JP2019012704A - イオン操作方法及びイオン操作装置 - Google Patents

Abstract

【課題】実質的に無損失であり、イオン操作の広範囲の作用順序を可能とするイオン操作装置およびイオン操作方法【解決手段】イオン操作装置イオン操作装置は、イオンを受けるための空間を画定する長手軸線方向に延在する第１の表面および第２の表面を含み、表面に結合した内側電極アレイが、ＲＦ電圧を受け、イオンが第１および第２の表面に接近することを防止する擬似電位を形成し、内側電極アレイの少なくとも２つの電極が、長手方向軸線に沿って隣接して位置付けられ、第１の外側電極アレイ及び第２の外側電極アレイが、各々、第１のＤＣ電圧を受け、第１のＤＣ電位を形成し、擬似電位および第１のＤＣ電位により、第１の表面と第２の表面との間でイオンの運動を操作する。【選択図】図１Ａ

Description

本発明はガス中でのイオン操作に関するものである。

より詳細には、本発明は、電極を介してイオンを操作するためのＲＦ電場及び／又はＤＣ電場の使用、および１つ又は複数の表面及び表面上に構築された構造体を有する装置内でのこの操作の複雑な順序の構築に関するものである。

質量分析、並びにイオンの使用、操作及び分析を伴う他の技術の役割が拡大しつづけるが、高圧領域を通ってのる輸送、反応（イオン−分子及びイオン−イオンの両方）及びイオン移動度分離を含むイオン操作の広範囲の順序のために現在使用される手法によって、新たな機会が制限されてしまう可能性がある。

このような操作がより複雑になるにつれ、従来の器具設計及び従来のイオンの光学的手法が、次第に非実用的、高価及び／又は非効率になっている。

本発明はガス中でイオンを操作するための装置及び方法を対象とする。一具体例によれば、実質的に無損失（ｌｏｓｓｌｅｓｓ）であり、イオン操作の広範囲の作用順序を可能とするイオン操作装置が開示される。この装置は一対の表面を有し、表面のいずれかに荷電粒子が接近することを妨げる擬似電位（ｐｓｅｕｄｏｐｏｔｅｎｔｉａｌ）が形成され、表面間でのイオンの移動を制御及び制限するためにＤＣ電位も同時に印加される。

具体的には、この装置は、第１の外側アレイの電極及び第２の外側アレイの電極によって囲まれた内側アレイの電極を有する２つの実質的に同一又は同一の表面を含む。各外側アレイの電極は内側電極の両側に配置され、内側アレイの電極と同様の形で各平行な表面に設けられて実質的にその長さに沿って延在する。ＤＣ電位が第１及び第２の外側アレイの電極に印加される。重畳する電場と共にＲＦ電位が内側電極のアレイに印加される。

重畳する電場は静的な電場であっても動的な電場であってもよい。限定しないが、静的な電場はＤＣ勾配であってよい。限定しないが、動的な電場は進行波であってよい。

一具体例によれば、２つの表面の電極構成が等しく、その結果、類似の又は等しい電圧が両方の表面に印加される。しかし、電極の正確な構成は異なっていてよく、２つの対向する表面に印加される正確な電圧も異なってよい。

この対の表面は実質的に平面であってよく、略平行であっても平行でなくてもよく、又は、平坦でなくてもよい。

一具体例によれば、ＲＦ電位は、ＤＣ電位と共に、第１及び第２の外側電極アレイに印加される。別の具体例では、ＲＦ電位が２つの表面のうちの１つの表面のみに印加される。別の具体例では、ＲＦ電位が両方の表面に印加される。

一具体例によれば、装置の全体又は一部の電場は、ガス流れの方向にイオンを移動させるためのガス流れに置き換えることができる。

一具体例によれば、少なくとも１つの内側電極のＲＦはその隣接する内側電極から位相がずらすことができる。一具体例によれば、各電極のＲＦは、反発的な擬似電位を形成するように隣接する内側電極から位相シフトされる。一具体例では、各電極のＲＦは、擬似電位を形成するように隣接する内側電極から位相が約１８０°ずらされる。

一具体例によれば、内側電極のアレイは、対の表面に少なくとも２つの電極を備える。別の具体例では、第１の外側アレイの電極及び第２の外側アレイの電極の各々が、対の表面に少なくとも２つの電極を備える。装置は、電極の間に絶縁物質又は抵抗物質を有することができる。

電極に印加されるＲＦ電圧は０．１ｋＨｚから５０ＭＨｚまでの間であり、電場は０ボルト／ｍｍから５０００ボルト／ｍｍまでの間であり、動作圧力は０．１３３Ｐａ（１０^−３トル）未満から概略大気圧までであるか又はそれより大きい。

一具体例によれば、電極は少なくとも１つの表面に対して垂直である。代替的具体例では、電極は少なくとも１つの表面に平行である。電極は、表面上に薄い導電層を設けることができる。

特定の具体例によれば、装置が複数対の表面を備え、異なる対の表面の間を移動させるためにアパーチャを通してイオンを運ぶことが可能である。

対の表面上の電極は、１つ又は複数の異なる構成を形成できる。これらの構成は限定しないが、Ｔ形構成の分岐部分のところでイオンを方向転換させることを可能にする概略Ｔ形構成、Ｙ形構成の分岐部分のところでイオンを方向転換させることを可能にする概略Ｙ形構成、Ｘ形若しくはクロス形構成の一方若しくは両方の側の分岐部分のところでイオンを方向転換させることを可能にする概略Ｘ形又はクロス形構成、及び／又は、構成の１つ若しくは複数の側の分岐部分のところでイオンを方向転換させることを可能にする複数の分岐点を有するアスタリスク（＊）形構成などの概略多角形構成が含まれる。

一具体例によれば、電場が、円形経路、長方形経路又は他の不規則な経路でイオンを移動させることを可能にし、それによりイオンを２回以上通過させることが可能となり、一例として、より高い分解能のイオン移動度分離を達成することができる。

表面間の空間は、不活性ガス、又は、イオンとイオンとが反応するガスで充填されてよい。

サイクロトロン・ステージのスタックが装置と共に使用できる。例えば、異なる範囲のイオン移動度を異なるサイクロトロン・ステージで分離することが可能となる。要するに、混合物中のイオンの全範囲をカバーできる。

電場はイオンを反応又は解離させるように増大できる。

装置は、電荷検出器、光学検出器及び／又は質量分析器のうちの少なくとも１つに結合できる。

一具体例によれば、装置は、プリント回路基板技術を使用して製作されて組み立てられることができ、質量分析器にインターフェース接続できる。

装置はイオン移動度分離及び／又は微分型イオン移動度分離（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｉｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）（例えば、ＦＡＩＭＳ）を実施するために使用できる。

イオンは、光イオン化、コロナ放電、レーザー・イオン化、電子衝撃、フィールド・イオン化、電子スプレー、又は、この装置と共に使用されるためのイオンを生成するための他の任意のイオン化技術を使用して、装置の外側又は内部に形成できる。

本発明の別の具体例によれば、イオン操作装置が開示される。この装置は、一対の略平行な表面を有する。この装置が、各平行な表面に設けられて実質的にその長さに沿って延在する内側電極のアレイをさらに有する。装置は、第１の外側アレイの電極及び第２の外側アレイの電極をも有し、これらの各々が内側電極の両側に配置され、各平行な表面に設けられて実質的にその長さに沿って延在し、ここでは、平行な表面のいずれかに荷電粒子が接近することを妨げる擬似電位が形成される。装置は、ＲＦ電圧源及びＤＣ電圧源をも有し、ここでは、第１のＤＣ電圧源が第１及び第２の外側アレイの電極に印加され、また、第２のＤＣ電圧が各電極に印加されることにより、重畳する電場と共にＲＦ周波数が内側電極に印加され、その結果、イオンを、平行な表面の間のイオン閉じ込め領域（ｉｏｎ ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ ａｒｅａ）内を電場の方向に移動させるか又はイオン閉じ込め領域内にトラップすることが可能になる。

一具体例によれば、電極に印加されるＲＦ周波数は０．１ｋＨｚから５０ＭＨｚまでの間である。ＲＦのピーク間電圧（ｐｅａｋ−ｔｏ−ｐｅａｋ ｖｏｌｔａｇｅ）は約１０ボルトから２０００ボルトまでである。電場は約０ボルト／ｍｍから約５０００ボルト／ｍｍまでの間であり、圧力は０．１３３Ｐａ（１０^−３トル）から大気圧までの間である。

一具体例では、１つ又は複数の電極が表面から０．５ｍｍから１０ｍｍまでのレリーフを有し、その結果、電極間での表面の帯電を原因とする装置性能の低下が防止される。

本発明の別の具体例によれば、イオンを操作する方法が開示される。この方法が一対の略平行な表面の間にイオンを射出することを含み、ここでは、各対の平行な表面が、内側電極のアレイと、内側電極の両側にある第１及び第２のアレイの外側電極とを有する。この方法は、表面の間でイオンを閉じ込めるためにＲＦ電場を印加することをさらに含む。この方法は、側方にイオンを閉じ込めるために、内側電極に印加される第２のＤＣ電場に等しいか又はそれより大きい第１のＤＣ電場を外側電極に印加することも含む。この方法は、さらなる閉じ込めのために及び電場によって設定される方向に沿わせてイオンを移動させるために、ＲＦ電場に第２のＤＣ電場を重畳することも含む。

一具体例によれば、この方法が、対の平行な表面のうちの少なくとも１つに設けられたアパーチャを通してイオンを運ぶことをさらに含み、ここでは、イオンが別の対の平行な表面の間まで移動する。

本発明の別の具体例によれば、イオン操作装置が開示される。この装置は、複数の対の略平行な表面を有する。装置が、各平行な表面に設けられて実質的にその長さに沿って延在する内側電極のアレイをさらに有する。この装置は、複数の外側アレイの電極も有し、ここでは、少なくとも１つの外側アレイの電極が内側電極の両側に配置される。各外側アレイが各平行な表面に設けられて実質的にその長さに沿って延在し、それにより、外側アレイの電極の方向にイオンを移動させることを妨げることができる電位が形成され、この電位は、平行な表面のいずれかに荷電粒子が接近することを妨げるための内側アレイの電極に印加される電位によって作られる擬似電位と併せて作用する。装置は、ＲＦ電圧源及びＤＣ電圧源も有する。ＤＣ電圧が複数の外側アレイの電極に印加される。ＤＣ電圧を各電極に印加することにより、重なるＤＣ電場と共にＲＦ電圧が内側電極に印加され、その結果、イオンが、平行な表面の間のイオン閉じ込め領域内を電場の方向に移動するようになるか、又は、その移動（モーション）が特定の領域に閉じ込められてその結果イオンがイオン閉じ込め領域内でトラップされるようになる。別の対の平行な表面までイオンを運ぶこと又は複数の対の平行な表面を通してイオンを運ぶことが、表面のうちの１つ又は複数の表面内にあるアパーチャを介して可能となる。

本発明の別の具体例では、電極が表面からの有意なレリーフを有する。このようなレリーフの領域は電場を変化させるために使用できるか、又は、電極間の非導電性領域の帯電による効果を防止するためにも使用できる。このような設計は、イオンの閉じ込めが不完全となるような領域内で特定の値を有しており、不完全となる領域は、イオン−分子又はイオン−イオンの反応により、効果的なイオンの閉じ込めのためには高すぎるか又は低すぎるかのいずれかであるｍ／ｚ値を有するイオン生成物が生成されるような反応領域などである。このような場合、この反応領域のみが表面から延在する電極を必要とする可能性があり、またこのような場合、これらの領域が２つの表面の間に異なる間隔を有してよく、または、しばしばより大きい間隔を有することができる。

本発明の別の具体例によれば、２つ以上の別個の周波数及び異なる電場を有するＲＦ電位が２つの表面の電極のアレイに同時に印加され、ここでの印加パターンは、単一周波数のＲＦ電位で実現可能となるよりも有意に大きいｍ／ｚ範囲において、略平行な表面の一方又は両方に荷電粒子が接近することを妨げる擬似電位を形成するようなパターンである。

本発明の別の具体例では、中央電極又は内側電極の各々が２つ以上の電極に置き換えられ、隣接し合う電極に異なる位相のＲＦが印加され、その結果、表面のうちの１つの表面に近接するイオンのために形成されるトラップが大幅に縮小され、それにより、可能性としてのトラップ効果が低減される、又は、特には上限に近いイオン電流が伝達される場合の伝達され得るｍ／ｚ範囲が縮小される、などといったように、性能が向上する。

本発明の一具体例による、イオン操作装置の電極構成を有する個別の平行な表面の一部分を示す概略図。 本発明の一具体例による、イオン操作装置の一部分を示す概略図。 本発明の一具体例による、イオン操作装置のための、電極構成を有する個別の平行な表面の一部分と、イオン閉じ込め領域とを示す概略図。 本発明の一具体例による、イオン操作装置のための電極構成を有する個別の平行な表面を示す概略図。 本発明の一具体例による、イオン操作装置を示す概略図。 本発明の一具体例による、イオン操作装置を示す概略図。 本発明の一具体例による、ＤＣ電位及びＲＦ電位が図４Ａの装置に印加されている場合の閉じ込められるイオンを示す図。 本発明の一具体例による、イオン操作装置のＴ形構成でのイオン・スイッチのシミュレーションを示す図。 本発明の一具体例による、イオン操作装置のＴ形構成でのイオン・スイッチのシミュレーションを示す図。 本発明の一具体例による、イオン操作装置のＴ形構成でのイオン・スイッチのシミュレーションを示す図。 本発明の一具体例による、イオン操作装置内でのイオン−イオン反応の場合の二重極性トラップ領域を示す図。 本発明の一具体例による、イオン操作装置の「エレベータ（ｅｌｅｖａｔｏｒ）」構成でのイオン・スイッチのシミュレーションを示す図であり、ここでは、イオンが１つ又は複数のアパーチャを通して運ばれ、異なる対の平行な表面の間を移動する。 本発明の一具体例による、イオン操作装置の、複数の高さを有する「エレベータ」構成でのイオン・スイッチのシミュレーションを示す図であり、ここでは、イオンが１つ又は複数のアパーチャを通して運ばれ、異なる対の平行な表面の間を移動する。 本発明の一具体例による、高い分解能の分離のためのイオン移動度サイクロトロン（ｉｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ）として実施されるイオン操作装置を示す図。 本発明の一具体例による、イオン源のアレイと質量分析器装置のアレイとの間で結合されるイオン移動度装置（ｉｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｄｅｖｉｃｅ）を示す図である。

本発明は、イオンを操作するための装置、機器及び方法を対象とする。本発明は、損失を最小にするか損失をゼロにしながら、気相中のイオンを操作するために電場を使用して、電場によって決定される経路、トラップ及びスイッチを形成する。この装置の具体例によれば、離間配置されて各々が導電性電極を用いてパターンが作られた２つの表面の間の空間内で、イオンの分離、運搬、経路スイッチ及びトラップの複雑な作用順序の実施が可能になる。一具体例によれば、本発明は密接な間隔の電極のアレイによって作られる非一様な電場を使用し、これらの電極には容易に発生できるピーク間ＲＦ電圧（Ｖ_ｐ−ｐ〜１００Ｖ；〜１ＭＨｚ）が印加され、ここで、隣接し合う電極が反対の極性を有し、それにより、イオンの表面への接近を防止するのに効果的な電位場又は擬似電位場が作られる。これらのイオン閉じ込め電場はＲＦ電位及びＤＣ電位の組合せにより得られ、ここでは、ＲＦ電位が、とりわけ、表面に対して特定のｍ／ｚ範囲においてイオン及び荷電粒子の損失を防止するための擬似電位を作り出す役割を担い、ＤＣ電位が２つの表面同士間の領域の特定の所定経路にイオンを閉じ込めるために使用されるか又は表面に平行にイオンを移動させるために使用されるという役割を担う。この閉じ込めは、一定の圧力範囲（＜０．１３３Ｐａ（０．００１トル）〜１３３ｋＰａ（１０００トル））にわたって、且つ、有用で広範囲の調整可能な質量／電荷数（ｍ／ｚ）の範囲において機能する。特に重要なのは、質量分析器によって分析可能なイオンを操作する能力であり、ここでは、例えばｍ／ｚが２０から＞５０００であるといったような有用なｍ／ｚ範囲においてイオンを容易に操作するのに＜１３．３Ｐａ（０．１トル）〜６．６ｋＰａ（５０トル）までの圧力が使用できる。この効果的な電位により、イオン損失を防止するために側方の電極に印加されるＤＣ電位と併せて作用し、印加されるＤＣ電場内での任意の勾配の結果としてイオンを効果的に無損失で保持するために及び／又はイオンを効果的に移動させるために、２つの表面の間の隙間内にイオン・トラップ及び／又はルートを作ることが可能になる。

一具体例によれば、本発明は、イオンを操作するためのＲＦ電場及びＤＣ電場の使用を開示する。限定ではないが、操作には、イオン経路を制御すること、イオンを分離すること、イオンを反応させること、さらには、トラップ領域にイオンを加えることによりイオンをトラップして蓄積することが含まれる。「イオン・コンベア」又は無損失イオン操作のための構造（ＳＬＩＭ）と称することのできるイオン操作装置が、イオンの動きを制御するために、略平行な表面上にある電極のアレイを使用する。ＲＦ電位及びＤＣ電位の組合せが電極に印加され、それにより、イオンを運ぶための及びイオンをトラップするための経路が作られる。平行な表面は、限定しないが、プリント回路基板技術又は３Ｄプリントを使用して製作できる。

図１Ａは、本発明の一具体例によるイオン操作装置のための、外側電極１２０の第１及び第２のアレイ及び内側電極１３０のアレイを含む一つの平行な表面１００の一部分の概略図である。内側電極１３０のアレイが表面１００に設けられて実質的にその長さに沿って延在する。また、内側電極１３０の両側に配置された外側電極１２０のアレイも表面１００に設けられて実質的にその長さに沿って延在する。

図１Ｂは、本発明の一具体例によるイオン操作装置２００の一部分の概略図である。装置２００は一対の略平行な表面２１０及び２１５を有する。各表面が、内側電極２３０のアレイと、外側電極２２０の第１及び第２のアレイとを含む。外側電極２２０のアレイが内側電極２３０のアレイの両側に配置される。電極２２０及び２３０のアレイが各平行な表面２１０及び２１５に設けられて実質的にその長さに沿って延在する。対向する表面上の電極構成は同じにでき、印加される電場も等しくできる。別法として、装置間でのイオンの移動（モーション）及びトラップに影響を与えるために、電極構成の詳細又は印加される電場のいずれかは異ならせることができる。

装置２００の一部には、ＲＦ電圧源及びＤＣ電圧源（図示せず）も含まれる。一具体例では、ＤＣ電圧が電極２２０の第１及び第２の外側アレイに印加される。隣接し合う電極上で反対の極性を有するＲＦ電圧が、ＤＣ電場に重ねて、電極２２０の内側アレイに印加される。図２の構成では、このように印加されたＲＦ電場及びＤＣ電場を用いて、印加されるＤＣ電圧に応じて、イオンを平行な表面２１０及び２１５の間のイオン閉じ込め領域内で電場の方向に移動させるか、又はイオン閉じ込め領域内にトラップすることができる。

一具体例では、少なくとも１つの内側電極上のＲＦは隣接する内側電極から位相をずらすことができる。別の具体例では、各内側電極は、平行な表面のいずれかに荷電粒子が接近することを妨げる擬似電位を形成するように、隣接する内側電極から位相を１８０°ずらされる。別の具体例では、各内側電極が、各々にＲＦが印加されてそのうちの１つ又は複数の電極が隣接する内側電極から位相がずらされるような２つ以上の電極に置き換えられる。

この電場は、円形経路又は長方形経路でイオンを移動させ、それによりイオンを２回以上通過させることが可能となる。サイクロトロン・ステージのスタックが装置２００と共に使用できる。イオンが円形経路を横断するようなサイクロトロンを用いる構成では、物理的サイズを小さくしながら移動度分離の分解能を非常に高めることが可能になる。

一具体例では、内側電極２２０のアレイが一対の平行な表面２１０及び２１５上に少なくとも２つの電極を備える。第１の外側アレイの電極及び第２の外側アレイの電極２２０の各々が、一対の平行な表面２１０及び２１５上に少なくとも２つの電極を備えることができる。

一具体例ではＲＦがＤＣ電位と共に電極２２０に同時に印加され、別の具体例では、隣接する外側電極に印加されるＲＦが反対の極性を有する。

一具体例では、表面２１０及び２１５の間の空間が、イオンと反応するガス又は他の蒸発種若しくは分散種を有することができる。

一具体例では、電極２２０が、反対の極性を有するＤＣ電位を印加される中央電極からさらに変位した追加のセットの電極によって増強される。それらは反対の極性を有し、イオンを閉じ込めること又は分離させることが可能となる。

装置２００は他の装置、機器及びシステムに結合できる。限定しないが、これらには、電荷検出器、光学検出器及び／又は質量分析器が含まれる。装置２００を用いて可能となるイオン移動度分離は、任意の移動度の分解種（ｒｅｓｏｌｖｅｄ ｓｐｅｃｉｅｓ）を複数回分離させることを介して、濃縮、選択、回収及び蓄積のために使用できる。

装置２００はイオン移動度分離の実施に使用できる。

一実施例では、電極２３０に印加されるＲＦ周波数は０．１ｋＨｚから５０ＭＨｚまでの間であり、電場は０ボルト／ｍｍから５０００ボルト／ｍｍまでの間である。

一実施例では、電極２２０及び２３０は少なくとも１つの表面に対して垂直であり、表面２１０及び２１５上に薄い導電層を備えることができる。

装置２００は略平行な表面の複数対を有することができ、それにより、異なる対の表面間を移動させるためにアパーチャを通してイオンを運ぶことが可能となる。

一対の表面２１０及び２１５上の電極が、多くの異なる構成のうちの１つの構成を形成することができる。一具体例では、表面２１０及び２１５は概略Ｔ形構成を形成し、それによりＴ形構成の分岐部分のところでイオンを方向転換させることが可能となる。別の具体例では、表面２１０及び２１５が概略Ｙ形構成を形成し、それによりＹ形構成の分岐部分のところでイオンを方向転換させることが可能となる。別の具体例では、表面２１０及び２１５が概略Ｘ形構成又はクロス形構成を形成し、それによりＸ形構成の１つ又は複数の側の分岐部分のところでイオンを方向転換させることが可能となる。別の具体例では、表面２１０及び２１５が、複数の分岐点を有するアスタリスク（＊）形構成などの概略多角形を形成し、それによりこの構成の１つ又は複数の側の分岐部分のところでイオンを方向転換させることが可能となる。装置は任意の数のこのような要素から構成できる。

表面上の電極は、図１に示されるような長方形に限定されず、任意の形状を有することができる。例えば、電極は円形であるか、楕円形状若しくは長円形状を有するか、又は、丸みのついた角部を有する長方形であってもよい。

図２は、本発明の一具体例による、イオン操作装置のためのイオン閉じ込め領域３４０を備える電極構成３２０及び３３０を有する個別の平行な表面３００の概略図である。静的なＤＣ電圧が外側電極３２０に印加され、ＲＦが内側電極３３０に印加できる。各中央電極が、隣接する電極から位相がずれるようにＲＦを印加されることができる。

各外側電極３２０に印加される電圧が継続的に低くなるとともにＤＣ電場又は他の電場がＲＦに重畳して内側電極３３０に印加されることにより、図２の装置を通ってイオンが移動するようになり、これは、極性及び所望される移動方向に応じて、左から右に移動するか又は右から左に移動する。この電場はイオンを右に押し込み、ＲＦ電場及びＤＣ電場も、示されるようにイオンを装置の中央領域に閉じ込める。負イオン及び正イオンの両方を操作することを可能にするために電圧極性は変更できる。

図３Ａは、本発明の一具体例による、イオン操作装置のための、一電極構成を有する個別の平行な表面４００の概略図である。表面４００が、ＤＣ電圧によって個別にプログラム可能な電極４５０と、負のＲＦ電圧に関連付けられる電極４３０と、正のＲＦ電圧に関連付けられる電極４３５とを有する。ここでの負及び正のＲＦはＲＦ波形の位相を意味する。

図３Ｂは、本発明の一具体例によるイオン操作装置５００の概略図である。イオン操作装置５００が、図３Ａの表面４００と同様の略平行な表面５１０及び５１５を有する。装置５００が、ＤＣ電圧によって個別にプログラム可能な電極５５０と、負のＲＦ電圧に関連付けられる電極５３０と、正のＲＦ電圧に関連付けられる電極５３５とを有する。この構成では、イオンが表面５１０及び５１５間で閉じ込められる。イオンは電場によって規定された方向に移動する。

図４Ａは、本発明の一具体例によるイオン操作装置の概略図である。中央又は内側電極が隣接する電極とは反対の極性を有するように印加されたＲＦ電場を有し、それにより、表面の近くにまでイオンが接近することを防止するための場が作られる。イオンは、外側電極に印加されるＤＣ電場下でのそれらの移動度に従って移動する。

図４Ｂは、本発明の一具体例による、イオン操作装置の電極を有する表面同士の間でのイオンのトラップ量を示す。正及び負の荷電イオン粒子の両方がイオン操作装置の重複領域内で閉じ込められる。これは、外側電極の複数のアレイを使用してＲＦ電位及びＤＣ電位の両方を印加することにより達成できる。

本発明の装置により、少なくとも、（ａ）直線的なイオンの移動及び移動度分離、（ｂ）角部（例えば、９０度の湾曲部）に沿わせたイオンの輸送、（ｃ）少なくとも２つの経路のうちの１つの経路にイオンを誘導するためのイオン・スイッチ、（ｄ）複数の高さを有するイオン操作装置の異なる高さの間でイオンを輸送するためのイオン・エレベータ、および（ｅ）１つの極性のイオンをトラップして蓄積して反応させるためのイオン・トラップが無損失で可能になる。これらの装置は、イオン移動度サイクロトロンなどのより複雑なイオン操作装置のためのコア・モジュールを作るために組み合わせられる。一実施形態では、いくつかのモジュールを統合することにより、限定された移動度範囲の種に対して最高で約１０００の分解能を達成しながら、０．１秒〜１０秒のオーダーの時間にわたってイオンを分離することを可能にする単一の高さの装置を製作することができる。分解能が向上することにより、移動度の範囲が縮小され、また、全体の生体分子イオン混合物から分離できる画分も縮小される。このようにして、イオン移動度サイクロトロン・モジュールが有用で的を絞った分離／分析能力を提供することができる、ここでは、限定されるサブセットの種の情報が所望される。

統合された装置は、移動度スペクトル全体の異なる部分を各々がカバーするモジュールのスタックから構成できる。これらは、共同で、１つの試料のために必要となるイオン移動度の全範囲をカバーするような分離を提供し、同時に、試料からのすべてのイオンを効率的に使用することも可能にする。統合される装置は、低分解能の分離を提供するために、イオン・スイッチ、イオン・エレベータ及びイオン・トラップの構成要素を活用することができ、このような分離は、試料からイオンの断片を分割させて、イオン・エレベータを使用して別のサイクロトロンのところまで送る。

図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃが、本発明の一具体例による、イオン操作装置のＴ形構成でのイオン・スイッチのシミュレーションを示す。これらのイオン経路はスイッチ要素を使用して制御できる。図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃに示されるように、イオン経路は、装置の電極構成を修正することにより及び／又はＲＦ電圧及びＤＣ電圧を変更することにより、動的又は静的に変更できる。イオンは図５Ａに示されるように分岐部分のところで方向転換でき、図５Ｂに示されるように直線経路を移動することができ、及び／又は、図５Ｃに示されるように分岐部分のところの角部に沿ってカーブすることができ、すなわち曲がることができる。別法として、装置の対の平行な表面が、限定しないが、Ｙ形構成、Ｘ形又はクロス形構成、及び、他の多角形形状などの他の構成を形成することもできる。

図６が、本発明の一具体例による、イオン操作装置内でのイオン−イオン反応の場合の二重極性トラップ領域を示す。正及び負の異なる極性のイオンが、複数のセットの電極を使用してＲＦ電位及びＤＣ電位の両方を印加することにより、装置の２つの表面の間の少なくとも部分的に重複する物理体積部内で同時にトラップできる。反応速度又は反応生成物を変化させることを目的として正又は負に荷電されるイオンのいずれかを加熱して励磁するために、追加のＲＦ電位又はＤＣ電位が印加できる。

図７が、本発明の一具体例による、イオン操作装置の「エレベータ」構成でのイオン・スイッチのシミュレーションを示している。ここでは、イオンが１つ又は複数のアパーチャを通して運ばれ、異なる対の平行な表面間を移動する。これにより、イオン操作装置を使用して複数の面でイオンを操作することが可能となる。いくつかの具体例では、異なる高さの間を運ぶときの効率を向上させるために追加の電極が加えられ、これには、隣接し合う電極で異なる極性を有するＤＣ及び／又はＲＦ電位を有する電極が含まれる。

図８が、本発明の一具体例による、イオン操作装置の複数の高さを有する「エレベータ」構成でのイオン・スイッチのシミュレーションを示しており、ここでは、イオンが１つ又は複数のアパーチャを通して運ばれ、異なる対の平行な表面間を移動する。

図９は、イオン移動度サイクロトロンとして実施されるイオン操作装置を示す概略図である。まず、イオン源から入ってくるイオンがトラップされ、次いで、第１の低分解能分離が行われる。分離した対象のイオンがトラップされ、次いで、可能性として１０００を超える分解能を達成するサイクロトロンでの分離のために射出される。スイッチング・ポイントでイオンは少なくとも２つの経路のうちの１つの経路に誘導される。回転するＤＣ電場内で切り替わるところのスイッチング・ポイント及び湾曲部である合計で４つのポイントが、サイクロトロン運動を引き起こすために適用できる。

図１０が、本発明の一具体例による、イオン源のアレイと質量分析器装置のアレイとの間で結合されるイオン移動度装置を示す。図１０に示されるように、本発明は、イオン源のアレイを使用して複数のイオンを並行して分離することによる多重の試料分析をも可能にし、これは、装置を通って移動するときに分離され、高速・高ダイナミック・レンジの飛行時間（ＴＯＦ）型質量分析器（ＭＳ）のアレイを使用して検出される。

以下の例は本発明の特定の実施例及び態様を例示するためのものであり、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

図１Ｂに示される装置を使用して、外部ＥＳＩ源から射出されるイオンを操作した。装置のデザインを改善するためにシミュレーションを行った。例えば、電極のサイズ及び平坦な表面間の間隔を調整した。効率的なイオン輸送、イオン移動度分離、イオン・トラッピング、及び、選択肢である通路又は経路の間でのイオン・スイッチングを含む性能を試験するための電極領域を有する基板を製作した。

一試験では、外部ＥＳＩ源からイオンを導入し、〜５３３Ｐａ（４トル）の圧力でイオン通路のうちの１つの通路にイオンを射出した。対向する基板表面の間のイオン通路内にイオンを閉じ込めるための反発的な電場を作るために、約１．４ＭＨｚ、１４０Ｖ_ｐ−ｐのＲＦ周波数を印加した。この通路でのさらなる閉じ込めのために、また、それらのイオン移動度に基づいて通路に沿わせてイオンを移動させるために、ＲＦ電場にＤＣ電場を組み合わせた。分離する電極を使用して、種々のロケーションでイオン電流を測定して装置の異なる領域を介してのイオン透過効率を評価した。初期測定で、イオンがこれらの装置に効率的に導入でき、さらに損失を最小にしてこれらの装置を通して輸送できることが示された。

本発明の装置は、その多様な具体例を含めて、非常に低コストで製造でき、また、非常に高い適応性を有することから、質量分析における多くの異なる領域に適用することが可能である。一例として、この装置はプリント回路基板技術を使用して製作されて組み立てられ、質量分析器にインターフェース接続できる。また、この装置は無損失とできる。この装置を用いることにより、イオン移動度分離と複雑なイオン操作との方針が容易に実施できるようになる。

本発明の装置は、その多様な具体例を含めて、有意な厚さを有ししたがって一方の表面又は両方の表面からの実質的なレリーフを有する電極を使用することによりその性能が変更できる。この厚さは電極間で異なっていてよく、個々の電極が多様な厚さを有することができる。これらの電極は、非常に薄い電極（例えば、従来のプリント回路基板などの上に付着される表面）では実際的ではないような電場を作るのに使用できる。そのような電極を備える装置の領域は、良好に制御された電場を提供することができる。また、電極間表面の帯電を原因として電場に歪みが生じることで性能が低下することを防止することができる、反応によって作られるイオンのｍ／ｚが非常に低いか又は非常に高い場合などの、イオンの閉じ込めを不完全又は無効化にすることができる特定の値を有する。

本発明の具体例は、例えば、プロテオミクス、メタボロミクス、リピドミクス、グライコミクス、さらには、広範囲の生物学的測定及び化学測定へのその適用、及び、適用可能な研究分野での、分析能力を向上及び拡張させることができる。このイオン操作装置を利用することにより、化学システム、環境システム又は生物システムを理解することに関連する測定をより迅速、より安価及びより高感度にすることができる。本発明は、従来の液相での手法を補強することができるか又は従来の液相での手法に完全に取って代わることができるような、気相中でイオンを複雑に操作することを伴うＭＳベースの手法を可能にする。本発明はまた、ほぼ無損失で長時間にわたって分離させること及びその他のイオン操作を行うことを可能にする。これらの能力により、非常に高速で、高分解能の、イオンの気相分離が可能となる。

本発明の構成及び動作の原理を理解することを容易にするために、細部を含めた特定の具体例に関連させて本発明を説明してきた。したがって、本明細書において特定の具体例及びその細部を参照することは添付の特許請求の範囲を限定することを意図されない。例示のために選択されたこれらの具体例において本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく変更が行われ得ることは当業者には明らかであろう。

Claims (19)

1. イオン操作装置であって、
   イオンを受けるための空間を画定する長手軸線方向に延在する第１の表面および第２の表面を含む少なくとも１対の表面を備え、前記第１の表面および第２の表面の各々は、
   前記表面に結合した内側電極アレイであって、該内側電極アレイは、ＲＦ電圧を受け、イオンが前記第１の表面および第２の表面に接近することを防止する擬似電位を形成するように構成され、前記内側電極アレイの少なくとも２つの電極が、前記長手方向軸線に沿って隣接して位置付けられている、前記内側電極アレイと、
   前記表面に結合した第１の外側電極アレイ及び第２の外側電極アレイであって、前記第１の外側電極アレイおよび前記第２の外側電極アレイは、各々、第１のＤＣ電圧を受け、第１のＤＣ電位を形成するように構成され、前記擬似電位および前記第１のＤＣ電位により、前記第１の表面と第２の表面との間でイオンの運動を操作するようになっている、前記第１の外側電極アレイ及び前記第２の外側電極アレイと
   を備える、イオン操作装置。
2. 前記内側電極アレイは、第２のＤＣ電圧を受け、第２のＤＣ電位を形成するように構成され、該第２のＤＣ電位は、イオンを前記長手軸線方向に駆動させるようになっている、請求項１に記載されたイオン操作装置。
3. 前記第２のＤＣ電圧が、前記長手軸線方向のＤＣ勾配である、請求項２に記載されたイオン操作装置。
4. 前記第２のＤＣ電圧が、前記長手軸線方向のＤＣ進行波である、請求項２に記載されたイオン操作装置。
5. 前記第１の外側電極アレイが前記内側電極アレイの一方側に配置され、前記第２の外側電極アレイが前記内側電極アレイの他方側に配置される、請求項１に記載されたイオン操作装置。
6. 前記内側電極アレイ並びに前記第１の外側電極アレイおよび前記第２の外側電極アレイが、実質的に前記長手軸線方向に延在する、請求項１に記載されたイオン操作装置。
7. 少なくとも２つの隣接する電極が、位相のずれたＲＦ電圧をうけるように構成された、請求項１に記載されたイオン操作装置。
8. 前記イオン操作装置が第２の対の表面を備え、
   さらに、一方の対の表面から他の対の表面へイオンを移動させるように構成された１つまたは複数のアパーチャを備える、請求項１に記載されたイオン操作装置。
9. 一方の対の表面から他の対の表面へのイオンの移動が、隣接する電極間で極性が交互するＤＣ電位およびＲＦ電位のうちの少なくとも１つを受ける少なくとも２つの隣接する輸送電極により案内される、請求項８に記載されたイオン操作装置。
10. 前記内側電極アレイ並びに前記第１の外側電極アレイおよび前記第２の外側電極アレイが、前記第１の表面上に、
    Ｔ形構成の分岐部分のところでイオンを方向転換させることを可能にする概略Ｔ形構成、
    Ｙ形構成の分岐部分のところでイオンを方向転換させることを可能にする概略Ｙ形構成、
    Ｘ形又はクロス形構成の一方又は両方の側の分岐部分のところでイオンを方向転換させることを可能にする概略Ｘ形又はクロス形構成、および
    構成の１つ又は複数の側の分岐部分のところでイオンを方向転換させることを可能にする複数の分岐点を有するアスタリスク（＊）形構成などの概略多角形構成
    のうちの少なくとも１つで配置される請求項１に記載されたイオン操作装置。
11. 前記第１の表面と前記第２の表面との間の前記空間が、不活性ガス、又は、イオンと反応するガスを有する、請求項１に記載されたイオン操作装置。
12. イオンを操作する方法であって、
    第１の表面および第２の表面を含む少なくとも１対の表面の間に画定された空間内にイオンを射出するステップであって、第１の表面および第２の表面は長手軸線方向に延在し、
    前記表面に結合した内側電極アレイであって、該内側電極アレイは、前記長手方向軸線に沿って隣接して位置付けられている、前記内側電極アレイと、
    前記表面に結合した第１の外側電極アレイ及び第２の外側電極アレイとを備える、射出するステップと、
    ＲＦ電圧を前記内側電極アレイに印加してイオンが前記第１の表面および第２の表面に接近することを防止する擬似電位を形成するステップと、
    第１のＤＣ電圧を前記第１の外側電極アレイ及び前記第２の外側電極アレイの各々に印加して、第１のＤＣ電位を形成し、前記擬似電位および前記第１のＤＣ電位により、前記第１の表面と第２の表面との間でイオンの運動を操作するステップを含む、イオンを操作する方法。
13. 前記内側電極アレイは、第２のＤＣ電圧を受け、第２のＤＣ電位を形成するように構成され、該第２のＤＣ電位は、イオンを前記長手軸線方向に駆動させるようになっている、請求項１２に記載されたイオンを操作する方法。
14. 前記第２のＤＣ電圧が、前記長手軸線方向のＤＣ勾配である、請求項１３に記載されたイオンを操作する方法。
15. 前記第２のＤＣ電圧が、前記長手軸線方向のＤＣ進行波である、請求項１３に記載されたイオンを操作する方法。
16. 前記第１の電極アレイが前記内側電極アレイの一方側に配置され、前記第２の外側電極アレイが前記内側電極アレイの他方側に配置される、請求項１２に記載されたイオンを操作する方法。
17. 前記内側電極アレイ並びに前記第１の外側電極アレイおよび前記第２の外側電極アレイが、実質的に前記長手軸線方向に延在する、請求項１２に記載されたイオンを操作する方法。
18. 前記内側電極アレイの少なくとも２つの隣接する電極が、位相のずれたＲＦ電圧を受けるように構成された、請求項１２に記載されたイオンを操作する方法。
19. 前記第１の表面と前記第２の表面との間に注入したイオンを、第２の対の表面に１つまたは複数のアパーチャを通って移動させるステップを更に含み、
    イオンの移動が、隣接する電極間で極性が交互するＤＣ電位およびＲＦ電位のうちの少なくとも１つを受ける少なくとも２つの隣接する輸送電極により案内される、請求項１２に記載されたイオンを操作する方法。