JP2015503824A - パルス計数用途のための電子増倍管と相互作用する超高速トランスインピーダンス増幅器 - Google Patents

Abstract

パルス計数用途のための改良された質量分析検出システムのためのシステム、デバイス、および方法が、提供される。検出器は、検出器の利得を低下させ、ひいては、高ダイナミックレンジを伴うパルス計数検出器をもたらす、トランスインピーダンス増幅器等の電子増倍管および回路を備えることができる。いくつかの実施形態では、検出器は、飽和に到達することなく、最大約２，０００万計数／秒の計数率で動作することができる。さらに、検出器の寿命は、延長されることができる。本開示と併用されるシステム、デバイス、および方法の種々の実施形態も、提供される。

Description

（関連出願の引用）
本願は、２０１１年１２月２７日に出願された、米国仮出願第６１／５８０，３４９号に対する利益および優先権を主張するものであり、該米国仮出願の全体は、参照により本明細書中に援用される。

本開示は、例えば、パルス計数用途のための質量分析検出システムを動作させるためのシステム、デバイス、および方法に関する。

典型的には、パルス計数用途のためのシステムは、低計数では、より敏感であるが、アナログ計数用途のためのシステムが典型的に達成することができる、高計数タイプを達成することが不可能である。例えば、一連のダイノードを備える、パルス計数検出器では、検出器におけるイオン束の増加は、後続ダイノードの炭素ステッチングをもたらし得、これは、ひいては、後続ダイノードの利得、故に、検出器の全体的利得を低減させ得る。検出器に印加されるバイアス電圧が、後続ダイノードの利得低下を補償するために増加させ得る。しかしながら、炭素ステッチングの量は、経時的に増加するため、徐々により高いバイアスレベルが、利得の低下を補償するために必要とされ得る。そのような高バイアスレベルは、検出器の高速劣化を生じさせ、故に、検出器の寿命を短縮させ得る。炭素ステッチング、検出器の高速劣化、および検出器寿命の短縮に関連する複雑性もまた、非限定的実施例として、連続ダイノード検出器を含む、他のタイプの検出器にも影響を及ぼし得る。

炭素ステッチングはまた、検出器の計数率に悪影響を及ぼすと考えられる。従来のシステムは、パルス計数モードにおいて、数百万計数／秒を上回る計数率では、飽和する傾向があり、したがって、その正確度を低下させ、限定されたダイナミックレンジを提供する。増大効果が複数のチャネルにわたって生じさせることを可能にするための連続ダイノード検出器のためのともに捻転された複数のチャネルの使用や、連続ダイノード検出器のインピーダンスを低下させ、検出器バイアス電流のより高速な補充を可能にすることを含め、従来のシステムのダイナミックレンジを増加させるための努力が成されているが、そのような努力は、限られた成功しか収めていない。故に、改良された検出システム、デバイス、および方法が、所望される。

以下の概要は、読者に本明細書を紹介することを意図するが、いかなる発明も定義するものではない。１つ以上の発明が、以下または本明細書の他の部分に説明されるシステムおよび／またはデバイス要素あるいは方法ステップの組み合わせもしくは部分的組み合わせ内に存在し得る。本発明者らは、本明細書に開示されるいかなる発明または複数の発明の権利も、単に、そのような他の発明または複数の発明を請求項に記載しないことによって、放棄または否認しない。

本明細書に説明される実施形態は、いくつかの側面では、質量分析計システムにおいて使用するための検出器を提供し、検出器は、電子増倍管、コレクタ、およびトランスインピーダンス増幅器を備えることができる。コレクタは、電子増倍管の下流に配置されることができ、電子電流を電子増倍管から受容し、電流信号を発生させるように構成されることができる。トランスインピーダンス増幅器は、電流信号を受信し、電流信号に基づいて、電圧信号を発生させるために、コレクタに電気的に結合されることができる。いくつかの実施形態では、トランスインピーダンス増幅器は、非１利得を提供するように構成されることができる。いくつかの実施形態では、トランスインピーダンス増幅器は、調節可能利得を有するように構成されることができる。いくつかの実施形態では、検出器は、コレクタとトランスインピーダンス増幅器との間に配置され、電流信号を増幅器に容量的に結合する、結合キャパシタを備えることができる。いくつかの実施形態では、検出器は、電子増倍管の上流に配置される、高エネルギー変換ダイノードを備えることができ、ダイノードは、イオンを電子増倍管中に放出するように構成されることができる。電流信号は、パルス電流信号を備えることができる。いくつかの実施形態では、検出器は、トランスインピーダンス増幅器の下流に配置される、レジスタを備えることができ、レジスタは、出力デバイスの入力インピーダンスをトランスインピーダンス増幅器の出力インピーダンスに一致させるように構成されることができる。

本明細書に説明される実施形態は、さらなる側面では、イオン源、質量分析器、および検出器を備える、質量分析計システムを提供する。さらに、検出器は、イオン検出モジュールおよびトランスインピーダンス増幅器を備えることができる。質量分析器は、複数のイオンをイオン源から受容するように構成されることができる。検出器は、質量分析器の下流に配置されることができ、質量分析器から放出されるイオンを受容することができる。イオン検出モジュールは、質量分析器によって放出されるイオンの少なくとも一部を受容し、受容したイオンに応答して、電流信号を発生させるように構成されることができる。トランスインピーダンス増幅器は、イオン検出モジュールに電気的に結合され、電流信号を受信し、電流信号を電圧信号に変換することができる。いくつかの実施形態では、トランスインピーダンス増幅器は、非１利得を有するように構成されることができる。いくつかの実施形態では、トランスインピーダンス増幅器は、調節可能利得を有するように構成されることができる。いくつかの実施形態では、検出器は、パルス計数モードにおいて動作するように構成されることができ、飽和せずに、最大約２，０００万計数／秒のパルス計数レートで動作可能であることができる。いくつかの実施形態では、イオン検出モジュールは、電子増倍管を備えることができる。いくつかの実施形態では、イオン検出モジュールは、質量分析器から放出されるイオンの少なくとも一部を受容し、受容したイオンに応答して、二次イオンおよび／または電子を発生させるように構成される、高エネルギー変換ダイノード（ＨＥＤ）を備えることができる。ＨＥＤは、二次イオンおよび／または電子を電子増倍管に指向するように、電子増倍管と連通することができる。いくつかの実施形態では、質量分析器は、イオン源の下流に配置され、イオンをイオン源から受容する、複数の四重極を備えることができる。

本明細書に説明される実施形態は、なおもさらなる側面では、質量分析計において、質量分析計の質量分析器によって放出される複数のイオンを電子増倍管中に導入し、パルス状電流信号を発生させるステップと、パルス状電流信号をパルス状電圧信号に変換するように、パルス状電流信号をトランスインピーダンス増幅器にフィードするステップとを含む、イオンを検出するための方法を提供する。いくつかの実施形態では、電子増倍管は、チャネル電子増倍管または連続ダイノード検出器を備えることができる。いくつかの実施形態では、チャネル電子増倍管は、複数のチャネルを備える。いくつかの実施形態では、電子増倍管は、離散ダイノード検出器を備えることができる。

本出願人の教示のこれらおよび他の特徴が、本明細書に記載される。

当業者は、以下に説明される図面が、例証目的にすぎないことを理解するであろう。図面は、本出願人の教示の範囲をいかようにも限定することを意図しない。本発明は、付随の図面と関連して検討される種々の実施形態の以下の説明からより完全に理解されるであろう。
図１は、本出願人の教示のいくつかの実施形態による、質量分析計の略図である。 図２は、本出願人の教示のいくつかの実施形態による、検出器の略図である。 図３は、本出願人の教示のいくつかの実施形態による、検出器の略図である。 図４は、本出願人の教示のいくつかの実施形態による、検出器の略図である。 図５は、本出願人の教示のいくつかの実施形態による、検出器の略図である。 図６は、トランスインピーダンス増幅器を有する、本出願人の教示のある実施形態による検出器と、トランスインピーダンス増幅器を欠いている、従来の検出器とを使用することによって、質量分析計内のイオンを検出するための測定された計数率対実際の計数率のプロットを表す。 図７は、イオンの４つの同位体種の２つの測定された質量スペクトルを表し、一方のスペクトルは、本出願人の教示のある実施形態による検出器内で取得され、他方は、従来の検出器を使用して取得された。 図８は、本出願人の教示のいくつかの実施形態による、質量分析計の略図である。 図９は、本出願人の教示のいくつかの実施形態による、別の質量分析計の略図である。

次に、ある例示的実施形態を説明し、本明細書に開示されるデバイスおよび方法の構造、機能、製造、および使用の原理の全体的理解を提供する。これらの実施形態の１つ以上の実施例は、付随の図面に図示される。当業者は、具体的に、本明細書に説明され、付随の図面に図示される、デバイスおよび方法が、非限定的例示的実施形態であって、本発明の範囲が、請求項によってのみ定義されることを理解するであろう。一例示的実施形態に関連して、図示または説明される特徴は、他の実施形態の特徴と組み合わせられてもよい。そのような修正および変形例は、本明細書に説明されるシステム、デバイス、および方法の範囲内に含まれることが意図される。さらに、当業者は、図示される実施形態の類似番号が付与された構成要素が、概して、少なくともいくつかの類似特徴を有し、したがって、いくつかの実施形態では、類似番号が付与された構成要素の各特徴は、必ずしも、完全に詳述されない場合があることを理解するであろう。

本明細書に説明されるシステム、デバイス、および方法は、多くの異なる質量分析システムと併用されることができるが、質量分析システムの一般的ブロック図が、図１に図示され、本出願人の教示の種々の実施形態を説明するための一般的フレームワークを提供する。質量分析計が、本出願人の教示に従って、構成および動作されることができる、種々の方法のより詳細な説明は、本説明に後述される。示されるように、いくつかの実施形態では、質量分析計３１０は、イオン源３１２、質量分析器３１３、および検出器３１４を備えることができる。イオン源３１２は、イオンを放出し、質量分析器３１３に通過させ、それらのイオンの一部、例えば、選択された範囲内における質量電荷比（ｍ／ｚ比）を有するイオンの検出器３１４への通過を可能にすることができる。後述されるように、検出器３１４は、本出願人の教示の種々の実施形態に従って実装されることができる。

一例として、図２および３は、質量分析計１１０の一部として使用するための、本出願人の教示のある実施形態による、検出器１１４を図示し、質量分析器１１３は、最終四重極１６０によって表される、１つ以上の四重極を備える。例証的検出器１１４は、イオン検出モジュールを備えることができ、これは、示されるように、正または負のイオンを受容するための電子増倍管１８２と、電子電流を電子増倍管１８２から受容し、電流信号を発生させるためのコレクタ１８４とを備えることができる。本例証的実施形態では、最終四重極１６０から出射するイオンは、レンズ１６４を介して集束され、偏向器電極１８０に印加される電圧を介して、電子増倍管１８２に向かって偏向される。イオンは、いくつかの異なる方法において、質量分析器１１３から抽出されることができるが、本例証的実施形態では、ＲＦおよびＤＣ電圧が、最終四重極１６０に印加され、四重極１６０から検出器１１４に伝送されるであろうイオンの質量を判定する。ＤＣ／ＲＦ比は、全質量に対してほぼ一定であることができ、ＤＣ電圧は、単位分解能で走査時、全質量において単位分解能を与えるように微調整されることが可能であって、したがって、質量スペクトルは、最終四重極１６０に印加されるＲＦおよびＤＣ電圧の大きさを昇降させることによって、生成されることができ、これは、質量に伴って増加し、時間に相関するＲＦ振幅の関数として、質量スペクトルをもたらし得る。より高速の走査速度は、同様に、ＲＦおよびＤＣ電圧をより高速で昇降させることを意味し得る。いくつかの実施形態では、四重極１６０は、質量選択的軸方向放出のために構成されることができ、異なるイオン流が、印加される補助ＡＣおよび／またはＲＦ閉じ込め場の走査の間、連続して発生される。偏向器電極１８０は、検出器１１４の一部であることができる、または質量分析器１１３と検出器１１４との間に配置される、その独自の別個の構成要素であることができる。離散ダイノード電子増倍管および連続ダイノード電子増倍管等、種々のタイプの電子増倍管が、使用されることができる。本例証的実施形態では、電子増倍管１８２は、パルス計数モードで動作するように構成される、単一チャネル連続ダイノード電子増倍管である。代替として、電子増倍管は、複数のチャネル電子増倍管であることができる、または、それぞれ、１つ以上のチャネルを有する、複数の増倍管であることができる。非限定的実施例として、少なくとも１つの電子増倍管は、６つのチャネルを備えることができる。例証的単一チャネル電子増倍管（ＣＥＭ）または連続ダイノード検出器１８２は、電子放出表面、例えば、ガラスが鉛またはベリリウムで高濃度にドープされ、ガラスコーティングされた表面を備える、管（例えば、漏斗の形態）を備えることができる。

図２に示されるように、検出器１１４が、正のイオンを検出するように構成されるとき、ＣＥＭ１８２の入力端（Ａ）は、偏向器１８０によって偏向される正のイオンを誘引するように、負の浮遊電位（−Ｖ）に維持されることができ、ＣＥＭ１８２の出力端（Ｂ）は、所望の電圧差（すなわち、Ｖ_ｂｉａｓ）が、管を横断して印加されるように、それほど負ではない浮遊電位（−Ｖ＋Ｖ_ｂｉａｓ）に維持されることができる。逆に言えば、図３に示されるように、検出器が、負のイオンを検出するように構成されるとき、ＣＥＭ１８２の入力端（Ａ）は、偏向器１８０によって偏向される負のイオンを誘引するように、正の浮遊電位（＋Ｖ）に維持されることができ、ＣＥＭ１８２の出力端（Ｂ）は、所望の電圧差（すなわち、Ｖ_ｂｉａｓ）が、管を横断して印加されるように、より正の浮遊電位（＋Ｖ＋Ｖ_ｂｉａｓ）に維持されることができる。

種々の実施形態では、ＣＥＭを横断して印加されるバイアス電圧（Ｖ_ｂｉａｓ）は、約１．２ｋＶ〜約１．４ｋＶの範囲内であることができる。例えば、いくつかの実施形態では、約−６ｋＶの負の浮遊電位が、ＣＥＭ１８２の入力端（Ａ）に印加されることができ、約−５ｋＶ〜約−３ｋＶの負の電位が、その出力端（Ｂ）に印加されることができる。いくつかの他の実施形態では、約＋４ｋＶの正の浮遊電位が、ＣＥＭ１８２の入力端（Ａ）に印加されることができ、約＋５．８ｋＶ〜約＋７ｋＶの正の電位が、その出力端（Ｂ）に印加されることができる。ある場合には、管を横断するバイアス電圧の印加は、管の長さ全体を通して、実質的に均一電場を発生させることができる。

イオンビームは、最初に、ＣＥＭ１８２の入力端（Ａ）の近傍に衝打し、二次電子の放出をもたらし、順に、管を伝って進行するにつれて、表面の他の部分に衝打し、付加的二次電子の放出を生じさせ得るように、ＣＥＭ１８２中に指向されることができる。後続衝打毎に、付加的二次電子が、放出され、それによって、イオンおよび二次電子が、ＣＥＭ１８２の出力端（Ｂ）に到達し、電流信号として、コレクタ１８４において収集され得るまで、イオンおよび／または電子電流を増幅させることができる。本例証的実施形態では、随意のレジスタ１９４が、コレクタ１８４とＣＥＭ１８２の出力端（Ｂ）との間に提供される。レジスタ１９４は、コレクタ１８４によって蓄積された総電荷を接地に排出することができる。

コレクタ１８４によって発生される電流信号は、電圧信号出力を発生させる、電圧信号発生器１８６にフィードされることができる。本例証的実施形態では、信号発生器１８６は、電流信号をトランスインピーダンス増幅器１９８に容量的に結合する、高電圧キャパシタ１９６を備えることができる。図２および３の例証的増幅器１９８は、演算増幅器１９８ａを備えることができ、その入力ポート（Ａ）の一方は、レジスタ１９８ｂを介して、その出力ポート（Ｃ）に抵抗結合され、その入力ポート（Ｂ）の他方は、接地される。入力ポート（Ａ）中への電流信号流（例えば、本例証的実施形態では、電流パルスの形態）は、増幅器１９８の出力ポート（Ｃ）における出力電圧信号（Ｖ_ｏｕｔ）（例えば、出力電圧パルス）の発生を生じさせることができ、Ｖ_ｏｕｔの大きさ（故に、増幅器１９８の利得）は、レジスタ１９８ｂの抵抗を選定することによって調節されることができる。いくつかの実施形態では、レジスタ１９８ｂは、可変レジスタを備え、トランスインピーダンス増幅器１９８の利得の容易な調節を可能にすることができる。

いくつかの実施形態では、トランスインピーダンス増幅器１９８によって提供される信号利得は、例えば、電子増倍管をより低いバイアス電圧で動作させる一方、入射する正または負のイオンに応答して発生される出力信号の所望の増幅を取得することによって、電子増倍管と関連付けられた利得の低減を可能にすることができる。一例として、いくつかの実施形態では、電子増倍管１８２と関連付けられた利得は、トランスインピーダンス増幅器１９８の使用によって、少なくとも、約５分の１に低減されることができる。いくつかの実施形態では、電子増倍管１８２に印加されるそのようなバイアス電圧の低下は、例えば、炭素ステッチング率を低減させることによって、その寿命を延長させることができる。バイアス電圧を低下させることによる、電子増倍管１８２の利得の低減はまた、利得低減が、より少ない電子が、増倍管１８２内で生成され、より少ない電荷が、増倍管１８２から枯渇する結果をもたらし得るため、より長い寿命をもたらすことができる。

さらに、いくつかの実施形態では、トランスインピーダンス増幅器１９８の使用は、より広いダイナミックレンジにわたって、ＣＥＭ１８２の動作を可能にすることができる。例えば、前述のように、ＣＥＭ１８２をより低いバイアス電圧で動作させることを可能にし、それによって、高計数率における飽和効果を阻止することができる。典型的には、アナログ検出器は、パルス計数検出器より効果的に高イオン電流を網羅することができる、ダイナミックレンジを有することができる一方、パルス計数検出器は、典型的には、アナログ検出によって効果的に測定され得る信号より低い計数率まで拡張することができる、ダイナミックレンジを有することができる。しかしながら、トランスインピーダンス増幅器１９８は、パルス計数検出器１１４が、検出器利得の低下のため、より低い出力電流で動作されることを可能にする。これは、検出器１１４のより少ない飽和をもたらし、したがって、飽和に到達することなく、高計数率を検出する検出器の能力の増加をもたらすことができる。非限定的実施例として、従来の単一チャネルパルス計数検出器は、典型的には、約４００万計数／秒〜約５００万計数／秒の計数率で飽和に到達し得るが、図２および３に図示される、単一チャネルパルス計数検出器１１４のいくつかの実施形態は、飽和に到達することなく、約２，０００万計数／秒〜約２，５００万計数／秒の範囲内の計数率を取り扱うことができる。当業者は、パルス計数検出器内のチャネルの数の増加によって、検出器の計数率を増加させることができることを認識するであろう。したがって、さらなる非限定的実施例として、従来の６チャネルパルス計数検出器は、約２，４００万計数／秒〜約３，０００万計数／秒の範囲内の計数率を取り扱うことができるが、本出願人の教示による６チャネルパルス計数検出器のいくつかの実施形態は、約１４４００万計数／秒〜約１８０００万計数／秒の範囲内の計数率を取り扱うことができる。故に、いくつかの実施形態では、トランスインピーダンス増幅器１９８は、高ダイナミックレンジを可能にし、単一および複数のチャネル検出器に対して、約５倍、範囲を増加させることができる。

トランスインピーダンス増幅器１９８によって出力される電圧信号は、後続増幅段階を含む信号処理の後続段階（図示せず）ならびに出力デバイス（図示せず）に配信されることができる。種々の実施形態では、出力デバイスは、コンピュータおよび外部ディスプレイを備えることができる。出力デバイスのいくつかの実施形態では、ディスプレイは、出力信号から生じる１つ以上の所望のパラメータが表示され得るように、それと関連付けられた画面を伴う、コンピュータによって提供されることができる。代替として、いくつかの実施形態では、出力デバイスは、出力信号から生じる１つ以上の所望のパラメータがプリンタによって媒体上に表示され得るように、プリンタを備えることができる。

いくつかの実施形態では、システムが、パルス計数モードで動作されているとき、トランスインピーダンス増幅器１９８によって出力されるパルスは、イオン計数が生じたかどうか判定するように構成される、弁別器（図示せず）に入力されることができる。いくつかの実施形態では、弁別器は、トランスインピーダンス増幅器１９８からのパルスと閾値パルス値を比較することができる、トランスインピーダンス増幅器１９８からのパルスが、閾値パルス値を超える場合、弁別器は、あるイオン計数に対応する信号を発生することができる。その信号は、信号処理の後続段階および／または出力デバイスに配信されることができる。時として、滞留時間と称される、規定された時間周期の間に受信されたイオン計数の数が、計数され、続いて、信号処理の後続段階および／または出力デバイスによって、「計数率」が求められることができる。計数率は、検体信号の強度に対応し得る。

例証的実施形態に示されるように、レジスタ１９９は、トランスインピーダンス増幅器の出力インピーダンス１９８を信号処理の後続段階および／または出力デバイスの入力インピーダンスと一致させるのに役立てるために含まれることができる。一例として、種々の実施形態では、レジスタ１９９は、約１０オーム〜約２００オームの範囲内の抵抗を有することができ、いくつかの実施形態、例えば、図２および３に図示される実施形態では、レジスタ１９９は、約５０オームの抵抗を有することができるが、他の抵抗も、本および他の目的のために使用されることができる。トランスインピーダンス増幅器１９８の下流のレジスタ１９９または他の構成要素は、回路が信号処理の後続段階および／または出力デバイスと容易に通信し得るように最適化されることができる。

図４および５は、例えば、質量分析計１１０”の一部として使用するための、本出願人の教示の別の実施形態による、検出器１１４”を図示し、質量分析器１１３”は、最終四重極１６０”によって表される、１つ以上の四重極を備える。示されるように、例証的検出器１１４”は、正または負のイオンを受容するための電子増倍管１８２”を備えることができる。本例証的実施形態では、最終四重極１６０”から出射するイオンは、レンズ１６４”を介して集束され、ＨＥＤ電極を備える、高エネルギー変換ダイノード（ＨＥＤ）１８０”に指向され、それぞれ、そこへの負のイオンまたは正のイオンの衝突に応答して、正のイオンまたは電子を発生させる。ＨＥＤ１８０”は、検出器１１４”の一部であることができる、または質量分析器１１３”と検出器１１４”との間に配置される別個の構成要素として実装されることができる。イオンは、いくつかの異なる方法において、質量分析器１１３”から抽出されることができるが、本例証的実施形態では、ＲＦおよびＤＣ電圧が、最終四重極１６０”に印加され、四重極１６０”から検出器１１４”に伝送されるであろうイオンの質量を判定する。ＤＣ／ＲＦ比は、全質量に対してほぼ一定であることができ、ＤＣ電圧は、単位分解能で走査時、全質量において単位分解能を与えるように微調整されることが可能であって、したがって、質量スペクトルは、最終四重極１６０”に印加されるＲＦおよびＤＣ電圧の大きさを昇降させることによって、生成されることができ、これは、質量に伴って増加し、時間に相関するＲＦ振幅の関数として、質量スペクトルをもたらし得る。より高速の走査速度は、同様に、ＲＦおよびＤＣ電圧をより高速で昇降させることを意味し得る。いくつかの実施形態では、四重極１６０”は、質量選択的軸方向放出のために構成されることができ、異なるイオン流が、印加される補助ＡＣおよび／またはＲＦ閉じ込め場の走査の間、連続して発生される。

前述のように、ＨＥＤ１８０”の極性は、検出されるイオンの極性に基づいて、選択されることができる（すなわち、正または負のいずれか）。図４に示されるように、最終四重極１６０”から出射する負のイオンは、ＨＥＤ１８０”に向かって伝送され、高い正の電位、例えば、約＋５ｋＶ〜約＋２０ｋＶの範囲内に維持される、ＨＥＤ電極に衝打し得るが、他の電圧もまた、使用されることができる。ＨＥＤ電極への負のイオンの衝突は、正のイオンの形態において、二次粒子の放出を生じさせることができ、これは、チャネル電子増倍管（ＣＥＭ）または連続ダイノード検出器１８２”に指向される。

図５に示されるように、最終四重極１６０”から出射する正のイオンは、ＨＥＤ１８０”に向かって伝送され、この場合、高い負の電位、例えば、約−５ｋＶ〜約−２０ｋＶの範囲内に維持される、ＨＥＤ電極に衝打し得るが、他の電圧もまた、使用されることができる。ＨＥＤ電極への正のイオンの衝突は、電子および／または負のイオンの形態において、二次粒子の放出を生じさせることができ、これは、ＣＥＭ１８２”に指向されることができる。

ＣＥＭ１８２”は、それぞれ、入射する正のイオンまたは電子／負のイオンに応答して、電流信号を発生させるためにバイアスされることができる。図４および５に示される実施形態では、高電圧（ＨＶ）が、ＣＥＭ１８２の入力端（Ａ）”に印加され、ＣＥＭ１８２の出力端（Ｂ）”は、接地される。いくつかの実施形態では、約１ｋＶ〜約３ｋＶの範囲内のバイアス電圧が、ＣＥＭ１８２”を横断して印加されることができる。図４および５に示される実施形態では、ＣＥＭが採用されるが、他の実施形態では他のタイプの電子増倍管が、採用されることができる。前述の実施形態と同様に、コレクタ１８４”は、ＣＥＭ１８２”によって発生される電子集合を受容し、電流信号を発生させる（例えば、一連の電流パルスの形態において）。本例証的実施形態では、レジスタ１９４”は、コレクタ１８４”と直列に提供されることができ、レジスタの一端は、コレクタに結合され、その他端は、接地される。レジスタ１９４”は、コレクタ１８４”によって蓄積される総電荷を接地に排出することができる。

電圧信号発生器１８６”は、コレクタ１８４”によって発生される電流信号を受信することができ、電流信号に基づいて、電圧信号を発生させることができる。信号発生器１８６”は、信号結合キャパシタ１９６”を介して、コレクタ１８４”に容量的に結合される、トランスインピーダンス増幅器１９８”を備えることができる。ＣＥＭ１８２の出力端（Ｂ）”は、図４および５の例証的実施形態では、接地されるため、キャパシタ１９６”は、必ずしも、高電圧キャパシタである必要はない。キャパシタ１９６”は、それでもなお、フィルタとして作用することができ、エネルギーレベルが所望のレベルを上回って上昇する場合、トランスインピーダンス増幅器１９８”に放出されるエネルギーの量を制限することによって、回路を保護するのに役立ち得る。

トランスインピーダンス増幅器１９８”は、概して、図２および３のトランスインピーダンス増幅器１９８に関して前述のものと同様に動作し、コレクタへの容量結合を介して受信した電流信号を電圧信号に変換することができる。さらに、前述の実施形態と同様に、トランスインピーダンス増幅器の出力において発生された電圧信号は、下流回路、信号処理、および／または出力デバイス、例えば、付加的増幅段階、コンピュータ、および／またはディスプレイユニットに印加されることができる。非限定的実施例として、示されるように、レジスタ１９９”は、トランスインピーダンス増幅器１９８”によって発生される電圧信号を後続回路、信号処理および／または出力デバイスに結合することができ、トランスインピーダンス増幅器の出力インピーダンス１９８”と信号処理の次の段階の入力インピーダンスを一致させるのに役立ち得る。いくつかの実施形態では、トランスインピーダンス増幅器１９８”の使用は、ＣＥＭ１８２”のバイアスおよび利得が低減させることを可能にし、それによって、そのダイナミックレンジおよびその寿命を増加させる。

本出願人の教示の側面はさらに、以下の実施例に照らして理解され得るが、これは、本出願人の教示の範囲をいかようにも限定するように解釈されるべきではない。

図６は、出願人の教示によるトランスインピーダンス増幅器を利用する、図２に示されるものと類似する検出器を使用することによって、ＡＢ Ｓｃｉｅｘ ＱＴｒａｐ(R)５５００システム質量分析計において、６０９．２３のｍ／ｚ比を有するレセルピンのイオンの検出に対応する測定されたデータ（黒丸）と、従来のｘ２０電圧増幅器を伴う連続ダイノード検出器を使用して、これらのイオンに対して得られた個別のイオン検出データ（白丸）とを図示する。観察または測定された計数率（すなわち、システムによって計数される検出器パルスの数）から計算される、測定された信号強度は、ｙ−軸上に図示され、システム不感時間に対して補正される。図示されるデータに関して、不感時間補正は、約１９．５ナノ秒の不感時間を利用する、無効化計数システムに基づく。測定された信号強度は、検出器飽和が生じないときの実際の計数率（すなわち、約６０９．２３のｍ／ｚ比を有するイオンから生じるはずである、検出器パルスの数）に等しく、「測定＝実際」として指定される破線によって図示される。ｘ−軸上に提供される、図示される実施形態における実際の計数率は、約６１２．２３のｍ／ｚ比を有する、第４の同位体の測定された信号強度を、低計数率で求められたその同位体比によって除算することによって求められた。当業者は、飽和が生じない場合、第１の同位体、すなわち、約６０９．２３のｍ／ｚ比を有する同位体の強度が、破線によって表される実際の計数率に等しいであろうことを認識するであろう。したがって、破線によって示されるプロットは、実際の計数率が、測定された計数率とほぼ等しくなる、すなわち、本質的に、システム内に飽和が存在しないように、約１の傾きを有する線を図示する。本破線は、測定された計数率（すなわち、トランスインピーダンス増幅器の存在および不在下で得られる計数率）と実際の計数率の逸脱を比較するために使用される。

図６に示されるように、本出願人の教示によるトランスインピーダンス増幅器の使用は、イオン検出のダイナミックレンジを改善することができる。データは、本実施例では、約２５００万計数／秒〜約３，０００万計数／秒の範囲内の測定された計数率が、トランスインピーダンス増幅器を使用して、達成されることができる一方、本実施例において、従来の検出システムによって達成された最大測定計数率が、約８００万計数／秒にさえ到達しないことを示す。

さらに、図６のデータは、本出願人の教示によるトランスインピーダンス増幅器の使用が、測定された計数率の正確度を改善することができることを図示する。例えば、破線に対する、トランスインピーダンス増幅器を利用する検出システムによって測定された計数率に対応するデータの逸脱は、従来の検出システムによって得られたデータの個別の逸脱をはるかに下回る。示されるように、従来の検出システムに対して測定された計数率は、はるかに低い計数率において、「測定＝実際」破線から逸脱し、トランスインピーダンス増幅器を利用する検出システムに対して観察されたものより高い逸脱を呈する。任意の特定の理路によって限定されるわけではないが、「測定＝実際」破線からの測定された計数率の逸脱は、個別のシステムの飽和効果に起因し得、データは、トランスインピーダンス増幅器が、本出願人の教示に従って、検出システムに組み込まれるとき、飽和効果が、有意に少なくなり得ることを図示する。

図７は、レセルピンの４つの同位体ピークを図示する、質量スペクトルデータのプロットを示し、最高ピークに対する実際の計数は、約３９０万計数／秒である。図６におけるプロット同様に、測定された信号強度は、システム不感時間に対して補正される。図示されるデータに関して、不感時間補正は、約１９．５ナノ秒の不感時間を利用する無効化計数システムに基づく。

実線曲線によって描写されるデータは、ＡＢ Ｓｃｉｅｘ ＱＴｒａｐ（登録商標）５５００システム質量分析計を使用して、かつトランスインピーダンス増幅器が本出願人の教示に従って採用された図２の実施形態に基づく、検出システムを利用することによって得られた。破線によって描写されるデータは、同一の質量分析計のであるが、従来のｘ２０電圧増幅器を伴う（すなわち、トランスインピーダンス増幅器を採用しない）連続ダイノード検出器を備える、従来の検出システムを使用することによって得られた。

図の７データは、トランスインピーダンス増幅器を組み込む検出システムの使用が、ダイナミックレンジの増加をもたらすことができることを示す。例えば、実線ピーク２００”および２０２”は、約６０９．２３および約６１０．２３のｍ／ｚ比を有する２つの同位体の異なる濃度を示す、異なる高さを呈するが、これらの２つの同位体に対応する破線ピーク２００および２０２は、実質的に、類似高さ（相互に約１００万計数／秒以内）を有する。データはまた、トランスインピーダンス増幅器が、システムのダイナミックレンジを増加させることができることを示す。示されるように、実線の第１のピーク２００”は、約３９００万計数／秒の実際の計数率を有する第１の同位体に対して、約３，０００万計数／秒の測定された強度または計数率を図示し、これは、同一の実際の計数率に対して、約７５０万計数／秒の測定された強度または計数率を有する、破線の第１のピーク２００とは対照的である。

本明細書に説明されるシステム、デバイス、および方法は、多くの異なる質量分析システムと併用されることができる。図１は、出願人の教示が使用されることができる、いくつかの質量分析計の一般的フレームワークを提供するが、図８および９は、いくつかのそのような分光計のいくつかのさらなる詳細を提供する。本出願人の教示の側面は、図８および９と関連付けられた実施例に照らして、さらに理解され得るが、そのような実施形態は、本出願人の教示の範囲をいかようにも限定するものと解釈されるべきではない。当業者は、質量分析計ならびにその構成要素、例えば、質量分析器および検出器が、本出願人の教示に従って使用されることができる、種々の構成を理解するであろう。

図８は、三連四重極質量分析計１０の非限定的実施形態を図示する。示されるように、質量分析計１０は、イオン源１２と、検出器１４と、検出器１４の上流に位置する、１つ以上の四重極２０、３０、４０、５０、６０を備える、質量分析器１３とを備える。四重極２０、３０、４０、５０、６０は、分離される、例えば、レンズ２４、３４、４４、５４によって分離され得る、隣接するチャンバ２２、３２、４２、５２、６２内に配置されることができる。代替として、いくつかの実施形態では、四重極のうちの１つ以上、例えば、非限定的実施例として、Ｑ１四重極４０およびＱ３四重極６０は、１つ以上のレンズと同一のチャンバ内に位置することができる。いくつかの実施形態では、Ｑ１四重極４０およびＱ３四重極６０を備える、チャンバはさらに、検出器１４を備えることができる。単一チャンバ内への複数の構成要素の含有は、分光計と併用されるポンプの数を低減させる結果をもたらすことができる。

イオン源１２は、エレクトロスプレー源であることができるが、イオン源１２はまた、任意の他の好適なイオン源であることができることを理解されたい。例えば、イオン源１２は、とりわけ、連続イオン源、パルス状イオン源、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）イオン源、マトリックス支援レーザー脱離／イオン化（ＭＡＬＤＩ）イオン源、グロー放電イオン源、電子衝突イオン源、または光電離イオン源であることができる。

イオン源１２から放出されると、イオンは、随意に、機械的ポンプによって真空化され、所望の圧力を達成するように構成される、真空チャンバ７４内に格納され得る、カーテンまたはサンプラープレート７０およびオリフィスまたはスキミングプレート（「スキマー」）７２内の開口を連続的に通過させることによって、コヒーレントイオンビーム中に抽出されることができる。サンプラープレート７０およびスキマー７２によって提供されるイオン抽出は、狭小かつ非常に集束されたイオンビームをもたらすことができる。いくつかの実施形態では、付加的真空チャンバ、プレート、スキマー、およびポンプが、利用され、例えば、イオンビームの付加的集束および微細な制御を提供することができる。

イオン源１２から放出されるイオンは、１つ以上のサンプラープレートまたはスキマーを通過するかどうかにかかわらず、１つ以上の四重極を通過することができる。１つ以上の四重極は、ポンプが、１つ以上のチャンバを真空化し、所望の圧力範囲を達成するように動作可能であり得るように、１つ以上の機械的ポンプと関連付けられた１つ以上のチャンバ内に位置することができる。典型的には、各チャンバ内の圧力は、連続四重極に伴って増加する。図示される実施形態は、四重極を使用するが、六重極、八重極、あるいは本性質の他の極および／またはリングガイドもまた、使用されることができる。

示されるように、イオン源１２から放出されるイオンは、各チャンバが、個別のレンズ２４、３４、４４、５４によって分離される、それぞれ、チャンバ２２、３２、４２、５２、６２内に配置される、５つの四重極２０、３０、４０、５０、６０を通過する。前述のように、いくつかの他の実施形態では、四重極２０、３０、４０、５０、６０、およびレンズ２４、３４、４４、５４のうちの任意の１つを含む、１つ以上の構成要素が、同一のチャンバ内に配置されることができる。四重極２０、３０、４０、５０、６０は、少なくとも、分析されている質量および測定されている所望のパラメータに応じて、種々の目的のために、種々の機能を果たすように構成されることができる。したがって、特定の四重極が、どのように説明される実施形態と併用されるかのいかなる説明も、本出願人の教示と任意の数の機能を果たす任意の数の四重極との併用にいかようにも限定しない。

いくつかの実施形態では、ＱＪｅｔ(R)四重極２０は、ガス動態および無線周波数場の組み合わせを使用して、イオンを捕捉および集束することによって、検出の下限に到達し得るように、分光計１０の感度を改善するために使用されることができる。いくつかの実施形態では、Ｑ０四重極３０は、例えば、その中に位置するイオンを衝突冷却することによって、衝突集束イオンガイドとして動作するために構成されることができる。いくつかの実施形態では、Ｑ１四重極４０は、時として、前駆体イオンと称される、着目イオンを選択するために使用されることができる。非限定的実施例として、Ｑ１四重極は、レンズ４４およびイオン光学または短太ロッド５８をＱ１四重極４０より高いオフセット電位に維持することによって、イオントラップとして動作されることができる。いくつかの実施形態では、Ｑ２四重極５０は、加圧された区画または衝突チャンバ５２の一部として動作されることができる。示されるように、Ｑ２四重極５０は、Ｊ−形状の湾曲衝突セルであることができ、直線区画または部分５１および湾曲区画または部分５３を備えることができる。

Ｑ３四重極６０は、同様に、例えば、走査ＲＦ／ＤＣ四重極または線形イオントラップとして、質量分化検出のために、質量選択的に、四重極６０内に捕捉されたイオンを検出器１４に走査するように、いくつかの様式で動作されることができる。Ｑ３四重極６０が、どのように構成および動作され得るかのいくつかの非限定的実施例は、米国特許第６，１７７，６６８号「Ａｘｉａｌ Ｅｊｅｃｔｉｏｎｉｎ ａ Ｍｕｌｔｉｐｏｌｅ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ」により詳細に説明され、参照することによって全体として本明細書に組み込まれる。

随意に、１つ以上のＲＦ専用イオンガイドまたは短太ロッドが、四重極間におけるイオンの転送を促進するために含まれることができる。短太ロッドは、Ｂｒｕｂａｋｅｒレンズとしての役割を果たすことができ、例えば、レンズがオフセット電位に維持される場合、隣接するレンズの近傍に形成され得る、任意のフリンジング場との相互作用によって、イオンが軌道減衰を受けないように防止するのに役立ち得る。示されるように、第１の短太ＲＦ専用イオンガイドまたは短太ロッド４８は、Ｑ０四重極３０とＱ１四重極４０との間に提供され、第２の短太ＲＦ専用イオンガイドまたは短太ロッド５８は、Ｑ１四重極４０とＱ２四重極５０との間に提供される。短太ロッド４８および５８は両方とも、Ｑ１四重極４０が位置する、チャンバ４２の一部として図示されるが、種々の他の実施形態では、短太ロッド４８および５８は、他の場所に位置することができる。非限定的実施例として、短太ロッド５８は、Ｑ２四重極５０前の衝突チャンバ５２内にあることができる、または短太ロッド４８は、Ｑ０四重極３０後のチャンバ３２内に位置することができる。

生成イオンおよび前駆体イオンの両方を含み得る、チャンバ６２からの検体イオンは、イオンが検出され得るように、出口レンズ６４を通して、検出器１４中に伝送されることができる。検出器は、次いで、本システム、デバイス、および方法に照らして、当業者に公知の様式で動作されることができる。検出器が、どのように動作され得るかのいくつかの実施例は、図１−５に関して前述されているが、そのような説明ならびに以下に続くいかなる説明も、本出願人の教示が、どのように検出器に提供され得るかをいかようにも限定するものではない。

非限定的実施例として、検出器は、電子増倍管を備えることができ、次第により正の電位に保持される、一連の電極の第１のものに入射するイオンは、第１の電極から電子の放出を生じさせることができ、これは、後続電極に加速され、その電極からの二次電子の放出を誘発し、二次電子放出は、他の電極において繰り返され、電子集合を発生させる。電子集合内の電子の少なくとも一部は、例えば、検出器の金属アノードによって収集され、イオンの強度を示す、電気信号を発生させることができる。本電気信号は、続いて、所望に応じて、増幅、記憶、および表示されることができる。電子増倍管の非限定的実施例は、各ダイノードが先行のものより高い正の電位に維持され得る、一連のダイノード（概して、約１６〜約２５の範囲内）を使用することができる、離散ダイノード二次電子増倍管と、少なくとも部分的に前述されるように、伝導表面を使用して、連続ダイノードとして作用し得る、チャネル電子増倍管（ＣＥＭ）または連続ダイノード電子増倍管とを含む。イオンが増倍管を通過するにつれて、電子は、各電子が表面に衝打するたびに、二次電子の数が増幅されるように、概して、個別のダイノード（離散ダイノード二次電子増倍管）の表面または伝導表面間に反射され、前進され得る。概して、ＣＥＭは、離散ダイノード二次電子増倍管よりコンパクトである。代替として、いくつかの実施形態では、マイクロチャネルプレート検出器が、ＣＥＭの代わりに、使用されることができ、トランスインピーダンス増幅器に関するもの等の本出願人の教示、そのような検出器と併用するために組み込まれることができる。

図９は、三連四重極質量分析計１０の別の非限定的実施形態を図示する。示されるように、質量分析計１０’は、イオン源１２’と、検出器１４’と、それぞれ、検出器１４’の上流に位置する、Ｑ１四重極４０’、Ｑ２四重極５０’、およびＱ３四重極６０’を備える、質量分析器１３’とを備える。四重極４０’、５０’、６０’は、例えば、レンズ４４’、５４’によって分離され得る、隣接するチャンバ４２’、５２’、６２’内に配置されることができ、出口レンズ６４’は、Ｑ３四重極６０’を検出器１４’から分離することができる。示されるように、分光計１０’はまた、チャンバ４２’内のＱ１四重極４０’とＱ２四重極５０’との間に位置する、第１の短太ロッド４８’と、チャンバ６２’内のＱ２四重極５０’とＱ３四重極６０’との間に位置する、第２の短太ロッド５８’とを備える。分光計１０’の四重極４０’、５０’、６０’は、分光計１０の四重極と同様の様式で動作することができるが、Ｑ２四重極５０’を備える、衝突セル５２’は、分光計１０のセル５２のような湾曲衝突セルではなく、直線衝突セルである。

本明細書に開示されるシステム、デバイス、および方法と併用され得る、質量分析計の他の非限定的である例示的実施形態は、例えば、参照することによって全体として本明細書に組み込まれる、米国特許第７，９２３，６８１号「Ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ Ｃｅｌｌ ｆｏｒ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ」に見出すことができる。他の構成として、本明細書に説明されるものを含むが、それらに限定されず、他の当業者に公知の他のものもまた、本明細書に開示されるシステム、デバイス、および方法と併用されることができる。

前述の説明は、種々の実施形態の実施例および具体的詳細を提供するが、説明される実施形態のいくつかの特徴および／または機能は、説明される実施形態の範囲から逸脱することなく、修正を受け入れることを理解されたい。前述の説明は、本発明の例証であることが意図され、その範囲は、本明細書に添付の請求項の用語によってのみ限定される。例えば、本明細書における教示は、種々の実施形態と関連して説明されるが、そのような教示が、そのような実施形態に限定されることを意図しない。対照的に、本明細書における教示は、当業者によって理解されるように、種々の代替、修正の、および均等物を包含する。本明細書に引用される全ての刊行物および参考文献は、参照することによって、明示的に全体として本明細書に組み込まれる。

Claims (15)

1. 質量分析計システムにおいて使用するための検出器であって、
   電子増倍管と、
   前記電子増倍管の下流に配置され、電子電流を前記電子増倍管から受容し、電流信号を発生させるように構成される、コレクタと、
   前記電流信号を受信し、前記電流信号に基づいて、電圧信号を発生させるために、前記コレクタに電気的に結合される、トランスインピーダンス増幅器と
   を備える、検出器。
2. 前記トランスインピーダンス増幅器は、非１利得または調節可能利得を提供するように構成される、請求項１に記載の検出器。
3. 前記コレクタと前記トランスインピーダンス増幅器との間に配置され、前記電流信号を前記増幅器に容量的に結合する、結合キャパシタをさらに備える、請求項１に記載の検出器。
4. 前記電子増倍管の上流に配置される高エネルギー変換ダイノードをさらに備え、前記ダイノードは、イオンを前記電子増倍管中に放電するように構成される、請求項１に記載の検出器。
5. 前記電流信号は、パルス電流信号を備える、請求項１に記載の検出器。
6. 前記トランスインピーダンス増幅器の下流に配置されるレジスタをさらに備え、前記レジスタは、出力デバイスのインピーダンスを前記トランスインピーダンス増幅器の出力インピーダンスに一致させるように構成される、請求項１に記載の検出器。
7. 質量分析計システムであって、
   イオン源と、
   複数のイオンを前記イオン源から受容するように構成される、質量分析器と、
   前記質量分析器の下流に配置され、前記質量分析器から放出されるイオンを受容するように構成される、検出器であって、
   前記質量分析器によって放出される前記イオンの少なくとも一部を受容し、前記受容したイオンに応答して、電流信号を発生させるように構成される、イオン検出モジュールと、
   前記イオン検出モジュールに電気的に結合され、前記電流信号を受信し、前記電流信号を電圧信号に変換する、トランスインピーダンス増幅器と
   を備える、検出器と
   を備える、システム。
8. 前記トランスインピーダンス増幅器は、非１利得または調節可能利得を有するように構成される、請求項７に記載の質量分析計システム。
9. 前記検出器は、パルス計数モードで動作するように構成され、飽和せずに、最大約２，０００万計数／秒のパルス計数レートで動作可能である、請求項７に記載の質量分析計システム。
10. 前記イオン検出モジュールは、電子増倍管を備える、請求項７に記載の質量分析計システム。
11. 前記イオン検出モジュールはさらに、前記質量分析器から放出される前記イオンの少なくとも一部を受容し、前記受容したイオンに応答して、二次イオンおよび／または電子を発生するように構成される、高エネルギー変換ダイノード（ＨＥＤ）を備え、前記ＨＥＤは、前記二次イオンおよび／または電子を前記電子増倍管に指向するように、前記電子増倍管と連通する、請求項７に記載の質量分析計システム。
12. 前記質量分析器は、前記イオン源の下流に配置され、イオンを前記イオン源から受容する、複数の四重極を備える、請求項７に記載の質量分析計システム。
13. 質量分析計において、イオンを検出するための方法であって、
    前記質量分析計の質量分析器によって放出される複数のイオンを電子増倍管中に導入し、パルス状電流信号を発生させるステップと、
    前記パルス状電流信号をパルス状電圧信号に変換するように、前記パルス状電流信号をトランスインピーダンス増幅器にフィードするステップであって、前記電子増倍管は、随意に、チャネル電子増倍管を備えることができる、ステップと
    を含む、方法。
14. 前記チャネル電子増倍管は、複数のチャネルを備える、請求項１３に記載の方法。
15. 前記電子増倍管は、離散ダイノード検出器を備える、請求項１３に記載の方法。

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