KR20220070261A - 펄스 모드 전하 검출 질량 분석을 위한 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
전하 검출 질량 분석기는 이온을 내부에 수용 및 저장하고 저장된 이온들을 그로부터 선택적으로 방출하는 이온 트랩, 상기 이온 트랩과 이격되며, 제1 이온 미러 및 제2 이온 미러와, 그 사이에 위치된 전하 검출 실린더를 포함하는 정전 선형 이온 트랩(electrostatic linear ion trap, ELIT), 및 상기 이온 트랩을, 그로부터 상기 저장된 이온들 중 적어도 일부를 방출하여 상기 ELIT를 향해 그리고 상기 ELIT 안으로 이동시키도록 선택적으로 제어하고, 상기 제1 이온 미러 및 상기 제2 이온 미러를, 상기 ELIT에 그 안에서 이동하는 상기 이온들 중 단일 이온을 트래핑하고, 상기 트래핑된 이온이 상기 제1 이온 미러와 상기 제2 이온 미러 사이에서 앞뒤로 진동하게 하여 매번 상기 전하 검출 실린더를 통과하고 상응하는 전하를 상기 전하 검출 실린더에 유도하는 방식으로 제어하기 위한 수단을 포함한다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 특허 출원은 2019년 9월 25일에 출원된 미국 임시 특허출원 No. 62/905,921에 대한 이익 및 우선권을 주장하며, 그 개시내용은 참고로 그 전체가 본원에 명시적으로 포함된다.
정부의 권리
본 발명은 미국 국립 보건원(National Institutes of Health)에서 수여한 GM131100에 따른 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 발명에 대한 특정 권리를 가지고 있다.
기술분야
본 발명은 전반적으로 전하 검출 질량 분석 기기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 이러한 기기의 펄스 모드 동작을 수행하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
질량 분석(Mass Spectrometry)은 물질의 기체 이온을 이온 질량 및 전하에 따라 분리함으로써 물질의 화학 성분에 대한 식별을 제공한다. 이러한 분리된 이온의 질량을 측정하기 위해 다양한 기기와 기술이 개발되었으며 이러한 기술 중 하나는 전하 검출 질량 분석법(charge detection mass spectrometry, CDMS)으로 알려져 있다. CDMS에서 이온 질량은 일반적으로 "m/z"라고 하는 측정된 이온 질량 대 전하 비율(ion mass-to-charge ratio)과 측정된 이온 전하의 함수로 결정된다.
초기 CDMS 검출기를 사용한 m/z 및 전하 측정에 있어서의 높은 수준의 불확실성은 이온이 전하 검출 실린더를 통해 앞뒤로 진동하도록 만들어지는 정전 선형 이온 트랩(electrostatic linear ion trap, ELIT) 검출기의 개발로 이어졌다. 이러한 전하 검출 실린더를 통한 이온의 다중 통과(multiple passes)는 각 이온에 대한 다중 측정을 제공하며 전하 측정에 있어서의 불확실성이 n1/2로 감소하는 것으로 나타났고, 여기서 n은 전하 측정 횟수이다. 그러나 이러한 다중 전하 측정은 현재의 ELIT 설계를 사용하여 얻을 수 있는 이온 m/z 및 전하 측정 속도를 필연적으로 제한한다. 따라서, 현재 ELIT 설계를 사용하여 얻을 수 있는 것보다 이온 m/z 및 전하 측정의 속도를 증가시키는 ELIT 설계 및/또는 작동에 있어서의 개선을 찾는 것이 바람직하다.
본 발명은 첨부된 특허청구범위에 기재된 특징들 중 하나 이상, 및/또는 하기 특징들 및 이들의 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일 양태에서, 전하 검출 질량 분석기는 샘플로부터 이온들을 생성하도록 구성된 이온 소스, 상기 생성된 이온들을 내부에 수용 및 저장하고 저장된 이온들을 그로부터 선택적으로 방출하는 이온 트랩, 상기 이온 트랩과 이격되며, 제1 이온 미러 및 제2 이온 미러와, 그 사이에 위치된 전하 검출 실린더를 포함하는 정전 선형 이온 트랩(electrostatic linear ion trap, ELIT), 및 상기 이온 트랩을, 그로부터 상기 저장된 이온들 중 적어도 일부를 방출하여 상기 ELIT를 향해 그리고 ELIT 안으로 이동하도록 선택적으로 제어하고, 상기 제1 이온 미러 및 상기 제2 이온 미러를, 상기 ELIT에 그 안에서 이동하는 상기 이온들 중 적어도 하나를 트래핑하고, 상기 적어도 하나의 트래핑된 이온이 상기 제1 이온 미러와 상기 제2 이온 미러 사이에서 앞뒤로 진동하게 하여 매번 상기 전하 검출 실린더를 통과하고 상응하는 전하를 상기 전하 검출 실린더에 유도하는 방식으로 제어하기 위한 수단을 포함할 수 있다.
다른 양태에서, 전하 검출 질량 분석기는 샘플로부터 이온들을 생성하도록 구성된 이온 소스, 복수의 출력 전압들을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 전압 소스, 상기 복수의 출력 제1 세트의 전압에 결합되고 그 트래핑 상태(trapping state)에 반응하여 상기 생성된 이온들을 내부에 수용 및 저장하고, 그 투과 상태(transmission state)에 반응하여 저장된 이온들을 선택적으로 방출하도록 구성된 이온 트랩, 상기 이온 트랩과 이격되어 있는 정전 선형 이온 트랩(ELIT) - 상기 ELIT는 전방 이온 미러 및 후방 이온 미러와, 그 사이에 위치된 전하 검출 실린더를 포함하고, 상기 전방 이온 미러 및 상기 후방 이온 미러는 상기 복수의 출력 제2 세트의 전압 및 제3 세트에 각각 결합되고, 그 투과 상태들(transmission states)에 응답하여 이온들을 투과시키고 그 반사 상태들(reflection states)에 응답하여 상기 전하 검출 실린더로부터 내부에 들어오는 이온들을 다시 상기 전하 검출 실린더 안으로 반사하도록 구성됨 -, 상기 이온 트랩이 상기 저장된 이온들 중 적어도 일부를 그로부터 방출하여 상기 전방 이온 미러에 의하여 상기 ELIT를 향하여 그리고 상기 ELIT 안으로 이동하게 하기 위해, 상기 제1 세트의 전압을 그 투과 상태로 제어하고, 그 후에, 상기 ELIT 안에서 이동하는 상기 이온들 중 적어도 하나를 트래핑하고 상기 적어도 하나의 트래핑된 이온이 상기 전방 이온 미러와 상기 후방 이온 미러 사이에서 앞뒤로 진동하게 하여 매번 상기 전하 검출 실린더를 통과하고 상응하는 전하를 상기 전하 검출 실린더에 유도하기 위해, 상기 제3 세트의 전압, 이어서 상기 제2 세트의 전압을 그 반사 상태들로 제어하기 위한 프로세싱 회로를 포함할 수 있다.
또 다른 양태에서, 전방 이온 미러와 후방 이온 미러 사이에 위치된 전하 검출 실린더를 구비하는 정전 선형 이온 트랩(ELIT) 및 상기 전방 이온 미러로부터 이격된 이온 트랩을 포함하는 전하 검출 질량 분석기를 동작시키는 방법이 제공된다. 상기 방법은 샘플로부터 이온들을 생성하는 단계, 상기 생성된 이온들을 상기 이온 트랩에 저장하는 단계, 상기 이온 트랩이 상기 저장된 이온들의 적어도 일부를 그로부터 방출하여 상기 전방 이온 미러에 의하여 상기 ELIT를 향하여 그리고 ELIT 안으로 이동시키도록 제어하는 단계, 상기 이온 트랩을 저장된 이온들을 방출하도록 제어한 후, 상기 후방 이온 미러를, 상기 후방 이온 미러가 상기 전하 검출 실린더로부터 내부에 들어오는 이온들을 다시 상기 전하 검출 실린더를 관통해 그리고 상기 전방 이온 미러를 향하여 반사시키는 반사 상태로 제어하는 단계, 및 상기 후방 이온 미러를 그 반사 상태로 제어한 후, 상기 전방 이온 미러를, 상기 전방 이온 미러가 상기 전하 검출 실린더로부터 내부에 들어오는 이온들을 다시 상기 전하 검출 실린더를 관통해 그리고 상기 후방 이온 미러를 향하여 반사시키는 반사 상태로 제어하여, 상기 ELIT에서 상기 이온 트랩에서 방출된 이온들 중 적어도 하나를 트래핑하여, 상기 적어도 하나의 트래핑된 이온이 상기 전방 이온 미러와 상기 후방 이온 미러 사이를 진동하여 매번 상기 전하 검출 실린더를 통과하고 상응하는 전하를 상기 전하 검출 실린더에 유도하도록 하는 단계를 포함한다.
도 1은 제어 및 측정 구성요소가 결합된 정전 선형 이온 트랩(ELIT) 어레이의 실시예를 포함하는 이온 질량 검출 시스템의 단순화된 도면이다.
도 2a는 도 1에 도시된 ELIT 어레이의 이온 미러들 중 예시적인 하나의 확대도로서, 그 안에서 미러 전극들은 상기 예시적인 이온 미러 내에서 이온 투과 전기장을 생성하도록 제어된다.
도 2b는 도 1에 도시된 ELIT 어레이의 이온 미러들 중 다른 예시적인 하나의 확대도로서, 그 안에서 미러 전극들은 상기 예시적인 이온 미러 내에서 이온 반사 전기장을 생성하도록 제어된다.
도 3은 이온 질량 및 전하 정보를 결정하기 위해 도 1의 ELIT 어레이의 동작을 제어하기 위한 프로세스의 실시예를 예시하는 단순화된 흐름도이다.
도 4a 내지 도 4e는 도 3에 도시된 프로세스에 따라 여러 이온 미러들의 순차적인 제어 및 동작을 보여주는 도 1의 ELIT 어레이의 단순화된 도면들이다.
도 5a는 본 명세서에 예시되고 설명된 임의의 ELIT 어레이를 포함하고, ELIT 어레이(들)의 상류에서 이온 소스의 일부를 형성할 수 있고/있거나 ELIT 어레이(들)를 빠져나가는 이온(들)을 추가로 처리하기 위해 ELIT 어레이(들)의 하류에 배치될 수 있는 예시적인 이온 프로세싱 기기들을 보여주는 이온 분리 기기의 실시예에 대한 단순화된 블록도이다.
도 5b는 본 명세서에 예시되고 설명된 임의의 ELIT 어레이를 포함하고 본 명세서에 예시되고 설명된 이온 질량 검출 시스템의 임의의 실시예와 종래의 이온 프로세싱 기기를 결합하는 예시적인 구현을 보여주는 이온 분리 기기의 다른 실시예에 대한 단순화된 블록도이다.
도 6은 제어 및 측정 구성요소가 결합된 정전 선형 이온 트랩(ELIT) 어레이의 다른 실시예를 포함하는 이온 질량 검출 시스템의 단순화된 도면이다.
도 7a는 도 6에 도시된 이온 조종 채널 어레이에서 구현될 수 있는 단일 이온 조정 채널의 예시적인 실시예의 단순화된 사시도이다.
도 7b는 도 7a에 도시된 이온 조종 채널의 예시적인 동작 모드를 도시하는 단순화된 사시도이다.
도 7c는 도 7a에 도시된 이온 조종 채널의 다른 예시적인 동작 모드를 도시하는 단순화된 사시도이다.
도 8a 내지 도 8f는 이온 조종 채널 어레이 및 ELIT 어레이의 예시적인 제어 및 동작을 보여주는 도 6의 ELIT 어레이의 단순화된 도면이다.
도 9는 제어 및 측정 구성요소가 결합된 정전 선형 이온 트랩(ELIT) 어레이의 또 다른 실시예를 포함하는 이온 질량 검출 시스템의 단순화된 도면이다.
도 10은 펄스 모드 동작을 위해 구성된 전하 검출 질량 분석기 기기 실시예의 단순화된 도면이다.
도 11은 도 10의 기기의 예시적인 펄스 모드 동작을 나타내는 타이밍도이다.
도 12a는 10μg/mL 및 0.5μg/mL의 샘플 농도를 갖는 HBV T=4 캡시드(capsids)에 대해 도 10의 기기에 의해 측정된 CDMS 질량 분포의 플롯을 보여준다.
도 12b는 0.5μg/mL 내지 10μg/mL 농도 범위에 대해 10,000번의 트래핑(trapping) 이벤트 동안 도 12a에 도시된 3.8 MDa 내지 4.4 MDa 질량 윈도우에서 검출된 이온의 수에 대한 log-log 플롯이다.
도 13a는 1μg/mL의 단백질 농도를 갖는 HBV T=4 캡시드에 대해 도 10의 기기에 의해 측정된 CDMS 질량 분포의 플롯을 보여주며, 기기의 노멀(즉, 비펄스) 동작하에 측정된 것과 본 명세서에 설명된 바와 같은 기기의 펄스 모드 동작하에 측정된 분포를 포함한다.
도 13b는 도 13a와 유사한 플롯을 도시하지만, 이 도면에서는 HBV T=4 캡시드가 0.05μg/mL 및 0.5μg/mL의 단백질 농도를 갖는다.
도 14는 약 3.0 MDa에서 T=3 캡시드로 인한 피크 및 4.05 MDa에서 T=4 캡시드로 인한 피크가 있는, HBV 캡시드에 대해 도 10의 기기에 의해 측정된 CDMS 질량 분포의 플롯을 나타내며, (100ug/ml의 단백질 농도에서) 기기의 노멀(즉, 비펄스) 동작하에 측정된 것과 (1ug/ml의 단백질 농도에서) 기기의 펄스 모드 동작하에 측정된 분포를 포함한다.
도 15는 PK 4량체(tetramer)(230kDa), 8량체(octamer)(460kDa), 12량체(dodecamer)(690kDa) 및 16량체(hexadecamer)(920kDa)로 인한 피크가 있는 피루브산 키나제(pyruvate kinase, PK) 용액에 대해, 도 10의 기기에 의해 측정된 CDMS 질량 분포의 플롯을 나타내며, 지연 시간(delay time)이 4량체를 투과시키도록 조정되고 다시 8량체 및 12량체를 투과시키도록 조정된, 기기의 노멀(즉, 비펄스) 동작하에 측정된 분포와, 본 명세서에 설명된 바와 같은 기기의 펄스 모드 동작하에 측정된 분포를 포함한다.
도 2a는 도 1에 도시된 ELIT 어레이의 이온 미러들 중 예시적인 하나의 확대도로서, 그 안에서 미러 전극들은 상기 예시적인 이온 미러 내에서 이온 투과 전기장을 생성하도록 제어된다.
도 2b는 도 1에 도시된 ELIT 어레이의 이온 미러들 중 다른 예시적인 하나의 확대도로서, 그 안에서 미러 전극들은 상기 예시적인 이온 미러 내에서 이온 반사 전기장을 생성하도록 제어된다.
도 3은 이온 질량 및 전하 정보를 결정하기 위해 도 1의 ELIT 어레이의 동작을 제어하기 위한 프로세스의 실시예를 예시하는 단순화된 흐름도이다.
도 4a 내지 도 4e는 도 3에 도시된 프로세스에 따라 여러 이온 미러들의 순차적인 제어 및 동작을 보여주는 도 1의 ELIT 어레이의 단순화된 도면들이다.
도 5a는 본 명세서에 예시되고 설명된 임의의 ELIT 어레이를 포함하고, ELIT 어레이(들)의 상류에서 이온 소스의 일부를 형성할 수 있고/있거나 ELIT 어레이(들)를 빠져나가는 이온(들)을 추가로 처리하기 위해 ELIT 어레이(들)의 하류에 배치될 수 있는 예시적인 이온 프로세싱 기기들을 보여주는 이온 분리 기기의 실시예에 대한 단순화된 블록도이다.
도 5b는 본 명세서에 예시되고 설명된 임의의 ELIT 어레이를 포함하고 본 명세서에 예시되고 설명된 이온 질량 검출 시스템의 임의의 실시예와 종래의 이온 프로세싱 기기를 결합하는 예시적인 구현을 보여주는 이온 분리 기기의 다른 실시예에 대한 단순화된 블록도이다.
도 6은 제어 및 측정 구성요소가 결합된 정전 선형 이온 트랩(ELIT) 어레이의 다른 실시예를 포함하는 이온 질량 검출 시스템의 단순화된 도면이다.
도 7a는 도 6에 도시된 이온 조종 채널 어레이에서 구현될 수 있는 단일 이온 조정 채널의 예시적인 실시예의 단순화된 사시도이다.
도 7b는 도 7a에 도시된 이온 조종 채널의 예시적인 동작 모드를 도시하는 단순화된 사시도이다.
도 7c는 도 7a에 도시된 이온 조종 채널의 다른 예시적인 동작 모드를 도시하는 단순화된 사시도이다.
도 8a 내지 도 8f는 이온 조종 채널 어레이 및 ELIT 어레이의 예시적인 제어 및 동작을 보여주는 도 6의 ELIT 어레이의 단순화된 도면이다.
도 9는 제어 및 측정 구성요소가 결합된 정전 선형 이온 트랩(ELIT) 어레이의 또 다른 실시예를 포함하는 이온 질량 검출 시스템의 단순화된 도면이다.
도 10은 펄스 모드 동작을 위해 구성된 전하 검출 질량 분석기 기기 실시예의 단순화된 도면이다.
도 11은 도 10의 기기의 예시적인 펄스 모드 동작을 나타내는 타이밍도이다.
도 12a는 10μg/mL 및 0.5μg/mL의 샘플 농도를 갖는 HBV T=4 캡시드(capsids)에 대해 도 10의 기기에 의해 측정된 CDMS 질량 분포의 플롯을 보여준다.
도 12b는 0.5μg/mL 내지 10μg/mL 농도 범위에 대해 10,000번의 트래핑(trapping) 이벤트 동안 도 12a에 도시된 3.8 MDa 내지 4.4 MDa 질량 윈도우에서 검출된 이온의 수에 대한 log-log 플롯이다.
도 13a는 1μg/mL의 단백질 농도를 갖는 HBV T=4 캡시드에 대해 도 10의 기기에 의해 측정된 CDMS 질량 분포의 플롯을 보여주며, 기기의 노멀(즉, 비펄스) 동작하에 측정된 것과 본 명세서에 설명된 바와 같은 기기의 펄스 모드 동작하에 측정된 분포를 포함한다.
도 13b는 도 13a와 유사한 플롯을 도시하지만, 이 도면에서는 HBV T=4 캡시드가 0.05μg/mL 및 0.5μg/mL의 단백질 농도를 갖는다.
도 14는 약 3.0 MDa에서 T=3 캡시드로 인한 피크 및 4.05 MDa에서 T=4 캡시드로 인한 피크가 있는, HBV 캡시드에 대해 도 10의 기기에 의해 측정된 CDMS 질량 분포의 플롯을 나타내며, (100ug/ml의 단백질 농도에서) 기기의 노멀(즉, 비펄스) 동작하에 측정된 것과 (1ug/ml의 단백질 농도에서) 기기의 펄스 모드 동작하에 측정된 분포를 포함한다.
도 15는 PK 4량체(tetramer)(230kDa), 8량체(octamer)(460kDa), 12량체(dodecamer)(690kDa) 및 16량체(hexadecamer)(920kDa)로 인한 피크가 있는 피루브산 키나제(pyruvate kinase, PK) 용액에 대해, 도 10의 기기에 의해 측정된 CDMS 질량 분포의 플롯을 나타내며, 지연 시간(delay time)이 4량체를 투과시키도록 조정되고 다시 8량체 및 12량체를 투과시키도록 조정된, 기기의 노멀(즉, 비펄스) 동작하에 측정된 분포와, 본 명세서에 설명된 바와 같은 기기의 펄스 모드 동작하에 측정된 분포를 포함한다.
본 발명의 원리에 대한 이해를 촉진하기 위해, 이제 첨부된 도면에 도시된 다수의 예시적인 실시예를 참조할 것이며, 이를 설명하기 위해 특정 표현이 사용될 것이다.
본 개시는 둘 이상의 정전 선형 이온 트랩(ELIT)들 또는 정전 선형 이온 트랩(ELIT) 영역들을 포함하는 정전 선형 이온 트랩(ELIT) 어레이, 및 상기 ELIT들 또는 ELIT 영역들 중 적어도 2개가 그 안에 포획된 적어도 하나의 이온의 질량 대 전하 비율 및 전하를 측정하기 위해 동시에 동작하도록 그것들을 제어하는 수단에 관한 것이다. 이러한 방식으로 종래의 단일 ELIT 시스템에 비해 이온 측정 속도가 2배 이상 증가하고 이에 상응하여 총 이온 측정 시간의 단축이 실현된다. 그 예가 도 1 내지 도 4e와 관련하여 아래에서 상세히 설명될 일부 실시예들에서, ELIT 어레이는 직렬로 배열된 2개 이상의 ELIT 영역들, 즉 캐스케이드된(cascaded) 형태로 구현될 수 있으며, 상기 2개 이상의 캐스케이드된 ELIT들 또는 ELIT 영역들 각각의 양단에 있는 이온 미러는 각 ELIT 또는 ELIT 영역에서 적어도 하나의 이온을 순차적으로 포획하고, 상기 ELIT들 또는 ELIT 영역들 중 적어도 2개에 있는 상기 포획된 이온(들)이 상기 포획된 이온(들)의 질량 대 전하 비율 및 전하를 측정하기 위해 그 안에 위치된 각각의 전하 검출기를 통하여 앞뒤로 동시에 진동하게 하도록 제어된다. 다른 실시예에서, 도 6 내지 도 10과 관련하여 아래에서 상세하게 설명되는 바와 같이, ELIT 어레이는 서로에 대해 병렬로 배열된 둘 이상의 ELIT들의 형태로 구현될 수 있다. 이온 조종(steering) 어레이는 상기 병렬로 배열된 각각의 ELIT로 적어도 하나의 이온을 순차적으로 또는 동시에 지향시키도록 제어될 수 있으며, 그 후 상기 2개 이상의 ELIT들은 상기 ELIT들 중 적어도 2개에서 포획된 이온(들)이 상기 포획된 이온(들)의 질량 대 전하 비율과 전하를 측정하기 위해 각각의 ELIT 내에서 전하 검출기를 통하여 동시에 앞뒤로 진동하게 하도록 제어된다.
도 1을 참조하면, 제어 및 측정 구성요소가 결합된 정전 선형 이온 트랩(ELIT) 어레이(14)의 실시예를 포함하는 이온 질량 검출 시스템(10)이 도시되어 있다. 도시된 실시예에서, 이온 질량 검출 시스템(10)은 ELIT 어레이(14)의 입구에 동작가능하게 결합된 이온 소스(12)를 포함한다. 도 5에 관하여 설명되는 바와 같이, 이온 소스(12)는 예시적으로 샘플로부터 이온들을 생성하기 위한 임의의 통상적인 디바이스 또는 장치를 포함하고, 하나 이상의 분자 특성에 따라 이온을 분리, 수집, 필터링, 단편화(fragmenting) 및/또는 노멀라이징(normalizing)하기 위한 하나 이상의 디바이스 및/또는 기기를 더 포함할 수 있다. 어떤 식으로든 제한하는 것으로 간주되어서는 안 되는 하나의 예시적인 예로서, 이온 소스(12)는 통상적인 질량 분석기의 입구에 결합된, 통상적인 전자분무 이온화 소스(electrospray ionization source), 매트릭스-보조 레이저 탈착 이온화(matrix-assisted laser desorption ionization, MALDI) 소스 등을 포함할 수 있다. 질량 분석기는 이에 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 TOF(time-of-flight) 질량 분석기, 리플렉트론(reflectron) 질량 분석기, 푸리에 변환 이온 사이클로트론 공명(Fourier transform ion cyclotron resonance, FTICR) 질량 분석기, 4중극자(quadrupole) 질량 분석기, 삼중 4중극자(triple quadrupole) 질량 분석기, 자기 섹터 질량 분석기 등을 포함하는 임의의 통상적인 설계일 수 있다. 어떤 경우든, 질량 분석기의 이온 출구는 ELIT 어레이(14)의 이온 입구에 동작가능하게 결합된다. 이온이 생성되는 샘플은 임의의 생물학적 또는 기타 재료일 수 있다.
예시된 실시예에서, ELIT 어레이(14)는 예시적으로 3개의 ELIT들 또는 ELIT 영역들의 캐스케이드된, 즉 직렬 또는 엔드 투 엔드(end-to-end) 배열 형태로 제공된다. 3개의 분리된 전하 검출기(CD1, CD2, CD3)는 개개의 접지 실린더(GC1-GC3)로 각각 둘러싸여 있으며 대향하는 미러 전극들에 의해 동작가능하게 함께 결합된다. 제1 미러 전극(M1)은 이온 소스(12)와 전하 검출기(CD1)의 일 단부 사이에 동작가능하게 위치되고, 제2 미러 전극(M2)은 전하 검출기(CD1)의 반대쪽 단부와 전하 검출기(CD2)의 일 단부 사이에 동작가능하게 위치되며, 제3 미러 전극(M3)은 전하 검출기(CD2)의 반대쪽 단부와 전하 검출기(CD3)의 일 단부 사이에 동작가능하게 위치되고, 제4 미러 전극은 전하 검출기(CD3)의 반대쪽 단부에 동작가능하게 위치된다. 예시된 실시예에서, 이온 미러(M1-M3) 각각은 축방향으로 인접한 이온 미러 영역들(R1, R2)을 정의하고, 이온 미러(M4)는 예시적으로 단일 이온 미러 영역(R1)을 정의한다. 예시적으로, 제1 미러 전극(M1)의 영역(R2), 전하 검출기(CD1), 제2 미러 전극(M2)의 영역(R1) 및 CD1과 미러 전극들(M1, M2) 사이의 공간은 함께 ELIT 어레이(14)의 제1 ELIT 또는 ELIT 영역(E1)을 정의하고, 제2 미러 전극(M2)의 영역(R2), 전하 검출기(CD2), 제3 미러 전극(M3)의 영역(R1) 및 CD2와 미러 전극들(M2, M3) 사이의 공간은 함께 ELIT 어레이(14)의 제2 ELIT 또는 ELIT 영역(E2)을 정의하고, 제3 미러 전극(M3)의 영역(R2), 전하 검출기(CD3), 미러 전극(M4)의 영역(R1) 및 CD3과 미러 전극들(M3, M4) 사이의 공간은 함께 ELIT 어레이(14)의 제3 ELIT 또는 ELIT 영역(E3)을 정의한다. 일부 대안적인 실시예에서 ELIT 어레이(14)는 더 적은 수의 캐스케이드된 ELIT들 또는 ELIT 영역들, 예를 들어 2개의 캐스케이드된 ELIT들 또는 ELIT 영역들을 포함할 수 있고, 다른 대안적인 실시예에서 ELIT 어레이(14)는 더 많은 캐스케이드된 ELIT들 또는 ELIT 영역들, 예를 들어 4개 이상의 캐스케이드된 ELIT들 또는 ELIT 영역들을 포함할 수 있는 것이 이해될 것이다. 임의의 그러한 대안적인 ELIT 어레이(14)의 구성 및 동작은 대체로 도 1 내지 도 4에 예시되고 하기에 설명되는 실시예의 구성 및 동작을 따를 것이다.
예시된 실시예에서, 4개의 대응하는 전압 소스들(V1-V4)이 이온 미러들(M1-M4)에 각각 전기적으로 연결된다. 각각의 전압 소스(V1-V4)는 예시적으로, 하나 이상의 전환가능한 DC 전압 소스를 포함하며, 상기 DC 전압 소스는 프로그래밍 가능하거나 제어가능한 전압의 개수 N을 선택적으로 생성하도록 제어되거나 프로그래밍될 수 있고, 여기서 N은 임의의 양의 정수일 수 있다. 이러한 전압의 구체적인 예가 아래에서 상세히 설명되는 바와 같이 각각의 이온 미러(M1-M4)의 2개의 상이한 동작 모드들 중 하나를 개별적으로 및/또는 함께 설정하기 위해, 도 2a 및 도 2b와 관련하여 아래에서 설명될 것이다. 어떤 경우든, 길이방향 축(24)이 전하 검출기들(CD1-CD3) 및 이온 미러들(M1-M4)을 통해 중심으로 연장되고, 상기 중앙의 축(24)은 이온이 ELIT 어레이(14) 내에서 이동하는 이상적인 이동 경로 및 전압 소스(V1-V4)에 의해 선택적으로 생성된 전기장의 영향 하에 있는 이의 부분들을 정의한다.
전압 소스들(V1 - V4)은 메모리(18)를 포함하는 통상적인 프로세서(16)에 P개의 신호 경로에 의해 전기적으로 연결된 것으로 예시적으로 도시되어 있고, 메모리(18)는 프로세서(16)에 의해 실행될 때 프로세서(16)가 각각의 이온 미러들(M1-M4)의 영역들(R1, R2) 내에서 전기장을 선택적으로 생성하기 위해 원하는 DC 출력 전압을 생성하도록 전압 소스(V1-V4)를 제어하게 하는 내부에 저장된 명령을 구비한다. P는 임의의 양의 정수일 수 있다. 일부 대안적인 실시예에서, 전압 소스들(V1-V4) 중 하나 이상은 하나 이상의 일정한 출력 전압을 선택적으로 생성하도록 프로그래밍될 수 있다. 다른 대안적인 실시예에서, 전압 소스들(V1-V4) 중 하나 이상은 임의의 원하는 형상의 하나 이상의 시변(time-varying) 출력 전압을 생성하도록 구성될 수 있다. 대안적인 실시예에서 더 많거나 더 적은 전압 소스들이 미러 전극들(M1-M4)에 전기적으로 연결될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
각 전하 검출기(CD1-CD3)는 3개의 전하 감지 전치 증폭기(preamplifier)들(CP1-CP3) 중 대응하는 하나의 신호 입력에 전기적으로 연결되고, 각각의 전하 전치 증폭기(CP1-CP3)의 신호 출력은 프로세서(16)에 전기적으로 연결된다. 전하 전치 증폭기들(CP1-CP3)은 각각 예시적으로, 각각의 전하 검출기들(CD1-CD3)에 의해 검출된 검출 신호를 수신하고, 이에 대응하는 전하 검출 신호를 생성하고 상기 전하 검출 신호를 프로세서(16)에 공급하기 위해 통상적인 방식으로 동작가능하다. 프로세서(16)는 차례로 예시적으로, 전하 전치 증폭기들(CP1-CP3) 각각에 의해 생성된 전하 검출 신호를 수신 및 디지털화하고 메모리(18)에 디지털화된 전하 검출 신호를 저장하도록 동작가능하다. 프로세서(16)는 또한 예시적으로, 프로세서(16)에 신호 입력(들)을 제공하기 위한, 및/또는 프로세서(16)에 의한 신호 출력(들)이 제공된는 하나 이상의 주변 장치(peripheral devices, PD)(20)에 결합된다. 일부 실시예에서, 주변 장치(20)는 통상적인 디스플레이 모니터, 프린터 및/또는 기타 출력 디바이스 중 적어도 하나를 포함하고, 이러한 실시예에서 메모리(18)는, 프로세서(16)에 의해 실행될 때 상기 프로세서(16)가 상기 저장된 디지털화된 전하 검출 신호의 분석을 디스플레이 및/또는 기록하기 위해 하나 이상의 이러한 출력 주변 장치(20)를 제어하게 하는 내부에 저장된 명령을 구비한다. 일부 실시예에서, 통상적인 마이크로채널 플레이트(microchannel plate, MP) 검출기(22)가 ELIT 어레이(14)의 이온 출구, 즉 이온 미러(M4)의 이온 출구에 배치될 수 있고, 프로세서(16)에 전기적으로 연결될 수 있다. 이러한 실시예에서, 마이크로채널 플레이트 검출기(22)는 검출된 이온 및/또는 중성입자(neutrals)에 대응하는 검출 신호를 프로세서(16)에 공급하도록 동작가능하다.
아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 전압 소스들(V1-V4)은 예시적으로, 이온 소스(12)로부터 ELIT 어레이(14)로 이온이 도입되게 하고, 적어도 하나의 이온을 선택적으로 포획하고 가두어(confine) 각각의 3개의 분리된 ELIT들 또는 ELIT 영역들(E1-E3) 내에서 진동시켜, 각각의 포획된 이온(들)이 3개의 ELIT들 또는 ELIT 영역들(E1-E3)의 각각에서 전하 검출기들(CD1-CD3)의 각각을 관통해 반복적으로 통과하도록 하는 방식으로 제어된다. 각각의 전하 검출기(CD1-CD3)에서 복수의 전하 및 진동 주기 값들이 측정되고, 3개의 ELIT들 또는 ELIT 영역들(E1-E3) 각각에서 포획된 이온(들)의 질량 대 전하 비율 및 질량 값들을 결정하기 위해 기록된 결과들이 프로세싱된다. 이에 한정되는 것은 아니지만, 상기 3개의 ELIT들 또는 ELIT 영역들(E1-E3)의 치수, 이온 진동(oscillation) 진동수 및 각각의 3개의 ELIT들 또는 ELIT 영역들(E1-E3) 내에서의 이온의 체류 시간을 포함하는 여러 요인에 따라, 포획된 이온(들)은 3개의 ELIT들 또는 ELIT 영역들(E1-E3) 중 적어도 2개 내에서, 그리고 전형적인 구현에서는 각각의 3개의 ELIT들 또는 ELIT 영역들(E1-E3) 내에서 동시에 진동하여, 이온 전하 및 질량 대 전하 비율 측정값은 상기 3개의 ELIT들 또는 ELIT 영역들(E1-E3) 중 적어도 2개로부터 동시에 수집될 수 있다.
이제 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 도 1의 ELIT 어레이(14)의 이온 미러들(MX)(여기서 X = 1 내지 4) 중 하나의 실시예가 도시되어 있으며, 이의 예시적인 구성 및 동작을 보여준다. 도 2a 및 도 2b의 각각에서, 도시된 이온 미러(MX)는 7개의 이격된 전기 전도성 미러 전극들의 캐스케이드 배열을 포함한다. 이온 미러들(M2-M4) 각각에 대해, 제1 전극(301)은 전하 검출기(CDX-1) 각각의 주위에 배치된 접지 실린더(GCX-1)에 의해 형성된다. 한편, 이온 미러(M1)의 제1 전극(301)은 이온 소스(12)(IS)의 이온 출구에 의해 또는 이온 소스(12)와 ELIT 어레이(14) 사이의 이온 집속(focusing) 또는 전이(transition) 스테이지의 일부로 형성된다. 도 2b는 전자를 도시하고 도 2a는 후자를 도시한다. 어느 경우든, 제1 미러 전극(301)은 중앙에서 그것을 통해 대응하는 이온 미러(MX)로의 및/또는 대응하는 이온 미러(MX)로부터의 이온 입구 및/또는 출구로 작용하는 애퍼처(aperture)(A1)를 정의한다. 애퍼처(A1)는 예시적으로, GCX-1 또는 IS의 내부 면에 정의된 제1 직경(P1)에서 GCX-1 또는 IS의 외부 면에서 확장된 직경(P2)까지의, GCX-1 또는 IS의 내부 및 외부 면들 사이에서 선형으로 증가하는 원추형이다. 제1 미러 전극(301)은 예시적으로 D1의 두께를 갖는다.
이온 미러(MX)의 제2 미러 전극(302)은 제1 미러 전극(301)으로부터 이격되고 직경(P2)의 통로를 정의한다. 제3 미러 전극(303)은 제2 미러 전극(302)으로부터 이격되고 마찬가지로 직경(P2)의 통로를 정의한다. 제2 및 제3 미러 전극(302, 303)은 예시적으로 D2(≥D1)의 동일한 두께를 갖는다. 제4 미러 전극(304)은 제3 미러 전극(303)으로부터 이격되어 있다. 제4 미러 전극(304)은 직경(P2)의 통로를 정의하고 예시적으로 두께 D3(
3D2)를 갖는다. 플레이트 또는 그리드(30A)가 예시적으로 제4 미러 전극(304)의 통로 내 중앙에 위치되고 직경(P3)을 갖는 중앙 애퍼처(CA)를 형성한다. 예시된 실시예에서, P3 < P1이지만 다른 실시예에서 P3은 P1보다 크거나 같을 수 있다. 제5 미러 전극(305)은 제4 미러 전극(304)으로부터 이격되고, 제6 미러 전극(306)은 제5 미러 전극(305)으로부터 이격된다. 예시적으로, 제5 및 제6 미러 전극(305, 306)은 제3 및 제2 미러 전극(303, 302)과 각각 동일하다.
이온 미러들(M1-M3) 각각에 대해, 제7 미러 전극(307)은 전하 검출기들(CDX) 각각의 주위에 배치된 접지 실린더(GCX)에 의해 형성된다. 한편, 이온 미러(M4)의 제7 전극(307)은 이온 미러(M4)가 시퀀스의 마지막이기 때문에 독립형 전극일 수 있다. 어느 경우든, 제7 미러 전극(307)은 중앙에서 그것을 통해 이온 미러(MX)로의 및/또는 이온 미러(MX)로부터의 이온 입구 및/또는 출구로 작용하는 애퍼처(A2)를 정의한다. 애퍼처(A2)는 예시적으로 애퍼처(A1)의 미러 이미지이며, GCX의 외부 면에 정의된 확장된 직경(P2)에서 GCX의 내부 면에서 감소된 직경(P1)까지의, GCX의 외부 면과 내부 면 사이에서 선형으로 감소하는 원추형이다. 제7 미러 전극(307)은 예시적으로 D1의 두께를 갖는다. 일부 실시예에서, 도 1에 예시로 도시된 바와 같이, 시퀀스의 마지막 이온 미러, 즉 도 2의 M4는 M4가 미러 전극(301-303)과 플레이트 또는 그리드(30A)를 포함하는 미러 전극(304)의 일부만을 포함하도록 플레이트 또는 그리드(30A)에서 종결될 수 있다. 그러한 실시예에서, M4의 중앙 애퍼처(CA)는 ELIT 어레이(14)로부터의 이온 출구 통로를 정의한다.
미러 전극(301-307)은 예시적으로 공간(S1)만큼 서로로부터 균등하게 이격되어 있다. 미러 전극(301-307) 사이의 이러한 공간(S1)은 일부 실시예에서 공극,즉, 진공 갭일 수 있고, 다른 실시예에서 이러한 공간(S1)은 하나 이상의 전기적으로 비전도성, 예를 들어 유전체 재료로 채워질 수 있다. 미러 전극들(301-307)은 축방향으로 정렬, 즉 동일선상(collinear)에 있어서 길이방향 축(24)이 각각의 정렬된 통로를 중앙으로 통과하고 또한 애퍼처들(A1, A2, CA)을 중앙으로 통과한다. 공간들(S1)이 하나 이상의 전기적으로 비전도성 재료를 포함하는 실시예에서, 그러한 재료는 마찬가지로 그것을 통해 미러 전극(301-307)을 통해 정의된 통로와 축방향으로 정렬, 즉, 동일선상에 있고 P2 이상의 직경을 갖는 각각의 통로를 정의할 것이다.
이온 미러들(M1-M4) 각각에서, 영역(R1)은 미러 전극(301)의 애퍼처(A1)와, 플레이트 또는 그리드(30A)를 통해 정의된 중앙 애퍼처(CA) 사이에 정의된다. 이온 미러들(M1-M3) 각각에서, 인접한 영역(R2)은 플레이트 또는 그리드(30A)를 통해 정의된 중앙 애퍼처(CA)와, 미러 전극(307)의 애퍼처(A2) 사이에 정의된다.
각각의 ELIT 또는 ELIT 영역(E1-E3) 내에서, 각각 기다란 전기적으로 전도성 실린더 형태인 각각의 전하 검출기(CD1-CD3)가 이온 미러들(M1-M4)의 대응하는 것들 사이에 공간(S2)만큼 이격되어 위치된다. 예시적으로, S2 > S1이지만, 대안적인 실시예에서 S2는 S1보다 작거나 같을 수 있다. 어떤 경우든, 각각의 전하 검출 실린더(CD1-CD3)는 예시적으로 직경(P4)의 축방향으로 그것을 관통하는 통로를 정의하고, 각각의 전하 검출 실린더(CD1-CD3)는 길이방향 축(24)이 중앙에서 그것의 통로를 통해 연장되도록 이온 미러들(M1-M4)에 대해 배향된다. 도시된 실시예에서, P1 < P4 < P2이지만, 다른 실시예에서 P4의 직경은 P1보다 작거나 같고, 또는 P2보다 크거나 같을 수 있다. 각각의 전하 검출 실린더(CD1-CD3)는 예시적으로 접지 실린더들(GC1-GC3) 개개의 필드-프리 영역(field-free region) 내에 배치되고, 위에 설명된 바와 같이 각각의 접지 실린더(GC1-GC3)는 이온 미러들(M1-M4) 개개의 사이에 위치되고 그 일부를 형성한다. 동작시에, 접지 실린더들(GC1-GC3)은 예시적으로, 제1 및 제7 전극(301, 307)이 항상 접지 전위에 있도록 접지 전위로 제어된다. 일부 대안적인 실시예에서, 이온 미러들(M1-M4) 중 하나 이상에서 제1 및 제7 전극(301, 307) 중 하나 또는 둘 모두는 임의의 원하는 DC 레퍼런스 전위로 설정될 수 있고, 다른 대안적인 실시예에서는 이온 미러들(M1-M4) 중 하나 이상에서 제1 및 제7 전극(301, 307) 중 하나 또는 둘 모두는 전환가능한 DC 또는 다른 시변 전압 소스에 전기적으로 연결될 수 있다.
위에서 간략히 설명된 바와 같이, 전압 소스들(V1-V4)은 예시적으로, 이온 소스(12)로부터 ELIT 어레이(14)로 이온들이 도입되게 하고, 적어도 하나의 이온을 선택적으로 포획하고 가두어, 각각의 3개의 분리된 ELIT들 또는 ELIT 영역들(E1-E3) 내에서 진동시켜 각각의 포획된 이온(들)이 3개의 ELIT들 또는 ELIT 영역들(E1-E3) 각각에서 전하 검출기들(CD1-CD3)의 각각을 관통해 반복적으로 통과하도록 하는 방식으로 제어된다. 각각의 진동하는 이온(들)이 통과할 때마다 각각의 전하 검출기(CD1-CD3)에서 전하 및 진동 주기 값들이 측정된다. 측정값들은 기록되고, 3개의 ELIT들 또는 ELIT 영역들(E1-E3) 각각에서 포획된 이온(들)의 질량 대 전하 비율 및 질량 값들을 결정하기 위해 기록된 결과들이 프로세싱된다.
ELIT 어레이(14)의 각각의 ELIT 또는 ELIT 영역(E1-E3) 내에서, 전압 소스들(V1 - V4)을 제어하여 이온 미러들(M1-M4)의 영역들(R1, R2) 내에서 이온 투과(transmission) 및 이온 반사(reflection) 전기장을 선택적으로 설정함으로써, 각각의 이온 미러들(M1-M4)의 대향 영역들 사이에서 적어도 하나의 이온이 포획되고 진동하도록 만들어진다. 이와 관련하여, 각각의 전압 소스(VX)는 예시적으로 일 실시예에서 7개의 DC 전압(DC1-DC7)을 생성하고, 각각의 이온 미러(MX)의 각각의 미러 전극들(301-307)에 각각의 전압들(DC1-DC7)을 공급하도록 구성된다. 미러 전극들(301-307) 중 하나 이상이 항상 접지 전위로 유지되어야 하는 일부 실시예에서, 하나 이상의 이러한 미러 전극들(301-307)은 대안적으로 전압 소스(VX)의 접지 레퍼런스에 전기적으로 연결될 수 있으며 대응하는 하나 이상의 전압 출력(DC1-DC7)은 생략될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 미러 전극들(301-307) 중 임의의 2개 이상이 동일한 0이 아닌 DC 값으로 제어되어야 하는 실시예에서, 이러한 2개 이상의 미러 전극들(301-307)은 전압 출력들(DC1-DC7) 중 단일의 것에 전기적으로 연결될 수 있으며 전압 출력들(DC1-DC7) 중 불필요한 것은 생략될 수 있다.
도 2a 및 도 2b에 예시로 도시된 바와 같이, 각 이온 미러(MX)는 전압 소스(VX)에 의해 생성된 전압들(DC1-DC7)이 이온 미러(MX)의 영역들(R1, R2) 각각에서 이온 투과 전기장을 생성하는 이온 투과 모드(도 2a), 및 전압 소스(VX)에 의해 생성된 전압들(DC1-DC7)이 이온 미러(MX)의 영역들(R1, R2) 각각에서 이온 트래핑 또는 반사 전기장을 생성하는 이온 반사 모드(도 2b) 사이에서, 전압들(DC1-DC7)을 선택적으로 인가하여 제어 가능하다. 도 2a에 예시로 도시된 바와 같이, 이온 투과 모드에서, 전압들(DC1-DC7)은 이온 미러(MX)의 영역(R1) 내에 이온 투과 전기장(TEF1)을 생성하고 이온 미러(MX)의 영역(R2) 내에 또 다른 이온 투과 전기장(TEF2)을 생성하도록 선택된다. 이온 투과 전기장(TEF1, TEF2)은 예시적으로, 또한 이온 미러(MX)의 두 영역들(R1, R2)을 통해 어느 방향으로(in either direction) 이동하는 이온들을 가속하는 한편, ELIT 어레이(14) 전체에 걸쳐 축(24)을 중심으로 좁은 이온 궤적을 유지하기 위해, 이온 미러(MX) 내에서 중앙의 길이방향 축(24)을 향해 이온을 집속시키도록 생성된다. 도 2b에 예시로 도시된 바와 같이, 이온 반사 모드에서, 전압들(DC1-DC7)은 이온 미러(MX)의 영역(R1) 내에 이온 트래핑 또는 반사 전기장(REF1)을 생성하고 이온 미러(MX)의 영역(R2) 내에 다른 이온 트래핑 또는 반사 전기장(REF2)을 생성하도록 선택된다. 이온 트래핑 또는 반사 전기장(REF1, REF2)은 예시적으로, 축방향으로 각각의 영역(R1, R2)으로 MX의 중앙 애퍼처(CA)를 향하여 이동하는 하나 이상의 이온이 방향을 반대로 하여 축방향으로 반사 전기장들(REF1, REF2)에 의해 중앙 애퍼처(CA)로부터 멀어지는 반대 방향으로 통과되게 하도록 설정된다. 각각의 이온 반사 전기장(REF1, REF2)은, 먼저 감속 및 정지, 즉 하나 이상의 이온을 트래핑하고 이온 미러(MX)의 각 영역(R1, R2)으로 이동시키고, 그런 다음 이러한 하나 이상의 이온을 각각의 영역(R1, R2)을 통해 다시 반대 방향으로 가속하여 상기 하나 이상의 이온이 각각의 영역(R1, R2)에 들어가는 것과 반대 방향으로 상기 각각의 영역(R1, R2)으로부터 멀어지도록 함으로써 그렇게 한다. 따라서, 전하 검출 실린더(CDX-1)로부터 중앙의 길이방향 축(24)을 따라 이온 미러(MX)의 영역(R1)으로 이동하는 이온은 중앙의 길이방향 축(24)을 따라 전하 검출 실린더(CDX-1)를 향하여 그 안으로 다시 반사 전기장(REF1)에 의해 반사되고, 전하 검출 실린더(CDX)로부터 중앙의 길이방향 축(24)을 따라 이온 미러(MX)의 영역(R2)으로 이동하는 다른 이온은 중앙의 길이방향 축(24)을 따라 전하 검출 실린더(CDX)를 향하여 그 안으로 다시 반사 전기장(REF2)에 의해 반사된다. 위에서 설명한 이온 투과 및 반사 모드들로 이온 미러들(M1-M4) 중 해당하는 것을 제어하기 위해 전압 소스들(V1-V4)에 의해 각각 생성된 출력 전압들(DC1-DC7)의 예시적인 세트가 아래의 표 I에 나타나 있다. DC1 내지 DC7의 다음의 값들은 단지 예시로서 제공되는 것이며, DC1 내지 DC7 중 하나 이상에 대한 다른 값들이 대안적으로 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
| 이온 미러 동작 모드 | 출력 전압(volts DC) |
| 투과 (단일의 이온 미러) |
DC1 = DC2 = DC3 = DC5 = DC6 = DC7 = 0 DC4 = 880 |
| 투과 (모든 이온 미러들 - 올-패스(all-pass) |
V1: DC1 = DC2 = DC3 = DC5 = DC6 = DC7 = 0 DC4 = 830 V2 - V4: DC1 = DC2 = DC3 = DC5 = DC6 = DC7 = 0 DC4 = 880 |
| 반사 (단일의 이온 미러) |
DC1 = DC7 = 0 DC2 = DC6 = 1350 DC3 = DC5 = 1250 DC4 = 1900 |
이제 도 3을 참조하면, 이온 소스(12)로부터 ELIT 어레이(14)로 이온들이 도입되게 하고, 그 다음에 연속적으로 적어도 하나의 이온이 선택적으로 포획되고 가두어져 각각의 3개의 분리된 ELIT들 또는 ELIT 영역들(E1-E3) 내에서 진동하여, 각각의 포획된 이온(들)이 3개의 ELIT들 또는 ELIT 영역들(E1-E3)의 각각에서 전하 검출기들(CD1-CD3)의 각각을 관통해 반복적으로 통과하도록 하기 위해, 위에서 설명된 투과 모드와 반사 모드 사이에서 이온 미러들(M1-M4)을 선택적으로 그리고 순차적으로 제어하기 위해 전압 소스들(V1~V4)을 제어하기 위한 프로세스(100)의 단순화된 흐름도가 도시되어 있다. 각각의 진동하는 이온(들)이 통과할 때마다 각각의 전하 검출기(CD1-CD3)에서 전하 및 진동 주기 값들이 측정되고 기록되며, 그 다음 기록된 데이터에 기반하여 이온 질량 값들이 결정된다. 예시된 실시예에서, 프로세스(100)는 예시적으로, 프로세서(16)에 의해 실행될 때 프로세서(16)가 상기 언급된 기능들을 수행하게 하는 명령의 형태로 메모리(18)에 저장된다. 전압 소스들(V1-V4) 중 하나 이상이 프로세서(16)와 독립적으로 프로그래밍 가능한 대안적인 실시예에서, 프로세스(100)의 하나 이상의 양태는 하나 이상의 그러한 프로그래밍 가능한 전압 소스들(V1-V4)에 의해 전체적으로 또는 부분적으로 실행될 수 있다. 그러나, 본 개시의 목적을 위해, 프로세스(100)는 프로세서(16)에 의해서만 실행되는 것으로 설명될 것이다. 도 4a 내지 도 4e를 참조하du, 프로세스(100)는 하나 이상의 양으로(positively) 하전된 이온들에 대해 동작하는 것으로 설명될 것이지만, 프로세스(100)는 대안적으로 하나 이상의 음으로(negatively) 하전된 입자들에 대해 동작할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
도 4a를 참조하면, 프로세스(100)는 프로세서(16)가, 모든 이온 미러들(M1-M4)이 이온 투과 모드에서 동작하여 각각의 영역들(R1, R2)에 설정된 투과 전기장(TEF1, TEF2)이 각각 이온을 가속 및 그것을 통해 이온을 통과시키도록 동작하게 하는 방식으로, 각각의 전압(DC1-DC7)을 설정하도록 전압 소스들(V1-V4)을 제어하도록 동작가능한 단계(102)에서 시작한다. 하나의 예시적인 실시예에서, 전압 소스들(V1-V4)은 예시적으로, 위의 표 I에 예시된 바와 같은 올-패스 투과 모드에 따라 전압들(DC1-DC7)을 생성하도록 프로세스(100)의 단계(102)에서 제어된다. 어떤 경우든, 이온 미러들(M1-M4)이 이온 투과 모드에서 동작하도록 제어하기 위해 단계(102)에서 설정된 각각의 전압 소스들(V1-V4)을 이용하여, 도 4a에 도시된 예시적인 이온 궤적(50)에 의해 나타낸 바와 같이, 이온 소스(12)로부터 M1으로 들어가는 이온들은 모든 이온 미러들(M1-M4) 및 모든 전하 검출기들(CD1-CD3)을 통과하고 M4를 빠져나간다. 따라서, 이온 미러들(M1-M4)을 각각의 투과 모드로 제어하는 것은, 도 4a에 도시된 바와 같이 하나 이상의 이온들을 이온 소스(12)로부터 전체 ELIT 어레이(14) 내로 그리고 전체 ELIT 어레이(14)를 관통하여 끌어당긴다(draw). 도 4a에 도시된 이온 궤적(50)은 단일의 이온 또는 이온들의 집합을 예시적으로 나타낼 수 있다.
단계(102)에 이어, 프로세스(100)는 프로세서(16)가 일시 중지하고 언제 단계(106)로 진행할 지를 결정하도록 동작가능한 단계(104)로 진행한다. 단계(102)의 일 실시예에서, ELIT 어레이(14)는 예시적으로, 이온 소스(12)에 의해 생성된 하나 이상의 이온들이 ELIT 어레이(14)에 들어가고 이를 관통해 이동할 것으로 예상되는 선택된 기간(time period) 동안 이온 미러들(M1-M4)이 그것들의 투과 모드로 유지되는 "랜덤 트래핑 모드(random trapping mode)"로 제어된다. 비 제한적인 예로서, 랜덤 트래핑 모드에서 동작할 때 단계(106)로 이동하기 전에 프로세서(16)가 단계(104)에서 소비하는 상기 선택된 기간은 ELIT 어레이(14)의 축 길이 및 ELIT 어레이(14)에 들어가는 이온들의 속도에 따라 1 내지 3밀리초(ms) 정도이지만, 그러한 선택된 기간은 다른 실시예들에서는 3ms보다 크거나 1ms보다 작을 수 있다는 것이 이해될 것이다. 선택된 기간이 경과할 때까지, 프로세스(100)는 단계(104)의 No 분기를 따르고 단계(104)의 시작 부분으로 루프백한다. 선택된 기간이 경과한 후, 프로세스(100)는 단계(104)의 Yes 분기를 따르고 단계(106)로 진행한다. 마이크로채널 플레이트 검출기(22)를 포함하는 실시예에서와 같이, 단계(104)의 일부 대안적인 실시예에서, 프로세서(16)는 단계(106)로 진행하기 전에 이온들이 ELIT 어레이(14)를 관통해 투과되는 것을 보장하기 위해, 추가 지연 기간이 있거나 없이, 하나 이상의 이온이 검출기(22)에 의해 검출된 후에만 단계(106)로 진행하도록 구성될 수 있다. 다른 대안적인 실시예에서, ELIT 어레이(14)는 예시적으로, 적어도 하나의 이온이 전하 검출기(CD3)에서 검출될 때까지 이온 미러들(M1-M4)이 그것들의 이온 투과 모드로 유지되는 "트리거 트래핑 모드(trigger trapping mode)"로 프로세서(16)에 의해 제어될 수 있다. 그러한 검출까지, 프로세스(100)는 단계(104)의 NO 분기를 따르고 단계(104)의 시작 부분으로 루프백한다. 전하 검출기(CD3)에서 프로세서(16)에 의한 적어도 하나의 이온의 검출은 적어도 하나의 이온이 이온 미러(M4)를 향해 전하 검출기(CD3)를 관통해 통과한 것을 나타내고, 프로세서(16)가 단계(104)의 Yes 분기를 따르고 프로세스(100)의 단계(106)로 진행하게 하는 트리거 이벤트로서 역할을 한다.
단계(104)의 YES 분기에 이어 도 4b를 참조하면, 프로세서(16)는 단계(106)에서 이온 미러(M4)의 동작을 이온 투과 모드 동작에서 이온 반사 전기장(R41)이 M4의 영역(R1) 내에 설정되는 이온 반사 모드 동작으로 변경하거나 전환하는 방식으로, 그의 출력 전압들(DC1-DC7)을 설정하기 위해 전압 소스(V4)를 제어하도록 동작가능하다. 이온 반사 전기장(R41)은, 위에 설명된 바와 같이, M4의 영역(R1)으로 진입하는 하나 이상의 이온을 다시 이온 미러(M3)를 향해(그리고 전하 검출기(CD3)을 관통해) 도 2b와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이 반사시키도록 동작한다. 전압 소스들(V1-V3)에 의해 각각 생성된 출력 전압들(DC1-DC7)은 단계(106)에서 변경되지 않아 이온 미러들(M1-M3) 각각이 이온 투과 모드로 유지된다. 결과적으로, ELIT 어레이(14)에서 이온 미러(M4)를 향해 이동하는 하나 이상의 이온은 이온 미러(M3)를 향해 다시 반사되어, 도 4b에 도시된 이온 궤적(50)에 의해 도시된 바와 같이 축(24)을 따라 M1의 이온 입구를 향해 투과될 것이다.
단계(106)에 이어서, 프로세스(100)는 프로세서(16)가 일시 중지하고 언제 단계(110)로 진행할 지를 결정하도록 동작가능한 단계(108)로 진행한다. ELIT 어레이(14)가 프로세서(16)에 의해 랜덤 트래핑 모드로 제어되는 단계(108)의 실시예에서, 이온 미러들(M1-M3)은 단계(108)에서 하나 이상의 이온이 ELIT 또는 ELIT 영역(E3)에 들어갈 수 있는 선택된 기간 동안 그것들의 투과 모드로 유지된다. 하나의 비제한적인 예로서, 프로세서(16)가 랜덤 트래핑 모드에서 동작할 때 단계(110)로 이동하기 전에 단계(108)에서 소비하는 상기 선택된 기간은 0.1밀리초(ms) 정도이지만, 그러한 선택된 기간은 다른 실시예에서는 0.1ms보다 크거나 0.1ms보다 작을 수 있다는 것이 이해될 것이다. 선택된 기간이 경과할 때까지, 프로세스(100)는 단계(108)의 NO 분기를 따르고 단계(108)의 시작 부분으로 루프백한다. 선택된 기간이 경과한 후, 프로세스(100)는 단계(108)의 YES 분기를 따르고 단계(110)로 진행한다. ELIT 어레이(14)가 프로세서(16)에 의해 트리거 트래핑 모드로 제어되는 단계(108)의 대안적인 실시예에서, 이온 미러들(M1-M3)은 전하 검출기(CD3)에서 적어도 하나의 이온이 검출될 때까지 이온 투과 모드로 유지된다. 그러한 검출까지, 프로세스(100)는 단계(108)의 NO 분기를 따르고 단계(108)의 시작 부분으로 루프백한다. 전하 검출기(CD3)에서 프로세서(16)에 의한 적어도 하나의 이온의 검출은 적어도 하나의 이온이 전하 검출기(CD3)를 관통해 이동하는 것을 보장하고, 프로세서(16)가 단계(108)의 YES 분기를 따르고 프로세스(100)의 단계(110)로 진행하게 하는 트리거 이벤트로서 역할을 한다.
단계(108)의 YES 분기에 이어 도 4c를 참조하면, 프로세서(16)는 단계(110)에서 이온 미러(M3)의 동작을 이온 투과 모드의 동작에서 이온 반사 전기장(R31)이 M3의 영역(R1) 내에 생성되고 이온 반사 전기장(R32)이 M3의 영역(R2) 내에 생성되는 이온 반사 모드의 동작으로 변경하거나 전환하는 방식으로, 그의 출력 전압들(DC1-DC7)을 설정하기 위해 전압 소스(V3)를 제어하도록 동작가능하다. 그 결과, 적어도 하나의 이온이 ELIT 또는 ELIT 영역(E3) 내에 트래핑되고, 이온 미러(M3)의 영역(R2) 및 이온 미러(M4)의 영역(R1) 내에 각각 생성된 반사 전기장(R32, R41)으로 인해, 적어도 하나의 포획된 이온은 도 4c에 도시된 이온 궤적(503)에 의해 도시된 바와 같이 매번 전하 검출 실린더(CD3)를 통과하면서 M3와 M4 사이에서 진동한다. 상기 적어도 하나의 이온이 전하 검출 실린더(CD3)를 통과할 때마다 그것은 실린더(CD3)에 전하를 유도하고 이는 전하 전치 증폭기(CP3)(도 1 참조)에 의해 검출된다. 단계(112)에서, 프로세서(16)는, 상기 적어도 하나의 이온이 이온 미러들(M3, M4) 사이에서 그리고 전하 검출 실린더(CD3)를 관통해 앞뒤로 진동함에 따라, 각각의 이러한 CD3 전하 검출 이벤트의 진폭(amplitude) 및 타이밍을 기록하고 그것을 메모리(18)에 저장하도록 동작가능하다.
위에 설명된 바와 같이, 이온 반사 전기장(R31)은, 도 2b와 관련하여 위에 설명된 바와 같이 M3의 영역(R1)으로 들어가는 하나 이상의 이온을 다시 이온 미러(M2)를 향해 (그리고 전하 검출기(CD2)를 관통해) 반사시키도록 동작한다. 전압 소스들(V1-V2)에 의해 생성된 출력 전압들(DC1-DC7)은 각각 단계들(110, 112)에서 변경되지 않아 이온 미러들(M1-M2)은 각각 이온 투과 모드로 남아 있다. 그 결과, 도 4c에 도시된 이온 궤적(501,2)에 의해 도시된 바와 같이, ELIT 어레이(14)에서 이온 미러(M3)를 향해 이동하는 하나 이상의 이온은 이온 미러(M2)를 향해 다시 반사되고 축(24)을 따라 M1의 이온 입구를 향해 투과될 것이다.
단계들(110, 112)에 이어, 프로세스(100)는 프로세서(16)가 일시 중지하고 언제 단계(116)로 진행할 지를 결정하도록 동작가능한 단계(114)로 진행한다. ELIT 어레이(14)가 프로세서(16)에 의해 랜덤 트래핑 모드로 제어되는 단계(114)의 실시예에서, 이온 미러들(M1-M2)은 단계(114)에서 하나 이상의 이온이 ELIT 또는 ELIT 영역(E2)에 들어갈 수 있는 선택된 기간 동안 그것들의 투과 모드로 유지된다. 하나의 비제한적인 예로서, 프로세서(16)가 랜덤 트래핑 모드에서 동작할 때 단계(116)로 이동하기 전에 단계(114)에서 소비하는 상기 선택된 기간은 0.1밀리초(ms) 정도이지만, 이러한 선택된 기간은 다른 실시예에서는 0.1ms보다 크거나 0.1ms보다 작을 수 있다는 것이 이해될 것이다. 선택된 기간이 경과할 때까지, 프로세스(100)는 단계(114)의 NO 분기를 따르고 단계(114)의 시작 부분으로 루프백한다. 선택된 기간이 경과한 후, 프로세스(100)는 단계(114)의 YES 분기를 따르고 단계(116)로 진행한다. ELIT 어레이(14)가 프로세서(16)에 의해 트리거 트래핑 모드로 제어되는 단계(114)의 대안적인 실시예에서, 이온 미러들(M1-M2)은 전하 검출기(CD2)에서 적어도 하나의 이온이 검출될 때까지 그것들의 이온 투과 모드로 유지된다. 그러한 검출까지, 프로세스(100)는 단계(114)의 NO 분기를 따르고 단계(114)의 시작 부분으로 루프백한다. 전하 검출기(CD2)에서 프로세서(16)에 의한 적어도 하나의 이온의 검출은 적어도 하나의 이온이 전하 검출기(CD2)를 관통해 이동하는 것을 보장하고, 프로세서(16)가 단계(114)의 YES 분기를 따르고 프로세스(100)의 단계(116)로 진행하게 하는 트리거 이벤트로서 역할을 한다.
위에 설명된 바와 같이, 이온 반사 전기장(R21)은 도 2b와 관련하여 위에 설명된 바와 같이 M2의 영역(R1)으로 들어가는 하나 이상의 이온을 다시 이온 미러(M1)를 향해 (그리고 전하 검출기(CD1)를 관통해) 반사시키도록 동작한다. 전압 소스(V1)에 의해 생성된 출력 전압들(DC1-DC7)은 단계들(116, 118)에서 변경되지 않아 이온 미러(M1)는 이온 투과 모드로 남아 있다. 그 결과, 도 4d에 도시된 이온 궤적(501)에 의해 도시된 바와 같이 ELIT 어레이(14)에서 이온 미러(M2)를 향해 이동하는 하나 이상의 이온은 이온 미러(M1)를 향해 다시 반사되고 축(24)을 따라 M1의 이온 입구를 향해 투과될 것이다.
단계(114)의 YES 분기에 이어 그리고 ELIT 또는 ELIT 영역(E3)의 적어도 하나의 이온이 이온 미러들(M3, M4) 사이의 전하 검출 실린더(CD3)를 통해 앞뒤로 계속 진동하는 동안에, 프로세스(100)는 단계(116)로 진행한다. 도 4d를 참조하면, 프로세서(16)는 단계(116)에서 이온 미러(M2)의 동작을 이온 투과 모드의 동작에서 이온 반사 전기장(R21)이 M2의 영역(R1) 내에 생성되고 이온 반사 전기장(R22)이 M2의 영역(R2) 내에 생성되는 이온 반사 모드의 동작으로 변경하거나 전환하는 방식으로, 그의 출력 전압들(DC1-DC7)을 설정하기 위해 전압 소스(V2)를 제어하도록 동작가능하다. 그 결과, 적어도 하나의 이온이 ELIT 또는 ELIT 영역(E2) 내에 트래핑되고, 이온 미러(M2)의 영역(R2) 및 이온 미러(M3)의 영역(R1) 내에 각각 생성된 반사 전기장(R22, R31)으로 인해, 상기 적어도 하나의 트래핑된 이온은 도 4d에 도시된 이온 궤적(502)에 의해 도시된 바와 같이 매번 전하 검출 실린더(CD2)를 통과하면서 M2와 M3 사이에서 진동한다. 상기 적어도 하나의 이온이 전하 검출 실린더(CD2)를 통과할 때마다 그것은 실린더(CD2)에 전하를 유도하고 이는 전하 전치 증폭기(CP2)(도 1 참조)에 의해 검출된다. 단계(118)에서, 프로세서(16)는, 상기 적어도 하나의 이온이 이온 미러들(M2, M3) 사이에서 그리고 전하 검출 실린더(CD2)를 관통해 앞뒤로 진동함에 따라, 각각의 이러한 CD2 전하 검출 이벤트의 진폭 및 타이밍을 기록하고 그것을 메모리(18)에 저장하도록 동작가능하다. 따라서, 단계(116)에 따라, 적어도 하나의 이온은 이온 미러들(M3, M4) 사이의 ELIT 또는 ELIT 영역(E3)의 전하 검출 실린더(CD3)를 관통해 앞뒤로 진동하고, 동시에 적어도 다른 이온은 이온 미러들(M2, M3) 사이의 ELIT 또는 ELIT 영역(E2)의 전하 검출 실린더(CD2)를 관통해 앞뒤로 진동하고 있다.
단계들(116, 118)에 이어, 프로세스(100)는 프로세서(16)가 일시 중지하고 언제 단계(122)로 진행할 지를 결정하도록 동작가능한 단계(120)로 진행한다. ELIT 어레이(14)가 프로세서(16)에 의해 랜덤 트래핑 모드로 제어되는 단계(120)의 실시예에서, 이온 미러(M1)는 단계(120)에서 하나 이상의 이온이 ELIT 또는 ELIT 영역(E1)에 들어갈 수 있는 선택된 기간 동안 그것의 투과 모드의 동작으로 유지된다. 하나의 비제한적인 예로서, 프로세서(16)가 랜덤 트래핑 모드에서 동작할 때 단계(122)로 이동하기 전에 단계(120)에서 소비하는 싱기 선택된 기간은 0.1밀리초(ms) 정도이지만, 이러한 선택된 기간은 다른 실시예에서는 0.1ms보다 크거나 0.1ms보다 작을 수 있다는 것이 이해될 것이다. 상기 선택된 기간이 경과할 때까지, 프로세스(100)는 단계(120)의 NO 분기를 따르고 단계(120)의 시작 부분으로 루프백한다. 선택된 기간이 경과한 후, 프로세스(100)는 단계(120)의 YES 분기를 따르고 단계(122)로 진행한다. ELIT 어레이(14)가 프로세서(16)에 의해 트리거 트래핑 모드로 제어되는 단계(120)의 대안적인 실시예에서, 이온 미러(M1)는 적어도 하나의 이온이 전하 검출기(CD1)에서 검출될 때까지 그것의 이온 투과 모드의 동작으로 유지된다. 그러한 검출까지, 프로세스(100)는 단계(120)의 NO 분기를 따르고 단계(120)의 시작 부분으로 루프백한다. 전하 검출기(CD1)에서 프로세서(16)에 의한 적어도 하나의 이온의 검출은 적어도 하나의 이온이 전하 검출기(CD1)를 관통해 이동하는 것을 보장하고, 프로세서(16)가 단계(120)의 YES 분기를 따르고 프로세스(100)의 단계(122)로 진행하게 하는 트리거 이벤트로서 역할을 한다.
단계(120)의 YES 분기에 따라, ELIT 또는 ELIT 영역(E3)의 적어도 하나의 이온이 이온 미러들(M3, M4) 사이의 전하 검출 실린더(CD3)를 관통해 앞뒤로 계속 진동하는 동안, 그리고 또한 ELIT 또는 ELIT 영역(E2)에서 적어도 또 하나의 이온이 이온 미러들(M2, M3) 사이의 전하 검출 실린더(CD2)를 관통해 동시에 계속 앞뒤로 진동하는 동안, 프로세스(100)는 단계(122)로 진행한다. 도 4e를 참조하면, 프로세서(16)는 단계(122)에서 이온 미러(M1)의 동작을 이온 투과 모드의 동작에서 이온 반사 전기장(R11)이 M1의 영역(R1) 내에 설정되고 이온 반사 전기장(R12)이 M1의 영역(R2) 내에 설정되는 이온 반사 모드의 동작으로 변경하거나 전환하는 방식으로, 그의 출력 전압들(DC1-DC7)을 설정하기 위해 전압 소스(V1)를 제어하도록 동작가능하다. 그 결과, 적어도 하나의 이온이 ELIT 또는 ELIT 영역(E1) 내에 트래핑되고, 이온 미러(M1)의 영역(R1) 및 이온 미러(M2)의 영역(R2) 내에 각각 생성된 반사 전기장(R12, R21)으로 인해, 상기 적어도 하나의 트래핑된 이온은 도 4e에 도시된 이온 궤적(501)에 의해 도시된 바와 같이 매번 전하 검출 실린더(CD1)를 통과하면서 M1와 M2 사이에서 진동한다. 상기 적어도 하나의 이온이 전하 검출 실린더(CD1)를 통과할 때마다 그것은 실린더(CD1)에 전하를 유도하고 이는 전하 전치 증폭기(CP1)(도 1 참조)에 의해 검출된다. 단계(124)에서, 프로세서(16)는, 상기 적어도 하나의 이온이 이온 미러들(M1, M2) 사이에서 그리고 전하 검출 실린더(CD1)를 관통해 앞뒤로 진동함에 따라, 각각의 이러한 CD1 전하 검출 이벤트의 진폭 및 타이밍을 기록하고 그것을 메모리(18)에 저장하도록 동작가능하다. 따라서, 단계(122)에 따라, 적어도 하나의 이온은 이온 미러들(M3, M4) 사이의 ELIT 또는 ELIT 영역(E3)의 전하 검출 실린더(CD3)를 관통해 앞뒤로 진동하고, 동시에 적어도 다른 이온은 이온 미러들(M2, M3) 사이의 ELIT 또는 ELIT 영역(E2)의 전하 검출 실린더(CD2)를 관통해 앞뒤로 진동하고, 또한 동시에 적어도 또 다른 이온은 이온 미러들(M1, M2) 사이의 ELIT 또는 ELIT 영역(E1)의 전하 검출 실린더(CD1)를 관통해 앞뒤로 진동하고 있다.
단계들(122, 124)에 이어, 프로세스(100)는 프로세서(16)가 일시 중지하고 언제 단계(128)로 진행할 지를 결정하도록 동작가능한 단계(126)로 진행한다. 일 실시예에서, 프로세서(16)는 이온 검출 이벤트들, 즉 전하 검출기들(CD1-CD3) 각각에 의한 이온 검출 이벤트들이 프로세서(16)에 의해 기록되는 선택된 기간, 즉 총 이온 사이클 측정 시간 동안, 이온들이 ELIT들 또는 ELIT 영역들(E1-E3) 각각을 관통해 동시에 앞뒤로 진동하게 허용하도록 구성, 즉 프로그래밍된다. 하나의 비제한적인 예로서, 프로세서(16)가 단계(128)로 이동하기 전에 단계(126)에서 소비하는 상기 선택된 기간은 100 내지 300밀리초(ms) 정도이지만, 그러한 선택된 기간은 다른 실시예에서는 300ms보다 크거나 100ms보다 작을 수 있다는 것이 이해될 것이다. 상기 선택된 기간이 경과할 때까지, 프로세스(100)는 단계(126)의 No 분기를 따르고 단계(126)의 시작 부분으로 루프백한다. 상기 선택된 기간이 경과한 후, 프로세스(100)는 단계(126)의 YES 분기를 따르고 단계들(128, 140)로 진행한다. 프로세스(100)의 일부 대안적인 실시예에서, 전압 소스들(V1-V4)은 예시적으로 단계(126)에서 프로세서(16)에 의해, 이온 검출 이벤트들, 즉 전하 검출기들(CD1-CD3) 각각에 의한 이온 검출 이벤트들이 프로세서(16)에 의해 기록되는 선택된 수의 타임들, 즉 측정 사이클들의 총 수 동안 이온(들)이 전하 검출기들(CD1-CD3)을 관통해 앞뒤로 진동하게 허용하도록 제어될 수 있다. 프로세서가 하나 이상의 전하 검출기들(CD1-CD3)의 선택된 수의 이온 검출 이벤트를 카운트할 때까지, 프로세스(100)는 단계(126)의 NO 분기를 따르고 단계(126)의 시작 부분으로 루프백한다. 프로세서(16)에 의한 선택된 수의 이온 검출 이벤트의 검출은 프로세서(16)가 단계(126)의 YES 분기를 따르고 프로세스(100)의 단계들(128, 140)로 진행하게 하는 트리거 이벤트로서 역할을 한다.
단계(126)의 YES 분기에 이어, 프로세서(16)는 단계(128)에서 모든 이온 미러들(M1-M4)의 동작을 이온 반사 모드의 동작에서 이온 미러들(M1-M4)이 각각 그것들을 관통해 이온들이 통과하도록 허용하는 이온 투과 모드의 동작으로 변경하거나 전환하는 방식으로, 각각의 출력 전압들(DC1-DC7)을 설정하도록 전압 소스들(V1-V4)을 제어하도록 동작가능하다. 예시적으로, 전압 소스들(V1-V4)은 예시적으로 프로세스(100)의 단계(128)에서 위의 표 I에 예시된 바와 같은 올-패스 투과 모드에 따라 전압들(DC1-DC7)을 생성하도록 제어되고, 이는 도 4a에 도시된 이온 궤적(50)을 복구하고, 여기서 (i) ELIT 어레이(14) 내의 모든 이온들이 이온 미러들(M1-M4) 각각에 생성된 이온 투과 전기장들(TEF1, TEF2)의 영향 하에 ELIT 어레이(14)를 관통하여 그리고 ELIT 어레이(14) 밖으로 투과되고, (ii) 이온 소스(12)로부터 M1으로 들어가는 모든 이온들이 모든 이온 미러들(M1-M4)과 모든 전하 검출기들(CD1-CD3)을 통과한다.
단계(128)에 이어, 프로세서(16)는 단계(130)에서 ELIT 어레이(14) 내에 포함된 이온들이 ELIT 어레이(14) 밖으로 투과되도록 하기 위해 선택된 기간 동안 일시 중지하도록 동작가능하다. 하나의 비제한적인 예로서, 프로세서(12)가 프로세스(100)를 다시 시작하기 위해 단계(102)로 루프백하기 전에 단계(130)에서 소비하는 상기 선택된 기간은 1-3밀리초(ms) 정도이지만, 그러한 선택된 기간은 다른 실시예에서는, 3ms보다 크거나 1ms보다 작을 수 있다는 것이 이해될 것이다. 상기 선택된 기간이 경과할 때까지, 프로세스(100)는 단계(130)의 NO 분기를 따르고 단계(130)의 시작 부분으로 루프백한다. 상기 선택된 기간이 경과한 후, 프로세스(100)는 단계(130)의 YES 분기를 따르고 프로세스(100)를 다시 시작하기 위해 단계(102)로 루프백한다.
또한 단계(126)의 YES 분기에 이어, 프로세스(100)는 직전에 설명된 프로세스(100)의 단계들(112, 118, 124) 동안 수집된 데이터를 분석하기 위해 추가로 단계(140)로 진행한다. 예시된 실시예에서, 데이터 분석 단계(140)는 예시적으로, 프로세서(16)가 각각의 전하 전치 증폭기들(CP1-CP3)에 의해 제공되는 저장된 전하 검출 신호들의 기록된 세트들에 대한 푸리에 변환(Fourier Transforms)을 계산하도록 동작가능한 단계(142)를 포함한다. 프로세서(16)는 예시적으로, 이에 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 통상적인 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT) 알고리즘과 같은 임의의 통상적인 디지털 푸리에 변환(digital Fourier transform, DFT) 기술을 사용하여 단계(142)를 실행하도록 동작가능하다. 어떤 경우든, 프로세서(16)는 3개의 푸리에 변환, FT1, FT2 및 FT3을 계산하도록 단계(142)에서 동작가능하며, 여기서 FT1은 제1 전하 전치 증폭기(CP1)에 의해 제공되는 전하 검출 신호들의 기록된 세트에 대한 푸리에 변환이며, 따라서 ELIT 또는 ELIT 영역(E1)의 전하 검출 실린더(CD1)에 의해 검출된 전하 검출 이벤트들에 대응하며, FT2는 제2 전하 전치 증폭기(CP2)에 의해 제공되는 전하 검출 신호들의 기록된 세트에 대한 푸리에 변환이며, 따라서 ELIT 또는 ELIT 영역(E2)의 전하 검출 실린더(CD2)에 의해 검출된 전하 검출 이벤트들에 대응하며, FT3는 제3 전하 전치 증폭기(CP3)에 의해 제공되는 전하 검출 신호들의 기록된 세트에 대한 푸리에 변환이며, 따라서 ELIT 또는 ELIT 영역(E3)의 전하 검출 실린더(CD3)에 의해 검출된 전하 검출 이벤트들에 대응한다.
단계(142)에 이어, 프로세스(100)는 프로세서(16)가 이온 질량 대 전하 비율 값들(m/z1, m/z2, m/z3), 이온 전하 값들(z1, z2, z3) 및 이온 질량 값들(m1, m2, m3)의 3개 세트를, 각각 상기 계산된 푸리에 변환 값들(FT1, FT2, FT3) 중 개개의 것의 함수로서, 계산하도록 동작가능한 단계(144)로 진행한다. 그 후 단계(146)에서 프로세서(16)는 메모리(18)에 상기 계산된 결과를 저장하고/하거나 관찰 및/또는 추가 분석을 위해 상기 결과를 디스플레이하도록 주변 장치들(20) 중 하나 이상을 제어하도록 동작가능하다.
ELIT들 또는 ELIT 영역들(E1-E3) 중 임의의 것에서 대향하는 이온 미러들 사이에서 앞뒤로 진동하는 이온(들)의 질량 대 전하 비율(m/z)은 다음의 식에 따라 진동하는 이온(들)의 기본 진동수(fundamental frequency, ff)의 제곱에 반비례한다고 일반적으로 이해된다:
m/z = C/ff2
여기서 C는 이온 에너지의 함수이고 각각의 ELIT 또는 ELIT 영역의 치수의 함수이기도 한 상수이고, 기본 진동수(ff)는 개개의 계산된 푸리에 변환에서 직접 결정된다. 따라서 ff1은 FT1의 기본 진동수이고, ff2는 FT2의 기본 진동수이고, ff3은 FT3의 기본 진동수이다. 일반적으로 C는 통상적인 이온 궤적 시뮬레이션을 사용하여 결정된다. 어떤 경우든, 이온 전하 z의 값은 이온 진동 사이클의 수를 고려하여 FT의 크기 FTMAG에 비례한다. 그러면 이온 질량 m은 m/z와 z의 곱으로 계산된다. 따라서, 제1 전하 전치 증폭기(CP1)에 의해 제공되는 전하 검출 신호들의 기록된 세트와 관련하여, 프로세서(16)는 단계(144)에서 m/z1 = C/ff1 2, z1 = F(FTMAG1) 및 m1 = (m/z1)(z1)을 계산하도록 동작가능하다. 제2 전하 전치 증폭기(CP2)에 의해 제공되는 전하 검출 신호들의 기록된 세트와 관련하여, 프로세서(16)는 단계(144)에서 유사하게 m/z2 = C/ff2 2, z2 = F(FTMAG2) 및 m2 = (m/z2)(z2)를 계산하도록 동작가능하고, 제3 전하 전치 증폭기(CP3)에 의해 제공되는 전하 검출 신호들의 기록된 세트와 관련하여, 프로세서(16)는 마찬가지로 단계(144)에서 m/z3 = C/ff3 2, z3 = F(FTMAG3) 및 m3 = (m/z3)(z3)를 계산하도록 동작가능하다.
이제 도 5a를 참조하면, 이온 분리 기기(60)의 실시예에 대한 간략화된 블록도가 도시되어 있고, 이는 여기에 예시되고 설명된 ELIT 어레이들(14, 205, 302) 중 임의의 것을 포함할 수 있고, 여기에 예시되고 설명된 이온 질량 검출 시스템들(10, 200, 300) 중 임의의 것을 포함할 수 있으며, ELIT 어레이(들)의 상류(upstream)에서 이온 소스(12)의 일부를 형성할 수 있는 임의의 수의 이온 프로세싱 기기들을 포함할 수 있고/있거나 ELIT 어레이(들)를 빠져나가는 이온(들)을 추가로 처리하기 위해 ELIT 어레이(들)의 하류(downstream)에 배치될 수 있는 임의의 수의 이온 프로세싱 기기들을 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 도 5a에는 이온 소스(12)가 이온 소스(12)일 수 있거나 이온 소스(12)의 일부를 형성할 수 있는 Q개의 이온 소스 스테이지들(IS1-ISQ)을 포함하는 것으로 도시되어 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 이온 프로세싱 기기(70)는 도 5a에서 ELIT 어레이(14, 205, 302)의 이온 출구에 결합된 것으로 도시되어 있고, 여기서 이온 프로세싱 기기(70)는 임의의 수의 이온 프로세싱 스테이지들(OS1-OSR)을 포함할 수 있고, 여기서 R은 임의의 양의 정수일 수 있다.
이온 소스(12)에 집중하면, ELIT(10)에 들어가는 이온들의 소스(12)는 이온 소스 스테이지들(IS1-ISQ) 중 하나 이상의 형태로 위에서 설명된 바와 같은 임의의 통상적인 이온 소스이거나 이를 포함할 수 있고, 하나 이상의 분자 특성(예를 들어, 이온 질량, 이온 질량 대 전하, 이온 이동도(mobility), 이온 체류(retention) 시간 등에 따라)에 따라 이온들을 분리하기 위한 하나 이상의 통상적인 기기들, 및/또는 이온들을 수집 및/또는 저장하고(예를 들어, 하나 이상의 4중극자(quadrupole), 6중극자(hexapole) 및/또는 기타 이온 트랩), 이온을 필터링하고(예를 들어, 이온 질량, 이온 질량 대 전하, 이온 이동도, 이온 체류 시간 등와 같은 하나 이상의 분자 특성에 따라), 이온을 단편화(fragmenting)하거나 아니면 해리(dissociating)하고, 이온 전하 상태를 노멀라이징(normalizing)하기 위한 하나 이상의 통상적인 이온 프로세싱 기기들을 더 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 이온 소스(12)는 임의의 그러한 통상적인 이온 소스들, 이온 분리 기기들 및/또는 이온 프로세싱 기기들 중 하나 또는 임의의 조합을 임의의 순서로 포함할 수 있고, 일부 실시예는 임의의 그러한 통상적인 이온 소스들, 이온 분리 기기들 및/또는 이온 프로세싱 기기들 중 다수의 인접하거나 이격된 것들을 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
이제 이온 프로세싱 기기(70)를 참조하면, 기기(70)는 이온 프로세싱 스테이지들(OS1-OSR) 중 하나 이상의 형태로 하나 이상의 분자 특성(예를 들어, 이온 질량, 이온 질량 대 전하, 이온 이동도, 이온 체류 시간 등에 따라)에 따라 이온들을 분리하기 위한 하나 이상의 통상적인 기기들, 및/또는 이온들을 수집 및/또는 저장하고(예를 들어, 하나 이상의 4중극자, 6중극자 및/또는 기타 이온 트랩), 이온을 필터링하고(예를 들어, 이온 질량, 이온 질량 대 전하, 이온 이동도, 이온 체류 시간 등와 같은 하나 이상의 분자 특성에 따라), 이온을 단편화하거나 아니면 해리하고, 이온 전하 상태를 노멀라이징하기 위한 하나 이상의 통상적인 이온 프로세싱 기기들이거나 이를 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 이온 프로세싱 기기(70)는 임의의 그러한 통상적인 이온 분리 기기들 및/또는 이온 프로세싱 기기들 중 하나 또는 임의의 조합을 임의의 순서로 포함할 수 있고, 일부 실시예는 임의의 그러한 통상적인 이온 분리 기기들 및/또는 이온 프로세싱 기기들 중 다수의 인접하거나 이격된 것들을 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 하나 이상의 질량 분석기를 포함하는 임의의 구현에서, 임의의 하나 이상의 이러한 질량 분석기는 도 1과 관련하여 위에서 설명된 임의의 형태로 구현될 수 있다.
어떤 식으로든 제한하는 것으로 고려되어서는 안되는, 도 5a에 도시된 이온 분리 기기(60)의 하나의 특정 구현으로 이온 소스(12)는 예시적으로 3개의 스테이지들을 포함하고, 이온 프로세싱 기기(70)는 생략된다. 이 예시적인 구현에서, 이온 소스 스테이지(IS1)는 이온의 통상적인 소스, 예를 들어, 전자분무(electrospray), MALDI 등이고, 이온 소스 스테이지(IS2)는 통상적인 질량 필터, 예를 들어 하이-패스(high-pass) 또는 밴드-패스(band-pass) 필터로 작동하는 4중극자 또는 6중극자 이온 가이드(ion guide)이고, 이온 소스 스테이지(IS3)는 위에서 설명된 임의 타입의 질량 분석기이다. 이 실시예에서, 이온 소스 스테이지(IS2)는 하류의 질량 분석기에 의한 분석을 위해 원하는 분자 특성을 갖는 이온들을 미리 선택하고, 이러한 미리 선택된 이온들만을 질량 분석기로 전달하는 통상적인 방식으로 제어되며, 여기서 ELIT 어레이(14, 205, 302)에 의해 분석된 이온들이 질량 대 전하 비율에 따라 질량 분석기에 의해 분리되는 상기 미리 선택된 이온이 될 것이다. 이온 필터를 빠져나가는 상기 미리 선택된 이온들은, 예를 들어 특정된 이온 질량 또는 질량 대 전하 비율을 갖는 이온, 특정된 이온 질량 또는 이온 질량 대 전하 비율을 초과 및/또는 미만의 이온 질량 또는 이온 질량 대 전하 비율을 갖는 이온, 이온 질량 또는 이온 질량 대 전하 비율의 특정된 범위 내의 이온 질량 또는 이온 질량 대 전하 비율을 갖는 이온 등일 수 있다. 이 예의 일부 대안적인 구현에서, 이온 소스 스테이지(IS2)는 질량 분석기일 수 있고 이온 소스 스테이지(IS3)는 이온 필터일 수 있으며, 이온 필터는 직전에 설명된 바와 다르게, 하류의 ELIT 어레이(14, 205, 302)에 의한 분석을 위해 원하는 분자 특성을 갖는, 질량 분석기를 빠져나가는 이온들을 미리 선택하도록 동작가능할 수 있다. 이 예의 다른 대안적인 구현에서, 이온 소스 스테이지(IS2)는 이온 필터일 수 있고, 이온 소스 스테이지(IS3)는 다른 이온 필터가 뒤따르는 질량 분석기를 포함할 수 있고, 여기서 이온 필터 각각은 직전에 설명된 바와 같이 동작한다.
어떤 식으로든 제한하는 것으로 고려되어서는 안되는, 도 5a에 도시된 이온 분리 기기(60)의 하나의 특정 구현으로 이온 소스(12)는 예시적으로 2개의 스테이지들을 포함하고, 이온 프로세싱 기기(70)는 생략된다. 이 예시적인 구현에서, 이온 소스 스테이지(IS1)는 이온의 통상적인 소스, 예를 들어, 전자분무, MALDI 등이고, 이온 소스 스테이지(IS2)는 위에서 설명된 임의 타입의 통상적인 질량 분석기이다. 이것은 도 1과 관련하여 위에서 설명된 구현이며 여기서 ELIT 어레이(14, 205, 302)는 질량 분석기를 빠져나가는 이온들을 분석하도록 동작가능하다.
어떤 식으로든 제한하는 것으로 고려되어서는 안되는, 도 5a에 도시된 이온 분리 기기(60)의 또 다른 특정 구현으로 이온 소스(12)는 예시적으로 2개의 스테이지들을 포함하고, 이온 프로세싱 기기(70)는 생략된다. 이 예시적인 구현에서, 이온 소스 스테이지(IS1)는 이온의 통상적인 소스, 예를 들어 전자분무, MALDI 등이고, 이온 프로세싱 스테이지(OS2)는 통상적인 단일 또는 다중-스테이지(multiple-stage) 이온 이동도 분광기(ion mobility spectrometer)이다. 이 구현에서, 이온 이동도 분광기는 이온 이동도의 하나 이상의 기능(functions)에 따라 시간이 지남에 따라 이온 소스 스테이지(IS1)에 의해 생성된 이온들을 분리하도록 동작가능하고, ELIT 어레이(14, 205, 302)는 이온 이동도 분광기를 빠져나가는 이온들을 분석하도록 동작가능하다. 이 예의 대안적인 구현에서, 이온 소스(12)는 통상적인 이온 소스 형태의 단일 스테이지(IS1)만을 포함할 수 있고, 이온 프로세싱 기기(70)는 단 하나의 스테이지(OS1)로서(또는 다중-스테이지 기기(70)의 스테이지(OS1)로서) 통상적인 단일 또는 다중-스테이지 이온 이동도 분광기를 포함할 수 있다. 이 대안적인 구현에서, ELIT 어레이(14, 205, 302)는 이온 소스 스테이지(IS1)에 의해 생성된 이온들을 분석하도록 동작가능하고, 이온 이동도 분광기(OS1)는 이온 이동도의 하나 이상의 기능에 따라 시간이 지남에 따라 ELIT 어레이(14, 205, 302)를 빠져나가는 이온들을 분리하도록 동작가능하다. 이 예의 다른 대안적인 구현으로서, 단일 또는 다중-스테이지 이온 이동도 분광기들이 이온 소스 스테이지(IS1) 및 ELIT 어레이(14, 205, 302) 모두를 뒤따를 수 있다. 이 대안적인 구현에서, 이온 소스 스테이지(IS1)를 뒤따르는 이온 이동도 분광기는 이온 이동도의 하나 이상의 기능에 따라 시간이 지남에 따라 이온 소스 스테이지(IS1)에 의해 생성된 이온들을 분리하도록 동작가능하고, ELIT 어레이(14, 205, 302)는 이온 소스 스테이지 이온 이동도 분광기를 빠져나가는 이온들을 분석하도록 동작가능하고, ELIT 어레이(14, 205, 302)를 뒤따르는 이온 프로세싱 스테이지(OS1)의 이온 이동도 분광기는 이온 이동도의 하나 이상의 기능에 따라 시간이 지남에 따라 ELIT 어레이(14, 205, 302)를 빠져나가는 이온들을 분리하도록 동작가능하다. 이 단락에 설명된 실시예에 대한 임의의 구현에서, 추가 변형은 이온 소스(12) 및/또는 이온 프로세싱 기기(210)에서 단일 또는 다중-스테이지 이온 이동도 분광기의 상류 및/또는 하류에 동작가능하게 위치된 질량 분석기를 포함할 수 있다.
어떤 식으로든 제한하는 것으로 고려되어서는 안되는, 도 5a에 도시된 이온 분리 기기(60)의 또 다른 특정 구현으로서, 이온 소스(12)는 예시적으로 2개의 스테이지를 포함하고, 이온 프로세싱 기기(70)는 생략된다. 이 예시적인 구현에서, 이온 소스 스테이지(IS1)는 통상적인 액체 크로마토그래프(liquid chromatograph), 예를 들어 분자 체류 시간에 따라 용액에서 분자를 분리하도록 구성된 HPLC 등이고, 이온 소스 스테이지(IS2)는 통상적인 이온 소스, 예를 들어 전자분무 등이다. 이 구현에서, 액체 크로마토그래프는 용액에서 분자 성분을 분리하도록 동작가능하고, 이온 소스 스테이지(IS2)는 액체 크로마토그래프를 빠져나가는 용액 흐름으로부터 이온들을 생성하도록 동작가능하고, ELIT 어레이(14, 205, 302)는 이온 소스 스테이지(IS2)에 의해생성된 이온들을 분석하도록 동작가능하다. 이 예의 대안적인 구현에서, 이온 소스 스테이지(IS1)는 대신에 용액 내의 분자들을 크기별로 분리하도록 동작가능한 통상적인 사이즈-배제 크로마토그래프(size-exclusion chromatograph, SEC)일 수 있다. 다른 대안적인 구현에서, 이온 소스 스테이지(IS1)는 통상적인 액체 크로마토그래프에 이어 통상적인 SEC를 포함할 수 있거나 그 반대로 포함할 수 있다. 이 구현에서 이온들은 두 번 분리된 - 한번은 분자 체류 시간에 따라, 이어서 두 번째는 분자 크기에 따라, 또는 그 반대로 분리된 - 용액으로부터 이온 소스 스테이지(IS2)에 의해 생성된다. 이 단락에 설명된 실시예의 임의의 구현에서, 추가 변형은 이온 소스 스테이지(IS2)와 ELIT(14, 205, 302) 사이에 동작가능하게 위치된 질량 분석기를 포함할 수 있다.
이제 도 5b를 참조하면, 이온 분리 기기(80)의 다른 실시예에 대한 단순화된 블록도가 도시되어 있고, 이온 분리 기기(80)는 예시적으로 다중-스테이지 질량 분석기 기기(82)를 포함하고, 또한 높은 이온 질량 분석 구성요소로 구현된 여기서 예시되고 설명된 임의의 이온 질량 검출 시스템들(10, 200, 300), 즉 CDMS를 포함한다. 예시된 실시예에서, 다중-스테이지 질량 분석기 기기(82)는 여기에 예시되고 설명된 바와 같이 이온 소스(IS)(12), 상기 이온 소스(IS)(12)에 뒤따르고 이에 결합된 제1 통상적인 질량 분석기(MS1)(84), 상기 제1 통상적인 질량 분석기(MS1)(84)에 뒤따르고 이에 결합된, 예를 들어 충돌-유도 해리(collision-induced dissociation, CID), 표면-유도 해리(surface-induced dissociation, SID), 전자 포획 해리(electron capture dissociation, ECD) 및/또는 광-유도 해리(photo-induced dissociation, PID) 등 중 하나 이상에 의해 질량 분석기(84)를 빠져나가는 이온을 해리하도록 동작가능한 통상적인 이온 해리 스테이지(ID)(86), 상기 이온 해리 스테이지(ID)(86)에 뒤따르고 이에 결합된 제2 통상적인 질량 분석기(MS2)(88), 상기 제2 통상적인 질량 분석기(MS2)(88)에 뒤따르는, 예를 들어 마이크로채널 플레이트 검출기 또는 기타 통상적인 이온 검출기와 같은 통상적인 이온 검출기(D)(90)를 포함한다. 이온 질량 검출 시스템(10, 200, 300), 즉 CDMS는 이온 해리 스테이지(86)와 병렬로 이에 결합되어, 이온 질량 검출 시스템(10, 200, 300), 즉 CDMS가 질량 분석기(84) 및/또는 이온 해리 스테이지(86)로부터 이온들을 선택적으로 수용할 수 있다.
예를 들어, 이온 분리 기기(82)만을 사용하는 MS/MS는 특정 분자량(molecular weight)의 전구체 이온들이 그것들의 m/z 값을 기반으로 제1 질량 분석기(84)(MS1)에 의해 선택되는 잘 확립된 접근 방식이다. 상기 질량 선택된 전구체 이온들은 이온 해리 스테이지(86)에서 충돌-유도 해리, 표면-유도 해리, 전자 포획 해리 또는 광-유도 해리에 의해 단편화된다. 그런 다음 단편 이온들(fragment ions)은 제2 질량 분석기(86)(MS2)에 의해 분석된다. MS1 및 MS2 모두에서 전구체 및 단편 이온들의 m/z 값들만 측정된다. 높은 질량 이온들의 경우 전하 상태가 분해(resolved)되지 않으므로 m/z 값만에 기반해서 특정 분자량을 갖는 전구체 이온들을 선택하는 것이 가능하지 않다. 그러나 기기(82)를 여기에 예시되고 설명된 CDMS(10, 200, 300)에 결합함으로써 좁은 범위의 m/z 값들을 선택하고 그 다음 CDMS(10, 200, 300)를 사용하여 상기 m/z 선택된 전구체 이온들의 질량을 결정할 수 있다. 질량 분석기들(84, 88)은 예를 들어, 자기 섹터 질량 분석기, TOF(time-of-flight) 질량 분석기 및 4중극자 질량 분석기 중 하나 또는 임의의 조합일 수 있지만, 대안적인 실시예에서는 다른 질량 분석기 타입이 사용될 수도 있다. 어떤 경우든, MS1을 빠져나가는 알려진 질량들을 갖는 상기 m/z 선택된 전구체 이온들은 이온 해리 스테이지(86)에서 단편화될 수 있으며, 생성된 단편 이온들은 그 다음 MS2(여기서는 m/z 비율만 측정됨) 및/또는 CDMS 기기(10, 200, 300)(여기서는 m/z 비율과 전하가 동시에 측정됨)에 의해 분석될 수 있다. 따라서 낮은 질량 단편들은 통상적인 MS로 분석될 수 있는 한편, 높은 질량 단편들(여기서는 전하 상태들이 분해되지 않음)은 CDMS로 분석될 수 있다.
이제 도 6을 참조하면, 제어 및 측정 구성요소가 결합된 정전 선형 이온 트랩(ELIT) 어레이(205)의 또 다른 실시예를 포함하는 이온 질량 검출 시스템(200)이 도시되어 있다. 예시된 실시예에서, ELIT 어레이(205)는 도 1에 예시된 ELIT 어레이(14)의 ELIT 또는 ELIT 영역(E3)과 각각 동일하게 구성된 3개의 분리된 ELIT들(202, 204, 206)을 포함한다. 예를 들어, ELIT(202)는 접지 챔버(GC1)에 의해 둘러싸인 전하 검출 실린더(CD1)를 포함하며, 상기 접지 챔버(GC1)의 일 단부는 하나의 이온 미러(M1)의 미러 전극들 중 하나를 정의하고 접지 챔버(GC1)의 반대쪽 단부는 다른 이온 미러(M2)의 미러 전극들 중 하나를 정의하고, 상기 이온 미러들(M1, M2)은 전하 검출 실린더(202)의 양단에 배치된다. 이온 미러(M1)는 예시적으로 도 1 내지 도 2b에 도시된 이온 미러들(M1-M3) 각각과 구조 및 기능이 동일하고, 이온 미러(M2)는 예시적으로 도 1 내지 도 2b에 도시된 이온 미러(M4)와 구조 및 기능이 동일하다. 예시적으로 도 1 내지 도 2b에 도시된 전압 소스(V1)와 구조 및 기능이 동일한 전압 소스(V1)는 이온 미러(M1)에 동작가능하게 결합되고, 예시적으로 도 1 내지 도 2b에 도시된 전압 소스(V4)와 구조 및 기능이 동일한 다른 전압 소스(V2)는 이온 미러(M2)에 동작 가능하게 결합된다. 이온 미러(M1)는 예시적으로 도 2a에 도시된 이온 미러(MX)의 애퍼처(A1)와 구조 및 기능이 동일한 이온 입구 애퍼처(AI1)를 정의하고, 이온 미러(M2)는 예시적으로 도 1 및 도 2b와 관련하여 위에서 설명된 이온 미러(M4)의 애퍼처(CA)와 구조 및 동작이 동일한 출구 애퍼처(AO1)를 정의한다. 길이방향 축(241)은 ELIT(202)를 통해 중앙으로 연장되고 예시적으로 애퍼처들(AI1, AO1)을 이등분한다. 전하 전치 증폭기(CP1)는 전하 검출 실린더(CD1)에 전기적으로 연결되며, 예시적으로 도 1에 도시되고 위에서 설명된 전하 전치 증폭기(CP1)와 구조 및 기능이 동일하다.
ELIT(204)는 예시적으로 직전에 설명된 ELIT(202)와 동일하며, 이온 미러들(M3, M4)은 ELIT(202)의 이온 미러들(M1, M2)에 대응하고, 전압 소스들(V3, V4)은 ELIT(202)의 전압 소스들(V1, V2)에 대응하고, 입구/출구 애퍼처들(AI2/AO2)은 ELIT(204)를 통해 연장되고 예시적으로 애퍼처들(AI2, AO2)을 이등분하는 길이방향 축(242)을 정의한다. 전하 증폭기(CP2)는 ELIT(204)의 전하 검출 실린더(CD2)에 전기적으로 결합되고, 예시적으로 도 1에 예시되고 위에서 설명된 전하 전치 증폭기(CP2)와 구조 및 기능이 동일하다.
ELIT(206)는 마찬가지로 직전에 설명된 ELIT(202)와 동일하고, 이온 미러들(M5, M6)은 ELIT(202)의 이온 미러들(M1, M2)에 대응하고, 전압 소스들(V5, V6)은 ELIT(202)의 전압 소스들(V1, V2)에 대응하고, 입구/출구 애퍼처들(AI3/AO3)은 ELIT(206)를 통해 연장되고 예시적으로 애퍼처들(AI3, AO3)을 이등분하는 길이방향 축(243)을 정의한다. 전하 증폭기(CP3)는 ELIT(206)의 전하 검출 실린더(CD3)에 전기적으로 결합되고, 예시적으로 도 1에 예시되고 위에서 설명된 전하 전치 증폭기(CP3)와 구조 및 기능이 동일하다.
전압 소스들(V1-V6)과 전하 전치 증폭기(CP1-CP3)는 도 1과 관련하여 설명된 바와 같이 메모리(212)를 포함하는 프로세서(210)에 동작가능하게 결합되고, 상기 메모리(212)는 위에 설명된 바와 같이, 예시적으로 프로세서(210)에 의해 실행될 때 프로세서(210)가 이온 미러들(M1-M6)을 이온 투과 및 이온 반사 동작 모드들 사이에서 제어하기 위해 전압 소스들(V1-V6)의 동작을 제어하게 하는 명령이 내부에 저장되어 있다. 대안적으로, 전압 소스들(V1-V6) 중 하나 이상은 설명된 바와 같이 동작하도록 프로그래밍될 수 있다. 어떤 경우든, 메모리(212)에 저장된 상기 명령은 예시적으로 프로세서(210)에 의해 실행될 때 프로세서가 전하 전치 증폭기들(CP1-CP3)에 의해 검출된 전하 신호들을 수신, 프로세싱 및 기록(저장)하게 하고, 위에서 설명된 바와 같은 각각의 ELIT들(202, 204, 206) 내에서 포획된 이온들의 질량을 계산하기 위해 상기 기록된 전하 신호 정보를 프로세싱하게 하는 명령을 더 포함한다. 예시적으로, 프로세서(210)는 도 1과 관련하여 위에서 설명된 하나 이상의 주변 장치(20)와 동일할 수 있는 하나 이상의 주변 장치(214)에 결합된다.
도 6에 도시된 실시예에서는, 이온 조종 어레이(208)의 실시예가 이온 소스(12)와 ELIT 어레이(205)의 각 ELIT(202, 204, 206)의 이온 입구 애퍼처들(AI1-AI3) 사이에 동작가능하게 결합된 것으로 도시되어 있다. 이온 소스(12)는 예시적으로 도 1 및/또는 도 5와 관련하여 설명된 바와 같고, 이온 애퍼처(IA)를 통해 이온을 생성하여 이온 조종 어레이(208)에 공급하도록 구성된다. 이온 조종 전압 소스(VST)는 프로세서(210)와 이온 조종 어레이(208) 사이에 동작가능하게 결합된다. 아래에 상세히 설명되는 바와 같이, 프로세서(210)는 예시적으로, 이온 조종 어레이(208)가 이온 소스(12)의 이온 애퍼처(IA)를 빠져나가는 이온들을 각각의 입구 애퍼처들(AI1-AI3)을 통해 ELIT들(202, 204, 206)로 선택적으로 조종 및 가이드하게 하도록 이온 조종 전압 소스(VST)를 제어하도록 구성, 즉 프로그래밍된다. 프로세서(210)는 또한 ELIT들(202, 204, 206)의 이온 미러들(M1-M6)이 이온 투과와 이온 반사 모드들 사이에 선택적으로 전환하게 하여 ELIT들(202, 204, 206)의 각각에서 적어도 하나의 이온을 트래핑하고, 그리고 그 다음 위에서 설명된 바와 같이 각각의 전하 전치 증폭기들(CP1-CP3)에 의해 검출되는 이온 전하 검출 이벤트들을 측정 및 기록하기 위해, 이러한 이온들이 각각의 이온 미러들(M1/M2, M3/M4, M5/M6) 사이에서 그리고 ELIT들(202, 204, 206)의 각각의 전하 검출 실린더들(CD1-CD3)을 관통해 앞뒤로 진동하게 하도록, 전압 소스들(V1-V6)을 제어하도록 구성, 즉 프로그래밍된다.
이온 조종 어레이(208)는 예시적으로 평면 기판들 중 하나 상의 각각의 전기 전도성 패드들(P1-P12)이 다른 기판 상의 전기 전도성 패드들의 각각과 정렬되고 마주하도록, 두 개의 이격된 평면 기판들 각각에 배열된 4개의 전기 전도성 패드들의 3 세트(P1-P4, P5-P8, P9-P12)를 포함한다. 도 6에 도시된 실시예에서는, 기판들(220) 중 하나만이 도시되어 있다.
이제 도 7a 내지 도 7c를 참조하면, 이온 조종 어레이(208)의 일부가 도시되어 있고, 이온을 원하는 위치로 선택적으로 조종하기 위한 이의 제어 및 동작을 예시한다. 도 7b 및 도 7c에서 예로 나타낸 바와 같이, 이온 조종 어레이(208)의 예시된 부분의 전압 소스들(DC1-DC4)은 화살표 A로 표시된 방향을 따라 이온 소스(12)의 이온 애퍼처(IA)를 빠져나가는 이온들이, ELIT(202)의 이온 입구 애퍼처(AI1)와 정렬된, 즉 동일선상에 있는 경로를 따라 지향되도록, 대략 90도만큼 방향을 변경하도록 제어된다. 도면에 도시되지는 않았지만, 임의의 수의 통상적인 평면 이온 카페트(ion carpets) 및/또는 다른 통상적인 이온 집속 구조가 이온 소스의 이온 애퍼처(IA)를 빠져나가는 이온 궤적을 집속시키고 및/또는 이온 조종 어레이(208)에 의해 선택적으로 변경된 이온 궤적을 각각의 ELIT들(202, 204, 206)의 이온 입구 애퍼처들(AI1~AI3)과 정렬하는 데 사용될 수 있다.
구체적으로 도 7a를 참조하면, 4개의 실질적으로 동일하고 이격된 전기 전도성 패드들(P11-P41)의 패턴이 반대쪽의 외측 주표면(220B)을 갖는 하나의 기판(220)의 내측 주표면(220A) 상에 형성되고, 4개의 실질적으로 동일하고 이격된 전기 전도성 패드들(P12-P42)의 동일한 패턴이 반대쪽의 외측 표면(222B)을 갖는 또 다른 기판(222)의 내측 주표면(222A) 상에 형성된다. 기판들(220, 222)의 내측 표면들(220A, 222A)은 대체로 평행 관계로 이격되고, 전기 전도성 패드들(P11-P41)은 전기 전도성 패드들(P12-P42)의 각각의 패드들 위에 병치된다. 기판들(220, 222)의 이격된 내측 주표면들(220A, 222A)은 예시적으로 그 사이에 거리 DP의 폭을 갖는 채널 또는 공간(225)을 정의한다. 일 실시예에서, 채널(225)의 폭(DP)은 대략 5cm이지만, 다른 실시예에서 거리 DP는 5cm보다 크거나 작을 수 있다. 어떤 경우든, 기판들(220, 222)은 함께 이온 조종 어레이(208)의 예시된 부분을 구성한다.
대향 패드 쌍들(P31, P32 및 P41, P42)은 대향 패드 쌍들(P11, P12 및 P21, P22)의 상류에 있고, 대향 패드 쌍들(P11, P12 및 P21, P22)은 역으로 대향 패드 쌍들(P41, P42 및 P31, P32)의 하류에 있다. 이와 관련하여, 채널(225)을 통한 "이온 이동의 변경되지 않은 방향"은 이 용어가 여기에서 사용되는 바와 같이 "상류로(upstream)"이고 대체로 이온 소스(12)를 빠져나가는 이온들의 방향(A)과 평행하다. 기판들(220, 222)의 횡방향 에지들(220C, 222C)는 대향하는 횡방향 에지들(220D, 222D)과 마찬가지로 정렬되고, 채널(225)을 통한 "이온 이동의 변경된 방향"은 이 용어가 여기에서 사용되는 바와 같이 정렬된 에지들(220C, 222C)로부터 정렬된 에지들(220D, 222D)을 향하고, 이러한 정렬된 에지들(220C, 222C 및 220D, 222D) 모두에 수직이다.
도 6에 도시된 실시예에서, 이온 조종 전압 소스(VST)는 예시적으로 전기 전도성 패드(P1-P12)의 각각의 대향 쌍에 각각 동작가능하게 연결된 적어도 12개의 전환가능한 DC 전압을 생성하도록 구성된다. 12개의 DC 전압 중 4개(DC1-DC4)가 도 7a에 도시되어 있다. 제1 DC 전압(DC1)은 병치된 전기 전도성 패드들(P11, P12) 각각에 전기적으로 연결되고, 제2 DC 전압(DC2)은 병치된 전기 전도성 패드들(P21, P22) 각각에 전기적으로 연결되고, 제3 DC 전압(DC3)은 병치된 전기 전도성 패드들(P31, P32) 각각에 전기적으로 연결되고, 제4 DC 전압(DC4)은 병치된 전기 전도성 패드들(P41, P42) 각각에 전기적으로 연결된다. 예시된 실시예에서, 각각의 DC 전압(DC1-DC12)은 예를 들어, 프로세서(210)를 통해 및/또는 전압 소스(VST)의 프로그래밍을 통해 독립적으로 제어되지만, 대안적인 실시예에서는 DC 전압(DC1-DC12) 중 두 개 이상이 그룹으로 함께 제어될 수 있다. 어떤 경우든, 전압(DC1-DC12)이 DC 전압인 것으로 예시 및 개시되어 있지만, 본 개시는 전압 소스(VST)가 예를 들어, 하나 이상의 RF 전압과 같은 임의의 수의 AC 전압을 생성하도록, 그리고 임의의 하나 이상의 이러한 AC 전압을 전기 전도성 패드들 중 대응하는 것들 또는 쌍들 및/또는 하나 이상의 이온 카페트 또는 이들을 포함하는 실시예의 다른 이온 집속 구조에 공급하도록 대안적으로 또는 추가로 구성되는 다른 실시예들을 고려한다는 것이 이해될 것이다.
이제 도 7b 및 도 7c를 참조하면, 도 6에 도시된 이온 조종 채널 어레이(208)의 동작이 예시적인 실시예로서 도 7a 및 도 7b의 전기 전도성 패드들의 4개의 대향하는 쌍들(P11/P12, P21/P22, P31/P32, P41/P42)을 사용하여 설명될 것이다. 도 6의 기판(220) 상에 도시된 4개의 전기 전도성 패드들(P5-P8) 및 4개의 전기 전도성 패드들(P9-P12)은 마찬가지로 각각의 기판(220, 222)의 내측 표면들(220A, 222A) 상에 배치된 대향하는, 정렬된 및 병치된 전기 전도성 패드 쌍들을 각각 포함하고, 전기 전도성 패드들의 4개의 대향하는 쌍들의 그러한 각각의 세트는 전압 소스(VST)에 의해 생성된 각각의 스위칭 가능한 DC(및/또는 AC) 전압들(DC5-DC12)에 의해 제어가능하다는 것이 이해될 것이다. 아무튼, 도 7b 및 도 7c에서는 예시의 명확성을 위해 DC 전압(DC1-DC4)이 생략되어 있고, 대신에 전압 소스(VST)에 의해 생성되고 전기 전도성 패드들(P11/P12, P21/P22, P31/P32, P41/P42)의 연결된 쌍들에 인가된 DC 전압(DC1-DC4)이 그래픽으로(graphically) 표시된다. 구체적으로 도 7b를 참조하면, 이온 조종 어레이(208)의 예시된 부분은 레퍼런스 전위(VREF)가 전기 전도성 패드 쌍들(P11/P12, P21/P22) 각각에 인가되고, VREF보다 낮은 전위 -XV가 전기 전도성 패드 쌍들(P31/P32, P41/P42) 각각에 인가되는 상태로 도시되어 있다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 기판(220, 222)의 측면(220C/222C, 220D/222D)과 평행하고 이온 이동의 변경되지 않은 방향으로, 즉 하류의 전기 전도성 패드 쌍들(P11/P12, P21/P22)로부터 상류의 전기 전도성 패드 쌍들(P31/P32, P41/P42)을 향하여 연장되는 전기장(E1)을 생성하기 위해, 예시적으로 VREF는 임의의 양 또는 음의 전압일 수 있거나, 예를 들어 접지 전위와 같이 0 볼트일 수 있으며, -XV는 VREF보다 낮은 임의의 전압, 양, 음 또는 0의 전압일 수 있다. 도 7b에 도시된 바와 같이 생성된 전기장(E1)으로, 이온 애퍼처(IA)를 통해 이온 소스(12)를 빠져나가는 이온들(A)은 하류의 전기 전도성 패드 쌍들(P11/P12, P21/P22) 사이의 채널(225)로 들어가고, 전기장(E1)과 동일한 방향이고 이온 소스(12)의 이온 애퍼처(IA)와 정렬, 즉 동일선상에 있는 이온 이동의 변경되지 않은 방향(230)을 따라, 전기장(E1)에 의해 조종되거나 가이드(또는 지향)된다. 이러한 이온들(A)은 예시적으로, 도 7b에 도시된 바와 같이 변경되지 않은 이동 방향을 따라 채널(225)을 통해 가이드된다.
이제 구체적으로 도 7c를 참조하면, 도 7b에 도시된 이온 이동의 변경되지 않은 방향으로부터 이온 이동의 변경된 방향으로 이온들(A)의 방향을 변경하고자 하는 경우, 도 7c에 도시된 바와 같이, 기판(220, 222)의 측면(220C/222C, 220D/222D)에 수직이고 이온 이동의 변경된 방향으로, 즉 기판(220)의 측면(220C/222C)으로부터 기판(220, 222)의 측면(220D/222D)을 향하여 연장되는 전기장(E2)을 생성하기 위해, 레퍼런스 전위 VREF가 각각의 전기 전도성 패드 쌍들(P21/P22, P31/P32)에 인가되고 VREF보다 낮은 전위 -XV가 각각의 전기 전도성 패드 쌍들(P11/P12, P41/P42)에 인가되도록, 전압 소스(VST)에 의해 생성된 DC 전압들(DC1, DC3)이 전환된다. 도 7c에 도시된 바와 같이 생성된 전기장(E2)으로, 이온 애퍼처(IA)를 통해 이온 소스(12)를 빠져나가고 채널(225)로 들어가는 이온들(A)은 전기장(E2)과 동일한 방향이고 이온 소스(12)의 이온 애퍼처(IA)와 정렬, 즉 동일선상에 있는 이온 이동의 변경된 방향(240)을 따라, 전기장(E2)에 의해 조종되거나 가이드(또는 지향)된다. 이러한 이온들(A)은 예시적으로, 도 7c에 도시된 바와 같이 전기 전도성 패드 쌍들(P11/P12, P41/P42) 사이의 변경되지 않은 이동 방향을 따라 채널(225)을 통해 가이드된다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 통상적인 이온 카페트 및/또는 다른 통상적인 이온 집속 구조가 도 7c에 도시된 이온 궤적(240)을 따라 이온을 국한시키는 데 사용될 수 있다.
다시 도 6을 참조하면, 메모리(212)에 저장된 명령은 예시적으로, 프로세서(210)에 의해 실행될 때, 프로세서(210)가 도 1 내지 도 4b와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이 메모리(214)에 각각의 이온 전하 검출 정보를 기록하면서, 프로세서(210)가 이온 조종 어레이(208)를 따라 이온들을 가이드하고 적어도 하나의 이온을 각각의 ELIT(202, 204, 206)의 각 이온 입구 애퍼처(AI1-AI3)로 순차적으로 지향시키는 방식으로, 이온 조종 전압 소스(VST)를 선택적으로 전압(DC1-DC12)을 생성하고 전환하도록 제어하고, 또한 이온 조종 어레이(208)에 의해 각 ELIT(202, 204, 206)로 가이드된 적어도 하나의 이온을 트래핑하고, 그 다음 각각의 트래핑된 이온(들)이 각 ELIT(202, 204, 206)의 각각의 이온 미러들(M1-M6) 사이에서 앞뒤로 진동하게 하도록, 각각의 이온 미러들(M1-M6)을 그들의 이온 투과 및 이온 반사 모드들 사이에서 제어하는 방식으로, 전압 소스들(V1-V6)을 DC 전압을 선택적으로 생성하고 전환하도록 제어하게 하는 명령을 포함한다. 도 8a 내지 8f를 이용하여, 이러한 프로세스의 일 예가 하나 이상의 양으로 하전된 이온에 대해 동작하는 것으로 설명될 것이지만, 프로세스(100)는 대안적으로 하나 이상의 음으로 하전된 입자에 대해 동작할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 다음의 설명에서, 전기 전도성 패드들(P1-P12) 중 임의의 특정된 것 또는 것들에 대한 참조는 도 7a와 관련한 예에 의해 도시된 바와 같이, 각각 기판(220, 222)의 내측 표면(220A, 222A)에 배치된 대향하는, 병치된, 이격된 전기 전도성 패드들의 쌍을 지칭하는 것으로 이해될 것이고, 전기 전도성 패드들(P1-P12) 중 임의의 특정된 것 또는 것들에 인가되는 전압에 대한 참조는 도 7b 및 도 7c와 관련한 예에 의해 도시된 바와 같이, 그러한 대향하는, 병치된, 이격된 전기 전도성 패드들의 쌍 모두에 인가되는 것으로 이해될 것이다. 도 7b 및 도 7c에 예로서 도시된 바와 같이, VREF로 제어된 전기 전도성 패드들로부터 -XV로 제어된 전기 전도성 패드들을 향하는 방향으로 연장되는, 채널(225) 내의 대응하는 전기장을 생성하기 위해, 도 8a 내지 도 8f에 도시된 DC 전압(VREF)은 임의의 양 또는 음의 전압이거나 0 볼트, 예를 들어 접지 전위일 수 있고, 도 8a 내지 도 8f에 또한 도시된 DC 전압(-XV)은 VREF보다 낮은 임의의 전압, 양, 음 또는 0의 전압일 수 있다는 것이 또한 이해될 것이다.
도 8a를 참조하면, 프로세서(210)는 패드들(P5-P7) 각각에 -XV를 인가하고 패드들(P1-P4) 각각에 VREF를 인가하도록 전압 소스(VST)를 제어하도록 동작가능하다. 일부 구현에서, VST는 도 8a에 도시된 바와 같이 패드들(P9-P12) 각각에 VREF를 인가하지만, 다른 구현들에서 VST는 패드들(P9-P12) 각각에 -XV를 인가하도록 제어될 수 있다. 어떤 경우든, 이러한 전압 인가로부터 이온 조종 어레이(208)의 채널(225) 내에서 발생하는 전기장은 도시된 이온 궤적(250)을 따라 이온 이동의 변경되지 않은 방향으로 채널(225)을 통해 이온 소스(12)의 이온 애퍼처(IA)를 빠져나가는 이온들을 끌어당긴다.
도 8b를 참조하면, 프로세서(210)는 이어서 패드들(P2, P4)에 인가된 전압을 -XV로 전환하고, 그 외 P1, P3 및 P5-P12에 이전에 인가된 전압을 유지하도록 전압 소스(VST)를 제어하도록 동작가능하다. 이러한 전환된 전압 인가로 인해 이온 조종 어레이(208)의 채널(225)에 생성되는 전기장은 도 8a에 도시된 이온 궤적(250)을 따라 이온 이동의 변경되지 않은 방향으로 이온 소스(12)로부터 이전에 이동하던 이온을, ELIT(202)의 M1의 이온 입구 애퍼처(AI1)를 향하여 이온 궤적(252)을 따르는 이온 이동의 변경된 방향을 따라 조종한다. 이와 동시에, 이 전환 이전 또는 이후에, 프로세서(210)는 이온 미러들(M1, M2) 모두가, 예를 들어 도 1 내지 도 2b와 관련하여 설명된 바와 같이, 그들의 이온 투과 모드에서 동작하게 하는 전압을 생성하도록 전압 소스들(V1, V2)을 제어하도록 동작가능하다. 결과적으로, 이온 궤적(252)을 따라 이온 조종 어레이(208)의 채널(225)을 통해 이동하는 이온들은 M1을 통해 ELIT(202)의 입구 애퍼처(AI1)로 지향되고, 도 8b에 도시된 이온 궤적(252)에 의해 도시된 바와도 같이, M1, 전하 검출 실린더(CD1) 및 M2를 관통해 각각의 이온 미러들(M1, M2)에 생성된 이온 투과장(ion transmission fields)에 의해 투과된다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 통상적인 이온 카페트 및/또는 다른 통상적인 이온 집속 구조가 이온 궤적(252)을 따라 ELIT(202)의 이온 입구 애퍼처(AI1)로 이온 이동을 지향시키기 위해, 이온 조종 어레이(208)와 ELIT(202)의 이온 미러(M1) 사이에 동작가능하게 위치될 수 있다. 어떤 경우든, 프로세서(210)는 이후의 어떤 지점에서, 이온 미러(M2)가 이온 미러(M1)를 향해 이온을 다시 반사하기 위해, 예를 들어 도 1 내지 도 2b와 관련하여 설명된 바와 같이 이온 투과 모드의 동작에서 이온 반사 모드의 동작으로 전환되게 하는, 전압을 생성하기 위해 V2를 제어하도록 동작가능하다. M2의 이 전환 타이밍은 예시적으로, 도 3과 관련하여 설명된 바와 같이 ELIT(202)의 동작이 프로세서(210)에 의해 랜덤 트래핑 모드에서 제어되고 있는지 또는 트리거 트래핑 모드에서 제어되고 있는지 여부에 따라 달라진다.
도 8c를 참조하면, 프로세서(210)는 후속적으로 이온 미러(M1)가 이온 투과 모드에서 이온 반사 모드의 동작으로 전환하게 하는 전압을 생성하도록 전압 소스(V1)를 제어하도록 동작가능하다. M1의 이 전환 타이밍은 예시적으로, 도 3과 관련하여 설명된 바와 같이 ELIT(202)의 동작이 프로세서(210)에 의해 랜덤 트래핑 모드에서 제어되고 있는지 또는 트리거 트래핑 모드에서 제어되고 있는지 여부에 따라 달라지지만, 어떤 경우든 M1의 이온 반사 모드로의 전환은 도 8c에 도시된 이온 궤적(252)에 의해 예시된 바와 같이 ELIT(202) 내에 적어도 하나의 이온을 트래핑한다. 적어도 하나의 이러한 이온이 ELIT(202) 내에 트래핑되고, M1 및 M2 모두가 각각의 이온 반사 모드에서 동작하도록 전압 소스들(V1,V2)에 의해 제어되는 상태에서, 도 3과 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, ELIT(202) 내에 트래핑된 이온(들)은 이온 미러들(M1, M2) 사이에서 앞뒤로 진동하고, 매번 전하 검출 실린더(CD1)를 통과하고 상응하는 전하를 전하 검출 실린더(CD1)에 유도하며, 이는 전하 전치 증폭기(CP1)에 의해 검출되고 프로세서(210)에 의해 메모리(212)에 기록된다.
직전에 설명된 ELIT(202)의 제어와 동시에 또는 이어서, 그리고 이온(들)이 이온 미러들(M1, M2) 사이에서 앞뒤로 ELIT(202) 내에서 진동하는 상태에서, 도 8c에 도시된 바와도 같이, 프로세서(210)는 패드들(P2, P4)에 인가된 전압을 다시 VREF로 전환하고, 패드들(P5-P8)에 인가된 전압을 -XV에서 VREF로 전환하고, 패드들(P9-P12)에 인가된 전압을 VREF에서 -XV로 전환하도록 VST를 제어하도록 동작가능하다. 이러한 전압 인가로부터 이온 조종 어레이(208)의 채널(225)에 생성되는 전기장은 도시된 이온 궤적(250)을 따라 이온 이동의 변경되지 않은 방향으로 채널(225)을 통해 이온 소스(12)의 이온 애퍼처(IA)를 빠져나가는 이온들을 다시 끌어당긴다.
이제 도 8d를 참조하면, 프로세서(210)는 그 후에 패드들(P6, P8)에 인가된 전압을 -XV로 전환하고, 그 외 P1-P4, P5, P7 및 P9-P12에 이전에 인가된 전압을 유지하도록 전압 소스(VST)를 제어하도록 동작가능하다. 이러한 전환된 전압 인가로 인해 이온 조종 어레이(208)의 채널(225) 내에 생성된 전기장은 도 8c에 도시된 이온 궤적(250)을 따르는 이온 이동의 변경되지 않은 방향으로 이온 소스(12)로부터 이전에 이동하던 이온을, ELIT(204)의 M2의 이온 입구 애퍼처(AI2)를 향한 이온 궤적(254)을 따르는 이온 이동의 변경된 방향을 따라 조종한다. 이와 동시에, 이 전환의 이전 또는 이후에, 프로세서(210)는 이온 미러들(M3, M4) 모두가 이온 투과 모드에서 동작하게 하는 전압을 생성하도록 전압 소스(V3, V4)를 제어하도록 동작가능하다. 결과적으로, 이온 궤적(254)을 따라 이온 조종 어레이(208)의 채널(225)을 통해 이동하는 이온들은 M3을 통해 ELIT(204)의 입구 애퍼처(AI2)로 지향되고, 도 8d에 도시된 이온 궤적(254)에 의해 도시된 바와도 같이, M3, 전하 검출 실린더(CD2) 및 M4를 관통하여 이온 미러들(M3, M4) 각각에 생성된 이온 투과장에 의해 투과된다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 통상적인 이온 카페트 및/또는 다른 통상적인 이온 집속 구조가 이온 궤적(254)을 따라 ELIT(204)의 이온 입구 애퍼처(AI2)로 이온 이동을 지향시키기 위해, 이온 조종 어레이(208)와 ELIT(204)의 이온 미러(M3) 사이에 동작가능하게 위치될 수 있다. 어떤 경우든, 프로세서(210)는 이후의 어떤 지점에서, 이온 미러(M4)가 M3를 향해 이온을 다시 반사하기 위해, 이온 투과 모드의 동작에서 이온 반사 모드의 동작으로 전환되게 하는, 전압을 생성하기 위해 V4를 제어하도록 동작가능하다. M4의 이 전환 타이밍은 예시적으로, 도 3과 관련하여 설명된 바와 같이 ELIT(204)의 동작이 프로세서(210)에 의해 랜덤 트래핑 모드에서 제어되고 있는지 또는 트리거 트래핑 모드에서 제어되고 있는지 여부에 따라 달라진다.
도 8d에 도시된 동작 상태에 이어, 프로세서(210)는 도 8c와 관련하여 설명된 것과 유사하게, 이온 미러(M3)가 이온 투과 모드에서 이온 반사 모드의 동작으로 전환되게 하는 전압을 생성하기 위해 전압 소스(V3)를 제어하도록 동작가능하다. M3의 이 전환 타이밍은 예시적으로, 도 3과 관련하여 설명된 바와 같이 ELIT(204)의 동작이 프로세서(210)에 의해 랜덤 트래핑 모드에서 제어되고 있는지 또는 트리거 트래핑 모드에서 제어되고 있는지 여부에 따라 달라지지만, 어떠한 경우든 M3의 이온 반사 모드로의 전환은 도 8e에 도시된 이온 궤적(254)에 의해 예시된 바와 같이 ELIT(204) 내에 적어도 하나의 이온을 트래핑한다. 적어도 하나의 이러한 이온이 ELIT(204) 내에 트래핑되고, M3 및 M4 모두가 각각의 이온 반사 모드에서 동작하도록 전압 소스들(V3, V4)에 의해 제어되는 상태에서, 도 3과 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, ELIT(204) 내에 트래핑된 이온(들)은 이온 미러들(M3, M4) 사이에서 앞뒤로 진동하고, 매번 전하 검출 실린더(CD2)를 통과하고 전하 검출 실린더(CD2)에 상응하는 전하를 유도하며, 이는 전하 전치 증폭기(CP2)에 의해 검출되고 프로세서(210)에 의해 메모리(212)에 기록된다. 도 8e에 도시된 동작 상태에서, 이온들은 각각의 ELIT들(202, 204) 내에서 동시에 앞뒤로 진동하고, 따라서 각각의 전하 전치 증폭기들(CP1, CP2)로부터 취해진 이온 전하/타이밍 측정값은 프로세서(210)에 의해 동시에 수집되고 저장된다.
도 8e와 관련하여 직전에 설명된 ELIT(204)의 제어와 동시에 또는 이어서, 그리고 이온(들)이 각각의 ELIT들(202, 204) 내에서 동시에 진동하는 상태에서, 프로세서(210)는 패드들(P6, P8)에 인가된 전압을 다시 VREF로 전환하여 패드들(P1-P12)이 도 8c에 도시된 전압으로 제어되도록, VST를 제어하도록 동작가능하다. 이러한 전압 인가로부터 이온 조종 어레이(208)의 채널(225)에 생성되는 전기장은 도 8c에 도시된 바와 같이 도시된 이온 궤적(250)을 따라 이온 이동의 변경되지 않은 방향으로 채널(225)을 통해 이온 소스(12)의 이온 애퍼처(IA)를 빠져나가는 이온들을 다시 끌어당긴다. 그 후, 프로세서(210)는 패드들(P9, P11)에 인가된 전압을 VREF로 전환하고, 그 외 P1-P8, P5 및 P11-P12에 이전에 인가된 전압을 유지하도록 전압 소스(VST)를 제어하도록 동작가능하다. 이러한 전환된 전압 인가로 인해 이온 조종 어레이(208)의 채널(225) 내에 생성된 전기장은 도 8c에 도시된 이온 궤적(250)을 따르는 이온 이동의 변경되지 않은 방향으로 이온 소스(12)로부터 이전에 이동하던 이온을, ELIT(206)의 이온 미러(M5)의 이온 입구 애퍼처(AI3)를 향한 이온 궤적(256)을 따르는 이온 이동의 변경된 방향을 따라 조종한다. 이와 동시에, 이 전환의 이전 또는 이후에, 프로세서(210)는 이온 미러들(M5, M6) 모두가 이온 투과 모드에서 동작하게 하는 전압을 생성하도록 전압 소스(V5, V6)를 제어하도록 동작가능하다. 결과적으로, 이온 궤적(256)을 따라 이온 조종 어레이(208)의 채널(225)을 통해 이동하는 이온들은 M5을 통해 ELIT(206)의 입구 애퍼처(AI3)로 지향되고, 도 8e에 도시된 이온 궤적(256)에 의해 도시된 바와도 같이, M5, 전하 검출 실린더(CD3) 및 M6를 관통하여 이온 미러들(M5, M6) 각각에 생성된 이온 투과장에 의해 투과된다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 통상적인 이온 카페트 및/또는 다른 통상적인 이온 집속 구조가 이온 궤적(256)을 따라 ELIT(206)의 이온 입구 애퍼처(AI3)로 이온 이동을 지향시키기 위해, 이온 조종 어레이(208)와 ELIT(206)의 이온 미러(M5) 사이에 동작가능하게 위치될 수 있다.
어떤 경우든, 프로세서(210)는 이후의 어떤 지점에서, 이온 미러(M6)가 M5를 향해 이온을 다시 반사하기 위해, 이온 투과 모드의 동작에서 이온 반사 모드의 동작으로 전환되게 하는, 전압을 생성하기 위해 V6를 제어하도록 동작가능하다. M6의 이 전환의 타이밍은 예시적으로, 도 3과 관련하여 설명된 바와 같이 ELIT(206)의 동작이 프로세서(210)에 의해 랜덤 트래핑 모드에서 제어되고 있는지 또는 트리거 트래핑 모드에서 제어되고 있는지 여부에 따라 달라진다. 그 후, 프로세서(210)는 도 8c와 관련하여 설명된 것과 유사하게, 이온 미러(M5)가 이온 투과 모드에서 이온 반사 모드의 동작으로 전환되게 하는 전압을 생성하기 위해 전압 소스(V5)를 제어하도록 동작가능하다. M5의 이 전환 타이밍은 예시적으로, 도 3과 관련하여 설명된 바와 같이 ELIT(206)의 동작이 프로세서(210)에 의해 랜덤 트래핑 모드에서 제어되고 있는지 또는 트리거 트래핑 모드에서 제어되고 있는지 여부에 따라 달라지지만, 어떠한 경우든 M5의 이온 반사 모드로의 전환은 도 8f에 도시된 이온 궤적(256)에 의해 예시된 바와 같이 ELIT(206) 내에 적어도 하나의 이온을 트래핑한다. 적어도 하나의 이러한 이온이 ELIT(206) 내에 트래핑되고, M5 및 M6 모두가 각각의 이온 반사 모드에서 동작하도록 전압 소스들(V5, V6)에 의해 제어되는 상태에서, 도 3과 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, ELIT(206) 내에 트래핑된 이온(들)은 이온 미러들(M5, M6) 사이에서 앞뒤로 진동하고, 매번 전하 검출 실린더(CD3)를 통과하고 상응하는 전하를 전하 검출 실린더(CD3)에 유도하며, 이는 전하 전치 증폭기(CP3)에 의해 검출되고 프로세서(210)에 의해 메모리(212)에 기록된다. 도 8f에 도시된 동작 상태에서, 이온들은 각각의 ELIT들(202, 204, 206) 내에서 동시에 앞뒤로 진동하고, 따라서 각각의 전하 전치 증폭기들(CP1, CP2, CP3)로부터 취해진 이온 전하/타이밍 측정값은 프로세서(210)에 의해 동시에 수집되고 저장된다.
도 8f에 도시된 바와도 같이, 직전에 설명된 ELIT(206)의 제어와 동시에 또는 이어서, 그리고 이온(들)이 각각의 ELIT들(202, 204, 206) 내에서 동시에 진동하는 상태에서, 프로세서(210)는 패드들(P5-P8)에 인가된 전압을 -XV로 전환하고, P10 및 P12에 인가된 전압을 VREF로 전환하여(또는 P9 및 P11에 인가된 전압들을 -XV로 전환하여), 패드들(P1-P12)이 도 8a에 도시된(또는 이와 관련하여 설명된) 전압들로 제어되도록 VST를 제어하도록 동작가능하다. 이러한 전압 인가로부터 이온 조종 어레이(208)의 채널(225)에 생성되는 전기장은 도 8a에 도시된 바와 같이 도시된 이온 궤적(250)을 따라 이온 이동의 변경되지 않은 방향으로 채널(225)을 통해 이온 소스(12)의 이온 애퍼처(IA)를 빠져나가는 이온들을 다시 끌어당긴다.
예를 들어 도 3에 도시된 프로세스(100)의 단계(126)와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 이온들이 총 이온 사이클 측정 시간 또는 측정 사이클들의 총 수 동안 각각의 ELIT들(202, 204, 206) 내에서 앞뒤로 진동한 후, 프로세서(210)는 각각의 이온 미러들(M1-M6)을 이온 투과 동작 모드로 전환하기 위해 전압 소스들(V1-V6)을 제어하여, 이로써 그 내부에 트래핑된 이온들이 이온 출구 애퍼처들(AO1-AO3)을 통해 ELIT들(202, 204, 206)을 각각 빠져나가게 하도록 동작가능하다. 그 다음, 이온 질량 검출 시스템(200)의 동작은 예시적으로 도 8b와 관련하여 위에서 설명된 동작으로 돌아간다. 이와 동시에, 또는 다른 편리한 시간에, 예를 들어 도 3에 예시된 프로세스(100)의 단계(140)와 관련하여 설명된 바와 같이, ELIT들(202, 204, 206) 각각에 의해 프로세싱되는 이온의 질량을 결정하기 위해 기록된 이온 전하/타이밍 측정값들의 집합(collections)이 프로세서(210)에 의해 처리된다.
이에 한정되는 것은 아니지만, ELIT들(202, 204, 206)의 치수, 각각의 ELIT(202, 204, 206)를 통한 이온 진동의 진동수 또는 진동수들, 및 각각의 ELIT(202, 204, 206)에서 측정 사이클들의 총 수/총 이온 사이클 측정 시간을 포함하는 다수의 인자에 따라, 이온들은 ELIT들(202, 204, 206) 중 적어도 2개 내에서 동시에 앞뒤로 진동할 수 있으며, 따라서 전하 전치 증폭기들(CP1, CP2, CP3) 각각에서 취한 이온 전하/타이밍 측정값들은 프로세서(210)에 의해 동시에 수집되고 저장될 수 있다. 도 8f에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 이온들은 ELIT들(202, 204, 206) 중 적어도 2개 내에서 동시에 앞뒤로 진동하고, 따라서 전하 전치 증폭기들(CP1, CP2, CP3) 각각에서 취한 이온 전하/타이밍 측정값은 프로세서(210)에 의해 동시에 수집되고 저장된다. 다른 실시예에서, ELIT(202)의 측정 사이클들의 총 수 또는 총 이온 사이클 측정 시간은 위에 설명된 바와 같이 적어도 하나의 이온이 ELIT(206) 내에 트래핑되기 전에 만료될 수 있다. 그러한 경우에 프로세서(210)는 이온 미러들(M1, M2)을 그것들의 투과 동작 모드로 전환하기 위해 전압 소스들(V1, V2)을 제어할 수 있으며, 이에 의해 그 안에서 진동하는 이온(들)이 적어도 하나의 이온이 ELIT(206) 내에서 진동하기 전에 이온 미러(M2)를 통해 빠져나가게 할 수 있다. 이러한 실시예에서, 이온들은 모든 ELIT들(202, 204, 206) 내에서는 동시에 앞뒤로 진동하지 않을 수 있지만, ELIT들(202, 204, 206) 중 적어도 2개 내에서는 임의의 시간에 동시에 앞뒤로 진동할 수 있다.
이제 도 9를 참조하면, 제어 및 측정 구성요소가 결합된 정전 선형 이온 트랩(ELIT) 어레이(302)의 또 다른 실시예를 포함하는 이온 질량 검출 시스템(300)이 도시되어 있다. 도시된 실시예에서, ELIT 어레이(302)는 도 6에 도시된 ELIT들(202, 204, 206)과 각각 동일하게 구성된 3개의 분리된 ELIT들(E1-E3)을 포함한다. 도 9에 도시된 실시예에서, 예시적으로 구조 및 기능이 도 1 내지 도 2b에 도시된 전압 소스(V1)와 동일한 전압 소스(V1)가 각각의 ELIT(E1-E3)의 이온 미러(M1) 동작가능하게 결합되고, 예시적으로 구조 및 기능이 도 1 내지 도 2b에 도시된 전압 소스(V4)와 동일한 다른 전압 소스(V2)가 각각의 ELIT(E1-E3)의 이온 미러(M2)에 동작가능하게 결합된다. 대안적인 실시예에서, ELIT들(E1-E3) 중 2개 이상의 이온 미러들(M1)은 단일의 이온 미러로 병합될 수 있고/있거나 ELIT들(E1-E3) 중 2개 이상의 이온 미러들(M2)은 단일의 이온 미러로 병합될 수 있다. 어떤 경우든, 전압 소스들(V1, V2)은 프로세서(304)에 전기적으로 결합되고, 3개의 전하 전치 증폭기들(CP1-CP3)은 프로세서(304)와, 각각의 ELIT들(E1-E3)의 각각의 전하 검출 실린더(CD1-CD3) 사이에 전기적으로 결합된다. 메모리(306)는 예시적으로, 프로세서(304)에 의해 실행될 때 프로세서(304)가 후술하는 바와 같이 ELIT들(E1-E3)의 동작을 제어하도록 전압 소스들(V1, V2)을 제어하게 하는 명령을 포함한다. 예시적으로, 프로세서(304)는 도 1과 관련하여 위에서 설명된 하나 이상의 주변 장치(20)와 동일할 수 있는 하나 이상의 주변 장치(PD)(308)에 동작가능하게 결합된다.
이온 질량 검출 시스템(300)은 그 구조 및 동작이 위에 설명된 바와 같은 이온 조종 어레이(208)에 동작가능하게 결합된 이온 소스(12)를 포함한다는 점에서, 이온 질량 검출 시스템(300)은 어떤 면에서는 이온 질량 검출 시스템(200)과 동일하다. 메모리(306)에 저장된 명령은 또한 예시적으로, 프로세서(304)에 의해 실행될 때 프로세서(304)가 아래에 설명되는 바와 같이 이온 조종 어레이 전압 소스(VST)를 제어하게 하는 명령을 포함한다.
도 9에 예시된 실시예에서, 이온 질량 검출 시스템(300)은 또한 예시적으로, 각각의 이온 입구(TI1-TI3) 및 반대쪽의 이온 출구(TO1-TO3)를 각각 갖는 3개의 통상적인 이온 트랩들(IT1-IT3)을 포함한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 이온 트랩(IT1)은 예시적으로, ELIT(E1)을 관통해 중앙으로 연장되는 길이방향 축(241)이 IT1의 이온 입구(TI1)와 이온 출구(TO1)를 이등분하고 또한 패드 쌍들(P1/P2, P3/P4) 사이의 중앙으로 통과하도록, 전기 전도성 패드들(P1-P4)의 세트와 ELIT(E1)의 이온 미러(M1) 사이에 위치된다. 이온 트랩(IT2)은 유사하게, ELIT(E2)를 관통해 중앙으로 연장되는 길이방향 축(242)이 IT2의 이온 입구(TI2)와 이온 출구(TO2)를 이등분하고 또한 패드 쌍들(P5/P6, P7/P8) 사이의 중앙으로 통과하도록, 전기 전도성 패드들(P5-P8)의 세트와 ELIT(E2)의 이온 미러(M1) 사이에 위치되고, 이온 트랩(IT3)은 마찬가지로 ELIT(E3)를 관통해 중앙으로 연장되는 길이방향 축(243)이 IT3의 이온 입구(TI3)와 이온 출구(TO3)를 이등분하고 또한 패드 쌍들(P9/P10, P11/P12) 사이의 중앙으로 통과하도록, 전기 전도성 패드들(P9-P12)의 세트와 ELIT(E3)의 이온 미러(M1) 사이에 위치된다. 이온 트랩들(IT1-IT3)은 각각 임의의 통상적인 이온 트랩일 수 있으며, 그 예는 이에 한정되는 것은 아니지만, 통상적인 4중극자 이온 트랩, 통상적인 6중극자 이온 트랩 등을 포함할 수 있다.
이온 트랩 전압 소스(VIT)는 프로세서(304)와 각각의 이온 트랩들(IT1-IT3) 사이에 동작가능하게 결합된다. 전압 소스(VIT)은 예시적으로 통상적인 방식으로 이온 트랩들(IT1-IT3) 각각의 동작을 별도로 및 개별적으로 제어하기에 적절한 DC 및 AC, 예를 들어 RF 전압을 생성하도록 구성된다.
프로세서(304)는 예시적으로, 도 8a 내지 도 8f와 관련하여 설명된 바와 같이, 이온 소스(12)의 이온 애퍼처(IA)를 빠져나가는 하나 이상의 이온을 개개의 이온 트랩들(IT1-IT3) 각각의 이온 입구(TI1-TI3)로 순차적으로 조종하도록, 이온 조종 어레이 전압 소스(VST)를 제어하도록 구성, 예를 들어 프로그래밍된다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 통상적인 이온 카페트 및/또는 다른 이온 집속 구조가 이온 조종 어레이(208)로부터의 이온들을 개개의 이온 트랩들(IT1-IT3)의 이온 입구(TI1-TI3)로 지향시키기 위해 이온 조종 어레이(208)와 이온 트랩들(IT1-IT3) 중 하나 이상의 사이에 위치될 수 있다. 프로세서(304)는 또한, 내부에 이온들을 수용하기 위해 이온 트랩들(IT1-IT3)의 이온 입구(TI1-TI3)를 제어하고, 그러한 이온을 내부에 트래핑하거나 가두도록 이온 트랩들(IT1-IT3)을 제어하기 위한, 대응하는 제어 전압을 생성하도록 이온 트랩 전압 소스(VIT)를 제어하도록 구성, 예를 들어 프로그래밍된다.
이온 트랩들(IT1-IT3)이 이온들로 채워짐에 따라, 프로세서(304)는 ELIT(E1-E2)의 이온 미러들(M1, M2)을 이온 투과 모드로 동작시켜 그 안에 수용된 모든 이온들이 각각 이온 출구 애퍼처(AO1-AO3)를 통해 빠져나가도록 제어하는 적절한 DC 전압을 생성하도록 V1 및 V2를 제어하도록 구성, 즉 프로그래밍된다. 직전에 설명된 바와 같이, 이온 조종 어레이(208)와 이온 트랩들(IT1-IT3)의 제어를 통해, 적어도 하나의 이온이 각각의 이온 트랩(IT1-IT3) 내에 트래핑될 때, 프로세서(304)는 ELIT들(E1-E3)의 이온 미러(M2)를 이온 반사 동작 모드로 동작하도록 제어하는 적절한 DC 전압을 생성하도록 V2를 제어하도록 구성, 즉 프로그래밍된다. 그 후, 프로세서(304)는 개개의 이온 트랩들(IT1-IT3)의 이온 출구(TO1-TO3)가 그 안에 트래핑된 적어도 하나의 이온을 개개의 이온 미러(M1)의 개개의 이온 입구 애퍼처(AI1-AI3)를 통해 개개의 ELIT들(E1-E3)로 지향시키기 위해 동시에 개방되게 하는 적절한 전압을 생성하도록 이온 트랩 전압 소스(VIT)를 제어하도록 구성된다. 예를 들어, 이온 트랩들(IT1-IT3)의 동시 개방 후에 또는 각각의 전하 전치 증폭기(CP1-CP3)에 의한 전하 검출 후에 일정 기간이 경과한 후, 프로세서(304)가 적어도 하나의 이온이 각각의 ELIT(E1-E3)에 들어갔다고 결정한 경우, 프로세서(304)는 ELT들(E1-E3)의 이온 미러(M1)를 이온 반사 동작 모드에서 동작하도록 제어하는 적절한 DC 전압을 생성하도록 전압 소스(V1)를 제어하도록 동작가능하며, 이에 의해 각각의 ELIT들(E1-E3) 내에 적어도 하나의 이온을 트래핑한다.
각 ELIT(E1-E3)의 이온 미러들(M1, M2)이 이온 반사 동작 모드에서 동작하는 상태에서, 각 ELIT(E1-E3)의 적어도 하나의 이온은 M1과 M2 사이에서 동시에 앞뒤로 진동하고 매번 전하 검출 실린더(CD1-CD3)의 각각을 통과한다. 전하 검출 실린더들(CD1-CD3)에 유도된 상응하는 전하는 각각의 전하 전치 증폭기들(CP1-CP3)에 의해 검출되고, 전하 전치 증폭기들(CP1-CP3)에 의해 생성된 전하 검출 신호가 프로세서(304)에 의해 메모리(306)에 저장되고 후속적으로 프로세서(304)에 의해, 예를 들어 도 3에 예시된 프로세스(100)의 단계(140)와 관련하여 설명된 바와 같이, ELIT들(E1-E3)의 각각에 의해 프로세싱되는 이온들의 질량을 결정하기 위해 프로세싱된다.
이온 질량 검출 시스템들(200, 300)의 실시예가 도 6 내지 도 8f 및 도 9에 각각 3개의 ELIT를 포함하는 것으로 도시되어 있지만, 이러한 시스템(200, 300) 중 하나 또는 둘 모두는 대안적으로 더 적은, 예를 들어 2개 이상, 또는 더 많은, 예를 들어 4개 이상의 ELIT들을 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 임의의 그러한 대안적인 실시예들에서 다양한 구성요소의 제어 및 동작은 대체로 위에서 설명된 개념을 따를 것이고, 이 분야의 기술자들은 이러한 임의의 대안적인 실시예를 실현하는 데 필요한 시스템(200) 및/또는 시스템(300)에 대한 임의의 수정은 단지 기계적인 단계들을 포함할 것이라는 것을 인식할 것이다. 부가적으로, 이온 질량 검출 시스템들(200, 300)의 실시예가 도 6 내지 도 8f 및 도 9에 각각 이온 조종 어레이(208)를 포함하는 것으로 도시되어 있지만 하나 이상의 다른 이온 가이드 구조가 위에 설명된 바와 같이 이온들을 조종 또는 가이드하기 위해 대안적으로 또는 추가적으로 사용될 수 있고, 임의의 그러한 대안적인 이온 가이드 구조(들)은 본 개시의 범위 내에 속하는 것으로 의도된다는 것이 이해될 것이다. 하나의 비제한적 예로서, DC 4중극자 빔 편향기들의 어레이가 설명된 바와 같이 이온을 조종하거나 가이드하기 위해 시스템(200, 300) 중 하나 또는 둘 모두에 사용될 수 있다. 그러한 실시예에서, 하나 이상의 집속 렌즈 및/또는 이온 카페트가 또한 위에서 설명된 바와 같이 다양한 이온 트랩 안으로 이온을 집속시키기 위해 사용될 수 있다.
이제 도 10을 참조하면, 도 9에 도시된 기기(300)의 변형을 나타내는 전하 검출 질량 분석기 기기(400)의 실시예가 도시되어 있다. 도 10에 도시된 기기(400)에서. 이온 소스 영역(402)에서 생성된 이온들은 이온 트랩(418)에 의해 포획되고 이온 트랩(418)에 저장되며, 그 다음 이온 트랩(418)은 내부에 저장된 이온들을 이온 질량 및 전하 검출기(434)에 선택적으로 공급하기 위해 펄스 모드(pulsed mode)로 제어된다. 따라서 기기(400)는 이온 트랩(418)에서 생성된 이온을 포획 및 저장하고, 그 다음 시간-압축된 이온들(time-compressed ions)의 패킷을, 예를 들어 단일 스테이지 정전 선형 이온 트랩(ELIT)(434) 형태의, 이온 질량 및 전하 검출기(434)에 제어 가능하게 공급하기 위해 펄스 방식으로 이온 트랩(418)을 제어하도록 구성 및 동작가능하다. 일부 실시예에서, 이온 트랩(418)의 이온 출구는 검출기(434)의 이온 입구로부터 그 사이에서 이동하는 이온들이 그것들의 질량 대 전하 값에 따라 시간적으로 분리되는 것을 허용하는 거리만큼 이격될 수 있다. 이러한 실시예에서 이온 트랩(418)으로부터의 이온의 방출과 검출기(434)에서의 이온 포획 사이의 지연 시간(delay time)을 변화시킴으로써, 질량 대 전하 비율의 다양한 윈도우 또는 범위를 갖는 이온들이 트래핑될 수 있다. 일부 실시예에서, 이온 필터(424)가 이온 트랩(418)과 검출기(434) 사이에 위치되며, 이러한 실시예에서 이온 필터(424)는 이온 트랩(418)에 의해 검출기(434)에 공급되는 이온들의 질량 대 전하 비율 또는 질량 대 전하 비율의 범위를 대안적으로 또는 추가적으로 선택하기 위해, 질량 대 전하 비율에 따라 이온 트랩(418)을 빠져나가는 이온을 필터링하도록 제어 가능하다.
위에서 간략히 설명된 바와 같이, 도 10에 도시된 기기(400)는 이온들을 생성하고 생성된 이온들을 이온 트랩(418)의 이온 입구에 공급하도록 구성된 이온 소스 영역(402)을 포함한다. 예시된 실시예에서, 이온 소스 영역(402)은 모세관(capillary)(406)을 통해 소스 영역(408)에 결합된 이온 소스(404)를 포함한다. 일부 실시예에서 모세관(406)은 온도 제어, 예를 들어 가열 및/또는 냉각될 수 있다. 어떤 경우든, 소스 영역(408)은 펌프(P1)에 동작가능하게 연결되고, 펌프(P1)는 영역(408)을 진공으로 제어하여, 영역(408)이 제1 차동 펌핑된 영역(differentially pumped region)을 정의하도록 동작가능하다. 이온 소스(408)는 예시적으로, 소스 영역(404) 외부에, 예를 들어 대기압 또는 다른 압력에서 위치되며, 샘플로부터 모세관(406)을 통해 소스 영역(408)으로 이온들을 공급하도록 구성된다. 일부 이러한 실시예에서, 이온 소스(404)는 통상적인 전자분무 이온 소스(electrospray source of ions, ESI)이다. 이러한 실시예에서, ESI 소스(404)는 전압 소스(450)의 출력(V1)에 동작가능하게 연결되고, 전압 소스(450)는 ESI 소스(404)의 동작을 제어하기 위해 V1에서 적절한 DC 또는 시변 신호를 생성하도록 구성된다. 아무튼, 그로부터 이온 소스(404)가 이온을 생성하는 샘플은 예시적으로 생물학적 재료이지만, 다른 실시예에서 샘플은 비생물학적 재료이거나 비생물학적 재료를 포함할 수 있다.
이온 소스(404)가 차동 펌핑된 소스 영역(408) 외부에 위치되고 위에서 설명된 바와 같이 소스 영역(408)에 이온을 생성 및 공급하도록 동작가능한 일부 실시예에서, 소스 영역(408)은 예시적으로 넓은 질량 분포를 갖는 이온들을 이온 트랩(418)의 이온 입구로 효율적으로 전달하도록 구성된 이온 프로세싱 인터페이스(410)를 포함할 수 있다. 일부 그러한 실시예에서, 인터페이스(410)는 예시적으로 드리프트 튜브(drift tube)(412)를 포함할 수 있고, 상기 드리프트 튜브(412)는 모세관(406)의 이온 출구 단부에 인접하거나 이로부터 이격되어 배치된 개방 단부와, 깔때기 영역(414)의 일 단부에 결합된 반대쪽 단부를 구비하며, 상기 깔때기 영역(414)은 상기 드리프트 튜브(412)의 상기 반대쪽 단부로부터 감소된 단면 이온 출구로 테이퍼진다. 이온 카페트(416)가 깔때기 영역(414)의 이온 출구에 동작가능하게 결합될 수 있고, 이온 트랩(418)의 이온 입구에 결합된 이온 통로를 정의할 수 있다. 전압 소스(450)의 적어도 하나의 출력(V2)은 인터페이스(410)에 전기적으로 결합되고, 인터페이스(410)의 동작을 제어하기 위해 인터페이스(410)에 K개의 DC 및/또는 시변 전압 신호를 공급하며, 여기서 K는 임의의 양의 정수일 수 있다. 기기(400)의 중앙의 길이방향 축(A)은 예시적으로, 직전에 설명되고 아래에서 더 설명되는 다양한 이온 입구들 및 출구들을 통해 중앙으로 통과한다. 이를 포함하는 실시예에서, 인터페이스(410)는 예시적으로, 모세관(406)을 통해 그리고 차동 펌핑된 영역(408)으로의 가스 흐름에 의해 생성된 가스 제트를 교란하고, 이온들을 열화(thermalize)하고, 이온들을 이온 트랩(418)으로 집속시키도록 구성된 가상 제트 교란기(virtual jet disruptor)를 정의한다. 인터페이스(410) 실시예의 구조 및 동작에 관한 추가 세부사항은, 발명의 명칭이 모두 HYBRID ION FUNNEL-ION CARPET (FUNPET) ATMOSPHERIC PRESSURE INTERFACE FOR CHARGE DETECTION MASS SPECTROMETRY 이고, 동시 계류 중인 2019년 1월 11일에 출원된 국제 특허출원 PCT/US2019/013274, 및 2019년 6월 4일에 출원된 PCT/US2019/035379에 예시 및 설명되어 있으며, 이들의 개시내용은 그 전체가 참조로 본원에 명시적으로 포함된다.
일부 대안적인 실시예에서, 소스 영역(408)은 인터페이스(410)를 포함하지 않을 수 있다. 다른 대안적인 실시예에서, 이온 소스(404)는 하나 이상의 다른 통상적인 이온 소스의 형태로 제공될 수 있으며, 그 중 하나 이상은 소스 영역(408)의 외부에 위치될 수 있고/있거나 그 중 하나 이상은 소스 영역(408)의 내부에 위치될 수 있다. 일부 이러한 실시예에서, 소스 영역(408)은 인터페이스(410)를 포함할 수 있고, 다른 그러한 실시예에서 인터페이스(410)는 생략될 수 있다.
이온 트랩(418)의 이온 입구는 예시적으로, 전압 소스(450)의 출력(V3)에 전기적으로 연결된 전기 전도성 플레이트, 그리드 등(420)을 관통해 형성된 중앙 애퍼처에 의해 정의된다. 이온 트랩(418)의 이온 출구는 이온 입구로부터 중앙의 축(A)을 따라 이격되고, 마찬가지로 예시적으로 전압 소스(450)의 다른 출력(V5)에 전기적으로 연결된 전기 전도성 플레이트, 그리드 등(422)을 관통해 형성된 중앙 애퍼처에 의해 정의된다. 다른 펌프(P2)가 이온 트랩(418)에 동작가능하게 연결되고, 예시적으로 이온 트랩(418)을 소스 영역(408)보다 더 낮은 압력, 예를 들어 더 높은 진공으로 펌핑하여, 이온 트랩(418)이 제2 차동 펌핑된 영역을 정의하도록 동작가능하다. 일부 실시예에서, P2는 이온 트랩(418)을 10-100 mbar의 압력으로 제어하도록 구성되고 동작가능하지만, 다른 실시예에서 P2는 이온 트랩(418)을 이 범위 밖의 압력으로 제어할 수 있다. 일부 실시예에서, 가스 소스(GS)가 이온 트랩(418)에 동작가능하게 결합될 수 있고, 이러한 실시예에서 버퍼 또는 다른 가스를 이온 트랩(418)의 내부에 공급하도록 동작가능할 수 있다. 이러한 일부 실시예에서, 가스는 그와의 이온 충돌이 이온 에너지의 감소를 유발하도록 선택된다. 일 실시예에서, 이온 트랩(418)은 통상적인 6중극자 이온 트랩으로 구성되지만, 대안적인 실시예에서 이온 트랩(418)은 다른 통상적인 구성, 예를 들어 4중극자, 8중극자(octupole) 등을 구비할 수 있다. 어떤 경우든, 이온 트랩(418)은 대체로, 전압 소스(450)의 출력(V4)이 동작가능하게 결합되는 축(A)을 둘러싸는 다수의 기다란 전기 전도성 로드들(rods)을 포함할 것이다. 예시적으로, 출력(V4)은 로드들의 각각의 대향 세트 또는 쌍이 다른 대향 쌍들과 역위상(out of phase)이 되도록 하는 방식으로 로드들에 결합되고, 출력 전압(V4)은 예시적으로 시변의(time-varying), 예를 들어 무선 주파수(radio frequency) 전압이다. 일부 실시예에서, V4는 하나 이상의 DC 전압을 더 포함할 수 있다.
이온 트랩(418)의 동작은, 전압(V3, V5)이 이온들이 이온 입구를 통해 트랩(418)에 들어가도록 허용하고 이온들이 그 안에 트래핑되도록 하고, 이온 출구로부터 이온들을 방출하도록 제어되는 제어가능한 DC 전압이라는 점에서 통상적이다. 예를 들어, 전압(V3)은 예시적으로 이온 에너지를 설정하는 DC 전위로 제어된다. 가스 소스(GS)를 포함하는 실시예에서, 가스 소스(GS)는 배경 가스(background gas)를 공급하며 이온 트랩(418)으로 들어가는 이온들은 배경 가스와 충돌하여, 소스 영역(408)으로부터 이온 트랩(418)으로의 가스 흐름으로부터의 이온들에 의해 얻어진(picked up) 과도한 운동 에너지를 열화(thermalize)한다. 시변 전압(V4)은 이온들을 반지름 방향(radial direction)으로 국한시키도록 동작하고, 전압(V5)은 이온 트랩(418) 내에서 이온들을 트래핑하고 이온 트랩(418)으로부터 이온을 방출하도록 제어된다. 예를 들어, 이온 트랩(418)을 관통해 이온들을 투과시키기 위해, V5는 일반적으로 V4의 전위보다 낮은 전위로 제어되는 반면, 이온을 수집 및 저장, 즉 트래핑하기 위해 전위 V5는 예시적으로 이온들이 더 이상 이온 트랩(418)의 이온 출구를 통해 투과되지 않는 전위로 상승된다.
일부 실시예에서, 위에서 간략하게 설명된 바와 같이, 기기(400)는 예시적으로 이온 트랩(418)의 이온 출구에 결합되거나 통합된 이온 입구를 갖는 질량 대 전하 비율 필터(424)를 포함할 수 있다. 이온 출구는 필터(424)의 이온 입구로부터 중앙의 축(A)을 따라 이격되어 있고, 전압 소스(450)의 또 다른 출력(V7)에 전기적으로 연결된 전기 전도성 플레이트, 그리드 등(426)을 관통해 형성된 중앙 애퍼처에 의해 예시적으로 정의된다. 다른 펌프(P3)가 필터(424)에 동작가능하게 연결되고, 예시적으로 필터(424)를 이온 트랩(418)보다 낮은 압력, 예를 들어 더 높은 진공으로 펌핑하여 필터(424)가 제3 차동 펌핑된 영역을 정의하도록 동작가능하다. 일부 실시예에서, 가스 소스(GS)는 필터(424)에 동작가능하게 결합될 수 있다.
질량 대 전하 비율 필터(424)는 예시적으로 통상적인 4중극자 질량 대 전하 필터의 형태로 제공되지만, 대안적인 실시예에서 필터(424)는 6중극자, 8중극자 또는 다른 통상적인 구성의 형태로 제공될 수 있다. 어떤 경우든, 질량 대 전하 비율 필터(424)는 대체로 전압 소스(450)의 출력(V6)이 동작가능하게 결합되는 축(A)을 둘러싸는 다수의 기다란 전기 전도성 로드들을 포함할 것이다. 예시적으로, 출력(V6)은 로드들의 각각의 대향 세트 또는 쌍이 다른 대향 쌍들과 역위상이 되도록 하는 방식으로 로드들에 결합되고, 출력 전압(V6)은 예시적으로 시변의, 예를 들어 무선 주파수 전압이다. 일부 실시예에서, V6는 하나 이상의 DC 전압을 더 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 전압(V7)은 이온들이 필터(424)를 관통해 투과되도록 하기 위해 전압(V5)의 전압보다 충분히 낮게 설정된다. 다른 실시예에서, 전압(V7)은 필터(424)를 제2 이온 트랩으로 동작시키기 위해 V5의 전압과 유사하게 전환될 수 있다. 어떤 경우든, 전압(V6)이 시변하기만 하는, 예를 들어 RF만인 경우, 질량 대 전하 비율 필터(424)는 예시적으로 하이-패스(high-pass) 필터로서 동작하여, 선택된 질량 대 전하 비율 값을 초과하는 이온들만 필터(424)를 통과할 수 있게 허용한다. 상기 선택된 질량 대 전하 비율 값은 예시적으로 시변 전압(V6)의 크기의 함수이다. 그러한 실시예에서, 질량 대 전하 비율 필터(424)는 따라서 선택가능한 질량 대 전하 비율 문턱값을 초과하는 질량 대 전하 비율을 갖는 이온들만을 미리 선택, 즉 통과시키기 위한 높은 질량 대 전하 비율 필터로서 동작한다. 일부 대안적인 실시예에서, 전압(V6)은 시변 및 DC 성분을 포함하고, 질량 대 전하 비율 필터(424)는 예시적으로 밴드-패스(band-pass) 필터로서 동작하여, 질량 대 전하 비율의 선택된 범위 내의 이온들만이 필터(424)를 통과하도록 허용한다. 질량 대 전하 비율의 상기 선택된 범위는 예시적으로 시변 및 DC 성분의 크기의 함수이다. 이러한 실시예에서, 질량 대 전하 비율 필터(424)는 따라서 이온 질량 대 전하 비율의 선택가능한 범위 내의 질량 대 전하 비율을 갖는 이온들만을 미리 선택, 즉 통과시키기 위한 질량 대 전하 비율 밴드 필터로서 동작한다.
일부 대안적인 실시예에서, 질량 대 전하 비율 필터(424)는 이온 트랩(418)의 상류에 위치될 수 있다. 이러한 실시예에서, 필터(424)는 특정된 질량 대 전하 비율 범위 내의 질량 대 전하 비율을 갖는 이온들만 이온 트랩(418)으로 통과하도록 직전에 설명된 임의의 모드로 제어될 수 있다. 이러한 일부 실시예에서, 질량 대 전하 비율 필터들(424)은 이온 트랩(418)의 상류 및 하류에 위치될 수 있다. 이러한 실시예에서, 이온 트랩(418) 상류의 질량 대 전하 비율 필터(424)는 예시적으로 질량 대 전하 비율의 선택된 범위 내의 질량 대 전하 비율을 갖는 이온들만 통과시키도록 제어될 수 있고, 이온 트랩(418) 하류의 질량 대 전하 비율 필터(424)는 질량 대 전하 비율의 상기 선택된 범위의 서브세트 내의 질량 대 전하 비율을 갖는 이온들만 통과시키도록 제어될 수 있다. 대안적으로, 상기 2개의 질량 대 전하 비율 필터(424)는 질량 대 전하 비율의 동일한 범위 내의 질량 대 전하 비율을 갖는 이온들만을 통과시키도록 제어될 수 있다. 이 후자의 실시예에서, 상류의 질량 대 전하 비율 필터(424)는 질량 대 전하 비율의 선택된 범위 내의 질량 대 전하 비율을 갖는 이온만을 이온 트랩(418)으로 통과시키도록 제어될 수 있으며, 이온 트랩(418) 하류의 질량 대 전하 비율 필터(424)는 이온 트랩(418)을 빠져나가는 이온들이 검출기(434)로 가는 도중에 이를 통과함에 따라 시간적으로 분리되도록 하는 데 사용될 수 있다.
일부 대안적인 실시예에서, 통상적인 드리프트 튜브가 질량 대 전하 비율 필터(424)를 대체, 즉 대신할 수 있다. 일부 이러한 실시예에서, 드리프트 튜브를 통해 정의된 축방향 통로는 일정한 단면적(cross-sectional area)을 가질 수 있다. 일부 그러한 실시예에서, 드리프트 튜브는 그것을 통해 축방향으로 이동하는 이온들을 반지름 방향으로 집속시키기 위해 전압 소스(450)에 의해 생성된 하나 이상의 전압으로 구성 및 제어될 수 있다. 다른 실시예에서, 드리프트 튜브의 이온 출구 단부에 인접한 상기 드리프트 튜브의 적어도 일부분은 깔때기 형상일 수 있으며, 즉 이온 출구 방향에서의 축방향 통로의 단면적이 감소될 수 있다. 그러한 일부 실시예에서, 적어도 상기 깔때기 부분은 그것을 통해 축방향으로 이동하는 이온들을 반지름 방향으로 집속시키기 위해 전압 소스(450)에 의해 생성된 하나 이상의 전압으로 구성 및 제어되고, 다른 실시예에서 전체 드리프트 튜브는 그것을 통해 축방향으로 이동하는 이온들을 반지름 방향으로 집속시키기 위해 전압 소스(450)에 의해 생성된 하나 이상의 전압으로 구성 및 제어될 수 있다. 이러한 일부 실시예에서, 플레이트 또는 그리드(426)는 중앙 애퍼처를 정의하는 통상적인 이온 카페트로 대체될 수 있으며, 상기 이온 카페트는 이온들을 애퍼처로 그리고 애퍼처를 통해 기기(400)의 다음 스테이지에 추가로 집속시키기 위해 전압 소스(450)에 의해 생성된 하나 이상의 전압으로 구성 및 제어된다.
기기(400)는 질량 대 전하 비율 필터(424)의 이온 출구에 결합되거나 통합된 이온 입구를 갖는 제4 차동 펌핑된 영역(428)을 더 포함한다. 제4 펌프(P4)는 영역(428)에 동작가능하게 결합되고, 영역(428)을 필터(424)의 압력보다 낮은 압력으로 펌핑하도록 구성된다. 도시된 실시예에서, 제4 차동 펌핑된 영역(428)은 이온 렌즈 및 편향기(430), 이어서 전압 소스(450)의 전압 출력(V8)에 전기적으로 연결된 통상적인 에너지 분석기(432)를 포함한다. 일 실시예에서, 에너지 분석기(432)는 130 eV/z의 공칭 이온 에너지를 중심으로 하는 좁은 대역의 이온 에너지를 투과시키도록 구성된 이중(dual) 반구형 편향 에너지 분석기(hemispherical deflection energy analyzer, HDA)이다. 대안적인 실시예에서, 에너지 분석기(432)는 다른 통상적인 형태로 구현될 수 있고/있거나 다른 이온 에너지 값을 중심으로 하는 이온 에너지를 투과시키도록 구성될 수 있다.
기기(400)는 도시된 실시예에서 단일 스테이지 정전 선형 이온 트랩(ELIT)의 형태로 제공되는 이온 질량 및 전하 검출기(434)를 더 포함한다. ELIT 구성은 대체로 도 1 내지 도 2b에 예시되고 위에 자세히 설명된 단일 스테이지의 ELIT(14)이다. 예를 들어, ELIT(434)는 검출 실린더(440)가 그 사이에 위치된, 이격된 단부 캡들(436, 438)을 포함하고, 이들 각각은 예시적으로 도 2a 및 도 2b에 도시된 이온 미러들(MX)의 대향하는 절반들을 나타낸다. ELIT(434)는 ELIT 챔버에 의해 정의된 제5 차동 펌핑된 영역 내에서 압력, 예를 들어 진공을 생성하도록 구성되고 제어되는 펌프(P5)에 동작가능하게 연결된다. 일 실시예에서, 펌프(P5)는 ELIT(434) 내에서 대략 10-9 mbar의 압력을 생성하도록 제어되지만, 다른 실시예에서 펌프(P5)는 ELIT 챔버 내에서 더 높거나 더 낮은 압력을 생성하도록 제어될 수 있다.
통상적인 전하 감지 전치 증폭기(442)의 입력이 전하 검출 실린더(440)에 전기적으로 결합되고, 상기 전치 증폭기(442)의 출력은 통상적인 프로세서(444)의 입력에 전기적으로 결합된다. 프로세서(444)는 예시적으로 아래에 설명되는 바와 같이 기기(400)의 동작을 제어하기 위해 프로세서(444)에 의해 실행 가능한 명령이 저장된 메모리(446)를 포함하거나 이에 결합된다. 일부 실시예에서, 프로세서(444)는 P개의 신호 경로들을 통해 하나 이상의 주변 장치(PD)(448)에 동작가능하게 연결되며, 여기서 P는 임의의 양의 정수일 수 있다. 일부 실시예에서, 프로세서(444)는 또한 M개의 신호 경로들을 통해 전압 소스(450)에 전기적으로 연결될 수 있으며, 여기서 M은 임의의 양의 정수일 수 있다. 이러한 실시예에서, 프로세서(444)는 전압 소스(450)의 동작을 제어하도록 프로그래밍될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 전압 소스(450)는 자체적으로 프로그래밍 가능할 수 있고/있거나 수동으로 제어될 수 있다. 어떤 경우든, 전하 감지 전치 증폭기(442), 프로세서(444), 메모리(446) 및 주변 장치(들)(448)는 모두 도 1과 관련하여 위에서 설명된 바와 같다.
전압 소스(450)의 전압 출력(V9)은 이온 미러(436)에 전기적으로 연결되고, 전압 소스(450)의 다른 전압 출력(V10)은 이온 미러(438)에 전기적으로 연결된다. 전압(V9, V10)은 각각 예시적으로, 도 2a 및 도 2b에서 예시로 설명되고 위에서 상세히 설명된 바와 같이, 이온 미러들(436, 438) 각각의 동작을 제어하기 위한 다수의 상이한 전환가능한 전압들을 포함하는 것이 이해될 것이며, 이러한 전압(V9, V10)의 제어하에 ELIT(434)의 동작도 도 1 내지 도 4e에 도시된 각각의 스테이지에 관하여 위에서 설명된 바와 같다.
이제 도 10 내지 도 11을 참조하면, CDMS 기기(400)의 펄스 동작은 적어도 전압 V5, V9 및 V10에 대한 선택적인 제어를 포함한다. 전압 V5, V9 및 V10의 하이(high) 상태는, 위에 설명된 바와 같이, V5의 경우 이온 저장 또는 트래핑 상태, 즉, 이온들이 이온 트랩(418) 내에 트래핑되고 저장되는 V5의 전압에 해당되고, 또는 이온 미러들(436, 438)의 경우 이온 트래핑 또는 반사 상태, 즉 이온 미러들(436, 438)이 내부에 전하 검출 실린더(440)로부터의 이온들을 수용하고, 이온들의 이동 방향을 반대로 하고 전하 검출 실린더(440)를 통해 다른 이온 미러 쪽으로 다시 이온들을 가속하여, 이온들이 ELIT(434) 내에 트래핑되어 이온 미러들(436, 438) 사이에서 앞뒤로 진동하고 매번 검출 실린더(440)를 통과하도록, 그들의 반사 모드에서 동작하게 하는 V9 및 V10의 전압에 해당된다. 전압 V5, V9 및 V10의 로우(low) 상태는, 위에 설명된 바와 같이, 투과 상태, 즉 이온들이 이온 트랩(418)으로부터 방출 및 분출되고, 이온 미러들(436, 438)이 투과 모드에서 동작하여 이온들을 투과시키는 전압에 해당된다.
이온 소스(404)는 이온을 생성하기 위해 전압 소스(450)에 의해 생성된 전압(V1)에 응답한다. 일부 실시예에서, 프로세서(444)는 이온 소스(404)가 이온을 생성하게 하도록 전압(V1)을 제어하기 위해 메모리(446)에 저장된 명령을 실행하도록 동작가능하다. 대안적인 실시예에서, 전압 소스(450) 자체가 그렇게 프로그래밍될 수 있거나, 전압 소스(450)가 V1을 생성하도록 수동으로 제어될 수 있다. 어떤 경우든, 생성된 이온들은 소스 영역(408)을 통과하여 이온 트랩(418)으로 들어간다. 소스 영역(408)이 인터페이스(410)를 포함하는 실시예에서, 위에서 간략하게 설명된 바와 같이, 전압 소스(450)는 인터페이스(410)가 그것을 통해 이온을 통과시키도록 제어하기 위해 하나 이상의 전압(V2)을 생성하도록 동작가능하다. 어떤 경우든, 전압 소스(450)에 의해 생성된 전압(V3)은 소스 영역(408)으로부터 유입되는 이온의 에너지를 타겟 에너지, 예를 들어 대략 130 eV/z로 설정하도록 이온 트랩(418)의 이온 입구를 제어한다. 도 11에 도시된 바와 같이, 처음에, 전압(들)(V5)은 생성된 이온을 이온 트랩(418)에 포획, 트래핑 및 축적하기 위해 트래핑 상태로 설정되고, 전압(V9, V10)은 ELIT(434)를 향해 이동하는 임의의 이온이 그를 통과하도록 허용함으로써 ELIT(434)를 클리어(clear)하기 위해 투과 상태로 설정된다.
기기(400)의 펄스 동작은 tW의 펄스 폭 지속기간 동안 투과 상태로 전환하는 전압(들)(V5)에서 시작하고, 그 후에 전압(들)(V5)은 다시 트래핑 상태로 전환된다. 펄스 폭 지속기간(tW)은 선택가능, 즉 조정가능하며, 이 시간 동안 이온 트랩(418)에 저장된 이온들이 그로부터 영역(424)으로 방출되거나 분출되고, 전압들(V5, V7)에 의해 생성된 전기장에 응답하여 ELIT(434)를 향해 이동한다. 영역(424)이 질량 대 전하 비율 필터를 포함하는 실시예에서, 전압(들)(V6)에 의해 통과하도록 선택된 질량 대 전하 비율 값을 갖는 이온들만이 영역(424)을 통해 영역(428)으로 통과한다. 대략 에너지 분석기(432)의 투과 에너지에 대한 좁은 대역의 에너지를 갖는 이온들은 영역(428)을 관통해 ELIT(434)의 이온 미러(436)로 전달되고, 이 좁은 대역 밖의 에너지를 갖는 이온들은 ELIT(434)의 이온 입구로부터 멀리 편향된다.
이온 트랩(418)으로부터 이온을 방출하기 위해 전압(들)(V5)이 이온 투과 상태로 전환된 후 지연 시간(tD1)이 만료되면, 후방 이온 미러 또는 단부 캡(438) 상의 전압(V10)은 투과 상태에서 트래핑 또는 반사 상태로 전환된다. 도 2a 및 도 2b와 관련하여 위에서 상세히 설명된 바와 같이, 그 후 전하 검출 실린더(440)로부터 후방 이온 미러 또는 단부 캡(438)으로 들어가는 이온들은 내부에 형성된 이온 반사 전기장에 의해 방향이 반대로 되고 이온 반사 전기장에 의해 검출 실린더(440)를 통해 전방 이온 미러 또는 단부 캡(436) 쪽으로 다시 가속된다. 이온 트랩(418)으로부터 이온을 방출하기 위해 전압(들)(V5)이 이온 투과 상태로 전환된 후 또 다른 지연 시간(tD2)이 만료되면, 전방 이온 미러 또는 단부 캡(436) 상의 전압(V9)은 투과 상태에서 트래핑 또는 반사 상태로 전환된다. 따라서 그와 같이 전압(V9)이 트래핑 또는 반사 상태로 전환되는 시점에 전하 검출 실린더(440) 또는 후방 이온 미러 또는 단부 캡(438) 내의 이온들은 ELIT(434) 내에 트래핑될 것이고, 그리고 이온 미러들(436, 438) 모두가 그들의 반사 모드에 있는 상태에서 상기 트래핑된 이온(들)은 위에서 설명된 바와 같이, 이온 미러들(436, 438) 사이에서 앞뒤로 진동하여 매번 전하 검출 실린더(440)를 통과하고 그에 상응하는 전하를 유도할 것이다. 이온(들)은 도 11에 도시된 바와 같이 트랩핑 기간(ttrap) 동안 ELIT(434) 내에 트래핑된 상태로 유지될 것이고, 트랩핑 기간(ttrap)의 끝에서 전압들(V9, V10)은 시퀀스를 다시 시작하기 전에 ELIT(434)를 비우기 위해 그것들의 투과 상태로 복귀된다. 통과하는 이온에 의해 전하 검출 실린더에 유도된 전하의 검출에 응답하여 전하 전치 증폭기(442)에 의해 생성된 결과적인 전하 검출 신호들은 트래핑된 이온(들)의 질량 및 전하를 결정하기 위해 위에서 설명된 바와 같이 프로세서(444)에 의해 프로세싱될 것이다. 일부 실시예에서, 전압들은 ELIT(434)에서 단일의 이온을 트래핑하기 위해 직전에 설명된 바와 같이 제어되고, 다른 실시예에서 전압들은 ELIT(434)에서 하나보다 많은 이온을 트래핑하도록 제어될 수 있다.
CDMS 기기(400)의 펄스 모드 동작은 이온 트랩(418)에 이온을 축적 및 저장하고, 그 다음 트랩(418)으로부터 이온들을 제어가능하게 방출함으로써 ELIT(434)에 이온들의 도달이 이온 미러들(436, 438)의 개방 및 폐쇄(즉, 각각 투과 모드 및 반사 모드)와 동기화되도록 함으로써 향상된 검출 효율을 제공할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 이온 트랩(418)의 이온 출구와 전하 검출 실린더(440)의 전방 단부 사이에는 상당한 거리(D1)(예를 들어, 0.86m)가 있다. 일 실시예에서, D1은 대략 0.86미터이지만, 대안적인 실시예에서 D1은 0.86미터보다 크거나 작을 수 있다. 어떤 경우든, 이온이 D1을 이동하는 데 걸리는 시간은 이온의 운동 에너지 및 질량 대 전하 비율(m/z)에 따라 달라진다. 에너지 분석기(432)는 좁은 운동 에너지 분포 내의 이온들만을 투과시키기 때문에, 이러한 통과 또는 이동 시간은 주로 이온 m/z에 의존한다. 펄스 폭 지속시간(tW)이 짧은 경우 주어진 총 지연 시간(tD) 동안 일정 범위의 m/z 값들이 트래핑될 것이고, 여기서 tD는 전압(들)(V5)의 이온 투과 상태로의 전이, 즉, tW에서 V5의 하강 에지 - 이온 트랩(418)의 이온 출구의 개방 및 이로부터 이온의 방출 또는 분출에 대응함 - 와, 전압들(V9)의 이온 트래핑 또는 반사 상태로의 전이, 즉, tW에서 V5의 후속 상승 에지에 뒤따르는 V9의 상승 에지 - ELIT(434)의 이온 미러(436)의 폐쇄 및 ELIT(434)에서 이온(들)의 상응하는 트래핑에 대응함 - 사이의 시간, 즉, tD = tD1 + tD2 이다. 이러한 상황에서 트래핑될 수 있는 가장 큰 질량 대 전하 비율 m/zMAX(즉, 가장 느린) 이온은 전방 단부 캡이 반사 모드로 전환될 때 검출 실린더에 막 들어간 이온이다:
m/zMAX = 2eE[tD 2/d1 2]
(1)
식 (1)에서, e는 기본 전하(elementary charge)이고, E는 이온 에너지이며, d1은 위에서 설명되고 도 10에 나타낸 바와 같다. 트래핑될 수 있는 가장 작은 질량 대 전하 비율 m/zMIN(즉, 가장 빠른) 이온은 전하 검출 실린더(440)를 통해 이동하였고, 후방 이온 미러 또는 단부 캡(438)에 의해 반사되었고, 전하 검출 실린더(440)를 관통해 다시 이동하였고 전압(V9)이 반사 상태로 전환될 때 전면 이온 미러 또는 단부 캡(436)을 막 나가려고 하는 이온이다:
m/zMIN = 2eE[tD 2/(d1 + 2d2 + d3)2]
(2)
식 (2)에서, d2는 전하 검출 실린더(440)의 길이이고 d3은 개개의 이온 미러들(436, 438)의 이온 입구/출구와 전하 검출 실린더(440)의 대응하는 단부 사이의 거리이다. 식 (2)에서 2d2는 이온이 전하 검출 실린더(440)를 통해 앞뒤 모두로 이동하기 때문에 발생하고 d3은 단부 캡에서 소비된 시간으로부터 발생한다. ELIT(434)의 일부 실시예에서는, 전하 검출 실린더(440)를 관통해 이동하는 이온에 의해 소비된 시간이 각각의 단부 캡(436, 438)을 관통해 이동하는 데 소비된 시간과 동일하도록 d2 = d3이다. 이러한 실시예에서, 식 (2)는 다음과 같이 될 수 있다:
m/zMIN = 2eE[tD 2/(d1 + 3d2)2]
(3)
따라서 트래핑될 수 있는 최소 m/z에 대한 최대 m/z의 비율은 다음과 같이 주어진다:
m/zMAX/m/zMIN = (d1 + 3d2)2/d1 2
(4)
따라서 트래핑될 수 있는 m/z 값의 범위는 이온 에너지 및 지연 시간(tD)과 독립적이다. 지연 시간이 길수록 m/z 윈도우는 더 큰 m/z 값으로 이동하지만 m/z 윈도우의 상대적인 폭은 동일하게 유지된다. 위에 설명된 바와 같이, d2 = d3인 CDMS 기기(400)의 최소 m/z 값에 대한 최대 m/z 값의 비율은 1.38이므로, 단일 지연 시간(tD)으로 트래핑될 수 있는 m/z 윈도우의 폭은 m/zMIN 내지 1.38×m/zMIN이다. 예를 들어, 25kDa가 트래핑될 수 있는 최소 m/z 값이 되도록 지연 시간(tD)이 설정되면, 최대 34.5kDa의 m/z 값을 갖는 이온들이 동시에 트래핑될 수 있다.
실시예
절단된(truncated) B형 간염 바이러스(HBV) 캡시드 단백질(Cp149)이 24시간 동안 300mM 염화나트륨(sodium chloride)에서 조립되고, 100mM 암모늄 아세테이트(ammonium acetate)(Sigma Aldrich, 99.999% trace metal basis)로 투석되고(dialyzed), (조립 에러에 자가 수정 시간을 주기 위해) 사용 전에 적어도 1주일 동안 보관되었다. 캡시드 단백질의 초기 농도는 1 mg/mL이었다. 조립체는 주로 120개의 캡시드 단백질 이량체로 구성된 정이십면체 T=4 캡시드(직경 약 32nm)를 90개의 단백질 이량체를 갖는 더 적은 양(이 경우 약 5%)의 정이십면체 T=3 캡시드와 함께 생성한다. 300mM NaCl에서의 HBV 어셈블리에 대한 유사 임계 농도(pseudo critical concentration)는 3.7μM이므로 최종 캡시드 농도는 약 0.22μM이다. 스톡 용액(stock solution)의 샘플들은 6kDa 컷오프로 사이즈-배제 크로마토그래피(SEC)로 정제되었다. 그런 다음 정제된 용액의 분취량이 100mM 암모늄 아세테이트로 0.05μg/mL에서 100μg/mL 범위의 필요한 농도로 희석되었다.
피루브산 키나제(PK)가 암모늄 아세테이트에서 10 mg/ml로 제조되였다. 스톡 용액의 분취량이 6kDa 컷오프로 SEC에 의해 정제되었다. 그 다음 정제된 용액은 100mM 암모늄 아세테이트로 2 mg/mL로 희석되었다.
도 12a는 도 10에 도시되고 위에 설명된 CDMS 기기(400)를 사용하여 측정된 HBV 샘플의 2개의 대표적인 질량 분포의 부분을 도시한다. 결과는 2개의 농도: 도 12a에서 500으로 식별되는 10μg/mL(HBV 스톡 용액의 100배 희석), 및 도 12a에서 502로 식별되는 0.5μg/mL(2,000배 희석)에 대해 도시되어 있다. 도 12a에 도시된 CDMS 분포는 16.6분 동안 기록되었고(10,000개의 트래핑 이벤트), 25kDa 빈(bins)으로 플롯팅되어 있다. 10μg/mL 농도(500으로 식별됨)에서, HBV Cp149의 T=4 캡시드에 대한 예상 질량에 가까운, 약 4.05MDa의 질량에서 두드러진 피크가 있다. 0.5μg/mL 농도(502로 식별됨)에서, 피크는 거의 사라졌다. CDMS에서 불요 신호(spurious signals)의 비율은 이온이 비교적 긴 시간(100ms) 동안 측정되기 때문에 매우 작다는 것에 유의한다. HBV T=4 캡시드 이온은 약 140개의 기본 전하를 운반하며 랜덤 노이즈 신호가 100ms의 기간에 걸쳐 이 크기의 이온 신호로 가장할 수 있는 확률은 매우 작다. 따라서 관심 영역의 배경 노이즈도 마찬가지로 매우 작다.
전자분무 액적에 함유된 피분석물(analytes)의 수는 검출 효율에 영향을 미칠 수 있다는 점에 유의해야 한다. 액적에 존재하는 평균 캡시드의 수의 추정치는 예시적으로 농도 및 액적 크기로부터 획득될 수 있다. 1차 전기분무 액적의 평균 크기는 결국 전기분무 조건에서 추정할 수 있다. 70nm의 추정된 액적 크기의 경우, HBV 스톡 용액의 농도(1mg/mL)에서 액적당 평균 캡시드 수는 약 0.025(즉, 40개 중 1개의 액적이 캡시드를 포함)이다.
도 12b는 0.5μg/mL 내지 10 μg/mL의 HBV 농도에 대한 3.8 MDa 내지 4.4 MDa 범위의 통합 카운트의 log-log 플롯(504)을 보여준다. 점들은 측정된 값이고 선은 예시적으로 최소 제곱 피팅(least squares fit)이다. 반응(response) 대 농도의 log-log 플롯에 대해 1.0의 기울기가 예상되며 1.0에 가까운 기울기가 관찰된다. 도 12b의 플롯(504)에서, 예를 들어, 기울기는 1.031이다. 이러한 결과에 기반하여, HBV T=4 캡시드에 대한 검출 한계는 약 0.5μg/mL로 간주될 수 있다. 이것은 1.1x10-10 moles/L 또는 6.6x1010 입자/mL에 해당한다. 16.6분의 수집 기간 동안 약 1.3μL의 용액이 전기 분무되었다. 이를 고려하면 검출 한계는 약 0.14 펨토몰(femtomoles) 또는 8.6x107 입자이다. 16.6분의 데이터 수집 시간 동안 19개의 이온이 검출되었다. 따라서 HBV T=4 캡시드에 대한 검출 효율은 약 2.2x10-7이다.
도 13a는 노멀 모드(즉, 비펄스)(도 13a에서 602로 식별됨) 및 여기서 설명된 바와 같은 펄스 모드(도 13a에서 600으로 식별됨) 모두에 대해 1μg/mL 농도의 HBV 캡시드에 대해 CDMS 기기(400)에 의해 측정된 질량 분포의 비교를 나타낸다. 분명하게 펄스 모드로 측정된 분포(600)의 강도가 노멀(비펄스) 모드에서 측정된 분포(602)의 강도보다 훨씬 더 크다. 노멀 모드 분포는 15개의 이온을 포함하고 펄스형은 3,695개를 포함하므로 이 실시예에서 강도 이득은 246이다.
도 13b는 노멀(비펄스) 모드(606)와 펄스 모드(604) 사이의 질량 분포의 또 다른 비교를 보여준다. 이 경우, 노멀 모드 분포(606)는 0.5μg/mL의 농도로 측정되었고 펄스 모드 분포(604)는 0.05μg/mL의 농도로 측정되었다. 노멀 모드 분포(606)는 8개의 이온을 포함하고 펄스 모드 분포(604)는 145개를 포함하므로 (농도 차이 고려하면) 강도 이득은 181이다.
강도 이득은 트래핑 효율, 펄스 폭(tW) 및 지연 시간(tD1, tD2)(모두 도 11에 도시됨)에 따라 달라진다. 이온 트랩(418)에 트래핑된 이온으로부터의 신호는 전자분무 소스(404)가 꺼진 후 20초 이상 지속되는 것으로 발견되었으며, 이는 이온이 이온 트랩(418)에 효율적으로 트래핑되어 있음을 나타낸다. 펄스 폭(tW)이 너무 짧으면 이온이 이온 트랩(418)을 떠나기에 충분한 시간이 없다. 반면에, 펄스 폭(tW)이 너무 길면 이온 트랩(418)에 이온을 축적하는 이점이 손실되고 신호가 비펄스 모드에 대한 값에 근접한다. 펄스 모드 동작으로부터의 강도 이득은 펄스 폭(tW)과 지연 시간(tD1, tD2)이 최적화된 상태에서 평균 약 200인 것으로 발견되었다. 2800 Da의 m/z에 대해, CDMS 기기(400)의 비펄스 동작 모드에서는 620개 중 약 1개의 이온만 트래핑될 있다는 점에 유의해야 한다. 위에서 설명한 바와 같이 펄스 모드에서 동작시킴으로써 비펄스 모드에서 손실된 신호의 많은 부분이 복구될 수 있다. 여기에서 예시되고 설명된 펄스 모드 동작에서 HBV T=4 캡시드에 대한 검출 한계는 약 200배 더 낮다: 5.5x10-13 moles/L 또는 3.3x108 입자/mL. 이는 1.3μL 샘플의 경우 약 0.7 attomole 또는 4.3x105 입자에 해당한다. 펄스 모드 동작에서 HBV T=4 캡시드에 대한 검출 효율은 약 4.4x10-5이다(즉, 비펄스 모드에서 검출 효율의 200배).
펄스 모드 CDMS에 의해 제공되는 높은 감도로 많은 이온을 동시에 ELIT에 주입하는 것이 비교적 용이하다. 그러나 다수의 이온 트래핑 이벤트를 분석하고 몇 개의 동시에 트래핑된 이온에 대한 m/z 값과 전하를 결정하는 것이 가능한 반면, ELIT(434) 내의 이온-이온 상호 작용은 m/z 분해능(resolving power)을 저하시키는 궤적 및 에너지 변동을 유발할 수 있다. 유사한 m/z 값을 갖는 다수의 이온을 트래핑하면 데이터 분석에서 오류가 발생할 수 있으므로, 첨부된 도면들에 표시된 측정값들은 트래핑 이벤트당 평균적으로 하나의 이온이 트래핑되는 샘플로 제한되었다. 트래핑된 이온들의 분포는 포아송(Poisson) 분포이며, 평균 트래핑 효율이 약 1.0일 때, 트래핑 이벤트의 대략 1/3은 비어 있고, 다른 1/3은 단일 이온을 포함하고, 나머지 1/3은 2개 이상의 이온을 포함한다. 10 μg/mL의 샘플 농도의 경우, 펄스 모드에서 트래핑된 이온의 수는 평균적으로 이벤트당 1개보다 훨씬 많으며 샘플은 첨부된 도면들에 표시된 측정을 수행하기 위해 희석되어야 한다.
위에 언급된 바와 같이, HBV 캡시드 단백질의 조립은 T=4에 부가하여 소량의 더 적은 T=3 캡시드를 제공한다. T=4 이온에 대한 평균 m/z는 28,700 Da이고 T=3 이온에 대한 평균 m/z는 25,500 Da이다. 이러한 m/z 값의 비율은 1.13으로 동시에 트래핑될 수 있는 범위에 속한다. 이와 관련하여, 도 14는 CDMS 기기(400)를 사용하여 측정된 HBV에 대한 CDMS 질량 분포(700, 702)를 나타내며, 이는 약 3.0 MDa에서 T=3 피크 및 4.05 MDa에서 T=4 피크를 나타낸다. 분포(702)는 노멀 동작 조건(즉, 비펄스)하에 CDMS 기기(400)로 측정되었고, 분포(700)는 위에 설명된 바와 같은 펄스 모드에서 동작하는 CDMS 기기(400)로 측정되었다. HBV 단백질 농도는 비펄스(분포(702))에 대해 100μg/mL이고 펄스(분포(700))에 대해 1μg/mL이다. T=3 캡시드의 부분(통합 카운트에서)은 노멀 모드 분포(702)에서 0.0435이고 펄스 모드 분포(700)에서 0.0470이다. 그러나 노멀 모드 분포(702)에서 검출 효율은 (m/z)½에 비례하는데, 더 큰 m/z(즉, 더 느린) 이온은 ELIT(434)의 트래핑가능 영역에서 더 길게 머무르기 때문이다. CDMS 기기(400)의 펄스 모드 동작에서, ELIT(434)의 트래핑가능 영역에 있는 모든 이온은 트래핑되고 이들 이온에 대한 검출 효율은 m/z 비율에 의존하지 않는다. 검출 효율에 대해 노멀 모드 비율을 수정한 후, (펄스 모드의 0.0470와 비교하여) 상기 비율은 0.0461로 증가한다. 따라서 강도 비율은 펄스 모드 동작에 의해 크게 영향을 받지 않는다.
m/z 분포가 위에서 설명된 m/zMIN 내지 1.38×m/zMIN 윈도우보다 더 넓으면, 전체 지연 시간(tD)은 상기 분포의 상이한 부분을 트래핑하도록 조정될 수 있다. 예를 들어, 도 15는 CDMS 기기(400)를 사용하여 측정된 피루브산 키나제(PK) 샘플에 대한 CDMS 질량 분포를 보여준다. 질량 분포(804)는 노멀(즉, 비펄스) 조건하에 측정되었고, 여기서 PK 4량체(230 kDa), 8량체(460kDa), 12량체(690 kDa) 및 16량체(920 kDa)로 인한 피크가 분명하다. 펄스 모드에서는 모든 올리고머들(oligomers)을 동시에 투과시키는 것이 가능하지 않다. 그러나 지연 시간(tD)을 조정함으로써 상이한 m/z 대역들을 투과시킬 수 있다. 질량 분포(800)는 4량체를 포함하는 m/z 값을 투과시키도록 최적화된 지연 시간(tD)으로 펄스 모드에서 측정되었으며(약 6,600 Da 내지 9,150 Da 범위의 m/z 값들이 투과됨), 질량 분포(802)는 8량체와 12량체를 투과시키도록 최적화된 지연 시간(tD)으로 펄스 모드에서 측정되었다. 두 경우 모두에서, 투과된 최소 및 최대 질량 대 전하 비율의 비율은 위에서 예측한 값(1.38)에 가깝다. m/z 분포의 부분들을 선택하는 능력은 여러 응용 분야에서 유용하다. 예를 들어 개개의 이온들이 CDMS에서 프로세싱되기 때문에, 유용한 정보를 포함하지 않는 이온을 프로세싱하는 데 시간을 소비하지 않는 것이 유리하다. 따라서 방금 설명한 대로 유용한 정보를 포함하지 않는 m/z 분포의 부분들에 대한 식별은 중요하다. 많은 샘플들이 이 접근 방식을 사용하여 구별될 수 있는 상당한 수의 낮은 질량(low mass) 이온들을 포함하고 있다.
직전에 설명된 기기(400)의 예시된 실시예에서, 이온 질량 및 전하 검출기(434)는 단일-스테이지 정전 선형 이온 트랩(ELIT)의 형태로 제공되지만, 다른 실시예에서 이온 질량 및 전하 검출기(434)는 대안적으로, 다중-스테이지 ELIT, 예를 들어 도 1 내지 도 4e과 관련하여 본 명세서에 설명된 ELIT(14), 또는 예를 들어 도 6 내지 도 8f와 관련하여 본 명세서에 설명된 다수의 단일-스테이지 ELIT들, 또는 일부 실시예에서는, 예를 들어 하기에 설명되는 동시 계류중인 국제특허출원 No. PCT/US2019/013278에 개시된 바와 같은 하나 이상의 오비트랩(orbitraps)의 형태로 제공될 수 있다. 처음 두 경우들에서, 기기(400)의 동작은 다수의 ELIT들 또는 ELIT 스테이지들 각각에 이온을 순차적으로 공급하기 위해 위에 설명된 시스템들(10, 200)의 설명과 일관되게 수정될 수 있다. 도 1 내지 도 4e에 도시된 타입의 다중-스테이지 ELIT의 경우, 최소 및 최대 질량 대 전하 비율 값들이 각각 다소 상이하도록, 각각의 ELIT 영역(예를 들어, E1, E2 및 E3)은 이온 트랩(418)으로부터 점진적으로 더 큰 거리로 이격될 것임에 유의한다. 위의 식 (4)에 의해 주어진 바와 같이, 각각의 ELIT 영역들 내에서 트래핑될 수 있는 질량 대 전하 비율의 범위는 이온 트랩(418)으로부터 ELIT 영역들의 거리가 증가함에 따라 값이 점진적으로 감소할 것이라는 점에 또한 유의해야 한다.
첨부된 도면들에 예시되고 위에서 설명된 ELIT들 및/또는 어레이들(14, 205, 302, 434) 중 임의의 것의 다양한 구성요소의 치수는 예시적으로, 그 안 및/또는 각 ELIT 또는 ELIT 영역(E1-E3) 내에서 이온 진동의 원하는 듀티 사이클(duty cycle) - 하나의 완전한 진동 주기 동안 각각의 전하 검출 실린더(들)(CD1-CD3)에서 이온(들)이 소비한 시간과, 대응하는 이온 미러들과 각각의 전하 검출 실린더(들)(CD1-CD3)의 조합을 횡단하는 이온(들)이 소비한 총 시간의 비율에 해당함 - 을 설정하기 위해 선택될 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들어, 측정 신호의 고조파 주파수 성분으로부터의 기본 주파수(fundamental frequency) 크기 결정에서 노이즈를 줄이기 위한 목적에서, 하나 이상의 ELIT 또는 ELIT 영역에서 약 50%의 듀티 사이클이 바람직할 수 있다. 예를 들어 50%와 같은 원하는 듀티 사이클을 달성하기 위한 치수 고려와 관련된 세부사항은 발명의 명칭이 ELECTROSTATIC LINEAR ION TRAP DESIGN FOR CHARGE DETECTION MASS SPECTROSCOPY이고, 2019년 1월 11일에 출원된, 동시 계류 중인 국제특허출원 No. PCT/US2019/013251에 예시 및 설명되어 있으며, 이 출원의 개시내용은 그 전체가 참고로 본원에 명시적으로 포함된다.
하나 이상의 전하 캘리브레이션 또는 재설정 장치가 ELIT들 및/또는 어레이들(14, 205, 302, 434) 중 임의의 하나 이상의 전하 검출 실린더(들) 및/또는 ELIT 또는 ELIT 어레이의 영역(들)(E1-E3) 중 하나 이상에서 사용될 수 있다는 것이 또한 이해될 것이다. 이러한 전하 캘리브레이션 또는 재설정 장치의 한 예는, 발명의 명칭이 모두 APPARATUS AND METHOD FOR CALIBRATING OR RESETTING A CHARGE DETECTOR이고 동시 계류중인, 2019년 1월 11일에 출원된 국제특허출원 No. PCT/US2019/013284, 및 2019년 6월 4일에 출원된 국제특허출원 No. PCT/US2019/035381에 예시 및 설명되어 있으며, 이 출원들의 개시내용은 그 전체가 참고로 본원에 명시적으로 포함된다.
예를 들어, 트리거 트래핑 또는 기타 전하 검출 이벤트를 위해, 하나 이상의 전하 검출 최적화 기술이 ELIT들 및/또는 어레이들(14, 205, 302, 434) 중 임의의 하나 이상 및/또는 그러한 ELIT들 및/또는 ELIT 어레이의 하나 이상의 영역(들)(E1-E3)에 사용될 수 있다는 것이 또한 이해될 것이다. 일부 그러한 전하 검출 최적화 장치 및 기술의 예들이, 발명의 명칭이 APPARATUS AND METHOD FOR CAPTURING IONS IN AN ELECTROSTATIC LINEAR ION TRAP이고, 2019년 1월 11일에 출원된 동시 계류중인 국제특허출원 No. PCT/US2019/013280에 예시 및 설명되어 있으며, 이 출원의 개시내용은 그 전체가 참고로 본원에 명시적으로 포함된다.
하나 이상의 이온 소스 최적화 장치 및/또는 기술이 본 명세서에 예시되고 설명된 이온 소스(12)의 하나 이상의 실시예에 사용될 수 있다는 것이 또한 이해될 것이며, 그 일부 예들은 발명의 명칭이 모두 HYBRID ION FUNNEL-ION CARPET (FUNPET) ATMOSPHERIC PRESSURE INTERFACE FOR CHARGE DETECTION MASS SPECTROMETRY이고 동시 계류중인, 2019년 1월 11일에 출원된 국제특허출원 No. PCT/US2019/013274, 및 2019년 6월 4일에 출원된 국제특허출원 No. PCT/US2019/035379에 예시 및 설명되어 있으며, 이 출원들의 개시내용은 그 전체가 참고로 본원에 명시적으로 포함된다.
본 명세서에 예시되고 설명된 이온 질량 검출 시스템들(10, 60, 80, 200, 300, 400) 중 임의의 것이 실시간 분석 및/또는 실시간 제어 기술에 따라 구현될 수 있다는 것이 또한 이해될 것이며. 그 일부 예들은 발명의 명칭이 CHARGE DETECTION MASS SPECTROMETRY WITH REAL TIME ANALYSIS AND SIGNAL OPTIMIZATION이고, 2019년 1월 11일에 출원된 동시 계류중인 국제특허출원 No. PCT/US2019/013277에 예시 및 설명되어 있으며, 이 출원의 개시내용은 그 전체가 참고로 본원에 명시적으로 포함된다.
본 명세서에 예시되고 설명된 이온 질량 검출 시스템들(10, 60, 80, 200, 300, 400) 중 임의의 것이 본 명세서에 예시되고 설명된 ELIT들 및/또는 어레이들(14, 205, 302, 434) 중 임의의 하나 이상에 다수의 이온들을 공급하도록 구성되어 그러한 ELIT들 및/또는 ELIT 어레이들 중 하나 이상이 한 번에 다수의 이온들의 질량 및 전하를 측정하도록 동작가능할 수 있다는 것이 또한 이해될 것이며, 그 일부 예들은 발명의 명칭이 APPARATUS AND METHOD FOR SIMULTANEOUSLY ANALYZING MULTIPLE IONS WITH AN ELECTROSTATIC LINEAR ION TRAP이고 2019년 1월 11일에 출원된 동시 계류중인 국제특허출원 No. PCT/US2019/013285에 예시 및 설명되어 있으며, 이 출원의 개시내용은 그 전체가 참고로 본원에 명시적으로 포함된다.
본 명세서에 예시되고 설명된 이온 질량 검출 시스템들(10, 60, 80, 200, 300, 400) 중 하나 이상에서, 적어도 하나의 ELIT가 대안적으로 오비트랩의 형태로 제공될 수 있다는 것이 또한 이해될 것이며, 그 일부 예들은 발명의 명칭이 ORBITRAP FOR SINGLE PARTICLE MASS SPECTROMETRY이고, 2019년 1월 11일에 출원된 동시 계류중인 국제특허출원 No. PCT/US2019/013278에 예시 및 설명되어 있으며, 이 출원의 개시내용은 그 전체가 참고로 본원에 명시적으로 포함된다.
CDMS 기기(400)는 도 5a에 예시되고 위에서 설명된 이온 질량 검출 시스템의 실시예로서(즉, 이온 질량 검출 시스템들(10, 200, 300)에 대한 대안으로서) 추가로 포함될 수 있다는 것이 또한 이해될 것이다. 마찬가지로, CDMS 기기(400)는 도 5b에 예시되고 위에서 설명된 이온 질량 검출 시스템의 실시예로서(즉, 이온 질량 검출 시스템들(10, 200, 300)에 대한 대안으로서) 추가로 포함될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
본 발명이 전술한 도면들 및 설명에서 상세하게 예시되고 설명되었지만, 이들은 예시적인 것이고 특성에 있어 제한적이지 않은 것으로 고려되어야 하며, 본 발명의 단지 예시적인 실시예들이 도시되고 설명되었으며 본 발명의 사상에 속하는 변경 및 수정은 보호됨이 바람직하다는 것이 이해될 것이다.
Claims (22)
- 전하 검출 질량 분석기에 있어서,
샘플로부터 이온들을 생성하도록 구성된 이온 소스,
상기 생성된 이온들을 내부에 수용 및 저장하고 저장된 이온들을 그로부터 선택적으로 방출하는 이온 트랩,
상기 이온 트랩과 이격되며, 제1 이온 미러 및 제2 이온 미러와, 그 사이에 위치된 전하 검출 실린더를 포함하는 정전 선형 이온 트랩(electrostatic linear ion trap, ELIT), 및
상기 이온 트랩을, 그로부터 상기 저장된 이온들 중 적어도 일부를 방출하여 상기 ELIT를 향해 그리고 ELIT 안으로 이동하도록 선택적으로 제어하고, 상기 제1 이온 미러 및 상기 제2 이온 미러를, 상기 ELIT에 그 안에서 이동하는 상기 이온들 중 단일 이온을 트래핑하고, 상기 트래핑된 이온이 상기 제1 이온 미러와 상기 제2 이온 미러 사이에서 앞뒤로 진동하게 하여 매번 상기 전하 검출 실린더를 통과하고 상응하는 전하를 상기 전하 검출 실린더에 유도하는 방식으로 제어하기 위한 수단
을 포함하는, 전하 검출 질량 분석기. - 제1항에 있어서,
상기 전하 검출 실린더에 결합된 입력, 및 출력을 구비하는 전하 감지 증폭기 - 상기 증폭기는 상기 전하 검출 실린더를 통과하는 상기 트래핑된 이온에 의해 상기 전하 검출 실린더에 유도된 전하의 검출에 응답하여 상응하는 전하 검출 신호들을 그 출력에 생성함 -, 및
복수의 상기 전하 검출 신호들로부터 상기 트래핑된 이온의 질량 및 전하를 결정하기 위해 상기 복수의 상기 전하 검출 신호들을 프로세싱하기 위한 수단을 더 포함하는, 전하 검출 질량 분석기. - 제1항에 있어서,
상기 이온 트랩과 상기 ELIT 사이에 위치된 질량 대 전하 비율(mass-to-charge ratio) 필터 - 상기 질량 대 전하 비율 필터는 질량 대 전하 비율 문턱값 을 초과하는, 질량 대 전하 비율 문턱값 미만의, 또는 질량 대 전하 비율의 선택된 범위 내의 질량 대 전하 비율을 갖는 이온들만을 통과시키도록 구성됨 - 를 더 포함하는, 전하 검출 질량 분석기. - 전하 검출 질량 분석기에 있어서,
샘플로부터 이온들을 생성하도록 구성된 이온 소스,
복수의 출력 전압들을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 전압 소스,
상기 복수의 출력 제1 세트의 전압에 결합되고 그 트래핑 상태(trapping state)에 반응하여 상기 생성된 이온들을 내부에 수용 및 저장하고, 그 투과 상태(transmission state)에 반응하여 저장된 이온들을 선택적으로 방출하도록 구성된 이온 트랩,
상기 이온 트랩과 이격되어 있는 정전 선형 이온 트랩(ELIT) - 상기 ELIT는 전방 이온 미러 및 후방 이온 미러와, 그 사이에 위치된 전하 검출 실린더를 포함하고, 상기 전방 이온 미러 및 상기 후방 이온 미러는 상기 복수의 출력 제2 세트의 전압 및 제3 세트에 각각 결합되고, 그 투과 상태들(transmission states)에 응답하여 이온들을 투과시키고 그 반사 상태들(reflection states)에 응답하여 상기 전하 검출 실린더로부터 내부에 들어오는 이온들을 다시 상기 전하 검출 실린더 안으로 반사하도록 구성됨 -,
상기 이온 트랩이 상기 저장된 이온들 중 적어도 일부를 그로부터 방출하여 상기 전방 이온 미러에 의하여 상기 ELIT를 향하여 그리고 상기 ELIT 안으로 이동하게 하기 위해, 상기 제1 세트의 전압을 그 투과 상태로 제어하고,
그 후에, 상기 ELIT 안에서 이동하는 상기 이온들 중 단일 이온을 트래핑하고 상기 트래핑된 이온이 상기 전방 이온 미러와 상기 후방 이온 미러 사이에서 앞뒤로 진동하게 하여 매번 상기 전하 검출 실린더를 통과하고 상응하는 전하를 상기 전하 검출 실린더에 유도하기 위해, 상기 제3 세트의 전압, 이어서 상기 제2 세트의 전압을 그 반사 상태들로 제어하기 위한 프로세싱 회로
를 포함하는, 전하 검출 질량 분석기. - 제4항에 있어서,
상기 전하 검출 실린더에 결합된 입력, 및 출력을 구비하는 전하 감지 증폭기 - 상기 증폭기는 상기 전하 검출 실린더를 통과하는 상기 이온에 의해 상기 전하 검출 실린더에 유도된 전하의 검출에 응답하여 전하 검출 신호들을 그 출력에 생성함 - 를 더 포함하고,
상기 프로세싱 회로는 복수의 상기 전하 검출 신호들로부터 상기 트래핑된 이온의 질량 및 전하를 결정하기 위해 상기 복수의 상기 전하 검출 신호들을 프로세싱하도록 구성되는 것인, 전하 검출 질량 분석기. - 제4항에 있어서,
상기 이온 트랩과 상기 ELIT 사이에 위치된 질량 대 전하 비율 필터 - 상기 질량 대 전하 비율 필터는 질량 대 전하 비율 문턱값을 초과하는, 질량 대 전하 비율 문턱값 미만의, 또는 질량 대 전하 비율의 선택된 범위 내의 질량 대 전하 비율을 갖는 이온들만을 통과시키도록 구성됨 - 를 더 포함하는, 전하 검출 질량 분석기. - 제4항에 있어서,
상기 프로세싱 회로는 상기 제1 세트의 전압을 펄스 폭 지속기간(pulse width duration) 동안 그 트래핑 상태에서 투과 상태로 제어하고, 상기 펄스 폭 지속기간의 만료에 응답하여 상기 제1 세트의 전압을 그 투과 상태에서 트래핑 상태로 제어하도록 구성되는 것인, 전하 검출 질량 분석기. - 제7항에 있어서,
상기 프로세싱 회로는 그 트래핑 상태에서 투과 상태로의 상기 제1 세트의 전압의 제어로부터 제1 지연 시간이 만료되면, 상기 제3 세트의 전압을 그 투과 상태에서 반사 상태로 제어하도록 구성되고,
상기 프로세싱 회로는 그 트래핑 상태에서 투과 상태로의 상기 제1 세트의 전압의 제어로부터 제2 지연 시간이 만료되면, 상기 제2 세트의 전압을 그 투과 상태에서 반사 상태로 제어하도록 구성되고, 상기 제2 지연 시간은 상기 제1 지연 시간보다 큰 것인, 전하 검출 질량 분석기. - 제8항에 있어서,
상기 ELIT에 트래핑된 이온의 질량 대 전하 비율은 상기 제1 및 제2 지연 시간의 합에 비례하고,
상기 제1 및 제2 지연 시간의 합은 상기 ELIT에 트래핑할 이온들의 질량 대 전하 비율의 대응하는 범위를 선택하기 위해 상기 프로세싱 회로에 의해 제어되는 것인, 전하 검출 질량 분석기. - 전방 이온 미러와 후방 이온 미러 사이에 위치된 전하 검출 실린더를 구비하는 정전 선형 이온 트랩(ELIT) 및 상기 전방 이온 미러로부터 이격된 이온 트랩을 포함하는 전하 검출 질량 분석기의 동작 방법으로서,
샘플로부터 이온들을 생성하는 단계,
상기 생성된 이온들을 상기 이온 트랩에 저장하는 단계,
상기 이온 트랩이 상기 저장된 이온들의 적어도 일부를 그로부터 방출하여 상기 전방 이온 미러에 의하여 상기 ELIT를 향하여 그리고 ELIT 안으로 이동시키도록 제어하는 단계,
상기 이온 트랩을 저장된 이온들을 방출하도록 제어한 후, 상기 후방 이온 미러를, 상기 후방 이온 미러가 상기 전하 검출 실린더로부터 내부에 들어오는 이온들을 다시 상기 전하 검출 실린더를 관통해 그리고 상기 전방 이온 미러를 향하여 반사시키는 반사 상태로 제어하는 단계, 및
상기 후방 이온 미러를 그 반사 상태로 제어한 후, 상기 전방 이온 미러를, 상기 전방 이온 미러가 상기 전하 검출 실린더로부터 내부에 들어오는 이온들을 다시 상기 전하 검출 실린더를 관통해 그리고 상기 후방 이온 미러를 향하여 반사시키는 반사 상태로 제어하여, 상기 ELIT에서 상기 이온 트랩에서 방출된 이온들 중 단일 이온을 트래핑하여, 상기 트래핑된 이온이 상기 전방 이온 미러와 상기 후방 이온 미러 사이를 진동하여 매번 상기 전하 검출 실린더를 통과하고 상응하는 전하를 상기 전하 검출 실린더에 유도하도록 하는 단계
를 포함하는, 방법. - 제10항에 있어서,
프로세서로 복수의 상기 유도된 전하의 검출을 프로세싱하여 그로부터 상기 트래핑된 이온의 질량 및 전하를 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제10항에 있어서,
질량 대 전하 비율 문턱값을 초과하는 또는 질량 대 전하 비율 문턱값 미만의 질량 대 전하 비율을 갖거나, 또는 질량 대 전하 비율의 선택된 범위 내의 질량 대 전하 비율을 갖는 이온들만을 상기 ELIT 안으로 통과시키기 위해 상기 이온 트랩으로부터 방출된 이온들을 필터링하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제10항에 있어서,
상기 ELIT 내에서 트래핑가능한 이온의 질량 대 전하 비율의 범위는 상기 이온 트랩과 상기 ELIT 사이의 거리 및 상기 ELIT의 내부 축의 치수의 함수인 것인, 방법. - 제13항에 있어서,
상기 이온 트랩과 상기 ELIT 사이의 대응하는 거리를 설정함으로써 상기 ELIT 내의 이온 질량 대 전하 비율의 선택된 범위를 트래핑하도록 상기 전하 검출 질량 분석기를 구성하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 전하 검출 질량 분석기에 있어서,
샘플로부터 이온들을 생성하도록 구성된 이온 소스,
상기 생성된 이온을 내부에 수용하여 저장하고 저장된 이온을 그로부터 선택적으로 방출하는 이온 트랩,
상기 이온 트랩과 이격되어 있고, 제1 이온 미러 및 제2 이온 미러와, 그 사이에 위치된 전하 검출 실린더를 포함하는 정전 선형 이온 트랩(ELIT) - 상기 제1 이온 미러는 상기 이온 트랩과 대향하고, 상기 이온 트랩의 이온 출구는, 상기 제1 이온 미러와 대향하는 상기 전하 검출 실린더의 제1 단부로부터 제1 거리만큼 이격되어 있고, 상기 전하 검출 실린더의 상기 제1 단부와 상기 제2 미러와 대향하는 상기 전하 검출 실린더의 제2 단부 사이의 상기 전하 검출 실린더의 길이는 제2 거리를 정의하고, 상기 제1 거리와 상기 제2 거리는 상기 ELIT 내에 트래핑가능한 이온들의 질량 대 전하 비율 범위를 정의하도록 선택됨 - , 및
상기 이온 트랩을, 그로부터 상기 저장된 이온들 중 적어도 일부를 방출하여 상기 ELIT를 향해 그리고 ELIT 안으로 이동하도록 선택적으로 제어하고, 상기 제1 이온 미러 및 상기 제2 이온 미러를, 상기 ELIT에 그 안에서 이동하는 상기 이온들 중 적어도 하나의 이온을 트래핑하고, 상기 적어도 하나의 트래핑된 이온이 상기 제1 이온 미러와 상기 제2 이온 미러 사이에서 앞뒤로 진동하게 하여 매번 상기 전하 검출 실린더를 통과하고 상응하는 전하를 상기 전하 검출 실린더에 유도하는 방식으로 제어하기 위한 수단
을 포함하는, 전하 검출 질량 분석기. - 제15항에 있어서,
상기 전하 검출 실린더에 결합된 입력, 및 출력을 구비하는 전하 감지 증폭기 - 상기 증폭기는 상기 전하 검출 실린더를 통과하는 상기 적어도 하나의 이온에 의해 상기 전하 검출 실린더에 유도된 전하의 검출에 응답하여 전하 검출 신호들을 그 출력에 생성함 - 를 더 포함하고,
상기 프로세싱 회로는 복수의 상기 전하 검출 신호들로부터 상기 적어도 하나의 트래핑된 이온의 질량 및 전하를 결정하기 위해 복수의 상기 전하 검출 신호들을 프로세싱하도록 구성되는 것인, 전하 검출 질량 분석기. - 제15항에 있어서,
상기 이온 트랩과 상기 ELIT 사이에 위치된 질량 대 전하 비율 필터 - 상기 질량 대 전하 비율 필터는 질량 대 전하 비율 문턱값을 초과하는, 질량 대 전하 비율 문턱값 미만의, 또는 질량 대 전하 비율의 선택된 범위 내의 질량 대 전하 비율을 갖는 이온들만을 통과시키도록 구성됨 - 를 더 포함하는, 전하 검출 질량 분석기. - 제15항에 있어서,
상기 프로세싱 회로는 상기 제1 세트의 전압을 펄스 폭 지속기간 동안 그 트래핑 상태에서 투과 상태로 제어하고, 상기 펄스 폭 지속기간의 만료에 응답하여 상기 제1 세트의 전압을 그 투과 상태에서 트래핑 상태로 제어하도록 구성되는 것인, 전하 검출 질량 분석기. - 제18항에 있어서,
상기 프로세싱 회로는 그 트래핑 상태에서 투과 상태로의 상기 제1 세트의 전압의 제어로부터 제1 지연 시간이 만료되면, 상기 제3 세트의 전압을 그 투과 상태에서 반사 상태로 제어하도록 구성되고,
상기 프로세싱 회로는 그 트래핑 상태에서 투과 상태로의 상기 제1 세트의 전압의 제어로부터 제2 지연 시간이 만료되면, 상기 제2 세트의 전압을 그 투과 상태에서 반사 상태로 제어하도록 구성되고, 상기 제2 지연 시간은 상기 제1 지연 시간보다 큰 것인, 전하 검출 질량 분석기. - 전방 이온 미러와 후방 이온 미러 사이에 위치된 전하 검출 실린더를 구비하는 정전 선형 이온 트랩(ELIT) 및 상기 전방 이온 미러로부터 이격된 이온 트랩을 포함하는 전하 검출 질량 분석기의 동작 방법으로서,
상기 ELIT 내에 트래핑가능한 이온들의 질량 대 전하 비율의 범위를 설정하기 위해, 상기 이온 트랩의 이온 출구와, 상기 ELIT의 상기 전방 이온 미러와 대향하는 상기 전하 검출 실린더의 일 단부 사이의 제1 거리, 및 상기 전하 검출 실린더의 양 단부 사이의 제2 거리를 선택하는 단계,
샘플로부터 이온들을 생성하는 단계,
상기 생성된 이온들을 상기 이온 트랩에 저장하는 단계,
상기 이온 트랩이 상기 저장된 이온들의 적어도 일부를 그로부터 방출하여 상기 전방 이온 미러에 의하여 상기 ELIT를 향하여 그리고 상기 ELIT 안으로 이동시키도록 제어하는 단계,
상기 이온 트랩을 저장된 이온들을 방출하도록 제어한 후, 상기 후방 이온 미러를, 상기 후방 이온 미러가 상기 전하 검출 실린더로부터 내부에 들어오는 이온들을 다시 상기 전하 검출 실린더를 관통해 그리고 상기 전방 이온 미러를 향하여 반사시키는 반사 상태로 제어하는 단계, 및
상기 후방 이온 미러를 그 반사 상태로 제어한 후, 상기 전방 이온 미러를, 상기 전방 이온 미러가 상기 전하 검출 실린더로부터 내부에 들어오는 이온들을 다시 상기 전하 검출 실린더를 관통해 그리고 상기 후방 이온 미러를 향하여 반사시키는 반사 상태로 제어하여, 상기 ELIT에서 상기 이온 트랩에서 방출된 이온들 중 적어도 하나를 트래핑하여, 상기 적어도 하나의 트래핑된 이온이 상기 전방 이온 미러와 상기 후방 이온 미러 사이를 진동하여 매번 상기 전하 검출 실린더를 통과하고 상응하는 전하를 상기 전하 검출 실린더에 유도하도록 하는 단계
를 포함하는, 방법. - 제20항에 있어서,
프로세서로 복수의 상기 유도된 전하의 검출을 프로세싱하여 그로부터 상기 적어도 하나의 트래핑된 이온의 질량 및 전하를 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제20항에 있어서,
질량 대 전하 비율 문턱값을 초과하는, 또는 질량 대 전하 비율 문턱값 미만의 질량 대 전하 비율을 갖거나, 또는 질량 대 전하 비율의 선택된 범위 내의 질량 대 전하 비율을 갖는 이온들만을 상기 ELIT 안으로 통과시키기 위해 상기 이온 트랩으로부터 방출된 이온들을 필터링하는 단계를 더 포함하는, 방법.
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