基于Lab VIEW的FAIMS測控系統(tǒng)構建與譜圖解析.pdf

1、高場不對稱波形離子遷移譜(FAIMS)，是一種基于離子遷移率在高電場下非線性變化凸顯的特性，在離子前進方向的縱向構建一個非對稱高電場，對不同物質離子進行分離識別的大氣壓下快速痕量物質檢測技術。從上世紀90年代初被報道至今，該技術引起了廣泛的關注，在FAIMS芯片制作、高頻高電場電路、微電流檢測以及氣路控制方面取得了長足發(fā)展，并已成功用于質譜前端同分異構體分離、色譜后端復雜基質目標離子提取，實現了高效聯用，很大程度提高了檢測分辨率。目前廣

2、泛用于易制毒化學品、痕量危險品、環(huán)境污染監(jiān)物和生物大分子檢測以及藥物分析等化學檢測領域，具有廣闊的應用前景。
　　 FAIMS作為一種現場快速檢測技術，與傳統(tǒng)的質譜、色譜儀器相比，具有結構簡單，靈敏度高，分析速度快的優(yōu)點：簡單小巧的離子遷移管和獨特的高正交分離檢測特性又使其比傳統(tǒng)離子遷移譜(IonMobilitySpectrometry，IMS)在小型化和高分辨檢測上更具優(yōu)勢。然而，現階段要想提高FAIMS在現場檢測方面的應用，

3、需要解決以下兩個關鍵問題。
　　 其一，控制系統(tǒng)。雖然FAIMS離子遷移管體積小，但是要使其能長期穩(wěn)定的工作，需要大量的外圍模塊來輔助，包括氣泵、高壓產生模塊、離子源、以及溫控模塊等。要精確控制如此多的變量以及后續(xù)實驗參數的優(yōu)化，需要一套控制精度高、模塊易替換的開放式控制系統(tǒng)；另外為了將FAIMS技術用于現場獨立檢測，需要設計一套低功耗、便攜式的嵌入式控制系統(tǒng)。
　　 其二，譜圖解析。FAIMS靈敏度雖高，但是目前為止分

4、辨率最高僅50左右。原因在于FAIMS是基于離子遷移率非線性項的變化，該項遠遠小于其線性項：低場離子遷移率。因此，基于非線性項獲得的FAIMS譜圖一般會存在不確定性的漂移，同時很多物質離子的譜圖峰位置都在零伏左右，這些都會嚴重制約FAIMS分辨率的提高。所以，需要建立一個準確的FAIMS譜圖峰位置模型，并解析出離子非線性變化函數。FAIMS譜圖解析的研究工作尚在起步階段，目前沒有一個完善統(tǒng)一的解析方法，譜圖庫的建立是亟待解決的一個重要問

5、題。
　　 針對以上兩個問題，本文主要的工作包括：
　　 其一，針對開放式的控制系統(tǒng)，本文設計了基于“上位機+下位機”架構的PC+DSP2407控制系統(tǒng)方案，上位機PC上的應用程序采用NI公司的LabVIEW8.6軟件編寫，下位機DSP芯片通過CCS3.0編程：對于便攜式的嵌入式控制系統(tǒng)，為了降低系統(tǒng)功耗和集成復雜度，采用了基于WinCE5.0系統(tǒng)的單片ARM9控制方案，人機交互界面(HMI)利用NI公司TouchPan

6、el8.6模塊實現，底層硬件由HMI調用各模塊相應的流式驅動來控制。根據以上兩套方案我們分別搭建了開放式FAIMS測控平臺和便攜式FAIMS樣機，并對大量揮發(fā)性有機化合物(VOC)進行了檢測，獲得了相應的FAIMS譜圖。兩套系統(tǒng)能夠長時間、穩(wěn)定的工作，驗證了兩套方案的可行性。
　　 其二，針對FAIMS譜圖解析，本文推導出基于半正弦和方波兩種分離電壓下的FAIMS譜圖峰位置嚴格求解方程，并獲得了嚴格的離子遷移率非線性函數二階、四

7、階系數表達式。通過實驗獲取了大量的醇和苯類FAIMS譜圖信息，計算出這些特征離子的二階、四階系數并初步構建了譜圖庫，為后續(xù)FAIMS用于現場獨立檢測提供了可靠的保證。
　　 本文針對現有的FAIMS用于現場檢測存在的模塊多、體積大、功耗高以及集成度低等問題，提出了一種基于PC+DSP的開放式FAIMS控制系統(tǒng)和基于單片ARM的便攜式嵌入式控制系統(tǒng)，通過大量實驗驗證了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性；同時對現有的FAIMS譜圖峰位置方程進行了