多參量、大范圍、精確控制的FAIMS測控系統(tǒng)研究

袁 凡,劉友江,劉少敏,曹 旭,陳池來

(1.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院,安徽合肥 230031;2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),安徽合肥 230026)

0 引言

高場非對稱波形離子遷移率譜(high field asymmetric waveform Ion mobility spectrometry,FAIMS)是一種基于離子遷移率高電場下非線性變化的特性,采用非對稱高頻高幅電場實現(xiàn)不同離子在電場垂直方向差分分離和識別的物質(zhì)成分檢測技術(shù)[1-3]。FAIMS除了常規(guī)離子遷移譜(Ion mobility spectrometry,IMS)具有的檢測速度快、靈敏度高等優(yōu)勢外,還具有易于MEMS小型化、譜圖信息豐富等獨特優(yōu)勢,是近年來現(xiàn)場檢測技術(shù)的研究熱點,在公共安全、環(huán)境檢測、食品安全、生物醫(yī)藥等相關(guān)領(lǐng)域展現(xiàn)了廣闊應(yīng)用前景[4-10]。

高電場下離子遷移率非線性特征和差分分離方式使得FAIMS譜圖包含豐富的特征信息,但同時也極易受到眾多因素影響,因此需要大范圍多參量的精準(zhǔn)控制,才可以充分利用多維特征信息來實現(xiàn)FAIMS對物質(zhì)高性能的識別和尋找FAIMS新機制新規(guī)律。以FAIMS流速控制為例,Wang Han等[11]通過實驗設(shè)定寬范圍多組載氣流速,發(fā)現(xiàn)了載氣流速對FAIMS信號響應(yīng)的飽和特性,提出寬范圍適用的FAIMS定量檢測模型。濕度控制方面,李山等[12]通過實驗設(shè)定寬范圍多組待測氣體濕度,發(fā)現(xiàn)了硫化氫等物質(zhì)存在譜圖穩(wěn)定區(qū),為目標(biāo)物質(zhì)穩(wěn)定譜圖獲取提供了重要參考。張永謙等[13]通過實驗設(shè)定了寬范圍多組分離電壓幅值,研究其對檢測對二甲苯的影響,發(fā)現(xiàn)存在分離電壓幅值的最佳區(qū)間。Liu Shaomin等[14]利用級聯(lián)FAIMS嵌套遍歷了雙路補償電壓,提高了FAIMS重疊峰識別和小峰發(fā)現(xiàn)能力。這些FAIMS規(guī)律的發(fā)現(xiàn)以及實驗條件的優(yōu)化都依賴于流速、濕度、分離電壓幅值、補償電壓范圍等參量的大范圍精準(zhǔn)遍歷控制。

在FAIMS機理、模型及分離檢測應(yīng)用取得長足進展的同時,FAIMS測控系統(tǒng)同步取得了一系列的發(fā)展。王電令等[15]和高利鑫等[16]開發(fā)了基于LabVIEW的FAIMS測控系統(tǒng),并將其應(yīng)用于PC平臺或WinCE系統(tǒng)的ARM9嵌入式平臺,降低了FAIMS測控系統(tǒng)的系統(tǒng)功耗和集成復(fù)雜度。覃慧珊等[17]使用QT實現(xiàn)跨PC和嵌入式Linux平臺FAIMS測控系統(tǒng)。這些測控系統(tǒng)為FAIMS多參量控制提供了不同的解決方案,但并未提供FAIMS多參數(shù)控制的集中處理方式和多參量的自動化遍歷解決辦法。

針對FAIMS測控系統(tǒng)在多維全譜數(shù)據(jù)獲取和優(yōu)化實驗流程方面的需求,本文開發(fā)了多參量的大范圍精準(zhǔn)遍歷控制的FAIMS測控系統(tǒng)。對補償電壓、分離高壓、弱信號探測、溫濕度控制、流場和樣品濃度控制單元進行功能分解,并在此基礎(chǔ)上對上述參量進行合理封裝以實現(xiàn)各參量解除耦合控制。通過對各參量相關(guān)模塊協(xié)議和工作方式的統(tǒng)一管理,再利用面向?qū)ο笤O(shè)計的特點,對FAIMS各參數(shù)從基礎(chǔ)到擴展層層封裝,最后在頂層實現(xiàn)FAIMS C++類,并利用QT特有的信號與槽功能實現(xiàn)譜圖數(shù)據(jù)的回傳。

1 實驗部分

1.1 測控系統(tǒng)功能設(shè)計

FAIMS傳感器整體的系統(tǒng)框如圖1所示,測控系統(tǒng)配合各模塊實現(xiàn)控制,主要包括氣路控制、電離控制、分離電壓控制、掃描電壓控制、熱控制、弱信號檢測、環(huán)境補償?shù)?其中補償電壓掃描范圍為-30～+30 V,響應(yīng)時間在5 μs左右,可配置任意波形掃描;弱信號探測器采樣率為6.8 Hz～3.4 kHz,且噪聲隨之改變;分離電壓的峰值為0～2 000 V、頻率為0～2 MHz,上升和下降時間在0.02 ms左右;樣品氣流量為0～1 L/min,載氣流量為0～5 L/min,二者配合實現(xiàn)濃度控制。

圖1 系統(tǒng)總框圖

FAIMS傳感器實驗平臺涉及到多參數(shù)控制,上述參量的多維數(shù)據(jù)獲取和實驗流程優(yōu)化的前提是所有外設(shè)所控制的實驗參量可程序控制,例如高壓電源、質(zhì)量流量計等。在不同的實驗中,某些參數(shù)會成為被研究對象而遍歷掃描,更有多個參數(shù)嵌套循環(huán)遍歷,對于開發(fā)人員來說,對各模塊功能做好封裝,相互之間不耦合,方便對系統(tǒng)整體的開發(fā)與后續(xù)的迭代。

1.2 測控系統(tǒng)框架設(shè)計

測控系統(tǒng)的上位機UI頁面如圖2所示,包括設(shè)備連接設(shè)置、譜圖顯示、參數(shù)監(jiān)控、參數(shù)設(shè)置和參數(shù)掃描功能。其中譜圖顯示中的歷史譜圖顯示主要針對實驗中的參數(shù)掃描功能,將不同參數(shù)下的譜圖使用不同顏色的曲線顯示在同一坐標(biāo)圖上,有利于實驗中改變某些參量后觀察譜圖峰位置、峰高、峰寬等變化;參數(shù)監(jiān)控是監(jiān)控直流高壓源的輸出電壓和2個流量計的流量,便于在實驗中觀測到外設(shè)的階躍響應(yīng)和異常情況。

圖2 上位機UI頁面

對上述參量的合理封裝是實現(xiàn)各參量解除耦合控制的關(guān)鍵。針對上述需求,采用面對對象設(shè)計方法將系統(tǒng)層層分裝,FAIMS傳感器測控系統(tǒng)的分裝遵循從基礎(chǔ)功能到擴展功能的原則,層層遞進。最基礎(chǔ)的功能為補償電壓的掃描范圍和掃描周期,與此同時,由于希望輸出補償電壓與采集回來的離子電流信號在時間上是同步的,所以弱信號采集相關(guān)的增益、采樣率和偏置電壓屬于次一級,第三層引入分離電壓相關(guān)控制,其中包括幅值、頻率和占空比;第四層加入對流量的控制,若使用氣瓶加質(zhì)量流量計,則會直接驅(qū)動質(zhì)量流量計對樣品氣和載氣流量的控制,若使用泵,則利用流量的反饋來控制泵的開度以實現(xiàn)精準(zhǔn)的流量控制;第五層引入氣體溫度與濕度控制等。當(dāng)然作為最后應(yīng)用層的調(diào)用也并非只能調(diào)用最高層的封裝,底層封裝也可以直接被調(diào)用。

2 討論

2.1 弱信號探測器

弱信號探測的性能直接影響到系統(tǒng)的檢測精度和檢測下限,而弱信號探測器設(shè)計的關(guān)鍵在于離子電流信號的有效探測和信號噪聲的屏蔽。本設(shè)計采用法拉第筒飛安計結(jié)構(gòu),實現(xiàn)超高跨導(dǎo)I-V增益,其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。該結(jié)構(gòu)的最大特點是采用超大反饋電阻RF,與T電阻網(wǎng)絡(luò)和多級運放級聯(lián)方式相比,具有增益大、噪聲小的優(yōu)點。通過調(diào)節(jié)并聯(lián)電容CF,可以實現(xiàn)對增益帶寬的最優(yōu)匹配。

圖3 反饋式安培計簡化模型示意圖

根據(jù)不同的應(yīng)用場景,有時可能需要更低的噪聲,而有時需要更快的采樣率。本文選用可變采樣率的后端模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)弱信號探測器的采樣率可調(diào),測試了弱信號探測器在不同采樣率下的本底信號,如圖4所示,可以看出隨著采樣率減小,實際的噪聲明顯下降,因此可針對不同的實驗平衡采樣率與噪聲。

圖4 弱信號探測器在不同采樣率下的本底信號測試

2.2 補償電壓掃描

補償電壓的掃描范圍決定了FAIMS檢測的篩選寬度,掃描周期決定了檢測時間。其電路原理圖如圖5所示,圖中靠上的芯片為SPI接口的DAC芯片,其輸出范圍為+10～-10 V,輸出后級連接正向放大器,通過配置電阻比值關(guān)系將其電壓線性放大,使得總輸出范圍為+30～-30 V。

圖5 FAIMS補償電壓輸出電路原理圖

傳統(tǒng)的FAIMS補償電壓掃描波形為鋸齒波,本文中補償電壓的設(shè)計支持任意掃描波形的輸出,這對補償電壓輸出響應(yīng)提出了要求,實驗測得補償電壓從-30 V到+30 V的階躍響應(yīng)相關(guān)參數(shù)如圖6所示,其中上升時間為4.5 μs,完全滿足FAIMS補償電壓任意波形的需求。

圖6 補償電壓階躍響應(yīng)

在上述的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)任意補償電壓掃描功波形輸出,對于標(biāo)準(zhǔn)波形傳遞參數(shù)即可,也可依次傳遞輸出電壓值實現(xiàn)自定義波形。圖7為3種常規(guī)波形和1種自定義波形的實際輸出。任意掃描波形的輸出將極大地滿足FAIMS補償電壓掃描方式的相關(guān)研究。

圖7 補償電壓多種波形實際輸出

在級聯(lián)FAIMS實驗中涉及到多個補償電壓的控制,這并不違背本文前面提到的從底層封裝,層層遞進的方法,系統(tǒng)可配置同一參數(shù)的多嵌套掃描。實驗中采取雙路補償電壓嵌套掃描,其中樣品氣為1,3-丁二烯,質(zhì)量濃度為24.1 mg/m3,流量為300 mL/min,載氣為空氣,流量為2.7 L/min,氣體溫度與環(huán)境溫度相當(dāng)(25 ℃)。實驗中固定雙FAIMS的分離電壓峰值均為850 V,讓前級FAIMS的補償電壓1從-2 V每間隔0.1 V增加8 V,后級FAIMS補償電壓2較連續(xù)地從-5 V掃描到15 V,最終得到如圖8所示的雙FAIMS指紋譜圖,隨著前級補償電壓1的增加,在后級補償電壓2的掃描譜圖中可以看出,1,3-丁二烯的離子峰出現(xiàn)了兩個位置的變化。

圖8 級聯(lián)FAIMS的1,3-丁二烯指紋圖

2.3 分離電壓控制

分離電壓是影響FAIMS系統(tǒng)分離性能的重要因素。分離電壓的實現(xiàn)依賴于不對稱高頻高壓電源的設(shè)計,本設(shè)計中采用多高頻MOS管并聯(lián)的方式實現(xiàn),其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示,通過優(yōu)選高頻MOS開關(guān)管有效提高電源模塊的工作頻率;采用多管同步并聯(lián)技術(shù)有效提高電源模塊的工作幅值;針對多管同步開關(guān)上升沿和下降沿的精確控制,實現(xiàn)MOS管開關(guān)高速同步。

圖9 分離電壓電源結(jié)構(gòu)框圖

上述方案輸出的高壓頻率和占空比可直接由測控系統(tǒng)輸出的TTL電平方波的頻率和占空比決定,而幅值由可調(diào)的高壓直流電源決定,因而實現(xiàn)了分離電壓的所有參數(shù)可控制。圖10為不對稱高頻高壓電源實際輸出波形和單個周期波形的一些參數(shù),其中上升775.73 V用時0.021 ms,下降774.10 V用時0.025 ms,較快的響應(yīng)為后續(xù)更高頻率的分離電壓需求提供了基礎(chǔ)。

圖10 分離電壓實際波形與參數(shù)

分離電壓峰值的遍歷是FAIMS一個較為基礎(chǔ)的參數(shù)遍歷,可以獲取到檢測物的全譜信息,實驗中使用的樣品氣體為間二甲苯,氣瓶質(zhì)量濃度為47.4 mg/m3,載氣為零級空氣,實驗總流速為3 L/min,控制樣品氣流速為200 mL/min,載氣濃度為2.80 L/min。氣體溫度與環(huán)境溫度相當(dāng)(25 ℃),補償電壓從-30 V掃描到+30 V,測量分離電壓幅值從0 V每間隔100 V增加到1 600 V。循環(huán)遍歷后,一組數(shù)據(jù)為補償電壓的一個掃描周期,一共得到17組不同分離電壓下的數(shù)據(jù),匯總后的瀑布圖如圖11所示,隨著分離電壓增加,多峰逐漸分離。

圖11 間二甲苯在不同分離電壓下的瀑布圖

2.4 樣品濃度控制

樣品濃度的控制本質(zhì)是載氣與樣品氣流量的控制,本工作中采用現(xiàn)有質(zhì)量流量計,由上位機直接控制。值得注意的是,流量的控制在大多數(shù)情況下是為了實現(xiàn)濃度的控制,因此樣品氣流量變化后為保證只改變樣品氣濃度,而總流量不變,載氣的流量也會相應(yīng)變化。

實驗中設(shè)計質(zhì)量濃度為25.9 mg/m3的丙酮流量從37.5 mL/min開始,通斷間隔,每次導(dǎo)通后遞增4.7 mL/min,直到75 mL/min,觀察實際流量變化和FAIMS譜圖峰高變化,如圖12所示,從圖12(a)中可以看出實驗流量控制具有較好的響應(yīng),響應(yīng)時間在100 ms左右,從圖12(b)可以看出FAIMS峰高隨物質(zhì)濃度線性變化,圖12(c)計算了具體的線性度為0.999 85,驗證了FAIMS具有較好定量分析能力。

(a)設(shè)定流量與實際流量變化

3 結(jié)束語

本文所述的測控系統(tǒng)首次系統(tǒng)化地考慮多參數(shù)遍歷問題,在設(shè)計層面上將多參數(shù)之間解耦合,實現(xiàn)任意多參量的自動化遍歷掃描,并討論了測控系統(tǒng)中關(guān)鍵模塊性能參數(shù),滿足了FAIMS現(xiàn)有和未來可能出現(xiàn)的研究需求,有利于后續(xù)更多FAIMS傳感器相關(guān)研究的開展。