針對自制垂直引入式飛行時間質譜儀(orthogonal ext raction time-of-flight mass spect rometer , O-TOFMS)的需要,運用直接數字頻率合成(direct digital f requency synthesis ,DDS) 技術,研制了射頻四極桿的高壓射頻驅動電路裝置。該驅動器頻率可調范圍為0.5～2MHz ,幅度最高達到1000Vp-p 。該射頻四極桿驅動器( radio frequency quadrupole driver , RFQ Driver) 可用于分子離子反應器(molecule ion reactor ,MIR)和RFQ驅動,其結構簡潔、成本低、性能穩定可靠。

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

　　用來驅動四極桿的高壓射頻電路,通常由電感電容振蕩電路產生,振蕩電路由大功率放大電路驅動,需要通過調整電感電容振蕩電路的線圈匝數來調整振蕩頻率,以此來改變質譜儀器的質量范圍。在生物分子質譜儀器中,頻率一般在0.3～1.5MHz,電壓2kVp-p。可是,要購買這樣的電路裝置,價格是非常昂貴的,而且商用電路的頻率通常是固定的,只有改變線圈匝數才能改變頻率,這樣很不方便。

　　本試驗室自制的高分辨飛行時間質譜儀 ,通過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) 產生的離子引入射頻四極桿系統,利用四極桿對離子束進行冷卻聚焦。本工作采用DDS 技術進行信號發生,實現了一套對飛行時間質譜儀射頻四極桿驅動的簡易裝置,有助于自制的TOF 提高靈敏度和分辨率的進一步研究。

1、RFQ原理及結構

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 個電極交叉排列,相對的一對電極是等電位的,兩對電極之間電位相反。直流電壓(DC)和疊加的射頻電壓(RF)加在兩對電極之間,形成射頻電場。根據不同的工作模式,射頻四極桿可以實現四極濾質器和離子傳輸兩種功能。

圖1 　RFQ的基本原理

　　在濾質器模式下,當射頻電壓和頻率一定時,只有荷質比在某個范圍的離子能通過四極桿到達檢測器,其他離子會被濾除。可以傳輸出去的離子荷質比由射頻電壓幅值,頻率和加在電極上的直流電壓決定 。

　　在離子傳輸模式下,離子進入四極桿后,在射頻場的作用下,會與背景氣體(如氮氣等) 發生頻繁碰撞和分子離子反應,這樣對離子有冷卻聚焦作用。參數最佳的情況下,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。由于離子與氣體發生頻率的劇烈碰撞,使得離子動能得到了大幅度衰減,這樣可以有效的減小離子的初始動能分散。這些都會有利于離子傳輸效率和分析器(如飛行時間質量分析器) 分辨率的提高。

　　本試驗室自制的O-TOFMS采用3組不同功能的四極桿,構成離子調制與傳輸系統。

1.2、自制射頻四極桿系統

　　自制三級射頻四極桿系統(MIR、RFQ、DCQ)的結構圖,示于圖2。3組四極桿各有分工:MIR 結構小巧, 整個四極桿總長不到22mm ,MIR 內的氣壓維持在25～65 Pa ,離子進入四極桿后,在射頻電場的作用下,與氮氣分子發生頻繁碰撞和分子離子反應; RFQ 是離子調制與傳輸系統的核心, RFQ 中的氣壓約為1. 33Pa ,射頻電壓約為700Vp2p ,頻率1. 5MHz ,長約170mm ,離子在背景氣體及射頻電壓的作用下,被會聚成直徑0. 2mm 的離子束,離子的能量分散小于0. 1 eV ;DCQ 用來控制離子束的方向,保證離子束準確通過入射中心。

圖2 　射頻四極桿結構圖

2、RFQ驅動器設計

　　DDS是一種新興的頻率發生技術,它的頻率分辨率高、范圍寬(從幾Hz 到數十MHz) ,幾乎可實現即時的頻率轉換。其體積小、成本低、功耗小、控制靈活,是其他形式信號源無法比擬的。DDS 的應用使信號源設備發生了革命性的變化,它的應用變得越來越廣泛。RFQ 驅動器功能框圖示于圖3 。單片機用數字信號控制DDS 集成電路,即可輸出指定頻率的正弦波信號。單片機作為處理器,還負責控制輸出信號的幅度,檢測按鍵,控制液晶屏顯示,并負責和PC 通訊,接受指令。

圖3 　射頻四極桿驅動器功能框圖

2.1、頻率發生模塊

　　頻率發生模塊由DDS 集成電路AD9835單片機構成。AD9835是AD公司生產的一款低功耗、可編程波形發生器,最高時鐘頻率為50MHz 。當AD9835的時鐘是25MHz 時,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。AD9835 控制靈活方便,采用串行方式加載數據,只需要單片機3根口線即可進行控制。本設計頻率發射的電路原理圖示于圖4 。

圖4 　射頻四極桿驅動器頻率發生模塊

　　為保證電路穩定性,芯片模擬和數字部分單獨去耦。AD9835輸出的信號只有1.35V ,必須對其輸出進行濾波放大。本設計中AD9835的輸出經過無源濾波后,再經過寬帶放大器uPC1676進行放大。AD9835 的輸出經放大后給數字模擬轉換芯片,其輸出再經過射頻運放放大,最后給功放,再經變壓器升壓給負載。