(57)【要約】【課題】高電界非対称波形イオン移動度スペクトロメータ（ＦＡＩＭＳ）において感度を分解能とを改善すること【解決手段】高電界非対称波形イオン移動度スペクトロメータ（ＦＡＩＭＳ）は、イオンの流れ方向に沿って幅が減少するギャップにより、互いに分離された少なくとも２つの合焦電極を含む。前記ギャップ内には電極アセンブリが配置されており、この電極アセンブリは、第１電極と第２電極とを含み、これら第１電極と第２電極のほぼ平坦な表面は互いに対向し、両者の間にほぼ均一な厚さの空間を構成している。使用中、第１電極および第２電極のうちの少なくとも１つの上、および前記少なくとも２つの合焦電極の上の各１つの上に設けられた電気コンタクトを介して、電気信号が印加される。これら電気信号は、第１電極と第２電極の間の空間にイオンを選択的に透過させ、選択的に透過したイオンを少なくとも２つの合焦電極のうちの１つから空間の中心部分に向けるための電極電界条件を空間内に構成する。【選択図】図１
2012512506.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの非平行なエッジを有する第１電極を備え、前記２つの非平行なエッジは、前記第１電極の長手方向に沿って減少する幅を前記２つのエッジの間に構成し、前記第１電極は、前記２つのエッジによって境界が定められたほぼ平坦な第１電極表面を有し、
２つの非平行なエッジを有する第２電極を更に備え、前記２つの非平行なエッジは、第２電極の長手方向に沿って減少する幅を前記エッジの間に構成し、前記第２電極は、前記２つのエッジによって境界が定められたほぼ平坦な第２電極表面を有し、前記第２電極は、前記第１電極に離間して対向する関係に配置され、前記第１電極表面と前記第２電極表面との間にほぼ均一な厚さの空間を有する電極アセンブリを構成し、前記第１電極の前記２つのエッジと前記第２電極の前記２つのエッジは、前記電極アセンブリの２つの横方向の境界を構成し、前記電極アセンブリは、第１方向に沿って減少する分離距離を前記境界の間に有し、前記空間は、前記第１方向に沿った前記電極アセンブリを通過するイオンの透過を使用中にサポートし、
更に前記電極アセンブリの２つの横方向の境界の各々に隣接する少なくとも１つの合焦電極を含む少なくとも２つの合焦電極を備え、前記少なくとも２つの合焦電極の間の分離距離は、前記第１方向に沿って減少し、
更に、非対称の波形の電圧を受けると共に、前記第１電極と前記第２電極との間に直流補償電圧を印加し、ＦＡＭＥＳ（高電界非対称波形イオン移動度スペクトロメータ）原理に従ってイオンを分離するための電界を前記空間内に形成するための、前記第１電極および前記第２電極のうちの少なくとも１つに設けられた電気コンタクトと、
直流電圧を受け、前記２つの横方向の境界のうちの１つから離間し、前記空間のうちの中心部分に向かう方向にイオンを向けるための、前記少なくとも２つの合焦電極のうちの各１つの上に設けられた電気コンタクトとを備える、高電界非対称波形イオン移動度スペクトロメータ（ＦＡＭＥＳ）。
【請求項２】
前記第１電極表面と前記第２電極表面との間の空間がイオン入口端およびイオン出口端を有し、前記２つの横方向境界の間の前記イオン入口端の幅が前記２つの横方向境界の間の前記イオン出口端の幅よりも広くなっている、請求項１に記載の高電界非対称波形イオン移動度スペクトロメータ。
【請求項３】
イオン入口およびイオン出口を備え、前記イオン入口端は、前記イオン出口よりも前記イオン入口のほうの近くに配置されており、前記イオン出口端は、前記イオン入口よりも前記イオン出口のほうの近くに配置されており、前記電極アセンブリの前記２つの横方向の間の分離距離は、前記イオン入口と前記イオン出口との間で連続的に増加している、請求項２に記載の高電界非対称波形イオン移動度スペクトロメータ。
【請求項４】
前記少なくとも２つの合焦電極は、前記電極アセンブリの前記２つの横方向境界に隣接して配置された第１合焦電極、および前記電極アセンブリの前記２つの横方向境界の他方の１つに隣接して配置された第２合焦電極を備え、前記第１合焦電極は、平坦な第３電極表面を有し、前記第２合焦電極は、平坦な第４電極表面を有し、前記第３電極表面は、前記第４電極表面に対向して配置され、両電極表面の間に空間が配置されている、請求項２に記載の高電界非対称波形イオン移動度スペクトロメータ。
【請求項５】
前記第１電極表面および前記第２電極表面のうちの各１つは、前記第３電極表面および前記第３電極表面のうちの各１つに直交している、請求項４に記載の、高電界非対称波形イオン移動度スペクトロメータ。
【請求項６】
前記第１合焦電極は、複数の第１合焦電極セグメントを備え、前記第２合焦電極は、複数の第２合焦電極セグメントを備え、使用中、前記第１合焦電極セグメントおよび前記第２合焦電極セグメントの対応するペアには、異なる電圧が印加され、前記空間のうちの前記イオン入口端と前記イオン出口端との間で前記第１方向に沿って延びる電界勾配を発生する、請求項４に記載の高電界非対称波形イオン移動度スペクトロメータ。
【請求項７】
前記少なくとも２つの合焦電極は、前記第１電極の前記２つの非平行エッジの対向するエッジに各１つが隣接するように配置された第１合焦電極および第２合焦電極と、前記第２電極の２つの非平行エッジの対向するエッジに各１つが隣接するように配置された第３合焦電極および第４合焦電極とを備える、請求項２に記載の高電界非対称波形イオン移動度スペクトロメータ。
【請求項８】
前記第１合焦電極は、前記第１電極表面とほぼ同一平面上にある平坦な第３電極表面を有し、前記第２合焦電極は、前記第１電極表面とほぼ同一平面上にある平坦な第４電極表面を有し、前記第３合焦電極は、前記第２電極表面とほぼ同一平坦上にある平坦な第５電極表面を有し、前記第４合焦電極は、前記第２電極表面とほぼ同一平面上にある平坦な第６電極表面を有する、請求項７に記載の高電界非対称波形イオン移動度スペクトロメータ。
【請求項９】
前記第３電極表面と前記第５電極表面とは、両者の間に第２空間を構成し、前記第４電極表面と前記第６電極表面とは、両者の間に第３空間を構成し、前記空間と前記第２空間と前記第３空間とは、連続する空間を協働して構成する、請求項８に記載の高電界非対称波形イオン移動度スペクトロメータ。
【請求項１０】
前記第１電極と前記第２電極の各々は、これら電極のそれぞれの長手方向に沿ってセグメント化されており、それぞれの長手方向の第１部分に沿ったＦＡＩＭＳモードでの作動をサポートすると共に、それぞれの長手方向の第２部分に沿った無線周波数専用（ＲＦ専用）モードでの作動をサポートする、請求項２に記載の高電界非対称波形イオン移動度スペクトロメータ。
【請求項１１】
第１方向に沿って幅が狭くなるギャップだけ互いに分離された少なくとも２つの合焦電極と、前記少なくとも２つの合焦電極の間の前記ギャップ内に配置された電極アセンブリとを備え、前記電極アセンブリは、
等脚台形形状の周辺によって境界が定められ、ほぼ平坦となっている第１の辺を有する第１電極と、
ほぼ同じ等脚台形の周辺によって境界が定められ、ほぼ平坦となっている第２の辺を有する第２電極とを備え、前記第２電極は、前記第１電極と離間して対向する関係に配置され、ほぼ均一な厚さの空間を前記第１の辺と前記第２の辺の間に構成し、前記空間は、使用中に前記第１方向に沿った前記電極アセンブリを通過するイオンの透過をサポートし、
前記少なくとも２つの合焦電極の間の前記ギャップの減少する幅は、前記第１電極および前記第２電極の前記等脚台形の周辺にほぼ一致する、高電界非対称波形イオン移動度スペクトロメータ（ＦＡＭＥＳ）。
【請求項１２】
前記第１電極表面と前記第２電極表面との間の空間は、イオン入口端およびイオン出口端を有し、前記２つの横方向境界の間の前記イオン入口端の幅は、前記２つの横方向境界の間の前記イオン出口端の幅よりも広くなっている、請求項１１に記載の高電界非対称波形イオン移動度スペクトロメータ。
【請求項１３】
イオン入口およびイオン出口を備え、前記イオン入口端は、前記イオン出口よりも前記イオン入口のほうにより近く配置されており、前記イオン出口端は、前記イオン入口よりも前記イオン出口のほうにより近く配置されており、前記電極アセンブリの前記２つの横方向の間の分離距離は、前記イオン入口と前記イオン出口との間で連続的に増加している、請求項１２に記載の高電界非対称波形イオン移動度スペクトロメータ。
【請求項１４】
前記少なくとも２つの合焦電極は、前記空間の対向する側の各々に配置された第１合焦電極と、第２合焦電極とを含み、よって前記第１合焦電極上の平坦な第３電極表面は、前記第２合焦電極上の平坦な第４電極表面に対向し、この表面から離間し、前記第３電極表面および前記第４電極表面により、前記空間の横方向の境界が定められている、請求項１２に記載の高電界非対称波形イオン移動度スペクトロメータ。
【請求項１５】
前記第１電極表面および前記第２電極表面のうちの各１つは、前記第３電極表面および前記第３電極表面のうちの各１つに直交している、請求項１４に記載の、高電界非対称波形イオン移動度スペクトロメータ。
【請求項１６】
前記第１合焦電極は、複数の第１合焦電極セグメントを備え、前記第２合焦電極は、複数の第２合焦電極セグメントを備え、使用中、前記第１合焦電極セグメントおよび前記第２合焦電極セグメントの対応するペアには、異なる電圧が印加され、前記空間のうちの前記イオン入口端と前記イオン出口端との間で前記第１方向に沿って延びる電界勾配を発生する、請求項１４に記載の高電界非対称波形イオン移動度スペクトロメータ。
【請求項１７】
前記少なくとも２つの合焦電極は、前記第１電極の対向するエッジに各１つが隣接するように配置された第１合焦電極および第２合焦電極と、前記第２電極の対向するエッジに各１つが隣接するように配置された第３合焦電極および第４合焦電極とを備える、請求項１２に記載の高電界非対称波形イオン移動度スペクトロメータ。
【請求項１８】
前記第１合焦電極は、前記第１電極表面とほぼ同一平面上にある平坦な第３電極表面を有し、前記第２合焦電極は、前記第１電極表面とほぼ同一平面上にある平坦な第４電極表面を有し、前記第３合焦電極は、前記第２電極表面とほぼ同一平坦上にある平坦な第５電極表面を有し、前記第４合焦電極は、前記第２電極表面とほぼ同一平面上にある平坦な第６電極表面を有する、請求項１７に記載の高電界非対称波形イオン移動度スペクトロメータ。
【請求項１９】
前記第３電極表面と前記第５電極表面とは、両者の間に第２空間を構成し、前記第４電極表面と前記第６電極表面とは、両者の間に第３空間を構成し、前記空間と前記第２空間と前記第３空間とは、連続する空間を協働して構成する、請求項１８に記載の高電界非対称波形イオン移動度スペクトロメータ。
【請求項２０】
第１方向に沿って幅が減少するギャップだけ、互いに離間する少なくとも２つの合焦電極と、
前記少なくとも２つの合焦電極の間の前記ギャップ内に配置された電極アセンブリとを備える高電界非対称波形イオン移動度スペクトロメータであって、
前記電極アセンブリは、
ほぼ平坦な第１電極表面を有する第１電極と、
ほぼ平坦な第２電極表面を有する第２電極とを備え、前記第２電極は、使用中に前記第１方向に沿った前記電極アセンブリを通過するイオンの透過をサポートするよう、前記第１電極表面と前記第２電極表面との間にほぼ均一の厚さの空間を構成するよう、前記第１電極と離間し、前記第１電極に対向する関係に配置されており、
前記スペクトロメータは、前記第１電極表面と前記第２電極表面との間の前記空間にイオンを選択的に透過させ、前記透過されたイオンを前記少なくとも２つの合焦電極のうちの１つから前記空間の中心部分に向けさせる電界条件を、前記第１電極表面と前記第２電極表面との間の前記空間内に発生させる電気信号を前記少なくとも２つの合焦電極のうちの各１つで受信するための、前記第１電極および前記第２電極のうちの少なくとも１つに設けられた電気コンタクトを更に含む、高電界非対称波形イオン移動度スペクトロメータ（ＦＡＩＭＳ）。
【請求項２１】
ガスが前記空間から外側に流れることができるようにする開口部が、前記少なくとも２つの合焦電極のうちの少なくとも１つの内部に構成されている、請求項２０に記載の、高電界非対称波形イオン移動度スペクトロメータ。
【請求項２２】
第１方向に沿って幅が狭くなる、平坦な第１電極表面と平坦な第２電極表面との間の空間内に導入される、複数の異なるイオン種を含むイオンを、第１方向に沿って提供するステップと、
前記複数のイオン種から１つのイオン種を分離するよう、非対称波形の電圧と直流補償電圧の所定の組み合わせを、前記平坦な第１電極表面と前記平坦な第２電極表面との間に印加するステップと、
前記空間の中心部分に前記１つのイオン種を向けるよう、直流電圧を少なくとも２つの横方向の合焦電極の間に印加するステップと、
前記１つのイオン種の向きを定めるステップとを備える、イオンを分離するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高電界非対称波形イオン移動度スペクトロメトリー（ＦＡＩＭＳ）に関し、より詳細には、横方向に向いたイオン合焦をサポートする平坦なプレートの電極幾何学的形状となっているＦＡＩＭＳに関する。
【背景技術】
【０００２】
高電界非対称波形イオン移動度スペクトロメトリー（ＦＡＩＭＳ）とは、大気圧で気相イオンを分離できる技術のことである。分析領域にイオンが導入され、この分析領域の両端には無線周波数（ＲＦ）波形が印加されているので、イオンは、高強度の電界と低強度の電界とを受ける。印加される波形は、短い時間ｔ2の間続く高電圧成分Ｖ1と、より長い時間ｔ1の間続く逆極性の、より低い電圧成分ｖ2とを含む繰り返しパターンを含むような非対称形となっている。特にこの波形は、波形の各々の全サイクルの間の積分された電圧と時間の積、したがって電界−時間積がゼロとなるよう、例えばＶ1ｔ2＋Ｖ2ｔ1＝０、例えば１０μｓの間、＋２０００Ｖが続き、その後、２０μｓの間、−１０００Ｖが続くような波形に合成される。より短い時間の間のピーク電圧Ｖ１、すなわち波形の高電圧部分は、「分散電圧」またはＤＶと称される。
【０００３】
ＦＡＩＭＳでは低電界強度におけるイオンの移動度Ｋに対する高電界強度のイオンの移動度Ｋhの差に基づき、イオンが分離される。換言すれば、これらイオンは印加される電界強度を関数とするＫhの化合物に依存する挙動のため、分離される。イオンの移動度のこのような電界に応じた変化により、イオンは分析領域の壁に向けてドリフトされる。当該イオンをＦＡＩＭＳに透過させるために、当該イオンの分析器の壁に向かうドリフトを補償するよう、適当な直流補償電圧ＣＶが印加される。補償電圧を変えることにより、異なるイオンが選択的にＦＡＩＭＳデバイスを透過させられる。
【０００４】
一般に、ＦＡＩＭＳデバイス内で分析領域を構成する電極は、平坦な形状またはカーブした形状のいずれかにすることができ、例えばそれぞれ平行な平坦プレートの電極または同心状の円筒形電極とすることができる。同心状の円筒形構造は、平坦プレートの構造と比較して感度を高くすることができる。このようなより高い感度は、同心状円筒形電極のカーブした電極表面の間の分析領域で生じる二次元の大気圧イオン合焦効果に起因するものである。電極の間に電圧を印加しないとき、イオンの径方向の分布がＦＡＩＭＳ分析器にわたってほぼ均一になるはずである。しかしながら、ＤＶおよびＣＶの印加中は、ＦＡＩＭＳの分析領域の環状空間にわたってイオンの径方向の分布が均一となることはない。当該イオンに対し、適当なＤＶおよびＣＶを印加した場合、これらイオンは電極間のバンド内で合焦された状態となり、ＦＡＩＭＳ電極と衝突する結果、イオンの損失率が減少する。従って、このような二次元のイオン合焦効果の結果として、同心状円筒形ＦＡＩＭＳの分析領域を通過する当該イオンの透過効率が改善される。
【０００５】
他方、平行な平坦プレート電極構造は、分解能をより高くする。所定の作動条件の組のもとで、同様な移動度特性を有するイオンを分離する度合いに関して、ＦＡＩＭＳデバイスの分解能が定められる。従って、高分解能のＦＡＩＭＳデバイスは、同様な移動度特性を有する、レンジが比較的狭いタイプのイオンを選択的に透過するが、低分解能のＦＡＩＭＳデバイスは、同様な移動度特性を有する、レンジが比較的広いタイプのイオンを選択的に透過する。同心状円筒形構造は、上記のようにイオンを合焦し、トラップする能力を有するので、平行な平坦プレート構造における分解能と比較して、同心状円筒形構造におけるＦＡＩＭＳの分解能は、妥協が図られている。この合焦効果は、同心状円筒形電極の間の分析領域において、移動度特性のより広いレンジのイオンが同時に合焦されることを意味する。更に、細い電極を有する同心状円筒形ＦＡＩＭＳデバイスは、最強の合焦効果を有するが、イオンを分離する分解能は最低である。円筒形の曲率半径が大きくなるにつれ、合焦作用はより弱くなり、同様な高電界移動度特性のイオンを同時に合焦するＦＡＩＭＳの能力も同様に低下する。このことは、最大達成分解能を有する平行な平坦プレート構造では、電極の半径が増加するにつれ、ＦＡＩＭＳの分解能も増加することを意味する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
残念なことに、平行な平坦プレートのＦＡＩＭＳデバイスの感度は、同心状円筒形構造と比較して低くなっている。その理由は、イオン平行な平坦プレートの間の分析領域を移動する際に、拡散、および小さいにしてもイオン間の反撥力によってイオンがプレートの幅方向に沿ったある方向に広がってしまうからである。換言すれば、イオンはほぼコリメート状のイオンビームとして平坦なプレートの電極間の空間内に導入されるが、電極のエッジに向かって急激に広がり、分析ギャップを通ってイオンの出口まで移動するようなイオンのシートを形成する。従って、これまでＦＡＩＭＳデバイスの電極構造を選択するにあたり、従来技術では、感度と分解能との間で常に妥協を図らなければならなかった。
【０００７】
上記限界の少なくとも一部を克服する装置および方法を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の特徴によれば、２つの非平行なエッジを有する第１電極を備え、前記２つの非平行なエッジは、前記第１電極の長手方向に沿って減少する幅を前記２つのエッジの間に構成し、前記第１電極は、前記２つのエッジによって境界が定められたほぼ平坦な第１電極表面を有し、２つの非平行なエッジを有する第２電極を更に備え、前記２つの非平行なエッジは、第２電極の長手方向に沿って減少する幅を前記エッジの間に構成し、前記第２電極は、前記２つのエッジによって境界が定められたほぼ平坦な第２電極表面を有し、前記第２電極は、前記第１電極に離間して対向する関係に配置され、前記第１電極表面と前記第２電極表面との間にほぼ均一な厚さの空間を有する電極アセンブリを構成し、前記第１電極の前記２つのエッジと前記第２電極の前記２つのエッジは、前記電極アセンブリの２つの横方向の境界を構成し、前記電極アセンブリは、第１方向に沿って減少する分離距離を前記境界の間に有し、前記空間は、前記第１方向に沿った前記電極アセンブリを通過するイオンの透過を使用中にサポートし、更に前記電極アセンブリの２つの横方向の境界の各々に隣接する少なくとも１つの合焦電極を含む少なくとも２つの合焦電極を備え、前記少なくとも２つの合焦電極の間の分離距離は、前記第１方向に沿って減少し、更に、非対称の波形の電圧を受けると共に、前記第１電極と前記第２電極との間に直流補償電圧を印加し、ＦＡＭＥＳ（高電界非対称波形イオン移動度スペクトロメータ）原理に従ってイオンを分離するための電界を前記空間内に形成するための、前記第１電極および前記第２電極のうちの少なくとも１つに設けられた電気コンタクトと、直流電圧を受け、前記２つの横方向の境界のうちの１つから離間し、前記空間のうちの中心部分に向かう方向にイオンを向けるための、前記少なくとも２つの合焦電極のうちの各１つの上に設けられた電気コンタクトとを備える、高電界非対称波形イオン移動度スペクトロメータ（ＦＡＭＥＳ）が提供される。
【０００９】
本発明の特徴によれば、第１方向に沿ってパワーが減少するギャップだけ互いに分離された少なくとも２つの合焦電極と、前記少なくとも２つの合焦電極の間の前記ギャップ内に配置された電極アセンブリとを備え、前記電極アセンブリは、等脚台形形状の周辺によって境界が定められ、ほぼ平坦となっている第１の辺を有する第１電極と、ほぼ同じ等脚台形の周辺によって境界が定められ、ほぼ平坦となっている第２の辺を有する第２電極とを備え、前記第２電極は、前記第１電極と離間して対向する関係に配置され、ほぼ均一な厚さの空間を前記第１の辺と前記第２の辺の間に構成し、前記空間は、使用中に前記第１方向に沿った前記電極アセンブリを通過するイオンの透過をサポートし、前記少なくとも２つの合焦電極の間の前記ギャップの減少する幅は、前記第１電極および前記第２電極の前記等脚台形の周辺にほぼ一致する、高電界非対称波形イオン移動度スペクトロメータ（ＦＡＭＥＳ）が提供される。
【００１０】
本発明に特徴によれば、第１方向に沿って幅が減少するギャップだけ、互いに離間する少なくとも２つの合焦電極と、前記少なくとも２つの合焦電極の間の前記ギャップ内に配置された電極アセンブリとを備える高電界非対称波形イオン移動度スペクトロメータであって、前記電極アセンブリは、ほぼ平坦な第１電極表面を有する第１電極と、ほぼ平坦な第２電極表面を有する第２電極とを備え、前記第２電極は、使用中に前記第１方向に沿った前記電極アセンブリを通過するイオンの透過をサポートするよう、前記第１電極表面と前記第２電極表面との間にほぼ均一の厚さの空間を構成するよう、前記第１電極と離間し、前記第１電極に対向する関係に配置されており、前記スペクトロメータは、前記第１電極表面と前記第２電極表面との間の前記空間にイオンを選択的に透過させ、前記透過されたイオンを前記少なくとも２つの合焦電極のうちの１つから前記空間の中心部分に向けさせる電界条件を、前記第１電極表面と前記第２電極表面との間の前記空間内に発生させる電気信号を前記少なくとも２つの合焦電極のうちの各１つで受信するための、前記第１電極および前記第２電極のうちの少なくとも１つに設けられた電気コンタクトを更に含む、高電界非対称波形イオン移動度スペクトロメータ（ＦＡＩＭＳ）が提供される。
【００１１】
本発明の特徴によれば、第１方向に沿って幅が減少する、平坦な第１電極表面と平坦な第２電極表面との間の空間内に導入される、複数の異なるイオン種を含むイオンを、第１方向に沿って提供するステップと、前記複数のイオン種から１つのイオン種を分離するよう、非対称波形の電圧と直流補償電圧の所定の組み合わせを、前記平坦な第１電極表面と前記平坦な第２電極表面との間に印加するステップと、前記空間の中心部分に前記１つのイオン種を向けるよう、直流電圧を少なくとも２つの横方向の合焦電極の間に印加するステップと、前記１つのイオン種の向きを定めるステップとを備える、イオンを分離するための方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係わるＦＡＩＭＳ装置のための電極構造を示す簡略化された斜視図である。
【図２】図１の電極構造体を通過するイオンおよびガスの流れを示す電極構造体の簡略化された平面図である。
【図３】図１の電極構造体の長手方向に沿った異なる位置における直流電圧プロフィルを示す。
【図４】本発明の一実施形態に係わるＦＡＩＭＳ装置のための電極構造体を示す簡略化された斜視図である。
【図５】図４の電極構造体の簡略化された平面図である。
【図６】図４の電極構造体の長手方向に沿った異なる位置における直流電圧プロフィルを示す。
【図７Ａ】本発明の一実施形態に係わる電極構造体のイオン入口端およびイオン出口端の第１コンフィギュレーションを側横断面図で示す。
【図７Ｂ】本発明の一実施形態に係わる電極構造体のイオン入口端およびイオン出口端の第２コンフィギュレーションを側横断面図で示す。
【図８Ａ】合焦電極の対向する表面の間の空間内に配置されたオプションの電気的絶縁材料の限界を仮想図で示す、図１の電極構造体の平面図である。
【図８Ｂ】合焦電極の対向する表面の間の空間内に配置されたオプションの電気的絶縁材料を示す、図１の電極構造体のイオン出口端の端面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明するが、図中、同様な参照番号は同様な部品を示す。
【００１４】
次の説明は、当業者が本発明を製造し、使用できるように記載したものであり、特定の用途およびその条件に関連して記載したものである。当業者には、開示した実施形態の種々の変形例が容易に明らかとなろう。本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態および応用例に関して本願に記載した一般的な原理を適用することができる。従って、本発明は、開示した実施形態だけに限定されるものでなく、本願に開示した原理および特徴に合致する最も広い範囲に解すべきである。
【００１５】
図１は、本発明の一実施例に係わるＦＡＩＭＳ装置のための電極構造を示す簡略化された斜視図である。全体が番号１００で示されたこの電極構造体は、第１電極１０２と第２電極１０４とを備えた中心電極アセンブリを含む。第１電極１０２と第２電極１０４とは離間しており、第１電極１０２の内側に向いた平坦な第１電極の表面と第２電極１０４の内側に向いた平坦な第２電極表面との間にほぼ均一な厚さを有する空間１２０を構成している。この空間は、使用中にイオン入口端（イオン入力）とイオン出口端（イオン出力）との間でのイオンの透過をサポートするものである。簡潔にするために、図１ではＦＡＩＭＳ装置の従来の他の要素、例えばイオンソース、カーテンガス電極アセンブリ、イオン入口およびイオン出口オリフィス、電気コントローラ、キャリアガス供給システム、検出システムなどが省略されている。
【００１６】
第１電極１０２および第２電極１０４の各々は、２つの非平行のエッジを有し、これらエッジは、両者の間にそれぞれの電極の長手方向に沿って狭くなる幅（ｗ）を構成している。例えば第１電極１０２を検討すると、この幅はイオン入口端における最大値ｗ1から、第１電極１０２の長さに沿った途中の中間値ｗ2を経て、イオン出口端における最小値ｗ3まで狭くなっている。この非限定的な例では、第１電極１０２および第２電極１０４の各１つは、等脚台形の形状をしているので、その幅はイオン入口端とイオン出口端の間で連続的に狭くなっている。オプションとして、その幅は不連続状またはステップ状に狭くなってもよいし、更にオプションとしてこの幅は、イオン入口端とイオン出口端との間で一定でないレートで狭くなってもよい。
【００１７】
依然として図１を参照する。第１電極１０２の非平行エッジのうちの１つに第１合焦電極１０６が隣接しており、第１電極１０２の非平行エッジのうちの他方の１つに第２合焦電極１０８が隣接している。同様に、第２電極１０４の非平行エッジのうちの１つに第３合焦電極１１０が隣接しており、第２電極１０４の非平行エッジのうちの他方の１つに第４合焦電極１１２が隣接している。第１合焦電極１０６および第２合焦電極１０８は、両者の間に配置された電気的に絶縁性のスペーサ材料１１４、例えばＰＥＥＫ（商標）により、第１電極１０２から電気的にアイソレートされている。同様に、第３合焦電極１１０および第４合焦電極１１２も、両者の間に配置された電気的に絶縁性のスペーサ材料１１４、例えばＰＥＥＫ（商標）により、第２電極１０４から電気的にアイソレートされている。オプションとして、スペーサ材料を省略し、オープンギャップにより電極を互いに分離してもよい。
【００１８】
電極１０２〜１１２は、図示されていない電気的に絶縁性の材料、例えばＰＥＥＫ（商標）内に埋め込まれており、電極間の空間を通るキャリアガスの流れを生じさせるために、入口および出口を含むハウジング内に電極構造体全体が支持されている。図示されていない電気コントローラに結合し、このコントローラからの種々の電気信号を受信するために、電極１０２〜１１２の少なくとも一部に電気コンタクトが設けられている。オプションとして、電極１０２〜１１２の間のガスの温度に制御可能に影響を与え、および／または使用中に電極間１０２〜１１２の間でガス内に温度勾配を生じさせるために、温度コントローラを設けてもよい。
【００１９】
図示されていない電気コントローラを使用して、平坦なプレート電極１０２および１０４に適当な電圧を印加することにより、ＦＡＩＭＳの原理に従い、イオンを分離するための電界条件を空間１２０内に設定する。ＦＡＩＭＳは、大気圧よりも高い値から、ミリトールレンジまでのワイドレンジの圧力値にわたって作動できることに注目すべきである。ＦＡＩＭＳでは、印加される電界強度に応じて、高電界移動度定数ＫＨの化合物に依存した挙動に基づき、イオンが分離される。電界強度は、実際には、Ｅ／Ｎ（ここでＥは、ボルト／ｃｍを単位とする電界であり、Ｎは、極間ガスの分子密度である）であると理解すべきである。明らかに、より低いガス圧の条件では、低い電圧を印加することが適当であるが、同じＥ／Ｎの値に達する各ケースでは、より高いガス圧ではより高い電圧が必要となる。ＦＡＩＭＳデバイスにおけるイオンの挙動は、「電界強度が変化する条件」と簡略化されることが多い、変化するＥ／Ｎの条件下におけるイオンの移動度の変化に基づくものである。図１内のイオン移動方向に沿って電界の勾配が設定されることはないので、イオン入口端とイオン出口端との間でイオンをトランスポートするのにキャリアガス流が使用される。これとは異なり、イオン入口端とイオン出口端の間のイオン移動方向に沿って、イオンを加速するための電界を形成するよう、異なるセグメントに異なる電圧を印加することをサポートするよう、電極構造体の長さに沿って電極１０２〜１１２の少なくとも一部をセグメント化してもよい。当然ながら、ミリトール圧力値までＦＡＩＭＳを作動させるには、セグメント化された電極を使用することが必要である。その理由は、空間１２０を通してイオンをトランスポートするには、キャリアガス圧は不充分であるからである。
【００２０】
平坦プレートの電極１０２と１０４との間には、非対称波形が印加されるので、図１に示されたデバイス内でのイオン分離分解能は極めて高い。第１〜第４合焦電極１０６〜１１２に印加される追加電圧は、イオンが幅方向に沿って広がり、かつデバイスから失われるのを防止するので、図１に示された電極構造体を使用して達成できるイオン透過効率は、合焦電極を用いない平坦プレートのＦＡＩＭＳの透過効率よりも高くなっている。以下、より詳細に説明するように、第１〜第４合焦電極１０６〜１１２のうちの対向する電極間には、高いＤＣ電圧が印加される結果、第１合焦電極１０６と第３合焦電極１１０との間の第２空間内、および第２電極１０８と第４電極１１２との間の第３空間内に、横方向の合焦電界が生じる。
【００２１】
次に、図２を参照する。図１の電極構造の簡略化された平面図が示されている。図２に示された特定の非限定的な例では、電気コンタクトを介し、第１電極１０２に分散電圧（ＤＶ）と補償電圧（ＣＶ）との所定の組み合わせが印加され、第１合焦電極１０６および第２合焦電極１０８の各々の上の電気コンタクトを介して、高ＤＣ電圧が印加される。これら電極上の電気コンタクトは、無線周波数の非対称波形電源および直流電源を含む図示されていない１つ以上の電気コントローラに結合されている。
【００２２】
第１電極１０２と第２電極１０４との間の空間１２０のうちのイオン入口端内に、イオンおよびガスが導入される。第１電極１０２と第２電極１０４とを含む中心電極アセンブリの長手方向に沿ってイオンが搬送されるにつれ、イオンは空間１２０の中心部分に向かって横方向に向けられるので、イオンは比較的細いバンドのイオンとして空間のイオン出口端から出る。対向する電極の種々のペアの間では、キャリアガスの流れに対するバリアはないので、ガスは実質的に電極構造体の幅を横断するよう、イオン入口端とイオン出口端との間の経路に沿って流れる。
【００２３】
上記横方向の合焦効果の１つの結果として、イオンはイオン入口端にて空間１２０の比較的広い部分内に進入し、イオン密度、従ってイオン間の反撥力が最大値となるときに、イオンがある程度広がることを可能にする。イオンが空間１２０を通過するように移動するにつれ、イオンの一部は電極表面のうちの１つと衝突する問題を生じ、一部が失われる。イオン入口端とイオン出口端との間ではイオンの数が減少する空間１２０の中心部分に向かうイオンの合焦が増加する際に、イオン密度は許容できない値まで増加することはない。
【００２４】
図３は、図１の電極構造の長手方向に沿った異なる位置におけるＤＣ電圧プロフィルを示す。イオン入口端とイオン出口端の間の、電極構造長手方向に沿って延びる３本の点線Ａ、ＢおよびＣは、参考のために描かれたものであり、ＤＣ電圧プロフィル図内の電極位置Ａ、ＢおよびＣに対応する。イオン入口端の近く（図３の頂部）では、電極構造のエッジに向かう高ＤＣ電圧しか存在しないので、イオンは空間１２０内に導入された直後は比較的大きい容積の空間を占める。ＤＣ電圧図はイオンがイオン出口端に接近するにつれ、高ＤＣ電圧の結果、イオンが占める空間が徐々に小さくなることを示している。従って、高ＤＣ電圧は、イオンが電極構造を通過して点線Ｂの近くの空間１２０の中心部分に向かって流れるように、イオンの向きを定める。
【００２５】
次に図４を参照すると、ここには本発明の一実施形態に係わるＦＡＭＥＳ装置のための電極構造の簡略化された斜視図が示されている。全体が番号４００で示されたこの電極構造体は、第１電極４０２と第２電極４０４とを備えた中心電極アセンブリを含む。第１電極４０２と第２電極４０４とは離間しており、第１電極４０２の内側に向いた平坦な第１電極の表面と第２電極４０４の内側に向いた平坦な第２電極表面との間にほぼ均一な厚さを有する空間４２０を構成している。この空間は、使用中にイオン入口端（イオン入力）とイオン出口端（イオン出力）との間でのイオンの透過をサポートするものである。簡潔にするために、図４ではＦＡＩＭＳ装置の従来の他の要素、例えばイオンソース、カーテンガス電極アセンブリ、イオン入口およびイオン出口オリフィス、電気コントローラ、キャリアガス供給システム、検出システムなどが省略されている。
【００２６】
第１電極４０２および第２電極４０４の各々は、２つの非平行エッジを有し、これらエッジは両者の間にそれぞれの電極の長さに沿って狭くなる幅（ｗ）を構成している。例えば第１電極４０２を検討すると、この幅はイオン入口端における最大値ｗ１から、第１電極４０２の長さに沿った途中の中間値ｗ２を経て、イオン出口端における最小値ｗ３まで狭くなっている。この非限定的な例では、第１電極４０２および第２電極４０４の各１つは、等脚台形の形状をしているので、その幅はイオン入口端とイオン出口端の間で連続状に狭くなっている。オプションとして、その幅は不連続状またはステップ状に狭くなってもよい。更にオプションとしてこの幅は、イオン入口端とイオン出口端との間で一定でない率で狭くなってもよい。
【００２７】
引き続き図４を参照する。第１合焦電極４０６の平坦な第３電極表面が、空間４２０に向き、これに隣接した状態で第１合焦電極４０６が配置されており、電極４０６は第１電極４０２および第２電極４０４の各々の非平行エッジのうちの１つからほぼ一定の距離に離間している。第２合焦電極４０８の平坦な第４電極表面が、空間４２０に向き、これに隣接した状態で第２合焦電極４０８が配置されており、この電極４０８は、第１電極４０２および第２電極４０４の各々の非平行エッジのうちの他方からほぼ一定の距離に離間している。第１合焦電極４０６と第２合焦電極４０８とは、第３電極の表面と第４電極の表面とが互いに向き合い、かつ互いに離間するように配置されている。更に第１電極表面および第２電極表面の各１つは、第３電極表面および第４電極表面の各１つとほぼ直交している。図４では、第１合焦電極４０６および第２合焦電極４０８は、あるギャップだけ第１電極４０２および第２電極４０４から離間している。オプションとして、第１合焦電極４０６および第２合焦電極４０８は、両者の間に配置された電気的に絶縁性のスペーサ材料（図示せず）、例えばＰＥＥＫ（商標）によって第１電極４０２および第２電極４０４から電気的にアイソレートされている。
【００２８】
電極４０２〜４０８は、図示されていない電気的に絶縁性の材料、例えばＰＥＥＫ（商標）内に埋め込まれており、電極構造全体は電極間の空間を通るキャリアガスの流れを生じさせるために、入口および出口を含むハウジング内に電極構造体全体が支持されている。図示されていない電気コントローラに結合し、このコントローラからの種々の電気信号を受信するために、電極４０２〜４０８の少なくとも一部に電気コンタクトが設けられている。オプションとして、電極４０２〜４０８の間のガスの温度に制御可能に影響を与え、および／または使用中に電極間４０２〜４０８の間でガス内に温度勾配を生じさせるために、温度コントローラを設けてもよい。
【００２９】
図示されていない電気コントローラを使用して、平坦なプレート電極４０２および４０４に適当な電圧を印加することにより、ＦＡＩＭＳの原理に従い、イオンを分離するための電界条件を空間４２０内に設定する。ＦＡＩＭＳは、大気圧よりも高い値から、ミリトールレンジまでのワイドレンジの圧力値にわたって作動できることに注目すべきである。ＦＡＩＭＳでは、印加される電界強度に応じて、高電界移動度定数ＫＨの化合物に依存した挙動に基づき、イオンが分離される。電界強度は実際には、Ｅ／Ｎ（ここでＥはボルト／ｃｍを単位とする電界であり、Ｎは、極間ガスの分子密度である）であると理解すべきである。明らかに、より低いガス圧の条件では、低い電圧を印加することが適当であるが、同じＥ／Ｎの値に達する各ケースでは、より高いガス圧ではより高い電圧が必要となる。ＦＡＩＭＳデバイスにおけるイオンの挙動は、「電界強度が変化する条件」と簡略化されることが多い、変化するＥ／Ｎの条件下におけるイオンの移動度の変化に基づくものである。図４内のイオン移動方向に沿って電界の勾配が設定されることはないので、イオン入口端とイオン出口端との間でイオンをトランスポートするのにキャリアガス流が使用される。これとは異なり、イオン入口端とイオン出口端の間のイオン移動方向に沿って、イオンを加速するための電界を形成するよう、異なるセグメントに異なる電圧を印加することをサポートするよう、電極構造体の長さに沿って電極４０２〜４０８の少なくとも一部をセグメント化してもよい。当然ながら、ミリトールの圧力値までＦＡＩＭＳを作動させるには、セグメント化された電極を使用することが必要である。その理由は、空間１２０を通してイオンをトランスポートするには、キャリアガス圧は不充分であるからである。
【００３０】
平坦プレートの電極４０２と４０４との間には、非対称波形が印加されるので、図４に示されたデバイス内でのイオン分離分解能は、極めて高い。第１合焦電極４０６および第２合焦電極４０８にそれぞれ印加される追加電圧は、イオンが幅に沿って広がり、かつデバイスから失われるのを防止するので、図４に示された電極構造体を使用して達成できるイオン透過効率は、合焦電極を用いない平坦プレートのＦＡＩＭＳの透過効率よりも高くなっている。第１合焦電極４０６および第２合焦電極４０８の上のコンタクトを介して高ＤＣ電圧が印加される結果、横方向の合焦電界が形成され、この合焦電界は、イオンを空間４２０の中心部分に向ける。上記横方向の合焦効果の１つの結果として、イオンはイオン入口端にて空間４２０の比較的広い部分内に進入し、イオン密度、従ってイオン間の反撥力が最大値となるときに、イオンがある程度広がることを可能にする。イオンが空間４２０を通過するように移動するにつれ、イオンの一部は、電極表面のうちの１つと衝突する問題を生じ、一部が失われる。イオン入口端とイオン出口端との間ではイオンの数が減少する空間４２０の中心部分に向かうイオンの合焦が増加する際に、イオン密度が許容できない値まで増加することはない。
【００３１】
次に、図５を参照する。ここには図４の電極構造の簡略化された平面図が示されている。図５に示された特定の非限定的な例では、電気コンタクトを介し、第１電極４０２に分散電圧（ＤＶ）と補償電圧（ＣＶ）との所定の組み合わせが印加され、第１合焦電極４０６および第２合焦電極４０８の各々の上の電気コンタクトを介して、高ＤＣ電圧が印加される。これら電極上の電気コンタクトは、無線周波数の非対称波形電源および直流電源を含む図示されていない１つ以上の電気コントローラに結合されている。
【００３２】
第１電極４０２と第２電極４０４との間の空間４２０のうちのイオン入口端内に、イオンおよびガスが導入される。第１電極４０２と第２電極４０４を含む中心電極アセンブリの長手方向に沿ってイオンが搬送されるにつれ、イオンは空間４２０の中心部分に向かって横方向に向けられるので、イオンは比較的細いバンドのイオンとして空間のイオン出口端から出る。更に、第１合焦電極４０６と第２合焦電極４０８は、空間内のガス流に対する物理的バリアも形成し、ガスをイオン入口端に向かう方向に空間４２０の中心部分に向かって内側にジョウゴ状にする。しかしながら、電気絶縁材料が電極４０２と４０４と４０６と４０８を分離しないとき、ガスの一部は種々の電極の間のギャップを介して、空間４２０から流出し得る。オプションとして、電極４０２、４０４、４０６および４０８の少なくとも一部を改造して、スロットまたは他の開口部を設けるか、または電極を多孔質にすることにより、イオンではなくガスがＦＡＭＥＳセルの長手方向に沿ってＦＡＭＥＳセルの内側領域からポンプアウトできるようにしてもよい。例えば電極４０６および４０８の長手方向の少なくとも一部に沿ってスロットまたは他の開口部を設け、オプションとしてスロットまたは他の開口部を囲む電極材料がメッシュまたは他のガス透過性構造体をサポートし、この構造体を導電性として、電極４０６および４０８内にスロットまたは他の開口部が存在する結果生じる電界の乱れを最小にしてもよい。当然ながら、特定のトランスポート条件に対してスロットまたは開口部の幅、長さおよび／または形状を最適にすることができるが、温度が重要なファクターである。
【００３３】
図６は、図４の電極構造の長手方向に沿った異なる位置におけるＤＣ電圧プロフィルを示す。イオン入口端とイオン出口端の間の、電極構造長手方向に沿って延びる３本の点線Ａ、ＢおよびＣは、参考のために描かれたものであり、ＤＣ電圧プロフィル図内の電極位置Ａ、ＢおよびＣに対応する。イオン入口端の近く（図６の頂部）では、電極構造のエッジに向かう高ＤＣ電圧しか存在しないので、イオンは空間４２０内に導入された直後は比較的大きい容積の空間を占める。ＤＣ電圧図は、イオンがイオン出口端に接近するにつれ、高ＤＣ電圧の結果、イオンが占める空間が徐々に小さくなることを示している。従って、高ＤＣ電圧は、イオンが電極構造を通過して点線Ｂの近くの空間４２０の中心部分に向かって流れるように、イオンの向きを定める。
【００３４】
図７Ａは、本発明の一実施形態に係わる電極構造体のイオン入口端およびイオン出口端の第１構造を側横断面図で示す。特定の非限定的な例により、イオン化ソース、例えばエレクトロスプレーイオン化（ＥＳＩ）ソースでイオンが発生され、これらイオンは、オリフィスを介して第１電極１０２と第２電極１０４との間の空間１２０内に導入される。特にイオンは第１電極と第２電極の対向する表面に平行な方向に沿って導入される。一部のイオンは、空間１２０を通ってイオン出口端まで進み、検出および別の分析のうちの１つのために別のオリフィスを通って抽出される。
【００３５】
図７Ｂは、本発明の一実施形態に係わる電極構造体のイオン入口端およびイオン出口端の第２構造を側横断面図で示す。特定の非限定的な例としてイオン化ソース７００、例えばＥＳＩソースにてイオンが発生され、これらイオンはカーテンガス電極７０２内のオリフィスを通って導入され、この場合、キャリアガス７０４の流れがイオンの解離を補助し、更に解離したイオンを第１電極１０２と第２電極１０４との間の空間１２０に搬送するのを助ける。一部のイオンは、空間１２０を通ってイオン出口端まで進み、検出および別の分析のうちの１つのために、別のオリフィスを通って抽出される。
【００３６】
当然ながら、図４に示された電極構造のイオン入口端およびイオン出口端は、オプションとして図７Ａまたは図７Ｂのように構成できる。更にオプションとして、別の適当なイオン入口端構造および／または別の適当なイオン出口端構造も使用できる。
【００３７】
図１に示された特定の非限定的例では、空間１２０と第２空間と第３空間は、協働して、対向する電極１０２〜１１２の種々のペアの間に連続的な空間を構成することに注目することが重要である。ガスは、電極構造体の全幅にわたり、イオン入口端とイオン出口端との間の連続的空間を通って、阻害されることなく流れる。次に図８Ａおよび８Ｂを参照する。ここには図１の電極構造のオプションの変形例が示されている。特に図８Ａは、合焦電極の対向する表面の間の空間内に配置されたオプションの、電気的に絶縁性の材料８００の限界（点線）を示す図１の電極構造の平面図である。絶縁材料の間の分離距離は、イオン入口端とイオン出口端との間で短くなっているので、電極アセンブリを通過するガスの流れは、電極１０２と第２電極１０４（図８Ａには示されず）との間の空間の中心部分に向かって一般的に内側に向けられる。図８Ｂも参照すると、ここには図１の電極構造のイオン出口端の端面図が示されており、この図では、合焦電極の対向する表面の間の空間内に電気的絶縁性材料８００が配置されている。図８Ｂに示されるように、出口端にある空間１２０からガスが出る際に通過する開口部は、電極構造の全幅と比較して狭くなっている。内部にイオンを連行するガスを、空間１２０の中心部分に向けることによって、更に電極構造を通過するイオンの透過効率が高くなっている。
【００３８】
オプションとして、図１〜８を参照して説明した合焦電極は、別の作動モード、例えばＲＦだけのモードもサポートする。ＲＦ専用モードでは、合焦電極の少なくとも一部に交流（ＡＣ）ＲＦ波形が印加される。構造の長手方向に沿って電極がセグメント化されているとき、電極構造のセグメント化された第１部分はオプションとしてＦＡＭＥＳ原理に従う作動をサポートするが、電極構造の別の部分はＲＦ専用作動モードをサポートする。
【００３９】
図１〜３に示された電極構造は、合焦電極の外側エッジがほぼ平行であり、電極構造の端部が電極構造のエッジの双方に直角となっている、全体がほぼ長方形の形状となっている。当然ながら、オプションとして図４に示される構造に類似するように平行としなくてもよい。更にオプションとして、電極構造の端部を凸状部分または凹状部分を有する形状にするか、または電極構造のエッジに対して直角以外の角度にしてもよい。更に、種々の電極の全体を導電性材料から形成してもよいし、または電気的に絶縁性の材料の上にコーティングされる電極ストリップとしてもよい。電極を形成するのに、オプションとして他の適当な材料、例えば導電性ガラスを使用してもよい。更に、これら電極は、対向する側に平行な平坦表面を有する、全体が薄いプレート状の電極が示されている。当然ながらこれら電極の裏面は、平坦にしなくてもよいし、または電極の表の面に平行にしなくてもよく、これら電極は、種々の図が示す特定の実施形態の比率よりも厚くしたり、薄くしたりすることもできる。
【００４０】
上記以外の多数の実施形態を考えつくこともできる。
【符号の説明】
【００４１】
１００  電極構造体
１０２  第１電極
１０４  第２電極
１０６  第１合焦電極
１０８  第２合焦電極
１１０  第３合焦電極
１１２  第４合焦電極
１１４  スペーサ材料
１２０  空間
４００  電極構造体
４０２  第１電極
４０４  第２電極
４０６  第１合焦電極
４０８  第２合焦電極
４２０  空間
８００  絶縁性材料
【図１】
2012512506.tif 000003
【図２】
2012512506.tif 000004
【図３】
2012512506.tif 000005
【図４】
2012512506.tif 000006
【図５】
2012512506.tif 000007
【図６】
2012512506.tif 000008
【図７Ａ】
2012512506.tif 000009
【図７Ｂ】
2012512506.tif 000010
【図８Ａ】
2012512506.tif 000011
【図８Ｂ】
2012512506.tif 000012
【国際調査報告】
2012512506.tif 000013