高动态范围检测器校正算法

高动态范围检测器校正算法
【专利摘要】本发明提供用以执行空载时间校正的系统及方法。使用质谱仪的非可瘫痪检测系统获得所观测离子计数率。所述检测系统包含离子检测器、比较器/鉴别器、单稳态电路及计数器。所述非可瘫痪检测系统在高计数率下展现空载时间扩展。所述空载时间扩展的发生是由于所述单稳态电路需要上升沿来触发且仅可在来自所述比较器/鉴别器的输出脉冲已变低之后再次被触发。这允许恰好在由第一比较器/鉴别器脉冲开始的所述空载时间的结束之前到达的第二比较器/鉴别器脉冲将所述空载时间扩展到所述第二比较器/鉴别器脉冲的后沿。通过执行所述所观测离子计数率的空载时间校正来计算真实离子计数率。
【专利说明】高动态范围检测器校正算法
[0001] 相关申请案夺叉参考
[0002] 本申请案主张2012年5月18日提出申请的第61/648,653号美国临时专利申请 案的权益，所述美国临时专利申请案的内容以全文引用的方式并入本文中。

【背景技术】
[0003] 四极质谱仪中的离子检测系统由离子检测器、电流/电压前置放大器、比较器/鉴 别器、单稳态电路及计数器构成。所述离子检测器针对撞击其的每一离子产生一电流脉冲； 这些电流脉冲传递到电流/电压前置放大器，在所述电流/电压前置放大器处所述电流脉 冲被转换成电压脉冲。电压脉冲传递到在所述电压脉冲的前沿超过鉴别器阈值时产生逻辑 脉冲的比较器/鉴别器。所述逻辑脉冲在电压脉冲的后沿降到低于鉴别器阈值电平时结 束。所述比较器/鉴别器通过仅传输超过阈值的电压脉冲来移除噪声。所述逻辑脉冲传递 到产生设定时间周期的逻辑脉冲的单稳态电路，且接着传递到记录所观测计数的计数器。 所述单稳态电路具有在一个脉冲到达之后看不到另一脉冲的到达的临界周期；此称为空载 时间或空载时间周期。
[0004] 举例来说，检测系统空载时间为17. 5ns。来自单稳态电路的输出是宽度为8. 75ns 的逻辑脉冲。然而，单稳态电路在其准备好接受来自比较器/鉴别器的另一脉冲之前需要 额外的8. 75ns (逻辑脉冲宽度的两倍）。单稳态电路也可在其可产生另一逻辑脉冲之前需 要额外的lOOps。因此，单稳态电路逻辑脉冲具有仅为空载时间的约一半的宽度。
[0005] 空载时间损耗不同于饱和。当检测器在于输入处接收若干个离子之后无法快速地 供应足以产生输出脉冲的电流时，发生饱和。在所述情况中，从检测器输出的电流脉冲具有 降低的振幅并开始降到低于鉴别器阈值电平且不会被检测到。离子在检测器处的到达视为 时间随机过程，这可使用泊松（Poisson)分布来描述。用于将所观测计数率转换成真计数 率的方程式取决于用来处置检测器的输出的信号处置电子器件的类型。
[0006] 当太多离子在一时间周期内到达且如上所述检测器未饱和时，那么损耗通常称为 空载时间损耗。这是因为电流脉冲仍在那里，但仅不对其进行计数而已。存在测量质谱仪的 检测器的若干种不同方式。一种测量检测器的输出的方式使用脉冲计数系统。举例来说， 在脉冲计数系统中，一个离子产生一个脉冲。
[0007] -种类型的脉冲计数系统对来自鉴别器的脉冲进行计数。在此情况中，不存在设 定空载时间，因为来自鉴别器的逻辑脉冲的宽度由输入到鉴别器的模拟信号保持高于阈值 的时间确定。并不针对空载时间损耗校正计数率，且通常发生高于几百万cps的与线性度 的偏差。
[0008] 另一类型的脉冲计数系统为可瘫痪系统。在可瘫痪系统中，当来自检测器的传入 脉冲在先前脉冲的前沿的恒定空载时间周期（即，17. 5ns)内到达时，所述脉冲的前沿将空 载时间扩展所述恒定空载时间周期（即，17.5ns)。在充分高计数率下，来自信号处置电子 器件的输出保持高达经扩展时间周期，从而导致将多个脉冲计数为单个脉冲。在充分高的 真计数率下，所观测计数率随着脉冲变得越来越重叠而开始降低。
[0009] 又一种类型的脉冲计数系统为非可瘫痪系统。在非可瘫痪系统中，在先前脉冲的 恒定空载时间周期（即，17. 5ns)内来自检测器的脉冲的到达不会致使将空载时间扩展额 外的恒定空载时间周期（即，17.5ns)。一旦来自所计数脉冲的空载时间结束，系统便准备 好进行计数。在此情况中，在真计数率增加时，所观测计数率也增加。
[0010] 然而，在高计数率下，采用非瘫痪电子器件的高动态范围检测系统也可展现由于 非瘫痪电子器件的特性所致的空载时间扩展。因此，需要用于非可瘫痪高动态范围检测系 统的空载时间校正以便在高计数率下进行计数的系统及方法。

【专利附图】

【附图说明】
[0011] 所属领域的技术人员将理解，下文所描述的图式仅用于图解说明目的。所述图式 并非打算以任何方式限制本发明的范围。
[0012] 图1是图解说明根据各种实施例的计算机系统的框图。
[0013] 图2是根据各种实施例的基于未针对空载时间校正的利血平的第二、第三及第四 同位素的所测量计数率对所计算真计数率的偏差的示范性曲线图。
[0014] 图3是根据各种实施例使用用于非可瘫痪系统的空载时间校正方程式（1)转换为 真计数率的用于图2的数据的示范性曲线图。
[0015] 图4是根据各种实施例的检测系统的示范性时序图，其展示产生空载时间脉冲的 边沿触发电路可如何使空载时间脉冲扩展。
[0016] 图5是根据各种实施例与所计算空载时间调整因子的指数拟合的示范性曲线图。
[0017] 图6是根据各种实施例使用用于非可瘫痪系统的包含调整因子的空载时间校正 方程式（2)转换为真计数率的用于图2的数据的示范性曲线图。
[0018] 图7是根据各种实施例用于针对质谱仪的非可瘫痪检测系统执行空载时间校正 的系统，所述非可瘫痪检测系统在高计数率下展现为非瘫痪电子器件的特性的结果的空载 时间扩展。
[0019] 图8是展示用于针对质谱仪的非可瘫痪检测系统执行空载时间校正的方法的示 范性流程图，所述非可瘫痪检测系统在高计数率下展现为非瘫痪电子器件的特性的结果的 空载时间扩展。
[0020] 图9是根据各种实施例的系统的示意图，所述系统包含执行用于针对质谱仪的非 可瘫痪检测系统执行空载时间校正的方法的一或多个相异软件模块，所述非可瘫痪检测系 统在高计数率下展现为非瘫痪电子器件的特性的结果的空载时间扩展。
[0021] 在详细描述本发明教示的一或多个实施例之前，所属领域的技术人员将了解，本 发明教示在其应用方面并不限于以下详细描述中陈述的或图式中图解说明的构造细节、组 件布置及步骤布置。而且，应理解，本文中所使用的措辞及术语用于描述目的且不应视为具 有限制性。

【具体实施方式】
[0022] 计算机实施的系统
[0023] 图1是图解说明可在其上实施本发明教示的实施例的计算机系统100的框图。计 算机系统100包含用于传达信息的总线102或其它通信机构，及与总线102耦合用于处理 信息的处理器104。计算机系统100还包含存储器106,其可为耦合到总线102用于存储待 由处理器104执行的指令的随机存取存储器（RAM)或其它动态存储装置。存储器106还可 用于在待由处理器104执行的指令的执行期间存储临时变量或其它中间信息。计算机系统 100进一步包含耦合到总线102用于存储用于处理器104的静态信息及指令的只读存储器 (ROM) 108或其它静态存储装置。提供例如磁盘或光盘等存储装置110且其耦合到总线102 用于存储信息及指令。
[0024] 计算机系统100可经由总线102耦合到例如阴极射线管（CRT)或液晶显示器 (IXD)等显示器112以向计算机用户显示信息。包含字母数字键及其它键的输入装置114 耦合到总线102,以将信息及命令选择传达到处理器104。另一类型的用户输入装置为用于 将方向信息及命令选择传达到处理器104且用于控制显示器112上的光标移动的光标控制 件116,例如鼠标、轨迹球或光标方向键。此输入装置通常具有在两个轴（第一轴（即，X) 及第二轴（即，y))上的两个自由度，这允许所述装置规定在一平面中的位置。
[0025] 计算机系统100可执行本发明教示。依照本发明教示的某些实施方案，由计算机 系统100响应于处理器104执行存储器106中所含有的一或多个指令的一或多个序列而提 供结果。可将此类指令从例如存储装置110等另一计算机可读媒体读取到存储器106中。 存储器106中所含有的指令序列的执行致使处理器104执行本文中所描述的过程。或者， 可代替或组合软件指令而使用硬连线电路来实施本发明教示。因此，本发明教示的实施方 案并不限于硬件电路与软件的任何特定组合。
[0026] 如本文中所使用的术语"计算机可读媒体"是指参与将指令提供到处理器104以 供执行的任何媒体。此媒体可采取许多形式，包含但不限于非易失性媒体、易失性媒体及传 输媒体。举例来说，非易失性媒体包含光盘或磁盘，例如存储装置110。易失性媒体包含动 态存储器，例如存储器106。传输媒体包含同轴电缆、铜线及光纤，包含组成总线102的导 线。
[0027] 举例来说，常见形式的计算机可读媒体包含软盘、柔性盘、硬盘、磁带或任何其它 磁性媒体、⑶-ROM、数字视盘（DVD)、蓝光盘、任何其它光学媒体、拇指驱动器、存储器卡、 RAM、PR0M及EPROM、快闪EPROM、任何其它存储器芯片或盒式磁盘，或者计算机可从其读取 的任何其它有形媒体。
[0028] 在将一或多个指令的一或多个序列载运到处理器104以供执行时，可涉及各种形 式的计算机可读媒体。举例来说，最初可在远程计算机的磁盘上载运指令。所述远程计算 机可将指令加载到其动态存储器中并使用调制解调器经由电话线发送指令。在计算机系统 100本地的调制解调器可接收电话线上的数据并使用红外发射器将数据转换为红外信号。 耦合到总线102的红外检测器可接收在红外信号中载运的数据并将数据置于总线102上。 总线102将数据载运到存储器106,处理器104从存储器106检索并执行指令。由存储器 106接收的指令在由处理器104执行之前或之后可任选地存储于存储装置110上。
[0029] 根据各种实施例，经配置以由处理器执行以执行方法的指令存储于计算机可读媒 体上。所述计算机可读媒体可为存储数字信息的装置。举例来说，计算机可读媒体包含如 存储软件的领域中已知的紧致磁盘只读存储器（CD-ROM)。计算机可读媒体由适合于执行经 配置而被执行的指令的处理器存取。
[0030] 已出于图解说明及描述的目的而呈现本发明教示的各种实施方案的以下描述。其 并非穷尽性的且不将本发明教示限制于所揭示的精确形式。鉴于以上教示，可能存在若干 修改形式及变化形式或可从本发明教示的实践获得所述修改形式及变化形式。另外，所描 述实施方案包含软件，但本发明教示可实施为硬件与软件的组合或以单独的硬件来实施。 可用面向对象的程序设计系统及非面向对象的程序设计系统两者来实施本发明教示。
[0031] 实骀数据
[0032] 针对经扩展线性动态范围使用针对非可瘫痪系统的空载时间校正。具体来说，非 瘫痪空载时间校正算法允许校正由非瘫痪电子器件接收的计数率，从而导致检测系统的动 态范围的增加。然而，在较高计数率下，高动态范围检测系统也可展现为非瘫痪电子器件的 特性的结果的空载时间扩展。因此，需要用于非可瘫痪高动态范围检测系统的空载时间校 正以在高计数率下进行校正的系统及方法。
[0033] 增加的动态范围
[0034] 所有实验均是在AB SCIEX φ'ΚΛΓ κ 5500质谱仪上执行的。使用以7. 0 μ L/分 钟灌注的利血平溶液在阳离子模式中收集数据。检测系统利用具有输出处于0V的大酒瓶 式（magnum) 5901检测器的在12kV下操作的高能量转换倍增器电极（HED)。使检测器的输 出通过高增益跨阻抗（TZ)电流放大器。这允许将检测器偏置设定为比采用电压/电压前 置放大器的检测器系统的典型偏置低大约500V到600V。这允许得到约2X 108计数/秒 (cps)或更大的真计数率。
[0035] 为了扩展动态范围，将跨阻抗（TZ)放大器添加到检测器的输出。TZ放大器为具有 高增益（在高动态范围检测系统的最新版本中为13kQ增益）的电流放大器。这允许从检 测器去除增益（减小的检测器偏置电位），此允许检测器在较高计数率下进行计数而不使 检测器饱和。
[0036] 不进行空载时间校正
[0037] 为了测试检测器及其校正算法的线性度，基于利血平的第二同位素（m/z610)、 第三同位素（m/z611)及第四同位素（m/z612)的强度及预期同位素比率而计算第一同 位素（m/z609)的强度。第二、第三及第四同位素相对于第一同位素的理论同位素比率 分别为〇. 374、0. 086及0. 013。举例来说，如果第一同位素的强度为5X107cps，那么 第二同位素的强度应为1.87X 107cps(5X107cpsX0. 374)。如果第二同位素的强度被 测量为1.87X 107cps，那么可通过除以已知同位素比率而计算第一同位素的强度，即， 1.87X 107cpS/0.374 = 5X 107cps。可接着使用第一同位素的所计算强度与所测量强度之 间的差来测定校正算法的准确度。
[0038] 图2是根据各种实施例基于未针对空载时间校正的利血平的第二、第三及第四同 位素的所测量计数率对所计算真计数率的偏差的示范性曲线图200。曲线图200展示在不 进行空载时间校正的情况下，所测量计数率对所计算真计数率的偏差随着计数率的增加而 显著增加。
[0039] 在恒定空载时间的情况下的空载时间校正
[0040] 所使用的高动态范围检测系统的电子器件被视为非可瘫痪系统。用于非可瘫痪系 统的空载时间校正方程式为：
[0041]

【权利要求】
1. 一种用于针对质谱仪的非可瘫痪检测系统执行空载时间校正的系统，所述非可瘫痪 检测系统在高计数率下展现为非瘫痪电子器件的特性的结果的空载时间扩展，所述系统包 括： 质谱仪的非可瘫痪检测系统，其包含离子检测器、比较器/鉴别器、单稳态电路及计数 器，其中所述单稳态电路需要来自所述比较器/鉴别器的脉冲的上升沿来触发且仅可在所 述脉冲已变低之后再次被触发，从而允许恰好在由第一比较器/鉴别器脉冲开始的空载时 间的结束之前到达的第二比较器/鉴别器脉冲将所述空载时间扩展到所述第二比较器/鉴 别器脉冲的后沿；以及 处理器，其与所述计数器进行数据通信，所述处理器 从所述计数器接收所观测离子计数， 根据所述所观测离子计数计算所观测离子计数率，以及 使用另外包含调整因子函数的用于非可瘫痪检测系统的真实离子计数率的方程式来 执行所述所观测离子计数率的空载时间校正，所述调整因子函数考虑到所述空载时间的所 述扩展。
2. 根据前述系统权利要求的任一组合所述的系统，其中所述调整因子函数为所述所观 测离子计数率的非线性函数。
3. 根据前述系统权利要求的任一组合所述的系统，其中所述调整因子函数（adj_fac) 包括 adj _ y +agb(observed_count_rate) 其中y。、a及b为系数。
4. 根据前述系统权利要求的任一组合所述的系统，其中所述系数y()、a及b是通过将所 述调整因子函数与调整因子对校准样本的所观测计数率的曲线图拟合而确定的。
5. 根据前述系统权利要求的任一组合所述的系统，其中另外包含调整因子函数（adj_ fac)的用于非可瘫痪检测系统的真实离子计数率（true_count_rate)的方程式包括 obseriiedsountj'ate trm^comtjOte - ^ _ 〇bserved_c§untjrat9 x dead Jims x wljj'ac)
6. 根据前述系统权利要求的任一组合所述的系统，其中所述调整因子函数取决于所述 质谱仪。
7. 根据前述系统权利要求的任一组合所述的系统，其中所述调整因子函数取决于所述 离子检测器的偏置电位及所述鉴别器的阈值电平。
8. 根据前述系统权利要求的任一组合所述的系统，其中所述质谱仪包含一或多个四 极。
9. 一种用于针对质谱仪的非可瘫痪检测系统执行空载时间校正的方法，所述非可瘫痪 检测系统在高计数率下展现为非瘫痪电子器件的特性的结果的空载时间扩展，所述方法包 括： 使用质谱仪的非可瘫痪检测系统来获得所观测离子计数，所述非可瘫痪检测系统包含 离子检测器、比较器/鉴别器、单稳态电路及计数器，其中所述单稳态电路需要来自所述比 较器/鉴别器的脉冲的上升沿来触发且仅可在所述脉冲已变低之后再次被触发，从而允许 恰好在由第一比较器/鉴别器脉冲开始的空载时间的结束之前到达的第二比较器/鉴别器 脉冲将所述空载时间扩展到所述第二比较器/鉴别器脉冲的后沿； 使用处理器根据所述所观测离子计数计算所观测离子计数率；以及 使用所述处理器，通过使用另外包含调整因子函数的用于非可瘫痪检测系统的真实离 子计数率的方程式执行所述所观测离子计数率的空载时间校正而计算真实离子计数率，所 述调整因子函数考虑到所述空载时间脉冲的所述扩展。
10. 根据前述方法权利要求的任一组合所述的方法，其中所述调整因子函数为所述所 观测离子计数率的非线性函数。
11. 根据前述方法权利要求的任一组合所述的方法，其中所述调整因子函数（adj_ fac)包括 1 · η _ 丄 b(observed_count_rate) 3-Q j_x Be - y〇 十 ae 其中y〇、a及b为系数。
12. 根据前述方法权利要求的任一组合所述的方法，其中通过将所述调整因子函数与 调整因子对校准样本的所观测计数率的曲线图拟合来确定所述系数％、a及b。
13. 根据前述方法权利要求的任一组合所述的方法，其中另外包含调整因子函数 (adj_fac)的用于非可瘫痪检测系统的真实离子计数率（true_count_rate)的方程式包括 observed_c〇unt_rate true coimt rat# = " '丨丨乂............................：..........................................................丨:丨丨丨丨丨丨丨丨丨丨丨丨.----： ："：丨丨丨丨丨丨^~Γ 騰 * (1 - observedj:ountjrate x deadjime x adjJ^ac)
14. 根据前述方法权利要求的任一组合所述的方法，其中所述调整因子函数取决于所 述质谱仪。
15. 根据前述方法权利要求的任一组合所述的方法，其中所述调整因子函数取决于所 述离子检测器的偏置电位及所述鉴别器的阈值电平。
16. 根据前述方法权利要求的任一组合所述的方法，其中所述质谱仪包含一或多个四 极。
17. -种包括非暂时性及有形计算机可读存储媒体的计算机程序产品，所述非暂时性 及有形计算机可读存储媒体的内容包含具有指令的程序，所述指令在处理器上执行以便执 行用于针对质谱仪的非可瘫痪检测系统执行空载时间校正的方法，所述非可瘫痪检测系统 在高计数率下展现为非瘫痪电子器件的特性的结果的空载时间扩展，所述方法包括： 提供系统，其中所述系统包括一或多个相异软件模块，且其中所述相异软件模块包括 测量模块及校正模块； 使用所述测量模块从质谱仪的非可瘫痪检测系统获得所观测离子计数，所述非可瘫痪 检测系统包含离子检测器、比较器/鉴别器、单稳态电路及计数器，其中所述单稳态电路需 要来自所述比较器/鉴别器的脉冲的上升沿来触发且仅可在所述脉冲已变低之后再次被 触发，从而允许恰好在由第一比较器/鉴别器脉冲开始的空载时间的结束之前到达的第二 比较器/鉴别器脉冲将所述空载时间扩展到所述第二比较器/鉴别器脉冲的后沿； 根据所述所观测离子计数计算所观测离子计数率；以及 使用所述校正模块，通过使用另外包含调整因子函数的用于非可瘫痪检测系统的真实 离子计数率的方程式执行所述所观测离子计数率的空载时间校正而计算真实离子计数率， 所述调整因子函数考虑到所述空载时间的所述扩展。
18. 根据前述计算机程序产品权利要求的任一组合所述的计算机程序产品，其中所述 调整因子函数为所述所观测离子计数率的非线性函数。
19. 根据前述计算机程序产品权利要求的任一组合所述的计算机程序产品，其中所述 调整因子函数（adj_fac)包括 1 · η _ 丄 b(observed_count_rate) 3-Q j_x Be - y〇 十 ae 其中y〇、a及b为系数。
20. 根据前述计算机程序产品权利要求的任一组合所述的计算机程序产品，其中另外 包含调整因子函数（adj_fac)的用于非可瘫痪检测系统的真实离子计数率（tru e_C〇unt_ rate)的方程式包括 ，， observed comxt rate ￡ηιβ count^rut§ - ^ " , "_______~·..........................--丨丨丨丨丨丨丨?丨丨丨丨丨丨丨丨響-丨丨丨丨丨丨丨圓丨丨丨丨丨丨丨丨丨- *' - (1 - observedjcountscite ^ deadjime x adjijac) 〇·
【文档编号】H01J49/26GK104303259SQ201380025521
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2013年4月19日 优先权日:2012年5月18日
【发明者】布鲁斯·安德鲁·科林斯, 马尔蒂安·迪玛, G·伊沃什夫 申请人:Dh科技发展私人贸易有限公司