基于NI开发平台的三重四极杆质谱控制系统设计

王晓俊，孙传强，龚子珊，张 涛，杨 茹，赵学玒,2，汪 曣,2*

(1.天津大学 精密仪器与光电子工程学院，天津 300072；2.天津大学 天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室，天津 300072)

三重四极杆质谱[1](Triple quadrupole mass spectrometer，TQMS)是一种串联质谱，由3组四极杆串联，其中2组作为质量分析器进行质量过滤，另一组作为碰撞池，通入氮气、氩气或氦气作为碰撞气，与母离子发生碰撞产生碎片子离子。因此，TQMS具有选择能力强、灵敏度高、特异性强的特点，多用于有机物检测，也是一种重要的临床分析仪器。在实际应用中，TQMS常与液相色谱联用，广泛应用于临床和医学检验、农药残留检测等领域[2]。四极杆作为TQMS的核心部件，直接影响四极杆质量范围及分辨率等指标。近年来，研究者基于四极杆的基础理论研究了离子在四极杆中的运动规律与电场分布的关系[3-4]，江游等[5]利用32位MCU和FPGA设计实现了单四极杆和离子阱通用的数字控制系统。目前，国内使用的商品化质谱仪基本依赖进口，而三重四极杆质谱仪高昂的进口价格及使用、维护成本极大地限制了我国食品安全、医疗检验等领域的装备能力和检测水平。因此，亟待建立具有自主知识产权的可扩展、易维护的三重四极杆控制系统。

本文基于NI开发平台，利用LabVIEW软件开发设计出一套自动化程度高、操作简单、通用的质谱控制系统。该系统具有真空控制、离子源温度控制、气路控制、四极杆扫描及数据采集和上位机等单元。其中真空控制提供仪器正常工作的真空环境；离子源温控单元控制样品电离源加热温度；气路控制单元控制碰撞气等气体流量；四极杆扫描及数据采集单元控制三组四极杆扫描模式、离子光路及离子脉冲计数；上位机负责人机交互及数据结果呈现。

1 三重四极杆质谱原理

三重四极杆质谱仪器原理结构图如图1所示。TQMS主要包括真空系统、离子源、接口、离子传输系统、碰撞及检测系统、计算机控制系统。其中真空系统由机械泵、涡轮分子泵、真空规配合实现，为仪器正常工作提供真空环境。离子源出口真空度需维持在1 Pa左右，而检测器部分真空应维持在1.3×10-3Pa。三重四极杆质谱常用离子源有电喷雾电离源(Electrospray ionization，ESI)和大气压力化学电离源(Atmospheric pressure chemical ionization，APCI)，前者可使样品形成带电液滴喷雾，在去溶剂化过程中形成样品离子；后者则先形成雾，然后在电晕放电针放电形成高压电弧的作用下，使样品电离，然后去溶剂化形成带电离子。三重四极杆质谱的3组四极杆在不同的扫描模式下，被施加不同的电场，对离子具有筛选、传输、加速、聚焦、碎裂、分离等作用。其中Q1和Q3为质量分析器，具有离子筛选功能；Q2为碰撞反应池，可将母离子进一步解离，形成子离子供Q3四极杆质量分析器分析[6]。最后离子打在具有将微弱信号放大功能的电子倍增器上，形成微弱电流，经电信号调谐后转换成脉冲信号，由微处理器计数产生数据并上传至电脑端上位机，经处理生成谱图。三重四极质谱共有全扫描(Scan)、选择离子扫描(Selected ion monitoring,SIM)、母离子扫描(Precursor ion scan，PC)、子离子扫描(Product ion scan，PI)、中性丢失扫描(Neutrallost scan，NL)、多反应监测(Multiple reaction monitoring,MRM)6种扫描模式[7],可根据研究目的选择不同的模式。

图1 三重四极杆质谱结构图Fig.1 Diagram of triple quadrupole mass spectrogram structure

根据四极场理论[8-9]，四极杆质量分析器由固定在陶瓷筒上的4根相互平行、对称放置的圆杆组成，四极杆上带有直流电压(DC)和交流射频电压(RF)[10]。四极杆上施加的射频电源电势为：

φ0=±(U-Vcosωt)

(1)

式(1)中：φ0为加在四极杆电极上的电势(V)，U为射频电源中的直流电压(V)，V是射频电源交流电压的振幅(V)，ω是射频电源的角频率(rad/s)，t为时间(s)。四极杆结构如图2A所示，其中相对的极杆施加相同电位，相邻极杆极性相反，理想情况下，四极杆包裹的空间横截面的电场分布近似双曲线分布。四极杆具有离子传输和质量分析两种模式：作为离子传输时，只需在四极杆上加载射频电压；作为质量分析器时，四极杆上需加载交直流耦合的射频电压，通过改变U/V值或交流电压频率ω，实现离子质量扫描筛选，因此U/V或ω值控制的精确度与稳定性直接关系到待检测质量数的离子能否稳定通过四极杆。根据Mathieu方程及四极杆稳定图(图2B)可知，四极杆实现质量过滤功能必须工作在第一稳定区[11]。Mathieu方程求解过程可参考文献[8]，其中a、q是方程的两个重要参数,其计算公式如式(2)所示。

(2)

如果a、q在稳定区域，则离子可以稳定通过四极杆；如果a、q在不稳定区域，离子因不稳定而飞出四极场。a/q=2U/V的值为图中扫描线斜率，扫描线与稳定区两交点的q值距离越大，则四极杆的质量分辨能力越好[12]。

图2 四极杆结构(A)及稳定图(B)Fig.2 Quadrupole structure(A) and stability map(B)

2 控制系统设计

本研究设计的控制系统硬件由NI控制板卡及辅助电路组成。利用LabVIEW软件编程，通过NI板卡实现三重四极杆质谱自动抽真空控制、碰撞气等气体流量压力控制、离子源恒温加热控制、离子传输透镜控制、四极杆扫描控制、离子信号检测采集控制、上位机交互等功能，发挥控制板卡高速、并行执行的优势，并优化仪器组件间功能协调，完成三重四极杆质谱控制系统。根据仪器部件功能将控制系统划分成6个子系统，各子系统结构如图3所示。

图4 控制系统硬件资源及结构Fig.4 Diagram of control system hardware resources and structure

图5 真空系统控制逻辑图Fig.5 Diagram of vacuum system control logic

2.1 控制系统硬件方案

本设计采用NI开发平台(PXI机箱)作为控制系统硬件平台，LabVIEW编写控制系统程序实现仪器部件控制。系统采用的NI开发平台控制板卡硬件资源如图4所示，其中PXIe-8840板卡为PC机及控制系统的核心，同时可为用户提供交互操作界面；PXIe-6363板卡可直接输入32路模拟信号，板卡具有16 bit高精度模数转换功能和48个可编程数字I/O；PXIe -6738板卡具有32路高精度16 bit数字转模拟电压输出功能，可为辅助放大电路提供前级参考电压，经放大、调谐、耦合后的交直流信号可直接输出到四极杆或离子透镜等；其中模拟输入、输出电压范围-10～10 V可调，支持单端、差分、伪差分模式；经电子倍增器增强的离子电流信号经调谐后，转换成离子脉冲信号，由PXIe-6612板卡进行计数，其计数频率最高可达80 MHz，同时还拥有40个I/O资源；PXI-8430提供两路支持高性能DMA传输、多线程和多处理器控制的标准RS232串口通信接口，可用于分子泵及真空规等的控制。

2.2 气路控制系统设计

本设计选用氮气作为三重四极杆质谱正常工作气体，根据其作用不同可分为碰撞气、气帘气、雾化气、辅助气4种。进入碰撞反应池的碰撞气流量由微型电磁阀控制，该电磁阀具有结构小巧、安装方便等优点。选用4个电磁阀组成编码开关，仅需4个TTL电平数字I/O即可完成控制；气帘气、雾化气、辅助气则采用3个微型高压大流量比例阀控制，流量范围为0～8 L/min，该电磁阀根据输入的电流信号提供精确地气体流量控制，即气体流量与输入信号成比例关系，支持电流控制、电压控制、PWM脉宽调制3种流量控制模式。本研究选用电压控制模式，流量控制精度为0.1%。同时采用霍尼韦尔压力传感器监测气帘气、雾化气、辅助气的实际输出流量，传感器具有自动温度补偿、体积小、噪声低等优点，测量范围为0～0.69×107Pa。

2.3 真空控制系统设计

质谱真空环境条件需由前级机械泵、分子泵共同实现。机械泵可直接从大气压开始工作，而分子泵需在低于0.1 Pa高真空环境下工作，因此控制系统需保证达到分子泵的基本工作条件，方能开启分子泵。真空度一般使用真空规进行测量，其中皮拉尼电阻规、热电偶规属于低真空规；低于0.1 Pa的高真空一般使用热阴极电离规、冷阴极电离规。本控制系统中采用Pfeiffer(IKR 261，德国普发)复合式真空规，由冷阴极规与皮拉尼规组成，测量范围可达103～10-8Pa。

真空控制系统控制流程如图5所示，其中分子泵采用RS232串口通讯控制，通信参数为15 200波特率，8位数据位，1位停止位进行通讯，可实时获取泵的转速及温度等参数。利用板卡模拟采集资源采集真空规输出的实时电压，根据真空规手册中真空度与电压关系P=101.66U-9.333Pa计算真空度，其中U为真空规输出电压。真空控制系统不仅能自动控制泵、规、气，从而建立真空环境，还具有应急保护机制。当前级压力高于0 Pa时，分子泵将自动关闭电源。另一方面，当分子泵长时间抽真空而不能达到预设真空度时，设置3次重启尝试，若依然不能达到真空环境，机器则自动报错并停止运行。

2.4 离子源加热系统设计

离子源温度控制系统包括离子源温度测量和离子源加热控制两部分。离子源中共有两处精确、可调控温系统，一处在离子源内为样品形成雾化气加热，另一处在接口锥处加热。本研究温度测量传感器选用PT1000铂电阻(温度为0 ℃时为1 000 Ω)，采用三线制连接电路。温度传感器输出信号经高精度差分放大器放大，然后输入到16位8通道高精度ADS8568同步采样转换器。当温度在0～850 ℃时，电阻与温度的关系[13]如式(3)所示：

Rt=R0(1+At+Bt2)

(3)

式中，Rt(Ω)是温度t时的铂电阻阻值；R0(Ω)是温度为0时的铂电阻阻值；t(℃)为温度；温度系数TCR=0.003 851时，A=3.908×10-3℃-1，B=-5.802×10-7℃-2。由式(3)可知，铂电阻阻值与温度成非标准线性关系。采用牛顿迭代法快速搜索阻值对应最佳温度值。

离子源的温度设定后需要精确控温，本研究采用电阻丝加热，通过增量式PID算法调制PWM脉宽实现温度精确控制，具有较好的鲁棒性，温度控制流程见图6。利用控制板卡自带的PWM脉宽调制功能输出PWM波到MOS管驱动电路，通过改变PWM波占空比控制加热丝加热速度。同时根据PT1000采集的实际温度与设定温度的差作为输入，经过PID算法计算，控制下一次的PWM输出脉宽。

图6 温度控制流程图Fig.6 Diagram of control temperature

2.5 质谱扫描与数据采集系统设计

本控制系统应用于自制TQMS仪器平台，四极杆质量分析器圆杆直径为9.4 mm，长20 cm，固定其工作频率为816 kHz，通过改变四极杆上直流与射频电压比值实现不同质量的离子通过四极杆。四极杆扫描电路控制结构如图7所示，电路由16 bit高精度DA控制板卡输出四极杆扫描驱动电压，分别输入至不同的放大电路，经放大调谐后输出到四极杆。根据电路反馈信号改变乘法电路增益倍数，形成负反馈闭环电路，有利于提高输出电压的稳定性。为提高质谱分辨率及稳定性，分别对交直流电路进行优化。将输入到四极杆直流电压放大电路的驱动电压U分成Udc和ΔUdc两部分，且U=Udc+ΔUdc。其中，Udc满足四极杆质谱的扫描线斜率为k，即k=a/q=2Udc/Vac成立；另一部分通过改变ΔUdc大小，可实现对局部质量分辨率进行优化的目的。将射频电路负反馈电压作为射频放大电路电压增益系数，使射频电压具有较好的稳定性及重复性。

图7 四极杆供电控制结构图Fig.7 Quadrupole configuration diagram of the power supply control

三重四极杆质谱利用了四极杆的不同工作模式进行串联组合，可实现全扫描(Full scan)、母离子扫描(PC)、子离子扫描(PI)、中性丢失(NL)、单离子监测(SIM)和多反应监测(MRM)扫描6种模式。在各个扫描模式下，需控制系统对每个四极杆施加相应的交直流电压，具体施加电压总结如表1所示[14]。其中，DC/RF表示需在四极杆上施加直流电压与射频电压耦合电场，RF表示只需施加射频电场。由表1可知，只有全扫描模式下，Q2四极杆无需碰撞气，同时Q2一直工作在离子传输模式下。

表1 四极杆电场控制表Table 1 Quadrupole electric field control

数据采集系统由通道电子倍增器(CEM)、信号调谐电路和离子脉冲信号采集系统组成，其中通道电子倍增器是一种具有放大微弱信号功能的二维连续打拿极倍增器。经倍增器放大后的微弱电流信号由调谐电路放大并转换成离子电压脉冲信号，由PXIe-6612高频脉冲计数器计数后处理成质谱图。

2.6 软件设计

软件总体设计基于面向对象的、分层次的、模块化的程序结构设计思想[15]，以便于未来的软件维护和扩展。LabVIEW软件属于结构化图形化编程软件，具有高效、快速、灵活的开发特点。本设计首先利用LabVIEW开发底层的硬件驱动类库，然后根据控制系统软件功能向上派生不同的部件控制类库，控制系统架构如图8所示。共4层结构，由系统主程序获取用户操作任务，然后将任务逻辑处理后分配给部件控制类库程序执行，再由控制板卡实现数模转换或逻辑I/O输出功能，实现仪器部件控制功能。其中部分控制卡输出电路信号需经过辅助电路进行放大处理或增加驱动能力输入到仪器传感器或关键部件。该架构既能降低硬件对软件的依赖，又能提升软件的开发效率及可维护性。

图8 系统架构图Fig.8 Diagram of system architecture

3 控制系统软件功能测试

将本工作设计的三重四极质谱控制系统，在自制的仪器上进行测试，真空系统采用普发公司分子泵及真空规实现，可满足仪器实验要求。温度控制系统使用了增量式PID算法，只需与最近几次采样值进行比较，具有反应速度快，控制方便的优点。对比发现温度设定值与实际温度值误差在±0.5 ℃范围内，完全满足仪器要求。

图9 射频信号波形图Fig.9 Diagram of RF signal waveform

3.1 四极杆扫描波形输出

本工作所使用的PXIe-6738控制板卡可输出Vp-p值为0～10 V线性可调、频率0～2 MHz的正弦波、方波等波形信号，图9为示波器(安捷伦MSOX3022T，200 MHz带宽)测得的固定频率816 kHz、Vp-p为5 V的正弦信号，频率误差约为±5 Hz，在仪器允许误差范围内，可作为四极杆扫描射频驱动信号。四极杆射频电源对于输出电压稳定性至关重要，通过软件控制NI控制板卡输出四极杆驱动电压信号扫描质量数为500～1 000 amu，步进为100 amu的离子，获得的扫描电压信号如图10A所示。为进一步研究射频电源性能，将质量数间隔设为1 amu，对100～150 amu和200～250 amu 两段质量数进行扫描，扫描电压信号如图10B所示。多次测试结果显示，扫描电压无干扰信号或抖动，具有较好的重复性和稳定性，满足仪器工作条件。

图10 质量扫描驱动电路输出信号波形Fig.10 Output signal waveform of quality scan drive circuitA:the driving voltage of scanning 500～1 000 amu ions(扫描500～1 000 质量数离子的驱动电压)；B:the driving voltage of scanning 100～150 and 200～250 amu ions(扫描100～150和200～250质量数离子的驱动电压)

图11 控制系统界面图Fig.11 Interface diagram ofcontrol system

3.2 环孢素A实验

将设计的控制系统软件应用于自制TQMS中，通过检测环孢素A(CsA)标准样品检验其稳定性及可靠性。CsA是一种被广泛用于预防器官移植排斥的免疫抑制剂，其化学式为C62H111N11O12，质量数为1 202.62 Da。在22 ℃、湿度25%的实验条件下，利用本系统测定购自Toronto Research Chemicals(TRC，货号C988900)公司的CsA标准样品，样品质量浓度为100 ng/mL，利用注射泵进样，选择正离子单离子模式进行扫描，获得质谱峰，控制软件界面及CsA质谱峰结果如图11所示，其中质量数为1 202.8 Da处的质谱峰为CsA子离子峰，半峰宽为0.44 amu，与标准样品的质量数吻合，质量数为1 219.9 Da的小峰则为CsA的氨合离子峰。

4 结 论

本工作基于NI平台控制板卡及辅助电路，利用LabVIEW程序高效、快速开发的优势，编写了一套软硬件分离、稳定性好、可扩展的三重四极杆质谱控制软件。并应用该软件实现了TQMS真空环境建立、气体流量控制、恒温加热、串联三重四极杆扫描及数据采集处理等功能。同时，通过检测CsA标准样品验证了软件的可靠性及稳定性。该仪器系统开发方法可应用于同类仪器控制系统软件开发中。