KR20210090692A - 단일 입자 질량 분석을 위한 오비트랩 - Google Patents

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KR20210090692A
KR20210090692A KR1020217018211A KR20217018211A KR20210090692A KR 20210090692 A KR20210090692 A KR 20210090692A KR 1020217018211 A KR1020217018211 A KR 1020217018211A KR 20217018211 A KR20217018211 A KR 20217018211A KR 20210090692 A KR20210090692 A KR 20210090692A
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마틴 에프. 자롤드
아론 알. 토드
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더 트러스티즈 오브 인디애나 유니버시티
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Abstract

오비트랩은, 신장형 내측 및 외측 전극으로서, 내측 및 외측 전극은, 축방향으로 이격된 2개의 전극 절반부를 각각 한정하고, 중앙 횡방향 평면이 전극을 통하여 연장되어, 두 세트의 전극 절반부 사이로 또한 통과하는, 신장형 내측 및 외측 전극; 2개의 내측 전극 절반부와 2개의 외측 전극 절반부 사이에서 내측 전극을 따라 축방향으로 그리고 내측 전극을 중심으로 반경 방향으로 한정된 공동; 공동 내에 이온을 포획하고, 포획된 이온이 내측 전극을 중심으로 회전하게 하며, 내측 전극을 따라 축방향으로 진동하게 하도록 구성된 전기장을 설정하기 위한 수단으로서, 회전 및 진동 이온은 내측 및 외측 전극 절반부 상에 전하를 유도하는, 전기장을 설정하기 위한 수단; 및 내측 및 외측 전극 절반부 상에 유도된 전하를 검출하고, 측정된 이온 전하 신호를 생성하기 위해 각각의 진동에 대해 검출된 전하를 조합하도록 구성된 전하 검출 회로를 포함할 수 있다.

Description

단일 입자 질량 분석을 위한 오비트랩
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2018년 11월 20일자로 출원된 미국 가특허출원 일련번호 제62/769,952호의 이익 및 우선권을 주장하며, 이의 개시물은 그 전체가 본원에 참조로 포함된다.
정부 권리
본 발명은 미국 국립 과학 재단에 의해 수여된 CHE1531823에 따라 정부 지원으로 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명의 특정 권리를 갖는다.
본 개시물은 일반적으로 질량 분석 기구(mass spectrometry instrument)에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 이온 m/z 및 전하를 측정하기 위해 오비트랩(orbitrap)을 사용하는 단일 입자 질량 분석에 관한 것이다.
질량 분석은, 이온 질량 및 전하에 따라 물질의 기체 이온을 분리함으로써 물질의 화학 성분을 식별할 수 있게 한다. 이러한 분리된 이온의 질량을 결정하기 위해 다양한 기구 및 기술이 개발되었으며, 대체로 그러한 기구 및/또는 기술의 선택은 전형적으로 관심 입자의 질량 범위에 따라 좌우될 것이다. 예를 들어, 10,000 Da 미만의 서브-메가돌턴(sub-megadalton) 범위의 "보다 경량(lighter)" 입자의 분석에서, 통상적인 질량 분석기가 전형적으로 사용될 수 있으며, 이의 일부 실시예는, 전파 시간(TOF) 질량 분석기, 반사 질량 분석기, 푸리에 변환 이온 사이클로트론 공명(FTICR) 질량 분석기, 사중극자 질량 분석기, 삼중 사중극자 질량 분석기, 자성 섹터(magnetic sector) 질량 분석기 등을 포함할 수 있다.
예를 들어, 10,000 Da 이상의 메가돌턴 범위의 "보다 중량(heavier)" 입자의 분석에서, 방금 설명된 유형의 통상적인 질량 분석기는, 그러한 기구의 잘 알려진 근본적인 한계로 인해 적합하지 않다. 메가돌턴 범위에서는, 전하 검출 질량 분석(CDMS)으로 알려진, 대안적인 하나의 질량 분석 기술이 일반적으로 더 적합하다. CDMS에서는, 측정된 이온 전하, 및 측정된 이온 질량 대 전하 비율(전형적으로 "m/z"로 지칭됨)에 따라, 각각의 이온에 대해 개별적으로 이온 질량이 결정된다. 일부 그러한 CDMS 기구는, 이온이 전하 검출 실린더를 통하여 전후로 진동하게 되는, 정전기 선형 이온 트랩(ELIT) 검출기를 사용한다. 이러한 전하 검출 실린더를 통하여 이온이 여러 번 통과함으로써, 각각의 이온에 대한 다수의 측정치를 제공하며, 그 다음, 이러한 다수의 측정치가 처리되어, 이온 질량 및 전하를 결정한다.
검출기의 적절한 설계 및 작동을 통해, ELIT의 이온 전하 측정치의 불확실성이 무시 가능해질 수 있거나 거의 무시 가능해질 수 있다. 그러나, 이온 질량 대 전하 비율 측정치의 불확실성은 현재의 ELIT 설계를 통해서는 여전히 바람직하지 않게 높다. 이와 관련하여, 오비트랩을 통해 달성 가능한 질량 대 전하 비율 분해능은, 일반적으로 CDMS를 위해 사용되는 ELIT에서 달성될 수 있는 것을 훨씬 능가하는 것으로 이해되지만, 현재의 오비트랩 설계는 좋지 않은 전하 측정 정확도 문제를 겪고 있다.
본 개시물은 첨부된 청구범위에 나열된 특징 중 하나 이상, 및/또는 이하의 특징 중 하나 이상, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일 양태에서, 오비트랩은, 신장형(elongated) 내측 전극으로서, 신장형 내측 전극은 이를 통하여 중앙으로 종축을 한정하고, 종축에 수직으로 이를 통하여 중앙으로 횡방향 평면(transverse plane)을 한정하며, 내측 전극은, 횡방향 평면이 통과하는 종축을 중심으로 최대 반경(R1)을 한정하는 곡선형 외측 표면을 갖는, 신장형 내측 전극; 횡방향 평면이 통과하는 종축을 중심으로 최대 반경(R2)을 한정하는 곡선형 내측 표면을 갖는 신장형 외측 전극으로서, 외측 전극의 내측 표면과 내측 전극의 외측 표면 사이에 공동(cavity)이 한정되도록 R2 > R1인, 신장형 외측 전극; 및 공동 내에 이온을 포획하고, 포획된 이온이 내측 전극을 중심으로 회전하게 하며, 내측 전극을 따라 축방향으로 진동하게 하도록 구성된 전기장을 설정하기 위한 수단을 포함할 수 있으며, 회전 및 진동 이온은 내측 및 외측 전극 중 적어도 하나 상에 전하를 유도하고, R1 및 R2는, ln(R2/R1)에 따라 유도된 전하의 백분율을 최대화하는 값을 갖도록 선택된다.
다른 양태에서, 오비트랩은, 신장형 내측 전극으로서, 신장형 내측 전극은 이를 통하여 중앙으로 종축을 한정하고, 종축에 수직으로 이를 통하여 중앙으로 횡방향 평면을 한정하는, 신장형 내측 전극; 횡방향 평면이 통과하는 종축을 중심으로 최대 반경(R2)을 갖는 곡선형 내측 표면을 한정하는 신장형 외측 전극으로서, 내측 전극의 외측 표면과 외측 전극의 내측 표면 사이에 공동이 한정되는, 신장형 외측 전극; 공동 내에 이온을 포획하고, 포획된 이온이 내측 전극을 중심으로 회전하게 하며, 내측 전극을 따라 축방향으로 진동하게 하도록 구성된 전기장을 설정하기 위한 수단으로서, 회전 및 진동 이온은 내측 및 외측 전극 중 적어도 하나 상에 전하를 유도하는, 전기장을 설정하기 위한 수단; 및 설정된 전기장이 종축을 향해 이온을 더 이상 흡인하지 않는, 종축으로부터의 반경 방향 거리에 해당하는, 종축을 중심으로 하는 특성 반경(Rm)을 포함할 수 있으며, Rm 및 R2의 값은, (Rm/R2)에 따라 유도된 전하의 백분율을 최대화하도록 선택된다.
또 다른 양태에서, 오비트랩은, 신장형 내측 전극으로서, 신장형 내측 전극은 이를 통하여 중앙으로 종축을 한정하고, 종축에 수직으로 이를 통하여 중앙으로 횡방향 평면을 한정하며, 내측 전극은, 축방향으로 이격된 2개의 내측 전극 절반부를 한정하고, 횡방향 평면이 이들 사이로 통과하는, 신장형 내측 전극; 축방향으로 이격된 2개의 외측 전극 절반부를 한정하는 신장형 외측 전극으로서, 횡방향 평면이 이들 사이로 통과하는, 신장형 외측 전극; 내측 전극의 외측 표면과 외측 전극의 내측 표면 사이에서 내측 및 외측 전극을 따라 축방향으로 그리고 종축을 중심으로 반경 방향으로 한정된 공동; 공동 내에 이온을 포획하고, 포획된 이온이 내측 전극을 중심으로 회전하게 하며, 내측 전극을 따라 축방향으로 진동하게 하도록 구성된 전기장을 설정하기 위한 수단으로서, 회전 및 진동 이온은 내측 및 외측 전극 절반부 상에 전하를 유도하는, 전기장을 설정하기 위한 수단; 및 내측 전극 절반부 상의 그리고 외측 전극 절반부 상의 회전 및 진동 이온에 의해 유도된 전하를 검출하고, 측정된 이온 전하 신호를 생성하기 위해 각각의 진동에 대해 검출된 전하를 조합하도록 구성된 전하 검출 회로를 포함할 수 있다.
또 다른 양태에서, 이온을 분리하기 위한 시스템은, 샘플로부터 이온을 발생시키도록 구성된 이온 소스; 발생된 이온을 적어도 하나의 분자 특성에 따라 분리하도록 구성된 적어도 하나의 이온 분리 기구; 및 위의 양태 중 어느 하나 또는 위의 양태의 조합의 전술한 바와 같은 오비트랩을 포함할 수 있으며, 오비트랩은, 내측 전극을 중심으로 회전시키고, 내측 전극을 따라 축방향으로 진동시키기 위해, 적어도 하나의 이온 분리 기구에서 방출되는 하나의 이온이 공동 내로 통과할 수 있게 하도록 구성된 개구부를 더 포함한다.
추가적인 양태에서, 이온을 분리하기 위한 시스템은, 샘플로부터 이온을 발생시키도록 구성된 이온 소스; 발생된 이온을 질량 대 전하 비율에 따라 분리하도록 구성된 제1 질량 분석기; 제1 질량 분석기에서 방출되는 이온을 수용하도록 위치되고, 제1 질량 분석기에서 방출되는 이온을 해리시키도록 구성되는 이온 해리 스테이지(ion dissociation stage); 이온 해리 스테이지에서 방출되는 해리된 이온을 질량 대 전하 비율에 따라 분리하도록 구성된 제2 질량 분석기; 및 전하 검출 질량 분석기(CDMS)를 포함할 수 있으며, 전하 검출 질량 분석기(CDMS)는, CDMS가 제1 질량 분석기 및 이온 해리 스테이지 중 어느 하나에서 방출되는 이온을 수용할 수 있도록, 이온 해리 스테이지와 병렬로 이온 해리 스테이지에 연결된, 위의 양태 중 어느 하나 또는 위의 양태의 조합의 전술한 바와 같은 오비트랩을 포함하고, 제1 질량 분석기에서 방출되는 전구체 이온의 질량은 CDMS를 사용하여 측정되며, 임계치 질량 미만의 질량 값을 갖는 전구체 이온 중 해리된 이온의 질량 대 전하 비율은 제2 질량 분석기를 사용하여 측정되고, 임계치 질량 이상의 질량 값을 갖는 전구체 이온 중 해리된 이온의 질량 대 전하 비율 및 전하 값은 CDMS를 사용하여 측정된다.
도 1은 통상적인 제어 및 측정 구성 요소가 이에 연결된 통상적인 오비트랩을 포함하는 통상적인 오비트랩 시스템의 단순화된 부분 절개도이다.
도 2는 본 개시물에 따라, 제어 및 측정 구성 요소가 이에 연결된 일 실시형태의 오비트랩을 포함하는 일 실시형태의 오비트랩 시스템의 단순화된 단면도이다.
도 3은 오비트랩의 % 측정 전하 대 변수 ln(R2/R1)의 도표로서, R2는 외측 전극의 내측 표면의, 내측 전극을 통하여 중앙으로 연장되는 종축을 중심으로 하는 반경이고, R1은 또한 내측 전극의 외측 표면의, 내측 전극을 통하여 중앙으로 연장되는 종축을 중심으로 하는 반경이다.
도 4는 오비트랩의 % 측정 전하 대 변수 Rm/R2의 도표로서, R2는 외측 전극의 내측 표면의, 내측 전극을 통하여 중앙으로 연장되는 종축을 중심으로 하는 반경이고, Rm은 또한 내측 전극을 통하여 중앙으로 연장되는 종축을 중심으로 하는 특성 반경이며, 내측 및 외측 전극 사이에 설정된 전기장이 축을 향해 이온을 더 이상 흡인하지 않는, 내측 전극을 통하여 중앙으로 연장되는 종축으로부터의 반경 방향 거리이다.
도 5a는 도 2에 도시된 일 실시형태의 전하 검출 회로의 단순화된 블록도이다.
도 5b는 도 2에 도시된 다른 실시형태의 전하 검출 회로의 단순화된 블록도이다.
도 6a는 도 5a에 도시된 유형의 일 실시형태의 전하 검출 회로의 단순화된 개략도이다.
도 6b는 도 5a에 도시된 유형의 다른 실시형태의 전하 검출 회로의 단순화된 개략도이다.
도 7은 도 5b에 도시된 유형의 일 실시형태의 전하 검출 회로의 단순화된 개략도이다.
도 8은 도 2에 도시된 또 다른 실시형태의 전하 검출 회로의 단순화된 블록도이다.
도 9a는 도 2에 도시된 유형의 오비트랩을 포함하는 일 실시형태의 이온 분리 기구의 단순화된 블록도로서, 예시적인 이온 처리 기구를 도시하며, 예시적인 이온 처리 기구는 오비트랩의 상류에 이온 소스의 일부를 형성할 수 있거나/형성할 수 있고, 오비트랩에서 방출되는 이온(들)을 추가로 처리하기 위해 오비트랩의 하류에 배치될 수 있다.
도 9b는 도 2에 도시된 유형의 오비트랩을 포함하거나 도 2에 도시된 유형의 오비트랩의 형태의 CDMS 기구를 포함하는 다른 실시형태의 이온 분리 기구의 단순화된 블록도로서, 오비트랩이 하전 입자 검출기로 구현되는 CDMS 시스템 및/또는 오비트랩과 통상적인 이온 처리 기구를 조합하는 예시적인 구현예를 도시한다.
본 개시물의 원리에 대한 이해를 돕기 위한 목적으로, 이제 첨부된 도면에 도시된 다수의 예시적인 실시형태가 언급될 것이며, 특정 표현이 이를 설명하기 위해 사용될 것이다.
본 개시물은 전적으로 그런 것은 아니지만, 전형적으로, 메가돌턴(MDa) 범위의 입자 질량을 갖는 입자를 포함할 수 있는 물질의 단일 입자 질량 스펙트럼 분석을 수행하기 위한 장치 및 기술에 관한 것이다. 아래에 상세히 설명되는 바와 같이, 장치 및 기술은, 적어도 하나의 실시형태의 소위 "오비트랩"을 이의 하나의 구성 요소로서 포함한다. 본 개시물의 목적을 위해, "오비트랩"은, 정전기장으로의 궤도 포획(orbital trapping)을 사용하고, 신장형 중앙 또는 "내측" 전극의 중앙 종축을 중심으로 변경 반향으로 그리고 중앙 종축을 따라 모두 입자가 진동하는, 정전기 이온 트랩으로 정의된다.
이제 도 1을 참조하면, 질량 분석기 또는 질량 스펙트럼 분석 시스템의 통상적인 오비트랩 기반 입자 검출 시스템(10)이 도시된다. 시스템(10)은, 통상적인 제어 및 측정 회로에 작동 가능하게 연결된 통상적인 오비트랩(11)을 예시적으로 포함한다. 오비트랩(11)은, 분할 외측 배럴형(barrel-like) 전극(14)에 의해 둘러싸인 신장형 단일 스핀들형(spindle-like) 내측 전극(12)을 포함한다. 오비트랩(11)의 Z축은 내측 전극(12)을 통하여 중앙으로 그리고 축방향으로 연장된다. 내측 전극(12)은, 각각의 단부에서 또는 각각의 단부에 인접하여 최소 반경으로 축방향으로 하향하게 테이퍼(taper)되는, 종방향 중심에서 최대 외측 반경(R1)을 갖는 대체로 원형 횡단면을 갖는 통상적인 스핀들로서 형성된다는 점에서, "스핀들형"이다. 최대 외측 반경(R1)은 Z축으로부터 반경 방향으로 측정된다.
외측 배럴형 전극(14)은 2개의 축방향 절반부(14A 및 14B) 간에 분할되며, 2개의 절반부 사이의 공간(16)은 내측 전극(12)의 축방향 중심과 대체로 정렬된다. 외측 전극(14A 및 14B)의 내측 표면과 내측 전극(12)의 외측 표면 사이에 공동(15)이 형성되며, 내측 전극(12)의 외측 표면과 마찬가지로, 외측 전극(14)의 2개의 축방향 절반부(14A 및 14B)의 내측 표면은, 외측 전극 절반부(14A)와 내측 전극(12) 사이의 공동(15)의 형상이 외측 전극 절반부(14B) 사이의 공동의 형상과 동일하도록 대칭적이다(즉, 공간(16)의 각각의 면 상으로). 내측 전극(12)의 외측 표면에 대향하는, 외측 전극(14)의 내측 표면은, 각각의 단부에서 또는 각각의 단부에 인접하여 최소 반경으로 축방향으로 하향하게 테이퍼되는, 종방향 중심에서(즉, 공간(16)의 대향 에지에서) 최대 내측 반경(R2)을 갖는다. 내측 전극(12)의 최대 외측 반경(R1)과 마찬가지로, 외측 전극(14)의 최대 내측 반경(R2)은 Z축으로부터 반경 방향으로 측정된다. 도 1에 예시적으로 도시된 바와 같이, 통상적인 오비트랩(11)의 내측 전극(12)의 외측 표면의 형상(즉, 곡선형 윤곽), 및 외측 전극(14)의 내측 표면의 형상은 대체로 서로 상이하며, 외측 전극의 내측 표면이 대체로 이의 중심을 향하여 더 큰 기울기를 가짐으로써, R1과 R2 사이의(즉, 전극(12, 14)의 축방향 중심에서의) 거리는, 내측 전극(12)의 외측 표면과 외측 전극(14)의 내측 표면 사이의 거리보다 더 크다(이러한 표면들이 이들의 축방향 중심으로부터 이격되어 테이퍼되기 때문이다).
각각의 내측 전극(12) 및 외측 전극(14)은, 각각에 제어 전압을 선택적으로 인가하도록 작동 가능한 하나 이상의 전압 소스(22)에 전기적으로 연결된다. 일부 구현예에서, 하나 이상의 전압 소스(22)는 N개의 신호 경로를 통해 프로세서(24)에 전기적으로 연결되며, 여기서 N은 임의의 양의 정수일 수 있다. 이러한 구현예에서, 메모리(26)는 그 안에 저장된 명령을 가지며, 명령은, 프로세서(24)에 의해 실행될 때, 프로세서(24)로 하여금, 하나 이상의 전압 소스(22)를 제어하여, 각각의 내측 및 외측 전극(12, 14)에 제어 또는 작동 전압을 선택적으로 각각 인가하도록 한다.
각각의 외측 전극(14A 및 14B)은 통상적인 차동 증폭기(28)의 각각의 입력에 전기적으로 연결되며, 차동 증폭기(28)의 출력은 프로세서(24)에 전기적으로 연결된다. 메모리(26)는 그 안에 저장된 명령을 가지며, 명령은, 프로세서(24)에 의해 실행될 때, 프로세서(24)로 하여금, 차동 증폭기에 의해 생성된 출력 신호를 처리하여, 오비트랩(11) 내에 포획된 입자의 질량 대 전하 정보를 결정하도록 한다.
작동 시에, 하나 이상의 전압 소스(22)는, 공간(16)의 외부 개구부(16A)를 통해 공동(15) 내로 하전 입자(즉, 이온)를 흡인하도록 지향되는 해당 전기장을 생성하기 위해, 내측 및 외측 전극(12, 14)에 적합한 전위를 인가하도록 먼저 제어된다. 그 다음, 하나 이상의 전압 소스(22)는, 하전 입자를 그 안에 포획시키는 정전기장을 공동(15) 내에 생성하기 위해, 내측 및 외측 전극(12, 14)에 적합한 전위를 인가하도록 제어된다. 내측 및 외측 전극(12, 14) 사이의 이러한 정전기장은 이하의 수식으로 한정되는 전위 분포(U(r, z))를 갖는다:
Figure pct00001
(1),
여기서, r 및 z는 원통 좌표이고(z = 0은 필드의 대칭면임), k는 필드 곡률이며, R1은 내측 전극(12)의 최대 반경(전술한 바와 같음)이고, Ur은 내측 전극(12)에 인가된 전위이다. Rm은, 정전기장이 Z축을 향해 이온을 더 이상 흡인하지 않는, Z축으로부터의 반경 방향 거리인 소위 "특성 반경"이며, 일반적으로, 정전기 포획 동안 이온의 안정적인 반경 방향 진동을 위해, Rm/R2 > 21/2의 관계가 전형적으로 충족되어야 함을 이해한다. 이러한 정전기장은, 이온 트랩(11)의 사중극자 필드(quadrupole field)와 원통형 커패시터의 로그 필드(logarithmic field)의 합계이며, 이에 따라, 일반적으로 쿼드로-로그(quadro-logrithmic) 필드로 지칭된다.
쿼드로-로그 필드의 영향에 따라, 오비트랩(11)의 공동(15) 내에 포획된 이온의 궤도(25)는, 도 1에 예시적으로 도시된 바와 같이, 내측 전극(12)을 중심으로 하는 궤도 운동과 Z축의 방향으로 내측 전극(12)을 따르는 진동의 조합이다. 이온 질량 대 전하 비율은, 쿼드로-로그 필드의 축방향(즉, Z축의 방향)으로의 조화 진동의 주파수로부터 유도되며, 이는 내측 전극(12)을 중심으로 하는 이온의 궤도 회전의 주파수와 달리, 이러한 축방향 또는 Z-평면 이온 진동의 주파수가 이온 에너지와 무관하기 때문이다. 이러한 축방향 이온 진동은 각각의 외측 전극 절반부(14A, 14B) 상에 이미지 전하(image charges)를 유도하며, 차동 증폭기(28)에 의해 생성된 결과적인 차동 신호의 주파수는, 예를 들어 통상적인 고속 푸리에 변환 알고리즘을 사용하여, 프로세서(24)에 의해 결정된 다음, 포획된 이온의 질량 대 전하 비율을 획득하기 위해 추가로 처리된다.
경계 조건 U(R2, 0) = 0에 대해 수식 (1)을 풀어서, 필드 곡률(k)이 이하의 수식으로 한정된다:
Figure pct00002
(2).
필드 곡률(k)은 전극 기하학적 구조의 관점에서 수식 (2)에 의해 한정되기 때문에, 축방향 이온 진동의 주파수(ω)는, 이하의 수식에 의해 이온 질량 대 전하 비율(m/z)과 관련될 수 있다:
Figure pct00003
(3),
여기서, e는 원소 전하이다. 수식 (3)은 이온 축방향 진동 주파수(및 이에 따른 m/z 비율)가 이온 운동 에너지와 무관함을 나타낸다. (2)를 (3)에 써넣음으로써, 이하의 관계를 생성한다:
Figure pct00004
(4).
수식 (4)는 이온 진동의 주파수(ω)가 내측 전극(12)에 인가된 전위(Ur)의 제곱근에 비례하고, 내측 전극의 최대 반경(R1)과 상관되며, 오비트랩(11)의 나머지 반경 방향 치수와 반비례 관계에 있음을 나타낸다. 수식 (1)을 사용하여, 형상 z12(r) 및 z
수식 (1)을 사용하여, 각각 z 방향을 따르는 내측 및 외측 전극(12, 14)의 외측 및 내측 표면의 반경 방향 형상, 즉 윤곽 z12(r) 및 z14(r)은 다음과 같이 추정될 수 있다:
Figure pct00005
(5),
Figure pct00006
(6).
이제 도 2를 참조하면, 본 개시물에 따른 질량 분석기 또는 질량 스펙트럼 분석 시스템의 오비트랩 기반 입자 검출 시스템(100)의 일 실시형태가 도시된다. 시스템(100)은 제어 및 측정 회로에 작동 가능하게 연결된 일 실시형태의 오비트랩(110)을 예시적으로 포함한다. 도 1에 도시되고 전술한 오비트랩(11)과 비교하여, 도 2의 오비트랩(110)은, 단일 입자 검출을 위한 오비트랩(110)의 전하 측정 정확도를 최적화하기 위해, 아래에 상세히 설명되는 바와 같이, 이의 구성 요소의 구조 및/또는 특정 기하학적 관계가 예시적으로 변경된다.
도 2에 도시된 실시형태에서, 오비트랩(110)은, 외측 배럴형 전극(114)에 의해 둘러싸인 신장형 스핀들형 내측 전극(112)을 포함하며, 내측 및 외측 전극(112, 114)의 조합물은, 접지 차폐물(120), 예를 들어, 접지 전위 또는 다른 적합한 전위로 제어되는 도전성 차폐물 또는 챔버에 의해 예시적으로 둘러싸인다. 오비트랩(11)의 z축은 내측 전극(112)을 통하여 중앙으로 그리고 축방향으로 연장된다. 외측 배럴형 전극(114)은 2개의 축방향 절반부(114A 및 114B) 간에 분할되며, 2개의 절반부 사이의 공간(116A)은 내측 전극(112)의 축방향 중심과 대체로 정렬된다. 외측 전극(114)의 2개의 축방향 절반부(114A, 114B)의 내측 표면은, 2개의 절반부(114A, 114B) 사이에서 중앙으로 그리고 횡방향으로 통과하는 횡방향 평면(T)의 양면 상에 각각 위치되는, 예시적으로 서로의 미러 이미지이다. 일부 실시형태에서, 도 2에 예시적으로 도시된 바와 같이, 내측 전극(112)도 2개의 축방향 절반부(112A, 112B)로 분할되며, 2개의 절반부 사이의 공간(116B)은 내측 전극의 축방향 중심과 대체로 정렬된다; 즉, 이에 따라 공간(116A, 116B)의 종축이 서로 일직선(즉, 동일 선상)을 이루고, 이에 따라 횡방향 평면(T)이 2개의 절반부(112A, 112B) 사이로 횡방향으로 통과한다. 이러한 실시형태에서, 내측 전극(112)의 2개의 축방향 절반부(112A, 112B)의 외측 표면은, 예시적으로 횡방향 평면(T)을 중심으로 서로의 미러 이미지이다. 대안적인 실시형태에서, 내측 전극(112)은 2개의 축방향 절반부(112A, 112B)로 분할되지 않을 수 있으며, 대신에, 하나의 단일체의 형태로 제공될 수 있고, 즉, 이에 따라, 공간(116B)이 제외된다. 어떠한 경우이든, 외측 전극(14A 및 14B)의 내측 표면과 내측 전극(12)의 외측 표면 사이에 공동(115)이 형성되며, 내측 및 외측 전극(112, 114)의 대향 표면은, 공간(116A)의 종축을 중심으로 대칭적이다.
내측 전극(112)의 외측 표면은 이의 축방향 중심에서 최대 외측 반경(R1)을 가지며, 마찬가지로 외측 전극(114)의 내측 표면은 이의 축방향 중심에서 최대 내측 반경(R2)을 갖는다. 내측 전극(112)의 외측 표면은, 이의 축방향 중심에서의 최대 반경(R1)으로부터 각각의 대향 단부의 또는 각각의 대향 단부 근처의 감소된 반경(R3)으로 Z축을 따라 하향하게 예시적으로 테이퍼되며, 즉, 이에 따라, R1 > R3이다. 마찬가지로, 외측 전극(114)의 내측 표면은, 이의 축방향 중심에서의 최대 반경(R2)으로부터 각각의 대향 단부의 또는 각각의 대향 단부 근처의 감소된 반경(R4)으로 Z축을 따라 하향하게 예시적으로 테이퍼되며, 즉, 이에 따라, R2 > R4이다. 대체로, R2 > R1 > R4 > R3이다.
각각의 내측 전극(112) 및 외측 전극(114)은, 각각에 제어 전압을 선택적으로 인가하도록 작동 가능한 하나 이상의 전압 소스(122)에 전기적으로 연결된다. 도시된 실시형태에서, 하나 이상의 전압 소스(122)는 N개의 신호 경로를 통해 프로세서(124)에 전기적으로 연결되며, 여기서 N은 임의의 양의 정수일 수 있다. 예시적으로, 메모리(126)는 그 안에 저장된 명령을 가지며, 명령은, 프로세서(124)에 의해 실행될 때, 프로세서(124)로 하여금, 하나 이상의 전압 소스(122)를 제어하여, 각각의 내측 및 외측 전극(112, 114)에 제어 또는 작동 전압을 선택적으로 각각 인가하도록 한다. 대안적인 실시형태에서, 하나 이상의 전압 소스(122)는, 전극(112, 114) 중 어느 하나 또는 둘 모두에 제어 또는 작동 전압을 선택적으로 인가하도록 프로그래밍될 수 있는 하나 이상의 프로그래밍 가능 전압 소스일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 이러한 일부 실시형태에서, 이러한 하나 이상의 프로그래밍 가능 전압 소스의 작동은, 통상적인 방식으로 프로세서(124)와 동기화될 수 있다.
각각의 내측 전극(112) 및 외측 전극(114)은 전하 검출 회로(128)의 각각의 입력에 전기적으로 연결되며, 회로(128)의 전하 검출 출력은 프로세서(124)에 전기적으로 연결된다. 예시적으로, 메모리(126)는 그 안에 저장된 명령을 가지며, 명령은, 프로세서(124)에 의해 실행될 때, 프로세서(124)로 하여금, 회로(128)에 의해 생성된 전하 검출 출력 신호(CD)를 처리하여, 오비트랩(110) 내에 포획된 단일 입자의 질량 대 전하 및 전하 정보를 결정하도록 한다. 내측 전극(112)이 하나의 단일체의 형태로 제공되는 실시형태에서, 회로(128)는 예시적으로 도 1에 도시된 유형의 차동 증폭기의 형태를 취할 수 있다. 내측 전극(112)이 전술한 바와 같은 축방향으로 이격된 2개의 동일한 내측 전극 절반부(112A, 112B)로 분할되는 실시형태에서, 외측 전극(114)과 더불어, 내측 전극(112)은 이온 전하 검출기로서 예시적으로 사용되며, 회로(128)는, 4개의 전극 절반부(112A, 112B, 114A 및 114B) 상에 유도된 이미지 전하를 조합하기 위한 회로를 예시적으로 포함한다. 이러한 회로(128)의 다양한 예시적인 실시형태가 도 5a 내지 도 8에 도시되며, 아래에 상세히 설명될 것이다.
도 2에 도시된 오비트랩(110)의 다양한 구성 요소 간의 관계 및 치수 중 일부는, 단일 하전 입자를 포획할 때 전하 측정치의 정확도를 최적화하거나 적어도 개선하도록 예시적으로 선택된다. 예를 들어, 오비트랩의 검출 전극 상의 단일 이온에 의해 유도된 전하의 양은 측정 시의 이온의 위치에 따라 좌우되며, 이온이 내측 전극의 둘레를 궤도를 그리며 돌고 이를 따라 진동함에 따라, 검출 전극 상의 이온에 의해 유도된 전하가 이에 따라 가변될 수 있다. 또한, 개별 이온이 모두 동일한 궤도를 따르는 것은 아니기 때문에, 검출 전극 상에 유도된 전하의 분율은 이온별로 가변된다. 오비트랩의 정상 작동 모드에서, 즉 전체 이온을 포획 및 처리하는 경우, 이러한 후자의 편차가 평균화된다. 그러나, 개별 이온의 경우, 이러한 편차는 단일 포획 이온의 전하 측정의 불확실성의 원인이 된다. 단일 이온의 전하 측정을 위한 도 2에 도시된 오비트랩(110)을 최적화하기 위해, 오비트랩(110)의 다양한 구성 요소의 기하학적 구조는, 검출되는 이온 전하의 분율을 증가시키고, 검출되는 전하의 분율의 이온별 편차를 감소시키도록 예시적으로 설계된다.
검출되는 이온 전하의 분율을 증가시키기 위해, 오비트랩(110)은, 오비트랩(110) 내에 포획된 단일 하전 입자의 반경 방향 및 축방향 궤도의 일관성을 가능하게 하도록 예시적으로 설계된다. 반경 방향 이온 궤도와 관련하여, 이하의 단순화된 수식에 따라, 이온의 반경 방향 운동이 원형 궤도와 관련되며, 원형 궤도의 반경(r)은, 공동(115) 내의 전기장 및 운동 에너지의 함수이다:
Figure pct00007
(7),
여기서, Ek는 진입 운동 에너지로서, 즉 공동(115)에 진입하는 이온의 운동 에너지이고, F는 공동(115) 내에 설정된 전기장으로 인해 이온이 받는 작용력이다. 하나 이상의 전압 소스(122)에 의해 공급되는 해당 전위의 인가로 인해 비롯되는 포획 전기장이 인가되는 경우, 내측 전극(112)의 외측 표면에 가까운 좁은 분포의 이온만이 포획 가능하다. 이러한 분포는, 진입 운동 에너지의 분포와 함께, 오비트랩(110) 내의 이온의 반경 방향 분포에 기여한다. 오비트랩 공동(115) 내에 이온을 포획하기 위해 필요한 진입 운동 에너지는 이하의 수식에 의해 한정된다:
Figure pct00008
(8),
여기서, R은 트랩 내의 이온의 최종 반경 방향 위치(이온의 궤도 반경으로도 지칭됨)이고, Ri는 이온의 주입 반경으로서, 즉, 공동(115) 내로 주입될 때 Z축에 대한 이온의 반경 방향 위치이다. 수식 (8)은, 이온 운동 에너지 분포의 이온 전하 측정치에 대한 영향이 R/Ri 비율에 따라 좌우되며, R의 값에 비하여 Ri의 값을 최대화함으로써 이러한 영향이 최소화될 수 있음을 나타낸다. 그러나, 외측 전극(114)만이 이온 전하를 검출하기 위해 사용되어야 하는 경우, 외측 전극(114) 상에 유도되어 이에 따라 검출 가능한 이온의 전하의 분율을 증가시키기 위해, 궤도 반경(R)이 최대화되어야 한다. R/Ri 비율의 값의 범위는, R1 및 R2의 최소값 및 최대값에 의해 한정된다.
또한, 검출 전극 상에 유도된 이온 전하의 분율은, Z축을 따르는 이온의 궤도에 따라 좌우되며, 보다 구체적으로는, 이온이 Z축을 따라 이동함에 따라, 외측 전극(114) 및 내측 전극(112)의 외측 표면의 기하학적 구조(즉, 곡선형 윤곽)에 대하여, 유도된 전하의 분율이 어떻게 변화하는지에 따라 좌우된다. 내측 및 외측 전극(112, 114)의 외측 및 내측 표면의 반경 방향 형상, 즉, 곡선형 윤곽 z12(r) 및 z14(r)은 수식 (5) 및 (6)에 의해 각각 한정되므로, 주로 R1, R2 및 Rm의 값에 따라 좌우된다.
따라서, R1, R2 및 Rm의 값, 그리고 이들 사이의 관계는, 오비트랩(110) 내에 포획된 단일 하전 입자의 반경 방향 및 축방향 궤도에 영향을 미치는 주요 변수이고, 이에 따라, 검출 전극 상에 유도된 전하의 분율을 최대화하도록 최적화될 수 있는 주요 변수이다. 이와 관련하여, 내측 전극(112)이 변수 ln(R2/R1)에 따라 하나의 단일체의 형태로 제공되는 일 실시형태의 오비트랩(110)의 외측 전극(114) 상의 단일 이온에 의해 유도된 측정 전하의 분율의 도표가 도 3에 도시된다. 이러한 도표에 의해 입증되는 바와 같이, 외측 전극(114) 상에 유도된 측정 전하의 분율은 ln(R2/R1)이 증가함에 따라 증가하며, (약 4.4의 R2/R1에 해당하는) 약 1.48의 ln(R2/R1) 값에서 약 80%로 피크를 이룬 다음, 더 높은 ln(R2/R1) 값에서 다시 감소한다. 변수 Rm/R2에 따라, 동일한 오비트랩(110)의 외측 전극(114) 상의 단일 이온에 의해 유도된 측정 전하의 분율의 다른 도표가 도 4에 도시된다. 이러한 도표에 의해 입증되는 바와 같이, 외측 전극(114) 상에 유도된 측정 전하의 분율은, 약 12.2의 Rm/R2 값에서 약 80%로 피크를 이룬다. 80%의 측정 전하 분율과 상관되는 도 3 및 도 4의 비율을 도 2에 도시된 오비트랩(110)의 설계 내에 통합함으로써, 도 1에 도시된 오비트랩(11)과 비교하여, 더 큰 ln(R2/R1) 및 Rm/R2를 야기한다. 결과적으로, 더 큰 ln(R2/R1) 및 Rm/R2에 따라, 오비트랩(11)에 비하여 오비트랩(110)의 Z축을 따라 진동 거리 및 이온 궤도 반경(R)을 증가시킴으로써, 측정 전하의 분율을 증가시킨다.
도 3 및 도 4에 도시된 비율의 최적 값이 구현된, 분할 내측 전극(112)이 없는(즉, 하나의 단일 내측 전극(112)을 갖는) 도 2의 오비트랩(110)의 외측 전극(114) 상의 단일 포획 이온에 의해 유도된 전하의 분율과, 도 1에 도시된 유형의 2개의 상이한 통상적인 오비트랩(11)의 외측 전극(14) 상의 단일 포획 이온에 의해 유도된 전하의 측정 분율을 비교하는 시뮬레이션이 실행되었다. 시뮬레이션된 오비트랩(11)의 제1 기하학적 구조는, ln(R2/R1) = 0.916 및 Rm = √2R2인 통상적인 구성이었다. 이러한 기하학적 구조의 경우, (100 e의 전하를 갖는 이온의) 측정 전하의 평균 분율은, 5.93%의 표준 편차로 52.9%였다. 불확실성은 오비트랩 내의 상이한 궤도를 갖는 이온으로 인해 비롯된다. 오비트랩(11)의 제2 기하학적 구조에서, ln(R2/R1) = 0.470 및 Rm = √2R2인 통상적인 "하이-필드(high-field)" 기하학적 구조가 시뮬레이션되었다. 이러한 기하학적 구조의 경우, (100 e의 전하를 갖는 이온의) 측정 전하의 평균 분율은, 9.85%의 표준 편차로 45.7%였다.
도 2의 오비트랩(110)에서, 도 3에 의해 제시된 최적 비율로 또는 최적 비율 근처로 ln(R1/R2)를 증가시킴으로써, 전극(112, 114) 사이에 더 큰 공동(115)이 야기되므로, 더 많은 이온 전하가 외측 전극(114)에 의해 포착될 수 있다. 포착되는 더 많은 신호와 더불어, 내측 및 외측 전극(112, 114) 사이의 거리를 확장시킴으로써, 도 2에 예시적으로 도시된 바와 같이, Z축을 따르는 이온의 진입 위치(118A, 118)가 중심 공간(116A)으로부터 이격되게 이동될 수 있는 동시에, R > Ri이도록 보장할 수도 있다. 예를 들어, 도 2에 이온 궤도(125)로 추가로 도시된 바와 같이, 이온은 개구부(118A)를 통해 오비트랩(110)에 진입하며, 공간(118)을 통하여 공동(115) 내로 하향하게 연장되고, 공간(118)은 중심 공간(116A)으로부터 축방향으로 이격된다. 공동(115) 내에 있으면, 이온 궤도(125)는, 전술한 바와 같이, Z축의 방향으로 내측 전극(112)을 따르는 진동 및 내측 전극(112)을 중심으로 하는 궤도 운동의 조합을 포함한다. 또한, 도 4에 의해 제시된 최적 비율로 또는 최적 비율 근처로 Rm/R2를 증가시킴으로써 각각 비롯되는 내측 및 외측 전극(112, 114)의 외측 및 내측 표면의 감소된 곡률과 조합하여, 내측 및 외측 전극(112, 114) 사이의 갭을 증가시킴으로써, Z축의 방향으로 더 긴 공동(115)을 야기하여, Z축을 따라 이온의 진동 거리를 증가시킨다. 사실상, 이에 따라, 외측 전극(114)의 분할 전극(114A, 114B)에서 검출되는 최대 및 최소 신호 값 간의 차가 증가되며, 이에 따라, 더 넓은 범위에 걸치는 신호를 사용하여, 더 정확한 이온 전하 측정이 이루어진다. 먼저 시뮬레이션된 오비트랩(110)의 기하학적 구조는, 내측 전극(112)이 하나의 단일체로서, ln(R2/R1) = 1.48 및 Rm/R2 = 12.2인 구성이었다. 이러한 기하학적 구조의 경우, (100 e의 전하를 갖는 이온의) 측정 전하의 평균 분율은 1.17%의 표준 편차로 81.6%이었으며, 이는 전술한 통상적인 오비트랩 기하학적 구조에 비해 상당한 개선을 입증한다.
도 2에 도시된 실시형태에서, 내측 전극(112)은, Z축을 따라 2개의 절반부(112A, 112B)를 축방향으로 분리하는 갭(116B)을 통해 2개의 동일한 절반부(112A, 112B)로 축방향으로 분할된 것으로 예시적으로 도시된다. 이러한 실시형태에서, 외측 전극(114)과 마찬가지로, 내측 전극(112)은, 이온이 Z축을 따라 진동함에 따라, 각각의 2개의 절반부(112A, 112B) 상에 유도된 이온 전하를 검출하기 위해 사용될 수 있다. 내측 전극(112)을 제2 세트의 검출 전극(112A, 112B)으로서 사용함으로써, 이온 전하의 측정 가능한 분율의 증가를 야기한다. 포획 동안 내측 및 외측 전극(112, 114)에 인가되는 전위가 동일하고 서로 반대인 경우, 전극(112A, 112B, 114A, 114B) 상에 유도된 전하는, 4개의 전하 신호(A, B, C 및 D)를 검출하여 도 2에 도시된 회로(128)와 조합함으로써 측정될 수 있다.
이제 도 5a를 참조하면, 도 2의 전하 검출 회로(128)의 일 실시형태(1281)가 도시된다. 도시된 실시형태에서, 외측 전극(114A) 및 내측 전극(112A) 상에서 각각 측정되는 유도된 이온 전하에 해당하는 신호(A 및 B)는, 신호 가산 회로(130)를 사용하여 함께 가산된다. 외측 전극(114B) 및 내측 전극(112B) 상에서 각각 측정되는 유도된 이온 전하에 해당하는 신호(C 및 D)는, 다른 신호 가산 회로(132)를 사용하여 함께 마찬가지로 가산된다. 가산 회로(130 및 132)의 출력은 차동 증폭기(134)의 입력으로서 인가되고, 회로(1281)에 의해 생성된 전하 검출 신호(CD)는 이에 따라 CD = (A + B) - (C + D)이다. 당업자는 가산 회로(130, 132) 및 차동 증폭기(134)가 임의의 알려진 설계(들)를 사용하여 구현될 수 있음을 인식할 것이며, 임의의 그러한 설계(들)는 본 개시물의 범위 내에 속하도록 의도됨을 이해할 것이다. 도 5a에 도시된 회로(128)의 실시형태(1281)의 기능적 구성 요소만이 도시되어 있으며, 회로(1281)는, 이에 제한됨이 없이, 각각의 전극(112A, 112B, 114A, 114B)과 회로(1281)의 해당 입력 사이의 하나 이상의 커패시터, 내측 전극(112)과 외측 전극(114) 사이의 하나 이상의 커패시터 등과 같은, 다른 통상적인 회로 구성 요소를 대안적으로 또는 추가적으로 포함할 수 있음을 당업자라면 추가로 인식할 것이다.
이제 도 5b를 참조하면, 도 2의 전하 검출 회로(128)의 다른 실시형태(1282)가 도시된다. 도시된 실시형태에서, 외측 전극(114A 및 114B) 상에서 각각 측정되는 유도된 이온 전하에 해당하는 신호(A 및 C)는, 제1 차동 증폭기(136)의 입력으로서 제공되며, 마찬가지로, 내측 전극(114A 및 114B) 상에서 각각 측정되는 유도된 이온 전하에 해당하는 신호(C 및 D)는, 제2 차동 증폭기(138)의 입력으로서 제공되고, 2개의 차동 증폭기(136, 138)의 출력은 신호 가산 회로(140)를 사용하여 함께 가산된다. 신호 가산 회로(140)의 출력은 회로(1281)에 의해 생성된 전하 검출 신호(CD)이며, 이에 따라 CD = (A - C) + (B - D)이다. 당업자는 차동 증폭기(136, 138) 및 신호 가산 회로(140)가 임의의 알려진 설계(들)를 사용하여 구현될 수 있음을 인식할 것이며, 임의의 그러한 설계(들)는 본 개시물의 범위 내에 속하도록 의도됨을 이해할 것이다. 도 5b에 도시된 회로(128)의 실시형태(1282)의 기능적 구성 요소만이 도시되어 있으며, 회로(1282)는, 이에 제한됨이 없이, 도 5a와 관련하여 전술한 회로 구성 요소 중 어느 하나 이상과 같은, 다른 통상적인 회로 구성 요소를 대안적으로 또는 추가적으로 포함할 수 있음을 당업자라면 추가로 인식할 것이다.
이제 도 6a를 참조하면, 도 5a에 도시된 전하 검출 회로(1281)의 일 실시형태(150)가 도시된다. 도시된 실시형태에서, 회로(150)는, 도 5a와 관련하여 설명된 배치에 따라 신호(A 내지 D)를 조합하기 위한 통상적인 변압기(152)를 포함한다. 특히, 신호(B 및 D)는 1차 코일(154)의 대향 단부에 인가되고, 신호(A 및 C)는 2차 코일(156)의 대향 단부에 인가된다. 1차 코일(154)의 중간 탭은 전압 소스(122) 중 하나로부터 양의 전압(예를 들어, 500 볼트)을 수신하며, 2차 코일의 중간 탭은 전압 소스(122) 중 하나로부터 동일하고 반대의 음의 전압(예를 들어, -500 볼트)을 수신한다. 일 실시형태에서, 중간 탭 전압(+500 v 및 -500 v)은, 이온 포획 동안 외측 및 내측 전극(114, 112)에 각각 인가된 것과 동일하다. 어떠한 경우이든, 변압기(152)의 보조 2차 코일(158)이 신호 증폭기(160)(예를 들어, 통상적인 저잡음 증폭기)의 입력에 전기적으로 연결되며, 증폭기(160)의 출력은 전하 검출 신호(CD)이다. 예시적으로, 변압기(152)는 외측 전극(114A) 및 내측 전극(112A) 상의 신호에 각각 해당하는 신호(A 및 B)를 함께 가산하고, 마찬가지로, 외측 전극(114B) 및 내측 전극(112B) 상의 신호에 각각 해당하는 신호(C 및 D)를 함께 가산하며, 이러한 가산된 신호((A+B) 및 (C+D)) 간의 차가 보조 2차 코일(158)에서 유도되어 증폭됨으로써, 전하 검출 신호(CD = (A+B) - (C+D))를 생성한다.
이제 도 6b를 참조하면, 도 5a에 도시된 전하 검출 회로(1281)의 다른 실시형태(170)가 도시된다. 도시된 실시형태에서, 회로(170)는 제1 단위 이득 신호 가산 증폭기(172)를 포함하며, 신호(A 및 B)는 저항기(R1 및 R2)를 통하여 증폭기(172)의 + 입력에 각각 공급되고, 증폭기(172)의 출력은 - 입력으로 다시 공급된다. 예시적으로, R1 = R2이고, 이에 따라, 증폭기(172)의 출력은 A + B이다. 회로(170)는 제2 단위 이득 신호 가산 증폭기(174)를 더 포함하며, 신호(C 및 D)는 저항기(R3 및 R4)를 통하여 증폭기(174)의 + 입력에 각각 공급되고, 증폭기(174)의 출력은 - 입력으로 다시 공급된다. 예시적으로, R3 = R4이고(그리고 또한 R1 및 R2와 동일하고), 이에 따라, 증폭기(174)의 출력은 C + D이다. 증폭기(172, 174)의 출력은 통상적인 차동 증폭기(176)의 입력으로서 인가되며, 차동 증폭기(176)의 출력은 전하 검출 신호(CD = (A+B) - (C+D))이다.
이제 도 7을 참조하면, 도 5b에 도시된 전하 검출 회로(1282)의 일 실시형태(180)가 도시된다. 도시된 실시형태에서, 회로(180)는, 신호(A 및 C)를 입력으로서 수신하는 통상적인 제1 차동 증폭기(182), 및 신호(B 및 D)를 입력으로서 수신하는 통상적인 제2 차동 증폭기(184)를 포함한다. 차동 증폭기(182, 184)의 출력은 저항기(R1 및 R2)를 통하여 통상적인 단위 이득 증폭기(186)의 + 입력에 각각 공급되며, 증폭기(186)의 출력은 - 입력으로 다시 공급된다. 예시적으로, R1 = R2이고, 이에 따라, 증폭기(186)의 출력은 차동 증폭기(182, 184)에 의해 각각 생성된 차동 신호((A-C) 및 (B-D))의 합계이므로, 증폭기(186)의 전하 검출 신호 출력(CD)은 CD = (A-C) + (B-D)이다.
이제 도 8을 참조하면, 도 2의 전하 검출 회로(128)의 다른 실시형태(190)가 도시된다. 도시된 실시형태에서, 회로(190)는, 전술한 각각의 신호(A 내지 D)를 입력으로서 각각 수신하는 4개의 통상적인 증폭기(192A 내지 192D)를 예시적으로 포함한다. 증폭기(192A 내지 192D)의 출력은, 각각의 4개의 통상적인 아날로그 대 디지털(A/D) 컨버터 회로(194A 내지 194D)의 입력에 각각 제공된다. A/D 컨버터 회로(194A 내지 194D)의 출력은, 프로세서(124)의 입력으로서 공급되는 각각 전하 검출 신호(CDA, CDB, CDC 및 CDD)의 디지털 표현이다. 이러한 실시형태에서, 메모리(126)는 명령을 예시적으로 포함하며, 명령은, 프로세서(124)에 의해 실행될 때, 프로세서(124)로 하여금, 신호(CDA 내지 CDD)를 조합하여, 도 5a에 도시된 배치에 따라(즉, CDS = (CDA + CDB) - (CDC + CDD)), 또는 도 5b에 도시된 배치에 따라(즉, CDS = (CDA - CDC) + (CDB - CDD)), 디지털 전하 검출 신호(CDS)를 생성하도록 한다.
예를 들어, 도 6a 내지 도 8에 도시된 것과 같은, 일부 실시형태에서, 고유한 회로 구성 요소 불일치 및/또는 그러한 회로 구성 요소의 작동으로 인해, 전하 검출 신호(CD(또는 CDS))의 결정 시에 오류를 유발할 수 있음(또는 유발하지 않을 수 있음)을 당업자라면 인식할 것이다. 경우에 따라, 이러한 오류가 통상적인 회로 설계 기술을 사용하여 제거되거나 수용 가능하게 최소화되거나 감소될 수 있음을 당업자라면 추가로 인식할 것이다. 다른 경우에, 이러한 오류는, 단일 모놀리식 주문형 집적 회로의 형태로 전체 회로(170, 180 또는 190)를 제공함으로써 제거되거나 수용 가능하게 최소화되거나 감소될 수 있다. 임의의 이러한 오류 제거, 감소 또는 최소화 기술 또는 구조는 본 개시물의 범위 내에 속하는 것으로 의도됨을 이해할 것이다.
도 3 및 도 4에 도시된 비율의 최적 값이 또한 구현된 도 2의 오비트랩(110)의 2개의 (분할) 내측 전극(112A, 112B) 및 2개의 외측 전극(114A 및 114B)의 조합물 상의 단일 포획 이온에 의해 유도된 전하의 분율과, 전술한 2개의 상이한 통상적인 오비트랩(11)에서 구현된 2개의 (분할) 내측 전극 및 2개의 외측 전극(14)의 조합물 상의 단일 포획 이온에 의해 유도된 전하의 측정 분율을 비교하는 시뮬레이션이 또한 실행되었다. 시뮬레이션된 오비트랩(11)의 제1 기하학적 구조는, 이전과 같이 ln(R2/R1) = 0.916 및 Rm = √2R2인 통상적인 구성이었다. 이러한 기하학적 구조의 경우, 분할 내측 전극을 사용함으로써, (100 e의 전하를 갖는 이온의) 측정 전하의 평균 분율은 0.274%의 표준 편차로 98.5%로 급격히 증가하였다. 오비트랩(11)의 제2 기하학적 구조에서, 또한 이전과 같이 ln(R2/R1) = 0.470 및 Rm = √2R2인 통상적인 "하이-필드" 기하학적 구조가 시뮬레이션되었다. 이러한 기하학적 구조의 경우, 분할 내측 전극을 사용함으로써, (100 e의 전하를 갖는 이온의) 측정 전하의 평균 분율은 0.804%의 표준 편차로 97.0%였다. 분할 내측 전극(112A, 112B)이 구현되고 이전의 시뮬레이션에서 달리 전술한 바와 같은 도 2의 오비트랩(110)에서, 전하 결정의 불확실성은 1.71%로부터 0.15%로 감소되었다.
따라서, 오비트랩 구성 요소의 기하학적 구조와 관계없이, 내측 전극을 축방향 절반부로 분할하고, 유도된 이온 전하를 측정하기 위해 모든 4개의 전극 절반부를 사용함으로써, 하나의 단일 내측 전극이 구현되는 동일한 기구와 비교하여, 전하 불확실성이 감소된다. 오비트랩의 각각의 면 상의 내측 및 외측 검출 전극 상의 유도된 전하가 합산된 다음, 2개의 합계가 서로 감산되기 때문에, 측정 전하에 대한 2개 세트의 내측 및 외측 전극 간의 곡률의 차의 영향이 감소될 수 있다. 통상적인 오비트랩에서 확인되는 것과 같은, 내측 및 외측 전극 간의 곡률의 큰 차를 갖는 오비트랩에서, 전하 검출 오류의 상당한 개선이 달성될 수 있다. 이러한 통상적인 오비트랩에서 분할 내측 전극을 구현함으로써, 위의 시뮬레이션에서 방금 설명된 바와 같이, 100%에 근접하는 백분율 측정 전하가 야기되므로, 본원에 설명된 방식으로, 오비트랩의 기하학적 파라미터를 변경하지 않으면서 통상적인 오비트랩에서 전하 측정 정확도의 상당한 개선이 달성될 수 있음을 입증한다. 그러나, 본원에 설명된 바와 같이, 분할 내측 전극을 구현하는 것과 오비트랩의 기하학적 파라미터를 최적화하는 것의 조합에 따라, 전술한 시뮬레이션에서도 입증된 바와 같이, 최대의 전하 측정 정확도가 산출된다.
이제 도 9a를 참조하면, 본원에 설명된 임의의 실시형태의 오비트랩(110)을 포함할 수 있는 일 실시형태의 이온 분리 기구(200)의 단순화된 블록도가 도시되며, 이온 분리 기구(200)는, 오비트랩(110)의 상류에 이온 소스(202)를 포함할 수 있거나/포함할 수 있고, 오비트랩(110)의 하류에 배치되어 오비트랩(110)에서 방출되는 이온(들)을 처리하도록 구성된 적어도 하나의 이온 처리 기구(204)를 포함할 수 있다. 오비트랩(110)의 하류에 배치된 적어도 하나의 이온 처리 기구(204)를 포함하는 일부 실시형태에서, 내측 및 외측 전극(112, 114)에 인가되는 전압은, 이온이 오비트랩(110)으로부터 축방향으로 방출될 수 있게 하도록, 즉, 내측 및 외측 전극(112, 114) 사이에 한정된 공동(115)으로부터 축방향으로 방출될 수 있게 하도록, 또는 이온이 중앙 또는 중심 공간(116A)으로부터 반경 방향으로 방출될 수 있게 하도록, 예시적으로 제어될 수 있다. 오비트랩(110)의 하류에 배치된 적어도 하나의 이온 처리 기구(204)를 포함하는 다른 실시형태에서, 오비트랩(110)은, 예를 들어, 도 2에 도시된 개구부(118A) 및 통로(118)와 유사하거나 동일한, 외측 전극(114)을 통하는 다른 이온 통로 및 개구부를 포함하도록 변형될 수 있으며, 내측 및 외측 전극(112, 114)에 인가되는 전압은, 이온이 이러한 이온 통로 및 개구부로부터 축방향으로 방출될 수 있게 하도록 예시적으로 제어될 수 있다.
이온 소스(202)는, 샘플로부터 이온을 발생시키도록 구성된 적어도 하나의 통상적인 이온 발생기를 예시적으로 포함한다. 이온 발생기는 예를 들어, 전기분무(electrospray) 이온화 소스, 매트릭스 보조 레이저 탈착 이온화(MALDI) 소스 등과 같은, 적어도 하나의 이온 발생 장치 중 하나 또는 이의 임의의 조합일 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 일부 실시형태에서, 이온 소스(202)는, 전술한 바와 같은 오비트랩(110)에 의한 검출 전에, 발생된 이온의 일부 또는 전부에 작용하도록 구성된 임의의 수의 이온 처리 기구를 더 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 이온 소스(202)는, 이온 소스(202)의 일부일 수 있거나 일부를 형성할 수 있는 다수(Q개)의 이온 소스 스테이지(IS1 내지 ISQ)를 포함하는 것으로 도 9a에 도시되며, 여기서 Q는 임의의 양의 정수일 수 있다. 전형적으로, 이온 소스 스테이지(IS1)는 전술한 바와 같은 하나 이상의 통상적인 이온 소스이거나 이를 포함한다. 이온 소스 스테이지(들)(IS2 내지 ISQ)는, 하나 이상의 그러한 스테이지를 포함하는 실시형태에서, 예시적으로, 하나 이상의 분자 특성에 따라(예를 들어, 이온 질량, 전하, 이온 질량 대 전하, 이온 이동도, 이온 체류 시간 등에 따라) 이온을 분리하기 위한 하나 이상의 통상적인 기구, 및/또는 이온을 포집 및/또는 저장하기 위한 하나 이상의 통상적인 이온 처리 기구(예를 들어, 하나 이상의 사중극자, 육중극자(hexapole) 및/또는 다른 이온 트랩), (예를 들어, 이온 질량, 전하, 이온 질량 대 전하, 이온 이동도, 이온 체류 시간 등과 같은 하나 이상의 분자 특성에 따라) 이온을 필터링하기 위한 하나 이상의 통상적인 이온 처리 기구, 이온을 분해시키거나 달리 해리시키기 위한 하나 이상의 통상적인 이온 처리 기구, 이온 전하 상태를 정규화하거나 전환시키기 위한 하나 이상의 통상적인 이온 처리 기구 등일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 이온 소스(202)는 임의의 이러한 통상적인 이온 소스, 이온 분리 기구 및/또는 이온 처리 기구 중 하나 또는 이의 임의의 조합을 임의의 순서로 포함할 수 있으며, 일부 실시형태는 다수의 인접한 또는 이격된 임의의 이러한 통상적인 이온 소스, 이온 분리 기구 및/또는 이온 처리 기구를 포함할 수 있음을 이해할 것이다. 이온 소스(202)가 이온 질량, 전하, 또는 질량 대 전하 비율에 따라 입자를 분리하기 위한 하나 이상의 기구를 포함하는 실시형태에서, 예시적으로, 이온 소스(202) 및 오비트랩(110)은, 도 9a에 도시된 바와 같은 통상적인 전하 검출 질량 분석기(CDMS)(206)를 함께 형성한다.
일부 실시형태에서, 기구(200)는, 오비트랩(110)의 이온 배출구에 연결된 이온 처리 기구(204)를 포함할 수 있다. 도 9a에 예시적으로 도시된 바와 같이, 이온 처리 기구(204)는, 이를 포함하는 실시형태에서, 임의의 수의 이온 분리 및/또는 처리 스테이지(OS1 내지 OSR)의 형태로 제공될 수 있으며, 여기서 R은 임의의 양의 정수일 수 있다. 하나 이상의 이온 분리 및/또는 처리 스테이지(OS1 내지 OSR)의 실시예는, 하나 이상의 분자 특성에 따라(예를 들어, 이온 질량, 전하, 이온 질량 대 전하, 이온 이동도, 이온 체류 시간 등에 따라) 이온을 분리하기 위한 하나 이상의 통상적인 기구, 이온을 포집 및/또는 저장하기 위한 하나 이상의 통상적인 기구(예를 들어, 하나 이상의 사중극자, 육중극자 및/또는 다른 이온 트랩), (예를 들어, 이온 질량, 전하, 이온 질량 대 전하, 이온 이동도, 이온 체류 시간 등과 같은 하나 이상의 분자 특성에 따라) 이온을 필터링하기 위한 하나 이상의 통상적인 기구, 이온을 분해시키거나 달리 해리시키기 위한 하나 이상의 통상적인 기구, 이온 전하 상태를 정규화하거나 전환시키기 위한 하나 이상의 통상적인 기구 등을 포함할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 이온 처리 기구(204)는 임의의 이러한 통상적인 이온 분리 기구 및/또는 이온 처리 기구 중 하나 또는 이의 임의의 조합을 임의의 순서로 포함할 수 있으며, 일부 실시형태는 다수의 인접한 또는 이격된 임의의 이러한 통상적인 이온 분리 기구 및/또는 이온 처리 기구를 포함할 수 있음을 이해할 것이다. 이온 소스(202) 및/또는 이온 처리 기구(204)가 하나 이상의 질량 분석기를 포함하는 임의의 구현예에서, 임의의 하나 이상의 이러한 질량 분석기는, 예를 들어, 전파 시간(TOF) 질량 분석기, 반사 질량 분석기, 푸리에 변환 이온 사이클로트론 공명(FTICR) 질량 분석기, 사중극자 질량 분석기, 삼중 사중극자 질량 분석기, 자성 섹터 질량 분석기 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 통상적인 설계일 수 있다.
어떠한 방식으로도 제한적인 것으로 간주되어서는 안되는, 도 9a에 도시된 이온 분리 기구(200)의 하나의 구체적인 구현예로서, 이온 소스(202)는 예시적으로 3개의 스테이지를 포함하며, 이온 처리 기구(204)는 제외된다. 이러한 예시적인 구현예에서, 이온 소스 스테이지(IS1)는 통상적인 이온 소스, 예를 들어, 전기분무, MALDI 등이며, 이온 소스 스테이지(IS2)는 통상적인 이온 필터, 예를 들어 사중극자 또는 육중극자 이온 가이드이고, 이온 소스 스테이지(IS3)는 전술한 임의의 유형의 질량 분석기이다. 이러한 실시형태에서, 이온 소스 스테이지(IS2)는, 하류 질량 분석기에 의한 분석을 위해 원하는 분자 특성을 갖는 이온을 미리 선택하고, 이러한 미리 선택된 이온만을 질량 분석기에 전달하도록 통상적인 방식으로 제어되며, 오비트랩(110)에 의해 분석된 이온은, 질량 대 전하 비율에 따라 질량 분석기에 의해 분리된 미리 선택된 이온일 것이다. 이온 필터에서 방출되는 미리 선택된 이온은, 예를 들어, 특정 이온 질량, 전하, 또는 질량 대 전하 비율을 갖는 이온; 특정 이온 질량, 전하, 또는 이온 질량 대 전하 비율 초과 및/또는 미만의 이온 질량, 전하, 또는 이온 질량 대 전하 비율을 갖는 이온; 또는 이온 질량, 전하, 또는 이온 질량 대 전하 비율의 특정 범위 내의 이온 질량, 전하, 또는 이온 질량 대 전하 비율을 갖는 이온 등일 수 있다. 이러한 실시예의 일부 대안적인 구현예에서, 이온 소스 스테이지(IS2)는 질량 분석기일 수 있고, 이온 소스 스테이지(IS3)는 이온 필터일 수 있으며, 이온 필터는, 하류 오비트랩(110)에 의한 분석을 위해 원하는 분자 특성을 갖는, 질량 분석기에서 방출되는 이온을 미리 선택하도록 방금 설명된 바와 같이 달리 작동 가능할 수 있다. 이러한 실시예의 다른 대안적인 구현예에서, 이온 소스 스테이지(IS2)는 이온 필터일 수 있고, 이온 소스 스테이지(IS3)는 질량 분석기 다음에 다른 이온 필터를 포함할 수 있으며, 이온 필터는 방금 설명된 바와 같이 각각 작동된다.
어떠한 방식으로도 제한적인 것으로 간주되어서는 안되는, 도 9a에 도시된 이온 분리 기구(200)의 다른 구체적인 구현예로서, 이온 소스(202)는 예시적으로 2개의 스테이지를 포함하며, 이온 처리 기구(204)는 또 다시 제외된다. 이러한 예시적인 구현예에서, 이온 소스 스테이지(IS1)는 통상적인 이온 소스, 예를 들어, 전기분무, MALDI 등이며, 이온 소스 스테이지(IS2)는 전술한 임의의 유형의 통상적인 질량 분석기이다. 이러한 구현예에서, 기구(200)는, 오비트랩(110)이 질량 분석기에서 방출되는 이온을 분석하도록 작동 가능한, 전하 검출 질량 분석기(CDMS)(206)의 형태를 취한다.
어떠한 방식으로도 제한적인 것으로 간주되어서는 안되는, 도 9a에 도시된 이온 분리 기구(200)의 또 다른 구체적인 구현예로서, 이온 소스(202)는 예시적으로 2개의 스테이지를 포함하며, 이온 처리 기구(204)는 제외된다. 이러한 예시적인 구현예에서, 이온 소스 스테이지(IS1)는 통상적인 이온 소스, 예를 들어, 전기분무, MALDI 등이며, 이온 소스 스테이지(IS2)는 통상적인 단일 또는 다중 스테이지 이온 이동도 분석기이다. 이러한 구현예에서, 이온 이동도 분석기는, 이온 이동도의 하나 이상의 함수에 따라, 시간이 지남에 따라 이온 소스 스테이지(IS1)에 의해 발생되는 이온을 분리하도록 작동 가능하며, 오비트랩(110)은 이온 이동도 분석기에서 방출되는 이온을 분석하도록 작동 가능하다. 이러한 실시예의 대안적인 구현예에서, 이온 처리 기구(204)는, 단독 스테이지(OS1)로서(또는 다중 스테이지 기구(210)의 스테이지(OS1)로서), 통상적인 단일 또는 다중 스테이지 이온 이동도 분석기를 포함할 수 있다. 이러한 대안적인 구현예에서, 오비트랩(110)은, 이온 소스 스테이지(IS1)에 의해 발생된 이온을 분석하도록 작동 가능하며, 이온 이동도 분석기(OS1)는, 이온 이동도의 하나 이상의 함수에 따라, 시간이 지남에 따라 오비트랩(110)에서 방출되는 이온을 분리하도록 작동 가능하다. 이러한 실시예의 다른 대안적인 구현예로서, 단일 또는 다중 스테이지 이온 이동도 분석기는, 이온 소스 스테이지(IS1) 및 오비트랩(110) 둘 모두에 후속될 수 있다. 이러한 대안적인 구현예에서, 이온 소스 스테이지(IS1)에 후속되는 이온 이동도 분석기는, 이온 이동도의 하나 이상의 함수에 따라, 시간이 지남에 따라 이온 소스 스테이지(IS1)에 의해 발생된 이온을 분리하도록 작동 가능하며, 오비트랩(110)은, 이온 소스 스테이지 이온 이동도 분석기에서 방출되는 이온을 분석하도록 작동 가능하고, 오비트랩(110)에 후속되는 이온 처리 스테이지(OS1)의 이온 이동도 분석기는, 이온 이동도의 하나 이상의 함수에 따라, 시간이 지남에 따라 오비트랩(110)에서 방출되는 이온을 분리하도록 작동 가능하다. 본 단락에서 설명된 실시형태의 임의의 구현예에서, 추가적인 변형예는, 이온 소스(202) 및/또는 이온 처리 기구(204)에서 단일 또는 다중 스테이지 이온 이동도 분석기의 상류 및/또는 하류에 작동 가능하게 위치된 질량 분석기를 포함할 수 있다.
어떠한 방식으로도 제한적인 것으로 간주되어서는 안되는, 도 9a에 도시된 이온 분리 기구(200)의 또 다른 구체적인 구현예로서, 이온 소스(202)는 예시적으로 2개의 스테이지를 포함하며, 이온 처리 기구(204)는 제외된다. 이러한 예시적인 구현예에서, 이온 소스 스테이지(IS1)는, 분자 체류 시간에 따라 용액 중의 분자를 분리하도록 구성된 통상적인 액체 크로마토그래프, 예를 들어, HPLC 등이며, 이온 소스 스테이지(IS2)는 통상적인 이온 소스, 예를 들어 전기분무 등이다. 이러한 구현예에서, 액체 크로마토그래프는 용액 중의 분자 성분을 분리하도록 작동 가능하며, 이온 소스 스테이지(IS2)는 액체 크로마토그래프에서 방출되는 용액 흐름으로부터 이온을 발생시키도록 작동 가능하고, 오비트랩(110)은 이온 소스 스테이지(IS2)에 의해 발생된 이온을 분석하도록 작동 가능하다. 이러한 실시예의 대안적인 구현예에서, 대신에, 이온 소스 스테이지(IS1)는, 용액 중의 분자를 크기에 따라 분리하도록 작동 가능한 통상적인 사이즈 배제 크로마토그래프(SEC)일 수 있다. 다른 대안적인 구현예에서, 이온 소스 스테이지(IS1)는 통상적인 액체 크로마토그래프 다음에 통상적인 SEC를 포함할 수 있거나, 그 반대로도 마찬가지일 수 있다. 이러한 구현예에서, 두 번 분리된 용액으로부터 이온 소스 스테이지(IS2)에 의해 이온이 발생된다; 분자 체류 시간에 따라 한 번 분리된 다음, 분자 크기에 따라 두 번째로 분리되거나, 그 반대로도 마찬가지이다. 본 단락에서 설명된 실시형태의 임의의 구현예에서, 추가적인 변형예는, 이온 소스 스테이지(IS2)와 오비트랩(110) 사이에 작동 가능하게 위치된 질량 분석기를 포함할 수 있다.
이제 도 9b를 참조하면, 다중 스테이지 질량 분석기 기구(220)를 예시적으로 포함하고, 오비트랩(110)을 포함하는 CDMS(206), 즉 고질량 이온 분석 구성 요소로서 구현되는 전술한 바와 같은 오비트랩 기반 CDMS(206)를 또한 포함하는, 다른 실시형태의 이온 분리 기구(210)의 단순화된 블록도가 도시된다. 도시된 실시형태에서, 다중 스테이지 질량 분석기 기구(220)는, 본원에 도시되고 설명된 바와 같은 이온 소스(IS)(202); 후속적으로 이에 연결된 통상적인 제1 질량 분석기(MS1)(222); 후속적으로 이에 연결되어, 예를 들어, 충돌 유도 해리(CID), 표면 유도 해리(SID), 전자 포착 해리(ECD) 및/또는 광 유도 해리(PID) 등 중 하나 이상에 의해, 질량 분석기(222)에서 방출되는 이온을 해리시키도록 작동 가능한 통상적인 이온 해리 스테이지(ID)(224); 후속적으로 이에 연결된 통상적인 제2 질량 분석기(MS2)(226); 후속적으로, 예를 들어, 마이크로채널 플레이트 검출기 또는 다른 통상적인 이온 검출기와 같은, 통상적인 이온 검출기(D)(228)를 포함한다. CDMS(206)가 이온 해리 스테이지(224)와 병렬로 이온 해리 스테이지(224)에 연결됨으로써, CDMS(206)는, 질량 분석기(222)로부터 및/또는 이온 해리 스테이지(224)로부터 이온을 선택적으로 수용할 수 있다.
예를 들어, 이온 분리 기구(220)만을 사용하는 MS/MS는 안정된 접근 방식이며, 특정 분자량의 전구체 이온이 이들의 m/z 값에 기초하여 제1 질량 분석기(222)(MS1)에 의해 선택된다. 질량 선택된 전구체 이온은, 예를 들어, 충돌 유도 해리, 표면 유도 해리, 전자 포착 해리, 또는 광 유도 해리에 의해, 이온 해리 스테이지(224)에서 분해된다. 그 다음, 분해 이온은 제2 질량 분석기(226)(MS2)에 의해 분석된다. 분해 이온 및 전구체의 m/z 값만이 MS1 및 MS2 둘 모두에서 측정된다. 고질량 이온의 경우, 전하 상태가 분석되지 않으므로, m/z 값만에 기초하여, 특정 분자량을 갖는 전구체 이온을 선택하는 것은 가능하지 않다. 그러나, 도 9b에 도시된 바와 같이, 기구(220)를 CDMS(206)에 연결함으로써, 좁은 범위의 m/z 값을 선택한 다음, CDMS(206)를 사용하여, m/z 선택된 전구체 이온의 질량을 결정하는 것이 가능하다. 질량 분석기(222, 226)는 예를 들어, 자성 섹터 질량 분석기, 전파 시간 질량 분석기, 또는 사중극자 질량 분석기 중 하나 또는 이의 임의의 조합일 수 있지만, 대안적인 실시형태에서, 다른 질량 분석기 유형이 사용될 수 있다. 어떠한 경우이든, MS1에서 방출되는 알려진 질량을 갖는 m/z 선택된 전구체 이온은 이온 해리 스테이지(224)에서 분해될 수 있으며, 그 다음, 결과적인 분해 이온은, MS2에 의해(m/z 비율만이 측정되는 경우) 및/또는 CDMS 기구(206)에 의해(m/z 비율 및 전하가 동시에 측정되는 경우) 분석될 수 있다. 따라서, 임계치 질량 값(예를 들어, 10,000 Da(또는 다른 질량 값)) 미만의 질량 값을 갖는 전구체 이온 중 저질량 단편, 즉, 해리된 이온은, MS2를 사용하여 통상적인 MS에 의해 분석될 수 있는 반면에, 임계치 질량 값 이상의 질량 값을 갖는 전구체 이온 중 고질량 단편(전하 상태가 분석되지 않는 경우), 즉, 해리된 이온은, CDMS(206)에 의해 분석될 수 있다.
하나 이상의 전하 검출 최적화 기술은, 오비트랩(110) 단독으로, 및/또는 예를 들어, 전하 검출 이벤트를 위해 첨부된 도면에 도시되고 본원에 설명된 시스템(200, 210) 중 어느 하나에서 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 이러한 일부 전하 검출 최적화 기술의 실시예는, 모두 "정전기 선형 이온 트랩에서 이온을 포착하기 위한 장치 및 방법"이라는 명칭으로, 2018년 6월 4일자로 출원된 공동 계류 중인 미국 특허 출원 일련번호 제62/680,296호, 및 2019년 1월 11일자로 출원된 공동 계류 중인 국제 특허 출원 번호 PCT/US2019/______에 도시되고 설명되며, 이의 개시물 둘 모두는 그 전체가 본원에 참조로 명시적으로 포함된다.
하나 이상의 전하 보정 또는 재설정 장치는, 오비트랩(110)의 내측 및/또는 외측 전극 단독으로, 및/또는 첨부된 도면에 도시되고 본원에 설명된 시스템(200, 210) 중 어느 하나에서 사용될 수 있음을 추가로 이해할 것이다. 이러한 하나의 전하 보정 또는 재설정 장치의 일 실시예는, 모두 "전하 검출기를 보정 또는 재설정하기 위한 장치 및 방법"이라는 명칭으로, 2018년 6월 4일자로 출원된 공동 계류 중인 미국 특허 출원 일련번호 제62/680,272호, 및 2019년 1월 11일자로 출원된 공동 계류 중인 국제 특허 출원 번호 PCT/US2019/______에 도시되고 설명되며, 이의 개시물 둘 모두는 그 전체가 본원에 참조로 명시적으로 포함된다.
또한, 하나 이상의 이온 소스 최적화 장치 및/또는 기술은, 본원에 도시되고 설명된 시스템(200, 210) 중 어느 하나의 소스(202)와 같은, 오비트랩(110)에 진입하는 이온을 발생시키는 소스의 하나 이상의 실시형태와 함께 사용될 수 있음을 추가로 이해할 것이며, 이의 일부 실시예는, "전하 검출 질량 분석을 위한 하이브리드 이온 깔때기-이온 카펫(FUNPET) 대기압 인터페이스"란 명칭으로 2018년 6월 4일자로 출원된 공동 계류 중인 미국 특허 출원 일련번호 제62/680,223호, 및 "대기압 환경으로부터 저압 환경으로 이온을 이송하기 위한 인터페이스"란 명칭으로 2019년 1월 11일자로 출원된 공동 계류 중인 국제 특허 출원 번호 PCT/US2019/______에 도시되고 설명되며, 이의 개시물 둘 모두는 그 전체가 본원에 참조로 명시적으로 포함된다.
또한, 첨부된 도면에 도시되고 본원에 설명된 시스템(200, 210) 중 어느 하나에서 구현된 및/또는 단독으로 오비트랩(110)은, 실시간 분석 및/또는 실시간 제어 기술에 따라 작동하도록 구성된 시스템으로 구현될 수 있음을 추가로 이해할 것이며, 이의 일부 실시예는, 모두 "실시간 분석 및 신호 최적화를 통한 전하 검출 질량 분석"이란 명칭으로, 2018년 6월 4일자로 출원된 공동 계류 중인 미국 특허 출원 일련번호 제62/680,245호, 및 2019년 1월 11일자로 출원된 공동 계류 중인 국제 특허 출원 번호 PCT/US2019/______에 도시되고 설명되며, 이의 개시물 둘 모두는 그 전체가 본원에 참조로 명시적으로 포함된다.
또한, 첨부된 도면에 도시되고 본원에 설명된 시스템(200, 210) 중 어느 하나와 같은 시스템의 오비트랩(110)은, 2개 이상의 오비트랩을 갖는 적어도 하나의 오비트랩 어레이의 형태로 제공될 수 있으며, 본원에 설명된 개념은 하나 이상의 그러한 오비트랩 어레이를 포함하는 시스템에 직접 적용 가능함을 추가로 이해할 것이다. 2개 이상의 오비트랩(110)이 배치될 수 있는 일부 그러한 어레이 구조의 실시예는, 모두 "높은 처리량 전하 검출 질량 분석을 위한 이온 트랩 어레이"라는 명칭으로, 2018년 6월 4일자로 출원된 공동 계류 중인 미국 특허 출원 일련번호 제62/680,315호, 및 2019년 1월 11일자로 출원된 공동 계류 중인 국제 특허 출원 번호 PCT/US2019/______에 도시되고 설명되며, 이의 개시물 모두는 그 전체가 본원에 참조로 명시적으로 포함된다.
본 개시물은 전술한 도면 및 설명에서 상세히 도시되고 설명되었지만, 이는 예시적인 것으로 간주되어야 하고, 특징이 제한적인 것으로 간주되어서는 안되며, 이의 예시적인 실시형태만이 도시되고 설명되었으며, 본 개시물의 사상 내에 있는 모든 변경 및 변형은 보호되도록 요구됨을 이해한다. 예를 들어, 지정된 기하학적 구조 목표를 달성하기 위해, 다양한 오비트랩 구성 요소 기하학적 구조를 설계하는 것을 포함하는, 오비트랩의 단일 이온 전하 검출 정확도의 일부 개선이 설명되었다. 또한, 내측 전극을 동일한 축방향 절반부로 분리하고, 2개의 내측 전극 절반부를 제2 이온 전하 검출기로서 사용하는 것을 포함하는, 오비트랩의 단일 이온 전하 검출 정확도의 다른 개선이 설명되었으며, 외측 전극 상에서 측정된 전하 검출 신호가 내측 전극 상에서 측정된 전하 검출 신호와 조합되어, 합성 전하 검출 신호를 생성한다. 본 개시물에 따라, 일부 실시형태에서, 어느 하나의 세트의 개선이 다른 하나가 배제된 오비트랩에서 구현될 수 있고, 다른 실시형태에서, 두 세트의 개선이 오비트랩에서 함께 구현될 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (42)

  1. 오비트랩으로서,
    신장형 내측 전극으로서, 상기 신장형 내측 전극은 이를 통하여 중앙으로 종축을 한정하고, 상기 종축에 수직으로 이를 통하여 중앙으로 횡방향 평면을 한정하며, 상기 내측 전극은, 상기 횡방향 평면이 통과하는 상기 종축을 중심으로 최대 반경(R1)을 한정하는 곡선형 외측 표면을 갖는, 신장형 내측 전극;
    상기 횡방향 평면이 통과하는 상기 종축을 중심으로 최대 반경(R2)을 한정하는 곡선형 내측 표면을 갖는 신장형 외측 전극으로서, 상기 외측 전극의 상기 내측 표면과 상기 내측 전극의 상기 외측 표면 사이에 공동이 한정되도록 R2 > R1인, 신장형 외측 전극; 및
    상기 공동 내에 이온을 포획하고, 상기 포획된 이온이 상기 내측 전극을 중심으로 회전하게 하며, 상기 내측 전극을 따라 축방향으로 진동하게 하도록 구성된 전기장을 설정하기 위한 수단을 포함하며,
    상기 회전 및 진동 이온은 상기 내측 및 외측 전극 중 적어도 하나 상에 전하를 유도하고,
    R1 및 R2는, ln(R2/R1)에 따라 상기 유도된 전하의 백분율을 최대화하는 값을 갖도록 선택되는,
    오비트랩.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 오비트랩은, 상기 설정된 전기장이 상기 종축을 향해 이온을 더 이상 흡인하지 않는, 상기 종축으로부터의 반경 방향 거리에 해당하는, 상기 종축을 중심으로 하는 특성 반경(Rm)을 한정하며,
    Rm 및 R2는, Rm/R2에 따라 상기 유도된 전하의 상기 백분율을 최대화하는 값을 갖도록 선택되는, 오비트랩.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 내측 전극의 상기 외측 표면은, 이의 종방향 중간부에서 상기 최대 반경(R1)을 갖는 축방향으로 연장되는 스핀들형 윤곽을 한정하며,
    상기 외측 전극의 상기 내측 표면의 상기 최대 반경(R2)이 상기 내측 전극의 상기 외측 표면의 상기 최대 반경(R1)에 반경 방향으로 대향하도록, 상기 외측 전극의 상기 내측 표면은, 이의 종방향 중간부에서 상기 최대 반경(R2)을 가지면서, 상기 내측 전극의 상기 외측 표면의 상기 윤곽을 따르는, 오비트랩.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내측 전극은 단일 부재를 포함하며,
    상기 외측 전극은, 축방향으로 이격된 2개의 외측 전극 절반부를 포함하고, 상기 횡방향 평면이 이들 사이로 통과하며,
    상기 회전 및 진동 이온은 각각의 상기 외측 전극 절반부 상에 전하를 유도하고,
    상기 외측 전극 절반부 상의 상기 회전 및 진동 이온에 의해 유도된 상기 전하를 검출하고, 측정된 이온 전하 신호를 생성하기 위해 각각의 진동에 대해 상기 검출된 전하를 조합하도록 구성된 전하 검출 회로를 더 포함하는, 오비트랩.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전하 검출 회로는, 상기 외측 전극 절반부 중 하나 상에 유도된 상기 전하를 상기 외측 전극 절반부 중 다른 하나 상에 유도된 상기 전하로부터 감산함으로써, 상기 검출된 전하를 조합하도록 구성되는, 오비트랩.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 종축을 따르는 상기 이온의 조화 진동의 주파수에 따라 상기 이온의 질량 대 전하 비율을 결정하고, 상기 측정된 이온 전하 신호에 기초하여 상기 이온의 전하를 결정하며, 상기 결정된 전하 및 상기 결정된 질량 대 전하 비율에 기초하여, 상기 이온의 질량을 결정하기 위해, 상기 측정된 이온 전하 신호를 처리하도록 구성된 프로세서를 더 포함하는, 오비트랩.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내측 전극은, 축방향으로 이격된 2개의 내측 전극 절반부를 포함하며, 상기 횡방향 평면이 이들 사이로 통과하고,
    상기 외측 전극은, 축방향으로 이격된 2개의 외측 전극 절반부를 포함하며, 상기 횡방향 평면이 이들 사이로 통과하고,
    상기 회전 및 진동 이온은, 각각의 상기 외측 전극 절반부 상에 그리고 각각의 상기 내측 전극 절반부 상에 전하를 유도하며,
    상기 외측 전극 절반부 상의 그리고 상기 내측 전극 절반부 상의 상기 회전 및 진동 이온에 의해 유도된 상기 전하를 검출하고, 측정된 이온 전하 신호를 생성하기 위해 각각의 진동에 대해 상기 검출된 전하를 조합하도록 구성된 전하 검출 회로를 더 포함하는, 오비트랩.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전하 검출 회로는, 상기 횡방향 평면의 하나의 면 상에서, 상기 외측 전극 절반부 상에 유도된 상기 전하와 상기 내측 전극 절반부 상에 유도된 상기 전하의 합계를, 상기 횡방향 평면의 다른 면 상에서, 상기 외측 전극 절반부 상에 유도된 상기 전하와 상기 내측 전극 절반부 상에 유도된 상기 전하의 합계로부터 감산함으로써, 상기 검출된 전하를 조합하도록 구성되는, 오비트랩.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전하 검출 회로는,
    각각의 상기 내측 전극 절반부에 연결된 대향 단부를 갖는 1차 코일, 각각의 해당하는 상기 외측 전극 절반부에 연결된 대향 단부를 갖는 2차 코일, 및 보조 2차 코일을 갖는 변압기; 및
    상기 보조 2차 코일의 하나의 단부에 연결된 입력, 및 상기 측정된 전하 신호를 생성하는 출력을 갖는 신호 증폭기를 포함하는, 오비트랩.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 전하 검출 회로는, 상기 내측 전극 절반부 중 하나 상에 유도된 상기 전하와 상기 내측 전극 절반부 중 다른 하나 상에 유도된 전하의 차, 및 상기 외측 전극 절반부 중 하나 상에 유도된 상기 전하와 상기 외측 전극 절반부 중 다른 하나 상에 유도된 전하의 차를 합산함으로써, 상기 검출된 전하를 조합하도록 구성되는, 오비트랩.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 전하 검출 회로는,
    각각의 상기 내측 및 외측 전극 절반부 상의 상기 검출된 전하를 디지털 전하 검출 값으로 변환하기 위한 회로; 및
    디지털 측정 전하 검출 값의 형태로 상기 측정된 전하 검출 신호를 생성하기 위해, 상기 디지털 전하 검출 값을 조합하기 위한 프로세서를 포함하는, 오비트랩.
  12. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 종축을 따르는 상기 이온의 조화 진동의 주파수에 따라 상기 이온의 질량 대 전하 비율을 결정하고, 상기 측정된 이온 전하 신호에 기초하여 상기 이온의 전하를 결정하며, 상기 결정된 전하 및 상기 결정된 질량 대 전하 비율에 기초하여, 상기 이온의 질량을 결정하기 위해, 상기 측정된 이온 전하 신호를 처리하도록 구성된 프로세서를 더 포함하는, 오비트랩.
  13. 오비트랩으로서,
    신장형 내측 전극으로서, 상기 신장형 내측 전극은 이를 통하여 중앙으로 종축을 한정하고, 상기 종축에 수직으로 이를 통하여 중앙으로 횡방향 평면을 한정하는, 신장형 내측 전극;
    상기 횡방향 평면이 통과하는 상기 종축을 중심으로 최대 반경(R2)을 갖는 곡선형 내측 표면을 한정하는 신장형 외측 전극으로서, 상기 내측 전극의 외측 표면과 상기 외측 전극의 상기 내측 표면 사이에 공동이 한정되는, 신장형 외측 전극;
    상기 공동 내에 이온을 포획하고, 상기 포획된 이온이 상기 내측 전극을 중심으로 회전하게 하며, 상기 내측 전극을 따라 축방향으로 진동하게 하도록 구성된 전기장을 설정하기 위한 수단으로서, 상기 회전 및 진동 이온은 상기 내측 및 외측 전극 중 적어도 하나 상에 전하를 유도하는, 전기장을 설정하기 위한 수단; 및
    상기 설정된 전기장이 상기 종축을 향해 이온을 더 이상 흡인하지 않는, 상기 종축으로부터의 반경 방향 거리에 해당하는, 상기 종축을 중심으로 하는 특성 반경(Rm)을 포함하며,
    Rm 및 R2의 값은, (Rm/R2)에 따라 상기 유도된 전하의 백분율을 최대화하도록 선택되는,
    오비트랩.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 내측 전극은 단일 부재를 포함하며,
    상기 외측 전극은, 축방향으로 이격된 2개의 외측 전극 절반부를 포함하고, 상기 횡방향 평면이 이들 사이로 통과하며,
    상기 회전 및 진동 이온은 각각의 상기 외측 전극 절반부 상에 전하를 유도하고,
    상기 외측 전극 절반부 상의 상기 회전 및 진동 이온에 의해 유도된 상기 전하를 검출하고, 측정된 이온 전하 신호를 생성하기 위해 각각의 진동에 대해 상기 검출된 전하를 조합하도록 구성된 전하 검출 회로를 더 포함하는, 오비트랩.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전하 검출 회로는, 상기 외측 전극 절반부 중 하나 상에 유도된 상기 전하를 상기 외측 전극 절반부 중 다른 하나 상에 유도된 상기 전하로부터 감산함으로써, 상기 검출된 전하를 조합하도록 구성되는, 오비트랩.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 종축을 따르는 상기 이온의 조화 진동의 주파수에 따라 상기 이온의 질량 대 전하 비율을 결정하고, 상기 측정된 이온 전하 신호에 기초하여 상기 이온의 전하를 결정하며, 상기 결정된 전하 및 상기 결정된 질량 대 전하 비율에 기초하여, 상기 이온의 질량을 결정하기 위해, 상기 측정된 이온 전하 신호를 처리하도록 구성된 프로세서를 더 포함하는, 오비트랩.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 내측 전극은, 축방향으로 이격된 2개의 내측 전극 절반부를 포함하며, 상기 횡방향 평면이 이들 사이로 통과하고,
    상기 외측 전극은, 축방향으로 이격된 2개의 외측 전극 절반부를 포함하며, 상기 횡방향 평면이 이들 사이로 통과하고,
    상기 회전 및 진동 이온은, 각각의 상기 외측 전극 절반부 상에 그리고 각각의 상기 내측 전극 절반부 상에 전하를 유도하며,
    상기 내측 전극 절반부 상의 그리고 상기 외측 전극 절반부 상의 상기 회전 및 진동 이온에 의해 유도된 상기 전하를 검출하고, 측정된 이온 전하 신호를 생성하기 위해 각각의 진동에 대해 상기 검출된 전하를 조합하도록 구성된 전하 검출 회로를 더 포함하는, 오비트랩.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 전하 검출 회로는, 상기 횡방향 평면의 하나의 면 상에서, 상기 외측 전극 절반부 상에 유도된 상기 전하와 상기 내측 전극 절반부 상에 유도된 상기 전하의 합계를, 상기 횡방향 평면의 다른 면 상에서, 상기 외측 전극 절반부 상에 유도된 상기 전하와 상기 내측 전극 절반부 상에 유도된 상기 전하의 합계로부터 감산함으로써, 상기 검출된 전하를 조합하도록 구성되는, 오비트랩.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 전하 검출 회로는,
    각각의 상기 내측 전극 절반부에 연결된 대향 단부를 갖는 1차 코일, 각각의 해당하는 상기 외측 전극 절반부에 연결된 대향 단부를 갖는 2차 코일, 및 보조 2차 코일을 갖는 변압기; 및
    상기 보조 2차 코일의 하나의 단부에 연결된 입력, 및 상기 측정된 전하 신호를 생성하는 출력을 갖는 신호 증폭기를 포함하는, 오비트랩.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 전하 검출 회로는, 상기 내측 전극 절반부 중 하나 상에 유도된 상기 전하와 상기 내측 전극 절반부 중 다른 하나 상에 유도된 상기 전하의 차, 및 상기 외측 전극 절반부 중 하나 상에 유도된 상기 전하와 상기 외측 전극 절반부 중 다른 하나 상에 유도된 상기 전하의 차를 합산함으로써, 상기 검출된 전하를 조합하도록 구성되는, 오비트랩.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 전하 검출 회로는,
    각각의 상기 내측 및 외측 전극 절반부 상의 상기 검출된 전하를 디지털 전하 검출 값으로 변환하기 위한 회로; 및
    디지털 측정 전하 검출 값의 형태로 상기 측정된 전하 검출 신호를 생성하기 위해, 상기 디지털 전하 검출 값을 조합하기 위한 프로세서를 포함하는, 오비트랩.
  22. 제17항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 종축을 따르는 상기 이온의 조화 진동의 주파수에 따라 상기 이온의 질량 대 전하 비율을 결정하고, 상기 측정된 이온 전하 신호에 기초하여 상기 이온의 전하를 결정하며, 상기 결정된 전하 및 상기 결정된 질량 대 전하 비율에 기초하여, 상기 이온의 질량을 결정하기 위해, 상기 측정된 이온 전하 신호를 처리하도록 구성된 프로세서를 더 포함하는, 오비트랩.
  23. 제13항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내측 전극의 외측 표면은, 이의 종방향 중간부에서 상기 종축을 중심으로 최대 반경(R1)을 갖는 축방향으로 연장되는 스핀들형 윤곽을 한정하며,
    상기 외측 전극의 상기 내측 표면의 상기 최대 반경(R2)이 상기 내측 전극의 상기 최대 반경(R1)에 반경 방향으로 대향하도록, 상기 외측 전극의 상기 내측 표면은, 이의 종방향 중간부에서 상기 최대 반경(R2)을 가지면서, 상기 내측 전극의 상기 외측 표면의 상기 윤곽을 따르는, 오비트랩.
  24. 오비트랩으로서,
    신장형 내측 전극으로서, 상기 신장형 내측 전극은 이를 통하여 중앙으로 종축을 한정하고, 상기 종축에 수직으로 이를 통하여 중앙으로 횡방향 평면을 한정하며, 상기 내측 전극은, 축방향으로 이격된 2개의 내측 전극 절반부를 한정하고, 상기 횡방향 평면이 이들 사이로 통과하는, 신장형 내측 전극;
    축방향으로 이격된 2개의 외측 전극 절반부를 한정하는 신장형 외측 전극으로서, 상기 횡방향 평면이 이들 사이로 통과하는, 신장형 외측 전극;
    상기 내측 전극의 외측 표면과 상기 외측 전극의 내측 표면 사이에서 상기 내측 및 외측 전극을 따라 축방향으로 그리고 상기 종축을 중심으로 반경 방향으로 한정된 공동;
    상기 공동 내에 이온을 포획하고, 상기 포획된 이온이 상기 내측 전극을 중심으로 회전하게 하며, 상기 내측 전극을 따라 축방향으로 진동하게 하도록 구성된 전기장을 설정하기 위한 수단으로서, 상기 회전 및 진동 이온은 상기 내측 및 외측 전극 절반부 상에 전하를 유도하는, 전기장을 설정하기 위한 수단; 및
    상기 내측 전극 절반부 상의 그리고 상기 외측 전극 절반부 상의 상기 회전 및 진동 이온에 의해 유도된 전하를 검출하고, 측정된 이온 전하 신호를 생성하기 위해 각각의 진동에 대해 상기 검출된 전하를 조합하도록 구성된 전하 검출 회로를 포함하는,
    오비트랩.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 내측 전극의 외측 표면은, 이의 종방향 중간부에서 상기 종축을 중심으로 최대 반경(R1)을 갖는 축방향으로 연장되는 스핀들형 윤곽을 한정하며,
    상기 외측 전극의 상기 내측 표면은, 이의 종방향 중간부에서 상기 종축을 중심으로 최대 반경(R2)을 가지면서, 상기 내측 전극의 상기 외측 표면의 상기 윤곽을 따르고,
    R2 > R1이며, 상기 외측 전극의 상기 내측 표면의 상기 최대 반경(R2)은 상기 내측 전극의 상기 최대 반경(R1)에 반경 방향으로 대향하는, 오비트랩.
  26. 제25항에 있어서,
    R1 및 R2는, ln(R2/R1)에 따라 상기 유도된 전하의 백분율을 최대화하는 값을 갖도록 선택되는, 오비트랩.
  27. 제25항 또는 제26항에 있어서,
    상기 오비트랩은, 상기 설정된 전기장이 상기 종축을 향해 이온을 더 이상 흡인하지 않는, 상기 종축으로부터의 반경 방향 거리에 해당하는, 상기 종축을 중심으로 하는 특성 반경(Rm)을 한정하며,
    Rm 및 R2는, Rm/R2에 따라 상기 유도된 전하의 백분율을 최대화하는 값을 갖도록 선택되는, 오비트랩.
  28. 제24항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전하 검출 회로는, 상기 횡방향 평면의 하나의 면 상에서, 상기 외측 전극 절반부 상에 유도된 상기 전하와 상기 내측 전극 절반부 상에 유도된 상기 전하의 합계를, 상기 횡방향 평면의 다른 면 상에서, 상기 외측 전극 절반부 상에 유도된 상기 전하와 상기 내측 전극 절반부 상에 유도된 상기 전하의 합계로부터 감산함으로써, 상기 검출된 전하를 조합하도록 구성되는, 오비트랩.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 전하 검출 회로는,
    각각의 상기 내측 전극 절반부에 연결된 대향 단부를 갖는 1차 코일, 각각의 해당하는 상기 외측 전극 절반부에 연결된 대향 단부를 갖는 2차 코일, 및 보조 2차 코일을 갖는 변압기; 및
    상기 보조 2차 코일의 하나의 단부에 연결된 입력, 및 상기 측정된 전하 신호를 생성하는 출력을 갖는 신호 증폭기를 포함하는, 오비트랩.
  30. 제24항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전하 검출 회로는, 상기 내측 전극 절반부 중 하나 상에 유도된 상기 전하와 상기 내측 전극 절반부 중 다른 하나 상에 유도된 상기 전하의 차, 및 상기 외측 전극 절반부 중 하나 상에 유도된 상기 전하와 상기 외측 전극 절반부 중 다른 하나 상에 유도된 상기 전하의 차를 합산함으로써, 상기 검출된 전하를 조합하도록 구성되는, 오비트랩.
  31. 제24항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전하 검출 회로는,
    각각의 상기 내측 및 외측 전극 절반부 상의 상기 검출된 전하를 디지털 전하 검출 값으로 변환하기 위한 회로; 및
    디지털 측정 전하 검출 값의 형태로 상기 측정된 전하 검출 신호를 생성하기 위해, 상기 디지털 전하 검출 값을 조합하기 위한 프로세서를 포함하는, 오비트랩.
  32. 제24항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 종축을 따르는 상기 이온의 조화 진동의 주파수에 따라 상기 이온의 질량 대 전하 비율을 결정하고, 상기 측정된 이온 전하 신호에 기초하여 상기 이온의 전하를 결정하며, 상기 결정된 전하 및 상기 결정된 질량 대 전하 비율에 기초하여, 상기 이온의 질량을 결정하기 위해, 상기 측정된 이온 전하 신호를 처리하도록 구성된 프로세서를 더 포함하는, 오비트랩.
  33. 이온을 분리하기 위한 시스템으로서,
    샘플로부터 이온을 발생시키도록 구성된 이온 소스;
    상기 발생된 이온을 적어도 하나의 분자 특성에 따라 분리하도록 구성된 적어도 하나의 이온 분리 기구; 및
    제1항 내지 제32항 중 어느 한 항에 따른 상기 오비트랩을 포함하며,
    상기 오비트랩은, 상기 내측 전극을 중심으로 회전시키고, 상기 내측 전극을 따라 축방향으로 진동시키기 위해, 상기 적어도 하나의 이온 분리 기구에서 방출되는 하나의 이온이 상기 공동 내로 통과할 수 있게 하도록 구성된 개구부를 더 포함하는,
    이온을 분리하기 위한 시스템.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 이온 분리 기구는, 질량 대 전하 비율에 따라 이온을 분리하기 위한 적어도 하나의 기구, 이온 이동도에 따라 시간에 따라 이온을 분리하기 위한 적어도 하나의 기구, 이온 체류 시간에 따라 이온을 분리하기 위한 적어도 하나의 기구, 및 분자 크기에 따라 이온을 분리하기 위한 적어도 하나의 기구 중 하나 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 시스템.
  35. 제33항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 이온 분리 기구는, 질량 분석기 및 이온 이동도 분석기 중 하나, 또는 질량 분석기 및 이온 이동도 분석기의 조합을 포함하는, 시스템.
  36. 제33항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이온 소스와 상기 적어도 하나의 이온 분리 기구 사이에 위치된 적어도 하나의 이온 처리 기구를 더 포함하며,
    상기 이온 소스와 상기 적어도 하나의 이온 분리 기구 사이에 위치된 상기 적어도 하나의 이온 처리 기구는, 이온을 포집하거나 저장하기 위한 적어도 하나의 기구, 분자 특성에 따라 이온을 필터링하기 위한 적어도 하나의 기구, 이온을 해리시키기 위한 적어도 하나의 기구, 및 이온 전하 상태를 정규화하거나 전환시키기 위한 적어도 하나의 기구 중 하나 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 시스템.
  37. 제33항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 이온 분리 기구와 상기 오비트랩 사이에 위치된 적어도 하나의 이온 처리 기구를 더 포함하며,
    상기 적어도 하나의 이온 분리 기구와 상기 오비트랩 사이에 위치된 상기 적어도 하나의 이온 처리 기구는, 이온을 포집하거나 저장하기 위한 적어도 하나의 기구, 분자 특성에 따라 이온을 필터링하기 위한 적어도 하나의 기구, 이온을 해리시키기 위한 적어도 하나의 기구, 및 이온 전하 상태를 정규화하거나 전환시키기 위한 적어도 하나의 기구 중 하나 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 시스템.
  38. 제33항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오비트랩은, 이온이 이로부터 방출될 수 있게 하도록 구성된 적어도 하나의 개구부를 한정하며,
    상기 시스템은, 상기 오비트랩에서 방출되는 이온을 수용하여 상기 수용된 이온을 적어도 하나의 분자 특성에 따라 분리하도록 위치된 적어도 하나의 이온 분리 기구를 더 포함하는, 시스템.
  39. 제38항에 있어서,
    상기 오비트랩과 상기 적어도 하나의 이온 분리 기구 사이에 위치된 적어도 하나의 이온 처리 기구를 더 포함하며,
    상기 오비트랩과 상기 적어도 하나의 이온 분리 기구 사이에 위치된 상기 적어도 하나의 이온 처리 기구는, 이온을 포집하거나 저장하기 위한 적어도 하나의 기구, 분자 특성에 따라 이온을 필터링하기 위한 적어도 하나의 기구, 이온을 해리시키기 위한 적어도 하나의 기구, 및 이온 전하 상태를 정규화하거나 전환시키기 위한 적어도 하나의 기구 중 하나 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 시스템.
  40. 제38항에 있어서,
    상기 오비트랩에서 방출되는 이온을 수용하도록 자체 위치된 상기 적어도 하나의 이온 분리 기구에서 방출되는 이온을 수용하도록 위치된 적어도 하나의 이온 처리 기구를 더 포함하며,
    상기 오비트랩에서 방출되는 이온을 수용하도록 위치된 상기 적어도 하나의 이온 분리 기구에서 방출되는 이온을 수용하도록 위치된 상기 적어도 하나의 이온 처리 기구는, 이온을 포집하거나 저장하기 위한 적어도 하나의 기구, 분자 특성에 따라 이온을 필터링하기 위한 적어도 하나의 기구, 이온을 해리시키기 위한 적어도 하나의 기구, 및 이온 전하 상태를 정규화하거나 전환시키기 위한 적어도 하나의 기구 중 하나 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 시스템.
  41. 제33항 내지 제37항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 오비트랩은, 이온이 이로부터 방출될 수 있게 하도록 구성된 적어도 하나의 개구부를 한정하며,
    상기 시스템은, 상기 오비트랩에서 방출되는 이온을 수용하도록 위치된 적어도 하나의 이온 처리 기구를 더 포함하며,
    상기 오비트랩에서 방출되는 이온을 수용하도록 위치된 상기 적어도 하나의 이온 처리 기구는, 이온을 포집하거나 저장하기 위한 적어도 하나의 기구, 분자 특성에 따라 이온을 필터링하기 위한 적어도 하나의 기구, 이온을 해리시키기 위한 적어도 하나의 기구, 및 이온 전하 상태를 정규화하거나 전환시키기 위한 적어도 하나의 기구 중 하나 또는 이들의 임의의 조합을 포함하는, 시스템.
  42. 이온을 분리하기 위한 시스템으로서,
    샘플로부터 이온을 발생시키도록 구성된 이온 소스;
    상기 발생된 이온을 질량 대 전하 비율에 따라 분리하도록 구성된 제1 질량 분석기;
    상기 제1 질량 분석기에서 방출되는 이온을 수용하도록 위치되고, 상기 제1 질량 분석기에서 방출되는 이온을 해리시키도록 구성되는 이온 해리 스테이지;
    상기 이온 해리 스테이지에서 방출되는 해리된 이온을 질량 대 전하 비율에 따라 분리하도록 구성된 제2 질량 분석기; 및
    전하 검출 질량 분석기(CDMS)를 포함하며,
    상기 전하 검출 질량 분석기(CDMS)는, 상기 CDMS가 상기 제1 질량 분석기 및 상기 이온 해리 스테이지 중 어느 하나에서 방출되는 이온을 수용할 수 있도록, 상기 이온 해리 스테이지와 병렬로 상기 이온 해리 스테이지에 연결된, 제1항 내지 제32항 중 어느 한 항에 따른 상기 오비트랩을 포함하고,
    상기 제1 질량 분석기에서 방출되는 전구체 이온의 질량은 CDMS를 사용하여 측정되며,
    임계치 질량 미만의 질량 값을 갖는 전구체 이온 중 해리된 이온의 질량 대 전하 비율은 상기 제2 질량 분석기를 사용하여 측정되고,
    상기 임계치 질량 이상의 질량 값을 갖는 전구체 이온 중 해리된 이온의 질량 대 전하 비율 및 전하 값은 상기 CDMS를 사용하여 측정되는,
    이온을 분리하기 위한 시스템.
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