(57)【要約】エレクトロスプレーノズルから出る流体の動的形状または静的形状をモニターし制御するための光学システムを用いた、エレクトロスプレーノズルのためのフィードバック制御システム。
2004534354.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧源に接続されていて先端部が対向電極から離れているエレクトロスプレーノズルのフィードバック制御システムであって、
フォーカシング用光学系を備えていて、上記エレクトロスプレーノズルから出る円錐状、ジェット状、プルーム状の液体のうちの１つ以上と交差するように光をフォーカスさせる光源と、
上記光源からの光が液体と交差した結果として上記エレクトロスプレーノズルから放出される液体によって反射または放射される散乱光と透過光のいずれか、またはその両方のパターンを検出できるように配置されていて、その光パターンに応答して光電子信号を発生させる、個別の構成、あるいはアレーの構成になった１つ以上の光検出器と、
上記光電子信号を電子信号に変換する電子的検出、増幅システムと、
上記電子信号を解釈する第１のコンピュータシステムまたはマイクロプロセッサシステムと、
上記第１のコンピュータシステムまたはマイクロプロセッサシステムに接続されており、上記エレクトロスプレーノズルと対向電極のいずれか、またはその両方を移動させることによってエレクトロスプレーノズルと対向電極の距離を調節するための制御装置に対する信号、あるいは、エレクトロスプレーノズルに印加する電圧を変化させて対向電極または質量分析器の入口とは異なった値にするための制御装置に対する信号を発生させる第２のコンピュータシステムまたはマイクロプロセッサシステムとを備えるフィードバック制御システム。
【請求項２】
上記第１のコンピュータシステムまたはマイクロプロセッサシステムと、上記第２のコンピュータシステムまたはマイクロプロセッサシステムが、単一のコンピュータシステムまたはマイクロプロセッサシステムに統合されている、請求項１に記載のフィードバック制御システム。
【請求項３】
上記電子的検出、増幅システムが、上記光検出器に統合されている、請求項１に記載のフィードバック制御システム。
【請求項４】
上記光検出器が、フォトダイオードまたはＣＣＤカメラである、請求項１に記載のフィードバック制御システム。
【請求項５】
上記フォトダイオードがＣＣＤカメラであり、このＣＣＤカメラが顕微鏡と一体化している、請求項４に記載のフィードバック制御システム。
【請求項６】
上記光源が連続光源であり、上記制御装置が、エレクトロスプレーノズルに印加する電圧を変化させて対向電極または質量分析器の入口とは異なった値にする、請求項５に記載のフィードバック制御システム。
【請求項７】
上記制御システムが静的制御システムであり、上記第１のコンピュータには、プルーム状エレクトロスプレーの画像に応答する、実画像測定のための第１のアルゴリズムと、上記プルーム状エレクトロスプレーにある状態を発生させて維持し、このプルーム状エレクトロスプレーに関する所定の画像を生成させる第２のアルゴリズムがプログラムされている、請求項６に記載のフィードバック制御システム。
【請求項８】
上記第２のアルゴリズムが、上記エレクトロスプレーノズルに供給される電圧源を制御しており、この電圧源から供給される電圧を調節して上記プルーム状エレクトロスプレーを円錐ジェットモードに維持する、請求項７に記載のフィードバック制御システム。
【請求項９】
上記第２のアルゴリズムが、上記エレクトロスプレーノズルに供給される電源を制御しており、この電源によって供給される電圧を調節して上記プルーム状エレクトロスプレーを滴下モードに維持する、請求項７に記載のフィードバック制御システム。
【請求項１０】
上記エレクトロスプレーノズルがマルチジェットノズルであり、上記制御システムが静的制御システムであり、上記第１のコンピュータには、上記マルチジェットノズルから放出される複数のプルーム状エレクトロスプレーの形状に応答する、実画像測定のための第１のアルゴリズムと、上記プルーム状エレクトロスプレー内の所定の形状条件を生成させて維持するための第２のアルゴリズムがプログラムされている、請求項６に記載のフィードバック制御システム。
【請求項１１】
上記第１のアルゴリズムが、プルーム状エレクトロスプレーの画像を複数の領域に分割して各領域内のエッジの数を数える、請求項７に記載のフィードバック制御システム。
【請求項１２】
上記第１のアルゴリズムが画像比較アルゴリズムであり、上記実画像測定が、パターンマッチングを通じて上記プルーム状エレクトロスプレーの画像を画像ライブラリと比較することである、請求項７に記載のフィードバック制御システム。
【請求項１３】
上記パターンマッチングが、規格化された相互相関分析によってなされる、請求項１２に記載のフィードバック制御システム。
【請求項１４】
上記パターンマッチングが、規格化された相互相関分析によってなされる、請求項１２に記載のフィードバック制御システム。
【請求項１５】
上記パターンマッチングが、高速フーリエ変換相関分析によってなされる、請求項１２に記載のフィードバック制御システム。
【請求項１６】
上記パターンマッチングが、幾何学的モデリングと不均一画像サンプリングを利用した画像理解によってなされる、請求項１２に記載のフィードバック制御システム。
【請求項１７】
上記光源がパルス式またはストロボ式の光源である、請求項２に記載のフィードバック制御システム。
【請求項１８】
上記光源がパルス式光源であり、このパルス式光源が、パルスの持続時間が１０マイクロ秒未満のＬＥＤである、請求項１７に記載のフィードバック制御システム。
【請求項１９】
上記光源がストロボ式光源であり、このストロボ式光源が、パルスの持続時間が１０マイクロ秒未満のフラッシュランプである、請求項１７に記載のフィードバック制御システム。
【請求項２０】
上記光源がパルス式光源であり、このパルス式光源が、パルスの持続時間が１０マイクロ秒未満のパルス式レーザーである、請求項１７に記載のフィードバック制御システム。
【請求項２１】
上記エレクトロスプレーノズルに液体クロマトグラフから移動相と分析物が供給され、このエレクトロスプレーノズルがこの移動相と分析物のエレクトロスプレーを質量分析器に対して放出する、請求項２に記載のフィードバック制御システム。
【請求項２２】
上記エレクトロスプレーノズルにキャピラリー電気泳動ユニットから移動相と分析物が供給され、このエレクトロスプレーノズルがこの移動相と分析物のエレクトロスプレーを質量分析器に対して放出する、請求項２に記載のフィードバック制御システム。
【請求項２３】
上記制御装置が、上記エレクトロスプレーノズルと対向電極のいずれか、またはその両方を移動させることによってエレクトロスプレーノズルと対向電極の距離を調節する、請求項２に記載のフィードバック制御システム。
【請求項２４】
上記エレクトロスプレーノズルに薄膜堆積用材料を含む移動相が供給され、上記対向電極は平坦または湾曲した表面であり、その表面に上記材料からなる薄膜が上記エレクトロスプレーノズルによって堆積される、請求項８に記載のフィードバック制御システム。
【請求項２５】
互いに離散した液滴として堆積させるための材料を含む移動相が上記エレクトロスプレーノズルに供給され、上記対向電極は平坦または湾曲した表面であり、その表面に上記材料からなる互いに離散した液滴が上記エレクトロスプレーノズルによって堆積される、請求項９に記載のフィードバック制御システム。
【請求項２６】
上記対向電極が、マトリックス支援レーザー脱離イオン化(ＭＡＬＤＩ)質量分析による分析に適した基板である、請求項２０に記載のフィードバック制御システム。
【請求項２７】
上記対向電極が、マトリックス支援レーザー脱離イオン化(ＭＡＬＤＩ)質量分析による分析に適した基板である、請求項２１に記載のフィードバック制御システム。
【請求項２８】
上記基板が、ＭＡＬＤＩ化学マトリックスまたは多孔性シリコンで処理したステンレス鋼または金被覆ステンレス鋼である、請求項２６に記載のフィードバック制御システム。
【請求項２９】
上記基板が、ＭＡＬＤＩ化学マトリックスまたは多孔性シリコンで処理したステンレス鋼または金被覆ステンレス鋼である、請求項２７に記載のフィードバック制御システム。
【請求項３０】
上記エレクトロスプレーノズルが導電性毛管ノズルであり、上記電源がそのノズルに直接接続されている、請求項２に記載のフィードバック制御システム。
【請求項３１】
上記エレクトロスプレーノズルが非導電性毛管ノズルであり、上記電源が、このノズル内で電極を通じて液体状移動相に接続されている、請求項２に記載のフィードバック制御システム。
【請求項３２】
上記エレクトロスプレーノズルが、ガラス、プラスチック、シリコンのいずれかからなる平坦な基板の内部または表面に組み込まれている、請求項２に記載のフィードバック制御システム。
【請求項３３】
グラウンド電位に維持されていて、電圧源に接続された対向電極から先端部が離れているエレクトロスプレーノズルのフィードバック制御システムであって、
フォーカシング用光学系を備えていて、上記エレクトロスプレーノズルから出る円錐状、ジェット状、プルーム状の液体のうちの１つ以上と交差するように光をフォーカスさせる光源と、
上記光源からの光が液体と交差した結果として上記エレクトロスプレーノズルから放出される液体によって反射または放射される散乱光と透過光のいずれか、またはその両方のパターンを検出できるように配置されていて、その光パターンに応答して光電子信号を発生させる、個別の構成、あるいはアレーの構成になった１つ以上の光検出器と、
上記光電子信号を電子信号に変換する電子的検出、増幅システムと、
上記電子信号を解釈する第１のコンピュータシステムまたはマイクロプロセッサシステムと、
上記第１のコンピュータシステムまたはマイクロプロセッサシステムに接続されており、上記エレクトロスプレーノズルと対向電極のいずれか、またはその両方を移動させることによってエレクトロスプレーノズルと対向電極の距離を調節するための制御装置に対する信号、あるいは、対向電極に印加する電圧を変化させてこのエレクトロスプレーノズルとは異なった値にするための制御装置に対する信号を発生させる第２のコンピュータシステムまたはマイクロプロセッサシステムとを備えるフィードバック制御システム。
【請求項３４】
上記第１のコンピュータシステムまたはマイクロプロセッサシステムと、上記第２のコンピュータシステムまたはマイクロプロセッサシステムが、単一のコンピュータシステムまたはマイクロプロセッサシステムに統合されている、請求項３３に記載のフィードバック制御システム。
【請求項３５】
上記光源が、上記ジェットと交差するようにフォーカスさせる連続光源であり、上記１つ以上の光検出器が、ある波形を発生させてその波形を上記コンピュータに供給する増幅器を備える、請求項２に記載のフィードバック制御システム。
【請求項３６】
上記エレクトロスプレーノズルが電場に囲まれており、上記コンピュータが、実測定アルゴリズムに基づいた分析アルゴリズムを備え、この分析アルゴリズムは、上記電場の強度を制御することによってエレクトロスプレーのモードを制御する制御アルゴリズムに接続されている、請求項２に記載のフィードバック制御システム。
【請求項３７】
上記実測定アルゴリズムが、上記波形の周波数スペクトルを発生させて分析する、請求項３５に記載のフィードバック制御システム。
【請求項３８】
上記実測定アルゴリズムが、上記波形の基本周波数を分析する、請求項３６に記載のフィードバック制御システム。
【請求項３９】
上記エレクトロスプレーノズルが電場に囲まれており、上記コンピュータには、上記増幅器から発生した波形を参照波形のライブラリと比較する波形比較アルゴリズムに基づいた分析アルゴリズムがプログラムされており、この分析アルゴリズムは、上記電場の強度を調節して所定のスプレーモードに維持する制御アルゴリズムに接続されている、請求項３５に記載のフィードバック制御システム。
【請求項４０】
上記波形比較アルゴリズムがパターンマッチングに基づいている、請求項３８に記載のフィードバック制御システム。
【請求項４１】
上記パターンマッチングが、実際の波形と参照波形の相互相関分析に基づいている、請求項３９に記載のフィードバック制御システム。
【請求項４２】
上記連続光源がレーザーである、請求項３５に記載のフィードバック制御システム。
【請求項４３】
上記レーザーがダイオードレーザーである、請求項４２に記載のフィードバック制御システム。
【請求項４４】
上記ダイオードレーザーが、６００〜１３００ｎｍの波長で動作する、請求項４３に記載のフィードバック制御システム。
【請求項４５】
上記レーザーが光ファイバーとカップルしている、請求項４２に記載のフィードバック制御システム。
【請求項４６】
上記光検出器がフォトダイオードである、請求項３５に記載のフィードバック制御システム。
【請求項４７】
上記光検出器が、１００ｋＨｚよりも大きな帯域幅を有する電流積分増幅器を備える、請求項４６に記載のフィードバック制御システム。
【請求項４８】
上記光検出器が、上記波形を上記コンピュータに供給する作動増幅器にカップルしたチャネルを有する二重検出器である、請求項４６に記載のフィードバック制御システム。
【請求項４９】
上記光検出器が、増幅器アレーに接続されたフォトダイオードアレーである、請求項４６に記載のフィードバック制御システム。
【請求項５０】
上記光源が、光ファイバーにカップルした２つのレーザーであり、光ファイバーからの光はレンズによってフォーカスされて２本の別々のビームとなり、一方のビームは上記ジェットと交差し、他方のビームはプルームと交差し、各々のビームはフォトダイオードによって検出され、２つの波形が上記コンピュータに送られる、請求項２に記載のフィードバック制御システム。
【請求項５１】
上記１つ以上の光検出器が、レンズおよびピンホール状開口部と一体化した１つの光検出器であり、上記光源がレーザービームとフォーカシング用レンズであり、上記光源と上記光検出器が共焦点アラインメントになっている、請求項３５に記載のフィードバック制御システム。
【請求項５２】
レーザーと、ビームスプリッタと、単一のレンズと、ピンホールと、光検出器を備え、ビームスプリッタは、レンズの後焦点面内またはその面の近くに位置し、単一のレンズが、レーザーからの光を供給するとともに、落射共焦点配置になった光検出器のために光を集める、請求項３５に記載のフィードバック制御システム。
【請求項５３】
上記光源が１つまたは２つの光源を備えていて２本のビームを発生させ、一方のビームは上記ジェットにフォーカスしており、他方のビームはプルームにフォーカスしており、上記１つ以上の光検出器は、上記プルームを通過する光を検出する第１の光検出器と、上記ジェットを通過する光を検出する第２の光検出器を備える、請求項２に記載のフィードバック制御システム。
【請求項５４】
上記光源が、第１の光検出器の視野の一部または全部を照射するにように光をフォーカスさせる第１の光源と、上記ジェットと交差するように光をフォーカスさせる第２の光源であり、第１の光源はパルス式光源であり、第２の光源は連続光源であり、上記第１の光検出器はＣＣＤカメラおよび顕微鏡であり、上記第２の光検出器はフォトダイオードである、請求項５３に記載のフィードバック制御システム。
【請求項５５】
上記パルス式光源が、パルスの持続時間が１０マイクロ秒未満のＬＥＤである、請求項５４に記載のフィードバック制御システム。
【請求項５６】
上記光源が、第１の光検出器の視野の一部または全部を照射するにように光をフォーカスさせる第１の光源と、上記ジェットと交差するように光をフォーカスさせる第２の光源であり、第１の光源と第２の光源は連続光源であり、上記第１の光検出器はＣＣＤカメラおよび顕微鏡であり、上記第２の光検出器はフォトダイオードである、請求項５３に記載のフィードバック制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電子工学的なフィードバックを通じてエレクトロスプレープロセスをフィードバック制御するための新規な方法と装置に関する。
この新規な方法と装置は、分析化学の分野、中でも質量分析とエレクトロスプレーイオン化法を組み合わせた化学的分析の分野に適用することができる。本発明の方法と装置によって光電子工学的なフィードバックを利用し、自己制御式であって、変化する実験条件のもとで最適な信号が得られるエレクトロスプレーシステムを作り出す。本発明の方法と装置は、エレクトロスプレーイオン化質量分析(ESI-MS)、マトリックス支援レーザー脱離イオン化質量分析(MALDI MS)のためのサンプル調製、エレクトロスプレーによる一般的なサンプル調製において特に有用である。
【背景技術】
【０００２】
Zeleny(Zeleny, J.、Phys. Rev.、１９１４年、第３巻、６９〜９１ページ；Zeleny, J.、Phys. Rev.、１９１７年、第１０巻、１〜６ページ)とTaylor(Taylor, G.、Pro. R. Soc. A、１９６４年、Ａ２８０巻、３８３〜３９７ページ)によって独創的な研究がなされて以来、液体に高電場を印加すると液体が不安定になってより小さな多数の液滴になることが知られている。図１に示すように、液体流を毛管ノズルを通じてポンピングし、そのノズルの出口を周囲よりも高電場にすると、ノズルから出る液体が、帯電した液滴からなる連続的な流れになることが知られている。この電気流体力学的噴霧化法は、一般にエレクトロスプレーと呼ばれている(Cloupeau, M.とPrunet-Foch, B.、J. Aerosol Sci.、１９９４年、第２５巻、１０２１〜１０３６ページ)。
【０００３】
エレクトロスプレーには多くの用途がある。エレクトロスプレーは、薄膜コーティング、静電塗装などの厚膜コーティング、粉末の蒸着といった用途に使用されている。重要なことだが、エレクトロスプレーは実用的なイオン化源でもある。この場合、液体中に存在するイオンが、大気圧でのイオン化プロセスを通じて気相のイオンへと変換される。この構成では、エレクトロスプレーは質量分析という分析技術と組み合わせて用いられることがしばしばある。エレクトロスプレー−質量分析は、化学的分析を行なう際にほとんど普遍的に適用される方法であり、化学製造業、分析化学、環境化学、ライフサイエンスに広く利用されている。これらの分野の中ではおそらくライフサイエンスにおいて最も重要であろう。エレクトロスプレーは、現在のところ、高速液体クロマトグラフィ(ＨＰＬＣ)による分離と質量分析(ここではＬＣ−ＭＳと呼ぶ)をつなぐインターフェイスとして選択される方法になっている。ＨＰＬＣは、液相中の多成分混合物を分離する分離科学においてカギとなるツールであり、質量分析により、高い特異性で化学的同定がなされる。ＬＣ−ＭＳは、医薬品の発見と開発において中心的な役割を演じている。従って、エレクトロスプレー法の安定性および／または感度を実際に改善することは非常に重要である。
【０００４】
エレクトロスプレー法の安定性は独立ないくつかのパラメータの関数であることが従来から知られている。そのパラメータとは、例えば以下のようなものである。
(１)ノズル(先端部)の幾何学的形状。
(２)電場の強さ。この電場は、
(Ａ)印加した電圧と
(Ｂ)対向電極までの距離の関数になっている。
(３)移動相の流速。
(４)移動相の化学組成。
【０００５】
これらの変数は互いに関連しているため、各々の用途において最適な結果を得るために各々のエレクトロスプレーシステムを調整するにはかなりの経験が必要とされる。たいていのシステムでは、上記パラメータの１つ以上が固定されていたり調節するのが難しかったりする。従って、たいていのシステムでは、エレクトロスプレーを安定させるのに必要とされる調整は、ノズルの位置における電場の強さを変化させること、または調節することによって一般に実現される。すると今度は、印加する電圧を調節したり、ノズルと対向電極の距離またはノズルと質量分析器の入口の距離を調節せねばならなくなる。
【０００６】
エレクトロスプレーシステムは、一般に、異なる２つの方法のうちの一方を利用して調整する。第１の方法では、エレクトロスプレーノズルを例えば顕微鏡やビデオカメラなどを通じて目に見えるようにした後、操作者が実験パラメータ(電圧と距離のいずれか、または両方)を手で調節し、満足のゆくスプレーパターンが得られるようにする。第２の方法では、エレクトロスプレー法によって生成したイオン電流をモニターしながら電圧と(ノズルと対向電極の、またはノズルと質量分析器の入口の)距離のいずれか、または両方を調節する。これらパラメータを調節し、十分な大きさまたは安定性のイオン電流が得られるようにする。調節は、操作者が手で行なうこと、あるいは自動調整を行なうために電子的制御(すなわちコンピュータ制御)することができる。イオン電流調整法は、エレクトロスプレーシステムを質量分析器に通じているイオン化源として使用する場合に非常にしばしば用いられる。
【０００７】
上記のどちらの方法にも重大な制約がある。エレクトロスプレーノズルを可視化する手動法は、操作者が常に注意して調節する必要があり、操作者が変化する条件を観察していてそれに反応するのでなければそのような変化する条件には対応できない。他方、第２の方法で利用されるイオン電流は、制御の基礎として選択するには完全に満足できるものではない。というのもイオン電流は、エレクトロスプレーノズルから出る液体の化学的性質に依存するからである。化学組成が変化するとイオン電流も変化することになる。その結果、液体の化学組成が変化したときにはシステムを再度調整せねばならなくなる。
【０００８】
ノズルから出た液体流(移動相)がスプレーになる際には、様々な物理的形態(すなわちスプレーモード)を取り得ることがよくわかっている(Cloupeau, M.とPrunet-Foch, B.、J. Aerosol Sci.、１９９４年、第２５巻、１０２１〜１０３６ページ；Jaworek, A.とKrupa, A.、J. Aerosol Sci.、１９９９年、第３０巻、８７３〜８９３ページ)。JaworekとKrupaは、１０種類の異なるスプレーモードを同定した(Jaworek, A.とKrupa, A.、J. Aerosol Sci.、１９９９年、第３０巻、８７３〜８９３ページ)。それぞれは、時間依存性のある明確な形態特性を有する。得られた特定のスプレーモードは、ノズルの幾何学的形状と、電場の強度および形状と、移動相の化学組成に強く依存している。スプレーモードは、移動相の張力、粘性、電気伝導度に特に敏感である(Grace, J.M.とMarijnissen, J.C.M.、J. Aerosol Sci.、１９９４年、第２５巻、１００５〜１０１９ページ)。図２には、水をベースとした移動相に関する最も一般的なエレクトロスプレーモードについて、電場と流速の基本的関係が示してある。遭遇する最も一般的なモードが図３〜図７に示してあり、各々の滴下モード、紡錘モード、パルス型円錐ジェットモード、マルチジェットモードと呼ばれている。各モードは、液滴サイズに所定の分布をもたらす。そのとき、各々の液滴は電荷分布も有する。滴下モードは、一般に、観察可能な最大の液滴を生成させ、直径は数ミリメートルに達する可能性がある。これらの液滴は、ノズルそのものの直径よりも大きくなることができる。円錐ジェットモードとマルチジェットモードは、質量に対する電荷の比が最も大きい最小の液滴を生成させる。円錐ジェットモードとマルチジェットモードは、直径と帯電状態の両方の分布が狭いほぼ単分散の液滴を生成させることができる。これらのモードにおける液滴の直径は、ミクロン以下になる可能性がある。これは、ノズルそのものの直径よりもはるかに小さい。いくつかのモード、例えば紡錘モードやパルス型円錐ジェットモードは、サイズ分布と電荷分布の広がりが大きい液滴を生成させる。これは、多くの用途において望ましくない。これらのモードは、パルシング、すなわち振動という挙動も示す。その範囲は、周波数にして数１０ヘルツ〜数百キロヘルツにまたがる可能性がある。広いサイズ分布とパルシングという挙動の組み合わせは、多くの用途において望ましくない。質量分析では、例えばスプレーパルシングによって信号測定の再現性が悪くなる可能性がある。と言うのも、イオン電流は常時生成されるわけではないからである。大きな液滴は、全イオン電流に大いに寄与し、質量スペクトルに大きな非特異的「化学的ノイズ」を発生させることも知られている。
【０００９】
可能なスプレーモードのうち、多くの用途(その中に質量分析も含まれる)において最も望ましいのは図６に示した円錐ジェットモードである。円錐ジェットモードは、小さなほぼ単分散の液滴からなるエアロゾルを常時生成させる。さらに、そのような液滴は、質量に対する電荷の比として可能な最大の値を有することも知られている。大量に帯電した小さなそのような液滴は、質量分析による分析において最適の感度を生み出すことが知られている。
【００１０】
従来技術では、個々のモードの特性評価と、そのようなモードから生まれる液滴のサイズ分布およびイオン信号の強度の特性評価が主な興味の対象となっていた。中でも特に円錐ジェットモードが注目されてきた。そのような特性評価には多数の診断技術が利用できる。
【００１１】
スプレーモードを判定する最も簡単な方法は、図８に示すように、強力な光源からの連続照明を利用し、透過光または反射光を用いて光学顕微鏡でスプレーの形状を観察するというものである。この方法は、様々な実験装置に組み込まれており、多数の販売業者から入手することができる(製品文献、ニューオブジェクティヴ社、２００２年)。例えばJuraschekら(Juraschek, R.、Schmidt, A.他、Adv. Mass Spectrom.、１９９８年、第１４巻、１〜１５ページ)は、この方法を利用してスプレーモードを観察し、質量分析法でモニターしたイオン電流との関連を調べた。イオン強度とスプレーモードの関係が明らかになり、軸方向の円錐ジェットモードが最適の結果を示すことがわかった。Zhouら(Zhou, S.、Edwards, A.G.他、Anal. Chem.、１９９９年、第７１巻、７６９〜７７６ページ)はレーザー照射と蛍光イメージング検出法を利用し、スプレー中に存在する蛍光の特性を調べた。彼らは、シースガス支援スプレー中で、円錐ジェットモードのプルームのｐＨを測定することができた。
【００１２】
別の一般的な特性評価法は、連続光源ではなく(ナノ秒パルス)フラッシュ照明に基づいたイメージングを行なうことである。Zeleny(Zeleny, J.、Phys. Rev.、１９１７年、第１０巻、１〜６ページ)は、フラッシュ写真システムを利用した。これが、以後の仕事の基礎となった。もっとも、フラッシュエレクトロニクスとイメージングに関する細部は、それ以後はるかに改良され、現代化されている。CloupeauとPrunet-Foch(Cloupeau, M.とPrunet-Foch, B.、J. Aerosol Sci.、１９９４年、第２５巻、１０２１〜１０３６ページ)は、照明時間を約２０ナノ秒にしたフラッシュ-ストロボイメージングを利用した。さらに、集束したレーザービームを液滴のメニスカスを横断させ、光検出器を用いて電子的フラッシュのタイミングを決定した。光検出器の出力も、パルスモードを研究するための周波数情報を生み出した。TangとGomez(Tang, K.とGomez, A.、Phys. Fluids、１９９４年、第６巻、２３１７〜２３３２ページ；Tang, K.とGomez, A.、J. Colloid and Interface Sci.、１９９５年、第１７５巻、３２６〜３３２ページ)は、キセノンナノ秒フラッシュランプを用い、ＣＣＤカメラに基づいた「シャドウグラフ」イメージングシステムにおいて円錐ジェット領域を照射した。このシステムは、コンピュータ取得に適したディジタル画像を得るのに用いられる。このシステムを用いたのは、続く測定のためにスプレーが安定な円錐ジェットモードになるようにするためである。このようなストロボ式イメージングシステムを用いると、円錐ジェットの性質と安定性を判定するとともに、一般に約５〜１０μｍよりも大きい液滴のサイズを直接測定することができる。
【００１３】
スプレーの特性評価を行なうための一般的な非イメージング手段は位相ドップラー測風法(ＰＤＡ)である(Naqwi, A.、J. Aerosol Sci.、１９９４年、第２５巻、１２０１〜１２１１ページ)。ＰＤＡを利用すると、液滴が検出領域を通過するときにその液滴の速度とサイズの両方を明らかにすることができる。測定は、集束した２本のレーザービームによって作られて検出領域を規定している干渉縞を液滴が通過するときのその液滴による散乱光を検出することによってなされる。３つの光検出器が散乱光の強度と位相を検出し、差分計算によって液滴のサイズを明らかにする。GomezとTangは、ＰＤＡを利用し、円錐ジェットモードについて、ヘプタンのエレクトロスプレーによって生成された液滴の分裂特性(Gomez, A.とTang, K.、Phys. Fluids、１９９４年、第６巻、４０４〜４１４ページ；Tang, K.とGomez, A.、Phys. Fluids、１９９４年、第６巻、２３１７〜２３３２ページ)と、水のエレクトロスプレーによって生成された液滴の分裂特性(Tang, K.とGomez, A.、J. Colloid and Interface Sci.、１９９５年、第１７５巻、３２６〜３３２ページ)を明らかにした。Olumeeら(Olumee, Z.、Callahan, J.H.他、J. Phys. Chem.、１９９８年、第１０２巻、９１５４〜９１６０ページ)は、ＰＤＡを利用し、メタノール−水の混合物について、液滴の動力学を明らかにした。ＰＤＡだけを利用したのでは個々のスプレーモードを区別することができない。というのもＰＤＡは、スプレーによって生成される全液滴のうち、空間内のある特定の１つの領域における僅かな割合しかサンプリングしないからである。例えばＰＤＡ検出領域がノズルの軸線からはずれた位置にある場合には、ＰＤＡによって小さな液滴しか検出されず、紡錘モードやパルス型円錐ジェットモードのより大きな液滴は見逃されることになる。
【００１４】
液滴のサイズを測定したり他のスプレー特性を明らかにしたりするのに他の方法が用いられている。その場合、移動度に基づいた非光学的方法が利用されている。De JuanとFernandez De La Mora(De Juan, L.とFernandez De La Mora, J.、J. Colloid and Interface Sci.、１９９７年、第１８６巻、２８０〜２９３ページ)は、差分移動度分析器を空気力学式サイズ分析器と組み合わせて利用し、ベンジルアルコールとセバシン酸ジブチルをベースとした多数の有機溶液のエレクトロスプレー液滴の電荷とサイズの分布を測定した。差分移動度分析器を、毛管ノズルから出るスプレーモードをモニターするための顕微鏡イメージングシステムと組み合わせて利用し、液滴表面の電荷を明らかにした。移動度分析器を通過する液滴を空気力学式質量分析器に入れ、サイズを分析した。空気力学式質量分析器は、液滴が超音速ジェットになるときの速度を測定することによってその液滴の直径を明らかにする。この方法を利用できるのは質量分析器に限定される。と言うのも、測定は破壊的技術であり、揮発性が限られた移動相に限定されるからである。ＰＤＡの場合と同様、これら非光学的方法では、個々のスプレーモードを直接判定することができない。
【００１５】
様々なスプレーモードにおける振動とパルシングが、スプレー電流を直接モニターすることにより、多数の研究グループによって検出されている。そのような研究グループの中には、JuraschekとRollgen(Juraschek, R.とRollgen, F.W.、Int. J. Mass Spectrom.、１９９８年、第１７７巻、１〜１５ページ)およびVertesら(Carney, L.、Nguyen, A.他、「質量分析とそれに関連した話題に関する第４９回年会のプロシーディング」、２００１年)が含まれる。この構成では、図９Ａ、９Ｂに示すように、ノズルに供給されるスプレー電流(図９Ａ)または対向電極において検出されるスプレー電流(図９Ｂ)がオシロスコープに送られて周波数分析される。JuraschekとRollgen(Juraschek, R.とRollgen, F.W.、Int. J. Mass Spectrom.、１９９８年、第１７７巻、１〜１５ページ)は、低周波数(１０〜５０Ｈｚ)と「高」周波数(１．５〜２．５ｋＨｚ)のパルスを観察し、周波数が流速と移動相の組成にどのように依存しているかを明らかにした。イオン信号の強度を質量分析法によって同時にモニターした。最大の信号強度は、円錐ジェットモードで観察された。この論文の著者は帯域幅の広い検出システムを維持しようと大いに努力したが、この方法では、紡錘モードとパルス型円錐ジェットモードによって生成されたより大きな液滴の比較的低周波数の振動しか観察できない。現在の測定技術は、残念なことに帯域幅にもともと制約があり、高周波数(５０〜１００ｋＨｚ超)の事象を区別することは明らかに不可能である。その理由は、より高周波数の事象は一般にピコアンペア領域ではより少ない電流しか運ばず、従って、検出用電子回路により大きな利得が必要とされることにある。電流増幅器により大きな利得が要求されると帯域幅が制限されることになる。システムの帯域幅は、毛管ノズルの中や毛管ノズルと対向電極の間に浮遊容量が存在していることによっても制限される。論文の著者は、この方法によると光学的顕微鏡を用いてスプレーモードを判定する必要がなくなると示唆しているにもかかわらず、この方法で観察される振動の最大周波数は５ｋＨｚよりもはるかに小さい。より大きなパルシング周波数が可能であり、十分に起こり得ることが知られている。この方法では、スプレーの特性が不十分にしか明らかにされない。
【００１６】
所定の組成になった移動相に関し、スプレーを最適化するというのは、一般に、流速と電場の電位(電圧)を調節し、望ましいスプレーモード(それはたいてい円錐ジェットモードである)を発生させて維持する問題である。移動相の組成は、一般に、自由に調節できるパラメータではない。と言うのも、目的とする用途によって一般に化学組成が特定の範囲に指定されるからである。例えばＬＣ−ＭＳでは、移動相は、一般にアセトニトリルと水、および痕跡量(０．００１〜１％)の酸(例えばギ酸、酢酸、トリフルオロ酢酸)の混合物からなる。薄膜を堆積させるためにエレクトロスプレーを利用する場合には、移動相の化学組成も同様に固定されている。化学組成がこのように固定されていると、特定の直径になったノズルでは限られた範囲の印加電圧と流速にわたって円錐ジェットモードしか発生しない。質量分析では、円錐ジェットモードまたはそれと同様のモードにほぼなるようにすることを目的として電圧を最適化するための確立された方法は、質量分析器で検出されるイオン信号の強度を観察しながら電圧を調節するというものである。市販されている多数の装置は、質量分析によって観察される最大のイオン強度に基づき、スプレー電圧を自動的に調整することができる。
【００１７】
全スプレー電流または特定のイオン電流に基づいた最適化法により、移動相の化学組成に強く依存した信号が発生する。スプレーによって生まれるスプレー電流とは完全に独立な調整法、またはイオン電流に垂直ではなくともそのイオン電流とは完全に独立な調整法が存在していることが望ましい。
【００１８】
イオン電流またはスプレー電流の最適化法は、多くの場合に不十分である。特に液体クロマトグラフィによって供給されるサンプルを用いて操作するとき、意味のある調節を行なうのにイオン強度が不十分であることがしばしばある。あるいはノイズのピークと関係したイオン信号を間違って選択したり最大化したりすると、背景ノイズを最大化してしまい、観察可能な分析物のイオン信号の量が実際に低下する。ＬＣ−ＭＳにおけるこの状況は、勾配溶離条件のもとで操作を行なうときには移動相の化学組成が大きく変化するという事実によってさらに複雑になる。勾配溶離クロマトグラフィでは、移動相の組成は、一般に、１つの移動相の組成から別の移動相の組成へと勾配をなしている。例えば分析操作を開始したとき、移動相はアセトニトリル５％と水９５％の組成から出発し、最後は逆転してアセトニトリル９５％と水５％になっている可能性がある。スプレー電圧を調節して操作開始時に円錐ジェットモードが発生するようにすると、アセトニトリル９５％の混合物では表面張力がはるかに小さいため、操作が終了するときまでにこのモードが不安定なマルチジェットモードになっている可能性が大きい。同様に、操作終了時に円錐ジェットモードになるように電圧を調節する場合には、開始時のモードは滴下モードまたは紡錘モードであろう。実際には、操作の途中で円錐ジェットモードが維持されるようにし、開始時と終了時における性能を犠牲にするという妥協を行なうことがしばしばある。従って、円錐ジェットモードになっているための条件は、操作の終了時において異なっているだけでなく、操作中も連続的に変化している。従って、勾配全体を通じて円錐ジェットモードを維持しようとするのであれば、操作中に、印加するスプレー電圧も変化する必要がある。
【００１９】
流速は、容易に調節できないことがしばしばある別のパラメータである。例えばＬＣ−ＭＳでは、所定の実験に関する移動相の流速は特定の範囲内で固定されていることがしばしばあり、その値は、実行しているクロマトグラフィのタイプによって決まる。勾配クロマトグラフィと組み合わせると、移動相の流速は変化することができるため、円錐ジェットモードを維持するためにはスプレー電圧をやはり調節せねばならないのが一般的である。
【００２０】
この好ましくない状況に対処するための従来の試みは、主として、エレクトロスプレーノズルの幾何学的形状に関するものであった。従来技術のほとんどは、シースガスまたはシース液体を使用すること、毛細管式スプレーノズルのサイズと尖り具合、あるいはその両方の組み合わせに注目している。たいていの方法では、特定のスプレーモードを決めて制御することを試みるのではなく、所定のスプレーモードで生成された大きな液滴の望ましくない側面を除去しようとしている。
【００２１】
米国特許第4,935,624号では、毛管ノズルを取り囲む加熱したシースガスが感度にとって好ましい可能性があることが指摘されている。米国特許第5,349,186号によると、シースガスを加熱することは、主として水からなる液体をスプレーするときに特に好ましい。これら特許は、シースガスが存在しているときに液滴のサイズを小さくすることで性能を向上させることに関係している。米国特許第5,306,412号と第5,393,975号の両方には、三重の層になったノズルを使用することが記載されている。この場合、液体および／またはガスは、毛管ノズルと同軸になるように使用することができる。ここでも、シースガスを付加することで、より大きな液滴を生成させるモードの効果を小さくすることができる。さらに、シース液体を用いて移動相の表面張力を制御することができる。従って、表面張力を低下させる化学物質を移動相に添加することにより、液滴のサイズを小さくし、感度を向上させる。キャピラリー電気泳動を質量分析と組み合わせるためにエレクトロスプレーを利用する場合に不安定になる化学作用に対処するための同様の方法が、Smithらによって開示されている(米国特許第5,423,964号)。
【００２２】
米国特許第5,115,131号、第5,504,329号、第5,572,023号には、毛管ノズルのサイズを小さくすると、スプレーの性能、従って、スプレーの感度を向上させ得ることが記載されている。米国特許第5,504,329号には、ノズルのサイズをミクロンのオーダーまで小さくすると幅広い化学組成物をうまくスプレーできる可能性のあることが記載されている。発明者は、感度の向上を、流速とノズルの直径の両方が小さくなったことによる液滴サイズの低下と関係づけている。
【００２３】
Moonら(米国特許第6,245,227 B1号と米国特許出願第2001/0001474 A1号)は、幾何学的形状が制御されたノズルを製造するのに平坦な基板へのリトグラフ製造技術を利用すると、流速の小さなエレクトロスプレー操作ができる可能性のあることを記載している。Moonらの方法では、ノズルの出口における電場の大きさを制御して大きくするため、補助的な基板電圧を利用している。この構成では、ノズルに印加する電圧は、移動相に印加する電圧と異なっている。電場が大きくなるとおそらく液滴が小さくなり、感度が向上する。発明者は、ノズルの基板と一体化したスプレー特性センサーを用いてノズルの電圧を制御するというシステムを記載している。彼らは、スプレーモードを判定して制御するためのこのようなシステムをどのようにして実現し、構成し、使用するかについては開示していない。
【００２４】
Corsoらは、米国特許出願第2002/0000517 A1号において、感度が向上した同様のノズルの製造法と利用法を開示している。Corsoらはまた、マルチジェットモードになっているときに単一のノズルから出るスプレージェットの数に関係したエレクトロスプレー信号の増大についても記載している。発明者は、ある固定された移動相の化学組成について、ノズルの表面に形成された各ジェットで信号が増大することを観察しているが、そのようなマルチジェットをどのようにして単一のノズルで能動的に制御することができるかについては記載していない。発明者は、この限界を解決するため、各々のが１つの円錐ジェットモードを支持する複数のノズルを製造して利用している。
【００２５】
移動相組成物の化学組成と流速を変えることができるような用途では、変化する実験条件のもとで性能をうまく発揮することのできる、エレクトロスプレーをベースとしたシステムが必要とされる。それは、理想的には、移動相の化学組成や流速に関係なく特定のスプレーモードを確立して維持することのできるシステムであろう。さらに、スプレーによって発生するイオン電流とは完全に独立に自己最適化と自己修正ができるシステムが望ましい。従来技術では、様々な移動相の組成と流速に対して自己調整ができると同時に、所定のスプレーモードを確立して維持できるシステムはまったく提供されない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
本発明は、エレクトロスプレーノズルから出る流体の動的形状または静的形状をモニターし制御するためのサブシステムを用いることにより、エレクトロスプレー法の安定性を制御する公知の方法を改善する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
エレクトロスプレーノズルから出る流体の形状をモニターするための方法が、エレクトロスプレー法によって発生するイオン電流とは直接関係しない方法であることが重要である。この点に関し、本発明を実現する際に用いるモニター法は、イオン電流に直角な方法になっていて、形状をモニターするために用いるインディケータがイオン電流の関数にならないことが好ましい。本発明で用いるこの直角法は、もちろん、モニターしているエレクトロスプレーノズルから出る材料の様々な化学組成によって影響されないもの、あるいはこの化学組成から僅かな程度しか影響を受けないものである必要もある。このようなモニターシステムは、上に説明した問題点がないことに加え、制御用のイオン電流モニターシステム(例えば質量分析器)が不要であるという利点をさらに持っている。従って、本発明は、エレクトロスプレー質量分析に直接関係しない分野に応用できる。
【００２８】
直交性という上記の要求は、光学的感知、検出法によって満たされることがわかった。従って、本発明により、以下のような特徴を有するフィードバック制御サブシステムが提供される。
(１)エレクトロスプレーノズルから出る液体と交差するフォーカシング用光学系を備える光源。このような光源としてはレーザーや発光ダイオードなどが挙げられるが、これだけに限定されるわけではない。
(２)散乱光と透過光の両方のパターンを検出するための１つ以上の光学検出器。このような光学検出器としては直線状フォトダイオードアレー、ＣＣＤまたはＣＭＯＳのアレー、一連の互いに独立なフォトダイオードなどが挙げられるが、これだけに限定されるわけではない。検出器には、オプションとしてイメージング用のハードウエアが含まれていることがある。
【００２９】
(３)光電子信号を電子信号に変換するための電子的検出、増幅システム。
(４)上記素子群から発生した信号を解釈するためのコンピュータシステムまたはマイクロプロセッサシステム。
(５)エレクトロスプレーの電場を制御するためのコンピュータシステムまたはマイクロプロセッサシステム。このコンピュータシステムまたはマイクロプロセッサシステムは、信号解釈システム(４)と通信を行なう。電場の制御は、対向電極に対してノズルを移動させること、またはノズルに印加する電圧を変化させることによって実現することもできる。
【００３０】
光電子信号を電子信号に変換するための電子的検出、増幅システムは、場合によっては光学的検出器やコンピュータの１つに組み込んだり、独立した素子にしたりすることもできる。
(４)と(５)のコンピュータまたはマイクロプロセッサは、場合によっては単一のコンピュータまたはマイクロプロセッサに統合することもできる。
【００３１】
システムには必要に応じてさらに別の素子が含まれていてもよい。例えば光学的検出器からの信号を処理し増幅することが必要であったり適切であったりする場合に、その信号を処理し増幅するための素子が挙げられるが、これだけに限定されるわけではない。このような追加の素子は、例えば光学的検出器がフォトダイオードである場合に使用される。
本発明の制御システムは、静的制御システム、動的制御システム、ハイブリッドシステムのいずれの構成にすることもできる。
【００３２】
図１０に示すように、静的制御システムでは、信号解釈システムが、エレクトロスプレーノズルから出る円錐状、ジェット状、プルーム状の液体の瞬間的な描写、あるいは時間軸上の一点の描写(すなわちスナップショット画像)を与える情報パターンを発生させる。この構成だと、空間情報を伝える検出用電子回路が必要とされる。
この検出システムの時間応答は比較的遅く、例えば約０．１秒〜約１分になる可能性がある。
【００３３】
図１４に示すような動的制御システムでは、迅速な検出と制御を行なう電子回路(例えばフォトダイオードなど)を使用し、エレクトロスプレーノズルから出る液体の形状をリアルタイムに調べる。例えばエレクトロスプレー法では、エレクトロスプレーノズルから出るバルクの液体が変形して(壊れて)ジェットになり、さらに細かい液滴群(すなわちミクロン以下〜ミクロンというサイズの液滴群)になる。液滴の生成は、メガヘルツという速い時間スケールで起こる。動的制御システムは、液滴の生成周波数とスプレーモードのパルシング周波数のいずれか、またはその両方を測定し、制御することができる。
【００３４】
動的な方法では、時間情報を大量に伝える電子回路が使用される。このシステムは、複数の検出器からなるアレーではなく、単一の検出器で構成することができる。
静的な方法では、液体ジェットとプルーム状液滴の全体形状を利用して制御を行なう。動的な方法では、液滴の生成速度またはスプレーモードのパルシングを利用して制御を行なう。
【００３５】
図１７に示すように、静的制御法と動的制御法の両方の特徴を組み合わせたハイブリッドシステムを提供することも本発明の範囲に含まれる。
各システムは、操作者がシステムの最適動作条件を教えるというエキスパートシステム-フィードバック制御を利用することができる。次に、フィードバックシステムは変数を制御し、検出システムの出力が最適な性質を持つようにする。このようにして制御システムは、望むスプレーパターンまたは液滴生成信号になった状態に「固定してそこからはずれないようにする」。イオン電流のモニター装置に接続されたフィードバック制御システムを用いて自己学習システムを構成することもできる。
【００３６】
静的制御システム
本発明の静的スプレーモード制御システムには、「機械による視覚」システムを利用することが含まれる。この場合、画像の取得と分析を行なうコンピュータが、直接的な実測定または比較分析を通じてスプレーモードを判定する。この機械による視覚システムが、フィードバックループの中心となる。このフィードバックループでは、制御アルゴリズムを用いて実験パラメータを調節することにより特定のスプレーモードを実現し、そのモードが維持されるようにする。
【００３７】
図１０に示すように、静的制御システムの好ましい一実施態様は、コンピュータ制御された高電圧源と、照射用の適切な光源と、ディジタルコンピュータ取得に適した画像を生成させることのできるビデオ顕微鏡イメージングシステムと、ディジタル画像取得のためのコンピュータと、スプレーモードを判定するための適切な画像解析アルゴリズムと、望むスプレーモードを維持するための適切な制御アルゴリズムとを備えている。
【００３８】
図１０に示すように、毛管ノズルの出口に発生したエレクトロスプレーエアロゾルは、光源によって照射され、顕微鏡を備えたＣＣＤカメラで画像が撮影される。強力な光源は、コントラストが最適になるとともにエアロゾルになった液滴による光の散乱が最適になるよう、位置とフォーカスが定められている。コンピュータがエアロゾルの画像を取得して分析し、エアロゾルの形状が最適になるよう、ノズルに接続された高電圧を必要に応じて調節する。
【００３９】
図１１Ａに示すように、適切な光源からの光をフォーカスさせ、強力な光ビームが、カメラシステムによって撮影される視野全体に当たるようにする。適切な焦点距離のレンズ系を用いて光をフォーカスさせ、直径がカメラの視野と少なくとも同じ大きさのほぼ平行な光線束にする。カメラの視野は、ノズルの平面内にあってノズルの軸線とは垂直であることが好ましい。
【００４０】
図１１Ｂに示すように、イメージングシステムの光軸に対して入射する光ビームの角度を調節することで、エアロゾルによって散乱される光の強度が最大になるようにするとともに、背景照射の強度が最小になるようにする。実際上は、９０°〜１６０°の角度が適切であることがわかった。１００°〜１３０°の角度が好ましく、１１０°〜１２０°の角度が特に好ましい。また図１１Ｃに示すように、透過光を照射することも可能であろう。この構成では、滴下モードと紡錘モードを画像化する性能は向上するが、プルーム状エアロゾルの画像化能力は低下する。
【００４１】
図１２は、ビデオ顕微鏡システムから提供される画像を画像処理することに基づいた基本的制御システムのブロックダイヤグラムである。実測定を利用してスプレーモードを制御するためには、スプレーモードアルゴリズムによって画像の定量的測定を行なうことでスプレーモードをアプリオリに判定できるようになっていなくてはならない。後出の実施例１では、モード判定のためのアルゴリズムは、画像の形状分析に基づいている。このアルゴリズムは、図１３に示すように画像を興味のある複数の領域(ＲＯＩ)に分割し、各ＲＯＩに含まれるエッジの数を明らかにする機能を有する。以下に示す表１には、プルーム状スプレーが暗い背景の中に白く浮き上がるようにするためスプレーを下方から照射したとき、各領域で見いだされたエッジの数が示してある。この実施例ではパルス式ではなく連続的な照射を行なっているため、紡錘モードとパルス型円錐ジェットモードを容易に区別することはできない。好運なことに、この場合にシステムが望ましい円錐ジェットモードを発見して維持することは妨げられない。各ＲＯＩに含まれるエッジの数に基づき、電圧を上昇させたり、低下させたり、変化させなかったりする。実施例１では、制御アルゴリズムは、円錐ジェットモードを生成させて維持するように設計されている。他のモードを維持するように制御アルゴリズムを変更し、マルチジェットモードにおけるジェットの数を制御することなどもできよう。
【表１】
2004534354.tif 000003
【００４２】
後出の実施例１の変形例４では、エッジ検出アルゴリズムの代わりにパターンマッチングアルゴリズムを用いる。この方法では、得られるスプレー画像を参照画像のライブラリと比較し、最適な画像を見つける。この最適な画像に基づき、電圧を上昇させたり、低下させたり、変化させなかったりする。このアルゴリズムは、望むスプレーモードが何であれ、それを維持するような構成にすることができよう。このシステムが動作するためには、モードのライブラリは、まず第１にモード検出アルゴリズムが定量的な比較を行なうことが可能な構成になっている必要がある。
【００４３】
本発明によれば、上記の基本システムに対する様々な変形例が可能である。例えば、様々な移動相供給システム、様々なサイズとタイプの毛管ノズル、様々なタイプの光源、モードの判定と制御を行なう様々なアルゴリズムにすることなどが考えられる。電圧を固定したままにしてノズルと対向電極の距離を変化させることにより、ノズルの位置における電場の大きさを制御することも可能である。
【００４４】
このシステムは、高電圧を導電性のあるノズルに直接印加すると動作するであろう。高電圧を対向電極に印加し、ノズルはグラウンド電位に維持するという構成も適している。電気的接触は、「ジャンクション」スタイルの構成で実現することもできる。この場合、電圧の印加は、ノズルの上流に位置する電極を通じて移動相に対して直接なされる。そのため、導電性のないノズルを用いることが可能になる。適切なノズルとしては、金属(鋼鉄、ステンレス鋼、白金、金など)、絶縁体(溶融シリカ、ガラスなど)、金属で被覆した溶融シリカまたはガラス、ポリマー(ポリプロピレン、ポリエチレンなど)、導電性ポリマー(ポリアナリン、カーボン添加ポリエチレン)で製造したものが挙げられる。適切なノズルとしては、内径(ＩＤ)、外径(ＯＤ)、テーパーの形状が様々なものが可能である。ＯＤは、対応する適切なＩＤを有するのであれば、１〜１０ｍｍから１〜１０μｍの範囲の任意の値が可能である。ＯＤが１ｍｍ未満のノズルが好ましい。ＯＤが２００μｍ未満のノズルがより好ましく、ＯＤが０．１〜１００μｍ未満のノズルが特に好ましい。
【００４５】
このシステムに対する適切なイメージング検出器としては、電荷結合素子(ＣＣＤ)、電荷注入素子(ＣＩＤ)、相補型金属酸化物(ＣＭＯＳ)に基づく検出器を備えたディジタル画像カメラなどが挙げられる。同様の多くのタイプのイメージング-ビデオカメラも適している。例えば、ビジコン管に基づいたもの、マイクロチャネルプレートをベースとしたイメージ増強管を利用したものなどが挙げられる。適切なカメラとしては、従来のビデオ速度で動作するタイプのものや、ディジタル写真フィルムのように「遅い走査」モードで動作するものが可能である。非常に短い時間(０．１〜１０マイクロ秒)での露出が可能なカメラも適している。このカメラだと、場合によってはパルス式光源を用いなくてもよい。カメラとコンピュータの適切なインターフェイスとしては、ビデオ速度のカメラ用のフレームグラバ、ネットワークインターフェイス、直接ディジタルインターフェイス法などがある。
【００４６】
カメラの適切なレンズ系としては、従来型またはズーム式のマクロレンズ、あるいは顕微鏡光学系などが挙げられる。最適なレンズ系は、カメラによって撮影される視野に、ノズルの端部と、紡錘、円錐、ジェットの全領域と、プルーム状エアロゾルの一部が含まれるものである。様々な拡大法が可能であるが、最良の選択を行なうには、特定の幾何学的形状をしたノズルに合わせる必要がある。最適な視野は、ノズルのサイズと移動相の流速に直接関係している。
【００４７】
連続照射を行なうための適切な光源としては、水銀またはキセノンのアークランプ、従来型のタングステンハロゲンランプ、レーザーなどが挙げられる。適切なタイプのレーザーとしては、光検出器にとって適切な波長で動作する固体ダイオードレーザーや、ガスレーザー(例えばヘリウム−ネオン、アルゴン)などが挙げられる。ＵＶ領域の光、可視光、近赤外光はすべて適切であるが、可視光(３００〜７００ｎｍ)、近赤外光(７００〜１５００ｎｍ)が好ましい。パルス式またはストロボ式の適切な光源としては、クオーツフラッシュランプ、パルス式レーザー(チタン-サファイアレーザーまたはダイレーザー)、パルス式固体ダイオードレーザー、パルス式発光ダイオード(ＬＥＤ)などが挙げられる。
【００４８】
光は、シングルモードまたはマルチモードの光ファイバーまたは光ファイバー束から供給することもできる。光ファイバーは特に便利である。と言うのも、光源をスプレー装置から遠く離しておくことができるからである。特に有用なのは、「ピッグテール」形に配置した光ファイバーと直接カップルしたダイオードレーザーである。このようにすると、よりコンパクトで効率的な装置設計が可能になる。光ファイバーを用いて光を供給すると、ファイバーアレーを作るのが容易にもなる。複数のファイバーから光を供給すると、円錐状、ジェット状、プルーム状になった複数の領域を同時に調べることが可能になる。様々な光源からの光は、従来型の屈折ガラスまたはプラスチック製レンズを用いてフォーカスさせることができる。また、光は回折光学系またはフレネル光学系を用いてフォーカスさせることもできる。回折光学系を用いると、光がスプレーと相互作用する場所で十分な制御を行なうことが可能になり、「シート状」の光を発生させてスプレーの多数の領域を同時に調べることが可能になる。
【実施例１】
【００４９】
テーパーがついていて金属で被覆された溶融シリカ製である毛管ノズル(ＯＤが３６０μｍでＩＤが７５μｍのチューブであり、先端部のＯＤが３０μｍになるように製造)を、シリンジポンプに接続した。このシリンジポンプは、移動相(メタノール５０％と酢酸２％の水溶液)を１００ｎｌ／分〜２μｌ／分の流速で供給する。コンピュータ制御された高電圧(ＨＶ)電源の出力(０〜５ｋＶ)を、金属で被覆したノズルに接続した。このノズルは、グラウンド電位に接続された直径１ｃｍの金属製「グランドプレート」と垂直な配置になっていた。プレートと毛管ノズルの距離は、１〜２０ｍｍの範囲で調節可能であった。
【００５０】
ＣＣＤカメラに基づいた顕微鏡(倍率は約１００倍)を毛管ノズルの上方に配置し、毛管ノズルとそこから出るプルーム状エアロゾルの画像が得られるようにした。ＣＣＤカメラの出力は、ＨＶ電源を制御しているのと同じコンピュータ内にある画像取得カードに接続した。毛管ノズルの下方では、約２０°の角度で光ファイバー束が約１５０Ｗの光をタングステンランプから供給し、毛管ノズルとプルームを照射した。この照射システムは暗い背景を生成させるため、プルーム状スプレーを散乱した白色光として目で見ることができた。
【００５１】
ＣＣＤカメラが生成する画像データを連続的に解析してＨＶ電源をリアルタイムで制御するコードを含むプログラムをインストールし、制御用コンピュータ上を実行した。このプログラムは、画像内にプルーム状エレクトロスプレーが存在することとそのタイプを判定し、スプレー電圧を調節して好ましくない条件を補償するアルゴリズムを含んでいた。このアルゴリズムは、画像を取得してその画像を４つの異なる領域に分割することからなり、プルーム状エレクトロスプレーが存在している場合にそのプルーム状エレクトロスプレーによって散乱された光に対応する画像内に「明るい」領域が存在しているかどうかを判定することができた。４つの領域は、毛管ノズルの軸線に垂直な平行線によって区画された。各々の領域では、各領域に含まれるエッジ(明から暗への変化)の数を明らかにするエッジ検出アルゴリズムを使用した。領域１はノズルに最も近く、領域４はノズルから最も遠い。各領域に含まれるエッジの数を数えることにより、エレクトロスプレーのどのモードであるかを明らかにすることができた。望ましい「円錐ジェット」モードのための最適スプレー条件が何であるかを経験的に調べたところ、領域１と領域２で２つのエッジが生成し、領域３と領域４にはエッジがないという状態だった(すなわち背景ノイズ)。これは、動作電圧が正確であったことを意味する。領域３と領域４で２つのエッジが検出された場合には、動作電圧が低すぎると判断し、電圧を上昇させた。領域１と領域２に３つ以上のエッジが検出された場合には、動作電圧が高すぎると判断し、電圧を低下させた。
【００５２】
シリンジポンプを用いて液体の流速をまず２５０ｎｌ／分にした後、コンピュータシステムを初期化して安定なエレクトロスプレーを確立するシークエンスを開始した。ＨＶを最初は１０００Ｖに設定し、最初の画像を取得した。上記のアルゴリズムを利用し、領域１と領域２でエッジが検出されない場合には電圧を２００Ｖだけ上昇させ、別の画像を取得した。領域１と領域２に２つのエッジが確立するまで、このプロセスを繰り返した。始動段階の後、上記のアルゴリズムを用いて４つの領域すべてを分析した。１秒に約２枚の画像という速度で画像を取得し、分析した。この「微調整」段階を実行するため、電圧を５０Ｖの単位で調節して最適スプレー条件を維持した。ノズルの先端部をグランドプレートから約５ｍｍのところに位置させた状態にし、１４００Ｖにおいて安定なスプレーを確立し、維持した。
【００５３】
流速を２μｌ／分に増加させ、動作電圧を上昇させた。流速が増加するにつれ、ノズルの先端部から放出される液滴がより大きくなり、「滴下モードまたは紡錘モード」として知られる液滴流が生成した。この液滴流は、領域３と領域４においてエッジとして検出された。領域３と領域４に２つのエッジを有する各画像を取得するため、動作電圧を５０Ｖだけ上昇させた。取得の約３０秒後、電圧を２１００Ｖまで上昇させたところ、領域３と領域４において大きな液滴はもはや検出されず、プルームが円錐ジェットモードに戻った。
【００５４】
流速を１００ｎｌ／分に低下させ、動作電圧を低下させた。流速を低下させるにつれ、単一の円錐ジェットモードがマルチジェットモードに変化した。マルチジェットモードは、上記アルゴリズムによって領域１または領域２における３つ以上のエッジとして検出された。この結果を受け、動作電圧を５０Ｖだけ低下させた。約４分後、流速が安定し、動作電圧を１６００Ｖに低下させると、プルームが円錐ジェットモードに戻った。
このシステムでは、数時間の連続動作期間にわたって流速の変化を繰り返すことと、スプレー電圧を最適条件に調節することができた。
【実施例２】
【００５５】
実施例１の装置を変更し、シリンジポンプの代わりに勾配液体クロマトグラフィ(ＬＣ)システムを利用した。このシステムは、移動相の組成を操作中に変化させることができた。溶媒Ａは、アセトニトリル１０％とギ酸０．１％を含む水溶液からなる。溶媒Ｂは、アセトニトリル９０％とギ酸０．１％を含む水溶液からなる。液体クロマトグラフィシステムは、移動相組成物を調節して２つの溶媒の任意の組み合わせにすることができ、１〜３００分の範囲の任意の時間スケールにおいて、組成物中で溶媒Ａから溶媒Ｂへの線形な勾配を生み出すことができた。
【００５６】
流速を５００ｎｌ／分という一定値に固定し、ＬＣシステムが溶媒Ａを供給するように設定した。コンピュータ制御システムを初期化し、２１００Ｖにて安定な円錐ジェットモードを確立し、維持した。１０分かけて移動相組成物を溶媒Ｂへと線形に変化させた。アセトニトリルの割合が増加する方向へと移動相の組成が変化するにつれ、表面張力がどんどん低下していった。どの時点でも円錐ジェットモードがマルチジェットモードに変化することができた。その結果、領域１と領域２に３つ以上のエッジが現われた。この結果を伴う画像が得られるたびに動作電圧を５０Ｖだけ低下させた。従って、移動相の組成が変化していくとき、スプレーは９０％以上の時間にわたって円錐ジェットモードになり、マルチジェットモードになるのは１つ以上の画像取得期間においてだけである。勾配の最後には１７００Ｖにて安定な円錐ジェットモードが維持された。
【００５７】
移動相の組成は思いのままに変化させることができた。ただし、円錐ジェットモードを維持するためにシステムを連続的に応答させた。
【００５８】
変形例１
実施例１または２の方法と装置をさらに洗練させ、各領域で見いだされたエッジ間の距離に関する情報を含むようにすることができた。この距離情報は、可能なエレクトロスプレーモード各々のをさらによく定義づけるとともに、現在の動作条件が最適な円錐ジェットモードからどれくらい離れているかの示唆を与える。マルチジェットモードから生じたであろうさらに別のエッジが領域１または領域２に見いだされた場合には、ジェットが離れるほど正確な動作電圧が最適な円錐ジェットモードから離れることになろう。従って、領域１または領域２において測定されたエッジの距離が離れているほど、動作電圧をより大きく低下させる必要があろう。このシステムは、数サイクルで円錐ジェットの動作電圧に到達するため、流速または組成物の変化に対してはるかに迅速に応答することができよう。
【００５９】
変形例２
実施例１の物理的装置はそのままにするが、コンピュータプログラムを変更し、パターンマッチングアルゴリズムの代わりにエッジ検出アルゴリズムにする。パターンマッチングアルゴリズムは、制御システムが利用できるようになる前に、所定の毛管ノズルにおけるプルーム状エレクトロスプレーの挙動の一般的なモードの各々のについて、参照画像ライブラリを取得する必要がある。この画像ライブラリは様々な流速と電圧で取得し、所定の毛管ノズルと移動相において可能なモードが納得できる量だけ含まれているようにする。各々の参照画像には、そのモードを望む円錐ジェットモードに近づけるのに必要とされる電圧変化を表わすインデックス値を割り当てる。円錐ジェットモードに対応する画像には、インデックス値としてゼロを与える。滴下モードと紡錘モードに対応する画像には、正のインデックス値を与える。パルス型円錐ジェットモードに対応する画像には、負のインデックス値を与える。マルチジェットモードに対応する画像には、負のインデックス値を与える。
【００６０】
画像パターンマッチング制御システムは、まず最初にＣＣＤカメラから画像を取得する。画像パラメータ(コントラスト、強度、ガンマなど)は、画像の品質が最大化されるように調節する。次に、規格化された空間領域相互相関スキームを利用し、取得された画像をライブラリの各画像と比較する。これは、当業者には周知のよく確立された画像比較法である。次に、相関係数の値が最大である参照画像のインデックス値を用いて制御電圧に影響を与える。
【００６１】
制御システムにおいてパターンマッチングアルゴリズムの代わりにエッジ検出アルゴリズムを用いた。それ以外は、連続制御システムにおける操作は実施例１におけるのと非常に似たものであった。
【００６２】
変形例３
変形例２のシステムを変更して異なるパターンマッチングアルゴリズムを使用することができた。空間領域相互相関スキームを用いる代わりに、テスト画像とライブラリの画像に対して高速フーリエ変換(ＦＦＴ)を適用することにより、画像相関を周波数領域で実行することができた。
【００６３】
変形例４
変形例３のシステムを変更して異なるパターンマッチングアルゴリズムを使用することができた。空間領域相互相関スキームを用いる代わりに「画像理解」技術を組み込んだ相関技術を利用して画像相関を実行することにより、各参照画像内の情報を解釈し、その情報を利用してテスト画像内で参照画像を見いだす。「画像理解」技術としては、幾何学的モデリングや不均一画像サンプリングなどが挙げられる。
【００６４】
変形例５
実施例１のシステムを変更することにより、光源が、６７０ｎｍで動作する強力な１０ｍＷのダイオードレーザービームを、プルーム状エレクトロスプレーの望む領域(約２ｍｍ2の面積)が十分に照射されるようにフォーカスさせることができた。
【００６５】
変形例６
変形例５の照明スキームと変形例４の画像相関アルゴリズムを利用し、パルス幅が０．１〜１マイクロ秒のパルス式レーザーを用いてスプレーの凍結フレーム画像をＣＣＤカメラに提供することができた。この方法によってよりシャープな画像を生成させ、スプレーモードを連続照明システムからの画像よりもうまく判定することができた。画像のＳ／Ｎ比をさらに改善するため、複数回の露出によって得た画像を平均することができた。この方法は、実施例１のエッジ検出アルゴリズムと変形例４のパターンマッチングアルゴリズムの両方でうまくいく。
【００６６】
変形例７
変形例６のシステムを変更し、パルス式レーザーシステムの代わりに、フラッシュの持続時間が約０．１〜１マイクロ秒である白色光ストロボ式クオーツフラッシュランプを用いることができた。
【００６７】
変形例８
実施例１の装置を変更し、従来型のＣＣＤカメラの代わりに、露出時間を極端に短い１〜１０マイクロ秒にできるユニットを用いることができた。このシステムは、パルス式光源を用いてスプレーモードの凍結フレーム画像を得るのとは別の方法である。
【００６８】
動的制御システム
動的スプレーモード制御システムを最も簡単に実現するには、図１４に示すように、時間変化するスプレーの動力学を円錐状および／またはジェット状および／またはプルーム状になった領域において調べるために照明／光検出器を利用することがおそらく含まれる。適切な光源を用意し、直接的な実測定または比較分析のいずれかを通じてスプレーモードを明らかにするアルゴリズムを含む取得用コンピュータに対し、光検出器から信号が送られるようにする。このシステムがフィードバックループの中心となる。このフィードバックループでは、制御アルゴリズムが実験パラメータを調節し、特定のスプレーモードが得られて維持されるようにする。
【００６９】
図１４、１６に示すように、このような動的制御システムに対して基本的に要求されるのは、以下のようなものである。すなわち、コンピュータ制御の高電圧電源、照射用の適切な１つ(または複数)の光源、光を検出して信号処理を行なう増幅器、ディジタル信号取得用のコンピュータ、スプレーモードを判定するための適切な信号分析アルゴリズム、望むスプレーモードを維持する適切な制御アルゴリズムである。
【００７０】
図１５は、毛管ノズルの軸線に対する光源と光検出器の関係を示している。図２４Ａ(正面図)および図２４Ｂ(ノズルの軸線の方向から見た図)は、フォーカスされた光ビームが、ノズルに対してジェット領域または円錐ジェット領域と交差する状態にされている様子を詳細に示した図である。光検出器はフォーカスしたビームと同じ直線上で約１８０°の角度になった位置にある。図１６は、基本的な動的制御システムのブロックダイヤグラムである。
【００７１】
実施例３では、制御アルゴリズムは、フォトダイオードの信号中に存在する優勢な周波数成分を利用し、モード制御に必要な動作電圧を決定する。このシステムは、実際の測定結果に基づいて動作し、可能な最大の基本周波数が動作中に維持される。実施例３の変形例３では、周波数実測定アルゴリズムの代わりにパターンマッチングアルゴリズムが用いられる。このパターンマッチングアルゴリズムでは、システムは、まず最初に各々のスプレーモードに対応する参照波形群を教えられる。これらのシステムは、静的制御システムのエッジ検出アルゴリズムおよびパターンマッチングアルゴリズムと同様である。
【００７２】
基本システムには多くの変形例が可能である。その中には、様々な移動相供給システム、様々なサイズとタイプの毛管ノズル、様々なタイプの光源、モードの判定と制御を行なう様々なアルゴリズムにすることが考えられる。静的制御システムに適したノズルのデザインと高電圧印加に関する多数の変形例は、動的制御システムにも適用される。
【００７３】
適切な光源としては、水銀またはキセノンのアークランプ、従来型のタングステン-ハロゲンランプ、レーザーなどが挙げられる。適切なレーザーのタイプとしては、光検出器にとって適切な波長で動作する固体ダイオードレーザーや、ガスレーザー(例えばヘリウム−ネオン、アルゴン)などが挙げられる。ＵＶ領域の光、可視光、近赤外光はすべて適切であるが、可視光(３００〜７００ｎｍ)、近赤外光(７００〜１５００ｎｍ)が好ましい。光は、図２７に示すように、単一モードまたはマルチモードの光ファイバーまたは光ファイバー束から供給することもできる。光ファイバーは特に便利である。と言うのも、光源をスプレー装置から遠く離しておくことができるからである。特に有用なのは、「ピッグテール」形に配置した光ファイバーと直接カップルしたダイオードレーザーである。このようにすると、よりコンパクトで効率的な装置設計が可能になる。光ファイバーを用いて光を供給するとファイバーアレーを作るのが容易にもなる。複数のファイバーから光を供給すると、図２８に示すように円錐状、ジェット状、プルーム状になった複数の領域を同時に調べることが可能になる。様々な光源からの光は、従来型の屈折ガラスまたはプラスチック製レンズを用いてフォーカスさせることができる。また、光は回折光学系またはフレネル光学系を用いてフォーカスさせることもできる。回折光学系を用いると、光がスプレーと相互作用する場所で十分な制御を行なうことが可能になり、「シート状」の光を発生させてスプレーの多数の領域を同時に調べることが可能になる。
【００７４】
図１５および図２４Ａ、２４Ｂに示すように、適切な焦点距離のレンズ系を用いて光(例えばレーザービーム)をフォーカスさせ、回折が制限されたスポットにする。入射ビームはノズルと同じ平面にあり、ノズルの軸線とは垂直になっている。ビームの焦点は、ノズルから出る液体のジェットと一致する位置にある。ビーム位置またはノズル位置を変化させることによって焦点の正確な位置を明らかにし、信号の振幅が光検出器の位置で最大になるようにする。一般に、フォーカスされたスポットのサイズが小さくなるほど、検出器の位置における信号の強度が大きくなる。然しながら、スポットのサイズが小さくなるほど位置決めの精度を高める必要がある。
【００７５】
照射と検出を行なう上で適切な特別な幾何学的配置は多数あるが、好ましい一実施態様では、図２４Ａ、２４Ｂに示すように、共焦点光学的配置を利用する。この場合、光源からのフォーカスされた光円錐と、点状光検出器またはピンホール式光検出器の位置が一致する。共焦点照射、検出システムを用いると、焦点と一致しない焦点面からの光が除かれるため、検出器の位置における信号対雑音比を向上させるのに役立つ。
【００７６】
図２５に示すような共焦点式照明の別の実施態様では、落射スキームにおいて光源と検出器が共通の光路を有する。これは、共焦点光学系の当業者には周知の方法である。落射スキームでは、光源からの光をフォーカスさせるレンズも、散乱光を集めて検出器に供給する。光源と検出器はレンズの同じ側に配置し、集めた光をビームスプリッタを用いて検出器に送る。
【００７７】
適切な光検出器としては、光起電素子(例えば従来型のＰＮフォトダイオード、インジウム−ガリウム−ヒ素(InGaAs)フォトダイオード、ガリウム−ヒ素(GaAs)フォトダイオード)が挙げられる。逆バイアス-フォトダイオードやアバランシュ-フォトダイオードなどの変形例も適している。真空アバランシュ-フォトダイオードや光電子増倍管などの光放出検出器も適している。
【実施例３】
【００７８】
(動的制御)
テーパーがついていて金属で被覆された溶融シリカ製である毛管針を、シリンジポンプに接続する。このシリンジポンプは、移動相を１００ｎｌ／分〜２μｌ／分の流速で供給する。コンピュータ制御の高電圧(ＨＶ)電源(０〜５ｋＶ)を、針の表面の金属被覆に接続する。針は、グラウンド電位に接続された金属製「グランドプレート」に垂直な位置になっている。プレートと毛管針の距離は、１〜２０ｍｍの範囲で調節できる。
【００７９】
６７０ｎｍで動作するダイオードレーザービームの出力は、倍率５倍の顕微鏡用対物レンズを組み込んだレンズ系を通じてフォーカスさせる。ビームは、毛管針と、ＣＣＤをベースとした顕微鏡の光軸の両方に垂直になるようにする。さらに焦点を調節し、円錐ジェット領域のごく近傍で毛管針の先端部よりも僅かに先の位置にあるスプレーと交差するようにする。ビームを細く絞り、マルチジェットモードが起こっても検出可能な量の光が散乱されることはないようにする。時定数が１０ナノ秒の高速シリコンＰＩＮ検出器兼増幅器をレーザーの反対側に配置し、レーザービームとプルームが相互作用することによって生じる散乱光と透過光を集める。このフォトダイオード増幅器の出力を、帯域幅が１００ＭＨｚのオシロスコープに供給し、信号の増幅と処理を行なう。オシロスコープは、汎用インターフェイスバス(ＧＰＩＢ)インターフェイスを介してＨＶ制御用コンピュータに接続する。
【００８０】
オシロスコープが生成するデータを連続的に分析してＨＶ電源をリアルタイムで制御するためのコードを含むプログラムを制御用コンピュータで実行する。このプログラムは、オシロスコープが生成した周波数データに基づいてスプレーモードが存在しているかどうかとそのタイプを判定するアルゴリズムを含んでいる。このアルゴリズムは、固定された時間ブロック(一般に１〜１００ミリ秒)の間にオシロスコープからデータ流を取得する構成になっている。このデータ流は、高速フーリエ変換(ＦＦＴ)を利用して時間領域から周波数領域へと変換する。次に、得られた周波数スペクトルを分析し、ユーザーが規定した閾値よりも大きな信号対雑音比の周波数成分を探す。スペクトル中の優勢な周波数成分をエレクトロスプレーモードの指標として用いる。制御アルゴリズムの目標は、所定の流速で観察可能なできるだけ大きな周波数の信号をエレクトロスプレーに発生させることである。この分析、制御アルゴリズムは、非常に大きな振動数のパルス型円錐ジェットモードを発生させて維持するシステムを生み出す。
【００８１】
閉鎖ループ制御システムとして動作させるため、アルゴリズムにまず最初に自己較正を実行させ、毛管針と移動相の所定の組み合わせに対する動作電圧の限界を明らかにする。制御アルゴリズムを初期化する際、ＨＶ電圧を１０００Ｖに設定し、ユーザーが遅延期間を０．１〜１秒に設定した後に周波数スペクトルを取得する。電圧を５０〜１００Ｖ上昇させ、別の周波数スペクトルを取得する。優勢な基本周波数の増加がもはや観察されなくなるまで、このプロセスを繰り返す。次に、電圧を測定された最大周波数の値に設定し、次回はこの値を参照周波数とする。
【００８２】
初期化が終了すると、アルゴリズムは微調整モードに切り換わる。上記の参照周波数が操作中を通じて維持される。観察された周波数が閾値未満である場合には、電圧を１０Ｖだけ上昇させ、別の周波数スペクトルを取得する。スペクトル中に適切な周波数の値が観察されない場合には、動作電圧を１０Ｖだけ低下させ、別の周波数スペクトルを取得する。電圧を２００Ｖだけ低下させた後に適切な周波数の値が得られない場合には、アルゴリズムは初期化モードに切り換わり、適切なスプレーモードを再び確立する。参照周波数よりも大きな周波数が観察される場合には、動作電圧を１０Ｖだけ上昇させ、このより大きな新しい周波数の値を参照周波数にする。
【００８３】
実施例３、変形例１
実施例３の装置を変更し、オシロスコープの代わりに制御用コンピュータの内部にあるディジタル取得ボードを用いることができた。
【００８４】
実施例３、変形例２
実施例３の装置を変更し、シリンジポンプの代わりに勾配液体クロマトグラフィ(ＬＣ)システムを用いることができた。このシステムにより、移動相の組成を操作中に変化させることが可能になる。
【００８５】
実施例３、変形例３
実施例３の物理的装置を変更し、レーザービームが、すべてのエレクトロスプレーモード(マルチジェットモードも含む)について周波数成分の検出に適した領域をカバーするようにする。コンピュータプログラムを変更し、パターンマッチングアルゴリズムの代わりに優勢周波数アルゴリズムを用いることができる。このアルゴリズムは、所定のスペクトル中の観察可能な絶対周波数に対する感度を有するのではなく、周波数スペクトルに含まれるパターンに基づいている。
【００８６】
パターンマッチングアルゴリズムは、制御システムが利用できるようになる前に、所定の毛管針におけるプルーム状エレクトロスプレーの挙動の一般的なモードの各々のについて、参照画像ライブラリを取得する必要がある。このライブラリは、様々な流速と電圧で取得するのであれば、所定の毛管針と移動相において可能なモードを納得できる量だけ含むことになる。各々の参照スペクトルには、そのモードを望む円錐ジェットモードに近づけるのに必要とされる電圧変化を表わすインデックス値を割り当てる。円錐ジェットモードに対応するスペクトルには、インデックス値としてゼロを与える。純粋な円錐ジェットモードはほとんど振動しないため、これら周波数スペクトルはほとんど情報を含んでいない。滴下モードと紡錘モードに対応するスペクトルには、インデックス値として＋２５を与える。マルチジェットモードに対応するスペクトルには、インデックス値として−２５を与える。
【００８７】
スペクトルパターンマッチング制御システムは、まず最初にオシロスコープからのスペクトルを取得する。次に、規格化された相互相関スキームを利用し、得られたスペクトルをライブラリの各画像と比較する。これは、ディジタル信号取得の当業者には周知のよく確立された比較法である。次に、相関係数の値が最大になった参照スペクトルのインデックス値を用いて制御電圧に影響を与える。
【００８８】
制御システムにおいて、パターンマッチングアルゴリズムの代わりに周波数成分アルゴリズムを用いる。それ以外は、連続制御システムにおける操作は実施例１と同じである。
【００８９】
実施例３、変形例４
実施例３の装置を変更し、透過ビームからの信号を光ファイバーを介してフォトダイオードとカップルさせることができた。フォーカシング用レンズを用いて透過ビームからの光を集め、その光を効率的に光ファイバーに入れる。
【００９０】
実施例３、変形例５
図２６に示すように、実施例３の装置を変更し、第２のフォトダイオードを第１のフォトダイオードの近傍に配置することができた。次に、各フォトダイオードの増幅器の出力を作動増幅器に送る。次に、作動増幅器の出力をオシロスコープに供給する。この構成は、(１)光源に固有のノイズを除去し、(２)低振幅の信号に対して信号対雑音比を向上させることに役立つ。このようにすると、移動相の流速が遅い場合の操作が特に改善される。
【００９１】
実施例３、変形例６
変形例５の装置を変更し、２つの独立したフォトダイオードの代わりにスプリットフォトダイオード、すなわち区画されたフォトダイオードを用いることができた。複数のフォトダイオードを同じ場所に置くことにより、共通モード拒絶応答が改善され、光源に固有のノイズがさらに低減する。
【００９２】
ハイブリッド制御システム
すでに説明した静的制御および動的制御のための一般的なシステムには制約があるが、その制約には、独立な各々のシステムの素子を合体させると特にうまく対処することができる。言い換えるならば、各々のシステムには利点があり、互いにうまく補い合うことができる。
【００９３】
静的制御システムと動的制御システムのそれぞれは、他方には見られない利点を有する。例えばエレクトロスプレーの安定な円錐ジェットモードで利用するには静的制御システムのほうが動的制御システムよりも適している。と言うのも、このモードは、動的制御システムが作用を及ぼす周波数情報を発生させたとしてもほんの僅かだからである。他方、動的制御システムは、エレクトロスプレーのパルス型円錐ジェットモードで利用するのに非常に適している。生成したエレクトロスプレーパターンが安定なモードとパルス状モードの両方の特徴を有する場合、あるいは有する可能性がある場合には(すなわちモードのあいまいさ)、静的制御システムと動的制御システムを組み合わせることが好ましい。このような複合システムは、モード判定プロセスからあいまいさを取り去る。と言うのも、取得された各々の画像は、その画像に付随した周波数情報を有するからである。このようなシステムにより、パルス型円錐ジェットモードは、安定な円錐ジェットモードから容易に区別される。
【００９４】
静的な実施例１におけるように静的制御システムを連続照明と組み合わせて利用すると、高周波数のパルス型円錐ジェットモードと、本当に安定な円錐ジェットモードを区別することが困難になる可能性がある。動的な実施例３の動的制御システムを用いると、本当に安定な円錐ジェットモードを維持することが困難になる可能性がある。と言うのも、このモードは周波数成分を有するとしてもほんの僅かだからである。他方、動的システムは、パルス型円錐ジェットモードに対して特に敏感である。従って、各々の素子を組み合わせたシステムがあると、モードのあいまいさがないモード制御システムが得られる。
【００９５】
取得された各々の画像はその画像に付随した周波数情報を有するため、あいまいさがモード判定プロセスから取り除かれる。従って、パルス型円錐ジェットモードは、安定な円錐ジェットモードから容易に区別される。
【００９６】
ハイブリッドシステムを作るための基本的な方法は多数ある。第１の方法は、図１７に示すように、実施例１のビデオカメラに基づいた静的制御システムからの素子と、実施例３に示した動的制御システムの光検出器による周波数測定技術の単純な「線形の」組み合わせを作ることである。図１８は、光源および検出器が毛管ノズルの軸線に対してどのような相対位置になっているかを示している。図１９は、ハイブリッド制御システムのブロックダイヤグラムである。制御アルゴリズムは、静的システムの画像分析システムと、動的システムの周波数情報の両方からの情報を利用している。
【００９７】
図２０は、提案するハイブリッドシステムの図である。ここでは、フォトダイオードからの周波数情報を用いて光パルスを同期させる。この光パルスを用い、原因となる光パルスを生成させるスプレー事象に関係した特定の時刻において画像を取得する。ストロボ式光源のためのパルス回路とタイミング回路は、コンピュータの外部にある。図２１は、この実施態様における光源と検出器の関係を示している。この好ましい実施態様では、ストロボ式光源は、光検出器にフォーカスされた光を提供する光源に対して９０°になっている。このようにすると、システムの２つの部分の間のクロストークが減る。図２２は、この実施態様における制御システムのブロックダイヤグラムである。制御アルゴリズムは、静的システムの画像分析アルゴリズムと動的システムの波形分析の両方からの情報を取り入れることができ、両方のチャネルの情報に基づいて判定を下す。図２３は、制御システムの別の実施態様に関するブロックダイヤグラムである。ここでは、ストロボ式光源のためのパルスのタイミングがコンピュータによって制御される。
【００９８】
ハイブリッドシステムの好ましい別の実施態様では、動的検出のために利用する共焦点照明と検出システムを空間的に走査することでスプレーパターンの画像が構成されるようにする。これは、共焦点光学系の当業者には周知の方法である。ハイブリッドシステムに関するこの実施態様では、スプレーの画像を直接生成させるのにカメラを使用しない。同定システムからのフォーカスされたスポットを走査してスプレーの画像を点ごとに構成し、画像をディジタルに再構成する。
共焦点方式の照明と光学系は、例えばM. Minskyによる１９５７年の米国特許第3,013,467号から知ることができる。
【００９９】
ハイブリッドシステムは、この明細書に記載した静的な場合の実施態様の１つを、スプレーまたは液滴の特性評価に基づいた従来法と組み合わせて利用することによって構成することもできる。例えば実施例１の静的システムは、ＰＤＡと組み合わせることができる。このシステムにおいて静的分析を行なっている部分は、ＰＤＡだとサンプリング体積が限られているという欠点を解消する。
これらの方法のいずれも、独立な各々のシステムから発生する可能性のあるモードのあいまいさを取り除くのに役立つ。
【０１００】
この明細書に記載した個々の実施例は、エレクトロスプレーの円錐ジェットモードを発生させて維持するためのものであるが、分析と制御のためのアルゴリズムは、他のスプレーモードを生成させるように簡単に変更することができる。ＬＣ−ＭＳなどの用途では円錐ジェットモードが望ましいとはいえ、他の用途では、他のモードで動作することが有利である可能性もある。例えば特定の数のジェットがノズルの出口に常に存在しているようにするため、実施例１の静的方法を変更してマルチジェットモードが生成されるようにするのは容易である。動的システムまたはハイブリッドシステムは、液体を固体基板の表面に供給する静電スプレー法または静電液滴法を制御するのにも適している。薄膜のコーティングまたは堆積物を付着させるのにスプレーモードと液滴モードの両方で静電流体を供給する方法は、米国特許第5,326,598号、第6,149,815号、米国特許出願第2002/0003177 A1号から知ることができる。
【０１０１】
ここで図面を参照すると、本発明による静的制御の実施態様が図１０に示してある。この図を見てわかるように、毛管ノズル１には、移動相ポンプ２によって移動相が供給される。このポンプは、毛細管を通じて移動相をポンピングし、ノズルの開口部１１から放出する。高電圧電源３から電圧が電極４を通じて毛管ノズル１に印加される。質量分析器(図示せず)の入口に組み込むことができる対向電極５は、図示すように、「グラウンドされている」(すなわちグラウンド電位にされている)。毛管ノズル１と対向電極５の電圧差によって移動相が放出され、帯電した液滴６の連続流になる。これを今後は「エレクトロスプレー」と呼ぶ。光源７が、強力な光でエレクトロスプレー６を照射する。この光は、レンズ７１により、コントラストが最適になるとともに、エレクトロスプレーの液滴による散乱光が最適になるような位置にフォーカスされる。エレクトロスプレー６は、レンズ１２２を有する顕微鏡１２を通じて像を結び、画像がＣＣＤカメラ１３を通じてコンピュータ１４に送られる。コンピュータ１４は、エレクトロスプレーの画像を分析して高電圧電源３を調節し、毛管ノズルに印加する電圧を必要に応じて上下させ、エレクトロスプレーの最適な構成またはパターンを維持する。
【０１０２】
図１１Ａは、図１０のカメラ１３から見た視野１３１の拡大図である。この図からわかるように、エレクトロスプレーは、まず最初に毛管ノズル１からジェットの形態で放出され、そのジェットが壊れてプルーム状のエレクトロスプレー６になる。図示すように、光ビーム７１１は、レンズ７１を通じてフォーカスされ、カメラの視野１３１全体を照射する。
【０１０３】
光源は、顕微鏡の光軸よりも下方でこの光軸に対して角度ａ＋ｂが約９０°〜１２０°になった位置に存在することが好ましい。この角度は約１１０°であることが好ましい。このようにすると、図１１Ｂに示すように、「暗視野」照明が生まれる。従って、図１１Ｂに示すように、顕微鏡は、最適な制御を行なうため、光源から散乱された光だけを見る。
「明視野」照明が望ましい場合には、光源を顕微鏡のすぐ下に配置する。このようにすると、図１１Ｃからわかるようにカメラに対して透過光が供給される。
【０１０４】
本発明の静的制御システムでは、図１２のブロックダイヤグラムに示すように、モード分析アルゴリズムとモード制御アルゴリズムを用いてエレクトロスプレーの構成を調節し、制御する。コンピュータ１４は、適切なフレームグラバ２００と、コントラスト増大機能２０１と、モード分析アルゴリズム２０２と、モード制御アルゴリズム２０３と、電源３へのインターフェイス２０４と、ビデオディスプレイ２０５を備えている。カメラ１３が生成したテスト画像がフレームグラバ２００によってディジタル化され、その画像がコンピュータ１４のメモリに記憶される。コントラスト増大機能２０１は、画像の信号レベルに存在するノイズを最適化し、規格化し、低減させる機能を有する。画像の背景をゼロレベルと定義し、画像中の最も明るいレベルに最大レベルを割り当てる。コントラスト増大機能２０１によって増強された画像はモード分析アルゴリズム２０２に送られ、実測定に基づいて、あるいはテスト画像を画像ライブラリ中の参照画像と比較することにより、スプレーモードの判定が行なわれる。モード分析アルゴリズム２０２からのモード情報はモード制御アルゴリズム２０３に送られ、テスト画像が望むスプレーモードを表わしているかどうかが判定される。テスト画像が望むモードのものではないと判定された場合には、モード制御アルゴリズム２０３が、電源３から毛管ノズル１に印加される電圧をインターフェイス２０４を通じて調節する。モード分析アルゴリズム２０２からのモード情報は、ビデオディスプレイ２０５にも送られ、コントラスト増大機能２０１からのテスト画像が、モード分析アルゴリズム２０２の結果とともに表示される。次に、別のテスト画像がフレームグラバ２００によって取得され、分析と制御が繰り返される。
【０１０５】
好ましい実施態様では、スプレーモード分析アルゴリズムが画像の定量的測定を行ない、スプレーモードをアプリオリに判定する。これは、例えば画像を興味のある複数の領域(ＲＯＩ)に分割することによって実現できる。図１３には、毛管ノズル１からの放出距離が異なる興味のある別々の４つの領域２０、２１、２２、２３が示してある。次に、アルゴリズムが、興味のある各領域に含まれるエッジの数を明らかにする。興味のある各領域に見いだされたエッジの数に基づき、電圧を上昇させたり、低下させたり、変化させなかったりする。図１３に示した実施態様は、エレクトロスプレーがプルーム状の円錐ジェットになっている様子を示している。この場合、移動相が最初は円錐８の形態で放出され、次いでそれがジェット９の形態になり、さらにプルーム状のエレクトロスプレー６になる。
【０１０６】
本発明による動的制御の実施態様を図１４に示してある。この実施態様では、光源７が、レーザー光源からのように細く絞った光ビームを発生させ、その光ビームがノズルから僅かの距離離れたスプレーと交差する位置に来るようにする。光検出器３２(例えばフォトダイオード)を図１０のＣＣＤカメラ／顕微鏡の位置に用いる。光ビームが液滴によって遮断されることがあると、光検出器で検出される。光ビームを絞るほど、検出できる液滴のサイズが小さくなる。光検出器からの信号はコンピュータ１４に送られ、波形分析を通じて周波数成分が分析される。制御アルゴリズムは、入ってくる波形信号を最適化するため、必要な場合には高電圧電源に対して調節を行なう。
【０１０７】
本発明の動的制御システムでは、図１６のブロックダイヤグラムに示すように、モード分析アルゴリズムとモード制御アルゴリズムを利用してエレクトロスプレーの構成を調節し、制御する。コンピュータ１４は、アナログからディジタルへの変換を行なう信号インターフェイス３００と、波形分析アルゴリズム３０１と、制御アルゴリズム３０２と、電源３に接続されたインターフェイス２０４と、パラメータディスプレイ３０４を備えている。光検出器３２が生成した波形信号は、電子回路３０５によって増幅され、処理されて、インターフェイス３００に入力するのに適切なレベルにされる。インターフェイス３００によって取得されたテスト波形は、波形分析アルゴリズム３０１によって分析される。波形分析アルゴリズム３０１は、テスト波形の基本周波数に基づき、あるいはテスト波形の周波数スペクトルに基づき、あるいはテスト波形を参照波形のライブラリと比較することにより、スプレーモードの判定を行なう。波形分析アルゴリズム３０１からのモード情報は制御アルゴリズム３０２に送られ、テスト波形が実際に望むスプレーモードを表わしているかどうかが判定される。テスト波形が望むモードのものではないと判定された場合には、制御アルゴリズム３０２が、電源３から毛管ノズル１に印加される電圧をインターフェイス２０４を通じて調節する。制御アルゴリズム３０２からの制御情報は、パラメータディスプレイ３０４にも送られ、波形分析アルゴリズム３０１からのテスト波形が、制御アルゴリズム３０２の結果とともに表示される。別のテスト波形がインターフェイス３００からサンプリングされ、分析と制御のプロセスが繰り返される。
【０１０８】
このようなハイブリッドシステムは、図１７に示すように、各々の素子の「線形な」組み合わせによって提供される。図示すように、静的制御システムの光源７Ａと動的制御システムの光源７Ｂの両方がエレクトロスプレーを照射し、各々のＣＣＤカメラ／顕微鏡(１２、１３)と光検出器(３２)によって検出される。ＣＣＤカメラからの信号と光検出器からの信号の両方がコンピュータに送られ、高電圧電源がこのコンピュータによって調節される。
【０１０９】
ハイブリッド制御システムは、図１９に示すように、ＣＣＤカメラからの信号と光検出器からの信号の両方を、すでに説明したように各々のが静的モードと動的モードで分析されるときと同様にして分析するが、分析結果を制御アルゴリズムで合体させる。コンピュータ１４は、画像インターフェイス２００と波形インターフェイス３００の両方に加え、画像分析アルゴリズム２０２と波形分析アルゴリズム３０１を備えている。画像分析アルゴリズム２０２と波形分析アルゴリズム３０１は、各々の静的モードと動的モードに関する情報を制御アルゴリズム３０６に出力する。制御アルゴリズム３０６は、画像分析アルゴリズム２０２と波形分析アルゴリズム３０１各々のからの静的モードと動的モードに関する情報を比較する。静的モードと動的モードが同じである場合には、制御アルゴリズム３０６がこのテストモードを望むスプレーモードと比較する。テストモードが望むモードのものではないと判定された場合には、制御アルゴリズム３０６が、電源３から毛管ノズル１に印加される電圧をインターフェイス２０４を通じて調節する。静的モードと動的モードが一致しない場合には、制御アルゴリズム３０６は、どの情報チャネル(静的チャネルまたは動的チャネル)がより正確であるかを判断し、そのより正確なデータチャネルに基づいて判定を下さねばならない。この時点でテストモードが望むモードのものではないと判定された場合には、制御アルゴリズム３０６が、電源３から毛管ノズル１に印加される電圧をインターフェイス２０４を通じて調節する。別のテスト波形とテスト画像が画像インターフェイス２００と波形インターフェイス３００からサンプリングされ、分析と制御のプロセスが繰り返される。
【０１１０】
画像モードと波形モードが一致しない場合には、どちらが正確であるかを制御アルゴリズム３０６が判断する際に多数の方法がある。好ましい一実施態様では、制御アルゴリズム３０６は、最初に評価した静的モードの値に基づいて判定を下す。静的モードがマルチジェットモードであると判定された場合には、波形分析アルゴリズム３０１からの動的モード情報が無視され、テストモードの値が、画像分析アルゴリズム２０２によって提供された値に設定される。静的モードが、紡錘モード、パルス型円錐ジェットモード、円錐ジェットモードのいずれかである場合には、画像分析アルゴリズム２０２からの静的モード情報は無視され、制御アルゴリズム３０６によってテスト波形の周波数成分がさらに分析される。次に、テスト波形に意味のある周波数成分が存在していない場合には、スプレーモードは純粋な円錐ジェットモードのはずであり、制御アルゴリズム３０６がテストモードを画像分析アルゴリズム２０２から提供されたモードに設定する。テスト波形に意味のある周波数成分が存在している場合には、モードが、波形分析アルゴリズム３０１によって判定されたモードに設定される。
【０１１１】
ハイブリッド制御システムの特に好ましい実施態様では、静的イメージングシステムのための光源は、フォーカシング用光学系７１Ｃを有するストロボ式光源７Ｃ、あるいはパルス式光源である。ストロボ式光源から発生する光パルスのタイミングは、図２０に示すように、光検出器３２が発生させた信号に応答するパルス／タイミング／位相回路１６によって調節される。従って、静的制御素子は、エレクトロスプレーの時間「凍結」画像を得ることができる。
ストロボ光源を組み込んだこのハイブリッド制御システムは図２１にも示してある。これは図２０に示したシステムをノズル１の軸線の方向から見た図である。
【０１１２】
図２２は、図２０の装置に基づいたハイブリッド制御システムのブロックダイヤグラムである。この実施態様では、信号増幅、処理回路３０５から供給される信号は、インターフェイス３００を通じてコンピュータ１４に供給されるとともに、パルス／タイミング／位相回路３０７にも供給される。パルス／タイミング／位相回路３０７は、ストロボ式光源３０８のタイミング、位相、パルス持続時間を制御する。それ以外は、分析、制御アルゴリズムの動作は、図１９に示したものと同じである。ストロボ式光源３０８は、顕微鏡１２を通じてカメラ１３によって取得される画像よりもはるかにシャープな画像を生成させる。画像インターフェイス２００による画像取得は、ストロボ式光源３０８からの出力と一致するようなタイミングにされる。そのため、トリガー情報が、ストロボ式光源３０８から波形インターフェイス３００を介して画像インターフェイス２００に提供される。
【０１１３】
図２３は、図２２に示したのとは別の実施態様に関するブロックダイヤグラムである。この実施態様では、コンピュータ１４内でパルス／タイミング／位相回路３０７の代わりにパルスタイミングアルゴリズム３０９が使用されている。このパルスタイミングアルゴリズム３０９は、ディジタルパルスインターフェイス３１０を通じてストロボ式光源３０８をトリガーする。画像インターフェイス２００による画像取得は、ストロボ式光源３０８からの出力と一致するようなタイミングにされる。そのため、トリガー情報が、ストロボ式光源３０８から波形インターフェイス３００を介して画像インターフェイス２００に提供される。波形分析アルゴリズム３０１は、ストロボ式光源の位相とパルス幅を制御し、画像インターフェイス２００によって得られた画像がモードに固有なものになるようにする。このように画像分析アルゴリズム２０２が最適画像を提供するため、続く分析における確実性が向上する。例えば光検出器３２によって検出されたより低周波数の事象は、ストロボ式光源３０８によってより長い露出時間にすることができる。さらに、ストロボ式光源３０８からのストロボパルスは、短い間隔で画像インターフェイス２００が多数の露出を得られるようにするため、時間軸で走査すること、あるいは変化させることができる。この多重露出により、画像分析アルゴリズム２０２に対してモード判定のための改善された基礎データが提供され、その結果として図３〜図５に示したのと同様な「時間変化」画像が得られる。
【０１１４】
特に好ましい実施態様では、共焦点光学系を利用して精度が向上した画像を得る。図２４Ａ、２４Ｂに示すように、光源７(図示せず)からのレーザービームは、レンズ７１を通じてフォーカスさせ、回折が制限されたスポットまたはジェット９にする。この光ビームはノズルと同じ平面上にあり、ノズルの軸線とは垂直になっている。この光ビームの焦点は、ノズル１から放出されるジェット９と一致している。ビーム位置またはノズル位置を変化させることによって焦点の正確な位置を明らかにし、信号の振幅が光検出器３２の位置で最大になるようにする。一般に、フォーカスされたスポットのサイズが小さくなるほど、検出器の位置における信号の強度が大きくなる。然しながら、スポットのサイズが小さくなるほど位置決めの精度を高める必要がある。
【０１１５】
ジェット９を通過した光は、共焦点レンズ７１３によってピンホール検出器の開口部と検出器３２の表面にフォーカスさせる。共焦点レンズを用いることにより、光源からのフォーカスされた光円錐と、点状光検出器またはピンホール式光検出器の位置が一致する。共焦点照明、検出システムを用いると、焦点と一致しない焦点面からの光が除かれるため、検出器の位置における信号対雑音比を向上させるのに役立つ。
【０１１６】
図２４Ｂは、図２４Ａに示した構成を毛管ノズルの軸線の方向から見た図である。
動的制御システムのさらに別の実施態様では、落射スキームにおいて光源と検出器が共通の光路を有する。落射は、共焦点光学系の当業者には周知の考え方である。図２５に示すように、光源からの光をフォーカスさせるレンズも、散乱光を集めて検出器に供給する。図示すように、光源７と光検出器３２はレンズ４０の同じ側に配置し、集めた光をビームスプリッタ５０を用いて検出器に送る。
【０１１７】
本発明による動的制御システムのさらに別の実施態様では、第２の光検出器を第１の光検出器の近傍に配置し、その出力を作動増幅器に供給する。この増幅器が今度は信号をコンピュータに供給する。この構成にすると、光源に固有のノイズを除去するとともに、低振幅の信号に対して信号対雑音比を向上させることに役立つ。この実施態様は、移動相の流速が遅い場合に特に有効である。二重検出器システムを毛管ノズル１の軸線の方向から見た図である図２６に示すように、光源７からの光は、レンズ７１を通過してエレクトロスプレー(紙面からはみ出るため図示せず)を照射する。エレクトロスプレーからの光は、レンズ８０Ａとレンズ８０Ｂを通じて各々の対応する光検出器３２Ａと光検出器３２Ｂの両方によって検出される。これら光検出器は、各々のが、検出した光に応じた信号を発生させ、それらの信号が作動増幅器９０に送られる。増幅器９０は、２つの光検出器からの信号の差を表わす信号を生成し、その信号をコンピュータ１４に送る。
【０１１８】
本発明のさらに別の実施態様では、光源を制御システムの残りの部分から遠く離し、光を光ファイバーを通じてシステムに供給することができる。そのことが、図２７に示してある。この図は、離れた位置にある光源と光ファイバーケーブルを図２４Ａの光源の代わりに使用した以外は、図２４Ａの実施態様と同じである。この図からわかるように、光源７(例えばレーザー)は、制御システムの残りの部分から離れている。光源７からの光は、レンズ７２を通じてフォーカスされ、光ファイバーケーブル７３に入る。光は光ファイバーケーブル７３によって伝送されてフォーカシング用レンズ７１に到達する。このレンズが、光をエレクトロスプレージェット９の上にフォーカスさせる。エレクトロスプレージェット９を通過した光はレンズ７１２によってピンホール検出器の開口部３３と検出器３２にフォーカスされる。
【０１１９】
本発明のさらに別の実施態様では、特に光ファイバー光学系を利用することにより、複数の光源を用いることができる。このようにすると、例えば一方の光ビームがジェット状エレクトロスプレーを調べ、他方の光ビームがプルーム状エレクトロスプレーを調べることが可能になる。図２８に示すように、光源７Ａと７Ｂからの光は、レンズ７１を通過させ、各々のプルーム状エレクトロスプレー６とジェット状エレクトロスプレー９にフォーカスさせる。次にこの光をレンズ７１２Ａと７１２Ｂによって光検出器３２Ａと３２Ｂにフォーカスさせる。
【０１２０】
高電圧電源を操作してエレクトロスプレーシステムを調整し、エレクトロスプレーの形状を制御する場合を例にとって静的制御システム、動的制御システム、ハイブリッド制御システムを説明してきたが、エレクトロスプレーの形状を制御するために電圧を調節する代わりに、あるいはこの操作と合わせてノズルからの放出点と対向電極の距離を調節することも本発明に含まれる。従って、この明細書に記載したのと同じ制御スキームを利用すると、必要に応じて望むエレクトロスプレーのパターンまたは形状を実現するためにエレクトロスプレーを対向電極により近づけたり対向電極からより遠ざけたりするためのモーターに対し、コンピュータからの出力を供給することができる。図２９は、図１０と同様のエレクトロスプレー制御システムを示している。ただし、最適なエレクトロスプレーのパターンまたは形状を維持するために毛管ノズルを対向電極５により近づけたり対向電極５からより遠ざけたりするモーター駆動の移動台３５に対してコンピュータ１４の出力が供給される点が異なっている。
【０１２１】
本発明のフィードバック制御システムは、公知の任意のエレクトロスプレー装置を制御するのに役立つ。その具体例として以下のものが挙げられるが、これだけに限定されるわけではない。
液体サンプルのイオン化
質量分析による分析を行なうためのサンプルのイオン化；
液体クロマトグラフィと質量分析のインターフェイス；
キャピラリー電気泳動およびそれと関連した方法と質量分析のインターフェイス；
イオンクロマトグラフィと質量分析のインターフェイス。
【０１２２】
材料の蒸着
エレクトロスプレーによる薄膜の製造；
エレクトロスプレーによる固体基板表面へのサンプルの蒸着(例えば続いてレーザーイオン化質量分析による分析を行なうためのサンプルの蒸着)。
イオンスラスター
小さな衛星を推進させるのに用いられるイオンエンジン(すなわち「コロイド状スラスター」)におけるエレクトロスプレープロセスの制御。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】図１(従来技術)は、ノズル、ポンプ、電源、対向電極からなる基本的なエレクトロスプレーシステムを示している。毛管ノズルを通じてポンピングされる移動相は、対向電極と比べて高電位に維持される。電位が閾値よりも大きい場合には、電流が液滴またはエアロゾルスプレーの形態となってノズルと対向電極の間を流れることになる。
【図２】図２は、水性移動相について、エレクトロスプレーにおいて可能な一般的な様々なスプレーモードの関係を示している。ノズルと対向電極の間の電場を大きくすると、流速を大きくするのとは反対の効果がある。所定の移動相、流速、ノズルの幾何学的形状のいずれかにしたとき、必ずしも観察されないモードがいくつかある。滴下モードは、例えば紡錘モードを経ることなくパルス型円錐ジェットモードに移ることができる。
【図３】図３は、滴下モードを示している。このモードでは、ノズルからの大きな液滴に「時間変化」が見られる。移動相からなる大きな液滴は、周期的にノズルから離れる。このモードでは、細かいエアロゾルスプレーは発生しない。
【図４】図４は、紡錘モードを示している。このモードでは、大きな液滴とエアロゾルスプレーの両方に「時間変化」が見られる。大きな液滴はノズルから離れ、放出された液滴相互の間には経時変化するエアロゾルが形成される。
【図５】図５は、パルス型円錐ジェットモードを示している。このモードでは、小さな液滴とエアロゾルスプレーの両方に「時間変化」が見られる。液滴はノズルから離れ、放出された液滴相互の間には経時変化する円錐ジェット型のエアロゾルが形成される。このモードでは紡錘モードの細長い紡錘状液体が存在せず、紡錘モードよりもデューティ比が大きなエアロゾルが一般に発生する。
【図６】図６は、安定な円錐ジェットモードの異なる３つの例を示している。このモードではパルスシングという挙動は見られず、プルーム状エアロゾルが１００％のデューティサイクルで形成される。これは、エレクトロスプレーの多くの用途において望ましいモードである。
【図７】図７は、マルチジェットモードを示している。このモードでは、非常に大きな電場が１つの毛管ノズルの表面に多数の円錐ジェットを生成させる。これらジェットは安定にもなるが、位置とスプレー方向がカオス的になることのほうが多い。
【図８】図８(従来技術)は、光源と顕微鏡に基づいたイメージングシステムを用いた従来のモード制御システムを示している。照明は、透過光と散乱光のいずれでもよい。検出器は、ヒトの目、写真フィルム、ビデオカメラのいずれでもよい。
【図９Ａ】図９Ａ(従来技術)は、毛管ノズルにおける電流をモニターするためのオシロスコープを用いてスプレー電流のパルシング状況をモニターするシステムを示している。この構成では、ノズルがグラウンド電位に維持され、対向電極が高電圧に維持される。オシロスコープは、フーリエ変換周波数分析が可能なディジタルユニットであることが好ましい。
【図９Ｂ】図９Ｂ(従来技術)は、対向電極における電流をモニターするためのオシロスコープを用いてスプレー電流のパルシング状況をモニターするシステムを示している。オシロスコープは、フーリエ変換周波数分析が可能なディジタルユニットであることが好ましい。
【図１０】図１０は、実施例１に示した本発明による静的制御システムの具体例の概略図である。毛管ノズルの出口に発生したエレクトロスプレーエアロゾルは光源によって照射され、顕微鏡を備えたＣＣＤカメラで画像化される。この強力な光源は、コントラストが最適になるとともに、エアロゾルになった液滴による光の散乱が最適になるよう、位置とフォーカスが定められている。コンピュータは、エアロゾルの画像を取得して分析を行なうとともに、エアロゾルの形状が最適になるよう、必要な場合にはノズルに接続された高電圧を調節する。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明の実施例１による静的制御システムにおいて、ノズルとスプレーに対する照射領域の位置とカメラの視野を上方から見た図である。カメラシステムの全視野に光が当たる。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本発明の実施例１による静的制御システムを毛管ノズルの軸線の方向から見た図である。光源は、顕微鏡の光軸に対して下方約１１０°のところに位置しており、「暗視野」照明を生み出している。顕微鏡は、コントラストを最適化するため、光源から散乱された光だけを見ることができる。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、本発明による静的制御システムを毛管ノズルの軸線の方向から見た図である。光源は、顕微鏡の光軸に対して下方約１８０°のところに位置しており、「明視野」照明を生み出している。こうするとカメラに透過光が提供される。
【図１２】図１２は、静的制御システムのブロックダイヤグラムである。ＣＣＤ顕微鏡画像がコンピュータによって取得され、コントラストが最適化され、モード分析アルゴリズムによって分析された後、最適なスプレーモードが維持されるよう、必要な場合には制御アルゴリズムがノズルの電圧を調整する。
【図１３】図１３は、本発明による実施例１の円錐ジェットモードにおける典型的なスプレーパターンについて、興味の対象となる領域を示した概略図である。この場合、画像は４つの領域に分割され、各々の領域においてエッジの数が測定される。
【図１４】図１４は、動的制御を行なうための基本システムの概略図である。よく絞られた光ビーム(例えばレーザー)が、ノズルの近傍にあるスプレーと交差するように配置されている。液滴によってビームが遮断されると必ず光検出器によって検出される。ビームを狭く絞るほど、より小さな液滴を検出することができる。光検出器からの信号は制御用コンピュータによって取得され、波形解析を通じて周波数の内容が分析される。入力される波形信号が最適なものになるよう、必要な場合には制御アルゴリズムがノズルに接続された高電圧を調整する。
【図１５】図１５は、動的制御システムを毛管ノズルの軸線の方向から見た図である。光源は、顕微鏡の光検出器から約１８０°のところに位置している。ノズルは、液滴またはエアロゾルが絞られたビームと交差するような位置にある。
【図１６】図１６は、動的制御システムのブロックダイヤグラムである。
【図１７】図１７は、静的システムと動的システムの要素を組み合わせたハイブリッド制御システムの概略図である。コンピュータが、ＣＣＤカメラからの画像とフォトダイオードからの信号の両方を取得する。
【図１８】図１８は、ハイブリッド制御システムを毛管ノズルの軸線の方向から見た図である。
【図１９】図１９は、ハイブリッド制御システムのブロックダイヤグラムである。制御アルゴリズムは、ＣＣＤカメラから取得された画像とフォトダイオードからの信号という両方のデータを利用することができる。
【図２０】図２０は、別のハイブリッド制御システムの概略図であり、ここでは静的イメージングシステムのための照明がストロボ式またはパルス式の光源から供給される。照射パルスのタイミングは、動的制御システムで使用する光検出器からの信号が決めている。従って、静的イメージングシステムは、スプレーについての時間「凍結された」画像を得ることができるため、スプレーモードの正確な形状をよりよく判定することが可能になる。
【図２１】図２１は、ストロボ式ハイブリッド制御システムの好ましい実施態様を毛管ノズルの軸線の方向から見た図である。ストロボ式光源は、ノズルおよびスプレーに関して透過光による画像が得られるような位置にある。
【図２２】図２２は、ストロボ式ハイブリッド制御システムのブロックダイヤグラムである。この実施態様では、ストロボ式光源のためのタイミングとパルスに関する電子回路は、制御用コンピュータとは独立な制御用電子回路となっている。
【図２３】図２３は、別のストロボ式ハイブリッド制御システムのブロックダイヤグラムである。この実施態様では、ストロボ式光源のためのタイミングとパルスの制御は、制御用コンピュータが行なう。
【図２４Ａ】図２４Ａは、共焦点光学系を用いた動的検出システムにおいて、毛管ノズルとスプレーに対してレーザービーム、フォーカシング用レンズ、検出器がどのような位置関係にあるかを、ノズルのある平面の上方から見た図である。ビームの焦点は、ジェットと交差する位置にある。焦点が同じ位置に来る別のレンズがピンホール式開口部と光検出器の前に位置していて、他の焦点面からの光を排除している。
【図２４Ｂ】図２４Ｂは、図２４Ａの装置を毛管ノズルの軸線の方向から見た図である。
【図２５】図２５は、落射共焦点光学系を用いた動的検出システムにおいて、毛管ノズルとスプレーに対してレーザービーム、ビームスプリッタ、フォーカシング用レンズ、検出器がどのような位置関係にあるかを示す図である。ビームの焦点は、ジェットと交差する位置にある。レンズの後焦点面内に位置しているビームスプリッタが、光検出器の前に位置するピンホール式開口部を通過した後にレンズによって集められた散乱光の方向を決める。
【図２６】図２６は、差を検出するために２つの検出器を用いた別の動的検出システムを示している。レーザービーム、フォーカシング用レンズ、検出器がどのような位置関係にあるかを、毛管ノズルの軸線の方向から見た状態が示してある。このシステムは、光源に固有のシステムノイズを排除することができる。
【図２７】図２７は、光ファイバーを用いてレーザービームを供給する動的制御用照明システムを示している。光ファイバーを用いると、レーザー光源を遠く離しておくことが可能になる。
【図２８】図２８は、光ファイバーを用いて複数のビームを供給する動的制御用照明システムを示している。光ファイバーを用いると、多数のプローブ用ビームを追加することができる。すると１つのビームでジェットを調べ、別のビームでプルームを調べることが可能になる。各々の光ファイバーの角度を個別に制御することにより、ビームの位置を独立に制御することができる。
【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８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１２】
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【図１６】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２９】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004534354.tif 000136
2004534354.tif 000137
【国際調査報告】
2004534354.tif 000138