基于Lab VIEW的FAIMS測(cè)控系統(tǒng)構(gòu)建與譜圖解析.pdf

1、高場不對(duì)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(jìn)方向的縱向構(gòu)建一個(gè)非對(duì)稱高電場，對(duì)不同物質(zhì)離子進(jìn)行分離識(shí)別的大氣壓下快速痕量物質(zhì)檢測(cè)技術(shù)。從上世紀(jì)90年代初被報(bào)道至今，該技術(shù)引起了廣泛的關(guān)注，在FAIMS芯片制作、高頻高電場電路、微電流檢測(cè)以及氣路控制方面取得了長足發(fā)展，并已成功用于質(zhì)譜前端同分異構(gòu)體分離、色譜后端復(fù)雜基質(zhì)目標(biāo)離子提取，實(shí)現(xiàn)了高效聯(lián)用，很大程度提高了檢測(cè)分辨率。目前廣

2、泛用于易制毒化學(xué)品、痕量危險(xiǎn)品、環(huán)境污染監(jiān)物和生物大分子檢測(cè)以及藥物分析等化學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　 FAIMS作為一種現(xiàn)場快速檢測(cè)技術(shù)，與傳統(tǒng)的質(zhì)譜、色譜儀器相比，具有結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，分析速度快的優(yōu)點(diǎn)：簡單小巧的離子遷移管和獨(dú)特的高正交分離檢測(cè)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(cè)上更具優(yōu)勢(shì)。然而，現(xiàn)階段要想提高FAIMS在現(xiàn)場檢測(cè)方面的應(yīng)用，

3、需要解決以下兩個(gè)關(guān)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(chǎn)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(shí)驗(yàn)參數(shù)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(shù)用于現(xiàn)場獨(dú)立檢測(cè)，需要設(shè)計(jì)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(xiàng)的變化，該項(xiàng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其線性項(xiàng)：低場離子遷移率。因此，基于非線性項(xiàng)獲得的FAIMS譜圖一般會(huì)存在不確定性的漂移，同時(shí)很多物質(zhì)離子的譜圖峰位置都在零伏左右，這些都會(huì)嚴(yán)重制約FAIMS分辨率的提高。所以，需要建立一個(gè)準(zhǔn)確的FAIMS譜圖峰位置模型，并解析出離子非線性變化函數(shù)。FAIMS譜圖解析的研究工作尚在起步階段，目前沒有一個(gè)完善統(tǒng)一的解析方法，譜圖庫的建立是亟待解決的一個(gè)重要問

5、題。
　　 針對(duì)以上兩個(gè)問題，本文主要的工作包括：
　　 其一，針對(duì)開放式的控制系統(tǒng)，本文設(shè)計(jì)了基于“上位機(jī)+下位機(jī)”架構(gòu)的PC+DSP2407控制系統(tǒng)方案，上位機(jī)PC上的應(yīng)用程序采用NI公司的LabVIEW8.6軟件編寫，下位機(jī)DSP芯片通過CCS3.0編程：對(duì)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(fù)雜度，采用了基于WinCE5.0系統(tǒng)的單片ARM9控制方案，人機(jī)交互界面(HMI)利用NI公司TouchPan

6、el8.6模塊實(shí)現(xiàn)，底層硬件由HMI調(diào)用各模塊相應(yīng)的流式驅(qū)動(dòng)來控制。根據(jù)以上兩套方案我們分別搭建了開放式FAIMS測(cè)控平臺(tái)和便攜式FAIMS樣機(jī)，并對(duì)大量揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)進(jìn)行了檢測(cè)，獲得了相應(yīng)的FAIMS譜圖。兩套系統(tǒng)能夠長時(shí)間、穩(wěn)定的工作，驗(yàn)證了兩套方案的可行性。
　　 其二，針對(duì)FAIMS譜圖解析，本文推導(dǎo)出基于半正弦和方波兩種分離電壓下的FAIMS譜圖峰位置嚴(yán)格求解方程，并獲得了嚴(yán)格的離子遷移率非線性函數(shù)二階、四

7、階系數(shù)表達(dá)式。通過實(shí)驗(yàn)獲取了大量的醇和苯類FAIMS譜圖信息，計(jì)算出這些特征離子的二階、四階系數(shù)并初步構(gòu)建了譜圖庫，為后續(xù)FAIMS用于現(xiàn)場獨(dú)立檢測(cè)提供了可靠的保證。
　　 本文針對(duì)現(xiàn)有的FAIMS用于現(xiàn)場檢測(cè)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性；同時(shí)對(duì)現(xiàn)有的FAIMS譜圖峰位置方程進(jìn)行了