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1、第40卷分析化学(FENXIHUAXUE)仪器装置与实验技术第10期2012年10月ChineseJournalofAnalyticalChemistry1627~1631DOI:10.3724/SP.J.1096.2012.11361电化学电喷雾电离源控制系统的研制*凌星丁传凡(复旦大学化学系,上海200043)摘要控制系统是电化学电喷雾电离源的核心部件及研制难点。本研究通过单片机控制数模、模数转换及蓝牙无线通讯模块构建了一套电化学电喷雾电离源(EC/ESIsource)的控制系统。利用此系统及一种同轴式探针组成了完整的电化学电喷雾电离源,对9,10-二苯基蒽进行了
2、循环伏安及在线电化学/电喷雾电离质谱(OnlineEC/ES-IMS)测试。结果表明:此系统具有高达±1mV的电势控制精度,电流测量精度优于±0.1mA(增益为0.01V/mA)或±0.01mA(增益为0.1V/mA)。本系统具有成本低廉,可在电喷雾高压上安全悬浮,易于操控的特点。关键词电化学;电喷雾电离质谱;质谱离子源;在线联用;非极性物质1引言[1]电化学电喷雾电离源是一种新型的质谱离子源。利用这种离子源,质谱可与电化学有效融合。为研究电化学反应过程及机理,测定中间体或产物的分子量与结构,拓展电喷雾电离源的适用范围等提供重要的技术支撑。目前,电化学电喷雾电离源已被
3、成功用于多环芳烃及金属有机化合物的检测,导电[1~12]高分子电聚合、药物代谢、生物电化学过程的研究等方面。有机或生物电化学反应通常较为复杂,产物数量众多。为有效检测各种短寿命中间体,电化学电喷[2]雾电离源的响应时间(即电化学反应发生至质谱中出现产物信号的时间)应越短越好,一般为几秒钟。这就要求电化学反应器尽量靠近电喷雾电离源,其控制设备———电化学工作站要能悬浮在几千伏的电[1~4]喷雾电离电压上。而普通电化学工作站浮在高压上存在很多问题,不仅操作极不便利,一旦与接地物体触碰造成短路,会烧毁工作站和控制计算机。因此出于安全考虑,很多实验都是利用电池给电化学[8,1
4、3]反应器施加电压。研制可以悬浮在电喷雾电离电压,同时便于调节,功能完善的控制设备是电化学[4]电喷雾电离源可靠、安全、高效运行的先决条件。本研究提出一种适用于电化学电喷雾电离源的控制系统的设计方案。利用单片机控制数模、模数转换芯片,辅以蓝牙无线通讯以较低成本实现了对电化学电喷雾电离源可靠的控制。利用此系统对多环芳烃9,10-二苯基蒽(9,10-Diphenylanthracene,DPA)进行了循环伏安测试,并与一种同轴式探针构成了一套完整的电化学电喷雾电离源,对DPA进行了在线电化学/电喷雾电离质谱(OnlineEC/ESI-MS)测试。2实验部分2.1电路设计控
5、制系统的原理图见图1,包括两个部分:由隔离变压器、多路直流电源、电势控制和电流测量单元、蓝牙数传模块组成的嵌入式系统,和配置蓝牙适配器的计算机组成的上位机。上位机与嵌入式系统之间通过蓝牙无线网络进行命令数据的传输。电路设计针对的是嵌入式系统的电路部分。隔离变压器:初级220V/次级220V,耐压40kV(广州永秀电子变压器有限公司)。多路直流电源采用成熟的线性直流电源方案,产生模拟电路需要的±15V电压和数字电路的5V电压。电势控制和电流测量单元示于图1中实线框内。由8位单片机(MCU,STC12C5A,深圳宏晶科技有限公司),16位数模转换芯片(DAC,DAC855
6、1,美国TI公司),16位模数转换芯片(ADC,ADS8341,美国TI公司)配合2011-12-02收稿;2012-05-28接受本文系国家科技支撑计划(No.2009BAK60B03)和中国博士后科学基金(No.20110490652)资助项目*E-mail:cfding@fudan.edu.cn1628分析化学第40卷一些外围电路构成。MCU通过SPI(SerialPeripheralinterface)总线控制DAC和ADC。电势控制信号由DAC产生,经运放(OPA,OP07,美国TI公司)平移和放大后,输出-10~10V的电压。电势控制和电流[14]测量电路
7、参考了三电极系统的经典方案,电路拓扑见图1中虚线框内。电势控制放大器(PCA)用于控制工作电极相对于参比电极的电位。流入工作电极的电化学电流被I/V转换器转换为电压。考虑到电化学电喷雾电离源内电化学电流变化的范围通常小于几十微安,故I/V转换器设置两级增益,0.1和0.01V/mA,对应的量程分别为±250mA和±25mA,由继电器(HRS1H-S-DC12V,浙江汇港电器有限公司)切换增益。电流转换为电压后通过程控增益放大器放大,再经过一个截止频率约1kHz的二阶Butterworth低通滤波器(基于AD8615构建,美国ADI公司)进一步平滑去噪
