(57)【要約】イオンの移動度に基づいて大気圧で作動する前置フィルターと、イオン流をイオン検出器の中へと配向させるイオン集束アセンブリ、例えば、質量分析計（ＭＳ）とを備える、イオンを分析するための方法および装置。移動度に基づくフィルターは、円筒状電場非対称波形イオン移動度分析計（ＦＡＩＭＳ）、平面または吸引示差移動度分析計（ＤＭＳ）、またはイオン移動度分析計（ＩＭＳ）であり得る。イオン集束アセンブリは、イオンが通って流れる開口部を有する２つのグリッドと、２つのＤＣ電源と、グリッド間に電場を生成するための時変電源とを備える。
2013502046.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料分析システムであって、
複数のイオン流内に配置されるイオンを受容するためのイオン入口と、
該イオンを検出するためのイオン検出器と、
該イオン入口からの該複数のイオン流を少なくとも１つの集束イオン流の中に集め、該少なくとも１つの集束イオン流を該イオン検出器に向かって配向するためのイオン集束アセンブリと
を備える、システム。
【請求項２】
少なくとも１つのイオン流を集束させ、あるイオン種が前記イオン検出器へと通過することを選択的に可能にするための少なくとも１つのフィルターチャネルをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
大気圧作動イオン前置フィルターをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記イオン前置フィルターは、移動度に基づくフィルターを含む、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記移動度に基づくフィルターは、円筒状ＦＡＩＭＳ、平面ＤＭＳ、ＩＭＳ、および吸引ＤＭＡから成る群から選択することができる、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記イオン集束アセンブリは、
イオンが通って流れ得る少なくとも１つの開口部を有する第１のグリッドと、
イオンが通って流れ得る少なくとも１つの開口部を有する第２のグリッドと、
第１および第２のＤＣ電源と、
時変電圧源と
を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記イオン集束アセンブリは、
前記イオン流に垂直な電界を印加するための第１および第２の電極
を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記イオン集束アセンブリは、
第１の電極対と第２の電極対との間に電界を印加するための第１および第２の電極対を備え、該電界は、前記イオン流に平行である、
請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記イオン検出器は、イオン導入のための入口オリフィスを含む、分析機器を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記イオン検出器は、入口オリフィスを含む質量分析計を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
配向することは、前記集束イオン流を、前記質量分析計の入口オリフィスの中に真っ直ぐ入る縦軸に沿う狭いイオン流の中に集束させることを含む、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記オリフィス直径は、１００ミクロン、７５ミクロン、５０ミクロン、２５ミクロン、２０ミクロン、１０ミクロン、および５ミクロンのうちの１つをおよそ下回る、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
配向することは、前記集束イオン流を、前記イオン移動度に基づくフィルターの前記入口の中に真っ直ぐ入る縦軸に沿う狭いイオン流に集束させることを含む、請求項４に記載のシステム。
【請求項１４】
ＤＭＳ作動に適切な流量、イオン集束、および前記イオン検出器の中への流れを可能にするために最適化された低動力吸入ポンプをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記イオン集束アセンブリは、イオンを前記イオン検出器に向かって直角に偏向させ、中性検体が、該イオン検出器の中に導入されることを防ぐための偏向器を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
試料を分析するための方法であって、
イオンをイオン入口において受容することと、
該イオンにイオン集束アセンブリを通過させ、該イオンを少なくとも１つの集束イオン流の中へと集めることと、
該少なくとも１つの集束イオン流をイオン検出器に渡すことと
を含む、方法。
【請求項１７】
前記イオンに大気圧作動イオン前置フィルターを通過させることをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記イオンにイオン集束アセンブリを通過させることは、
該イオンに少なくとも１つの開口部を経由して第１のグリッドを通過させることと、
該イオン集束アセンブリを使用して、該イオンを少なくとも１つの集束イオン流の中へと集めることと、
該少なくとも１つの集束イオン流に、少なくとも１つのフィルターチャネルの中への少なくとも１つの開口部を経由して第２のグリッドを通過させることと
を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記イオンにイオン集束アセンブリを通過させることは、
該イオンに前記イオン流に垂直な電界を通過させることと、
該イオン集束アセンブリを使用して、該イオンを少なくとも１つの集束イオン流の中へと集めることと
を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記イオンにイオン集束アセンブリを通過させることは、
該イオンに前記イオン流に平行な電界を通過させることと、
該イオン集束アセンブリを使用して、該イオンを少なくとも１つの集束イオン流の中へと集めることと
を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１および第２のグリッドのうちの少なくとも１つにＤＣバイアス電圧を印加することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記ＤＣバイアス電圧は、地電圧、基準電圧、正電圧、および負電圧から成る群から選択することができる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
ＤＣ電位の差異を前記第のグリッドと第２のグリッドとにわたって印加し、それによって該第１のグリッドと第２のグリッドとの間に電界を生成することと、
該第１のグリッドと第２のグリッドとの間の該電界を使用して、該イオンを少なくとも１つの集束イオン流の中へと集めることと
をさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
時変電圧を前記第１のグリッドと第２のグリッドとにわたって印加することと、
該第１のグリッドと第２のグリッドとにわたる時変電圧を使用して、前記イオンを少なくとも１つの集束イオン流の中へと集めることと
をさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２５】
試料を分析するためのシステムであって、
イオンをイオン入口において受容するための手段と、
該イオンにイオン集束アセンブリを通過させ、該イオンを少なくとも１つの集束イオン流の中へと集めるための手段と、
該少なくとも１つの集束イオン流をイオン検出器へと通過させるための手段と
を備える、システム。
【請求項２６】
前記イオンに大気圧作動イオン前置フィルターを通過させるための手段をさらに備える、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
前記イオンにイオン集束アセンブリを通過させることは、
該イオンに少なくとも１つの開口部を経由して第１のグリッドを通過させるための手段と、
該イオン集束アセンブリを使用して、該イオンを少なくとも１つの集束イオン流の中へと集めるための手段と、
該少なくとも１つの集束イオン流を、少なくとも１つのフィルターチャネルの中への開口部を経由して第２のグリッドを通過させるための手段と
を備える、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２８】
前記イオンにイオン集束アセンブリを通過させることは、
該イオンを前記イオン流に垂直な電界を通過させるための手段と、
該イオン集束アセンブリを使用して、該イオンを少なくとも１つの集束イオン流の中に集めるための手段と
を備える、請求項２５に記載のシステム。
【請求項２９】
前記イオンにイオン集束アセンブリを通過させることは、
該イオンを前記イオン流に平行な電界を通過させるための手段と、
該イオン集束アセンブリを使用して、該イオンを少なくとも１つの集束イオン流の中に集めるための手段と
を備える、請求項２５に記載のシステム。
【請求項３０】
前記第１および第２のグリッドのうちの少なくとも１つにＤＣバイアス電圧を印加するための手段をさらに含む、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３１】
前記ＤＣバイアス電圧は、地電圧、基準電圧、正電圧、および負電圧から成る群から選択することができる、請求項３０に記載のシステム。
【請求項３２】
ＤＣ電位の差異を前記第１のグリッドと第２のグリッドとにわたって印加し、それによって該第１のグリッドと第２のグリッドとの間に電界を生成するための手段と、
該第１のグリッドと第２のグリッドとの間の該電界を使用して、該イオンを少なくとも１つの集束イオン流の中に集めるための手段と
をさらに備える、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３３】
前記第１のグリッドと第２のグリッドとにわたって時変電圧を印加するための手段と、
該第１のグリッドと第２のグリッドとにわたって該時変電圧を使用することによって、前記イオンを少なくとも１つの集束イオン流の中に集めるための手段と
をさらに備える、請求項２７に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、米国特許出願第６１／２３３，５６５号（名称「Ｃｏｕｐｌｉｎｇ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｂａｓｅｄ  Ａｍｂｉｅｎｔ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｉｏｎ  Ｐｒｅｆｉｌｔｅｒｉｎｇ  ａｎｄ  Ｉｏｎ  Ｆｏｃｕｓｉｎｇ  Ａｔ  Ｌｏｗ  Ｆｌｏｗ  Ｒａｔｅ  ｆｏｒ  ａ  Ｐｏｒｔａｂｌｅ  ＡＰＩ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ」、２００９年８月１３日出願）の利益を主張し、これらの出願の内容は、その全体が本明細書に援用される。
【０００２】
（発明の分野）
出願人の教示は、試料調製のためのイオン移動度分析、フィルタリング、およびイオン移動度分析計における検出に関する。
【背景技術】
【０００３】
高電界において、イオン移動度は、印加された電界強度に依存するようになり、イオンドリフト速度は、もはや電界強度と線形的には挙動し得ない。電界非対称波形イオン移動度分析計（ＦＡＩＭＳ、ＲＦ−ＩＭＳとしても知られる）は、これらの著しく高い電界を利用し、高低の強度電界におけるその移動度の差異に基づいてイオン種を識別する。
【０００４】
ＦＡＩＭＳ分析計は、イオン化源、例えば、紫外線光イオン化ランプを使用して、ガス試料を、ガス試料中の特定の化学物質に対応する各イオンタイプを有するイオン種の混合物に変換する。次に、イオン種は、イオンフィルターを通過し、ここで特定の電界が電極間に印加され、フィルターを通過することが許容されるイオンタイプを選択する。一旦フィルターを通ると、そのイオンタイプは、検出器電極に衝突し、電気信号を生成する。試料中のイオン種の混合物を検出するためにフィルター電極間に印加される電界は、生成される範囲およびスペクトル上を走査されることができる。イオンフィルタリングは、イオンフィルター電極間に生成される２つの電界、非対称の周期的な無線周波数（ＲＦ）電界、およびＤＣ補償電界の組み合わせを介して達成される。非対称ＲＦ電界は、そのピーク正電界強度と負電界強度との間に著しい差異を有する。非対称ＲＦ電界は、イオンを散乱させ、それらが中和されるイオンフィルター電極にそれらを偏向させるが、補償電界は、特定イオンの散乱を防ぎ、それが検出器に向けて通過できるようにする。イオンは、低電界でのその移動度に対する、高電界でのイオンの移動度の差異に基づいて、器具内においてフィルタリングされる。つまり、イオンは、低電界におけるそれらの移動度に対する、高電界におけるそれらの移動度の挙動に依存する化合物によって分離される。
【０００５】
ＦＡＩＭＳアプローチは、イオンの移動度が、印加された電界強度の影響を受けることを発見した非特許文献１に基づく。４０Ｔｄである電界とガス密度との比（Ｅ／Ｎ）（大気圧においてＥ＞１０，７００Ｖ／ｃｍ）より上で、移動度係数Ｋ（Ｅ）は、電界に非線形の依存性を有する。この移動度は、各イオン種に特異的であると考えられる。以下は、ＭａｓｏｎおよびＭｃＤａｎｉｅｌによるいくつかの例である（非特許文献１）。クラスターイオンＣＯ＋ＣＯの依存度は、電界強度が高まるにつれて増加する（参照文献［非特許文献１］における図７−１−Ｋ−１）。いくつかの分子および原子イオンの場合、移動度の係数は、より複雑な態様で変化し得る。例えば、原子イオンＫ＋の場合、一酸化炭素ガス中の移動度係数は、電界の増加につれて２０％増加するが、Ｅ／Ｎが最大２００Ｔｄを超えると、係数は減少し始める（参照文献［非特許文献１］における図７−１−Ｋ−３）。例えば、Ｎ＋、Ｎ３＋、およびＮ４＋等のいくつかの他のイオンの場合、移動度はごくわずかに変化する（参照文献［非特許文献１］における図７−１−Ｈ−１／２）。図１Ａは、電界に対する３つの可能なイオン移動度の依存性を概略的に説明する。簡潔にするため、弱電界（Ｅは約１０２〜１０３Ｖ／ｃｍ）における移動度Ｋ（Ｅｍｉｎ）の低電界値が、３つのイオンタイプすべてに対して同一であると推定する。しかしながら、Ｅｍａｘにおいて、移動度係数Ｋ（Ｅｍａｘ）の値は、各イオンタイプに対して異なる。
【０００６】
移動度係数Ｋ（Ｅ）の電界依存性は、Ｅ／Ｎ［１８］の偶数乗の級数展開によって表すことができ、
【０００７】
【数１】
2013502046.tif 000003
式中、Ｋ（０）は、弱電界におけるイオンの移動度の係数であり、α１、α２は、展開係数である。この式は、式２に示されるように、有効なα（Ｅ）を使用することによって簡略化することができる［非特許文献２］。
【０００８】
【数２】
2013502046.tif 000004
この式に従って、α（Ｅ）＞０の場合、移動度係数Ｋ（Ｅ）は、電界強度とともに増加し、α（Ｅ）〜０の場合、移動度Ｋ（Ｅ）は変化せず、α（Ｅ）＜０の場合、次に、Ｋ（Ｅ）は電界強度が増加するにつれて減少する。電界依存性移動度係数の式は、運動量とエネルギーとのバランスの問題にも由来し得る。イオンエネルギーε＝３／２ｋＴｅｆｆは、その有効温度の関数として表すことができる［１８〜２０］。
【０００９】
【数３】
2013502046.tif 000005
α（Ｅ）＜０が、式３において提示されるモデルに基づいて説明され得る場合、イオン中和断面Ω（Ｔｅｆｆ）の値は、剛球相互作用に関して著しく変化せず［非特許文献２、非特許文献３］、換算質量μは一定である。これらの条件下、イオンの有効温度またはエネルギーが増加すると、移動度Ｋ（Ｅ）は減少することがわかる。物理的に、この効果は、単純な説明を有する。電界強度が増加すると、イオンは、中和ガスを通してより激しく駆動される。これは、イオン中性衝突頻度を増加させ、平均イオン速度の減少およびイオン移動度係数の減少をもたらす。
【００１０】
しかしながら、剛球モデルは、あるイオンを用いると、移動度が電界の増加に伴って増加することを示す実験結果を説明しない（α（Ｅ）＞０）。Ｅ／Ｎの上昇値での移動度の増加に関する可能な説明の１つは、高電界強度においてイオンクラスター分離が起こることを可能にする場合に提供される。弱電界における大気条件下のイオンは、一般に、遊離状態で存在しない。通常、それらは水等のｎ極分子が付着したクラスター形態で存在する（例えば、ＭＨ＋（Ｈ２０）ｎ）。電界強度が増加すると、イオンの運動エネルギーおよび結果として有効温度（Ｔｅｆｆ）が、衝突の間に付与されたエネルギーに起因して増加する。これは、イオンクラスターリングのレベルの減少（ｎの減少）をもたらし、結果としてイオンのイオン断面Ω（Ｔｅｆｆ）および還元質量μを小さくする。次に、式３に従って、クラスター分離に起因して、断面および換算質量が、Ｔｅｆｆの増加を相殺するのに十分な態様で減少する場合、α（Ｅ）＞０である事例を説明することができる。
【００１１】
α（Ｅ）〜０である第３の事例は、イオンの有効温度の増加を相殺する、クラスター分離に起因するイオン断面の減少によって説明することができる。これは、イオンの移動度係数の正味変化をもたらさない。
【００１２】
イオンフィルタリングのＦＡＩＭＳの動作機序は、以下に説明される。図１Ｂに示されるように、中性分子の局所イオン化に起因して、２つの電極間の狭い間隙において同一の位置に形成される電界に対する異なる移動度係数の依存性を有する３種類のイオン（すなわち、α（Ｅ）＞０、α（Ｅ）＜０、α（Ｅ）〜０）を考慮されたい。キャリアガス流は、これらのイオンを間隙の間のドリフト管の縦下方に輸送する。次に、非対称ＲＦ電界が電極に印加されると、イオンは、キャリアガスとともにドリフト管を下方に移動しながら、ＲＦ電界に応答して、キャリアガス流に対して垂直方向に振動する。最大電界強度｜Ｅｍａｘ｜＞１０，０００Ｖ／ｃｍおよび最小電界強度｜Ｅｍｉｎ｜＜＜｜Ｅｍａｘ｜を有する簡素化された非対称ＲＦ電界波長（図１Ｃ）をここで使用し、ＲＦ−ＩＭＳの動作原理を説明する。非対称ＲＦ波形は、時間平均電界がゼロであるように設計され、
【００１３】
【数４】
2013502046.tif 000006
ｔ１は、高電界が印加される期間の部分であり、ｔ２は、低電界が印加される時間である。βは、期間の高電界および低電界の部分において曲線下面積に対応する定数である。ｙ方向のイオン速度は、以下によって求められる。
【００１４】
【数５】
2013502046.tif 000007
ここで、Ｋは、イオン種のイオン移動度の係数であり、Ｅは、電界強度である。ここで、Ｋは、イオン種のイオン移動度の係数であり、Ｅは、この事例全体においてｙ方向の電界強度である。正極性ＲＦ電圧パルス（ｔ１中）の増幅は、１０，０００Ｖ／ｃｍを超える電界強度を生成し、次に上部電極に向かう速度
【００１５】
【数６】
2013502046.tif 000008
は、図１Ａに示されるように、高電界条件での各イオンの移動度Ｋｕｐの係数が異なるので、イオン種のそれぞれに対して異なる（図１Ｂ）。α（Ｅ）＞０を有するイオンは、より速く移動し、α（Ｅ）＜０を有するイオンは、最小速度を有し、したがって、各イオンの軌道の傾斜も異なる。期間（ｔ２）の次の部分において、ＲＦ電界の極性が一旦切り替わると、３つのイオンタイプのすべてが同一速度
【００１６】
【数７】
2013502046.tif 000009
で、下部プレートに向かって下方に移動し始める。この低電界強度条件において（図１Ａを参照）、３つのイオンタイプのすべてが同一の移動度係数Ｋｄｏｗｎを有する。したがって、３つのイオン軌道のすべては、期間のこの部分において同一の傾斜を有する（図１Ｂ）。
【００１７】
ｙ方向のその初期位置からのイオン移動は、ｙ方向のイオン速度に電界が印加される時間Δｔの長さが掛けられたものである。
【００１８】
【数８】
2013502046.tif 000010
印加されたＲＦ電界の１つの期間において、イオンは、正および負のｙ方向の両方に移動する。式２を式５に代入することによって、ＲＦ電界の１つの期間にわたるイオンの平均移動は、以下のように表記され得る。
【００１９】
【数９】
2013502046.tif 000011
式１を使用して、この式は、以下のように書き換えることができる。
【００２０】
【数１０】
2013502046.tif 000012
βは、印加されたＲＦ電界によって決定される定数であるので、ＲＦ電界の期間Ｔ＝ｔ１＋ｔ２当たりのイオンのｙ移動は、その高および低電界条件の間のイオン移動度の変化に依存する。キャリアガスがｚ方向にイオンを輸送すると仮定する。イオンフィルタープレート間のイオン滞留時間ｔｒｅｓ中におけるその初期位置からの（電界に起因する）総イオン移動Ｙ（ｙ方向）は、以下のように表すことができる。
【００２１】
【数１１】
2013502046.tif 000013
イオンフィルター領域内の平均イオン滞留時間は、式９によって求められる。Ａは、フィルター領域の断面積であり、Ｌは、イオンフィルター電極の長さであり、Ｖは、イオンフィルター領域の体積であり、Ｖ＝ＡＬ、Ｑはキャリアガスの体積流量である。
【００２２】
【数１２】
2013502046.tif 000014
式９を式８に代入すると、式１からβ＝｜Ｅｍａｘ｜ｔ１となり、ＲＦパルスの負荷サイクルをＤ＝ｔ１／Ｔとして定義する。イオン種の移動に関する式である式８は、以下のように書き換えることができ、
【００２３】
【数１３】
2013502046.tif 000015
式中、Ｙは、ここでイオンフィルター領域の平均イオン滞留時間に基づくｙ方向のイオンの総移動である。式１０から、間隙におけるイオンの垂直移動は、低および高電界強度条件の間の移動度係数の差異に比例することは明らかである。異なるΔＫ値を有する異なるイオン種は、指定のｔｒｅｓに対するＹの異なる値まで移動する。最大電界値、イオンフィルター領域の体積、負荷サイクル、および流量を含むすべての他のパラメータは、一次的にすべてのイオン種に対して本質的に同一である。
【００２４】
ＲＦ電界に加えて、低い強度ＤＣ電界（｜Ｅｃ｜＜｜Ｅｍｉｎ｜＜＜｜Ｅｍａｘ｜）が、イオンの平均ＲＦ誘導（ｙ配向）運動とは反対の方向に印加される場合、特定イオン種の軌道は、「直線化」され得る（図１Ｄ（１）、１Ｄ（２）、１Ｄ（３）を参照されたい）。これは、特定のイオン種が、イオンフィルター電極間を制約なく通過できるようにする一方で、すべての他の種のイオンは、フィルター電極の中へと偏向させられる。フィルターを「調整」し、ＲＦ誘導された運動を補償するＤＣ電圧は、イオン種に特徴的であり、補償電圧と呼ばれる。ガス試料中のイオンの全体スペクトルは、フィルターに印加されたＤＣ補償電圧を傾斜させるか、または一掃することによって得ることができる。イオン電流に対する一掃電圧の値は、ＲＦ−ＩＭＳスペクトルを形成する。イオンフィルター電極の１つに印加される電圧を一掃する代わりに、固定ＤＣ電圧（補償電圧）が印加される場合、分析計は、連続イオンフィルターとして作動し、１種類のみのイオンを通過させる。
【００２５】
ＩＭＳ分析器または上述されるＦＡＩＭＳ分析器等のイオン分析器へのイオン流またはそれに沿ったイオン流を集束および／または制御することによってイオンのより多くの部分が分析に供され得るので、イオン分析器の感度は、著しく強化され得る。イオン集束は、動作のために低い電力、サイズ、および重量を要する低流量分析器の使用も可能にし得る。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２６】
【非特許文献１】Ｗ．ＭｃＤａｎｉｅｌ  ａｎｄ  Ｅｄｗａｒｄ  Ａ．Ｍａｓｏｎ，Ｔｈｅ  ｍｏｂｉｌｉｔｙ  ａｎｄ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｏｆ  ｉｏｎｓ  ｉｎ  ｇａｓｅｓ，Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ＆  Ｓｏｎｓ，１９７３
【非特許文献２】Ｔ．Ｗ．Ｃａｒｒ，Ｐｌａｓｍａ  Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ，Ｐｌｅｎｕｍ  Ｐｒｅｓｓ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ  ａｎｄ  Ｌｏｎｄｏｎ，１９８４
【非特許文献３】Ｅ．Ａ．Ｍａｓｏｎ  ａｎｄ  Ｅ．Ｗ．ＭｃＤａｎｉｅｌ，Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ｉｏｎｓ  ｉｎ  Ｇａｓｅｓ，Ｗｉｌｅｙ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，１９８８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
したがって、イオン分析器の一部分へのイオン流またはそれに沿ったイオン流の集束および制御を向上させる方法および装置を提供することが、出願人の教示の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
イオン集束を向上させる１つのアプローチは、イオンの流路に沿ったイオン集束アセンブリを用いることである。イオン集束アセンブリは、イオン分析器、例えば、微分移動度分析計（ＤＭＳ）、イオン移動度分析計（ＩＭＳ）、質量分析計（ＭＳ）、またはそれらの組み合わせの入口の上流および／または前に位置してもよい。
【００２９】
別の態様において、デュアルチャネルイオン移動度ベースのフィルターを、前置フィルターとしてＭＳに用いて、干渉物質の量を著しく減少させるか、または他の望ましくない粒子が分析のためのＭＳに進入しないようにし得る。デュアルチャネルイオン移動度ベースのフィルターは、ＩＭＳおよびＤＭＳの少なくとも１つを含んでもよい。１つのチャネルは、周囲の環境から試料を受容し得る一方で、二番目のチャネルは、純粋および／または清潔な輸送ガスを含んでもよい。試料イオンの一部分を第１のチャネルから第２のチャネルに配向した後に、第２のチャネルのイオンは、次に、著しく少ない量の望ましくない粒子を有するＭＳに送達されてもよい。したがって、ＭＳの感度および／または選択性は、大幅に強化され得る。
【００３０】
さらなる態様において、ＭＳの前置フィルターとして動作するＤＭＳを有する小型分析器システムは、ＭＳへのイオン入力においてイオン集束を用いることによって実現され、ＭＳ入力オリフィスのサイズを減少させ、ＭＳへの必要な流量を減少させ、ＭＳ内に真空を維持するために必要とされる真空ポンプのサイズおよび電力を低減し、それによってＤＭＳ−ＭＳ分析器システムの全体サイズおよび電力消費要件を大幅に減少させる。通常、ＤＭＳは、試料分析のためにＭＳよりも著しく高い流量を必要とする。ＭＳ内で十分な真空を維持しながら、高い流量を支持するために、ＭＳは、真空を維持するために十分な電力および能力の１つまたは複数のポンプを用いなければならない。例えば、ＭＳは、ＤＭＳ前置フィルターからの１リットル／分流量を支持するために必要とされ得る。より小型のＤＭＳ−ＭＳシステムの場合、真空ポンプのサイズは、ＤＭＳ−ＭＳシステムの全体サイズに関する重大な欠点となる。したがって、ＭＳ入口においてイオン集束を用いることによって、機側操作可能であり、可搬式であり、携帯可能であり得る、電力要件の低い小型ＤＭＳ−ＭＳ分析器システムが実現される。
【００３１】
ＭＳとともにＤＭＳを用いる利点は、例えば、異性および／または等圧化合物が同一の質量対電荷（ｍ／ｚ）比を有する場合でさえも、ＤＭＳがそれらの化合物を区別できることである。異なる等圧化合物は、通常異なる形態または構造を有するので、異なる等圧化合物は、異なるイオン移動度特性を有し、したがって、ＤＭＳによって区別または分離され得る。そのため、ＭＳ単独では同一のｍ／ｚを有する異なる化合物を区別できないが、ＤＭＳ−ＭＳシステムは、ＭＳを使用する利点を保持しながら、この問題を補償する。
【００３２】
前述の説明および図面において、少なくとも以下の問題に取り組む：１）可搬式ＭＳの低流量インターフェース、２）大気圧条件下での有効なイオン集束、および３）デュアルチャネル分析器システム。
【００３３】
とりわけ、記載されるシステムおよび方法は、複数のイオン流で配置されたイオンを受容するためのイオン入口、イオンを検出するためのイオン検出器、およびイオン入口からの複数のイオン流を少なくとも１つの集束イオン流に集め、少なくとも１つの集束イオン流をイオン検出器に向かって配向するためのイオン集束アセンブリ、ならびに大気圧作動式イオン前置フィルターを含む試料分析システムを含む。
【００３４】
試料分析システムは、少なくとも１つのイオン流を集束させ、あるイオン種がイオン検出器を通過することを選択的に可能にするための少なくとも１つのフィルターチャネルを含むことができる。一態様において、少なくとも１つのフィルターチャネルは、移動度ベースのフィルターを含む。移動度ベースのフィルターは、円筒状ＦＡＩＭＳ、平面ＤＭＳ、ＩＭＳ、および吸引ＤＭＡから成る群から選択することができる。
【００３５】
一態様において、イオン集束アセンブリは、イオンが通って流れ得る少なくとも１つの開口部を有する第１のグリッドと、イオンが通って流れ得る少なくとも１つの開口部を有する第２のグリッドと、第１および第２のＤＣ電源と、時変電源とを含む。別の態様において、イオン集束アセンブリは、イオン流に対して垂直な電界を印加するための第１および第２の電極を含む。別の態様において、イオン集束アセンブリは、第１の電極対と第２の電極対との間に電界を印加するための第１および第２の電極対を含み、ここで電界は、イオン流に対して平行である。
【００３６】
一態様において、イオン検出器は、イオン検出のための入口オリフィスを含む分析器具を含む。一態様において、イオン検出器は、入口オリフィスを含む質量分析計を含む。一態様において、少なくとも１つの集束イオン流を配向するステップは、縦軸に沿った狭いイオン流への集束イオン流を、質量分析計の入口オリフィスに直接集束させるステップを含む。一態様において、オリフィスの直径は、約１００ミクロン、７５ミクロン、５０ミクロン、２５ミクロン、２０ミクロン、１０ミクロン、および５ミクロンのうちの１つよりもおよそ下回る。
【００３７】
一態様において、配向ステップは、縦軸に沿った狭いイオン流への集束イオン流を、イオン移動度ベースフィルターの入口に直接集束させるステップを含む。試料分析システムは、ＤＭＳ動作に適切な流量、イオン集束、およびイオン検出器への流れを可能にするために最適化された低動力吸入ポンプを含むことができる。一態様において、イオン集束アセンブリは、イオン検出器に向かって直角にイオンを偏向するため、および中性検体が、イオン検出器に導入されることを防ぐための偏向器電極を備える。
【００３８】
記載されるシステムおよび方法は、とりわけ、試料を分析するための方法を含み、イオン入口でイオンを受容するステップと、イオンをイオン集束アセンブリに通過させるステップと、イオンを少なくとも１つの集束イオン流に集めるステップと、イオンを大気圧作動式イオン前置フィルターに通過させるステップと、少なくとも１つの集束イオン流をイオン検出器に通過させるステップとを含む。イオンをイオン集束アセンブリに通過させるステップは、少なくとも１つの開口部を介して、イオンを第１のグリッドに通過させるステップと、イオン集束アセンブリを使用してイオンを少なくとも１つの集束イオン流に集めるステップと、少なくとも１つのフィルターチャネルへの少なくとも１つの開口部を介して、少なくとも１つの集束イオン流を第２のグリッドに通過させるステップと、を含むことができる。
【００３９】
一態様において、イオンをイオン集束アセンブリに通過させるステップは、イオンをイオン流に対して垂直な電界を通過させるステップと、イオン集束アセンブリを使用して、イオンを少なくとも１つの集束イオン流に集めるステップとを含む。一態様において、イオンをイオン集束アセンブリに通過させるステップは、電極をイオン流に対して平行な電界を通過させるステップと、イオン集束アセンブリを使用して、イオンを少なくとも１つの集束イオン流に集めるステップとを含む。
【００４０】
一態様において、試料を分析するための方法は、ＤＣバイアス電圧を、第１および第２のグリッドの少なくとも１つに印加するステップを含む。ＤＣバイアス電圧は、地電圧、基準電圧、正電圧、および負電圧から成る群から選択することができる。
【００４１】
一態様において、試料を分析するための方法は、第１および第２のグリッド全体にＤＣ電位の差異を印加し、それによって、第１グリッドと第２グリッドとの間に電界を生成するステップと、第１グリッドと第２グリッドとの間の電界を使用して、イオンを少なくとも１つの集束イオン流に集めるステップとを含む。
【００４２】
別の態様において、試料を分析するための方法は、第１および第２グリッド全体に時変電圧を印加するステップと、第１および第２グリッド全体で時変電圧を使用して、イオンを少なくとも１つの集束イオン流に集めるステップとを含む。
【００４３】
記載されるシステムおよび方法は、とりわけ、イオン入口でイオンを受容する手段と、イオンをイオン集束アセンブリに通し、イオンを少なくとも１つの集束イオン流に集める手段と、少なくとも１つの集束イオン流にイオン検出器を通過させる手段と、を含む、試料を分析するためのシステムを含む。
【００４４】
一態様において、イオンにイオン集束アセンブリを通過させるステップは、少なくとも１つの開口部を介して、イオンを第１のグリッドに通過させるための手段と、イオン集束アセンブリを使用して、イオンを少なくとも１つの集束イオン流に集めるための手段と、少なくとも１つのフィルターチャネルへの少なくとも１つの開口部を介して、少なくとも１つの集束イオン流を第２のグリッドに通過させるための手段とを含む。
【００４５】
一態様において、イオンにイオン集束アセンブリを通過させるための手段は、イオンにイオン流に対して垂直な電界を通過させるための手段と、イオン集束アセンブリを使用して、イオンを少なくとも１つの集束イオン流に集めるための手段とを含む。別の態様において、イオンにイオン集束アセンブリを通過させるステップは、イオンにイオン流に対して平行な電界を通過させるための手段と、イオン集束アセンブリを使用してイオンを少なくとも１つの集束イオン流に集めるための手段とを含む。
【００４６】
試料を分析するためのシステムは、ＤＣバイアス電圧を第１および第２のグリッドの少なくとも１つに印加するための手段を含む。ＤＣバイアス電圧は、地電圧、基準電圧、正電圧、および負電圧から成る群から選択することができる。
【００４７】
一態様において、試料を分析するためのシステムは、第１および第２のグリッド全体にＤＣ電位の差異を印加し、それによって第１のグリッドと第２のグリッドとの間に電界を生成するための手段と、第１のグリッドと第２のグリッドとの間に電界を使用して、イオンを少なくとも１つの集束イオン流に集めるための手段とを含む。試料を分析するためのシステムは、第１および第２のグリッド全体に時変電圧を印加するための手段と、第１および第２のグリッド全体で時変電圧を使用して、イオンを少なくとも１つの集束イオン流に集めるための手段とを含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
出願人の教示に関する前述および他の目的、特徴、および利点は、同様の参照機構が異なる図を通して同一の部分を指す、添付の図面において説明されるように、出願人の教示の好適な実施形態に関する以下の特定の記載から明白となるであろう。図面は、必ずしも一定の縮尺ではなく、代わりに、出願人の教示の原理を説明することに重点が置かれる。
【図１Ａ】図１Ａは、３つの異なるイオン種の電界に対する移動度依存性を示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは、キャリアガス流と非対称無線周波数電界波形の同時影響下での、イオンフィルターの上部平行プレート電極と下部平行プレート電極との間の間隙におけるイオンの軌道を示す。
【図１Ｃ】図１Ｃは、イオンフィルタリングに使用される簡素化された非対称ＲＦ電界波形を示す。
【図１Ｄ】図１Ｄ１は、ＲＦ電界によってもたらされた移動を相殺するように印加される補償電圧を示す。図１Ｄ２は、印加されたＲＦ電界のみを有する初期位置からのイオンの軌跡、および印加された相補電界のみを有するイオンの軌跡を示す。図１Ｄ３は、印加されたＲＦ電界および相補電界の両方を有するイオンの軌跡を示す。
【図２】図２は、出願人の教示の例示的実施形態に従う、化学センサーシステムの概略である。
【図３Ａ】図３Ａは、出願人の教示の例示的実施形態に従う、エレクトロスプレーを含む液体試料調製区画を備える、化学センサーシステムを示す。
【図３Ｂ】図３Ｂは、出願人の教示の例示的実施形態に従う、エレクトロスプレーを含む液体試料調製区画を備える、化学センサーシステムを示す。
【図３Ｂ１】図３Ｂ１は、出願人の教示の例示的実施形態に従う、機械加工エレクトロスプレーヘッドを示す。
【図３Ｃ】図３Ｃは、出願人の教示の例示的実施形態に従う、サーペンタイン電極を示す。
【図３Ｄ】図３Ｄは、出願人の教示の例示的実施形態に従う、筐体を形成する基板を示す。
【図４Ａ】図４Ａは、出願人の教示の例示的実施形態に従う、間隙の絶縁基板を有するＦＡＩＭＳ分析計を示す。
【図４Ｂ】図４Ｂは、出願人の教示の例示的実施形態に従う、代替構造電極実施形態を示す。
【図４Ｃ】図４Ｃは、出願人の教示の例示的実施形態に従う、電極の端に重複する絶縁スペーサーを有する、フィルターの側面断面図を示す。
【図４Ｄ】図４Ｄは、出願人の教示の例示的実施形態に従う、スプレーの先端に至る分離チャネルに供給する試料容器を有するエレクトロスプレーヘッドを示す。
【図５Ａ】図５Ａは、出願人の教示の例示的実施形態に従う、イオン脱溶媒和のための対称ＡＣ無線周波数電界を示す。
【図５Ｂ】図５Ｂは、出願人の教示の例示的実施形態に従う、ＦＡＩＭＳデバイスに統合される脱溶媒和領域を示す。
【図６】図６は、質量分析計に接続される先行技術の円筒状ＦＡＩＭＳを示す。
【図７Ａ】図７Ａおよび７Ｂは、出願人の教示の例示的実施形態に従う、改善された円筒状ＦＡＩＭＳデバイスを示す。
【図７Ｂ】図７Ａおよび７Ｂは、出願人の教示の例示的実施形態に従う、改善された円筒状ＦＡＩＭＳデバイスを示す。
【図８】図８は、出願人の教示の例示的実施形態に従う、エレクトロスプレー載置タワーを示す。
【図９Ａ】図９Ａは、出願人の教示の例示的実施形態に従う、ガイド電極と協働するエレクトロスプレーヘッドを示す。
【図９Ｂ】図９Ｂは、出願人の教示の例示的実施形態に従う、ガイド電極と協働するエレクトロスプレーヘッドを示す。
【図１０Ａ】図１０Ａは、出願人の教示の例示的実施形態に従う、制御システムを示す。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、出願人の教示の例示的実施形態に従う、制御システムを示す。
【図１１Ａ】図１１Ａは、出願人の教示の例示的実施形態に従う、チップレセプタクルを示す。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、出願人の教示の例示的実施形態に従う、質量分析計と連動するチップレセプタクルを示す。
【図１２】図１２Ａおよび１２Ｂは、出願人の教示の例示的実施形態に従う、平面ＦＡＩＭＳを示す。図１２Ｃおよび１２Ｄは、先行技術の円筒状ＦＡＩＭＳデバイスを示す。
【図１３Ａ】図１３Ａおよび１３Ｂは、出願人の教示の例示的実施形態に従う、上基板のオリフィスを通って上から、または側面からのいずれかで、イオン領域内に挿入されるエレクトロスプレーの先端を示す。
【図１３Ｂ】図１３Ａおよび１３Ｂは、出願人の教示の例示的実施形態に従う、上基板のオリフィスを通って上から、または側面からのいずれかで、イオン領域内に挿入されるエレクトロスプレーの先端を示す。
【図１４Ａ】図１４Ａおよび１４Ｂは、出願人の教示の例示的実施形態に従う、縦電界駆動実施形態を示す。
【図１４Ｂ】図１４Ａおよび１４Ｂは、出願人の教示の例示的実施形態に従う、縦電界駆動実施形態を示す。
【図１５Ａ】図１５Ａおよび１５Ｂは、出願人の教示の例示的実施形態に従う、分割ガス流の実施形態を示す。
【図１５Ｂ】図１５Ａおよび１５Ｂは、出願人の教示の例示的実施形態に従う、分割ガス流の実施形態を示す。
【図１６】図１６は、出願人の教示の例示的実施形態に従う、デュアルチャネルの実施形態を示す。
【図１７】図１７は、出願人の教示の例示的実施形態に従う、異なるイオン化源の相補電圧に対するケトンの依存を示す。
【図１８】図１８は、出願人の教示の例示的実施形態に従う、デュアルチャネルの実施形態を示す。
【図１９】図１９は、出願人の教示の例示的実施形態に従う、検出スペクトルを示す。
【図２０】図２０は、出願人の教示の例示的実施形態に従う、イオン集束アセンブリを含む、イオン移動度に基づく分析システムを示す。
【図２１】図２１は、出願人の教示の例示的実施形態に従う、デュアルチャネル移動度分光分析計を含む、試料分析システムを示す。
【図２２】図２２は、出願人の教示の例示的実施形態に従う、デュアルチャネルシステムのブロック図を示す。
【図２３Ａ】図２３Ａ〜２３Ｃは、出願人の教示の例示的実施形態に従う、イオン移動度フィルターのイオン強度と相補電圧とのプロットを示す。
【図２３Ｂ】図２３Ａ〜２３Ｃは、出願人の教示の例示的実施形態に従う、イオン移動度フィルターのイオン強度と相補電圧とのプロットを示す。
【図２３Ｃ】図２３Ａ〜２３Ｃは、出願人の教示の例示的実施形態に従う、イオン移動度フィルターのイオン強度と相補電圧とのプロットを示す。
【図２４Ａ】図２４Ａ〜２４Ｃは、出願人の教示の例示的実施形態に従って、偏向器電極が正および負に偏向される場合、トルエンおよびＳＦ６のイオン移動度フィルターにおける第１のチャネルから第２のチャネルへの移動の係数を図示するプロットを示す。
【図２４Ｂ】図２４Ａ〜２４Ｃは、出願人の教示の例示的実施形態に従って、偏向器電極が正および負に偏向される場合、トルエンおよびＳＦ６のイオン移動度フィルターにおける第１のチャネルから第２のチャネルへの移動の係数を図示するプロットを示す。
【図２４Ｃ】図２４Ａ〜２４Ｃは、出願人の教示の例示的実施形態に従って、偏向器電極が正および負に偏向される場合、トルエンおよびＳＦ６のイオン移動度フィルターにおける第１のチャネルから第２のチャネルへの移動の係数を図示するプロットを示す。
【図２５】図２５は、ＭＳの高フロー消費を利用する、典型的な先行技術のＤＭＳ−ＭＳシステムを示す。
【図２６】図２６は、出願人の教示の例示的実施形態に従って、ＭＳの低流量大気圧インターフェースを支持するＤＭＳ前置フィルターを含む、ＤＭＳ−ＭＳシステムを示す。
【図２７】図２７は、出願人の教示の例示的実施形態に従う、イオン集束アセンブリを含む、ＤＭＳ−ＭＳシステムを示す。
【図２８】図２８は、出願人の教示の例示的実施形態に従う、低動力吸入ポンプを含む、ＤＭＳ−ＭＳシステムを示す。
【図２９】図２９は、出願人の教示の例示的実施形態に従う、ＤＭＳ流からのライン外に位置したＭＳインターフェースおよびオリフィスを含む、ＤＭＳ−ＭＳシステムを示す。
【図３０Ａ】図３０Ａ〜３０Ｃは、出願人の教示の例示的実施形態に従う、イオン集束アセンブリの例を示す。
【図３０Ｂ】図３０Ａ〜３０Ｃは、出願人の教示の例示的実施形態に従う、イオン集束アセンブリの例を示す。
【図３０Ｃ】図３０Ａ〜３０Ｃは、出願人の教示の例示的実施形態に従う、イオン集束アセンブリの例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４９】
出願人の教示に関する好適な実施形態の説明は、以下のとおりである。
【００５０】
出願人の教示は、好ましくは、高電界非対称波形イオン移動度分光分析によって可能となる、液体試料中の化合物を分析するための方法および装置を提供する。
【００５１】
図２に示される出願人の教示に関する例示的実施形態において、化学センサーシステム１０は、試料調製区画１０Ａと、フィルター区画１０Ｂと、出力区画１０Ｃとを含む。実際に、液体試料Ｓは、試料調製区画１０Ａにおいてイオン化され、次に形成されたイオンがフィルター区画１０Ｂを通過およびフィルタリングさせられ、フィルター区画を通過するイオンは、検出のために出力区画１０Ｃに送達される。液体試料調製区画１０Ａ、フィルター区画１０Ｂ、および出力区画１０Ｃは、コントローラ区画１０Ｄの制御および指示下で作動する。好ましくは、コントローラ区画１０Ｄは、システム１０の動作を制御し、検出データＤを評価および報告する。
【００５２】
出願人の教示に関する好適な実施形態において、液体試料調製区画１０Ａは、液体試料Ｓを受容、調整、およびイオン化するエレクトロスプレーヘッドを含む。これは、区画１０Ｂにおいて、好適な平面高電界非対称イオン移動度分析計（ＰＦＡＩＭＳ）フィルターに輸送され、後者は、送達されたイオンをフィルタリングし、関心のイオン種を出力区画１０Ｃに通過させる。出願人の教示に関する種々の実施形態において、出力区画１０Ｃにおける機能は、イオン種の即時検出、またはそこでのイオン種の検出のための質量分析計（ＭＳ）等の別の構成要素へのイオンの輸送を含んでもよく、検出されたイオン種を示すデータＤの読取値を使用できる。
【００５３】
当業者に理解されるように、平坦な表面を有するＦＡＩＭＳフィルターは、出願人の教示に関する実施形態において好適であるが、出願人の教示に関する実施形態は、フィルター、検出器、流路、電極等を含む、非平面部分および表面によって作動可能である。本明細書におけるＰＦＡＩＭＳの説明は、例示を目的とするものであり、限定ではない。
【００５４】
図３Ａ、３Ｂの実施形態において、液体試料調製区画１０Ａは、液体試料Ｓを受領するためのチャンバ１４を有する、エレクトロスプレー試料イオン化源またはヘッド１２を含む。出願人の教示の実践において、液体試料Ｓは、溶媒Ｘ中に、バイオ化合物、例えば、化合物ＡおよびＢを含有してもよい。出願人の教示は、液体試料中の化合物の１つまたは複数を識別することに努める。
【００５５】
区画１０Ａのエレクトロスプレーデバイスの実践において、高電圧電位１８は、コントローラ１０Ｄによって、エレクトロスプレーヘッド１２のチャンバ１４内の液体試料Ｓに印加される。コントローラ１０Ｄによって駆動される、エレクトロスプレーの先端２０と誘引電極２２における液体試料Ｓとの間の電位差異は、イオン領域２３において、試料Ｓの溶媒Ｘ中の化合物Ａ、Ｂをイオン化する。これは、化合物ＡおよびＢを表すイオン２４および２６、ならびに溶媒分子２８を形成する。好適な実施形態において、イオンおよび溶媒は、流路３０に沿って、ＰＦＡＩＭＳイオンフィルター４０の平行フィルター電極４４、４６の間のフィルター区画１０Ｂの中に駆動されるか、または引き込まれる。
【００５６】
ＰＦＡＩＭＳフィルターデバイス４０におけるフィルタリングは、特にイオンサイズおよび形状の影響を受ける、イオン移動度の差異に基づく。これは、特徴に基づくイオン種の分離を可能にする。出願人の教示の一実践において、高強度非対称波形無線周波数（ＲＦ）信号４８およびＤＣ補償信号５０は、コントローラ１０Ｄ内のＲＦ／ＤＣ生成器回路によって、フィルター電極４４、４６に印加される。非対称電界は、高電界強度条件と低電界強度条件との間で交代し、それらの移動度に従って、電界に応答してイオンを移動させる。通常、電界内の移動度は、低電界のそれとは異なる。この移動度の差異は、イオンがフィルター電極間のフィルターを通って縦方向に移動すると、イオンの正味横方向移動をもたらす。補償偏向信号の不在下、これらのイオンは、フィルター電極の１つに衝突し、中和される。選択された補償偏向信号５０（または他の補償）の存在下、特定のイオン種は、流路の中心に向かって戻され、フィルターを通過する。したがって、補償された非対称ＲＦ信号４８の存在下、それらの種に従うイオンの相互からの分離を達成することができる。非選択種は、電極に衝突して中和され、関心の種は、フィルターを通過する。データおよびシステムコントローラ１０Ｄは、どのイオン種がフィルターを通過するかを選択するために、フィルター電極４４、４６に印加される信号４８、５０を規制する。
【００５７】
当然のことながら、ＰＦＡＩＭＳフィルター４０を用いて達成され得るような化合物ＡおよびＢのいずれか、または両方の不明瞭な識別が得られるように、イオン２４および２６を単離することが望ましい。ＰＦＡＩＭＳフィルター４０は、イオンＡとＢとをそれらの移動度に基づいて区別し、原則として、コントローラ１０Ｄによって適用される補償に従って、出力区画１０Ｃにおける検出のために一方または他方のみが提示されるようにする。例えば、イオン２４は、図３Ａ、３Ｂにおいて、フィルター４０を通過するイオン２４’として示される。
【００５８】
図３Ａ、３Ｂを再度参照して、出力区画１０Ｃは、検出器電極７０、７２を備える検出器６９を含む。コントローラ１０Ｄは、フィルター４０を通過するイオンの指標として、電極７０、７２上の電流を測定する。これらの電極は、コントローラ１０Ｄからの偏向信号７１、７３による電位に保持される。フィルター４０を通過したイオン２４’は、電極の極性および検出器電極上の制御信号７１、７３に応じて、コントローラ１０Ｄの制御下、検出器電極７０、７２上にそれらの電荷を課する。さらに、補償（すなわち、バイアス電圧）を一掃することによって、試料Ｓ中のイオン種の完全スペクトルを検出することができる。
【００５９】
コントローラ１０Ｄの精密な制御によって、異なる動作レジームを選択することが可能であり、結果として、関心のイオン種のフィルタリングを標的とすることができる。出願人の教示に関する一実施形態の実践において、非対称電気信号４８は、補償バイアス電圧５０と併せて印加され、結果として、フィルターは、電子コントローラ１０Ｄによって制御されるように、望ましいイオン種を通過させる。同様に、既定の電圧範囲を超えるバイアス電圧５０を一掃することによって、試料Ｓ中のイオン種の完全スペクトルを達成することができる。
【００６０】
別の実施形態において、非対称電気信号は、望ましいイオン種の通過を可能にし、補償は、バイアス電圧を相殺する必要なく、再度、電子コントローラによって供給される制御信号の指示下で、非対称電気信号の負荷サイクルを変化させる形態である。これらの特徴によって、装置を調整することもでき、すなわち、イオン種をフィルタリングするように調整して、望ましい選択種のみを検出器に通過させることができる。
【００６１】
出願人の教示に関するさらなる利点は、フィルターが、同様の移動度を有するが、曲線の異なる複数のイオン種を通過させることができ、それらを同時に検出できることである。各検出器電極７０、７２が異なる極性で保持される場合、次に、フィルターを通過する複数のイオン種（同様の移動度を有するが、極性が異なる）は、同時に検出され得る。検出されたイオンを、適用された制御信号４８、５０および電位バイアス信号７１、７３と相関させて、図２のデータＤにおいて示される検出イオンの種を決定する。
【００６２】
この多機能性は、図３Ａに示されるような出力区画１０Ｃを参照することによってさらに理解されてもよく、上部電極７０は、フィルター４０を通過する関心のイオンと同一の極性で、既定の電圧で保持されるが、下部電極７２は、別のレベル、恐らく地面で保持される。上部電極７０は、検出のための電極７２に対して下方にイオン２４’を偏向する。しかしながら、いずれかの電極は、イオン負荷および極性、ならびに電極に印加される信号に応じて、イオンを検出してもよい。したがって、同様の移動度を有するが、極性の異なる、フィルターを通過する複数のイオン種は、上部電極７０を第１の検出器として使用し、下部電極７２を第２の検出器として使用することによって、かつコントローラ１０Ｄの２つの異なる検出器回路を使用して、同時に検出することができ、したがって、２つの異なる出力が放出される。したがって、検出器６９は、ＰＦＡＩＭＳフィルター４０を通る複数の種、例えば、炭化水素ガスバックグラウンドに硫黄を含む、ガス試料等を同時に検出し得る。
【００６３】
電子コントローラ１０Ｄは、制御電子信号をシステム１０に供給する。制御回路は搭載されていてもされていなくてもよく、ＰＦＡＩＭＳデバイスは、制御回路１０Ｄに接続する、図４Ａに示されるリードおよび接触パッドを少なくとも備える、制御部分を有する。コントローラからの信号は、そのような接続を介して、フィルター電極に印加される。
【００６４】
図４Ａの実施形態において、ＰＦＡＩＭＳシステム１０は、その上に形成された（金等の）フィルター電極４４、４６とともに、間隙された絶縁基板５２、５４（例えば、Ｐｙｒｅｘ（登録商標）ガラス、セラミック、樹脂等）を有する分析計チップ１００を含む。基板５２、５４は、それらの間にドリフト管２９および流路３０を定義し、したがって、筐体機能を果たす。好ましくは、基板は、絶縁しているか、または電極の絶縁載置のための表面６０、６２を有する。電極４４、４６は、イオンフィルター４０を形成し、流路３０全体で相互に面するこれらの絶縁表面６０、６２上に載置されたフィルター電極を有する。
【００６５】
図４Ａ、４Ｂ、４Ｃに示されるように、基板５２、５４は、スペーサー５３、５５によって分離され、スペーサは、絶縁であり、セラミック、樹脂、テフロン（登録商標）等から形成され得るか、またはシリコンウエハーをエッチングもしくはダイシングすることによって、あるいは例えば、基板５２、５４の拡張を形成することによって形成されてもよい。スペーサーの厚みは、電極４４、４６を担持する基板５２、５４の表面間の距離「Ｄ」を定義する。図４Ａの一実施形態において、シリコンスペーサーは、電極５３’、５５’として使用することができ、拘束電圧は、コントローラ１０Ｄによってシリコンスペーサー電極に印加され、フィルタリングされたイオンを流路の中心に拘束する。この拘束によって、より多くのイオンが検出器に衝突することができ、次に検出を向上させる。
【００６６】
図４Ｂに示される出願人の教示に関するさらなる代替実施形態において、代替構造電極４４ｘ、４６ｘは、基板５２、５４の代わりになり、それらは載置され、スペーサー５３、５５を絶縁することによって分離されて、その内部に流路３０を形成する。流路の一端において、試料調製区画１０Ａは、イオンをフィルター区画１０Ｂに供給し、他端において、フィルタリングされたイオンを出力区画１０Ｃに通過させる。基板が構造機能を果たし、筐体を形成するのと同様に、構造電極４４ｘ、４６ｘも電極でありながら筐体の機能を果たす。基板に関して、これらの電極の外面は、平面であってもなくてもよく、絶縁表面６１によって被覆されてもよい。
【００６７】
側断面図で示される、図４Ｃの実施形態において、絶縁スペーサー５３、５５は、フィルター電極４４、４６の端４４ｆ、４６ｆと重複する。これは、流路（すなわち、ドリフト管）２９を流れるイオンが、電極端４４ｆ、４６ｆから離れて、フィルター電極４４と４６との間の均一横電界の領域に拘束されることを保証し、ここで非均一フリンジ電界「ｆ」が存在する。さらなる利点は、すべてのイオンが強制的にフィルター電極間を通過し、その均一な電界に供されることである。
【００６８】
図３Ａに戻り、動作中、イオン２４、２６は、フィルター４０に流れ込む。いくつかのイオンは、フィルター電極４４、４６と衝突すると中和される。これらの中和されたイオンは、一般に搬送ガスによってパージされる。パージは、例えば、流路３０を加熱することによって、例えば、電流を適切に構成されたフィルター電極（例えば、図３Ｄに示されるサーペンタイン４４’、４６’）に印加するか、または抵抗スペーサー電極に印加することによって達成することもできる。図４Ａのスペーサー電極５３、５５は、抵抗材料で形成することができ、したがって、加熱可能な電極５３ｒ、５５ｒとして使用することができる。
【００６９】
イオン２４は、図３Ａの出力区画１０Ｃに通過される。排気口４２は、分子２８を通過したイオン２４から排出するために提供される。このイオン２４の単離は、検出機能を容易にし、より正確な化学分析を可能にする。しかし、この予防措置をもってしても、いくつかの溶媒分子は、関心のイオン２４に付着したままであり得る。したがって、好適な実施形態において、例えば２４および２６等のイオンをフィルタリングする前に脱溶媒和するための装置が提供される。脱溶媒和は、加熱によって達成されてもよい。例えば、電極４４、４６、５３ｒ、５５ｒのいずれかは、コントローラ１０Ｄによってそこに適用されるヒーター信号を有し得る。別の実施形態において、流入ガス流は、図３Ｂに示されるように、ヒーター素子８９によって加熱されてもよい。
【００７０】
当業者には当然のことながら、エレクトロスプレーされたイオンの脱溶媒和または「乾燥」が、エレクトロスプレー過程の重要な部分である。エレクトロスプレーの先端から最初にイオンが発射される場合、それは、イオンをコーティングする多量の溶媒を有する液滴の形態である。空気を通ってカウンター電極に向かって移動するにつれて、溶媒が蒸発し、最終的に、脱溶媒和されたイオンを残し、次にそれらを分析することができる。分析前の不完全な脱溶媒和は、分析を曲解し得る。さらに、他の何らかの支援なしに、イオンを十分に溶媒和できるようにするには、長いイオン移動距離を必要とし得る。したがって、この脱溶媒和は、出願人の教示の実践において有益であることが理解されるであろう。
【００７１】
出願人の教示に関する別の実施形態において、対称ＲＦ電界を使用して、分析前にエレクトロスプレーにおいて生成されたイオンの脱溶媒和を強化する。図５Ａ、５Ｂに示されるように、キャリアガス流に垂直に適応される対称無線周波電界によって、エレクトロスプレー過程において、対称に振動するようにイオンを生成させ、それらがドリフト管を下るにつれて加熱され、この信号からの正味偏向なしに、イオンが脱溶媒和されるようにする。
【００７２】
より具体的に、イオンと中性分子との相互作用は、それらの有効温度を上昇させ、それらの脱溶媒和を強化する。それらの振動中、イオンは中和空気分子に影響を与え、それらの内部温度を上昇させる。イオンの内部温度の上昇は、溶媒の蒸発を強化し、脱溶媒和された電荷イオンを実現するための時間を短縮する。この作用は、比較的短いドリフト管にわたって脱溶媒和が行われるようにする。脱溶媒和は、より正確な検出データをもたらし、上記アプローチは、出願人の教示のＰＦＡＩＭＳフィルターと容易に統合される。
【００７３】
脱溶媒和電界は、間に間隙を有し、相互に平行に構成された２つの電極間に電圧を印加することによって生成することができる。例えば、電極対４４、４６および５３、５５のいずれかを、コントローラ１０Ｄの制御下、この機能に使用してもよい。好ましくは、図３Ｂに示されるように、個別の脱溶媒和電極７７、７９をこの機能に使用してもよい。
【００７４】
出願人の教示に関するさらなる実施形態において、微小エレクトロスプレーヘッド８０は、図３Ｂおよび３Ｂ１に概略的に示される、基板５２に載置される。電極８２、８４、８６、８８は、基板５２の反対側に形成され、エレクトロスプレーイオン２４、２６をドリフト管２９内の流路３０のイオン領域２３にガイドする。誘引電極２２は、電位をそこに印加し、イオン２４、２６をイオン領域２３に誘引する。キャリアガス流９０は、イオン２４、２６を捕捉し、既述のフィルタリング機能のためにそれらをフィルター４０に搬送するために望ましい流量で設定される。ガス排気９１は、キャリアガス９０を含み、非イオン化成分および中和イオンを運び出す。
【００７５】
電極２２、８２、８４、８６、８８、および脱溶媒和電極７７、７９にも印加される電位は、相互およびフィルター電極４４、４６から独立して設定および制御することができる。例えば、これは有利に、アトラクター電極２２が、あらゆる他の電極、例えば、隣接するフィルター電極４６とは異なる信号で駆動されるようにする。これは、基板の絶縁表面の提供によって特に促進され、電極単離は、フィルター駆動要件とは独立してイオン導入の最適化を可能にする。
【００７６】
この構成は、ガイド電極８２、８４、８６、８８およびアトラクター電極２２が、パルスモードで個々に操作される（例えば、スイッチオンオフされる）ようにすることもできる。このモードで、選択量のイオンをイオン領域２３に導入することができる。これらのイオンが、例えば、オリフィスから検出器７２に移動する時間は、「飛行時間」（「ＴＯＦ」）ＦＡＩＭＳモードの操作で使用することができる。このモードで、飛行時間は、イオン種に随伴し、したがって、種識別に対する追加の情報を提供する。これは、円筒状ＦＡＩＭＳデバイスの改善をもたらす。
【００７７】
ＩＭＳの技術分野において熟練する者に理解されるように、このＴＯＦは、ＩＭＳデバイスにおいて実践される飛行時間の類似であるが、現在はＦＡＩＭＳ構造内で実践されていない。したがって、この新しい発明は、１つの操作装置においてＩＭＳおよびＦＡＩＭＳ検出データの両方を提供し、ＦＡＩＭＳおよびＩＭＳデータの組み合わせは、より良い検出結果をもたらし得る。
【００７８】
例えば、図３Ａ−３Ｂ、４Ａ−４Ｂに示される好適な実施形態において、筐体６４は、基板５２、５４によって形成され、入力部分１０Ａからイオンフィルター１０Ｂを通って、出力部分１０Ｃまで延長して定義された内部流路３０を有する。より具体的に、基板５２、５４は、作業表面６０、６２を提示し、そこで電極の形成を支持する。これらの表面６０、６２は、例えば、ガラスまたはセラミック基板を使用して形成される場合、湾曲または平面であってもよく、好ましくは絶縁している（または絶縁されてもよい）。これは、マイクロエレクトロメカニカルシステム（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ（ＭＥＭＳ））またはマルチ−チップモジュール（Ｍｕｌｔｉ−Ｃｈｉｐ  Ｍｏｄｕｌｅ（ＭＣＭ））、もしくは他の過程等の大量生産技術に役立ち、極小パッケージおよび小電極サイズをもたらす。そのように、イオンフィルターは、好ましくは、その間に定義された流路３０を有する表面フィルター電極４４、４６によって、これらの絶縁表面上で定義され、次に基板の絶縁表面は、次に、騒音を低減し、性能を向上させるために、制御信号４８、５０をフィルター電極において検出器電極７０、７２から単離する。これは、参照することにより本明細書に組み込まれる、第５，４２０，４２４号に記載されるような従来の先行技術ＦＡＩＭＳ装置の外部シリンダーの拡張導電領域とは異なる。
【００７９】
幾何学的および物理学的考慮に起因して、先行技術の円筒状設計におけるイオンは、ドリフト管断面に分布し、したがって、わずかなイオンのみが、質量分析計入口９６付近の領域Ｒにおいて使用できることがさらに理解されるであろう。図６に示される円筒状ＦＡＩＭＳの先行技術構成において（参照することにより本明細書に組み込まれる、国際公開第ＰＣＴ／ＣＡ９９／００７１５号を参照）、イオンを質量分析計入口９６への追加送達を可能にすることによって、この短所を克服する試みが行われる。しかしながら、中和試料分子はまた、試料イオン２４と中性分子、例えば、溶媒分子２８との間に分離がないため、質量分析計入口９６に進入できるようにする。これは、質量分析計において著しく複雑なスペクトル、および解像度の劣化をもたらす。
【００８０】
出願人の教示は、例えば、図３Ｂの構成におけるこれらの短所を克服する。出願人の教示の実践において、検出器領域６９に進入するイオン２４のすべては、視覚的に、質量分析計入口９６に集束される。これは、特に、イオンが単にＭＳ入口でなく、流路環境全体に分布する、円筒状ＦＡＩＭＳデバイスと比較して、検出の効率の劇的な増加、およびシステムの感度の向上をもたらす。
【００８１】
さらに、図７Ａに示される出願人の教示の新しい円筒状設計を参照して、エレクトロスプレーの先端２０は、アトラクター電極２２’の誘引下、外部電極４４Ｃのオリフィス３１’を介して、フローチャネル３０’に試料を注入し、試料は、ガスＧのフローによって、フィルター区画１０Ｂ’に向かって搬送される。アトラクター電極は、内部電極４６Ｃに隣接して形成されるが、絶縁体ストリップＩｎ１、Ｉｎ２によって電気的に単離される。したがって、アトラクター電極は、隣接する電極、例えば、４６Ｃから分離して、独立して偏向することができる。この実施形態はまた、部品数を減少させる一方で、機能的および構造的コンポーネントを組み合わせ、例えば、内部シリンダーコンポーネントを、例えば、絶縁層Ｉｎ１、Ｉｎ２の結合機能を介して、一緒に噛合させることができる。
【００８２】
図７Ｂに示される代替実施形態において、アトラクター電極２２”は、外部リング電極４４Ｃ”に隣接して形成され、絶縁リングＩｎ３によってそこから絶縁される。エレクトロスプレーの先端２０は、個別の電極であり得るか、または内部電極４６Ｃ’の延長であり得る、リング４６Ｃ”の内部に側方から試料Ｓを導入し、アトラクター電極２２”の誘引下で、試料は、フィルター区画１０Ｂ”のフローチャネル３０”におけるガスＧによって搬送される。再度、電極２２”は、絶縁器Ｉｎ３によって電極４４Ｃ’から単離され、したがって、電極は、独立して駆動可能である。
【００８３】
図８に示される出願人の教示に関するさらなる実施形態において、基板５２に取り付けられたエレクトロスプレーアセンブリ８０”は、エレクトロスプレーヘッド１２を含む。イオンは、電極「Ｆ」（本実施形態では３つ）をオリフィス３１に向かってガイドすることによって搬送され、誘引電極２２およびガイド電極、例えば、８２、８４および／または８６、８８によってイオン領域２３に誘引される。
【００８４】
好ましくは、個別のＤＣバイアス「ＤＣ」は、各ガイド電極に印加され、イオンをイオン領域２３に向けてガイドする電位勾配を形成する。ガイド電極は、対称ＲＦ信号「ＤＳ」を適用することによってさらなる機能に使用して、前述されるように、脱溶媒和を強化することができる。
【００８５】
洗浄ガスＧは、ポートＰ１において導入され、脱溶媒和をさらに強化する。このガス流は、チャンバ９３内のガイドイオンに対向し、ポートＰ２、Ｐ３から排気される。好ましくは、これは、オリフィス３１全体に圧力勾配を用いることなく作動する。
【００８６】
スプレー条件を改善するために、先端２０と上部ガイド電極Ｆ１との間の分離２０Ｓは、出願人の教示の実践において調整することができる。一実践において、筐体１２ａａの位置は、ベースＢに対して調整することができ、次に、分離２０Ｓを調整する。代替例において、ヘッド１２の高さは、電極Ｆ１に対して調整することができる。
【００８７】
代替実施形態において、図９Ａおよび９Ｂに示されるように、間隙を介したガイド電極Ｆ（図９Ａ）またはＦ１、Ｆ２、Ｆ３（図９Ｂ）は、カーテンガス流ＣＧに浸漬される。このフローは、筐体Ｈ１内に拘束されないか、または含有されてもよい。エレクトロスプレーヘッド１２は、マウントＭ１において調整可能に載置され、その送達角度は、基板５２の表面に対して調整することができる。さらに、その高さは、基板に対して調整することができる。
【００８８】
図４Ａを再度参照して、試料容器９２は、液体試料Ｓを受容し、次に液体試料Ｓは、上記のとおりイオン化およびフィルタリングされる。そのような実施形態において、単一の分析計チップ１００は、イオン化源、例えば、マイクロ流体エレクトロスプレーモジュール８０’の一部、および平面高電界非対称波形イオン移動度フィルター４０の両方を統合する。内部検出器が含まれてもよいか、または検出のためにイオンが出力される。種々の微細加工マイクロ流体コンポーネントは、イオン源として、またはエレクトロスプレー、ナノエレクトロスプレー、液体クロマトグラフィー、電気泳動分離を含む、それらの組み合わせとして使用されてもよい。
【００８９】
別の実施形態において、図４Ａのエレクトロスプレーヘッド８０’は、（好ましくは、陽極結合またはろう着によって）基板５２に取り付けられてもよい。ガイド電極８２および８４は、本実施形態において必要とされない。
【００９０】
図４Ｄの実施形態において、マイクロ流体エレクトロスプレーモジュール８０’は、先端オリフィス２０’に次いで先端２０に至る長いサーペンタイン分離チャネル９２ａに供給する、試料容器９２を含む。チャネル９２ａは、先端２０におけるイオン化に先行して、試料中の組成物を調整または分離するための、液体クロマトグラフィーまたは電気泳動分離器等であってもよい。
【００９１】
そのようなチップ１００の動機は、マイクロ流体モジュールの有無に関わらず、試料調製および分析における変動性を排除することであり、これは、ヒトの相互作用を減少し、すべての主要コンポーネントを単一構造に統合するデバイスを提供することによって達成される。これらのチップ１００は、低製造コストをもたらし、結果として、使い捨てることができる。各試料分析に新しいチップを使用することは、試料から試料への二次汚染を排除する。さらに、ヒトの介入の減少によって、試料調製時間が減少する。従来の配置において、エレクトロスプレーの先端またはマイクロ流体コンポーネントの位置は、あらゆるフィルターまたは質量分析計の入口に対して、毎回再調整されなければならない。これは、時間と費用を増大させる。出願人の教示の統合マイクロ流体チップ／ＰＦＡＩＭＳ装置を用いて、マイクロ流体コンポーネントおよびＰＦＡＩＭＳ入口の相対位置を固定する。分析が完了すると、全体チップを簡単に廃棄し、新しいチップを分析対象で質量分析計に載置される可能性のある試料とともに搭載される。これは、著しく速い分析時間および高いスループットを可能にする。
【００９２】
図１０Ａに示される、出願人の教示の例示的実施形態において、コントローラ１０Ｄは、エレクトロスプレーコントローラ１０Ｄ１、ＲＦ非対称駆動信号およびＤＣ制御バイアスをフィルター電極４４、４６に印加するための高電圧ＲＦ波形＆ＤＣ生成器１０Ｄ３と連動する波形生成器（合成器）１０Ｄ２、および検出器電極上のイオンを検出するための検出エレクトロニクス１０Ｄ４を含む、いくつかのサブシステムを含む。コンピュータ１０Ｄ５は、データを収集し、システムを制御する。一実施形態において、ＲＦ電界は、高電圧パルスを急速に生成するためにフライバック変圧器を組み込むソフトスイッチ半共鳴回路によって、生成器１０Ｄ３内で生成される。回路は、約１０〜７０％の負荷サイクルで、約１００ＫＨｚ〜４ＭＨｚの周波数で、少なくとも１４００ボルトのピーク対ピークＲＦ電圧を提供する。フィルター電極を駆動するための試料ＲＦ波形は、図１０Ｂに示されるが、その変型例もまた出願人の教示の実践内である。
【００９３】
好ましくは、チップ１００は、チップ受容器アセンブリ２２０に挿入される。アセンブリ２２０は、チップを受容するためのソケット２２２を含む。ソケットは、コントローラ１０Ｄに電気的に接続される。チップ受容器２２０の好適な実施形態は、図１１Ｂに示されるように、化学センサーシステム１０を質量分析計ＭＳ９８に結合するというさらなる機能を果たす。チップ受容器アセンブリ２２０は、システム１０の出口オリフィス９９が、オリフィス９９ｘを介して、ＭＳオリフィス入口９６と連携するように、質量分析計の表面２２４に固定され、それによって、イオン２４’は、検出および分析のためにＭＳに配向される。
【００９４】
フィルター４０を通過するイオン２４の検出は、図３Ａの検出器電極７０、７２と併せて上述されるように形成されてもよい。代替実施形態は、図３Ｂに示され、電極７０は、ここで偏向器電極として使用され、イオンを質量分析計９８の吸入口９６に向かってイオン２４’を偏向させる。イオンは、電極７２ａ、７２ｂを集束することによってガイドまたは集束され、基板５４’のオリフィス９９および載置アダプター１０２を介してプレナムガスチャンバ１０１を通過する。チャンバ１０１への低流量プレナムガスを提供することは、中和された試料イオンまたは溶媒分子が、質量分析計の吸入口９６に進入することを防ぐ。質量分析計の吸入口に集束されるイオンは、次に、標準質量分析計手次に従って検出される。当然のことながら、プレナムチャンバ１０１は、本実施形態において有益に使用され得るが、図１１Ｂには示されない。
【００９５】
出願人の教示のアセンブリは、例えば、図３Ｂ、１１Ｂ、および１２Ａ〜１２Ｂに示されるように、（プレナムチャンバの有無に関わらず）質量分析計の入口９６に対して真直ぐに容易に載置することができる。偏向器電極（側方載置、図３Ｂまたは１２Ａ〜１２Ｂ）は、イオンのほぼ１００％が質量分析計に偏向されるのを可能にする。
【００９６】
この高効率は、質量分析計の入口９６に載置される、ドリフト管内の総イオンのほんのわずかが、それらを入口９６に推進する電界の影響を受け、結果として、先行技術において使用できるほんのわずかなイオンのみが検出される、図１２Ｃ〜１２Ｄに示される先行技術の円筒状設計とは対照的である。
【００９７】
ここで当然のことながら、出願人の教示の実践において、化学分析は、いくつかのイオン検出器を使用して行うことができる。図３Ａおよび４Ａの実施形態において、検出器は、全体がアセンブリ１０の内部にある。図３Ｂの実施形態において、アセンブリ１０は、アダプター１０２を介して、検出器としての質量分析計９８に密接に噛合される。図３Ｂの実施形態において、集束電極７２ａ、７２ｂ上の電流が監視される場合、次に、質量分析計９８の検出情報を処理するために、追加の検出器情報が入手可能である。集束電極７２ａ、７２ｂがない場合であっても、出願人の教示のＦＡＩＭＳスペクトルは、質量分析計における総イオン電流を監視することによって再構成することができる。
【００９８】
出願人の教示に関する代替実施形態は、図１３Ａ、１３Ｂに示され、エレクトロスプレーの先端２０は、上部基板５２’のオリフィス３１を通って上から（図１３Ａ）、または側方から（図１３Ｂ）イオン領域２３内に挿入された。アトラクター電極１０４、１０６は、それらがガス流９０内をフィルター電極４４、４６に向けて移動するにつれて、流路３０内のイオンを誘引およびガイドする。図１３Ａにおいて、エレクトロスプレーの先端２０からの液滴を、排水孔５４ｂとともに提供され得る容器５４ａに収集する。
【００９９】
イオンがイオンフィルターを通過した後、および出力区画１０Ｃに進入する前に、イオンを濃縮することが望ましい。これは、検出器における信号とノイズとの比を改善し、感度を向上させる。イオントラップまたはイオンウェルは、このようにイオンを収集し、それらを濃縮した後、濃縮イオンを一度に出力区画に送達することができる。中性端子は、イオントラップに収集されず、イオントラップＴからのガス流によって連続的に除去されている。
【０１００】
イオントラップは、例えば、図３Ａ、Ｂ、Ｃに示されるような出願人の教示の多数の実施形態に適用することができる。例示的実施形態は、図１３Ａに示され、イオントラップＴは、いくつかの適切な偏向電極対で形成される。一実施例として、正イオンの場合、電極は、最小電位が電極対７６ｂの領域内で形成され、電極対７６ａおよび７６ｃ上の電位が高くなるように偏向される。イオンは、トラップ内に蓄積することができ、所望の時間が経過した後、所望の数のイオンの収集をもたらし、トラップは、電極７６ａ、７６ｂ、７６ｃに印加される電圧を調整することによって開くことができる。トラップが開くと、トラップされたイオン２４’は、出力区画１０Ｃに流れ込む。
【０１０１】
上述される実施形態において、イオンフィルター４０は、間隙を置いた電極４４、４６を含み、これらは、イオンがドリフト管２９内のガス流９０によって推進されると、ＲＦおよびＤＣ生成器１０Ｄ３によって駆動される。図１４Ａ、１４Ｂの実施形態において、縦方向の電界によって駆動される出願人の教示に関する実施形態、ドリフト管２９内でイオンを運ぶ新規の方法が示される。
【０１０２】
図１４Ａ、１４Ｂの実施形態において、イオンは、電極１１０および１１２によって生成された縦電界を使用して、出力区画１０Ｃに向かって推進される。これらの実施形態は、極めて小型設計の簡素化されたガス流構造を特徴とし、ガス流は随意ですらある。
【０１０３】
一実施形態において、イオンは、実際にガス流１２２とは反対方向に移動し、電界ベクター１２０によって推進される。イオン移動方向とは反対のこのガス流は、試料イオンの脱溶媒和を強化する。また清潔なイオンフィルター４０を中性試料分子のない状態に維持する。これは、結果として、イオンクラスター形成のレベルを低下させ、より正確なイオン種の検出をもたらす。さらに、カウンターガス流を一掃し、イオン化領域２３における前の試料の記憶効果を低減する。この実施形態は、上からイオン領域２３内に挿入されるか、または図示されるように、側方載置される、統合エレクトロスプレー先端２０を含むことができる。
【０１０４】
図１４Ａ、１４Ｂの縦電界駆動実施形態において、イオン２４、２６は、ガス流１２２なしに、むしろ縦ＲＦ＆ＤＣ発電器１０Ｄ３’に沿って、一式の協働電極１１０、１１２によって生成される縦電界の作用によって伝達される。特定の電極バイアススキームにおいて、ＰＦＡＩＭＳの動作の実施例として、電極対１１０ａ〜ｈ、１１２ａ〜ｈのいくつか、またはすべてには同一のＲＦ電圧が印加されるが、縦電位勾配が形成されてイオンを検出器に向かって駆動するように、ＤＣ電位は段階的である。この実施形態は、ガス流なしに動作することができるか、または随意に、中性および溶媒分子を排気口１２４から排気する、排ガス流１２２を含むことができる。
【０１０５】
一実施例において、電極１１０、１１２ａは、１０ｖｄｃがそこに印加されていてもよく、次に電極１１０ｈ、１１２ｈには１００ｖｄｃが印加されていてもよい。ここで、領域１０Ａ内の負イオンは、電極対１１０ａ−１１２ａによって誘引され、さらに対１１０ｈ、１１２ｈによって誘引され、次にフィルターを通過した場合、それらの運動量によってそれらが検出器領域１０Ｃに運び込まれる。
【０１０６】
ＲＦおよび補償は、種々の電極１１０ａ〜ｈ、１１２ａ〜ｈに印加されてもよく、上記のように動作する。
【０１０７】
図１４Ａの別の実施形態において、エレクトロスプレーの先端は、オリフィス３１の上のイオン化領域２３（図示せず）の外側にあり得、電極１１２ｊは、  誘引電極として機能する。図１４Ｂの縦電界駆動実施形態において、イオンフィルターは、媒体１４０、１４２、例えば、低温酸化物材料を絶縁することによって、電極１３４、１３６から絶縁された間隙抵抗層１４４、１４６を含む。好ましくは、基板は絶縁している。抵抗層１４４、１４６は、好ましくは、絶縁層１４０、１４２上に蒸着されたセラミック材料である。ターミナル電極対１５０、１５２、１５４、１５６は、抵抗層と接触し、各抵抗層全体での電圧降下を可能にし、縦電界ベクトル１２０を生成する。電極１５０および１５４は、印加に従って偏向され、例えば、それらは１０００ボルトにおいてであってもよく、一方電極１５２および１５６は、ゼロボルトにおいてであり得る。
【０１０８】
図１４Ｂの実施形態が円筒状設計で実装される場合、次に電極１５０および１５４がリング電極を形成し、電極１５２および１５６がリング電極を形成し、抵抗層１４４、１４６がシリンダーを形成する。
【０１０９】
出願人の教示は、飛行時間型二次イオン移動度分析機能を示すこともできる。例えば、図１４Ａの実施形態において、電極１０４、１０６をパルスして、イオン化される先端２０から試料を引き込み、時間サイクルを開始する。電極１１０ａ〜ｈ、１１２ａ〜ｈを、それらの隣接に対して偏向し、生成された縦電界勾配によって、イオンが出力区画１０Ｃに向かって駆動されるようにする。カウンターガス流１２２を適用して、試料中性端子を一掃することができる。これらの電極の組み合わせを使用して、上述のイオントラップＴを形成することができる（図１３Ａを参照）。
【０１１０】
図１５Ａの分割ガス流実施形態において、エレクトロスプレーニードル１２は、基板５２を通してイオン領域２３に挿入されるが、図３Ａに示されるように、ドリフト管に外的に載置されてもよい。この設計におけるイオン流生成器は、流路３０の反対側に、複数の分割電極１６０、１６２を含み、縦電界Ｅを形成する。好適な実施形態において、１つまたは複数の個別の電極１６０’、１６２’は、ガス入口１７０の下流に配置され、ガスの分流を越えて、縦電界Ｅを拡張し、それによってフィルター４０へのイオン流が、ドリフトガス流層１７２によって運ばれるように保証する。
【０１１１】
図１５Ｂの実施形態において、質量分析計９８は、ドリフト管３０の端部に直接連結される。この設計の利点は、イオンフィルター４０が、分割ガス流によって、試料中性端子を含まない状態に保たれることである。これは、中性試料分子とイオンとのクラスターリングを防ぎ、これは、より高い検出精度をもたらす。中性端子Ｎを排出するための通気デバイス１０３は、中性端子をＭＳ吸気外に保つ。
【０１１２】
バッフル１７４を図示されるように配置し、ドリフトガスフロー流１７２の速度に対して、排ガスフロー流１７６の速度を規制してもよい。通常、ドリフトガスフロー流１７２は、排ガスフロー流１７６よりも高い速度である。しかしながら、ドリフトガスフロー流とは異なる速度の排ガスフロー流を形成するための他の手段は、出願人の教示の範囲内である。
【０１１３】
図１５Ａ、１５Ｂの実施形態において、単に大気試料中に引き込むためのポートであるか、またはエレクトロスプレー、ガスクロマトグラフ、液体クロマトグラフ等であるかに関わらず、種々の試料調製区画を使用することができる。何が使用されるかに関わらず、示される分割ガスの実施形態は、クラスター化を防ぐことができ、イオン種の良好な識別を可能にする。
【０１１４】
一般に、試料イオンは、単量体またはクラスター状態で見出される傾向がある。指定イオン種の単量体量とクラスター量との関係は、試料の濃度および特定の実験条件（例えば、湿度、温度、流量、ＲＦ電界の強度）から独立する。単量体およびクラスター状態はいずれも、化学識別に有用な情報を提供する。クラスター化を促進する状態、および単量体イオンのみの形成を促進する環境において、個別に同一の試料を調査することが有用となる。図１６に示されるような実施形態の平坦な２つのチャネルＰＦＡＩＭＳを使用して、これを達成することができる。
【０１１５】
図１６のデュアルチャネル実施形態において、第１のチャネル「Ｉ」は、イオン領域１９４内のドリフトガス流１９０中のイオン２４および分子２８の受領に関して示される。ＰＦＡＩＭＳフィルター電極４４、４６および検出器電極７０、７２も含まれる。
【０１１６】
単量体状態の試料イオンを調べるために、（電極１９８と２００との間の電界の作用によって）イオンをフロー流から抽出し、それらは、上部チャンバ「ＩＩ」に上流する。中性分子２８、通常、溶媒は、チャネル「Ｉ」を通って流れ続け、ドリフトガス排気口１９２から出る。エレクトロスプレーの先端２０と誘引電極１９１との間の電位差異は、基板５６のオリフィス１９６を通る、イオン領域１９４へのイオンを加速させる。第２のガス流２０２は、試料中性端子がチャンバ「ＩＩ」に進入するのを防ぎ、イオン２４をＰＦＡＩＭＳフィルター４０に搬送し（チャンバＩＩ内の電極４４、４６）、次に、通過したイオンは、例えば、図３Ａに示されるような検出器電極７０、７２または図３Ｂに示されるような質量分析計によって検出される。第２のガス流２０２は、フロー２０４として排出される。偏向およびアトラクター電極１９８、２００が励起されない場合、次に、試料イオンは、局所検出器電極７２および７０によって、チャンバ「Ｉ」においてクラスター状態で認めることができる。あるいは、電極１９８および２００を励起するか、励起しないことによって、著しく多くの情報を取得し、化学試料をより良好に識別することができる。
【０１１７】
図１７は、ブタノンからデカノンまでの、出願人の教示の一実践において得られる相同系のケトン試料を示す。図面から、同一の化学種の場合、クラスターイオン（上部プロット）は、単量体イオン（下部プロット）と比較して、極めて異なる補償信号を要することが明らかである。そのため、単量体およびクラスターピークのピーク位置の差異を観察することによって、化学化合物の識別レベルを著しく増加させることができる。例えば、ブタノンの場合、単量体状態でのピーク位置は、−９ボルト付近で起こるが、クラスターピークは、約ゼロである。デカノンの場合、例えば、単量体ピークは、ゼロ付近であるが、クラスターピークは、約＋４ボルトである。
【０１１８】
図１８に示される実施形態の動機は、実施形態１６のそれと同一である。このシステムにおいて、単量体状態とクラスター状態操作条件の切り替えは、カーテンガス流１９０ａおよび１９２ａの制御によって達成される。カーテンガスが適用されると、試料中性端子２８は、チャネル「ＩＩ」に進入するのを防ぎ、単量体状態のイオンを調査することができる。カーテンガス１９０ａおよび１９２ａは、同一方向で流れ、例えば、オリフィス１９６で排出されてもよい。一方、チャネル「ＩＩ」内のガス流は、図１６のシステムと同一の構成のままである。ガイド電極２０６および２０８は、イオンをチャネル「ＩＩ」にガイドするように含まれる。イオンをチャネル「ＩＩ」に誘引するために、誘引電極２００も使用される。カーテンガスがオフの場合、試料中性端子および試料イオンは、ポンプ２０４ａを使用してチャネル「ＩＩ」に引き込まれ得るため、クラスター状態のイオンが観察されてもよい。ガス流２０２および２０４が使用されてもよい。出力区画は、質量分析計に接続されてもよい。
【０１１９】
出願人の教示の適用において、高電界非対称イオン移動度フィルタリング技術は、高周波高電圧の波形を使用する。電界は、イオン輸送に対して垂直に印加され、平面構成を好む。この好適な平面構成は、ドリフト管を小寸法で、好ましくはマイクロマシニングによって、安価に製造されるのを可能にする。またエレクトロニクスを小型化することができ、推定される総電力は、４ワット（未加熱）以下、電界機器に適切なレベルであり得る。
【０１２０】
エレクトロスプレーおよびフィルタリングコンポーネントを組み合わせる新規の装置について説明した。マイクロマシン加工されたＰＦＡＩＭＳ−エレクトロスプレーインターフェースチップをさらに開示する。ＰＦＡＩＭＳ−エレクトロスプレーインターフェースチップは、エレクトロスプレー質量分析のすべての既存のバイオ分子フィルタリング法と比較して、固有の利点を提供する。同時に、このアプローチは、キャピラリー電気泳動等の多くの液中分離技術と併せて使用することができる。
【０１２１】
出願人の教示に関する実施形態の実践において、トリブチルアミンをＰＦＡＩＭＳフィルターおよび検出器にエレクトロスプレーした。溶媒中のアミンおよび溶媒溶離液単独に関して得られたスペクトルは、図１９に示される。溶離液単独の場合、実質的に反応はなく、アミンの場合に著しい反応がある。これは、出願人の教示に関する実践的な値および機能を証明する。
【０１２２】
出願人の教示は、改善された化学分析を小型の低コストパッケージで提供する。出願人の教示は、先行技術のＴＯＦ−ＩＭＳおよびＦＡＩＭＳデバイスのコスト、サイズ、または性能の限界を、小型の対応可能なパッケージのイオン移動度に基づく化学種区別のための新規の方法および装置で克服する。結果として、新規の平面、高電界非対称イオン移動度分析計デバイスは、エレクトロスプレーの先端と密接に結合され、新規クラスの化学センサー、すなわち、スタンドアロンデバイスとしてか、またはＭＳに連結されるかのいずれかを達成することができる。広範囲の化学化合物を識別するための正確な実時間または近実時間、原位置、直交データを急速に生成することができる、対応可能な統合ＰＦＡＩＭＳ化学センサーを提供できる。これらのセンサーは、広範な種の同時検出を行うさらなる能力を有し、試料中の正イオンおよび負イオンの両方を同時に検出する能力を有する。なおもさらに驚くべきことに、これは、費用効率の優れた小型の大量生産可能なパッケージで達成することができ、低電力要件の電界において操作することができ、さらに種々の検出種を完全に識別することができる直交データを生成することが可能である。
【０１２３】
先行技術の円筒状設計を超えるＰＦＡＩＭＳ設計の別の利点は、ＰＦＡＩＭＳが電界強度に対する異なるα依存性を有する、すべてのイオンタイプをフィルタリングし、それらに作用する能力である（αに関する詳細は、背景区画を参照）。この事実は、未知の複雑な試料混合物において、測定を行う複雑性を著しく減少させることができる。
【０１２４】
当業者には当然のことながら、図１２Ｃ〜Ｄに示される先行技術の円筒状設計において、ラジアル電界分布は、均一でない。しかしながら、図３Ａ、Ｂに示されるＰＦＡＩＭＳ等の出願人の教示の実践において、ＰＦＡＩＭＳ設計におけるイオンフィルター電極間の電界分布（フリンジ電界を無視する）は、均一であり、かつ電界は均一である。
【０１２５】
平面ＦＡＩＭＳ設計におけるイオンの分離時間は、イオン集束の条件に到達する場合、先行技術の円筒状ＦＡＩＭＳ設計よりも著しく低い（最大１０倍）ことがわかった。
【０１２６】
図２０は、出願人の教示に関する例示的実施形態に従って、イオン集束アセンブリ２００２を含む、イオン移動度ベースの分析器システム２０００を示す。異音移動度ベースの分析器は、イオン移動度の特徴に基づいて、ＩＭＳ、ＤＭＳ、ＦＡＩＭＳ（上述されるような）、および／またはイオンフィルター／分離器を含み得る。システム２０００は、イオン入口２０４２、第１のグリッド２００４、第２のグリッド２００６、第１のＤＣ源２００８、第２のＤＣ源２０１２、時変電源２０１０を含み得る。グリッド２００４は、１つまたは複数のイオンが通って流れ得る、複数の開口部２０３２、２０３４、２０３６、２０３８、および２０４０を含んでもよい。グリッド２００６は、イオンが通って流れ得る、１つまたは複数の開口部２０２８および２０３０を含んでもよい。一実施形態において、システム２０００は、第１のフィルターチャネル２０２０および第２のフィルターチャネル２０２２を含み得る。第１のフィルターチャネル２０２０は、ＤＭＳフィルター２０２４を含み得る。第２のフィルターチャネル２０２２は、第２のＤＭＳフィルター２０２６を含み得る。あるいは、フィルター２０２４および２０２６は、限定されないが、ＩＭＳおよびＦＡＩＭＳ等の他のタイプのフィルターを含んでもよい。
【０１２７】
動作中、イオンは、イオン入口２０４２で受容され、種々のイオン路２０１４を介して流路２０４４に沿って縦方向に移動する。イオンのそれぞれは、開口部２０３２、２０３４、２０３６、２０３８、および２０４０を介して、第１のグリッド２００４を通過する。一実施形態において、ＤＣバイアス電圧は、グリッド２００４に印加されるが、別のＤＣバイアスは、グリッド２００６に印加される。ＤＣバイアス電圧は、地電圧または基準電圧、正電圧、または負電圧を含んでもよい。ある実施形態において、時変電圧、例えば、非対称電圧は、グリッド２００４および２００６に印加され、グリッド２００４と２００６との間に時変電界を生成する。またグリッド２００４と２００６との間のＤＣ電位の差異は、グリッド２００４と２００６との間にＤＣ電界を生成することができる。グリッド２００４と２００６との間の時変電界および／またはＤＣ電界は、イオン路２０１４を、例えば、開口２０２８および２０３０において集めおよび／または狭小させ、１つまたは複数の狭く集束されたイオン流２０１６および２０１８をもたらす。
【０１２８】
一実施形態において、第１のフィルターチャネル２０２０は、イオン流２０１６が、フィルター２０２４を通って、より集束された様式で配向されるように配列される。第２のフィルターチャネル２０２２もまた、イオン流２０１８が、フィルター２０２６を通って、より集束された様式で配向されるように配列される。ある実施形態において、イオンフィルター２０２４および２０２６の少なくとも１つは、あるイオン種が、イオンの検出のために、検出器を通過するのを選択的に可能にし得る。検出器は、１つの電極、複数の電極、ナノチューブ、半導体素子、ＭＳ、および／またはあらゆる他のタイプのイオン検出コンポーネントを含んでもよい。
【０１２９】
図２１は、質量分析計２１０４に対する前置フィルターとして、デュアルチャネルＤＭＳ２１０２を含む、試料分析システム２１００を含む。システム２１００は、試料イオンを含む汚染ガスが通過する、ＤＭＳを有する第１のチャネル２１０６を含む。システム２１００はまた、選択したバイアス（例えば、正または負）のイオンが、清潔な輸送ガス内でＤＭＳフィルターを通過する、第２のチャネル２１０８を含む。イオン化領域を分離領域から単離する利点は、第２のチャネルにおけるクラスター化の制御、イオン化および分離領域において２つの異なるドーパントを使用する可能性、膜除去に起因する感度の強化を含む。さらに、構成は、試料イオンの形成および分離のための独立した条件、例えば、イオン源および分析間隙における独立して最適化流量を可能にする。他の利点は、第２のチャネルスペクトルに対する外部水分の効果の減少、ならびに修飾ガス（例えば、ヘリウム）を使用してＤＭＳおよびＭＳにおける分離を向上させる能力を含む。
【０１３０】
一実施形態において、システム２１００は、例えば、電極２１１０、２１１２、２１１４、２１１６、および２１１８を有する、イオン制御アセンブリを含む。一例において、電極２１１０および／または２１１２は、偏向器電極（正のバイアスを有する）として、正イオンを開口部に向かって第２のチャネル２１０８に配向するように動作し得る。電極２１１４、２１１６、および２１１８は、例えば、正イオンを第２のチャネルに誘引するように負にバイアスされてもよい。
【０１３１】
一実施形態において、正イオンは、ＤＭＳフィルタリングに続いてＭＳ２１０４分析のためにＭＳ２１０４によって、第２のチャネル２１０８に配向される。第１のチャネル２１０６内の負イオンもまた、ＤＭＳフィルターによってフィルタリングされ、検出器電極を使用して検出されてもよい。別の実施形態において、負イオンは、第２のチャネル２１０８に配向されるが、正イオンは、第１のチャネル２１０６内に残留する。したがって、負イオンは、ＤＭＳによって第２のチャネル２１０８内でフィルタリングされ、次にＭＳ２１０４によって分析されてもよいが、正イオンは、ＤＭＳによって第１のチャネル２１０６内でフィルタリングされ、第１のチャネル２１０６内の検出器電極を使用して検出される。
【０１３２】
前置フィルターとしてＤＭＳをＭＳに対して使用することによって、化学物質検知に使用可能な情報が強化され、これは特に、立体異性体を含む等圧種に有効である。さらに、ＤＭＳ前置フィルターは、化学ノイズを１０〜３０倍減少させ、それによって、定量の正確性を制限する検出を強化する。複雑な混合物の場合、ＤＭＳ前分離は、ＧＣまたはＨＰＬＣにおける分離ステップの要件および時間を置換または減少させることができる。さらに、ＤＭＳ前置フィルターを追加することは、失われた分析能力を回復するため、小型質量分析計に有効であり、高価な研究室ＭＳシステムと同一の分析品質を提供することができる。
【０１３３】
図２２は、出願人の教示に関する例示的実施形態に従って、例えば、システム２１００において、デュアルチャネルＤＭＳ２２０６を利用する、デュアルチャネルシステム２２００の機能ブロック図を示す。システム２２００は、生成ガスを受容する、第１のチャネル２２０２および第２のチャネル２２０４に対する試料入力を示す。試料入力は、エレクトロスプレー、液体、および／またはこれらに限定されないが、トルエンおよびＳＦ６等のガス試料を含む、ガス試料入力を含んでもよい。
【０１３４】
図２３Ａ〜２３Ｃは、出願人の教示に関する例示的実施形態に従って、正または負のイオンが第２のチャネルに偏向されるか否かに応じて、第１のチャネル２１０６および第２のチャネル２１０８内の（ＤＭＳフィルターの）イオン強度と補償電圧のプロットを示す。図２３Ａは、電極２１１０および２１１２のバイアスが、０ボルトに設定される場合、すなわち、イオンが第１のチャネル２１０６から第２のチャネル２１０８に偏向されない場合、強度スペクトル（対Ｖｃ）を示す。図２３Ａのプロットは、第１のチャネル２１０６内の正および負の検出器電極の両方によって検出されるイオン強度のピークを示す。図２３Ｂは、検出器電極２１１０および／または２１１２が−２１ボルトで偏向される場合に負のイオン検出ピークを示し、負のイオンが第２のチャネル２１０８に偏向され、（ＭＳ２１０４または検出器電極のいずれかによって）検出されることを示す。図２３Ｃは、偏向器電極２１１０および／または２１１２が＋２１ボルトで偏向される場合に正のイオン検出ピークを示し、正イオンが第２のチャネル２１０８に偏向され、（ＭＳ２１０４または検出器電極のいずれかによって）検出されることを示す。
【０１３５】
図２４Ａ〜２４Ｃは、偏向器電極がそれぞれ正および負に偏向される場合に、トルエンおよびＳＦ６が、第１のチャネル２１０６から第２のチャネル２１０８に移動する係数を示す。図２４Ａは、第１のチャネル２１０６の検出器電極において検出される、正および負のイオン強度ピークを示す。図２４Ｂは、正イオンが第２のチャネル２１０８に偏向される場合に、第２のチャネル２１０８においてトルエンと関連付けられる正のイオン強度ピークを示す。図２４Ｃは、負イオンが第２のチャネル２１０８に偏向される場合に、第２のチャネル２１０８においてＳＦ６と関連付けられる負のイオン強度ピークを示す。
【０１３６】
図２５は、ＭＳ２５０２において高フロー消費を利用する、典型的な先行技術ＤＭＳ−ＭＳシステム２５００を示す。ＭＳ２５０２によって支持される比較的高い流量に起因して、強力な真空ポンプシステムは、真空下でのイオン分析のために、ＭＳ２５０２において適正な真空を維持する必要がある。多くの適用の場合、例えば、研究室環境において、強力な大型の重いポンプの必要性は問題ではない。しかしながら、電界展開可能な可搬式デバイスの場合、ＤＭＳ−ＭＳシステムのサイズ、重量、および電力消費が重要である。
【０１３７】
図２６は、出願人の教示に関する例示的実施形態に従って、ＭＳ２６１２の低流量大気圧インターフェース（ＡＰＩ）を支持するＤＭＳ前置フィルター２６１０を含む、ＤＭＳ−ＭＳシステム２６０５を示す。図２５のＤＭＳ−ＭＳシステムとは対照的に、図２６のＤＭＳ−ＭＳシステムは、排気口を通るＤＭＳフロー２６００および２６０２の一部を配向するが、フロー２６０６の別の低流量部分は、ＭＳ２６１２に配向される。ＭＳ２６１２への入力流量要件を減少させることによって、ＭＳ２６１２の真空ポンプ２６０８のサイズおよび電力を減少させることができ、それによって、ＤＭＳ−ＭＳシステム２６０５のサイズの全体削減を可能にする。
【０１３８】
図２７は、出願人の教示に関する例示的実施形態に従って、イオン集束要素２７００を含む、別のＤＭＳ−ＭＳシステム２７０５を示す。イオン集束素子２７００の動作は、図２０のイオン集束アセンブリ２００２に関してさらに詳細に説明される。ある実施形態において、イオン集束素子２７００は、例えば、電極２７０２、２７０４、２７０６、および２７０８等の電極を含む。他の実施形態において、イオン集束素子２７００は、図２０のグリッド２００４および２００６等のグリッドを含む。動作中、イオン集束素子２７００は、ＤＭＳフィルタリングイオンをＤＭＳ２７１０から受容し、ＭＳ２７１４のオリフィス２７１２に対応する縦軸に沿った狭いイオン流にイオンを集束させる。所望のイオンをオリフィス２７１２に集束させることによって、ＭＳ２７１４への同一またはより多量のイオンを可能にしながら、オリフィス２７１２のサイズを著しく減少させることができる。典型的なＭＳオリフィスは、１００ミクロン以上の直径を有する。イオン集束素子２７００を使用するイオンを集束させることによって、オリフィス直径は、約１００ミクロン未満、約７５ミクロン未満、約５０ミクロン未満、約２５ミクロン未満、約２０ミクロン未満、約１０ミクロン未満、および約５ミクロン未満に減少させることができる。したがって、著しく小さいオリフィス２７１２を可能にすることによって、イオン集束は、ＭＳ２７１４への著しく低い流量を可能にし、著しく小さく、かつ低電力の真空／フローポンプ、およびより小型のＤＭＳ−ＭＳシステムをもたらす。
【０１３９】
図２８は、出願人の教示の例示的実施形態に従って、低動力吸入ポンプ２８００を含む、別のＤＭＳ−ＭＳシステム２８０５を示す。ＤＭＳ−ＭＳシステム２８０５は、図２７の素子２７００等のイオン集束素子を含んでもよい。ポンプ２８００は、ＡＰＩ２８０２を介してＭＳ２８０４への低流量を可能にするように、ＤＭＳガス流に対して最適化されてもよい。ある実施形態において、ＭＳ２８０４は、個別の真空ポンプ、複数の真空ポンプ、および／または低動力吸入ポンプ２８００以外の真空制御システムを含んでもよい。
【０１４０】
図２９は、ＤＭＳ流２９０４からの線から外れて（例えば、直角に）位置したＭＳインターフェースおよびオリフィス２９０２を含む、さらに別のＤＭＳ−ＭＳシステム２９０５を示す。偏向器電極２９００を用いて、ＤＭＳフィルタリングされたイオンを、ＭＳ２９０４のオリフィス２９０２に向かって偏向させる。ある実施形態において、オリフィスの直径は、直線速度がオリフィス２９０２を通して比較的高くなるように、例えば、図２７に関して記載されるとおり比較的小さい。したがって、イオンは、電界効果を克服することができ、イオンがＭＳ２９０４に流れ込むのを防ぐ。
【０１４１】
図３０Ａ〜３０Ｃは、出願人の教示の例示的実施形態に従って、イオン集束アセンブリの例を示す。図３０Ａは、２つのグリッド３０１４および３０１６を有する、イオン集束アセンブリ３０００を示す。グリッド３０１４および３０１６は、図２０のグリッド２００４および２００６と同様の様式で動作する。グリッド３０１４および３０１６は、ガス流３０１８に垂直方向に位置する。プロット３００２は、ＲＦ電圧がグリッド３０１４および３０１６に印加されない場合のイオン集束アセンブリ３０００を示す。プロット３００４は、ＲＦ電圧がグリッド３０１４および３０１６に印加される場合のイオン集束アセンブリ３０００を示す。プロット３００４において、イオンは、集束イオン流３０２０に集束される。
【０１４２】
図３０Ｂは、電極３０２２および３０２４を有するイオン集束アセンブリ３００５を示す。ある実施形態において、イオン集束アセンブリ３００５は、電極３０２２および３０２４に加えて、１つまたは複数の電極を含んでもよい。アセンブリ３００５において、  流れ方向のイオン流として、調和ＲＦ電圧を電極３０２２および３０２４に印加して、イオン流に垂直な電界を形成してもよい。結果として、流量の方向の集束イオン流３０２６にイオンを集束させる。プロット３００８は、イオンを集束イオン流３０２６に集束させるように、調和ＲＦ電圧を印加した結果を示す。プロット３０１０は、電極３０２２と３０２４との間に電界分布を示す。
【０１４３】
図３０Ｃは、電極対３０２８および電極対３０３０を有するイオン集束アセンブリ３０１５を示す。イオン集束アセンブリ３０１５において、ＲＦ電圧は、ＲＦ電界に平行な集束イオン流３０３２をもたらすイオン流の方向で、電極対３０２８と電極対３０３０との間に印加される。
【０１４４】
上記イオン集束アセンブリ例のそれぞれにおいて、イオンの集束が起こる一方、中性端子の軌道は未変化のままである。ある実施形態において、イオン集束アセンブリは、イオン移動度フィルター（例えば、ＤＭＳフィルター）の前または後に位置してもよい。イオン集束アセンブリがイオン移動度フィルターの前に位置する場合、すべてのイオン種に対してイオン集束が起こる。イオン集束アセンブリがイオン移動度フィルターの後に位置する場合、イオン集束は、選択された（フィルタリングされた）イオン種のみに起こる。ある実施形態において、１つまたは複数のイオン集束チャネルが使用されてもよい。例えば、イオンが一方のチャネルに集束され、他方のチャネルに転送され得るか、個別のイオン流を１つまたは複数のチャネルに同時に集束されてもよい。
【０１４５】
出願人の教示の実施形態は、円筒形、平面、および他の構成を使用する方法および装置において実践されてもよく、かつ依然として出願人の教示の精神および範囲内である。出願人の教示に対する適用例には、生物学的および化学的センサー等における使用が挙げられる。上記の特定実施形態に関する種々の修正もまた、出願人の教示の精神および範囲内である。本明細書に開示される実施例は、例示として示され、限定を目的としない。これらおよび他の実施形態の範囲は、単に以下の請求項に記載されるように限定されるに過ぎない。
【０１４６】
出願人の教示が、特にその好適な実施形態を参照して図示および説明されるが、当業者には、形態および詳細における種々の変更が、添付の請求項によって包含される出願人の教示の範囲から逸脱することなく、そこに形成されてもよいことを理解するであろう。
【図１Ａ】
2013502046.tif 000016
【図１Ｂ】
2013502046.tif 000017
【図１Ｃ】
2013502046.tif 000018
【図１Ｄ】
2013502046.tif 000019
【図２】
2013502046.tif 000020
【図３Ａ】
2013502046.tif 000021
【図３Ｂ】
2013502046.tif 000022
【図３Ｂ１】
2013502046.tif 000023
【図３Ｃ】
2013502046.tif 000024
【図３Ｄ】
2013502046.tif 000025
【図４Ａ】
2013502046.tif 000026
【図４Ｂ】
2013502046.tif 000027
【図４Ｃ】
2013502046.tif 000028
【図４Ｄ】
2013502046.tif 000029
【図５Ａ】
2013502046.tif 000030
【図５Ｂ】
2013502046.tif 000031
【図６】
2013502046.tif 000032
【図７Ａ】
2013502046.tif 000033
【図７Ｂ】
2013502046.tif 000034
【図８】
2013502046.tif 000035
【図９Ａ】
2013502046.tif 000036
【図９Ｂ】
2013502046.tif 000037
【図１０Ａ】
2013502046.tif 000038
【図１０Ｂ】
2013502046.tif 000039
【図１１Ａ】
2013502046.tif 000040
【図１１Ｂ】
2013502046.tif 000041
【図１２】
2013502046.tif 000042
【図１３Ａ】
2013502046.tif 000043
【図１３Ｂ】
2013502046.tif 000044
【図１４Ａ】
2013502046.tif 000045
【図１４Ｂ】
2013502046.tif 000046
【図１５Ａ】
2013502046.tif 000047
【図１５Ｂ】
2013502046.tif 000048
【図１６】
2013502046.tif 000049
【図１７】
2013502046.tif 000050
【図１８】
2013502046.tif 000051
【図１９】
2013502046.tif 000052
【図２０】
2013502046.tif 000053
【図２１】
2013502046.tif 000054
【図２２】
2013502046.tif 000055
【図２３Ａ】
2013502046.tif 000056
【図２３Ｂ】
2013502046.tif 000057
【図２３Ｃ】
2013502046.tif 000058
【図２４Ａ】
2013502046.tif 000059
【図２４Ｂ】
2013502046.tif 000060
【図２４Ｃ】
2013502046.tif 000061
【図２５】
2013502046.tif 000062
【図２６】
2013502046.tif 000063
【図２７】
2013502046.tif 000064
【図２８】
2013502046.tif 000065
【図２９】
2013502046.tif 000066
【図３０Ａ】
2013502046.tif 000067
【図３０Ｂ】
2013502046.tif 000068
【図３０Ｃ】
2013502046.tif 000069
【国際調査報告】
2013502046.tif 000070
2013502046.tif 000071
2013502046.tif 000072