一种去除脉冲输出对飞行时间质谱信号干扰的装置及方法与流程

本方案属于质谱检测，具体涉及一种去除脉冲输出对飞行时间质谱信号干扰的装置及方法。

背景技术：

1、飞行时间质谱是根据不同质荷比离子，通过特定区域(通常称为无场飞行区)时不同的飞行速度来达到离子分离的效果。不同质荷比离子在进入到无场飞行区之前，会在加速区进行加速，以获得相同的动能。对离子的加速，需要用到脉冲电压，为获得较高的质量分辨率，需要减小脉冲的上升时间和下降时间，即需要很“陡”的脉冲电压，但脉冲电压上升和下降的过程，会携带一些高频的电压成分，这些高频的电压成分，幅值较小，脉冲电源在腔体真空馈通接头的接线处，形成的电磁场会通过空间传播至飞行时间质谱仪检测区的阳极板以及信号线处，形成感应电流，这些感应电流干扰了来自微通道板检测器(mcp)的电子流，反应在谱图中便是脉冲输出对质谱仪信号的干扰。干扰主要集中在脉冲上升沿与下降沿期间，这些干扰主要影响飞行时间很短的离子，即很小质量数离子，根据所设置的脉宽不同，影响着不同的质量范围。对于飞行时间质谱而言，根据应用需求不同，所关注的物质也不同，如对于生物大分子的检测，所关注的质量数＞100amu，对于vocs的检测，其质量数通常＞10amu，而在相同的情况下，脉冲电压输出对信号的干扰范围一般小于6amu，(取决于设置的脉宽)，因此在使用飞行时间质谱仪进行检测时，通常会设置延迟采集，以去除那些对不关注的干扰；但是对于一些特殊的应用需求，如残余气体分析等，需要关注所有小质量数离子，如1-4amu范围内的：h2+、he+、h+、h3+等，此时无法通过设置采集延迟来排除干扰，限制了质谱仪在小质量数检测方向的应用，因此需要从根本上解决脉冲电压输出造成的干扰。

2、而对消除脉冲输出对飞行时间质谱仪信号的干扰，有三种理论上可行的方案，具体包括如下：

3、1、开发更加纯净的脉冲电源，使之不包含高频成分，但由于脉冲电压本身也是一种相对高频的成分(脉冲频率通常在5-100khz)，且需要较小的脉冲上升时间和下降时间(通常<50ns)，因此技术难度较大且复杂，难以完全消除脉冲中的高频成分。

4、2、开发新的算法，去除脉冲输出中高频成分对信号的干扰，但由于高频成分相比于信号，其强度较高，对质谱仪的采集卡等组件有一定的不利影响，如影响采集卡的寿命及长期稳定性。因此，仅通过后端算法去除有一定的局限性。

5、3、通过接地屏蔽来阻断脉冲输出中高频成分的空间传播，此方法相比于从脉冲电源本身，简单方便，成本低，且可行性高，可以大大降低脉冲干扰的强度，但仍然有一定的局限性，无法完全彻底地阻断高频成分的传播。

6、在相关的现有技术中，专利公告号为cn110196274b的中国发明专利公开一种可降低噪声的质谱装置及方法，其针对离子源质谱仪产生的单粒子，通过在离子通道处设置特殊材料，以截取单粒子噪音，并改变进样方式，采用阶段性进样，并通过算法去除信号中的单粒子噪声，其适用的质谱仪类型是质量过滤型质谱仪(如四极杆质谱仪)，四极杆质谱仪的质量分析器使用的是射频电源，因此此类方法无法针对高压脉冲输出产生的干扰信号。除此之外，专利公告号为cn109103067b的中国发明专利公开一种提高飞行时间质谱仪灵敏度的方法，其通过改变采集时间来实现特定目标峰的累加，以提高飞行时间质谱仪的灵敏度，但其无法解决由脉冲输出中高频成分引起的干扰信号。

技术实现思路

1、本方案旨在克服现有技术中的至少一种缺陷(不足)，提供一种去除脉冲输出对飞行时间质谱信号干扰的装置及方法，能有效去除脉冲输出对飞行时间质谱信号干扰，有利于拓展飞行时间质谱仪在小质量数的应用场景和范围。

2、为了解决上述技术问题，采取下述技术方案：

3、一种去除脉冲输出对飞行时间质谱信号干扰的方法，通过接地屏蔽的方式分别对飞行时间质量分析器的加速区和检测区进行接地屏蔽，检测区的信号传输线设为具备屏蔽功能；再通过模板匹配滤波法去除脉冲干扰信号。

4、所述模板匹配滤波法包括：设定脉冲干扰信号的匹配模板，通过匹配计算方法，求得谱图中每个点的匹配系数，并设定阈值，大于设定的阈值，则为脉冲干扰，否则为非脉冲干扰，根据匹配系数的差异将脉冲形成的干扰去除。

5、所述模板匹配滤波法的脉冲干扰信号的匹配模板选择正弦信号模型或余弦信号，且周期与脉冲干扰信号相似；

6、所述匹配计算方法通过余弦相似度算法、pearson相关系数求算法得匹配系数；将匹配系数大于阈值的点的响应降为本底水平，以去除脉冲干扰信号。

7、所述匹配系数的取值为[-1,1]，其绝对值越接近于1，则匹配度越高，其绝对值越趋向于0，则匹配度越低。

8、本方案还提供一种用于在上述去除脉冲输出对飞行时间质谱信号干扰的方法中实现接地屏蔽的装置，其结构包括第一接地屏蔽结构和第二接地屏蔽结构，所述第一接地屏蔽结构屏蔽于飞行时间质量分析器的加速区，所述第二接地屏蔽结构屏蔽于飞行时间质量分析器的检测区，检测区的信号传输线设为具备屏蔽功能。

9、所述第一接地屏蔽结构包括加速区接地屏蔽罩，所述加速区接地屏蔽罩与电源地线等电位，通过加速区接地屏蔽罩屏蔽飞行时间质量分析器的加速区。

10、在上述装置中，飞行时间质量分析器的加速区设有第一真空馈通、第二真空馈通、第一脉冲极片、第二脉冲极片、gnd端以及加速极片；

11、所述加速区接地屏蔽罩的高度高于所述第一脉冲极片、gnd端以及第二脉冲极片，且加速区接地屏蔽罩的高度低于所述加速极片；

12、所述第一真空馈通和第二真空馈通分别接入脉冲电源，且所述第一真空馈通在所述加速区接地屏蔽罩内通过导线连接于所述第一脉冲极片，所述第二真空馈通在所述加速区接地屏蔽罩内通过导线连接于所述第二脉冲极片；

13、飞行时间质量分析器的腔体通过导线连接于加速区接地屏蔽罩内的gnd端。

14、所述第二接地屏蔽结构包括检测区接地屏蔽罩，所述检测区接地屏蔽罩与电源地线等电位，通过检测区接地屏蔽罩屏蔽飞行时间质量分析器的检测区。

15、飞行时间质量分析器的检测区设有检测区栅网、mcp检测器以及阳极板；

16、所述检测区接地屏蔽罩上设有开口，检测区的信号传输线从所述检测区接地屏蔽罩的开口向外穿出。

17、所述信号传输线为双层屏蔽线或多层屏蔽线。

18、本方案与现有技术相比较有如下有益效果：本方案的一种去除脉冲输出对飞行时间质谱信号干扰的装置及方法首先利用接地屏蔽装置通过对飞行时间质量分析器加速区和检测区进行接地屏蔽，以阻断脉冲输出中高频成分对飞行时间质谱仪小质荷比离子(m/z)信号输出的干扰。并且检测区的信号传输线采用屏蔽效果的信号传输线。通过屏蔽的方式阻断脉冲电源中输出高频成分电场的空间传播，有效地降低脉冲干扰信号的强度；然后再通过模板匹配滤波法去除脉冲干扰信号，从而去除脉冲电源输出中高频成分对小质量数目标信号的干扰，故可以有效去除脉冲输出对飞行时间质谱信号干扰，有利于拓展飞行时间质谱仪在小质量数的应用场景和范围。