(57)【要約】本明細書では、飛行時間型質量分析計用デュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システムを開示する。ＴＤＣベースの検出システムは、一般に、ＡＤＣベースの検出システムに比べて、タイミング分解能が高い。一方、ＡＤＣは、一般に、ＴＤＣと比べて、ダイナミックレンジが広い。ＴＤＣとＡＤＣとを結合してタンデム検出器を構成し、それぞれの変換器タイプの性能パラメータを調節することにより、デュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出のダイナミックレンジを、各タイプの検出器が単独で達成しうるダイナミックレンジより拡大することが可能である。複数の飛行時間抽出から得られた個々の質量スペクトルを集約し、デュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システムにおいてＡＤＣとＴＤＣのダイナミックレンジ同士が確実に部分的に重なり合うように飛行時間抽出の数を選択することにより、複合飛行時間質量スペクトルを生成することが可能である。
2013519198.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
飛行時間型質量分析計を操作することにより、複数の質量対電荷比を有するイオンを処理して複数のイオン強度を特定する方法であって、
ａ）複数の飛行時間抽出において前記イオンを前記飛行時間型質量分析計に導入するステップと、
ｂ）前記複数の飛行時間抽出の各抽出において、前記イオンを、検出器による検出のために、イオン群の系列としてドリフトチャンバから前記検出器へ押し出すべく、前記イオンに電界をかけるステップであって、前記イオン群系列の各イオン群が、前記複数の質量対電荷比のうちの異なるいずれかの質量対電荷比を有するイオンを含む、ステップと、
ｃ）前記検出器に接触したイオンを検出して、検出信号の系列を生成するステップと、
ｄ）高タイミング分解能データストリームを生成するステップであって、
多数の多様な高ピークを分解するように構成された高タイミング分解能デジタル変換器に前記検出信号系列を与えるステップと、
前記検出器によって検出された各イオン群について、前記検出信号系列のうち、前記各イオン群の検出時に前記検出器によって生成された、関連付けられた検出信号を少なくとも１つ特定するステップと、によるステップと、
ｅ）低タイミング分解能デジタル変換器に前記検出信号系列を与えることにより、低タイミング分解能データストリームを生成するステップと、
ｆ）前記複数の質量対電荷比の各質量対電荷比について、前記各質量対電荷比を有するイオンの飛行時間および強度を表す、対応する時刻および強度のペアを特定することによって、前記高タイミング分解能データストリームを処理するステップであって、前記時刻および強度のペアのうちの強度は、複数の高分解能時間間隔にわたって測定された複数の、低いほうの強度範囲の強度値から特定される、ステップと、
ｇ）前記低タイミング分解能データストリームを処理して、前記検出信号系列のうちの複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を特定するステップと、を含み、
前記低タイミング分解能デジタル変換器は、前記高タイミング分解能デジタル変換器で測定可能な最大強度を超える強度を測定するように動作可能であり、前記高タイミング分解能デジタル変換器は、前記低タイミング分解能デジタル変換器の低タイミング分解能より高い高タイミング分解能で動作する、
方法。
【請求項２】
前記高タイミング分解能データストリームおよび前記低タイミング分解能データストリームを結合して、前記高タイミング分解能データストリームおよび前記低タイミング分解能データストリームの両方からの強度情報を含む結合データセットを与えるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記高タイミング分解能データストリームおよび前記低タイミング分解能データストリームを結合する前記ステップは、前記複数の時刻および強度のペアの各時刻および強度のペアについて、前記複数のイオン強度のうちの対応するイオン強度を特定することを含み、対応するイオン強度を特定する前記ステップは、
前記高タイミング分解能デジタル変換器の強度条件が前記各時刻および強度のペアに対して満たされているかどうかを判定することと、
前記強度条件が満たされている場合は、前記複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値のうちの、前記各時刻および強度のペアに対応するイオン強度を特定し、前記強度条件が満たされていない場合は、前記各時刻および強度のペアのうちの強度を、前記対応するイオン強度として選択することとによって行われ、
前記強度条件を満たす時刻および強度のペアがある場合に、前記複数のイオン強度のうちの前記対応するイオン強度は、前記高タイミング分解能デジタル変換器で測定可能な最大強度を超える、
請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記高タイミング分解能デジタル変換器の高いタイミング分解能は、前記低タイミング分解能デジタル変換器の低いタイミング分解能の少なくとも２倍である、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記高タイミング分解能デジタル変換器の高いタイミング分解能は、前記低タイミング分解能デジタル変換器の低いタイミング分解能の少なくとも５倍である、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記高タイミング分解能デジタル変換器は、前記複数の時刻および強度のペアの各時刻および強度のペアのうちの時刻を特定するために、少なくとも１つの時間デジタル変換器と、前記少なくとも１つの時間デジタル変換器をトリガする弁別器と、を備え、
前記低タイミング分解能デジタル変換器は、アナログデジタル変換器を備える、
請求項２に記載の方法。
【請求項７】
ある個々の時刻および強度のペアが前記強度条件を満たすかどうかを判定する前記ステップは、前記ある個々の時刻および強度のペアのうちの強度に対応する、前記低タイミング分解能デジタル変換器の高いほうの強度範囲の強度測定値が、前記高タイミング分解能デジタル変換器で測定可能な最大強度を超えているかどうかを判定することを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項８】
前記ステップｄ）は、前記複数の飛行時間抽出の各抽出において、抽出固有の複数の時刻および強度のペアを特定して、複数の前記抽出固有の複数の時刻および強度のペアを与えることを含み、前記ステップｆ）は、前記複数の時刻および強度のペアが前記複数の飛行時間抽出を経て特定されるように、前記複数の前記抽出固有の複数の時刻および強度のペアを結合して、前記複数の時刻および強度のペアを与えることを含み、
前記ステップｅ）は、前記複数の飛行時間抽出の各抽出において、抽出固有の複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を特定して、複数の前記抽出固有の複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を与えることを含み、前記ステップｇ）は、前記複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値が前記複数の飛行時間抽出を経て特定されるように、前記複数の前記抽出固有の複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を結合して、前記複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を与えることを含む、
請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記高タイミング分解能データストリームの低いほうの強度範囲が、前記低タイミング分解能データストリームの高いほうの強度範囲と部分的に重なり合う、請求項２に記載の方法。
【請求項１０】
前記複数の飛行時間抽出は、選択された数の飛行時間抽出を含み、前記選択された数は、１より大きい整数であり、
前記ステップｄ）は、前記選択された数の飛行時間抽出の各抽出において、抽出固有の複数の時刻および強度のペアを特定して、前記選択された数の前記抽出固有の複数の時刻および強度のペアを与えることを含み、前記ステップｆ）は、前記複数の時刻および強度のペアが前記選択された数の飛行時間抽出を経て特定されるように、前記選択された数の前記抽出固有の複数の時刻および強度のペアを結合して、前記複数の時刻および強度のペアを与えることを含み、
前記ステップｅ）は、前記選択された数の飛行時間抽出の各抽出において、抽出固有の複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を特定して、前記選択された数の前記抽出固有の複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を与えることを含み、前記ステップｇ）は、前記複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値が前記選択された数の飛行時間抽出を経て特定されるように、前記選択された数の前記抽出固有の複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を結合して、前記複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を与えることを含み、
前記飛行時間抽出数は、前記低いほうの強度範囲が前記高いほうの強度範囲と部分的に重なり合うように、前記低いほうの強度範囲の上限および前記高いほうの強度範囲の下限を調節するように選択される、
請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記低タイミング分解能デジタル変換器に与えられる前記検出信号系列に減衰率を適用するステップをさらに含み、前記複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値のうちの各高いほうの強度範囲の強度測定値は、前記減衰率と、前記アナログデジタル変換器の出力レベルとに基づいて特定される、請求項６に記載の方法。
【請求項１２】
前記高分解能データストリームの低いほうの強度範囲の少なくとも半分が、前記低分解能データストリームの高いほうの強度範囲の下方かつ外側になるように、前記減衰率を決定するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記高タイミング分解能デジタル変換器は、ＴＤＣモードで動作するアナログデジタル変換器と、前記時刻および強度のペアを識別する変換プロセッサとを備える、請求項２に記載の方法。
【請求項１４】
前記高タイミング分解能データストリームおよび前記低タイミング分解能データストリームを結合して前記結合データセットを与える前記ステップは、前記複数の時刻および強度のペアのうちの強度を、前記複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値と比較することを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項１５】
前記低タイミング分解能データストリームは、前記少なくとも１つの検出信号の継続時間を表す複数の低分解能時間間隔を含み、
前記複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値の各高いほうの強度範囲の強度測定値は、前記複数の低分解能時間間隔のうちの対応する低分解能時間間隔の間の前記少なくとも１つの検出信号の強度を表す、
請求項３に記載の方法。
【請求項１６】
ある時刻および強度のペアが前記強度条件を満たす場合に、前記複数の低分解能時間間隔のうちの、前記ある時刻および強度のペアのうちの時刻に対応する低分解能時間間隔を識別し、前記対応する低分解能時間間隔を選択して、前記ある時刻および強度のペアのうちの時刻を表すステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記検出器は、Ｎチャネル検出器であり、前記高タイミング分解能デジタル変換器および前記低タイミング分解能デジタル変換器のそれぞれがＮ個の入力チャネルを備え、前記検出信号系列は、Ｎチャネルの検出信号系列である、請求項２に記載の方法。
【請求項１８】
飛行時間型質量分析計を操作することにより、複数の質量対電荷比を有するイオンを処理して複数のイオン強度を特定する方法であって、
ａ）前記イオンを前記飛行時間型質量分析計に導入するステップと、
ｂ）前記イオンを、検出器による検出のために、イオン群の系列としてドリフトチャンバから前記検出器へ押し出すべく、前記イオンに電界をかけるステップであって、前記イオン群系列の各イオン群が、前記複数の質量対電荷比のうちの異なるいずれかの質量対電荷比を有するイオンを含む、ステップと、
ｃ）前記検出器に接触したイオンを検出して、検出信号の系列を生成するステップと、
ｄ）高タイミング分解能データストリームを生成するステップであって、ステップと、前記イオン群系列の各イオン群について、
ｉ）前記検出信号系列のうち、前記各イオン群の検出時に前記検出器によって生成された、関連付けられた検出信号を少なくとも１つ特定するステップと、
ｉｉ）前記各イオン群の飛行時間および強度を表す、対応する時刻および強度のペアを特定するステップであって、前記時刻および強度のペアのうちの強度は、複数の高分解能時間間隔にわたって測定された複数の、低いほうの強度範囲の強度から特定される、時刻および強度のペアを特定する前記ステップと、によって、高タイミング分解能データストリームを生成する前記ステップと、
ｅ）低タイミング分解能デジタル変換器に前記検出信号系列を与えて、複数の低分解能時間間隔にわたる前記検出信号系列のうちの複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を特定することによって、低タイミング分解能データストリームを生成するステップと、を含み、
前記低タイミング分解能デジタル変換器は、前記高タイミング分解能デジタル変換器で測定可能な最大強度を超える強度を測定するように動作可能であり、前記高タイミング分解能デジタル変換器は、前記低タイミング分解能デジタル変換器の低タイミング分解能より高い高タイミング分解能で動作する、
方法。
【請求項１９】
複数の質量対電荷比を有するイオンをイオン源から受け取るドリフトチャンバと、
検出器であって、前記検出器に接触したイオンを表す検出信号の系列を生成する検出器と、
前記検出器による検出のために、前記イオンを前記ドリフトチャンバから押し出す電界を発生させる電界発生器と、
前記検出器から前記検出信号系列を受信するために前記検出器とリンクされた高タイミング分解能デジタル変換器であって、多数の多様な高ピークを分解するように構成されており、前記検出器によって検出された各イオン群について、ｉ）前記検出信号系列のうち、前記各イオン群の検出時に前記検出器によって生成された、関連付けられた検出信号を少なくとも１つ特定することと、ｉｉ）前記少なくとも１つの関連付けられた検出信号に対応する到達時刻データを高分解能時間間隔で確定することと、によって、高タイミング分解能データストリームを生成するように動作可能な前記高タイミング分解能デジタル変換器と、
前記検出器から前記検出信号系列を受信するために前記検出器とリンクされた低タイミング分解能デジタル変換器であって、前記検出信号系列を低分解能時間間隔でサンプリングすることによって低タイミング分解能データストリームを生成するように動作可能な前記低タイミング分解能デジタル変換器と、
前記高タイミング分解能デジタル変換器および前記低タイミング分解能デジタル変換器とリンクされたプロセッサであって、
ｉ）前記高タイミング分解能データストリームを処理して複数の時刻および強度のペアを特定するステップであって、各時刻および強度のペアは、前記複数の質量対電荷比のうちの、対応する、異なるいずれかの質量対電荷比を有するイオンの飛行時間および強度を表す、ステップと、
ｉｉ）前記低タイミング分解能データストリームを処理して、前記検出信号系列のうちの複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を特定するステップと、を行うように動作可能な前記プロセッサと、を備え、
前記低タイミング分解能デジタル変換器は、前記高タイミング分解能デジタル変換器で測定可能な最大強度を超える強度を測定するように動作可能であり、前記高タイミング分解能デジタル変換器は、前記低タイミング分解能デジタル変換器の低タイミング分解能より高い高タイミング分解能で動作する、
飛行時間型質量分析計システム。
【請求項２０】
前記プロセッサは、前記高タイミング分解能データストリームと前記低タイミング分解能データストリームとを結合して、前記高タイミング分解能データストリームおよび前記低タイミング分解能データストリームの両方から、強度情報を含む複数のイオン強度を取得するように動作可能であり、前記複数のイオン強度の各イオン強度は、前記複数の質量対電荷比のうちの異なるいずれかの質量対電荷比に対応する、請求項１９に記載の飛行時間型質量分析計システム。
【請求項２１】
前記プロセッサは、前記複数の時刻および強度のペアの各時刻および強度のペアについて、前記複数のイオン強度のうちの前記対応するイオン強度を特定するように動作可能であり、前記特定は、
前記高タイミング分解能デジタル変換器の強度条件が前記各時刻および強度のペアに対して満たされているかどうかを判定することと、
前記強度条件が満たされている場合は、前記複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値のうちの、前記各時刻および強度のペアに対応するイオン強度を特定し、前記強度条件が満たされていない場合は、前記各時刻および強度のペアのうちの強度を、前記対応するイオン強度として選択することとによって行われ、
前記強度条件を満たす時刻および強度のペアがある場合に、前記複数のイオン強度のうちの前記対応するイオン強度は、前記高タイミング分解能デジタル変換器で測定可能な最大強度を超える、
請求項２０に記載の飛行時間型質量分析計システム。
【請求項２２】
前記プロセッサは、ある個々の時刻および強度のペアが前記強度条件を満たすかどうかを判定するように動作可能であり、前記判定は、前記複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値のうちの、前記ある個々の時刻および強度のペアのうちの強度に対応する、高いほうの強度範囲の強度測定値が、前記高タイミング分解能デジタル変換器によって測定可能な最大強度を超えているかどうかを判定することによって行う、請求項２１に記載の飛行時間型質量分析計システム。
【請求項２３】
前記高タイミング分解能デジタル変換器の高いタイミング分解能は、前記低タイミング分解能デジタル変換器の低いタイミング分解能の少なくとも２倍である、請求項２０に記載の飛行時間型質量分析計システム。
【請求項２４】
前記高タイミング分解能デジタル変換器の高いタイミング分解能は、前記低タイミング分解能デジタル変換器の低いタイミング分解能の少なくとも５倍である、請求項２０に記載の飛行時間型質量分析計システム。
【請求項２５】
前記低タイミング分解能デジタル変換器は、アナログデジタル変換器を備える、請求項２０に記載の飛行時間型質量分析計システム。
【請求項２６】
前記低タイミング分解能デジタル変換器は、前記低タイミング分解能デジタル変換器に与えられた前記検出信号系列に減衰率を適用する減衰器をさらに含み、前記低タイミング分解能デジタル変換器は、前記減衰率と、前記アナログデジタル変換器の出力レベルとを用いて、前記複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値の各高いほうの強度範囲の強度測定値を特定する、請求項２５に記載の飛行時間型質量分析計システム。
【請求項２７】
前記プロセッサは、前記減衰器によって適用される前記減衰率を、前記高分解能データストリームの低いほうの強度範囲の少なくとも半分が、前記低分解能データストリームの高いほうの強度範囲の下方かつ外側になるように、決定するように動作可能である、請求項２６に記載の飛行時間型質量分析計システム。
【請求項２８】
前記高タイミング分解能デジタル変換器は、各検出信号に対応する到達時刻を特定するために、少なくとも１つの時間デジタル変換器と、前記少なくとも１つの時間デジタル変換器をトリガする弁別器とを備える、請求項２５に記載の飛行時間型質量分析計システム。
【請求項２９】
前記高タイミング分解能デジタル変換器は、ＴＤＣモードで動作するアナログデジタル変換器を備え、前記プロセッサは、前記時刻および強度のペアを識別する変換プロセッサを備える、請求項２５に記載の飛行時間型質量分析計システム。
【請求項３０】
前記検出器は、Ｎチャネル検出器であり、前記高タイミング分解能デジタル変換器および前記低タイミング分解能チャネルのそれぞれがＮ個の入力チャネルを備え、前記検出器によって与えられる前記検出信号系列は、Ｎチャネルの検出信号系列である、請求項２０に記載の飛行時間型質量分析計システム。
【請求項３１】
前記高タイミング分解能デジタル変換器は、少なくとも１つの関連付けられた検出信号のそれぞれに対応する到達時刻を特定するために、Ｎ個の時間デジタル変換器と、前記Ｎ個の時間デジタル変換器をトリガする、少なくともＮ個の入力チャネルを有する弁別器とを備え、
前記低タイミング分解能デジタル変換器は、少なくともＮ個の入力チャネルを有する加算器と、前記加算器とリンクされたアナログデジタル変換器とを備える、
請求項３０に記載の飛行時間型質量分析計システム。
【請求項３２】
前記プロセッサは、前記複数の時刻および強度のペアのうちの強度を、前記複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値と比較することにより、前記複数のイオン強度を取得するように動作可能である、請求項２０に記載の飛行時間型質量分析計システム。
【請求項３３】
前記電界発生器は、複数の飛行時間抽出の各飛行時間抽出において、前記イオンをイオン群の系列として前記ドリフトチャンバから押し出すように動作可能であり、前記イオン群系列の各イオン群は、前記複数の質量対電荷比のうちの異なるいずれかの質量対電荷比を有するイオンを含み、
前記高タイミング分解能デジタル変換器は、前記複数の飛行時間抽出の各抽出において、抽出固有の複数の時刻および強度のペアを特定して、複数の前記抽出固有の複数の時刻および強度のペアを与えるように動作可能であり、
前記低タイミング分解能デジタル変換器は、前記複数の飛行時間抽出の各抽出において、抽出固有の複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を特定して、複数の前記抽出固有の複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を与えるように動作可能であり、
前記プロセッサは、前記複数の時刻および強度のペアと、前記複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値とが、それぞれ、前記複数の飛行時間抽出を経て特定されるように、ｉ）前記複数の前記抽出固有の複数の時刻および強度のペアを結合して、前記複数の時刻および強度のペアを与えることと、ｉｉ）前記複数の前記抽出固有の複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を結合して、前記複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を与えることと、を行うように動作可能である、
請求項２０に記載の飛行時間型質量分析計システム。
【請求項３４】
前記高タイミング分解能データストリームの低いほうの強度範囲が、前記低タイミング分解能データストリームの高いほうの強度範囲と部分的に重なり合う、請求項２０に記載の飛行時間型質量分析計システム。
【請求項３５】
前記電界発生器は、選択された数の飛行時間抽出の各飛行時間抽出において、前記イオンをイオン群の系列として前記ドリフトチャンバから押し出すように動作可能であり、前記選択された数は、１より大きい整数であり、前記イオン群系列の各イオン群は、前記複数の質量対電荷比のうちの異なるいずれかの質量対電荷比を有するイオンを含み、
前記高タイミング分解能デジタル変換器は、前記選択された数の飛行時間抽出の各抽出において、抽出固有の複数の時刻および強度のペアを特定して、前記選択された数の前記抽出固有の複数の時刻および強度のペアを与えるように動作可能であり、
前記低タイミング分解能デジタル変換器は、前記選択された数の飛行時間抽出の各抽出において、抽出固有の複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を特定して、前記選択された数の前記抽出固有の複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を与えるように動作可能であり、
前記プロセッサは、前記複数の時刻および強度のペアと、前記複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値とが、それぞれ、前記選択された数の飛行時間抽出を経て特定されるように、ｉ）前記選択された数の前記抽出固有の複数の時刻および強度のペアを結合して、前記複数の時刻および強度のペアを与えることと、ｉｉ）前記選択された数の前記抽出固有の複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を結合して、前記複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を与えることと、を行うように動作可能であり、
前記飛行時間抽出数は、前記低いほうの強度範囲が前記高いほうの強度範囲と部分的に重なり合うように、前記低いほうの強度範囲の上限および前記高いほうの強度範囲の下限を調節するように選択される、
請求項３４に記載の飛行時間型質量分析計システム。
【請求項３６】
前記低タイミング分解能データストリームの送信は、前記高タイミング分解能データストリームのコンテンツに基づいて制御可能である、請求項１９に記載の飛行時間型質量分析計システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に、飛行時間型質量分析検出システムを操作する方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
飛行時間型質量分析（ＴＯＦＭＳ）は、イオンに既知の強度の高強度電界を短時間印加することにより、このイオンを無電界ドリフトチャンバ内で加速させて検出器に向かわせることを含む。この電界の印加によって、すべてのイオンに運動エネルギが与えられ、ドリフトチャンバを通過するイオンの粒子速度はイオンのｍ／ｚ比に依存する。イオンのｍ／ｚ比が大きいほど、移動が低速になる傾向があり、イオンのｍ／ｚ比が小さいほど、移動が高速になる傾向がある。各イオンが無電界ドリフトチャンバを通過して検出器に到達する飛行時間は、検出器をイオン源から既知の距離に配置することにより、測定可能である。そして、それらのイオンのｍ／ｚ比を、飛行時間情報および既知の実験的パラメータを用いて特定することが可能である。イオン束強度を推定することも可能である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明の実施形態の一態様によれば、飛行時間型質量分析計を操作することにより、複数の質量対電荷比を有するイオンを処理して複数のイオン強度を特定する方法が提供される。本方法は、ａ）複数の飛行時間抽出においてイオンを飛行時間型質量分析計に導入するステップと、ｂ）複数の飛行時間抽出の各抽出において、イオンを、検出器による検出のために、イオン群の系列としてドリフトチャンバから検出器へ押し出すべく、イオンに電界をかけるステップであって、イオン群系列の各イオン群が、複数の質量対電荷比のうちの異なるいずれかの質量対電荷比を有するイオンを含む、イオンに電界をかけるステップと、ｃ）検出器に接触したイオンを検出して、検出信号の系列を生成するステップと、ｄ）高タイミング分解能データストリームを生成するステップであって、多数の多様な高ピークを分解するように構成された高タイミング分解能デジタル変換器に検出信号系列を与えるステップと、検出器によって検出された各イオン群について、検出信号系列のうち、そのイオン群の検出時に検出器によって生成された、関連付けられた検出信号を少なくとも１つ特定するステップとにより、高タイミング分解能データストリームを生成するステップと、ｅ）低タイミング分解能デジタル変換器に検出信号系列を与えることにより、低タイミング分解能データストリームを生成するステップと、ｆ）複数の質量対電荷比の各質量対電荷比について、その質量対電荷比を有するイオンの飛行時間および強度を表す、対応する時刻および強度のペアを特定することによって、高タイミング分解能データストリームを処理するステップであって、時刻および強度のペアのうちの強度は、複数の高分解能時間間隔にわたって測定された複数の、低いほうの強度範囲の強度値から特定される、高タイミング分解能データストリームを処理するステップと、ｇ）低タイミング分解能データストリームを処理して、検出信号系列のうちの複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を特定するステップと、を含み、低タイミング分解能デジタル変換器は、高タイミング分解能デジタル変換器で測定可能な最大強度を超える強度を測定するように動作可能であり、高タイミング分解能デジタル変換器は、低タイミング分解能デジタル変換器の低タイミング分解能より高い高タイミング分解能で動作する。
【０００４】
本発明の実施形態の別の態様によれば、飛行時間型質量分析計を操作することにより、複数の質量対電荷比を有するイオンを処理して複数のイオン強度を特定する方法が提供される。本方法は、ａ）イオンを飛行時間型質量分析計に導入するステップと、ｂ）イオンを、検出器による検出のために、イオン群の系列としてドリフトチャンバから検出器へ押し出すべく、イオンに電界をかけるステップであって、イオン群系列の各イオン群が、複数の質量対電荷比のうちの異なるいずれかの質量対電荷比を有するイオンを含む、イオンに電界をかけるステップと、ｃ）検出器に接触したイオンを検出して、検出信号の系列を生成するステップと、ｄ）高タイミング分解能データストリームを生成するステップであって、多数の多様な高ピークを分解するように構成された高タイミング分解能デジタル変換器に検出信号系列を与えるステップと、イオン群系列の各イオン群について、ｉ）検出信号系列のうち、そのイオン群の検出時に検出器によって生成された、関連付けられた検出信号を少なくとも１つ特定するステップと、ｉｉ）そのイオン群の飛行時間および強度を表す、対応する時刻および強度のペアを特定するステップであって、時刻および強度のペアのうちの強度は、複数の高分解能時間間隔にわたって測定された複数の、低いほうの強度範囲の強度から特定される、対応する時刻および強度のペアを特定するステップと、によって、高タイミング分解能データストリームを生成するステップと、ｅ）低タイミング分解能デジタル変換器に検出信号系列を与えて、複数の低分解能時間間隔にわたる検出信号系列のうちの複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を特定することによって、低タイミング分解能データストリームを生成するステップと、を含み、低タイミング分解能デジタル変換器は、高タイミング分解能デジタル変換器で測定可能な最大強度を超える強度を測定するように動作可能であり、高タイミング分解能デジタル変換器は、低タイミング分解能デジタル変換器の低タイミング分解能より高い高タイミング分解能で動作する。
【０００５】
本発明の実施形態の別の態様によれば、飛行時間型質量分析計システムが提供され、本システムは、複数の質量対電荷比を有するイオンをイオン源から受け取るドリフトチャンバと、検出器に接触したイオンを表す検出信号の系列を生成する検出器と、検出器による検出のために、イオンをドリフトチャンバから押し出す電界を発生させる電界発生器と、検出器から検出信号系列を受信するために検出器とリンクされた高タイミング分解能デジタル変換器であって、多数の多様な高ピークを分解するように構成されており、検出器によって検出された各イオン群について、ｉ）検出信号系列のうち、そのイオン群の検出時に検出器によって生成された、関連付けられた検出信号を少なくとも１つ特定することと、ｉｉ）その少なくとも１つの関連付けられた検出信号に対応する到達時刻データを高分解能時間間隔で確定することと、によって、高タイミング分解能データストリームを生成するように動作可能な高タイミング分解能デジタル変換器と、検出器から検出信号系列を受信するために検出器とリンクされた低タイミング分解能デジタル変換器であって、検出信号系列を低分解能時間間隔でサンプリングすることによって低タイミング分解能データストリームを生成するように動作可能な低タイミング分解能デジタル変換器と、高タイミング分解能デジタル変換器および低タイミング分解能デジタル変換器とリンクされたプロセッサであって、ｉ）高タイミング分解能データストリームを処理して複数の時刻および強度のペアを特定するステップであって、各時刻および強度のペアは、複数の質量対電荷比のうちの、対応する、異なるいずれかの質量対電荷比を有するイオンの飛行時間および強度を表す、特定するステップと、ｉｉ）低タイミング分解能データストリームを処理して、検出信号系列のうちの複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を特定するステップと、を行うように動作可能なプロセッサと、を含み、低タイミング分解能デジタル変換器は、高タイミング分解能デジタル変換器で測定可能な最大強度を超える強度を測定するように動作可能であり、高タイミング分解能デジタル変換器は、低タイミング分解能デジタル変換器の低タイミング分解能より高い高タイミング分解能で動作する。
【０００６】
本明細書では、これらの特徴および他の特徴を説明する。
【０００７】
以下では、添付図面を参照しながら、各種実施形態を詳細に説明する。
【０００８】
当業者であれば理解されるように、以下に示す図面は、例示のみを目的としており、いかなる形でも出願人の教示の範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】単一イオンを検出した結果としての電気パルスまたは検出信号と、同イオンの到達時刻分布とを、時間に対する広さで示すグラフである。
【図２】検出されたイオンの数を飛行時間抽出の数に対してプロットすることによって、ＴＤＣおよびＡＤＣの両方について検出の上限および下限を示すグラフである。
【図３】本発明の一実施形態の一態様によるデュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システムの概略図である。
【図４】本発明の一実施形態の一態様による、別のデュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システムの概略図である。
【図５】本発明の一実施形態の一態様による、さらに別のデュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システムの概略図である。
【図６】本発明の一実施形態の一態様による、さらに別のデュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システムの概略図である。
【図７】本発明の一実施形態の一態様による、さらに別のデュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システムの概略図である。
【図８】検出されたイオンの数を飛行時間抽出の数に対してプロットすることによって、ＴＤＣおよびＡＤＣの両方について検出の上限および下限を示すグラフである。
【図９】検出されたイオンの数を飛行時間抽出の数に対してプロットすることによって、ＴＤＣおよびＡＤＣの両方について検出の、別の上限および下限を示すグラフである。
【図１０】検出されたイオンの数を飛行時間抽出の数に対してプロットすることによって、ＴＤＣおよびＡＤＣの両方について検出の、さらに別の上限および下限を示すグラフである。
【図１１】一飛行時間型計器の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
飛行時間型質量分析計の一構成においては、イオン束を検出する検出器を用いることができる。個々の飛行時間用途に応じて、様々なタイプの検出器を用いてよい。検出器のタイプとしては、磁気電子増倍管、離散ダイノード電子増倍管、マイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）電子増倍管などが挙げられる。たとえば、ＭＣＰ型の検出器は、高抵抗性材料から作成されうるスラブを含んでおり、このスラブに、一方の面から別の面につながる微小な溝（マイクロチャネル）の規則的配列が形成される。これらのマイクロチャネルは、互いにほぼ平行に、かつ、マイクロチャネルプレートの面に対してはわずかに角度を付けて配置されうる。各マイクロチャネルは、検出器バイアス電圧に維持された連続ダイノード型電子増倍管であってよい。
【００１１】
イオンがマイクロチャネルの側面に接触すると（これが起こる可能性は、配置されたマイクロチャネルに付いているわずかな角度によって増える）、バイアス電圧によって促進されるそのマイクロチャネルの反応として、電子カスケードが始まりうる。電子カスケードがマイクロチャネル内を伝搬することにより、元のイオン検出信号の強度が、バイアス電圧の振幅、およびマイクロチャネルの形状（たとえば、長さ）に応じて大幅に増幅されうる。マイクロチャネルから出た電子カスケードは、過渡パルス形状の全イオン電流を形成し、これは、適切な電子部品（最も単純な形式は金属アノード）によって検出可能である。マイクロチャネルは、前のイオン事象からの電子カスケードがなくなるほど十分な時間が経過するまで、新たなイオン事象を検出する動作を行うことができなくてもよい。これに対し、ＭＣＰ検出器は、検出可能なイオン事象があるたびに、対応する過渡パルスを生成し、これらが、検出可能なイオン事象の系列に対して一緒になって、下流処理に送られる検出信号の系列を形成しうる。この検出信号系列は、（検出器に接触するイオンの系列に対応する）時間と、（複数の平行な検出器プレートに対応する）空間との両方の次元を有しうる。
【００１２】
ＴＯＦＭＳのための検出信号系列を処理する検出器に、１つ以上のデジタル変換器を結合することが可能である。イオン検出器に結合可能なデジタル変換器は２タイプあり、それらは、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）と時間デジタル変換器（ＴＤＣ）である。ＡＤＣの動作は、一定時間間隔で検出信号をデジタル化して、時刻および強度の情報を取得することである。たとえば、過渡パルスのタイミングは、イオンが検出器に到達した時刻の指標を与える。そして、デジタル化された信号の出力レベルは、イオン束強度を表す、過渡時の電流の指標を与えうる。当然のことながら、出力された量子化レベルから強度情報を抽出することは、ＡＤＣの入力信号利得および他の動作パラメータの影響を受けてもよい。
【００１３】
これに対し、ＴＤＣは、検出信号中の過渡パルスの振幅を直接は検出しないのが普通であるが、並列動作する２つ以上のＴＤＣを、それを行うように構成することは潜在的に可能であってもよい。その代わりに、ＴＤＣは、通常動作時に、過渡パルスの存在を単純に検出し、過渡パルスの到達時刻を記録する。したがって、ＴＤＣは、内部クロック信号の各時間間隔において、（ｎｕｌｌ事象に対応する）デジタル「０」または（イオン事象に対応する）デジタル「１」を出力する。ＴＤＣがデジタル「１」が示した場合には、対応する過渡パルスの到達時刻が記録され、出力される。ＴＤＣによって生成されたデータフローが、通常は、ＡＤＣによって生成されたデータフローより著しく少ないことは容易に理解される。これは、ＴＤＣが、過渡パルスの検出時にのみ出力を行うのに対し、ＡＤＣは、連続的なデータフロー（たとえば、ＡＤＣ入力信号をデジタル化したもの）を出力するからである。多くの場合は、ＴＤＣをトリガするのに弁別器を用いる。これは、タイミングをより正確にするためであり、かつ、検出器において、所定のノイズ閾値を超える過渡パルスだけがＴＤＣによってイオン事象として検出されるようにするためである。ＴＤＣがＡＤＣより好まれ得るのは、イオン束が少ない低速ＴＯＦ用途の場合、またはコンピューティングリソースが乏しい場合である（これは、部分的には、ＴＤＣのデータスループットが低いため）。しかしながら、後述するように、ＡＤＣのデータスループットを下げる技術も存在する（ただし、それでも、ＴＤＣと比較すれば概して大きい）。
【００１４】
ＴＯＦ用途のためのデジタル変換器の性能指標としては、データスループットレートのほかに、タイミング分解能と、ダイナミックレンジとがある。タイミング分解能は、デジタル変換器が検出できる多様なイオンピークの最小時間間隔を意味し、これは、デジタル変換器のクロックレートと関係がある。ダイナミックレンジは、デジタル変換器が同時に検出できるイオン強度の範囲を意味し、これは、下限強度および上限強度によって指定される。多くの場合、これらの性能指標は、個々のＴＯＦ用途によって異なる、相互のトレードオフになる。一般的には、ＡＤＣは、測定可能なイオン束の上限強度がＴＤＣより高く、ＴＤＣは、タイミング分解能がＡＤＣよりすぐれている。たとえば、現在の技術によれば、５０ピコ秒のタイミング分解能、さらには２５ピコ秒のタイミング分解能は、ＴＤＣとしては珍しいことではない。一方、ＡＤＣのタイミング分解能は、より典型的には、１桁程度大きく、たとえば、約５００ピコ秒である。ただし、測定可能なイオン束に関しては、ＡＤＣを使用する場合の２〜３桁高くなるのは珍しいことではない。さらに、ＡＤＣの技術は進歩し続けているので、タイミング分解能も向上することが期待される。ただし、ＡＤＣを用いて非常に高いタイミング分解能を実現することは、現状では、かなり高コストになりがちである。
【００１５】
上述のように、ＭＣＰ型検出器のようなイオン検出器は、検出器におけるイオン事象（すなわち、イオンまたはイオン群の到達）を表すべく電気パルスを生成することによって動作しうる。場合によっては、生成される電気パルスの幅は、同種のイオン（すなわち、同じｍ／ｚ比を有するイオン）の群の到達時刻の分布より大きくなる。言い換えると、特定のｍ／ｚ比を有するイオン群が飛行時間型計器のドリフトチャンバに投入された場合、群を形成する個々のイオンの飛行時間は、厳密に同一ではない可能性がある。結果として、これらのイオンは、ある有限の時間窓の範囲で分散して検出器に到達する。ただし、部分的には検出器の実際的な制限のために、イオン群の到達を示すために生成された電気パルスは、そのイオン群の到達分布より広くなる可能性がある。この状況を、図１のグラフ１０に示した。グラフ１０のｘ軸は、（ナノ秒単位の）時刻を表しており、ｙ軸は、（任意単位の）電流を表している。図１からわかるように、代表的な検出信号における電気パルス１２の幅は、約２ナノ秒である。パルス幅の測定には、たとえば、半値全幅（ＦＷＨＭ）を用いる。一方、図１にＴＤＣヒストグラムとして示した、そのｍ／ｚ比を有するイオン群の到達時刻分布１４は、約０．６ナノ秒である。明らかに、電気パルス１２は、到達時刻分布１４より広い。
【００１６】
したがって、ＴＯＦ用途では、タイミング分解能に優れるＴＤＣが、ＡＤＣより選択されうる。しかしながら、飛行時間スペクトルの記録のためにＴＤＣを単独使用することは、すぐれたタイミング分解能と引き換えに、リーズナブルな価格のＡＤＣを単独使用して得られるダイナミックレンジに比べて、ダイナミックレンジをある程度犠牲にすることになり得る。イオン強度が高い場合にＴＤＣのダイナミックレンジが制限されることは、たとえば、実際のＴＯＦ用途のうち、有効な飛行時間抽出の数が限定される場合には、影響が大きい要因になる可能性がある。上述のように、個々のＴＤＣは、典型的には、各時間間隔において、（検出されたイオン事象に対応する）デジタル「１」か、（ｎｕｌｌ事象に対応する）デジタル「０」しか出力しない。結果として、ＴＤＣによって提供されるダイナミックレンジは、選択された検出器トポロジ（具体的には、セットアップにおける並列検出器プレートの数）によって制限される傾向がある。一般に各ＴＤＣは単一のイオン事象を検出するだけなので、対応する検出器プレートに接続する単独ＴＤＣチャネルの数を増やすことにより、ＴＤＣのダイナミックレンジの上限を拡大することが可能である。すべての検出器プレートにおいてイオン束がほぼ同数であると仮定すると、検出可能なイオンの数は、（それぞれが単独ＴＤＣと結合された）並列検出器プレートの数に大まかに比例して増える。後で詳述するように、統計的補正アルゴリズムを適用して、１つ以上のＴＤＣにおけるイオン飽和を補償することも可能であるが、そうすることは、ＴＤＣのダイナミックレンジをその分だけ拡大することに過ぎない。ＴＤＣで可能なダイナミックレンジの一例として、ＴＯＦ質量分析計が１０ｋＨｚの飛行時間抽出頻度で動作していて、個々の飛行時間スペクトルの可能な生成頻度が約１０〜１００スペクトル毎秒であるとすると、スペクトルあたり約１００〜１０００回抽出した複合質量スペクトルを生成することが可能であり、対応するダイナミックレンジは約１００〜１０００である。比較として、同じ動作パラメータを仮定すると、ＡＤＣのダイナミックレンジは、上限強度が約２桁高くなる。
【００１７】
デュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出
本発明の実施形態の態様によれば、飛行時間型質量分析計システムにおいて、検出器で生成された検出信号から時刻および強度の情報を抽出するために、ＴＤＣとＡＤＣをタンデムで用いることができる。低強度イオンを検出する場合、あるいは、イオン強度がＴＤＣのダイナミックレンジに収まる飛行時間スペクトルの領域においては、（たとえば、１つ以上のＴＤＣを含む）高タイミング分解能デジタル変換器によって生成される高タイミング分解能データストリームを用いることができる。イオン強度が高い場合には、イオンピークが多数存在する場合の強度およびピーク形状の測定値を含む低タイミング分解能データストリームを提供するために、あるいは、イオン強度が高すぎるためにＴＤＣを飽和まで駆動しないと測定できない飛行時間スペクトルの領域において、（たとえば、１つ以上のＡＤＣを含む）低タイミング分解能デジタル変換器を用いる。高タイミング分解能デジタル変換器の高いタイミング分解能は、どのような場合でも、低タイミング分解能デジタル変換器の低いタイミング分解能の２倍から５倍以上となりうる。さらに、強度情報を得るためにＡＤＣを使用する場合でも、ＴＤＣを同時使用してタイミング分解能を強化することも、これらの場合には可能である。
【００１８】
ダイナミックレンジの拡大のためにマルチチャネル検出器および対応する複数のＴＤＣを用いる場合、ＡＤＣに供給される検出信号は、すべての検出器チャネルにわたって取得されたものの総和（場合によっては重み付き総和）として抽出することが可能である。あるいは、マルチチャネル検出器からの個々のチャネルのそれぞれを、マルチチャネルＡＤＣ（または、おそらくは複数の独立したＡＤＣ）のそれぞれの入力チャネルに供給することが可能である。しかしながら、コストを考慮すると、合計された検出信号を単一ＡＤＣに供給するほうが有利であってもよい。これは、ＡＤＣのチャネル当たりコストがＴＤＣのチャネル当たりコストより格段に高い場合が多いためである。したがって、マルチチャネルＴＤＣと単一チャネルＡＤＣとの組み合わせが、より経済的なソリューションを与えることになるであろう。もちろん、マルチチャネルＴＤＣとマルチチャネルＡＤＣとの組み合わせも機能しうるが、コストがかさむ可能性がある。単一チャネルＴＤＣを、単一チャネルＡＤＣと組み合わせることも可能である。
【００１９】
一方では１つ以上のＴＤＣからの高タイミング分解能データストリームを用い、他方ではＡＤＣからの低タイミング分解能データストリームを用いる組み合わせ戦略は、関心対象データが何であるかによりけりである。たとえば、本システムのユーザの関心対象となりうるデータには、少なくとも２つのタイプがあり得る。１つのデータタイプは、ピークリストである。これは、イオンのｍ／ｚ比と、個々の飛行時間スペクトル（または複合飛行時間スペクトル）から生成された、対応する強度とのテーブルを含む。別のデータタイプは、一般に抽出イオン電流／クロマトグラム（ＸＩＣ）と呼ばれるものであって、これは、あらかじめ定義されたｍ／ｚ範囲にわたって積分されたイオン強度を含む。ＸＩＣにおける典型的な前提は、イオン強度が、飛行時間抽出（パルス生成）頻度に対して変化が緩やかであり、したがって、複数の連続する飛行時間抽出にわたってほぼ一定である、ということである。ＸＩＣは、選択イオン監視（ＳＩＣ）と呼ばれることもある。
【００２０】
ＴＯＦ用デュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システムの性能パラメータ
ＴＯＦＭＳとともに使用するデュアルＴＤＣ／ＡＤＣ検出システムの理論的性能は、少なくとも、以下に挙げるパラメータと、他の技術的問題とに依存し得る。
【００２１】
時間デジタル変換器
ＴＤＣの性能パラメータの１つとして、並列ＴＤＣチャネルの数があり、これは、検出器チャネルの数に対応する。すべての検出器チャネルを通過するイオン束がほぼ同数であると仮定すると、マルチチャネル検出器を与え、その各チャネルを別々のＴＤＣと結合することにより、理論上は、ＴＤＣのダイナミックレンジを大幅に拡大することが可能である。個々のＴＤＣのそれぞれは単一イオン事象を検出することしかできないので、検出器を分割して並列検出器のアレイにすることにより、新たなイオン事象を検出して強度計算に盛り込むことが可能になる。そこで、以下の説明では、マルチチャネル検出器の各チャネルが平均でほぼ同数のイオン束を受けること、すなわち、すべての検出器プレートにおいてイオン束の分布が均一であることを前提とする。
【００２２】
ＴＤＣが飽和し始めると、ＴＤＣのダイナミックレンジは限界に近づく。複数の並列ＴＤＣを構成した場合は、ほぼ同数のイオン束を受けている各ＴＤＣがそれぞれ別々に飽和し始めると、ダイナミックレンジが限界に近づく。ＴＤＣの飽和は、ＴＤＣが新たなイオン事象を正確に検出できなくなる状態を意味する。ＴＤＣ検出チャネルにおける飽和の影響は、ある程度までなら、飽和補正アルゴリズム（たとえば、後述するもの）を用いて補償することが可能である。一般に、飽和補正は、検出器に実際に接触したイオンの数の推定値を計算することを含み、これは、いくつかあるパラメータのうちでも特に、飛行時間抽出の数、およびＴＤＣによって記録されたｎｕｌｌ事象（デジタル「０」）の数に基づいて行う。記録されたｎｕｌｌ事象の数が少なければ、ＴＤＣが飽和しているか、少なくとも飽和に近づいていることになる。言い換えると、正確な推定値を得るためには、最小限の数のｎｕｌｌ事象が記録されていることが必要となル場合がある。したがって、ｎｕｌｌ事象の数が少ないことは、飽和の証左であるとともに、推定値を不正確にする可能性がある。推定値が正確であるための、ｎｕｌｌ事象の最小限の数は、許容誤差パラメータを計算に組み込むことにより、規定することが可能である。
【００２３】
一例として、飽和限界近くの測定されるイオンの数を推定する式の１つが、次のように与えられる。
【数１】
2013519198.tif 000003
ただし、Ｎｉは、指定された時間窓に入った入射イオンの推定数であり、Ｎｅは、飛行時間抽出の数であり、Ｎｚは、指定された時間窓に入った、記録されているｎｕｌｌ事象の数である。ここでも、式（１）がＮｉを正確に推定できるのは、Ｎｚが許容誤差パラメータに適合している場合だけであってもよいことに注意されたい。式（１）は単一のＴＤＣに当てはまるが、修正すれば、複数の並列ＴＤＣにも適用可能である。式（１）は、異なるいずれかのｍ／ｚ比を有するイオン群ごとに別々に計算することも可能である。複数のＴＯＦ抽出Ｎｅに対しては、ＴＤＣは、そのｍ／ｚ比を有するイオンが検出器に到達した時点で、イオン群が検出されたかどうかに応じて、ｎｕｌｌ事象（デジタル「０」）またはイオン事象（デジタル「１」）を検出する。したがって、すべての飛行時間抽出Ｎｅにわたって、ＴＤＣは、Ｎｚ個のｎｕｌｌ事象を測定し、これに応じて、時間窓内のＮｅ−Ｎｚ個のイオン事象を測定する。これは、ＴＤＣが検出するのが「０」または「１」であるためである。しかしながら、検出されたイオン事象がＮｅ−Ｎｚ個のみであったとしても、検出器に接触したイオンはＮｅ−Ｎｚより多い可能性がある。理論上は、複数のイオンを巻き込みうるイオン事象がある一方で、検出器の不感時間中に起こったと思われるイオン事象もあると考えられる。式（１）は、検出器に接触したイオンの数を推定する。したがって、ＴＤＣは、抽出時に、異なるいずれかのｍ／ｚ比を有する各イオン群に対し、抽出ごとに単一イオンしか検出できなくても、式（１）は、Ｎｉ＞Ｎｅを計算しうる。数値の一例として、飛行時間抽出が１０００回で、記録されているｎｕｌｌ事象が１００あるとすると、式（１）は、Ｎｉが約２３００であると推定する。これは、Ｎｅの２倍を超える大きさである。明らかに、ＴＤＣのダイナミックレンジは、飛行時間抽出の数Ｎｅと、適用された飽和補正アルゴリズムとの両方に依存しうる。もちろん、式（１）が唯一の可能な飽和補正アルゴリズムというわけではなく、他のアルゴリズムも実施可能である。
【００２４】
アナログデジタル変換器
本発明の実施形態の態様によれば、少なくとも以下のパラメータが、ＡＤＣの理論的性能（ダイナミックレンジを含む）に影響を及ぼしうる。
【００２５】
理論的性能に影響を及ぼす第１のパラメータは、ＡＤＣ内のビンの数である。典型的なＡＤＣの動作は、入力レベル（または「ビン」）のアレイを用いてアナログ信号を量子化することにより、標本化されデジタル化された信号を生成することである。ＡＤＣを特徴付けうるのは、その入力信号範囲、入力バイアス、入力レベル数、および適用される量子化ステップサイズである。これらのパラメータは、相互に関係しているのが普通である。すなわち、入力レベル数に量子化ステップサイズを乗じることにより、入力信号範囲の大きさが規定され、入力バイアスは、最も小さい量子化可能信号に関連付けられる。なお、量子化ステップサイズは固定でなくてもよく、ＡＤＣによっては、順次量子化ステップサイズを利用して入力信号範囲を拡大する。
【００２６】
ＡＤＣのビン数は、ＡＤＣのビット精度に関連付けられる。標本化されデジタル化された信号は、２進符号化されるため、Ｎ＝２ｂは、デジタル化信号にｂビット精度を与えるために必要なビン数Ｎを推定する。たとえば、多くの高速用途で使用される一般的な８ビットＡＤＣのビン数は２５６ほどである。しかしながら、ＡＤＣビンのいくつかはベースライン変動に関する情報を記憶することに割り当てられている場合があり、２５６個のビンのすべてを使用することは実際には困難な場合がある。
【００２７】
理論的性能に影響を及ぼす別のパラメータは、１回のＡＤＣ測定の無相関ノイズである。実際のアナログ信号には、ノイズがつきものである。有意なノイズがチャネルに存在する場合、ＡＤＣは、そのアナログ入力信号を誤った量子化レベルに量子化する可能性があり、これによって、出力信号にノイズ誤差が生じる可能性がある。イオン検出信号の場合は、ＡＤＣから提供される強度測定値が、ノイズ誤差によって不正確になる。無相関ノイズパラメータは、ＡＤＣの入力チャネルに常に存在するノイズを表すパラメータであり、言い換えると、いかなる時点、またはチャネルで発生しているいかなる事象とも相関がないノイズ（すなわち、ランダムチャネルノイズ）を表すパラメータである。この無相関ノイズの典型的な値は、単一チャネルにおける１回の抽出に対して１ビンである。したがって、無相関ノイズの存在に起因して、ＡＤＣは、検出信号を、無相関ノイズがない場合より、１ビン高く（または低く）量子化する可能性がある。理論上、イオン過渡事象が合計される場合には、無相関ノイズは、抽出数の平方根とともに増える。これは、１回の抽出で２つの過渡事象が並列チャネル全体にわたって合計される場合に当てはまるが、別々の２回の抽出からの２つの過渡事象が合計される場合にも当てはまる。
【００２８】
ＡＤＣの理論的性能に影響を及ぼす第３のパラメータを構成するのは、相関ノイズである。無相関ノイズと異なり、相関ノイズは、ＡＤＣ入力チャネルにあるノイズを意味しており、その大きさは、時間とともに、あるいは特定の飛行時間事象（たとえば、イオン検出事象）に対する応答として、変化する。たとえば、ＡＤＣにおけるバックグラウンドデジタル動作は、相関ノイズとして現れる可能性がある。相関ノイズは、一般に、記録されている過渡事象が１つであれば、無相関ノイズより格段に小さい（たとえば、桁違いに小さい）傾向がある。しかしながら、相関ノイズは、合計された過渡事象の数に比例して大きくなり、したがって、十分な数のイオン過渡事象が合計された場合には、データの精度に影響を及ぼし始める可能性がある。原理上は、ＡＤＣの測定値中の相関ノイズの量を測定して、それらを除去することが可能である。ただし、ＡＤＣの相関ノイズの量には多様な要因（たとえば、ベースラインドリフト、ＡＤＣの応答の温度変化など）が関与している可能性があるため、相関ノイズを完全に除去することは、現実的には不可能（あるいは、そもそも不可能）となる場合がある。ある程度の相関ノイズは、存続してもよい。
【００２９】
ＡＤＣの理論的性能に影響を及ぼす第４のパラメータは、平均イオン応答である。ＡＤＣビンに関する本文脈での定義では、このパラメータは、ＡＤＣの出力量子化レベルを、対応するイオン強度に変換することに用いる。言い換えると、ＡＤＣビンに関しては、平均イオン応答を用いて、単一ｍ／ｚ比の単一イオンが検出器に到達して生成された、記録されている過渡パルスの平均振幅を具体的に示すことができる。これは、ある意味では、記録されている過渡パルスの振幅から、過渡事象中のイオン数を特定することに用いる、測定の基本単位を与える。なお、平均イオン応答は、様々なシステムパラメータに依存し、それらによって制御することが可能である。一例では、ＡＤＣの入力利得（信号の増幅／減衰）を変えると、ＡＤＣの平均イオン応答に影響があるが、ＴＤＣチャネルに対しては、これに相当する影響はない。この例では、本発明の態様によれば、ＡＤＣの測定可能な入力信号範囲を増やすために、ＡＤＣに減衰器を設けて、デジタル化の前に減衰率を適用することが可能である。ＡＤＣの平均イオン応答に影響を及ぼす他のシステムパラメータが、ＴＤＣの平均イオン応答にも影響を及ぼす場合がある。たとえば、検出器のバイアス電圧を調節することにより、結果として得られる検出信号のソースにおいて、その検出信号の大きさに影響を及ぼすことが可能である。検出信号系列は、ＴＤＣおよびＡＤＣの両方に与えられるため、この例では、両方のデジタル変換器において平均イオン応答がどのような影響を受けるかについて理解されたい。
【００３０】
ＡＤＣの理論的性能に影響を及ぼすさらに別のパラメータは、イオン検出における最低限の信号対ノイズ（Ｓ／Ｎ）比である。このパラメータは、ＡＤＣが許容できる最低限のデータ品質を決定する基準を与える。最低限のＳ／Ｎ比を有するデータは、許容可能として検出することができ、最低限のＳ／Ｎ比に満たないデータは、信頼できないとして破棄することができる。たとえば、ＡＤＣによる正確な検出に必要な最低限のイオン数は、（上述の）平均イオン応答値と、（やはり上述の）無相関ノイズおよび相関ノイズの推定値の平方平均または二乗平均平方根として生成されるノイズ推定値との組み合わせを用いて規定することが可能である。
【００３１】
本発明の実施形態のいくつかの態様によれば、ＡＤＣのデータは、最もシンプルな処理（すなわち、複数の検出器チャネルにわたる過渡事象の合計）だけを受けてもよく、この場合、ＡＤＣは、過渡事象記録を積分するモードで動作する。もちろん、より最近のＡＤＣでは、オンボード処理モジュールまたは専用外部処理モジュールを含むことによって支援される他のデータ処理も利用可能になりつつある。
【００３２】
ＡＤＣおよびＴＤＣのダイナミックレンジの制御
本発明の実施形態の態様によれば、デュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出方式を用いるシステムおよび方法において、ＴＤＣおよびＡＤＣのそれぞれのダイナミックレンジを制御するために、上述の理論的性能パラメータを選択することが可能である。いくつかの実施形態によれば、ＴＤＣおよびＡＤＣのダイナミックレンジは、以下の条件の少なくとも一部またはすべてを満たすように制御することが可能である。第１に、単一イオン事象とは対照的に、検出器に同時に到達する多数のイオンによって引き起こされる高いイオン束に対して、ＡＤＣのダイナミックレンジが最適化される。第２に、検出器における低いイオン束および単一イオン事象に対して、ＴＤＣのダイナミックレンジが最適化される。第３に、イオン束の特定の範囲においてＡＤＣおよびＴＤＣのダイナミックレンジが部分的に重なり合うことにより、組み合わされた検出システムのダイナミックレンジが、それぞれのタイプの検出器が単独で測定できるダイナミックレンジより広くなる。部分的に重なり合うことにより、特定の範囲のいかなる入射イオン強度も、ＡＤＣおよびＴＤＣの少なくとも一方を用いて正確に測定できるようになるはずである。
【００３３】
そのようなデュアルＴＤＣ−ＡＤＣ構成では、ＡＤＣは、許容可能なＳ／Ｎノイズ比を有する単一イオン事象を検出するように動作可能でなくてよい。同様に、ＴＤＣは、飽和することなく大きなイオン束を記録するように動作可能でなくてよい。したがって、ＡＤＣは、ＴＤＣが検出するように動作可能である低いほうのイオン強度範囲の上方におおむね位置する高いほうのイオン強度範囲を検出するように動作可能である。ただし、（ＴＤＣの）低いほうの強度範囲の上限が、（ＡＤＣの）高いほうの強度範囲の下限より高く位置しうるため、２つのデジタル変換器のダイナミックレンジは、部分的に重なり合う。デュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出によって達成される組み合わせダイナミックレンジが、それぞれのタイプの検出器が単独で達成できるダイナミックレンジを超えるのは明らかである。上述のように、上述の性能パラメータの少なくとも一部またはすべてを、組み合わせダイナミックレンジが最適化されるように選択することが可能である。後で詳述するように、飛行時間抽出の数は、ダイナミックレンジを制御するための、別の選択可能なパラメータを与える。
【００３４】
次に図２を参照する。図２は、本発明の実施形態の態様による、デュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システムについて計算された例示的検出限界を示している。図２のグラフ２０は、ｘ軸が、ＴＯＦ抽出数を表しており、ｙ軸が、検出されたイオンの数を表している。曲線２２は、ＴＤＣのダイナミックレンジの下限を表しており、曲線２４は、対応する上限を表している。同様に、曲線２６は、ＡＤＣのダイナミックレンジの下限を表しており、曲線２８は、対応する上限を表している。したがって、曲線２２および２４は、デュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システムの低いほうの強度範囲を定義してもよく、曲線２６および２８は、対応する、高いほうの強度範囲を定義してもよい。
【００３５】
ＴＤＣのダイナミックレンジの下限２２は、ＴＤＣによるピーク識別が可能な最低限のイオン数を表している。この最低限の数は、用途によっては１でよいが、用途によっては、測定精度の信頼度を上げるために、より高くしてもよい（たとえば、５から１０）。ノイズ閾値を適切に選択することにより、ｎｕｌｌ事象を確実に検出するように、ＴＤＣを構成することが可能である。ＴＤＣのダイナミックレンジの上限２４は、大まかには、少なくとも、並列ＴＤＣチャネルの数と、検出器に到達するイオンの数を推定するために用いられる飽和補正アルゴリズム（たとえば、前述の式（１））に関して指定される許容誤差パラメータとに依存する。なお、曲線２４は、多少非線形であって、ＴＯＦ抽出数とともに増加する。
【００３６】
ＡＤＣの場合、ダイナミックレンジの下限２６は、総累積ノイズに依存する。これは、上述の過渡事象記録を積分する方式にＡＤＣトレースを追加することと、正確な測定のために特定の最低限のＳ／Ｎ比を規定しておくこととが前提である。取得されたデータにおけるノイズの相対的な影響は、ＴＯＦ抽出数が多い部分に比べて、ＴＯＦ抽出数が少ない部分で、より顕著でありうる。したがって、曲線２６は、ＴＯＦ抽出数が多い部分より、ＴＯＦ抽出数が少ない部分で、より非線形であって、より平坦に近く、ＴＯＦ抽出数が多い部分では、曲線２６は、まっすぐであり、勾配がより大きい。ＡＤＣのダイナミックレンジの上限２８は、１回の抽出で検出可能なイオンの最大数に抽出数を乗じたものを表すことができ、上述のように、ＡＤＣの信号利得、平均イオン応答、およびノイズに依存する。したがって、曲線２８は、ＡＤＣのダイナミックレンジの上限が本質的にＴＯＦ抽出数に線形依存しうることを示している。ＴＯＦ抽出数が多い部分では、ノイズの影響が主に相関ノイズに起因しており、曲線２６および２８は、ほぼ平行になり始める。
【００３７】
図２に示したように、曲線２４と曲線２６は点２６で交差しており、これは、高タイミング分解能データ変換器の低いほうの強度範囲と、低タイミング分解能データ変換器の高いほうの強度範囲とが部分的に重なり合う、最低限のＴＯＦ抽出数を示している。すなわち、交差点２９から、（ＴＤＣの）低いほうの強度範囲の上限を表す曲線２４が、（ＡＤＣの）高いほうの強度範囲の下限を表す曲線２６の上方にある。ＴＯＦ抽出数が、交差点２９で規定される最低限の数を下回る部分では、２つのダイナミックレンジは重なり合わず、少なくともそれらの性能パラメータの場合は、デュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出は、２つのダイナミックレンジの間に入るイオン束を測定するには不十分ということになりうる。交差点２９の位置は、間接的に制御可能であり、これは、上述の性能パラメータを用いて曲線２２、２４、２６、２８の軌跡を制御することにより可能である。上述の性能パラメータは、ＴＯＦ抽出数とともに、本発明の実施形態の態様による、デュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出器の組み合わせダイナミックレンジの調節に用いる一連の制御パラメータを表している。図２で特に注目すべきは、ＴＯＦ抽出数が制御パラメータでもあるという事実である。図２に示したように、交差点２９は、ＴＯＦ抽出数が約１００の場所に位置しており、これは、範囲同士が部分的に重なり合うための最低限のＴＯＦ抽出数を表している。ただし、検出器の技術が進歩し続け、イオン抽出頻度が増えるにつれて、この数を多少なりとも下げることが可能になることが期待される。もちろん、理論的最低限は、１回のＴＯＦ抽出で部分的に重なり合うことである。
【００３８】
デュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システム
次に図３を参照する。図３は、本発明の実施形態の態様によるデュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システム３０の概略図である。検出システム３０では、イオン源から発せられ、電界発生器３６によって加速されるイオンを、検出器３２が検出する。これらのイオンは、無電界ドリフトチャンバを通って検出器３２に向かう。図に示したように、検出器３２は、４枚の検出器プレート３４を含んでいるが、検出システム３０は検出器プレートを、４枚に限らず、何枚含んでもよい。たとえば、検出器３２は、検出器プレート３４を１枚だけ含んでよく、５枚以上含んでもよい。上述のように、ＴＯＦＭＳでは、様々なｍ／ｚ比を有するイオンが、複数のイオン群の系列として、それぞれ異なる飛行時間で無電界ドリフトチャンバを通って検出器３２に到達する。イオン群系列における各イオン群は、異なるいずれかのｍ／ｚ比で特徴付けられてもよく、そのｍ／ｚ比を有するイオンだけを含んでいてもよい。ある回の飛行時間抽出に含まれるイオンは、異なる複数のｍ／ｚ比を有するイオン同士が一緒になっている可能性がある。デュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システムは、これらに対応する複数のイオン強度を特定するように動作可能であり、その各強度値は、複数のｍ／ｚ比のうちの異なるいずれかのｍ／ｚ比を有する各イオン群に対応している。
【００３９】
各イオン群が検出器プレート３４に到達すると、検出器３２は、イオンの飛行時間および強度を表す電気パルス（たとえば、過渡パルス）の形の検出信号を生成する。この過渡パルスのタイミングは、イオンの飛行時間を表すことができ、その高さは、イオン束の強度の推定に用いることができる。検出器３２は、検出信号（すなわち、過渡パルス）の系列を、各飛行時間抽出におけるすべてのイオン群にわたる時刻の関数として、かつ、場合によっては、飛行時間収集操作におけるすべての飛行時間抽出にわたる時刻の関数として、生成する。検出信号系列はまた、検出信号のマルチチャネル系列も含んでよい。そして、検出信号系列は、１つ以上の処理ユニットによる下流処理のために、信号バス３８に出力される。図３に示したように、バス３８は、４つの独立したチャネルを含んでおり、それぞれが検出器３２の各検出器プレート３４に対応している。しかしながら、信号バス３８内のチャネル数は可変であって、検出器３２の検出器プレート３４の数と１対１で対応していなくてもよい（典型的には、１対１で対応している）。
【００４０】
信号バス３８は、信号分岐４０で、高タイミング分解能データ分岐に分配される。信号線４２は、検出器３２の出力を、高タイミング分解能データ分岐にある高タイミング分解能デジタル変換器の入力と結合することができる。実施形態によっては、高タイミング分解能デジタル変換器は、弁別器４４と、１つ以上の時間デジタル変換器を含むＴＤＣモジュール４６とを含んでいる。ここでの説明のために、「マルチチャネルＴＤＣ」および「１つ以上のＴＤＣ」という用語を区別せずに用いてよいものとし、ならびに、両方とも本発明の範囲に含まれるものとする。検出器３２によって生成された検出信号系列は、信号分岐４０において、高タイミング分解能分岐の検出信号として分配され、弁別器４４の入力において受信される。
【００４１】
弁別器４４を用いて、高タイミング分解能分岐の検出信号のうちの過渡パルスごとに、おおよそのパルスの中心を特定して、対応するトリガ信号をＴＤＣモジュール４６に出力することによって、ＴＤＣモジュール４６をトリガすることができる。トリガ信号の前縁は、過渡パルスの中心時刻に対応する。たとえば、弁別器４４は、ピーク検出方法を用いて、各過渡パルスの中心時刻を推定することができる。定比率弁別器（ＣＦＤ）は、当業者には周知の方式でピーク検出を行う。弁別器４４は、ＣＦＤを用いるように実装可能であるが、他のタイプの弁別器も代替として使用可能であり、本開示の範囲に含まれる。
【００４２】
弁別器４４の出力は、ＴＤＣモジュール４６の入力と結合されている。図３に示したように、ＴＤＣモジュール４６は、Ｎ個の独立した時間デジタル変換器を含んでおり、それぞれに専用チャネル入力がある。これに対応して、弁別器４４には、Ｎ個の別々のトリガ信号を生成するＮ個のチャネル出力がある。典型的には、ＴＤＣ４６内の独立した時間デジタル変換器の数も、検出器３２に含まれる検出器プレート３４の数と１対１で対応するが、この対応関係は１対１でなくてもよい。ただし、少なくともそのように時間デジタル変換器が多数あれば有利でとなりうる。検出器システム３０のそのような構成では、たとえば、余分な時間デジタル変換器を単純に無効にしたり、組み合わせたりすることが可能である。たとえば、図３に示した実施形態では、ＴＤＣモジュール４６は、４つの時間デジタル変換器を並列に含んでおり、それぞれが、４つの検出器プレート３４および信号バス３８の４つのチャネルのそれぞれに対応する。ＴＤＣモジュール４６に含まれる時間デジタル変換器の数は、上述のように、検出システム３０の時間デジタル変換部分のダイナミックレンジと関係がある。
【００４３】
弁別器４４によって所与の出力チャネルに出力される各トリガ信号を受けて、ＴＤＣモジュール４６内の各時間デジタル変換器は、検出器３２の各検出器プレート３４でイオン事象が検出されたことを示すデジタル「１」を記録する。ＴＤＣモジュール４６は、トリガされると、トリガ信号の前縁に関連付けられた時刻値を記録する。トリガ信号の前縁は、高タイミング分解能分岐の検出信号のうちの過渡パルスのおおよその中心時刻に対応する。このようにして、ＴＤＣモジュール４６は、検出器３２で検出されたイオン群ごとに到達時刻を記録し、この到達時刻は、無電界ドリフトチャンバを通過するイオン群の出発時刻を基準とすることにより、飛行時間に変換されうる。なお、弁別器４４およびＴＤＣモジュール４６は、図３では、独立した構成要素として示したが、実施形態によっては、高タイミング分解能デジタル変換器にまとめて含まれてよい。さらに、高タイミング分解能デジタル変換器には、高速オンボードプロセッサおよび関連デバイスメモリを含めることも可能である。後で図５を参照しながら詳述するように、一代替実施形態では、ＴＤＣモジュール４６の代わりに、ＴＤＣモードで動作するＡＤＣモジュールを使用してもよい。あるいは、ＴＤＣの代わりに１ビットＡＤＣを使用し、これに対して弁別器４４が同等のトリガを与えることが可能である。
【００４４】
高タイミング分解能データ変換器は、次のように、高タイミング分解能データストリームを生成するように動作可能である。飛行時間抽出において検出器３２がイオン群を検出するたびに、過渡パルスが生成されて、信号線４２のいずれかのチャネルにある高タイミング分解能デジタル変換器に送信される。弁別器４４は、この過渡パルスをトリガ信号に変換し、このトリガ信号を受けて、ＴＤＣモジュール４６内の対応する時間デジタル変換器が、デジタル「１」および関連付けられた時刻値を記録する。したがって、検出器３２がイオン群を検出するたびに、高タイミング分解能デジタル変換器は、検出信号系列の中から少なくとも１つの関連付けられた検出信号を特定し、時刻および強度情報を記録する。この少なくとも１つの関連付けられた検出信号は、そのイオン群の検出時に検出器３２によって生成される。
【００４５】
高タイミング分解能データ変換器は、飛行時間収集操作における複数の飛行時間抽出にわたって、異なる複数の飛行時間抽出に含まれながら同じｍ／ｚ比で特徴付けられるイオン群の時刻および強度の情報を記録することができる。異なるいずれかのｍ／ｚ比ごとに、そのｍ／ｚ比を有するイオン群に対するすべての飛行時間抽出にわたって記録された時刻および強度の情報は、それらのｍ／ｚ比に対応する複数の時刻および強度のペアを生成するように処理されうる。たとえば、高タイミング分解能データに対して動作する、適切に構成されたプロセッサが、それぞれの時刻および強度のペアを生成することが可能である。このペアのうちの時刻値は、そのイオン群の平均飛行時間を表し、このペアのうちの強度値は、複数の飛行時間抽出におけるそのイオン群の相対強度を表す。各ｍ／ｚ比について、対応する時刻および強度のペアを生成することにより、複数の時刻および強度のペアが生成され、この中のそれぞれの時刻および強度のペアは、これらのイオンの複数のｍ／ｚ比のうちの異なるいずれかのｍ／ｚ比に対応する。なお、高タイミング分解能デジタル変換器がマルチチャネルＴＤＣを含む場合は、時刻および強度の情報をすべてのチャネルにわたって積分することも可能である。
【００４６】
時間デジタル変換器は、典型的には、１つ以上の水晶発振器および時間補間器を用いて時間間隔を計数する。ＴＤＣのデータスループットが低いため、水晶発振器のクロック周期は、通常はかなり高速であり、これによって、ＴＤＣが高分解能時間間隔で時刻情報を記録することが可能になる。したがって、所与の時刻および強度のペアのうちの強度値は、複数の高分解能時間間隔にわたって測定された複数の、低いほうの強度範囲の強度から特定されうる。しかしながら、注目すべきことに、１つの過渡パルスについて時刻および強度の情報を記録することは、通常は、ＴＤＣモジュール４６の複数の高分解能時間間隔にわたって続く。より具体的には、弁別器４４が生成するトリガ信号の前縁は、過渡パルスの中心時刻と時間同期しているが、トリガ信号自体は、有限の幅を有してもよく、特に、ＴＤＣモジュール４６の高分解能時間間隔よりかなり広い場合がある。このトリガ信号によって時間デジタル変換器がクリアされるまで、時間デジタル変換器は、新たな過渡パルスの検出動作を行うことができない場合がある。しかしながら、高タイミング分解能デジタル変換器は、一般に、多数の多様な高ピークを分解するように構成可能であり、特にそれらの高ピークが複数のＴＯＦ抽出にわたって平均される場合に対して可能である。
【００４７】
なお、ここで述べた高タイミング分解能デジタル変換器の処理ステップは、実施形態によっては、デュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システム３０の他の好適な構成要素によって実施されてよい。たとえば、実施形態によっては、上述の処理ステップの少なくとも一部を、後で詳述するメインプロセッサ５６に実施させるように構成することが可能である。したがって、複数の質量対電荷比（ｍ／ｚ比）の各ｍ／ｚ比について、連続する複数の飛行時間抽出から生成された、対応する時刻および強度のペアを積分して、質量スペクトル中のピークを表す複数の時刻および強度のペアを特定することにより、高タイミング分解能データストリームを処理するように、メインプロセッサ５６を構成することが可能である。同様に、高タイミング分解能デジタル変換器の複数の信号チャネルにわたって時刻および強度の情報を積分して、複数の時刻および強度のペアを生成するように、メインプロセッサ５６を構成することが可能である。あるいは、高タイミング分解能デジタル変換器に関連付けられた変換プロセッサ（たとえば、オンボードプロセッサまたは専用外部プロセッサであってよい）を用いて、ここで述べた処理ステップの少なくとも一部を、メインプロセッサ５６との連係動作で実施することが可能である。実施形態によっては、メインプロセッサ５６は、高タイミング分解能デジタル変換器に関連付けられた変換プロセッサを含んでよい。
【００４８】
信号バス３８はまた、信号分岐４０で、低タイミング分解能データ分岐にも分配される。信号線５０は、検出器３２の出力を、低タイミング分解能データ分岐にある低タイミング分解能デジタル変換器の入力と結合することができる。実施形態によっては、低タイミング分解能デジタル変換器は、アナログ加算モジュール４８と、１つ以上のアナログデジタル変換器を含むＡＤＣモジュール５２とを含んでいる。ここでの説明のために、ここでも、「マルチチャネルＡＤＣ」および「１つ以上のＡＤＣ」という用語を区別せずに用いてよいものとし、かつ、両方とも本発明の範囲に含まれるものとする。検出器３２によって生成された検出信号系列は、信号分岐４０において、低タイミング分解能分岐の検出信号として分配され、アナログ加算モジュール４８の入力において受信される。
【００４９】
アナログ加算モジュール４８は、いくつかの入力チャネルを含むことができ、これらは、検出器３２の検出器プレート３４の数、ならびに信号バス３８に含まれるチャネルの数と１対１で対応しうる。ただし、アナログ加算モジュール４８は、信号バス３８に含まれるチャネルの一部とだけ結合してもよい。あるいは、アナログ加算モジュール４８は、より多くの入力チャネルを含んでもよく、この場合は、検出システム３０において余分となるチャネルを無効にすればよい。アナログ加算モジュール４８は、低タイミング分解能分岐の検出信号の個々のチャネルを合計して集約検出信号を生成することにより動作可能である。各チャネルは、検出器３２の１つの検出器プレート３４の検出信号を搬送するので、集約検出信号は、検出器３２全体の時刻および強度の情報を表すことになる。アナログ加算モジュール４８をデュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システム３０に含めることにより、シングルチャネルアナログデジタル変換器よりコストがかかりがちなマルチチャネルアナログデジタル変換器をＡＤＣモジュール５２で使用することが避けられる（この点については、後で詳述する）。
【００５０】
信号線５４は、アナログ加算モジュール４８の出力をＡＤＣモジュール５２の入力と結合しており、ＡＤＣモジュール５２は、１つ以上のＡＤＣを含んでいる。低タイミング分解能デジタル変換器にアナログ加算モジュール４８が含まれていれば、ＡＤＣモジュール５２は、アナログデジタル変換器を１つ含むだけでよい。ＡＤＣモジュール５２は、集約データ信号をデジタル化し、デジタル化された集約データ信号を、その出力チャネルにおいて生成する。集約データ信号のデジタル化は、周知のように、集約データ信号を低分解能時間間隔でサンプリングし、それらのサンプルを、ＡＤＣビンのうちの対応するビンに量子化することによって行われる。
【００５１】
実施形態によっては、低タイミング分解能デジタル変換器はさらに、アナログ加算モジュール４８に入力される前の低タイミング分解能分岐の検出信号に減衰率を適用する減衰器を含む。低タイミング分解能分岐の検出信号に減衰率を適用することにより、実質的に、信号の高さが圧縮される。ＡＤＣモジュール５２は一般に入力信号範囲が有限であるため、減衰率を適用すると、大きな強度範囲がアナログデジタル変換器の入力信号範囲まで圧縮されて、ＡＤＣモジュール５２の測定可能な入力範囲の上限を拡大することが可能である。そして、ＡＤＣモジュール５２の出力量子化レベルを、（残留量子化誤差の有無にかかわらず）適用された量子化率の分だけ拡大して元の低タイミング分解能分岐の検出信号の振幅を復元することにより、イオン強度を特定することができる。イオン強度の特定には、平均イオン応答も用いてもよい。具体的には、適用する減衰率は、高タイミング分解能デジタル変換器の低いほうの強度範囲の少なくとも半分が、低タイミング分解能デジタル変換器の高いほうの強度範囲の下方かつ外側になるように決定することができる。たとえば、適切に構成されたプロセッサ（たとえば、メインプロセッサ５６）が、減衰率を決定かつ制御することが可能である。なお、減衰器は、低タイミング分解能分岐データ経路の、アナログ加算モジュール４８の上流にあっても下流にあってもよく、実施形態によっては、アナログ加算モジュール４８またはＡＤＣモジュール５２に含まれてもよく、あるいは、検出システム３０内の他の任意の適切な場所にあってもよい。また、アナログ加算モジュール４８およびＡＤＣモジュール５２は、図３では、独立した構成要素として示したが、実施形態によっては、低タイミング分解能デジタル変換器に一緒に含まれてよく、場合によっては減衰器も低タイミング分解能デジタル変換器に含まれてよい。
【００５２】
低タイミング分解能データ変換器は、次のように、低タイミング分解能データストリームを生成するように動作可能である。飛行時間抽出において検出器３２がイオン群を検出するたびに、過渡パルスが生成されて、信号線５０のいずれかのチャネルにある低タイミング分解能デジタル変換器に送信される。アナログ加算モジュール４８は、低タイミング分解能分岐の検出信号の個々のチャネルを合計して集約検出信号を生成する。実施形態によっては、減衰器が減衰率を適用して、集約検出信号の信号高さ範囲を、ＡＤＣモジュール５２の入力信号範囲に適合するように調節する。次に、ＡＤＣモジュール５２が、集約検出信号をデジタル化することにより、検出器３２で検出されたイオン強度を表すデジタル化信号を、時刻の関数として生成する。ＡＤＣモジュール５２は、低分解能時間間隔ごとに１回サンプリングを行うため、デジタル化された検出信号は、対応する複数の低分解能時間間隔における、複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を含む。そして、低タイミング分解能データストリームが、信号処理のために適切な下流プロセッサに与えられて、検出信号系列のうちの複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値が特定されうる。
【００５３】
各種技術を実装して、ＡＤＣモジュール５２からメインプロセッサ５６へのデータスループットを下げることが可能である。たとえば、ＡＤＣモジュール５２は、低タイミングデータ分解能データストリームを、メインプロセッサ５６に送る前に処理するための何らかのオンボード処理をさらに含むことが可能である。実施形態によっては、複数のＴＯＦ抽出による、高いほうの強度範囲の強度測定値を、合計したり、平均したりしてから、送信することが可能である。そこで、ＡＤＣモジュール５２において何らかの予備的信号処理を行うことにより、メインプロセッサ５６へ送られるローデータの量を減らすことが可能である。このことは、高速ＴＯＦ用途の場合や、データバス速度が限定されている場合に重要になる可能性がある。
【００５４】
別の例として、ＡＤＣモジュール５２からメインプロセッサ５６へのデータ送信のタイミングを、ＴＤＣモジュール４６の出力に基づいて制御することが可能である。ＡＤＣモジュール５２が検出信号系列のサンプリングおよびデジタル化を連続的に行っている場合でも、有効なイオン強度データが常時記録されているとは限らない。検出信号系列は、検出器３２でのイオン事象間の間隔においては、ノイズしか含んでいない場合がある。ＴＤＣモジュール４６で検出された個々のイオン事象を、高タイミング分解能データストリームの中の有効なイオン強度情報と相互に関連付けることにより、無効または冗長なノイズ情報の送信を回避することが可能である。たとえば、高いほうの強度範囲の強度測定値をバッファリングし、その後、ＴＤＣモジュール４６の出力を用いて、有効なイオン強度情報を含むセグメントと、ノイズしか含まないセグメントとに分けることが可能である。そして、有効なセグメントだけを、高タイミング分解能データストリームとして、メインプロセッサ５６に送信することが可能である。なお、メインプロセッサ５６をひとまとまりの素子として示したが、実施形態によっては、ＡＤＣモジュール５２における何らかのオンボード処理を含めて、プロセッサをシステム３０全体に分散させることが可能である。
【００５５】
本発明の実施形態の態様によれば、高タイミング分解能デジタル変換器は、低タイミング分解能デジタル変換器で測定可能なイオン強度より概して低いイオン強度を測定するように動作可能であるが、これら２つのデジタル変換器のダイナミックレンジは部分的に重なり合ってよい。したがって、低タイミング分解能デジタル変換器は、高タイミング分解能デジタル変換器で測定可能な最大強度を超える強度を測定するように動作可能である。もちろん、高タイミング分解能デジタル変換器は、トレードオフとして、低タイミング分解能デジタル変換器の低タイミング分解能より高いタイミング分解能で動作可能である。これら２つのデジタル変換器によって生成される強度情報を結合することにより、デュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システム３０のダイナミックレンジは、高タイミング分解能デジタル変換器または低タイミング分解能デジタル変換器のいずれかが単独で達成できるダイナミックレンジを有利に超えうる。
【００５６】
メインプロセッサ５６は、ＴＤＣモジュール４６およびＡＤＣモジュール５２の両方と結合されて、それぞれから高タイミング分解能データストリームおよび低タイミング分解能データストリームを受信し、処理することにより、複数のイオン強度を特定することが可能である。特定された各イオン強度は、異なるいずれかのｍ／ｚ比を有するイオンに対応しうる。このため、メインプロセッサ５６は、飛行時間収集操作の間に取得された、異なるいずれかのｍ／ｚ比を有する各イオン群のイオン強度を特定することが可能である。メインプロセッサ５６は、高タイミング分解能データストリームおよび低タイミング分解能データストリームを組み合わせて、（少なくとも実施形態によっては）両方のデータストリームからの強度情報を含む結合データセットを生成するように動作可能である。実施形態によっては、結合データセットを生成することは、高タイミング分解能データストリーム中の強度値と、低タイミング分解能データストリーム中の強度測定値とを比較して、どの強度値を結合データセットに含めるかを決定することを含む。なお、メインプロセッサ５６は、任意の適切に構成された演算装置を含んでよく、限定ではなく例として、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、中央処理装置（ＣＰＵ）、デジタル信号処理装置（ＤＳＰ）、汎用グラフィックス処理装置（ＧＰＧＰＵ）、または同様のものの任意の可能な組み合わせを含んでよい。
【００５７】
上述のように、高タイミング分解能データ変換器は、一般に、低タイミング分解能の高いほうの強度範囲に対して、低いほうの強度範囲を測定することが可能である。そこで、２つのデータストリームを結合する１つのアプローチは、高タイミング分解能データストリームの強度条件を定義し、この強度条件の結果に基づいて、結合データセットを生成することである。この強度条件は、高タイミング分解能デジタル変換器が正確かつ信頼できる強度情報を提供しているかどうか、言い換えると、測定されているイオン強度が高タイミング分解能データ変換器のダイナミックレンジに収まるかどうか、を判定するための任意の適切な条件であってよい。この強度条件が満たされた場合は、高タイミング分解能データストリームからの強度情報が潜在的に不正確であり、信頼できないということになりうる。したがって、この強度条件が満たされた場合、メインプロセッサ５６は、代わりに、低タイミング分解能データ変換器から取得した強度情報を結合データセットに含めることが可能であり、この強度条件が満たされない場合、メインプロセッサ５６は、高タイミング分解能データ変換器から取得した強度情報を結合データセットに含めることが可能である。
【００５８】
（複数のｍ／ｚ比のうちの異なるいずれかのｍ／ｚ比に対応する時刻および強度の情報に対応する）高タイミング分解能データストリーム中の各時刻および強度のペアについて、メインプロセッサ５６は、以下のステップにより、結合データセット中の対応するイオン強度を特定することが可能である。第１に、メインプロセッサ５６は、高タイミング分解能デジタル変換器の強度条件が、所与の時刻および強度のペアに関して満たされているかどうかを判定可能である。そして、この強度条件が満たされない場合（すなわち、強度値が信頼できる場合）、メインプロセッサ５６は、その強度値を選択して、結合データセットの中の対応するｍ／ｚ比を有するイオンの強度を表すことができる。一方、この強度条件が満たされている（すなわち、測定されているイオン強度が高タイミング分解能デジタル変換器のダイナミックレンジを超えている）と、メインプロセッサ５６が判定した場合、メインプロセッサ５６は、低タイミング分解能データストリームから生成された複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値から、結合データセット中の対応するイオン強度を特定することができる。メインプロセッサ５６は、このロジックを用いて、高タイミング分解能データストリームまたは低タイミング分解能データストリームのいずれかから、結合データセットに含めるべき時刻および強度の情報を選択することが可能であり、この選択は、結合データセットが、複数のイオン強度を含み、飛行時間収集操作におけるイオンのｍ／ｚ比ごとに１つの強度を含むように行う。
【００５９】
メインプロセッサ５６は、低タイミング分解能データストリーム中の、高いほうの強度範囲の強度測定値から対応するイオン強度を特定するために、それらの強度測定値をサーチして、時刻および強度のペアの時刻値のあたりにある信号ピークを探すことができる。ここでは、誤検出を避けるために、任意選択的にノイズ閾値処理を含む、適切なピーク検出アルゴリズムを用いてもよい。対応する信号ピークが見つかった場合は、それの出力量子化レベルを、ＡＤＣの理論的性能パラメータ（たとえば、平均イオン応答）ならびに低タイミング分解能分岐の検出信号に適用された減衰率に基づいて、強度値に変換することができる。このような場合、信号ピークのタイミングは、強度測定値からも特定可能であり、あるいは、対応する時刻および強度のペアの時刻値として取得することも可能である。
【００６０】
より明確化するために、メインプロセッサ５６は、所与の時刻および強度のペアが高タイミング分解能デジタル変換器の強度条件を満たしているかどうかを、高いほうの強度範囲の強度測定値に基づいて判定することが可能である。上述のように、メインプロセッサ５６は、強度測定値をサーチして、時刻および強度のペアの時刻値のあたりにある信号ピークを見つけ、その信号ピークで表されるイオン強度を特定することができる。特定されたイオン強度が、高タイミング分解能デジタル変換器で測定可能な最大強度を超えている場合、メインプロセッサ５６は、強度条件が満たされていると判定することができる。一方、特定されたイオン強度が、測定可能な最大強度を超えていない場合（すなわち、測定されたイオン強度が、高タイミング分解能デジタル変換器のダイナミックレンジに収まる場合）、メインプロセッサ５６は、強度条件が満たされていないと判定する。上述のように、メインプロセッサ５６は、強度条件の状態に基づいて、２つのデータストリームから結合データセットを生成するように動作可能である。
【００６１】
他の実施形態では、メインプロセッサ５６は、強度条件が満たされているかどうかを、他の手段に従って判定することが可能である。たとえば、メインプロセッサ５６は、ＴＤＣモジュール４６の１つ以上の時間デジタル変換器が飽和状態であるか、飽和状態に非常に近いと判定した場合に、強度条件が満たされていると判定することができる。この場合、メインプロセッサ５６は、複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値から、対応するイオン強度を特定することができる。強度条件が満たされているかどうかを判定する手段は、ほかにも適切なものがあってもよく、これらは本発明の範囲に含まれる。
【００６２】
複数の飛行時間抽出を経て、対応するイオン強度を特定することが可能なので、実施形態によっては、メインプロセッサ５６はさらに、複数の飛行時間抽出を経て、高タイミング分解能データストリームおよび低タイミング分解能データストリームの両方に関して強度情報を集約するように動作可能である。上述のように、複数の個々のスペクトルの集約として、複合飛行時間スペクトルが生成されてもよい。各飛行時間抽出においては、同じｍ／ｚ比を有するイオン群が、加速されて無電界ドリフトチャンバに入り、検出器３２によって検出され、次に高タイミング分解能デジタル変換器または低タイミング分解能デジタル変換器とメインプロセッサ５６とを用いて処理されて、その飛行時間抽出に対応するスペクトルが生成される。これらの個々のスペクトルが集約されて、複合スペクトルが生成される。これは、約１００回から１０００回（または他の回数）の単独の飛行時間抽出の結果であってもよいる。
【００６３】
各飛行時間抽出では、イオンは、抽出固有のイオン群系列として、質量選択的に無電界ドリフトチャンバを通って押し出され、抽出固有のイオン群系列における各イオン群は、複数のｍ／ｚ比のうちの異なるいずれかのｍ／ｚ比を有するイオンを含む。全体として、飛行時間収集操作は、複数の飛行時間抽出によって構成され、抽出固有のイオン群系列を集めて、その飛行時間収集操作におけるイオン群系列が構成される。各飛行時間抽出での各イオン群について、検出器３２は、信号バス３８に与えられる検出信号系列の中で過渡パルス（たとえば、検出信号）を生成することができる。
【００６４】
各飛行時間抽出では、検出信号系列が、信号線４２を介して高タイミング分解能デジタル変換器に与えられ、かつ、信号線５０を介して低タイミング分解能デジタル変換器に与えられて、抽出固有の時刻および強度の情報が生成されうる。ＴＤＣモジュール４６は、飛行時間抽出における各イオン群について、抽出固有の時刻および強度のペアを特定することができ、これは、その飛行時間抽出における、そのｍ／ｚ比を有するイオンの飛行時間および強度を表している。このようにして、ＴＤＣモジュール４６は、所与の飛行時間抽出の継続時間にわたって、抽出固有の複数の時刻および強度のペアを特定することができる。同様に、ＡＤＣモジュール５２は、飛行時間抽出の継続時間の間に、低分解能時間間隔で検出信号系列をデジタル化して、抽出固有の複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を生成することができる。
【００６５】
メインプロセッサ５６は、飛行時間収集操作の継続時間にわたって、各デジタル変換器によって与えられた抽出固有の時刻および強度の情報を集約することができる。高タイミング分解能デジタル変換器の場合、抽出固有の複数の時刻および強度のペアを集約することは、異なるそれぞれの飛行時間抽出から取得された時刻および強度のペアのうちの、類似の時刻値に対応する強度値を合計することを含みうる。各抽出固有の複数の時刻および強度のペアのうちの時刻値は、同じｍ／ｚ比で特徴付けられるイオン群においては、ほぼ同じであるはずである。言い換えると、複数の抽出固有の複数の時刻および強度のペアは、各抽出固有の複数の時刻および強度のペアのうちの類似の時刻値を関連付け、対応する強度を合計して、すべての抽出についての複数の時刻および強度のペアのひとかたまりを与えることにより、集約されうる。この処理の一環として、メインプロセッサ５６は、複数の飛行時間抽出における関連付けられた時刻値の平均をとることが可能である（時刻値が同一ではないものとする）。
【００６６】
同様に、メインプロセッサ５６は、抽出固有の複数の強度測定値を、飛行時間収集操作の継続時間にわたって積分することができる。すなわち、メインプロセッサ５６は、低タイミング分解能デジタル変換器で生成された抽出固有の複数の強度測定値のそれぞれを、低分解能時間間隔に従って並べ、並べられた同じ時刻値を有する飛行時間抽出における対応する強度測定値を積分する。言い換えると、各抽出を複数の低分解能時間間隔に分割することができ、その低分解能時間間隔のそれぞれの間に、ＡＤＣモジュール５２が強度測定値を特定する。複数の抽出の低分解能時間間隔は、並べられた低分解能時間間隔の間にＡＤＣモジュール５２によって取得された強度測定値が、飛行時間収集操作の複数の抽出における、同じｍ／ｚ比で特徴付けられるイオンの測定された強度に対応するように、並べることが可能である。メインプロセッサ５６は、これらの並べられた強度測定値を区分ごとに合計して、飛行時間収集操作全体における複数の強度測定値を特定することができる。次に、メインプロセッサ５６は、結合データセットを決定するために適切に定義された強度条件を用いて、これら複数の強度測定値を、上述のように、複数の時刻および強度のペアと結合する。
【００６７】
実施形態によっては、複数の飛行時間抽出は、選択された数の飛行時間抽出であり、選択される数は１より大きい整数であり、これによって、デュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システム３０の１つ以上の特性が最適化、もしくは制御される。本発明の実施形態の態様によれば、飛行時間抽出の数は、デュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システム３０のダイナミックレンジを最適化、もしくは制御するように選択される。たとえば、飛行時間抽出の数の選択により、（高タイミング分解能データストリームの）低いほうの強度範囲の上限と、（低タイミング分解能データストリームの）高いほうの強度範囲の下限とを調節して、その選択されたＴＯＦ抽出数で低いほうの強度範囲と高いほうの強度範囲とが部分的に重なり合うようにすることが可能である。上述のように、高いほうの強度範囲と低いほうの強度範囲とが部分的に重なり合う、（図２の交差点２９で示される）理論的な最低限の飛行時間抽出数があってもよい。したがって、確実に部分的に重なり合うようにするためには、飛行時間抽出数を、この理論的な最低限の数より多くすればよい。また、飛行時間抽出数の選択を、他のＡＤＣ／ＴＤＣ性能パラメータと併せて行うことにより、高いほうおよび低いほうの強度範囲の他の限界を調節して、デュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システム３０の全体ダイナミックレンジの下限および上限を制御することも可能である。
【００６８】
以上のすべての場合において、メインプロセッサ５６の上述の処理ステップは、選択された数の飛行時間抽出のそれぞれに対して行うことができる。ＴＤＣモジュール４６は、選択された数の飛行時間抽出のそれぞれにおいて、抽出固有の複数の時刻および強度のペアを特定することができる。同様に、ＡＤＣモジュール５２は、選択された数の飛行時間抽出のそれぞれにおいて、抽出固有の複数の強度測定値を特定することができる。そして、メインプロセッサ５６は、これら２つのデータストリームを、上述のように、飛行時間収集操作の継続時間にわたって集約して、最終的な複数の時刻および強度のペアおよび強度測定値を特定する。そして、強度条件を用いてこれらのデータストリームを結合することにより、各データストリームから取得された強度情報を含む結合データセットを生成することができる。
【００６９】
デュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システムの代替実施形態
次に図４から図７を参照する。これらの図面は、本発明の実施形態の態様によるデュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システム３０の代替実施形態の概略図である。便宜上、これらの代替実施形態における類似の構成要素は、類似の参照符号に１００の倍数を加えたもので表し、類似の構成要素の説明は、これらの代替実施形態の他の特定の詳細が曖昧にならないように、簡略化されてもよい。
【００７０】
図４を具体的に参照すると、図４は、デュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システム１３０を示している。検出システム１３０では、イオン検出器１３２が、複数の検出プレート１３４により、電界発生器１３６によってイオン源から加速されて無電界ドリフトチャンバに入ったイオンを検出する。様々なｍ／ｚ比を有するイオンが複数のプレート１３４に到達すると、検出器１３２は、イオン強度を表す電気パルスを生成して、検出信号の系列を時刻の関数として生成する。検出信号系列は、信号バス１３８を通って出力される。信号バス１３８は、検出器プレート１３４の数と１対１で対応するＮチャネルのバスであってよい。検出信号系列は、信号分岐１４０において、高タイミング分解能分岐の検出信号および低タイミング分解能分岐の検出信号として分配される。信号線１４２は、高タイミング分解能分岐の検出信号の送信のために、弁別器１４４の入力を出力検出器１３２と結合している。弁別器１４４およびＴＤＣモジュール１４６は、高タイミング分解能デジタル変換器を形成しており、動作時には高タイミング分解能データストリームを生成する。飛行時間収集操作が複数の飛行時間抽出を含む場合、弁別器１４４およびＴＤＣモジュール１４６は、それぞれが各飛行時間抽出に対応する、抽出固有の複数の時刻および強度のペアを生成し、これらがメインプロセッサ１５６に送信され、積分されて、複数の時刻および強度のペアが生成される。
【００７１】
デュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システム１３０がデュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システム３０と異なるのは、ＡＤＣモジュール１５２を含んでいる点であり、ＡＤＣモジュール１５２は、機能的には、検出システム３０のアナログ加算モジュール４８とＡＤＣモジュール５２との組み合わせと同等でありうる。アナログデジタルモジュール１５２は、Ｎチャネルの信号バス１３８と結合されたＮチャネルアナログデジタル変換器を含む。もちろん、ＡＤＣモジュール１５２は、代替として、Ｎチャネルの信号バス１３８と結合されたＭチャネルアナログデジタル変換器（Ｍ＞Ｎ）を含んでもよい。ＡＤＣモジュール１５２の各チャネルを用いて、低タイミング分解能分岐の検出信号のチャネルをデジタル化して、低分解能時間間隔で取得された対応する複数の強度測定値を生成することができる。ＡＤＣモジュール１５２は、それぞれの複数の強度測定値を内部で合計し、集約された複数の強度測定値として信号線１５４からメインプロセッサ１５６へ出力する。この集約された複数の強度測定値を、信号処理のために、メインプロセッサ１５６（または他の何らかのプロセッサ）に与えることができる。
【００７２】
デュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システム３０では、Ｎチャネル分の検出信号系列がアナログ加算モジュール４８で合計されてからＡＤＣモジュール５２に入力されるが、デュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システム１３０では、ＡＤＣモジュール１５２内で、Ｎチャネル分の検出信号系列が個別にデジタル化されてから合計される。アナログデジタル変換の全体動作は、システム３０とシステム１３０とで同じ（または実質的に同等）である。しかしながら、高速アナログデジタル変換器のコストが概して高いため、検出システム１３０は、性能が同じ（または実質的に同等）であれば、検出システム３０に比べて不必要に高価になる可能性がある。メインプロセッサ１５６は、メインプロセッサ５６と同じ動作機能性を有することができ、動作的には、上述の処理に限定されない。メインプロセッサ１５６は、必要に応じて別の機能も実施可能であってよく、これは、当業者であれば理解されるとおりである。さらに、メインプロセッサ１５６は、オンボードメモリを有してよく、あるいは、外部メモリに接続されてよい。また、検出システム１３０に含まれる他の処理装置を代わりに用いて、ここに記載した処理ステップを実施させてもよい。メインプロセッサ１５６は、ＦＰＧＡ、ＣＰＵ、ＤＳＰ、ＧＰＧＰＵ、または同様のものの任意の組み合わせであってよい。
【００７３】
次に図５を具体的に参照すると、図５は、デュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システム２３０を示している。検出システム２３０では、イオン検出器２３２が、検出器プレート２３４により、電界発生器２３６によってイオン源から加速されて無電界ドリフトチャンバに入ったイオンを検出する。様々なｍ／ｚ比を有するイオンが検出器プレート２３４に到達すると、検出器２３２は、イオン強度を表す電気パルスを生成することにより、検出信号の系列を時刻の関数として生成する。検出信号系列は、信号バス２３８を通って出力される。信号バス２３８は、図５に示したように、単一チャネルのバスである。もちろん、実施形態によっては、検出システム２３０は、複数の検出器プレートを含み、かつ、検出器プレートの数と１対１で対応する複数のチャネルを信号バス２３８に含むように修正可能である。検出信号系列は、信号分岐２４０において、高タイミング分解能分岐の検出信号および低タイミング分解能分岐の検出信号として分配される。信号線２５０は、低タイミング分解能分岐の検出信号の送信のために、ＡＤＣモジュール２５２の入力を出力検出器２３２と結合している。ＡＤＣモジュール２５２は、低タイミング分解能分岐の検出信号をデジタル化して、下流での複数の強度測定値を生成する処理に備える。たとえば、メインプロセッサ２５６は、低タイミング分解能データストリームを処理するために、ＡＤＣモジュール２５２と結合されうる。
【００７４】
デュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システム２３０がデュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システム３０と異なるのは、ＴＤＣモードで動作するＡＤＣモジュール２６０と、オンボードプロセッサ２６２とを、検出システム３０のＴＤＣモジュール４６の代わりに含んでいる点である。ＡＤＣモジュール２６０に含まれるアナログデジタル変換器は、その入力信号利得（または同様な意味合いで、その入力信号減衰率）を調節することにより、個々に異なるイオン事象を記録するように構成可能である。すなわち、ＡＤＣの入力信号利得を十分大きくすると、信号イオンに関連付けられた過渡パルスが測定可能になる。そして、オンボードプロセッサ２６２（または同様な意味合いで、メインプロセッサ２５６）は、本質的には定比率弁別器として動作して、個々の過渡パルスのタイミングを検出することが可能である。このように、オンボードプロセッサ２６２は、時刻および強度のペアを識別するように構成可能である。したがって、ＡＤＣモジュール２６０は、いわゆるＴＤＣモードでは、適切な下流プロセッサとの組み合わせで、個々のイオン事象のタイミングを記録することが可能である。
【００７５】
しかしながら、ＡＤＣモジュール２６０は、ＴＤＣモードでは、検出器２３４でのイオン事象に関与したイオンの数を近似的にしか計数できない。たとえば、検出器２３２内の電子増倍では、記録された単一イオンに対して同じ振幅の過渡パルスが常に生成されるとは限らない。単一イオンは、場合によって、３ｍＶのパルスを生成することもあれば、５ｍＶのパルスを生成することもある。真の閾値検出器（たとえば、ＴＤＣ）は、パルス振幅がＴＤＣ閾値を超える場合には、各過渡パルスを無差別に単一イオン事象として記録する。一方、ＴＤＣとして動作するＡＤＣモジュール２６０は、上述のように、その動作パラメータ（たとえば、平均イオン応答）に基づいて、イオン数を推定するだけであってもよい。
【００７６】
オンボードプロセッサ２６２はまた、ＡＤＣモジュール２６０のタイミング分解能を向上させることも可能である。ＡＤＣ自体は、やはり、その低タイミング分解能による限界があってもよい。しかしながら、オンボードプロセッサ２６２は、ＴＤＣモードで動作している場合には、ＡＤＣの低分解能時間間隔より細かい間隔を補間する技術を実装することにより、ＡＤＣが単独で提供しうるものより高い全体タイミング分解能で過渡パルスの到達時刻を記録することが可能である。場合により、オンボードプロセッサ２６２はまた、ノイズ閾値処理を実装して、検出器チャネルのノイズがイオン事象パルスと誤認識されないようにすることも可能である。オンボードプロセッサ２６２は、他の既知の信号処理技術についても同様に構成可能である。
【００７７】
次に図６を具体的に参照すると、図６は、デュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システム３３０を示している。検出システム３３０では、イオン検出器３３２が、複数の検出プレート３３４により、電界発生器３３６によってイオン源から加速されて無電界ドリフトチャンバに入ったイオンを検出する。様々なｍ／ｚ比を有するイオンが複数のプレート３３４に到達すると、検出器３３２は、イオン強度を表す電気パルスを生成して、検出信号の系列を時刻の関数として生成する。検出信号系列は、信号バス３３８を通って信号分岐３４０に出力されることができ、信号分岐３４０で、検出信号系列は、高タイミング分解能分岐の検出信号および低タイミング分解能分岐の検出信号として分配される。信号線３４２は、高タイミング分解能分岐の検出信号の送信のために、弁別器３４４の入力を検出器３３２の出力と結合している。弁別器３４４およびＴＤＣモジュール３４６は、高タイミング分解能デジタル変換器を形成しており、動作時には高タイミング分解能データストリームを生成する。飛行時間収集操作が複数の飛行時間抽出を含む場合、弁別器３４４およびＴＤＣモジュールは、それぞれが各飛行時間抽出に対応する、抽出固有の複数の時刻および強度のペアを生成することができ、これらがメインプロセッサ３５６に送信されて処理される。
【００７８】
デュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システム３３０がデュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システム３０と異なるのは、ＡＤＣモジュール３５２にオンボードプロセッサ３６２を含む点である。オンボードプロセッサ３６２は、ＡＤＣモジュール３５２の計算能力を増強し、ＡＤＣモジュール３５２から出力された、デジタル化された集約検出信号の時刻情報を生成する。たとえば、オンボードプロセッサ３６２は、ＡＤＣモジュール３５２によって生成された、デジタル化された検出信号を処理して、検出器３３２におけるイオン事象に対応する信号ピークを識別し、検出された各ピークのタイミング情報を特定することができる。このようにして、オンボードプロセッサ３６２は、飛行時間抽出において、デジタル化された検出信号の各ピークに対応する各イオン群の飛行時間を特定することができる。上述のように、オンボードプロセッサ３６２はまた、様々な方法で、ＡＤＣモジュール３５２のデータスループットを下げることも可能である。高いほうの強度範囲の強度測定値に対して何らかの予備的な信号処理（たとえば、加算や平均）を行うことにより、メインプロセッサ３６２に送信されるローデータの量を減らすことが可能である。
【００７９】
データスループットを下げることは、ＴＤＣモジュール３４６の出力を用いて行うことも可能であり、この場合は、高いほうの強度範囲の強度測定値のうち、有効なイオン強度情報を含むセグメントを隔離し、それらのセグメントだけを低タイミング分解能データストリームとしてメインプロセッサ３５６に送信することにより、高いほうの強度範囲の強度測定値のうちの、ノイズ情報しか含まないセグメントを廃棄して、データスループットを下げる。たとえば、図６に示したように、弁別器３４４とオンボードプロセッサ３６２とをデジタル信号線で接続することが可能である。このデジタル信号線は、閾値交差情報を弁別器３４４からオンボードプロセッサ３６２へ搬送する。この閾値交差情報は、検出器信号が閾値を上回る場合（すなわち、有効なイオン強度情報を含む場合）にはハイ状態となり、検出器信号が閾値を下回る場合（すなわち、ノイズ情報しか含まない場合）にはロー状態となりうる。このように、このデジタル信号線は、オンボードプロセッサ３６２が、高いほうの強度範囲の強度測定値をオンボードプロセッサ３６２へ送信するタイミングを制御するためのイネーブル信号として動作することができる。あるいは、このデジタル信号線は、オンボードプロセッサ３６２をＴＤＣモジュール３４６に接続して同じ結果を達成することも可能である。
【００８０】
次に図７を具体的に参照すると、図７は、デュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システム４３０を示している。検出システム４３０では、イオン検出器４３２が、複数の検出プレート４３４により、電界発生器４３６によってイオン源から加速されて無電界ドリフトチャンバに入ったイオンを検出する。様々なｍ／ｚ比を有するイオンが複数のプレート４３４に到達すると、検出器４３２は、イオン強度を表す電気パルスを生成することにより、検出信号の系列を時刻の関数として生成する。検出信号系列は、信号バス４３８を通って信号分岐４４０に出力され、信号分岐４４０で、検出信号系列は、高タイミング分解能分岐の検出信号および低タイミング分解能分岐の検出信号として分配される。信号線４４２は、高タイミング分解能分岐の検出信号の送信のために、弁別器４４４の入力を検出器４３２の出力と結合している。弁別器４４４およびＴＤＣモジュール４４６は、高タイミング分解能デジタル変換器を形成しており、動作時には高タイミング分解能データストリームを生成する。飛行時間収集操作が複数の飛行時間抽出を含む場合、弁別器４４４およびＴＤＣモジュールは、それぞれが各飛行時間抽出に対応する、抽出固有の複数の時刻および強度のペアを生成することができ、これらがメインプロセッサ４５６に送信されて積分される。上述のように、閾値交差情報を搬送するデジタル信号線が弁別器４４４をＡＤＣプロセッサ４６２に接続することにより、高いほうの強度範囲の強度測定値をＡＤＣモジュール４５２からメインプロセッサ４５６へ送信するタイミングが制御されうる。また、このデジタル信号線は、ＡＤＣプロセッサ４６２をＴＤＣモジュール４４６に接続して同じ結果を達成することも可能である。
【００８１】
デュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システム４３０がデュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システム３３０と異なるのは、ＡＤＣモジュール４５２と関連付けられ、外部からＡＤＣモジュール４５２と結合されているＡＤＣプロセッサ４６２が、オンボードプロセッサの代わりになっている点である。ＡＤＣプロセッサ４６２は、オンボード３６２と同じ（または実質的に同等の）機能を、別の様式で提供することが可能である。なお、メインプロセッサ４５６は、実施形態によっては、ＡＤＣプロセッサ４６２の機能性の少なくとも一部を実施することが可能である。
【００８２】
ここまで述べてきた、デュアルＴＤＣ−ＡＤＣシステム３０の各代替実施形態は、イオン処理のために、システム３０と同等の機能を、別の様式で提供する。
【００８３】
ダイナミックレンジのモデリング実験
次に、図８を参照する。図８は、デュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システムのＴＤＣおよびＡＤＣの上限および下限を示すグラフである。図８のグラフ８０は、ｘ軸が、ＴＯＦ抽出数を表しており、ｙ軸が、検出されたイオンの数を表している。曲線８２は、ＴＤＣのダイナミックレンジの下限を表しており、曲線８４は、対応する上限を表している。同様に、曲線８６は、ＡＤＣのダイナミックレンジの下限を表しており、曲線８８は、ＡＤＣのダイナミックレンジの上限を表している。したがって、図示した曲線は、ＴＯＦ抽出数の関数としての、イオンの最大数および最小数を示しており、これらは、ＴＤＣおよびＡＤＣにより確実に記録されうる。上述のように、記録可能なイオンの最小数は、１より大きく、たとえば、５から１０である。
【００８４】
図示した曲線は、以下の性能パラメータを有するデュアルＴＤＣ−ＡＤＣシステムの理論的ダイナミックレンジをモデル化している。
ＴＤＣのチャネル数＝４
ＴＤＣの飽和補正の許容誤差＝０．０３
ＡＤＣのビン数＝２５６
ＡＤＣの無相関ノイズ＝１ビン
ＡＤＣの相関ノイズ＝０．１ビン
ＡＤＣビンにおける平均イオン応答＝０．５
【００８５】
図８からわかるように、上記条件下では、ＴＯＦ抽出が１０回未満のところから、ＴＤＣとＡＤＣの検出範囲が部分的に重なり始める。すなわち、低いほうの強度範囲（ＴＤＣのダイナミックレンジ）の上限８４は、高いほうの強度範囲（ＡＤＣのダイナミックレンジ）の下限８６を超える。低いほうのＴＤＣの強度範囲の下限８２は、高いほうのＡＤＣ強度範囲の上限８８とともに、デュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システムの全体ダイナミックレンジを定義しており、これはもちろん、上限８４が下限８６を超えるＴＯＦ抽出数においてである。これにより、ＴＤＣおよびＡＤＣの両方が高品質のデータを与えうるイオン強度範囲が与えられ、これらのデータを相互に関連付けることにより、ＴＤＣが生成する時刻および強度のペアと、ＡＤＣが生成する強度測定値とを相関させることが可能である。本発明の実施形態の一部の態様によれば、飛行時間抽出がちょうど２００回を過ぎてから、５桁の全体ダイナミックレンジが達成される。そのような少ないＴＯＦ抽出数で５桁のダイナミックレンジが達成されるため、飛行時間抽出頻度が２０ｋＨｚであれば、理論的には毎秒１００個のスペクトルが生成可能である。
【００８６】
次に、図９を参照する。図９は、デュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システムのＴＤＣおよびＡＤＣの別の上限および下限を示すグラフである。図９のグラフ９０も、ｘ軸が、ＴＯＦ抽出数を表しており、ｙ軸が、検出されたイオンの数を表している。曲線９２は、ＴＤＣのダイナミックレンジの下限を表しており、曲線９４は、対応する上限を表している。同様に、曲線９６は、ＡＤＣのダイナミックレンジの下限を表しており、曲線９８は、ＡＤＣのダイナミックレンジの上限を表している。したがって、図示した曲線は、所与のＴＯＦ抽出数に対しての、イオンの最大数および最小数を示しており、これらは、ＴＤＣおよびＡＤＣにより記録可能である。
【００８７】
場合によっては、わずか１回の飛行時間抽出で、有意な強度データを記録することが必要になることもある。このような場合は、ダイナミックレンジを犠牲にして、ＡＤＣの信号利得を増やすか、あるいは、ＡＤＣの減衰率を減らす。ＴＯＦ抽出が１回であっても、ＴＤＣとＡＤＣのダイナミックレンジが部分的に重なり合うように、デュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システムの性能パラメータを選択することが可能である。デュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システムの性能パラメータは、ここでも以下に挙げるとおりである。
ＴＤＣのチャネル数＝４
ＴＤＣの飽和補正の許容誤差＝０．０３
ＡＤＣのビン数＝２５６
ＡＤＣの無相関ノイズ＝１ビン
ＡＤＣの相関ノイズ＝０．１ビン
ＡＤＣビンにおける平均イオン応答＝１．５
【００８８】
この性能パラメータセットの平均イオン応答が０．５ビンではなく、１．５ビンであることに注意されたい。これは、ＡＤＣ信号利得の増加を反映したものである。さらに、図８とは異なり、図９では、すべて（または、ほぼすべて）のＴＯＦ抽出数において、ＡＤＣの検出範囲の下限を表す曲線９６が、ＴＤＣの最大検出能力を表す曲線９２より下にあることに注意されたい。ここでも、これらの選択された性能パラメータに対して、曲線９２および曲線９８は、ＴＯＦ抽出数の関数として、それぞれ、ＴＤＣの範囲の下限およびＡＤＣの範囲の上限を表しており、両方で、デュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システムのダイナミックレンジを定義している。
【００８９】
次に、図１０を参照する。図１０は、デュアルＴＤＣ−ＡＤＣ検出システムのＴＤＣおよびＡＤＣのさらに別の上限および下限を示すグラフである。図１０のグラフ１００も、ｘ軸が、ＴＯＦ抽出数を表しており、ｙ軸が、検出されたイオンの数を表している。曲線１０２は、ＴＤＣのダイナミックレンジの下限を表しており、曲線１０４は、対応する上限を表している。同様に、曲線１０６は、ＡＤＣのダイナミックレンジの下限を表しており、曲線１０８は、ＡＤＣのダイナミックレンジの上限を表している。したがって、図示した曲線は、所与のＴＯＦ抽出数に対しての、イオンの最大数および最小数を示しており、これらは、ＴＤＣおよびＡＤＣにより記録可能である。
【００９０】
ＡＤＣの信号利得を減らすことにより（あるいは、減衰率を増やすことにより）、ＴＯＦ抽出が約１００回のところでＴＤＣの範囲とＡＤＣの範囲とが部分的に重なり合うように、曲線１０６を制御することが可能である。抽出頻度が２０ＫＨｚの場合、スペクトル当たり２０００回の抽出に基づく複合スペクトルが、毎秒１０スペクトルの割合で生成され、この場合のダイナミックレンジは、理論的には６桁を超える。このシステム特性を達成する例示的性能パラメータは、ここでも以下に挙げるとおりである。
ＴＤＣのチャネル数＝４
ＴＤＣの飽和補正の許容誤差＝０．０３
ＡＤＣのビン数＝２５６
ＡＤＣの無相関ノイズ＝１ビン
ＡＤＣの相関ノイズ＝０．１ビン
ＡＤＣビンにおける平均イオン応答＝０．２
【００９１】
図１０に示したように、ＡＤＣの減衰率を上げると、これによって平均イオン応答が減り、ダイナミックレンジが大幅に増える。しかしながら、ダイナミックレンジが増えると、コストがかさむことになる。すなわち、確実に部分的に重なり合うようにするためには、ＴＯＦ抽出数をより多くしなければならない。約１０回以下のＴＯＦ抽出で重なり始める他のシステム構成と異なり、重なり始めるのは、約１００回のＴＯＦ抽出からである。結果として、複合スペクトルは、必ずしもすぐには生成することができない。しかしながら、ここでのダイナミックレンジが、トレードオフとして、図８および図９に示した低減衰率の場合より大きいことは理解されたい。
【００９２】
本発明の実施形態の態様によれば、本明細書に記載のシステムを用いて飛行時間型質量分析計システムを操作する、関連の方法も提供され、これも本開示の範囲に含まれる。
【００９３】
より明確化するために、本明細書に記載の飛行時間型質量分析計システムおよび関連する操作方法は、任意の好適な飛行時間型計器を用いて実践されてよいものとする。図１１に、一例示的飛行時間型質量分析計５００を概略的に示す。ただし、質量分析計５００は、本発明の実施形態に従って使用する１つの可能な飛行時間型計器を表しているに過ぎない。図１１に表したように、ＴＯＦ質量分析計５００は、ハイブリッド四極／飛行時間型質量分析計（ＱｑＴＯＦ）である。しかしながら、一段飛行時間型質量分析計（ＴＯＦ）、二段飛行時間型質量分析計（ＴＯＦ−ＴＯＦ）、ハイブリッドトラップ／飛行時間型質量分析計（Ｔｒａｐ−ＴＯＦ）、および他の飛行時間型トポロジを有する質量分析計も同様に、本発明の実施形態に従って使用可能である。
【００９４】
質量分析計５００は、イオン源５０２と、飛行時間型質量分析器５０４と、飛行時間型質量分析器５０４の上流に配置された１つ以上の四重極５０６、５０８、５１０と、を含んでいる。イオン源５０２は、電気スプレー源であってよいが、他の任意の好適なイオン源であってもよい。たとえば、イオン源５０２は、連続イオン源であってもパルス状イオン源であってもよい。イオン源５０２から放射されたイオンは、まず、ＲＦ専用モードで衝突冷却を与えるように動作するコリメート四重極５０６を通る。真空チャンバ５１２内に配置された四重極５０８は、質量分解モードで、特定の質量対電荷比を有するイオンを選択するように動作してもよく、四重極５１０は、出口レンズ５１４において、適切に制御されたＤＣトラッピング障壁を与えることにより、イオントラップとして動作してもよい。また、質量分析計５００には、コリメート四重極５０６から質量分解四重極５０８へのイオン転送を促進するために、スタビロッド５１６も含まれてもよい。
【００９５】
四重極５１０を衝突チャンバ５１８の内部に配置することにより、トラップされたイオンは、衝突誘起解離（ＣＩＤ）および／または衝突誘起反応の対象となりうる。四重極５１０で生成された生成イオン、ならびに残留前駆イオンは、イオン注入口５２０から飛行時間型質量分析器５０４に入ってもよい。イオン源５０２が連続イオン源の場合、イオンは、イオン注入口５２０を通ると、電界発生器５３６の収集領域で収集されうる。電界発生器５３６は、短い高電圧電界を印加することにより、イオンを加速させて、無電界ドリフトチャンバ５２２の端から端までイオンを加速させて、検出を行うイオン検出器５３２に向かわせうる。一方、イオン源５０２がパルス状イオン源の場合は、イオンを、イオンのバッチとして電界発生器５３６に導入する。いずれのアプローチによっても、イオンは、飛行時間抽出の系列として、無電界ドリフトチャンバ５２２の端から端まで加速される。任意選択的に、ドリフトチャンバ５２２の実効長を増やすために、１つ以上のイオン反射器（図示せず）を含めてもよい。
【００９６】
ただし、ここに記載した質量分析計５００は、本発明の実施形態の態様に従って使用できる１つの可能な飛行時間型計器に過ぎず、既述のものも含め、他の飛行時間型計器も同様に適切である場合がある。
【００９７】
飛行時間型質量分析計システムに関連する特定実施形態は、複数の質量対電荷比を有するイオンをイオン源から受け取るドリフトチャンバと、検出器に接触したイオンを表す検出信号の系列を生成する検出器と、検出器による検出のために、イオンをドリフトチャンバから押し出す電界を発生させる電界発生器と、検出器から検出信号系列を受信するために検出器とリンクされた高タイミング分解能デジタル変換器であって、多数の多様な高ピークを分解するように構成されており、検出器によって検出された各イオン群について、ｉ）検出信号系列のうち、そのイオン群の検出時に検出器によって生成された、関連付けられた検出信号を少なくとも１つ特定することと、ｉｉ）その少なくとも１つの関連付けられた検出信号に対応する到達時刻データを高分解能時間間隔で確定することと、によって、高タイミング分解能データストリームを生成するように動作可能な高タイミング分解能デジタル変換器と、検出器から検出信号系列を受信するために検出器とリンクされた低タイミング分解能デジタル変換器であって、検出信号系列を低分解能時間間隔でサンプリングすることによって低タイミング分解能データストリームを生成するように動作可能な低タイミング分解能デジタル変換器と、高タイミング分解能デジタル変換器および低タイミング分解能デジタル変換器とリンクされたプロセッサであって、ｉ）高タイミング分解能データストリームを処理して複数の時刻および強度のペアを特定するステップであって、各時刻および強度のペアは、複数の質量対電荷比のうちの、対応する、異なるいずれかの質量対電荷比を有するイオンの飛行時間および強度を表す、上記特定するステップと、ｉｉ）低タイミング分解能データストリームを処理して、検出信号系列のうちの複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を特定するステップと、を行うように動作可能なプロセッサと、を含む。
【００９８】
プロセッサは、高タイミング分解能データストリームと低タイミング分解能データストリームとを結合して、高タイミング分解能データストリームおよび低タイミング分解能データストリームの両方から、強度情報を含む複数のイオン強度を取得するように動作可能である。複数のイオン強度の各イオン強度は、複数の質量対電荷比のうちの異なるいずれかの質量対電荷比に対応することができる。プロセッサは、複数の時刻および強度のペアのうちの強度を、複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値と比較することにより、複数のイオン強度を取得するように動作可能である。
【００９９】
プロセッサは、複数の時刻および強度のペアの各時刻および強度のペアについて、複数のイオン強度のうちの対応するイオン強度を特定するように動作可能であり、この特定は、高タイミング分解能デジタル変換器の強度条件がその時刻および強度のペアに対して満たされているかどうかを判定することと、強度条件が満たされている場合は、複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値のうちの、その時刻および強度のペアに対応するイオン強度を特定し、強度条件が満たされていない場合は、その時刻および強度のペアのうちの強度を、対応するイオン強度として選択することにより行われる。
【０１００】
プロセッサは、ある個々の時刻および強度のペアが強度条件を満たすかどうかを判定するように動作可能であり、この判定は、複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値のうちの、その個々の時刻および強度のペアのうちの強度に対応する、高いほうの強度範囲の強度測定値が、高タイミング分解能デジタル変換器によって測定可能な最大強度を超えているかどうかを判定することによって行う。
【０１０１】
低タイミング分解能デジタル変換器は、アナログデジタル変換器を含む。低タイミング分解能デジタル変換器はさらに、低タイミング分解能デジタル変換器に与えられた検出信号系列に減衰率を適用する減衰器を含むことが可能である。低タイミング分解能デジタル変換器は、減衰率と、アナログデジタル変換器の出力レベルとを用いて、複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値の各高いほうの強度範囲の強度測定値を特定することができる。
【０１０２】
プロセッサは、減衰器によって適用される減衰率を、高分解能データストリームの低いほうの強度範囲の少なくとも半分が、低分解能データストリームの高いほうの強度範囲の下方かつ外側になるように、決定するように動作可能である。
【０１０３】
高タイミング分解能デジタル変換器は、各検出信号に対応する到達時刻を特定するために、少なくとも１つの時間デジタル変換器と、この少なくとも１つの時間デジタル変換器をトリガする弁別器とを含むことが可能である。
【０１０４】
高タイミング分解能デジタル変換器は、ＴＤＣモードで動作するアナログデジタル変換器を含むことが可能であり、プロセッサは、時刻および強度のペアを識別する変換プロセッサを含むことが可能である。
【０１０５】
検出器は、Ｎチャネル検出器であってよく、高タイミング分解能デジタル変換器および低タイミング分解能チャネルのそれぞれがＮ個の入力チャネルを含んでよく、検出器によって与えられる検出信号系列は、Ｎチャネルの検出信号系列であってよい。高タイミング分解能デジタル変換器は、少なくとも１つの関連付けられた検出信号のそれぞれに対応する到達時刻を特定するために、Ｎ個の時間デジタル変換器と、このＮ個の時間デジタル変換器をトリガする、少なくともＮ個の入力チャネルを有する弁別器とを含むことが可能である。低タイミング分解能デジタル変換器は、少なくともＮ個の入力チャネルを有する加算器と、この加算器とリンクされたアナログデジタル変換器とを含むことが可能である。加算器は、アナログ加算器であってよい。
【０１０６】
電界発生器は、複数の飛行時間抽出の各飛行時間抽出において、イオンをイオン群の系列としてドリフトチャンバから押し出すように動作可能であり、イオン群系列の各イオン群は、複数の質量対電荷比のうちの異なるいずれかの質量対電荷比を有するイオンを含む。高タイミング分解能デジタル変換器は、複数の飛行時間抽出の各抽出において、抽出固有の複数の時刻および強度のペアを特定して、複数の抽出固有の複数の時刻および強度のペアを与えるように動作可能である。低タイミング分解能デジタル変換器は、複数の飛行時間抽出の各抽出において、抽出固有の複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を特定して、複数の抽出固有の複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を与えるように動作可能である。プロセッサは、複数の時刻および強度のペアと、複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値とが、それぞれ、複数の飛行時間抽出を経て特定されるように、複数の抽出固有の複数の時刻および強度のペアを結合して、複数の時刻および強度のペアを与えることと、複数の抽出固有の複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を結合して、複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を与えることと、を行うように動作可能である。
【０１０７】
電界発生器は、選択された数の飛行時間抽出の各飛行時間抽出において、イオンをイオン群の系列としてドリフトチャンバから押し出すように動作可能であってよく、選択された数は、１より大きい整数であり、イオン群系列の各イオン群は、複数の質量対電荷比のうちの異なるいずれかの質量対電荷比を有するイオンを含む。高タイミング分解能デジタル変換器は、選択された数の飛行時間抽出の各抽出において、抽出固有の複数の時刻および強度のペアを特定して、選択された数の抽出固有の複数の時刻および強度のペアを与えるように動作可能であってよい。低タイミング分解能デジタル変換器は、選択された数の飛行時間抽出の各抽出において、抽出固有の複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を特定して、選択された数の抽出固有の複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を与えるように動作可能であってよい。プロセッサは、複数の時刻および強度のペアと、複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値とが、それぞれ、選択された数の飛行時間抽出を経て特定されるように、選択された数の抽出固有の複数の時刻および強度のペアを結合して、複数の時刻および強度のペアを与えることと、選択された数の抽出固有の複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を結合して、複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を与えることと、を行うように動作可能であってよい。飛行時間抽出数は、低いほうの強度範囲が高いほうの強度範囲と部分的に重なり合うように、低いほうの強度範囲の上限および高いほうの強度範囲の下限を調節するように選択される。
【０１０８】
他の実施態様は、飛行時間型質量分析計を操作することにより、複数の質量対電荷比を有するイオンを処理して複数のイオン強度を特定する方法に関する。本方法は、ａ）複数の飛行時間抽出においてイオンを飛行時間型質量分析計に導入するステップと、ｂ）複数の飛行時間抽出の各抽出において、イオンを、検出器による検出のために、イオン群の系列としてドリフトチャンバから検出器へ押し出すべく、イオンに電界をかけるステップであって、イオン群系列の各イオン群が、複数の質量対電荷比のうちの異なるいずれかの質量対電荷比を有するイオンを含む、イオンに電界をかけるステップと、ｃ）検出器に接触したイオンを検出して、検出信号の系列を生成するステップと、ｄ）高タイミング分解能データストリームを生成するステップであって、多数の多様な高ピークを分解するように構成された高タイミング分解能デジタル変換器に検出信号系列を与えるステップと、検出器によって検出された各イオン群について、検出信号系列のうち、そのイオン群の検出時に検出器によって生成された、関連付けられた検出信号を少なくとも１つ特定するステップとにより、高タイミング分解能データストリームを生成するステップと、ｅ）低タイミング分解能デジタル変換器に検出信号系列を与えることにより、低タイミング分解能データストリームを生成するステップと、ｆ）複数の質量対電荷比の各質量対電荷比について、その質量対電荷比を有するイオンの飛行時間および強度を表す、対応する時刻および強度のペアを特定することによって、高タイミング分解能データストリームを処理するステップであって、時刻および強度のペアのうちの強度は、複数の高分解能時間間隔にわたって測定された複数の、低いほうの強度範囲の強度値から特定される、高タイミング分解能データストリームを処理するステップと、ｇ）低タイミング分解能データストリームを処理して、検出信号系列のうちの複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を特定するステップと、を含む。低タイミング分解能デジタル変換器は、高タイミング分解能デジタル変換器で測定可能な最大強度を超える強度を測定するように動作可能である。高タイミング分解能デジタル変換器は、低タイミング分解能デジタル変換器の低タイミング分解能より高い高タイミング分解能で動作可能である。
【０１０９】
本方法はさらに、高タイミング分解能データストリームおよび低タイミング分解能データストリームを結合して、高タイミング分解能データストリームおよび低タイミング分解能データストリームの両方からの強度情報を含む結合データセットを与えるステップを含みうる。高タイミング分解能データストリームおよび低タイミング分解能データストリームを結合して結合データセットを与えるステップは、複数の時刻および強度のペアのうちの強度を、複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値と比較することを含みうる。
【０１１０】
高タイミング分解能データストリームおよび低タイミング分解能データストリームを結合するステップは、複数の時刻および強度のペアの各時刻および強度のペアについて、複数のイオン強度のうちの対応するイオン強度を特定することを含むことができ、このステップは、高タイミング分解能デジタル変換器の強度条件がその時刻および強度のペアに対して満たされているかどうかを判定することと、強度条件が満たされている場合は、複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値のうちの、その時刻および強度のペアに対応するイオン強度を特定し、強度条件が満たされていない場合は、その時刻および強度のペアのうちの強度を、対応するイオン強度として選択することとによって行う。ある個々の時刻および強度のペアが強度条件を満たすかどうかを判定するステップは、その個々の時刻および強度のペアのうちの強度に対応する、低タイミング分解能デジタル変換器の高いほうの強度範囲の強度測定値が、高タイミング分解能デジタル変換器で測定可能な最大強度を超えているかどうかを判定することを含みうる。
【０１１１】
高タイミング分解能データストリームを生成するステップは、複数の飛行時間抽出の各抽出において、抽出固有の複数の時刻および強度のペアを特定して、複数の抽出固有の複数の時刻および強度のペアを与えることを含むことができる。複数の時刻および強度のペアを特定するステップは、複数の時刻および強度のペアが複数の飛行時間抽出を経て特定されるように、複数の抽出固有の複数の時刻および強度のペアを結合して、複数の時刻および強度のペアを与えることを含むことができる。低タイミング分解能データストリームを生成するステップは、複数の飛行時間抽出の各抽出において、抽出固有の複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を特定して、複数の抽出固有の複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を与えることを含むことができる。複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を特定するステップは、複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値が複数の飛行時間抽出を経て特定されるように、複数の抽出固有の複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を結合して、複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を与えることを含むことができる。
【０１１２】
複数の飛行時間抽出は、選択された数の飛行時間抽出を含み、選択された数は、１より大きい整数である。高タイミング分解能データストリームを生成するステップは、選択された数の飛行時間抽出の各抽出において、抽出固有の複数の時刻および強度のペアを特定して、選択された数の抽出固有の複数の時刻および強度のペアを与えることを含むことが可能である。複数の時刻および強度のペアを特定するステップは、複数の時刻および強度のペアが、選択された数の飛行時間抽出を経て特定されるように、選択された数の抽出固有の複数の時刻および強度のペアを結合して、複数の時刻および強度のペアを与えることを含むことが可能である。低タイミング分解能データストリームを生成するステップは、選択された数の飛行時間抽出の各抽出において、抽出固有の複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を特定して、選択された数の抽出固有の複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を与えることを含むことが可能である。複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を特定するステップは、複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値が、選択された数の飛行時間抽出を経て特定されるように、選択された数の抽出固有の複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を結合して、複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を与えることを含むことが可能である。
【０１１３】
本方法はさらに、低タイミング分解能デジタル変換器に与えられる検出信号系列に減衰率を適用するステップを含むことが可能である。複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値のうちの各高いほうの強度範囲の強度測定値は、減衰率と、アナログデジタル変換器の出力レベルとに基づいて特定することができる。減衰率は、高分解能データストリームの低いほうの強度範囲の少なくとも半分が、低分解能データストリームの高いほうの強度範囲の下方かつ外側になるように、決定可能である。
【０１１４】
低タイミング分解能データストリームは、少なくとも１つの検出信号の継続時間を表す複数の低分解能時間間隔を含む。複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値の各高いほうの強度範囲の強度測定値は、複数の低分解能時間間隔のうちの対応する低分解能時間間隔の間の少なくとも１つの検出信号の強度を表す。
【０１１５】
本方法はさらに、ある時刻および強度のペアが強度条件を満たす場合に、複数の低分解能時間間隔のうちの、その時刻および強度のペアのうちの時刻に対応する低分解能時間間隔を識別し、その対応する低分解能時間間隔を選択して、その時刻および強度のペアのうちの時刻を表すステップを含むことができる。
【０１１６】
特定の実施態様は、飛行時間型質量分析計を操作することにより、複数の質量対電荷比を有するイオンを処理して複数のイオン強度を特定する方法に関する。本方法は、ａ）イオンを飛行時間型質量分析計に導入するステップと、ｂ）イオンを、検出器による検出のために、イオン群の系列としてドリフトチャンバから検出器へ押し出すべく、イオンに電界をかけるステップであって、イオン群系列の各イオン群が、複数の質量対電荷比のうちの異なるいずれかの質量対電荷比を有するイオンを含む、イオンに電界をかけるステップと、ｃ）検出器に接触したイオンを検出して、検出信号の系列を生成するステップと、ｄ）高タイミング分解能データストリームを生成するステップであって、多数の多様な高ピークを分解するように構成された高タイミング分解能デジタル変換器に検出信号系列を与えるステップと、イオン群系列の各イオン群について、ｉ）検出信号系列のうち、そのイオン群の検出時に検出器によって生成された、関連付けられた検出信号を少なくとも１つ特定するステップと、ｉｉ）そのイオン群の飛行時間および強度を表す、対応する時刻および強度のペアを特定するステップであって、時刻および強度のペアのうちの強度は、複数の高分解能時間間隔にわたって測定された複数の、低いほうの強度範囲の強度から特定される、対応する時刻および強度のペアを特定するステップと、によって、高タイミング分解能データストリームを生成するステップと、ｅ）低タイミング分解能デジタル変換器に検出信号系列を与えて、複数の低分解能時間間隔にわたる検出信号系列のうちの複数の、高いほうの強度範囲の強度測定値を特定することによって、低タイミング分解能データストリームを生成するステップと、を含むことができる。低タイミング分解能デジタル変換器は、高タイミング分解能デジタル変換器で測定可能な最大強度を超える強度を測定するように動作可能である。高タイミング分解能デジタル変換器は、低タイミング分解能デジタル変換器の低タイミング分解能より高い高タイミング分解能で動作する。
【０１１７】
上述の実施形態では、低タイミング分解能デジタル変換器は、高タイミング分解能デジタル変換器で測定可能な最大強度を超える強度を測定するように動作可能である。高タイミング分解能デジタル変換器は、低タイミング分解能デジタル変換器の低タイミング分解能より高い高タイミング分解能で動作可能である。高タイミング分解能デジタル変換器の高いタイミング分解能は、低タイミング分解能デジタル変換器の低いタイミング分解能の少なくとも２倍となりうる。高タイミング分解能デジタル変換器の高いタイミング分解能は、低タイミング分解能デジタル変換器の低いタイミング分解能の少なくとも５倍となりうる。
【０１１８】
本明細書で用いているセクション見出しは、構成用であるに過ぎず、いかなる形でも記載対象を限定するものではないことを理解されたい。さらに、本明細書で参照しているグラフや図面は、例示用に過ぎず、必ずしも正確な縮尺で描かれていないことを理解されたい。さらに、本発明の他の変形形態および変更形態も可能であって、本開示の範囲内であることを理解されたい。
【図１１】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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