CN103270575B - 用于质谱法的数据采集***和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于在质谱仪中检测离子的数据采集***和方法，该数据采集***包括：一个检测***，该检测***用于检测离子，包括两个或更多个检测器，这些检测器用于响应于抵达该检测***的离子而在多个单独通道中输出两个或更多个检测信号；和一个数据处理***，该数据处理***用于在该数据处理***的多个单独通道中接收并处理这些检测信号、并且用于合并所处理的检测信号，以便构造一个质谱；其中在单独通道中的处理包括通过向这些检测信号应用一个阈值来从这些检测信号中去除噪声。这些检测信号优选响应于同样的离子而产生，这些信号相对于彼此在时间上是移位的。本发明适用于TOF质谱仪。

Description

用于质谱法的数据采集***和方法
发明领域
本发明涉及用于在质谱仪中检测离子的数据采集***和方法、以及这些数据采集***和方法的、以及与它们相关的改进。这些***和方法对于质谱仪(优选地，飞行时间(TOF)质谱仪)来说是有用的，并且因此本发明进一步涉及将数据采集***和数据采集方法合并的质谱仪和质谱法。本发明可以用于高动态范围和高分辨率的质谱的产生，并且这些谱可以用于有机化合物例如活性药理成分、代谢物、小肽和/或蛋白质的鉴别和/或定量。
发明背景
质谱仪被广泛用于根据离子的质/荷比(m/z)来对其进行分离和分析，并且许多不同类型的质谱仪是已知的。尽管本发明的原意是设计用于飞行时间(TOF)质谱法并且将出于用TOF质谱法进行说明的目的而进行描述，但本发明适用于其他类型的质谱法。在此将把离子作为带电粒子的一个实例进行参考，而不排除其他类型的带电粒子，除非上下文需要。
飞行时间(TOF)质谱仪是根据离子沿一条固定飞行路径的飞行时间来确定其质/荷比(m/z)。这些离子是以离子短包的形式从一个脉冲源发射出来、并且沿该固定飞行路径被引导通过一个抽空的区域而抵达一个离子检测器。离子包包括离子群，该群通常包括多种质/荷比，该群至少初始是在空间上受限的。
以恒定动能离开该脉冲源的离子在一段时间之后抵达该检测器，这段时间取决于它们的质量，离子的质量越大就越慢。TOF质谱仪要求具有(除其他特性之外)快速响应时间和高的动态范围(即，检测小和大的离子电流两者、包括在二者之间进行快速切换的能力)、优选没有如检测器输出饱和的问题的离子检测器。这种检测器还应该不过度复杂以便减少成本和操作问题。
针对动态范围的一种现有方法使用一个检测器的输出，该输出在两个不同的水平下被放大，例如，如GB 2457112 A中所描述。这个放大在电子倍增装置内或在前置放大器阶段中进行。然后，来自同一个检测器的这两个放大的输出用于产生一个高动态范围谱。对于TOF质谱法中的检测器动态范围问题的其他提出的解决方案包括使用具有不同表面积的两个收集电极用于收集从一个电子倍增器发射出的次级电子(US 4,691,160；US 6,229,142；US 6,756,587以及US 6,646,252)并且在阳极附近使用电势或磁场来改变所谓的阳极部分(US 6,646,252和US 2004/0227070 A)。另一个解决方案是使用两个或更多个单独的并且完全独立的检测***来检测入射粒子所产生的次级电子(US 7,265,346)。一个进一步的解决方案是使用位于TOF分离区域中的一个中间检测器，它提供反馈来控制最后的电子检测器的增益(US 6,674,068)。后一种检测的问题是它要求检测器上的增益的快速改变并且也难以跟踪这个增益来维持线性。又一个在US 2004/0149900 A中提出的检测安排使用了一个光束分离器来将一个离子束分成两个不相等的部分，用单独的检测器对它们进行检测。总之，这些检测解决方案的实施可能是复杂且昂贵的、和/或它们的灵敏度和/或它们的动态范围可能低于所希望的。
TOF质谱仪的另一个问题是它们还以一个非常高的速率产生数据，这是因为检测器的输出在一个非常短的时间间隔内顺次包括大量离子检测信号，例如，可以在几毫秒内以例如1GHz或更高的数据采样率检测整个TOF质谱。此外，对于有待分析的一个给定样本来说，可能需要许多谱，例如，多达一百万个谱或更多。因此，来自TOF质谱仪的数据的采集和处理中的改进也是令人希望的，例如，减少用于处理的数据的量以及数据处理的持续时间和效率的方法。
WO 2008/08867描述使用微处理器和现场可编程门阵列(FPGA)用于将数学变换应用于离子检测器的输出。对于高速应用来说，这些谱因此至少是即时(on the fly)预处理的。在US 6,870,156中描述了使用在FPGA中产生质量-强度对的数学变换，然后将这些质量-强度对传递到一个计算机上。这类方法使用如上所述在两个不同的水平下放大的一个检测器，以便提供两个不同的增益信号，对这些增益信号应用了这些数学变换。在US 5,995,989中描述了一种用于减少数据集的方法，该方法包括使用一个背景噪声阈值，该背景噪声阈值被连续地确定并且用于过滤数据并决定保留哪些数据用于随后的处理。因此，该阈值在此方法中的应用涉及连续计算。
在US 7,220,970中披露了用于通过联用不同的测量方法来测量离子的一种另外的方法，其中使用了一个收集器和一个SEM，离子被选择性地输送到该收集器或该SEM上。在US 7,238,936中描述了用于在非TOF光谱仪中调整检测器增益的一种手段，其中检测的中间阶段有充分的时间来禁用检测的后续阶段。
因此，还存在在质谱法并且具体来说数据采集***和方法中改进离子检测的需要。鉴于以上背景，创造了本发明。
发明概述
根据本发明的一个方面，提供了一种用于在质谱仪中检测离子的数据采集***，该***包括：
一个检测***，该检测***用于检测离子，包括两个或更多个检测器，这些检测器用于响应于抵达该检测***的离子而在多个单独通道中输出两个或更多个检测信号；和
一个数据处理***，该数据处理***用于在该数据处理***的多个单独通道中接收并处理这些检测信号、并且用于合并所处理的检测信号，以便构造一个质谱；
其中在单独通道中的处理包括通过向这些检测信号应用一个阈值来从这些检测信号中去除噪声。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于在质谱仪中检测离子的数据采集方法，该***包括：
使用包括两个或更多个检测器的一个检测***来检测离子、并且响应于抵达该检测***的离子，在多个单独通道中从这两个或更多个检测器中输出两个或更多个检测信号；
在一个数据处理***的多个单独通道中接收并处理这些检测信号，其中在单独通道中的处理包括通过向这些检测信号应用一个阈值来从这些检测信号中去除噪声；并且
在该数据处理***中合并所处理的检测信号，以便构造一个质谱。
本发明的数据采集***和方法对于在TOF质谱法中产生一个高动态范围质谱来说是尤其有用的。由检测***产生的这两个或更多个检测信号优选具有不同的增益，使得可以在单独通道中处理之后，在数据处理***中合并这些信号，以便形成一个高动态范围谱。例如，到目前为止已发现，104至105的动态范围是可实现的。使用本发明的***和方法尤其是在TOF质谱法中所采集的谱可以用于有机化合物例如活性药理成分、代谢物、小肽和/或蛋白质的鉴别和/或定量，和/或物种的基因型或表型的鉴别等等。
通过在合并所处理的信号以便形成质谱之前在单独处理通道中对每一个检测信号执行处理(尤其是应用噪声阈值)，在由这些所处理的信号构造质谱中提供了改进的灵活性，这是因为每个单独的检测信号都独立地经受数据处理的每个步骤，并且处理***由此具有可供用来构造质谱的、来自检测***的每个输出端的一个检测信号。该至少两个信号源于不同的、即单独的检测器，这些检测器具有例如不同的噪声水平和不同的基线，并且因此优选将一个特定的阈值函数应用于每个检测通道。此外，可以将以此方式保持分离的所处理的检测信号分离地存储在例如一个数据***上，以用于进一步使用，例如在质谱的进一步的构造中。因此，本发明使得能够对来自检测***的数据进行改进和更有效的使用。通过在这些单独通道中使用这些检测信号的并行处理，由本发明提供的改进在没有处理速度的任何显著牺牲的情况下进行。
该质谱仪可以是任何适合类型的质谱仪，但优选是一个TOF质谱仪。术语TOF质谱仪在此是指一种质谱仪，该质谱仪包括一个TOF质量分析仪作为唯一的质量分析仪或者与一个或多个另外的质量分析仪相组合，即，作为一个唯一的TOF质谱仪或混合TOF质谱仪。
该质谱仪包括用于产生离子的一个离子源。可以使用质谱法领域中的任何已知且适合的离子源。适合的离子源的实例包括但不限于：使用电喷射电离(ESI)、激光解吸、基质辅助的激光解吸电离(MALDI)或大气压电离(API)产生离子的离子源。与本发明在TOF质谱法中的优选应用保持一致，离子源优选是具有脉冲注入器、适合用于TOF质谱仪的离子源，例如上述类型的离子源，即，产生离子包的脉冲离子源。
由离子源产生的离子(例如，在TOF质谱法中产生的离子包)被传递到一个质量分析仪上，该质量分析仪根据质/荷比(m/z)分离这些离子。因此，该质谱仪还包括用于从离子源接收离子的一个质量分析仪。可以使用质谱法领域中的任何已知且适合的质量分析仪。适合的质量分析仪的实例包括但不限于TOF、四极或多极过滤器、静电阱(EST)、扇形电场、扇形磁场以及FT-ICR质量分析仪。EST的实例包括但不限于3D离子阱、线性离子阱以及轨道离子阱如OrbitrapTM质量分析仪。与本发明在TOF质谱法中的优选应用保持一致，质量分析仪优选包括一个TOF质量分析仪。两个或更多个质量分析仪可以用于串联(MS2)和更高阶(MSn)的质谱法，并且质谱仪可以是一个混合质谱仪，该混合质谱仪包括两个或更多个不同类型的质量分析仪，例如，四级TOF质谱仪。因此，应了解的是，本发明适用于已知构型的质谱仪，包括串联质谱仪(MS/MS)和具有多阶质量处理的质谱仪(MSn)。
另外的组件如碰撞单元可以用于在由质量分析仪进行质量分析之前提供碎裂离子的能力。
根据质/荷比(m/z)由质量分析仪分离的这些离子抵达检测***以用于检测。在下文描述检测***的另外的细节。
应了解的是，具有离子源、一个或多个质量分析仪、以及检测***的质谱仪的各阶段以及任选阶段例如像碰撞单元可以通过如本领域中所已知的离子光学组件、例如使用离子导向器、透镜、偏转器、孔口等中的一个或多个连接在一起。
质谱仪可以联结到如本领域中已知的其他分析装置上，例如，它被联结到一个色谱***(例如，LC-MS或GC-MS)或一个离子迁移光谱仪(例如，IMS-MS)等等上。
当要求离子检测的高的动态范围时并且还在要求以高速进行这种检测(例如在TOF质谱仪中)时，本发明的***和方法是有用的。本发明特别适合用于在TOF质谱仪、优选在多反射TOF质谱仪、并且更优选在具有长飞行路径的多反射TOF质谱仪中检测离子。本发明可以用于如下TOF质谱仪，其中待检测的峰的峰宽(半峰全宽或FWHM)高达约50ns宽，但在某些情况下峰宽可以是还要更宽。例如，峰的峰宽可以高达约40ns、高达约30ns和高达约20ns，典型地在0.5ns至15ns的范围内。优选地，待检测的峰的峰宽是0.5ns或更宽，例如1ns或更宽，例如2ns或更宽，例如3ns或更宽，例如4ns或更宽，例如5ns或更宽。优选地，待检测的峰的峰宽典型地是12ns或更窄，例如11ns或更窄，例如10ns或更窄。这些峰宽可以在以下范围内，例如1ns至12ns，例如1ns至10ns，例如2ns至10ns，例如3ns至10ns，例如4ns至10ns，例如5ns至10ns。
该检测***优选是一种用于在TOF质谱仪中检测离子的检测***。因此，快速检测器是所希望的并且是本领域中所已知的。该检测***至少包括第一检测器和第二检测器，它们用于响应于抵达该检测***的离子而在单独通道中相应地产生第一检测信号和第二检测信号。因此，本发明的***包括独立的第一检测器和第二检测器，这与在使用了一个单一检测器的GB 2457112、WO 2008/08867、US 7,501,621以及US 2009/090861 A中所描述的现有技术的***形成对照，该单一检测器提供一个单一检测信号，该单一检测信号随后仅仅在两个不同的增益下放大。
这两个或更多个检测器优选从同样的离子中产生这些检测信号，这些信号相对于彼此在时间上是移位的。因此，首先抵达第一检测器以便从该第一检测器产生一个信号的这些同样的离子或次级粒子(如由其产生的电子)在一个时间延迟后抵达第二检测器，以便从该第二检测器产生一个信号，来自该第二检测器的信号由此相对于来自该第一检测器的信号在时间上延迟。这使得能够通过使用由第一检测器与第二检测器两者所检测的同样的离子来有效地使用这些离子。因此，第二检测器优选位于第一检测器的下游，更优选位于该第一检测器之后。
第一检测器和第二检测器可以包括相同类型的检测器、或优选地不同类型的检测器。第一检测器和第二检测器优选相应地是一个低增益检测器和一个高增益检测器。第一检测器和第二检测器优选各自独立地是一个带电粒子检测器(例如，抵达离子或由抵达离子产生的次级电子的一个检测器)或者是一个光子检测器(例如，由抵达离子直接或间接产生的光子的一个检测器)。例如，第一检测器和第二检测器中的每一个都可以包括一个带电粒子检测器，或第一检测器和第二检测器中的每一个都可以包括一个光子检测器，或第一检测器和第二检测器之一可以包括一个带电粒子检测器、而第一检测器和第二检测器中的另一个可以包括一个光子检测器。优选地，第一检测器(其可以是低增益检测器)包括一个带电粒子检测器。优选地，第二检测器(其可以是高增益检测器)包括一个光子检测器。该设备由此能够在发生输出饱和之前检测高速度的进入的粒子，例如通过使用具有典型地比光子检测器更低的增益(虽然具有更大噪声)的带电粒子检测器。因此，大的动态范围是可实现的。适合类型的带电粒子检测器包括多种电子检测器，例如以下：具有检测阳极的一个次级电子倍增器(SEM)，其中该SEM可以是一个离散代纳电极SEM或一个连续代纳电极SEM。该连续代纳电极SEM可以包括一个通道电子倍增器(CEM)或更优选一个微通道板(MCP)。适合类型的光子检测器包括以下例如：光电二极管或光电二极管阵列(优选雪崩光电二极管(APD)或雪崩光电二极管阵列)、光电倍增管(PMT)、电荷耦合装置、或光敏晶体管。固态光子检测器是优选的并且更优选的光子检测器是光电二极管(优选雪崩光电二极管(APD))、光电二极管阵列(优选APD阵列)或PMT。检测***可以用于检测带正荷的离子或者带负荷的离子。
在检测***的一个优选安排中，检测***包括一个SEM，该SEM响应于接收抵达离子而产生次级电子、并且使用了一个带电粒子检测器，该带电粒子检测器包括一个检测阳极或电极，该检测阳极或电极对于由SEM产生的次级电子是透明的。该透明电极拾取电子穿过它的通路，例如，电子使用联结到该透明电极上的一个电荷计或电流计来进行检测。因此，该透明电极(其可以包括一个薄导电(例如，金属)层)形成检测***的第一、低增益检测器。然后，穿过透明电极的电子从第二检测器产生一个信号。具体来说，穿过透明电极的电子冲击一个闪烁体并且由该闪烁体产生的光子由一个光子检测器来检测。因此，该光子检测器形成检测***的第二、高增益检测器。在专利申请号GB 0918629.7和GB 0918630.5中描述了这类检测器，这些专利申请的内容特此通过引用以其全部内容结合。这样一种检测***是高效的，这是因为由电荷检测器来检测的次级电子还用于产生由光子检测器来检测的光子。光子和光子检测器的使用还使得能够从用于次级电子产生的高电压中去耦合，(例如)以便使得检测***的这一部分独立于加速电压(和极性)。
虽然在此提到了第一检测器和第二检测器，但这不排除一个或多个另外的检测器的使用和一个或多个另外的检测信号在多个单独通道中的输出，例如，第三检测器和检测信号等等，这在一些情况下可能是有用的。在这些情况下，优选的是这个或这些另外的检测器相应地用于产生一个或多个另外的检测信号、并且这些信号在数据处理***的一个或多个另外的相应通道中被接收并处理，即，每个检测器都在其自身通道中产生一个相应的检测信号，该相应的检测信号在其自身相应的处理通道中被接收并处理，并且每个相应的处理后的检测信号都被用于构造质谱。因此，在此所指的第一检测信号和第二检测信号、第一检测器和第二检测器、第一通道和第二通道等等包括具有第三(和另外的)检测信号、第三(和另外的)检测器、第三(和另外的)通道等的情况，然而，优选地，该检测***仅包括两个检测器。
因此，由本发明使用的检测***优选具有一个高的动态范围，该高的动态范围此外可以由组件的一个简单的、稳健的并且低成本的安排来提供。该检测***优选地响应于低的进入离子速率直到单个粒子计数，即，具有高灵敏度，这例如是通过使用一个高增益检测器如光子检测器而提供的，该高增益检测器由于在接地电势下的光子检测而具有高增益和低噪声的优点。该检测***此外还能够在发生输出饱和之前检测高的进入粒子速率，例如通过使用具有典型地比光子检测器更低的增益(虽然具有更大噪声)的低增益检测器如带电粒子检测器。104至105的动态范围是可以实现的，例如通过合并来自第一检测器和第二检测器的数据(即，在处理第一检测信号和第二检测信号之后)，以便产生一个高动态范围谱。因此本发明可以避免在不同增益下获得多个谱以便检测非常小和非常大的峰的需要。
这一种安排的另一个优点是，如果一个检测器在一个实验轮次中不能运行，那么从剩余的一个或多个工作的检测器仍可以获得至少一些数据。
该数据处理***被设计成执行一个或多个功能，现对这些功能进行详细描述。
优选地，该数据处理包括在这些单独通道中预放大这些检测信号。这些信号可以按照此方式独立地预放大，即，通过应用相同的或不同的增益，优选不同的增益。这使得除了优选由使用不同类型的检测器作为检测***的第一检测器和第二检测器所引起的增益的任何区分之外，还能够对检测信号之间的增益进行进一步区分。除了检测器之间固有的任何增益差之外，使用前置放大器在这些通道之间应用一个增益差也使得ADC的全范围能够被使用。因此，该数据处理***优选包括一个前置放大器，该前置放大器优选具有两个或更多个通道，这些通道用于独立地预放大每个检测信号。将所预放大的检测信号在这些单独通道中从前置放大器输出到数据处理***的一个另外的部件、优选一个数字转换器中。优选地，在其他任何处理之前放大这些检测信号。
优选地，该数据处理包括在数据处理***的单独通道中将这些检测信号数字化。这些信号可以按照此方式被独立地数字化。该***可以包括两个(或更多个)单独的(独立的)数字转换器，即，每个通道有一个，或一个双通道数字转换器(或多通道数字转换器)可以被使用并且确实可以是有成本效益的。对于本申请来说具有所要求的数据率和准确度的合适的双通道数字转换器在电信应用中用于(例如)I/Q-检测。因此，这些检测信号各自优选地在一个模数转换器(ADC)中数字化，该模数转换器具有两个或更多个通道用于独立地将这些检测信号数字化。因此，该数据处理***优选包括一个数字转换器(ADC)，该数字转换器优选具有两个或更多个通用于独立地将每个检测信号数字化。这些检测信号(优选如上所述在单独通道中预放大之后)优选相应地被输入到ADC的单独通道上，以便在进一步处理之前(包括在通过应用阈值去除噪声的步骤之前)，将这些检测信号数字化。在单独通道中将这些数字化的检测信号从ADC输出到数据处理***的另一个部件上。
该数据处理***是一种具有两个(或更多个)处理通道的***，这些处理通道用于分离处理这些检测信号中的每一个，尤其用于在两个(或更多个)处理通道中进行并行处理。优选地，在合并这些检测信号以便构造质谱之前，在数据处理***的单独通道中执行对这些检测信号的大多数处理。因此，在数据处理***的单独的(即，独立的)处理通道中、优选并行地(即，同时)执行对这些检测信号的处理。因此，使得这些检测信号在数据处理***中保持分开，直到通过合并这些检测信号构造成质谱为止。术语所处理的检测信号在此指的是已经由数据处理***处理之后的检测信号。然后，所处理的检测信号由数据处理***合并以便构造质谱。
除了预放大并将上述检测信号数字化的任选步骤(这些步骤优选在其他数据处理之前执行)外，数据处理优选包括以下步骤中的一个或多个，其中步骤iii)是必要的：
i.)对检测信号进行抽样(decimating)；
ii.)计算用于去除噪声的阈值；
iii.)通过应用一个阈值来从这些检测信号中去除噪声；
iv.)在去除噪声后包装这些检测信号；
v.)在这些检测信号中表征峰；
尽管处理步骤的顺序可以改变，但以上步骤的顺序表示这些步骤的优选顺序。另外的任选数据处理步骤，如本领域中已知的处理步骤，可以在合并这些检测信号之前由数据处理***在这些单独通道中执行。在以上所选择的处理步骤之后是合并所处理的检测信号以便构造质谱的步骤。
应意识到的是，由数据处理***执行的处理，在构造质谱之前执行减少检测信号的数据的功能，以便简化并加速质谱的构造。现将对这些处理步骤进行更详细的描述。
处理优选包括对数据处理***的单独通道中的检测信号进行抽样，以便减少各检测信号的采样率。各检测信号的采样率可以减少例如2倍或4倍或另一个值。抽样后检测信号的所得的采样率可以典型地为至少250MHz，优选在250MHz到1GHz的范围内，更优选在250MHz至500MHz的范围内优选地，抽样对于每个峰产生多个数据点，在平均峰宽上有大约例如3、5、7、9或11个点。在数字化步骤后执行抽样像其他处理步骤一样，优选在相应处理通道的每一个中对这些检测信号并行执行抽样。数据处理***优选包括一个抽样器或抽样模块，以便执行抽样。该抽样器或抽样模块优选在一个专用处理器如FPGA、GPU或Cell上，或在其他专用抽样硬件上实施。该抽样模块优选在任选的前置放大器和ADC之后、但在一个阈值模块去除噪声之前处理这些检测信号。适合的抽样方法包括：添加多个连续点(即，输入值到抽样器)，以便形成一个所得的点(即，该抽样器的输出值)，该所得的点是一种取平均值的形式；仅仅保留每第n个输入值。典型地，在抽样中，在减少点的数量之前，将一个数字过滤器(典型地，一个带通过滤器)应用于这些信号。如果这些信号中的“毛刺”是一个现存的问题，那么这可以是一个可靠的解决方案(然而，存在其他解决方案，如中值过滤器)。
处理包括通过向这些检测信号应用一个阈值来从它们中去除噪声。数据处理***优选包括一个噪声阈值或去噪模块，该噪声阈值或去噪模块用于应用该阈值以便去除噪声。该阈值或去噪模块可以在一个专用处理器例如像FPGA、GPU或Cell，更优选地，在用于执行抽样(如果使用抽样的话)的同一个专用处理器上实施。该专用处理器优选用于应用阈值以便即时去除噪声。
去噪步骤导致在这些检测信号中仅仅留下了峰(即，从背景突出的峰)。检测信号各自包括数据点在时间上(即，瞬变)的序列，每个点都具有一个强度值，这些点组成一个数据集。阈值起作用以从这些检测信号中去除噪声，即，它去除具有小于阈值的强度值的多个点。所去除的点在数据中有效地替换为零。因此，它仅仅传递这些检测信号的点，以用于合并不小于阈值的检测信号。以此方式，数据的传递和存储所要求的带宽降低。
由数据处理***应用的阈值拒绝具有低于阈值的强度值的检测信号的点，使得仅仅具有等于或超过一个或多个阈值的强度值的检测信号的点被用来构造质谱。阈值是对检测信号的噪声的度量，使得应用阈值起到噪声过滤器的作用。阈值可以包括一个或多个阈值。单一个阈值可以用于检测信号的所有点，但优选地，尤其是对于TOF应用来说，使用多个阈值，例如，其中检测信号的每个点或每组点都使用其自身相关联的阈值(即，其应用其自身相关联的阈值)来过滤。因此，由于检测信号中的点为多个时间点，因此优选地，尤其是对于TOF应用来说，阈值是在检测信号中随时间而变的一个动态阈值，例如，该时间是TOF应用中的飞行时间。
应用一个阈值来在单独处理通道的每一个中去除噪声，即，使得该阈值被独立地、优选并行地应用到这些检测信号上。可以向这些检测信号的每一个应用同样的或单独的阈值，但优选地，向这些检测信号的每一个应用一个单独的阈值。向第一检测信号和第二检测信号独立地应用阈值使得能够使用更准确的阈值、并且因此更好地使用来自每个检测信号的数据，例如，可能存在很少失去有用数据的机会，在对这两个信号应用同一个阈值水平时可能会发生失去有用数据。由于该至少两个检测信号源于不同的检测器，这些检测器可能具有不同的噪声水平和不同的基线，因此，对于每个通道来说，优选需要一个特定的阈值函数。该阈值应用还可以包括相关峰拾取(即，其中阈值在每个通道中被独立地应用到信号上，但当在一个通道中在一个信号中发现一个由一组数据点构成的峰时，将对应的数据点组保留在这两个通道中)。
在针对这些检测信号计算单独的阈值的情况下，可以并行地或者顺序地(优选并行地)计算这些阈值。阈值可以从检测信号(使阈值应用于其上)即时计算或可以从一个或多个先前的检测信号或从一个或多个先前构造而成的质谱计算。在阈值从检测信号(具有阈值应用于其上)即时计算的情况下，阈值的计算优选由数据处理***的一个快速处理装置(例如，FGPA、GPU或Cell)执行，如以下更详细描述。换言之，阈值模块优选如上所述在一个快速处理装置上实施。在阈值从一个或多个先前的检测信号或从一个或多个先前构造而成的质谱计算的情况下，阈值的计算优选在数据处理***的仪器用计算机中执行，如以下更详细描述。
阈值优选存储在一个查找表(LUT)(例如，具有各种时间范围)中，尤其是对于TOF应用来说。因此，通过将检测信号与存储在LUT中的阈值相比较来简单地应用阈值。将检测信号与存储在LUT中的一个阈值相比较是一个计算简单的程序并且已发现作为一个噪声过滤器是有效的。一个单独的LUT优选被计算并用于每个检测信号，即，一个单独的LUT优选被计算用于每个处理通道。LUT优选驻留(至少在应用阈值时)在快速处理装置上，尤其是如果在该快速处理装置上计算的话。LUT可以被计算和/或存储在另一个处理器(例如仪器用计算机的例如CPU核心)上，尤其是如果在另一个处理器上计算并且上传到快速处理器上以供该快速处理器应用阈值的话，其中LUT驻留(至少在应用阈值时)在快速处理装置上。
一个LUT可以被计算用于一个给定的处理通道并且用于处理此通道中的多个随后的检测信号，从处理效率的观点来看，这是优选的，这是因为对于每个新的检测信号来说，没有计算一个新的LUT。可替代地，特别是如果噪声水平从一个检测信号(扫描)到另一个显著变化，那么一个新的LUT可以被计算并用于每个检测信号。在后一种情况下，尤其优选的是在快速处理装置上计算每个新的LUT，该快速处理装置将应用去噪阈值。LUT或阈值的这种即时计算要求在阈值的确定过程中将数据缓存。另一种方法可以包括记住来自先前(原始)扫描的LUT的总体形状并且通过根据比用于构造原始LUT的更少数量的点所确定的一个因子将整个LUT缩放。后一种方法可以涉及一个或多个全LUT/扫描的缓存，直到LUT被更新。在某些实施例中，LUT的动态特性可以限制成不超过预期的扫描与扫描间的最大变化并协调这两个(或更多个)通道之间的阈值的相对缩放。
超过去噪阈值的这些检测信号(即，其点)优选由数据处理***包装，例如，以用于更有效的进一步处理(例如，表征这些峰)和/或传递到数据处理***的一个不同的装置上(例如，从执行了去噪的一个快速的专用处理装置传递到一个通用计算机如仪器用计算机的一部分上)。包装步骤优选是对这些检测信号中的每一个执行的，即，在单独通道的每一个中，并且典型地用于实现对这些检测信号的更快的进一步处理和/或传递。对数据的包装优选包括将数据包装成帧。在应用阈值中，将由此鉴别的噪声点典型地替换为零。在所包装的数据中优选省略通过应用阈值而留在数据中的零，从而使得数据能够被压缩。所包装的数据中的剩余数据的位置优选例如通过一个时间戳或其他位置值(例如，数据在信号中的序列号)来指示。优选地，每个帧的宽度都是灵活可变的，使得每个帧都具有在从最小尺寸到最大尺寸范围内的一个尺寸，并且使得每个帧都由该最小尺寸组成，除非在一个帧中存在达到该最小尺寸的一个峰，在这种情况下，该帧延伸超过该最小尺寸，直到在该帧不延伸超过该最大尺寸的条件下该峰被结束，这样使得如果存在到达该最大尺寸的该峰，那么该峰的这些点在下一个帧中继续。在此在下文给出数据包装的另外的细节和实例。以在此所述的方式减少数据并且在数据处理***上包装所减少的数据促进了在该数据处理***内的高速传递(例如，从一个专用的即时处理器如FPGA、GPU或Cell传递到仪器用计算机上)和随后更快的处理。
本发明优选在通过应用阈值进行的去噪步骤之后进行至在检测信号中检测并表征峰。如果已在去噪后包装了数据，那么优选在峰检测和/或表征之前对数据进行解包。解包优选并不包括将零再引入数据中，但峰数据优选是从这些帧中提取的。执行峰检测以便鉴别阈值处理之后留下的数据中的特定峰。该峰检测在所检测的峰的表征之前执行并且该表征可以包括以下两个步骤中的一个或优选两个：
a)产生用于这些峰的一个或多个品质因子；并且
b)例如使用一种质心算法确定这些峰的质心。
该品质因子可以用于确定峰的确定的质心是否是或将是可靠的、并且另外的动作是否是必要的，例如，应用一个不同的(例如，更复杂的)峰检测和/或质心算法，或(即)从一个新的检测信号中再采集峰。优选地，一个峰的品质因子包括评估峰的平滑度和/或形状、并且任选地将该峰的平滑度和/或形状与一个预期的或模型平滑度和/或形状相比较。在下文描述检测和表征峰的另外的细节。任选地，最终无法以一个充分高的品质因子采集的峰(例如，即使在任选的再采集或高级峰检测方法之后)可以从最终合并的谱中舍弃(例如，不用于形成最终合并的谱)或可以保留在合并的谱中但任选地被标记为具有低品质。
本发明优选地在合并两个或更多个检测信号之前，将它们对齐。这种对齐用于校正这些单独通道之间的时间延迟。将一个或多个检测信号在时间轴上移动一个确定的偏移。该偏移可能已经在一个校准步骤中确定。
校准步骤优选被执行来将这些检测信号的峰的时间坐标转换为m/z比。可以在合并这些检测信号以便构造质谱之前或之后执行校准。换言之，对于TOF应用来说，本发明包括校准这些检测信号和/或质谱，以便将飞行时间转换为m/z。校准方法在本领域中是已知的并且可以用于本发明中。可以使用内部校准和/或外部校准，如以下更详细地描述。
所处理的检测信号由数据处理装置合并以便构造一个质谱，优选具有高动态范围(HDR)的质谱。这样一种质谱在此被称为合并的质谱。所处理的检测信号优选包括高增益信号和低增益信号，例如，这是由于这些检测信号是由具有固有的不同的增益的至少第一检测器和第二检测器产生、和/或由于由前置放大器所应用的不同增益。如在本文别处所述，高增益检测信号优选源于一个检测器(其为光子检测器)、而低增益信号优选源于一个检测器(其为带电粒子检测器)。使用高增益信号和低增益信号(尤其是来自上述检测器类型的)使得能够获得HDR谱。
合并高增益检测信号和低增益检测信号以便形成(高动态范围)质谱的步骤优选包括对于质谱中的其中高增益检测信号不饱和的数据点使用高增益检测信号来构造质谱，并且对于质谱中的其中高增益检测信号饱和的数据点使用低增益检测信号来构成质谱。对于质谱中的、低增益检测信号用于形成质谱的数据点来说，低增益检测信号优选通过高增益检测信号相对于低增益检测信号的放大倍数来缩放。
合并步骤中的数据率可以被减少，例如通过仅仅使用这些检测信号的质心合并这些检测信号。因此，可以仅合并这些检测信号的质心-强度对。
合并可以包括仅合并具有充分高的品质因子的那些峰。在已经达成了充分高的品质因子后，可以在任选地将具有过低品质因子的峰合并成构造而成的质谱中之前，使它们经受高级峰检测和/或峰的再采集，以便改进品质因子。实际上，只有一个检测信号必须含有具有充分高的品质因子的峰。因此优选地，对于一个给定峰来说，只有对于此峰来说具有最高品质因子的信号被用于合并的谱，条件是该最高品质因子本身充分高。
对于每个通道来说，可以在来自单独通道的这些检测信号合并在一起以便在形成最终质谱之前将在此通道中处理的两个或更多个(优选大量)检测信号加合在一起。检测信号的加合可以在数据处理中的任何适合时刻执行。例如，这些检测信号可以在去噪之前、在例如在此所述的快速处理器上进行抽样之后进行加合，即，使得对多个检测信号的加合执行一个去噪步骤。在另一个实例中，可以对多个所处理的检测信号进行加合，即，在已对每个信号执行这些处理步骤后，但在合并来自每个通道的信号以便形成合并的质谱之前。
可替代地或另外地，可以对两个或更多个、优选大量的合并的质谱进行加合以便形成最终的质谱。
在此所指的质谱包括指在其范围内的具有除m/z外但与m/z相关的域的任何其他谱，该域例如像在TOF质谱仪的情况下的时间域、频域等等。
总之，由数据处理***进行的处理可以优选地包括以下处理步骤：
在单独通道中将这些检测信号数字化；
向数据处理***的每个单独通道中的检测信号应用一个查找表(LUT)，在该单独通道中一个检测信号有待处理，其中该LUT限定表示噪声水平的一个阈值；
通过例如使用一个快速的、专用处理器(例如，FPGA、GPU或Cell)应用LUT中的阈值来从单独通道中的这些检测信号中去除噪声，其中仅仅不小于阈值的检测信号的点超过这些阈值并被传递；
例如使用快速处理器包装超过阈值的检测信号的点并且将包装好的点传递到仪器用计算机上；
在仪器用计算机上将这些检测信号的点解包并检测这些检测信号中的多个峰；
使用仪器用计算机查找所检测的峰的质心；
确定所检测的峰的一个或多个品质因子，任选地使用这些品质因子来确定进行哪些另外的数据处理步骤或另外的数据采集步骤(即，使用品质因子用于依赖数据的决定)；并且
例如使用在校准过程中确定的值将这些检测信号对齐。在这些处理步骤之后的是以下步骤：合并所处理的检测信号，以便构造质谱。
该数据处理***包括至少一个数据处理装置，该数据处理装置可以包括任何适合的一个或多个数据处理装置。该数据处理***优选包括至少一个专用处理装置，尤其用于来自检测***的检测信号的即时快速处理。专用处理装置典型地仅仅是对时间关键步骤所要求和/或使用的，这些时间关键步骤是达至并且任选地包括数据包装步骤的那些步骤。优选地，该至少一个专用处理器被设计成进行至少抽样和使用阈值来进行噪声过滤。随后的步骤可以随时有效地执行，包括离线(除非需要信息用于该***中的多个依赖数据的采集决定)。数据处理***的专用处理装置尤其是一个快速处理装置，该快速处理装置具有两个或更多个通道，这些通道用于在其中执行并行计算。专用处理装置的主要特征在于它必须能够以所要求的(抽样的)数据率执行所要求的计算步骤。这类快速的专用处理装置的优选实例包括以下各项：数字接收信号处理器(DRSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、图形处理单元(GPU)、单元宽带引擎处理器(Cell)等等。优选地，该数据处理***包括一个专用处理装置，该专用处理装置选自下组，该组由FPGA、GPU以及Cell组成。该数据处理***可以包括两个或更多个专用数据处理装置，这些专用数据处理装置例如选择下组：FPGA、GPU以及Cell，并且这两个或更多个专用数据处理装置可以是相同的(例如，两个FPGA)或不同的(例如，一个FPGA和一个GPU)。然而，在数据处理***中使用两个或更多个这类专用处理装置是不太优选的，这是因为这些装置之间的总线连接对于数据来说可能变成一个瓶颈、并且一个单一的这种装置典型地能够执行所要求的数据处理。因此，该数据处理***优选具有一个专用数据处理装置，如选自下组的一个装置：FPGA、GPU以及Cell。该至少一个专用处理装置优选用于即时处理或计算。
该至少一个专用处理装置可以执行对这些检测信号的部分处理(即，这些处理步骤中的一些但不是全部)或在一些情况下，对这些检测信号的所有处理。该至少一个专用处理装置优选用于至少以下步骤：通过应用阈值来从这些检测信号中去除噪声。如上所述，该专用处理装置典型地仅仅是对时间关键步骤所要求和/或使用的，这些时间关键步骤是达至并且任选地包括数据包装步骤的那些步骤，该数据包装步骤包括以下步骤：通过应用阈值来从这些检测信号中去除噪声。因此，该至少一个专用处理装置优选进一步用于在此所述的至少以下数据处理步骤：
·对这些检测信号进行抽样；
·通过应用阈值来从这些检测信号中去除噪声；
·在去除噪声后包装这些检测信号。
该至少一个专用处理装置还可以用于其他数据处理步骤，包括以下步骤中的任何一个或多个：
·计算用于去除噪声的阈值；
·表征这些检测信号中的多个峰(例如，在去噪后)；
·合并这些检测信号以便构造一个质谱。
优选在专用处理装置上执行计算去噪阈值的步骤，其中需要即时计算该阈值，例如，其中对于每个检测信号来说，为了性能原因而要求一个限定阈值的新LUT。在其他情况下，优选在一个不同的、优选多用途计算机(例如，多核处理器、CPU或嵌入式PC)上计算阈值/LUT，该计算机可以是仪器用计算机的一个处理器，并且可以将该阈值/LUT上传到专用处理器如FPGA、GPU或Cell上，以使该阈值应用到这些检测信号上。
在这些检测信号由专用处理器部分处理并且从该专用处理器传递之后，还可以在一个专用处理装置上执行、但优选在一个通用计算机例如多核处理器、CPU或嵌入式PC上执行表征检测信号中的多个峰和/或合并这些检测信号以便构造一个质谱的这些步骤，该通用计算机可以是仪器用计算机或其一部分。
该数据处理***优选包括一个计算机，该计算机通常被称为仪器用计算机。该仪器用计算机典型地包括一个通用计算机，例如，多核处理器、CPU或嵌入式PC。该仪器用计算机可以任选地包括一个专用处理器，如GPU或Cell，例如用于加快数据处理。该仪器用计算机可以执行通过阈值去噪之后的数据处理步骤中的一些，如峰表征和通过合并处理过的检测信号构造质谱。
该仪器用计算机能够控制仪器(即，质谱仪)的一个或多个工作参数，例如，离子隔离窗口宽度、离子注入时间、使用碰撞单元情况下的碰撞能量以及多个功能如自我监控，例如，检测器再校准。该仪器用计算机优选做出多个依赖数据的决定，以便基于对数据采集的评估(例如，基于对质谱中的峰品质的评估)修改质谱仪的工作参数用于随后的数据采集，即，检测信号的采集。所计算的峰品质因子可以用于这类评估。例如，如由数据处理***所评估的不良地解析的峰可以引起仪器用计算机修改质谱仪的工作参数，以便在随后的采集中采集更好品质的峰或谱(例如，在更高的分辨率下)。作为另一个实例，仪器用计算机可以在LC-MS实验中评估色谱峰的轮廓，以便确定何时执行MS/MS采集。在WO 2009/138207和WO2008/025014中披露了可以由仪器用计算机做出的这些类型的依赖数据的决定的其他实例。典型的依赖数据的决定用于根据所检测的质量来决定在随后的实验中是否启动特定质量的隔离和/或碎裂。
该仪器用计算机可以例如由于一个或多个依赖数据的决定(例如，基于所处理的检测信号和/或质谱中的值的评估的一个或多个依赖数据的决定)的结果而用于对检测***的一个或多个工作参数进行控制。例如，该仪器用计算机可以控制检测***的这些检测器中的一个或多个的增益或由此产生的检测信号。例如，可以改变检测器的工作参数或可以改变检测信号的预放大量。例如，在由该检测器产生的一个检测信号中检测到一种饱和状况时，检测器或其信号的增益可以降低。该仪器用计算机可以例如用于通过一个反馈过程来实施增益控制。在一个这样的实施例中，由数据处理***从来自一个实验轮次的这些检测器中的一个或多个中采集的检测信号可以用于在随后的实验轮次中的一个或多个检测器的增益控制。
具体来说，可以以下方式控制检测信号或检测器的增益：
·通过使用一个先前的检测信号或质谱来确定强(或弱)峰何时会抵达，例如，高于(或低于)一个预定阈值的峰。然后可以使用以下一种或多种方法：
a)在存在(即，检测到)强(或弱)峰时将该检测器的增益调低(或调高)。降低强峰的增益还可以延长检测器的寿命，尤其是对于光子检测器来说。；
b)在存在(即，检测到)强(或弱)峰时，优选通过以下一种或多种方法调整抵达检测***的离子的数量或在检测***的一个SEM中由这些抵达离子所产生的多个次级电子的数量：
i)调整抵达离子或所产生的次级电子的聚焦；
ii)调整来自离子源的抵达离子的数量；
iii)调整SEM上的增益。
·在LC-MS实验的情况下，通过监控色谱峰轮廓来确定对于某个质量来说所要求的放大器增益、并基于所确定的所要求放大器增益来调整一个或多个检测器上的增益。
可以将所处理的检测信号和/或由数据处理***构造而成的质谱和/或由其获得的数据(例如像定量信息、所鉴别的(并且任选定量的)分子(例如，代谢物或肽/蛋白质)等等)传递到一个数据***，即，大容量数据存储***或存储器上，例如，磁性存储器如硬盘驱动器、磁带等等或光盘，应了解的是，该数据***可以存储大量数据。由该数据***保存的这些检测信号和/或质谱和/或所获得的数据可以由其他程序来存取，例如，以便允许谱输出如显示、谱操纵和/或由计算机程序对谱的进一步处理。
该***优选进一步包括一个输出端，例如，一个视频显示单元(VDU)和/或打印机，用于输出质谱和/或所获得的数据。该方法优选进一步包括以下步骤：例如使用一个VDU和/或打印机输出质谱。
应了解的是，在一些场合，可能要求该***工作，而不执行去噪步骤并且任选地在数字化之后不进行一个或多个其他的处理步骤。在这种情况下，可以将去噪阈值(例如，LUT中所保存的阈值)设定为例如零或另一个值(例如，在零偏移下用于噪声的一个略微的负值)，以便使这些检测信号的所有数据点超过，例如，用于在仪器用计算机上处理全部的检测信号。该***的这样一种操作被称为全轮廓操作、并且用于采集一个全轮廓谱，其中来自该检测***的检测信号的每个数字化点都被传递到数据处理装置(其将执行检测信号的合并)上，例如，仪器用计算机。更普遍地，该***将用于减少的轮廓操作之中，以便采集一个减少的轮廓谱，其中已执行了使用阈值进行的去噪、并且由此将减少的轮廓数据传递到数据处理装置上，该数据处理装置将执行对这些检测信号的合并。
详细说明
为了更全面地理解本发明，现在参考附图来说明本发明的不同的非限制性实例，在附图中：
图1示意性地示出根据本发明形成数据采集***的一部分的检测***的一个实施例；
图1A示意性地示出第一检测通道中的差分信号检测的一个实施例；
图1B示意性地示出第二检测通道中的差分信号检测的一个实施例；
图2示出本发明的一个实施例的示意性表示，包括数据处理步骤的多个实例；
图3A示出由图2的阈值计算器90执行的多个步骤的一个优选顺序的示意性流程图；
图3B示出用于确定噪声阈值和该阈值的位置的检测信号上的一个窗；
图3C示出一个检测信号的一部分和用于确定噪声阈值的多个窗以及其相应的LUT条目；
图4示出在图2的去噪和包装模块80中执行的一系列步骤的示意性流程图；
图5示出在图2的峰表征模块100内执行的过程的示意性流程图；
图6示意性地示出峰表征的一种方法；
图6A示出一个峰和用于通过低于阈值的凹陷(dip)的数量来确定峰平滑度的阈值；
图7示出由图2的谱构建模块110执行的多个步骤的示意性流程图；
图7A示出低增益检测器和高增益检测器的检测器响应；
图8示出图7的高级峰检测阶段116的多个过程的示意性流程图；并且
图9示出可以由图2的决定模块140做出的多个决定的示意性流程图。
参照图1，示意性地示出了用于与本发明一起使用的检测***的一个优选实施例。检测***1包括一个微通道板(MCP)2来作为一个次级电子产生器起作用、并响应于在MCP 2上入射的进入离子(在此实例中为+带电离子)而产生次级电子(e-)。这些离子在质谱仪的一个质量分析仪中分离后抵达。该MCP在此实例中是滨松F2222-21，不带有其常见的荧光屏。MCP 2位于一种真空环境7中，例如一个TOF质谱仪的真空环境。MCP 2的后部(在运行中从这里发射出次级电子)面向一个处于荧光屏4(型号El-Mul E36)的形式的闪烁体，该荧光屏响应于这些电子的电子轰击而发射出具有标称波长380nm的光子。在此，术语一个部件的前部或前侧是指最靠近这些进入离子的那一侧(即，上游侧)、并且该部件的后部或后侧是指距这些进入离子最远的那一侧(即，下游侧)。荧光屏4在其后侧被支持在一个处于厚度1mm至2mm的B270玻璃或石英块形式的基底6上，由此该磷光体面向MCP 2。石英基底6对于380nm的光子是透明的。荧光屏4进而在其面向MCP 2的前侧上具有一种导电材料(在此情况下是金属)的薄电荷检测层8。MCP 2的后侧与金属层8的前侧之间的距离在这个实施例中是13.5mm。荧光屏4和金属层8的组合厚度是约10μm。电荷检测层8应该优选具有某种导电性，因此金属层是理想的；它应该优选允许至少一些电子传输至该荧光屏并且它应该理想地将该荧光屏中产生的光子反射。电荷检测层8的其他特性包括，它应该可涂覆到该荧光屏上并且在真空下不蒸发(即，是真空相容的)。在这个实施例中，金属电荷检测层8是一个50nm厚的铝层，它足够薄以致是透明的，这样使得这些次级电子可以穿过而达到磷光体4。金属电荷检测层8有助于保护磷光体并驱散集聚在其上的电荷，而且将任何光子重新朝该光子检测器导回。电荷检测层8在本发明中还作为电荷检测电极或电荷拾取并且因此作为检测***的第一检测器起作用。
基底6在此实例中适宜地被用作真空环境7(真空可操作的部件如MCP2、金属层8和磷光体4位于其中)与大气环境9(光子检测器12和数据处理***20位于其中)之间的隔离物，如在后面进行描述的。例如，基底6可以安装在一个真空室(未示出)的壁10中，这些真空可操作的部件位于该室中。
在荧光屏4及其基底6的下游有一个处于光电倍增管(PMT)12形式的光子检测器，该光电倍增管在这个实施例中是来自滨松公司的型号R9880U-110。基底6的后侧与PMT 12的前侧间隔了5mm距离。PMT 12形成该检测***的第二检测器。应了解的是，在这种情况下，PMT 12是比电荷检测电极8固有增益高出例如3,000倍至5,000倍的一个检测器。更一般来说，较高增益检测器可能具有一个增益，该增益比较低增益检测器的增益高1,000倍至100,000(105)倍。这推导如下。取决于动能，磷光体在此实例中具有一个放大率1-10。PMT在此实例中通常在106增益下工作，但对于这个检测器实例来说，在1,000-10,000增益下工作。换言之，该磷光体之前的一个电子被转换为PMT之后的1,000-100,000个电子。在其他实施例中，较高增益检测器可能具有一个增益，该增益比较低增益检测器的增益高例如1,000倍至1,000,000倍，或高达10,000,000倍或更多倍。
还是以下这种情况：检测器8的饱和水平不同于PMT检测器12，与检测器8相比，PMT检测器12典型地在抵达检测***的离子的一个更低的水平下变得饱和。
在运行中，这些进入离子(在本实例中是带正电的离子)(即，该设备处于正离子检测模式下)在MCP 2上入射。然而，应了解的是，通过在这些不同的部件上使用不同的电压，该设备可以建立来检测带负电的进入离子。在一种典型的应用中，如TOF质谱法中，这些进入离子以随着时间而变的离子束的形式抵达，即，其中离子电流随时间而改变。MCP 2的前(或入射)部以-5kV的负电压进行偏压以加速这些带正电的进入离子。MCP 2的后部以-3.7kV的较小负电压进行偏压，这样使得MCP的前部与后部的电势差(PD)是1.3kV。MCP 2产生的次级电子(e-)是从MCP的后部发射的。MCP 2具有约1000的离子向电子的转换比，即，使得每个入射离子产生平均约1000个次级电子。在如此实例中的正离子检测模式下，金属检测层8被保持在接地电势下，这样MCP 2与层8之间的PD为3.7kV。在金属检测层8上由行进通过它的次级电子诱导的电荷的变化被拾取并且产生了一个检测信号22，该检测信号被发送到数据处理***20的第一输入通道(Ch1)上。
本发明的安排使得基本上所有进入MCP 2的进入离子束都被用来产生次级电子。这些次级电子具有充分的能量来穿透金属检测层8并冲击荧光屏4并且产生光子，这些光子进而向下游行进(受助于来自金属检测层8的反射)，以便由PMT 12检测，次级电子由检测层8检测并且该信号由此被传送到数据处理***20的通道Ch1上。本发明的安排使得基本上所有来自MCP 2的次级电子都能够被用于从该磷光体4产生光子。此后，基本上所有这些光子都可以被PMT 12检测。将从PMT 12输出的一个检测信号24送到数据处理***20的第二通道(Ch2)的输入端上。
简单地说，数据处理***20包括由一个2通道前置放大器13，或两个前置放大器(每个单独检测通道各一个)，其中检测信号22、24在这些单独通道Ch1和Ch2中被相应地预放大。在2通道前置放大器13或两个前置放大器之后是一个2通道数字转换器(ADC)14或两个ADC(每个单独检测通道各一个)。在使用了两个前置放大器或两个ADC的情况下，这些被典型地整合到一个PCB中或甚至(成对)整合到一个芯片中(即，一个部件包括两个前置放大器，和/或一个部件包括两个ADC)。一个优选设计是在一个PCB上同时具有两个单独的前置放大器(这是因为它们典型地是略微不同的)和一个双通道ADC。前置放大器13用在检测器8和12中的每一个与数字转换器14之间，使得可以调整检测信号22、24的增益以便利用数字转换器14的全范围。该前置放大器具有一个增益1-10。对于高增益信号24和低增益信号22两者来说，在此实例中将该前置放大器的增益设定为1。放大的信号意味着它不会在传递过程中的被噪声容易地损坏。在其中前置放大器和数字转换器直接相连接的实施例中，这些信号可能不需要放大。
数字转换器14在此实例中是通过两个通道(Ch1和Ch2)操作的一个Gage Cobra2GS/s数字转换器，这两个通道在1GS/s下工作。通道Ch1和Ch2各自从一个单独检测器采样，例如，Ch1用于电荷检测器8，而Ch2用于PMT光子检测器12。因此，Ch1提供了一个低增益检测通道，而Ch2提供一个高增益检测通道。
前置放大器13和数字转换器14形成了数据处理***20的一部分，该数据处理***还包括大体上由单元15示出的2通道数据处理装置。数据处理装置15用于对检测信号执行多个数据处理步骤如去噪，并且最终合并这些检测信号以便产生具有高动态范围的一个质谱。数据处理装置15包括一个仪器用计算机，该仪器用计算机能够控制质谱仪和/或检测***的多个部件。在图1中，施加到MCP 2和PMT 12上的电压例如被示出经由适合的控制器(未示出)由数据处理***(即，其仪器用计算机)控制。以此方式，检测器8和12上的增益可以独立地控制。在下文并参照其他附图更详细地描述数据处理***20和其数据处理装置15。
单元15的仪器用计算机也可以任选地连接到(连接未示出)进入离子的来源的控制器(例如质谱仪的离子源)上，从而能够控制进入离子的电流以及这些离子的能量。应了解的是，单元15的仪器用计算机能可操作地连接到质谱仪和/或检测***的任何其他部件上，以便控制这类的部件，例如要求电压控制的任何部件。
可以将构造而成的质谱和/或任何选定的原始、部分处理的或所处理的检测信号例如经由一个VDU屏17(用于所采集的和/或所处理的数据或谱的图形显示)从数据处理***20中输出，并且典型地输出到一个信息存储***(例如，基于计算机的文件或数据库)上。
从检测器到前置放大器和数字转换器的检测信号传输的一种优选方法包括差分拾取，从而提供加倍的信号幅度的益处。图1A示出这样一种差分拾取以及第一检测信号在电荷收集/MCP阶段如何可以实现并传输到ADC的通道1(Ch 1)上的一个实施例。金属检测层8上的每个电子入射都出自MCP 2的后(即，下游)侧。因此，来自检测层8和MCP 2后部中的每一个的信号形成一个互补对，该互补对理想地适用于差分检测。因此，将来自检测层8和MCP2后部中的每一个的信号输入到一个差分放大器中，如图1A中所示。这些信号的不平衡可以通过如信号路径中(例如，在虚线内某处)示出的电容器C1和C2或未示出的其他部件的适当选择来补偿。类似地，可以从光电倍增器(或任何SEM)的最后一个代纳电极和阳极中拾取一个差分信号，如图1B中所示。可以例如通过电阻器R1和R2(除非被其他考虑事项禁止，否则也可以在一个不同的时刻注入电源电压U)，通过电容器C1和C2和/或进一步在信号路径的下游再次进行信号平衡。电感也可以用于隔离。
接下来参照图2提供了对本发明的数据处理阶段的概述。随后参照图3至图9提供了本发明的数据处理阶段中的每一个的进一步的细节。参照图2，示出了本发明的一个实施例的示意性表示，包括数据处理***中数据处理步骤的多个实例。示出用于检测抵达离子的一个TOF检测***30，该检测***包括两个检测器32、34。检测***30可以是与图1中所示的检测***相同类型的检测***，或它可以是其中采用了两个检测器(例如，采用了两个MCP检测器或两个PMT检测器)的任何其他适合的检测***。检测器32、34优选彼此不同，至少具有不同的饱和水平和/或不同增益。检测器32、34响应于从TOF质量分析仪抵达检测***30的一个或多个离子而相应地在单独通道CH1和CH2中相应地输出检测信号36、38。应了解的是，该***可以被用来检测不是从TOF质量分析仪而是例如从另一种类型的质量分析仪抵达的离子。优选地，检测器32、34具有不同的增益，使得所产生的检测信号36、38甚至在随后的预放大之前也具有不同的增益，尽管情况不需如此。这些检测器被提供来使能具有不同灵敏度的检测通道，这意味着与不那么灵敏的检测器相比，更加灵敏的检测器的总放大链(预放大之前和之后)对于每个进入离子将产生更多的检测“信号”(或比特)。在这种情况下，检测器34优选是一个高增益检测器，而检测器32是一个低增益检测器，尤其它们是如参照图1相应地描述并示出的高增益检测器和低增益检测器。然而，对于检测***上的一个给定的离子抵达率来说，高增益检测器34在低增益检测器32之前饱和。检测器饱和是指它的响应不再是线性的。
将这些检测信号36、38在单独通道CH1和CH2中从检测器32、34输出到一个数据处理***40上，该数据处理***是一个双通道处理***，用于在通道CH1和CH2中独立地并行处理信号36、38。将检测信号36、38初始输出到数据处理***的双通道前置放大器50的相应的输入端上，使得信号36、38保留在单独通道CH1和CH2中，以用于预放大。因此，在此安排中将前置放大器接近这些检测器放置并且调整增益，使得下一个ADC的全范围被利用。信号36、38优选预放大不同的增益。在此实例中，检测信号36相对于检测信号38具有低增益，而在一些其他实例中，检测信号36相对于检测器38可以具有高增益。在前置放大器后存在一个输出端极性，该输出端极性以一种更加有效的方式利用每个ADC通道的差分输入。
然后，将放大的检测信号36、38分别从放大器50经由相应的输出端输出到双通道模数转换器(ADC)60的相应的输入端上，使得这些信号36、38保留在单独通道CH1和CH2中，以用于数字化。ADC 60是具有两个在1GS/s下工作的通道CH1和CH2的一个2GS/s数字转换器。
然后，将数字化的检测信号36、38从ADC 60经由相应的输出端分别输出到抽样器70的相应输入端上。该抽样器优选在一个专用处理器如FPGA(如所示)或如在此所述的其他专用处理器上实施。因此，在其他实施例中，可以例如使用用于即时并行计算的一个替代专用处理器如GPU或Cell，而不是FPGA。抽样器70将检测信号36、38的采样率典型地减少如所希望的2倍或4倍。
在抽样后，信号36、38继续分别地进行处理，其中下一个阶段为由去噪和包装模块80示出的去噪和包装成帧。去噪和包装优选在专用处理器(例如，FPGA等)上实施，该专用处理器优选用于实施抽样器70，尽管情况不需如此，这是因为可以使用一个单独的专用抽样硬件，该专用抽样硬件独立于用于去噪和包装的专用处理器。首先执行去噪，然后包装成帧。每个检测信号36、38都经受去噪，包括对该检测信号应用一个阈值函数，该阈值函数处于查找表(LUT)的形式。该去噪包括对检测信号36、38应用单独的阈值函数，这样存在一个单独的LUT被提供用于通道CH1和CH2中的每一个。去噪和包装模块80被供应有LUT，这些LUT已经由一个阈值计算器90创建。阈值计算器90可以在优选用于实施抽样器70与去噪和包装模块80的同一专用处理器上实施。当需要即时创建LUT时，尤其是如果每次(即，对于每个新的检测信号来说)都需要创建一个新的LUT时，情况是如此。在这些情况下，将进行了抽样的检测信号36、38在如通过虚线所示的单独通道CH1和CH2中送到专用处理器上的阈值计算器90中，以用于为每个通道创建单独的LUT。所得的创建的LUT在单独通道CH1和CH2中驻留在专用处理器上，以用于去噪。可能在不同的专用处理器(例如，不同的FPGA、GPU和/或Cell等)上实施抽样器70、去噪模块80以及阈值计算器90中的两个或更多个，但从工程学角度来说，这不是优选的，这是因为将这些单独的处理器相连接的总线在带宽上可能变成一个瓶颈。优选地，阈值计算器90不在专用处理器上而是在仪器用计算机(IC)上实施，该仪器用计算机例如典型地包括一个通用计算机如多核处理器、CPU或嵌入式PC。然后，将在IC上创建的这些LUT(每个通道CH1和CH2一个单独的LUT)被上传，以便驻留在专用处理器上，用于由去噪模块80存取。在LUT初始被计算出并且然后用于对多个随后的检测信号进行去噪的情况下，情况尤其如此。在IC上创建的这些LUT初始由检测信号或质谱计算出来。在下文更详细地描述了阈值和LUT计算以及去噪和包装步骤。
在从检测信号36、38中去噪并将它们包装成帧后，信号36、38在单独通道CH1和CH2中继续进行处理。在去噪和包装之后，该处理优选包括在单独通道CH1和CH2中由一个峰表征模块100表征检测信号36、38中的峰。对于这两个通道来说，峰表征模块100的操作典型地是不同的。峰表征优选在仪器用计算机(IC)上实施，但在一些实施例中可以在一个专用计算机上(如果这样，则优选在如用于例如抽样、去噪、包装和/或阈值计算的前述步骤的同一专用处理器上)实施。峰表征优选包括计算这些峰的一个或多个品质因子和质心。在下文描述峰表征的进一步细节。
在峰表征后，将这些所得的所处理的检测信号36、38中的每一个优选作为质心-强度对在单独通道CH1和CH2中传递到谱构建模块110上。谱构建模块110执行将所处理的检测信号36、38合并到一个单一的合并的质谱中，该合并的质谱优选具有高动态范围。可以对以此方式获得的多个合并的质谱进行加合以便形成一个最终的质谱。谱构建模块110优选在仪器用计算机(IC)上实施，但在一些实施例中可以在一个专用计算机上(如果这样，则优选在如用于例如抽样、去噪、包装和/或阈值计算的前述步骤的同一专用处理器上)实施。可以在合并所处理的检测信号36、38之前将在每个通道CH1、CH2中的检测信号36、38进行加合。可以在抽样与合并这些检测信号之间的任何处理阶段执行这种加合。这种加合(在执行时)优选在仪器用计算机(IC)上实施，但在一些实施例中可以在一个专用计算机上(如果这样，则优选在如用于例如抽样、去噪、包装和/或阈值计算的前述步骤的同一专用处理器上)实施。在下文描述了谱构建模块110的进一步细节以及在合并所处理的检测信号36、38中所涉及的步骤。
将合并的质谱存储在一个数据***120如硬盘或RAM上，例如用于随后由IC和/或另一个计算机存取。IC包括多个依赖数据的决定模块(例如，130、140)，这些依赖数据的决定模块基于对所处理的检测信号和/或合并的质谱的评估做出决定、并且经由仪器控制模块150基于那些决定来控制质谱仪的一个或多个参数。例如，依赖数据的决定模块130可以控制允许获得进一步的化学信息的多个参数，如：对质量分析仪的离子隔离窗口和宽度的控制，该质量分析仪使具有在指定窗内的m/z值的一系列离子与具有更宽m/z的一组离子相隔离；对离子注入到质量分析仪中的时间的控制；和/或对碰撞单元(在存在时)的碰撞能量和/或碎裂方法(如果在碰撞单元中超过一个可供使用，例如，CID、HCD、ETD、IRMPD)的选择的控制。依赖数据的决定模块140可以例如控制用于采集接下来的检测信号的多个参数，这些参数允许例如在下一个谱中以较高的品质获得不良地解析的峰。模块140可以使用与由峰表征模块100获得的峰相关联的品质因子的评估。模块130、140还可以执行自动监控功能如检测器再校准，例如，其中在这些检测信号中检测到饱和。模块130、140以及150优选在仪器用计算机(IC)上实施。
现将更详细地描述这些数据处理步骤。
参照图3A，示出了由图2的阈值计算器90执行的多个步骤的一个优选顺序的示意性流程图。阈值计算器90自动确定一个噪声阈值。针对每个检测信号计算出一个单独的噪声阈值，使得在图2的每个处理通道CH1和CH2中计算出一个单独的噪声阈值。然后，该阈值由图2中所示的去噪(即，峰检测)和包装模块80使用，该模块去除了低于阈值的点并且保留了不低于阈值的点，这些不低于阈值的点然后被认为是峰并且随后用m/z值等来标记。该噪声阈值可以通过如WO 2005/031791中所披露的方法来确定。TOF谱的基线不必是恒定的并且考虑到这一点，一个单一的阈值总体上并不充分。该噪声阈值优选通过以下步骤针对一个检测信号来确定：
1.将该检测信号分成多个(n个)重叠窗口(其中，n至少为2且其中n因此典型地为查找表(LUT)中的条目的数量)；
2.选择这些窗口之一作为当前窗口；
3.对于该当前窗口来说，由当前窗口中的点的强度确定与检测信号的噪声相关的至少一个统计参数；
4.由该至少一个统计参数确定用于该当前窗口的一个噪声阈值；并且
5.对于这个或这些其他窗口中的每一个来说，重复步骤2至4。
将用于一个窗口的噪声阈值分配给检测信号的一个对应的间隔，例如，将用于一个窗口的噪声阈值分配给LUT中的一个条目，该条目覆盖检测信号的一个间隔，并且在检测信号的此间隔中的所有数据点都使此阈值应用在它们上，以便使得能够去除低于阈值的点。这些间隔是非重叠的，使得检测信号的每个数据点都仅落入一个单一间隔中并且具有可应用于其的一个单一的噪声阈值。这些间隔的宽度是有待采集的检测信号的长度或持续时间(瞬变)除以LUT的大小(即，LUT中的条目的数量)。
因此，在本发明的另一个方面中，提供了一种从一个检测信号中去除噪声的方法，该检测信号是由用于在TOF质谱仪中检测离子的一个检测***提供的，该方法包括：
i.)响应于抵达检测***的离子，从检测***产生至少一个检测信号；
ii.)将该检测信号或每个检测信号分成多个(n个)重叠窗口，其中n至少为2；
iii.)选择该检测信号或每个检测信号的这些窗口之一作为当前窗口；
iv.)对于该检测信号或每个检测信号的当前窗口来说，从当前窗口中的点的强度确定与检测信号的噪声相关的至少一个统计参数；
v.)从该至少一个统计参数确定用于当前窗口的一个噪声阈值、并且将用于当前窗口的噪声阈值分配给检测信号中的一个对应的间隔；
vi.)对于该检测信号或每个检测信号的这个或这些其他窗口中的每一个来说，重复步骤iii.)至v.)；并且
vii.)通过在检测信号的每个间隔中去除多个点来从该检测信号或每个检测信号中去除噪声，这些点具有低于针对此间隔的噪声阈值的一个强度。
与噪声相关的该至少一个统计参数的一个实例是这些点的平均强度和平均值的标准偏差，优选两者。对于每个重叠窗口来说，阈值确定的一个实例如下所示：
a)在一个窗口中计算出所有点的平均强度值(“avg1”)；
b)在该窗口中计算出所有这些点的强度的标准偏差值(σ1)；
c)计算出一个初级(即，第一迭代)噪声阈值T1＝avg1+x*σ1，其中x是一个乘数值，典型地为从2至5，优选为约3；
d)低于此初级阈值T1的这些点被认为是噪声点，而高于此初级阈值的点被认为是峰；
e)在一个第二迭代中计算出这些噪声点的平均强度值(avg2)和标准偏差(σ2)，即，其中排除在第一迭代中检测到的峰；
f)如以上在a)至c)中一样，由这些第二迭代avg2和σ2值计算出一个新的(即，第二迭代)噪声阈值T2，即，T2＝avg2+x*σ2；
g)任选地，通过重复步骤e)和f)计算出一个或多个另外的迭代噪声阈值；
h)第二迭代噪声阈值T2或任选地另一个迭代噪声阈值用于从原始检测信号中去除噪声(即，检测峰)，由此提供减少的轮廓数据，即，低于此第二或任选地另一个迭代阈值的原始检测信号的点被认为是噪声点并被去除，而高于此第二迭代阈值的点被认为是峰并用m/z来标记并且作为减少的轮廓数据被传递，以用于进一步处理；
i)噪声阈值(例如，T2)和噪声avg(例如，avg2)和/或σ(例如，σ2)值优选与减少的轮廓数据一起存储，以用于进一步处理和分析。
用于每个相应窗口的阈值是彼此独立的并且可以如上并行或者顺序地计算出，优选并行。
希望时，可以执行超过两个迭代，以便确定一个第三和/或另一个噪声阈值。然而，实验表明，这个结果并不随另外的迭代显著改变。
本方法的扩展可以包括仅允许在窗口之间有某一程度的噪声变化(或类似的噪声测量，例如，通过与使用早先数据所产生的一个噪声LUT相比较)，以便桥接具有高峰密度的多个区域，其中噪声阈值的确定可能是困难的。
因此，噪声检测阈值独立于峰高度，并且仅由在全部的轮廓数据中可以用眼睛观察到的‘噪声带’来确定。因此，该噪声检测阈值是噪声带的直接度量。
因此，该噪声阈值是一个动态阈值，它可以沿检测信号随时间(例如，随在TOF仪中的飞行时间)而变化，即，该噪声阈值典型地在窗口(间隔)之间变化。重叠窗口的使用允许更大量窗口被使用，更多数据用于阈值确定以及因此对噪声阈值的更准确的确定，其中不连续性在间隔之间降低。每个窗口都分配了查找表(LUT)中的一个条目并且用于每个窗口的阈值都被输入用于此窗口的LUT条目中。在一个优选的操作模式下，记录一个全检测信号，并且LUT按以上方式从该全检测信号计算出并用于从多个(优选所有)随后的检测信号或谱中去噪。因此，在这类实施例中对LUT的初始计算优选由例如一个通用计算机上的仪器用计算机执行。然后，将该LUT上传到专用处理器中，该专用处理器通过对检测信号的点应用LUT来执行去噪。然而，如果噪声从扫描到扫描显著不同，那么这个方法可能是不可行的，在这种情况下，LUT优选从每个检测信号动态计算出来，以用于与计算出它的检测信号相比较。优选在专用处理器上进行LUT的动态计算。随后，该方法可以包括通过将此间隔中的点与用于此间隔的噪声阈值相比较来在一个间隔中去除噪声(即，反过来说，被视为检测峰)并去除落入此阈值以下的点；并且对一个或多个另外的间隔重复检测峰的这个步骤。也就是说，将给定间隔中的这些点与保持在用于此间隔的LUT条目中的噪声阈值相比较。
参照图3A，以流程图的形式示出了用于确定LUT的噪声阈值的一系列步骤，即，在图2的阈值计算器90中执行的一系列步骤。为了简单起见，示出这一系列步骤以用于数据处理***的一个通道(CH1或CH2)，但应了解的是，也对另一个通道独立地优选并行地执行这些相同的步骤。将每个检测信号初始分成多个重叠窗口，每个窗口都与它的邻近窗口有轻微偏移。因此，该多个窗口可以被认为是具有给定宽度的一个移动窗口。于是，每个窗口都与检测信号的一个非重叠间隔相对应，该间隔为该窗口提供一个去噪阈值。例如，对于总持续时间2毫秒(ms)的一个检测信号(瞬变)和具有大约1000个条目(例如，1024个条目)的一个LUT来说，每个间隔都将为大约2微秒(μs)宽。由于这些窗口是重叠的，因此它们比非重叠间隔更宽并且每个窗口宽度都典型地是对应间隔加上在该间隔两侧上的重叠的宽度，重叠部分典型地为间隔宽度的10％至50％，但可以比这个更多或更少。作为一个图示，在图3C中示出了示出若干重叠窗口的位置的一个检测信号(瞬变)的一部分和LUT中的对应的间隔/条目。图3C示出噪声瞬变200的一个10μs的部分。在此实例中，瞬变的总长度为1ms并且阈值LUT具有大约1000个条目，这样每个条目都专用于瞬变的大约1μs间隔，这意味着来自LUT的每个阈值条目都将被应用到瞬变的自身1μs间隔。多个这类1μs间隔通过参考202并且通过粗水平条204来指示，仅仅参考了这些间隔中的一些。每个间隔204都分配了LUT中的一个条目208，该LUT含有所计算的去噪阈值。为了降低间隔之间的阈值的不连续性，实际上用于阈值计算的窗口比这些间隔要宽(并且因此邻近窗彼此重叠)，如通过细水平条204’(仅仅参考它们中的一些)的长度所示，这些细横条表示重叠窗口，这些重叠窗口跨越每个间隔204并在每个间隔的两端伸出。因此，每个重叠窗口都与一个更窄的非重叠间隔相关联。任选地，可以降低窗口的远端部分的影响。进行这个的一个方式是跳过或减少进入阈值计算的值的权重，这取决于它们距窗口中心的距离。这可以利用距离或使用更复杂的函数例如高斯曲线按比例/线性进行。进行这个的另一个方式是改变阈值计算函数(参见图3B的说明)，其方式为使得更远的值对计算出的阈值具有更小的影响。再则，这可以成按比例/线性或使用更复杂的函数来进行。
在图3B中更详细地示出了用于阈值计算的重叠窗口之一。再次参照图3A，在步骤91中，首先由当前所选择的窗口中的所有点计算出一个平均强度(avg1)和标准偏差(σ1)。其次，在步骤92中，计算出一个初级阈值T1＝avg1+x*σ1，其中x典型地为2至5。在图3B中示出avg1和初级阈值T1在第一窗口中的位置。在下一个步骤93中，使用当前窗口中的具有低于初级阈值T1的强度的所有点(“噪声点”)计算出一个第二平均强度(avg2)和标准偏差(σ2)。最后，在步骤94中，由检测信号计算出一个峰检测阈值T2＝avg2+x*σ2。在图3B中示出avg2和峰检测阈值T2的位置。如上所述，每一个检测阈值T2(即，每个窗口各一个)分配有LUT中的一个条目并且由此用于应用到检测信号的对应间隔中的点上。然后，LUT(包括所有这些检测阈值T2)用于通过去除间隔中的具有低于LUT中的对应阈值T2的强度的点(即，噪声点)来从原始检测信号中去噪。在噪声去除后保留在检测信号中的这些点被认为属于峰。因此，去噪步骤相当于峰检测步骤。严格地说，“噪声”点在这个阶段典型地没有被全部去除，但它们被设定为零，这样随后可以在包装过程中去除这些点，其中每个包装帧都仅由非零连续点组成并携带一个位置标识，如下文更详细描述。
现参照图4更详细地描述去噪/峰检测的步骤，在图4中以流程图的形式示出了在图2的去噪和包装模块80中执行的一系列步骤，即，用于使用LUT中的已经如上所述产生的噪声阈值进行去噪。参照图4，在它们的单独通道CH1和CH2中示出了这两个相应的检测信号36、38，将这些检测信号经由单独的输入端从抽样器输入到去噪和包装模块80中，如以上参照图2所述。如以上参照图3A-C所述计算出的噪声阈值LUT 81(每个通道各一个)驻留在实施模块80的专用处理器(例如，FPGA、GPU、Cell处理器等)上。然后，每个通道中的阈值检测器82都对检测信号应用用于此通道的LUT并且去除低于由LUT规定的阈值的点(设定为零)。任选地，阈值检测器82可以被配置成当在这些通道中的至少一个中检测到一个峰时，保持来自所有通道的数据，即，该阈值检测器仅在一个数据点在所有通道中同时落入阈值以下时将同一个点作为噪声去除。然后，将从阈值检测器82中出现的所得的减少的轮廓检测信号36、38通过相应的帧构建器84包装成帧，用于这些检测信号的点值的高效传递。如果需要一种全轮廓模式的数据采集，那么可以将LUT设定为零作为阈值，使得这些检测信号的所有点被包装成帧，被传递以用于进一步处理等。如果还将在专用处理器执行进一步处理(这不是那么优选的)，那么可以省略帧包装步骤。
帧建构器84将检测信号分离成多个帧。这些帧具有一个最小和最大尺寸来以最有效的方式使用在下层总线***的带宽。帧以高于或等于噪声阈值(峰点)的第一点开始。实际帧尺寸取决于这些峰点：例如，如果仅一个峰点高于或等于阈值，那么该帧通过后续峰点来填充以便达到最小帧尺寸。如果一个更宽的峰在帧达到其最小尺寸之前跟在高于或等于阈值的这个第一峰点之后，那么该帧可能生长超过该最小尺寸，这是因为该峰的所有这些点都被添加到该帧上。如果帧在峰结束之前达到其最大尺寸，那么该峰的这些点以下一个帧继续。换言之，帧由最小尺寸组成，除非存在达到该最小尺寸之处的一个峰，在这种情况下，该帧延伸超过最小尺寸，直到在该帧不延伸超过该最大尺寸的条件下该峰被结束，这样使得如果存在达到该最大尺寸之处的该峰，那么该峰的点在下一个帧中继续。一种特殊情况是：当该***在全轮廓模式下操作时。在全轮廓模式下，将整个LUT设定为0，这样所有点都高于或等于阈值，这意味着所有帧(可能最后一个帧除外)都具有最大尺寸，即，这些点被包装到具有最大尺寸的相邻帧中。
每个帧优选由一个帧头和实际点数据组成。该帧头优选携带以下信息：
-帧定界符的起点
-格式类型说明(压缩的或全轮廓、每个点的比特数、包装或未包装的点)
-时间戳
-序列Id(对采集到的谱计数)
-包Id(对谱内的帧计数)
-包尺寸(帧中点的数量)
该帧还可以含有阈值，除非(例如)该阈值存储在另一个位置(例如，在谱头中)。在每点使用超过8个比特时，包装这些点(例如，将四个十比特点包装成五个字节)。优选操作模式是如上所解释的一个灵活可变的帧宽度(即，采用了最小和最大帧尺寸)。也可能使用一个固定帧宽度，这将简化实施，但并不以最高效的方式使用下层的总线***的带宽。因此，所提供的每个帧由于最小和最大包长度都可以含有一个或若干个峰并且可以含有一个***峰(即，***在两个或更多个帧之间的峰)。将这些帧存储在例如靠近专用处理器的RAM、按序存取存储器、或存储缓冲器86的环形缓冲区中，以用于进一步传递和处理。
数据的包装好的帧优选从快速处理器(FPGA等)下载(例如，使用直接存储器存取(DMA))到仪器用计算机上，该仪器用计算机可以包括例如一个多核处理器或嵌入式PC。然后，该仪器用计算机执行峰表征的过程。在其他一些实施例中，虽然不是那么优选的，但有可能在该快速处理器或另一个快速处理器(FGPA、GPU、Cell等)上执行峰表征的过程。还有可能在不同的处理器上执行这些过程，但优选(例如，就带宽而言)的是在同一个处理器上实施这些过程，该处理器优选是仪器用计算机。
现将参照图5更详细地描述峰表征过程，图5示出在图2的峰表征模块100内执行的过程。仪器用计算机(IC)在相应的通道CH1和CH2中接收检测信号36、38的包装好的帧。IC优选首先在每个通道中使用一个峰构造器102将这些帧转换为多个峰，即，它从这些帧中读取多个峰，并且在这些峰中发现多个***的峰的情况下，IC由多个分离的组分重新构造这些峰。在一个任选阶段中，在一个任选峰加合器104中，对来自若干检测信号的峰进行加合，例如，将来自不同检测信号的在同一个TOF(+/-容差)下的多个峰累积，以便增加信噪比。可以在通道CH1和CH2中并行执行这个加合过程。
然后，将来自这两个通道的这些峰发送到队列105中，该队列由多个数据框106组成(在图5中仅仅参考其中的两个)，其中每个框都含有一个峰并且还含有由峰计算出的任何一个或多个中间特征，这种或这些中间特征需要用于在随后的步骤中进行处理，以便获得另外的特征。然而，每个框都将与一个特定的通道相关联，使得每个峰都保持与其自身的通道相关联。这些框106中的每一个都优选彼此并行处理。
优选对框106中的这些峰执行的一个处理阶段是峰评估107，其中计算出了各种峰特征或属性，优选包括以下各项中的一些，更优选每一个：峰位置、峰总宽；峰半高全宽(FWHM)；峰面积；峰最大值；峰平滑度；以及一个溢出标记。这种或这些品质因子可以是基于上述特征中的一个或多个(或其任何两个或更多个的任何组合)。将一个溢出标记分配给其中峰超过最大ADC值的一个峰。优选从基线计算出来峰面积。这些峰特征优选是针对每个峰并行计算的并且每个峰都是优选并行处理的。因此，参照图5和图6应了解的是，可以在每个通道内执行并行处理(而且单独通道彼此并行处理)，并且在一个通道内的这种并行处理可以包括(例如)在此通道中并行处理同一个检测信号的不同区域，或对该检测信号的同一个区域同时而不是顺序地进行独立的任务。
由于这些峰特征可以独立地计算出，因此存在两种计算它们的方法：
1.对数据执行一遍并且立刻计算所有这些特征；或者
2.通过使用若干线程来执行若干个循环，这些线程各自计算一个单一的峰特征。
优选的模式是方法1，这是因为第二种方法会遭受有限的存储带宽影响。在图6中示意性地示出方法2。
对框106中的峰优选执行的另一个处理阶段是使用一个质心器108来查找这些峰的质心。各种方法可以用于查找质心，包括本领域已知的质心法。例如，质心法可以如以下文献中所述来使用：“使用高分辨率峰检测和无标记对齐进行的MALDI-TOF MS的精度提高(Precision enhancement of MALDI-TOF MS using high resolution peak detectionand label-free alignment)”，特蕾西(Tracy)等人，蛋白质组学杂志(Proteomics)，2008年4月；8(8)：1530-1538(可在http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2413415/上获得)；“直方图和计数统计如何影响峰位置精度(How Histogramming and CountingStatistics Affect Peak Position Precision)”，D.A.盖格(D.A.Gedcke)，OretcTM应用注解AN58(OretcTM Application Note AN58)(可在http://www.ortec-online.com/上获得)；US 6373052和US 6870156。
对框106中的峰优选执行的另一个处理阶段是使用品质评价器109进行的品质评价。该品质评价主要包括针对每个峰计算一个或多个品质因子。该品质因子可以按各种方式计算出来。现描述计算品质因子的优选方法。可以例如可替代地或另外地采用其他方法，例如像在US 7,202,473中所描述。
用于计算品质因子的一个优选且简单的方法是将这些峰分类成不同类别并为每个类别分配一个不同的品质因子，例如，峰可以分类成以下类别(按照递增的品质因子的顺序)：
1)来自数量非常少的离子的峰(＜10个离子)
2)来自数量较少的成簇离子的峰(＜500个离子)
3)来自数量较少的离子的峰(＜500个离子)
4)来自数量非常多的离子的峰(＞2000个离子)
5)正常峰(500-2000个离子)
“来自数量非常少的离子的峰”由于离子统计学而具有有限的质量准确度并且因此被给予了最低的品质因子。“来自数量较少的成簇离子的峰”指的是遍及预期的峰面积未均匀分布并且在一个质量峰包络内表现为多个峰组的峰。“来自数量较少的离子的峰”指的是具有均匀分布并且可以可靠地查找到质心的峰。
用于计算品质因子的另一种优选方法如下。针对每个峰的一个总体品质因子可以由若干简单的单独的品质因子计算出来(单独的品质因子可以是例如：峰面积/离子数、峰平滑度、峰宽等)。优选地，所有这些单独的品质因子以及总体品质因子在0.00-1.00范围内，其中0.00至0.25是指不良品质，超过0.25至0.75是指可接受的品质而超过0.75至1.00是指优异品质。如果总体品质因子具有不良品质，那么优选再采集峰，尤其是以高优先级，如果该峰具有勉强可接受的品质，那么也优选再采集，但以低优先级(即，如果可能的话，则重新做)。如果即使在再采集后，峰仍具有低品质，那么可以从包括在合并谱中舍弃该峰。
总体品质因子优选通过使用以下标准中的一个或多个由这些单独的品质因子计算出来：
·所有单独的品质因子的平均值(这是最优选的操作模式)
·所有单独的品质因子的最小值
·所有单独的品质因子的乘积
·所有单独的品质因子的和
在以上方法中，当计算总体品质因子时，可以对不同的单独的品质因子给予相同的或不同的加权。
为了能够如上所述将不同的品质因子组合起来，必须将相同的比例优选用于它们中的每一个。所提出的比例为0.0至1.0。必须确定每个通道和每个峰特征特定的一个函数，这可以通过一个校准来完成。
优选地使用更详尽地以下单独的品质因子：
·峰面积(或离子数)：
在这个品质因子中，峰以下的面积用作用于定义已检测到的离子数的一种手段。
·峰平滑度
在这个品质因子中，优选使用峰的平滑度(相反地，粗糙度)的一个平均值。存在若干方式来计算峰的平滑度的平均值，使用例如以下各项：
o测量的峰的周长(即，周界)与具有相同面积的抛物线的周长的比。
o峰的周长与具有相同面积的高斯曲线的比(优选的是其中峰更像高斯曲线)。
o峰的周长与峰的面积的比
o低于阈值(为峰最大值的x％)的凹陷数与峰的宽度的比
o低于阈值(为峰最大值的x％)的凹陷数与峰的面积的比
关于后两种方法，图6A示出一个峰和在用于确定峰平滑度的FWHM位置的一个阈值(虚线)。所示出的峰具有三个凹陷低于阈值。与峰宽(或面积)相关的凹陷数可以用作对峰的平滑度的一个度量。在一些实施例中，然后可以将确定的平滑度与预期的平滑度相比较。
·在峰最大值的x％下的峰宽
在校准过程中，在x％最大值下的峰的宽度根据TOF和离子数来测量。为了确定一个品质因子，将在x％最大值下的峰的宽度与在校准过程中测量的宽度相关联：
o在峰的x％最大值下的宽度与在TOF和离子数(优选操作模式)下在校准过程中测量的x％最大值下的宽度的比。
o在峰的x％最大值下的宽度与在TOF下在校准过程中测量的x％最大值下的平均宽度的比。
在此背景下尤其有用的是在峰底(峰最大值的0％)和在半最大值(FWHM)(峰最大值的50％)下计算出的品质因子。
鉴于以上，总体品质因子确定的一个实例包括三个单独的或子品质因子：峰面积、峰宽(FWHM)以及峰平滑度。然后，通过利用相等的权重对三个单独的品质因子求平均值来由它们计算出总体品质因子，但在其他实施例中，可以使用不同的加权。本实例中的峰平滑度品质因子是具有与所测量的峰相同的面积和宽度的一个模型峰与所测量的峰的圆周比，使用一个抛物线作为该模型峰。通过以下函数计算出具有特定面积和宽度的抛物线的圆周s：
s = a 2 + 4 h 2 + a 2 4 h * ar sinh ( 2 h a )
其中
a = w 2
h = 3 A 4 a
w是峰的宽度，且A是峰的面积。通过重复应用毕达哥拉斯(Pythagoras)原理来计算所测量的峰的圆周r。最后通过s与r的比来计算峰平滑度品质因子qs：
q s = s r
直接使用峰平滑度品质因子qs，这是因为它已经处于范围[0.0-1.0]内。尽管如此，也可能对这个值应用校准。
对于本实例中的面积和宽度品质因子中的每一个来说，在校准过程中，确定具有离子数、TOF以及有待校准的变量(即，面积或宽度)的一个函数。然后，这个函数用于将相应测量的变量(测量峰的面积或者宽度)映射到一个值[0.0-1.0]上。尽管为此目的可以使用其他函数如S形函数，但通过校准确定了一个线性函数。
在图5中处理阶段107、108以及109被示出按顺序执行，但情况不需如此。优选对框106中的峰并行执行处理阶段107和108中的每一个。然后，阶段107、108以及109中的任一个可以顺序地执行(阶段109取决于107和108的结果，这样它必须在107和108之后执行)。应了解的是，在顺序地执行时，处理阶段107、108的顺序可以是不同的并且这些阶段可以按任何顺序执行。参照图5示出的顺序仅仅是一个优选实施例。
在处理检测信号之后，合并来自每个通道的所处理的信号以便形成一个单一的谱，现将参照图7更详细地描述其步骤。图7示出由图2的谱构建模块110执行的步骤。由于有待执行的步骤的计算复杂性，优选在仪器用计算机上实施这些步骤。然而，在一些实施例中，有可能在快速处理器(FPGA等)上实施这些步骤。
将来自峰表征模块100的所处理的检测信号36、38在它们的单独通道CH1和CH2中输入到模块110上，并且快速地输入到一个谱对齐模块上，在该谱对齐模块中这些检测信号被对齐以便补偿任何不同的信号起始时间点，这对于TOF来说是尤其重要的。典型地对这些检测信号/通道之一应用一个时间偏移，以便将它们对齐，即，必须将一个信号在时间轴上移动一个偏移。该时间偏移先前典型地通过如下文更详细描述的一个校准步骤来确定，例如使用一个内部校准物来将这些检测信号/通道对齐。应了解的是，在单独通道中具有三个或更多个检测信号的实施例中，这些信号中的两个或更多个将典型地要求一个时间偏移应用到它们上，以便使所有这些通道对齐(并且对于需要应用一个时间偏移的每个通道来说，这可以是一个不同的时间偏移)。
一旦这些检测信号已经在时间上对齐，那么它们被合并来形成一个单一的谱。该谱优选是如现在更详细描述的具有高动态范围(HDR)的谱。将这两个对齐的信号(仍处于单独通道CH1和CH2中)输入到合并模块114中，在合并模块中产生了合并的(HDR)谱。在这个步骤中，为了进一步减少数据率，优选仅使用检测信号的峰的质心(与强度)，使得这些检测信号的质心-强度对被合并。HDR谱中的每个峰都源于这两个处理过的检测信号36、38中的一个或另一个。与用于HDR谱中的峰相关联的品质因子进一步用于图2中示出的并且如下文更详细描述的依赖数据的决定和仪器控制模块130、140以及150中。
对于合并的谱来说，模块114优选使用高增益通道CH2(即，信号38)来为合并的HDR谱提供峰，高增益检测信号38饱和的情况除外(例如，如由与高增益检测信号38中的峰相关联的一个溢出标记的存在所检测)。在高增益通道CH2中峰出现饱和的情况下，来自低增益通道CH1和信号36的对应的峰替代用于合并的HDR谱。对于在HDR谱中从低增益通道CH1和信号36中取得的峰来说，将这些峰乘以一个预定因子，使得这些峰的强度与高增益通道CH2和信号38的放大水平相匹配(即，将这些低增益峰乘以高增益通道与低增益通道的放大或增益比，放大是来自检测器和前置放大器两者的增益的结果)。这两个通道CH1和CH2的放大因子被调整成使得如果高增益通道饱和，那么低增益通道如下文结合校准更详细描述供应高品质的峰。总之，然后，合并的谱包括高增益通道的不饱和峰，并且在高增益通道中出现饱和峰的情况下，该合并的谱包括低增益通道的对应的峰，该峰乘以了一个因子，该因子表示高增益通道相对于低增益通道的增益。从模块114中输出一个单一的合并的HDR谱115。可替代地，可以将来自单独通道的这些检测信号以US 7,220,970中所述的方式或以本领域的技术人员已知的任何其他方式进行组合。在前述内容的变型中，优选不要求任何用户交互作用来确保***始终选择不具有饱和条件的检测信号(线性响应)来构建合并的谱。在一个另外变体中，尤其是在其中优选不要求用户交互作用来确保***始终选择不具有饱和条件的检测信号的另一个变体中，如图7A中所示，该***自动检测其中低增益检测器(例如，“模拟”检测器)和高增益检测器(例如，“计数”检测器)具有一个“共用的”或“并行的”线性响应的范围(例如，示出在水平La1与Lc2之间)，更改为在这个范围之外的正确的(线性响应)检测器并且再校准在该“共用的”或“并行的”范围内的相对增益。
将所处理的检测信号和/或HDR谱优选存储在一个数据***如图2中示出的***120上。可以从仪器用计算机以一种有形的形式如在一个图形化界面(例如，VDU屏)上或在硬拷贝媒体(例如，纸)上输出HDR谱。
任选地，针对不良地解析的峰(例如，针对合并的峰或低强度峰)执行一个高级峰检测，如通过图7中的高级峰检测模块116示意性地表示。优选地，仅在峰在这两个通道中都具有一个低品质因子的情况下，执行高级的峰检测过程，这是因为高级峰检测典型地是显著高计算耗费的。参照图8示意性地示出高级峰检测阶段116的详细过程。首先，在分解不良的合并的峰的情况下，由峰分离器模块117使用例如用于***峰的已知方法如使用移动平均值法(优选)、双高斯或修改的小波来***这些峰。高级峰检测和预处理可能必须从邻近的框中收集信息。将不良地解析的峰的轮廓点送到峰分离器117中，以便使得能够执行***。一旦这些合并的峰已***成单独地解析后的峰(***的峰)，那么使用针对每个峰的框106等对这些***的峰执行如图5中所示的峰表征相同的步骤。然后，将这些***的峰传递到合并的谱上。现给出用于***的峰的优选方法的实例。
在所谓的双峰的情况下，当两个峰表现为彼此接近或重叠时，或当一个宽峰出现时(比预期宽度要宽)，一种算法检查是否存在超过一个最大值。对以下两种情况进行处理：
1.)具有低强度的区域的参差不齐的峰。这表明属于不同峰的样本已被合并到一个峰中。用于在这种情况下检测并***不同峰的算法优选包括：
a.计算一个移动平均值(利用一个可配置的宽度，即，多个轮廓点的宽度)，即，在所选择宽度内由峰的多个轮廓点计算平均强度；
b.检测峰的起点，其中移动平均值从低于阈值到高于阈值发生变化并且检测峰的终点，其中移动平均值从高于阈值到低于阈值发生变化；
c.使用来自LUT的样本阈值校正在步骤b中确定的峰界限，这是因为移动平均值的空间分辨率随着不断增长的窗口宽度下降。在校正后，峰的起点是高于阈值的第一值而峰的终点是高于阈值的最后一个值。通过解释，通过对移动平均值应用阈值而确定的峰界限并不是尽可能准确的。这是由于用于确定移动平均值的窗口大小。这些界限是通过查找位置来校正的，其中这些样本跨越两个合并的峰的左峰的结束和右峰开始时的阈值。
2.)参差不齐的重叠峰。对于比针对当前时间或m/z的一个预期宽度要宽的一个峰来说，假定这个峰由两个重叠峰组成。在下文描述这个预期宽度。使用以下算法将这种类型的峰***：
a.查找两个最大值和这些最大值之间的一个最小值，其中该最大值和该最小值可以若干方式确定，例如：
i.使用宽度减小的一种质心方法来查找这两个最大值并且通过搜索这些最大值之间的最小点来确定最小值的位置；或
ii.使用宽度减少的一种质心方法来查找这两个最大值并且通过对这两个最大值之间的点应用一种质心方法来确定最小值的位置；或
iii.使用具有适当窗口宽度的一个移动平均值来查找这两个最大值以及之间的最小值；并且
b.在最小值的位置处***该峰。
在另一种类型的实施例中，根据峰形状与模型峰形状的比较，峰被确定成是或不是具有充分品质因子的候选物。在再另一个实施例中，根据峰高度与检测信号数据的局部背景的高度的比、并根据峰形状与模型峰的形状的比两者，峰有待被视为这类候选物。
在再另一类型的实施例中，峰、尤其是具有低强度的那些峰是否可能归因于离子的决定是基于：根据离子统计学预测数据中高于检测阈值的点的强度和数量。
噪声值是已可从取阈值过程获得的，并且因此一个非常简单的峰品质因子可以是S/T-C(其中，S＝信号强度，T＝阈值(来自查找表)，并且C是一个常数)。
当0与1之间的一个值被希望作为品质因子时，可以将一个S形函数用于转换，例如，逻辑函数(具有缩放比例A)：品质因子，QF：＝0.5*(1+tanh(A*(S/T-C)))，其中函数QF在位置C处经历1/2。
在0至1之间的峰品质因子的优选缩放也是优选的，这是因为它允许由概率确定的品质因子的容易整合。(与来自例如张等人，用于高分辨率TOF质谱法的贝叶斯肽峰检测(Bayesian Peptide Peak Detection for High Resolution TOF Mass Spectrometry)，IEEE信号处理汇刊(IEEE Transactions on Signal Processing)，58(2010年)5883；DOI：10.1109/TSP.2010.2065226的方法的信息相像)。
在其中根据峰形状与模型峰的形状的比较，多个峰可能由于归因于离子而被确定为候选物并被保留，并且其它峰被确定不是归因于离子并被舍弃的实施例中，模型峰的形状可以是高斯、修改的高斯、洛伦兹(Lorentzian)或代表质谱峰的其他任何形状。这种峰形状也可以由手边的数据经验确定，例如，作为一个平均的测量的峰形状。一种修改的高斯峰形状可以是在一侧或两侧具有尾部的高斯峰。这个模型峰形状可以由一个基峰、如抛物线峰形状产生，然后被修改以便与离子的测量的峰形状更好地相匹配。优选地，模型峰形状为高斯。模型峰形状的宽度可以由一个预定或计算的参数设定或更优选由测量的数据计算。优选地，模型峰形状的宽度是质量的函数，更优选一个线性函数，其宽度随质量的增加而增加。优选地，模型峰形状的宽度由测量数据(由如所测量离子的产生)确定并且因此根据用于质量分析的仪器来确定。然而，已知的是，TOF峰形状通常不完全是高斯并且确切的峰形状可以例如取决于强度和质量，或甚至取决于前面的(即，较低质量、较早抵达)峰的强度。发明人已发现，数据中的峰位置确定(具有高品质并且具有高的信噪比)通常不会由于非匹配峰形状的使用而受损，但另一方面，噪声数据(在最需要峰检测和评价方法时)使用一个简单的函数(例如，高斯或三角形)而更可靠地鉴别并定位。然而，使用例如峰宽(其为变量并且对于每个峰来说都是独有的)的额外的自由度典型地导致与简单模型相比的一个较糟的位置确定，在该简单模型中该宽度仅仅是完整的谱的一个全局函数。优选地，该模型峰形状为高斯。可以被用来形成第一模型峰形状的其他便利的峰形状是抛物线和三角形。高斯峰形状和分布的特性以及它们的加合是众所周知的并且对于绝大多数类型的数据分析来说是有利的。因此，仅仅对计算次数的极其具有限制性的要求或对测量精度的非常独特的认知才会建议不使用高斯函数。
所鉴别的峰的形状与模型峰形状之间的匹配优选使用一个相关因子(CF)来确定。相关因子优选在所鉴别的峰中的每一个与模型峰形状之间确定，该相关因子代表每个所鉴别的峰的形状与模型峰形状之间的匹配。优选地，相关因子是在峰上的多个点处的所鉴别的峰的强度和模型峰形状的函数。一类这种函数包括样本相关系数，例如，在http:// en.wikipedia.org/wiki/Correlation_and_dependence上。因此，在一个优选实施例中，所鉴别的峰的形状与模型峰的形状之间的匹配利用了一个表达式，该表达式包括一个样本相关系数。
优选地，描述相关因子(CF)的函数具有以下形式：
等式(1)
其中：
n＝横跨所鉴别的峰和模型峰形状的点的数量；
IM＝模型峰形状的强度；
ID＝横跨所鉴别的峰的测量强度。
在这种情况下，所鉴别的峰上的点的数量和模型峰形状上的点的数量被选择为相同的(即，n)、并且在模型峰形状和所鉴别的测量峰的各点n处相应地获得强度IM和ID。优选地，n被选择为所鉴别的峰上的测量数据点的数量，即，使得所鉴别的峰上的测量强度ID是测量的数据点，从而不要求进行内插。
使用等式(1)的函数，将设定在范围0与0.9内的一个相关因子用作阈值来区分可能归因于背景的所鉴别的峰和归因于所检测的离子的所鉴别的峰，优选使用设定在范围0.6与0.8内的一个相关因子，更优选使用设定在范围0.65与0.75内的一个相关因子，仍然更优选将该相关因子阈值设定为0.7。如果相关因子的幅度小于阈值，那么所鉴别的峰被看作是归因于背景而不是归因于所检测的离子。
即使当在进一步处理过程中不使用相关因子时，使用使数据与模型峰相匹配以便获得峰的准确位置和高度的这样一种程序也是非常有用和优选的。
峰检测的另一种方法是预测在某个时间窗口内高于阈值的数据点的预期数量，如果数据可能表示一个峰的话。然后，检查测量的数据并且如果类似时间窗口内的所观察到的数据点的数量显著低于预测(例如，其一半)，那么可以将那些时间窗口内的所有数据点都作为噪声舍弃，但优选仅仅一旦在那些位置的信号通过至少一个进一步扫描确认时，才舍弃(例如，如果一个时间窗口中的峰由其他扫描确认则不舍弃该时间窗口中的点，但如果其他扫描也没有在该时间窗口中示出一个峰，那么舍弃这些点)。用于峰确认的其他扫描优选在时间上接近地记录(例如，在色谱图中接近)并且在可比的条件下采集。
上述模型峰形状典型地是质量的函数并且因此将一个不同的模型峰形状与每个所鉴别的最大值相比较，其中在一个不同的质量下出现该最大值。然后，该比较优选使用等式(1)中所定义的相关因子来进行。0.6的阈值相关因子优选用于过滤所鉴别的最大值，其中具有的相关因子≥0.6的最大值被看作是归因于离子。
以统计学为动机的算法是基于质谱峰中的预测的连续数据点的数量。一旦以下值是已知的，就可以计算出这个数量：
·峰宽。
·采样率(每时间单位的数据点)
·峰顶点的S/N。
只有一个峰候选物在质量迹线中具有至少70％-100％(左右)的预期(计算出的)连续点时，该峰候选物是可接受的。
将可能来自离子的峰与不可能来自离子的那些峰区别开来的一种方法是鉴别高于检测阈值的数据点的预期数量并且将具有较少数据点的峰作为伪峰拒绝。具有与预期相比显著更多数据点的迹线典型地被认为是背景。
对伪峰进行此评估的最简单的方法是舍弃单一的数据点。这些单一的点通常被称为“毛刺”，并且如果使用了平滑处理，那么它们的去除是决定性的，这是因为所平滑处理的毛刺看起来完全像一个良好的峰。
更高级的区别方法可以优选地利用模型峰形状，该模型峰形状典型地无论如何都可供用于峰的高度和位置的确定。为了方便起见，我们将如拟合至测量数据的模型峰的高度称为“观察到的强度”，并且将如拟合至测量数据的模型峰的位置称为“观察到的峰位置”。参照图8A，示出了数据点集合的示意性实例(作为竖条，其中高度表示强度)，该集合来自一个帧，该帧含有一个峰候选物，该峰候选物已从一个完整的数据集合中被提取出来。还示出了模型峰形状。然后，对于一个给定的检测限(粗水平线)来说，可以对高于该检测限的数据点的数量计数(在此：5)并且将它与由具有所观察到的高度和位置的模型峰预期的高于这个检测限的点的数量(在此：9)相比较。显而易见地，连续数据点的预期数量或高于某个限制的数据点的数量取决于峰相对于检测限的相对高度。在本实例中，一个较低的检测限(下水平线)将给出更多的连续数据点(观察到9个，预期11个)并且与峰高度相比一个较高的检测限(下水平线)将给出较少的数据点(观察到2个，预期5个)。舍弃峰的合理标准将是例如：实际上观察到高于检测限的数据点的预期数量的小于75％或小于50％。
对于非常低的信号强度来说，优选也将离子统计效应考虑在内，这是由于因为检测和电离过程的统计性质，观察到的离子的数量随机变化。对这个随机变化进行充分研究。在很多情况下，这个变化遵循例如泊松统计。在那种情况下，例如，离子的观察到的数量的相对变化是离子数的平方根。一个给定的信号强度(即，强度或高度)的离子数可以由仪器制造商披露，通过校准来确定(参见例如马卡洛夫A.(Makarov，A.)&杰尼索夫E.(Denisoy，E.)：“轨道阱质量分析仪中的完整蛋白质的离子的动力学(Dynamics of Ions of IntactProteins in the Orbitrap Mass Analyzer)”，美国质谱学会学报(Journal of theAmerican Society for Mass Spectrometry)，2009，20，1486-1495)，由数据集合中的观察结果产生或得自第一原理，例如，假定泊松统计学用于离子的出现。然后，对于每个数据点来说，预期的最小和最大强度可以获得并用于查看与来自模型峰的直接确定相比，数据点的预期数量必须减少的量。例如，当得自模型峰的强度假定为100％并且显著性水平预期为3σ时，该数据点的观察到的强度可以介于0％与200％之间(对于8个离子来说)，介于24％与175％之间(对于16个离子来说)，介于50％与150％之间(对于32个离子来说)等。因此，例如，假定峰轮廓中的最强点将与32个离子相对应时，5个数据点的平均强度预期变化大约+/-50％。因此，即使观察到小于由与模型峰的一个简单比较所预期的峰的50％，这个峰也将被视为是可接受的且不会舍弃。
以上方法还可以应用于其中存在超过两个重叠峰的情况，然而这可能更加难以通过算法来处理，而是优选地，光谱仪应切换到更高分辨能力(即，这要求光谱仪能够检测这些情况)。还可能采用以上算法的一个递归形式，如果所产生的峰仍然比预期的峰宽要宽，那么这个递归形式继续***该峰。一个重要的替代方案是将与峰宽一致的“模型峰”的最小数量拟合至数据。
通过上述各种算法使用一个预期峰宽并优选以以下方式计算出这个预期峰宽。在校准过程中，将不同m/z下的已知数量的离子(引起不同的飞行时间)引入质谱仪中。针对不同数量的离子(即，与不同的峰强度相对应)重复这个过程。创建一个三维图，其中x轴具有飞行时间，y轴具有离子数或面积并且z轴具有在FWHM下(或更一般地：在最大值x％下的)的时间宽度。可替代地，创建具有这种信息的一个多维阵列并且获得多个内插值。
合并的谱中的这些点的时间值(即，TOF)优选被转换为m/z，尽管应了解的是，这些检测信号在合并以形成合并的谱之前本身可以被转换为m/z。优选使用一种校准方法(例如，如现在所描述)执行到m/z的转换。
外部校准(结合内部校准以提高准确度)对于将飞行时间转换为m/z是优选的。外部校准必须以规则的时间间隔进行以便调整电位和温度的漂移、连同检测***的任何电子倍增器并且主要是任何光电倍增器的老化效应。外部校准物应提供在整个质量范围内分布的若干峰。测量应以不同的总强度重复若干次。校准仪器所必需的峰的数量和不同强度的数量取决于其线性度。若干特性可以得自这一系列的测量：
-如果校准物还含有不同强度的峰，那么这可以用于针对两个通道计算放大因子。此信息可以用于如上所述组合这两个通道。例如，放大因子或增益因子(g1和g2)可以从以下函数计算出来：
其中
面积(p)：峰p的面积/强度
Int(p)：产生峰p的物质的强度或丰度
g1：低增益通道的增益
g2：高增益通道的增益
p.ch1：低增益通道上的峰
p.ch2：高增益通道上的峰
p1：在高增益通道上饱和并且在低增益通道上不饱和的峰
p2：在高增益通道上不饱和的峰
为确定g1/g2，优选使用以粗斜体印刷的公式，这是因为所测量的数据将是最准确的。如果存在若干适合的峰可用，那么可以对这些单独的增益因子求平均值。如果p1和p2来自同一个同位素模式，那么它们的强度(Int(p))可以经由它们的同位素比计算出来，如果(例如)仅仅相应物质的总强度是已知的话。实际增益可能不是恒定的(如上所假定)。而是，它可能取决于m/z和离子数。所以，该增益可能是使用接纳了两个参数的一个函数：增益(m/z，强度)来最佳描述的。这个函数对于每个通道来说都是不同的并且可以由校准物中查找到的峰来近似得出。必须确保校准物产生充分高品质的峰，以用于进行这个校准。
在外部校准(其在内部校准之前进行)之后，典型地，在TOF谱仪的情况下，仪器将已经具有大约5ppm的准确度。内部校准可以将准确度移动到大约1ppm，更令人希望的是0.1ppm。内部校准优选通过注入具有已知质量和强度的一个峰进行。这个校准峰的m/z应被选择为使得它不干扰分析物。如果碰巧两个峰在预期质量范围内(+/-外部校准的准确度)，那么这个强度可以用作额外的标准。即使附近存在一个分析物峰，这个强度也应保持在一个数量级内。典型地，仅一个峰用于内部校准。如有必要，内部校准可以使用超过一个峰。这些峰需要仅仅在一个通道(优选高增益通道)上是可见的。内部校准物的强度可以用于校准每个通道的增益，只要用于校准的峰具有高品质即可。
通道偏移(即，时间偏移)受到电缆长度和延迟的影响，该延迟在光子倍增器用在高增益通道上的情况下被引入。对于用于对齐这些通道的通道偏移的校准来说，有必要可靠地确定在这两个通道上可见的一个单一峰的位置或使用具有已知偏移的两个峰。由于用在这两个通道上的不同增益，第一种方法可能是困难的(高增益通道将饱和，或者低增益通道不会被提供有可靠的峰检测所需的离子数)，应使用第二种方法。可以使用一个同位素模式，其中离子数可以被调整成使得可以在低增益通道上可靠地检测单同位素峰、并且可以在高增益增益通道上在无饱和的情况下检测第一同位素峰。可替代地，校准通道偏移可以是外部校准的一部分，这样用于外部校准的校准物应被选择来完成在此所述的要求。
校准还可以用于仪器，特别是用于电子倍增器或光电倍增器再校准、使用期限和/或更换的自我监控。光电倍增器和/或MCP的老化效应例如可以使用外部校准来调整，但即使这样光电倍增器仍特别需要在某个时间点被更换(这些MCP在相对低的增益下运作，这样它们应在仪器的整个使用期限中工作)。为此目的，应以规则的时间间隔执行外部校准，或当装置检测不规则性时，如当应以一个特定强度在每个通道上检测到的峰没有以此强度检测到时(例如，在低增益通道上可见的一个峰在高增益通道上也应当是以以下强度可见的：面积(p.ch2)＝面积(p.ch1)*g2/g1或溢出。在存在这两个检测信号的谱中可以存在许多高于阈值的点/峰。在这些点中的通道之间的比可以用于连续地更新实际增益比。如果光电倍增器的老化无法通过独自地增加光电倍增器的放大因子来调节，那么是时候更换该光电倍增器了。为了允许用户继续利用仪器工作，可以使MCP的放大增加有限量的时间(以避免MCP的老化)，这样两者或者仅低增益通道将共用可用的数据。在这些应急条件下，仪器的动态范围降低。
数据采集***还能够做出多个依赖数据的决定。在图2中，示出了依赖数据的决定模块130和140，这些依赖数据的决定模块由于算法复杂性而优选在仪器用计算机上实施。这些模块使得能够基于对所处理的检测信号和/或合并的谱中的数据的评价，尤其是基于合并的谱做出多个决定。现参照图9描述可以做出的决定的进一步细节，图9示出了可以优选由决定模块140做出的多个决定的示意性流程图。由模块140评价一个峰。在第一步骤中，决定该峰是否归因于低数量的离子(预确定针对低数量离子的一个阈值)并且如果答案为是，那么可以由光谱仪再采集该峰，并且如果答案为否，那么该过程移动到下一个步骤144。在下一个步骤144中，决定该峰是否分离成多个子峰并且如果答案为是，那么可以由光谱仪以一个较高的分辨率再采集该峰，并且如果答案为否，那么该过程移动到下一个步骤146(如果质心器(如先前所述)在给定宽度中查找到超过一个质心，那么假定它已查找到多个重叠峰)。在下一个步骤146中，决定是否已确定了一个质心并且如果答案为是，那么可以通过光谱仪用更多的离子再采集该峰，和/或将更多的检测信号或谱加合在一起，并且如果答案为否，那么该过程移动到下一个步骤148(如果该质心器(如先前所述)未能检测到一个质心，那么这表明采集到数量不足的离子)。在下一个步骤148中，决定一个溢出标记与合并的谱中的峰是否相关联(这表明这两个通道饱和/超载)并且如果答案为是，那么可以由光谱仪用较少离子再采集该峰，并且如果答案为否，那么任选地，该过程可以停止针对该峰做出依赖数据的决定或可以进行到做出多个数据依赖决定的一个或多个另外的步骤。
如在此使用的，包括权利要求在内，除非上下文另外说明，否则在此术语的单数形式应当理解为包括复数形式，并且反之亦然。例如，除非上下文另外说明，本文中、包括权利要求中单数的指称，如“一个”或“一种”(例如一种光子检测器等)是指“一个或多个”(例如，一个或多个光子检测器等)。
贯穿本说明书的描述和权利要求，词语“包括”、“包含”、“具有”和“含有”以及这些词语的变化形式(例如“包括(comprising)”和“包含(comprises)”等)表示“包括但不限于”并且不旨在(并且不会)排除其他部件。
应当理解的是，可以作出本发明的前述实施例的变化形式，同时仍落在本发明的范围之内。除非另有说明，否则本说明书中披露的每个特征可以由服务于相同、等同或类似目的的替代特征来代替。因此，除非另有说明，否则所披露的每个特征只是一个一般系列的等同或类似特征中的一个实例。
使用在此提供的任何一个以及全部实例、或示例性语言(“例如”、“如”、“举例而言”以及相似语言)，仅旨在更好地说明本发明并且不表示对本发明的范围进行限制，除非另外要求。本说明书中的任何语言都不应当被理解为是在指示：任何未要求保护的元件对本发明的实施至关重要的。
本说明书中描述的任何步骤可以按照任意顺序来执行或同时执行，除非另有说明或上下文另外要求。
本说明书中披露的所有特征可以按任意组合形式加以组合，除了这种特征和/或步骤中的至少一些相互排斥的组合形式。具体而言，本发明的优选特征可应用于本发明的所有方面并且可以按任意组合形式来使用。同样，非本质的组合方式中描述的特征可以独立使用(不进行组合)。

Claims (20)

1.一种用于在质谱仪中检测离子的数据采集设备，该设备包括：
一个检测***，该检测***用于检测离子、包括两个或更多个检测器，所述两个或更多个检测器用于响应于抵达该检测***的离子而在多个单独通道中输出两个或更多个检测信号，所述两个或更多个检测信号是响应于产生次级电子的离子而产生的，其中抵达第一检测器以从第一检测器产生第一检测信号的同样的次级电子在时间延迟之后抵达第二检测器，以从第二检测器产生第二检测信号，所述第一检测信号和所述第二检测信号相对于彼此在时间上移位；以及
一个数据处理***，该数据处理***用于在该数据处理***的多个单独通道中接收并处理来自两个或更多个检测器的检测信号、并且用于合并所处理的检测信号，以便构造一个质谱；
其中在多个单独通道中的该处理包括在模数转换器（ADC）中对多个单独通道中的来自所述两个或更多个检测器的检测信号进行数字化以及通过向来自所述两个或更多个检测器的检测信号应用一个阈值来从数字化的检测信号中去除噪声。
2.如权利要求1所述的数据采集设备，其中该质谱仪是一个TOF质谱仪并且该质谱是一个高动态范围质谱。
3.如权利要求1或2所述的数据采集设备，包括一个低增益检测器和一个高增益检测器。
4.如权利要求3所述的数据采集设备，其中该低增益检测器包括一个带电粒子检测器，且该高增益检测器包括一个光子检测器。
5.如权利要求1所述的数据采集设备，包括至少一个前置放大器，该前置放大器用于从所述两个或更多个检测器接收检测信号并且在数字化来自所述两个或更多个检测器的检测信号之前在多个单独通道中预放大来自所述两个或更多个检测器的检测信号。
6.如权利要求1所述的数据采集设备，其中对来自所述两个或更多个检测器的检测信号中的每一个应用一个单独的阈值，其中每个阈值都存储在一个查找表（LUT）中并且每个检测信号都有一个单独的查找表。
7.如权利要求6所述的数据采集设备，其中该阈值是动态的并且在每个检测信号中随时间而变化。
8.如权利要求1所述的数据采集设备，其中在所述单独通道中的处理包括仅仅将来自所述两个或更多个检测器的检测信号的、超过去噪阈值的多个点包装成帧，以用于在不同的处理器之间的所述单独通道中传递。
9.如权利要求8所述的数据采集设备，其中每个帧的宽度都是灵活可变的，以使得每个帧都具有在从最小尺寸到最大尺寸范围内的一个尺寸，并且使得：每个帧都由该最小尺寸组成，除非在一个帧中达到该最小尺寸的地方存在一个峰，在这种情况下，除了该帧不应当延伸超过该最大尺寸之外该帧都延伸超过该最小尺寸，直到该峰结束为止，这样使得如果在达到所述最大尺寸的地方仍然存在该峰，那么该峰的点将在下一个帧中继续。
10.如权利要求8所述的数据采集设备，其中该数据处理***包括一个专用处理器，该专用处理器用于在所述单独通道中执行以下处理步骤：去除噪声并且包装来自所述两个或更多个检测器的检测信号的、超过该阈值的多个点，其中所述处理步骤针对来自所述两个或更多个检测器的检测信号中的每一个检测信号并行进行。
11.如权利要求10所述的数据采集设备，其中在从来自所述两个或更多个检测器的检测信号中去除噪声之后，在所述单独通道中的处理包括检测来自所述两个或更多个检测器的检测信号中的多个峰、并且表征所检测的峰，其中表征所述峰包括以下步骤：
a)产生用于所述峰的一个或多个品质因子；并且
b)使用一种质心算法确定所述峰的质心，
其中该合并包括仅合并具有充分高的一个或多个品质因子的那些峰，和/或其中该处理包括使用品质因子中的一个或多个来确定一个峰的所确定的质心是否是可靠的并且另外的动作是否是必要的，其中该另外的动作包括应用一个不同的峰检测和/或质心算法，或再次采集其所确定的质心被确定是否是可靠的峰。
12.如权利要求11所述的数据采集设备，其中一个峰的品质因子包括该峰的平滑度和/或形状，并且该处理包括将所述平滑度和/或形状与一个预期的或模型平滑度和/或形状相比较。
13.如权利要求1所述的数据采集设备，其中该处理包括将来自所述两个或更多个检测器的检测信号对齐，以便在合并来自所述两个或更多个检测器的检测信号之前，校正来自所述两个或更多个检测器的检测信号之间的时间延迟。
14.如权利要求1所述的数据采集设备，其中来自所述两个或更多个检测器的检测信号之一是一个高增益检测信号并且来自所述两个或更多个检测器的检测信号之一是一个低增益检测信号，并且所处理的检测信号的该合并包括合并该高增益检测信号和该低增益检测信号，以便形成一个高动态范围质谱，该高动态范围质谱在该高增益检测信号是不饱和的情况下包括该高增益检测信号，并且在该高增益检测信号是饱和的情况下包括该低增益检测信号，并且在该低增益检测信号被用于该高动态范围质谱中的情况下，该低增益检测信号是通过该高增益检测信号相对于该低增益检测信号的放大倍数来缩放。
15.如权利要求1所述的数据采集设备，其中来自所述两个或更多个检测器的检测信号之一是一个高增益检测信号并且来自所述两个或更多个检测器的检测信号之一是一个低增益检测信号，并且所处理的检测信号的该合并包括合并该高增益检测信号和该低增益检测信号，以便形成一个高动态范围质谱，其中不要求任何用户交互来确保该数据采集设备始终为所合并的谱选择具有线性响应的适当检测信号，并且其中该数据采集设备自动检测其中该低增益检测信号和该高增益检测信号具有一个并行线性响应的一个并行范围，并且更改为在该并行范围之外的具有一个线性响应并且再校准在该并行范围内的相对增益的适当检测器。
16.如权利要求1所述的数据采集设备，其中所处理的检测信号的该合并包括，对于一个给定的峰，仅合并对于此峰来说具有最高品质因子的检测信号。
17.如权利要求1所述的数据采集设备，其中在所述单独通道中的处理包括在合并所处理的检测信号之前，对每个通道中的多个检测信号进行加合。
18.如权利要求10所述的数据采集设备，其中所述数据处理***包括一个仪器用计算机，该仪器用计算机在多个单独通道中从该专用处理器接收检测信号，其中该仪器用计算机至少执行在多个单独通道中的对来自专用处理器的检测信号的任何进一步的处理、和对所处理的检测信号的合并。
19.如权利要求18所述的数据采集设备，其中该仪器用计算机是用于做出一个或多个依赖数据的决定，以便控制该检测***和/或质谱仪的一个或多个工作参数。
20.一种用于在质谱仪中检测离子的数据采集方法，该方法包括：
使用包括两个或更多个检测器的一个检测***来检测离子，并且响应于抵达该检测***的离子，在多个单独通道中从这两个或更多个检测器中输出两个或更多个检测信号以及产生次级电子，其中抵达第一检测器以从第一检测器产生第一检测信号的同样的次级电子在时间延迟之后抵达第二检测器，以从第二检测器产生第二检测信号，其中所述第一检测信号和所述第二检测信号相对于彼此在时间上是移位的；
在一个数据处理***的多个单独通道中接收并处理来自所述两个或更多个检测器的检测信号，其中在多个单独通道中的该处理包括在模数转换器（ADC）中数字化多个单独通道中来自所述两个或更多个检测器的检测信号以及通过对来自所述两个或更多个检测器的检测信号应用一个阈值来从数字化的检测信号中去除噪声；并且
在该数据处理***中合并所处理的检测信号，以便构造一个质谱。
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