(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
略大気圧状態で発生されたイオンを移送するための質量分析用試料入口装置であって、
試料イオン化源からのイオン試料を受け入れるように構成されたイオンファンネルを備え、
前記イオンファンネルは、前記イオンファンネルの入口から前記イオンファンネルの出口まで延伸する共通の軸に沿って配列され、試料イオンの通路を形成するように構成された開口を有する複数の電極を含み、前記複数の電極の各電極は対応するＲＦ電位に接続され、前記複数の電極の各々に印加されるＲＦ電位は隣接する電極に印加されるＲＦ電位と位相がずれており、
前記イオンファンネルは更に、前記複数の電極と同軸的に配置された複数のスペーサ要素を含み、前記複数のスペーサ要素の少なくとも一つは、前記イオンファンネルの出口で軸方向の動的気体流を生成するように構成された気密構造を提供するために、隣接する２つの電極の間に配置されている、質量分析用試料入口装置。
【請求項２】
前記イオンファンネルは更に、前記電極の少なくとも一つへのＤＣ電位の印加により前記軸に沿ったＤＣ電位勾配を備えている、請求項１記載の質量分析用試料入口装置。
【請求項３】
前記複数のスペーサ要素の各々は前記隣接する電極の開口の直径より大きい直径を有する開口を規定している、請求項１記載の質量分析用試料入口装置。
【請求項４】
前記複数のスペーサ要素の少なくとも一つはポリテトラフルオロエチレンより成る、請求項１記載の質量分析用試料入口装置。
【請求項５】
前記イオンファンネルの前記出口の最も近くに位置する前記電極は約１．０ミリメートルの直径を有する内部開口を規定している、請求項１記載の質量分析用試料入口装置。
【請求項６】
前記複数の電極の少なくとも一つはプリント回路板材料を含んでいる、請求項１記載の質量分析用試料入口装置。
【請求項７】
前記複数の電極の少なくとも一つは前記プリント回路板材料上に搭載された一以上の抵抗及び一以上のキャパシタを含んでいる、請求項６記載の質量分析用試料入口装置。
【請求項８】
前記複数の電極を接続する一以上のスプリングピンを更に備えている、請求項６記載の質量分析用試料入口装置。
【請求項９】
前記複数の電極の少なくとも一つは導電被覆で縁取られた開口を含んでいる、請求項１記載の質量分析用試料入口装置。
【請求項１０】
前記イオン試料を前記イオンファンネルの入口へ導入するように構成されたキャピラリを更に備えている、請求項１記載の質量分析用試料入口装置。
【請求項１１】
前記複数のスペーサ要素は前記複数の電極に対して交互配置に設置されている、請求項１記載の質質量分析用試料入口装置。
【請求項１２】
試料イオン化源と、
前記試料イオン化源からのイオン試料を受け取るように構成された試料入口と、
真空室を含む質量分析システムと、を備え、
前記試料入口はイオンファンネルを含み、前記イオンファンネルは、
前記イオンファンネルの入口から前記イオンファンネルの出口まで延伸する共通の軸に沿って配列され、試料イオンの通路を形成するように構成された開口を有する複数の電極を含み、前記複数の電極の各電極は対応するＲＦ電位に接続され、前記複数の電極の各々に印加されるＲＦ電位は隣接する電極に印加されるＲＦ電位と位相がずれており、
更に、前記複数の電極と同軸的に配置された複数のスペーサ要素を含み、前記複数のスペーサ要素の少なくとも一つは、前記イオンファンネルの出口で軸方向の動的気体流を生成するように構成された気密構造を提供するために、隣接する２つの電極の間に配置されており、
前記試料入口は更に、前記イオン試料を前記イオンファンネル内へ向けるために前記イオンファンネルの入口に隣接して配置されたキャピラリを含んでいる、
試料検出システム。
【請求項１３】
前記複数のスペーサ要素の各々は前記隣接する電極の開口の直径より大きい直径を有する開口を規定している、請求項１２記載の試料検出システム。
【請求項１４】
前記複数のスペーサ要素の少なくとも一つはポリテトラフルオロエチレンにより成る、
請求項１２記載の試料検出システム。
【請求項１５】
前記イオンファンネルの前記出口の最も近くに位置する前記電極は約１．０ミリメートルの直径を有する内部開口を規定している、請求項１２記載の試料検出システム。
【請求項１６】
前記キャピラリは加熱キャピラリである、請求項１２記載の試料検出システム。
【請求項１７】
前記複数のスペーサ要素は前記複数の電極に対して交互配置に設置されている、請求項１２記載の試料検出システム。
【請求項１８】
イオンを試料検出システム内へ収集する方法であって、
イオン源からイオン試料を生成するステップと、
前記イオン試料をキャピラリで受け取るステップと、
前記イオン試料を前記キャピラリから請求項１から９および１１のいずれか一項に記載のイオンファンネルの入口へ移送するステップと、
前記イオン試料を前記イオンファンネルを通して前記イオンファンネルの出口へ移送するステップと、
を備える、方法。
【請求項１９】
前記イオン試料を前記イオンファンネルを通して前記イオンファンネルの出口へ移送するステップは、前記イオン試料を前記出口に隣接する電極板の約１．０ミリメートルの直径を有する開口を通して移送するステップを含む、請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記イオン試料を、前記イオンファンネルの出口からイオンガイドへ移送するステップを更に備える、請求項１８記載の方法。
【請求項２１】
前記イオン試料を、前記イオンガイドからの質量分析器へ移送するステップを更に備える、請求項２０記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
大気圧イオン化は、大気圧又は略大気圧でイオン化された分子や原子などの物質を発生させ、識別するために使用し得る分析技術に関する。イオン化後に、イオン化された物質のスペクトル分析のために質量分析法のような検出技術が使用され得る。例えば、質量スペクトロメータ（ＭＳ）はイオンを質量分析器内で質量対電荷比に関して分離し、分離されたイオンは荷電粒子検出装置により検出される。質量スペクトロメータ内の検出器からの信号はその後質量対電荷比の関数としてイオンの相対存在量のスペクトルに処理される。原子又は分子は、識別された質量を既知の質量と相関させることによって、又は特徴的なフラグメンテーションパターンによって識別される。一般的に、大気圧イオン化技術は、試料の用意及び検出のために選択的ケミストリ及び直接表面分析の使用を可能にする。例えば、大気圧イオン化及び検出技術は軍事用途及び保安用途に使用し、例えば薬物、爆発物等を検出するために使用することができる。大気圧イオン化及び検出技術は、研究室分析用途にも使用することができ、また、質量分析法、液体クロマトグラフィなどの補完的な検出技術とともに使用することができる。
【発明の概要】
【０００２】
試料入口装置及び該試料入口装置の使用方法が記載され、該試料入口装置はイオンファンネルを含み、該イオンファンネルはその入口からその出口まで延伸する軸を中心に配置された開口を有する複数の電極を有するとともに、前記複数の電極と同軸的に配置された複数のスペーサ要素を有し、複数のスペーサ要素の各々は１つの又は２つの隣接する電極に近接して配置される。いくつかの実施形態では、複数のスペーサ要素の各々は、それぞれの隣接する電極で規定される開口の直径より大きい直径を有する開口を規定する。このイオンファンネルは、イオン試料を電極及びスペーサ要素の開口を通して検出システムの追加の部分、例えば質量分析システム及び検出器へ移送するように構成されている。更に、試料検出装置は、イオンガイド、質量分析器、検出器、及び少なくとも一つの真空ポンプ（例えば、低真空ポンプ、高真空ポンプ等）を含み得る。いくつかの実施形態では、本発明の技術を用いる試料入口装置を使用する方法は、イオン源からイオン試料を生成するステップと、前記イオン試料を複数の電極と同軸的に配置された複数のスペーサ要素を有するイオンファンネルで受け取るステップと、前記イオン試料を前記イオンファンネルから検出装置に移送するステップとを含む。
【０００３】
この概要は、以下の詳細な説明に記載の簡素化した形式でのコンセプトのうち選択したものを紹介するためのものである。この概要は、請求の範囲に記載の要旨の重要な特徴又は本質的特徴を同定すること意図するものではなく、請求の範囲に記載した要旨の範囲を決定する一助として使用することを意図するものでもない。
【０００４】
詳細な説明が添付図面を参照して以下に記載される。以下の詳細な説明及び図面中の異なる例で使用される同じ参照番号は類似もしくは同じ要素を示す。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】本開示の模範的な実施形態による、２つの質量対電荷比（ｍ/ｚ）のイオンに対するイオンファンネル中心軸での実効電位の計算結果を示すグラフである。
【図２】本開示の模範的な実施形態による、図１に示すイオンファンネルの中心軸での実効電位の計算結果に対応する実効電場を示すグラフである。
【図３】本開示の模範的な実施形態による、複数の電極と同軸的に配置された複数のスペーサ要素を有するイオンファンネルを含む試料入口装置を示す概略断面図である。
【図４Ａ】本開示の模範的な実施形態による、イオンファンネル内で隣接する電極板の間に配置されるように構成されたスペーサ要素の平面図である。
【図４Ｂ】本開示の模範的な実施形態による、イオンファンネル内に配置されるように構成された電極板の平面図である。
【図５】本開示の模範的な実施形態による試料検出装置を示す概略断面図である。
【図６】本開示の模範的な実施形態による、試料イオン化源、試料入口装置、質量分析システム及び検出器を含む試料検出装置を示すブロック図である。
【図７】本開示の模範的な実施形態による、２つの異なる圧力でイオンファンネルを通過した後で測定された種々のイオンの相対存在量を示す２つのグラフである。
【図８】図３〜図６に示される試料入口装置及び試料検出装置を使用する模範的な方法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】
【０００６】
質量スペクトロメータ（ＭＳ）は真空中で動作し、イオンを質量対電荷比に関して分離する。質量スペクトロメータを用いるいくつかの実施形態において、固体、液体又は気体を可とする試料がイオン化され、分析される。イオンは質量分析器において質量対電荷比に応じて分離され、荷電粒子を検出することができる検出器によって検出される。その検出器からの信号はその後、質量対電荷比の関数として相対的なイオン存在量のスペクトルに処理される。原子又は分子は識別された質量を既知の質量と相関させることによって、又は特徴的なフラグメンテーションパターンによって識別される。
【０００７】
大気圧イオン化技術は選択的ケミストリ及び直接表面分析の使用を可能にする。大気圧イオン化技術によって生成されたイオンを分析するために、それらのイオンを大気圧又は略大気圧環境から真空圧又は略真空圧の環境に移送しなければならない。これには関心のある低い存在量の検体イオンを大気圧環境から真空圧環境、例えば小型の質量分析の環境内へ効率的に移送するという重要な課題がある。この技術的課題は携帯検出システムのサイズ及び重量の制限に関連し、真空ポンプ等のシステム構成要素の選択が厳しく制限され得る。大気圧（例えば、７６０トル）から質量スペクトロメータがイオンを分析し得る圧力（例えば、１０−３トル又はそれ以下）まで下げるために差動排気を使用でき、これは多段減圧プロセスで使用し得る。オリフィス又は小さなキャピラリを通過する大気圧からの流体流量は重大なイオン損失及び詰まりを回避するために少なくとも０．１５Ｌ／minとすべきである。このような吸引流量を有する第１段真空マニホルド（例えば小さな角膜ポンプを含む）はこの領域に数トル程度の圧力を生じる。
【０００８】
数トル以内の圧力において、入口キャピラリを通過する試料からの膨張イオンプルームを制限するためにイオンファンネルを使用することができる。イオンファンネル（例えば、米国特許第６，１０７，６２８号に記載されている）は、徐々に減少した内径を有する狭い間隔で配置されたリング電極のスタックからなり、移相した高周波（ＲＦ）電位が隣接する電極に印加される。ファンネル電極に印加されるＲＦ電場は、バッファガスの存在中でイオンを半径方向に閉じ込める実効電位を生成するが、直流（ＤＣ）軸方向電場勾配によってイオンは入口キャピラリから出口電極へ向け移動される。線形のＤＣ電位勾配を与えるために隣接する電極間に一般に抵抗が配置され、ＲＦ及びＤＣ電源を減結合するためにキャパシタが利用される。大きな入力開口から出口に向って次第に小さくなる開口を有するイオンファンネルは、イオンアクセプタンス（イオン受容性）を高めるとともに、イオンを出口（例えば、コンダクタンス制限位置）で集束させる。しかしながら、イオンファンネルのリング電極のＲＦ電位は低い質量対電荷比（ｍ/ｚ）のイオンの次の真空段への移送を妨げる実効電位障壁を生成することが判明している（R.D. Smith et al., "Characterization of an Improved ElectrodynamicIon Funnel Interface for Electrospray Ionization Mass Spectrometry", Analytical Chemistry, vol. 71, pp. 2957- 2964 (1999)）。断熱近似における実効電位の値は式（１）によって決定することができる。
【数１】
0006577017.tif 000002
ここで、Ｅr,f(r,z)はＲＦ電場の絶対値であり、ω＝２πｆは角周波数であり、ｍは質量であり、ｑは電荷である。図１を参照すると、イオンファンネル中心軸上の実効電位計算の結果が示されている。この計算においてリング電極に印加されたＲＦ電位は５０Ｖ0-pとし、周波数は２ＭＨｚとした。図に示されるように、実効電位はリング直径の減少とともに増加し、最終イオンファンネル電極（これらの計算では１．４ｍｍ）において、ｍ/ｚ＝１００及び５０に対してそれぞれ４．５Ｖ及び９．０Ｖに達した。中心イオンファンネル軸上の対応する実効電場の計算結果が図２に示されている。電場は隣接する点間の実効電位差をそれらの点間の距離で除算して計算した。
【０００９】
イオンファンネル中の低ｍ/ｚイオンの移送の問題を回避するために、最終ファンネル電極に２．０ｍｍ又はそれより大きい直径を与えることが提案されている（R.D. Smith et al., "Theoretical and Experimental Evaluation of the Low m/z Transmission of an Electrodynamic Ion Funnel", J Am Soc. Mass Spectrom, vol. 17, pp. 586-592; A. Mordehaiet al., "Optimization of the Electrodynamic Ion Funnel for Enhanced Low Mass Transmission, Proc. of Am. Soc. Mass Spectrom Conf., Salt Lake City, Utah, 2010). However, this proposal provides a sample flow from the ion funnel that is prohibitive for portable systems, which use small pumps to achieve vacuum for ion analysis.）。しかしながら、この提案は、イオン分析のための真空を達成するために小型のポンプを使用する携帯システムでは対処できない、イオンファンネルからの試料フローをもたらす。
【００１０】
そこで、複数のイオンファンネル電極と同軸配置された複数のスペーサ要素を有するイオンファンネルを含む試料入口装置及びその試料入口装置の使用方法を開示する。複数のスペーサ要素は、質量分析器による比較的低いｍ/ｚのイオンの検出に好ましい試料フローの気体力学を可能にするほぼ密封されたイオンファンネル設計をもたらす。複数のスペーサ要素は一つの又は二つの隣接する電極に近接して配置され、複数のスペーサ要素の各々はそれぞれ、隣接する電極の直径より大きい直径を有する開口を有する。このイオンファンネルは、イオン試料を電極及びスペーサ要素の開口を通して質量分析器及び検出器等の検出システムの追加の部分へと移送するように構成される。スペーサ要素を備えたイオンファンネルを用いる試料入口装置を使用する方法も提供される。
【００１１】
図３は本開示の模範的な実施形態による試料入口装置３００を示す。図に示すように、試料入口装置３００は、試料イオン化源からのイオン試料を受け取るように構成されたイオンファンネル３０２を含む。イオンファンネル３０２は複数の電極３０４（例えば、図４Ｂに示すような電極板）及び複数のスペーサ要素３０６（例えば、図４Ａに示す）を含む。いくつかの実施形態では、電極３０４は、イオンファンネル３０２の入口３１２からイオンファンネル３０２の出口３１４へ伸びる軸３１０を中心として配置された開口３０８を規定する。例えば、軸３１０は各電極３０４の開口３０８の中心を通る。開口３０８の大きさは、イオンファンネル３０２の入口３１２からイオンファンネル３０２の出口３１４へと軸３１０に沿って次第に減少し、先細になる。イオン試料をイオンファンネル３０２に通して流し込むために、隣接する電極３０４に移相した高周波（ＲＦ）電位が印加される。印加されたＲＦ電位は、バッファガスの存在中でイオンを開口３０８及び３１６により半径方向に閉じ込める実効電位を生成する。軸３１０に沿ってイオンファンネル３０２の出口３１４へ向かうイオンの移動を促進するために、直流（ＤＣ）軸方向電場勾配がイオンファンネル３０２に印加される。
【００１２】
電極３０４はプリント基板で製造することができ、従ってプリント基板材料を含み得る。電極はプリント基板材料に搭載された抵抗及び導体（図３）も含み得る。いくつかの実施形態では、電極３０４は導電層又は導電被覆４００で縁取られた開口３０８を含み得る。導電被覆４００は開口３０８の内周並びに開口の周囲の前面及び背面を覆うことができる。イオンファンネル３０２は電極３０４同士を接続するスプリングピンを含み得る。
【００１３】
スペーサ要素３０６はイオンファンネル３０２内で電極３０４に近接して位置する。いくつかの実施形態では、スペーサ要素３０６は複数の電極３０４と同軸的に配置される。例えば、スペーサ要素３０６は、軸３１０に同軸的に配置された開口３１６を規定するため、軸３１０は各スペーサ要素３０６の開口３１６の中心を通る。スペーサ要素３０６の各々は１つ又は２つの隣接する電極３０４に近接して位置し、イオンファンネル３０２内の出口３１４に近接する終端要素であるスペーサ要素３０６は一つの電極３０４に隣接して配置され、内部要素であるスペーサ要素３０６は２つの電極３０４の間に配置される。
【００１４】
模範的な実施形態では、電極３０４の開口３０８及びスペーサ要素３０６の開口３１６は一般に円形であり、その場合には開口３０８は直径ｄｅ（図４Ｂ）を有し、開口３１６は直径ｄｓ（図４Ａ）を有する。開口３０８の形状はイオンファンネル３０２や電極３０４等の特定の設計考慮事項に依存し、よって円形以外の形状、例えば長方形や不規則形状などにしてもよい。一実施形態では、開口３０８の直径ｄｅはイオンファンネル３０２の入口３１２から出口３１４へと軸３１０に沿って段階的に減少又は縮小する。開口３０８及び３１６の寸法はイオンファンネル３０２の設計考慮事項、例えば試料入口装置３００の特定の動作環境に依存する。例えば、一実施形態では、イオンファンネル３０２の入口３１２に最も近い電極３０４の開口３０８は約２１ミリメートルの直径（図３に示すｄ１）を有し、各電極３０４の直径ｄｅは軸方向に段階的に０．５ｍｍずつ減少し（例えば、図３のｄ２は約２０．５ｍｍである）、イオンファンネル３０２の出口３１４に最も近い電極３０４の開口３０８は約１．０ｍｍの直径（図３のｄｆ）を有する。いくつかの実施形態では、イオンファンネル３０２の出口３１４に最も近い電極３０４の開口３０８は、２．０ｍｍ未満の直径（図３のｄｆ）、例えば約１．５ｍｍ〜１．０ｍｍの直径にしてもよく、また特定のイオンファンネル特性により決まる別の直径にしてもよい。スペーサ要素３０６の開口３１６は、後続の電極３０４内へのイオン試料の流入を妨げずにイオン試料がスペーサ要素３０６を通過するように構成される。従って、個々のスペーサ要素３０６の開口３１６の直径ｄｓはそれぞれの隣接する電極３０４の開口３０８の直径ｄｅより大きいために、隣接する電極３０４を通るフローがスペーサ要素３０６の開口３１６の直径ｄｓの大きさにより妨げられない。
【００１５】
スペーサ要素３０６は、スペーサ要素３０６と隣接する電極３０４との間に気密界面を容易に形成するように弾性材料で形成することができる。例えば、いくつかの実施形態では、スペーサ要素３０６はポリテトラフルオロエチレンで形成される。この気密界面は、例えば図３に示すように、スペーサ要素３０６を電極３０４に対して交互に配置することによってイオンファンネル３０２の全域に亘って延在させることができる。
【００１６】
図５を参照すると、試料検出システム５００が示されている。試料検出システム５００は、試料イオン化源５０２、試料入口部５０４、イオンガイド部５０６、及び質量分析部５０８を含む。試料入口部５０４、イオンガイド部５０６及び質量分析部５０８は大気圧未満の圧力に維持される。いくつかの実施形態では、差圧システムが、試料入口部５０４、イオンガイド部５０６、及び質量分析部５０８の各々に一つずつ、３つの排気段により与えられる。例えば、一実施形態では、試料入口部５０４の圧力を低減するために低真空ポンプ５１０（例えば、隔膜ポンプ）が使用され、イオンガイド部５０６の圧力を試料入口部５０４より低い圧力に低減するためにドラッグポンプ５１２が使用され、質量分析部５０８の圧力をイオンガイド部５０６より低い圧力に低減するために高真空ポンプ５１４（例えば、ターボ分子ポンプ）が使用される。特定の実施形態では、低真空ポンプ５１０は最大で約３０トルまでの真空（例えば、イオンファンネル３０２を含む真空室のために）、特に５〜１５トルの真空を提供し、ドラッグポンプ５１２は約０．１〜０．２トルの真空を提供し、高真空ポンプは１０−３〜１０−４トルの真空を提供するが、低真空ポンプ５１０、ドラッグポンプ５１２、及び高真空ポンプ５１４は他の真空圧を提供してもよい。更に、３つのポンプを示すが、試料検出システム５００は低圧環境を容易にするためにもっと少数又は多数のポンプを含んでもよい。
【００１７】
試料入口部５０４は導管５１６及びイオンファンネル３０２を含む。導管５１６はキャピラリ管を含んでもよく、加熱されるものでも、されないものでもよい。いくつかの実施形態では、導管５１６は一定の直径を有するもの（例えば、平面板又は平面シリンダ）としてもよい。導管５１６は、試料イオン化源５０２からのイオン試料をイオンファンネル３０２の入口３１２へ通すように構成された通路５１８を含む。試料イオン化源５０２は大気圧イオン化（ＡＰＩ）源、例えばエレクトロスプレー（ＥＳ）又は大気圧イオン化（ＡＰＣＩ）源又は他の適切なイオン源を含み得る。いくつかの実施形態では、通路５１８のサイズは、真空室（例えば、質量分析器の一部分）を適切な真空に維持しながら、イオン試料及び搬送ガスを通すことができる寸法に決定する。イオンファンネル３０２はイオンビーム（又はイオン試料）をイオンファンネル３０２の出口３１４で小さなコンダクタンス制限に集束させる働きをする。いくつかの実施形態では、イオンファンネル３０２は比較的高い圧力（例えば、５〜１５トル）で動作し、よってイオン閉じ込めをもたらすとともに、比較的低い圧力にある次の真空段（例えば、イオンガイド部５０６）又は後続の段への効率的なイオン移送をもたらす。イオン試料はその後、イオンファンネル３０２からイオンガイド部５０６のイオンガイド５２０に流入する。
【００１８】
いくつかの実施形態では、イオンガイド５２０は中性分子を排出しながらイオンファンネル３０２からのイオンを質量分析部５０８内へ案内するよう機能する。いくつかの実施形態では、イオンガイド５２０は多重極イオンガイドを含み、このイオンガイドはイオン通路に沿って配置された複数のロッド電極を含んでよく、これらの電極がＲＦ電場を生成し、イオンをイオンガイド軸に沿って閉じ込める。いくつかの実施形態では、イオンガイド５２０は約０．１〜０．２トルの圧力で動作するが、他の圧力を使用してもよい。イオンガイド５２０の後にコンダクタンス制限オリフィスが続く。
【００１９】
いくつかの実施形態では、質量分析部５０８は、イオン化された質量を質量対電荷比に基づいて分離し、イオン化質量を検出器に出力する質量スペクトロメータの構成要素（例えば、試料検出装置５００）を含む。質量分析器のいくつかの例としては、四重極質量分析器、飛行時間（ＴＯＦ）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、四重極イオントラップ質量分析器等がある。
【００２０】
図６は試料検出装置５００の一例を示し、該装置は試料イオン化源５０２、試料入口装置３００、質量分析システム５０８、及び検出器６００を含む。いくつかの実施形態では、試料イオン化源５０２は荷電粒子（例えばイオン）を生成する装置を含み得る。イオン源のいくつかの例としては、エレクトロスプレーイオン源、誘導結合イオン源、スパークイオン源、コロナ放電イオン源、放射性イオン源（例えば、６３Ｎｉ又は241Ａｍ）等がある。更に、試料イオン化源５０２はほぼ大気圧で試料からイオンを生成することができる。試料入口装置３００はイオンファンネル、例えば前段落に記載したイオンファンネル３０２を含む。同様に、質量分析システム５０８は上述のものと同様のシステムを含み得る。検出器６００は、イオンが検出器６００の表面のそばを通過するとき又はその表面と接触するとき誘起される電荷又は生成される電流の何れかを記録するように構成された装置を含み得る。
【００２１】
上述したように、イオンファンネル３０２のスペーサ要素３０６は、スペーサ要素３０６と隣接する電極３０４との間に気密界面を形成するのを容易にし得る。従って、流体の流れは電極３０４及びスペーサ要素３０６のそれぞれの開口３０８及び３１６に制限される。このイオンファンネル３０２の気密構成は、低ｍ/ｚイオンがイオンファンネル３０２の電極の内径が相対的に小さい出口３１４における実効ＲＦ電位障壁を乗り越えるのに望ましい気体力学効果をもたらす。試料入口部５０４と次の真空段（例えば、イオンガイド部５０６）との間の大きな圧力差（２桁以上の差とし得る）のために、イオンファンネル３０２の出口３１４においてかなり高速の気体流（例えば、様々な実施形態において３００ｍ/ｓ）が生成される。イオンと分子との衝突数は気体圧力に比例し、圧力の増加とともに増加する。イオン運動への気体力学効果を推定するために、下記の関係式を使用することができる。
【数２】
0006577017.tif 000003
ここで、ｖは気体速度、Ｋは考慮中のイオンのイオン移動度である。
【００２２】
ｖ＝３００ｍ/ｓ又は３＊１０４ｃｍ/ｓ及びＫ０＝２．０ｃｍ２/Ｖ/ｓの値に対して、Ｅ*ｓは１トルで２０Ｖ/ｃｍ、１０トルで２００Ｖ/ｃｍと推定される。実効ＲＦ電場勾配（代表的データは図１に示されている）はｍ/ｚ＝５０に対して２００Ｖ/ｃｍ及びｍ/ｚ=１００に対して１００ｖ/ｃｍの程度である。これらの推定は、大きな圧力（例えば、約１０トル）において、気体力学効果はＲＦ電場勾配と匹敵するものとなり、よって次の真空段への低ｍ/ｚイオンの効率的な移送が可能になることを証明している。図７を参照すると、２つの異なる圧力において気密構造のイオンファンネル（例えば、本明細書に記載されているもの）を通過した後に質量スペクトロメータにより測定された種々のイオンの相対存在比を示す２つのグラフ（上のグラフ７００と下のグラフ７０２）が示されている。グラフ７００及び７０２を生成するために、大気圧化学イオン化源を用いてアセトン蒸気含有空気からイオンを発生させた。イオンファンネル電極の最小開口の直径は１．０ｍｍで、ＲＦ電圧は５０Ｖ0-pであった。グラフ７００を生成するために使用したイオンファンネル圧力は１トルで、正規化強度（ＮＬ）は５．３×１０５であったが、グラフ７０２を生成するために使用したイオンファンネル圧力は１０トルで、正規化強度（ＮＬ）は１，４×１０６であった。すべての他の質量スペクトロメータパラメータ（例えば、イオンファンネルの後段の真空区分の圧力）は両実験中同じに維持した。図に示すように、低ｍ/ｚイオンの移送はイオンファンネル内の圧力の増加とともに、気体力学効果によって大きく改善される。例えば、１１６．９３，１０１．２０及び５９．３３のｍ/ｚを有するイオンの移送はグラフ７０２でははっきり見えるが、グラフ７００でははっきり見えない。高いｍ/ｚイオンの移送は安定したままである（例えば、いくつかのイオンについては２桁の減少があり得る）。小さなイオンファンネル出口板直径は、次の真空区分内への気体の流れを低減するので、小型の真空ポンプの使用を可能にする。
【００２３】
図８は、開示の技術を使用した試料検出装置、例えば図３〜６に示す試料検出装置５００を使用する模範的な方法８００を示す。
【００２４】
従って、イオン試料が生成される（ブロック８０２）。いくつかの実施形態では、イオン試料を生成するステップは、例えばイオン源（例えば、エレクトロスプレーイオン化、誘導結合プラズマイオン化、スパークイオン化、コロナ源、放射性源（ターゲット、６３Ｎｉ）等）又はイオン生成電磁気装置を使用し得る。一実施形態では、イオン試料を生成するステップはコロナ放電イオン源などの試料イオン化源５０２を使用する。コロナ放電イオン源はイオン試料を生成するために導体を囲むコロナ放電を利用する。別の実施形態では、イオン試料を生成するためにエレクトロスプレーを使用する。エレクトロスプレーイオン化はエレクトロスプレーニードルを通じて試料に高電圧を印加し、試料をエアロゾルの形で放出する。その後、エアロゾルはエレクトロスプレーニードルとコーンとの間の空間を横断し、その間に溶媒の蒸発が起こり、イオンの形成が生じる。
【００２５】
イオン試料はキャピラリで受け取られる（ブロック８０４）。いくつかの実施形態では、イオン試料は試料イオン化源５０２により生成され、導管５１６で受け取られる。一実施形態では、イオン試料はエレクトロスプレー源を用いて生成され、加熱キャピラリ５１６で受け取られ、その後、加熱キャピラリ５１６を通って移動する。
【００２６】
イオン試料はイオンファンネルの入口に移送される（ブロック８０６）。いくつかの実施形態では、イオンファンネル３０２はキャピラリ５１６からのイオン試料を受け取るように構成された入口３１２を含む。イオンファンネル３０２は、イオンファンネル３０２の入口３１２から出口３１４まで延伸する軸３１０を中心に配列された開口３０８を有する複数の電極３０４を含むとともに、複数の電極と同軸的に配置された複数のスペーサ要素を含む。いくつかの実施形態では、電極３０４とスペーサ要素３０６とは交互に配置して電極３０４とスペーサ要素３０６との間に気密界面を容易に形成し、それによって流体の流れは電極３０４及びスペーサ要素３０６のそれぞれの開口３０８及び３１６により制限される。このイオンファンネル３０２の気密構造は、携帯真空ポンプを使用しながら、イオンファンネル３０２からの低いｍ/ｚイオンの質量分析システムへの移送を容易にする望ましい動的気体流をもたらし得る。イオン試料は、イオンファンネルを通してイオンファンネルの出口へ移送される（ブロック８０８）。
【００２７】
本発明、構造的特徴および／または方法論的行為に特有の表現で記載されているが、添付の請求項で規定される発明は、記載された特定の特徴または行為に必ずしも限定されないことは、理解されよう。種々の構造が考察されているが、装置、システム、サブシステム、要素等は、本開示から逸脱せずに種々の方法で構成可能である。むしろ、特定の特徴および行為は、請求発明を実施する形態の例として開示されるものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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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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