(57)【要約】  イオン移動度分離器（４）及びイオンをそれらのイオン移動度に従って分離する方法が開示される。閉ループで延在するイオン誘導通路を形成するよう配列されている複数の電極（８）を有するＲＦイオンガイドが提供される。イオンを該イオン誘導通路内に閉じ込めるために、ＲＦ電圧が電極（８）の少なくともいくつかに印加される。ＤＣ電圧勾配が、イオンガイドの長手方向軸の少なくとも一部に沿って維持され、この電圧勾配は、イオンガイドの周りでイオンが１つ以上のサイクルを受けるよう促し、これによって、イオンがイオンガイドに沿って通過しているときにイオンをそれらのイオン移動度に従って分離させる。イオンに装置の周りで複数のサイクルを受けさせることによって、装置を通じてのドリフト長を増加することが可能であるために、閉ループイオンガイドは、大型の装置を必要とすることなく、イオン移動度分離器の分解能を向上させることを可能にする。【選択図】図４Ａ
2015502554.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンをそれらのイオン移動度に従って分離する方法であって、
閉ループで延在するイオン誘導通路を形成するよう配列された複数の電極を有するＲＦイオンガイドを提供する工程と、
前記イオン誘導通路内にイオンを閉じ込めるために、前記電極の少なくともいくつかにＲＦ電圧を供給する工程と、
電圧勾配が、前記イオンガイドの周りで１つ以上のサイクルをイオンが受けるように促すことで、イオンが前記イオンガイドに沿って通過しているときに、それらのイオン移動度に従って前記イオンを分離させる中で、前記ＤＣ電圧勾配を前記イオンガイドの長手方向軸の少なくとも一部に沿って維持する工程と、を含む方法。
【請求項２】
前記イオンガイドが、１つのモードでイオンを前記イオンガイドに投入するよう、並びに別のモードで前記イオンガイドからイオンを引き出すために構成されたイオン入口／出口領域を含み、前記イオン入口／出口領域が、前記イオンガイド上の固定位置にある、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記イオンガイドの前記電極が、前記イオンガイドの前記長手方向軸に沿って軸方向に離間し、異なるＤＣ電圧が、前記ＤＣ電圧勾配を形成するために、前記軸方向に離間している電極の異なるものに印加される、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記ＤＣ電圧勾配領域が、比較的高電位の第１の電極から比較的低電位の第２の電極まで延在する前記イオンガイドの長さにわたって規定される、請求項１、２又は３に記載の方法。
【請求項５】
前記電圧勾配を形成するために、徐々に小さくなるＤＣ電位が、前記第１の電極から前記第２の電極に向かう方向で、前記第１及び第２の電極の間の電極に印加される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
実質的に均一なＤＣ電圧勾配が、前記ＤＣ電圧勾配領域に沿って配列される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記イオンが、前記ＤＣ電圧勾配領域内でそれらのイオン移動度に従って分離する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
時間が進むにつれて、前記ＤＣ電圧勾配がそれに沿って維持されている前記イオンガイドの前記部分が、前記イオンガイドに沿って移動される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記ＤＣ電圧勾配が、前記イオンの少なくともいくつかが、それらが前記イオンガイドの周りを移動しているときに、前記ＤＣ電圧勾配領域内に留まり続けるような速度で、並びにこのようなイオンが前記イオンガイドの出口領域において前記イオンガイドから引き出されるまで、前記イオンガイドの周りで移動する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記イオンが、それらが前記閉ループイオンガイドの周りで、単一のサイクルのみで移動しているときに、前記ＤＣ電圧勾配内に留まり、又は前記イオンが、それらが前記閉ループイオンガイドの周りで、複数サイクルで繰り返し移動しているときに、前記ＤＣ電圧勾配内に留まる、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
第１の閾値より上の及び／又は第２の閾値よりも下のイオン移動度を有する不必要なイオンが、前記領域が前記イオンガイドの周りで移動されているときに、前記電圧勾配領域内に留まり続けることがない速度で、前記ＤＣ電圧勾配が、前記イオンガイドの周りで移動する、請求項８、９又は１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１の閾値よりも上のイオン移動度を有する不必要なイオンが、前記電圧勾配領域の前記低電位端を出て、及び／又は前記第２の閾値よりも下のイオン移動度を有する不必要なイオンが、前記電圧勾配の前記高電位端を出る、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ＤＣ電圧勾配領域内に留まり続けない前記不必要なイオンが、前記イオンガイドの出口領域において、前記イオンガイドから引き出されない、請求項１１又は１２に記載の方法。
【請求項１４】
イオンを前記ＤＣ電圧勾配領域に沿って前記イオン誘導通路内に閉じ込めるために、ＲＦ電圧が前記電極に印加され、前記イオンが前記イオンガイドの１つ以上の領域内に閉じ込められないように、並びにこれら領域において前記イオンガイドから失われるように、前記ＤＣ電圧勾配領域の外側の前記イオンガイドの前記１つ以上の領域において、ＲＦ電圧が前記電極の少なくともいくつかに印加されない、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記ＤＣ電圧勾配が前記イオンガイドの周りで移動する速度が、前記電圧勾配の前記最小電位が、前記イオンガイドの前記出口領域で配列されているときに、関心のイオンが前記イオンガイドの出口領域に到達するように、前記関心のイオンが前記電圧勾配によって前記イオンガイドの周りで付勢される速度と同期化される、請求項８〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
イオンが入口領域で前記イオンガイドに投入され、前記イオンを前記入口領域から離れてかつ前記イオンガイドの周りに付勢するために、前記イオンが前記入口領域にある時に、前記電圧勾配の実質的に前記最小の電位が、前記入口領域で配列される、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記ＤＣ電圧勾配が、任意の特定時間に前記イオンガイドの前記長さの一部のみに沿って配列されるように、ＤＣ電圧が、前記イオンガイドの前記電極のいくつかにだけ印加される、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
任意の特定時間に、前記ＤＣ電圧勾配が、＜５％、＜１０％、＜２０％、＜３０％、＜４０％、＜５０％、＜６０％、＜７０％、＜８０％、又は＜９０％から選択される前記イオンガイドの前記長さのパーセンテージにわたって配列され、及び／又は任意の特定時間に、前記ＤＣ電圧勾配が、＞５％、＞１０％、＞２０％、＞３０％、＞４０％、＞５０％、＞６０％、＞７０％、＞８０％、又は＞９０％から選択される前記イオンガイドの前記長さのパーセンテージにわたって配列される、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記ＤＣ電圧勾配が、任意の特定時間に、前記イオン誘導領域の前記長さの実質的に全体にわたって配列される、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
前記電極が、前記ＲＦ電圧が印加される場合、前記イオンガイドの前記長手方向軸に対して垂直な方向でイオンを閉じ込めるよう構成される、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
前記電極が、前記イオンが前記イオン誘導通路に沿って移動しているときに、前記イオンが前記電極の前記開口部を通して誘導されるように整列されている開口電極である、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記電極内の前記開口部が、スロット状開口部である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記電極が、前記イオン誘導通路の少なくとも一部が湾曲し、これによって曲率半径を有するように配列され、各スロットが、前記半径と実質的に平行なその最小寸法と、前記半径と実質的に垂直なその最大寸法とを有する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記閉ループイオン誘導通路が実質的に円形又は楕円形であるように、前記電極が配列されている、請求項１〜２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
ドリフトガスが、前記イオンガイド内に配列されていることで、イオンが前記イオンガイドに沿って付勢されているときに、イオンが前記ドリフトガスを通してそれらの移動度に従って分離する、請求項１〜２４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
イオンが、前記イオンガイドの側部を通して前記閉ループイオンガイドに投入され又はそこから射出される、請求項１〜２５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２７】
電極のアレイが、イオンを前記イオンガイドの入口領域に付勢するために提供され、及び／又は電極のアレイが、イオンを前記イオンガイドから外に促すために前記イオンガイドの出口領域において提供される、請求項１〜２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２８】
イオンが、前記イオンガイドの前記頂部又は底部を通して前記閉ループイオンガイドに投入され、及び／又はイオンが前記イオンガイドの前記頂部又は底部を通して前記閉ループイオンガイドから射出される、請求項１〜２７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２９】
前記イオンガイドが、出口領域を含み、前記イオンガイドの１つ以上の電極に電圧パルスを印加することによって、イオンが前記イオンガイドの周りを移動しているときに、イオンが前記出口領域で前記イオンガイドから射出され、前記電圧パルスのタイミングが、選択されたイオン移動度のイオンが前記出口領域を通過しているときに、それらを射出するように選択される、請求項１〜２８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３０】
請求項１〜１９のいずれか一項に記載の方法に従って、イオンを分離する工程を含む質量分析法。
【請求項３１】
イオン移動度分離器であって、
閉ループで延在するイオン誘導通路を形成するよう配列された複数の電極を有するＲＦイオンガイドと、
イオンを前記イオン誘導通路内に閉じ込めるために、前記電極にＲＦ電圧を供給するためのＲＦ電圧源と、
使用時に、電圧勾配が、前記イオンガイドの周りで１つ以上のサイクルをイオンが受けるように促すことにより、前記イオンが前記イオンガイドに沿って通過しているときに、前記イオンをそれらのイオン移動度に従って分離させる中で、前記イオンガイドの長手方向軸の少なくとも一部に沿って前記ＤＣ電圧勾配を維持するよう配列かつ適合されたＤＣ電圧源と、を含むイオン移動度分離器。
【請求項３２】
前記分離器が、請求項２〜２９のいずれか一項に記載の方法を実行するよう配列かつ構成されている、請求項３１に記載のイオン移動度分離器。
【請求項３３】
請求項３１又は３２に記載されているイオン移動度スペクトロメータを含む、質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
無し
【背景技術】
【０００２】
イオンをそれらのイオン移動度に従って分離するために、イオン移動度スペクトロメータ（ＩＭＳ）のドリフト領域を横切って均一な電界を印加することが知られている。比較的高分解能を備えたこのような装置を提供することが望ましい。このドリフト領域内の電界強度を増加させることによって、このような装置の分解能を増加させることが可能である。しかしながら、これは、最終的にドリフトガスの電気的破壊をもたらすであろう。したがって、装置の分解能を高めるために、電界強度を維持すると同時に、ドリフト領域の長さを増加させる必要があると通常考えられている。しかしながら、このことは、同一の電界強度をより長いドリフト領域にわたって維持するために、比較的長いＩＭＳ装置及びより大きな電位差の使用に繋がる。これは、高い絶対電圧の使用を必要とし、これが周辺環境への危険な放電をもたらす可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって、改善されたイオン移動度分離器及びイオンをそれらのイオン移動度に従って分離する改善された方法を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、イオンをそれらのイオン移動度に従って分離する方法を提供し、方法は、
閉ループで延在するイオン誘導通路を形成するよう配列された、複数の電極を有するＲＦイオンガイドを提供する工程と、
イオンを該イオン誘導通路内に閉じ込めるために、ＲＦ電圧を該電極の少なくともいくつかに供給する工程と、
該イオンガイドの長手方向軸の少なくとも一部に沿ってＤＣ電圧勾配を維持する工程（該電圧勾配は、イオンが該イオンガイドの周りで１つ以上のサイクルを受けるように促すことで、イオンがイオンガイドに沿って通過しているとき、それらのイオン移動度に従ってイオンを分離させる）と、を含む。
【０００５】
従来は、イオン移動度分離の所望の分解能を得るために、比較的長いドリフト領域を使用することが必要であった。本発明の閉ループイオンガイドは、イオンに装置の周りで複数のサイクルを受けさせることにより、装置を通じてのドリフト長が増加することが可能であるために、大型の装置を必要とすることなくイオン移動度分離の分解能を向上させることを可能にする。
【０００６】
このイオンガイドは、イオンをイオンガイドに１つのモードで投入するよう並びにイオンをイオンガイドから別のモードで引き出すために構成された入口／出口領域を備えることが好ましく、このイオン入口／出口領域は、イオンガイド上の固定位置にある。
【０００７】
好ましくは、このイオンガイドの電極は、イオンガイドの長手方向軸に沿って軸方向に離間し、該ＤＣ電圧勾配を形成するために、異なるＤＣ電圧が該軸方向に離間した電極の異なるものに印加される。
【０００８】
本明細書に記載されているＤＣ電圧勾配領域は、比較的高い電位の第１の電極から比較的低い電位の第２の電極まで延在するイオンガイドの長さにわたって規定されることが好ましい。該電圧勾配を形成するために、徐々に小さくなるＤＣ電位が、第１の電極から第２の電極に向かう方向で、第１の電極と第２の電極の間の電極に印加されることが好ましい。これは、電圧ステップ又はバリアが一連の電極に沿って運ばれる配列とは異なる。本発明において、イオンがＤＣ電圧勾配領域内でそれらのイオン移動度に従って分離することも好ましい。
【０００９】
実質的に均一なＤＣ電圧勾配が、ＤＣ電圧勾配領域に沿って配列されることが好ましい。イオンガイドが軸方向で離間した電極から形成されている実施形態においては、このことは、ＤＣ電位がこの領域に沿って段階的かつ徐々に低下するように、ＤＣ電圧勾配領域内の隣接する電極の組の間に比較的小さい電位差を提供することにより達成することが可能である。
【００１０】
好ましくは、時間が進むにつれて、それに沿ってＤＣ電圧勾配が維持されているイオンガイドの一部がイオンガイドに沿って移動される。例えば、イオンがイオンガイドの周りを通過しているちょうどその時にさえ、イオンがＤＣ電圧勾配内に留まるように、ＤＣ電圧勾配は、イオンガイドに沿ってイオンを追跡することが可能である。このことは、比較的小さい電位差を使用して、比較的小さな領域にわたって比較的大きな電界強度を設定することが可能であり、次いで、イオンがイオンガイドの周りを移動しているとき、イオンが比較的高強度の電界内に留まるように、この領域をイオンガイドに沿って移動させることが可能であるという点で好都合であり得る。したがって、イオンは比較的高強度の電界領域において分離することが可能であるが、（より長い長さにわたってより大きな電位差が印加されることを要求する）このような高い電界強度を任意の特定時間にイオンガイド全体に印加する必要がなく分離することが可能である。
【００１１】
あるいは、又はこれに加えて、イオンがイオンガイドの周りを複数回通過しているとき、イオンが同一のＤＣ電圧勾配上に留まることができるように、電圧勾配が移動されてもよい。ＤＣ電圧勾配が固定位置で留まり、イオンがイオンガイドの周りを複数回にわたって通過するならば、この場合は、イオンは、ある時点で電圧勾配の低電位端から電圧勾配の高電位端に戻るように移行されねばならないだろう。イオンは、そのイオン移動度分離の間に実質的に均一かつ連続するＤＣ電圧勾配を通して移動することだけが望ましいために、イオンがこのような電圧不連続部を横断することは望ましくない。
【００１２】
このＤＣ勾配は、イオンがイオンガイドの周りを進んでいるとき、並びに好ましくはこのようなイオンがイオンガイドの出口領域でイオンガイドから引き出されるまでに、該イオンの少なくともいくつかがＤＣ電圧勾配領域内に留まり続けるような速度でイオンガイドの周りで移動することが好ましい。イオンが閉ループイオンガイドの周りで単一サイクルでのみ移動しているとき、イオンはＤＣ電圧勾配内に留まることができる。あるいは、イオンが閉ループイオンガイドの周りを複数のサイクルで繰り返し移動しているとき、イオンはＤＣ電圧勾配内に留まることができる。
【００１３】
ＤＣ電圧勾配は、第１の閾値より上のイオン移動度及び／又は第２の閾値より下のイオン移動度を有する不必要なイオンが、ＤＣ電圧勾配領域がイオンガイドの周りで移動されているとき、この電圧勾配領域内に留まり続けることがないような速度で、イオンガイドの周りで移動させることが可能である。電圧勾配をイオンガイドの周りで移動させる速度は、第１の閾値より上のイオン移動度を有する不必要なイオンが電圧勾配領域の低電位端を出ることを可能にし、及び／又は第２の閾値より下のイオン移動度を有する不必要なイオンが電圧勾配の高電位端を出ることを可能にする。ＤＣ電圧勾配領域内に留まり続けることがない不必要なイオンは、イオンガイドの出口領域でイオンガイドから引き出され得ない。
【００１４】
イオンをＤＣ電圧勾配領域に沿ってイオン誘導通路内に閉じ込めるために、ＲＦ電圧が電極に印加される。このようなＲＦ電圧は、ＤＣ電圧勾配領域の外側のイオンガイドの１つ以上の領域内の電極の少なくともいくつかに印加され得ないことで、イオンは該イオンガイドの１つ以上の領域内に閉じ込められず、これら領域においてイオンガイドから脱落する。これは、ＤＣ電圧勾配上に留まることがない不必要なイオンを取り除く効率的な方法である。
【００１５】
ＤＣ電圧勾配がイオンガイドの周りを移動する速度は、電圧勾配の最小電位がイオンガイドの出口領域で配列されるときに、関心のイオンがイオンガイドの出口領域に到達するように、関心のイオンが電圧勾配によってイオンガイドの周りで付勢される場合の速度と同期化することが可能である。このことは、電圧勾配の比較的高い電位領域をイオン移動度分離プロセス中に一度に出口領域において維持するが、出口領域における電位は、イオンが出口領域から出るときに低く又は０に維持することが望ましい場合があるために好都合である。例えば、出口領域及び入口領域が同一領域で配列されている場合、この時は、イオンを入口領域から離れてかつイオンガイドの周りに付勢するために、イオンが入口領域にある時に電圧勾配の実質的に最大電位が入口領域で配列されるが、例えば、出口領域からのイオンの効率的な引き出しを可能にするために、イオンがイオンガイドの周りを通過し、出口領域に到達してしまうまでに、電圧勾配の最小電力が出口領域で配列されることが望ましい場合がある。
【００１６】
ＤＣ電圧は、ＤＣ電圧勾配が任意の特定時間にイオンガイドの長さの一部のみに沿って配置されるように、イオンガイドの電極の一部のみに印加されることが好ましい。ある時点において、ＤＣ電圧勾配は、＜５％、＜１０％、＜２０％、＜３０％、＜４０％、＜５０％、＜６０％、＜７０％、＜８０％、又は＜９０％から選択されるイオンガイドの長さのパーセンテージのみにわたって配列され得る。更に、又はこの代わりに、任意の特定時間に、ＤＣ電圧勾配は、＞５％、＞１０％、＞２０％、＞３０％、＞４０％、＞５０％、＞６０％、＞７０％、＞８０％、又は＞９０％から選択されるイオンガイドの長さのパーセンテージのみにわたって配列され得る。上記の２つの列挙からのいずれかの範囲の順列が組み合わされてもよい。
【００１７】
あるいは、ＤＣ電圧勾配は、任意の特定の時間にイオン誘導領域の実質的に全長にわたって配置されてもよい。
【００１８】
電極は、該ＲＦ電圧が印加される場合、イオンガイドの長手方向軸に対して垂直の方向でイオンを閉じ込めるよう構成されることが好ましい。
【００１９】
この電極は、イオンがイオンガイディング通路に沿って移動しているとき、イオンが電極の開口部を通って、誘導されるように整列された開口電極であることが好ましい。好ましくは、電極内の開口部は、スロット状の開口部である。この実施形態において、電極は、イオンガイディング通路の少なくとも一部が湾曲し、そのため曲率半径を有するように配置されることが可能であり、各スロットは、実質的に該半径と平行なその最小寸法及び実質的に該半径と垂直な最大寸法を有する。
【００２０】
電極は、好ましくは、閉ループイオン誘導通路が実質的に円形又は楕円形であるように配列される。しかしながら任意のその他の閉ループの幾何学的形状が使用されてもよい。
【００２１】
ドリフトガスは、好ましくは、イオンがイオンガイドに沿って付勢されているときに、イオンがドリフトガスを通してそれらの移動度に従って分離するように、該イオンガイド内に配列される。
【００２２】
イオンは、イオンガイドの側部を通して、閉ループイオンガイドに導入され又はそこから射出されることが可能である。あるいは、又はこれに加えて、イオンは、イオンガイドの頂部又は底部を通して閉ループイオンガイドに導入されてもよく、及び／又はイオンガイドの頂部又は底部を通して閉ループイオンガイドから射出されてもよい。
【００２３】
電極のアレイは、イオンをイオンガイドの入口領域に付勢するよう提供することが可能であり、及び／又は電極のアレイは、イオンをイオンガイドから外に付勢するために、イオンガイドの出口領域内に提供されてもよい。
【００２４】
イオンガイドは、出口領域を備えることが可能であり、イオンガイドの１つ以上の電極に電圧パルスを印加することによって、イオンがイオンガイドの周りで移動しているときに、イオンが出口領域でイオンガイドから射出されることが可能であり、電圧パルスのタイミングは、イオンが出口領域を通過しているときに、選択されたイオン移動度のイオンを射出するように選択される。
【００２５】
イオン誘導通路を形成する電極が、開口電極として上記で説明されてきたが、電極のその他の幾何学的形状が、イオンを装置の周りに誘導するために使用されてもよいことも考えられる。例えば、イオンガイドは、複数のセグメントに長手方向で分割されてもよく、各セグメントはイオンを閉じ込めかつ誘導するために配置かつ構成された複数の電極を備えることが可能である。各セグメントは、好ましくは、頂部電極、底部電極及びこれらの間に配置された複数の側部電極を備えることで、それらを通してイオンが誘導される頂部、底部及び側部電極の間の空間を規定する。ＲＦ電位は、イオンを側部電極の間の方向で該空間内にイオンを閉じ込めるために、側部電極に印加されることが好ましい。ＤＣ電位は、イオンを頂部電極と底部電極の間の方向で該空間内にイオンを閉じ込めるために、頂部電極及び／又は底部電極に印加されることが好ましい。あまり好ましくはないが、イオンをこれら電極の間の方向で該空間内に閉じ込めるために、ＲＦ電位は頂部及び／又は底部電極に印加される。
【００２６】
各セグメントは、頂部及び底部電極の間に配置された側部電極の複数の層を備えることが可能である。各層は、好ましくは、２つの横方向に隔置された電極を備えることが好ましく、これは、イオンを誘導するための空間をそれらの間に規定する。側部電極は、好ましくは、カラムに積み重ねられることにより、側部電極のカラムの間、並びに頂部及び底部電極の間の空間を規定する。頂部、底部及び側部電極は、好ましくは、実質的に平坦であり、ドリフトセルのセグメントを形成するためにドリフトセルの長手方向の周りに延在する。電極は、プリント回路基板から形成されてもよい。
【００２７】
イオンは、ＲＦ電位を側部電極に印加することによって、側部電極、頂部電極及び底部電極の間の空間内に半径方向に閉じ込められることが可能である。ＲＦ電圧源の同一位相が、各層内の２つの側部電極に印加されることが好ましい。ＲＦ電圧源の異なる位相は、隣接する層内の側部電極に印加されることが好ましい。任意の特定層内の側部電極は、隣接する層内の側部電極に対して逆のＲＦ電圧位相を供給されることが好ましい。側部電極にＲＦ電位を印加することによって、イオンは側部電極間の空間内に横方向に閉じ込められる。ＲＦ電位はまた、イオンを垂直方向で空間内に閉じ込めるために頂部及び底部電極に印加され得る。しかしながら、垂直方向でイオンを閉じ込めるために、ＤＣ電位だけが頂部及び底部電極に印加されることが好ましい。
【００２８】
ＤＣ電圧勾配は、ドリフトガスを通して、並びにドリフトセルの周りで、イオンをドリフトすることを促す軸方向電界を提供するために、ＤＣ電圧勾配が電極の少なくともいくつかに印加されることが好ましい。ＤＣ電圧勾配は、異なるＤＣ電圧をドリフトセルの異なるセグメントの電極に供給することによって形成され得る。電圧勾配を形成するために、異なるＤＣ電圧が、異なるセグメント内の頂部及び／又は底部電極に供給され得る。これに加えて、又は代えて、電圧勾配を形成するために、異なるＤＣ電圧が異なるセグメントの側部電極に供給されてもよい。例えば、イオンをドリフト長に沿って駆動する電圧勾配を作り出すために、徐々に小さくなるＤＣ電圧を、ドリフトセルの周りの異なるセグメントの電極に印加されることが可能である。
【００２９】
本発明は、上述された方法のいずれか１つによりイオンを分離する工程を含む質量分析法も提供する。
【００３０】
本発明は、イオン移動度分離器も提供し、装置は、
閉ループで延在するイオン誘導通路を形成するよう配列された複数の電極を備えるＲＦイオンガイドと、
イオンを該イオン誘導通路内に閉じ込めるためにＲＦ電圧を該電極に供給するためのＲＦ電圧源と、
該イオンガイドの長手方向軸の少なくとも一部に沿ってＤＣ電圧勾配を維持するよう配列かつ適合されたＤＣ電圧源（使用時に、該電圧勾配は、イオンが該イオンガイドの周りで１つ以上のサイクルを受けるように促し、これによってイオンがイオンガイドに沿って通過しているときに、それらのイオン移動度に従ってイオンを分離させる）と、を含む。
【００３１】
イオン移動度分離器は、上述されたイオンを分離する方法のいずれか１つを実行するよう配列及び構成され得る。
【００３２】
本発明はまた、上記記載のイオン移動度スペクトロメータを含む質量分析装置も提供する。
【００３３】
一実施形態によると、質量分析装置は、
（ａ）（ｉ）エレクトロスプレーイオン化（「ＥＳＩ」）イオン源；（ｉｉ）大気圧光イオン化（「ＡＰＰＩ」）イオン源；（ｉｉｉ）大気圧化学イオン化（「ＡＰＣＩ」）イオン源：（ｉｖ）マトリックス支援レーザー脱離イオン化（「ＭＡＬＤＩ」）イオン源；（ｖ）レーザー脱離イオン化（「ＬＤＩ」）イオン源；（ｖｉ）大気圧イオン化（「ＡＰＩ」）イオン源；（ｖｉｉ）シリコン上の脱離イオン化（「ＤＩＯＳ」）イオン源；（ｖｉｉｉ）電子衝撃（「ＥＩ」）イオン源；（ｉｘ）化学イオン化（「ＣＩ」）イオン源；（ｘ）電界イオン化（「ＦＩ」）イオン源；（ｘｉ）電界脱離（「ＦＤ」）イオン源；（ｘｉｉ）誘電結合プラズマ（「ＩＣＰ」）イオン源；（ｘｉｉｉ）急速原子衝撃（「ＦＡＢ」）イオン源；（ｘｉｖ）液体二次イオン質量分析（「ＬＳＩＭＳ」）イオン源；（ｘｖ）脱離エレクトロスプレーイオン化（「ＤＥＳＩ」）イオン源；（ｘｖｉ）ニッケル−６３放射線イオン源；（ｘｖｉｉ）大気圧マトリックス支援レーザー脱離イオン化イオン源；（ｘｖｉｉｉ）サーモスプレーイオン源；（ｘｉｘ）大気サンプリンググロー放電イオン化（「ＡＳＧＤＩ」）イオン源；（ｘｘ）グロー放電（「ＧＤ」）イオン源；及び（ｘｘｉ）衝撃子イオン源からなる群から選択されるイオン源、及び／又は、
（ｂ）１つ以上の連続又はパルスイオン源、及び／又は、
（ｃ）１つ以上の追加のイオンガイド、及び／又は、
（ｄ）１つ以上の追加のイオン移動度分離装置及び／又は１つ以上の電界非対称イオン移動度スペクトロメータ装置、及び／又は
（ｅ）１つ以上のイオントラップ又は１つ以上のイオン捕捉領域、及び／又は
（ｆ）（ｉ）衝突誘導性解離（「ＣＩＤ」）断片化装置；（ｉｉ）表面誘導性解離（「ＳＩＤ」）断片化装置；（ｉｉｉ）電子移動解離（「ＥＴＤ」）断片化装置；（ｉｖ）電子捕獲解離（「ＥＣＤ」）断片化装置；（ｖ）電子衝突又は衝撃解離断片化装置；（ｖｉ）光誘起解離（「ＰＩＤ」）断片化装置；（ｖｉｉ）レーザー励起解離断片化装置；（ｖｉｉｉ）赤外放射誘起解離装置；（ｉｘ）紫外線放射誘起解離装置；（ｘ）ノズルスキマーインターフェース断片化装置；（ｘｉ）インソース断片化装置；（ｘｉｉ）インソース衝突誘導性解離断片化装置；（ｘｉｉｉ）熱又は温度源断片化装置；（ｘｉｖ）電界誘導性断片化装置；（ｘｖ）磁界誘導性断片化装置；（ｘｖｉ）酵素消化又は酵素分解断片化装置；（ｘｖｉｉ）イオン−イオン反応断片化装置；（ｘｖｉｉｉ）イオン−分子反応断片化装置；（ｘｉｘ）イオン−原子反応断片化装置；（ｘｘ）イオン−準安定イオン反応断片化装置；（ｘｘｉ）イオン−準安定分子反応断片化装置；（ｘｘｉｉ）イオン−準安定原子反応断片化装置；（ｘｘｉｉｉ）イオンを反応させて付加物又は生成物イオンを形成するためのイオン−イオン反応装置；（ｘｘｉｖ）イオンを反応させて付加物又は生成物イオンを形成するためのイオン−分子反応装置；（ｘｘｖ）イオンを反応させて付加物又は生成物イオンを形成するためのイオン−原子反応装置；（ｘｘｖｉ）イオンを反応させて付加物又は生成物イオンを形成するためのイオン−準安定イオン反応装置；（ｘｘｖｉｉ）イオンを反応させて付加物又は生成物イオンを形成するためのイオン−準安定分子反応装置；（ｘｘｖｉｉｉ）イオンを反応させて付加物又は生成物イオンを形成するためのイオン−準安定原子反応装置；及び（ｘｘｉｘ）電子イオン化解離（「ＥＩＤ」）断片化装置からなる群から選択される１つ以上の衝突、断片化又は反応セル、及び／又は、
（ｇ）（ｉ）四重極質量分析計；（ｉｉ）２Ｄ又は線形四重極質量分析計；（ｉｉｉ）ポール又は３Ｄ四重極質量分析計；（ｉｖ）ペニングトラップ質量分析計；（ｖ）イオントラップ質量分析計；（ｖｉ）磁気セクター質量分析器；（ｖｉｉ）イオンサイクロトロン共鳴（「ＩＣＲ」）質量分析器；（ｖｉｉｉ）フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴（「ＦＴＩＣＲ」）質量分析計；（ｉｘ）静電又はオービトラップ質量分析計；（ｘ）フーリエ変換静電又はオービトラップ質量分析計；（ｘｉ）フーリエ変換質量分析計；（ｘｉｉ）飛行時間型質量分析計；（ｘｉｉｉ）直交加速飛行時間型質量分析計；及び（ｘｉｖ）線形加速時間飛行型質量分析計からなる群から選択される質量分析計、及び／又は、
（ｈ）１つ以上のエネルギー分析計又は静電エネルギー分析計、及び／又は
（ｉ）１つ以上のイオン検出器、及び／又は
（ｊ）（ｉ）四重極マスフィルタ；（ｉｉ）２Ｄ又は線形四重極イオントラップ；（ｉｉｉ）ポール又は３Ｄ四重極イオントラップ；（ｉｖ）ペニングイオントラップ；（ｖ）イオントラップ；（ｖｉ）磁気セクターマスフィルタ；（ｖｉｉ）時間飛行型マスフィルタ；及び（ｖｉｉｉ）ウエインフィルタからなる群から選択される１つ以上のマスフィルタ、及び／又は
（ｋ）イオンをパルスするための装置又はイオンゲート、及び／又は、
（ｉ）実質的に連続するイオンビームをパルスイオンビームに変換するための装置を更に含む。
【００３４】
この質量分析装置は、
（ｉ）外部のバレル様電極と内部のスピンドル様電極とを含むＣ−トラップ及びオービトラップ（ＲＴＭ）質量分析計（運転の第１のモードにおいて、イオンはＣ−トラップに透過され、その後オービトラップ（ＲＴＭ）質量分析計に入射され、運転の第２のモードにおいて、イオンはＣ−トラップに透過され、その後衝突セル又は電子移動解離装置に透過され（ここでは少なくともいくつかのイオンが断片イオンに断片化される）、次いで、オービトラップ（ＲＴＭ）質量分析計に入射される前に、この断片イオンがＣ−トラップに透過される）、及び／又は
（ｉｉ）それぞれが、使用時にそれを通ってイオンが透過される開口部を有する複数の電極を備える積層リングイオンガイド（この電極の間隔は、イオン通路の長さに沿って増加し、イオンガイドの上流部分における電極内の開口部は、第１の直径を有し、イオンガイドの下流部分における電極内の開口部は、第１の直径よりも小さい第２の直径を有し、使用時にＡＣ又はＲＦ電圧の逆位相が連続的に並ぶ電極に印加される）のいずれかを更に含むことができる。
【００３５】
一実施形態によると、この質量分析装置は、電極にＡＣ又はＲＦ電圧を供給するよう構成かつ適合された装置を更に含む。このＡＣ又はＲＦ電圧は、好ましくは（ｉ）＜５０Ｖの頂点間、（ｉｉ）５０〜１００Ｖの頂点間、（ｉｉｉ）１００〜１５０Ｖの頂点間、（ｉｖ）１５０〜２００Ｖの頂点間、（ｖ）２００〜２５０Ｖの頂点間、（ｖｉ）２５０〜３００Ｖの頂点間、（ｖｉｉ）３００〜３５０Ｖの頂点間、（ｖｉｉｉ）３５０〜４００Ｖの頂点間、（ｉｘ）４００〜４５０Ｖの頂点間、（ｘ）４５０〜５００Ｖの頂点間、及び（ｘｉ）＞５００Ｖの頂点間からなる群から選択される振幅を有する。
【００３６】
このＡＣ又はＲＦ電圧は、好ましくは、（ｉ）＜１０ｋＨｚ、（ｉｉ）１００〜２００ｋＨｚ、（ｉｉｉ）２００〜３００ｋＨｚ、（ｉｖ）３００〜４００ｋＨｚ、（ｖ）４００〜５００ｋＨｚ、（ｖｉ）０．５〜１．０ＭＨｚ、（ｖｉｉ）１．０〜１．５ＭＨｚ、（ｖｉｉｉ）１．５〜２．０ＭＨｚ、（ｖｉｘ）２．０〜２．５ＭＨｚ、（ｘ）２．５〜３．０ＭＨｚ、（ｘｉ）３．０〜３．５ＭＨｚ、（ｘｉｉ）３．５〜４．０ＭＨｚ、（ｘｉｉｉ）４．０〜４．５ＭＨｚ、（ｘｉｖ）４．５〜５．０ＭＨｚ、（ｘｖ）５．０〜５．５ＭＨｚ、（ｘｖｉ）５．５〜６．０ＭＨｚ、（ｘｖｉｉ）６．０〜６．５ＭＨｚ、（ｘｖｉｉｉ）６．５〜７．０ＭＨｚ、（ｘｉｘ）７．０〜７．５ＭＨｚ、（ｘｘ）７．５〜８．０ＭＨｚ、（ｘｘｉ）８．０〜８．５ＭＨｚ、（ｘｘｉｉ）８．５〜９．０ＭＨｚ、（ｘｘｉｉｉ）９．０〜９．５ＭＨｚ、（ｘｘｉｖ）９．５〜１０．０ＭＨｚ、及び（ｘｘｖ）＞１０．０ＭＨｚからなる群から選択される周波数を有する。
【００３７】
好ましい実施形態は、閉ループシステムの周りでイオン移動度分離を実施するための能力を提供し、このループの周りの単一又は複数のパスを行うことができる。このイオンガイドは閉ループとして形成されているために、比較的コンパクトな幾何学的形状を維持しながら、閉ループイオンガイドが、イオンがそれに沿って分離することが可能である比較的長いドリフト領域を提供するように、イオンはループの周りを複数回通過することができる。
【００３８】
従来のイオン移動度分離器質量分析装置は、一般的に、高分解能を提供するために、比較的長い、直線状のドリフト領域を有する比較的大型のイオン移動度分離器を使用する。これらシステムは、長いドリフト領域にわたって必要とされる電界を発生させるために、高電圧の使用が必須である。マルチパスＩＭＳシステムが構築されているが、比較的低い感度を欠点としている。好ましい実施形態は、ＲＦイオンガイドループシステムの使用を通して、コンパクトな幾何学的形状で高分解能を兼ね備えた高感度を提供する。
【００３９】
好ましい実施形態は、より高い移動度分解能を達成するために、物理的に長いドリフト領域に対する必要性の問題を解決するために役立ち、この分解能を達成するために必要とされる絶対電圧を低減し、したがって、危険な電圧の使用及び電気的破壊のリスクを最小限に抑える。
【００４０】
本発明の様々な実施形態が、例示のためのみとして、並びに添付の図面を参照して、ここで説明される。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】ドリフト領域の異なる長さに沿って同一の電界強度を維持するために、異なる長さのドリフト領域に印加されねばならない電圧の例を示す。
【図２】イオンを分離するために、電界領域をドリフト長さに沿って移動させるイオン移動度分離器を示す。
【図３】本発明の実施形態による、円形ドリフト長を有するイオン移動度分離器を示す。
【図４Ａ】図３の実施形態における電極の配列の平面図を示す。
【図４Ｂ】電極の１つの概略図を示す。
【図５Ａ】図４Ａの実施形態の一部分を示す。
【図５Ｂ】イオン分離プロセス中のある時間におけるこの部分に沿ってのＤＣ電圧電位プロファイルを示す。
【図５Ｃ】イオン分離プロセス中の別の時間におけるこの部分に沿ってのＤＣ電圧電位プロファイルを示す。
【図５Ｄ】イオン分離プロセス中の更に別の時間におけるこの部分に沿ってのＤＣ電圧電位プロファイルを示す。
【図６Ａ】各電極内の開口部の形状が異なることを除けば、図４Ａ及び４Ｂで示したものと実質的に同一であるドリフトセルの実施形態を示す。
【図６Ｂ】各電極内の開口部の形状が異なることを除けば、図４Ａ及び４Ｂで示したものと実質的に同一であるドリフトセルの実施形態を示す。
【図７Ａ】好ましい実施形態のドリフトセルのイオン入口／出口領域概略図を示す。
【図７Ｂ】異なる時間における入口／出口領域の種々の部品の電位を示す。
【図７Ｃ】異なる時間における入口／出口領域の種々の部品の電位を示す。
【図８Ａ】楕円形又はレーストラック型幾何学的形状であるイオンガイド通路を有するイオン移動度ドリフトセルの図を示す。
【図８Ｂ】楕円形又はレーストラック型幾何学的形状であるイオンガイド通路を有するイオン移動度ドリフトセルの異なる図を示す。
【図９Ａ】本発明の実施形態における電極の配列の平面図を示す。
【図９Ｂ】ドリフトセルを通る断面の概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
均一の電界を使用するイオン移動度スペクトロメータ（ＩＭＳ）の分解能Ｒは、式
【数１】
2015502554.tif 000003
によって得られ、式中、ｔは、装置のドリフト領域を通過するイオンドリフト時間であり、ｔＦＷＨＭは、信号の半値幅であり、Ｌはドリフト領域の長さであり、Ｅは電界強度であり、ｚは分析されるイオン上の電荷であり、ｅは単位電子電荷であり、Ｖは、装置のドリフト領域の電位差（Ｅ＝Ｖ／Ｌ）であり、ｋはボルツマン定数であり、並びにＴはドリフト領域内のドリフトガスの温度である。
【００４３】
装置の分解能を向上させるために、ＩＭＳ装置のドリフト領域を横断する電位差Ｖを増大させることが可能であることが上記式から明らかである。しかしながら、ドリフト領域の固定長を横切る電位差を増加させることは、最終的に、ドリフトガス内の電気的破壊をもたらすであろう。したがって、装置の分解能を更に向上させるためには、ドリフト領域の長さＬを増加させる必要があると通常考えられている。しかしながら、ドリフト領域の長さＬが増大される場合、今度は、より長いドリフト領域全体で同一の電界強度を維持するために、より大きな電位差がドリフト領域に対して印加されねばならない。
【００４４】
図１は、ドリフト領域の異なる長さに沿って同一の電界強度を維持するために、異なる長さのドリフト領域に印加されることを必要とする電圧の例を示している。ドリフト領域が長さＬを有するに過ぎない場合、この時、ドリフト領域に対して電界を提供するために、電圧Ｖ０がドリフト領域の出口で印加され得、より高い電圧Ｖ１がドリフト領域の入口で印加され得る。電界は、ドリフト領域内に存在するドリフトガスを通してイオンを駆動することで、イオンがドリフト領域を通過しているときに、ドリフトガスを通して、それらのイオン移動度に従ってイオンが分離する。ドリフト領域の長さが２Ｌまで倍加され、同一の電圧Ｖ０がドリフト領域の出口で印加される場合、長さＬのドリフト領域に沿って存在したものと同一の電界強度を長さ２Ｌのドリフト領域に沿って維持するために、今度は、ドリフト領域の入口で印加される電圧がＶ２まで増大されねばならない。同様に、ドリフト領域の長さが３Ｌまで増加され、同一の電圧Ｖ０がドリフト領域の出口で印加されるならば、長さＬのドリフト領域に沿って存在したものと同一の電界強度を長さ３Ｌのドリフト領域に沿って維持するために、今度はドリフト領域の入口で印加される電圧がＶ３まで増加されねばならない。この従来のアプローチは、最終的に極端に長いドリフト領域に繋がり、したがって大型のＩＭＳ装置に繋がる。更に、この従来のアプローチは、比較的長いドリフト領域に沿って所望の電界強度を達成するために、比較的大きな電位差の使用を必要とする。この高い絶対電圧の使用は、周辺環境に対する電気的破壊に繋がり、これは危険であり得る。
【００４５】
このような高電圧及び長いドリフト領域を使用することを回避するために、所望の電圧勾配が任意の特定時間にドリフト領域の長さの一部のみに印加されることが可能であり、これによって、要求される電界がドリフト領域のこの一部で得られる。電界を提供する電圧は、今度は、その中で電界が印加されるドリフト領域の一部がドリフトするイオンとの接触を保つように、ドリフト領域に沿って進行することが可能である。このことは、図２に図示されている。
【００４６】
図２は、長さＬのドリフト領域を示している。電界は、電位Ｖ０及びＶ１をドリフト領域Ｌの離間したポイントで印加することによって、ドリフト領域の一部分「ｄＬ」に沿ってセットアップされる。この電界は、ドリフトガスを通してイオンを押し込み、イオンがドリフトガスを通過しているときに、イオンをこれらのイオン移動度に従って分離させる。イオンがドリフト領域Ｌの入口から出口に向かって進んでいるとき、その上に電界が印加されているドリフト領域の一部ｄＬが、ドリフト領域の入口から出口に向かう方向でドリフト領域Ｌに沿って移動される。その上に電界が印加されているドリフト領域の一部ｄＬは、イオンがドリフト領域Ｌを通過しているとき、所望のイオンが電界領域ｄＬを出ることがないような速度で移動される。これは、関心のイオンが、ドリフト領域の全長に沿って通過しているときに、ドリフト領域Ｌの全長に対して大きな電位差を提供する必要がなく、関心のイオンが所望の強度の均一の電界を体験することを確実にする。むしろ、電界がドリフト領域Ｌの一部ｄＬに対してのみ印加されるために、所望の電界強度を達成するために、比較的小さな電位差Ｖ１−Ｖ０を使用することが可能である。したがって、この技法は、高い絶対電圧の使用によって別に引き起こされ得る電気的破壊のリスクを最小限に抑える。
【００４７】
図２に関連付けて説明されたこの種の装置の分解能は、長さｄＬにわたってＶ１−Ｖ０の固定された電位差については、比Ｌ／ｄＬの平方根に比例して増加する。したがって、装置の分解能を向上させるために、ドリフト領域Ｌの全長を増加せねばならないか、又は電界領域ｄＬの長さを減少せねばならない。ドリフト領域Ｌの全長を増加させることは、望ましくない大きさのＩＭＳ装置をもたらす。しかしながら、電界領域ｄＬの長さを減少させることは、関心のイオンが、ドリフト領域を通過し、空間的に互いに離隔されているときに、関心のイオンを電界領域ｄＬ内に維持することを難しくする可能性がある。
【００４８】
図３は、上述の欠点を被ることなく、改善された分解能を提供することが可能である、本発明の実施形態によるＩＭＳ装置２を示している。このＩＭＳ装置２は、連続する円形幾何学的形状として配列されているイオンをドリフト領域に沿って誘導するための電極を有するドリフトセル４を備える。イオンは、入口領域６で装置に投入され得る。イオンが装置２に入った後に、装置の電極に電圧を印加することによって、イオンを装置のドリフト長の周りで移動させる。より具体的には、イオンをドリフト長に沿って付勢するように、電位差がドリフト長に沿って配列され又は運ばれることが可能である。ドリフトガスがドリフト長内に存在し、イオンがドリフト長に沿って通過しているときに、ドリフトガスを通して、それらのイオン移動度に従ってイオンを分離させる。イオンがそれらの所望の分離を実行した後に、イオンは出口領域６で装置２から引き出されるか、装置を出されることが可能であり、これは入口領域６と同じ場所であることが好ましい。したがって、イオンは、引き出される前に、ドリフトセル４の周りで少なくとも１つの完全なサイクル、すなわち、ドリフトセル４の入口／又は出口領域６から、ドリフトセル４の周りの通路の全てを通り、ドリフトセルの入口／出口領域にまで戻るサイクルを実行するようもたらされることが好ましい。イオンは、そこでこれらを分離することが必要とされる長さに応じて、引き出される前に、ドリフトセル４の周りで単一サイクルのみを実行するようもたらされてもよく、又はドリフトセル４の周りで複数回のサイクルを実行するようもたらされてもよい。
【００４９】
上述したように、イオンをドリフトセル４の周りでサイクル動作させるために、電位差がドリフト長に沿って配列又は運ばれ得る。ドリフトセル４の周りで単一サイクルのみが必要とされるならば、この時は、イオンを入口領域６から出口領域６までドリフトセルの周りで駆動させるために、固定電位差がドリフトセル４の固定された長さに対して配列され得る。あるいは、イオンをドリフトセル４の周りでサイクル動作させるために、電位差がドリフト長に沿って運ばれることが可能である。この実施形態において、装置２を通してイオンを駆動させるための電位差は、任意の特定時間にドリフト長の一部のみに配列されることが可能である。イオンがドリフトセル４の周りを移動しているときに、そこに電位差が印加されるドリフト領域の長さがドリフトセル４の周りで運ばれることで、所望のイオンが、電位差が印加される領域全体において常に維持される。イオンが１つのサイクルのみでドリフトセル４の周りを移動することが望ましいならば、この時は、電位差が印加されるドリフト長全体が、１回だけドリフトセル４の周りで移動させることが可能である。しかしながら、イオンがドリフトセル４の周りで複数のサイクルで移動することが望まれるならば、今度は、電位差が印加されるドリフト長全体がイオンと共に複数回ドリフトセル４の周りを移動させることが可能である。イオンが複数回ドリフトセル４の周りをサイクル動作するモードにおいて、イオン入口及び出口領域６は、イオンが入口及び出口領域６を妨害なく通過するように、イオンを引き出すことが要求されるまで、非作動状態にさせることが可能である。
【００５０】
図４Ａは、図３のドリフトセル４内の電極８の配列の好ましい実施形態を平面図によって示している。ドリフトセル４は、各電極８が、ドリフトセル４の中心から半径方向外側に延在する平面内に位置するように、円形で配列されている複数の開口電極８から形成され得る。円形の開口部１０を有する開口電極８の例を図４Ｂに示す。連続して並ぶ電極８内の開口部１０を通して、したがってドリフトセル４の周りでイオンを誘導するために、電極８に電圧が印加される。より具体的には、イオンを半径方向に閉じ込め、電極８の開口部１０を通してイオン誘導通路を提供するために、ＲＦ電圧を電極８に印加することができる。ドリフトセル４内の交互の電極８は、ＲＦ電圧源の異なる位相で印加されることが好ましい。ドリフトセル４内の交互の電極８は、ＲＦ電圧源の逆位相で印加されることが好ましく、すなわち、所定の電極８が０°のＲＦ位相にあり、隣接する電極８は１８０°であることが好ましい。ＤＣ電圧勾配は、電極８の少なくともいくつかに印加され、イオンがドリフトガスを通して並びにドリフトセル４の周りでドリフトするよう促す軸方向電界を提供するために、ＤＣ電圧勾配はＲＦ電圧上に重ねられることが好ましい。
【００５１】
図４Ａで示す例において、１つの電極８ａは、比較的高い電圧Ｖ１で維持されていて、隣接する電極８ｂは、比較的低い電圧Ｖ０で維持されていることを見ることができる。このことは、イオンが高電圧Ｖ１で電極８ａから離隔するように付勢され、低電圧Ｖ０の電極８ｂに向かって、逆時計回りの様式でドリフトセル４の周りを通過することを引き起こす。電圧Ｖ１及びＶ０で保持されている２つの電極８ａ、８ｂの間に配列されている電極８の少なくともいくつかもまた、該２つの電極８ａ、８ｂの間で減少する電圧勾配を維持するために、これらに印加されるＤＣ電位を好ましくは有する。例えば、イオンをドリフト長に沿って駆動させる電圧勾配を作り出すために、徐々に小さくなるＤＣ電圧が、ドリフトセル４の周りの電極８に印加されてもよい。ＤＣ電圧勾配は、ドリフトセル４を形成している電極８に連結した抵抗チェーン１２を使用して発生することが可能であり、これに対して電位差が印加される。電圧勾配を減少させることが装置の周りで陽イオンを付勢するために説明されてきたが、電圧勾配を増加させることが陰イオンを装置の周りで付勢するために使用されてもよいことを理解されたい。
【００５２】
上記例において、装置に印加されるＤＣ電位差は、装置の固定された長さに沿って配列される。あるいは、ＤＣ電位差は、軸方向電界領域を形成するために、ドリフト領域の長さの一部のみに沿って配列されることも可能であり、その後、この軸方向電界領域を、イオンと共に装置の周りで移動させることが可能である。後者の実施形態において、ＤＣ電圧は、ＤＣ電圧勾配及び軸方向電界領域をドリフトセル４の一部分のみに沿って形成するために、ドリフトセル４を形成している電極８の一部のみに印加されることが可能である。これらＤＣ電圧が印加される電極８は、その上で軸方向電界が維持されている長さが、好ましくはイオンがドリフトセルの近辺を通過しているときに、イオンが電界領域内に常に留まるような様式で、ドリフトセルの周りで移動されるように、その後、時間と共に変化することが可能である。このことは、イオンがドリフトセル４の近辺を通過しているときに、イオンが均一の電界強度を体験することを確実にする。軸方向ＤＣ電圧勾配は、単一の電極８の段階で又は複数の電極８の段階で、装置の近辺で徐々に進むことが可能である。しかしながら、電圧勾配が装置の周りで段階的に進んでいる電極８の数を増加させることは、軸方向電界領域内に留まることができるイオン移動度の範囲を効果的に低減することが観察されている。
【００５３】
図５Ａは、イオンがドリフトセルに入り又はそこから出ることができる図４Ａのドリフトセル４の一部を示している。図５Ｂ〜５Ｄは、イオン分離プロセス中の異なる時間におけるドリフトセル４のこの部分に沿ってのＤＣ電位プロファイルを示している。ドリフトセル４の周囲での同一ポイントにおけるイオンの投入及びイオンの射出を容易にするために、イオンは、低ＤＣ電位の領域６でドリフトセルに入るか又はドリフトセルを離れるよう配列されることが好ましい。図５Ｂに示すように、イオンがドリフトセル４に入る時に実質的に０のＤＣ電圧勾配が入口／出口領域６に沿って配列されることが好ましい。
一旦イオンがドリフトセル４内に入ると、次いで軸方向ＤＣ電位差が印加されることが好ましい。図５Ｃに示すような電圧勾配を形成するために、ＤＣ電位がドリフトセル４の周りの電極８に印加される。比較的高い電圧Ｖ１が、第１の電極８ａで印加されることができ、段階的に小さくなるＤＣ電圧が、Ｖ０である最後の電極８ｂまでドリフトセル４の周りの電極８に印加されることができる。図５Ｃで見ることができるように、入口領域６における電位は比較的高く、イオンは軸方向電界を体験し、時計回りの様式で電位差に沿って並びに装置の周りで移動し始める。
【００５４】
上記記載の通りに、イオンにドリフトセル４の周りでドリフト動作を開始させる、イオン入口領域６において比較的高いＤＣ電位を印加することが望ましい。ＤＣ電位が低い又は実質的にゼロである領域６でイオンが装置を出ることも望ましい。しかしながら、イオンは実質的に同一の場所６で、ドリフトセル４に入りかつそこから出ることが好ましい。好ましい実施形態によると、イオンが同一の場所６で装置に入りかつ装置を出ることによって、これら機能の双方が可能となる。好ましい実施形態は、電圧勾配の位置がドリフトセル４の周りで移動するように、電極８に印加されるＤＣ電位を時間と共に変化させることによって、これを達成する。上記記載の通りに、図５Ｃに示す電位プロファイルは、イオンが装置に入った後に、イオンにドリフトセル４の周りでドリフト動作を開始させる。イオンがドリフトセルの周りで移動しているときに、電位差の場所もまた、イオンが同一の均一な電圧勾配を体験するような様式で、ドリフトセルの周りで移動する。イオンがドリフトセルの周りを通過して出口領域６に入る時までに、電圧勾配は、図５Ｄで示す位置までドリフトセルの周りで回転している。低いＤＣ電圧Ｖ０がドリフトセル４の周りで電極８ｄの位置まで移動し、高いＤＣ電圧Ｖ１は電極８ｃの位置までドリフトセル４の周りで移動したことを見ることができる。したがって、ドリフトセル４の出口領域６で配列されている軸方向ＤＣ電位差の一部は、比較的低いＤＣ電位を有し、実質的にＤＣ電位が０又は低いＤＣ電位の領域において、イオンがドリフトセル４を出ることを可能にする。
【００５５】
上述したように、ドリフトセル４の周りのイオンの単一サイクルが要求されるならば、この時、ＤＣ電位は、イオンが出口領域６に到達する時までに、入口／出口領域６における高電圧領域（実質的にＶ１での）が低電圧領域（実質的にＶ０での）によって置き換えられるように、外周の回りを進行することが好ましい。代替法においては、イオンはドリフトセル４に入ることができ、次いで、入口／出口領域６から離れたいずれかのポイントに位置する閉じ込め領域（図示せず）に輸送されることができる。イオンは、ＤＣ電圧を電極８に印加することによってなど、電界を使用して閉じ込め領域に輸送されることが可能である。イオンが閉じ込め領域に移動した後に、比較的高いＤＣ電圧Ｖ１が閉じ込め領域６に印加され、比較的低いＤＣ電圧Ｖ０が入口／出口領域６に印加され、イオンをドリフトセル４の周りで移動させることが可能である。このようにして、ＤＣ電圧を実質的に有さない出口領域６においてイオンを引き出すことが可能であるために、イオンを分離する軸方向ＤＣ電圧勾配の場所を変化させることが不必要となる。移動度分離の前にイオンを入口領域から離れて移動させるこのアプローチはまた、イオンを複数回にわたってドリフトセル４の周りでサイクル動作させるモードにおいても使用することが可能である。
【００５６】
図６Ａ及び６Ｂは、各電極８内の開口部１０の形状が異なることを除けば、図４Ａ及び４Ｂに示したものと実質的に同一である実施形態を示している。図６Ｂは、図６Ａのドリフトセル４を作り上げている電極８のいくつかの概略図を示している。各電極８は、イオンがドリフトセル４の周りを移動しているときに、それを通してイオンが通過するスロット状開口部１０を有することが分かるであろう。各スロット１０は、ドリフトセル４の半径Ｒの方向で配列されたその幅と、ドリフトセル４の半径Ｒに対して垂直なその長さとを有することが好ましい。その他の形状の開口１０とは対照的にスロット１０の使用は、イオンをドリフトセル４の中心から実質的に同一の半径方向距離Ｒでイオンを閉じ込めながら、イオンの比較的高い電荷容量が電極８によって封入されることを可能にする。このことが、イオンがドリフトセル４の周りを通過しているときに、イオンが体験する電界及び通路長さにおける差を最小限に抑える。比較的大きな円形開口部１０が高い電荷密度を閉じ込めるために使用されるならば、この場合、ドリフトセル４の中心から比較的長い半径方向距離Ｒにあるイオンは、ドリフトセル４の中心から比較的短い距離Ｒにあるイオンに対して著しく異なる通路長さを体験することになることを理解されたい。各電極８が配列されている平面は、ドリフトセル４の中心から半径方向で好ましくは位置合わせされていることを見ることができる。したがって、電極８は、ドリフトセル４の中心からの距離が大きくなるにつれて互いに分離し、ドリフトセル４の中心からの半径方向距離Ｒが増大しているイオンに対してはＲＦ半径方向閉じ込めを非効果的にさせる。スロット型開口部１０の使用は、比較的多数のイオンがドリフトセル４の中心に対して実質的に同一の半径方向位置で位置することを可能にすることで、イオンが実質的に同一のＲＦ閉じ込め電界を体験することを可能にする。
【００５７】
上記記載のもののいずれかなどの閉ループ装置において、所定の実験において分析され得る移動度の範囲は、ドリフト電界の物理的長さ及び移動度実験の時間的長さによって決定される。例えば、ＤＣ電圧勾配が、最低移動度イオン種が印加された高電位Ｖ１のポイントで保持されるような速度でドリフトセル４の周りを進むならば、この場合、特定時間後に、最高移動度イオン種はＤＣ電圧勾配の末端に到達し、ここでは低Ｖ０が印加され、この種についてのイオン移動度分離がもはや生じないであろう。最高移動度を有するイオンが、この時までにイオン引き出しポイント６に到達していないならば、今度は、より低い移動度のイオンがより高い移動度のイオンと再結合し、これによってイオン移動度分離に失敗する可能性がある。この状態は、より高い移動度の分解能が要求される場合、ドリフトセル４の周りでイオンのより多くのサイクルが必要とされ、これによって移動度分離の時間的長さが増大するために、加速される可能性がある。
【００５８】
本発明は、ＤＣ電圧勾配がドリフトセル４の周りでサイクル動作される速度を関心のイオン移動度範囲がドリフトセル４の周りでサイクル動作する速度に同期化することによって、イオン移動度種の選択された範囲で比較的高い分解能のイオン移動度分離を提供することを意図するものである。同期化は、不必要に低い移動度を有するイオン種を高電位Ｖ１端でＤＣ電圧勾配から「落とす」ことを可能にするために、並びに不必要に高いイオン移動度を有するイオンが低電位Ｖ０端でＤＣ電圧勾配から離反し、その他のイオンと再結合することを可能にするために実行することができる。次いで、イオン引き出しのためにイオン移動度の所望の範囲がイオン出口領域６に到達する場合、低電位Ｖ０がイオン出口領域６で配列されるように、ＤＣ電圧勾配のサイクル速度が選択され得る。ＤＣ電圧勾配の両端の１つに到達する不必要なイオンは、システムから除去又は廃棄され得ることも意図される。これは、例えば、それに沿ってＤＣ電圧勾配が維持されている長さの外側のポイントで電極８に印加されたＲＦイオン閉じ込め電圧を除去することによって、達成することが可能である。この時、イオンは、これらのポイントにおいて半径方向に閉じ込められず、拡散を通してシステムから脱落するであろう。
【００５９】
図７Ａは、ドリフトセル４のイオン入口／出口領域６の概略図を示している。図７Ｂ及び７Ｃは、異なる時間での入口／出口領域６の様々な部分の電位を示している。図７Ａを参照すると、入口／出口領域６は、開口電極８ａ、８ｂの２つの隣接するものの間で配列された入口／出口電極１４のアレイを備える。入口／出口電極１４は、上部電極の複数の列と下部電極の複数の列とを備えることが好ましく、この列は、その中に開口電極８ａ、８ｂが位置する平面と位置合わせされている。入口／出口電極１４の各列は、各列の長さに沿って軸方向で離間され得る複数の電極から作り上げられることが好ましい。入口／出口領域６内にイオンを半径方向で閉じ込めるために、ＲＦ電位が入口／出口電極１４に印加されることが好ましい。ＲＦ電圧源の同一位相が、同じ列にある入口／出口電極１４の全てに印加されることが好ましい。イオンを半径方向に閉じ込めるために、ＲＦ電圧源の異なる位相、好ましくは逆位相が、入口／出口電極１４の隣接する列に印加されることが好ましい。
【００６０】
イオンがドリフトセル４に入る際に、ドリフトセル４の側部を通してドリフトセル４にイオンを推進するｙ方向での小電界を発生するために、電圧が入口／出口電極１４に印加されることができる。電圧が、イオンが入る入口／出口領域６の反対側で、入口／出口電極１４に印加され得ることで、イオンがドリフトセル４をまっすぐに通り抜けてそれから出ることを防止する。イオン移動度分離を開始することが要求される場合、入口／出口電極１４に印加される電圧は、イオンをドリフトセル４の周りを通過させるｘ方向で軸方向電界を印加するために選択される。図７Ｂは、この時点での入口／出口電極１４及びその両側にある開口電極８ａ、８ｂによって形成される電位プロファイルを示している。電位プロファイル１６は、開口電極８ａに起因するプロファイルであり、電位プロファイル１８は、開口電極８ｂに起因するプロファイルであり、並びに電位プロファイル２０は、入口／出口電極１４に起因するプロファイルである。イオンが入口／出口領域６を出ることを要求される場合、電界がｙ方向でイオンを装置の外に促すように、入口／出口電極１４に印加された電位は好ましくは変化される。図７Ｃは、この時点での入口／出口電極１４及びその両側にある開口電極８ａ、８ｂによって形成される電位プロファイルを示している。電位プロファイル１６は、開口電極８ａに起因するプロファイルであり、電位プロファイル１８は、開口電極８ｂに起因するプロファイルであり、並びに電位プロファイル２０は、入口／出口電極１４に起因するプロファイルである。あるいは、進行電位波がイオンを出口から推進するように、電圧が装置の出口に向かってｙ方向で入口／出口電極１４に連続的に印加されることも考えられる。
【００６１】
円形通路以外の形状の連続するイオン誘導通路を有するドリフトセル４もまた、本発明の範囲内であることが考えられる。例えば、連続する楕円形又はレーストラック型イオンガイドの幾何学的形状が使用されてもよい。
【００６２】
図８Ａは、楕円形又はラーストラック型幾何学的形状であるイオンガイド通路を有するイオン移動度ドリフトセル４の平面図を示している。ドリフトセル４は、電極８が、円形よりはむしろ楕円形又はレーストラック型形状で延在するイオン誘導通路を形成するよう配列されていることを除けば、上記記載の実施形態のいずれか１つと実質的に同様な様式で動作かつ構成され得る。ドリフトセル４の電極８は、プリント回路基板に電気的に接続することが可能である。イオンは、イオン入口／出口領域６でドリフトセル４に入り、そこから出る。この入口／出口領域６は、上記実施形態と同様な様式で構成され得る。あるいは、入口／出口領域６は、上述の実施形態のようにドリフトセル４の側部を通してよりはむしろ、ドリフトセル４の上方に延伸し、又はその下方に延伸する方向でイオンがドリフトセル４に入り、又はそこから出ることができるように構成されてもよい。
【００６３】
図８Ｂは、図８Ａの実施形態を側面図によって示している。ドリフトセル４は、ドリフトガスで満たされているチャンバ２２の内側に配列されている。イオンは、ＲＦイオンガイド２４、２６を使用して、チャンバ２２の内部に、そしてそこから誘導される。ＲＦイオンガイド２４、２６はまた、ドリフトセル４のイオン入口／出口領域６にも連結されることで、イオンはドリフトセル４の内部に、そしてドリフトセル４から誘導され得る。この実施形態において、投入イオンガイド２４によって、イオンはドリフトセル４の下の方向からチャンバ２２の内部及びドリフトセル４の入口／出口領域６に誘導される。イオンが、それらのイオン移動度によって分離されるよう要求されるならば、イオンは上述の実施形態と同一の様式で、ドリフトセル４の楕円形又はレーストラック型のイオン通路の周りに付勢される。イオンがイオン通路に沿って通過しているときに、イオンは、チャンバ２２内に存在する、したがってドリフトセル４内に存在するドリフトガスを通してそれらのイオン移動度に従って分離する。イオンがドリフトセル４から引き出されるよう要求される場合、イオンはドリフトセル４の上方及びイオンガイド２６に向かう方向で射出される。次いでイオンはイオンガイド２６によってチャンバ２２から外に誘導される。一方、イオンのイオン移動度分離が要求されなければ、この場合、イオン種は、ドリフトセル４の周りを通過することなく、ドリフトセル４の入口／出口領域６を直接通って入力イオンガイド２４から射出イオンガイド２６まで通過させることが可能である。言い換えると、ドリフトセル４は、バイパスモードで作動されることが可能である。
【００６４】
運転の好ましいモードにおいて、所望の範囲のイオン移動度を有するイオンをドリフトセル４から引き出すことが可能である。これは、イオンが分離するように、イオンをドラフトセル４の周りを横断させて、関心のイオンが入口／出口領域６にある時にイオン入口／出口領域６で射出パルスの起動を同期化することによって達成される。したがって、所望のイオンがドリフトセル４から射出され、ドリフトセル４内に残存しているその他のイオン種は、ドリフトセル４を通過し続け、イオン移動度に従って分離することができる。あるいは、残存しているイオンは、例えば、イオンがそれ以上ドリフトセル内で半径方向に閉じ込められないように電極８からＲＦ電圧を除去することによって、ドリフトセル４から廃棄されてもよい。
【００６５】
所望のイオン移動度を有する射出されたイオンは、ドリフトセル４から離れて質量分析装置又は検出器に即時に輸送されることが可能である。あるいは、このようなイオンは、次の移動度サイクルがドリフトセル４内で生じると同時に、貯蔵領域内に捕捉されてもよく、並びに同一のイオン移動度範囲のより多くのイオンがドリフトセル４から貯蔵領域に射出されるまで、貯蔵領域内に捕捉されてもよい。十分な移動度サイクルが実行され、所望の数のイオンが貯蔵領域内に蓄積された後に、次いで、これらイオンは、更なる分析のために分析器に又は検出器に輸送され得る。この方法は、所望のイオンのイオンシグナルを増大させるために使用されてもよい。これに加えて、又は代わりに、ドリフトセル４から射出された所望のイオンは、断片化又は解離させて、断片又は娘イオンのイオン移動度がドリフトセル４によって分析され得るように、ドリフトセル４に戻って再投入されてもよい。
【００６６】
運転のモードにおいて、ドリフトセル４のイオン誘導通路は、イオンを貯蔵するために使用されてもよいこと、並びにドリフトセル４は、イオン貯蔵装置として作動してもよいことを理解されたい。
【００６７】
ドリフトセルを形成している電極は、開口電極であるとして上記で説明されたが、電極のその他の幾何学的形状を使用して、ドリフトセルの周りでイオンを誘導してもよいことを理解されたい。
【００６８】
図９Ａは、ドリフトセル４内の電極の配列の好ましい実施形態を平面図によって示している。ドリフトセル４が、円形で配列している複数の開口電極８から形成されるよりはむしろ、ドリフトセルは、セグメント２８に分割されていて、ここでは、図９Ｂに示すように、各セグメント２８は電極の複数の層を備えている。
【００６９】
図９Ｂは、図９Ａのセグメント２８の１つを貫く断面を示している。各セグメント２８は、頂部電極３０、底部電極３２及びそれらの間に配列された電極３４複数の層から形成されている。各層は、これら電極３４が側部電極を形成するように、２つの横方向に離間した電極３４を備える。この側部電極３５は、カラム内に積層されることで、側部電極３４のカラムの間、並びに頂部及び底部電極３０、３２の間に空間３６を規定する。頂部、底部及び側部電極３０、３２、３４は、図９Ａに示すように、ドリフトセル４のセグメント２８を形成するために、実質的に平坦であり、ドリフトセル４の長手方向の周りで延在する。平坦な電極３０、３２、３４は、使用時にイオンが進行する平面内に延在する。
【００７０】
イオンは、側部電極３４、頂部電極３０及び底部電極３２の間の空間３６内において半径方向で閉じ込められる。この閉じ込めを達成するために、ＲＦ電位が側部電極３４に印加される。ＲＦ電圧源の同一の位相が、各層内の２つの側部電極３４に印加されることが好ましい。ＲＦ電圧源の異なる位相は、隣接する層内の側部電極３４に印加されることが好ましい。任意の所定の層内の側部電極３４は、隣接する層内の側部電極３４に対して、逆ＲＦ電圧位相で供給されることが好ましい。ＲＦ電位を側部電極３４に印加することによって、イオンは、側部電極３４間の空間３６内に横方向に閉じ込められる。ＲＦ電位はまた、イオンを垂直方向で空間３６内に閉じ込めるために、頂部及び底部電極３０、３２に印加されてもよい。しかしながら、イオンを垂直方向で閉じ込めるために、ＤＣ電位だけは、頂部及び底部電極３０、３２に印加される。
【００７１】
ドリフトセル４は、開口電極８を有する前述の実施形態に構成された異なる電極を有するが、ドリフトセル４の運転は、実質的に同じである。ドリフトガスを通して並びにドリフトセル４の周りでイオンがドリフト動作するよう促す軸方向電界を提供するためにＤＣ電圧勾配が、電極の少なくともいくつかに印加される。ＤＣ電圧勾配は、異なるＤＣ電圧をドリフトセル４の異なるセグメント２８の電極に供給することによって形成することが可能である。電圧勾配を形成するために、異なるＤＣ電圧を、異なるセグメント２８内の頂部３０及び／又は底部３２電極に供給することができる。これに加えて、又は代わりに、電圧勾配を形成するために、異なるＤＣ電圧を、異なるセグメント２８の側部電極３４に供給してもよい。例えば、イオンをドリフト長に沿って駆動する電圧勾配を作り出すために、徐々に小さくなるＤＣ電圧を、ドリフトセル４の周りで異なるセグメント２８の電極に印加してもよい。
【００７２】
前述の実施形態に関連させて説明したように、装置に印加されるＤＣ電位差は、装置の固定長さに沿って配列されてもよい。あるいは、ＤＣ電位差は軸方向電界領域を形成するために、ドリフト領域の長さの一部のみに配列されてもよく、次いで、この軸方向電界領域がイオンと共に装置の周りで移動されてもよい。出口領域６は、前に述べたように構成され得る。
【００７３】
本発明は、好ましい実施形態を参照にして説明されてきたが、形態及び詳細における様々な変更が、添付の請求項で記載されている本発明の範囲から逸脱することなく行われてもよいことが当業者に理解されるであろう。
【図１】
2015502554.tif 000004
【図２】
2015502554.tif 000005
【図３】
2015502554.tif 000006
【図４Ａ】
2015502554.tif 000007
【図４Ｂ】
2015502554.tif 000008
【図５Ａ】
2015502554.tif 000009
【図６Ａ】
2015502554.tif 000010
【図６Ｂ】
2015502554.tif 000011
【図７Ａ】
2015502554.tif 000012
【図７Ｂ】
2015502554.tif 000013
【図７Ｃ】
2015502554.tif 000014
【図８Ａ】
2015502554.tif 000015
【図８Ｂ】
2015502554.tif 000016
【図９Ａ】
2015502554.tif 000017
【図９Ｂ】
2015502554.tif 000018
【図５Ｂ】
2015502554.tif 000019
【図５Ｃ】
2015502554.tif 000020
【図５Ｄ】
2015502554.tif 000021
【国際調査報告】
2015502554.tif 000022
2015502554.tif 000023