摘要
在許多領域應用中，飛時測距質譜儀(TOF MS)已成為一種非常重要的儀器，特別是在臨床微生物實驗室的細菌鑑定中，其具有不可替代的作用。TOF MS的核心是低雜訊、高速類比數位轉換器(ADC)。本文將闡述TOF MS的基本原理並重點說明其關鍵參數，以及分析探討了TOF MS參數和ADC規格參數之間的關係。使用混合訊號前端 (MxFE®) ADC的實際結果顯示，低雜訊、高速ADC可以大幅改善TOF MS的指標，包括品質精度、品質解析度和靈敏度。
TOF MS 簡介
質譜測定 (Mass Spectrometry, 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/或分子電離成具有或不具有碎片的氣態離子，然後在品質分析儀中將其分離，如此便可以透過質譜中的質荷比（m/z，或脈衝的位置）及相對豐度（或脈衝的幅度）來表徵元素和/或分子。
一台質譜儀由三個主要部件組成：用於從被測樣品中產生氣態離子的離子源，根據 m/z 比分離離子的品質分析儀，以及用於檢測離子和每種離子相對豐度的離子檢測器。檢測器輸出經過處理和數位化處理後，產生質譜。目前有多種品質分析器採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的主要模組。
在TOF MS中，短時電離事件形成的離子透過靜電場加速，因此不同 m/z的離子具有相同的動能，但速度不同。這些離子隨後沿著無場漂移路徑行進，並以不同的飛行時間到達檢測器——較輕的離子先於較重的離子到達，如圖2所示。在實踐中，由於加速區域中初始空間分佈和能量（或速度）的差異，相同 m/z的一組離子的飛行時間會分佈形成一個窄至幾百皮秒(ps)的脈衝。每個脈衝是對應於多個獨立離子到達事件的訊號之和，通常由半峰全寬(FWHM)參數來表徵。
圖1. 四極（式）與飛時測距質譜儀 (TOF MS) 的主要功能區塊。
圖2. 飛時測距質量分析儀的示意圖。
檢測器（例如微通道板(MCP)檢測器）檢測傳入的離子並產生脈衝電流。電流由時間數位轉換器(TDC)或高速ADC記錄。雖然TDC的速度極快，可以低至幾皮秒，但其用於記錄脈衝幅度的動態範圍有限。高速ADC可以實現2 GSPS或更高的速度，解析度可達10位元、12位元甚至更多位數，因此可以準確記錄脈衝的時序和幅度。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年代基質輔助鐳射解吸電離(MALDI)技術發明並商業化以來，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奈秒(ns)的紫外線(UV)雷射脈衝蒸發樣品分子。在氣相中，基質分子將質子傳遞給樣品分子，使樣品分子質子化並變成帶電離子。由於基質吸收了大部分鐳射能量，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。由於MALDI和TOF MS之間易於耦合、不受限的品質範圍、高靈敏度和高輸送量，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在臨床細菌鑑定中發揮著不可取代的作用，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 。短周轉時間對於細菌感染患者的護理和治療結果非常重要。MALDI TOF MS的其他優點包括：樣品製備容易，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)裝置是大勢所趨。
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於許多因素，包括樣品電離方法的選擇、用於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、檢測器效率及訊號數位化。我們的討論僅限於與訊號數位化相關的TOF MS關鍵規格參數，包括品質範圍、品質精度、品質解析度、重複率和靈敏度。
品質範圍是樣品中分子的分子量範圍，與加速電壓、飛行管長度、採樣速率和重複率等多個因素有關。品質範圍要求因應用而異。例如，MALDI TOF MS進行細菌鑑定的測量品質範圍為2,000 Da至20,000 Da的核糖體標記。
品質基於飛行時間來計算，因此TOF MS的品質精度主要取決於脈衝時間測量的精度。實際上，每個脈衝的到達時間是透過將脈衝擬合到高斯函數並找到峰值來計算的。ADC採樣速率決定單個脈衝的採樣數，對於脈衝擬合非常重要。
品質解析度衡量光譜中兩個相鄰脈衝之間最接近的可區分間隔。其通常被定義為離子品質與相應品質脈衝寬度的比值。脈衝寬度的典型定義是FWHM。脈衝越窄，品質解析度越高，表示更能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品質解析度，但ADC採樣速率和雜訊性能也會影響此一關鍵規格。
在TOF MS中，質譜是來自許多次重複的訊號的總和，而不是僅包括單一過程（電離、加速和漂移、離子檢測和數位化）的單個瞬態。更重要的是，對於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。求和是降低此類採樣誤差並提高訊號雜訊(SNR)的有效且實用的方法。因此，就訊號雜訊和輸送量而言，重複率是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，表示每個瞬態只需1毫秒(ms)或更短的時間。提高ADC採樣速率會縮短每個瞬態的持續時間，進而實現更快的重複率。
TOF MS的靈敏度是指檢測樣品中最低濃度分子的能力。其由許多因素共同決定，例如：化學背景雜訊、所有目標分子的濃度範圍、檢測器和ADC的雜訊係數和動態範圍，以及求和得到最終質譜的瞬態數量。在實踐中，系統靈敏度可以透過識別瓶頸因素和/或平衡這些因素來優化。
TOF MS 所需的 ADC 規格
低雜訊、高速ADC對於TOF MS的系統性能非常重要。如前所述，時間測量精度和系統雜訊水準是TOF MS儀器的兩個重要規格參數。系統雜訊水準可以通過重複測量並求和來變通處理，但時間測量的精度由高速ADC的採樣速率和孔徑抖動決定。考慮到在採用正交加速和反射器的TOF MS儀器中，脈衝可以窄至幾百皮秒，因此在5 GSPS採樣速率下，單個脈衝只有幾個樣本。將樣本擬合到高斯函數時，每個樣本對於找到脈衝峰值都很重要。因此，採樣速率和孔徑抖動是值得關注的ADC規格參數。
靈敏度由系統雜訊水準決定，而系統雜訊水準可以透過重複測量並求和來改善。然而，重複次數會限制儀器的輸送量。為了以較少的重複次數實現目標靈敏度，ADC的雜訊性能非常重要。人們常常對ADC的性能存在誤解，認為其SNR與其位解析度成正比。採樣速率為1 GSPS或以上的ADC通常採用流水線架構，其規格參數包括有效位元數(ENOB)和雜訊密度/雜訊係數/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頻寬運算放大器，電容失配，以及前端採樣保持(S/H)和運算放大器的功耗；這些因素都會產生雜訊，導致其無法實現所需的位解析度5。ENOB取決於輸入頻率和採樣速率，透過失真率(SNDR)進行計算。例如，12位 AD9081在4 GSPS和4500 MHz輸入頻率下具有8位元ENOB。ENOB並不是衡量ADC雜訊性能的良好指標。雜訊密度更接近實際雜訊水準，但採用高斯脈衝進行基準測試可以得到ADC雜訊性能以及TOF MS儀器靈敏度的真實情況。
低雜訊、高速 ADC 的平台測試
MxFE (混合訊號前端) 提供智慧整合RF ADC、數位類比轉換器(DAC)、晶片內數位訊號處理和時脈/鎖相迴路(PLL)，支援多晶片同步。市場上也有僅配備高速ADC的MxFE元件。為了簡化起見，我們的基準測試使用了 AD9082，其整合了ADC和DAC，如圖3所示。整合DAC用於產生FWHM為0.5 ns的窄高斯脈衝串，其幅度由數位縮放和外部衰減器組合來控制。高斯脈衝比用於ADC表徵的典型單音訊號更接近質譜中的訊號。設定兩個ADC通道對訊號進行數位化處理：CH1針對透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，用於高於90%滿量程(FS)且未飽和的訊號強度。在我們的測試中，採樣速率為6 GSPS，以便為每個脈衝提供足夠的樣本。
圖3. 使用 AD9082 進行高速 ADC 測試的功能方塊圖。
這邊執行三種類型的測試：
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衰減 (Attenuation) 與飽和 (Saturation) 測試： CH2 (通道 2) 連接固定的 7 dB 衰減器對 (attenuator pair) 作為參考 (reference)；CH1 (通道 1) 則分別連接 8 dB、9 dB 和 10 dB 的衰減器對 (用於衰減測試案例)，以及 3 dB 和 1 dB 的衰減器對 (用於飽和測試案例)。
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弱訊號 (Weak signal) 量測 (最高 20 dB 衰減)：CH2 直接連接到 DAC 輸出作為參考，具有 –16 dBFSC 縮放；CH1 連接 10 dB 衰減器對 (用於 <32% 全幅 (FS) 訊號)，以及 20 dB 衰減器對 (用於 <10% 全幅 (FS) 訊號)。
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雜訊 (Noise) 量測： CH2 使用固定的 7 dB 衰減器對作為參考；CH1 則連接 50 Ω 終端 (termination)。
對於每次測試，我們採集>10 µs數據，並重複進行資料擷取10次以檢查重現性。我們在MATLAB®中基於資料繪製曲線並進行分析。對於每種測試情況，將10次重複採集資料進行對比並繪製曲線。圖4顯示了測試中的單個脈衝，其中CH1比CH2低3 dB。兩個通道的10次重複採集完全重疊，表示資料擷取具有高重現性。
圖 4. 10 次重複測量的重疊圖，顯示了資料擷取的高度再現性。
AD9082 ADC 內建一個過載保護電路 (overload protection circuit)，當輸入訊號的振幅高於上限時，該電路便會啟動。當保護電路啟動時，常會在脈衝的下降緣 (falling phase) 觀察到一段「恢復尾端」(recovery tail)；這會造成訊號在全幅 (FS) 時被削峰 (clipped peak)，並產生這段恢復尾端。對於 TOF MS 而言，較短的恢復尾端對於精確的時間量測、乃至於質量量測都非常重要。圖 5 顯示了五種情況下的波形圖，包含飽和 (saturation) (最高達 6 dB) 或衰減 (attenuation) 的狀態。在 6 dB 飽和狀態下，恢復尾端小於 0.4 ns，這顯示當保護電路啟動時，訊號恢復所造成的展寬 (widening) 極小。
為了測試 ADC 在微弱輸入訊號下的效能，我們擷取了衰減 10 dB 與 20 dB 的訊號，如圖 6 所示。在 10% 全幅 (FS) (或衰減 20 dB) 時，訊號波形依然清晰乾淨，這顯示 ADC 本身所貢獻 (contributed) 的雜訊 (noise) 極小。
為了測試 ADC 的雜訊底層 (noise floor)，CH1 連接 50 Ω 終端電阻 (terminator)，而 CH2 則保持在 >90% 全幅 (FS)，如圖 7 所示。
我們透過繪製直方圖 (histogram) 並計算其標準差 (standard deviation) 來分析雜訊數據，如圖 8 所示。此案例的標準差為 0.0025，這意味著在全幅 (FS) 時的訊噪比 (SNR) 為 52 dB。
圖5. 五種測試案例（包含飽和或過度衰減）的重疊圖。
圖6. 輸入訊號衰減 10 dB 與 20 dB 的測試案例。
圖7. CH1 連接 50 Ω 終端電阻時的雜訊底層量測。
圖8. 雜訊底層量測 (CH1, 左側) 與全幅 (FS) 訊號量測 (CH2, 右側) 的直方圖。
為了進一步量化 (quantify) 時間量測的準確度與雜訊效能 (noise performance)，我們分割 (segmented) 了每個脈衝 (pulse)，將其峰值 (peak) 置於 30 ns 視窗 (window) 的中心。接著，我們使用高斯模型 (Gaussian model) 擬合 (fitted) 每個脈衝，以量測其 FWHM (半高全寬)。我們使用 30 ns 視窗兩側各 12 ns（總共 24 ns）的數據，作為雜訊計算 (noise calculation) 的基線 (baseline)。
圖 9 顯示了 10% 全幅 (FS) 輸入測試案例的完整擷取波形 (complete acquisition) 圖，以及單一脈衝的高斯擬合 (Gaussian fit) 與分割後基線 (segmented baseline) 的放大圖 (zoom-in)。表 1 列出了平均值 (mean)、量測到的 FWHM，以及計算出的 SNR (訊噪比)。
圖 9. 針對 10% 全幅 (FS) 輸入訊號的測試案例，用於 FWHM (半高全寬) 與 SNR (訊噪比) 量測的脈衝與基線分割示意圖。
表 1. 10% 全幅 (FS) 輸入測試案例之 FWHM 與 SNR 量測結果
我們量測了所有輸入訊號衰減 1 dB 至 20 dB 的測試案例之 FWHM (半高全寬) 與 SNR (訊噪比)。結果彙總於表 2 (Table 2)。此結果顯示，在各種不同的輸入振幅 (input amplitudes) 下，FWHM 的讀值 (readout) 皆保持一致，這意味著 (suggested) 可實現精確的時間量測。
表 2. FWHM 與 SNR 量測結果
討論與結論
隨著 MALDI TOF MS (基質輔助雷射脫附游離飛行時間質譜儀) 已成為臨床微生物實驗室中「細菌鑑定」的標準作業，加上「蛋白質體學 (Proteomics)」在個人化醫療領域的應用日益受到重視，MALDI TOF MS 預計在未來數十年將持續保持其在醫療保健領域的增長動能。此外，TOF MS 在生物醫學與藥物開發研究、食品安全和環境監測方面也有廣泛應用，這歸功於它在處理大範圍分子量且保持分子完整性方面的優勢。
這款低雜訊、高速 ADC 具備卓越的雜訊效能，且採樣率 (Sampling Rate) 比現有 TOF MS 儀器中的 ADC 快 3 至 6 倍，使其成為次世代高效能 TOF MS 儀器的關鍵零組件。高採樣率使得 TOF MS 儀器能在不犧牲效能的前提下縮小體積 (Footprint)，因為它能縮短飛行管 (Flight Tube) 的長度，進而減輕真空系統的負擔。較小的儀器體積對於即時照護 (Point-of-Care, POCT) 應用和各種 TOF MS 的現場應用至關重要。
我們在 AD9082 的實驗桌測試 (Bench Test) 中存在一些限制，包括：用於建立低振幅輸入 (例如 1% 全幅 (FS) 或 40 dB 衰減) 測試案例的外部衰減器 (Attenuator) 數量有限；阻抗不匹配 (Impedance Mismatch) 導致數據中出現反射 (Reflection)；以及在沒有電磁干擾 (EMI) 屏蔽的開放空間中進行測試。這些測試案例所回報的訊噪比 (SNR) 低於其實際值，因為在雜訊計算中，並未移除由阻抗不匹配引起的基線 (Baseline) 反射。
ADI 備有 MxFE EVB開發板以及圖形化使用者介面 (GUI) 軟體，可供進行更深入的測試。透過詳細的操作說明和實機演示 (Live Demo)，可以協助客戶更順利地建立評估系統。在經驗豐富的應用團隊 (Application Team) 指導下，使用 MxFE 樣品進行原型開發 (Prototyping) 將變得相當容易。
量測到的 FWHM (半高全寬) 和 SNR (訊噪比) 數據，證明了 MxFE ADC 具有卓越的時間準確度和雜訊效能。目前市面上 MxFE 高達 10 GSPS 的採樣率，為次世代 TOF MS 的設計提供了極大彈性，使其能擁有更佳的質量準確度 (Mass Accuracy) 與質量分辨率 (Mass Resolution)、更高的靈敏度 (Sensitivity)，以及更小的儀器體積。
此外，ADI MxFE ADC 擁有一系列完整的電源、時脈 (Clocking) 和驅動器產品作為後援，有助於確保無縫的系統整合與最佳化。
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