(57)【要約】本開示は、例えば飛行時間およびイオン移動度分光計を利用するイオン分離のための方法および装置に関する。ＩＭＳセルにおいて使用するためのイオンシャッターおよびイオンシャッターの操作方法も記載されている。シャッターは、第１シャッター電極および第２シャッター電極を含む。これら２つの電極間の壁電圧を制御して、シャッターを開閉することにより、対象イオンはドリフト方向にシャッターを通過することができる。この制御には、（ａ）第１シャッター電極の電圧および（ｂ）第２シャッター電極の電圧の両方を変化させるステップを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＭＳセルのイオンシャッターの制御方法であって、第１シャッター電極と第２シャッター電極との間の壁電圧を制御するステップを含み、
前記壁電圧を制御するステップにおいて、該壁電圧を制御して前記シャッターを開閉することで、対象イオンがドリフト方向に前記シャッターを通過可能となるように、
（ａ）前記第１シャッター電極の電圧および
（ｂ）前記第２シャッター電極の電圧
の両方を変化させる、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、前記第１シャッター電極および前記第２シャッター電極の電圧は、前記ＩＭＳセルの空間的に変化する電圧プロファイルに対して可変である、方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法であって、前記第１シャッター電極および前記第２シャッター電極はドリフト方向に離間しており、対象イオンに最も近い、前記第１シャッター電極および前記第２シャッター電極のうち一方の電圧を制御して、前記電圧プロファイルに適合させるステップを含む、方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法であって、対象イオンから最も離れた、前記第１シャッター電極および前記第２シャッター電極のうち他方の電圧を電圧プロファイルとは異なるように制御して、前記壁電圧を供給するステップを含む、方法。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれか一項に記載の方法であって、
前記電圧プロファイルに適合する前記第１シャッター電極の電圧を供給し、前記電圧プロファイルとは異なる前記第２シャッター電極の電圧を供給して、前記シャッターを閉口するステップと、
前記電圧プロファイルに適合する電圧を両方の前記シャッター電極に供給して、前記シャッターを開口するステップと、続いて、
前記第２シャッター電極の電圧を前記電圧プロファイルに適合させつつ、前記電圧プロファイルとは異なる前記第１シャッター電極の電圧を供給して、前記シャッターを閉口するステップと、
を含む、方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法であって、前記第１シャッター電極を前記電圧プロファイルに戻す前に、前記第２シャッター電極の電圧を変化させて、前記壁電圧を増加させることによって、前記シャッターの閉口後に、前記シャッターをリセットするステップを更に含む、方法。
【請求項７】
請求項１または２に記載の方法であって、前記壁電圧を制御するステップは、前記第１シャッター電極および前記第２シャッター電極の電圧に対向する変化を付与して、前記シャッターを開閉するステップを含む、方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法であって、前記対向する変化を選択して、前記シャッターの平均電圧における変化を少なくとも部分的に回避する、方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法であって、前記対向する変化は、前記電圧プロファイルの中心に置かれる、方法。
【請求項１０】
請求項１，２または７〜９のいずれか一項に記載の方法であって、前記第１シャッター電極および前記第２シャッター電極が、同一平面上にある、方法。
【請求項１１】
請求項１，２または７〜９のいずれか一項に記載の方法であって、前記第１シャッター電極は、前記ＩＭＳセルのドリフト方向に前記第２シャッター電極から離間している、方法。
【請求項１２】
ＩＭＳセルであって、
第１シャッター電極および第２シャッター電極を含むイオンシャッターと、
前記第１シャッター電極の電圧を変化させるように構成される第１シャッター電圧プロバイダと、
前記第２シャッター電極の電圧を変化させるように構成される第２シャッター電圧プロバイダと、を含み、
前記第１シャッター電圧プロバイダおよび前記第２シャッター電圧プロバイダは、前記第１シャッター電極と前記第２シャッター電極との間の壁電圧を、前記第１シャッター電極の電圧および前記第２シャッター電極の電圧の両方を変化させることによって制御することにより、ドリフト方向への前記シャッターを通る対象イオンの通路を制御するように構成されている、ＩＭＳセル。
【請求項１３】
請求項１２に記載のＩＭＳセルであって、前記第１シャッター電極は、前記ＩＭＳセルの反応領域と前記第２シャッター電極との間に配置されており、前記第１シャッター電圧プロバイダは、前記シャッターの開口前に、前記第１シャッター電極の電圧を前記ＩＭＳセルの空間的に変化する電圧プロファイルに適合するように構成されている、ＩＭＳセル。
【請求項１４】
請求項１３に記載のＩＭＳセルであって、前記第２シャッター電圧プロバイダは、前記第２シャッター電極の電圧を前記電圧プロファイルに適合させることによって、前記シャッターを開口するように構成されている、ＩＭＳセル。
【請求項１５】
請求項１３または１４に記載のＩＭＳセルであって、前記第１シャッター電圧プロバイダは、前記第１シャッター電圧を前記電圧プロファイルとは異なるように制御して、前記壁電圧を供給することによって、前記シャッターを閉口するように構成されている、ＩＭＳセル。
【請求項１６】
請求項１５に記載のＩＭＳセルであって、前記第２シャッター電圧プロバイダは、前記シャッターの閉口後に、前記第２シャッター電極の電圧を前記電圧プロファイルに適合するように構成されている、ＩＭＳセル。
【請求項１７】
請求項１６に記載のＩＭＳセルであって、前記第１シャッター電圧プロバイダおよび前記第２シャッター電圧プロバイダは、前記第１シャッター電極の電圧を前記電圧プロファイルに戻す前に、前記第２シャッター電極の電圧を変化させて、前記壁電圧を増加させることによって、前記シャッターをリセットするよう構成されている、ＩＭＳセル。
【請求項１８】
請求項１２に記載のＩＭＳセルであって、前記第１シャッター電圧プロバイダおよび前記第２シャッター電圧プロバイダは、前記第１シャッター電極の電圧および前記第２シャッター電極の電圧に対向する変化を付与して、前記シャッターを開閉するように構成されている、ＩＭＳセル。
【請求項１９】
請求項１８に記載のＩＭＳセルであって、前記対向する変化を選択して、前記シャッターの平均電圧における変化を少なくとも部分的に回避する、ＩＭＳセル。
【請求項２０】
請求項１９に記載のＩＭＳセルであって、前記対向する変化は、前記ＩＭＳセルの電圧プロファイルの中心に置かれる、ＩＭＳセル。
【請求項２１】
請求項１２または１８〜２０のいずれか一項に記載のＩＭＳセルであって、前記第１シャッター電極は、ドリフト方向に前記第２シャッター電極から離間している、ＩＭＳセル。
【請求項２２】
請求項２１に記載のＩＭＳセルであって、前記第１および第２シャッター電極は、それぞれ、細長い導体を備えており、前記第１および第２シャッター電極の細長い導体は、ドリフト方向に整列されている、ＩＭＳセル。
【請求項２３】
請求項１２または１８〜２０のいずれか一項に記載のＩＭＳセルであって、前記第１シャッター電極および前記第２シャッター電極は、同一平面上にある、ＩＭＳセル。
【請求項２４】
請求項２３に記載のＩＭＳセルであって、前記第１シャッター電極および前記第２シャッター電極は、それぞれ、交錯する複数の細長い導体を備える、ＩＭＳセル。
【請求項２５】
請求項１２〜２４のいずれか一項に記載のＩＭＳセルであって、前記ＩＭＳセルのイオンドリフト領域は、対象イオンを質量分析計に供給するように配置されている、ＩＭＳセル。
【請求項２６】
ＩＭＳセル用のイオンシャッターであって、第１シャッター電極および第２シャッター電極を備えており、前記第１および第２シャッター電極は、それぞれ、細長い導電性要素を備え、前記第１シャッター電極は、前記ＩＭＳセルのドリフト方向に前記第２シャッター電極から離間しており、前記第１シャッター電極の細長い導電性要素は、ドリフト方向に前記第２シャッター電極の細長い導電性要素に整列されている、ＩＭＳセル。
【請求項２７】
請求項１２〜２０のいずれか一項に記載のＩＭＳセルであって、前記イオンシャッターは、請求項２６に記載のイオンシャッターによって提供される、ＩＭＳセル。
【請求項２８】
ＩＭＳセル用の制御装置であって、
前記ＩＭＳセルのイオンシャッターの第１シャッター電極の電圧を変化させるための第１シャッター電圧プロバイダと、
前記イオンシャッターの第２シャッター電極の電圧を変化させるための第２シャッター電圧プロバイダと、を含み、
前記第１シャッター電圧プロバイダおよび前記第２シャッター電圧プロバイダは、前記第１シャッター電極および前記第２シャッター電極の電圧に対向する変化を付与して、壁電圧を変化させ、前記シャッターを開閉するように構成されている、制御装置。
【請求項２９】
請求項２８に記載の制御装置であって、前記対向する変化を選択して、前記シャッターの平均電圧における変化を少なくとも部分的に回避する、制御装置。
【請求項３０】
請求項２９に記載の制御装置であって、前記対向する変化は、前記ＩＭＳセルの電圧プロファイルの中心に置かれる、制御装置。
【請求項３１】
ＩＭＳセル用の制御装置であって、
イオンシャッターの第１シャッター電極の電圧を変化させるための第１シャッター電圧プロバイダと、
前記イオンシャッターの第２シャッター電極の電圧を変化させるための第２シャッター電圧プロバイダと、を含み、
前記第１シャッター電圧プロバイダは、前記シャッターの開口前に、前記第１シャッター電極の電圧を前記ＩＭＳセルの電圧プロファイルに適合させるように構成されており、
前記第２シャッター電圧プロバイダは、前記第２シャッター電極の電圧を前記電圧プロファイルに適合させることによって、前記シャッターを開口するように構成されており、かつ、
前記第１シャッター電圧プロバイダは、前記第１シャッター電圧を前記電圧プロファイルとは異なるように制御して、壁電圧を供給することによって、壁電圧を供給して、前記シャッターを閉口するように構成されている、制御装置。
【請求項３２】
請求項３１に記載の制御装置であって、前記第１シャッター電圧プロバイダおよび前記第２シャッター電圧プロバイダは、前記第１シャッター電極の電圧を前記電圧プロファイルに戻す前に、前記第２シャッター電極の電圧を変化させて、前記壁電圧を増加させることによって、前記シャッターをリセットするように構成されている、制御装置。
【請求項３３】
請求項１〜２５のいずれか一項に記載の特徴を有するＩＭＳセルを備える装置および質量分析計であって、前記ＩＭＳセルは、前記質量分析計に対象イオンを供給するように配置されている、装置および質量分析計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、装置および方法に関するものであり、より具体的には、例えば、飛行時間型分光測定法を使用するイオン分離のための方法および装置に関し、更に具体的には、ＩＭＳセルにおいて使用するためのイオンシャッターおよびそれらの操作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン移動度分光計（ＩＭＳ）は、物質（例えば、分子、原子等）をイオン化し、結果として得られるイオンが、既知の電界のもとで既知の距離を移動するのに要する時間を測定することによって、対象サンプルから物質を識別することができる。各イオンの飛行時間は、イオン移動度に関連付けられる。イオン移動度は、その質量および形状に関連する。即ち、イオンの飛行時間の測定によって、イオンの正体を推測することが可能となる。これらの飛行時間は、プラズマグラムとして、グラフまたは数値によって表示することができる。
【０００３】
一部のＩＭＳセルは、イオンを収集して、その飛行時間を測定することで、イオンを識別する検出器を含んでおり、この識別はドリフトガスの存在下で行うことで、移動度効果によりイオンを分離することができる。一部のＩＭＳセルは、更なる分析のために、選択された飛行時間を有する（選択された範囲のイオン移動度を意味する）イオンを別の検出機器、例えば質量分析計に提供することができるように、イオンをその飛行時間に従って分離することができる。この技術の一例は、イオンフィルタとしてＩＭＳセルを使用して、サンプルからイオンを選択するＩＭＳ−ＭＳとして知られている。続いて、選択されたイオンは、質量分析計に供給される。このようなイオンの識別またはフィルタリング方法では、イオンシャッターの開口によってイオン群を反応領域から解放し、および／または質量分析計の入口を通過させることができる。
【０００４】
ＩＭＳセルの反応領域は、有限長を有しており、シャッターを開口した状態に維持する時間間隔の間、反応領域の周囲に分配されるイオンは、シャッターに到達するように、この反応領域を（少なくとも部分的に）通過しなければならない。本発明の発明者は、これが、シャッターを短い間隔だけ開口した状態に維持することで、その間隔の間にシャッターを通過することができる、移動が遅いイオンの数量を減少させることを意味することを認識した。本発明の発明者は、これが、移動の遅いイオンに対する検出器の感度を低下させ得ることを認識した。イオンがシャッターを通過した後、ドリフトチャンバに沿ったイオンの移動は、そのドリフトチャンバにおける電圧プロファイルに依存している。発明者は、シャッターを閉口する動作がシャッター付近の電圧プロファイルを修正することを更に認識した。そのような場合、同じ位置において、ドリフトチャンバの後方のイオン群は、前方のイオン群の電圧プロファイルとは異なる電圧プロファイルを経験し得る。発明者は、このことから、これにより、残りの群に対して後方にあるイオン群を遅らせたり早めたりすることができることを結論付けた。
【０００５】
これにより、発明者は、これらの要因がＩＭＳセルの解像度および感度に悪影響を及ぼし得るとの確信に至った。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の態様および実施形態は、添付の特許請求の範囲に記載され、少なくとも部分的に上記のような問題に対処することを目的としている。これら並びに本発明の他の態様および実施形態も本明細書中に記載されている。次に、例示としての実施形態を、添付の図面を参照しながら説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】ＩＭＳセルの部分断面図である。
【図２】図１に示すようなＩＭＳセルの概略図である。
【図３】ＩＭＳセルの操作方法の説明図であって、それぞれに、ＩＭＳセルに沿った電圧プロファイルを描写した１セットのＩＭＳセルの概略図を含み、図３ａは、イオンをドリフト領域内に解放する前の状態を示しており、図３ｂは、イオンのドリフト領域への解放を示しており、図３ｃは、閉口されたイオンシャッターを示しており、図３ｄは、イオンシャッターのリセットの第１ステップを示しており、図３ｅは、イオンシャッターのリセットの第２ステップを示している。
【図４】電圧における２つのプロットの変化を、第１シャッター電極（図４ａ）および第２シャッター電極（図４ｂ）の時間関数として利用するシャッター用の電圧制御方式の説明図である。
【図５】電圧における２つのプロットの変化を、第１シャッター電極（図５ａ）および第２のシャッター電極（図５ｂ）の時間関数として利用するシャッター用の別の電圧制御方式の説明図である。
【図６】ドリフト方向に沿ってシャッターに対面する図（図６Ａ）と、ドリフト方向に垂直な、可能な３つの異なるシャッター構成の断面図（図６Ｂ、図６Ｃ、および図６Ｄ）と、を含むイオンシャッター配置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図面では、同様の要素を示すのに同様の参照番号を使用する。
【０００９】
ＩＭＳセル１００の部分断面図である。ＩＭＳセルは、第１シャッター電極１０６および第２シャッター電極１０７を含むイオンシャッター１０５を備える。第１シャッター電圧プロバイダ２０６は、第１シャッター電極の電圧を変化させるように構成されており、また第２シャッター電圧プロバイダ２０４は、第２シャッター電極の電圧を変化させるように構成されている。これにより、第１シャッター電極１０６と第２シャッター電極１０７との間の壁電圧を、第１シャッター電極の電圧および第２シャッター電極の電圧の両方を変化させることによって制御することができる。これは、シャッター１０５を開閉して、シャッターを通じたイオンの進入を制御するゲーティング機能を付与するのに使用することができる。
【００１０】
いくつかの実施形態では、シャッター電極１０５は、イオンの移動方向に分離することができる。これらの実施形態では、対象イオン（例えば、シャッターの開口前の反応領域１０２におけるイオンおよびシャッターの閉口後のドリフト領域１０４におけるイオン）に最も近いシャッターの電圧を制御して、ＩＭＳセル１００の電圧プロファイルに適合させることができる。これにより、シャッター１０５の開口前に、反応領域におけるイオンをシャッター１０５により接近させることができ、シャッターの閉口による、ドリフトチャンバ１０４の電圧プロファイルの妨害を減少させることができる。
【００１１】
シャッター電極１０５に別の電圧制御方式を適用してもよい。一部の方式では、第１シャッター電極１０６および第２シャッター電極１０７の電圧に対向する（逆向きの）変化（変動）を使用して、壁電圧を変化させる。このような実施形態では、シャッター１０５の開閉動作によるシャッターの平均電圧の変化を、少なくとも部分的に回避することができる。例えば、シャッターの導体間の間隔よりもシャッターからより離れた地点におけるシャッター１０５による電界は、１つの固定電圧電極および１つの移動電圧電極を利用する従来のケースにおいて、壁電圧により生じ得る変化よりも僅かに変化し、例えば、シャッターの平均電圧は一定した状態を維持し、例えば、電圧プロファイルの妨害を回避するのに十分に一定となる。シャッター電極は、同一平面上または非同一平面上のいずれでもよい。
【００１２】
シャッター電極１０６，１０７は、それぞれ、細長い導体を備えることができ、第１シャッター電極１０６の細長い導体は、ドリフト方向に、第２シャッター電極１０７の細長い導体に整列させることができる。各シャッター電極１０６，１０７の細長い導体は、メッシュ、例えば三角形、四角形、六角形、またはその他の規則的あるいは不規則なメッシュのようなグリッドとして配置することができる。後述するように、シャッター電極１０６，１０７は、ドリフト方向に分離している必要はない。例えば、シャッター電極１０６，１０７は、同一平面上にあってもよく、この場合、細長い導体は交互嵌合されていてもよく、例えば、それらは織り交ぜられていてもよい。
【００１３】
図１のＩＭＳセルは、イオンをＩＭＳセルに供給するための反応領域１０２を含む。図示するように、ＩＭＳセル１００は、材料を対象サンプルから反応領域１０２に導入することができる入口１０８を含む。反応領域１０２は、イオンシャッター１０５によってドリフト領域１０４から分離している。図１に示されている実施例では、ドリフト領域１０４は、反応領域１０２と、例えばイオンの到達を検出するためのファラデーカップ等のコレクタまたは質量分析計のような別のタイプの検出器１１８のような検出器１１８との間に配置されている。
【００１４】
図示するように、電圧プロファイルプロバイダ２０２を配置して、ＩＭＳセル１００に沿って、空間的に変化する電圧プロファイルを提供する。ドリフト領域１０４における電圧プロファイルは、ドリフト領域１０４に沿って離間している一連のドリフト電極１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃおよび１２０ｄを使用して適用可能である。図１には示さないが、この電圧プロファイルを反応領域１０２に延在させるために、反発プレートまたは他の電極をプロファイルプロバイダ２０２に連結させ、配置することができる。反応領域１０２と検出器１１８との間では、電圧プロファイルが（例えば、ドリフト方向のセルに沿って変位する機能として）空間的に変化することで、検出器１１８に向けてセル１００に沿ってイオンを移動させる電界を供給する。
【００１５】
シャッター１０５は、２つの閉状態を有する。閉状態のうちの最初の１つでは、第１シャッター電極１０６の電圧は、第１シャッター電極の位置の電圧プロファイルに適合するように制御されている。第２の閉状態では、第２シャッター電極１０７の電圧は、第２シャッター電極の位置の電圧プロファイルに適合するように制御されている。これにより、シャッター１０５を通過する対象イオンの通路を選択された方法で制御することで、（ａ）第１閉状態の反応領域および（ｂ）第２閉状態のドリフトチャンバにおけるイオンシャッター１０５の周囲の電圧プロファイルの妨害を減少させることができる。以下に説明するように、シャッターは、いずれのシャッター電極の電圧も電圧プロファイルに適合しないリセット状態を有してもよい。
【００１６】
操作において、対象物質をイオン化することができる反応領域に対象物質を導入する。イオンを反応領域に有しながら、シャッター１０５を第１閉状態に維持する。シャッター１０５を開口して、イオンを反応領域１０２から解放するために、続いて、第２シャッター電圧プロバイダ２０４により、第２シャッター電極１０７の電圧を電圧プロファイルに適合させる。対象イオンがドリフトチャンバを通過した後にシャッターを閉口するために、シャッター１０５を第２閉状態に切り替える。このような操作例は、図２および図３を参照して、以下により詳細に記載する。
【００１７】
まだ言及していないが、本開示の文脈において、ＩＭＳセル１００が検出器１１８へのイオンの移動経路とは全体的に対向する方向にドリフトガス流を供給するように構成することができることを理解されよう。例えば、ドリフトガスを検出器１１８の近隣からシャッター１０６に向けて流すことができる。図示するように、ドリフトガス入口１２２およびドリフトガス出口１２４を使用して、ドリフトガスをドリフト領域に通過させることができる。ドリフトガスの例としては、限定しないが、窒素、ヘリウム、空気、再循環される空気（例えば、浄化および／または乾燥化した空気）等がある。ドリフト電極１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃおよび１２０ｄは、イオンを検出器１１８に向けて誘導するように配置し、例えば、ドリフト電極１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃおよび１２０ｄは、イオンを検出器１１８に向けて移動させるようドリフト領域１０４の周囲に配置されるリングを備えることができる。図１の実施例は、４個のみのドリフト電極１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃおよび１２０ｄを含むが、いくつかの実施例においては、より多く、またはより少ない数量のドリフト電極を使用することができ、例えば、１個のドリフト電極を検出器１１８と組み合わせて使用し、イオンを検出器１１８に向けて誘導する電界を印加することができる。図２は、第１ドリフト電極１２０ａ，第２ドリフト電極１２０ｂ，第３ドリフト電極１２０ｃおよび第４ドリフト電極１２０ｄに連結されている電圧プロファイルプロバイダの実施例を示している。一実施例では、ドリフト電極１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃおよび１２０ｄの電圧は、電圧プロファイルがＩＭＳセルに沿った距離に直線的に変化するように、例えば、ドリフト領域におけるイオンシャッターから検出器１１８までの距離に対して一定の勾配の電圧を有するようにする。電圧プロファイルの別の例を使用することもできる。図２に示す実施例では、プロファイルプロバイダは、分圧器を備えている。図２に示す実施例では、プロファイルプロバイダの分圧器は、電力プロバイダ１４０と、第１ドリフト電極１２０ａおよび第２ドリフト電極１２０ｂを連結する第１抵抗器１３４と、第２ドリフト電極１２０ｂおよび第３ドリフト電極１２０ｃを連結する第２抵抗器１３６と、第３ドリフト電極１２０ｃおよび第４ドリフト電極１２０ｄを連結する第３抵抗器１３８と、を備える。第１抵抗器１３４、第２抵抗器１３６、および第３抵抗器１３８を電力プロバイダ１４０に直列に連結して、分圧器を形成している。電圧プロバイダの別の例を使用することもでき、例えば、受動的ではなく能動的な、耐性部品を配置して、ドリフト電極の電圧を制御することができる。
【００１８】
図２は、非同一平面上にある第１シャッター電極１０６および第２シャッター電極１０７を有するＩＭＳセルの実施例も示す。例えば、それらは、ＩＭＳセルのドリフト方向に、例えば、反応領域から検出器１１８に向かうイオンの移動方向に離間している。
【００１９】
図示するように、第１シャッター電極１０６は、第１シャッター電圧プロバイダ２０６に連結されており、第２シャッター電極１０７は、第２シャッター電圧プロバイダ２０４に連結されている。図２に示す実施例では、イオンシャッター１０５は閉口しており、対象イオン１３４は、反応領域１０２に配置されている。シャッターを閉状態に維持するために、第２シャッター電圧プロバイダ２０４は、第２シャッター電極を電圧プロファイルとは異なるように制御することで、第１シャッター電極と第２シャッター電極との間の壁電圧がシャッター１０５を通過するイオンの経路を阻止するように構成する。しかしながら、第１シャッター電圧プロバイダ２０６は、第１シャッター電極の電圧を第１シャッター電極１０６の位置における電圧プロファイルに適合するように構成する。これは、シャッターの開口前に、対象イオン１３４を第１シャッター電極１０６によって第２シャッター電極１０７から遮断することができる故に重要である。これにより、シャッターの閉口時において、シャッターの近隣の領域のイオンを枯渇させる状況を回避することができる。これにより、シャッターの開状態を維持してシャッターを通過するイオンの経路を確保すべき時間間隔を減少させることができる。
【００２０】
図３ａ，図３ｂ，図３ｃ，図３ｄおよび図３ｅは、イオン１３４を図１および図２に示すようなＩＭＳセル１００の反応領域１０２からドリフト領域１０４に解放する方法の順序ステップを示している。
【００２１】
図３ａは、イオンがドリフト領域１０４に解放される間のＩＭＳセル１００を示しており、これは、図２に示す状況の一実施例である。図３ａでは、イオン１３４は、シャッター１０５によって反応領域に保持されている。図２を参照して上述したように、この第１の閉状態では、第１シャッター電極１０６は、電圧プロファイルに適合しており、対象イオンを第２シャッター電極１０７から遮断している。一方、第２シャッター電極は、壁電圧を供給している。
【００２２】
図３ａに示す実施例では、第２シャッター電極１０７の電圧が、電圧プロファイルの第２シャッター電極１０７の位置における電圧とは異なることで、壁電圧を発生させてイオンがシャッター１０５を通過するのを防いでいる。この構成における壁電圧は、対象イオン１３４が第１シャッター電極と第２シャッター電極との間の領域に進入するのも阻止している。
【００２３】
図３ａに示すこの状況において、第１シャッター電極１０６は、第２シャッター電極１０７の電圧から反応領域を遮断している。従って、第１シャッター電極１０６に電圧プロファイルに適合する電圧を印加することで、第２シャッター電極１０７に印加される電圧に関わらず、反応領域における電圧プロファイルを維持することができる。これにより、反応領域における電界の摂動を減少させ、かつ反応領域１０２におけるイオンシャッター１０５付近のイオンの枯渇を減少させる。
【００２４】
図３ｂは、イオンが反応領域１０２からドリフト領域１０４に移動できるようイオンシャッター１０５を開口したＩＭＳセル１００を示す。イオンシャッターは、第１シャッター電極１０６および第２シャッター電極１０７に、各シャッター電極の位置における電圧プロファイルに適合する電圧を印加することによって開口される。
【００２５】
イオンシャッターは、図３ｂに示される開状態を短時間だけ維持して、イオンのパケットを解放する。イオンシャッターが開口し続ける時間は、イオン群の開始時間（例えば、グループ内の各イオンが実際にシャッターを通過する時間）の広がりを決定する。例えば、イオンシャッターが一定時間だけ開口し続けた場合、一部のイオンは、シャッターの開口直後にシャッターを通過し、一部のイオンはシャッターが閉鎖する直前に通過し、結果として得られるイオン群は、開始時間が分布しており、飛行時間の差異を解決するためのＩＭＳセルの能力は、結果として低下する。発明者は、壁電圧が反応領域に進入する場合（例えば、壁電圧の存在により、反応領域に電圧プロファイルとは異なる電圧を生じさせる場合）、シャッター近隣の空間においてイオンを枯渇させることを認めた。この枯渇領域では、シャッターは、他で必要とされるよりも更に長い時間だけ開口している必要がある。何故なら、反応領域のイオンは、枯渇領域も移動しなければならないからである。
【００２６】
しかしながら、図３ａに示す第１の閉状態では、第１シャッター電極は、電圧プロファイルに適合しており、第２シャッター電極から反応領域を遮断している。図３ｂに示す開状態では、第１シャッター電極１０６の電圧は、図３ａに示す第１の閉状態における第１シャッター電極１０６の電圧と同一である。従って、イオンシャッターの開口に関連して反応領域１０２の電界に僅かな摂動が起きるかまたは摂動が全く起きない。反応領域１０２は、第２シャッター電極の影響から遮断されている。これは、壁電圧が反応領域に進入する程度を減少させる故に重要である。実施形態により、反応領域のシャッター近隣の空間におけるイオンの数量の枯渇を回避することができる。これにより、イオンがドリフト領域内を通過する前に、先ずシャッターに隣接する枯渇領域を横断しなければならない場合よりも、シャッターをより短い時間間隔だけ開口することができる。
【００２７】
図３ｃに示すように、一旦イオン群がドリフト領域１０４内に進入すると、イオンシャッターを閉口することができる。これは、第２シャッター電極が電圧プロファイルに適合している一方で、第１シャッター電極１０６の電圧を変更することで、第１シャッター電極１０６の電圧が電圧プロファイルと異なるようにすることによって達成することができる。これにより、壁電圧を供給して、反応領域１０２からドリフト領域１０４への更なるイオンの移動を停止する。この第２の閉状態では、第２シャッター電極１０７は、ドリフトチャンバのイオン群を第１シャッター電極１０６から遮断し、自身の配置における電圧プロファイルに適合する。従って、ドリフト領域１０４の電圧プロファイルは、シャッター１０６，１０７の閉口動作によってより僅かな摂動を加えられ、これにより、異なるイオンが、ドリフト領域１０４の同一部分における異なる電界を通過する可能性を減らすことができる。
【００２８】
この第２の閉状態における選択された時間間隔の後、イオンシャッターはリセットされる。この時間間隔は、移動度の低いイオンが、電界が電圧プロファイルに適合するドリフトチャンバの一部に、例えば、第２シャッターによる電圧プロファイルとの差異が電圧プロファイルよりも極めて低く、例えば、イオンの飛行時間におけるこの差異の効果が、ＩＭＳセルの操作解決において測定不能であるドリフトチャンバの一部に移動するのに十分な量の時間を提供するように選択することができる。この時間は、第２シャッターに最も近接するドリフト電極１２０ａへの飛行時間に基づいて選択することができる。他の、より長い時間を使用することもでき、例えば、対象イオンがドリフトチャンバの長さに亘って移動するのに十分に長くてもよい。例えば、時間間隔は、ＩＭＳセルのサイクル時間に基づいて、および／または対象イオンが検出器１１８に到達するのに要する最長の想定時間に基づいて選択することができる。
【００２９】
図３ｄに示すように、続いて、第２シャッター電極の電圧を、図３ｃに示す第２の閉口構成において印加される電圧に対して増加させることによって、シャッター１０５をリセットすることができる。結果として、第２シャッター電極１０７の電圧は、第２シャッター電極の位置における電圧プロファイルよりも高い。リセット操作におけるこの第１ステップでは、第１シャッター電極１０６の電圧は、第１シャッター電極の位置において、図３ｃに示す第２の閉状態の電圧、例えば、電圧プロファイルからずれた（例えば、電圧プロファイルよりも低い）電圧を維持する。
【００３０】
図３ｅは、イオンシャッターのリセットの第２ステップを示している。リセットプロセスのこの第２のステップにおいて、第１シャッター電極１０６の電圧は、第１シャッター電極１０６の位置における電圧プロファイルに適合される。第２シャッター電極１０７の電圧は、電圧プロファイルの第２のシャッター電極の位置における電圧よりも高い電圧である、図３ｄに示した電圧を維持する。これにより、壁電圧を減少させることなく、シャッターを第１の閉状態に戻し、例えば、第１の閉状態にシャッターを戻す工程の間、壁電圧は増加する。実施形態により、シャッターをその第１の閉状態に戻す際にシャッターの不慮の開口を回避することができる。リセットにおけるこの第２ステップの後のＩＭＳセルにおいて結果的に得られる電圧プロファイルは、図３ａに示すのと同一であり、ＩＭＳセルでは別のパケットのイオンをドリフト領域内に解放する準備が整う。
【００３１】
図４ａおよび図４ｂは、イオンシャッターの制御方法の一実施例を提供する電圧プロット４０００，４００２を示す。この方法は、第１シャッター電極と第２シャッター電極との間の壁電圧を、第１シャッター電極の電圧および第２シャッター電極の電圧の両方を変化させることによって制御するステップを含む。
【００３２】
図４ａは、図１、図２、または図３に示されるようなシャッターのための第１シャッター電極の時間に対する電圧プロット４０００を示す。図４ｂは、そのような第２シャッター電極のための時間に対する電圧プロット４００２を示す。図４ａおよび図４ｂは、点線４００５，４００６として電圧プロファイルを表す点線を示している。この点線４００５，４００６は、第１シャッター電極４００５および第２シャッター電極４００６のそれぞれの位置における空間的に変化する電圧プロファイルを示している（第１を４ａ、第２を４ｂ）。各ケースにおいて、シャッター電極の電圧（第１の１０６を４ａ、第２の１０７を４ｂ）を太い実線４００３，４００４として示す。
【００３３】
図４ａおよび図４ｂに示される実施例は、第１シャッター電極および第２シャッター電極がドリフト方向に離間している方法の一例であり、対象イオンに最も近いシャッター電極の電圧が電圧プロファイルに適合するように制御されている。適合には、同一の電圧に設定することを含み、例えば、適合には、選択された電圧公差未満だけオフセットすることを含み、例えば、適合には、イオンの不所望な摂動が測定不能な電圧プロファイルに十分に等しいことを含む。
【００３４】
図４ａおよび図４ｂに示す方法は、対象イオンから最も離れたシャッター電極の電圧を電圧プロファイルとは異なるように制御して、壁電圧を供給するステップを含む。例えば、対象イオンが反応領域にある場合（ｔ０からｔ１までの期間）、第１シャッター電極の電圧は、電圧プロファイルに適合している。この期間中、第２シャッター電極の電圧を電圧プロファイルとは異なるように制御することによって、壁電圧が供給される。これがシャッターの第１の閉状態である。図４ｂに示すように、第２シャッター電極は、電圧プロファイルに適合している。これにより、シャッターを開口し、イオンを通過可能とする。なぜなら、両シャッター電極は、電圧プロファイルに適合し、壁電圧が除去されるからである。
【００３５】
続いて、対象イオン群は、反応領域から解放されて、反応領域から開口しているシャッターを通じて移動する。このグループの後に再度シャッターを閉口するために、時刻ｔ２において、第２シャッターを電圧プロファイルに保持しつつ、第１シャッター電極を電圧プロファイルから変更する。シャッターは、対象イオンが、電界が電圧プロファイルに適合するドリフトチャンバの一部に、例えば第２シャッターによる電圧プロファイルとの差異が電圧プロファイルよりも極めて低く、例えば、イオンの飛行時間におけるこの差異の効果が測定不能であるドリフトチャンバの一部に移動可能となるのに十分に長くなるよう選択されたｔ２からｔ３までの間隔だけ、この第２の閉状態に維持することができる。この時間は、第２シャッターに最も近いドリフト電極１２０ａまでの飛行時間に基づいて選択することができる。その他のより長い時間を使用することも可能であり、例えば、対象イオンがドリフトチャンバの長さを移動するのに十分に長くてもよい。
【００３６】
続いて、シャッターは、時間ｔ３において、壁電圧を増加させることによって第２の閉状態からリセットされる。例えば、第２シャッター電極の電圧は、壁電圧を増加させるように変更することができる。第１シャッター電極の電圧は、これをしつつ、第２電極の電圧よりも僅かに変更することができ、例えば、図４ａに示される期間ｔ３からｔ４までの間に示されるように、一定に維持することができる。
【００３７】
図４は、図３に示すイベントの順序を提供することができる、可能な電圧制御方式の１つを示していることを理解されよう。例えば、図３ａにおける構成は、ｔ０からｔ１までの時間間隔に対応している。図３ｂに示す構成は、時間間隔ｔ１〜ｔ２に対応している。図３ｃに示す構成は、時間間隔ｔ２〜ｔ３に対応している。図３ｄに示す構成は、時間間隔ｔ３〜ｔ４に対応している。また、図３ｅに示す構成は、時間ｔ４以降に対応している。しかしながら、図４には角端型のパルス（ボックスカー波形）が示されているが、より徐々に変化する電圧を使用することもできることを理解されよう。例えば、電圧遷移は、緩やかであってもよく、例えば傾斜していても、例えばロールオフされてもよい。この描写には方形波パルスが使用されている故にシャッター電極の電圧は、遷移中に一定に保持されているが、これは必ずしも必要なケースではないことも理解されよう。結果として、電極上の電圧波形は、台形パルス、方形波パルス、三角波パルス、および準正弦波パルスのうち少なくとも１つの少なくとも部分的な混合を含むことができる。電圧パルスは、対称的である必要はなく、例えば、第１シャッター電極の電圧エクスカーションは、第２シャッター電極の電圧エクスカーションよりも高くても低くてもよい。
【００３８】
図５は、例えば第１シャッター電極がＩＭＳセルのドリフト方向に第２シャッター電極から離間しているか、または第１シャッター電極が第２シャッター電極と同一平面上にある、多様なシャッター配置と共に使用可能な代替的な電圧制御方式を示している。図５に示す実施例では、壁電圧は、第１シャッター電極および第２シャッター電極の電圧に対向する変化を付与することによって制御されている。即ち、第１シャッター電極の電圧が増加した場合、第２シャッター電極の電圧は減少し、またこの逆も可である。２つのシャッターの電圧エクスカーションの相対サイズは、それらが少なくとも部分的に互いに打ち消すように選択することができる。これにより、シャッターの開口および／または閉口時において、全体としてのシャッターの平均電圧における変化を減少させる（例えば回避する）ことができる。これらの対向する変化は、シャッターの位置における電圧プロファイルの中心におくことができる。
【００３９】
図５ａおよび図５ｂにおけるプロットは、図４と同じく、各シャッター電極の位置における電圧プロファイルを、点線５００５，５００６として示しており、関連するシャッター電極の電圧を太い実線で示している。
【００４０】
図５ａおよび図５ｂに示すように、時刻ｔ０からｔ１までシャッターが閉口している間、第１シャッター電極の電圧は、局所的な電圧プロファイルよりも高く、第２シャッター電極の電圧は、局所的な電圧プロファイルよりも低い。これにより、２つの電極間に壁電圧を供給するが、２つの電極の平均電圧は、壁電圧未満だけ電圧プロファイルとは異なる。例えば、電圧プロファイルとの差異が同一かつ対向している場合、シャッターの平均電圧は、電圧プロファイルと等しい。シャッターを開口するために、両電極の電圧を変化させて、壁電圧を低下させることができ、例えば、両シャッター電極の電圧を局所的な電圧プロファイルに向けて移動させることができる。後に、シャッターを再度閉口するために、第１シャッター電圧を増加させ、第２シャッター電極の電圧を低下させる。
【００４１】
この方法により対向する変化を付与することによって、シャッターの開閉時において、シャッターの平均電圧は、壁電圧における変化よりも僅かに変化する。例えば、個々のシャッター電極における変化は、少なくとも部分的に互いに打ち消すことができる。
【００４２】
これらの異なる電圧制御方式は、多様な異なる構成のシャッターと共に使用することができる。図６は、ＩＭＳセル用のイオンシャッターを示す。図６Ａに示すシャッターは、第１シャッター電極１０６および第２シャッター電極１０７を含む。図示するように、第１シャッター電極１０６および第２シャッター電極１０７はそれぞれ、細長い導電性要素を含む。明白にするために、この概略図では、シャッター電極の導体は、それらが交錯しているかのように示しており、シャッター面において見た際に、例えば、ドリフト方向に沿ってシャッターを見た際に、両方を明白に見ることができるようにしている。しかしながら、他の配置のシャッター電極も可能であることを理解されよう。実際、導電性要素だけでなく、シャッター電極自体を多様な異なる方法にて配置することができる。
【００４３】
図６ｂ，図６ｃおよび図６ｄは、異なる可能な配置を示している。これらはそれぞれ、導体を横切る、図６Ａに示されるようなシャッターを通る断面を代表するものである。これらのうち１つ目の図６Ｂでは、第１シャッター電極は、ＩＭＳセルのドリフト方向に（例えば、主要寸法を横切る）第２シャッター電極から離間していることが分かる。第１シャッター電極を製造する細長い導電性要素は、ドリフト方向に沿った第２シャッター電極の導電性要素に整列させることができる（即ち、ドリフト方向に横方向にオフセットされていない）。この構成では、ＩＭＳセルの軸線に沿って見た際に、第１および第２シャッター電極の導体は、他の導体によって一導体が隠れるように整列している。
【００４４】
図６に示すように、シャッター電極１０６，１０７の細長い導体は、直線的である。しかしながら、このような導体は他の構成で配置され得ることを理解されよう。例えば、各シャッター電極１０６，１０７の細長い導体は、メッシュ、例えば三角形、四角形、六角形、またはその他の規則的あるいは不規則なメッシュのようなグリッドとして配置することができる。
【００４５】
しかしながら、必ずしも、本開示の全てのシャッターがこの配置を有するとは限らない。例えば、図１，図２，図３および図４を参照して上述した方法および装置は、シャッター電極がオフセットされているが、細長い導体は整列していない、例えば図６ｃに示すようなシャッターを使用して実施することもできる。例えば、それらは、交錯しており、かつ少なくとも部分的に同一平面上になくてもよく、例えばドリフト方向に離間していてもよい。
【００４６】
図６ｄに示すように、第１シャッター電極および第２シャッター電極は、同一平面上にあってもよく、これは、必須ではないが、図５aおよび図５ｂに示されるような制御方式が使用される場合に特に実用的であり得る。
【００４７】
図面全体を参照すると、当然であるが、概略的な機能ブロック図は本明細書中で説明されるシステムと装置との機能を示すために用いられている。しかしながら、当然であるが、機能は、そのように分割する必要がなく、以下に記述および請求するもの以外のハードウェアのいかなる特定の構造をも意味するものではない。図面に示された要素のうちの１つ以上の要素の機能は、更に細分化され、および／または本開示の装置全体に分布されてもよい。いくつかの実施形態では、図面に示された１つ以上の要素の機能は、単一の機能単位に一体化されてもよい。例えば、電圧プロバイダは、複数の出力チャネルを有する単一の駆動回路によって提供することができ、または、別個の駆動回路をそれぞれに設けてもよい。電圧プロバイダは、固定または特定の基準電圧に対して変化するように配置することができる、切り替え可能な電圧を供給するように配置される増幅器を含むことができる。例えば、ＩＭＳセルの電圧プロファイルは、シャッター電極を駆動する電圧プロバイダの基準電圧として使用することができる。本明細書に記載の電圧プロバイダは、１つまたはそれ以上の昇圧器または降圧器を有し得るＡＣ電源を有することができ、また電圧プロバイダはバッテリまたは容量性電力貯蔵設備のようなＤＣ電源を有することもできる。ＡＣ電源およびＤＣ電源の組合せを使用することができ、また電圧供給器はＤＣ電源に基づいてＡＣ電圧を供給するインバータを有することができる。いくつかの実施形態において、電圧プロバイダは、ＡＣ電源に基づいてＤＣ電圧を供給する整流器を有することができる。ＡＣ電源およびＤＣ電源並びに電圧プロバイダコンポーネントの任意な組合せを使用することができる。いくつかの実施形態において、電圧プロバイダは、電流源としても動作することができる。
【００４８】
上記の実施例において、イオンシャッターを反応領域とドリフトチャンバとの間に示したが、シャッターはＩＭＳセルの位置に設けるか、またはＩＭＳセルを検出器に連結するように設けることもできる。これにより、特定の移動度の（例えば、セルに沿って特定の飛行時間を有する）イオンを選択するシャッターの操作が可能となる。これにより、イオンが質量分析計のような検出器に供給される前に、イオンをフィルタリングすることができる。
【００４９】
電極につき説明する場合、当然のことながら、導体の任意な構成を使用することができ、例えば、電極は金属または他の導体を有することができ、また少なくとも部分的に露出するおよび／または部分的に絶縁することができる。
【００５０】
前述の実施形態は、典型例として理解されるべきである。更なる実施形態も想定される。なお、任意の一実施形態に関連して説明されるいかなる特徴事項は、単独で、または記載されている他の特徴事項と組み合わせて使用されてもよく、また、他の実施形態の１つ以上の特徴事項と組み合わせて使用されてもよく、あるいは他の実施形態と組み合わせて使用されてもよい。更に、添付の特許請求の範囲に規定されている本発明の範囲から逸脱しなければ、前述されていない均等物と修正物とを使用することもできる。
【００５１】
いくつかの実施例において、１つ以上のメモリ要素は、本明細書中で説明される動作を実行するために使用されるデータおよび／またはプログラム命令を格納することができる。本開示の実施形態は、本明細書中で説明および／または請求される方法のうちのいずれか１つ以上を実行するようにプロセッサをプログラムするよう動作可能なプログラム命令および／または、本明細書中で説明および／または請求されるデータ処理装置を提供するように動作可能なプログラム命令を含む有形の非一時的な格納媒体を提供する。
【００５２】
本明細書中で概略を示す動作および制御部などの装置は、論理ゲートのアセンブリなどの固定論理、あるいはプロセッサにより実行されるソフトウェアおよび／またはコンピュータプログラム命令のなどのプログラム可能論理により実現されてもよい。他の種類のプログラム可能論理としては、プログラム可能プロセッサ、プログラム可能デジタル論理（例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、消去可能プログラム可能読み出し専用メモリ（ＥＰＲＯＭ））、電気的消去可能プログラム可能読み出し専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、あるいは他の任意の種類のデジタル論理、ソフトウェア、コード、電子命令、フラッシュメモリ、光ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ ＲＯＭ、磁気カードまたは光カード、電子命令を格納するのに適した他の種類の機械可読媒体、あるいはそれらの任意の適切な組み合わせが挙げられる。
【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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【国際調査報告】
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