CN105679635B - 记录从四极滤质器发射的离子的空间和时间特性 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种记录从四极滤质器发射的离子的空间和时间特性。一种用于检测从质谱仪的质量分析器离开的一定量离子的离子检测系统，包括：(a)光子发生装置，该光子发生装置被配置为接收该量的离子并且产生与该量的离子成比例的一定量的光子；(b)集光透镜，该集光透镜被光学耦合到该光子发生装置上并且被配置为传送所生成的光子束；(c)线聚焦装置，该线聚焦装置是可操作用于将该光束的至少第一部分聚焦成线；以及(d)线性光检测器阵列，该阵列被配置为检测沿该聚焦线该所产生光子的量的变化。

Description

记录从四极滤质器发射的离子的空间和时间特性
技术领域
本发明涉及质谱法领域。更具体地说，本发明涉及质谱仪系统和方法，其中离开质量分析器的离子被转化为被聚焦成线的一定量的光子并且光子的量和位置的变化平行于该聚焦线测量。
发明背景
典型地，多极滤质器(例如，四极滤质器)可用于在连续离子束内提供的离子的质量分析。四极场通过将电势动态施加到安排有围绕长轴线的四重对称性的所配置的平行杆上在四极装置内产生，该长轴线包括通常被称为z轴的对称轴线。按照惯例，将这四个杆描述为一对“x杆”和一对“y杆”。在任何时刻，这两个x杆都具有彼此相同的电势，这两个y杆也是。这些y杆上的电势相对于这些x杆是反向的。“x方向”或“x维度”是沿着连接这些x杆的中心的线取的。“y方向”或“y维度”是沿着连接这些y杆的中心的线取的。
相对于沿着z轴的恒定电势，每组杆上的电势可以表示为恒定DC偏移量加上快速振荡(以约1MHz的典型频率)的RF分量。这些x杆上的DC偏移量是正的，使得正离子感受到趋向于将其保持在z轴附近的回复力；x方向上的电势像一个阱。相反，这些y杆上的DC偏移量是负的，使得正离子感受到驱使其更远离z轴的推斥力；因此，在x-y平面中的电势处于鞍形的形式。
对两对杆均施加振荡RF分量。这些x杆上的RF相是相同的并且与这些y杆上的相相差180度。离子从四极杆入口沿着z轴惯性地移动至通常位于四极杆出口处的检测器。在四极杆内部，离子具有在x和y方向上可分离的轨迹。在x方向上，所施加的RF场将具有最小质荷比的离子带出势阱并进入杆中。具有足够高的质荷比的离子继续陷在阱中并且具有在x方向上稳定的轨迹；在x方向上所施加的电场作为高通滤质器。相反，在y方向上，只有最轻的离子被所施加的RF场稳定，这克服了所施加的DC将它们拉入杆中的趋势。因此，在y方向上所施加的场用作低通滤质器。在x和y方向上均具有稳定的分量轨迹的离子穿过四极杆而到达检测器。
在操作中，施加到四极滤质器上的DC偏移量和RF幅值被选择为只将在限制的质荷比(m/z)范围内的离子传送通过四极杆的整个长度。这种装置可以在仅射频(RF)模式亦或在RF/DC模式下被操作。取决于具体施加的RF和DC电势，仅仅具有选定m/z比的离子被允许完全穿过这些杆结构，而其余的离子遵循不稳定轨迹，从而导致从所施加的多极场逃脱。当仅RF电压施加在预定的电极之间时，该装置用于传送以宽开方式高于某一阈值质量的离子。当RF和DC电压的组合施加在预定的杆对之间时，存在上限截止质量以及下限截止质量这两者，这样使得仅仅限制范围的m/z比(即，通带)完全穿过该装置。随着DC与RF电压的比率的增大，离子质量的传输频带变窄，以便提供滤质器操作，如本领域技术人员已知并且理解。如进一步已知的，DC和RF电压的幅值可以同时变化，但同时保持DC/RF比几乎恒定但变化以维持均匀的通带，使得使该通带系统地“扫描”一定范围的m/z比。检测在此扫描的过程中通过四极滤质器的离子的量使得能产生质谱。
典型地，这种四极滤质器被用作三级(triple stage)质谱仪系统的部件。通过非限制性实例的方式，图1A示意性地示出了三重四极杆系统，如总体上由参考号1指定。质谱仪1的操作可以通过一种或多种已知类型的各种电路的控制和数据系统(未描绘)进行控制并且可以通过它来获取数据68，该系统被实施为用于提供对质谱仪和/或相关仪器的仪器控制和数据分析的一般或特殊目的的处理器(数字信号处理器(DSP))、固件、软件中的任何一种或组合。含有一种或多种感兴趣的分析物的样品可以通过在或接近大气压下运行的离子源52被离子化。所得离子经由预定的离子光学器件被引导，从而被促使穿过一系列具有渐减压力的腔室(例如腔室2、3和4)，这些离子光学器件通常可以包括管式透镜、截取锥(skimmer)以及多极杆(例如参考符号53和54)，这些腔室操作性地引导并聚焦此类离子以便提供良好的传输效率。这些不同的腔室与联接到一组真空泵(未示出)的多个相应端口80(在图1A用箭头表示)连通以便将压力维持在所希望的值。
图1A的示例质谱仪系统1被示出为在高真空室5内包括三级配置64，该三级配置具有电耦合到相应的电源(未示出)上标记为Q1、Q2和Q3的区段。该Q1、Q2和Q3级可分别作为第一四极滤质器、碎裂单元、和第二四极滤质器被操作。在这些级中的一个或多个内过滤的、过滤且碎裂的或者碎裂且过滤的离子被传递到检测器66。这样的检测器被有益地放置在四极杆的通道出口(例如，图1A的Q3)处，以提供能够被加工成示出相对于m/z比的离子丰度的变化的富质谱(数据)68的数据。
在用于产生质谱的多极滤质器的常规操作中，诸如图1A中所示的四极滤质器Q3，使用检测器(例如，图1A的检测器66)来测量完全穿过滤质器的离子的量作为时间的函数同时扫描RF和DC电压的幅值。因此，在任何时间点，该检测器只接收在当时具有在滤质器通带内的m/z比的那些离子-也就是说，只有在当时在所施加特定的RF和DC电压下具有在多极杆内的稳定轨迹的那些离子。这种常规操作产生了仪器分辨率(或仪器速度)与灵敏度之间的折衷。可以实现高质量分辨，但只有当DC/RF比率是使得该过滤器通带非常窄，这样大多数离子发展了在滤质器内不稳定的轨迹并且极少数通过至该检测器。在这种情况下，扫描必须相对较慢地进行，以在每个m/z数据点检测足够数目的离子。相反，还可在常规操作期间实现高灵敏度或高速度，但仅通过扩宽通带，从而导致m/z分辨率的劣化。
已转让给本发明的受让人并且通过引用以其全文结合在此的美国专利号8,389,929传授了四极滤质器的方法和系统，该方法和系统在离子物种之间、甚至当二者均同时稳定时，通过记录随施加的RF和DC场变化的、离子撞击位置灵敏检测器的地点而产生区别。当将到达时间和位置合并(binned)时，这些数据可以被认为是一系列离子图像。观察到的每个离子图像实质上是多个分量图像的叠加，对于每个在给定时刻离开四极杆的独特m/z值有一个图像。同一专利还传授了预测作为m/z和所施加的电场的函数的任意离子图像的方法。因此，每个单独的分量图像可以从一系列观察到的离子图像中通过数学去卷积或分解方法提取，如在该专利中进一步讨论的。每个物种的质荷比和丰度必然在去卷积或分解之后直接得到。
美国专利号8,389,929的发明人认识到离开四极滤质器的不同m/z比的离子，即使当两种离子在滤质器内是同时稳定的(即，具有稳定的轨迹)，可以通过记录随着所施加的RF和DC场变化的这些离子撞击位置敏检测器的地点来区别。美国专利号8,389,929的发明人认识到这样的操作是有利的，当例如以滤质器模式运行四极杆时，通过提供斜变的RF和DC电压进行装置的扫描自然改变了在仪器出口处观察到的随时间推移的空间特征。具体地，通过四极杆操纵的离子被诱导在扫描穿过离子的稳定区域时执行在该检测器截面上的复杂的2维振荡运动。具有相应m/z比的所有离子物种，在相同的马蒂厄(Mathieu)参数“a”和“q”的值下，但在不同的相应的RF和DC电压并且在不同的相应时间，表现完全相同的运动。这种离子运动(即，对于具有相同m/z但具有不同初始位移和速度的离子云而言)可以用a和q的变化来表征，这种变化作为时间的函数来影响离开四极杆的离子云的位置和形状。对于几乎相同的两个质量，其对应的振动运动的序列是实质上相同的并且可以通过时间偏移而近似地相关。
上述美国专利号8,389,929传授了，除其他外，同时具有高的质量分辨能力和高灵敏度的质谱仪，该质谱仪仪器包括：被配置为传递在由施加的RF和DC场限定的稳定性边界内的一个或多个离子物种的丰度的多极杆；检测器，该检测器被配置为用于记录该离子丰度在该多极杆的截面区域中的空间和时间特性；以及加工装置。由如此配置的检测器获取的数据可以被认为是一系列离子图像。观察到的每个离子图像实质上是多个分量图像的叠加，对于每个在给定时刻离开四极杆的独特m/z值有一个图像。上述专利还提供了预测作为m/z和所施加的电场的函数的任意离子图像。其结果是，每个单独的分量可以从观察到的一系列离子图像中通过产生每个物种的质荷比和丰度的数学去卷积或分解过程提取。因此，在多种多样的操作条件下可以实现高的质量分辨能力，这是通常不与四极质谱仪相关联的特性。
上述美国专利号8,389,929的传授内容通过收集具有不同m/z的空间分散的离子(甚至在它们基本上同时离开四极杆时)而探索了变化空间特征。图1B示出了在特定时刻特定图案的模拟记录图像。该示例图像可以通过快速检测器(即，能够获得10个或更多个RF周期、更通常低至一个RF周期的时间分辨率或者具有亚RF周期特异性的检测器，其中所述亚RF周期特异性可能对于多个RF周期进行平均)来收集，该快速检测器被定位为获取离子是在何处何时离开的，并且具有区分细节的实质性的质量分辨能力。当在扫描过程中离子在其(q，a)位置进入该稳定性区域中时，其轨迹的y分量从“不稳定”变为“稳定”。如果及时观察在离开截面进程中形成的离子图像，离子云被拉长并经历了剧烈的竖直振荡，这些振荡将其携带到超出了所收集图像的顶部和底部。逐渐，该离开的云收缩，并且y分量的振荡幅值减小。如果该云在进入四极杆时足够紧凑，则当离子非常好地位于稳定性区域内时，在整个振荡周期的过程中整个云保留在该图像中，即，100％的传输效率。
当离子接近该稳定性区域的出口时，发生了类似的效应，但是是相反的并且涉及的是x分量而非y分量。该云在水平方向上逐渐延长并且这个方向上的振荡幅值增大，直到该云跨过该图像的左右边界。最后，振荡以及云的长度二者均增大，直到传输率降低至零。
图1B图解地展示了这样的结果。特别是，如被图1B所示的椭圆6图解地封闭的竖直离子云对应于进入稳定性图中的较重离子，如以上说明的，并且因此以将此重离子带到所指示的y四极杆附近的幅值进行振荡。被图1B所示的椭圆8图解地封闭的离子团簇对应于离开该稳定性图的较轻离子，并且因此使得此类离子以将此类较轻离子带到所指示的x四极杆附近的幅值进行振荡。在该图像内有另外的离子团簇(在图1B中显示出但没有特别高亮显示)，该离子团簇是在相同的时间帧时收集的但由于其a和q参数的差异而具有不同的离开图案。
图1C示出了时间和位置离子检测器系统的一个实例，该系统总体上由参考号20表示，如在上述美国专利号8,389,929中描述的。如图1C所示，进入的离子I(通过伴随箭头方式方向性地示出)具有例如约1mm或更小的光束截面(当它们从四极杆电极101之间的离子占据体积离开时，根据四极杆的内切半径变化)，由微通道板(MCP)组件13接收。这样的组件可以包括彼此相邻的一对MCP(人字形(chevron)或V-堆叠)或三个MCP的堆叠(Z-堆叠)，其中每个单独的板具有足够的增益和分辨率以使能在适当的带宽要求下进行工作(例如，以约1MHz至高达约100MHz)，其中这些板的组合响应于每个入射离子产生最高达约107个电子。
为了举例展示可操作性，可以使MCP组件13的第一表面浮动至10kV，(即当配置为用于负离子时是+10kV并且在配置成接收正离子时是-10kV)，使第二表面分别浮动至+12kV和-8kV，如图中1C所示。这样的板偏压提供了2kV的电压梯度从而为增益提供了相对于地面为8至12kV的所得输出相对值。所有高电压部分是在约10-5毫巴(10-3帕)与10-6毫巴(10-4帕)之间的真空下。
因此图1C的示例性偏压安排使得撞击离子I以从例如四极杆出口(如以上讨论的)接收时的形式，对于正离子的情况在MCP 13的正面感应电子，这些电子此后在被所施加的电压加速时被引导为沿着MCP 13的多个独立通道前行。如本领域技术人员已知的，由于MCP的每个通道都用作独立的电子倍增器，因此输入离子I在被接收到通道壁上时产生次级电子(表示为e-)。这个过程由于横跨MCP堆叠13两端的电势梯度而被重复几百次，并且以这种方式从MCP堆叠13的输出端释放了大量电子，从而基本上能够保护入射在该MCP正面上的粒子的图案(图像)。当在负离子模式下运行时，负离子最初转换为小的正离子，这些正离子然后诱导类似的电子级联，如本领域中众所周知的。
检测器系统20(图1C)的偏压安排还提供了被MCP堆叠13倍增从而被进一步加速的电子，以便撞击光学部件，例如被配置在MCP堆叠13后方的磷光体涂覆的光纤板15。这样的安排将信号电子转化为多个所得光子(表示为p)，这些光子与所接收的电子的量是成比例的。替代性地，光学部件，例如像铝处理过的磷光屏，可以配备有偏压安排(未示出)使得来自MCP 13堆叠的所得电子云可以被该高电压拉动跨过间隙而到达磷光屏上，在这里电子的动能作为光释放。初始组件被配置为目标是通过后续光子成像技术将从四极出口射出的正或负离子图像转化成适合于采集的光子图像。
由磷光体涂覆的光纤板或铝处理过磷光屏15发射的光子p被捕获并且然后转换为电子，这些电子然后由二维照相机部件25转化为数字信号(图1C)。在所示安排中，板，例如光敏通道板10组件(显示为阳极输出相对于地面被偏压)可以将每个进入的光子p转化回成为光电子。每个光电子在光敏通道板10的背面产生次级电子云11(表示为e-)，作为一种安排，该电子云散布并冲击检测阳极阵列12，例如但不限于电阻性结构的二维阵列、二维延迟线楔形和条带设计、以及商用的或定制的延迟线阳极读出器。作为该设计的一部分，光敏通道板10以及这些阳极12位于密封的真空外壳内。
图1C中所示的每个二维照相机25的每个阳极可以联接到独立的放大器14以及与额外的模拟到数字电路(ADC)18上，如本领域已知的。例如，这样的独立放大可以通过差分跨阻放大器的方式来放大并抑制噪声并将检测出的电流转换为电压。从放大器14以及模拟到数字电路(ADC)18和/或电荷积分器(未示出)产生的信号最后可以被导向现场可编程门阵列(FPGA)22，这是通过例如串行LVDS(低电压差分信令)高速数字接口21，该数字接口是针对预期的数据速率的低功率消耗和高抗扰度而设计的部件。FPGA 21，当电耦合到计算机或其他数据处理装置26上时，可以作为特定应用的硬件加速器运行用于所要求的计算密集型任务。
在上述美国专利号8,389,929中传授的时间和位置质谱仪离子检测器系统，如由附图1C例示，提供了在多极质谱仪领域的重要进步。然而，本申请的发明人已经认识到对之前传授的检测系统的某些修改是有益的并且在各种情况下能够提高有用性和操作灵活性。例如，在美国专利号8,389,929中传授的二维照相机系统提供了大量的有用的离子空间分布数据，该数据可以用于离子物种丰度的精确计算。然而，在所要求的RF级时标上处理这样大量的数据要求特殊的计算电子器件，这产生额外的复杂性和成本。此外，二维成像检测系统，当如在美国专利号8,389,929中描述的实施时，完全取代了传统的电子倍增检测器系统。然而，可能可取的是在各种情况下保留传统的基于倍增极的质谱仪检测器系统的功能性或配置的一部分，用于以下目的：(a)与常规的或现有的质谱仪数据比较或(b)非常微弱的信号的脉冲计数检测和(c)提供离子的时间和位置系统作为对现有质谱仪的改造增强。
概述
为了实现上述所希望的改进，本申请的诸位发明人已经认识到在美国专利号8,389,929中描述的全二维成像能力对于适当的数据处理是不必要的。因此，在一个例子中，先前所描述的光敏像素的二维阵列可以由两个一维像素阵列简单地替换-每个这样的一维阵列可能包括线性光检测器阵列，诸如线照相机(line camera)，并且被定向为检测离开四极杆装置的离子在相应的x和y维度之一上的分布图案。由于感兴趣的离子运动在x和y维度上是正交的，大多数信息可以如先前传授的通过将原始二维图像简单地合并为x阵列和y阵列被保留。这里，该合并通过以下方式完成：沿y方向光学压缩由磷光体衍生的光子的原始二维分布，以便由x阵列的单独光子检测像素进行检测，并且还通过沿x方向光学地压缩光子分布，以便被由y阵列的单独光子检测像素进行检测。光学压缩使用由诸位发明人所开发的新颖的2-维至1维光学部件完成。这样的安排显著减少了必须被电子读取的像素的数目。
本申请的诸位发明人已经进一步认识到，在许多情况下，可通过仅采用单个一维光检测器阵列(x阵列或y-阵列任一者)可以得到足够量的时间和位置的数据，如在上一段落中描述的。消除这些检测器阵列之一使能任选地结合附加的检测器，该附加的检测器包括用于检测自离开四极杆的离子产生的电子的静电计或附加的光检测器(例如光电倍增管或硅光电倍增器)，从而检测从这些电子通过磷光产生的光子。该附加的检测器提供附加的常规特征，诸如脉冲计数。
根据本发明的传授内容的第一个方面，提供了一种用于检测从质谱仪的质量分析器离开的一定量离子的离子检测系统，该离子检测系统包括：(a)光子发生装置，该光子发生装置被配置为接收该量的离子并且产生与该量的离子成比例的一定量的光子；(b)集光透镜，该集光透镜被光学耦合到该光子发生装置上并且被配置为传送所生成的光子束；(c)线聚焦装置，该线聚焦装置是可操作用于将该光束的至少第一部分聚焦成线；以及(d)线性光检测器阵列，该阵列被配置为检测沿该聚焦线该所产生光子的量的变化。从质量分析器离开的离子可能会从四极装置离开。
该光子发生装置可包括：(a1)电子发生装置，该电子发生装置被配置为接收该量的离子并且产生与该量的离子成比例的一定量的电子；以及(a2)磷光屏，该磷光屏布置在衬底的表面上，并且被配置为接收该量的所产生电子并产生与该量的所产生电子成比例的该量的光子。该电子发生装置可包括微通道板(MCP)或金属通道倍增极组件，该组件包括面向该质量分析器的第一端和面向该磷光屏的第二端；以及布置在该组件的该第一端的电极和布置在该第二端的电极。
在一些实施例中，该线聚焦装置包括圆柱形透镜。在一些实施例中，该线聚焦装置包括光束压缩器装置(I)棱柱形芯部分，该棱柱形芯部分包括以平行于两个棱镜基面的堆叠安排布置的多个波导板；入射面，该入射面接收所产生的光子；以及出射面，从该出射面发射所产生的光子，该芯部分包括从该入射面到该出射面的锥形部；以及(II)反射涂层，该反射涂层布置在该棱柱芯部分的除了该入射面和出射面之外的至少一个面上。该光束压缩器设备可以光学耦合在该线聚焦装置的圆柱形透镜与该线性光检测器阵列之间。在一些实施例中，该线性光检测器阵列包括线照相机。
在各种实施例中，该离子检测系统可以包括：(e)附加的光检测器，该附加的光检测器被光学耦合到该集光透镜上，以接收未被该线聚焦装置聚焦的该光束的第二部分。这些实施例中的一些还可以包括被配置为接收该光束并且将该光束分成该第一和第二部分的光学分束器。具有该附加的光检测器的一些实施例可以包括二维光学抛物面聚光器，该聚光器被光学耦合在该集光透镜与该附加的光检测器之间。该附加的光检测器可以包括光电倍增管或硅光电倍增器。替代地，在存在分束器的那些实施例中，该附加的光检测器可以包括被配置为检测沿着该第二聚焦线该所产生光子的量的变化的第二线性光检测器阵列，以及第二线聚焦装置，该第二线聚焦装置是可操作用于将该光束的该第二部分聚焦成该第二线性光检测器阵列上的第二线。该第二线聚焦装置可以包括圆柱形透镜，如上所描述的光束压缩器装置或圆柱形透镜和光束压缩装置两者。在又其他替代实施例，其中该光子发生装置包括布置在衬底的表面上并且被配置为接收该量的所产生电子的磷光屏，该附加的光检测器可以包括被电耦合到电极上与收集该量的电子的衬底接触的静电计。电子放大器可以被电耦合在该电极与该静电计之间。
根据本发明的传授内容的第二方面，披露了一种检测从质谱仪的质量分析器发射的一定量离子的方法，该方法包括：(i)产生对应于该量的离子的一定量光子；(ii)将包括该量的光子的至少第一部分的光束聚焦成聚焦线；并且(iii)使用线性光检测器阵列检测沿着该聚焦线该量的所产生光子的该至少第一部分的变化，其中沿着该聚焦线该所产生光子的量的变化对应于平行于该质量分析器的第一截面方向从该质量分析器发射的离子的量的变化。
在一些实施例中，该方法可以进一步包括(iv)使用附加的光检测器检测该量的所产生光子的第二部分的强度。该附加的光检测器可以包括第二线性光检测器阵列，在这种情况下，该量的光子的该第二部分可以被聚焦到该第二线性光检测器阵列上作为第二聚焦线，其中沿着该第二聚焦线该量的所产生光子的该第二部分的变化对应于平行于该质量分析器的第二截面方向从该质量分析器发射的离子的量的变化，该第二截面方向正交于该第一截面方向。在一些实施例中，可以使用分束器分离该量的所产生光子的该第一和第二部分。在不同的实施例中，产生该量的光子的步骤(i)可包括：产生对应于该量的离子的一定量的电子；并且产生该量的光子，其中所产生的光子的量对应于所产生的电子的量。在这样的实施例中，所产生电子的量可使用静电计来测量。
根据本发明的传授内容的第三个方面，提供了一种用于检测从质谱仪的质量分析器离开的一定量离子的离子检测系统，该离子检测系统包括：(a)具有一个或多个微通道板的组件，该组件布置在该质量分析器的离子出口端处，该组件具有布置为接收该量的离子的前端和后端；(b)分别布置在该微通道板组件的前端和后端处的第一和第二电极；(c)至少一个电耦合到该第一、第二和第三电极上的电压源；(d)衬底板，该衬底板包括面向该微通道板组件布置的前面和背面并且具有布置在该前面上的磷光材料；(e)布置为与该衬底板的前面接触的第三电极；(f)光学耦合到该衬底板的背面上集光透镜；(g)光学耦合到该集光透镜上的线聚焦装置；以及(h)布置在该线聚焦装置的焦点处的线性光检测器阵列。
该系统可以进一步包括光学耦合到该集光透镜上的附加的光检测器系统。在一些实施例中，该附加的光检测器系统包括附加的线性光检测器阵列，并且该系统进一步包括：光学耦合在该集光透镜与该线聚焦装置之间的光学分束器；以及二维光学抛物面聚光器，该聚光器被光学耦合在该集光透镜与该附加的线性光检测器阵列之间，其中该附加的线性光检测器阵列布置在该第二线聚焦装置的焦点处。在一些实施例中，该附加的光检测器系统包括光电倍增管或硅光电倍增器。在这样的实施例中，该系统可以进一步包括：光学耦合在该集光透镜与该线聚焦装置之间的光学分束器；以及二维光学抛物面聚光器，该聚光器被光学耦合在该光学分束器与该附加的光检测器系统之间。该系统的一些实施例可以包括：布置为与该衬底板的前面接触的第四电极；以及电耦合到该第四电极上的静电计。
在任何披露的实施例中，可以采用菲涅尔透镜替代常规光滑表面的透镜。在这样的情况下，大多数的光学器件组件是包括菲涅尔透镜和可能地反射镜或分束器的平面设备的安排。在采用线性光检测器阵列的实施例的情况下，该线性阵列可以是显著长于原始磷光图像，例如，当该线性阵列包括离散的硅光电倍增器阵列时。在这样的情况下，通常希望的是在一个维度中压缩图像并且在另一个维度中放大。这样的图像传送方案可以通过布置在该磷光体和检测器阵列之间相互正交布置的圆柱形透镜的组合实现。该光学安排要求的长抛射(throw)可使用反射镜或棱镜折叠，以降低整体光学器件足迹。在包括分束器以对二维图像进行成像的实施例中，这些反射镜可被安排为将这两个线性图像抛射到同一平面上，从而便于在单个印刷电路板(PCB)上或在附着于载体PCB上的两个子PCB上制造传感器阵列。在后一种情况下，这些子板不一定是共面的，而是被简单地安装到单一载板上并且，这些图像可以垂直于那个板。
附图的简要说明
从下面仅以举例方式并且参照未按比例绘制的附图所给出的说明中，本发明的以上指出的和各种其他方面将进一步变得清楚，在附图中：
图1A是三级质谱仪系统的示意实例配置；
图1B示出了在特定时刻于四极杆的出口处收集到的多个不同离子物种的模拟记录图像；
图1C示出了配置有读出阳极(read-out anodes)线性阵列的时间和位置离子检测器系统的示例性实施例；
图2A是根据本发明的传授内容采用两个线性光检测器阵列的时间和位置离子检测器系统的实施例的示意图；
图2B是根据本发明的传授内容采用两个线性光检测器阵列的时间和位置离子检测器系统的第二实施例的示意图；
图3A是根据本发明的传授内容采用单一线性光检测器阵列和非成像检测器的时间和位置离子检测器系统的第一实施例的示意图；
图3B是根据本发明的传授内容采用单一线性光检测器阵列和非成像检测器的时间和位置离子检测器系统的第二实施例的示意图；
图3C是根据本发明的传授内容采用单一线性光检测器阵列和一维检测器的时间和位置离子检测器系统的第三实施例的示意图；
图4A是如可以与根据本发明的传授内容的各种实施例结合使用的二维到一维的光学压缩器装置的示意图；
图4B是图4A中所示的二维到一维光学压缩器装置的分解图；
图4C是图4A中所示的二维到一维光学压缩器装置的另一个视图，如在替代取向中布置的；
图4D是二维到一维光学压缩器装置的示意图；
图5是光检测器阵列的示意图；
图6A是光学器件子系统的示意图，该子系统可以用在根据本发明的传授内容的时间和位置离子检测器系统的各种实施例中，其中，磷光屏的图像平行于一个维度被强烈压缩并且平行于第二、正交维度被较不强烈压缩或未被压缩；并且
图6B是另一个光学器件子系统的示意图，该子系统可以用在根据本发明的传授内容的时间和位置离子检测器系统的各种实施例中，其中，磷光屏的图像平行于一个维度被强烈压缩并且平行于第二、正交维度被放大。
详细说明
以下说明被呈现为使得本领域的任何技术人员能够制造和使用本发明并且是在特定的应用和其要求的背景下提供的。对于本领域技术人员来说，对所描述的实施例的各种修改将是显而易见的，并且在此的一般原则可以应用到其他实施例。因此，本发明并非旨在局限于所示出的实施例和实例，而是要根据所示出和所描述的特征和原则而给予可能的最宽范围。参照附图2、3A、3B、3C、4A和4B结合以下说明，本发明的具体特征和优点将变得更加清楚。
图2A示意性地描绘了根据本发明的传授内容的时间和位置离子检测器系统的第一实施例，该系统总体上示为检测器系统100。离开四极杆电极101之间的离子占据的离子I被转化成电子并且电流由如前面参照图1C描述的包括一个或多个微通道板的微通道板组件或堆叠102放大。优选在系统100内使用衬底板109产生光子，该衬底板包括单件或整体的部件(如玻璃、云母或塑料板)，该部件涂覆有透明材料，如氧化铟锡，包括偏压电极106，并且进一步涂覆有包括磷光屏107的磷光体材料。包括纤维束的磷光体涂覆板(例如在图1C中所示的系统20中使用的板15)可以替代地用作衬底板109。电压V1和V2被施加到在MCP叠堆102相对端的电极上，以便将离子I牵引到该堆叠上并且通过该堆叠加速所产生的电子(表示为e-)。电压V3被施加到透明电极106上以便将电子牵引到产生光子(表示为p)的磷光屏107上。
在图2A中衬底板109的右手侧示出的部件用来替代图1C所示的二维照相机25。替代部件包括两个分开的线性光检测器阵列132a、132b和相关联的光学器件。在操作中，当被由于离子I撞击到微通道板组件或堆叠102的结果而产生的电子e-冲击时，磷光屏107以空间上不均匀的强度辐射地“发光(glow)”。在任何时间这种空间上非均匀的辉光图案对应于在此时间从四极杆101之间发射的离子的数量的空间分布。透镜112和120a用于将发光磷光屏的图像转印到新颖的图像压缩器71a(在下面更详细地描述)的入射面81上。同样地，一对透镜112和120b用来将发光的磷光屏的复制图像转印到第二图像压缩器71b的入射面81上。包括由磷光屏107生成的并穿过衬底板109的光子的光被收集并部分地由集光透镜112准直成光束。该部分准直光束然后通过分束器116分裂成沿两个相应通路的两个光束部分。第一这样的通路(由第一光束部分行进)在图2A中由箭头117指示并且第二个这样的通路(由第二光束部分行进)由箭头118表示。这些光束部分因此传送两个副本图像信息。然后这些光束部分各自可以包括原始光源强度的一半。可替代地，分束器116可被配置为使得所透射和反射的光束部分的强度之间的比率是除了一比一(1:1)之外，诸如像，九比一(9:1)、四比一(4:1)、一比四(1:4)、一比九(1:9)，等等。这种分束器是作为现成的库存物品可商购的或可以以几乎任何所希望的透射与反射之比定制制造。可使用例如其中透射与反射之比为除了1:1以外的分束器，以递送更大比例的光束强度至具有较小敏感度的检测器或递送更小比例部分到可能容易饱和的检测器。
两个光束部分各自由相应的透镜或透镜系统120a、120b折射以便将磷光屏的二维图像投射到相应图像压缩器装置71a、71b(在以下更详细讨论的)的面上。两个这样的图像平面被描绘为图2A中的图像平面129。每个图像压缩器装置71a、71b将投射的二维图像压缩成线，该线被聚焦到相应线性(一维或“1-D”)光检测器阵列(PDA)132a、132b上。任选地，包括，例如平面发射镜或棱镜的反射装置123可以在这些光束通路之一内使用以使两个光束是平行的。通过反射装置123偏转这些光束之一可用于减少系统100的大小或可能促进将这两个光检测器阵列132a、132b机械安装到共同电路板和驱动电子器件上。
根据图2A中所示的配置，被投射到图像压缩器装置71a上的磷光屏的二维图像在x维度内由压缩器装置71a压缩，以便被聚焦成与第一线性光检测器阵列132a的位置重合的线(平行于y维度，垂直图2A附图平面的线)。类似地，投射到图像压缩器装置71b上的磷光屏的二维图像在x维度内由压缩器装置71b压缩，以便被聚焦成平行于x维度并且与第二线性光检测器阵列132b的位置重合的线。第一和第二线性光检测器阵列132a、132b可以包括但不限于两个线照相机。透镜120a、120b可以包括球面或非球面透镜或可以包括能够进行图像投射的任何透镜系统。尽管在图2A中不同地绘制，但第一和第二光束或图像压缩器71a、71b被认为是相同的。另外，第一和第二光检测器阵列132a、132b被认为是相同的。所示出的在第一和第二图像压缩器71a、71b之间的形状不同，以及所示出的在第一和第二光检测器阵列132a、132b之间的形状不同被用来指示第二组部件围绕该图的平面内的轴线转动，以便正交于该第一组。
图2B示出另一种离子检测器系统，该系统是图2A中所示的离子检测器系统的修改后的版本。在图2B的系统105中，先前描述的透镜或透镜系统120a、120b和图像压缩器71a、71b由第一和第二圆柱形透镜121a、121b替换。在所示的实例中，这两个圆柱形透镜121a、121b被认为是(但不一定是)相同的。所示出的在第一和第二圆柱形透镜部121a、121b之间的形状不同被用来指示该第二圆柱形透镜绕该图的平面内的轴线旋转，以便正交于该第一圆柱形透镜。在系统105中，光检测器阵列132a、132b的光敏感区域被布置在圆柱形透镜121a、121b的焦点上，使得每个光束部分117、118被聚焦成相应光检测器阵列132a、132b的光敏区域上的线。
图5是一般的光检测器阵列132的光接收面的示意图。该阵列包括多个单独的、独立的光敏元素133，这些元件可被称为“像素”。在图2A中(以及在本文所传授的其他系统实施例中)所示的系统100中，阵列132的实例可以被接合到圆柱形透镜120a、120b；或者光束或图像压缩器71a、71b；或者，圆柱形透镜和光束/图像压缩器的组合，如所示的，其中线性布置的多个像素定向为与由透镜-压缩器组合的圆柱形透镜、光束/图像压缩器产生的线状焦点重合。
如图2A中所示，每个线性光检测器阵列保留沿着平行于该阵列的维度的图像变化并且总和(或“合并”)正交于该阵列的图像信息。因为使用了两个相互正交的阵列，平行于x方向和y方向二者(如以上对于四极杆装置定义的)的图象变化被保留。合并信息是进行数据压缩而不会失去太多信息的非常有用的方法。如在上述美国专利号8,389,929中提到的，这种合并数据压缩可以在单一的、正方形成像器(每个光位点具有两个输出)上实现；一个输出定位到x块(bin)并且一个输出定位到y块，如在发明人Wadsworth名下的美国专利号8,829,409中详细解释的。对于其中每个维度采用64个块的情况，具有双输出的光位点的全部数目为64×64＝4096。在图2A中所描绘的替代方法采用光学器件以便能够使用两个分开的、更简单的光检测器阵列，诸如线照相机，以提供与前述二维照相机相同的正交信息。
假设每个线性光检测器阵列包括64个像素，在图2A中所示的配置将对于离子的空间和时间成像所需的光位点的数目从4096个像素减少至64+64＝128个像素。这样的配置提供了多种成本益处，因为与单一单块二维照相机相比存在少得多的用于一对线照相机的硅。此外，在单或双线照相机的情况下，有可能定向所有非光敏的电子器件远离不用于检测光子的硅区域上的那侧。这使得线照相机常规地具有接近100％的填充因数(即，将被照亮的区域上的活性光区域的量)。另一个重要的益处是具有较高速度的线照相机的制造是公知的，并且在56kHz与140kHz之间以1024像素或更高分辨率运行的线照相机是可商购的。尽管可商购线照相机的可用性，仍然希望生产专门为离子的空间和时间成像设计的定制IC芯片。这样的线照相机可以优选包括子RF周期特异性和每像素的微通道分析器，从而允许在特定的四极质量分析器成像系统中采用这种检测器设计时实质上更大的信息内容。此外，可容易地采用定制的线性传感器阵列，例如光电二极管阵列或硅光电倍增器阵列。
图4A-4C示出了如在根据本发明的传授内容的实施例中可以使用的光束或图像压缩器装置的具体实例。图4D示出了作为图4A-4C中所示的装置的变体的光束或图像压缩器装置的第二实例。这样的装置在代理人案卷号18036US1/NAT并且美国专利申请序列号14/561,158的标题为“光学压缩装置(Optical Compression Device)”的共同未决的美国专利申请中更详细描述，该申请与本申请同一日期提交，并转让给本申请的受让人，并且通过引用以其全部内容结合在此。根据所示的实例，压缩器装置71.1(图4A-4C)包括具有三角形棱柱基座78和三个矩形侧面79的三角形棱柱光学压缩装置。图4D中示出的替代装置71.2形成为截头三角形棱柱装置，其中装置71.1的侧面79之间的边缘中的一个被替换为另外的面76。装置71.1-71.2中任一个可以用于平坦化具有2D截面的光束，以形成具有基本上1D截面的光束(该光束平坦化操作有时在本文中称为“2D至1D光压缩”)。
图4A-4D示出了关于笛卡尔坐标系定向的压缩器装置71.1-71.2，其中x、y和z轴对应于以上对于四极杆装置所限定的x、y和z维度。在上面句子中的术语“对应于”意思是对于压缩器71.1-71.2限定的x轴和y轴平行于相关联的四极杆装置的x和y维度的投射图像(如可能是通过各种光学器件反射或旋转的)并且对于压缩器限定的z轴是光传播经过压缩器的方向。因此，该棱柱形压缩器装置的一个矩形侧面是平行于x-y平面并且是光入射面。图4A和图4C提供了压缩器装置71.1在两个不同取向中的两个视图。在图4A的取向中，线性边缘77是平行于y轴，而在在图4C中所示的取向中，线性边缘77平行于x轴。这些不同的取向大致对应于在图2A中分别对图像压缩器71a和图像压缩器71b所指示的不同取向。(然而，注意图像压缩器71a和71b在图2A中以截断棱柱形式示出，如在图4D中)在图4A-4D中入射面是不可见的(即，是隐藏的)；然而，在图2A中标记了图像压缩器71a的和71b的入射面81。光传播通过装置71.1或71.2并且在线性边缘77(在装置71.1中)处或在出射面76(在装置71.2中)处沿出口轨迹67离开。光入射和光出射面可以被称为“光选通面”。压缩器装置71的一些或所有的非光选通面是由内部光反射涂层73涂覆的，以最小化自该装置的每个波导内散射或内部反射的光的任何损失。
图4B提供了装置71.1的分解图，其中反射涂层73被示出为从芯部分72上拆下。这些涂层被施加到至少该两个侧面79上，这些侧面是平行于y轴并且相交于边缘77，并且任选还被施加到两个基面78上。如图4B所示，压缩器装置71的芯部分72可以由多个大致平面波导层74构成，这些波导层由透光聚合物或玻璃或玻璃状材料形成并被安排成具有从光入射面(即，矩形基座)至光出射面77锥形化的宽度的彼此堆叠关系。这种锥形化可以是基本上线性的，或者可以表现出从该装置的光入射面到该装置的光出射面的弯曲凸面或凹面的锥形化前进。这种锥形化也可以在一维中呈抛物面聚光器的形式。
压缩器装置71的每个波导74可以被光学耦合到光检测器阵列132的单个像素133上(参见图5)。为了防止线性数据的显著混杂，希望的是进入任何特定波导的光应当从同一波导在其光出射面离开，其中光穿越至相邻波导或光从任一侧面的损失被最小化。存在许多方法来解决这个问题；第二层75可以布置在相邻的波导74之间，这通过在该波导与该第二插入的光折射层(防止光从波导逸出)之间的适当的折射率而最小化光串扰。可替代地，可以使用已被修改为限制光从它们的顶部和底部表面通过的波导。可以使用多种类型的波导，例如，ABABAB类型的重复图案，其中这些层之间的光串扰由于它们的折射率的差异固有地被最小化。
图3A是根据本发明的传授内容采用单一线性光检测器阵列和非成像检测器的时间和位置离子检测器系统的示意图。在图3A中所示的系统200包括许多先前参考图2A描述的并且类似于图2A所示相同的部件编号的相同部件。系统200与系统100的不同之处在于，这些线性光检测器阵列和其相关联的聚焦光学器件(圆柱形透镜或图像压缩器或这两者)之一被去除并替换为常规的高带宽非成像光检测器，例如如所示的光电倍增管236。检测器系统200的配置使除常规(非成像)检测之外空间时间成像检测成为可能。
在系统200中，分束器116将磷光体涂覆的屏幕107处产生的光束分为第一和第二光束部分，如前面参照图2A中所描绘的系统100所说明的。此外，如先前所描述，第一光束一部分在光检测器阵列132a的方向上从分束器116离开并且通过聚光光学器件被聚焦在该光检测器阵列上。在第一光束部分的路径中的聚焦光学器件可以包括如所示的聚焦透镜或透镜组件120a和图像压缩器71a，或者，替代地，可以包括圆柱形透镜，该圆柱形透镜布置为使得它的焦点基本上发生在PDA 132a的光敏区域处，类似于在图2B的中示出的配置。将第二光束部分从分束器引导到该光电倍增管。优选地，第二光束被本领域中公知的二维抛物面聚光装置224集中到该光电倍增管的内部磷光屏上。可以使用透镜代替抛物面集光器。
分束器在某些实施例中将该光大致分成近似相等强度的第一和第二光束部分。然而，第一和第二光束部分的强度可在其他实施例中被配置为不相等的。例如，如果两个检测系统都被发现具有不相等的增益或灵敏度，则分束器可以被配置为将较大比例的光束引导到较不灵敏的检测器。而且，虽然该光电倍增管被示出为在图3A中接收从分光器116被反射的光束部分，这两个检测器的位置(和它们的相关光学器件)可以从这些位置互换，使得光检测器阵列132a接收被反射的光束部分。
尽管光电倍增管236在图3A中被示出为非成像检测器，也可以替代地使用其他光检测器类型，例如基于光电二极管或光电晶体管的检测器或基于硅的光电倍增管。如本领域已知的，光电倍增管采用一系列倍增极，这些倍增极与用在许多传统的质谱仪系统中的电子倍增器检测器的倍增极系列非常类似地运行。因此，使用光电倍增管236作为第二检测器可以有利地有助于使用具有很少或没有修改的现有质谱仪电流检测电路。这将允许在非成像检测模式下使用时，具有检测器系统200的质谱仪表现出类似于基于现有电子倍增管的质谱仪系统的那些的性能和特征(例如脉冲计数)，同时还加入图像检测能力。
由于消除第二光检测器阵列的结果，相对于系统100(图2A)或系统105(图2B)，在系统200中可能会丢失一些离子云成像信息。然而，可以获得足够量的时间和位置数据，在许多情况下，通过只采用单一的一维光检测器阵列132a。在系统200中的检测器阵列132a可被配置为检测在x方向或y方向上的离子云密度变化。
图3B示意性地描绘了根据本发明的传授内容的另一种时间和位置离子检测器系统。在图3B中所示的系统300表示系统200的变体，其中分束器被消除并且该第二、非成像检测器(例如，如所示的光电倍增管236)简单地在磷光体涂覆的衬底板109和集光透镜系统112的大体方向上瞄准，以便收集从透镜和板表面散射的光子。诸位发明人已经确定了在图3B中所示的配置不仅增加了引导至光检测器阵列132a上的光强度而且不会严重降低信号，因为散射光的强度足以由具有高光灵敏度的检测器(例如光电倍增器系统)来检测。在主光束部分的路径中的聚焦光学器件可以包括如所示的聚焦透镜或透镜组件120a和图像压缩器71a，或者，替代地，可以包括圆柱形透镜，该圆柱形透镜布置为使得它的焦点基本上发生在PDA 132a的光敏区域处，类似于在图2B的中示出的配置。
图3C是根据本发明的传授内容除了非成像检测器外还采用成像检测器(光检测器阵列132a)的另一种时间和位置离子检测器系统的示意图。图3C所示的系统400的非成像检测器是测量磷光屏107上所收集的图像电流的静电计。撞击到电极V3上的电子被引导到放大器(示出为差分放大器440)并且放大的信号被引导到静电计442。电容器可以任选地被包括在电极V3与放大器440之间以促进脉冲计数。尽管只有单个光检测器阵列132a示于图3C中，如果有足够的空间可用，可以添加第二光检测器阵列(例如，根据图2A中所示的配置)。在主光束部分的路径中的聚焦光学器件可以包括如所示的聚焦透镜或透镜组件120a和图像压缩器71a，或者，替代地，可以包括圆柱形透镜，该圆柱形透镜布置为使得它的焦点基本上发生在PDA 132a的光敏区域处，类似于在图2B的中示出的配置。
在采用线性光检测器阵列的实施例的情况下，带磷光体的表面的图像必须被压缩成线，该压缩是沿着正交于该阵列的长度的维度。但是，取决于该磷光屏和该检测器的相对尺寸，可能有必要沿平行于该线性阵列的方向压缩亦或放大图像。(注意，如这里所用的，磷光屏的尺寸通常将是大约相当于从其中发射离子的质量分析器的尺寸。)基于电荷耦合装置(CCD)技术的常规线照相机一般包括大约两千个像素，其中每个这样的像素的尺寸是约10-20微米。当使用这样的线照相机，例如来检测从具有尺寸为12mm×12mm的四极杆装置发射的离子所产生的磷光时，基本不要求平行于该光检测器阵列的长度的放大或压缩。
鉴于上述考虑，采用圆柱形透镜(如示于图2B中的)简单的光学配置在其中沿着平行于光检测器阵列的方向要求很少或没有图象压缩的条件下工作得很好。图6A示出了稍微更复杂的版本的光学系统，该光学系统可被用于将光从磷光屏107以改善的空间分辨率传输到光检测器阵列132a。如前面参考图2B所描述的，使用圆柱形透镜273来将从磷光屏107发出的光聚焦成线。此外，具有平行于圆柱形透镜273的长轴的长轴(圆柱轴)的较小的圆柱形透镜275被用来在检测器阵列132a的表面上提供小光束腰。可以使用棒状透镜来代替小圆柱形透镜275，而无显著的空间分辨率损失。此外，包括平凸和凹凸透镜的图像校正双合透镜271被用来保持沿着平行于检测器阵列的维度的图像分辨率。
在图6A中所示的光学器件配置可以在采用仅仅单个光检测器阵列(参见，图3A-3C)的系统或在使用两个光检测器阵列(参见图2A-2B)的系统中使用。在后一种情况下，分束器(在图6A中未示出)可以在磷光屏107与双合透镜271之间，以便从图6A中所示的光学通路中分离出第二光束部分。该组透镜元件271、273和275的第二个例子然后将沿该第二光束部分的路径布置。
最近，包括离散的硅光电倍增器的阵列的新型线照相机已变得可用。这种线照相机可由例如，爱尔兰科克郡的SensLTM商业提供的硅光电倍增器构成。在此种线照相机中的像素比采用CCD技术的线照相机中的那些显著更大。例如，1-mm活性区域SensL装置的六十四元素行要求这些单独的光检测传感器之间的空间，使得该中心到中心的间距为1.7mm。因此，这样的装置的六十四元件阵列要求产生在一个维度上被放大到超过100mm的尺寸同时在正交维度上被压缩到1mm的图像的光学器件配置。
图6B示出了可以在其中采用如上所述的硅光电倍增器阵列检测器的系统中采用的光学器件配置。在图6B中所示的光学器件配置包括布置成其长轴(圆柱轴)与离散硅光电倍增器阵列134的长维度正交并且远离硅光电倍增器阵列134几个焦距的第一圆柱形透镜283。与邻近磷光体光源的平凸透镜281一起，圆柱形透镜283用作光学投影仪以便投射平行于像素线的长度被放大的磷光屏107的图像。图6B的光学器件配置进一步包括第二圆柱形透镜285，该圆柱形透镜具有正交于第一圆柱形透镜的长轴布置的长轴，使得图像沿正交于像素线的维度被压缩成线。图6B的透镜系统的有效数值孔径可以任选地结合在该透镜系统“上方”和“下方”(根据立面图)布置的反射镜287而增加，以便捕获可能不被透镜285截获的附加光。虽然图6B中示出了平面反射镜，可以采用凹面反射镜(如抛物面反射镜的部分)，这样检测器134可捕获在一系列角度内发散的光。
在图6B中所示的光学器件配置可以在采用仅仅单个光检测器阵列(参见，图3A-3C)的系统或在使用两个光检测器阵列(参见图2A-2B)的系统中使用。在后一种情况下，分束器(在图6B中未示出)可以在磷光屏107与第一圆柱形透镜283之间，以便从图6B中所示的光学通路中分离出第二光束部分。该组透镜元件283和285的第二个例子然后将沿该第二光束部分的路径布置。
在光学器件领域的普通技术人员将容易理解如何构造替代光学系统用于将二维图像(例如，磷光屏的)转化成转移到线性检测器系统上的聚焦或几乎聚焦线。例如，在发明人Yamaguchi等人的名下的并在此通过引用以其整体结合在此的美国专利号5,513,201传授了大量的图像旋转设计，这些设计与传送每个一维压缩图像至线性传感器相关。
在本发明的说明中，除非隐含或明确地理解或另外陈述，应理解一个以单数出现的词语涵盖它的相对应的复数，并且以复数出现的词语涵盖它的相对应的单数。另外，除非隐含或明确地理解或另外地陈述，应理解对于在此描述的任何给定的部件或实施例，对该部件列出的任何可能的候选或替代物可总体上被单独使用或者彼此组合使用。此外，应当了解如在此示出的图不一定是按照比例绘制的，其中这些元件中的一些可能仅仅是为了本发明的清晰而绘制出。并且，参考数字在各图中可能重复，以示出多个对应的或类似的元件。另外，除非隐含或明确地理解或另外地陈述，应理解这样的候选或替代物的任何列表仅仅是说明性的，并不是限制的。此外，除非另外指示，否则在说明书和权利要求中使用的表示组成部分、组成成分、反应条件等等的数量的数字应被理解为是由术语“大约”修饰的。
本申请中所包括的讨论旨在用作基本的描述。本发明并不限制在由本文所描述的具体实施例的范围内，这些实施例旨在作为本发明的各个方面的单一说明，并且功能上等同的方法和部件都在本发明的范围内。例如，根据一些实施例，该电子发生装置，在附图中表示为微通道板(MCP)，可通过一组一个或多个金属通道倍增极代替。每个这样的金属通道倍增极(MCD)可包括具有多个穿过其中的穿孔或通道的金属电极板。在第一MCD处，从该质量分析器发射的离子通过与金属板或与穿孔或通道的内壁冲击而被中和并且它们的动能的至少一部分作为喷射的二次电子的动能被释放。此种板堆叠的后续MCD板可以类似地进一步放大该二次电子的量。如果金属通道倍增极涂覆有适当的增强剂物质如氧化镁或任何其他增强剂(通常，金属氧化物)，转换效率应是与MCP的输入表面一样好。实际上，除在此所示出和所描述的那些之外，本发明的各种修改从以上描述和附图中对本领域普通技术人员将变得清楚。此类修改旨在落入所附权利要求书的范围之内。任何专利、专利申请、专利申请公开或在此提及的其他文献通过引用以它们相应的全部内容结合在此，如同在此完全地阐述的一样，除了以下情况，在结合的参考文献与本申请有任何冲突的情况下，将以本说明书中的语言为准。

Claims (33)

1.一种用于检测从质谱仪的四极杆质量分析器离开的一定量离子的离子检测系统，该离子检测系统包括：
(a)光子发生装置，该光子发生装置被配置为接收该量的离子并且产生与该量的离子成比例的一定量的光子；
(b)集光透镜，该集光透镜被光学耦合到该光子发生装置上并且被配置为传送所生成的光子束；
(c)线聚焦装置，该线聚焦装置可操作用于从所述集光透镜接收所生成的光子束，并且将所生成的光子束的至少第一部分聚焦成第一聚焦线；以及
(d)线性光检测器阵列，该阵列被配置为检测沿该第一聚焦线的所产生光子的量的变化。
2.如权利要求1所述的离子检测系统，其中该光子发生装置包括：
(a1)电子发生装置，该电子发生装置被配置为接收该量的离子并且产生与该量的离子成比例的一定量的电子；以及
(a2)磷光屏，该磷光屏布置在衬底的表面上，并且被配置为接收该量的所产生电子并产生与该量的所产生电子成比例的该量的光子。
3.如权利要求2所述的离子检测系统，其中该电子发生装置包括：
具有一个或多个微通道板(MCP)的组件，该组件包括面向该四极杆质量分析器的第一端和面向该磷光屏的第二端；以及
在该组件的该第一端布置的电极和在该第二端布置的电极。
4.如权利要求2所述的离子检测系统，其中该电子发生装置包括：
具有一个或多个金属通道倍增极的组件，该组件包括面向该四极杆质量分析器的第一端和面向该磷光屏的第二端。
5.如权利要求1所述的离子检测系统，其中该线聚焦装置包括圆柱形透镜。
6.如权利要求5所述的离子检测系统，进一步包括光束压缩器装置，该装置包括：
棱柱芯部分，该棱柱芯部分包括：
以平行于两个棱镜基面的堆叠安排布置的多个波导板；
入射面，该入射面接收所产生的光子；以及
出射面，从该出射面发射所产生的光子，该芯部分包括从该入射面到该出射面的锥形部；以及
反射涂层，该反射涂层布置在该棱柱芯部分的除了该入射面和出射面之外的至少一个面上。
7.如权利要求1所述的离子检测系统，其中该线聚焦装置包括：
棱柱芯部分，该棱柱芯部分包括：
以平行于两个棱镜基面的堆叠安排布置的多个波导板；
光子入射面；以及
光子出射面，该芯部分包括从该入射面到该出射面的锥形部；以及
反射涂层，该反射涂层布置在该棱柱芯部分的除了该入射面和出射面之外的至少一个面上。
8.如权利要求1所述的离子检测系统，其中该线性光检测器阵列包括线照相机。
9.如权利要求2所述的离子检测系统，进一步包括：
(e)与该衬底接触并且可操作用于收集由该磷光屏接收的该量的电子的电极；
(f)电耦合到该电极上并且可操作用于检测由该电极收集的电子的静电计；以及
(g)在该电极与该静电计之间电耦合的电子放大器。
10.如权利要求1所述的离子检测系统，进一步包括：
(e)附加的光检测器，该附加的光检测器被光学耦合到该集光透镜上，以接收未被该线聚焦装置聚焦的该光束的第二部分。
11.如权利要求10所述的离子检测系统，其中该附加的光检测器包括光电倍增管。
12.如权利要求10所述的离子检测系统，进一步包括：
(f)光学分束器，该光学分束器被配置为接收该光束并且将该光束分成该第一和第二部分。
13.如权利要求10所述的离子检测系统，进一步包括：
(f)二维光学抛物面聚光器，该聚光器被光学耦合在该集光透镜与该附加的光检测器之间。
14.如权利要求2所述的离子检测系统，进一步包括：
(e)附加的光检测器，该附加的光检测器被布置成接收从该磷光屏、该衬底和该集光透镜中的一个或多个所散射的光。
15.如权利要求14所述的离子检测系统，其中该附加的光检测器包括光电倍增管。
16.如权利要求14所述的离子检测系统，进一步包括：
(f)二维光学抛物面聚光器，该聚光器被光学耦合在该集光透镜与该附加的光检测器之间。
17.如权利要求10所述的离子检测系统，进一步包括：
(f)光学分束器，该光学分束器被配置为接收来自该集光透镜的光束并且将该光束分成所述第一部分和所述第二部分；
(g)第二线聚焦装置，该第二线聚焦装置是可操作用于将该光束的该第二部分聚焦成第二聚焦线；以及
(h)第二线性光检测器阵列，该阵列被配置为检测沿着该第二聚焦线的所产生光子的量的变化，
其中沿着所述第一聚焦线的所产生光子的量的变化对应于平行于第一方向的光子产生的变化并且沿着所述第二聚焦线的所产生光子的量的变化对应于平行于与该第一方向正交的第二方向的光子产生的变化。
18.如权利要求17所述的离子检测系统，其中该第一和第二方向之一平行于连接该四极杆质量分析器的一组x杆的中心的线并且该第一和第二方向中的另一者平行于连接该四极杆质量分析器的一组y杆的中心的线。
19.如权利要求17所述的离子检测系统，其中该线聚焦装置和该第二线聚焦装置各自包括圆柱形透镜。
20.如权利要求17所述的离子检测系统，其中该线聚焦装置和该第二线聚焦装置各自包括：
棱柱芯部分，该棱柱芯部分包括：
以平行于两个棱镜基面的堆叠安排布置的多个波导板；
入射面，该入射面接收所产生的光子；以及
出射面，从该出射面发射所产生的光子，该芯部分包括从该入射面到该出射面的锥形部；以及
反射涂层，该反射涂层布置在该棱柱芯部分的除了该入射面和出射面之外的至少一个面上。
21.一种用于检测从质谱仪的四极杆质量分析器发射的一定量离子的离子检测方法，包括：
(i)产生对应于该量的离子的一定量的光子；
(ii)将包括该量的光子的至少第一部分的光束聚焦成聚焦线；并且
(iii)使用线性光检测器阵列检测沿着该聚焦线该量的所产生光子的该至少第一部分的变化，
其中沿着该聚焦线该所产生光子的量的变化对应于平行于该四极杆质量分析器的第一截面方向从该四极杆质量分析器发射的离子的量的变化。
22.如权利要求21所述的方法，进一步包括：
(iv)将包括该量的光子的第二部分的第二光束聚焦成第二聚焦线；并且
(v)使用第二线性光检测器阵列检测沿着该第二聚焦线该量的所产生光子的该第二部分的变化，
其中沿着该第二聚焦线该量的所产生光子的该第二部分的变化对应于平行于该四极杆质量分析器的第二截面方向从该四极杆质量分析器发射的离子的量的变化，该第二截面方向正交于该第一截面方向。
23.如权利要求21所述的方法，进一步包括：
(iv)使用附加的光检测器检测该量的所产生光子的第二部分的强度。
24.如权利要求23所述的方法，进一步包括：
使用分束器分离该量的所产生光子的该第一和第二部分。
25.如权利要求21所述的方法，其中产生该量的光子的步骤(i)包括：
产生对应于该量的离子的一定量的电子；并且
产生该量的光子，其中所产生的光子的量对应于所产生的电子的量。
26.如权利要求25所述的方法，进一步包括：
使用静电计测量所产生电子的量。
27.一种用于检测从质谱仪的四极杆质量分析器离开的一定量离子的离子检测系统，该离子检测系统包括：
具有一个或多个微通道板的组件，该组件布置在该四极杆质量分析器的离子出口端处，该组件具有布置为接收该量的离子的前端和后端；
分别布置在该微通道板组件的前端和后端处的第一和第二电极；
衬底板，该衬底板包括面向该微通道板组件布置的前面和背面并且具有布置在该前面上的磷光材料；
布置为与该衬底板的前面接触的第三电极；
至少一个电耦合到该第一、第二电极和第三电极上电压源；
光学耦合到该衬底板的背面上的集光透镜；
光学耦合到该集光透镜上的线聚焦装置；以及
布置在该线聚焦装置的焦点处的线性光检测器阵列。
28.如权利要求27所述的离子检测系统，进一步包括光学耦合到该集光透镜上的附加的光检测器系统。
29.如权利要求28所述的离子检测系统，其中该附加的光检测器系统包括附加的线性光检测器阵列，并且进一步包括：
光学耦合在该集光透镜与该线聚焦装置之间的光学分束器；以及
二维光学抛物面聚光器，该聚光器被光学耦合在该集光透镜与该附加的线性光检测器阵列之间，
其中该附加线性光检测器阵列被布置在第二线聚焦装置的焦点处。
30.如权利要求28所述的离子检测系统，其中该附加的光检测器系统包括光电倍增管。
31.如权利要求28所述的离子检测系统，进一步包括：
光学耦合在该集光透镜与该线聚焦装置之间的光学分束器；以及
二维光学抛物面聚光器，该聚光器被光学耦合在该光学分束器与该附加的光检测器系统之间。
32.如权利要求31所述的离子检测系统，其中该附加的光检测器系统包括光电倍增管。
33.如权利要求27所述的离子检测系统，进一步包括：
布置为与该衬底板的前面接触的第四电极；以及
电耦合到该第四电极上的静电计。
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