CN104483378B - 一种反向扩展hadamard变换离子迁移谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种反向扩展HADAMARD变换离子迁移谱仪，包括电离区、帘气区、反应区、反向扩展HADAMARD变换离子门控模块、迁移区、电荷探测区、逆HADAMARD变换信号处理模块，电离区有电离源，所述帘气区用于阻隔样品进入电离区，所述反应区与所述迁移区之间设置有离子门，所述离子门与所述反向扩展HADAMARD变换门控模块相连，所述反向扩展HADAMARD变换门控模块用于周期性地控制所述离子门的高速开关，实现离子流的多路复用，所电荷探测区连接有一逆HADAMARD变换信号处理模块，信号处理模块主要完成多路叠加谱信号的采集、A/D转换、逆HADAMARD变换处理、还原谱的显示。

Description

一种反向扩展HADAMARD变换离子迁移谱仪

技术领域

本发明涉及一种离子迁移谱仪，特别涉及一种反向扩展HADAMARD变换离子迁移谱仪。

背景技术

近年来，无论是国外还是国内，各种恐怖活动在不断加剧，为了更有效地保障公民财产和生命安全，人们加大了对***、化学战剂、毒品等的快速检测仪器的研发投入，离子迁移谱仪作为一种快速的痕量化学战剂检测设备，也在如火如荼的发展。

离子迁移谱相比于其他防暴反恐探测仪，其优势主要是能对一些痕量毒害气体进行快速检测，利用不同离子在均匀弱电场条件下具有不同的迁移速度来区分被测物，具有检测速度快、灵敏度高等特点。离子迁移谱探测装置最早出现在20世纪60年代，早期主要应用在军事方面，主要进行痕量化学战剂等的检测，当前，随着各种暴恐活动的日益猖獗，在机场、火车站、海关口岸等场所的安检部门中也大量投入了离子迁移谱仪，以辅助安检人员完成痕量***物、毒品及化学战剂等的快速检测。

电晕放电离子迁移谱仪的工作机理：在放电区，首先由高压模块对高纯N₂或空气放电，生成反应物离子，随后反应物离子进入到反应区；在反应区，反应物离子与通过载气进入反应区的样品分子发生一系列的离子-分子反应，从而将中性的样品分子离子化形成产物离子。连接反应区和迁移区的离子门是周期性打开和关闭的，离子门打开时，产物离子进入到迁移区，迁移区具有均匀稳定的弱电场，它对产物离子作用使其进行横向漂移，在漂移过程中与迎面而来的迁移气体中性分子发生碰撞，由于不同的产物离子具有不同的质量、电荷以及碰撞截面结构，因此其在迁移和碰撞的作用下形成不同的迁移速率，这也就决定了不同的产物离子到达探测器端的时间不同，最终实现了不同离子的有效分离。

随着检测性能要求的不断提升，高分辨率和高信噪比已经成为衡量离子迁移谱检测性能的重要技术指标。为了提高离子迁移谱的检测性能，前人做了大量的研究，21世纪初，人们尝试将HADAMARD多路复用技术引入到离子迁移谱中，成功构建了HADAMARD变换离子迁移谱仪，从一定程度上提高了离子迁移谱的信号利用率即占空比，进而提高了离子迁移谱的信噪比。中国专利CN200910051783.5公开了一种使用HADAMARD变换方法的离子迁移谱仪，它的电离源采用⁶³Ni放射性电离源，利用常规伪随机序列来控制离子门，提高了离子通量和信噪比，利用该方法生成的HADAMARD变换离子迁移谱存在较多假峰，而且该方法生成的离子迁移谱不能有效提高离子迁移谱的分辨率。

因此，在不进行大规模改变离子迁移谱硬件结构的条件下，既能提高信噪比又能有效提高离子迁移谱的分辨率则成为离子迁移谱仪研究和发展的必然趋势。目前与之相关的文献报道较少。

发明内容

本发明技术解决问题：针对传统的信号平均法离子迁移谱分辨率和信噪比低，常规的HADAMARD变换离子迁移谱仅能提高信噪比不能提高分辨率的问题，提出一种反向扩展HADAMARD变换离子迁移谱仪，该发明同时提高了离子迁移谱的信噪比和分辨率，改善了离子迁移谱仪的综合检测性能。

本发明技术解决方案：一种反向扩展HADAMARD变换离子迁移谱仪，它包括电离区、帘气区、反应区、反向扩展HADAMARD变换离子门控模块、迁移区、电荷探测区、逆HADAMARD变换信号处理模块，所述电离区内有电离源，所述电离区与所述反应区之间设置有帘气区，所述帘气区中通入的帘气能阻隔样品气体进入所述电离区，所述反应区与所述迁移区间设置有离子门，特征在于，所述离子门与所述反向扩展HADAMARD变换离子门控模块相连，由所述离子门控模块完成离子门的高速开关控制，所述电荷探测区与所述逆HADAMARD变换信号处理模块相连，所述信号处理模块主要完成叠加谱的采集、A/D转换、逆HADAMARD变换处理、还原谱的显示。

在本发明的一个实施例中，所述电离区采用负高压针对板式放电模式，电离源是一负高压模块，其输出的负高压是-10000V。

在本发明的一个实施例中，所述反应区与迁移区通过BN型离子门隔离，所述离子门与所述反向扩展HADAMARD门控模块相连；在本发明的一个实施例中，所述反向扩展HADAMARD变换离子门控模块由伪随机序列发生器、扩展编码器、反向编码器和升压模块组成，首先由8阶伪随机序列发生器生成255位伪随机二进制序列，其中含有128个1，127个0；所述扩展编码器将所述255位的伪随机序列转换成255*4(1020)位的扩展伪随机序列码；所述反向编码器将所述扩展伪随机码转换成反向扩展伪随机序列码，由此得到离子门控数字序列；所述升压模块，将该数字序列(TTL电平)转换成0～220V的离子门控电压信号，该信号直接连接所述离子门两端。所述离子门的调制分辨率(脉宽)为200μs。

在本发明的一个实施例中，所述迁移区由一组等阻值电阻均匀串联组成，为离子运动提供一个均匀的弱电场，迁移区电场由分压方式得到400V/cm的均匀弱电场。

在本发明的一个实施例中，所述电荷探测区由电荷探测板和信号预处理单元构成，所述电荷探测板主要将离子信号转换成电流信号，所述信号预处理单元是利用放大器将表征离子强度的电流信号放大并转换成电压信号。

进一步，所述逆HADAMARD变换信号处理模块完成HADAMARD变换叠加谱数据的采集和高速A/D转换以及迁移谱的逆HADAMARD变换处理。数据采集受控于周期性的脉冲同步信号，该同步信号与反向扩展伪随机序列周期大小一致，由反向扩展HADAMARD离子门控模块输出控制，所述信号处理模块的采样频率为20KHz，数据采集采用连续采集模式，分通道接收采集到的数据。

在本发明的一个实施例中，所述离子迁移谱是在常温、常压下工作，无需调节离子迁移区的温度和湿度。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明一种反向扩展HADAMARD变换离子迁移谱仪，不仅能有效提高离子通量，提高信噪比，而且能充分利用离子间的扩散排斥作用压缩离子峰的半高宽，从而有效地提高了离子迁移谱的分辨率。本发明不需要对现有离子迁移谱做较大硬件改动；在检测性能方面，相对于传统的信号平均法离子迁移谱，本发明装置将检测信噪比提高了约6.5倍，将分辨率提高了约33％左右，而常规HADAMARD变换方法不能改善离子迁移谱的分辨率，这表明本发明在综合检测性能方面优于传统信号平均法和常规HADAMARD变换法离子迁移谱。另外本发明技术成果还可用于其它类似的分析技术中，应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明一种反向扩展HADAMARD变换离子迁移谱仪结构；

图2为本发明反向扩展HADAMARD变换离子门控模块控制示意图；

图3为信号平均法离子迁移谱检测结果；

图4为常规HADAMARD变换离子迁移谱与反向扩展HADAMARD变换离子迁移谱检测性能对比图)。

其中，1-电离区，2-帘气区，3-反应区，4-反向扩展HADAMARD变换离子门控模块，5-迁移区，6-电荷探测区，7-逆HADAMARD变换信号处理模块，8-负高压模块，9-第一气体出口，10-帘气，11-第二气体出口，12-载气入口，13-离子门，14-均匀迁移电场，15-迁移气入口，16-法拉第板，17-信号预处理单元，18-最长线性反馈移位寄存器，19-扩展编码器，20-反向编码器，21-升压模块。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细阐述。

如图1所示，一种反向扩展HADAMARD变换离子迁移谱仪，它包括电离区1、帘气区2、反应区3、反向扩展HADAMARD变换离子门控模块4、迁移区5、电荷探测区6、逆HADAMARD变换信号处理模块7。所述电离区采用负电晕放电模式，利用10000V的负高压模块8输出给高压放电针，通过针对板式放电模式，将通入的气体电离，生成反应物离子，电离区内设有第一气体出口9；所述帘气区利用吹入的帘气10阻止样品气体进入电离区；所述反应区设置有第二气体出口11和载气入口12；所述反应区与迁移区之间设置有BN型离子门13，所述离子门与所述反向扩展HADAMARD变换离子门控模块4连接，以实现离子门的高速开关控制；所述迁移区由一系列金属环和聚四氟乙烯环交替放置组成，通过均匀电阻将各个金属环连接形成均匀迁移电场14，所述迁移区末端有迁移气入口15用于将中性分子气体反吹，阻止其到达法拉第板；所述电荷探测区通过法拉第板16探测电荷信号，并将信号接入信号预处理单元17，完成信号放大并转换成0～10V电压信号；所述逆HADAMARD变换信号处理模块与所述电荷探测区相连，实现叠加谱的采集、A/D转换、逆HADAMARD变换处理、还原谱的显示。

反向扩展HADAMARD变换门控模块是本发明的主要创新之处。早在2006年，国外学者已经开始探寻多路复用离子迁移谱(IMS)，HADAMARD多路复用技术由此被引入IMS，相对于信号平均法来说，采用多路复用技术的HADAMARD变换IMS显著地提升了分析仪器的信噪比，但缺点是无法同时提高离子迁移谱的分辨率，而且其逆变换谱中存在假峰现象。为此，本发明做了两方面处理，一方面是将伪随机序列码隔离，即进行扩展处理，形成扩展的伪随机序列码(通过在每位伪随机序列码后加入扩展码来实现)，另一方面是将扩展的伪随机序列作反向编码处理，该处理主要是为了提高离子迁移谱的分辨率。

本发明的反向扩展HADAMARD变换离子门控模块完整结构如图2所示。实施例中，首先通过FPGA构造8阶最长线性反馈移位寄存器18，其线性反馈逻辑表达式为x⁸＝x⁴+x³+x²+1，生成的伪随机序列长度为255位(128个1，127个0)，占空比约为50％，通过扩展编码器19将该伪随机序列转换为扩展的伪随机序列，每位伪随机序列码后加入3个0，该序列的占空比则下降到12.5％左右，再通过反向编码器20将该扩展的伪随机序列变换为反向扩展伪随机序列，占空比又提升到87.5％左右，最后经升压模块21将反向扩展伪随机序列转换成开门电压为0V、关门电压为180V的离子门控脉冲信号，最终由其驱动离子门的开关(与所述离子门13两端相连)。

本发明中离子门13的脉宽(调制分辨率)选择为200μs。

本发明中，电荷探测区利用信号预处理单元将法拉第板探测到的离子电流进行放大和电流电压转换处理，得到0～10V的电压信号；逆HADAMARD变换信号处理模块首先通过其自带的A/D转换通道完成叠加谱数据的采集、转换、存储，然后进行逆HADAMARD变换处理，并将还原谱进行显示。最后对信号平均法离子迁移谱、常规HADAMARD变换离子迁移谱和反向扩展HADAMARD变换离子迁移谱的检测结果进行了对比分析，信号平均法的谱图如图3所示，常规的HADAMARD变换离子迁移谱和反向扩展HADAMARD变换离子迁移谱如图4所示。实验结果表明，以255位的伪随机序列为例，常规HADAMARD变换离子迁移谱，其信噪比提高约为信号平均法离子迁移谱的1.58倍，但其分辨率却略小于信号平均法离子迁移谱；本发明——反向扩展HADAMARD变换离子迁移谱相比于信号平均法，其信噪比约为信号平均法的6.5倍，分辨率比信号平均法提高了33％左右，对比可得，本发明提出的反向扩展HADAMARD变换方法离子迁移谱综合性能比常规HADAMARD变换离子迁移谱的综合检测性能明显要好。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (8)

1.一种反向扩展HADAMARD变换离子迁移谱仪，它包括电离区(1)、帘气区(2)、反应区(3)、反向扩展HADAMARD变换离子门控模块(4)、迁移区(5)、电荷探测区(6)、逆HADAMARD变换信号处理模块(7)；所述电离区内有电离源，所述电离区与所述反应区之间设置有帘气区，所述帘气区能阻隔样品气体进入所述电离区，所述反应区与所述迁移区间设置有一BN型离子门(13)，其特征在于：所述离子门连接有所述反向扩展HADAMARD变换离子门控模块，所述离子门控模块用于周期性控制所述离子门开关，完成离子流信号的多路复用，所述电荷探测区与所述逆HADAMARD变换信号处理模块相连，所述信号处理模块主要完成叠加谱的逆HADAMARD变换处理，得到还原谱；

所述反向扩展HADAMARD变换离子门控模块(4)由伪随机序列发生器(18)、扩展编码器(19)、反向编码器(20)和升压模块(21)组成，首先由伪随机序列发生器构造一n阶线性反馈移位寄存器，得到2ⁿ-1位伪随机序列；利用扩展编码器将该伪随机序列转换成扩展伪随机序列码；再利用反向编码器将该扩展伪随机码转换成反向扩展伪随机序列码，由此得到了周期性的离子门控数字序列；利用升压模块将离子门控数字序列转换成适合离子门控制的电压信号并接入到所述离子门两端，以控制离子门开关。

2.根据权利要求1所述的一种反向扩展HADAMARD变换离子迁移谱仪，其特征在于：所述电离区(1)采用负电晕放电模式，电离源是由一个负高压模块(8)输出8700V～14000V的高压到电晕放电针，通过针对板放电模式得到反应物离子，电离源还可采用光电离源、放射性电离源、电喷雾电离源。

3.根据权利要求2所述的一种反向扩展HADAMARD变换离子迁移谱仪，其特征在于：所述放射性电离源为⁶³Ni。

4.根据权利要求1所述的一种反向扩展HADAMARD变换离子迁移谱仪，其特征在于：所述电离区(1)与所述反应区(3)被所述帘气区(2)阻隔，所述帘气区用于隔绝样品分子进入电离区。

5.根据权利要求1所述的一种反向扩展HADAMARD变换离子迁移谱仪，其特征在于：所述离子门的开门时间为50μs～600μs，迁移电场场强为260～500V/cm。

6.根据权利要求1所述的一种反向扩展HADAMARD变换离子迁移谱仪，其特征在于：所述迁移区(5)由一系列金属环和聚四氟乙烯环交替放置组成，通过等值均匀电阻将各个金属环连接形成均匀迁移电场(14)。

7.根据权利要求1所述的一种反向扩展HADAMARD变换离子迁移谱仪，其特征在于：所述电荷探测区包括法拉第板(16)和信号预处理单元(17)，通过法拉第板探测离子电荷信号，并将信号接入信号预处理单元，完成离子电流放大和电流/电压信号转化。

8.根据权利要求1所述的一种反向扩展HADAMARD变换离子迁移谱仪，其特征在于：所述逆HADAMARD变换信号处理模块(7)将经过探测区预处理后的叠加谱信号进行逆HADAMARD变换处理，得到还原的迁移谱数据，完成数据的显示和比对。