飞行时间质谱仪中高压脉冲电源的应用

郝慈环，许春华，林利泉，黄正旭，马 琳

（1.广州禾信仪器股份有限公司，广东 广州 510530；2.河南省新乡生态环境监测中心，河南 新乡 453000）

0 引 言

质谱仪做为一种精密分析仪器，在有机物分析、医学生物、同位素质谱、环境与地球科学等方面具有广泛应用。在各种质谱仪中，飞行时间质谱仪（Time of Flight Mass Spectrometer，TOFMS）具有灵敏度好、分辨率高、分析速度快以及质量检测上限只受离子检测器限制等优点，再配合相应的离子源，如电阻轰击离子源、基体辅助激光解析离子源以及气压化学电离子源等，使其成为当今最有发展前景的质谱仪[1]。

1 飞行时间质谱仪中高压脉冲电源的现状

现在，飞行时间质谱仪已经在许多国际最前沿热点问题的研究中发挥重大作用，是蛋白质及蛋白质组学、基因及基因组学、生物化学、医药学以及病毒学等领域中非常有力的工具。特别是在大通量且要求分析速度较快的大分子分析中，成为唯一可以实现的分析手段[2]。

飞行时间质谱仪普遍采用垂直引入式结构将离子引入TOF分析器，这样做需要在离子运动垂直方向的推斥板施加高压推斥脉冲。为了保证飞行时间质谱仪的高分辨率，对其高压脉冲电源的要求主要为输出电平平稳，脉冲上升沿越短越好，最好低于50 ns，甚至要求做到20 ns，脉冲频率通常为1～20 kHz[3]。但是因为高压脉冲电源采用的是一种交直流耦合的技术，所以产生的波形不易控制，脉冲幅值、频率以及占空比等难以调节，且脉冲上升沿时间长，因此无法满足飞行时间质谱仪的苛刻要求。

在飞行时间质谱仪中，大部分脉冲电源的控制电路都采用分立元件进行搭建设计，控制元件一般采用单片机。采用分立元器件进行设计会使电路较复杂，出现问题时需要对每个元件进行调试定位，使得调试过程冗长、烦琐，同时还会使系统稳定性不高、脉冲工作模式固定单一，并且单片机工作频率较低，不利于实现高压脉冲电源的高频化和高精度。此外，可用I/O较少，无法满足复杂脉冲系统的设计需求。

2 高压脉冲电源在质谱仪中的应用

飞行时间质谱仪由离子源和飞行时间质量分析器组成。电子轰击离子源是重要的气相离子源之一，它通过发射具有一定能量的电子撞击气相分子实现电离，从而得到需要的样品离子流。离子流在高压脉冲电源产生的电场作用下被连续不断地引出，进入质量分析器中[4]。

2.1 高压脉冲电源在质谱仪中的作用原理

高压脉冲电源是飞行时间质谱仪中非常关键的部件，主要作用在飞行时间质量分析器上。飞行时间质量分析器的作用是使离子在电场作用下获得动能，加速飞过飞行管道，根据离子飞行时间的不同来鉴定离子质荷比，进而确定物质成分。

飞行时间质量分析器由离子传输区、推斥区、加速区、无场飞行区、反射区及检测区几个部分组成[5]。电子轰击离子源产生的离子经过离子传输区进入高真空腔体，首先到达推斥区，推斥板和加速区分别加有正脉冲和负脉冲，并且两脉冲的脉冲延时、宽度、频率以及电压值都可根据需要进行调节。

推斥区和加速区起到了双场加速的效果，使离子流中不同质荷比的各种粒子获得不同的加速度，这些以不同加速度通过推斥区和加速区的离子在进入无场飞行区时便拥有了不同的初始速度，它们便以此速度在无场飞行区匀速飞行。这些速度不同的粒子在长长的无场飞行区中会逐渐分开，具有相同质荷比从而速度相近的同种粒子逐渐被分离出来，它们在不同的时间到达反射器。

反射器分为一级反射区和二级反射区两个部分，其中反射区中间和反射板上都加有推斥脉冲，带电粒子飞入此区域后开始减速，直到反射板处速度接近为零后又获得与原飞行方向相反的加速度，经过反射区加速后部分粒子再次进入无场飞行区。双场加速和双场反射技术对离子起到了二级聚焦的效果，可提高质谱仪的分辨率[2]。从反射区获得反向速度从而再次进入无场飞行区的离子最终到达离子检测器，这些带电粒子打到MCP上使得MCP上产生电压信号，该电压信号由时间数字转换器（Time to Digital Converter，TDC）或模拟数字转换器（Analog Digital Converter，ADC）记录并存入电脑，再通过软件对存入电脑的数据进行处理后得到各个成分的谱图[6]。

2.2 飞行时间质谱仪中高压脉冲电源的特性

高压脉冲电源可根据需要输出各种脉冲，加在质量分析器不同部位的脉冲有很大不同，对粒子的作用也有很大区别。各脉冲时序如图1所示，首先是加在推斥板上的高压正脉冲P+，其最小值一般是0 V，最大幅值是1 kV以上，作用是产生一个电场，使电离后的带电粒子快速飞入腔体。该电场的存在既改变了粒子的飞行方向，又使带电粒子获得一定的加速度，为粒子快速筛选检测奠定了基础[7]。其次是加在加速区栅网上的高压负脉冲P-，其零点一般在中间，最大值一般是+200 V左右，最小值一般是-1 kV以上，作用是使带电粒子获得较大的加速度。P+和P-起到了双场加速的作用，保证了粒子在进入无场飞行区之前能获得较快的速度。推斥脉冲Ph一般由几个脉冲串组成，脉冲串的个数具体根据待测离子的种类决定。它是一个零点在中间的幅脉冲，最大电压一般是1 kV以上，最小值一般是-1 kV以上。Ph一般是加在反射区，通过控制Ph各个子脉冲的宽度、间隔以及幅值可以分离各种的不同离子，推掉不需要的粒子，同时对检测器也是一种保护，避免过多离子打在检测器上造成检测器的寿命较短。某些仪器也可以将推斥脉冲放置在检测区，根据计算粒子的飞行时间来调节脉冲串的各个参数，达到提高质谱仪分辨率的效果。

图1 脉冲时序图

3 高压脉冲电源设计分析

有别于其他设计以单片机为核心，本系统以大规模可编程逻辑器件（Field Programmable Gate Array，FPGA）的为核心进行电路设计，用VerilogHDL语言进行软件开发，大大缩短了开发周期，减少了电路体积，提高了系统稳定性，具有较强的实用性和灵活的移植性。同时系统的脉冲工作模式也更加灵活，可同时输出正脉冲和负脉冲，实现正负脉冲的实时切换，而且脉冲个数、脉冲频率以及占空比可实时调节[8]。脉冲系统结构如图2。

图2 脉冲系统结构图

3.1 高压脉冲电源的结构

高压脉冲系统主要包括脉冲控制和脉冲高压两个部分。其中，脉冲控制部分主要包括触发脉冲调理单元、脉冲信号产生单元、脉冲信号驱动调理单元、脉冲信号隔离单元、开关驱动单元以及阻抗匹配单元。脉冲信号产生单元的输出端通过脉冲驱动放大隔离单元与开关驱动单元的输入端连接。脉冲放大隔离单元中采用脉冲变压器可以将直流高压信号和脉冲信号隔离开，减少了系统的电磁干扰，提高了系统的稳定性和可靠性。而且采用MOSFET管进行驱动开关，可以实现直流高压的快速开关，使得高压脉冲信号的上升下降时间小于50 ns[9]。

脉冲高压部分包括微控制器、D/A控制单元、信号放大调理单元、高压产生单元、A/D采样单元、运放调理单元以及电压采样单元。微控制器接收主控下发的指令，并根据指令设置DAC的输出，经信号调理单元后控制高压模块电源的输出值。同时，电压采样单元对高压模块电源的输出进行采样，采样信号经运放调理后得到适合ADC采样的值。ADC将采样的电压值发给微控制器，从而监测高压电源是否工作正常。

经过高压产生控制部分输出的高压加在脉冲控制部分的MOSFET开关管上，经过开关驱动单元控制后产生高压脉冲信号。该设计中的MOSFET管可根据不同仪器对脉冲幅值及边沿时间的要求调换不同规格型号。目前质谱仪中常用的脉冲幅值为±1 000 V，所以选用的MOSFET管耐压值是1 500 V。另外在其他仪器中还使用到了脉冲幅值为4 000 V和1 500 V的脉冲，所以还选用过耐压值为4 500 V和2 500 V的MOSFET管。其他部分电路主题结构相近，但电阻电容的值应有所调整，变压器的匝数也需要根据项目使用要求进行调整。

3.2 高压脉冲电源的设计原理

MCU通过隔离485与上位机通信，接收上位机下发的指令和数据，并返回给上位机测量数据和状态指令。FPGA和上位机通信是经过MCU转发，MCU接收上位机的数据后经过运算并重新打包发给FPGA，FPGA返回的测量数据也是经MCU转发给上位机。DAC接收到MCU调节数据后输出相应电压至驱动放大电路，经过驱动放大后加在高压模块电源的控制接口，控制电源的输出值。为了实时监控各个电压，采样电路首先对各电压进行采样，采样得到的电压值经过驱动调整后传给ADC，ADC经过模数转换再发送给MCU，MCU根据协议标准将数据传送给上位机实时显示。

FPGA接收到MCU转发过来的数据后根据指令输出相应脉冲，脉冲信号经过触发器和驱动IC放大整形后进入脉冲变压器等组成的隔离电路。隔离电路起隔离高压区域和低压区域的作用，画线路板铺地时也要注意隔离开来。隔离变压器可根据前后电路的需要调整初级和次级线圈的匝数，得到想要的驱动脉冲。经过隔离驱动的脉冲要经过整形电路才能输入开关电路，脉冲整形电路由NMOS管和稳压管组成，经过整形的脉冲成为方波信号加到开关电路部分。开关电路由高压MOSFET管组成，同时高压MOSFET管的另两极接高压或地。通过FPGA对脉冲的控制切换不同MOSFET管的开关时序从而得到不同频率、脉宽以及延时的高压脉冲信号。高压脉冲再经过阻抗匹配单元后加到飞行时间质谱仪的分析器，达到控制离子飞行速度和筛选离子的目的[10]。

4 结 论

本文详细叙述了高压脉冲电源在飞行时间质谱仪中所起的作用以及加在分析器中各个部分脉冲的特点，同时详细介绍了以FPGA为核心的高压脉冲电源系统的结构和工作原理。此系统具有程控和监测功能，提高了高压脉冲电源的自动化水平和技术含量。经过长期使用验证，此高压脉冲电源结构简单、性能优良、工作稳定可靠且抗干扰性强，此外FPGA可进行灵活编程，根据需要不断修改设计。因此本设计中的脉冲电源具有很好的通用性和灵活的移植性，根据项目需求修改FPGA的程序便可实现不同的功能需求和控制方式。