Многоканальная регистрация
Масс-спектрометр и способ масс-спектрометрии, в которых заряженные частицы в пучке подвергаются многократным изменениям направления. Регистрирующая установка регистрирует первую часть пучка заряженных частиц и обеспечивает первый выходной сигнал на основе интенсивности зарегистрированной первой части пучка заряженных частиц. Регистрирующая установка регистрирует вторую часть пучка заряженных частиц, которая прошла больший отрезок траектории через масс-спектрометр, чем первая часть пучка заряженных частиц, и обеспечивает второй выходной сигнал на основе зарегистрированной второй части пучка заряженных частиц. Контроллер регулирует параметры пучка заряженных частиц и (или) регистрирующей установки на основе первого выходного сигнала регистрирующей установки, с тем чтобы регулировать второй выходной сигнал регистрирующей установки. Технический результат - повышение разрешения по массе. 3 н. и 48 з.п. ф-лы, 4 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к регистрации заряженных частиц в приборе, в котором траектория полета имеет многократные отражения.
Уровень техники
Во время пролетных (TOF) масс-спектрометрах заряженные частицы ускоряются вдоль траектории полета посредством приложения электрического потенциала, и при помощи регистрирующей установки посредством измерения времени пролета на заданное расстояние определяется отношение массы к заряду (m/z). При выборе регистрирующей установки могут приниматься во внимание следующие соображения: время срабатывания детектора; динамический диапазон детектора; наименьший регистрируемый сигнал (предел чувствительности); способность регистрировать множество заряженных частиц, одновременно попадающих в детектор; временное разрешение детектора, которое является способностью различать частицы, попадающие в детектор в разное время.
Время, требуемое заряженной частице для того, чтобы достигнуть заданной точки или плоскости, зависит от начальной кинетической энергии, отношения m/z и длины траектории полета. Ортогональные времяпролетные масс-спектрометры обычно имеют относительно короткую траекторию полета. Поэтому частицы с различным m/z отношением не будут существенно различаться по времени пролета, и таким образом у этих масс-спектрометров ограниченное разрешение по массе даже в отношении четко ограниченных ионных пучков и при наличии быстрых систем сбора данных. Применимый на практике широкий динамический диапазон обеспечивается в этих времяпролетных спектрометрах посредством суммирования большого количества спектров, причем каждый спектр обычно содержит от десятков до сотен зарегистрированных ионов. Кроме того, можно применять детекторы с несколькими анодами, причем каждый анод имеет отдельный выход.
Длину траектории полета можно увеличить без значительного увеличения размера прибора, если подвергнуть заряженный пучок частиц многократному отражению, сворачивая тем самым траектории ионов внутри ограниченного объема. Это достигается посредством применения множества электростатических ионных зеркал или многократных электростатических секторов либо любого сочетания вышеупомянутого. Во многих случаях множество зеркал или секторов можно заменить совмещенной конструкцией, вытянутой вдоль направления, по существу перпендикулярного направлению времяпролетного разделения. Степень, до которой желательно увеличить длину траектории полета, зависит от характеристик регистрирующей установки.
Все эти системы характеризуются множеством сегментов, у каждого сегмента имеется область ускорения ионов (то есть область отражения или отклонения), за которой следует область, где такое ускорение относительно небольшое (то есть по существу область, лишенная поля). Здесь и далее все такие системы будут называться системами TOF с многократным отражением.
С ионно-оптической точки зрения системы TOF с многократным отражением являются подклассом более общего класса электростатических ловушек и могут подразделяться на системы TOF с многократным отражением "открытого типа" и "закрытого типа". "Открытый тип" относится к системам, в которых траектории ионов не могут ограничиваться пределами ловушки в течение неопределенного времени, а только на время ограниченного числа отражений. Как правило, траектория иона не отражается сама на себя. Такие системы не страдают от ограничений на диапазон масс, типичных для электростатических ловушек "закрытого типа", где ионы вынуждают проходить по существу по той же траектории и поэтому различные области диапазона отношения m/z все более и более перекрываются.
Основное преимущество времяпролетных масс-спектрометров с многократным отражением состоит в увеличении траектории полета и, следовательно, времени пролета. Таким образом, увеличивается разница во времени пролета между частицами с различными отношениями m/z (то есть дисперсия TOF), что ведет к повышению разрешения по массе. В то же время, поскольку время пролета увеличивается, частота повторения уменьшается. Уменьшенная частота повторения уменьшает число спектров, которые можно суммировать, и, следовательно, ограничивает динамический диапазон, обеспечиваемый спектрометром, за данный промежуток времени.
Коэффициент заполнения анализа также уменьшается, но его можно восстановить, применяя устройства накопления ионов для накопления ионов между их вводом в TOF. Однако применение устройств накопления ионов для сохранения коэффициента заполнения повышает число ионов в каждом максимуме масс-спектра, тем самым увеличивая диапазон интенсивностей в одном сбросе за пределы возможностей известных детекторов.
Следовательно, существующие TOF-приборы не могут обеспечить высокое разрешение по массе вместе с широким динамическим диапазоном. Поэтому они не могут установить различие между одним типом частиц с первым отношением m/z, имеющихся в большом количестве в заряженном пучке частиц, и вторым типом частиц с отношением m/z, близким к первому отношению m/z, но имеющихся в пучке в небольшом количестве.
Сущность изобретения
С учетом уровня техники настоящее изобретение обеспечивает, в первом аспекте, масс-спектрометр, содержащий: систему электродов для вынуждения заряженных частиц в пучке подвергаться множеству изменений направления; регистрирующую установку, выполненную с возможностью регистрации первой части пучка заряженных частиц в первое время регистрации и выдачи первого выходного сигнала на основе интенсивности зарегистрированной первой части пучка заряженных частиц, причем регистрирующая установка дополнительно выполнена с возможностью регистрации второй части пучка заряженных частиц во второе время регистрации и выдачи второго выходного сигнала на основе на зарегистрированной второй части пучка заряженных частиц.
Первый выходной сигнал содержит информацию об интенсивности зарегистрированной первой части пучка заряженных частиц. Первый выходной сигнал может быть, таким образом, выполнен с возможностью выдачи сигнала, который изменяется в зависимости от интенсивности зарегистрированной первой части пучка заряженных частиц. Предпочтительно, чтобы первый выходной сигнал дополнительно зависел от времени пролета зарегистрированной первой части пучка заряженных частиц. Предпочтительно, чтобы регистрирующая установка была выполнена с возможностью регистрации первой части пучка заряженных частиц в месте временной фокусировки. Обычно это приводит к улучшению характеристик. Вместо этого или в дополнение к этому регистрирующая установка может быть выполнена с возможностью регистрации второй части пучка заряженных частиц в месте временной фокусировки.
Кроме этого, масс-спектрометр содержит контроллер, выполненный с возможностью регулирования параметров пучка заряженных частиц и (или) регистрирующей установки на основе первого выходного сигнала регистрирующей установки, чтобы регулировать второй выходной сигнал регистрирующей установки. Тем самым контроллер может использовать информацию об интенсивности зарегистрированной первой части заряженного пучка частиц, полученную от первого выходного сигнала.
Предпочтительно это обеспечивается устройством многократного отражения, имеющего удлиненную траекторию полета, в котором первый выходной сигнал регистрирующей установки можно использовать для регулирования второго выходного сигнала от регистрирующей установки. Такая конфигурация может обеспечить оптимизацию в пределах линейного диапазона детектора, защиту детекторов от насыщения или от шума (вызванного, например, рассеянными ионами), повышение пропускной способности, улучшение разрешения по массе для интенсивного пучка ионов и повышение динамического диапазона. Контроллер может предпочтительно регулировать второй выходной сигнал регистрирующей установки, чтобы он находился в требуемом диапазоне. Требуемый диапазон может, соответственно, устанавливаться таким образом, чтобы обеспечивать достижение каждого из этих улучшений. Эти устройства многократного отражения могут включать в себя многосекторные приборы.
Система электродов, предпочтительно, выполнена с возможностью вынуждать заряженные частицы в пучке претерпевать многократные изменения направления на угол, по меньшей мере, 45 градусов. Как вариант, система электродов выполнена с возможностью вынуждать заряженные частицы в пуске претерпевать многократные отражения.
Предпочтительно, система электродов определяет траекторию полета пучка заряженных частиц, а регистрирующая установка расположена по существу ближе к концу этой траектории полета, например на последних 50% траектории полета, или, более предпочтительно, на последних 20%, 10% или 5% траектории полета. При расположении детекторов еще ближе к концу траектории полета ионы в каждом импульсе почти в максимальной степени разделяются по времени в соответствии со своим отношением массы к заряду, что обеспечивает максимальное разрешение по массе.
В предпочтительном варианте выполнения система электродов вынуждает заряженные частицы в пучке претерпевать по меньшей мере 3 отражения. В частности, можно использовать по меньшей мере 5, 10, 20, 100 или 200 отражений. При соответствующей конструкции ионных зеркал (например, фокусировка TOF по энергии 3-го или более высокого порядка и фокусировка по другим начальным параметрам 1-го или 2-го порядка) чем длиннее траектории полета, тем лучше разрешение по массе.
В некоторых вариантах выполнения второй выходной сигнал регистрирующей установки может быть основан на времени пролета зарегистрированной второй части пучка заряженных частиц. Вместо этого или в дополнение к этому второй выходной сигнал может быть основан на интенсивности зарегистрированной второй части пучка заряженных частиц. В особенности это относится к времяпролетным масс-спектрометрам, в которых каждый выходной сигнал от регистрирующей установки записывается в виде интенсивности сигнала от детектора, принятого в данное время. Таким образом, выходной сигнал содержит информацию как об интенсивности, так и о времени пролета зарегистрированной части пучка заряженных частиц.
Когда второй выходной сигнал основан на времени пролета зарегистрированной второй части пучка заряженных частиц, контроллер может быть выполнен с возможностью регулирования второго выходного сигнала, который основан на времени пролета, на основе первого выходного сигнала. Поэтому второй выходной сигнал можно регулировать. Таким образом, измеренное время пролета пика от второго выходного сигнала может быть смещено на основе интенсивности в пике в первом выходном сигнале, так что поправки времени пролета в окрестности интенсивных пиков могут отличаться от поправок времени пролета для других массовых пиков.
В случае, когда второй выходной сигнал основан на интенсивности зарегистрированной второй части пучка заряженных частиц, второй выходной сигнал, который содержит информацию об интенсивности, может регулироваться с использованием первого выходного сигнала, который также содержит информацию об интенсивности. В таких вариантах выполнения можно не допустить насыщения регистрирующей установки при регистрации второй части ионного пучка посредством управления регистрирующей установкой на основе первого выходного сигнала.
Регистрирующая установка может включать в себя единственный детектор, расположенный в области временной фокусировки, для обеспечения первого выходного сигнала для первой части пучка заряженных частиц и затем второго выходного сигнала для второй части пучка заряженных частиц. В альтернативном варианте регистрирующая установка может включать в себя первый детектор, расположенный в первой области временной фокусировки, для обеспечения первого выходного сигнала для первой части пучка заряженных частиц, и второй детектор, расположенный во второй области временной фокусировки, для обеспечения второго выходного сигнала для второй части пучка заряженных частиц. В этом случае первая часть ионного пучка может быть, в одном из вариантов, меньше второй части ионного пучка. Вторая часть ионного пучка может по меньшей мере в 3 раза превосходить по размеру первую часть. В альтернативных вариантах вторая часть может в 5, 10, 20, 50 или в 100 раз превосходить первую часть. В одном из вариантов вторая часть пучка содержит все остальные ионы, не зарегистрированные в первой части пучка.
Если регистрирующая установка содержит множество детекторов, то первый детектор и второй детектор могут, в одном из вариантов, содержать по меньшей мере один общий каскад усиления. Детекторы предпочтительно можно объединить в одних и тех же конструктивных элементах. Детекторы предпочтительно могут совместно использовать общую микроканальную пластину или микроканальные пластины, поскольку стоимость пластин может быть высокой.
Контроллер может быть выполнен с возможностью управлять чувствительностью второго детектора на основе первого выходного сигнала первого детектора, с тем чтобы регулировать второй выходной сигнал. Однако в дополнение к этому или вместо этого регистрирующая установка предпочтительно варианта выполнения может содержать первый модулятор, расположенный между первым детектором и вторым детектором. Первый модулятор может не допустить перехода некоторой доли пучка заряженных частиц ко второму детектору, причем доля определяется на основе первого выходного сигнала указанного первого детектора. Таким образом, контроллер может управлять вторым входным сигналом, не допуская попадания некоторой доли пучка во второй детектор и обеспечивая тем самым второй выходной сигнал указанного второго детектора в пределах требуемого диапазона. Достоинство этого подхода состоит в том, что выходным сигналом второго детектора можно быстро управлять, не прибегая к регулировке чувствительности второго детектора, то есть без регулировки соответствующей электроники. Кроме того, не допускается насыщение второго детектора и сопутствующие ему неблагоприятные эффекты (такие как сокращение срока службы второго детектора, размытие пика и наложение помех). Тем не менее можно, разумеется, одновременно управлять посредством модулятора числом ионов в пучке, которое попадает во второй детектор, и также управлять/регулировать чувствительность этого второго детектора.
В одном из вариантов модулятор выполнен с возможностью отклонять по меньшей мере часть пучка заряженных частиц предпочтительно в направлении перегородки или подальше от ионных оптических элементов. Модулятор может в одном из вариантов уменьшить количество ионов, зарегистрированных в качестве части второй части пучка заряженных частиц на основе превышения первым выходным сигналом регистрирующей установки заданного порога. Это можно использовать для недопущения попадания интенсивных частей ионного пучка во второй детектор. Модулятор предпочтительно расположен в области временной фокусировки. Регистрирующая установка может содержать второй выходной элемент, который обеспечивает второй выходной сигнал. Модулятор может в этом случае быть предпочтительно расположен в области временной фокусировки непосредственно за указанным вторым выходным элементом.
Преимущество такого подхода по сравнению с альтернативными вариантами состоит в том, что его проще реализовать, например, используя единственный детектор сначала при низком коэффициенте усиления, а затем при более высоком коэффициенте усиления. В вариантах выполнения с использованием множества детекторов быстрые изменения или невоспроизводимость в поступающих пакетах ионов не влияют на отношение между соответствующими интенсивностями в максимуме масс-спектра первого и второго выходных сигналов. Поэтому максимумы обоих выходных сигналов можно непрерывно использовать для восстановления истинной интенсивности первоначального пакета ионов, что позволяет обеспечить лучшую линейность характеристики. Кроме того, двукратное уменьшение коэффициента заполнения также благоприятно влияет работу прибора.
В одном из вариантов регистрирующая установка может содержать третий детектор и второй модулятор. В этом случае детектор может быть дополнительно выполнен с возможностью регулировать параметры регистрирующей установки (например, ионного пучка на третьем входе) на основе выходного сигнала первого детектора и, вместо этого или в дополнение к этому, на основе выходного сигнала второго детектора. Третий детектор может зарегистрировать большую часть пучка, чем второй детектор. В одном из вариантов третий детектор может регистрировать пучок, в 3, 5, 10, 20, 50 или 100 раз превосходящий по размеру пучок второго детектора. В одном из вариантов третий детектор регистрирует всю часть пучка заряженных частиц, не зарегистрированную ни первым детектором, ни вторым детектором.
В предпочтительном варианте выполнения спектрометр дополнительно содержит источник ионов, выполненный с возможностью генерации заряженных частиц; систему ускоряющих электродов, выполненную с возможностью ускорять заряженные частицы для формирования пучка. Масс-спектрометр может дополнительно содержать импульсный накопитель ионов. Это может быть накопитель ионов с осевым или поперечным выводом.
Во втором аспекте настоящее изобретение обеспечивает способ масс-спектрометрии, содержащий этапы, на которых: вынуждают пучок заряженных частиц подвергаться множественным отражениям при помощи системы электродов; регистрируют первую часть пучка заряженных частиц в области временной фокусировки при помощи регистрирующей установки, причем регистрирующая установка имеет первый выходной сигнал, зависящий от зарегистрированной первой части пучка заряженных частиц; регистрируют вторую часть пучка заряженных частиц в области временной фокусировки при помощи регистрирующей установки, причем регистрирующая установка имеет второй выходной сигнал, зависящий от зарегистрированной второй части пучка заряженных частиц; регулируют параметры пучка заряженных частиц и (или) регистрирующей установки на основе первого выходного сигнала регистрирующей установки, с тем чтобы регулировать второй выходной сигнал регистрирующей установки.
Краткое описание чертежей
Изобретение может быть реализовано различными способами, один из которых описан ниже исключительно посредством примера и со ссылкой на сопроводительные чертежи, в том числе:
На фиг.1 приведен масс-спетрометр согласно настоящему изобретению.
На фиг.2а приведен вид сбоку детектора, предназначенного для использования в масс-спектрометре, показанном на фиг.1.
На фиг.2b приведен вид спереди детектора, показанного на фиг.2а.
На фиг.3 приведен масс-спектрометр, показанный на фиг.1, с компактным двухкаскадным детектором.
Описание предпочтительного варианта выполнения
На фиг.1 приведен масс-спектрометр согласно настоящему изобретению.
Масс-спектрометр содержит: источник 10 ионов; множество ионных зеркал 40, которые отклоняют пучок 35 заряженных частиц; регистрирующую установку, включающую в себя первый детектор 50 заряженных частиц и второй детектор 60 заряженных частиц. Заряженные частицы генерируются источником ионов, формируются в пучок 35 заряженных частиц и многократно отражаются ионными зеркалами 40. Большое число ионных зеркал 40 позволяют пучку ионов проходить длинную траекторию полета внутри прибора разумных размеров.
Масс-спектрометр на фиг.1 также включает в себя: предварительную ловушку 20; накопитель 30 ионов; необязательную транспортную электрическую секцию (или эквивалентную оптику для транспортировки ионов) 110; ячейку 120 фрагментации и транспортную многополюсную линзу 130. Регистрирующая установка масс-спектрометра дополнительно содержит: первый модулятор 70; второй модулятор 80; третий детектор 90.
Такая компоновка, и в особенности большое число ионных зеркал (которые могут обеспечить сотни отражений), означает, что заряженные частицы удерживаются внутри спектрометра многократного отражения в течение относительно длительного времени, так чтобы они проходили большое расстояние внутри прибора. Это расстояние может составлять от нескольких метров для портативных приборов до нескольких километров для больших лабораторных приборов, но оно всегда значительно превышает физическую длину соответствующей вакуумной камеры. Для сравнения, традиционные ортогональные времяпролетные спектрометры обеспечивают траекторию полета, которая обычно не более чем в 2-4 раза превышает длину вакуумной камеры. При соответствующей конструкции зеркал увеличенное время прохождения частиц в спектрометре преобразуется в увеличенное временное разделение частиц, имеющих разные отношения массы к заряду и, следовательно, увеличенное разрешение по отношению массы к заряду.
Частицы с одинаковым отношением m/z могут иметь различные начальные кинетические энергии. Спектрометр предпочтительно сконструирован таким образом, что между зеркалами имеется по меньшей мере одна точка или плоскость временной фокусировки. Это такие места на траектории полета, в которые заряженные частицы с данным отношением m/z приходят одновременно, независимо от их начальной энергии, координат или углов с точностью до приближения 1-го, 2-го, 3-го или более высокого порядка.
Затем пучок заряженных частиц проходит через регистрирующую установку, расположенную в конце траектории полета, начиная с первого детектора 50. Первый детектор 50 расположен в точке или на плоскости временной фокусировки. Второй детектор 60 расположен во второй точке или на второй плоскости временной фокусировки. Расположение этих детекторов в точке временной фокусировки позволяет свести к минимуму разброс по времени пролета для частиц, имеющих одно и то же отношение m/z. Важно, чтобы ионы с несколько различным m/z можно было разделить во времени, когда они попадают в детекторы, и, следовательно, можно было дифференцировать.
Расстояние по траектории полета заряженных частиц между первым и вторым детекторами таково, что информация, полученная от первого детектора, может использоваться в реальном времени прежде, чем соответствующие заряженные частицы попадут во второй детектор, например примерно через несколько десятков микросекунд.
Это дает достаточно времени для регулировки параметров регистрирующей установки, в частности для улучшения работы последующих детекторов, так чтобы их выходной сигнал находился в пределах допустимого диапазона. Это выполняется несколькими способами.
Инструментальные параметры следующего детектора можно регулировать, например, для повышения эффективности регистрации следующего детектора, посредством регулировки управляющих электрических потенциалов. Например, это можно использовать для изменения коэффициента усиления или чувствительности второго детектора, содержащего электронный умножитель. Это можно использовать для недопущения вхождения второго сигнала в режим насыщения или снижения выходного сигнала ниже уровня шума устройства и можно использовать для нормирования выходного сигнала второго детектора, с тем чтобы можно было точно измерять как маленькие, так и большие сигналы от зарегистрированных заряженных частиц.
Некоторые или все из соответствующих ионов можно отклонить от вторых следующих детекторов, например, для защиты этих следующих детекторов от перегрузки. Для управления пучком ионов в ответ на выходной сигнал первого детектора 50 предусмотрен первый модулятор 70. Например, если в определенное время поступления, соответствующее данному отношению m/z, первый детектор регистрирует большой избыток частиц, модулятор может в ответ отклонить часть пучка с таким отношением m/z от второго детектора 60, чтобы не допустить насыщения второго детектора 60. Применение модулятора в сочетании с длинным траекторией полета и достаточным расстоянием между первым и вторым детекторами дает достаточно времени для управления этой модуляцией таким образом, что отклоняется только та часть пучка, которая может вызвать насыщение второго детектора 70.
Модулятор расположен предпочтительно во временном фокусе между датчиками и включается для отклонения пакета заряженных частиц через некоторое время после регистрации части пучка на поверхности первого детектора. Эта временная задержка соответствует времени, требуемому для прохождения заряженных частиц от поверхности первого детектора до модулятора пучка, и может составлять от нескольких до нескольких десятков микросекунд. Если же сигнал, зарегистрированный на первом детекторе, ниже порога, заряженные частицы в соответствующем пакете пучка не отклоняются, но пропускаются к поверхности второго детектора.
Регистрация пакета заряженных частиц в первом детекторе используется также для индикации того, что недостаточное или слишком большое число заряженных частиц было отобрано и введено в ловушку или спектрометр, в каковом случае на основании этих данных может быть принято решение прекратить анализ этих заряженных частиц и произвести повторную выборку меньшей или большей доли заряженных частиц для улучшения пропускной способности прибора.
В приведенном варианте выполнения предусмотрен третий детектор 90. Третий детектор имеет иную эффективность регистрации по сравнению с первым и вторым детектором. Каждая регистрирующая поверхность обеспечивается в целом отличающейся (обычно возрастающей) эффективностью регистрации. Иными словами, каждый детектор перехватывает другую долю пучка заряженных частиц. Затем при помощи первого и второго детекторов управление всеми тремя детекторами может осуществляться таким образом, чтобы они функционировали в пределах их линейного динамического диапазона.
В фокусе TOF между вторым и третьим детекторами предусмотрен второй модулятор 80 для отклонения пучка на основе первого и второго детекторов. Часть пучка может быть отклонена в направлении третьего детектора 90.
Часть пучка 100 заряженных частиц может быть отклонена к необязательной электрической секции 110. При этом пучок отклоняется к ячейке 120 фрагментации (которая также может использоваться для накопления ионов), транспортной многополюсной линзе 130 и к накопителю 30 ионов, откуда пучок может быть вновь выведен на траекторию 35 в направлении ионных зеркал 40. Этот цикл отбора, (необязательной) фрагментации/реакции в ячейке 120 и инжекции в масс-анализатор может повторяться многократно.
Отклонение к электрической секции 110 и ячейке 120 может выполняться любым из модуляторов. Эта конструкция может служить нескольким целям, например для обогащения небольших компонент и отбора только интенсивных пиков (например, для экспериментов MS/MS). Отобранные интенсивные пики предпочтительно обходят датчики или модуляторы, расположенные далее.
При помощи такой конструкции частоту повторений необходимо уменьшить по сравнению с ортогональными времяпролетными масс-спектрометрами.
Ортогональные времяпролетные масс-спектрометры могут иметь частоту повторения, равную многим тысячам раз в секунду, и строится спектр отношения массы к заряду посредством суммирования многих спектров за несколько секунд. В то же время ловушкам или спектрометрам с многократным отражением, колебательного типа или орбитального типа, может требоваться от нескольких миллисекунд до нескольких сотен миллисекунд для записи одного спектра высокого разрешения.
Весьма желательно, чтобы большое число заряженных частиц отправлялось в путь одновременно, так чтобы записанный сигнал содержал как можно больше ионов. Для этой цели были разработаны высокоспециализированные устройства инжекции ионов для управляемой инжекции до сотен тысяч ионов в такие ловушки или спектрометры.
На фиг.2а приведен вид сбоку детектора с электронным умножителем для применения в масс-спектрометре, изображенном на фиг.1. Детектор содержит конверсионную сетку 210; компенсирующий электрод 220 и микроканальные пластины 240. Заряженные частицы 230 направляются к конверсионной сетке 210. Некоторые из заряженных частиц перехватываются конверсионной сеткой 210, генерирующей электроны 250, которые затем регистрируются микроканальными пластинами 240.
На фиг.2b приведен вид спереди детектора согласно фиг.2а. Показаны три конверсионные сетки 210 и микроканальные пластины 240. В данном варианте выполнения каждый из этих трех детекторов имеет различную эффективность регистрации. Первый детектор выполнен с использованием проводящей сетки с 99% пропусканием, второй выполнен с использованием проводящей сетки с 90% пропусканием, а третий - с использованием сплошной проводящей поверхности детектора.
Затем, если первая поверхность детектора, которая перехватывает 1% заряженных частиц, создает сигнал, превышающий установленный порог, регистрацию с использованием второго детектора или третьего детектора можно не допустить, отклонив соответствующий участок диапазона масс в пучке заряженных частиц до того, как он достигнет второй поверхности детектора, при помощи модулятора 70 пучка или модулятора 80 пучка.
Динамический диапазон детекторов с электронным умножителем остается по существу линейным для частот поступления заряженных частиц до ~106 частиц в секунду для непрерывных пучков и до 108-109 для импульсных пучков. При более высокой частоте поступления выходной сигнал от умножителя становится нелинейным, а кроме того, его отклик растягивается на непропорционально длительный промежуток времени (называемый размытием пика). Эта нелинейность и время размытия пика приводят к тому, что детектор теряет способность точно записывать более слабый сигнал, поступивший вскоре после первого. Кроме того, в случае более интенсивных ионных сигналов страдают разрешение по массе и точность определения массы, поскольку в этом случае детектор испускает больший заряд.
Во времяпролетных масс-спектрометрах многократного отражения длительное время пролета приводит к высокому разрешению. Затем все фокусируемые во времени ионы с одинаковым отношением массы к заряду могут поступить во временную фокальную точку в пределах ~5-20 наносекунд. Следовательно, линейный динамический диапазон в таком случае составляет всего лишь приблизительно 10-50 ионов на пик, что соответствует частоте поступления ионов в пике ~2×109 ионов в секунду. Применение в вышеописанном варианте выполнения трех регистрирующих поверхностей означает, что 10-50 ионов, которые может зарегистрировать первый детектор, соответствуют 1000-5000 ионам в пике масс-спектра. 10-50 ионов, которые может зарегистрировать второй детектор, соответствуют ~100-500 ионам в первоначальном пике масс-спектра. Последний детектор регистрирует ионы в диапазоне от единиц ионов до 50 ионов. Таким образом, применение этих трех детекторов в этом примере увеличивает полезный динамический диапазон детектора на 2 порядка величины.
Расстояние между детекторами определяется периодом ионных зеркал 40. Этот период обычно значительно превышает типичный размер микроканальных пластин, используемых на фиг.2. На фиг.3 приведен масс-спектрометр, изображенный на фиг.1, в котором используется компактный двухкаскадный детектор. Для обеспечения более компактного и более дешевого детектора без уменьшения пространственного периода зеркал 40 используются первый дефлектор 80 и затем дефлектор 70 для направления ионов по петлеобразной траектории 310, так чтобы ионы регистрировались затем детектором 300. Этот вариант выполнения позволяет реализовать регистрирующую установку при помощи компактного объединенного детектора с маленькими микроканальными пластинами.
Хотя в настоящей заявке был описан конкретный вариант выполнения, специалист может представить себе различные варианты видоизменения и замены. Например, хотя вышеописанный вариант выполнения содержит три детектора, специалисту должно быть понятно, что можно применять гораздо большее число детекторов. Аналогично можно изменять число модуляторов.
Хотя длинные траектории полета предпочтительного варианта выполнения являются желательными, в настоящее время из-за существующих ограничений на детекторы и электронику это не должно считаться ограничением изобретения.
Хотя настоящее изобретение может применяться для регулирования регистрируемой интенсивности второй части ионного пучка, его можно также применять для регулирования других измеряемых характеристик второй части ионного пучка. Например, регистрируемое отношение m/z второй части ионного пучка можно регулировать следующим образом.
Положение пика во втором выходном сигнале может регулироваться в зависимости от полного заряда инжектированных ионов. Величина регулировки определяется по результатам калибровочных экспериментов. Однако времяпролетные смещения в окрестности интенсивных пиков во второй части ионного пучка могут отличаться от времяпролетных смещений ионов, время пролета которых не находится в окрестности интенсивного пика. Такой эффект может быть вызван эффектами пространственного заряда во время многократных отражений, а также физическими ограничениями самого детектора (например, задержкой восстановления распределения напряжений на делителе напряжений после интенсивного импульса тока). Поэтому, когда первый детектор обнаруживает интенсивный пик, выходной сигнал второго детектора регулируется для компенсации иной ошибки времени пролета по сравнению с другими ионами.
В альтернативном варианте настоящее изобретение может быть реализовано при помощи единственного детектора. При первом проходе детектор регистрирует первую часть пучка заряженных частиц и создает первый выходной сигнал. Затем в зависимости от первого выходного сигнала детектора модулируется пучок заряженных частиц или регулируются параметры детектора перед тем или одновременно с тем, как пучок заряженных частиц ускоряется вокруг масс-спектрометра для второго прохода. На последующих проходах детектор регистрирует вторую часть пучка заряженных частиц.
Когда настоящее изобретение реализуется с одним детектором и пучок заряженных частиц модулируется, модулятор предпочтительно расположен в одной из областей времяпролетной фокусировки, находящихся перед детектором. В предпочтительном варианте выполнения модулятор предпочтительно помещается в область времяпролетной фокусировки, расположенную непосредственно перед детектором, поскольку в этой точке времяпролетная дисперсия максимальна.
В этом контексте модуляция означает удаление чрезмерно интенсивных пиков и обеспечение пропуска пиков низкой интенсивности. На первом выходном сигнале можно использовать порог, так что если интенсивность пика, зарегистрированного в первой части пучка заряженных частиц, превосходит порог, вторая часть ионного пучка модулируется таким образом, чтобы уменьшить интенсивность пика и тем самым повысить чувствительность регистрации к другим соседним пикам. В отличие от некоторых существующих систем модуляция в этом контексте не относится к ослаблению всего пучка.
Изобретение может быть реализовано в различных приборах, в том числе ловушках и спектрометрах многократного отражения, колебательного типа или орбитального типа.
Настоящее изобретение может также применяться к так называемым ловушкам "закрытого типа".
Регистрирующая установка может содержать преобразующий динод и электронный умножитель, в котором используется технология быстрого переключения высокого напряжения. Эта регистрирующая установка может быть расположена таким образом, что при многократных отражениях ионный пучок проходит между динодом и электронным умножителем, так чтобы можно было отобрать пакеты ионов с высоким временным разрешением.
Еще один вариант выполнения настоящего изобретения содержит масс-спектрометр, у которого траектория полета делится на множество пространственно разделенных участков, причем по меньшей мере первый участок содержит систему электродов для вынуждения заряженных частиц в пучке подвергаться множественным отражениям. Пучок может быть направлен по первому участку или первому множеству участков в течение заданного числа колебаний. Затем пучок заряженных частиц направляется по последнему участку или участкам для последнего числа проходов.
Регистрирующая установка расположена на последнем участке или участках. Как описано выше, регистрирующая установка может включать в себя первый детектор и второй детектор или только один детектор.
Альтернативный вариант выполнения настоящего изобретения сходен с предпочтительным вариантом выполнения, но обеспечивает обходную систему электродов, расположенную на траектории полета, но перед регистрирующей установкой, которая выполнена с возможностью отклонения пучка заряженных частиц таким образом, чтобы он продолжал полет по траектории полета, но обходил регистрирующую установку. В этом случае пучок заряженных частиц можно ускорять вдоль траектории полета на протяжении множества петель, что увеличивает длину траектории пролета. Затем обходная система электродов отключается, что вынуждает пучок заряженных частиц пройти через детекторы и быть зарегистрированным.
Модулятор может быть выполнен с возможностью направления ионов к следующему этапу анализа, например направления пучка к другому участку траектории полета, возврата заряженных частиц во внешнее накопительное устройство или направления пучка в ячейку фрагментации.
Восстановление масс-спектра может быть выполнено при помощи выходных сигналов всех детекторов в масс-спектрометре с применением специфических для каждого детектора масштабных коэффициентов для соответствующих областей масс-спектра. Восстановление спектра может дополнительно включать в себя алгоритмы обратной свертки, особенно в случае, когда на части траектории полета разные детекторы совместно используют одну и ту же траекторию или ионы отражаются на одну и ту же траекторию.
Первый выходной сигнал может использоваться модулятором для физического выбора интенсивных пакетов ионов (то есть определенных пиков масс-спектра), например для применения MS/MS или MSn, следующим образом. На первом этапе выбираются материнские частицы с определенными отношениями m/z (например, N наиболее интенсивных пиков при предыдущем сканировании или из пользовательского списка и т.д.). Эти отношения m/z преобразуются в значения времени пролета в соответствии данными калибровки детектора, и эти значения сохраняются в памяти системы сбора данных.
Затем детектор регистрирует некоторый набор пиков, и система сбора данных сравнивает измеренные времена пролета с заранее рассчитанными временами пролета. Если значения совпадают в пределах допуска, на модуляторе вычисляются времена пролета согласно калибровочным данным для модулятора. Времена пролета для модулятора отличаются от времен пролета для детектора, поскольку модулятор расположен дальше в следующей области временной фокусировки. Затем модулятору посыпают запускающие сигналы для того, чтобы вызвать отклонение ранее зарегистрированных пиков либо к столкновительной камере (если установлено, что пики являются материнскими пиками), либо к поглотителю пучка (если их следует удалить). В любом случае выбранные пакеты ионов не должны проходить через следующие детекторы или вблизи них.
1. Масс-спектрометр, содержащий:
систему электродов для вынуждения заряженных частиц в пучке подвергаться множественным изменениям направления;
регистрирующую установку, выполненную с возможностью регистрации первой части пучка заряженных частиц, который проходит по первому отрезку траектории через масс-спектрометр, и обеспечения первого выходного сигнала на основе интенсивности зарегистрированной первой части пучка заряженных частиц, при этом регистрирующая установка дополнительно выполнена с возможностью регистрации второй части пучка заряженных частиц, которая проходит по второму отрезку траектории через масс-спектрометр, причем второй отрезок траектории превышает первый отрезок траектории, и обеспечения второго выходного сигнала на основе зарегистрированной второй части пучка заряженных частиц, и
контроллер, выполненный с возможностью регулировки параметров пучка заряженных частиц и (или) регистрирующей установки на основе первого выходного сигнала регистрирующей установки с тем, чтобы регулировать второй выходной сигнал регистрирующей установки.
2. Масс-спектрометр по п.1, в котором система электродов выполнена с возможностью вынуждения заряженных частиц в пучке подвергаться многократным изменениям направления по меньшей мере на 45°.
3. Масс-спектрометр по п.1, в котором система электродов выполнена с возможностью вынуждения заряженных частиц в пучке подвергаться многократным отражениям.
4. Масс-спектрометр по любому из пп.1-3, в котором регистрирующая установка выполнена с возможностью регистрации пучка заряженных частиц в области временной фокусировки.
5. Масс-спектрометр по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что регистрирующая установка выполнена с возможностью регистрации второй части пучка заряженных частиц в области временной фокусировки.
6. Масс-спектрометр по любому из пп.1-3, в котором система электродов определяет траекторию полета для пучка заряженных частиц и что регистрирующая установка расположена, по существу, на последних 10% траектории полета.
7. Масс-спектрометр по п.6, в котором система электродов определяет траекторию полета для пучка заряженных частиц и что регистрирующая установка расположена, по существу, на последних 5% траектории полета.
8. Масс-спектрометр по любому из пп.1-3, в котором система электродов выполнена с возможностью вынуждения заряженных частиц в пучке подвергаться по меньшей мере 5 изменениям направления.
9. Масс-спектрометр по любому из пп.1-3, в котором система электродов выполнена с возможностью вынуждения заряженных частиц в пучке подвергаться по меньшей мере 50 изменениям направления.
10. Масс-спектрометр по любому из пп.1-3, в котором контроллер выполнен с возможностью регулировки второго выходного сигнала регистрирующей установки так, чтобы второй выходной сигнал находился в пределах желательного диапазона.
11. Масс-спектрометр по п.10, в котором контроллер выполнен с возможностью регулировки чувствительности по меньшей мере части регистрирующей установки на основе первого выходного сигнала регистрирующей установки для управления вторым выходным сигналом регистрирующей установки так, чтобы второй выходной сигнал находился в пределах желательного диапазона.
12. Масс-спектрометр по любому из пп.1-3, в котором регистрирующая установка выполнена с возможностью обеспечения первого выходного сигнала на основе интенсивности и времени поступления зарегистрированной первой части пучка заряженных частиц.
13. Масс-спектрометр по любому из пп.1-3, в котором регистрирующая установка выполнена с возможностью обеспечения второго выходного сигнала на основе времени поступления зарегистрированной второй части пучка заряженных частиц.
14. Масс-спектрометр по п.13, в котором контроллер дополнительно выполнен с возможностью регулирования второго выходного сигнала, который основан на времени поступления зарегистрированной второй части пучка заряженных частиц, на основе первого выходного сигнала регистрирующей установки, который основан на интенсивности зарегистрированной первой части пучка заряженных частиц, с тем, чтобы регулировать второй выходной сигнал регистрирующей установки.
15. Масс-спектрометр по любому из пп.1-3, в котором регистрирующая установка выполнена с возможностью обеспечения второго выходного сигнала на основе интенсивности зарегистрированной второй части пучка заряженных частиц.
16. Масс-спектрометр по любому из пп.1-3, в котором спектрометр дополнительно содержит:
первый модулятор, расположенный между местом регистрации первой части пучка заряженных частиц и местом регистрации второй части пучка заряженных частиц и выполненный с возможностью управления пучком заряженных частиц;
при этом контроллер выполнен с возможностью регулировки модулятора на основе первого выходного сигнала регистрирующей установки с тем, чтобы, в свою очередь, регулировать количество ионов, зарегистрированных в качестве составной части второй части пучка заряженных частиц, чтобы тем самым регулировать второй выходной сигнал регистрирующей установки.
17. Масс-спектрометр по п.16, в котором модулятор расположен в области временной фокусировки масс-спектрометра.
18. Масс-спектрометр по п.17, отличающийся тем, что регистрирующая установка содержит вторую выходную часть, причем вторая выходная часть обеспечивает второй выходной сигнал, и что модулятор расположен в области временной фокусировки непосредственно после указанной второй выходной части.
19. Масс-спектрометр по любому из пп.17 и 18, в котором контроллер дополнительно выполнен с возможностью регулировки модулятора для уменьшения количества ионов, регистрируемых в качестве составной части второй части пучка заряженных частиц, на основе превышения первым выходным сигналом регистрирующей установки установленного порога.
20. Масс-спектрометр по любому из пп.1-3, в котором регистрирующая установка содержит детектор, расположенный в области временной фокусировки, детектор выполнен с возможностью регистрации первой части пучка заряженных частиц в течение первого промежутка времени и обеспечения первого выходного сигнала на основе зарегистрированной интенсивности первой части пучка заряженных частиц, при этом детектор дополнительно выполнен с возможностью регистрации второй части пучка заряженных частиц во второй промежуток времени и обеспечения второго выходного сигнала на основе зарегистрированной второй части пучка заряженных частиц.
21. Масс-спектрометр по любому из пп.1-3, в котором регистрирующая установка содержит:
первый детектор, выполненный с возможностью регистрации первой части пучка заряженных частиц и обеспечения первого выходного сигнала на основе зарегистрированной интенсивности первой части пучка заряженных частиц; и второй детектор, выполненный с возможностью регистрации второй части пучка заряженных частиц и обеспечения второго выходного сигнала на основе зарегистрированной второй части пучка заряженных частиц.
22. Масс-спектрометр по п.21, в котором первая часть пучка ионов меньше второй части пучка ионов.
23. Масс-спектрометр по п.21, в котором первый детектор и второй детектор содержат по меньшей мере один общий каскад усиления.
24. Масс-спектрометр по п.21, в котором спектрометр дополнительно содержит:
первый модулятор, расположенный между местом регистрации первой части пучка заряженных частиц и местом регистрации второй части пучка заряженных частиц и выполненный с возможностью управления пучком заряженных частиц;
при этом контроллер приспособлен для регулировки модулятора на основе первого выходного сигнала регистрирующей установки с тем, чтобы, в свою очередь, регулировать количество ионов, зарегистрированных в качестве части второй части пучка заряженных частиц, чтобы тем самым регулировать второй выходной сигнал регистрирующей установки, и при этом модулятор выполнен с возможностью отклонения по меньшей мере части пучка заряженных частиц от второго детектора.
25. Масс-спектрометр по п.1, в котором регистрирующая установка дополнительно выполнена с возможностью регистрации третьей части пучка заряженных частиц и обеспечения третьего выходного сигнала на основе зарегистрированной третьей части пучка заряженных частиц.
26. Масс-спектрометр по п.25, в котором контроллер дополнительно выполнен с возможностью регулирования параметров регистрирующей установки для регулирования третьего выходного сигнала регистрирующей установки на основе второго выходного сигнала регистрирующей установки.
27. Масс-спектрометр по п.25, в котором регистрирующая установка содержит:
первый детектор, установленный для регистрации первой части пучка заряженных частиц и обеспечения первого выходного сигнала на основе зарегистрированной интенсивности первой части пучка заряженных частиц; и
второй детектор, установленный для регистрации второй части пучка заряженных частиц и обеспечения второго выходного сигнала на основе зарегистрированной второй части пучка заряженных частиц; и
третий детектор, установленный для регистрации третьей части пучка заряженных частиц и обеспечения третьего выходного сигнала на основе зарегистрированной третьей части пучка заряженных частиц.
28. Масс-спектрометр по п.27, в котором контроллер дополнительно выполнен с возможностью регулирования параметров регистрирующей установки для регулирования третьего выходного сигнала указанного третьего детектора на основе первого выходного сигнала указанного первого детектора.
29. Масс-спектрометр по п.27 или 28, причем регистрирующая установка дополнительно содержит:
второй модулятор, расположенный между вторым детектором и третьим детектором и выполненный с возможностью управления пучком заряженных частиц;
при этом контроллер дополнительно выполнен с возможностью управления вторым модулятором.
30. Масс-спектрометр по любому из пп.1-3, в котором спектрометр дополнительно содержит: источник ионов, выполненный с возможностью генерации заряженных частиц; и систему ускоряющих электродов, выполненную с возможностью ускорения заряженных частиц для формирования пучка.
31. Масс-спектрометр по любому из пп.1-3, дополнительно содержащий импульсный накопитель ионов.
32. Способ масс-спектрометрии, предусматривающий стадии, на которых:
при помощи системы электродов вынуждают пучок заряженных частиц подвергаться многократным отражениям;
при помощи регистрирующей установки регистрируют первую часть пучка заряженных частиц, который прошел первый отрезок траектории через масс-спектрометр, причем регистрирующая установка имеет первый выходной сигнал на основе интенсивности зарегистрированной первой части пучка заряженных частиц;
при помощи регистрирующей установки регистрируют вторую часть пучка заряженных частиц, который прошел второй отрезок траектории через масс-спектрометр, причем второй отрезок траектории больше первого отрезка траектории, при этом регистрирующая установка имеет второй выходной сигнал на основе зарегистрированной второй части пучка заряженных частиц; и
регулируют параметры пучка заряженных частиц и (или) регистрирующей установки на основе первого выходного сигнала регистрирующей установки для регулирования второго выходного сигнала регистрирующей установки.
33. Способ масс-спектрометрии по п.32, в котором система электродов определяет траекторию полета пучка заряженных частиц и что стадии регистрации первой части и регистрации второй части выполняются, по существу, на последних 10% траектории полета.
34. Способ масс-спектрометрии по п.32, в котором система электродов определяет траекторию полета пучка заряженных частиц и что стадии регистрации первой части и регистрации второй части выполняются, по существу, на последних 5% траектории полета.
35. Способ масс-спектрометрии по любому из пп.32-34, в котором первая часть пучка заряженных частиц регистрируется в области временной фокусировки.
36. Способ масс-спектрометрии по любому из пп.32-34, в котором вторая часть пучка заряженных частиц регистрируется в области временной фокусировки.
37. Способ масс-спектрометрии по любому из пп.32-34, в котором стадия регулирования регулирует второй выходной сигнал регистрирующей установки в пределах желательного диапазона.
38. Способ масс-спектрометрии по п.37, в котором стадия регулирования регистрирующей установки содержит регулирование чувствительности по меньшей мере части регистрирующей установки на основе первого выходного сигнала регистрирующей установки для управления вторым выходным сигналом регистрирующей установки таким образом, чтобы он находился в пределах желательного диапазона.
39. Способ масс-спектрометрии по любому из пп.32-34, в котором второй выходной сигнал основан на времени поступления зарегистрированной второй части пучка заряженных частиц.
40. Способ масс-спектрометрии по п.39, в котором стадия регулирования предусматривает регулирование второго выходного сигнала, который основан на времени поступления зарегистрированной второй части пучка заряженных частиц, на основе первого выходного сигнала регистрирующей установки, который основан на интенсивности зарегистрированной первой части пучка заряженных частиц, для регулирования второго выходного сигнала регистрирующей установки.
41. Способ масс-спектрометрии по любому из пп.32-34, в котором второй выходной сигнал основан на интенсивности зарегистрированной второй части пучка заряженных частиц.
42. Способ масс-спектрометрии по п.32, в котором стадия регулирования регистрирующей установки содержит модуляцию пучка заряженных частиц между местом регистрации первой части пучка заряженных частиц и местом регистрации второй части пучка заряженных частиц на основе первого выходного сигнала регистрирующей установки для регулирования второго выходного сигнала регистрирующей установки.
43. Способ масс-спектрометрии по п.42, в котором стадия модуляции выполняется в области временной фокусировки.
44. Способ масс-спектрометрии по п.43, в котором регистрирующая установка содержит вторую выходную часть, причем вторая выходная часть обеспечивает второй выходной сигнал, и что стадия модуляции выполняется в области временной фокусировки, находящейся непосредственно после указанной второй выходной части.
45. Способ масс-спектрометрии по п.42, в котором стадия модуляции содержит отклонение по меньшей мере части пучка заряженных частиц на основе первого выходного сигнала регистрирующей установки для регулирования второго выходного сигнала регистрирующей установки.
46. Способ масс-спектрометрии по п.42, в котором стадия модуляции содержит уменьшение количества ионов, зарегистрированных в составе второй части пучка заряженных частиц, на основе того, что первый выходной сигнал регистрирующей установки больше заданного порога.
47. Способ масс-спектрометрии по любому из пп.32-34, дополнительно содержащий стадии, на которых:
при помощи регистрирующей установки регистрируют третью часть пучка заряженных частиц, причем регистрирующая установка имеет третий выходной сигнал на основе зарегистрированной третьей части пучка заряженных частиц.
48. Способ масс-спектрометрии по п.47, дополнительно предусматривающий стадию, на которой:
регулируют параметры регистрирующей установки на основе первого выходного сигнала указанного первого детектора с тем, чтобы регулировать третий выходной сигнал указанного третьего детектора.
49. Способ масс-спектрометрии по п.48, дополнительно предусматривающий стадию, на которой:
регулируют параметры регистрирующей установки на основе второго выходного сигнала с тем, чтобы регулировать третий выходной сигнал указанного третьего детектора.
50. Способ по п.48, в котором стадия управления третьим выходным сигналом содержит модуляцию пучка заряженных частиц между местом регистрации второй части пучка заряженных частиц и местом регистрации третьей части пучка заряженных частиц.
51. Способ масс-спектрометрии, предусматривающий стадии, на которых: обеспечивают масс-спектрометр согласно любому из пп.43-46 или 50, причем стадия модуляции содержит отклонение выбранной части пучка заряженных частиц к средству фрагментации; и анализируют отклоненную часть пучка заряженных частиц.
