JP5383492B2 - マルチチャンネル検出 - Google Patents

Description

本発明は、多重反射を有する飛行経路を持つ機器における荷電粒子の検出に関する。

飛行時間（ＴＯＦ）型質量分析計において、荷電粒子は、電位を与えることによって飛行経路に沿って加速され、質量対電荷（ｍ／ｚ）比は、検出配列を利用して、所定の距離についての飛行時間を測定することによって特定される。検出配列を選択する際の考慮事項としては、検出器の応答時間、検出器のダイナミックレンジ、最小検出可能信号（検出限界）、同時に検出器に到着する複数の荷電粒子を検出する能力、および検出器の時間分解能などがあり得、この時間分解能は、異なる時間において検出器に到着する粒子を判別する検出器の能力である。

荷電粒子が所定の点または平面に到達するのに要する時間は、その荷電粒子の初期運動エネルギ、ｍ／ｚ比、および飛行経路の長さに左右される。直交式ＴＯＦ型質量分析計は、通常、比較的短い飛行経路を有する。したがって、ｍ／ｚ比が異なる粒子は、その飛行時間に顕著な差が存在しないため、このような質量分析計は、明確なイオンビームについて高速の取得システムを用いる場合であっても、質量分解能が限定されてしまう。このようなＴＯＦ型分析計において、有用な高いダイナミックレンジは、非常に多数のスペクトルを加算することによって達成されるもので、この各スペクトルは、通常、数十から数百の検出イオンを含んでいる。また、各アノードが個別の出力を持つ、いくつかのアノードを備えた検出器を利用することもできる。

飛行経路の長さは、機器のサイズを著しく大きくしなくても、荷電粒子ビームを複数回反射させて、有限体積内にイオン軌道を折り畳むことによって増やすことができる。このことは、複数の静電イオンミラー、複数の静電セクタ、またはこれらの任意の組み合わせを利用することで達成される。多くの場合、複数のミラーまたはセクタは、飛行時間の分離方向と実質的に直交する方向に沿って伸長された統合構造体に置き換えることができる。飛行経路の長さを増やす望ましい程度は、検出配列の機能によって異なる。

前述したすべてのシステムは、複数のセグメントによって特徴付けられ、この各セグメントは、イオン加速領域（すなわち、反射または偏向領域）と、その後に続く、この加速が比較的小さい領域（すなわち、実質的なフィールドフリー領域）とを備える。以下、このようなすべてのシステムを多重反射ＴＯＦと呼ぶものとする。

イオン光学の視点から、多重反射ＴＯＦは、静電トラップのより一般的な分類の中の細分類であり、「開放型」および「閉鎖型」の多重反射ＴＯＦに更に細かく分類することができる。「開放型」は、トラップ内に無期限でイオン軌道を閉じ込めることができず、限定された回数のみの反射が行われるシステムを表す。一般に、イオン経路は、重なり合うことはない。このようなシステムは、「閉鎖型」の静電トラップに典型的な質量範囲の限界に悩まされることはない。「閉鎖型」静電トラップにおいて、イオンは、実質的に同一の経路に従うことを強いられるため、ｍ／ｚ範囲の異なる領域が次第に重複することになる。

多重反射ＴＯＦ型質量分析計の主な利点は、飛行経路長の増加と、それに伴う飛行時間の増加である。したがって、ｍ／ｚ比が異なる粒子同士の飛行時間差異（すなわち、ＴＯＦ分散）が増大するため、質量分解能が向上する。飛行時間が増えると同時に、繰り返し数は減少する。この減少した繰り返し数は、加算し得るスペクトル数を低減するため、所定の期間において分析計が実現できるダイナミックレンジを抑制する。

分析のデューティサイクルも減少するが、この減少量は、イオンをＴＯＦ内への注入の間に蓄積するイオン格納装置を利用することによって取り戻し得る。ただし、デューティサイクルを維持するためにイオン格納装置を利用すると、各質量ピーク内のイオン数が増加し、その結果、単一ショット内の強度範囲は、既知の検出器の能力を超えて増加することになる。

このように、既存のＴＯＦ型機器は、高い質量分解能と、高いダイナミックレンジとを一緒に提供することができない。したがって、このような機器では、第１のｍ／ｚ比を持ち、電荷粒子ビーム内に多量に存在する１つのタイプの粒子と、第１のｍ／ｚ比に近いｍ／ｚ比を持つが、前記ビーム内に僅かしか存在しない第２のタイプの粒子とを区別することができない。

前述の背景を鑑み、本発明は、第１の態様において質量分析計を提供し、この質量分析計は、ビーム内の荷電粒子に複数回の方向変更を行わせる電極配列と、第１検出時間において荷電粒子ビームの第１部分を検出し、前記荷電粒子ビームの検出された第１部分の強度に基づいた第１出力を提供するように構成される検出配列とを含み、前記検出配列は、更に、第２検出時間において前記荷電粒子ビームの第２部分を検出し、前記荷電粒子ビームの検出された第２部分に基づいた第２出力を提供するように構成される。

前記第１出力は、荷電粒子ビームの検出された第１部分の強度に関する情報を含む。このため、第１出力は、荷電粒子ビームの検出された第１部分の強度に応じて変化する信号を提供するように構成されてよい。また、第１出力は、荷電粒子ビームの検出された第１部分の飛行時間にも基づいていると有利である。好ましくは、前記検出配列は、時間収束位置において前記荷電粒子ビームの第１部分を検出するように構成される。この構成は、通常、性能の向上を伴う。代替または追加の構成として、前記検出配列は、時間収束位置において前記荷電粒子ビームの第２部分を検出するように構成されてもよい。

質量分析計は、検出配列の第１出力に基づいて、荷電粒子ビームおよび検出配列の少なくともいずれかのパラメータを調整することで、前記検出配列の第２出力を調整するように構成される制御装置を更に含む。これにより、前記制御装置は、荷電粒子ビームの検出された第１部分の強度についての情報を、前記第１出力から利用できる。

これにより、延長された飛行経路を持ち、前記検出配列の第１出力を利用して、前記検出配列からの第２出力を調整することができる多重反射装置が有利に提供される。この構成は、検出器の線形範囲内の最適化と、飽和またはノイズ（たとえば、散乱イオンによって引き起こされる状態）からの装置の保護と、スループットの改善と、強いイオンビームの質量分解能の改善と、ダイナミックレンジの増大とを実現できる。有利な構成として、前記制御装置は、所望の範囲内に入るように、検出配列の第２出力を調整してもよい。第２出力の所望の範囲を適宜設定することで、前述の各改善を達成できる。これらの多重反射装置は、マルチセクタ機器を含んでもよい。

好ましくは、前記電極配列は、ビーム内の荷電粒子に、少なくとも４５度の多重方向変更を行わせるように構成される。任意構成として、電極配列は、ビーム内の荷電粒子に、多重反射を行わせるように構成される。

好ましくは、前記電極配列が、荷電粒子ビームの飛行経路を画定し、前記検出配列は、実質的にその飛行経路の終端に向かって配置され、たとえば、飛行経路の最後の５０％に沿って、より好ましくは、飛行経路の最後の２０％、１０％、または５％に沿って配置される。飛行経路の終端に更に近付けて検出器を配設することにより、各パルス内のイオンは、その質量対電荷比に応じて、ほぼ最大量まで時間的に分離されて、最大の質量分解能を提供する。

好ましい実施形態において、前記電極配列は、ビーム内の荷電粒子に、少なくとも３回の反射を行わせる。任意の構成として、少なくとも５回、１０回、２０回、１００回、または２００回の反射を利用してもよい。適切に設計されたイオンミラー（たとえば、エネルギの３次以上のＴＯＦ収束および他の初期パラメータの１次または２次収束）を用いた場合、飛行経路が長くなるにつれて質量分解能も向上する。

特定の実施形態において、検出配列の第２出力は、荷電粒子ビームの検出された第２部分の飛行時間に基づくものであってよい。これに代えて、または加えて、前記第２出力は、荷電粒子ビームの検出された第２部分の強度に基づいたものであってもよい。このことは、特に、飛行時間型質量分析計に適用可能であり、この飛行時間型質量分析計において、検出配列の各出力は、検出器から所定の時間に受け取った信号の強度として記録される。これにより、前記出力は、荷電粒子ビームの検出された部分の強度と飛行時間の両方についての情報を含む。

第２出力が、荷電粒子ビームの検出された第２部分の飛行時間に基づいている場合、制御装置は、前記飛行時間に基づいた第２出力を、第１出力を基準に調整するように構成することができる。その結果、第２出力を調整することができる。これにより、第２出力から測定されたピークの飛行時間は、第１出力内のそのピークの強度に基づいてシフトすることができるため、強いピーク付近における飛行時間の補正が、他の質量ピークについての飛行時間の補正と異なるように設定できる。

第２出力が、荷電粒子ビームの検出された第２部分の強度に基づいている場合、強度情報を含む前記第２出力は、同様に強度情報を含む第１出力を利用して調整されてよい。このような実施形態において、イオンビームの第２部分を検出する際の検出配列の飽和は、第１出力に基づいて検出配列を制御することによって回避できる。

検出配列は、時間収束領域に配置されて、荷電粒子ビームの第１部分についての第１出力を提供し、その後で荷電粒子ビームの第２部分についての第２出力を提供する単一の検出器を含むことができる。代替の構成として、検出配列は、第１の時間収束領域に配置されて、荷電粒子ビームの第１部分についての第１出力を提供する第１検出器と、第２の時間収束領域に配置されて、荷電粒子ビームの第２部分についての第２出力を提供する第２検出器とを含んでもよい。この場合、任意構成として、イオンビームの第１部分は、イオンビームの第２部分よりも小さくてよい。イオンビームの第２部分は、第１部分の少なくとも３倍のサイズであってよい。これに代えて、第２部分は、第１部分よりも５倍、１０倍、２０倍、５０倍、または１００倍の大きさであってもよい。任意構成として、ビームの第２部分は、ビームの第１部分において検出されなかった残りのイオンをすべて含む。

検出配列が複数の検出器を含む場合、第１検出器および第２検出器は、任意構成として、少なくとも１つの共通増幅ステージを含んでもよい。有利な構成として、これらの検出器は、同一構造内に統合されてよい。マイクロチャンネルプレートは高価であり得るため、複数の検出器が、１つまたは複数の共通マイクロチャンネルプレートを共有すると好ましい。

制御装置は、第１検出器の第１出力に基づいて第２検出器の感度を制御することで、第２出力を調整するように構成されてよい。ただし、追加または代替の構成として、好ましい実施形態の検出配列は、第１検出器と第２検出器との間に配置された第１変調器を更に含むことができる。第１変調器は、特定の比率の荷電粒子ビームが第２検出器に向かって更に伝搬することを防止でき、この特定の比率は、前記第１検出器の第１出力に基づいて決定される。このように、制御装置は、特定の比率のビームが第２検出器に到達することを防止して、第２検出器の第２出力が所望の範囲内に入るように、前記第２出力を制御することができる。この構成の利点は、第２検出器の感度を調整せずに、すなわち、対応する電子機器を調整することなく、迅速に第２検出器の出力を制御できることである。また、第２検出器の飽和、および飽和に付随する悪影響（第２検出器の寿命の低下、ピークテイリング、およびリンギングなど）が回避される。それでもなお、変調器を経由して第２検出器に到達するビーム内のイオン数を制御し、かつ（同時に）、第２検出器の感度を制御／調整することも、もちろん可能である。

変調器は、任意構成として、荷電粒子ビームの少なくとも一部を偏向して、好ましくは、バッフルに向かう方向、またはイオン光学要素から離れる方向に仕向けるように構成される。任意構成として、変調器は、検出配列の第１出力が所定の閾値より大きいことに基づいて、荷電粒子ビームの第２部分の要素として検出されるイオン数量を低減してもよい。このことを利用して、イオンビームの集中部分が第２検出器に到達することを禁止できる。変調器は、時間収束領域に配置されると有利である。検出配列は、第２出力を提供する第２出力部を含むことができる。このとき、変調器は、前記第２出力部のすぐ上流の時間収束領域に配置されると好ましい。

この手法は、たとえば、最初に低い利得、次により高い利得で単一の検出器を利用する、構造がより単純な代替の構成と比べて、有利な特徴を提供する。複数の検出器を利用する実施形態において、到来するイオンパケット内の高速の変動または再生不可能性は、第１および第２の出力それぞれの質量ピーク強度の関係に影響しない。したがって、両方の出力のピークを連続して利用して、元のイオンパケットの真の強度を復元することで、応答のより優れた線形性を提供できる。また、２倍の因数でのデューティサイクルの低減も機器性能にとって有利である。

任意構成として、検出配列は、第３検出器と第２変調器とを含んでもよい。このとき、制御装置は、第１検出器の出力に基づくことに加え、またはこれに代えて、第２検出器の出力に基づいて、検出配列のパラメータ（たとえば、第３入力イオンビーム）を調整するように更に適合されてよい。第３検出器は、第２検出器と比べて、より大きい部分のビームを検出してよい。任意構成として、第３検出器は、第２検出器のビームのサイズの３倍、５倍、１０倍、２０倍、５０倍、または１００倍のサイズのビームを検出してもよい。任意構成として、第３検出器は、第１検出器または第２検出器のいずれにも検出されない荷電粒子ビームの部分をすべて検出する。

好ましい実施形態において、前記分析計は、荷電粒子を生成するように構成されるイオン源と、荷電粒子を加速してビームを形成させるように構成される加速電極配列とを更に含む。質量分析計は、パルスイオン格納部を更に含むことができる。これは、軸方向または直交方向の抽出イオン格納部であってよい。

第２の態様において、本発明は、質量分析方法を提供する。本方法は、電極配列を利用して、荷電粒子ビームに多重反射を行わせるステップと、時間収束領域において、検出配列を利用して荷電粒子ビームの第１部分を検出し、前記検出配列に、荷電粒子ビームの検出された第１部分に基づいた第１出力を与えるステップと、時間収束領域において、前記検出配列を利用して荷電粒子ビームの第２部分を検出し、前記検出配列に、荷電粒子ビームの検出された第２部分に基づいた第２出力を与えるステップと、前記検出配列の前記第１出力に基づいて、前記荷電粒子ビームおよび前記検出配列の少なくともいずれかのパラメータを調整することで、前記検出配列の前記第２出力を調整するステップと、を含む。

本発明に係る質量分析計を示す図である。 図１の質量分析計に用いられる検出器の側面図である。 図２ａの検出器の前面図である。 小型の２段検出器を備える、図１の質量分析計を示す図である。

本発明は各種の方式で実用化することができ、その方式のうちの１つについて、例示することのみを目的として、下記の付属図面を参照しながら説明する。まず、図１を参照しながら、本発明に係る質量分析について記載する。

この質量分析計は、イオン源１０と、荷電粒子ビーム３５を偏向させる複数のイオンミラー４０と、第１荷電粒子検出器５０および第２荷電粒子検出器６０を含む検出配列とを含む。荷電粒子は、前記イオン源によって生成されて、荷電粒子ビーム３５に形成され、イオンミラー４０によって複数回、反射される。多数のイオンミラー４０は、妥当なサイズの機器内で、イオンビームが長い飛行経路を移動できるようにする。

図１の質量分析計は、前方トラップ２０、イオン格納部３０、光学伝送電気セクタ（または同等のイオン伝送光学系）１１０、フラグメンテーションセル１２０、および伝送多極レンズ１３０も含む。質量分析計の検出配列は、第１変調器７０と、第２変調器８０と、第３検出器９０とを更に含む。

この配列と、特に（数百回の反射を引き起こせる）多数のイオンミラーとが意味するのは、荷電粒子が、多重反射分析計内で比較的長い期間のあいだ保持されるため、その荷電粒子は機器内で長い距離を移動するということである。この距離は、可搬式機器における数メートルから、大きい実験室用装置での数キロメートルになり得るが、必ず、対応する真空チャンバの物理長よりもかなり大きくなる。これに対し、従来の直交式飛行時間型分析計は、一般に、真空チャンバの長さの２〜４倍の長さしかない飛行経路を実現する。分析計内で粒子が移動する時間の増加は、異なる質量対電荷比を持つ粒子の時間分離を向上させ、ひいては、適切に設計されたミラーによる質量対電荷の分解能を向上させる。

同一のｍ／ｚ比である粒子が、異なる初期運動エネルギを持つこともある。分析計は、好ましくは、ミラー間に少なくとも１つの時間収束点または時間収束平面が存在するように設計される。これらの点または平面は、所定のｍ／ｚ比の荷電粒子が、その初期エネルギ、１次、２次、３次、もしくはそれより高次で近似化された座標または角度に関わりなく、同時に到達する飛行経路上の地点である。

次いで、荷電粒子は、飛行経路の端部に向かって配置された検出配列を通過するが、その際、第１検出器５０を最初に通る。第１検出器５０は、時間収束点または平面に配置される。第２検出器６０は、第２の時間収束点または平面に配置される。これらの検出器を時間収束点に配置することによって、同一のｍ／ｚ比を持つ粒子の飛行時間の広がりが最小限に抑えられる。このことは、ｍ／ｚが僅かに異なる粒子が、検出器に到着したときに時間的に分離され、その結果、分解可能になるという点で重要である。

第１検出器と第２検出器との間の荷電粒子の飛行経路に沿った距離は、第１検出器から得られる情報を、対応する荷電粒子が第２検出器に到達する前にリアルタイム、たとえば、数十マイクロ秒後に利用し得る距離である。

これにより、検出配列のパラメータを調整する十分な時間、特に、後段の検出器の出力が許容可能な範囲内に入るように、その後段の検出器の性能を改善する十分な時間を確保できる。これは、いくつかの方式で実行される。

後段の検出器の機器パラメータを調整して、たとえば、その後段の検出器を制御する電位を調整することによって、後段の検出器の検出性能を改善することができる。たとえば、この調整を利用して、電子増倍管を含む第２検出器の利得または感度を修正することができる。このことを利用して、第２検出器の出力が飽和すること、または出力信号が装置のノイズフロアを下回ることを回避してもよい。また、検出された荷電粒子からの小信号および大信号の両方を正確に測定できるように、第２検出器の出力を正規化するために利用してもよい。

一部またはすべての対応するイオンは、たとえば、後段の検出器を過負荷から保護するために、すぐ後に続く検出器から離れる方向に偏向させることができる。第１変調器７０は、第１検出器５０の出力に応じてイオンビームを制御するように設定される。たとえば、第１検出器が、特定の到着時刻において、所定のｍ／ｚ比に対応する高い存在量を検出した場合、変調器は、この検出に応答して、その所定のｍ／ｚ比を持つビーム部分を偏向して第２検出器６０から離れる方向に送ることで、第２検出器６０の飽和を回避することができる。長い飛行経路と、第１検出器と第２検出器との間の十分な距離と共に変調器を利用することで、この変調を行う十分な時間が確保され、第２検出器７０の飽和を引き起こす可能性があるビーム部分のみが偏向されるように制御することができる。

変調器は、検出器の間の時間収束点に配置されることが好ましく、第１検出器表面での一部のビームの検出後の特定の時間に、荷電粒子のパケットを偏向させるように作動される。この時間遅延は、荷電粒子が第１検出器表面からビーム変調器まで移動するのにかかる時間に対応し、この時間は数マイクロ秒〜数十マイクロ秒になり得る。一方、第１検出器で検出された信号が閾値を下回る場合、対応するビームパケット内の荷電粒子は、偏向されることなく、第２検出器の表面まで移動することが許容される。

また、第１検出器における荷電粒子パケットの検出は、サンプリングされてトラップまたは分析計に導入された荷電粒子の数が不十分であるか、または多すぎるかどうかを示すためにも利用され、この場合は、そのデータに基づいて、該当する荷電粒子の分析を破棄して、サンプル荷電粒子のより少ない部分またはより多い部分を再びサンプリングすることを決定することができ、機器のスループットを改善できる。

図示した実施形態には、第３検出器９０が配設されている。この第３検出器は、第１および第２の検出器とは異なる検出効率を持つ。一般に、各検出面には、異なる（通常は大きくなる）検出効率が与えられる。すなわち、各検出器は、異なる割合の荷電粒子ビームを捉える。このとき、第１および第２の検出器を利用して、３つの検出器すべてがその線形ダイナミックレンジ内で機能するように制御することができる。

第２変調器８０は、第２検出器と第３検出器との間のＴＯＦ収束点に配設されて、第１検出器および第２検出器の出力に基づいてビームを偏向させる。一部のビームは、第３検出器９０に向かうように偏向されてもよい。

荷電粒子ビーム１００の一部は、任意構成の電気セクタ１１０に向けて偏向されてよい。これによりビームは、フラグメンテーションセル１２０（イオン格納部にも利用できる）、伝送多極レンズ１３０を通ってイオン格納部３０まで偏向され、そこから再びビームは、イオンミラー４０に向かう経路３５に送り返される。選択、セル１２０における（任意構成の）フラグメンテーション／反応、および質量分析器への注入というこのサイクルは、複数回、繰り返すことができる。

電気セクタ１１０およびセル１２０に向けた偏向は、いずれの変調器によって実行されてもよい。この配列は、たとえば、小さい成分の強化および強いピークのみの選択（たとえば、ＭＳ／ＭＳ実験のための選択）というような複数の目的を果たすことができる。選択された強いピークは、下流の検出器または変調器を迂回することが好ましい。

この配列を利用することで、直交式の飛行時間型質量分析計と比べ、繰り返し数が大幅に削減されることになる。直交式の飛行時間型質量分析計は、毎秒数千回の繰り返し数を持つ可能性があり、質量対電荷スペクトルは、数秒に亘る多数のスペクトルの加算によって構築される。一方、図１に示した実施形態を含め、多重反射による振動式または軌道式トラップまたは分析計では、数ミリ秒から数百ミリ秒で、単一の高分解能スペクトルを記録し得る。

飛行軌道上の非常に多数の荷電粒子を１度に送出して、記録される信号が可能な限り多くのイオンを含むようにすることが特に望ましい。この目的に合わせて、非常に特殊化されたイオン注入装置が開発されており、この装置は、最大で数十万のイオンを前述したようなトラップまたは分析計に制御可能に注入する。

次に、図２ａを参照すると、図１の質量分析計で用いられる電子増倍検出器の側面図が示されている。この検出器は、変換グリッド２１０と、補償電極２２０と、マイクロチャンネルプレート２４０とを含む。荷電粒子２３０は、変換グリッド２１０に向けて送られる。一部の荷電粒子は、変換グリッド２１０に捉えられて、電子２５０を生成し、この電子２５０が、マイクロチャンネルプレート２４０によって検知される。

図２ｂは、図２ａに係る検出器の前面図を示す。３つの変換グリッド２１０およびマイクロチャンネル２４０が図示されている。本実施形態において、３つの検出器は、それぞれ異なる検出効率を持つ。第１検出器は、９９％透過性の導電グリッドを用いて形成され、第２検出器は９０％透過性の導電グリッドを用いて形成され、３つ目は、中実の導電性検出面を用いて形成される。

ここで、荷電粒子の１％を捕捉する第１検出器面が、設定閾値を上回る信号を生成する場合、第２検出器または第３検出器を利用する検出は、荷電粒子ビーム内の質量範囲の対応部分が第２検出器表面に到着する前に、ビーム変調器７０またはビーム変調器８０を利用して、前記対応部分を偏向させることによって回避できる。

電子増倍検出器のダイナミックレンジは、連続ビームについては最大で毎秒〜１０⁶個の粒子、パルスビームについては最大１０⁸〜１０⁹個という荷電粒子到着率で、実質的に線形のまま残る。これを超える到着率では、増倍管からの出力が非線形になることに加え、不相応に長い期間に亘って伸びる応答（ピークテイリングとして知られる）も有する。この非線形性およびピークテイリング期間により、検出器は、最初のもののすぐ後で到着する小信号を正確に記録することができなくなる。また、検出器によってより多くの電荷が放出されるために、より強いイオン信号についての質量分解能および質量精度が阻害されてしまう。

多重反射飛行時間型質量分析計において、長い飛行時間は、高い分解能をもたらす。ここで、１つの質量電荷比を持つ時間的に収束されるイオンは、すべて、〜５から２０ナノ秒内で時間収束点に到着し得る。したがって、このような場合の線形ダイナミックレンジは、各ピークにつき１０〜５０個のイオンのみであり、毎秒〜２×１０⁹イオンというピークイオン到着率に対応する。ここで説明する実施形態における３つの検出面の利用は、第１検出器により検出可能な１０〜５０個のイオンは、質量ピークにおける１０００〜５０００個のイオンに相当することを意味する。第２検出器によって検出できる１０〜５０個のイオンは、元の質量ピークの〜１００から５００個のイオンに相当する。最後の検出器は、単一イオンから５０個のイオンの範囲でイオンを記録する。この例における３つの検出器の利用は、検出器の有効ダイナミックレンジを２桁分増加させる。

検出器間の距離は、イオンミラー４０の周期によって定義される。この周期は、通常、図２で用いられるマイクロチャンネルプレートの一般的なサイズを大幅に超える。図３は、小型の２段階検出器を利用する、図１の質量分析計を示す図である。ミラー４０の空間的周期を低下させることなく、より小型でより安価な検出器を提供するために、第１偏向器８０と、その次の偏向器７０とを利用して、ループ軌道３１０にイオンを送り込んで、検出器３００によってイオンが検知されるように構成する。本実施形態では、小さいマイクロチャンネルプレートを備える小型の集積検出器を利用して、検出器配列を実現できる。

本明細書において特定の実施形態について説明したが、当業者であれば、各種の変更および置き換えを検討することができる。たとえば、前述した実施形態は３つの検出器を含むが、より多くの検出器を利用できることは、当業者であれば理解されるであろう。同様に、変調器の数も変更可能である。

好ましい実施形態における長い経路の長さは、現行の検出器および電子機器の制限により、現時点において望ましいものであるが、このことは本発明を限定するものではない。

本発明を利用して、イオンビームの第２部分の検出強度を調整できるが、本発明は、イオンビームの第２部分の他の測定特性を調整するために利用されてもよい。たとえば、イオンビームの第２部分について検出されたｍ／ｚ比は、下記に示すように調整されてよい。

第２出力内のピークの位置は、注入された合計イオン電荷の関数として調整できる。調整量は、較正実験から推論される。ただし、イオンビームの第２部分内の強いピーク付近の飛行時間変化は、強いピーク付近に存在しない飛行時間を持つイオンに対する飛行時間変化とは異なる場合がある。このような効果は、多重反射中の空間電荷効果によって生じ得るが、検出器自体の物理的限界（たとえば、電流の強いパルス後の分圧器上の電圧分布の回復の遅延）によっても生じ得る。このため、第１検出器が強いピークを検出したときに、第２検出器の出力を調整して、他のイオンと比べて異なる飛行時間誤差を補正する。

代替の構成として、本発明は、単一の検出器を利用して実施されてもよい。第１の反復において、検出器は、荷電粒子ビームの第１部分を検出して、第１出力を生成する。次に、第２の反復で、荷電粒子ビームが質量分析計の廻りで加速される前、または加速されている間に、検出器の第１出力に基づいて、荷電粒子ビームを変調するか、または検出器パラメータを調整する。そして、後の反復中に、検出器は、荷電粒子ビームの第２部分を検出する。

単一の検出器を用いて本発明を実施して、荷電粒子ビームを変調する場合、変調器は、前記検出器に先行する飛行時間収束領域のうちの１つの中に配置されることが好ましい。好ましい実施形態において、変調器は、検出器のすぐ上流に位置する飛行時間収束領域内に配置されると好ましいが、これは、そのポイントにおいて飛行時間の分散が最大になるためである。

この文脈において、変調は、過度に強いピークを除去して、低強度のピークを通過できるようにすることに関連する。第１出力に閾値を利用し、荷電粒子ビームの第１部分内で検出されたピークの強度が閾値を上回る場合には、イオンビームの第２部分を変調して、強いピークを低減し、他の隣接ピークの検出感度を向上させる。いくつかの既存のシステムとは異なり、この文脈における変調は、ビーム全体の減衰を意味するものではない。

本発明は、多重反射の振動式または軌道式トラップや分析計を含む各種の機器において実施されてよい。

本発明は、また、いわゆる「閉鎖型」トラップに適用されてもよい。

本検出配列は、高速ＨＶスイッチング技術を利用する、変換ダイノードおよび電子増倍管を含んでもよい。この検出配列は、多重反射中にイオンビームがダイノードと電子増倍管との間を通過するように配置できるため、高い時間分解能でイオンパケットをサンプリングすることができる。

本発明の更なる実施形態は、飛行経路が、空間的に分離された複数の脚に分割されている質量分析計を含み、この質量分析計において、少なくとも最初の脚は、ビーム内の荷電粒子を多重反射させる電極配列を含む。このビームは、所定数の振動のために、最初の脚または第１の数の脚を通るように仕向けられる。その後、荷電粒子ビームは、最終回の反復のために、１つまたは複数の最後の脚の中に送られる。

検出配列は、１つまたは複数の最後の脚の中に配置される。前述したように、検出配列は、第１検出器と第２検出器とを含むものであっても、または単一の検出器のみを含むものであってもよい。

本発明の代替の実施形態は、好ましい実施形態と同様であるが、検出配列の前段で飛行経路に沿って配設されたバイパス電極配列を提供する点が異なり、このバイパス電極配列は、飛行経路に沿って継続する一方で検出配列を迂回するように荷電粒子ビームを偏向させる構成である。このため、荷電粒子ビームは、多重ループの飛行経路に沿って加速することができるため、飛行経路の長さを伸ばすことができる。このとき、バイパス電極配列を動作不能にすると、荷電粒子ビームは、検出器を通過して検出されるようになる。

変調器は、イオンの向きを変えて、分析の次の段階に送るように構成されてよく、たとえば、飛行経路の異なる脚にビームを向かわせたり、外部の格納装置に荷電粒子を戻したり、またはフラグメンテーションセルにビームを送ったりできる。

質量スペクトルの復元は、質量スペクトルの対応領域に関する検出器固有のスケーリング係数と共に、質量分析計内のすべての検出器の出力を利用して実行されてよい。加えて、スペクトルの復元は、特に、検出器が共有されているか、または飛行距離の一部において同一経路上でイオンが反射される場合には、デコンボリューションアルゴリズムを含む必要があってもよい。

たとえば、ＭＳ／ＭＳまたはＭＳⁿの用途では、第１出力を利用して、変調器による強いイオンパケット（すなわち、特定の質量ピーク）の物理的な選択を下記の方式で行うことができる。第１のステップにおいて、特定のｍ／ｚ比を持つ親粒子（たとえば、前回の走査やユーザ定義リストなどから最も強いＮ個のピーク）が選択される。これらのｍ／ｚ比は、検出器の較正データに従って、飛行時間に変換され、その値は、データ取得システムのメモリに保存される。

次に、検出器は、ピークの特定のセットを検出し、データ取得システムは、計測された飛行時間と予め計算されている飛行時間とを比較する。特定の許容範囲内で値が一致する場合は、変調器における前述のピークの飛行時間が、変調器の較正データに従って計算される。変調器は、後続の時間収束領域内で下流に位置するため、変調器に関する飛行時間は、検出器に関するものとは異なる。次に、トリガ信号が変調器に送信されて、既に検出されているピークの偏向を誘導し、衝突セル（ピークが親ピークであると識別された場合）またはビーム吸収装置（ピークを除去する場合）のいずれかに向かわせる。いずれの場合においても、選択されたイオンパケットは、後段の検出器を通過したり、後段の検出器に接近したりする必要はない。

Claims (51)

1. 質量分析計であって、
   ビーム内の荷電粒子に複数回の方向変更を行わせる電極配列と、
   前記質量分析計を通る第１経路長を伝搬した荷電粒子ビームの第１部分を検出して、前記荷電粒子ビームの検出された第１部分の強度に基づいた第１出力を提供するように構成された検出配列であって、前記検出配列は、前記質量分析計を通り、前記第１経路長より長い第２経路長を伝搬した前記荷電粒子ビームの第２部分であって前記第１部分を検出しているときに前記検出配列を通過する第２部分を検出して、前記荷電粒子ビームの検出された第２部分に基づいた第２出力を提供するように更に構成される検出配列と、
   前記検出配列の前記第１出力に基づいて、前記荷電粒子ビームおよび前記検出配列の少なくともいずれかのパラメータを調整することで、前記検出配列の前記第２出力を調整するように構成される制御装置と、を含む質量分析計。
2. 前記電極配列は、前記ビーム内の荷電粒子に、少なくとも４５度の複数回の方向変更を行わせるように構成される、請求項１に記載の質量分析計。
3. 前記電極配列は、前記ビーム内の荷電粒子に、多重反射を行わせるように構成される、請求項１に記載の質量分析計。
4. 前記検出配列は、時間収束領域において、前記荷電粒子ビームの第１部分を検出するように構成される、請求項１〜３のいずれか１つに記載の質量分析計。
5. 前記検出配列は、時間収束領域において、前記荷電粒子ビームの第２部分を検出するように構成される、請求項１〜４のいずれか１つに記載の質量分析計。
6. 前記電極配列は、前記荷電粒子ビームの飛行経路を画定し、前記検出配列は、前記飛行経路の最後の１０％に実質的に沿うように配置される、請求項１〜５のいずれか１つに記載の質量分析計。
7. 前記電極配列は、前記荷電粒子ビームの飛行経路を画定し、前記検出配列は、前記飛行経路の最後の５％に実質的に沿うように配置される、請求項６に記載の質量分析計。
8. 前記電極配列は、前記ビーム内の荷電粒子に、少なくとも５回の方向変更を行わせるように構成される、請求項１〜７のいずれか１つに記載の質量分析計。
9. 前記電極配列は、前記ビーム内の荷電粒子に、少なくとも５０回の方向変更を行わせるように構成される、請求項１乃至７のいずれか１つに記載の質量分析計。
10. 前記制御装置は、前記検出配列の前記第２出力の大きさを調整して、大きさを所望の範囲内に収めるように構成される、請求項１〜９のいずれか１つに記載の質量分析計。
11. 前記制御装置は、前記検出配列の前記第１出力に基づいて、前記検出配列の少なくとも一部の感度を調整することで、前記検出配列の前記第２出力の大きさを制御して、大きさを所望の範囲内に収めるように構成される、請求項１０に記載の質量分析計。
12. 前記検出配列は、前記荷電粒子ビームの検出された第１部分の強度および飛行時間に基づいて前記第１出力を提供するように設定される、請求項１〜１１のいずれか１つに記載の質量分析計。
13. 前記検出配列は、前記荷電粒子ビームの検出された第２部分の飛行時間に基づいて前記第２出力を提供するように設定される、請求項１〜１２のいずれか１つに記載の質量分析計。
14. 前記制御装置は、更に、前記荷電粒子ビームの検出された第２部分の飛行時間に基づいている前記第２出力を、前記荷電粒子ビームの検出された第１部分の強度に基づいている、前記検出配列の前記第１出力を基準として調整することで、前記検出配列の前記第２出力を調整するように構成される、請求項１３に記載の質量分析計。
15. 前記検出配列は、前記荷電粒子ビームの検出された第２部分の強度に基づいて、前記第２出力を提供するように設定される、請求項１〜１４のいずれか１つに記載の質量分析計。
16. 前記分析計は、更に、
    前記荷電粒子ビームの第１部分の検出位置と、前記荷電粒子ビームの第２部分の検出位置との間に配置されて、前記荷電粒子ビームを制御するように構成される第１変調器を含み、
    前記制御装置は、前記検出配列の前記第１出力に基づいて前記変調器を調整することで、前記荷電粒子ビームの第２部分の要素として検出されるイオンの数量を規制し、その結果、前記検出配列の前記第２出力を調整するように適合される、請求項１〜１５のいずれか１つに記載の質量分析計。
17. 前記変調器は、前記質量分析計の時間収束領域に配置される、請求項１６に記載の質量分析計。
18. 前記検出配列は、前記第２出力を提供する第２出力部を含み、前記変調器は、前記第２出力部のすぐ上流の時間収束領域に配置される、請求項１７に記載の質量分析計。
19. 前記制御装置は、更に、前記変調器を調整するように適合され、この調整は、前記検出配列の前記第１出力が、所定の閾値より大きいことに基づいて、前記荷電粒子ビームの第２部分の要素として検出されるイオンの数量を削減するように行われる、請求項１６乃至１８のいずれか１つ記載の質量分析計。
20. 前記検出配列は、時間収束領域に配置された検出器を含み、前記検出器は、第１の期間中に前記荷電粒子ビームの第１部分を検出して、前記荷電粒子ビームの第１部分について検出された強度に基づいた第１出力を提供するように構成され、前記検出器は、更に、第２の期間に前記荷電粒子ビームの第２部分を検出して、前記荷電粒子ビームの検出された第２部分に基づいた第２出力を提供するように構成される、請求項１〜１９のいずれか１つに記載の質量分析計。
21. 前記検出配列は、
    前記荷電粒子ビームの第１部分を検出して、前記荷電粒子ビームの第１部分について検出された強度に基づいた第１出力を提供するように構成された第１検出器と、
    前記荷電粒子ビームの第２部分を検出して、前記荷電粒子ビームの検出された第２部分に基づいた第２出力を提供するように構成される第２検出器と、を含む、請求項１乃至１９のいずれか１つに記載の質量分析計。
22. イオンビームの前記第１部分は、イオンビームの前記第２部分より小さい、請求項２１に記載の質量分析計。
23. 前記第１検出器および第２検出器は、少なくとも１つの共通増幅ステージを含む、請求項２１または２２に記載の質量分析計。
24. 前記変調器は、前記荷電粒子ビームの少なくとも一部を偏向して、前記第２検出器から離れる方向に送る、請求項１６乃至１９のいずれか１つに従属している請求項２１乃至２３のいずれか１つに記載の質量分析計。
25. 前記検出配列は、更に、前記荷電粒子ビームの第３部分を検出して、前記荷電粒子ビームの検出された第３部分に基づいた第３出力を提供するように構成される、請求項１〜２４のいずれか１つに記載の質量分析計。
26. 前記制御装置は、更に、前記検出配列の前記第２出力に基づいて、前記検出配列のパラメータを調整することで、前記検出配列の前記第３出力を調整するように構成される、請求項２５に記載の質量分析計。
27. 前記検出配列は、更に、
    前記荷電粒子ビームの第３部分を検出して、前記荷電粒子ビームの検出された第３部分に基づいた第３出力を提供するように構成された第３検出器を含む、請求項２１乃至２４のいずれか１つに従属している請求項２５に記載の質量分析計。
28. 前記制御装置は、更に、前記第１検出器の前記第１出力に基づいて、前記検出配列のパラメータを調整することで、前記第３検出器の前記第３出力を調整するように構成される、請求項２７に記載の質量分析計。
29. 前記検出配列は、更に、
    前記第２検出器と前記第３検出器との間に配置されて、前記荷電粒子ビームを制御するように構成される第２変調器を含み、
    前記制御装置は、更に、前記第２変調器を制御するように適合される、請求項２７または２８に記載の質量分析計。
30. 前記分析計は、更に、
    荷電粒子を生成するように構成されるイオン源と、
    前記荷電粒子を加速してビームを形成させるように構成される加速電極配列とを含む、請求項１〜２９のいずれか１つに記載の質量分析計。
31. パルスイオン格納部を更に含む、請求項１〜３０のいずれか１つに記載の質量分析計。
32. 電極配列を利用して、荷電粒子ビームに多重反射を行わせ、
    質量分析計を通る第１経路長を伝搬した前記荷電粒子ビームの第１部分を、検出配列を利用して検出し、前記検出配列に、前記荷電粒子ビームの検出された第１部分の強度に基づいた第１出力を与え、
    前記質量分析計を通り、前記第１経路長よりも長い第２経路長を伝搬した前記荷電粒子ビームの第２部分であって前記第１部分を検出しているときに前記検出配列を通過する第２部分を、前記検出配列を利用して検出し、前記検出配列に、前記荷電粒子ビームの検出された第２部分に基づいた第２出力を与え、
    前記検出配列の前記第１出力に基づいて、前記荷電粒子ビームおよび前記検出配列の少なくともいずれかのパラメータを調整することで、前記検出配列の前記第２出力を調整すること、を含む質量分析方法。
33. 前記電極配列は、前記荷電粒子ビームの飛行経路を画定し、第１部分を検出するステップおよび第２部分を検出するステップは、前記飛行経路の最後の１０％に実質的に沿って実行される、請求項３２に記載の質量分析方法。
34. 前記電極配列は、前記荷電粒子ビームの飛行経路を画定し、第１部分を検出するステップおよび第２部分を検出するステップは、前記飛行経路の最後の５％に実質的に沿って実行される、請求項３２に記載の質量分析方法。
35. 前記荷電粒子ビームの第１部分は、時間収束領域において検出される、請求項３２乃至３４のいずれか１つに記載の質量分析方法。
36. 前記荷電粒子ビームの第２部分は、時間収束領域において検出される、請求項３２乃至３５のいずれか１つに記載の質量分析方法。
37. 前記調整するステップは、所望の範囲内になるように、前記検出配列の前記第２出力を調整するものである、請求項３２乃至３６のいずれか１つに記載の質量分析方法。
38. 前記検出配列を調整するステップは、前記検出配列の前記第１出力に基づいて、前記検出配列の少なくとも一部の感度を調整することで、所望の範囲に入るように、前記検出配列の前記第２出力を制御することを含む、請求項３２乃至３６のいずれか１つに記載の質量分析方法。
39. 前記第２出力は、前記荷電粒子ビームの検出された第２部分の到着時間に基づいている、請求項３２乃至３８のいずれか１つに記載の質量分析方法。
40. 前記調整するステップは、前記荷電粒子ビームの検出された第１部分の強度に基づいている、前記検出配列の前記第１出力を基準に、前記荷電粒子ビームの検出された第２部分の到着時間に基づいている前記第２出力を調整することで、前記検出配列の前記第２出力を調整することを含む、請求項３９に記載の質量分析方法。
41. 前記第２出力は、前記荷電粒子ビームの検出された第２部分の強度に基づいている、請求項３２乃至４０のいずれか１つに記載の質量分析方法。
42. 前記検出配列を調整するステップは、前記荷電粒子ビームの第１部分の検出位置と、前記荷電粒子ビームの第２部分の検出位置との間で、前記検出配列の前記第１出力に基づいて、前記荷電粒子ビームを変調することで、前記検出配列の前記第２出力を調整することを含む、請求項３２乃至４１のいずれか１つに記載の質量分析方法。
43. 前記変調するステップは、時間収束領域において実行される、請求項４２に記載の質量分析方法。
44. 前記検出配列は、前記第２出力を提供する第２出力部を含み、前記変調するステップは、前記第２出力部のすぐ上流の時間収束領域において実行される、請求項４３に記載の質量分析方法。
45. 前記変調するステップは、前記検出配列の前記第１出力に基づいて、前記荷電粒子ビームの少なくとも一部を偏向させることで、前記検出配列の前記第２出力を調整することを含む、請求項４２乃至４４のいずれか１つに記載の質量分析方法。
46. 前記変調するステップは、前記検出配列の前記第１出力が所定の閾値よりも大きいことを基準に、前記荷電粒子ビームの第２部分の要素として検出されるイオンの数量を削減することを含む、請求項４２乃至４５のいずれか１つに記載の質量分析方法。
47. 前記検出配列を利用して、前記荷電粒子ビームの第３部分を検出し、前記検出配列に、前記荷電粒子ビームの検出された第３部分に基づいた第３出力を与えることを更に含む、請求項３２乃至４６のいずれか１つに記載の質量分析方法。
48. 前記第１出力に基づいて、前記検出配列のパラメータを調整することで、前記第３出力を調整することを更に含む、請求項４７に記載の質量分析方法。
49. 前記検出配列の前記第２出力に基づいて、前記検出配列のパラメータを調整することで、前記第３出力を調整することを更に含む、請求項４８に記載の質量分析方法。
50. 前記第３出力を制御するステップは、前記荷電粒子ビームの第２部分の検出位置と、前記荷電粒子ビームの第３部分の検出位置との間で、前記荷電粒子ビームを変調することを含む、請求項４８または４９に記載の質量分析方法。
51. 前記変調するステップは、前記荷電粒子ビームの選択された部分を偏向させて、フラグメンテーション手段に向かわせ、
    前記荷電粒子ビームの偏向された部分を分析することを含む、請求項４３乃至４６、または請求項５０のいずれか１つに記載の質量分析方法。
    
    

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