(57)【要約】  イオン及び荷電液滴がノズル（６）から荷電粒子輸送装置又は脱溶媒パイプ（７）のオリフィス（２２）に向かって移動する。この粒子運動は粒子軌道に沿った擬似ポテンシャル分布により制御される。電極アレイ（２４）の隣接電極に印加された高周波電圧が荷電粒子を電極アレイ（２４）の上方に実質的に浮遊させる。このようにイオンは電極アレイ（２４）に達する直前に電極アレイ（２４）の表面に垂直な斥力Ｆを受ける。この斥力Ｆは電極アレイ（２４）のすぐ手前に実効的な障壁（Ｂ）を作り出し、結果として擬似ポテンシャル井戸（Ａ）を生じさせる。この井戸では、荷電粒子はきのこ雲の軸（Ｄ）に平行には運動しない。従って荷電粒子は井戸（Ａ）の中心線（Ｃ）の周辺に集まってくる。高周波電位に加えて直流電位を電極アレイ（２４）内の隣接電極に与えると、井戸の領域（２３）に微小な直流電場が形成される。この追加の直流電場は、荷電粒子を対称軸（Ｃ）に向けて、従って荷電粒子輸送装置又は脱溶媒パイプ（７）のオリフィス（２２）に向けて動かす。こうして、通常ならオリフィス（２２）を取り囲む面（２１）に衝突するであろう荷電粒子の多くが分析可能となる。
2010527095.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
略１気圧のガスの中で動作する荷電粒子集束装置であって、前記ガスの中で荷電粒子が生成され、該荷電粒子は少なくとも一つのオリフィスを含む面に向けて加速され、該オリフィスを通って、真空引きされた質量分析計又はガスで満たされた移動度分析計まで移動できるような荷電粒子集束装置において、
前記荷電粒子を前記少なくとも一つのオリフィスまで移動させるための開口が残るように、前記面の上に、又は該面から微小距離をあけて、互いに近接して配置された多数の電極又は導電性表面ストリップのアレイを備え、
隣接する前記電極又は導電ストリップの間に高周波電圧を印加することにより、前記荷電粒子を前記電極又は導電ストリップの上方に浮遊させる高周波電場を発生させ、さらに、隣接する前記電極又は導電ストリップに追加の直流電位を印加することにより前記荷電粒子を前記オリフィスに向けて押し動かすことができること、
を特徴とする荷電粒子集束装置。
【請求項２】
前記電極又は導電ストリップは略平らな面上に配置された略同心円状の円環であり、前記直流電位は前記荷電粒子を前記略同心円状の円環の中心に向けて押し動かし、該円環の中心は前記荷電粒子が通過できる略円形のオリフィスと一直線に揃っていることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子集束装置。
【請求項３】
電極又は導電ストリップが二つの面の上に配置されており、それらが両方とも略同心円状の円環であり、前記第一の面に配置された異なる円環に印加された直流電位が荷電粒子を略同心円状且つ円環状の電極又は導電ストリップの中心に向けて半径方向に押し動かし、荷電粒子を第二の面に向けて加速するための通路となるオリフィスが前記中心に配置され、前記第二の面に配置された異なる円環に印加された直流電位が荷電粒子をそれぞれ略同心円状の電極又は導電ストリップの中心に向けて半径方向に押し動かし、そこから多くの場合は第一のオリフィスよりも小さい別のオリフィスに向けて押し動かすことを特徴とする請求項２記載の荷電粒子集束装置。
【請求項４】
前記電極又は導電ストリップは略直線状且つ略平行であり、互いに対して角度ΔΦ１で傾斜した二つの略平らな面Ｓ１ａ及びＳ１ｂに配置され、該二つの面の交線は前記電極又は導電ストリップに略平行であり、異なる電極及び導電ストリップの直流電位は該電極又は導電ストリップの延伸方向に略垂直な方向に、且つ前記二つの面Ｓ１ａ及びＳ１ｂの交線に向けて荷電粒子を押し動かし、該荷電粒子はそこで細長い荷電粒子雲を形成し、該荷電粒子雲は前記交線に配置された細長いオリフィスを通って加速可能であることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子集束装置。
【請求項５】
互いに対して角度ΔΦ１で傾斜した前記略平らな面Ｓ１ａ及びＳ１ｂに加えて、互いに対して角度ΔΦ２で傾斜した第二組の略平らな面Ｓ２ａ及びＳ２ｂが別に設けられ、第一組の略平らな面Ｓ１ａ及びＳ１ｂに配置された異なる電極及び導電ストリップの直流電位により荷電粒子が前記二面の交線に向けて押し動かされ、該交線には細長いオリフィスが配置されており、該オリフィスを通って細長い荷電粒子の雲から荷電粒子が第二組の面Ｓ２ａ及びＳ２ｂに向けて加速可能であり、該第二組の面Ｓ２ａ及びＳ２ｂに配置された電極及び導電面の直流電位により荷電粒子が前記二面の交線に向けて押し動かされ、前記二つの交線の角度が９０°から大きくずれていなければ、前記細長い荷電粒子雲が全体として小さな断面にまで圧縮されることを特徴とする請求項４記載の荷電粒子集束装置。
【請求項６】
互いに対して角度ΔΦ１で傾斜した前記略平らな面Ｓ１ａ及びＳ１ｂに加えて、略円環状且つ略同心円状の電極又は導電ストリップが配置された別の面が設けられ、第一組の略平らな面Ｓ１ａ及びＳ１ｂに配置された異なる電極及び導電面の直流電位により荷電粒子が前記二面の交線に向けて押し動かされ、該交線には細長いオリフィスが配置されており、該オリフィスを通って荷電粒子が、略円環状且つ略同心円状の電極又は導電ストリップが配置された前記面に向けて加速可能であり、該荷電粒子は前記円環状の電極又は導電ストリップの直流電位により半径方向に押し動かされ、その結果、初めは細長かった荷電粒子の雲が全体として小さな断面にまで圧縮されることを特徴とする請求項４記載の荷電粒子集束装置。
【請求項７】
前記角度ΔΦ１が０°であることを特徴とする請求項４記載の荷電粒子集束装置。
【請求項８】
前記角度ΔΦ１及びΔΦｓの少なくとも一方が０°であることを特徴とする請求項５記載の荷電粒子集束装置。
【請求項９】
前記面Ｓ１ａ及びＳ１ｂのそれぞれが少なくとも二つの略平らなサブ面Ｓ１ａ1及びＳ１ａ２又はＳ１ｂ1及びＳ１ｂ２に分割されており、該サブ面が互いに対して傾斜し、その交線が前記電極又は導電ストリップに略平行であること、及び／又は、前記面Ｓ２ａ及びＳ２ｂのそれぞれが少なくとも二つの略平らなサブ面Ｓ２ａ1及びＳ２ａ２並びにＳ２ｂ1及びＳ２ｂ２に分割されており、該サブ面が互いに対して傾斜し、その交線が前記電極又は導電ストリップに略平行であることを特徴とする請求項５記載の荷電粒子集束装置。
【請求項１０】
前記面Ｓ１ａ及びＳ１ｂの並びに／もしくはＳ２ａ及びＳ２ｂの少なくとも一方が略平面であることを特徴とする請求項５記載の荷電粒子集束装置。
【請求項１１】
前記電極又は導電ストリップがプリント回路基板の技術で形成されており、前記高周波電位及び直流電位が前記電極にビアを通じて与えられ、該ビアの直径が、繰り返し長、すなわち一つの電極又は導電ストリップの幅と隣接電極からの離間距離との和より小さいままでなければならないことを特徴とする請求項２記載の荷電粒子集束装置。
【請求項１２】
前記電極又は導電ストリップがプリント回路基板の技術で形成されており、前記高周波電位及び直流電位が前記電極にビアを通じて与えられ、該ビアの直径が、繰り返し長、すなわち一つの電極又は導電ストリップの幅と隣接電極からの離間距離との和の２倍より小さいままでなければならないことを特徴とする請求項４記載の荷電粒子集束装置。
【請求項１３】
前記電極又は導電ストリップがプリント回路基板の技術で形成されており、前記電極又は導電ストリップが完全な円環ではなく円環の一部であり、該電極又は導電ストリップの面内で電源回路から前記電極又は導電ストリップへリード線を通じて高周波電位及び直流電位を直接与えることができることを特徴とする請求項２記載の荷電粒子集束装置。
【請求項１４】
前記電極又は導電ストリップがプリント回路基板の技術で形成されており、前記電極又は導電ストリップが完全な円環ではなく円環の一部であり、前記高周波電位及び直流電位が前記電極にビアを通じて印加可能であり、該ビアの直径が、繰り返し長の２倍、すなわち一つの電極又は導電ストリップの幅と隣接する電極又は導電ストリップからの離間距離との和の２倍より小さいままであればよいことを特徴とする請求項２記載の荷電粒子集束装置。
【請求項１５】
前記電極又は導電ストリップがプリント回路基板の技術で形成されており、略円環状且つ略同心円状の電極又は導電ストリップのリング構造体が２本の絡み合った螺旋により擬似的に形成され、前記高周波電圧が該螺旋の間に印加され、各螺旋の両端にそれぞれ適切な直流電位を与えるとともに前記電極又は導電ストリップを高抵抗材料で作製することにより、該螺旋に沿った直流電位を発生させることを特徴とする請求項２記載の荷電粒子集束装置。
【請求項１６】
前記電極又は導電ストリップがプリント回路基板の技術で形成されており、肉薄のプリント回路基板の前面及び背面のそれぞれに、略円環状且つ略同心円状の電極又は導電ストリップのリング構造体が２本の互いに絡み合った螺旋により擬似的に形成され、前記プリント回路基板の背面の螺旋は導電性の良好な材料から成り、前記プリント回路基板の前面の螺旋は高抵抗材料から成り、前記前面の各螺旋の両端に適切な直流電位を与えることにより該螺旋に沿った直流電位が形成される一方、前記背面の２本の螺旋には高周波電圧が印加され、該高周波電位は前記前面の螺旋と容量結合されていることを特徴とする請求項２記載の荷電粒子集束装置。
【請求項１７】
前記電極又は導電ストリップがプリント回路基板の技術で形成されており、略円環状且つ略同心円状の電極又は導電ストリップのリング構造体が「Ｎ＝３、４、…」本の互いに絡み合った螺旋により擬似的に形成され、前記高周波電圧は隣接する螺旋に約３６０°／Ｎの位相差で印加され、各螺旋の両端にそれぞれ適切な直流電位を与えるとともに前記電極又は導電ストリップを高抵抗材料で作製することにより、該螺旋に沿った直流電位が形成されることを特徴とする請求項２記載の荷電粒子集束装置。
【請求項１８】
前記電極又は導電ストリップがプリント回路基板の技術で形成されており、肉薄のプリント回路基板の前面及び背面のそれぞれに、略円環状且つ略同心円状の電極又は導電ストリップのリング構造体が「Ｎ＝３、４、…」本の絡み合った螺旋状により擬似的に形成され、前記プリント回路基板の背面の螺旋は導電性の良好な材料から成り、前記プリント回路基板の前面の螺旋は高抵抗材料から成り、前記前面の各螺旋の両端に適切な直流電位を与えることにより該螺旋に沿った直流電位が形成される一方、前記背面の隣接する螺旋には、一の螺旋から隣りの螺旋へ移ると約３６０°／Ｎの位相差が生じるような高周波電圧が印加され、該高周波電位は高抵抗である前記前面の螺旋と容量結合されていることを特徴とする請求項２記載の荷電粒子集束装置。
【請求項１９】
前記直流電位は０であり、前記高周波電位は、略円環状且つ略同心円状の電極又は導電ストリップの中心に向けて荷電粒子を輸送するような電場の力を該荷電粒子が受けるように調整されていることを特徴とする請求項１７記載の荷電粒子集束装置。
【請求項２０】
螺旋１から螺旋２、螺旋３、…螺旋Ｎへと移動しつつ荷電粒子を前記リング構造体の中心に向けて略半径方向に引っ張るような電位低下部が形成されるように前記高周波電位が選択されていることを特徴とする請求項１９記載の荷電粒子集束装置。
【請求項２１】
前記略平行な電極又は導電ストリップがプリント回路基板の技術で形成されており、前記高周波電位及び直流電位が電源回路からリード線を通じて前記電極又は導電ストリップの面内で直接与えられることを特徴とする請求項４記載の荷電粒子集束装置。
【請求項２２】
前記電極又は導電ストリップがプリント回路基板の技術で形成されており、前記略平行な電極又は導電ストリップが２本の絡み合った蛇行線を形成するように接続され、前記高周波電圧が該２本の蛇行線の間に印加され、各蛇行線の両端にそれぞれ適切な直流電位を与えるとともに前記電極又は導電ストリップを高抵抗材料で作製することにより、該蛇行線に沿った直流電位が形成されることを特徴とする請求項４記載の荷電粒子集束装置。
【請求項２３】
前記電極又は導電ストリップがプリント回路基板の技術で形成されており、肉薄のプリント回路基板の前面及び背面のそれぞれにおいて、略平行な電極又は導電ストリップが２本の絡み合った蛇行線を形成するように接続され、該プリント回路基板の背面の蛇行線は導電性の良好な材料から成り、前記プリント回路基板の前面の蛇行線は高抵抗材料から成り、前記前面の各蛇行線の両端に適切な直流電位を与えることにより該螺旋に沿った直流電位が形成される一方、前記背面の２本の蛇行線には高周波電圧が印加され、該高周波電位は前記前面の蛇行線と容量結合されていることを特徴とする請求項４記載の荷電粒子集束装置。
【請求項２４】
前記電極又は導電ストリップがプリント回路基板の技術で形成されており、前記略平行な電極又は導電ストリップがＮ＝３、４、…本の互いに絡み合った蛇行線を形成するように接続され、前記高周波電圧は隣接する蛇行線に約３６０°／Ｎの位相差で印加され、各螺旋の両端にそれぞれ適切な直流電位を与えるとともに前記電極又は導電ストリップを高抵抗材料で作製することにより、該螺旋に沿った直流電位が形成されることを特徴とする請求項４記載の荷電粒子集束装置。
【請求項２５】
前記電極又は導電ストリップがプリント回路基板の技術で形成されており、肉薄のプリント回路基板の前面及び背面のそれぞれにおいて、略平行な電極又は導電ストリップがＮ＝３、４、…本の絡み合う蛇行線を形成するように接続され、前記プリント回路基板の背面の蛇行線は導電性の良好な材料から成り、前記プリント回路基板の前面の蛇行線は高抵抗材料から成り、前面の各蛇行線の両端に適切な直流電位を与えることにより各蛇行線に沿った直流電位が形成される一方、前記背面の隣接する蛇行線には、一の蛇行線から隣りの蛇行線へ移ると約３６０°／Ｎの位相差が生じるような高周波電圧が印加され、該高周波電位は高抵抗である前記前面の蛇行線と容量結合されていることを特徴とする請求項４記載の荷電粒子集束装置。
【請求項２６】
前記直流電位が０であり、周波数が粒子運動の速度に合わせて調節されていることを特徴とする請求項２４記載の荷電粒子集束装置。
【請求項２７】
前記直流電位が０であり、周波数が粒子運動の速度に合わせて調節されていることを特徴とする請求項２５記載の荷電粒子集束装置。
【請求項２８】
蛇行線１から蛇行線２、蛇行線３、蛇行線Ｎへと移動しつつ荷電粒子を前記細長い電極に略垂直な方向に引っ張ることによって細長い荷電粒子の雲を形成するような電位低下部が形成されるように、前記高周波電位が選択されていることを特徴とする請求項２６記載の荷電粒子集束装置。
【請求項２９】
前記電極又は導電ストリップの幅及び／離間距離が、異なる複数の面上で、さらには複数の面の中の１つの面内でも異なっていることを特徴とする請求項２記載の荷電粒子集束装置。
【請求項３０】
初期の荷電粒子のきのこ雲の軸が前記略円環状且つ略同心円状の電極又は導電ストリップの中心からずれた方向に向いており、この軸ずれが、前記初期の荷電粒子の雲を横にずらすか、該雲の主たる運動方向を傾けることにより達成されていることを特徴とする請求項２記載の荷電粒子集束装置。
【請求項３１】
初期のイオン及び荷電粒子のきのこ雲の軸が、電極又は導電性ストリップの配置された面の交線であって、前記電極又は導電性ストリップがそれに略平行であるところの交線からずれた方向に向いており、この軸ずれが、前記初期の荷電粒子の雲を横にずらすか、該雲の主たる運動方向を傾けることにより達成されていることを特徴とする請求項２記載の荷電粒子集束装置。
【請求項３２】
初期の荷電粒子のきのこ雲の軸が、電極又は導電ストリップの配置された面の交線であって、前記電極又は導電ストリップがそれに略平行であるところの交線からずれた方向に向いており、この軸ずれが、前記初期の荷電粒子の雲を横にずらすか、該雲の主たる運動方向を傾けることにより達成されていることを特徴とする請求項４記載の荷電粒子集束装置。
【請求項３３】
初期の荷電粒子のきのこ雲と電極又は導電ストリップが配置された第一の面との間に少なくとも一つの格子が配置され、該格子の電位が、前記面に接近するときの荷電粒子の速度を、前記電極又は導電ストリップのアレイの高周波斥力により該荷電粒子を前記面から押し返せるレベルにまで低下させることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子集束装置。
【請求項３４】
初期の荷電粒子の羽毛状の雲と電極又は導電ストリップが配置された第一の面との間に少なくとも一つの絞りが配置され、該絞りの電位が、前記面に接近するときの荷電粒子の速度を、前記電極又は導電ストリップのアレイの高周波斥力により該荷電粒子を前記面から押し返せるレベルにまで低下させることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子集束装置。
【請求項３５】
前記高周波電圧の振幅が、一定の制限質量より重い荷電粒子だけが前記電極又は導電ストリップの上方に浮遊するように実験的に決定された値にまで縮小されていることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子集束装置。
【請求項３６】
前記電極は、絶縁されてはいるが導電性を有する引き延ばされたリード線として形成され、該リード線の表面は、むき出しの導電性表面又は薄い誘電体層で被覆された導電性表面であることを特徴とする請求項４記載の荷電粒子集束装置。
【請求項３７】
前記電極はプリント回路基板の技術で形成された導電ストリップとして形成され、該導電ストリップは、むき出しの導電性表面又は薄い誘電体層で被覆された導電性表面を有することを特徴とする請求項１記載の荷電粒子集束装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は質量分析装置に関し、さらに詳しくは、イオン又は他の荷電粒子の雲を形成し、それを小径のオリフィスを通して質量分析計又は移動度分析計に導入するように構成された分析装置のイオン源に関する。イオン又は他の荷電粒子の形成は、エレクトロスプレイイオン源（ＥＳＩ）、大気圧化学イオン源（ＡＣＰＩ）又は高周波誘導結合プラズマイオン源（ＩＣＰ）のように１気圧又は数気圧のガスの中で行ってもよいし、電子衝撃イオン源（ＥＩ）、化学イオン源（ＣＩ）、レーザイオン源（ＬＩ）又はプラズマイオン源（ＰＩ）のように減圧されたガスの中で行ってもよい。
【背景技術】
【０００２】
質量分析計や移動度分析計における分析のために分子や原子をイオン化する方法には様々なものがある。これらの方法の多くではイオンが雲状に与えられ、そのうち、狭いオリフィスを通過して移動度分析計や質量分析計に入るものだけが分析に供される。二段階のイオン分析が必要な場合には、略大気圧雰囲気中で小径のオリフィスを通じてイオンを移動度分析計に導入し、さらに別の小径のオリフィスを通じて該移動度分析計からイオンを真空状態の質量分析計に導入しなければならない。一個又は数個の小径のオリフィスを通過するようにイオンを案内することは容易ではないため、通常は相当な割合のイオンがオリフィスの表面に衝突し、分析前に失われてしまう。
【０００３】
移動度分析計又は質量分析計の内部より高い圧力のガスの中でイオンが生成される場合には、それらの分析計に流入するガス流の作用も考慮する必要がある。そのため、オリフィスは鋭い先端を持つスキマーの形にすることが多い。その主な理由は、この形状にすればガスの乱流の作用が軽減されるからである。
【０００４】
大気圧イオン化法の代表例に「大気圧エレクトロスプレイイオン化法」（ＥＳＩ）や「大気圧化学イオン化法」（ＡＰＣＩ）がある。ＥＳＩでは、液体試料を導入したキャピラリのノズルに数ｋＶの電圧が印加される。このノズルにおいて、電荷を帯びた微小な液滴が形成され、その液滴から溶媒が急速に蒸発する。その際、元々溶解していた分子の表面に液滴の電荷の一部が残る。一方、ＡＰＣＩでは、コロナ放電を発生させるための針電極がノズルの先端に配置される。コロナ放電が発生すると、キャリアガスの原子又は分子がイオン化され、ごく短時間の後にそのイオンから目的の分子へ電荷が移動する。いずれの方法でも、液滴の蒸発を速めるためにノズル及び／又はキャリアガスを加熱することが多い。これは、液滴がそのまま到達すると移動度分析計や質量分析計の動作に悪影響を及ぼすからである。
【０００５】
真空引きされた質量分析計にイオンを導入する場合、ポンプの能力を越えない程度までガスの流量を低下させる必要がある。これは例えば、直線形状又は屈曲形状のキャピラリを使うことで達成できる（特許文献１参照）。この場合にも、残留液滴の蒸発を促進するためにキャピラリを加熱することが可能である。しかし、ほとんどの場合、生成されたイオンは一部しかキャピラリに導入されず、しかもその多くがキャピラリの壁との相互作用により失われてしまう。この方法において、キャピラリの代わりにスキマーやサンプリングコーンを使用すれば、効率は多少改善される（特許文献２参照）。しかし、いずれの方法でも、利用できるのは生成されたイオンの一部だけである。
【０００６】
真空引きされた質量分析計へのイオン転送効率を高めるため、単一ではなく数個のアパーチャを用いるようにした構成もある（特許文献３、４及び５）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平７−６８５１７号公報
【特許文献２】特開平８−３０４３４２号公報
【特許文献３】米国特許第６８１８８８９号明細書
【特許文献４】米国特許第６９４９７４０号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００４／０２４５４５８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、小径のオリフィスを通したイオンの導入効率を高めることにより移動度分析計又は質量分析計の感度を向上させるイオン集束装置を提供するものである。この目的は、初期のイオン雲が存在する領域に特定の高周波電場及び直流電場を発生させることにより達成される。前記高周波電場はイオン又は他の荷電粒子が前記領域内の壁に到達することを防止し、該高周波電場に重畳される前記直流電場はイオンをオリフィスに向けて押し動かす。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る装置は、イオンを小さな雲に集束させる装置であって、円形又は細長い形状のオリフィスをほぼ全周に渡って取り囲む面の上に狭い間隔で配置された複数の電極から成る。前記面に設けられたオリフィスは、イオン化室内で生成されたイオンを移動度分析計又は質量分析計に導入するためのオリフィスとすることができる。単一の面に電極アレイを設けてその集束効果を利用する代わりに、二つ以上の面を、それらのオリフィスがほぼ一直線に並び、且つイオンがすべてのオリフィスを通過できるように配置し、これらの面上に設けられた電極アレイの作用を組み合わせて利用してもよい。なお、前記面の配置は厳密に同心円状でなくてもよく、またオリフィスの形状は厳密に円形でなくてもよい。
【００１０】
少なくとも一つの電極アレイにおいて隣接する電極に高周波電圧を印加すると、該高周波電場が前記隣接する電極間においてイオンを前後に揺動させる。電場の方向が素早く変化するため、イオンはいずれの電極にも到達することができず、図１に示したような実効的な擬似ポテンシャル井戸の中で電極の上方に浮遊する。この高周波電圧に加えて、隣接する電極に微小な直流電圧を印加すると、該電圧に応じた直流電場によりイオンが前記オリフィスに向けて押し動かされる。このオリフィスは、イオンが前記質量分析計又は移動度分析計に入るために必ず通らなければならないものである。以上のようなイオンの全体的な挙動を二個のイオンについて数値的に計算した結果を図１９に示す。
【００１１】
イオン源の種類によっては、イオンの他に不所望の大きな液滴又はイオンクラスタが形成されることがある。イオンが前記オリフィスに向かって加速されると、該イオンは図１に示したように比較的広いきのこ雲を形成する。一方、前記液滴及びクラスタは通常このきのこ雲の中心に集まる。従って、少なくともこれらの粒子の一部を前記オリフィスからずらすことが有利である。実際にそれを達成する方法を図２及び図３に示す。
【００１２】
本発明に係るイオン集束装置の第一の実施形態では、図４、図５、図１２、図１４、図１５及び図１６に示したように、前記電極が略円環形状の電極として構成される。これらの電極に高周波電位と直流電位とを重畳して与えることにより、電極アレイの正面で大量のイオンを捕捉しつつ、それらを半径方向に前記オリフィスへ向けて押し動かすような電場を形成することができる。いずれの場合でも、一つの電極アレイの中で電極の幅及び間隔を変えることができる（図４参照）。また、複数の電極アレイがある場合、電極アレイごとに電極の幅及び間隔を変えることができる（図５参照）。
【００１３】
本発明に係るイオン集束装置の第二の実施形態では、図６、図７、図１３及び図１７に示したように、前記電極が、略平行に並べられた略直線状の電極として構成される。これらの電極に高周波電位と直流電位とを重畳して与えることにより、該電極に垂直に作用し、細長いオリフィスに向けてイオンを移動させる電場を、前記電極アレイの正面の捕捉領域内に形成することができる。さらに、略直線状の電極を略平行に並べて成る第二の電極アレイを、第一の電極アレイに対して一定の角度（例えば９０°）をつけて配置し、前記オリフィスを通過したイオンを該第二の電極アレイに向けて加速することにより、それまで細長く広がっていたイオン雲を小さな体積の雲に収縮させることができる。
【００１４】
前記高周波電場の振幅は常に制限されているため、速度ｖが一定値より低いイオンだけが電極アレイの表面から押し返される。実際には、電極アレイの表面に垂直な速度成分のみ、すなわちｖ⊥＝ｖｃｏｓ（α）だけをその値より低く抑えればよい。ここで、αは前記電極アレイの表面の法線とイオン軌道の間の角度である。従って、図３及び図７に示したように、この角度αを大きくすることが有利である。
【００１５】
ほとんどの場合、イオン源から引き出されるイオンの総数は印加された電場に依存する。エレクトロスプレイイオン源の場合、これは図１に示したノズルの領域における電場である。ところが、この電場はイオン化室の隅々にまで影響を及ぼすため、電極アレイ及びオリフィスに接近しつつあるイオンの速度ｖを増大させることが多い。従って、図１０及び図１１に示したように格子又は絞りを配設し、それに直流電位を印加することにより、電極アレイに接近するときのイオンの速度を低下させることが有利である。
【００１６】
大気圧イオン源の多くでは、ガス流がイオンをオリフィスに向けて、従って電極アレイに向けて押し動かす。こうしてイオン速度ｖに付加される成分は電場により変化させることができない。しかし、前記絞りの少なくとも一つを、前記ガスの一部を除去するように形成したり、さらには前記絞りの少なくとも一つを、前記ガス流の一部の方向を変えるような形状にしたりすることはできる。加えて、排気口を適所に配置するとなおよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、イオン化室で生成されたイオンが高周波電場及び直流電場により他の荷電粒子とともに、質量分析計又は移動度分析計に入るために通過しなければならないオリフィスに向けて案内される。その中には、他の方法では壁面に衝突して失われていたであろう多くのイオンが含まれる。結果として、生成されたイオンの利用効率が大幅に向上し、最終的に記録される移動度スペクトル又は質量スペクトルに現れるイオンの強度が増大するため、実施された測定の感度が高まる。
【００１８】
略円環形状且つ略同心円状の複数の電極に適切な大きさの高周波電位及び直流電位が与えられる実施形態では、イオンが他の荷電粒子とともに電極アレイの上方の広い領域に捕捉され、該電極アレイの中央に位置するオリフィスに向けて案内される。
【００１９】
略平行な複数の電極に適切な大きさの高周波電位及び直流電位が与えられる実施形態においても、イオンは他の荷電粒子とともに電極アレイの上方の広い領域に捕捉される。ただし、この実施形態の電極アレイはイオンを電極の向きに垂直な方向にしか案内しない。そのイオンを細長いオリフィスに通した後、第一のアレイの向きに垂直な方向に配置された第二の略平行な電極アレイに向けて加速すれば、イオンは前記オリフィスを通じて効率よく取り出すことができるような狭い雲に集束される。
【００２０】
イオンが前記略円環形状又は略平行な電極群の上方の捕捉領域に達したとき、該イオン又は他の荷電粒子の速度ｖが非常に大きくなり、高周波電場により生じる有効斥力Ｆではそのイオンを捕捉できなくなる場合がある。中間に格子又は絞りを配置し、それに遅延電位を与えれば、イオンの速度ｖを十分に低下させることができる。
【００２１】
高周波電場による捕捉効率は、対象となるイオンの質量が大きいほど、そして高周波電場の強度が大きいほど高くなる。従って、目的のイオン又は他の荷電粒子が十分に捕捉される一方、目的とされない軽い粒子は捕捉されずに電極アレイに衝突するように、高周波電場の強度を設定することが有利である。このようにすれば、不所望の粒子の少なくとも一部が質量分析計又は移動度分析計に送り込まれなくなるため、イオン分析の選択性が高まる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】（ａ）はノズルから出た荷電分子及び非荷電分子から成るきのこ雲の概略図。このきのこ雲の軸Ｄに向けてイオンを押し動かす本発明に係る電極アレイも描かれている。（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ擬似ポテンシャル井戸の底Ｃに沿った電位分布及び前記軸Ｄへ投影された分子軌道に沿った電位分布を示す図。
【図２】図１の変形例。この図の実施例では、前記きのこ雲の軸Ｄが、いわゆる脱溶媒パイプ（６）又は他の荷電粒子輸送装置の軸Ｅに対して横方向にずれている。
【図３】図２の変形例。この図の実施例では、前記きのこ雲の軸Ｄが、いわゆる脱溶媒パイプ（６）又は他の荷電粒子輸送装置の軸Ｅに対して傾いている。
【図４】一つの平面上に同心円状に配置された円環状電極群に特徴を有する電極アレイの可能な一実施例を示す図。高周波電位の位相が異なる電極が濃い灰色と薄い灰色で示されている。
【図５】二つの略平行な面上にそれぞれ同心円状に配置された円環状電極群に特徴を有する電極アレイの可能な一実施例を示す図。上側の面に配置された電極アレイは前段の集束器として作用する。この実施例においても、高周波電位の位相が異なる電極が濃い灰色と薄い灰色で示されている。
【図６】二つの略平行な面上にそれぞれ配置された平行電極群に特徴を有する電極アレイの可能な一実施例を示す図。該電極アレイは、イオン又は他の荷電粒子が略垂直な二方向に集束されるように、一定の角度をもって配置されている。この実施例においても、高周波電位の位相が異なる電極が濃い灰色と薄い灰色で示されている。
【図７】図６の変形例。この図の実施例では、前記電極アレイがわずかに傾斜した面の上に配置されている。この実施例においても、高周波電位の位相が異なる電極が濃い灰色と薄い灰色で示されている。
【図８】差動排気室を二つ有する大気圧イオン化質量分析装置の全体構成図。
【図９】移動度ごとにイオンを選択し、二つの中間室を通じて該イオンを質量分析計へ送るように構成された大気圧イオン化移動度分析装置の全体構成図。
【図１０】図１の変形例。この図の実施例では、イオン又は他の荷電粒子は電極アレイに到達する前に少なくとも一つの格子を通過しなければならない。
【図１１】図１の変形例。この図の実施例では、イオン又は他の荷電粒子は電極アレイに到達する前に少なくとも一つの絞りを通過しなければならない。
【図１２】図４又は図５の円環状電極アレイをプリント回路基板の形で構成した実施例を示す図。この例の場合、電位はビアを通じて異なる電極に供給される。ビアの直径はそれぞれｄ１又はｄ２より小さくしなければならず、従って最小の繰り返し長が必要とされる。
【図１３】図６又は図７の平行電極アレイをプリント回路基板の形で構成した実施例を示す図。この例の場合、電位はビアを通じて異なる電極へ供給することができる。その直径はそれぞれ２ｄ１又は２ｄ２（すなわち繰り返し長の２倍）より小さくしなければならない。ただし、この実施例では、電極アレイの面内で電位供給源に直接接続することも可能である。
【図１４】プリント回路基板の形で構成された部分的円環状の電極アレイの実施例を示す図。この実施例では、電位はビアを通じて異なる電極へ供給することができる。その直径はそれぞれ２ｄ１又は２ｄ２（すなわち繰り返し長の２倍）より小さくしなければならない。ただし、この構成では、電位供給源への直接接続も可能である。
【図１５】螺旋形に近い略同心円状の電極の実施例を示す図。この電極アレイの場合、高周波電位用の接続は二箇所だけでよい。ただし、放射状の直流電場を形成するために、両方の電極を抵抗性材料で形成し、異なる直流電位を各電極の両端に与えなければならない。
【図１６】図１５の螺旋形電極に極めて似た略同心円状の電極の実施例を示す図。この実施例では３本の電極が使用されており、それらに１２０°ずつ位相のずれた高周波電圧が印加されることになる。この例の場合、直流電圧を別途印加しなくても、イオン又は他の荷電粒子を中心へ運搬する進行波を形成することができる。
【図１７】「蛇行線」状の構造を形成するように接続された略平行な電極群の実施例を示す図。この実施例では３本の電極が使用されており、それらに１２０°ずつ位相のずれた高周波電圧が印加されることになる。この例の場合も、直流電圧を別途印加しなくても、イオン又は他の荷電粒子を中心へ運搬する進行波を形成することができる。
【図１８】図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７、図１０、図１１、図１２、図１３及び図１４に示した回路に必要な高周波電圧及び直流電圧を生成することができる電子回路の図。
【図１９】図１に示した本発明の一実施例におけるイオン又は他の荷電粒子の運動を数値的軌道計算により求めた結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明は、質量分析計又は移動度分析計へ荷電粒子を送る前に該荷電粒子を凝縮する手段として機能する電場を形成することにより、大気圧イオン源と前記分析計との結合効率を高めることを目的としている。このような装置全体の主要な構成要素を図８及び図９に示す。
【００２４】
まず、大気圧イオン源を備える質量分析装置を図８に示す。この装置の特徴はイオン化室（１）のノズル（６）にあり、このノズルに、液体試料又は液体クロマトグラフ（図示せず）の溶出液に溶解した目的分子が導入される。このノズルから荷電液滴が現れ、そこからイオン化された分子が中性分子とともに蒸発する。中性分子は分析せずにおくか、放電又はレーザ反応によりイオン化する必要がある。液滴は、いわゆる脱溶媒パイプ（７）（通常、加熱されている）に入ると急速に蒸発する。イオン化室（１）は中性分子及びネブライズガス（図示せず）により満たされ、ほぼ大気圧又はそれより高めの圧力になっている。ネブライズガスの一部は排気管（８）を通って外に流出し、別の一部は荷電粒子輸送装置又は脱溶媒パイプ（７）に入る。また、ポンプ（２０）により約１０−４Ｐａ以下まで減圧されたチャンバ（５）もある。図示したように、このチャンバの中には四重極質量分析装置（１８）とそのためのイオン検出器（１９）がある。チャンバ（１）とチャンバ（４）の間にはさらに二つの減圧されたチャンバが設けられており、効果的な差動排気が行われるようになっている。イオン化室（１）を出た荷電粒子は荷電粒子輸送装置又は小径の脱溶媒パイプ（７）を通ってチャンバ（３）に入る。このチャンバはポンプ（１５）により１００Ｐａ程度に減圧されている。次にこの荷電粒子は細いスキマー（１４）を通ってチャンバ（３）からチャンバ（４）へ移動する。チャンバ（４）はポンプ（１７）により約１０−２Ｐａ以下まで減圧されており、荷電粒子はここを通り抜けてチャンバ（５）に到る。
【００２５】
生成されたイオン及び荷電液滴は、主にチャンバ（１）とチャンバ（３）の間の差圧による推進力を受けて荷電粒子輸送装置又は脱溶媒パイプを通過し、チャンバ（３）に入る。このチャンバでは、略同心円状の複数の電極（１３）によりイオンをスキマー（１４）へ向けて収束させることができる。チャンバ（４）に入るとイオンは加速され、チャンバ（４）とチャンバ（５）を接続する微小開口に向けて収束される。図８ではこの収束レンズが棒状電極群（１６）の形になっている。チャンバ（５）では特定の質量電荷比（ｍ／ｚ）を持つイオンが四重極質量分析計（１８）により選別され、この選別されたイオンだけがイオン検出器（１９）により記録される。なお、チャンバ（５）で使用する質量分析計は飛行時間型質量分析計やフーリエ変換質量分析計等でもよい。これら質量分析計は、その軸が図８に示したように入射ビームと同軸となるように配置してもよいが、それ以外の角度（例えば９０°）で配置することも可能である。
【００２６】
図９に示したように、本発明は大気圧イオン源と移動度分析計を組み合わせた装置でも利用可能である。移動度分析計（１０）は単独で動作するものでもよいし、後段の質量分析計で分析されるイオンをる移動度に応じて予め選別するプレフィルタとして機能するものでもよい。大まかに言えば、図９の装置は図８の装置においてチャンバ（１）とチャンバ（３）の間に別のチャンバ（２）を設けたものである。このチャンバ（２）は（１２）により部分的に排気されており、その気圧は通常、チャンバ（１）の気圧よりも少しだけ低い程度である。チャンバ（２）の中には、移動度分析計（１０）及びそのためのイオン検出器（１１）、並びにイオンを移動度分析計の入口のオリフィスに収束させる複数の電極（９）がある。イオン検出器（１１）は対象となるイオンの全移動度スペクトルを記録するが、移動度により選別されたイオンの大部分は質量分析計に送られる。この質量分析計は図９のチャンバ（５）の中に示したものと同様のものである。
【００２７】
本発明の大きな特徴を図１（ａ）に示す。この図は、イオン及び荷電液滴がノズル（６）から荷電粒子輸送装置又は脱溶媒パイプ（７）のオリフィス（２２）へと移動する様子を示している。この粒子運動は、粒子の軌道に沿った擬似ポテンシャル分布により制御される。図１（ｂ）に陽イオンの場合の擬似ポテンシャルを示す。この図では、軌道に沿った座標が粒子きのこ雲の対称軸（Ｄ）に投影されている。ノズル（６）と荷電粒子輸送装置又は脱溶媒パイプ（７）を取り囲む面（２１）との直流電位差に起因する擬似ポテンシャルの分布。ただし、電極アレイ（２４）の隣接電極（２４１〜２４６）に印加されている高周波電圧もある。ある瞬間におけるこの電圧の値を図１では符号「＋」及び「−」で示している。荷電粒子がいずれか一つの電極に向かって運動していても、その電極の極性が十分に高速で反転すれば、粒子はその電極に到達する前に停止する。ゆえに、前記高周波電圧の作用により、荷電粒子は電極アレイ（２４）の上方にほぼ浮遊する状態となる。このようにイオンは電極アレイ（２４）に達する直前に電極アレイの表面に垂直な斥力Ｆを受ける。レビュー・オブ・サイエンティフィック・インストゥルメンツ（Review of Scientific Instruments） 76 (2005) 103503に収録の論文「スペース-チャージ・エフェクツ・イン・ザ・キャッチャー・ガス・セル・オブ・ア・アールエフ・イオン・ガイド（Space-charge effects in the catcher gas cell of a RF ion guide）」によると、この斥力の大きさは次式の値に比例する。
(ｍＶＲＦ２)／(ｐ２ｄ３)
ここで、ｍは粒子質量、ＶＲＦは高周波電圧の振幅、ｐは残留ガス圧、ｄは電極アレイの繰り返し長、すなわち２つの電極の間隔と一方の電極の幅の和である。図４、図５、図６、図７、図１２、図１３及び図１４の場合、繰り返し長はｄ１とｄ２の２通りであり、図１５、図１６及び図１７の場合、繰り返し長はｄの１通りである。この斥力Ｆは電極アレイ（２４）のすぐ手前に実効的な障壁（Ｂ）を作り出し、結果として擬似ポテンシャル井戸（Ａ）を生じさせる。この井戸では、荷電粒子はきのこ雲の軸（Ｄ）に平行には運動しない。従って、荷電粒子は井戸（Ａ）の中心線（Ｃ）の周辺に集まってくる。この井戸における荷電粒子の雲の概略的な範囲（２３）は図１（ａ）に示した通りである。高周波電位に加えて直流電位を電極アレイ（２４）内の隣接電極に与えると、図１（ｃ）に示したように井戸の領域（２３）に微小な直流電場が形成される。この追加の直流電場は、荷電粒子を対称軸（Ｃ）に向けて、従って荷電粒子輸送装置又は脱溶媒パイプ（７）のオリフィス（２２）に向けて動かす。こうして、通常ならオリフィス（２２）を取り囲む面（２１）に衝突するであろう荷電粒子の多くが分析可能となる。
【００２８】
なお、図１に示した２つのポテンシャル図はいずれも正の荷電粒子を想定したものであるが、斥力Ｆの大きさは負の荷電粒子の場合でも同じである。従って、直流電位の符号をすべて反転させれば、正の荷電粒子と負の荷電粒子のどちらの場合でも同じような軌道が観察される。
【００２９】
図１の実施例を図２又は図３のものに変更すると有利である。いずれの場合も粒子きのこ雲の軸Ｄが電極アレイの中心からずれている。このようにすると、ほぼ軸Ｄに沿って運動する傾向がある大きめの液滴が荷電粒子輸送装置又は脱溶媒パイプ（７）に直接入らなくなる一方、荷電粒子はそれまでどおり該装置又はパイプに到達することができる。これは、図２の実施例では粒子きのこ雲の軸Ｄを荷電粒子輸送装置又は脱溶媒パイプの軸Ｅに対して横にずらすことにより、また図３の実施例では軸Ｄを傾けることにより達成されている。
【００３０】
電極アレイ（２４）の詳細な実施例を図４、図５、図６及び図７に示す。いずれの場合も、暗い色の電極群と明るい色の電極群は、任意の時点において高周波電圧により生じる一方の電極群の電圧が他方の電極群に対して逆になっていることを示している。
【００３１】
図４は、一つの平面上に略同心円状に配置された略円環形状の電極（２４１〜２４８）から成る電極アレイを示している。この電極アレイはプリント回路基板上の金属ストリップにより形成することができるが、矩形、円形又は楕円形の断面を有する電極を明示的に使用することも可能である。この電極アレイの軸Ｅは、図１に示した荷電粒子輸送装置又は脱溶媒パイプ（７）の入口のオリフィス（２２）の中心をほぼ通過するものとすることができる。荷電粒子輸送装置又は脱溶媒パイプを取り囲む面（２１）は通常、電極アレイの表面に平行であるが、これは必須ではない。このような装置において、イオンは電極アレイの上方に浮遊し、追加の直流電場とガス流に起因する力により、電極アレイの軸に向けて半径方向に押し動かされ、荷電粒子輸送装置又は脱溶媒パイプ（７）のオリフィス（２２）に吸い込まれる。
【００３２】
図５は、荷電粒子輸送装置又は脱溶媒パイプ（７）のオリフィス（２２）に対して略同心円状に配置された略円環形状の電極（２４１〜２４６）及び（２５１〜２５６）から成る二つの電極アレイの組み合わせを示している。第一の電極アレイはイオンをやや大きめのオリフィスに向けて前もって集束する。このオリフィスを通過したイオンは、微小な電位差により第二の電極アレイに向けて押し動かされる。この電極アレイはこれらのイオンを別の（通常、やや小さめの）オリフィスに向けて集束する。
【００３３】
図６は、二つの電極アレイの別の組み合わせを示している。この例では、二つの電極アレイが略平行な電極（２４１〜２４６）及び（２５１〜２５６）から成る。第一の電極アレイは、イオンを、電極に対して垂直な方向に、スリット状のオリフィスに向けて押し動かすが、電極に平行な方向には力を加えない。前記オリフィスを通過したイオンは、微小な電位差により第二の電極アレイに向けて押し動かされる。第二の電極アレイはイオンを電極に対して垂直な方向に押し動かす。第二の電極アレイの電極が第一の電極アレイの電極に対して略直交するように配置されているため、イオンは最終的に非常に狭い領域に凝縮される。図６では、二つの電極アレイによりイオンを押し動かす方向がほぼ９０°となるように選択されているが、別の角度にすることも可能である。なお、略平行な電極アレイの作用と、略同心円状且つ略円環形状の電極アレイの作用を組み合わせてもよいことは言うまでもない。
【００３４】
図７は、図６のものと同様に略平行な電極（２４１〜２４６）及び（２５１〜２５６）から成る二重の電極アレイを示している。ただし、図７の電極は、平行な面ではなく、互いに対してやや傾斜した面に配置されている。前述の実効的な力Ｆ∝(ｍＶＲＦ)２／(ｐ２ｄ３)は電極アレイの表面に対して垂直に作用するから、この力はイオン速度のＦに平行な成分と釣り合わなければならない。電極アレイの表面への法線が入射イオンの速度ベクトルに対して角度を成していれば、該ベクトルのＦに平行な速度の成分は全速度よりも小さな要素ｃｏｓ（α）となる。
【００３５】
図１０及び図１１は、電極アレイに近づくときの荷電粒子の速度を低下させることができる実施例を示している。図１０では、電極アレイの直流電位とあまり差がない電位を設定できる少なくとも一つの格子（２６）が設けられており、粒子はこの格子を通過した後でなければ電極アレイ（２４）に到達できない。図１１では、電極アレイ（２４）の高周波電位により捕捉可能なレベルにまで荷電粒子の運動エネルギーを低下させるような直流電位を設定できる絞り（２７１、２７２、２７３）が設けられており、荷電粒子はこれらの絞りを通過した後でなければ電極に到達できない。さらに、このような絞りの一つ又は複数により、電極アレイに向かって運動する中性ガス原子に起因するガス流を変化させたり、その一部の方向を変えたりしてもよい。これは、ガス流の一部が電極アレイの表面に対して略平行に、且つ荷電粒子輸送装置又は脱溶媒パイプ（７）の軸から離れる方向に流れるように、一又は複数の排気管（８）が配置されている場合に特に有利である。
【００３６】
問題となる電極アレイの繰り返し長ｄを小さくする（つまり、個々の電極の幅及び間隔を小さくする）ことにより、力Ｆ∝(ｍＶＲＦ)２／(ｐ２ｄ３)そのものをかなり増大させることができる。ただし、繰り返し長ｄを小さくすれば、結果的に製造上の問題が生じる。プリント回路基板の技術を利用すればかなり微小な構造を作製できるが、それにリード線を接続することは容易なことではない。
【００３７】
また、略同心円状且つ略円環形状の電極アレイへの適切な電位の供給を、電極アレイに垂直な方向にしか行うことができない。これは、例えば明示的にリード線を用いるか、図１２に示したようにビアを用いれば実施可能である。ただし、バイアの直径はｄ１及びｄ２、つまり図１２に示した二通りの繰り返し長よりも小さくなければならない。
【００３８】
一方、略平行な電極アレイへの適切な電位の供給は、電極アレイの面内で行うことができる。これは、かなり細めのリード線を用いれば可能である。何らかの理由でビアを用いざるを得ない場合でも、その直径は２ｄ１及び２ｄ２（つまり図１３に示した二倍繰り返し長）よりも小さければよい。
【００３９】
電極アレイの面内で適切な電位を略円環状且つ略同心円状の電極に供給する方法を図１４に示す。ただし、この方法では、電極を３６０°の完全な円環状にするのではなく、その一部分だけにしなければならない。図１４の場合、その部分は１８０°よりやや大きい角度をカバーしている。何らかの理由でビアを用いざるを得ない場合でも、その直径は２ｄ１及び２ｄ２（つまり図１４に示した二倍繰り返し長）よりも小さければよい。この場合、イオンきのこ雲の軸をオリフィスそのものに向けるのではなく、そこからずれた位置へ向けることにより、全てのイオンがアレイ表面のうち電極の存在する位置に達するようにすることが望ましい。
【００４０】
略円環状且つ略同心円状の電極を図１５に示したように螺旋状に構成することも可能である。なお、図１５は「螺旋」を二重にした例である。この構成では、高周波電位は各「螺旋」の一端だけに与えればよい。ただし、直流電位は、電流が「螺旋」を通って流れ、その長さに沿って電位降下が生じるように、各「螺旋」の両端に与えなければならない。この実施例では、電力損失が適度な範囲に収まるように、「螺旋」を高抵抗材料で作製することが有利である。
【００４１】
図１５に示したように絡み合った「螺旋状」構造体の数を、２本ではなく３本、４本、５本などとすることも可能である。図１６に「３重螺旋」の例を示す。これらの電極も、図１５の「二重螺旋」の場合と同様に、各螺旋の両端に直流電位を、またその一端に高周波電位をそれぞれ与えることにより利用することができる。ただし、これらの構造の場合、与える高周波電位の周波数及び位相を適切に選択すれば、直流電位を与えずに電極を利用することが可能である。「ｎ重螺旋」の場合、電位差は３６０°／ｎとする必要がある。従って、図１６の構造の場合、位相差を１２０°に設定することになる。ただし、ｎ＞３の場合、電位低下部が「螺旋」の中心に向かって半径方向に内方へ移動するように各電位を選択することもできる。
【００４２】
なお、図１５及び図１６に示したような「螺旋状」構造の場合、円環状電極で構成された構造に比べて中心付近の電場の精度がやや犠牲になる。しかし、前述の通り、オリフィスの近傍において、図１９から分かるように、オリフィス内へのイオンの加速やオリフィス内へのガス流に起因するかなり強い力が別途作用するため、前述の犠牲は十分に許容できる。
【００４３】
進行波の技術を、略平行な細長い電極から成る電極アレイに応用することも可能である。この場合、電極の形状が蛇行線状となるように電極を接続しなければならない。図１７に示した例は「３重蛇行線」であるが、同様にして任意の「ｎ重蛇行線」を構成することができる。
【００４４】
図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７、図１０、図１１、図１２、図１３、図１４及び図１５に示した様々な電極アレイに印加すべき高周波電圧及び直流電圧は、図１８に示したような電気回路により発生させることができる。このような回路は、少なくとも一つの高周波電源と、アレイの各電極に対応した異なる直流電圧を取り出すことができる少なくとも一つの直流電源を備えていなければならない。これらの直流電圧は、図１８に示したような抵抗分圧器から得ることができるが、コンピュータによりデジタル方式で駆動される多数の個別のデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）から得ることもできる。
【符号の説明】
【００４５】
１…図８及び図９のイオン化室
２…図９の移動度分析室
３…図８及び図９の第一中間真空室
４…図８及び図９の第二中間真空室
５…図８及び図９の質量分析室
６…図１、図２、図３、図１０及び図１１のノズル
７…図１、図２、図３、図１０及び図１１の脱溶媒パイプ又は荷電粒子輸送装置
８…図８及び図９のイオン化室の排気管
９…図９において、移動度分析計の内部にイオンを収束させるためにチャンバ２内に設けられたレンズ
１０…図９の移動度分析計
１１…図９の移動度分析計用の検出器
１２…図９の移動度分析室のポンプ
１３…図８及び図９のスキマーにイオンを収束させるためにチャンバ３内に設けられたレンズ
１４…図８及び図９のスキマー
１５…図８及び図９のチャンバ３のポンプ
１６…図８及び図９の質量分析計用のオリフィスにイオンを収束させるためにチャンバ４内に設けられたレンズ
１７…図８及び図９のチャンバ４のポンプ
１８…図８及び図９の四重極質量分析計
１９…図８及び図９の質量分析計用の検出器
２０…図８及び図９の質量分析室のポンプ
２１…図１、図２、図３、図１０及び図１１の電極アレイの背後にある壁
２２…図１、図２、図３、図１０及び図１１の脱溶媒パイプ等の開口
２３…図１、図２、図３、図１０及び図１１のイオン捕捉領域
２４…図１、図２、図３、図１０及び図１１の電極アレイ
２４１〜２４８…図１、図２、図３、図４、図５、図６、図７、図１０及び図１１の面１上の電極群
２５１〜２５６…図５、図６及び図７の面２上の電極群
２６…図１０の遮蔽用格子
２７１、２７２、２７３…図１１の遮蔽用絞り
２８１、２８２、２８３…図１５及び図１６の渦巻き状電極群
２９１、２９２、２９３…図１７の蛇行線状の電極群
【図１】
2010527095.tif 000003
【図２】
2010527095.tif 000004
【図３】
2010527095.tif 000005
【図４】
2010527095.tif 000006
【図５】
2010527095.tif 000007
【図６】
2010527095.tif 000008
【図７】
2010527095.tif 000009
【図８】
2010527095.tif 000010
【図９】
2010527095.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2010527095.tif 000015
【図１４】
2010527095.tif 000016
【図１５】
2010527095.tif 000017
【図１６】
2010527095.tif 000018
【図１７】
2010527095.tif 000019
【図１８】
2010527095.tif 000020
【図１９】
2010527095.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成21年11月12日(2009.11.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項５】
互いに対して角度ΔΦ１で傾斜した前記略平らな面Ｓ１ａ及びＳ１ｂに加えて、互いに対して角度ΔΦ２で傾斜した第二組の略平らな面Ｓ２ａ及びＳ２ｂが別に設けられ、第一組の略平らな面Ｓ１ａ及びＳ１ｂに配置された異なる電極及び導電ストリップの直流電位により荷電粒子が前記二面の交線に向けて押し動かされ、該交線には細長いオリフィスが配置されており、該オリフィスを通って細長い荷電粒子の雲から荷電粒子が第二組の面Ｓ２ａ及びＳ２ｂに向けて加速可能であり、該第二組の面Ｓ２ａ及びＳ２ｂに配置された電極及び導電ストリップの直流電位により荷電粒子が前記二面の交線に向けて押し動かされ、前記二つの交線の角度が９０°から大きくずれていなければ、前記細長い荷電粒子雲が全体として小さな断面にまで圧縮されることを特徴とする請求項４記載の荷電粒子集束装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項６】
互いに対して角度ΔΦ１で傾斜した前記略平らな面Ｓ１ａ及びＳ１ｂに加えて、略円環状且つ略同心円状の電極又は導電ストリップが配置された別の面が設けられ、第一組の略平らな面Ｓ１ａ及びＳ１ｂに配置された異なる電極及び導電ストリップの直流電位により荷電粒子が前記二面の交線に向けて押し動かされ、該交線には細長いオリフィスが配置されており、該オリフィスを通って荷電粒子が、略円環状且つ略同心円状の電極又は導電ストリップが配置された前記面に向けて加速可能であり、該荷電粒子は前記円環状の電極又は導電ストリップの直流電位により半径方向に押し動かされ、その結果、初めは細長かった荷電粒子の雲が全体として小さな断面にまで圧縮されることを特徴とする請求項４記載の荷電粒子集束装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
まず、大気圧イオン源を備える質量分析装置を図８に示す。この装置の特徴はイオン化室（１）のノズル（６）にあり、このノズルに、液体試料又は液体クロマトグラフ（図示せず）の溶出液に溶解した目的分子が導入される。このノズルから荷電液滴が現れ、そこからイオン化された分子が中性分子とともに蒸発する。中性分子は分析せずにおくか、放電又はレーザ反応によりイオン化する必要がある。液滴は、いわゆる脱溶媒パイプ（７）（通常、加熱されている）に入ると急速に蒸発する。イオン化室（１）は中性分子及びネブライズガス（図示せず）により満たされ、ほぼ大気圧又はそれより高めの圧力になっている。ネブライズガスの一部は排気管（８）を通って外に流出し、別の一部は荷電粒子輸送装置又は脱溶媒パイプ（７）に入る。また、ポンプ（２０）により約１０−４Ｐａ以下まで減圧されたチャンバ（５）もある。図示したように、このチャンバの中には四重極質量分析装置（１８）とそのためのイオン検出器（１９）がある。チャンバ（１）とチャンバ（５）の間にはさらに二つの減圧されたチャンバが設けられており、効果的な差動排気が行われるようになっている。イオン化室（１）を出た荷電粒子は荷電粒子輸送装置又は小径の脱溶媒パイプ（７）を通ってチャンバ（３）に入る。このチャンバはポンプ（１５）により１００Ｐａ程度に減圧されている。次にこの荷電粒子は細いスキマー（１４）を通ってチャンバ（３）からチャンバ（４）へ移動する。チャンバ（４）はポンプ（１７）により約１０−２Ｐａ以下まで減圧されており、荷電粒子はここを通り抜けてチャンバ（５）に到る。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
図９に示したように、本発明は大気圧イオン源と移動度分析計を組み合わせた装置でも利用可能である。移動度分析計（１０）は単独で動作するものでもよいし、後段の質量分析計で分析されるイオンをる移動度に応じて予め選別するプレフィルタとして機能するものでもよい。大まかに言えば、図９の装置は図８の装置においてチャンバ（１）とチャンバ（３）の間に別のチャンバ（２）を設けたものである。このチャンバ（２）はポンプ（１２）により部分的に排気されており、その気圧は通常、チャンバ（１）の気圧よりも少しだけ低い程度である。チャンバ（２）の中には、移動度分析計（１０）及びそのためのイオン検出器（１１）、並びにイオンを移動度分析計の入口のオリフィスに収束させる複数の電極（９）がある。イオン検出器（１１）は対象となるイオンの全移動度スペクトルを記録するが、移動度により選別されたイオンの大部分は質量分析計に送られる。この質量分析計は図９のチャンバ（５）の中に示したものと同様のものである。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
本発明の大きな特徴を図１（ａ）に示す。この図は、イオン及び荷電液滴がノズル（６）から荷電粒子輸送装置又は脱溶媒パイプ（７）のオリフィス（２２）へと移動する様子を示している。この粒子運動は、粒子の軌道に沿った擬似ポテンシャル分布により制御される。図１（ｂ）に陽イオンの場合の擬似ポテンシャルを示す。この図では、軌道に沿った座標が粒子きのこ雲の対称軸（Ｄ）に投影されている。ノズル（６）と荷電粒子輸送装置又は脱溶媒パイプ（７）を取り囲む面（２１）との直流電位差によって擬似ポテンシャルの分布が生じる。ただし、電極アレイ（２４）の隣接電極（２４１〜２４６）に印加されている高周波電圧もある。ある瞬間におけるこの電圧の値を図１では符号「＋」及び「−」で示している。荷電粒子がいずれか一つの電極に向かって運動していても、その電極の極性が十分に高速で反転すれば、粒子はその電極に到達する前に停止する。ゆえに、前記高周波電圧の作用により、荷電粒子は電極アレイ（２４）の上方にほぼ浮遊する状態となる。このようにイオンは電極アレイ（２４）に達する直前に電極アレイの表面に垂直な斥力Ｆを受ける。レビュー・オブ・サイエンティフィック・インストゥルメンツ（Review of Scientific Instruments） 76 (2005) 103503に収録の論文「スペース-チャージ・エフェクツ・イン・ザ・キャッチャー・ガス・セル・オブ・ア・アールエフ・イオン・ガイド（Space-charge effects in the catcher gas cell of a RF ion guide）」によると、この斥力の大きさは次式の値に比例する。
(ｍＶＲＦ２)／(ｐ２ｄ３)
ここで、ｍは粒子質量、ＶＲＦは高周波電圧の振幅、ｐは残留ガス圧、ｄは電極アレイの繰り返し長、すなわち２つの電極の間隔と一方の電極の幅の和である。図４、図５、図６、図７、図１２、図１３及び図１４の場合、繰り返し長はｄ１とｄ２の２通りであり、図１５、図１６及び図１７の場合、繰り返し長はｄの１通りである。この斥力Ｆは電極アレイ（２４）のすぐ手前に実効的な障壁（Ｂ）を作り出し、結果として擬似ポテンシャル井戸（Ａ）を生じさせる。この井戸では、荷電粒子はきのこ雲の軸（Ｄ）に平行には運動しない。従って、荷電粒子は井戸（Ａ）の中心線（Ｃ）の周辺に集まってくる。この井戸における荷電粒子の雲の概略的な範囲（２３）は図１（ａ）に示した通りである。高周波電位に加えて直流電位を電極アレイ（２４）内の隣接電極に与えると、図１（ｃ）に示したように井戸の領域（２３）に微小な直流電場が形成される。この追加の直流電場は、荷電粒子を対称軸（Ｃ）に向けて、従って荷電粒子輸送装置又は脱溶媒パイプ（７）のオリフィス（２２）に向けて動かす。こうして、通常ならオリフィス（２２）を取り囲む面（２１）に衝突するであろう荷電粒子の多くが分析可能となる。
【国際調査報告】
2010527095.tif 000022
2010527095.tif 000023