CN110945625A - 电流检测装置以及使用电流检测装置的谱仪 - Google Patents

Abstract

公开了用于检测来自传感器(490)的电流(405)的装置(400)。该装置包括：积分电路(435)，其包括用于提供增益设置的电容器网络(430)，并且被配置为在积分时间长度跨度上将电流转换为电压斜坡，该积分电路还包括复位开关(420)，该复位开关(420)被配置为连接电容器网络的输入和输出；ADC(440)，其被配置为将电压斜坡数字化为多个电压样本；以及模块集(480)，其包括：分析模块(482)，其被配置为分析多个电压样本以确定电压斜坡的斜率；输出模块(488)，其被配置为基于电压斜坡的斜率和增益设置来确定电流的大小；以及再配置模块(484)，其被配置为对电容器网络进行再配置，并且经由复位开关来对电压斜坡进行复位。

Description

电流检测装置以及使用电流检测装置的谱仪

技术领域

本发明一般涉及高速低噪声电流检测装置以及使用该装置的诸如质谱仪和光谱仪等的谱仪。

背景技术

谱仪是用于分离和测量物理现象的谱成分的科学仪器。谱仪可以包括用于对谱成分以某种方式被混合的现象的连续变量进行测量的传感器，其中。例如，在光学领域，谱仪(光谱仪)可以按诸如被称为谱的颜色、频率和波长等来分离和测量各个窄光带，而质谱仪测量气体中所存在的原子或分子的质谱。谱仪是在物理学、天文学和化学的早期研究中开发的，但是被应用于例如不仅在定性分析方面而且在定量分析方面的工业应用。谱仪中所采用的某些类型的传感器输出与要测量的对象的强度和/或数量相对应的电流，在这种谱仪中需要用于检测来自传感器的电流的装置以测量、确定或解释传感器的输出。

在谱仪的设计和实现中遇到的一个挑战性问题在于检测装置或电路如何能够准确且有效率地检测电流，其中电流可能在大的动态范围内变化。根据样品的量和特定种类的样品的相对浓度或强度，例如在小型化、便携式或电池驱动型谱仪中，电流可以高达100毫微安培(nA)或10^-7A，并且低至10毫微微安培(fA)或10^-14A。即，电流的动态范围可以高达七个数量级，如果不是则高达更多个数量级。因此，检测装置需要能够检测这个大的动态范围内的电流，这容易导致严格的设计要求。除此之外，检测fA范围内的微小电流导致了其它严格的设计要求。电子电路在其被设计为提供服务的系统中受到各种噪声源的影响。然而，使用具有非常高的开环增益的运算放大器的检测电路通常会具有较高的噪声和较长的从饱和恢复的时间。

因此，仍然需要一种装置和方法来克服上述问题和缺点、并能够提供高速和低噪声的检测装置和方法。

发明内容

本发明的一个方面是用于检测来自传感器的电流的装置。该装置包括积分电路，该积分电路包括用于提供增益设置的电容器网络并且被配置为在积分时间长度跨度上将电流转换为电压斜坡。积分电路还包括复位开关，该复位开关被配置为在复位开关接通的情况下连接电容器网络的输入和输出。所述装置还包括模数转换器(ADC)和模块集，其中ADC被配置为将电压斜坡数字化为多个电压样本。模块集包括：分析模块，其被配置为分析多个电压样本以确定电压斜坡的斜率；输出模块，其被配置为基于电压斜坡的斜率和增益设置来确定电流的大小；以及再配置模块，其被配置为对电容器网络进行再配置，并经由复位开关来对电压斜坡进行复位。

模块集还可以包括判断模块，该判断模块被配置为基于电压斜坡来判断超出范围(OOR)状态。再配置模块可以根据OOR状态来对电容器网络进行再配置。判断模块可以基于电压斜坡和预定可检测范围来预测OOR状态。模块集还可以包括用以根据OOR状态来调节积分时间长度的调节模块。再配置模块可以对电容器网络进行再配置以调节积分时间长度，从而提高检测速度或检测准确度。

分析模块可以包括被配置为基于多个电压样本来确定一阶拟合线的模块、以及被配置为将一阶拟合线的斜率指定为电压斜坡的斜率的模块。

积分电路可以包括输入开关，该输入开关被配置为接通和关断去往电容器网络的电流。模块集可以包括开关控制模块，该开关控制模块被配置为控制输入开关，以在电流被转换为电压斜坡时通过电流、并在复位开关接通以对电压斜坡进行复位时阻断电流。

模块集可以包括重复模块，该重复模块被配置为重复多次将电流转换为电压斜坡。多个电压样本可以包括由重复产生的多个电压样本集。分析模块可以通过对多个电压样本集进行平均来确定电压斜坡的斜率。模块集还可以包括校准模块，该校准模块被配置为通过将已知值的校准电流发送至积分电路并且记录由校准电流产生的电压斜坡的斜率来校准积分电路的增益设置。

装置可以包括一个或多个数字滤波器，该数字滤波器被配置为减少多个电压样本中的噪声成分并且生成多个电压样本中的一个或多个电压样本。装置可以包括用于存储模块集的存储器(存储介质)、以及用于执行模块集的处理器。

本发明的另一方面是质谱仪。质谱仪可以包括：离子驱动器，其被配置为将气体分子离子化为离子流，该离子流包括具有多个原子质量单位(AMU)值的多个气体离子；滤质器，其被配置为选择性地使多个气体离子的第一部分通过，其中多个气体离子的第一部分中的各气体离子具有第一AMU值；离子传感器，其被配置为感测多个气体离子的第一部分并且生成第一离子电流；以及用于检测第一离子电流的上述装置。

本发明的又一方面是光谱仪。光谱仪可以包括：光学传感器，其被配置为测量电磁谱的特定部分中的光的特性并生成第一光学电流；以及用于检测第一光学电流的上述装置。

本发明的又一方面是包括被配置为生成要解释的电流信号的传感器、以及用于检测电流信号的上述装置的系统。

本发明的又一方面是用于使用装置检测来自传感器的电流的方法。该装置包括积分电路、模数转换器(ADC)和处理器，其中积分电路包括用于提供增益设置的电容器网络以及用于连接电容器网络的输入和输出的复位开关。该方法包括：(i)利用具有增益设置的积分电路，在积分时间长度跨度上将电流转换为电压斜坡；(ii)利用ADC，将电压斜坡数字化为多个电压样本，这多个电压样本代表电压斜坡；(iii)利用处理器，分析多个电压样本以确定电压斜坡的斜率；(iv)基于电压斜坡的斜率和增益设置来确定电流的大小；以及(v)对电容器网络进行再配置以经由复位开关对电压斜坡进行复位。

该方法可以包括基于电压斜坡来判断超出范围(OOR)状态。再配置的步骤可以包括根据OOR状态来对电容器网络进行再配置。判断OOR状态的步骤可以包括基于电压斜坡和预定可检测范围来预测OOR状态。方法可以包括根据OOR状态来调节积分时间长度。再配置的步骤可以包括对电容器网络进行再配置以调节积分时间长度，从而提高检测速度或检测准确度。

分析的步骤可以包括基于多个电压样本来确定一阶拟合线、并且将一阶拟合线的斜率指定为电压斜坡的斜率。

方法可以包括切换输入开关，以在电流被转换为电压斜坡时通过电流、并在复位开关接通以对电压斜坡进行复位时阻断电流。方法可以包括：重复多次将电流转换为电压斜坡，其中多个电压样本包括多个电压样本集；以及通过对多个电压样本集进行平均来确定电压斜坡的斜率。

本发明的又一方面是用于使计算机操作包括谱仪的系统的计算机程序(程序产品)。谱仪包括传感器以及被配置为检测来自传感器的电流的装置。计算机程序包括用于进行以下步骤的可执行代码：(a)分析多个电压样本以确定电压斜坡的斜率；(b)基于电压斜坡的斜率和增益设置来确定电流的大小；以及(c)基于电压斜坡的斜率来对电容器网络进行再配置，以经由复位开关来对电压斜坡进行复位。程序(程序产品)可以存储在存储介质中来提供。

用于检测电流的装置和系统提供了用于实现针对电流的高速且低噪声的检测的手段。根据本发明的改进电流检测方案能够极大地改进配备有该装置的谱仪和其它系统的性能。

附图说明

参考附图来描述本发明的非限制性且非详尽的实施例，其中除非另有规定，否则在各个图中相同的附图标记指代相同的部分。

图1是描绘了在质谱仪中可实现的传统离子电流检测电路的图；

图2是描绘了传统离子电流检测电路的输入和输出波形的图；

图3是描绘了传统离子电流检测电路的各种增益设置的波形的图；

图4是描绘了根据本发明的实施例的示例性电流检测装置的图；

图5是描绘了根据本发明的实施例的示例性离子电流检测装置的各种增益设置的波形集的图；

图6是描绘了根据本发明的实施例的示例性离子电流检测装置的各种增益设置的另一波形集的图；

图7是描绘了根据本发明的实施例的示例性离子电流检测装置的输入和输出波形的图；

图8是描绘了根据本发明的实施例的电流检测的示例性处理的流程图；

图9是使用电流检测装置的电流检测的示例性方法的流程图；

图10是描绘了根据本发明的实施例的示例性质谱仪的图；以及

图11是描绘了根据本发明的实施例的示例性谱仪的图。

具体实施方式

在以下描述中，参考了形成描述的一部分的、通过例示可以实践本发明的特定示例性实施例的方式而示出的附图。对这些实施例进行足够详细的描述，以使本领域技术人员能够实践这里所公开的概念，并且应当理解，在不偏离本发明的范围的情况下，可以对所公开的各个实施例进行修改，并且可以利用其它实施例。因此，以下详细描述不应具有限制性意义。

质谱仪是质谱分析技术中所使用的仪器，用于分析样本材料或化学样品的组成。质谱分析能够测量或以其它方式至少确定形成样品的成分(诸如原子和/或分子)的相对浓度。样品(通常以气体形式)通过高能电子流被离子化，从而将样品的原子和/或分子变换为各种离子。每种离子可以具有特定的质荷比(以下为“m/z”)。离子化样品(以下为“离子流”)然后被电气加速以进入过滤器中，该过滤器只通过离子流中展现出特定m/z的一些离子(以下为“选定离子”)，而阻隔其它离子。在通过过滤器后，选定离子到达电极，其中在该电极处，选定离子所携载的电荷被收集并形成流到检测电路/子系统的电流(以下为“离子电流”)。检测电路测量离子电流，并将离子电流的大小指定为与通过离子相关联的特定种类的原子和/或分子的丰度的表示。一种典型的过滤器是四极滤质器(QMF)。可被QMF通过的离子的m/z通常由施加到QMF的一个或多个射频(RF)和/或直流(DC)电压确定。质谱仪被配置为调节QMF的RF和DC电压，从而将可通过离子从特定m/z的离子改变为不同m/z的离子。随着针对不同的m/z值重复该处理，可以揭示形成样品的原子和/或分子的相对浓度。过滤器可以由诸如Wien过滤器、飞行时间(TOF)分析器和离子阱等的其它类型的过滤器实现。

在质谱仪的设计和实现中遇到的一个挑战性问题在于检测电路如何能够准确且有效率地检测离子电流，其中离子电流可能在大的动态范围内变化。根据样品的量(例如以摩尔数进行测量)和样品中的特定种类的离子的相对浓度，离子电流可以高达100毫微安培(nA)或10^-7A，并且低至10毫微微安培(fA)或10^-14A。即，离子电流的动态范围可以高达七个数量级，如果不是则高达更多个数量级。因此，检测电路需要能够检测这个大的动态范围内的离子电流，这容易导致严格的设计要求。除此之外，检测fA范围内的微小电流导致了其它严格的设计要求。电子电路在被设计为提供服务的系统中受到各种噪声源的影响，并且这对于质谱仪来说尤其如此。至少高能电子流的产生、气体样品的离子化、离子流的加速和QMF的操作都采用高电压、高功率和/或高频的振荡电压源。这些电压源可以容易地将电气噪声耦合到敏感的检测电路，从而干扰其中的电气信号并影响测量结果。

图1描绘了质谱仪中常用的离子电流检测电路100的示意图。检测电路100包括运算放大器(op-amp)110，其正输入端子连接至电气接地。为检测电路100的反馈稳定性而设置反馈电容器C11，其值通常在10毫微微法(fF)至100fF的范围内。电容器C11连接在运算放大器110的输出端子和运算放大器110的负输入端子之间。电阻器R11和R12是增益电阻器。在电阻器R11与电容器C11固定地并联连接的情况下，电阻器R12被配置为在开关S12闭合或以其它方式接通时与电容器C11和电阻器R11并联连接。在开关S12打开或以其它方式关断的情况下，电阻器R12不与检测电路100电气连接，因此不参与检测电路100的操作。在质谱仪的收集电极上收集到的离子电流105通过输入节点101流入检测电路100，并且通过电阻器R11(以及在开关S12接通的情况下的电阻器R12)。当流过电阻器R11和R12时，离子电流105被转换为输出电压(以下为“Vout”)115。具体地，在使R代表运算放大器110的输出端子与负输入端子之间的总电阻、并且使I代表离子电流105的大小的情况下，检测电路100将产生输出电压Vout(Vout＝I·R)。即，Vout与I成比例(其增益为R)，因此代表或以其它方式对应于离子电流105的大小。换句话说，离子电流105可被反计算(back calculate)为I(I＝Vout/R)，并被解释为质谱仪正在分析的样品中的特定种类的离子或分子的丰度的指示。R的增益可通过开关S12进行编程，从而提供检测电路100的各种增益设置。例如，在S12打开的情况下，R＝R11。在S12闭合的情况下，R＝R11//R12(R11与R12并联的合成电阻)。不同的增益设置对于不同水平的离子电流105可能是有用的。例如，较弱的离子电流105可能需要较大的增益设置，而较强的离子电流105可能在较小的增益设置的情况下做得很好。

在实际应用中，图1的检测电路100受到许多限制。首先，检测电路100很难准确地检测到弱离子电流105。显然，不可能检测到任意无限小信号。一般而言，对于任何电子检测电路，存在各种噪声源和电路偏移，这些噪声源和电路偏移共同地确定检测电路的最低可检测水平或“噪声基底(noise floor)”，在该水平之下，检测电路无法将意图要检测的信号与电路所感受到的噪声区分开。也就是说，在噪声基底高于要检测的信号的情况下，信号被“掩埋”在噪声基底下并且不能被电路检测到。在分立电子元件中实现的检测电路100通常具有300微伏(uV)左右的噪声基底。由于增益设置实际上限制为6e⁹(也就是6,000,000,000)左右，300uV的噪声基底针对检测电路100将最小可检测离子电流限制为约50fA。也就是说，如果离子电流105约为或低于50fA，则检测电路100可能无法检测到离子电流105。使用高于6e⁹的增益设置将需要可能大到不适合小型化质谱仪的增益电阻器，以及/或者高值增益电阻器可能需要具有较大的电阻值误差，更不用说高值增益电阻器将成为检测电路100中的主要噪声源并且显著提高噪声基底。因此，使用较高值的增益电阻器不仅可能无法将检测电路100的可检测范围扩展到低于50fA，而且实际上还反向影响检测电路100的最小可检测电流水平。然而，在实际情况下，通常需要高性能质谱仪来检测低至10fA左右的离子电流。因此，检测电路100不能满足要求。

其次，由于在实际检测情况下等待时间较长，因此检测电路100通常具有缓慢的检测过程。图2所示的等待期232和234各自是长等待期的示例，其中等待期232比等待期234长。图2示出针对图1的检测电路100的离子电流105的曲线图210和Vout 115的曲线图220。具体地，曲线图210示出两个离子电流波形212和214，而曲线图220示出两个Vout波形222和224。当在输入节点101处接收到波形212的离子电流105时，在运算放大器110的输出端子处产生波形222的相应Vout。类似地，当在输入节点101处接收到波形214的离子电流105时，在运算放大器110的输出端子处产生波形224的相应Vout。每组离子电流和Vout波形可以代表相应m/z的离子。也就是说，波形212和222可能由特定m/z值的离子产生，而波形214和224可能由不同m/z值的离子产生。

如质谱仪中实现的检测电路100的可能长等待期的原因解释如下。在将QMF从使第一m/z值的离子(以下为“(m/z)₁”)通过调节为使第二m/z值离子(以下为“(m/z)₂”)通过的情况下，这种转变通常会导致由来自质谱仪中的各种源的电容耦合引起的离子电流发生瞬时或暂时扰动，并且在离子电流的波形中通常表现为一个或多个大峰或大谷或这两者。在峰和谷的这种转变阶段期间的离子电流的测量可能导致对(m/z)₂的实际离子电流的误读。为了准确地测量(m/z)₂的离子电流，质谱仪的检测电路可能需要等待，直到这种暂时扰动变稳定为止。离子电流变稳定的这一等待时间可能比离子电流变稳定后的实际测量时间长达100倍或甚至更多。长等待期(在此期间，离子电流检测不会产生代表性结果)大大减缓了质谱仪中的离子电流检测的过程。

图2中清楚地示出这种现象，其中离子电流波形212和214中的每一个以及Vout波形222和224中的每一个示出峰和谷的初始周期。例如，质谱仪的QMF可能刚在时间t0从(m/z)₁改变为(m/z)₂，从而得到分别代表相应离子电流105和Vout 115的波形212和波形222。波形212和222具有彼此类似的形状，这是因为它们通过如前所述的Vout＝I·R线性方程中定义的增益R而相关。波形212和222各自在时间t0和t3之间展现出相对大的峰和谷，并且没有变稳定直到时间t3为止。因此，检测电路100在给出(m/z)₂的离子电流的代表值v2之前将需要等待长度为(t3-t0)的等待期232。代表值v2的实际检测时间被示出为长度为(t4-t3)的检测期242。类似地，质谱仪的QMF可能刚在时间t0从第三m/z值(以下为“(m/z)₃”)改变为第四m/z值(以下为“(m/z)₄”)，从而得到分别代表相应的离子电流105和Vout 115的波形214和波形224。波形214和224也具有彼此类似的形状，这是因为它们也通过Vout＝I·R线性方程中定义的增益R而相关。波形214和224各自在t0和t1之间展现出相对大的峰和谷，并且没有变稳定直到时间t1为止。因此，检测电路100在给出(m/z)₄的离子电流的代表值v4之前将需要等待长度为(t1-t0)的等待期234。代表值v4的实际检测时间被示出为长度为(t2-t1)的检测期244。通常，检测期242和244(通常为几毫秒)可能具有相同的长度，这是由检测电路的设计确定的。相比之下，等待期232和234可能具有不同的长度，这些长度往往较不受控制或以其它方式较不可预测、并且通常在几十甚至几百毫秒的范围内。也就是说，用于谱仪的离子电流检测的大部分时间是由等待期232和234消耗的，而不是由实际检测期242和244消耗的。

值得注意的是，在图2的各个曲线图210和220中，关于当为了使不同m/z值的离子通过而对质谱仪的QMF进行调节时的时间，来使时间轴标准化。也就是说，对于波形212和222，t0表示QMF设置从(m/z)₁改变为(m/z)₂的时间。同样，对于波形214和224，t0表示QMF设置从(m/z)₃改变为(m/z)₄的时间。由于质谱仪通常只有一个QMF，因此波形212和222不能与波形214和224同时产生。这两组波形需要分别在两个不同时间点或在样本样品的“两个不同扫描”中产生。因此，波形212和214不应被解释为同时发生，并且波形222和224不应被解释为同时发生。

还值得注意的是，在图2的曲线图220中示出检测电路100的噪声基底201。如前所述，检测电路100将不会检测到低于噪声基底201的值的Vout 115。以波形224为例。在等待期234中，在一段时间中可检测到波形224，这是因为对于等待期234的一部分，波形224高于与值Vmin相对应的噪声基底201。然而，波形224在t1处变稳定之后完全低于噪声基底201，因此不能检测到。即，虽然检测电路100在检测期244应当检测到Vout 115的代表值v4，但实际上，考虑到v4低于Vmin的事实，检测电路100不能检测到值v4。作为替代，检测电路100将仅检测到Vout 115为0伏。

在检测电路100检测到Vout 115非常小或接近0的情况下，检测电路100可以尝试增加检测电路100的增益设置，以查看是否可以产生较大的Vout 115。如前所述，检测电路100的增益设置由运算放大器110的输出端子与负输入端子之间的总电阻R确定。通过增加运算放大器110的输出端子与负输入端子之间的总电阻R，将对离子电流105施加更大的增益，并且将得到更高的Vout 115，由此Vout 115可能变得比噪声基底201高边并且得可被检测电路100检测到。

图3示出在检测电路100的各种增益设置(即，各种R值)下与离子电流105的同一波形311相对应的Vout 115的各种波形。受如前所述的Vout＝I·R线性方程控制，较高的增益设置得到较高的Vout 115值。也就是说，与波形321相比，波形322对应于较高的R值，而与波形322相比，波形323对应于较高的R值。同样，与波形322相比，波形323对应于较高的R值，并且与波形323相比，波形324对应于较高的R值，而与波形324相比，波形325对应于较高的R值。

值得注意的是，在图3的波形321～325中，只有波形322、323和324可被检测电路100检测到。如上所述，波形321是不能检测到的，这是因为波形321与低于值Vmin的噪声基底301的值v1的Vout相对应。另外，波形325也是不能检测到的，这是因为波形325与高于值Vmax的饱和阈值399的值v5的Vout相对应。值Vmax的饱和阈值399代表检测电路100的最大可检测电压Vout 115。在Vout 115高于Vmax的情况下，电路100可能饱和，因此不能按需工作(例如，不能再维持运算放大器110的高开环增益)，并且Vout 115与离子电流105之间的线性关系Vout＝I·R可能不能真实地维持。即，在Vout 115被检测为处于或高于Vmax的情况下，I＝Vout/R的反计算可能不再有效。波形321和325这两者被称为“超出范围”或简称为“OOR”，这是因为它们超出了Vout的可检测范围，其中在该可检测范围内，检测电路100被设计为正常工作。

检测电路100将波形从OOR状态移动到Vmin和Vmax之间的可检测范围中的方式是改变检测电路100的增益设置R。例如，通过增加运算放大器110的输出端子和的负输入端子之间的总电阻R，Vout 115可以从波形321移动到波形322、323和324中的任一个。类似地，通过减小运算放大器110的输出端子和负输入端子之间的总电阻R，Vout 115可以从波形325移动到波形322、323和324中的任一个。总电阻R可以通过接通或关断图1的开关S12而减小或增加。然而，电阻R的变化引起了检测电路100的另一限制：检测电路100从一种增益设置移动到不同增益设置是缓慢的过程。具体地，为了提供高增益来检测fA范围内的弱离子电流，检测电路100需要使用高值电阻器，诸如图1的R1和R2。高值电阻器将得到检测电路100的大时间常数，从而使改变增益设置变为缓慢的过程。例如，在检测电路100改变增益设置之后，Vout 115可能需要数百毫秒才能变稳定。

由于同样的原因，检测电路100对离子电流105中的突发性浪涌的响应是缓慢的。在质谱仪的实际操作中，离子流中的某些离子的浓度有时可能显著增高。高浓度的离子可以通过QMF，从而导致离子电流105的暂时高水平或“突发性浪涌”。突发性浪涌可能使检测电路110暂时饱和，从而导致Vout 115进入OOR状态。尽管可能不需要改变增益设置来处理突发性浪涌，但随着突发性浪涌最终通过，由于上述的长时间常数，因此检测电路100从饱和恢复并从OOR状态出来的过程将是缓慢的。

对于质谱仪的传统检测电路(诸如图1的检测电路100)遭受的高噪声和低速度，除了上述限制外，还存在其它次要原因。例如，由于离子电流105的大小由Vout 115的测量绝对值表示，因此检测电路100需要具有非常高的开环增益的运算放大器110。展现出非常高的开环增益的运算放大器110通常会遭受较高的噪声和较长的从饱和恢复的时间。

本发明旨在克服如上所述的图1的传统离子电流检测电路100的各种限制。具体地，本发明将描述新的检测技术，以提供为了在当代和下一代质谱仪中使用离子电流检测而专门定制的高速和低噪声检测电路。

图4描绘了包括传感器(检测器)490以及用于检测来自传感器490的电流信号405的装置400的系统10的示意图。传感器490可以是被配置为生成要解释或测量以确定要测量的对象的大小、强度、浓度或数量的电流信号405的离子电流检测器和光电流检测器等。高速和低噪声电流检测装置(电路)400可以在用于检测离子电流的质谱仪、用于检测光电流的光谱仪、或其它谱仪中实现。以下将通过参考应用于质谱仪的装置400作为示例来描述本发明。

装置400检测来自离子电流检测器490的离子电流405。装置400包括：积分电路435，其包括用于提供增益设置的电容器网络430并且被配置为在积分时间长度Ti跨度上将电流转换为电压斜坡；模数转换器(ADC)440，其被配置为将电压斜坡数字化为多个电压样本；一个或多个数字滤波器450，其被配置为减少多个电压样本中的噪声成分并生成多个电压样本中的一个或多个电压样本；存储器47和处理器460。积分电路435还包括：复位开关420，其被配置为在该复位开关420接通的情况下连接电容器网络430的输入401和输出402；以及输入开关422，其被配置为接通和关断去往电容器网络430的电流。电容器网络包括诸如C41、C42和C43等的多个电容器。电容器网络430还包括再配置开关矩阵437和通道矩阵438，以使多个电容器彼此并联和/或串联地连接并且动态地再配置多个电容器之间的连接。通过电容器网络430，可以选择适当的电容(容量)作为一个或多个电容器动态地且在短时间内(例如，在一个或几个时钟或周期内)可以配置的最小电容和最大电容之间的积分增益。

积分电路435可以包括运算放大器410，其非反相端子可以连接至基准电压。基准电压可以是具有单端配置(single-ended configuration)的检测装置400所用的质谱仪的电气接地。可选地，基准电压可以是共模电压，该共模电压可被电气视为针对具有全差分配置的检测装置400的虚拟接地。复位开关420可以连接在运算放大器410的输出端子402和运算放大器410的反相端子(即运算放大器410的输入端子401)之间。复位开关420可以在该复位开关420闭合或以其它方式接通的情况下将运算放大器410的输出端子402短路到输入节点401。

电容器(可变继电器)网络430可以与复位开关420并联地连接在运算放大器410的输入端子401和输出端子402之间。运算放大器410、复位开关420和电容器网络430可被统称为离子电流检测装置400的“积分电路”435。电容器网络430可以包括包含电容器C41、C42和C43的电容器矩阵439、以及包含开关S42、S43和S44的开关矩阵437，并且可以用作可编程或以其它方式可变的电容器组，该电容器组可以在运算放大器410的输出端子402和输入端子401之间提供值为C的总电容。通过闭合或以其它方式接通开关S42、S43和S44中的一个或多个，再配置电容器网络430，并且可以调节运算放大器410的输出端子402和输入端子401之间的电容器网络430的电容值C。例如，假设C41、C42和C43各自具有电容值Cunit，在开关S42、S43和S44中的每一个打开或以其它方式关断的情况下，电容器网络430可以呈现C＝Cunit的总电容。在S42和S43这两者关断、而S44接通的情况下，电容器网络430可以呈现C＝1.5·Cunit的总电容。在S42接通、并且S43和S44这两者关断的情况下，电容器网络430可以呈现C＝2·Cunit的总电容。可选地，在S42和S43这两者接通、并且S44关断的情况下，电容器网络430可以呈现C＝3·Cunit的总电容。如以下所阐述的，电容器网络430的值C可以确定积分电路435的增益设置。为了检测具有宽达7个数量级的动态范围的离子电流405，电容器网络430可以通过开关S42、S43和S44的各种接通-关断组合来提供大的增益设置范围，以将电容器网络再配置为对电容器网络430的总电容C进行编程。由于这个原因，包括开关S42、S43和S44的开关矩阵437可被称为“范围开关”437。

在本实施例中，检测装置400包括模数转换器(ADC)440、数字滤波器450(在图4中表示为“FIR”)的一个或多个级、以及处理器460。ADC 440可以将Vout 415的电压斜坡(即运算放大器410的输出端子402处呈现的模拟信号)数字化，并提供可以共同代表Vout 415的电压斜坡的数字样本。ADC 440所输出的数字样本在被处理器460接收到并分析之前可以通过数字滤波器450的一个或多个级。处理器460可以分析从数字滤波器450接收到的数字样本，随后通过使用开关矩阵437进行再配置来调节电容器网络430的增益设置、以及/或者控制复位开关420。处理器460还可以基于数字样本来确定离子电流405的大小、表示或优值系数(figure of merit)470。在本发明的后面部分中将给出与ADC 440、数字滤波器450和处理器460有关的更多详情。

在一些实施例中，检测装置400可以包括输入开关422，该输入开关422由处理器460控制以通过或阻断离子电流405。输入开关422可以与复位开关420一起控制，以在检测装置400的复位操作期间使电容器网络430短路。具体地，在检测装置400的正常操作期间，处理器460可以控制复位开关420和输入开关422，使得复位开关420打开(即，关断)且输入开关422闭合(即，接通)，以使离子电流405通过电容器网络430。相比之下，在检测装置400的复位操作期间，处理器460可以控制复位开关420和输入开关422，使得复位开关420闭合(即，接通)且输入开关422打开(即，关断)，以使电容器网络430短路并将Vout 415复位为0。输入开关422被关断以防止离子电流405流过复位开关420(其可以具有非零导通电阻)并在运算放大器410的输出端子402和输入端子401两端产生不希望的电压降。

包括运算放大器410、复位开关420和电容器网络430的积分电路435可以在时间段(积分时间)Ti上对离子电流405进行积分，并将离子电流405转换为运算放大器410的输出端子402处的电压斜坡(呈现为输出电压Vout 415)。具体地，通过用C代表电容器网络430的总电容、I代表离子电流405的大小、以及Ti代表积分时间长度，积分电路435可以产生Vout(Vout＝I·Ti/C)。即，当在以x轴作为积分时间Ti且以y轴作为运算放大器410所输出的电压Vout的二维平面上呈现时，Vout可被呈现为斜率为I/C的线性斜坡。因此，Vout的斜率可与I成比例(其增益为1/C)，从而可以代表或以其它方式对应于离子电流405的大小。换句话说，离子电流405可被反计算为I＝Vout·C/Ti，并被解释为质谱仪10正在分析的样品中的具有特定m/z的离子或分子的丰度的指示。

ADC 440可以利用精确定时的转换开始脉冲来进行模数转换，其中这些脉冲在时间上相隔10～20毫秒(us)。ADC 440可以具有24位结构，并且可以具有20～21的等效位数(ENOB)。

在ADC 440完成模拟输入样本的转换之后，数字化电压样本可以通过数字滤波器450并被处理器460接收以供进一步分析。处理器460可以基于由ADC 440提供的并且通过数字滤波器450的Vout 415的数字化样本，来判断Vout 415是否超出装置400的检测范围(更多详情如下)。如果处理器460判断为Vout 415超出检测范围，则处理器460可以再配置电容器网络430和/或调节积分时间Ti的长度，以努力将Vout 415放置回装置400的检测范围内。

在本实施例中，存储器47中所存储的程序(程序产品、软件、应用)48被提供用于在主机处理系统(处理器)460上运行，并且可被提供用于运行用于在实现装置400的处理、逻辑或分析的同时还执行其它功能的模块集480。应用软件48可以被提供在处理器460或其它类型的计算机可读的其它存储介质上。模块集480可以包括：优化模块481，其被配置为优化用于监视和测量等的操作条件；分析模块482，其被配置为分析多个电压样本以确定电压斜坡的斜率；判断模块483，其被配置为基于电压斜坡来判断超出范围(OOR)状态；再配置模块484，其被配置为根据斜坡、OOR状态和/或其它优化条件来再配置电容器网络430并经由复位开关420复位电压斜坡；调节模块485，其被配置为根据OOR状态和/或其它优化条件来调节积分时间Ti的长度；开关控制模块486，其被配置为控制输入开关422和复位开关420；重复模块487，其被配置为重复多次将电流转换为电压斜坡；输出模块488，其被配置为基于电压斜坡的斜率和电容器网络430的增益设置来确定电流的大小；以及校准模块489，其被配置为通过由测试电流(校准电流)输出单元426向积分电路435发送已知值的校准电流并记录由校准电流产生的电压斜坡的斜率，来校准积分电路435的增益设置。

分析模块482可以包括被配置为基于多个电压样本来确定一阶拟合线的模块482a、以及被配置为将一阶拟合线的斜率指定为电压斜坡的斜率的模块482b。开关控制模块486被配置为控制输入开关422，以在电流405被转换为电压斜坡时通过电流405、并在复位开关420接通以对电压斜坡进行复位时阻断电流405。重复模块487被配置为重复多次将电流405转换为电压斜坡，其中多个电压样本包括由重复产生的多个电压样本集，并且分析模块482通过对多个电压样本集进行平均来确定电压斜坡的斜率。

图4的装置400可能受制于噪声基底和饱和阈值，其中噪声基底和饱和阈值共同定义了Vout 415的检测电路的可检测范围。可能需要电容器网络430的适当选择的增益设置(即，电容器网络430的适当选择的总电容C)，以将Vout415维持在可检测范围内。在分析模块482分析接收到的Vout 415的样本期间，判断模块483判断或预测Vout 415超出范围，再配置模块484可以对电容器网络430进行再配置以调节增益设置。再配置模块484还可以控制复位开关420或以其它方式使复位开关420接通，以使电压斜坡复位，从而使Vout 415在积分电路435可以再次积分之前回到零以利用电容器网络430的新增益设置在Vout 415处建立新电压斜坡。紧接在电容器网络430的增益变化后的Vout 415的复位可能对增益变化后的Vout 415的快速变稳定是至关重要的。相比之下，如前所述，检测电路100没有设置复位开关，因此在电路100的增益设置改变时可能会遭受长的变稳定时间。为了比较，检测电路100通常可能需要数百毫秒来变稳定，而检测电路400通常仅需要一毫秒或更少的时间来变稳定。因此，利用装置400，在涉及增益设置的变化的情况下可以极大地提高检测速度。同样，与先前针对检测电路100所讨论的离子电流105中的突发性浪涌类似，离子电流405的突发性浪涌也可以利用对复位开关420的操作而迅速变稳定。

电机继电器可以用作复位开关420和开关矩阵437以在对电容器网络430中的反馈电容器进行积分之间放电。MOS继电器驱动机构可以用于控制具有使电荷注入最小化的性能的开关。这种使用机电继电器和MOS继电器驱动机构的设计可以为补偿实际产生的任何残余电荷注入的影响提供明显的机会。

图5示出由波形511的离子电流405产生的Vout 415的波形。离子电流405可以流过装置400的输入节点401，然后流过电容器网络430，以在运算放大器410的输出端子402处建立Vout 415。再配置的电容器网络430可被配置成为检测装置400提供多个增益设置其中之一。由电容器网络430的总电容C确定的各增益设置可以与多个电压斜坡521、522、523、524和525其中之一相对应。如上所述，电压斜坡521、522、523、524和525各自的斜率可被表示为I/C。因此，对于离子电流405的给定波形511，电容器网络430的电容值C越高，相应电压斜坡的斜率就可能越小(例如，较不陡峭)。例如，在图5中，与对应于电压斜坡522的C值相比，电压斜坡521对应于更高的C值，这是因为电压斜坡521的斜率571小于电压斜坡522的斜率572。类似地，与对应于电压斜坡523的C值相比，电压斜坡522对应于更高的C值，这是因为电压斜坡522的斜率572小于电压斜坡523的斜率573。同样，与对应于电压斜坡524的C值相比，电压斜坡523对应于更高的C值，这是因为电压斜坡523的斜率573小于电压斜坡524的斜率574。

图5还示出检测电路400可能受制于的值Vmin的噪声基底501和值Vmax的饱和阈值599。Vout 415可能在积分时间505结束时高于Vmax或低于Vmin，因此可能处于OOR状态，其中在该OOR状态中，检测电路400可能无法正确地检测。如图5所示，对于长度为T的积分时间505，波形521可能在积分结束时低于Vmin，因此可能处于OOR状态。另一方面，波形523和524可能在积分结束时超过值Vmax的饱和阈值599，并且也可能处于OOR状态，因此不能检测到。也就是说，对于被设置为T的积分时间505，检测电路400可以检测到波形522和525，但不能检测到波形521、523和524，其中波形521、523和524可能超出范围并且不能检测到。因此，电容器网络430可能需要正确地设置以提供适当的增益，使得Vout 415的电压斜坡在积分时间505结束时可以在装置400的可检测范围内。

检测装置(电路)400的可检测范围在图5中被示出为高于Vmin且低于Vmax的Vout范围。电容器网络430的多于一个的增益设置可以能够使得Vout415的电压斜坡在检测电路400的可检测范围内。例如，在图5中，具有斜率572的波形522和具有斜率575的波形525这两者在积分时间505结束时都在检测电路400的可检测范围内，但是与波形522相比，波形525看起来具有更高的电容器网络430的增益设置，这是因为波形525的斜率575大于波形522的斜率572。尽管这两者都在检测电路400的可检测范围内，但值得注意的是，波形525优于波形522，这是因为与波形522相比，在波形525上，Vout 415在积分时间505结束时达到更高的值。即，波形525利用检测电路400的可检测范围的较大部分，这使得随后ADC 440的数字化任务变得更容易且更准确。

当根据本发明的检测电路400与传统检测电路100进行比较时，特别是当如图3所示的电路100的波形与如图5所示的检测电路400的波形进行比较时，可以容易地观察到主要差异。特别地，对于检测电路100，离子电流105的大小的指示存在于Vout 115的绝对值中，而对于检测电路400，离子电流405的大小的指示不存在于Vout 415的绝对值中，而是存在于Vout 415的电压斜坡的斜率中。在一些实施例中，电容器网络430的增益设置(即，电压斜坡Vout 415的斜率与离子电流405的大小之间的关系)可以通过使用校准模块489和测试电流供给单元425使已知电流通过检测电路400来校准。测试电流供给单元425、包括测试电流源426以及由校准模块489控制的改变开关427。也就是说，检测装置400可被配置为通过在必要情况下间歇地转换开关422和427来接收作为离子电流405的已知大小的电流(测试电流)，并且校准模块489可以分析所得到的电压斜坡Vout 415并将该电压斜坡的斜率与已知电流的大小进行关联。可以针对电容器网络430的各增益设置(即，各电容配置)进行校准，并且针对电容器430的各增益设置，可以进行多次校准，其中通过该多次校准，重复模块487可以进行平均以得到针对各增益设置的更准确的校准。

检测Vout 415的电压斜坡的斜率而不是Vout 415的绝对值可以产生各种优点。例如，为了将Vout 415的波形移出OOR状态，检测装置400可能无需通过电容器网络430来调节增益设置C。作为替代，装置400可以选择延长或缩短积分时间Ti以通过调节模块485来实现目的。如图5所示，由于离子电流405处于非常低的水平，因此波形521可以缓慢地倾斜。尽管波形521可以保持低于噪声基底501直到积分时间Ti，但波形521可以在斜坡571处随时间倾斜上升。即使不改变电容器网络430的总电容C(即，不改变装置400的积分电路435的增益设置)，在给定较长的积分时间Ti的情况下，波形521也可以超过噪声基底501(值为Vmin)，因此变得可被检测装置400检测到。即，装置400的优点在于灵活地交换较长的检测时间Ti，以能够测量弱值的离子电流451。这在积分电路的增益已达到最大设置(即，电容器430的总电容C已经达到最小值)、并且没有办法通过切换到较低值的总电容C来增加Vout波形的斜率的情况下是特别有利的。也就是说，与检测电路100不同，只要允许足够长的积分时间Ti，检测装置400的噪声基底就可以不再限制装置400可检测出多小的离子电流405。为了测量灵敏度而交换测量速度的这种灵活性在检测电路100中是不可用的。即使假设检测装置400的噪声基底501保持与检测电路100的噪声基底301相同，检测装置400的灵活性也使其相比于检测电路100能够检测到水平低得多的离子电流405，代价是更长的检测时间。在一些实施例中，检测装置400可以在50us左右的检测时间中检测到低至10皮安培(pA)的离子电流405。

在离子电流405为强的情况下，为了测量灵敏度而交换测量速度的灵活性同样是有利的。虽然图1的检测电路100具有如前面所述的确定性的检测时间，但是图4的检测装置400可以在更短的检测时间利用更强的离子电流405，从而实现质谱仪10的更快扫描速度。例如，如图5所示，分析模块482可能不需要取积分时间Ti的整个长度T来确定基于波形523的斜率573。分析模块482可以在积分时间Ti缩短至0.75T或甚至0.5T的情况下确定基于波形523的斜率573。即，波形523的前四分之三或甚至前半部分的Vout 415的样本可以足以使装置400确定斜坡573。减少的积分时间Ti可以转化为离子电流检测过程的检测速度的50％或者甚至100％的提高，从而提高了配备有检测装置400的质谱仪10的测量效率。优化模块481可以确定通过再配置模块484来调节电容器网络430的增益设置，或者通过调节模块485来调节积分时间Ti，或者两者兼有。Vout 415还可以通过复位开关420(并且在一些实施例中也通过用于阻断或允许离子电流405的输入开关422)的闭合和打开而同时复位到接地，从而为具有电容器网络430的新增益设置和/或积分时间Ti的新长度的Vout 415处的新电压斜坡提供了干净的基础。

检测斜坡而不是Vout 415的绝对值的另一显著益处表现在对检测装置400中的诸如偏移等的误差来源具有更好的免疫力。例如，检测电路100和400这两者可能受制于一定量的DC偏移误差。电路100中所呈现的DC偏移电压可能导致测量离子电流105时的错误读数，而相同的DC偏移电压可能不会导致测量离子电流405时的错误读数。如图3所示，在运算放大器110的输出端子处呈现的DC偏移电压Vos可以使波形323移动至波形3231，从而使Vout 115的代表值从v3移动至(v3+Vos)。假设检测电路100在正方向上具有10％的Vos(即，Vos＝0.1·v3)，因此测量的离子电流105将比实际的离子电流高10％，这意味着被测样品中的相应离子的相对浓度的10％误差。然而，对于检测装置400，DC偏移电压Vos可能不改变Vout 415的波形的斜率，也不引起离子电流405的测量的误差。如图5所示，在运算放大器410的输出端子402处呈现的DC偏移电压5531(值为Vos)可以使波形523移动至波形5231。然而，波形5231的斜率5731保持与波形523的斜率573基本相同。因此，检测装置400的DC偏移电压5531不会引起测量的误差。

由于Vout 415的模拟电压斜坡在被处理器460分析之前由ADC 440进行数字化，因此可以在数字域中执行各种技术以进一步加强检测装置400对实际缺点的免疫力。图6描绘了与图5所示类似的波形集，但是包含了更多的实际详情。与离子电流波形511相比，离子电流波形611包括一些波动，这些波动可能由来自质谱仪内的各种高电压、高功率或高频的源的电容耦合造成。因此，根据Vout＝I·Ti/C(其中I代表离子电流405的大小，Ti代表积分时间长度，以及C代表电容器网络430的总电容)的控制方程，Vout波形621、622、623和624还可以包括与电流波形611的波动相对应的一些波动，其中波形621、622、623和624各自与电容器网络430的不同增益设置相对应。以电压斜坡624为例。尽管波形624的数字化样本中也可以包括波动，但波动可以通过ADC440之后的数字滤波器450的一个或多个级而减少至一阶或以其它方式去除。分析模块482中的模块482a可以处理从数字滤波器450输出的滤波后的数字样本以进一步减少其中的更多非理想因素，从而得到最佳地逼近Vout 415处的电压斜坡的波形624的一阶拟合线664。一阶拟合线664的斜率674然后由分析模块482中的模块482b确定并被指定为波形624的斜率，该斜率继而用作质谱仪正在分析的样品中的具有特定m/z的离子或分子的丰度的指示。

在一些实施例中，重复模块487可以重复多次对电容器网络430的特定增益设置的电压斜坡(诸如波形621、622、623和624中的每一个)的测量，通过多次测量，分析模块482可以进行平均以得到Vout 415的更准确的电压斜坡并因此得到电压斜坡的斜率的更准确确定。对多个斜坡进行平均，这有效地提高了所得离子电流波形的信噪比。例如，在不改变电容器网络430的增益设置的情况下，检测装置400可以(通过接通复位开关420而)复位以使Vout 415变为零，关断复位开关420以第一次获取Vout 415的电压斜坡，再次复位以使Vout415变回零，第二次获取Vout 415的电压斜坡，再次复位以使Vout 415再次变回零，并且第三次获取Vout 415的电压斜坡。然后，分析模块482可以从ADC 440接收三个斜坡的样本(可以通过或可以不通过FIR 450)，并对三个斜坡的样本进行平均以实现Vout 415的更准确的电压斜坡以及电压斜坡的斜率的更准确确定。

如前所述，在一些实施例中，在将质谱仪的QMF从使特定m/z值的离子通过调节为使不同m/z值的离子通过的情况下，离子电流中可以产生一个或多个大的峰或谷或这两者。该现象如图2所示应用于图1的检测电路100。检测电路100通过等待直到瞬时扰动逐渐消失为止，来处理对离子电流的这种大的瞬时扰动。作为结果，在检测过程中浪费了相当长的等待期，诸如等待期234和232。

相比之下，检测装置400可以具有如下优点：利用大的瞬时扰动期间的Vout波形来预测在瞬时扰动变稳定之后可以最佳地拟合Vout波形的一阶拟合曲线的斜率。图7示出与图2中的离子电流波形214相同的离子电流波形714。图7还示出由施加到检测装置400的离子电流波形714产生的Vout波形724。离子电流714可能需要时间段734来变稳定。在时间t0和t1之间的大的瞬时扰动已经变稳定时的时间t1之后，一阶拟合线764可以最佳地拟合Vout波形724。通过先进的算法和复杂的数字滤波，分析模块482可以预测或以其它方式推断和近似计算时间段734期间的基于Vout波形724的斜率774。也就是说，检测装置400在获得斜率774的合理可接受的估计之前无需等待经过时间段734。以这种方式估计或近似计算的斜率774可能不像在时间t1之后仅依赖于Vout波形724那样准确，但是它可以给出合理的接近结果，这在需要在每次扫描QMF后立即提供样品的检测结果而没有时间等待Vout变稳定的情况下是特别有利的。

除了上述的主要原因之外，与电路100相比，检测装置400至少具有在质谱仪中实现高速低噪声离子电流检测电路的以下次要原因。首先，装置400的增益设置可以通过电容器网络和低阻抗范围开关实现，而检测电路100的增益设置可以通过高值电阻器实现。高值电阻器是固有噪声源，而电容器可以提供固有噪声滤波。因此，与检测电路100相比，检测装置400本质上是低噪声设计。其次，由于对偏移的灵敏度，因此检测电路100要求运算放大器110具有非常高的开环增益。高开环增益的运算放大器通常容易提取噪声，并且一旦运算放大器进入饱和状态，也会遭受缓慢的恢复。相比之下，装置400中所使用的运算放大器410可能不需要高开环增益，这是因为Vout 415的斜率对DC偏移电压不敏感。因此，运算放大器410可能较不容易提取噪声，并且从饱和中恢复可能更快。第三，图5的噪声基底501固有地比图3的噪声基底301低得多。低得多的噪声基底501允许使用各种信号处理/数字滤波技术来减少数字域中的不希望的信号和随机噪声。检测电路100由于高得多的噪声基底301因而可能无法利用数字滤波或其它信号处理技术来减少和过滤不希望的信号。

图8示出根据本发明的用于检测系统中的电流的示例性处理800。在图8中，描绘了用于在质量规范中检测离子电流的处理800的示例。处理800可以包括如诸如810、820、830、840、850和860等的块所示的一个或多个操作、动作或功能。尽管被示出为离散的块，但是处理800的各个块可以根据期望的实现而被划分为附加的块、被合并为更少的块、或者被消除。处理800可以由离子电流检测装置400实现。处理800可以以块810开始。

在810处，处理800可以涉及检测装置400的积分电路435将离子电流405转换为电压信号415，从而示出模拟域中的电压斜坡。积分电路435可以包括如图4所示的运算放大器410、复位开关420和电容器网络430。转换810的步骤可以发生在积分时间Ti的长度上。离子电流405可以具有图6的波形611，并且Vout 415可以具有波形621、622、623或624，这取决于电容器网络430的增益设置。块810之后可以是块820。

在820处，处理800可以涉及ADC将Vout 415的电压斜坡从模拟域数字化为数字域中的电压样本。ADC可以是图4中的装置400的ADC 440。数字化电压样本可以是模拟域中的Vout 415的电压斜坡的等效表示。块820之后可以是块830。

在830处，处理800可以涉及一个或多个数字滤波器串联连接以去除或以其它方式减少数字电压样本中的不希望的噪声和/或其它非线性成分。这一个或多个数字滤波器可以包括如图4所示的装置400的数字滤波器450的一个或多个级。块830之后可以是块840。

在840处，处理800可以涉及处理器分析通过一个或多个数字滤波器的数字样本。处理器可以是图4的处理器460。根据处理器460中所实现的判断模块483的分析，处理800可以判断由积分电路435从离子电流405转换来的电压斜坡是否超出处理800的检测范围(OOR)。例如，对于具有如图6所示的波形621的Vout 415，在处理800中，判断模块483可以判断为Vout 415超出范围(OOR)，这是因为Vout 415在积分时间Ti结束时具有低于噪声基底601的值。再例如，对于具有图6所示波形623的Vout 415，判断模块483可以判断为Vout415超出范围(OOR)，这是因为Vout 415在积分时间Ti结束时具有高于饱和阈值699的值。另一方面，对于具有如图6所示的波形622的Vout 415，判断模块483可以判断为Vout 415未超出范围，这是因为Vout 415在积分时间Ti结束时具有噪声基底601和饱和阈值699之间的值。在840处，判断模块483可以在积分时间Ti结束之前基于电压斜坡和预定可检测范围预测OOR状态以节省时间。在处理800中，如果判断模块483判断由积分电路435从离子电流405转换来的电压斜坡为OOR，则处理800可以相应地判断OOR状态为正。否则，处理800可以判断OOR状态为负。响应于判断为正的OOR状态，块840之后可以是块850。可选地，响应于判断为负的OOR状态，块840之后可以是块860。

在850处，处理800可以涉及对网络电容器430进行再配置以调节积分电路435的增益设置。在850处，再配置模块484可以调节装置400的电容器网络430的总电容。可选地或另外，处理800可以涉及调节积分时间Ti的长度，其中在该积分时间Ti的长度跨度上离子电流405被转换为电压斜坡Vout。例如，针对具有波形623的电压斜坡415，调节模块485可以将积分时间Ti从T减小至0.75T。块850之后可以是块810。

在860处，处理800可以涉及分析模拟电压的数字化电压样本以确定电压斜坡的斜率。分析模块482可以确定最佳地代表模拟电压斜坡的数字化电压样本的一阶拟合线，并将一阶拟合线的斜率指定为模拟电压斜坡的斜率。例如，分析模块482确定最佳地拟合电压斜坡波形622的一阶拟合线662，并将一阶拟合线662的斜率672指定为波形622的斜率。因此，斜率672可以代表离子电流405的大小。处理800可以包括基于电压斜坡的斜率和增益设置来确定电流405的大小，并且可被解释为质谱仪正在分析的样品中的具有特定m/z的离子或分子的丰度的指示。处理800可以在块860处结束。

图9示出用于使用装置400检测来自传感器490的电流的示例方法(处理)900。如果方法900已经开始，则在步骤910处，开关模块486可以设置复位开关420和输入开关422。首先，输入开关422可被关断以阻断电流405，并且复位开关420可被接通以使电容器网络430复位，然后复位开关420可被关断以开始积分，并且输入开关422可被接通以使要由积分电路435转换为电压斜坡的电流405通过。在步骤912处，分析模块482可以分析多个电压样本以利用图8中描述的处理800来确定电压斜坡的斜率。在步骤913处，在分析期间或在分析之后，如果通过判断模块483判断或预测了OOR状态，则在步骤915，开关模块486可以关断复位开关420以将电容器网络430再配置以再转换为电压斜坡。

即使在步骤913中未发现OOR状态，在步骤914中，优化模块481也可以从测量速度、测量灵敏度和测量准确度的角度来检查所确定的斜率和积分时间Ti等的状态或条件。在所确定的斜率不是很大(锐利的高度角)、并且可以基于饱和阈值599或699选择较大斜率的情况下，改变电容器网络的增益以选择较大斜率会有利于使积分时间Ti最小化，这可以减少装置400的检测时间，尤其是在选择重复测量时。另一方面，在要求测量准确度而不是速度的情况下，如果所确定的斜率不是很小、并且可以基于噪声基底501或601选择较小(较低的角度)的斜率，则改变电容器网络的增益以选择较小的斜率会有利于提高准确度。

从OOR状态和/或优化需求的角度来看，在步骤920处，如果电容器网络430的再配置需要改变增益，则在步骤925处，再配置模块484对电容器网络430进行再配置以设置适当的增益来调节积分时间Ti的长度，从而提高检测速度或检测准确度。另外，从OOR状态和/或优化需求的角度来看，根据在步骤925处设置的电容器网络的增益，在步骤930处，如果需要调节积分时间Ti，则在步骤935中，调节模块485可以根据OOR状态、优化需求和/或再配置的电容器网络430的增益来调节积分时间Ti的长度。

然后，在步骤950，在需要校准的情况下，在步骤955处，校准模块489可以通过使用电流供给电路425将已知值的校准电流(测试电流)发送至积分电路435来校准积分电路435的增益设置。校准模块489可以记录由测试电流产生的电压斜坡的斜率，以利用增益设置来校正或补偿离子电流405。

在未观察到OOR状态且不需要优化的情况下，在步骤960处，判断重复测量的需求。如果需要重复，重复模块487可以重复多次将离子电流405转换为电压斜坡。重复次数可以预先确定。多个电压样本包括多个电压样本集，并且在重复期间，在步骤912处，分析模块482可以分析多个电压样本集，以通过对多个电压样本集进行平均来确定电压斜坡的斜率。在步骤970处，输出模块488可以基于电压斜坡的斜率和增益设置来确定离子电流405的大小，并经由诸如有线或无线通信(包括Wi-Fi连接、无线LAN、蜂窝数据连接或蓝牙(R)等)的通信手段来输出离子电流405的大小。

图10描绘了包括被配置为产生要解释的电流信号405的传感器以及用于检测电流信号405的装置400的系统的示例。图10所示的系统是小型化质谱仪90，其可以包括与图4的装置400类似的离子电流检测电路，以检测离子电流405以感测利用质荷比(m/z)过滤后的、多个气体离子的一部分。质谱仪90可以包括离子驱动器91。离子驱动器91可以包括一个或多个灯丝加热器(filament heater)，该灯丝加热器可以在由流过各灯丝加热器的灯丝电流(filament current)加热时发射电子。灯丝电流以高准确度保持，以使从灯丝发射的电子数量的波动最小化。质谱仪90还可以包括加速电极92的阵列。加速电极92可以用于引导和加速质谱仪90中的带电粒子。从离子驱动器91发射的电子可由加速电极92加速，从而形成流向质谱仪90的相对端的高速电子流95。高速电子流95可能遇到样品气体分子96，并将气体分子96离子化为具有离子化气体分子的离子流97。

离子流97可由加速电极92进一步加速并引导以朝向滤质器93移动。滤质器93可以是QMF。QMF 93可以选择使离子流97中的离子化气体分子96的一部分、或具有特定m/z值或特定原子质量单位(AMU)的选定离子98通过。通过QMF 93的选定离子98随后可被离子感测装置99(490)感测或以其它方式收集，并形成为流入离子电流检测装置400的输入端子中的离子电流405。离子感测装置95可以使用各种机制或其组合来实现。例如，离子感测装置95可以是法拉第杯、离子阱、电子倍增器或混合法拉第杯/电子倍增器。在一些实施例中，质谱仪90还可以包括外壳94，该外壳94包含了离子驱动器91、QMF 93、离子感测装置95和离子电流检测电路400。外壳94可以是大致圆柱形的。可选地，外壳94可以是大致椭圆形的或其它合适的形状。

图11描绘了包括被配置为产生电流信号405的传感器的系统的另一示例。图11所示的系统是小型化光谱仪(光谱仪)80，其可以包括与图4的装置400类似的光电流检测电路，用于检测光电流405以测量电磁光谱的特定部分中的光的特性。所测量的变量可以是光的强度。自变量可以是光的波长或与波长成倒数关系的、与光子能量成正比的单位(诸如厘米或电子伏特的倒数等)。光谱仪还可以在从伽马射线和X射线到远红外的各种非光波长的宽范围内工作。

图11所示的系统80是拉曼光谱学系统，特别地是CARS(相干反斯托克斯拉曼散射)光谱学系统80，其可以包括用于将斯托克斯光(斯托克斯光束)和泵浦光(泵浦光束)87发射到诸如人体等的样本89的激光器单元、以及用以检测来自样本89的CARS光88的检测单元82。检测单元82可以包括诸如光栅等的分光器83、诸如光电二极管或CCD等的用于产生光电流405的光检测器84(490)、以及检测装置400。

本发明提供了用于检测诸如质谱仪和其它类型的谱仪等的系统的电流的新的方法和电路。与传统电流检测电路相比，本发明提供了用于实现感测到的电流的高速和低噪声检测的手段。根据本发明的改进的电流检测方案能够大大地提高谱仪以及配备有一个或多个传感器的其它系统的性能。

在本说明书中，描述了用于检测质谱仪中的离子电流的方法和电路。电路和方法可以涉及由具有增益设置的积分电路在积分时间长度跨度上将离子电流转换为电压斜坡。电路和方法还可以涉及确定电压斜坡的斜率。电路和方法还可以涉及基于电压斜坡的斜率和增益设置来确定离子电流的大小。电路和方法还可以涉及基于电压斜坡来判断超出范围状态、并响应于超出范围状态的判断来调节积分电路的增益设置、或积分时间长度、或这两者。

上面的一个方面是用于检测质谱仪中的离子电流的方法。该方法包括：(i)由具有增益设置的积分电路在积分时间长度跨度上将离子电流转换为电压斜坡；(ii)确定该电压斜坡的斜率；(iii)基于电压斜坡的斜率和增益设置来确定离子电流的大小。确定电压斜坡的斜率的步骤可以包括：(a)由模数转换器(ADC)将电压斜坡数字化为多个电压样本，这多个电压样本代表电压斜坡；(b)由处理器分析多个电压样本以确定电压斜坡的斜率。分析多个电压样本以确定电压斜坡的斜率可以包括：基于多个电压样本来确定一级拟合线；以及将一阶拟合线的斜率指定为电压斜坡的斜率。

该方法还可以包括在分析多个电压样本之前、通过串联耦合的一个或多个数字滤波器来减少这多个电压样本中的噪声成分。方法还可以包括：基于电压斜坡和预定可检测范围来判断超出范围(OOR)状态；以及响应于OOR状态的判断来调节积分电路的增益设置、积分时间长度、或者这两者，使得电压斜坡在积分时间长度结束时在预定可检测范围内。方法还可以包括重复多次将离子电流转换为电压斜坡。多个电压样本可以包括由重复产生的多个电压样本集，并且分析多个电压样本以确定电压斜坡的斜率可以包括对多个电压样本集进行平均。该方法还可以包括通过向积分电路发送已知值的校准电流并记录由校准电流产生的电压斜坡的斜率来校准积分电路的增益设置。

在上面的另一方面中，是一种用于检测离子电流并且对于质谱仪可实现的电路。电路包括：积分电路，其具有增益设置并且被配置为在积分时间长度跨度上将离子电流转换为电压斜坡；模数转换器(ADC)，其被配置为将电压斜坡数字化为多个电压样本；以及处理器，其被配置为基于多个电压样本中的一个或多个电压样本来确定电压斜坡的斜率、并且还被配置为基于电压斜坡的斜率和增益设置来确定离子电流的大小。电路还可以包括一个或多个数字滤波器，其中这一个或多个数字滤波器被配置为减少多个电压样本中的噪声成分并生成这多个电压样本中的一个或多个电压样本。

积分电路可以包括：(i)运算放大器(运算放大器)，其具有作为输入端子的反相端子、作为接地端子连接至基准电压的非反相端子、以及输出端子，输入端子被配置为接收离子电流；(ii)复位开关，其连接在运算放大器的输入端子和输出端子之间，该复位开关被配置为在复位开关接通的情况下将运算放大器的输出端子短路至运算放大器的输入端子；以及(iii)可变继电器，其连接在运算放大器的输入端子和输出端子之间，该可变继电器被配置为提供积分电路的增益设置。可变继电器可以包括多个电容器；以及多个范围开关，这多个距离开关各自连接至多个电容器中至少之一。多个范围开关被配置为连接多个电容器中的一个或多个电容器以提供积分电路的增益设置。多个范围开关还被配置为使多个电容器中的一个或多个电容器串联连接、并联连接或两者兼有，以调节积分电路的增益设置。

处理器还可被配置为基于电压斜坡和预定可检测范围来判断超出范围(OOR)状态。处理器还可被配置为根据OOR状态来调节积分电路的增益设置并经由复位开关使电压斜坡复位。处理器还可被配置为基于电压斜坡和预定可检测范围来判断超出范围(OOR)状态，并且其中处理器还被配置为经由复位开关来使电压斜坡复位，并根据OOR状态来调节积分时间长度。积分电路还可以包括输入开关，该输入开关被配置为在离子电流被转换为电压斜坡时使离子电流通过，并且还被配置为在复位开关接通以对电压斜坡进行复位时阻断离子电流。

在本说明书中，公开了用于分析气体分子的小型化质谱仪。该质谱仪包括：(i)离子驱动器，用于将气体分子离子化为离子流，该离子流包括具有多个原子质量单位(AMU)值的多个气体离子；(ii)四极滤质器(QMF)，其被配置为选择性地使多个气体离子的第一部分通过，多个气体离子的第一部分中的各气体离子具有第一AMU值；(iii)离子感测装置，其被配置为感测多个气体离子的第一部分并生成第一离子电流；以及(iv)离子电流检测电路，其被配置为检测第一离子电流。离子电流检测电路可以包括：积分电路，其具有增益设置并且被配置为在积分时间长度跨度上将第一离子电流转换为电压斜坡；模数转换器(ADC)，其被配置为将电压斜坡数字化为多个电压样本；以及处理器，其被配置为基于多个电压样本中的一个或多个电压样本来确定电压斜坡的斜率，并且还被配置为基于电压斜坡的斜率和增益设置来确定第一离子电流的大小。

离子驱动器可以包括：灯丝加热器，其被配置为产生多个电子；以及一个或多个加速电极，其被配置为使多个电子加速以形成将气体分子离子化为离子流的高速电子流。离子电流检测电路还可以包括一个或多个数字滤波器，其中这一个或多个数字滤波器被配置为减少多个电压样本中的噪声成分并生成这多个电压样本中的一个或多个电压样本。积分电路可以包括：运算放大器(op-amp)，该运算放大器具有作为输入端子的反相端子、作为接地端子连接至基准电压的非反相端子、以及输出端子，输入端子被配置为接收第一离子电流；复位开关，其连接在运算放大器的输入端子和输出端子之间，该复位开关被配置为在复位开关接通的情况下将运算放大器的输出端子短路到运算放大器的输入端子；可变继电器，其连接在运算放大器的输入端子和输出端子之间，该可变继电器被配置为提供积分电路的增益设置。可变继电器可以包括：多个电容器；以及多个范围开关，这多个范围开关各自连接至多个电容器中至少之一。多个范围开关被配置为连接多个电容器中的一个或多个电容器以提供积分电路的增益设置。多个范围开关还被配置为使多个电容器中的一个或多个电容器串联连接、并联连接或两者兼有，以调节积分电路的增益设置。

处理器还可被配置为基于电压斜坡和预定可检测范围来判断超出范围(OOR)状态。处理器还可被配置为根据OOR状态来调节积分电路的增益设置、积分时间长度、或这两者，使得电压斜坡在积分时间长度结束时在预定可检测范围内。离子感测装置可以包括法拉第杯、离子阱、电子倍增器、或其中的两个或更多个的组合。

这里所述的“a”和“an”是指物品的语法对象的一个或多于一个(例如，至少一个)。例如，“a user”是指一个用户或多于一个用户。在本说明书中引用“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”意味着结合实施例或示例所描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书中的各个位置出现短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定是指同一实施例或示例。此外，在一个或多个实施例或示例中，特定特征、结构、数据库或特性可以以任何合适的组合和/或子组合进行组合。此外，应当理解，为此提供的图是为了向本领域普通技术人员进行解释，并且图不必按比例绘制。

根据本发明的实施例可以实施为设备、方法或计算机程序产品。因此，本发明可以采取全部由硬件构成的实施例、全部由软件构成的实施例(包括固件、常驻软件或微代码等)、或结合软件和硬件方面的实施例的形式，这些软件和硬件方面在本文中通常可被称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，本发明的实施例可以采取包含在任何有形表达介质中的计算机程序产品的形式，该介质中包含了计算机可使用的程序代码。

附图中的流程图和框图说明了根据本发明的各个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的架构、功能和操作。在这方面，流程图或框图中的各个块可以代表模块、段或代码部分，其包括用于实现指定逻辑函数的一个或多个可执行指令。还应当注意，框图和/或流程图中的各个块以及框图和/或流程图中的块组合可以由进行指定功能或动作的基于专用硬件的系统、或专用硬件和计算机指令的组合来实现。这些计算机程序指令也可以存储在计算机可读介质中，该计算机可读介质可以引导计算机或其它可编程数据处理装置以特定方式运行，使得计算机可读介质中所存储的指令产生包括用于实现流程图和/或框图的一个或多个块中所指定的功能/动作的指示部件的物品。

尽管本发明是在某些实施例方面进行描述，但考虑到本发明的益处，其它实施例对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的，从而包括了未提供这里所述的所有益处和特征的、也在本发明的范围内的实施例。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以使用其它实施例。

Claims (23)

1.一种用于检测来自传感器的电流的装置，所述装置包括：

积分电路，其包括用于提供增益设置的电容器网络，并且被配置为在积分时间长度跨度上将所述电流转换为电压斜坡，其中，所述积分电路还包括复位开关，所述复位开关被配置为在所述复位开关接通的情况下连接所述电容器网络的输入和输出；

模数转换器即ADC，其被配置为将所述电压斜坡数字化为多个电压样本；

模块集，其包括：

分析模块，其被配置为分析所述多个电压样本以确定所述电压斜坡的斜率；

输出模块，其被配置为基于所述电压斜坡的斜率和所述增益设置来确定所述电流的大小；以及

再配置模块，其被配置为对所述电容器网络进行再配置，并且经由所述复位开关来对所述电压斜坡进行复位。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述模块集还包括判断模块，所述判断模块被配置为基于所述电压斜坡来判断超出范围状态即OOR状态，以及

其中，所述再配置模块根据所述OOR状态来对所述电容器网络进行再配置。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述判断模块基于所述电压斜坡和预定可检测范围来预测所述OOR状态。

4.根据权利要求2或3所述的装置，其中，所述模块集还包括调节模块，所述调节模块被配置为根据所述OOR状态来调节所述积分时间长度。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其中，所述再配置模块对所述电容器网络进行再配置以调节所述积分时间长度，从而提高检测速度或检测准确度。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其中，所述分析模块包括：

被配置为基于所述多个电压样本来确定一阶拟合线的模块；以及

被配置为将所述一阶拟合线的斜率指定为所述电压斜坡的斜率的模块。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中，所述积分电路还包括输入开关，所述输入开关被配置为接通和关断去往所述电容器网络的电流，以及

其中，所述模块集还包括开关控制模块，所述开关控制模块被配置为控制所述输入开关，以在所述电流被转换为所述电压斜坡的情况下使所述电流通过，并且在所述复位开关接通以对所述电压斜坡进行复位的情况下阻断所述电流。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其中，所述模块集还包括重复模块，所述重复模块被配置为重复多次将所述电流转换为所述电压斜坡，其中，所述多个电压样本包括由该重复产生的多个电压样本集，并且所述分析模块通过对所述多个电压样本集进行平均来确定所述电压斜坡的斜率。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的装置，其中，所述模块集还包括校准模块，所述校准模块被配置为通过将已知值的校准电流发送至所述积分电路并且记录由所述校准电流产生的电压斜坡的斜率来校准所述积分电路的增益设置。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的装置，还包括：

一个或多个数字滤波器，其被配置为减少所述多个电压样本中的噪声成分，并且生成所述多个电压样本中的一个或多个电压样本。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的装置，还包括：

存储器，用于存储所述模块集；以及

处理器，用于执行所述模块集。

12.一种质谱仪，包括：

离子驱动器，其被配置为将气体分子离子化为离子流，所述离子流包括具有多个原子质量单位值即AMU值的多个气体离子；

滤质器，其被配置为选择性地使所述多个气体离子的第一部分通过，所述多个气体离子的第一部分中的各气体离子具有第一AMU值；

离子传感器，其被配置为感测所述多个气体离子的第一部分并且生成第一离子电流；以及

根据权利要求1至11中任一项所述的装置，用于检测所述第一离子电流。

13.一种光谱仪，包括：

光学传感器，其被配置为测量电磁谱的特定部分中的光的特性并且生成第一光学电流；以及

根据权利要求1至11中任一项所述的装置，用于检测所述第一光学电流。

14.一种系统，包括：

传感器，其被配置为生成要解释的电流信号；以及

根据权利要求1至11中任一项所述的装置，用于检测所述电流信号。

15.一种用于使用装置检测来自传感器的电流的方法，其中，所述装置包括积分电路、模数转换器即ADC和处理器，所述积分电路包括用于提供增益设置的电容器网络以及用于连接所述电容器网络的输入和输出的复位开关，

其中，所述方法包括：

利用具有增益设置的所述积分电路，在积分时间长度跨度上将所述电流转换为电压斜坡；

利用所述ADC，将所述电压斜坡数字化为多个电压样本，所述多个电压样本代表所述电压斜坡；

利用所述处理器，

分析所述多个电压样本以确定所述电压斜坡的斜率；

基于所述电压斜坡的斜率和所述增益设置来确定所述电流的大小；以及

对所述电容器网络进行再配置，以经由所述复位开关对所述电压斜坡进行复位。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括基于所述电压斜坡来判断超出范围状态即OOR状态，以及

其中，所述再配置包括根据所述OOR状态来对所述电容器网络进行再配置。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，判断所述OOR状态包括基于所述电压斜坡和预定可检测范围来预测所述OOR状态。

18.根据权利要求16或17所述的方法，还包括根据所述OOR状态来调节所述积分时间长度。

19.根据权利要求15至18中任一项所述的方法，其中，所述再配置包括对所述电容器网络进行再配置以调节所述积分时间长度，从而提高检测速度或检测准确度。

20.根据权利要求15至19中任一项所述的方法，其中，所述分析包括：

基于所述多个电压样本来确定一阶拟合线；以及

将所述一阶拟合线的斜率指定为所述电压斜坡的斜率。

21.根据权利要求15至20中任一项所述的方法，其中，所述积分电路还包括输入开关，所述输入开关被配置为接通和关断去往所述电容器网络的电流，以及

其中，所述方法还包括切换所述输入开关，以在所述电流被转换为电压斜坡的情况下使所述电流通过，并且在所述复位开关接通以对所述电压斜坡进行复位的情况下阻断所述电流。

22.根据权利要求15至21中任一项所述的方法，还包括：重复多次将所述电流转换为电压斜坡，其中所述多个电压样本包括多个电压样本集；以及通过对所述多个电压样本集进行平均来确定所述电压斜坡的斜率。

23.一种计算机程序，用于使计算机操作包括谱仪的系统，所述谱仪包括传感器以及被配置为检测来自所述传感器的电流的装置，其中所述装置包括：

积分电路，其包括用于提供增益设置的电容器网络，并且被配置为在积分时间长度跨度上将所述电流转换为电压斜坡，其中，所述积分电路还包括复位开关，所述复位开关被配置为在所述复位开关接通的情况下连接所述电容器网络的输入和输出，以及

模数转换器即ADC，其被配置为将所述电压斜坡数字化为多个电压样本，以及

其中，所述计算机程序包括用于进行以下步骤的可执行代码：

分析所述多个电压样本以确定所述电压斜坡的斜率；

基于所述电压斜坡的斜率和所述增益设置来确定所述电流的大小；以及

基于所述电压斜坡的斜率来对所述电容器网络进行再配置，以经由所述复位开关对所述电压斜坡进行复位。

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