本發(fā)明涉及一種數(shù)字測(cè)控系統(tǒng)，特別是關(guān)于一種便攜式離子阱調(diào)頻質(zhì)譜儀的數(shù)字測(cè)控系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

納米和微米尺度的顆粒，比如灰塵、氣溶膠、細(xì)胞、病毒、微材料等，在人類生產(chǎn)和生活中扮演著不可忽視的角色。它們?cè)诳諝馕廴?、醫(yī)藥學(xué)、健康學(xué)、材料學(xué)等領(lǐng)域都有著很重要的地位。席卷全國(guó)的微米級(jí)顆粒PM2.5，由于其對(duì)國(guó)民健康的嚴(yán)重威脅更是受到了廣泛關(guān)注。由于顆粒的尺度對(duì)顆粒光學(xué)、電學(xué)、熱動(dòng)力學(xué)等性質(zhì)有著重要影響，分析化學(xué)家迫切的希望知道顆粒的大小、質(zhì)量、密度等參數(shù)。從實(shí)際來看，在環(huán)境檢測(cè)中分析氣溶膠、生物醫(yī)學(xué)中分析微生物等領(lǐng)域都需要原位、實(shí)時(shí)、快速的給出分析結(jié)果，因此，一種便攜式的顆粒尺度分析裝置以及對(duì)它的控制系統(tǒng)開發(fā)是非常有必要的。

質(zhì)譜是一種可以給出粒子質(zhì)量信息的技術(shù)，它在分析各種納米尺度以下的分子或混合物中表現(xiàn)出了強(qiáng)大的能力，但是將它運(yùn)用在納米、微米尺度的顆粒要困難的多。傳統(tǒng)的質(zhì)譜離子源技術(shù)，比如：基質(zhì)輔助激光解吸電離離子源(MALDI)、電噴霧離子源(ESI)等容易使微生物顆粒解體、難以測(cè)定巨大分子量的顆粒而不適于運(yùn)用到顆粒質(zhì)譜中。2005年，顆粒物質(zhì)的激光誘導(dǎo)聲波解析電離離子源(LIAD)的發(fā)展，這對(duì)于微生物分析是一種相對(duì)較溫和的方法。在此基礎(chǔ)上，利用激光誘導(dǎo)聲波解吸-圓柱離子阱-光散射的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)人類腺病毒、彩虹病毒和牛痘病毒的分析。此后，利用激光誘導(dǎo)聲波解吸-四極離子阱-電荷檢測(cè)的方法測(cè)定了一系列動(dòng)物以及正常人和貧血病人的紅細(xì)胞的質(zhì)量。2013年，利用氣動(dòng)解吸電離-四級(jí)離子阱-電荷檢測(cè)的方法測(cè)定了正常人和貧血病人的紅細(xì)胞的質(zhì)量。

氣動(dòng)解吸電離離子源質(zhì)譜的工作流程：在四極離子阱的環(huán)電極上加下射頻電壓，上端帽電極和下端帽電極均接地。將樣品粉末置于樣品板上，進(jìn)樣導(dǎo)管在一般情況下被導(dǎo)管閥控制，并處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)導(dǎo)管閥短時(shí)間的開啟時(shí)，受離子阱真空的負(fù)壓吸引，樣品會(huì)解吸并進(jìn)入離子阱中電離，之后快速關(guān)閉導(dǎo)管閥，完成進(jìn)樣。射頻電壓的頻率線性地進(jìn)行掃描，使阱中離子不穩(wěn)定拋出并被電荷檢測(cè)器檢測(cè)。

氣動(dòng)解吸電離-四級(jí)離子阱-電荷檢測(cè)技術(shù)的部件小巧、分析迅速，因此將此技術(shù)一體化組裝可以使質(zhì)譜儀緊湊、便攜。不過，氣動(dòng)輔助離子源需要嚴(yán)格控制導(dǎo)管閥開啟的時(shí)機(jī)與時(shí)長(zhǎng)，并且與離子阱的掃描頻率變化配合不好。所以，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)這樣一個(gè)質(zhì)譜儀精確的整體控制是一個(gè)難點(diǎn)。為此，開發(fā)一套針對(duì)于這種檢測(cè)顆粒用的便攜式離子阱調(diào)頻質(zhì)譜儀的整體數(shù)字測(cè)控系統(tǒng)，以達(dá)到其原位、實(shí)時(shí)、快速的檢測(cè)要求是很有必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種便攜式離子阱調(diào)頻質(zhì)譜儀的數(shù)字測(cè)控系統(tǒng)，其能對(duì)顆粒進(jìn)行原位、實(shí)時(shí)和快速的檢測(cè)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：一種便攜式離子阱調(diào)頻質(zhì)譜儀的數(shù)字測(cè)控系統(tǒng)，其特征在于它包括上位機(jī)、D/A數(shù)模交換器、濾波板、離子源、高速高壓放大模塊、離子阱和電荷檢測(cè)器；所述上位機(jī)輸出的數(shù)字控制信號(hào)經(jīng)所述D/A數(shù)模交換器轉(zhuǎn)換為模擬控制信號(hào)后，傳輸至所述濾波板進(jìn)行濾波處理后分別傳輸至所述離子源和所述高速高壓放大模塊；所述高速高壓放大模塊將模擬控制信號(hào)傳輸至所述離子阱；所述離子源設(shè)置在所述離子阱正上方，所述離子阱的正下方設(shè)置有所述電荷檢測(cè)器，所述電荷檢測(cè)器將檢測(cè)到的樣品信息傳輸至所述D/A數(shù)模交換器處理后，傳輸至所述上位機(jī)。

優(yōu)選地，所述離子源采用氣動(dòng)解吸電離離子源。

優(yōu)選地，所述氣動(dòng)解吸電離離子源由硅板、進(jìn)樣導(dǎo)管和導(dǎo)管電磁閥構(gòu)成；所述硅板中間位置處與所述進(jìn)樣導(dǎo)管上端垂直連接，且所述進(jìn)樣導(dǎo)管上端穿過所述硅板上表面，所述進(jìn)樣導(dǎo)管下方設(shè)置有所述離子阱；位于所述進(jìn)樣導(dǎo)管中部設(shè)置有所述導(dǎo)管電磁閥，所述導(dǎo)管電磁閥接收所述濾波板傳輸?shù)姆讲ㄐ盘?hào)。

優(yōu)選地，所述離子阱采用四極離子阱。

優(yōu)選地，所述四極離子阱由上端帽電極、下端帽電極和環(huán)電極構(gòu)成；所述進(jìn)樣導(dǎo)管的正下方為所述上端帽電極的中心圓孔，與所述上端帽電極水平對(duì)稱設(shè)置有所述下端帽電極；在所述上端帽電極和所述下端帽電極之間設(shè)置有所述環(huán)電極，所述環(huán)電極接收所述高速高壓放大模塊傳輸至的模擬控制信號(hào)。

優(yōu)選地，所述上端帽電極和所述下端帽電極均采用接地、直流或反向交流其中之一的連接方式。

優(yōu)選地，所述D/A數(shù)模交換器內(nèi)設(shè)置有數(shù)據(jù)采集板，所述數(shù)據(jù)采集板采集由所述電荷檢測(cè)器傳輸?shù)臉悠沸畔ⅰ?/p>

本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、本發(fā)明采用數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)了對(duì)離子源、離子阱和檢測(cè)器的整體測(cè)控，操作簡(jiǎn)便、控制精確。2、本發(fā)明采用將數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集都集中在D/A變換器上進(jìn)行，因此整套裝置體積小巧，結(jié)構(gòu)緊湊，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)譜儀與測(cè)控系統(tǒng)的一體化、便攜化。3、本發(fā)明采用的數(shù)字測(cè)控系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)自己的實(shí)驗(yàn)需要方便地調(diào)節(jié)各種參數(shù)。4、本發(fā)明采用了氣動(dòng)解吸電離離子源技術(shù)，無須額外的激光、電場(chǎng)等激發(fā)源，電離溫和、輻射低、能耗少，可以快速的實(shí)現(xiàn)對(duì)各種顆粒的無損檢測(cè)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明中信號(hào)隨時(shí)間變化的示意圖；

圖3是實(shí)施例中聚苯乙烯球的質(zhì)譜圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。

如圖1所示，本發(fā)明提供一種便攜式離子阱調(diào)頻質(zhì)譜儀的數(shù)字測(cè)控系統(tǒng)，其包括上位機(jī)1、D/A數(shù)模交換器2、濾波板3、離子源、高速高壓放大模塊4、離子阱和電荷檢測(cè)器5。上位機(jī)1輸出的數(shù)字控制信號(hào)經(jīng)D/A數(shù)模交換器2轉(zhuǎn)換為模擬控制信號(hào)后，傳輸至濾波板3進(jìn)行濾波處理后分別傳輸至離子源和高速高壓放大模塊4，進(jìn)而控制離子源的進(jìn)樣工作狀態(tài)；高速高壓放大模塊4將接收到模擬控制信號(hào)放大處理后傳輸至離子阱，由處理后的模擬控制信號(hào)控制離子阱工作狀態(tài)。離子源設(shè)置在離子阱正上方，離子阱的正下方設(shè)置有電荷檢測(cè)器5，電荷檢測(cè)器5將檢測(cè)到的樣品信息傳輸至D/A數(shù)模交換器2處理后，傳輸至上位機(jī)1，得到樣品離子的質(zhì)荷比與帶電荷量。

上述實(shí)施例中，離子源采用氣動(dòng)解吸電離離子源，其由硅板6、進(jìn)樣導(dǎo)管7和導(dǎo)管電磁閥8構(gòu)成。硅板6中間位置處與進(jìn)樣導(dǎo)管7上端垂直連接，且進(jìn)樣導(dǎo)管7上端穿過硅板6上表面，進(jìn)樣導(dǎo)管7下方設(shè)置有離子阱。位于進(jìn)樣導(dǎo)管7中部設(shè)置有導(dǎo)管電磁閥8，導(dǎo)管電磁閥8用于接收由濾波板3傳輸至的方波信號(hào)(即模擬控制信號(hào))，進(jìn)而控制導(dǎo)管電磁閥8的開閉狀態(tài)的。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，上位機(jī)1可以預(yù)先設(shè)置方波信號(hào)的產(chǎn)生時(shí)刻、持續(xù)時(shí)間，導(dǎo)管電磁閥8開啟時(shí)間在第0s～30s之間,其持續(xù)開啟時(shí)間范圍為1～1000ms。

上述各實(shí)施例中，離子阱采用四極離子阱，其由上端帽電極9、下端帽電極10和環(huán)電極11構(gòu)成。進(jìn)樣導(dǎo)管7的正下方為上端帽電極9的中心圓孔，與上端帽電極9水平對(duì)稱設(shè)置有下端帽電極10；在上端帽電極9和下端帽電極10之間設(shè)置有環(huán)電極11，環(huán)電極11接收高速高壓放大模塊4傳輸至的模擬控制信號(hào)，上端帽電極9和下端帽電極10均采用接地、直流或反向交流其中之一的連接方式。其中，模擬控制信號(hào)的正弦射頻電壓頻率范圍為50～5000Hz。

上述各實(shí)施例中，D/A數(shù)模交換器2內(nèi)設(shè)置有數(shù)據(jù)采集板，數(shù)據(jù)采集板采集由電荷檢測(cè)器5傳輸至的樣品信息。對(duì)離子源和離子阱傳輸數(shù)模信控制號(hào)的轉(zhuǎn)換以及樣品信息采集，可以在一個(gè)D/A數(shù)模變換器2上完成，也可以在多個(gè)D/A數(shù)模變換器2上完成。

上述實(shí)施例中，上位機(jī)1可以預(yù)先設(shè)置離子阱中正弦射頻電壓的振幅、頻率大小、頻率增減速度以及持續(xù)時(shí)間。

上述各實(shí)施例中，上位機(jī)1接收的質(zhì)譜圖可以在上位機(jī)1上直接讀取，也可以保存為ASCII碼文件用origin讀取。

上述各實(shí)施例中，D/A數(shù)模變換器、濾波板3、高速高壓放大模塊4、離子源、離子阱和電荷檢測(cè)器5可以組裝成一體化的便攜裝置。

上述各實(shí)施例中，如圖2所示，在上位機(jī)1上進(jìn)行預(yù)先設(shè)置，1～5s時(shí)，離子阱環(huán)電極11的正弦交流電壓的頻率為450Hz；使導(dǎo)管電磁閥8在第3s時(shí)，開啟3ms后關(guān)閉，樣品受離子阱負(fù)壓的吸引進(jìn)入離子阱并被電離和囚禁。在第6～9s時(shí)，離子阱環(huán)電極11的正弦交流電壓的頻率從450Hz線性降到150Hz，離子阱中的樣品離子按質(zhì)荷比從小到大的順序被拋出離子阱并被電荷檢測(cè)器5所檢出。

實(shí)施例，對(duì)從美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)協(xié)會(huì)(NIST)購(gòu)買的標(biāo)準(zhǔn)顆粒3μm聚苯乙烯球的質(zhì)量進(jìn)行了快速的測(cè)定。

將聚苯乙烯球用去離子水進(jìn)行清洗，將所制得的懸浮液滴加在預(yù)先切割好的硅片上，等懸浮溶液蒸干后將硅片固定于樣品靶上。開啟現(xiàn)有技術(shù)中的離子阱真空泵和數(shù)字測(cè)控系統(tǒng)，并利用氦氣對(duì)真空體系的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)設(shè)置相關(guān)儀器的參數(shù)。

對(duì)便攜式離子阱調(diào)頻質(zhì)譜儀的數(shù)字測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，離子阱中的氣壓為2.6Pa，離子阱中環(huán)電極上的射頻電壓為1000V，上端帽電極和下端帽電極均接地，頻率掃描范圍為450Hz～150Hz，線性掃描時(shí)間為5s。

開始實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)管電磁閥開啟后，樣品進(jìn)入離子阱中被囚禁，進(jìn)而通過頻率掃描方式將離子不穩(wěn)定拋出離子阱外，利用電荷檢測(cè)器對(duì)離子進(jìn)行檢測(cè)，獲得樣品顆粒的質(zhì)譜圖，如圖3所示。圖中的峰值表示在某一時(shí)刻檢測(cè)到了特定質(zhì)量的聚苯乙烯球顆粒，其中，出峰時(shí)間反映顆粒的質(zhì)荷比，峰高反映顆粒所帶電荷量，通過這張圖的可以很方便地利用origin轉(zhuǎn)化為顆粒的質(zhì)量分布圖，一般取200顆聚苯乙烯球的質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后可以得到聚苯乙烯球的質(zhì)量分布柱狀圖。

上述各實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，各部件的結(jié)構(gòu)、尺寸、設(shè)置位置及形狀都是可以有所變化的，在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，凡根據(jù)本發(fā)明原理對(duì)個(gè)別部件進(jìn)行的改進(jìn)和等同變換，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。