(57)【要約】本発明に係るイオン移動度分光分析装置（１００）は、イオン化されるガス状流体サンプルがイオン移動度分光分析装置の周囲圧力領域から低圧領域に流出可能となるよう配置された開口部を有するサンプル入口（１０８）と、低圧領域におけるガス圧が周囲圧力よりも低くなるよう制御するためのコントローラ（２００）と、ガスサンプルから取得したイオンを低圧領域において改質するためのイオン改質器（１２６，１２７，２０２）とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン移動度分光分析装置であって、
イオン化されるガス状流体サンプルが、前記イオン移動度分光分析装置の周囲圧力領域から低圧領域に流出可能となるよう配置された開口部を備えるサンプル入口と、
低圧領域におけるガス圧が周囲圧力よりも低くなるよう制御するように配置されたコントローラと、
ガスサンプルから取得したイオンを、低圧領域において改質するように構成されたイオン改質器と、
を備える、イオン移動度分光分析装置。
【請求項２】
請求項１に記載のイオン移動度分光分析装置であって、前記コントローラは、低圧領域におけるガス圧を周囲圧力よりも少なくとも２００ミリバール低くなるよう制御するように配置されている、イオン移動度分光分析装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のイオン移動度分光分析装置であって、前記コントローラは、低圧領域におけるガス圧を、周囲圧力よりも８００ミリバール以下だけ低くなるよう制御可能である、イオン移動度分光分析装置。
【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分析装置であって、前記コントローラは、前記イオン改質器を第１モードにて制御して、イオンが前記イオン改質器を通過する際に、イオンを交流電界に曝すことによりイオンを改質し、また前記イオン改質器を第２モードにて制御して、イオンが前記イオン改質器を通過できるよう構成されている、イオン移動度分光分析装置。
【請求項５】
請求項１または２に記載のイオン移動度分光分析装置であって、前記サンプル入口の開口部は、前記サンプル入口を通じたガス流を制限するよう制御可能である、イオン移動度分光分析装置。
【請求項６】
イオン移動度分光分析装置であって、
イオン化されるサンプルが前記イオン移動度分光分析装置の周囲圧力領域から低圧領域に通過できるよう配置された膜入口を備えるサンプル入口と、
低圧領域におけるガス圧が少なくとも２００ミリバールだけ周囲圧力よりも低くなるよう制御可能に配置されたコントローラと、
ガスサンプルから取得したイオンを、低圧領域において改質するように構成されたイオン改質器と、
を備える、イオン移動度分光分析装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載のイオン移動度分光分析装置であって、前記コントローラは、低圧領域におけるガス圧が少なくとも３００ミリバールだけ周囲圧力よりも低くなるよう制御可能に配置されている、イオン移動度分光分析装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載のイオン移動度分光分析装置であって、低圧領域は、ドリフト領域と、前記ドリフト領域に沿って前記サンプル入口に向けてドリフトガス流を供給するように配置されたドリフトガス流供給器とを備える、イオン移動度分光分析装置。
【請求項９】
請求項８に記載のイオン移動度分光分析装置であって、ドリフトチャンバが、ドリフトガス流に対して検出器に向けてイオンを移動するように配置され、また前記イオン改質器は、イオンがイオンの前記検出器に向けた移動方向に整列された高周波（ＲＦ）電界に曝されるよう配置されている、イオン移動度分光分析装置。
【請求項１０】
請求項９に記載のイオン移動度分光分析装置であって、前記イオン改質器は、イオンの前記検出器に向けた移動方向に対して分離した２個の電極を備える、イオン移動度分光分析装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載のイオン移動度分光分析装置であって、前記電極は、いずれも、導体グリッドを備える、イオン移動度分光分析装置。
【請求項１２】
請求項８〜１１のいずれか一項に記載のイオン移動度分光分析装置であって、前記コントローラは、ドリフトガス流と、前記サンプル入口を通じたガス流との少なくとも一方を制御して、低圧領域における圧力を制御するように配置されている、イオン移動度分光分析装置。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載のイオン移動度分光分析装置であって、低圧領域におけるガス圧を低下させるように構成された真空供給器を備える、イオン移動度分光分析装置。
【請求項１４】
請求項５に記載のイオン移動度分光分析装置、または請求項３に従属する場合の請求項７〜１３のいずれか一項に記載のイオン移動度分光分析装置であって、前記コントローラは、前記サンプル入口の開口部および前記真空供給器のうち少なくとも一方を制御して、低圧領域における圧力を制御するように構成されている、イオン移動度分光分析装置。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか一項に記載のイオン移動度分光分析装置であって、前記コントローラは、イオンゲートの操作タイミングに基づいて、前記イオン改質器の操作タイミングを制御するように構成されている、イオン移動度分光分析装置。
【請求項１６】
請求項１または請求項１に従属する場合の請求項１〜１５のいずれか一項に記載のイオン移動度分光分析装置であって、前記サンプル入口の開口部は、ピンホール入口およびキャピラリ入口のうち一方を備える、イオン移動度分光分析装置。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれか一項に記載のイオン移動度分光分析装置であって、前記コントローラは、低圧領域における圧力を９００ミリバール未満まで、例えば、７００ミリバール未満まで、例えば、６００ミリバール未満まで、例えば、少なくとも２００ミリバールまで、例えば、少なくとも３００ミリバールまで、例えば、少なくとも４００ミリバールまで、例えば約５００ミリバールまで低下するよう構成されている、イオン移動度分光分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、装置および方法に関し、特に、分光分析装置および分光分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン移動度分光分析装置（ＩＭＳ）は、物質（例えば、分子や原子）をイオン化し、またこの結果生じたイオンが既知の電界の下でドリフトガスを通じて既知の距離を移動するのにかかる時間を測定することによって、対象サンプルからの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することができ、またこの飛行時間は、イオンの移動度に関連する。イオンの移動度は、イオンの質量およびジオメトリに関連する。従って、検出器内でのイオンの飛行時間を測定することによって、イオンの素性を推定することができる。これらの飛行時間は、プラズマグラムとして、グラフィック的または数値的に表示することができる。質量分光分析装置等の他の形態の分光分析装置も、質量変化率に応じてイオンを分析する。
【発明の概要】
【０００３】
対象サンプルにおけるイオンを識別する分光分析装置の能力を改善するために、高周波（ＲＦ）電界を使用して（例えば、イオンを断片化することによって）、いくつかのイオンを改質し、イオンの素性を推測するのに使用できる追加情報を得ることが提案されている。これにより、イオン間の差を解明する能力が向上する。汚染物が存在する中で、あるいは困難な動作条件において測定を行う場合、またはサンプルが類似のジオメトリおよび質量等を有する場合、イオン改質は、イオンを検出および識別するイオン移動度分光分析装置の能力を援助する１つの方法である。このイオン改質プロセスによって生ずるイオンを「娘イオン」と称し、娘イオンを生ずるイオンを「親イオン」と称する。
【０００４】
娘イオンを生ずるために改質される親イオンの割合、およびイオン改質プロセスのエネルギー効率を高めることが望ましい。
【０００５】
次に、本発明の実施形態を、添付図面を参照して、単なる例示によって説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】分光分析装置の部分断面図である。
【図２】分光分析装置の一実施例を示す概略図である。
【図３】３Ａは、分光分析装置の他の実施例を示す概略図である。３Ｂは、分光分析装置の更に他の実施例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
添付図面において、同一参照符号は同一素子を示すのに使用する。
【０００８】
本発明の一態様は、対象サンプルから得られるイオンを改質するための、交流電界および／または熱等のエネルギーの印加に関する。このエネルギーは、一般的に、イオンの有効温度を上昇させることにより、イオン自体またはイオンを運搬するガス分子のいずれかとともに、イオンをより頻発的な衝突およびエネルギー衝突に曝す。娘イオンに変換された親イオンの割合は、イオン改質が低圧（例えば、大気圧よりも低い圧力）にて行われる場合に増加し得ることが発見された。
【０００９】
本発明の一態様は、ガスサンプルがイオン移動度分光分析装置の周囲圧力領域から低圧領域に通過できるよう配置されたサンプル入口と、低圧領域におけるガス圧を周囲圧力よりも低くなるよう制御するように配置されたコントローラとを備えるイオン移動度分光分析装置を提供する。低圧領域における圧力は、周囲圧力よりも少なくとも２００ミリバール低く、例えば、周囲圧力よりも１５０ミリバール〜８００ミリバール低い。イオンを低圧領域において改質するよう、イオン改質器を配置する。サンプル入口は、ガスサンプルが入口を通過できるよう配置されたピンホール入口等の開口部を備える。いくつかの他の実施形態において、サンプル入口は、ガスサンプルが入口を通じて拡散可能となるよう配置された膜を備えることができる。
【００１０】
低圧領域は、イオン移動度分光分析装置のドリフト領域を備えるか、または分光分析装置の吸気段階において設けられてもよい。ドリフトガス流は、ドリフト領域に沿って、サンプル入口の開口部に向けて供給される。コントローラは、ドリフトガス流を制御して、低圧領域の圧力を制御することができる。
【００１１】
サンプル入口は、開口して、サンプル入口を通じてサンプルを混入したガス流を取得するよう制御可能であり、また、例えば、サンプル入口を遮断して、例えば、サンプル入口を閉口することにより、サンプル入口を通じた流れを制限するよう制御可能な開口部を備えることができる。イオン改質器を操作してエネルギーを印加し、イオンを改質するタイミングは、サンプル入口を開口および／または閉口するタイミングに基づいて選択することができる。例えば、エネルギーの印加がサンプル入口の開口部の開口と同時に起こるようにイオン改質器を操作することができる。イオン改質器の操作タイミングは、サンプル入口の開口部の操作に基づいてもよく、例えば、この両者は同期させてもよい。
【００１２】
コントローラは、低圧領域において吸い上げることにより、低圧領域におけるガス圧を周囲圧力下まで低下させるように構成することができる。
【００１３】
イオン改質器は、イオン化装置と検出器との間の、イオン化装置から検出器に向けて移動するイオンの経路に配置することができる。イオン改質器は、２個の電極を備えることができ、これら２個の電極は、その両者間の領域を移動するイオンが、イオンの検出器に向けた移動方向に整列された交流電界に曝されることができるように構成することができる。例えば、電極は、いずれも、イオンの検出器に向けた移動方向に横断して配置された導体グリッドを備えることができる。次に、上述した可能性およびその他の可能性を、添付図面を参照してより詳細に検討する。
【００１４】
図１は、イオン移動度分光分析装置（ＩＭＳ）１００の部分断面図である。
【００１５】
図１に示すイオン移動度分光分析装置１００は、ゲート１０６によってドリフト領域１０４から分離したイオン化装置１０２を含む。イオン化装置は、サンプル入口１０８を通じてガスが流入するイオン化領域１０３に配置することができる。ゲート１０６は、イオン化装置１０２およびイオン化領域１０３からドリフト領域１０４へのイオンの経路を制御することができる。
【００１６】
図１に示すサンプル入口は、ピンホール等、例えばキャピラリ入口等の開口部１０８を備えることができる。開口部は、１ｍｍ未満の直径を有しており、例えば、０．８ｍｍ未満、例えば、少なくとも０．２ｍｍ、例えば、少なくとも０．４ｍｍ、例えば、約０．６ｍｍの直径を有する。この開口部を通じたガス流は、イオン化装置１０２によってイオン化される物質サンプルを運搬することができる。
【００１７】
図１に示す実施例において、ドリフト領域１０４を移動することによって、イオンが検出器１１８に到達できるように、ドリフト領域１０４は、イオン化装置１０２と検出器１１８との間に配置される。ドリフト領域１０４は、ドリフト領域１０４に沿って電圧プロファイルを印加する一連のドリフト電極１２０ａ，１２０ｂを有し、イオンをイオン化装置１０２からドリフト領域１０４に沿って検出器１１８に向けて移動させる。
【００１８】
ＩＭＳ１００は、イオンが検出器１１８まで移動するのとはほぼ反対方向へのドリフトガス流を生ずるよう構成することができる。例えば、ドリフトガスは、検出器１１８の近傍からゲート１０６に向けて流れることができる。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１０４に通過させることができる。ドリフトガス循環システム１０５を適用して、ドリフトガス流を、ドリフト領域１０４を通じて、ドリフトガス入口１２２からドリフトガス出口１２４まで移動させる。ドリフトガス循環システム１０５は、このドリフトガスを再循環する、例えば、ドリフトガスがドリフトガス入口１２２に再循環されて、ドリフト領域１０４を通じて戻る前に、ドリフトガス出口を介して除去されるドリフトガスを濾過および浄化するように構成してもよい。
【００１９】
真空供給器１０９は、コントローラ２００によって制御することができる。真空供給器１０９は、ＩＭＳの低圧領域におけるガス圧を周囲圧力よりも低くなるよう、例えば周囲圧力よりも２００ミリバール未満、または３００ミリバール未満、または４００ミリバール未満となるよう制御することができる。このような低圧は、入口が膜を備える実施例において特に有益である。低圧領域は、イオン化領域１０３を備えることができ、いくつかの実施例においては、反応領域および／またはドリフト領域１０４を備えることができる。
【００２０】
ＩＭＳの低圧領域は、ドリフト領域１０４の壁部に配置され、ＩＭＳの低圧領域を吸い上げて、低圧領域のガス圧を低下させるように配置されたポンプ等の真空供給器１０９に結合されたベント１０７を備えることができる。ベント１０７は、ドリフト領域１０４に沿ったドリフトガス流の障害物を減少するように選択されたドリフト領域１０４の壁部に配置してもよい。例えば、ベント１０７は、ドリフト領域１０４の周長の周囲に均等（対称的）に配置してもよく、例えば、ベントは、ドリフト領域１０４の外周の周囲に配置してもよい。
【００２１】
しかしながら、コントローラ２００は、この領域に周囲圧力よりも１５０ミリバール未満、例えば、少なくとも２００ミリバール未満、いくつかの実施形態においては、周囲圧力よりも３００ミリバール未満だけ低いガス圧を供給するように構成され、いくつかの実施形態においては、この領域におけるガス圧は、周囲圧力よりも５００ミリバールだけ低い。いくつかの実施形態において、ガス圧は、周囲圧力よりも８００ミリバール超、例えば、周囲圧力よりも７００ミリバール超低く、例えば、周囲圧力よりも６００ミリバール超低い。例えば、圧力は、周囲圧力よりも１５０ミリバール〜８００ミリバールだけ低い。
【００２２】
エネルギーを印加して、イオン移動度分光分析装置の低圧領域におけるイオンを改質するためのイオン改質器を配置する。図１に示す実施例において、イオン改質器は、イオンを交流電界に曝すことによって、エネルギーを印加するよう構成された電極１２６，１２７を備える。
【００２３】
イオン改質器電極１２６，１２７は、ゲート電極１０６から分離することができる。図示するように、イオン改質器電極１２６，１２７は、ゲート電極と検出器との間のドリフト領域１０４に配置される。一実施形態において、イオン改質器は、例えば、入口１０８とゲート１０６との間のイオン化領域１０３に配置してもよい。
【００２４】
イオン改質器電極１２６，１２７は、いずれも、ドリフト領域１０４に亘り配置されるグリッド等の導体アレイを備えることができる。図示するように、各イオン改質器電極１２６，１２７の導体は、それらの間に間隙を有しており、この間隙を通じて移動することによって、イオンは各電極を通過することができる。一実施例において、イオンは、電極１２６の導体間の間隙を通じて、電極１２６，１２７の間の領域１２９に進入し、電極１２７の導体間の間隙を通じてこの領域から退出する。イオンが電極１２６，１２７の間の領域にある間、イオンは交流（ＲＦ）電界に曝されてもよい。このフィールドは、イオンの検出器に向けた移動方向に整列されてもよい。本発明の文脈において、この整列は完璧または均一である必要はないことは言うまでもない。イオン改質器は、イオン改質器を通過するイオンが交流電界に曝されることにより、イオンを改質する第１モードと、例えば、イオンが改質されることなくイオン改質器を通過できるようスイッチが消され、交流電界の広さがより狭い第２モードとで操作することができる。
【００２５】
検出器１１８は、コントローラ２００に信号を供給するように連結することができる。コントローラ２００が検出器１１８からの電流を使用して、イオンが検出器１１８に到達したことを推測する。またイオンの特性は、イオンがゲート１０６からドリフト領域１０４に沿って検出器１１８まで通過するのに要した時間に基づいて決定することができる。検出器１１８の実施例は、イオンが検出器１１８に到達したことを示す信号を供給するように構成する。検出器は、（ファラデー板等の）導電性電極を有することができる。
【００２６】
ドリフト電極１２０ａ，１２０ｂは、イオンを検出器１１８に向けて案内するよう配置することができる。例えば、ドリフト電極１２０ａ，１２０ｂ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の周囲に配置するリングを備えることができる。図１の実施例は、２個のみのドリフト電極１２０ａ，１２０ｂを有するが、いくつかの実施例においては、複数個の電極を使用するか、または単独の電極を検出器１１８と組み合わせて使用し、イオンを検出器１１８に向けて案内する電界を印加することができる。図１に示すように、電圧供給器２０２をコントローラ２００によって制御するように結合する。電圧供給器２０２は、イオン化装置１０２に電圧を供給し、サンプルからの物質をイオン化することができるよう結合する。一実施形態において、電圧供給器２０２は、ゲート電極１０６に結合し、イオン化領域１０３からドリフト領域１０４へのイオンの通過を制御する。
【００２７】
電圧供給器２０２は、ドリフト電極１２０ａ，１２０ｂに結合して、イオンをイオン化装置１０２から検出器１１８に移動させる電圧プロファイルを生ずるようにする。図１に示すように、電圧供給器２０２は、経時変化電圧、例えば交流ＲＦ電圧をイオン改質器電極１２６，１２７に供給するように結合する。２個のイオン改質器電極１２６，１２７のうち一方または両方の電圧を他方に対して制御することによって、電圧供給器は、第１電極と第２電極との間に経時変化電圧を生じさせることができる。イオン改質器電極の電圧を制御するステップは、電極１２６、１２７の一方または両方に印加される電圧の位相の制御を含む。例えば、両電極の電圧は変化し、そこには、各電極に加わり、例えば反位相にある電圧の間に位相差が生じる。
【００２８】
言うまでもなく、コントローラ２００は、吸い上げ操作を制御して、ＩＭＳの低圧領域における圧力を選択することができる。続いて、低圧領域への、かつ低圧領域からの流入および流出（例えば、サンプル入口の開口部１０８およびドリフトガス入口１２２を通じたガス流）を選択して、所望のガス流を供給しつつ、この圧力を維持することができる。例えば、入口開口部１０８は、ガス状流体をイオン化領域１０３内に引き込むために選択的に操作可能なアクチュエータ（ピエゾ駆動ダイヤフラム等）を備えることができる。また、真空供給器の操作を選択して、開口部を通じてイオン化領域内に引き込まれるサンプルに関連する圧力変化をバランスさせることができる。続いて、開口部からの任意の流れに加えて、ドリフト領域１０４に沿ったドリフトガス流を供給することができる。また、真空供給器１０９の操作は、それを考慮して調整する。これは単に１つの可能性に過ぎず、他のアプローチも使用可能である。例えば、ＩＭＳの低圧領域への、かつ低圧領域からの１つ以上のガスの流入および流出、例えば、サンプル入口開口部１０８、ドリフトガス入口１２２およびドリフトガス出口１２４を通じたガス流を制御することによって圧力を制御することができる。例えば、アクチュエータは、例えば開口部を通じたガス状流体の流れを阻止するよう例えば防止するよう制御可能なシャッター等のストッパを備えることができる。
【００２９】
いくつかの実施形態において、入口１０８は、サンプル蒸気が透過可能となるのに適した膜入口を備えることができ、例えば、膜を通じて低圧領域内に拡散する。
【００３０】
図２は、イオン移動度分光分析装置１００'の概略図を示す。明確性を期するため、電圧供給器およびその多様な電極への接続については図２に示さないことにする。
【００３１】
図２に示すイオン移動度分光分析装置１００'は、例えばピンホールまたはキャピラリ入口等の開口したサンプル入口開口部１０８を備える。この開口部を通じたガス流は、ガスが流れるその断面領域およびその長さによって決定される。サンプル入口開口部は、膜を備えることができる。
【００３２】
図２に示す実施例において、コントローラは、ドリフトガスの循環を制御するように、例えば、ドリフトガス入口および出口を介したドリフト領域１０４への、またはドリフト領域１０４からのガスの流入および／または流出を制御するように結合する。これは、ドリフトガス循環システム１０５を制御することによって、または、ドリフトガスがドリフトガス入口を通じてドリフト領域１０４内に案内される比率、および／またはドリフトガスがドリフトガス出口を通じてドリフト領域１０４から離れる比率を制御することによって達成することができる。
【００３３】
ドリフトガス循環システム１０５は、周囲圧力に従って、例えば、ドリフトガスシステム１０５の出力は、例えば、ベント１０１によって周囲圧力に従ってもよい。ドリフトガス入口は、タップ状の可変収縮部であって、例えば制御可能なバルブ等のレストリクタ１１１を備えることができる。また、コントローラは、このレストリクタ１１１を制御して、ドリフト領域１０４からのドリフトガスの関連する流入および流出を規制するように構成することができる。この方法において、ＩＭＳ１００'の低圧領域の圧力は、周囲圧力よりも低くなるよう規制し、イオン改質器１２６，１２７はエネルギーを印加して、この低圧領域におけるイオンを改質することができる。
【００３４】
図３Ａおよび図３Ｂは、サンプル入口開口部１０８が、閉口するよう操作することにより、ガスのサンプル入口開口部１０８を通じた流れを防ぎ、また、開口するよう操作することにより、サンプル入口開口部１０８を通じたガス流の流れを可能にするレストリクタ１１３を備える形態を示す。図３Ａおよび図３Ｂに示すコントローラ２００は、サンプル入口レストリクタ１１３を制御するよう操作することにより、サンプル入口開口部１０８を通じたガスの流れを制御することができる。コントローラ２００は、このレストリクタ１１３を操作して、イオン化されるサンプルを巻き込むガスサンプルを取得し、また、ＩＭＳ１００''，１００'''の低圧領域における圧力を制御（例えば規制）する。
【００３５】
図３Ａに示す装置は、ドリフトガスシステム１０５を周囲圧力に照合するベント１０１を含む必要はないが、さもなければ図２に示す装置と類似しており、図３Ａに示すコントローラ２００は、ドリフトガス入口１２２およびドリフトガス出口１２４のうち一方あるいは両方を規制するよう配置された制御可能なレストリクタ１１１を使用して、またはドリフトガス循環システム１０５を制御することによって、ドリフトガスの流入および流出の相対流量を制御するよう構成することができる。
【００３６】
図３Ｂに示す実施例において、ＩＭＳ１００'''は、図１を参照して上述した真空供給器１０９として動作するよう構成されたポンプ等の真空供給器１０９を備える。図３Ａに示す実施例のように、このＩＭＳ１００''のコントローラ２００は、真空供給器１０９を制御することによってＩＭＳの低圧領域における圧力と、ドリフトガスをサンプル入口開口部１０８を通じてドリフト領域１０４に案内する比率とを制御するように構成される。例えば、コントローラ２００は、レストリクタ１１３の動作を制御して、サンプル入口開口部１０８を通じたガス流を制御することができる。
【００３７】
本発明のこれらおよび他の実施形態において、ＩＭＳの低圧領域における圧力を検知するための圧力センサを設けてもよい。また、コントローラ２００は、この検知した圧力に基づいて圧力を制御するよう構成することができる。いくつかの実施形態において、真空供給器および／またはドリフトガス入口／出口および／またはサンプル入口開口部１０８によって供給される流入／流出の相対流量は、校正に基づいて予め決定する、および／または周囲圧力に基づいて選択することにより、ＩＭＳの低圧領域に所望の圧力を供給することができる。
【００３８】
イオン改質器に印加される経時変化電圧は、少なくとも２．５ＭＨｚの周波数を有する。一実施形態において、この周波数は、少なくとも３ＭＨｚまたは少なくとも５ＭＨｚとし、いくつかの実施形態においては少なくとも６ＭＨｚとする。一実施形態において、この周波数は１００ＭＨｚ未満とし、いくつかの実施形態においては、５０ＭＨｚ未満、いくつかの実施形態においては２０ＭＨｚ未満、いくつかの実施形態においては１５ＭＨｚ未満、または１０ＭＨｚ未満とする。例えば、この周波数は、３ＭＨｚ〜２０ＭＨｚの間、または６ＭＨｚ〜１２ＭＨｚの間とすることができる。いくつかの実施形態において、この周波数は約８ＭＨｚとする。
【００３９】
一実施形態において、電圧供給器は、第１電極の電圧を制御し、第２電極の電圧よりも少なく変化させるよう構成する。一実施例において、イオン改質器電極１２６，１２７のうち一方の電圧変化の振幅は、他方のイオン改質器電極における変化の振幅より小さくすることができる。例えば、電圧供給器２０２は、直流（ＤＣ）基準電圧に基づいてイオン改質器電極１２６，１２７のうち一方の電圧を制御し、一方の電極の電圧を一定にし、他方の電圧を変化させるようにすることができる。一実施例において、電圧供給器はイオン改質器電極１２６，１２７の電圧を制御し、それぞれの変化は、正弦波、矩形波、鋸歯状波、またはパルス列となるようにすることができ、一方のイオン改質器電極における電圧変化の振幅が他方のイオン改質器電極における電圧変化よりも小さくなるようにすることができる。実施形態において、イオン改質器電極１２６，１２７に対して非対称の電圧を印加することによって、分光分析装置の他の構成要素との望ましくないＲＦ電界結合を減少することができ、またこのことにより、分光分析装置からの電磁干渉の望ましくない漏洩を減少することができる。
【００４０】
電圧供給器２０２は２個のイオン改質器電極１２６，１２７の電圧を制御して、選択した位相差で変化させることができ、例えば、電圧コントローラは、２個のイオン改質器電極１２６，１２７の電圧を制御して、一方の電極が正電圧偏位を生じている間に他方の電極が負電圧偏位を行うようにすることができる。例えば、電圧供給器２０２は、２個のイオン改質器電極１２６，１２７の電圧を制御して、反位相で変化させることができる。２個の電極の電圧偏位は、同一振幅とすることができる。
【００４１】
いくつかの実施例において、電圧供給器はイオン改質器電極１２６，１２７のうち一方の電圧を制御し、イオン改質器電極１２６，１２７のうち他方の電圧よりも一層迅速に変化させる。例えば、イオン改質器電極１２６，１２７のうち一方は基準電圧（ＤＣ電圧とすることができる）に接続することができるとともに、他方のイオン改質器電極はＲＦ電圧のような交流電圧に結合することができる。
【００４２】
上述したように、ドリフト電極１２０ａ，１２０ｂは、イオンをドリフト領域１０４に沿って移動させる電圧プロファイルを生じ、これによりイオンはイオン化装置から検出器に向かって移動する。図１に示すように、第１イオン改質器電極１２６および第２イオン改質器電極１２７はイオンの移動方向に互いに離して配置することができる。一実施形態において、電圧供給器は、イオン改質器電極１２６，１２７のうち少なくとも一方の電圧を、ドリフト領域１０４に沿うイオン改質器電極１２６，１２７の位置に基づいて、またドリフト電極１２０ａ，１２０ｂにより生ずる電圧プロファイルに基づいて制御するよう構成する。一実施形態において、イオン改質器電極１２６，１２７の時間平均電圧は、この電圧プロファイルに基づいて選択する。一実施形態において、電圧供給器２０２は、イオン改質器電極１２６，１２７間でオフセットしたＤＣ電圧を供給する。このＤＣ電圧オフセットは、イオン改質器電極１２６，１２７間の間隔および電圧プロファイルに基づかせることができる。
【００４３】
図１に示すように、イオン改質器電極１２６，１２７は、それぞれ、導体グリッドを有する。イオン改質器電極１２６，１２７は互いに平行にする。一実施形態において、グリッドは、イオンのイオン化装置から検出器への移動方向を横切って（例えば、移動方向に対して交差し、または直交する方向）に配列する。
【００４４】
検出器に向かって移動するイオンは、一方のイオン改質器電極１２６の導体間における間隙を通過してイオン改質器電極１２６，１２７間の領域１２９内に進入し、この領域１２９で高周波（ＲＦ）電界に曝される。
【００４５】
検出器１１８に対してより近接するイオン改質器電極１２７は、この電極１２７の導体が他方のイオン改質器電極における間隙を経て移動するイオンの経路に位置するよう配列する。一方の電極における導体１２７は、他方の電極１２６における間隙を少なくとも部分的に遮ることができる。このことにより、イオン改質器によって娘イオンに変換される親イオンの数を増加させることができる。電極１２６の導体は電極１２７の導体に平行であるように示す。一実施形態において、電極１２６，１２７は互いに平行な平面上に配列するが、２個の電極１２６，１２７の導体は互いに角度的にオフセットし（例えば、ずらし）、一方のイオン改質器電極の導体が他方のイオン改質器電極の間隙を通過して移動するイオンの経路上に位置するように配列する。一実施形態において、電極１２６，１２７は互いに平行な平面上に配列するが、２個の電極１２６，１２７の導体はイオン移動方向を横切る方向に互いに側方にオフセットし、一方のイオン改質器電極１２６の導体が、他方のイオン改質器電極１２７の間隙を通過するイオン経路上に位置させる。いくつかの実施形態において、これら特徴を組み合わせて、２個のイオン改質器電極１２６，１２７の導体を側方および角度的の双方に関してオフセットさせることができる。
【００４６】
いくつかの実施形態において、本発明は、サンプルの分光分析装置への吸気のための吸気段階装置を提供する。吸気段階は、周囲圧力よりも２００ミリバール未満だけ低い、例えば３００ミリバール未満または４００ミリバール未満だけ低い圧力を有する低圧領域を備えることができる。いくつかの実施形態において、低圧領域におけるガス圧は、周囲圧力よりも５００ミリバール低い。いくつかの実施形態において、ガス圧は、周囲圧力よりも８００ミリバール超低く、例えば、周囲圧力よりも７００ミリバール超低く、例えば周囲圧力よりも６００ミリバール超低い。例えば、圧力は、周囲圧力よりも１５０ミリバール〜８００ミリバール低い。低圧領域は、ガス状流体サンプルを取得するための入口と、サンプルから親イオンを取得するためのイオン化装置と、低圧領域における親イオンを改質して、娘イオンを生ずるように構成されたイオン改質器とを備えることができる。イオン改質器は、本明細書に記載した任意のイオン改質器における任意の特徴、特に、先行する段落に記載した電極の特徴を有することができる。この吸気段階は、分析のために分光分析装置に娘イオンを供給するために配置された出口を備えることができる。
【００４７】
一実施形態において、分光分析装置および電圧供給器は共通ハウジング内に収納することができる。一実施形態において、イオン改質器電極１２６，１２７はドリフト領域１０４に配置することができる。イオン改質器電極はドリフト領域１０４に沿ってゲート電極から離して配置することができる。ゲート電極１０６からの間隔は、少なくとも０.５ｍｍ、例えば、少なくとも２ｍｍ、一実施形態においては少なくとも４ｍｍ、または少なくとも６ｍｍ、または少なくとも７ｍｍとすることができる。一実施形態において、この間隔は１５０ｍｍ未満、または１００ｍｍ未満、例えば、５０ｍｍ未満とすることができる。
【００４８】
イオン改質器電極１２６，１２７はワイヤメッシュ等のグリッドを有することができる。メッシュは、繰返し正方形パターンとなるよう配列した導体の格子とすることができる。導体は少なくとも１０μｍ、例えば、３０μｍ未満の太さを有することができる。メッシュのピッチは、少なくとも２００μｍ、例えば、５００μｍ未満とすることができる。２個のメッシュは互いに少なくとも０.１ｍｍ、例えば、少なくとも０.１５ｍｍだけ互いに離れ、例えば、０.４ｍｍ未満、例えば、０.３ｍｍ未満だけ互いに離間させることができる。
【００４９】
一実施形態において、ゲート１０６に最も近い電極１２６をドリフト領域１０４内でゲート１０６から７ｍｍの位置に配列する。この実施形態において、イオン改質器電極１２６，１２７間の間隔を０.２ｍｍとし、また電極は、正方形パターンを持つメッシュを有する。この実施形態において、メッシュの導体は２１μｍの太さを有し、また３６３μｍのピッチにして配列する。導体は、ワイヤとすることができる。
【００５０】
理論に縛られるつもりはないが、１.９ＭＨｚの周波数においてイオンがＲＦ波形の半分を移動する距離は、２個のイオン改質器電極１２６，１２７間の距離に相当する。従って、イオンは、周波数が増大したとき曝されるような多くのＲＦサイクルに曝されることはない。換言すれば、イオンが２ＭＨｚサイクルの半分で１秒あたり１０００メートルの速度を有する場合、印加電圧が矩形波であれば０.２５ｍｍ、また印加電圧が正弦波であれば０.１７６ｍｍ移動する。イオン改質器電極１２６，１２７間の間隔が０.２５ｍｍまたはそれより小さい場合、単に２、３サイクル後にイオンはイオン改質器から脱出する。周波数が例えば６ＭＨｚまたは８ＭＨｚまで増加するとき、サイクルの半分で移動する距離は減少する（例えば、８ＭＨｚで０.０４４ｍｍになる）。従って、イオンはイオン改質器を脱出する前により多くのサイクルに曝され、また分裂または何らかの他の分子転換を生ずるのに十分に高い結合エネルギーを有する衝突に曝されるイオンの確率が増大する。
【００５１】
いくつかの実施形態において、例えば、８ＭＨｚ〜１０ＭＨｚ間のより高い周波数でさえ、イオン改質器におけるイオン喪失を減少させることができ、繰り返し言うが理論に拘泥するつもりはないが、このことは、イオンが「後戻りできないポイント」（イオンが導体に引き寄せられる場所）に到達する前に、イオン改質器電極の導体により一層近接できるからである。従って、ワイヤに衝突するイオンがより少なくなり、ひいてはより多くのイオンがイオン改質器を通り抜けて存続し、感度を一層向上することができる。
【００５２】
当然のことながら、本明細書の文脈において、ＲＦ電界は、イオンを改質するようエネルギーを印加する（例えば、イオンにエネルギーを印加して有効温度に上昇させる）のに適切な周波数特性を有する任意の交流電界とする。
【００５３】
本明細書の記載から、当業者には他の実施例および改変もあり得ることは明らかであろう。
【００５４】
本発明の実施形態は、例えばガス、蒸気、およびエアゾール等のガス状流体サンプル等のサンプルをイオン化するための方法および装置を含む。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、ドリフトガス循環システムによって再循環させる空気（例えば、清浄化および／または乾燥化した空気）等々がある。ドリフトガスを使用する必要はなく、本発明のいくつかの実施例は、イオンの平均自由経路が、例えばドリフトチャンバの長さと比較して、より長いかまたは同等であるシステムにおいて使用することができる。本発明のこれらの実施例は、移動度ではなく、例えば飛行時間の測定またはイオンを磁場に曝してイオンの移動方向からイオンを偏向することにより、イオンの変化率に対する質量を測定することができる。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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／またはプログラム命令を保管することができる。本発明の実施形態は、機械読取可能命令等のコンピュータプログラム製品および／またはプロセッサをプログラムして、本明細書に記載および／または請求した任意の１つ以上の方法を実施し、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よう操作可能なプログラム命令を備える非一時的有形媒体を提供する。
【００５８】
本明細書に記載した装置の使用および操作は、方法の開示を意図するものでもあり、装置の特定の構造は関係なく、即ち、装置の実施形態の特徴は、本明細書に記載および請求した方法に係る実施形態と組み合わせることができる。同様に、本明細書に記載した方法は、本明細書に記載した装置の好適な構成によって実施することができる。
【００５９】
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命令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、電子命令、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、電子命令を保管するのに好適なその他の機械読取可能媒体、またはそれらの任意の好適な組み合わせを含む。
【００６０】
電極に関しては、導体を任意に配置可能であることは言うまでもなく、例えば、電極は金属またはその他の導体を備えることができ、少なくとも部分的に曝露され、および／または部分的に遮断されてもよい。本明細書に記載の電圧供給器は、１つ以上の昇圧変換器または降圧変換器を備える交流電源を備えることができる。また、電圧供給器は、電池あるいは燃料電池または容量性電力供給等の直流電源も備えることができる。交流および直流を組み合わせて使用してもよく、電圧供給器は、直流電源に基づいて交流電圧を供給するためのインバータを備えることができる。いくつかの実施形態において、電圧供給器は、交流電源に基づいて直流電圧を供給するための整流器を備えることができる。コンポーネントを提供する交流および直流電源および電圧の任意の組み合わ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、電圧供給器を電流源として操作することもできる。
【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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