与设定的质荷比阈值，
若高频方波信号对应的质荷比低于设定的质荷比阈值，则通过NNMOS电路输出高频低压主射频方波信号；
若高频方波信号对应的质荷比高于设定的质荷比阈值，则通过运算放大电路输出高压低频主射频方波信号。
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