(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン移動度分光計において、
実質的に１ｍＢａｒ乃至１Ｂａｒのガス圧力のガスを充填されているイオン源と、
イオンゲートであって、
前方キャップ電極と、それに続く、
前方メッシュと、次に続く、
後方メッシュと、で形成されており、前記前方メッシュは、前記前方キャップ電極と前記後方メッシュの間にあり、前記前方メッシュと前記後方メッシュは、平行に配列され、メッシュセル寸法に匹敵乃至は大凡等しい相互間距離に離間されている、イオンゲートと、
前記前方メッシュへ接続されている無線周波数（ＲＦ）生成器と、
前記前方キャップ電極及び前記後方メッシュへ接続されている切り替えＤＣ信号と、
実質的に１ｍＢａｒ乃至３０ｍＢａｒの圧力のガスを充填されているイオンドリフト空間と、
イオン検出器と、を備えているイオン移動度分光計。
【請求項２】
イオンは、前記前方メッシュ及び前記後方メッシュに実質的に平行な方向に前記イオン源を出る、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記装置は、前記イオン源と前記イオンゲートの間に配列されている少なくとも１つのＲＦイオンガイドを更に備えており、前記ＲＦイオンガイドは、（ｉ）イオン漏斗、及び（ｉｉ）軸方向場を有する多重極イオンガイド、の群のうちの１つを備えている、請求項１及び２の何れか１項に記載の装置。
【請求項４】
前記装置は、前段のガスクロマトグラフを更に備えており、前記イオンゲート及び前記ドリフト空間の領域は機械式ポンプによってポンピングされている、請求項１から３の何れか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記装置は、前段の二段ガスクロマトグラフを更に備えており、前記イオンゲート及び前記ドリフト空間の領域は機械式ポンプによってポンピングされている、請求項１から３の何れか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記イオン源は、（ｉ）光イオン化イオン源、（ｉｉ）ドーパントを伴う光化学イオン化イオン源、（ｉｉｉ）陽子移動反応を伴う化学イオン化イオン源、（ｉｖ）電子付着イオン化を伴う化学イオン化イオン源、及び（ｖ）条件付きグロー放電生成物による検体イオン化を伴うグロー放電イオン源、から成る群から選択されている、請求項１から５の何れか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記イオン源は、イオン化モード間での切り替えのため又はイオン極性間での切り替えのための手段を有している、請求項１から６の何れか１項に記載の装置。
【請求項８】
前記イオン源は、断片化手段と、前記断片化をクロマトグラフィー分離の時間尺度で切り替えるための手段と、を有している、前記請求項１から７の何れか１項に記載の装置。
【請求項９】
イオン流れを収束させるためのテーパの付けられたＩＭＳ部分と、
１００ｋＨｚを超える中心周波数での高速符号化パルシングを用いる直交加速器と、
多重反射飛行時間型質量分析計と、
ＩＭＳ分離時間に匹敵するストリング持続時間を有する符号化開始信号を提供するとともに符号化パルス間隔を勘案したＩＭＳ−ＭＳスペクトル復号化を提供するデータシステムと、を更に備えている、請求項１から８の何れか１項に記載の装置。
【請求項１０】
前記テーパの付けられたＩＭＳ部分は、中央の拡張収縮部分を有するイオン漏斗か、又はＰＢＣ製の多重極セットであって、軸方向ＤＣ勾配が多重極部分で形成されていて当該多重極セットに沿って線形に変化するＤＣオフセットを有している多重極セット、のどちらかを備えている、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
イオン移動度分光分析の方法において、
実質的に１ｍＢａｒ乃至１Ｂａｒのガス圧力で作動するイオン源内でイオンを生成する段階と、
密な間隔に配置されている平行な第１メッシュと第２メッシュの間に局所的なＲＦ場を形成するとともに、その間、イオンをＤＣ場によって当該ＲＦ場領域に向けて引き寄せる段階であって、前記第１メッシュと前記第２メッシュは前記第１メッシュ及び第２メッシュのメッシュセル寸法に大凡等しい距離だけ離間されており、前記ＤＣ場は、前記ＲＦ場のバリアをイオンが貫通するのを実質的に防ぐのに十分に小さく、それにより、メッシュセルの周りの局所的ＲＦトラップでのイオン局所化を現出させる、段階と、
前記ＲＦ場の前記領域中のＤＣ場のパルス切り替えによってイオンを推進して当該ＲＦ場を通過させてゆき、それにより短いイオンパケットを形成する、イオンを推進する段階と、
実質的に１ｍＢａｒ乃至３０ｍＢａｒのガス圧力の静電場内でイオンをそれらの移動度によって分離する段階と、
時間依存信号を検出器上に検知する段階と、を備えている、イオン移動度分光分析の方法。
【請求項１２】
イオンは、前記第１メッシュ及び前記第２メッシュの平面に隣接していて且つ当該平面に実質的に平行である前記ＲＦ場領域の中へ導入される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記方法は、前記イオン化段階と前記イオンを推進する段階の間のイオン移送を行う段階を更に備えており、前記イオン移送は、無線周波数によってイオンを閉じ込め、それによりガス圧力間の差を現出させ、前記移動度分離段階内での顕著なガス運動を回避させることを含んでいる、請求項１１及び１２の何れか１項に記載の方法。
【請求項１４】
ガスクロマトグラフィー分離を使用して検体分離を遂行する段階を、更に備えている、請求項１１から１３の何れか１項に記載の方法。
【請求項１５】
二段ガスクロマトグラフィー分離を使用して検体分離を遂行する段階を、更に備えている、請求項１１から１３の何れか１項に記載の方法。
【請求項１６】
前記イオン化の段階は、（ｉ）光イオン化、（ｉｉ）ドーパントを伴う光化学イオン化、（ｉｉｉ）陽子移動反応を伴う化学イオン化、（ｉｖ）電子付着イオン化を伴う化学イオン化、及び（ｖ）条件付きグロー放電生成物による検体イオン化、から成る群から選択された段階を含んでいる、請求項１１から１５の何れか１項に記載の方法。
【請求項１７】
イオン化方法間で切り替える段階又はイオン極性間で切り替える段階を更に備えている、請求項１１から１６の何れか１項に記載の方法。
【請求項１８】
前記クロマトグラフィー分離の時間尺度でオンとオフを切り替えられるイオン断片化を遂行する段階を更に備えている、請求項１１から１７の何れか１項に記載の方法。
【請求項１９】
前記イオン移動度分離の段階を過ぎてイオン流れを空間的に集束させる段階と、
１００ｋＨｚを超える中心周波数での高速符号化パルスの反復可能なストリングを用いる直交イオン加速を遂行する段階と、
多重反射静電場内のイオンｍ／ｚの飛行時間型分析を行う段階と、
前記符号化パルス間隔を勘案してそれに基づいてイオン移動度時間、イオン質量、及びイオン強度に関する情報を復号する段階と、を更に備えている、請求項１１から１８の何れか１項に記載の方法。
【請求項２０】
イオン移動度分離の段階と飛行時間型分析の段階の間のイオン断片化を遂行する段階を更に備えている、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記イオンを推進する段階でのイオンを推進して前記ＲＦバリアを通過させてゆくＤＣ場の緩やかな傾斜化時のイオンシーケンス逆転を遂行する段階、を更に備えている、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本開示は、概括的には、イオン移動度分光分析の分野に、また多次元ガスクロマトグラフィー及び質量分析と結合するためのイオン移動度分光分析の改善に、関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]イオン移動度分光計（ＩＭＳ）は、イオン化化合物を、イオンの電荷と質量と形状の関数であるそれらの移動度によって分析するために広く使用されている。典型的なＩＭＳは、検体化合物のソフトイオン化のためのイオン源、短いイオンパケットを形成するイオンゲート（典型的には、チンダル（Ｔｙｎｄａｌ）ゲート）、静電場でのイオン分離のためのガス充填ドリフト管、及び時間依存性信号を測定する捕集器、を備えている。単独での分析技法としては、ＩＭＳは低い分解能（５０−１００）を有する。ＩＭＳは、元来、有毒揮発性化合物の、低い検出限界を有する低費用手持ち型検出器と考えられており、検出限界は特定のイオン分子のドーピング蒸気との反応によって増進させることもできる。より最近では、ＩＭＳは、ガスクロマトグラフィー（ＧＳ）、液体クロマトグラフィー（ＬＣ）、及び質量分析（ＭＳ）と結合されるようになってきており、そこではＩＭＳが分析分離の追加の次元をもたらす。しかしながら、ただ単純に結合したのでは、ＩＭＳでのチンダルイオンゲートの〜１％のデューティーサイクルに因る激しい信号損失及びＩＭＳとＭＳの間でのガス圧力とイオンクラウド寸法の不整合を引き起こさないとも限らない。四重極の様な走査型ＭＳを使用した場合、時間尺度の不整合が起こる。
【０００３】
[0003]ここに参考文献として援用する米国特許第５２００６１４号は、ゲートパルス間でイオンをトラップすることによるＩＭＳの感度改善を開示している。ここに参考文献として援用する米国特許第３９０２０６４号は、移動度測定をイオン質量測定によって厚遇することを目指した、ＩＭＳ分光計と下流の質量分析計との組合せを開示している。ここに参考文献として援用するヤングらの論文、Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．誌、第５３巻、第１１号、４２９５−４３０２頁（Young, et al, in paper J.Chem.Phys., v.53, No 11, pp. 4295-4302）は、質量測定のより高い速さとデューティーサイクルを目指した、ＩＭＳ分光計とパノラマ（全質量）スペクトルの高速記録が可能な下流の直交加速飛行時間検出器との組合せを開示している。ここに参考文献として援用する米国特許第５９０５２５８号は、双方の特徴の組合せ―ＩＭＳの手前のイオントラップとＩＭＳを過ぎての直交ＴＯＦ―を開示しており、而して双方の利点―ＩＭＳ及びＭＳのより高いデューティーサイクル―を十分に生かしている。
【０００４】
[0004]ここに参考文献として援用する米国特許第６１０７６２８号は、中間ガス圧力でイオン流れを収束させるためのイオン漏斗デバイスを開示している。ここに参考文献として援用する米国特許第６８１８８９０号は、ＩＭＳを過ぎてのイオン閉じ込めのためのイオン漏斗を開示している。ここに参考文献として援用する論文、Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．誌、２００８年、第８０巻、６１２−６２３頁（paper Anal. Chem., 2008, v.80, pp.612-623）は、イオン漏斗デバイスを両方―ＩＭＳに先立つイオントラップとＩＭＳを過ぎてのイオン閉じ込め―に利用することを記載している。所謂砂時計型イオン漏斗トラップに関する詳細事項も、Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．誌、２００７年、第７９巻、７８４５−７８５２頁（Anal. Chem., 2007, v.79, pp.7845-7852）に提示されている。記載されている方法は、極限まで感度を上げた先行技術ＩＭＳ−ＭＳを提示しているが、依然として幾つかの限界に苦しんでいる。トラップされるイオンの数は、イオントラップ並びにＩＭＳドリフト管の空間電荷容量により、パルス当たり１Ｅ＋７電荷に制限される。砂時計型ゲートと下流のイオン漏斗は共にイオンパケットを約２００−４００ｕｓまで広げ、するとＩＭＳの速さが遅くなり、２０−４０ｍｓ又は２０−４０ｍｓ前後の長いドリフト分離時間を生じさせる原因となり、長い（約１ｍ長）ＩＭＳドリフト管を構築することが必要になり、ＩＭＳの電荷スループットとダイナミックレンジが制限されることになる。
【０００５】
[0005]ここに参考文献として援用する国際特許ＷＯ２００８１１２３５１号は、ＩＭＳのダイナミックレンジと空間電荷容量を、ＩＭＳ分離当たり単回トラップ発射という従来の体制と比べるとはるかに高いネット周波数で作動するイオントラップの多重符号化によって改善する方法を開示している。とはいえ、当該手法は、イオンパケット同士の重なり合いを余儀なくし、データ解釈に混乱を引き起こす可能性が高い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５２００６１４号
【特許文献２】米国特許第３９０２０６４号
【特許文献３】米国特許第５９０５２５８号
【特許文献４】米国特許第６１０７６２８号
【特許文献５】米国特許第６８１８８９０号
【特許文献６】国際特許ＷＯ２００８１１２３５１号
【特許文献７】国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０４８３８７号
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Young, et al, J.Chem.Phys., v.53, No 11, pp. 4295-4302
【非特許文献２】Anal. Chem., 2008, v.80, pp.612-623
【非特許文献３】Anal. Chem., 2007, v.79, pp.7845-7852
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
[0006]以上を要約すると、先行技術のＩＭＳ及びＩＭＳ−ＴＯＦは、それらの電荷スループット、ダイナミックレンジ、及び速さが限られており、そのことがそれらを高速な分離方法と組み合わせることを制限している。従って、ＩＭＳ及びＩＭＳ−ＴＯＦのパラメータを改善する必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
[0007]ＩＭＳの電荷スループットと速さは、はるかに短く空間的に均一でより幅広のイオンパケットを形成することによって増加させることができる。二重メッシュを備えるゲートであって、メッシュ間にＲＦ信号を印加させ、而して、１ｍＢａｒから１００ｍＢａｒのガス圧力でのイオンのためのＲＦバリアを形成するようにしたゲートが開示されている。或る実施形では、イオンは、１０−２０ｕｓパケットを形成するようにパルス射出されるか又は質量依存様式で傾斜化されたＤＣ場によって放出されるかのどちらであってもよい。短いイオンパケットの形成は、潜在的に、ＩＭＳ分光計の寸法短縮化と、一桁進んだ速さ（１−２ｍｓサイクル）、より高いスループット、及びダイナミックレンジ―どれも急速表面分析及び／又は急速イオン源内反応追跡を目指した急速な前段の分離デバイス（例えば、二重ＧＣ分離）の実施にとって助けとなる―の獲得と、を可能にする。
【００１０】
[0008]或る実施形では、速さを支えるために、好適には、より短い（１０−２０ｃｍ）ＩＭＳドリフト管が、より高いガス圧力（１０−１００Ｔｏｒｒ）と組み合わせて使用されてもよい。小さいセル（０．１−１ｍｍ）の格子は、その様な高まった圧力でのＲＦバリアを提供するものと期待される。
【００１１】
[0009]或る実施形では、作動の速さを支えるために、イオン（ガスジェットへと噴流）がゲートの一方側から導入され、その結果、イオンはゲートの上方を通過してゆくことになる。当該配列は、射出サイクル間の一切の持越しを排除するものと期待され、電流の殆どを搬送しそうな軽イオンを除去することが可能になる。
【００１２】
[0010]実施形態の１つの群では、ＩＭＳは、二重ＧＣの様な高速分離クロマトグラフィーか、又は第２のより低速な分離ＩＭＳであって随意的には間に断片化セルを介在させた低速ＩＭＳか、又はイオン組成内に急速変化を発生させるイオン源であって急速表面走査のためのイオン源又は化学反応やイオン分子反応をミリ秒まで下げた時間尺度で発生させるイオン源の様なイオン源、のどれかに先行されている。
【００１３】
[0011]実施形態の別の群では、ＩＭＳの次に、飛行時間型質量分析計、好適には符号化高速パルシングを具備した多重パスＴＯＦ  ＭＳ、が続いている。その様な質量分析計は、５−１０ｕｓ時間尺度まで下げた変化を追跡する能力がある。ＩＭＳ分離の速さを支え、イオンパケット時間広がりを縮小するために、ＩＭＳ出口部分は、中央部分を有するイオン漏斗か又は印刷回路板の積重体として組み上げられた収束多重極であって好適には軸方向場勾配を有する導電性イオンガイドを従えた収束多重極のどちらかを具備している。実施形態の１つの群では、質量依存ゲート放出は、相関付けられたｍ／ｚと移動度を有するイオンのＭＲ−ＴＯＦ内への同時注入を可能にする。特定の実施形態の１つの群では、断片化セルが、ＩＭＳ分離されたイオンを断片化するのに使用されている。
【００１４】
[0012]或る実施形では、時間尺度（３０−５０ｍｓ）でのＧＣ×ＧＣの高い速さに整合する高速イオン移動度分光計（ＩＭＳ）が提供されている。前記高速ＩＭＳは、順を追って、イオン源であって１ｍＢａｒから１Ｂａｒのガス圧力のガスを充填されているイオン源と、前方のキャップ電極の後に前方メッシュ次いで後方メッシュを従えて形成されているイオンゲートであって、メッシュ同士は平行でメッシュセル寸法に匹敵する距離に離間されている、イオンゲートと、前記前方メッシュへ接続されている無線周波数（ＲＦ）生成器と、前記キャップ電極及び前記後方メッシュへ接続されている切り替えＤＣ信号と、１ｍＢａｒから３０ｍＢａｒの圧力のガスを充填されているイオンドリフト領域と、イオン検出器と、を備えている。
【００１５】
[0013]二重ＲＦメッシュゲートは、ＩＭＳデューティーサイクルを温存し、短い（〜１０ｕｓ）イオンパケットを生成し、この様にしてＩＭＳの速さ、電荷スループット、及びダイナミックレンジを改善するものと期待される。好適には、前記イオン源は、前記メッシュに実質的に平行に向き付けられていてもよい。好適には、装置は、更に、前記イオン源と前記イオンゲートの間に少なくとも１つのＲＦイオンガイドを備えていてもよく、当該ＲＦイオンガイドは、（ｉ）イオン漏斗、及び（ｉｉ）軸方向場を有する多重極イオンガイド、の群のうちの１つを備えている。好適には、装置は、更に、前段のガスクロマトグラフか又は前段の二段ガスクロマトグラフの何れかを備えていてもよく、前記イオンゲート及び前記ドリフト空間の領域は機械式ポンプによってポンピングされている。好適には、前記イオン源は、（ｉ）光イオン化源、（ｉｉ）ドーパントを伴う光化学イオン化源、（ｉｉｉ）陽子移動反応を伴う化学イオン化イオン源、（ｉｖ）電子付着イオン化を伴う化学イオン化イオン源、及び（ｖ）条件付けられたグロー放電生成物による検体イオン化を伴うグロー放電イオン源、の群のうちの１つを備えていてもよい。好適には、前記イオン源は、イオン化モード間の切り替え又はイオン極性間の切り替えのための手段を有していてもよい。好適には、前記イオン源は、断片化手段と、当該断片化をクロマトグラフィー分離の時間尺度で切り替えるための手段と、を有していてもよい。
【００１６】
[0014]別の実施形では、ＧＣ×ＧＣ分析の時間尺度と整合させるために高速ＩＭＳ及びＭＲ−ＴＯＦのタンデム型が提供されている。その様な装置は、上述の高速二重メッシュゲートを有するＩＭＳと、イオン移動度ドリフト分光計と、イオン流れを収束させるためのテーパの付けられたＩＭＳ部分と、１００ｋＨｚを超える中心周波数での高速符号化パルシングを用いる直交加速器と、多重反射飛行時間型質量分析計と、ＩＭＳ分離時間に匹敵するストリング持続時間を有する符号化開始信号を提供するとともに符号化パルス間隔を勘案したＩＭＳ−ＭＳスペクトル復号化を提供するデータシステムと、を備えている。
【００１７】
[0015]パルス符号化ＴＯＦは、イオン損失無しに高速ＩＭＳの速さに整合するものと期待される。好適には、前記テーパの付けられたＩＭＳ部分は、中央の拡張収縮部分を有するイオン漏斗か、又はＰＢＣ製の多重極セットであって、軸方向ＤＣ勾配が多重極部分で形成されていて多重極セットに沿って線形に変化するＤＣオフセットを有している多重極セット、のどちらかを備えていてもよい。
【００１８】
[0016]或る実施形では、急速イオン移動度分光分析の方法において、順を追って、次の段階、即ち、１ｍＢａｒから１Ｂａｒのガス圧力で作動するイオン源内でイオンを生成する段階と、密な間隔に配置されている平行なメッシュ間に局所的なＲＦ場を形成するとともに、その間、当該ＲＦ場のバリアをイオンが貫通するのを防ぐのに十分に小さいＤＣ場によってイオンをＲＦ場領域に向けて引き寄せ、この様にして、メッシュセルの周りの局所的ＲＦトラップでのイオン局所化を引き起こす段階と、前記ＲＦ場の領域中のＤＣ場のパルス切り替えによってイオンを推進して当該ＲＦ場を通過させてゆき、而して、短いイオンパケットを形成する段階と、１ｍＢａｒから３０ｍＢａｒのガス圧力の静電場内でイオンをそれらの移動度によって分離する段階と、時間依存信号を検出器上に検知する段階と、を備えている、急速イオン移動度分光分析の方法が提供されている。
【００１９】
[0017]好適には、イオンは、前記メッシュ平面に実質的に平行なＲＦ場領域の中へ導入されてもよい。好適には、方法は、更に、前記イオン化段階と前記通門段階の間にイオン移送の段階を備えていてもよく、当該移送の段階は、ガス圧力間の差に適応し且つ移動度分離段階内での顕著なガス運動を回避するために、イオンの無線周波数閉じ込めによって支援される。好適には、当該方法は、更に、ガスクロマトグラフィー分離の方法か又は二段ガスクロマトグラフィー分離の方法のどちらかによる検体分離の段階を備えていてもよい。好適には、前記イオン化段階は、（ｉ）光イオン化、（ｉｉ）ドーパントを伴う光化学イオン化、（ｉｉｉ）陽子移動反応を伴う化学イオン化、（ｉｖ）電子付着イオン化を伴う化学イオン化、及び（ｖ）条件付きグロー放電生成物による検体イオン化、の群のうちの１つの段階を備えていてもよい。好適には、方法は、更に、イオン化方法間で切り替える段階又はイオン極性間で切り替える段階を備えていてもよい。好適には、方法は、更に、前記クロマトグラフィー分離の時間尺度でオンとオフを切り替えられるイオン断片化の段階を備えていてもよい。
【００２０】
[0018]或る実施形では、ＧＣ×ＧＣ時間尺度でのＩＭＳ−ＭＲ−ＴＯＦ分析の方法が提供されている。前記方法は、以上に高速ＩＭＳ方法に関連付けて説明されている段階を備えており、更に、前記のイオン移動度分離の段階を過ぎてイオン流れを空間的に集束させる段階と、１００ｋＨｚを超える中心周波数での高速符号化パルスの反復可能なストリングを用いる直交イオン加速の段階と、多重反射静電場内のイオンｍ／ｚの飛行時間型分析の段階と、符号化パルス間隔を勘案してそれに基づいてイオン移動度時間、イオン質量、及びイオン強度に関する情報を復号する段階と、を備えている。
【００２１】
[0019]好適には、方法は、更に、イオン移動度分離の段階と飛行時間型分析の段階の間にイオン断片化の段階を備えていてもよい。好適には、方法は、更に、前記通門段階でのイオンを推進して前記ＲＦバリアを通過させてゆくＤＣ場の緩やかな傾斜化時のイオンシーケンス逆転の段階を備えていてもよい。
【００２２】
[0020]これより、本発明の様々な実施形態を、例示のみを目的に与えられている配列と併せて、単に一例として、添付図面を参照しながら説明してゆく。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】[0021]砂時計型イオントラップ及びＩＭＳ出口のイオン漏斗を有するＩＭＳを描いている。
【図２】[0022]ＲＦ場を間に介在させた二重メッシュゲートの実施形態を描いている。
【図３】[0023]イオントラッピングゲート内の等しい場強度の線を描いている。
【図４Ａ】[0024]イオントラッピングゲートの有効ＲＦ電位についての例示としてのプロフィールを描いている。
【図４Ｂ】[0025]イオンのゲート通過段階時のＤＣ電位プロフィールを描いている。
【図５】[0026]二重モードイオン源及び二重ドリフトセルを有するＩＭＳの実施形態を描いている。
【図６】[0027]高速パルス符号化直交加速器を有するＧＣ×ＧＣ−ＩＭＳ−ＭＲＴＯＦの実施形態を描いている。
【図７】[0028]図６の装置についてのブロック図及び時間線図を描いている。
【図８】[0029]相関付けられた移動度及びｍ／ｚイオン選別のためのＭＲＴＯＦの時限選別を有するＩＭＳ−ＭＲＴＯＦ装置についてのブロック図及び時間線図を描いている。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
[0030]図１を参照すると、先行技術（ここに参考文献として援用されているAnal. Chem., 2008, v.80, pp.612-623）によるタンデム型１１イオン移動度分光計（ＩＭＳ）−飛行時間型質量分析計（ＴＯＦ  ＭＳ）において、イオン源１２と、重合軸方向ＤＣ勾配を有するＲＦ信号へ接続されている砂時計形状のイオン漏斗１３であって、漏斗板の間に、イオン通門のための切り替えＤＣ信号へ接続されている３つのメッシュ１４、１５、及び１６を組み入れたイオン漏斗１３と、１ｍＢａｒから１０ｍＢａｒの圧力のガスを充填されているイオンドリフト管１７と、イオン流れを収束させるための第２のイオン漏斗１８と、１０−１００ｍＴｏｒｒのガス圧力の差動ポンプ型四重極イオンガイド１９と、直交加速を有する差動ポンプ型飛行時間型質量分析計２０と、を備えている、タンデム型１１が示されている。ポンピングは、白矢印によって示されている。ＲＦ供給及びＤＣ供給の幾つかが箱によって示されている。電気スプレイ（ＥＳＩ）イオン源はＥＳＩ液滴プルームの模式図によって示され、またイオン源を過ぎたガスジェットは淡色円錐によって示されている。
【００２５】
[0031]作動時、液体クロマトグラフ（ＬＣ）は検体分子を約１ｈｒの時間で分離するが、ＬＣピークの典型幅は、５ｓｅｃから２０ｓｅｃの幅となろう。ＥＳＩイオン源１２は、検体分子をイオン化し、一方でＭ＋イオンか又はＭＨ＋イオンのどちらかを生成する。イオンは、ガスジェットによって、ノズルを介して第１イオン漏斗１３領域の中へ送られ、イオン漏斗１３によって閉じ込められる。ゲートは、イオンを、メッシュ１５の手前に、メッシュ１５とメッシュ１６の間の弱い（数ボルトの）ＤＣバイアスに因って蓄積させる。抽出パルスが周期的にメッシュ１４及びメッシュ１６に印加され、イオンを追い立ててメッシュゲートを通過させる。イオンは、次に、ドリフト管１７中に移動度により分離され、第２のイオン漏斗１７によって空間的に閉じ込められ、ガイド１９を介して移送され、次いでＴＯＦ２０によって分析される。
【００２６】
[0032]イオンパケットの典型幅は２００−４００ｕｓであるので、３０から５０の分解能に到達するには典型式に１ｍのドリフト管長さ及び典型的に２０ｍｓのＩＭＳドリフト時間が必要になる。イオンパケット幅は、幾つかの要因、即ち、（ａ）ＩＭＳドリフト管中で空間電荷に因りイオンパケットが広がってゆくこと、（ｂ）第２イオン漏斗１８内及び四重極イオンガイド１９内でイオンパケットが広がってゆくこと、及び（ｃ）ＴＯＦの低速（１００ｕｓ）パルシング期間による、を含む要因によって制限される。その様な分離の速さは、前段に液体クロマトグラフィー（ＬＣ）を使用しているなら適切であろうが、ＧＣ×ＧＣの様なより高速な分離方法との使用には十分ではない。ＩＭＳ１１のＤＣゲートは、パルス当たり１Ｅ＋７イオンまでなら、貯蔵し、射出させる能力がある。しかしながら、イオンクラウドのリング形状が理由で、その様なイオン装入は、ドリフト管の空間電荷効果のせいで、ＩＭＳ分離の分解能に影響を及ぼすものと予想される。
【００２７】
[0033]高速ゲート及び高速ＩＭＳ
[0034]図２を参照すると、ＩＭＳの実施形態２１において、イオン源２２と、前方ＤＣキャップ２４電極、ＲＦ電位を有する前方メッシュ２５、及びＤＣバイアスを有する後方メッシュ２６、で形成されているイオンゲート２３と、略均一な静電場（実質的に１０Ｖ／ｃｍ乃至１００Ｖ／ｃｍ）を生成するようにＤＣバイアスの掛けられた防護リングで形成されていて実質的に１ｍＢａｒ乃至１００ｍＢａｒの圧力のガスを充填されているドリフト管２７と、イオン検出器２８―増幅器及び信号記録計へ接続されている捕集器電極と、を備えているＩＭＳの実施形態２１が示されている。或る実施形では、捕集器の時定数ＲＣ及び容量Ｃを小さくするために、電極は細メッシュで形成されている。或る実施形では、メッシュは減速ＤＣ電位を有する電子によって後押しされていてもよく、そうすると実質的な全イオン捕集が容易になる。或る実施形では、捕集器メッシュは、ドリフト領域２７に沿った略均一向流ガス流れ２７Ｆ（〜１ｍ／ｓ）の形成を容易にする。描かれている様に、パワー供給は模式的な箱として示されている。
【００２８】
[0035]或る実施形では、ＩＭＳは、検体混合物の急速分離のための二段ガスクロマトグラフ（ＧＣ×ＧＣ）に先行されている。或る実施形では、クロマトグラフィーピークの典型幅は、実質的に３０ｍｓ乃至５０ｍｓである。ＧＣ×ＧＣでの分離後に、イオン源２２は、半揮発性検体分子を実質的に１００ｍＢａｒ乃至１０００ｍＢａｒのガス圧力でイオン化する。ガス流れ２２Ｆは、イオンを、実質的に１０ｍＢａｒ乃至１００ｍＢａｒの領域で作動するゲート２３領域の中へ送り込む。好適には、イオンは、イオン漏斗３０によって集束される。ガス流れ２２Ｆは、平行にメッシュ２５上方に向き付けられるのが好ましく、そうすれば、メッシュを流れ良好帯域（flow-quite zone）に保てる。図示されている実施形態では、キャップ電極２４に印加されるＤＣバイアスは、ガスジェット２２Ｆからのイオンを、矢印によって示されている様にメッシュに向けて押す。ジェット２２Ｆによるガス操舵を回避するのにＤＣキャップ２４とメッシュ２５の間にＲＦチャネル３０（入口ＤＣメッシュを有する）が挿入されるのが好ましい。
【００２９】
[0036]或る実施形では、メッシュ２６は、ドリフト管２７の強（１０−１００Ｖ／ｃｍ）静電場からメッシュ２５を遮蔽する。メッシュ２５へ印加されたＲＦ信号は、密な間隔に配置されているメッシュ２５とメッシュ２６に間に強いＲＦ場を形成し、而して、メッシュの間近のイオンを減速させる。長時間作用引き寄せＤＣ場と短時間作用はね返しＲＦバリアとの釣り合いが、前方メッシュ２５の間近にイオントラッピング領域を形成する。パルス状イオン射出では、パルス状ＤＣバイアスがキャップ２４（又はＲＦチャネルの前方メッシュ２５）及び／又はメッシュ２６に印加される。質量依存性放出では、ＤＣバイアスは滑らかに傾斜化される。
【００３０】
[0037]次に図３を参照して、イオントラッピングゲート２３内の等しい場強度の線は、１ｍｍのメッシュ間距離、０．１ｍｍのワイヤ厚さ、０．５ｍｍの各メッシュのワイヤ間距離、及び１００ＶのＲＦ信号振幅、を有する１つの選定された例示としてのゲートについて示されている。等場強度線Ｅは数字によって表記されている。ＲＦ場の有効電位は、Ｅ２ｑ／ｍω２に比例することが知られており、ここに、ｑ及びｍ―イオン電荷及びイオン質量、ω―ＲＦ周波数である。而して、より高い場強度はより高い電位に対応し、イオンはより高い場強度の領域から減速させられる。更に、ＲＦ電位は質量依存であることに留意されたし。描かれている様に、ワイヤの周囲に減速ＲＦ壁３２が形成されており、更にワイヤ間の中心には十分に小さいＤＣ場でイオンがＲＦバリアを貫通するのを防ぐ鞍状バリア３３が形成されている。更に、ＲＦトラッピング領域３４も形成されており、そこではＲＦ信号は排除され（ＲＦ場の四重極起点）、キャップ２４のＤＣ場と後方メッシュ２６のＤＣ場が釣り合わされる。グラフはワイヤ中心からの様々なＸ距離で縦軸にＥ２（Ｙ）プロフィールを示している。上述のトラッピングゲートの領域３２−３４は、グラフ上に指し示されている。
【００３１】
[0038]図４Ａは、ドリフト管２７のガス圧力１０ｍＢａｒ、ＤＣ場１００Ｖ／ｃｍで、メッシュ２６への５０Ｖパルス印加による段階的射出でのゲートを過ぎたイオン電流についての時間プロフィールを示している。イオンパケットは、１０ｕｓほどに短くすることができ、それは、射出段階に先立つトラッピング領域３４でのイオンの厳密な局所化によって説明がつく。図４Ｂは、メッシュ２６のＤＣ電位を０．２Ｖ／ｕｓで変動させながら傾斜化させたＤＣ射出での、（Ｍ／ｚ）∧２／３に比例する断面を有する様々なｍ／ｚイオンの時間プロフィールを示している。ＲＦバリアの有効電位は質量依存であるので、小ｍ／ｚイオンが最初に通過することになり、質量逆転が発生する。１つの特定の方法では、逆転は質量と移動度の特定比を有するイオンが同時に検出器に到着するように案配されている。その様な方法は、以下に説明されているＩＭＳ−ＭＳ組合せに特に適している。
【００３２】
[0039]多数の他のメッシュ配列が考えられる。或る実施形では、ワイヤセットは、整列されているか又は横断方向に半段ずらされているかのどちらかであってもよい。２つのワイヤセットの平行整列を回避するため、第２のメッシュは、はるかに細かいセルを有する方形セルメッシュであってもよい。第１のメッシュは、方形、矩形、又は六角形の形状を有する粗セルを有するメッシュであってもよい。第２のメッシュにも同様にＲＦ信号が印加されてもよいが、ドリフト領域のイオン運動には微々たる効果しかないであろう。イオントラッピング段階は、メッシュ間の小さい減速ＤＣバイアスによって支援することができる。射出ＤＣ場は、キャップに印加されるか又はメッシュのどれかに印加されるか、どちらでもよい。
【００３３】
[0040]数値例とＩＭＳパラメータ
[0041]引き続き図２を参照して、１つの数値例では、メッシュ２５とメッシュ２６の間の距離は０．５ｍｍであり、メッシュ２５は１ｍｍに離間された平行な５０ｕｍワイヤによって形成されている。ゲートの開口面積は直径５０ｍｍである。メッシュ２５のＲＦ信号は８ＭＨｚの周波数と１００Ｖの振幅を有している。キャップ２３はメッシュ２５から１０ｍの距離にあり、２−１０Ｖの電位を有している。ドリフト領域の場強度は、Ｌ＝２０ｃｍのドリフト長さで１００Ｖ／ｃｍであり、ドリフトに亘って２ｋＶである。約１０ｍＢａｒのガス圧力がドリフト領域とゲート領域の両領域中に機械式ポンプによって維持されており、ここに、２０ｃｍに亘って２０００Ｖでは電気的破壊が引き起こされるとは予想されない。その様なガス圧力で、相対的に小さいイオン（検体はＧＣで分離されている）の平均イオン移動度は、１００ｃｍ２／Ｖ＊ｓ範囲にある。平均イオンドリフト速度は、１００ｍ／ｓであり、即ち熱気体速度を目立って下回っている。平均ドリフト時間は２ｍｓである。検出器は、（ＩＭＳ出口の静電場を増加させることによるイオン集束を想定して）１ＭＯｈｍのインピーダンスを有する電位計へ接続されている３０−５０ｍｍのディスクである。期待検出器容量は１０ｐＦであり、電位計の時定数は１０ｕｓである。
【００３４】
[0042]その様なＩＭＳが５０から１００の目標分解能Ｒ＝Ｔ／ｄＴを現出させることができるかを推定するために、これより見積を提供してゆく。第１に、初期パケット幅ｄＴ０＜１０ｕｓは、ＲをＴ＝２ｍｓで２００までに制限しない。第２に、アインシュタインの方程式により、拡散限界Ｒ＜ｓｑｒｔ（Ｕ／ｋＴ）は、Ｕ＝２ｋＶでＲ〜２５０を許容する。同じ分解能限界をイオンパケット空間電荷によって維持するためには、空間電荷場は、１Ｖ／ｃｍ未満、即ち（前端と後端の両方の拡張を勘案して）外部の場より少なくとも２００倍小さくなくてはならない。その様な場は、４Ｅ＋５電荷／ｃｍ２の最大電荷密度で到達され、全体として５ｃｍの寸法のパケットは、個々の移動度のイオンパケット当たり１Ｅ＋７電荷に制限される。これは、１−２ｍｓ期間での１ｎＡの電流スループットに相当し、光化学イオン化、コロナ、及びグロー放電のイオン源の様な、ソフトイオン化のイオン源の大多数で生成されるイオン電流に整合する。但し、副次的に生成される軽いイオンを追加の質量フィルタによって除去するのが好ましい。その様なフィルタは、ＩＭＳゲートの上流に置かれている同じ二重ＲＦメッシュと共に配列されていてもよい。減速されたイオンは、イオン源からやって来るガスジェットによって吹き飛ばされよう。同じフィルタを採用して、注入される電流の量を、ＤＣ及びＲＦ場をガス流れと釣り合わせることによるか又は１０−１００ｋＨｚのレートでのパルス状イオン入射によるかのどちらかによって制御するようにしてもよい。
【００３５】
[0043]ＩＭＳのダイナミックレンジは、上限は最大信号によって限定され（成分当たりパルス当たり１Ｅ＋７イオンの空間電荷限界によって定義される）、下限は検出器増幅器ノイズによって限定されている。増幅器のジョンソンノイズは１００ｋＨｚ帯域幅で約３０ｕＶである（ＩＭＳピーク幅に整合しゲートのＲＦ信号をフィルタ除去する）。１０ｕｓ時間で１Ｅ＋７電荷（１．６ｐＣ）の最大信号は、１ＭＯｈｍインピーダンスでの１．６ｕＡ電流及び１．６Ｖ信号に相当する。而して、１回のＩＭＳ発射当たりのダイナミックレンジは、検出閾値としてＳ／Ｎ＝３を仮定すれば、大凡１０，０００に制限される。
【００３６】
[0044]以上の見積によれば、ＩＭＳ２１は、１−２ｍｓ期間で作動し、ＧＣ×ＧＣ−ＩＭＳ実験では十分な時間分解能を提供するものと期待され、ＧＣ×ＧＣ２９を過ぎてのピーク幅は３０ｍｓから５０ｍｓの範囲にあるものと期待される。
【００３７】
[0045]図５を参照すると、ＧＣ又はＧＣ×ＧＣ分離器５２と、多重イオン化モード及びイオン化極性切り替えと組み合わされたイオン源５３と、を備えているイオン移動度分光計の実施形態５１が示されている。描かれている様に、その様な切り替えは、ＩＭＳの走査と走査の間に行われるのが好ましい。或る実施形では、イオン源５３は、実質的に１００ｍＢａｒ乃至１Ｂａｒのガス圧力で作動している。現開示を考察した後に評価されるであろうが、イオン化は、キャリアガス供給５８を採用して、試料及びドーパントの蒸気送達を支援し、またイオン化領域の圧力を調節することになりそうである。好適には、イオン源５３の次にイオン漏斗インターフェース５４が続き、機械式ポンプ５５によって約１０ｍＢａｒのガス圧力までポンピングされる。或る実施形では、ＩＭＳ機器は、更に、イオンゲートの両側で作動する２つのドリフトセル５６と５７を備えており、それぞれのドリフトセルは、好適には単一の捕捉システム５８（少なくとも１６ビットの縦分解能を有する０．５−１ＭＨｚのＡＤＣ）へ接続されている各自の捕集器５６Ｃ及び５７Ｃを有している。
【００３８】
[0046]ＧＣは、クリーンガスを採用し、低揮発性検体を送達するので、ＧＣ×ＧＣ−ＩＭＳの機械的な設計の幾つかの考慮事項が本明細書によって考えられている。例えば、或る実施形では、イオン源及びＩＭＳ構成要素は、好適には、デバイスの壁上への検体分子の吸着回避を容易にする実質的に２５０Ｃ乃至３００Ｃにまで加熱される。加えて、或る実施形では、ＩＭＳは、煙霧を予防するためにクリーンな材料（例えば、非孔質金属、セラミックス、及びガラス）を採用している。例えば、一部のより低温の領域では、絶縁用にベスペル（Ｖｅｓｐｅｌ）及びカプトン（Ｋａｐｔｏｎ）及びシール用に黒鉛を使用してもよい。或る実施形では、一体に使用される真空シールは、ガス放出性材料を回避するのに助けとなる金属対金属型式（例えば、コンフラット（Ｃｏｎｆｌａｔ）及びスウェージロック（Ｓｗａｇｅｌｏｃｋ）である。或る実施形では、ドリフトセルは、酸化スズの様な高インピーダンス材料で内部を被覆されたセラミック管であってもよい。代わりに、金属パテ（例えば、リング）電極のセットが、セラミック玉によって分離され、金属ロッドによってクランプされていてもよい。好適には、電極ウインドウは、ゲート開口部の寸法を少なくとも板１枚分の厚さだけ超過しているのがよい。１つの数値例では、ゲート開口部は、２５ｍｍの直径を有しており、４つのドリフト電極は７５ｍｍウインドウを有するリングであり、ドリフト領域は長さ１００ｍｍである。一連の抵抗器が真空領域の外部に置かれているのが好ましい。好適には、イオン源領域は大地電位に近い電位にあり、一方、ドリフト管の後部は浮動しており、捕集器信号はコンデンサを介して入って来る。好適には、ドリフトセルは、（ａ）イオン源領域のガス流れによるガス操舵を防ぐうえでの助けとして、及び（ｂ）ドリフト領域へのイオン源煙霧流入を防ぐためにドリフトセル内に低速（１ｍ／ｓ）層流を提供するように、遮壁に囲まれている。捕集器のピエゾ効果を回避するのに、或る実施形態では、機械式ポンプは、（例えばベローによって）振動脱結されており、オイル煙霧を回避するようにオイルフィルタによってそこから実質的に絶縁されている。経済的理由から、ＧＣ×ＧＣ用のＩＭＳ検出器のベンチトップパッケージ化が可能になるように小寸法の機械式ポンプが使用されてもよい。
【００３９】
[0047]ＧＣ×ＧＣ−ＩＭＳのための多重モードイオン源
[0048]再び図５を参照して、イオン源５３は、（ｉ）光イオン化（ＰＩ）イオン源、（ｉｉ）ドーパント蒸気を伴う光化学（ＰＣＩ）イオン化イオン源５３ＰＩ、（ｉｉｉ）陽子移動反応を伴う化学イオン化（ＣＩ）イオン源、（ｉｖ）電子付着イオン化を伴う負化学イオン化（ＮＣＩ）イオン源、及び（ｖ）条件付きグロー放電生成物による検体イオン化を伴うグロー放電（ＧＤ）イオン源５３ＧＤ、から成る群のうちの１つであってもよい。或る実施形では、化学イオン化（ＣＩ）は、コロナ放電又は数ｕＡ（抵抗器により制限される）のグロー放電を誘導することによって提供される。アンモニア、アセトン、又はアミノベンゼンの様なドーパントは、準分子ＭＨ＋イオンを生成するものであり、陽子移動反応によって検体分子をイオン化する。ＮＣＩイオン源では、Ｍ‐Ｈ−イオン又はＭ−イオンが負コロナバイアスで形成されることになる。或る実施形では、光化学イオン化（ＰＩ）５３ＰＩは、キセノン又はアルゴンＵＶランプを用いたベンゼン又はＣＨｎＣｌ４‐ｎの一次イオン化によって賄われている。検体蒸気は、その場合、電荷移動（電子トンネル）反応でイオン化され、一次的に分子Ｍ＋イオンを形成する。ここに参考文献として援用する国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０４８３８７号に記載されている様に、グロー放電（ＧＤ）イオン源５３ＧＤでは、グロー放電生成物は、電子及びイオンの殆どを送達管の壁までドリフトさせるように条件付けられており、その間、約２０ｅＶ励起を有する寿命の長い準安定ヘリウム原子は、別の「反応器」体積中に検体蒸気をイオン化し、而して分子Ｍ＋イオンを適量の断片と共に形成する。それらの断片イオンの組成は、電子衝撃によって形成されるものに似ている（即ち、ＮＩＳＴ確認のために使用することができよう）が、ＧＤイオン化はよりソフトである。ＣＩの様なイオン源は、イオン化コロナ放電の復帰電位によってイオン化極性を切り替えられる。ＰＣＩ及びＧＤの様なイオン源は、両方の極性のイオンの同時生成が可能であり、共通の反応器室５３Ｒを介して１つのイオン源内に組み合わされていてもよい。イオン化モードは、ガス流れ（白矢印で図示）を調整することによって、又はグロー放電を切り替えるか又はＵＶランプをオンにしたりオフにしたりすることによって、切り替えることができる。ＣＩ、ＮＣＩ、ＰＩ、及びＧＤのイオン源の説明されている特性に基づき、急速切り替え多重イオン化モードを有するＧＣ×ＧＣ−ＩＭＳ５１は、（ｉ）イオン移動度と大まかに相関付けられている検体質量の特徴付け、（ｉｉ）イオン化電位、陽子又は電子親和力、及び極性群の存在、といった様な情報を搬送する、イオン化の追加的選別性、及び（ｉｉｉ）広範囲な検体クラスをイオン化する能力、の様な幾つかの重要な分析上の特性を提供するものと期待される。その様な能力は、追加の分析次元と考えることができよう。
【００４０】
[0049]ＧＣ×ＧＣ−ＩＭＳ機器は、複雑な混合物を特徴付けるように、また超痕跡を検出するために、提供されている。ＧＣ×ＧＣは、化合物をクラスによって分離することが知られている。ディーゼル油又は原油の様な幾つかの試料では、多数の異性体が保持時間ＲＴ１及びＲＴ２の二次元（２Ｄ）空間に特徴的なパターンを形成する。多くの場合、ハロゲン化有毒化合物の様な目標化合物は２Ｄ空間中にマトリクス化合物の大多数から分離される。瞬間ＩＭＳスペクトルは、従来の直接ＩＭＳ分析に比べると、複雑さがはるかに小さくなるものと予想される。次いで、分子イオンの移動度に関する情報が取得される。イオン移動度は、３ＤのＧＣ×ＧＣ−ＩＭＳ分析の第３の分析次元となるものと期待される。
【００４１】
[0050]高速ＭＲＴＯＦを有する高速ＩＭＳ
[0051]或る実施形態では、速さの増進されたＩＭＳが、頻回符号化パルス注入で作動している高分解能飛行時間型機器へ結合されており、こうしてＩＭＳ分離の高い速さを支えている。
【００４２】
[0052]図６を参照して、ＩＭＳ−ＴＯＦ６１は、次の、順次的に組み合わされている構成要素、即ち、上述の多重モードイオン源６２（５３）と、上述のイオンゲート６３（２３）と、１ｍＢａｒから１００ｍＢａｒの圧力のガスを充填されているイオンドリフト管６４と、イオン流れを収束するためのテーパの付けられたＩＭＳ部分６５と、差動ポンプ式イオンガイド６６と、１００ｋＨｚを超える中心周波数での高速符号化パルシングを用いる直交加速器６７と、多重反射飛行時間型質量分析器６８と、ＩＭＳ分離時間に匹敵するストリング持続時間を有する符号化開始信号を提供するとともに符号化パルス間隔を勘案したＩＭＳ−ＭＳスペクトル復号化を提供するデータシステム６９と、を備えている。急速イオン移行のために、前記テーパの付けられたＩＭＳ部分６５は、中央拡張収縮部分を有するイオン漏斗６５Ｔ、又は多重極セット６５Ｍであって軸方向のＤＣ勾配が多重極部分で形成されていて多重極セットに沿って線形に変化するＤＣオフセットを有する望ましくはＰＣＢ積重体で作られている多重極セット６５Ｍ、を備えていてもよい。好適には、イオンガイド６６は、軸方向ＤＣ勾配を有する多重極として作られ、ＰＢＣ積重体６６Ｍで作られている。好適には、ＩＭＳ−ＴＯＦ６１は、ＧＣ又はＧＣ×ＧＣ７０に先行されている。ＭＲ−ＴＯＦは円筒状分析器であるのが好ましい。
【００４３】
[0053]或る実施形態では、ＧＣ×ＧＣ７０は、検体分子を分離し、それらを順繰りに溶出しており、ＧＣ２ピーク持続時間は約３０−５０ｍｓである。イオン源６２（例えば、ＣＩ、ＰＩ、又はソフトＧＣ）は、分子をイオン化し、一次的にＭ＋又はＭＨ＋イオンを形成する。或る実施形では、イオン源６２は実質的に１００ｍＢａｒ乃至１０００ｍＢａｒのガス圧力で作動し、ＩＭＳは実質的に１０ｍＢａｒ乃至１００ｍＢａｒで作動する。或る実施形では、差動ポンピングは機械式ポンプによって提供されていて、機械式ポンプは煙霧フィルタを装備しそれにより段と段の間にガス流れが形成されるようにしていてもよい。好適には、ガスジェットは、ガス操舵を回避するため、平行に且つゲートからオフセットして向き付けられている。或る配列では、キャップ２３のＤＣバイアスは、イオンをメッシュ２４及びメッシュ２４とメッシュ２５の間のＲＦ信号に向けて追い立て、両メッシュ間近のイオンを減速させる。よって、イオンは、メッシュ２４手前の局所トラップ内に貯まってゆく。周期的に、ＤＣパルスがキャップ２３か後方メッシュ２５のどちらかへ印加されて、短い（約１０ｕｓ）イオンパケットが抽出される。イオンパケットは、ドリフト領域６４中に移動度により分離され、テーパの付けられた部分６５で収束し、（軸方向場によって追い立てられながら）イオンガイド６６を急速に通過し、パルス抽出領域６７の中へ移送され、質量分離のために円筒状多重反射ＴＯＦ６８の中へとパルス加速されてゆく。分析器は、平面状ＭＲ−ＴＯＦに比べ、実質的に２％乃至３％のデューティーサイクル及び実質的に２ｋＨｚの作動速さの改善を図るものと期待される。
【００４４】
[0054]高い分解能及びサブｐｐｍまで下げた質量精度を有するＭＲ−ＴＯＦを採用し、なお且つ符号化高速パルシングによってデューティーサイクルを温存しているので、図６の分析方法は、概して何らの付加的なイオン損失も分析速さの損失も持ち込むこと無く追加の分析次元を提供する。サブｐｐｍの質量精度は、整数質量に対比して精密な質量欠損（ｄＭ）を精度よく確定することを可能にし、ひいては限定された質量（典型的には５００未満）及び限定された構成元素選択肢（例えばＣ、Ｏ、Ｈ、Ｎ、Ｓ、及びハロゲンなど）を有する揮発性及び半揮発性化合物について元素組成を確定することを可能にする。図５に記載されているイオン化モード急速切り替えを導入することによって当該方法を修正することもできるし、イオン源内断片化急速切り替えを採用し、而して、ソフトイオン化モードと断片化モードの間でトグルさせるようにすることもできる。
【００４５】
[0055]ＧＣ×ＧＣが実質的に急速分離で作動し、それにより概して幅の広のピーク（例えば、３０−５０ｍｓ）を形成していることから、ＩＭＳ−ＴＯＦ機器６１のタイミングは考慮事項である。データシステム６９は、周期的に、ＩＭＳゲート６３及び直交抽出領域６７を符号化されたパルスストリングで駆動し、ここに、ＴＯＦパルス間の平均時間は概して５ｕｓ乃至１０ｕｓであり、パルスストリング持続時間は、概して１ｍｓ乃至２ｍｓであり、また、スペクトルは約１０ｍｓについて平均されている。或る実施形では、復号されたスペクトルは、相当長い（例えば、１ｍｓ乃至２ｍｓ）ＩＭＳ分離にもかかわらず、またＴＯＦの長い（例えば、〜０．５ｍｓ）飛行時間にもかかわらず、ＧＣプロフィール及びＩＭＳ分離を復元するものと期待される。
【００４６】
[0056]次に図７を参照して、タンデム型質量分析計７１は、イオン源７２と、ＩＭＳパルスストリングを形成する第１符号化パルス生成器７８によってトリガされるイオントラップ７３（ここでは二重ＲＦメッシュ）と、テーパの付けられた部分と軸方向勾配を有するイオンガイド（図示せず）を従えたイオン移動度分光計ドリフト管（ＩＭＳ）７４と、直交加速器（ＯＡ）パルスストリングを形成する第２の符号化パルス生成器７９によってトリガされる直交加速器（ＯＡ）７５と、ＭＲ−ＴＯＦ分析器７６と、スペクトル復号器７７を有するデータシステムと、を備えている。
【００４７】
[0057]或る実施形では、両パルスストリング生成器７８及び７９は実質的に同期化されており、例えば、第１生成器７８は、第２生成器７９のｎ回開始毎にトリガされていて、Ｔ１〜５−１０ｕｓとして、不均一な時間間隔を有するＴｊ＝ｊ＊Ｔ１＋Ｔ２＊ｊ＊（ｊ−ｌ）の様なＯＡ時間ストリングを有するものであってもよい。生成器７８からのＩＭＳストリングは、イオントラップ７３からＩＭＳドリフト領域７４内へのイオン注入をトリガする。ＯＡストリングは、ＩＭＳを過ぎて短いパケット（１０−２０ｕｓ）を捕えるように頻繁なＯＡ発射をトリガする。或る実施形では、ＩＭＳストリングは１つのパルスしか持たず、ＯＡストリングの持続時間はＩＭＳ内の分離時間に整合している。ＭＲ−ＴＯＦ検出器の信号は、ＧＣ×ＧＣを過ぎての３０−５０ｍｓピークに従うように大凡１０ｍｓに亘る複数ＩＭＳサイクルについて合算される。或る実施形では、１つ１つの質量成分が、概して、順次ＯＡ発射に対応する一連の少なくとも数個のＭＲ−ＴＯＦピークを形成するものと期待されている。そうすると、ＯＡストリングの固有の間隔に因り、ピーク間の時間間隔は、実際のＯＡ発射時間とＭＲ−ＴＯＦ中の飛行時間の両方を解読することを可能にするはずである。スペクトル全体は、複数の連なり及びそれらの重なり合いを復元するように復号される。最も単純な復号化アルゴリズムでは、重なり合いは捨てられる。足し合わされたスペクトルについて、スペクトル復号化は、移動度時間（及び、ひいては移動度）とＭＲ−ＴＯＦ中の飛行時間（及び、ひいてはｍ／ｚ）の両方を復元するはずであると予想される。処理の速さは、マルチコアＰＣ板又はマルチコア内蔵プロセッサによって増進されるのが好ましい。
【００４８】
[0058]別の実施形では、ＩＭＳの空間電荷限界とＴＯＦ検出器のダイナミックレンジを増進するために、より頻繁なＩＭＳトリガが採用されている。或る実施形態では、それぞれのＩＭＳ開始は、ｎ回のＯＡ開始に対応している。スペクトル復号化では、複数のＩＭＳショットとショットの間の混乱は、移動度と電荷と質量の間の有意な相関のおかげで回避されそうである。イオンのｍ／ｚはＴＯＦスペクトルから復元されることが期待され、同位体間のｍ／ｚスペーシングは抽出電荷状態を可能にすることであり、そうすると、イオン移動度は約１０−２０％の精度で予測されよう。これは、ＩＭＳが更に５〜１０倍高い頻度で発射されることを意味している。その上、同じＴＯＦピークの連なりは、ＩＭＳ発射の期間で繰り返すものと予想され、スペクトル復号化の段階で勘案されることになる。ＩＭＳストリングの持続時間は、ＩＭＳ分離時間に整合するよう約１−２ｍｓとされ、ＩＭＳパルス間の間隔は約０．２−０．５ｍｓとすることができる。
【００４９】
[0059]引き続き図７を参照して、タンデム型質量分析計７１は、更に、ＩＭＳ７４とＯＡ７５の間に断片化セル８０を備えている。断片化は、衝突誘導解離（ＣＩＤ）、表面誘導解離（ＳＩＤ）、光誘導解離（ＰＩＤ）、電子移動解離（ＥＴＤ）、電子捕獲解離（ＥＣＤ）、及び励起されたリュードベリ原子又はオゾンによる断片化、を含む断片化方法を採用することができる。或る実施形では、時間線図は同じままであり、ＯＡは、セル８０後のイオン流れの急速変化を追跡するために、符号化頻回パルシング（約２００ｋＨｚ）で作動される。従って、タンデム型質量分析計７１は、全質量疑似ＭＳ−ＭＳを提供することができる。その様な組合せでは、ＩＭＳは、粗(実質的に５０乃至１００の分解能)ではあるが急速な親イオン分離のために使用され、ＭＦ−ＴＯＦは断片スペクトルのより高速な捕捉のために採用されている。随意的には、穏やかなイオン流れの場合には、第１生成器の符号化はオフに切り替えられてもよい。好適には、断片化セル（大抵はＲＦデバイス）はイオン蓄積及びパルス抽出のための手段を具備しており、ＯＡパルスストリングは抽出されたイオン集群の持続時間について同期化されている。そして、スペクトルを復号するためのアルゴリズムが採用されていてもよい。例えば、アルゴリズムは符号化時間間隔に従って離間されているＭＲ−ＴＯＦピークの連なりを探し求めるのに採用され、その場合、システムは連なり間の重なり合いを割り付け、その様な重なり合いを捨てるか又は勘案する。その後、それぞれのピークの連なりは、対応するＯＡ開始時間と成分のｍ／ｚの割り付けを可能にする。足し合わされたスペクトルは、ＧＣ×ＧＣ分離の３０−５０ｍｓプロフィールの復元を可能にする１００Ｈｚレートで記録される。全体として、符号化は、時間尺度を圧縮することと、ＧＣ×ＧＣ分析の１０ｍｓ時間分解能及びＩＭＳ分析の１０ｕｓ分解能を取得することを、かなり低速のＩＭＳデバイスと０．５−２ｍｓの飛行時間を有するＭＲ−ＴＯＦデバイスの入れ子式分析にもかかわらず、可能にする。
【００５０】
[0060]図８を参照して、タンデム型質量分析計の別の実施形８１は、イオン源８２と、主パルス生成器８８によってトリガされるイオントラップ８３と、ＩＭＳ８４と、第２の符号化ストリング生成器８９によってトリガされるＯＡ８５と、Ｍ−ＴＯＦ分析器８６と、スペクトル復号器８７と、Ｍ−ＴＯＦ分析器８６中の時間ゲート質量選別器９０と、を備えており、前記時間ゲート選別器は、遅延ストリング８９Ｄによってトリガされるものである。或る実施形では、主パルス生成器８８は、ＩＭＳ分離時間に整合する期間Ｔ〜２ｍｓを有している。ＯＡストリング生成器８９は、不均一な間隔を有するＮ個のパルスから成るストリングを形成しており、主生成器の総持続時間Ｔ＝ｔＮである。遅延ストリング８９ＤはＯＡストリング生成器８８と同期されているが、時間ｔｊに比例するｊ番パルスの可変遅延τｊ−ｔｊを有している。時間選別ゲート９０（例えば、パルス式の双極ワイヤのセット）は、Ｍ−ＴＯＦ８６の１イオンサイクル後に置かれており、イオン（ｍ／ｚ）１/２に比例する特定の飛行時間範囲内のイオンを通過させることができる。結果として、選別されたイオンｍ／ｚ範囲は、特定の化合物クラス又は特定の電荷状態を分離するようにＩＭＳ分離時間ｔｊと相関付けられたことになり、こうして化学ノイズを減らすことができる。
【００５１】
[0061]図４Ｂに戻って、二重ＲＦメッシュゲートは、ＤＣ場の緩やかな傾斜化がイオンを押してゲートを通過させることによって逆転時間プロフィールを提供する。ＲＦバリアの有効電位は質量依存であるので、小ｍ／ｚのイオンが最初に通過するはずであり、それにより質量逆転が発生する。ＤＣ傾斜化の速さとＩＭＳ分離時間が適正に整合していれば、ＭＲ−ＴＯＦの入口でイオンｍ／ｚと移動度の間の或る特定の比を有するイオンを整列させることができる。好適には、ＯＡは、特定の化学クラスのイオンのみを分析できるように或る望ましい比を有するイオンのみを受け入れる（例えば、芳香族化合物を受け入れる一方で線状分子は除外する）。
【００５２】
[0062]多次元分離
[0063]ここに記載の方法とシステムは、多重直交分析次元内での包括的分析の例を提示している。「包括的」とは、分析が入れ子式時間尺度で起こる（即ち、１つの分離はもう１つの分離のタイミングと分解能に影響を与えない）ことを意味する。「直交」とは、分離同士は完全に相関するとは限らず相互に優遇情報を提供し合うことを意味する。多次元分離は、（初期に複雑な混合物として注入された）検体種間の干渉を低減し、より小さい検出限界が得られるように努め、同定の特異性と信頼度を改善するものと期待される。
【００５３】
[0064]或る実施形では、図５に描かれている様に、次の４つの直交分析次元、即ち、（ｉ）ＧＣ１、（ｉｉ）ＧＣ２、（ｉｉｉ）イオン移動度、及び（ｉｖ）極性切り替えでの様々なイオン化方法によるイオン化の特異性、の次元での包括的分析が提供されている。
【００５４】
[0065]或る実施形では、図５に描かれている様に、次の５つの直交分析次元、即ち、（ｉ）ＧＣ１、（ｉｉ）ＧＣ２、（ｉｉｉ）ＩＭＳ、（ｉｖ）Ｍ／ｚ、及び（ｖ）ｄＭ（図６の説明を見られたし）、の次元での包括的分析が提供されている。次元数は、多重急速切り替え式のイオン化モード（第６の次元）及びイオン源内断片化（第７の次元）を使用することによって更に増やすことができる。
【００５５】
[0066]或る実施形では、図７に描かれている様に、次の６つの直交分析次元、即ち、（ｉ）ＧＣ１、（ｉｉ）ＧＣ２、（ｉｉｉ）親イオンのＩＭＳ、（ｖ）フラグメントのＭ／ｚ、及び（ｖｉ）フラグメントイオンのｄＭ、の次元での包括的分析が提供されている。示されている様に、次元数は、多重モードイオン化を使用することによって増やすことができる。
【００５６】
[0067]或る実施形では、ＩＭＳ分離を使用しない場合でも、包括的分析は、なおも次の５つの直交分析次元、即ち、（ｉ）ＧＣ１、（ｉｉ）ＧＣ２、（ｉｉｉ）Ｍ／ｚ、及び（ｉｖ）ｄＭ、を備えている。第５の分析次元は、多重モードイオン化である。
【００５７】
[0068]記載されている多重分析次元内の包括的分析の方法は、（ｉ）ガスクロマトグラフィー―ＧＣ１、（ｉｉ）第２の、時間入れ子式ガスクロマトグラフィー―ＧＣ２、（ｉｉｉ）ＰＩ、ＣＩ、又はＧＤの様な、多重モード又は極性切り替え式ソフトイオン化、（ｉｖ）高速切り替え式イオン源内断片化ｉｓ−ＣＩＤ、（ｖ）イオン移動度分離―ＩＭＳ、（ｖｉ）ＩＭＳを過ぎてのイオン断片化、（ｖｉｉ）整数質量の質量分光測定―ｍ／ｚ、（ｖｉｉｉ）質量欠損及び元素組成の抽出に係る正確な質量測定―ｄＭ、の群のうちの少なくとも４つの次元を備えている。
【００５８】
[0069]本発明を好適な実施形態に関連付けて説明してきたが、当業者には、形態及び詳細事項における様々な修正が、不随の特許請求の範囲の中に述べられている本発明の範囲から逸脱すること無くなされ得ることが自明であろう。
【符号の説明】
【００５９】
１１  先行技術によるタンデム型イオン移動度分光計（ＩＭＳ）−飛行時間型質量分析計（ＴＯＦ  ＭＳ）
１２  イオン源
１３  イオン漏斗
１４、１５、１６  メッシュ
１７  イオンドリフト管
１８  第２イオン漏斗
１９  四重極イオンガイド
２０  飛行時間型質量分析計
２１  イオン移動度分光計（ＩＭＳ）
２２  イオン源
２２Ｆ  ガス流れ
２３  イオンゲート
２４  前方ＤＣキャップ
２５  前方メッシュ
２６  後方メッシュ
２７  ドリフト管
２７Ｆ  向流ガス流れ
２８  イオン検出器
２９  ＧＣ×ＧＣ
３０  イオン漏斗（ＲＦチャネル）
３２  減速ＲＦ壁
３３  鞍状バリア
３４  ＲＦトラッピング領域
５１  イオン移動度分光計（ＧＣ×ＧＣ−ＩＭＳ）
５２  ＧＣ又はＧＣ×ＧＣ分離器
５３  イオン源
５３ＧＤ  グロー放電イオン源
５３ＰＩ  光イオン化イオン源
５３Ｒ  共通反応器室
５４  イオン漏斗インターフェース
５５  機械式ポンプ
５６、５７  ドリフトセル
５６Ｃ、５７Ｃ  捕集器
５８  キャリアガス供給、捕捉システム
６１  ＩＭＦ−ＴＯＦ
６２  多重モードイオン源
６３  イオンゲート
６４  イオンドリフト管
６５  テーパの付けられたＩＭＳ部分
６５Ｍ  多重極セット
６６  イオンガイド
６６Ｍ  ＰＣＢ積重体
６７  直交加速器
６８  多重反射飛行時間型質量分析器
６８Ｔ  中央の拡張収縮部分
６９  データシステム
７１  タンデム型質量分析計
７２  イオン源
７３  イオントラップ
７４  イオン移動度分光計（ＩＭＳ）ドリフト管
７５  直交加速器（ＯＡ）
７６  ＭＲ−ＴＯＦ分析器
７７  スペクトル復号器
７８  第１符号化パルス生成器
７９  第２符号化パルス生成器
８０  断片化セル
８１  タンデム型質量分析計
８２  イオン源
８３  イオントラップ
８４  ＩＭＳ
８５  ＯＡ（直交加速器）
８６  Ｍ−ＴＯＦ分析器
８７  スペクトル復号器
８８  主パルス生成器（第１ＯＡストリング生成器）
８９  第２符号化ストリング生成器（第２ＯＡストリング生成器）
８９Ｄ  遅延ストリング
９０  時間ゲート質量選別器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４−Ａ】
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【図４−Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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