(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対的に圧力の高い領域と相対的に圧力の低い領域との間でイオンを輸送するためのイオン移送装置であって、
前記相対的に圧力の高い領域に向けて開口する入口を有する、排気される輸送チャンバと、
ガスおよび連行されたイオンが通過するイオン移送チャネルを含み、前記排気される輸送チャンバの出口に向けて開口する入口と前記相対的に圧力の低い領域に向けて開口する出口を有するイオン移送導管と、
大気圧より低いが前記イオン移送チャネル内にイオンおよびガスの粘性流れを維持するのに十分な圧力に、前記イオン移送導管の圧力を制御するように構成されているポンピング手段と、
前記排気される輸送チャンバの入口と出口の間の前記排気される輸送チャンバ内に配置され、前記相対的に圧力の高い領域からのイオンを前記イオン移送チャネルに収束する空力、および／または、電気レンズと、
を備えたことを特徴とするイオン移送装置。
【請求項２】
請求項１に記載のイオン移送装置であって、
前記イオン移送チャネルを取り囲む、少なくとも１つの側壁と、
前記イオン移送チャネル内から、前記側壁の外側の、圧力の低い領域へガスが流れるよう、前記側壁の長手方向に形成した複数の開口部と、
を含むことを特徴とするイオン移送装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のイオン移送装置であって、
前記イオン移送チャネル内へ熱を伝導、対流、および／または、放射するため、前記イオン移送導管の付近にヒーターを更に含むことを特徴とするイオン移送装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載のイオン移送装置であって、前記側壁は、金属フリット、金属スポンジ、浸透性セラミック、および浸透性ポリマーの少なくとも１つを含む材料からできており、前記側壁中の前記開口部は、前記材料中の細孔または間隙によって構成されていることを特徴とするイオン移送装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載のイオン移送装置であって、前記空力、および／または、電気レンズは、イオン軌跡に沿って湾曲した形状の開口部を有することを特徴とするイオン移送装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つに記載のイオン移送装置であって、空力、および／または、電気レンズは、複数の独立した環形レンズ電極から成り、前記イオン移送導管に近いレンズ電極は、前記イオン移送導管から遠いレンズ電極より小さい開口部を備えていることを特徴とするイオン移送装置。
【請求項７】
請求項６に記載のイオン移送装置であって、前記イオン移送導管に近い前記レンズ電極の開口部の半径は、前記イオン移送導管によって構成されている前記イオン移送チャネルの半径よりも小さいことを特徴とするイオン移送装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１つに記載の装置であって、
前記排気される輸送チャンバは、大気圧より低いが、前記排気される輸送チャンバを通るガスおよびイオンの粘性流れが維持されるに十分高い、圧力に排気される、イオン移送装置。
【請求項９】
相対的に圧力の高い領域と相対的に圧力の低い領域との間でガスおよび連行されたイオンを輸送するためのイオン移送方法であって、
前記相対的に圧力の高い領域に向けて開口する入口を有する排気される輸送チャンバと、前記排気される輸送チャンバの出口に向けて開口する入口と前記相対的に圧力の低い領域に向けて開口する出口を有し、ガスおよび連行されたイオンが通過するイオン移送チャネルを含むイオン移送導管を提供し、
前記相対的に圧力の高い領域から、イオンとガスの混合物を、前記排気される輸送チャンバの入口と出口の間の前記排気される輸送チャンバ内に配置され、前記相対的に圧力の高い領域からのイオンを前記イオン移送チャネルを有する前記イオン移送導管に収束する空力、および／または、電気レンズを介し、前記排気される輸送チャンバの入口に導入し、
大気圧より低いが前記イオン移送チャネル内にイオンおよびガスの粘性流れを維持するのに十分な圧力に前記イオン移送導管を排気する、
前記イオンおよび残留ガスを、前記イオン移送導管の出口を介しイオン移送導管から前記相対的に圧力の低い領域に向けて排出させる、
イオン移送方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法であって、前記イオン移送チャネル内に残留する液状溶媒の蒸発を促進するよう、前記イオン移送チャネルを加熱する工程を更に含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載の方法であって、前記イオン移送導管が設置されている前記排気チャンバを、大気圧より低い圧力まで排気する工程は、前記チャンバを、約６００ｍｂａｒ（約６００ｈＰａ）と１ｍｂａｒ（１ｈＰａ）との間の圧力に排気する工程を含む、する方法。
【請求項１２】
請求項９〜１１のいずれか１つに記載の方法であって、
前記排気される輸送チャンバは、大気圧より低いが、前記排気される輸送チャンバを通って、ガスおよびイオンの粘性流れが維持されるに十分高い、圧力に排気される、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、質量分析計内でイオンを輸送するためのイオン移送装置、より詳細には、大気圧イオン化源から高真空の質量分析計真空チャンバへイオンを輸送するための、イオン移送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
キャピラリとしても知られるイオン移送管は、質量分析技術において、大気圧またはその付近に保たれているイオン化チャンバと、減圧下に保たれている第２チャンバとの間でイオンを移送するものとして良く知られている。イオン移送チャネルは典型的に、イオン化チャンバに向いて開いている吸込端と、第２チャンバに向いて開いている排出端とを備えた、細長い管（キャピラリ）の形状を取ると一般的に示されている。イオンは、荷電および非荷電粒子（例えば、エレクトロスプレーまたはＡＰＣＩプローブからの部分的に脱溶媒和した(desolvated)液滴、あるいは、レーザー脱離またはＭＡＬＤＩ源からのイオンと中性粒子（ニュートラル：neutrals）と基質(Substrate)／マトリックス(Matrix)）、バックグラウンドガスと共に、イオン移送キャピラリの吸込端に入り、圧力勾配の影響を受けながらその全長を移動する。その後、イオン／ガス流は、自由噴射膨張(free jet expansion)として、イオン移送管から吹き出す。続いて、イオンはスキマーコーンの開口部を通り、連続的に圧力の低下する領域を通り抜けた後、質量スペクトルを取るための質量分析器に到達する。
【０００３】
既存のイオン移送装置では損失が大きいため、イオン源から生じたこれらのイオンの大部分は、イオン移送装置を通過して、次の質量分析の段階に到達することができない。
【０００４】
この問題に対しては、多くの取り組みが成されている。例えば、イオン移送管を加熱して残留溶媒を蒸発させ（これにより、イオン生成が向上する）、溶媒−分析物付加化合物を解離させる。スプレーが移送チャネルに入る前の脱溶媒和を進めるための、加熱ガスの向流も提案されている。イオン移送チャネルの下流にある質量分析計のイオン光学系が実質的に受け取る、イオン源からのイオン数を最大とするため、試料スプレー、キャピラリ管、およびスキマーの配列や位置決めについて、様々な手法が実践されている。
【０００５】
イオン移送管に入ったイオンの大部分は、管壁との衝突で失われることが観測されている（例えば、Sunnerら, J. Amer. Soc. Mass Specrometry, V.5, No.10, pp.873-885 (October 1994)参照）。これは質量分析器に到達するイオンの数を減らし、計器感度に悪影響を及ぼす。更に、誘電体から成る管では、イオンと管壁との衝突によって電荷蓄積を生じ、イオンが管に流れ込んで通過するのを妨げる。先行技術には、イオンと管壁との相互作用を減らすことで、あるいは、荷電効果を減らすことでイオン損失を少なくしようとする、多くのイオン移送管の設計が含まれている。例えば、Franzenによる米国特許第５，７３６，７４０号は、軸方向ＤＣ電界を加えて、ガス流に対してイオンを減速することを提示している。この参考文献によれば、ガス流の（イオンに対する）放物線速度プロフィールは、管中心線へイオンを収束する気体力学的力を生じる。
【０００６】
その他の先行文献（例えば、Fischerによる米国特許第６，４８６，４６９号）は、例えば、電荷シンクに繋がる入口部分を導電性材料の層で被覆することで、誘電体の管の荷電を最小とする技術に関するものである。
【０００７】
もう一つの取り組みは、大気中から中心軸へ向けて入ってくるイオンを漏斗状に狭めるる“ファンネル”である。イオン移送キャピラリの後、真空条件下で作動するイオンファンネルの概念は、米国特許第６，１０７，６２８号に初めて発表され、後に、Belovらによる、J. Am. Soc. Mass Spectrom 200, Vol 11, pages 19-23 に詳細に述べられている。最新のイオンファンネル技術は、米国特許第６，ｌ０７，６２８号、Tangらによる、"Independent Control of Ion transmission in a jet disrupter Dual-Channel ion funnel electrospray ionization MS interface", Anal. Chem. 2002, Vol 74, p5431-5437,（デュアル型ファンネル装置を示している）、Pageらによる、"An electrodynamic ion funnel interface for greater sensitivity and higher throughput with linear ion trap mass spectrometers", Int. J. Mass Spectrometry 265(2007) p244-250,（線形トラップ四重極（ＬＴＱ）装置での使用に適応させたイオンファンネルを述べている）に記載されている。残念ながら、イオンファンネルの有効作動範囲は、およそ４０ミリバール（４０ｈＰａ）、すなわち、大気圧の４％のガス圧までしか伸ばせない。
【０００８】
大気圧への開口部を持つファンネル（漏斗）型デバイスは、Kremerらによる、"A novel method for the collimation of ions at atmospheric pressure", J. Phys D:Appl Phys. Vol 39(2006) p5008-5015に開示されているが、ここでは、静電気によってイオンを収束する（平行にする）ため、フローティングエレメント受動イオンレンズを用いている。しかし、これは、大気圧と前真空（フォアバキューム：forevacuum）との間の圧力領域でのイオン収束を論点としているものではない。
【０００９】
更に別の装置が、Willoughbyらによる、米国特許第６，９４３，３４７号に述べられており、これは、軸方向に導電性電極の層が交互に並んだ層状管構造を提示している。導電性電極に加速電位を印加して、入口領域へ侵入する電界を最小とし、また、電界の減少から生じる分散効果を粘性力が十分に上回るようになるまで、電界拡散を遅らせる。これはイオン損失の減少に役立つように見えるが、実際に中心軸にイオンを収束するには常に軸方向電界を大きくする必要があると考えられ、これは、低圧ではブレークダウンのため技術的に不可能となる。
【００１０】
更にその他の先行文献（例えば、Fischerによる米国特許第６，４８６，４６９号）は、例えば、電荷シンクに繋がる入口部分を導電性材料の層で被覆することで、誘電体の管の荷電を最小とする技術に関するものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前述の取り組みのいくつかは、イオン損失の減少、および／または、イオンと管壁との衝突から生じる悪影響の軽減には部分的に成功しているが、収束力は、特に、イオンビーム内にかなりの空間電荷があり、管が相当長いとするならば、イオンを壁から離して保つにはあまりに不足している。後者の要求は、エレクトロスプレーまたはＡＰＣＩイオン源によって形成されたクラスタの脱溶媒和の必要性から生じる。別の装置では、管を、簡単な開口部に置き換え、この開口部の前に脱溶媒和領域を設けなければならない。しかし、この領域での気体速度は管内部より著しく遅いため、空間電荷効果によって多くの損失が生じる。このため、当該技術においては、イオン損失がより少なく、より広範囲の実験条件および試料の種類で使用可能なイオン移送管の設計が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この背景に対して、また本発明の第１の態様に従って、相対的に圧力の高い領域と相対的に圧力の低い領域との間でイオンを輸送するためのイオン移送装置を提示する。この装置は、相対的に圧力の高いチャンバに向いて開いている吸込口と、相対的に圧力の低いチャンバに向いている排出口と、イオン移送チャネルを取り囲み、吸込端と排出端との間の中心軸に沿って伸びている、少なくとも１つの側壁と、を備えたイオン移送導管と、イオン移送チャネル内から、導管の側壁の外側の、圧力の低い領域へガスが流れるよう、側壁の長手方向に形成した複数の開口部と、を含むものである。
【００１３】
本発明の第２の態様に従って、第１の、相対的に圧力の高い領域と、第２の、相対的に圧力の低い領域との間でイオンを輸送する方法を提示する。この方法は、相対的に圧力の高い領域から、イオンとガスとの混合物を、イオン移送チャネルを備えている、または構成している、イオン移送導管の吸込口へ吸入する工程と、イオン移送チャネル内のガスの一部を、イオン移送導管の吸込口と排出口との間に置かれた導管壁中の複数の通路を通して除く工程と、イオンと残留ガスとを、排出口を通してイオン移送導管から相対的に圧力の低い領域へ排出する工程と、を含むものである。
【００１４】
簡単な形では、本発明の実施の形態による質量分析計のインターフェースは、高圧チャンバへの吸込端開口部と、低圧チャンバへの排出端開口部とを備えたイオン移送管を含むものである。高圧および低圧チャンバは、それぞれ互いに相対的により圧力の高い、および低い領域によって定めることができる。例えば、高圧チャンバがイオン源チャンバ、低圧チャンバが第１真空チャンバであっても良い。イオン移送管は、内部領域を取り囲み、吸込端と排出端との間の中心軸に沿って伸びた、少なくとも１つの側壁を備えている。イオン移送管は、側壁に形成した複数の通路を備えている。通路は、内部領域から側壁外部の減圧された領域へガスを流出させる。
【００１５】
もう一つの簡単な形では、本発明の実施の形態は、高圧領域にあるイオン源からのイオンを受け取り、これを質量分析計の減圧領域にあるイオン光学系へ輸送するイオン移送管を含むものである。イオン移送管は、吸込端と、排出端と、内部領域を取り囲み、吸込端と排出端との間の中心軸に沿って伸びた、少なくとも１つの側壁とを含んでいる。イオン移送管は、少なくとも部分的にイオン移送管を取り囲み、またそれに接続している、一体化した真空チャンバ管を更に含んでいても良い。一体化真空チャンバ管は、内部領域よりも低い圧力で、イオン移送管の少なくとも一部を直接取り囲む、ひとつの容積を区画している。側壁は、側壁に形成された少なくとも１つの通路となる構造体を備えている。少なくとも１つの通路は、内部領域から側壁の外側の容積へガスを流出させる。構造体と通路は、一体化真空チャンバ管の内部にある。側壁の構造体は、複数の通路を含んでいても良い。
【００１６】
更に別の簡単な形では、本発明の実施の形態は、イオン源領域から第１真空チャンバへイオンを輸送する方法を含むものである。この方法は、イオン源領域から、イオンとガスとの混合物をイオン移送管の吸込端へ吸入する工程を含む。この方法はまた、ガスの一部を、イオン移送管の吸込端と排出端との間に置かれた複数の通路を通して除く工程を含む。更にこの方法は、イオンと残留ガスとを、出口端を通してイオン移送管から第１真空チャンバへ排出する工程を含む。この方法はまた、一部のバックグラウンドガスの除去と、それに伴う蒸発との、少なくとも１つによるイオン移送管中の潜熱の減少を検出する工程と、ソフトウェアまたはファームウェア制御下のヒーターを用いて、イオン移送管に加えられる熱の量を増やす工程とを含んでいても良い。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の実施の形態は、イオン移送管の出口端を通るガスの流れが減少するという長所を備えている。これに関連して多くの長所も予想される。例えば、イオン移送管の出口端を通る流れが減ると、イオン搬送ガスがイオン移送管から抜けるにつれて膨張するエネルギーが減少する。このため、イオンが、すぐ下流のスキマーの開口部を通る直線上を移動する確率が大きくなる。更に、イオン移送管の少なくとも一部において流量が少ないと、イオン移送管のその部分における層流の量を多くする効果がある。層流はより安定であるため、イオンは収束を保ったまま、スキマーの比較的小さな開口部を通るための直線上を移動することができる。イオン移送管の側壁からガスを排出すると、イオン移送管内部の圧力は低下する。圧力が低下すると脱溶媒和が進む。更に、側壁からガスを排出すると潜熱が除かれる。このため、より多くの熱がイオン移送管を通って内部領域に残留している試料へ送られ、その結果、脱溶媒和が進み、実際にイオン光学系へ到達するイオンの数が増加する。
【００１８】
本発明の更にその他の特徴および長所は、添付の請求項および以下の記述より明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施の形態による、イオン移送装置を示す断面図である。
【図２】図１のイオン移送装置のイオン入口領域の例を示す断面図である。
【図３】流れを最適化するための空力レンズを備えた図２のイオン入口領域を示す断面図である。
【図４ａ】図２および３のイオン入口領域の、形を作った実施の形態の筐体の例を示す図である。
【図４ｂ】図２および３のイオン入口領域の、形を作った実施の形態の筐体の例を示す図である。
【図４ｃ】図２および３のイオン入口領域の、形を作った実施の形態の筐体の例を示す図である。
【図５ａ】図４ｂに示した形状を備えたイオン入口領域を更に詳細に示す断面図である。
【図５ｂ】図４ｂに示した形状を備えたイオン入口領域を更に詳細に示す断面図である。
【図６】図１のイオン移送装置の一部を成す、交互に変化する電圧（alternating voltage）の導管の第１の実施の形態を示す断面図である。
【図７】交互電圧導管の第２の実施の形態を示す断面図である。
【図８】図７および８の交互電圧導管の別の実施の形態を示す上面図である。
【図９ａ】本発明による、イオン移送装置の別の実施の形態を示す断面図である。
【図９ｂ】本発明による、イオン移送装置の別の実施の形態を示す断面図である。
【図９ｃ】本発明による、イオン移送装置の別の実施の形態を示す断面図である。
【図９ｄ】本発明による、イオン移送装置の別の実施の形態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は、大気圧のイオン源（例えば、エレクトロスプレー）と、それに続く、質量分析の１つ以上の段階が置かれている、真空チャンバの高真空との間でイオンを運ぶための、本発明の様々な態様を具体的に示す、イオン移送装置を表している。図１において、エレクトロスプレー源、大気圧化学イオン化（ＡＰＣＩ）、または大気圧光イオン化（ＡＰＰＩ）源など（但し、これらに限定しない）のイオン源１０は大気圧下に置かれている。これは、公知の方法でイオンを発生し、イオンは入口開口部３０を通ってイオン移送装置（一般に、参照番号２０で示す）に入る。次に、イオンは、排気される第１の輸送チャンバ４０（以後、膨張チャンバ４０と呼ぶ）を通過して、イオン導管６０を含んでいる第２の真空チャンバ５０に入る。導管６０を出たイオンは、イオン移送装置の出口開口部７０を通過し、ここで（一連のイオンレンズ（図示せず）を経て）質量分析の第１段階（以後、ＭＳ１と呼ぶ）８０に入る。当業者には容易に理解されるように、通常、ＭＳ１の後には、質量分析の次の段階（ＭＳ２、ＭＳ３．．．）が続くが、これらは本発明の一部を成すものではなく、明瞭にするため、図１には示していない。
【００２１】
以下に、図１のイオン移送装置２０中のコンポーネントの配置をより詳しく説明する。この配置をより良く理解するため、まず、大気圧と前真空（およそ、約１〜１０ｍｂａｒ（約１〜１０ｈＰａ）以下）との間の異なる圧力領域でイオンを輸送する方法について一般論を述べる。
【００２２】
図１のイオン輸送装置２０中の、またはこれを取り囲んでいる異なる圧力領域において、イオン輸送は特徴的に異なっている。無論、実際に圧力は、イオン源とＭＳ１  ８０との間のどの点においても即時に変化しないが、それでもなお、それぞれイオン輸送特性の異なる５つの明確な圧力領域が定義できる。５つの領域は、図１中で次のように示されている。
【００２３】
領域１：ＭＳ１の入口イオン光学系が置かれている、圧力がおよそ１〜１０ｍｂａｒ（１〜１０ｈＰａ）以下の領域。この領域は、本発明の対象ではない。
【００２４】
領域５：大気圧の領域であって、動的流れによりほぼ支配されており、エレクトロスプレーまたは他の大気圧イオン化源本体である。領域１と同じく、本発明の直接の対象ではない。
【００２５】
これより、領域２、３、および４が残る。
【００２６】
領域４：イオン輸送装置２０への入口オリフィス３０の付近である。
【００２７】
領域２：導管６０の置かれている領域であり、ＭＳ１へのイオン輸送装置２０の出口開口部７０に境を接している。
【００２８】
最後に、領域３：イオン輸送装置２０の入口オリフィス３０（領域４）と上記の領域２との間の領域である。
【００２９】
典型的な市販のキャピラリの、イオン輸送装置に流れ込むイオン流（入口オリフィス３０における）の測定値は、Ｉ０の範囲が、およそ２．５ｎＡであることを示している。これより、流入ガス流の値Ｑ＝８ａｔｍ・ｃｍ３／ｓ、導管の内径が０．５ｍｍであることから、初期電荷密度ρ０の範囲は、０．３〜１×１０−９Ｃ／ｃｍ３＝０．３〜１×１０−３Ｃ／ｍ３と推定される。導管内でのイオンの滞留時間ｔ＝０．１１３ｍ／５０ｍ／ｓ、およそ２×１０−３ｓ、大気圧での平均イオン移動度の値Ｋ＝１０−４ｍ２／sであることから、空間電荷斥力による伝達効率の限界は、次の式で求められる。
【数１】
0005575165.tif 000002
【００３０】
つまり、イオン流を向上させるには（これが本発明の態様の目的である）、導管中におけるイオン移動度とイオン滞留時間を最適化することが望ましい。
【００３１】
大気圧イオン化（ＡＰＩ）源でのイオン損失の大部分は、インターフェースの入口オリフィス３０の前にあるイオン化チャンバ内で起きている。このイオン損失の割合は、ＡＰＩ源のTaylorコーンから入口オリフィス３０までのイオン／液滴ドリフト時間より求める。入口オリフィス３０付近でのガス流速分布は、次の式で表せる。
【数２】
0005575165.tif 000003
式中、ｄは、導管の直径であり、Ｒは、その点から入口オリフィス３０までの距離であり、Ｃは定数であり、ΔＰは圧力低下である。イオン速度は、Ｖｉｏｎ＝Ｖｇａｓ＋ＫＥであって、式中、Ｋはイオン移動度であり、Ｅは電界強度である。Ｋを、約１０−４ｍ２／s、Ｅを、約５×１０５Ｖ／ｍとすると、電界によって生じる速度は、約５０ｍ／ｓとなる。内径０．５ｍｍの導管中でのガス流速はほぼ同じ値であるが、入口オリフィス３０から５ｍｍの距離では、ガスと共に移動するイオンは、電界中での移動より約１０倍も遅くなる。このため、この領域でのイオン滞留時間は、１０−４ｓの範囲であり、上記の式（２）による空間電荷斥力のため、イオン損失は約５０％となる。
【００３２】
言い換えると、イオン移送装置の解析的考察より、空間電荷斥力が主なイオン損失機構であることが示唆される。イオン伝達効率を決定する主なパラメータは、導管中でのイオン滞留時間ｔと、イオン移動度Ｋである。つまり、イオン輸送効率を高める１つの方法は、ｔを小さくすることと考えられる。しかし、ｔには一連の制限がある。
１．液滴を蒸発させるために必要な時間
２．ガス流が層流から乱流に変わる臨界速度
３．ガス流が音速まで加速された際の衝撃波の出現。これは特に、領域５から領域１にかけて大きな圧力低下（およそ１０００ｍｂａｒ（１０００ｈＰａ）から１ｍｂａｒ（１ｈＰａ）へ）が起こる場合である。
【００３３】
図１に戻って、イオン輸送装置の望ましい実施の形態を更に詳細に述べる。使用した形状および配置は、先に確認したイオン輸送効率の制限に対処しようとするものである。
【００３４】
検討すべき最初の領域は、それぞれ、入口開口部３０の付近および膨張チャンバ４０を構成する、領域４および３である。
【００３５】
入口オリフィス３０前でのイオン損失に対処するには、入口オリフィス３０に流れ込むガス流を増やすことが望ましい。これは、上記の分析に従い、所定のイオン流では、イオン輸送装置へ入るときのガス流速が大きいほど、より大量のガスが捕捉でき、このガスが飽和までイオンで充たされているとすれば、より多くのイオンを捕捉することができる。領域３および４での滞留時間を短くすると、イオン流は、超音速ほどではないが、速く適当な状態になる。
【００３６】
このように、ＡＰＩ源１０と導管６０への入口との間を最適とし、または、コンポーネントを加えることで、領域４および３における改良が可能である。大気圧の領域５と領域２との間を接続する領域４および３は、望ましくは、一般に、対象とする殆どの分析物において、窒素分子より４〜１０倍以上重いイオンを、気体力学的に収束する。
【００３７】
領域５と２との間の流れが超音速になると、予期しないイオン損失を生じることがあるため、第１の目的はその回避である。この目的は、膨張チャンバ４０内に設けられた入口ファンネル４８を使用することで達成できる。このようなファンネル４８は、中心口径の異なる一連の平行板として図１に示されており、このような装置（およびそのいくつかの代替物）の目的は、図２〜４に関連して、後に述べられている。望ましくは、ファンネル４８は短く（実際には、図１に示されているようなセグメント配置では、短ければおよそ３ｍｍが可能である）、望ましくは長さ１ｃｍ以下である。
【００３８】
膨張チャンバ４０は、膨張チャンバのポンピングポート４５に接続した、ダイヤフラム、抽出、またはスクロールポンプ（図示せず）で、３００〜６００ｍｂａｒ（３００〜６００ｈＰａ）付近まで排気することが望ましい。イオンファンネル４８を適当な形状とすることで、膨張チャンバ４０吸入時のイオンの膨張を、衝撃波が全く発生しないよう、あるいは発生を制御するよう調節可能である。
【００３９】
先の、Sunnerらの参考文献に示されているように、スプレー流が遅くても、大気圧イオン源（例えば、エレクトロスプレーまたはＡＰＣＩ）は空間電荷が制限される。最も高い電界を加えても、ＡＰＩ源は、０．１〜０．５×１０−９クーロン／（ａｔｍ．ｃｍ３）以上を運べないことが、本発明者らにより実験的に確認されている。ナノスプレー源であっても、この流れの大半を捕捉するには、入口開口部３０の直径を少なくとも０．６〜０．７ｍｍとし、その後に強力な加速および収束電界（全電圧低下を、電気的破壊が始まるより低く保つ必要があるが）を必要とする。
【００４０】
図２は、この強力な加速および収束電界を得るための、簡単な装置の略図である。ここでは、吸込口３０は、第１のＤＣ電圧Ｖ１に保たれ、一方、膨張チャンバ４０内であるが、導管６０への入口に隣接している平板電極９０は電圧Ｖ２に保たれている。電圧を印加した吸込口３０と平板電極９０とが共に、簡単なイオンファンネル４８を構成する。図２の平板電極には中心開口部があり、一般に、導管６０の内径と同じ大きさで、同一線上にあり、これがイオンを導管６０へ注ぎ込む働きをする。開口部３０と平板９０との間の電界は、荷電粒子を効果的に加速し、また荷電粒子は粘性流中であっても力線と平行に移動する傾向があるため、荷電粒子は、開口部のフリンジ電界により導管中に引き込まれる。この電気的に促進された導管領域への加速は、一般に望ましい。
【００４１】
図２の簡単な装置の発展として、電圧Ｖ１の入口オリフィス３０と電圧Ｖ２の平板電極との間の膨張チャンバ４０内の空間に、イオンレンズまたは空力レンズ、あるいはこの二つを組み合わせたものを更に設けることができる。図３は、この概略図を示したものであり、平板電極のアレイ１００を、入口オリフィス３０と平板電極９０との間に設置して、イオンファンネル４８を構成する。平板電極のアレイ１００を形成する各電極には、入口オリフィス３０および平板電極９０の開口部と一般に同軸の中心開口部があるが、それぞれの直径は異なっている。平板電極のアレイ１００によって、様々な異なる形状を描くことができる。最も簡単なケースでは、導管へ向かうファンネルは、フレア型に広がっているだけである（直線テーパー）。この概略図を図４ａに示すが、これは、Wuら、"Incorporation of a Flared Inlet Capillary tube on a Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometer", J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2006 Vol 17, p 772-779 に更に詳細に述べられている。その他の形状の同じく大まかな概略図も、図４ｂおよび４ｃに示すが、これらはそれぞれ、ジェットノズル形（ベンチュリ装置−Zhouら（Zhou, L.; Yue, B.; Dearden, D.; Lee, E.; Rockwood, A. & Lee, M. Incorporation of a Venturi Device in Electrospray Ionization, Analytical Chemistry, 2003. 75, 5978-5983）参照）およびトランペット形または指数関数形の吸込口である。
【００４２】
このように、図２から図４の装置（および、図１の膨張チャンバ４０内に示されている装置）の効果により、導管６０に向かうセグメント化されたファンネル入口ができる。いずれの場合にも、入口開口部３０は、収束チャネルの直径より小さいかもしれないが、大量のガスが流れるには十分に大きい。イオンファンネルの形を作る目的は、ファンネル出口と導管６０の入口との間の容積を、ジェットセパレータ（ガスクロマトグラフ装置に接続した質量分析計で現在でも広く使われている装置）に似たものに変えることである。分析物の分子はキャリアガス（一般に、窒素）の分子より著しく重いため、膨張後の発散は、キャリアガスより遙かに小さい。即ち、空力収束が起こる。この効果は、特に、必要な電圧が、貴ガス類の低いグロー放電限界に対応するよう十分低い場合には、キャリアガスの少なくとも一部をヘリウムとすることで更に促進することができる。この結果、チャネル直径がファンネルの直径よりあまり大きくなく、例えば、内径０．８〜１．２ｍｍであっても、イオンを、軸の近くに保ち、収束チャネルの中心部分に送り込むことができる。この直径は通常のキャピラリよりは大きいが、始動圧力は１／２〜１／３であるため、現在使われているものと同様のポンプ容量、例えば、２８〜４０ｍ３／ｈの真空ポンプをファンネルの端に用いることはまだ可能であろう。同時に、ファンネル４８内部のイオンを積極的に収束することで、それに続く導管６０の長さを、損失を起こさずに大きくできる。これは同様に、残留している液滴やクラスタの脱溶媒和も進める。その結果、試料流量を、より多く、ナノスプレーの流量よりも遙かに多い範囲にまで広げることができる。
【００４３】
空力レンズの一例に過ぎないが、ジェットセパレーションの非常に簡単な例を、図９ａ〜ｄの実施の形態の一部と関連して後に論じる。
【００４４】
望ましい実施の形態の領域４および３の装置に更に付け加える、あるいはその代わりとなるものとして、イオンファンネル４８に、チャネル内部の１つ以上の場所に境界層の補助ポンプを加え、チャネルに沿った圧力低下を制限するなどしても良い。このようなファンネル４８に沿って強い電界を保つため、これらのポンピングスロットを、異なる電位の薄板間の隙間として用いることができる。
【００４５】
再び図１を参照として、領域２の配置（即ち、膨張チャンバ４０とＭＳ１  ８０への出口オリフィス７０との間の領域）を更に詳細に述べる。
【００４６】
真空チャンバ５０内に設置され、イオン移送装置の領域２を構成している導管６０は、３つの独立したコンポーネント、ヒーター１１０と、一組のＤＣ電極１２０と、一般に１３０で示され、以下に更に詳細に述べる、差動ポンピング装置とから成る。これらのコンポーネントは、それ独自の機能と長所をそれぞれ備えているが、共に使用すると互いに相乗的な効果が更に得られることを理解すべきである。言い換えれば、これらの３つのコンポーネントのいずれか１つ、または２つを用いてもＭＳ１への正味のイオン流は向上するが、この３つを全て組み合わせれば最大の向上が得られる。
【００４７】
ヒーター１１０は、導管６０の長手軸に沿って延びた、ＤＣ電極の組によって構成されているチャネルの周囲に巻いた抵抗線として、公知の方法で形成される。巻き線は、チャネル１１５と直接熱的接触しており、あるいは、代わりに、チャネル１１５と離して設け、ヒーター１１０の巻き線に電流を通して、チャネル内のガス流を放射または対流加熱しても良い。実際、別の装置では、チャネル１１５内のガス流に向けて内側へ熱を放射するよう、ヒーター巻き線を、差動ポンピング装置１３０中またはその上に形成しても良い。更に別の装置では、ヒーターも、ＤＣ電極１２０（抵抗体は対応できるよう準備する）で構成することができ、これについては後に更に検討する。当業者には、更に別の装置も明らかであろう。
【００４８】
イオン移送チャネル１１５を加熱すると、それを通って流れるガス流の温度が上がるため、残留溶媒の蒸発と、溶媒イオンクラスタの分解が促進され、ＭＳ１  ８０に到達する分析物イオンの数が増加する。
【００４９】
図５ａ、５ｂは、ポンピングを向上させるための設備４８を備えた、積み重ね型平板電極のポンピングされている導管の入り口領域として、図４ｂに描かれている形状の実施の形態を示したものである。示されている平板電極は、ＤＣ、交互（alternating）ＤＣ、またはＲＦで稼働可能であり、ポンピングと、入口開口部５１、４９の適当な形状により、全ての場合において伝達が向上することを理解すべきである。
【００５０】
ＤＣ電極１２０の組の実施の形態について述べる。これらの概略図は、図１に縦断面図として一度示されているが、別の実施の形態を、図６および７に拡大して詳細に示す。それぞれの場合において、同じ参照番号は同じ部品を示している。
【００５１】
図１および６を参照とするならば、ＤＣ電極１２０の目的は、ＤＣ電極１２０自体によって構成されているチャネル１１５の壁とイオンとの相互作用を小さくすることである。これは、イオンを、チャネル壁の内側表面から離して、チャネル中心線へ向けて収束する、空間的に交互に並んだ非対称の電界を発生させることで達成される。図１および６は、このような電界を生じるため、一組のＤＣ電極１２０を用いてどのようにイオン移送チャネル１１５を構成するかの例を示す縦断面図である。イオン移送チャネル１１５は、交互に並んだ、第１の複数の電極２０５（ここでは、後に明らかになる理由により、“高電界強度電極”またはＨＦＥと呼ぶ）と、第２の複数の電極２１０（ここでは、“低電界強度電極”またはＬＦＥと呼ぶ）とから構成されている。個々のＨＦＥ２０５およびＬＦＥ２１０は環状であり、ＨＦＥ２０５とＬＦＥ２１０の内側表面が集合して、イオン移送チャネル壁の内側表面を構成する。隣接する電極は、間隙または絶縁層によって互いに電気的に絶縁されているため、後に述べる方法で異なる電圧を印加することができる。１つの具体的な実施の形態では、電気的絶縁は、複数の電極（例えば、ＬＦＥ）の１つの外側表面に、またはその付近に、絶縁材（例えば、酸化アルミニウム）の層を形成することで行うことができる。図６に示すように、ＨＦＥ２０５とＬＦＥ２１０を、外側管状構造体２１５で取り囲んで、構造完全性、気密性を与え、また集合体としても良い。しかし、図１の望ましい実施の形態では、外側管状構造体を省いても良く、あるいは、外側管状構造体に、イオン移送チャネルの内部領域を（隣接する電極間の間隙から）ポンピングできるよう、その長さに沿って穴または細孔を設けて適応させても良い。その方法は後に更に述べる。
【００５２】
図１および６は、明確にするため比較的少数の電極を示しているが、典型的なイオン移送チャネル１１５の実施の形態は、数十から数百の電極を含むことは理解されよう。図１および６は、イオン移送チャネル１１５のほぼ全長に亘って延びている電極を示しているが、別の実施の形態では、イオン移送チャネルの長さに電極が欠けている部分が一つ以上あっても良いことも更に言及しておく。
【００５３】
電極は、周期Ｈ（連続するＬＦＥまたはＨＦＥの間隔）で配置されている。ＨＦＥ２０５の幅（長手方向の長さ）は、対応するＬＦＥ２１０の幅よりかなり小さく、ＨＦＥは一般に、周期Ｈのおよそ２０から２５％を占めている。ＨＦＥ幅は、Ｈ／ｐで表わすことができ、ｐは、一般に３〜４の範囲である。周期Ｈは、イオン移送チャネル１１５を通過するイオンが、従来の高電界非対称イオン移動度分光測定（ＦＡＩＭＳ）装置の高周波閉じ込め磁場に近い周波数で、高い電界強度と低い電界強度とを交互に受けるように選ぶ。例えば、平均ガス流速を５００ｍ／秒とすると、５００マイクロメートルの周期Ｈは、１メガヘルツの周波数となる。周期Ｈは、管の全長に亘って一定に保ち、あるいは代わりに、チャネル長さに沿って調節（連続的または段階的に）して、圧力勾配による速度の変化を反映しても良い。イオン移送チャネル１１５（ＬＦＥ２０５とＨＦＥ２１０の内側表面によって構成されている）の内径（ＩＤ）は、周期Ｈより大きな値を持つことが望ましいと考えられる。
【００５４】
１つ以上のＤＣ電圧源（図示せず）を電極に接続して、ＨＦＥ２０５に第１電圧Ｖ１を、ＬＦＥ２１０に第２電圧Ｖ２を印加する。Ｖ２は、Ｖ１と反対の極性を持ち、その大きさはＶ１より著しく小さい。望ましくは、Ｖｌ／Ｖ２比は、−ｐに等しく、式中、ｐは（先に示したように）、ＬＦＥ幅が占める周期Ｈの割合の逆数であり、一般に３〜４の範囲であって、全周期に亘ってイオンが受ける電界の空間／時間積分は、ゼロに等しい。Ｖ１とＶ２の大きさは、後に詳細に示す所望の収束効果を得るには十分に大きいが、隣接する電極の間で、または、電極と近くの表面との間で放電が起きるほど大きくてはならない。５０から５００Ｖの大きさが前述の基準を満たすと考えられる。
【００５５】
ＨＦＥ２０５とＬＦＥ２１０に所定のＤＣ電圧を印加すると、イオン移送チャネル１１５内部に、電界強度の高い領域と低い領域が空間的に交互に並んだパターンが生じ、それぞれの領域は、対応する電極とおおよそ長手方向に同じ広がりを持っている。各領域において、電界強度は、流れ中心線においてゼロまたはゼロに近く、中心からの径方向距離と共に増加するため、イオンは、イオン移送管の内側表面にイオンが近づくにつれて強くなる半径方向引力または斥力を受ける。交互高／低電界強度パターンは、従来の高電界非対称イオン移動度分光測定（ＦＡＩＭＳ）装置で起きるものと概念的に同じイオン挙動を生じる。ＦＡＩＭＳ装置では、非対称波形を、分析器領域を構成する向かい合った電極対の一方の電極に加えている（例えば、Guevremontら、米国特許第７，０８４，３９４号参照）。
【００５６】
図６は、交互非対称電界の影響下における、流れ中心線から離れた位置にある陽イオンの軌跡を示したものである。イオンは、電界強度の高い領域ではイオン移送チャネルの内側表面から離れるように動き、電界強度の低い領域では内側表面に向かって動き（これは、あたかもＨＦＥ２０５が、そこに印加された陽電圧を持ち、ＬＦＥ２１０が、陰電圧を帯びているようである（もう一度、極性は、前述のように、流路に沿って平滑化した（即ち、空間的周期に亘って平均化した）ポテンシャル分布に基づいて与えられなければならないことに注意））、ジグザグの経路を描く。
【００５７】
ＦＡＩＭＳ技術において詳細に示されているように、交互高／低電界を受ける粘性流領域中でのイオンの正味の移動は、電界強度でイオンの移動度を変える機能となると考えられる。イオン移動度が電界強度の増加と共に大きくなるＡ型イオンでは、サイクルの高電界強度部分で移動する半径距離は、低電界強度部分の間に移動する半径距離を上回ると考えられる。図６に図示し、先に述べた例では、Ａ型イオンは、流れ中心線に向かう正味の半径方向運動を示すため、イオン移送チャネル１１５の内側表面と衝突して中性化するのが防止されると考えられる。イオンが流れ中心線に近づくにつれて電界強度は殆ど消失し、イオンは、電極から生じる強い半径方向力を受けなくなる。反対に、Ｃ型イオン（電界強度の増大と共にイオン移動度が小さくなる）では、電界強度の低い領域でイオンが移動する半径方向距離は、電界強度の高い領域での移動を上回り、Ｖ１とイオンの極性が同じであれば、イオン移送チャネル１１５内側表面へ向かう正味の移動が生じると考えられる。Ｃ型イオンはチャネル壁との衝突により優先的に壊れ、Ａ型イオンは流れ中心線に収束されるため、この挙動は、Ａ型およびＣ型イオンの判別に使用できるであろう。Ｃ型イオンを優先的に輸送したいならば、Ｖ１とＶ２の極性を入れ替える。
【００５８】
交互ＤＣ電界を与える上記の手法は、ガスの動的力が、イオンの軌跡を純粋に長手方向経路から逸らす、あるいは、平均自由行程が十分長くなる（即ち、気体原子または分子との衝突がイオンの動きをもはや支配しない）領域においては、イオンの収束には不適当であるかもしれない。例えば、大気圧のＡＰＩ源１０と、高真空（＜１ｍｂａｒ（＜１ｈＰａ））のＭＳ１  ８０との間の圧力差による、イオン移送チャネル１１５内でのガスの膨張と加速は、イオン移送チャネル内部で生じる１つ以上の衝撃波を、その排出端付近で引き起こし、これによりイオンの経路が大きく逸れることがある。イオン移送チャネル１１５の遠位部に設けられた電極では、イオン−チャネル壁相互作用が起きないよう十分に収束させるため、ＲＦ電圧（ＤＣ電圧と共に、または代わりに）を印加する必要があることがある。この場合、隣接電極には逆位相のＲＦ電圧を印加すると考えられる。
【００５９】
衝撃波を抑止する別の取り組みは、導管６０（図１）の差動排気であり、これを以下に述べる。
【００６０】
図７は、本発明の第２の実施の形態による、イオン収束／ガイド構造体３００を示しており、これは、質量分析計装置の大気圧付近または圧力の低い領域を通って、イオンを輸送するために用いることができる。このような圧力において、イオンは、高い粘性摩擦によりガス流内に“埋め込まれる”ため、ガス流と同じ速度を持つ。
【００６１】
一般に、イオンの平均自由行程が装置の大きさに比べて小さい場合、流れは、分子流れに対抗するほど粘稠であると見なせる。このような場合、分子間または分子とイオンとの間の衝突は、輸送現象において重要な役割を果たす。
【００６２】
本発明による、数ミリメートルから１センチメートルまでの典型的な直径と、数センチメートルまたは数十センチメートルの全長を備え、およそ大気圧から約１ｈＰａまでの圧力勾配を持つ装置において、本発明のデバイス全体は粘性流条件にある。
【００６３】
実際に、クヌーセン数Ｋ＝λ／Ｄが１以下の粘性流条件では、分析物と大きさにより、およそ１から１０Ｐａの圧力まで粘性流が保たれる（直径１ｍｍのキャピラリ中、代謝産物などの小分子では、１Ｐａ）。
【００６４】
収束／ガイド構造体３００は、交互に間に配置した、第１の複数の環電極（以後、“第１電極”）３０５と第２の複数の環電極（以後、“第２電極”）３１０とから成る。隣り合った電極は、間隙あるいは絶縁体または層によって互いに電気的に絶縁されている。図６の実施の形態とは対照的に、第１電極３０５と第２電極３１０は、ほぼ同じ幅である。環電極３０５および３１０の配置は、質量分析技術においてよく知られているＲＦ環電極イオンガイドと外見的には同じである。しかし、収束／ガイド構造体３００は、逆位相のＲＦ電圧を隣接電極に印加するのではなく、異符号で同じ大きさＤＣ電圧を隣接電極へ印加するものである。ガス（イオン）速度に対して電極周期Ｄを適当に選ぶことで、ガイド／収束構造体の内部を通るイオンは、従来のＲＦ電界に近い周波数（例えば、１メガヘルツのオーダー）で、交互に極性の変化する電界を受ける。交互に変化する電界は、ＲＦ電界とほぼ同じようにイオンを保ち、収束する。第１電極３０５と第２電極３１０に印加する適当なＤＣ電圧は、様々な幾何学的パラメータ（電極の内径および幅）や操作パラメータ（ガス圧力）に応じて選び、典型的な実施の形態では、１００から５００ＶのＤＣ電圧であれば、電極間で放電を起こすことなく、所望の電界強度を発生するためには十分と考えられる。また、これらのＤＣ電圧と共に、更にＲＦ電圧を印加しても良い（こうすると、独立した周波数で効果的に収束電界を生じる）。
【００６５】
この装置においては、また他の本発明の装置でも、走行長さＨはなるべく小さく、およそ０．１から２０ｍｍ、典型的に約１ｍｍ程度であって、イオンの平均自由行程は一般に、導管の関連寸法より短い。
【００６６】
ＡまたはＣ型イオンを優先的に伝達するよう調節可能な、図６の装置とは反対に、図７のより簡単な装置は、イオンの特異的なイオン移動度特性に関して大きな偏りを示さないが、単純に全ての荷電粒子の伝達が向上すると考えられる。
【００６７】
同様な効果は、図６の装置を、Ｂ型イオンを伝達する条件に調節することで（つまり、明確な高および低電界領域ができないよう、電圧を設定することで）、達成可能である。
【００６８】
別の操作モードでは、図７の装置を、交互に変化する高および低電界波形を用いて直接操作し、空間に伴う電界の変化を、荷電粒子の移動座標系から見た場合におおよそ等価である、時間に伴う電界の変化に変換する、ＲＦ  ＦＡＩＭＳデバイスを作ることができる。
【００６９】
収束／ガイド構造体の第１および第２電極の配置は、特定の目的を達成するために変更しても良い。例えば、図８は、第１電極４０５と第２電極４１０とから成る、収束／ガイド構造体４００の上面図を示している。この中では、隣り合う環電極が互いに横方向にずれて湾曲したイオン軌跡（点線４１５で示す）を構成する。あるいは、構造体の軸を徐々に曲げても良い。イオン軌跡に湾曲をつけることで、イオン−中性粒子分離（電界の差動効果により）を多少行い、ガス／イオン流中のイオンの濃度を高めることができる。収束／ガイド構造体のもう一つの変形では、次第に内径を小さくした第１および第２電極を用いて、Smithらによる、米国特許第６，５８３，４０８号に開示のものと同様のイオンファンネル構造体を作るが、これは、従来のＲＦ電界の代わりに交互ＤＣ電界を使用するものである。
【００７０】
再び図１を参照して、差動排気装置１３０を更に詳細に述べる。
【００７１】
先に述べたように、大気圧イオン化源を備えた従来の吸込口部分では、質量分析計のフィルタリングおよび分析部分へ輸送するためのイオン光学系にイオンが入る前に、イオン源で発生したイオンの大部分が失われてしまう。イオン移送装置の出口端でのガス流速が速いことが、このイオンの損失の多さの原因と考えられる。中性ガスは、イオン移送管を通り抜けながらエネルギー膨張する。従来の吸込口部分では、この膨張領域と、イオン移送管中の上流の一定距離までの流れは、一般に乱流となる。このように、過去のイオン吸込口部分では、ガスによって運ばれるイオンは、限られた程度までしか収束されない。むしろ、イオンの多くは、流動ガスの容量全体に活発に動き回っている。この活発な乱流と、それによって生じるイオンに対する混合効果のため、好ましいほどまではイオンが収束せず、この流れ条件下でイオンと中性ガスとを分離することは困難であると考えられる。つまり、中性ガスを排気しながらイオンの大部分を分離し、これを下流に送るのは困難である。むしろ、イオンの多くは中性ガスと共に運び去られ、失われる。一方、本発明の実施の形態に関わる仮説は、イオン移送管のより長い部分に亘って流れを層流としておけるならば、イオンをより強く収束した状態に保つことができるというものである。所望の層流を作る１つの方法は、イオン移送管の側壁から中性ガスを除き、軸方向の流れおよびイオン移送管の出口端から出る流れを減らすことである。また、中等度まで側壁の外へ中性ガスを排気することで、イオン移送管の内側を軸方向へ流れるガスの境界層が薄くなって、速度分布がよりなだらかになり、流れがより安定となる。
【００７２】
大気圧イオン化インターフェースにおけるイオンのスループットまたは移送効率を高める１つの方法は、イオン移送管の内径を大きくするか、イオン移送管の長さを短くするかの１つ以上により、伝導性を大きくすることである。一般的に知られているように、イオン移送管をより太く、より短くすれば、より多くのイオンを下流のイオン光学系へ輸送することが可能であろう。しかし、利用できるポンピング装置の容量によって、どのくらい直径を大きくできるか、どのくらい全体の伝導性を大きくできるかが制限される。このため、本発明の実施の形態に従って、イオン移送チャネル１１５（図１）の内径を相対的に大きくし、同時に、イオン移送チャネル１１５の出口端から出るガス流を少なくして、ガス流の中心に向かってイオンを収束し続けるよう、流れ特性を向上させることができる。この方法では、中性ガスをイオンから容易に分離可能で、イオンを、出口オリフィス７０を通って下流のＭＳ１へ、一貫して向けることができる。この結果、輸送効率が向上し、機器感度が上がる。
【００７３】
一部または全てのケースにおいて、乱流がイオン輸送効率を上げることが認められたとしても、イオン移送チャネルの下流端で圧力が下がり、圧力低下によって脱溶媒和が進むことは、層流および乱流いずれの条件下においても、本発明の実施の形態に伴う長所であることは理解すべきである。更に、乱流条件であっても、イオン移送管の側壁から中性ガスの少なくとも一部が除かれることは、中性ガスからイオンを効果的に分離するよう作用するであろう。乱流中でも、液滴とイオンはその大きな質量のため、導管６０を通る軸流である間は、その殆どがより中心付近に分散していると考えられる。このように、側壁から中性ガスを除去することは、層流および乱流いずれの条件下においても、比較的少ないイオン損失で、イオンから中性ガスを効果的に分離すると期待される。また更に、側壁から中性ガスを排気することによる潜熱の除去は、層流および乱流いずれの条件下においても、脱溶媒和を進めるための加熱を可能とする。
【００７４】
導管６０を含む領域２は、望ましくはポンピングポート５５から排気する。図１からわかるように、差動ポンピング装置１３０は、領域２の中で、チャネル１１５を含む内部領域と、導管６０を含む真空チャンバ５０との間で流体を流通させるための、複数の通路１４０を含んでいる。中性ガスは、内部領域１１５から、差動ポンプ装置１３０中の通路１４０を通って、真空チャンバ５０へ排気され、ここから排出される。
【００７５】
イオン移送導管６０の側壁または他のいくつかの部分の温度を示す信号をコントローラ５８へ送り返すため、センサをイオン移送導管６０とコントローラ５８に接続しても良い。温度プロフィールを得るため、複数のセンサを様々な場所に設けても良いことは理解すべきである。このように、イオン移送導管６０の側壁の複数の通路１４０からガスを排出する際の熱の減少を検出するため、イオン移送導管６０にセンサを接続することができる。
【００７６】
図９ａに示す別の装置では、導管６０を、密閉された第３の真空チャンバ１５０で取り囲んでいる。これは、差動ポンピング装置１３０の壁の通路１４０からガスを吸引するために用いることができる。先に述べたような、バックグラウンドガスの除去の代わりに、通路１４０を通してイオン移送導管６０のチャネル１１５の中へガスを流入させるためにも同様に使用できるであろう。これは、第３真空チャンバ１５０内の圧力を、大気圧と、チャネル１１５内の圧力との間に調節することで行える。通路１４０からチャネル１１５内へガスを流入させると、試料液滴がばらばらになるような、より乱れた流れの状況が作られる。より流れの乱れた状況では、試料液滴が砕けて更に小さな液滴となる。この液滴の分解は、同じく液滴を砕くクーロン爆発型分解とは対照的に、外力による分解である。図９ａの実施の形態では、膨張チャンバ４０に差し込まれた、必要に応じて追加されたポンピングポート５６も示されている。ポンピングポート４５は、平板電極４８の前に向けて設けられているが、ポンピングポート５６は、平板電極４８と、第３真空チャンバ１５０への入口との間の領域を排気する。
【００７７】
外力およびクーロン爆発型分解の両方を用いる場合、１つのイオン移送管中でガスの除去と添加の両方を行うことができる。例えば、図９ｂに示されているように、第３真空チャンバ１５０を短くして、第２真空チャンバ５０の一つの領域だけを包囲する。この手段によって、吸込口１５６または吸込口１５７を経由して、第２真空チャンバ５０のどちらの部分にもガスを加えることができる。このように、一連の外力およびクーロン爆発分解を交互に行って、試料の液滴を砕くことができる。
【００７８】
図１、９ａ、９ｂ、９ｃ、および９ｄの実施の形態の差動ポンピング装置１３０の壁は、金属フリット、金属スポンジ、浸透性セラミック、および浸透性ポリマーの１つ以上を含む材料からできている。通路１４０は、材料中の細孔または間隙によって構成されていても良い。側壁の材料中の細孔または間隙は小さく、一般に、個別の開口部を持たない連続的な浸透性要素を形成している。あるいは、通路は、差動ポンピング装置１３０の側壁中に形成された個々の開口部または打ち抜き穴の形をとることができる。通路は、円形、直線形、細長い形、定形、および不定形の１つ以上の外形を持つ、貫通開口部で形成されていても良い。
【００７９】
更に詳細なものとして、図９ｃでは、決定的な入口領域におけるイオン流れを改良するための対策を示している。オリフィス３０内の膨張ゾーン９０は、ジェットセパレーションの簡単な形をしており、重い粒子を軸の比較的近くに優先的に送り、軽い粒子は周囲に拡散させて、その次の開口部に入らないようにしている。一方、加速プレートはイオンを集めるよう作用する。図９ｄは、ノズルプレート４８の方向が逆で、それ自体が膨張ゾーンを形成し、その後に非常に薄い入口プレートがある実施の形態を示している。十分に圧力が低下すると、重い（即ち、キャリアガスより重い）荷電粒子は、大量のキャリアビームと、ふるい分けられるべき軽い（溶媒）イオンと共に、導管領域に容易に入り込むと考えられる。
【００８０】
早期にガス負荷量が減少すると、次の段階でのポンピング必要量が少なくなるため、図９ａ、ｃ、およびｄに示されている（更に、図９ｂの実施の形態にも応用できる）多数のポンピング装置は、インターフェースのコストの削減に役立つ。特に、ごく初期の段階４５は、それが単なる送風機であっても、次の段階のガス負荷量を半分以下に減らすことができる。
【００８１】
ＳＩＭＩＯＮ（ＲＴＭ）ソフトウェアを用いてシミュレートしたイオン軌跡（ｒ，ｚ）を説明する。ＤＣ電極１２０によって構成されているチャネルの内径は０．７５ｍｍであり、長いＤＣ電極セグメント２１０は０．３６ｍｍであり、短い電極セグメント２０５は０．１２ｍｍであり、その間の間隙は０．０３ｍｍである。ガス流速は、２００ｍ／ｓであり、セグメントの組に印加する電圧は、＋／−１００Ｖである。イオンは左から右へ移動する。このシミュレーションは、ＤＣ電極によって構成されているチャネル直径の内側の３分の１にあるイオンは閉じ込められ、チャネルに沿って収束されることを示している。振動するイオンの最大動径座標は、開始時の０．１６ｍｍから、約２０ｍｍの長さを通って排出される際には０．０７ｍｍに減少する。チャネル半径の３分の１以内にないイオンは、チャネル壁付近の逆向きのＤＣ電界に打ち勝つほど早く移動しないため、失われることが認められる。このシミュレーションから、このイオンの閉じ込めが、導管６０内部の圧力とガス流速に応じて変わることが確認されている。この効果は、大気圧およびこの圧力に相当する速度（およそ６０ｍ／ｓ）では非常に弱い（０．１７４ｍｍから０．１２６ｍｍへ収束）。しかし、より低い圧力（大気圧の数分の一）と、約２００ｍ／ｓのガス流速で、前述のＤＣ電極装置１２０を用いると、イオン閉じ込めに大きな向上が見られる。これは、圧力が約１ｍｂａｒ（約１ｈＰａ）である、ＭＳ１  ８０への最大ガス流が制限されるためである。
【００８２】
このように、ＤＣ電極装置１２０のみを用いても領域２におけるイオンの閉じ込めには多少の向上が見られ、またこれとは別に、ＤＣ電極装置による半径方向の静電気的閉じ込めなしに、差動ポンピング装置１３０を使用しても向上が見られるが、望ましい実施の形態においては、静電気によってイオンを軸方向に閉じ込めつつ、最適圧力範囲（約３００〜６００ｍｂａｒ（約３００〜６００ｈＰａ）以下）を作り出すよう、二つを共に使用する。
【００８３】
先の導入部の討論から、イオン移送装置の様々な部分が、衝撃波が生じないよう、導管６０から排出される際のガス流速を超音速以下に保とうとするものであることが注目されるだろう。この成果の１つは、ＭＳ１  ８０への入口にスキマーが不要である、つまり、領域２からの出口開口部７０は、簡単な開口部であっても良いということである。出口開口部にスキマーがあると、イオン流が減少することがあるため、実際には亜音速のガスが導管６０から排出されると、より望ましい結果が得られることが認められている（スキマーは不要である）。
【００８４】
前述の実施の形態の殆どでは、望ましくは、円形の断面（即ち、管）のイオン移送導管を用いているが、本発明は管に限定されるものではない。別の断面、例えば、楕円形または長方形、あるいは平面形（即ち、非常にアスペクト比の高い長方形または楕円形）の方が望ましいこともあり、特に、イオン流が速い、または多数のノズル（ノズルアレイ）が用いられている場合に好ましい。同伴するガス流の著しい増大は、差動ポンピングの段階の数を増やすことで補償する。これは、例えば、既に使用しているこれらのポンプの中間段階を用いることで行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本出願に記載のイオン移送チャネルは、前述のようなポンピングの調節と共に、多重化してアレイとするのに適している。このような装置は、マルチキャピラリまたはマルチスプレイヤーイオン源にとって最適なものとなると考えられる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図９ｃ】
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【図９ｄ】
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