飞行时间质谱仪射频四极杆驱动器的研制(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国科学院广州地球化学研究所,有机地球化学国家重点 作者:赵栋

  针对自制垂直引入式飞行时间质谱仪(orthogonal ext raction time-of-flight mass spect rometer , O-TOFMS)的需要,运用直接数字频率合成(direct digital f requency synthesis ,DDS) 技术,研制了射频四极杆的高压射频驱动电路装置。该驱动器频率可调范围为0.5~2MHz ,幅度最高达到1000Vp-p 。该射频四极杆驱动器( radio frequency quadrupole driver , RFQ Driver) 可用于分子离子反应器(molecule ion reactor ,MIR)和RFQ驱动,其结构简洁、成本低、性能稳定可靠。

  射频四极杆作为离子调制器或质量分析器,被广泛地应用于质谱领域。在一定气压下,四极杆可以对离子进行碰撞冷却聚焦,常常作为大气压离子源与质谱的接口。射频四极杆结构小巧、扫描速度快、离子传输率高、真空要求不是非常高,是小型低价位质谱分析器的理想选择。虽然四极杆的质量范围不大, 但由于电喷雾电离(elect rospray ionization , ESI) 等大气压电离源产生的多电荷离子质荷比一般在3000以下,所以四极杆仍可以应用于生物大分子分析。同时,四极杆还可以串级联用,其定量能力强,因此,射频四极杆在质谱领域的应用非常重要。

  用来驱动四极杆的高压射频电路,通常由电感电容振荡电路产生,振荡电路由大功率放大电路驱动,需要通过调整电感电容振荡电路的线圈匝数来调整振荡频率,以此来改变质谱仪器的质量范围。在生物分子质谱仪器中,频率一般在0.3~1.5MHz,电压2kVp-p。可是,要购买这样的电路装置,价格是非常昂贵的,而且商用电路的频率通常是固定的,只有改变线圈匝数才能改变频率,这样很不方便。

  本试验室自制的高分辨飞行时间质谱仪 ,通过大气压离子接口将由ESI 或AP-MALDI ( atmosp heric pressure mat rix-assistedlaser desorption ionization ,大气压基体辅助激光解析离子源) 产生的离子引入射频四极杆系统,利用四极杆对离子束进行冷却聚焦。本工作采用DDS 技术进行信号发生,实现了一套对飞行时间质谱仪射频四极杆驱动的简易装置,有助于自制的TOF 提高灵敏度和分辨率的进一步研究。

1、RFQ原理及结构

1.1、RFQ的工作原理

  RFQ的基本工作原理示于图1 。四极杆由4 个电极交叉排列,相对的一对电极是等电位的,两对电极之间电位相反。直流电压(DC)和叠加的射频电压(RF)加在两对电极之间,形成射频电场。根据不同的工作模式,射频四极杆可以实现四极滤质器和离子传输两种功能。

RFQ的基本原理

图1  RFQ的基本原理

  在滤质器模式下,当射频电压和频率一定时,只有荷质比在某个范围的离子能通过四极杆到达检测器,其他离子会被滤除。可以传输出去的离子荷质比由射频电压幅值,频率和加在电极上的直流电压决定 。

  在离子传输模式下,离子进入四极杆后,在射频场的作用下,会与背景气体(如氮气等) 发生频繁碰撞和分子离子反应,这样对离子有冷却聚焦作用。参数最佳的情况下,能将离子汇聚成直径小于0.2mm 的离子束,这样可以大大减小空间分散。由于离子与气体发生频率的剧烈碰撞,使得离子动能得到了大幅度衰减,这样可以有效的减小离子的初始动能分散。这些都会有利于离子传输效率和分析器(如飞行时间质量分析器) 分辨率的提高。

  本试验室自制的O-TOFMS采用3组不同功能的四极杆,构成离子调制与传输系统。

1.2、自制射频四极杆系统

  自制三级射频四极杆系统(MIR、RFQ、DCQ)的结构图,示于图2。3组四极杆各有分工:MIR 结构小巧, 整个四极杆总长不到22mm ,MIR 内的气压维持在25~65 Pa ,离子进入四极杆后,在射频电场的作用下,与氮气分子发生频繁碰撞和分子离子反应; RFQ 是离子调制与传输系统的核心, RFQ 中的气压约为1. 33Pa ,射频电压约为700Vp2p ,频率1. 5MHz ,长约170mm ,离子在背景气体及射频电压的作用下,被会聚成直径0. 2mm 的离子束,离子的能量分散小于0. 1 eV ;DCQ 用来控制离子束的方向,保证离子束准确通过入射中心。

射频四极杆结构图

图2  射频四极杆结构图

2、RFQ驱动器设计

  DDS是一种新兴的频率发生技术,它的频率分辨率高、范围宽(从几Hz 到数十MHz) ,几乎可实现即时的频率转换。其体积小、成本低、功耗小、控制灵活,是其他形式信号源无法比拟的。DDS 的应用使信号源设备发生了革命性的变化,它的应用变得越来越广泛。RFQ 驱动器功能框图示于图3 。单片机用数字信号控制DDS 集成电路,即可输出指定频率的正弦波信号。单片机作为处理器,还负责控制输出信号的幅度,检测按键,控制液晶屏显示,并负责和PC 通讯,接受指令。

射频四极杆驱动器功能框图


图3  射频四极杆驱动器功能框图

2.1、频率发生模块

  频率发生模块由DDS 集成电路AD9835单片机构成。AD9835是AD公司生产的一款低功耗、可编程波形发生器,最高时钟频率为50MHz 。当AD9835的时钟是25MHz 时,输出频率范围是DC~12.5MHz ,分辨率是0.00582Hz ,它的相移可以是任意倍数。AD9835 控制灵活方便,采用串行方式加载数据,只需要单片机3根口线即可进行控制。本设计频率发射的电路原理图示于图4 。

射频四极杆驱动器频率发生模块

图4  射频四极杆驱动器频率发生模块

  为保证电路稳定性,芯片模拟和数字部分单独去耦。AD9835输出的信号只有1.35V ,必须对其输出进行滤波放大。本设计中AD9835的输出经过无源滤波后,再经过宽带放大器uPC1676进行放大。AD9835 的输出经放大后给数字模拟转换芯片,其输出再经过射频运放放大,最后给功放,再经变压器升压给负载。

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