(57)【要約】  周波数可変パルスイオン源と、低電界移動度（ＩＭＳ）及び高電界移動度（ＦＡＩＭＳ）という２つの分離技術と、を利用するタンデム構成機器を提供する。分析ステージの特徴は、ＩＭＳドリフト管（１０１２）内で軸上に組み込まれた電界駆動型ＦＡＩＭＳセル（１０２０）である。ＦＡＩＭＳセルは、ＩＭＳリングと略同等の直径を有する２枚の平行グリッドを含み、ドリフト管に沿って任意の位置に配置可能であり、また、電圧分割ラダー中のそれぞれの位置に応じてバイアスを加えることにより、同じＩＭＳ電界を形成可能である。グリッド間の間隔は分析間隙を構成しており、その内部のイオンは、ドリフト電界に加えて、ＦＡＩＭＳの非対称分散電界の影響を受ける。イオンは、非対称波形の高電圧及び低電圧時の振動運動により、それぞれの移動度の差に応じて分離される。低電界移動度（ＩＭＳ）及び高電界移動度（ＦＡＩＭＳ）等の組み合わせ直交技術を用いることにより、コストの低減、真空の不要化、並びに、２次元スペクトルの生成による検出及び同定の増強といった複数の利点が得られる。また、２つの分析装置を異なるモードで動作させてもよい。これにより、当該複合機器を用途上の必要に応じて適合させることによって、全体の柔軟性が得られる。更には、ＩＭＳ−ＦＡＩＭＳのハードウェアレベルの柔軟性によって、互いに異なる対象化合物群の様々な検出シナリオに適した互いに異なるトレードオフを利用するように機器の構成及び最適化を行ってもよい。
2014514574.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学的検出及び分析システムであって、
サンプル入口がある第１端部とその第１端部の下流に位置する第２端部とを含むドリフト管を有し、前記サンプル入口を介して入力されたサンプルをイオン化して生成されるイオンが、前記ドリフト管内に導入され、前記ドリフト管の軸に沿った方向に前記ドリフト管内を通過するように移動するイオン移動度分光分析（ＩＭＳ）装置と、
前記ＩＭＳ装置のドリフト管の軸に沿って組み込まれ、前記ドリフト管の軸に沿った方向に前記イオンを振動させ、その振動により、前記ドリフト管の軸に沿った方向に移動するイオンのうちの少なくとも一部の正味速度の変化を生じさせる高電界非対称波形イオン移動度分光分析（ＦＡＩＭＳ）装置と、
を備える化学的検出及び分析システム。
【請求項２】
前記ＦＡＩＭＳ装置は平面的な形状を有する、請求項１に記載の化学的検出及び分析システム。
【請求項３】
前記ＦＡＩＭＳ装置は非平面的な形状を有する、請求項１に記載の化学的検出及び分析システム。
【請求項４】
前記ＦＡＩＭＳ装置は電界で駆動される、請求項１に記載の化学的検出及び分析システム。
【請求項５】
前記ドリフト管は、そのドリフト管の軸に沿った方向に前記ドリフト管内でイオンを移動させるとともに前記ドリフト管の軸に沿った方向に前記ＦＡＩＭＳのセル内でイオンを移動させる電極を含む、請求項１に記載の化学的検出及び分析システム。
【請求項６】
前記ＦＡＩＭＳ装置からの対象イオンを分析するコレクタと、
前記対象イオンを前記コレクタに向かわせる開口グリッドと、
を更に備える、請求項１に記載の化学的検出及び分析システム。
【請求項７】
前記イオンの振動を発生させるように前記ＦＡＩＭＳ装置中で生成される電界を制御するコントローラを更に備える請求項１に記載の化学的検出及び分析システム。
【請求項８】
前記サンプルをイオン化して前記ドラフト管に導入する前記イオンを生成するイオン源を更に備える、請求項１に記載の化学的検出及び分析システム。
【請求項９】
前記ＦＡＩＭＳ装置は第１のＦＡＩＭＳ装置であり、
前記ＩＭＳ装置のドリフト管の軸に沿って組み込まれた少なくとも第２のＦＡＩＭＳ装置を更に備える、請求項１に記載の化学的検出及び分析システム。
【請求項１０】
化学的な検出及び分析を行う方法であって、
サンプル入口がある第１端部とその第１端部の下流に位置する第２端部とを含むドリフト管を有し、前記サンプル入口を介して入力されたサンプルをイオン化して生成されるイオンが、前記ドリフト管内に導入され、前記ドリフト管の軸に沿った方向に前記ドリフト管内を通過するように移動するイオン移動度分光分析（ＩＭＳ）装置内のサンプルをイオン化することと、
前記ＩＭＳ装置のドリフト管の軸に沿って組み込まれ、前記ドリフト管の軸に沿った方向に前記イオンを振動させ、その振動により、前記ドリフト管の軸に沿った方向に移動するイオンのうちの少なくとも一部の正味速度の変化を生じさせる高電界非対称波形イオン移動度分光分析（ＦＡＩＭＳ）装置を制御することと、
を含む方法。
【請求項１１】
前記ＦＡＩＭＳ装置は電界で駆動される請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記ドリフト管は、そのドリフト管の軸に沿った方向に前記ドリフト管内でイオンを移動させるとともに前記ドリフト管の軸に沿った方向に前記ＦＡＩＭＳのセル内でイオンを移動させる電極を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記対象イオンをコレクタに向かわせ、前記コレクタで前記対象イオンを分析することを更に含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記イオンの振動を発生させるように前記ＦＡＩＭＳ装置中で生成される電界を制御すること、を更に含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記ＦＡＩＭＳ装置は第１のＦＡＩＭＳ装置であり、
前記ＩＭＳ装置のドリフト管の軸に沿って組み込まれ、前記ドリフト管の軸に沿った方向に前記イオンを振動させ、その振動により、前記ドリフト管の軸に沿った方向に移動するイオンのうちの少なくとも一部の正味速度の変化を生じさせる少なくとも第２のＦＡＩＭＳ装置を制御することを更に含む、
請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
化学的な検出及び分析を行うためのソフトウェアを格納した一時的でないコンピュータ読み取り可能な媒体方法であって、
前記ソフトウェアは、
サンプル入口がある第１端部とその第１端部の下流に位置する第２端部とを含むドリフト管を有し、前記サンプル入口を介して入力されたサンプルをイオン化して生成されるイオンが、前記ドリフト管内に導入され、前記ドリフト管の軸に沿った方向に前記ドリフト管内を通過するように移動するイオン移動度分光分析（ＩＭＳ）装置内のサンプルのイオン化を制御する実行可能なコードと、
前記ＩＭＳ装置のドリフト管の軸に沿って組み込まれ、前記ドリフト管の軸に沿った方向に前記イオンを振動させ、その振動により、前記ドリフト管の軸に沿った方向に移動するイオンのうちの少なくとも一部の正味速度の変化を生じさせる高電界非対称波形イオン移動度分光分析（ＦＡＩＭＳ）装置を制御する実行可能なコードと、
を含む一時的でないコンピュータ読み取り可能な媒体。
【請求項１７】
前記ドリフト管は、そのドリフト管の軸に沿った方向に前記ドリフト管内でイオンを移動させるとともに前記ドリフト管の軸に沿った方向に前記ＦＡＩＭＳのセル内でイオンを移動させる電極を含む、請求項１６記載の一時的でないコンピュータ読み取り可能な媒体。
【請求項１８】
前記ソフトウェアは、前記対象イオンをコレクタに向かわせ前記コレクタで前記対象イオンを分析する制御を行う実行可能なコードを更に含む、請求項１６記載の一時的でないコンピュータ読み取り可能な媒体。
【請求項１９】
前記ソフトウェアは、前記イオンの振動を発生させるように前記ＦＡＩＭＳ装置中で生成される電界を制御する実行可能なコードを更に含む、請求項１６記載の一時的でないコンピュータ読み取り可能な媒体。
【請求項２０】
前記ＦＡＩＭＳ装置は第１のＦＡＩＭＳ装置であり、
前記ソフトウェアは、前記ＩＭＳ装置のドリフト管の軸に沿って組み込まれ、前記ドリフト管の軸に沿った方向に前記イオンを振動させ、その振動により、前記ドリフト管の軸に沿った方向に移動するイオンのうちの少なくとも一部の正味速度の変化を生じさせる少なくとも第２のＦＡＩＭＳ装置を制御する実行可能なコードを更に含む、
請求項１６記載の一時的でないコンピュータ読み取り可能な媒体。
【請求項２１】
化学的検出及び分析システムであって、
サンプル入口がある第１端部とその第１端部の下流に位置する第２端部とを含むドリフト管を有し、前記サンプル入口を介して入力されたサンプルをイオン化して生成されるイオンが、前記ドリフト管内に導入され、前記ドリフト管の軸に沿った方向に前記ドリフト管内を通過するように移動するイオン移動度分光分析（ＩＭＳ）装置と、
前記ドリフト管の慚愧第２端部に接続されたゲートグリッドと、
前記ゲートグリッドの下流に接続され、前記ゲートグリッドに対する少なくとも１つの電圧パルスの制御によって前記ドリフト管からのイオンが選択的に通過して分析が行われる高電界非対称波形イオン移動度分光分析（ＦＡＩＭＳ）装置と、
を備える化学的検出及び分析システム。
【請求項２２】
前記ＦＡＩＭＳ装置は、前記ＩＭＳ装置の前記ドリフト管を通る前記イオンの流れ方向と直交するように接続されている、請求項２１に記載の化学的検出及び分析システム。
【請求項２３】
前記ゲートグリッドに対する少なくとも１つの電圧パルスの制御は、対象イオンのドリフト時間に対応する、請求項２１に記載の化学的検出及び分析システム。
【請求項２４】
前記ＦＡＩＭＳ装置は矩形波形を用いて駆動される、請求項２１に記載の化学的検出及び分析システム。
【請求項２５】
前記ＦＡＩＭＳ装置は、そのＦＡＩＭＳ装置を駆動する回路を有する、請求項２４に記載の化学的検出及び分析システム。
【請求項２６】
前記ＩＭＳ装置及び前記ＦＡＩＭＳ装置の動作に対応する少なくとも２つの動作モードで動作する、請求項２１に記載の化学的検出及び分析システム。
【請求項２７】
前記ＦＡＩＭＳ装置は平面的な形状を有する、請求項２１に記載の化学的検出及び分析システム。
【請求項２８】
前記ＦＡＩＭＳ装置は非平面的な形状を有する、請求項２１に記載の化学的検出及び分析システム。
【請求項２９】
化学的な検出及び分析を行う方法であって、
サンプル入口がある第１端部とその第１端部の下流に位置する第２端部とを含むドリフト管を有し、前記サンプル入口を介して入力されたサンプルをイオン化して生成されるイオンが、前記ドリフト管内に導入され、前記ドリフト管の軸に沿った方向に前記ドリフト管内を通過するように移動するイオン移動度分光分析（ＩＭＳ）装置内のサンプルをイオン化することと、
分析するイオンを選択的に通過させるように、前記ドリフト管の第２端部に接続されたゲートグリッドに対する少なくとも１つの電圧パルスを制御することと、
前記ゲートグリッドの下流に接続された高電界非対称波形イオン移動度分光分析（ＦＡＩＭＳ）装置を用いて、前記選択的に通過させたイオンの分析を行うことと、
を含む方法。
【請求項３０】
前記ＦＡＩＭＳ装置は、前記ＩＭＳ装置のドリフト管を通る前記イオンの流れ方向と直交するように接続されている、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記ゲートグリッドに対する前記少なくとも１つの電圧パルスの制御は、対象イオンのドリフト時間に対応する、請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
前記ＦＡＩＭＳ装置は矩形波形を用いて駆動される、請求項２９に記載の方法。
【請求項３３】
前記ＩＭＳ装置及び前記ＦＡＩＭＳ装置の動作に対応する少なくとも２つの動作モードで動作する、請求項２９に記載の方法。
【請求項３４】
前記サンプルの前記イオン化の特性は、前記少なくとも２つの動作モードのうちの特定の動作モードに従って決定する、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記ＦＡＩＭＳ装置は平面的な形状を有する、請求項２９に記載の方法。
【請求項３６】
前記ＦＡＩＭＳ装置は非平面的な形状を有する、請求項２９に記載の方法。
【請求項３７】
少なくとも１つのガス流を用いて前記ＦＡＩＭＳ装置中におけるイオンの分離を強めることを更に含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３８】
前記少なくとも１つのガス流は、空気以外のガス、又は、空気と他のガス若しくは物質との混合物、少なくとも１つを含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
化学的な検出及び分析を行うためのソフトウェアを格納した一時的でないコンピュータ読み取り可能な媒体であって、
前記ソフトウェアは、
化学的検出及び分析システムの動作モードに従って決定された周波数でサンプルのイオン化を制御する実行可能コードと、
イオン移動度分光分析（ＩＭＳ）装置のドリフト管を通る対象イオンのドリフト時間を決定する実行可能コードと、
ゲートグリッドの下流に接続された高電界非対称波形イオン移動度分光分析（ＦＡＩＭＳ）装置による分析のためにイオンの選択的な通過が制御されるように、前記ＩＭＳ装置の前記ドリフト管に接続された前記ゲートグリッドの少なくとも１つの電圧パルスを制御する実行可能コードと、
を含む一時的でないコンピュータ読み取り可能な媒体。
【請求項４０】
前記ゲートグリッドに対する前記少なくとも１つの電圧パルスの制御は、対象イオンのドリフト時間に対応する、請求項３８に記載の一時的でないコンピュータ読み取り可能な媒体。
【請求項４１】
前記ＦＡＩＭＳ装置は矩形波形を用いて駆動される、請求項３８に記載の一時的でないコンピュータ読み取り可能な媒体。
【請求項４２】
前記ＩＭＳ装置及び前記ＦＡＩＭＳ装置の動作に対応する少なくとも２つの動作モードに関連する動作を制御する実行可能なコードを更に含む、請求項３８に記載の一時的でないコンピュータ読み取り可能な媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、化学分析、特に、イオン移動度分光分析の分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
化学分析機器の現場適用においては、屋内外の環境の別なく、様々な複雑な混合物に遭遇する場合がある。このような混合物は、対象となる化合物と同じシグネチャ又は分析機器の分解能の限界によって分解不可能なシグネチャを生成する分子干渉物質の存在により、機器の汚染及び混乱を引き起こす場合がある。また、干渉物質は、対象の化合物の検出限界に及ぼす影響として現れる可能性もある。したがって、化学的ノイズを抑制するとともに、十分な分離によって決定論的な検出及び同定を行うために、マルチステージ分析手法を用いてもよい。マルチステージ分析としては、ＭＳｎ機器における質量分析（ＭＳ）等の単一の分離技術又は異なる分離技術の組み合わせが挙げられる。これらは、相前後した動作でありながら、多次元スペクトルを生成して検出確率及び検出精度を向上させることにより同じ分子の異なる特性を測定することから、直交技術と称する。現場で用いる機器の場合は、このような技術を運用面で物理的に統合することにより、補足情報を生成して速度と感度を犠牲にすることなく総合選択度を向上させるようにしてもよい。
【０００３】
爆発物検知の分野では、空港の乗客検査におけるイオン移動度分光分析の利用が一般的と考えられる。この技術は、危険を知らせるのに十分な量の爆発物残渣（粒子及び／又はガス）が乗客の皮膚、衣類及び携行品に付着しているか否かに依存する。これは、付着係数が高いため、爆弾取り扱い中の爆発物粒子による汚染の回避が困難であることを前提としている。このように付着係数が高いと、ガスの圧力が極端に低くなるため、その検出は困難である。ガス及び／又は粒子のサンプルは、荷物又は乗客の「疑わしい」表面を拭ったり、扉部分であれば、圧縮空気のパルスを送出して乗客の衣類、皮膚、靴等から粒子を遊離させたりして取得するようにしてもよい。いずれの場合も、サンプルがイオン移動度分光計（ＩＭＳ）に取り込まれて分析される。
【０００４】
イオン移動度分光分析では、比較的強度の低い電界を用いてドリフトガス室内でイオンを移動させ、そのドリフト速度に応じてイオンを分離する。ＩＭＳにおけるイオンのドリフト速度は、低電界（〜２００Ｖ／ｃｍ）で電界強度に比例するため、イオン移動度（Ｋ）は印加電界と無関係である。また、ＩＭＳでは通常、放射性のアルファ放射体又はベータ放射体を用いて、分析物とバックグラウンド分子の両者がイオン化され、一定の低電界（３００Ｖ／ｃｍ以下）のドリフト管にイオンが注入され、そのドリフト速度ひいては移動度に基づいて分離される。移動度は、逆方向に流れるドリフトガス分子とのイオン衝突によって支配される。また、イオン・分子間衝突断面積は、イオンのサイズ、形状、電荷、及びドリフトガス分子の質量に対するイオンの質量によって決まる。そして、得られたクロマトグラムを既知のパターンのライブラリと比較して、収集した物質を同定する。衝突断面積がイオンの２つ以上の特性によって決まることから、ピーク同定は一意ではない。ＩＭＳシステムは、粘性ガスを充填した管内を電界印加状態でイオン化分子がドリフトするのに要する時間という対象分子の派生的かつ不確かな特性を測定し、強度対時間のスペクトルから分子の同定を推論する。異なる分子であっても同じようなドリフト時間を有する場合があるため、ＩＭＳは本質的に限られた化学的特異性を有しており、そのため、干渉分子の影響を受けやすい。
【０００５】
高電界非対称波形イオン移動度分光分析（ＦＡＩＭＳ）は、大気圧下で運用してイオンの分離及び検出ができる新たな検出技術であって、Ｂｕｒｙａｋｏｖ．Ｉ．Ａ．、Ｋｒｙｌｏｖ．Ｅ．Ｖ．、Ｎａｚａｒｏｖ．Ｅ．Ｇ．及びＲａｓｕｌｅｖ．Ｕ．Ｋ．、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ  ａｎｄ  Ｉｏｎ  Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ、１９９３、１２８（３）、１４３―１４８頁（この文献の内容は、本明細書中に参照により組み込まれる）に初めて詳しく掲載された技術である。ＦＡＩＭＳでは、高電界及び低電界におけるイオンの移動度の差を利用してイオンを分離する。従来のイオン移動度と比較して、ＦＡＩＭＳは、イオン移動度が印加電界に依存し、非定常高電界移動度項Ｋｈでよりよく表される超高電界（〜１０，０００Ｖ／ｃｍ）で運用される。ＦＡＩＭＳの分離性能は、Ｋｈの低電界Ｋからの変化量及びその変化量の化合物依存性に負っている。ＦＡＩＭＳでは、交流（ＡＣ）及び直流（ＤＣ）の電圧の組み合わせを利用して対象のイオンを透過させるとともにその他のイオンを取り除くことによって、特異性を向上させつつ化学的ノイズを抑制する。また、ＦＡＩＭＳでは、同じ低電界移動度を有する２つの異なる化合物を高電界環境下で識別できる場合が多いことから、誤検出を抑制可能である。
【０００６】
ＦＡＩＭＳでは、高電界（Ｋｈ）及び低電界（Ｋ）における移動度の差によってイオンを分離する。一定のガス分子数密度Ｎでは、高電界におけるイオン移動度の非線形依存性を次のように記述できる。
【数１】
2014514574.tif 000003
【０００７】
ここで、Ｋ０はゼロ電界でのイオン移動度係数であり、α及びβは特定のドリフトガス中における高電界でのイオン移動度の依存性を表している。式１は無限級数であるが、実際の電界強度では、４次より上の項が無視できるほど小さくなる。一般的に、ＦＡＩＭＳセルは２つの平行電極で構成され、通常、一方は接地電位に保持され、他方は非対称波形が印加されている。式２のＶ（ｔ）で表す一般的な非対称波形は、高電圧成分（Ｖ１又は分散電圧（ＤＶ）とも称する）を含む。この高電圧成分は、逆極性の定電圧成分（Ｖ２）の持続時間（ｔ２）よりも短い時間（ｔ１）にわたって持続する。最近のほとんどのＦＡＩＭＳ運用では、式２に示すように、正弦波に２倍の周波数の基本成分を足し合わせて用いている。ここで、ωは周波数（ラジアン／秒）である。
【数２】
2014514574.tif 000004
【０００８】
波形は、式３に示すように、電極に印加される電圧・時間積がゼロに等しくなるように構成する。
【数３】
2014514574.tif 000005
【０００９】
高電界でこの波形を印加すると、一方の電極に向かってイオンが正味のドリフトを行うことになる。電極間を通過するイオンは、高電圧成分（Ｋｈ）におけるイオンの移動度が低電圧移動度（Ｋ）と異なるため、このドリフト変位に遭遇する。すなわち、イオンは、高電圧部分と低電圧部分とでは異なる距離だけ移動することになる。このイオンは、一方の電極に向かって移動し続けた後、ＤＣ補償電圧（ＣＶ）の印加によるドリフトのオフセットがなければ、消失することになる。イオンのＫｈ／Ｋ比が異なれば、異なるイオンのドリフトのオフセットに必要なＣＶ値も異なることになる。したがって、化合物の混合物は、ＣＶをスキャンし、各化合物をそれ特有のＣＶで透過可能とし、ＣＶスペクトルを生成することによって正しく分離することができる。
【００１０】
ＦＡＩＭＳ電極に対してより高い電界を印加すると、イオンの移動度は３通りに変化する可能性がある。電界強度の上昇に伴って、タイプＡのイオンの移動度は高くなり、タイプＣのイオンの移動度は低くなる。タイプＢのイオンの移動度は、最初は高くなるが、更に高い電界では低くなる。ほとんどの低質量イオン（＜ｍ／ｚ３００）はタイプＡのイオンであり、ほとんどの高質量イオンはタイプＣのイオンである。
【００１１】
ＦＡＩＭＳ装置は、単体での使用のほか、質量分析（ＭＳ）装置及び／又はドリフト管ＩＭＳ装置による分析に先立って、イオンのフィルタリングに用いてもよい。例えば、Ｔａｎｇらによる２０１０年８月１９日発行の米国特許出願公開第２０１０／０２０７０２２Ａ１号「Ｐｌａｔｆｏｒｍ  ｆｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ  Ｗａｖｅｆｏｒｍ  Ｉｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ  ｗｉｔｈ  Ｉｏｎ  Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ  Ｍｏｄｅｓ  Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ  Ｇａｓ  Ｆｌｏｗ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｆｉｅｌｄ」（この米国特許出願公開の内容は、本明細書中に参照により組み込まれる）が参照可能である。Ｔａｎｇらは主に、ＩＭＳ又はＭＳ装置等の後続装置に接続されたＦＡＩＭＳ装置を用いる複数のデバイス機器のステージを論じており、ＦＡＩＭＳ装置は、オン／オフ切り替えを高速に行うことにより、他のステージを用いてより高感度の分析を行うようにしてもよい。Ｔａｎｇらの段落［００１０］では、複数のデバイス機器のステージにおいて、他のステージをＦＡＩＭＳ装置に先行させることができる旨の提案が行われている。ただし、Ｔａｎｇらのこの議論は、混成プラットフォームにおいてＦＡＩＭＳ分離を効果的、高速、かつ便利にオフ切り替えする方法を提供することにより、他のステージを用いてより高感度の分析を行うことを目標としている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
以上から、柔軟な運用により様々な検出シナリオを取り扱えるとともに、化学的検出及び同定の能力を高めることができるシステムの提供が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
発明の概要
本明細書に記載のシステムによれば、化学的検出及び分析システムは、サンプル入口がある第１端部とその第１端部の下流に位置する第２端部とを含むドリフト管を有するイオン移動度分光分析（ＩＭＳ）装置を含んでもよい。サンプル入口を介して入力されたサンプルをイオン化して生成されるイオンは、ドリフト管内に導入して、ドリフト管の軸に沿った方向にドリフト管内を通過するように移動させてもよい。ＩＭＳ装置のドリフト管の軸に沿って、高電界非対称波形イオン移動度分光分析（ＦＡＩＭＳ）装置を組み込んでもよい。ここで、ＦＡＩＭＳ装置はドリフト管の軸に沿った方向にイオンを振動させ、その振動により、ドリフト管の軸に沿った方向に移動するイオンのうちの少なくとも一部の正味速度が変化する。ＦＡＩＭＳ装置は、平面的な形状及び／又は非平面的な形状を有していてもよいし、及び／又は、電界で駆動されるものであってもよい。ドリフト管は、そのドリフト管の軸に沿った方向にドリフト管内でイオンを移動させるとともにドリフト管の軸に沿った方向にＦＡＩＭＳのセル内でイオンを移動させる電極を含んでいてもよい。ＦＡＩＭＳ装置からの対象イオンを分析するコレクタを備えていてもよいし、対象イオンをコレクタに向かわせる開口グリッドを備えていてもよい。上記イオンの振動を発生させるようにＦＡＩＭＳ装置中で生成された電界を制御するコントローラを備えていてもよい。上記ＦＡＩＭＳ装置は第１のＦＡＩＭＳ装置であってもよく、上記システムは上記ＩＭＳ装置のドリフト管の軸に沿って組み込まれた第２のＦＡＩＭＳ装置を更に含んでいてもよい。
【００１４】
更に、本明細書に記載のシステムによれば、化学的な検出及び分析を行う方法は、サンプル入口がある第１端部とその第１端部の下流に位置する第２端部とを含むドリフト管を有するイオン移動度分光分析（ＩＭＳ）装置でサンプルをイオン化することを含む。サンプルをイオン化して生成されるイオンは、ドリフト管内に導入して、ドリフト管の軸に沿った方向にドリフト管内を移動させてもよい。ＩＭＳ装置のドリフト管の軸に沿って組み込まれた高電界非対称波形イオン移動度分光分析（ＦＡＩＭＳ）装置を制御するようにしてもよい。ＦＡＩＭＳ装置は、ドリフト管の軸に沿った方向にイオンを振動させて、ドリフト管の軸に沿った方向に移動するイオンのうちの少なくとも一部の正味速度が変化するように制御してもよい。ＦＡＩＭＳ装置は、平面的な形状及び／又は非平面的な形状を有していてもよいし、及び／又は、電界で駆動されるものであってもよい。ドリフト管は、そのドリフト管の軸に沿った方向にドラフト管内でイオンを移動させるとともに、ドリフト管の軸に沿った方向にＦＡＩＭＳのセル内でイオンを移動させる電極を含んでもよい。上記方法は、対象イオンをコレクタに向かわせることと、対象イオンをコレクタで分析すること、とを更に含んでいてもよい。上記方法は、イオンを振動させるようにＦＡＩＭＳ装置中で生成される電界を制御することを更に含んでいてもよい。上記ＦＡＩＭＳ装置は第１のＦＡＩＭＳ装置であってもよく、上記方法は、ＩＭＳ装置のドリフト管の軸に沿って組み込まれた第２のＦＡＩＭＳ装置を制御することを更に含んでいてもよい。ここで、第２のＦＡＩＭＳ装置は、ドリフト管の軸に沿った方向にイオンを振動させてドリフト管の軸に沿った方向に移動するイオンのうちの少なくとも一部の正味速度が変化するように制御される。
【００１５】
更に、本明細書に記載のシステムによれば、一時的でないコンピュータ読み取り可能な媒体方法は、化学的検出及び分析を行うソフトウェアを格納している。このソフトウェアは、サンプル入口がある第１端部とその第１端部の下流に位置する第２端部とを含むドリフト管を有するイオン移動度分光分析（ＩＭＳ）装置におけるサンプルのイオン化を制御する実行可能コードを含んでいてもよい。ここで、サンプルをイオン化して生成されるイオンは、ドリフト管内に導入して、ドリフト管の軸に沿った方向にドリフト管内を移動させる。ＩＭＳ装置のドリフト管の軸に沿って組み込まれた高電界非対称波形イオン移動度分光分析（ＦＡＩＭＳ）装置を制御する実行可能コードを含んでいてもよい。ここで、ＦＡＩＭＳ装置は、ドリフト管の軸に沿った方向にイオンを振動させて、ドリフト管の軸に沿った方向に移動するイオンのうちの少なくとも一部の正味速度が変化するように制御する。ＦＡＩＭＳ装置は、平面的な形状及び／又は非平面的な形状を有していてもよいし、及び／又は、電界で駆動されるものであってもよい。ドリフト管は、そのドリフト管の軸に沿った方向にドリフト管内でイオンを移動させるとともに、ドリフト管の軸に沿った方向にＦＡＩＭＳのセル内でイオンを移動させる電極を備えていてもよい。また、対象イオンをコレクタに向かわせ、当該対象イオンをコレクタで分析するように制御する実行可能コードを含んでいてもよい。更には、ＦＡＩＭＳ装置中で生成された電界を制御してイオンを振動させる実行可能コードを含んでいてもよい。上記ＦＡＩＭＳ装置は第１のＦＡＩＭＳ装置であってもよく、上記ソフトウェアは、ＩＭＳ装置のドリフト管の軸に沿って組み込まれた第２のＦＡＩＭＳ装置を制御する実行可能コードを更に含んでいてもよい。ここで、第２のＦＡＩＭＳ装置は、ドリフト管の軸に沿った方向にイオンを振動させて、ドリフト管の軸に沿った方向に移動するイオンのうちの少なくとも一部の正味速度が変化するように制御する。
【００１６】
更に、本明細書に記載のシステムによれば、化学的検出及び分析システムは、サンプル入口がある第１端部とその第１端部の下流に位置する第２端部とを含むドリフト管を有するイオン移動度分光分析（ＩＭＳ）装置を含む。サンプル入口を介して入力されたサンプルをイオン化して生成されるイオンは、ドリフト管内に導入される。ドリフト管の第２端部には、ゲートグリッドが接続されている。このゲートグリッドの下流には高電界非対称波形イオン移動度分光分析（ＦＡＩＭＳ）装置が接続されており、ゲートグリッドに対する少なくとも１つの電圧パルスの制御によってドリフト管からのイオンが選択的に通過してＦＡＩＭＳ装置による分析が行われる。ＦＡＩＭＳ装置は、ＩＭＳ装置のドリフト管を通るイオンの流れ方向と直交するように接続されていてもよい。また、ゲートグリッドに対する少なくとも１つの電圧パルスの制御は、対象イオンのドリフト時間に対応していてもよい。ＦＡＩＭＳ装置は、矩形波形等の非対称波形を用いてＦＡＩＭＳ装置を駆動する回路を備えていてもよい。ただし、矩形以外の非対称波形を用いてもよい。また、上記システムは、ＩＭＳ装置及びＦＡＩＭＳ装置の動作に対応する少なくとも２つの動作モードで動作するようにしてもよい。更に、ＦＡＩＭＳ装置は、平面的又は非平面的な形状を有していてもよい。
【００１７】
更に、本明細書に記載のシステムによれば、化学的な検出及び分析を行う方法は、サンプル入口がある第１端部とその第１端部の下流に位置する第２端部とを含むドリフト管を有するイオン移動度分光分析（ＩＭＳ）装置でサンプルをイオン化することを含む。サンプルをイオン化して生成されるイオンは、ドリフト管内に導入される。上記方法は、ドリフト管の第２端部に接続されたゲートグリッドに対する少なくとも１つの電圧パルスを制御し、分析するイオンを選択的に通過させることを更に含む。選択的に通過させたイオンの分析は、ゲートグリッドの下流に接続された高電界非対称波形イオン移動度分光分析（ＦＡＩＭＳ）装置を用いて行う。ＦＡＩＭＳ装置は、ＩＭＳ装置のドリフト管を通るイオンの流れ方向と直交するように接続されていてもよい。また、ゲートグリッドに対する少なくとも１つの電圧パルスの制御は、対象イオンのドリフト時間に対応していてもよい。ＦＡＩＭＳ装置は、矩形波形等の非対称波形を用いて駆動してもよい。ただし、矩形以外の非対称波形を用いてもよい。また、上記方法は、ＩＭＳ装置及びＦＡＩＭＳ装置の動作に対応する少なくとも２つの動作モードに関連して動作を制御することを更に含んでいてもよい。サンプルのイオン化特性は、上記少なくとも２つの動作モードのうちの特定の動作モードに従って決定してもよい。また、ＦＡＩＭＳ装置は、平面的又は非平面的な形状を有していてもよい。上記方法は、少なくとも１つのガス流を用いてＦＡＩＭＳ装置中におけるイオンの分離を強めることを更に含んでいてもよい。ここで、上記少なくとも１つのガス流としては、空気、空気以外のガス、又は、空気とその他のガス若しくは物質との混合物のうちの少なくとも１つが挙げられる。
【００１８】
更に、本明細書に記載のシステムによれば、一時的でないコンピュータ読み取り可能な媒体は、化学的な検出及び分析のプロセスを制御するソフトウェアを格納している。ソフトウェアは、化学的検出及び分析システムの動作モードに従って決定された周波数でサンプルのイオン化を制御する実行可能コードを含む。また、イオン移動度分光分析（ＩＭＳ）装置のドリフト管を通る対象イオンのドリフト時間を決定する実行可能コードを含む。更に、ＩＭＳ装置のドリフト管に接続されたゲートグリッドの少なくとも１つの電圧パルスを制御する実行可能コードを含む。この電圧パルスの制御により、ゲートグリッドの下流に接続された高電界非対称波形イオン移動度分光分析（ＦＡＩＭＳ）装置による分析のためにイオンの選択的な通過が制御される。また、ゲートグリッドに対する少なくとも１つの電圧パルスの制御は、対象イオンのドリフト時間に対応する。ＦＡＩＭＳ装置は、矩形波形等の非対称波形を用いて駆動してもよい。ただし、矩形以外の非対称波形を用いてもよい。更に、ＩＭＳ装置及びＦＡＩＭＳ装置の動作に対応する少なくとも２つの動作モードに関連して動作を制御する実行可能コードを更に含んでいてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
以下の簡単に説明する図面における複数の図を参照して、本明細書に記載のシステムの実施形態を説明する。
【００２０】
【図１Ａ】図１Ａは、本明細書に記載のシステムの一実施形態に係る、インターフェースで互いに連結されたＩＭＳ装置及びＦＡＩＭＳ装置を含むシステムの模式図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本明細書に記載のシステムの一実施形態に係る、インターフェースで互いに連結されたＩＭＳ装置及びＦＡＩＭＳ装置を含むシステムの模式図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本明細書に記載のシステムの一実施形態に係る、ＩＭＳドリフト管の端部に配置されたバイアスゲートグリッドを示す模式図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本明細書に記載のシステムの一実施形態に係る、ＦＡＩＭＳ及びＩＭＳにおけるドリフト管のガス流の方向を示す模式図である。
【図３Ａ】図３Ａは、上記システムにおけるＩＭＳモード及びＦＡＩＭＳモード等の２つの動作モードの特性を示す模式図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、上記システムにおけるＩＭＳモード及びＦＡＩＭＳモード等の２つの動作モードの特性を示す模式図である。
【図４】図４は、本明細書に記載のシステムの一実施形態に係る、ＩＭＳスペクトル及びＦＡＩＭＳスペクトルを並べて示す模式図である。
【図５Ａ】図５Ａは、ＦＡＩＭＳ装置を駆動する、正弦波を重ね合わせた非対称の波形を示す模式図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本明細書に記載のシステムに係る、ＦＡＩＭＳ装置の駆動に関連して使用可能な矩形波形を示している。
【図６】図６は、本明細書に記載のシステムの様々な実施形態において使用可能な回路の模式的な回路図である。
【図７】図７は、本明細書に記載のシステムの様々な実施形態において使用可能な回路の模式的な回路図である。
【図８】図８は、本明細書に記載のシステムの一実施形態に係る、出力Ｐチャンネル及びＮチャンネルゲート駆動波形を示す模式図である。
【図９】図９は、本明細書に記載のシステムの一実施形態に係る、出力結果を示す模式図である。
【図１０】図１０は、本明細書に記載のシステムの一実施形態に係る、出力結果を示す模式図である。
【図１１】図１１は、本明細書に記載のシステムの一実施形態に係る、出力結果を示す模式図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、ＦＡＩＭＳ装置の駆動に使用可能な矩形の非対称波形を、そのような高電圧の生成に必要な電流とともに示す模式図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、ＦＡＩＭＳ装置の駆動に使用可能な矩形の非対称波形を、そのような高電圧の生成に必要な電流とともに示す模式図である。
【図１３】図１３は、本明細書に記載のシステムの一実施形態に係る、化学的な分析及び検出の処理工程を示すフローチャートである。
【図１４】図１４は、本明細書に記載のシステムの一実施形態に係る、開口グリッド／コレクタ・アセンブリの前方での挿入によりＦＡＩＭＳセルを組み込んだＩＭＳドリフト管の端部を示す化学的分析及び検出システムの模式図である。
【図１５Ａ】図１５Ａは、本明細書に記載のシステムの一実施形態に係る、コレクタ板に向かってＩＭＳ内部及びＦＡＩＭＳセルを通る記録対象のイオンの軌跡の一例を示す図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、本明細書に記載のシステムの一実施形態に係る、コレクタ板に向かってＩＭＳ内部及びＦＡＩＭＳセルを通る記録対象のイオンの軌跡の一例を示す図である。
【図１６Ａ】図１６Ａは、本明細書に記載のシステムの一実施形態に係る、ＦＡＩＭＳセル内部のイオンの軌跡を示す図であって、イオンの振動及び大気圧下での拡散効果を示している。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、本明細書に記載のシステムの一実施形態に係る、ＦＡＩＭＳセル内部のイオンの軌跡を示す図であって、イオンの振動及び大気圧下での拡散効果を示している。
【図１７】図１７は、本明細書に記載のシステムの一実施形態に係る、ＦＡＩＭＳセル内のイオン速度を示す模式図である。
【図１８】図１８は、本明細書に記載のシステムの一実施形態に関連して理想的な非対称波形のパラメータを示すプロット図である。
【図１９】図１９は、本明細書に記載のシステムの一実施形態に関連して使用可能なｘ軸方向のドリフト時間（ｍｓ）及びｙ軸方向の信号振幅（任意単位）を示すプロット図である。
【図２０】図２０は、本明細書に記載のシステムの一実施形態に係る、組み込みＦＡＩＭＳ装置を用いた化学的な分析及び検出の処理工程を示すフローチャートである。
【図２１】図２１は、本明細書に記載のシステムの一実施形態に係る、ＩＭＳドリフト管に組み込まれた複数のＦＡＩＭＳセルを有し、平面的及び非平面的な形状を有するＦＡＩＭＳセルを備えた化学的分析及び検出システムの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
様々な実施形態の詳細な説明
本明細書に記載のシステムは、コストの低減、真空の不要化、及び２次元スペクトルの生成による検出及び同定の増強といった複数の利点が得られる、低電界移動度技術（ＩＭＳ）及び高電界移動度技術（ＦＡＩＭＳ）等を組み合わせる技術の使用を提供する。２つの分析装置の動作により、その複合機器を用途上の必要に応じて適合させることによって、優れた柔軟性を備えたシステムを提供するようにしてもよい。また、ＩＭＳ−ＦＡＩＭＳのハードウェアレベルの柔軟性によって、互いに異なる対象化合物群の様々な検出シナリオに適した、互いに異なるトレードオフを利用できるように機器の構成及び最適化を行ってもよい。本明細書に記載の様々な実施形態において、ＩＭＳ装置及びＦＡＩＭＳ装置は互いに直交するものであってもよく、具体的には、ＩＭＳ装置及びＦＡＩＭＳ装置におけるイオンの流れ方向が互いに直交していてもよい。本明細書に詳述する別の実施形態において、ＦＡＩＭＳ装置はＩＭＳ装置に組み込まれていてもよく、イオンの流れ方向は、ＩＭＳ装置及びＦＡＩＭＳ装置と同軸であってもよい。
【００２２】
図１Ａ及び図１Ｂは、本明細書に記載のシステムの一実施形態に係る、インターフェースで互いに連結されたＩＭＳ装置及びＦＡＩＭＳ装置を備えたシステム１００の模式図である。図１Ａはシステム１００の模式図であり、図１Ｂは断面図である。システム１００では、ドリフト時間のクロマトグラム及び補償電圧のスペクトル等の２次元データセットを生成するようにしてもよい。システム１００は、イオン化装置／イオン源１１０、ドリフト管を含むＩＭＳ装置１２０、及び、ＩＭＳドリフト管装置１２０に対して９０°に配置されたＦＡＩＭＳ装置１３０（単一の装置及び／又は装置アレイ）を含んでもよい。イオン化装置／イオン源１１０は、動作モードに応じて連続イオン電流又はパルスイオン電流を供給してもよい。一実施形態において、イオン化装置／イオン源１１０は、周波数を変化させることによって個別のイオンパケット又は連続的なイオン流を送出可能なスパークイオン源等のパルスイオン源を含んでいてもよい。その追加又は代替として、ＩＭＳドリフト管１２０の入口に配置されたイオンゲートを介してＤＣコロナ又は放射線源等の連続イオン源を使用してもよい。一実施形態において、ＩＭＳドリフト管装置１２０は、マサチューセッツ州ウィルミントンにあるＩｍｐｌａｎｔ  Ｓｃｉｅｎｃｅｓ社が製造したものであってもよい。ＩＭＳ装置１２０及びＦＡＩＭＳ装置１３０は互いに独立していてもよく、また、それぞれの電位計回路は同じプリント回路基板上に実装して、最適統合を実現するようにしてもよい。この構成において、ＩＭＳ１２０は、ＦＡＩＭＳ１３０のたのフロントエンドフィルタとして使用してもよい。このような構成は、（１）対象分析物を予備的に分離する、（２）ＦＡＩＭＳガス流中にイオンのみを注入してガス流によりＦＡＩＭＳ装置１３０の分析間隙にイオンを送り込む、という少なくとも２つの目標を達成するものであってもよい。これにより、水分やその他の汚染を排除可能となる。
【００２３】
図２Ａは、本明細書に記載のシステムの一実施形態に係る、ＩＭＳドリフト管２０２の端部に配置されたバイアスゲートグリッド２０５を示す模式図２００である。ＩＭＳモードとＦＡＩＭＳモードとの間の切り替えには、パルス電圧をゲートグリッド２０５に印加する。ＦＡＩＭＳ装置２３０は、ゲートグリッド２０５とＩＭＳ開口グリッド２１０及びＩＭＳコレクタ２２０との間の軸から傾けて、例えば９０°傾けて挿入してもよい。ゲートグリッド２０５の電圧がゼロに切り替わると、無電界領域が形成され、ガス流によって浮遊イオンが９０°の角度でＦＡＩＭＳ装置２３０のセルに取り込まれる（図２Ｂ参照）。このイオンの排出時間によって、サンプリングサイクル毎のグリッドパルス数が決まる。ＩＭＳ開口グリッド２１０は、トラップ体積中に電界を形成して、ＩＭＳコレクタ２２０に向かってイオンを案内するようにしてもよい。
【００２４】
一実施形態において、ＦＡＩＭＳ装置２３０は、５枚の平行ステンレス鋼板２３２（例えば、幅５ｍｍ、長さ１５ｍｍ、厚さ１ｍｍ）を含み、並列的に動作する４つのＦＡＩＭＳセルを構成してもよい。鋼板２３２は、機械的安定性及び電気的絶縁性を提供する１又は複数の支持体２３４（例えば、幅８ｍｍ、長さ１８ｍｍ、厚さ３ｍｍのポリエーテル・エーテル・ケトン（ＰＥＥＫ）支持体）に収容・設置してもよい。また、これとは別に、５枚の短い（例えば、長さ２ｍｍ）検出器板２３６がＦＡＩＭＳ板と平行に存在し、すべての板が互いに接続されて１つの信号を生成する。これらの板は、高温エポキシ樹脂によって支持体に固定されていてもよい。また、個々の板は、支持体の孔を通過するスポット溶接されたワイヤーを介して、互いに電気的に接続されている。電極間の０．５ｍｍの間隔は、絶縁ポリマースペーサで維持してもよい。そして、一番上と一番下の板同士は、ネジを用いることにより支持体及び絶縁ポリマーを介して固定され、機械的安定性及びアライメントを確保している。
【００２５】
本明細書中、ＦＡＩＭＳ装置２３０は主に、平面的な形状設計のものに関して記述する。この形状では、製造の容易性や優れた分解能といった利点が考えられる。ただし、本明細書に記載のシステムの別の実施形態においては、円筒状、球状、及び／又は、その他適当な形状等の非平面的な形状設計のＦＡＩＭＳ装置を使用してもよい（ＦＡＩＭＳの様々な概念のうち、円筒形状のＦＡＩＭＳの詳細については、例えばＲ．Ｇｕｅｖｒｅｍｏｎｔ、「Ｈｉｇｈ−Ｆｉｅｌｄ  Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ  Ｗａｖｅｆｏｒｍ  Ｉｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ（ＦＡＩＭＳ）」、Ｃａｎａｄｉａｎ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｓｃｉｅｎｃｅｓ  ａｎｄ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、２００４年、第４９巻、第３号、１０５―１１３頁（この文献の内容は、本明細書中に参照により組み込まれる）を参照されたい）。
【００２６】
図２Ｂは、本明細書に記載のシステムの動作に関連して使用可能なＦＡＩＭＳ及びＩＭＳドリフト管のガス流の方向を示す模式図である。ガス流には、空気、その他のガス、及び／又は、空気とその他のガス若しくは改質ガスチャンバー２５２にて生成可能な物質との混合物を含んでいてもよい。模式図２５０には、ＦＡＩＭＳガス流２６１及びＩＭＳドリフト管ガス流２６２の方向を示している。また、当該システムに対して流入出するサンプリングガス流も示している（サンプリングガス流入力２６３ａ及びサンプリングガス出力２６３ｂ）。ＦＡＩＭＳガス流２６１は、例えば２リットル／分と１０リットル／分との間で設定可能であるが、ポンプ２５６を用いて１又は複数のモレキュラーシーブ２５４を通るように循環させてもよい。本明細書中で別途詳述する通り、イオンは、ＩＭＳドリフト管２０２内を移動するように制御され、ＦＡＩＭＳガス流２６１中に注入されることでＦＡＩＭＳ装置２３０の分析間隙に送り込まれる。なお、図示の実施形態において、ＩＭＳドリフト管ガス流２６２は、ＩＭＳドリフト管内を移動してＦＡＩＭＳガス流２６２中に注入されるイオンの流れとは逆の方向であってもよい。
【００２７】
図３Ａ及び図３Ｂは、本明細書に記載のシステムの一実施形態に係る、ゲートグリッドの電圧バイアス及びスパークイオン源の周波数に応じて切り替わるシステム１００のＩＭＳモード及びＦＡＩＭＳモード等の２つの動作モードの特性を示す模式図である。図３Ａは２５Ｈｚでのスパークイオン源の特性を示す図３１０であり、図３Ｂは１ｋＨｚでのスパークイオン源の特性を示す図３２０である。各図中の一番上のトレースは、ＩＭＳ検出器応答を示す。ＩＭＳモードにおいては、例えば１２Ｈｚという低周波数でＩＭＳドリフト管にイオンパケットを注入してもよい。ＦＡＩＭＳモードにおいては、周波数が１ｋＨｚに達する可能性がある。このような高周波数では、スパークがＦＡＩＭＳの連続イオン源となる。スパークの周波数が高いほど、高い信号（例えば、１０倍）が得られる。ＦＡＩＭＳモードでは、イオンガイドとなるドリフト管中の電界の強度を高くすることによって、より高い信号が得られる。
【００２８】
図４は、本明細書に記載のシステムの一実施形態に係る、ＩＭＳスペクトル及びＦＡＩＭＳスペクトルを並べて示す模式図４００である。この手法は柔軟性が低いことから、互いに異なる動作モードで選択性、感度及び速度のトレードオフを利用する。サンプリングサイクル中の動作シナリオの一例としては、従来のＩＭＳクロマトグラムを生成し、ピーク検出時に、フィルタを検出ピークのＣＶ値に調整することによって、自動的にＦＡＩＭＳモードに切り替える。検出したＦＡＩＭＳ信号は、図４に並べて示したＣ４のＩＭＳスペクトル及びＦＡＩＭＳスペクトルの場合と同様に、確認用のものとなる。本明細書に記載のシステムにおいては、ＩＭＳスペクトル中では分解されないが、ＦＡＩＭＳスペクトル中では分解されるＴＮＴ等の一部の爆発物及びハンドクリーム等の干渉物質に対応したピークが与えられていてもよい。
【００２９】
本明細書に記載のシステムに係るＩＭＳ−ＦＡＩＭＳ構成は優れた柔軟性を提供しており、本明細書に記載のシステムに関しては、その他複数のモードを使用してもよい。例えば、ゲートグリッド２１０（図２）は、対象イオンのゲートとして機能するものであってもよい。すなわち、ＩＭＳスペクトルのある時間に短いパルスをグリッド２１０に印加することによって、特定のドリフト時間のイオンのみが無電界領域に送られてＦＡＩＭＳ分析に用いられる。したがって、本明細書に記載のシステムは、対象イオンの特定のドリフト時間に対応したパルスの制御によりＦＡＩＭＳ装置２３０に送られるイオンを制御することによって、対象イオンの検出制御を増強可能である。
【００３０】
ＦＡＩＭＳ装置の駆動波形の形状は、ＦＡＩＭＳの分解能、透過及び分離に影響を及ぼす特性の１つである。実際の回路の優位性から、最近のほとんどのＦＡＩＭＳ運用では、正弦波に２倍の周波数の基本成分を足し合わせて形成した波形を採用しているため（式２）、非対称方形波の１次フーリエ近似となる。
【００３１】
図５Ａは、ＦＡＩＭＳ装置を駆動する正弦波を重ね合わせた非対称の波形（非対称方形波の１次フーリエ近似）を示す模式図である。この波形の形状は、実験的に測定したイオン搬送用の（化合物依存性）ＣＶ値に寄与するパラメータである。対称な波形（正弦波又は方形波）であれば、あらゆる種類のイオンの搬送に関して、ＣＶ＝０Ｖとなる。ただし、イオンの分離には波形の非対称性が必要であり、ＣＶ値の差によって表される。
【００３２】
本明細書に記載のシステムによれば、ＦＡＩＭＳ分析の場合は矩形の駆動波形が有利であることが分かる。また、分析的考察から、正弦波の波形と比較して、矩形波形であればイオン分離効率、分解能及び／又は感度を向上可能であることが分かる。ただし、高周波による電力負荷が過大なため、差分イオン移動度に基づいた分離のための矩形パルスを伝達する電子機器の開発にとっては、急峻な立ち上がり時間の高電圧パルスが妨げとなっている。
【００３３】
直感的には、ＦＡＩＭＳに非対称の方形（及び／又はその他の矩形）波形を使用することによって、電界の高電界部及び低電界部における差が最大になると考えられる。波形のこれら高低期間において、イオンは、ＣＶが最大となる互いに大きさが異なる電圧の最大値を経験する。ただし、過去の研究では、理想的な非対称の方形波形にイオンが応答して「定常状態」又は最終的なドリフト速度に達する時間が十分に長いため、過渡的な電界に起因する誤差が取り込まれてしまう、という懸念があった。このことは、最終速度に達する時間が全ドリフト時間に対して短い場合は、１次まで無視できることが分かっている。過渡的な電界においてこの最終速度に達するのに要する推定時間がピコ秒の範囲である一方、ドリフト時間がミリ秒の範囲であることから、この因子は無視できる。
【００３４】
図５Ｂは、本明細書に記載のシステムに係る、ＦＡＩＭＳ装置の駆動に関連して使用可能な矩形波形を示す。一実施形態において、本明細書に記載のシステムは、方形波形を生成してＦＡＩＭＳ装置を駆動可能である。この方法には、高速かつ妥当な電力損失でトランジスタを直接切り替える工程を含んでいてもよい。そのため、高電圧（＞１０００Ｖ）かつ低出力容量の高速トランジスタ（ＦＥＴ）の選択に限定してもよい。一方で、１５００Ｖのトランジスタは非常に低速であり、他方で、１２００ＶのＦＥＴは出力容量が大きく、高速切り替え時には電力消費が増大する。本明細書に記載のシステムに関して、非常に高い電圧を伝達するには、８００Ｖのトランジスタ又はＦＥＴ（高速かつ低出力容量）を直列に使用してもよい。また、本明細書に記載のシステムに用いる波形の生成に関しては、別の技術を用いてもよい。これについては、例えば、Ｅ．Ｖ．Ｋｒｙｌｏｖら、「Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｗａｖｅｆｏｒｍｓ  ｆｏｒ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｍｏｂｉｌｉｔｙ  ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ」、Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ、８１、０２４１０１、（２０１０）、１１  頁（この文献の内容は、本明細書中に参照により組み込まれる）が参照可能である。
【００３５】
図６及び図７は、本明細書に記載のシステムの様々な実施形態において使用可能な回路の模式回路図５００及び補助回路図５０１である。本明細書に記載のシステムに係る上記回路に関連して、以下の動作モードを備えていてもよい。
ａ．Ｖ１＝＋１０００Ｖ，Ｖ２＝−５００Ｖ（デューティサイクル  ２：１）
ｂ．Ｖ１＝＋１０００Ｖ，Ｖ２＝−２５０Ｖ（デューティサイクル  ４：１）
ｃ．Ｖ１＝＋８００Ｖ，Ｖ２＝−２００Ｖ（デューティサイクル  ４：１）
【００３６】
切り替え波形は、正負両電圧の駆動用に２つ使用してもよい。これらの波形により、回路異常を抑えるための調整及び必要な不感時間の確保による低電力切り替えのための調整が可能となる。４つの変数（Ｖ１、Ｖ２、Ｔ１及びＴ２）のうちの３つまではコンピュータで設定可能であってもよく、４つ目については、バランス式３から推定してもよい。
【００３７】
ＦＡＩＭＳドライバは、直列に接続され、共通グランドを基準とする２つのＥＭＣＯ電源（＋４００ＶＤＣ（Ｕ９）及び−１００ＶＤＣ（Ｕ１））から電力供給されるバスを備えたＦＥＴハーフブリッジ（Ｑ１、Ｑ２）を含んでもよい（本明細書の末尾の回路図を参照されたい）。切り替え出力は、Ｒ２９（２０Ｍオーム）を介して共通グランドを基準とする。高圧側のＦＥＴ  Ｑ１はＰチャンネル型であり、低圧側のＦＥＴ  Ｑ２はＮチャンネル型である。２つのＮチャンネルＦＥＴを組み合わせるより、Ｐチャンネル型とＮチャンネル型とを組み合わせた方が高性能となることが分かっている。ゲートの駆動は、ＥＬ７２１２ドライバ（Ｕ２、Ｕ１０）による。絶縁された５．６ＶＤＣの電圧源は、Ｕ５−Ｔ１電源及びＲ１９、Ｄ２４／Ｒ２０、Ｄ１３０ツェナーにより生成される。Ｕ３、Ｕ１２（ＡＤＵＭ１１００）は、ＨＶ絶縁を提供するとともに、３．３Ｖから５．６Ｖへの信号変換を行う。論理ドライブ信号及び３．３Ｖバスは、外部の基準基板から提供するようにしてもよい。図示の低電流・低インダクタンス回路における主要な電源損失は、ＦＥＴ自体のＣｏｓｓの充放電である。ただし、低電力用途の場合は、低Ｃｏｓｓかつ高電圧のＦＥＴを設計してＴＯ−９２にパッケージングしてもよい。この場合、ＦＥＴ当たり１Ｗを超える損失を取り扱うことはできない。また、図６及び図７に示す回路の様々な態様をコンピュータソフトウェアによりシミュレーションしてもよい。
【００３８】
図８は、本明細書に記載のシステムの一実施形態に係る、出力Ｐチャンネル及びＮチャンネルゲート駆動波形を示す模式図６００である。図中、２〜３の区間及び４〜１の区間は、回路のデッドタイムである。負のフロント１では、ＰＦＥＴ  Ｑ１がオン（Ｑ２はオフ）されて、出力が＋４００ＶＤＣとなる。１〜２の区間では、Ｑ１がそれ自体のＣｏｓｓ（およそ１０ｐＦ）を放電し、Ｑ２のＣｏｓｓ（およそ８ｐＦ）を５００Ｖで充電する。Ｑ２のＣｏｓｓをＱ１で充電する際の損失は、伝導損と考えられる。また、正のフロント３では、ＮＦＥＴ  Ｑ２がオン（Ｑ１はオフ）されて、出力が−１００ＶＤＣとなる。３〜４の区間では、Ｑ２がそれ自体のＣｏｓｓを放電し、Ｑ１を充電する。
【００３９】
放電損失はＰ＝Ｖ２＊Ｃｏｓｓ／２で計算できるが、Ｃｏｓｓの消失に起因するＦＥＴ内部の充電損失は規定されていない。第１の近似として、Ｃｏｓｓ充電損失は、電源抵抗及び対向するＦＥＴのＲｄｓ（オン）のそれぞれで一部が消失するものと仮定してもよい。
【００４０】
図９〜図１１は、本明細書に記載のシステムの一実施形態に係る、出力結果を示す模式図である。図９は、ＦＡＩＭＳドライバの出力を示す模式的なグラフ７０１である。図１０は、高分解能でのＶｏｕｔの立ち上がりを示す模式的なグラフ７０２である（立ち上がり時間は、ｄｖ／ｄｔが１０Ｖ／ｎｓにおいて５０ｎｓである）。図１１は、高分解能でのＶｏｕｔの立ち下がりを示す模式的なグラフ７０３である（立ち下がり時間は、ｄｖ／ｄｔが−５０Ｖ／ｎｓにおいて１０ｎｓである）。出力信号の水平方向の傾斜は、不十分な計装（１００Ｘプローブ）が原因である。Ｑ１、Ｑ３のゲート駆動には、切り替え速度の最大化及びＣｏｓｓ損失の抑制のため、６Ｖを選択している。最大動作周波数は、Ａａｖｉｄの５７５２０００Ｂヒートシンクを備えた現行のＦＥＴ（ＶＰ０５５０及びＶＮ０５５０）に基づき、２５０ＫＨｚ未満に制限して、接合部の温度破壊を回避するものとする。
【００４１】
切り替え波形は、出力との関係から、正電圧駆動用と負電圧駆動用とに２つ使用してもよい。これらの波形により、回路異常を抑えるための調整及び必要な不感時間の確保による低電力切り替えのための調整が可能となる。切り替え方法の最適化には、コンピュータシミュレーションを利用して、総電力がわずか０．５ワットの波形を得るようにしてもよい。コンピュータは、必要に応じて、波形の時間部分の形状を連続的に調整可能である。波形の電圧部分も調整可能であるが、現時点で時間を調整可能な高レートにおいては調整不可能である。上側の電圧及び時間を入力してもよいし、下側の電圧及び時間を入力してもよいが、動作時には下側の時間（Ｔ２）のみを変化させるものとする。試験の設定では、ＦＡＩＭＳの下側電極に印加する補償電圧を設定可能である。ただし、補償電圧の代わりに調整可能な下側の電圧時間を使用してもよい。この技術により経路中間のイオンが電極に衝突しないようにすれば、回路を大幅に削減できる。波形にＣＶを追加すれば、エネルギーが（Ｔ１−Ｔ２）＊ＣＶだけ変化する。また、Ｔ１＊Ｖ１＝Ｔ２＊Ｖ２で与えられる公称値からＴ２を変化させると、エネルギーがＴ２＊Ｖ２の差分だけ変化する。したがって、類似の状況下で取得したデータのタイプ間での相関を得たい場合は、それらの等価性を判定可能である。変数Ｔ２を使用すると、回路と電力が大幅に削減される。
【００４２】
図１２Ａ及び図１２Ｂは、ＦＡＩＭＳ装置の駆動に使用可能な矩形の非対称波形を、そのような高電圧の生成に必要な電流とともに示す模式図である。図１２Ａは、４００ボルトにおける５００ｎｓのアップタイムを示すグラフ８０１である。上側の曲線は、５ｍＡ／ｄｉｖの電流である。図１２Ｂは、３０ｎｓの立ち上がり時間と、それよりも高速の立ち下がり時間とを示すグラフ８０２である。
【００４３】
図１３は、本明細書に記載のシステムの一実施形態に係る、化学的な分析及び検出の処理工程を示すフローチャート９００である。ステップ９０２では、サンプル入口を介して、化学的な分析及び検出を行うサンプルガスを本明細書に記載のＩＭＳ／ＦＡＩＭＳシステムに供給する。ステップ９０２の後、ステップ９０４に処理を進めて、ＩＭＳ及び／又はＦＡＩＭＳ動作モード等のシステムの動作モードを決定する。なお、動作モードは、処理中に変更してもよい。ステップ９０４の後、ステップ９０６に処理を進めて、ＩＭＳ装置によりイオン移動度分光分析処理を実施する。この場合は、サンプルをイオン化してドリフト管内でイオンを移動させるとともに、決定した動作モードに応じたドリフト時間に従ってイオンを分離する。イオン源の周波数は、動作モードにより決定してもよい。ステップ９０６の後、ステップ９０８に処理を進めて、決定した動作モードに従ってゲートグリッドを制御する。例えば、ゲートグリッドは、ＩＭＳスペクトルのある時間に短いパルスをグリッドに印加することによって、グリッドへのパルス印加に対応する特定のドリフト時間のイオンのみがＦＡＩＭＳ装置の分析間隙へと送られるように、対象イオンのゲートとして機能するものであってもよい。ステップ９０８の後、ステップ９１０に処理を進めて、本明細書に記載のシステムに従って分離及び方向付け（ゲーティング）を行ったイオンに対する化学的分析を実施する。例えば、ＦＡＩＭＳモードにおいては、ＦＡＩＭＳ技術に従ってＦＡＩＭＳ装置を使用することにより、ゲーティングした対象イオンを分析するようにしてもよい。ステップ９１０の後、処理は終了となる。
【００４４】
本明細書中で別途記載する通り、分析機器を組み合わせると、相乗的な効果が得られる。得られる化学的情報及び測定結果の特性は、個々の結果をまとめることによって改善される。様々な組み合わせとして、互いに同様又は異なる時間領域における分離を行う機器及び分析対象のイオン種の互いに同様又は異なる特性を測定する機器が挙げられる。ガスクロマトグラフィ（ＧＣ）−質量分析（ＭＳ）及びイオン移動度分光分析（ＩＭＳ）−ＭＳ等の複合（機器Ａ／機器Ｂ）プラットフォームは、機器Ａによる分離中に機器Ｂが複数のスペクトルを生成可能な構成の例である。機器Ａ及びＢの組み合わせは、システムＡで生成した情報の質がシステムＢで高められるため、相互に利点がある。また、システムＢの利点がシステムＡによる予備分離を構成するため、化学的ノイズが低減される。類似の時間領域で動作する機器の場合は、２つの分離が順次発生する可能性があるため、機器Ａが予備選別器として機能し、機器Ｂが確認器として機能する（Ｓ．Ｂｏｕｍｓｅｌｌｅｋ及びＴ．Ｊ．Ｋｕｅｈｎによる２００７年１１月１７日付け米国特許出願第１１／９４１，９３９号（この米国特許出願の内容は、本明細書中に参照により組み込まれる）を参照されたい）。このようなシナリオでは、機器Ａの動作モードを最適化することによって、全体の感度及び選択性のトレードオフを最適に利用可能である。
【００４５】
ＦＡＩＭＳ−ＭＳ及び／又はＦＡＩＭＳ−ＩＭＳ等の複合プラットフォームとして、機器Ａ（ＦＡＩＭＳ）が機器Ｂ（ＭＳ又はＩＭＳ）に選択イオンを供給し続けるフィルタ及び／又は予備濃縮器として機能するものを設けてもよい。後者のプラットフォームの変形例として、機器Ａと機器Ｂとを逆転させたもの（ＩＭＳ−ＦＡＩＭＳ）があるが、これについては、ゲートグリッドの使用と、イオン源外部でのサンプルの化学反応及び水分凝集効果を阻止する機器Ａのドリフトガスの利点とを含めて、本明細書中で別途詳述する。
【００４６】
上記Ａ／Ｂプラットフォームにおいては、分離ステージが並設されており、ノイズが信号よりも急速に低下するため、化学的な信号対ノイズ比が改善される。ただし、全体の選択性が大きく改善されるのに対して、各後続ステージの後における伝達の非効率性に起因するサンプル（中性又はイオン形態）の損失が避けられないことから、感度については課題が残る。これについては、従来の意味における複合機器において、（１）インターフェースで互いに連結されほとんどの場合に互いに異なる受容面積を有する装置が必要であり、（２）各装置がそれぞれの検出器を有する必要がある、という事実から容易に説明できる。いずれの場合も、制限器、偏向器等の設計により、インターフェースの複雑性が増すため、貴重なサンプルが失われてしまう。タンデム構成の場合は一般的に、機器Ｂが機器Ａ以上の感度を有するものとする。これは、機器Ｂが一般的に、機器Ａよりも大きな固有の感度を有するか、及び／又は、全イオンモードで動作することによって、中性又はイオン性のサンプルをより多く注入することを意味する。
【００４７】
上記を考慮して、本明細書に記載のシステムの一実施形態に係る機器が従来の差分移動度分離技術をより有効に組み合わせたものを、本明細書に記載のシステムの様々な実施形態として更に提供してもよい。特に、機器Ａ及び機器Ｂを並設してインターフェースを設計することにより互いに連結させる従来の方法とは異なり、本明細書に記載のシステムの別の実施形態によれば、機器Ａ及び機器Ｂの個々の機能を維持して２次元データセットが生成されるように、機器Ｂを機器Ａに組み込んでもよい。特定の実施形態においては、機器Ａがイオン移動度分光計（ＩＭＳ）であり、機器Ａに組み込まれた機器Ｂが高電界非対称波形イオン移動度分光計（ＦＡＩＭＳ）であってもよい。イオンがセルを通って軸方向に移動しているときに半径方向に分散される従来のＦＡＩＭＳとは異なり、本明細書に記載のシステムに係る機器Ｂが組み込まれた機器Ａにおいては、２つの運動（例えば、ＩＭＳドリフト運動及びＦＡＩＭＳ振動）が同一軸（ＩＭＳドリフト管の軸）に沿うものであってもよい。
【００４８】
既知のＩＭＳスペクトル及びＦＡＩＭＳスペクトルに加えて、低電界移動度及び高電界移動度の両者を反映したドリフト時間を特徴とするＩＭＳスペクトルを記録するようにしてもよい。ＦＡＩＭＳセルでは、ＦＡＩＭＳの非対称波形のＩＭＳ低電界及び高電界の両者の影響をイオンが受ける場合がある。イオンは、ＦＡＩＭＳセル内で振動させることにより、高電界移動度（ＫＨ）が高い方（タイプＡ）又は低い方（タイプＣ）のいずれであるかに応じて、加速又は減速される。高周波電界を印加すると、ＩＭＳスペクトルのドリフト時間軸に沿って、化合物に応じた様々な量のシフトが反応性イオンを含めて観測される。これは、当該イオン種の移動度が高い特性及び低い特性を同じスペクトルへ結合させるという分離のための付加的な態様を示している。
【００４９】
なお、本明細書に記載のシステムに係る組み込みＦＡＩＭＳでは、イオンを気体によって運ぶためのガス流を必要としない。このため、上記組み込みＦＡＩＭＳ機器は、ＩＭＳ電界及びＦＡＩＭＳ電界の影響下でイオンを移動させることから、全体が静電的な機器であってもよい。更に、上記組み込みＦＡＩＭＳは、イオンと逆方向に流れるドリフトガスの利点を享受することにより、イオン凝集と湿気に対する感度を低減できるものであってもよい。原料ガス及びフィルタリングした清浄ガスのそれぞれに個別の流路を設ける必要がなくなるため、先行技術が教示する個別の流路の維持に必要な構造を減らすことができる。上記２つの機器は、同じ受容面積を有するとともに、イオン検出用の同じコレクタを有していてもよい。
【００５０】
本明細書に記載のシステムの一実施形態によれば、周波数可変スパークイオン源と、低電界移動度（ＩＭＳ）及び高電界移動度（ＦＡＩＭＳ）という２つの分離技術とを利用するタンデム構成機器が提供される。分析ステージの特徴は、ＩＭＳドリフト管内で軸上（同軸）に組み込まれた電界駆動型ＦＡＩＭＳセルである。一実施形態において、ＩＭＳドリフト管は、標準的なリングを等間隔に積み重ねたものであり、適宜バイアスを加えることにより軸方向のドリフト電界を生成するものであってもよい。一方、ＦＡＩＭＳセルは、ＩＭＳのリング電極と同じ直径を有する２枚の平面的なグリッド板で構成されている。ただし、本明細書に記載のシステムに関しては、ＩＭＳドリフト管及びＦＡＩＭＳセルのグリッド板として、別の構成を使用してもよい。例えば、本明細書中で別途詳述する通り、ＦＡＩＭＳを非平面的な形状としてもよい。
【００５１】
図１４は、本明細書に記載のシステムの一実施形態に係る、開口グリッド１０３０及び検出器／コレクタ・アセンブリ１０４０の前方での挿入によりＩＭＳ機器１０１０のＩＭＳドリフト管１０１２の端部にＦＡＩＭＳ機器又はセル１０２０を組み込んだＩＭＳ組み込みＦＡＩＭＳ装置１０００を示す模式図である。図示の実施形態において、ＦＡＩＭＳセル１０２０は、開口グリッド／コレクタ・アセンブリ１０３０の上流において、ＩＭＳドリフト管１０１２の最後尾の電極リング１０１４に隣接して実装されている。別の実施形態において、ＦＡＩＭＳセル１０２０は、ドリフト管１０１２の全体の長さにおける任意の箇所に実装してもよい。ＦＡＩＭＳセル１０２０のグリッド１０２１及び１０２２は、分析間隙とも称する間隙（例えば、様々な実施形態においては０．５ｍｍ又は０．３５５ｍｍ）で配置されているが、ＩＭＳドリフト管１０１２のＩＭＳリングと略同等の直径を有していてもよいし、また、電圧分割ラダー中のそれぞれの位置に応じてバイアスを加えることにより同じＩＭＳ電界を形成するようにしてもよい。グリッド１０２１及び１０２２のそれぞれには、分散電圧及び補償電圧を併せて印加することも可能であるし別々に印加することも可能である。
【００５２】
従来のＦＡＩＭＳセルの平行グリッド板間では、（１）高周波非対称電界に起因してイオンをいずれか一方のグリッド板に向かう方向に移動させる分散力と、（２）セルの入口から出口へとイオンを移動させる縦力という、互いに直交する２つの力の影響をイオンが受ける。縦力は、ガス流による力又は静電力と考えられる。従来のほとんどのＦＡＩＭＳ装置は、ポンプで形成したガス流によってセル内でイオンを移動させることを特徴とする。このような装置は、フロー駆動型ＦＡＩＭＳと称し、多くの考察が別途必要となる。例えば、キャリアガスをイオンから分離して、イオン源の外部での付加的な化学反応を回避する機構が必要となる場合がある。更に、イオンがセルを通過する際には、局所的なガス流速度を得る。このような速度は、間隙の幅方向に放物線プロファイルを有するため、間隙の幅方向の中央付近を移動するイオンはグリッド板付近を移動するイオンよりも高速となる。これにより、同じイオン種の滞留時間が分散して実効的な間隙が得られなくなり、感度が低下する。また、サンプル媒体をＦＡＩＭＳセルに引き込むとともにキャリアガスを供給するのにはポンプが必要となるが、このようなポンプは大型であって、大きな電力を消費する可能性がある。また、キャリアガスはイオンと同じ方向に流れるものであるため、分析間隙をイオン源から分離する構造が必要となる。
【００５３】
これに対して、電界駆動型のＦＡＩＭＳ装置では、例えばセグメント化された電極によりイオンがセル内を静電的に移動する。このような装置では、選択イオンの流れをより高速かつ正確に制御することによって、サンプルのスペクトルを生成することができる。本明細書に記載のシステムによれば、ＦＡＩＭＳセル１０２０への進入に際して、ドリフト管１０１２の軸に沿ってイオンを振動させる非対称電界の力の影響をイオンが受ける。低電界（高移動度のイオンと低移動度のイオンが存在）での移動度に比較して大きい高電界での移動度の場合は、その高電界での移動度の値に応じてＦＡＩＭＳセル１０２０内でイオンが加速又は減速されるため、各イオンのドリフト時間がシフトすることになる。これは、所望の対象イオンの分離及び検出に利用できるため都合が良い。本明細書に記載のシステムに関しては、平行板電極（平面形状）を有するＦＡＩＭＳセルについて主に記述する。ただし、本明細書中で別途詳述する通り、本明細書に記載のシステムでは、非平面的な形状のＦＡＩＭＳセルを用いてもよい。例えば、一実施形態においては、本明細書に記載のシステムに関して、本明細書中で別途記述する様々な適当な非平面形状のうち、非平面的な三日月状の互いに平行な電極を有するＦＡＩＭＳセルを用いてもよい。
【００５４】
図１５Ａは、本明細書に記載のシステムの一実施形態に係る、検出器／コレクタ・アセンブリ１０４０を使用して記録される、開口グリッド１０３０に向かってＩＭＳ１０１０のＩＭＳドリフト管１０１２及び組み込みＦＡＩＭＳセル１０２０を通るイオン１００１の軌跡の一例を示す図である。一実施形態において、組み込みＦＡＩＭＳセル１０２０は、電界駆動型である。図１５Ｂは、図１５Ａ中の囲まれた領域１０５２の拡大図である。開示の実施形態においては、イオン１００１の連続流又はパケットがＩＭＳ１０１０のドリフト管１０１２に沿って移動し、組み込みＦＡＩＭＳセル１０２０を通って、検出器１０４０で検出される。一実施形態において、検出器１０４０は、単一の検出器であっても都合が良い。
【００５５】
イオン軌跡は、既知の技術で計算するようにしてもよい。例えば、Ｓｉｍｉｏｎレイトレーシングパッケージを用いてイオン軌跡を計算してもよい。Ｓｉｍｉｏｎは、統計的拡散シミュレーション（ＳＤＳ）と称するユーザープログラムを呼び出して、大気圧下でのイオンの運動をモデル化する。これについては、Ａ．Ｄ．Ａｐｐｅｌｈａｎｓ及びＤ．Ａ．Ｄａｈｌ、「ＳＩＭＩＯＮ  ｉｏｎ  ｏｐｔｉｃｓ  ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ  ａｔ  ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ」、Ｉｎｔ．Ｊ．Ｍａｓｓ．Ｓｐｅｃｔｒｏｍ、２４４（２００５）、１−１４頁（この文献の内容は、本明細書中に参照により組み込まれる）が参照可能である。ＳＤＳのコードは、中性ガス中のイオンの拡散項及び移動度項の両者をモデル化することによって、高圧衝突の影響を考慮に入れる。また、粘性イオンの移動度及びランダムなイオンジャンプ（拡散）を組み合わせた手法によって、イオンの動力学をシミュレーションする。ＳＤＳパッケージには空間電荷効果が含まれていないが、Ｓｉｍｉｏｎに組み込まれたクーロン反発特性を用いて別途処理するようにしてもよい。
【００５６】
図１６Ａは、ＦＡＩＭＳセル１０２０を通って開口グリッド／コレクタ・アセンブリ１０３０／１０４０に至るイオン軌跡の模式図１０６０である。図１６Ｂは、図１６Ａ中の領域１０６２で示したＦＡＩＭＳセル１０２０内部の拡大図であって、高周波の分散電界に起因するイオン振動及びその結果としてのイオンの正味速度の変化を示している。ＦＡＩＭＳセル１０２０への進入に際して、イオンには、ＩＭＳ低電界に起因する移動度及び分散電圧の非対称波形の高周波に起因する振動が生じる。なお、これらの図は、少なくともフリンジ状電界を無視できる主軸近傍のイオンについて、非対称電界の電気的な力ではなく大気圧下の拡散効果によってもたらされ得る半径方向の微小なイオン変位も示している。
【００５７】
非対称波形の特徴は、電界に応じてイオン移動度を変化させる高電圧成分である。このため、高電界と低電界間の振動により、分析イオンの特徴として、イオンの正味速度が変化する。このような正味速度の変化は、互いに異なるイオンに対して正負のいずれであってもよい。セルを通過するイオンは、低電界でのイオン移動度に比較して高電界でのイオン移動度の場合は、そのイオン移動度の特性に応じて加速又は減速される（停止となることもある）。これにより、それぞれのドリフト時間がシフトして、測定の目的に適った所望のイオン分離が可能となる。したがって、イオン源を高周波で動作させて得られるイオン流が供給されるＦＡＩＭＳセル１０２０は、ＦＡＩＭＳグリッドのいずれかに印加されたＤＣ電圧（補償電圧と称する）の値に応じてイオン又はイオン集合をフィルタリングするゲートとして機能する。このようなＤＣ電圧をスキャンすると、スペクトルが生成される。本明細書中で別途記述する通り、本明細書に記載のシステムとの関連で用いるイオン源は、スパークイオン源等のパルスイオン源、及び／又は、連続イオン源であってもよい。この場合は、可変周波数で動作する１又は複数のイオンゲートを追加してもよい。
【００５８】
本明細書に記載のシステムに係る第２の動作モードでは、ＩＭＳ電界を一時的に無効化する一方で、特定のイオン種がＦＡＩＭＳセル１０２０内部にトラップされる値に補償電圧を設定する。このモードにおいては、補償電圧をトラップ電圧と称する。トラップ時間においては、対象イオン種が予備濃縮されるが、その他の化合物はグリッドワイヤーに衝突するか、又はＦＡＩＭＳセル１０２０から離れる。この時間の後、ＩＭＳ電界が再度オンされ、対象イオン種の高められた信号が記録される。このモードは、ＩＭＳでは不確定の場合の確認用として利用可能である。実際、ＩＭＳスペクトルに見られる干渉は、データベースに格納された様々なイオン種に特有のトラップ電圧特性によって本モードの開始の際に分解可能である。
【００５９】
第３の動作モードでは、従来のＩＭＳクロマトグラムを記録するドリフト管に対し、イオンゲートを介してβ放射体、コロナ、又は電気スプレイ等の連続イオン源から注入されたイオンパケット、又は、低周波で動作するスパークイオン源から直接注入されたイオンパケットを使用する。このようなクロマトグラムは、（１）低電界における従来のイオンドリフト時間と、（２）出射前の複数の振動サイクルに際してＦＡＩＭＳセル内部でイオンが使う時間とを組み合わせたフライト時間を特徴とする。イオンの中には、高電界における移動度に応じて、セル内を高速移動するものもあれば、低速で移動するものもあり、従来のＩＭＳスペクトルに時間シフトとして現れる。要するに、従来法と差分移動度による方法との２つの分離方法は、新たなＩＭＳスペクトルにおけるドリフト時間に寄与するため、干渉を分解することによって、機器の選択性が向上する。
【００６０】
図１７は、本明細書に記載のシステムの一実施形態に係る、ＦＡＩＭＳセル１０２０内のイオン速度を示す模式図１０７０である。イオンは、ＩＭＳドリフト管１０１２を通過し、ＩＭＳ電極１０１６の近傍を通って、ＩＭＳドリフト管１０１２の軸に沿って、ある場所に組み込まれたＦＡＩＭＳセル１０２０まで移動する。ＦＡＩＭＳセル１０２０内においては、ＩＭＳ電界に起因する静電力の影響をイオンが受ける。Ｖｉｍｓは、ＩＭＳ電界に起因するイオン速度である。図中、本明細書に記載のシステムの高電界非対称波形動作に従って、ＦＡＩＭＳ装置の板間に生成された電界を制御可能な制御装置１０２５を示す。ＶＦＡＩＭＳは、非対称波形に起因するイオンの正味速度である。ＶＦＡＩＭＳは、式４に従って計算できる。
【数４】
2014514574.tif 000006
【００６１】
ここで、ＶＨ―ＦＡＩＭＳ及びＫＨはそれぞれ、高電界（ＥＨ）における速度と移動度、ＶＬ―ＦＡＩＭＳ及びＫＬは低電界（ＥＬ）における速度及び移動度である。
【００６２】
ＦＡＩＭＳセルを通るフライト時間Ｔｃｅｌｌは、ＩＭＳ電界及びＦＡＩＭＳ電界に起因する振動に支配される。Ｔｃｅｌｌは、次式により導出可能である。
【数５】
2014514574.tif 000007
【数６】
2014514574.tif 000008
【００６３】
ここで、Ｗはセルの幅、ＫはＩＭＳ移動度、ＴＨ及びＴＬはそれぞれ非対称波形における高電界及び低電界の持続時間である（図１８参照）。
【００６４】
図１８は、本明細書に記載のシステムの一実施形態に関連して使用可能な非対称波形のパラメータを示すプロット図１０８０である。ＴＨ及びＴＬはそれぞれ、非対称波形における高電界及び低電界の持続時間を示している。波形の極性及び高電界移動度と低電界移動度と間の差の極性に応じて、Ｔｃｅｌｌは、ＴＩＭＳよりも短くなったり長くなったりする。負イオンの分析及び正の波形（高電界セグメントが正、低電界セグメントが負）を前提とすると、タイプＡイオン（高電界で移動度大）がセル内を低速で移動する一方、タイプＣイオンはセル内を高速で移動するため、ＩＭＳスペクトルには数ミリ秒のシフトが発生する（図１９参照）。セル内の通過時間に影響するその他のＦＡＩＭＳパラメータとしては、高電界ＥＨ及び非対称波形のデューティサイクルＴＨ／（ＴＨ＋ＴＬ）が挙げられる。
【００６５】
図１９は、本明細書に記載のシステムの一実施形態に関連して使用可能なｘ軸方向のドリフト時間（ｍｓ）及びｙ軸方向の信号振幅（任意単位）を示すプロット図１０９０である。このプロット図では、本明細書に記載のシステムの一実施形態に係る高周波分散電圧の印加に際して、およそ２．７５ｍｓだけ右方向へシフトしている。上述の通り、イオンは、ＦＡＩＭＳセル内で振動させることにより、高電界移動度（ＫＨ）が高い方（タイプＡ）又は低い方（タイプＣ）のいずれであるかに応じて、加速又は減速される。高周波電界を印加すると、ＩＭＳスペクトルのドリフト時間軸に沿って、化合物に応じた様々な量のシフトが反応性イオンを含めて観測される。これは、当該イオン種の移動度が高い特性及び低い特性を同じスペクトルに結合させるという分離のための付加的な態様を示している。上記図示して説明した通り、負イオンの分析及び正の波形（高電界セグメントが正、低電界セグメントが負）を前提とすると、タイプＡイオン（高電界で移動度大）がセル内を低速で移動する一方、タイプＣイオンはセル内を高速で移動するため、ＩＭＳスペクトルには数ミリ秒（図示の２．７５ｍｓ）のシフトが発生する。
【００６６】
図２０は、本明細書に記載のシステムの一実施形態に係る、組み込みＦＡＩＭＳ装置を用いた化学的な分析及び検出の処理工程を示すフローチャート１１００である。ステップ１１０２では、サンプル入口を介して、化学的な分析及び検出を行うサンプルガスを本明細書に記載のＩＭＳ／ＦＡＩＭＳシステムに供給する。ステップ１１０２の後、ステップ１１０４に処理を進めて、ＩＭＳ装置によりイオン移動度分光分析処理を実施し、サンプルをイオン化し、得られたイオンをドリフト管内で移動させる。ステップ１１０４の後、ステップ１１０６に処理を進めて、本明細書中で別途記述する通り、組み込みＦＡＩＭＳ装置の動作に従ってイオンの振動により少なくとも一部のイオンを分離する。この場合、生成する振動の方向は、ドリフト管内でのイオンの移動方向と同軸である。振動によって、ドリフト管の軸に沿った方向に移動する少なくとも一部のイオンの正味速度が変化する。本明細書中で別途記述する通り、セルを通過するイオンは、低電界でのイオン移動度に比較して高電界でのイオン移動度の場合は、その高電界でのイオン移動度の特性に応じて加速又は減速される（停止となることもある）。これにより、それぞれのドリフト時間がシフトして、測定の目的に適った所望のイオン分離が可能となる。ステップ１１０６の後、ステップ１１０８に処理を進めて、本明細書に記載のシステムに従って分離を行ったイオン（対象イオン）に対する化学的分析を実施する。ステップ１１０８の後、処理は終了となる。
【００６７】
図２１は、本明細書に記載のシステムの一実施形態に係る、ＩＭＳ機器１２１０のＩＭＳドリフト管１２１２に組み込まれた複数のＦＡＩＭＳセル１２２１及び１２２２を有する化学的分析及び検出システムの模式図である。本明細書中で別途記述する通り、ＦＡＩＭＳセル１２２１及び１２２２は、ＩＭＳドリフト管１２１２に沿った任意の適当な位置に組み込むようにしてもよい。ＦＡＩＭＳセル１２２１及び１２２２はともに、開口グリッド１２３０及び検出器／コレクタ・アセンブリ１２４０の前方での挿入により組み込まれる。図中、２つのＦＡＩＭＳセルを示しているが、本明細書に記載のシステムに関しては、３つ以上のＦＡＩＭＳセルを使用してもよい。また、図示の例においては、第１のＦＡＩＭＳセル１２２１は非平面的な形状を有しており（例えば、三日月状電極）、第２のＦＡＩＭＳセル１２２２は平面的な形状を有している（例えば、平面電極）。複数のＦＡＩＭＳセル１２２１及び１２２２を有することにより、ＩＭＳドリフト管内を移動するイオンの時間シフトが増大し、所望の対象イオンの分離及び検出を行うシステムの動作が更に改善可能となる。
【００６８】
本明細書に記載の様々な実施形態は、本明細書に記載のシステムとの関係において、適当に組み合わせてもよい。また、場合によっては、フローチャート、フロー図、及び／又は、上述のフロー処理のステップの順序を必要に応じて変更してもよい。更に、本明細書に記載のシステムの様々な態様は、ソフトウェア、ハードウェア、ソフトウェアとハードウェアとの組み合わせ、及び／又は、上述の特徴を有し、上述の機能を実行するその他のコンピュータ実装モジュール又は機器を用いて実現してもよい。本明細書に記載のシステムのソフトウェア実装は、コンピュータ読み取り可能な媒体に格納され、１又は複数のプロセッサで実行される実行可能コードを含んでいてもよい。コンピュータ読み取り可能な媒体としては、コンピュータのハードドライブ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、フラッシュドライブ及び／若しくはユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）インターフェース等を備えたその他ドライブ等の携帯用コンピュータ記憶媒体、並びに／又は、実行可能コードを格納してプロセッサで実行可能なその他任意の適当な有形の又は一時的でないコンピュータ読み取り可能な媒体又はコンピュータメモリが挙げられる。本明細書に記載のシステムは、任意の適当なオペレーティングシステムとの関係で使用してもよい。
【００６９】
本開示の発明の明細又は実施例を考慮すれば、当業者には本発明のその他の実施形態も明らかになるであろう。明細及び実施例はほんの一例に過ぎず、本発明の正確な範囲及び趣旨については、以下の特許請求の範囲にて示される。
【図１Ａ】
2014514574.tif 000009
【図１Ｂ】
2014514574.tif 000010
【図２Ａ】
2014514574.tif 000011
【図２Ｂ】
2014514574.tif 000012
【図３Ａ】
2014514574.tif 000013
【図３Ｂ】
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【図４】
2014514574.tif 000015
【図５Ａ】
2014514574.tif 000016
【図５Ｂ】
2014514574.tif 000017
【図６】
2014514574.tif 000018
【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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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【国際調査報告】
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