(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同心大気圧化学イオン化法（ＡＰＣＩ）表面イオン化プローブであって、
内部を通ってガスが送られ、第１電極として機能するように構成された、外管と、
前記外管内に、該外管と同心に格納され、第２電極として機能するように構成されたキャピラリ内管であって、該キャピラリ内管を通って検体イオン及びシースガス層が戻るようにされる、キャピラリ内管と、
前記外管及び前記キャピラリ内管に連結された電源と、を備え、
前記外管の内壁と前記キャピラリ内管の外壁との間のガス流内でイオンを生成するために、前記キャピラリ内管が少なくとも１つの内部針状電極を含み、
前記電源によって供給される電圧によって、試料と反応するように構成される電離気体が与えられる、表面イオン化プローブ。
【請求項２】
請求項１に記載の同心大気圧化学イオン化法（ＡＰＣＩ）表面イオン化プローブにおいて、前記キャピラリ内管が前記外管に対して同心である、表面イオン化プローブ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の同心大気圧化学イオン化法（ＡＰＣＩ）表面イオン化プローブにおいて、前記外管内を通って送られるガスは空気である、表面イオン化プローブ。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか一項に記載の同心大気圧化学イオン化法（ＡＰＣＩ）表面イオン化プローブにおいて、前記外管及び前記キャピラリ内管内を送られるガスは、連続的に送られる、表面イオン化プローブ。
【請求項５】
請求項１〜３の何れか一項に記載の同心大気圧化学イオン化法（ＡＰＣＩ）表面イオン化プローブにおいて、前記キャピラリ内管内を通って送られるガスは、前記外管を流れるガス流量が間欠的に停止又は逆流する間、連続的に送られる、表面イオン化プローブ。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか一項に記載の同心大気圧化学イオン化法（ＡＰＣＩ）表面イオン化プローブにおいて、前記キャピラリ内管を送られるガスは、間欠吸込口を使って質量分析計に向かって連続的に送られる、表面イオン化プローブ。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか一項に記載の同心大気圧化学イオン化法（ＡＰＣＩ）表面イオン化プローブにおいて、前記キャピラリ内管が導体を含む、表面イオン化プローブ。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか一項に記載の同心大気圧化学イオン化法（ＡＰＣＩ）表面イオン化プローブにおいて、前記外管は、その外部が全体的又は部分的に導体で覆われた絶縁体である、表面イオン化プローブ。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか一項に記載の同心大気圧化学イオン化法（ＡＰＣＩ）表面イオン化プローブにおいて、前記キャピラリ内管が丸みを帯びたチューブ先端を含む、表面イオン化プローブ。
【請求項１０】
請求項１に記載の同心大気圧化学イオン化法（ＡＰＣＩ）表面イオン化プローブにおいて、前記少なくとも１つの内部針状電極が星型の内部針状電極を含む、表面イオン化プローブ。
【請求項１１】
請求項１又は１０に記載の同心大気圧化学イオン化法（ＡＰＣＩ）表面イオン化プローブにおいて、前記少なくとも１つの内部針状電極が、一条、二条、三条またはそれより高い条数のねじ山形状を有する、少なくとも１つの突起部を含む、表面イオン化プローブ。
【請求項１２】
請求項１〜１１の何れか一項に記載の同心大気圧化学イオン化法（ＡＰＣＩ）表面イオン化プローブにおいて、試料と反応するように構成された前記電離気体が、連続的なガス流によって前記外管から押し出される、表面イオン化プローブ。
【請求項１３】
請求項１〜１２の何れか一項に記載の同心大気圧化学イオン化法（ＡＰＣＩ）表面イオン化プローブにおいて、前記外管から出る流量と前記キャピラリ内管に入る流量とは、前記キャピラリの中心線において前記試料の表面から離脱したイオンがイオン集団を形成する一方で、イオン形成に関与しなかったガスが前記イオン集団と前記キャピラリの壁との間にバッファーを形成するように、バランスされる、表面イオン化プローブ。
【請求項１４】
請求項１〜１３の何れか一項に記載の同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブを使用する方法であって、
同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブを使用して表面をスキャンし、対象領域の少なくとも１つのインジケータの存在を表す分子を探すステップと、
少なくとも１つの対象領域が検出された際に正信号を出すステップと、
同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブを使って表面をスキャンし、少なくとも１つの爆発物を探すステップと、
を含む方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法において、前記インジケータの信号を、信号強度の関数で表される強度、ピッチ又は色を有する、可視信号又は可聴信号に変換して、該可視信号又は可聴信号を、操作者が前記プローブを前記対象領域に移動するよう指示するために使用できるようにする、方法。
【請求項１６】
請求項１４又は１５に記載の方法において、前記対象領域を示す信号及び前記検体の信号を合成して、前記検体の位置が前記対象領域と一致することを示す、方法。
【請求項１７】
請求項１４〜１６の何れか一項に記載の方法において、前記対象領域が指紋である、方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の方法において、前記指紋を可視化して、前記対象検体と一致する場所に指紋を残した人を示す、方法。
【請求項１９】
請求項１４〜１８の何れか一項に記載の同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブの使用方法において、同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブを使用して表面をスキャンし、少なくとも１つの指紋の存在を表す分子を探すステップは、乳酸、乳酸塩、又はピルビン酸塩の内の少なくとも１つをスキャンするステップを含む、方法。
【請求項２０】
請求項１４〜１９の何れか一項に記載の同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブの使用方法において、同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブを使って前記表面をスキャンする間、前記信号に含まれる情報を、ガス温度、少なくとも１つのゲート放電パラメータ、少なくとも１つのドーパントの存在、及び質量分析計質量範囲を含む機器パラメータの内の少なくとも１つの機器パラメータを修正するために使用する、方法。
【請求項２１】
同心質量分析計流入口であって、
請求項１〜１３の何れか一項に記載の同心大気圧化学イオン化法（ＡＰＣＩ）表面イオン化プローブを備え、
検体イオンが前記キャピラリ内管を通って戻り、質量分析計の方に運ばれる、流入口。
【請求項２２】
請求項２１に記載の同心質量分析計流入口において、流入量及び流出量は、該流入量が、前記イオン源によって生成されたイオンを前記キャピラリ内管に向けて運ぶのに十分な大きさであり、前記流出量が、小さいが、イオン及び中性ガスが前記キャピラリ内管の内壁に到達するのを防ぐシースガス層を維持するのに十分な大きさとなるように、バランスされる、流入口。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２０１３年１１月１５日出願の米国仮特許出願第６１／９０４，７９４号の優先権を主張し、その内容全体は参考として本明細書に援用される。
【背景技術】
【０００２】
質量分析計（ＭＳ）は真空で動作し、イオンを質量電荷比によって分離する。質量分析計を使用するいくつかの実施形態では、固体、液体又は気体である試料がイオン化される。イオンは、質量分析器において質量電荷比に従って分離され、荷電粒子を検出することのできる装置で検出される。そして質量分析計の検出器からの信号は、質量電荷比の関数として、イオンの相対量のスペクトルに処理される。原子又は分子は、同定された質量と既知の質量との関連付け、又は特性断片化パターンによって同定される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
同心大気圧化学イオン化法（ＡＰＣＩ）表面イオン化プローブ、超音速サンプリングチューブ、及び同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブと超音速サンプリングチューブの使用方法を説明する。一実施形態において、同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブは、第１電極として機能するように構成された外管と、第２電極として機能するように構成されたキャピラリ内管と、外管及びキャピラリ内管に連結された電源とを有する。キャピラリ内管は、電離気体（例えば空気）が外管から出て進み、試料と反応して、結果として生じる検体イオンがキャピラリ内管に吸い込まれるように、外管内に格納され、外管と同心をなしている。更に、超音速サンプリングチューブは、質量分析計及び／又は同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブに連結されたチューブを含み得、このチューブは少なくとも第１のドラバルノズルを含む。バッファー付きのイオン集団（buffered plug of ions）は、第１ドラバルノズルの下流側のチューブを超音速で進み、それによってバッファー付きのイオン集団内のイオンがチューブの側面に付着しないようにする。いくつかの態様において、第２ドラバルノズルはバッファー付きのイオン集団の流れを亜音速に減速することができる。一態様において、本開示の技術を用いた、同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブ及び超音速サンプリングチューブを利用するプロセスでは同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブを使用し、表面をスキャンして少なくとも１つの指紋の存在を表す分子を探すステップと、少なくとも１つの指紋が検出された際に正信号を出すステップと、同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブを使って表面をスキャンして、少なくとも１つの爆発物を探すステップとが含まれる。
【０００４】
この発明の概要は、下記の発明を実施するための形態に更に記載する選択概念を、簡素な形態で導入するために提供する。この発明の概要は、クレームに記載された対象の主要な特徴または本質的な特徴を特定することを意図するものではなく、クレームに記載された対象の範囲を特定するための補助として使用されることを意図するものでもない。
【０００５】
発明を実施するための形態を、添付図面を参照して説明する。明細書及び図面において様々な場合で同じ符号が使用されている場合、同様又は同一の事柄であることを示している。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本開示の例示的態様による、同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブを示す断面図である。
【図２】本開示の例示的態様による、同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブを、表面に近接して配置した場合の電離気体の流れ場を示す図である。
【図３】本開示の例示的態様による、イオンを生成する源によって生成されたイオンの濃度プロファイルを示す図である。
【図４】本開示の例示的態様による、源イオンとの相互作用により、試料によって表面に放出された検体イオンの濃度を示す図である。
【図５】本開示の例示的態様による、外部イオン源を使って生成されたイオンを有する同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブを示す部分断面図である。
【図６】本開示の例示的態様による、例示的内部針状プローブを有する同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブを示す部分断面図である。
【図７】本開示の例示的態様による、例示的内部針状電極を示す等角図である。
【図８】図８Ａ、図８Ｂ及び図８Ｃは、本開示の例示的態様による、例示的内部針状電極を示す断面図である。
【図９】本開示の例示的態様による、内部針状電極を有するキャピラリ内管と外管の間に電圧を印加した場合の電位分布を示す図である。
【図１０】本開示の例示的態様による、キャピラリ内管の丸みを帯びた先端における電場の強さを示す図である。
【図１１】本開示の例示的態様による、質量分析システムの概略図である。
【図１２】本開示の例示的態様による、ドラバルノズルを有する超音速サンプリングチューブの部分断面図である。
【図１３】図１〜図１２に示す同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブ、超音速サンプリング装置及び質量分析システムを使用するための例示的プロセスを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
質量分析計（ＭＳ）は真空中で動作し、イオンを質量電荷比によって分離する。質量分析計を使用するいくつかの実施形態において、固体、液体又は気体である試料はイオン化され、分析される。イオンは質量分析器において質量電荷比によって分離され、荷電粒子を検出することのできる検出器によって検出される。そして分析器からの信号は、質量電荷比の関数として、イオンの相対存在量スペクトルに処理される。原子又は分子は、同定された質量と既知の質量との関連付け、又は特性断片化パターンによって同定される。
【０００８】
ポンプシステムが小さいため（最も一般的には、ガスクロマトグラフィキャピラリからの排水又は透過性膜を通る流れが使用される）、ポータブル質量分析計システムは、真空マニホールドへの試料導入方法に制限がある。従って、効率的に調べることのできる検体の範囲は、用いられる試料導入法及びイオン化法によって制限される。ポータブル質量分析計の種類として表面イオン化源があり、これにはイオン源に近接したイオン生成が含まれる。表面イオン化源の現在の形状は、被分析面をイオン源に近づけることのできる、実験室ベースの計測器に適している。しかし、スキャン及び試験する大きな物体を質量分析計の近くに持って来る必要がある場合には億劫となることがある。
【０００９】
表面イオン化源は、しばしばサンプリングチューブによって質量分析計ユニットに連結される。イオンは外部の大気から質量分析計の真空まで、サンプリングチューブのガス流内を下降する。これによってチューブの内壁でのイオン損失が生じることがある。検体イオンがチューブの壁に拡散又は移動する際に、ガスがチューブを移動する時間が十分に長い場合、チューブの壁で更にイオン損失が生じる。
【００１０】
従って、同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブ、超音速サンプリングチューブ、及び同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブと超音速サンプリングチューブの使用方法を説明する。一実施形態において、同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブは、第１電極として機能するように構成された外管と、第２電極として機能するように構成されたキャピラリ内管と、外管及びキャピラリ内管に連結された電源とを有する。キャピラリ内管は外管内に格納され、また外管と同心をなし、電離気体（例えば空気）が外管から出て試料と反応し、結果として生じる検体イオンがキャピラリ内管に吸い込まれるようになっている。キャピラリ内管電極は、ガスがキャピラリ内管から離れ、外管の内壁に近づいてイオン化されるように構成される。図２に示す様に、この場所に形成されたイオンはキャピラリ内管入口の中心に運ばれ、一方でキャピラリ内管の外部の近くを通るガスはキャピラリの壁内に運ばれる。従ってこのプロセスにより、キャピラリ内に、イオン化されていないシースエアによって包囲されたイオンの中心集団が生成される。このイオン集団及びその周囲のガスをバッファー付きのイオン集団と称することができる。バッファー付きのイオン集団の形成がガスの流れ場によって引き起こされることは、当業者には明らかであろう。実際、針状電極がキャピラリ先端から十分離れて設置されると、イオンが生成される場所とプローブの先端との間に、内部電極と外部電極との間の電場がイオンをプローブの出口に向けて全く追いやらない領域ができる。更に、超音速サンプリングチューブは、質量分析計及び／又は同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブに連結されたチューブを含み得、このチューブは少なくとも第１ドラバルノズルを含む。バッファー付きのイオン集団は第１ドラバルノズルの下流側のチューブを超音速で進み、こうすることでバッファー付きのイオン集団内のイオンがチューブの側面に付着しないようにする。いくつかの態様では、第２ドラバルノズルはバッファー付きのイオン集団の流れを亜音速に減速することができる。一態様において、本開示の技術を用いる同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブ及び超音速サンプリングチューブを使用するプロセスには、同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブを使用して表面をスキャンし、少なくとも１つの指紋の存在を表す分子を探すステップと、少なくとも１つの指紋が検出された場合に正信号を出すステップと、同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブを使用して表面をスキャンし、少なくとも１つの爆発物を探すステップとが含まれる。
【００１１】
同心低温プラズマプローブ、超音速サンプリングチューブ、及び同心低温プラズマプローブの使用方法の利点は、同心形状の構成によって、表面がスキャンできるよりコンパクトな源が提供されることと、 外管電極の近くで生成されたイオンが中心チューブに吸い込まれる前にプローブから更に遠くへ進むことができるため、調査対象の表面からプローブを更に離して保持すことができることである。
【００１２】
同心低温プラズマプローブを使用する場合、検体イオンはガス流の中心に向けられ、外管及び清浄なシースエアによって囲まれたキャピラリ内管のガス流によって前進させられる。こうすることでチューブ壁でのイオン損失を最小限に抑えることができる、というのも、ほとんどのイオンはチューブ壁に拡散する前にチューブ端に到達するからである。このチューブ壁への電位拡散のため、イオンをチューブ内で迅速に移動させることが重要である。検体イオンのチューブ壁での損失を防ぐことは重要である、というのも、チューブ壁で失われるイオンは質量分析計に到達せず、チューブに定着した中和されたイオンの再イオン化によって生じる記憶効果によって、正確な分析が妨げられる可能性があるからである。
【００１３】
図１は、本開示の例示的態様による同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブ１００を示す。図に示す様に、同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブ１００は、外管１０２、キャピラリ内管１０４及び電源１０６を含む。いくつかの態様において、外管１０２は適切な導体の材料を含み得る。適切な導体は、電位を内部針状電極１１６に印加するように機能することができ、また、外管内を送られるガス内にイオンを形成することができる。他の態様において、外管１０２は、チューブの外側で一部を導体で覆われた不十分な導体（例えば誘電体）であってもよい。
【００１４】
更に図１に示す様に、同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブ１００は、外管１０２内に格納され、これと同心をなすキャピラリ内管１０４を含む。更にキャピラリ内管１０４は、少なくとも１つの内部針状電極１１６を含み得る。電位が第１電極（例えば、外管１０２又は他の電極）及び第２電極（例えば、キャピラリ内管１０４又は他の電極）に印加されると、イオンは外管１０２を流れるガス（例えば空気など）から形成されることができる。いくつかの態様において、キャピラリ内管１０４は内部針状電極１１６を含み得る。本実施形態において、内部針状電極１１６は、リングから外向きに延在する半径方向のスパイクを有するリングを含み得る。リングはキャピラリ内管１０４の周囲に適合するように構成することができる。特定の実施形態において、内部針状電極１１６は、外向きに延在する半径方向のスパイクを有する星型である。他の特定の実施形態において、内部針状電極１１６は、平坦な正方形、又は外向きに延在する半径方向のスパイク及び／又は角を有するギアの形状である。これらのスパイク及び／又は角の先端において、電場の強さは最大となり、この場合、外管１０２内でガスからイオンを形成することができる。いくつかの態様において、キャピラリ内管１０４は、イオンが針状電極１１６の先端において確実かつ優先的に生成されるように、検体イオン流がキャピラリ内管１０４に入る箇所に、丸みを帯びた外部先端を含み得る。
【００１５】
同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブ１００は、電位を提供するために、第１電極（例えば、外管１０２又はその他の電極）及び第２電極（例えば、キャピラリ内管１０４又はその他の電極）に連結された電源１０６を含む。電位は電場を生成し、電場は十分に大きい場合、外管１０２のガス内にイオンを生成する。同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブ１００はキャピラリインターフェース１１８に連結させることができ、これは、外管１０２で吸い上げてガスを供給する装置及び／又は配管と、キャピラリ内管１０４を質量分析システム２００などの分析装置に連結させる装置及び／又は配管とを含み得る。特定の実施形態において、キャピラリインターフェース１１８は、下記に記載するような超音速サンプリングチューブ２０２を含み得る。
【００１６】
図２は、同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブ１００が表面１１２に近接して（例えば、同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブ１００の直径の１〜３倍）配置された場合の電離気体 （例えば空気など）の流れ場を示している。図２に示す様に、ガス流は、外管１０２内のガス内のガス流が比較的遅く上向き（Ａ）となり、キャピラリ内管１０４の流れが、特にチューブ軸（例えば、Ｒ＝Ｏ）に近づくと速く下向き（Ｂ）となるように適用することができる。同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブ１００を使用するこの表面イオン化モードにおいて、外管１０２から出てくる流量は、領域（Ｃ）の周囲への流れがゼロに近いように、キャピラリ内管１０４への流れとほぼ同等となるように構成されている。  いくつかの態様において、キャピラリ内管１０４へのガス流が僅かに高いと、外管１０２内で生成されたイオンを確実に周囲に逃げないようにすることができる。いくつかの実施形態において、同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブ１００は蒸気サンプリングモードで使用することができる。このモードでは、周辺領域からキャピラリ内管１０４への正味流量があるように、キャピラリ内管１０４へのガス流量を外管１０２から出るガス流量よりも著しく大きくすることができる。特定の態様において、キャピラリ内管１０４を流れるガス流に振動ガス流を重畳して、総ガス流の向きが定期的に反転するようにしてもよい。この特定の態様では、振動の全体にわたって平均化された総ガス流は、試料から離れ、質量分析計２１２及び／又は分析システムへと向かう。
【００１７】
図３は、イオンを生成する源によって領域Ａ２内において生成されたイオンの濃度プロファイルを示す。キャピラリ内管１０４に近い、Ａ１位置におけるガス流は、試料に到着することなくキャピラリ内管１０４内に向かって内側の軌跡を描く傾向にあり、検体イオンとキャピラリ内管１０４の壁との間にシースガスを提供する。外管１０２に近いＡ２位置で生成されたイオンは、外側の軌跡を描く傾向にあり、表面１１２に存在する試料と反応する。このイオン濃度プロファイルにより、同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブ１００は、表面１１２に近接していない場合、より効率的に動作することができる。
【００１８】
図４は、源イオンとの相互作用の際、試料が表面１１２に放出した検体イオンの濃度を示す。本実施形態において、検体イオンはキャピラリ内管１０４に吸い込まれる。上述の「内側のレーストラック効果」のため、検体イオンは結局、キャピラリ内管１０４の中心部に行き着く。キャピラリ内管１０４の壁に到達したイオンは電荷を失う傾向にあり、物体検出のために使用することはできない。この場合、清浄なガスによって囲まれた検体イオン集団をバッファー付きのイオン集団と称することができる。
【００１９】
図５は、個々のイオン源（例えば、イオンは同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブ１００を使って生成されない）で使用される、シースガス流を有するキャピラリ内管１０４を示す。この場合、外管１０２からのガス流は、周囲の領域からキャピラリ内管１０４への正味流量があり、しかもキャピラリの内壁の近くにシースガスを形成するための十分な流量があるように、キャピラリ内管１０４への流量よりも大幅に小さくすることができる。
【００２０】
図６は、図３に示すＡ２位置に近接してイオンを生成する電極形状の一実施形態を示す。本実施形態において、電極（例えば内部針状電極１１６）は、外管１０２の内壁とキャピラリ内管１０４の外壁との間のガス流内でイオンを生成するために、キャピラリ内管１０４と共に備えることができる。内部針状電極１１６の形状は、図６に示す様に、複数の半径方向のスパイクを有するように変更することができる。いくつかの実施形態において、スパイクは、スパイク先端の電場を最大にして、外管１０２内の層状ガス流の乱れを最小限に抑えるよう、できる限り鋭くすることができる。いくつかの態様において、２つ以上の内部針状電極１１６をキャピラリ内管１０４に配置することができる。いくつかの特定の実施形態において、キャピラリ内管１０４は導電材料を含む。他の特定の実施形態では、キャピラリ内管１０４は導電材料ではない。図７は、６つの半径方向のスパイクを有する星型に構成された内部針状電極１１６の特定の実施形態を示す。
【００２１】
図８Ａ〜図８Ｃは、内部針状電極１１６の他の特定の実施形態を示す。図８Ａは、４つの半径方向の角を有する正方形の内部針状電極１１６を示す。図８Ｂは、６つの半径方向のスパイクを有する星型の内部針状電極１１６を示す。図８Ｃは、ギア形の内部針状電極１１６を示す。内部針状電極１１６の形状は、その形状によってキャピラリ内管１０４の近くを外管１０２内のガス流がイオン化されずに通り、電場がイオンを生成するのに十分高い、少なくとも１つの鋭い点又は角がある限り、他の多くの形状であってもよい。特定の実施形態では、空気力学的に構成された内部針状電極１１６により、外管１０２内にほぼ層状のガス流を流すことができ、これにより、電離気体流と清浄な（例えばイオン化していない）ガス流との混合を低減することができる。他の特定の実施形態では、内部針状電極は、１条、２条、３条またはそれより高い条数のねじ山の形状を有する、少なくとも１つの突起を含み得る。
【００２２】
図９は、内部針状電極１１６（すなわち、本実施形態ではスパイクで表す）を有するキャピラリ内管１０４（例えば第１電極１０８）と外管１０２電極（例えば第２電極１１０）の間に電圧を印加した場合の電位の分布を示す。本実施形態において、スパイクは鋭いエッジを持つディスク状の内部針状電極１１６を含み、電位は内部針状電極１１６及びキャピラリ内管１０４に近接するほど高くなっている。上述の様なスパイクを有する同心電極形状では、２つの電極間の電場はチューブの外にイオンを運ばないが、追加のガス流によってイオンは外管の外に運ばれる。
【００２３】
図１０は、キャピラリ内管１０４の丸みを帯びた先端における電場の強さを示している（対数目盛りで示す）。態様において、キャピラリ内管１０４の先端の丸みは、電場を内部針状電極１１６の電場よりも低く維持するために重要である。
【００２４】
図１１に示す様に、質量分析システム２００は、同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブ１００、超音速サンプリングチューブ２０２、加熱キャピラリ２０４、イオン漏斗２０６、イオンガイド２０８、少なくとも１つのポンプ２１０、及び／又は質量分析計２１２を含んでいる。態様において、超音速サンプリングチューブ２０２は、バッファー付きのイオン集団をイオン源（例えば、同心 ＡＰＣＩ表面イオン化プローブ１００）から質量分析計２１２へと迅速かつ効率的に運ぶように構成されたチューブを含んでいる。イオン集団がサンプリングチューブを下降するに従い、イオンはチューブの壁に向かって拡散、移動し始め、そこでイオンは中和し、分析されることなく失われ得る。超音速サンプリングチューブ２０２の使用及び／又はサンプリングチューブ２０２におけるイオン源の近くでの圧力降下により、このイオンの中和を防止する、及び／又は最小限に抑えることができる。
【００２５】
図１２に示す様に、超音速サンプリングチューブ２０２は、チューブ３００及び第１ドラバルノズル３０２を含み、また、第２ドラバルノズル３０４も含んでもよい。超音速サンプリングチューブ２０２を使用する態様において、ガス（例えば空気など）は高圧大気から超音速サンプリングチューブ２０２に流れ、真空ポンプ（例えばポンプ２１０）によって他端に吸い出される。ガスが流れる際の第１ドラバルノズル３０２（例えば、超音速サンプリングチューブ２０２の入口部近く）の圧力降下によってガスは膨張し、第１ドラバルノズル３０２の最も狭い部分で音速（マッハ１）以上に加速される。 第１ドラバルノズル３０２が広がるにつれてガスは更に膨張し、流速は音速以上になる。できる限り層状に近い流れを獲得し、エネルギーの損失を最小限に抑えるために、超音速サンプリングチューブ２０２に滑らかな壁を使用することができる（例えば、超音速サンプリングチューブ２０２の曲率半径を最小にすることができる）。一実施形態において、超音速サンプリングチューブ２０２の低圧端において逆のプロセスを使用し、第２ドラバルノズル３０４（例えば超音速ディフーザ）を使ってガス流を音速以下に戻すことができる。本実施形態では、電場を使って亜音速イオン流からイオンを抽出することができる。特定の実施形態において、超音速サンプリングチューブ２０２内のガス流の速度を５００ｍ／ｓよりも速くすることができる。この特定の実施形態において、ガスがチューブ壁へのエネルギー損失によって大幅に減速されなければ、１メートルのチューブをガスが降下するには約２ｍｓかかる。特定の実施形態において、約０．２ｍｍ未満の直径を有する第１ドラバルノズル３０２の上流側の、約１ｍｍの流入チューブ３００におけるガス圧は、約７６０Ｔｏｒｒである。第１ドラバルノズル３０２の下流側のガス圧は、流速約０．６ｓｌｍで、約１００Ｔｏｒｒである。
【００２６】
第２実施形態において、第１ドラバルノズル３０２の下流における超音速サンプリングチューブ２０２の長さと幅の比率は、チューブ３００の壁でのエネルギー損失がガスを亜音速（例えばマッハ１以下 ）に減速するのに十分となるくらいに大きくすることができる。本実施形態において、第２ドラバルノズル３０４はイオンを亜音速ガス流から抽出する間、除去してもよい。
【００２７】
図１１に示す様に、質量分析システム２００は加熱キャピラリ２０４を含む。実施形態において、質量分析システム２００は、入口オリフィスの上流に配置された加熱キャピラリ２０４を含む。加熱キャピラリ２０４の使用は、同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブ１００及び超音速サンプリングチューブ２０２から質量分析計２１２の真空システムへのガス流を制限するために使用する、１つの方法である。実施形態において、加熱キャピラリ２０４を加熱して、その中を通る溶媒和イオンに熱エネルギーを与え、これらのイオンを脱溶媒和してもよい。サンプリングチューブを良好に機能させる（すなわちバッファー付きのイオン集団を壁から遠ざける）には、サンプリングチューブ２０２を流れる流量を常に維持することが望ましい。この流量は、間欠流入口（intermittent inlet）を使用して質量分析計へのガスの量を定期的に低減させながら達成することが可能である。 図に示す様に、間欠吸込口は予備のポンプ２１０及びバルブ２１４を含んでおり、これらはサンプリングチューブの低圧側に接続される。
【００２８】
図１１に示す様に、質量分析システム２００はイオン漏斗２０６を含む。態様において、イオン漏斗２０６は、狭い中間スペーサによって離間された先細の内径を有する、平行かつ同軸に配置されたリング状の開口部を有するダイアフラムのアセンブリを含み得る。これらの態様において、ダイアフラムの開口部の直径は、イオン漏斗２０６の次のチャンバ（例えば、 イオンガイドチャンバ、質量分析器システムなど）への中心出口オリフィスに向かって、徐々に先細になっている。イオン漏斗２０６は、イオン漏斗２０６の出口の小さなコンダクタンス制限へとイオンビーム（又はイオン試料）を集中させるように機能する。いくつかの実施形態において、イオン漏斗２０６は比較的高い圧力（例えば最大３０Ｔｏｒｒ）で動作し、これによってイオンの閉じ込めと、比較的低い圧力での次の真空段階（例えば、イオンガイド２０８、質量分析計２１２など）への効率的な移行を提供する。次に、イオン試料はイオン漏斗２０６からイオンガイド２０８及び／又は質量分析計２１２へと流れ得る。
【００２９】
図１１に示す様に、質量分析システム２００は、イオン漏斗２０６に隣接し、その下流にあるイオンガイド２０８を含んでいる。いくつかの態様において、イオンガイド２０８は、中性分子を送り出しながらイオン漏斗２０６から質量分析計２１２へとイオンを誘導する働きをする。特定の実施形態において、イオンガイド２０８は多極イオンガイドを含み、これは、ＲＦ電場が電極によって生成され、イオンガイド軸に沿ってイオンを閉じ込めるイオン経路に沿って位置する複数の棒電極を含み得る。いくつかの実施形態において、イオンガイド２０８は最大約１００ｍＴｏｒｒ圧で動作するが、他の圧力を使用することもできる。更に、イオンガイド２０８の下流側には、イオンガイド２０８の出口オリフィスよりも小さな直径を有する、コンダクタンス制限オリフィスを設けてもよい。特定の実施形態において、質量分析計２１２に連結されたサンプリングチューブ２０２の低圧端は、サンプリングチューブ２０２の内壁近くに位置するＲＦイオンガイドを含み得る。特定の実施形態において、ＲＦイオンガイドは、二重らせん状の少なくとも２つの導体を含み得る。別の特定の実施形態において、ＲＦイオンガイドは、サンプリングチューブの壁と一体化され得る。このＲＦイオンガイドは、イオン及び荷電粒子が、ＲＦサイクル中、サンプリングチューブ２０２内壁から離れるような平均正味運動（average net motion）をするように構成され得る。
【００３０】
図１１に示す様に、質量分析システム２００は、低真空ポンプ及び／又は高真空ポンプ２１０などのポンプ２１０を含む。少なくとも部分的に低真空ポンプ２１０（例えばダイアフラムポンプ）によって生成される、真空が必要であろう。というのも、真空は、元素を質量電荷比に基づいて分離するという質量分析システム２００の有効性を低減させる要因となる分子間衝突を、低減及び／又は取り除くからである。分子間の衝突は、周囲のイオンの軌跡を著しく変化させ、それにより、検出器（図示せず）に到達するイオンが少なくなるものである。実施形態において、真空ポンプ２１０は、質量分析システム２００の少なくとも１つの真空チャンバに連結される。いくつかの態様において、真空ポンプ２１０は、例えば、スクロール真空ポンプを含み得る。特定の実施形態において、真空ポンプ２１０は、（例えば、イオン漏斗２０６を含む真空チャンバに）最大で約３０Ｔｏｒｒの真空を提供するが、ポンプ２１０は他の真空圧も提供し得る。
【００３１】
図１１に示す様に、質量分析システム２００は質量分析計２１２を含む。態様において、質量分析計２１２は電荷対質量比に基づいてイオン化質量を分離し、このイオン化質量を検出器に出力する構成部品を含む。質量分析計２１２のいくつかの例として、質量分析器、飛行時間（ＴＯＰ）質量分析器、磁気セクタ質量分析器、静電セクタ質量分析器、イオントラップ質量分析器、ポータブル質量分析計などがある。別の実施形態において、質量分析計２１２はイオントラップデバイスを含み得、これは少量のイオンをトラップするために使用される複数の電極を含み得る。
【００３２】
図１３は、図１〜図１２に示す、同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブ１００、超音速サンプリングチューブ２０２、及び／又は質量分析システム２００などの同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブ１００、超音速サンプリングチューブ２０２、及び／又は質量分析システム２００を用いる例示的プロセスを示す。
【００３３】
例示的プロセスによれば、同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブを使って表面をスキャンし、少なくとも１つの指紋の存在を表す分子を探す（ブロック４０２）。態様において、表面１１２は、表面１１２から少なくとも１〜２ｃｍ離れてスキャンしてもよい。しかしながら、同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブ１００の感度は、プローブを表面に近づける（２〜３ｍｍ）と増大する。態様において、質量分析システム２００に連結された同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブ１００を使用して表面１１２をスキャンし、乳酸、乳酸塩、又はピルビン酸塩などの指紋の存在を表す分子を探す。指紋は、同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブ１００が滑らかな表面から約２ｃｍ離れている場合、簡単に検出することができる。汚染した指紋は一般に、爆発物の痕跡などの主要な移転モード（transfer mode）であると考えられる。
【００３４】
少なくとも１つの指紋が検出されると正信号を出す（ブロック４０４）。態様において、正の指紋信号が検出されると、音量やピッチによって信号の強さを示す音をリアルタイムで出し、操作者が実際の指紋の方向へと移動するのを助けることができる。一旦指紋が見つかると、同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブ１００及び／又は質量分析システム２００は、同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブ１００及び／又は質量分析システム２００からのほぼリアルタイムの光又は音を介して正信号を出すことができる。
【００３５】
そして、同心ＡＰＣＩ表面イオン化プローブを使用して表面をスキャンし、少なくとも１つの爆発物を探す（ブロック４０６）。態様において、及びこの第２のスキャン中、質量分析システム２００及び／又はイオン源パラメータの内の１つ又は複数を修正し得る。修正し得るパラメータの例として、ＡＰＣＩ表面電離気体温度、ドーバントの添加、質量分析計の質量範囲などがある。試料１１４の信号が指紋信号と一致することを示すことにより、質量分析システム２００は、低い、均一に分布された背景として存在する物質と、指紋からの物質とを区別することができる。この区別は、一般的な家庭用化学品が対象物質である場合、より関連性が高まる、というのもこのような対象物質は手製の爆発物の製作に使用されるからである。
【００３６】
本発明を構造的特徴及び／又は方法論的な行為に特化した言葉で説明してきたが、添付する請求項に規定する発明は、明細書における特定の特徴または行為に必ずしも限定されるものではない。種々の構成を記載したが、装置、システム、サブシステム、構成部品などは、本開示の趣旨から逸脱せずに、種々のやり方によって構成することができる。むしろ、特定の特徴及び行為は、特許請求された発明を実現する例示的な形態として開示される。
【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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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