針對(duì)自制垂直引入式飛行時(shí)間質(zhì)譜儀(orthogonal ext raction time-of-flight mass spect rometer , O-TOFMS)的需要,運(yùn)用直接數(shù)字頻率合成(direct digital f requency synthesis ,DDS) 技術(shù),研制了射頻四極桿的高壓射頻驅(qū)動(dòng)電路裝置。該驅(qū)動(dòng)器頻率可調(diào)范圍為0.5～2MHz ,幅度最高達(dá)到1000Vp-p 。該射頻四極桿驅(qū)動(dòng)器( radio frequency quadrupole driver , RFQ Driver) 可用于分子離子反應(yīng)器(molecule ion reactor ,MIR)和RFQ驅(qū)動(dòng),其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、成本低、性能穩(wěn)定可靠。

　　射頻四極桿作為離子調(diào)制器或質(zhì)量分析器,被廣泛地應(yīng)用于質(zhì)譜領(lǐng)域。在一定氣壓下,四極桿可以對(duì)離子進(jìn)行碰撞冷卻聚焦,常常作為大氣壓離子源與質(zhì)譜的接口。射頻四極桿結(jié)構(gòu)小巧、掃描速度快、離子傳輸率高、真空要求不是非常高,是小型低價(jià)位質(zhì)譜分析器的理想選擇。雖然四極桿的質(zhì)量范圍不大, 但由于電噴霧電離(elect rospray ionization , ESI) 等大氣壓電離源產(chǎn)生的多電荷離子質(zhì)荷比一般在3000以下,所以四極桿仍可以應(yīng)用于生物大分子分析。同時(shí),四極桿還可以串級(jí)聯(lián)用,其定量能力強(qiáng),因此,射頻四極桿在質(zhì)譜領(lǐng)域的應(yīng)用非常重要。

　　用來(lái)驅(qū)動(dòng)四極桿的高壓射頻電路,通常由電感電容振蕩電路產(chǎn)生,振蕩電路由大功率放大電路驅(qū)動(dòng),需要通過(guò)調(diào)整電感電容振蕩電路的線圈匝數(shù)來(lái)調(diào)整振蕩頻率,以此來(lái)改變質(zhì)譜儀器的質(zhì)量范圍。在生物分子質(zhì)譜儀器中,頻率一般在0.3～1.5MHz,電壓2kVp-p。可是,要購(gòu)買(mǎi)這樣的電路裝置,價(jià)格是非常昂貴的,而且商用電路的頻率通常是固定的,只有改變線圈匝數(shù)才能改變頻率,這樣很不方便。

　　本試驗(yàn)室自制的高分辨飛行時(shí)間質(zhì)譜儀 ,通過(guò)大氣壓離子接口將由ESI 或AP-MALDI ( atmosp heric pressure mat rix-assistedlaser desorption ionization ,大氣壓基體輔助激光解析離子源) 產(chǎn)生的離子引入射頻四極桿系統(tǒng),利用四極桿對(duì)離子束進(jìn)行冷卻聚焦。本工作采用DDS 技術(shù)進(jìn)行信號(hào)發(fā)生,實(shí)現(xiàn)了一套對(duì)飛行時(shí)間質(zhì)譜儀射頻四極桿驅(qū)動(dòng)的簡(jiǎn)易裝置,有助于自制的TOF 提高靈敏度和分辨率的進(jìn)一步研究。

1、RFQ原理及結(jié)構(gòu)

1.1、RFQ的工作原理

　　RFQ的基本工作原理示于圖1 。四極桿由4 個(gè)電極交叉排列,相對(duì)的一對(duì)電極是等電位的,兩對(duì)電極之間電位相反。直流電壓(DC)和疊加的射頻電壓(RF)加在兩對(duì)電極之間,形成射頻電場(chǎng)。根據(jù)不同的工作模式,射頻四極桿可以實(shí)現(xiàn)四極濾質(zhì)器和離子傳輸兩種功能。

圖1 　RFQ的基本原理

　　在濾質(zhì)器模式下,當(dāng)射頻電壓和頻率一定時(shí),只有荷質(zhì)比在某個(gè)范圍的離子能通過(guò)四極桿到達(dá)檢測(cè)器,其他離子會(huì)被濾除。可以傳輸出去的離子荷質(zhì)比由射頻電壓幅值,頻率和加在電極上的直流電壓決定 。

　　在離子傳輸模式下,離子進(jìn)入四極桿后,在射頻場(chǎng)的作用下,會(huì)與背景氣體(如氮?dú)獾? 發(fā)生頻繁碰撞和分子離子反應(yīng),這樣對(duì)離子有冷卻聚焦作用。參數(shù)最佳的情況下,能將離子匯聚成直徑小于0.2mm 的離子束,這樣可以大大減小空間分散。由于離子與氣體發(fā)生頻率的劇烈碰撞,使得離子動(dòng)能得到了大幅度衰減,這樣可以有效的減小離子的初始動(dòng)能分散。這些都會(huì)有利于離子傳輸效率和分析器(如飛行時(shí)間質(zhì)量分析器) 分辨率的提高。

　　本試驗(yàn)室自制的O-TOFMS采用3組不同功能的四極桿,構(gòu)成離子調(diào)制與傳輸系統(tǒng)。

1.2、自制射頻四極桿系統(tǒng)

　　自制三級(jí)射頻四極桿系統(tǒng)(MIR、RFQ、DCQ)的結(jié)構(gòu)圖,示于圖2。3組四極桿各有分工:MIR 結(jié)構(gòu)小巧, 整個(gè)四極桿總長(zhǎng)不到22mm ,MIR 內(nèi)的氣壓維持在25～65 Pa ,離子進(jìn)入四極桿后,在射頻電場(chǎng)的作用下,與氮?dú)夥肿影l(fā)生頻繁碰撞和分子離子反應(yīng); RFQ 是離子調(diào)制與傳輸系統(tǒng)的核心, RFQ 中的氣壓約為1. 33Pa ,射頻電壓約為700Vp2p ,頻率1. 5MHz ,長(zhǎng)約170mm ,離子在背景氣體及射頻電壓的作用下,被會(huì)聚成直徑0. 2mm 的離子束,離子的能量分散小于0. 1 eV ;DCQ 用來(lái)控制離子束的方向,保證離子束準(zhǔn)確通過(guò)入射中心。

圖2 　射頻四極桿結(jié)構(gòu)圖

2、RFQ驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

　　DDS是一種新興的頻率發(fā)生技術(shù),它的頻率分辨率高、范圍寬(從幾Hz 到數(shù)十MHz) ,幾乎可實(shí)現(xiàn)即時(shí)的頻率轉(zhuǎn)換。其體積小、成本低、功耗小、控制靈活,是其他形式信號(hào)源無(wú)法比擬的。DDS 的應(yīng)用使信號(hào)源設(shè)備發(fā)生了革命性的變化,它的應(yīng)用變得越來(lái)越廣泛。RFQ 驅(qū)動(dòng)器功能框圖示于圖3 。單片機(jī)用數(shù)字信號(hào)控制DDS 集成電路,即可輸出指定頻率的正弦波信號(hào)。單片機(jī)作為處理器,還負(fù)責(zé)控制輸出信號(hào)的幅度,檢測(cè)按鍵,控制液晶屏顯示,并負(fù)責(zé)和PC 通訊,接受指令。

圖3 　射頻四極桿驅(qū)動(dòng)器功能框圖

2.1、頻率發(fā)生模塊

　　頻率發(fā)生模塊由DDS 集成電路AD9835單片機(jī)構(gòu)成。AD9835是AD公司生產(chǎn)的一款低功耗、可編程波形發(fā)生器,最高時(shí)鐘頻率為50MHz 。當(dāng)AD9835的時(shí)鐘是25MHz 時(shí),輸出頻率范圍是DC～12.5MHz ,分辨率是0.00582Hz ,它的相移可以是任意倍數(shù)。AD9835 控制靈活方便,采用串行方式加載數(shù)據(jù),只需要單片機(jī)3根口線即可進(jìn)行控制。本設(shè)計(jì)頻率發(fā)射的電路原理圖示于圖4 。

圖4 　射頻四極桿驅(qū)動(dòng)器頻率發(fā)生模塊

　　為保證電路穩(wěn)定性,芯片模擬和數(shù)字部分單獨(dú)去耦。AD9835輸出的信號(hào)只有1.35V ,必須對(duì)其輸出進(jìn)行濾波放大。本設(shè)計(jì)中AD9835的輸出經(jīng)過(guò)無(wú)源濾波后,再經(jīng)過(guò)寬帶放大器uPC1676進(jìn)行放大。AD9835 的輸出經(jīng)放大后給數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換芯片,其輸出再經(jīng)過(guò)射頻運(yùn)放放大,最后給功放,再經(jīng)變壓器升壓給負(fù)載。