多参量、大范围、精确控制的FAIMS测控系统研究

袁 凡,刘友江,刘少敏,曹 旭,陈池来

(1.中国科学院合肥物质科学研究院,安徽合肥 230031;2.中国科学技术大学,安徽合肥 230026)

0 引言

高场非对称波形离子迁移率谱(high field asymmetric waveform Ion mobility spectrometry,FAIMS)是一种基于离子迁移率高电场下非线性变化的特性,采用非对称高频高幅电场实现不同离子在电场垂直方向差分分离和识别的物质成分检测技术[1-3]。FAIMS除了常规离子迁移谱(Ion mobility spectrometry,IMS)具有的检测速度快、灵敏度高等优势外,还具有易于MEMS小型化、谱图信息丰富等独特优势,是近年来现场检测技术的研究热点,在公共安全、环境检测、食品安全、生物医药等相关领域展现了广阔应用前景[4-10]。

高电场下离子迁移率非线性特征和差分分离方式使得FAIMS谱图包含丰富的特征信息,但同时也极易受到众多因素影响,因此需要大范围多参量的精准控制,才可以充分利用多维特征信息来实现FAIMS对物质高性能的识别和寻找FAIMS新机制新规律。以FAIMS流速控制为例,Wang Han等[11]通过实验设定宽范围多组载气流速,发现了载气流速对FAIMS信号响应的饱和特性,提出宽范围适用的FAIMS定量检测模型。湿度控制方面,李山等[12]通过实验设定宽范围多组待测气体湿度,发现了硫化氢等物质存在谱图稳定区,为目标物质稳定谱图获取提供了重要参考。张永谦等[13]通过实验设定了宽范围多组分离电压幅值,研究其对检测对二甲苯的影响,发现存在分离电压幅值的最佳区间。Liu Shaomin等[14]利用级联FAIMS嵌套遍历了双路补偿电压,提高了FAIMS重叠峰识别和小峰发现能力。这些FAIMS规律的发现以及实验条件的优化都依赖于流速、湿度、分离电压幅值、补偿电压范围等参量的大范围精准遍历控制。

在FAIMS机理、模型及分离检测应用取得长足进展的同时,FAIMS测控系统同步取得了一系列的发展。王电令等[15]和高利鑫等[16]开发了基于LabVIEW的FAIMS测控系统,并将其应用于PC平台或WinCE系统的ARM9嵌入式平台,降低了FAIMS测控系统的系统功耗和集成复杂度。覃慧珊等[17]使用QT实现跨PC和嵌入式Linux平台FAIMS测控系统。这些测控系统为FAIMS多参量控制提供了不同的解决方案,但并未提供FAIMS多参数控制的集中处理方式和多参量的自动化遍历解决办法。

针对FAIMS测控系统在多维全谱数据获取和优化实验流程方面的需求,本文开发了多参量的大范围精准遍历控制的FAIMS测控系统。对补偿电压、分离高压、弱信号探测、温湿度控制、流场和样品浓度控制单元进行功能分解,并在此基础上对上述参量进行合理封装以实现各参量解除耦合控制。通过对各参量相关模块协议和工作方式的统一管理,再利用面向对象设计的特点,对FAIMS各参数从基础到扩展层层封装,最后在顶层实现FAIMS C++类,并利用QT特有的信号与槽功能实现谱图数据的回传。

1 实验部分

1.1 测控系统功能设计

FAIMS传感器整体的系统框如图1所示,测控系统配合各模块实现控制,主要包括气路控制、电离控制、分离电压控制、扫描电压控制、热控制、弱信号检测、环境补偿等,其中补偿电压扫描范围为-30～+30 V,响应时间在5 μs左右,可配置任意波形扫描;弱信号探测器采样率为6.8 Hz～3.4 kHz,且噪声随之改变;分离电压的峰值为0～2 000 V、频率为0～2 MHz,上升和下降时间在0.02 ms左右;样品气流量为0～1 L/min,载气流量为0～5 L/min,二者配合实现浓度控制。

图1 系统总框图

FAIMS传感器实验平台涉及到多参数控制,上述参量的多维数据获取和实验流程优化的前提是所有外设所控制的实验参量可程序控制,例如高压电源、质量流量计等。在不同的实验中,某些参数会成为被研究对象而遍历扫描,更有多个参数嵌套循环遍历,对于开发人员来说,对各模块功能做好封装,相互之间不耦合,方便对系统整体的开发与后续的迭代。

1.2 测控系统框架设计

测控系统的上位机UI页面如图2所示,包括设备连接设置、谱图显示、参数监控、参数设置和参数扫描功能。其中谱图显示中的历史谱图显示主要针对实验中的参数扫描功能,将不同参数下的谱图使用不同颜色的曲线显示在同一坐标图上,有利于实验中改变某些参量后观察谱图峰位置、峰高、峰宽等变化;参数监控是监控直流高压源的输出电压和2个流量计的流量,便于在实验中观测到外设的阶跃响应和异常情况。

图2 上位机UI页面

对上述参量的合理封装是实现各参量解除耦合控制的关键。针对上述需求,采用面对对象设计方法将系统层层分装,FAIMS传感器测控系统的分装遵循从基础功能到扩展功能的原则,层层递进。最基础的功能为补偿电压的扫描范围和扫描周期,与此同时,由于希望输出补偿电压与采集回来的离子电流信号在时间上是同步的,所以弱信号采集相关的增益、采样率和偏置电压属于次一级,第三层引入分离电压相关控制,其中包括幅值、频率和占空比;第四层加入对流量的控制,若使用气瓶加质量流量计,则会直接驱动质量流量计对样品气和载气流量的控制,若使用泵,则利用流量的反馈来控制泵的开度以实现精准的流量控制;第五层引入气体温度与湿度控制等。当然作为最后应用层的调用也并非只能调用最高层的封装,底层封装也可以直接被调用。

2 讨论

2.1 弱信号探测器

弱信号探测的性能直接影响到系统的检测精度和检测下限,而弱信号探测器设计的关键在于离子电流信号的有效探测和信号噪声的屏蔽。本设计采用法拉第筒飞安计结构,实现超高跨导I-V增益,其基本结构如图3所示。该结构的最大特点是采用超大反馈电阻RF,与T电阻网络和多级运放级联方式相比,具有增益大、噪声小的优点。通过调节并联电容CF,可以实现对增益带宽的最优匹配。

图3 反馈式安培计简化模型示意图

根据不同的应用场景,有时可能需要更低的噪声,而有时需要更快的采样率。本文选用可变采样率的后端模数转换芯片实现弱信号探测器的采样率可调,测试了弱信号探测器在不同采样率下的本底信号,如图4所示,可以看出随着采样率减小,实际的噪声明显下降,因此可针对不同的实验平衡采样率与噪声。

图4 弱信号探测器在不同采样率下的本底信号测试

2.2 补偿电压扫描

补偿电压的扫描范围决定了FAIMS检测的筛选宽度,扫描周期决定了检测时间。其电路原理图如图5所示,图中靠上的芯片为SPI接口的DAC芯片,其输出范围为+10～-10 V,输出后级连接正向放大器,通过配置电阻比值关系将其电压线性放大,使得总输出范围为+30～-30 V。

图5 FAIMS补偿电压输出电路原理图

传统的FAIMS补偿电压扫描波形为锯齿波,本文中补偿电压的设计支持任意扫描波形的输出,这对补偿电压输出响应提出了要求,实验测得补偿电压从-30 V到+30 V的阶跃响应相关参数如图6所示,其中上升时间为4.5 μs,完全满足FAIMS补偿电压任意波形的需求。

图6 补偿电压阶跃响应

在上述的基础上,实现任意补偿电压扫描功波形输出,对于标准波形传递参数即可,也可依次传递输出电压值实现自定义波形。图7为3种常规波形和1种自定义波形的实际输出。任意扫描波形的输出将极大地满足FAIMS补偿电压扫描方式的相关研究。

图7 补偿电压多种波形实际输出

在级联FAIMS实验中涉及到多个补偿电压的控制,这并不违背本文前面提到的从底层封装,层层递进的方法,系统可配置同一参数的多嵌套扫描。实验中采取双路补偿电压嵌套扫描,其中样品气为1,3-丁二烯,质量浓度为24.1 mg/m3,流量为300 mL/min,载气为空气,流量为2.7 L/min,气体温度与环境温度相当(25 ℃)。实验中固定双FAIMS的分离电压峰值均为850 V,让前级FAIMS的补偿电压1从-2 V每间隔0.1 V增加8 V,后级FAIMS补偿电压2较连续地从-5 V扫描到15 V,最终得到如图8所示的双FAIMS指纹谱图,随着前级补偿电压1的增加,在后级补偿电压2的扫描谱图中可以看出,1,3-丁二烯的离子峰出现了两个位置的变化。

图8 级联FAIMS的1,3-丁二烯指纹图

2.3 分离电压控制

分离电压是影响FAIMS系统分离性能的重要因素。分离电压的实现依赖于不对称高频高压电源的设计,本设计中采用多高频MOS管并联的方式实现,其基本结构框图如图9所示,通过优选高频MOS开关管有效提高电源模块的工作频率;采用多管同步并联技术有效提高电源模块的工作幅值;针对多管同步开关上升沿和下降沿的精确控制,实现MOS管开关高速同步。

图9 分离电压电源结构框图

上述方案输出的高压频率和占空比可直接由测控系统输出的TTL电平方波的频率和占空比决定,而幅值由可调的高压直流电源决定,因而实现了分离电压的所有参数可控制。图10为不对称高频高压电源实际输出波形和单个周期波形的一些参数,其中上升775.73 V用时0.021 ms,下降774.10 V用时0.025 ms,较快的响应为后续更高频率的分离电压需求提供了基础。

图10 分离电压实际波形与参数

分离电压峰值的遍历是FAIMS一个较为基础的参数遍历,可以获取到检测物的全谱信息,实验中使用的样品气体为间二甲苯,气瓶质量浓度为47.4 mg/m3,载气为零级空气,实验总流速为3 L/min,控制样品气流速为200 mL/min,载气浓度为2.80 L/min。气体温度与环境温度相当(25 ℃),补偿电压从-30 V扫描到+30 V,测量分离电压幅值从0 V每间隔100 V增加到1 600 V。循环遍历后,一组数据为补偿电压的一个扫描周期,一共得到17组不同分离电压下的数据,汇总后的瀑布图如图11所示,随着分离电压增加,多峰逐渐分离。

图11 间二甲苯在不同分离电压下的瀑布图

2.4 样品浓度控制

样品浓度的控制本质是载气与样品气流量的控制,本工作中采用现有质量流量计,由上位机直接控制。值得注意的是,流量的控制在大多数情况下是为了实现浓度的控制,因此样品气流量变化后为保证只改变样品气浓度,而总流量不变,载气的流量也会相应变化。

实验中设计质量浓度为25.9 mg/m3的丙酮流量从37.5 mL/min开始,通断间隔,每次导通后递增4.7 mL/min,直到75 mL/min,观察实际流量变化和FAIMS谱图峰高变化,如图12所示,从图12(a)中可以看出实验流量控制具有较好的响应,响应时间在100 ms左右,从图12(b)可以看出FAIMS峰高随物质浓度线性变化,图12(c)计算了具体的线性度为0.999 85,验证了FAIMS具有较好定量分析能力。

(a)设定流量与实际流量变化

3 结束语

本文所述的测控系统首次系统化地考虑多参数遍历问题,在设计层面上将多参数之间解耦合,实现任意多参量的自动化遍历扫描,并讨论了测控系统中关键模块性能参数,满足了FAIMS现有和未来可能出现的研究需求,有利于后续更多FAIMS传感器相关研究的开展。