CN102971827A - 用于递送质谱仪的超快脉冲发生器极性切换的三开关拓扑结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种脉冲发生器、一种包含所述脉冲发生器的飞行时间质谱仪系统及一种使用所述脉冲发生器分析离子的方法。所述脉冲发生器包含第一正开关，其用于将加速器组合件的第一电极耦合到第一正电压及将所述第一电极与所述第一正电压去耦；第一负开关，其用于将所述第一电极耦合到第一负电压及将所述第一电极与所述第一负电压去耦；及第一双极开关，其用于交替地将所述第一电极耦合到第三电压及将所述第一电极与所述第三电压去耦。

Description

用于递送质谱仪的超快脉冲发生器极性切换的三开关拓扑结构

相关申请案

本申请案主张2010年5月7日申请的标题为“用于递送质谱仪的超快脉冲发生器极性切换的三开关拓扑结构(Triple Switch Topology for delivering Ultrafast Pulser PolaritySwitching for Mass Spectrometry)”序列号为61/332,387的美国临时申请案的优先权，所述临时申请案以全文引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明大体上涉及用于操作飞行时间质谱分析检测系统的系统及方法。

背景技术

飞行时间质谱分析(TOFMS)涉及通过施加已知强度的短的、高强度电场使离子穿过无场漂移室朝向检测器加速。脉冲发生器一般用于供应所述电场。所述电场经施加以给予所有离子动能，使得所述离子越过漂移室的粒子速度取决于其m/z比率。具有较大m/z比率的离子将趋向于以较低速度移动，而具有较小m/z比率的离子将趋向于以较高速度移动。每一离子越过无场漂移室到达检测器(其位于距离离子源某一已知距离的地方)的飞行时间是可测量的。接着可使用飞行时间信息及已知的实验参数来确定离子的m/z比率。还可估计离子通量强度。

发明内容

以下概述希望向读者介绍此说明书但不界定任何发明。一个或一个以上发明可驻留于下文描述的设备元件或方法步骤的组合或子组合中或此文档的其它部分中。本发明不仅仅通过不在权利要求书中描述此说明书中揭示的任何发明或若干发明而放弃或抛弃对此类任何发明或若干发明的权利。

本文中描述的实施例在一个方面中提供用于与飞行时间质谱仪系统的加速器组合件一起使用的脉冲发生器，所述脉冲发生器包含：

第一正开关，其用于将加速器组合件的第一电极耦合到正电压及将第一电极与正电压去耦；

第一负开关，其用于将所述第一电极耦合到负电压及将所述第一电极与负电压去耦；及

第一双极开关，其用于交替地将所述第一电极耦合到第三电压及将所述第一电极与第三电压去耦。

本文中描述的实施例在另一方面中提供飞行时间质谱仪系统，其包含：

离子源；

飞行时间质量分析器，其耦合到所述离子源，所述飞行时间质量分析器包含：

加速器组合件，其用于加速从所述离子源接收的离子，所述加速器组合件包含：第一电极；及脉冲发生器，所述脉冲发生器包含：第一正开关，其用于将第一电极耦合到正电压及将第一电极与正电压去耦；第一负开关，其用于将第一电极耦合到负电压及将第一电极与负电压去耦；第一双极开关，其用于交替地将第一电极耦合到第三电压及将第一电极与第三电压去耦；及

检测器，其用于检测所述离子。

本文中描述的实施例在另一方面中提供分析离子的方法，所述方法包含：

(a)将第一组离子引入到加速器组合件的积累区域中，所述加速器组合件包含至少一个电极；

(b)向所述电极提供第一电压以使第一极性的离子朝向检测器加速，

(c)将第二组离子引入到加速器组合件的积累区域中；及

(d)向所述电极提供第二电压以使第二极性的离子朝向所述检测器加速。

本文中描述的实施例的进一步方面及优势将从与附图一起作出的以下描述显现。

附图说明

为更好地理解本文中描述的实施例及更清楚地展示其可如何实行，现将仅通过实例参考展示至少一个实例实施例的附图，且其中：

图1为根据实施例的若干方面的质谱仪的示意图；

图2为根据各种实施例的说明脉冲发生器的各种组件的示意图；

图3为图2的脉冲发生器所使用的电路的各种实施例的示意图；

图4为根据各种实施例的单极开关的示意图；

图5为根据各种实施例的双极开关的示意图；及

图6为根据各种实施例的脉冲发生器的功能性框图。

具体实施方式

现在参考图1，其示意性地说明根据本发明的实施例的方面的质谱仪10。应理解，质谱仪10仅代表可用于本发明的实施例中的一个可能的MS配置。如图1中所展示，质谱仪10为混合四极/飞行时间质谱仪(QqTOF)。然而，独立飞行时间质谱仪(TOF)、串联飞行时间质谱仪(TOF-TOF)及混合捕集/飞行时间质谱仪(Trap-TOF)都可用于本发明的替代实施例中。也可使用又其它经合适配置的TOF拓扑结构。

质谱仪10包含离子源12、TOF质量分析器14及位于TOF质量分析器14上游的一个或一个以上四极16、18、20。离子源12可为电喷射源，但应理解，离子源12也可为任何其它合适离子源，例如电感性耦合等离子体(ICP)离子源、基质辅助式激光解吸/离子化(MALDI)离子源、辉光放电离子源、电子轰击离子源、光致离子化离子源及类似物。从离子源12传输的离子可首先进入以仅RF模式操作的校准四极16，以提供碰撞冷却及集中。收容在真空室22中的四极18可以质量解析模式操作，以选择性地传输具有落在窄通带内的m/z比率的离子或以宽带模式传输越过较广质量范围的离子。粗短杆26也可包括在质谱仪10中以促进离子从校准四极16到质量解析四极18中的有效转移。四极20可用作碰撞单元以粉碎进入的离子。当然，四极16、18、20的其它操作模式可显然适合特定MS应用。

加压隔间28可通过供应合适的碰撞气体而作为碰撞单元而操作。从四极18加速到加压隔间28中的离子接着可在其中遭受碰撞诱导解离(CID)。将合适的RF/DC电压施加到四极20还可在加压单元28中提供任选的质量过滤。分析物离子(其可包括产物离子或前驱物离子)可通过离子光学元件30及离子入口32传输到TOF质量分析器14中。一旦通过离子入口32，就可在加速器组合件37的积累/加速区域36中收集离子。在各种实施例中，积累/加速区域36含有推动电极38。在一些实施例中，加速器组合件37还包含额外电极，例如(但不限于)保护环39。在各种实施例中，保护环39形成用于加速离子的加速管柱。脉冲发生器40可耦合到电极38及39且将电压供应到这些电极。

通过在加速时间间隔期间将短的、高电压电场施加到电极38，离子积累将被停止且离子将被加速到无场漂移室42中。TOF质量分析器14还可包含形成加速管柱的额外电极39。在各种实施例中，漂移室42包含护罩或内衬44。任选地，还可包括一个或一个以上离子反射器46以增加飞行路径的有效长度，如图1中所展示。在一些实施例中，离子反射器46包含双级离子镜。在穿过漂移室42之后，所述离子可由离子检测器48接收以供检测。

还应理解，离子源12可为脉动的或连续的流动离子源，且在任一情形中，离子可作为单独批次(或萃取)的离子被加速到漂移室42中。

应进一步理解，本文中描述的质谱仪10仅为可根据本发明的实施例的若干方面使用的一个可能的TOF拓扑结构。也可使用其它TOF拓扑结构，包括(但不限于)上文列出的TOF拓扑结构。

在各种实施例中，质谱仪10可包含系统控制器50。系统控制器50可包括任何合适软件、硬件及固件。在一些实施例中，应用程序可用于操作及控制系统控制器50。在各种实施例中，系统控制器50可控制质谱仪10的各个方面。举例来说，系统控制器50可控制脉冲发生器40。具体来说，在一些实施例中，系统控制器50控制脉冲发生器40的开关。在各种实施例中，系统控制器50控制施加到加速组合件37的各种电极的电压脉冲率。在一些实施例中，系统控制器50还控制质谱仪10的其它组件，包括(但不限于)四极16、18及20。在一些实施例中，系统控制器50根据针对分析而选择的样本离子或分析物离子的一个或一个以上性质来控制脉冲发生器40。在一些实施例中，系统控制器50根据已针对质量分析而选择的分析物离子的质量来控制脉冲发生器40。在一些实施例中，系统控制器50根据已针对质量分析而选择的分析物离子的质荷比来控制脉冲发生器40。在各种实施例中，应用程序确定可如何控制脉冲发生器40。在一些实施例中，可基于多种因素(包括(但不限于)样本的类型)来选择不同的应用程序。

现在参考图2，其为根据各种实施例的说明加速组合件37的各种组件的示意图。在一些实施例中，加速组合件37包含板210、栅格220及环形电极230。然而，应理解，在其它实施例中，加速组合件37可包含其它数目的电极。举例来说，在一些实施例中，加速组合件37包含一个电极。在各种其它实施例中，加速组合件37包含两个电极。可包括任何合适数目的电极。

如上文所解释，在离子通过入口32进入之后，其可通过在积累/加速区域36中施加适当脉冲而被加速。具体来说，在一些实施例中，离子进入位于板210与栅格电极220之间的收集区域。在此积累时间间隔期间，离子可填充板210与栅格电极220之间的区域。一旦已积累充分数量的离子，所述离子就可通过将具有与待分析的离子相同的极性的电压脉冲施加到板210而被加速。同时，将极性与所述离子相反的电压施加到栅格220。因此，在正操作模式中(其中分析正极性离子)，可将正电压脉冲施加到板210且同时可将负电压脉冲施加到栅格220。此外，还可将极性与施加到栅格220的电压相同的电压施加到环230。施加到所述电极的电压产生电场，其将力提供到带电离子且因此将离子加速到漂移室42中(如图1中所说明)。如所属领域的技术人员将理解，被加速到所述漂移室中的离子为具有与施加到所述板的电压相同且与施加到所述栅格及所述环的电压相反的极性的离子。因此，板210及栅格220分别“推”及“拉”离子且因此使其加速。此外，环230用来进一步拉动所述离子以借此使所述离子进一步加速。在各种实施例中，施加到板210及栅格220的脉冲控制何时可加速离子。举例来说，即使在分析单个极性的离子时，也可将多个单极脉冲施加到板210及栅格220以在不同的时间点处加速多个群组的离子。在各种实施例中，环230上的电压可不脉动。在各种实施例中，当将分析不同极性的离子时，环230上的电压切换极性。在一些实施例中，当分析相同极性的离子时，施加到所述环的电压保持恒定。

在已知的脉冲发生器中，机械继电器通常用于切换施加到各个电极的电压脉冲的极性。此类电路通常使用大电容器以确保供应到所有电极(例如环形电极)的平滑且稳定的电压。

此类电路的问题可为，机械继电器在切换时是相对缓慢的，且通常容易出故障。因此，需要相对长的时间(举例来说，若干秒钟)以从正操作模式切换到负操作模式且反之亦然，即，切换脉冲的极性以能够研究与当前正研究的离子相反极性的离子。

另一问题可为，上文提及的大电容器必须在可颠倒施加到电极的电压的极性之前被放电。在所述电容器可相对大的情况下，使电容器放电可花费大量的时间。此外，一旦颠倒所述电压的极性，电容器充电及电压稳定需要时间。这实际上意味着不能在相对短的时间帧中分析不同极性的离子。因此，一般不可能分析相同样本中的不同极性的离子。

接下来参考图3，其以示意图说明由脉冲发生器40利用且由系统控制器50控制以向各种电极供应电压的电路300的各个实施例。电路300包含正板开关310、负板开关320及双极板开关330。电路300进一步包含正栅格开关340、负栅格开关350及栅格双极开关360。电路300进一步包含正环开关370及负环开关380。

正板开关310可耦合在板210与正电压源390之间。系统控制器50可控制开关310交替地将板210耦合到正电压源390及将板210与正电压源390去耦。负板开关320可耦合在板210与负电压源392之间。系统控制器50可控制开关320交替地将板210耦合到负电压源392及将板210与负电压源392去耦。板双极开关330可耦合在板210与接地之间。系统控制器50可控制开关330交替地将板210耦合到接地及将板210与接地去耦。虽然在一些实施例中，双极开关330可耦合在板210与接地之间，但在其它实施例中，双极开关330可耦合在板210与任何适当电压(其可为正电压或负电压)之间。

系统控制器50可控制脉冲发生器40处于正操作模式中以积累及加速正离子，或处于负操作模式中以积累及加速负离子。

当脉冲发生器40处于正操作模式中时，系统控制器50可控制：(i)正板开关310以周期性地将板210耦合到正电压源390及将板210与正电压源390去耦，(ii)负板开关320以将板210从负电压源392去耦，及(iii)双极板开关330以周期性地将板210耦合到接地及将板210与去耦，使得当双极板开关330将板210从接地去耦时正板开关310将板210耦合到正电压源390，且当双极板开关330将板210耦合到接地时正板开关310将板210从正电压源390去耦。

当脉冲发生器40处于负操作模式中时，系统控制器50可控制(i)正板开关310以将板210从正电压源390去耦，(ii)负板开关320以周期性地将板210耦合到负电压源392及将板210与负电压源392去耦，及(iii)双极板开关330以周期性地将板210与接地去耦及将板210耦合到接地，使得当双极板开关330将板210从接地去耦时负板开关320将板210耦合到负电压源392，且当双极板开关330将板210耦合到接地时负板开关320将板210从负电压源392去耦。

质谱仪10还可在离子源12与板210之间包含离子传输路径(举例来说，由四极16、18及20提供)，其中所述离子传输路径包含光学元件(举例来说，其可为离子光学元件30中的一者或一者以上)，所述光学元件经耦合以接收相关联的电压；且当脉冲发生器40在正操作模式与负操作模式之间切换时，系统控制器50可切换相关联的电压的极性，使得相关联的电压的极性可在正操作模式与负操作模式中不同。举例来说，在图1的实施例中，在正操作模式期间，负DC电压可被施加到离子光学元件中的一个或一个以上元件，以阻挡负离子进入积累/加速区域36，同时允许正离子进入积累/加速区域36。接着，在负操作模式期间，施加到这些一个或一个以上离子光学元件的电压的极性可切换为正，以准许负离子进入积累/加速区域，同时阻挡正离子。

正栅格开关340可耦合在栅格220与正电压源390之间。系统控制器50可控制开关340交替地将栅格220耦合到电压源390及将栅格220与电压源390去耦。负栅格开关350可耦合在栅格220与负电压源392之间。系统控制器50可控制开关350交替地将所述栅格耦合到负电压源392及将所述栅格与负电压源392去耦。栅格双极开关360可耦合在栅格220与接地之间。系统控制器50可控制开关360交替地将栅格220耦合到接地及从接地去耦。虽然在一些实施例中，双极开关360可耦合在栅格220与接地之间，但在其它实施例中，双极开关360可耦合在栅格220与任何适当电压(其可为正电压或负电压)之间。

将进一步理解，通过双极板开关330连接到板210的接地电压可不同于通过双极栅格开关360连接到栅格220的接地电压，即使两者可接近于接地。然而，在一些实施例中，其均可连接到相同的接地值。

当脉冲发生器40处于正操作模式中时(即，当分析正极性的离子时)，系统控制器50可控制(i)正栅格开关340以将栅格220从正电压源390去耦；(ii)负栅格开关350以周期性地将栅格220耦合到负电压源392及将栅格220与负电压源392去耦，(iii)双极栅格开关360以周期性地将栅格220与接地去耦及将栅格220耦合到接地。

在相同的操作模式中，系统控制器50可进一步控制脉冲发生器40提供交替的积累时间间隔(用于积累离子)及加速时间间隔(用于加速离子)。为切换到积累时间间隔，系统控制器50可控制正板开关310将板210从正电压源390去耦及控制双极板开关330将板210耦合到接地。在系统控制器50控制负栅格开关350将栅格220从负电压源392去耦及控制双极栅格开关360将栅格220耦合到接地时之前，这可发生短暂的时间周期(下文称为延迟周期)。

当在正操作模式中切换到加速时间间隔时，系统控制器50可控制正板开关310将板210耦合到正电压源390及控制双极板开关330将板210从接地去耦。在系统控制器50控制负栅格开关350将栅格220耦合到负电压源392及控制双极栅格开关350将栅格220从接地去耦时，这也可发生延迟周期。

所述延迟周期可确定为离子横穿板210与栅格220之间的距离所需的时间量，使得(举例来说)当切换到积累时间间隔时，即使在板210已连接到接地之后，栅格220也可能够完成“拉动”离子穿过板210与栅格220之间的空间。在一些实施例中，延迟周期可由正被分析的离子的质荷比确定。

在一些实施例中，延迟周期可为零秒，使得(举例来说)在加速时间间隔中板210及栅格220大体上同时发生从接地到一电压的切换(例如，正板开关310的闭合及负栅格开关350的闭合大体上同时发生)。在进一步的实施例中，所述切换可同时发生。

当脉冲发生器40处于负操作模式中时(即，在分析负极性的离子的情况下)，系统控制器50可控制(i)正栅格开关340以周期性地将栅格220耦合到正电压源390及将栅格220与正电压源390去耦，(ii)负栅格开关350以将栅格220从负电压源392去耦，及(iii)双极栅格开关360以周期性地将栅格220与接地去耦及将栅格220耦合到接地。

在相同的操作模式中，系统控制器50可进一步控制脉冲发生器40提供交替的积累时间间隔(用于积累离子)及加速时间间隔(用于加速离子)。为切换到积累时间间隔，系统控制器50可控制负板开关320将板210从负电压源392去耦及控制双极板开关330将板210耦合到接地。在系统控制器50控制正栅格开关340将栅格220从正电压源390去耦及控制双极栅格开关220将栅格220耦合到接地之前，也可发生延迟周期。

为在负操作模式中切换到加速时间间隔，系统控制器50可控制负板开关320将板210耦合到负电压源392及控制双极板开关330将板210从接地去耦。在系统控制器50控制正栅格开关340将栅格220耦合到正电压源390及控制双极栅格开关360将栅格220从接地去耦之前，也可发生延迟周期。

如所提及，所述延迟周期可确定为横穿板210与栅格220之间的距离所需的时间，或在其它实施例中可为零。其它考虑因素也可影响延迟周期的确定，包括例如实施的方便及质谱仪10的总可操作性等等的因素。

在正操作模式或负操作模式中，系统控制器50可控制加速时间间隔的持续时间使其具有充分的时间，以加速积累/加速区域36中所积累的离子。在一些实施例中，取决于脉冲发生器40是处于正操作模式还是处于负操作模式，加速时间间隔的持续时间可不同。在其它实施例中，加速时间间隔的持续时间在两个操作模式中可为相同的。在一个实施例中，系统控制器50可控制加速时间间隔的时间长度使其处于1微秒到100微秒的范围中。

系统控制器50可控制加速时间间隔的持续时间使其为连续加速时间间隔之间的时间间隔。在一些实施例中，加速时间间隔的持续时间对于脉冲发生器40的正操作模式及负操作模式两者可为相同的。在其它实施例中，举例来说，取决于积累充分数目的所需极性的离子所需的时间间隔，积累时间间隔的持续时间对于正操作模式及负操作模式可为不同的。

系统控制器50可控制积累时间间隔的持续时间对应于与脉冲发生器40相关联的处理器(下文论述)的时钟频率或重复频率。在一个实施例中，较快的时钟速度可允许较短的积累间隔。举例来说，在其中加速时间间隔可经配置以为10微秒的实施例中，具有10千赫兹的时钟频率的处理器可允许积累时间间隔为90微秒，而具有1千赫兹的时钟频率的处理器可允许积累时间间隔为990微秒。作为替代实例，在其中加速时间间隔可经配置为5微秒的实施例中，33千赫兹的时钟频率可允许积累时间间隔为25微秒。简而言之，积累及加速时间间隔的总和可为时钟频率的倒数。

正环开关370可耦合在环230与正电源390之间。开关370可用于交替地将环230耦合到电压源390及从电压源390去耦。负环开关380可耦合在环230与负电压源392之间。开关380可用于交替地将所述环耦合到负电压源392或从负电压源392去耦。

当脉冲发生器40处于正操作模式中时，系统控制器50可控制(i)正环开关370以将环230从正电压源390去耦，及(ii)负环开关380以将环230耦合到负电压源392。

当脉冲发生器40处于负操作模式中时，系统控制器50可控制(i)正环开关370以将环230耦合到正电压源390，及(ii)负环开关380以将环230从负电压源392去耦。

如图3中所展示，在各种实施例中，仅两个开关可耦合到环230。如上文解释，在一些实施例中，单极脉冲可施加到板210及栅格220但不是环230。在此类实施例中，双极开关对于环230可不是必需的。具体来说，环230的稳定状态电压仅需处于正供应电压或负供应电压。

如上文解释，在一些实施例中，电路300向三个电极供应电压。然而，如上文提及，不同数目的电极可用于各种实施例中。举例来说，在一些实施例中，可使用单个电极。在一些此类实施例中，模拟电路包含三个开关，例如开关310、320及330。所属领域的技术人员将理解可如何使电路300适于其中可利用不同数目的电极的其它实施例。

此外，应理解，虽然板210、栅格220及环形电极230说明为在相同的正电压及负电压之间切换，但在各种实施例中，这些电极可各自在不同的电压值之间切换。换句话说，电压值不需要为所有三个电极共用。此外，虽然正电压及负电压的量值展示为相等的2kV，但可使用任何适当的电压值。在各种实施例中，电压的量值可在+/-0.5kV到+/-50kV的范围中。此外，在一些实施例中，正电压及负电压的量值是不同的。

在各种实施例中，310、320、330、340、350、360、370及380中的每一者可包含任何适当的切换装置，包括(但不限于)，金属氧化物场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅极双极晶体管(IGBT)或碳化硅(SiC)VJFET高压装置。在各种实施例中，这些切换装置为在市场上有售的切换装置。在一些实施例中，每一开关包含串联连接的多个MOSFET。如所属领域的技术人员将理解，使用多个MOSFET可允许使用针对低于或高于正电压源量值的电压设定额定值的MOSFET。

然而，如果开关包含不针对全电压设定额定值的多个MOSFET，那么如果MOSFET不都在同一时间接通及关断，那么可能的情形是，所述开关中的MOSFET中的一者或一者以上将经历超过其额定值的电压且MOSFET可因此出故障。因此，在各种实施例中，每一开关包含耦合在控制信号源与MOSFET的栅极之间的多个变压器。如下文将更详细地解释，使用根据本文中揭示的实施例的变压器允许组成给定开关的MOSFET在同一时间接通。

在一些实施例中，在每一高电压供应轨与接地之间包括滤波电容器。举例来说，在一些实施例中，在+2kV电压轨与接地之间可包括一个或一个以上滤波电容器，且在-2kV供应电压轨与接地之间可包括一个或一个以上滤波电容器。然而，在给定电路拓扑结构的情况下，可能不必在切换施加到电极的电压的极性之前使电容器放电。

接下来参考图4，其为根据各种实施例的单极开关400的示意图。举例来说，开关400可用作图3的开关310、320、340、350及370、380。如所属领域的技术人员将通过观察图4而明白，可针对开关310、350及370构造模拟开关。

如从图4中可见，开关400包含串联连接的8个MOSFET(Q148到Q155)。应理解，这仅为一个实例。可使用任何适当数目的晶体管。在选择晶体管的数目的过程中的一些考虑因素包括开关越过其端子将具有的总电压及个别晶体管的电压额定值。一般来说，如果每一晶体管具有较高等级的电压容限，那么可能使用较小数目的晶体管。然而，晶体管的成本一般随着其电压额定值而增加。

开关400还总共包含两组8个脉冲变压器、16个变压器(T102到T117)。第一组变压器中的每一变压器可用于传输接通信号，其接通MOSFET。类似地，另一变压器组可用于传输关断信号，其关断MOSFET。一般来说，在各种实施例中，可存在与组成总开关的晶体管一样多的变压器对。

如从图4中可见，变压器的半部的输入(每一对一个)可耦合在一起。类似地，每一对的变压器的另一半部的输入可耦合在一起。更具体来说，信号线420可穿过变压器T102、T104、T106、T108、T110、T112、T114及T116中的每一者的输入。类似地，信号线430可穿过变压器T103、T105、T107、T109、T111、T113、T115及T117中的每一者的输入。

当信号脉冲施加到信号线420及430时，所述脉冲可被同时施加到连接到所述信号线的变压器中的每一者的输入。这允许MOSFET在同一时间接通或关断。使用变压器允许信号源被从MOSFET的栅极去耦。如果信号线直接施加到一连串MOSFET，那么所得电路一般将具有电阻值及电容值(其中电容一般为晶体管的栅极的电容且电阻为所使用的分压电阻器的总和)，这将产生多个RC电路。这将大大地增加切换的RC时间。并且，取决于其结构，此类电路可在接通信号及关断信号到达每一MOSFET栅极时引入延迟，且因此可引起MOSFET(其组成特定开关)在不同时间接通及关断。如上文提及，这可导致总开关的灾难性故障。由变压器提供的去耦可阻碍不需要的RC电路的形成。

然而，应理解，不是所有的实施例都利用变压器。一些其它实施例利用其它电路用于以匹配的超低传播延迟时间激活栅极，如超快光学耦合器。在各种实施例中，可使用任何适当电路元件以将信号源从MOSFET的栅极电隔离或电去耦。不希望排除其它电路的使用，包括利用电阻器网络的电路。

接下来参考图5，其为根据各种实施例的双极开关500的示意图。举例来说，开关500可用作图3的开关330及360。

开关500可使用类似于开关400的一组变压器以用于接通及关断其晶体管。因此，这些变压器将不在本文进一步描述。为了进一步的细节，可参考图4的描述。

不同于开关400，开关500可为双极开关且可在两个方向上有效地传导电流。在各种实施例中，这通过使用以背对背配置连接的晶体管来进行。具体来说，使用若干对晶体管，其中每一对的栅极并联连接且其端子以背对背方式串联连接。在背对背配置中，每一对晶体管可串联连接，其中共用端子可为漏极或源极。

应理解，当其它半导体装置用于构造每一开关时，可能不必针对双极开关使用背对背设计。应理解，虽然开关中的一些描述为单极开关，但可使用双极开关来替代它们。

现在参考图6，其说明根据各种实施例的脉冲发生器40的功能性框图。脉冲发生器40包含经编程以操作电路300的开关的处理器602。在一些实施例中，处理器602可为复杂可编程逻辑装置(CPLD)。处理器602可经配置以适当地操作开关。举例来说，其可确保不应该在同一时间接通的开关不在同一时间被接通。举例来说，参考图3，开关310、320及330中的任何两者或两者以上不应该在同一时间接通。因此，所述处理器可确保此些开关不在同一时间接通。

此外，对于MOSFET，在发送信号以接通或关断MOSFET时与在MOSFET实际上接通或关断时之间可存在时间延迟。举例来说，这可为以下事实的结果：晶体管栅极必须在完全接通或关断之前充电或放电且栅极的充电及放电不是瞬时的。因此，在利用MOSFET的一些实施例中，处理器602还可经编程以确保在关断一个晶体管(例如，310)与接通另一晶体管(例如，330)之间留有充足的时间，以避免高电压开关的跨导关断。如果不利用延迟，那么可导致不适当的连接(例如，接地与正电压供应之间的短路)，给定两个晶体管可在同一时间接通的情况下，即使所述晶体管中的一者可被给予用于关断的控制信号且另一者可被给予用于接通的信号也是如此。

已知的四极质谱仪可比TOF质谱仪中使用的已知脉冲发生器更迅速地切换极性。因此，在混合四极TOF仪器中，四极可向TOF质量分析器供应第一离子样本且接着比已知脉冲发生器可切换极性以处理第二离子群组更迅速地提供第二极性的第二离子样本。一般来说，四极可在微秒的数量级上切换极性；然而，已知的脉冲发生器可需要一秒或高达若干分钟来切换极性。因此，在已知的脉冲发生器及四极的情况下，与已知的脉冲发生器相比，在四极可处理相反极性离子的连续样本的速度方面可存在显著的失配。换句话说，已知的脉冲发生器一般是相当缓慢的，且因此TOF质量分析器可为需要在单个分析循环中同时分析两个极性的离子的质谱分析系统中的“瓶颈”。

这可导致若干问题。举例来说，如果脉冲发生器的极性不能足够迅速地切换，那么可能必须对样本进行两轮分析。第一轮可以一个极性的离子操作，而第二轮可以相反极性的离子操作。因此，与脉冲发生器能够更迅速地切换的情况相比，以已知脉冲发生器执行质量分析可能需要至少两倍长的时间。此外，举例来说，当含有脉冲发生器的质谱仪用于液相色谱-质谱分析中时，所述脉冲发生器的缓慢切换速度可为问题。以液相质量分析方法，在初始样本被引入到质谱仪中之前可需要许多分钟来分离初始样本。此外，洗脱峰值可仅持续若干秒钟。因此，已知的脉冲发生器可能不能够足够迅速地切换极性，以允许分析在洗脱峰值期间产生的正离子及负离子。具体来说，已知的脉冲发生器可能不能够在若干秒钟内切换极性，以能够单独地(即，在不同的时间)在同一方向上加速正离子及负离子。

相比于已知的脉冲发生器，在各种实施例中，脉冲发生器40可在纳秒的数量级上切换极性。在一些实施例中，脉冲发生器40可在微秒的数量级上切换极性。在一些实施例中，脉冲发生器40可在1ns到1s的时间范围内切换极性。脉冲发生器40切换极性的特定速度可取决于多种因素。举例来说，针对电路300选择的特定组件以及施加到脉冲发生器40的电极的电压的量值可影响脉冲发生器40可切换极性的速度。举例来说，在一些实施例中，MOSFET用于脉冲发生器40中的开关，且这些MOSFET可具有与其相关联的特定上升时间及下降时间，其将限制脉冲发生器40可切换极性的速度。其它电元件也可影响上升时间及下降时间。

在一些实施例中，脉冲发生器40可比已知四极更迅速地切换极性。在其它实施例中，脉冲发生器40可以类似于已知四极的速度的速度切换极性。因此，在各种实施例中，脉冲发生器40可用于以与已知四极能够提供离子的速率大体上匹配的速率分析不同极性离子的新样本。在一些实施例中，脉冲发生器40可用于以超过已知四极能够提供离子的速率的速率分析不同极性离子的新样本。

在各种实施例中，离子样本可在离子源12处产生。所述离子可接着穿过四极16、18及20且最终进入TOF质量分析器14中。如上文描述，进入TOF质量分析器14的离子首先填充加速器组合件37的积累区域36。加速器组合件37及脉冲发生器40可接着将一离子群组加速到漂移室42中。可被加速的所述离子群组为填充加速器组合件37的积累区域36的离子的至少一部分。在一些实施例中，正离子及负离子均可填充加速器组合件37的积累区36。在一些其它实施例中，仅单个极性的离子填充加速器组合件37的积累区域36。在一些实施例中，这可通过操作四极使得其在任何一个时间处仅传输单个极性的离子来实现。在由加速器组合件37及脉冲发生器40加速之后，所述离子通过漂移室42且由检测器48检测。

在各种实施例中，脉冲发生器40可切换极性，使得相反极性的离子可在彼此的短时间周期内被分析。在一些实施例中，此时间周期可小于1秒。在一些实施例中，所述周期可在微秒的数量级上。在一些实施例中，加速器组合件37及脉冲发生器40可加速第一极性的第一离子群组，且接着在500微秒内加速相反极性的第二离子群组。在其它实施例中，脉冲发生器40在正操作模式与负操作模式之间切换所需的时间可在1微秒到200微秒的范围内。在一些实施例中，加速器组合件37及脉冲发生器40可加速第一极性的第一离子群组且接着在100微秒内加速相反极性的第二离子群组。在一些实施例中，加速器组合件37及脉冲发生器40可加速第一极性的第一离子群组且接着在25微秒内加速相反极性的第二离子群组。在一些实施例中，加速器组合件37及脉冲发生器40可加速第一极性的第一离子群组且接着在10微秒内加速相反极性的第二离子群组。

在各种实施例中，加速器组合件37的电极的极性不切换，直到检测器48已检测到曾由脉冲发生器40加速的全频谱的先前离子群组为止。在一些其它实施例中，不需要在切换极性之前检测所述全频谱。

在一些实施例中，四极16、18、20用于首先将第一极性的离子样本传输到TOF质量分析器14。在这不久之后，四极16、18、20用于首先将相反极性的离子样本传输到TOF质量分析器14。

仅出于示范性目的而提供所述方法、所述脉冲发生器及所述质谱分析系统的以上方面。所属领域的技术人员将认识到，在不脱离由所附权利要求书界定的所述方法、所述脉冲发生器及所述质谱分析系统的精神及范围的情况下，可对其作出各种改变。

Claims (42)

1.一种用于与飞行时间质谱仪系统的加速器组合件一起使用的脉冲发生器，所述脉冲发生器包含：

第一正开关，其用于将所述加速器组合件的第一电极耦合到第一正电压及将所述第一电极与所述第一正电压去耦；

第一负开关，其用于将所述第一电极耦合到第一负电压及将所述第一电极与所述第一负电压去耦；及

第一双极开关，其用于交替地将所述第一电极耦合到第三电压及将所述第一电极与所述第三电压去耦。

2.根据权利要求1所述的脉冲发生器，其进一步包含：

第二正开关，其用于将所述加速器组合件的第二电极耦合到第二正电压及将所述第二电极与所述第二正电压去耦；

第二负开关，其用于将所述第二电极耦合到第二负电压及将所述第二电极与所述第二负电压去耦；及

第二双极开关，其用于交替地将所述第二电极耦合到第四电压及将所述第二电极与所述第四电压去耦。

3.根据权利要求2所述的脉冲发生器，其中所述第四电压等于所述第三电压。

4.根据权利要求2所述的脉冲发生器，其进一步包含：

第三正开关，其用于将所述加速器组合件的第三电极耦合到第三正电压及将所述第三电极与所述第三正电压去耦；及

第三负开关，其用于将所述第三电极耦合到第三负电压及将所述第三电极与所述第三负电压去耦。

5.根据权利要求4所述的脉冲发生器，其中所述第一正电压等于所述第二正电压，所述第二正电压等于所述第三正电压。

6.根据权利要求4所述的脉冲发生器，其中所述第一负电压等于所述第二负电压，所述第二负电压等于所述第三负电压。

7.根据权利要求1所述的脉冲发生器，其中所述开关中的至少一者包含串联连接的多个功率金属氧化物场效应晶体管。

8.根据权利要求7所述的脉冲发生器，其进一步包含用于同时接通或关断所述晶体管中的每一者的电路。

9.根据权利要求8所述的脉冲发生器，其中每一晶体管包含栅极；且其中控制电路包含：

控制信号源，其用于向所述晶体管中的每一者的所述栅极供应控制信号，以交替地对所述栅极进行充电及放电；及

至少一个去耦装置，其用于将所述控制信号源从所述晶体管栅极电性地去耦。

10.根据权利要求9所述的脉冲发生器，其中所述至少一个去耦装置包含：

第一组变压器，其耦合在所述控制信号源与每一栅极之间以传输接通信号；及

第二组变压器，其耦合在所述控制信号源与每一栅极之间以传输关断信号。

11.根据权利要求9所述的脉冲发生器，其中所述至少一个去耦装置包含：

第一组光学耦合器，其耦合在所述控制信号源与每一栅极之间以传输接通信号；及

第二组光学耦合器，其耦合在所述控制信号源与每一栅极之间以传输关断信号。

12.根据权利要求1所述的脉冲发生器，其进一步包含控制电路，其中所述控制电路可操作以在正操作模式与负操作模式之间切换所述脉冲发生器，使得

当所述脉冲发生器处于所述正操作模式中时，

i)所述第一正开关周期性地将所述第一电极耦合到所述第一正电压及将所述第一电极与所述第一正电压去耦，ii)所述第一负开关将所述第一电极从所述第一负电压去耦，及iii)所述第一双极开关周期性地将所述第一电极与所述第三电压去耦及将所述第一电极耦合到所述第三电压，使得当所述第一双极开关将所述第一电极从所述第三电压去耦时，所述第一正开关将所述第一电极耦合到所述第一正电压，及当所述第一双极开关将所述第一电极耦合到所述第三电压时，所述第一正开关将所述第一电极从所述第一正电压去耦，且

当所述脉冲发生器处于所述负操作模式中时，

i)所述第一正开关将所述第一电极从所述第一正电压去耦，ii)所述第一负开关周期性地将所述第一电极耦合到所述第一负电压及将所述第一电极与所述第一负电压去耦，及iii)所述第一双极开关周期性地将所述第一电极与所述第三电压去耦及将所述第一电极耦合到所述第三电压，使得当所述第一双极开关将所述第一电极从所述第三电压去耦时，所述第一负开关将所述第一电极耦合到所述第一负电压，及当所述第一双极开关将所述第一电极耦合到所述第三电压时，所述第一负开将所述第一电极从所述第一负电压去耦。

13.根据权利要求12所述的脉冲发生器，其中所述控制电路可操作以在1微秒到200微秒的范围中在所述正操作模式与所述负操作模式之间切换所述脉冲发生器。

14.根据权利要求1所述的脉冲发生器，其中所述双极开关包含一对金属氧化物场效应晶体管，其中所述对的第一晶体管背对背地与所述对的第二晶体管耦合。

15.一种飞行时间质谱仪系统，其包含：

离子源；

飞行时间质量分析器，其耦合到所述离子源，所述飞行时间质量分析器包含：

加速器组合件，其用于加速从所述离子源接收的离子，所述加速器组合件包含：

第一电极；及

脉冲发生器，所述脉冲发生器包含：

第一正开关，其用于将所述第一电极耦合到第一正电压及将所述第一电极与所述第一正电压去耦；

第一负开关，其用于将所述第一电极耦合到第一负电压及将所述第一电极与所述第一负电压去耦；

第一双极开关，其用于交替地将所述第一电极耦合到第三电压及将所述第一电极与所述第三电压去耦；及

检测器，其用于检测所述离子。

16.根据权利要求15所述的系统，其进一步包含系统控制器，所述系统控制器耦合到所述脉冲发生器，所述系统控制器可操作以控制所述第一正开关、所述第一负开关及所述第一双极开关，以将所述脉冲发生器切换到正操作模式以积累及加速正离子，及将所述脉冲发生器切换到负操作模式以积累及加速负离子，

其中，当所述脉冲发生器处于所述正操作模式中时，所述系统控制器可操作以控制i)所述第一正开关以周期性地将所述第一电极耦合到所述第一正电压及将所述第一电极与所述第一正电压去耦，ii)所述第一负开关以将所述第一电极从所述第一负电压去耦，及iii)所述第一双极开关以周期性地将所述第一电极与所述第三电压去耦及将所述第一电极耦合到所述第三电压，使得当所述第一双极开关将所述第一电极从所述第三电压去耦时，所述第一正开关将所述第一电极耦合到所述第一正电压，及当所述第一双极开关将所述第一电极耦合到所述第三电压时，所述第一正开关将所述第一电极从所述第一正电压去耦；及

当所述脉冲发生器处于所述负操作模式中时，所述系统控制器可操作以控制i)所述第一正开关以将所述第一电极从所述第一正电压去耦，ii)所述第一负开关以周期性地将所述第一电极耦合到所述第一负电压及将所述第一电极与所述第一负电压去耦，及iii)所述第一双极开关以周期性地将所述第一电极与所述第三电压去耦及将所述第一电极耦合到所述第三电压，使得当所述第一双极开关将所述第一电极从所述第三电压去耦时，所述第一负开关将所述第一电极耦合到所述第一负电压，且当所述第一双极开关将所述第一电极耦合到所述第三电压时，所述第一负开关将所述第一电极从所述第一负电压去耦。

17.根据权利要求16所述的系统，其进一步包含在所述离子源与所述第一电极之间的离子传输路径，其中

所述离子传输路径包含光学元件，所述光学元件经耦合以接收相关联的电压；及，

所述系统控制器进一步可操作以，当所述脉冲发生器在所述正操作模式与所述负操作模式之间切换时，切换所述相关联的电压的极性，使得所述相关联的电压的所述极性在所述正操作模式及所述负操作模式中是不同的。

18.根据权利要求15所述的系统，其中所述加速器组合件进一步包含：

第二电极；且

其中所述脉冲发生器进一步包含：

第二正开关，其用于将所述第二电极耦合到第二正电压及将所述第二电极与所述第二正电压去耦；

第二负开关，其用于将所述第二电极耦合到第二负电压及将所述第二电极与所述第二负电压去耦；及

第二双极开关，其用于交替地将所述第二电极耦合到第四电压及将所述第二电极与所述第四电压去耦。

19.根据权利要求18所述的系统，其中所述第四电压等于所述第三电压。

20.根据权利要求18所述的系统，其中所述加速器组合件进一步包含：

第三电极；且

其中所述脉冲发生器进一步包含：

第三正开关，其用于将所述第三电极耦合到第三正电压及将所述第三电极与所述第三正电压去耦；及

第三负开关，其用于将所述第三电极耦合到第三负电压及将所述第三电极与所述第三负电压去耦。

21.根据权利要求20所述的系统，其中所述第一正电压等于所述第二正电压，所述第二正电压等于所述第三正电压。

22.根据权利要求20所述的系统，其中所述第一负电压等于所述第二负电压，所述第二负电压等于所述第三负电压。

23.根据权利要求20所述的系统，其进一步包含系统控制器，所述系统控制器耦合到所述脉冲发生器，所述系统控制器可操作以控制所述第一正开关、所述第一负开关、所述第一双极开关、所述第二正开关、所述第二负开关、所述第二双极开关、所述第三正开关及所述第三负开关，以将所述脉冲发生器切换到正操作模式以加速正离子，及将所述脉冲发生器切换到负操作模式以加速负离子，

其中，

当所述脉冲发生器处于所述正操作模式中时，所述系统控制器可操作以控制

i)所述第一正开关以周期性地将所述第一电极耦合到所述第一正电压及将所述第一电极与所述第一正电压去耦，ii)所述第一负开关以将所述第一电极从所述第一负电压去耦，及iii)所述第一双极开关以周期性地将所述第一电极与所述第三电压去耦及将所述第一电极耦合到所述第三电压，iv)所述第二正开关以将所述第二电极从所述第二正电压去耦，v)所述第二负开关以周期性地将所述第二电极耦合到所述第二负电压及将所述第二电极与所述第二负电压去耦，vi)所述第二双极开关以周期性地将所述第二电极与所述第四电压去耦及将所述第二电极耦合到所述第四电压，vii)所述第三正开关以将所述第三电极从所述第三正电压去耦，viii)所述第三负开关以将所述第三电极耦合到所述第三负电压，使得所述正操作模式可包含多个交替的积累及加速时间间隔，

其中

当切换到所述积累时间间隔时，

所述第一正开关将所述第一电极从所述第一正电压去耦，所述第一双极开关将所述第一电极耦合到所述第三电压，所述第二负开关将所述第二电极从所述第二负电压去耦，且所述第二双极开关将所述第二电极耦合到所述第四电压，及

当切换到所述加速时间间隔时，

所述第一正开关将所述第一电极耦合到所述第一正电压，所述第一双极开关将所述第一电极从所述第三电压去耦，所述第二负开关将所述第二电极耦合到所述第二负电压，且所述第二双极开关将所述第二电极从所述第四电压去耦，及，当所述脉冲发生器处于所述负操作模式中时，所述系统控制器可操作以控制i)所述第一正开关以将所述第一电极从所述第一正电压去耦，ii)所述第一负开关以周期性地将所述第一电极耦合到所述第一负电压及将所述第一电极与所述第一负电压去耦，iii)所述第一双极开关以周期性地将所述第一电极与所述第三电压去耦及将所述第一电极耦合到所述第三电压，iv)所述第二正开关以周期性地将所述第二电极耦合到所述第二正电压及将所述第二电极与所述第二正电压去耦，v)所述第二负开关以将所述第二电极从所述第二负电压去耦，vi)所述第二双极开关以周期性地将所述第二电极与所述第四电压去耦及将所述第二电极耦合到所述第四电压，vii)所述第三正开关以将所述第三电极耦合到所述第三正电压，viii)所述第三负开关以将所述第三电极从所述第三负电压去耦，使得所述负操作模式可包含多个交替的积累及加速时间间隔，

其中

当切换到所述积累时间间隔时，

所述第一负开关将所述第一电极从所述第一负电压去耦，所述第一双极开关将所述第一电极耦合到所述第三电压，所述第二正开关将所述第二电极从所述第二正电压去耦，且所述第二双极开关将所述第二电极耦合到所述第四电压，及

当切换到所述加速时间间隔时，

所述第一负开关将所述第一电极耦合到所述第一负电压，所述第一双极开关将所述第一电极从所述第三电压去耦，所述第二正开关将所述第二电极耦合到所述第二正电压，且所述第二双极开关将所述第二电极从所述第四电压去耦。

24.根据权利要求23所述的系统，其中当所述脉冲发生器处于所述正操作模式中时，且

当切换到所述积累时间间隔时，

在与所述第二负开关将所述第二电极从所述第二负电压去耦且所述第二双极开关将所述第二电极耦合到所述第四电压时大体上相同的时间处，所述第一正开关将所述第一电极从所述第一正电压去耦且所述第一双极开关将所述第一电极耦合到所述第三电压，及

当切换到所述加速时间间隔时，

在与所述第二负开关将所述第二电极耦合到所述第二负电压且所述第二双极开关将所述第二电极从所述第四电压去耦时大体上相同的时间处，所述第一正开关将所述第一电极耦合到所述第一正电压且所述第一双极开关将所述第一电极从所述第三电压去耦。

25.根据权利要求23所述的系统，其中当所述脉冲发生器处于所述负操作模式中时，且

当切换到所述积累时间间隔时，

在与所述第二正开关将所述第二电极从所述第二正电压去耦且所述第二双极开关将所述第二电极耦合到所述第四电压时大体上相同的时间处，所述第一负开关将所述第一电极从所述第一负电压去耦且所述第一双极开关将所述第一电极耦合到所述第三电压，及

当切换到所述加速时间间隔时，

在与所述第二正开关将所述第二电极耦合到所述第二正电压且所述第二双极开关将所述第二电极从所述第四电压去耦时大体上相同的时间处，所述第一负开关将所述第一电极耦合到所述第一负电压且所述第一双极开关将所述第一电极从所述第三电压去耦。

26.根据权利要求23所述的系统，其中所述系统控制器可操作以控制在所述脉冲发生器处于所述正操作模式或负操作模式中时的所述加速时间间隔使其处于1微秒到100微秒的范围中。

27.根据权利要求15所述的系统，其中所述开关中的至少一者包含串联连接的多个功率金属氧化物场效应晶体管。

28.根据权利要求27所述的系统，其中所述脉冲发生器进一步包含用于同时接通或关断所述晶体管中的每一者的电路。

29.根据权利要求28所述的系统，其中每一晶体管包含栅极；且其中控制电路包含：

控制信号源，其用于向所述晶体管中的每一者的所述栅极供应控制信号以交替地对所述栅极进行充电及放电；及

至少一个去耦装置，其用于将所述控制信号源从所述晶体管栅极电性地去耦。

30.根据权利要求29所述的系统，其中所述至少一个去耦装置包含：

第一组变压器，其耦合在所述控制信号源与每一栅极之间以传输接通信号；及

第二组变压器，其耦合在所述控制信号源与每一栅极之间以传输关断信号。

31.根据权利要求29的系统，其中所述至少一个去耦装置包含：

第一组光学耦合器，其耦合在所述控制信号源与每一栅极之间以传输接通信号；及

第二组光学耦合器，其耦合在所述控制信号源与每一栅极之间以传输关断信号。

32.根据权利要求15所述的系统，其中所述系统控制器可操作以在1微秒到200微秒的范围内的每一时间间隔之后在所述正操作模式与所述负操作模式之间切换。

33.根据权利要求15所述的系统，其中所述双极开关包含一对金属氧化物场效应晶体管，其中所述对的第一晶体管背对背地与所述对的第二晶体管耦合。

34.一种分析离子的方法，所述方法包含：

(a)将第一组离子引入到加速器组合件的积累区域中，所述加速器组合件包含至少一个电极；

(b)交替地向所述电极提供第一电压，以朝向检测器加速第一极性的离子，及向所述电极提供第三电压以促进所述第一极性的额外离子的积累；

(c)将第二组离子引入到加速器组合件的积累区域；及

(d)交替地向所述电极提供第二电压以朝向所述检测器加速第二极性的离子，且向所述电极提供所述第三电压以促进所述第二极性的额外离子的积累，

其中步骤(b)及(d)在小于1秒的时间周期内发生。

35.根据权利要求34所述的方法，其中所述时间周期小于100微秒。

36.根据权利要求34所述的方法，其中所述时间周期小于25微秒。

37.根据权利要求34所述的方法，其中所述第一及第二极性是相反的极性。

38.根据权利要求34所述的方法，其中所述第一及第二极性是相同的极性。

39.根据权利要求34所述的方法，其进一步包含选择供分析的分析物离子。

40.根据权利要求34所述的方法，其中至少部分地基于针对分析而选择的所述分析物离子的至少一个性质来选择时间周期。

41.根据权利要求40所述的方法，其中所述至少一个性质包含质量。

42.根据权利要求40所述的方法，其中所述至少一个性质包含质荷比。

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