在许多领域运用中，翱翔韶光质谱仪(TOF MS)已成为一种至关主要的仪器，特殊是在临床微生物实验室的细菌鉴定中，它具有不可替代的浸染。TOF MS的核心是低噪声、高速模数转换器(ADC)。本文将阐述TOF MS的基本事理并重点解释其关键参数。本文还剖析磋商了TOF MS参数和ADC规格参数之间的关系。利用稠浊旗子暗记前端(MxFE®) ADC的实际结果表明，低噪声、高速ADC可以大大改进TOF MS的指标，包括质量精度、质量分辨率和灵敏度。
TOF MS简介
质谱测定(MS)是一种根据分子量对样品中已知/未知分子进行量化的剖析技能。先将样品中的元素和/或分子电离成带或不带碎片的气态离子，然后在质量剖析仪中将其分离，这样就可以通过质谱中的质荷比（m/z，或脉冲的位置）及相对丰度（或脉冲的幅度）来表征元素和/或分子。
质谱仪有三个紧张组件：用于从被测样品中产生气态离子的离子源，根据m/z比分离离子的质量剖析仪，以及用于检测离子和每种离子相对丰度的离子检测器。检测器输出经由调理和数字化处理后，产生质谱。目前有多种质量剖析器，它们采取完备不同的策略来分离不同m/z值的离子1。图1显示了四极杆和TOF MS的紧张模块。
在TOF MS中，短时电离事宜形成的离子通过静电场加速，因此不同m/z的离子具有相同的动能，但速率不同。这些离子随后沿着无场漂移路径行进，并以不同的翱翔韶光到达检测器——较轻的离子先于较重的离子到达，如图2所示。在实践中，由于加速区域中初始空间分布和能量（或速率）的差异，相同m/z的一组离子的翱翔韶光会分布形成一个窄至几百皮秒(ps)的脉冲。每个脉冲是对应于多个独立离子到达事宜的旗子暗记之和，常日由半峰全宽(FWHM)参数来表征。
图1.四极杆和TOF MS的紧张模块
图2.翱翔韶光质量剖析仪图解
检测器（例如微通道板(MCP)检测器）检测传入的离子并产生脉冲电流。电流由韶光数字转换器(TDC)或高速ADC记录。虽然TDC的速率极快，可以低至几皮秒，但它用于记录脉冲幅度的动态范围有限。高速ADC可以实现2 GSPS或更高的速率，分辨率可达10位、12位乃至更多位数，因此可以准确记录脉冲的时序和幅度。我们接下来将先容影响TOF MS性能的高速ADC的主要规格参数。
TOF MS的运用
自20世纪90年代基质赞助激光解吸电离(MALDI)技能发明并商业化以来，TOF MS引起了人们的广泛关注2。MALDI技能的事理如下：电离基质分子（常日是有机酸），同时利用数百皮秒至几纳秒(ns)的紫外线(UV)激光脉冲蒸发样品分子。在气相中，基质分子将质子通报给样品分子，使样品分子质子化并变成带电离子。由于基质接管了大部分激光能量，因此样品中的分子会保持其完全性，而不会碎裂或分解，这使MALDI成为生物大分子剖析领域备受瞩目的电离方法。由于MALDI和TOF MS之间易于耦合、不受限的质量范围、高灵敏度和高吞吐量，TOF MS已成为生物医学研究、药物研发和临床运用的主要工具，这些运用中的剖析物常日是大分子。
值得把稳的是，MALDI TOF MS在临床细菌鉴定中发挥着不可替代的浸染，其最快周转韶光为4小时，而常规技能或其他新技能须要72小时以上3。短周转韶光对付细菌传染患者的照顾护士和治疗结果至关主要。MALDI TOF MS的其他优点包括：样品制备随意马虎，操作本钱低，以及有可能识别一些罕有细菌。随着抗菌素耐药性对天下各地的人类康健构成重大威胁，将MALDI TOF MS作为即时检测(PoC)设备是大势所趋4。
TOF MS的关键参数
TOF MS定量剖析测试样品中不同剖析物的能力取决于许多成分，包括样品电离方法的选择、用于加速和勾引离子进入离子检测器的电场的配置和时序特性、检测器效率及旗子暗记数字化。我们的谈论仅限于与旗子暗记数字化干系的TOF MS关键规格参数，包括质量范围、质量精度、质量分辨率、重复率和灵敏度。
质量范围是样品等分子的分子量范围，与加速电压、翱翔管长度、采样速率和重复率等多个成分有关。质量范围哀求因运用而异。例如，MALDI TOF MS进行细菌鉴定的丈量质量范围为2,000 Da至20,000 Da的核糖体标记。
质量基于翱翔韶光来打算，因此TOF MS的质量精度紧张取决于脉冲韶光丈量的精度。实际上，每个脉冲的到达韶光是通过将脉冲拟合到高斯函数并找到峰值来打算的。ADC采样速率决定单个脉冲的采样数，对付脉冲拟合至关主要。
质量分辨率衡量光谱中两个相邻脉冲之间最靠近的可区分间隔。它常日被定义为离子质量与相应质量脉冲宽度的比值。脉冲宽度的范例定义是FWHM。脉冲越窄，质量分辨率越高，意味着可以更好地区分分子量附近的两个离子包。虽然正交加速和反射器可以显著提高质量分辨率，但ADC采样速率和噪声性能也会影响这一关键规格。
在TOF MS中，质谱是来自许多次重复的旗子暗记的总和，而不是仅包括单一过程（电离、加速和漂移、离子检测和数字化）的单个瞬态。更主要的是，对付包含分子量和浓度不同的多种分子的测试样品，单一电离事宜可能既不会产生所有感兴趣分子的离子，也不会产生与其浓度成比例的离子。求和是降落此类采样偏差并提高信噪比(SNR)的有效且实用的方法。因此，就信噪比和吞吐量而言，重复率是TOF MS的一个主要且实用的规格参数。新型TOF MS可以实现1 kHz或更快的扫描速率，这意味着每个瞬态只需1毫秒(ms)或更短的韶光。提高ADC采样速率会缩短每个瞬态的持续韶光，从而实现更快的重复率。
TOF MS的灵敏度是指检测样品中最低浓度分子的能力。它由许多成分共同决定，例如：化学背景噪声、所有目标分子的浓度范围、检测器和ADC的噪声系数和动态范围，以及求和得到终极质谱的瞬态数量。在实践中，系统灵敏度可以通过识别瓶颈成分和/或平衡这些成分来优化。
TOF MS的空想ADC规格哀求
低噪声、高速ADC对付TOF MS的系统性能至关主要。如前所述，韶光丈量精度和系统噪声水平是TOF MS仪器的两个主要规格参数。系统噪声水平可以通过重复丈量并求和来变通处理，但韶光丈量的精度由高速ADC的采样速率和孔径抖动决定。考虑到在采取正交加速和反射器的TOF MS仪器中，脉冲可以窄至几百皮秒，因此在5 GSPS采样速率下，单个脉冲只有几个样本。将样本拟合到高斯函数时，每个样本对付找到脉冲峰值都很主要。因此，采样速率和孔径抖动是值得关注的ADC规格参数。
灵敏度由系统噪声水平决定，而系统噪声水平可以通过重复丈量并求和来改进。然而，重复次数会限定仪器的吞吐量。为了以较少的重复次数实现目标灵敏度，ADC的噪声性能非常主要。人们常常对ADC的性能存在误解，认为其SNR与其位分辨率成正比。采样速率为1 GSPS或以上的ADC常日采取流水线架构，其规格参数包括有效位数(ENOB)和噪声密度/噪声系数/SNR等。然而，流水线型ADC有几个缺陷，包括：降落偏差须要高增益和大带宽运算放大器，电容失落配，以及前端采样保持(S/H)和运算放大器的功耗；这些成分都会产生噪声，导致其无法实现所需的位分辨率5。ENOB取决于输入频率和采样速率，通过信纳比(SNDR)进行打算。例如，12位AD9081在4 GSPS和4500 MHz输入频率下具有8位ENOB。ENOB并不是衡量ADC噪声性能的良好指标。噪声密度更靠近实际噪声水平，但采取高斯脉冲进行基准测试可以得到ADC噪声性能以及TOF MS仪器灵敏度的真实情形。
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)、片内数字旗子暗记处理和时钟/锁相环(PLL)，支持多芯片同步。市场上也有仅配备高速ADC的MxFE器件。为了简化起见，我们的基准测试利用了AD9082，其集成了ADC和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，其幅度由数字缩放和外部衰减器组合来掌握。高斯脉冲比用于ADC表征的范例单音旗子暗记更靠近质谱中的旗子暗记。设置两个ADC通道对旗子暗记进行数字化处理：CH1针对通过改变外部衰减器使之饱和或衰减的各种幅度；CH2作为参考，用于高于90%满量程(FS)且未饱和的旗子暗记强度。在我们的测试中，采样速率为6 GSPS，以便为每个脉冲供应足够的样本。
图3.利用AD9082进行高速ADC测试的框图
我们进行了三种类型的测试：
u 衰减和饱和测试：CH2以固定7 dB衰减器对作为参考；CH1针对衰减情形利用8 dB、9 dB和10 dB衰减器对，针对饱和情形利用3 dB和1 dB衰减器对。
u 最大20 dB衰减的弱旗子暗记丈量：CH2直接连接到DAC输出作为参考，缩放-16 dBFSC；CH1将10 dB衰减器对用于<32% FS旗子暗记，将20 dB衰减器对用于<10% FS旗子暗记。
u 噪声丈量：CH2以固定7 dB衰减器对作为参考；CH1利用50 Ω端接电阻。
对付每次测试，我们采集>10 µs数据，并重复进行数据采集10次以检讨重现性。我们在MATLAB®中基于数据绘制曲线并进行剖析。对付每种测试情形，将10次重复采集数据进行比拟并绘制曲线。图4显示了测试中的单个脉冲，个中CH1比CH2低3 dB。两个通道的10次重复采集很好地重叠，表明数据采集具有高重现性。
图4.10次重复采集重叠表明数据采集具有高重现性
AD9082 ADC具有过载保护电路，如果输入幅度超过上限，此电路将会激活。如果保护电路被激活，则在脉冲的低落沿常日会涌现规复拖尾，从而导致FS处涌现峰值削波和规复拖尾。较短的规复拖尾对付韶光精度很主要，因此对付TOF MS的质量丈量也很主要。图5显示了饱和（最高6 dB）或衰减的五种情形的曲线。对付6 dB饱和，规复拖尾小于0.4 ns，表明保护电路激活时规复展宽极小。
为了测试弱输入下的ADC性能，我们采集了衰减10 dB和20 dB的旗子暗记，如图6所示。旗子暗记的清晰迹线是在10% FS，即衰减20 dB，表明ADC产生的噪声极小。
对付ADC本底噪声，CH1连接了50 Ω端接电阻，而CH2保持在>90% FS，如图7所示。
我们通过绘制直方图并打算标准差来剖析噪声数据，如图8所示。此情形的标准差为0.0025，表明FS时的SNR为52 dB。
图5.五种测试情形（饱和或过度衰减）的重叠状态
图6.输入衰减10 dB和20 dB的测试情形
图7.本底噪声丈量，CH1连接50 Ω端接电阻
图8.本底噪声（CH1，左）和FS旗子暗记（CH2，右）丈量结果直方图
为了进一步量化韶光丈量精度和噪声性能，我们对每个脉冲进行分段，峰值位于一个30 ns窗口的中央。然后，我们用高斯模型拟合每个脉冲，以丈量其FWHM。我们利用30 ns窗口中每侧12 ns的数据（统共24 ns）作为噪声打算的基线。
图9显示了输入为10% FS的测试情形的完全采集图，以及利用高斯拟合和分段基线的单个脉冲放大图。表1列出了均匀值、测得的FWHM和打算的SNR。
图9.输入为10% FS的测试情形下进行FWHM和SNR丈量的脉冲和基线分段
表1.输入为10% FS的测试情形下测得的FWHM和SNR
我们丈量了输入衰减从1 dB到20 dB的所有测试情形下的FWHM和SNR。测试结果总结列于表2中。结果表明，在不同输入幅度下，韶光丈量准确，FWHM读数同等。
表2.测得的FWHM和SNR
谈论和总结
随着MALDI TOF MS成为临床微生物实验室细菌鉴定的标准手段，以及人们对适用于个性化医疗的蛋白质组学的兴趣日益浓厚，在未来几十年内，MALDI TOF MS在医疗康健领域中的运用估量将连续保持增长势头。由于其对各种分子量的分子能够实现无损剖析的上风，TOF MS在生物医学和药物研发、食品安全、环境监测方面也有广泛的运用。低噪声、高速ADC具有出色的噪声性能，采样速率比当前一代TOF MS仪器中的ADC快3至6倍，因而是下一代高性能TOF MS仪器的关键器件。高采样速率有助于缩短翱翔管的长度，从而减轻真空系统的包袱，因此可以减小TOF MS仪器的尺寸而不影响性能。更小的尺寸对付TOF MS的即时检测(PoC)运用和各种现场运用非常主要。
AD9082的基准测试存在局限性，包括：用于创建低幅度输入（例如1% FS或40 dB衰减）测试情形的外部衰减器非常有限，阻抗失落配导致数据中的反射，以及没有屏蔽电磁滋扰的开放空间。测试情形中报告的SNR低于实际值，由于噪声打算中未肃清由阻抗失落配引起的基线反射。MxFE评估板 和图形用户界面(GUI)软件 可用于实行更密集的测试。 根据详细解释并合营现场演示，有助于建立客户评估系统。在履历丰富的运用团队的辅导下，利用MxFE样片进行原型设计非常随意马虎。
测得的FWHM和SNR表明MxFE ADC的韶光精度和噪声性能出色。市场上MxFE的采样速率最高达到10 GSPS，支持灵巧地设计下一代质量精度和质量分辨率更好、灵敏度更高、尺寸更小的TOF MS。此外，MxFE ADC受到电源、时钟和驱动器产品的支持，有助于确保实现无缝系统的集成和优化。
参考资料
1.Jurgen H. Gross。质谱测定：教科书，第三版。Springer，2017年。
2.Eva Torres-Sangiao、Cristina Leal Rodriguez 和 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实验室中的运用和展望）。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的环境细菌鉴定运用综述）。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和即时检测(PoC)是非洲的颠覆性诊断工具）。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（提高流水线型模数转换器的精度和能效）。密歇根大学，2010年。
关于作者
Guixue (Glen) Bu是仪器仪表系统办理方案部的系统设计/架构工程师，研发重点是科学仪器仪表开拓和运用。他于2018年9月加入ADI公司。他拥有清华大学生物工程学士学位以及普渡大学生物工程硕士和博士学位。
