高性能四极质谱仪数据采集系统设计与实现

　　四极杆和四极离子阱质谱仪器的弱电流放大采集系统是仪器的关键设备,影响到系统的灵敏度和分辨率。尽管电子倍增器能放大质量分析器输出的离子流,但放大后的电流仍低于采集芯片的检测限。采用弱电流放大采集系统进一步放大、滤波并采集该信号,经过LVDS高速传输到控制板。一种典型设计是Patterson等^[1]和Dwivedi等^[2]采用商业电流放大仪和数据采集卡的组合系统,功能强大,但体积大、模拟信号线路长、容易受到干扰。另一种典型设计是商业仪器Polaris Q的采集系统,把弱电流放大电路和采集电路设计在一起,用RS485总线与控制板通信;采用内部集成了数字滤波器的sigma delta型ADC,前级不需要抗混叠滤波器,但功耗较高,体积较大,带宽不能改变。

　　作者设计了前置复合跨阻抗放大器、四阶模拟低通滤波器和SAR型ADC来实现高性能、低功耗的弱电流放大采集系统,FPGA逻辑实现了数据采集的实时同步控制和高速大容量数据自动缓冲等功能。可通过分析不同的增益和带宽对信噪比、半峰宽和信号强度等参数的影响,选择到合适的增益和带宽。

　　1　四极质谱信号的主要特点

　　理论上四极杆质谱产生的质谱峰形状为矩形,但由于稳定边界的离子振动明显造成峰形的不对称,四极杆长度有限和非理想型场形会造成峰形两侧出现拖尾和峰形失真^[3]。由于射频电源未完全屏蔽和信号单端输出,在多种噪声源中幅度最强为射频噪声^[4]。在扫描幅度分析方式中,射频电源的频率是固定的,主要分布在700—1200 kHz范围内。射频噪声通过电场耦合进入质谱信号,经欠采样后混叠为低频率信号,并且幅度随着质荷比的增加而增加。由于不是随机噪声,多次迭加不能被消除。由于射频噪声频率较高,与质谱峰的频率分布不同,用低通滤波器可滤除射频噪声,防止其混叠。

　　在ESI-RIT(电喷雾源-矩形离子阱)质谱上检测咖啡因样品,采样频率为275 kHz,射频电源频率为1.17 MHz,计算出混叠的射频噪声频率为68.9 kHz。没有滤除噪声的咖啡因质谱信号,射频噪声幅值很大,并随着质荷比的增加而增加,如图1所示。对质谱图进行傅立叶变换得到频谱图,混叠进采样系统的射频噪声频率为66.3kHz,与理论计算值相符,如图2所示。

　　2　四极质谱采集系统的硬件设计

　　四极质谱采集系统由采集板和控制板组成,硬件结构如图3所示。采集板就近安装在倍增器的输出端上以减小噪声。倍增器输出的微弱电子流经前置复合跨阻抗放大器^[5]放大后,成为满足逐次逼近型(SAR)模数转换器(ADC)输入范围的电压信号。四阶有源低通滤波器用来滤除射频噪声等干扰。通过光耦隔离和LVDS传输,现场可编程门阵列(FPGA)控制ADC进行同步采集,并存储采集数据到RAM存储器。基于分时复用技术,FPGA控制RAM实现了可以同时读写的大容量FIFO缓冲。32位单片机系统通过以太网把采集到的数据上传到计算机。