适于飞行时间质谱仪的离子延时引出模块的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种适于飞行时间质谱仪的离子延时引出模块，包括用于接收激光器同步信号的信号捕捉电路，信号捕捉电路的输出端与信号展宽电路的信号输入端连接，信号展宽电路的输出端与信号延时电路的信号输入端连接，信号延时电路的输出端由第一触发信号输出端和第二触发信号输出端组成。本实用新型优点在于电路设计巧妙，在实时准确捕捉激光器同步信号的同时，将5ns脉宽的同步信号展宽为7us的标准方波脉冲，电路固有延时只有38ns，在50?1200ns的延时时间范围内可调，满足了高速采集卡和高压脉冲模块的触发信号要求。最大限度地提高了离子传输能力,有效提升了质谱系统的灵敏度和分辨率，且能够更好的降低制作成本。
【专利说明】
适于飞行时间质谱仪的离子延时弓I出模块
技术领域
[0001]本实用新型涉及飞行时间质谱仪，尤其是涉及适于飞行时间质谱仪的离子延时引出模块。
【背景技术】
[0002]MALD1-T0FMS(基质辅助激光解析电离飞行时间质谱仪)质谱系统是一种新型的软电离生物质谱，仪器主要由两部分组成:基质辅助激光解析电离离子源(MALDI)和飞行时间质量分析器(TOF) JALDI的原理是用激光照射样品与基质形成的共结晶薄膜，基质从激光中吸收能量传递给生物分子;生物分子得到能量后形成碎片飞出，它是一种软电离技术，适用于混合物及生物大分子的测定。TOF的原理是离子在电场作用下加速飞过飞行管，根据到达检测器的飞行时间不同而被检测，即测定离子的质荷比(M/Z)与离子的飞行时间成正比。
[0003]激光解析电离飞行时间质谱仪是让激光解析电离的离子飞出，激光离子源虽然是一类表面电离源，但实际上解析电离有些是在激光短脉冲过程中产生，有些则是在解析后飞行过程中通过碰撞产生，这也造成了离子的空间和能量的进一步分散。此外，激光解析电离的中性粒子或离子在真空中是角分散的，这也是空间分散的一个来源。如果不加入离子延迟引出技术，不同时间形成、不同初速度的离子，距引出电极的距离不同，所受的场强也不同，所以离子没能实现同一起跑时间、同一起跑能量，从而导致质荷比相同的离子以不同时间飞抵检测器而影响分辨率。在质谱仪中引入离子延迟引出技术，让激光解析电离的离子产生于两个加有相同高压的极板之间，经过一段时间延时，再迅速施加电场将离子引出。不同时间形成的离子将被置于同一起跑时间上，将会使距离远的离子以更快的速度飞向引出极，从而达到不同初速度离子同时引出的效果，提高质谱仪分辨率。
[0004]现有的设计延时方案，是通过微处理器进行激光器同步信号的捕捉，微处理器计数延时后输出给高压脉冲模块和采集卡。由于微处理器是基于晶振频率工作的，而激光器脉冲到来的时间是随机的，所以抓取脉冲的时间误差为一个晶振周期。故若要达到稳定度±200ps以内的误差，理论上晶振频率要达到2.5GHz以上，考虑到晶振自身的误差，晶振频率要求更高，一般处理器难以达到这个频率。不能满足稳定度±200ps的实际需求，严重影响了离子传输和质谱仪灵敏度。
【发明内容】
[0005]本实用新型目的在于提供一种适于飞行时间质谱仪的离子延时引出模块。
[0006]为实现上述目的，本实用新型采取下述技术方案:
[0007]本实用新型所述适于飞行时间质谱仪的离子延时引出模块，包括用于接收激光器同步信号的信号捕捉电路，所述信号捕捉电路的输出端与信号展宽电路的信号输入端连接，所述信号展宽电路的输出端与信号延时电路的信号输入端连接，所述信号延时电路的输出端由第一触发信号输出端和第二触发信号输出端组成；
[0008]所述信号捕捉电路由三极管Ql和施密特反相器Ul组成;所述三极管Ql基极经电阻Rl与激光器同步信号输出端连接，三极管Ql发射极接地，三极管Ql集电极一路经电阻R2接电源正极，另一路与所述施密特反相器Ul的信号输入端连接；
[0009]所述信号展宽电路由两个单稳态触发器U2A、U2B和D触发器U3组成;所述D触发器U3的时钟输入端CLK与所述施密特反相器Ul的信号输出端连接;D触发器U3的反向输出端、数据输入端D相互连接;D触发器U3正向输出端Q与所述单稳态触发器U2A的正触发输入端B连接;两个单稳态触发器U2A、U2B构成双单稳态触发器;两个单稳态触发器U2A、U2B为同一片双单稳态触发器DM74HC221N内部的两个单稳态触发器；
[0010]单稳态触发器U2A的清除端接高电平VCC，负触发输入端A接低电平GND，外接电容端Cext通过电容Cl、电阻R3接高电平VCC，外接电阻/电容端Rext/Cext与所述电阻R3的低电位端连接，正脉冲输出端Q与单稳态触发器U2B的负触发输入端A连接；
[0011 ]单稳态触发器U2B的正触发输入端B和清除端均接高电平VCC，负脉冲输出端与D触发器U3的复位端CLR相连;单稳态触发器U2B的外接电容端Cext通过电容C2、电阻R4接高电平VCC，外接电阻/电容端Rext/Cext与所述电阻R4的低电位端连接；
[0012]所述信号延时电路由可编程时间芯片和两个与门U5A、U5B组成;所述可编程时间芯片的串行编程选择端接高电平，选择串行模式，输出模式选择端MS接低电平，S卩:输出信号与输入信号极性相同；可编程时间芯片的信号输入端IN与所述信号展宽电路中单稳态触发器U2A的正触发输入端B连接；可编程时间芯片的信号输出端OUT分别与两个所述与门U5A、U5B的第一输入端连接，两个与门U5A、U5B的第二输入端均接高电平VCC。
[0013]本实用新型优点在于电路设计巧妙，在实时准确捕捉激光器同步信号的同时，将5ns脉宽的同步信号展宽为7us的标准方波脉冲，电路固有延时只有38ns，在50-1200ns的延时时间范围内可调，且稳定度控制在± 200ps以内，满足了高速采集卡和高压脉冲模块的触发信号要求。最大限度地提高了离子传输能力，有效提升了质谱系统的灵敏度和分辨率，且能够更好的降低制作成本。
【附图说明】
[0014]图1是本实用新型的电路结构框图。
[0015]图2是本实用新型的电路原理图。
[0016]图3是本实用新型应用于飞行时间质谱仪的原理示意图。
【具体实施方式】
[0017]如图1-3所示，本实用新型所述适于飞行时间质谱仪的离子延时引出模块，包括用于接收激光器同步信号的信号捕捉电路，所述信号捕捉电路的输出端与信号展宽电路的信号输入端连接，所述信号展宽电路的输出端与信号延时电路的信号输入端连接，所述信号延时电路的输出端由第一触发信号输出端和第二触发信号输出端组成；
[0018]所述信号捕捉电路由三极管Ql和施密特反相器Ul组成；所述三极管Ql(型号:S9013)基极经电阻Rl与激光器同步信号输出端连接，三极管Ql发射极接地，三极管Ql集电极一路经电阻R2接电源正极，另一路与所述施密特反相器Ul的信号输入端连接。
[0019]激光器同步信号波形为5ns脉宽的不规则波形，且尾部带有振荡，故信号捕捉电路要求能实时准确捕捉波形，且不受后续振荡信号干扰。如图2所示，当同步信号从连接器Jl输入，经三极管Ql进行电平翻转，翻转后的电平再经施密特反相器Ul(型号:SN74LS14)再次翻转。同步信号经三极管Ql的结电压门限、施密特反相器Ul(型号:SN74LS14)的滞回翻转，即将同步信号中的噪声和振荡信号滤除，准确抓取上升沿。电阻Rl起限流功能，电阻R2具有上拉和限流两个功能。激光器同步信号经过两次电平翻转，输出信号Signal_IN的电平方向依然与输入信号保持一致。由于施密特反相器Ul供电电压为+5V，所以输出信号Signal_IN的电平幅值为+5V。
[0020]所述信号展宽电路由两个单稳态触发器U2A、U2B和D触发器U3组成;所述D触发器U3的时钟输入端CLK与所述施密特反相器Ul的信号输出端连接;D触发器U3的反向输出端、数据输入端D相互连接;D触发器U3正向输出端Q与所述单稳态触发器U2A的正触发输入端B连接;两个单稳态触发器U2A、U2B为同一片双单稳态触发器DM74HC221N内部的两个单稳态触发器；
[0021]单稳态触发器U2A的清除端接高电平VCC，负触发输入端A接低电平GND，外接电容端Cext通过电容Cl、电阻R3接高电平VCC，外接电阻/电容端Rext/Cext与所述电阻R3的低电位端连接，正脉冲输出端Q与单稳态触发器U2B的负触发输入端A连接；
[0022]单稳态触发器U2B的正触发输入端B和清除端均接高电平VCC，负脉冲输出端与D触发器U3的复位端CLR相连;单稳态触发器U2B的外接电容端Cext通过电容C2、电阻R4接高电平VCC，外接电阻/电容端Rext/Cext与所述电阻R4的低电位端连接；
[0023]信号捕捉电路输出信号Signal_IN上升沿到达由D触发器U3(型号:MM74HC74AJ)搭建的电平翻转电路后，D触发器U3正向输出端Q输出的信号Si gnal_MID由低电平上升为高电平，即上升沿。信号捕捉电路输出信号Signal_IN接入D触发器U3的时钟输入端CLK (3脚)；D触发器U3的反向输出端(6脚)与数据输入端D (2脚)相连;D触发器U3正向输出端Q (5脚)将信号Signal_MID送入单稳态触发器U2A(型号:DM74HC221N)的正触发输入端B (2脚)。
[0024]当D触发器U3正向输出端Q输出的信号Signal_MID的上升沿到来时，即当信号捕捉电路输出信号Signal_IN上升沿到来时，单稳态触发器U2A的正脉冲输出端Q( 13脚)输出一个标准方波脉冲Pulses I，该标准方波脉冲Pulses I宽度为7us，7us由电容Cl和电阻R3参数计算得至IJ，7us =7000ns=0.7XCl XR3=0.7X 100pFX 1KΩ 0
[0025]当标准方波脉冲Pulsesl信号的下降沿到来时，即当信号捕捉电路输出信号Signal_IN上升沿到来7us后，单稳态触发器U2B的负脉冲输出端(12脚)输出下拉脉冲Pulses2，脉冲宽度为7us，计算方法和单稳态触发器U2A相同。
[0026]当下拉脉冲Pulses2信号的下降沿到来时，即当信号Signal_IN和信号Signal_MID上升沿到来7us后，D触发器U3的输出信号Signal_MID被从高电平拉成低电平。由于两个单稳态触发器U2A、U2B和D触发器U3的供电电压均为+5V，所以上面所有信号电平幅值均为+5V。因此，根据上面逻辑电路的功能分析，当激光器同步信号到来时，信号展宽电路会产生一个脉宽7us、幅值+5V的方波脉冲信号Signal_MID，激光器同步信号与方波脉冲信号Signal_MID的固有延时为38ns。
[0027]所述信号延时电路由可编程时间芯片和两个与门U5A、U5B组成;所述可编程时间芯片的串行编程选择端接高电平，选择串行模式，输出模式选择端MS接低电平，S卩:输出信号与输入信号极性相同；可编程时间芯片的信号输入端IN与所述信号展宽电路中单稳态触发器U2A的正触发输入端B连接；可编程时间芯片的信号输出端OUT分别与两个所述与门U5A、U5B的第一输入端连接，两个与门U5A、U5B的第二输入端均接高电平VCC。
[0028]上面分析可知，当本实用新型收到激光器同步信号到来后，信号展宽电路会产生一个脉宽7us、幅值+5V的方波脉冲信号Signal_MID。
[0029]为了实现设计要求，可编程时间芯片选用Maxim Integrated公司生产的8位可编程时间芯片(0310233-500 + )，其最大延时时间为1275118可控，控制步长5118，最高频率1MHz，完全满足本离子延时引出模块所要求的50-1200ns、稳定度要控制在土 200ps内、频率最高200Hz的参数要求。将可编程时间芯片(DS1023S-500+)的串行编程选择端(14脚)接高电平，选择串行模式，输出模式选择端MS(II脚)接低电平，S卩:输出信号与输入信号极性相同，通过输入锁存器能使端LE(2脚)、串行时钟输入端CLK/P1 (4脚)、串行数据输入端D/P2(5脚)进行延时时间配置，配置好延时时间后，方波脉冲信号Signal_MID信号进入可编程时间芯片的信号输入端IN，延时后经信号输出端0UT(15脚)输出相同波形Signal3。为了满足后续高速采集卡和高压脉冲模块驱动能力的需求，在信号Signa3后面连接的两个与门U5A、U5B(型号:SN74HC08D)，再经连接器J2、J3输出第一触发信号和第二触发信号2。
【主权项】
1.一种适于飞行时间质谱仪的离子延时引出模块，包括用于接收激光器同步信号的信号捕捉电路，所述信号捕捉电路的输出端与信号展宽电路的信号输入端连接，所述信号展宽电路的输出端与信号延时电路的信号输入端连接，所述信号延时电路的输出端由第一触发信号输出端和第二触发信号输出端组成;其特征在于: 所述信号捕捉电路由三极管Ql和施密特反相器组成;所述三极管Ql基极经电阻Rl与激光器同步信号输出端连接，三极管Ql发射极接地，三极管Ql集电极一路经电阻R2接电源正极，另一路与所述施密特反相器的信号输入端连接； 所述信号展宽电路由两个单稳态触发器U2A、U2B和D触发器U3组成;所述D触发器U3的时钟输入端CLK与所述施密特反相器的信号输出端连接;D触发器U3的反向输出端、数据输入端D相互连接;D触发器U3正向输出端Q与所述单稳态触发器U2A的正触发输入端B连接；单稳态触发器U2A的清除端接高电平VCC，负触发输入端A接低电平GND，外接电容端Cext通过电容Cl、电阻R3接高电平VCC，外接电阻/电容端Rext/Cext与所述电阻R3的低电位端连接，正脉冲输出端Q与单稳态触发器U2B的负触发输入端A连接； 单稳态触发器U2B的正触发输入端B和清除端均接高电平VCC，负脉冲输出端与D触发器U3的复位端CLR相连；单稳态触发器U2B的外接电容端Cext通过电容C2、电阻R4接高电平VCC，外接电阻/电容端Rext/Cext与所述电阻R4的低电位端连接； 所述信号延时电路由可编程时间芯片和两个与门U5A、U5B组成;所述可编程时间芯片的串行编程选择端接高电平，选择串行模式，输出模式选择端MS接低电平，S卩:输出信号与输入信号极性相同；可编程时间芯片的信号输入端IN与所述信号展宽电路中单稳态触发器U2A的正触发输入端B连接;可编程时间芯片的信号输出端OUT分别与两个所述与门U5A、U5B的第一输入端连接，两个与门U5A、U5B的第二输入端均接高电平VCC。
【文档编号】H01J49/40GK205645754SQ201620466329
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月23日
【发明人】郭光辉, 蔡克亚, 王晓锦, 王家杰, 李康康, 肖永东, 易玲, 张瑞峰, 刘伟伟, 刘晓莉, 王超, 刘聪, 吴学炜
【申请人】安图实验仪器(郑州)有限公司