(57)【要約】本発明は、分析される陽イオンを供給するための第１イオン源（１０２−１，１０８−１）と、陽イオンを第１方向に、陽イオン検出用の第１イオン検出器（１０６−１，１１０−１）に向けて移動させるための電界を供給するように配置された電界印加手段と、分析される陰イオンを供給するための第２イオン源（１０２−２，１０８−２）とを備えるイオン移動度分光計（１００）に関する。電界印加手段は、陰イオンを第１方向とは反対方向に、第１イオン源（１０２−１，１０８−１）に向けて、かつ、陰イオン検出用の第２イオン検出器（１０６−１，１１０−１）に向けて移動させるように配置される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン移動度分光計であって、
分析される陽イオンを供給するための第１イオン源と、第１方向に、陽イオンを検出可能な第１イオン検出器に向けて陽イオンを移動させるように構成された電界を供給するための電界印加手段と、
分析される陰イオンを供給するための第２イオン源と、
を備え、
前記電界印加手段は、陰イオンを前記第１方向とは異なる第２方向に、前記第１イオン源に向けて、かつ、陰イオンを検出可能な第２イオン検出器に向けて移動させるように配置される、イオン移動度分光計。
【請求項２】
請求項１に記載のイオン移動度分光計であって、前記第１イオン源は、イオン化エネルギーをガス状流体に加えることによってイオンを供給するように構成される第１イオナイザーを備え、前記第１イオナイザーの動作タイミングに基づいて、前記第２検出器の動作タイミングを選択するように構成されるコントローラを備えるイオン移動度分光計。
【請求項３】
請求項１〜２のいずれか一項に記載のイオン移動度分光計であって、前記第２イオン源は、イオン化エネルギーをガス状流体に加えることによってイオンを供給するように構成される第２イオナイザーを備え、前記第２イオナイザーの動作タイミングに基づいて、前記第１検出器の動作タイミングを選択するように構成されるコントローラを備えるイオン移動度分光計。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載のイオン移動度分光計であって、前記第１イオン源から前記第１検出器に向かうイオンの通路を制御するように配置された第１イオンゲートと、前記第２イオン源から前記第２検出器に向かうイオン流を制御するように配置された第２イオンゲートとを備えるイオン移動度分光計。
【請求項５】
請求項４に記載のイオン移動度分光計であって、前記第２検出器は、前記第１イオンゲートに到達するイオンを検出するように結合されたイオン移動度分光計。
【請求項６】
請求項５に記載のイオン移動度分光計であって、前記第１イオンゲートは、前記第１イオン源から前記第１検出器までのイオンの通路を制御するためのゲーティングモードと、検出されるイオンを収集するためのイオン検出モードとにおいて操作可能であるイオン移動度分光計。
【請求項７】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のイオン移動度分光計であって、前記第１イオン源は、陽イオンを前記第１検出器に向けて移動させ、更に、陰イオンの到達を検知するよう操作可能な第１リペラを備えるイオン移動度分光計。
【請求項８】
請求項７に記載のイオン移動度分光計であって、前記第２検出器は、前記第１リペラを備えるイオン移動度分光計。
【請求項９】
請求項７または８に記載のイオン移動度分光計であって、前記第２イオン源から移動するイオンが、前記第１リペラに到達する前に、前記第１リペラからの電流を引き起こすのを防止するように配置された第１シールド電極を備えるイオン移動度分光計。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載のイオン移動度分光計であって、前記第１イオン源および前記第２イオン源は、ドリフト領域によって相互に分離されているイオン移動度分光計。
【請求項１１】
請求項１０に記載のイオン移動度分光計であって、前記電界印加手段は、前記ドリフト室の中点に対称的である電圧プロファイルを提供するように配置されるイオン移動度分光計。
【請求項１２】
請求項１１に記載のイオン移動度分光計であって、前記ドリフト室の中点における電圧プロファイルは、基準電圧に基づくイオン移動度分光計。
【請求項１３】
請求項１０、１１または１２に記載のイオン移動度分光計であって、ドリフトガス領域に、前記第１イオン源および前記第２イオン源に向けてドリフトガス流を供給するように配置されるドリフトガス入口を備えるイオン移動度分光計。
【請求項１４】
請求項１３に記載のイオン移動度分光計であって、ドリフトガスが前記ドリフトガス入口から前記第１イオン源に、かつ第１ドリフトガス出口に流出するように配置される第１ドリフトガス出口を備えるイオン移動度分光計。
【請求項１５】
請求項１３または１４に記載のイオン移動度分光計であって、ドリフトガスが前記ドリフトガス入口から前記第２イオン源に、かつ第２ドリフトガス出口に流出するように配置される第２ドリフトガス出口を備えるイオン移動度分光計。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか一項に記載のイオン移動度分光計であって、イオン化されるサンプルをフローから前記第１イオン源に供給するように配置される第１入口を通過し、イオン化されるサンプルをフローから前記第２イオン源に供給するように配置される第２入口を通過するガス状流体流を供給するように配置される流路を備えるイオン移動度分光計。
【請求項１７】
請求項１６に記載のイオン移動度分光計であって、前記第１入口および第２入口は、開口部および膜のうち一方を備えるイオン移動度分光計。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれか一項に記載のイオン移動度分光計であって、前記第１イオン源および前記第２イオン源のうち一方からのイオンの解放を、前記第１イオン源および前記第２イオン源のいずれか他方からのイオンの解放におけるタイミングに基づいて制御するように構成されたコントローラを備えるイオン移動度分光計。
【請求項１９】
請求項１８に記載のイオン移動度分光計であって、イオンの解放の制御にイオンゲートの操作の制御を含むイオン移動度分光計。
【請求項２０】
請求項１〜１９のいずれか一項に記載のイオン移動度分光計であって、前記第１イオン源および前記第２イオン源の間に配置されたイオン修正器を備えるイオン移動度分光計。
【請求項２１】
請求項２０に記載のイオン移動度分光計であって、前記第１イオン源および前記第２イオン源のうち少なくとも一方からのイオンの解放タイミングに基づいて、前記イオン修正器を操作するように構成されたコントローラを備えるイオン移動度分光計。
【請求項２２】
イオン移動度分光計用に、イオンゲートおよびイオン検出器を備える装置であって、前記イオンゲートは、第１電極と、第２電極と、前記第１電極および前記第２電極の相対電圧を制御して、前記イオンゲートを通じるイオンの通路を制御するように構成されたゲートコントローラとを備え、前記検出器は、イオンが前記イオンデートに到達したのを検知するために、前記第１電極および前記第２電極のうち少なくとも一方に結合される装置。
【請求項２３】
請求項２２に記載の装置であって、前記ゲートコントローラは、前記第１電極を選択された電圧に維持するように構成され、かつ、前記検出器は、前記第１電極に結合される装置。
【請求項２４】
請求項２３に記載の装置であって、前記ゲートコントローラは、選択された電圧に対して、前記第２電極の電圧を変化させ、前記ゲートを閉口するように操作可能である装置。
【請求項２５】
請求項２２，２３，または２４に記載の装置であって、前記検出器は、前記第１電極に結合された入力を有する増幅器を備える装置。
【請求項２６】
請求項２１に記載の装置であって、前記増幅器は、自立運転式増幅器を備える装置。
【請求項２７】
請求項２２〜２６のいずれか一項に記載の装置であって、イオンが前記第１電極に到達する前に、前記検出器によるイオンの検出を防止するように配置されるシールド電極を備える装置。
【請求項２８】
請求項２７に記載の装置であって、前記シールド電極は、前記第１電極およびイオン源の間に配置される装置。
【請求項２９】
請求項２２〜２８のいずれか一項に記載の第１装置によって、ドリフト室から分離された第１イオン源と、請求項２２〜２８のいずれか一項に記載の第２装置によって、ドリフト室から分離された第２イオン源とを備えるイオン移動度分光計。
【請求項３０】
請求項４，５，または６に記載のイオン移動度分光計であって、前記第１イオンゲートは、請求項２２〜２８のいずれか一項に記載の装置によって供給され、前記第２イオンゲートは、請求項２２〜２８のいずれか一項に記載の第２装置によって供給されるイオン移動度分光計。
【請求項３１】
請求項２９または３０に記載のイオン移動度分光計であって、前記第２装置のイオンゲートの開閉に基づいて、前記第１装置のイオンゲートを開閉するように配置されるコントローラを備えるイオン移動度分光計。
【請求項３２】
請求項３１に記載のイオン移動度分光計であって、イオンが通過できるよう、前記第２装置のイオンゲートの開口に応じて、イオンを検出するために前記第１装置を操作するように配置されたコントローラを備えるイオン移動度分光計。
【請求項３３】
イオン移動度分光計のためのイオンゲートの操作方法であって、前記ゲートを通じて第１イオンが通過可能となるよう前記ゲートを開口すること、前記ゲートを通じるイオンの通路を妨害するよう前記ゲートを閉口すること、並びに、前記ゲートが閉口している間は、前記ゲートにおける第２イオンの到達を検出することを含み、前記第２イオンは、前記第１イオンとは異なるサインを有する方法。
【請求項３４】
請求項３３に記載の方法であって、検出に、前記イオンゲートの電極におけるイオンの収集を含む方法。
【請求項３５】
イオン移動度分光計のドリフト室によって相互に分離された一対のイオンゲートの操作方法であって、イオンが前記第２イオンゲートに向けて通過可能となるよう、前記イオンゲートのうち最初の１つを開口すること、並びに、前記第２イオンゲートにおけるイオンの到達を検出することを含む方法。
【請求項３６】
請求項３５に記載の方法であって、前記第２イオンゲートの閉口状態を維持して、イオンの到達を検出する方法。
【請求項３７】
請求項３３〜３６のいずれか一項に記載の方法であって、前記第１イオンゲートは、２つの電極を備え、前記２つの電極の間に電圧を印加して、陽イオンを前記２つの電極の一方に収集し、陰イオンを前記２つの電極のうち他方に収集すること、並びに、前記２つの電極のうち対応する一方における、陽イオンまたは陰イオンの到達を検出することを含む方法。
【請求項３８】
請求項３７に記載の方法であって、電圧の印加が、前記ゲートの閉口を含む方法。
【請求項３９】
イオン移動度分光計用の結合型リペラおよび検出装置であって、
サンプルをイオン化するためのイオナイザーと、
電極と、
前記電極に電圧を印加して、第１イオンを前記イオナイザーおよび前記電極から分離させるように構成された電圧供給装置と、
前記電極に結合され、前記電極における第２イオンの到達を検出するように構成された検出器と、
を備え、
第２イオンは、第１イオンとは異なるサインを有する装置。
【請求項４０】
請求項３９に記載の装置であって、前記イオナイザーの非稼働時に、前記検出器から信号を取得するように構成されたコントローラを備える装置。
【請求項４１】
請求項３９または４０に記載の装置であって、前記電極は、リペラプレートを備える装置。
【請求項４２】
請求項３９〜４１のいずれか一項に記載の装置であって、更に、第２イオンが前記電極に到達する前に、第２イオンが前記検出器によって検出されるのを防止するように配置されたシールド電極を備える装置。
【請求項４３】
請求項４１に記載の装置であって、前記シールド電極は、電気的に孤立している装置。
【請求項４４】
請求項３９〜４３のいずれか一項に記載の第２装置から、ドリフト室によって離間しており、請求項３９〜４３のいずれか一項に記載の第１装置を備えるイオン移動度分光計。
【請求項４５】
請求項４４に記載のイオン移動度分光計であって、前記第１装置の前記電圧供給装置および前記第２装置の前記電圧供給装置は、陽イオンを前記第１装置から前記ドリフト室に沿って移動して、前記第２装置によって検出されるように、かつ、陰イオンを前記第２装置から前記ドリフト室に沿って移動して、前記第１装置によって検出されるように構成されるイオン移動度分光計。
【請求項４６】
陽イオン源と、陰イオン源からドリフト室によって分離された、陰イオンを検出するための検出器と、陽イオンを検出するための検出器とを備えるデュアル極性ＩＭＳセル。
【請求項４７】
共通の電圧プロファイルを使用し、陽イオンおよび陰イオンの両モードにおいてＩＭＳセルを同時に操作して、陽イオンおよび陰イオンの両者を共通のドリフト領域を通じて促進することを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン移動度分光分析方法および装置に関するものであり、より具体的には、飛行時間イオン移動度分光分析のための方法および装置に関し、更に具体的には、デュアルモードイオン移動度分光分析セルにおいて使用するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン移動度分光計（ＩＭＳ）は、物質をイオン化し、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、検出器によって測定でき、飛行時間は、ガスを通じたイオンの移動度に関連付けられる。イオンの移動度は、イオンの質量および衝突断面積に関連する。即ち、検出器における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】
異なる物質により、異なる荷電イオンが生じる。イオン移動度分光分析は、爆発物および麻薬等の禁制品の痕跡をスクリーニングするために使用することができる。麻薬は、一般的に、ポジティブモードで稼働するＩＭＳにおいて検出可能である一方、麻薬は、ネガティブモードにおいても検出可能である。いくつかの化学兵器原料は、ポジティブモードにて検出可能である一方、その他は、ネガティブモードにて検出することができる。従って、いくつかのＩＭＳ装置は、ポジティブモードおよびネガティブモードセルの両者を含む。
【０００４】
スペースおよび電力が制限されていない場合、ポジティブモードおよびネガティブモードの両方のＩＭＳセルの提供は、問題ではない。手持ち式装置の場合、装置のサイズおよび重量の両方に制約される。ＩＭＳ電力供給ユニットにおいて使用される物質の静電破壊の問題は、ＩＭＳ装置におけるサイズによる制約に関連する電圧も課す。
【発明の概要】
【０００５】
本発明の実施態様および実施例は、添付の特許請求の範囲に記載したとおりである。
【０００６】
次に、いくつかの実施形態を、添付図面を参照して、単なる例示として記載する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】ＩＭＳセルの概略断面図である。
【図２】結合型イオンゲートと、図１に例示するＩＭＳセルにおいて使用するための検出器との説明図である。
【図３】結合型リペラ電極と、図１に例示するＩＭＳセルにおいて使用するための検出器との説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の実施形態は、電界を設けることにより、陽イオンを陽イオン検出器に向けて、ドリフト室に沿って移動させるデュアルモードＩＭＳ装置を提供する。同一の電界は、他の方向に、陰イオン検出器に向けてドリフト室に沿って、陰イオンも移動させる。陰イオンおよび陽イオン源の検出器は、一方では、ドリフト室によって、陽イオンの検出器から分離されており、他方では、陰イオンの検出器から分離されている。即ち、本発明の実施形態は、単一の電圧プロファイルを使用して、異なる極性のイオンを異なる方向に移動させる単一のデュアルモードＩＭＳセルを提供する。即ち、本発明の実施形態は、単一の共通電源を使用して、陽イオンおよび陰イオンの両者を移動させる。このようなＩＭＳ装置の一例を図１に示す。
【０００９】
本発明の実施形態は、検出器として使用することのできるイオンゲートも提供する。このようなイオンゲートは、図１を参照して説明される装置において使用することができる。本発明の別の実施形態は、検出器として操作することのできるリペラ電極を提供する。このようなリペラ電極は、図１を参照して説明した装置においても使用することができる。
【００１０】
図１は、ドリフト室１０４、第１イオン源１０２−１，１０８−１、第２イオン源１０２−２，１０８−２、第１イオン検出器１０６−１，１１０−１、および第２イオン検出器１０６−２，１１０−２を備えるイオン移動度分光計１００を示す。第１イオン源１０２−１，１０８−１および第２検出器１０６−２，１１０−２は、ドリフト室１０４の一端部に配置され、第２イオン源１０２−２，１０８−２および第１検出器１０６−１，１１０−１は、ドリフト室１０４の他端に配置される。
【００１１】
第１検出器１０６−１，１１０−１は、陽イオンを収集するための第１集電極１０６−１と、第１集電極１０６−１に結合された第１信号判定器１１０−１とを備えることができる。同様に、第２検出器１０６−２，１１０−２は、陰イオンを収集するための第２集電極１０６−２と、第２集電極１０６−２に結合された第２信号判定器１１０−２とを備えることができる。
【００１２】
第１信号判定器１１０−１および第２信号判定器１１０−２は、コントローラ１１２に結合されてもよい。コントローラ１１２は、第１イオン源１０２−１，１０８−１および第２イオン源１０２−２，１０８−２、並びに、陽イオンを第１イオン源１０２−１，１０８−１から第１イオン検出器に向けて移動させ、かつ、第２イオン源１０２−２，１０８−２から第２検出器に陰イオンを移動させるための電界を提供するように配置された電界印加手段にも結合されてもよい。
【００１３】
電界印加手段は、複数の電極および電圧供給装置１１４を備えることができる。例えば、ドリフト室１０４に沿って、一連のドリフト電極１２０を配置してもよい。電圧供給装置１１４は、ドリフト電極１２０並びに第１および第２集電極に結合されてもよい。電圧供給装置１１４およびドリフト室１０４におけるドリフト電極１２０は、併せて、ドリフト室１０４に沿って選択された電圧プロファイルを提供して、陽イオンをドリフト室１０４に沿って一方向に移動し、かつ、（例えば、陰イオンを反対方向に移動させるために）陰イオンを他方向に移動させる。従って、同一の電界により、陽イオンを第１集電極１０６−１に向けて、かつ、陰イオンを第２集電極１０６−２に向けて移動させる。電界印加手段は、ドリフト室１０４の中点に対称的である圧力プロファイルを提供するように配置される場合があり、例えば、ドリフト室１０４の中点における電圧プロファイルは、基準電圧に基づいてもよく、例えば、電圧プロファイルは、接地（例えば、ドリフト室１０４に沿って電圧プロファイルを画定する最小および最大供給電圧の間の分圧器の中点に結合）されてもよい。
【００１４】
第１信号判定器および第１集電極は、併せて、検出器として動作するように構成され、この検出器においては、第１信号判定器は、第１集電極におけるイオンの到達に基づいて、電流または電圧等の検出信号を供給する。第１信号判定器は、コントローラに検出信号を供給するように構成され、かつ、コントローラ１１２を（イオンをドリフト室１０４に沿って移動させるために加えられる圧力により、コントローラ１１２とは全く異なる電圧であり得る）第１集電極の電圧から分離するように構成されてもよい。例えば、第１信号判定器は、分離オペアンプを備えることができる。また、第２検出器も分離オペアンプを備えることができるが、第２集電極も同様に、コントローラ１１２とは全く異なる電圧であり得るため、第２信号判定器は、コントローラ１１２に検出信号を供給し、コントローラ１１２を第２集電極の電圧から分離するように構成されてもよい。
【００１５】
第１イオン源１０２−１，１０８−１および第２イオン源１０２−２，１０８−２は、いずれも、イオン化される物質サンプルを導入するためのピンホールまたは膜等の入口１０２を備える。また、それらは、物質をイオン化するためのイオン化エネルギーを加えるためのイオナイザーも備えてもよい。イオナイザーの例として、コロナ放電源およびその他のイオン化放射線源が挙げられる。イオナイザーは、コントローラ１１２によって制御されて、イオナイザーの動作のタイミングを選択するように構成することができる。各入口１０２は、ガス状流体のフロー１０１からガスまたは蒸気等のガス状流体サンプルを取得するように配置することができる。ＩＭＳは、第１イオン源１０２−１，１０８−１および第２イオン源１０２−２，１０８−２の両方の入口を通過するガス状流体の同一のフローを供給するように配置することができる。第１イオン源１０２−１，１０８−１および第２イオン源１０２−２，１０８−２は、いずれも、ブラッドバリー・ニールセン・ゲートやチンダル・パウエル・ゲート等のイオンゲートも備えることができる。
【００１６】
ドリフト室１０４は、ドリフト室１０４の中部に向けて配置されたドリフトガス入口１１６と、ドリフトガス入口１１６および第１イオン源１０２−１，１０８−１の間に配置された第１ドリフトガス出口１１８と、ドリフトガス入口１１６および第２イオン源１０２−２，１０８−２の間に配置された第２ドリフトガス出口１１８とを備えることができる。従って、ＩＭＳは、一般的に、陰イオンおよび陽イオンの両方の通路において、ドリフトガス流を供給源から第１または第２検出器１１８に反対方向に供給するように構成することができる。ドリフトガスの例として、窒素、ヘリウム、空気、再循環空気（例えば、浄化および／または乾燥空気）が挙げられるが、それらに限定されない。また、ドリフトガスは、例えば、アンモニアあるいはアセトン、またはその他の物質を含有してもよい。
【００１７】
稼働時には、ガス状流体流が第１イオン源１０２−１，１０８−１および第２イオン源１０２−２，１０８−２のぞれぞれの入口１０２を通過して引き込まれる。コントローラ１１２は、イオン源がイオン化されるフローからガス状流体サンプルを取得するトリガーとなり得る。コントローラ１１２は、第１イオン源１０２−１，１０８−１を操作して、サンプルをイオン化し、陽イオンを提供する。コントローラ１１２は、第２イオン源１０２−２，１０８−２を操作して、陰イオンを提供することもできる。
【００１８】
続いて、コントローラ１１２は、イオンゲートを操作することにより、陽イオンが第１イオン源１０２−１，１０８−１から、ドリフト室１０４に沿って、電界印加手段によって供給される電圧プロファイルの下方に、ドリフトガス流を通じて、第１検出器１０６−１の集電極まで移動可能となる。コントローラ１１２は、別のイオンゲートも操作して、陰イオンを第２イオン源１０２−２，１０８−２から、電界印加手段によって供給される電圧プロファイルの上方に、ドリフトガス流を通じて、第２検出器の集電極まで、別の方向に移動させることもできる。
【００１９】
コントローラ１１２は、陽イオンおよび陰イオンを同時にドリフト室１０４に沿って移動させる必要がないよう、イオンゲートを交互に開口させるように構成することができる。例えば、コントローラ１１２は、第２イオンゲートを開口するタイミングに基づいて、第１イオンゲートを開口するタイミングを選択するように構成することができる。
【００２０】
コントローラ１１２を、隣接するイオナイザーの動作タイミングに基づいて、各検出器の動作タイミングを選択するように構成することもできる。例えば、コントローラ１１２は、第１イオナイザーの動作タイミングに基づいて、第２検出器の動作タイミングを選択することができる。また、例えば、コントローラ１１２は、第１イオナイザーによりエネルギーを加えてサンプルをイオン化する際に、第２検出器のスイッチを消し、例えば、集電極が信号判定器から分離されるように構成されてもよい。同様に、第１検出器の動作タイミングは、検出器とイオナイザーとが同時に動作しないよう、第２イオナイザーの動作タイミングに基づいて選択することができる。
【００２１】
第１検出器および第２検出器の各集電極も、イオンゲートを設けるように構成されてもよい。例えば、第１イオン源１０２−１，１０８−１のイオンゲート１０６は、第２検出器の集電極を供給することができる。従って、第２検出器の信号判定器は、第１イオンゲート１０６（第２集電極）における、第２イオン源１０２−２，１０８−２からの陰イオンの到達、およびその逆を検知するように結合することができる。例えば、第１イオンゲート１０６は、第１イオン源１０２−１，１０８−１から第１検出器までの陽イオンの通路を制御するためのゲーティングモードにて操作可能であり、かつ、第２検出器によって検出される陰イオンを収集するためのイオン検出モードにて操作可能である。この方法において使用するのに好適な結合されたイオンゲート１０６および検出器の一例を、図２を参照して、以下に記載する。
【００２２】
いくつかの別の実施例において、各検出器の集電極は、イオンを生成するイオン源からイオンを分離するために使用されるリペラ電極によって供給することができる。例えば、第１イオン源１０２−１，１０８−１は、陽イオンを第１検出器に向けて移動させるために、電圧供給装置１１４に結合される第１リペラを備えることができる。しかしながら、リペラ電極が陰イオンの到達を検知し、かつ陽イオンの通過を防ぐ集電極として機能するように、この第１リペラ電極は、第２検出器の信号判定器にも結合されてもよい。リペラ電極がこの方法によって使用される場合、シールド電極は、イオンがリペラ電極に到達する前に、イオンが検出器において信号を発生するのを防止するように配置することができる。結合されたリペラ電極および検出器の一例を、図３を参照して記載する。しかしながら、ＩＭＳにおいては、イオンの検出のために、別の構造も使用可能であることを理解されよう。
【００２３】
図２は、図２−Ａおよび図２−Ｂを含む。図２−Ａは、結合されたイオンゲートおよび検出器の説明図を示す。図２−Ｂは、図２−Ａに示す、結合されたイオンゲートおよび検出器を備えるＩＭＳ装置１００´の部分断面平面図を示す。
【００２４】
図２−Ａは、イオン移動度分光計用のイオン検出器を設けるように配置されたイオンゲート１０６を示す。図２−Ａに示すイオンゲート１０６は、ブラッドバリー・ニールセン・ゲートを設けるように配置される複数の導管を備える。チンダル・パウエル・イオンゲート配置およびその他の配置も利用することができる。
【００２５】
イオンゲート１０６は、導管のグリッドを提供するよう、いずれも、例えば平行に、相互に整列され得る複数の細長い導管を備える２つの電極を備える。導管は、交互に電気的に結合されて、独立的に制御可能な電極を供給してもよい。図２−Ａ（および図２−Ｂの断面図）に示すように、イオンゲート１０６の第１電極の導管は、第１電極の間に交互に配置することができる。いくつかの実施例において、第１および第２電極は、同一平面であってもよく、例えば、導管は相互に組み合わせてもよい。しかしながら、いくつかの実施例において、２つの電極は、相互にずれていてもよく、例えば、イオンがＩＭＳセルに沿って移動する方向にずれていてもよい。
【００２６】
第１電極および第２電極の電圧を制御するため、電圧供給装置１１４を制御するゲートをイオンゲート１０６に結合する。第１電極は、電圧供給装置１１４の第１出力に結合されてもよい。また、第２イオンゲート１０６の電極は、電圧供給装置１１４の第２出力に結合されてもよい。
【００２７】
信号判定器１１０は、電極におけるイオンの到達を検知するため、第１および第２電極のうち一方に結合される。信号判定器１１０は、（図１に示すＩＭＳ１００のコントローラ１１２等の）ＩＭＳ装置のコントローラに検出信号を供給するように結合されてもよく、例えば、プラズマグラムを提供することによって、例えば、サンプルから物質を識別するのに使用される。
【００２８】
信号判定器１１０は、アイソレーション増幅器を、例えば、（機器アースおよび信号アースの間における電位差異等の）高いコモンモード電圧における小さな信号の測定に適した異なる増幅器を備えることができる。信号判定器は、ピコアンプの範囲での解決策を提供するように構成することができる。また、信号判定器は、少なくとも１００ボルトの、例えば少なくとも５００ボルトのコモンモード電圧によって解決策を提供するように構成されてもよい。いくつかに実施形態において、コモンモード電圧は、ゲートを閉口するためにゲート電極の間に加わる電圧に関連付けてもよく、例えば、約１００ボルトであり得る。いくつかの構成において、全体としてのゲートは、少なくとも５００ボルトの平均電圧であり、アイソレーション増幅器は、これらの環境においては、ピコアンプによる解決策を提供するように構成することができる。これらは、単なる実施例であり、いくつかの実装形態は、より多く、またはより少ない解決策を必要とし、かつ、より多い、またはより少ないコモンモード電圧において使用することができる。好適なアイソレーション増幅器の一例として、テキサスインストルメンツによって製造されるＩＳＯ１２４、または、ＲＧ８  ７ＪＷ，イギリス国，バークシャー，リーディング，パンボーン，ホースシューパークにあるＸＰパワーによって製造されるＩＦＳシリーズの増幅器が挙げられる。他の形式のアイソレーション増幅器を使用してもよい。
【００２９】
電圧供給装置１１４は、第１電極および第２電極の相対電圧を制御することによってゲート１０６を制御するように構成される。これにより、イオンのイオンゲート１０６を通じる通路を制御することができる。例えば、電圧供給装置１１４は、１つの電極の電圧を固定状態に（例えば、相対電圧に結合して）維持し、他方の電極の電圧を変更して、ゲートを開閉するように構成することができる。例えば、ゲートは、第１および第２電極の電位が類似している場合、例えば、電極が等電位である場合、開口する。電圧供給装置１１４は、第１電極および第２電極の間に電圧を印加することによってゲートを通じて移動するイオンを偏向させるように構成することができる。この方法によってゲート１０６を閉口することにより、ゲートを通じたイオンの通路を偏向することを理解されよう。例えば、イオンは、一電極または他方の電極に向けて引っ張られる（例えば、推進される）。
【００３０】
イオンゲート１０６の第１電極が選択された（例えば、固定された）電圧で維持される実施例において、信号判定器は、第１電極におけるイオンの到達を検出するように結合することができる。例えば、信号判定器の入力は、固定電極に結合することができる。例えば、検出器は、固定電極に結合される入力を有するアイソレーション増幅器を備えることができる。増幅器の他方の入力は、例えば、ある種のキャパシタンスを介して、出力に結合することができる。例えば、増幅器は、インテグレーターとして構成することができる。いくつかの実施形態において、コントローラは、信号判定器をイオンゲートの開閉に関連する過渡信号から保護するように構成することができる。例えば、コントローラは、ゲートの開閉前に、信号判定器の入力（例えば、増幅器の入力）をイオンゲートから分離し、かつ、ゲートが閉口した後、入力をイオンゲートに選択した時間だけ再接続するように構成されてもよい。例えば、トランジスタまたは継電器等の電気的に操作可能なスイッチまたは増幅器の入力を分離する別の手段を設けて、この目的のために、コントローラおよび信号判定器の入力に結合してもよい。
【００３１】
図２−Ｂは、ドリフト室１０４と、第１イオン源１０２−１，１０８−１と、検出器の電極を供給するように配置されたイオンゲート１０６−１を備える第１イオン検出器とを備えるデュアルモードＩＭＳセルを示す。例えば、図２−Ｂのイオンゲート１０６−１は、図２−Ａを参照して記載したような装置を備えることができる。
【００３２】
図２−Ｂに示すＩＭＳセルは、第２イオン源１０２−２，１０８−２と、イオンゲートによっても供給され得る第２イオン検出器１０６−２とを備えることもできる。第１イオン源１０２−１，１０８−１および第２検出器１０６−２は、ドリフト室１０４の一端部に配置され、第２イオン源１０２−２，１０８−２および第１イオン検出器１０６−１は、ドリフト室１０４の他端に配置される。
【００３３】
図２−Ｂに示す装置は、イオン化される物質を導入するための入口１０２−２と、物質をイオン化するために配置されるイオナイザー１０８−２とを備える。入口１０２−２およびイオナイザー１０８−２は、併せて、例えば、図１を参照して上述したイオン源等の第２イオン源１０２−２，１０８−２を提供することができる。その他の種類のイオン源も使用することができる。
【００３４】
図２−Ｂに示すように、ＩＭＳ１００´は、入口１０２−１，１０２−２を各端部に備え、一方は第１イオン源１０２−１，１０８−１用、他方は第２イオン源１０２−２，１０８−２用である。これらの入口は、相互に整列されていなくてもよいこと、および、例えば、ドリフト室１０４の中心軸からずれていてもよいことを、図２−Ｂから理解されよう。図１および図３−Ｂを参照して記載した別の実施形態、並びにその他の実施形態においても同様である。
【００３５】
（第１検出器の集電極を供給する）イオンゲート１０６−１は、図２−Ａに示すように、ＩＭＳセルに亘って、第２イオン源１０２−２，１０８−２を包囲するように配置され、かつ、電圧供給装置１１４およびイオンゲート１０６に結合される。図２−Ｂに示す実施例において、ＩＭＳセルは、相互に離間したシールド電極１２２およびドリフト電極１２０、並びに、ＩＭＳセルに沿ってイオンゲート１０６も含む。シールド電極１２２は、ドリフト電極１２０およびゲート１０６−１の間のＩＭＳセルに配置することができる。ドリフト電極１２０、シールド電極１２２、およびイオンゲート１０６は、電圧供給装置１１４に結合することができる。
【００３６】
ドリフト電極１２０は、ドリフト室１０４に沿って電圧プロファイルを供給して、陽イオンを一方向に移動させ、陰イオンを他方向に移動させるように構成することができる。第２イオン源１０２−２，１０８−２から移動するイオンが、第１検出器のイオンゲート１０６−１に到達する前に検出させるのを防止するように、シールド電極１２２は、隣接する検出器を電界から少なくとも部分的に遮蔽するように構成することができる。
【００３７】
図２−Ｂに示すＩＭＳセルは、図１を参照して上述したように操作される。電圧供給装置１１４は、イオンゲート１０６−１を開口して、第２イオン源１０２−２，１０８−２からのドリフト室１０４に沿った、第２検出器１０６−２に向けたイオンの移動を可能にする。続いて、電圧供給装置１１４は、ゲートの第１電極および第２電極の間に異なる電圧を印加することによってイオンゲート１０６−１を閉口する。閉口されたゲート１０６−１により、イオンを検出することができる。例えば、ゲートを閉口するために印加した電圧を選択することにより、陽イオンを検出器が結合されたゲート電極に収集する。信号判定器は、イオンの到達を、イオンゲート１０６−１を閉口する時間間隔において検出し、イオンゲート１０６−１が開口すると、スイッチを消すか、またはイオンゲート１０６−１から時間間隔中に分離するように構成することができる。
【００３８】
図３は、デュアルモードセルにおいて使用するのに好適なＩＭＳ装置１００´´におけるイオン源の代替的な配置を示す。図３に示すイオン源は、イオン化される物資を導入するための入口１０２と、物質をイオン化するために配置されるイオナイザーとを備える。図３に示す装置は、リペラ電極１１９を備える。リペラ電極１１９は、電圧供給装置１１４に結合され、かつ、ドリフト電極１２０と使用されて、ドリフト室１０４に沿って、検出器（および別のイオン源）に向けて、ドリフト室１０４の他端において、イオンをイオナイザーから分離するための電圧プロファイルを提供することができる（図３には図示せず）。図３の装置は、ブラッドバリー・ニールセン・ゲートまたはチンダル・パウエル・ゲート等のイオンゲートを備えることができる。
【００３９】
リペラ電極１１９は、イオンのリペラ電極１１９への到達に応じて、検出信号を供給することのできる信号判定器１１０に結合することができる。例えば、電圧提供装置１１４は、陽イオンをリペラ電極１１９から分離するように構成されてもよく、信号判定器は、陰イオンのリペラ電極１１９への到達（またはその逆）を検知するように構成されてもよい。
【００４０】
図３に示す信号判定器１１０は、アイソレーション増幅器を備えてもよい。例えば、（機器アースおよび信号アースの間における電位差異等の）高いコモンモード電圧における小さな信号の測定に適した異なる増幅器を備えることができる。図１に示す実施形態を参照して上述したように、信号判定器は、リペラ電極において、少なくとも１００ボルトの、例えば、少なくとも６００ボルトのコモンモード電圧によって、ピコアンプ範囲における電流の解決策を提供するように構成されてもよい。
【００４１】
図３に示す装置は、イオナイザー１０８´の動作タイミングを制御するコントローラ（図３に図示せず）を備えることができる。このコントローラは、信号判定器１１０の動作タイミングをイオナイザー１０８の動作タイミングに基づいて選択するように構成されてもよい。例えば、このコントローラにより、信号判定器を操作して、イオナイザー１０８のスイッチが消されている合間に、イオンの到達を検出するように構成することができる。コントローラは、信号判定器をイオナイザーの操作に伴う過渡信号から保護するように構成することができる。例えば、コントローラは、イオナイザーを操作する前に、信号判定器の入力（例えば、増幅器の入力）をリペラ電極から分離し、かつ、イオナイザーの操作を停止した後、入力を選択した時間だけ再接続するように構成されてもよい。例えば、トランジスタまたは継電器等の電気的に操作可能なスイッチまたは増幅器の入力を分離する別の手段を設けて、この目的のために、コントローラおよび信号判定器の入力に結合してもよい。
【００４２】
図示するように、図３の装置は、イオンが電極に到達する前に、イオンが検出器によって検出されるのを防止するように配置されるシールド電極１２２を備えることもできる。例えば、シールド電極は、例えばメッシュタイプまたは蜂の巣状のグリッドを備えることができ、リペラ電極１１９を、ドリフト室１０４からリペラ電極１１９に向かうイオンの移動によって供給される電界から、少なくとも部分的に遮蔽するように配置することができる。
【００４３】
操作において、イオン化される物質サンプルは、入口１０２を通じて引き込まれ、コントローラ１１２により、イオナイザーを操作して、物質サンプルをイオン化することができる。続いて、コントローラ１１２は、イオンゲート１０６´を開口して、ドリフト室１０４に沿ってドリフト室１０４の他端における検出器に向けて、サンプルからのイオンを移動可能にする。続いて、イオナイザーのスイッチを消し、ドリフト室１０４の他方の端部において、イオン源によって生成されるイオンは、続いて、ドリフト室１０４に沿って、リペラ電極１１９に向けて移動可能となる。イオナイザーのスイッチが消されている合間に、コントローラ１１２は、信号判定器を操作して、リペラ電極１１９におけるイオンの到達を検出して、ドリフト室１０４に沿ったイオンの飛行時間を示す検出信号を取得することができる。シールド電極により、イオンがリペラ電極１１９に到達する前に、または少なくとも、イオンがシールド電極１２２を通過するまで、これらのイオンからの電界が、リペラ電極から信号判定器への信号を発生するのを防止することができる。
【００４４】
いくつかの実施形態において、イオンゲートあるいはリペラ電極１１９のいずれか、または両者を使用して、イオンを検出できること、並びに、いくつかの実施形態において、ＩＭＳ内において他の構造を使用して、イオンを検出できることは、言うまでもない。例えば、いくつかの実施形態において、電極は、ドリフト室１０４に沿ってイオンの通路に配置されてイオンを検出するために使用されてもよい。これらの電極は、イオンの検出またはその他の目的に資するために単独で使用することができる。例えば、いくつかの実施形態において、ＩＭＳ装置は、イオンにＲＦ電界を印加可能としたイオン修正器電極を備えることにより、例えば、イオンを分解する。いくつかの実施形態において、これらまたは他の構造は、検出器に供給するために信号判定器に結合することができる。
【００４５】
本明細書の文脈から、当業者には、別の実施例および変形形態も明白となろう。例えば、本発明の実施形態は、ＩＭＳの時間または飛行および他の種類のＩＭＳに関連する。いくつかの実施形態は、コロナ放電源等の非連続的なイオン化源を使用する。いくつかの実施形態は、Ｎｉ−６３またはＡｍ−２４１等の連続的なイオン化源を使用する。
【００４６】
本発明の実施形態は、電極を画定し、電気的に分離した一連のフィールドを有するＴＯＦ−ＩＭＳセルを含む。これは、両端部において配置されたイオンゲートを有する。各イオンゲートの後方にイオン源があり、更に、電極を画定するフィールドが配置されて、２つの別個のイオン化領域が形成される。これらのイオン化領域は、陽イオンおよび陰イオンをそれぞれ発生させる。各イオン化領域の遠位端部において、更に、電極を画定するフィールドを配置してもよく、これは、単一の平坦プレートあるいはグリル、または、孔部を有することによりサンプルを通過可能とする平坦なプレートあるいはグリル、または、他のグリルあるいはプレートとは別の電圧を維持できる更なる電気的に分離したグリルを有する平坦なプレートあるいはグリルであり得る。このプレートまたはグリルは、イオンを、イオン源領域を提案したＩＭＳセルのドリフト領域から分離するイオンゲートに向けて通過させないように構成することができる。
【００４７】
ＩＭＳセルのドリフト領域内への天然ガス分子の注入を避けるため、いくつかの実施形態においては、ドリフト領域の長さのおおよそ中間地点にドリフトガスを流入する。例えば、ドリフト室を中心に配置される複数のベントを通じて、このドリフトガスを、ドリフト領域を中心に均一に導入することが望ましい。各イオン化源領域内のドリフトガスは、イオン化源がドリフトガスに関して流向する前後の地点において、ＩＭＳセルから排出することができる。
【００４８】
物質サンプルは、１つ以上のピンホール／キャピラリーインタフェースを使用してＩＭＳセル内に導入される。また、複数ピンホール／キャピラリーインタフェース、または膜インタフェースを使用してもよい（例えば、ペッパーポット構成）。膜ベースのインタフェースの場合、サンプルを膜の内面から引き込み、サンプルをイオナイザー内に運搬するために、付加的な空気圧システムを設けることが有用である場合がある。
【００４９】
いくつかの実施形態においては、分子イオンクラスター上に（例えば、ＲＦエネルギーを使用する分解等の）イオン修正を実施して、更なるスペクトル情報を取得することができるよう、ドリフト領域内に１つ以上のイオン修正グリッドを設けてもよい。
【００５０】
ピンホールサンプリング入口を有する場合、本発明を稼働させる１つの可能な方法として、サンプルをイオン化するイオン化領域内に引き込む方法が挙げられる。続いて、イオンは、装置のドリフト領域内にゲートされ、ドリフト領域に沿って、電界力のもと引き込まれる。イオンは、（例えば、ＩＭＳセルの対向端部において、イオン電流を供給して、陰イオンおよび陽イオンの両スペクトルを発生させるために生成された）グリッド構造に接触する。代替的な配置においては、イオン源からの最初のイオンパルスが衰退し、生成されるイオンが、イオンを生成するＩＭＳセルの対向端部においてリペラ電極に接触可能となる後にグリッドを開口し、サイドイオン電流を発生させ、ＩＭＳスペクトルを生成する。
【００５１】
上述した操作レジームは、異なる種類のイオンが相互にドリフト領域を通過する際に、それらの間において相互作用がないことを前提とする。また、このような相互作用が問題となる場合、イオンゲートは、代替的な手法（例えば、開口時間を交互にする等）により操作して、一イオンから、続いて第２のイオンからスペクトルを収集可能である。
【００５２】
上述した実施形態は、単なる実施例に過ぎない。更なる実施形態も想定される。任意の一実施形態に関連する任意の特徴は、単独で使用しても、上述した別の特徴と組み合わせてもよいこと、並びに、任意の別の実施形態の１つ以上の特徴、または任意の別の実施形態の任意の組み合わせと組み合わせて使用されてもよいことを理解されよう。更に、上述していない均等物および修正も、添付の特許請求の範囲において定義される本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の範囲内に含まれるものとする。
【００５３】
添付図面は、全体的に、概略的な機能ブロック図を使用して、本明細書に記載したシステムおよび装置の機能性を表していることを理解されよう。しかしながら、機能は、添付図面のとおりに分割される必要はなく、以下に記載および請求する以外のハードウェアの任意の特定の構造を示唆するものと解釈すべきでないことを理解されよう。添付図面に示す１つ以上の要素の機能は、本発明の装置を通じて、更に分割および／または配置することができる。いくつかの実施形態において、添付図面に示した１つ以上の要素の機能は、単一の機能ユニットに一体化することができる。
【００５４】
いくつかの実施例において、１つ以上のメモリ要素は、本明細書に記載した操作を実施するのに使用されるデータおよび／またはプログラム指示を保管することができる。本発明の実施形態は、プロセッサをプログラムして、上述および／または本明細書において請求した方法のうち任意の１つ以上の方法を実施するために操作可能なプログラム指示を備える、実体的な、固定ストレージ媒体を提供し、かつ／または本明細書に記載および／または請求したデータ処理装置を提供する。
【００５５】
本明細書に記載した電圧供給装置は、電源、並びに、交流あるいは直流を印加するための１つ以上の変圧器ステージ、インバータ、および／または整流器を備えることができる。電圧供給装置は、バッテリ等の外的あるいは内的電源、または燃料電池、または交流または直流の外的供給装置に連結することができる。
【００５６】
本明細書に記載した方法および装置は、ロジックゲートのアセンブリまたはソフトウェアおよび／またはプロセッサによって実施されるコンピュータプログラム指示等のプログラミング可能な論理等の固定論理によって供給されるコントローラおよび／またはプロセッサを使用して実施可能である。他の種類のプログラミング可能な論理は、プログラミング可能なプロセッサ、プログラミング可能なデジタル論理回路（例えば、書き換え可能ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ）、特定用途向け集積回路、ＡＳＩＣ、またはその他のデジタル論理、ソフトウェア、コード、電子指示、フラッシュメモリ、光学ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ  ＲＯＭ、磁気あるいは光カード、電子指示を保管するのに好適なその他の機械読取可能媒体、またはそれらの組み合わせを含む。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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