基于Lab VIEW的FAIMS测控系统构建与谱图解析

摘要

高场不对称波形离子迁移谱(FAIMS)，是一种基于离子迁移率在高电场下非线性变化凸显的特性，在离子前进方向的纵向构建一个非对称高电场，对不同物质离子进行分离识别的大气压下快速痕量物质检测技术。从上世纪90年代初被报道至今，该技术引起了广泛的关注，在FAIMS芯片制作、高频高电场电路、微电流检测以及气路控制方面取得了长足发展，并已成功用于质谱前端同分异构体分离、色谱后端复杂基质目标离子提取，实现了高效联用，很大程度提高了检测分辨率。目前广泛用于易制毒化学品、痕量危险品、环境污染监物和生物大分子检测以及药物分析等化学检测领域，具有广阔的应用前景。
　　 FAIMS作为一种现场快速检测技术，与传统的质谱、色谱仪器相比，具有结构简单，灵敏度高，分析速度快的优点：简单小巧的离子迁移管和独特的高正交分离检测特性又使其比传统离子迁移谱(IonMobilitySpectrometry，IMS)在小型化和高分辨检测上更具优势。然而，现阶段要想提高FAIMS在现场检测方面的应用，需要解决以下两个关键问题。
　　 其一，控制系统。虽然FAIMS离子迁移管体积小，但是要使其能长期稳定的工作，需要大量的外围模块来辅助，包括气泵、高压产生模块、离子源、以及温控模块等。要精确控制如此多的变量以及后续实验参数的优化，需要一套控制精度高、模块易替换的开放式控制系统；另外为了将FAIMS技术用于现场独立检测，需要设计一套低功耗、便携式的嵌入式控制系统。
　　 其二，谱图解析。FAIMS灵敏度虽高，但是目前为止分辨率最高仅50左右。原因在于FAIMS是基于离子迁移率非线性项的变化，该项远远小于其线性项：低场离子迁移率。因此，基于非线性项获得的FAIMS谱图一般会存在不确定性的漂移，同时很多物质离子的谱图峰位置都在零伏左右，这些都会严重制约FAIMS分辨率的提高。所以，需要建立一个准确的FAIMS谱图峰位置模型，并解析出离子非线性变化函数。FAIMS谱图解析的研究工作尚在起步阶段，目前没有一个完善统一的解析方法，谱图库的建立是亟待解决的一个重要问题。
　　 针对以上两个问题，本文主要的工作包括：
　　 其一，针对开放式的控制系统，本文设计了基于“上位机+下位机”架构的PC+DSP2407控制系统方案，上位机PC上的应用程序采用NI公司的LabVIEW8.6软件编写，下位机DSP芯片通过CCS3.0编程：对于便携式的嵌入式控制系统，为了降低系统功耗和集成复杂度，采用了基于WinCE5.0系统的单片ARM9控制方案，人机交互界面(HMI)利用NI公司TouchPanel8.6模块实现，底层硬件由HMI调用各模块相应的流式驱动来控制。根据以上两套方案我们分别搭建了开放式FAIMS测控平台和便携式FAIMS样机，并对大量挥发性有机化合物(VOC)进行了检测，获得了相应的FAIMS谱图。两套系统能够长时间、稳定的工作，验证了两套方案的可行性。
　　 其二，针对FAIMS谱图解析，本文推导出基于半正弦和方波两种分离电压下的FAIMS谱图峰位置严格求解方程，并获得了严格的离子迁移率非线性函数二阶、四阶系数表达式。通过实验获取了大量的醇和苯类FAIMS谱图信息，计算出这些特征离子的二阶、四阶系数并初步构建了谱图库，为后续FAIMS用于现场独立检测提供了可靠的保证。
　　 本文针对现有的FAIMS用于现场检测存在的模块多、体积大、功耗高以及集成度低等问题，提出了一种基于PC+DSP的开放式FAIMS控制系统和基于单片ARM的便携式嵌入式控制系统，通过大量实验验证了系统的可靠性和稳定性；同时对现有的FAIMS谱图峰位置方程进行了修正，提高了检测分辨率并初步建立VOCs数据库。结果验证了本文设计方案的有效性，为FAIMS用于现场检测提供了应用基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 高场不对称波形离子迂移谱

1．1．1 FAIMS工作原理

1．1．2 FAIMS发展现状

1．2 FAIMS发展趋势和研究意义

1．3 本文工作及创新点

1．4 本章小结

第2章 FAIMS测控系统搭建

2．1 FAIMS系统的核心器件-离子迁移管介绍

2．1．1 基于MEMS工艺的FAIMS迁移管

2．1．2 基于厚膜工艺的高集成度FAIMS迁移管

2．2 基于LabVIEW的FAIMS开放式测控系统

2．2．1 FAIMS系统总体功能描述

2．2．2 FAIMS测控系统硬件模块介绍

2．2．3 FAIMS测控系统上位机软件设计

2．2．4 FAIMS测控系统下位机软件设计

2．3 基于单片ARM的便携式FAIMS嵌入式系统

2．3．1 FAIMS嵌入式系统总体设计方案

2．3．2 FAIMS嵌入式系统人机交互界面设计

2．3．3 FAIMS嵌入式系统底层硬件驱动设计

2．3．4 FAIMS嵌入式系统总体调试

2．4 本章小结

第3章 FAIMS谱图解析

3．1 基于平板型离子迁移管的FAIMS谱图理论

3．2 基于FAIMS谱图峰位置的离子迁移率非线性函数近似求解

3．2．1 基于半正弦分离电压下的离子迁移率非线性函数近似求解

3．2．2 基于方波分离电压下的离子迁移率非线性函数近似求解

3．3 基于FAIMS谱图峰位置的离子迁移率非线性函数严格求解

3．3．1 基于半正弦分离电压下的离子迁移率非线性函数严格求解

3．3．2 基于方波分离电压下的离子迁移率非线性函数严格求解

3．4 本章小结

第4章 实验结果与分析

4．1 实验对象

4．1．1 实验条件

4．1．2 实验结果

4．2 结果分析

4．2．1 离子迁移率非线性函数二阶、四阶系数求解

4．2．2 误差分析

4．2．3 离子迁移率非线性变化函数讨论

4．3 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

图表索引

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文

致谢