(57)【要約】イオンをイオン源（２２）から検出器（３４）へ導くための流路（１６）を形成し、且つ、流路（１６）におけるイオン（３６）の質量対帯電比を分離するための電場を作る少なくとも２つの電極（１２、１４）と、電場に対向する流体方向（２８）とを含む直交流型イオン移動度分析器（ＣＩＭＡ）（１２）。
2006523007.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電微粒子と、原子、分子、微粒子、亜原子粒子及びイオンから導出される荷電微粒子とのイオン移動度に従ってイオンを分離するための直交流型イオン移動度システムであって、
電場を作り出すように配設される少なくとも２つの電極と、
前記電場に実質的に対向する第１の流体流と、
を備える直交流型イオン移動度システム。
【請求項２】
前記第１の流体流がガスからなる、請求項１に記載の直交流型イオン移動度システム。
【請求項３】
前記第１の流体流が液体からなる、請求項１に記載の直交流型イオン移動度システム。
【請求項４】
前記少なくとも２つの電極が、前記第１の流体流に対して少なくとも部分的に透過性である、請求項１に記載の直交流型イオン移動度システム。
【請求項５】
前記少なくとも２つの電極が、少なくとも２つの同心状のシリンダ、少なくとも２つの同心状の球、複数の積み重ねられたプレート、少なくとも２つの実質的に平行なプレート、及び、少なくとも２つの実質的に非平行なプレートからなる電極群から選択される、請求項４に記載の直交流型イオン移動度システム。
【請求項６】
前記少なくとも２つの同心状のシリンダが、第１のシリンダと第２のシリンダとから構成され、前記第１のシリンダと前記第２のシリンダとの間の間隙がガス直交流領域を規定する、請求項５に記載の直交流型イオン移動度システム。
【請求項７】
前記第１のシリンダと前記第２のシリンダが、それらを通る複数の開口部を含み、
前記複数の開口部が、前記第１のシリンダの内側からガス直交流がガス直交流領域及び前記第２のシリンダを通って外に出ることを可能にする、
請求項６に記載の直交流型イオン移動度システム。
【請求項８】
前記第１のシリンダ及び前記第２のシリンダの第１の端部に結合されるエンド・キャップを更に備え、
前記エンド・キャップが、前記ガス直交流領域に供給されるべきイオンの入口として機能するシール部を前記第１の端部に作り出す、
請求項７に記載の直交流型イオン移動度システム。
【請求項９】
前記エンド・キャップが、その端部に配設された入口開口部を更に備え、
前記入口開口部が前記ガス直交流領域に供給されるべきイオンを受け取る、
請求項８に記載の直交流型イオン移動度システム。
【請求項１０】
更に検出器を備える、請求項７に記載の直交流型イオン移動度システム。
【請求項１１】
前記検出器が、前記エンド・キャップと反対側の、前記第１のシリンダ及び前記第２のシリンダの第２の端部に配設される、請求項１０に記載の直交流型イオン移動度システム。
【請求項１２】
前記検出器が、ファラディ検出器、電子増倍部、マルチ・チャンネル・プレート、質量分析器、他のイオン移動度分析装置、アレー検出器及び電荷結合検出器からなる検出器群から選択される、請求項１１に記載の直交流型イオン移動度システム。
【請求項１３】
更にハウジングを備え、
前記第１のシリンダ及び前記第２のシリンダが前記ハウジング内に配設され、それによって流体流を制御する、
請求項１２に記載の直交流型イオン移動度システム。
【請求項１４】
第１の流体流が前記ガス直交流領域を通る、請求項１３に記載の直交流型イオン移動度システム。
【請求項１５】
更に第２の流体流を備え、
前記第２の流体流が実質的に前記第１の流体流に垂直であり、
前記第２の流体流が前記第１のシリンダ及び前記第２のシリンダの長軸と一般的に平行である、
請求項１４に記載の直交流型イオン移動度システム。
【請求項１６】
更にイオン源を備え、
前記イオン源が、イオンを供給するために前記入口開口部に隣接して配設される、
請求項１５に記載の直交流型イオン移動度システム。
【請求項１７】
更に電圧源を備え、
前記電圧源が前記少なくとも２つの電極に結合され、それによって電場の生成を可能にする、
請求項１に記載の直交流型イオン移動度システム。
【請求項１８】
前記ハウジングが、前記システムが高められた圧力、大気圧又は減圧された圧力で動作できるように、気密シールを更に備える、請求項１６に記載の直交流型イオン移動度システム。
【請求項１９】
前記ハウジングが断熱された装置を更に備え、前記システムが高められた温度、室温及び低下させた温度で動作できる、請求項１８に記載の直交流型イオン移動度システム。
【請求項２０】
前記第１の流体流の速度を増減させる手段を更に備える、請求項１９に記載の直交流型イオン移動度システム。
【請求項２１】
前記第２の流体流の速度を増減させる手段を更に備える、請求項２０に記載の直交流型イオン移動度システム。
【請求項２２】
前記少なくとも２つの電極の電位を増減させる手段を更に備え、それによって前記電場を増減させることができる、請求項２１に記載の直交流型イオン移動度システム。
【請求項２３】
前記第１の流体流の前記ガスが、不活性ガスから構成されるガス群から選択される、請求項２に記載の直交流型イオン移動度システム。
【請求項２４】
前記第１の流体流の前記ガスが、改変ガスから構成されるガス群から選択され、
改変ガスがイオンの輸送特性が変更されたガスである、
請求項２に記載の直交流型イオン移動度システム。
【請求項２５】
イオンを分析する手段を更に備え、
分析する前記手段が、前記システムを少なくとも１つの公知の移動度のイオンのみを通過させる能力を含む、
請求項１に記載の直交流型イオン移動度システム。
【請求項２６】
イオンを測定する手段を更に備え、
測定する前記手段が、イオン移動度の範囲を走査し、特定のイオン移動度ピークを選択し、前記の選択されたイオン移動度ピークをガス直交流速度及び前記対向する電場と関係付ける能力を含む、
請求項１に記載の直交流型イオン移動度システム。
【請求項２７】
高電場非対称波形を発生させる手段を更に備える、請求項１に記載の直交流型イオン移動度システム。
【請求項２８】
新規な流体流を更に備え、
正味流体流が前記第１の流体流と前記第２の流体流の組合せである、
請求項１５に記載の直交流型イオン移動度システム。
【請求項２９】
前記システムが化学的分析及び物理的分析も行い、
更に、
サンプルからイオンを前記直交流型イオン移動度システムに導入する手段と、
前記サンプルから前記イオンを検出する手段と、
前記サンプルから、選択されたイオン移動度の尺度を得る手段と、
前記サンプルからの選択されたイオン移動度の前記尺度を化学的同一性又は少なくとも１つの物理的性質と関係付ける手段と、
を備える、請求項１に記載の直交流型イオン移動度システム。
【請求項３０】
荷電微粒子と、原子、分子、微粒子、亜原子粒子及びイオンから導出される荷電微粒子とのイオン移動度に従ってイオンを分離する方法であって、
１）電場を作り出すことができるように配設される少なくとも２つの電極、及び、前記電場に実質的に対向する第１の流体流から構成される直交流型イオン移動度システムを設けるステップと、
２）イオンの電荷、寸法及び断面積に基づいて前記イオンを分離するステップと、
から構成される方法。
【請求項３１】
前記第１の流体流をガスから生成するステップを更に含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記第１の流体流を液体から生成するステップを更に含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
前記少なくとも２つの電極を前記第１の流体流に対して少なくとも部分的に透過性に作り、それによって前記システムにおいて流体直交流の生成を可能にするステップを更に含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３４】
前記少なくとも２つの電極を、少なくとも２つの同心状のシリンダ、少なくとも２つの同心状の球、複数の積み重ねられたプレート、少なくとも２つの実質的に平行なプレート及び少なくとも２つの実質的に非平行なプレートからなる前記電極群から選択するステップを更に含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
更に、
１）前記少なくとも２つ電極として、同心状の第１及び第２のシリンダを選択するステップと、
２）前記第１のシリンダと前記第２のシリンダとの間に、前記イオンがイオン移動度に従って分離されるガス直交流領域としての間隙を画成するステップと、
を更に含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記第１のシリンダと前記第２のシリンダを通る複数の開口部を作り、それによって、ガス直交流が前記第１のシリンダの内側から前記ガス直交流領域及び前記第２のシリンダの前記複数の開口部を通って外に出ることを可能にするステップを更に含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
エンド・キャップを前記第１のシリンダ及び前記第２のシリンダの第１の端部に結合させ、前記エンド・キャップが前記第１の端部において、前記ガス直交流領域に供給すべきイオンの入口として機能するシール部を作るステップを更に含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
その端部に、前記ガス直交流領域に供給されるべきイオンを受ける入口開口部を配設するステップを更に含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
イオン検出器を設けるステップを更に含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記検出器を前記エンド・キャップとは反対側の、前記第１のシリンダ及び前記第２のシリンダの第２の端部に配設するステップを更に含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記検出器をファラディ検出器、電子増倍部、マルチ・チャンネル・プレート、質量分析器、イオン移動度分析装置、アレー検出器及び電荷結合検出器からなる前記検出器群から選択するステップを更に含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記第１のシリンダ及び前記第２のシリンダの周りにハウジングを配設し、そこの流体流を制御するステップを更に含む、請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
前記第１の流体流を前記ガス直交流を通して導くステップを更に含む、請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
実質的に前記第１の流体流に垂直である第２の流体流を設け、前記第２の流体流が前記第１のシリンダ及び前記第２のシリンダの長軸と一般的に平行であるステップを更に含む、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
イオンを供給するために前記入口開口部に隣接して配設されるイオン源を配置するステップを更に含む、請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
電場を作り出すことができるように、前記少なくとも２つの電極に接続されるス電圧源を設けるステップを更に含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項４７】
前記システムが高められた圧力、大気圧又は低減された圧力で動作するように、前記ハウジングのための気密シールを作るステップを更に含む、請求項４５に記載の方法。
【請求項４８】
前記システムが高められた温度、室温及び低下させた温度で動作してイオン移動度を変えるように、前記ハウジングを断熱するステップを更に含む、請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記第１の流体流の速度を増減させ、それによってイオン移動度を変える手段を設けるステップを更に含む、請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】
前記第２の流体流の速度を増減させる手段を設けるステップを更に含む、請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記少なくとも２つの電極の電位を増減させて前記電場を増減させ、イオン移動度を変える手段を設けるステップを更に含む、請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
前記第１の流体流を不活性ガスから構成される前記ガス群から選択するステップを更に含む、請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
前記第１の流体流を、イオンの輸送特性が変更されるガスである改変ガスから構成されるガス群から選択するステップを更に含む、請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
少なくとも１つの公知の移動度のイオンのみを前記システムが通過させるようにする能力を含む、イオンを分析する手段を設けるステップを更に含む、請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
更に、
１）イオンを測定する手段を設けるステップと、
２）イオン移動度の範囲を走査するステップと、
３）特定のイオン移動度ピークを選択するステップと、
４）前記の選択されたイオン移動度ピークをガス直交流速度及び前記対向する電場と関係付けるステップと、
を含む、請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
サンプルに化学的分析及び物理的分析を行うステップを更に含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項５７】
更に、
１）サンプルからイオンを前記直交流型イオン移動度システムに導入するステップと、
２）前記サンプルから前記イオンを検出するステップと、
３）前記サンプルから、選択されたイオン移動度の尺度を得るステップと、
４）前記サンプルからの前記選択されたイオン移動度の尺度を化学的同一性又は少なくとも１つの物理的性質と関係付けるステップと、
を更に含む、請求項５６に記載の方法。
【請求項５８】
医薬、環境汚染物質、化学的又は生物学的戦争用物質、農薬、爆発物及び石油化学物質から構成される化学物質群から選択される広範囲の化学物質を検出するステップを更に含む、請求項５６に記載の方法。
【請求項５９】
血液サンプルからのリポ蛋白質のサイズを特徴付けるステップを更に含む、請求項５６に記載の方法。
【請求項６０】
前記ガス直交流領域に入るとき平衡しているイオンが、前記電場が変化するため排斥されないように、前記ガス直交流領域を通ってイオンが移動するとき平衡を維持させるステップを更に含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項６１】
低電圧から高電圧への走査をするとき、前記ガス直交流領域の出口点近くのイオンに対する前記電場が前記ガス直交流領域の入口点近くのイオンに対するよりも所与の時間において小さくなるように、前記少なくとも２つの電極を配置するステップを更に含む、請求項６０に記載の方法。
【請求項６２】
高電圧から低電圧への走査をするとき、前記ガス直交流領域の出口点近くのイオンに対する前記電場が前記ガス直交流領域の入口点近くのイオンに対するよりも所与の時間において大きくなるように、前記少なくとも２つの電極を配置するステップを更に含む、請求項６１に記載の方法。
【請求項６３】
前記少なくとも２つの電極を複数の別個の区画に分割することによって、所望の電圧勾配を生成するステップを更に含む、請求項６２に記載の方法。
【請求項６４】
非平行な電極を使用することによって、所望の電圧勾配を生成するステップを更に含む、請求項６３に記載の方法。
【請求項６５】
低電圧から高電圧への走査をするとき、前記出口点でのガス直交流速度を前記入口点での速度より低くするステップを更に含む、請求項６４に記載の方法。
【請求項６６】
高電圧から低電圧への走査をするとき、前記出口点でのガス直交流速度を前記入口点での速度より高くするステップを更に含む、請求項６５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、荷電微粒子即ち原子、分子、微粒子、亜原子粒子及びイオンから導出される荷電微粒子のイオン移動度に従った、イオンの分離、貯蔵及び分析に関する。より詳しくは、本発明は、分析装置が化合物をそのイオン移動度に基づき識別する広範囲の化学物質を検知するのに使用されるイオン移動度分析装置である。
【０００２】
関連技術の記述
本発明の利点を理解するためには、質量分析法の最新技術を検討することが有益である。荷電微粒子即ちイオン、分子、微粒子、亜原子粒子及び原子から導出される荷電微粒子（以後は集合的にイオンと呼ぶ）の化学分析は、質量電荷比に従ってそれらのイオン形態を分離することによって行うことができる。様々な種類の質量分析装置がある。各質量分析装置は、それ自身の独特な特性及び用途並びに限界も有している。飛行時間型（ＴＯＦ）質量分析装置の場合、異なる質量電荷比のイオンがイオン源から検出器まで飛行チューブを通って移動するのに要する質量対電荷比（ｍ／ｚ）依存時間をＴＯＦ質量分析装置が測定する。この分析は、イオンが電場から自由な環境内を、予め決められた長さのチューブに沿って移動するのに要する飛行時間を測定することに基礎を置いている。
【０００３】
飛行時間型質量分析装置は、イオンの電荷及び質量の特性に基づいて分析を行う。それに対して、イオン移動度質量分析装置（ＩＭＳ）として知られている関連する技術は、イオンの分析を行うために分子の電荷、寸法及び形状（断面積）に依存する。
【０００４】
ＩＭＳは、電場の影響下で緩衝ガスを通ってイオンがドリフトするときのイオン移動度に基づいてイオンが分離されるガス相電気泳動技術である。分析は、印加された電場内で、予め決められた長さのドリフト・チューブに沿ってイオンが移動するのに要するドリフト時間の測定に基づく。
【０００５】
本発明の原理を理解するのに、理解しておくべき異なる種類のＩＭＳ計器が存在する。従来のＩＭＳでは、電場はドリフト速度と電場の間の直線的な関係を作り出す。したがって、低下した移動度は一般に電場に無関係である。サンプルはイオン源を含むイオン化領域内に導入される。次いで、イオン化されたサンプルは、反対方向からしばしば導入される緩衝ガスと共に、ドリフト・チューブ内のドリフト領域内へと加速される。イオンはこの緩衝ガスを通ってドリフトするときに分離される。イオンの分離は、イオンの寸法、形状及び電荷に基づく。緩衝ガスを通ってドリフトするイオンは、検出器で記録される。一般に、従来のＩＭＳシステムは低い電場を使用しており、低いデューティサイクルを有することを特徴とする。
【０００６】
差動移動度分析（ＤＭＡ）では、互いに直交する電場と流れ場との適用によるイオンの移動度に従ってイオンが分離される。異なる移動度のイオンは空間に分散されるので、選択された移動度のイオンのみが検出器スリットを通って移動する。ＤＭＡはしばしば、所与の寸法の微粒子を分析するためのエアゾール実験に使用される。
【０００７】
最後の型式の移動度分析装置は、高電場非対称波形イオン移動度分光分析装置即ちＦＡＩＭＳとして知られている。ＦＡＩＭＳでは、２つの同心状のチューブ又はプレートが一般に使用される。高電場が短時間加えられ、次いで低電場がそれより長い時間加えられて、平均の印加された電場は平衡する。ＦＡＩＭＳシステムの非直線性は、一般にチューブを通って又はプレートの間を通ってドリフトするイオンの異なる断面積に起因する。したがって、この方法は、イオンの低電場と比べて高電場の異なる移動度を利用している。
【０００８】
ＦＡＩＭＳを説明する別の方法は、イオンの分離が電場の強度に対する移動度定数の非直線依存性に基づいていると言うことができる。高い電場値での移動度の変化は、イオンの寸法、緩衝ガスとのその相互作用、及びイオンの構造的剛性を反映しているように見える。したがって、低電場に対する高電場の移動度の比がＦＡＩＭＳでのイオンの特性決定に使用される。
【０００９】
上記の３つの技術によって説明したＩＭＳはイオン分析の比較的高速な方法であり、非常に感受性が高く、中程度に選択的であり、低い検出限界を有する。しかしながら、ＩＭＳは、一般に、比較的低い分解能、限られた直線的なダイナミックレンジ、及び前に述べた低から中程度の選択性の故に、ほとんど注目を集めて来なかった。
【００１０】
したがって、必要とされているのは、既存のＩＭＳ方法の欠点を克服するイオン移動度分析装置の新規な形態である。具体的には、更に高い感度、更に高い分解能、より正確な移動度、及び適格な検出を提供することができることは、最新技術のＩＭＳに対する利点である。
【００１１】
発明の概要
特定の動作モードで、既存のＩＭＳ方法より感受性の高いイオン移動度分光測定の方法を提供することが、本発明の１つの目的である。
【００１２】
既存のＩＭＳ方法と比べて高い分解能を有するイオン移動度分光測定の方法を提供することが、本発明の別の目的である。
好ましい実施形態では、本発明は直交流型イオン移動度分析装置（ＣＩＭＡ）であり、通路内に確立される電場と対向するガス流の構成成分を含み、イオンは通路を通って運ばれ、特定の移動度を有するイオンがその通路内の対向する電場及び流れ場によって捕捉され、通路の端部に到達するとき検知される。その通路の端部における検出器が移動度の選択されたイオンの連続的な流れを確かめ、異なるイオンは電場及び／又は流れ場の速度を修正することによって選択される。
【００１３】
本発明のこれらの及び他の目的、特徴、利点及び代替の態様は、この分野の技術者には、添付の図面と組合せて行われる以下の詳細な説明を考察することから明らかになるであろう。
【００１４】
発明の詳細な説明
ここで図面について参照するが、図面には、本発明の様々な要素に数字の指定が与えられ、この分野の技術者が本発明を作って使用することができるように本発明が論じられる。理解されるように、以下の説明は本発明の原理の例示のみであり、特許請求の範囲を狭めるものであると見なすべきではない。
【００１５】
本発明は、医薬、環境汚染物質、化学的又は生物学的戦争用物質、農薬及び石油化学物質を含む、広範囲の化学物質を検出できる直交流型イオン移動度分析装置（ＣＩＭＡ）である。この技術の差し迫っての必要性は、手荷物、荷物及び人間に存在する可能性のある爆発物の残留物に対する空港での検査である。別の有用な用途は、血液サンプルからのリポ蛋白質のサイズの特徴付けである。当分野の技術者には理解されるように、本発明のＣＩＭＡのための他の用途が存在する。
【００１６】
ＩＭＳと同様に、本発明は、対象の検体から作り出されるイオンの移動度に基づいている。しかし、この新しい直交流型イオン移動度分析装置技術は、そのイオン移動度に基づいて成分を識別する動作の修正された原理を使用しており、従来の差動分析及びＦＡＩＭＳを含むＩＭＳの従来の実現形態の全てを凌駕する、高い感度と非常に高い分解能を約束する。その結果、本発明は化学物質の一層正確且つ適格な検出をもたらす。
【００１７】
図１は、本発明の第１の実施の形態を示している。図１は、ＣＩＭＡ装置１０の概略的な断面図である。このＣＩＭＡ装置は、約６インチの長さの２つの同心状の金属シリンダ１２、１４の間の間隙又は空間によって形成されるドリフト領域（即ち直交流領域）を含む。理解されるように、シリンダを使用するこの第１の実施の形態は単なる例示である。
【００１８】
本発明の代替実施形態は、その間に電場を作り出すことができる電極で２つの同心状のシリンダ１２、１４を置換することを含む。例えば、同心状の球体、一連の積み重ねられた電極、実質的に平行なプレート、及び、平行でないプレートも使用することができる。同心状のシリンダ１２、１４の第１の実施の形態の大きな利点の１つは、層流及び電場に対するエッジ効果を最小限にすることである。
【００１９】
第１の実施の形態に戻ると、内側のシリンダ１２は２インチの直径を、外側のシリンダ１４は４インチの直径を有し、それによってシリンダ１２と１４の間に１インチの間隙１６を置く。両シリンダ１２、１４の中間部分での４インチの長さは、直径で約０．０１２８インチである（各々約１００００個の）穴１８を含む。シリンダ１２、１４の厚さは約０．２５インチである。シリンダ１２、１４の前端部は半球形のエンド・キャップ２０を含む。エンド・キャップ２０は、少なくとも、イオンをシリンダ１２、１４の間のガス直交流領域１６に送る機能を担う。エンド・キャップ２０を貫通する入口開口部２２は、ガス直交流領域１６で移動度によって分離されるべきイオンのための入口として機能する。
【００２０】
エンド・キャップ２０における入口開口部２２は、典型的には、或るイオン源（図示せず）に結合される。理解されるように、ＣＩＭＡ装置１０に供給するためのイオンを作り出すために任意の適切な雰囲気イオン化技術を使用することができる。以下は、幾つかの広く使用されているイオン化技術のリストである。電子衝撃、化学的イオン化、高速イオン／原子衝撃、電解脱離、レーザ脱離、プラズマ脱離、サーモスプレイ、電子スプレイ、光電離、誘導結合プラズマ、及び、大気圧イオン化。このリストは単なる例示と考えるべきであり、本発明のＣＩＭＡ装置１０にも使用できる可能性のある他の適切なイオン化システムを除外することを意図するものではない。
【００２１】
代替の一つの実施の形態では、イオン化チャンバは入口開口部２２に直接隣接して配置され、サンプルはシリンダ１２、１４内に引き込まれる前に入口開口部２２で直ちにイオン化される。
【００２２】
ＣＩＭＡ装置１０は、以下に明らかにする本発明の動作に必要な適切な圧力及び一定のガス流を維持するためにシールされた囲い又はハウジング２４に格納される。
第１の実施の形態の動作では、ハウジング２４は最初に空気が排出され、窒素ガスに浸される。内側のシリンダ１２及び外側のシリンダ１４は、両方のシリンダ１２、１４が電極として働くように、（接地が電圧源と考えられた場合は）少なくとも２つの電圧源（図示せず）に接続される。シリンダ１２、１４は、第１のシリンダ１２と第２のシリンダ１４との間に電位を発生させるように、異なる電位に設定される。
【００２３】
図１に示す例示の構成では、電位の所望の範囲は、一般に、数百から数千ボルトまで変化する。しかしながら、シリンダ１２、１４間にどのような大きさの電場が形成されようとも、平衡効果を作り出すのに足るほど十分に強くなければならない対向ガス流が存在することを念頭に置くべきである。それにも関わらず、本発明の望ましい性能に応じて、電位及び対向する流体の流れを増減させることが可能である。
【００２４】
本発明が数百ボルト及び恐らくは数千ボルトの電位を使用して動作するということの重要性は注目に値する。このことの１つの意味は、本発明が少なくとも従来のシステム及びＦＡＩＭＳ、ＩＭＳシステムの一部をなす数万ボルトよりずっと操作し易い電圧で動作するということである。
【００２５】
シリンダ１２、１４間の直交流領域１６に形成される電場と並んで、本発明の重要な態様は、電場に対向するガスの直交流の生成である。したがって、ガス直交流の速度は、この分野の技術者に知られた任意の適切な値に設定される。ガス直交流は第１のシリンダ１２へのガスの流れによって作り出されるものとして図１に示されている。このガス流は外側に向けられ、穴１８を通って直交流領域１６に入り、次いで第２のシリンダ１４の穴１８を通ってハウジング２４の空間２６に入る。このガス直交流は線２８によって示されている。図１はベンチュリ空気装置３０がガス直交流を第１のシリンダ１２に導くのを示している。排気開口部３２もハウジング２４に示されている。
【００２６】
この時点で説明できるいくつかの本発明の態様は、ＣＩＭＡ装置１０の所望の性能に応じて、ハウジング２４が通常の大気圧力で、高められた圧力で、或いは低減された圧力で動作することができることを含む。更に、ＣＩＭＡ装置１０の或る領域を１つの圧力で動作させ、異なる領域を別の圧力で動作させることが可能である。例えば、ガス直交流領域１６は第１の圧力であり、イオンは別の第２の圧力で動作する検出領域に引き込まれる。
【００２７】
説明すべき本発明の別の態様は、ガスが内側のシリンダ１２から外側のシリンダ１４に移動するに従って、ガス直交流速度が減少することが認められることである。直ちに明らかなことではないが、電場の強さはガス直交流速度と同じ割合で変化する。したがって、選択された移動度のイオンの位置にかかわらず、平衡状態がシリンダ１２、１４間のガス直交流領域１６で維持される。
【００２８】
平衡状態を有するというこの概念に関連しているのは、高速走査という概念である。平衡状態は、イオンがＣＩＭＡ装置１０を通って移動するとき、同じ状態を続けることが必要である。しかしながら、ＣＩＭＡ装置１０が走査を行うために使用されるとき、ガス直交流領域１６の開始地点にあるとき平衡状態にあるイオンは、出口地点に到達するとき、電場が変化するので平衡を失ってしまう。例えば、低電圧から高電圧への走査を行うとき、イオンが出口地点に到達するまでは電圧は高すぎるので、イオンは平衡を失って追い出されてしまう。
【００２９】
この問題の本発明での解決策は、走査を低電圧から高電圧まで行えることを前提とすると、任意の所与の瞬間において、出口点近くのイオンに対する電場が入口地点近くのイオンに対するものより小さくなるように電極（シリンダ１２、１４）を配列することである。明らかなように、走査方向が逆（即ち、高電圧から低電圧）である場合には、このプロセスを単に逆にすることが可能である。この動作を行う１つの方法は、電極を電気的に絶縁された部分に分割し、各々の部分に別々に電圧を加えることである。別の方法は、単に電極を非平行とすることである。どちらの手法であっても、その最終結果は、非平行状態の発生を補正するために所望の電圧勾配を作り出すことである。
【００３０】
別の解決策は、ガス直交流速度を出口地点で入口地点より低くすることである。これは、システムを低電圧から高電圧に走査するために使用することを前提としている。この場合も、走査が逆方向（即ち、高電圧から低電圧）である場合には、このプロセスを単に逆にすることが可能であることは明らかである。
【００３１】
最後の代替手段においては、所望の電圧勾配を作り出す方法をガス直交流速度の変化と結合することが可能である。
電場が２つのシリンダ１２、１４間に発生し、対向するガス直交流が同じ領域に作り出されるという、上で説明したＣＩＭＡ装置１０の動作により、本発明は捕捉モードで動作することが可能である。換言すれば、イオンを外へ移動させる力がない場合は、イオンはガス直交流領域１６内に捕捉される。この捕捉モードは、ガス直交流領域１６から例えばパルス・モードにおいて供給されるイオンを収集するために有用である。
【００３２】
それにも関わらず、代替の実施の形態では、本発明は線３６によって示す軸方向ガス流を作り出すことも含む。この軸方向ガス流もガス直交流領域１６内で動作するが、ガス直交流とは独立に動作し、シリンダ１２、１４の長手軸に沿って実質的にガス直交流に垂直に流れる。しかし、正味のガス流は軸方向ガス流とガス直交流との組合せである。
【００３３】
軸方向ガス流がＣＩＭＡ装置１０の分解能に影響することが観測される。軸方向ガス流が低速であればあるほど、予想される分解能は高くなる。
実質的には、イオンがサンプル入口開口部２２においてシステムに注入されるとき、軸方向ガス流がイオンを中に引き込み、次いで、イオンを直交流領域１６を通って運搬する。直交流領域１６では、１方向に印加された電場と対向方向のガス直交流とを用いてイオンをその移動度に基づいて分離する。イオンをガス直交流領域１６内に引き込むために真空ポンプを使用することができるけれども、他のシステムもこの効果を生じるために使用することができる。ガス直交流は、イオンをガス直交流領域１６での空間において分離させて浮遊させるのを助ける。
【００３４】
ＣＩＭＡ装置１０が検知装置として機能しているとき、検出器３４は通常はガス直交流領域１６の端部に配設される。検出器３４はゼロ電圧に維持され、その結果、ガス直交流領域１６の高電場を離れるイオンは制御された電圧ゾーンに入り、干渉なしに崩壊して検出器に入り、そこで記録される。
【００３５】
注目すべきは、第１の実施の形態が検出器３４の前にいかなる種類のスリットも含まないことである。しかしながら、開口部をガス直交流領域１６と検出器３４との間に配設し、検出器３４から別の検出器又は検出システムへと導くことができる。この開口部は１つのスリット、複数のスリット、孔などから構成される。
【００３６】
ＣＩＭＡ装置１０で使用されるガスに関しては、既に述べたとおり、窒素がガス直交流として使用される。窒素が選択されたのは、その不活性の故である。別の不活性ガスも使用可能である。しかしながら、本発明の別の態様では、改変ガスも選択することができる。改変ガスとは、イオンの輸送特性が前に述べたものとは異なるガスのことである。
【００３７】
本発明の検討すべき別の態様は、温度の性能に対する影響である。それは、イオンが分離されつつある温度によってイオン移動度が影響され得るということである。したがって、イオン移動度は、イオンの温度が低下するか上昇するかに応じて、増加し又は低下し得る。
【００３８】
本発明においては、前に述べたように、所与の移動度のイオンをガス直交流領域１６に浮遊させることができる。イオンが浮遊したままである時間量は、シリンダ１２、１４の壁への拡散によって制限される。ここで使用する術語「拡散」は、この分野の技術者によって理解されるように、乱流又は分散拡散を示すことを意味する。図２は、これをどのように達成するかを示すために提供されている。これも、変更可能な電場又はガス直交流を有することと関連する。
【００３９】
第１の実施の形態に示すＣＩＭＡ装置１０において、図２は、ガス直交流領域１６でのイオンの浮遊を得るために、Ｆ３をＦ４に等しくすることに努力が向けられていることを示す。しかしながら、シリンダ１２、１４の壁に向かうイオンの拡散は、何等かの形式の収束方法によって制限され又は減少され得る。
【００４０】
図２を参照すると、質量の保存は、装置に出入りする流れＦ１〜Ｆ４の正味流量がゼロであることを要する。したがって、このうちの任意の３つの流れは独立して制御することができる。このプロセスでは、ガス流Ｆ１はＣＩＭＡ装置１０に向かわなければならず、さもなければ、イオンはＣＩＭＡ装置１０に入ることが妨げられる。
【００４１】
収束が達成される少なくとも２つの方法がある。本発明用の第１の収束方法はＦ３をＦ４より大きくすることである。この動作は、対向するシリンダ壁に向かってイオンを押しやる。イオンを間隙（直交流領域）において浮遊させるには、電場を少し増大させることが必要である。この組合せが収束効果を生み出す。収束位置は、電場又はガス直交流を調整することによって移動させることができる。所与の移動度範囲（通過帯域）のイオンは間隙内で収束され、範囲外のイオンは一方の又は他方の壁に押しやられ、検出器２４には到達しない。ガス直交流領域１６内に収束される各移動度値は、間隙内の異なる位置に収束される。
【００４２】
本発明用の第２の収束方法は、小さな放物線状電位を電場に重ね合わせることによって達成される。この放物線状電位はガス直交流に対向する電場の摂動である。この電場を印加することは、前節における流れ場の変更に極めて類似している。しかしながら、理解されるように、収束はＣＩＭＡ装置１０の分解能を低下させるが伝達効率を増加させる。
【００４３】
以下の事項は、本発明が基礎とする原理、所望の動作を裏付ける幾つかのシミュレーション結果を説明するものである。本発明の新規なＣＩＭＡ装置１０では、イオンは２つの対向する力、即ち、１つの方向における電場と逆方向における緩衝ガス流（ガス直交流）とがイオンに作用する領域において分離される。イオンは浮遊させられ、環状領域（ガス直交流領域１６）の中央で分離される。
【００４４】
イオンがシリンダの一端から他端へ浮遊して分離されるＩＭＳ技術と異なり、本発明のＣＩＭＡ装置１０では、イオンが環状領域のシリンダ壁の間を互いから離れて浮遊し（１つの方向での分離）、弱い軸方向ガス流によって注入点から検出器へ移動する（第２の方向、即ち「軸方向」での分離）ときに、分離が起きる。代わりに、弱い軸方向電場を電場に重ね合わせることができる。しかしながら、弱い軸方向電場よりも軸方向ガス流を発生させるほうが簡単であることが確認された。
【００４５】
以下の式はガス直交流領域１６を横切るイオンの分布を表したものである。したがって、この第１の式は、ＣＩＭＡ装置１０の一態様の単純化されたモデルを示す実施可能な計算の単なる表示である。この単純化されたモデルは、式
【００４６】
【数１】
2006523007.tif 000003
【００４７】
によって表される。ただし、Ｄは拡散係数、Ｃは検体の濃度、Ｖは流量でｖｇとｖｄとの和であり、ｖｇはガスの速度（ガス直交流速度）、ｖｄは（電場によって生じる）ドリフトの速度である。理解されるように、ｖｄは移動度と電場の関数（即ち、ｖｄ＝ＫＥ、ただしＫは移動度定数、Ｅは電場強度）である。Ｄは（通常の拡散又は分散性拡散を仮定し、乱流拡散を仮定しないならば）式Ｋ＝ｅＤ／ｋＴによって移動度と関連付けられる。ただし、Ｋは移動度定数、ｅはイオンの電荷、ｋはボルツマン定数、Ｔはガス温度、Ｄは拡散係数である。
【００４８】
適切な単位（Ｋはｃｍ２Ｖ−１ｓ−１、Ｄはｃｍ２ｓ−１、Ｔはケルビン）を用いると、Ｋ＝１．１６０５×１０４（Ｄ／Ｔ）である。微分方程式を解くと、２つのトライアル解、即ち「コサイン」及び「サイン」の解が得られる。それらは
【００４９】
【数２】
2006523007.tif 000004
【００５０】
である。ただしｎは境界間の半波形の数である。境界条件では、イオンは格納器の壁に衝突するとき失われるので、イオン濃度はゼロになる。壁の間の空間（即ち、ガス直交流領域１６）内では、総イオン濃度は
【００５１】
【数３】
2006523007.tif 000005
【００５２】
として表される。
初期濃度のうちのどれだけを検出器３４に到達させるかが、この方法の伝達効率の尺度である。分解能は、僅かに異なる移動度のイオンと比較しての、サンプル・イオンがどれくらい良好に壁間で、及びシリンダ１２、１４間の通路（ガス直交流領域１６）に沿って検出器３４までに分離されるかということである。
【００５３】
本発明のＣＩＭＡ装置１０はガス直交流が非対称ＡＣ電圧とリンクされるＦＡＩＭＳと比較することができ、変化する静電場はＦＡＩＭＳでの補償電圧と比較され得る。理論的な研究では、分解能１４００を達成するために１０ｃｍのチューブに１０００Ｖ／ｃｍの電位が印加された。対向するガス流の浮遊効果により、実際にＣＩＭＡは一層選択的で分解能のある方法になる。
【００５４】
ＣＩＭＡのために数学モデルを開発し、次いでＣＩＭＡ概念の原理を証明するためにシミュレーションをすることによって、予備的な作業を行った。幾つかの注入プロファイルが、ベータ分布関数を使用してシミュレーションされた。このベータ分布関数は、
【００５５】
【数４】
2006523007.tif 000006
【００５６】
として与えられる。ただしα＞０、β＞０である。γ（α＋β）は、
【００５７】
【数５】
2006523007.tif 000007
【００５８】
として定義されるガンマ関数である。
例えば、図３における、選択されたα値及びβ値に依存する注入及び伝達プロファイルを以下考察する。サンプルがＣＩＭＡ装置へ注入される時点のｔ＝０では、図１の任意のプロファイルに適合するよう濃度をモデル化することが可能であり、
【００５９】
【数６】
2006523007.tif 000008
【００６０】
が成り立つ。上記の式はＡｎ、Ｂｎの全ての値を最初に見出すことによって解かれ、それらの値を加算すると元のプロファイルが再生される。上記の式から、Ａｎ及びＢｎに対する解はそれぞれ以下のように与えられる。
【００６１】
【数７】
2006523007.tif 000009
【００６２】
ただし、ｋは１から無限大までの値をとる。
シミュレーションを行う統計的なモデリングのためにコンピュータ・プログラムを使用した。注入プロファイルをシミュレートして、最適な入口スリットと、検体が注入孔から検出器へ移動するときの濃度減衰を再生する減衰プロファイルと、検出器スペクトル出力とを決定した。実際のシミュレーションでは、実際的な目的のために、級数は無限より小さな或る値で切り捨てられる。
【００６３】
シミュレーションのために以下のパラメータが使用された。即ち、１０ｃｍのドリフト・シリンダ、３ｃｍのプレート間隙、注入から検出器までの１秒の飛行時間、１０ｃｍの軸長、１０ｍ／ｓのガス直交流速度、及び、１０ｋＶの電圧。ｃｍ２／Ｖ／ｓの換算移動度単位でのＫ０を有する以下の化合物を使用した。即ち、メチルアミン、２．６５；エチルアミン、２．３６；ホルムアミド、２．４５；ジエチルアミン、２．４６；イソプロピルアミン、２．２０。
【００６４】
シミュレーションでは、等量の５つのサンプルがシステムに注入された。これらのプロットは幾つかの極めて興味深く且つ予期しない結果を示している。図１は、対向する場内での、即ち、ガス直交流及び対向する電場内での検体の伝達を示している。図３は、いかに多くのサンプル分布がガス直交流領域１６に収束されるかを示す。
【００６５】
図４は、１秒における典型的な減衰プロファイルを示す。９９％前後の伝達効率が存在することに注目することは興味深いことである。この伝達効率は、注入された多くのサンプルが壁で消失されずに検出器に到達することを示している。
【００６６】
図５は、走査された電場での検出器出力（即ち、走査移動度スペクトラム）を示す。分解能を計算すると、最大ピークの１／２のところで１４００全幅の値が得られる。
シミュレーション結果、即ち、伝統的なＩＭＳ方法によって予見される又は達成される分解能の値より大きな分解能から、以下の概括が引き出される。０．０１単位の換算移動度差を有する化合物を分離することができることをシミュレーションが示すので、高められた選択性が可能である。当初のサンプルの１％未満しか失われないので、選択された移動度の動作モードで動作するとき、伝統的なＩＭＳ方法により現在達成されるレベルと比較して、ＣＩＭＡが検出限界を改善することを伝達効率は示している。
【００６７】
本発明の代替の態様においては、理解されるように、本発明はガス相の装置ではあるが、本発明は液体と共に動作することができる。例えば、毛細管電気泳動と比較して、事実上いかなる電気浸透流も存在しない。更に、本発明は脈動システムではなく連続システムであるから、予備的分離並びに分析用分離に対して有用である。
【００６８】
検出器に関しては、本発明は、ファラディ検出、電子増倍器、マルチ・チャンネル・プレート、電荷結合検出器、アレー検出器その他の、質量分析又は（衝突セルの有る又は無い）ＩＭＳを含む任意の検出方法に基づく検出器を使用することができる。分析装置及び検出器は、正又は負のイオンを別個に分離し検出することができ、又は、平行な直交流チャンネルを使用して正及び負のイオンを同時に分離し検出することができる。
【００６９】
本発明は、単一のイオンを監視するように、又は、所定の移動度範囲にわたって走査される幾つかの選択されたイオンを同時に監視するように動作することができ、或いは、空間で同時に分離された全部のイオンを一斉に監視するアレー検出器と共に動作することができる。
【００７０】
本発明の更なる態様は、ＦＡＩＭＳで実施されているものと同様に、ＣＩＭＡ装置１０の電極間に非対称電気波形を印加することによって、追加の選択性を提供する能力を含む。しかしながら、ガス流はＤＣ電場の代わりをするので、ＤＣ電場は不要である。加えて、本発明は、ＣＩＭＡ装置１０の半分が電極間の直接のＤＣ電圧で動作し、もう１つの半分が電極間の高電場非対称波形電位で動作するように構成することができる。更に、非対称波形をＤＣ電位に重ね合わせることもできる。
【００７１】
理解されるように、上で説明した構成は本発明の原理の応用の単なる例示である。当該分野の技術者ならば、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、多数の修正及び代替構成を考え出すことが可能である。特許請求の範囲は、そのような修正及び代替構成を包含するものとする。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】システムの電極として同心状のシリンダから構成される直交流型イオン移動度分光分析装置の第１の実施の形態を示す概略図である。
【図２】電極及びそれらの間の電場に対する流体の流れを示す図である。
【図３】直交流型イオン移動度システムからの注入及び伝達プロファイルを示すグラフである。
【図４】直交流型イオン移動度システムからの減衰プロファイルを示すグラフである。
【図５】直交流型イオン移動度システムからのイオン・スペクトルを示すグラフである。
【図１】
2006523007.tif 000010
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
2006523007.tif 000015