行波離子遷移譜的行波脈沖電源設(shè)計(jì)及應(yīng)用

李 宏，鄧輔龍，郭 星，呂炎曈，岳寒露， 王如新，楊燕婷，趙忠俊，段憶翔

(1.四川大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610044；2.西北大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，陜西 西安 710127； 3.四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610044；4.成都艾立本科技有限公司，四川 成都 611930； 5.四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610044)

離子遷移譜(ion mobility spectrometry, IMS)是利用電場推動(dòng)分析物通過充滿緩沖氣體的漂移管，基于離子尺寸和形狀實(shí)現(xiàn)氣相離子分離[1]的方法，已被證明在化學(xué)戰(zhàn)劑[2]、爆炸物[3]和污染物[4]等方面具有應(yīng)用價(jià)值。近年來，離子遷移譜與質(zhì)譜(mass spectrometry, MS)的兼容連通性以及離子遷移譜-質(zhì)譜(IMS-MS)平臺(tái)的商業(yè)化受到臨床和食品分析等領(lǐng)域研究人員的關(guān)注，在蛋白質(zhì)[5]、糖類[6]、代謝組學(xué)[7]、脂質(zhì)[8]檢測分析中得到了應(yīng)用。現(xiàn)有的離子遷移譜包括傳統(tǒng)的漂移管離子遷移譜(drift tube ion mobility, DTIMS)[9]、場不對稱離子遷移譜(field-asymmetric ion mobility, FAIMS)[10]、微分離子遷移譜(differential mobility spectrometry, DMS)[11]、捕集遷移譜(trapped ion mobility spectrometry, TIMS)[12]和行波離子遷移譜(traveling wave ion mobility spectrometry, TWIMS)[13]。

提高離子遷移譜的分辨率具有重要意義。傳統(tǒng)的DTIMS性能受所施加電場最大場強(qiáng)和線性漂移管長度的制約，通過提高漂移管電壓來提高電場強(qiáng)度存在電壓擊穿的現(xiàn)象，同時(shí)線性漂移管長度過長也不切實(shí)際。基于無損離子操作結(jié)構(gòu)的行波離子遷移譜(structures for lossless ion manipulations-based TWIMS, SLIM TWIMS)作為現(xiàn)有離子遷移譜中的一種，將 TWIMS技術(shù)[13]使用低幅值電壓提供電場的優(yōu)點(diǎn)與無損離子操作結(jié)構(gòu)[14-15]易在緊湊空間實(shí)現(xiàn)超長路徑的優(yōu)勢相結(jié)合，通過增大離子漂移路徑提高儀器分辨率。行波無損離子操作結(jié)構(gòu)(TW-SLIM)作為SLIM TWIMS的核心部件，使用低幅值的行波電壓產(chǎn)生振蕩電場以驅(qū)動(dòng)和分離不同種類的離子。與使用恒定電場的DTIMS不同，SLIM TWIMS所施加的行波電壓幅值在整個(gè)離子路徑上固定，在實(shí)現(xiàn)超長路徑離子分離裝置時(shí)，避免了電壓擊穿現(xiàn)象和安全隱患，已成功應(yīng)用于脂質(zhì)異構(gòu)體[16]、多肽異構(gòu)體[17]和多糖異構(gòu)體[18]的分離。

行波脈沖電源作為SLIM TWIMS的關(guān)鍵部件，用于提供無損離子操作結(jié)構(gòu)所需的振蕩電場。本工作將針對SLIM TWIMS的工作特性、行波電壓的特點(diǎn)，采用可編程邏輯門陣列(FPGA)作為脈沖信號(hào)源，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET)組成的半橋拓?fù)潆娐纷鳛殚_關(guān)，設(shè)計(jì)一種行波脈沖電源。將通過FPGA輸出具有一定時(shí)序的脈沖信號(hào)控制半橋開關(guān)通斷，實(shí)現(xiàn)直流瞬態(tài)電壓的產(chǎn)生，為SLIM提供電場；并將行波脈沖電源板用于實(shí)驗(yàn)室研制的行波離子遷移譜中，研究行波脈沖電源頻率和幅值對離子傳輸和離子分離的影響，以實(shí)現(xiàn)該行波脈沖電源可在不同行波電極序列配置下輸出不同行波模式的行波電壓信號(hào)，為TW-SLIM裝置工作提供所需要的行波電壓。

1 電路部分

1.1 基本原理

1.1.1離子分離原理 Giles等[13]提出了行波離子遷移率的概念，并發(fā)展了基于環(huán)形堆疊電極的行波離子遷移率分離裝置；Smith等[14]提出了無損離子操作結(jié)構(gòu)，并發(fā)展了基于行波的無損離子操作結(jié)構(gòu)裝置。在行波離子漂移管裝置中，一組行波電極序列由幾個(gè)行波電極組成，在重復(fù)行波電極序列上施加行波電壓，利用行波產(chǎn)生隨時(shí)間和空間變化的電場，驅(qū)動(dòng)離子通過中性緩沖氣體并產(chǎn)生遷移率分離。行波沿離子預(yù)期的運(yùn)動(dòng)方向產(chǎn)生波峰和波谷。離子的運(yùn)動(dòng)情況取決于離子運(yùn)動(dòng)速度與行波波速的比值c[14,19]:

(1)

式中，K為離子遷移率系數(shù)，Emax為最大場強(qiáng)，s為行波波速。根據(jù)c值的不同，離子的運(yùn)動(dòng)情況可分為3種：對于c?1，行波對離子的運(yùn)動(dòng)影響很小，離子只產(chǎn)生輕微的軸向位移，離子會(huì)被有效地捕獲在裝置內(nèi)；對于c≈1，離子運(yùn)動(dòng)速度與波速接近，與波同行；對于c>1，離子被推向前一個(gè)波的波峰。不同的離子被向前驅(qū)動(dòng)時(shí)，遷移率較高的離子能夠跟上行波，大部分時(shí)間會(huì)隨波移動(dòng)；遷移率較低的離子則被行波超越，產(chǎn)生翻滾，被超越的次數(shù)越多，離子在漂移管中的運(yùn)動(dòng)速度越慢，停留時(shí)間越長。遷移率較高的離子大部分時(shí)間的運(yùn)動(dòng)速度與行波速度相同，未發(fā)生分離，只有被行波超越的離子參與遷移率的分離。TWIMS中的離子遷移率譜圖與DTIMS產(chǎn)生的相似，高遷移率離子的漂移時(shí)間比低遷移率離子的短，TWIMS與DTIMS漂移時(shí)間的差異在于TWIMS中漂移時(shí)間與離子遷移率成二次關(guān)系[19]。

1.1.2行波無損操作結(jié)構(gòu)裝置 TW-SLIM裝置由1對包含射頻電極、直流保護(hù)電極、行波電極的平行對齊的印刷電路板組成，3種電極在平行平板上的分布示于圖1。

圖1 無損離子操作結(jié)構(gòu)裝置電極分布示意圖Fig.1 Schematic of TW-SLIM device showing the electrodes arrangement

SLIM裝置有6個(gè)射頻電極，相鄰的射頻電極上施加相位差180°的射頻電壓以產(chǎn)生贗勢場，將離子限制在2個(gè)印刷電路板表面之間。2個(gè)直流保護(hù)電極施加直流電壓，以限制離子在橫向(即2個(gè)表面之間的側(cè)面)上的擴(kuò)散。射頻電壓和直流保護(hù)電極電壓實(shí)現(xiàn)了2個(gè)維度上的離子限制，防止離子擴(kuò)散，提高了離子傳輸效率。在TW-SLIM裝置中，沿離子運(yùn)動(dòng)方向的8個(gè)行波電極構(gòu)成1個(gè)行波序列配置，該行波電極序列配置在整個(gè)離子路徑上重復(fù)，通過在8個(gè)行波電極序列的每個(gè)電極上單獨(dú)施加高電平或低電平來產(chǎn)生行波。行波模式可以在10 000 000和11 111 110之間變化，其中1代表向特定電極施加高電平、0代表施加低電平。以行波模式11 110 000為例，電極1～4施加高電平，5～8施加低電平。在實(shí)際過程中，施加的電壓在離子運(yùn)動(dòng)方向上以恒定速度1次步進(jìn)1個(gè)電極，在下一時(shí)刻，電極2～5施加高電平，6～8和1施加低電平，以此來產(chǎn)生行波。

1.2 行波脈沖電源電路

為了實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對行波速度、行波電壓幅值和行波模式3個(gè)參數(shù)的直接控制和后期儀器整機(jī)控制系統(tǒng)的集成，行波脈沖電源系統(tǒng)包括基于可編程邏輯器件(FPGA)電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路(ADC)與數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路(DAC)、運(yùn)算放大電路、MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電路、金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET)電路組成的半橋電路、TW-SLIM裝置。

1.3 主控電路

主控電路包含F(xiàn)PGA內(nèi)部數(shù)字電路、FPGA主控芯片及其外圍電路，F(xiàn)PGA選用EP4CE。主控電路通過串口電路與上位機(jī)通信，接收來自上位機(jī)的控制命令，根據(jù)控制命令控制高壓模塊的輸出電壓值和控制脈沖信號(hào)發(fā)生電路輸出脈沖信號(hào)，并將高壓模塊輸出電壓檢測值返回給上位機(jī)。FPGA內(nèi)部邏輯電路采用模塊化設(shè)計(jì)，基于Verilog HDL語言和Quartus Ⅱ平臺(tái)開發(fā)，根據(jù)實(shí)際的功能需求，F(xiàn)PGA內(nèi)部數(shù)字邏輯模塊包括實(shí)現(xiàn)倍頻功能和為其他模塊提供時(shí)鐘信號(hào)的鎖相環(huán)模塊、與PC通信的串口數(shù)據(jù)傳輸模塊、緩存控制命令的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、多路脈沖信號(hào)發(fā)生模塊、控制DAC與ADC的SPI模塊。

1.4 脈沖信號(hào)發(fā)生電路

本設(shè)計(jì)通過控制MOSFET半橋開關(guān)以產(chǎn)生直流瞬態(tài)電壓，從而為SLIM提供振蕩電場。每個(gè)行波電極需要一路獨(dú)立的直流瞬態(tài)電壓為其供電，各個(gè)電極之間電平狀態(tài)變化需要保持同步，有時(shí)序上的要求。采用脈沖電壓信號(hào)給行波電極提供直流瞬態(tài)電壓，每個(gè)行波電極接入一路脈沖信號(hào)，通過控制脈沖信號(hào)的周期、占空比來實(shí)現(xiàn)行波速度和行波模式的控制，通過控制各通道間的相位和輸出通道數(shù)來適應(yīng)不同行波電極數(shù)目的SLIM裝置。在本設(shè)計(jì)中，采用FPGA芯片內(nèi)部脈沖信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生脈沖信號(hào)控制MOSFET通斷。脈沖信號(hào)發(fā)生模塊可輸出10通道脈沖信號(hào)，每個(gè)脈沖通道輸出2路互補(bǔ)脈沖信號(hào)。

1.5 半橋電路部分

半橋電路由半橋驅(qū)動(dòng)電路和2個(gè)MOSFET組成的半橋拓?fù)潆娐方M成，半橋驅(qū)動(dòng)電路用于匹配FPGA輸出電壓與MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電壓。設(shè)計(jì)所選用的MOSFET為IRFR220N，柵極驅(qū)動(dòng)電壓范圍為10～20 V。FPGA引腳輸出電壓為3.3 V，不足以驅(qū)動(dòng)MOSFET。半橋電路驅(qū)動(dòng)芯片選用英飛凌公司生產(chǎn)的2ED2181，頻率范圍在10～100 kHz之間，芯片信號(hào)輸入端與FPGA輸出的3.3 V電平信號(hào)兼容，輸出端電壓范圍在10～20 V之間，能夠很好地驅(qū)動(dòng)MOSFET導(dǎo)通。半橋電路示于圖2a，F(xiàn)PGA輸出的脈沖信號(hào)經(jīng)半橋驅(qū)動(dòng)器放大后控制半橋電路中MOSFET的導(dǎo)通與關(guān)斷，從而為行波SLIM提供所需的高低電平。

圖2 半橋電路(a)，低側(cè)橋臂驅(qū)動(dòng)電路模型(b)和高壓電源控制電路(c)Fig.2 Half-bridge circuit (a), low side gate drive circuit model (b), high voltage power supply control circuit (c)

2ED2181通過自舉電路[20]產(chǎn)生懸浮電壓，實(shí)現(xiàn)高側(cè)驅(qū)動(dòng)電路供電，內(nèi)部集成2組互補(bǔ)推挽電路以驅(qū)動(dòng)半橋MOSFET。自舉電容Cb為柵極驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部高側(cè)開關(guān)提供懸浮電壓和驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O所需的電荷，設(shè)計(jì)中自舉電容取值為0.1 μF，25 V。

2ED2181柵極驅(qū)動(dòng)引腳信號(hào)通過對MOSFET輸入電容充電，實(shí)現(xiàn)MOSFET的導(dǎo)通；柵極驅(qū)動(dòng)引腳為低時(shí)，電容放電實(shí)現(xiàn)MOSFET關(guān)斷。MOSFET驅(qū)動(dòng)電路模型示于圖2b，其中，Lgs代表PCB走線電感，Rg為柵極驅(qū)動(dòng)電阻。柵極驅(qū)動(dòng)回路為LCR電路，寄生電容為MOSFET柵極輸入電容Ciss，由Cgd與Cgs組成。在典型的二階LCR系統(tǒng)中，系統(tǒng)處于過阻尼時(shí)，振蕩得到抑制，此時(shí)Rg應(yīng)該滿足：

(2)

本設(shè)計(jì)中，PCB走線路徑電感Lgs通過Q3D提取，為13.41 nH；Ciss為300 pF；計(jì)算得到Rg取值應(yīng)大于13.38 Ω?？紤]到Rg值會(huì)影響開關(guān)過程中電壓的上升和下降時(shí)間，取值過大，MOSFET開通和關(guān)斷速度過慢會(huì)使開關(guān)損耗增加，因此，驅(qū)動(dòng)電阻Rg取值為15 Ω。

1.6 高壓電源部分

行波電壓幅值會(huì)影響離子通過SLIM裝置的速度，從而影響不同離子的分離情況。采用200 V可調(diào)直流高壓電源模塊接入MOSFET半橋電路，作為MOSFET半橋電路的直流母線電源，通過調(diào)節(jié)可調(diào)直流高壓電源模塊輸出電壓實(shí)現(xiàn)行波電壓幅值的調(diào)節(jié)。

直流電源模塊的控制電壓和檢測電壓范圍均為0～5 V，所需控制精度和檢測精度均為1 V。設(shè)計(jì)采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)產(chǎn)生模擬電壓控制直流電源模塊的輸出，高壓模塊輸出電壓通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行檢測。DAC與ADC和高壓模塊之間采用運(yùn)算放大器AD8539作為緩沖，AD8539具有較寬的線性范圍，同時(shí)支持單電壓供電。高壓電源控制電路示于圖2c。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 主要實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置主要包括電噴霧電離源、毛細(xì)管、離子漏斗、離子門、行波離子遷移譜漂移管和法拉第杯。樣品通過注射泵(Fusion 100T，F(xiàn)isher Scientific)注入離子源。電噴霧電離源由實(shí)驗(yàn)室自制，樣品經(jīng)離子源電離后，通過加熱不銹鋼毛細(xì)管將離子引入真空區(qū)，真空區(qū)示于圖3，使用機(jī)械泵(TRP-36，西安雙塔真空設(shè)備有限公司產(chǎn)品)抽氣。離子離開加熱毛細(xì)管后，在離子漏斗(實(shí)驗(yàn)室自制)處聚焦，并將離子傳輸至離子門處，經(jīng)離子門釋放后進(jìn)入漂移管區(qū)。

離子漂移管采用印刷電路板制成，離子路徑采用U型設(shè)計(jì)，長度為3.383 m。離子在離子漂移管處實(shí)現(xiàn)離子分離與傳輸。漂移管射頻信號(hào)由射頻電源(RFP01，成都艾立本公司產(chǎn)品)提供。離子流信號(hào)通過法拉第杯接收，微弱電流信號(hào)經(jīng)放大后，使用泰克示波器(Tektronix-MDO3024)采集波形數(shù)據(jù)。

2.2 試劑

六(2,2-二氟乙氧基)磷腈(分子質(zhì)量621.19)、六(1H,1H,3H-全氟丙氧基)磷氮烯(分子質(zhì)量921.23)：陜西秦境標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)科技中心產(chǎn)品；乙腈、甲醇：色譜純，麥克林公司產(chǎn)品；甲酸：色譜純，德國CNW公司產(chǎn)品。制備濃度為10 mg/L六(2,2-二氟乙氧基)磷腈溶液，六(2,2-二氟乙氧基)磷腈溶液與六(1H,1H,3H-全氟丙氧基)磷氮烯按1∶1制備濃度為10 mg/L的混合溶液。

2.3 實(shí)驗(yàn)條件

ESI電離源，正離子模式；電壓值4 100 V；毛細(xì)管電壓36 V；進(jìn)樣流速2 μL/min；離子漏斗射頻電壓峰峰值133 V，頻率923 kHz；離子門脈沖寬度5 Hz，離子門打開時(shí)間10 ms；Guard電極電壓35 V，漂移管射頻電壓峰峰值290 V，頻率1 057 kHz；工作氣壓100 Pa。

3 結(jié)果與討論

3.1 電源測試

行波脈沖電源脈沖通道輸出電壓信號(hào)通過泰克示波器和具有10倍衰減的探頭(TPP0500B)測量，其結(jié)果示于圖4，脈沖上升時(shí)間和下降時(shí)間小于20 ns，峰-峰值達(dá)200 V。

3.2 行波幅值和頻率對離子傳輸?shù)挠绊?/h3>

使用10 mg/L六(2,2-二氟乙氧基)磷腈溶液研究行波幅值對離子傳輸影響時(shí)，固定行波脈沖電源頻率為10 kHz，行波幅值在15～65 V之內(nèi)，5 V為步進(jìn)，以離子門打開時(shí)刻作為0點(diǎn)。離子信號(hào)強(qiáng)度隨行波幅值增大而增大，15 V時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度為414 mV，35 V時(shí)達(dá)到最大，為1 046 mV；隨著行波幅值的增大，信號(hào)強(qiáng)度逐漸減小，65 V時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度為355 mV，示于圖5a。在較低的行波幅值下，有效電勢較小，行波電場對離子的捕獲能力較弱，傳輸效率較低；隨著行波幅值增大，電場增大，離子獲得了較大的能量，產(chǎn)生碰撞散射或碰撞裂解，導(dǎo)致離子信號(hào)強(qiáng)度逐漸減小，示于圖5b。隨著行波電壓增大，離子漂移時(shí)間減小，當(dāng)行波電壓大于或等于25 V時(shí)，離子漂移時(shí)間不再變化，即離子速度與行波速度相同，離子不發(fā)生翻滾現(xiàn)象，示于圖5c。低行波幅值下，離子有較長的漂移時(shí)間，而且會(huì)發(fā)生離子擴(kuò)散效應(yīng)，導(dǎo)致較大的峰展寬。

注：a.相鄰兩通道輸出結(jié)果；b.上升沿和下降沿圖4 脈沖波形 Fig.4 Pulse waveforms

注：a.不同行波幅值下的信號(hào)強(qiáng)度圖；b.不同行波幅值下的漂移時(shí)間圖；c.不同行波幅值下的半峰寬圖； d.不同頻率下的信號(hào)強(qiáng)度圖；e.不同頻率下的漂移時(shí)間圖；f.不同頻率下的半峰寬圖圖5 行波對離子傳輸?shù)挠绊?Fig.5 Influence of traveling wave on ions transmission

研究行波頻率對離子傳輸影響時(shí)，行波幅值為35 V，頻率范圍為10～60 kHz，以5 kHz為步進(jìn)。離子信號(hào)強(qiáng)度隨行波頻率的增大而逐漸減小，60 kHz時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度為253 mV，示于圖5d。當(dāng)行波頻率小于或等于20 kHz時(shí)，離子運(yùn)動(dòng)速度與行波速度相同；當(dāng)行波頻率大于20 kHz時(shí)，離子漂移時(shí)間隨行波頻率增大而增大，離子翻滾事件隨行波頻率增大而增多，行波頻率增大使離子產(chǎn)生更長的漂移時(shí)間，同時(shí)產(chǎn)生離子擴(kuò)散效應(yīng)，導(dǎo)致更大的峰展寬，示于圖5e，5f。

3.3 行波幅值和頻率對離子分離的影響

本研究采用10 mg/L六(2,2-二氟乙氧基)磷腈和六(1H,1H,3H-全氟丙氧基)磷氮烯的混合溶液進(jìn)行分析。研究行波幅值對離子分離的影響時(shí)，固定行波頻率為25 kHz；研究行波頻率對離子分離的影響時(shí)，固定行波幅值為35 V。隨著行波幅值的增大，儀器對離子的分離能力減小，行波幅值為55 V時(shí)，離子不再發(fā)生分離，即2種離子的運(yùn)動(dòng)速度與行波速度相同，不發(fā)生分離，同時(shí)離開SLIM裝置，示于圖6a。不同行波頻率對離子分離的影響情況示于圖6b，在頻率較低時(shí)，2種離子的運(yùn)動(dòng)速度與行波速度相同，不發(fā)生分離，同時(shí)離開SLIM裝置，隨著行波頻率的增大，儀器對離子的分離能力增強(qiáng)。在行波頻率25 kHz、幅值20 V時(shí)，混合溶液的漂移時(shí)間譜圖示于圖6c，半峰寬分別是13和15.7 ms。

注：a.行波幅值；b.行波頻率；c.混合樣品離子遷移率譜圖圖6 行波對離子分離能力的影響Fig.6 Influence of traveling wave on ions separation power

4 結(jié)論

根據(jù)行波無損離子操作結(jié)構(gòu)的工作特性，本文設(shè)計(jì)了一種用于行波離子遷移譜的行波脈沖電源。電源主要包括主控部分、脈沖信號(hào)發(fā)生部分、半橋電路開關(guān)部分和行波無損離子操作結(jié)構(gòu)等，通過改變行波幅值和頻率實(shí)現(xiàn)不同離子的傳輸與分離。實(shí)際測試表明，電源輸出脈沖上升時(shí)間和下降時(shí)間小于20 ns，輸出脈沖波形平滑。最后，將行波電源用于儀器平臺(tái)，研究行波幅值和行波頻率對離子傳輸和離子分離的影響。結(jié)果表明，在35 V時(shí)，離子傳輸效率最高。行波頻率和行波幅值對離子分離的影響符合行波離子遷移譜的離子分離原理，提高行波頻率可以獲得較好的分離能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為行波離子遷移譜中的離子傳輸與分離機(jī)制提供了基本理解。該行波脈沖電源為行波離子遷移譜儀的設(shè)計(jì)研發(fā)奠定了電源基礎(chǔ)，對后續(xù)儀器研發(fā)具有重要意義。