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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-09-29
(45)【発行日】2022-10-07
(54)【発明の名称】質量分析装置
(51)【国際特許分類】
H01J 49/02 20060101AFI20220930BHJP
H01J 49/00 20060101ALI20220930BHJP
G01N 27/62 20210101ALI20220930BHJP
【ＦＩ】
H01J49/02 500
H01J49/00 360
H01J49/02 200
H01J49/00 130
G01N27/62 B
【請求項の数】
10
(21)【出願番号】P 2020119188
(22)【出願日】2020-07-10
(62)【分割の表示】P 2020502720の分割
【原出願日】2018-07-19
(65)【公開番号】P2020188009
(43)【公開日】2020-11-19
【審査請求日】2021-07-14
(31)【優先権主張番号】15/656,909
(32)【優先日】2017-07-21
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】509339821
【氏名又は名称】アトナープ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100102934
【弁理士】
【氏名又は名称】今井 彰
(72)【発明者】
【氏名】パンデュランガン アナンド
(72)【発明者】
【氏名】セルヴァラジ シヴァ
(72)【発明者】
【氏名】ヘッジ アヌープ
(72)【発明者】
【氏名】ムルティ プラカッシ スリダラ
【審査官】鳥居 祐樹
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２００８／００７３５４８（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｊ ４９／０２
Ｈ０１Ｊ ３７／２４４
Ｇ０１Ｎ ２７／６２
Ｇ０１Ｒ １９／００
Ｇ０１Ｊ １／４６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数のガス分子をイオン化して、複数の原子質量単位（ＡＭＵ）数を含む複数のガスイオンから構成されるイオン流にするように構成されたイオンドライブと、
前記複数のガスイオンの第１の部分を選択的に通すように構成された質量フィルタであって、前記複数のガスイオンの前記第１の部分のそれぞれのガスイオンは第１のＡＭＵ値を含む質量フィルタと、
前記複数のガスイオンの前記第１の部分を検出し、第１のイオン電流を生成するように構成されたイオンセンサーと、
前記イオンセンサーからの電流を検出する検出装置とを有する質量分析装置であって、
前記検出装置は、
ゲイン設定を設けるためのコンデンサのネットワークを含み、前記電流を、積分時間の間、電圧勾配に変換するように構成され、さらに、オンになると前記コンデンサのネットワークの入力と出力とを接続するように構成されたリセットスイッチを含む積分回路と、
前記電圧勾配を複数の電圧サンプルにデジタル化するように構成されたアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）と、
一組のモジュールを格納するメモリと、
前記一組のモジュールを実行するプロセッサと有し、
前記一組のモジュールは、
前記複数の電圧サンプルを解析し、前記電圧勾配の傾きを決定するように構成された解析モジュールと、
前記電圧勾配の前記傾きおよび前記ゲイン設定に基づき、前記電流の大きさを決定するように構成された出力モジュールと、
前記コンデンサのネットワークを再構成し、前記リセットスイッチにより前記電圧勾配をリセットするように構成された再構成モジュールとを含む一組のモジュールとを有し、
前記解析モジュールは、前記複数の電圧サンプルに基づき第１次近似ラインを決定するように構成されたモジュールと、
前記質量フィルタが、ある値の質量電荷比ｍ／ｚのイオンを通過する状態から、異なる値の質量電荷比ｍ／ｚのイオンを通過する状態へ調整される際の一時的な摂動の間の前記第１次近似ラインの傾きから、前記摂動が安定した後の前記電圧勾配の前記傾きを予測するように構成されたモジュールとを含む、質量分析装置。
【請求項2】
請求項１において、前記再構成モジュールは、前記積分時間を調整して、検出速度または検出精度が改善されるように前記コンデンサのネットワークを再構成する、質量分析装置。
【請求項3】
請求項１または２において、前記積分回路は、前記コンデンサのネットワークに対する前記電流をオンオフするように構成された入力スイッチをさらに含み、
前記一組のモジュールは、前記電流が前記電圧勾配に変換される間は前記電流が通過し、前記リセットスイッチがオンされ前記電圧勾配をリセットする間は前記電流を遮断するように前記入力スイッチを制御するように構成されたスイッチ制御モジュールをさらに含む、質量分析装置。
【請求項4】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記一組のモジュールは、前記電流を前記電圧勾配に変換することを複数回繰り返すように構成された繰り返しモジュールを含み、前記複数の電圧サンプルは、前記繰り返しにより得られた複数の電圧サンプルの複数のセットを備え、前記解析モジュールは、前記複数の電圧サンプルの複数のセットを平均することにより前記電圧勾配の前記傾きを決定する、質量分析装置。
【請求項5】
請求項１ないし４のいずれかにおいて、前記一組のモジュールは、既知の値の校正用電流を前記積分回路に供給して前記校正用電流から得られた前記電圧勾配の前記傾きを記録することにより、前記積分回路の前記ゲイン設定を校正するように構成された校正モジュールをさらに含む、質量分析装置。
【請求項6】
質量分析装置のイオンセンサーからの電流を、検出装置を用いて検出する方法であって、前記質量分析装置は、
複数のガス分子をイオン化して、複数の原子質量単位（ＡＭＵ）数を含む複数のガスイオンから構成されるイオン流にするように構成されたイオンドライブと、
前記複数のガスイオンの第１の部分を選択的に通すように構成された質量フィルタであって、前記複数のガスイオンの前記第１の部分のそれぞれのガスイオンは第１のＡＭＵ値を含む質量フィルタと、
前記複数のガスイオンの前記第１の部分を検出し、前記電流を生成するように構成された前記イオンセンサーと、
前記検出装置とを有し、
前記検出装置は、ゲイン設定を設けるためのコンデンサのネットワークおよびそのコンデンサのネットワークの入力と出力とを接続するためのリセットスイッチを備えた積分回路と、アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）と、プロセッサとを含み、
当該方法は、前記検出装置が、
積分時間の間、前記ゲイン設定を備えた前記積分回路により前記電流を電圧勾配に変換することと、
前記ＡＤＣにより、前記電圧勾配を複数の電圧サンプルによりデジタル化し、前記複数の電圧サンプルにより前記電圧勾配を示すことと、
前記プロセッサにより、前記複数の電圧サンプルを、前記電圧勾配の傾きを決定するために解析することと、
前記電圧勾配の前記傾きと前記ゲイン設定とに基づき、前記電流の大きさを決定することと、
前記コンデンサのネットワークを再構成し、前記リセットスイッチを介して前記電圧勾配をリセットする、再構成することとを含み、
前記解析することは、
前記複数の電圧サンプルに基づき第１次近似ラインを決定することと、
前記質量フィルタが、ある値の質量電荷比ｍ／ｚのイオンを通過する状態から、異なる値の質量電荷比ｍ／ｚのイオンを通過する状態へ調整される際の一時的な摂動の間の前記第１次近似ラインの傾きから、前記摂動が安定した後の前記電圧勾配の前記傾きを予測することとを含む、方法。
【請求項7】
請求項６において、前記再構成することは、前記コンデンサのネットワークを再構成し、前記積分時間を調整し、検出速度または検出精度を改善することを含む、方法。
【請求項8】
請求項６または７において、前記積分回路は、前記コンデンサのネットワークに対する前記電流をオンオフするように構成された入力スイッチをさらに含み、
当該方法は、前記電流が前記電圧勾配に変換される間は前記電流が通過し、前記リセットスイッチがオンされ前記電圧勾配をリセットする間は電流を遮断するように前記入力スイッチを切り替えることをさらに含む、方法。
【請求項9】
請求項６ないし８のいずれかにおいて、前記電流を前記電圧勾配に変換することを複数回繰り返すことをさらに含み、前記複数の電圧サンプルは電圧サンプルの複数のセットを備え、前記電圧サンプルの複数のセットを平均することにより前記電圧勾配の前記傾きを決定する、方法。
【請求項10】
質量分析装置を操作するコンピュータのためのコンピュータプログラムであって、前記質量分析装置は、
複数のガス分子をイオン化して、複数の原子質量単位（ＡＭＵ）数を含む複数のガスイオンから構成されるイオン流にするように構成されたイオンドライブと、
前記複数のガスイオンの第１の部分を選択的に通すように構成された質量フィルタであって、前記複数のガスイオンの前記第１の部分のそれぞれのガスイオンは第１のＡＭＵ値を含む質量フィルタと、
前記複数のガスイオンの前記第１の部分を検出し、第１のイオン電流を生成するように構成されたイオンセンサーと、
前記イオンセンサーからの電流を検出するように構成された検出装置とを有し、
前記検出装置は、
ゲイン設定を設けるためのコンデンサのネットワークを含む積分回路であって、前記電流を、積分時間の間、電圧勾配に変換するように構成され、オンになるとコンデンサのネットワークの入力と出力とを接続するように構成されたリセットスイッチをさらに含む積分回路と、前記電圧勾配を複数の電圧サンプルにデジタル化するように構成されたアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）とを含み、
当該コンピュータプログラムは、
前記複数の電圧サンプルを解析して前記電圧勾配の傾きを決定するステップと、
前記電圧勾配の前記傾きと前記ゲイン設定に基づき前記電流の大きさを決定するステップと、
前記電圧勾配の前記傾きに基づき前記コンデンサのネットワークを再構成し、前記リセットスイッチを介して前記電圧勾配をリセットするステップとを実行するための実行可能なコードを含み、
前記電圧勾配の傾きを決定するステップは、
前記複数の電圧サンプルに基づき第１次近似ラインを決定するステップと、
前記質量フィルタが、ある値の質量電荷比ｍ／ｚのイオンを通過する状態から、異なる値の質量電荷比ｍ／ｚのイオンを通過する状態へ調整される際の一時的な摂動の間の前記第１次近似ラインの傾きから、前記摂動が安定した後の前記電圧勾配の前記傾きを予測するステップとを含む、コンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、高速、低ノイズの電流検出装置、および本装置を用いた、質量分析装置、光学分光装置などのスペクトロメーターに関するものである。
【背景技術】
【0002】
スペクトロメーターは、物理現象のスペクトル成分を分離、測定する科学機器である。スペクトロメーターは、スペクトル成分が何らかの形で混合される現象の連続的変化を測定するセンサーを含んでもよい。例えば、光学分野では、スペクトロメーター（光学的スペクトロメーター、光学分光装置、分光計）は、色、周波数、波長などのいわゆるスペクトルにおける光の狭い帯域のそれぞれを分離し、測定してもよく、一方、質量スペクトロメーター（質量分析装置、質量分析計）は、ガス中に存在する原子や分子の質量のスペクトルを測定する。スペクトロメーターは、物理学、天文学、および化学の初期の研究において開発され、定性分析のみならず定量分析の両面で産業用途に用いられている。スペクトロメーターに用いられる、ある種のセンサーは、測定対象の強度および／または分量に対応する電流を出力し、それらのセンサーからの電流を検出する装置が、それらのセンサーを用いるスペクトロメーターにおいて、それらのセンサーの出力を測定、決定、判定または解釈するために必要とされる。
【0003】
スペクトロメーターの設計と実装にあたっての課題は、とりわけ、検出装置または回路が、大きなダイナミックレンジにわたり変化し得る電流を、いかに精度よく、かつ効率的に検出できるか、ということにある。試料の量、あるいは特定の種類の試料の相対濃度または強度に依存するが、例えば、小型で持ち運び可能な、またはバッテリー駆動タイプのスペクトロメーターにおいては、電流は、大きくて１００ｎＡ（ナノアンペア）、すなわち、１０-7Ａ（アンペア）ほどであり、小さいと１０ｆＡ（フェムトアンペア）、すなわち、１０-14Ａほどである。このため、電流のダイナミックレンジは、少なくとも７桁ほどの大きさになり得る。したがって、検出装置には、この広いダイナミックレンジの全体を検出できることが要求され、このため厳しい設計要件が課されることになる。加えて、ｆＡレベルの微小電流を検出するために、さらなる厳しい設計要件が課せられる。電子回路は、その役目を果たすよう設計されたシステム内の様々な種類のノイズ源にさらされる。しかしながら、高いオープンループゲインを有するオペアンプを使用する検出回路は、ノイズの影響をより高く受け、飽和状態からの回復時間が長くなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
したがって、これらの課題と障害とを克服し、高速で低ノイズの検出装置と方法の提供を可能とする装置および方法が、依然として必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明の態様の１つは、センサーからの電流を検出する装置である。この装置は、ゲイン設定を設けるためのコンデンサのネットワークを含み、電流を、積分時間（所定の積分時間の長さ）の間、（積分時間を通じ、積分時間にわたり）電圧勾配に変換するように構成された積分回路を有する。この積分回路は、オンになると、コンデンサのネットワークの入力と出力とを接続するように構成されたリセットスイッチをさらに含む。この装置は、電圧勾配を複数の電圧サンプルにデジタル化（デジタイズ）するアナログデジタルコンバータ（Analog-to-Digital Converter、ＡＤＣ）と、一組のモジュール（モジュール一式、モジュールのセット）とをさらに含む。一組のモジュールは、複数の電圧サンプルを解析して電圧勾配の傾き（勾配）を決定するように構成された解析モジュールと、電圧勾配とゲイン設定に基づいて電流の大きさを決定するように構成された出力モジュールと、コンデンサのネットワークを再構成し、リセットスイッチを介して電圧勾配をリセットするように構成された再構成モジュールとを含む。解析モジュールは、複数の電圧サンプルに基づき第１次近似ラインを決定するように構成されたモジュールと、リセット後の一時的な摂動の間の前記第１次近似ラインの傾きから、摂動が安定した後の電圧勾配の傾きを予測するように構成されたモジュールとを含む。
【0006】
一組のモジュールは、電圧勾配に基づき、範囲外（Ｏｕｔ－ｏｆ－Ｒａｎｇｅ、ＯＯＲ）状態を決定するように構成された判定モジュールをさらに含んでもよい。再構成モジュールは、ＯＯＲ状態に基づきコンデンサのネットワークを再構成してもよい。判定モジュールは、電圧勾配と既定の検出可能範囲に基づきＯＯＲ状態を予測してもよい。一組のモジュールは、ＯＯＲ状態に基づき積分時間（所定の積分時間の長さ）を調整する調整モジュールを含んでもよい。再構成モジュールは、コンデンサのネットワークを再構成し、積分時間（所定の積分時間の長さ）を調整し、検出速度または検出精度を改善してもよい。
【0007】
解析モジュールは、複数の電圧サンプルに基づいて第１次近似ラインを決定するように構成されたモジュールと、第１次近似ラインの傾きを電圧勾配の傾きとして特定するように構成されたモジュールとを含んでもよい。
【0008】
積分回路は、コンデンサのネットワークに対する電流をオンオフするように構成された入力スイッチを含んでもよい。一組のモジュールは、電流が電圧勾配に変換される間は電流が通過し、リセットスイッチがオンされ電圧勾配をリセットする間は電流を遮断するように入力スイッチを制御するように構成されたスイッチ制御モジュールを含んでもよい。
【0009】
一組のモジュールは、電流を電圧勾配に変換することを複数回繰り返すように構成された繰り返しモジュールを含んでもよい。複数の電圧サンプルは、繰り返しの結果から得られた、複数の電圧サンプルの複数のセットを備えてもよい。解析モジュールは、複数の電圧サンプルの複数のセットを平均することにより、電圧勾配の傾きを決定してもよい。一組のモジュールは、既知の校正用の電流を積分回路に供給し、校正用の電流から得られる電圧勾配の傾きを記録することにより、積分回路のゲイン設定を校正するように構成された校正モジュールを含んでもよい。
【0010】
この装置は、複数の電圧サンプルのノイズ成分を低減し、複数の電圧サンプルの１つまたは複数の電圧サンプルを生成するように構成された、１つまたは複数のデジタルフィルタを含んでもよい。この装置は、一組のモジュール（モジュールのセット）を格納するメモリ（記録媒体）と、一組のモジュールを実行するプロセッサとを含んでもよい。
【0011】
本発明の異なる態様の１つは、質量分析装置（質量スペクトロメーター）である。質量分析装置は、複数のガス分子をイオン化して、複数の原子質量単位（ＡＭＵ）数を含む複数のガスイオンから構成されるイオン流にするように構成されたイオンドライブと、複数のガスイオンの第１の部分を選択的に通すように構成された質量フィルタであって、複数のガスイオンの第１の部分のそれぞれのガスイオンは第１のＡＭＵ値を含む質量フィルタと、複数のガスイオンの第１の部分を検出し、第１のイオン電流を生成するように構成されたイオンセンサーと、第１のイオン電流を検出する装置とを含んでもよい。
【0012】
本発明のさらに異なる態様の１つは、光学分光装置（光学スペクトロメーター）である。光学分光装置は、電磁気スペクトルの特定の部分の範囲の光の特性を測定し、第１の光電流を生成するように構成された光学センサーと、第１の光電流を検出する装置とを含んでもよい。
【0013】
本発明のさらに異なる態様の１つは、解釈される（解析される）電流シグナルを生成するように構成されたセンサーと、その電流シグナルを検出するための装置とを含むシステムである。
【0014】
本発明のさらに異なる態様の１つは、センサーからの電流を、装置を用いて検出する方法である。この装置は、ゲイン設定を設けるためのコンデンサのネットワークおよびそのコンデンサのネットワークの入力と出力とを接続するためのリセットスイッチを備えた積分回路と、アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）と、プロセッサとを含む。この方法は、（１）積分時間について（積分時間の間、積分時間にわたり）、ゲイン設定を備えた積分回路により、電流を電圧勾配に変換することと、（２）ＡＤＣにより、電圧勾配を複数の電圧サンプルにデジタル化（デジタイズ）し、複数の電圧サンプルにより電圧勾配を示すことと、（３）プロセッサにより、複数の電圧サンプルを電圧勾配の傾きを決定するために解析することと、（４）電圧勾配の傾きとゲイン設定とに基づき電流の大きさを決定することと、（５）コンデンサのネットワークを再構成し、リセットスイッチを介して電圧勾配をリセットすることとを含む。解析することは、複数の電圧サンプルに基づき第１次近似ラインを決定することと、リセット後の一時的な摂動の間の第１次近似ラインの傾きから、摂動が安定した後の電圧勾配の前記傾きを予測することとを含む。
【0015】
この方法は、電圧勾配に基づき、範囲外（ＯＯＲ）状態を判定することを含んでもよい。再構成するステップは、ＯＯＲ状態に基づきコンデンサのネットワークを再構成することを含んでもよい。ＯＯＲ状態を判定するステップは、電圧勾配と既定の検出可能な範囲とに基づいて、ＯＯＲ状態を予測することを含んでもよい。この方法は、ＯＯＲ状態に基づいて積分時間（所定の積分時間の長さ）を調整することを含んでもよい。再構成するステップは、コンデンサのネットワークを再構成して、積分時間を調整し、検出速度または検出精度を改善することを含んでもよい。
【0016】
解析するステップは、複数の電圧サンプルに基づき第１次近似ラインを決定することと、第１次近似ラインの傾きを電圧勾配の傾きとして特定することとを備えてもよい。
【0017】
この方法は、入力スイッチを切り替えて、電流が電圧勾配に変換される間は電流を通し、リセットスイッチがオンされて電圧ランプをリセットする間は電流を遮断することを含んでもよい。この方法は、電流の電圧勾配への変換を複数回繰り返すことを含んでもよく、複数の電圧サンプルは、電圧サンプルの複数のセットを構成し、電圧サンプルの複数のセットを平均することにより、電圧勾配の傾きを決定してもよい。
【0018】
本発明のさらに別の態様は、スペクトロメーターを含むシステムを操作するコンピュータ用のコンピュータプログラム（プログラム製品）である。スペクトロメーターは、センサーと、センサーからの電流を検出するように構成された装置とを含む。コンピュータプログラムは、以下のステップ、（ａ）複数の電圧サンプルを解析し、電圧勾配の傾きを決定する、（ｂ）電圧勾配の傾きとゲイン設定とに基づき電流の大きさを決定する、（ｃ）電圧勾配の傾きに基づいて、コンデンサのネットワークを再構成し、リセットスイッチを介して電圧勾配をリセットする、を実行するための実行可能なコードを含む。プログラム（プログラム製品）は、記憶媒体に格納されて提供されてもよい。
【0019】
電流を検出するための本装置およびシステムは、電流の高速および低ノイズの検出を実現するための手段を提供する。本発明により向上した電流検出スキームにより、本装置を備えたスペクトロメーターおよびその他のシステムの性能を大きく改善できる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
非限定で、網羅的でもない本開示の実施形態は、以下の図を参照して説明され、そこでは特定されない限り、様々な図を通して、同様の構成要素には同一符号を付す。
【発明を実施するための形態】
【0021】
以下の説明では、説明の一部をなす図を用いて、特定の典型的な実施形態が示され、開示される。これらの実施形態は、当業者は本願で開示された概念を実施できる程度に実践できる十分な詳細を以って説明され、本開示の範囲から逸脱しない範囲で、開示された様々な実施形態に対する変更が加えられてもよく、その他の実施形態が用いられてもよいことを理解されたい。したがって、以下の詳細な説明は、開示範囲を限定するような趣旨ではない。
【0022】
質量分析装置は、質量スペクトロメトリーの分析技法において用いられる装置であり、試料物質または化学試料の組成を分析する。質量スペクトロメトリー（質量分布分析）は、試料を構成する成分（原子および／または分子）の濃度を少なくとも相対的に測定または決定することが可能である。試料、一般的には気体状態（ガス状態）の試料は、高エネルギー電子の流れによりイオン化され、試料の原子および／または分子が様々な種類のイオンに変換される。各種のイオンは、特有の質量電荷比（以下「ｍ／ｚ」）を有してもよい。イオン化された試料（以下「イオンフロー」）は、電気的に加速されフィルタに入り、フィルタは特定のｍ／ｚを示すイオン（以下「選択されたイオン」）だけを通過させ、その他のイオンは遮断する。選択されたイオンは、フィルタを通過した後、電極に到達し、選択されたイオンにより運ばれた電荷は電極で収集され、電流（以下「イオン電流」）が生成され、検出回路／サブシステムへと流れる。検出回路はイオン電流を測定し、イオン電流の大きさを、通過するイオンに関連する、特定の原子および／または分子の存在数を表すものとして特定する。典型的なフィルタの１つは、４重極質量フィルタ（ＱＭＦ）である。４重極質量フィルタにより通過可能なイオンのｍ／ｚは、４重極マスフィルタに印加される１つまたは複数の高周波（ＲＦ）および／または直流電圧により通常は決定される。質量分析装置は、４重極マスフィルタの高周波と直流電圧とを調整するように構成され、通過可能なイオンを特定のｍ／ｚのイオンから異なるｍ／ｚのイオンへと変化させる。このプロセスを異なるｍ／ｚ値に対して繰り返すことにより、試料を形成する原子および／または分子の相対的濃度を明らかにすることができる。フィルタは、ウィンフィルタ、飛行時間型分析計（ＴＯＦ）、イオントラップなどのその他のタイプで実現されてもよい。
【0023】
質量分析装置の設計および実装において、直面する課題の中で困難な課題は、いかにして検出回路により、大きなダイナミックレンジにわたり変化し得るイオン電流を、精度よくかつ効率的に検出できるか、ということである。試料の量（例えば、モル数で測定される）により、また、試料中の特定種類のイオンの相対的濃度に応じて、イオン電流は、大きい場合で１００ナノアンペア（ｎＡ）、つまり１０-7Ａ、小さい場合では、１０フェムトアンペア（ｆＡ）、つまり１０-14Ａになり得る。すなわち、イオン電流のダイナミックレンジは、少なくとも７桁の大きさになり得る。このように検出回路は、この大きなダイナミックレンジにわたり（の範囲で）、イオン電流を検出できる必要があり、そのため厳しい設計要求が容易に課される。加えて、ｆＡの範囲で微小電流を検出するには、別の厳しい設計要求が課される。電子回路は、それらが働くよう設計されたシステム内の様々な種類のノイズ源にさらされ、このことは質量分析装置においても同様である。少なくとも、高エネルギーの電子フローの生成、ガス試料のイオン化、イオンフローの加速、および４重極マスフィルタの作動のためには、全て高電圧、高出力および／または高周波発振電圧源が用いられる。これらの電圧源は、電気的ノイズを、敏感な検出回路に簡単に加えることができ、検出回路の電気シグナルを妨害し、測定結果に影響を及ぼす可能性がある。
【0024】
図１は、質量分析装置で一般的に使用されるイオン電流検出回路１００の概略図を示す。検出回路１００は、演算増幅器（オペアンプ）１１０を含み、その＋側の入力端子は接地されている。フィードバック（負帰還）コンデンサＣ１１は、検出回路１００のフィードバックの安定性のために設けられ、その値は、通常１０フェムトファラド（ｆＦ）から１００ｆＦの範囲である。コンデンサＣ１１は、オペアンプ１１０の出力端子とオペアンプ１１０の－側の入力端子の間に接続される。抵抗器Ｒ１１とＲ１２は、ゲイン抵抗器である。抵抗器Ｒ１１は、コンデンサＣ１１と並列に固定して接続され、抵抗器Ｒ１２は、スイッチＳ１２が閉またはオンの場合は、コンデンサＣ１１と抵抗器Ｒ１１と並列で接続されるように構成される。スイッチＳ１２が開またはオフの場合、抵抗器Ｒ１２は検出回路１００と電気的に接続されず、検出回路１００の作動には関与しない。質量分析装置の収集電極で収集されたイオン電流１０５は、入力ノード１０１を介して検出回路１００に流入し、抵抗器Ｒ１１（スイッチＳ１２がオンなら抵抗器Ｒ１２）を流れる。抵抗器Ｒ１１およびＲ１２を流れることにより、イオン電流１０５は、出力電圧（以下「Ｖｏｕｔ」）１１５に変換される。具体的に、抵抗Ｒがオペアンプ１１０の出力端子と－側の入力端子の間の総抵抗値を示し、電流Ｉがイオン電流１０５の大きさを示す場合、検出回路１００は、出力電圧Ｖｏｕｔ（Ｖｏｕｔ＝ＩｘＲ）を生成する。即ち、Ｖｏｕｔは、Ｒをゲインとして電流Ｉに比例し、イオン電流１０５の大きさに対応するか、または一致する。換言すれば、イオン電流１０５は、Ｉ（Ｉ＝Ｖｏｕｔ／Ｒ）として導出可能であり、質量分析装置で分析されている試料中の特定種類のイオンまたは分子の存在量の指標として解釈可能である。ゲインＲは、スイッチＳ１２を介してプログラム可能であり、それにより、検出回路１００に様々なゲイン設定が可能である。例えば、Ｓ１２が開の時、ゲインＲ＝Ｒ１１である。Ｓ１２が閉の時は、ゲインＲ＝Ｒ１１／／Ｒ１２（Ｒ１２とＲ１１の並列の合成抵抗）である。異なるゲイン設定は、異なるレベルのイオン電流１０５に有効である場合がある。例えば、より弱いイオン電流１０５には、より大きいゲイン設定が要求されてもよく、より大きな（強い）イオン電流１０５には、より小さいゲイン設定を用いてもよい。
【0025】
実際には、図１の検出回路１００には多くの制限がある。まず、検出回路１００は、微弱なイオン電流１０５を正確に検出することが困難である。明らかに、任意の無限小シグナルを検出することは不可能である。一般的に、電子検出回路には、様々なノイズ源と回路のオフセットが存在し、それらは共に検出回路の最小検出可能レベル、即ち「ノイズフロア」を決定し、ノイズフロアより下では、検出回路は、検出対象のシグナルと、回路が影響を受けるノイズとを区別できない。すなわち、ノイズフロアが検出予定のシグナルより高い場合、そのシグナルはノイズフロアの下に「埋もれ」、この回路による検出は不可能である。個別の電子部品において実現された検出回路１００は、通常３００マイクロボルト（μＶ）ほどのノイズフロアを有している。ゲイン設定は、実質的に６ｅ9（即ち、
６，０００，０００，０００）ほどに限定されるので、３００μＶのノイズフロアにより、検出回路１００の最小検出可能なイオン電流は、約５０ｆＡに制限される。即ち、イオン電流１０５が約５０ｆＡかそれを下回ると、検出回路１００ではイオン電流１０５を検出できない可能性がある。６ｅ9以上のゲイン設定を使用すると、小型質量分析計には収まりきらない程大きなゲイン抵抗が必要になり、それとともに、または、ゲイン抵抗が高くなると、抵抗値の誤差が大きくなるという必然性があり、言うまでもないが、高い値のゲイン抵抗は、検出装置１００の主なノイズ源となり、ノイズフロアを著しく上昇させる。したがって、より大きな値のゲイン抵抗を用いると、検出回路１００は、５０ｆＡ以下に検出可能範囲を拡張できないだけでなく、検出回路１００の最小検出可能電流レベルに対し負の影響を実際に与え得る。しかしながら、実際の状況においては、高性能な質量分析装置において、１０ｆＡあるいはそれ以下のイオン電流の検出が求められることはしばしば起こる。したがって、検出回路１００は、この要求を満たすことができない。
６，０００，０００，０００）ほどに限定されるので、３００μＶのノイズフロアにより、検出回路１００の最小検出可能なイオン電流は、約５０ｆＡに制限される。即ち、イオン電流１０５が約５０ｆＡかそれを下回ると、検出回路１００ではイオン電流１０５を検出できない可能性がある。６ｅ9以上のゲイン設定を使用すると、小型質量分析計には収まりきらない程大きなゲイン抵抗が必要になり、それとともに、または、ゲイン抵抗が高くなると、抵抗値の誤差が大きくなるという必然性があり、言うまでもないが、高い値のゲイン抵抗は、検出装置１００の主なノイズ源となり、ノイズフロアを著しく上昇させる。したがって、より大きな値のゲイン抵抗を用いると、検出回路１００は、５０ｆＡ以下に検出可能範囲を拡張できないだけでなく、検出回路１００の最小検出可能電流レベルに対し負の影響を実際に与え得る。しかしながら、実際の状況においては、高性能な質量分析装置において、１０ｆＡあるいはそれ以下のイオン電流の検出が求められることはしばしば起こる。したがって、検出回路１００は、この要求を満たすことができない。
【0026】
次に、検出回路１００には、実際の検出場面では、長い待機期間（待ち時間）による検出プロセスの遅れが問題となる。図２に示されている待機期間２３２および２３４は、それぞれ長い待機期間の例であり、待機期間２３２は待機期間２３４より長い。図２は、図１の検出回路１００のイオン電流１０５のグラフ２１０と、Ｖｏｕｔ１１５のグラフ２２０とを示す。具体的に、グラフ２１０は、２つのイオン電流波形２１２と２１４とを示し、一方、グラフ２２０は、２つのＶｏｕｔ波形２２２と２２４とを示す。波形２１２のイオン電流１０５が、入力ノード１０１にて受信されると、それに対応して波形２２２のＶｏｕｔがオペアンプの出力端子１１０にて生成される。同様に、波形２１４のイオン電流１０５が、入力ノード１０１にて受信されると、それに対応する波形２２４のＶｏｕｔがオペアンプ１１０の出力端子にて生成される。イオン電流およびＶｏｕｔの波形の各セットは、それぞれのｍ／ｚのイオンを表してもよい。すなわち、波形２１２および２２２は、ｍ／ｚの特定値のイオンの結果であり、一方、波形２１４および２２４は、ｍ／ｚが異なる値のイオンの結果であってもよい。
【0027】
質量分析装置に実装されたときに、検出回路１００で長い待機期間が起こり得る理由は以下の通りである。４重極質量フィルタ（ＱＭＦ）が、ｍ／ｚの第１の値（以下「（ｍ／ｚ）1」）のイオンの通過から、ｍ／ｚの第２の値（以下「（ｍ／ｚ）2」）のイオンの通過に調整される場合、質量分析装置の様々なソースからの容量結合が原因となって、遷移では、通常、瞬間的または一時的にイオン電流が摂動するという結果となり、その遷移では、イオン電流の波形の中に、１つまたは複数の大きな山または谷、またはその両方が表れる。移行フェーズの間にイオン電流を計測すると、複数の山および谷が実際の（ｍ／ｚ）2のイオン電流が誤って読み取られる要因になり得る。（ｍ／ｚ）2のイオン電流の正確な計測を行うために、質量分析装置の検出回路は、この一時的な摂動が収まるまで待つ必要が生じる可能性がある。イオン電流が安定するまでの待機期間は、イオン電流が安定した後の実際の計測より１００倍、またはそれ以上に長いかもしれない。長い待機期間中、イオン電流検出は、結果をもたらさず、質量分析装置におけるイオン電流の検出プロセスは劇的に遅延する。
【0028】
この現象は、図２にはっきりと示されており、図２ではイオン電流波形２１２および２１４のそれぞれと、Ｖｏｕｔ波形２２２および２２４のそれぞれとが、複数の山および谷を含む最初の期間を示す。例えば、質量分析装置のＱＭＦは、時刻ｔ０において（ｍ／ｚ）1から（ｍ／ｚ）2へと変化してもよく、イオン電流１０５およびＶｏｕｔ１１５にそれぞれ対応する波形２１２および波形２２２が得られる。説明したように、波形２１２および波形２２２は、Ｖｏｕｔ＝ＩｘＲという線形関係で定義されたゲインＲで関連するため、お互いに似た形状となる。波形２１２および２２２はそれぞれ、時刻ｔ０およびｔ３の間で比較的大きい山と谷とを示し、時刻ｔ３まで安定しない。そのため、検出回路１００は、（ｍ／ｚ）2のイオン電流を示す値ｖ２が得られる前に、時刻ｔ３～ｔ０の長さの待機期間２３２を待つ必要があるだろう。代表値ｖ２の実際の検出時間は検出期間２４２として示されており、時刻ｔ４～ｔ３の長さ程度でよい。同様に、質量分析装置のＱＭＦは、時間ｔ０において、ｍ／ｚの第３の値（以下「（ｍ／ｚ）3」）からｍ／ｚの第４の値（以下「（ｍ／ｚ）4」）へと変化してもよく、イオン電流１０５およびＶｏｕｔ１１５にそれぞれ対応する波形２１４および波形２２４が得られる。波形２１４および波形２２４は、Ｖｏｕｔ＝ＩｘＲという線形関係で定義されるゲインＲで関連しており、お互いに似た形状を有する。波形２１４および２２４のそれぞれは、時刻ｔ０とｔ１との間で比較的大きな山と谷を示し、時刻ｔ１まで安定しない。したがって、検出回路１００は、（ｍ／ｚ）4のイオン電流を示す値Ｖ４が得られる前に、待機期間２３４を待たねばならず、その待機期間は時刻ｔ１－ｔ０の長さとなる。代表値Ｖ４の実際の検出時間は、検出期間２４４として示されており、その長さは、時刻ｔ２－ｔ１の間である。検出期間２４２および２４４は、普通数ミリ秒であり、通常同じ長さであってもよく、検出回路の設計によって決定される。対照的に、待機期間（待機時間）２３２および２３４は、異なる長さであってもよく、それらはより制御されにくい傾向があり、または予測されにくい傾向があり、通常数１０ミリ秒から数１００ミリ秒の範囲である。即ち、質量分析装置のイオン電流検出の殆どの時間は、実際の検出期間２４２および２４４ではなく、待機時間２３２および２３４で費やされる。
【0029】
図２のグラフ２１０および２２０のぞれぞれにおいて、質量分光装置のＱＭＦを調整し、異なるｍ／ｚ値のイオンを通過させる際の時間に対して、時間軸が正規化されていることに注目すべきである。すなわち、波形２１２および２２２において、時刻ｔ０はＱＭＦの設定が（ｍ／ｚ）1から（ｍ／ｚ）2へと変更された時間を表す。同様に、波形２１４および２２４において、時刻ｔ０はＱＭＦの設定が（ｍ／ｚ）3から（ｍ／ｚ）4へと変更された時間を表す。質量分析装置は、通常１つのＱＭＦしか有しないため、波形２１２および２２２は、波形２１４および２２４と同様に、同時に生成されることはない。波形の２つのセットは、２つの異なる時点、または、試料の「２つの異なるスキャン」において、別々に生成される。したがって、波形２１２および２１４は、同時に発生するものではなく、波形２２２および２２４も、同時に発生するものではない。
【0030】
検出回路１００のノイズフロア２０１が図２のグラフ２２０に示されていることにも注目すべきである。前述の様に、ノイズフロア２０１の値より低いＶｏｕｔ１１５は、検出回路１００で検出されないだろう。波形２２４を例にとる。波形２２４は、待機時間２３４では一時的に、値Ｖｍｉｎのノイズフロア２０１より高いため、待機時間２３４の間のどこかで検出されるかもしれない。しかしながら、波形２２４は、時刻ｔ１にて安定した後は、ノイズフロア２０１より完全に低いため検出不可能である。すなわち、検出回路１００は、検出期間２４４の間に、Ｖｏｕｔ１１５の代表値Ｖ４を検出するはずであるが、実際は、代表値Ｖ４は値Ｖｍｉｎより低いために、検出回路１００は値Ｖ４を検出できない。その代わり、検出回路１００は、Ｖｏｕｔ１１５を単に０ボルトとして検出するであろう。
【0031】
検出回路１００が、Ｖｏｕｔ１１５を非常に小さいか、または０に近いと検出する場合、検出回路１００は、検出回路１００のゲイン設定を増加して、より大きいＶｏｕｔ１１５が得られるか否かを確認してもよい。前述の様に、検出回路１００のゲイン設定は、オペアンプ１１０の出力端子と－側（負側）の入力端子の間の総抵抗Ｒにより決まる。オペアンプ１１０の出力端子と負側の入力端子の間の総抵抗Ｒを増加させることにより、より高いゲインがイオン電流１０５に印加され、Ｖｏｕｔ１１５が高くなり、それによりノイズフロア２０１より高くなり、検出回路１００により検出可能となってもよい。
【0032】
図３は、検出回路１００において、イオン電流１０５の同じ波形３１１に対応した、様々なゲイン設定（即ち、Ｒの様々な値）の下でのＶｏｕｔ１１５の様々な波形を示す。前述の様に、Ｖｏｕｔ＝ＩｘＲという線形関係にしたがい、より高いゲイン設定に対し、Ｖｏｕｔ１１５の値はより高くなる。すなわち、波形３２２は、波形３２１より高いＲ値に対応し、波形３２３は、波形３２２より高いＲ値に対応する。同様に、波形３２３は、波形３２２より高いＲ値に対応し、波形３２４は、波形３２３より高いＲ値に対応し、波形３２５は、波形３２４より高いＲ値に対応する。
【0033】
図３の波形３２１－３２５のうち、波形３２２、３２３および３２４のみが検出回路１００により検出可能であることに注目すべきである。上述の様に、波形３２１に対応するＶｏｕｔの値Ｖ１は、ノイズフロア３０１の値Ｖｍｉｎより低いため、波形３２１は検出不可能である。さらに、波形３２５に対応するＶｏｕｔの値ｖ５は、飽和状態の閾値３９９の値Ｖｍａｘより大きいため、波形３２５も検出不可能である。飽和状態の閾値３９９の値Ｖｍａｘは、検出回路１００にとって、Ｖｏｕｔ電圧の検出可能な最大電圧を表す。Ｖｏｕｔ１１５が、Ｖｍａｘを超えると、回路１００は飽和し、所定の機能を果たさない（例えば、オペアンプ１１０の高いオープンループゲインが維持されないかもしれない）ため、Ｖｏｕｔ１１５とイオン電流１０５との間のＶｏｕｔ＝ＩｘＲという線形関係が維持されないかもしれない。すなわち、Ｖｏｕｔ１１５が、Ｖｍａｘとして、またはそれ以上の値で検出される場合、Ｉ＝Ｖｏｕｔ/Ｒの逆算式は、もはや有効ではない。波形３２１および３２５の両方は、検出回路１００が正しく作動するよう設計されている検出可能範囲内のＶｏｕｔの範囲の外であるため、「範囲外」または略して「ＯＯＲ」（Ｏｕｔ－ｏｆ－Ｒａｎｇｅ）として参照される。
【0034】
検出回路１００において、波形をＯＯＲ状態から、ＶｍｉｎとＶｍａｘとの間の検出可能範囲に動かす方法は、検出回路１００のゲイン設定Ｒを変化させることである。例えば、Ｖｏｕｔ１１５は、オペアンプ１１０の出力端子と負側の入力端子との間の総抵抗Ｒを増加させることにより、波形３２１から波形３２２、３２３および３２４のいずれにも動かすことができる。同様に、Ｖｏｕｔ１１５は、オペアンプ１１０の出力端子と負側の入力端子との間の総抵抗Ｒを減少させることにより、波形３２５から波形３２２、３２３および３２４のいずれにも動かすことができる。総抵抗Ｒは、図１のスイッチＳ１２をオンオフすることにより、増減できる。しかしながら、抵抗Ｒの変化により、検出回路１００に別の制限が生じる。つまり、検出回路１００にとって、あるゲイン設定から異なるゲイン設定に動くプロセスは遅いものとなる。具体的に、ｆＡレンジで弱いイオン電流を検出するために高いゲインを設けると、検出回路１００は、図１のＲ１やＲ２として高抵抗の抵抗器を使う必要がある。高抵抗の抵抗器は、検出回路１００にとって大きな時定数となり、ゲイン設定の変化のプロセスを遅いものにする。例えば、検出回路１００がゲイン設定を変えた後、Ｖｏｕｔ１１５が安定するまでに、数１００ミリ秒がかかるかもしれない。
【0035】
同じ理由から、検出回路１００は、イオン電流１０５の突然のサージ電流に対する反応が遅い。質量分析装置の実際の作動において、イオンフロー内で、あるイオンの濃度が劇的に高くなることが時折あるかもしれない。高密度のイオンがＱＭＦを通過すると、一時的に高いレベルのイオン電流１０５が発生したり、「突然のサージ（急増）」の原因となる。突然のサージは、検出回路１００を一時的に飽和させ、Ｖｏｕｔ１１５がＯＯＲ状態に入る要因となる。突然のサージに対してゲイン設定を変更しなくてもよいかもしれないが、突然のサージが過ぎても、検出回路１００は、上記で説明された長い時定数のために、飽和状態から回復し、ＯＯＲ状態から脱するのが遅くなる。
【0036】
上述の制限に加え、図１の検出回路１００などの質量分析装置の従前の検出回路では、高ノイズと低速度が問題となる別の理由がある。例えば、イオン電流１０５の大きさは、測定されたＶｏｕｔ１１５の値そのものを示すため、検出回路１００は、非常に高いオープンループゲインを有するオペアンプ１１０を用いる必要がある。非常に高いオープンループゲインを設けたオペアンプ１１０は、よりノイズの影響を受けやすく、飽和状態からの回復時間が長くなることが典型的な問題となっている。
【0037】
本開示は、上述した、図１に示す従前のイオン電流検出回路１００の様々な制約を克服することを目的としている。以下では、高速で低ノイズの検出回路を提供するための斬新な検出技術が説明され、一例として、現在および次世代の質量分析装置のイオン電流検出において用いられるようにカスタマイズされた検出装置が開示される。
【0038】
図４は、センサー（検出器、ディテクタ）４９０と、センサー４９０から電流シグナル４０５を検出するための装置４００とが含まれるシステム１０の概要を表す。センサー４９０は、測定対象の大きさ、規模、エネルギー、強度、濃度、または量を決定（判定）するために、解釈（解析、分析）または測定されるための電流シグナル４０５を発生するように構成され、イオン電流検出器、光電流検出器などであってもよい。高速で低ノイズの電流検出装置（ディテクションデバイス、検出デバイス、回路）４００は、イオン電流検出のための質量分析装置に、または光電流検出のための光学分光装置に、または別のスペクトロメーターに実施されてもよい。以下、本発明は、質量分析装置に用いられた装置４００を例として参照し、説明される。
【0039】
装置４００は、イオン電流検出器４９０からのイオン電流４０５を検出する。装置４００は、ゲイン設定を設ける（提供する）ためのコンデンサのネットワーク４３０を含み、電流を、所定の積分時間（長さ）Ｔｉの間（積分時間にわたり、積分時間を通じて）電圧勾配に変換するように構成された積分回路４３５と、電圧勾配を複数の電圧サンプル（電圧採取値）にデジタル化するアナログデジタルコンバータ４４０と、複数の電圧サンプルのノイズ成分を低減し、複数の電圧サンプルの１つまたは複数の電圧サンプルを生成するように構成された１または複数のデジタルフィルタ４５０と、メモリ４７とプロセッサ４６０とを有する。積分回路４３５は、スイッチがオンになると、コンデンサのネットワーク４３０の入力４０１と出力４０２とを接続するように構成されたリセットスイッチ４２０と、コンデンサのネットワーク４３０に対する電流４０５をオンオフするように構成された入力スイッチ４２２とをさらに含む。コンデンサのネットワークは、Ｃ４１、Ｃ４２およびＣ４３などの複数のコンデンサを含む。コンデンサのネットワーク４３０は、再構成用のスイッチマトリクス４３７と、チャネルマトリクス４３８とをさらに含み、複数のコンデンサを相互に並列および／または直列に柔軟に接続し、複数のコンデンサ間の接続を動的に再構成する。コンデンサのネットワーク４３０により、最小電気容量と最大電気容量との間の積分ゲインとして、適切な電気容量（容量）を、１つまたは複数のコンデンサにより、例えば、１または複数のクロックまたはサイクルといった短い時間で動的に構成することが可能である。
【0040】
積分回路４３５は、オペアンプ４１０を含んでもよく、その非反転端子は、基準電圧に接続されてもよい。基準電圧は、シングルエンド構成の検出装置４００用の質量分光装置の電気接地電位であってもよい。あるいは、基準電圧は、コモンモード電圧（同相電圧）であってもよく、それは完全差動構成の検出装置４００のための仮想接地電圧として電気的に見られてもよい。リセットスイッチ４２０は、オペアンプ４１０の出力端子４０２と、オペアンプ４１０の入力端子４０１である反転入力端子との間に接続されてもよい。リセットスイッチ４２０は、閉状態はたはオンされたときに、オペアンプ４１０の出力端子４０２と入力ノード４０１とを短絡してもよい。
【0041】
コンデンサのネットワーク（可変リレー）４３０は、オペアンプ４１０の入力端子４０１と出力端子４０２との間に、リセットスイッチ４２０と並列に接続されてもよい。オペアンプ４１０と、リセットスイッチ４２０と、コンデンサのネットワーク４３０とをまとめて、イオン電流検出装置４００の「積分回路」４３５と参照されてもよい。コンデンサのネットワーク４３０は、コンデンサＣ４１、Ｃ４２、およびＣ４３を含むコンデンサマトリクス４３９と、スイッチＳ４２、Ｓ４３、およびＳ４４を含むスイッチングマトリクス４３７とを含んでもよく、オペアンプ４１０の出力端子４０２と入力端子４０１との間の値Ｃの全電気容量を設けることができる、プログラマブル（プログラム可能な）、または、可変コンデンサバンクとして機能してもよい。スイッチＳ４２、Ｓ４３およびＳ４４の内の１または複数を閉状態またはオンすることにより、コンデンサのネットワーク４３０は再構成され、オペアンプ４１０の出力端子４０２と入力端子４０１との間のコンデンサネットワーク４３０の電気容量値Ｃを調整できる。例えば、Ｃ４１、Ｃ４２、およびＣ４３のそれぞれが、電気容量値Ｃｕｎｉｔを有すると仮定すると、コンデンサのネットワーク４３０は、スイッチＳ４２、Ｓ４３、およびＳ４４のそれぞれが開状態またはオフのときは、総電気容量Ｃ＝Ｃｕｎｉｔとなる。スイッチＳ４２およびＳ４３が両方ともオフで、スイッチＳ４４がオンのときは、コンデンサのネットワーク４３０は、総電気容量Ｃ＝１．５・Ｃｕｎｉｔとなってもよい。スイッチＳ４２がオンされ、スイッチＳ４３およびＳ４４の両方がオフのときは、コンデンサのネットワーク４３０は、総電気容量Ｃ＝２・Ｃｕｎｉｔとなってもよい。スイッチＳ４２およびＳ４３がオンされ、スイッチＳ４４がオフのときは、コンデンサのネットワーク４３０は、総電気容量Ｃ＝３・Ｃｕｎｉｔとなってもよい。以下で明確化される様に、コンデンサのネットワーク４３０の値Ｃで、積分回路４３５のゲイン設定を決定してもよい。７桁の大きさのダイナミックレンジを有するイオン電流４０５を検出するために、コンデンサのネットワーク４３０は、スイッチＳ４２、Ｓ４３、およびＳ４４を様々な組み合わせでオンオフすることによりコンデンサのネットワークを再構成し、コンデンサ４３０のネットワークの総電気容量Ｃをプログラムすることにより、広い範囲のゲイン設定を提供してもよい。スイッチＳ４２、Ｓ４３、およびＳ４４を含むスイッチングマトリクス４３７は、この理由のために、「レンジスイッチ」４３７として参照されてもよい。
【0042】
本実施形態では、検出装置４００は、アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）４４０と、１または複数ステージのデジタルフィルタ４５０（図４にて「ＦＩＲ」として示される）と、プロセッサ４６０とを含む。ＡＤＣ４４０は、オペアンプ４１０の出力端子４０２に現れるアナログシグナルであるＶｏｕｔ４１５の電圧勾配（電圧傾斜、傾斜電圧、voltage ramp）をデジタル化して、デジタル化された複数のサンプルを提供してもよく、デジタル化された複数のサンプルは全体で電圧勾配Ｖｏｕｔ４１５の電圧勾配を表す。ＡＤＣ４４０により出力される複数のデジタルサンプルは、プロセッサ４６０に受信され、解析される前に、１つまたは複数のステージのデジタルフィルタ４５０を通過してもよい。プロセッサ４６０は、デジタルフィルタ４５０から受信した複数のデジタルサンプルを解析（分析）し、スイッチングマトリクス４３７を用いてコンデンサのネットワーク４３０を再構成し、コンデンサのネットワーク４３０のゲイン設定を調整し、および／または、リセットスイッチ４２０を制御してもよい。プロセッサ４６０は、複数のデジタルサンプルに基づいて、イオン電流４０５の大きさ、参照値、説明、あるいは性能指数４７０を決定してもよい。ＡＤＣ４４０と、デジタルフィルタ４５０およびプロセッサ４６０のさらなる詳細については、以下において説明される。
【0043】
いくつかの実施形態では、検出装置４００は、プロセッサ４６０に制御されてイオン電流４０５を通過または遮断する入力スイッチ４２２を含んでもよい。入力スイッチ４２２は、検出装置４００のリセット作動の間、コンデンサ４３０のネットワークを短絡するリセットスイッチ４２０と連動して制御されてもよい。具体的に、プロセッサ４６０は、検出装置４００の通常作動の間、スイッチ４２０が開（即ち、オフ）となり入力スイッチ４２２が閉（即ち、オン）となるようにリセットスイッチ４２０と入力スイッチ４２２とを制御し、イオン電流４０５がコンデンサのネットワーク４３０を流れるようにしてもよい。逆に、検出装置４００のリセット作動のときは、プロセッサ４６０は、リセットスイッチ４２０が閉（即ち、オン）となり、入力スイッチ４２２が開（即ち、オフ）となるように、リセットスイッチ４２０と入力スイッチ４２２とを制御し、コンデンサのネットワーク４３０を短絡させ、Ｖｏｕｔ４１５を０にリセットしてもよい。入力スイッチ４２２がオフにされると、イオン電流４０５がリセットスイッチ４２０（非ゼロのオン抵抗を有してもよい）へ流入することと、オペアンプ４１０の出力端子４０２と入力端子４０１に望ましくない電圧降下が生じることとが防がれる。
【0044】
積分回路４３５は、オペアンプ４１０と、リセットスイッチ４２０と、コンデンサのネットワーク４３０を含み、所定の時間間隔（積分時間）Ｔｉにわたりイオン電流４０５を積分し、イオン電流４０５を、オペアンプ４１０の出力端子４０２における出力電圧Ｖｏｕｔ４１５として出力される電圧勾配に変換してもよい。コンデンサのネットワーク４３０の総電気容量をＣとし、イオン電流４０５の大きさをＩとし、積分時間の長さをＴｉとすると、積分回路４３５は、Ｖｏｕｔ（Ｖｏｕｔ＝Ｉ・Ｔｉ／Ｃ）を生成してもよい。すなわち、Ｘ軸が積分時間Ｔｉ、Ｙ軸がオペアンプ４１０による電圧Ｖｏｕｔの出力とする２次元平面において、Ｖｏｕｔは、Ｉ／Ｃの傾きの線形勾配として表されてもよい。したがって、Ｖｏｕｔの傾き（スロープ、勾配）は、ゲイン１／Ｃで電流Ｉに比例してもよく、イオン電流４０５の大きさを表す（代表する）か、または、それに対応するものであってもよい。別の言い方をすると、イオン電流４０５は、Ｉ＝Ｖｏｕｔ・Ｃ／Ｔｉとして導出（逆算）されてもよく、質量分析装置１０により分析される試料中の特定のｍ／ｚを有するイオンまたは分子の存在量が表示されていると解釈されてもよい。
【0045】
ＡＤＣ４４０は、１０から２０マイクロ秒（μｓ）の時間で分離されたパルスによって正確に時間計測された変換開始パルスにより、アナログデジタル変換を行ってもよい。ＡＤＣ４４０は、２４ビット構造であってもよく、２０から２１の有効ビット数（Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ Ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ Ｂｉｔｓ、ＥＮＯＢ）を有してもよい。
【0046】
ＡＤＣ４４０がアナログ入力のあるサンプルに対する変換を完了した後、デジタル化された複数の電圧サンプルは、デジタルフィルタ４５０を通過し、さらなる分析のためにプロセッサ４６０に受信されてもよい。プロセッサ４６０は、ＡＤＣ４４０により供給され、デジタルフィルタ４５０を通過した、Ｖｏｕｔ４１５のデジタル化された複数のサンプルに基づき、Ｖｏｕｔ４１５が装置４００の検出範囲外か否かを決定（詳細は後述）してもよい。プロセッサ４６０が、Ｖｏｕｔ４１５が検出範囲外であると決定すると、プロセッサ４６０はコンデンサのネットワーク４３０を再構成し、および／または、積分時間Ｔｉの長さを調整することにより、Ｖｏｕｔ４１５を装置４００の検出範囲内に戻してもよい。
【0047】
本実施形態において、メモリ４７に格納されたプログラム（プログラム製品、ソフトウェア、アプリケーション）４８は、ホストプロセッシングシステム（プロセッサ）４６０で稼働し、この装置４００の処理、論理および解析を実装するための一組のモジュール（モジュール一式、モジュールのセット）４８０を機能させ、それとともに他の処理を行うために提供されている。アプリケーションソフトウェア４８は、プロセッサ４６０またはその他のタイプのコンピュータにより読み取り可能なその他の記憶媒体で提供されてもよい。一組のモジュール（モジュールのセット）４８０は、モニタリングや測定等の作動条件を最適化するように構成された最適化モジュール４８１と、複数の電圧サンプルを解析（分析）し、電圧勾配の傾きを決定するように構成された解析モジュール（分析モジュール）４８２と、電圧勾配に基づき範囲外（ＯＯＲ）状態を判定するように構成された判定モジュール４８３と、傾き、ＯＯＲ状態、および／またはその他の最適化条件に応じてコンデンサのネットワーク４３０を再構成し、リセットスイッチを介して電圧勾配をリセットするように構成された再構成モジュール４８４と、ＯＯＲ状態および／またはその他の最適化条件に応じて積分時間Ｔｉの長さを調整するように構成された調整モジュール４８５と、入力スイッチ４２２およびリセットスイッチ４２０を制御するように構成されたスイッチ制御モジュール４８６と、電流を電圧勾配に変換することを複数回繰り返すように構成された繰り返しモジュール４８７と、電圧勾配の傾きとコンデンサのネットワーク４３０のゲイン設定に基づき電流の大きさを決定するように構成された出力モジュール４８８と、テスト電流（キャリブレーション電流）出力ユニット４２６により、既知の値のキャリブレーション電流を積分回路４３５に送り、キャリブレーション電流から生じた電圧勾配の傾きを記録することにより、積分回路４３５のゲイン設定を校正（キャリブレーション）するように構成された校正（キャリブレーション）モジュール４８９とを含む。
【0048】
解析モジュール４８２は、複数の電圧サンプルに基づく第１次近似ラインを決定するように構成されたモジュール４８２ａと、その第１次近似ラインの傾きを、電圧勾配の傾きとして特定するように構成されたモジュール４８２ｂとを含んでもよい。スイッチ制御モジュール４８６は、入力スイッチ４２２を制御し、電流４０５が電圧勾配に変換される間は電流４０５を通過させ、リセットスイッチ４２０がオンされ電圧勾配をリセットする間は電流４０５を遮断するように構成される。繰り返しモジュール４８７は、電流４０５を電圧勾配に変換する処理を複数回繰り返すように構成され、複数の電圧サンプルが、繰り返しから得られる複数の電圧サンプルの複数のセット（複数組の複数の電圧サンプル）を備え、解析モジュール４８２は、複数の電圧の複数のセットを平均することにより電圧勾配の傾きを決定する。
【0049】
図４の装置４００は、ノイズフロアおよびサチュレーション閾値（飽和閾値）の影響を受け、これらによりＶｏｕｔ４１５に対する検出回路の検出可能範囲が定義されてもよい。コンデンサネットワーク４３０のゲイン設定を適切に選択すること（即ち、コンデンサのネットワーク４３０の適切に選択された総電気容量Ｃ）が、Ｖｏｕｔ４１５を検出可能範囲に保つために必要であってもよい。解析モジュール４８２が、受信したＶｏｕｔ４１５の複数のサンプルを解析する間、判定モジュール４８３は、Ｖｏｕｔ４１５が範囲外であることを判定または予測し、再構成モジュール４８４は、コンデンサのネットワーク４３０を再構成し、ゲイン設定を調整してもよい。コンデンサのネットワーク４３０の新たなゲイン設定により、積分回路４３５が、再度積分を行い、Ｖｏｕｔ４１５に対する新たな電圧勾配を構築する前に、再構成モジュール４８４は、リセットスイッチ４２０を制御し、またはオンすることにより、電圧勾配をリセットし、Ｖｏｕｔ４１５を０に戻してもよい。コンデンサのネットワーク４３０のゲイン変更の直後にＶｏｕｔ４１５をリセットすることは、ゲイン変更後にＶｏｕｔ４１５が素早く安定するために非常に重要かもしれない。これに対し、検出回路１００は、リセットスイッチを備えていないため、前述のように、回路１００のゲイン設定が変更されると、長い安定化のための時間を要する可能性がある。ちなみに、検出回路１００は、通常、安定するのに数１００ミリ秒かかる可能性があり、一方、検出回路４００は、通常、安定するのにたった１ミリ秒、またはそれ以下しか要しないだろう。したがって、ゲイン設定の変更を含めても、装置４００では、検出速度は大幅に改善可能である。同様に、前述したような検出回路１００のイオン電流１０５における突然のサージと同様にイオン電流４０５において突然のサージがあっても、リセットスイッチ４２０の作動によって急速に安定し得る。
【0050】
電気機械式リレーは、リセットスイッチ４２０として、およびコンデンサのネットワーク４３０の積分フィードバックコンデンサの間のスイッチングマトリクス４３７として、放電のために使用されてもよい。ＭＯＳリレー駆動メカニズムは電荷注入を最小にできるので、これらのスイッチを制御するために使用されてもよい。電気機械式リレーおよびＭＯＳリレー駆動メカニズムを用いる設計は、実際に起こり得る残余電荷注入の影響を補償するために好適である。
【0051】
図５は、波形５１１のイオン電流４０５から得られるＶｏｕｔ４１５の波形を示す。イオン電流４０５は、装置４００の入力ノード４０１を通り、その後、コンデンサのネットワーク４３０を通過して流れ、オペアンプ４１０の出力端子４０２にＶｏｕｔ４１５を構築してもよい（増大させてもよい）。コンデンサの再構成可能なネットワーク４３０は、検出装置４００に対し、いくつかのゲイン設定の１つを提供（設定）してもよい。それぞれのゲイン設定は、コンデンサのネットワーク４３０の総電気容量Ｃにより決定され、いくつかの電圧勾配５２１、５２２、５２３、５２４、および５２５の１つに対応してもよい。上記で説明された様に、電圧勾配５２１、５２２、５２３、５２４、および５２５のそれぞれの傾きは、Ｉ／Ｃとして表わされてもよい。したがって、イオン電流４０５の所定の波形５１１に対し、コンデンサのネットワーク４３０の電気容量Ｃの値が高いほど、対応する電圧勾配の傾きは小さくなってもよい（すなわち、傾きが緩い）。例えば、図５において、電圧勾配５２１は、電圧勾配５２２に対応する値Ｃよりも大きな値Ｃに対応しており、電圧勾配５２１の傾き５７１は、電圧勾配５２２の傾き５７２より小さい。同様に、電圧勾配５２２は、電圧勾配５２３に対応する値Ｃよりも大きな値Ｃに対応しており、電圧勾配５２２の傾き５７２は、電圧勾配５２３の傾き５７３より小さい。同様に、電圧勾配５２３は、電圧勾配５２４に対応する値Ｃよりも大きな値Ｃに対応しており、電圧勾配５２３の傾き５７３は、電圧勾配５２４の傾き５７４より小さい。
【0052】
図５は、検出回路４００が影響を受ける可能性のある、値Ｖｍｉｎのノイズフロア５０１と、値Ｖｍａｘのサチュレーション閾値（飽和閾値）５９９とを示す。Ｖｏｕｔ４１５は、積分時間５０５の端で、Ｖｍａｘより高くても、またはＶｍｉｎより低くてもよく、検出回路４００が適切に検知できないかもしれないＯＯＲ状態であってもよい。図５に示すように、時間（長さ）Ｔの積分時間５０５により、波形５２１は、積分の終わりの時点でＶｍｉｎより低く、ＯＯＲ状態である可能性がある。一方、波形５２３および５２４は、積分の終わりの時点で、値Ｖｍａｘの飽和閾値５９９を超え、ＯＯＲ状態である可能性があり、検出不可能である。すなわち、積分時間５０５がＴに設定された場合は、検出回路４００は波形５２２と５２５とを検出可能であり、波形５２１、５２３および５２４はＯＯＲ状態である可能性があり検出できない。したがって、コンデンサのネットワーク４３０は、積分時間５０５の終わりの時点で、Ｖｏｕｔ４１５の電圧勾配が装置４００の検出可能範囲内にあるような、適切なゲインを提供する（設ける）ように適切に設定される必要があるであろう。
【0053】
図５に示すように、検出装置（回路）４００の検出可能範囲は、Ｖｍｉｎより上でＶｍａｘより下のＶｏｕｔの範囲である。コンデンサのネットワーク４３０の１以上のゲイン設定により、Ｖｏｕｔ４１５の電圧勾配を検出回路４００の検出可能範囲内に収めることが可能である。例えば、図５において、傾き５７２を有する波形５２２と、傾き５７５を有する波形５２５との両方が積分時間５０５の端（終端）においても検出回路４００の検出可能範囲内であるが、波形５２５のコンデンサのネットワーク４３０のゲイン設定が波形５２２よりも大きく、波形５２５の傾き５７５が波形５２２の傾き５７２より大きい。両者ともに検出回路４００の検出可能範囲内にあるが波形５２５の方が波形５２２より望ましく、それは、積分時間５０５の終端において、波形５２２に対し波形５２５のＶｏｕｔ４１５がより高い値に到達するからである。すなわち、波形５２５は、検出回路４００の検出可能範囲のより大きな範囲を利用でき、ＡＤＣ４４０によるデジタル化の処理が、より容易かつ正確になる。
【0054】
本開示による検出回路４００と、従来型の検出回路１００とを比較する際、図３に示された検出回路１００の波形と、図５に示された検出回路４００の波形とを比較することにより、その大きな違いが容易に理解される。検出回路１００では、イオン電流１０５の大きさはＶｏｕｔ１１５の値そのものにより示され、一方、検出回路４００では、イオン電流４０５の大きさはＶｏｕｔ４１５の値そのものではなく、Ｖｏｕｔ４１５の電圧勾配の傾きにより示される。いくつかの実施形態では、コンデンサのネットワーク４３０のゲイン設定（即ち、電圧勾配Ｖｏｕｔ４１５の傾きとイオン電流４０５の大きさとの間の関係）は、キャリブレーションモジュール（校正モジュール）４８９とテスト電流供給ユニット４２５とを使用して、検出回路４００に既知の電流を流すことにより校正（キャリブレーション）されてもよい。テスト電流供給ユニット４２５は、テスト電流４２６の電源（ソース）と、校正モジュール４８９に制御される切り替えスイッチ４２７とを含む。すなわち、検出装置４００は、スイッチ４２２と４２７とを必要に応じて交互に切り替えることにより、既知の大きさの電流（テスト電流）をイオン電流４０５として受信する（受け入れる）ように構成されていてもよく、校正モジュール４８９は、その際の電圧勾配Ｖｏｕｔ４１５を解析し、電圧勾配の傾きと既知の電流値とを相互に関連付けてもよい。このようなキャリブレーションは、コンデンサのネットワーク４３０のそれぞれのゲイン設定（即ち、電気容量設定の各々）に対して実行されてもよい。そして、そのようなゲイン設定の各々のキャリブレーションを複数回行い、その複数回の結果を繰り返しモジュール４８７で平均化し、それぞれのゲイン設定のキャリブレーションをより正確に行ってもよい。
【0055】
Ｖｏｕｔ４１５の値そのものではなく、Ｖｏｕｔ４１５の電圧勾配の傾きを検出することによって、様々な利点がもたらされる可能性がある。例えば、Ｖｏｕｔ４１５の波形をＯＯＲ状態から動かす際に、検出装置４００は、コンデンサのネットワーク４３０によりゲイン設定Ｃを調整しなくてもよい。代わりに、装置４００は、調整モジュール４８５により、積分時間Ｔｉを延長または短縮することを選択して目的を達成してもよい。図５に示された様に、イオン電流４０５が非常に小さい（低いレベルである）ために波形５２１の上昇は緩やかである。波形５２１は、積分時間Ｔｉの間はノイズフロア５０１の下に留まるかもしれないが、波形５２１は、傾き５７１で時間と共に上昇を続けるであろう。コンデンサのネットワーク４３０の総電気容量Ｃを変えなくても（即ち、装置４００の積分回路４３５のゲイン設置を変えることなしに）、より長い積分時間Ｔｉにすることにより、波形５２１はノイズフロア５０１（値Ｖｍｉｎ）を超え、検出装置４００により検出可能になってもよい。すなわち、装置４００の利点は、より長い検出時間Ｔｉと引き換えに、微弱なイオン電流４０５を測定する能力が得られる柔軟性にある。積分回路のゲインが既に最大設定（即ち、コンデンサのネットワーク４３０の総電気容量Ｃが既に最小）で、総電気容量Ｃをさらに低い値に切り替えることによりＶｏｕｔ波形の傾きを増す方法が無い場合において特に有効である。つまり、検出回路１００とは異なり、十分に長い積分時間Ｔｉが許されるのであれば、検出装置４００のノイズフロアは、装置４００により微弱なイオン電流４０５を測定する際の制限とはならない。測定速度と引き換えに測定感度が得られるといった柔軟性（フレキシビリティ）は、検出装置１００ではなし得ない。検出装置４００のノイズフロア５０１が、検出回路１００のノイズフロア３０１と同じであっても、検出装置４００のフレキシビリティにより、検出回路１００が検出できるよりも低いレベルのイオン電流４０５を測定時間を延ばすことにより検出することが可能になる。いくつかの実施形態では、検出装置４００は、検出時間５０マイクロ秒以内で１０ピコアンペア（ｐＡ）程度の微弱なイオン電流４０５を検出することができる。
【0056】
測定速度と引き換えに測定感度が得られるというフレキシビリティは、イオン電流４０５が強い場合にも有効である。前述の様に、図１の検出回路１００では、検出時間は決まっているのに対し、図４の検出装置４００では、より強いイオン電流４０５に対しては検出時間をより短縮することができ、これにより質量分析装置１０は、より速いスキャン速度を達成できる。例えば、図５に示されている様に、解析モジュール４８２が波形５２３に基づき傾き５７３を決定するのに積分時間Ｔｉの全部の時間（長さ）Ｔを使う必要がなくてもよい。積分時間Ｔｉが０．７５Ｔ、または０．５Ｔに短縮されても、解析モジュール４８２は、波形５２３に基づき傾き５７３を決定できる。すなわち、装置４００では、Ｖｏｕｔ４１５の複数のサンプルは、波形５２３の最初の３／４、または最初の１/２で傾き５７３を決定するのに十分である。積分時間Ｔｉを短縮することは、イオン電流の検出プロセスの検出速度を５０％または１００％改善することになり、これにより、検出装置４００を備えた質量分析装置１０の測定効率を高めることができる。最適化モジュール４８１は、再構成モジュール４８４によりコンデンサのネットワーク４３０のゲイン設定を調整するか、調整モジュール４８５により積分時間Ｔｉを調整するか、またはその両方で調整することを判定してもよい。Ｖｏｕｔ４１５も、リセットスイッチ４２０を開閉すること（および、いくつかの実施形態では、イオン電流４０５を遮断または通す入力スイッチ４２２も同様に）により、同時に接地電位にリセットされてもよく、コンデンサのネットワーク４３０の新しいゲイン設定、および／または、新しい長さの積分時間Ｔｉに伴う、Ｖｏｕｔ４１５の新しい電圧勾配に対し明確な基準を設けることができる。
【0057】
Ｖｏｕｔ４１５の値そのものではなく傾きを検出することの別の重要な利点は、検出装置４００における、オフセットなどの誤差要因に対する耐性が高いことである。例えば、検出装置１００および４００は双方、ある程度のＤＣオフセット誤差の影響を受ける。回路１００に現れるＤＣオフセット電圧は、イオン電流１０５の測定の読み取り誤差の要因となるのに対し、同じＤＣオフセットは、イオン電流４０５の測定においては測定誤差の要因とならない。図３に示される様に、オペアンプ１１０の出力端子に示されるＤＣオフセット電圧Ｖｏｓは、波形３２３を波形３２３１にシフトし、その結果、Ｖｏｕｔ１１５を示す値がｖ３から（ｖ３＋Ｖｏｓ）にシフトすることになり得る。検出回路１００はプラス方向に１０％のＶｏｓがある（すなわち、Ｖｏｓ＝０．１・ｖ３）とすると、測定されたイオン電流１０５は実際よりも１０％高くなり、テスト中の試料の、対応するイオンの相対的濃度においては１０％のエラーにつながる。しかしながら、検出装置４００の場合、ＤＣオフセット電圧Ｖｏｓは、Ｖｏｕｔ４１５の波形の傾きを変えず、イオン電流４０５の測定における誤差を引き起こさない。図５に示される様に、オペアンプ４１０の出力端子４０２にＤＣオフセット電圧５５３１（値Ｖｏｓ）が現れても、波形５２３が波形５２３１にシフトする。しかしながら、波形５２３１の傾き５７３１は、波形５２３の傾き５７３と実質的に同じである。したがって、検出装置４００のＤＣオフセット電圧５５３１によっては測定中の誤差は誘発されない。
【0058】
Ｖｏｕｔ４１５のアナログ電圧勾配がプロセッサ４６０において解析される前にＡＤＣ４４０によりデジタル化される際に、様々な技術がデジタル領域で実行されてもよく、それにより、実用的な不完全さに対する検出装置４００の耐性をさらに強化できる。図６には、図５に示されたのと同様の波形のセット（一連の波形）が、より実際的に詳細を含めて示されている。イオン電流波形５１１と比較し、イオン電流波形６１１はいくらかの変動を含み、その変動は、質量分析装置内の様々な高電圧、高出力、または高周波をソースとする容量結合（容量カップリング）に起因するものであってもよい。Ｖｏｕｔ＝Ｉ・Ｔｉ／Ｃ（Ｉはイオン電流４０５の大きさ、Ｔｉは積分時間の長さ、Ｃはコンデンサのネットワーク４３０の総電気容量を表す）という基本的な関係によると、Ｖｏｕｔ波形６２１、６２２、６２３、および６２４も、電流波形６１１における変動（振動、フラクチュエーション）に対応するいくらかの変動を含んでもよく、それぞれの波形６２１、６２２、６２３、および６２４は、コンデンサのネットワーク４３０の異なるゲイン設定に対応したものである。電圧勾配６２４を例にとる。波形６２４をデジタル化した複数のサンプルも、その中に変動が含まれるが、ＡＤＣ４４０に続く、１つまたは複数のステージのデジタルフィルタ４５０により、第１オーダーまで変動は低減または除去されてもよい。解析モジュール４８２のモジュール４８２ａは、デジタルフィルタ４５０から出力され、フィルタされた複数のデジタルサンプルを処理して、それらの中の非理想的なものを低減して、Ｖｏｕｔ４１５における電圧勾配の波形６２４に最も近い第１次近似（第１次フィッティング）ライン６６４を得てもよい。次に、第１次近似（第１次フィッティング）ライン６６４の傾き６７４は、解析モジュール４８２のモジュール４８２ｂにより決定され、波形６２４の傾きとして特定され、それは、質量分析装置で分析される試料中の所定のｍ／ｚのイオンまたは分子の量を示す値として提供される。
【0059】
いくつかの実施形態では、コンデンサのネットワーク４３０の所定のゲイン設定に対する電圧勾配、すなわち、波形６２１、６２２、６２３、および６２４の測定は、繰り返しモジュール４８７により複数回繰り返されてもよく、その繰り返しの間に、解析モジュール４８２はそれらを平均し、Ｖｏｕｔ４１５の電圧勾配をより正確に得てもよく、それにより、電圧勾配の傾きをより精度よく決定してもよい。複数の電圧勾配を平均化することにより、イオン電流波形に含まれるシグナルノイズ比を効率的に改善できる。例えば、コンデンサのネットワーク４３０のゲイン設定を変えずに、検出装置４００はリセットして（リセットスイッチ４２０をオンして）Ｖｏｕｔ４１５を０にし、リセットスイッチ４２０をオフして最初のＶｏｕｔ４１５の電圧勾配を取得し、再度リセットしてＶｏｕｔ４１５を再び０にして次の（２回目の）Ｖｏｕｔ４１５の電圧勾配を取得し、さらに、再度リセットしてＶｏｕｔ４１５を再び０にして３回目のＶｏｕｔ４１５の電圧勾配を取得してもよい。次に、解析モジュール４８２は、ＡＤＣ４４０からそれら３つの勾配（それらはＦＩＲ４５０を通過しても、しなくてもよい）の複数のサンプルを取得し、それら３つの勾配の複数のサンプルを平均し、より正確なＶｏｕｔ４１５の電圧勾配を取得し、それとともに、電圧勾配の傾きをより精度よく決定してもよい。
【0060】
前述したように、いくつかの実施形態では、質量分析装置のＱＭＦが、ある値のｍ／ｚのイオンを通過する状態から、異なる値のｍ／ｚのイオンを通過する状態へ調整される際に、１つまたは複数の大きな山と谷、またその両方がイオン電流に含まれることがある。図２に、この現象が図１の検出回路１００に起きた場合を示している。検出装置１００は、この一時的な摂動が消滅するまで待機することにより、イオン電流に対するこの大きな一時的な摂動に対応する。この結果、検出プロセスにおいて、待機時間２３４および２３２といった、著しく長い待機期間が浪費される。
【0061】
一方、検出装置４００は、大きな一時的な摂動の間のＶｏｕｔ波形を利用して、一時的な摂動が安定した後のＶｏｕｔ波形に最もよく適合し得る第１次近似カーブの傾きを予測するという強みを有することができる。図７は、図２のイオン電流波形２１４と同一のイオン電流波形７１４を示す。図７は、さらに、検出装置４００に印加されたイオン電流波形７１４から得られるＶｏｕｔ波形７２４を示す。イオン電流７１４が安定するまで、期間７３４を要してもよい。時刻ｔ０とｔ１との間の大きな一時的な摂動が安定したとき、第１次近似ライン７６４は、時刻ｔ１の後のＶｏｕｔ波形７２４に最もフィットし得る。高度なアルゴリズムと複雑なデジタルフィルタリングにより、解析モジュール４８２は、期間７３４の間のＶｏｕｔ波形７２４に基づき、傾き７７４を推定、外挿、または概算してもよい。即ち、検出装置４００は、適度な許容可能な傾き７７４の推定値を得る前に、期間７３４が経過することを待つ必要はない。この方法で推定または近似された傾き７７４は、時刻ｔ１のＶｏｕｔ波形７２４にのみ基づくものほど正確ではないかもしれないが、合理的に近似した結果を与える可能性があり、この方法では、ＱＭＦのそれぞれのスキャンの後にＶｏｕｔが安定するのを待つ時間を不要として、試料の検出結果が迅速に提供される必要がある場合に特に有益である。
【0062】
上述の主たる理由に加え、少なくとも次のいくつかの理由により、回路１００と比べ、検出装置４００は、質量分析装置において高速、低ノイズのイオン電流検出回路を実現できる。第１に、検出装置１００のゲイン設定が高抵抗抵抗器により実現されるのに対し、装置４００では、ゲイン設定は、コンデンサのネットワークと、低インピーダンスのレンジスイッチにより実現され得る。高抵抗抵抗器はそれ自体がノイズ源であるのに対し、コンデンサはそれ自体がノイズフィルタリングである。したがって、検出装置４００は、検出装置１００と比べ本質的に低ノイズ設計である。第２に、オフセットに敏感であるために、検出装置１００は、オペアンプ１１０の非常に高いオープンループゲインを必要とする。高いオープンループゲインのオペアンプは、ノイズを拾う傾向があり、オペアンプが一度飽和状態になると回復が遅くなる。これに対し、Ｖｏｕｔ４１５の傾きがＤＣオフセット電圧には敏感ではないため、装置４００で使用されるオペアンプ４１０は、高いオープンループゲインが要求されない。したがって、オペアンプ４１０は、ノイズを拾う傾向が低く、飽和状態からの回復はより早くなり得る。第３に、図５のノイズフロア５０１は、図３のノイズフロア３０１より、そもそもずっと低い。ノイズフロア５０１が低ければ、様々な信号処理／デジタルフィルタリング技術の使用が可能であり、デジタル領域における不要なシグナルおよびランダムなノイズを低減できる。検出回路１００は、ノイズフロア３０１がより高いことから、デジタルフィルタリングまたはシグナルプロセッシング技術を活用して、不要なシグナルを低減またはフィルタで除去できない可能性がある。
【0063】
図８は、本開示に関連するシステムにおいて、電流を検出するための例示的なプロセス８００を示している。図８には、質量分析装置においてイオン電流を検出するためのプロセス８００を例示する。プロセス８００は、１つまたは複数の処理、動作、または機能を含み、８１０、８２０、８３０、８４０、８５０、および８６０のブロックとして示される。プロセス８００においては、ブロックに分けて、ブロックを変えて示されているが、追加のブロックに分割されたり、より少ないブロックと結合されたり、または削除されてもよく、実装に応じて変えることができる。プロセス８００は、イオン検出装置４００として実施されてもよい。プロセス８００は、ブロック８１０から始まってもよい。
【0064】
８１０において、プロセス８００は、検出装置４００の積分回路４３５が、イオン電流４０５を、アナログ領域の電圧勾配を示す電圧シグナル４１５に変換することを含んでもよい。積分回路４３５は、図４に示される様に、オペアンプ４１０と、リセットスイッチ４２０と、コンデンサのネットワーク４３０とを含んでいてもよい。変換するステップ８１０は、積分時間Ｔｉにわたり継続してもよい。イオン電流４０５は、図６の波形６１１を有してもよく、Ｖｏｕｔ４１５は、コンデンサのネットワーク４３０のゲイン設定に依存して波形６２１、６２２、６２３または６２４を有してもよい。ブロック８１０の後に、ブロック８２０が続いてもよい。
【0065】
８２０において、プロセス８００は、ＡＤＣが、Ｖｏｕｔ４１５の電圧勾配をアナログ領域からデジタル領域の複数の電圧サンプル（電圧採取、電圧採取値）へとデジタル化することを有してもよい。ＡＤＣは、図４の装置４００のＡＤＣ４４０であってもよい。デジタル化された複数の電圧サンプルは、アナログ領域内のＶｏｕｔ４１５の電圧勾配を等価に示す（代表する）ものであってもよい。ブロック８２０の後に、ブロック８３０が続いてもよい。
【0066】
８３０において、プロセス８００は、直列に接続された１または複数のデジタルフィルタが、複数のデジタル電圧サンプルから不必要なノイズおよび／またはその他の非線形成分を除去または抑制することを含んでもよい。１つまたは複数のデジタルフィルタは、図４に示される様に、装置４００のデジタルフィルタ４５０の１つまたは複数のステージを含んでもよい。ブロック８３０の後に、ブロック８４０が続いてもよい。
【0067】
８４０において、プロセス８００は、１つまたは複数のデジタルフィルタを通過した複数のデジタルサンプルを解析するプロセッサを有してもよい。プロセッサは、図４のプロセッサ４６０であってもよい。プロセッサ４６０に実装された判定モジュール４８３の解析に従って、プロセス８００は、積分回路４３５によりイオン電流４０５から変換された電圧勾配が、プロセス８００の検出範囲外（ＯＯＲ）か否かを判定（決定）してもよい。例えば、図６に示される波形６２１を有するＶｏｕｔ４１５に対し、このプロセス８００において、判定モジュール４８３は、Ｖｏｕｔ４１５が積分時間Ｔｉの終端においてノイズフロア６０１より下の値を有することから、Ｖｏｕｔ４１５が検出範囲外（範囲外、ＯＯＲ）であると判定してもよい。別の例としては、図６に示される波形６２３を有するＶｏｕｔ４１５に対し、判定モジュール４８３は、Ｖｏｕｔ４１５が積分時間Ｔｉの終端においてサチュレーション閾値（飽和閾値）６９９を超える値を有することから、Ｖｏｕｔ４１５が範囲外（ＯＯＲ）であると判定してもよい。一方、図６に示される波形６２２を有するＶｏｕｔ４１５に対し、判定モジュール４８３は、Ｖｏｕｔ４１５が積分時間Ｔｉの終端においてノイズフロア６０１と飽和閾値６９９との間の値を有することから、Ｖｏｕｔ４１５が範囲外ではないと判定してもよい。８４０において、判定モジュール４８３は、時間節約のために、電圧勾配とあらかじめ設定された検出可能範囲に基づいて、積分時間Ｔｉの終了前にＯＯＲ状態を予測してもよい。プロセス８００において、判定モジュール４８３が、積分回路４３５によりイオン電流４０５から変換された電圧勾配がＯＯＲであると判定されると、プロセス８００は、ＯＯＲ状態をポジティブ（可能性が高い）と判定してもよい。その他のときは、プロセス８００は、ＯＯＲ状態をネガティブ（可能性が低い）と判定してもよい。ＯＯＲ状態がポジティブとの判定により、ブロック８４０の後にブロック８５０が続いてもよい。あるいは、ＯＯＲ状態がネガティブとの判定により、ブロック８４０の後にブロック８６０が続いてもよい。
【0068】
８５０において、プロセス８００は、ネットワークコンデンサ４３０を再構成し、積分回路４３５のゲイン設定を調整することを含んでもよい。８５０において、再構成モジュール４８４は、装置４００のコンデンサのネッワーク４３０の総電気容量を調整してもよい。代わりに、または、それとともに、プロセス８００は、その間、イオン電流４０５が電圧勾配Ｖｏｕｔに変換される積分時間Ｔｉの長さを調整することを含んでもよい。例えば、調整モジュール４８５は、波形６２３を有する電圧勾配４１５に対し、積分時間ＴｉをＴから０．７５Ｔに短縮してもよい。ブロック８５０の後に、ブロック８１０が続いてもよい。
【0069】
８６０において、プロセス８００は、アナログ電圧のデジタル化した複数の電圧サンプルを解析して、電圧勾配の傾きを決定することを含んでもよい。解析モジュール４８２は、アナログ電圧勾配をデジタル化した複数の電圧サンプルを最もよく表す第１次近似（第１次フィッティング）ラインを決定し、第１次近似ラインの傾き（勾配）をアナログ電圧勾配の傾きとして特定（決定）してもよい。例えば、解析モジュール４８２は、波形６２２の電圧勾配に最もよく適合（フィット）する第１次近似ライン６６２を決定し、第１次近似ライン６６２の傾き６７２を波形６２２の傾きとして特定してもよい。傾き６７２は、イオン電流４０５の大きさを表してもよい。プロセス８００は、電圧勾配の傾きとゲイン設定に基づき、イオン電流４０５の大きさを決定することを含んでもよく、質量分析装置で分析される試料中の特定のｍ／ｚを有するイオンまたは分子の量（存在度）を示すものとして解釈されてもよい。プロセス８００は、ブロック８６０で終了してもよい。
【0070】
図９は、装置４００を用いてセンサー４９０からの電流を検出するための方法(プロセス)９００の一例を示している。方法９００が開始されると、ステップ９１０において、スイッチングモジュール４８６は、リセットスイッチ４２０と入力スイッチ４２２とを設定してもよい。初めに、入力スイッチ４２２はオフされて、電流４０５を遮断してもよく、リセットスイッチ４２０はオンされて、コンデンサのネットワーク４３０をリセットしてもよく、次に、リセットスイッチ４２０はオフされて、積分が開始され、入力スイッチ４２２はオンされて、電流４０５が流れ、積分回路４３５により電圧勾配に変換してもよい。ステップ９１２において、解析モジュール４８２は、複数の電圧サンプルを解析（分析）し、図８に記述されたプロセス８００により、電圧勾配の傾きを決定してもよい。ステップ９１３において、解析中または解析後に、もしＯＯＲ状態が判定モジュール４８３により判定され、または予測されると、ステップ９１５において、スイッチングモジュール４８６はリセットスイッチ４２０をオフして、電圧勾配に再変換するために、コンデンサのネットワーク４３０を再構成してもよい。
【0071】
ＯＯＲ状態がステップ９１３では見つからないとしても、ステップ９１４において、最適化モジュール４８１は、測定速度、測定感度、測定精度の観点から、決定された傾き、積分時間Ｔｉなどの状態または状況を検討（チェック）してもよい。決定された傾きがそれほど大きく（鋭い、急角度）なく、飽和閾値５９９または６９９に基づいて、より大きい傾きが選択可能な場合は、コンデンサのネットワークのゲインを変更し、より大きい傾きを選択することは、積分時間Ｔｉを最小化することに役立ち、装置４００の検出時間が短縮でき、特に繰り返し測定が選択される場合は短縮される可能性がある。一方、速度よりも測定精度が要求される場合で、決定された傾きがそれほど小さくなく、ノイズフロア５０１または６０１に基づき、より小さい（より角度の小さい）傾きが選択可能であれば、コンデンサのネットワークのゲイン設定を変更して、より小さい傾き（角度の小さい勾配）を選択することは、精度を高めるのに好都合である。
【0072】
ＯＯＲ状態および／または最適化要求の観点から、ステップ９２０において、もしコンデンサのネットワーク４３０の再構成が、ゲインを変更するために要求されるなら、ステップ９２５において、再構成モジュール４８４は、コンデンサのネットワーク４３０を再構成し、適切なゲインを設定し、積分時間Ｔｉを調整し、検出速度または検出精度を改善する。同様に、ＯＯＲ状態および／または最適化要求の観点から、または、ステップ９２５において設定されたコンデンサのネットワークのゲインに基づき、ステップ９３０において積分時間Ｔｉの調整が要求されると、調整モジュール４８５は、ステップ９３５において、ＯＯＲ状態、最適化要求、および／または再構成されたコンデンサのネットワーク４３０のゲインに基づいて積分時間Ｔｉの長さを調整してもよい。
【0073】
次に、ステップ９５０においてキャリブレーション（校正処理）が要求されると、キャリブレーションモジュール（校正モジュール）４８９が、ステップ９５５において、電流供給回路４２５を使って既知の値のキャリブレーション電流（テスト電流）を積分回路４３５に送ることにより、積分回路４３５のゲイン設定を校正してもよい。キャリブレーションモジュール４８９は、テスト電流から得られる電圧勾配の傾きを記録してもよく、そのゲイン設定により測定されたイオン電流４０５を修正または補償してもよい。
【0074】
ＯＯＲ状態が観察されず、最適化が要求されない場合、ステップ９６０において、測定の繰り返しの必要性が判定される。繰り返しが必要であれば、繰り返しモジュール４８７はイオン電流４０５を電圧勾配に変換する処理を複数回繰り返してもよい。繰り返しの回数は、事前に決められてもよい。複数の電圧サンプルは、複数の電圧サンプルの複数のセットを構成し、そして、繰り返しの間、解析モジュール４８２は、ステップ９１２において、電圧サンプルの複数のセットを平均することにより、複数の電圧サンプルの複数のセットを解析し、電圧勾配の傾きを決定してもよい。出力モジュール４８８は、ステップ９７０において電圧勾配の傾きとゲイン設定とに基づき、イオン電流４０５の大きさを決定してもよく、そして、Ｗｉ－Ｆｉ接続、無線ＬＡＮ、携帯電話接続、ブルートゥース（登録商標）などの有線または無線の通信手段を介してイオン電流４０５の大きさを出力してもよい。
【0075】
図１０は、読み取られるべき電流シグナル４０５を生成するように構成されたセンサーと、その電流シグナル４０５を検出する装置４００とを含むシステムの一例を示している。図１０に示されるシステムは、小型質量分析計（小型のマススペクトロメータ）９０であり、図４の装置４００と同様のイオン電流検出回路を含んでもよく、それにより質量電荷比（ｍ／ｚ）によりフィルタされた複数のガスイオンの一部を感知するためのイオン電流４０５を検出してもよい。質量分析計９０は、イオンドライブ９１を含んでもよい。イオンドライブ９１は、１つまたは複数のフィラメントヒーターを含んでもよく、それらは、それぞれのフィラメントヒーターを通して流れるフィラメント電流により加熱されることにより電子を放出してもよい。フィラメント電流は高い精度で維持され、フィラメントから放射された電子数の変動を最小化する。質量分析計９０は、加速電極のアレイ９２を含んでもよい。加速電極９２は、質量分析計９０の中の荷電粒子を誘導および加速するよう使用されてもよい。イオンドライブ９１から放射された電子は、加速電極９２により加速され、質量分析計９０の反対側の端部に向かって流れる高速電子流９５を形成してもよい。高速電子流９５は、試料のガス分子９６と遭遇してガス分子９６をイオン化し、イオン化されたガス分子を含むイオン流９７にしてもよい。
【0076】
イオン流９７は、加速電極９２により、さらに加速および誘導され、質量フィルタ９３に向かって進んでもよい。質量フィルタ（マスフィルタ）９３は、ＱＭＦでもあってもよい。ＱＭＦ（４重極マスフィルタ）９３は、イオン流（イオンフロー）９７の中のイオン化されたガス分子９６の、特定のｍ／ｚ値または特定の原子質量単位（ＡＭＵ）を有する一部、または、選択されたイオン９８を選択して通過させてもよい。ＱＭＦ９３を通過した、選択されたイオン９８は、続いてイオン検出装置９９（４９０）により検出または収集され、イオン電流検出装置４００の入力端子へと流れるイオン電流４０５に変換されてもよい。イオン検出装置９９は、様々なメカニズムや、それらの組み合わせを使用して具体化されてもよい。例えば、イオン検出装置９９は、ファラデーカップ、イオントラップ、電子倍増管、またはファラデーカップおよび電子倍増管の結合型（ハイブリッド）であってもよい。いくつかの実施形態では、質量分析計９０は、筐体９４も含んでもよく、その筐体内には、イオンドライブ９１と、ＱＭＦ９３と、イオン検出装置９９と、イオン電流検出回路４００とが含まれていてもよい。筐体（外装）９４は、ほぼ円筒形であってもよい。あるいは、筐体（外装）９４は、ほぼ楕円形、またはその他の適切な形状であってもよい。
【0077】
図１１は、電流シグナル４０５を生成するように構成されたセンサーを含むシステムの異なる例を示す。図１１に示されたシステムは、小型の分光計（スペクトロメータ、光学分光計、オプティカルスペクトロメータ）８０であり、図４の装置４００と同様の光電流検出回路を含んでもよく、それにより光電流４０５を検出し、電磁気スペクトルの特定の範囲の光の性質（属性）を測定する。測定される変数は、光の強度であってもよい。独立した変数は、光の波長または光子エネルギーに直に比例する単位であってもよく、例えば、長さ（ｃｍ）の逆数であってもよく、エレクトロンボルトであってもよく、波長と逆数の関係を含むものであってもよい。スペクトロメータ（分光計）はまた、ガンマ線およびＸ線から赤外線にわたる、非可視光を含む広範囲で動作するものであってもよい。
【0078】
図１１に示されたシステム８０は、ラマン分光システムであり、ＣＡＲＳ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ａｎｔｉ－Ｓｔｏｋｅｓ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｅｉｎｇ、コヒーレント反ストークスラマン散乱）分光システム８０であり、ストークス光（ストークスビーム）およびポンプ光（ポンプビーム）８７を人体などのサンプル８９へ照射するためのレーザーユニットと、サンプル８９からＣＡＲＳ光８８を検出するための検出ユニット８２とを含んでもよい。検出ユニット８２は、格子などの分光器８３と、光電流を生成するフォトダイオードやＣＣＤなどの光検出器８４（４９０）と、検出装置４００とを含んでもよい。
【0079】
本開示は、質量分析装置（マススペクトロメータ）およびその他のタイプのスペクトロメーターなどのシステムにおける電流を検出するための斬新な方法と回路を提供する。従来的な電流検出回路と比較すると、本開示は、センシングされた電流を高速で、かつ低ノイズで検出することを実現する方法を提供する。本開示による、進歩した電流検出に関する構想により、１つまたは複数のセンサーが搭載されたスペクトロメーターおよびその他のシステムの性能を大幅に改善できる。
【0080】
本明細書では、質量分析装置においてイオン電流を検出するための方法および回路が開示されている。回路および方法は、ゲイン設定を有する積分回路により、所定の積分時間について（積分時間にわたり、積分時間の間）イオン電流を電圧勾配に変換することを含んでもよい。回路および方法は、電圧勾配の傾きを決定することを含んでもよい。回路および方法は、電圧勾配の傾きとゲイン設定とに基づき、イオン電流の大きさを決定することも含んでもよい。回路および方法は、電圧勾配に基づき範囲外状態を判定し、範囲外の状態の判定に反応して、積分回路のゲイン設定、または積分時間の長さ、またはその両方を調整することをさらに含んでもよい。
【0081】
上記にて開示された態様の１つは、質量分析装置においてイオン電流を検出する方法である。その方法は、（１）ゲイン設定を有する積分回路により、所定の積分時間にわたり（所定の積分時間の間）、イオン電流を電圧勾配に変換することと、（２）電圧勾配の傾きを決定することと、（３）電圧勾配の傾きとゲイン設定に基づき、イオン電流の大きさを決定することとを有する。電圧勾配の傾きを決定するステップは、（ａ）アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）により電圧勾配を複数の電圧サンプル（電圧採取）にデジタル化し、複数の電圧サンプルが電圧勾配を代表するようにすることと、（ｂ）プロセッサにより複数の電圧サンプルを解析し、電圧勾配の傾きを決定することとを含んでいてもよい。複数の電圧サンプルを解析（分析）して電圧勾配の傾きを決定することは、複数の電圧サンプルに基づき第１次近似ラインを決定することと、第１次近似ラインの傾きを電圧勾配の傾きとして特定することとを含んでいてもよい。
【0082】
この方法は、複数の電圧サンプルを解析する前に、直列に結合された１つまたは複数のデジタルフィルタにより、複数の電圧サンプルのノイズ成分を低減することをさらに有してもよい。この方法は、電圧勾配と、予め設定された（既定の）検出可能範囲とに基づき、範囲外（検出可能範囲外、ＯＯＲ）状態を判断することと、ＯＯＲ状態の判定に対応して、積分時間の終端において電圧勾配が既定の検出可能範囲内にあるように、積分回路のゲイン設定、積分時間の長さ、またはその両方を調整することと、をさらに含んでもよい。この方法は、イオン電流を電圧勾配に変換することを複数回繰り返すことをさらに含んでもよい。複数の電圧サンプルは、繰り返しから生じた複数の電圧サンプルの複数のセットを有してもよく、複数の電圧サンプルを解析して電圧勾配の傾きを決定することは、複数の電圧サンプルの複数のセットを平均することを含んでもよい。この方法は、既知の値のキャリブレーション電流を積分回路に送り、キャリブレーション電流から得られた電圧勾配の傾きを記録することにより、積分回路のゲイン設定をキャリブレーションすることをさらに含んでもよい。
【0083】
上記に記載された異なる態様の１つは、イオン電流を検出でき、質量分析装置に実装可能な回路である。この回路は、ゲイン設定が可能で、所定の積分時間の長さにわたり（積分時間の間、積分時間について）イオン電流を電圧勾配に変換するように構成された積分回路と、電圧勾配を複数の電圧サンプル（電圧採取値）にデジタル化するように構成されたアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）と、複数の電圧サンプルの１つまたは複数の電圧サンプルに基づき電圧勾配の傾きを決定し、さらに、電圧勾配の傾きとゲイン設定に基づきイオン電流の大きさを決定するように構成されたプロセッサとを有する。回路は、複数の電圧サンプルのノイズ成分を低減し、複数の電圧サンプルの１つまたは複数の電圧サンプルを生成するように構成された１つまたは複数のデジタルフィルタをさらに含んでもよい。
【0084】
積分回路は（１）入力端子としての反転端子と、アース端子として基準電圧に接続された非反転端子と、出力端子とを備えたオペアンプであって、入力端子がイオン電流を受信するように構成されたオペアンプと、（２）オペアンプの入力端子と出力端子との間を接続するリセットスイッチであって、オンになるとオペアンプの出力端子とオペアンプの入力端子と短絡するように構成されたリセットスイッチと、（３）オペアンプの入力端子と出力端子間に接続された可変リレーであって、積分回路のゲイン設定を提供するように構成された可変リレーとを含んでもよい。可変リレーは、複数のコンデンサと、複数の範囲（レンジ）スイッチとを含んでもよく、それぞれの複数のレンジスイッチは、複数のコンデンサの少なくとも１つに接続される。複数のレンジスイッチは、１つまたは複数のコンデンサに接続され、積分回路のゲイン設定を提供（設定）するように構成される。複数の範囲スイッチは、１つまたは複数のコンデンサを、直列に、または並列に、または直列および並列の両方で、接続し、積分回路のゲイン設定を調整するようにさらに構成される。
【0085】
プロセッサは、さらに、電圧勾配と既定の検出可能範囲に基づき、範囲外（ＯＯＲ）状態を判定するように構成されてもよい。プロセッサは、さらに、ＯＯＲ状態に基づき、積分回路のゲイン設定を調整し、リセットスイッチを介して電圧勾配をリセットするよう構成されてもよい。プロセッサは、さらに、電圧勾配と既定の検出可能範囲に基づき範囲外（ＯＯＲ）状態を判定するように構成され、また、ＯＯＲ状態に基づき、リセットスイッチを介して電圧勾配をリセットし、積分時間の長さを調整するよう構成されてもよい。積分回路は、イオン電流が電圧勾配に変換される間にイオン電流を通過させるように構成された入力スイッチをさらに含んでもよく、そして、リセットスイッチがオンされ電圧勾配をリセットする間にイオン電流を遮断するようさらに構成されてもよい。
【0086】
本明細書では、気体分子（ガス分子）を分析するための小型質量分析計が開示される。質量分析計は、（１）ガス分子を、複数の原子質量単位（ＡＭＵ）を有する複数のガスイオンから構成されるイオンフローにイオン化するように構成されたイオンドライブと、（２）複数のガスイオンの第１の部分を選択的に通すように構成された４重極マスフィルタ（ＱＭＦ）であって、複数のガスイオンの第１の部分のそれぞれのガスイオンは、第１のＡＭＵ値を有するＱＭＦと、（３）複数のガスイオンの第１部分を検出し、第１のイオン電流を生成するように構成されたイオン検出装置と、（４）第１のイオン電流を検出するように構成されたイオン電流検出回路とを有する。イオン電流検出装置は、ゲイン設定を含む積分回路であって、所定の長さの積分時間の間、第１のイオン電流を電圧勾配に変換するように構成された積分回路と、電圧勾配を、複数の電圧サンプルにデジタル化するように構成されたアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）と、複数の電圧サンプルの１つまたは複数の電圧サンプルに基づき電圧勾配の傾きを決定するように構成されたプロセッサであって、さらに、電圧勾配の傾きとゲイン設定とに基づき、第１のイオン電流の大きさを決定するよう構成されたプロセッサとを有してもよい。
【0087】
イオンドライブは、複数の電子を生成するように構成されたフィラメントヒーターと、複数の電子を加速し、ガス分子をイオンフローにイオン化する高速の電子フローを形成するように構成された１つまたは複数の加速電極とを含んでもよい。イオン検出回路は、複数の電圧サンプルのノイズ成分を低減し、複数の電圧サンプルの１つまたは複数のサンプルを生成するように構成された１つまたは複数のデジタルフィルタをさらに含んでもよい。積分回路は、入力端子としての反転端子と、アースとしての基準電圧に接続された非反転端子と、出力端子とを含むオペアンプであって、入力端子が第１のイオン電流を受けるように構成されたオペアンプと、オペアンプの入力端子と出力端子との間に接続されたリセットスイッチであって、オンになるとオペアンプの出力端子とオペアンプの入力端子とを短絡するように構成されたリセットスイッチと、オペアンプの入力端子と出力端子との間に接続され、積分回路のゲイン設定を設けるように構成された可変リレーとを備えていてもよい。可変リレーは、複数のコンデンサと、複数のレンジスイッチとを含んでもよく、複数のレンジスイッチのそれぞれは、複数のコンデンサの少なくとも１つに接続されてもよい。複数のレンジスイッチは、複数のコンデンサのうちの１つ以上のコンデンサに接続するように構成され、積分回路のゲイン設定を可能とする。複数のレンジスイッチは、複数のコンデンサの１つまたは複数のコンデンサに直列、並列、または直列および並列の両方で接続するようさらに構成され、積分回路のゲイン設定を調整してもよい。
【0088】
プロセッサは、電圧勾配と、予め設定された（既定の）検出可能範囲とに基づき、範囲外（ＯＯＲ）状態を判定するようさらに構成されてもよい。プロセッサは、さらに、ＯＯＲ状態に基づいて、積分時間の最終時点で電圧勾配が既定の検出可能範囲内となるように積分回路のゲイン設定と、積分時間の長さと、またはその両方とを調整するよう構成されてもよい。イオン検出装置は、ファラデーカップ、イオントラップ、電子倍増管、またはそれら２つまたはそれ以上の組み合わせを備えてもよい。
【0089】
本明細書において、冠詞の「ａ」および「ａｎ」は、冠詞の文法的対象の１つまたは１つ以上（即ち、少なくとも１つ）を指すために使用される。例として、「ユーザー」とは、１人または複数のユーザーを意味する。本明細書を通じて、実施形態または関連する例として記述された「実施形態の１つ」、「実施形態（ある実施形態）」、「一例」、または「例（ある例）」が参照される場合、本開示の少なくとも１つの実施形態における特定の特徴、構造、または特性が含まれることを意味する。したがって、本明細書を通じて様々な箇所で「実施形態の１つにおいて」、「実施形態において（ある実施形態において）」、「一例」、「例（ある例）」という語句が現れることは、必ずしも同じ実施形態や例に言及している訳ではない。さらに、特定の特徴、構造、データベース、または特性は、１つまたは複数の実施形態または例において、適切な組み合わせ、または部分的な組み合わせで組み合わされてもよい。さらに、本明細書で提供された図は、当業者への説明目的のためであり、図面は必ずしも縮尺通りに描かれていないことを理解されたい。
【0090】
本開示による実施形態は、装置、方法、またはコンピュータプログラム製品として実施されてもよい。したがって、本件の開示は、完全にハードウェアで構成された形態、完全にソフトウェアで構成された形態（ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどを含む）であってもよく、ソフトウェアとハードウェアとを結合させた形態で構成されてもよく、それらは、本願では「回路」、「モジュール」、または「システム」として参照される。さらに、本開示の実施形態は、媒体に格納されたコンピュータが使用可能なプログラムコードと表現され得る、具体的な媒体に格納されたコンピュータプログラム製品の形態をとってもよい。
【0091】
添付の図のフローチャートとブロック図とは、本開示の様々な実施形態に基づくシステム、方法、およびコンピュータプログラム製品の実装可能な構成、機能および動作を示す。この点に関し、フローチャートまたはブロック図のそれぞれのブロックは、モジュール、セグメント、またはコードの１部を表してもよく、それは、特定の１つまたは複数の論理機能を実装するための１つまたは複数の実行可能なコードを構成してもよい。フローチャートおよび／またはブロック図のそれぞれのブロック、およびフローチャートおよび／またはブロック図のブロックの組み合わせは、特定の機能または技術を実行する専用のハードウェアをベースとするシステムに実装されてもよく、専用のハードウェアとコンピュータに対する命令との組み合わせで実装されてもよい。これらのコンピュータプログラムの命令は、コンピュータまたはその他のプログラム可能なデータプロセッシング装置に対し、特定の方法で機能するよう指示することができるコンピュータ可読媒体に格納されてもよく、その結果、コンピュータ可読媒体に格納された指示は、フローチャートおよび／またはブロック図またはブロックにおいて特定された機能／行為を実行する指示手段を含む製品を生成する。
上記には、センサーからの電流を検出する装置であって、ゲイン設定を設けるためのコンデンサのネットワークを含み、前記電流を、積分時間の間、電圧勾配に変換するように構成され、さらに、オンになると前記コンデンサのネットワークの入力と出力とを接続するように構成されたリセットスイッチを含む積分回路と、前記電圧勾配を複数の電圧サンプルにデジタル化するように構成されたアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）と、一組のモジュールであって、前記複数の電圧サンプルを解析し、前記電圧勾配の傾きを決定するように構成された解析モジュールと、前記電圧勾配の前記傾きおよび前記ゲイン設定に基づき、前記電流の大きさを決定するように構成された出力モジュールと、前記コンデンサのネットワークを再構成し、前記リセットスイッチにより前記電圧勾配をリセットするように構成された再構成モジュールとを含む一組のモジュールとを有する、装置が開示されている。前記一組のモジュールは、前記電圧勾配に基づき、検出可能範囲外（ＯＯＲ）の状態を判定するように構成された判定モジュールをさらに含んでもよく、前記再構成モジュールは、前記ＯＯＲ状態に基づき前記コンデンサのネットワークを再構成してもよい。前記判定モジュールは、前記電圧勾配および既定の検出可能範囲に基づき前記ＯＯＲ状態を予測してもよい。前記一組のモジュールは、前記ＯＯＲ状態に基づき前記積分時間を調整するように構成された調整モジュールをさらに含んでもよい。前記再構成モジュールは、前記積分時間を調整して、検出速度または検出精度が改善されるように前記コンデンサのネットワークを再構成してもよい。前記解析モジュールは、前記複数の電圧サンプルに基づき第１次近似ラインを決定するように構成されたモジュールと、前記第１次近似ラインの傾きを前記電圧勾配の前記傾きとして特定するように構成されたモジュールとを含んでもよい。前記積分回路は、前記コンデンサのネットワークに対する電流をオンオフするように構成された入力スイッチをさらに含み、前記一組のモジュールは、前記電流が前記電圧勾配に変換される間は前記電流が通過し、前記リセットスイッチがオンされ前記電圧勾配をリセットする間は前記電流を遮断するように前記入力スイッチを制御するように構成されたスイッチ制御モジュールをさらに含んでもよい。前記一組のモジュールは、前記電流を前記電圧勾配に変換することを複数回繰り返すように構成された繰り返しモジュールを含んでもよく、前記複数の電圧サンプルは、前記繰り返しにより得られた複数の電圧サンプルの複数のセットを備え、前記解析モジュールは、前記複数の電圧サンプルの複数のセットを平均することにより前記電圧勾配の前記傾きを決定してもよい。前記一組のモジュールは、既知の値の校正用電流を前記積分回路に供給して前記校正用電流から得られた前記電圧勾配の前記傾きを記録することにより、前記積分回路の前記ゲイン設定を校正するように構成された校正モジュールをさらに含んでもよい。この装置は、前記複数の電圧サンプルのノイズ成分を低減し、前記複数の電圧サンプルの１つまたは複数の電圧サンプルを生成するように構成された、１つまたは複数のデジタルフィルタをさらに有してもよい。
上記には、前記一組のモジュールを格納するメモリと、前記一組のモジュールを実行するプロセッサとをさらに有する、装置が開示されている。また、複数のガス分子をイオン化して、複数の原子質量単位（ＡＭＵ）数を含む複数のガスイオンから構成されるイオン流にするように構成されたイオンドライブと、前記複数のガスイオンの第１の部分を選択的に通すように構成された質量フィルタであって、前記複数のガスイオンの前記第１の部分のそれぞれのガスイオンは第１のＡＭＵ値を含む質量フィルタと、前記複数のガスイオンの前記第１の部分を検出し、第１のイオン電流を生成するように構成されたイオンセンサーと、上述した装置であって、前記第１のイオン電流を検出する装置とを有する質量分析装置が開示されている。また、電磁気スペクトルの特定の部分の範囲の光の特性を測定し、第１の光電流を生成するように構成された光学センサーと、上述した装置であって、前記第１の光電流を検出する装置とを有する光学分光装置が開示されている。また、解析される電流シグナルを生成するように構成されたセンサーと、上述した装置であって、前記電流シグナルを検出する装置とを有するシステムが開示されている。
上記には、また、センサーからの電流を、装置を用いて検出する方法が開示されている。前記装置は、ゲイン設定を設けるためのコンデンサのネットワークおよびそのコンデンサのネットワークの入力と出力とを接続するためのリセットスイッチを備えた積分回路と、アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）と、プロセッサとを含み、当該方法は、積分時間の間、ゲイン設定を備えた前記積分回路により前記電流を電圧勾配に変換することと、前記ＡＤＣにより、前記電圧勾配を複数の電圧サンプルによりデジタル化し、前記複数の電圧サンプルにより前記電圧勾配を示すことと、前記プロセッサにより、前記複数の電圧サンプルを解析し、前記電圧勾配の傾きを決定する、解析することと、前記電圧勾配の前記傾きと前記ゲイン設定とに基づき、前記電流の大きさを決定することと、前記コンデンサのネットワークを再構成し、前記リセットスイッチを介して前記電圧勾配をリセットする、再構成することとを含む。この方法は、前記電圧勾配に基づき、検出可能範囲外（ＯＯＲ）の状態を判断することをさらに含み、前記再構成することは、前記ＯＯＲ状態に基づいて前記コンデンサのネットワークを再構成することを含んでもよい。前記ＯＯＲ状態を判断することは、前記電圧勾配および既定の検出可能範囲に基づき前記ＯＯＲ状態を予測することを含んでもよい。この方法は、さらに、前記ＯＯＲ状態に基づき前記積分時間を調整することをさらに含んでもよい。前記再構成することは、前記コンデンサのネットワークを再構成し、前記積分時間を調整し、検出速度または検出精度を改善することを含んでもよい。前記解析することは、前記複数の電圧サンプルに基づき第１次近似ラインを決定することと、前記第１次近似ラインの傾きを前記電圧勾配の前記傾きとして特定することとを含んでもよい。前記積分回路は、前記コンデンサのネットワークに対する前記電流をオンオフするように構成された入力スイッチをさらに含み、当該方法は、前記電流が前記電圧勾配に変換される間は前記電流が通過し、前記リセットスイッチがオンされ前記電圧勾配をリセットする間は電流を遮断するように前記入力スイッチを切り替えることをさらに含んでもよい。当該方法は、前記電流を前記電圧勾配に変換することを複数回繰り返すことをさらに含み、前記複数の電圧サンプルは電圧サンプルの複数のセットを備え、前記電圧サンプルの複数のセットを平均することにより前記電圧勾配の前記傾きを決定してもよい。
また、上記には、スペクトロメーターを含むシステムを操作するコンピュータのためのコンピュータプログラムであって、前記スペクトロメーターは、センサーと、前記センサーからの電流を検出するように構成された装置とを含み、前記装置は、ゲイン設定を設けるためのコンデンサのネットワークを含む積分回路であって、前記電流を、積分時間の間、電圧勾配に変換するように構成され、オンになるとコンデンサのネットワークの入力と出力とを接続するように構成されたリセットスイッチをさらに含む積分回路と、前記電圧勾配を複数の電圧サンプルにデジタル化するように構成されたアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）とを含み、当該コンピュータプログラムは、前記複数の電圧サンプルを解析して前記電圧勾配の傾きを決定するステップと、前記電圧勾配の前記傾きと前記ゲイン設定に基づき前記電流の大きさを決定するステップと、前記電圧勾配の前記傾きに基づき前記コンデンサのネットワークを再構成し、前記リセットスイッチを介して前記電圧勾配をリセットするステップとを実行するための実行可能なコードを含む。
上記には、センサーからの電流を検出する装置であって、ゲイン設定を設けるためのコンデンサのネットワークを含み、前記電流を、積分時間の間、電圧勾配に変換するように構成され、さらに、オンになると前記コンデンサのネットワークの入力と出力とを接続するように構成されたリセットスイッチを含む積分回路と、前記電圧勾配を複数の電圧サンプルにデジタル化するように構成されたアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）と、一組のモジュールであって、前記複数の電圧サンプルを解析し、前記電圧勾配の傾きを決定するように構成された解析モジュールと、前記電圧勾配の前記傾きおよび前記ゲイン設定に基づき、前記電流の大きさを決定するように構成された出力モジュールと、前記コンデンサのネットワークを再構成し、前記リセットスイッチにより前記電圧勾配をリセットするように構成された再構成モジュールとを含む一組のモジュールとを有する、装置が開示されている。前記一組のモジュールは、前記電圧勾配に基づき、検出可能範囲外（ＯＯＲ）の状態を判定するように構成された判定モジュールをさらに含んでもよく、前記再構成モジュールは、前記ＯＯＲ状態に基づき前記コンデンサのネットワークを再構成してもよい。前記判定モジュールは、前記電圧勾配および既定の検出可能範囲に基づき前記ＯＯＲ状態を予測してもよい。前記一組のモジュールは、前記ＯＯＲ状態に基づき前記積分時間を調整するように構成された調整モジュールをさらに含んでもよい。前記再構成モジュールは、前記積分時間を調整して、検出速度または検出精度が改善されるように前記コンデンサのネットワークを再構成してもよい。前記解析モジュールは、前記複数の電圧サンプルに基づき第１次近似ラインを決定するように構成されたモジュールと、前記第１次近似ラインの傾きを前記電圧勾配の前記傾きとして特定するように構成されたモジュールとを含んでもよい。前記積分回路は、前記コンデンサのネットワークに対する電流をオンオフするように構成された入力スイッチをさらに含み、前記一組のモジュールは、前記電流が前記電圧勾配に変換される間は前記電流が通過し、前記リセットスイッチがオンされ前記電圧勾配をリセットする間は前記電流を遮断するように前記入力スイッチを制御するように構成されたスイッチ制御モジュールをさらに含んでもよい。前記一組のモジュールは、前記電流を前記電圧勾配に変換することを複数回繰り返すように構成された繰り返しモジュールを含んでもよく、前記複数の電圧サンプルは、前記繰り返しにより得られた複数の電圧サンプルの複数のセットを備え、前記解析モジュールは、前記複数の電圧サンプルの複数のセットを平均することにより前記電圧勾配の前記傾きを決定してもよい。前記一組のモジュールは、既知の値の校正用電流を前記積分回路に供給して前記校正用電流から得られた前記電圧勾配の前記傾きを記録することにより、前記積分回路の前記ゲイン設定を校正するように構成された校正モジュールをさらに含んでもよい。この装置は、前記複数の電圧サンプルのノイズ成分を低減し、前記複数の電圧サンプルの１つまたは複数の電圧サンプルを生成するように構成された、１つまたは複数のデジタルフィルタをさらに有してもよい。
上記には、前記一組のモジュールを格納するメモリと、前記一組のモジュールを実行するプロセッサとをさらに有する、装置が開示されている。また、複数のガス分子をイオン化して、複数の原子質量単位（ＡＭＵ）数を含む複数のガスイオンから構成されるイオン流にするように構成されたイオンドライブと、前記複数のガスイオンの第１の部分を選択的に通すように構成された質量フィルタであって、前記複数のガスイオンの前記第１の部分のそれぞれのガスイオンは第１のＡＭＵ値を含む質量フィルタと、前記複数のガスイオンの前記第１の部分を検出し、第１のイオン電流を生成するように構成されたイオンセンサーと、上述した装置であって、前記第１のイオン電流を検出する装置とを有する質量分析装置が開示されている。また、電磁気スペクトルの特定の部分の範囲の光の特性を測定し、第１の光電流を生成するように構成された光学センサーと、上述した装置であって、前記第１の光電流を検出する装置とを有する光学分光装置が開示されている。また、解析される電流シグナルを生成するように構成されたセンサーと、上述した装置であって、前記電流シグナルを検出する装置とを有するシステムが開示されている。
上記には、また、センサーからの電流を、装置を用いて検出する方法が開示されている。前記装置は、ゲイン設定を設けるためのコンデンサのネットワークおよびそのコンデンサのネットワークの入力と出力とを接続するためのリセットスイッチを備えた積分回路と、アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）と、プロセッサとを含み、当該方法は、積分時間の間、ゲイン設定を備えた前記積分回路により前記電流を電圧勾配に変換することと、前記ＡＤＣにより、前記電圧勾配を複数の電圧サンプルによりデジタル化し、前記複数の電圧サンプルにより前記電圧勾配を示すことと、前記プロセッサにより、前記複数の電圧サンプルを解析し、前記電圧勾配の傾きを決定する、解析することと、前記電圧勾配の前記傾きと前記ゲイン設定とに基づき、前記電流の大きさを決定することと、前記コンデンサのネットワークを再構成し、前記リセットスイッチを介して前記電圧勾配をリセットする、再構成することとを含む。この方法は、前記電圧勾配に基づき、検出可能範囲外（ＯＯＲ）の状態を判断することをさらに含み、前記再構成することは、前記ＯＯＲ状態に基づいて前記コンデンサのネットワークを再構成することを含んでもよい。前記ＯＯＲ状態を判断することは、前記電圧勾配および既定の検出可能範囲に基づき前記ＯＯＲ状態を予測することを含んでもよい。この方法は、さらに、前記ＯＯＲ状態に基づき前記積分時間を調整することをさらに含んでもよい。前記再構成することは、前記コンデンサのネットワークを再構成し、前記積分時間を調整し、検出速度または検出精度を改善することを含んでもよい。前記解析することは、前記複数の電圧サンプルに基づき第１次近似ラインを決定することと、前記第１次近似ラインの傾きを前記電圧勾配の前記傾きとして特定することとを含んでもよい。前記積分回路は、前記コンデンサのネットワークに対する前記電流をオンオフするように構成された入力スイッチをさらに含み、当該方法は、前記電流が前記電圧勾配に変換される間は前記電流が通過し、前記リセットスイッチがオンされ前記電圧勾配をリセットする間は電流を遮断するように前記入力スイッチを切り替えることをさらに含んでもよい。当該方法は、前記電流を前記電圧勾配に変換することを複数回繰り返すことをさらに含み、前記複数の電圧サンプルは電圧サンプルの複数のセットを備え、前記電圧サンプルの複数のセットを平均することにより前記電圧勾配の前記傾きを決定してもよい。
また、上記には、スペクトロメーターを含むシステムを操作するコンピュータのためのコンピュータプログラムであって、前記スペクトロメーターは、センサーと、前記センサーからの電流を検出するように構成された装置とを含み、前記装置は、ゲイン設定を設けるためのコンデンサのネットワークを含む積分回路であって、前記電流を、積分時間の間、電圧勾配に変換するように構成され、オンになるとコンデンサのネットワークの入力と出力とを接続するように構成されたリセットスイッチをさらに含む積分回路と、前記電圧勾配を複数の電圧サンプルにデジタル化するように構成されたアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）とを含み、当該コンピュータプログラムは、前記複数の電圧サンプルを解析して前記電圧勾配の傾きを決定するステップと、前記電圧勾配の前記傾きと前記ゲイン設定に基づき前記電流の大きさを決定するステップと、前記電圧勾配の前記傾きに基づき前記コンデンサのネットワークを再構成し、前記リセットスイッチを介して前記電圧勾配をリセットするステップとを実行するための実行可能なコードを含む。
【0092】
本開示はいくつかの実施形態に関して記述されているが、本開示からの便益を考慮すると、その他の実施形態が当業者には明らかになるであろう。そして、本願で説明された便益および特徴を全てではなく提供する実施形態も含まれ、それはまた本開示の範囲内である。本開示の範囲から逸脱することなく、その他の実施形態が用いられ得ることを理解されたい。
【符号の説明】
【0093】
４００ 検出装置、 ４９０ センサー
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】