(57)【要約】例示的なシステムは、電子イオン化イオン源および質量分析計を含む。電子イオン源は、システムの動作中に、サンプル分子から、イオンビーム軸に沿って延在するイオンのビームを生成するように構成されている。システムは、ガスマニホールドと電界発生器とを備える衝突冷却チャンバも含む。冷却チャンバは、冷却チャンバのそれぞれの対向端に入口アパーチャと出口アパーチャとを画定し、冷却チャンバの入口アパーチャは、イオンビーム軸と軸方向に位置合わせされる。冷却チャンバは、システムの動作中に、電界発生器を使用して冷却チャンバ内に高周波（ＲＦ）電界を発生させるとともに、ガスマニホールドを通して衝突ガスを受け取り、冷却チャンバを加圧するように構成されている。
2020513154.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
システムにおいて、
前記システムの動作中に、電子の流れを発生させるように構成されている電子源と、
前記システムの動作中に、少なくとも１つの被験物質を輸送するように構成されているサンプル導入アセンブリと、
第１の入力ポート、第２の入力ポートおよび出口ポートを有するイオン化チャンバ
とを含み、
前記第１の入力ポートは、前記システムの動作中に、前記電子の流れを前記電子源から受け取るように構成されており、
前記第２の入力ポートは、前記システムの動作中に、前記少なくとも１つの被験物質を前記サンプル導入アセンブリから受け取るように構成されており、それによって、被験物質イオンが、前記イオン化チャンバのイオン化領域内で前記少なくとも１つの被験物質と前記電子との相互作用によって生成され、それによって、前記被験物質イオンは、イオンビーム軸に沿って前記出口ポートを通って前記イオン化チャンバを出て、
前記イオン化チャンバは、前記システムの動作中に、それぞれの独立して制御される電圧が印加されるように構成されている少なくとも２つのチャンバ電極を備え、
前記少なくとも２つのチャンバ電極は、前記出口ポートを画定する出口電極を含み、
前記出口電極は、前記システムの動作中に、出口電極電圧が印加されるように構成されており、
前記出口電極は、前記イオン化領域に面する上流の表面を含み、前記上流の表面は、より小さい基部とより大きい基部とを有する実質的に円錐台の形状を画定し、前記より小さい基部は、前記出口ポートに近接しているかまたは前記出口ポートと一致し、
前記システムの動作中に、前記出口電極と電極のうちの少なくとも１つの他方とに印加される電圧から生じる、前記イオン化チャンバ内の電界は、前記イオン化領域から前記出口ポートを通して被験物質イオンの焦点を合わせるとともに加速させるように働く、
イオン源と、
質量分析計と、
を備える、システム。
【請求項２】
前記実質的に円錐台の形状は、面と面とが当接する少なくとも２つのディスクによって形成され、前記少なくとも２つのディスクは、前記イオンビーム軸に対して同心であるアパーチャを有し、前記アパーチャのサイズは、前記イオン化領域に最も近い前記ディスクから、前記イオン化領域から最も離れた前記ディスクまでそれぞれ単調に減少する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
電子ビーム発生器は、前記システムの動作中に、イオン源チャンバ内で第１の横断方向に電子ビームを発生させるように構成されており、前記第１の横断方向は前記イオンビーム軸に対して直交し、
前記イオン源チャンバは、前記システムの動作中に、前記電子ビームの方向に対して平行であるとともに前記電子ビームと一致する方向に磁場を発生させるように構成されている磁場発生器を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記磁場発生器は、少なくとも２つの永久磁石を備える、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記少なくとも２つの永久磁石は、前記電子ビームの前記方向に対して平行な前記方向に位置合わせされる、請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記少なくとも２つのチャンバ電極は、電界を発生させ、前記サンプルイオンを、前記イオン出口ポートを通して空間的に焦点を合わせるように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記質量分析計は、
四重極マスフィルタ、
衝突チャンバによって隔てられる２つの四重極マスフィルタの組み合わせ、
四重極マスフィルタ、衝突チャンバおよび飛行時間型質量分析計の組み合わせ、
飛行時間型質量分析計、
三次元イオントラップ、または
二次元イオントラップ、
のうちの少なくとも１つを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記サンプル導入アセンブリは、ガスクロマトグラフィーカラムの出口部分を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
システムにおいて、
前記システムの動作中に、サンプル分子から、イオンビーム軸に沿って延在するイオンのビームを生成するように構成されている電子イオン化イオン源と、
ガスマニホールドと電界発生器とを備える衝突冷却チャンバであって、
前記冷却チャンバは、前記冷却チャンバのそれぞれの対向端に入口アパーチャと出口アパーチャとを画定し、前記冷却チャンバの前記入口アパーチャは、前記イオンビーム軸と軸方向に位置合わせされ、
前記冷却チャンバは、前記システムの動作中に、
前記電界発生器を使用して、前記冷却チャンバ内で高周波（ＲＦ）電界を発生させるとともに、
前記ガスマニホールドを通して衝突ガスを受け取って前記冷却チャンバを加圧する
ように構成されている、衝突冷却チャンバと、
質量分析計と、
を備える、システム。
【請求項１０】
前記電界発生器は、前記システムの動作中に、前記冷却チャンバの長さの少なくとも一部に沿って延在する軸方向の電界を発生させるようにさらに構成されている、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記冷却チャンバは、前記システムの動作中に、０．１３Ｐａ〜１３．３３Ｐａ（１ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒ）の圧力の衝突ガスで加圧されるように構成されている、請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
前記冷却チャンバは、前記システムの動作中に、
イオン源チャンバから第２の入口アパーチャを通してイオンを受け取り、
前記受け取ったイオンのうちの少なくともいくらかの運動エネルギーを低下させ、
前記受け取ったイオンのうちの少なくともいくらかを、前記冷却チャンバから第２の出口チャンバを通して押し出す
ように構成されている、請求項９に記載のシステム。
【請求項１３】
前記受け取ったイオンのうちの少なくともいくらかの運動エネルギーを低下させることは、前記受け取ったイオンと冷却ガスの分子との間の１つまたは複数の衝突を誘発することを含む、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記電界発生器は、前記冷却チャンバの前記長さの少なくとも一部に沿って延在する複数の伝導ロッドを備え、前記ロッドは、前記冷却チャンバ内に軸対称に配置される、請求項９に記載のシステム。
【請求項１５】
前記冷却チャンバの出口アパーチャは、冷却チャンバの出口軸の周りに軸対称に配置される複数の出口アパーチャ電極を備え、前記複数の出口アパーチャ電極は、前記システムの動作中に、ＲＦおよびＤＣオフセット電圧が印加されるように構成されている、請求項９に記載のシステム。
【請求項１６】
前記質量分析計は、前記システムの動作中に、質量分析のために前記冷却チャンバからイオンを受け取るように構成されている、請求項９に記載のシステム。
【請求項１７】
前記質量分析計は、
四重極マスフィルタ、
衝突チャンバによって隔てられる２つの四重極マスフィルタの組み合わせ、
四重極マスフィルタ、衝突チャンバおよび飛行時間型質量分析計の組み合わせ、
飛行時間型質量分析計、
三次元イオントラップ、または
二次元イオントラップ、
のうちの少なくとも１つを備える、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
ガスクロマトグラフをさらに備え、イオン源チャンバは、前記システムの動作中に、前記ガスクロマトグラフから流れ出るサンプルを受け取るように構成されている、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１９】
前記イオン源、前記冷却チャンバ、前記質量分析計、質量分析計検出システム、前記ガスクロマトグラフ、または移動デバイス、のうちの少なくとも１つに通信可能に結合される制御モジュールをさらに備え、
前記制御モジュールは、前記システムの動作中に、前記イオン源、前記冷却チャンバ、前記質量分析計、前記質量分析計検出システム、前記ガスクロマトグラフ、または前記移動デバイス、のうちの少なくとも１つの動作を調節するように構成されている、請求項９に記載のシステム。
【請求項２０】
前記イオン源、前記冷却チャンバ、前記質量分析計、前記質量分析計検出システム、前記ガスクロマトグラフ、または前記移動デバイス、のうちの少なくとも１つの前記動作を調節することは、
前記ガスクロマトグラフからイオン源チャンバへのサンプル粒子の移動を調節することを含む、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記イオン源、前記冷却チャンバ、前記質量分析計、前記質量分析計検出システム、前記ガスクロマトグラフ、または前記移動デバイス、のうちの少なくとも１つの前記動作を調節することは、
前記イオン源チャンバによるサンプル粒子のうちの少なくともいくらかの前記イオン化を調節することを含む、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２２】
前記イオン源、前記冷却チャンバ、前記質量分析計、前記質量分析計検出システム、前記ガスクロマトグラフ、または前記移動デバイス、のうちの少なくとも１つの前記動作を調節することは、
１つまたは複数の電極のそれぞれの電位を調節することを含む、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２３】
前記イオン源、前記冷却チャンバ、前記質量分析計、前記質量分析計検出システム、前記ガスクロマトグラフ、または前記移動デバイス、のうちの少なくとも１つの前記動作を調節することは、
前記電界発生器による前記冷却チャンバ内の前記ＲＦ電界の前記発生を調節することを含む、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２４】
前記イオン源、前記冷却チャンバ、前記質量分析計、前記質量分析計検出システム、前記ガスクロマトグラフ、または前記移動デバイス、のうちの少なくとも１つの前記動作を調節することは、
前記ガスマニホールドを通した前記冷却チャンバ内への不活性ガスの移動を調節することを含む、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２５】
前記イオン源、前記冷却チャンバ、前記質量分析計、前記質量分析計検出システム、前記ガスクロマトグラフ、または前記移動デバイス、のうちの少なくとも１つの前記動作を調節することは、
イオン化されたサンプル粒子のフィルタリングを調節することを含む、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２６】
システムであって、
第１の入力ポートと、
第２の入力ポートと、
第１の出口ポートと、
前記第１の出口ポートに近接する１つまたは複数のチャンバ電極と、
を備えるイオン源チャンバであって、
前記イオン源チャンバは、動作中に、
前記第１の入口ポートを通して被験物質を受け取り、
前記第２の入口ポートを通して電子の流れを受け取り、
前記イオン源チャンバ内のイオン化領域において、前記被験物質と前記電子との相互作用によって被験物質イオンを発生させ、
前記１つまたは複数のチャンバ電極を使用して、前記被験物質イオンの焦点を合わせるとともに、イオンビーム軸に沿って前記出口ポートを通して前記イオン源チャンバから加速させる
ように構成されており、
前記１つまたは複数の電極は、前記イオンビーム軸に沿って電極アパーチャを画定し、
前記電極アパーチャは、前記イオンビーム軸に沿って前記イオン化領域から前記第１の出口ポートへの方向に単調に減少する断面積を有する、イオン源チャンバ
を備える、システム。
【請求項２７】
ガスマニホールドと、
電界発生器と、
前記冷却チャンバの第１の端にある第３の入力ポートであって、前記イオンビーム軸と軸方向に位置合わせされる、第３の入力ポートと、
前記冷却チャンバの第２の端にある第２の出口ポートと、
を備える冷却チャンバであって、
前記冷却チャンバは、前記システムの動作中に、前記電界発生器を使用して前記冷却チャンバ内で高周波（ＲＦ）電界を発生させるとともに、
前記ガスマニホールドを通して衝突ガスを受け取り、前記冷却チャンバを加圧する
ように構成されている冷却チャンバをさらに備える、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
システムであって、
１）前記システムの動作中に、サンプル分子を複数のイオンに変えるとともに、イオンを、イオン化容積部からイオン源の出口ポートを通して送達するように構成されているイオン源と、
２）ガスマニホールドと、ガス流ガイドと、少なくとも１つのＲＦオンリーイオンガイドと、軸方向電界電極アセンブリと、入口電極アセンブリと、出口電極アセンブリと、を備える衝突冷却チャンバと、
３）質量分析計と、
を備える、システム。
【請求項２９】
前記イオン源は、
電子衝突（ＥＩ）イオン化源、または
化学イオン化（ＣＩ）源
のうちの少なくとも一方を備える、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３０】
前記軸方向電界電極アセンブリは、前記システムの動作中に、前記冷却チャンバの前記長さの少なくとも一部に沿って延在する軸方向の電界を発生させるように構成されている、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３１】
前記冷却チャンバは、前記システムの動作中に、ガスマニホールドを介して衝突ガスで加圧されるように構成されている、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３２】
前記ガス流ガイドは、前記冷却チャンバの入口に位置決めされ、前記システムの動作中に、前記冷却チャンバの入口アパーチャと同心の円錐の導管を形成するように構成されており、
前記導管を通るガス流は、イオンを径方向に集中させるとともに、前記イオンを下流に向かって移動させ、
ガス流の速度およびガスの温度は、コントローラを介して調整可能である、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３３】
前記ＲＦオンリーイオンガイドは、前記冷却チャンバの前記長さの少なくとも一部に沿って延在するとともに前記冷却チャンバ内に軸対称に配置される複数の伝導性の円柱状電極を備える、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３４】
前記入口電極アセンブリは、前記システムの動作中に、イオン源からイオンを集めて受け取るように構成されており、
前記入口電極アセンブリは、前記イオン源内に一部として一体化される、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３５】
前記出口電極アセンブリは、前記システムの動作中に、前記イオンのうちの少なくともいくらかを前記冷却チャンバから押し出すように構成されており、
前記出口電極アセンブリは、ＲＦおよびＤＣオフセット電圧が印加される少なくとも４つのサブユニットにさらに方位角によって分割される、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３６】
前記質量分析計は、前記システムの動作中に、質量分析のために、前記冷却チャンバからイオンを受け取るように構成されている、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３７】
前記質量分析計は、
四重極マスフィルタ、
衝突チャンバによって隔てられる２つの四重極マスフィルタの組み合わせ、
四重極マスフィルタ、衝突チャンバおよび飛行時間型質量分析計の組み合わせ、
飛行時間型質量分析計、
三次元イオントラップ、または
二次元イオントラップ、
のうちの少なくとも１つを備える、請求項３６に記載のシステム。
【請求項３８】
前記イオン源、前記冷却チャンバ、ガス流コントローラ、前記ガスマニホールド、前記質量分析計、質量分析計検出システム、ガスクロマトグラフ、または移動デバイス、のうちの少なくとも１つに通信可能に結合されるとともにそれを調節する制御モジュールをさらに備える、請求項３６に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、質量分析システムに関し、より詳細には、イオンをイオン源から質量分析計に移動させることに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスクロマトグラフィー／質量分析（ＧＣ／ＭＳ）は、ガスクロマトグラフィーおよび質量分析の特徴を組み合わせて試験サンプル中の異なる物質を同定する分析方法である。
いくつかのＧＣ／ＭＳ機器においては、イオンは、電子イオン化（ＥＩ）によってＥＩ源において生成され、次に、試験のために下流の質量分析計（例えば、四重極マスフィルタ）に移動される。いくつかの場合において、直流（ＤＣ）電極レンズを使用して、イオンの焦点を、下流の真空ステージに、および、質量分析計の入口に合わせ、イオンの収集を改善することができる。
【発明の概要】
【０００３】
本開示は、質量分析機器の文脈において、イオンを、イオン源（例えば、電子イオン化（ＥＩ）イオン源）から下流の質量分析計の入口に効率的に移動させるシステムおよび技法を特徴とする。
【０００４】
ＧＣ／ＭＳ機器においては、サンプルが、（例えば、サンプル構成要素を、カラム内のそれらの相対的な滞留に基づいて分離するキャピラリーカラムを使用して）ガスクロマトグラフによって分離される。カラムから溶出したサンプル構成要素は、イオン化され、イオン化されたサンプル構成要素は、質量分析装置によって分析される。
【０００５】
イオンは、イオン源（例えば、電子イオン化（ＥＩ）イオン源、化学イオン化（ＣＩ：ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ）イオン源など）によって生成され、次に、下流の質量分析計（例えば、四重極マスフィルタ）に移動されることができる。
【０００６】
いくつかの場合においては、直流（ＤＣ）電極レンズを使用して、イオン源を出るイオンを、（例えば、イオンの焦点を、下流の真空ステージおよび質量分析計の入口に合わせることによって）質量分析計の入口に送達することができる。概して、質量分析計の透過は、より細かい焦点合わせと入口におけるイオンのより低い角拡散との両方または一方によって改善する。しかし、ＤＣレンズの、良好なイオンビーム焦点特性を送達する能力は、多くの場合に、イオン源を出るイオンの角エネルギーおよび運動エネルギーの広がりによって、そのような静電レンズにおける固有の収差特性によって、ならびに、イオン源と質量分析計の入口との間の領域におけるバックグラウンドのガス分子との衝突に起因するイオンの散乱によって、制限される。これらの制限は、さらに、イオンの焦点が質量分析計の入口において合わせられる程度を制限する可能性があり、その結果、分析性能を制限する。
【０００７】
一例として、いくつかの場合においては、イオンは、イオン源内の広範な初期の空間分布を伴って生成され、イオンの運動エネルギーおよび引き出し角度の広範な分布を伴ってイオン源を出る。この分布は、ＤＣレンズの、良好なイオンビーム焦点特性を送達する能力を制限する可能性がある。いくつかの場合においては、質量分析計の入口に送達されるイオンの位相‐空間分布は、質量分析計の分析性能（例えば、感度および質量分解度など）を損なうほど十分に広範である可能性がある。
【０００８】
したがって、開示されるシステムは、いくつかの実施態様においては、イオンをイオン源から質量分析計の入口まで移動させるためにＤＣ静電レンズを使用するのではなく、１つまたは複数のＲＦオンリーイオンガイドを組み込み、イオンを、イオン源の出口から質量分析計の入口まで直接的に移動させることができる。
【０００９】
１つの態様においては、イオン源真空ステージにおける比較的高いバックグラウンドのガス圧力の結果として、イオンの衝突冷却が生じ、これは、質量分析計の入口における、イオンの運動エネルギーの分布と、径方向位置の分布と、半径方向の速度分布の幅の低減とを容易にし、それによって、質量分析計の性能を改善する。
【００１０】
別の態様においては、運動エネルギーならびに空間角度および引き出し角度の実質的により大きい分布を有するイオンの引き出しおよび効率的な移動は、衝突冷却によるこれらの分布の上述したその後の低減によって、可能となる。したがって、電子衝突イオン源は、サンプル分子がイオン化され、引き出され、はるかに大きいイオン化容積部から効果的かつ効率的に移動されるように構成することができ、結果として感度が改善される。
【００１１】
さらに別の態様においては、イオン化容積部内に電界の輪郭が確立され、それによって、イオン化容積部内のさらに大きい空間分布のイオンを、ＲＦイオンガイド入口に引き出すことができる。
【００１２】
さらに別の態様においては、イオン源の出口と質量分析計の入口との間のＲＦイオンガイドにおいて軸方向の電界が与えられるため、衝突冷却の結果として、イオン源から質量分析計の入口へのイオン輸送の遅延が生じない。
【００１３】
さらに、イオン源領域と質量分析計領域との間の真空ステージの仕切りが、ＲＦアパーチャを組み込んでいてもよい。そのようなアパーチャは、狭い径方向位置と、ＤＣ電圧を有する従来のステージ間アパーチャよりも良好な速度分布とを維持することができる。
【００１４】
別の態様においては、装置は、（１）イオンと中性ガス分子との間の衝突が誘発される加圧チャンバと、（２）冷却チャンバの軸に沿う径方向の疑似ポテンシャル井戸を発生させる１つまたは複数のＲＦオンリーイオンガイドと、（３）冷却チャンバの出口に向かう、径方向内方への流れ場の成分と軸方向の流れ場の成分とを有する冷却チャンバ内のガス流を提供するガス流ガイドと、（４）冷却チャンバの長さの少なくとも一部に沿って延在する軸方向の電界を提供する補助的な電極アセンブリと、（５）冷却チャンバの入口端および出口端にそれぞれ位置決めされる入口電極および出口電極と、を含むことができる。
【００１５】
動作中に、イオンは、冷却チャンバの入口にある電極アセンブリによってチャンバ内に引き出されることができる。ガス流は、軸上へのイオンの収束を助け、下流のＲＦオンリーイオンガイドに向かって移動させることができる。イオンは、イオンガイドを通って進むときに、径方向の疑似電位ポテンシャル井戸も受け、中性ガス分子との衝突を受け、これは、径方向寸法におけるイオンの運動エネルギーおよび空間分布をさらに低減する。その一方で、補助的な電極アセンブリによって発生される軸方向の電界は、チャンバの出口に向かって移動するイオンの軸方向の運動エネルギーを維持することができる。チャンバの出口において、イオンは、電極アセンブリによって押し出され、質量分析計の入口に送達される。いくつかの場合においては、出口に位置決めされる電極アセンブリは、ＲＦ電界を組み込み、イオンビームの径方向のコンパクトさを維持することができる。
【００１６】
本明細書において記載される実施態様のうちの１つまたは複数は、（例えば、従来のＤＣ静電レンズの構成を使用する質量分析計の性能に比して）質量分析計の性能を改善することができる。
【００１７】
一態様においては、システムは、イオン源および質量分析計を含む。イオン源は、システムの動作中に、電子の流れを発生させるように構成されている電子源と、システムの動作中に、少なくとも１つの被験物質を輸送するように構成されているサンプル導入アセンブリと、第１の入力ポート、第２の入力ポートおよび出口ポートを有するイオン化チャンバと、を含む。第１の入力ポートは、システムの動作中に、電子の流れを電子源から受け取るように構成されている。第２の入力ポートは、システムの動作中に、少なくとも１つの被験物質をサンプル導入アセンブリから受け取るように構成されており、それによって、被験物質イオンが、イオン化チャンバのイオン化領域内で少なくとも１つの被験物質と電子との相互作用によって生成され、それによって、被験物質イオンは、イオンビーム軸に沿って出口ポートを通ってイオン化チャンバを出る。イオン化チャンバは、システムの動作中に、それぞれの独立して制御される電圧が印加されるように構成されている少なくとも２つのチャンバ電極を含む。少なくとも２つのチャンバ電極は、出口ポートを画定する出口電極を含む。出口電極は、システムの動作中に、出口電極電圧が印加されるように構成されている。出口電極は、イオン化領域に面する上流の表面を含み、上流の表面は、より小さい基部とより大きい基部とを有する実質的に円錐台の形状を画定し、より小さい基部は、出口ポートに近接しているかまたは出口ポートと一致する。システムの動作中に、出口電極と電極のうちの少なくとも１つの他方とに印加される電圧から生じる、イオン化チャンバ内の電界は、イオン化領域から出口ポートを通して被験物質イオンの焦点を合わせるとともに加速させるように働く。
【００１８】
この態様の実施態様は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を含んでもよい。
いくつかの実施態様においては、実質的に円錐台の形状は、面と面とが当接する少なくとも２つのディスクによって形成することができる。少なくとも２つのディスクは、イオンビーム軸に対して同心であるアパーチャを有することができ、アパーチャのサイズは、イオン化領域に最も近いディスクから、イオン化領域から最も離れたディスクまでそれぞれ単調に減少する。
【００１９】
いくつかの実施態様においては、電子ビーム発生器は、システムの動作中に、イオン源チャンバ内で第１の横断方向に電子ビームを発生させるように構成することができ、第１の横断方向はイオンビーム軸に対して直交する。イオン源チャンバは、システムの動作中に、電子ビームの方向に対して平行であるとともに電子ビームと一致する方向に磁場を発生させるように構成されている磁場発生器を含むことができる。
【００２０】
いくつかの実施態様においては、磁場発生器は、少なくとも２つの永久磁石を含むことができる。
いくつかの実施態様においては、少なくとも２つの永久磁石は、電子ビームの方向に対して平行な方向に位置合わせすることができる。
【００２１】
いくつかの実施態様においては、少なくとも２つのチャンバ電極は、電界を発生させ、サンプルイオンを、上記イオン出口ポートを通して空間的に焦点を合わせるように構成することができる。
【００２２】
いくつかの実施態様においては、質量分析計は、四重極マスフィルタ、衝突チャンバによって隔てられる２つの四重極マスフィルタの組み合わせ、四重極マスフィルタ、衝突チャンバおよび飛行時間型質量分析計の組み合わせ、飛行時間型質量分析計、三次元イオントラップ、または二次元イオントラップ、のうちの少なくとも１つを含むことができる。
【００２３】
いくつかの実施態様においては、サンプル導入アセンブリは、ガスクロマトグラフィーカラムの出口部分を含むことができる。
概して、別の態様においては、システムは、電子イオン化イオン源および質量分析計を含む。電子イオン源は、システムの動作中に、サンプル分子から、イオンビーム軸に沿って延在するイオンのビームを生成するように構成されている。システムは、ガスマニホールドと電界発生器とを備える衝突冷却チャンバも含む。冷却チャンバは、冷却チャンバのそれぞれの対向端に入口アパーチャと出口アパーチャとを画定し、冷却チャンバの入口アパーチャは、イオンビーム軸と軸方向に位置合わせする。冷却チャンバは、システムの動作中に、電界発生器を使用して、冷却チャンバ内で高周波（ＲＦ：ｒａｄｉｏ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）電界を発生させるとともに、ガスマニホールドを通して衝突ガスを受け取って冷却チャンバを加圧するように構成されている。
【００２４】
この態様の実施態様は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を含んでもよい。
いくつかの実施態様においては、電界発生器は、システムの動作中に、冷却チャンバの長さの少なくとも一部に沿って延在する軸方向の電界を発生させるようにさらに構成することができる。
【００２５】
いくつかの実施態様においては、冷却チャンバは、システムの動作中に、０．１３Ｐａ〜１３．３３Ｐａ（１ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒ）の圧力の衝突ガスで加圧されるように構成することができる。
【００２６】
いくつかの実施態様においては、冷却チャンバは、システムの動作中に、イオン源チャンバから第２の入口アパーチャを通してイオンを受け取り、受け取ったイオンのうちの少なくともいくらかの運動エネルギーを低下させ、受け取ったイオンのうちの少なくともいくらかを、冷却チャンバから第２の出口チャンバを通して押し出すように構成されている。
【００２７】
いくつかの実施態様においては、受け取ったイオンのうちの少なくともいくらかの運動エネルギーを低下させることは、受け取ったイオンと冷却ガスの分子との間の１つまたは複数の衝突を誘発することを含むことができる。
【００２８】
いくつかの実施態様においては、電界発生器は、冷却チャンバの長さの少なくとも一部に沿って延在する複数の伝導ロッドを含むことができる。ロッドは、冷却チャンバ内に軸対称に配置することができる。
【００２９】
いくつかの実施態様においては、冷却チャンバの出口アパーチャは、冷却チャンバの出口軸の周りに軸対称に配置される複数の出口アパーチャ電極を含むことができる。複数の出口アパーチャ電極は、システムの動作中に、ＲＦおよびＤＣオフセット電圧が印加されるように構成することができる。
【００３０】
いくつかの実施態様においては、質量分析計は、システムの動作中に、質量分析のために冷却チャンバからイオンを受け取るように構成することができる。
いくつかの実施態様においては、質量分析計は、四重極マスフィルタ、衝突チャンバによって隔てられる２つの四重極マスフィルタの組み合わせ、四重極マスフィルタ、衝突チャンバおよび飛行時間型質量分析計の組み合わせ、飛行時間型質量分析計、三次元イオントラップ、または二次元イオントラップ、のうちの少なくとも１つを含むことができる。
【００３１】
いくつかの実施態様においては、システムは、ガスクロマトグラフをさらに含むことができる。イオン源チャンバは、システムの動作中に、ガスクロマトグラフから流れ出るサンプルを受け取るように構成することができる。
【００３２】
いくつかの実施態様においては、システムは、イオン源、冷却チャンバ、質量分析計、質量分析計検出システム、ガスクロマトグラフ、または移動デバイス、のうちの少なくとも１つに通信可能に結合される制御モジュールをさらに含むことができる。制御モジュールは、システムの動作中に、イオン源、冷却チャンバ、質量分析計、質量分析計検出システム、ガスクロマトグラフ、または移動デバイス、のうちの少なくとも１つの動作を調節するように構成することができる。
【００３３】
いくつかの実施態様においては、イオン源、冷却チャンバ、質量分析計、質量分析計検出システム、ガスクロマトグラフ、または移動デバイス、のうちの少なくとも１つの動作を調節することは、ガスクロマトグラフからイオン源チャンバへのサンプル粒子の移動を調節することを含むことができる。
【００３４】
いくつかの実施態様においては、イオン源、冷却チャンバ、質量分析計、質量分析計検出システム、ガスクロマトグラフ、または移動デバイス、のうちの少なくとも１つの動作を調節することは、イオン源チャンバによるサンプル粒子のうちの少なくともいくらかのイオン化を調節することを含むことができる。
【００３５】
いくつかの実施態様においては、イオン源、冷却チャンバ、質量分析計、質量分析計検出システム、ガスクロマトグラフ、または移動デバイス、のうちの少なくとも１つの動作を調節することは、１つまたは複数の電極のそれぞれの電位を調節することを含むことができる。
【００３６】
いくつかの実施態様においては、イオン源、冷却チャンバ、質量分析計、質量分析計検出システム、ガスクロマトグラフ、または移動デバイス、のうちの少なくとも１つの動作を調節することは、電界発生器による冷却チャンバ内のＲＦ電界の発生を調節することを含むことができる。
【００３７】
いくつかの実施態様においては、イオン源、冷却チャンバ、質量分析計、質量分析計検出システム、ガスクロマトグラフ、または移動デバイス、のうちの少なくとも１つの動作を調節することは、ガスマニホールドを通した冷却チャンバ内への不活性ガスの移動を調節することを含むことができる。
【００３８】
いくつかの実施態様においては、イオン源、冷却チャンバ、質量分析計、質量分析計検出システム、ガスクロマトグラフ、または移動デバイス、のうちの少なくとも１つの動作を調節することは、イオン化されたサンプル粒子のフィルタリングを調節することを含むことができる。
【００３９】
概して、別の態様においては、システムはイオン源チャンバを含む。イオン源チャンバは、第１の入力ポート、第２の入力ポート、第１の出口ポート、および、第１の出口ポートに近接する１つまたは複数のチャンバ電極を含む。イオン源チャンバは、動作中に、第１の入口ポートを通して被験物質を受け取り、第２の入口ポートを通して電子の流れを受け取り、イオン源チャンバ内のイオン化領域において、被験物質と電子との相互作用によって被験物質イオンを発生させ、１つまたは複数のチャンバ電極を使用して、被験物質イオンの焦点を合わせるとともに、イオンビーム軸に沿って出口ポートを通してイオン源チャンバから加速させるように構成されている。１つまたは複数の電極は、イオンビーム軸に沿って電極アパーチャを画定する。電極アパーチャは、イオンビーム軸に沿ってイオン化領域から第１の出口ポートへの方向に単調に減少する断面積を有する。
【００４０】
この態様の実施態様は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を含んでもよい。
いくつかの実施態様においては、システムは、冷却チャンバをさらに含むことができる。冷却チャンバは、ガスマニホールド、電界発生器、および、冷却チャンバの第１の端にある第３の入力ポートを含むことができる。第３の入力ポートは、イオンビーム軸と軸方向に位置合わせすることができる。冷却チャンバは、冷却チャンバの第２の端にある第２の出口ポートも含むことができる。冷却チャンバは、システムの動作中に、電界発生器を使用して冷却チャンバ内で高周波（ＲＦ）電界を発生させるとともに、ガスマニホールドを通して衝突ガスを受け取り、冷却チャンバを加圧するように構成することができる。
【００４１】
概して、別の態様においては、システムは、システムの動作中に、サンプル分子を複数のイオンに変えるとともに、イオンを、イオン化容積部からイオン源の出口ポートを通して送達するように構成されているイオン源を含む。システムは、ガスマニホールドと、ガス流ガイドと、少なくとも１つのＲＦオンリーイオンガイドと、軸方向電界電極アセンブリと、入口電極アセンブリと、出口電極アセンブリと、を含む衝突冷却チャンバも含む。システムは質量分析計も含む。
【００４２】
この態様の実施態様は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を含んでもよい。
いくつかの実施態様においては、イオン源は、電子衝突（ＥＩ）イオン化源または化学イオン化（ＣＩ）源のうちの少なくとも一方を含むことができる。
【００４３】
いくつかの実施態様においては、軸方向電界電極アセンブリは、システムの動作中に、冷却チャンバの長さの少なくとも一部に沿って延在する軸方向の電界を発生させるように構成されている。
【００４４】
いくつかの実施態様においては、冷却チャンバは、システムの動作中に、ガスマニホールドを介して衝突ガスで加圧されるように構成することができる。
いくつかの実施態様においては、ガス流ガイドは、冷却チャンバの入口に位置決めすることができ、システムの動作中に、冷却チャンバの入口アパーチャと同心の円錐の導管を形成するように構成することができる。導管を通るガス流は、イオンを径方向に集中させるとともに、イオンを下流に向かって移動させることができる。ガス流の速度およびガスの温度は、コントローラを介して調整可能とすることができる。
【００４５】
いくつかの実施態様においては、ＲＦオンリーイオンガイドは、冷却チャンバの長さの少なくとも一部に沿って延在するとともに冷却チャンバ内に軸対称に配置される複数の伝導性の円柱状電極を含むことができる。
【００４６】
いくつかの実施態様においては、入口電極アセンブリは、システムの動作中に、イオン源からイオンを集めて受け取るように構成することができる。入口電極アセンブリは、イオン源内に一部として一体化することができる。
【００４７】
いくつかの実施態様においては、出口電極アセンブリは、システムの動作中に、イオンのうちの少なくともいくらかを冷却チャンバから押し出すように構成することができる。出口電極アセンブリは、ＲＦおよびＤＣオフセット電圧が印加される少なくとも４つのサブユニットにさらに方位角によって分割されることができる。
【００４８】
いくつかの実施態様においては、質量分析計は、システムの動作中に、質量分析のために、冷却チャンバからイオンを受け取るように構成することができる。
いくつかの実施態様においては、質量分析計は、四重極マスフィルタ、衝突チャンバによって隔てられる２つの四重極マスフィルタの組み合わせ、四重極マスフィルタ、衝突チャンバおよび飛行時間型質量分析計の組み合わせ、飛行時間型質量分析計、三次元イオントラップ、または二次元イオントラップ、のうちの少なくとも１つを含むことができる。
【００４９】
いくつかの実施態様においては、システムは、イオン源、冷却チャンバ、ガス流コントローラ、ガスマニホールド、質量分析計、質量分析計検出システム、ガスクロマトグラフ、または移動デバイス、のうちの少なくとも１つに通信可能に結合されるとともにそれを調節する制御モジュールをさらに含むことができる。
【００５０】
１つまたは複数の実施形態の詳細は、添付の図面および以下の説明に記載される。他の特徴利点は、説明および図面から、ならびに、特許請求の範囲から明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】例示的なガスクロマトグラフィー／質量分析（ＧＣ／ＭＳ）システムの概略を示すブロック図。
【図２】例示的なガスクロマトグラフィー／質量分析／質量分析（ＧＣ／ＭＳ／ＭＳ）システムの概略を示すブロック図。
【図３Ａ】例示的なイオン源の断面図。
【図３Ｂ】例示的なイオン源の断面図。
【図４】例示的なイオン源、および例示的なイオン移動チャンバの一部の断面図。
【図５】別の例示的なイオン源、および例示的なイオンチャンバの一部の断面図。
【図６】例示的なイオン源の断面図。
【図７】図４において示されている例示的なイオン源および例示的なイオン移動チャンバ、ならびに、例示的な四重極マスフィルタの一部の断面図。
【図８】例示的なイオン源、例示的なイオン移動チャンバ、および例示的な四重極マスフィルタの断面図。
【図９】別の例示的なイオン源、別の例示的なイオン移動チャンバ、および別の例示的な四重極マスフィルタの断面図。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
例示的なガスクロマトグラフィー／質量分析（ＧＣ／ＭＳ）システム１００の簡略化された概略図が、図１において示されている。システム１００は、ガスクロマトグラフ１０２、イオン源１０４、イオン移動チャンバ１０６、四重極マスフィルタ１０８、イオン検出器１１０および制御モジュール１１２を含む。
【００５３】
システム１００の動作中に、サンプルは、ガスクロマトグラフ１０２の注入ポート１１４に注入され、キャピラリーカラム１１６に入る。サンプル構成要素は、ヘリウムガスの流れの助けによって、カラム１１６を通って、および、加熱された炉１１８を通って流れる。サンプル構成要素は、カラム１１６におけるそれらの相対的な滞留に従って分離される。例えば、サンプル構成要素の分離は、カラムの寸法（例えば、長さ、直径、フィルム厚）、および、その位相特性に応じて変わることができる。サンプル中の異なる分子間の化学特性の違い、および、カラムの固定相に対するそれらの相対的な親和性は、サンプルがカラムの長さを進むときに分子の分離を促す。
【００５４】
カラム１１６の出口部分１２０は、カラム１１６の出口端１２４がイオン源１０４内に位置付けられるように、加熱された移動構成要素１２２内を通る。サンプル構成要素は、カラム１１６内で分離されると、出口端１２４からイオン源１０４内に連続的に溶出する。
【００５５】
いくつかの場合においては、イオン源１０４は、電子イオン化イオン源とすることができる。例えば、図１において示されているように、イオン源１０４は、イオン源１０４のイオン容積部１２８を通して電子ビーム１２６を発生させることができ、溶出する構成要素の一部を、電子ビーム１２６中の電子との相互作用によってイオン化させる。電子イオン化イオン源が図１において示されているが、他のイオン源も可能である。例えば、いくつかの場合においては、イオン源１０４は、化学イオン化イオン源とすることができる。
【００５６】
イオン源１０４は、引き出し電極１３４、および／または、リペラー電極（図示せず）、および／または、イオン容積部ハウジングに電圧を印加することによって、イオン容積部１２８内で電界も発生させる（図面では、等電位の輪郭１３０によって示されている）。イオン容積部１２８内で形成されるサンプルイオンは、電界に反応し、イオン源１０４から加速されて出て、引き出し電極１３４内のアパーチャ１３２を通る。
【００５７】
サンプルイオンは、引き出し電極のアパーチャ１３２を通して引き出され、イオン移動チャンバ１０６によって四重極マスフィルタ１０８の入口まで移動される。
四重極マスフィルタ１０８のイオン透過率および分解能は、四重極マスフィルタ１０８に入るサンプルイオンのビームの特性に応じて変わる（例えば、径方向位置、角度、および、比較的程度は低いが、サンプルイオンが四重極マスフィルタ１０８に入るときのサンプルイオンの運動エネルギー）。これらのイオンビームの特性は、さらに、システムにおいて使用される任意のイオン移動の光学系（例えば、ＤＣ電極レンズ）の焦点合わせ特性の制約と併せて、イオン源のイオン化効率および排出特性によって制限される。
【００５８】
これらの特性を改善するために、いくつかの場合においては、イオン移動チャンバ１０６は、イオン移動チャンバ１０６内で高周波（ＲＦ）電界を発生させるイオンガイド１３６を含むことができる。いくつかの場合においては、イオン移動チャンバ１０６は、軸方向の電界も発生させることができる（すなわち、サンプルイオンビームの進行経路の方向に沿って延在する電界）。イオン移動チャンバ１０６は、ガスで加圧されることもできる。イオン源を出るサンプルイオンは、イオン移動チャンバ１０６内を通り、ＲＦ電界によって抑制され、イオンガイド１３６の長さを横切るときにイオンガイド軸１３８を中心に振動する。ガス分子との衝突がサンプルイオンの運動エネルギーを消散させ、結果として、それらの径方向への偏位および運動エネルギーを低下させ、それによって、サンプルイオンは、イオン移動チャンバ１０６の出口端１４０に達すると、改善されたビーム特性（例えば、径方向位置および角度のばらつきが少なく、運動エネルギーがより小さい）を伴って四重極マスフィルタ１０８の入口内に焦点を合わせられることができ、従来の静電光学系の場合よりも、マスフィルタによるより高いイオン透過および分解能またはより高いイオン透過もしくは分解能を可能にする。これは、例えば、イオン源１０４から生成されるような、初期の広範な空間的および角度のイオン分布に関してイオン透過率を改善するため、同様に有利であるものとすることができる。
【００５９】
イオン移動チャンバ１０６の出口１４０において焦点を合わせられたイオンビームは、サンプルイオンの質量分析のために、四重極マスフィルタ１０８の入口に注入される。四重極マスフィルタは、サンプルイオンを（例えば、それらの質量電荷比（ｍ／ｚ）に基づいて）分解する。一例として、四重極マスフィルタ１０８は、２×２形態で配置される４つの平行な導電性ロッドを含むことができ、この場合、それぞれの対向するロッドの対は、電気的に一緒に接続される。ＤＣオフセット電圧を伴うＲＦ電圧が、ロッドの１つの対と他の対との間に印加される。サンプルイオンがロッド間の四重極を下に進むと、特定の質量電荷比のイオンのみが、電圧の所与の比に関して検出器に達する。他のイオンは、不安定な軌道を有し、ロッドと衝突する。これは、特定のｍ／ｚを有するイオンの選択を可能にする。
【００６０】
質量分解されたイオンは、四重極マスフィルタ１０８の出口端を通って出て、次に、イオン検出器１１０によって検出される。イオン検出器１１０からの出力信号が、制御モジュール１１２によって処理され、ここで、透過されたｍ／ｚのイオンの信号強度が記録される。
【００６１】
システム１００は、システム１００の種々のステージを真空状態にする真空圧送システム１４２も含む。例えば、真空圧送システム１４２は、イオン源１０４、イオン移動チャンバ１０６、四重極マスフィルタ１０８、および／または、イオン検出器１１０とガス連通することができ、内部に閉じ込められる漂遊粒子を除去するように構成することができる。
【００６２】
制御モジュール１１２は、イオン検出器からの出力信号を処理することに加えて、システム１００の他の構成要素のうちのいくつかまたはすべての動作を制御することもできる。例えば、いくつかの場合においては、制御モジュール１１２は、イオン源１０４、イオン移動チャンバ１０６、四重極マスフィルタ１０８、イオン検出器１１０、および／または、真空圧送システム１４２に通信可能に結合され、命令もしくはコマンドを提供してそれぞれの構成要素の性能を調節することができる。いくつかの場合においては、制御モジュール１１２は、少なくとも一部は、１つまたは複数のコンピューティングデバイス（例えば、パーソナルコンピュータ、スマートフォン、タブレットコンピュータ、サーバコンピュータなどの、１つまたは複数のマイクロプロセッサをそれぞれ有する１つまたは複数の電子処理デバイス）を使用してインプリメントされることができる。
【００６３】
単一の四重極構造（すなわち、ＧＣ／ＭＳシステム）が図１において示されているが、これは例示的な例に過ぎない。例えば、図１において示されている単一の四重極マスフィルタ１０８の代わりに、任意の他の質量分析装置の構造を用いることができ、結果として、単一の四重極マスフィルタ構造に関して上記で記載したように、感度およびマスディスクリミネーションが改善される。いくつかの場合においては、システムは、複数の四重極構造を有することができる。一例として、図２は、例示的なガスクロマトグラフィー／質量分析／質量分析（ＧＣ／ＭＳ／ＭＳ）システム２００（すなわち、二重の四重極構造）の簡略化された概略図である。システム２００は、ガスクロマトグラフ２０２、イオン源２０４、２つのイオン移動チャンバ２０６ａおよび２０６ｂ、２つの四重極マスフィルタ２０８ａおよび２０８ｂ、イオン検出器２１０ならびに制御モジュール２１２を含む。
【００６４】
概して、イオン源２０４は、図１において示されているイオン源１０４と同様に機能することができる。例えば、システム２００の動作中に、サンプルは、ガスクロマトグラフ２０２の注入ポート２１４に注入され、キャピラリーカラム２１６に入る。サンプル構成要素は、ヘリウムガスの流れの助けによって、カラム２１６を通って、および、加熱された炉２１８を通って流れる。サンプル構成要素は、カラム２１６におけるそれらの相対的な滞留に従って分離される。
【００６５】
同様に、カラム２１６の出口部分２２０は、カラム２１６の出口端２２４がイオン源２０４内に位置付けられるように、加熱された移動構成要素２２２内を通る。サンプル構成要素は、カラム２１６内で分離されると、出口端２２４からイオン源２０４内に連続的に溶出する。
【００６６】
上記のように、いくつかの場合においては、イオン源２０４は、電子イオン化イオン源とすることができる。例えば、図２において示されているように、イオン源２０４は、イオン源２０４のイオン容積部２２８を通して電子ビーム２２６を発生させることができ、溶出する構成要素の一部を、電子ビーム２２６中の電子との相互作用によってイオン化させる。
【００６７】
さらに、イオン源２０４は、引き出し電極２３４、および／または、リペラー電極（図示せず）、および／または、イオン容積部ハウジングに電圧を印加することによって、イオン容積部２２８内で電界も発生させる（図面では、等電位の輪郭２３０によって示されている）。イオン容積部２２８内で形成されるサンプルイオンは、電界に反応し、イオン源２０４から加速されて出て、引き出し電極２３４内のアパーチャ２３２を通る。
【００６８】
同様に、サンプルイオンは、引き出し電極のアパーチャ２３２を通して引き出され、イオン移動チャンバ２０６ａによって四重極マスフィルタ２０８ａの入口まで移動される。イオン移動チャンバ２０６ａは、イオン移動チャンバ１０６に関して上記で記載したのと同様に、イオンガイド２３６ａ（例えば、ＲＦオンリーイオンガイド）および衝突ガスを含み、引き出し電極のアパーチャ２３２からのイオンの焦点を四重極マスフィルタ２０８ａに合わせる。
【００６９】
イオン移動チャンバ２０６ａの出口２４０において焦点が合わせられたイオンビームは、四重極マスフィルタ２０８ａの入口に注入され、質量によって分解される。四重極マスフィルタ２０８ａによって選択された質量分解イオン（すなわち、「プリカーサ」イオン）は、加速されて第２のイオン移動チャンバ２０６ｂ内に入る。
【００７０】
第２のイオン移動チャンバ２０６ｂは、図１において示されているイオン移動チャンバ１０６と同様に機能することができる。例えば、第２のイオン移動チャンバ２０６ｂは、イオン移動チャンバ２０６ａにおいてＲＦ電界を発生させるイオンガイド２３６を含むことができる。いくつかの場合においては、イオン移動チャンバ２０６ｂは、軸方向の電界も発生させることができる（すなわち、サンプルイオンビームの進行経路の方向に沿って延在する電界）。イオン移動チャンバ２０６ｂは、ガスで加圧されることもできる。四重極マスフィルタ２０８ａを出るサンプルイオンは、イオン移動チャンバ２０６ｂ内を通り、ＲＦ電界によって抑制され、イオンガイド２３６の長さを横切るときにイオンガイド軸２３８を中心に振動する。ガス分子との衝突がサンプルイオンの運動エネルギーを消散させ、結果として、それらの径方向への偏位および運動エネルギーを低下させ、それによって、サンプルイオンは、イオン移動チャンバ２０６ｂの出口端２４６に達すると、改善されたビーム特性を伴って第２の四重極マスフィルタ２０８ｂの入口内に焦点を合わせられることができる。さらに、衝突セルにおけるガス分子とのエネルギー衝突は、プリカーサイオンをフラグメントイオンにフラグメント化させる。
【００７１】
フラグメントイオンは、次に、第２の四重極マスフィルタ２０８ｂによって質量分解され、次に、イオン検出器２１０によって検出される。イオン検出器２１０からの出力信号が、制御モジュール２１２によって処理され、ここで、信号強度が、イオン質量の関数として記録される。
【００７２】
同様に、システム２００は、システム２００の種々のステージを真空状態にする真空圧送システム２４２も含む。例えば、真空圧送システム２４２は、イオン源２０４、イオン移動チャンバ２０６ａおよび２０６ｂ、四重極マスフィルタ２０８ａおよび２０８ｂ、ならびに／または、イオン検出器２１０とガス連通することができ、内部に閉じ込められる漂遊粒子を除去するように構成することができる。
【００７３】
制御モジュール２１２は、イオン検出器からの出力信号を処理することに加えて、システム２００の他の構成要素のうちのいくつかまたはすべての動作を制御することもできる。例えば、いくつかの場合においては、制御モジュール２１２は、イオン源２０４、イオン移動チャンバ２０６ａおよび２０６ｂ、四重極マスフィルタ２０８ａおよび２０８ｂ、イオン検出器２１０、ならびに／または、真空圧送システム２４２に通信可能に結合され、命令もしくはコマンドを提供してそれぞれの構成要素の性能を調節することができる。いくつかの場合においては、制御モジュール２１２は、少なくとも一部は、１つまたは複数のコンピューティングデバイス（例えば、パーソナルコンピュータ、スマートフォン、タブレットコンピュータ、サーバコンピュータなどの、１つまたは複数のマイクロプロセッサをそれぞれ有する１つまたは複数の電子処理デバイス）を使用してインプリメントされることができる。
【００７４】
図３Ａは、イオン源３００の簡略化された概略図を示している。イオン源３００は、例えば、図１および図２に示されているイオン源として使用することができる。
図３Ａにおいて示されているように、イオン源３００は、入力ポート３０２ａおよび３０２ｂ、リペラー３０４、引き出し電極３０６ならびに引き出し電極のアパーチャ３０８を含む。
【００７５】
イオン源３００の動作中に、イオン源３００は、入力ポート３０２ａを通して被験物質（例えば、ＧＣカラムからの溶出したサンプル構成要素）を受け取る。
イオン源３００は、（例えば、電流が流れるワイヤーフィラメント３１６を加熱することによる熱イオン放出によって）電子ビーム３１２も発生させ、電子ビーム３１２を、入力ポート３０２ｂからイオン化チャンバ３１０内に方向付ける。電子ビーム３１２中の電子は、フィラメント３１６とイオン化チャンバ３１０ハウジングとの間に印加される電位差によって、フィラメント３１６からイオン化チャンバ３１０内に加速される。いくつかの場合においては、この電位差は、約７０Ｖとすることができる。いくつかの場合においては、この電位差は、５Ｖ〜１５０Ｖに調整することができる。電子ビーム３１２によって、被験物質分子の一部が、電子ビーム３１２中の電子との相互作用によりイオン化される。
【００７６】
さらに、イオン源３００は、電圧を、引き出し電極３０６および／またはリペラー電極３０４および／またはイオン容積部ハウジング３２０に印加することによって、イオン化チャンバ３１０内で電界を発生させる（図面では、等電位の輪郭３１４によって示されている）。イオン化チャンバ３１０内で形成されるイオン化された被験物質は、電界に反応し、加速されて引き出し電極のアパーチャ３０８を通してイオン源３００を出る。
【００７７】
図３Ｂにおいて示されているように、（リペラー３０４および／または引き出し電極３０６および／またはイオン化チャンバハウジングに印加される電位によって誘発される）電界は、イオン化された被験物質の焦点を合わせ、イオン化された被験物質を加速させて、引き出し電極のアパーチャ１３２を通してイオン源３００から出す。イオン化された被験物質のシミュレーションされた経路が、軌道３１５として示されている。
【００７８】
例示的な印加される電位を上記で記載したが、これらは例示的な例に過ぎない。実際には、異なる電位をリペラー３０４および引き出し電極３０６の両方または一方に印加し、イオン源３００のイオンビームの焦点合わせおよびイオン加速特性を調整することができる。概して、リペラー電極３０４と、引き出し電極３０６と、イオン化容積部ハウジングとの間に印加される電圧差は、イオン化容積部に面するこれらの電極の表面の寸法および形状に応じて変わる。いくつかの場合においては、これらの差は、数分の１ボルトから数十ボルトの範囲であってもよい。しかし、それらの実際の値は、下流のＲＦイオンガイドに入るイオンに最適である運動エネルギーに応じて変わる。これは、それらの運動エネルギーが、イオン化容積部におけるイオン化の時点での電位と、後続の下流のイオンガイドＤＣオフセット電圧との差に応じて変わるためである。他方で、ＲＦイオンガイドのＤＣオフセット電圧は、イオンガイド出口におけるイオンの電位に影響を与え、イオンは、イオン移動チャンバ内で衝突冷却されている。このイオンガイドオフセット電圧と下流のマスフィルタとの間の差が、次に、イオンが下流のマスフィルタ内に方向付けられるときに、イオンの運動エネルギーを決定する。いくつかの場合においては、イオン源電極に印加される電圧は、−５０Ｖ〜＋５０Ｖとすることができる。
【００７９】
さらに、引き出し電極３０６の形状も、イオン源３００のイオンビームの焦点合わせおよびイオン加速特性を調整するために異なるものとすることができる。例えば、図４は、例示的なイオン源４００、および例示的なイオン移動チャンバ４５０の一部の簡略化された断面図を示している。イオン源４００およびイオンチャンバ４５０は、例えば、図１および図２において示されているイオン源およびイオン移動チャンバとして使用することができる。イオン源４００は、概ね円筒形のチャンバ４０２、および、チャンバ４０２の遠位端に位置決めされる引き出し電極４０４を画定する。この例においては、引き出し電極４０４は、チャンバ４０２の軸方向の延在に沿って（例えば、イオンビーム軸または中心軸４０６に沿って）概ね環状の断面を有し、アパーチャ４０８を画定する。さらに、アパーチャ４０８の断面の直径は、チャンバ４０２の中央に最も近い引き出し電極４０４の部分から、チャンバ４０２の遠位端４１０まで単調に減少する。したがって、引き出し電極４０４の内側面４１２は、円錐台形状を画定する（例えば、アパーチャ４０８は円錐台形である）。
【００８０】
引き出し電極４０４の例示的な形状が図４において示されているが、これは例示的な例に過ぎない。実際には、引き出し電極４０４の１つまたは複数の寸法を、イオン源３００のイオンビームの焦点合わせおよびイオン加速特性を調整するために変えることができる。例えば、いくつかの場合においては、引き出し電極４０４の軸方向長さ４２２は、０．５ｍｍ〜１０ｍｍとすることができる。別の例として、引き出し電極４０４の直径４１４は、０．５ｍｍ〜５ｍｍとすることができる。別の例として、円錐角４１６（すなわち、中心軸４０６と内側面４１２）との間の角度は、６０度〜１５０度とすることができる。別の例として、最小の環状の厚さ４１８は、０．５ｍｍ〜２ｍｍとすることができる。別の例として、最大の環状の厚さ４２０は、１ｍｍ〜３ｍｍとすることができる。実際には、実施態様に応じて、他の寸法も可能である。
【００８１】
図４において示されている例では、イオン源４００は、単一の一体的な引き出し電極４０４を含む。しかし、これは必ずしもそうでなくてもよい。いくつかの実施態様においては、イオン源は、出口アパーチャをまとめて画定する複数の引き出し電極を含むことができる。例えば、図５は、別の例示的なイオン源５００、および例示的なイオンチャンバ５５０の一部の簡略化された断面図を示している。イオン源５００およびイオンチャンバ５５０は、例えば、図１および図２において示されているイオン源として使用することができる。上記のように、イオン源５００は、概ね円筒形のチャンバ５０２を画定する。
【００８２】
しかし、この例においては、イオン源５００は、複数の引き出し電極５０４ａ〜ｃを含む。それぞれの引き出し電極５０４ａ〜ｃは、それぞれのアパーチャ５０６ａ〜ｃをそれぞれ画定する、環状またはディスク状の形状である。アパーチャ５０６ａ〜ｃは、同心円状であり、出口アパーチャ５０８をまとめて画定する。アパーチャ５０８の断面の直径は、引き出し電極５０４ａ（すなわち、チャンバ５０２の中央に最も近い引き出し電極）から、引き出し電極５０６ｃ（すなわち、チャンバ５０２の遠位端５１０上の引き出し電極）まで単調に低減する。したがって、アパーチャ５０６ａ〜ｃは、概ね円錐台の形状（例えば、階段状の円錐台形状）を画定する。
【００８３】
電位を、それぞれの引き出し電極５０４ａ〜ｃに印加することができる。いくつかの場合においては、同じ電位をそれぞれの引き出し電極５０４ａ〜ｃに印加することができる。いくつかの場合においては、異なる電位を、引き出し電極５０４ａ〜ｃのうちのいくつかまたはすべてに印加することができる。例えば、いくつかの場合においては、いずれかの電極５０４ａ〜ｃに印加される電圧は、−１００Ｖ〜＋１００Ｖの範囲とすることができる。
【００８４】
さらに、引き出し電極５０４ａ〜ｃのそれぞれの寸法は、イオン源５００のイオンビームの焦点合わせおよびイオン加速特性を調整するために変えることができる。例えば、いくつかの場合においては、それぞれの引き出し電極５０４ａ〜ｃの軸方向長さは、０．５ｍｍ〜３．０ｍｍとすることができる。別の例として、それぞれの引き出し電極５０４ａ〜ｃの直径は、１ｍｍ〜１０ｍｍとすることができる。別の例として、それぞれの引き出し電極５０４ａ〜ｃの内径は、０．５ｍｍ〜５．０ｍｍとすることができる。別の例として、最小の環状の厚さ（例えば、最も中央の引き出し電極５０４ａの環状の厚さ）は、０．５ｍｍ〜５．０ｍｍとすることができる。別の例として、最大の環状の厚さ（例えば、端５１０に最も近い引き出し電極５０４ｃの環状の厚さ）は、０．５ｍｍ〜５．０ｍｍとすることができる。実際には、実施態様に応じて、他の寸法も可能である。
【００８５】
さらに、図５においては３つの引き出し電極５０４ａ〜ｃが示されているが、これも例示的な例に過ぎない。実際には、イオン源は、任意の数の引き出し電極（例えば、１つ、２つ、３つ、４つ、５つまたはそれ以上）を含むことができる。同様に、それぞれの引き出し電極に印加される電位、および、それぞれの引き出し電極の寸法は、イオン源に異なるイオンビームの焦点合わせおよびイオン加速特性を与えるために、異なるものとすることができる。
【００８６】
いくつかの場合においては、イオン源は、電子ビームの方向に対して平行であるとともに電子ビームに一致する方向に磁場を発生させるように構成されている磁場発生器を含むことができる。これは、例えば、電子ビームの電子を、電子ビームの方向を中心として螺旋方向に進行させ、それによって、イオンチャンバ内のそれぞれの電子の経路を延長するとともに、それぞれの電子が被験物質と相互作用して該被験物質をイオン化させる可能性を高めるため、有用であるものとすることができる。
【００８７】
一例として、図６は、イオン源６００の簡略化された断面図を示している。イオン源６００は、例えば、図１および図２において示されているイオン源として使用することができる。
【００８８】
図６において示されているように、イオン源６００は、入力ポート６０２ａおよび６０２ｂ、リペラー６０４ならびに引き出し電極６０６を含む。
イオン源３００の動作中に、イオン源６００は、入力ポート６０２ａを通して被験物質（例えば、ＧＣカラムからの溶出したサンプル構成要素）を受け取る。被験物質は、リペラー６０４によって推進されてイオン化チャンバ６０８に入る。
【００８９】
イオン源３００は、（例えば、電流が流れるワイヤーフィラメントを加熱することによって）電子ビーム６１０も発生させ、電子ビーム６１０を、入力ポート６０２ｂからイオン化チャンバ６０８内に方向付ける。イオン源は、電子ビーム６１０の両端に位置決めされるとともに電子ビームの方向に対して平行な方向に位置合わせされる２つの永久磁石６１２ａおよび６１２ｂも含む。これは、（磁場のベクトル６１４によって表される）イオンチャンバ６１２内の磁場を発生させる。
【００９０】
図７は、図４において示されている例示的なイオン源４００および例示的なイオン移動チャンバ４５０、ならびに、例示的な四重極マスフィルタ７００の一部の簡略化された断面図を示している。イオン源４００、イオン移動チャンバ４５０および四重極マスフィルタ７００は、例えば、図１および図２において示されているイオン源、イオン移動チャンバおよび四重極マスフィルタとして使用することができる。図７において示されているように、イオンチャンバ４５０は、概ね円筒形の内側チャンバ７０２を画定する。イオンチャンバ４５０は、内側チャンバ７０２の長さに沿って延在するイオンガイド７０４も含む。図７において示されている例では、イオンガイド７０４は、イオンガイド軸７０８を囲む２×２形態で配置される４つの平行な導電性ロッド７０６ａ〜ｄを含み、この場合、それぞれの対向するロッドの対（例えば、７０６ａおよび７０６ｄ、ならびに７０６ｂおよび７０６ｃ）は、電気的に一緒に接続される。図７において示されている断面図によると、ロッド７０６ｂおよび７０６ｃは断面で示されており、ロッド７０６ｄは示されていない。それぞれのロッドの対間にＲＦ電圧が印加され、内側チャンバ７０２においてＲＦ電界を発生させる。イオン源４００を出るサンプルイオンは、イオン移動チャンバ４５０の内側チャンバ７０２内を通り、ＲＦ電界によって抑制され、内側チャンバ７０２およびイオンガイド７０４の長さを横切るときにイオンガイド軸７０８を中心に振動する。イオンガイド７０４のＲＦ電界は、イオンガイド軸７０８に沿う径方向の疑似ポテンシャル井戸を誘発する。
【００９１】
導電性ロッド７０６ａ〜ｄは、イオンガイド軸７０８からそれぞれ等距離にあり、イオンガイド軸７０８を中心として径方向に分散される（例えば、イオンガイド軸７０８に対して、間に９０°の角度の距離を置いて位置決めされる）。それぞれの伝導ロッド７０６ａ〜ｄおよびイオンガイド軸７０８間の距離は、変えることができる。例えば、伝導ロッドの中心までのイオンガイド軸７０８との間の径方向の距離７１０は、１ｍｍ〜１０ｍｍすることができる。
【００９２】
伝導ロッド７０６ａ〜ｄの寸法も変えることができる。例えば、それぞれの伝導ロッド７０６ａ〜ｄの長さ７１２は、１０ｍｍ〜２００ｍｍとすることができる。別の例として、それぞれの伝導ロッド７０６ａ〜ｄの直径７１４は、１ｍｍ〜１０ｍｍとすることができる。
【００９３】
実際には、実施態様に応じて、他の寸法も可能である。
それぞれの対向するロッドの対に印加されるＲＦ電圧も変えることができる。例えば、いくつかの場合においては、１０Ｖ〜１０００Ｖ超のＲＦの電圧を使用することができる。
【００９４】
いくつかの場合においては、イオンガイド７０４は、イオン移動チャンバ４５０の軸方向端のいずれかに位置決めされる付加的な電極も含むことができる。例えば、図７において示されているように、イオンガイド７０４は、イオンガイド軸７０８を囲んで配置される４つの付加的な電極である導電性電極７１６ａ〜ｄを含み、この場合、それぞれの対向するロッドの対（例えば、７１６ａおよび７１６ｄ、ならびに７１６ｂおよび７１６ｃ）は、電気的に一緒に接続される。図７において示されている断面図によると、電極７１６ｂおよび７１６ｃは断面で示されており、電極７１６ｄは示されていない。いくつかの場合においては、電極のそれぞれは、対応する伝導ロッドと軸方向に位置合わせされ、対応する伝導ロッドに電気的に接続されることができる。例えば、電極７１６ａは、ロッド７０２ａと軸方向に位置合わせされるとともにロッド７０２ａに電気的に接続されることができ、電極７１６ｂは、ロッド７０２ｂと軸方向に位置合わせされるとともにロッド７０２ｂに電気的に接続されることができ、電極７１６ｃは、ロッド７０２ｃと軸方向に位置合わせされるとともにロッド７０２ｃに電気的に接続されることができ、電極７１６ｄは、ロッド７０２ｄと軸方向に位置合わせされるとともにロッド７０２ｄに電気的に接続されることができる。これは、例えば、イオンガイド７０４が内側チャンバ７０２内でより一貫したＲＦ電界を発生させることを可能にし、それによって、イオン移動チャンバ４５０の焦点合わせ特性の性能を改善するため、有利であるものとすることができる。
【００９５】
いくつかの場合においては、イオン移動チャンバ４５０は、サンプルイオンを、イオン移動チャンバ４５０を通して軸方向にさらに押しやる軸方向の電界（すなわち、イオンガイド軸７０８に沿うサンプルイオンビームの進行経路の方向に沿って延在する電界）も発生させることができる。これは、例えば、イオン移動チャンバ４５０内の衝突が、イオン移動チャンバ４５０を通した四重極マスフィルタ内へのイオンの輸送を大幅に遅延させないことを確実にする上で、有用であるものとすることができる。
【００９６】
いくつかの場合においては、イオン移動チャンバ４５０は、ガスで加圧することもできる。例えば、図７において示されているように、イオン移動チャンバ４５０は、内側チャンバ７０２が加圧されるように、ガス源（例えば、ガスタンク）からガスを受け取るためのガスマニホールド７１８（例えば、入力ポートまたはアパーチャ）を含むことができる。ガス圧は、内側チャンバ７０２内で変えることができる。例えば、内側チャンバ７０２内のガス圧は、およそ０．１３Ｐａ〜１３．３３Ｐａ（１ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒ）とすることができる。窒素、アルゴン、ヘリウムなどの種々のガスを使用して内側チャンバ７０２を加圧することができる。
【００９７】
上記で記載したように、サンプルイオンとガス分子との衝突がサンプルイオンの運動エネルギーを消散させ、結果として、サンプルイオンの径方向への偏位および運動エネルギーを低下させる。したがって、サンプルイオンは、イオン移動チャンバ４５０の出口端７２０に達すると、改善されたビーム特性を伴って、四重極マスフィルタ７００の入口内に焦点を合わせられることができる。
【００９８】
一例として、図８は、例示的なイオン源８００、例示的なイオン移動チャンバ８１０および例示的な四重極マスフィルタ８２０の簡略化された断面図を示している。イオン源８００、イオン移動チャンバ８１０および四重極マスフィルタ８２０は、例えば、図１および図２において示されているイオン源、イオン移動チャンバおよび四重極マスフィルタとして使用することができる。イオン化された被験物質のシミュレーションされた経路が、経路８０２として示されている。図８において示されているように、イオン源８００は、被験物質（例えば、ＧＣカラムからの溶出したサンプル構成要素）を受け取り、受け取った粒子をイオン化させる。イオン化された被験物質は、イオン源８００内で焦点を合わせられ、加速されてイオン移動チャンバ８１０内に入る。イオン移動チャンバ８１０は、イオン化された被験物質の焦点をさらに合わせ、（イオン移動チャンバ８１０内で加圧されるガスの衝突に起因して）イオン化された被験物質の運動エネルギーを低下させる。続いて、イオン化された被験物質は、さらなる処理のためにマスフィルタ８２０内に注入される。
【００９９】
いくつかの場合においては、ガス分子は、ガスの方向性のある流れをイオン移動チャンバ内で誘発するように、イオン移動チャンバ内に方向性を有して注入されることができる。これは、例えば、そのような方向性のあるガス流がない場合よりも、サンプルイオンの径方向への偏位および運動エネルギーをより迅速に低下させるとともに、軸方向の電界の存在下または非存在下で、イオンが進行中に衝突冷却を受けるときの、軸に沿ったイオンの連続的な移動を促進することができるため、有利であるものとすることができる。一例として、ガス分子は、ガスの流れが、イオン移動チャンバの入口からイオン移動チャンバの出口の方向に、イオン移動チャンバの延在の軸に沿って延在するように、注入することができる。
【０１００】
一例として、図９は、例示的なイオン源９００、例示的なイオン移動チャンバ９１０および例示的な四重極マスフィルタ９２０の簡略化された断面図を示している。イオン源９００、イオン移動チャンバ９１０および四重極マスフィルタ９２０は、例えば、図１および図２において示されているイオン源、イオン移動チャンバおよび四重極マスフィルタとして使用することができる。図９において示されているように、（点線９０２によって表されている）ガス分子は、（例えば、ガスダクトまたは導管９０４を介して）イオン移動チャンバ９１０内に方向性を有して注入される。ガス分子は、（例えば、イオン移動チャンバ９１０の延在軸９０６に沿う軸方向に）イオン移動チャンバ９１０を横切って流れ、方向性のあるガスジェットを形成する。このガスジェットは、イオン移動チャンバ９１０を通してサンプルイオンを推進する。
【０１０１】
いくつかの場合においては、ガス分子は、イオン移動チャンバ内に方向性を有して注入されることができ、それによって、結果として生じるガスジェットは、サンプルイオンに対して、軸方向の力および（例えば、軸方向の力に対して直交する）径方向の力の双方を与える。例えば、図９において示されているように、イオン移動チャンバは、ガス分子の焦点を径方向に合わせて幅狭の流れにする焦点合わせまたは収束構造９０８（例えば、バッフルまたはフランジ）を含むことができる。これは、例えば、サンプルイオンをさらにコンパクトにするとともに、サンプルイオンの径方向の偏位をさらに低下させるために有用であるものとすることができる。
【０１０２】
複数の実施形態を記載した。それにもかかわらず、本発明の主旨および範囲から逸脱することなく、種々の変更を行ってもよいことが理解されるだろう。したがって、他の実施形態が特許請求の範囲の範囲内にある。
【図１】
2020513154.tif 000003
【図２】
2020513154.tif 000004
【図３Ａ】
2020513154.tif 000005
【図３Ｂ】
2020513154.tif 000006
【図４】
2020513154.tif 000007
【図５】
2020513154.tif 000008
【図６】
2020513154.tif 000009
【図７】
2020513154.tif 000010
【図８】
2020513154.tif 000011
【図９】
2020513154.tif 000012
【国際調査報告】
2020513154.tif 000013