一种飞行时间质谱仪的参数设计方法技术

本发明专利技术实施例提供一种飞行时间质谱仪的参数设计方法，涉及质谱仪器设计领域。飞行时间质谱仪的参数设计方法包括：根据预设飞行时间质谱仪的各参数值代入动力学方程计算离子飞行时间，根据离子飞行时间构建离散化矩阵；再构建离子束的二维概率密度函数和离子束的强度矩阵，得到飞行时间

【技术实现步骤摘要】
一种飞行时间质谱仪的参数设计方法


[0001]本专利技术涉及质谱仪器设计
，具体涉及一种飞行时间质谱仪的参数设计方法。

技术介绍

[0002]飞行时间质谱仪具有原理结构简单、分辨率高、检测速度快等诸多有点，并操着小型化、便携化的方向迅速发展，在农业、环境监测、生物高分子检测等诸多领域得到了广泛应用。目前广泛采用的是反射式飞行时间质谱仪，而质谱仪的分辨率是其中一个重要指标。影响分辨率的因素有许多，诸如离子束初始的位置能量分布、栅网的角色散效应、脉冲电压的上升时间等。有关离子初始的位置分布以及能量分布引起的时间展宽已有许多讨论，主要通过泰勒展开公式来研究初始位置扩散以及能量扩散对最终飞行时间的影响，从而推导处离子束参数与仪器分辨率之间的关系，并进一步确定聚焦条件。有关离子束通过栅网时产生的角色散效应也有相关的理论研究，而在模拟栅网产生的电场分布时主要采用离子光学模拟软件SIMON3D，并可以通过蒙特卡洛模拟直观地看到离子到达探测器时的分布。
[0003]上述研究在理论和模拟上均已比较成熟，而对于高分辨的飞行时间质谱仪而言，一组合适的电压、距离参数设计是现实其性能的基本所在。目前针对离子束的多级聚焦条件主要基于泰勒展开以及导数分析，对于飞行时间质谱仪参数设计的指导意义不够直观。
[0004]如何在考虑以上因素后在多维变量影响下对具有高分辨率的飞行时间质谱仪实现整体参数优化成为一项核心技术难题。基于上述技术问题，申请人提出了本申请的技术方案。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供了一种飞行时间质谱仪的参数设计方法，采用动力学方程以及统计学原理得到确定荷质比离子束的时间分辨率计算方式，同时创新式地利用统计模拟为栅网的角色散效应建立相对简洁的计算模型，并进一步针对飞行时间质谱仪分辨率对参数的敏感性优化梯度下降法，克服了探索最优参数解过程中步长过大或过小的问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种飞行时间质谱仪的参数设计方法方法，包括：预设飞行时间质谱仪的各参数值和离子束的荷质比、离子束宽度的上限值和离子束能量的上限值，将离子束引入飞行时间质谱仪中，根据所述预设飞行时间质谱仪的各参数值代入动力学方程计算所述离子束中在处于不同初始时刻位置和不同初始时刻动能下的离子飞行时间，根据所述离子飞行时间构建离散化矩阵；根据所述离子的初始时刻位置和初始时刻动能，构建所述离子束的二维概率密度函数，根据所述二维概率密度函数和所述离散化矩阵，构建所述离子束的强度矩阵，根据所述强度矩阵得到飞行时间
‑
强度峰值曲线；根据所述飞行时间
‑
强度峰值曲线计算得到飞行时间质谱仪在所述预设的飞行时间质谱仪的各参数值下的时间分辨率；改变所述各参数值中任一个或任意多个，重新构建所述离散化矩阵、所述二维概率密度函数和所述飞行时间
‑
强度峰值曲线，重新计算所述飞行时间质谱仪
在所述改变的各参数值下的时间分辨率，使得所述时间分辨率收敛后达到时间分辨率最大值，将所述时间分辨率最大值对应的所述改变的各参数值作为所述飞行时间质谱仪的最优参数设计。
[0007]在一个实施例中，所述离散化矩阵是指：
[0008][0009]其中，
±
w
m
表示所述离子束的初始时刻宽度的分布上限和下限，w
m
取值为所述离子束宽度的值的1/2；
±
E
m
表示所述离子束的初始时刻动能的分布上下限，E
m
取值为所述离子束能量上限值的值；T(.，.)表示所述离子的飞行时间；
[0010]所述二维概率密度函数是指：
[0011][0012]其中，w表示所述离子与离子束中心轴线的距离，E表示离子的初始时刻动能；
[0013]；
[0014]；
[0015]所述离子束的强度矩阵是指：
[0016][0017]将所述离散化矩阵中具有相同离子飞行时间对应的所述离子束的强度矩阵中的强度值进行代数相加，得到所述飞行时间
‑
强度峰值曲线。
[0018]在一个实施例中，所述根据所述飞行时间
‑
强度峰值曲线计算得到飞行时间质谱仪在所述预设的飞行时间质谱仪的各参数值下的时间分辨率是指：
[0019]采用如下公式计算：
[0020][0021]其中，R
t
表示时间分辨率，t表示所述飞行时间
‑
强度峰值曲线中峰值对应的飞行时间，Δt为所述飞行时间
‑
强度峰值曲线中峰值对应的半峰宽度，R
m
表示质量分辨率。
[0022]在一个实施例中，所述改变所述各参数值中任一个或任意多个，重新构建所述离散化矩阵、所述二维概率密度函数和所述飞行时间
‑
强度峰值曲线，重新计算所述飞行时间质谱仪在所述改变的各参数值下的时间分辨率，使得所述时间分辨率收敛后达到时间分辨率最大值，将所述时间分辨率最大值对应的所述改变的各参数值作为所述飞行时间质谱仪的最优参数设计，包括：利用质谱
‑
梯度下降算法找到所述各参数值的可能最优解；以所述可能最优解作为初始条件，利用Nesterov加速梯度算法求得所述最优参数设计。
[0023]在一个实施例中，所述利用质谱
‑
梯度下降算法找到所述各参数值的可能最优解，
是先设定所述各参数值中任一个或任意多个作为自变量向量，所述自变量向量以外的其他各参数值作为不变量，再通过如下公式计算：
[0024][0025]其中，α是用于调节步长的参数；ε是防止分母为0而引入的常数；|.|为绝对值符号，在matlab中对应函数abs；sgn为符号函数，在matlab中对应函数sign；
[0026]θ
n
表示第n次迭代后的所述自变量向量的一组值；
[0027]θ
n+1
表示第n+1次迭代后的所述自变量向量的另一组值；
[0028]作为目标函数取所述时间分辨率的梯度值；
[0029]直至所述自变量向量的另一组值在设定范围内收敛到时间分辨率最大值，则将所述自变量向量的另一组值和所述不变量组成所述改变的各参数值作为所述各参数值的可能最优解。
[0030]在一个实施例中，所述Nesterov加速梯度算法是先在一个累计的梯度方向跳跃θ
‑
γV
t
‑1,对跳跃后的点进行梯度的计算后与先前的跳跃量进行加权求和，采用如下公式：
[0031][0032]θ＝θ+V
t
式(7)
[0033]其中，γ表示加权系数，η表示所述梯度下降算法的学习率，V
t
表示第n次迭代后的步长，V
t
‑1表示第n
‑
1次迭代后的步长。
[0034]在一个实施例中，预设飞行时间质谱仪具有6级极板分别为：第一正极板、第一负本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种飞行时间质谱仪的参数设计方法，其特征在于，包括：预设飞行时间质谱仪的各参数值和离子束的荷质比、离子束宽度的上限值和离子束能量的上限值，将离子束引入飞行时间质谱仪中，根据所述预设飞行时间质谱仪的各参数值代入动力学方程计算所述离子束中在处于不同初始时刻位置和不同初始时刻动能下的离子飞行时间，根据所述离子飞行时间构建离散化矩阵；根据所述离子的初始时刻位置和初始时刻动能，构建所述离子束的二维概率密度函数，根据所述二维概率密度函数和所述离散化矩阵，构建所述离子束的强度矩阵，根据所述强度矩阵得到飞行时间
‑
强度峰值曲线；根据所述飞行时间
‑
强度峰值曲线计算得到飞行时间质谱仪在所述预设的飞行时间质谱仪的各参数值下的时间分辨率；改变所述各参数值中任一个或任意多个，重新构建所述离散化矩阵、所述二维概率密度函数和所述飞行时间
‑
强度峰值曲线，重新计算所述飞行时间质谱仪在所述改变的各参数值下的时间分辨率，使得所述时间分辨率收敛后达到时间分辨率最大值，将所述时间分辨率最大值对应的所述改变的各参数值作为所述飞行时间质谱仪的最优参数设计。2.根据权利要求1所述的飞行时间质谱仪的参数设计方法，其特征在于，所述离散化矩阵是指：其中，
±
w
m
表示所述离子束的初始时刻宽度的分布上限和下限，w
m
取值为所述离子束宽度的值的1/2；
±
E
m
表示所述离子束的初始时刻动能的分布上下限，E
m
取值为所述离子束能量上限值的值；T(.，.)表示所述离子的飞行时间；所述二维概率密度函数是指：其中，w表示所述离子与离子束中心轴线的距离，E表示离子的初始时刻动能；；；所述离子束的强度矩阵是指：将所述离散化矩阵中具有相同离子飞行时间对应的所述离子束的强度矩阵中的强度值进行代数相加，得到所述飞行时间
‑
强度峰值曲线。3.根据权利要求2所述的飞行时间质谱仪的参数设计方法，其特征在于，所述根据所述飞行时间
‑
强度峰值曲线计算得到飞行时间质谱仪在所述预设的飞行时间质谱仪的各参数
值下的时间分辨率是指：采用如下公式计算：其中，R
t
表示时间分辨率，t表示所述飞行时间
‑
强度峰值曲线中峰值对应的飞行时间，Δt为所述飞行时间
‑
强度峰值曲线中峰值对应的半峰宽度，R
m
表示质量分辨率。4.根据权利要求1所述的飞行时间质谱仪的参数设计方法，其特征在于，所述改变所述各参数值中任一个或任意多个，重新构建所述离散化矩阵、所述二维概率密度函数和所述飞行时间
‑
强度峰值曲线，重新计算所述飞行时间质谱仪在所述改变的各参数值下的时间分辨率，使得所述时间分辨率收敛后达到时间分辨率最大值，将所述时间分辨率最大值对应的所述改变的各参数值作为所述飞行时间质谱仪的最优参数设计，包括：利用质谱
‑
梯度下降算法找到所述各参数值的可能最优解；以所述可能最优解作为初始条件，利用Nesterov加速梯度算法求得所述最优参数设计。5.根据权利要求4所述的飞行时间质谱仪的参数设计方法，其特征在于，所述利用质谱
‑
梯度下降算法找到所述各参数值的可能最优解，是先设定所述各参数值中任一个或任意多个作为自变量向量，所述自变量向量以外的其他各参数值作为不变量，再通过如下公式计算：其中，α是用于调节步长的参数；ε是防止分母为0而引入的常数；|.|为绝对值符号，在matlab中对应函数abs；sgn为符号函数，在matlab中对应函数sign；θ
n
表示第n次迭代后的所述自变量向量的一组值；θ
n+1
表示第n+1次迭代后的所述自变量向量的另一组值；
▽
f(θ)作为目标函数取所述时间分辨率的梯度值；直至所述自变量向量的另一组值在设定范围内收敛到时间分辨率最大值，则将所述自变量向量的另一组值和所述不变量组成所述改变的各参数值...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨恩博，张弛，周忠岳，齐飞，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：