(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
飛行時間（ＴＯＦ）分析器を備えている質量分析計であって、前記ＴＯＦ分析器は、
複数の電極を備え、複数のイオンを受け取って加速させるように適合されている加速器段階と、
前記加速されたイオンの少なくとも一部を受け取るために前記加速器段階の下流に配置されているドリフトチャンバと、
１つ以上の電圧を前記複数の電極に印加するために前記加速器に連結されているパルサと、
前記パルサに連結されているコントローラであって、前記コントローラは、イオン検出周期の異なるサイクル中に正イオンおよび負イオンを受け取って加速させるように前記加速器段階を構成するように、前記電極に印加される１つ以上の電圧を前記パルサに調節させるように適合されている、コントローラと、
前記ドリフトチャンバの少なくとも一部の通過のための異なる軌道に沿って加速された正イオンおよび負イオンを偏向させるために、前記加速器段階の下流に配置されているイオン偏向器と
を備えている、質量分析計。
【請求項２】
前記パルサは、少なくとも１つの正電圧源および少なくとも１つの負電圧源と、前記電圧源を前記複数の電極に選択的に連結するための複数のスイッチとを備えている、請求項１に記載の質量分析計。
【請求項３】
前記コントローラは、前記１つ以上の電極に印加される１つ以上の電圧の極性を変化させるための前記スイッチのうちの１つ以上のものを選択的に起動および動作停止させることにより、前記加速器段階を正イオンモードから負イオンモードに構成する、請求項２に記載の質量分析計。
【請求項４】
前記コントローラは、前記イオン源に連結され、前記コントローラは、前記加速器段階が正イオンモードである場合、正イオンを前記加速器段階に供給し、前記加速器段階が負イオンモードである場合、負イオンを前記加速器段階に供給するよう前記イオン源を構成するように適合されている、請求項２に記載の質量分析計。
【請求項５】
前記加速器段階は、
第１の電極と、
前記第１の電極の下流に配置されている第２の電極と、
前記第２の電極の下流に配置されている第３の電極と
を備え、
加速器段階は、前記第１の電極と第２の電極との間の空間の中へイオンを受け取るように構成されている、請求項１に記載の質量分析計。
【請求項６】
前記第３の電極は、前記ドリフトチャンバの入口に近接して配置され、前記第３の電極は、電気接地電位において維持されている、請求項４に記載の質量分析計。
【請求項７】
飛行時間（ＴＯＦ）分析器を備えている質量分析計であって、前記ＴＯＦ分析器は、
複数の電極を備え、複数のイオンを受け取って加速させるように適合されている加速器段階と、
前記加速されたイオンの少なくとも一部を受け取るために前記加速器段階の下流に配置されているドリフトチャンバと、
１つ以上の電圧を前記複数の電極に印加するために前記加速器に連結されているパルサと、
前記パルサに連結されているコントローラと
を備え、
前記コントローラは、イオン検出周期の異なるサイクル中に正イオンおよび負イオンを受け取って加速させるように前記加速器段階を構成するように、前記電極に印加される１つ以上の電圧を前記パルサに調節させるように適合されており、
前記パルサは、少なくとも１つの正電圧源および少なくとも１つの負電圧源と、前記電圧源を前記複数の電極に選択的に連結するための複数のスイッチとを備えており、
前記コントローラは、前記イオン源に連結され、前記コントローラは、前記加速器段階が正イオンモードである場合、正イオンを前記加速器段階に供給し、前記加速器段階が負イオンモードである場合、負イオンを前記加速器段階に供給するよう前記イオン源を構成するように適合されており、
前記第３の電極は、前記ドリフトチャンバの入口に近接して配置され、前記第３の電極は、電気接地電位において維持されており、
前記コントローラは、正イオンを検出するためのサイクルの第１の位相中、前記パルサに前記第１および第２の電極を前記接地電位に維持させることにより、前記第１の電極と第２の電極との間の空間における複数の正イオンの蓄積を可能にする、質量分析計。
【請求項８】
前記コントローラは、前記サイクルの第２の位相中、前記パルサに等しい正電圧を前記第１および第２の電極に印加させることにより、前記第１の電極と第２の電極との間の前記空間の中への追加の正イオンの進入を阻止し、かつ前記第２の電極と第３の電極との間に電場を生成する、請求項７に記載の質量分析計。
【請求項９】
前記コントローラは、前記サイクルの第３の位相中、前記第１の電極と第２の電極との間の電圧差を前記パルサに印加させることにより、前記ドリフトチャンバに向かって前記第１の電極と第２の電極との間の前記空間において蓄積された前記イオンを加速させる、請求項８に記載の質量分析計。
【請求項１０】
前記コントローラは、前記加速されたイオンが前記ドリフトチャンバを通過する前記サイクルの第４の位相中、前記パルサに前記第１および第２の電極を前記接地電位に維持させる、請求項９に記載の質量分析計。
【請求項１１】
前記サイクルの前記第４の位相は、イオンを検出するための後続のサイクルの第１の位相との時間的重複を有する、請求項１０に記載の質量分析計。
【請求項１２】
飛行時間（ＴＯＦ）分析器を備えている質量分析計であって、前記ＴＯＦ分析器は、
複数の電極を備え、複数のイオンを受け取って加速させるように適合されている加速器段階と、
前記加速されたイオンの少なくとも一部を受け取るために前記加速器段階の下流に配置されているドリフトチャンバと、
１つ以上の電圧を前記複数の電極に印加するために前記加速器に連結されているパルサと、
前記パルサに連結されているコントローラと
を備え、
前記コントローラは、イオン検出周期の異なるサイクル中に正イオンおよび負イオンを受け取って加速させるように前記加速器段階を構成するように、前記電極に印加される１つ以上の電圧を前記パルサに調節させるように適合されており、
前記加速器段階は、
第１の電極と、
前記第１の電極の下流に配置されている第２の電極と、
前記第２の電極の下流に配置されている第３の電極と
を備え、
加速器段階は、前記第１の電極と第２の電極との間の空間の中へイオンを受け取るように構成されており、
前記コントローラは、負イオンを検出するためのサイクルの第１の位相中、前記パルサに前記第１および第２の電極を前記接地電位に維持させることにより、前記第１の電極と第２の電極との間の空間における複数の負イオンの蓄積を可能にする、質量分析計。
【請求項１３】
前記コントローラは、前記サイクルの第２の位相中、前記パルサに同一の負電圧を前記第１および第２の電極に印加させることにより、前記第１の電極と第２の電極との間の前記空間の中への追加の負イオンの進入を阻止し、かつ前記第２の電極と第３の電極との間に電場を生成する、請求項１２に記載の質量分析計。
【請求項１４】
前記コントローラは、前記サイクルの第３の位相中、前記電圧源に電圧差を前記第１の電極と第２の電極との間に印加させることにより、前記ドリフトチャンバに向かって前記第１の電極と第２の電極との間の前記空間において蓄積された前記負イオンを加速させる、請求項１３に記載の質量分析計。
【請求項１５】
前記コントローラは、前記加速された負イオンが前記ドリフトチャンバを通過する前記サイクルの第４の位相中、前記パルサに前記第１および第２の電極を前記接地電位に維持させる、請求項１４に記載の質量分析計。
【請求項１６】
前記偏向器の下流に配置され、前記偏向器からの前記正イオンを受け取り、前記受け取られた正イオンを前記イオン検出器に向けて反射するように構成されている正イオンミラーと、前記偏向器の下流に配置され、前記偏向器からの前記負イオンを受け取り、前記受け取られた負イオンを前記イオン検出器に向けて反射するように構成されている負イオンミラーとのうちの１つをさらに備えている、請求項１に記載の質量分析計。
【請求項１７】
飛行時間（ＴＯＦ）分析器を使用して質量分光法を行う方法であって、
正イオンおよび負イオンを検出するための異なるサイクル中に正イオンおよび負イオンを受け取って加速させるように前記ＴＯＦ分析器の加速器段階を構成することと、
前記サイクルの各々中、前記加速された正イオンおよび負イオンをドリフトチャンバに通すことと、
前記サイクルの各々におけるそれらの前記ドリフトチャンバの通過後、前記イオンの少なくとも一部を検出することと
を含み、
正イオンを検出するための少なくとも１つのサイクルは、負イオンを検出するための少なくとも１つのサイクルとの部分的な時間的重複を有する、方法。
【請求項１８】
前記加速器段階を構成することは、前記加速器の１つ以上の電極に印加される１つ以上の電圧の極性を切り替えることを含む、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本願は、米国仮出願第６１／９２０，５６３号（２０１３年１２月２４日出願）に対する優先権を主張し、上記出願は、その全体が参照により援用される。
【０００２】
本教示は、概して、飛行時間型（「ＴＯＦ」）質量分析を対象とする。ＴＯＦ質量分析は、イオンが一定のエネルギー加速後にフィールドフリードリフト領域を通って進行して検出器に到達するために必要とされる時間に基づいて、イオンの質量対電荷比を決定するために採用されることができる。
【背景技術】
【０００３】
ある場合には、分光計の１回の実行中に両方の極性のイオン（すなわち、正および負電荷を持つイオン）を検出することが望ましい。例えば、研究中のサンプルの分析中に正イオンおよび負イオンを両方とも生成するように、そのサンプルをイオン化し、分光計の１回の実行を集合的に構成する一時的な期間においてこれらのイオンを検出することが望ましくあり得る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
一側面では、複数の電極を備え、複数のイオンを受け取って加速させるように適合されている加速器段階と、加速されたイオンの少なくとも一部を受け取るために該加速器段階の下流に配置されているドリフトチャンバとを備えている、飛行時間分析器（ＴＯＦ）を含む、質量分析計が開示される。ＴＯＦ分析器はさらに、１つ以上の電圧を該複数の電極に印加するために加速器に連結されるパルサと、パルサに連結され、イオン検出周期の異なるサイクル中に正イオンおよび負イオンを受け取って加速させるように加速器段階を構成するように、電極に印加される該１つ以上の電圧をパルサに調節させるように適合される、コントローラとを備えている。
【０００５】
いくつかの実施形態では、パルサは、少なくとも１つの正電圧源および少なくとも１つの負電圧源と、該電圧源を該複数の電極に選択的に連結するための複数のスイッチとを含む。コントローラは、正イオンモードから負イオンモードに該加速器段階を構成するように、該１つ以上の電極に印加される１つ以上の電圧の極性を変化させるように、該スイッチのうちの１つ以上のものを選択的に起動および動作停止させることができる。
【０００６】
質量分析計は、複数のイオンを加速器段階に提供するように適合される、イオン源を含むことができる。いくつかの実施形態では、コントローラは、イオン源に連結され、加速器段階が正イオンモードであるときに（すなわち、加速器段階が正イオンを受け取って加速させるように構成されているときに）正イオンを加速器段階に供給するように、および加速器段階が負イオンモードであるときに（すなわち、加速器段階が負イオンを受け取って加速させるように構成されているときに）負イオンを加速器段階に供給するようイオン源を構成するように適合される。
【０００７】
いくつかの実施形態では、ＴＯＦ分析器は、第１の電極と、第１の電極の下流に配置されている第２の電極と、第２の電極の下流に配置されている第３の電極とを備え、加速器段階は、第１の電極と第２の電極との間の空間の中へ複数のイオンを受け取るように構成されている。第３の電極は、ドリフトチャンバの入口に近接して配置されることができる。
【０００８】
いくつかの実施形態では、第３の電極は、接地電位において維持され、コントローラは、該第１の電極と第２の電極との間の空間における複数の正イオンの蓄積を可能にするように、正イオンを検出するためのサイクルの第１の位相中、第２および第３の電極を共通接地電位において維持するように構成される。サイクルの第２の位相中、コントローラは、第１の電極と第２の電極との間の空間の中への追加の正イオンの進入を阻止するように、パルサに等しい正電圧を該第１および第２の電極に印加させる。これはまた、サイクルの第３の位相においてイオンの加速のために必要とされる、電場を第２の電極と第３の電極との間に生成する。サイクルの第３の位相中、コントローラは、第２の電極と第３の電極との間の領域に向かって第１の電極と第２の電極との間の空間において蓄積されたイオンを加速させる電場を生成する、第１の電極と第２の電極との間の電圧差をパルサに印加させる。位相２において第２の電極と第３の電極との間に生成される電場は、位相３において持続する。この電場は、加えて、ドリフトチャンバに向かってイオンを加速させる。加速されたイオンがドリフトチャンバを通過するサイクルの第４の最終位相中、コントローラは、パルサに第１および第２の電極を接地電位において維持させる。いくつかの実施形態では、このサイクルの第４の位相は、イオンを検出するための後続のサイクルのそれぞれの第１の位相と部分的な時間的重複を有する。ある場合には、後続のサイクルは、負イオンが検出されるサイクルであり得る。代替として、イオンを検出するための後続のサイクルのそれぞれの第１の位相は、サイクルの第４の位相の終了後に開始することができる。
【０００９】
いくつかの実施形態では、第３の電極は、接地電位において維持され、コントローラは、該第１の電極と第２の電極との間の空間における複数の負イオンの蓄積を可能にするように、負イオンを検出するためのサイクルの第１の位相中、第２および第３の電極を共通接地電位において維持するように構成される。サイクルの第２の位相中、コントローラは、第１の電極と第２の電極との間の空間の中への追加のイオンの進入を阻止するように、パルサに等しい負電圧を該第１および第２の電極に印加させる。これはまた、サイクルの第３の位相において加速のために必要とされる、電場を第２の電極と第３の電極との間に生成する。サイクルの第３の位相中、コントローラは、第２の電極と第３の電極との間の領域に向かって第１の電極と第２の電極との間の空間において蓄積された負イオンを加速させる電場を生成する、第１の電極と第２の電極との間の電圧差をパルサに印加させる。第２の電極と第３の電極との間で、位相２において生成される電場は、位相３において持続する。この電場は、加えて、ドリフトチャンバに向かってイオンを加速させる。加速されたイオンがドリフトチャンバを通過するサイクルの第４の最終位相中、コントローラは、パルサに第１および第２の電極を接地電位において維持させる。いくつかの実施形態では、このサイクルの第４の位相は、イオンを検出するための後続のサイクルのそれぞれの第１の位相と部分的な時間的重複を有する。代替として、後続のサイクルのそれぞれの第１の位相は、第４の位相の終了後に開始することができる。ある場合には、後続のサイクルは、正イオンが検出されるサイクルであり得る。
【００１０】
ＴＯＦ分析器は、ドリフトチャンバを通過したイオン（またはその少なくとも一部）を検出するためにドリフトチャンバの下流に配置されている、イオン検出器を含むことができる。いくつかの実施形態では、イオン偏向器が、ドリフトチャンバの少なくとも一部の通過のための異なる軌道に沿って加速された正イオンおよび負イオンを偏向させるために、加速器段階の下流に配置されている。いくつかのそのような実施形態では、正イオンミラーが、イオン偏向器の下流に配置され、偏向器から正イオンを受け取り、イオン検出器に向かってこれらのイオンを反射するように構成される。さらに、負イオンミラーが、偏向器の下流に配置され、偏向器から負イオンを受け取り、イオン検出器に向かって負イオンを反射するように構成される。
【００１１】
いくつかの実施形態では、ＴＯＦ分析器は、イオン検出器に向かった異なる軌道に沿って加速された正イオンおよび負イオンを反射するように、加速器段階の下流に縦に並んで配置される正イオンミラーおよび負イオンミラーを含むことができる。本実施形態はまた、両方の極性のイオンが検出器に向かって同一の軌道を辿るような方法で、縦に並んだミラーが正イオンおよび負イオンを反射するように構成され得る。
【００１２】
関連する側面では、複数のイオンを受け取るための加速器段階を備え、加速器段階が複数の電極を備えている、ＴＯＦ質量分析計が開示される。パルサは、該加速器段階を交互に正イオンモードおよび負イオンモードにするように、該電極のうちの１つ以上のものに印加される電圧の極性を交互に切り替えるように構成される。
【００１３】
いくつかの実施形態では、正または負イオンモードのいずれか一方は、加速器段階の中へ複数のイオンを受け入れるための第１の位相と、いかなる追加のイオンも加速器段階の中へ受け入れられず、加速器段階内に蓄積したイオンが電場を受けない、第２の位相と、加速器段階内に蓄積されたイオンがＴＯＦ質量分析計のフィールドフリードリフト領域の中へ偏向させられて加速される、第３の位相と、加速器段階の電極が接地電位において維持され、イオンが質量分析計の検出器によって検出されるようにドリフト領域を通過する、第４の位相とを含む。
【００１４】
いくつかの実施形態では、ＴＯＦ質量分析計はさらに、加速されたイオンを受け取るために該加速器段階の下流に配置されている、イオン偏向器を備え、偏向器は、それぞれ、正および負イオン経路上に正イオンおよび負イオンを角度分離する。イオン偏向器の下流に配置されている正イオン反射器は、該正イオン経路に沿って伝搬する正イオンを受け取り、分光計のイオン検出器に向かってイオンを反射する。イオン偏向器の下流に配置されている負イオン反射器は、該負イオン経路に沿って伝搬する負イオンを受け取り、イオン検出器に向かってこれらのイオンを反射する。
【００１５】
別の側面では、それぞれ、正イオンおよび負イオンを検出するための異なるサイクル中、正イオンおよび負イオンを受け取って加速させるように分析器の加速器段階を構成することを含む、ＴＯＦ分析器を使用して質量分光法を行う方法が開示される。各サイクル中、加速された正または負イオンは、フィールドフリードリフトチャンバを通過させられる。ドリフトチャンバを通過したイオンの少なくとも一部は、イオン検出器によって検出される。
【００１６】
いくつかの実施形態では、正イオンを検出するための少なくとも１つのサイクルは、負イオンを検出するための少なくとも１つのサイクルとの部分的な時間的重複を有する。いくつかの実施形態では、加速器段階を構成することは、加速器の１つ以上の電極に印加される１つ以上の電圧の極性を切り替えることを含む。いくつかの実施形態では、複数の正イオンの少なくとも１つの質量スペクトル、および複数の負イオンの少なくとも１つの質量スペクトルが、約１０マイクロ秒〜約５００マイクロ秒の範囲内の時間周期内で、例えば、約１００マイクロ秒未満の時間周期内で得られる。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
飛行時間（ＴＯＦ）分析器を備えている質量分析計であって、前記ＴＯＦ分析器は、
複数の電極を備え、複数のイオンを受け取って加速させるように適合されている加速器段階と、
前記加速されたイオンの少なくとも一部を受け取るために前記加速器段階の下流に配置されているドリフトチャンバと、
１つ以上の電圧を前記複数の電極に印加するために前記加速器に連結されているパルサと、
前記パルサに連結されているコントローラと
を備え、
前記コントローラは、イオン検出周期の異なるサイクル中に正イオンおよび負イオンを受け取って加速させるように前記加速器段階を構成するように、前記電極に印加される１つ以上の電圧を前記パルサに調節させるように適合されている、質量分析計。
（項目２）
前記パルサは、少なくとも１つの正電圧源および少なくとも１つの負電圧源と、前記電圧源を前記複数の電極に選択的に連結するための複数のスイッチとを備えている、項目１に記載のＴＯＦ分析器。
（項目３）
前記コントローラは、前記１つ以上の電極に印加される１つ以上の電圧の極性を変化させるための前記スイッチのうちの１つ以上のものを選択的に起動および動作停止させることにより、前記加速器段階を正イオンモードから負イオンモードに構成する、項目２に記載のＴＯＦ分析器。
（項目４）
前記コントローラは、前記イオン源に連結され、前記コントローラは、前記加速器段階が正イオンモードである場合、正イオンを前記加速器段階に供給し、前記加速器段階が負イオンモードである場合、負イオンを前記加速器段階に供給するよう前記イオン源を構成するように適合されている、項目２に記載のＴＯＦ分析器。
（項目５）
前記加速器段階は、
第１の電極と、
前記第１の電極の下流に配置されている第２の電極と、
前記第２の電極の下流に配置されている第３の電極と
を備え、
加速器段階は、前記第１の電極と第２の電極との間の空間の中へイオンを受け取るように構成されている、項目１に記載のＴＯＦ分析器。
（項目６）
前記第３の電極は、前記ドリフトチャンバの入口に近接して配置され、前記第３の電極は、電気接地電位において維持されている、項目４に記載のＴＯＦ分析器。
（項目７）
前記コントローラは、正イオンを検出するためのサイクルの第１の位相中、前記パルサに前記第１および第２の電極を前記接地電位に維持させることにより、前記第１の電極と第２の電極との間の空間における複数の正イオンの蓄積を可能にする、項目６に記載のＴＯＦ分析器。
（項目８）
前記コントローラは、前記サイクルの第２の位相中、前記パルサに等しい正電圧を前記第１および第２の電極に印加させることにより、前記第１の電極と第２の電極との間の前記空間の中への追加の正イオンの進入を阻止し、かつ前記第２の電極と第３の電極との間に電場を生成する、項目７に記載のＴＯＦ分析器。
（項目９）
前記コントローラは、前記サイクルの第３の位相中、前記第１の電極と第２の電極との間の電圧差を前記パルサに印加させることにより、前記ドリフトチャンバに向かって前記第１の電極と第２の電極との間の前記空間において蓄積された前記イオンを加速させる、項目８に記載のＴＯＦ分析器。
（項目１０）
前記コントローラは、前記加速されたイオンが前記ドリフトチャンバを通過する前記サイクルの第４の位相中、前記パルサに前記第１および第２の電極を前記接地電位に維持させる、項目９に記載のＴＯＦ分析器。
（項目１１）
前記サイクルの前記第４の位相は、イオンを検出するための後続のサイクルの第１の位相との時間的重複を有する、項目１０に記載のＴＯＦ分析器。
（項目１２）
前記コントローラは、負イオンを検出するためのサイクルの第１の位相中、前記パルサに前記第１および第２の電極を前記接地電位に維持させることにより、前記第１の電極と第２の電極との間の空間における複数の負イオンの蓄積を可能にする、項目５に記載のＴＯＦ分析器。
（項目１３）
前記コントローラは、前記サイクルの第２の位相中、前記パルサに同一の負電圧を前記第１および第２の電極に印加させることにより、前記第１の電極と第２の電極との間の前記空間の中への追加のイオンの進入を阻止し、かつ前記第２の電極と第３の電極との間に電場を生成する、項目１２に記載のＴＯＦ分析器。
（項目１４）
前記コントローラは、前記サイクルの第３の位相中、前記電圧源に電圧差を前記第１の電極と第２の電極との間に印加させることにより、前記ドリフトチャンバに向かって前記第１の電極と第２の電極との間の前記空間において蓄積された前記負イオンを加速させる、項目１３に記載のＴＯＦ分析器。
（項目１５）
前記コントローラは、前記加速された負イオンが前記ドリフトチャンバを通過する前記サイクルの第４の位相中、前記パルサに前記第１および第２の電極を前記接地電位に維持させる、項目１４に記載のＴＯＦ分析器。
（項目１６）
前記ドリフトチャンバの少なくとも一部の通過のための異なる軌道に沿って加速された正イオンおよび負イオンを偏向させるために、前記加速器段階の下流に配置されているイオン偏向器をさらに備えている、項目１に記載のＴＯＦ分析器。
（項目１７）
前記偏向器の下流に配置され、前記偏向器からの前記正イオンを受け取り、前記受け取られた正イオンを前記イオン検出器に向けて反射するように構成されている正イオンミラーと、前記偏向器の下流に配置され、前記偏向器からの前記負イオンを受け取り、前記受け取られた負イオンを前記イオン検出器に向けて反射するように構成されている負イオンミラーとのうちの１つをさらに備えている、項目１６に記載のＴＯＦ分析器。
（項目１８）
飛行時間（ＴＯＦ）分析器を使用して質量分光法を行う方法であって、
正イオンおよび負イオンを検出するための異なるサイクル中に正イオンおよび負イオンを受け取って加速させるように前記ＴＯＦ分析器の加速器段階を構成することと、
前記サイクルの各々中、前記加速された正イオンおよび負イオンをドリフトチャンバに通すことと、
前記サイクルの各々におけるそれらの前記ドリフトチャンバの通過後、前記イオンの少なくとも一部を検出することと
を含む、方法。
（項目１９）
正イオンを検出するための少なくとも１つのサイクルは、負イオンを検出するための少なくとも１つのサイクルとの部分的な時間的重複を有する、項目１８に記載の方法。
（項目２０）
前記加速器段階を構成することは、前記加速器の１つ以上の電極に印加される１つ以上の電圧の極性を切り替えることを含む、項目１８に記載の方法。
【００１７】
本発明の種々の側面のさらなる理解は、以下で簡潔に説明される関連図面と併せて、以下の発明を実施するための形態を参照することによって得られることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１Ａ】図１Ａは、本教示の実施形態による質量分析計を概略的に描写する。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａの質量分析計のＴＯＦ分析器の種々の構成要素を概略的に描写する。
【図１Ｃ】図１Ｃは、電圧をＴＯＦ分析器の加速器段階の電極に選択的に印加するための（高電圧源およびスイッチを含む）パルスを制御する、図１Ａの質量分析計のコントローラを概略的に描写する。
【図１Ｄ】図１Ｄは、コントローラの例示的内部ハードウェアを概略的に描写する。
【図２】図２は、本発明の実践で使用するために好適なパルサの中の電圧源およびスイッチの配列を概略的に描写する。
【図３】図３は、正イオンを検出するためのサイクルの異なる位相に対する図２に示されるパルサのスイッチの状態（開放または閉鎖）を示す。
【図４】図４は、負イオンを検出するためのサイクルの異なる位相に対する図２に示されるパルサのスイッチの状態（開放または閉鎖）を示す。
【図５Ａ】図５Ａは、正イオンを検出するための１つのサイクルと、負イオンを検出するための１つのサイクルとを備えている、イオン検出周期を概略的に描写する。
【図５Ｂ】図５Ｂは、正イオンおよび負イオン検出の交互のサイクルを概略的に描写する。
【図５Ｃ】図５Ｃは、各々が正イオン検出の５つのサイクルと、負イオン検出の５つのサイクルとを含む、２つのイオン検出周期を概略的に描写する。
【図５Ｄ】図５Ｄは、各々が正イオン検出の７つのサイクルと、負イオン検出の３つのサイクルとを含む、２つのイオン検出周期を概略的に描写する。
【図５Ｅ】図５Ｅは、各々が正イオン検出の２つのサイクルと、負イオン検出の８つのサイクルとを含む、２つのイオン検出周期を概略的に描写する。
【図５Ｆ】図５Ｆは、別の実施形態における正および負サイクルの時間的配列を概略的に描写する。
【図６】図６は、本発明の実践で使用するために好適な別のパルサの中の電圧源およびスイッチの配列を概略的に描写する。
【図７】図７は、正イオンを検出するためのサイクルの異なる位相に対する図６に示されるパルサのスイッチの状態（開放または閉鎖）を概略的に描写する。
【図８】図８は、負イオンを検出するためのサイクルの異なる位相に対する図６に示されるパルサのスイッチの状態（開放または閉鎖）を示す。
【図９】図９は、本発明の実践で使用するために好適な別のパルサの中の電圧源およびスイッチの配列を概略的に描写する。
【図１０】図１０は、正イオンを検出するためのサイクルの異なる位相に対する図９に示されるパルサのスイッチの状態（開放または閉鎖）を概略的に描写する。
【図１１】図１１は、負イオンを検出するためのサイクルの異なる位相に対する図９に示されるパルサのスイッチの状態（開放または閉鎖）を概略的に描写する。
【図１２】図１２は、本発明の実践で使用するために好適な別のパルサの中の電圧源およびスイッチの配列を概略的に描写する。
【図１３】図１３は、正イオンを検出するためのサイクルの異なる位相に対する図１２に示されるパルサのスイッチの状態（開放または閉鎖）を概略的に描写する。
【図１４】図１４は、負イオンを検出するためのサイクルの異なる位相に対する図１２に示されるパルサのスイッチの状態（開放または閉鎖）を概略的に描写する。
【図１５】図１５は、本発明の実践で使用するために好適な別のパルサの中の電圧源およびスイッチの配列を概略的に描写する。
【図１６】図１６は、正イオンを検出するためのサイクルの異なる位相に対する図１５に示されるパルサのスイッチの状態（開放または閉鎖）を概略的に描写する。
【図１７】図１７は、負イオンを検出するためのサイクルの異なる位相に対する図１５に示されるパルサのスイッチの状態（開放または閉鎖）を概略的に描写する。
【図１８】図１８は、本教示の別の実施形態によるＴＯＦ分析器を概略的に描写する。
【図１９】図１９は、本教示の別の実施形態によるＴＯＦ分析器を概略的に描写する。
【図２０】図２０は、分析器の加速器の正および負モードと同期して正または負イオンミラーとして機能するように構成されることができる、イオンミラーを含む、本教示の別の実施形態によるＴＯＦ分析器を概略的に描写する。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明は、イオン検出周期内に両方の電荷極性のイオン（すなわち、正イオンおよび負イオン）を検出することが可能である質量分析計を提供する。その周期の持続時間は、ＴＯＦ分光計をほぼ同時正イオンおよび負イオン検出器にするよう短くあり得る。例えば、周期の時間の尺度は、イオン源極性の変化等の他の関連事象に対応する時間の尺度よりはるかに短くあり得る。いくつかの実施形態では、分光計は、正イオンおよび負イオンのほぼ同時の検出を提供するように構成される飛行時間（ＴＯＦ）分析器を含む。いくつかの実施形態では、イオン化は、実行中に正から負に急速に切り替わり得、これは、正モードから負モードに急速に切り替わることが可能であることをＴＯＦ質量分析計に要求するであろう。そのような能力を所望する理由のうちのいくつかは、正イオンに１回および負イオンに１回である、２回の分析実行を行う必要性を除去することによって、時間およびサンプルを節約することであり得る。いくつかの実施形態では、飛行時間（ＴＯＦ）分析器は、複数の電極を備えている加速段階を含み、交互する正および負電圧が複数の電極に印加されることにより、イオン検出器によって検出されるように、イオン検出周期のある部分中に正イオンを、イオン検出周期の別の部分中に負イオンをフィールドフリードリフトチャンバへ加速させることができる。イオン源は、イオンをＴＯＦ分析器に供給することができる。コントローラは、イオン源を制御することができ、イオン源は、質量分光分析のサンプルを受け取るように構成され、イオン源は、イオン検出サイクルの異なる部分中、例えば、サンプルのイオン化によって、正イオンおよび負イオンを提供する。コントローラはまた、加速器の１つ以上の電極に印加される１つ以上の電圧を調節することもでき、ＴＯＦは、イオン源が正イオンを生成する時間間隔中に正イオンの検出のために、およびイオン源が負イオンを生成する時間間隔中に負イオン検出のために構成される。
【００２０】
種々の用語は、当技術分野内のそれらの通常の意味と一致して本明細書で使用される。さらに明確にするために、ある用語が以下で説明される。
【００２１】
「正イオン」という用語は、正味正電荷を有するイオンを指す。「負イオン」という用語は、正味負電荷を有するイオンを指す。「サイクル」または「イオン検出サイクル」という用語は、その間に一群のイオンがＴＯＦ分析器に進入し、分析器の検出器によって検出される、時間周期を指すために使用される。「検出周期」という用語は、時間的に互の後に続き、経時的に繰り返されることができる複数のイオン検出サイクルを指す。例えば、以下で議論される実施形態では、イオン検出周期は、正イオンを検出するための１つ以上のサイクルと、負イオンを検出するための１つ以上のサイクルとを含むことができる。「正イオンモード」という用語は、分析器が正イオンの検出のために構成されるＴＯＦ分析器の動作モードを指し、「負イオンモード」という用語は、分析器が負イオンの検出のために検出されるＴＯＦ分析器の動作モードを指す。さらに、「イオン反射器」および「イオンミラー」という用語は、質量分析計の中のイオンの進行方向を反転させるように構成されるデバイスを指すために、当技術分野内のそれらの一般的な意味に従って同義的に使用される。本明細書で使用されるような「パルサ」という用語は、電圧を加速器段階の電極に印加するために好適なデバイスを指す。パルサは、典型的には、複数の電圧源（例えば、高電圧源）と、スイッチ（例えば、高速（１マイクロ秒未満の立ち上がり時間）／高電圧スイッチ）とを含む。
【００２２】
図１Ａ、１Ｂ、および１Ｃは、本実施形態ではイオン源である、上流ユニット１０６からイオンを受け取るためのオリフィス（開口）１０４を含む、飛行時間（ＴＯＦ）分析器１０２を有する、出願者の教示による質量分析計１００の実施形態を概略的に示す。イオン源１０６は、パルスイオン源または連続流イオン源であり得る。好適なイオン源のいくつかの実施例は、限定ではないが、とりわけ、エレクトロスプレーイオン化（「ＥＳＩ」）源、脱離エレクトロスプレーイオン化（「ＤＥＳＩ」）源、またはソニックスプレーイオン化（「ＳＳＩ」）源を含む。他の場合では、ＴＯＦ分光計１００は、濾過、断片化、および／または捕捉の種々の段階を受けたイオンを受け取ることができる。
【００２３】
例示的ＴＯＦ１０２はさらに、以下でさらに詳細に議論されるように、質量分析器に進入するイオンを加速させてフィールドフリードリフトチャンバ１１０の中へ向かわせるための加速段階１０８を含む。フィールドフリードリフトチャンバを通過した後、イオン検出器１１２は、検出のためにイオンを受け取る。イオンがフィールドフリーチャンバを通過して検出器に到達するために必要とされる時間が、それらの質量対電荷（ｍ／ｚ）比に依存するので、検出器によって生成されるイオン検出信号は、質量スペクトルを生成するために採用されることができる。本実施形態では、検出器出力は、信号を高圧変圧器に渡すよりもむしろ、トランスインピーダンス増幅器が検出器の近くに組み込まれることができるように接地される。このようにして、検出器のダイナミックレンジおよび移送帯域幅が、向上させられることができ、より低い検出器バイアス電圧、したがって、増加した検出器寿命とともに、より短い接地基準信号を増幅させることによって、全体的なジッタが低減させられることができる。いくつかの実施形態では、多重イオンコレクタ構成（例えば、１６アノードコレクタ）もまた、増大した感度のために使用され得る。ドリフトチャンバの裏地おび検出器の出力の接地は、ある利点を提供する。例えば、検出器が浮動させられるときに何ｋＶものＤＣ電圧上における数ミリボルトの振幅を有する信号を検出するという問題を回避する。
【００２４】
加速段階は、３つの電極１、２、および３を備えている。本実施形態では、電極１は、イオンが通過することができる中心オリフィス（図示せず）を有する固体板であり、電極２は、イオンが通過することができるグリッドの形態である。電極３もまた、グリッドの形態であり、ドリフトチャンバ１１０の遮蔽板または裏地１１４に電気的に連結される（換言すると、電極３および裏地は、それを通ってイオンがドリフトチャンバに進入することができる、グリッドの形態の前方部分を有する、単一の電極を形成する）。本実施形態では、電極３および裏地１１４は、接地電位において維持される。図１Ｂに概略的に示され、以下でさらに詳細に議論されるように、イオンを検出するためのサイクルのある位相において、電圧パルスは、電極１と２との間の領域中で電場（Ｅ１）、ならびに電極２と３との間に電場（Ｅ２）を生成するように、電極１および２に印加されることができる。以下でさらに詳細に議論されるように、印加された電圧パルスは、イオン検出サイクルのある位相において、電極１と２との間の空間内に蓄積されるイオンが、フィールドフリードリフトチャンバに向かって加速されるように構成される。
【００２５】
図１Ａおよび１Ｃを続けて参照すると、質量分析計はさらに、本教示による、電圧パルスを電極１および２に供給するようにシステムコントローラ１１８の制御下で動作するパルサ１１６を含む。コントローラ１１８はまた、加速器が、それぞれ、正イオンモードおよび負イオンモードであるときに、正イオンおよび負イオンを分析器に供給するように、（例えば、イオン源で採用される１つ以上の電圧の極性を調節することによって）イオン源を構成するようイオン源を制御する。さらに、いくつかの実施形態では、コントローラは、例えば、イオン検出信号を受信し、これらの信号に基づいて質量スペクトルを生成するために、検出器１１２と通信することができる。
【００２６】
コントローラは、以下でさらに詳細に議論されるように、パルサ１１６、イオン源１０６を制御し、検出器１１２と通信するための任意の好適なソフトウェア、ハードウェア、およびファームウェアを含むことができる。一例として、コントローラは、加速器の電極に印加される高い電圧の規模、パルサのスイッチ（例えば、トランジスタスイッチ）の状態、およびこれらのスイッチの状態変化のタイミングを決定することができる。
【００２７】
さらなる例証として、図１Ｄは、コントローラ１１８を含むかまたは実装するために使用され得る、例示的内部ハードウェアのブロック図を描写する。バス４０１は、ハードウェアの他の図示された構成要素を相互接続する。中央処理装置（ＣＰＵ）４０３は、プログラムを実行するために必要とされる計算および論理演算を行う。プログラムは、例えば、本教示による、パルサ（例えば、正および負電圧を加速器段階の電極に印加するようにパルサの種々のスイッチを閉鎖および開放する）、イオン源、および検出器を制御するための命令を含むことができる。例示的コントローラ１１８はさらに、プログラム命令を記憶するために利用されることができる、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）４０５およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）４０７を含む。
【００２８】
随意的なディスプレイインターフェース４０９は、バス４０１からの情報が、音声、視覚、グラフィック、または英数字形式でディスプレイ４１１上に表示されることを可能にし得る。パルサ等の外部デバイスとの通信は、種々の通信ポート４１３を使用して起こり得る。
【００２９】
ハードウェアはまた、キーボード４１７、もしくはマウス、ジョイスティック、タッチスクリーン、リモートコントロール、ポインティングデバイス、ビデオ入力デバイスおよび／または音声入力デバイス等の入力デバイス４１９等の入力デバイスからのデータの受信を可能にすることができる、インターフェース４１５を含み得る。
【００３０】
図１Ａを参照すると、本実施形態では、パルサ１１６は、複数のＤＣ高電圧源１１６ａ（例えば、約１ｋＶ〜約２０ｋＶの電圧を生成することが可能な電圧源）、ならびにこれらの電圧源によって生成される電圧を電極に選択的に印加するための複数の高電圧スイッチ１１６ｂを含む。上記のように、システムコントローラ１１８は、パルサ１１６の電圧源およびスイッチを制御するための任意の好適なソフトウェア、ハードウェア、およびファームウェアを含むことができる。一例として、コントローラ１１８は、とりわけ、電極に印加される高い電圧の規模、スイッチ（例えば、トランジスタスイッチ）の状態、およびこれらのスイッチの状態変化のタイミングを決定することができる。
【００３１】
本実施形態では、コントローラ、ならびに高電圧源およびスイッチを含むパルサが、分析器真空チャンバの外側に配置される一方で、電極は、真空チャンバの内側に配置される。複数の低電圧制御ワイヤは、コントローラを電圧源およびスイッチに電気的に接続することができ、複数の高電圧ワイヤは、高電圧源をスイッチに接続することができる。電極は、高電圧ワイヤおよび高電圧真空フィードスルーを介して、スイッチに接続されることができる。いくつかの実施形態では、フィールドフリードリフトチャンバ全体およびパルサ電力供給電子機器は、高い質量精度を達成するように同一の温度で維持される。
【００３２】
本実施形態では、使用時に、正イオンおよび負イオンは、検出周期の異なる検出サイクル中に検出される。以下でさらに詳細に議論されるように、正または負イオンの各検出サイクルは、イオン受入位相、イオン調製位相、その後にイオンの検出が続くイオン加速位相を含む、複数の位相を含むことができる。
【００３３】
例えば、イオン検出サイクルの初期イオン受入位相（本明細書では位相１と称される）中、電極１、２、および３は、接地電位において維持され、複数のイオンは、イオン軌道に対するいかなる摂動も伴わずに、電極１と２との間の領域の中への開口１０４を通ってＴＯＦ分析器に進入する。
【００３４】
後続のイオン調製位相（本明細書では位相２とも称される）において、電極１および２は、同一の正または負電圧において維持され、電極３は、接地電位において維持される。一例として、正または負電圧は、約１〜約２０ｋＶの範囲内の規模値を有することができる。電極１および２に印加される電圧は、加速器の中への追加のイオンの進入を防止するように、ならびに電極２と３との間に第２の加速場を生成するように選択される。電極１と２との間の領域中にすでに存在しているイオンは、いかなる電場も経験せず、それらの初期軌道に沿ったままである。
【００３５】
後続のイオン加速位相（本明細書では位相３と称される）において、電極１および２は、異なる電圧において維持され、電極３は、接地電位において維持される。電極１は、イオン（例えば、検出周期の１つのサイクル中の正イオン、および検出周期の別のサイクル中の負イオン）にそれらの軌道を変化させ、電極２に向かって加速させることができる、電場を電極１と２との間に生成するために必要とされる電圧において維持される。電極２は、電極２と３との間に必要電場を生成するように、前の位相と同一の電圧において維持される。この位相中、イオンは、加速器に進入することができず、電極１おと２との間の領域中にすでに存在しているイオンは、加速器から出てフィールドフリードリフトチャンバ１１０の中へ加速される。いくつかの実施形態では、加速位相中のこれら２つの電極１と２との間の電圧差は、例えば、約１〜約１０ｋＶの範囲内であり得る。
【００３６】
その後、イオン検出位相（本明細書では位相４と称される）において、フィールドフリーチャンバ１１０に進入したイオンは、チャンバを通過し、イオン検出器１１２によって検出される。この位相中、電極１、２、および３は、接地電位において維持される。いくつかの実施形態では、この位相は、後続のイオン検出サイクルのイオン受入位相と時間的重複を有することができる。換言すると、加速されたイオンがドリフトチャンバを通過しているとき、新しい一群のイオンが、加速器の中へ、すなわち、電極１と２との間の空間の間に、導入されることができる。代替として、次のサイクルのイオン受入位相は、イオン検出位相（位相４）の完了後に開始することができる。
【００３７】
図２は、正電圧源２００ａおよび２００ｂと、負電圧源２０２ａおよび２０２ｂと、スイッチ１−９として標識される複数の高電圧スイッチとを含むパルサ１１６の実施形態を概略的に描写する。本実施形態では、スイッチは、当技術分野で公知である様式で高電圧（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）トランジスタを採用することによって実装されることができるが、他の実施形態では、他の技術も採用されることができる。
【００３８】
図３を参照すると、正イオン検出サイクルの位相１中、電極１および２を接地電位において維持するように、スイッチ８および９は閉鎖され、他のスイッチは開放している（上記で示されるように、電極３は、検出サイクルの４つのサイクル中、接地電位において維持される）。位相２中、電極３が接地電位において維持されている間に、同一の正電圧（すなわち、Ｖ２）を電極１および２に印加するように、スイッチ３、６、および７は閉鎖され、他のスイッチは開放している。上記のように、これらの電圧は、電極１と２との間の領域の中への追加の正イオンの進入を抑止する。位相３中、正電圧Ｖ１を電極１に、正電圧Ｖ２を電極２に印加するように、スイッチ１、３、５、および７は閉鎖され、他のスイッチは開放している。この位相における電極１と２との間の電圧差は、正イオンにそれらの軌道を変化させ、フィールドフリードリフトチャンバに向かって加速させる（例えば、図１Ａ参照）。検出位相中、電極１および２は、位相１で利用される同一の切り替え配列を採用することによって、接地電位において維持される。この位相中、加速されたイオンは、フィールドフリードリフトチャンバを通過し、イオン検出器によって検出される。
【００３９】
図４を参照すると、負イオン検出サイクルの位相１中、スイッチ８および９は、電極１および２を接地電位において維持するように閉鎖され、他のスイッチは、電極の間にフィールドフリー領域を生成するように開放している（上記で示されるように、電極３は、検出サイクルの４つの位相中、接地電位において維持される）。上記で示されるように、この位相中、イオンは、電極１と２との間の領域に進入する。位相２中、電極３が接地電位において維持されている間に、同一の負電圧（すなわち、Ｖ２）を電極１および２に印加するように、スイッチ４、６、および７は閉鎖され、他のスイッチは開放している。電極１および２への同一の負電圧の印加は、電極１と２との間のフィールドフリー領域、ならびに電極２と３との間の電場の生成をもたらす。上記のように、これらの電圧は、電極１と２との間の領域の中への追加のイオンの進入を抑止する。位相３中、負電圧Ｖ１を電極１に、負電圧Ｖ２を電極２に印加するように、スイッチ２、４、５、および７は閉鎖され、他のスイッチは開放している。電極１と２との間の電圧差は、電極１と２との間の領域中ならびに電極２と３との間の領域中の電場の生成をもたらし、それは、ドリフトチャンバに向かって負イオンを偏向させて加速させる。サイクルの検出位相中、電極１および２は、位相１で利用されるものと同一の切り替え配列を採用することによって、接地電位において維持される。この位相中、加速されたイオンは、フィールドフリードリフトチャンバを通過し、イオン検出器によって検出される。上記に示されるように、いくつかの実施形態では、後続のイオン検出サイクルのイオン受入位相は、イオン検出位相と時間的重複を有することができるか、またはイオン検出位相の完了後に開始することができる。
【００４０】
正イオンおよび負イオンを検出するためのサイクルは、検出周期内で正および負サイクルの所望の比を得るよう配列されることができる。本明細書で使用されるような検出周期は、時間的に繰り返されることができる、正および負検出サイクルのセットを指すことができる。一例として、図５Ａは、正イオンを検出するための１つのサイクルと、負イオンを検出するための１つのサイクルとを含む、検出周期を指す。換言すると、この例では、正イオンを検出するために費やされる時間と負イオンを検出するために費やされる時間とが等しい。この例では、負サイクルの位相１は、正サイクルの位相４の完了後に開始することが示されているが、ある場合には、負サイクルの位相１と正サイクルの位相４との間に時間的重複がある。図５Ｂは、サイクルが正イオンモードと負イオンモードとを繰り返す複数の周期を示す。等しい時間が、正イオンおよび負イオンを観察するために費やされる。他の実施形態では、正および負検出サイクルの他の時間的配列が、採用されることができる。一例として、図５Ｃは、５つの連続正サイクルと５つの連続負サイクルとがイオン検出の周期を形成する実施形態を描写する。これは、正から負への切り替えの時間の尺度が、他の事象、例えば、イオン源の極性の切り替えよりはるかに（例えば、１０倍またはそれを上回って）短い場合に、有利であり得る。
【００４１】
いくつかの実施形態では、検出周期内により多くの正サイクルまたはより多くの負サイクルを有することが望ましくあり得る。例えば、正イオンより多くの負イオンを生成することが予期され得る分析中のサンプルを考慮されたい。一例として、図５Ｄは、イオン検出の周期が、７つの正サイクルと、３つの負サイクルとを含む１つのそのような実施形態を示す。この場合、正イオンは、負イオンより低い頻度で観察される。正サイクル対負サイクルの比を増加させることによって、正または負イオンのいずれか一方の観察は、より均等に平衡を保たれるであろう。比が既知となるであろうため、最終カウントは、取得後サンプルにおける正イオンおよび負イオンの存在を表すように拡大縮小されることができる。図５Ｅは、２つの正サイクルと８つの負サイクルとがイオン検出の周期を構成する、別の実施形態における正および負サイクルの配列を示す。さらなる例証として、図５Ｆは、別の実施形態における正および負サイクルの時間的配列を示す。図５Ｆでは、正および負サイクルの比は、経時的に変動する。この配列は、例えば、正イオン対負イオンの数の比も経時的に変動し、本システムが正対負サイクルの瞬間光学比を得るように動作させられる場合に有用であり得る。
【００４２】
本教示を実践するためにパルサで採用されることができるスイッチの数および配列は、上記で議論されるものに限定されない。一例として、図６は、正および負電圧源３００ａ、３００ｂ、３０２ａ、および３０２ｂ、ならびにスイッチ１からスイッチ７として標識される７つのスイッチを含む、別の実施形態によるパルサを概略的に描写する。図７を参照すると、本実施形態では、正イオン検出サイクルの位相１中、電極１および２を接地電位において維持するように、スイッチ５、６、および７は閉鎖され、他のスイッチは開放している（再度、電極３はイオン検出サイクルの全体を通して接地電位において維持される）。スイッチ５は、位相１において開放し得る。位相２中、電極１と２との間のフィールドフリー領域、ならびに電極２と３との間の領域中の電場の生成をもたらす、同一の正電圧（すなわち、正Ｖ２）を電極１および２に印加するように、スイッチ３および５は閉鎖され、他のスイッチは開放している。位相３中、異なる正電圧を電極１および２に（すなわち、正Ｖ１を電極１に、正Ｖ２を電極２に）印加するように、スイッチ１および３は閉鎖され、他のスイッチは開放している。上記で議論されるように、この電圧差は、ドリフトチャンバに向かってイオンを偏向させて加速させる電場を生成する。位相４中、３つ全ての電極が接地電位にあることを確実にするように、スイッチ５、６、および７は閉鎖され、他のスイッチは開放している。
【００４３】
図６および８を続けて参照すると、負イオンを検出するためのサイクルの位相１中、３つの電極を接地電位において維持するように、スイッチ５、６、および７は閉鎖され、他のスイッチは開放している。スイッチ５は、位相１において開放し得る。位相２中、同一の負電位（すなわち、負Ｖ１）を電極１および２に印加するように、スイッチ４および５は閉鎖され、他のスイッチは開放している。位相３中、スイッチ２および４は、フィールドフリードリフトチャンバに向かって負イオンを偏向させて加速させるために電極１と２との間に電圧差を印加するように、閉鎖される。位相４中、３つの電極を接地電位において維持するように、スイッチ５、６、および７は閉鎖され、他のスイッチは開放している。
【００４４】
図９を参照すると、別の実施形態では、パルサは、正電圧源４００ａ、４００ｂと、負電圧源４０２ａおよび４０２ｂとを含むことができ、正または負イオンを検出するためのサイクルの種々の位相中、異なる電圧を電極１、２に印加するために、６つのスイッチを採用することができる。より具体的には、図１０を参照すると、正イオンを検出するためのサイクルの位相１中、電極を電気接地に連結するように、スイッチ５および６は閉鎖され、他のスイッチは開放している。そのようなサイクルの位相２中、同一の正電圧（すなわち、正Ｖ２）を電極１および２に印加するように、スイッチ３および５は閉鎖され、他のスイッチは開放している。サイクルの位相３中、電圧差を電極１および２に印加し、電極１と２との間の空間内のイオンをフィールドフリードリフトチャンバへ偏向させて加速させるように、スイッチ１および３は閉鎖され、他のスイッチは開放している。サイクルの位相４中、３つの電極の各々を共通電気接地電位において維持するように、スイッチ５および６は閉鎖され、他のスイッチは開放している。
【００４５】
図９ならびに図１１を参照すると、負イオンを検出するためのサイクルの位相１中、電極１、２、および３の各々を共通電気接地において維持するように、スイッチ５および６は閉鎖され、他のスイッチは開放している。位相２中、同一の負電位（すなわち、負Ｖ１）を電極１および２に印加して、上記で議論されるように電極１と２との間の空間の中への追加のイオンの進入を防止するように、スイッチ４および５は閉鎖され、他のスイッチは開放している。位相３中、電極１と２との間に電圧差を印加し、ドリフトチャンバに向かって電極１と２との間の空間において蓄積されたイオンを偏向させて加速させるように、スイッチ２および４は閉鎖され、他のスイッチは開放している。位相４中、３つの電極の各々を接地電位において維持するように、スイッチ５および６は閉鎖され、他のスイッチは開放している。
【００４６】
追加の実施例として、図１２は、正イオンおよび負イオンを検出するためのサイクル中に電圧を電極１、２、および３に印加するために、２つの正電圧源５００ａ／５００ｂと、２つの負電圧源５０２ａ／５０２ｂとを含む、パルサの別の実施形態を概略的に描写する。図１３を参照すると、正イオンを検出するためのサイクルの位相１中、３つの電極の各々を接地電位において維持するように、スイッチ５および６は閉鎖され、他のスイッチは開放している。このサイクルの位相２中、同一の正電圧（すなわち、正Ｖ２）を電極１および２に印加するように、スイッチ３および５は閉鎖され、他のスイッチは開放している。位相３中、電極１と２との間に電圧差を印加するように、スイッチ１および３は閉鎖され、他のスイッチは開放している。位相４中、３つの電極の各々を電気接地に電気的に連結し、それによって、電極１と２との間ならびに電極２と３との間にフィールドフリー領域を生成するように、スイッチ５および６は閉鎖され、他のスイッチは開放している。
【００４７】
図１２および図１４を参照すると、負イオンを検出するためのサイクルの位相１において、３つの電極の各々を接地電位に電気的に連結するように、スイッチ５および６は閉鎖され、他のスイッチは開放している。位相２中、同一の負電圧（すなわち、負Ｖ１）を電極１および２に印加するように、スイッチ４および５は閉鎖され、他のスイッチは開放している。位相３中、負電圧Ｖ１を電極１に、負電圧Ｖ２を電極２に印加するように、スイッチ２および４は閉鎖され、他のスイッチは開放している。位相４中、電極の各々を電気接地において維持するように、スイッチ５および６は閉鎖され、他のスイッチは開放している。
【００４８】
図１５は、２つの正電圧源６００ａおよび６００ｂ、２つの負電圧源６０２ａ、６０２ｂ、スイッチ１からスイッチ６として標識される６つのスイッチ、ならびにコンデンサ６０４を含む、パルサの別の実施形態を図示する。コンデンサ６０４は、一方の端子において電極２に電気的に連結され、その他方の端子において、スイッチ１および２を介して、正電圧源６００ａまたは負電圧源６０２ａに連結されることができ、スイッチ５を介して電極１の一方の端部に連結されることができる。
【００４９】
図１５ならびに図１６を参照すると、正イオンを検出するためのサイクルの位相１中、電極１、２、および３の各々を接地電位において維持するように、スイッチ１、６、および７は閉鎖され、他のスイッチは開放している（前の実施形態と同様に、電極３は、検出サイクルの４つ全ての位相中、接地電位において維持される）。さらに、この位相中、コンデンサ６０４は、電圧源６００ａによって充電される。位相２中、同一の正電圧（すなわち、正Ｖ２）を電極１および２に印加するように、スイッチ３および６は閉鎖され、他のスイッチは開放している。位相３中、電極１と２との間の空間において蓄積されたイオンを偏向させて加速させるために電極１と２との間に電圧差を印加するように、スイッチ３および５は閉鎖され、他のスイッチは開放している。この位相中、コンデンサ６０４は、電極１と２との間の電圧差の印加を促進するように、電圧源として機能する。電極１上の電圧は、両方の電力供給部によって送達される電圧の合計であろう。位相４中、電極１および２を接地電位において維持するように、およびコンデンサを再充電するように、スイッチ１、６、および７は閉鎖され、他のスイッチは開放している。
【００５０】
図１５および図１７を参照すると、負イオンを検出するためのサイクルの位相１中、電極１および２を接地電位において維持するように、スイッチ２、６、および７は閉鎖され、他のスイッチは開放している。位相２中、同一の負電圧（すなわち、負Ｖ２）を電極１および２に印加するように、およびコンデンサ６０４を再充電するように、スイッチ４および６は閉鎖され、他のスイッチは開放している。位相３中、電極１と２との間に電圧差を印加するように、スイッチ４および５は閉鎖され、他のスイッチは開放している。この位相中、コンデンサ６０４は、電極１と２との間の電圧差の印加を促進するように、電圧源として機能する。位相４中、電極１および２を接地電位において維持するように、スイッチ２、６、および７は閉鎖され、他のスイッチは開放している。この位相中、前の位相中に放電された（または少なくとも部分的に放電された）コンデンサは、再充電される。
【００５１】
いくつかの実施形態では、正イオンを検出するためのサイクルと負イオンを検出するための隣接サイクルとの間の遷移時間は、約１０マイクロ秒〜約５００マイクロ秒の範囲内であり得る。いくつかの実施形態では、本発明の教示は、飛行時間が非常に短く（例えば、約１０マイクロ秒）あり得、高い割合のイオンを捕捉するように非常に高いパルサ周波数（例えば、約２００ｋＨｚを上回る周波数）を可能にする、線形ＴＯＦ分析器に組み込まれる。一部のイオンに対して、捕捉率は、１００％であり得る。捕捉率は、質量依存性であり得る。例えば、最適ｍ／ｚ（すなわち、イオン捕捉が１００％であるｍ／ｚ）より低いｍ／ｚを伴うイオンは、例えば、それらの高い速度により、１００％未満の捕捉率を有するであろう。いくつかの実施形態では、最適パルサ周波数は、位相４において費やされる時間中に標的質量が加速器を横断して通過する（すなわち、位相１および位相４の完全重複）ように選択されることができる。標的よりも大きい質量対電荷比を伴う全てのイオンが、捕捉されて加速されるであろう。標的より小さい質量対電荷比を伴う一部のイオンは、完全に加速器を通過し、加速器領域から出て行くであろう。
【００５２】
いくつかの実施形態では、正イオンおよび負イオンの経路は、例えば、静電偏向器によって、ＴＯＦ分析器内で分離されることができ、正イオンおよび負イオン経路は、イオンの検出のための共通検出器上で終わる。一例として、図１８は、前の実施形態に関連して上記で議論される様式で実装される、３つの電極１、２、および３を備えている加速器段階を含む、本教示によるＴＯＦ分析器７００のそのような実施形態の例示的実装を概略的に描写する。イオンは、イオン受入位相中、分析器の縦軸（Ａ）と略垂直な経路に沿って電極１と２との間の空間に進入し、後続の位相において、電極１と２との間に印加される電圧差によって、縦軸に向かって偏向させられる。この電圧差はさらに、例えば、約１０００ｅＶ〜約１５０００ｅＶの範囲内の所望のエネルギーを達成するように、イオンを加速させる。前の実施形態のように、電極３は、接地電位において維持され、電極１および２に印加される電圧の極性は、それぞれ、正および負イオンサイクルにおいて、以下でさらに詳細に議論されるように、正イオンおよび負イオンが加速され、検出器によって検出されるように、例えば、上記で議論される様式で切り替えられることができる。
【００５３】
本実施形態では、ＴＯＦ分析器７００はさらに、加速されたイオンを受け取るための加速段階の下流に配置されている、イオン偏向器７０２を含む。イオン偏向器は、イオンが通過することができる空間をその間に提供するように縦軸（Ａ）に対して横方向に間隔を置かれた２つの対向電極４および５を含む。電極４および５に印加される、電圧差、例えば、ＤＣ電圧差は、これらの電極の間の空間内で、１つの軌道（Ｐ１）に沿って正イオンを偏向させるための、および異なる軌道（Ｎ１）に沿って負イオンを偏向させるための、イオンの伝搬方向と垂直な方向における電場を生成することができる。正イオンは、イオン検出器７０６に向かわせられる、フィールドフリードリフト領域内の経路Ｐ２上にこれらのイオンを反射する、正イオンミラー７０４に到達するように、フィールドフリードリフト領域を通る軌道Ｐ１に沿って進行する。負イオンは、順に、イオン検出器７０６に向かわせられる、フィールドフリードリフト領域内の経路Ｎ２上にこれらのイオンを反射する、負イオン反射器に到達するように、フィールドフリードリフト領域を通る軌道Ｎ１に沿って進行する。したがって、本実施形態では、共通イオン検出器は、正および負イオンサイクル中に正イオンおよび負イオンの両方をそれぞれ検出するために採用される。
【００５４】
図１９は、３つの電極１、２、および３を備えている、加速段階８０２を含む、本教示によるＴＯＦ分析器８００の別の実施形態を概略的に描写する。これらの電極は、前の実施形態に関連して上記で議論される様式で実装され、電極１と２との間の空間において蓄積された正イオンおよび負イオンをフィールドフリードリフトチャンバに向かって偏向させて加速させるように構成される。本実施形態では、２つのイオンミラー８０４および８０６は、加速段階８０２とイオン検出器８０８との間のイオンの伝搬経路内で縦に並んで配置される。イオンミラー８０４および８０６は、イオンによって遭遇される第１のイオンミラー（すなわち、イオンミラー８０４）が、正イオンを反射し、負イオンがそれを通過することを可能にし、第２のイオンミラー（すなわち、イオンミラー８０６）が、第１の反射器を通したそれらの通過後に負イオンを反射するように構成される。他の実施形態では、イオンミラー８０４および８０６は、イオンによって遭遇される第１のイオンミラーが負イオンを反射し、第２のイオンミラーがイオン検出器８０８に向かって正イオンを反射するように、互に対して位置付けられることができる。
【００５５】
図１９を続けて参照すると、イオンミラー８０４によって反射される正イオンは、検出器に到達するように軌道（Ａ）に沿って伝搬し、イオンミラー８０６によって反射される負イオンは、検出器８０８に到達するように異なる軌道（Ｂ）に沿って伝搬する。検出器は、当技術分野で公知である様式で、これらのイオンを検出し、質量スペクトルを生成する。いくつかの実施形態では、軌道（Ａ）および軌道（Ｂ）は、同一の軌道であり得る。換言すると、本システムは、両方の極性のイオンが検出器に向かった同一の軌道を辿るような方法で、縦に並んだ鏡が正イオンおよび負イオンを反映するように構成されることができる。
【００５６】
いくつかの他の実施形態では、１つだけのイオンミラーが採用され、イオンミラーは、正イオンおよび負イオンが検出されるサイクル中、正イオンおよび負イオンの反射をそれぞれ提供するように、コントローラによって制御される。一例として、図２０は、電極９０２ａ、９０２ｂ、および９０２ｃを備えている加速器段階９０２と、イオンミラー９０４とを有する、ＴＯＦ分析器９００のそのような実施形態を概略的に描写する。コントローラ９０６は、上記で議論される様式で、正イオンおよび負イオン検出のサイクルのために加速器を構成するように、電圧を加速器の電極に印加するためのパルサ９０８を制御する。加えて、コントローラは、加速器と同期して正または負イオンを反射するようにイオンミラーを構成するようにパルサを制御する。加速器が分析器のドリフトチャンバに向かって正イオンを偏向させて加速させるように構成された場合、イオンミラーがドリフトチャンバの一部分を通過した正イオンを反射し、正イオンがドリフトチャンバの別の部分を通過してイオン検出器９１０に到達するように、コントローラは、適切な電圧をイオンミラー９０４の電極に印加するようにパルサに指示する。加速器が負イオンを偏向させて加速させるように構成されるとき、コントローラは、イオン検出器９１０に向かって負イオンを反射するようにイオンミラーを構成するようパルサに指示する（例えば、その電極への適切な電圧の印加によって）。
【００５７】
いくつかの実施形態では、イオン源から直接イオンを受け取るよりもむしろ、ＴＯＦ分析器は、質量分析計の上流段階からイオンを受け取ることができる。例えば、いくつかの実施形態では、質量分析計は、ＴＯＦ分析器が上流四重極分析器からイオンを受け取る、ＭＳ／ＭＳ分析器であり得る。
【００５８】
本教示による質量分析計は、従来の質量分析計によって達成されるよりも短い期間において、タンパク質、代謝産物、食物汚染物質、環境毒素の質量分光検出等の種々の用途で採用されることができる。
【００５９】
「Ｔｒｉｐｌｅ  Ｓｗｉｔｃｈ  Ｔｏｐｏｌｏｇｙ  Ｆｏｒ  Ｄｅｌｉｖｅｒｉｎｇ  Ｕｌｔｒａｆａｓｔ  Ｐｕｌｓｅｒ  Ｐｏｌａｒｉｔｙ  Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  Ｆｏｒ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ」と題された米国公開出願第２０１３／０２１４１４８号は、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる。
【００６０】
当業者は、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の修正が上記の実施形態に行われることができると理解するであろう。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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