【導(dǎo)讀】在許多領(lǐng)域應(yīng)用中，飛行時間質(zhì)譜儀(TOF MS)已成為一種至關(guān)重要的儀器，特別是在臨床微生物實驗室的細菌鑒定中，它具有不可替代的作用。TOF MS的核心是低噪聲、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。本文將闡述TOF MS的基本原理并重點說明其關(guān)鍵參數(shù)。本文還分析探討了TOF MS參數(shù)和ADC規(guī)格參數(shù)之間的關(guān)系。使用混合信號前端(MxFE?) ADC的實際結(jié)果表明，低噪聲、高速ADC可以大大改善TOF MS的指標，包括質(zhì)量精度、質(zhì)量分辨率和靈敏度。
TOF MS簡介
質(zhì)譜測定(MS)是一種根據(jù)分子量對樣品中已知/未知分子進行量化的分析技術(shù)。先將樣品中的元素和/或分子電離成帶或不帶碎片的氣態(tài)離子，然后在質(zhì)量分析儀中將其分離，這樣就可以通過質(zhì)譜中的質(zhì)荷比（m/z，或脈沖的位置）及相對豐度（或脈沖的幅度）來表征元素和/或分子。
質(zhì)譜儀有三個主要組件：用于從被測樣品中產(chǎn)生氣態(tài)離子的離子源，根據(jù)m/z比分離離子的質(zhì)量分析儀，以及用于檢測離子和每種離子相對豐度的離子檢測器。檢測器輸出經(jīng)過調(diào)理和數(shù)字化處理后，產(chǎn)生質(zhì)譜。目前有多種質(zhì)量分析器，它們采用完全不同的策略來分離不同m/z值的離子1。圖1顯示了四極桿和TOF MS的主要模塊。
在TOF MS中，短時電離事件形成的離子通過靜電場加速，因此不同m/z的離子具有相同的動能，但速度不同。這些離子隨后沿著無場漂移路徑行進，并以不同的飛行時間到達檢測器——較輕的離子先于較重的離子到達，如圖2所示。在實踐中，由于加速區(qū)域中初始空間分布和能量（或速度）的差異，相同m/z的一組離子的飛行時間會分布形成一個窄至幾百皮秒(ps)的脈沖。每個脈沖是對應(yīng)于多個獨立離子到達事件的信號之和，通常由半峰全寬(FWHM)參數(shù)來表征。
圖1.四極桿和TOF MS的主要模塊
圖2.飛行時間質(zhì)量分析儀圖解
檢測器（例如微通道板(MCP)檢測器）檢測傳入的離子并產(chǎn)生脈沖電流。電流由時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)或高速ADC記錄。雖然TDC的速度極快，可以低至幾皮秒，但它用于記錄脈沖幅度的動態(tài)范圍有限。高速ADC可以實現(xiàn)2 GSPS或更高的速度，分辨率可達10位、12位甚至更多位數(shù)，因此可以準確記錄脈沖的時序和幅度。我們接下來將介紹影響TOF MS性能的高速ADC的重要規(guī)格參數(shù)。
TOF MS的應(yīng)用
自20世紀90年代基質(zhì)輔助激光解吸電離(MALDI)技術(shù)發(fā)明并商業(yè)化以來，TOF MS引起了人們的廣泛關(guān)注2。MALDI技術(shù)的原理如下：電離基質(zhì)分子（通常是有機酸），同時利用數(shù)百皮秒至幾納秒(ns)的紫外線(UV)激光脈沖蒸發(fā)樣品分子。在氣相中，基質(zhì)分子將質(zhì)子傳遞給樣品分子，使樣品分子質(zhì)子化并變成帶電離子。由于基質(zhì)吸收了大部分激光能量，因此樣品中的分子會保持其完整性，而不會碎裂或分解，這使MALDI成為生物大分子分析領(lǐng)域備受矚目的電離方法。由于MALDI和TOF MS之間易于耦合、不受限的質(zhì)量范圍、高靈敏度和高吞吐量，TOF MS已成為生物醫(yī)學(xué)研究、藥物研發(fā)和臨床應(yīng)用的重要工具，這些應(yīng)用中的分析物通常是大分子。
值得注意的是，MALDI TOF MS在臨床細菌鑒定中發(fā)揮著不可替代的作用，其最快周轉(zhuǎn)時間為4小時，而常規(guī)技術(shù)或其他新技術(shù)需要72小時以上3。短周轉(zhuǎn)時間對于細菌感染患者的護理和治療結(jié)果至關(guān)重要。MALDI TOF MS的其他優(yōu)點包括：樣品制備容易，操作成本低，以及有可能識別一些稀有細菌。隨著抗菌素耐藥性對世界各地的人類健康構(gòu)成重大威脅，將MALDI TOF MS作為即時檢測(PoC)設(shè)備是大勢所趨4。
TOF MS的關(guān)鍵參數(shù)
TOF MS定量分析測試樣品中不同分析物的能力取決于許多因素，包括樣品電離方法的選擇、用于加速和引導(dǎo)離子進入離子檢測器的電場的配置和時序特性、檢測器效率及信號數(shù)字化。我們的討論僅限于與信號數(shù)字化相關(guān)的TOF MS關(guān)鍵規(guī)格參數(shù)，包括質(zhì)量范圍、質(zhì)量精度、質(zhì)量分辨率、重復(fù)率和靈敏度。
質(zhì)量范圍是樣品中分子的分子量范圍，與加速電壓、飛行管長度、采樣速率和重復(fù)率等多個因素有關(guān)。質(zhì)量范圍要求因應(yīng)用而異。例如，MALDI TOF MS進行細菌鑒定的測量質(zhì)量范圍為2,000 Da至20,000 Da的核糖體標記。
質(zhì)量基于飛行時間來計算，因此TOF MS的質(zhì)量精度主要取決于脈沖時間測量的精度。實際上，每個脈沖的到達時間是通過將脈沖擬合到高斯函數(shù)并找到峰值來計算的。ADC采樣速率決定單個脈沖的采樣數(shù)，對于脈沖擬合至關(guān)重要。
質(zhì)量分辨率衡量光譜中兩個相鄰脈沖之間最接近的可區(qū)分間隔。它通常被定義為離子質(zhì)量與相應(yīng)質(zhì)量脈沖寬度的比值。脈沖寬度的典型定義是FWHM。脈沖越窄，質(zhì)量分辨率越高，意味著可以更好地區(qū)分分子量相近的兩個離子包。雖然正交加速和反射器可以顯著提高質(zhì)量分辨率，但ADC采樣速率和噪聲性能也會影響這一關(guān)鍵規(guī)格。
在TOF MS中，質(zhì)譜是來自許多次重復(fù)的信號的總和，而不是僅包括單一過程（電離、加速和漂移、離子檢測和數(shù)字化）的單個瞬態(tài)。更重要的是，對于包含分子量和濃度不同的多種分子的測試樣品，單一電離事件可能既不會產(chǎn)生所有感興趣分子的離子，也不會產(chǎn)生與其濃度成比例的離子。求和是降低此類采樣誤差并提高信噪比(SNR)的有效且實用的方法。因此，就信噪比和吞吐量而言，重復(fù)率是TOF MS的一個重要且實用的規(guī)格參數(shù)。新型TOF MS可以實現(xiàn)1 kHz或更快的掃描速度，這意味著每個瞬態(tài)只需1毫秒(ms)或更短的時間。提高ADC采樣速率會縮短每個瞬態(tài)的持續(xù)時間，從而實現(xiàn)更快的重復(fù)率。
TOF MS的靈敏度是指檢測樣品中最低濃度分子的能力。它由許多因素共同決定，例如：化學(xué)背景噪聲、所有目標分子的濃度范圍、檢測器和ADC的噪聲系數(shù)和動態(tài)范圍，以及求和得到最終質(zhì)譜的瞬態(tài)數(shù)量。在實踐中，系統(tǒng)靈敏度可以通過識別瓶頸因素和/或平衡這些因素來優(yōu)化。
TOF MS的理想ADC規(guī)格要求
低噪聲、高速ADC對于TOF MS的系統(tǒng)性能至關(guān)重要。如前所述，時間測量精度和系統(tǒng)噪聲水平是TOF MS儀器的兩個重要規(guī)格參數(shù)。系統(tǒng)噪聲水平可以通過重復(fù)測量并求和來變通處理，但時間測量的精度由高速ADC的采樣速率和孔徑抖動決定。考慮到在采用正交加速和反射器的TOF MS儀器中，脈沖可以窄至幾百皮秒，因此在5 GSPS采樣速率下，單個脈沖只有幾個樣本。將樣本擬合到高斯函數(shù)時，每個樣本對于找到脈沖峰值都很重要。因此，采樣速率和孔徑抖動是值得關(guān)注的ADC規(guī)格參數(shù)。
靈敏度由系統(tǒng)噪聲水平?jīng)Q定，而系統(tǒng)噪聲水平可以通過重復(fù)測量并求和來改善。然而，重復(fù)次數(shù)會限制儀器的吞吐量。為了以較少的重復(fù)次數(shù)實現(xiàn)目標靈敏度，ADC的噪聲性能非常重要。人們常常對ADC的性能存在誤解，認為其SNR與其位分辨率成正比。采樣速率為1 GSPS或以上的ADC通常采用流水線架構(gòu)，其規(guī)格參數(shù)包括有效位數(shù)(ENOB)和噪聲密度/噪聲系數(shù)/SNR等。然而，流水線型ADC有幾個缺點，包括：降低誤差需要高增益和大帶寬運算放大器，電容失配，以及前端采樣保持(S/H)和運算放大器的功耗；這些因素都會產(chǎn)生噪聲，導(dǎo)致其無法實現(xiàn)所需的位分辨率5。ENOB取決于輸入頻率和采樣速率，通過信納比(SNDR)進行計算。例如，12位AD9081在4 GSPS和4500 MHz輸入頻率下具有8位ENOB。ENOB并不是衡量ADC噪聲性能的良好指標。噪聲密度更接近實際噪聲水平，但采用高斯脈沖進行基準測試可以得到ADC噪聲性能以及TOF MS儀器靈敏度的真實情況。
低噪聲、高速ADC的基準測試
MxFE可智能集成RF ADC、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、片內(nèi)數(shù)字信號處理和時鐘/鎖相環(huán)(PLL)，支持多芯片同步。市場上也有僅配備高速ADC的MxFE器件。為了簡化起見，我們的基準測試使用了AD9082，其集成了ADC和DAC，如圖3所示。集成DAC用于生成FWHM為0.5 ns的窄高斯脈沖串，其幅度由數(shù)字縮放和外部衰減器組合來控制。高斯脈沖比用于ADC表征的典型單音信號更接近質(zhì)譜中的信號。設(shè)置兩個ADC通道對信號進行數(shù)字化處理：CH1針對通過改變外部衰減器使之飽和或衰減的各種幅度；CH2作為參考，用于高于90%滿量程(FS)且未飽和的信號強度。在我們的測試中，采樣速率為6 GSPS，以便為每個脈沖提供足夠的樣本。
圖3.使用AD9082進行高速ADC測試的框圖
我們進行了三種類型的測試：
● 衰減和飽和測試：CH2以固定7 dB衰減器對作為參考；CH1針對衰減情況使用8 dB、9 dB和10 dB衰減器對，針對飽和情況使用3 dB和1 dB衰減器對。
● 最大20 dB衰減的弱信號測量：CH2直接連接到DAC輸出作為參考，縮放-16 dBFSC；CH1將10 dB衰減器對用于<32% FS信號，將20 dB衰減器對用于<10% FS信號。
● 噪聲測量：CH2以固定7 dB衰減器對作為參考；CH1使用50 Ω端接電阻。
對于每次測試，我們采集>10 μs數(shù)據(jù)，并重復(fù)進行數(shù)據(jù)采集10次以檢查重現(xiàn)性。我們在MATLAB?中基于數(shù)據(jù)繪制曲線并進行分析。對于每種測試情況，將10次重復(fù)采集數(shù)據(jù)進行對比并繪制曲線。圖4顯示了測試中的單個脈沖，其中CH1比CH2低3 dB。兩個通道的10次重復(fù)采集很好地重疊，表明數(shù)據(jù)采集具有高重現(xiàn)性。
圖4.10次重復(fù)采集重疊表明數(shù)據(jù)采集具有高重現(xiàn)性
AD9082 ADC具有過載保護電路，如果輸入幅度超過上限，此電路將會激活。如果保護電路被激活，則在脈沖的下降沿通常會出現(xiàn)恢復(fù)拖尾，從而導(dǎo)致FS處出現(xiàn)峰值削波和恢復(fù)拖尾。較短的恢復(fù)拖尾對于時間精度很重要，因此對于TOF MS的質(zhì)量測量也很重要。圖5顯示了飽和（最高6 dB）或衰減的五種情況的曲線。對于6 dB飽和，恢復(fù)拖尾小于0.4 ns，表明保護電路激活時恢復(fù)展寬極小。
為了測試弱輸入下的ADC性能，我們采集了衰減10 dB和20 dB的信號，如圖6所示。信號的清晰跡線是在10% FS，即衰減20 dB，表明ADC產(chǎn)生的噪聲極小。
對于ADC本底噪聲，CH1連接了50 Ω端接電阻，而CH2保持在>90% FS，如圖7所示。
我們通過繪制直方圖并計算標準差來分析噪聲數(shù)據(jù)，如圖8所示。此情況的標準差為0.0025，表明FS時的SNR為52 dB。
圖5.五種測試情況（飽和或過度衰減）的重疊狀態(tài)
圖6.輸入衰減10 dB和20 dB的測試情況
圖7.本底噪聲測量，CH1連接50 Ω端接電阻
圖8.本底噪聲（CH1，左）和FS信號（CH2，右）測量結(jié)果直方圖
為了進一步量化時間測量精度和噪聲性能，我們對每個脈沖進行分段，峰值位于一個30 ns窗口的中心。然后，我們用高斯模型擬合每個脈沖，以測量其FWHM。我們使用30 ns窗口中每側(cè)12 ns的數(shù)據(jù)（總共24 ns）作為噪聲計算的基線。
圖9顯示了輸入為10% FS的測試情況的完整采集圖，以及使用高斯擬合和分段基線的單個脈沖放大圖。表1列出了平均值、測得的FWHM和計算的SNR。
圖9.輸入為10% FS的測試情況下進行FWHM和SNR測量的脈沖和基線分段
表1.輸入為10% FS的測試情況下測得的FWHM和SNR
我們測量了輸入衰減從1 dB到20 dB的所有測試情況下的FWHM和SNR。測試結(jié)果總結(jié)列于表2中。結(jié)果表明，在不同輸入幅度下，時間測量準確，F(xiàn)WHM讀數(shù)一致。
表2.測得的FWHM和SNR
討論和總結(jié)
隨著MALDI TOF MS成為臨床微生物實驗室細菌鑒定的標準手段，以及人們對適用于個性化醫(yī)療的蛋白質(zhì)組學(xué)的興趣日益濃厚，在未來幾十年內(nèi)，MALDI TOF MS在醫(yī)療健康領(lǐng)域中的應(yīng)用預(yù)計將繼續(xù)保持增長勢頭。由于其對各種分子量的分子能夠?qū)崿F(xiàn)無損分析的優(yōu)勢，TOF MS在生物醫(yī)學(xué)和藥物研發(fā)、食品安全、環(huán)境監(jiān)測方面也有廣泛的應(yīng)用。低噪聲、高速ADC具有出色的噪聲性能，采樣速率比當前一代TOF MS儀器中的ADC快3至6倍，因而是下一代高性能TOF MS儀器的關(guān)鍵器件。高采樣速率有助于縮短飛行管的長度，從而減輕真空系統(tǒng)的負擔，因此可以減小TOF MS儀器的尺寸而不影響性能。更小的尺寸對于TOF MS的即時檢測(PoC)應(yīng)用和各種現(xiàn)場應(yīng)用非常重要。
AD9082的基準測試存在局限性，包括：用于創(chuàng)建低幅度輸入（例如1% FS或40 dB衰減）測試情況的外部衰減器非常有限，阻抗失配導(dǎo)致數(shù)據(jù)中的反射，以及沒有屏蔽電磁干擾的開放空間。測試情況中報告的SNR低于實際值，因為噪聲計算中未消除由阻抗失配引起的基線反射。MxFE評估板 和圖形用戶界面(GUI)軟件 可用于執(zhí)行更密集的測試。 根據(jù)詳細說明并配合現(xiàn)場演示，有助于建立客戶評估系統(tǒng)。在經(jīng)驗豐富的應(yīng)用團隊的指導(dǎo)下，使用MxFE樣片進行原型設(shè)計非常容易。
測得的FWHM和SNR表明MxFE ADC的時間精度和噪聲性能出色。市場上MxFE的采樣速率最高達到10 GSPS，支持靈活地設(shè)計下一代質(zhì)量精度和質(zhì)量分辨率更好、靈敏度更高、尺寸更小的TOF MS。此外，MxFE ADC受到電源、時鐘和驅(qū)動器產(chǎn)品的支持，有助于確保實現(xiàn)無縫系統(tǒng)的集成和優(yōu)化。
參考資料
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5.Chun C. Lee。學(xué)位論文：Improving Accuracy and Energy Efficiency of Pipeline Analog to Digital Converters（提高流水線型模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度和能效）。密歇根大學(xué)，2010年。
關(guān)于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。
關(guān)于作者
Guixue (Glen) Bu是儀器儀表系統(tǒng)解決方案部的系統(tǒng)設(shè)計/架構(gòu)工程師，研發(fā)重點是科學(xué)儀器儀表開發(fā)和應(yīng)用。他于2018年9月加入ADI公司。他擁有清華大學(xué)生物工程學(xué)士學(xué)位以及普渡大學(xué)生物工程碩士和博士學(xué)位。
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