一种飞行时间质谱仪的高精度时间测量方法技术

本发明专利技术公开了一种飞行时间质谱仪信号采集与处理技术范畴，设计一种提高飞行时间测量精度的信号采集处理方法。基于TDC技术的时间测量系统,定时甄别技术识别信号出现的开始和结束时刻,直接影响测量的离子飞行时间精度。阈值电平的设置决定了定时差异大小。因此结合TDC和ADC两种技术的飞行时间质谱仪的高精度时间测量方法，借助一个峰值保持电路，将用于阈值电平设定的前三轮输出脉冲进行数组记录，并取每个脉冲的峰值定比数值，存储于上位机。当正式进行离子甄别时，由上位机发出阈值指令控制每个脉冲的飞行时间起始和结束点。该方法能够有效减小由“幅度‑时间游动”效应带来的飞行时间测量误差，提高离子甄别可靠性。

A high precision time measurement method for time of flight mass spectrometer

The invention discloses a technology category of signal acquisition and processing of time of flight mass spectrometer, and designs a signal acquisition and processing method to improve the precision of flight time measurement. Time measurement system based on TDC technology, timing discrimination technology to identify the beginning and end of the signal, directly affect the accuracy of the measurement of ion flight time. The setting of threshold level determines the timing difference. Therefore, combining the high precision time measurement method of the time of flight mass spectrometer with two technologies of TDC and ADC, a peak holding circuit is used to record the first three wheel output pulses for threshold level setting, and the peak value ratio of each pulse is taken to store in the upper computer. When the ion screening is officially performed, the upper computer sends out the threshold instruction to control the starting time and ending point of each pulse. This method can effectively reduce the flight time measurement error caused by the \amplitude time travel\ effect and improve the ion screening reliability.

【技术实现步骤摘要】
一种飞行时间质谱仪的高精度时间测量方法
本专利技术涉及飞行时间质谱仪信号采集与处理技术范畴，设计一种提高飞行时间质谱仪时间测量精度的信号采集处理方法。
技术介绍
飞行时间质谱(Time-of-FlightMassSpectrometry，TOF-MS)分析技术是利用动能相同而质荷比不同的离子在恒定电场中运动,经过恒定距离所需时间不同的原理对物质成分或结构进行分析的一种质谱方法。TOF-MS以其分析速度快、质量检测范围宽、分辨率和离子传输率高等优点，在21世纪的药物研发、分析化学、生物化学、环境化学、临床医学、食品科学、石油化学、法医学、兽医学、原子与分子物理学、聚合物物理和化学、材料科学和生态学等领域都将发挥重要的作用。TOF-MS与液相色谱、气相色谱、毛细管电泳、四极杆、离子阱及其它质谱等的联用技术用于复杂体系的分离和分析将成为研究和应用的热点。TOF-MS一般由离子源、飞行时间质量分析器、离子探测器、高真空系统及信号记录与处理系统等部分组成。其中，信号记录于处理系统所负责的时间测量是飞行时间质谱仪数据获取系统的一个重要内容，其目的是利用高精度时间测量方法测量离子在质谱中飞行所用时间，进而推断离子质量信息。TOF-MS信号记录与处理系统的功能是记录每种离子飞行的起始和终止时间，并根据其原理将时间信号还原为质量数，并以谱图的形式反映出来。20世纪60年代TOF-MS多用示波器记录信号，响应速度较慢，难以与快速扫描的四极杆质谱相比。到70年代相继出现了时间数字转换器(TDC)和模拟数字变换器(ADC)等并沿用至今，后来发展成为快速数字示波器。目前，市场上的TOF-MS大多采用TDC，也有采用ADC的。使用ADC是为了记录仪记录下离子检测器输出信号的形状，并不直接确定离子准确的飞行时间。ADC动态范围较宽，但数据量较大，需要更复杂的后期计算，对于小分子化合物而言分辨率要比TDC低很多。而TDC的优点是可以消除由于检测器和放大器带来的质谱峰宽度变宽。TDC能记录离子到达时间，但不能记录到达离子的数目，这在离子种类不多时还可以接受，但当每次瞬态产生多种质量的离子时，测定的质量偏低,系统的动态范围受到严重制约。因此，有必要结合ADC和TDC两种飞行时间质谱仪的数据采集处理特点，设计一种飞行时间质谱仪的高精度时间测量方法，以进一步提高飞行时间质谱仪的分辨率，更高效地分析鉴别化合物组成结构，对于生物科学、临床医学、食品科学等各领域的发展具有推动作用。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：结合ADC和TDC两种飞行时间质谱仪的数据采集处理特点，设计一种飞行时间质谱仪的高精度时间测量方法，以进一步提高飞行时间质谱仪的分辨率。为实现上述专利的目的，本专利技术采用以下技术方案：1、一种飞行时间质谱仪的高精度时间测量方法，其特征在于：基于TDC技术的时间测量系统是由定时甄别技术去识别信号出现的开始和结束时刻，这两个时刻直接影响测量得到的离子飞行时间精度，从而影响化合物成分鉴别准确性。理论上，事件出现时间是指事件脉冲信号前沿的起始位置，但由于噪声信号的存在，可能使甄别器误触发。通常设定阈值电平，而该电平手动设置不可太低，导致“幅度-时间游动”效应。阈值电平的设置决定了定时差异大小。因此结合TDC和ADC两种技术，借助一个简单的峰值保持电路，提出一种可变阈值电平的飞行时间质谱仪高精度时间测量方法。2、根据权利要求1所述的可变阈值电平的飞行时间质谱仪高精度时间测量方法，其特征在于：“幅度-时间游动”效应表现在：在飞行时间测量中依据相关探测器输出信号来确定和时刻的方法称为定时甄别方法；用以甄别定时时刻功能的电路称为定时甄别电路。定时甄别电路的作用，在于利用代表事件的模拟脉冲信号(前沿或峰值点)来确定代表某事件发生的精确时刻。当不同幅度的脉冲信号送入到定时甄别器后，其输出一个方形信号，其前沿代表事件信号出现时刻。常用的定时甄别方法有前沿定时、过零定时和恒比定时等方法。而在前沿定时甄别中，上升时间相同而幅度不同的输入信号定时甄别延迟不同，该定时差异成为“幅度-时间游动”效应，其解释如图1所示。3、根据权利要求1所述的可变阈值电平的飞行时间质谱仪高精度时间测量方法，其特征在于：TDC的工作原理为：TDC数据获取系统由一个甄别器开始。甄别器输出离子到达start信号和离子离开stop信号。计数器由start信号触发开始计数，由stop信号停止计数，计数器输出即为start距离stop的时间间隔，记录值即标志了飞行时间。经过一段死时间，甄别器和计数器准备记录下一次时间间隔的测量。重复多轮后，即可输出事件的累积谱。其工作原理如图2所示。4、根据权利要求1所述的可变阈值电平的飞行时间质谱仪高精度时间测量方法，其特征在于：ADC的工作原理为：ADC作为数据记录仪，以固定的时间间隔对经过放大的离子检测器输出信号进行记录，并将连续的变换结果存入存储器中。每次离子脉冲器触发，就将新测量到的瞬态数据累加进之前的数据中。在每次瞬态有较多同种质量的离子到达离子检测器的情况中，不论离子流是强还是弱，ADC都能记录下质谱峰上下沿的形状。5、根据权利要求1所述的可变阈值电平的飞行时间质谱仪高精度时间测量方法，其特征在于：脉冲幅度测量方法原理是：如图1所示为一个简单的峰值保持电路，输入脉冲Vin信号为飞行时间质谱仪的离子探测器信号经前置放大器的输出电压，随着输入脉冲Vin信号前沿逐渐升高，电容不断通过运算放大器而被充电，当信号达到脉冲峰值，前沿不再上升，信号后沿开始从脉冲峰值处下降时，由于二极管的反向阻断作用，使得电容保持了输入信号幅度最大值。然后采用一个低速模拟数字变换器(即ADC)将脉冲幅度数字化，即实现了脉冲幅度的测量。6、根据权利要求1所述的可变阈值电平的飞行时间质谱仪高精度时间测量方法，其特征在于：可变阈值电平的飞行时间质谱仪的高精度测量方法为：将前三轮离子输出用作阈值电平设定，而在该三轮中不作飞行时间的计数。前三轮中，每轮先通过一个峰值保持电路将脉冲幅度进行记忆，记录下每个脉冲的峰值，以相同百分比(如：5％)的峰值数作为不同脉冲的一组阈值电平存储到上位机。通过上述确定阈值电平数组的方法进行三轮，并求三轮的平均数组，作为甄别器的一组阈值电平并存储到上位机。从第四轮开始，根据上位机中所设置的阈值电平数组，通过甄别器和计数器对离子进行飞行时间的计数。多轮计数累加后，即可通过相应转换方法将不同脉冲对应的离子飞行时间转化为离子质量，形成质谱图。7、本专利技术专利提出的一种基于ADC和TDC结合的飞行时间质谱仪的高精度时间测量方法，借助一个峰值保持电路，将用于阈值电平设定的前三轮输出脉冲进行了数组记录，并取每个脉冲的峰值定比数值，存储于上位机。当第四轮正式进行离子甄别时，由上位机发出阈值指令控制每个脉冲的飞行时间起始和结束点。该方法能够有效减小由“幅度-时间游动”效应带来的飞行时间测量误差，提高离子甄别的可靠性。附图说明图1是幅度时间游动效应示意图；图2是峰值保持电路原理示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明：1、一种飞行时间质谱仪的高精度时间测量方法，其特征在于：基于TDC技术的时间测量系统是由定时甄别技术去识别信号出现的开始和结束本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种飞行时间质谱仪的高精度时间测量方法，其特征在于：基于TDC技术的时间测量系统是由定时甄别技术去识别信号出现的开始和结束时刻，这两个时刻直接影响测量得到的离子飞行时间精度，从而影响化合物成分鉴别准确性。理论上，事件出现时间是指事件脉冲信号前沿的起始位置，但由于噪声信号的存在，可能使甄别器误触发。通常设定阈值电平，而该电平手动设置不可太低，导致“幅度‑时间游动”效应。阈值电平的设置决定了定时差异大小。因此结合TDC和ADC两种技术，借助一个简单的峰值保持电路，提出一种可变阈值电平的飞行时间质谱仪高精度时间测量方法。

【技术特征摘要】
1.一种飞行时间质谱仪的高精度时间测量方法，其特征在于：基于TDC技术的时间测量系统是由定时甄别技术去识别信号出现的开始和结束时刻，这两个时刻直接影响测量得到的离子飞行时间精度，从而影响化合物成分鉴别准确性。理论上，事件出现时间是指事件脉冲信号前沿的起始位置，但由于噪声信号的存在，可能使甄别器误触发。通常设定阈值电平，而该电平手动设置不可太低，导致“幅度-时间游动”效应。阈值电平的设置决定了定时差异大小。因此结合TDC和ADC两种技术，借助一个简单的峰值保持电路，提出一种可变阈值电平的飞行时间质谱仪高精度时间测量方法。2.根据权利要求1所述的可变阈值电平的飞行时间质谱仪高精度时间测量方法，其特征在于：“幅度-时间游动”效应表现在：在飞行时间测量中依据相关探测器输出信号来确定和时刻的方法称为定时甄别方法；用以甄别定时时刻功能的电路称为定时甄别电路。定时甄别电路的作用，在于利用代表事件的模拟脉冲信号(前沿或峰值点)来确定代表某事件发生的精确时刻。当不同幅度的脉冲信号送入到定时甄别器后，其输出一个方形信号，其前沿代表事件信号出现时刻。常用的定时甄别方法有前沿定时、过零定时和恒比定时等方法。而在前沿定时甄别中，上升时间相同而幅度不同的输入信号定时甄别延迟不同，该定时差异成为“幅度-时间游动”效应，其解释如图1所示。3.根据权利要求1所述的可变阈值电平的飞行时间质谱仪高精度时间测量方法，其特征在于：TDC的工作原理为：TDC数据获取系统由一个甄别器开始。甄别器输出离子到达start信号和离子离开stop信号。计数器由start信号触发开始计数，由stop信号停止计数，计数器输出即为start距离stop的时间间隔，记录值即标志了飞行时间。经过一段死时间，甄别器和计数器准备记录下一次时间间隔的测量。重复多轮后，即可输出事件的累积...

【专利技术属性】
技术研发人员：王海燕，夏波涌，马龙华，吴江林，王祥胜，李丽萍，
申请(专利权)人：王海燕，
类型：发明
国别省市：江苏,32