多次元イオン移動度分光測定の装置と方法
２つ以上のドリフトチェンバーを有し、物質の多次元イオン移動度プロファイルを取得できる多次元イオン移動度分析器の様々な実施形態が開示される。この装置のドリフトチェンバーは、例えば独立した動作条件下で動作させて荷電粒子をそれらの区別可能な化学的／物理的性質に基づいて分離することができる。この装置の第一次元のドリフトチェンバーは、分析器の動作モードに応じてストレージ装置、反応チェンバー、および／またはドリフトチェンバーとして使用することができる。また、サンプル中の全てのケミカル成分のイオン化をそれらの電荷親和性に拘わらず可能とすることができる連続的第一次元イオン化方法を含むが、それに限定はされない、イオン移動度分光計を動作させる様々な方法も提示される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[関連出願へのクロスリファレンス]本出願は、２００６年１月２日に出願された、同時係属中の米国特許仮出願番号60/766,226の優先権と恩恵を主張し、その内容全体をここに引用によって組み込む。
【背景技術】
【０００２】
１９７０年代初頭に発明されて以来、イオン移動度分光測定（Ion Mobility Spectrometry:ＩＭＳ）は種々の応用に使われる強力な分析ツールに発展してきた。この計器には、独立ケミカル検出システム、色層分析検出器、ハイフネーテッド（hyphenated）ＩＭＳ質量分析（Mass Spectrometry:ＭＳ）システムを含んだ、３つの主要な形態がある。独立した検出システムとしては、ＩＭＳは対象物質をイオン化し、ドリフト気体（例えば、キャリア気体）との相互作用に基づいて対象物質を背景から分離し、物質をそのイオン化された形態で検出するその能力に依拠して異なる形態の物質を定性的かつ定量的に検出する。色層分析検出器としては、ＩＭＳは色層分析的に分離された物質の複数のイオン移動度スペクトルを取得する。組み合わされたＩＭＳ−ＭＳシステムでは、ＩＭＳは質量分析の前に対象物質を単離する分離方法として使われる。しかし、ＩＭＳの分解能は一般に低いと考えられ、しばしばそのような装置を定性的な使用または関心のある物質に対する干渉物が低レベルの環境における使用に規制する。
【０００３】
ＩＭＳシステムの基本的な共通要素は、イオン化源、反応領域を含んだドリフト管、イオンシャッターグリッド、ドリフト領域、およびイオン検出器からなる。気体相分析において、分析されるサンプルは不活性キャリア気体によって反応領域に導入され、サンプルのイオン化はしばしばサンプルを反応領域および／または放射性６３Ｎｉ源を通過させることによって完了される。形成されたイオンはドリフト領域を確立するドリフトリングに印加された電場によってドリフト領域に向けられ、イオンの細いパルスはそれからイオンシャッターグリッドを介してドリフト領域に注入されおよび／または進入を許可される。一旦ドリフト領域に入ると、サンプルのイオンはそれらのイオン移動度に基づいて分離され、検出器におけるそれらの到着時間はイオン質量に関連付けることができるイオン移動度を示すものである。しかし、イオン移動度はイオン質量だけと関連しているのではなく、むしろイオン質量のみに依存するのではないイオン−ドリフト気体相互作用ポテンシャルに根本的に関連していることを理解されたい。
【０００４】
ＩＭＳの主要な応用の一つは禁制ケミカルのトレース量を検出することである。トレース検出システムは、爆発物およびケミカル剤検出のための現在のセキュリティシステムに幅広く用いられている。典型的には、セキュリティオフィサーがサンプリング表面上を綿棒で拭き、それから有機化合物のトレースが蒸発されてＩＭＳに導入される熱脱離器に綿棒を挿入した時に、プロセスが開始される。これらの応用の殆どにおいて、迅速かつ正確な禁制ケミカルの同定がセキュリティ検査ミッションにとって本質的である。携帯型であるが高性能な検出システムは捜し求められ続けており、極めて望ましいものである。
【発明の開示】
【０００５】
本発明は多次元イオン移動度分光測定（Multi-Dimensional Ion Mobility Spectrometry:ＭＤＩＭＳ）方法および装置の様々な側面に関する。様々な実施形態において、本発明のＭＤＩＭＳは、一装置内での複数イオン移動度に基づいた分離ステップを革新的に統合することによって従来のイオン移動度分光測定（ＩＭＳ）からそれら自身を差別化する。様々な実施形態において、本発明は従来のＩＭＳ装置と動作的アプローチよりも高い分解能と高い感度を提供する。
【０００６】
本発明の様々な実施形態は、ケミカル種をそれらのイオン移動度に基づいてイオン化し、分離し、検出する統合された多次元飛行時間型イオン移動度分光測定システムを提供する。これらのシステムは一般に、（ａ）少なくとも一つのイオン化源、（ｂ）少なくとも二つのドリフト領域、および（ｃ）少なくとも一つのイオン検出装置、を含む。様々な実施形態において、これらのシステムは、一組のドリフト条件下で一つのドリフト次元にあるイオンを分離し、その後同じまたは異なる組のドリフト条件下での更なる分離のために分離されたイオンはより高い次元に導入される。様々な実施形態において、分離プロセスは一つ以上の追加ドリフト次元について繰り返すことができる。また、様々な実施形態において、第一のドリフト次元はシステムのイオン化源、反応領域または脱溶媒和領域、およびドリフト領域の一つ以上として使われる。例えば、様々な実施形態において、第一のドリフト次元（第一のドリフト管）内の電場は荷電ドロップレットのための脱溶媒和領域として使うことができる。
【０００７】
本発明の装置と方法は、「ドリフト管」を利用する。ここで「ドリフト管」という用語は、イオン移動度分光測定の分野におけるこの用語の受け入れられた意味に従って用いられる。ドリフト管は、電場の影響下でイオンがその中を移動させられる中性の気体を含んだ構造である。「ドリフト管」は、管やシリンダーの形態である必要はないことを理解されたい。技術分野で理解されているように、「ドリフト管」はシリンダーに見られるような円形または楕円形の断面に限定されるものではなく、正方形、長方形、円形、楕円形、半円形、三角形等を含んだ、但しそれらに限定されない、あらゆる断面形状を持つことができる。
【０００８】
中性の気体はしばしばキャリア気体、ドリフト気体、バッファ気体等と呼ばれ、これらの用語はここでは入れ替え可能なものと見なす。気体は、関心のあるイオンまたは複数イオンの平均自由経路がドリフト管の次元よりも小さくなるような圧力下にある。つまり気体圧力は粘性流のために選ばれる。チャネル中の気体の粘性流の条件下では。条件は平均自由経路がチャネルの横断次元に比較して非常に小さくなるようなものとなる。これらの圧力において、フロー特性は主に気体分子間の衝突、即ち気体の粘度、によって決められる。フローは層流でも乱流でも良い。定常状態のイオン移動度が達成される前に、イオンがドリフト管の縦の長さに対して無視できる距離しか移動しないようにドリフト管内の圧力は十分に高いことが好ましい。
【０００９】
イオンが電気的ドリフト場の影響下でそれに沿って移動するドリフト管の軸は、ここではドリフト軸と呼ばれる。ドリフト軸はしばしばドリフト管の縦軸であるが、必ずしもそうとは限らない。
【００１０】
本発明の様々な側面において、イオン移動度分光計を動作させる方法が記載される。一側面においては、限定としてではなく簡潔さのために連続的第一次元イオン化（Continuous First Dimension Ionization:ＣＦＤＩ）モードと呼ばれる動作方法が記載される。技術分野で理解されているように、電荷は一つのイオン化されたケミカル種からより高い親和性の別のケミカル種に転送されることが好ましい。そのような電荷転送プロセスは関心のあるケミカル種のイオン化を深刻に乱し妨げたりもでき、よってＩＭＳやその他の形態の質量分析によるその種の成功した分析を妨げる。本発明のＣＦＤＩ方法は低電荷親和性イオンのイオンの形成を容易にし、よって様々な実施形態において、ＩＭＳの感度を上げることができる。ＣＦＤＩ方法はまたＩＭＳのダイナミック応答レンジも上げ、分光計がサンプル混合物を分析するのに使われた際によりよい定量的情報を提供する。
【００１１】
様々な実施形態において、ＣＦＤＩ方法は、第一のドリフト管に気体相サンプルをパルス化し、第一のドリフト管の少なくとも一部に沿った第一の方向にサンプルパルスを気体フローによって搬送することからなる。その結果、第一の方向は第一のドリフト管内のキャリア気体フローの方向と実質的に平行になる。反対に移動する反応物イオンのパルスを使ってサンプルパルス中のケミカル種をイオン化する。サンプルパルスは反応領域またはドリフト領域において分光計に導入できる。いくつかの動作モードでは、キャリア気体とサンプルパルスは０に近づく速度を持つことができるが、サンプルパルスに向かって移動する反応物イオンを持つことになる。例えば、反応物イオンの第一のグループが第一のドリフト管にパルス化され、サンプルパルスに向かっている第二の方向に第一のドリフト管電場によって搬送される。反応物イオンの第一のグループは好ましくは所定の時間において第一のドリフト管にパルス化される。所定の時間は、サンプルパルスと反応物イオンの第一のグループが相互作用する第一のドリフト管内の位置を少なくとも大まかには選択するように選ぶことができる。反応物イオンの第一のグループがサンプルパルスと相互作用すると、一つ以上のケミカル種がイオン化され第一のイオン化されたケミカル種が作り出される。典型的には、最も高い電荷親和性を持ったサンプルパルス中のケミカル種がイオン化されることが好ましい。
【００１２】
これも好ましくは第二の所定の時間において、第一のグループの後に、反応物イオンの第二のグループが第一のドリフト管にパルス化され、サンプルパルスに向かって第一のドリフト管の電場によって搬送される。第二の所定の時間は、第一の反応物イオングループについて選ばれたものより遅い必要があるが、サンプルパルスと反応物イオンの第一のグループが相互作用する第一のドリフト管内の位置を少なくとも大まかには選択するように選ぶことができる。様々な実施形態において、第二の所定の時間は、第一のイオン化されたケミカル種の少なくとも一部が第二のドリフト管に抽出される時間を許容するように選ばれる。
【００１３】
反応物イオンの第二のグループがサンプルパルスと相互作用すると、一つ以上のケミカル種がイオン化され第二のイオン化されたケミカル種が作り出される。典型的には、第二のイオン化されたケミカル種は二番目に高い電荷親和性を持ったサンプルパルス中の種である。プロセスは繰り返すことができ、例えば反応物イオンの第三のグループを提供して第三のイオン化されたケミカル種を作り出したり、反応物イオンの更なるグループを提供して第四のイオン化されたケミカル種を作り出したり等して、オペレータが望む通りに、関心のあるケミカル種をイオン化する。
【００１４】
様々な実施形態において、イオンを第二のドリフト管に移動させる第一のドリフト管の少なくとも一部に渡る電場を生成することにより、第一のドリフト管内の第一のイオン化されたケミカル種の少なくとも一部が第二のドリフト管に抽出される。この電場は第一のドリフト管からイオンを取り除くので、ここではしばしば「蹴り出し」パルスまたは「蹴り出し」場と呼ばれる。好ましくは、例えば場が印加されるタイミングや空間的広がりやその両方を選択することによって、蹴り出し場は実質的に反応物イオンがない第一のドリフト管の一部に印加される。例えば、様々な実施形態において、反応物イオンの第二のグループによる第二のケミカル種のイオン化の前に蹴り出し場が印加される。
【００１５】
様々な実施形態において、次の（ｎ＋１）番目のイオン化されたケミカル種の形成の前にｎ番目のイオン化されたケミカル種を抽出するために蹴り出し場が印加される。様々な実施形態において、二つ以上のイオン化されたケミカル種を実質的に同時に抽出するために蹴り出し場が印加される。様々な実施形態において、選択的なイオン化されたケミカル種の抽出と複数のイオン化されたケミカル種の抽出の組み合わせが行われる。
【００１６】
従って、様々な実施形態において、本発明のＣＦＤＩ方法は、（ａ）第一の時間において第一のドリフト管に気体相サンプルをパルス化し、（ｂ）第一のドリフト管の少なくとも一部に沿った第一の方向に気体相サンプルパルスを搬送し、ただし第一の方向は第一のドリフト管内のキャリア気体フローの方向に実質的に平行であり、（ｃ）第一の時間に対する所定の時間において第一のドリフト管に反応物イオンの複数のパルスを提供し、（ｄ）第一のドリフト管の少なくとも一部に沿った第二の方向に反応物イオンのパルスを電場によって搬送し、ただし第二の方向は第一のドリフト管内のキャリア気体フローの方向に実質的に反平行であり、（ｅ）反応物イオンの複数のパルスの一つ以上からなる反応物イオンのグループを気体相サンプルパルスと相互作用させて気体相サンプルパルス中のケミカル種をイオン化し、（ｆ）全ての関心のあるケミカル種がイオン化されるまで、反応物イオンのグループを気体相サンプルパルスと相互作用させるステップを繰り返し、異なる電荷親和性のケミカル種は第一の方向に沿って異なる位置でイオン化される、ことからなる。
【００１７】
様々な実施形態において、方法は、第一のドリフト管の少なくとも一部に渡って電場を一つ以上の所定の抽出時間において生成することによって、第一のドリフト管内のイオン化されたケミカル種の少なくとも一部を第二のドリフト管に抽出し、第二のドリフト管は第一のドリフト管の縦軸に実質的に平行または垂直な縦軸を有する、ことからなる。好ましくは、一つ以上の所定の抽出時間は、イオン化されたケミカル種が抽出される第一のドリフト管の一部に実質的に反応物イオンがない時間間隔の間にイオン化されたケミカル種が抽出されるように選択される。
【００１８】
様々な実施形態において、本発明のＣＦＤＩ方法は第二のドリフト管を使い、好ましくは、第二のドリフト管は第一のドリフト管の縦軸に実質的に垂直な縦軸を有する。様々な実施形態において、第二のドリフト管に抽出されたイオン化されたケミカル種はイオン検出器に向けられており、第二のドリフト管の条件下でのそれらの移動度に少なくとも基づいたイオン検出器でのそれらの到着時間によって特徴付けられる。
【００１９】
好ましくは、電場強度の気体数密度に対する比（Ｅ／Ｎ値）は、第一のドリフト管、第二のドリフト管、またはその両方で実質的に一定である。好ましくは、電場強度は、第一のドリフト管、第二のドリフト管、またはその両方で実質的に一定である。しかしながら、第一と第二のドリフト管における条件は異なることができることを理解されたい。例えば、様々な実施形態において、キャリア気体、キャリア気体密度、キャリア気体フローレート、電場強度、および温度の一つ以上は、第一と第二のドリフト管で異なる。
【００２０】
様々な実施形態において、本発明のＣＦＤＩ方法は種々の実用的な応用を有する。例えば、ＭＤＩＭＳの動作の連続的第一次元イオン化方法は、従来のＩＭＳの根本的な欠点、即ち分光計のイオン化源および／または反応領域における電荷の競争、を克服し、よって様々な実施形態において非常に異なる電荷親和性を持った物質についてイオン化の機会を供することを容易にするために使っても良い。ＣＦＤＩ方法の様々な実施形態は、例えば荷電物質を単離してそれらが他の共存している物質に電荷を失うことを妨げ、よって関心のある物質に対するシステム感度を高めることを容易にするために使っても良い。
【００２１】
様々な側面において、本発明は三つのドリフト管からなるイオン移動度分光計とそのような装置のための方法を提供する。一側面においては、限定としてではなく簡潔さのために二重極性イオン抽出（Dual Polarity Ion Extraction:ＤＰＩＥ）方法と呼ばれる動作方法が提供される。
【００２２】
様々な実施形態において、本発明は、三つのドリフト管であって、ＩＭＳの第一次元と（例えば、ＣＦＤＩによる）イオン形成またはその両方を行う第一のドリフト管と、ＩＭＳの第二次元を行う二つの追加のドリフト管（第二と第三のドリフト管）と、からなる多次元イオン移動度分光計を提供する。様々な実施形態において、第二と第三のドリフト管は、イオンの異なる極性におけるＩＭＳ、異なるドリフト管条件下のＩＭＳ，またはその両方、の第二次元を行うように構成され動作させられる。本発明のそのようなＭＤＩＭＳの様々な実施形態の例は、例えば図1と図６−９に概略的に説明されている。限定としてではなく簡潔さのために、そのようなイオン移動度分光計システムは二重第二次元イオン移動度分光計（Dual Second Dimension Ion Mobility Spectrometers:ＤＳＤＩＭＳ）と呼ばれる。
【００２３】
従って、様々な実施形態において、本発明は、（ａ）第一のドリフト軸を有する第一のドリフト管と、（ｂ）第一のドリフト軸と実質的に垂直な第二のドリフト軸と、第一のドリフト管と流体通信する入口を有する第二のドリフト管と、（ｃ）第二のドリフト軸に実質的に平行で第一のドリフト軸に実質的に垂直な第三のドリフト軸を有し、第一のドリフト管と流体通信する入口を有する第三のドリフト管と、（ｄ）第二のドリフト管の入口の反対側に配置された電極と、（ｅ）第三のドリフト管の入口の反対側に配置された電極と、 からなるイオン移動度分光計を提供する。
【００２４】
第二と第三のドリフト管は種々のやり方で配置することができる。様々な実施形態において、第二のドリフト管と第三のドリフト管は、第一のドリフト管を跨いで実質的に互いに反対側に配置されている。そのような実施形態の例は、図８に概略的に描かれた実施形態を含むが、それらに限られない。第二と第三のドリフト管の反対側への配置は、第二のドリフト管の入口の反対側に配置されている電極が第三のドリフト管の入口からなり、第三のドリフト管の入口の反対側に配置されている電極が第二のドリフト管の入口からなる構造を提供できる。
【００２５】
様々な実施形態において、第二のドリフト管と第三のドリフト管は、実質的に横に並べて配置されている。そのような実施形態の例は、図１、６、７、９に概略的に描かれた実施形態を含むが、それらに限られない。様々な実施形態において、第二と第三のドリフト管の近接さは、第二のドリフト管の入口の反対側に配置されている電極が第三のドリフト管の入口の反対側に配置されている電極と同じ構造である好ましい実施形態を導く。例えば、様々な実施形態において、電位Ｖがこの電極に印加され、より低い電位が第二のドリフト管の入口に印加される。異なる極性のイオンを第二と第三のドリフト管に引きつけるために、より高い電位が第三のドリフト管の入口に印加される。
【００２６】
本発明の二重第二次元イオン移動度分光計（ＤＳＤＩＭＳ）はＩＭＳのより高い次元を含むことができる。様々な実施形態において、本発明のＤＳＤＩＭＳはまた、（ａ）第二のドリフト管と流体通信する入口を有し、第二のドリフト軸と実質的に垂直な第四のドリフト軸を有する第四のドリフト管と、（ｂ）第三のドリフト管と流体通信する入口を有し、第三のドリフト軸と実質的に垂直な第五のドリフト軸を有する第五のドリフト管と、からなる。そのような実施形態の例は、図１に概略的に描かれた実施形態を含むが、それらに限られない。様々な実施形態において、第四のドリフト軸と第五のドリフト軸は両方第一のドリフト軸と実質的に垂直である。
【００２７】
本発明の多次元ＩＭＳシステムについて、幅広いイオン源とイオン検出器構成が考えられる。例えば、様々な実施形態において、本発明のＤＳＤＩＭＳはまた、第一のドリフト管の第一端と流体通信するイオン源と、第一端と反対側の第一のドリフト管の一端に位置するイオン検出器と、からなる。そのような実施形態の例は図１に概略的に描かれた実施形態を含むが、それらに限られない。
【００２８】
様々な実施形態において、本発明のＤＳＤＩＭＳはまた、第一のドリフト管の第一端と流体通信する第一のイオン源と、第一端と反対側の第一のドリフト管の一端と流体通信する第二のイオン源と、からなる。そのような実施形態の例は図７に概略的に描かれた実施形態を含むが、それらに限られない。
【００２９】
様々な実施形態において、本発明のＤＳＤＩＭＳはまた、第二のドリフト管の入口と第三のドリフト管の入口の間に位置するイオン源、からなる。イオン源は第一のドリフト管と流体通信し、第一にイオン検出器は第一のドリフト管の第一端に位置する。様々な実施形態において、第二のイオン検出器は第一端と反対側の第一のドリフト管の一端に位置する。そのような実施形態の例は図９に概略的に描かれた実施形態を含むが、それらに限られない。
【００３０】
様々な側面において、本発明はＤＳＤＩＭＳを動作させる方法を提供する。一側面においては、限定としてではなく簡潔さのために二重極性イオン抽出（Dual Polarity Ion Extraction:ＤＰＩＥ）と呼ばれる動作方法が提供される。様々な実施形態において、ＤＳＤＩＭＳを含んだ本発明のＭＤＩＭＳ，はイオンストレージを含むように動作させることができる。例えば、様々な実施形態において、従来のＩＭＳデザインで損害を蒙っていたイオン化とドリフトチェンバーにおけるイオンの損失を低減させるか回避することができる。例えば、ＤＰＩＥモードで動作するＭＤＩＭＳは、例えばperoxideとnitroベースの爆発物検出において存在するであろうような、正と負のイオンの実質的同時分析を提供することができる。そのような動作は、様々な実施形態において、従来のＩＭＳアプローチに対して増加した感度を提供する。様々な実施形態において、本発明のＤＳＤＩＭＳ構成は、手持ち型計器に好適な非常にコンパクトなフォーマットで提供でき得る。そのような手持ち型装置は、国土セキュリティの領域で広範な使用を見つけることができ得る。
【００３１】
従って、様々な実施形態において、本発明は、例えばＤＳＤＩＭＳのようなイオン移動度分光計を動作させる方法を提供し、イオン移動度分光計は、（ａ）第一のドリフト軸を有する第一のドリフト管と、（ｂ）第一のドリフト軸と実質的に垂直な第二のドリフト軸を有する第二のドリフト管と、（ｃ）第二のドリフト軸に実質的に平行で第一のドリフト軸に実質的に垂直な第三のドリフト軸を有する第三のドリフト管と、（ｄ）第二のドリフト管の入口の反対側に配置された第一の電極と、（ｅ）第三のドリフト管の入口の反対側に配置された第二の電極と、からなる。
【００３２】
様々な実施形態における方法は、（ａ）正イオンケミカル種と負イオンケミカル種からなる気体サンプルを第一のドリフト管に提供し、（ｂ）第一のドリフト管内の第一のキャリア気体との衝突によってケミカル種の一つ以上を第一のドリフト軸に沿って空間的に分離し、（ｃ）正イオンケミカル種の少なくとも一部を第二のドリフト管に移動し、実質的に同時に負イオンケミカル種の少なくとも一部を第三のドリフト管に移動するために、第三のドリフト管の入口の反対側に配置された第一の電極の間に電気的ポテンシャル差を印加し、（ｄ）第二のドリフト管内の第二のキャリア気体との衝突によって正イオンケミカル種の一つ以上を第二のドリフト軸に沿って空間的に分離し、分離された正イオンケミカル種の少なくとも一部をイオン検出器に搬送し、（ｅ）第三のドリフト管内の第三のキャリア気体との衝突によって負イオンケミカル種の一つ以上を第三のドリフト軸に沿って空間的に分離し、分離された負イオンケミカル種の少なくとも一部をイオン検出器に搬送する、ステップからなる。
【００３３】
方法は、例えばperoxideベースの爆発物とnitroベースの爆発物に関連するケミカル種のようなサンプル中の一つ以上のケミカル種の有無を、例えば単一の測定で決定するために使うことができる。そのような決定は、第二のドリフト管、第三のドリフト管、またはその両方と関連するイオン検出器における到着時間に基づいて行うことができる。
【００３４】
第一、第二、第三のドリフト管におけるドリフト条件は実質的に同じであるかまたは異なることができる。例えば、様々な実施形態において、キャリア気体、キャリア気体密度、キャリア気体フローレート、電場強度、および温度のドリフト管条件は、第一のドリフト管、第二のドリフト管、第三のドリフト管の一つ以上の間で異なる。
【００３５】
様々な実施形態において、異なるドリフト条件を使用することは本発明の様々な方法の一側面である。例えば、同じサンプルについて、本発明の様々な実施形態は、一回のデータ取得サイクルで異なる条件下での複数イオン移動度に基づく分離を達成する手段を提供する。条件は、ドリフト気体の種類、温度、圧力、電場強度、フローレート、等を含む。これらの条件は、個々の物質のイオン移動度に基づく分離特性を変更するために調整することができる。よって、様々な実施形態において、好ましくは一回のデータ取得サイクルで、従来のＩＭＳでは分解不能な物質をＭＤＩＭＳで分離することができる。
【００３６】
様々な実施形態において、本発明は、例えばＤＳＤＩＭＳのようなイオン移動度分光計を動作させる方法を提供し、イオン移動度分光計は、（ａ）第一のドリフト軸を有する第一のドリフト管と、（ｂ）第一のドリフト軸と実質的に垂直な第二のドリフト軸を有する第二のドリフト管と、（ｃ）第二のドリフト軸に実質的に平行で第一のドリフト軸に実質的に垂直な第三のドリフト軸を有する第三のドリフト管と、（ｄ）第二のドリフト管の入口の反対側に配置された第一の電極と、（ｅ）第三のドリフト管の入口の反対側に配置された第二の電極と、からなる。
【００３７】
イオン移動度分光計は、第二のドリフト管と第三のドリフト管について異なるドリフト条件で動作させられる。動作は、（ａ）イオンケミカル種からなる気体サンプルを第一のドリフト管に提供し、（ｂ）ドリフト条件の第一の組の下で第一のドリフト管内の第一のキャリア気体との衝突によってケミカル種の一つ以上を第一のドリフト軸に沿って空間的に分離し、（ｃ）イオンケミカル種の少なくとも一部を第二のドリフト管に移動し、実質的に同時にイオンケミカル種の少なくとも一部を第三のドリフト管に移動するために、第三のドリフト管の入口の反対側に配置された第一の電極の間に電気的ポテンシャル差を印加し、（ｄ）ドリフト条件の第二の組の下で第二のドリフト管内の第二のキャリア気体との衝突によってイオンケミカル種の一つ以上を第二のドリフト軸に沿って空間的に分離し、分離されたイオンケミカル種の少なくとも一部をイオン検出器に搬送し、（ｅ）ドリフト条件の第三の組の下で第三のドリフト管内の第三のキャリア気体との衝突によってイオンケミカル種の一つ以上を第三のドリフト軸に沿って空間的に分離し、分離されたイオンケミカル種の少なくとも一部をイオン検出器に搬送する、ステップからなり、ここでドリフト条件の第二と第三の組は異なる。
【００３８】
様々な側面において、本発明は、ＩＭＳの三つ以上の次元からなる多次元イオン移動度分光測定システムを提供する。様々な実施形態において、ＭＤＩＭＳは、（ａ）第一のドリフト管と流体通信するイオン源であって、第一のドリフト管は第一のドリフト軸を有するものと、（ｂ）第一のドリフト軸と実質的に垂直な第二のドリフト軸を有する第二のドリフト管と、（ｃ）第二のドリフト軸に実質的に垂直な第三のドリフト軸を有する第三のドリフト管と、（ｄ）第三のドリフト管と流体通信する第一のイオン検出器と、からなる。様々な実施形態において、第三のドリフト軸は第二のドリフト軸と第一のドリフト軸の両方に実質的に垂直である。
【００３９】
様々な側面において、本発明は、ＩＭＳの二つ以上の次元からなる多次元ＩＭＳシステムを動作させる方法を提供する。例えば、ＣＦＤＩの方法は、第一のドリフト管（次元）からなる本発明のＩＭＳのあらゆる実施形態と一緒に使うことができることを理解されたい。例えば、本発明のあらゆる実施例において、第一のドリフト管（次元）は、システムのイオン化源、反応領域または脱溶媒和領域、およびドリフト領域の一つ以上として使うことができることを理解されたい。本発明の方法は、一つ以上のドリフト次元に化合物を加えるステップを含むことができ、化合物はカイラルなケミカル種の分離を容易にするものであることも理解されたい。
【００４０】
本発明の様々な実施形態は、トレース化合物の検出において有用なツールと方法であることができると考えられる。限定としてではなく例として、本発明の様々な実施形態は、従来の単一次元ＩＭＳシステムと比較して向上した分解能と向上した感度の一つ以上を提供でき得ると考えられる。
【００４１】
例えば分解能に関しては、本発明の多次元システムの様々な実施形態において達成できる分解能力は約８０と１００の間と予測される。従来の商業的に利用可能なトレース検出器が供する１０−３０の分解能力と比較すると、本発明の様々な実施形態はこれらの従来のＩＭＳシステムよりも実用上６３個多くのケミカルをイオン移動度スペクトル中で分解することが理論的にでき得る。例えば、商用のシステムにおいて１０ｍｓのＴＮＴドリフト時間と０．５ｍｓの半値ピーク幅を仮定すると、従来システムは分解能力（R=t/wl/2）が２０でピーク容量が２ピーク／ｍｓとなるであろう。もし移動度分光計の使用可能なドリフト時間レンジが９ｍｓであったならば、システムは理論的には単一の移動度スペクトル中に１８個の化合物を識別でき得る。これに対して、分解能力が９０のシステムでは、理論的に識別し得るピークの総数は８１である。そのような改善は、対象爆発物からの干渉物を分離するより高い分解システムを理論的に許容でき、よって例えば汚染された動作環境における誤った警告を減少し得る。
【００４２】
例えば感度に関しては、本発明の様々な実施形態は、分光計内部のイオン輸送効率を向上し、従ってシステム感度を向上することを容易にするができる独自な多次元方式を提供する。向上した分解能力によって、検出閾値をより低く設定できる。様々な実施形態において、本発明のＭＤＩＭＳシステムのシステム感度は、（実験室条件だけでなく）対象とする動作環境下でサブナノグラムのレンジになることができる。
【００４３】
様々な側面において、本発明はコンパクトなサイズの多次元ＩＭＳに基づく検出システムを提供する。本発明の計器は、様々な実施形態において、例えば、秘密漏洩セキュリティまたは他の用途で有用であり得る爆発性物質の検出のような、ケミカルの検出のための携帯型トレース検出システムとして使用することができる。好ましくは、本発明の新たな検出システムは、同一または同様の動作コントロールを有し、現行システムと同様のユーザインターフェースを組み込む。様々な好ましい実施形態において、海運／産業環境を含んだ複雑な環境における爆発物トレース検出ミッションを行うというチャレンジに答えられるコンパクトな高性能トレース検出システムを提供する。
【００４４】
例えば、本発明の様々な実施形態は、例えばSmiths Detectionが製造しそこから入手可能なSmith 500DTのような、ある種の従来のデスクトップユニットと比肩し得るまたはそれよりも良好な性能を持ったコンパクトなサイズでのトレース検出を供するＭＤＩＭＳを提供することができる。コンパクトな計器実装デザインは、システムの総重量と電力消費を削減する。本発明によるコンパクトなデザイン（または手持ち型の）ＭＤＩＭＳの一つの特定の実施形態は、約１２ｗ×８ｈ×４ｄインチのサイズと、１２パウンド未満、いくつかの実施形態では顕著に１０パウンド未満、の重量を有する。
【００４５】
本発明の様々な実施形態はイオン検出器を含む。幅広いイオン検出器が本発明で使用するのに好適であり、ファラデー板、電子増幅器、光増幅器、電荷光子変換装置、電荷結合装置（ＣＣＤ），等を含むが、それらに限られない。本発明においてイオン検出器が使われる所ではどこでも、その代わりにイオン検出器システムを使うことができることを理解されたい。この文脈でイオン検出器システムは、イオン検出器と、イオン検出器と本発明のＩＭＳ次元の間に配置された質量分析器と、からなる。この目的に好適な質量分析器は、飛行時間（time-of-flight:ＴＯＦ）およびＲＦ型多極質量分析器を含むが、それらに限られない。
【００４６】
別の側面においては、発明の方法の機能が、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスク、光ディスク、磁気テープ、ＰＲＯＭ，ＥＰＲＯＭ，ＣＤ−ＲＯＭ，ＤＶＤ−ＲＯＭのような、但しそれらに限られない、コンピュータ読み取り可能な媒体上に埋め込まれた、またはコンピュータまたはプロセッサのメモリ内に内在する、製造品が提供される。方法の機能は、例えばＦＯＲＴＲＡＮ，ＰＡＳＣＡＬ，Ｃ，Ｃ＋＋，ＢＡＳＩＣ，およびアッセンブリー言語のような、コンピュータ読み取り可能な命令または言語のいくつによってでもコンピュータ読み取り可能な媒体上に埋め込むことができる。更に、コンピュータ読み取り可能な命令は、例えばｓｃｒｉｐｔやｍａｃｒｏによって記述され、または商業的に利用可能なソフトウェア（例えば、ＥＸＣＥＬまたはＶＩＳＵＡＬ ＢＡＳＩＣ）に機能的に埋め込まれることができる。
【００４７】
発明の前述したものおよびその他の側面、実施形態、特徴は、添付した図面と併せて以下の記載からより完全に理解できる。図面において同様の参照符号は、様々な図を通して同様の特徴や構成要素を一般的に参照する。図面は必ずしもスケール通りではなく、その代わりに発明の原理を説明することに強調が置かれている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
様々な側面において、本発明は多次元イオン移動度分光測定（ＭＤＩＭＳ）システム、好ましくは一つの統合された分光計に多次元電場デザインを持ったものと、そのようなシステムを動作させる方法を提供する。様々な実施形態において、ＭＤＩＭＳシステムおよび／または方法は、従来の単一次元ドリフト管と比較して向上された感度と分解能を提供する。様々な実施形態において、向上された感度は第一次元をイオンストレージ領域として使ってシステムのデューティーサイクルを向上することによって達成することができる。様々な実施形態において、ＭＤＩＭＳシステムおよび／または方法は、向上された移動度分解能を提供する。様々な実施形態において、これらの向上は、それらの移動度に基づいて分離されたか既に分離されていたイオンを更に分離できるドリフト領域を使うことによって達成することができる。様々な実施形態において、イオン種が第一次元で分離されるにつれて、それらの間のクーロン反発は（例えば蹴り出しパルスを使って）それらを第二ＩＭＳ次元に転送することによって削減される。よって、様々な実施形態において、より高い移動度分解能は第二次元において経験することができる。様々な実施形態において、第一次元は、ＩＭＳの様々な実施形態と適当な電場印加において、ＭＤＩＭＳは正と負のイオンの両方を実質的に同時に検出するのに使うことができる。
【００４９】
本発明の様々な詳細な実施形態を更に記載する前に、本発明の装置と方法の様々な実施形態を３次元ＭＤＩＭＳ装置という一実施形態の文脈で検討することは、それらのより完全な理解のために有益であり得る。
【００５０】
図１Ａ−１Ｃは、３次元ＭＤＩＭＳシステムの様々な実施形態を描写している。図１Ａは、第一次元ドリフト領域１０２と第二次元ドリフト領域１０４の側面図である。図１Ｂは，第二次元ドリフト領域１０４と第三次元ドリフト領域１０６の側面図を示す。図１Ａ−１Ｃにおいて、第二次元は二つのドリフト管１０４ａ、１０４ｂからなり、第二次元ドリフト管の各々に付随する分離された第三次元ドリフト管１０６ａ、１０６ｂがある。第二次元１０４は、単一または二重極性モード動作のために使うことができる。ＭＤＩＭＳの様々な実施形態において、各次元のドリフト軸を直交するジオメトリーに配置するのが好ましい実施形態であるが、同様の結果を達成するためにドリフト軸は平行、反平行、またはその間に角度を持って配置することができることは理解されたい。
【００５１】
本ＭＤＩＭＳ装置および方法の全てのＩＭＳ次元における電気的ドリフト場強度−気体数密度比（Ｅ／Ｎ値、しばしばタウンゼント(Townsend)の単位で表される）は、ローフィールド環境とときに呼ばれる、定常状態のドリフト環境を確立するように選ばれていることは理解されたい。
【００５２】
本発明のＭＤＩＭＳにより、イオン移動度スペクトルは例えば２−Ｄまたは３−Ｄプロットによって表すことができ、非線形な検出ウィンドウを使うことができる。ケミカルはそれらの１−Ｄ，２−Ｄまたは３−Ｄ移動度プロファイルで同定することができる。この移動度プロファイリング方法は追加の情報を提供でき、よってケミカル（例えば、爆発物）同定についてより大きな自信を提供することができる。
【００５３】
様々な実施形態において、第一次元のドリフト電圧がオフにされている（即ち、実質的にドリフト場がない）間に正と負のイオンが気体フローによって第一のドリフトチェンバーに持ち込まれるフロースルーセルとして第一次元１０２を使って、ＤＰＩＥ動作モードを行うことができる。所定の時間において、好ましくは第一次元の正と負のイオンが実質的に同時に第二次元の二つの分かれたドリフトチェンバー１０４ａ、１０４ｂに抽出されるように、イオンは第二次元に蹴り出される。イオンが第二次元１０４で分離された後、それらは第三またはそれより高い次元において更に分離されて検出されることができる。
【００５４】
様々な実施形態において、イオン化されたサンプルは、第一のドリフト領域１０２に導かれおよび／またはそこで形成され、（従来のＩＭＳに類似する）移動度に基づいた第一次分離を受ける。与えられた所定の時間において、第一次元（第一のドリフト管）で分離されたイオンは、それらが第一次元と実質的に第一のドリフト方向と垂直な方法に分離される第二ドリフト次元１０４のドリフト領域に蹴り出される。もし望ましければ、ＩＭＳの更なる次元により、同じプロセスをより高い次元において続けることができる。
【００５５】
図１Ｃは、図１Ａおよび１ＢのＳＤＳＩＭＳにおけるＤＰＩＥプロセスの電場分布のシミュレーション結果を示す。図１Ｃにおいて、第一次元１０２の三つの壁（左、下、右）は１０００Ｖにあり、ゲートグリッドはそれぞれ０Ｖと２０００Ｖに設定される。等ポテンシャル線が図には示されている。第一次元を通ってイオンを運ぶのに使われるサンプル気体フローは、例えば第一次元検出器１１４の背後の排気であることができる。イオンが第二次元１０４で分離された後、分離されたイオンを第三次元１０６に持ち込むために蹴り出し電圧を印加することができる。連続的サンプル検出シナリオでは、シーケンスは繰り返される。正と負のイオンの両方を形成し得るケミカル混合物について、ＤＰＩＥ技術の様々な実施形態は、正と負のイオンの両方の５０％より多くを第二次元に抽出することができる。
【００５６】
様々な実施形態において、ＭＤＩＭＳ装置は、分解能力を顕著に失うことなく各次元間でイオンを運搬することができる。図１１を参照すると、様々な実施形態において、イオンが第一次元で分離された時、それらは薄板１１１０のように見えることができる。第一次元と垂直な方向にそれらを移動するために、マイクロ秒のレンジ内で適当な電極（典型的には、入口と反対側の電極、入口自身、またはその両方）上の電圧が変えられる。これらの蹴り出しの瞬間の間の電場は、一時的に高いおよび低い電場ゾーンを作り出すように操ることができる。高い電場ゾーンの薄板１１１０は、第二次元の低い電場ゾーンの薄線１１２０に圧縮することができる。
【００５７】
本発明の一つの応用エリアは、麻薬および爆発物のスクリーニングなどのセキュリティへの応用においてしばしば要求されるような、ケミカルのトレース量の検出にある。実際にはそのようなタスクは種々の理由により行うことが困難であり得る。
【００５８】
例えば、非常に汚染された環境においてトレース爆発物を検出することは、現行のＩＭＳに基づくトレース検出システムにとって大いなるチャレンジを突きつける。汚染は偽の肯定的または偽の否定的な指標を引き起こすことができる。これらの問題を導くことができる商業的に利用可能なＩＭＳシステムにおいて観察されるいくつかの共通する現象としては、
１． 偽の肯定を引き起こすことができる、対象とする爆発物として似たイオン移動度を有するケミカルからの爆発物検出ウィンドウにおける重複したまたは隣接したピーク；
２． 偽の肯定を引き起こすことができる、爆発物検出ウィンドウを通る定義されていないイオン移動度ピークのシフト；
３． 爆発物検出の偽の否定を引き起こすことができる、汚染物からの高いケミカル背景ノイズ；
がある。本発明のシステムおよび方法の様々な実施形態は、トレースケミカル検出におけるこれらの問題を克服することを容易にすることができる。
【００５９】
上述した第一の現象（重複したまたは隣接したピーク）は、本発明の様々な実施形態に従うＭＤＩＭＳを使って低減することができる。高分解能ＩＭＳの性能の例が図２に描かれている。図２は、ＴＮＴと4,6-dinitro-o-cresol(4,6 DNOC)のイオン移動度スペクトルを示す。化合物4,6-dinitro-o-cresol(4,6 DNOC)は、ジェット排気のために空港環境において一般に見つかる酸性霧の成分である。ＴＮＴと4,6 DNOCは、それぞれ1.59と1.54というとてもよく似たイオン移動度を持つが、約６０の分解能力によりそれらは分離され適正に同定されることが分かる。ＭＤＩＭＳシステムにおいて、上の例で示されたような二つの高分解能ドリフトチェンバーは、正と負の両方のイオンの2次元移動度プロファイルを同時に生成するのに使うことができる。2次元イオン移動度データは、爆発物検出により高い自信を提供する。現実的な動作アプローチとして、第一次元移動度スペクトルはより高いスループットのスクリーニングのために取得することができ、第一のドリフトチェンバーから爆発物検出ウィンドウにピークが検出された時、それらはそれから確認のために第二のドリフトチェンバーに持ち込まれる。
【００６０】
上述した第二の現象（偽の肯定を引き起こす、爆発物検出ウィンドウを通る定義されていないイオン移動度ピークのシフト）は、ドリフト領域内のイオンと中性分子のクラスターによって引き起こされ得る。従来のＩＭＳでは、この効果を低減するために向流ドリフトフローデザインが使われていたが、従来のＩＭＳデザインの空間的限定のために、中性反応性分子がドリフト領域から完全には除去されない。本発明によるＭＤＩＭＳの一動作方法では、実質的にイオン化されていないサンプルがドリフトチェンバーに導入されないようにドリフトフローが設定される。
【００６１】
第三の現象（爆発物検出において偽の否定を引き起こす、汚染物からの高いケミカル背景ノイズ）は、現行のＩＭＳに基づく検出システムの別の基本的な問題を表している。これはイオン化源の電荷についての競争によって引き起こされ得るもので、例えば、干渉物はサンプルのイオン化効率を低減できるので、従って検出感度を低減できる。現行のＩＭＳに基づくトレース検出システムでは、爆発物検出ウィンドウの閾値はこのマスキング効果を考慮して設定される。本発明のＭＤＩＭＳシステムおよび動作方法の様々な実施形態のより高い分解能では、警告閾値はより低いレベルに設定することができる。
【００６２】
本発明の様々な実施形態において、秒未満の時間フレームにおいて異なる電荷親和性を有するケミカル種の前段分離を達成するために、ＭＤＩＭＳの動作のＣＦＤＩモードが使われる。従って、取得された２−Ｄイオン移動度プロファイルにおいて、爆発物とは異なる電荷親和性を持った干渉物／マスキング剤はプロファイル中の異なる場所に位置し、そのようなことが差別化と同定のプロセスの一部となる。
【００６３】
ＭＤＩＭＳ装置と動作方法の更なる詳細
図４を参照すると、二重第二イオン移動度次元を有する多次元イオン移動度分光計の様々な実施形態の概略図が提供されている。図４AはＭＤＩＭＳの前方断面図、図４BはＭＤＩＭＳの側方断面図である。
【００６４】
様々な実施形態において、ＭＤＩＭＳは、例えば（ａ）反応物イオンと、反応物イオンがサンプルと反応してサンプル同定のために検出される作成物イオンを形成する反応領域を生成する、（ｂ）検出のためのサンプルイオンを生成する、（ｃ）またはその両方の、イオン化源４０１からなる。反応領域は、例えばイオンを第一次元ドリフト領域４１８（第一のドリフト管）に導くための実質的に連続した電場を生成するイオンガイド４０２によって防護することができる。
【００６５】
複数ステップ分離（Multiple Step Separation:ＭＳＳ）モード
ＭＳＳモード動作においては、イオンゲート４０３を開くことによってイオンのパルスが生成されてそれらを第一次元ドリフト領域４１８に導入し、イオンは第一のドリフト管４１８内の実質的に連続した電気的ドリフト場に誘導されてそれらの移動度に基づいて分離される。一実施形態では、電場は一連のイオンガイド４０４によって生成される。各イオンガイドは一つ以上の電極からなることができ、第一のドリフト管に跨ってポテンシャル差を確立するために各電極に異なる電圧を印加することができる。例えば、図４は各第一次元イオンガイドのために使われる四つの電極を示す。
【００６６】
ＭＳＳモード動作の様々な実施形態において、イオンの第一のグループが第一次元検出器マトリクス４０５に到達すると、第一次元ドリフト場に垂直な高電場を生成するために蹴り出し電圧を印加することができ、よって第一次元で分離されたイオンは第二次元ドリフト領域に移動される。第二次元の電場を定義するのを助けるために電場分離器スクリーン４０６を使うことができる。第二の場に導入されたイオンは第二次元ドリフト領域４２０に跨ってドリフトし続けて、更なる分離を達成することができる。第二次元４２０のイオンガイド４０７は、例えばもし分離の第三次元が望ましければ、第一次元のイオンガイド４０４と同様に配置することができる。もし第三次元が望ましければ、イオンガイドとして完全に正方形の電極を使うことができる。第二次元で分離されたイオンは検出器４０８で検出することができる。検出器は、分光計に要求される特別な分解能に従った複数の検出器または単一の検出器からなることができる。
【００６７】
様々な実施形態において、イオンが第一次元から第二次元に導入された際に、粒子蹴り出し動作を行うことができる。もしイオンの一部だけが蹴り出されたならば、蹴り出しの後に第一次元での移動度測定を再開することができる。よって、イオン移動度スペクトルは第一次元においても独立に取得することができる。完全な蹴り出しは第二次元における感度を向上できるので、これらの動作モードの間を交互することは有益である。加えて、例えば伸長された期間「蹴り出し」電場を印加することによってドリフトチェンバー内の全てのイオンを除去する、クリーンアップ動作を検出サイクルの間に追加することもできる。
【００６８】
分光計の低次元動作は、イオン化源からのイオン種の迅速な測量を生成するための高速スクリーニング方法として用いることができる。ＭＳＳモードの通常の動作と組み合わせて、イオン種の測量は上位次元動作を誘導するための指標として使うことができる。測量モード動作は、関心のあるイオンを選択的に蹴り出したり、高次元スペクトルを簡素化したり、総合分析を節約したりするために使うこともできる。
【００６９】
例えば、異なるドリフト気体を各次元で用いても良く、または異なるドリフト気体温度を各次元で用いても良いように、異なるドリフト／分離条件を各次元について独立に確立することができる。
【００７０】
多数の多次元正イオン移動度データを収集し、それに多数の多次元負イオン移動度データが続くような形でＭＤＩＭＳを動作させることができる。例えば分光計内の電場の極性を交互にすることによってシーケンスを実現することができる。
【００７１】
図５は、図４Ａ−４Ｂと実質的に同様なＭＤＩＭＳ内部の電場配置のシミュレーション結果を示す。図５ＡはＭＤＩＭＳ内に二つの垂直な電場を配置することができることを示す。図５Ｂおよび５Ｃにおいて、二つの半正方形のイオンガイドが例としてシミュレーションされている。図５Ｂは、第一次元ドリフト領域の側面図を示す。この領域ではイオンが下にドリフトしているが、両方の半正方形電極は同じ電圧に設定され、よってドリフト場に垂直な電場は実質的にない。図５Ｃを参照すると、第一次元のイオンが第二次元に蹴り出された際に、半正方形イオンガイドに異なる電圧が印加されて蹴り出し場５０６を作り出す、この特定のシミュレーションでは、上の半正方形イオンガイドは下の半正方形イオンガイドよりも１０００Ｖ低いポテンシャルにある。蹴り出し動作は、例えばマイクロ秒から数秒のレンジで達成することができる。
【００７２】
ＭＳＳモード動作中は、ドリフト気体フローの方向は、イオン移動に対向するまたは跨るように設定することができる。例えば、様々な実施形態において、気体ポート４１３を第二次元ドリフト気体入口として、ポート４１２を第一次元ドリフト気体入口として、ポート４０９をサンプルフロー入口として、ポート４１０を浄化気体出口として使用することができる。その他のポートは、好ましくはそれらが使用されていない時は栓をされるか除去される。各ポートのサイズは分光計内部のフローパターンを達成するために要求されるフローに依存して選択することができ、好ましくはドリフトフローが全ドリフト領域をスウィ−プし余分なサンプル分子やその他のあらゆる反応性中性分子を除去する。
【００７３】
様々な実施形態において、ドリフト気体は下位次元に実質的に平行な方向に高位次元へ供給することができる。例えば、ポート４１５を第二次元ドリフト気体入口として、ポート４１４を第二次元ドリフト気体出口として、ポート４１２を第一次元ドリフト気体入口として、ポート４１０を第一次元ドリフト気体出口として使用することができる。線形フロー条件と平行フローパターンの下で、例えば、次元インターフェース近傍のドリフト気体の制限された混合が期待される。
【００７４】
ストレージおよびバースト分析（Storage and Burst Analysis:ＳＢＡ）モード
ＳＢＡモード動作において、サンプルはポート４０９を通して分光計に提供される。イオン化源４０１を通して、イオン化されたサンプルは気体フローによって第一次元ドリフト領域４１８に持ち込まれる。単一極性のイオンのみに関心がある場合には、フローはポート４１２またはポート４１１から浄化することができる。ＳＢＡ動作モードの様々な実施形態において、第一次元ドリフト管は、例えば装置のデューティーサイクルを増加するためのイオンストレージ装置として使用することができる。
【００７５】
正と負のイオンの両方に関心がある様々な実施形態において、二重極性イオン抽出（Dual Polarity Ion Extraction:ＤＰＩＥ）方法を使うことができる。図５Ａおよび５ＢはイオンストレージおよびＤＰＩＥ動作中に生成される電場を示す。例えば、図５Ｃは第一次元の三つの壁（左、下、右）が１０００Ｖにあり、ゲートグリッドはそれぞれ０Ｖと２０００Ｖに設定されることを示す。図５Ｂに示された電場分布は、第一次元５０２を通してイオンを運ぶための力として気体フローが使われ、第一領域４１８、５０２内の電場は蹴り出しパルスが生成されるまでは実質的に０に設定されることを描いている。反応領域４１６と第一ドリフト領域４１８の両方の電場が除去された時に、ポート４１２をサンプルフロー出口として使う場合には、サンプルイオンは気体フローによって第一次元に跨ってのみ運ばれる。様々な実施形態において、検出器４０５が十分なイオン電流レベルを検出した時に、第二次元４２０、５０４に向けた完全な蹴り出しが行われる。連続的サンプル源検出シナリオにおいては、シーケンスは繰り返される。
【００７６】
選択的高次元イオン観察（Selective Higher Dimension Ion Monitoring）モード
様々な実施形態において、高次元検出器マトリクスの特定の電極においてイオン電流を選択的に観察することは、同じ検出器マトリクス内の他の電極上の関心のないイオンを排除することでシステムの選択性を向上することができる。イオン移動度プロファイルは、複数の電極からの信号と共にこの選択的観察方法を使って構築することができる。様々な実施形態において、高次元検出器マトリクスの特定の電極においてイオン電流を選択的に観察することは、同じ検出器マトリクス内の他の電極上の関心のないイオンを排除することでシステムの選択性を向上することができる。
【００７７】
ＭＤＩＭＳの様々な実施形態において、高次元ドリフトチェンバーは、減少された長さを有しても良い。それらの実施形態において、装置は単純化される。イオン移動度に基づく分離は低次元で達成され、高次元での更なる分離と共に高次元検出器マトリクス上で検出される。例えば、イオンは第一および第二次元で分離でき、それからそれらは第三次元での更なる分離なしに第三次元検出器マトリクス上で検出される。この場合には、システムの性能を最大化するような最適なイオン移動度分解能とイオン総数を持つ高次元にイオンを移動させるために「蹴り出し」タイミングが制御される。
【００７８】
連続的第一次元イオン化（Continuous First Dimension Ionization:ＣＦＤＩ）モード
ＣＦＤＩモード動作の様々な実施形態において、サンプルは気体のパルスとしてポート４１２から分光計に導入される。サンプル気体パルスは、例えば、表面からケミカルを熱脱離することによって、色層分析分離の溶離剤として、サンプルを短期間分光計にポンプで入れることによって、パルス化されたバルブを通した導入、等の幅広いやり方で形成することができる。多くの実施形態において、フローは線形フロー条件の下にあり、気体相サンプルの「プラグ」は気体フローによってポート４１２からイオン化源４０１の方に向けられている。（好ましくは高密度の）反応物イオンのパルスがイオン化源４０１によって生成され、サンプル「プラグ」に向けてドリフトするように電気的ドリフト場によって誘導される。反応物イオンのパルスとサンプルが第一次元４１８内でインターセプトすると、サンプルの一部がイオン化される。サンプルが同一取得周期内で複数の反応物イオンパルスと遭遇すると、サンプル「プラグ」内のケミカルがイオン化される。異なる性質（例えば、電荷親和性）のケミカルはよって分離されて、検出器マトリクス４０８上の異なる位置で検出されることができる。この気体相滴定方法は、異なる性質を持ったケミカルが共存するイオン混合物のイオン化効率を向上することができる。この手段により、従来のＩＭＳでは検出できないケミカルを検出することができる。
【００７９】
図３Ａ−Ｄを参照すると、ＣＦＤＩプロセスの概略的表現がドリフト領域３０２に描かれている。気体相サンプル３０４は、第一の時間においてドリフト管３０２にパルス化され、ドリフト管の少なくとも一部に沿って第一の方向３０５に搬送される。ここで第一の方向はドリフト管内のキャリア気体フローの方向と実質的に平行である。キャリア気体フローと気体相サンプルの速度は０ｃｍ／秒に等しいかそれよりも大きい。反応物イオン３０６の複数のパルスも、第一の時間に対する所定の時間においてドリフト管３０２に導入され、電気的ドリフト場によってドリフト軸３０８に沿った第二の方向３０７に搬送される。ここで第二の方向３０７はドリフト管内のキャリア気体フロー３０５の方向と実質的に反平行である。気体サンプル３０４は、（反応物イオンの複数のパルスの一つ以上からなる）反応物イオンの第一のグループ３１０と相互作用して気体相サンプルパルス３０４内のケミカル種をイオン化し、第一のイオン化されたケミカル種３１４を作り出す。様々な実施形態において、（例えば、電極の組３１８，３２０，３２２に蹴り出し電圧を印加することによって）蹴り出し場が印加されてイオン３１４をドリフト管の外へかつ別のドリフト次元の中への方向３１６に移動させる。様々な実施形態において、プロセスは、気体サンプル３０４と相互作用して更なるイオンケミカル種を作り出すイオンの他のグループ３１１，３１２について繰り返される。
【００８０】
様々な実施形態において、ＣＦＤＩは、図４に示された反応領域４１６においても行うことができる。反応物イオン３０６の複数のパルスがパルス化するイオンゲート４１９によって生成されると共に、パルス化されたサンプルが気体ポート４１０から分光計に導入される。この実装において、イオンゲート４０３は除去されるかまたは開いたままとされる。反応領域４１６で生成されたイオンのパルスは、第一次元ドリフト領域４１７で分離され、もしそれが望ましければ、それから分離されたイオンは更なるイオン移動度分析のために高次元ドリフト領域４１８に抽出される。様々な実施形態において、ＣＦＤＩ方法は、差分移動度分光計や、イオン移動度分光計や、質量分析器のような分光計と直接インターフェースされた独立したイオン化源として、ドリフト電場の方向とインラインにまたは垂直に使用することができる。ＣＦＤＩが単一のＩＭＳのために使われる実施形態では、グリッド４０３の代わりにシャッターグリッド４１９が使われる。イオン化されたケミカル種は、反応領域４１６での形成の後、ドリフト領域４１７をドリフトし続ける。同様に、差分イオン移動度分光計や質量分析器のような他の分光計へのインターフェースも、それらの計器のサンプル入口を反応領域の直後に置くことによって実現することができる。
【００８１】
ＣＦＤＩモードは、異なる化学的性質を持った反応物イオンを使って行うことができる。例えば、初期の反応物イオンと反応する種々の化学試薬を使ってイオンケミストリーを変形することは、異なる化学的性質を持った反応物イオンを生成することができる。これらのイオン種は、例えば分光計に導入されたサンプルをイオン化するのに使うことができる。同様の効果は、例えば異なるイオン種または荷電粒子／ドロップレットを生成することができるイオン化源を使用することによって達成することができる。様々な実施形態において、イオン化ケミストリーを変えることは、サンプル中の対象とするケミカルの実質的に選択的なイオン化を達成するのに使うことができる。例えば、異なる化学的性質を持ったイオンパルスの列は、サンプル中の両立するイオン化性質を持ったケミカルをイオン化するのに使うことができる。
【００８２】
選択的イオン導入（Selective Ion Introduction:ＳＩＩ）およびＩＭＳｎモード
選択的イオン導入（ＳＩＩ）モード動作において、選択されたイオンの一つ以上のグループが高次元に蹴り出される。選択的な蹴り出しは、関心のあるイオンが与えられたタイミングで移動している領域に所定の時間において蹴り出し電圧を印加することによって実現することがでできる。様々な実施形態において、蹴り出しパルスは、下位次元の選択された領域に印加される必要は必ずしもないが、下位次元の長さの一部に渡ってのみ高次元ドリフトチェンバーは下位次元をインターセプトしないので、よって例えばイオンの小さいグループだけが第二次元に蹴り出されることを許容するように選択された位置を設計することができる。ＭＳＳモードに対して記載したのと同様の結果は、蹴り出しタイミングを制御し、複数の取得サイクルを行うことによって達成することができる。
【００８３】
様々な実施形態において、ＳＩＩモードは狭いドリフト時間レンジ内のイオンを分解するのに有効であり得る。例えば、第一のドリフト次元がスクリーンスキャンとして使われ、関心のある化合物（例えば、ＴＮＴ）が潜在的に有ると検出されたとする。検出ウィンドウ（時間ウィンドウ）で応答したイオンが関心のある化合物であることを更に確認するには、更なる分離のために検出ウィンドウ内のピークを第二次元に選択的に蹴り出すことができる。第二次元から、選択されたウィンドウに落ちたイオンを第三次元に蹴り出すことができる。もしそれが望ましければ、このプロセスはイオン電流を使い尽すまで繰り返すことができる。
【００８４】
複数ドリフトチェンバー条件
様々な方法と動作モードにおいて、各ドリフトチェンバーは独立しおよび／または異なるドリフト条件の下で動作させられる。これらの条件は、異なる種類のドリフト気体、異なる化学修飾剤を持ったドリフト気体、異なる温度、異なる圧力、異なる電場強度、異なるフローレート、ドリフト媒体の異なる相、方向、等を含むが、これらに限られない。様々な実施形態において、条件を変更する目的は、それらに固有の化学的および／または物理的性質、それらがどのようにドリフト条件と共に変化することができるか、よってそれらがどのように分光計内の移動度変化をもたらすことができるか、を使ったイオン種の分離を達成することである。例えば、異なるドリフト気体を使ったイオン移動度測定は、異なる性質を持ったイオンがサンプル分光計内で異なるドリフト時間を持つことを実証している（例えば、(1) William F. Siems, Ching Wu, Edward E. Tarver, and Herbert H. Hill, Jr., P. R. Larsen and D. G. McMinn, “Measuring the Resolving Power of Ion Mobility Spectrometers", Analytical Chemistry, 66, 1994, 4195-4201; (2) Ching Wu, William F. Siems, G. Reid Asbury and Herbert H. Hill, Jr., "Electrospray Ionization High Resolution Ion Mobility Spectrometry/Mass Spectrometry", Analytical Chemistry, 70, 1998, 4929-4938; (3) Ching Wu, Wes E. Steiner, Pete S. Tornatore, Laura M. Matz, William F. Siems, Daivd A. Atkinson and Herbert H. Hill, Jr., "Construction and Characterization of a High-Flow, High-Resolution Ion Mobility Spectrometer for Detection of Explosives after Personnel Portal Sampling” Talanta, 57, 2002, 123-134; (4) G. Reid Asbury and Herbert H. Hill, Jr., “Using Different Drift Gases to Change Separation Factor (α) in Ion Mobility Spectrometry”, Analytical Chemistry, 72, 2000, 580-584を参照；これら全ての内容全体はここに引用によって組み込まれる）。
【００８５】
ＭＤＩＭＳシステムの様々な実施形態において、第二次元領域のような高次元ドリフト領域は、例えば気体または液体のようなドリフト媒体の異なる相で動作させられることができる。液体相ドリフトセルは、従来のドリフト管デザインの代わりに二つの平行したプレートまたはグリッドによって構築することができる。液体相ドリフトセルは、層に跨って電場を有する液体の薄層であり得る。高次元ドリフトセルは、第一次元ドリフト軸と実質的に平行または実質的に垂直なドリフト軸を有する。高次元ドリフトセルは、低次元ドリフト軸と実質的に垂直な複数の区画（チャネル）を有する。高次元ドリフトセルは、低次元ドリフト管で分離されたサンプルを選択的に収集するために使うことができる。高次元ドリフトセルは、電気泳動、色層分析、ＵＶ吸収およびその他の分光装置を含む、但しそれらに限られない、他の分離および検出装置と更にインターフェースすることができる。
【００８６】
本発明のＭＤＩＭＳシステムの様々な実施形態において、低次元（例えば、第一次元）におけるドリフト気体で十分に分離されなかった高次元（例えば、第二次元）におけるイオン種を分離するために、異なるドリフト気体が異なるドリフト管および／またはＭＤＩＭＳの次元において使われる。ドリフト気体は二つ以上の気体の混合物であり得ることを理解されたい。同様の分離は、他のドリフトチェンバー条件を変動させることによっても成し得る。
【００８７】
ＭＤＩＭＳ構成の更なる例
図７は、複数の高次元ドリフトチェンバー７０４ａ、７０４ｂが実質的に平行に配置され、複数のイオン化源７０６ａ、７０６ｂが例えば正と負の両方の極性のイオンを生成するために使われるＭＤＩＭＳの様々な実施形態を示す。例えば、ＣＦＤＩモードの動作を使って、サンプルは第一次元の中心にあるポート７０８ｂから分光計に導入することができる。異なる極性の二つのイオン化源を、反応物イオンを第一次元の中心に向けて移動させる電場によって第一次元チェンバー７０２ａ、７０２ｂに誘導される高密度反応物イオンを生成するために使うことができる。ここで、エレクトロスプレーイオン化源が使われ、例えば二次エレクトロスプレーイオン化原理を使ってサンプルをイオン化するために荷電ドロップレットを使うことができる。イオン化されたケミカルは、移動度測定のために高次元７０４ａ、７０４ｂに持ち込まれる。例えば、この実施形態は、例えば上述したような異なるイオン化モードおよび／またはドリフト条件を使った、異なるイオン化源を使って同一のサンプルを分析するために、使うことができる。例えば、装置は、より多くのイオン化方法を利用するように二つ以上の第一次元反応チェンバーと高次元ドリフトチェンバーの組み合わせを有することができる。高次元は、第一次元からイオンを抽出するように単一または二重極性モード（例えば、ＤＰＩＥ）で動作させられることができる。
【００８８】
図８は、低次元８０２から反対方向に伸びた高次元８０４ａ、８０４ｂを持つＭＤＩＭＳの様々な実施形態の概略図である。第二次元は、前述した通り単一または二重極性モードで動作させられることができる。第一次元は、例えばイオンストレージのためのイオンフローセルとして動作させられることができる。この構成は、例えばそれがＳＢＡモードの下で動作させられている時に、異なる極性を持ったイオンが反対側の高次元ドリフトチェンバーに蹴り出されることができるように利用されることができる。高次元ドリフトチェンバーが二重モードチェンバーである様々な実施形態において、例えば二重モードドリフトチェンバーが異なるドリフト条件の下で動作させられることができる独立した分析のためにイオンを両方の二重モードチェンバーに配布するのに、ＤＰＩＥ方法を使うことができる。
【００８９】
図９は、第二次元９０４ａ、９０４ｂのドリフト管の入口の間にイオン化源９０６とサンプル入口９０８を持ったＭＤＩＭＳの様々な実施形態の概略図である。このイオン化源９０６に形成されたイオンは、例えば第一次元９０２ａ、９０２ｂの二つの異なるセクションに抽出することができる。各セクションは、正または負の極性モードで動作させられることができる。例えば、様々な実施形態において、ＭＤＩＭＳの第一次元の各セクションは第一次元ドリフトチェンバーとして使われる。第一次元の各セクションは、更なるイオン分離のためにそれ自身の高次元ドリフトチェンバーを有することができる。
【００９０】
図１０は、イオンの形態のまたは外部イオン化源からのケミカルをサンプリングするための本発明のＭＤＩＭＳの様々な実施形態を描いている。そのような実施形態は、インターフェース１１０６を通して第一のドリフト管１１０４と流体通信する源１１０２を含む。イオンとここに記載された動作モードに働きかける本発明の方法は、そのような実施形態と共に使うことができる。この実施形態は、ＩＭＳシステムの内部のイオン化源と反応領域の必要性を排除する。イオン化されたケミカルは、電場によって（この例では、イオン化源１００４とインターフェース１００６は異なるポテンシャルに設定されている）か、気体フローによって（この例では、イオン種１００８はサンプリングポンプ１００９によってインターフェース１００６に移動させられる）インターフェース１００６に持ち込まれる。一旦サンプルイオン１００８がインターフェース１００６に移動させられると、それらはイオンゲート１００３を通して第一ドリフト次元１００２にパルス化される。それらは、第一のイオン検出器１０１２で検出されるか、その後第二次元ドリフト領域１０１０に蹴り出されて検出器１０１４、１００５、１０１１で検出される。
【００９１】
ＩＭＳｎおよびハイフネ−ト(hyphenate)システム
図１１Ａと１１Ｂは、ＩＭＳｎと共にＳＩＩモード動作を実現するために使うことができる様々な実施形態の概略例を示す。高次元の物理的サイズを減らし、蹴り出しパルスのタイミングを制御することによって、蹴り出し領域１１１２にドリフトするイオンの選択されたグループ１１１４を、それらが更に分離されることができる高次元ドリフトチェンバー１１１８に持ち込むことができる。同じプロセスは。異なるドリフトチェンバーでｎ番目の分離が行われるまで続けることができる。相互に接続されたドリフトチェンバーのジオメトリーは、２次元（図１１Ｂ）または３次元（図１１Ａ）であることができ、よって高次の移動度分離を行うことができる回数は、必ずしも分光計に利用可能な物理的スペースによって制限されない。
【００９２】
様々な実施形態において、図１１ＡはＳＩＩモード動作を説明する３次元ＭＤＩＭＳの概略を示す。気体相サンプルが、イオンゲート１１０３と１１０８の間で、第一次元ドリフト管の反応領域に導入された時、サンプルはイオン化源１１０２によって作り出された反応物イオンと共にＣＦＤＩまたは従来のイオン化方法によってイオン化される。反応物イオンと混合されたサンプルイオンは、第一のドリフト領域１１０４にパルス化される。イオンガイド１１０６によって生成された電場の誘導の下で、イオン混合物は第一次元で分離する。関心のあるイオン１１１４が蹴り出し領域１１１２にドリフトする所定のタイミングで、蹴り出し電圧を電極の組（スパイトされた（spited）イオンガイド１１１６とグリッド１１３０を含む）に印加してイオンを第二次元に抽出することができる。イオン１１１４が、蹴り出し領域１１１２と第二次元ドリフト領域１１１８の間のインターフェースに圧縮されると、複数の分離したイオン１１２０の細いパルスが第二次元ドリフト領域１１１８の始まりにおいて作り出される。イオンパルス１１２０は、イオンガイド１１１９で防護されたドリフト領域１１１８で分離される。更に分離されたイオン１１２４は、第二イオン蹴り出し領域１１２２から第一および第二次元と直交するドリフト方向１１２６（紙の内側に向いている）を有する第三ドリフトチェンバーに抽出される。抽出されたイオンは、第三次元またはそれより高いものにおいて上述したプロセスを繰り返す。
【００９３】
様々な実施形態において、図１１Ｂは２次元構造を持ったＳＩＩモードで動作するＭＤＩＭＳの概略を示す。図１１Ｂは、第一次元ドリフト管によって単離された一つのピーク１１１４ａが第二次元に抽出され、それから第二次元ドリフト管によって単離された一つのピークが第二次元と実質的に垂直で第一次元と実質的に反平行なドリフト方向を有する第三次元１１３２に抽出されることを描いている。この例では、全ての次元のドリフト軸は同一の平面上にある。
【００９４】
例えば、様々な実施形態において、図１１Ａと１１Ｂの構成は、質量分析器のような他の検出器にインターフェースすることができる。ＩＭＳ−ＭＳシステムは一般に、質量分析の前に移動度に基づく分離を達成するのに使われる。質量分析器へのインターフェースは検出器マトリクス、例えば１１２２または１１３６、の背後のイオンドリフト方向とインラインであることができる。図１１Ｂは第二次元検出器マトリクス１１３８上の開口を通した、またはイオンをインターフェース１１２８ｂと１１２８ｃに押す蹴り出しパルスを使ったドリフト方向に垂直な、質量分析器１１２８ａへのインターフェースを示す。後者の場合には、より高いイオン輸送効率が期待される。
【００９５】
サンプリング装置
サンプルは、フローストリーム中のパルスとして、連続的に、またはそれらの組み合わせでＭＤＩＭＳに導入することができる。パルス化されたサンプリング方法は、いくつかの動作モードで使うことができる。分光計の前の熱脱離チェンバーを使ってサンプルを提供することができる。例えば、綿棒からのサンプルについて、脱離チェンバーは綿棒を連続的に加熱し、それからＭＤＩＭＳに高濃度ケミカル蒸気をポンプで入れる。分光計に入ることを許容されるサンプルの量を制御するのにバルブを使うことができる。上述した動作モード次第では、サンプルはイオン化源を持ったＭＤＩＭＳに連続的に流れ込むことを許容されても良い。脱離チェンバーは、動作のサンプル前段濃縮ステップのために吸収体物質を含んでいることができる。例えば、低濃度または複雑な混合物のサンプルがチェンバーに導入されると、吸収体は関心のある化合物を選択的にトラップして、それからそれらをＭＤＩＭＳに脱離する。
【００９６】
サンプル綿棒
サンプリング効率を向上するには、数多くのやり方がある。様々な実施形態において、完全なサンプル収集を容易にするためにドライな綿棒の代わりに「ウェットな」サンプル綿棒を使うことができる。ウェットな綿棒は綿棒と表面の間の接触を増加することで収集効率を援助することができ、サンプルのより良い物理的ピックアップを提供する。適当な溶剤混合物を選択することによって、対象とする爆発物も綿棒に溶解することができ、よってより高いサンプリング効率を達成する。ウェットな綿棒の操作を容易にするために、マッチするサンプル綿棒と脱離器のデザインを使うことができる。
【００９７】
綿棒は、好ましくは指定された溶剤または使用される溶剤にための疎水性と親水性の表面のパターンによりデザインされる。このパターンは、例えば脱離器の内部のヒーターのパターンとマッチすることができる。実用的なサーチシナリオでは、サンプリング表面次第でドライおよびウェットなサンプル綿棒がしばしば使われる。ウェットな綿棒はより高い収集効率を持つので、それは例えばドライな綿棒からの警告を解消するための確認テストのために使うことができ、それは低レベルの爆発物粒子を収集する「完全な拭き取り動作」等において使うことができる。爆発物は綿棒に吸い込まれるか粘着することができるので、それはサンプルを証拠として保留するのにも使うことができる。
【００９８】
空気サンプリング
様々な実施形態において、本発明のＭＤＩＭＳシステムは、周囲の環境における蒸気の連続的なサンプリングと共に動作させられることができる。サンプル周波数は、例えば多量の爆発物やその他の安全性の心配の早期警告の目的を助けるように予め設定することができる。ニトログリセリン、ＴＡＴＰ、あるいは爆発物タガント（Taggants）のような一般的な揮発性爆発物は、蒸気相から検出することができる。よって、様々な実施形態において、本発明のＭＤＩＭＳシステムは「かぎつけ」のために使うことができる。
【００９９】
サンプル濃縮
様々な実施形態において、サンプリング能力および／または脱離効率は、高ケミカル親和性化合物、ケミカル抵抗性表面、またはその両方のパターンを脱離チェンバーの内壁上に使用することによって高めることができる。高ケミカル親和性化合物で被覆された表面は、気体相に蒸気を前段濃縮し、および／またはウェットなサンプリングのために使われる溶剤のようなその他のケミカルの存在の中で対象化合物を選択的にトラップするのに使うことができる。脱離されたパーツのための加熱エレメントは、例えば高ケミカル親和性被覆が施されたエリアを加熱するように配置することができる。そのような選択的加熱アプローチは、例えば脱離のために使われる熱を減らし、よって検出システムの総パワー消費を減らすのに使うことができる。
【０１００】
サンプルイオン化
本発明のＭＤＩＭＳシステムは、一つ以上のイオン化源からなることができる。イオン化源は、反応物イオンを生成したり、対象とするケミカルを直接イオン化したり、またはその両方のために使うことができる。好適な源は、放射性イオン化、エレクトロスプレーイオン化、脱離エレクトロスプレーイオン化、表面イオン化、コロナ放電イオン化源を含むが、それらに限定されない。
【０１０１】
エレクトロスプレーイオン化は、無機爆発物検出のために好ましい源の一つである。ＥＳＩ−ＭＤＩＭＳは、例えば塩化物ベースの爆発物とブラックパウダーを高い自信を持って検出するのに使うことができる。ウェットなサンプリング方式と共に、例えばエレクトロスプレーイオン化は収集されたサンプルを直接ＭＤＩＭＳにスプレーすることによってウェットなサンプルを処理するのに使うことができる。この方法の一つの実装は、エレクトロスプレー針とエレクトロスプレー電圧を印加することができる電極を有するサンプルホルダーにウェットなサンプルを入れるようにすることである。サンプルがホルダー内部に封印されると、直接または間接的にホルダー／吸い込んだサンプル綿棒に圧力が掛けられ、溶剤と溶解されたサンプルがエレクトロスプレー針に達して、エレクトロスプレーされて非常に荷電されたドロップレットを形成する。エレクトロスプレーサンプルイオンは、分析のためにＭＤＩＭＳに誘導することができる。ＭＤＩＭＳのためのウェットなサンプリングと直接エレクトロスプレーイオン化の組み合わせは、例えば無機と有機の両方の爆発物およびその他の関心のあるケミカルについての検出能力を提供することができる。
【０１０２】
検出システム使用可能性の増加
向上されたシステム準備完了状態。既存のＩＭＳに基づくトレース検出システムは、典型的には要求の高くない情況における空港動作環境においてはスループット要求を満たすことができるが、非常に汚染されたサンプルがシステムに導入された時にはサンプルスループットは制限される。システム内の汚染物の蓄積は、長い焼き出し時間および／または有機溶剤を使った複雑なクリーニング手順を要求し得る。システムと検出器のサンプル転送部分内部の冷たいスポットや活性化した表面のほかに、低分子重量汚染物と湿気をブロックするのに使われる（例えば、それぞれSmiths DetectionとGE Securityによって製造され、それらから入手可能なSabre 4000とVaporTracer計器の両方に見つけられるような）薄膜入口は、より高い分子重量汚染物を蓄積する最も一般的なパーツの一つである。この「メモリ効果」の主要な源を排除するために、本発明のＭＤＩＭＳの様々な実施形態はパルス化された入口システムを使う。
【０１０３】
パルス化された入口の様々な実施形態において、検出器は、典型的には約２０秒未満という、短い期間の間だけ外部世界に露出される。バルブは、サンプルがサンプリングチェンバー内の最も高い濃度に達した時だけ開く。チェンバーは蓄積されたケミカルを掃除するために周期的に瞬間加熱することができる。パルス化されたサンプル入口動作方式は、本発明のＭＤＩＭＳシステムの様々な実施形態と両立し、ドリフトチェンバーに導入された湿気の総量を制御するのを助けることができる。湿度センサもシステムの一部となるようにしてシステム処理のための追加カリブレーション情報を提供することができる。
【０１０４】
従来のシステムにおける最も一般的なユーザエラーの一つはミスカリブレーションである。発明の好ましいシステムは、パワーがオンにされた時と周期的にオペレータの注意を要求することなしにシステムをカリブレートすることができる自己カリブレーション／自己診断アルゴリズムを供する。様々な実施形態において、カリブラント（calibrant）は好ましくは計器の寿命の間もつ。この特徴は更にシステムの準備完了状態を向上することができる。
【０１０５】
本発明の装置は、非常に携帯可能な計器として構築することができる。あらゆる分析装置のように、動作特徴の数とシステムの携帯可能性の間にはしばしばトレードオフがある。本発明のＭＤＩＭＳデザインと動作方法の様々な実施形態において、総パワー消費と検出器サイズを減らすことができる。パワーの比較的大きい部分は、サンプル脱離と効果的掃除動作を含んだフロントエンドへの用途に割り当てることができる。例えば近代的ＰＤＡデザインなどの上の、低パワー消費コンピュータに基づくシステムが、好ましくは携帯型システムのエレメントとして使われる。携帯可能性と使用可能な特徴の間で選択することにバランスをとれると、本発明の様々な実施形態は、１０パウンド未満で、８パウンド未満ですらあり得る手頃なサイズを持つＭＤＩＭＳ検出システムを提供する。
【０１０６】
ＭＤＩＭＳの様々な実施形態において、図１２Ａ−ＣはコンパクトなＭＤＩＭＳの例の概略を示す。装置は、一つの第一次元チェンバー１２０２、二つの第二次元ドリフトチェャンバー１２０４ａ、１２０４ｂ、二つの第三次元チェンバー１２０６ａ、１２０６ｂを含み、最大の次元が＜１０ｃｍである、３次元で構成される。図１２Ｃは、ＭＤＩＭＳのスケール通りの３次元図面である。構成はＣＦＤＩとＤＰＩＥの両方をＳＩＩモードと共に実現するものである。ＣＦＤＩ動作では、反応物イオンはイオン源１２１０内で形成され、反応領域１２０８にパルス化されてパルス化されたサンプル１２１２を選択的にイオン化する。イオン化されたサンプルは第一次元ドリフトチェンバー１２０２内で分離され、それから高次元ドリフト領域１２０４と１２０６内で更に分離される。
【０１０７】
ＤＰＩＥ動作では、正と負の両方のイオンがイオン化源１２１０内で形成され、反応領域１２０８が電場の流出なしでキャリアフローによって第一次元１２０２に運び込まれる。正と負のイオンは、それぞれ第二次元ドリフトチェンバー１２０４ａと１２０４ｂに抽出される。サンプルイオンは、ソフトウェア制御されている計器の用途に応じて第一次元１２１４、第二次元１２１６、または第三次元１２１８ａと１２１８ｂ内の検出器マトリクス上で検出される。高速スクリーニング動作のついては、イオンは高スループットのために低次元で検出される。最高の分解能のためには、イオンは第三次元検出器で測定される。構成の工業図面が図１３Ａと１３Ｂに示されている。実用的なユニットは、サンプル入口１３０２、サンプル入口制御バルブ１３０４、イオン化源１３０６ａと１３０６ｂ、第一次元ドリフト領域１３０８を含む。ドリフトフローは、第二ドリフト領域１３２０ａ、１３２０ｂと第三ドリフト領域１３１８ａ、１３１８ｂに渡ってスウィ−プするように設計されている。ドリフト気体入口１３１０と１３１２において、ドリフトチェンバー全体に跨って平等なドリフトフローを保証するためにフロー分配システムが使われる。ドリフト気体はポート１３１４と１３１６については浄化(purge)である。
【０１０８】
図１４Ａと１４Ｂは、図１２と図１３で説明された検出器に基づいた携帯型システムの工業図面を示す。携帯パッケージは、気体システム１４０６、エレクトロニクスおよびコンピュータ制御１４０４、ユーザインターフェースおよびディスプレイ１４１０、バッテリーパワー１４０８、ＭＤＩＭＳ１４０２を含む。
【０１０９】
将来の改善の備えを容易にするために、モジュール化されたデザインアプローチが好ましくは本発明のＭＤＩＭＳにおいて使われる。例えば、異なるイオン化源が異なる応用については望まれても良い。そのような源は、例えばコロナ放電、エレクトロスプレーイオン化、または脱離エレクトロスプレーイオン化であっても良い。モジュール的デザインの備えはイオン源の荷電を容易にすることができる。
【０１１０】
別の側面では、上述した一つ以上の方法の機能は、汎用プロセッサまたはコンピュータ上のコンピュータ読み取り可能な命令として実装されても良い。コンピュータは、分離した形態や着脱可能な形態であっても良く、またはＭＤＩＭＳシステムに統合されていても良い。コンピュータ読み取り可能な命令は、例えばＦＯＲＴＲＡＮ，ＰＡＳＣＡＬ，Ｃ，Ｃ＋＋またはＢＡＳＩＣのような数々のハイレベル言語のいずれの一つによって書かれていても良い。更に、コンピュータ読み取り可能な命令はｓｃｒｉｐｔ、ｍａｃｒｏ、またはＥＸＣＥＬやＶＩＳＵＡＬ ＢＡＳＩＣのような商業的に利用可能なソフトウェアに埋め込まれた機能によって書かれていてもよい。加えて、コンピュータ読み取り可能な命令は、コンピュータ上に内存するマイクロプロセッサに向けたアッセンブリー言語によって実装することができる。例えば、コンピュータ読み取り可能な命令は、もしそれがＩＢＭのＰＣまたはＰＣクローン上で走るように構成されていれば、Intel 80x86アッセンブリー言語によって実装することができる。一実施形態では、コンピュータ読み取り可能な命令は、例えば、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスク、光ディスク、磁気テープ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、またはＣＤ−ＲＯＭ（あるいはその他のあらゆるタイプのデータ格納媒体）のようなコンピュータ読み取り可能なプログラム媒体を含む、但しそれらに限定されない、製造品上に埋め込まれることができる。
【０１１１】
特許、特許出願、記事、書籍、論文、ウェブページを含む、但しそれらに限定されない、この出願で引用された全ての文献や同様の資料は、そのような文献や同様の資料のフォーマットに拘わらず、それらの全体が明示的に引用によって組み込まれる。組み込まれた文献や同様の資料の一つ以上が、定義された用語、用語の用法、記載された技術等を含む、但しそれらに限られないこの出願と、異なっていたり矛盾していたりする場合には、この出願が統制する。
【０１１２】
ここで用いられたセクションの見出しは、組織化の目的だけのためであり、記載された主題をいかなるやり方でも制限しているものとは解釈されるべきではない。
【０１１３】
請求項は、そのように表明されない限り、記載された順序や要素に限定されているように読まれるべきではない。本発明は様々な実施形態と例との関連で記載されたが、本発明がそのような実施形態や例に限定されることは意図されていない。反対に、当業者には正しく認識されるであろうように、本発明は様々な変更、変形、同等物を包含する。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】図１Ａ、１Ｂは、本発明の3次元の多次元イオン移動度分光計（ＭＤＩＭＳ）装置の一実施形態の断面図を概略的に示す。図１Ｃは、第一から第二次元にイオンを「蹴り出す」間の、ＩＭＳの第一および第二次元内のシミュレートされた電位線を示す。第二次元は、例えば単一および／または二重極性モード動作に使用することができる。
【図２】図２は、ジェット排気による空港環境において共通して見つけられる酸化霧の成分である、4,6-dinitro-o-cresol(4,6 DNOC)からのＴＮＴの分解能を示すイオン移動度スペクトルである。スペクトルは、本発明による構成のＭＤＩＭＳで取得された。
【図３】図３は、ＣＦＤＩプロセスの様々な概念を概略的に説明する。
【図４】図４Ａ、４Ｂは、２つの垂直な電場領域を有する本発明の多次元イオン移動度分光計の様々な実施形態の概略図であって、図４Ａは前方断面図を描写し、図４ＢはＭＤＩＭＳの側方断面図を描写する。
【図５】図５Ａ〜５Ｃは、図４Ａ〜４ＢのＭＤＩＭＳ内の電場分布のシミュレーションを示す。図５Ａは、両次元の第一および第二のドリフト領域内のドリフト電場を描写する。図５Ｂは、第一次元内の移動度測定中の第一次元電場の側方断面図である。図５Ｃは、「蹴り出し」電圧が印加されてイオンを第二次元に持っていく時の第一次元電場分布の側方断面図を描写する。
【図６】図６Ａは、ＳＤＳＩＭＳの様々な実施形態の概略図である。様々な実施形態において、第一次元内の正と負のイオンは第二次元の２つの分離ドリフト領域に抽出することができ、正と負のイオンはよって実質的に同時に測定することができる。図６Ｂ、６Ｃは、第二次元内の電場分布のシミュレーション結果である。図６Ｂは、「蹴り出し」パルスの印加前および／または後の電場を描写する。図６Ｃは、「蹴り出し」パルス印加中の場を描写する。
【図７】図７は、平行な位置に複数の第二次元と複数のイオン化源を持ったＳＤＳＩＭＳの様々な実施形態の概略図である。
【図８】図８は、反対の位置に複数の次元を持ったＳＤＳＩＭＳの様々な実施形態の概略図である。
【図９】図９は、例えば異なる極性と共に使用することができる、単一のサンプル源と複数の第一次元チェンバーを持ったＳＤＳＩＭＳの様々な実施形態の概略図である。
【図１０】図１０は、イオンの形態のおよび／または外部イオン化源からのサンプリングケミカルのためのＭＤＩＭＳの様々な実施形態の概略図である。
【図１１】図１１Ａ、１１Ｂは、例えばＳIIおよびＭＳｎ実装に便利なＭＤＩＭＳの様々な実施形態の概略図である。
【図１２】図１２Ａ〜１２Ｃは、本発明の様々な実施形態による携帯型３次元計器のための一つのＭＤＩＭＳ構成チョイスの様々な実施形態を説明する。図１２Ａ、１２Ｂは概略２次元断面図を提供し、図１２Ｃは概略３次元断面図を提供する。
【図１３】図１３Ａ、１３Ｂは、図１４Ａ〜１４ＤのＭＤＩＭＳシステムの概略スケール図面である。
【図１４】図１４Ａ〜１４Ｄは、本発明の様々な実施形態を組み込んだ携帯型ＭＤＩＭＳの好ましい実施形態の概略スケール図である。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【技術分野】
【０００１】
[関連出願へのクロスリファレンス]本出願は、２００６年１月２日に出願された、同時係属中の米国特許仮出願番号60/766,226の優先権と恩恵を主張し、その内容全体をここに引用によって組み込む。
【背景技術】
【０００２】
１９７０年代初頭に発明されて以来、イオン移動度分光測定（Ion Mobility Spectrometry:ＩＭＳ）は種々の応用に使われる強力な分析ツールに発展してきた。この計器には、独立ケミカル検出システム、色層分析検出器、ハイフネーテッド（hyphenated）ＩＭＳ質量分析（Mass Spectrometry:ＭＳ）システムを含んだ、３つの主要な形態がある。独立した検出システムとしては、ＩＭＳは対象物質をイオン化し、ドリフト気体（例えば、キャリア気体）との相互作用に基づいて対象物質を背景から分離し、物質をそのイオン化された形態で検出するその能力に依拠して異なる形態の物質を定性的かつ定量的に検出する。色層分析検出器としては、ＩＭＳは色層分析的に分離された物質の複数のイオン移動度スペクトルを取得する。組み合わされたＩＭＳ−ＭＳシステムでは、ＩＭＳは質量分析の前に対象物質を単離する分離方法として使われる。しかし、ＩＭＳの分解能は一般に低いと考えられ、しばしばそのような装置を定性的な使用または関心のある物質に対する干渉物が低レベルの環境における使用に規制する。
【０００３】
ＩＭＳシステムの基本的な共通要素は、イオン化源、反応領域を含んだドリフト管、イオンシャッターグリッド、ドリフト領域、およびイオン検出器からなる。気体相分析において、分析されるサンプルは不活性キャリア気体によって反応領域に導入され、サンプルのイオン化はしばしばサンプルを反応領域および／または放射性６３Ｎｉ源を通過させることによって完了される。形成されたイオンはドリフト領域を確立するドリフトリングに印加された電場によってドリフト領域に向けられ、イオンの細いパルスはそれからイオンシャッターグリッドを介してドリフト領域に注入されおよび／または進入を許可される。一旦ドリフト領域に入ると、サンプルのイオンはそれらのイオン移動度に基づいて分離され、検出器におけるそれらの到着時間はイオン質量に関連付けることができるイオン移動度を示すものである。しかし、イオン移動度はイオン質量だけと関連しているのではなく、むしろイオン質量のみに依存するのではないイオン−ドリフト気体相互作用ポテンシャルに根本的に関連していることを理解されたい。
【０００４】
ＩＭＳの主要な応用の一つは禁制ケミカルのトレース量を検出することである。トレース検出システムは、爆発物およびケミカル剤検出のための現在のセキュリティシステムに幅広く用いられている。典型的には、セキュリティオフィサーがサンプリング表面上を綿棒で拭き、それから有機化合物のトレースが蒸発されてＩＭＳに導入される熱脱離器に綿棒を挿入した時に、プロセスが開始される。これらの応用の殆どにおいて、迅速かつ正確な禁制ケミカルの同定がセキュリティ検査ミッションにとって本質的である。携帯型であるが高性能な検出システムは捜し求められ続けており、極めて望ましいものである。
【発明の開示】
【０００５】
本発明は多次元イオン移動度分光測定（Multi-Dimensional Ion Mobility Spectrometry:ＭＤＩＭＳ）方法および装置の様々な側面に関する。様々な実施形態において、本発明のＭＤＩＭＳは、一装置内での複数イオン移動度に基づいた分離ステップを革新的に統合することによって従来のイオン移動度分光測定（ＩＭＳ）からそれら自身を差別化する。様々な実施形態において、本発明は従来のＩＭＳ装置と動作的アプローチよりも高い分解能と高い感度を提供する。
【０００６】
本発明の様々な実施形態は、ケミカル種をそれらのイオン移動度に基づいてイオン化し、分離し、検出する統合された多次元飛行時間型イオン移動度分光測定システムを提供する。これらのシステムは一般に、（ａ）少なくとも一つのイオン化源、（ｂ）少なくとも二つのドリフト領域、および（ｃ）少なくとも一つのイオン検出装置、を含む。様々な実施形態において、これらのシステムは、一組のドリフト条件下で一つのドリフト次元にあるイオンを分離し、その後同じまたは異なる組のドリフト条件下での更なる分離のために分離されたイオンはより高い次元に導入される。様々な実施形態において、分離プロセスは一つ以上の追加ドリフト次元について繰り返すことができる。また、様々な実施形態において、第一のドリフト次元はシステムのイオン化源、反応領域または脱溶媒和領域、およびドリフト領域の一つ以上として使われる。例えば、様々な実施形態において、第一のドリフト次元（第一のドリフト管）内の電場は荷電ドロップレットのための脱溶媒和領域として使うことができる。
【０００７】
本発明の装置と方法は、「ドリフト管」を利用する。ここで「ドリフト管」という用語は、イオン移動度分光測定の分野におけるこの用語の受け入れられた意味に従って用いられる。ドリフト管は、電場の影響下でイオンがその中を移動させられる中性の気体を含んだ構造である。「ドリフト管」は、管やシリンダーの形態である必要はないことを理解されたい。技術分野で理解されているように、「ドリフト管」はシリンダーに見られるような円形または楕円形の断面に限定されるものではなく、正方形、長方形、円形、楕円形、半円形、三角形等を含んだ、但しそれらに限定されない、あらゆる断面形状を持つことができる。
【０００８】
中性の気体はしばしばキャリア気体、ドリフト気体、バッファ気体等と呼ばれ、これらの用語はここでは入れ替え可能なものと見なす。気体は、関心のあるイオンまたは複数イオンの平均自由経路がドリフト管の次元よりも小さくなるような圧力下にある。つまり気体圧力は粘性流のために選ばれる。チャネル中の気体の粘性流の条件下では。条件は平均自由経路がチャネルの横断次元に比較して非常に小さくなるようなものとなる。これらの圧力において、フロー特性は主に気体分子間の衝突、即ち気体の粘度、によって決められる。フローは層流でも乱流でも良い。定常状態のイオン移動度が達成される前に、イオンがドリフト管の縦の長さに対して無視できる距離しか移動しないようにドリフト管内の圧力は十分に高いことが好ましい。
【０００９】
イオンが電気的ドリフト場の影響下でそれに沿って移動するドリフト管の軸は、ここではドリフト軸と呼ばれる。ドリフト軸はしばしばドリフト管の縦軸であるが、必ずしもそうとは限らない。
【００１０】
本発明の様々な側面において、イオン移動度分光計を動作させる方法が記載される。一側面においては、限定としてではなく簡潔さのために連続的第一次元イオン化（Continuous First Dimension Ionization:ＣＦＤＩ）モードと呼ばれる動作方法が記載される。技術分野で理解されているように、電荷は一つのイオン化されたケミカル種からより高い親和性の別のケミカル種に転送されることが好ましい。そのような電荷転送プロセスは関心のあるケミカル種のイオン化を深刻に乱し妨げたりもでき、よってＩＭＳやその他の形態の質量分析によるその種の成功した分析を妨げる。本発明のＣＦＤＩ方法は低電荷親和性イオンのイオンの形成を容易にし、よって様々な実施形態において、ＩＭＳの感度を上げることができる。ＣＦＤＩ方法はまたＩＭＳのダイナミック応答レンジも上げ、分光計がサンプル混合物を分析するのに使われた際によりよい定量的情報を提供する。
【００１１】
様々な実施形態において、ＣＦＤＩ方法は、第一のドリフト管に気体相サンプルをパルス化し、第一のドリフト管の少なくとも一部に沿った第一の方向にサンプルパルスを気体フローによって搬送することからなる。その結果、第一の方向は第一のドリフト管内のキャリア気体フローの方向と実質的に平行になる。反対に移動する反応物イオンのパルスを使ってサンプルパルス中のケミカル種をイオン化する。サンプルパルスは反応領域またはドリフト領域において分光計に導入できる。いくつかの動作モードでは、キャリア気体とサンプルパルスは０に近づく速度を持つことができるが、サンプルパルスに向かって移動する反応物イオンを持つことになる。例えば、反応物イオンの第一のグループが第一のドリフト管にパルス化され、サンプルパルスに向かっている第二の方向に第一のドリフト管電場によって搬送される。反応物イオンの第一のグループは好ましくは所定の時間において第一のドリフト管にパルス化される。所定の時間は、サンプルパルスと反応物イオンの第一のグループが相互作用する第一のドリフト管内の位置を少なくとも大まかには選択するように選ぶことができる。反応物イオンの第一のグループがサンプルパルスと相互作用すると、一つ以上のケミカル種がイオン化され第一のイオン化されたケミカル種が作り出される。典型的には、最も高い電荷親和性を持ったサンプルパルス中のケミカル種がイオン化されることが好ましい。
【００１２】
これも好ましくは第二の所定の時間において、第一のグループの後に、反応物イオンの第二のグループが第一のドリフト管にパルス化され、サンプルパルスに向かって第一のドリフト管の電場によって搬送される。第二の所定の時間は、第一の反応物イオングループについて選ばれたものより遅い必要があるが、サンプルパルスと反応物イオンの第一のグループが相互作用する第一のドリフト管内の位置を少なくとも大まかには選択するように選ぶことができる。様々な実施形態において、第二の所定の時間は、第一のイオン化されたケミカル種の少なくとも一部が第二のドリフト管に抽出される時間を許容するように選ばれる。
【００１３】
反応物イオンの第二のグループがサンプルパルスと相互作用すると、一つ以上のケミカル種がイオン化され第二のイオン化されたケミカル種が作り出される。典型的には、第二のイオン化されたケミカル種は二番目に高い電荷親和性を持ったサンプルパルス中の種である。プロセスは繰り返すことができ、例えば反応物イオンの第三のグループを提供して第三のイオン化されたケミカル種を作り出したり、反応物イオンの更なるグループを提供して第四のイオン化されたケミカル種を作り出したり等して、オペレータが望む通りに、関心のあるケミカル種をイオン化する。
【００１４】
様々な実施形態において、イオンを第二のドリフト管に移動させる第一のドリフト管の少なくとも一部に渡る電場を生成することにより、第一のドリフト管内の第一のイオン化されたケミカル種の少なくとも一部が第二のドリフト管に抽出される。この電場は第一のドリフト管からイオンを取り除くので、ここではしばしば「蹴り出し」パルスまたは「蹴り出し」場と呼ばれる。好ましくは、例えば場が印加されるタイミングや空間的広がりやその両方を選択することによって、蹴り出し場は実質的に反応物イオンがない第一のドリフト管の一部に印加される。例えば、様々な実施形態において、反応物イオンの第二のグループによる第二のケミカル種のイオン化の前に蹴り出し場が印加される。
【００１５】
様々な実施形態において、次の（ｎ＋１）番目のイオン化されたケミカル種の形成の前にｎ番目のイオン化されたケミカル種を抽出するために蹴り出し場が印加される。様々な実施形態において、二つ以上のイオン化されたケミカル種を実質的に同時に抽出するために蹴り出し場が印加される。様々な実施形態において、選択的なイオン化されたケミカル種の抽出と複数のイオン化されたケミカル種の抽出の組み合わせが行われる。
【００１６】
従って、様々な実施形態において、本発明のＣＦＤＩ方法は、（ａ）第一の時間において第一のドリフト管に気体相サンプルをパルス化し、（ｂ）第一のドリフト管の少なくとも一部に沿った第一の方向に気体相サンプルパルスを搬送し、ただし第一の方向は第一のドリフト管内のキャリア気体フローの方向に実質的に平行であり、（ｃ）第一の時間に対する所定の時間において第一のドリフト管に反応物イオンの複数のパルスを提供し、（ｄ）第一のドリフト管の少なくとも一部に沿った第二の方向に反応物イオンのパルスを電場によって搬送し、ただし第二の方向は第一のドリフト管内のキャリア気体フローの方向に実質的に反平行であり、（ｅ）反応物イオンの複数のパルスの一つ以上からなる反応物イオンのグループを気体相サンプルパルスと相互作用させて気体相サンプルパルス中のケミカル種をイオン化し、（ｆ）全ての関心のあるケミカル種がイオン化されるまで、反応物イオンのグループを気体相サンプルパルスと相互作用させるステップを繰り返し、異なる電荷親和性のケミカル種は第一の方向に沿って異なる位置でイオン化される、ことからなる。
【００１７】
様々な実施形態において、方法は、第一のドリフト管の少なくとも一部に渡って電場を一つ以上の所定の抽出時間において生成することによって、第一のドリフト管内のイオン化されたケミカル種の少なくとも一部を第二のドリフト管に抽出し、第二のドリフト管は第一のドリフト管の縦軸に実質的に平行または垂直な縦軸を有する、ことからなる。好ましくは、一つ以上の所定の抽出時間は、イオン化されたケミカル種が抽出される第一のドリフト管の一部に実質的に反応物イオンがない時間間隔の間にイオン化されたケミカル種が抽出されるように選択される。
【００１８】
様々な実施形態において、本発明のＣＦＤＩ方法は第二のドリフト管を使い、好ましくは、第二のドリフト管は第一のドリフト管の縦軸に実質的に垂直な縦軸を有する。様々な実施形態において、第二のドリフト管に抽出されたイオン化されたケミカル種はイオン検出器に向けられており、第二のドリフト管の条件下でのそれらの移動度に少なくとも基づいたイオン検出器でのそれらの到着時間によって特徴付けられる。
【００１９】
好ましくは、電場強度の気体数密度に対する比（Ｅ／Ｎ値）は、第一のドリフト管、第二のドリフト管、またはその両方で実質的に一定である。好ましくは、電場強度は、第一のドリフト管、第二のドリフト管、またはその両方で実質的に一定である。しかしながら、第一と第二のドリフト管における条件は異なることができることを理解されたい。例えば、様々な実施形態において、キャリア気体、キャリア気体密度、キャリア気体フローレート、電場強度、および温度の一つ以上は、第一と第二のドリフト管で異なる。
【００２０】
様々な実施形態において、本発明のＣＦＤＩ方法は種々の実用的な応用を有する。例えば、ＭＤＩＭＳの動作の連続的第一次元イオン化方法は、従来のＩＭＳの根本的な欠点、即ち分光計のイオン化源および／または反応領域における電荷の競争、を克服し、よって様々な実施形態において非常に異なる電荷親和性を持った物質についてイオン化の機会を供することを容易にするために使っても良い。ＣＦＤＩ方法の様々な実施形態は、例えば荷電物質を単離してそれらが他の共存している物質に電荷を失うことを妨げ、よって関心のある物質に対するシステム感度を高めることを容易にするために使っても良い。
【００２１】
様々な側面において、本発明は三つのドリフト管からなるイオン移動度分光計とそのような装置のための方法を提供する。一側面においては、限定としてではなく簡潔さのために二重極性イオン抽出（Dual Polarity Ion Extraction:ＤＰＩＥ）方法と呼ばれる動作方法が提供される。
【００２２】
様々な実施形態において、本発明は、三つのドリフト管であって、ＩＭＳの第一次元と（例えば、ＣＦＤＩによる）イオン形成またはその両方を行う第一のドリフト管と、ＩＭＳの第二次元を行う二つの追加のドリフト管（第二と第三のドリフト管）と、からなる多次元イオン移動度分光計を提供する。様々な実施形態において、第二と第三のドリフト管は、イオンの異なる極性におけるＩＭＳ、異なるドリフト管条件下のＩＭＳ，またはその両方、の第二次元を行うように構成され動作させられる。本発明のそのようなＭＤＩＭＳの様々な実施形態の例は、例えば図1と図６−９に概略的に説明されている。限定としてではなく簡潔さのために、そのようなイオン移動度分光計システムは二重第二次元イオン移動度分光計（Dual Second Dimension Ion Mobility Spectrometers:ＤＳＤＩＭＳ）と呼ばれる。
【００２３】
従って、様々な実施形態において、本発明は、（ａ）第一のドリフト軸を有する第一のドリフト管と、（ｂ）第一のドリフト軸と実質的に垂直な第二のドリフト軸と、第一のドリフト管と流体通信する入口を有する第二のドリフト管と、（ｃ）第二のドリフト軸に実質的に平行で第一のドリフト軸に実質的に垂直な第三のドリフト軸を有し、第一のドリフト管と流体通信する入口を有する第三のドリフト管と、（ｄ）第二のドリフト管の入口の反対側に配置された電極と、（ｅ）第三のドリフト管の入口の反対側に配置された電極と、 からなるイオン移動度分光計を提供する。
【００２４】
第二と第三のドリフト管は種々のやり方で配置することができる。様々な実施形態において、第二のドリフト管と第三のドリフト管は、第一のドリフト管を跨いで実質的に互いに反対側に配置されている。そのような実施形態の例は、図８に概略的に描かれた実施形態を含むが、それらに限られない。第二と第三のドリフト管の反対側への配置は、第二のドリフト管の入口の反対側に配置されている電極が第三のドリフト管の入口からなり、第三のドリフト管の入口の反対側に配置されている電極が第二のドリフト管の入口からなる構造を提供できる。
【００２５】
様々な実施形態において、第二のドリフト管と第三のドリフト管は、実質的に横に並べて配置されている。そのような実施形態の例は、図１、６、７、９に概略的に描かれた実施形態を含むが、それらに限られない。様々な実施形態において、第二と第三のドリフト管の近接さは、第二のドリフト管の入口の反対側に配置されている電極が第三のドリフト管の入口の反対側に配置されている電極と同じ構造である好ましい実施形態を導く。例えば、様々な実施形態において、電位Ｖがこの電極に印加され、より低い電位が第二のドリフト管の入口に印加される。異なる極性のイオンを第二と第三のドリフト管に引きつけるために、より高い電位が第三のドリフト管の入口に印加される。
【００２６】
本発明の二重第二次元イオン移動度分光計（ＤＳＤＩＭＳ）はＩＭＳのより高い次元を含むことができる。様々な実施形態において、本発明のＤＳＤＩＭＳはまた、（ａ）第二のドリフト管と流体通信する入口を有し、第二のドリフト軸と実質的に垂直な第四のドリフト軸を有する第四のドリフト管と、（ｂ）第三のドリフト管と流体通信する入口を有し、第三のドリフト軸と実質的に垂直な第五のドリフト軸を有する第五のドリフト管と、からなる。そのような実施形態の例は、図１に概略的に描かれた実施形態を含むが、それらに限られない。様々な実施形態において、第四のドリフト軸と第五のドリフト軸は両方第一のドリフト軸と実質的に垂直である。
【００２７】
本発明の多次元ＩＭＳシステムについて、幅広いイオン源とイオン検出器構成が考えられる。例えば、様々な実施形態において、本発明のＤＳＤＩＭＳはまた、第一のドリフト管の第一端と流体通信するイオン源と、第一端と反対側の第一のドリフト管の一端に位置するイオン検出器と、からなる。そのような実施形態の例は図１に概略的に描かれた実施形態を含むが、それらに限られない。
【００２８】
様々な実施形態において、本発明のＤＳＤＩＭＳはまた、第一のドリフト管の第一端と流体通信する第一のイオン源と、第一端と反対側の第一のドリフト管の一端と流体通信する第二のイオン源と、からなる。そのような実施形態の例は図７に概略的に描かれた実施形態を含むが、それらに限られない。
【００２９】
様々な実施形態において、本発明のＤＳＤＩＭＳはまた、第二のドリフト管の入口と第三のドリフト管の入口の間に位置するイオン源、からなる。イオン源は第一のドリフト管と流体通信し、第一にイオン検出器は第一のドリフト管の第一端に位置する。様々な実施形態において、第二のイオン検出器は第一端と反対側の第一のドリフト管の一端に位置する。そのような実施形態の例は図９に概略的に描かれた実施形態を含むが、それらに限られない。
【００３０】
様々な側面において、本発明はＤＳＤＩＭＳを動作させる方法を提供する。一側面においては、限定としてではなく簡潔さのために二重極性イオン抽出（Dual Polarity Ion Extraction:ＤＰＩＥ）と呼ばれる動作方法が提供される。様々な実施形態において、ＤＳＤＩＭＳを含んだ本発明のＭＤＩＭＳ，はイオンストレージを含むように動作させることができる。例えば、様々な実施形態において、従来のＩＭＳデザインで損害を蒙っていたイオン化とドリフトチェンバーにおけるイオンの損失を低減させるか回避することができる。例えば、ＤＰＩＥモードで動作するＭＤＩＭＳは、例えばperoxideとnitroベースの爆発物検出において存在するであろうような、正と負のイオンの実質的同時分析を提供することができる。そのような動作は、様々な実施形態において、従来のＩＭＳアプローチに対して増加した感度を提供する。様々な実施形態において、本発明のＤＳＤＩＭＳ構成は、手持ち型計器に好適な非常にコンパクトなフォーマットで提供でき得る。そのような手持ち型装置は、国土セキュリティの領域で広範な使用を見つけることができ得る。
【００３１】
従って、様々な実施形態において、本発明は、例えばＤＳＤＩＭＳのようなイオン移動度分光計を動作させる方法を提供し、イオン移動度分光計は、（ａ）第一のドリフト軸を有する第一のドリフト管と、（ｂ）第一のドリフト軸と実質的に垂直な第二のドリフト軸を有する第二のドリフト管と、（ｃ）第二のドリフト軸に実質的に平行で第一のドリフト軸に実質的に垂直な第三のドリフト軸を有する第三のドリフト管と、（ｄ）第二のドリフト管の入口の反対側に配置された第一の電極と、（ｅ）第三のドリフト管の入口の反対側に配置された第二の電極と、からなる。
【００３２】
様々な実施形態における方法は、（ａ）正イオンケミカル種と負イオンケミカル種からなる気体サンプルを第一のドリフト管に提供し、（ｂ）第一のドリフト管内の第一のキャリア気体との衝突によってケミカル種の一つ以上を第一のドリフト軸に沿って空間的に分離し、（ｃ）正イオンケミカル種の少なくとも一部を第二のドリフト管に移動し、実質的に同時に負イオンケミカル種の少なくとも一部を第三のドリフト管に移動するために、第三のドリフト管の入口の反対側に配置された第一の電極の間に電気的ポテンシャル差を印加し、（ｄ）第二のドリフト管内の第二のキャリア気体との衝突によって正イオンケミカル種の一つ以上を第二のドリフト軸に沿って空間的に分離し、分離された正イオンケミカル種の少なくとも一部をイオン検出器に搬送し、（ｅ）第三のドリフト管内の第三のキャリア気体との衝突によって負イオンケミカル種の一つ以上を第三のドリフト軸に沿って空間的に分離し、分離された負イオンケミカル種の少なくとも一部をイオン検出器に搬送する、ステップからなる。
【００３３】
方法は、例えばperoxideベースの爆発物とnitroベースの爆発物に関連するケミカル種のようなサンプル中の一つ以上のケミカル種の有無を、例えば単一の測定で決定するために使うことができる。そのような決定は、第二のドリフト管、第三のドリフト管、またはその両方と関連するイオン検出器における到着時間に基づいて行うことができる。
【００３４】
第一、第二、第三のドリフト管におけるドリフト条件は実質的に同じであるかまたは異なることができる。例えば、様々な実施形態において、キャリア気体、キャリア気体密度、キャリア気体フローレート、電場強度、および温度のドリフト管条件は、第一のドリフト管、第二のドリフト管、第三のドリフト管の一つ以上の間で異なる。
【００３５】
様々な実施形態において、異なるドリフト条件を使用することは本発明の様々な方法の一側面である。例えば、同じサンプルについて、本発明の様々な実施形態は、一回のデータ取得サイクルで異なる条件下での複数イオン移動度に基づく分離を達成する手段を提供する。条件は、ドリフト気体の種類、温度、圧力、電場強度、フローレート、等を含む。これらの条件は、個々の物質のイオン移動度に基づく分離特性を変更するために調整することができる。よって、様々な実施形態において、好ましくは一回のデータ取得サイクルで、従来のＩＭＳでは分解不能な物質をＭＤＩＭＳで分離することができる。
【００３６】
様々な実施形態において、本発明は、例えばＤＳＤＩＭＳのようなイオン移動度分光計を動作させる方法を提供し、イオン移動度分光計は、（ａ）第一のドリフト軸を有する第一のドリフト管と、（ｂ）第一のドリフト軸と実質的に垂直な第二のドリフト軸を有する第二のドリフト管と、（ｃ）第二のドリフト軸に実質的に平行で第一のドリフト軸に実質的に垂直な第三のドリフト軸を有する第三のドリフト管と、（ｄ）第二のドリフト管の入口の反対側に配置された第一の電極と、（ｅ）第三のドリフト管の入口の反対側に配置された第二の電極と、からなる。
【００３７】
イオン移動度分光計は、第二のドリフト管と第三のドリフト管について異なるドリフト条件で動作させられる。動作は、（ａ）イオンケミカル種からなる気体サンプルを第一のドリフト管に提供し、（ｂ）ドリフト条件の第一の組の下で第一のドリフト管内の第一のキャリア気体との衝突によってケミカル種の一つ以上を第一のドリフト軸に沿って空間的に分離し、（ｃ）イオンケミカル種の少なくとも一部を第二のドリフト管に移動し、実質的に同時にイオンケミカル種の少なくとも一部を第三のドリフト管に移動するために、第三のドリフト管の入口の反対側に配置された第一の電極の間に電気的ポテンシャル差を印加し、（ｄ）ドリフト条件の第二の組の下で第二のドリフト管内の第二のキャリア気体との衝突によってイオンケミカル種の一つ以上を第二のドリフト軸に沿って空間的に分離し、分離されたイオンケミカル種の少なくとも一部をイオン検出器に搬送し、（ｅ）ドリフト条件の第三の組の下で第三のドリフト管内の第三のキャリア気体との衝突によってイオンケミカル種の一つ以上を第三のドリフト軸に沿って空間的に分離し、分離されたイオンケミカル種の少なくとも一部をイオン検出器に搬送する、ステップからなり、ここでドリフト条件の第二と第三の組は異なる。
【００３８】
様々な側面において、本発明は、ＩＭＳの三つ以上の次元からなる多次元イオン移動度分光測定システムを提供する。様々な実施形態において、ＭＤＩＭＳは、（ａ）第一のドリフト管と流体通信するイオン源であって、第一のドリフト管は第一のドリフト軸を有するものと、（ｂ）第一のドリフト軸と実質的に垂直な第二のドリフト軸を有する第二のドリフト管と、（ｃ）第二のドリフト軸に実質的に垂直な第三のドリフト軸を有する第三のドリフト管と、（ｄ）第三のドリフト管と流体通信する第一のイオン検出器と、からなる。様々な実施形態において、第三のドリフト軸は第二のドリフト軸と第一のドリフト軸の両方に実質的に垂直である。
【００３９】
様々な側面において、本発明は、ＩＭＳの二つ以上の次元からなる多次元ＩＭＳシステムを動作させる方法を提供する。例えば、ＣＦＤＩの方法は、第一のドリフト管（次元）からなる本発明のＩＭＳのあらゆる実施形態と一緒に使うことができることを理解されたい。例えば、本発明のあらゆる実施例において、第一のドリフト管（次元）は、システムのイオン化源、反応領域または脱溶媒和領域、およびドリフト領域の一つ以上として使うことができることを理解されたい。本発明の方法は、一つ以上のドリフト次元に化合物を加えるステップを含むことができ、化合物はカイラルなケミカル種の分離を容易にするものであることも理解されたい。
【００４０】
本発明の様々な実施形態は、トレース化合物の検出において有用なツールと方法であることができると考えられる。限定としてではなく例として、本発明の様々な実施形態は、従来の単一次元ＩＭＳシステムと比較して向上した分解能と向上した感度の一つ以上を提供でき得ると考えられる。
【００４１】
例えば分解能に関しては、本発明の多次元システムの様々な実施形態において達成できる分解能力は約８０と１００の間と予測される。従来の商業的に利用可能なトレース検出器が供する１０−３０の分解能力と比較すると、本発明の様々な実施形態はこれらの従来のＩＭＳシステムよりも実用上６３個多くのケミカルをイオン移動度スペクトル中で分解することが理論的にでき得る。例えば、商用のシステムにおいて１０ｍｓのＴＮＴドリフト時間と０．５ｍｓの半値ピーク幅を仮定すると、従来システムは分解能力（R=t/wl/2）が２０でピーク容量が２ピーク／ｍｓとなるであろう。もし移動度分光計の使用可能なドリフト時間レンジが９ｍｓであったならば、システムは理論的には単一の移動度スペクトル中に１８個の化合物を識別でき得る。これに対して、分解能力が９０のシステムでは、理論的に識別し得るピークの総数は８１である。そのような改善は、対象爆発物からの干渉物を分離するより高い分解システムを理論的に許容でき、よって例えば汚染された動作環境における誤った警告を減少し得る。
【００４２】
例えば感度に関しては、本発明の様々な実施形態は、分光計内部のイオン輸送効率を向上し、従ってシステム感度を向上することを容易にするができる独自な多次元方式を提供する。向上した分解能力によって、検出閾値をより低く設定できる。様々な実施形態において、本発明のＭＤＩＭＳシステムのシステム感度は、（実験室条件だけでなく）対象とする動作環境下でサブナノグラムのレンジになることができる。
【００４３】
様々な側面において、本発明はコンパクトなサイズの多次元ＩＭＳに基づく検出システムを提供する。本発明の計器は、様々な実施形態において、例えば、秘密漏洩セキュリティまたは他の用途で有用であり得る爆発性物質の検出のような、ケミカルの検出のための携帯型トレース検出システムとして使用することができる。好ましくは、本発明の新たな検出システムは、同一または同様の動作コントロールを有し、現行システムと同様のユーザインターフェースを組み込む。様々な好ましい実施形態において、海運／産業環境を含んだ複雑な環境における爆発物トレース検出ミッションを行うというチャレンジに答えられるコンパクトな高性能トレース検出システムを提供する。
【００４４】
例えば、本発明の様々な実施形態は、例えばSmiths Detectionが製造しそこから入手可能なSmith 500DTのような、ある種の従来のデスクトップユニットと比肩し得るまたはそれよりも良好な性能を持ったコンパクトなサイズでのトレース検出を供するＭＤＩＭＳを提供することができる。コンパクトな計器実装デザインは、システムの総重量と電力消費を削減する。本発明によるコンパクトなデザイン（または手持ち型の）ＭＤＩＭＳの一つの特定の実施形態は、約１２ｗ×８ｈ×４ｄインチのサイズと、１２パウンド未満、いくつかの実施形態では顕著に１０パウンド未満、の重量を有する。
【００４５】
本発明の様々な実施形態はイオン検出器を含む。幅広いイオン検出器が本発明で使用するのに好適であり、ファラデー板、電子増幅器、光増幅器、電荷光子変換装置、電荷結合装置（ＣＣＤ），等を含むが、それらに限られない。本発明においてイオン検出器が使われる所ではどこでも、その代わりにイオン検出器システムを使うことができることを理解されたい。この文脈でイオン検出器システムは、イオン検出器と、イオン検出器と本発明のＩＭＳ次元の間に配置された質量分析器と、からなる。この目的に好適な質量分析器は、飛行時間（time-of-flight:ＴＯＦ）およびＲＦ型多極質量分析器を含むが、それらに限られない。
【００４６】
別の側面においては、発明の方法の機能が、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスク、光ディスク、磁気テープ、ＰＲＯＭ，ＥＰＲＯＭ，ＣＤ−ＲＯＭ，ＤＶＤ−ＲＯＭのような、但しそれらに限られない、コンピュータ読み取り可能な媒体上に埋め込まれた、またはコンピュータまたはプロセッサのメモリ内に内在する、製造品が提供される。方法の機能は、例えばＦＯＲＴＲＡＮ，ＰＡＳＣＡＬ，Ｃ，Ｃ＋＋，ＢＡＳＩＣ，およびアッセンブリー言語のような、コンピュータ読み取り可能な命令または言語のいくつによってでもコンピュータ読み取り可能な媒体上に埋め込むことができる。更に、コンピュータ読み取り可能な命令は、例えばｓｃｒｉｐｔやｍａｃｒｏによって記述され、または商業的に利用可能なソフトウェア（例えば、ＥＸＣＥＬまたはＶＩＳＵＡＬ ＢＡＳＩＣ）に機能的に埋め込まれることができる。
【００４７】
発明の前述したものおよびその他の側面、実施形態、特徴は、添付した図面と併せて以下の記載からより完全に理解できる。図面において同様の参照符号は、様々な図を通して同様の特徴や構成要素を一般的に参照する。図面は必ずしもスケール通りではなく、その代わりに発明の原理を説明することに強調が置かれている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
様々な側面において、本発明は多次元イオン移動度分光測定（ＭＤＩＭＳ）システム、好ましくは一つの統合された分光計に多次元電場デザインを持ったものと、そのようなシステムを動作させる方法を提供する。様々な実施形態において、ＭＤＩＭＳシステムおよび／または方法は、従来の単一次元ドリフト管と比較して向上された感度と分解能を提供する。様々な実施形態において、向上された感度は第一次元をイオンストレージ領域として使ってシステムのデューティーサイクルを向上することによって達成することができる。様々な実施形態において、ＭＤＩＭＳシステムおよび／または方法は、向上された移動度分解能を提供する。様々な実施形態において、これらの向上は、それらの移動度に基づいて分離されたか既に分離されていたイオンを更に分離できるドリフト領域を使うことによって達成することができる。様々な実施形態において、イオン種が第一次元で分離されるにつれて、それらの間のクーロン反発は（例えば蹴り出しパルスを使って）それらを第二ＩＭＳ次元に転送することによって削減される。よって、様々な実施形態において、より高い移動度分解能は第二次元において経験することができる。様々な実施形態において、第一次元は、ＩＭＳの様々な実施形態と適当な電場印加において、ＭＤＩＭＳは正と負のイオンの両方を実質的に同時に検出するのに使うことができる。
【００４９】
本発明の様々な詳細な実施形態を更に記載する前に、本発明の装置と方法の様々な実施形態を３次元ＭＤＩＭＳ装置という一実施形態の文脈で検討することは、それらのより完全な理解のために有益であり得る。
【００５０】
図１Ａ−１Ｃは、３次元ＭＤＩＭＳシステムの様々な実施形態を描写している。図１Ａは、第一次元ドリフト領域１０２と第二次元ドリフト領域１０４の側面図である。図１Ｂは，第二次元ドリフト領域１０４と第三次元ドリフト領域１０６の側面図を示す。図１Ａ−１Ｃにおいて、第二次元は二つのドリフト管１０４ａ、１０４ｂからなり、第二次元ドリフト管の各々に付随する分離された第三次元ドリフト管１０６ａ、１０６ｂがある。第二次元１０４は、単一または二重極性モード動作のために使うことができる。ＭＤＩＭＳの様々な実施形態において、各次元のドリフト軸を直交するジオメトリーに配置するのが好ましい実施形態であるが、同様の結果を達成するためにドリフト軸は平行、反平行、またはその間に角度を持って配置することができることは理解されたい。
【００５１】
本ＭＤＩＭＳ装置および方法の全てのＩＭＳ次元における電気的ドリフト場強度−気体数密度比（Ｅ／Ｎ値、しばしばタウンゼント(Townsend)の単位で表される）は、ローフィールド環境とときに呼ばれる、定常状態のドリフト環境を確立するように選ばれていることは理解されたい。
【００５２】
本発明のＭＤＩＭＳにより、イオン移動度スペクトルは例えば２−Ｄまたは３−Ｄプロットによって表すことができ、非線形な検出ウィンドウを使うことができる。ケミカルはそれらの１−Ｄ，２−Ｄまたは３−Ｄ移動度プロファイルで同定することができる。この移動度プロファイリング方法は追加の情報を提供でき、よってケミカル（例えば、爆発物）同定についてより大きな自信を提供することができる。
【００５３】
様々な実施形態において、第一次元のドリフト電圧がオフにされている（即ち、実質的にドリフト場がない）間に正と負のイオンが気体フローによって第一のドリフトチェンバーに持ち込まれるフロースルーセルとして第一次元１０２を使って、ＤＰＩＥ動作モードを行うことができる。所定の時間において、好ましくは第一次元の正と負のイオンが実質的に同時に第二次元の二つの分かれたドリフトチェンバー１０４ａ、１０４ｂに抽出されるように、イオンは第二次元に蹴り出される。イオンが第二次元１０４で分離された後、それらは第三またはそれより高い次元において更に分離されて検出されることができる。
【００５４】
様々な実施形態において、イオン化されたサンプルは、第一のドリフト領域１０２に導かれおよび／またはそこで形成され、（従来のＩＭＳに類似する）移動度に基づいた第一次分離を受ける。与えられた所定の時間において、第一次元（第一のドリフト管）で分離されたイオンは、それらが第一次元と実質的に第一のドリフト方向と垂直な方法に分離される第二ドリフト次元１０４のドリフト領域に蹴り出される。もし望ましければ、ＩＭＳの更なる次元により、同じプロセスをより高い次元において続けることができる。
【００５５】
図１Ｃは、図１Ａおよび１ＢのＳＤＳＩＭＳにおけるＤＰＩＥプロセスの電場分布のシミュレーション結果を示す。図１Ｃにおいて、第一次元１０２の三つの壁（左、下、右）は１０００Ｖにあり、ゲートグリッドはそれぞれ０Ｖと２０００Ｖに設定される。等ポテンシャル線が図には示されている。第一次元を通ってイオンを運ぶのに使われるサンプル気体フローは、例えば第一次元検出器１１４の背後の排気であることができる。イオンが第二次元１０４で分離された後、分離されたイオンを第三次元１０６に持ち込むために蹴り出し電圧を印加することができる。連続的サンプル検出シナリオでは、シーケンスは繰り返される。正と負のイオンの両方を形成し得るケミカル混合物について、ＤＰＩＥ技術の様々な実施形態は、正と負のイオンの両方の５０％より多くを第二次元に抽出することができる。
【００５６】
様々な実施形態において、ＭＤＩＭＳ装置は、分解能力を顕著に失うことなく各次元間でイオンを運搬することができる。図１１を参照すると、様々な実施形態において、イオンが第一次元で分離された時、それらは薄板１１１０のように見えることができる。第一次元と垂直な方向にそれらを移動するために、マイクロ秒のレンジ内で適当な電極（典型的には、入口と反対側の電極、入口自身、またはその両方）上の電圧が変えられる。これらの蹴り出しの瞬間の間の電場は、一時的に高いおよび低い電場ゾーンを作り出すように操ることができる。高い電場ゾーンの薄板１１１０は、第二次元の低い電場ゾーンの薄線１１２０に圧縮することができる。
【００５７】
本発明の一つの応用エリアは、麻薬および爆発物のスクリーニングなどのセキュリティへの応用においてしばしば要求されるような、ケミカルのトレース量の検出にある。実際にはそのようなタスクは種々の理由により行うことが困難であり得る。
【００５８】
例えば、非常に汚染された環境においてトレース爆発物を検出することは、現行のＩＭＳに基づくトレース検出システムにとって大いなるチャレンジを突きつける。汚染は偽の肯定的または偽の否定的な指標を引き起こすことができる。これらの問題を導くことができる商業的に利用可能なＩＭＳシステムにおいて観察されるいくつかの共通する現象としては、
１． 偽の肯定を引き起こすことができる、対象とする爆発物として似たイオン移動度を有するケミカルからの爆発物検出ウィンドウにおける重複したまたは隣接したピーク；
２． 偽の肯定を引き起こすことができる、爆発物検出ウィンドウを通る定義されていないイオン移動度ピークのシフト；
３． 爆発物検出の偽の否定を引き起こすことができる、汚染物からの高いケミカル背景ノイズ；
がある。本発明のシステムおよび方法の様々な実施形態は、トレースケミカル検出におけるこれらの問題を克服することを容易にすることができる。
【００５９】
上述した第一の現象（重複したまたは隣接したピーク）は、本発明の様々な実施形態に従うＭＤＩＭＳを使って低減することができる。高分解能ＩＭＳの性能の例が図２に描かれている。図２は、ＴＮＴと4,6-dinitro-o-cresol(4,6 DNOC)のイオン移動度スペクトルを示す。化合物4,6-dinitro-o-cresol(4,6 DNOC)は、ジェット排気のために空港環境において一般に見つかる酸性霧の成分である。ＴＮＴと4,6 DNOCは、それぞれ1.59と1.54というとてもよく似たイオン移動度を持つが、約６０の分解能力によりそれらは分離され適正に同定されることが分かる。ＭＤＩＭＳシステムにおいて、上の例で示されたような二つの高分解能ドリフトチェンバーは、正と負の両方のイオンの2次元移動度プロファイルを同時に生成するのに使うことができる。2次元イオン移動度データは、爆発物検出により高い自信を提供する。現実的な動作アプローチとして、第一次元移動度スペクトルはより高いスループットのスクリーニングのために取得することができ、第一のドリフトチェンバーから爆発物検出ウィンドウにピークが検出された時、それらはそれから確認のために第二のドリフトチェンバーに持ち込まれる。
【００６０】
上述した第二の現象（偽の肯定を引き起こす、爆発物検出ウィンドウを通る定義されていないイオン移動度ピークのシフト）は、ドリフト領域内のイオンと中性分子のクラスターによって引き起こされ得る。従来のＩＭＳでは、この効果を低減するために向流ドリフトフローデザインが使われていたが、従来のＩＭＳデザインの空間的限定のために、中性反応性分子がドリフト領域から完全には除去されない。本発明によるＭＤＩＭＳの一動作方法では、実質的にイオン化されていないサンプルがドリフトチェンバーに導入されないようにドリフトフローが設定される。
【００６１】
第三の現象（爆発物検出において偽の否定を引き起こす、汚染物からの高いケミカル背景ノイズ）は、現行のＩＭＳに基づく検出システムの別の基本的な問題を表している。これはイオン化源の電荷についての競争によって引き起こされ得るもので、例えば、干渉物はサンプルのイオン化効率を低減できるので、従って検出感度を低減できる。現行のＩＭＳに基づくトレース検出システムでは、爆発物検出ウィンドウの閾値はこのマスキング効果を考慮して設定される。本発明のＭＤＩＭＳシステムおよび動作方法の様々な実施形態のより高い分解能では、警告閾値はより低いレベルに設定することができる。
【００６２】
本発明の様々な実施形態において、秒未満の時間フレームにおいて異なる電荷親和性を有するケミカル種の前段分離を達成するために、ＭＤＩＭＳの動作のＣＦＤＩモードが使われる。従って、取得された２−Ｄイオン移動度プロファイルにおいて、爆発物とは異なる電荷親和性を持った干渉物／マスキング剤はプロファイル中の異なる場所に位置し、そのようなことが差別化と同定のプロセスの一部となる。
【００６３】
ＭＤＩＭＳ装置と動作方法の更なる詳細
図４を参照すると、二重第二イオン移動度次元を有する多次元イオン移動度分光計の様々な実施形態の概略図が提供されている。図４AはＭＤＩＭＳの前方断面図、図４BはＭＤＩＭＳの側方断面図である。
【００６４】
様々な実施形態において、ＭＤＩＭＳは、例えば（ａ）反応物イオンと、反応物イオンがサンプルと反応してサンプル同定のために検出される作成物イオンを形成する反応領域を生成する、（ｂ）検出のためのサンプルイオンを生成する、（ｃ）またはその両方の、イオン化源４０１からなる。反応領域は、例えばイオンを第一次元ドリフト領域４１８（第一のドリフト管）に導くための実質的に連続した電場を生成するイオンガイド４０２によって防護することができる。
【００６５】
複数ステップ分離（Multiple Step Separation:ＭＳＳ）モード
ＭＳＳモード動作においては、イオンゲート４０３を開くことによってイオンのパルスが生成されてそれらを第一次元ドリフト領域４１８に導入し、イオンは第一のドリフト管４１８内の実質的に連続した電気的ドリフト場に誘導されてそれらの移動度に基づいて分離される。一実施形態では、電場は一連のイオンガイド４０４によって生成される。各イオンガイドは一つ以上の電極からなることができ、第一のドリフト管に跨ってポテンシャル差を確立するために各電極に異なる電圧を印加することができる。例えば、図４は各第一次元イオンガイドのために使われる四つの電極を示す。
【００６６】
ＭＳＳモード動作の様々な実施形態において、イオンの第一のグループが第一次元検出器マトリクス４０５に到達すると、第一次元ドリフト場に垂直な高電場を生成するために蹴り出し電圧を印加することができ、よって第一次元で分離されたイオンは第二次元ドリフト領域に移動される。第二次元の電場を定義するのを助けるために電場分離器スクリーン４０６を使うことができる。第二の場に導入されたイオンは第二次元ドリフト領域４２０に跨ってドリフトし続けて、更なる分離を達成することができる。第二次元４２０のイオンガイド４０７は、例えばもし分離の第三次元が望ましければ、第一次元のイオンガイド４０４と同様に配置することができる。もし第三次元が望ましければ、イオンガイドとして完全に正方形の電極を使うことができる。第二次元で分離されたイオンは検出器４０８で検出することができる。検出器は、分光計に要求される特別な分解能に従った複数の検出器または単一の検出器からなることができる。
【００６７】
様々な実施形態において、イオンが第一次元から第二次元に導入された際に、粒子蹴り出し動作を行うことができる。もしイオンの一部だけが蹴り出されたならば、蹴り出しの後に第一次元での移動度測定を再開することができる。よって、イオン移動度スペクトルは第一次元においても独立に取得することができる。完全な蹴り出しは第二次元における感度を向上できるので、これらの動作モードの間を交互することは有益である。加えて、例えば伸長された期間「蹴り出し」電場を印加することによってドリフトチェンバー内の全てのイオンを除去する、クリーンアップ動作を検出サイクルの間に追加することもできる。
【００６８】
分光計の低次元動作は、イオン化源からのイオン種の迅速な測量を生成するための高速スクリーニング方法として用いることができる。ＭＳＳモードの通常の動作と組み合わせて、イオン種の測量は上位次元動作を誘導するための指標として使うことができる。測量モード動作は、関心のあるイオンを選択的に蹴り出したり、高次元スペクトルを簡素化したり、総合分析を節約したりするために使うこともできる。
【００６９】
例えば、異なるドリフト気体を各次元で用いても良く、または異なるドリフト気体温度を各次元で用いても良いように、異なるドリフト／分離条件を各次元について独立に確立することができる。
【００７０】
多数の多次元正イオン移動度データを収集し、それに多数の多次元負イオン移動度データが続くような形でＭＤＩＭＳを動作させることができる。例えば分光計内の電場の極性を交互にすることによってシーケンスを実現することができる。
【００７１】
図５は、図４Ａ−４Ｂと実質的に同様なＭＤＩＭＳ内部の電場配置のシミュレーション結果を示す。図５ＡはＭＤＩＭＳ内に二つの垂直な電場を配置することができることを示す。図５Ｂおよび５Ｃにおいて、二つの半正方形のイオンガイドが例としてシミュレーションされている。図５Ｂは、第一次元ドリフト領域の側面図を示す。この領域ではイオンが下にドリフトしているが、両方の半正方形電極は同じ電圧に設定され、よってドリフト場に垂直な電場は実質的にない。図５Ｃを参照すると、第一次元のイオンが第二次元に蹴り出された際に、半正方形イオンガイドに異なる電圧が印加されて蹴り出し場５０６を作り出す、この特定のシミュレーションでは、上の半正方形イオンガイドは下の半正方形イオンガイドよりも１０００Ｖ低いポテンシャルにある。蹴り出し動作は、例えばマイクロ秒から数秒のレンジで達成することができる。
【００７２】
ＭＳＳモード動作中は、ドリフト気体フローの方向は、イオン移動に対向するまたは跨るように設定することができる。例えば、様々な実施形態において、気体ポート４１３を第二次元ドリフト気体入口として、ポート４１２を第一次元ドリフト気体入口として、ポート４０９をサンプルフロー入口として、ポート４１０を浄化気体出口として使用することができる。その他のポートは、好ましくはそれらが使用されていない時は栓をされるか除去される。各ポートのサイズは分光計内部のフローパターンを達成するために要求されるフローに依存して選択することができ、好ましくはドリフトフローが全ドリフト領域をスウィ−プし余分なサンプル分子やその他のあらゆる反応性中性分子を除去する。
【００７３】
様々な実施形態において、ドリフト気体は下位次元に実質的に平行な方向に高位次元へ供給することができる。例えば、ポート４１５を第二次元ドリフト気体入口として、ポート４１４を第二次元ドリフト気体出口として、ポート４１２を第一次元ドリフト気体入口として、ポート４１０を第一次元ドリフト気体出口として使用することができる。線形フロー条件と平行フローパターンの下で、例えば、次元インターフェース近傍のドリフト気体の制限された混合が期待される。
【００７４】
ストレージおよびバースト分析（Storage and Burst Analysis:ＳＢＡ）モード
ＳＢＡモード動作において、サンプルはポート４０９を通して分光計に提供される。イオン化源４０１を通して、イオン化されたサンプルは気体フローによって第一次元ドリフト領域４１８に持ち込まれる。単一極性のイオンのみに関心がある場合には、フローはポート４１２またはポート４１１から浄化することができる。ＳＢＡ動作モードの様々な実施形態において、第一次元ドリフト管は、例えば装置のデューティーサイクルを増加するためのイオンストレージ装置として使用することができる。
【００７５】
正と負のイオンの両方に関心がある様々な実施形態において、二重極性イオン抽出（Dual Polarity Ion Extraction:ＤＰＩＥ）方法を使うことができる。図５Ａおよび５ＢはイオンストレージおよびＤＰＩＥ動作中に生成される電場を示す。例えば、図５Ｃは第一次元の三つの壁（左、下、右）が１０００Ｖにあり、ゲートグリッドはそれぞれ０Ｖと２０００Ｖに設定されることを示す。図５Ｂに示された電場分布は、第一次元５０２を通してイオンを運ぶための力として気体フローが使われ、第一領域４１８、５０２内の電場は蹴り出しパルスが生成されるまでは実質的に０に設定されることを描いている。反応領域４１６と第一ドリフト領域４１８の両方の電場が除去された時に、ポート４１２をサンプルフロー出口として使う場合には、サンプルイオンは気体フローによって第一次元に跨ってのみ運ばれる。様々な実施形態において、検出器４０５が十分なイオン電流レベルを検出した時に、第二次元４２０、５０４に向けた完全な蹴り出しが行われる。連続的サンプル源検出シナリオにおいては、シーケンスは繰り返される。
【００７６】
選択的高次元イオン観察（Selective Higher Dimension Ion Monitoring）モード
様々な実施形態において、高次元検出器マトリクスの特定の電極においてイオン電流を選択的に観察することは、同じ検出器マトリクス内の他の電極上の関心のないイオンを排除することでシステムの選択性を向上することができる。イオン移動度プロファイルは、複数の電極からの信号と共にこの選択的観察方法を使って構築することができる。様々な実施形態において、高次元検出器マトリクスの特定の電極においてイオン電流を選択的に観察することは、同じ検出器マトリクス内の他の電極上の関心のないイオンを排除することでシステムの選択性を向上することができる。
【００７７】
ＭＤＩＭＳの様々な実施形態において、高次元ドリフトチェンバーは、減少された長さを有しても良い。それらの実施形態において、装置は単純化される。イオン移動度に基づく分離は低次元で達成され、高次元での更なる分離と共に高次元検出器マトリクス上で検出される。例えば、イオンは第一および第二次元で分離でき、それからそれらは第三次元での更なる分離なしに第三次元検出器マトリクス上で検出される。この場合には、システムの性能を最大化するような最適なイオン移動度分解能とイオン総数を持つ高次元にイオンを移動させるために「蹴り出し」タイミングが制御される。
【００７８】
連続的第一次元イオン化（Continuous First Dimension Ionization:ＣＦＤＩ）モード
ＣＦＤＩモード動作の様々な実施形態において、サンプルは気体のパルスとしてポート４１２から分光計に導入される。サンプル気体パルスは、例えば、表面からケミカルを熱脱離することによって、色層分析分離の溶離剤として、サンプルを短期間分光計にポンプで入れることによって、パルス化されたバルブを通した導入、等の幅広いやり方で形成することができる。多くの実施形態において、フローは線形フロー条件の下にあり、気体相サンプルの「プラグ」は気体フローによってポート４１２からイオン化源４０１の方に向けられている。（好ましくは高密度の）反応物イオンのパルスがイオン化源４０１によって生成され、サンプル「プラグ」に向けてドリフトするように電気的ドリフト場によって誘導される。反応物イオンのパルスとサンプルが第一次元４１８内でインターセプトすると、サンプルの一部がイオン化される。サンプルが同一取得周期内で複数の反応物イオンパルスと遭遇すると、サンプル「プラグ」内のケミカルがイオン化される。異なる性質（例えば、電荷親和性）のケミカルはよって分離されて、検出器マトリクス４０８上の異なる位置で検出されることができる。この気体相滴定方法は、異なる性質を持ったケミカルが共存するイオン混合物のイオン化効率を向上することができる。この手段により、従来のＩＭＳでは検出できないケミカルを検出することができる。
【００７９】
図３Ａ−Ｄを参照すると、ＣＦＤＩプロセスの概略的表現がドリフト領域３０２に描かれている。気体相サンプル３０４は、第一の時間においてドリフト管３０２にパルス化され、ドリフト管の少なくとも一部に沿って第一の方向３０５に搬送される。ここで第一の方向はドリフト管内のキャリア気体フローの方向と実質的に平行である。キャリア気体フローと気体相サンプルの速度は０ｃｍ／秒に等しいかそれよりも大きい。反応物イオン３０６の複数のパルスも、第一の時間に対する所定の時間においてドリフト管３０２に導入され、電気的ドリフト場によってドリフト軸３０８に沿った第二の方向３０７に搬送される。ここで第二の方向３０７はドリフト管内のキャリア気体フロー３０５の方向と実質的に反平行である。気体サンプル３０４は、（反応物イオンの複数のパルスの一つ以上からなる）反応物イオンの第一のグループ３１０と相互作用して気体相サンプルパルス３０４内のケミカル種をイオン化し、第一のイオン化されたケミカル種３１４を作り出す。様々な実施形態において、（例えば、電極の組３１８，３２０，３２２に蹴り出し電圧を印加することによって）蹴り出し場が印加されてイオン３１４をドリフト管の外へかつ別のドリフト次元の中への方向３１６に移動させる。様々な実施形態において、プロセスは、気体サンプル３０４と相互作用して更なるイオンケミカル種を作り出すイオンの他のグループ３１１，３１２について繰り返される。
【００８０】
様々な実施形態において、ＣＦＤＩは、図４に示された反応領域４１６においても行うことができる。反応物イオン３０６の複数のパルスがパルス化するイオンゲート４１９によって生成されると共に、パルス化されたサンプルが気体ポート４１０から分光計に導入される。この実装において、イオンゲート４０３は除去されるかまたは開いたままとされる。反応領域４１６で生成されたイオンのパルスは、第一次元ドリフト領域４１７で分離され、もしそれが望ましければ、それから分離されたイオンは更なるイオン移動度分析のために高次元ドリフト領域４１８に抽出される。様々な実施形態において、ＣＦＤＩ方法は、差分移動度分光計や、イオン移動度分光計や、質量分析器のような分光計と直接インターフェースされた独立したイオン化源として、ドリフト電場の方向とインラインにまたは垂直に使用することができる。ＣＦＤＩが単一のＩＭＳのために使われる実施形態では、グリッド４０３の代わりにシャッターグリッド４１９が使われる。イオン化されたケミカル種は、反応領域４１６での形成の後、ドリフト領域４１７をドリフトし続ける。同様に、差分イオン移動度分光計や質量分析器のような他の分光計へのインターフェースも、それらの計器のサンプル入口を反応領域の直後に置くことによって実現することができる。
【００８１】
ＣＦＤＩモードは、異なる化学的性質を持った反応物イオンを使って行うことができる。例えば、初期の反応物イオンと反応する種々の化学試薬を使ってイオンケミストリーを変形することは、異なる化学的性質を持った反応物イオンを生成することができる。これらのイオン種は、例えば分光計に導入されたサンプルをイオン化するのに使うことができる。同様の効果は、例えば異なるイオン種または荷電粒子／ドロップレットを生成することができるイオン化源を使用することによって達成することができる。様々な実施形態において、イオン化ケミストリーを変えることは、サンプル中の対象とするケミカルの実質的に選択的なイオン化を達成するのに使うことができる。例えば、異なる化学的性質を持ったイオンパルスの列は、サンプル中の両立するイオン化性質を持ったケミカルをイオン化するのに使うことができる。
【００８２】
選択的イオン導入（Selective Ion Introduction:ＳＩＩ）およびＩＭＳｎモード
選択的イオン導入（ＳＩＩ）モード動作において、選択されたイオンの一つ以上のグループが高次元に蹴り出される。選択的な蹴り出しは、関心のあるイオンが与えられたタイミングで移動している領域に所定の時間において蹴り出し電圧を印加することによって実現することがでできる。様々な実施形態において、蹴り出しパルスは、下位次元の選択された領域に印加される必要は必ずしもないが、下位次元の長さの一部に渡ってのみ高次元ドリフトチェンバーは下位次元をインターセプトしないので、よって例えばイオンの小さいグループだけが第二次元に蹴り出されることを許容するように選択された位置を設計することができる。ＭＳＳモードに対して記載したのと同様の結果は、蹴り出しタイミングを制御し、複数の取得サイクルを行うことによって達成することができる。
【００８３】
様々な実施形態において、ＳＩＩモードは狭いドリフト時間レンジ内のイオンを分解するのに有効であり得る。例えば、第一のドリフト次元がスクリーンスキャンとして使われ、関心のある化合物（例えば、ＴＮＴ）が潜在的に有ると検出されたとする。検出ウィンドウ（時間ウィンドウ）で応答したイオンが関心のある化合物であることを更に確認するには、更なる分離のために検出ウィンドウ内のピークを第二次元に選択的に蹴り出すことができる。第二次元から、選択されたウィンドウに落ちたイオンを第三次元に蹴り出すことができる。もしそれが望ましければ、このプロセスはイオン電流を使い尽すまで繰り返すことができる。
【００８４】
複数ドリフトチェンバー条件
様々な方法と動作モードにおいて、各ドリフトチェンバーは独立しおよび／または異なるドリフト条件の下で動作させられる。これらの条件は、異なる種類のドリフト気体、異なる化学修飾剤を持ったドリフト気体、異なる温度、異なる圧力、異なる電場強度、異なるフローレート、ドリフト媒体の異なる相、方向、等を含むが、これらに限られない。様々な実施形態において、条件を変更する目的は、それらに固有の化学的および／または物理的性質、それらがどのようにドリフト条件と共に変化することができるか、よってそれらがどのように分光計内の移動度変化をもたらすことができるか、を使ったイオン種の分離を達成することである。例えば、異なるドリフト気体を使ったイオン移動度測定は、異なる性質を持ったイオンがサンプル分光計内で異なるドリフト時間を持つことを実証している（例えば、(1) William F. Siems, Ching Wu, Edward E. Tarver, and Herbert H. Hill, Jr., P. R. Larsen and D. G. McMinn, “Measuring the Resolving Power of Ion Mobility Spectrometers", Analytical Chemistry, 66, 1994, 4195-4201; (2) Ching Wu, William F. Siems, G. Reid Asbury and Herbert H. Hill, Jr., "Electrospray Ionization High Resolution Ion Mobility Spectrometry/Mass Spectrometry", Analytical Chemistry, 70, 1998, 4929-4938; (3) Ching Wu, Wes E. Steiner, Pete S. Tornatore, Laura M. Matz, William F. Siems, Daivd A. Atkinson and Herbert H. Hill, Jr., "Construction and Characterization of a High-Flow, High-Resolution Ion Mobility Spectrometer for Detection of Explosives after Personnel Portal Sampling” Talanta, 57, 2002, 123-134; (4) G. Reid Asbury and Herbert H. Hill, Jr., “Using Different Drift Gases to Change Separation Factor (α) in Ion Mobility Spectrometry”, Analytical Chemistry, 72, 2000, 580-584を参照；これら全ての内容全体はここに引用によって組み込まれる）。
【００８５】
ＭＤＩＭＳシステムの様々な実施形態において、第二次元領域のような高次元ドリフト領域は、例えば気体または液体のようなドリフト媒体の異なる相で動作させられることができる。液体相ドリフトセルは、従来のドリフト管デザインの代わりに二つの平行したプレートまたはグリッドによって構築することができる。液体相ドリフトセルは、層に跨って電場を有する液体の薄層であり得る。高次元ドリフトセルは、第一次元ドリフト軸と実質的に平行または実質的に垂直なドリフト軸を有する。高次元ドリフトセルは、低次元ドリフト軸と実質的に垂直な複数の区画（チャネル）を有する。高次元ドリフトセルは、低次元ドリフト管で分離されたサンプルを選択的に収集するために使うことができる。高次元ドリフトセルは、電気泳動、色層分析、ＵＶ吸収およびその他の分光装置を含む、但しそれらに限られない、他の分離および検出装置と更にインターフェースすることができる。
【００８６】
本発明のＭＤＩＭＳシステムの様々な実施形態において、低次元（例えば、第一次元）におけるドリフト気体で十分に分離されなかった高次元（例えば、第二次元）におけるイオン種を分離するために、異なるドリフト気体が異なるドリフト管および／またはＭＤＩＭＳの次元において使われる。ドリフト気体は二つ以上の気体の混合物であり得ることを理解されたい。同様の分離は、他のドリフトチェンバー条件を変動させることによっても成し得る。
【００８７】
ＭＤＩＭＳ構成の更なる例
図７は、複数の高次元ドリフトチェンバー７０４ａ、７０４ｂが実質的に平行に配置され、複数のイオン化源７０６ａ、７０６ｂが例えば正と負の両方の極性のイオンを生成するために使われるＭＤＩＭＳの様々な実施形態を示す。例えば、ＣＦＤＩモードの動作を使って、サンプルは第一次元の中心にあるポート７０８ｂから分光計に導入することができる。異なる極性の二つのイオン化源を、反応物イオンを第一次元の中心に向けて移動させる電場によって第一次元チェンバー７０２ａ、７０２ｂに誘導される高密度反応物イオンを生成するために使うことができる。ここで、エレクトロスプレーイオン化源が使われ、例えば二次エレクトロスプレーイオン化原理を使ってサンプルをイオン化するために荷電ドロップレットを使うことができる。イオン化されたケミカルは、移動度測定のために高次元７０４ａ、７０４ｂに持ち込まれる。例えば、この実施形態は、例えば上述したような異なるイオン化モードおよび／またはドリフト条件を使った、異なるイオン化源を使って同一のサンプルを分析するために、使うことができる。例えば、装置は、より多くのイオン化方法を利用するように二つ以上の第一次元反応チェンバーと高次元ドリフトチェンバーの組み合わせを有することができる。高次元は、第一次元からイオンを抽出するように単一または二重極性モード（例えば、ＤＰＩＥ）で動作させられることができる。
【００８８】
図８は、低次元８０２から反対方向に伸びた高次元８０４ａ、８０４ｂを持つＭＤＩＭＳの様々な実施形態の概略図である。第二次元は、前述した通り単一または二重極性モードで動作させられることができる。第一次元は、例えばイオンストレージのためのイオンフローセルとして動作させられることができる。この構成は、例えばそれがＳＢＡモードの下で動作させられている時に、異なる極性を持ったイオンが反対側の高次元ドリフトチェンバーに蹴り出されることができるように利用されることができる。高次元ドリフトチェンバーが二重モードチェンバーである様々な実施形態において、例えば二重モードドリフトチェンバーが異なるドリフト条件の下で動作させられることができる独立した分析のためにイオンを両方の二重モードチェンバーに配布するのに、ＤＰＩＥ方法を使うことができる。
【００８９】
図９は、第二次元９０４ａ、９０４ｂのドリフト管の入口の間にイオン化源９０６とサンプル入口９０８を持ったＭＤＩＭＳの様々な実施形態の概略図である。このイオン化源９０６に形成されたイオンは、例えば第一次元９０２ａ、９０２ｂの二つの異なるセクションに抽出することができる。各セクションは、正または負の極性モードで動作させられることができる。例えば、様々な実施形態において、ＭＤＩＭＳの第一次元の各セクションは第一次元ドリフトチェンバーとして使われる。第一次元の各セクションは、更なるイオン分離のためにそれ自身の高次元ドリフトチェンバーを有することができる。
【００９０】
図１０は、イオンの形態のまたは外部イオン化源からのケミカルをサンプリングするための本発明のＭＤＩＭＳの様々な実施形態を描いている。そのような実施形態は、インターフェース１１０６を通して第一のドリフト管１１０４と流体通信する源１１０２を含む。イオンとここに記載された動作モードに働きかける本発明の方法は、そのような実施形態と共に使うことができる。この実施形態は、ＩＭＳシステムの内部のイオン化源と反応領域の必要性を排除する。イオン化されたケミカルは、電場によって（この例では、イオン化源１００４とインターフェース１００６は異なるポテンシャルに設定されている）か、気体フローによって（この例では、イオン種１００８はサンプリングポンプ１００９によってインターフェース１００６に移動させられる）インターフェース１００６に持ち込まれる。一旦サンプルイオン１００８がインターフェース１００６に移動させられると、それらはイオンゲート１００３を通して第一ドリフト次元１００２にパルス化される。それらは、第一のイオン検出器１０１２で検出されるか、その後第二次元ドリフト領域１０１０に蹴り出されて検出器１０１４、１００５、１０１１で検出される。
【００９１】
ＩＭＳｎおよびハイフネ−ト(hyphenate)システム
図１１Ａと１１Ｂは、ＩＭＳｎと共にＳＩＩモード動作を実現するために使うことができる様々な実施形態の概略例を示す。高次元の物理的サイズを減らし、蹴り出しパルスのタイミングを制御することによって、蹴り出し領域１１１２にドリフトするイオンの選択されたグループ１１１４を、それらが更に分離されることができる高次元ドリフトチェンバー１１１８に持ち込むことができる。同じプロセスは。異なるドリフトチェンバーでｎ番目の分離が行われるまで続けることができる。相互に接続されたドリフトチェンバーのジオメトリーは、２次元（図１１Ｂ）または３次元（図１１Ａ）であることができ、よって高次の移動度分離を行うことができる回数は、必ずしも分光計に利用可能な物理的スペースによって制限されない。
【００９２】
様々な実施形態において、図１１ＡはＳＩＩモード動作を説明する３次元ＭＤＩＭＳの概略を示す。気体相サンプルが、イオンゲート１１０３と１１０８の間で、第一次元ドリフト管の反応領域に導入された時、サンプルはイオン化源１１０２によって作り出された反応物イオンと共にＣＦＤＩまたは従来のイオン化方法によってイオン化される。反応物イオンと混合されたサンプルイオンは、第一のドリフト領域１１０４にパルス化される。イオンガイド１１０６によって生成された電場の誘導の下で、イオン混合物は第一次元で分離する。関心のあるイオン１１１４が蹴り出し領域１１１２にドリフトする所定のタイミングで、蹴り出し電圧を電極の組（スパイトされた（spited）イオンガイド１１１６とグリッド１１３０を含む）に印加してイオンを第二次元に抽出することができる。イオン１１１４が、蹴り出し領域１１１２と第二次元ドリフト領域１１１８の間のインターフェースに圧縮されると、複数の分離したイオン１１２０の細いパルスが第二次元ドリフト領域１１１８の始まりにおいて作り出される。イオンパルス１１２０は、イオンガイド１１１９で防護されたドリフト領域１１１８で分離される。更に分離されたイオン１１２４は、第二イオン蹴り出し領域１１２２から第一および第二次元と直交するドリフト方向１１２６（紙の内側に向いている）を有する第三ドリフトチェンバーに抽出される。抽出されたイオンは、第三次元またはそれより高いものにおいて上述したプロセスを繰り返す。
【００９３】
様々な実施形態において、図１１Ｂは２次元構造を持ったＳＩＩモードで動作するＭＤＩＭＳの概略を示す。図１１Ｂは、第一次元ドリフト管によって単離された一つのピーク１１１４ａが第二次元に抽出され、それから第二次元ドリフト管によって単離された一つのピークが第二次元と実質的に垂直で第一次元と実質的に反平行なドリフト方向を有する第三次元１１３２に抽出されることを描いている。この例では、全ての次元のドリフト軸は同一の平面上にある。
【００９４】
例えば、様々な実施形態において、図１１Ａと１１Ｂの構成は、質量分析器のような他の検出器にインターフェースすることができる。ＩＭＳ−ＭＳシステムは一般に、質量分析の前に移動度に基づく分離を達成するのに使われる。質量分析器へのインターフェースは検出器マトリクス、例えば１１２２または１１３６、の背後のイオンドリフト方向とインラインであることができる。図１１Ｂは第二次元検出器マトリクス１１３８上の開口を通した、またはイオンをインターフェース１１２８ｂと１１２８ｃに押す蹴り出しパルスを使ったドリフト方向に垂直な、質量分析器１１２８ａへのインターフェースを示す。後者の場合には、より高いイオン輸送効率が期待される。
【００９５】
サンプリング装置
サンプルは、フローストリーム中のパルスとして、連続的に、またはそれらの組み合わせでＭＤＩＭＳに導入することができる。パルス化されたサンプリング方法は、いくつかの動作モードで使うことができる。分光計の前の熱脱離チェンバーを使ってサンプルを提供することができる。例えば、綿棒からのサンプルについて、脱離チェンバーは綿棒を連続的に加熱し、それからＭＤＩＭＳに高濃度ケミカル蒸気をポンプで入れる。分光計に入ることを許容されるサンプルの量を制御するのにバルブを使うことができる。上述した動作モード次第では、サンプルはイオン化源を持ったＭＤＩＭＳに連続的に流れ込むことを許容されても良い。脱離チェンバーは、動作のサンプル前段濃縮ステップのために吸収体物質を含んでいることができる。例えば、低濃度または複雑な混合物のサンプルがチェンバーに導入されると、吸収体は関心のある化合物を選択的にトラップして、それからそれらをＭＤＩＭＳに脱離する。
【００９６】
サンプル綿棒
サンプリング効率を向上するには、数多くのやり方がある。様々な実施形態において、完全なサンプル収集を容易にするためにドライな綿棒の代わりに「ウェットな」サンプル綿棒を使うことができる。ウェットな綿棒は綿棒と表面の間の接触を増加することで収集効率を援助することができ、サンプルのより良い物理的ピックアップを提供する。適当な溶剤混合物を選択することによって、対象とする爆発物も綿棒に溶解することができ、よってより高いサンプリング効率を達成する。ウェットな綿棒の操作を容易にするために、マッチするサンプル綿棒と脱離器のデザインを使うことができる。
【００９７】
綿棒は、好ましくは指定された溶剤または使用される溶剤にための疎水性と親水性の表面のパターンによりデザインされる。このパターンは、例えば脱離器の内部のヒーターのパターンとマッチすることができる。実用的なサーチシナリオでは、サンプリング表面次第でドライおよびウェットなサンプル綿棒がしばしば使われる。ウェットな綿棒はより高い収集効率を持つので、それは例えばドライな綿棒からの警告を解消するための確認テストのために使うことができ、それは低レベルの爆発物粒子を収集する「完全な拭き取り動作」等において使うことができる。爆発物は綿棒に吸い込まれるか粘着することができるので、それはサンプルを証拠として保留するのにも使うことができる。
【００９８】
空気サンプリング
様々な実施形態において、本発明のＭＤＩＭＳシステムは、周囲の環境における蒸気の連続的なサンプリングと共に動作させられることができる。サンプル周波数は、例えば多量の爆発物やその他の安全性の心配の早期警告の目的を助けるように予め設定することができる。ニトログリセリン、ＴＡＴＰ、あるいは爆発物タガント（Taggants）のような一般的な揮発性爆発物は、蒸気相から検出することができる。よって、様々な実施形態において、本発明のＭＤＩＭＳシステムは「かぎつけ」のために使うことができる。
【００９９】
サンプル濃縮
様々な実施形態において、サンプリング能力および／または脱離効率は、高ケミカル親和性化合物、ケミカル抵抗性表面、またはその両方のパターンを脱離チェンバーの内壁上に使用することによって高めることができる。高ケミカル親和性化合物で被覆された表面は、気体相に蒸気を前段濃縮し、および／またはウェットなサンプリングのために使われる溶剤のようなその他のケミカルの存在の中で対象化合物を選択的にトラップするのに使うことができる。脱離されたパーツのための加熱エレメントは、例えば高ケミカル親和性被覆が施されたエリアを加熱するように配置することができる。そのような選択的加熱アプローチは、例えば脱離のために使われる熱を減らし、よって検出システムの総パワー消費を減らすのに使うことができる。
【０１００】
サンプルイオン化
本発明のＭＤＩＭＳシステムは、一つ以上のイオン化源からなることができる。イオン化源は、反応物イオンを生成したり、対象とするケミカルを直接イオン化したり、またはその両方のために使うことができる。好適な源は、放射性イオン化、エレクトロスプレーイオン化、脱離エレクトロスプレーイオン化、表面イオン化、コロナ放電イオン化源を含むが、それらに限定されない。
【０１０１】
エレクトロスプレーイオン化は、無機爆発物検出のために好ましい源の一つである。ＥＳＩ−ＭＤＩＭＳは、例えば塩化物ベースの爆発物とブラックパウダーを高い自信を持って検出するのに使うことができる。ウェットなサンプリング方式と共に、例えばエレクトロスプレーイオン化は収集されたサンプルを直接ＭＤＩＭＳにスプレーすることによってウェットなサンプルを処理するのに使うことができる。この方法の一つの実装は、エレクトロスプレー針とエレクトロスプレー電圧を印加することができる電極を有するサンプルホルダーにウェットなサンプルを入れるようにすることである。サンプルがホルダー内部に封印されると、直接または間接的にホルダー／吸い込んだサンプル綿棒に圧力が掛けられ、溶剤と溶解されたサンプルがエレクトロスプレー針に達して、エレクトロスプレーされて非常に荷電されたドロップレットを形成する。エレクトロスプレーサンプルイオンは、分析のためにＭＤＩＭＳに誘導することができる。ＭＤＩＭＳのためのウェットなサンプリングと直接エレクトロスプレーイオン化の組み合わせは、例えば無機と有機の両方の爆発物およびその他の関心のあるケミカルについての検出能力を提供することができる。
【０１０２】
検出システム使用可能性の増加
向上されたシステム準備完了状態。既存のＩＭＳに基づくトレース検出システムは、典型的には要求の高くない情況における空港動作環境においてはスループット要求を満たすことができるが、非常に汚染されたサンプルがシステムに導入された時にはサンプルスループットは制限される。システム内の汚染物の蓄積は、長い焼き出し時間および／または有機溶剤を使った複雑なクリーニング手順を要求し得る。システムと検出器のサンプル転送部分内部の冷たいスポットや活性化した表面のほかに、低分子重量汚染物と湿気をブロックするのに使われる（例えば、それぞれSmiths DetectionとGE Securityによって製造され、それらから入手可能なSabre 4000とVaporTracer計器の両方に見つけられるような）薄膜入口は、より高い分子重量汚染物を蓄積する最も一般的なパーツの一つである。この「メモリ効果」の主要な源を排除するために、本発明のＭＤＩＭＳの様々な実施形態はパルス化された入口システムを使う。
【０１０３】
パルス化された入口の様々な実施形態において、検出器は、典型的には約２０秒未満という、短い期間の間だけ外部世界に露出される。バルブは、サンプルがサンプリングチェンバー内の最も高い濃度に達した時だけ開く。チェンバーは蓄積されたケミカルを掃除するために周期的に瞬間加熱することができる。パルス化されたサンプル入口動作方式は、本発明のＭＤＩＭＳシステムの様々な実施形態と両立し、ドリフトチェンバーに導入された湿気の総量を制御するのを助けることができる。湿度センサもシステムの一部となるようにしてシステム処理のための追加カリブレーション情報を提供することができる。
【０１０４】
従来のシステムにおける最も一般的なユーザエラーの一つはミスカリブレーションである。発明の好ましいシステムは、パワーがオンにされた時と周期的にオペレータの注意を要求することなしにシステムをカリブレートすることができる自己カリブレーション／自己診断アルゴリズムを供する。様々な実施形態において、カリブラント（calibrant）は好ましくは計器の寿命の間もつ。この特徴は更にシステムの準備完了状態を向上することができる。
【０１０５】
本発明の装置は、非常に携帯可能な計器として構築することができる。あらゆる分析装置のように、動作特徴の数とシステムの携帯可能性の間にはしばしばトレードオフがある。本発明のＭＤＩＭＳデザインと動作方法の様々な実施形態において、総パワー消費と検出器サイズを減らすことができる。パワーの比較的大きい部分は、サンプル脱離と効果的掃除動作を含んだフロントエンドへの用途に割り当てることができる。例えば近代的ＰＤＡデザインなどの上の、低パワー消費コンピュータに基づくシステムが、好ましくは携帯型システムのエレメントとして使われる。携帯可能性と使用可能な特徴の間で選択することにバランスをとれると、本発明の様々な実施形態は、１０パウンド未満で、８パウンド未満ですらあり得る手頃なサイズを持つＭＤＩＭＳ検出システムを提供する。
【０１０６】
ＭＤＩＭＳの様々な実施形態において、図１２Ａ−ＣはコンパクトなＭＤＩＭＳの例の概略を示す。装置は、一つの第一次元チェンバー１２０２、二つの第二次元ドリフトチェャンバー１２０４ａ、１２０４ｂ、二つの第三次元チェンバー１２０６ａ、１２０６ｂを含み、最大の次元が＜１０ｃｍである、３次元で構成される。図１２Ｃは、ＭＤＩＭＳのスケール通りの３次元図面である。構成はＣＦＤＩとＤＰＩＥの両方をＳＩＩモードと共に実現するものである。ＣＦＤＩ動作では、反応物イオンはイオン源１２１０内で形成され、反応領域１２０８にパルス化されてパルス化されたサンプル１２１２を選択的にイオン化する。イオン化されたサンプルは第一次元ドリフトチェンバー１２０２内で分離され、それから高次元ドリフト領域１２０４と１２０６内で更に分離される。
【０１０７】
ＤＰＩＥ動作では、正と負の両方のイオンがイオン化源１２１０内で形成され、反応領域１２０８が電場の流出なしでキャリアフローによって第一次元１２０２に運び込まれる。正と負のイオンは、それぞれ第二次元ドリフトチェンバー１２０４ａと１２０４ｂに抽出される。サンプルイオンは、ソフトウェア制御されている計器の用途に応じて第一次元１２１４、第二次元１２１６、または第三次元１２１８ａと１２１８ｂ内の検出器マトリクス上で検出される。高速スクリーニング動作のついては、イオンは高スループットのために低次元で検出される。最高の分解能のためには、イオンは第三次元検出器で測定される。構成の工業図面が図１３Ａと１３Ｂに示されている。実用的なユニットは、サンプル入口１３０２、サンプル入口制御バルブ１３０４、イオン化源１３０６ａと１３０６ｂ、第一次元ドリフト領域１３０８を含む。ドリフトフローは、第二ドリフト領域１３２０ａ、１３２０ｂと第三ドリフト領域１３１８ａ、１３１８ｂに渡ってスウィ−プするように設計されている。ドリフト気体入口１３１０と１３１２において、ドリフトチェンバー全体に跨って平等なドリフトフローを保証するためにフロー分配システムが使われる。ドリフト気体はポート１３１４と１３１６については浄化(purge)である。
【０１０８】
図１４Ａと１４Ｂは、図１２と図１３で説明された検出器に基づいた携帯型システムの工業図面を示す。携帯パッケージは、気体システム１４０６、エレクトロニクスおよびコンピュータ制御１４０４、ユーザインターフェースおよびディスプレイ１４１０、バッテリーパワー１４０８、ＭＤＩＭＳ１４０２を含む。
【０１０９】
将来の改善の備えを容易にするために、モジュール化されたデザインアプローチが好ましくは本発明のＭＤＩＭＳにおいて使われる。例えば、異なるイオン化源が異なる応用については望まれても良い。そのような源は、例えばコロナ放電、エレクトロスプレーイオン化、または脱離エレクトロスプレーイオン化であっても良い。モジュール的デザインの備えはイオン源の荷電を容易にすることができる。
【０１１０】
別の側面では、上述した一つ以上の方法の機能は、汎用プロセッサまたはコンピュータ上のコンピュータ読み取り可能な命令として実装されても良い。コンピュータは、分離した形態や着脱可能な形態であっても良く、またはＭＤＩＭＳシステムに統合されていても良い。コンピュータ読み取り可能な命令は、例えばＦＯＲＴＲＡＮ，ＰＡＳＣＡＬ，Ｃ，Ｃ＋＋またはＢＡＳＩＣのような数々のハイレベル言語のいずれの一つによって書かれていても良い。更に、コンピュータ読み取り可能な命令はｓｃｒｉｐｔ、ｍａｃｒｏ、またはＥＸＣＥＬやＶＩＳＵＡＬ ＢＡＳＩＣのような商業的に利用可能なソフトウェアに埋め込まれた機能によって書かれていてもよい。加えて、コンピュータ読み取り可能な命令は、コンピュータ上に内存するマイクロプロセッサに向けたアッセンブリー言語によって実装することができる。例えば、コンピュータ読み取り可能な命令は、もしそれがＩＢＭのＰＣまたはＰＣクローン上で走るように構成されていれば、Intel 80x86アッセンブリー言語によって実装することができる。一実施形態では、コンピュータ読み取り可能な命令は、例えば、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスク、光ディスク、磁気テープ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、またはＣＤ−ＲＯＭ（あるいはその他のあらゆるタイプのデータ格納媒体）のようなコンピュータ読み取り可能なプログラム媒体を含む、但しそれらに限定されない、製造品上に埋め込まれることができる。
【０１１１】
特許、特許出願、記事、書籍、論文、ウェブページを含む、但しそれらに限定されない、この出願で引用された全ての文献や同様の資料は、そのような文献や同様の資料のフォーマットに拘わらず、それらの全体が明示的に引用によって組み込まれる。組み込まれた文献や同様の資料の一つ以上が、定義された用語、用語の用法、記載された技術等を含む、但しそれらに限られないこの出願と、異なっていたり矛盾していたりする場合には、この出願が統制する。
【０１１２】
ここで用いられたセクションの見出しは、組織化の目的だけのためであり、記載された主題をいかなるやり方でも制限しているものとは解釈されるべきではない。
【０１１３】
請求項は、そのように表明されない限り、記載された順序や要素に限定されているように読まれるべきではない。本発明は様々な実施形態と例との関連で記載されたが、本発明がそのような実施形態や例に限定されることは意図されていない。反対に、当業者には正しく認識されるであろうように、本発明は様々な変更、変形、同等物を包含する。
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】図１Ａ、１Ｂは、本発明の3次元の多次元イオン移動度分光計（ＭＤＩＭＳ）装置の一実施形態の断面図を概略的に示す。図１Ｃは、第一から第二次元にイオンを「蹴り出す」間の、ＩＭＳの第一および第二次元内のシミュレートされた電位線を示す。第二次元は、例えば単一および／または二重極性モード動作に使用することができる。
【図２】図２は、ジェット排気による空港環境において共通して見つけられる酸化霧の成分である、4,6-dinitro-o-cresol(4,6 DNOC)からのＴＮＴの分解能を示すイオン移動度スペクトルである。スペクトルは、本発明による構成のＭＤＩＭＳで取得された。
【図３】図３は、ＣＦＤＩプロセスの様々な概念を概略的に説明する。
【図４】図４Ａ、４Ｂは、２つの垂直な電場領域を有する本発明の多次元イオン移動度分光計の様々な実施形態の概略図であって、図４Ａは前方断面図を描写し、図４ＢはＭＤＩＭＳの側方断面図を描写する。
【図５】図５Ａ〜５Ｃは、図４Ａ〜４ＢのＭＤＩＭＳ内の電場分布のシミュレーションを示す。図５Ａは、両次元の第一および第二のドリフト領域内のドリフト電場を描写する。図５Ｂは、第一次元内の移動度測定中の第一次元電場の側方断面図である。図５Ｃは、「蹴り出し」電圧が印加されてイオンを第二次元に持っていく時の第一次元電場分布の側方断面図を描写する。
【図６】図６Ａは、ＳＤＳＩＭＳの様々な実施形態の概略図である。様々な実施形態において、第一次元内の正と負のイオンは第二次元の２つの分離ドリフト領域に抽出することができ、正と負のイオンはよって実質的に同時に測定することができる。図６Ｂ、６Ｃは、第二次元内の電場分布のシミュレーション結果である。図６Ｂは、「蹴り出し」パルスの印加前および／または後の電場を描写する。図６Ｃは、「蹴り出し」パルス印加中の場を描写する。
【図７】図７は、平行な位置に複数の第二次元と複数のイオン化源を持ったＳＤＳＩＭＳの様々な実施形態の概略図である。
【図８】図８は、反対の位置に複数の次元を持ったＳＤＳＩＭＳの様々な実施形態の概略図である。
【図９】図９は、例えば異なる極性と共に使用することができる、単一のサンプル源と複数の第一次元チェンバーを持ったＳＤＳＩＭＳの様々な実施形態の概略図である。
【図１０】図１０は、イオンの形態のおよび／または外部イオン化源からのサンプリングケミカルのためのＭＤＩＭＳの様々な実施形態の概略図である。
【図１１】図１１Ａ、１１Ｂは、例えばＳIIおよびＭＳｎ実装に便利なＭＤＩＭＳの様々な実施形態の概略図である。
【図１２】図１２Ａ〜１２Ｃは、本発明の様々な実施形態による携帯型３次元計器のための一つのＭＤＩＭＳ構成チョイスの様々な実施形態を説明する。図１２Ａ、１２Ｂは概略２次元断面図を提供し、図１２Ｃは概略３次元断面図を提供する。
【図１３】図１３Ａ、１３Ｂは、図１４Ａ〜１４ＤのＭＤＩＭＳシステムの概略スケール図面である。
【図１４】図１４Ａ〜１４Ｄは、本発明の様々な実施形態を組み込んだ携帯型ＭＤＩＭＳの好ましい実施形態の概略スケール図である。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ 出力においてイオンを生成するイオン源と、
ｂ イオン源の出力に結合された第一のドリフト管であって、第一のドリフト管は第一のドリフト軸を有するものと、
ｃ 第一のドリフト管に結合された第二のドリフト管であって、第二のドリフト管は第二のドリフト軸を有するものと、
ｄ 第二のドリフト管に結合された入力を有するイオン検出器と、
からなるイオン移動度分光測定システム。
【請求項２】
イオン源はＣＦＤＩイオン源からなる、請求項１の分光測定システム。
【請求項３】
第一のドリフト管に結合された入力を有するイオン検出器、から更になる請求項１の分光測定システム。
【請求項４】
イオン検出器はイオン移動度型分光計からなる、請求項１の分光測定システム。
【請求項５】
イオン検出器は質量分析器からなる、請求項１の分光測定システム。
【請求項６】
第二のドリフト管の第二のドリフト軸は、実質的に０と実質的に９０度の間にある、第一のドリフト管の第一のドリフト軸に対する角度を有する、請求項１の分光測定システム。
【請求項７】
第二のドリフト管の第二のドリフト軸は、第一のドリフト管の第一のドリフト軸に実質的に垂直である、請求項６の分光測定システム。
【請求項８】
第二のドリフト管に結合された第三のドリフト管であって、第三のドリフト管は第三のドリフト軸を有するもの、から更になる請求項１の分光測定システム。
【請求項９】
第三のドリフト管の第三のドリフト軸は、第二のドリフト管の第二のドリフト軸に実質的に垂直である、請求項８の分光測定システム。
【請求項１０】
第三のドリフト管の第三のドリフト軸は、第一のドリフト管の第一のドリフト軸と第二のドリフト管の第二のドリフト軸の両方に実質的に垂直である、請求項８の分光測定システム。
【請求項１１】
第三のドリフト管に結合されたイオン検出器、から更になる請求項８の分光測定システム。
【請求項１２】
イオン化されたケミカル種をサンプリングする電場およびフロー補助インターフェース、から更になる請求項１の分光測定システム。
【請求項１３】
第一のドリフト管内の電場強度の気体数密度に対する比は実質的に一定である、請求項１の分光測定システム。
【請求項１４】
イオン化されたケミカル種が第二のドリフト管をイオン検出器まで横切る間は、第二のドリフト管内の電場強度の気体数密度に対する比は実質的に一定である、請求項１の分光測定システム。
【請求項１５】
ａ ケミカル種をイオン化し、
ｂ イオン化されたケミカル種を、第一のドリフト管の第一のドリフト軸まで搬送し、
ｃ イオン化されたケミカル種を、第一のドリフト管に結合された第二のドリフト管の第二のドリフト軸まで搬送し、
ｄ 第二のドリフト管内のイオンを検出する、
ことからなるイオン移動度分光測定システムを動作させる方法。
【請求項１６】
ケミカル種はＣＦＤＩでイオン化される、請求項１５の方法。
【請求項１７】
第二のドリフト管の第二のドリフト軸は、実質的に０と９０度の間にある、第一のドリフト管の第一のドリフト軸に対する角度を有する、請求項１５の方法。
【請求項１８】
第二のドリフト管の第二のドリフト軸は、第一のドリフト管の第一のドリフト軸に実質的に垂直である、請求項１７の方法。
【請求項１９】
イオン化されたケミカル種を、第三のドリフト管の第三のドリフト軸まで搬送する、ことから更になる請求項１５の方法。
【請求項２０】
第三のドリフト管の第三のドリフト軸は、第二のドリフト管の第二のドリフト軸に実質的に垂直である、請求項１５の方法。
【請求項２１】
第三のドリフト管の第三のドリフト軸は、第一のドリフト管の第一のドリフト軸と第二のドリフト管の第二のドリフト軸の両方に実質的に垂直である、請求項１５の方法。
【請求項２２】
第三のドリフト管内のイオンを検出する、ことから更になる請求項１５の方法。
【請求項２３】
ａ 第一の時間において第一のドリフト管に気体相サンプルをパルス化し、
ｂ 第一のドリフト管の少なくとも一部に沿った第一の方向に気体相サンプルパルスを搬送し、
ｃ 第一の時間に対する所定の時間において第一のドリフト管に反応物イオンの複数のパルスを提供し、
ｄ 第一のドリフト管の少なくとも一部に沿った第二の方向に反応物イオンのパルスを搬送する電場を生成し、ただし第二の方向は第一のドリフト管内のキャリア気体フローの方向に実質的に反平行であり、
ｅ 反応物イオンの複数のパルスの一つ以上からなる反応物イオンのグループを気体相サンプルパルスと相互作用させて気体相サンプルパルス中のケミカル種をイオン化する、
ことからなるイオン移動度分光計を動作させる方法。
【請求項２４】
第一の方向は第一のドリフト管内のキャリア気体フローの方向に実質的に平行である、請求項２３の方法。
【請求項２５】
全ての関心のあるケミカル種がイオン化されるまで、反応物イオンのグループを気体相サンプルパルスと相互作用させるステップを繰り返し、異なる電荷親和性のケミカル種は第一のドリフト管内で異なる時間においてイオン化される、ことから更になる請求項２３の方法。
【請求項２６】
パルス化された気体相サンプルは第一のドリフト管の反応領域に持ち込まれる、請求項２３の方法。
【請求項２７】
第一のドリフト管の少なくとも一部に渡って電場を一つ以上の所定の抽出時間において生成することによって、第一のドリフト管内のイオン化されたケミカル種の少なくとも一部を第二のドリフト管に抽出し、第二のドリフト管は第一のドリフト管のドリフト軸に実質的に垂直なドリフト軸を有する、ことから更になる請求項２３の方法。
【請求項２８】
第二のドリフト管に抽出されたイオン化されたケミカル種はイオン検出器に向けられており、第二のドリフト管の条件下でのそれらの移動度に少なくとも基づいたイオン検出器でのそれらの到着時間によって特徴付けられる、請求項２３の方法。
【請求項２９】
キャリア気体の種類、キャリア気体密度、キャリア気体フローレート、キャリア気体圧力、ドリフト媒体の相、電場強度、および温度を含んだ第二のドリフト管内のドリフト管条件の少なくとも一つは、第一のドリフト管内の第二のドリフト管内のドリフト管条件と異なる、請求項２３の方法。
【請求項３０】
ａ 第一のドリフト管にサンプルを導入し、
ｂ 少なくともいくつかのサンプルをイオン化して、イオンケミカル種を形成し、
ｃ イオンケミカル種をドリフト条件の第一の組の下で第一のドリフト気体と相互作用させることによって、イオンケミカル種の少なくともいくつかを第一のドリフト軸に沿って分離し、
ｄ 第二のドリフト管に直近の電場を生成してイオンケミカル種を第二のドリフト管に抽出し、
ｅ イオンケミカル種をドリフト条件の第二の組の下で第二のドリフト気体と相互作用させることによって、イオンケミカル種の少なくともいくつかを第二のドリフト軸に沿って分離し、
ｆ 分離されたイオンケミカル種の少なくともいくつかをイオン検出器で検出する、
ことからなるイオン移動度分光測定の方法。
【請求項３１】
イオンケミカル種の少なくともいくつかを分離することは、イオンケミカル種を時間によって分離することからなる、請求項３０の方法。
【請求項３２】
イオンケミカル種の少なくともいくつかを分離することは、イオンケミカル種を空間的に分離することからなる、請求項３０の方法。
【請求項３３】
イオンケミカル種を導入することは、イオンケミカル種を所定の時間において導入することからなる、請求項３０の方法。
【請求項３４】
所定の時間は、イオン化されたケミカル種が実質的に反応物イオンのないものとなるように選択されている、請求項３３の方法。
【請求項３５】
条件の第二の組は条件の第一の組と同一である、請求項３０の方法。
【請求項３６】
条件の第一の組と第二の組の少なくとも一つは、電場の向き、電場の強度、ドリフト気体の組成、ドリフト気体の相、ドリフト気体の温度、ドリフト気体の圧力、ドリフト気体のフローレート、および電場の方向に対するドリフト気体のフロー方向、の少なくとも一つからなる、請求項３０の方法。
【請求項３７】
分離されたイオンケミカル種の少なくともいくつかをイオン検出器で検出する前に、イオンケミカル種をドリフト条件の第三の組の下で第三のドリフト気体と相互作用させることによって、イオンケミカル種の少なくともいくつかを第二のドリフト軸に沿って空間的に分離する、ことから更になる請求項３０の方法。
【請求項３８】
第一のドリフト管内の高速背景イオンを検出する、ことから更になる請求項３０の方法。
【請求項３９】
第二のドリフト管に直近の電場を生成するタイミングを高速背景イオンの検出から制御する、ことから更になる請求項３８の方法。
【請求項４０】
第一と第二のドリフト管内のドリフト時間を測定し、測定から多次元イオン移動度プロファイルを構築してケミカル種を同定する、ことから更になる請求項３０の方法。
【請求項４１】
分離されたイオンケミカル種の少なくともいくつかをイオン検出器で検出することは、特定のイオンを選択的に検出することからなる、請求項３０の方法。
【請求項４２】
第一次元のドリフト管内に大量のサンプルイオンを蓄積し、それからそれらを第二のドリフト管内に蹴り出すこと、から更になる請求項３０の方法。
【請求項４３】
第一のドリフト気体フローの方向は第一のドリフト軸の方向に実質的に平行である、請求項３０の方法。
【請求項４４】
検出されたイオンケミカル種を、ドリフト条件の第二の組の下でのそれらの移動度に少なくとも基づいたそれらの検出到着時間によって特徴付ける、ことから更になる請求項３０の方法。
【請求項４５】
ａ 第一のドリフト軸を有する第一のドリフト管と、
ｂ 第一のドリフト軸と実質的に垂直な第二のドリフト軸と、第一のドリフト管に結合された入口を有する第二のドリフト管と、
ｃ 第二のドリフト軸に実質的に平行で第一のドリフト軸に実質的に垂直な第三のドリフト軸を有し、第一のドリフト管に結合された入口を有する第三のドリフト管と、
ｄ 第二のドリフト管の入口の直近に位置する電極と、
ｅ 第三のドリフト管の入口の直近に位置する電極と、
からなるイオン移動度分光計システム。
【請求項４６】
第二のドリフト管と第三のドリフト管は、第一のドリフト管を跨いで実質的に互いに反対側に配置されている、請求項４５の分光計システム。
【請求項４７】
第二のドリフト管と第三のドリフト管は、実質的に横に並べて配置されている、請求項４５の分光計システム。
【請求項４８】
第二のドリフト管の入口の反対側に配置されている電極が第三のドリフト管の入口からなり、第三のドリフト管の入口の反対側に配置されている電極が第二のドリフト管の入口からなる、請求項４５の分光計システム。
【請求項４９】
ａ 第二のドリフト管に結合された入口を有し、第二のドリフト軸と実質的に垂直な第四のドリフト軸を有する第四のドリフト管と、
ｂ 第三のドリフト管に結合された入口を有し、第三のドリフト軸と実質的に垂直な第五のドリフト軸を有する第五のドリフト管と、
から更になる請求項４５の分光計システム。
【請求項５０】
第四のドリフト軸と第五のドリフト軸は両方第一のドリフト軸と実質的に垂直である、請求項４５の分光計システム。
【請求項５１】
第一のドリフト管の第一端に結合された出力を有するイオン源と、第一のドリフト管の一端に結合された入力を有するイオン検出器と、から更になる請求項４５の分光計システム。
【請求項５２】
第一のドリフト管の第一端に結合された第一のイオン源と、第一のドリフト管の一端に結合された第二のイオン源と、から更になる請求項４５の分光計システム。
【請求項５３】
第二のドリフト管の入口と第三のドリフト管の入口の間に位置するイオン源であってイオン源は第一のドリフト管に結合されているものと、第一のドリフト管の第一端に位置する第一のイオン検出器と、から更になる請求項４５の分光計システム。
【請求項５４】
第一端と反対側の第一のドリフト管の一端に位置する第二のイオン検出器、から更になる請求項４５の分光計システム。
【請求項５５】
ａ 正イオンケミカル種と負イオンケミカル種からなる気体サンプルを第一のドリフト管に提供し、
ｂ イオンケミカル種を第一のドリフト管のドリフト領域にキャリア気体フローで搬送し、
ｃ 第二と第三のドリフト管の入口の直近に電場を印加して、正イオンケミカル種の少なくとも一部を第二のドリフト管に抽出し、負イオンケミカル種の少なくとも一部を第三のドリフト管に抽出し、
ｄ 第二のドリフト管内の第二のキャリア気体との衝突によって正イオンケミカル種の一つ以上を第二のドリフト軸に沿って空間的に分離し、分離された正イオンケミカル種の少なくとも一部をイオン検出器で検出し、
ｅ 第三のドリフト管内の第三のキャリア気体との衝突によって負イオンケミカル種の一つ以上を第三のドリフト軸に沿って空間的に分離し、分離された負イオンケミカル種の少なくとも一部をイオン検出器で検出する、
ことからなるイオン移動度分光計を動作させる方法。
【請求項５６】
サンプル中のケミカル種の有無は、分離された正イオンケミカル種を検出するイオン検出器における到着時間に基づいて決定される、請求項５５の方法。
【請求項５７】
サンプル中のケミカル種の有無は、分離された負イオンケミカル種を検出するイオン検出器における到着時間に基づいて決定される、請求項５５の方法。
【請求項５８】
サンプル中のケミカル種の有無は、分離された正と負のイオンケミカル種の両方を検出するイオン検出器における到着時間に基づいて決定される、請求項５５の方法。
【請求項５９】
第一のキャリア気体、第二のキャリア気体、および第三のキャリア気体の一つ以上は同一のキャリア気体である、請求項５５の方法。
【請求項６０】
第一のドリフト管、第二のドリフト管、および第三のドリフト管の一つ以上へのケミカル種の分離を容易にする一つ以上の組成物をキャリア気体に導入する、ことから更になる請求項５５の方法。
【請求項１】
ａ 出力においてイオンを生成するイオン源と、
ｂ イオン源の出力に結合された第一のドリフト管であって、第一のドリフト管は第一のドリフト軸を有するものと、
ｃ 第一のドリフト管に結合された第二のドリフト管であって、第二のドリフト管は第二のドリフト軸を有するものと、
ｄ 第二のドリフト管に結合された入力を有するイオン検出器と、
からなるイオン移動度分光測定システム。
【請求項２】
イオン源はＣＦＤＩイオン源からなる、請求項１の分光測定システム。
【請求項３】
第一のドリフト管に結合された入力を有するイオン検出器、から更になる請求項１の分光測定システム。
【請求項４】
イオン検出器はイオン移動度型分光計からなる、請求項１の分光測定システム。
【請求項５】
イオン検出器は質量分析器からなる、請求項１の分光測定システム。
【請求項６】
第二のドリフト管の第二のドリフト軸は、実質的に０と実質的に９０度の間にある、第一のドリフト管の第一のドリフト軸に対する角度を有する、請求項１の分光測定システム。
【請求項７】
第二のドリフト管の第二のドリフト軸は、第一のドリフト管の第一のドリフト軸に実質的に垂直である、請求項６の分光測定システム。
【請求項８】
第二のドリフト管に結合された第三のドリフト管であって、第三のドリフト管は第三のドリフト軸を有するもの、から更になる請求項１の分光測定システム。
【請求項９】
第三のドリフト管の第三のドリフト軸は、第二のドリフト管の第二のドリフト軸に実質的に垂直である、請求項８の分光測定システム。
【請求項１０】
第三のドリフト管の第三のドリフト軸は、第一のドリフト管の第一のドリフト軸と第二のドリフト管の第二のドリフト軸の両方に実質的に垂直である、請求項８の分光測定システム。
【請求項１１】
第三のドリフト管に結合されたイオン検出器、から更になる請求項８の分光測定システム。
【請求項１２】
イオン化されたケミカル種をサンプリングする電場およびフロー補助インターフェース、から更になる請求項１の分光測定システム。
【請求項１３】
第一のドリフト管内の電場強度の気体数密度に対する比は実質的に一定である、請求項１の分光測定システム。
【請求項１４】
イオン化されたケミカル種が第二のドリフト管をイオン検出器まで横切る間は、第二のドリフト管内の電場強度の気体数密度に対する比は実質的に一定である、請求項１の分光測定システム。
【請求項１５】
ａ ケミカル種をイオン化し、
ｂ イオン化されたケミカル種を、第一のドリフト管の第一のドリフト軸まで搬送し、
ｃ イオン化されたケミカル種を、第一のドリフト管に結合された第二のドリフト管の第二のドリフト軸まで搬送し、
ｄ 第二のドリフト管内のイオンを検出する、
ことからなるイオン移動度分光測定システムを動作させる方法。
【請求項１６】
ケミカル種はＣＦＤＩでイオン化される、請求項１５の方法。
【請求項１７】
第二のドリフト管の第二のドリフト軸は、実質的に０と９０度の間にある、第一のドリフト管の第一のドリフト軸に対する角度を有する、請求項１５の方法。
【請求項１８】
第二のドリフト管の第二のドリフト軸は、第一のドリフト管の第一のドリフト軸に実質的に垂直である、請求項１７の方法。
【請求項１９】
イオン化されたケミカル種を、第三のドリフト管の第三のドリフト軸まで搬送する、ことから更になる請求項１５の方法。
【請求項２０】
第三のドリフト管の第三のドリフト軸は、第二のドリフト管の第二のドリフト軸に実質的に垂直である、請求項１５の方法。
【請求項２１】
第三のドリフト管の第三のドリフト軸は、第一のドリフト管の第一のドリフト軸と第二のドリフト管の第二のドリフト軸の両方に実質的に垂直である、請求項１５の方法。
【請求項２２】
第三のドリフト管内のイオンを検出する、ことから更になる請求項１５の方法。
【請求項２３】
ａ 第一の時間において第一のドリフト管に気体相サンプルをパルス化し、
ｂ 第一のドリフト管の少なくとも一部に沿った第一の方向に気体相サンプルパルスを搬送し、
ｃ 第一の時間に対する所定の時間において第一のドリフト管に反応物イオンの複数のパルスを提供し、
ｄ 第一のドリフト管の少なくとも一部に沿った第二の方向に反応物イオンのパルスを搬送する電場を生成し、ただし第二の方向は第一のドリフト管内のキャリア気体フローの方向に実質的に反平行であり、
ｅ 反応物イオンの複数のパルスの一つ以上からなる反応物イオンのグループを気体相サンプルパルスと相互作用させて気体相サンプルパルス中のケミカル種をイオン化する、
ことからなるイオン移動度分光計を動作させる方法。
【請求項２４】
第一の方向は第一のドリフト管内のキャリア気体フローの方向に実質的に平行である、請求項２３の方法。
【請求項２５】
全ての関心のあるケミカル種がイオン化されるまで、反応物イオンのグループを気体相サンプルパルスと相互作用させるステップを繰り返し、異なる電荷親和性のケミカル種は第一のドリフト管内で異なる時間においてイオン化される、ことから更になる請求項２３の方法。
【請求項２６】
パルス化された気体相サンプルは第一のドリフト管の反応領域に持ち込まれる、請求項２３の方法。
【請求項２７】
第一のドリフト管の少なくとも一部に渡って電場を一つ以上の所定の抽出時間において生成することによって、第一のドリフト管内のイオン化されたケミカル種の少なくとも一部を第二のドリフト管に抽出し、第二のドリフト管は第一のドリフト管のドリフト軸に実質的に垂直なドリフト軸を有する、ことから更になる請求項２３の方法。
【請求項２８】
第二のドリフト管に抽出されたイオン化されたケミカル種はイオン検出器に向けられており、第二のドリフト管の条件下でのそれらの移動度に少なくとも基づいたイオン検出器でのそれらの到着時間によって特徴付けられる、請求項２３の方法。
【請求項２９】
キャリア気体の種類、キャリア気体密度、キャリア気体フローレート、キャリア気体圧力、ドリフト媒体の相、電場強度、および温度を含んだ第二のドリフト管内のドリフト管条件の少なくとも一つは、第一のドリフト管内の第二のドリフト管内のドリフト管条件と異なる、請求項２３の方法。
【請求項３０】
ａ 第一のドリフト管にサンプルを導入し、
ｂ 少なくともいくつかのサンプルをイオン化して、イオンケミカル種を形成し、
ｃ イオンケミカル種をドリフト条件の第一の組の下で第一のドリフト気体と相互作用させることによって、イオンケミカル種の少なくともいくつかを第一のドリフト軸に沿って分離し、
ｄ 第二のドリフト管に直近の電場を生成してイオンケミカル種を第二のドリフト管に抽出し、
ｅ イオンケミカル種をドリフト条件の第二の組の下で第二のドリフト気体と相互作用させることによって、イオンケミカル種の少なくともいくつかを第二のドリフト軸に沿って分離し、
ｆ 分離されたイオンケミカル種の少なくともいくつかをイオン検出器で検出する、
ことからなるイオン移動度分光測定の方法。
【請求項３１】
イオンケミカル種の少なくともいくつかを分離することは、イオンケミカル種を時間によって分離することからなる、請求項３０の方法。
【請求項３２】
イオンケミカル種の少なくともいくつかを分離することは、イオンケミカル種を空間的に分離することからなる、請求項３０の方法。
【請求項３３】
イオンケミカル種を導入することは、イオンケミカル種を所定の時間において導入することからなる、請求項３０の方法。
【請求項３４】
所定の時間は、イオン化されたケミカル種が実質的に反応物イオンのないものとなるように選択されている、請求項３３の方法。
【請求項３５】
条件の第二の組は条件の第一の組と同一である、請求項３０の方法。
【請求項３６】
条件の第一の組と第二の組の少なくとも一つは、電場の向き、電場の強度、ドリフト気体の組成、ドリフト気体の相、ドリフト気体の温度、ドリフト気体の圧力、ドリフト気体のフローレート、および電場の方向に対するドリフト気体のフロー方向、の少なくとも一つからなる、請求項３０の方法。
【請求項３７】
分離されたイオンケミカル種の少なくともいくつかをイオン検出器で検出する前に、イオンケミカル種をドリフト条件の第三の組の下で第三のドリフト気体と相互作用させることによって、イオンケミカル種の少なくともいくつかを第二のドリフト軸に沿って空間的に分離する、ことから更になる請求項３０の方法。
【請求項３８】
第一のドリフト管内の高速背景イオンを検出する、ことから更になる請求項３０の方法。
【請求項３９】
第二のドリフト管に直近の電場を生成するタイミングを高速背景イオンの検出から制御する、ことから更になる請求項３８の方法。
【請求項４０】
第一と第二のドリフト管内のドリフト時間を測定し、測定から多次元イオン移動度プロファイルを構築してケミカル種を同定する、ことから更になる請求項３０の方法。
【請求項４１】
分離されたイオンケミカル種の少なくともいくつかをイオン検出器で検出することは、特定のイオンを選択的に検出することからなる、請求項３０の方法。
【請求項４２】
第一次元のドリフト管内に大量のサンプルイオンを蓄積し、それからそれらを第二のドリフト管内に蹴り出すこと、から更になる請求項３０の方法。
【請求項４３】
第一のドリフト気体フローの方向は第一のドリフト軸の方向に実質的に平行である、請求項３０の方法。
【請求項４４】
検出されたイオンケミカル種を、ドリフト条件の第二の組の下でのそれらの移動度に少なくとも基づいたそれらの検出到着時間によって特徴付ける、ことから更になる請求項３０の方法。
【請求項４５】
ａ 第一のドリフト軸を有する第一のドリフト管と、
ｂ 第一のドリフト軸と実質的に垂直な第二のドリフト軸と、第一のドリフト管に結合された入口を有する第二のドリフト管と、
ｃ 第二のドリフト軸に実質的に平行で第一のドリフト軸に実質的に垂直な第三のドリフト軸を有し、第一のドリフト管に結合された入口を有する第三のドリフト管と、
ｄ 第二のドリフト管の入口の直近に位置する電極と、
ｅ 第三のドリフト管の入口の直近に位置する電極と、
からなるイオン移動度分光計システム。
【請求項４６】
第二のドリフト管と第三のドリフト管は、第一のドリフト管を跨いで実質的に互いに反対側に配置されている、請求項４５の分光計システム。
【請求項４７】
第二のドリフト管と第三のドリフト管は、実質的に横に並べて配置されている、請求項４５の分光計システム。
【請求項４８】
第二のドリフト管の入口の反対側に配置されている電極が第三のドリフト管の入口からなり、第三のドリフト管の入口の反対側に配置されている電極が第二のドリフト管の入口からなる、請求項４５の分光計システム。
【請求項４９】
ａ 第二のドリフト管に結合された入口を有し、第二のドリフト軸と実質的に垂直な第四のドリフト軸を有する第四のドリフト管と、
ｂ 第三のドリフト管に結合された入口を有し、第三のドリフト軸と実質的に垂直な第五のドリフト軸を有する第五のドリフト管と、
から更になる請求項４５の分光計システム。
【請求項５０】
第四のドリフト軸と第五のドリフト軸は両方第一のドリフト軸と実質的に垂直である、請求項４５の分光計システム。
【請求項５１】
第一のドリフト管の第一端に結合された出力を有するイオン源と、第一のドリフト管の一端に結合された入力を有するイオン検出器と、から更になる請求項４５の分光計システム。
【請求項５２】
第一のドリフト管の第一端に結合された第一のイオン源と、第一のドリフト管の一端に結合された第二のイオン源と、から更になる請求項４５の分光計システム。
【請求項５３】
第二のドリフト管の入口と第三のドリフト管の入口の間に位置するイオン源であってイオン源は第一のドリフト管に結合されているものと、第一のドリフト管の第一端に位置する第一のイオン検出器と、から更になる請求項４５の分光計システム。
【請求項５４】
第一端と反対側の第一のドリフト管の一端に位置する第二のイオン検出器、から更になる請求項４５の分光計システム。
【請求項５５】
ａ 正イオンケミカル種と負イオンケミカル種からなる気体サンプルを第一のドリフト管に提供し、
ｂ イオンケミカル種を第一のドリフト管のドリフト領域にキャリア気体フローで搬送し、
ｃ 第二と第三のドリフト管の入口の直近に電場を印加して、正イオンケミカル種の少なくとも一部を第二のドリフト管に抽出し、負イオンケミカル種の少なくとも一部を第三のドリフト管に抽出し、
ｄ 第二のドリフト管内の第二のキャリア気体との衝突によって正イオンケミカル種の一つ以上を第二のドリフト軸に沿って空間的に分離し、分離された正イオンケミカル種の少なくとも一部をイオン検出器で検出し、
ｅ 第三のドリフト管内の第三のキャリア気体との衝突によって負イオンケミカル種の一つ以上を第三のドリフト軸に沿って空間的に分離し、分離された負イオンケミカル種の少なくとも一部をイオン検出器で検出する、
ことからなるイオン移動度分光計を動作させる方法。
【請求項５６】
サンプル中のケミカル種の有無は、分離された正イオンケミカル種を検出するイオン検出器における到着時間に基づいて決定される、請求項５５の方法。
【請求項５７】
サンプル中のケミカル種の有無は、分離された負イオンケミカル種を検出するイオン検出器における到着時間に基づいて決定される、請求項５５の方法。
【請求項５８】
サンプル中のケミカル種の有無は、分離された正と負のイオンケミカル種の両方を検出するイオン検出器における到着時間に基づいて決定される、請求項５５の方法。
【請求項５９】
第一のキャリア気体、第二のキャリア気体、および第三のキャリア気体の一つ以上は同一のキャリア気体である、請求項５５の方法。
【請求項６０】
第一のドリフト管、第二のドリフト管、および第三のドリフト管の一つ以上へのケミカル種の分離を容易にする一つ以上の組成物をキャリア気体に導入する、ことから更になる請求項５５の方法。
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１２Ｃ】
【図１３】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１２Ｃ】
【図１３】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【公表番号】特表２００９−５２２５５２（Ｐ２００９−５２２５５２Ａ）
【公表日】平成２１年６月１１日（２００９．６．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５４８７７１（Ｐ２００８−５４８７７１）
【出願日】平成１８年１２月２９日（２００６．１２．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０４９５９４
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０７９２３４
【国際公開日】平成１９年７月１２日（２００７．７．１２）
【出願人】（５０８１９７７２３）エクセリムス コーポレイション (1)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年６月１１日（２００９．６．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月２９日（２００６．１２．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０４９５９４
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０７９２３４
【国際公開日】平成１９年７月１２日（２００７．７．１２）
【出願人】（５０８１９７７２３）エクセリムス コーポレイション (1)
【Ｆターム（参考）】
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