运用低噪声、高速ADC增强飞翔光阴质谱仪功能

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TOF MS简介

质谱测定(MS)是运用仪功一种凭证份子量对于样品中已经知/未知份子妨碍量化的合成技术。先将样品中的低噪元素以及/或者份子电离成带或者不带碎片的气态离子，而后在品质合成仪中将其分说，声高速这样就能经由质谱中的增强质谱质荷比（m/z ，或者脉冲的飞翔位置）及相对于品貌（或者脉冲的幅度）来表征元素以及/或者份子。

质谱仪有三个主要组件 ：用于从被测样品中产去世气态离子的光阴离子源，凭证m/z比分说离子的运用仪功品质合成仪
，以及用于检测离子以及每一种离子相对于品貌的低噪离子检测器。检测器输入经由调节以及数字化处置后 ，声高速发生质谱  。增强质谱当初有多种品质合成器，飞翔它们接管残缺差距的光阴策略来分说差距m/z值的离子1。图1展现了四极杆以及TOF MS的运用仪功主要模块。

在TOF MS中 ，低噪短时电离使命组成的声高速离子经由静电场减速，因此差距m/z的离子具备相同的动能 ，但速率差距 。这些离子随后沿着无场漂移道路后退，并以差距的飞翔光阴抵达检测器——较轻的离子先于较重的离子抵达
，如图2所示。在实际中，由于减速地域中初始空间扩散以及能量（或者速率）的差距，相同m/z的一组离子的飞翔光阴会扩散组成一个窄至多少百皮秒(ps)的脉冲 。每一个脉冲是对于应于多个自力离子抵达使命的信号之以及，个别由半峰全宽(FWHM)参数来表征。

图1 四极杆以及TOF MS的主要模块图2 飞翔光阴品质合成仪图解

检测器（好比微通道板(MCP)检测器）检测传入的离子并发生脉冲电流 。电流由光阴数字转换器(TDC)或者高速ADC记实。尽管TDC的速率极快  ，可能低至多少皮秒，但它用于记实脉冲幅度的动态规模有限。高速ADC可能实现2 GSPS或者更高的速率，分说率可达10位
、12位致使更多位数 ，因此可能精确记实脉冲的时序以及幅度。咱们接下来将介绍影响TOF MS功能的高速ADC的紧张规格参数。

TOF MS的运用

自20世纪90年月基质辅助激光解吸电离(MALDI)技术缔造并商业化以来，TOF MS引起了人们的普遍关注2
。MALDI技术的道理如下：电离基质份子（艰深为有机酸），同时运用数百皮秒至多少纳秒(ns)的紫内线(UV)激光脉冲蒸发样品份子。在气相中，基质份子将质子传递给样品份子，使样品份子质子化并酿成带电离子。由于基质罗致了大部份激光能量 ，因此样品中的份子会坚持其残缺性，而不会破裂或者分解，这使MALDI成为生物大份子合陋习模备受瞩目的电离措施
。由于MALDI以及TOF MS之间易于耦合、不受限的品质规模
、高锐敏度以及高吞吐量，TOF MS已经成为生物医学钻研 、药物研发以及临床运用的紧张工具 
，这些运用中的合成物艰深为大份子  。

值患上留意的是 ，MALDI TOF MS在临床细菌判断中发挥着不可替换的熏染，其最快周转光阴为4小时，而老例技术或者其余新技术需要72小时以上3。短周转光阴对于细菌熏染患者的照料护士以及治疗服从至关紧张。MALDI TOF MS的其余短处搜罗：样品制备简略 ，操作老本低，以及有可能识别一些罕有细菌。随着抗菌素耐药性对于天下各地的人类瘦弱组成严正劫持，将MALDI TOF MS作为赶快检测(PoC)配置装备部署是时事所趋4。

TOF MS的关键参数

TOF MS定量合成测试样品中差距合成物的能耐取决于良多因素 ，搜罗样品电离措施的抉择 、用于减速以及向导离子进入离子检测器的电场的配置装备部署以及时序特色 、检测器功能及信号数字化。咱们的品评辩说仅限于与信号数字化相关的TOF MS关键规格参数 ，搜罗品质规模 、品质精度
、品质分说率 、一再率以及锐敏度
 。

品质规模是样品中份子的份子量规模，与减速电压  、飞翔管长度 、采样速率以及一再率等多个因素无关。品质规模要求因运用而异。好比
，MALDI TOF MS妨碍细菌判断的丈量品质规模为2,000 Da至20,000 Da的核糖体标志。

品质基于飞翔光阴来合计，因此TOF MS的品质精度主要取决于脉冲光阴丈量的精度 。实际上 ，每一个脉冲的抵达光阴是经由将脉冲拟合到高斯函数并找到峰值来合计的。ADC采样速率抉择单个脉冲的采样数，对于脉冲拟合至关紧张。

品质分说率掂量光谱中两个相邻脉冲之间最挨近的可分说距离。它个别被界说为离子品质与响应品质脉冲宽度的比值
。脉冲宽度的典型界说是FWHM。脉冲越窄，品质分说率越高，象征着可能更好地域分份子量临近的两个离子包
。尽管正交加速以及反射器可能清晰后退品质分说率
 ，但ADC采样速率以及噪声功能也会影响这一关键规格。

在TOF MS中，质谱是来自良一再一再的信号的总以及
，而不是仅搜罗繁多历程（电离 、减速以及漂移 、离子检测以及数字化）的单个瞬态
。更紧张的是，对于搜罗份子量以及浓度差距的多种份子的测试样品，繁多电离使命可能既不会发生所有感兴趣份子的离子，也不会发生与其浓度成比例的离子。求以及是飞腾此类采样倾向并后退信噪比(SNR)的实用且适用的措施 。因此，就信噪比以及吞吐量而言，一再率是TOF MS的一个紧张且适用的规格参数 。新型TOF MS可能实现1 kHz或者更快的扫描速率，这象征着每一个瞬态惟独1毫秒(ms)或者更短的光阴。后退ADC采样速率会延迟每一个瞬态的不断光阴，从而实现更快的一再率 。

TOF MS的锐敏度是指检测样品中最低浓度份子的能耐。它由良多因素配合抉择，好比：化学布景噪声
、所有目的份子的浓度规模 、检测器以及ADC的噪声系数以及动态规模，以及求以及患上到最终质谱的瞬态数目。在实际中，零星锐敏度可能经由识别瓶颈因素以及/或者失调这些因始终优化 。

TOF MS的事实ADC规格要求

低噪声 、高速ADC对于TOF MS的零星功能至关紧张。如前所述，光阴丈量精度以及零星噪声水平是TOF MS仪器的两个紧张规格参数。零星噪声水平可能经由一再丈量并求以及来变通处置 ，但光阴丈量的精度由高速ADC的采样速率以及孔径发抖抉择 。思考到在接管正交加速以及反射器的TOF MS仪器中 ，脉冲可能窄至多少百皮秒
，因此在5 GSPS采样速率下
，单个脉冲惟独多少个样本。将样本拟合到高斯函数时，每一个样本对于找到脉冲峰值都很紧张
。因此 ，采样速率以及孔径发抖是值患上关注的ADC规格参数 。

锐敏度由零星噪声水平抉择 ，而零星噪声水平可能经由一再丈量并求以及来改善 。可是，一再次数会限度仪器的吞吐量
。为了以较少的一再次数实现目的锐敏度，ADC的噪声功能颇为紧张。人们每一每一对于ADC的功能存在扭曲，以为其SNR与其位分说率成正比 。采样速率为1 GSPS或者以上的ADC个别接管流水线架构，其规格参数搜罗实用位数(ENOB)以及噪声密度/噪声系数/SNR等。可是 ，流水线型ADC有多少个缺陷，搜罗：飞腾倾向需要高增益以及大带宽运算缩漂亮，电容失配 ，以及前端采样坚持(S/H)以及运算缩漂亮的功耗；这些因素都市发生噪声，导致其无奈实现所需的位分说率5
。ENOB取决于输入频率以及采样速率 ，经由信纳比(SNDR)妨碍合计 。好比，12位AD9081在4 GSPS以及4500 MHz输入频率下具备8位ENOB
。ENOB并非掂量ADC噪声功能的精采目的。噪声密度更挨近实际噪声水平，但接管高斯脉冲妨碍基准测试可能患上到ADC噪声功能以及TOF MS仪器锐敏度的着假相形 。

低噪声 、高速ADC的基准测试

MxFE可智能集成RF ADC、数模转换器(DAC) 、片内数字信号处置以及时钟/锁相环(PLL)，反对于多芯片同步 。市场上也有仅装备高速ADC的MxFE器件。为了简化起见 ，咱们的基准测试运用了AD9082，其集成为了ADC以及DAC，如图3所示。集成DAC用于天生FWHM为0.5 ns的窄高斯脉冲串，其幅度由数字缩放以及外部衰减器组合来操作。高斯脉冲比用于ADC表征的典型单音信号更挨近质谱中的信号。配置两个ADC通道对于信号妨碍数字化处置：CH1针对于经由修正外部衰减器使之饱以及或者衰减的种种幅度；CH2作为参考，用于高于90%满量程(FS)且未饱以及的信号强度 。在咱们的测试中，采样速率为6 GSPS ，以便为每一个脉冲提供饶富的样本。

图3 运用AD9082妨碍高速ADC测试的框图

咱们妨碍了三种规范的测试 ：

●   衰减以及饱以及测试 ：CH2以牢靠7 dB衰减器对于作为参考；CH1针对于衰减情景运用8 dB、9 dB以及10 dB衰减器对于，针对于饱以及情景运用3 dB以及1 dB衰减器对于 。

●   最大20 dB衰减的弱信号丈量：CH2直接衔接到DAC输入作为参考，缩放-16 dBFSC；CH1将10 dB衰减器对于用于<32% FS信号，将20 dB衰减器对于用于<10% FS信号 。

●   噪声丈量 ：CH2以牢靠7 dB衰减器对于作为参考；CH1运用50 Ω端接电阻
。

对于每一次测试 ，咱们收集>10 µs数据，侧一再妨碍数据收集10次以魔难重现性 。咱们在MATLAB®中基于数据绘制曲线并妨碍合成 。对于每一种测试情景 ，将10次一再收集数据妨碍比力并绘制曲线。图4展现了测试中的单个脉冲，其中CH1比CH2低3 dB
。两个通道的10次一再收集很好地重叠，表明数据收集具备高重现性 。

图4 10次一再收集重叠表明数据收集具备高重现性

AD9082 ADC具备过载呵护电路，假如输入幅度逾越下限，此电路将会激活 。假如呵护电路被激活，则在脉冲的着落沿个别会泛起复原拖尾 ，从而导致FS处泛起峰值削波以及复原拖尾 。较短的复原拖尾对于光阴精度很紧张 ，因此对于TOF MS的品质丈量也很紧张 。图5展现了饱以及（最高6 dB）或者衰减的五种情景的曲线。对于6 dB饱以及 ，复原拖尾小于0.4 ns ，表明呵护电路激活时复原展宽极小。

为了测试弱输入下的ADC功能 ，咱们收集了衰减10 dB以及20 dB的信号，如图6所示
 。信号的清晰迹线是在10% FS，即衰减20 dB，表明ADC发生的噪声极小。

对于ADC本底噪声，CH1衔接了50 Ω端接电阻，而CH2坚持在>90% FS，如图7所示  。

咱们经由绘制直方图并合计尺度差来合成噪声数据 ，如图8所示 。此情景的尺度差为0.0025  ，表明FS时的SNR为52 dB。

图5 五种测试情景（饱以及或者偏激衰减）的重叠形态图6 输入衰减10 dB以及20 dB的测试情景图7 本底噪声丈量，CH1衔接50 Ω端接电阻图8 本底噪声（CH1
，左）以及FS信号（CH2，右）丈量服从直方图

为了进一步量化光阴丈量精度以及噪声功能 ，咱们对于每一个脉冲妨碍分段 ，峰值位于一个30 ns窗口的中间 。而后
，咱们用高斯模子拟合每一个脉冲，以丈量其FWHM
。咱们运用30 ns窗口中每一侧12 ns的数据（总共24 ns）作为噪声合计的基线。

图9展现了输入为10% FS的测试情景的残缺收集图，以及运用高斯拟合以及分段基线的单个脉冲淘汰图。表1列出了平均值 、测患上的FWHM以及合计的SNR。

图9 输入为10% FS的测试情景下妨碍FWHM以及SNR丈量的脉冲以及基线分段

表1 输入为10% FS的测试情景下测患上的FWHM以及SNR

通道#	FWHM (ns)		SNR(dB)
平均值	SD
CH1=8 dB，CH2=7 dB	0.6543/0.6531	0.0050/0.0028	46.21/47.28	0.275/0.363
CH1=9 dB，CH2=7 dB	0.6656/0.6532	0.0037/0.0024	46.24/47.22	0.408/0.439
CH1=10 dB，CH2=7 dB	0.6549/0.6520	0.0028/0.0024	47.44/47.05	0.587/0.273
CH1=10 dB  ，CH2=0 dB	0.6708/0.6652	0.0075/0.0044	41.72/41.02	0.556/0.248
CH1=20 dB，CH2=0 dB	0.6722/0.6657	0.0141/0.0056	32.07/40.98	0.468/0.203

品评辩说以及总结

随着MALDI TOF MS成为临床微生物试验室细菌判断的尺度本领
，以及人们对于适用于特色化医疗的卵白质组学的兴趣日益浓郁，在未来多少十年内 ，MALDI TOF MS在医疗瘦弱规模中的运用估量将不断坚持削减势头  。由于其对于种种份子量的份子可能实现无损合成的优势，TOF MS在生物医学以及药物研发 、食物清静、情景监测方面也有普遍的运用 。低噪声、高速ADC具备卓越的噪声功能 ，采样速率比之后一代TOF MS仪器中的ADC快3至6倍 ，因此是下一代高功能TOF MS仪器的关键器件。高采样速率有助于延迟飞翔管的长度，从而减轻真空零星的负责，因此可能减小TOF MS仪器的尺寸而不影响功能。更小的尺寸对于TOF MS的赶快检测(PoC)运用以及种种现场运用颇为紧张
 。

AD9082的基准测试存在规模性，搜罗：用于建树低幅度输入（好比1% FS或者40 dB衰减）测试情景的外部衰减器颇为有限，阻抗失配导致数据中的反射，以及不屏障电磁干扰的凋谢空间。测试情景中陈说的SNR低于实际值，由于噪声合计中未消除了由阻抗失配引起的基线反射 。MxFE评估板 以及图形用户界面(GUI)软件 可用于实施更密集的测试。 凭证详细剖析并配合现场演示
，有助于建树客户评估零星。在履历丰硕的运用团队的教育下，运用MxFE样片妨碍原型妄想颇为简略。

测患上的FWHM以及SNR表明MxFE ADC的光阴精度以及噪声功能卓越。市场上MxFE的采样速率最高抵达10 GSPS，反对于锐敏地妄想下一代品质精度以及品质分说率更好
、锐敏度更高 、尺寸更小的TOF MS。此外，MxFE ADC受到电源、时钟以及驱动器产物的反对于，有助于确保实现无缝零星的集成以及优化
。

参考质料

1.Jurgen H. Gross。质谱测定 ：教科书 ，第三版 。Springer ，2017年 。

2.Eva Torres-Sangiao、Cristina Leal Rodriguez 以及 Carlos Garcia-Riestra。“Application and Perspectives of MALDI–TOF Mass Spectrometry in Clinical Microbiology Laboratories”（MALDI–TOF质谱测定在临床微生物试验室中的运用以及展望）。Microorganisms ，第9卷，2021年  。

3.Moha妹妹ad Y. Ashfaq、Dana A. Da’na以及Moha妹妹ad A. Al-Ghouti 。“Application of MALDI-TOF MS for Identification of Environmental Bacteria: A Review”（MALDI-TOF MS的情景细菌判断运用综述）。Journal of Environmental Management，第305卷
，2022年
。

4.E. Chabriere、H. Bassène、M. Drancourt以及C. Sokhna。“MALDI-TOF MS and Point of Care Are Disruptive Diagnostic Tools in Africa”（MALDI-TOF MS以及赶快检测(PoC)黑白洲的倾覆性诊断工具） 。New Microbe and New Infections，第26卷  ，2018年。

5.Chun C. Lee 。学位论文：Improving Accuracy and Energy Efficiency of Pipeline Analog to Digital Converters（后退流水线型模数转换器的精度以及能效） 。密歇根大学，2010年
。

对于作者

Guixue (Glen) Bu是仪器仪表零星处置妄想部的零星妄想/架构工程师 ，研发重点是迷信仪器仪表开拓以及运用。他于2018年9月退出ADI公司。他具备清华大学生物工程学士学位以及普渡大学生物工程硕士以及博士学位 。