【導讀】在許多領域應用中，飛行時間質譜儀(TOF MS)已成為一種至關重要的儀器，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、高速模數轉換器(ADC)。本文將闡述TOF MS的基本原理并重點說明其關鍵參數。本文還分析探討了TOF MS參數和ADC規格參數之間的關系。使用混合信號前端(MxFE?) ADC的實際結果表明，低噪聲、高速ADC可以大大改善TOF MS的指標，包括質量精度、質量分辨率和靈敏度。
TOF MS簡介
質譜測定(MS)是一種根據分子量對樣品中已知/未知分子進行量化的分析技術。先將樣品中的元素和/或分子電離成帶或不帶碎片的氣態離子，然后在質量分析儀中將其分離，這樣就可以通過質譜中的質荷比（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。
質譜儀有三個主要組件：用于從被測樣品中產生氣態離子的離子源，根據m/z比分離離子的質量分析儀，以及用于檢測離子和每種離子相對豐度的離子檢測器。檢測器輸出經過調理和數字化處理后，產生質譜。目前有多種質量分析器，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)參數來表征。
圖1.四極桿和TOF MS的主要模塊
圖2.飛行時間質量分析儀圖解
檢測器（例如微通道板(MCP)檢測器）檢測傳入的離子并產生脈沖電流。電流由時間數字轉換器(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范圍有限。高速ADC可以實現2 GSPS或更高的速度，分辨率可達10位、12位甚至更多位數，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的重要規格參數。
TOF MS的應用
自20世紀90年代基質輔助激光解吸電離(MALDI)技術發明并商業化以來，TOF MS引起了人們的廣泛關注2。MALDI技術的原理如下：電離基質分子（通常是有機酸），同時利用數百皮秒至幾納秒(ns)的紫外線(UV)激光脈沖蒸發樣品分子。在氣相中，基質分子將質子傳遞給樣品分子，使樣品分子質子化并變成帶電離子。由于基質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、不受限的質量范圍、高靈敏度和高吞吐量，TOF MS已成為生物醫學研究、藥物研發和臨床應用的重要工具，這些應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揮著不可替代的作用，其最快周轉時間為4小時，而常規技術或其他新技術需要72小時以上3。短周轉時間對于細菌感染患者的護理和治療結果至關重要。MALDI TOF MS的其他優點包括：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成重大威脅，將MALDI TOF MS作為即時檢測(PoC)設備是大勢所趨4。
TOF MS的關鍵參數
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字化。我們的討論僅限于與信號數字化相關的TOF MS關鍵規格參數，包括質量范圍、質量精度、質量分辨率、重復率和靈敏度。
質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、采樣速率和重復率等多個因素有關。質量范圍要求因應用而異。例如，MALDI TOF MS進行細菌鑒定的測量質量范圍為2,000 Da至20,000 Da的核糖體標記。
質量基于飛行時間來計算，因此TOF MS的質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并找到峰值來計算的。ADC采樣速率決定單個脈沖的采樣數，對于脈沖擬合至關重要。
質量分辨率衡量光譜中兩個相鄰脈沖之間最接近的可區分間隔。它通常被定義為離子質量與相應質量脈沖寬度的比值。脈沖寬度的典型定義是FWHM。脈沖越窄，質量分辨率越高，意味著可以更好地區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量分辨率，但ADC采樣速率和噪聲性能也會影響這一關鍵規格。
在TOF MS中，質譜是來自許多次重復的信號的總和，而不是僅包括單一過程（電離、加速和漂移、離子檢測和數字化）的單個瞬態。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生所有感興趣分子的離子，也不會產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，重復率是TOF MS的一個重要且實用的規格參數。新型TOF MS可以實現1 kHz或更快的掃描速度，這意味著每個瞬態只需1毫秒(ms)或更短的時間。提高ADC采樣速率會縮短每個瞬態的持續時間，從而實現更快的重復率。
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的噪聲系數和動態范圍，以及求和得到最終質譜的瞬態數量。在實踐中，系統靈敏度可以通過識別瓶頸因素和/或平衡這些因素來優化。
TOF MS的理想ADC規格要求
低噪聲、高速ADC對于TOF MS的系統性能至關重要。如前所述，時間測量精度和系統噪聲水平是TOF MS儀器的兩個重要規格參數。系統噪聲水平可以通過重復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注的ADC規格參數。
靈敏度由系統噪聲水平決定，而系統噪聲水平可以通過重復測量并求和來改善。然而，重復次數會限制儀器的吞吐量。為了以較少的重復次數實現目標靈敏度，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，其規格參數包括有效位數(ENOB)和噪聲密度/噪聲系數/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；這些因素都會產生噪聲，導致其無法實現所需的位分辨率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、數模轉換器(DAC)、片內數字信號處理和時鐘/鎖相環(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譜中的信號。設置兩個ADC通道對信號進行數字化處理：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數據，并重復進行數據采集10次以檢查重現性。我們在MATLAB?中基于數據繪制曲線并進行分析。對于每種測試情況，將10次重復采集數據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次重復采集很好地重疊，表明數據采集具有高重現性。
圖4.10次重復采集重疊表明數據采集具有高重現性
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恢復拖尾，從而導致FS處出現峰值削波和恢復拖尾。較短的恢復拖尾對于時間精度很重要，因此對于TOF MS的質量測量也很重要。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，恢復拖尾小于0.4 ns，表明保護電路激活時恢復展寬極小。
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據，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
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12 ns的數據（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。測試結果總結列于表2中。結果表明，在不同輸入幅度下，時間測量準確，FWHM讀數一致。
表2.測得的FWHM和SNR
討論和總結
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療的蛋白質組學的興趣日益濃厚，在未來幾十年內，MALDI TOF MS在醫療健康領域中的應用預計將繼續保持增長勢頭。由于其對各種分子量的分子能夠實現無損分析的優勢，TOF MS在生物醫學和藥物研發、食品安全、環境監測方面也有廣泛的應用。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)應用和各種現場應用非常重要。
AD9082的基準測試存在局限性，包括：用于創建低幅度輸入（例如1% FS或40 dB衰減）測試情況的外部衰減器非常有限，阻抗失配導致數據中的反射，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 可用于執行更密集的測試。 根據詳細說明并配合現場演示，有助于建立客戶評估系統。在經驗豐富的應用團隊的指導下，使用MxFE樣片進行原型設計非常容易。
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，支持靈活地設計下一代質量精度和質量分辨率更好、靈敏度更高、尺寸更小的TOF MS。此外，MxFE ADC受到電源、時鐘和驅動器產品的支持，有助于確保實現無縫系統的集成和優化。
參考資料
1.Jurgen H. Gross。質譜測定：教科書，第三版。Springer，2017年。
2.Eva Torres-Sangiao、Cristina Leal Rodriguez 和 Carlos Garcia-Riestra。“Application and Perspectives of MALDI–TOF Mass Spectrometry in Clinical Microbiology Laboratories”（MALDI–TOF質譜測定在臨床微生物實驗室中的應用和展望）。Microorganisms，第9卷，2021年。
3.Mohammad Y. Ashfaq、Dana A. Da’na和Mohammad A. Al-Ghouti。“Application of MALDI-TOF MS for Identification of Environmental Bacteria: A Review”（MALDI-TOF MS的環境細菌鑒定應用綜述）。Journal of Environmental Management，第305卷，2022年。
4.E. Chabriere、H. Bassène、M. Drancourt和C. Sokhna。“MALDI-TOF MS and Point of Care Are Disruptive Diagnostic Tools in Africa”（MALDI-TOF MS和即時檢測(PoC)是非洲的顛覆性診斷工具）。New Microbe and New Infections，第26卷，2018年。
5.Chun C. Lee。學位論文：Improving Accuracy and Energy Efficiency of Pipeline Analog to Digital Converters（提高流水線型模數轉換器的精度和能效）。密歇根大學，2010年。
關于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領先的半導體公司，致力于在現實世界與數字世界之間架起橋梁，以實現智能邊緣領域的突破性創新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術的解決方案，推動數字化工廠、汽車和數字醫療等領域的持續發展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬物的可靠互聯。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助力創新者不斷超越一切可能。更多信息，請訪問www.analog.com/cn。
關于作者
Guixue (Glen) Bu是儀器儀表系統解決方案部的系統設計/架構工程師，研發重點是科學儀器儀表開發和應用。他于2018年9月加入ADI公司。他擁有清華大學生物工程學士學位以及普渡大學生物工程碩士和博士學位。
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