(57)【要約】ＩＭＳセルを動作させる方法であって、該方法は、ＩＭＳドリフトチャンバのドリフトガス中を移動するイオンの飛行時間を示す第１のイオン移動度分光分析（ＩＭＳ）データを取得するステップと、前記第１のＩＭＳデータにおいて、選択したグループのイオンと関連する基準特徴を特定するステップと、前記基準特徴を選択した時間間隔にシフトさせるために、前記ドリフチャンバ内に水蒸気の用量を供給するステップと、前記基準特徴を前記選択した時間間隔内に維持するために、前記ＩＭＳドリフトチャンバを用いて取得した第２のＩＭＳデータに基づいて前記ドリフトガスへの水蒸気の用量を制御するステップと、を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩＭＳセルを動作させる方法であって、該方法は、
ＩＭＳドリフトチャンバのドリフトガス中を移動するイオンの飛行時間を示す第１のイオン移動度分光分析（ＩＭＳ）データを取得するステップと、
前記第１のＩＭＳデータにおいて、選択したグループのイオンと関連する基準特徴を特定するステップと、
前記基準特徴を選択した時間間隔にシフトさせるために、前記ドリフチャンバ内に水蒸気の用量を供給するステップと、
前記基準特徴を前記選択した時間間隔内に維持するために、前記ＩＭＳドリフトチャンバを用いて取得した第２のＩＭＳデータに基づいて前記ドリフトガスへの水蒸気の用量供給を制御するステップと、
を備える、方法。
【請求項２】
前記制御ステップは、前記基準特徴が前記選択した時間間隔に先行することを前記第２のＩＭＳデータが示す場合に、前記用量を増加するステップを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記制御ステップは、前記選択した時間間隔が前記基準特徴に先行することを前記第２のＩＭＳデータが示す場合に、前記用量を減少するステップを備える、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記水蒸気の用量は前記ドリフトガスに供給される、請求項１−３の何れかに記載の方法。
【請求項５】
前記水蒸気の用量は、前記ＩＭＳドリフトチャンバに結合されたドリフトガス再循環チャネルに供給される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記水蒸気の用量は、前記ＩＭＳセルの分子シーブとコレクタ電極との間のドリフトガス再循環チャネルに供給される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記水蒸気の用量は、前記ドリフトガス再循環チャネルから前記ＩＭＳドリフトチャンバへの出口で前記ドリフトガスに供給される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記水蒸気の用量は前記ＩＭＳセルの反応領域に供給される、請求項１−３の何れかに記載の方法。
【請求項９】
前記用量の水蒸気の存在下で取得されたＩＭＳデータにおける検出特徴の、前記選択した時間間隔に対するタイミングに基づいて、試料中の関心物質を検出するステップを備える、請求項１−８の何れかに記載の方法。
【請求項１０】
ドリフトチャンバと、
前記ドリフトチャンバに結合し、前記ドリフトチャンバのドリフトガス入口からドリフトガスのフローを供給するガス供給チャネルと、
水蒸気源を提供する貯蔵器と、
前記貯蔵器と前記ガス供給チャネルとに結合され、前記ドリフトチャンバ内のドリフトガスの水蒸気含有量を調整するために水蒸気の制御可能な用量を前記ドリフトガスのフローに供給する蒸気用量供給器と、
を備える、イオン移動度分光分析（ＩＭＳ）装置。
【請求項１１】
イオン移動度分光分析（ＩＭＳ）ドリフトチャンバに結合し、前記ドリフトチャンバのドリフトガス入口からドリフトガスのフローを供給するガス供給チャネルと、
水蒸気源を提供する貯蔵器と、
前記貯蔵器と前記ガス供給チャネルとに結合され、前記ドリフトチャンバ内のドリフトガスの水蒸気含有量を調整するために水蒸気の制御可能な用量を前記ドリフトガスのフローに供給する蒸気用量供給器と、
を備える、装置。
【請求項１２】
前記ガス供給チャネルは、前記ドリフトガスのフローを前記ドリフトチャンバのドリフトガス出口から前記ドリフトガス入口へ再循環させるように構成されたガス再循環チャネルを備える、請求項１０又は１１の装置。
【請求項１３】
分子シーブを備え、前記分子シーブは前記ドリフトガスのフローが前記分子シーブを通過するように前記ガス再循環チャネル内に配置されている、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記蒸気用量供給器は、前記分子シーブと前記チャネルから前記ＩＭＳドリフトチャンバへの出口との間で前記ドリフトガス再循環チャネルに前記制御可能な用量を供給するように構成されている、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記水蒸気の用量を、前記ＩＭＳドリフトチャンバを用いて収集したＩＭＳデータの基準特徴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、請求項１２−１４の何れかに記載の装置。
【請求項１６】
前記基準特徴は、選択したグループのイオン、例えば反応イオン、キャリブラントおよびドーパントなど、のうちの１つに関連する、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記コントローラは、前記基準特徴が選択した時間間隔より先行することを前記ＩＭＳデータが示す場合に前記水蒸気の用量を増加するように構成されている、請求項１５又は１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記コントローラは、前記基準特徴が選択した時間間隔より遅れて生じることを前記ＩＭＳデータが示す場合に前記水蒸気の用量を減少するように構成されている、請求項１５、１６又は１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記コントローラは、前記基準特徴を前記選択した時間間隔内に維持するために前記水蒸気の用量を制御するように構成されている、請求項１７又は１８に記載の装置。
【請求項２０】
請求項１１に従属する請求項１２、又は請求項１２に従属する請求項１３−１８の何れかに記載の装置を備える検出器であって、前記ガス再循環チャネルがドリフトガスをＩＭＳセルのドリフトチャンバに供給するように結合されている、検出器。
【請求項２１】
前記ドリフトチャンバは反応領域から前記ドリフトチャンバへのイオンの通過を制御するイオンゲートと、次の要素：
（ａ）前記イオンゲートによって前記ドリフトチャンバから分離された検出器、および
（ｂ）前記ＩＭＳセルからのイオンを質量分析装置等の分析装置に到達可能にする通路、
のうちの１つと、
を備える、請求項１７に記載の装置。
【請求項２２】
前記貯蔵器はチャンバを備える、請求項１０−２１の何れかに記載の装置。
【請求項２３】
前記貯蔵器は、次の要素：
（ａ）前記チャンバ内に配置された水のカプセル、および
（ｂ）前記チャンバと周囲空気入口との間に配置された透水性バリヤ、
のうちの１つを備え、前記バリヤは前記チャンバと前記周囲空気入口との間の透水性シールを提供する、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
イオン移動度分光分析（ＩＭＳ）セルを動作させる方法であって、該方法は、
前記セルのドリフトガス中を移動するイオンの飛行時間を示す第１のＩＭＳデータを取得するステップと、
前記第１のＩＭＳデータにおいて、選択したグループのイオンと関連する基準特徴を特定するステップと、
前記ドリフトガスに水蒸気の用量を供給するステップと、
前記水蒸気の用量を含む前記ドリフトガス中を移動するイオンの飛行時間を示す第２のＩＭＳデータを取得するステップと、
前記第１のＩＭＳデータにおける前記基準特徴と比較した、前記第２のＩＭＳデータにおける基準信号のタイミングの差に基づいて前記セルのメンテナンス状態を示すステップと、
を備える、方法。
【請求項２５】
メンテナンス状態を示すステップは、前記タイミングの差が選択した閾差より小さい場合に分子シーブを交換すべきである指示するステップを備える、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記基準特徴は、反応イオン、キャリブラント及びドーパントのうちの少なくとも１つと関連するピークを備える、請求項２４又は２５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、イオン移動度分光分析に関し、より具体的には、イオン移動度分光分析において水分の効果を利用して移動度に基づくイオンの検出および/または選択の改善を提供する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン移動度分光分析（ＩＭＳ）は爆発物、化学兵器、麻薬などの関心物質を検出するために使用できる。それらは、さまざまな環境で使用され、空港やその他の施設などの静的な環境に配備されるか、ハンドヘルド検出器として携帯されるか、車両に取り付けられる。
【０００３】
ＩＭＳセルは典型的にはドリフトチャンバを含み、該チャンバ内でイオンをそれらの移動度に基づいて分離するために電場の影響の下でのガス中のイオンの移動が使用される。この分離効果は、イオンを検出する（特定の移動度を持つイオンの存在を識別する）ため、またはイオンを選択する（移動度に基づいて試料からイオンを選択し、次いで選択したイオンを質量分析装置などの別の検出装置などに提供する）ために使用することができる。
【０００４】
ＩＭＳ装置内の水分の存在は、汚染とエラーの重大な原因であり、周囲の湿度の変動によりイオン移動度分光分析測定の精度が低下する可能性がある。イオン移動度分光分析装置の設計者は、ＩＭＳセルから水分を排除するためにかなりの時間を費やしている。たとえば、ＩＭＳシステム内の空気は水蒸気を除去するために絶えず再循環させていわゆる分子シーブに通すことができる。ＩＭＳ装置の性能と信頼性を維持するには、このようなシーブを頻繁に交換する必要がある。
【発明の概要】
【０００５】
本発明の態様および例は、特許請求の範囲に記載されている。本開示のこれらのおよび他の実施形態は、イオンを分離および／または検出するためのイオン移動度ベースの方法および装置の精度および信頼性を改善することを目的としている。
【０００６】
そのような実施形態は、ＩＭＳセルのドリフトガスに追加される水蒸気の用量を制御することにより動作し得る。この用量はＩＭＳセルにより実行された以前のイオン移動度測定に基づいて選択することができる。
【０００７】
本開示によるＩＭＳ装置は、イオンをドリフトガスの流れに逆らって移動させるために既知の空間プロファイル（例えば、一定勾配の線形電圧プロファイル）の電圧を使用する飛行時間イオン移動度法を採用することができる。その電圧は、イオンをイオンゲートからファラデーカップなどのイオンコレクタに向かって移動させることができる。次いで、イオンゲートの開タイミングに対するイオンのコレクタ到着タイミングを使用してイオンの移動度を推測することができる。
【０００８】
イオンのコレクタ到着と関連する電流を積分してプラズマグラムを得ることができる。プラズマグラムは、一般に、コレクタに到着するイオンの数を時間の関数として示す。したがって、プラズマグラムの既知のピークなどの特徴のタイミングは、対応する既知のイオンのグループのコレクタ到着時間を示し得る。
【０００９】
本開示の実施形態は、ＩＭＳセルへの水蒸気の用量供給をそのような既知の特徴の測定に基づいて制御することができる。例えば、そのような特徴がプラズマグラム上の選択時間間隔内にシフトするように（例えば、そのピークに関連するイオンのグループがイオンゲートの開から選択時間間隔内にイオンコレクタに到達するように）、制御された用量の水蒸気をＩＭＳセルのドリフトガスに供給することができる。
【００１０】
ＩＭＳセルのその後の動作中、同じ用量の水を追加することができる。前記の特徴がプラズマグラム内で移動する場合（たとえば、タイミングが進んだり遅れたりする場合）、選択時間間隔内に特徴を維持するために、水蒸気の用量を増減することができる。
【００１１】
次に、本開示の実施形態を、添付の図面を参照して、ほんの一例として説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】イオン移動度分光分析装置を示す。
【図２】図１に示されるような装置を動作させる方法を示すフローチャートである。
【図３】図１に示すような装置を動作させる別の方法を示すフローチャートである。
【図４】イオン移動度分光分析装置に組み込むことができる装置を示す。
【図５】イオン移動度分光分析装置を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図面において、同等の要素は同等の参照番号で示されている。
【００１４】
図１は、水蒸気の貯蔵器２３、ドリフトガス再循環チャネル１９、および貯蔵器２３およびドリフトガス再循環チャネル１９に接続された蒸気用量供給器２５を含むイオン移動度分光分析（ＩＭＳ）装置１を示す。再循環チャネル１９は、ＩＭＳ装置１のドリフトチャンバ３のドリフトガス出口１７から、そのドリフトチャンバのドリフトガス入口１５まで延びている。
【００１５】
ドリフトガス入口１５はドリフトガスをドリフトチャンバに導入することができ、一般に、このドリフトガス入口１５は、イオンを検出するためのコレクタ電極１３の背後のドリフトチャンバ３の端部に配置される。ドリフトガス出口１７は、一般に、ドリフトガス入口と反対側のドリフトチャンバ３の他端部にある。例えば、ドリフトガス出口１７は、ドリフトチャンバへのイオンの通過を制御するために使用されるイオンゲート７の近くにあってよい。例えば、イオンゲート７は、ドリフトガス出口１７とドリフトチャンバとの間に位置してもよい。
【００１６】
ドリフトガス出口１７はドリフトガス再循環チャネル１９によりドリフトガス入口１５に連結される。これにより、ドリフトガスの流れはドリフトガス入口からドリフトチャンバ３に沿ってドリフトガス出口１７へと流れた後に、再循環チャネル１９を通って戻され、再びドリフトチャンバ３を通って流れることができる。分子シーブ２１は、チャンバのドリフトガス出口１７とチャネル１９の他端のチャンバへのドリフトガス入口１５との間の再循環チャネル１９に設けることができる。シーブ２１は多孔質料よりなり、均一な大きさの細孔を有するものとし得る。分子シーブ２１の多孔質材料は、活性炭またはシリカゲルなどの乾燥剤を含んでもよい。
【００１７】
貯蔵器２３は水蒸気源を保持するチャンバ、例えば透水性壁を有するカプセルを備えてもよい。このカプセルは、壁に浸透した水が水蒸気として室内に放出されるように、室内に配置することができる。例えば、カプセルの透水性壁はＰＴＦＥを含んでもよい。カプセルは、少なくとも部分的に液体水で満たしてもよい。
【００１８】
蒸気用量供給器２５は、貯蔵器２３から水蒸気を取得し、選択した量の水蒸気をガス再循環チャネル１９に供給するように構成される。一般に、蒸気用量供給器２５は、この用量の水蒸気をシーブの出口とドリフトチャンバ３への入口との間でドリフトガスの再循環フローに供給するように配置される（例えば、コレクタ電極１３の背後でドリフトチャンバの一端、例えばドリフトチャンバへのドリフトガス入り口１５に配置される）。
【００１９】
蒸気用量供給器２５は、圧電ポンプなどの電気機械アクチュエータを備えてもよい。蒸気用量供給器は、用量（水蒸気の個別の既知量）を貯蔵器２３からガス再循環チャネル１９に制御可能に移送し得る用量供給ポンプを備えてもよい。したがって、蒸気用量供給器２５によって追加される水蒸気の量は、これらの蒸気の用量がドリフトガス再循環チャネル１９に導入される流量をそのチャネル１９を通るドリフトガスの体積流量に対して選択することによって選択することができることは理解されよう。
【００２０】
ＩＭＳ装置１は、イオンが反応領域からドリフトチャンバ３に入ることを許可するために開くことができ、またはイオンが反応領域からドリフトチャンバ３に入ることを禁止するために閉じることができる電極の配列よりなるイオンゲート７を含むことができる。 そのような電極の配列は、ドリフト領域３を反応領域から分離するためにＩＭＳセルを横切って配置してよいワイヤなどの細長い導体のアレイを含み得る。これらの細長い導体は、導体間の電位差の印加がイオンのゲート通過を禁止する（例えば、阻止する）バリア電圧を生成できるように、互いにかみ合わせてよい。イオンゲートの例には、Ｂｒａｄｂｕｒｙ−Ｎｉｅｌｓｅｎシャッター、およびＴｙｎｄａｌｌ−Ｐｏｗｅｌｌゲートが含まれる。他の種類のイオンゲート７を使用してもよい。
【００２１】
ＩＭＳ装置１は、入口９、例えば、試料蒸気などのアナライトを導入するための開口（例えば、ピンホール）またはメンブレン入口を備えてもよい。また、コロナ放電電極または他のイオン源などのイオナイザを備えてもよい。イオナイザは、空気および/またはキャリブラントおよび/またはドーパントをイオン化し、それによりいわゆる反応イオン（一次イオンとしても知られる）を生成するように動作し得る。これらの反応イオンはその後ＩＭＳ装置１の反応領域５内でアナライトと結合されてそのアナライトをイオン化することができる。 ＩＭＳ装置の動作において、検出器によって生成される検出信号は、存在することが知られているこれらの反応物質、キャリブラント、またはドーパントイオンなどのイオン種に関連する信号を含むことが期待され得る。反応イオンの例には、（Ｈ２Ｏ）ｎＨ＋および（Ｈ２Ｏ）ｎＯ−が含まれる。そのようなイオンと関連する既知のまたは予期される信号は、イオンコレクタから得られるイオン検出信号で特定することができる。例えば、アナライトが存在しない場合、最大振幅信号は反応イオンに関連し得る。
【００２２】
図１に示すＩＭＳ装置１はまた、イオンゲートの開に対して、イオンがイオンコレクタに到着するタイミングを示すイオン検出器信号をイオンコレクタから受信するように構成されたコントローラ１１を備えることができる。コントローラ１１は、これらの信号内で、イオンコレクタにおける既知の（または予期される）イオングループの到着に関連する検出信号を識別するように構成することができる。既知または予期されるイオンの例には、上記で説明したように、キャリブラントまたはドーパントおよび反応イオンが含まれる。
【００２３】
コントローラ１１は、イオン検出信号における最大振幅ピークのタイミングを識別し、このピークのタイミングを反応イオンピークの測定値として使用するように構成することができる。この検出信号は、アナライトが存在しない場合、たとえば、試料蒸気が存在しないＩＭＳセルの動作サイクル中に取得されるため、イオンの大部分が反応イオンになる。
【００２４】
コントローラはまた、最大振幅ピークが規定の最小振幅閾値を超えるかどうか、および/または選択した時間間隔内に生じるかどうかを決定するように構成することができる。最大のピークがこれらの２つの基準を満たしている場合、コントローラはそれを反応イオンピークとして識別することができる。
【００２５】
動作中、イオナイザは、反応領域内でアナライトと結合し得る反応イオンを提供するように機能する。イオンゲート７は、反応領域５からイオンがＩＭＳセルのドリフトチャンバ３内へ通過するように開かれる。イオンコレクタにおけるイオンゲート７からのイオンの到着に応答して、イオンコレクタで信号が生成される。これにより、ドリフトチャンバに沿ってドリフトガス中を通過するイオンの飛行時間を示すＩＭＳデータが得られる。コントローラ１１は、このデータを処理して、反応イオンピークなどの１つまたは複数の基準特徴を識別する。上記で説明したように、これは、アナライトが存在しない場合に最大振幅ピークを選択することで特定できる。あるいは、通常の範囲の圧力及び温度において、既知の時間間隔内の最大振幅ピークを基準特徴として識別することができる。たとえば、反応イオンピークはゲートを開いた後の選択時間間隔（たとえば、所定のまたは再設定可能な時間間隔）内に発生することが知られており、コントローラ１１は、この時間間隔内の最大振幅ピークを基準特徴として識別するように構成することができる。
【００２６】
この最初のＩＭＳデータはドリフトガス中を通過するイオンの飛行時間を示し、基準特徴は選択したグループのそれらのイオン（タイミング基準として使用し得る反応イオン、または他の既知のグループのイオンなど）の飛行時間を示す。
【００２７】
次に、コントローラ１１は、蒸気用量供給器を動作させて、選択した用量の水蒸気をＩＭＳセルのドリフトガスに追加する。このドリフトガスへの水分の追加は、ドリフトガス中を通過するイオンの飛行時間を増加させる傾向があり、その結果、基準特徴が遅延される。したがって、コントローラ１１は、選択したイオングループ（例えば、反応イオン）のコレクタへの到着を遅らせるために、ＩＭＳセルに選択した用量の水蒸気を追加することができる。これにより基準特徴が特定の選択した時間間隔中に発生するように基準特徴をシフトさせることができる。
【００２８】
ＩＭＳセルのさらなる動作サイクルにおいて、コントローラ１１は蒸気用量供給器２５を操作して収集信号の基準特徴がその特定の選択した時間間隔内に維持されるように、水蒸気の用量を増減させる。これは環境湿度の影響を制御できるために重要であり、環境湿度の増加が基準特徴の遅延を引き起こす場合には、ドリフトガスに追加する湿度のレベルを下げて、基準特徴を選択した時間間隔に戻すことができる。逆に、環境湿度の減少により基準特徴が時間間隔に先行する場合には、コントローラ１１は水蒸気の用量を増やして基準特徴を遅らせることができる。
【００２９】
コントローラ１１は、以下で説明されるように、試料内の関心物質の存在を検出するために、またはドリフトガスシステムから水蒸気を除去するための分子シーブの残存寿命を検出するために、この基準特徴に対するイオン検出信号のタイミングを使用するように構成することができる。前者の一例は図２を参照して説明され、後者は図３を参照して説明される。
【００３０】
本開示の文脈において、図１に示される装置１は、様々な異なる方法で構成することができることは理解されよう。例えば、１つ以上の分子シーブをガス再循環チャネル１９内に配置して、チャネル１９を通るドリフトガスの流れがその経路に沿ってそれらの分子シーブを通過するように構成してもよい。シーブは、ＩＭＳデバイスの耐用年数を延ばすためにメンテナンス中に交換できる「シーブパック」として知られる取り外し可能/交換可能なカートリッジで提供してもよい。一般に、蒸気用量供給器２５からの出力は、シーブを通過した後のドリフトガスの流れに蒸気を提供できるように、再循環チャネル１９に接続される。例えば、用量供給器２５の出力は、シーブパックからＩＭＳドリフトチャンバ３へのチャネル１９の出口（例えば、ＩＭＳセルのドリフトガス入口１５）まで延びる、チャネル１９の管または導管に接続してもよい。しかし、このチューブまたは導管に供給する代わりに、用量供給器２５からの出力は前記出口に、例えば再循環チャネル１９がドリフトチャンバに結合する点に、供給してもよい。いくつかの実施形態では、蒸気用量供給器２５は、代わりに、水蒸気をＩＭＳセルの反応領域５に供給するように配置してもよい。
【００３１】
また、コレクタ電極１３などの機能は従来通りにコレクタ電極によって提供する必要はなく、たとえば、通路を設けてＩＭＳセルからのイオンを質量分析装置等の別の分析装置に到達させてもよいことは理解されよう。通路自体を通過する電荷を検出する（例えば、静電容量検出により）ように構成して本明細書に記載の方法を適用可能にすることもできる。加えてまたは代りに、質量分析装置での分析のために通過すべきイオンを事前選択するためにＩＭＳセルを使用できるように、第２のイオンゲートを使用してイオンのグループを選択し、それらのイオンはそのような通路を通して検出器から出ることができるようにすることもできる。
【００３２】
図２に示すように、動作の初期フェーズにおいて、ＩＭＳデータの最初のセットを取得する（１００）。このために、イオナイザを動作させて反応イオンを供給し、イオンゲートを開いて反応イオンを反応領域５からＩＭＳセルのドリフトチャンバ３に入れる。その後、イオンコレクタにおいて、イオンゲートからのイオンの到着に応答して信号が生成される。これは、ドリフトチャンバに沿ってドリフトガス中を移動するイオンの飛行時間を示す第１のＩＭＳデータを提供する。
【００３３】
コントローラ１１はこのデータを処理して、反応イオンピークなどのＩＭＳデータ内の基準特徴を識別する（１１０）。
【００３４】
次に、コントローラ１１は、蒸気用量供給器を動作させて、選択した用量の水蒸気をＩＭＳセルのドリフトガスに加えて基準特徴を遅延させる（１２０）。この用量の水蒸気の存在下において、コントローラ１１はＩＭＳセルを動作させ、さらなるＩＭＳデータを収集することによって、基準特徴の新しい（遅れた）タイミングを特定する。
【００３５】
動作の検出フェーズにおいて、アナライトを蒸気の形でＩＭＳセルの反応領域５に導入し（１３０）、反応イオンを提供するためにイオナイザを動作させる。反応イオンは、アナライト蒸気と結合してそれをイオン化する。このプロセスの成果は、反応領域内の反応イオンと生成イオン（イオン化されたアナライト）の混合物である。次に、コントローラ１１はイオンゲートを開き、反応領域５からのイオンがドリフトチャンバ３に沿ってイオンコレクタに向かって移動できるようにする。コントローラ１１はまた、蒸気用量供給器を動作させ、ドリフトチャンバに沿ったイオンのドリフト時間中のドリフトチャンバ３内のドリフトガスが、（基準特徴を特定の選択時間間隔にシフトさせるために）ＩＭＳセルの以前の動作中に決定された用量の蒸気水を運ぶようにする。次に、コントローラ１１は、アナライト蒸気中の物質に関連する信号および基準特徴（反応イオンに関連する反応イオンピークなど）を含む検出信号をコレクタから取得する（１４０）。次に、コントローラ１１はこのデータ内の基準特徴を特定することができ、コントローラ１１は測定を繰り返すかどうかを決定することができる（１４５）。測定が繰り返される場合、水蒸気の用量は基準特徴を選択時間間隔内に維持するように制御される（１５０）。
【００３６】
コレクタからの検出信号において、コントローラ１１は、アナライト蒸気中の物質と関連するピークまたは一連のピーク、および基準特徴を識別することができる。
【００３７】
次に、コントローラ１１は、アナライトの存在下で得られたＩＭＳデータのピークのタイミングをこの基準特徴のタイミングに対して決定し（１６０）、このタイミングデータを保存データと比較してアナライトの存在を検出する（１７０）。例えば、保存データは、反応イオンピークのような基準特徴のタイミングに対して特定し得る特定の物質と関連する比較データを含むことができる。
【００３８】
反応イオンピークに加えて又はその代わりに、検出信号内の他の基準特徴を使用することもできる。例えば、ドーパントを使用してもよい。これらの実施形態では、ドーパントは、例えば国際公開第２０１４／０４５０６７号に記載および特許請求されているようなドーパント蒸気分注システムによって反応領域に導入することができる。このピークは、いくつかの方法のいずれかで特定できる。例えば、ドーパントに関連する時間窓内の最高振幅ピークを使用することができる。例えば、ドーパントの量が複数のサイクルにわたってシステムで蓄積するように一定のドーパントフローを使用することができる。次に、コントローラはドーパントのピークを、ドーパントがシステムに導入されるときにこれらのサイクル中に振幅が増加するピークとして識別することができる。用量は単純に蓄積する必要はなく、いくつかの実施形態では、コントローラは、ＩＭＳの一連の動作サイクルにわたって、選択したパターン（例えば、増加、減少、周期、または時間変化）に応じて変化する容量を追加するように蒸気分注システムを動作させることができる。これらの実施形態では、コントローラは、選択したドーパント用量のパターンに従って振幅が変化する検出信号のピークを特定するように構成される。
【００３９】
このようにドーパントを使用する場合、上記のような水蒸気を追加してアナライトのＩＭＳ測定を実行するために、ドーパントをアナライト蒸気とともに反応領域５に追加することができる。これは基準特徴を提供し、関心物質を検出するための比較に使用される保存比較データは、ドーパントと関連するピークのタイミングと参照することによってこれらの関心物質と関連するピークのタイミングを規定することができる。
【００４０】
キャリブラントもこのように使用することができる。そのようなキャリブラントの例には、ジメチルメチルホスホネート（ＤＭＭＰ）、２，４−ルチジン、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、（ＤＰＭ）サリチル酸メチル（ＭＳ）および他のキャリブラントが含まれる。反応イオンピーク（ＲＩＰ）は、上述のように基準特徴を提供するために直接使用されるのに加えて、このようなキャリブラントを用いて識別することもできる。たとえば、特定の材料のＩＭＳスペクトルに見られる二量体は、ＩＭＳシステム内の水分の影響を特に受けないため、ＲＩＰの予想位置を確認するための基準として使用することができる。これは、多くの場合ＩＭＳ内の水蒸気レベルに関して予測可能な特性を示す同じキャリブラントの単量体位置を使用することによってさらに強化することができ、よってＲＩＰの位置又はドリフト時間を標的にするのに必要な窓の幅を縮小することができる。
【００４１】
本開示の文脈において、当業者であれば、任意の所与の試料に対して一連のＩＭＳ実験を実施できることは理解されよう。このような場合には、コントローラ１１は、ＩＭＳデータ内の基準特徴を監視し、その基準特徴を特定の選択時間間隔内に維持するために貯蔵器２３から追加される水蒸気の用量を適合させることができる。これにより関心物質を特定するために使用する「検出窓」を狭くすることができるため、（たとえば、実効感度を低減することなく偽陽性の発生を低下させることによって）検出精度を向上させることができる。
【００４２】
検出精度の向上に加えて、開示の実施形態はＩＭＳ装置のシーブパックのメンテナンス状態を決定するために使用することもできる。
【００４３】
図３はこれを実行する１つの方法を示す。
【００４４】
図３に示すように、動作の初期フェーズ（１００）において、イオナイザを動作させて反応イオンを供給し、イオンゲートを開いて反応イオンを反応領域５からＩＭＳセルのドリフトチャンバ３に入れる。イオンコレクタにおいてイオンゲートからのイオンの到着に応じて信号が生成される。これにより、ドリフトチャンバに沿ってドリフトガス中を移動するイオンの飛行時間を示すＩＭＳデータが提供される。コントローラ１１は、このデータを処理して、反応イオンピークなどのＩＭＳデータ内の基準特徴を識別する（１１０）。
【００４５】
次に、コントローラ１１は、蒸気用量供給器を動作させて、基準特徴を遅延させるために選択した用量の水蒸気をＩＭＳセルのドリフトガスに加える（２００）。
【００４６】
動作の試験フェーズ（アナライトの追加があってもなくても）において、ＩＭＳ装置は、この用量の水蒸気を含むドリフトガス内で再び動作される（２１０）。これにより、ＩＭＳデータの第２のセットが提供される。次に、コントローラ１１は、この第２のＩＭＳデータ内の基準特徴のタイミングを識別し、そのタイミングをこの用量の水蒸気なしで収集されたデータと比較してそのタイミングにシフトがあったかどうかを決定する（２２０）。
【００４７】
基準特徴が予想よりも遅れる場合（例えば、最小閾遅延よりも短い場合）、コントローラ１１は、シーブパックを交換する必要があることを示す可聴出力または可視出力などの信号をオペレータに提供することができる（２３０）。この信号は、ＩＭＳセルのメンテナンス状態を示すものとしてよい。いくつかの実施形態では、ＩＭＳセルは、例えば、無線ネットワークまたは有線リンクを介して警告を遠隔装置に送信するように構成された通信インターフェースを有してもよい。この送信は、バッテリー充電器または他のデバイスとのドッキングに応答してトリガーされてよい。
【００４８】
図３の開示の文脈において、ＲＩＰの利用可能な動きはＩＭＳシステムの初期乾燥度に依存することが理解されるであろう。実施形態は、システムに既に存在する水分に水分を追加することができ、これによりＲＩＰは「より良い」位置、すなわち右側に移動する。追加の水分を除去すると、ＲＩＰは最初の位置、つまり、その時点のシーブの状態に応じて、システムの初期湿潤によって決定される位置に戻る。したがって、その耐用年数に近い、またはその耐用年数にある「湿った」シーブパックは、ＲＩＰの動きが役に立たない、または不可能なシステムをもたらす可能性があり、この状態のＲＩＰは既にもっとも湿った位置にある。いくつかの実施形態では、コントローラ１１は、蒸気用量供給器２５を動作させてドリフトガスに水分を追加し、この追加によりＩＭＳシステムの基準特徴が遅延されるかどうかを判定することにより、シーブパックの状態または残存寿命を判定するように構成することができる。たとえば、ドリフトガスに水分を追加して基準機能を遅らせる（ＲＩＰを右に移動させる）ことができない場合、シーブはその耐用年数の終わりに達していると結論づけることができる。いくつかの実施形態では、コントローラ１１が基準特徴に与えることができる最大シフトを決定することができるように、一連の増加する水量をＩＭＳセルに追加することができる。コントローラ１１は、基準特徴の最大利用可能シフトとシーブパックの残存寿命との関係を提供する比較データを保存することができる。したがって、単に警告信号を提供する代わりに、またはそれに加えて、コントローラ１１は、シーブパックの残存寿命を示す出力データを提供することもできる。
【００４９】
本開示の文脈において、上述の装置を既存のＩＭＳシステムに後付けすることはそれらのドリフトガスシステムを適応させ、それらのシステムを動作させるコントローラ１１を再構成することにより可能であることも当業者に理解されよう。例えば、ＩＭＳシステムは、該システムに水蒸気の貯蔵器２３を追加し、貯蔵器２３とＩＭＳシステムのドリフトガス再循環チャネル１９との間に接続された蒸気用量供給器２５を含めることによって、適応させることができる。そのような装置の一例を図４に示す。
【００５０】
図４に示されるように、ＩＭＳシステムに設置するための装置は、ガス再循環チャネル１９、貯蔵器２３、および蒸気用量供給器２５を備えることができる。図２に示されるガス再循環チャネル１９は、イオン移動度分光分析（ＩＭＳ）ドリフトチャンバ３に結合するように適合され、ＩＭＳドリフトチャンバ３のドリフトガス出口１７からＩＭＳドリフトチャンバのドリフトガス入口１５にドリフトガスの流れを再循環させる。再循環チャネルは、本明細書の他の場所で記載したようなシーブパックを備えることができる。
【００５１】
水蒸気の供給源を提供するための貯蔵器２３は、本明細書の他の箇所で説明したように、透過性カプセルを収容するチャンバを備えることができる。
【００５２】
図４に示される装置はまた、ピエゾポンプなどの蒸気用量供給器２５を備える。これは、水蒸気を得るために貯蔵器２３に接続された入口とガス再循環チャネル１９に接続された出口を有することができる。これにより、制御可能な用量の水蒸気をドリフトガス再循環チャネル１９に供給することができる。
【００５３】
図５は別の可能な実施形態を示す。図５に示すように、イオン移動度分光分析装置のいくつかの例は、２つのＩＭＳセルを備えてよい。第１のセル１’は正イオンを検出するように構成されたドリフトチャンバ３’を有し、第２のセル１”は負イオンを検出するように構成されたドリフトチャンバ３”を有する。図５に示す装置はまた、第１のＩＭＳセル１’および第２のＩＭＳセル１”の両方からのドリフトガスを篩過するように配置された複合シーブパック２１’を備える。また、ガス再循環チャネル１９’、水蒸気のための貯蔵器２３、および貯蔵器から再循環チャネル１９’に水蒸気の用量を提供するように構成された蒸気用量供給器２５も含む。再循環チャネル１９’の入口から蒸気用量供給器を経て再循環チャネル１９’の出口１５への流れを生じさせるためにファンまたはポンプなどのエアームーバ５１０’を（たとえば再循環チャネル１９’内に）配置することができる。
【００５４】
２つのＩＭＳセル１’，１”の各々は、コレクタ１３’，１３”、およびセルの反応領域３’，３”をそのドリフトチャンバから分離するイオンゲート７’，７”を含む。
【００５５】
各セル１’、１”は入口９’、９”も備える。入口９’、９”は、それぞれ開口（例えば、ピンホール）またはメンブレン入口のいずれかを備えることができ、それぞれのセルの反応領域に試料蒸気を導入することができるように配置される。
【００５６】
第１（正モード）のセル１’のドリフトチャンバ３’では、陽イオンがコレクタに向かって移動する電圧プロファイルが適用される。第２（負モード）のセル１”のドリフトチャンバ３”では、負イオンがコレクタに向かって移動する電圧プロファイルが適用される。
【００５７】
各セルにおいて、ドリフトガス入口１５はドリフトチャンバ内にコレクタ電極の近く（例えば背後）に設けられる。これによりドリフトガスが各ドリフトチャンバに沿ってドリフトチャンバの他端（例えば、ゲートに近い端）のドリフトガス出口１７’、１７”へと流れることができる。第１のセルのドリフトガス出口および第２のセルのドリフトガス出口はともにドリフトガスがセルから出てベントチャンバ５００へ流入することを可能にする。
【００５８】
ベントチャンバ５００はポンプまたはファンなどのエアームーバ５１０を備え、該装置は２つのＩＭＳセルのそれぞれのドリフトガス出口から空気を吸引し、ベントチャンバを通して複合シーブパックに送る。
【００５９】
複合シーブパック２１は、図１を参照して説明したような分子シーブ材料を含む。複合シーブパックは、ドリフトガスがベントチャンバから出てシーブ材料を通り第１のＩＭＳセルの第１のドリフトガス入口および第２のＩＭＳセルの第２のドリフトガス入口へと流れるドリフトガスの流路を提供する。したがって、２つのＩＭＳセルのドリフトチャンバを通過したドリフトガスは複合シーブパック（そこで浄化され乾燥される）を通過し、その後２つのドリフトチャンバのそれぞれに戻される。
【００６０】
図５に示す実施形態では、ドリフトガス循環チャネルは、コレクタ電極の背後の第２のドリフトチャンバから清浄な乾燥空気を（例えば、複合シーブパックからのドリフトガス出口で）引き出すように構成される。次いで、このドリフトガスの流れが第１のＩＭＳセルのコレクタ電極の背後の第１のドリフトチャンバに（例えば、複合シーブパックからのドリフトガス出口で）導入される前に、蒸気用量供給器２５がこのドリフトガスの流れに水蒸気の用量を提供することができる。この構成では、乾燥空気が第２ドリフトチャンバから取り込まれ、湿らされて第1ドリフトチャンバに導入される。これは、例えば２つのセル、ベントチャンバおよび複合シーブパックを有する既存のシステムを本開示の方法を採用するように適合させることを可能にし得る。これは、これらの方法は正モードセルでのみまたは負モードセルでのみ使用されることを意味する。他の構成では、両方のセルに水分を追加することができる。例えば、再循環チャネルにエアームーバ（ポンプまたはファンなど）を設けてチャネルを通るドリフトガスの流れを駆動することもできる。これは可逆的であるため、最初のＩＭＳセルが使用されているとき、ドライドリフトガスが第２のＩＭＳセルから取り込まれ、第１のセルに導入される前に（本明細書の他の場所で説明した方法に従って）湿らされる。逆に、第２のＩＭＳセルが使用中であるとき、ドリフトガスが第１のＩＭＳセルから取り込まれ、第２のセルに導入される前に湿らされる。
【００６１】
本開示の文脈において、本明細書に記載の装置および方法は様々な方法で変更可能であり、より広く適用可能であることは理解されよう。例えば、水蒸気の用量供給を制御する方法は、飛行時間システム以外のイオン移動度ベースデバイスに適用可能である。例えば、微分イオン移動度分光分析装置、電界非対称イオン移動度分光分析装置、質量分析装置インレットのための移動度ベースイオン選択ステージ、およびその他のデバイスに利用可能である。
【００６２】
いくつかの実施形態では、貯蔵器２３は蒸気用量供給器２５に接続されたチャンバと、該チャンバと周囲空気の入口との間に配置された透水性バリアとを備えることができる。このような構成における障壁はシリコンなどの透水性材料よりなり、チャンバと周囲空気の入口との間に空気圧シールを提供するように構成される。これにより、微粒子、汚れ、その他の汚染物質を排除しながら、水蒸気をチャンバ内に浸透させることができる。
【００６３】
本明細書に記載の実施形態は、性能に影響を及ぼす水蒸気による汚染などの変数に対してＩＭＳ機器を較正することができる。実際、本開示は水蒸気の使用に焦点を合わせているが、他の「汚染物質」を貯蔵器に貯蔵し、本明細書に記載の方法でシステムに供給することができる。これらのおよび他の実施形態（水蒸気の実施形態を含む）はＩＭＳセルを較正することができるため、ＩＭＳスペクトル上のいわゆるプロダクトピークの位置をこのような汚染物質のさまざまな背景レベルの存在の下で改善された精度で予測することができる。したがって、たとえば、爆発物を識別するために使用される検出器では、検出アルゴリズム内でこれらのプロダクトピークを標的とするように設定された検出窓を狭めることができる。これにより、偽陽性反応を生じる物質からのピークの排除を支援することによって機器の検出性能を向上させることができる。つまり、関心のないピークが検出窓外にあればそのピークに対して警告する可能性が低くなる。したがって、検出窓が狭ければ狭いほど、システムは誤警報の影響を受けにくくなる。本明細書で説明される実施形態は、内部水分または水蒸気の影響に対するＩＭＳシステムの感受性を活用する。 ＩＭＳシステム内に存在する水蒸気の量を制御することにより、ＲＩＰを効果的に移動させてＩＭＳスペクトル内の所望の位置に位置させ、その後フィードバックのプロセスによってその位置に維持することができる。
【００６４】
蒸気用量供給器２５は、湿った空気を貯蔵器からドリフトフローに導入するために使用される圧電ポンプを備えることができる。そのようなポンプによって供給される用量を変えるために、ポンプに印加される電圧を制御することができる。これにより、ＩＭＳドリフトセル内の水分レベルの増加によってＲＩＰの位置を変化させることができる。水源は、密閉拡散源または透過源、または大気中に存在する水蒸気を利用する透過法としてよい。どのような水蒸気源が使用されても、本明細書で説明される実施形態は、ＲＩＰを一定のドリフト時間（または選択した時間範囲内）に維持するためにＩＭＳドリフトガスに水分を追加または除去し得る閉ループ制御システムを提供することができる。
【００６５】
一実施形態では、本明細書に記載のＩＭＳシステムのコントローラは、反応イオンピークを識別するときに、試料入口が閉じた状態でＩＭＳの動作サイクルを繰り返すように構成することができる。そのようなＩＭＳシステムは、ドリフトチャンバおよび反応領域などのＩＭＳの領域を加熱するためのヒーターを含み得る。これにより汚染が除去または低減され、「通常の」反応イオンピークを検出することが可能になる。加熱を使用する場合、コントローラは、反応イオンのピークを検出する前に、ＩＭＳシステムを通常の動作温度まで冷却できるように構成することができる。
【００６６】
本開示の文脈において、ＩＭＳデバイス内の水分レベルは以下によって影響される可能性があることが理解されるであろう。
1：周囲の水分レベル、入口経由の拡散の結果、
2：周囲水分レベル、入口経由の試料の取り込みの結果、１より大きい直接的影響。したがって、サンプリングレートは水分レベルに大きく寄与する可能性がある。
3：シーブパックの交換
【００６７】
また、ＩＭＳシステムは、低温状態から電源を入れたとき、通常、一定期間ランした後よりも「湿潤」であることも理解されよう。これは、開いたままの入口、またはシリコンなどのエラストマーシールを介した拡散によるものである。本開示の実施形態は、内部水分をより湿ったレベルに保持することにより進行する自然乾燥プロセスを防止することにより、これらの影響を低減するために使用することができる。
【００６８】
試料は紫外光を用いて直接イオン化することができる。より一般的には、試料は、最初にコロナ放電またはβ粒子などの電離放射線源を使用して検出器内で空気からイオンを生成し、次にこれらのイオンを試料と混合して試料分子とイオン分子反応を起こすことにより間接的にイオン化することができる。この場合には、生成される初期イオンは反応イオンと呼ばれ、試料分子から生成されるイオンはプロダクトイオンと呼ばれる。また、ドーパントと呼ばれる蒸気を検出器に追加し、これらが最初の空気イオンによってイオン化され、これらの新しい反応イオンがイオン分子反応を介して試料をイオン化することも有用である。このようにして、試料のイオン化の化学的性質を制御して、検出すべき化合物を優先的にイオン化し、試料中の潜在的な妨害化合物をイオン化しないようにすることができる。
【００６９】
本明細書に記載の実施形態のコントローラは、論理ゲートのアセンブリなどの固定ロジック、または、プロセッサによって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などのプログラマブルロジックによって提供し得るコントローラおよび/またはプロセッサを用いて実装することができる。他の種類のプログラマブルロジックには、プログラマブルプロセッサ、プログラマブルデジタルロジック（フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、消去可能プログラマブルリードオンリーメモリ（ＥＰＲＯＭ）、電気消去可能プログラマブルリードオンリーメモリ（ＥＥＰＲＯＭ））、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、またはその他の種類のデジタルロジック、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、磁気または光学カード、電子命令の保存に適した他の種類の機械可読媒体、またはそれらの任意の適切な組み合わせが含まれる。
【００７０】
本開示の実施形態は、本明細書に記載の方法のいずれか１つまたは複数を実行するようにプロセッサをプログラムする命令を保存する、コンピュータプログラムプロダクト、および有形非トランジトリ媒体などのコンピュータ可読媒体を提供する。
【００７１】
概して、図面を参照すると、本明細書に記載のシステムおよび装置の機能性を示すために概略的機能ブロック図が使用されることは理解されよう。しかし、その機能性をこのように分割する必要はなく、また以下で説明するおよび特許請求する以外の任意の特定のハードウェアの構造を意味するものと解釈すべきではないことは理解されよう。図面に示される１つ以上の要素の機能は、さらに細分化することができ、および／または本開示の装置全体に分散させることができる。いくつかの実施形態において、図面に示される１つ以上の要素の機能は、単一の機能ユニットに統合することができる。本明細書に開示の例のいずれか１つの特徴は、本明細書に記載の他の例のいずれかの選択された特徴と組み合わせることができることが示唆される。例えば、方法の特徴は適切に構成されたハードウェアに実装することができ、本明細書に記載の特定のハードウェアの構成は、他のハードウェアを使用して実装した方法に使用することができる。
【００７２】
本開示のいくつかの実施形態は、デッドロスシステムで使用することができ、すなわち、ドリフトガスを再循環させる必要がない。代わりに、空気がＩＭＳを介して、たとえば大気から引き込まれるか送込まれ、且つ大気中に排出される。入来する空気は、上述のように一定量の水蒸気が追加される前にモレキュラーシーブを通過することにより洗浄および乾燥される。したがって、本開示のこのような実施形態は、
ドリフトチャンバと、
ドリフトチャンバに結合してドリフトチャンバのドリフトガス出口からドリフトチャンバのドリフトガス入口へのドリフトガスの流れを提供するためのガス供給チャネルと、
水蒸気源を提供するための貯蔵器と、
貯蔵器およびガス供給チャネルに結合され、ドリフトチャンバ内のドリフトガスの水蒸気含有量を調整するためにドリフトガスの流れに制御可能な用量の水蒸気を提供するための蒸気線量プロバイダと、
を備える以下を備える、イオン移動度分光分析（ＩＭＳ）装置を提供する。本開示のこれらの実施形態は、本明細書に記載の実施形態のいずれか１つ以上で使用することができる。
【００７３】
この装置の他の変形および修正は本開示の文脈において当業者に明らかであろう。
【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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【国際調査報告】
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2020507074.tif 000009
2020507074.tif 000010
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