專利名稱：一種質譜儀質量分析器內緩沖氣體快速高精度連續控制方法
技術領域：
本發明涉及質譜儀技術領域，特別涉及一種質譜儀質量分析器內緩沖氣體快速高精度連續控制方法。
背景技術：
質譜儀器通常包括進樣系統、離子源、質量分析器、檢測器和真空系統。真空系統由真空腔和泵組成，而質量分析器、檢測器設置在真空室內。質譜分析的基本原理為在真空系統內，離子化的樣品分子在電場或磁場的作用下，按質荷比(m/z)的不同排列得到質譜圖，再通過分析被測樣品的質譜特性，得到被測樣品的相關信息。小型化便攜式質譜儀器具有能耗低、體積小、重量輕、使用方便、維護簡單等突出優勢，在環境污染快速檢測、突發事件應急處理等領域中有很好的應用前景。其中，采用四 極場質量分析器的質譜儀器由于其輕便、エ藝成熟、成本較低，目前成為最成熟、應用最廣泛的小型質譜儀器。四極場質量分析器中緩沖氣體極其重要，尤其在離子阱質量分析其中，充入一定量緩沖氣體后，離子與緩沖氣體的頻繁碰撞引起了離子運動的粘滯，使離子減速，減少了離子軌道的最大位移和離子的最大速度，降低了離子動能，從而降低了離子共振吸收信號的噪聲，減少了由碰撞引起的離子損失，増加了阱中囚禁的離子數目，提高了離子的儲存壽命，進而提高了離子阱質譜儀的分辨率和靈敏度。而且緩沖氣體在多級質譜中應用廣泛，通過與選定的母離子碰撞，使母離子裂解成碎片子離子，并進ー步通過分析子離子的特性而確定母離子元素組成、結構等特性，因而多級質譜儀器在蛋白質組學、代謝組學中有著較廣泛的應用。緩沖氣體一般為氦氣、氮氣等，并由脈沖閥控制。脈沖閥一般為電磁脈沖閥。電磁脈沖閥是按照電信號控制閥體卸荷孔的開啟和關閉，閥體卸荷吋，閥后腔內壓カ氣體排放，閥前腔內壓カ氣體被膜片上陰壓孔節流，膜片被抬起，脈沖閥進行噴吹；閥體停止卸荷吋，壓カ氣體通過阻尼孔迅速充滿閥的后腔，由于膜片兩面在閥體上受カ面積之差，閥的后腔內，氣體作用カ大，膜片能可靠的關閉閥的噴吹ロ，脈沖閥停止噴吹。電信號是以毫秒計時的，因此只要給予脈沖閥高低電平信號，即可實現對脈沖閥開關時間的控制，進而控制緩沖氣體進氣量。為了減輕重量、降低能耗和縮小體積，小型化或者便攜式質譜儀的分子泵抽速一般不高，為確保真空度，通常采用對質量分析器所在的真空腔中進行間斷式充氣，即緩沖氣體每隔固定時間向真空腔充氣。然而，采用非連續性緩沖氣體注入真空腔的小型化便攜式質譜儀也有諸多不足，如I.緩沖氣體沒有精確控制，影響離子在真空腔中冷卻和碰撞，所以導致離子傳輸和被檢測效率不高；緩沖氣體間接式進入真空腔，開始離子反應劇烈，但是隨著氣壓的降低，反應程度也會降低，影響分析結果。
發明內容
針對現有技術中存在的不足之處，本發明的目的是提供一種質譜儀質量分析器內緩沖氣體快速高精度連續控制方法，具有功耗低、測量靈敏度高、速度快、穩定性和可控性高、結構簡單、應用范圍廣等特點。為了解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案如下一種質譜儀質量分析器內緩沖氣體快速高精度連續控制方法，包括真空腔、離子捕獲模塊、脈沖閥、脈沖閥驅動模塊、FPGA/MCU/DSP/ARM控制器模塊，具體包括以下控制步驟 I)在工作電源供電下，通過計算機設定所述離子捕獲模塊所需真空度M，并通過所述FPGA/MCU/DSP/ARM控制器模塊將信號傳送至所述離子捕獲模塊；2)通過所述FPGA/MCU/DSP/ARM控制器模塊中的AD采樣模塊讀取所述真空腔內真空度，對比判斷與所述離子捕獲模塊所需真空度M大小；3)若所述真空腔內真空度大于所述離子捕獲模塊設定的真空度M，則不啟動所述脈沖閥；4)若所述真空腔內真空度小于所述離子捕獲模塊所需真空度M，則通過所述FPGA/MCU/DSP/ARM控制器模塊中的真空控制梯度算法編譯輸出的pulse-in信號控制所述脈沖閥，并改變pulse-in信號占空比來改變所述脈沖閥驅動模塊輸出pulse-out信號,進而改變所述脈沖閥開關時間，最終所述脈沖閥連續控制緩沖氣體進氣量使所述真空腔內真空度達到所述離子捕獲模塊設定真空度M，時間< 3s。作為優選，所述脈沖閥開關時間由所述FPGA/MCU/DSP/ARM控制器模塊中的真空控制梯度算法控制，包括如下步驟①所述FPGA/MCU/DSP/ARM控制器模塊判斷所測真空度是否小于M*A%，其中k%
<1，并且在控制器模塊中設定計數器Cl，是，則進入計數器計數，若計數器Cl計數次數小于等于3次，則輸出pulse-A驅動所述脈沖閥控制緩沖氣體加大進氣量，若計數器Cl計數次數大于3次，則輸出pulse-B,其中pulse-A與pulse-B的脈寬關系如下Wpulse_B =aWpulse_A，其中α為小于I的任一系數，這樣就實現了精度更高的調整緩沖氣體充入量；②否，則繼續通過所述FPGA/MCU/DSP/ARM控制器模塊判斷所測真空度是否小于M*B%，其中A%<B%< 1，并且在控制器模塊中設定計數器C2，是，則進入計數器計數，若計數器C2計數次數小于等于3次，則輸出pulse-C驅動脈沖閥控制緩沖氣體加大進氣量，若計數器C2計數次數大于3次，則輸出pulse-D，其中pulse-C與pulse-D的脈寬關系如下Wpul^= ^Wpulsrfl,其中β為小于I的任一系數，這樣就實現了精度更高的調整緩沖氣體充入量；③否，則繼續通過所述FPGA/MCU/DSP/ARM控制器模塊判斷所測真空度是否小于M*C%，其中A%< B%< C%< 1，并且在控制器模塊中設定計數器C3，是，則進入計數器計數，若計數器C3計數次數小于等于3次，則輸出pulse-E驅動脈沖閥控制緩沖氣體加大進氣量，若計數器C2計數次數大于3次，則輸出pulse-F，其中pulse-E與pulse-F的脈寬關系如下Wpulse_E = YWpulsrf，其中Y為小于I的任一系數，這樣就實現了精度更高的調整緩沖氣體充入量；④否，則繼續通過所述FPGA/MCU/DSP/ARM控制器模塊判斷所測真空度是否小于M*D%，其中A%<B%<C%<D%< 1，并且在控制器模塊中設定計數器C4，是，則進入計數器計數，若計數器C4計數次數小于等于3次，則輸出pulse-G驅動脈沖閥控制緩沖氣體加大進氣量，若計數器C2計數次數大于3次,貝U輸出pulse-H,其中pulse-G與pulse-H的脈寬關系如下Wpuls“ = S Wpulsrf，其中δ為小于I的任一系數，這樣就實現了精度更高的調整緩沖氣體充入量；⑤否，則繼續通過所述FPGA/MCU/DSP/ARM控制器模塊判斷所測真空度是否大于等于M*D%，是，則從開始進行判斷，即維持脈沖閥狀態不變。否，則進入計數器C4，重新進行拍段，方法與步驟④相同。進ー步地，所述離子捕獲模塊是質量分析器或中間級離子存儲傳輸、碰撞解離設備。·作為優選，所述質量分析器為四極場質量分析器，包括四極桿、三維離子阱、圓柱形離子阱、矩形離子阱、線性離子阱中的任意ー種。作為優選，所述中間級離子存儲傳輸、碰撞解離設備包括四級桿、三維離子阱、圓柱形離子阱、矩形離子阱、線性離子阱中的任意ー種。進ー步地，所述脈沖閥驅動模塊為所述脈沖閥供電和驅動電路，所述脈沖閥，即通過開關將氣體導入。作為優選，所述脈沖閥包括直角電磁脈沖閥、淹沒脈沖電磁閥、直通脈沖閥、速連式脈沖閥中的任意ー種。進ー步地，所述FPGA/MCU/DSP/ARM控制器模塊為采用嵌入式控制的主控制板，可用硬件描述語言或者軟件描述語言進行控制。本發明的基本原理為在供電電源正常工作下，通過計算機設定所需真空度，FPGAFPGA/MCU/DSP/ARM控制器模塊通過真空控制梯度算法輸出適當pulse-in信號，改變pulse-in信號占空比則改變驅動脈沖閥的pulse-out信號,進而改變脈沖閥控制的緩沖氣體進氣量，快速連續控制真空腔內進入的緩沖氣體量達到并維持所需真空度，所需時間不超過3s。此時啟動離子捕獲模塊，選擇離子存儲傳輸、碰撞解離，然后將離子彈出進行全譜掃描、正反掃描、多級質譜來分析離子捕獲模塊內的樣品離子，并得到質譜圖。本發明提高了小型化便攜式儀器的檢測靈敏度及分辨率，解決了實際應用中的技術問題。與現有技術相比，本發明具有以下優勢I.迅速地將真空腔內緩沖氣體氣壓控制到目標值(所需時間< 3s)，便于離子捕捉模塊冷卻和碰撞離子，極大提高了四極場質量分析器的工作效率；2.緩沖氣體連續進入真空腔內，通過真空控制梯度算法可將真空腔內真空度長期穩定目標值(Rsd < 1% )，具有極高的穩定性和可控性。3.提高了小型化便攜式儀器的檢測靈敏度和分辨率，大大拓展了小型化便攜式質譜儀的應用領域，具有極為廣闊的應用前景。4.只需用脈沖閥便可使緩沖氣體連續進樣，并維持真空腔所需真空度，用ー級真空室代替傳統的多級真空室，簡化了質譜儀的結構、減小了體積、降低了能耗。
下面結合附圖和實施例對本發明進ー步說明。圖I是本發明各組成部分連接示意圖；圖2是本發明真空腔內真空度與離子捕獲模塊設定真空度相同時的脈沖信號對比圖；
圖3是本發明的真空控制梯度算法示意圖；圖4是本發明的真空控制梯度算法ー級脈沖輸出信號圖；圖5是本發明的真空控制梯度算法ニ級脈沖輸出信號圖；圖6是本發明的真空控制梯度算法三級脈沖輸出信號圖；圖7是本發明的真空控制梯度算法四級脈沖輸出信號圖。
具體實施例方式以下所述僅為本發明的較佳實施例，并不因此而限定本發明的保護范圍。實施例，見圖I至圖7所示一種質譜儀質量分析器內緩沖氣體快速高精度連續控制方法，包括真空腔、離子捕獲模塊、脈沖閥、脈沖閥驅動模塊、FPGA/MCU/DSP/ARM控制器模塊，具體包括以下控制步驟I)在工作電源供電下，通過計算機設定所述離子捕獲模塊所需真空度M，并通過所述FPGA/MCU/DSP/ARM控制器模塊將信號傳送至所述離子捕獲模塊；2)通過所述FPGA/MCU/DSP/ARM控制器模塊中的AD采樣模塊讀取所述真空腔內真空度，對比判斷與所述離子捕獲模塊所需真空度M大小；3)若所述真空腔內真空度大于所述離子捕獲模塊設定的真空度M，則不啟動所述脈沖閥；4)若所述真空腔內真空度小于所述離子捕獲模塊所需真空度M，則通過所述FPGA/MCU/DSP/ARM控制器模塊中的真空控制梯度算法編譯輸出的pulse-in信號控制所述脈沖閥，并改變pulse-in信號占空比來改變所述脈沖閥驅動模塊輸出pulse-out信號,進而改變所述脈沖閥開關時間，最終所述脈沖閥連續控制緩沖氣體進氣量使所述真空腔內真空度達到所述離子捕獲模塊設定真空度M，時間< 3s。所述脈沖閥開關時間由所述FPGA/MCU/DSP/ARM控制器模塊中的真空控制梯度算法控制，包括如下步驟①所述FPGA/MCU/DSP/ARM控制器模塊判斷所測真空度是否小于M*A%，其中A%
<1，并且在控制器模塊中設定計數器Cl，是，則進入計數器計數，若計數器Cl計數次數小于等于3次，則輸出pulse-A驅動所述脈沖閥控制緩沖氣體加大進氣量，若計數器Cl計數次數大于3次，則輸出pulse-B,其中pulse-A與pulse-B的脈寬關系如下Wpulse_B =aWpulse_A，其中α為小于I的任一系數，這樣就實現了精度更高的調整緩沖氣體充入量(見圖4)；②否，則繼續通過所述FPGA/MCU/DSP/ARM控制器模塊判斷所測真空度是否小于M*B%，其中A%<B%< 1，并且在控制器模塊中設定計數器C2，是，則進入計數器計數，若計數器C2計數次數小于等于3次，則輸出pulse-C驅動脈沖閥控制緩沖氣體加大進氣量，若計數器C2計數次數大于3次，則輸出pulse-D，其中pulse-C與pulse-D的脈寬關系如下Wpul^= ^Wpulsrfl,其中β為小于I的任一系數，這樣就實現了精度更高的調整緩沖氣體充入量(見圖5)；③否，則繼續通過所述FPGA/MCU/DSP/ARM控制器模塊判斷所測真空度是否小于M*C%，其中A%< B%< C%< 1，并且在控制器模塊中設定計數器C3，是，則進入計數器計數，若計數器C3計數次數小于等于3次，則輸出pulse-E驅動脈沖閥控制緩沖氣體加大進氣量，若計數器C2計數次數大于3次，則輸出pulse-F，其中pulse-E與pulse-F的脈寬關系如下Wpulse_E = YWpulsrf，其中Y為小于I的任一系數，這樣就實現了精度更高的調整緩沖氣體充入量(見圖6)；④否，則繼續通過所述FPGA/MCU/DSP/ARM控制器模塊判斷所測真空度是否小于M*D%，其中A%<B%<C%<D%< 1，并且在控制器模塊中設定計數器C4，是，則進入計數器計數，若計數器C4計數次數小于等于3次，則輸出pulse-G驅動脈沖閥控制緩沖氣體 加大進氣量，若計數器C2計數次數大于3次,則輸出pulse-H,其中pulse-G與pulse-H的脈寬關系如下Wpuls“ = S Wpulsrf，其中δ為小于I的任一系數，這樣就實現了精度更高的調整緩沖氣體充入量(見圖7);⑤否，則繼續通過所述FPGA/MCU/DSP/ARM控制器模塊判斷所測真空度是否大于等于M*D%，是，則從開始進行判斷，即維持脈沖閥狀態不變。否，則進入計數器C4，重新進行拍段，方法與步驟④相同。所述離子捕獲模塊為四極桿，也可以是三維離子阱、圓柱形離子阱、矩形離子阱或線性尚子講。所述脈沖閥驅動模塊為所述脈沖閥供電和驅動電路，所述脈沖閥為直角電磁脈沖閥，也可以是淹沒脈沖電磁閥、直通脈沖閥或速連式脈沖閥。所述FPGA/MCU/DSP/ARM控制器模塊為采用嵌入式控制的主控制板，可用硬件描述語言或者軟件描述語言進行控制。以上所述僅是本發明的較佳實施方式，故凡依本發明專利申請范圍所述的エ藝原理所做的等效變化或修改，均包括于本發明專利申請范圍內。
權利要求
1.一種質譜儀質量分析器內緩沖氣體快速高精度連續控制方法，其特征在于，包括真空腔、離子捕獲模塊、脈沖閥、脈沖閥驅動模塊、FPGA/MCU/DSP/ARM控制器模塊，具體包括以下控制步驟 (1)在工作電源供電下，通過計算機設定所述離子捕獲模塊所需真空度M，并通過所述FPGA/MCU/DSP/ARM控制器模塊將信號傳送至所述離子捕獲模塊； (2)通過所述FPGA/MCU/DSP/ARM控制器模塊中的AD采樣模塊讀取所述真空腔內真空度，對比判斷與所述離子捕獲模塊所需真空度M大小； (3)若所述真空腔內真空度大于所述離子捕獲模塊設定的真空度M，則不啟動所述脈沖閥； (4)若所述真空腔內真空度小于所述離子捕獲模塊所需真空度M，則通過所述FPGA/MCU/DSP/ARM控制器模塊中的真空控制梯度算法編譯輸出的pulse-in信號控制所述脈沖 閥，并改變pulse-in信號占空比來改變所述脈沖閥驅動模塊輸出pulse-out信號,進而改變所述脈沖閥開關時間，最終所述脈沖閥連續控制緩沖氣體進氣量使所述真空腔內真空度達到所述離子捕獲模塊設定真空度M，時間< 3s。
2.根據權利要求I所述的質譜儀質量分析器內緩沖氣體快速高精度連續控制方法，其特征在干，所述脈沖閥開關時間由所述FPGA/MCU/DSP/ARM控制器模塊中的真空控制梯度算法控制，包括如下步驟 ①所述FPGA/MCU/DSP/ARM控制器模塊判斷所測真空度是否小于M*A%，其中A%<1，并且在控制器模塊中設定計數器Cl，是，則進入計數器計數，若計數器Cl計數次數小于等于3次，則輸出pulse-A驅動所述脈沖閥控制緩沖氣體加大進氣量，若計數器Cl計數次數大于3次,則輸出pulse-B,其中pulse-A與pulse-B的脈寬關系如下Wpulse_B = a Wpulse_A,其中α為小于I的任一系數，這樣就實現了精度更高的調整緩沖氣體充入量； ②否，則繼續通過所述FPGA/MCU/DSP/ARM控制器模塊判斷所測真空度是否小于M*B%，其中A%<B%< 1，并且在控制器模塊中設定計數器C2，是，則進入計數器計數，若計數器C2計數次數小于等于3次，則輸出pulse-C驅動脈沖閥控制緩沖氣體加大進氣量，若計數器C2計數次數大于3次，則輸出pulse-D，其中pulse-C與pulse_D的脈寬關系如下Wpul^= i3Wpulse_D，其中β為小于I的任一系數，這樣就實現了精度更高的調整緩沖氣體充入量； ③否，則繼續通過所述FPGA/MCU/DSP/ARM控制器模塊判斷所測真空度是否小于M*C%，其中A%< B%< C%< 1，并且在控制器模塊中設定計數器C3，是，則進入計數器計數，若計數器C3計數次數小于等于3次，則輸出pulse-E驅動脈沖閥控制緩沖氣體加大進氣量，若計數器C2計數次數大于3次，則輸出pulse-F，其中pulse-E與pulse-F的脈寬關系如下Wpulse_E = YWpulsrf，其中Y為小于I的任一系數，這樣就實現了精度更高的調整緩沖氣體充入量； ④否，則繼續通過所述FPGA/MCU/DSP/ARM控制器模塊判斷所測真空度是否小于M*D%，其中A%<B%<C%<D%< I，并且在控制器模塊中設定計數器C4，是，則進入計數器計數，若計數器C4計數次數小于等于3次，則輸出pulse-G驅動脈沖閥控制緩沖氣體加大進氣量，若計數器C2計數次數大于3次,貝U輸出pulse-H,其中pulse-G與pulse_H的脈寬關系如下Wpuls“ = S Wpulsrf，其中δ為小于I的任一系數，這樣就實現了精度更高的調整緩沖氣體充入量； ⑤否，則繼續通過所述FPGA/MCU/DSP/ARM控制器模塊判斷所測真空度是否大于等于M*D%,是，則從開始進行判斷，即維持脈沖閥狀態不變。否，則進入計數器C4，重新進行拍段，方法與步驟④相同。
3.根據權利要求I所述的質譜儀質量分析器內緩沖氣體快速高精度連續控制方法，其特征在干所述離子捕獲模塊是質量分析器或中間級離子存儲傳輸、碰撞解離設備。
4.根據權利要求3所述的質譜儀質量分析器內緩沖氣體快速高精度連續控制方法，其特征在于所述質量分析器為四極場質量分析器。
5.根據權利要求4所述的質譜儀質量分析器內緩沖氣體快速高精度連續控制方法，其特征在于所述四極場質量分析器為四極桿、三維離子阱、圓柱形離子阱、矩形離子阱、線性 離子阱中的任意ー種。
6.根據權利要求3所述的質譜儀質量分析器內緩沖氣體快速高精度連續控制方法，其特征在于所述中間級離子存儲傳輸、碰撞解離設備為四級桿、三維離子阱、圓柱形離子阱、矩形離子阱、線性離子阱中的任意ー種。
7.根據權利要求I所述的質譜儀質量分析器內緩沖氣體快速高精度連續控制方法，其特征在于所述脈沖閥驅動模塊為所述脈沖閥供電和驅動電路。
8.根據權利要求I所述的質譜儀質量分析器內緩沖氣體快速高精度連續控制方法，其特征在于所述脈沖閥為直角電磁脈沖閥、淹沒脈沖電磁閥、直通脈沖閥、速連式脈沖閥中的任意ー種。
9.根據權利要求I所述的質譜儀質量分析器內緩沖氣體快速高精度連續控制方法，其特征在于所述FPGA/MCU/DSP/ARM控制器模塊為采用嵌入式控制的主控制板，可用硬件描述語言或者軟件描述語言進行控制。
全文摘要
本發明涉及質譜儀技術領域，特別涉及一種質譜儀質量分析器內緩沖氣體快速高精度連續控制方法，包括真空腔、離子捕獲模塊、脈沖閥、脈沖閥驅動模塊、FPGA/MCU/DSP/ARM控制器模塊，具體包括通過計算機設定所述離子捕獲模塊所需真空度M，并通過所述FPGA/MCU/DSP/ARM控制器模塊將信號傳送至所述離子捕獲模塊；通過AD采樣模塊讀取所述真空腔內真空度，并與真空度M比對；根據比對結果啟動或不啟動所述脈沖閥進行真空度調節。本發明的質譜儀質量分析器內緩沖氣體快速高精度連續控制方法，具有功耗低、測量靈敏度高、速度快、穩定性和可控性高、結構簡單、應用范圍廣等特點。
文檔編號H01J49/26GK102842481SQ201210313519
公開日2012年12月26日 申請日期2012年8月30日 優先權日2012年8月30日
發明者程平, 薛斌, 孫露露, 董俊國, 黃正旭, 傅忠, 周振 申請人:昆山禾信質譜技術有限公司