(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電極と、
１つ以上の前記電極に非対称電圧波形を印加することで、使用時に、イオンが、半径方向に、その微分イオン移動度に応じて第１の半径方向に分離されるように構成および適合された装置と、
使用時に、線形イオントラップの長さに沿った位置に軸方向ポテンシャル障壁を形成することで、第１の微分イオン移動度および第１の半径方向変位を有するイオンは、前記軸方向ポテンシャル障壁によって前記線形イオントラップ内において軸方向に保持されるのに対して、第２の異なる微分イオン移動度および第２の異なる半径方向変位を有するイオンは、前記線形イオントラップから軸方向に出射するか、または軸方向に放出されるように構成および適合された装置とを備える線形イオントラップであって、
前記線形イオントラップは、使用時に、（ｉ）＜１００ｍｂａｒ、（ｉｉ）＜１０ｍｂａｒ、（ｉｉｉ）＜１ｍｂａｒ、（ｉｖ）＜０．１ｍｂａｒ、（ｖ）＜０．０１ｍｂａｒ、（ｖｉ）０．００１ｍｂａｒ、（ｖｉｉ）１０〜１００ｍｂａｒ、（ｖｉｉｉ）１〜１０ｍｂａｒ、（ｉｘ）０．１〜１ｍｂａｒ、（ｘ）０．０１〜０．１ｍｂａｒ、および（ｘｉ）０．００１〜０．０１ｍｂａｒからなる群から選択される圧力で動作または維持される線形イオントラップ。
【請求項２】
１つ以上の前記電極に対称ＲＦ電圧を印加することで、使用時に、イオンがＲＦ擬ポテンシャル場によって前記イオントラップ内において第２の半径方向に閉じ込められるように構成および適合された装置をさらに備える請求項１に記載の線形イオントラップ。
【請求項３】
前記第２の半径方向は、前記第１の半径方向と直交する請求項２に記載の線形イオントラップ。
【請求項４】
前記線形イオントラップに沿った第１の軸方向に少なくともいくつかのイオンを進ませるために、一動作モードにおいて、前記線形イオントラップの軸方向長さの少なくとも一部に沿って軸方向ＤＣポテンシャル勾配を維持するように構成および適合された装置をさらに備える請求項１、２または３のいずれかに記載の線形イオントラップ。
【請求項５】
（ｉ）前記線形イオントラップに沿った第１の軸方向に、第１の半径方向変位を有する少なくともいくつかのイオンを進ませるために、少なくともいくつかの第１の電極に１つ以上の過度ＤＣ電圧または１つ以上の過度ＤＣ電圧波形を印加し、および／または
（ｉｉ）前記第１の軸方向とは異なる、前記線形イオントラップに沿った第２の軸方向に、第２の異なる半径方向変位を有する少なくともいくつかのイオンを進ませるために、少なくともいくつかの第２の電極に１つ以上の過渡ＤＣ電圧または１つ以上の過渡ＤＣ電圧波形を印加するように構成および適合された装置をさらに備える請求項１〜４のいずれかに記載の線形イオントラップ。
【請求項６】
複数の電極と、
１つ以上の前記電極に非対称電圧波形を印加することで、使用時に、イオンが、半径方向に、その微分イオン移動度に応じて第１の半径方向に分離され、かつ、一動作モードにおいて、イオンがその微分イオン移動度に応じて線形イオントラップから前記第１の半径方向に放出されるか、または出射するように構成および適合された装置と、
１つ以上の前記電極に対称ＲＦ電圧を印加することで、使用時に、イオンがＲＦ擬ポテンシャル場によって前記イオントラップ内において第２の半径方向に閉じ込められるように構成および適合された装置とを備える線形イオントラップであって、
前記線形イオントラップは、使用時に、（ｉ）＜１００ｍｂａｒ、（ｉｉ）＜１０ｍｂａｒ、（ｉｉｉ）＜１ｍｂａｒ、（ｉｖ）＜０．１ｍｂａｒ、（ｖ）＜０．０１ｍｂａｒ、（ｖｉ）０．００１ｍｂａｒ、（ｖｉｉ）１０〜１００ｍｂａｒ、（ｖｉｉｉ）１〜１０ｍｂａｒ、（ｉｘ）０．１〜１ｍｂａｒ、（ｘ）０．０１〜０．１ｍｂａｒ、および（ｘｉ）０．００１〜０．０１ｍｂａｒからなる群から選択される圧力で動作または維持される線形イオントラップ。
【請求項７】
前記第２の半径方向は、前記第１の半径方向と直交する請求項６に記載の線形イオントラップ。
【請求項８】
前記第１の半径方向に実質的なＤＣ電界を維持するように構成および適合された装置をさらに備え、前記ＤＣ電界は、前記イオントラップ内に少なくともいくつかのイオンを保持するように作用する請求項１〜７のいずれかに記載の線形イオントラップ。
【請求項９】
前記線形イオントラップは、１つ以上の上部平面電極と、１つ以上の下部平面電極と、前記１つ以上の上部平面電極と前記１つ以上の下部平面電極との間に配置された複数の中間平面電極とを備える請求項１〜８のいずれかに記載の線形イオントラップ。
【請求項１０】
（ｉ）前記１つ以上の上部電極は、軸方向にセグメント化された複数の上部電極セグメントを含み、および／または
（ｉｉ）前記１つ以上の中間電極は、軸方向にセグメント化された複数の中間電極セグメントを含み、および／または
（ｉｉｉ）前記１つ以上の下部電極は、軸方向にセグメント化された複数の下部電極セグメントを含む請求項９に記載の線形イオントラップ。
【請求項１１】
前記線形イオントラップは、（ｉ）使用時に、電極に設けられた開口もしくは電極によって形成された開口をイオンが通過するように配置された、または、使用時に、イオンが通過するように配置された複数のリング電極または他の電極、または（ｉｉ）長手方向に配置された４個、６個、８個、１０個または１１個以上のロッドを含む多重極ロッドセットを備える請求項１〜８のいずれかに記載の線形イオントラップ。
【請求項１２】
第１の動作モードにおいて、前記イオントラップは、微分イオン移動度セパレータとして動作するため、イオンがその微分イオン移動度に応じて前記微分イオン移動度セパレータから出射するか、または放出され、第２の動作モードにおいて、前記イオントラップは、（ｉ）イオンをその微分イオン移動度および／もしくはそのイオン移動度に応じて実質的に分離することなく、イオンを移送するように構成されたイオンガイド、（ｉｉ）衝突、フラグメンテーションもしくは反応デバイス、または（ｉｉｉ）イオンをそのイオン移動度に応じて分離する装置のいずれかとして動作する請求項１〜１１のいずれかに記載の線形イオントラップ。
【請求項１３】
前記線形イオントラップ内において、イオンの半径方向分離または半径方向移動を増加、減少または変化させるために、１つ以上の前記電極に印加される前記非対称電圧波形の振幅および／または期間を増加する、階段状にする、スキャンする、または減少するように構成および適合された装置をさらに備える請求項１〜１２のいずれかに記載の線形イオントラップ。
【請求項１４】
使用時に、一動作モードにおいて、前記線形イオントラップ内に軸方向に少なくともいくつかのイオンを閉じ込めるために、ＤＣポテンシャルおよび／もしくはＲＦポテンシャルが印加される１つ以上の入口電極、ならびに／または
使用時に、一動作モードにおいて、前記線形イオントラップ内に軸方向に少なくともいくつかのイオンを閉じ込めるために、ＤＣポテンシャルおよび／もしくはＲＦポテンシャルが印加される１つ以上の出口電極をさらに備える請求項１〜１３のいずれかに記載の線形イオントラップ。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれかに記載の線形イオントラップを備える微分イオン移動度セパレータ。
【請求項１６】
請求項１５に記載の微分イオン移動度セパレータを備える質量分析計。
【請求項１７】
複数の電極を備える線形イオントラップを準備する工程、
１つ以上の前記電極に非対称電圧波形を印加して、イオンをその微分イオン移動度に応じて半径方向に分離する工程、
前記線形イオントラップの長さに沿った位置に軸方向ポテンシャル障壁を形成して、第１の微分イオン移動度および第１の半径方向変位を有するイオンを、前記軸方向ポテンシャル障壁によって前記線形イオントラップ内において軸方向に保持するのに対して、第２の異なる微分イオン移動度および第２の異なる半径方向変位を有するイオンを、前記線形イオントラップから軸方向に出射するか、または軸方向に放出する工程、および
前記線形イオントラップを（ｉ）＜１００ｍｂａｒ、（ｉｉ）＜１０ｍｂａｒ、（ｉｉｉ）＜１ｍｂａｒ、（ｉｖ）＜０．１ｍｂａｒ、（ｖ）＜０．０１ｍｂａｒ、（ｖｉ）０．００１ｍｂａｒ、（ｖｉｉ）１０〜１００ｍｂａｒ、（ｖｉｉｉ）１〜１０ｍｂａｒ、（ｉｘ）０．１〜１ｍｂａｒ、（ｘ）０．０１〜０．１ｍｂａｒ、および（ｘｉ）０．００１〜０．０１ｍｂａｒからなる群から選択される圧力で動作または維持する工程を含むイオンの分離方法。
【請求項１８】
複数の電極を備える線形イオントラップを準備する工程、
１つ以上の前記電極に非対称電圧波形を印加して、イオンを、半径方向に、その微分イオン移動度に応じて第１の半径方向に分離する工程、
１つ以上の前記電極に対称ＲＦ電圧を印加して、イオンをＲＦ擬ポテンシャル場によって前記イオントラップ内において第２の半径方向に閉じ込める工程、および
前記線形イオントラップを（ｉ）＜１００ｍｂａｒ、（ｉｉ）＜１０ｍｂａｒ、（ｉｉｉ）＜１ｍｂａｒ、（ｉｖ）＜０．１ｍｂａｒ、（ｖ）＜０．０１ｍｂａｒ、（ｖｉ）０．００１ｍｂａｒ、（ｖｉｉ）１０〜１００ｍｂａｒ、（ｖｉｉｉ）１〜１０ｍｂａｒ、（ｉｘ）０．１〜１ｍｂａｒ、（ｘ）０．０１〜０．１ｍｂａｒ、および（ｘｉ）０．００１〜０．０１ｍｂａｒからなる群から選択される圧力で動作または維持する工程を含むイオンの分離方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願のクロスリファレンス
本願は、２０１０年１２月９日に出願された米国仮特許出願第６１／４２１３８７号および２０１０年１０月２７日に出願された英国特許出願第１０１８１８４．０号の優先権および利益を主張する。上記出願の全ての内容は、参照により本明細書に援用される。
【０００２】
本発明は、質量分析の分野、特に微分イオン移動度セパレータ（differential ion mobility separator）に関する。
【背景技術】
【０００３】
電界Ｅの存在下におけるガス内のイオンの移動度Ｋは、イオンが電界から得るエネルギーが熱エネルギーに比べて無視できるほど小さいという条件では、基本的に電界の影響を受けない。この条件は、中性ガス数密度をＮとすると、Ｅ／Ｎが低い場合に満たされる。しかし、電界が増加するか、または中性ガス数密度が減少するにつれて、イオンの移動度は、Ｅ／Ｎ比に依存するようになる。
【０００４】
【数１】
0005475202.tif 000002
【０００５】
上記式中、Ｋ0は低いＥ／Ｎ移動度であり、α（Ｅ／Ｎ）は電界依存性を表す関数である。
【０００６】
イオンの移動度の電界強度への依存性についての知識によって、ブルヤコフ（Buryakov）らによる微分イオン移動度分析器の開発が促進された（非特許文献１）。非特許文献１には、イオンをその低電界移動度と高電界移動度との差に応じて分離することが開示されている。
【０００７】
ブルヤコフらが開示した装置は、一対の平行極板で構成され、それらの間にガス流を通すものであった。分離されるイオンは、このガス流に同伴された。
【０００８】
公知の微分イオン移動度分析器は、大気圧で動作する。イオン拡散速度は、減圧におけるよりも大気圧における方が低いため、ガス圧力が低下すると、イオン拡散は重大な損失機構となる。逆に、大気圧では、高電界移動度状態に達するのに十分な高いＥ／Ｎ値を得るために、高電圧ＲＦ発生器が必要となる。
【０００９】
公知の微分イオン移動度装置においては、装置の動作パラメータをスキャンした結果として、特定の微分イオン移動度特性を有するイオンが順次移送される。装置に入射したが移送されていないイオンは失われる。このため、分析スキャン中に、イオン移動度特性が異なる複数の分析物を移送するデューティサイクルが非常に低くなり、ゆえに全体的な感度が低下する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes, 128 (1993), pp 143-148
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
改良された微分イオン移動度セパレータおよび微分イオン移動度に応じたイオンの分離方法を提供することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一態様によると、
複数の電極と、
１つ以上の前記電極に非対称電圧波形を印加することで、使用時に、イオンが、半径方向に、その微分イオン移動度に応じて第１の半径方向に分離されるように構成および適合された装置と、
使用時に、線形イオントラップの長さに沿った位置に軸方向ポテンシャル障壁を形成することで、第１の微分イオン移動度および第１の半径方向変位を有するイオンは、前記軸方向ポテンシャル障壁によって前記線形イオントラップ内において軸方向に保持されるのに対して、第２の異なる微分イオン移動度および第２の異なる半径方向変位を有するイオンは、前記線形イオントラップから軸方向に出射するか、または軸方向に放出されるように構成および適合された装置とを備える線形イオントラップが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、微分移動度分離を行うのに用いられる従来の非対称電圧波形の形状を示す図であって、Ｖ（Ｈｉｇｈ）×Ｔ（Ｈｉｇｈ）がＶ（Ｌｏｗ）×Ｔ（Ｌｏｗ）に等しい場合を示す。
【図２Ａ】図２Ａは、従来のＦＡＩＭＳ装置を構成する一対の電極の間を通るイオンの軌道を示す図であって、上記電極に非対称電圧波形が印加され、イオンの高電界移動度と低電界移動度とが同じであるため、正味のイオン運動が両方の極板に平行な方向である場合を示す。
【図２Ｂ】図２Ｂは、従来のＦＡＩＭＳ装置を構成する一対の電極の間を通るイオンの軌道を示す図であって、非対称電圧波形が印加され、イオンの高電界移動度と低電界移動度とが異なるため、正味のイオン運動が一方の極板に向かう方向である場合を示す。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係る積層板状イオントラップ（stacked plate ion trap）の基本構成を示す。
【図４】図４は、一実施形態に係る積層板状イオントラップをｙｚ面について示す図であって、イオンが上部平板電極の開口を介してイオントラップから半径方向に放出される場合を示す。
【図５】別の実施形態に係る積層板状イオントラップをｙｚ面について示す図であって、半径方向に移動したイオンの軸方向放出を行うために、上部電極および下部電極ならびに出口電極に印加されるポテンシャルを示す。
【図６】積層板状イオントラップをｙｚ面について示す図であって、上部電極および下部電極に沿って維持される軸方向ＤＣ電圧勾配を示す。
【図７】中間ＲＦ電極に沿って維持されるＤＣ電圧勾配を示す。
【図８】上部電極および下部電極ならびに中間ＲＦ電極が軸方向にセグメント化されている一実施形態を示す。
【図９】一実施形態に係る上部電極および下部電極に印加される第１の時間変化ポテンシャル（time varying potential）を示す。
【図１０】一実施形態に係る中間ＲＦ電極に印加される第２の時間変化ポテンシャルを示す。
【図１１】ＳＩＭＩＯＮ（ＲＴＭ）イオン軌道モデルに用いられた積層板状イオントラップを示す。
【図１２】上記積層板状イオントラップモデルをｙｚ面について示す。
【図１３】上記積層板状イオントラップモデルをｙｘ面について示す。
【図１４】内部電極構造を明らかにするために、電極構造部分を切り欠いた上記モデルを示す。
【図１５】分析スキャン中の上記モデル内におけるイオン軌道を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
前記イオントラップは、１つ以上の前記電極に対称ＲＦ電圧を印加することで、使用時に、イオンがＲＦ擬ポテンシャル場によって前記イオントラップ内において第２の半径方向に閉じ込められるように構成および適合された装置をさらに備えることが好ましい。
【００１５】
「対称ＲＦ電圧」とは、電極に印加されるＲＦ電圧であって、イオンをその微分イオン移動度に応じて半径方向に分離するためのものではないＲＦ電圧を意味するとして解釈されるべきである。平面イオンガイドとの関連において、対称ＲＦ電圧または正弦波ＲＦ電圧（sinusoidal RF voltage）は、隣接する平面電極がＲＦ電圧の逆位相に維持されるように、電極に印加されることが好ましい。好ましさが劣る実施形態によると、積層リングイオントラップとの関連において、隣接するリング電極は、ＲＦ電圧の逆位相に維持される。多重極ロッドセット構成との関連において、隣接するロッド電極はＲＦ電圧とは異なる位相に維持されるが、直径を挟んで対向するロッド電極はＲＦ電圧と同じ位相に維持される。
【００１６】
従って、「対称ＲＦ電圧」とは、質量電荷比の範囲が広いイオンが、不均一な擬ポテンシャル場によってイオントラップ内において半径方向に閉じ込められるという効果を有すると解釈されるべきである。ここで、上記不均一な擬ポテンシャル場は、イオントラップ内において半径方向にイオンを閉じ込める働きをするが、イオンをその微分イオン移動度に応じて実質的に異なる半径方向位置に配置させることはない。
【００１７】
前記第２の半径方向は、前記第１の半径方向と直交することが好ましい。
【００１８】
前記イオントラップは、前記線形イオントラップに沿った第１の軸方向に少なくともいくつかのイオンを進ませるために、一動作モードにおいて、前記線形イオントラップの軸方向長さの少なくとも一部に沿って軸方向ＤＣポテンシャル勾配を維持するように構成および適合された装置をさらに備えることが好ましい。
【００１９】
前記イオントラップは、
（ｉ）前記線形イオントラップに沿った第１の軸方向に、第１の半径方向変位を有する少なくともいくつかのイオンを進ませるために、少なくともいくつかの第１の電極に１つ以上の過度ＤＣ電圧または１つ以上の過渡ＤＣ電圧波形を印加し、および／または
（ｉｉ）前記第１の軸方向とは異なる、前記線形イオントラップに沿った第２の軸方向に、第２の異なる半径方向変位を有する少なくともいくつかのイオンを進ませるために、少なくともいくつかの第２の電極に１つ以上の過渡ＤＣ電圧または１つ以上の過渡ＤＣ電圧波形を印加するように構成および適合された装置をさらに備えることが好ましい。
【００２０】
本発明の一態様によると、
複数の電極と、
１つ以上の前記電極に非対称電圧波形を印加することで、使用時に、イオンが、半径方向に、その微分イオン移動度に応じて第１の半径方向に分離され、かつ、一動作モードにおいて、イオンがその微分イオン移動度に応じて前記線形イオントラップから前記第１の半径方向に放出されるか、または出射するように構成および適合された装置と、
１つ以上の前記電極に対称ＲＦ電圧を印加することで、使用時に、イオンがＲＦ擬ポテンシャル場によって前記イオントラップ内において第２の半径方向に閉じ込められるように構成および適合された装置とを備える線形イオントラップが提供される。
【００２１】
前記第２の半径方向は、前記第１の半径方向と直交することが好ましい。
【００２２】
前記線形イオントラップは、（ｉ）＜１００ｍｂａｒ、（ｉｉ）＜１０ｍｂａｒ、（ｉｉｉ）＜１ｍｂａｒ、（ｉｖ）＜０．１ｍｂａｒ、（ｖ）＜０．０１ｍｂａｒ、（ｖｉ）０．００１ｍｂａｒ、（ｖｉｉ）１０〜１００ｍｂａｒ、（ｖｉｉｉ）１〜１０ｍｂａｒ、（ｉｘ）０．１〜１ｍｂａｒ、（ｘ）０．０１〜０．１ｍｂａｒ、および（ｘｉ）０．００１〜０．０１ｍｂａｒからなる群から選択される圧力で動作または維持されることが好ましい。
【００２３】
前記線形イオントラップは、前記第１の半径方向に実質的なＤＣ電界を維持するように構成および適合された装置をさらに備え、前記ＤＣ電界は、前記イオントラップ内に少なくともいくつかのイオンを保持するように作用することが好ましい。
【００２４】
前記線形イオントラップは、１つ以上の上部平面電極と、１つ以上の下部平面電極と、前記１つ以上の上部平面電極と前記１つ以上の下部平面電極との間に配置された複数の中間平面電極とを備えることが好ましい。
【００２５】
好ましい実施形態によると、
（ｉ）前記１つ以上の上部電極は、軸方向にセグメント化された複数の上部電極セグメントを含み、および／または
（ｉｉ）前記１つ以上の中間電極は、軸方向にセグメント化された複数の中間電極セグメントを含み、および／または
（ｉｉｉ）前記１つ以上の下部電極は、軸方向にセグメント化された複数の下部電極セグメントを含む。
【００２６】
好ましさが劣る実施形態によると、前記線形イオントラップは、（ｉ）使用時に、電極に設けられた開口もしくは電極によって形成された開口をイオンが通過するように配置された、または、使用時に、イオンが通過するように配置された複数のリング電極または他の電極（a plurality of ring electrodes or other electrodes otherwise arranged so that ions pass, in use, through an aperture in or formed by said electrodes）、または（ｉｉ）長手方向に配置された４個、６個、８個、１０個または１１個以上のロッドを含む多重極ロッドセットを備えてもよい。
【００２７】
第１の動作モードにおいて、前記イオントラップは、微分イオン移動度セパレータとして動作してもよいため、イオンがその微分イオン移動度に応じて前記微分イオン移動度セパレータから出射するか、または放出され、第２の動作モードにおいて、前記イオントラップは、（ｉ）イオンをその微分イオン移動度および／もしくはそのイオン移動度に応じて実質的に分離することなく、イオンを移送するように構成されたイオンガイド、（ｉｉ）衝突、フラグメンテーションもしくは反応デバイス、または（ｉｉｉ）イオンをそのイオン移動度に応じて分離する装置のいずれかとして動作してもよい。
【００２８】
前記イオントラップは、前記線形イオントラップ内において、イオンの半径方向分離または半径方向移動を増加、減少または変化させるために、１つ以上の前記電極に印加される前記非対称電圧波形の振幅および／または期間を増加する、階段状にする、スキャンする、または減少するように構成および適合された装置をさらに備えることが好ましい。
【００２９】
前記イオントラップは、使用時に、一動作モードにおいて、前記線形イオントラップ内に軸方向に少なくともいくつかのイオンを閉じ込めるために、ＤＣポテンシャルおよび／もしくはＲＦポテンシャルが印加される１つ以上の入口電極、ならびに／または
使用時に、一動作モードにおいて、前記線形イオントラップ内に軸方向に少なくともいくつかのイオンを閉じ込めるために、ＤＣポテンシャルおよび／もしくはＲＦポテンシャルが印加される１つ以上の出口電極をさらに備えることが好ましい。
【００３０】
本発明の一態様によると、上記線形イオントラップを備える微分イオン移動度セパレータが提供される。
【００３１】
本発明の一態様によると、上記微分イオン移動度セパレータを備える質量分析計が提供される。
【００３２】
本発明の一態様によると、
複数の電極を備える線形イオントラップを準備する工程、
１つ以上の前記電極に非対称電圧波形を印加して、イオンをその微分イオン移動度に応じて半径方向に分離する工程、および
前記線形イオントラップの長さに沿った位置に軸方向ポテンシャル障壁を形成して、第１の微分イオン移動度および第１の半径方向変位を有するイオンを、前記軸方向ポテンシャル障壁によって前記線形イオントラップ内において軸方向に保持するのに対して、第２の異なる微分イオン移動度および第２の異なる半径方向変位を有するイオンを、前記線形イオントラップから軸方向に出射するか、または軸方向に放出する工程を含むイオンの分離方法が提供される。
【００３３】
本発明の一態様によると、
複数の電極を備える線形イオントラップを準備する工程、
１つ以上の前記電極に非対称電圧波形を印加して、イオンを、半径方向に、その微分イオン移動度に応じて第１の半径方向に分離する工程、および
１つ以上の前記電極に対称ＲＦ電圧を印加して、イオンを前記イオントラップ内において第２の半径方向に閉じ込める工程を含むイオンの分離方法が提供される。
【００３４】
本発明の一態様によると、
複数の電極と、
イオンを、半径方向に、その微分イオン移動度に応じて第１の半径方向に分離するために、前記複数の電極の少なくともいくつかに非対称電圧波形を印加するように構成および適合された装置と、
微分イオン移動度セパレータ内において前記第１の半径方向に少なくともいくつかのイオンを保持するように作用するＤＣ電界を、前記微分イオン移動度セパレータ内において前記第１の半径方向に形成するために、前記複数の電極の少なくともいくつかにＤＣ電圧を印加するように構成および適合された装置と、
イオンがＲＦ擬ポテンシャル場によって前記微分イオン移動度セパレータ内において第２の半径方向に閉じ込められるように、１つ以上の前記電極に対称ＲＦ電圧を印加するように構成および適合された装置とを備える微分イオン移動度セパレータであって、
前記微分イオン移動度セパレータは、１００ｍｂａｒよりも低い圧力で維持されるように構成および適合される微分イオン移動度セパレータが提供される。
【００３５】
本発明の一態様によると、
複数の電極を準備する工程、
イオンを、半径方向に、その微分イオン移動度に応じて第１の半径方向に分離するために、前記複数の電極の少なくともいくつかに非対称電圧波形を印加する工程、
微分イオン移動度セパレータ内において前記第１の半径方向に少なくともいくつかのイオンを保持するように作用するＤＣ電界を、前記微分イオン移動度セパレータ内において前記第１の半径方向に形成するために、前記複数の電極の少なくともいくつかにＤＣ電圧を印加する工程、
イオンがＲＦ擬ポテンシャル場によって前記微分イオン移動度セパレータ内において第２の半径方向に閉じ込められるように、１つ以上の前記電極に対称ＲＦ電圧を印加する工程、および
１００ｍｂａｒよりも低い圧力で前記微分イオン移動度セパレータを維持する工程を含む微分イオン移動度に応じたイオンの分離方法が提供される。
【００３６】
好ましい実施形態の特に有利な点は、線形イオントラップまたは微分イオン移動度セパレータが好ましくは１００ｍｂａｒよりも低い圧力で動作すること、および線形イオントラップまたは微分イオン移動度セパレータを構成する複数の電極のいくつかに対称ＲＦ電圧を印加することにより、イオンが好ましくは１つの半径方向に閉じ込められることである。好ましい実施形態によると、微分イオン移動度セパレータがスキャンされるときに、イオンは実質的に失われないため、従来の微分イオン移動度セパレータに必要な高電圧ＲＦ発生器の使用を避けられる。
【００３７】
従って、好ましい実施形態は、従来の微分イオン移動度分析器に比べて著しく改善されている。
【００３８】
好ましい実施形態によると、非対称電圧波形および対称ＲＦ電圧は、複数の電極に同時に印加される。
【００３９】
好ましい実施形態によると、印加された１つの電界または複数の電界が２つの動作モードの間で切り換えられる、移送に優れたＲＦイオンガイドが提供される。第１の動作モードにおいて、装置は、ある質量または質量電荷比の範囲のイオンを前方移送することが好ましい。第２の動作モードにおいて、装置は、線形イオントラップとして機能することが好ましい。線形イオントラップでは、イオンは、最初に捕捉され、次にその微分イオン移動度特性に基づいて、少なくとも１つの半径方向に選択的に移動される。その後、イオンは、少なくとも１つの軸方向または少なくとも１つの半径方向に順次放出されればよい。
【００４０】
好ましい装置は、準大気圧（sub-ambient pressures）、好ましくは１０-2〜１００ｍｂａｒの範囲、より好ましくは１０-1〜１０ｍｂａｒの範囲で動作するように構成および適合されることが好ましい。装置内のイオンは、不均一なＲＦ電界によって１つの半径方向に閉じ込められ、ＤＣ電界によってその他の（直交する）半径方向に閉じ込められることが好ましい。
【００４１】
イオンは、少なくとも１つの半径方向に非対称電圧波形を印加することにより、その微分イオン移動度に応じて半径方向に分離されることが好ましい。
【００４２】
一実施形態によると、移動したイオンは、上部または下部電極構造に設けられた１つ以上のスロットまたはグリッドを通って装置から出射させることにより、半径方向に放出されてもよい。
【００４３】
別の実施形態によると、半径方向に移動したイオンは、１つ以上の固定された半径方向依存性軸方向ＤＣ障壁（fixed radially dependent axial DC barriers）によって、軸方向に放出されてもよい。半径方向依存性軸方向ＤＣ障壁の位置は、時間とともに変化してもよい。
【００４４】
好ましい実施形態において、ＲＦイオンガイドは、好ましくはセグメント化平板イオンガイドを備え、複数の極板は、各極板の面をイオンガイドの軸に垂直または平行にしたサンドイッチ状に配置される。ＲＦ電圧は、隣接する極板の間に印加され、振幅が同じであることが好ましいが、位相は１８０°異なることが好ましい。
【００４５】
好ましさが劣る実施形態によると、ＲＦイオンガイドは、複数のリング電極を含み、隣接するリング電極の間にＲＦ電圧が印加されるリングスタック（ring stack）を備えてもよい。隣接するリング電極の間に印加されるＲＦ電圧は、振幅が同じであることが好ましいが、位相は１８０°異なることが好ましい。各リング電極は、１つ以上の半径方向に非対称電圧波形を印加させることが可能な２つ以上のセグメントから形成されてもよい。
【００４６】
好ましさが劣る別の実施形態において、イオンガイドは、四重極ロッドセットまたは八重極ロッドセット等の細長いＲＦ多重極ロッドセットを備えてもよい。
【００４７】
質量分析計は、微分イオン移動度セパレータの上流および／または下流に配置されるイオン源をさらに備えることが好ましい。上記イオン源は、好ましくは、（ｉ）エレクトロスプレーイオン化（「ＥＳＩ」）イオン源、（ｉｉ）大気圧光イオン化（「ＡＰＰＩ」）イオン源、（ｉｉｉ）大気圧化学イオン化（「ＡＰＣＩ」）イオン源、（ｉｖ）マトリックス支援レーザー脱離イオン化（「ＭＡＬＤＩ」）イオン源、（ｖ）レーザー脱離イオン化（「ＬＤＩ」）イオン源、（ｖｉ）大気圧イオン化（「ＡＰＩ」）イオン源、（ｖｉｉ）シリコン上脱離イオン化（「ＤＩＯＳ」）イオン源、（ｖｉｉｉ）電子衝突（「ＥＩ」）イオン源、（ｉｘ）化学イオン化（「ＣＩ」）イオン源、（ｘ）電界イオン化（「ＦＩ」）イオン源、（ｘｉ）電界脱離（「ＦＤ」）イオン源、（ｘｉｉ）誘導結合プラズマ（「ＩＣＰ」）イオン源、（ｘｉｉｉ）高速原子衝撃（「ＦＡＢ」）イオン源、（ｘｉｖ）液体二次イオン質量分析（「ＬＳＩＭＳ」）イオン源、（ｘｖ）脱離エレクトロスプレーイオン化（「ＤＥＳＩ」）イオン源、（ｘｖｉ）ニッケル−６３放射性イオン源、（ｘｖｉｉ）大気圧マトリックス支援レーザー脱離イオン化イオン源、（ｘｖｉｉｉ）サーモスプレーイオン源、（ｘｉｘ）大気サンプリンググロー放電イオン化（「ＡＳＧＤＩ」）イオン源、および（ｘｘ）グロー放電（「ＧＤ」）イオン源からなる群から選択される。
【００４８】
質量分析計は、１つ以上の連続イオン源またはパルス化イオン源をさらに備えてもよい。質量分析計は、微分イオン移動度セパレータの上流および／または下流に配置される１つ以上のイオンガイドをさらに備えてもよい。質量分析計は、微分イオン移動度セパレータの上流および／または下流に配置される１つ以上のイオン移動度分離デバイスおよび／または１つ以上の電界非対称イオン移動度分光計デバイスをさらに備えてもよい。
【００４９】
質量分析計は、微分イオン移動度セパレータの上流および／または下流に配置される１つ以上のイオントラップまたは１つ以上のイオントラップ領域をさらに備えてもよい。質量分析計は、微分イオン移動度セパレータの上流および／または下流に配置される１つ以上の衝突セル、フラグメンテーションセルまたは反応セルをさらに備えてもよい。上記１つ以上の衝突セル、フラグメンテーションセルまたは反応セルは、（ｉ）衝突誘起解離（「ＣＩＤ」）フラグメンテーションデバイス、（ｉｉ）表面誘起解離（「ＳＩＤ」）フラグメンテーションデバイス、（ｉｉｉ）電子移動解離（「ＥＴＤ」）フラグメンテーションデバイス、（ｉｖ）電子捕獲解離（「ＥＣＤ」）フラグメンテーションデバイス、（ｖ）電子衝突または衝撃解離フラグメンテーションデバイス、（ｖｉ）光誘起解離（「ＰＩＤ」）フラグメンテーションデバイス、（ｖｉｉ）レーザー誘起解離フラグメンテーションデバイス、（ｖｉｉｉ）赤外放射誘起解離デバイス、（ｉｘ）紫外放射誘起解離デバイス、（ｘ）ノズル−スキマー間インターフェースフラグメンテーションデバイス、（ｘｉ）インソースフラグメンテーションデバイス、（ｘｉｉ）インソース衝突誘起解離フラグメンテーションデバイス、（ｘｉｉｉ）熱または温度源フラグメンテーションデバイス、（ｘｉｖ）電界誘起フラグメンテーションデバイス、（ｘｖ）磁場誘起フラグメンテーションデバイス、（ｘｖｉ）酵素消化または酵素分解フラグメンテーションデバイス、（ｘｖｉｉ）イオン−イオン反応フラグメンテーションデバイス、（ｘｖｉｉｉ）イオン−分子反応フラグメンテーションデバイス、（ｘｉｘ）イオン−原子反応フラグメンテーションデバイス、（ｘｘ）イオン−準安定イオン反応フラグメンテーションデバイス、（ｘｘｉ）イオン−準安定分子反応フラグメンテーションデバイス、（ｘｘｉｉ）イオン−準安定原子反応フラグメンテーションデバイス、（ｘｘｉｉｉ）イオンを反応させて付加イオンまたは生成イオンを形成するイオン−イオン反応デバイス、（ｘｘｉｖ）イオンを反応させて付加イオンまたは生成イオンを形成するイオン−分子反応デバイス、（ｘｘｖ）イオンを反応させて付加イオンまたは生成イオンを形成するイオン−原子反応デバイス、（ｘｘｖｉ）イオンを反応させて付加イオンまたは生成イオンを形成するイオン−準安定イオン反応デバイス、（ｘｘｖｉｉ）イオンを反応させて付加イオンまたは生成イオンを形成するイオン−準安定分子反応デバイス、（ｘｘｖｉｉｉ）イオンを反応させて付加イオンまたは生成イオンを形成するイオン−準安定原子反応デバイス、および（ｘｘｉｘ）電子イオン化解離（「ＥＩＤ」）フラグメンテーションデバイスからなる群から選択される。
【００５０】
質量分析計は、（ｉ）四重極質量分析器、（ｉｉ）二次元または線形四重極質量分析器、（ｉｉｉ）ポールまたは三次元四重極質量分析器、（ｉｖ）ペニングトラップ質量分析器、（ｖ）イオントラップ質量分析器、（ｖｉ）磁場型質量分析器、（ｖｉｉ）イオンサイクロトロン共鳴（「ＩＣＲ」）質量分析器、（ｖｉｉｉ）フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴（「ＦＴＩＣＲ」）質量分析器、（ｉｘ）静電またはオービトラップ質量分析器、（ｘ）フーリエ変換静電またはオービトラップ質量分析器、（ｘｉ）フーリエ変換質量分析器、（ｘｉｉ）飛行時間質量分析器、（ｘｉｉｉ）直交加速式飛行時間質量分析器、および（ｘｉｖ）直線加速式飛行時間質量分析器からなる群から選択される質量分析器をさらに備えることが好ましい。質量分析計は、微分イオン移動度セパレータの上流および／または下流に配置される１つ以上のエネルギー分析器または静電エネルギー分析器をさらに備えてもよい。質量分析計は、微分イオン移動度セパレータの上流および／または下流に配置される１つ以上のイオン検出器をさらに備えることが好ましい。
【００５１】
質量分析計は、微分イオン移動度セパレータの上流および／または下流に配置される１つ以上の質量フィルタをさらに備えてもよい。上記１つ以上の質量フィルタは、（ｉ）四重極質量フィルタ、（ｉｉ）二次元または線形四重極イオントラップ、（ｉｉｉ）ポールまたは三次元四重極イオントラップ、（ｉｖ）ペニングイオントラップ、（ｖ）イオントラップ、（ｖｉ）磁場型質量フィルタ、（ｖｉｉ）飛行時間質量フィルタ、および（ｖｉｉｉ）ウィーンフィルタからなる群から選択される。質量分析計は、イオンをパルス状にして微分イオン移動度セパレータに入射させるデバイスまたはイオンゲートをさらに備えてもよい。質量分析計は、実質的に連続したイオンビームをパルス化したイオンビームに変換するデバイスをさらに備えてもよい。
【００５２】
一実施形態によると、質量分析計は、Ｃ−トラップと静電質量分析器とをさらに備え、第１の動作モードにおいて、イオンは、Ｃ−トラップに移送された後、静電質量分析器に注入され、第２の動作モードにおいて、イオンは、Ｃ−トラップに移送された後、衝突セルまたは電子移動解離デバイスおよび／またはプロトン移動反応デバイスに移送され、そこで少なくとも一部のイオンが断片化されてフラグメントイオンとなり、次に、フラグメントイオンは、Ｃ−トラップに移送されてから、静電質量分析器に注入されるように構成されてもよい。
【００５３】
質量分析計は、複数の電極を含む積層リングイオンガイドであって、各電極は、使用時に移送されるイオンが通過する開口を有し、イオン経路の長さに沿って電極の間の間隔が増加する積層リングイオンガイドをさらに備えてもよい。イオンガイドの上流部における複数の電極のそれぞれの開口は第１の直径を有してもよく、イオンガイドの下流部における複数の電極のそれぞれの開口は、第１の直径よりも小さい第２の直径を有してもよい。連続する電極にＡＣ電圧またはＲＦ電圧の反対の位相が印加されることが好ましい。
【００５４】
以下に、添付の図面を参照しながら、あくまでも例示として、説明のためのみに示される他の構成とともに、本発明の種々の実施形態を説明する。
【００５５】
図１は、微分移動度分離を行うのに用いられる従来の非対称電圧波形の形状を示す図であって、Ｖ（Ｈｉｇｈ）×Ｔ（Ｈｉｇｈ）がＶ（Ｌｏｗ）×Ｔ（Ｌｏｗ）に等しい場合を示す。
【００５６】
図２Ａは、従来のＦＡＩＭＳ装置を構成する一対の電極の間を通るイオンの軌道を示す図であって、上記電極に非対称電圧波形が印加され、イオンの高電界移動度と低電界移動度とが同じであるため、正味のイオン運動が両方の極板に平行な方向である場合を示す。図２Ｂは、従来のＦＡＩＭＳ装置を構成する一対の電極の間を通るイオンの軌道を示す図であって、非対称電圧波形が印加され、イオンの高電界移動度と低電界移動度とが異なるため、正味のイオン運動が一方の極板に向かう方向である場合を示す。
【００５７】
図３は、本発明の一実施形態に係る積層板状イオントラップ（stacked plate ion trap）の基本構成を示す。
【００５８】
図４は、一実施形態に係る積層板状イオントラップをｙｚ面について示す図であって、イオンが上部平板電極の開口を介してイオントラップから半径方向に放出される場合を示す。
【００５９】
図５は、別の実施形態に係る積層板状イオントラップをｙｚ面について示す図であって、半径方向に移動したイオンの軸方向放出を行うために、上部電極および下部電極ならびに出口電極に印加されるポテンシャルを示す。
【００６０】
図６は、積層板状イオントラップをｙｚ面について示す図であって、上部電極および下部電極に沿って維持される軸方向ＤＣ電圧勾配を示す。
【００６１】
図７は、中間ＲＦ電極に沿って維持されるＤＣ電圧勾配を示す。
【００６２】
図８は、上部電極および下部電極ならびに中間ＲＦ電極が軸方向にセグメント化されている一実施形態を示す。
【００６３】
図９は、一実施形態に係る上部電極および下部電極に印加される第１の時間変化ポテンシャル（time varying potential）を示す。
【００６４】
図１０は、一実施形態に係る中間ＲＦ電極に印加される第２の時間変化ポテンシャルを示す。
【００６５】
図１１は、ＳＩＭＩＯＮ（ＲＴＭ）イオン軌道モデルに用いられた積層板状イオントラップを示す。
【００６６】
図１２は、上記積層板状イオントラップモデルをｙｚ面について示す。
【００６７】
図１３は、上記積層板状イオントラップモデルをｙｘ面について示す。
【００６８】
図１４は、内部電極構造を明らかにするために、電極構造部分を切り欠いた上記モデルを示す。
【００６９】
図１５は、分析スキャン中の上記モデル内におけるイオン軌道を示す。
【００７０】
図１は、イオンをその微分イオン移動度に応じて分離するために、公知のイオン移動度セパレータの極板の間に印加される公知の非対称電位差を示す。波の低電界部と高電界部とで、電圧×時間の積が同じになるように構成されている。その結果、イオン種の低電界移動度と高電界移動度とが同じである場合、図２Ａに示すように、イオンの平均軌道が両方の極板と平行になり、このイオンは、装置を通って移送される。しかし、低電界移動度と高電界移動度とが異なる場合、図２Ｂに示すように、イオンは、一方または他方の極板に向かってドリフトし、装置から失われる。一方の極板にＤＣ電圧を印加することにより、移動度によって引き起こされるあらゆるドリフトを補償し、所望の微分イオン移動度を有するイオンを移送することが可能となる。
【００７１】
次に、図３を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。積層板状イオンガイドは、擬ポテンシャル場（pseudo-potential field）によって第１の半径方向（ｘ方向）にイオンを閉じ込めるために、好ましくは、複数の中間ＲＦ平板電極３に正弦波の閉じ込めＲＦポテンシャル（sinusoidal confining RF potential）４が印加されるように提供されることが好ましい。また、実ポテンシャル場（real potential field）によって第２の半径方向（ｙ方向）にイオンを閉じ込めるために、好ましくは、上部および下部電極２の間にＤＣ電圧が印加される。
【００７２】
有利なことに、垂直方向（ｙ方向）の復元力または閉じ込め力は、質量または質量電荷比に依存しない。
【００７３】
図４は、図３に示された一般的な装置の変更をｙｚ面について示す図である。本実施形態によると、イオンは、上部電極２の縦スリット（図３には図示せず）を介して、装置から垂直方向（ｙ方向）の半径方向に放出される。また、複数の中間ＲＦ電極３は、好ましくは、装置の前部および後部で軸方向にセグメント化されて、それぞれ装置の入口における複数の入口電極４および装置の出口における複数の出口電極５を形成する。全部もしくは一部の入口電極４および／または全部もしくは一部の出口電極５には、その他の中間ＲＦ平板電極３に印加されるものと同じ閉じ込めＲＦ電圧が供給されることが好ましい。一動作モードにおいて、装置がイオントラップとして動作できるように、装置内において軸方向（ｚ方向）にイオンを閉じ込めるために、全部もしくは一部の入口電極４および／または全部もしくは一部の出口電極５に、さらにＤＣ電圧を印加してもよい。
【００７４】
イオン１が装置に入射している間の期間に、入口電極４には、好ましくは装置にイオンを入射させるほど低いＤＣポテンシャルが供給されることが好ましい。出口電極５は、好ましくは装置からイオンを出射させないほど高いポテンシャルで保持されることが好ましい。装置内に十分なイオンが蓄えられると、次に、入口電極４には、好ましくは装置からイオンを出射させないほど高いＤＣポテンシャルが供給されることが好ましい。同時に、それ以上のイオンが装置に入射しないようにすることが好ましい。装置の分析スキャン中に装置への入射を妨げられたイオンは、微分イオン移動度イオントラップの上流に配置される付加的イオントラップ装置（図示せず）に蓄積されてもよい。これにより、イオン源から発生したイオンの効率的な実用性が確保される。
【００７５】
装置内のイオンは、複数の中間ＲＦ平板電極３によって生成される擬ポテンシャル場により第１の半径方向（ｘ方向）に、かつ上部および下部電極２に印加されるＤＣポテンシャルによって生成されるＤＣポテンシャル井戸により第２の半径方向（ｙ方向）に効果的に閉じ込められる。
【００７６】
装置内にイオンが捕捉されたら、次は上部および／または下部電極２に非対称電圧波形が印加されることが好ましい。非対称電圧波形は、双極性であればよく、一実施形態によると、上部電極または下部電極のどちらか一方に印加されるが、両方の電極には印加されない。また、非対称電圧波形には、装置内において半径方向にイオンを閉じ込める効果がないことが好ましい。ゆえに、イオンをその微分イオン移動度に対して垂直半径方向（ｙ方向）に順次分離して移動させるために、非対称電圧波形の振幅は、連続的に増加しても、階段状になっても、またはスキャンされてもよい。その後、イオンは、上部および／または下部電極２に設けられた１つ以上のスロットまたは開口（図３にはスロットまたは開口は図示せず）を通過することにより、捕捉空間（trapping volume）から半径方向に出射できる。あるいは、上部および／または下部電極２は、１つ以上のグリッド電極またはメッシュ電極から構成されていてもよく、イオンが半径方向に十分に移動すれば、それらを通過できることが好ましい。イオンが装置から出射するときの相対時間は、その微分イオン移動度特性に関連している。装置を出射したイオンは、さらなる分析および／または検出のために前方移送されることが好ましい。
【００７７】
図５は、半径方向に移動したイオンが、続いて装置から軸方向に放出される場合の装置の好ましい実施形態を示す。装置は、ｙｚ面について示されている。図４を参照して説明された実施形態に関する上記記載と同様の方法で、イオンは、まず装置内に捕捉される。
【００７８】
図５は、本発明の一実施形態に係る、分析スキャンに先立って装置に印加されるポテンシャルを示す。装置の出口の方へ軸方向にイオンを進ませるために、上部および下部ＤＣ平板電極２の長さに沿って軸方向ＤＣポテンシャル勾配が維持されることが好ましい。軸方向ＤＣ電圧勾配は、上部および下部平板電極２を軸方向にセグメント化することによって（図５には図示されていない複数の軸方向セグメント）、あるいは、より好ましくは上部および下部電極２の内面に抵抗被覆（resistive coating）を施すことによって実現してもよい。
【００７９】
複数の出口電極５の個々の要素に印加されるＤＣポテンシャルは、装置の中心軸から垂直方向（ｙ方向）に離れている（すなわち、半径方向にずれている）出口電極５よりも、装置の中心軸に最も近い出口電極５ほど高い軸方向トラップポテンシャルを生成するように構成されることが好ましい。一実施形態において、出口電極５は、ｙｘ面における水平方向（ｘ方向）に装置の端から端まで伸びる平行ワイヤーグリッドの形を取ることもある。
【００８０】
その結果、好ましくは、装置の出口領域に（水平）ＤＣポテンシャル障壁が形成されることになり、これによって、中心軸に沿って配置されたイオンが装置から出射するのを防ぐことが好ましい。装置の出口におけるＤＣポテンシャル障壁のプロファイルは、ＤＣポテンシャル障壁が装置の中心軸付近でより高く、装置の中心軸から垂直半径方向（ｙ方向）に遠ざかるにつれてより低くなる、または事実上ゼロになる（あるいは抽出電界（extractive field）になる）ものであることが好ましい。
【００８１】
イオンをその微分イオン移動度に対して垂直方向（ｙ方向）に順次分離して移動させるために、上部および下部電極２の間に印加される非対称電圧波形の振幅は、好ましくは、連続的に増加する、階段状になる、またはスキャンされる。
【００８２】
イオンは、中心軸から垂直方向（ｙ方向）に移動されると同時に、好ましくは、出口領域の方へも進ませられて、その出口領域において、そのイオンは、出口電極５によって形成された低い側の出口ＤＣポテンシャル障壁（reduced exit DC potential barrier）を経ることが好ましい。その結果、イオンに対して軸方向（ｚ方向）に作用する力だけで十分に出口電極５に印加された閉じ込めＤＣポテンシャル障壁を越えられる場合、イオンは、装置から軸方向に出射する。イオンが装置から出射するときの相対時間は、好ましくは、その微分イオン移動度特性に関連している。
【００８３】
他の軸方向放出方法も考慮される。
【００８４】
好ましさが劣る実施形態において、微分イオン移動度に応じて半径方向に分離されたイオンの軸方向放出を行うには、上部および下部ＤＣ平板電極２ならびに中間ＲＦ閉じ込め平板電極３に印加されるＤＣポテンシャルを変更することにより、装置の中心軸上は実質的にゼロであり、好ましくは、装置の中心軸から水平方向（ｘ方向）および垂直方向（ｙ方向）へのずれまたは移動に伴って増加する軸方向電界が形成されるようにしてもよい。図６に、上部および下部ＤＣ平板電極２に印加されるＤＣポテンシャルの形状を示す。図６において、上部および下部電極２に印加される軸方向ＤＣポテンシャルは、装置の入口から出口に向かって減少している。装置の全長にわたって、上部および下部平板電極２に印加されるＤＣ電圧は、装置内にイオンを閉じ込め、かつ装置の出口に向かってイオンを駆動するのに十分であることが好ましい。
【００８５】
図７は、図６を参照して説明されたものと同じ装置をｘｚ面について示している。図７は、ＲＦポテンシャルに加えて、中間ＲＦ平板電極３に印加されるＤＣポテンシャルの形状を示す。中間電極３に印加されるＤＣポテンシャルは、装置の入口から出口に向かって増加している。このポテンシャルは、ｘ方向（水平方向）の半径方向に移動されるイオンを装置の入口に向かって戻すように作用するＤＣ電界をもたらす。ＤＣポテンシャルは、中間ＲＦ電極３だけでなく上部および／または下部ＤＣ電極２もセグメント化することによって、あるいは、より好ましくは中間ＲＦ電極３ならびに上部および下部ＤＣ電極２の内面に抵抗被覆を施すことによって維持されてもよい。
【００８６】
これらの２つの電界の組み合わせは、装置内に合成電界を形成するのに十分であることが好ましく、合成電界は、イオンがその微分イオン移動度によって中心軸から縦すなわち垂直方向（ｙ方向）に移動されるときは、装置の出口に向かってイオンを駆動し、イオンが横すなわち水平方向（ｘ方向）に移動されるときは、装置の入口に向かってイオンを駆動するように作用することが好ましい。
【００８７】
中心軸から縦すなわち垂直方向（ｙ方向）に移動したイオンは、上部および下部平板電極２に印加される非対称電圧波形の振幅が分析スキャン中に増加するため、装置の出口に向かって作用する軸方向電界を受けることになる。イオンに対して軸方向（ｚ方向）に作用する力だけで十分に出口電極５に印加された閉じ込めＤＣ障壁を越えられる場合、イオンは、装置から出射する。イオンが装置から出射するときの時間は、その微分イオン移動度特性に関連する。なお、イオンの半径方向の移動は主として特有の微分イオン移動度に関連するが、イオンが装置から出射するときの軸方向（ｚ方向）におけるイオンの移動時間は、そのイオン移動度に関連する。
【００８８】
好ましさが劣る実施形態において、図８を参照して説明されるように、微分イオン移動度に応じて分離されたイオンの軸方向放出を行うには、複数の上部および下部ＤＣ平板電極６に第１の進行ＤＣ電圧波形または過渡ＤＣ電圧波形を印加し、複数の中間ＲＦ閉じ込め平板電極７に第２の進行ＤＣ電圧波形または過渡ＤＣ電圧波形を印加してもよい。第１および第２の過渡ＤＣ電圧波形は、互いに対向する軸方向（ｚ方向）に作用することが好ましい。図８に示されている一実施形態では、ｙｚ面において、上部および下部ＤＣ閉じ込め平板電極６ならびにＲＦ閉じ込め平板電極７がセグメント化されているため、異なる電極に別々の進行ＤＣ電圧波を印加することが可能となる。
【００８９】
図９は、Ｔ０〜Ｔ７（但しＴ０＜Ｔ７）の期間の間に上部および下部電極６に印加される第１の進行ＤＣ電圧波形または過渡ＤＣ電圧波形の形状を示し、図１０は、Ｔ０〜Ｔ７の同じ期間の間に中間ＲＦ電極７に印加される対応する第２の進行ＤＣ電圧波形または過渡ＤＣ電圧波形の形状を示す。装置の中心軸に近いイオンは、軸方向（ｚ方向）に正味の力を受けない。しかし、中心軸から縦すなわち垂直方向（ｙ方向）に移動したイオンは、全てのセグメント化された平板電極６に印加される非対称電圧波形の振幅が分析スキャン中に増加するため、装置の出口に向かって駆動される。イオンに対して軸方向（ｚ方向）に作用する力だけで十分に出口電極５に印加された閉じ込めＤＣ障壁を越えられる場合、イオンは、装置から出射する。イオンが装置から出射するときの時間は、その微分イオン移動度特性に関連する。
【００９０】
積層板状イオンガイドのイオン搬送量は、好ましくは、矩形断面を有するが、他の断面形状を用いてもよく、および／または装置の長さに沿って断面形状が変化してもよい。
【００９１】
ＲＦ閉じ込め電界およびＤＣ閉じ込め電界を組み合わせて用いることにより、装置は、拡散損失を最小限に抑えながら、準大気圧において、イオンガイドまたはイオントラップとして動作可能になる。比較的低いガス圧力で装置を動作させる利点は、高いＥ／Ｎ値を得るために上部および下部平板電極の間に必要とされる電圧差が圧力に比例して減少することである。一般に、従来の微分イオン移動度分析器は、１ｃｍ当たり数十キロボルトの電界で動作する。従って、スケーリングにより、ミリバールの圧力レベルにおいて、１ｃｍ当たり数十ボルトにすれば、有利なことに、本発明の実施形態による非線形移動度の効果を生じるのに十分である。
【００９２】
好ましい装置の別の利点は、上部および下部平板電極２に印加される非対称電圧波形を対称波形またはＤＣ電圧に変えられるため、他の動作モードにおいて、装置はもっぱらイオンガイドまたはイオン移動度セパレータとして動作できることである。
【００９３】
ＳＩＭＩＯＮ（ＲＴＭ）モデルを用いて、積層板状イオントラップにおける微分イオン移動度分離に基づくイオンの軸方向放出のための非対称電界の特性を評価した。図１１に、使用した形状寸法を示す。積層板状イオントラップは、内寸がｘ方向に１６ｍｍ、ｙ方向に１６ｍｍおよびｚ方向に１９ｍｍであった。中間ＲＦ閉じ込め平板電極３は、厚さが０．５ｍｍ、中心−中心間距離が１．５ｍｍとなるように配置された。上部および下部平板電極６は、各セグメントの幅が０．６ｍｍ、中心−中心間距離が０．８ｍｍとなるように、軸方向にセグメント化された。
【００９４】
図１２は、ｙｚ面における上記モデルを示す。中間ＲＦ電極は、２つの部分８、９を形成するように配置された。２つの部分８、９は、障壁電極１０によって互いに隔てられた。第１の部分８は、分析用イオントラップ部を構成し、第２の部分９は、イオンガイド部として機能するように構成された。
【００９５】
図１３は、ｙｘ面における上記ＳＩＭＩＯＮ（ＲＴＭ）モデルを示す。障壁電極Ａ〜Ｆは、ｘｙ面について装置内に延伸していることが示されている。障壁電極Ａ〜Ｆは、第１の部分８と第２の部分９とを隔てる実質的に透明な平行ワイヤーグリッドの各要素を示している。
【００９６】
図１４は、障壁電極１０の相対位置を含む内部構造を明らかにするために、電極構造の一部を切り欠いたモデルを示す。障壁電極１０Ａ〜Ｆは、それぞれＤＣポテンシャルがＡ＝０Ｖ、Ｂ＝４Ｖ、Ｃ＝２Ｖ、Ｄ＝２Ｖ、Ｅ＝４ＶおよびＦ＝０Ｖで維持された。第１の部分８を規定する複数の中間ＲＦ閉じ込め電極には、１ＭＨｚＲＦの周波数で４００Ｖｐｋ−ｐｋのＲＦ波形が供給された。第２の部分９を規定する複数の中間ＲＦ閉じ込め電極にも、１ＭＨｚＲＦの周波数で４００Ｖｐｋ−ｐｋのＲＦ波形が供給され、かつ−２ＶのＤＣオフセット電圧で維持された。障壁電極１０および第２の部分９を規定する複数のＲＦ閉じ込め電極に印加されるＤＣ電圧を組み合わせたことにより、装置の中央に、中心軸から離れて垂直方向（ｙ方向）に移動するにつれてゼロに減少するポテンシャル障壁が形成された。セグメント化された上部および下部平板電極６は、装置の入口から出口に及ぶ線形ポテンシャル勾配で維持された。このポテンシャル勾配は、障壁電極１０によって形成されたポテンシャル障壁の方へイオンを進ませるように作用する軸方向の場の勾配（axial field gradient）をもたらした。簡単な粘性減衰モデルを用いた装置内において、１Ｔｏｒｒの窒素ガスの圧力がシミュレートされた。
【００９７】
図１５は、セグメント化された上部および下部電極６の間に非対称電圧波形が印加された場合の装置内に捕捉された２つのイオンの軌道を示す。非対称電圧波形は、７５０ＭＨｚの周波数ｆで印加された。図１から、Ｖ（ｈｉｇｈ）は、下記式で表される時間Ｔ（Ｈｉｇｈ）の間印加された。
【００９８】
【数２】
0005475202.tif 000003
【００９９】
Ｖ（ｌｏｗ）は、下記式により得られる。
【０１００】
【数３】
0005475202.tif 000004
【０１０１】
また、Ｖ（ｌｏｗ）は、下記式で表される時間Ｔ（Ｌｏｗ）の間印加された。
【０１０２】
【数４】
0005475202.tif 000005
【０１０３】
時間Ｔ＝０において、イオンは、イオントラップの中に導入され、中央のポテンシャル障壁に近い位置で平衡状態にされた。続く時間Ｔ＝１において（但しＴ１＞Ｔ０）、上部および下部電極６に印加された非対称電圧波形の振幅は、９８Ｖに増加し、その後、１０ミリ秒間に４．９Ｖ／ｍｓの割合で増加した。
【０１０４】
移動度特性が異なる２つのイオンの運動を模倣するために、イオン移動度は、下記式に従いモデル化された。
【０１０５】
【数５】
0005475202.tif 000006
【０１０６】
上記式中、Ｋ0は低いＥ／Ｎ移動度である。
【０１０７】
図１５を参照すると、第１のイオン１１は、Ｋ0＝１．８１、α＝７．９８４×１０-6Ｔｄ-2およびβ＝−３．０４９×１０-10Ｔｄ-4のとき、質量電荷比１７３が与えられた。αおよびβの値は、参考論文（Guevremont et al., J Am Soc Mass Spectrom., 2005, 16, 349-362）から引用した。Ｋ0の値は任意に設定された。第２のイオン１２は、Ｋ0＝１．２４、α＝−２．１６×１０-6Ｔｄ-2およびβ＝−０．８４×１０-10Ｔｄ-4のとき、質量電荷比３８６．６２が与えられた。αおよびβの値は、参考論文（Prasad et al., Anal Chem. 2009, 81, 8749-8757）から引用した。Ｋ0の値は任意に設定された。
【０１０８】
イオンに与えられた上記定数の値は、特定の種の測定された物理特性に関連付けようとしたものではない。上記値は、動作の原理が実証される現実的な値として選ばれた。
【０１０９】
第１のイオン１１は、４ミリ秒後、デバイス１０の中央トラップ障壁を通過することが観察された。第２のイオン１２は、８ミリ秒後、デバイス１０の中央トラップ障壁を通過することが観察された。イオンが中央障壁を越えれば、その後、イオンは、さらなる分析または検出のために、前方移送されてもよい。
【０１１０】
他の好ましさが劣る実施形態として、ｙ方向に擬ポテンシャル閉じ込め電界（pseudo-potential confining field）を形成するために、複数の閉じ込め平板電極にＹ方向にＲＦポテンシャルが印加されることも考慮される。この場合、イオンの半径方向分離は、その微分イオン移動度にも、質量または質量電荷比にも関連することになる。
【０１１１】
別の実施形態として、２つの領域８、９の間に質量電荷比依存性擬ポテンシャル障壁を形成するように、障壁電極１０にＲＦポテンシャルが印加されることも考慮される。
【０１１２】
装置に入射するイオンは、多種多様なイオン源から発生して、ガス流に同伴されてもよく、または真空から入射してもよい。イオン源としては、例えば、エレクトロスプレーイオン源、大気圧化学イオン化イオン源、大気圧光イオン化イオン源、ＭＡＬＤＩイオン源、誘導結合プラズマイオン源、電子衝突イオン源、または化学イオン化イオン源が挙げられる。
【０１１３】
装置内に存在するイオンは、直接検出されてもよく、または検出の前にさらに分析されてもよい。考えられ得るさらなる分析としては、特に限定されないが、質量分析、タンデム質量分析、イオン移動度分析、またはこれらの組み合わせが挙げられる。
【０１１４】
非対称電圧波形は矩形として示したが、本発明の別の実施形態によれば、非対称電界の他の形状を用いて分離を行ってもよい。
【０１１５】
上記積層板状イオンガイドにおいて示されたイオン搬送量は矩形断面を有するが、他の断面形状を用いてもよい。装置の長さにわたって断面形状が変化してもよい実施形態も考慮される。
【０１１６】
装置は、一動作モードにおいて、標準イオン移動度ドリフトセル（standard ion mobility drift cell）としても用いられる。
【０１１７】
ドーパントガスまたは蒸気を加えて緩衝ガスを調整することにより、微分イオン移動度装置の性能を向上させることができる。
【０１１８】
好ましい実施形態を参照しながら本発明を説明したが、添付の特許請求の範囲に記載の本発明の範囲から逸脱することなく形態および内容ともに種々の変更を加え得ることが当業者には理解されよう。
【図１】
0005475202.tif 000007
【図２Ａ】
0005475202.tif 000008
【図２Ｂ】
0005475202.tif 000009
【図３】
0005475202.tif 000010
【図４】
0005475202.tif 000011
【図５】
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【図６】
0005475202.tif 000013
【図７】
0005475202.tif 000014
【図８】
0005475202.tif 000015
【図９】
0005475202.tif 000016
【図１０】
0005475202.tif 000017
【図１１】
0005475202.tif 000018
【図１２】
0005475202.tif 000019
【図１３】
0005475202.tif 000020
【図１４】
0005475202.tif 000021
【図１５】
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