(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を分析するためのシステムであって、
電源；
前記電源に連結された導電性部材を含む真空チャンバ；
前記真空チャンバに連結された試料導入部材であって、前記真空チャンバ内に導入される中性ガスの分子をイオン化する放電が、試料導入部材と前記導電性部材との間に生じ得るように、前記試料導入部材の遠位端が前記真空チャンバ内に存在し、前記導電性部材に近接して存在しており、前記導電性部材は、前記試料導入部材から分離されている、試料導入部材；および、
前記真空チャンバ内の質量アナライザ
を含む、システム。
【請求項２】
前記試料導入部材と一体化した、少なくとも１つの不連続の大気インターフェースをさらに含む、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記中性ガスが、前記真空チャンバ内において、パルス化される、請求項２記載のシステム。
【請求項４】
イオン化が、前記不連続の大気インターフェースの開閉から生じる圧力変化と同期される、請求項３記載のシステム。
【請求項５】
前記試料導入部材が、金属キャピラリー管である、請求項２記載のシステム。
【請求項６】
前記導電性部材が、金属メッシュである、請求項５記載のシステム。
【請求項７】
前記電源が、ＤＣ電界を生じさせる、請求項６記載のシステム。
【請求項８】
前記電源が、ＡＣ電界を生じさせる、請求項６記載のシステム。
【請求項９】
前記質量アナライザが、質量分析計またはハンドヘルドの質量分析計用である、請求項１記載のシステム。
【請求項１０】
前記質量アナライザが、四重極イオントラップ、直線型イオントラップ（ｒｅｃｔａｌｉｎｅａｒ  ｉｏｎ  ｔｒａｐ）、円筒型イオントラップ、イオンサイクロトロン共鳴トラップおよびオルビトラップからなる群から選択される、請求項１記載のシステム。
【請求項１１】
前記システムが、連続して配置された２つの不連続の大気インターフェースで構成される、請求項２記載のシステム。
【請求項１２】
前記不連続の大気インターフェースが、前記ガスが不連続モードで前記質量アナライザに移送されるように、前記真空チャンバ内へのイオンの流入を制御するための弁を含む、請求項２記載のシステム。
【請求項１３】
前記大気圧インターフェースが、チューブをさらに含み、前記チューブの外部が、前記弁と整列されている、請求項１２記載のシステム。
【請求項１４】
試料を分析するための方法であって、
試料導入部材を介して、導電性部材を含む真空チャンバ内に、中性ガスを導入する工程であって、前記導電性部材は、前記試料導入部材から分離されている、工程；
前記ガスの分子と、前記試料導入部材の遠位端および前記導電性部材の間に生じた放電との相互作用により、前記真空チャンバ内にイオンを生成する工程；および、
前記イオンを分析する工程
を含む、方法。
【請求項１５】
前記ガスが、前記チャンバ内に不連続に導入される、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
生成する工程が、不連続の大気インターフェースの開閉から生じる圧力変化と同期される、請求項１４記載の方法。
【請求項１７】
分析する工程が、質量アナライザを提供して、前記中性ガスから生成された前記イオンのマススペクトルを生成する工程を含む、請求項１４記載の方法。
【請求項１８】
試料を分析するための方法であって、
試料導入部材を介して、導電性部材を含む真空チャンバ内に、粒子を含む中性ガスを導入する工程であって、前記導電性部材は、前記試料導入部材から分離されている、工程；
前記ガス中の粒子と、前記試料導入部材の遠位端および前記導電性部材の間に生じた放電との相互作用により、前記真空チャンバ内にイオンを生成する工程；および、
前記イオンを分析する工程
を含む、方法。
【請求項１９】
前記粒子が、固体粒子、液滴およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本願は、２０１１年５月２０日に出願された米国仮特許出願第６１／４８８，２４４号への優先権および利益を主張し、この米国仮特許出願の全体の内容は、本明細書中に参考として援用される。
【０００２】
（政府支援）
本発明は、アメリカ国立科学財団（ＮＳＦ）の契約番号ＣＨＥ０８４７２０５の下、政府支援により成された。合衆国政府は、本発明において一定の権利を有する。
【０００３】
（発明の分野）
本発明は、一般的に、試料を分析するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
（背景）
質量分析計は、重要な研究および分析化学の用途、例えば、ライフサイエンスに使用される、非常に高感度な分析方法である。質量分析計は、磁界および電界を使用して、真空において、荷電した粒子（イオン）に力を与えることにより機能する。このため、化合物は、質量分析計により分析されるために、荷電されるか、または、イオン化されなければならない。したがって、質量分析計を使用する化学分析は、試料における分子のイオン化と、続けて、それらのイオンの質量分析を含む。典型的に、生じたイオンについて質量分析が行われる前に、イオン化源が、大気圧で、または、真空チャンバ内で、検体をイオン化するのに使用される。
【０００５】
大気ベースのイオン化法は、大気圧でイオンを生成し、その後に、質量アナライザを収容する真空チャンバ内に、それらのイオンを移送する工程を含む。ついで、前記イオンは、前記質量アナライザにより分析される。このような大気ベースのイオン化法としては、例えば、エレクトロスプレーイオン化（Ｆｅｎｎら、Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９８９，２４６，６４−７１；および、Ｆｅｎｎら、Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ  Ｒｅｖｉｅｗｓ，１９９０，９，３７−７０）および、大気圧化学イオン化（Ｃａｒｒｏｌｌら、Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，１９７５，４７，２３６９−２３７３）があげられる。近年、脱離エレクトロスプレーイオン化（Ｔａｋａｔｓら、Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００４，３０６，４７１−４７３；Ｔａｋａｔｓら、特許文献１）、リアルタイムにおける直接分析（Ｃｏｄｙら、Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，２００５，７７，２２９７−２３０２）等を含むアンビエントイオン化法が、質量分析用の複雑な混合物から検体イオンを生成するのに開発されてきた。大気ベースのイオン化法についての問題は、大気圧でのイオン源由来のイオンが、質量分析用の大気圧インターフェース（ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）を通して真空内に移送される必要があることである。一般的に、前記移送効率は、１％以下である。
【０００６】
試料が真空チャンバ内でイオン化され、イオン移送ラインについての必要性を除外する方法が、開発されている。このような方法は、大気イオン化法に関連するイオン移送の問題を回避する。一般的に、真空における検体のイオン化に関して、光子または電子の供給源は、真空チャンバにおける試料と相互作用する、光子または電子のビームを生成するのに使用される。前記試料と前記光子または電子との相互作用は、続けて分析されるイオンを生成する。典型的な方法としては、電子衝突イオン化（Ｎｉｅｒら、Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，１９４７，１８，３９８−４１１）、レーザー脱離イオン化（Ｒｏｎａｌｄら、Ｔｈｅ  Ｒｏｃｋｅｆｅｌｌｅｒ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，１９８９；および、米国特許第５，０４５，６９４号）、光イオン化（Ｌｏｓｓｉｎｇら、Ｔｈｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，１９５６，２５，１０３１−１０３４）、化学イオン化（Ｈａｒｒｉｓｏｎら、Ｅｄ．Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｉｏｎｉｓａｔｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ；ＣＲＣ  Ｐｒｅｓｓ，Ｂｏｃａ  Ｒａｔｏｎ，ＦＬ．，１９８３）または、マトリクス支援レーザー脱離イオン化（Ｋａｒａｓら、Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，１９８８，６０，２２９９−２３０１；および、Ｈｉｌｌｅｎｋａｍｐら、Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，１９９１，６３，１１９３Ａ−１２０３Ａ）があげられる。他の方法は、中性分子またはイオンビームを使用する、例えば、高速原子衝突イオン化（Ｂａｒｂｅｒら、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ，Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，１９８１，３２５−３２７）および、二次イオン化質量分析（Ｈｅｒｚｏｇら、Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ，１９４９，７６：８５５−８５６）である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第７，３３５，８９７号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
要旨
本発明は、一般的に、イオンとは対照的に、中性ガスが真空チャンバ内に導入される質量分析による試料分析に関する。本発明のシステムおよび方法では、前記中性ガスの分子と、前記真空チャンバ内の導電性部材および前記チャンバ内の試料導入部材の遠位端の間で生じた放電との相互作用により、前記真空チャンバにおいて、前記中性ガスのイオン化が起こる。前記生成されたイオンは、その後質量分析用の質量アナライザに移送される。本発明のシステムおよび方法は、光子または電子の供給源を必要とせずに、真空チャンバ内でイオンを生成する。さらに、真空チャンバ内でイオンを生成することにより、本発明のシステムおよび方法は、大気圧におけるイオン源から真空チャンバへのイオンの移送に関連する問題を回避する。ある実施形態では、電子機器による更なる制御なしに、放電およびイオンの生成が動作し、試料導入と同期される。
【０００９】
ある態様では、本発明は、電源、前記電源に連結される導電性部材を含む真空チャンバ、前記真空チャンバに連結された試料導入部材であって、放電が前記試料導入部材と前記導電性部材との間に生じ得るように、前記試料導入部材の遠位端が前記真空チャンバ内に存在し、かつ前記導電性部材に近接して存在する試料導入部材を提供する。前記放電は、前記真空チャンバ内に導入された中性ガスの分子をイオン化し、前記真空チャンバ内の質量アナライザが、前記生成されたイオンを分析する。
【００１０】
特定の実施形態では、本発明のシステムおよび方法は、前記中性ガスのパルスが、前記真空チャンバ内に導入されるように、少なくとも１つの不連続の大気インターフェース（ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）により達成される。前記中性ガスのイオン化は、前記不連続の大気インターフェースの操作に起因する、前記真空チャンバにおける圧力変化と同期されてもよい。一般的に、前記不連続の大気インターフェースは、前記試料の供給源と前記真空チャンバとの間に配置される。特定の実施形態では、前記システムは、連続して配置された２つの不連続の大気インターフェースで構成される。前記不連続の大気インターフェースの使用により、前記真空チャンバ内で、前記中性ガスをパルスとすることができる。さらに、前記不連続の大気インターフェースの使用により、前記中性ガスのイオン化を、前記不連続の大気インターフェースの開閉から生じる圧力変化と同期させることができる。
【００１１】
前記不連続の大気インターフェースは、前記ガスが不連続モードで前記質量アナライザ内に移送されるように、前記質量アナライザ内へのガスの流入を制御するための弁を含んでもよい。当該分野において公知の任意の弁が使用され得る。典型的な弁としては、ピンチ弁、薄板シャッター弁、リーク弁およびニードル弁があげられる。前記大気圧インターフェースは、さらに、チューブを含んでもよく、前記チューブの外部が、前記弁と整列されている。
【００１２】
特定の実施形態では、前記不連続の大気圧インターフェースは、弁、チューブであって、前記チューブの外部が前記弁と整列されるように構成されたチューブ、ならびに、前記チューブの第１端内に挿入された第１のキャピラリー、および、前記チューブの第２端内に挿入された第２のキャピラリーを含む。前記第１のキャピラリー、前記第２のキャピラリーのいずれも、前記弁と整列されている前記チューブの部分とは重ならない。
【００１３】
前記試料導入部材は、ガスを移動させるかまたは流す、当該分野において公知の任意の機器であり得、かつ任意の材料から作製され得る。ある実施形態では、前記試料導入部材は、金属キャピラリー管である。前記導電性部材は、電気を伝導し得る、当該分野において公知の任意の機器であり得る。ある実施形態では、前記導電性部材は、金属メッシュである。
【００１４】
当該分野において公知の任意の質量アナライザが、本発明のシステムで使用され得る。典型的な質量アナライザとしては、四重極イオントラップ、直線型イオントラップ、円筒型イオントラップ、イオンサイクロトロン共鳴トラップまたはオルビトラップ（ｏｒｂｉｔｒａｐ）があげられる。前記質量アナライザは、質量分析計またはハンドヘルドの質量分析計用であり得る。
【００１５】
本発明のもう１つの態様は、試料導入部材を介して、導電性部材を含む真空チャンバ内に、中性ガスを導入する工程、前記ガスの分子と、前記試料導入部材の遠位端および前記導電性部材の間に生じた放電との相互作用により、前記真空チャンバ内にイオンを生成する工程、および、前記イオンを分析する工程を含む、試料を分析するための方法を提供する。
【００１６】
ある実施形態では、前記中性ガスは、前記真空チャンバ内に、不連続に導入される。前記真空チャンバ内に前記中性ガスを不連続に導入することは、前記試料導入部材に連結された弁を開けること、および、前記試料導入部材に連結された弁を閉じることを含み、前記弁を開けることにより、実質的に大気圧下の中性ガスを、減圧下の前記真空チャンバに移送させ、前記弁を閉じることにより、実質的に大気圧下の中性ガスが、減圧下の前記真空チャンバにさらに移送されるのを妨げる。ある実施形態では、イオンを生成する工程は、前記不連続の大気インターフェースの開閉から生じる圧力変化と同期される。
【００１７】
分析工程は、質量アナライザを提供して、前記中性ガスから生成された前記イオンのマススペクトルを生成する工程を含む。典型的な質量アナライザとしては、四重極イオントラップ、直線型イオントラップ、円筒型イオントラップ、イオンサイクロトロン共鳴トラップおよびオルビトラップがあげられる。試料を分析するための方法であって、前記方法は、含む。
【００１８】
本発明のもう１つの態様は、試料導入部材を介して、導電性部材を含む真空チャンバ内に、粒子を含む中性ガスを導入する工程、前記ガス中の粒子と、前記試料導入部材の遠位端および前記導電性部材の間に生じた放電との相互作用により、前記真空チャンバ内にイオンを生成する工程、および、前記イオンを分析する工程を含む、試料を分析するための方法を提供する。前記粒子は、任意の種類の粒子、例えば、固体粒子、液滴またはそれらの組み合わせでもよい。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
試料を分析するためのシステムであって、
電源；
上記電源に連結された導電性部材を含む真空チャンバ；
上記真空チャンバに連結された試料導入部材であって、上記真空チャンバ内に導入される中性ガスの分子をイオン化する放電が、試料導入部材と上記導電性部材との間に生じ得るように、上記試料導入部材の遠位端が上記真空チャンバ内に存在し、上記導電性部材に近接して存在する試料導入部材；および、
上記真空チャンバ内の質量アナライザ
を含む、システム。
（項目２）
上記試料導入部材と一体化した、少なくとも１つの不連続の大気インターフェースをさらに含む、項目１記載のシステム。
（項目３）
上記中性ガスが、上記真空チャンバ内において、パルス化される、項目２記載のシステム。
（項目４）
イオン化が、上記不連続の大気インターフェースの開閉から生じる圧力変化と同期される、項目３記載のシステム。
（項目５）
上記試料導入部材が、金属キャピラリー管である、項目２記載のシステム。
（項目６）
上記導電性部材が、金属メッシュである、項目５記載のシステム。
（項目７）
上記電源が、ＤＣ電界を生じさせる、項目６記載のシステム。
（項目８）
上記電源が、ＡＣ電界を生じさせる、項目６記載のシステム。
（項目９）
上記質量アナライザが、質量分析計またはハンドヘルドの質量分析計用である、項目１記載のシステム。
（項目１０）
上記質量アナライザが、四重極イオントラップ、直線型イオントラップ（ｒｅｃｔａｌｉｎｅａｒ  ｉｏｎ  ｔｒａｐ）、円筒型イオントラップ、イオンサイクロトロン共鳴トラップおよびオルビトラップからなる群から選択される、項目１記載のシステム。
（項目１１）
上記システムが、連続して配置された２つの不連続の大気インターフェースで構成される、項目２記載のシステム。
（項目１２）
上記不連続の大気インターフェースが、上記ガスが不連続モードで上記質量アナライザに移送されるように、上記真空チャンバ内へのイオンの流入を制御するための弁を含む、項目２記載のシステム。
（項目１３）
上記大気圧インターフェースが、チューブをさらに含み、上記チューブの外部が、上記弁と整列されている、項目１２記載のシステム。
（項目１４）
試料を分析するための方法であって、
試料導入部材を介して、導電性部材を含む真空チャンバ内に、中性ガスを導入する工程；
上記ガスの分子と、上記試料導入部材の遠位端および上記導電性部材の間に生じた放電との相互作用により、上記真空チャンバ内にイオンを生成する工程；および、
上記イオンを分析する工程
を含む、方法。
（項目１５）
上記ガスが、上記チャンバ内に不連続に導入される、項目１４記載の方法。
（項目１６）
生成する工程が、上記不連続の大気インターフェースの開閉から生じる圧力変化と同期される、項目１４記載の方法。
（項目１７）
分析する工程が、質量アナライザを提供して、上記中性ガスから生成された上記イオンのマススペクトルを生成する工程を含む、項目１４記載の方法。
（項目１８）
試料を分析するための方法であって、
試料導入部材を介して、導電性部材を含む真空チャンバ内に、粒子を含む中性ガスを導入する工程；
上記ガス中の粒子と、上記試料導入部材の遠位端および上記導電性部材の間に生じた放電との相互作用により、上記真空チャンバ内にイオンを生成する工程；および、
上記イオンを分析する工程
を含む、方法。
（項目１９）
上記粒子が、固体粒子、液滴およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、項目１８記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、同期された放電イオン化およびイオントラップ質量アナライザを使用する、化学分析用の機器設定を示す概略図である。
【図２】図２は、（ａ）真空マニホールドの圧力、（ｂ）金属メッシュに印加された電圧、および（ｃ）パルス弁の操作中に、直線型イオントラップの末端電極を通過する電流における変化を示すグラフのセットである。
【図３】図３は、（ａ）２００ｐｐｔのナフタレン、（ｂ）ジメチルメチルホスホネート、および（ｃ）サリチル酸メチル蒸気についての、空気における化学蒸気のマススペクトルのセットである。
【図４】図４は、導入される試料の体積を制御するための、キャピラリーｃ２を使用するための設定を示す概略図である。
【図５】図５は、同期された放電イオン化による質量分析のための、図４に示された設定を使用する操作手順を示す概略図である。
【図６】図６において、（ａ）は、ＳＤＩ−ＭＳシステムの模式図、（ｂ）は、ＳＤＩ用の等価回路、および（ｃ）は、ＤＡＩが開放された場合のマニホールドにおける放電中の白熱光を示す写真である。
【図７】図７は、空気についてのパッシェン曲線、マニホールドにおいて測定された圧力変化（左側の差し込み図）および、試料導入中のメッシュ上の電圧変化（右側の差し込み図）を示す概略図である。
【図８】図８は、（ａ）ポジティブモードでの、１８００μＬのメタノールにおける、２０μＬのＤＭＭＰ、０．１３ｍｇのナフタレンおよび３１０μＬのＤＥＥＴの混合物由来のヘッドスペース蒸気、（ｂ）ネガティブモードでの、空気中の３−ニトロフェノール（３．５ｐｐｍ）、および（ｃ）ネガティブモードでの、空気中の１，４−ベンゾキノン、のＭＳスペクトルを示す概略図である。
【図９】図９は、（ａ）シングルスキャン中の圧力変化、ならびに、制御された時間後に調整されたＲＦおよびＺ方向ＤＣ電位によるトラッピングにおける遅延、および（ｂ）６および７ｍｓのＤＡＩ開放時間についての遅延時間の関数として、イオン存在量を示すグラフのセットである。挿入図：ＤＡＩ開放時間中のイオン生成比率である。
【図１０】図１０において、（ａ）は、アントラセン、ベンズ［α］アントラセン、クリセンおよびピレンのＭＳスペクトル、および（ｂ）は、空気におけるナフタレンについての検量線である。
【図１１】図１１は、（ａ）最適化前および（ｂ）最適化後の、放電パターン（左側）およびＭＳスペクトル（右側）を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
詳細な説明
本発明は、一般的に、試料を分析するためのシステムおよび方法に関する。ある実施形態では、本発明は、電源、前記電源に連結される導電性部材を含む真空チャンバ、前記真空チャンバに連結された試料導入部材であって、前記真空チャンバ内に導入される中性ガスの分子をイオン化する放電が、試料導入部材と前記導電性部材との間に生じ得るように、前記試料導入部材の遠位端が前記真空チャンバ内に存在し、前記導電性部材に近接して存在する、試料導入部材、および、前記真空チャンバ内の質量アナライザを含む、試料を分析するためのシステムを提供する。
【００２１】
図１は、本発明のシステムの実施形態を示す概略図である。この実施形態は、ラインの近位端が大気圧に存在し、前記ラインの遠位端が真空チャンバに存在する、試料導入部材を示す。このようにして、中性ガスは、前記試料導入部材を通して、前記真空チャンバ内に導入され得る。前記試料導入部材は、電気を伝導する任意の材料から作製され得る。
【００２２】
前記真空チャンバは、前記真空チャンバ内に存在する、質量アナライザおよび導電性部材を含む。当該分野において公知の任意の質量アナライザが、本発明のシステムに使用されてもよい。典型的な質量アナライザとしては、四重極イオントラップ、直線型イオントラップ、円筒型イオントラップ、イオンサイクロトロン共鳴トラップおよびオルビトラップがあげられる。前記導電性部材は、前記真空チャンバにも存在する前記試料導入部材の遠位端に近接して置かれる。前記導電性部材は、電源、例えば、ＤＣ電源に連結される。本発明のシステムにおける文脈において、近接は、前記試料導入部材の遠位端と前記導電性部材との間で、放電が生じ得るのに十分近い位置を意味する。
【００２３】
操作中に、中性ガスは、前記試料導入部材を通して、前記真空チャンバ内に導入される。電圧、例えば、ＤＣ電圧が、前記中性ガスの存在下において、前記導電性部材に印加される。前記導電性部材と前記試料導入部材の遠位端とが近接しているため、前記導電性部材と前記試料導入部材の遠位端との間に、放電が生じる。前記中性ガスの分子は、前記放電と相互作用して、イオンを形成する。前記イオンは、その後に前記放電と前記ガスの流れとの組み合わせにより、前記質量アナライザに移送される。
【００２４】
図１に示す実施形態では、前記試料導入部材は、不連続の大気インターフェースと一体化して示される。当業者であれば、前記不連続の大気インターフェースは、本発明のシステムおよび方法における任意の構成要素であり、本発明のシステムおよび方法は、不連続の大気インターフェースを使用しなくとも動作し得ることを理解するであろう。前記不連続の大気インターフェースは、以下により詳細に記載される。つまり、図１に示される前記不連続の大気インターフェースは、前記ガスが不連続モードで前記質量アナライザに移送されるように、前記真空チャンバ内へのガスの流入を制御するための弁を含む。当該分野において公知の任意の弁が、使用され得る。典型的な弁としては、ピンチ弁、薄板シャッター弁、リーク弁およびニードル弁があげられる。前記大気圧インターフェースは、さらに、チューブを含んでもよく、前記チューブの外部が、前記弁と整列されている。一般的に、２本のステンレス鋼のキャピラリーが、シリコーンプラスチックのチューブの一部に連結される。開／閉の状態は、前記ピンチ弁により制御される。
【００２５】
図１に示すように、前記真空内の圧力の増加をもたらすために、ガスのパルスが、前記真空内に導入され得る。０．３Ｈｚの周波数でパルス弁を操作するための圧力変化を、図２に示す。前記金属キャピラリーＣ２と金属メッシュとの間に、ＤＣ電圧を印加することにより、前記圧力が、前記ガス試料における検体分子をイオン化する、ある値より高くなった時、放電が発生する（図２ｂおよびｃ）。前記イオンは、ガスの流れおよび電界により、前記質量アナライザ内に移送され、質量分析用に捕捉される。前記弁が閉じられた後、前記圧力が低下し、前記放電が自動的に停止する。前記イオン化過程は、前記試料導入と同期される。前記放電のための最低圧力は、前記電界および前記ガスの種類により決まり、異なるガスについてのパッシェン曲線により決定され得る。
【００２６】
図１に示す設定を使用して、データを取得した。スペクトルが、低濃度での空気中のナフタレンについて記録された（図３ａ）。分子ラジカルカチオンｍ／ｚ１２８が観察された。図３ｂは、空気中のジメチルメチルホスホネートについてのスペクトルを示す。図３ｃは、空気中のサリチル酸メチル蒸気のスペクトルを示す。
【００２７】
ある実施形態では、本発明のシステムおよび方法は、図４に示すように、前記試料導入部材内に一体化された、２つの不連続の大気インターフェースを有する。図４は、分析用の前記真空内に導入されるガス試料の量を正確に制御するための、所定の体積を有するキャピラリーＣ２を使用するための設定を示す。操作手順の例を、図５に示す。まず、弁２が開けられ、Ｃ２内の圧力が、真空マニホールド内の同じ圧力Ｐｖに低下するであろう。弁２が完全に閉じられた後、弁１が開けられて、Ｃ２をガス試料で満たし、Ｃ２内の圧力が、大気圧Ｐａｔｍに達するであろう。ついで、弁１が閉じられ、弁２が再度開けられて、Ｃ２内の前記ガス試料が、前記真空内に放出される。前記真空マニホールド内の圧力が増加し、前記放電が起こり、前記ガスにおける前記検体分子がイオン化され、前記質量アナライザ内に導入される。一定量のガスＶｃ２が、前記真空マニホールド内に毎回導入され、定量分析の再現性が、改善されるであろう。
【００２８】
不連続の大気インターフェース（ＤＡＩ）
不連続の大気インターフェースは、（Ｏｕｙａｎｇら、米国特許出願番号２０１０／０３０１２０９およびＰＣＴ出願番号ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０６５２４５）に記載されており、各内容全体は、参照により本願明細書に援用される。
【００２９】
ＤＡＩのコンセプトは、イオンの導入中にその流路を開き、ついで、それに続く各スキャン中に、質量分析のために流路を閉じることである。非常に大きなフローコンダクタンスを有するイオン移動流路が、伝統的な連続性のＡＰＩ用より、ＤＡＩ用として許容され得る。マニホールド内部の圧力は、前記流路が最大のイオン導入のために開かれた時に、一時的に著しく向上する。高電圧は全て遮断され得、低電圧ＲＦのみが、この期間中にイオンの捕捉用である。イオンの導入後、更なるイオンの操作のための、または、高電圧のスイッチが入れられ得、質量分析用の高電圧に対してＲＦがスキャンされ得る際の、質量分析のための最適な圧力に達し得るために、前記流路が閉じられ、圧力が期間にわたって減少し得る。
【００３０】
ＤＡＩは、制御された方法において、大気の流れを開閉する。真空マニホールド内の圧力は、ＡＰＩが開いた際に増加し、ＡＰＩが閉じた際に低減する。質量アナライザまたは中間段階保存装置であり得る、ＤＡＩと捕捉装置との組み合わせは、所定のポンピング能力を有するシステム内に、イオンパッケージの最大導入を許容する。
【００３１】
非常に大きな開口は、新たな不連続の導入モードにおけるＡＰＩにおいて、圧力抑制構成要素として使用され得る。ＡＰＩが開かれる際の短期間に、イオン捕捉装置は、低いＲＦ電圧を有する捕捉モードで操作され、入ってくるイオンを保存し；同時に、他の構成要素、例えば、変換ダイノードまたは電子倍増管における高電圧を遮断して、より高電圧でのそれらの装置および電子機器に対する損傷を防止する。ついで、イオンがトラップにおいて質量分析され、または、質量分析用の真空システム内の他の質量アナライザに移動させられる時点で、ＡＰＩは閉じられ、マニホールド内の圧力が、質量分析に最適な値まで戻される。不連続の方法におけるＡＰＩの操作により可能なこの２種類の圧力モードの操作は、イオンの導入を最大化し、所定のポンピング能力を有する質量分析についての条件を最適化する。
【００３２】
設計の目的は、質量アナライザ用に最適な真空圧を保持しながら、最も大きい開口を有することである。前記真空圧は、質量アナライザの種類に依存して、１０−３から１０−１０ｔｏｒｒの間である。大気圧インターフェースにおける開口が大きいほど、真空システムあるいは質量アナライザ内に送達されるイオン電流は高くなる。
【００３３】
ＤＡＩの典型的な実施形態が図１に示される。ＤＡＩは、大気圧の領域と真空の領域とを連結するシリコーンチューブの経路を開閉するのに使用されるピンチ弁を含む。ノーマルクローズピンチ弁（３９０ＮＣ２４３３０、ＡＳＣＯ  Ｖａｌｖｅ  Ｉｎｃ．、Ｆｌｏｒｈａｍ  Ｐａｒｋ，ＮＪ）は、大気圧領域に対する真空マニホールドの開放を制御するのに使用される。２本のステンレス鋼のキャピラリーは、シリコーンプラスチックチューブ片に連結され、開／閉状態が前記ピンチ弁により制御される。大気に連結する前記ステンレス鋼のキャピラリーは、流入制限要因であり、２５０μｍのＩＤ、１．６ｍｍ（１／１６”）のＯＤおよび１０ｃｍの長さを有する。真空側のステンレス鋼キャピラリーは、１．０ｍｍのＩＤ、１．６ｍｍ（１／１６”）のＯＤおよび５．０ｃｍの長さを有する。前記プラスチックチューブは、１／１６”のＩＤ、１／８”のＯＤおよび５．０ｃｍの長さを有する。一方または両方のステンレス鋼キャピラリーが、接地され得る。ｍｉｎｉ１０のポンピングシステムは、５Ｌ／分（０．３ｍ３／時間）のポンピング速度を有する、２段階隔膜ポンプ１０９１−Ｎ８４．０−８．９９（ＫＮＦ  Ｎｅｕｂｅｒｇｅｒ  Ｉｎｃ．、Ｔｒｅｎｔｏｎ，ＮＪ）および、１１Ｌ／秒のポンピング速度を有する、ＴＰＤ０１１ハイブリッドターボ分子ポンプ（Ｐｆｅｉｆｆｅｒ  Ｖａｃｕｕｍ  Ｉｎｃ．、Ｎａｓｈｕａ，ＮＨ）からなる。
【００３４】
前記ピンチ弁の電源が常に入れられ、前記プラスチックチューブが常に開いている場合、フローコンダクタンスは、真空マニホールドにおける圧力が、隔膜ポンプ操作により３０ｔｏｒｒを超えるように高くなる。イオン移動効率は、０．２％と測定された。これは、連続性のＡＰＩを有する実験室規模の質量分析計に相当する。ただし、これらの条件下で、ＴＰＤ０１１ターボ分子ポンプは、作動され得ない。前記ピンチ弁の電源が切られる場合、前記プラスチックチューブは、圧迫されて閉じられ、ついで、前記ターボポンプは、スイッチが入れられ得て、マニホールドに１×１０−５ｔｏｒｒの範囲の最終的な圧力となるように、空気を入れる。
【００３５】
イオントラップを使用する質量分析を行うための操作の順序は、通常、イオン導入、イオン冷却およびＲＦスキャニングを含むが、これらに限定されない。最初に、マニホールド圧がポンプダウンされた後に、スキャン機能が実行されて、イオン導入および質量分析のための開閉モードを切り替える。イオン化時間中に、２４ＶのＤＣが、ピンチ弁の電源として使用され、ＡＰＩが開く。直線型イオントラップ（ＲＩＴ）の端部電極における電位も、この期間中に接地に設定される。ピンチ弁についての最小限の応答時間は、１０ｍｓと見出され、１５ｍｓから３０ｍｓの間のイオン化時間が、不連続のＡＰＩの特性決定に使用される。２５０ｍｓから５００ｍｓの間の冷却時間は、ＡＰＩが閉じられて圧力が低下し、バックグラウンド大気分子との衝突によりイオンが冷却された後に実行される。ついで、前記電子倍増管における高電圧は、スイッチが入れられ、ＲＦ電圧は、質量分析用にスキャンされる。不連続のＡＰＩの操作中において、マニホールドにおける圧力変化は、Ｍｉｎｉ１０携帯用システムにおけるマイクロピラニ真空計（ＭＫＳ  ９２５Ｃ、ＭＫＳ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｉｎｃ．Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，ＭＡ）を使用して、モニターされ得る。
【００３６】
参照による援用
他の文書、例えば、特許、特許出願、特許公開、ジャーナル、本、論文、ウェブコンテンツに対する参照および引用は、本開示を通じてなされている。全てのこのようなドキュメントは、全ての目的のために、それらの内容全体を参照により、本願明細書に援用される。
【００３７】
均等物
本発明は、その精神または本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態に具現化されてもよい。したがって、前述の実施形態は、あらゆる点で例示的であり、本願明細書に記載の発明を限定するものではないものと考えられる。
【実施例】
【００３８】
実施例１：機器構成
Ｍｉｎｉ１１ハンドヘルドのＭＳシステムを、図６ａに示すように修正を加えた。試料導入を、ピンチ弁（３９０ＮＣ２４３３０，ＡＳＣＯ  Ｖａｌｖｅ  Ｉｎｃ．，Ｆｌｏｒｈａｍ  Ｐａｒｋ，ＮＪ，ＵＳＡ）、導電性シリコーンチューブ（ｉ．ｄ．１／１６インチ，ｏ．ｄ．１／８インチおよび長さ２０ｍｍ，Ｓｉｍｏｌｅｘ  Ｒｕｂｂｅｒ  Ｃｏｒｐ．，Ｐｌｙｍｏｕｔｈ，ＭＩ，ＵＳＡ）および、２本の長さ５ｃｍのステンレス鋼キャピラリー（ｉ．ｄ．０．０４インチ，ｏ．ｄ．１／１６インチ）を含んだ、不連続の大気インターフェース（ＤＡＩ）により制御した。０．００９８”のグリッドサイズおよび０．００３７”の線径を有するステンレス鋼３１６金網メッシュ（ＭｃＭａｓｔｅｒ−Ｃａｒｒ，Ｃｈｉｃａｇｏ，ＩＬ，ＵＳＡ）（透明度５２．７％）を、前記真空チャンバにおける、前記ＤＡＩキャピラリーと直線型イオントラップ（ＲＩＴ）との間に置いた。間隙は、前記キャピラリーと前記メッシュの間で、約２ｍｍとし、前記メッシュと前記ＲＩＴの前方ｚ−電極との間で、約４ｍｍとした。前記金属メッシュを、放電電流を制限するための可変抵抗器を通して、ＤＣ電圧電源（Ｏｒｔｅｃ  ６５９，ＡＭＥＴＥＣ  Ｉｎｃ．，Ｏａｋ  Ｒｉｄｇｅ，ＴＮ，ＵＳＡ）に連結した。前記キャピラリーを、接地した。
【００３９】
前記ＤＣ電源は、約２ＭΩの内部インピーダンスを有し、１００μＡより低い出力電流を伴う一定のＤＣ電圧を提供する。前記放電電流は、前記電源の内部インピーダンスと前記可変抵抗器（Ｒ１）とにより制限される。等価回路を、図１ｂに示す。前記キャピラリー−メッシュアッセンブリは、最初に、キャパシタ（Ｃ１；Ｙ．Ｐ．Ｒａｉｚｅｒ，２ｎｄ  ｅｄ．，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，Ｂｅｒｌｉｎ，１９９１）として機能した。前記放電が確立され、維持されたとき、放電電極間の電流が一定となり、放電領域は、通常抵抗（Ｒ２）と等価となった。
【００４０】
実施例２：放電およびイオン化
本発明のシステムでは、前記放電過程は、パッシェンの法則（図７）により支配され、圧力の変化と同期された。前記ＤＡＩが開く前に、前記マニホールドの圧力は、低い（典型的には、約１０−５ｔｏｒｒ、図７における工程
【００４１】
【数１】
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）。２つの放電電極に印加された電圧は、一定のままであった。前記ＤＡＩが開いた時、空気における前記中性の検体分子が、前記チャンバ内に導入された。前記放電電極間の圧力が上昇し、前記圧力がブレークダウン点を超えたとき、前記放電が起った。前記ブレークダウン条件は、前記圧力および前記電界の両方に依存した（Ｆ．Ｐａｓｃｈｅｎ，Ａｎｎａｌｅｎ  ｄｅｒ  Ｐｈｙｓｉｋ，１８８９）。前記放電中に、白熱光が観察され（図６ｃ）、検体分子がイオン化された（図７における工程
【００４２】
【数２】
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）。前記生成されたイオンは、前記ＲＩＴ質量アナライザに移送され、捕捉された。前記ＤＡＩが閉じられた後、前記圧力が連続的なガスの排出により低下し、前記放電が停止した（図７における工程
【００４３】
【数３】
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）。要約すると、本発明のシステムにおける前記イオン化は、前記チャンバ圧の変化を通して、前記ＤＡＩの開閉と同期され、前記放電は、自動的に作動および停止された。同期操作には、電子衝突（ＥＩ）用のフィラメント等のもろい部品または更なる電子機器は、不要であった。
【００４４】
実施例３：ポジティブモードおよびネガティブモードにおけるＳＤＩ
図８に示すように、本発明のシステムにより、各種の揮発性有機化合物について、インタクトな分子イオンを、空気中において、ポジティブモードおよびネガティブモードの両方において生成させられた（すなわち、穏やかなイオン化方法）。ナフタレン由来のＭ＋イオン、ならびに、ＤＭＭＰおよびＤＥＥＴ由来の［Ｍ＋Ｈ］＋が、ポジティブモードにおいて観察された。１，４−ベンゾキノン由来のＭ−イオン、および、３−ニトロフェノール由来の［Ｍ−Ｈ］−が、ネガティブモードにおいて観察された。比較のために、これらの化合物を、同じＭＳシステム上における大気圧化学イオン化（ＡＰＣＩ）でも試験したが、ナフタレンおよび１，４−ベンゾキノンは、ポジティブモードおよびネガティブモードのそれぞれにおいて、ＡＰＣＩによりイオン化されなかった。
【００４５】
実施例４：本発明のシステムの分析性能
本発明のシステムは、前記トラップにおけるイオン捕捉の遅延によるイオン存在量をモニタリングすることにより特徴付けられた（図９ａ）。前記圧力および前記イオン存在量を、両方とも記録し、各試験について、前記遅延が１ｍｓ増加した。メタノール中の１％のジメチルメチルホスホネートのヘッドスペース蒸気（ＤＭＭＰ、２５℃での蒸気圧＝１１２Ｐａ；Ｔ．Ｅ．Ｍｌｓｎａ，Ｓ．Ｃｅｍａｌｏｖｉｃ，Ｍ．Ｗａｒｂｕｒｔｏｎ，Ｓ．Ｔ．Ｈｏｂｓｏｎ，Ｄ．Ａ．Ｍｌｓｎａ，Ｓ．Ｖ．Ｐａｔｅｌ．Ｃｈｅｍｉｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  ｍｉｃｒｏｓｅｎｓｏｒｓ  ｆｏｒ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｗａｒｆａｒｅ  ａｇｅｎｔ  ａｎｄ  ｔｏｘｉｃ  ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ．Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  Ｂ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ  ２００６，１１６，１９２）を、分析した。前記メッシュ上の電圧を、約５００Ｖに設定した。遅延時間の関数としての前記イオン存在量を、図９ｂに示すように、６および７ｍｓの前記ＤＡＩ開放時間に関してプロットした。長いＤＡＩ開放時間（７ｍｓ）により、全体的に、より高いイオン存在量がもたらされた。イオン生成率を算出し、図９ｂの挿入図にプロットした。ＤＡＩ開放期間の中間において、たいていのイオンが生成された。
【００４６】
ＤＡＩによる外部イオン化源を使用する以前の研究では、より長いＤＡＩ開放時間により、より高いイオン強度がもたらされることが示されてきた（Ｌ．Ｇａｏ，Ｇ．Ｌｉ，Ｚ．Ｎｉｅ，Ｊ．Ｄｕｎｃａｎ，Ｚ．Ｏｕｙａｎｇ，Ｒ．Ｇ．Ｃｏｏｋｓ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｉｏｎ  ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｐｕｌｓｅｓ  ｆｏｒ  ｉｍｐｒｏｖｅｄ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ  ２００９，２８３，３０）。本発明のシステムについてのマニホールド内部において、より長いＤＡＩ開放時間（７ｍｓ）により観察されたより高い強度は、より長い開放時間およびより高い圧力でのより良好なイオン捕捉の両方に起因するものであり得た。ＤＡＩ開放時間の変化が、圧力変化のプロファイルの相違を引き起こす。圧力低下は、より長いＤＡＩ開放時間によって、より緩やかになり、したがって、前記放電時間も、伸ばされた（図９ｂ）。
【００４７】
米国環境保護庁（ＵＳ  ＥＰＡ）によりリストアップされた１６個の重要なＰＡＨから選択された５つの化学物質、アントラセン（ｍ／ｚ  １７８）、ベンズ［α］アントラセン（ｍ／ｚ  ２２８）、クリセン（ｍ／ｚ  ２２８）およびピレン（ｍ／ｚ  ２０２）を、本願明細書に記載のシステムを使用して分析した（図１０ａ）。５ｐｐｂから１６５ｐｐｂの濃度での、空気におけるナフタレンの試料を、シリンジポンプ（ＳＰ２００ｉ，ＷＰＩ，Ｈｅｒｔｆｏｒｄｓｈｉｒｅ  ＳＧ４  ０ＴＪ，ＵＫ）を有する、２５ｍｌのシリンジ（ＧＡＳＴＴＩＧＨＴ  １０２５，ＨＡＭＩＬＴＯＮ  Ｃｏ．，Ｒｅｎｏ，ＮＶ，ＵＳＡ）を使用して、５ｍＬ／分の速度で、前記ＤＡＩの注入口付近に、それぞれ放出した。観察された前記ナフタレンのイオンＭ＋（ｍ／ｚ  １２８）の強度を、Ｒ２＝０．９９７の線形性を有する、濃度の関数として、図１０ｂにプロットした。５ｐｐｂについてのスペクトルを、図１０ｂの差し込み図に示す。
【００４８】
実施例５：最適化
前記放電の安定性は、本発明のシステムを使用する、イオン化効率および定量分析に重要である。一般的に、前記放電過程は、前記チャンバ圧および（放電電極間の距離および／または印加された電圧による）前記電界の変化により制御され得る。一例として、前記放電安定性は、前記ＤＡＩ操作中に、前記マニホールドにおける最大圧力を低下させることにより改善された。前記放電安定性は、前記放電中の過電流を防止するのに役立った（図１１）。前記イオン強度は、１０倍以上に増強された。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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