(57)【要約】例えば質量分析計における、イオン光学エレメントを動的にバイアスするためのデバイスが提供される。該デバイスは電圧ソース、電圧ソースと結合される第１のイオン光学エレメント、第１のイオン光学エレメントと抵抗結合される第２のイオン光学エレメント、および第２のイオン光学エレメントと容量結合されるパルス発生器を含む。パルス発生器は第２のイオン光学エレメントに一連のパルスを加えるように構成される。定常状態オペレーションにおいて、第１のイオン光学エレメントと第２のイオン光学エレメントとの間に動的バイアス電圧が生成される。動的バイアス電圧は、加えられるパルスのパルス幅、パルス振幅、およびパルス繰り返し速度などの、加えられるパルスの特性を制御することによって、制御可能である。
2008505455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準電圧と、
該基準電圧と結合される第１のイオン光学エレメントと、
該第１のイオン光学エレメントと抵抗結合される第２のイオン光学エレメントと、
該第２のイオン光学エレメントと容量結合されるパルス発生器と
を備えるデバイスであって、
該パルス発生器は該第２のイオン光学エレメントに複数のパルスを加えるように構成され、該複数のパルスは制御可能なパルスパターンおよび制御可能なパルス形状を有し、その結果として定常状態オペレーションにおいて、該第１のイオン光学エレメントと該第２のイオン光学エレメントとの間に定常状態バイアス電圧が生成され、該バイアス電圧はパルス振幅の約０．１％よりも大きい、
デバイス。
【請求項２】
前記第１のイオン光学エレメントは、そこからイオンが脱離される、質量分析計のイオンソースエレメントであり、前記第２のイオン光学エレメントは該質量分析計のイオン引き出しエレメントである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記第２のイオン光学エレメントは、１つ以上の抵抗器、コンデンサ、および／またはインダクタを含むインピーダンスエレメントにより、前記第１のイオン光学エレメントと結合される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記基準電圧は約０ｋＶと約±３０ｋＶとの間の電圧レベルを提供するように構成される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記バイアス電圧は前記パルス振幅の約１％よりも大きい、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記イオンソースエレメントに衝突する複数のレーザーパルスを生成するように構成されるレーザーソースをさらに備える、請求項２に記載のデバイスであって、
該レーザーパルスはレーザーパルス周期を有し、該レーザーパルス周期は、該複数のレーザーパルスのそれぞれが、前記パルス発生器のパルスの１つを加える前の最初の期間に前記イオンソースエレメントに衝突するように制御される、
デバイス。
【請求項７】
定常状態オペレーションにおいて、前記定常状態バイアス電圧が前記イオンソースエレメントから脱離されるイオンを遅延するために十分であるように、パルス幅およびパルス周期が選定される、請求項２に記載のデバイス。
【請求項８】
前記イオン引き出しエレメントが前記イオンソースエレメントと第３のイオン光学エレメントとの間に位置するような、該第３のイオン光学エレメントをさらに備える、請求項２に記載のデバイスであって、
定常状態オペレーションにおいて、前記定常状態バイアス電圧が、該イオンソースエレメントと該イオン引き出しエレメントとの間の領域内に該第３のイオン光学エレメントによって生成される任意の場のイオンへの影響を、実質的に消去するために十分であるように、パルス幅およびパルス周期が選定される、
デバイス。
【請求項９】
インピーダンスエレメントにより前記第２のイオン光学エレメントと結合される第２の電圧ソースをさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
パルス幅およびパルス周期のうちの１つまたは両方が、自動的に調整可能である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記パルス発生器によって生成される前記パルスの振幅は約１ｋＶと約５ｋＶとの間である、請求項４に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記最初の周期は約０．０１マイクロ秒と約１０マイクロ秒との間の範囲内にある、請求項６に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記イオンソースエレメントから脱離されるイオンを検出する検出器をさらに備える、請求項６に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記制御可能なパルスパターンおよび制御可能なパルス形状は、パルス幅、パルス振幅、およびパルス繰り返し速度のうちの１つ以上を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記パルス幅、パルス振幅、およびパルス繰り返し速度のそれぞれは、独立にかつ自動的に調整可能である、請求項１４に記載のデバイス。
【請求項１６】
デバイスの中の第１のイオン光学エレメントと第２のイオン光学エレメントとの間に定常状態バイアス電圧を加える方法であって、
電圧源と、
該電圧源と結合される第１のイオン光学エレメントと、
該第１のイオン光学エレメントと抵抗結合される第２のイオン光学エレメントと、
該第２のイオン光学エレメントと容量結合されるパルス発生器と
を含むデバイスを提供することと、
該パルス発生器を使用して該第２のイオン光学エレメントに複数のパルスを加えることであって、該複数のパルスは制御可能なパルスパターンおよびパルス形状を有し、それらは定常状態オペレーションにおいて該第１のイオン光学エレメントと該第２のイオン光学エレメントとの間に定常状態バイアス電圧が生成されるように構成されることと
を包含する、方法。
【請求項１７】
前記第１のイオン光学エレメントは、そこからイオンが脱離される、質量分析計のイオンソースエレメントであり、前記第２のイオン光学エレメントは該質量分析計のイオン引き出しエレメントである、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記デバイスは、前記イオン引き出しエレメントが前記イオンソースエレメントと第３のイオン光学エレメントとの間に位置するような、該第３のイオン光学エレメントをさらに備え、
定常状態オペレーションにおいて、前記定常状態バイアス電圧が、該イオンソースエレメントと該イオン引き出しエレメントとの間の領域内に該第３のイオン光学エレメントによって生成される任意の場のイオンへの影響を、実質的に消去するために十分であるように、パルス幅およびパルス周期が選定される、
請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
最初の期間は約０．０１マイクロ秒と約１０マイクロ秒との間の範囲内にある、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記デバイスはレーザーパルス周期を有する複数のレーザーパルスを生成するレーザーソースをさらに含む、請求項１７に記載の方法であって、該方法は、該複数のレーザーパルスのそれぞれが、前記パルス発生器のパルスの１つを加える前の最初の期間に前記イオンソースエレメントに衝突するように、レーザーパルスのタイミングを制御することをさらに包含する、方法。
【請求項２１】
定常状態オペレーションにおいて、前記定常状態バイアス電圧が前記イオンソースエレメントから脱離されるイオンを遅延するために十分であるように、パルス幅、パルス周期、およびパルス振幅のうちの１つ以上が調整される、請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
前記制御可能なパルスパターンおよび制御可能なパルス形状は、パルス幅、パルス振幅、およびパルス繰り返し速度のうちの１つ以上を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２３】
前記パルス幅、パルス振幅、およびパルス繰り返し速度のそれぞれは、独立にかつ自動的に調整可能である、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
電圧ソースと、
該電圧ソースと結合される第１のイオン光学エレメントと、
該第１のイオン光学エレメントと抵抗結合され、開口を備える第２のイオン光学エレメントと、
該第２のイオン光学エレメントと容量結合されるパルス発生器と、
グランドと結合される第３のイオン光学エレメントと
を備えるデバイスであって、
該第２のイオン光学エレメントは該第１のイオン光学エレメントと第３のイオン光学エレメントの間に置かれ、該開口は電気的にシールドされていない、
デバイス。
【請求項２５】
前記電圧ソースが前記第１のイオン光学エレメントに第１の電位を加え、前記第２のイオン光学エレメントと前記第３のイオン光学エレメントとの間に電場が生成され、それが充分に前記開口に侵入し、その結果として、該第１のイオン光学エレメントから脱離されたイオンが電位の影響を受ける、請求項２４に記載のデバイス。
【請求項２６】
前記パルス発生器は前記第２のイオン光学エレメントに対して、前記第１のイオン光学エレメントと第２のイオン光学エレメントの間に動的バイアスが生成されるような周期および継続時間を有する周期的なパルスを加え、該バイアスは前記電場に対して反対に作用し、その結果として、該第１のイオン光学エレメントから脱離されたイオンが電位の影響を受けない、請求項２５に記載のデバイス。
【請求項２７】
電圧源と、
該電圧源と結合される第１のイオン光学エレメントと、
該第１のイオン光学エレメントと抵抗結合される第２のイオン光学エレメントと、
該第２のイオン光学エレメントと容量結合されるパルス発生器と
を有するデバイスの中の、第１のイオン光学エレメントと第２のイオン光学エレメントとの間に定常状態バイアス電圧を加える方法であって、該方法は、
該パルス発生器を使用して該第２のイオン光学エレメントに、制御可能なパルスパターンおよび制御可能なパルス形状を有する複数のパルスを加えることと、
定常状態オペレーションにおいて、該第１のイオン光学エレメントと該第２のイオン光学エレメントとの間に定常状態バイアス電圧が生成されるように、該パルスパターンおよび該パルス形状のうちの１つ以上を調整することと
を、包含する方法。
【請求項２８】
前記制御可能なパルスパターンおよび制御可能なパルス形状は、パルス幅と、パルス振幅と、パルス周期またはパルス繰り返し速度とのうちの１つ以上を含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記パルス幅と、パルス振幅と、パルス周期またはパルス繰り返し速度とのそれぞれは、独立にかつ自動的に調整可能である、請求項２８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の参照）
本出願は、米国特許仮出願第６０／５８５，３４９号（２００４年７月１日出願）の利益を主張し、該仮出願はその全てが、本明細書において参考として援用される。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、概して質量分析計に関し、特にレーザー脱離イオン化（ｌａｓｅｒ  ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ）質量分析計（「ＬＤＩ−ＭＳ」）に関する。
【背景技術】
【０００３】
分析化学の分野において、過去数十年間に目覚しい発展と汎用性とを示した技術には、飛行時間（Ｔｉｍｅ−ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ）質量分析計（「ＴＯＦ−ＭＳ」）の使用が含まれる。ＴＯＦ−ＭＳは一般に、イオンソース、イオン光学アセンブリ、フライトチューブ（自由飛行領域）およびイオン検出器を含む。より一般的には、ＴＯＦ−ＭＳは、イオンソース、質量分析器、および検出器システムに分けられ得る。
【０００４】
ＬＤＩ／ＴＯＦ−ＭＳのイオンソースはプローブエレメントおよびレーザーを含み、そのプローブエレメントの上にサンプルが置かれ、このレーザーは、サンプルの上にレーザー光のパルスを向け、プローブの表面から分析物分子を脱離させ、それらをイオン化する。
【０００５】
ＴＯＦ−ＭＳのサブアセンブリである、イオン光学アセンブリは、イオンソースからのイオンを、それらがＴＯＦ−ＭＳの自由飛行領域に入る前に、フォーカスし加速する。例えば、ＴＯＦ−ＭＳのイオン光学アセンブリは３つの電極を伴って実現され得る。すなわち、（１）ソースエレメント（リペラーレンズまたはサンプルプレートとも呼ばれる）；（２）引き出し（ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ）レンズエレメント；（３）加速レンズエレメント、である。ある場合には、引き出しレンズと加速電極との間に、第４の電極が置かれる。大部分のＬＤＩ−ＭＳ装置においては、ソースエレメントは、プローブの穴と嵌合するピンのような、またはプローブが滑り込む溝のような、プローブと係合するための手段を備える。このような方法で、サンプルはソースエレメントと結合される。一部の装置においては、一部のまたは全てのレンズの開口に、電導性の格子（ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｇｒｉｄ）が使用され、周囲の高い電場領域からの、これら開口を通じての電場の侵入を制限する。例えば、引き出しエレメントの開口を横切る格子は、引き出しエレメントと加速エレメントとの間の電場の、引き出しエレメントとソースエレメントとの間の空間への侵入を阻止するために使用され得る。格子は引き出しレンズとソースとの間の電場を制御することを助けるが、イオンが格子と衝突する可能性のために、または格子の小さな開口それ自身がフォーカスエレメントとして働く可能性のために、格子はまたイオン光学系（ｉｏｎ  ｏｐｔｉｃｓ）の性能を低下させる可能性がある。
【０００６】
現代のＬＤＩ／ＴＯＦ−ＭＳ装置は、質量分析計の解像度を改善するために、パルス（ｐｕｌｓｅｄ）イオン引き出し（ＰＩＥ）を使用する。パルス引き出しにおいては、ソースおよび引き出しレンズに独立の電位が加えれ得、レーザー脱離／イオン化の前に、プレートの間に適切な電場を生成する。一部のアプリケーションにおいては、ソースおよび引き出しエレメントは、ソースの表面において、またはその付近で本質的にゼロ電場を生成するように、初期に特定の電位に保たれる。一部の場合においては、サンプルから生成されたイオンを遅延する、または加速するために、ソースの表面に初期電場を生成することが望まれ得る。何れにしても、レーザーパルスは、分析体分子をソースから脱離させ、イオン化し、ソースと引き出し器（ｅｘｔｒａｃｔｏｒ）との間にイオンのプルーム（ｐｌｕｍｅ）を生成する。イオン化後の所定の時間経過後に、所定の電圧、すなわち引き出しパルスが、ソースおよび引き出しエレメントに加えられ、加速場を生成する。その加速場は適切な電荷のイオンを、引き出しレンズの開口を通過して次の光学系の中へと進ませ、そこでイオンは一般的に、自由飛行領域に入る前にフォーカスされ、加速される。（例えば、非特許文献１を参照すること。）
今日のＬＤＩ／ＴＯＦ−ＭＳシステムにおいては一般的に、２つのイオン光学エレメントの間の電圧差のそれぞれに対して、電圧ソースが要求される。例えば、パルスイオン引き出しを有するシステムにおいては、電圧ソースは一般的に、１）加速エレメントに対するイオンソースの電圧を設定すること、２）イオンソースに対する引き出しエレメントのＤＣ電圧を設定すること、および３）引き出し場を生成するために引き出しエレメントと容量結合された（ｃａｐａｃｉｔｉｖｅｌｙ  ｃｏｕｐｌｅｄ）パルスを生成すること、を要求される。これらのそれぞれに対する個別の電圧ソースは、イオン光学エレメントの電圧の完全な制御を提供するが、それはまた装置の費用を追加する。
【０００７】
アッセイデバイスとしての質量分析計の使用に対するニーズが拡大しつつある。この観点において有用であるためには、質量分析計は高感度であり、かつ低コストであることが求められる。感度は、サンプルプレートから脱離される可能な限り多数のイオンを検出する能力を要求する。これを達成するためには、適切なイオン光学系および電圧ソースが必要である。質量分析計のコストは、不必要なエレメントを削除すること、および高価なエレメントを低コストのバージョンにより置き換えることによって削減され得る。
【非特許文献１】Ｗｅｉｎｂｅｒｇｅｒ他、「Ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ」、Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ  ｏｆ  Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、Ｒ．Ａ．Ｍｅｙｅｒｓ（編）、Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ  Ｌｔｄ、Ｃｈｉｃｈｅｓｔｅｒ、２０００年、１１９１５〜１１９８４頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、高感度を損なうことなく、低コストの質量分析計を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、通常は質量分析計のオペレーションに影響を与えない、加えられるパルスの特性を利用して、質量分析計デバイスのイオンソースとイオン引き出しエレメントとの間に、所望のバイアス電圧（ｖｏｌｔａｇｅ  ｂｉａｓ）を提供するための回路、システムおよび方法を提供する。ある局面においては、本発明に従ったデバイスは、電圧ソース、電圧ソースと結合される第１のイオン光学エレメント、第１のイオン光学エレメントと抵抗結合される（ｒｅｓｉｓｔｉｖｅｌｙ  ｃｏｕｐｌｅｄ）第２のイオン光学エレメント、および第２のイオン光学エレメントと容量結合されるパルス発生器を含む。パルス発生器は第２のイオン光学エレメントに一連のパルスを加えるように構成される。定常状態オペレーションにおいては、第１のイオン光学エレメントと第２のイオン光学エレメントとの間に、バイアス電圧が生成される。この動的に生成されるバイアス電圧の大きさは、自動的にまたは手動により、すなわち、加えられるパルスのパルス幅、パルス振幅、およびパルス繰り返し速度などの、加えられるパルスの特性を制御することによって、制御可能である。
【００１０】
本発明の一局面に従って、電圧ソース、電圧ソースと結合される第１のイオン光学エレメント、および第１のイオン光学エレメントと抵抗結合される第２のイオン光学エレメントを典型的に含む、デバイスが提供される。該デバイスはまた、第２のイオン光学エレメントと容量結合されるパルス発生器を典型的に含み、パルス発生器は第２のイオン光学エレメントに複数のパルスを加えるように構成され、複数のパルスは制御可能なパルスパターンおよび制御可能なパルス形状を有し、その結果として定常状態オペレーションにおいて、第１のイオン光学エレメントと第２のイオン光学エレメントとの間に定常状態バイアス電圧が生成され、該バイアス電圧はパルス振幅の約０．１％よりも大きい。一局面においては、該デバイスは質量分析計システムの中に実装される。ある局面においては、基準電圧（ｖｏｌｔａｇｅ  ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）は約０ｋＶと約±３０ｋＶとの間の電圧レベルを提供するように構成される。
【００１１】
本発明の別の局面においては、デバイスの第１のイオン光学エレメントと第２のイオン光学エレメントとの間に定常状態バイアス電圧を加えるための方法が提供される。該方法は、電圧源、電圧源と結合される第１のイオン光学エレメント、第１のイオン光学エレメントと抵抗結合される第２のイオン光学エレメント、および第２のイオン光学エレメントと容量結合されるパルス発生器を有するデバイスを提供することを、典型的に含む。該方法は、パルス発生器を使用して第２のイオン光学エレメントに複数のパルスを加えることを典型的に含み、該複数のパルスは、定常状態オペレーションにおいて、第１のイオン光学エレメントと第２のイオン光学エレメントとの間に定常状態バイアス電圧が生成されるように構成される、制御可能なパルスパターンおよび制御可能なパルス形状を有する。
【００１２】
別の局面においては、本発明は、（１）電圧ソース；（２）電圧ソースと結合される第１のイオン光学エレメント；（３）第１のイオン光学エレメントと抵抗結合される第２のイオン光学エレメントであって、開口を備える第２のイオン光学エレメント；（４）該第２のイオン光学エレメントと容量結合されるパルス発生器、および（５）グランドと結合される第３のイオン光学エレメント、を備え、第２のイオン光学エレメントは第１と第３のイオン光学エレメントとの間に置かれ、開口は電気的にシールドされていない、デバイスを提供する。
【００１３】
さらに別の局面においては、電圧源と、電圧源と結合される第１のイオン光学エレメントと、第１のイオン光学エレメントと抵抗結合される第２のイオン光学エレメントと、第２のイオン光学エレメントと容量結合されるパルス発生器と、を有するデバイスにおいて、第１のイオン光学エレメントと第２のイオン光学エレメントとの間に定常状態バイアス電圧を加えるための方法が提供される。該方法は、パルス発生器を使用して第２のイオン光学エレメントに複数のパルスを加えることであって、該複数のパルスは制御可能なパルスパターンおよび制御可能なパルス形状を有することと、定常状態オペレーションにおいては、第１のイオン光学エレメントと第２のイオン光学エレメントとの間に定常状態バイアス電圧が生成されるように、パルスパターンおよびパルス形状のうちの１つ以上を調整することとを、典型的に含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の本質および利益のさらなる理解のために、添付の図面と共に、以下の記載内容が参照されるべきである。
【００１５】
本発明の実施形態は、パルス電圧（ｐｕｌｓｅｄ  ｖｏｌｔａｇｅ）を使用して、イオン光学エレメントまたはレンズ上にＤＣバイアスを動的に生成し制御するための回路および方法を提供する。パルス電圧および動的に生成されたＤＣバイアスの両方がイオン光学エレメント上に現れるために、これは、時間に依存する電圧により駆動され得る、または駆動される必要があるレンズエレメント、例えば、イオンソースの中にパルス引き出しを提供するためにパルスにより駆動されるレンズエレメント、に対して特に有用である。
【００１６】
本発明は、単一のパルス生成電源、または電圧ソースを使用して、イオン引き出しとイオンソースエレメントとの間に定常状態バイアス電圧を生成するために使用され得る回路を提供する。電圧パルスの定常的な流れに応答して、定常状態バイアス電圧、または動的なバイアスが、一連のレーザー脱離パルスの中のそれぞれのパルスに対して一回生成される。オペレーションにおいては、パルス振幅およびパルス幅のようなパルス特性が、定常状態バイアスの大きさを制御するために調節され得る。パルス特性の適切な選定により、引き出し領域の動的バイアスは、例えば、イオンをイオンソースから離れるように加速するために、脱離されたイオンの初期速度を減らすために、または引き出しパルスが加えられる前の電場のない領域を生成するために、使用され得る。追加として、イオン引き出しとソースエレメントとの間の所望の定常状態バイアス電圧を生成するために、および引き出しパルスを加えるために、単一のパルス電圧ソースのみが必要とされる。この回路はあるＬＤＩ／ＴＯＦ−ＭＳ設計において利点を有する。特に、単一の電源の使用は装置のコストを削減する。
【００１７】
図１はＬＤＩ−ＭＳデバイス１００の例示的なブロック図であり、それは本発明に従って、質量分析計のイオンレンズを動的にバイアスするように構成された回路配置を具体化し得る。簡潔に言えば、示されるように、質量分析計１００はイオン光学系システム１２０、イオン検出システム１２５、光光学系（ｌｉｇｈｔ  ｏｐｔｉｃｓ）システム１５０および制御システム１７０を含む。
【００１８】
示されるように、イオン光学系システム１２０はリペラーレンズ１２１、引き出し器プレート１２２および加速レンズ１２４を含む。示されるように、引き出し器１２２は円錐形であり、加速レンズ１２４は平面であるが、しかしながら、必要に応じて他の形状が使用され得る。例えば、引き出し器１２２および加速レンズ１２４の両方が平面であり得る。引き出し器１２２および加速レンズ１２４の両方は開口を有し、その開口は一緒に、サンプル１３０から脱離されたイオンに対する飛行経路を規定する。装置の感度を改善するための１つの設計においては、円錐形の引き出しレンズの開口は格子またはスクリーンを含まない。これはより多くの分析物イオンがレンズを通過することを可能とするが、それはまた、ソースと引き出しレンズとの間の空間に、グランドプレートからの加速電場の侵入をも許容する。これは、パルス引き出しを促進するために脱離／イオン化のときにサンプルの表面においてゼロの電場が所望される場合には、問題である。１つの解決策は、異なる電源を使用して引き出しプレートをソースよりも高い電位に保つことである。別の解決策は、引き出し器とソースとの間に動的なバイアスを生成することであり、それは上述した構成においては、加速エレメントからの電場の侵入に対抗して作用し、その後のパルス引き出しに対してソース付近にゼロ電場を生成する。動的なバイアスの生成は以下で詳細に記述される。
【００１９】
フライトチューブ（示されていない）または他の囲いが、一般的にイオン光学系システム、検出システム、およびイオン光学系システム１２０と検出システム１２５との間の飛行経路を囲む。この囲いはイオンの飛行中の好ましくない相互作用を防止するために、一般的には空気を排除される。
【００２０】
検出システム１２５は、イオン検出器１４０およびデジタイザモジュール１４４を含む。イオン検出器１４０はサンプル１３０から脱離されたイオンを検出し、検出されたイオンフラックスを表す信号を生成する。適切な検出エレメントの例は、電子増倍管デバイス、その他のチャージベースの検出器、およびボロメータ検出器（ｂｏｌｏｍｅｔｒｉｃ  ｄｅｔｅｃｔｏｒ）を含む。例は、離散式または連続式ダイノード電子増倍管を含む。デジタイザ１４４は検出器からのアナログ信号をデジタル形式に、例えばアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）を使用して変換する。プリアンプ１４２はイオン検出器１４０からの信号を、それがデジタル化される前に調整するために含まれ得る。
【００２１】
質量分析計デバイス１００はまた、光ソース１５２を含む光光学系システム１５０を含む。光光学系システム１５０はサンプル１３０への光を生成し、送達するように設計される。好適な局面においては、光学系システム１５０は複数の光学エレメントを含み、そのエレメントは光を必要に応じて調整し、向け直し、フォーカスし、その結果として、既知のエネルギー、およびフォーカスの光パルスがサンプル１３０に送達される。光ソース１５２は好ましくはレーザーを含むが、しかしながら、アークランプまたはフラッシュチューブ（例えば、キセノン）のような、他の光発生エレメントが使用され得る。送達されたた光は好適にも既知の継続時間、強度および周期を有する１つ以上のパルスとして提供される。かくして、好適な局面においては、光システム１５０はサンプル１３０に対するパルスレーザー光を生成し送達する。
【００２２】
適切なレーザーベースの光ソースは、固体レーザー、ガスレーザー、およびその他を含む。一般に、最適のレーザーソースは所望の特定の波長によって指定され得る。一般的には、所望の波長は、紫外部スペクトル（例えば、３５０ｎｍよりも短い）から可視（例えば、３５０ｎｍ〜６５０ｎｍ）を経て赤外（例えば、１，０００ｎｍ）および遠赤外までの範囲に及ぶ。光ソースは他のパルス生成エレメントを有するパルスレーザーまたは連続（ｃｗ）レーザーを含み得る。パルス生成エレメントは、光ソースのダウンストリームの光光学系システムの中でまた現れ得る。例えば、連続の光ソースは、光がサンプルに当たる直前に、パルスを生成するためにチョップされ得る。適切なレーザーの例は、窒素レーザー、エキシマレーザー、Ｎｄ：ＹＡＧ（例えば、周波数２倍、３倍、４倍）レ−ザー、ＥＲ：ＹＡＧレーザー、炭酸ガス（ＣＯ２）レーザー、ＨｅＮｅレーザー、ルビーレーザー、光パラメトリック発振器レーザー、チューナブル色素レーザー、エキシマポンプド色素レーザー、半導体レーザー、自由電子レーザー、および当業者であれば容易に思いつくその他のものを含む。
【００２３】
図１に示された実施形態において、光光学系システム１５０はまた、パルス配向（ｄｉｒｅｃｔｉｎｇ）エレメント１５４およびフォーカシングエレメント１５６を含む。追加的な有用な光学エレメントは、ビーム拡大レンズセット１５８、減衰器エレメント１６０、ビームスプリッタ１２７、および１つ以上の追加のビームスプリッティングエレメント１６２を含み得る。パルス配向エレメント１５４は、ソース１５２からの光パルス１３１をサンプル１３０に向けるように構成される。一局面においては、光配向エレメント１５４はサンプルを横切る１つ以上の方向に沿ってパルスをラスターするように構成されるミラーを含む。しかしながら、１つ以上の反射する、回折する、または屈折するエレメントの他のセットが使用され得る。フォーカシングエレメント１５６は、光パルス１３１のフォーカスを調整し、光パルス１３１とサンプル１３０との交点において所望のスポットサイズおよび形状を得る働きをする。例えば、フォーカシングエレメント１５６はパルスを所望のサイズの円形スポットまたは楕円形スポットにフォーカスし得る。一局面においては、フォーカシングエレメント１５６は、制御システム１７０からの制御信号に応答して、スポットサイズを自動的に調整するように制御される。
【００２４】
オプションのビーム拡大レンズセット１５８は、パルスを拡大しビームのフォーカシング、例えば小さいスポットサイズに向けることを助長するために提供される。ビーム拡大器の１つの機能は、レーザービームの発散角度を減らすこと、およびビームのフォーカスされた直径をより小さくすることを助けることである。またオプションの減衰器エレメント１６０は、パルスまたはパルスの１部分の強度を調整するために使用され得る。適切な減衰器エレメントは、固定のまたは可変のＮＤ（ｎｅｕｔｒａｌ  ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタ−、干渉フィルター、フィルターホイール、開口、および拡散エレメントを含む。ビームスプリッタエレメント１２７は、それぞれのパルスの１部分を光検出エレメント１３２に提供するために含まれる。光検出エレメント１３２は光センサーと、検出された光を電気信号に変換するための関連する回路網とを含み得る。例えば、一実施形態においては、エレメント１３２は光パルスを検出し、様々な目的のために制御システム１７０によって使用される信号を生成する、光ダイオードを含む。ここで様々な目的とは、レーザーパルスのタイミングを検証するため、およびイオン引き出し場のタイミングおよびイオン光学系システム１２０の動的バイアス（レーザーパルスに対する）の特性を調整するため、などである。例えば、あるクロックによって制御されるレーザーパルスの検出は、別のクロックによって制御されるイオン引き出しパルスまたはパルス発生器パルスのタイミングを検証または調整するために使用され得る。
【００２５】
ビームスプリッティングエレメント１６２は、レーザーソース１５２の出力特性を決定するために有用である。例えば、ビームスプリッタエレメント１６２１および１６２２は、減衰器１６０によって調整される以前および以後のパルス特性を決定するために、パルスの１部分を光センサー回路エレメントに提供し得る。必要に応じて代替のまたは追加の光学エレメントが、光パルスを調整するために使用され得ることが、理解されるべきである。光学系システム１５０の様々な光学エレメントの代替の構成が本発明の範囲内にあることが、また理解されるべきである。
【００２６】
図１に示されたイオン光学系システム１２０にもどり、リペラー１２１は好適にもプローブインターフェース１１９を受容するように構成される。プローブインターフェース１１９はそれ自身が、光光学系システム１５０からの照明（例えば、レーザー照明）がプローブの上のサンプル提示表面を照射するように、プローブと係合するように構成される。サンプル提示表面は、図１に示されるように、堆積されたまたは他の方法でその上に形成されたサンプル１３０を含み得る。プローブは１つまたは複数のサンプル提示表面を含み得る。プローブインターフェース１１９は好適にも、プローブインターフェース１１９とプローブとリペラー１２１とが一緒にリペラーとして働くように、リペラー１２１と電気的に接触するように設計される。一局面においては、プローブインターフェース１１９は少なくとも１つの方向に沿ってプローブを、それ故にサンプル提示表面を移動するように構成される。例えば、図１に示されるように、プローブインターフェース１１９はプローブをｚ−方向に（ここで、図１の面はｘ−およびｙ−方向を表す）移動するように構成され得る。例えば、プローブインターフェース１１９は、ステッパモータまたはプローブを制御可能な方法で移動するように構成される他のエレメントを含み得、またはそれと結合され得る。
【００２７】
制御システム１７０は、パルス引き出しオペレーションを含む質量分析計デバイス１００の全体のオペレーションを制御するために提供される。制御システム１７０は、システム１７０がユーザー入力を受信し様々なシステムコンポーネントに制御信号を提供することを可能とする、制御ロジックを実装する。
【００２８】
制御ロジックは、そのようなロジックを通信する任意の手段を使用して、例えば、コンピュータネットワークを介して、キーボード、マウスまたは他の入力手段を介して、ＣＤ、ＤＶＤまたはフロッピディスクなどの携帯可能な媒体上で、または、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＡＳＩＣまたは他の類似のデバイスなどのハードワイヤード媒体上で、制御システム１７０に提供され得る。制御システム１７０は単独のコンピュータシステムおよび／または、当業者にとって明らかであるような、マイクロプロセッサと質量分析計デバイス１００の様々なシステムコンポーネントを接続するための関連するインターフェース回路網とのような、統合された知能モジュールを含み得る。例えば、制御システム１７０は好適にも、光ダイオードエレメント１３２からトリガ信号を受信し、タイミング信号を生成するための、およびタイミング制御信号をイオン光学系システム（例えば、イオン引き出しパルス信号）および検出システム１２５（例えば、ブランキング信号のための）に提供するための、回路網を含む。
【００２９】
図２は、本発明の一実施形態に従った、第１のイオン光学エレメント（例えば、ソース）と第２のイオン光学エレメント（例えば、引き出しエレメント）との間のバイアス電圧を生成するための、例示的な回路図２００である。例えば、図２の回路は、例えば質量分析計デバイス１００のイオン光学エレメント１２２（図１に示す）のようなイオン光学エレメントまたはレンズ上に、パルス電圧を使用することによってＤＣバイアスを動的に生成し制御するために、図１のＬＤＩ−ＭＳ１００と共に使用され得る。基準電圧２０２はソース抵抗器２０６を経由して第１のイオン光学エレメント２０４（例えば、図１のイオンソースエレメント１１９）と結合される。ソース抵抗器２０６は動的に制御されたＤＣバイアスを生成するためには必要ではない。本明細書において使用されるように、基準電圧は電圧ソース、電圧源または調整された電圧源と同義語である。第２のイオン光学エレメント２１０（例えば、図１のイオン引き出しエレメント１２２）は抵抗Ｒｐを有するパルス抵抗器２１２を介して第１のイオン光学エレメント２０４と抵抗結合される。パルス発生器２１３は電気容量Ｃｐを有するパルスカップリングコンデンサ２１４を介して第２のイオン光学エレメント２１０と容量結合される。パルス発生器２１３は第２のイオン光学エレメントに対して一連のパルスを加えるように構成され、そのパルスは制御可能なパルス振幅、パルス幅およびパルス繰り返し速度を有する。これらのパルス特性のうちの１つ以上を制御することによって、以下においてより詳細に説明されるように、第１のイオン光学エレメント２０４と第２のイオン光学エレメント２１０との間に定常状態バイアス電圧が確立され、維持され得る。一実施形態においては、バイアス電圧はパルス振幅の約０．１％よりも大きいから１％までである。
【００３０】
図３は、図２の第２のイオン光学エレメント２１０（例えば、イオン引き出しエレメント）に対する電圧対時間の例示的なグラフであり、回路２００のオペレーションをより詳細に説明するために役立つ。オペレーションにおいて、システムが静止状態にあるときには、第２のイオン光学エレメント２１０、またはイオン引き出しエレメントの電圧Ｖｅはソース電圧Ｖｓと等しい。パルス発生器２１３からのパルス（この例においては、パルスは負の方向のスクエアパルスとして考えられているが、他の極性および形状のパルスがここに記載される発明の文脈の中で使用され得る）が送達されたとき、ＶｅはＶｓから値Ａにまで低下する。一般的に、ソースは少なくとも浮遊容量（ｓｔｒａｙ  ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｓ）（これらは図３には示されていない）によってイオン引き出しエレメントと容量結合されているので、ソースの電圧もまたＶｓに回復する以前にある量だけ低下する。パルス継続時間またはパルス幅の間に、第１のイオン光学、またはイオンソースエレメント２０４から抵抗器２１２を介してイオン引き出しエレメント２１０に電流が流れるので、Ｖｅは電圧値Ｂにまで上昇する。突然にパルスが終了するとき、パルス直後のＶｅはパルス以前の電圧よりも高い。イオンソースエレメント２０４からイオン引き出しエレメント２１０に向かってパルス継続時間の間に流れる電流は、イオン引き出しエレメントの電圧Ｖｅをして、パルスの直後にはそれがパルス以前に有した値（すなわち、Ｖｓ）よりも高い電圧（すなわち、Ｃ）をとらせる。パルス発生器がオフに留まり別のパルスを送達しない場合には、イオン引き出しエレメント上の電圧レベルは、図３に示される（「単一パルス」）ように、イオンソースエレメントの電圧Ｖｓに復帰する。ＤＣバイアスの動的な生成のためには、パルスは突然に終了する必要はなく、パルスの後縁の変化速度が十分に遅い場合には、ここに記載されたオーバーシュートは必ずしも起こらない。
【００３１】
しかしながら、パルス発生器２１３が繰り返してパルスを送達するように制御される場合には、イオン引き出しエレメントは「定常状態」電圧レベルに、例えば、パルスの特性（すなわち、パルスの振幅、幅、繰り返し速度、および形状）およびパルスの周期、ならびに回路のＲＣ特性によって決定される、図３に示されるレベルＤにまで上向きにバイアスされる。このようにして、イオンソースエレメント２０４の電圧に対して相対的な、イオン引き出しエレメント２１０に対するベースラインバイアス電圧が、追加的なＤＣ電源または電圧ソースを使用することなく、動的に生成され制御され得る。イオン引き出しエレメントとイオンソースエレメントとの間に生成される定常状態バイアス電圧は、パルス振幅、パルス幅、パルス繰り返し速度、およびパルス形状のうちの任意のものを調整することによって制御され得る。例えば、遅延引き出しを有するＴＯＦ−ＭＳにおいては、パルス振幅はそれ自身が重要なパラメータであり、パルス速度を固定することがしばしば好都合であり、それ故にこのようなシステムにおいてはバイアス電圧はパルスの有効幅の制御を通じて制御されることが望ましい。スクエアでないパルスに対しては、有効幅はパルスの面積をパルスの振幅によって割り算することによって定義され得る。生成される動的バイアスの大きさはこの有効幅に直接的に依存し、それはパルスの実際の形状にはごく僅かしか依存しない。遅延引き出しを有するＴＯＦ−ＭＳにおいてはしばしば、問題のイオンがイオンソースを離れるためにパルスは十分に長く加えられる必要がある。この状況においては、動的バイアスを生成する回路網は、例えばＲｐおよびＣｐの適切な選択によって、適切な長さのパルスを用いて所望のバイアスを供給するように設計され得る。
【００３２】
引き出し器レンズが、加速エレメントと引き出しエレメントとの間の電圧差に基ずく場から、ソースをシールドする場合においては（通常これはイオンが通過する引き出しレンズの開口を横切る格子の使用を含む）、動的バイアスはソースと引き出しレンズとの間に遅延場を生成するために使用され得る。この遅延場は一部のアプリケーションにおいて有用であり得る。しかしながら、このような格子を有しないイオン光学システムに対して利点が存在する。これらの利点は、二次イオン、電子、およびスパッタリングの生成を減らすこと、および格子があれば格子と衝突することになるイオンの損失を除去することを含む。この構成の不利益は、加速と引き出しエレメントとの間の電場の一部分が引き出しエレメントの開口を通ってソースの表面にまで侵入することである。これは引き出しパルスを加える前に自由な場（ｆｒｅｅ−ｆｉｅｌｄ）の領域の中で分析物分子を脱離／イオン化することと両立しない。引き出しエレメント上の動的バイアスは、引き出しエレメントを通過する加速場の侵入を効果的に打ち消し、それによって脱離／イオン化の時にソースの付近にゼロ電場を有効に生成するために使用され得る。
【００３３】
回路エレメントは所望のバイアス特性に応じて、多くの可能な特性値を有するように設計され得る。例えば、本発明の実施形態に従った回路においては、電圧ソースは約１０ｋＶと約３０ｋＶとの間の電圧を提供するように構成される。さらに、この例示的な回路においては、パルス発生器によって生成されるパルスのそれぞれの振幅は約１ｋＶと約５ｋＶとの間にある。しかしながら、特定のアプリケーションに対する必要に応じて、異なる電圧レベルおよび異なるパルス振幅電圧レベルが使用され得ることが理解される。
【００３４】
追加として、図２の回路を使用するときには、第２のイオン光学エレメント２１０（例えば、イオン引き出しエレメント）の時間の関数としての電圧は、パルス特性の変化によって、または回路エレメントの変化によって変更され得る。例えば、該エレメントと容量結合されるパルスに対する引き出しエレメント上の電圧のドループ（図３におけるＡからＢへの）は、例えばＲｐ２１２、Ｃｐ２１４またはその両方の値を調整することによって、図２の回路のＲＣ時定数、Ｔ＝Ｒｐ＊Ｃｐを増加することによって、任意に小さくされ得る。第２の例として、それぞれのパルスまたは一連のパルスの、後続のパルスに対する影響は、固有時間Ｔ＝Ｒｐ＊Ｃｐをより短くするようにＲｐおよびＣｐを選択することによって、任意に小さくされ得る。特にこの固有時間がパルス周期よりもはるかに短い場合には、それぞれのパルスによる引き出しエレメント上の電圧は先行するパルスの存在とは本質的に無関係となり、このような場合には動的に生成されるＤＣバイアスは本質的に存在しない。動的バイアス電圧は、加えられるパルストレインを変更することによって制御される。例えば、パルス振幅、パルス幅、パルス繰り返し速度、またはデューティサイクルの変更は全て生成されるＤＣバイアスを制御するために使用され得る。これらは動的バイアスを制御する時間にわたる、パルスの形状、パルスの数、およびパルスの分布を使用する特別なケースである。特に別の理由のためにこれらのパラメータの一部が一定に保たれる必要がある場合には、残りのパラメータが生成されるＤＣバイアスを制御するために使用され得る。例えば、他のパルスの特性が動的バイアスを制御するために使用される間に、一部のパルスの特性は一定に保たれ得る。
【００３５】
パルス発生器２１３はパルスを生成し、そのパルスの特性（すなわち、幅、周期、振幅、その他）は、第１と第２のイオン光学エレメントとの間の定常状態または過渡時の調整可能なバイアス電圧の設定を可能とするために、自動的に調整可能である。例えば、制御システム１７０は自動的にまたはユーザー入力に基づいてパルス発生器に制御信号を提供し得る。
【００３６】
図２の回路が、例えば図１に示されるような、レーザーソースがイオンソースエレメントに衝突する複数のレーザーパルスを生成するように構成された、遅延引き出しを使用する質量分析計デバイスに使用されるときには、パルス発生器のパルスの１つが加えられる前の期間において、それぞれのレーザーパルスがイオンソースエレメントに衝突することが望ましい。このような質量分析計の一実施形態においては、レーザーは約２０Ｈｚで発射し、電圧パルスは３倍の速度の６０Ｈｚで発生し、レーザーの発射は電圧パルスに先行する約０．０１マイクロ秒から約１０マイクロ秒の制御された時間で起こり、イオンソースは約１０から約３０ｋＶにバイアスされ、パルス特性は約１から約５ｋＶの振幅および約１００マイクロ秒またはそれ以下から１５００マイクロ秒またはそれ以上までの有効幅である。ソース電圧および加えられるパルスの極性は特定のアプリケーションに対して選択され得る。パルス幅は、それぞれのレーザーパルスによってイオンソースから脱離されるイオンが約７５Ｖの定常状態バイアス電圧（例えば、図３のＤ）を受けるように調整される。この定常状態バイアス電圧は、脱離されたイオンが、イオンソースから離れるようにイオンを加速するための引き出しパルスが加えられる以前にそこに移動するための、無電場領域（ｆｉｅｌｄ  ｆｒｅｅ  ｒｅｇｉｏｎ）を有することを保証する。これは遅延引き出しまたはタイムラグフォーカシングとして公知である。別の例においては、図２の回路は、遅延引き出し質量分析計デバイスにおいて使用され得、パルス幅およびパルス繰り返し速度は、定常状態オペレーションにおいて定常状態バイアス電圧が、イオンソースエレメントから脱離されたイオンの初期イオン速度を遅延し、または削減するために十分であるように選定される。これは一部の状況において達成可能な分解能を改善することが示された。
【００３７】
さらに、図２の回路が、イオン引き出しエレメント２１０がイオンソースエレメント２０４とイオン加速器エレメント２１６との間に置かれるような、イオン加速器エレメント２１６を含む質量分析計デバイスに使用されるときには、加速器エレメント２１６によって生成される加速場は、ソースと検出器との間の経路を規定する開口を含む、イオン引き出しエレメントの任意の開口を通じて侵入し得る。時には好ましくない、この侵入する場はソースとイオン引き出しエレメントとの間でイオンを加速し得る。このような構成においては、パルス特性、例えばパルス幅およびパルス周期は、定常状態オペレーション時に動的バイアス電圧がこの侵入する場を実質的に打ち消し、例えば、タイムラグフォーカシングに対して有用な無電場領域を生成するために十分であるように、選択され得る。
【００３８】
代替案の実施形態においては、図２の回路、回路２００は、抵抗器のようなインピーダンスエレメントを経由してイオン引き出しエレメント２１０と結合される、第２の電圧ソースをまた含み得る。この例においては、生成される動的バイアスはイオン引き出しエレメント２１０とイオンソースブロック２０４との間の全体の電位差を設定はしないが、しかし全電位差を調整するために使用され得る。
【００３９】
本発明の実施形態は、ＴＯＦ−ＭＳのイオン光学エレメントのベースライン電位を生成するための既存の手法に対して、多数の利点を提供する。本発明の実施形態に従った手法によって、例えばＴＯＦ質量分析計のパルス引き出しエレメントのような、その電圧が動的に制御されるエレメントのベースライン電位を生成するために、例えば追加の電源または抵抗器ネットワークからの別の電位は必要でなくなる。このことは別の電源を所有する必要性を消去し、重要なコスト節約をもたらす。追加として、そうではなく、抵抗器分配器ネットワークがベースライン電位を生成するために使用されるときには、本発明の実施形態に従った手法は高電圧源から必要とされる電流を減らし、かくして追加のコスト節約をもたらす。追加として、第２の電源または抵抗分配器ネットワークがイオン光学エレメントのベースライン電圧を設定するために使用されるときには、本発明の実施形態に従った手法は、他の調整エレメントを必要とせずにその電位を変えるために使用され得、これもまたコスト節約をもたらす。
【００４０】
従って、当業者によって理解されるように、例えば質量分析計のイオン光学エレメントのような、イオン光学エレメント上にＤＣバイアスを動的に生成し制御するために、パルス電圧を使用することに関する本発明は、その本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態において具体化され得る。例えば、回路エレメントに対して選定された特定の特性値は、イオン光学エレメントの間の任意の所望のバイアス値を提供するための任意の範囲を含み得る。従って、前述の開示は、本発明の範囲の例示のために意図されたものであって、それを制限するものではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲において示される。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１は、ＬＤＩ−ＭＳデバイスの実施形態のブロック図である。
【図２】図２は、波本発明の一実施形態に従った、第１と第２のイオン光学エレメントとの間にバイアス電圧を生成するための回路図である。
【図３】図３は、図２の第２のイオン光学エレメントに対する、電圧対時間のグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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