CN114981921A - 用于电荷检测质谱仪的信号的时域分析 - Google Patents
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Abstract
电荷检测质谱仪（CDMS）包括静电线性离子阱（ELIT）、处理器和其中存储有指令的存储器，所述指令由处理器可执行以（a）控制ELIT来俘获离子，（b）当俘获的离子通过ELIT来回振荡时收集离子测量信息，该离子测量信息包括在离子每次通过ELIT期间由离子在ELIT的电荷检测器上感应的电荷以及感应电荷相对于彼此的定时，（c）在离子测量信息的多个顺序时间窗中的每一个的时域中处理离子测量信息，以确定在每个时间窗期间离子的电荷量值，以及（d）基于每个时间窗的电荷量值确定俘获离子的电荷量值。
Description
相关申请的交叉引用
本国际专利申请要求2020年2月3日提交的序列号为62/969,325的美国临时专利申请的权益和优先权，该美国临时专利申请的公开内容特此通过引用以其整体并入本文。
政府权利
本发明是在美国国立卫生研究院授予的GM1311100政府支持下完成的。美国政府拥有本发明的特定权利。
技术领域
本公开总体上涉及电荷检测质谱仪器，并且更具体地涉及利用此类仪器执行质量和电荷测量。
背景技术
电荷检测质谱仪（CDMS）是一种粒子分析技术，其中通过同时测量离子的质荷比（通常称为“m/z”）和电荷来确定离子的质量。在一些CDMS仪器中，静电线性离子阱（ELIT）用于进行此类测量。
发明内容
本公开可以包括在所附权利要求书中列举的一个或多个特征，和/或一个或多个以下特征及其组合。在一个方面，电荷检测质谱仪（CDMS）可以包括静电线性离子阱（ELIT）、被配置为向ELIT供应离子的离子源、具有可操作地耦合到ELIT的输入的电荷灵敏前置放大器、可操作地耦合到ELIT和放大器的输出的至少一个处理器以及其中存储有指令的至少一个存储器，所述指令当由至少一个处理器执行时，使得所述至少一个处理器（a）控制所述ELIT在其中俘获由所述离子源供应的离子，（b）当俘获的离子通过所述ELIT来回振荡时，基于由所述电荷灵敏前置放大器产生的输出信号收集离子测量信息，该离子测量信息包括在离子每次通过ELIT期间由离子在ELIT的电荷检测器上感应的电荷以及感应电荷相对于彼此的定时，（c）在离子测量信息的多个顺序时间窗中的每一个的时域中处理离子测量信息，以确定在每个时间窗期间离子的电荷量值，以及（d）基于每个时间窗的电荷量值确定俘获离子的电荷量值。
在另一方面，提供了一种用于测量静电线性离子阱中离子电荷的方法，所述静电线性离子阱包括定位在两个离子镜之间的电荷检测圆柱体，其中，在离子俘获事件期间，离子在两个离子镜之间反复来回振荡，每次通过电荷检测圆柱体并在电荷检测圆柱体上感应对应的电荷，并且其中，离子测量信号包括在俘获事件期间感应电荷的量值和感应电荷的定时，所述离子测量信号记录在离子测量文件中。该方法可以包括（a）在离子测量文件的开始处建立离子测量信号的时间窗，（b）使用输入参数为离子测量信号的时间窗生成模拟离子测量信号，输入参数包括信号频率、电荷量值、信号相位和占空比的估计，（c）通过调整输入参数的值来迭代地处理离子测量信号和模拟离子测量信号的时间窗之间的方差，直到该方差达到收敛，（d）记录从（c）产生的电荷量值，（e）将离子测量信号的时间窗推进一个递增时间量，（f）重复（b）–（d）直到时间窗达到离子测量文件的末尾，以及（g）基于每个时间窗的电荷量值来确定离子的电荷。
附图说明
图1是包括静电线性离子阱（ELIT）的实施例的CDMS系统的简化图解，该CDMS系统具有与其耦合的控制和测量部件。
图2A是图1中图示的ELIT的离子镜M1的放大视图，其中M1的镜电极被控制在其中产生离子传输电场。
图2B是图1中图示的ELIT的离子镜M2的放大视图，其中M2的镜电极被控制在其中产生离子反射电场。
图3是图1中图示的处理器实施例的简化图解。
图4A-4C是图1的ELIT的简化图解，展示了离子镜的顺序控制和操作，以捕获在ELIT内的至少一个离子，并且使得（一个或多个）离子在离子镜之间来回振荡并且通过电荷检测圆柱体，以测量和记录多个电荷检测事件。
图5是简化流程图，其描绘了用于在时域中分析包含在离子测量事件文件中的信号测量的过程的实施例，以确定在离子俘获事件期间通过ELIT的电荷检测圆柱体来回振荡的离子的频率和电荷量值（z）。
图6是信号对时间的曲线图，其描绘了用于静电线性离子阱中轴向离子轨迹的模拟信号的一个周期。
图7是图6的模拟信号的扩展曲线图，其中占空比在40%和60%之间变化。
图8是图6的模拟信号的另一个扩展曲线图，其中频率在10 kHz和15 kHz之间变化。
图9是图6的模拟信号的扩展曲线图，其示出有在其上叠加的修改的变化，其中修改的变化引入RC衰减。
图10是简化的工作流程图，其图示了用于确定模拟离子信号相位的初始估计的互相关过程的实施例。
图11是简化的工作流程图，其图示了用于减少在模拟离子信号和离子测量信号之间的方差的优化算法的实施例。
图12是SRS对迭代次数的曲线图，其图示了根据图11的优化算法的示例收敛性。
说明性实施例的描述
出于促进对本公开原理的理解的目的，现在将对附图中所示的多个说明性实施例进行参考并且将使用特定语言对其进行描述。
本公开涉及用于处理由电荷检测质谱仪（CDMS）的静电线性离子阱（ELIT）产生的时域离子测量信号的装置和技术，以同时确定离子质荷比和离子电荷，然后可以根据离子质荷比和离子电荷确定离子质量。出于本公开的目的，短语“电荷检测事件”被定义为检测到离子单次通过电荷检测器而在ELIT的电荷检测器上感应的电荷，并且短语“离子测量事件”被定义为离子通过电荷检测器来回振荡所选次数或所选时间段而产生的电荷检测事件的集合。如下面将详细描述的，由于离子通过电荷检测器来回振荡是由离子在ELIT内的受控俘获产生的，因此短语“离子测量事件”在本文可以替代地称为“离子俘获事件”或简称为“俘获事件”，并且短语“离子测量事件”、“离子俘获事件”、“俘获事件”及其变型应当理解为彼此同义。
参考图1，示出了包括静电线性离子阱（ELIT）14的实施例的CDMS系统10，该CDMS系统10具有与其耦合的控制和测量部件。在图示的实施例中，CDMS系统10包括离子源12，该离子源12可操作地耦合到ELIT 14的入口。离子源12说明性地包括用于从样本生成离子的任何常规设备或装置，并且可以进一步包括用于根据一个或多个分子特性分离、收集、过滤、分裂和/或归一化或移位离子电荷状态的一个或多个设备和/或仪器。作为一个说明性的示例，离子源12可以包括耦合到常规的质谱仪入口的常规的电喷雾电离源、基质辅助激光解吸电离（MALDI）源等，该说明性的示例不应当被认为是以任何方式进行限制。质谱仪可以具有任何常规设计，包括例如但不限于飞行时间（TOF）质谱仪、反射质谱仪、傅立叶变换离子回旋共振（FTICR）质谱仪、四极质谱仪、三重四极质谱仪、磁扇形质谱仪等。在任何情况下，质谱仪的离子出口可操作地耦合到ELIT 14的离子入口。生成离子的样本可以是任何生物或其他材料。
在图示的实施例中，ELIT 14说明性地包括电荷检测器CD，该电荷检测器CD被接地腔室或圆柱体GC包围并且可操作地耦合到分别定位在其相对端的相对离子镜M1、M2。离子镜M1可操作地定位在离子源12和电荷检测器CD的一端之间，并且离子镜M2可操作地定位在电荷检测器CD的相对端。每个离子镜M1、M2在其中定义了相应离子镜区域R1、R2。离子镜M1、M2的区域R1、R2、电荷检测器CD以及在电荷检测器CD和离子镜M1、M2之间的空间一起限定在中心穿过其中的纵轴20，该纵轴20示意性地表示了穿过ELIT 14和离子镜M1、M2之间的理想离子行进路径，如将在下面更详细地描述。
在图示的实施例中，电压源V1、V2分别电连接到离子镜M1、M2。每个电压源V1、V2说明性地包括一个或多个可切换的DC电压源，其可以被控制或编程以选择性地产生N个数量的可编程或可控电压，其中N可以是任何正整数。下面将参考图2A和图2B描述此类电压的说明性示例，以建立每个离子镜M1、M2的两种不同操作模式之一，如将在下面详细描述。在任何情况下，在由电压源V1、V2选择性地建立的电场的影响下，离子在ELIT 14内靠近中心延伸通过电荷检测器CD和离子镜M1、M2的纵轴20移动。
图示性地示出了电压源V1、V2通过P个数量的信号路径电连接到常规处理器16，该常规处理器16包括其中存储有指令的存储器18，所述指令当由处理器16执行时，使得处理器16控制电压源V1、V2，以产生所期望的DC输出电压，用于分别在相应离子镜M1、M2的区域R1、R2内选择性地建立离子传输和离子反射电场TEF、REF。P可以是任何正整数。在一些替代实施例中，电压源V1、V2中的任一者或二者可以是可编程的，以选择性地产生一个或多个恒定输出电压。在其他替代实施例中，电压源V1、V2中的任一者或二者可以被配置为产生任何期望形状的一个或多个时变输出电压。将理解，在替代实施例中，更多或更少的电压源可以电连接到镜M1、M2。
电荷检测器CD说明性地以导电圆柱体的形式提供，其电连接到电荷灵敏前置放大器CP的信号输入，并且电荷灵敏前置放大器CP的信号输出电连接到处理器16。电压源V1、V2以如下面详细描述的方式被说明性地控制，其选择性地俘获进入ELIT 14的离子，并使得其在其中在离子镜M1、M2之间来回振荡，使得俘获的离子反复通过电荷检测器CD。在离子被俘获在ELIT 14内并在离子镜M1、M2之间来回振荡的情况下，电荷灵敏前置放大器CP说明性地以常规方式可操作，以检测当离子通过离子镜M1、M2之间的电荷检测圆柱体CD时在电荷检测圆柱体CD上感应的电荷（CH），从而产生与之对应的电荷检测信号（CHD）。电荷检测信号CHD说明性地以振荡周期值的形式被记录，并且在这点上，每个振荡周期值表示单个相应电荷检测事件的离子测量信息。在相应的离子测量事件期间（即，在离子俘获事件期间），为俘获的离子测量和记录多个这样的振荡周期值，并且如下面将描述的那样，处理所得到的多个记录的振荡周期值——即，用于离子测量事件的记录的离子测量信息的集合——以确定离子电荷、质荷比和/或质量值。可以以这种方式处理多个离子测量事件，并且样本的质荷比和/或质谱可以说明性地由此构造。
现在参考图2A和图2B，其示出了分别在图1中描绘的ELIT 14的离子镜M1、M2的实施例。说明性地，离子镜M1、M2彼此相同，因为每个都包括4个间隔开的导电镜电极的级联布置。对于每个离子镜M1、M2，第一镜电极301具有厚度W1，并且限定在中心穿过其中的直径P1的通道。端盖32被固定或以其他方式耦合到第一镜电极301的外表面，并且限定在中心穿过其中的孔径A1，该孔径A1分别用作去往和/或来自对应离子镜M1、M2的离子入口和/或出口。在离子镜M1的情况下，端盖32耦合到图1中图示的离子源12的离子出口或者是其一部分。每个端盖32的孔径A1说明性地具有直径P2。
每个离子镜M1、M2的第二镜电极302与第一镜电极301间隔开具有宽度W2的空间。类似于镜电极301，第二镜电极302具有厚度W1，并且限定了在中心穿过其中的直径P2的通道。每个离子镜M1、M2的第三镜电极303同样与第二镜电极302间隔开宽度W2的空间。第三镜电极303具有厚度W1，并且限定了在中心穿过其中的宽度P1的通道。
第四镜电极304与第三镜电极303间隔开宽度W2的空间。第四镜电极304说明性地具有W1的厚度，并且由设置在电荷检测器CD周围的接地圆柱体GC的相应端部形成。第四镜电极304限定了在中心穿过其中的孔径A2，该孔径A2说明性地在形状方面是圆锥形，并且在接地圆柱体GC的内表面和外表面之间从接地圆柱体GC的内表面处限定的直径P3线性增加到接地圆柱体GC的外表面处的直径P1（该外表面也是相应离子镜M1、M2的内表面）。
在一些实施例中，在镜电极301-304之间限定的空间可以是空隙，即真空间隙，并且在其他实施例中，此类空间可以填充有一种或多种非导电材料，例如电介质。镜电极301-304和端盖32轴向对齐、即共线，使得纵轴22在中心穿过每个对齐的通道，并且也在中心穿过孔径A1、A2。在镜电极301-304之间的空间包括一种或多种非导电材料的实施例中，此类材料将同样限定穿过其中的相应通道，所述通道与通过镜电极301-304限定的通道轴向对齐、即共线，并且所述通道说明性地具有P2或更大的直径。说明性地，P1 > P3 > P2，尽管在其他实施例中，其他相对直径布置是可能的。
在离子镜M1的孔径A1、A2之间限定了区域R1，并且在离子镜M2的孔径A1、A2之间同样限定了另一个区域R2。区域R1、R2在形状和体积方面说明性地彼此相同。
如上所述，电荷检测器CD说明性地以细长导电圆柱体的形式提供，该细长导电圆柱体定位在对应一个离子镜M1、M2之间并间隔开宽度W3的空间。在一个实施例中，W1 > W3> W2，并且P1 > P3 > P2，尽管在替代实施例中，其他相对宽度布置是可能的。在任何情况下，纵轴20说明性地在中心延伸穿过通过电荷检测圆柱体CD限定的通道，使得纵轴20在中心延伸穿过离子镜M1、M2和电荷检测圆柱体CD的组合。在操作中，接地圆柱体GC被说明性地控制为接地电势，使得每个离子镜M1、M2的第四镜电极304一直处于接地电势。在一些替代实施例中，离子镜M1、M2中的任一者或二者的第四镜电极304可以被设置为任何期望的DC参考电势，或者可切换的DC或其他时变电压源。
在图2A和图2B中图示的实施例中，电压源V1和V2各自被配置为各自产生四个DC电压D1-D4，并将电压D1-D4供应到相应离子镜M1、M2的相应一个镜电极301-304。在镜电极301-304中的一个或多个将一直保持在接地电势的一些实施例中，一个或多个这样的镜电极301-304可以替代地电连接到相应电压源V1、V2的接地基准，并且可以省略对应的一个或多个电压输出D1-D4。替代地或附加地，在镜电极301-304中的任何两个或更多个被控制为相同的非零DC值的实施例中，任何这样的两个或更多个镜电极301-304可以电连接到电压输出D1-D4中的单个电压输出，并且可以省略输出电压D1-D4中多余的输出电压。
通过选择性施加电压D1-D4，每个离子镜M1、M2说明性地在离子传输模式（图2A）和离子反射模式（图2B）之间可控制并且可切换，在离子传输模式（图2A）中，由相应电压源V1、V2产生的电压D1-D4在其相应区域R1、R2内建立离子传输电场（TEF），在离子反射模式（图2B）中，由相应电压源V1、V2产生的电压D1-D4在其相应区域R1、R2内建立离子反射电场（REF）。如图2A中的示例所图示，一旦来自离子源12的离子通过离子镜M1的入口孔径A1飞入离子镜M1的区域R1，通过经由对V1的电压D1-D4的选择性控制而在离子镜M1的区域R1中建立的离子传输电场TEF，离子被聚焦到ELIT 14的纵轴20。作为离子镜M1的区域R1中的传输电场TEF的聚焦效应的结果，通过接地腔室GC的孔径A2离开离子镜M1的区域R1的离子获得进入并通过电荷检测器CD的窄轨迹，即，以便维持靠近纵轴20的离子行进通过电荷检测器CD的路径。经由对电压源V2的电压D1-D4的类似控制，可以在离子镜M2的区域R2内选择性地建立相同的离子传输电场TEF。在离子传输模式中，通过区域R2内的离子传输电场TEF，从电荷检测圆柱体CD经由M2的孔径A2进入区域R2的离子被聚焦到纵轴20，使得离子离开离子镜M2的孔径A1。
如图2B中的示例所图示，经由对V2的电压D1-D4的选择性控制，在离子镜M2的区域R2中建立的离子反射电场REF用于减速和停止离子从电荷检测圆柱体CD经由M2的离子入口孔径A2进入离子区域R2，以在相反方向上加速停止的离子，使其返回通过M2的孔径A2并进入电荷检测圆柱体CD与M2相邻的端部——如离子轨迹42所描绘，并且将离子聚焦到离子镜M2的区域R2内的中心纵轴20，以便维持离子返回通过电荷检测器CD到离子镜M1的窄轨迹。经由对电压源V1的电压D1-D4的类似控制，可以在离子镜M1的区域R1内选择性地建立相同的离子反射电场REF。在离子反射模式中，在区域R1内建立的离子反射电场REF使从电荷检测圆柱体CD经由M1的孔径A2进入区域R1的离子减速和停止，然后使所述离子在相反方向上加速返回通过M1的孔径A2并进入电荷检测圆柱体CD与M1相邻的端部，并且将所述离子聚焦到离子镜M1的区域R1内的中心纵轴20，以便维持离子返回通过电荷检测器CD到离子镜M1的窄轨迹。横越ELIT 14的长度并且以使得离子能够继续在离子镜M1、M2之间通过电荷检测圆柱体CD来回横越的方式（如刚刚描述的）被离子区域R1、R2中的离子反射电场REF反射的离子被认为被俘获在ELIT 14内。
电压源V1、V2分别产生的输出电压D1-D4的示例集用于将相应的离子镜M1、M2控制为上述离子传输和反射模式在下面的表I中示出。将理解的是，D1-D4的以下值仅作为示例提供，并且可以替代地使用D1-D4中的一个或多个的其他值。
虽然离子镜M1、M2和电荷检测圆柱体CD在图1-2B中图示为限定了穿过其中的圆柱形通道，但将理解，在替代实施例中，离子镜M1、M2和/或电荷检测圆柱体CD中的一者或二者可以限定穿过其中的非圆柱形通道，使得纵轴20在中心穿过的一个或多个通道表示非圆形的横截面积和轮廓。在仍其他的实施例中，不管横截面轮廓的形状如何，通过离子镜M1限定的通道的横截面积都可以不同于通过离子镜M2限定的通道。
现参考图3，示出了图1中图示的处理器16的实施例。在图示的实施例中，处理器16包括常规的放大器电路40，该放大器电路40具有接收由电荷灵敏前置放大器CP产生的电荷检测信号CHD的输入和电连接到常规的模数（A/D）转换器42的输入的输出。A/D转换器42的输出电连接到处理器50（P1）。放大器40以常规的方式可操作来放大由电荷灵敏前置放大器CP产生的电荷检测信号CHD，并且A/D转换器进而以常规的方式可操作来将放大的电荷检测信号转换成数字电荷检测信号CDS。
图3中图示的处理器16进一步包括常规比较器44，该常规比较器44具有接收由电荷灵敏前置放大器CP产生的电荷检测信号CHD的第一输入、接收由阈值电压生成器（TG）46产生的阈值电压CTH的第二输入以及电连接到处理器50的输出。比较器44以常规的方式可操作在其输出处产生触发信号TR，该触发信号TR取决于电荷检测信号CDH的量值相对于阈值电压CTH的量值。例如，在一个实施例中，只要CHD小于CTH，比较器44就可操作来产生处于或接近参考电压（例如，接地电势）的“非活动”触发信号TR，并且当CHD处于或超过CTH时，比较器44可操作来产生处于或接近电路40、42、44、46、50的电源电压的“活动”TR信号，或者以其他方式与非活动TR信号可区分。在替代实施例中，只要CHD小于CTH，比较器44就可以可操作来产生处于或接近电源电压的“非活动”触发信号TR，并且当CHD处于或超过CTH时，比较器44可操作来产生处于或接近参考电势的“活动”触发信号TR。本领域的技术人员将认识到可以用于建立触发信号TR的“非活动”和“活动”状态的其他不同的触发信号量值和/或不同的触发信号极性，只要处理器50可区分此类不同的触发信号量值和/或不同的触发信号极性，并且将理解，任何此类其他不同的触发信号量值和/或不同的触发信号极性都旨在落入本公开的范围内。在任何情况下，比较器44可以附加地以常规的方式设计，以包括期望的滞后量，以防止输出在参考电压和电源电压之间的快速切换。
处理器50说明性地可操作以产生阈值电压控制信号THC，并向阈值生成器46供应THC以控制其操作。在一些实施例中，处理器50被编程或可编程为以控制阈值电压生成器46产生具有期望量值和/或极性的CTH的方式来控制阈值电压控制信号THC的产生。在其他实施例中，用户可以例如通过下游处理器、例如经由虚拟控制和可视化单元实时地向处理器50提供指令，以控制阈值电压生成器46产生具有期望量值和/或极性的CTH的方式来控制阈值电压控制信号THC的产生。在任一情况下，在一些实施例中，阈值电压生成器46说明性地以常规的可控DC电压源的形式实现，该常规的可控DC电压源被配置为响应于数字形式的阈值控制信号THC，例如以单个串行数字信号或多个并行数字信号的形式，以产生具有由数字阈值控制信号THC定义的极性和量值的模拟阈值电压CTH。在一些替代实施例中，阈值电压生成器46可以以常规数模（D/A）转换器的形式提供，其响应于串行或并行数字阈值电压TCH以产生模拟阈值电压CTH，该模拟阈值电压CTH具有由数字阈值控制信号THC定义的量值，并且在一些实施例中具有由数字阈值控制信号THC定义的极性。在一些这样的实施例中，D/A转换器可以形成处理器50的一部分。本领域的技术人员将认识到用于响应于一个或多个数字和/或模拟形式的控制信号THC而选择性地产生所期望量值和/或极性的阈值电压CTH的其它常规电路和技术，并且将理解，任何此类其它常规电路和/或技术旨在落入本公开的范围内。
除了由处理器50执行的前述功能外，如上文参考图2A、图2B所述，处理器50进一步可操作来控制电压源V1、V2，以分别在离子镜M1、M2的区域R1、R2内选择性地建立离子传输和反射场。在一些实施例中，处理器50被编程或可编程以控制电压源V1、V2。在其他实施例中，（一个或多个）电压源V1和/或V2可以由用户编程或以其他方式实时控制，例如通过下游处理器52、例如经由虚拟控制和可视化单元。在任一情况下，在一个实施例中，处理器50说明性地以现场可编程门阵列（FPGA）的形式提供，其由用户编程或以其他方式指令，以收集和存储用于电荷检测事件和用于离子测量事件的电荷检测信号CDS，产生（一个或多个）阈值控制信号TCH，根据（一个或多个）阈值控制信号TCH确定或导出阈值电压CTH的量值和/或极性，并控制电压源V1、V2。在该实施例中，参考图1描述的存储器18被集成到FPGA的编程中，并形成FPGA编程的一部分。在替代实施例中，处理器50可以以一个或多个常规微处理器或控制器以及一个或多个附带的存储器单元的形式提供，所述存储器单元具有在其中存储的指令，所述指令当由一个或多个微处理器或控制器执行时，使得一个或多个微处理器或控制器如刚刚描述的那样操作。在其他替代实施例中，处理电路50可以纯粹以被设计为如上所述操作的一个或多个常规硬件电路的形式来实现，或者作为一个或多个这样的硬件电路和可操作来执行存储在存储器中的指令以如上所述操作的至少一个微处理器或控制器的组合来实现。
图3中描绘的处理器16的实施例进一步说明性地包括第二处理器52，该第二处理器52耦合到第一处理器50，并且还耦合到至少一个存储器单元54。在一些实施例中，处理器52可以包括一个或多个外围设备，诸如显示监视器、一个或多个输入和/或输出设备等，尽管在其他实施例中，处理器52可以不包括任何这样的外围设备。在任何情况下，处理器52被说明性地配置、即被编程，以执行用于分析离子测量事件的至少一个过程。以处理器50经由电荷检测信号CDS接收的电荷量值和电荷定时数据（即，由电荷检测圆柱体上的离子感应的电荷相对于彼此的定时的检测）形式的数据被说明性地从处理器50直接传送到处理器52，用于在每个离子测量事件完成时进行处理和分析。
在一些实施例中，说明性地以高速服务器的形式提供处理器52，该处理器52可操作以执行此类数据的收集/存储和分析二者。在这样的实施例中，一个或多个高速存储器单元54可以耦合到处理器52，并且可操作来存储由处理器52接收和分析的数据。在一个实施例中，一个或多个存储器单元54说明性地包括用于存储处理器52正在使用或将要使用的数据的至少一个本地存储器单元，以及用于长期存储数据的至少一个永久存储存储器单元。在一个这样的实施例中，处理器52说明性地以具有四个Intel® XeonTM处理器（例如，E5-465L v2，12核，2.4 GHz）的Linux®服务器（例如，OpenSuse Leap 42.1）的形式提供。在该实施例中，与常规的Windows® PC（例如，i5-2500K，4核，3.3 GHz）相比，实现了单个离子测量事件文件的平均分析时间超过100x的改进。同样，该实施例的处理器52与（一个或多个）高速/高性能存储器单元54一起说明性地提供了数据存储速度超过100倍的改进。本领域的技术人员将认识到可以实现为处理器52的一个或多个其他高速数据处理和分析系统，并且将理解，任何这样的一个或多个其他高速数据处理和分析系统都旨在落入本公开的范围内。在替代实施例中，处理器52可以以一个或多个常规微处理器或控制器以及一个或多个附带的存储器单元的形式提供，所述存储器单元具有在其中存储的指令，所述指令当由一个或多个微处理器或控制器执行时，使得一个或多个微处理器或控制器如本文所述进行操作。
在图示的实施例中，存储器单元54说明性地具有在其中存储的指令，所述指令由处理器52可执行，以分析ELIT 14产生的离子测量事件数据，从而确定被分析样本的离子质谱信息。在一个实施例中，处理器52可操作以从处理器50接收离子测量事件数据，该离子测量事件数据以如下形式：在构成“离子测量事件”（如上文定义的该术语）的多个“电荷检测事件”（如上文定义的该术语）的每一个期间测量的电荷量值和电荷检测定时信息，并处理构成这样的离子测量事件的此类电荷检测事件，以确定离子电荷和质荷比数据，并且然后从中确定离子质量数据。可以以类似的方式处理多个离子测量事件，以创建被分析样本的质谱信息。
如上文参考图2A和图2B简要描述的，电压源V1、V2说明性地例如经由处理器52由处理器50控制，以选择性地在离子镜M1的区域R1中和离子镜M2的区域R2中建立离子传输和离子反射电场的方式，引导从离子源12引入ELIT 14的离子通过ELIT 14，并且然后使得单个离子被选择性地俘获并且限制在ELIT 14内，使得俘获的离子当它在M1和M2之间来回振荡时反复通过电荷检测器CD。参考图4A-4C，示出了图1的ELIT 14的简化图解，其描绘了ELIT 14的离子镜M1、M2的这样的顺序控制和操作的示例。在下面的示例中，处理器52将被描述为根据其程序控制电压源V1、V2的操作，尽管将理解，电压源V1的操作和/或电压源V2的操作可以至少部分地由处理器50虚拟控制。
如图4A中图示的，ELIT控制序列开始于处理器52控制电压源V1，通过在离子镜M1的区域R1内建立离子传输场，将离子镜M1控制到离子传输操作模式（T），并且还控制电压源V2，通过同样在离子镜M2的区域R2内建立离子传输场，将离子镜M2控制到离子传输操作模式（T）。结果，由离子源12生成的离子进入离子镜M1，并且当它们进入电荷检测圆柱体CD时，通过在区域R1中建立的离子传输场而被聚焦到纵轴20。然后，离子通过电荷检测圆柱体CD并进入离子镜M2，在那里，在M2的区域R2内建立的离子传输场将离子聚焦到纵轴20，使得离子穿过M2的出口孔径A1，如图4A中描绘的离子轨迹60所图示的。
现在参考图4B，在两个离子镜M1、M2均已在离子传输操作模式下操作所选的时间段之后和/或直到已经实现成功的离子传输，处理器52说明性地可操作来控制电压源V2，通过在离子镜M2的区域R2内建立离子反射场，将离子镜M2控制到离子反射操作模式（R），同时将离子镜M1维持在如所示的离子传输操作模式（T）下。结果，由离子源12生成的至少一个离子进入离子镜M1，并且通过在区域R1中建立的离子传输场而被聚焦到纵轴20，使得该至少一个离子穿过离子镜M1并且进入电荷检测圆柱体CD，如刚刚参考图4A所述。然后，（一个或多个）离子通过电荷检测圆柱体CD并且进入离子镜M2，在那里，在M2的区域R2内建立的离子反射场反射（一个或多个）离子，使得其/它们在相反方向上行进并且返回到电荷检测圆柱体CD，如图4B中的离子轨迹62所图示。
现在参考图4C，在离子镜M2的区域R2中已经建立离子反射电场之后，处理器52可操作来控制电压源V1，通过在离子镜M1的区域R1内建立离子反射场，将离子镜M1控制到离子反射操作模式（R），同时将离子镜M2维持在离子反射操作模式（R）下，以便将（一个或多个）离子俘获在ELIT 14内。在一些实施例中，处理器52说明性地可操作、即被编程，以在“随机俘获模式”或“连续俘获模式”下控制ELIT 14，其中在ELIT 14已经在图4B中图示的状态下操作了所选的时间段——即，其中M1处于离子传输模式并且M2处于离子反射模式——之后，处理器52可操作将离子镜M1控制到反射操作模式（R）。直到所选的时间段已经过去，ELIT 14被控制为在图4B中图示的状态下操作。在其他实施例中，处理器52可操作、即被编程为在“触发俘获模式”下控制ELIT 14，与随机俘获模式相比，该“触发俘获模式”说明性地承载在其中俘获单个离子的显著更大的可能性。在“触发俘获模式”下，在离子已经被检测为通过电荷检测圆柱体CD之后，处理器52可操作将离子镜M1控制到反射操作模式（R）。
在任何情况下，在两个离子镜M1、M2都被控制到离子反射操作模式（R）以将离子俘获在ELIT 14内的情况下，分别在离子镜M1和M2的区域R1和R2中建立的相反离子反射场导致离子在离子镜M1和M2之间来回振荡，每次都通过电荷检测圆柱体CD，如图4C中描绘的离子轨迹64所图示并且如上所述。在一个实施例中，处理器50可操作来维持图4C中图示的操作状态，直到离子通过电荷检测圆柱体CD所选的次数。在替代实施例中，在将M1（以及在一些实施例中的M2）控制到离子反射操作模式（R）之后，处理器50可操作来维持图4中图示的操作状态所选的时间段。在任一实施例中，在图4C中图示的状态中花费的周期数或时间可以被说明性地编程，例如经由存储在存储器54中的指令，或者经由用户界面控制，并且在任何情况下，由离子每次通过电荷检测圆柱体CD产生的离子检测事件信息例如以离子测量文件的形式被临时存储在处理器50中，其可以说明性地具有预定义的数据或样本长度。当离子已经通过电荷检测圆柱体CD所选的次数或者已经在离子镜M1、M2之间来回振荡所选的时间段时，存储在处理器50中的电荷检测事件的总数定义了离子测量事件，并且在离子测量事件完成时，定义离子测量事件的存储的离子检测事件——例如离子测量事件文件——被传递到处理器52或者被处理器52检索。图4A-4C中图示的序列然后返回到图4A中图示的序列，其中电压源V1、V2如上所述被控制，以通过分别在离子镜M1、M2的区域R1、R2内建立离子传输场来分别将离子镜M1、M2控制到离子传输操作模式（T）。然后，图示的序列重复与所期望一样的次数。
迄今为止，使用快速傅立叶变换（FFT）算法在频域中分析离子测量事件文件。在此类实现中，使用校准常数（C）从信号的基本振荡频率（f0）计算离子的质荷比（m/z）（方程1），并且离子的电荷由FFT中的基频峰值的量值确定。
方程1：
由于在确定离子电荷中仅使用基频，因此可以将信号视为仅被表达为单个正弦波。然而，FFT没有使用关于信号的大量信息，因为更高阶谐波被忽略了。这意味着信号必须被测量更久来获得电荷态分辨率。更完整地表达波形将降低幅度不确定性，从而改进电荷精度并减少达到电荷状态分辨率所必需的俘获时间。此外，虽然FFT分析中的峰值量值取决于像信号占空比之类的因素，但对于给定电荷，时域信号幅度是恒定的，并且时域中的幅度测量不依赖于占空比。这些特性使得时域分析对于具有时变信号瞬变的应用是有利的，诸如在CDMS中发现的那些，其中离子振荡频率和信号占空比随着离子由于与背景气体的碰撞和与检测圆柱体的静电相互作用而损失能量而改变。
下文描述了结合FFT在时域中分析包含在离子测量事件文件中的信号测量的过程，该过程通过将信号测量拟合至模拟波形以更精确地测量离子电荷，从而并入包含在更高阶谐波内的信息。在下面的描述中，ELIT被设计成使得存储在离子测量事件文件中的时域电荷检测信号CHD是方波信号（即，具有50%的占空比），尽管将理解，在替代的实现中，ELIT可以被设计成使得时域电荷检测信号CHD的占空比大于或小于50%。在离子测量文件中包含50%占空比信号测量的情况下，与FFT相比，以下算法将电荷量值确定精度改进15%至20%，达到了用高斯噪声损坏的方波的幅度不确定性的统计下限。方波可以实现的最佳电荷标准偏差与噪声的标准偏差
以及波形在HI状态下花费的点数（相当于LO状态下花费的点数，分别为NHI和NLO）有关，其具有以下关系：
方程2：
现在参考图5，示出了过程100的实施例的简化流程图，该过程100用于在时域中分析包含在离子测量事件文件中的信号测量，以确定在离子俘获事件期间通过ELIT的电荷检测圆柱体来回振荡的离子的频率和电荷量值（z）。根据该频率确定，离子的质荷比（m/z）从方程1确定，并且离子的质量被确定为m/z和z的乘积。说明性地，过程100以由处理器16可执行的指令形式存储在处理器16的存储器中，以实行过程100的功能性。
过程100开始于步骤102，其中时间窗计数器N初始化为1（或某个其他常数值）。过程100被说明性地设计成通过分析测量事件文件的多个顺序时间窗的每一个中的信号测量来分析包含在离子测量事件文件中的信号测量。只要信号测量的频率和占空比在每个时间窗中基本上不改变，该文件加窗方法有利地减小了时变频率和占空比对测量幅度的影响，从而允许这些参数的近似在每个窗的持续时间内是恒定的。在一个示例实现中，其中离子测量事件文件在长度方面近似为100 ms，并且包含近似1000个信号测量周期，时间窗被说明性地选择为每个在长度方面为10 ms，其中10个时间窗中的每一个包含100个信号测量周期。
在步骤102之后，过程100前进至步骤104，其中处理器16可操作来对包含在离子测量事件文件中的信号测量的第一时间窗（下文称为离子测量信号IMS）执行FFT分析，并且以如上所述常规的方式确定IMS信号的第一时间窗的基本振荡频率（FFFT）和电荷量值（CHFFT）。在一个示例实现中，CHFFT乘以2.955 ADC比特/e，以获得ADC比特为单位的时域信号幅度，以供稍后在过程100中使用。
在步骤104之后，过程100前进至步骤106，其中处理器16可操作来使用输入参数F、CH、PH和DC生成第N个时间窗的模拟离子信号（SIS），其中F是频率，CH是电荷量值，PH是相位，并且DC是占空比。
在一个示例实现中，通过在10.02306 kHz下使用SIMION 8.1计算的电场在Fortran中使用Beeman算法（改性的速度Verlet算法）在ELIT中模拟一个具有25600 TH的m/z的130 eV/z离子的轨迹来生成SIS。该离子的信号是通过将离子轨迹叠加在电势阵列之上生成的，其中电荷检测圆柱体具有+1，并且所有其他电极保持接地。这生成了根据格林互易定理归一化为+1的信号160，如图6中的示例所描绘。信号160被分解成两个部分；1负向过渡160A和正向过渡160B。使用OriginPro 2018中的两个双剂量S形曲线拟合信号的一个周期。根据以下方程，一个曲线用于正向过渡160B（针对当离子进入检测圆柱体时）并且另一不同的曲线用于负向过渡160A（针对当离子离开圆柱体时），
方程3：
其中t是时间，p是S形曲线的一般拟合参数，并且l1和l2描述SIS波形160上升或下降的时间。这些值用
加性地调整，以改变正向过渡的占空比，而负向过渡保持恒定，如图7中的示例所描绘，其中所生成的波形160的占空比从40%（轨迹170A）变化到60%（轨迹170C），其中示出了标称的50%占空比（轨迹170B）用于比较。
在方程3中，fscaling是期望频率除以在初始创建该波形的分析函数中使用的标称频率（例如，10.02306 kHz）。这样的分析函数的示例在图8中图示，其中信号160在较低频率180A（例如10 kHz）和较高频率180B（例如15 kHz）之间可变。T是波周期持续时间，自最后一个波周期开始以来经过的时间是t-t0，并且A是幅度。通过将相位时间加到t0来调整相位，这使波形移位指定的时间。变量h1和h2描述了波在LO到HI或HI到LO状态之间过渡的速率。h值越小，产生的波形越圆，而h值越高，生成的波形具有越陡峭的过渡。变量hscaling相乘地调整h以调整过渡斜率。这些曲线的最小值和最大值分别被约束为0和+1，因此它们可以端到端串联以生成周期性波形。然后将SIS波形缩放为1500 ADC位的幅度，并以零为中心。
高通滤波器的离散时间一阶递归关系实现
应用于SIS波形160，以应用现有质谱仪上记录的RC衰减190，如图9中的示例所描绘。根据以下方程，衰减常数乘以波形的对称数值导数生成SIS波形函数的RC衰减点i。
方程4：
通过将函数生成器产生的方波应用于光谱仪上电荷检测圆柱体附近的天线，并在时域中用不同RC值拟合方波，以找到给出最佳拟合的值，来确定
常数。变量
表示单个ADC样本的时间（400 ns）。
再次参考图5的过程100的步骤106，对于模拟离子信号SIS的第一时间窗（N = 1）的第一次通过，F = FFFT，CH = CHFFT，PH = 零，并且与以130 eV/z沿轴向轨迹行进的离子的占空比相对应的DC估计 = 49.2%。进一步说明性地，在步骤106，在IMS和SIS的第一时间窗之间执行互相关，如在图10中图示的过程200中的示例所描绘。在该过程200中，通过将SIS移位一个采样点（例如，400 ns）并且然后例如使用常规的残差平方和（SRS）计算每个相位处的IMS和SIS之间的方差，将初始SIS（其中PH = 0）与IMS交叉相关。所得相关函数的最小值（其中IMS和SIS相位与最近的采集点匹配）然后说明性地用作SIS信号中PH相位的初始非零估计。
随着模拟离子信号（SIS）被生成和填充在初始输入参数值内，如刚刚所述，过程100从步骤106前进至步骤108，其中处理器16可操作来确定IMS和SIS之间的方差。在一个实施例中，根据以下方程使用常规的残差平方和（SRS）来确定信号方差，其中，在一个实现中，M = 25000个采集点（IMS文件的10 ms窗中的点数），尽管在替代的实现中，M可以是任何正整数。
方程5：
在替代的实施例中，可以使用其他常规的方差确定方程和/或过程。
在任何情况下，在步骤108之后，过程100前进至步骤110，其中处理器16可操作来确定在步骤108执行的方差过程是否已收敛。说明性地，通过将方程5的结果与方程5的先前执行的结果进行比较来实行步骤110处的收敛。在步骤110的第一次执行时，将仅存在方程5的单次执行，因此过程100跟随步骤110的“否”分支到步骤112，在步骤112，处理器16可操作来执行被配置为减小IMS和SIS之间的方差的优化算法。
在步骤108为输入参数的每个组合确定的IMS和SIS之间的方差说明性地产生成本函数，该成本函数可以在步骤112使用多种常规优化算法中的任何一种被最小化。在一个示例实现中，常规的梯度下降方法被说明性地用作优化算法。该特定的优化方法在本上下文中是有利的，因为通过采用快速一阶近似算法可以实现显著的吞吐量改进。这使得有可能加速该分析方法以跟上实时数据采集，而不显著增加计算费用。在替代实施例中，可以使用一个或多个其他常规优化算法。
在梯度下降优化中，通过针对特定的输入参数集计算IMS和SIS之间的SRS来比较IMS和SIS。然后，输入参数以相对小的量变化，以确定SRS相对于每个输入参数的数值偏导数。在偏导数计算之后，在步骤114，输入参数通过它们相应的偏导数乘以基于它们各自收敛速率的每个输入参数的唯一学习速率
来调整。如果
是迭代n处的参数向量，并且
是学习速率的向量，则步骤n+1的梯度下降方程可以写成如下（方程6）。这里，F、DC、PH、CH和S分别表示在无噪声波形合成中使用的频率、占空比、相位、幅度和过渡斜率参数。
方程6：
应当注意，过渡斜率S不适用于方波，因为过渡是瞬时的，并且在如图5中图示的过程中，在这样的情况下省略了过渡斜率。在任何情况下，使用从步骤114的执行产生的调整参数，该过程循环回到步骤106，在步骤106，处理器16可操作来生成新的模拟离子信号（SIS）。步骤106-114的该迭代过程（也由图11中图示的过程210以替代形式描绘）继续进行，直到处理器16在步骤110确定达到收敛极限。在一个实施例中，该收敛极限由当前迭代的SRS（SRSn）和前一次迭代的SRS（SRSn-1）的比率来设置。如果SRSn/SRSn-1足够接近一，例如在0.99999999和1之间，则对于多于预定次数、例如50次的迭代，处理器16可操作来确定拟合已经收敛。图13中图示了在收敛时叠加在被噪声损坏的IMS信号230之上的最佳拟合波形240的一部分的示例。
在步骤110的“是”分支之后，过程100前进至步骤116，在步骤116，处理器可操作来确定拟合到SMS的IMS的第N个时间窗的频率F(N)、电荷量值CH(N)和占空比DC(N)。离子测量信号IMS的第N个时间窗的频率F(N)说明性地直接从信号周期的基于时间的过渡（例如，在上述示例实现中近似100个周期）计算。离子测量信号IMS的第N个时间窗的电荷量值CH(N)被说明性地计算为构成第N个时间窗的周期的幅度的平均值，并且DC(N)是收敛时DC的最近值。
在步骤116之后，过程100前进至步骤118，在步骤118，处理器16可操作来确定离子测量信号IMS的最后时间窗是否已被处理。如果否，则过程100前进到步骤120，在步骤120，处理器16可操作来将时间窗推进持续时间
，例如10 ms。此后在步骤122，处理器16可操作来将时间窗计数器N递增1，并且设置输入参数F、CH和DC的初始值。在分析了第一个时间窗（N=1）之后，对于后续窗的初始猜测包括前一个窗的最佳拟合频率、占空比和电荷幅度。对于每个窗N ≥ 2，步骤106-114的迭代过程的前50次迭代说明性地保留用于寻找下一个窗的相位PH，并且然后后续迭代优化所有参数，直到达到收敛。这在图12中用图形图示为SRS对迭代次数的曲线图，其中波形220示出了随着找到相位PH，前50次迭代相对平坦，此后波形220向收敛移动。
如果在步骤116，处理器16确定已经处理了IMS的最后时间窗，则过程100前进至步骤124，在步骤124，处理器16处理多个时间窗的频率值F(N)，以确定离子测量信号的基频FIMS。在一些实施例中，ELIT内的离子振荡的测量没有被立即记录，以便允许由离子镜M1、M2上的切换电压产生的瞬变平息。此后，当离子在离子镜M1、M2之间来回振荡时，由于与背景气体的碰撞和与电荷检测圆柱体的静电相互作用，离子通常损失能量。这样的能量损失导致频率的增加，因为离子继续在离子镜M1、M2之间来回振荡，如图11中用图形描绘的。在这样的实施例中，通过将一条线拟合到所有时间窗的频率F(N)作为时间的函数，并且然后外推至俘获事件的开始以确定在离子损失任何能量之前的FIMS，说明性地来确定基频FIMS，这也在图11中用图形示出，其中基频FIMS描绘为f0。然后使用FIMS和方程1计算离子的质荷比。在具有更短的俘获时间和/或改进的ELIT结构的其他实施例中，离子在俘获事件期间可以不损失可观的能量，并且在这样的实施例中，基频FIMS可以被计算为F(N)在N个窗上之的平均值。
处理器16进一步在步骤124可操作来处理多个时间窗的电荷量值CH(N)，以确定离子的电荷量值CHIMS。由于电荷跨IMS文件之上是恒定的，因此电荷CHIMS说明性地通过跨所有N个窗之上对电荷量值CH(N)取平均来确定。
示例
对包含用具有100 ms持续时间的1000 ADC位RMSD高斯噪声损坏的方波信号在内的1000个文件进行FFT分析，得到1.65基本电荷（e）的电荷RMSD。使用本文描述的技术对相同文件进行时域分析，得到1.35e的RMSD。此外，时域分析报告的幅度不依赖于RC衰减，从而将信噪比提高1%。总的来说，这表示与FFT相比电荷精度的19%改进。理论上的最佳电荷RMSD是利用时域分析对50%占空比的方波实现的（根据方程
ADC位，NHI = NLO =50%占空比下的125000点，
= 4 ADC位或1.35基本电荷）。对包含用1000 ADC位RMSD的高斯噪声破坏的模拟离子信号在内的文件执行相同的分析，并且该分析导致FFT分析的1.65e的RMSD以及时域分析的1.45e的RMSD，从而表示电荷精度的13%改进。
与方波相比，模拟离子信号的电荷精度的降低改进可以通过检查该算法拟合的每个参数的二阶偏导数的Hessian矩阵来理解。
方程7：
如果Hessian矩阵是对角占优的，则优化问题变得适定，其中存在清楚的全局最小值，并且来自每个参数的不确定性不彼此耦合。在这样的情形下，参数是线性独立的，并且一阶梯度下降算法可以快速解决这些问题。这在方波信号中实现，其中信号的HI和LO状态之间的过渡是瞬时的（至少在2.5 MHz采样频率提供的时间分辨率内）。这意味着每次过渡的高度以及它们发生的时间不依赖于诸如信号的幅度、频率、占空比和相位之类的参数。另一方面，在HI和LO状态之间具有逐渐过渡的离子信号的Hessian矩阵不是对角占优的，并且具有来自混合偏导数的显著贡献，该混合偏导数将参数和它们相应的不确定性彼此联系起来。这意味着过渡的上升和下降时间成为频率的函数，将频率中的不确定性与所有其他参数中的不确定性耦合（即，不知道过渡何时发生意味着占空比不能被自信地分配，这由不正确的幅度测量来补偿）。对于这些不适定的优化问题，不存在唯一的解决方案，并且当信号被噪声模糊时，难以收敛到成本函数最小值。可以通过设计一种检测系统来最小化参数的相互依赖性，该检测系统生成在LO和HI状态之间具有急剧过渡的信号。例如，这可以通过最小化检测圆柱体内径来实现，因此离子信号具有快速的上升和下降时间。
在替代实施例中，可以修改离子信号最佳拟合双剂量S形方程，以拟合质谱仪生成的信号，从而解决由ELIT的几何缺陷和/或其他设计特征引起的信号形状失真。已知的实际仪器离子信号越准确，波形合成函数就可以越精确地应用于拟合仪器信号。虽然可以在波形合成子程序中使用任何函数来拟合任何信号，但是应当注意，参数的理论精度将取决于波形特性。最后，可以采用更快的优化算法或者诸如单纯形优化器的更适合非线性优化问题的算法，来使无噪声波形拟合到信号。此外，通过设计生成信号的系统，可以实现显著的吞吐量改进，所述信号可以与诸如AMS Grad的具有动量的快速一阶梯度下降算法拟合。替代地，达到收敛所需的步骤数量可以通过采用二阶优化方案（诸如牛顿法）来最小化。通过这些改进，可能的是结合实时FFT分析对文件执行时域分析。
虽然已在前述附图和描述中对本公开进行了详细图示和描述，但应将本公开视为在特性方面是说明性的，而非限制性的，应理解的是，仅示出和描述了其说明性实施例，并且在本公开精神范围内的所有改变和修改都期望受到保护。例如，将理解，附图中图示并在本文描述的ELIT 14仅作为示例提供，并且上述概念、结构和技术可以直接在各种替代设计的ELIT中实现。任何这样替代的ELIT设计可以例如包括两个或更多个ELIT区域、更多、更少和/或不同形状的离子镜电极、更多或更少的电压源、由一个或多个电压源产生的更多或更少的DC或时变信号、限定附加电场区域的一个或多个离子镜等中的任何一个或组合。作为另一个示例，在一些替代的实施例中，图5中图示的过程可以仅用于确定俘获事件中离子的电荷量值CHIMS（即z），并且上述常规的FFT方法可以用于确定质荷比（m/z）。作为又一个示例，可以修改图5中图示的过程，以考虑一个或多个时间窗内频率测量的可能方差，和/或可以以考虑频率测量中的任何此类可能方差的方式处理整个离子测量文件。
Claims (16)
1.一种用于测量静电线性离子阱中离子电荷的方法，所述静电线性离子阱包括定位在两个离子镜之间的电荷检测圆柱体，其中，在离子俘获事件期间，离子在两个离子镜之间反复来回振荡，每次通过电荷检测圆柱体并在电荷检测圆柱体上感应对应的电荷，并且其中，离子测量信号包括在俘获事件期间感应电荷的量值和感应电荷的定时，所述离子测量信号记录在离子测量文件中，所述方法包括：
（a）在离子测量文件的开始处建立离子测量信号的时间窗，
（b）使用输入参数为离子测量信号的时间窗生成模拟离子测量信号，所述输入参数包括信号频率、电荷量值、信号相位和占空比的估计，
（c）通过调整输入参数的值来迭代地处理离子测量信号和模拟离子测量信号的时间窗之间的方差，直到所述方差达到收敛，
（d）记录从（c）产生的电荷量值，
（e）将离子测量信号的时间窗推进一个递增时间量，
（f）重复（b）–（d）直到时间窗达到离子测量文件的末尾，以及
（g）基于每个时间窗的电荷量值来确定离子的电荷。
2.根据权利要求1所述的方法，其中（b）包括处理所述离子测量信号的时间窗，以确定信号频率和电荷量值的估计。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，处理所述离子测量信号的时间窗包括计算所述离子测量信号的时间窗的快速傅立叶变换（FFT），并基于快速傅立叶变换（FFT）确定信号频率和电荷量值的估计。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，对于在所述离子测量文件的开始处所述离子测量信号的时间窗的（b）的第一次执行，信号相位的初始估计被设置为零，
并且其中（b）进一步包括将模拟离子测量信号与离子测量信号的时间窗进行互相关，并且将信号相位的估计更新为从互相关产生的最小值。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中（c）包括：
（1）确定离子测量信号和模拟离子测量信号的时间窗之间的方差，
（2）执行优化过程以减小离子测量信号和模拟离子测量信号的时间窗之间的方差，以及
（3）基于优化过程的结果调整输入参数的值。
6.根据权利要求5所述的方法，其中（c）进一步包括在方差收敛时记录调整的电荷量值，
并且其中（g）包括基于每个时间窗的调整的电荷量值来确定离子的电荷量值。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中（e）进一步包括将输入参数设置为从（c）产生的调整的输入参数值。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中（d）进一步包括记录从步骤（c）产生的频率值，
并且进一步包括基于每个时间窗的频率值确定在离子俘获事件期间离子振荡的频率。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，进一步包括：
计算所述离子测量文件的快速傅立叶变换（FFT），以及
基于FFT确定在离子俘获事件期间离子振荡的频率。
10.根据权利要求8或权利要求8所述的方法，进一步包括：
基于在俘获事件期间所确定的离子振荡频率来确定离子的质荷比，以及
基于所确定的离子的质荷比和所确定的离子电荷来确定离子的质量。
11.一种电荷检测质谱仪（CDMS），包括：
静电线性离子阱（ELIT），
离子源，被配置为向ELIT供应离子，
电荷灵敏前置放大器，具有可操作地耦合到ELIT的输入，
至少一个处理器，可操作地耦合到ELIT和放大器的输出，以及
至少一个存储器，其中存储有指令，所述指令当由至少一个处理器执行时，使得所述至少一个处理器（a）控制所述ELIT在其中俘获由所述离子源供应的离子，（b）当俘获的离子通过所述ELIT来回振荡时，基于由所述电荷灵敏前置放大器产生的输出信号收集离子测量信息，所述离子测量信息包括在离子每次通过ELIT期间由离子在ELIT的电荷检测器上感应的电荷以及感应电荷相对于彼此的定时，（c）在离子测量信息的多个顺序时间窗中的每一个的时域中处理离子测量信息，以确定在每个时间窗期间离子的电荷量值，以及（d）基于每个时间窗的电荷量值确定俘获离子的电荷量值。
12.根据权利要求11所述的CDMS，其中，ELIT包括定位在两个离子镜之间的电荷检测圆柱体，其中，在离子俘获事件期间，离子在两个离子镜之间反复来回振荡，每次通过电荷检测圆柱体并在电荷检测圆柱体上感应对应的电荷，并且其中，离子测量信号包括在俘获事件期间感应电荷的量值和感应电荷的定时，所述离子测量信号记录在离子测量文件中。
13.根据权利要求12所述的CDMS，其中（a）包括：
（i）在离子测量文件的开始处建立离子测量信号的时间窗，
（ii）使用输入参数为离子测量信号的时间窗生成模拟离子测量信号，所述输入参数包括信号频率、电荷量值、信号相位和占空比的估计，
（iii）通过调整输入参数的值来迭代地处理离子测量信号和模拟离子测量信号的时间窗之间的方差，直到所述方差达到收敛，
（iv）记录从（iii）产生的电荷量值，
（v）将离子测量信号的时间窗推进一个递增时间量，
（vi）重复步骤（ii）-（iv）直到时间窗达到离子测量文件的末尾，以及
（vi）基于每个时间窗的电荷量值来确定离子的电荷。
14.根据权利要求13所述的CDMS，其中，（iv）进一步包括记录从（c）产生的频率值，
并且其中，存储在至少一个存储器中的指令进一步包括由处理器可执行的指令，以基于每个时间窗的频率值来确定在离子俘获事件期间的离子振荡频率。
15.根据权利要求12或13中任一项所述的CDMS，其中，存储在所述至少一个存储器中的指令进一步包括由处理器可执行的指令，以计算所述离子测量文件的快速傅立叶变换（FFT），并基于FFT确定在离子俘获事件期间的离子振荡频率。
16.根据权利要求14或权利要求15所述的CDMS，其中，存储在所述至少一个存储器中的指令包括由处理器可执行的指令，以基于在俘获事件期间所确定的离子振荡频率来确定离子的质荷比，并基于所确定的离子的质荷比和所确定的离子电荷来确定离子的质量。
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