基于NI開發平臺的三重四極桿質譜控制系統設計

王曉俊，孫傳強，龔子珊，張 濤，楊 茹，趙學玒,2，汪 曣,2*

(1.天津大學 精密儀器與光電子工程學院，天津 300072；2.天津大學 天津市生物醫學檢測技術與儀器重點實驗室，天津 300072)

三重四極桿質譜[1](Triple quadrupole mass spectrometer，TQMS)是一種串聯質譜，由3組四極桿串聯，其中2組作為質量分析器進行質量過濾，另一組作為碰撞池，通入氮氣、氬氣或氦氣作為碰撞氣，與母離子發生碰撞產生碎片子離子。因此，TQMS具有選擇能力強、靈敏度高、特異性強的特點，多用于有機物檢測，也是一種重要的臨床分析儀器。在實際應用中，TQMS常與液相色譜聯用，廣泛應用于臨床和醫學檢驗、農藥殘留檢測等領域[2]。四極桿作為TQMS的核心部件，直接影響四極桿質量范圍及分辨率等指標。近年來，研究者基于四極桿的基礎理論研究了離子在四極桿中的運動規律與電場分布的關系[3-4]，江游等[5]利用32位MCU和FPGA設計實現了單四極桿和離子阱通用的數字控制系統。目前，國內使用的商品化質譜儀基本依賴進口，而三重四極桿質譜儀高昂的進口價格及使用、維護成本極大地限制了我國食品安全、醫療檢驗等領域的裝備能力和檢測水平。因此，亟待建立具有自主知識產權的可擴展、易維護的三重四極桿控制系統。

本文基于NI開發平臺，利用LabVIEW軟件開發設計出一套自動化程度高、操作簡單、通用的質譜控制系統。該系統具有真空控制、離子源溫度控制、氣路控制、四極桿掃描及數據采集和上位機等單元。其中真空控制提供儀器正常工作的真空環境；離子源溫控單元控制樣品電離源加熱溫度；氣路控制單元控制碰撞氣等氣體流量；四極桿掃描及數據采集單元控制三組四極桿掃描模式、離子光路及離子脈沖計數；上位機負責人機交互及數據結果呈現。

1 三重四極桿質譜原理

三重四極桿質譜儀器原理結構圖如圖1所示。TQMS主要包括真空系統、離子源、接口、離子傳輸系統、碰撞及檢測系統、計算機控制系統。其中真空系統由機械泵、渦輪分子泵、真空規配合實現，為儀器正常工作提供真空環境。離子源出口真空度需維持在1 Pa左右，而檢測器部分真空應維持在1.3×10-3Pa。三重四極桿質譜常用離子源有電噴霧電離源(Electrospray ionization，ESI)和大氣壓力化學電離源(Atmospheric pressure chemical ionization，APCI)，前者可使樣品形成帶電液滴噴霧，在去溶劑化過程中形成樣品離子；后者則先形成霧，然后在電暈放電針放電形成高壓電弧的作用下，使樣品電離，然后去溶劑化形成帶電離子。三重四極桿質譜的3組四極桿在不同的掃描模式下，被施加不同的電場，對離子具有篩選、傳輸、加速、聚焦、碎裂、分離等作用。其中Q1和Q3為質量分析器，具有離子篩選功能；Q2為碰撞反應池，可將母離子進一步解離，形成子離子供Q3四極桿質量分析器分析[6]。最后離子打在具有將微弱信號放大功能的電子倍增器上，形成微弱電流，經電信號調諧后轉換成脈沖信號，由微處理器計數產生數據并上傳至電腦端上位機，經處理生成譜圖。三重四極質譜共有全掃描(Scan)、選擇離子掃描(Selected ion monitoring,SIM)、母離子掃描(Precursor ion scan，PC)、子離子掃描(Product ion scan，PI)、中性丟失掃描(Neutrallost scan，NL)、多反應監測(Multiple reaction monitoring,MRM)6種掃描模式[7],可根據研究目的選擇不同的模式。

圖1 三重四極桿質譜結構圖Fig.1 Diagram of triple quadrupole mass spectrogram structure

根據四極場理論[8-9]，四極桿質量分析器由固定在陶瓷筒上的4根相互平行、對稱放置的圓桿組成，四極桿上帶有直流電壓(DC)和交流射頻電壓(RF)[10]。四極桿上施加的射頻電源電勢為：

φ0=±(U-Vcosωt)

(1)

式(1)中：φ0為加在四極桿電極上的電勢(V)，U為射頻電源中的直流電壓(V)，V是射頻電源交流電壓的振幅(V)，ω是射頻電源的角頻率(rad/s)，t為時間(s)。四極桿結構如圖2A所示，其中相對的極桿施加相同電位，相鄰極桿極性相反，理想情況下，四極桿包裹的空間橫截面的電場分布近似雙曲線分布。四極桿具有離子傳輸和質量分析兩種模式：作為離子傳輸時，只需在四極桿上加載射頻電壓；作為質量分析器時，四極桿上需加載交直流耦合的射頻電壓，通過改變U/V值或交流電壓頻率ω，實現離子質量掃描篩選，因此U/V或ω值控制的精確度與穩定性直接關系到待檢測質量數的離子能否穩定通過四極桿。根據Mathieu方程及四極桿穩定圖(圖2B)可知，四極桿實現質量過濾功能必須工作在第一穩定區[11]。Mathieu方程求解過程可參考文獻[8]，其中a、q是方程的兩個重要參數,其計算公式如式(2)所示。

(2)

如果a、q在穩定區域，則離子可以穩定通過四極桿；如果a、q在不穩定區域，離子因不穩定而飛出四極場。a/q=2U/V的值為圖中掃描線斜率，掃描線與穩定區兩交點的q值距離越大，則四極桿的質量分辨能力越好[12]。

圖2 四極桿結構(A)及穩定圖(B)Fig.2 Quadrupole structure(A) and stability map(B)

2 控制系統設計

本研究設計的控制系統硬件由NI控制板卡及輔助電路組成。利用LabVIEW軟件編程，通過NI板卡實現三重四極桿質譜自動抽真空控制、碰撞氣等氣體流量壓力控制、離子源恒溫加熱控制、離子傳輸透鏡控制、四極桿掃描控制、離子信號檢測采集控制、上位機交互等功能，發揮控制板卡高速、并行執行的優勢，并優化儀器組件間功能協調，完成三重四極桿質譜控制系統。根據儀器部件功能將控制系統劃分成6個子系統，各子系統結構如圖3所示。

圖4 控制系統硬件資源及結構Fig.4 Diagram of control system hardware resources and structure

圖5 真空系統控制邏輯圖Fig.5 Diagram of vacuum system control logic

2.1 控制系統硬件方案

本設計采用NI開發平臺(PXI機箱)作為控制系統硬件平臺，LabVIEW編寫控制系統程序實現儀器部件控制。系統采用的NI開發平臺控制板卡硬件資源如圖4所示，其中PXIe-8840板卡為PC機及控制系統的核心，同時可為用戶提供交互操作界面；PXIe-6363板卡可直接輸入32路模擬信號，板卡具有16 bit高精度模數轉換功能和48個可編程數字I/O；PXIe -6738板卡具有32路高精度16 bit數字轉模擬電壓輸出功能，可為輔助放大電路提供前級參考電壓，經放大、調諧、耦合后的交直流信號可直接輸出到四極桿或離子透鏡等；其中模擬輸入、輸出電壓范圍-10～10 V可調，支持單端、差分、偽差分模式；經電子倍增器增強的離子電流信號經調諧后，轉換成離子脈沖信號，由PXIe-6612板卡進行計數，其計數頻率最高可達80 MHz，同時還擁有40個I/O資源；PXI-8430提供兩路支持高性能DMA傳輸、多線程和多處理器控制的標準RS232串口通信接口，可用于分子泵及真空規等的控制。

2.2 氣路控制系統設計

本設計選用氮氣作為三重四極桿質譜正常工作氣體，根據其作用不同可分為碰撞氣、氣簾氣、霧化氣、輔助氣4種。進入碰撞反應池的碰撞氣流量由微型電磁閥控制，該電磁閥具有結構小巧、安裝方便等優點。選用4個電磁閥組成編碼開關，僅需4個TTL電平數字I/O即可完成控制；氣簾氣、霧化氣、輔助氣則采用3個微型高壓大流量比例閥控制，流量范圍為0～8 L/min，該電磁閥根據輸入的電流信號提供精確地氣體流量控制，即氣體流量與輸入信號成比例關系，支持電流控制、電壓控制、PWM脈寬調制3種流量控制模式。本研究選用電壓控制模式，流量控制精度為0.1%。同時采用霍尼韋爾壓力傳感器監測氣簾氣、霧化氣、輔助氣的實際輸出流量，傳感器具有自動溫度補償、體積小、噪聲低等優點，測量范圍為0～0.69×107Pa。

2.3 真空控制系統設計

質譜真空環境條件需由前級機械泵、分子泵共同實現。機械泵可直接從大氣壓開始工作，而分子泵需在低于0.1 Pa高真空環境下工作，因此控制系統需保證達到分子泵的基本工作條件，方能開啟分子泵。真空度一般使用真空規進行測量，其中皮拉尼電阻規、熱電偶規屬于低真空規；低于0.1 Pa的高真空一般使用熱陰極電離規、冷陰極電離規。本控制系統中采用Pfeiffer(IKR 261，德國普發)復合式真空規，由冷陰極規與皮拉尼規組成，測量范圍可達103～10-8Pa。

真空控制系統控制流程如圖5所示，其中分子泵采用RS232串口通訊控制，通信參數為15 200波特率，8位數據位，1位停止位進行通訊，可實時獲取泵的轉速及溫度等參數。利用板卡模擬采集資源采集真空規輸出的實時電壓，根據真空規手冊中真空度與電壓關系P=101.66U-9.333Pa計算真空度，其中U為真空規輸出電壓。真空控制系統不僅能自動控制泵、規、氣，從而建立真空環境，還具有應急保護機制。當前級壓力高于0 Pa時，分子泵將自動關閉電源。另一方面，當分子泵長時間抽真空而不能達到預設真空度時，設置3次重啟嘗試，若依然不能達到真空環境，機器則自動報錯并停止運行。

2.4 離子源加熱系統設計

離子源溫度控制系統包括離子源溫度測量和離子源加熱控制兩部分。離子源中共有兩處精確、可調控溫系統，一處在離子源內為樣品形成霧化氣加熱，另一處在接口錐處加熱。本研究溫度測量傳感器選用PT1000鉑電阻(溫度為0 ℃時為1 000 Ω)，采用三線制連接電路。溫度傳感器輸出信號經高精度差分放大器放大，然后輸入到16位8通道高精度ADS8568同步采樣轉換器。當溫度在0～850 ℃時，電阻與溫度的關系[13]如式(3)所示：

Rt=R0(1+At+Bt2)

(3)

式中，Rt(Ω)是溫度t時的鉑電阻阻值；R0(Ω)是溫度為0時的鉑電阻阻值；t(℃)為溫度；溫度系數TCR=0.003 851時，A=3.908×10-3℃-1，B=-5.802×10-7℃-2。由式(3)可知，鉑電阻阻值與溫度成非標準線性關系。采用牛頓迭代法快速搜索阻值對應最佳溫度值。

離子源的溫度設定后需要精確控溫，本研究采用電阻絲加熱，通過增量式PID算法調制PWM脈寬實現溫度精確控制，具有較好的魯棒性，溫度控制流程見圖6。利用控制板卡自帶的PWM脈寬調制功能輸出PWM波到MOS管驅動電路，通過改變PWM波占空比控制加熱絲加熱速度。同時根據PT1000采集的實際溫度與設定溫度的差作為輸入，經過PID算法計算，控制下一次的PWM輸出脈寬。

圖6 溫度控制流程圖Fig.6 Diagram of control temperature

2.5 質譜掃描與數據采集系統設計

本控制系統應用于自制TQMS儀器平臺，四極桿質量分析器圓桿直徑為9.4 mm，長20 cm，固定其工作頻率為816 kHz，通過改變四極桿上直流與射頻電壓比值實現不同質量的離子通過四極桿。四極桿掃描電路控制結構如圖7所示，電路由16 bit高精度DA控制板卡輸出四極桿掃描驅動電壓，分別輸入至不同的放大電路，經放大調諧后輸出到四極桿。根據電路反饋信號改變乘法電路增益倍數，形成負反饋閉環電路，有利于提高輸出電壓的穩定性。為提高質譜分辨率及穩定性，分別對交直流電路進行優化。將輸入到四極桿直流電壓放大電路的驅動電壓U分成Udc和ΔUdc兩部分，且U=Udc+ΔUdc。其中，Udc滿足四極桿質譜的掃描線斜率為k，即k=a/q=2Udc/Vac成立；另一部分通過改變ΔUdc大小，可實現對局部質量分辨率進行優化的目的。將射頻電路負反饋電壓作為射頻放大電路電壓增益系數，使射頻電壓具有較好的穩定性及重復性。

圖7 四極桿供電控制結構圖Fig.7 Quadrupole configuration diagram of the power supply control

三重四極桿質譜利用了四極桿的不同工作模式進行串聯組合，可實現全掃描(Full scan)、母離子掃描(PC)、子離子掃描(PI)、中性丟失(NL)、單離子監測(SIM)和多反應監測(MRM)掃描6種模式。在各個掃描模式下，需控制系統對每個四極桿施加相應的交直流電壓，具體施加電壓總結如表1所示[14]。其中，DC/RF表示需在四極桿上施加直流電壓與射頻電壓耦合電場，RF表示只需施加射頻電場。由表1可知，只有全掃描模式下，Q2四極桿無需碰撞氣，同時Q2一直工作在離子傳輸模式下。

表1 四極桿電場控制表Table 1 Quadrupole electric field control

數據采集系統由通道電子倍增器(CEM)、信號調諧電路和離子脈沖信號采集系統組成，其中通道電子倍增器是一種具有放大微弱信號功能的二維連續打拿極倍增器。經倍增器放大后的微弱電流信號由調諧電路放大并轉換成離子電壓脈沖信號，由PXIe-6612高頻脈沖計數器計數后處理成質譜圖。

2.6 軟件設計

軟件總體設計基于面向對象的、分層次的、模塊化的程序結構設計思想[15]，以便于未來的軟件維護和擴展。LabVIEW軟件屬于結構化圖形化編程軟件，具有高效、快速、靈活的開發特點。本設計首先利用LabVIEW開發底層的硬件驅動類庫，然后根據控制系統軟件功能向上派生不同的部件控制類庫，控制系統架構如圖8所示。共4層結構，由系統主程序獲取用戶操作任務，然后將任務邏輯處理后分配給部件控制類庫程序執行，再由控制板卡實現數模轉換或邏輯I/O輸出功能，實現儀器部件控制功能。其中部分控制卡輸出電路信號需經過輔助電路進行放大處理或增加驅動能力輸入到儀器傳感器或關鍵部件。該架構既能降低硬件對軟件的依賴，又能提升軟件的開發效率及可維護性。

圖8 系統架構圖Fig.8 Diagram of system architecture

3 控制系統軟件功能測試

將本工作設計的三重四極質譜控制系統，在自制的儀器上進行測試，真空系統采用普發公司分子泵及真空規實現，可滿足儀器實驗要求。溫度控制系統使用了增量式PID算法，只需與最近幾次采樣值進行比較，具有反應速度快，控制方便的優點。對比發現溫度設定值與實際溫度值誤差在±0.5 ℃范圍內，完全滿足儀器要求。

圖9 射頻信號波形圖Fig.9 Diagram of RF signal waveform

3.1 四極桿掃描波形輸出

本工作所使用的PXIe-6738控制板卡可輸出Vp-p值為0～10 V線性可調、頻率0～2 MHz的正弦波、方波等波形信號，圖9為示波器(安捷倫MSOX3022T，200 MHz帶寬)測得的固定頻率816 kHz、Vp-p為5 V的正弦信號，頻率誤差約為±5 Hz，在儀器允許誤差范圍內，可作為四極桿掃描射頻驅動信號。四極桿射頻電源對于輸出電壓穩定性至關重要，通過軟件控制NI控制板卡輸出四極桿驅動電壓信號掃描質量數為500～1 000 amu，步進為100 amu的離子，獲得的掃描電壓信號如圖10A所示。為進一步研究射頻電源性能，將質量數間隔設為1 amu，對100～150 amu和200～250 amu 兩段質量數進行掃描，掃描電壓信號如圖10B所示。多次測試結果顯示，掃描電壓無干擾信號或抖動，具有較好的重復性和穩定性，滿足儀器工作條件。

圖10 質量掃描驅動電路輸出信號波形Fig.10 Output signal waveform of quality scan drive circuitA:the driving voltage of scanning 500～1 000 amu ions(掃描500～1 000 質量數離子的驅動電壓)；B:the driving voltage of scanning 100～150 and 200～250 amu ions(掃描100～150和200～250質量數離子的驅動電壓)

圖11 控制系統界面圖Fig.11 Interface diagram ofcontrol system

3.2 環孢素A實驗

將設計的控制系統軟件應用于自制TQMS中，通過檢測環孢素A(CsA)標準樣品檢驗其穩定性及可靠性。CsA是一種被廣泛用于預防器官移植排斥的免疫抑制劑，其化學式為C62H111N11O12，質量數為1 202.62 Da。在22 ℃、濕度25%的實驗條件下，利用本系統測定購自Toronto Research Chemicals(TRC，貨號C988900)公司的CsA標準樣品，樣品質量濃度為100 ng/mL，利用注射泵進樣，選擇正離子單離子模式進行掃描，獲得質譜峰，控制軟件界面及CsA質譜峰結果如圖11所示，其中質量數為1 202.8 Da處的質譜峰為CsA子離子峰，半峰寬為0.44 amu，與標準樣品的質量數吻合，質量數為1 219.9 Da的小峰則為CsA的氨合離子峰。

4 結 論

本工作基于NI平臺控制板卡及輔助電路，利用LabVIEW程序高效、快速開發的優勢，編寫了一套軟硬件分離、穩定性好、可擴展的三重四極桿質譜控制軟件。并應用該軟件實現了TQMS真空環境建立、氣體流量控制、恒溫加熱、串聯三重四極桿掃描及數據采集處理等功能。同時，通過檢測CsA標準樣品驗證了軟件的可靠性及穩定性。該儀器系統開發方法可應用于同類儀器控制系統軟件開發中。