質量分光計のための微分移動度分光計プレフィルタ
微分移動度分光計（ＤＭＳ）のフィルタ処理電場が除去された時に、質量分光計（ＭＳ）がＤＭＳから搬送流を連続的に受容するように、ＭＳと一列になるように構成されるＤＭＳを含む、プレフィルタアセンブリ。一実施形態において、プレフィルタアセンブリは、一対のフィルタ電極間の分析空隙内の時間変動電場に該試料の１つ以上のイオン種を通過させるための微分移動度分光計フィルタと、該微分移動度分光計フィルタからイオン流を提供するための流出口とを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の参照）
本願は、米国仮出願第６０／８９９，０４９号（２００７年２月１日出願）に基づく優先権および利益を主張する。この仮出願の全内容は、参照により本明細書に援用される。
【０００２】
（本発明の技術分野）
本発明は、イオン移動度分光計および微分移動度分光計等のイオン移動度ベースの分光計に関し、より具体的には、質量分光計のためのプレフィルタとして動作する微分移動度分光計に関する。
【背景技術】
【０００３】
イオン移動度分光計および微分移動度分光計等のイオン移動度ベースの分析器は、イオンがガスまたはガスの混合物を通って流れている間、イオンの移動度特性に基づいてイオンを分析する。イオン移動度分光計（Ｉｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ：ＩＭＳ）は、典型的には、ドリフト領域に沿って検出器に向かってイオンを推進するように、電圧勾配を使用する。飛行時間型（Ｔｉｍｅ−Ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ：ＴＯＦ）ＩＭＳは、異なるイオン移動度特性を有するイオン種が、異なる速度でドリフトガスを通って進行するので、異なるイオン種の検出器における到達時間を測定することによって、異なるイオン種を分離および識別する。
【０００４】
微分移動度分光計（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ：ＤＭＳ）は、電場非対称性イオン移動度分光計（Ｆｉｅｌｄ Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ＩＭＳ：ＦＡＩＭＳ）とも称され、同じく、ガスまたはガスの混合物を通って流れているイオンを分析する。しかしながら、ＩＭＳとは異なり、ＤＭＳは、イオンが非対称電場を印加するフィルタ電極間の分析空隙を通って流れる時に、時間変動（例えば、非対称の）電場をイオンに受けさせる。非対称電場は、典型的には、より長い低電場期間がその後に続く、高電場期間を含む。典型的には、ＤＭＳが選択されたイオン種を通過させることができるようにする補償電場も、フィルタ電極のうちの１つによって（ＤＣ補償電圧を電極に印加することによって）発生される。他の種は、典型的には、フィルタ電極のうちの１つに向かって偏向されて、中性化される。ＩＭＳまたはＤＭＳ等のイオン移動度ベースの分析器は、イオン強度スペクトルを測定し、そのスペクトルを既知のスペクトル、または複数のスペクトルと比較することによって、試料および試料成分を識別することができる。
【０００５】
ＤＭＳまたはＤＭＳ分析器は、典型的には、円筒または平面形状因子を有する。特許文献１に記載されているもの等の円筒形ＤＭＳ分析器は、イオンをＤＭＳから、またはＤＭＳからＭＳに導入する前に、イオンの収集および濃縮を可能にするように、終端およびトラップ領域を用いている。この構造による１つの課題は、イオンが、円筒形ＤＭＳフィルタによって分散または拡散される傾向があり、その結果、ＭＳへの導入前に、終端およびイオントラップがイオンを濃縮する必要が生じる。
【０００６】
質量分析計または質量分光計（Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ：ＭＳ）は、イオン移動度ベースの分光計とは異なり、真空中のイオンに加速電場を受けさせることによって、イオンの質量電荷比（ｍ／ｚ）を測定する。ＴＯＦ ＭＳにおいて、異なる質量電荷比を有するイオンが、同一の電場を受ける。異なるイオン種は、異なる質量電荷比を有するので、異なるイオン種は、異なる量の加速度を受け、したがって、異なる時間に検出器に到達する。したがって、ＴＯＦ ＭＳは、それらの異なる質量電荷比に基づいて、異なるイオンを検出して測定することができる。ＭＳは、それらの分子量または質量を判定することによって、試料の構成成分を識別することができる。
【０００７】
チップベースの、または微細加工されたＩＭＳ、ＤＭＳ、およびＭＳシステムは、現在市販されているものである。それらが小型および携帯型イオン検出システムの使用を可能にするので、このような微細加工されたシステムが望ましい。
【０００８】
ＩＭＳ、ＤＭＳ、およびＭＳ分析器は、スタンドアロンのシステムとしてしばしば動作する。しかしながら、タンデム型ＩＭＳ−ＭＳ、タンデム型ＤＭＳ−ＭＳ、またはタンデム型ＩＭＳ−ＤＭＳ−ＭＳシステム等の、特定のタイプの組み合わせ分析器を用いてもよい。例えば、Ｗａｌｔｈａｍ，ＭＡのＴｈｅｒｍｏ Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ，Ｉｎｃ．は、研究室での研究用のそれらのＴＳＱ Ｑｕａｎｔｕｍ（登録商標）シリーズの質量分析計によってインターフェースすることができる、円筒形ＤＭＳ（ＦＡＩＭＳ）インターフェースを販売している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第６，６２１，０７７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
プレフィルタとして円筒形ＤＭＳまたはＤＭＳをＭＳに使用することによる１つの課題は、プレフィルタ処理が所望されるときに、研究者が、円筒形ＤＭＳプレフィルタをＭＳに取り付けなければならないが、次いで、ＤＭＳのプレフィルタ処理を行わない分析が所望されるときには、円筒形ＤＭＳプレフィルタをＭＳから切り離して除去しなければならないことである。上述のように、円筒形ＤＭＳの構造は、イオンを拡散する傾向があるので、これが必要となる。したがって、円筒形ＤＭＳフィルタを除去せずに単に無効化した場合、円筒形ＤＭＳ内のイオンは、ＭＳへ入る前にもはや濃縮またはトラップされなくなり、その結果、システムの感度および性能が低下する。したがって、円筒形ＤＭＳは、イオンのＭＳへの導入前に、無効化した円筒形ＤＭＳのイオン拡散効果を防止するように、ＭＳから切り離さなければならない。円筒形ＤＭＳの着脱要件は、次の多数の理由から望ましくない。１）着脱は、ユーザを試料汚染に晒し得る。２）着脱に時間がかかる。３）着脱にユーザの訓練を必要とする。４）着脱によって、ＤＭＳ対ＭＳ接続の過度の摩耗および故障が生じ得る。５）着脱は、システムの信頼性を低下させる。および６）着脱可能なＤＭＳインターフェースは、ＭＳから分離されたときに喪失するか、または損傷を受け得る。故に、ＤＭＳまたはＤＭＳプレフィルタには、ＤＭＳプレフィルタ処理を行わないＭＳ分析が所望されるときに、切り離されるのではなく無効化することができるＭＳが必要である。
【００１１】
ＤＭＳ−ＭＳ分析器に関連する別の課題は、ＤＭＳの比較的に高い輸送ガス流速によって、取り付けられたＭＳへの比較的に高い流速が生じる可能性があることである。ＭＳは、高真空を維持しなければならないので、比較的に高いイオン流速でそのような高真空を維持するように、比較的に強力な、したがって大型のポンプが必要である。ＤＭＳ−ＭＳシステムのサイズは、研究室環境においては考慮しなくてもよいが、携帯型、現場配置型、または原位置型の試料分析用途および使用には、ＤＭＳ−ＭＳシステムのサイズおよび電力要件が極めて重要である。故に、より小型で、携帯できる、かつ消費電力の少ないＤＭＳ−ＭＳシステムを実現するように、ＭＳに使用される真空ポンプのサイズを縮小することが必要である。
【００１２】
本発明は、種々の実施形態において、ＤＭＳ−ＭＳの実験動作の安全性および効率を高め、かつＤＭＳ−ＭＳ分析器の携帯性および小型性を高めるような方法で、ＤＭＳをＭＳに連結できるようにする、システム、方法、およびデバイスを提供することによって、従来の技術の欠点に対処する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
一側面において、本発明は、試料の１つ以上のイオン種を分析するためのシステムを含む。システムは、試料成分をイオンに形成するためのイオン源を含む。システムはまた、プレフィルタアセンブリを含む。アセンブリは、一対のフィルタ電極間の分析空隙内の時間変動電場に、試料の１つ以上のイオン種を通過させる、ＤＭＳフィルタをさらに含んでもよい。アセンブリはまた、ＤＭＳフィルタからＭＳへイオン流を提供する、流出口を含んでもよい。ＭＳは、プレフィルタアセンブリからのイオン流の少なくとも一部を流入口で受容し、１つ以上のイオン種を分析してもよい。システムは、プレフィルタ処理が所望されるときには、ＤＭＳフィルタを有効化し、プレフィルタ処理が所望されないときには、ＤＭＳフィルタを無効化する、コントローラを含んでもよい。好ましくは、ＤＭＳフィルタは、質量分光計の流入口と実質的に一列に位置付けられる。
【００１４】
一構成において、ＤＭＳフィルタは、一対のフィルタ電極間の分析空隙の長手方向軸が、第１の質量分光計の流入口の長手方向軸と一列であるときに、質量分光計の流入口と一列である。時間変動電場は、調整可能であり、調整可能な補償電場を含んでもよい。
【００１５】
別の構成において、コントローラは、マイクロプロセッサを含む。イオン源は、エレクトロスプレーイオン源を含んでもよい。特定の構成において、液体クロマトグラフ（ＬＣ）は、エレクトロスプレーイオン源への液体試料の送達を可能にするように、システムに連結されてもよい。分析プロセスは、１つ以上のイオン種の検出を含んでもよい。
【００１６】
さらなる構成において、システムは、第１の質量分光計からイオンを受容して検出する、第２の質量分光計を含んでもよい。この場合、第１の質量分光計による分析は、ＤＭＳから受容するイオンの一部の集束を含んでもよい。ＤＭＳは、少なくとも１つの絶縁基板がフィルタ電極と連通する、１つ以上の絶縁基板を含んでもよい。ＤＭＳ、ＭＳ、および／またはシステムのあらゆる他の構成要素は、チップアセンブリに含まれてもよい。
【００１７】
別の側面において、ＤＭＳ−ＭＳ分析器システムのサイズおよび電力消費は、ＭＳへのイオン流速の大幅な削減を可能にするような方法で、ＤＭＳに関してＭＳを配向することによって削減される。したがって、ＭＳ内で適切な真空を維持するように、それによってＤＭＳ−ＭＳ分析器のサイズおよび電力要件を削減する、極めて小さい真空ポンプまたはポンプが必要である。
【００１８】
ＤＭＳ−ＭＳ分析器またはイオン分析器は、第１の流速でイオン源からイオン流を発生させる、流動発生器を含んでもよい。流動発生器は、ポンプ、微小加工ポンプ、圧力源、固体の流動発生器、および他の流動発生器のようなものを含んでもよい。イオン分析器は、イオン源からイオン流を受容するように連結されるチップアセンブリを含んでもよい。チップアセンブリは、基板に接続される第１のフィルタ電極を伴う第１の基板を有する、離間されたフィルタを含んでもよい。アセンブリは、第１のフィルタ電極から離間された第２のフィルタ電極を含み、それによって、第１のフィルタ電極と第２のフィルタ電極との間の分析空隙、およびそれを通じてイオン流が生じる流路の一部を画定してもよい。
【００１９】
アセンブリは、流路からイオンの一部を受容する質量分光計を含んでもよい。質量分光計は、流路内のイオン流からオフセットされる流入口を含んでもよい。流入口がオフセットされるので、チップアセンブリは、流路からイオンの一部を質量分光計の流入口内へ流すための分流器アセンブリを含んでもよい。第１の流路からのイオンの一部は、第２の流速で流入口を通って流れてもよく、第２の流速は第１の流速より小さい。
【００２０】
分析器は、第１および第２のフィルタ電極間に時間変動電場を発生させるように、第１および第２のフィルタ電極のうちの少なくとも１つに接続される、コントローラを含んでもよい。時間変動電場は、イオン種が分析空隙を通って流れている間にイオン種を分離する電場特性を含んでもよい。分析器は、質量分光計の流入口での第２の流速に応じて、質量分光計内を、選択された真空を維持するための真空発生器を含んでもよい。真空発生器は、１つ以上のポンプ、微細加工されたポンプ、圧力源、固体の流動発生器等を含んでもよい。
【００２１】
本発明の前述の、および他の目的、特徴、および利点は、以下の本発明の好適な実施形態のより具体的な説明から明らかとなるが、付随の図面に示されているように、異なる図面を通じて、これらの図面は、必ずしも正確な縮尺で示されておらず、代わりに本発明の原理を示す部分が強調されている。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明の例示的な一実施形態による、化学センサシステムのブロック図である。
【図２】図２は、本発明の例示的な一実施形態による、エレクトロスプレー源を含む液体試料調製区間を備えた化学センサシステムを示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の例示的な一実施形態による、エレクトロスプレー源を含む液体試料調製区間を備えた化学センサシステムを示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の例示的な一実施形態による、機械加工されたエレクトロスプレーヘッドを示す図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、本発明の例示的な一実施形態による、蛇行電極を示す図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、本発明の例示的な一実施形態による、筐体を形成する基板を示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の例示的な一実施形態による、離間した絶縁基板を備えたＤＭＳ分光計を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の例示的な一実施形態による、代替構造の電極を示す図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本発明の例示的な一実施形態による、電極の縁部に重なる絶縁スペーサを備えたフィルタの側部横断面図を示す図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、本発明の例示的な一実施形態による、スプレー先端部に至る分離チャネルに供給する試料リザーバを備えたエレクトロスプレーを示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の例示的な一実施形態による、イオンの脱溶媒和のための対称性ＡＣ無線周波数電場を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明の例示的な一実施形態による、ＤＭＳデバイスに統合される脱溶媒和領域を示す図である。
【図６】図６は、質量分光計に接続される従来の技術の円筒形ＤＭＳを示す図である。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の例示的な一実施形態による、改善された円筒形ＤＭＳデバイスを示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本発明の例示的な一実施形態による、改善された円筒形ＤＭＳデバイスを示す図である。
【図８】図８は、本発明の例示的な一実施形態による、エレクトロスプレーを載置する塔を示す図である。
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の例示的な一実施形態による、誘導電極と協働するエレクトロスプレーヘッドを示す図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、本発明の例示的な一実施形態による、誘導電極と協働するエレクトロスプレーヘッドを示す図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、本発明の例示的な一実施形態による、制御システムを示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、本発明の例示的な一実施形態による、制御信号を示す図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明の例示的な一実施形態による、チップ容器を示す図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本発明の例示的な一実施形態による、質量分光計とインターフェースされるチップ容器を示す図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、本発明の例示的な一実施形態による、平面ＤＭＳ分析器を示す図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、本発明の例示的な一実施形態による、平面ＤＭＳ分析器を示す図である。
【図１２Ｃ】図１２Ｃは、従来の技術の円筒形ＤＭＳデバイスを示す図である。
【図１２Ｄ】図１２Ｄは、従来の技術の円筒形ＤＭＳデバイスを示す図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、本発明の例示的な一実施形態による、上部基板内のオリフィスを通じて上から、イオン領域内に挿入されたエレクトロスプレー先端部を示す図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、本発明の例示的な一実施形態による、側部からイオン領域内に挿入されたエレクトロスプレー先端部を示す図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、本発明の例示的な一実施形態による、長手方向電場駆動の実施形態を示す図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、本発明の例示的な一実施形態による、長手方向電場駆動の実施形態を示す図である。
【図１５Ａ】図１５Ａは、本発明の例示的な一実施形態による、分裂ガス流の実施形態を示す図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、本発明の例示的な一実施形態による、分裂ガス流の実施形態を示す図である。
【図１６】図１６は、本発明の例示的な一実施形態による、二重チャネルの実施形態を示す図である。
【図１７】図１７は、本発明の例示的な一実施形態による、異なるイオン化源のための補償電圧へのケトンの依存性を示す図である。
【図１８】図１８は、本発明の例示的な一実施形態による、二重チャネルを示す図である。
【図１９】図１９は、本発明の例示的な一実施形態による、検出スペクトルを示す図である。
【図２０】図２０は、本発明の例示的な一実施形態による、直列ＤＭＳ−ＭＳ分析器の略図である。
【図２１】図２１は、本発明の例示的な一実施形態による、ＬＣ−ＥＳ−ＤＭＳ−ＭＳ分析器のブロック図である。
【図２２】図２２は、本発明の例示的な一実施形態による、ＬＣ−ＤＭＳ−ＭＳ分析器の概略図である。
【図２３】図２３は、本発明の例示的な一実施形態による、ＭＳへの流速の削減を可能にする分流器アセンブリを含む、ＤＭＳ−ＭＳ分析器の略図である。
【図２４】図２４は、本発明の例示的な一実施形態による、ＭＳの流入口がＤＭＳの流れからオフセットされる、統合ＤＭＳ−ＭＳ分析器の略図である。
【図２５】図２５は、本発明の例示的な一実施形態による、統合多層ＤＭＳ−ＭＳ分析器の略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。本発明は、質量分光計にＤＭＳプレフィルタを使用して、化合物を分析するための方法および装置を提供する。
【００２４】
エレクトロスプレー質量分光法（ＥＳ−ＭＳ）は、ペプチドおよび／またはタンパク質の構造判定のための強力なツールを提供する。これは、構造がタンパク質の機能を定義するのを補助するので重要である。タンパク質に関する構造情報は、典型的には、そのアミノ酸配列から判定される。配列を識別するために、タンパク質は、通常、酵素によって消化され、次いで、タンデム質量分析によってペプチド断片が配列決定される。配列を得るための別の可能な方法は、タンパク質を消化して、ペプチド断片の分子量を測定することである。これらは、コンピュータプログラムのための入力データであり、データベース内に見出される全てのタンパク質が理論的に消化され、理論的な断片が、測定された分子量と比較される。
【００２５】
近年、ＩＭＳによる等のイオン移動度ベースの分析が、有用な情報をＥＳ−ＭＳ測定に提供できることが注目されている。イオン移動度ベースの分析は、通常は、分子の形状およびサイズに非常に敏感な大気圧技術である。ＩＭＳおよびＭＳの組み合わせによるタンパク質の識別は、タンパク質を消化する必要性を排除し、試料調製を簡素化し得る。
【００２６】
市販のＩＭＳシステムは、飛行時間（ＴＯＦ）に基づいており、すなわち、それらは、不活性雰囲気（１〜７６０トール）を通じて、イオンがシャッタゲートから検出器へ進行するのにかかる時間を測定する。ドリフト時間は、イオンの移動度（すなわち、そのサイズ、質量、および電荷）に依存し、検出されるイオン種の特性である。ＴＯＦ−ＩＭＳは、麻薬、爆発物、および化学兵器用薬剤を含む、多数の化合物の検出に有用な技術である。参照することによって本明細書に援用される、ＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＣＡ９９／００７１５号、また、参照することによって本明細書に援用される、米国特許第５，４２０，４２４号を参照されたい。ＩＭＳにおける気相イオン移動度は、一定の低電場強度の電場を伴うドリフト管を使用して判定される。イオンは、ゲートを介してドリフト管内へ入り、続いて、それらのドリフト速度の差に基づいて分離される。これらの条件下でのイオンのドリフト速度は、電場強度およびイオン移動度に比例する。現在のＩＭＳデバイスは、イオンの識別のために、事前に加工されたドリフト管（最小サイズ、約４０ｃｍ３）を使用している。
【００２７】
ＤＭＳ（ＦＡＩＭＳまたはＲＦ−ＩＭＳとしても知られている）は、極めて高い電場を利用し、高強度および低強度の電場におけるその移動度の差に基づいて、イオン種を識別する。ＤＭＳは、ガス試料を、ガス試料中の特定の化学物質に対応する各イオンタイプを有する、イオン種の混合物に変換するように、紫外光イオン化ランプなどのイオン化源を使用する。イオン種は、次いで、フィルタを通過することができるイオンタイプを選択するように、電極間に特定の電場が印加されるイオンフィルタを通過される。
【００２８】
フィルタを通ると、イオン種は、検出器の電極に衝突して、電気信号を生成する。試料中のイオン種の混合物を検出するために、フィルタ電極間に印加される電場は、発生される範囲およびスペクトルを通じて走査することができる。イオンフィルタ処理は、イオンフィルタ電極間で発生される２つの電場、時間変動（例えば、非対称性および周期的）無線周波数（ＲＦ）電場、およびｄｃ補償電場の組み合わせを通じて達成される。非対称性ＲＦ電場は、そのピークの正電場強度と負電場強度との間に有意差を有する。非対称性ＲＦ電場は、イオンを散乱させて、それらが中性化されるイオンフィルタ電極に偏向させ、一方で、補償電場は、特定のイオンの散乱を防止して、検出器へ通過できるようにする。イオンは、低電場でのイオンの移動度と相対的な、高電場でのイオンの移動度の差に基づいて、ＤＭＳ分析器内でフィルタ処理される。
【００２９】
ＤＭＳイオンフィルタは、時間変動、または高電場非対称性波形の無線周波数信号に加え、可変ＤＣ補償信号の制御によるイオンのフィルタ処理に用いてもよい。ＤＭＳフィルタは、高電場非対称性無線周波数信号の波長、周波数、振幅、期間、デューティサイクル等を変化させることによって、イオンのフィルタ処理を制御してもよい。ＤＭＳフィルタは、イオンフィルタ電極間の空隙を正確に画定するように、および／またはイオンフィルタ電極を確実に平行にするように、絶縁基板を使用した平面ＤＭＳフィルタ構造を含んでもよい。微細加工された基板ベースのＤＭＳの使用は、ＤＭＳフィルタによって、安定した、信頼性のある、かつ再生可能な電場を発生できるようにし得、高解像度のＤＭＳ分析器がもたらされる。
【００３０】
ＤＭＳフィルタは、エレクトロスプレー（ＥＳ）等の試料スプレー源とともに用いてもよいが、信頼性のある再生可能なスペクトルを得るために、イオンの脱溶媒和が非常に重要である。脱溶媒和電極を、脱溶媒和を補助するように含んでもよく、高められた脱溶媒和が、対称性ＲＦ信号を脱溶媒和電極に印加することによって達成される。ＲＦ信号は、イオンにエネルギーを提供し、それらの有効温度を上昇させて、脱溶媒和プロセスの向上を補助する。脱溶媒和電極はまた、エレクトロスプレーからの、およびエレクトロスプレー源以外からの、ガス試料内のイオンクラスタ化レベルの制御に使用することができる。イオンクラスタ化の制御によって、より反復可能な測定を可能にすることができ、また、検出されているイオンに関するさらなる情報を提供することができる。
【００３１】
ＥＳ−ＤＭＳシステムは、エレクトロスプレーヘッドを用いてもよく、また、イオンフィルタ電極から分離された誘引電極（ａｔｔｒａｃｔｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）を使用してもよい。誘引電極のイオンフィルタ電極からの分離は、イオンフィルタ電極と相対的な、誘引電極に印加される電位の独立制御を可能にする。誘引電極の独立制御によって、ＤＭＳにエレクトロスプレー条件およびイオン導入条件を最適化することができる。誘引電極のイオンフィルタ電極からの分離は、円筒形ＤＭＳ構成内で実現することもできる。
【００３２】
ＥＳ−ＤＭＳは、ＤＭＳイオンフィルタへのイオン注入のさらなる最適化を提供する、誘導電極を含んでもよい。エレクトロスプレーアセンブリは、ＤＭＳの基板のうちの１つに取り付けることができ、誘導電極は、イオンをイオン化領域内に誘導するのに使用してもよい。誘導電極は、ＤＭＳの基板のうちの１つに取り付けられるか、もしくは接続されるか、またはその近くに自立構造を含んでもよい。アセンブリは、脱溶媒和を高めるように、逆ガス流を含んでもよく、および／または利用してもよい。
【００３３】
ＥＳ−ＤＭＳシステムにおいて、飛行時間型（ＴＯＦ）測定は、飛行時間型測定によって提供されるさらなる情報を通じてイオン種の識別を高めるように、エレクトロスプレーを使用して、ＤＭＳフィルタアプローチと組み合わせてもよい。イオンがＤＭＳのオリフィスから検出器まで進行するのにかかる時間を測定することができる。これは、誘引および誘導電極の電位の独立制御を通じて達成することができる。いかなるイオンもドリフト領域に進ませるのではなく、誘導電極で収集されるように、最初に誘引電極の電位が調整され得る。次いで、一部のイオンがイオン化領域およびＤＭＳフィルタに進むことができるように、誘引電極をパルス化することができる。イオンがイオン化領域から検出器まで進行するのにかかる時間を提供することができ、これは、イオンの識別に関するさらなる情報を提供する。
【００３４】
ＥＳ−ＤＭＳシステムの一部は、半導体製作技術を使用して微細加工または製作されていてもよい。特定のＤＭＳ電極は、絶縁する基板または絶縁された基板上に形成してもよく、単一または複数の絶縁する基板は、筐体またはチップアセンブリを形成することができる。ＥＳ−ＤＭＳ構成要素のチップアセンブリおよび／またはマルチチップモジュールへの微細加工は、有利にも、低コストの小型センサをもたらす。
【００３５】
ＥＳ−ＤＭＳシステムは、正荷電および負荷電イオン等の、複数のイオン種を同時に検出する能力を備えた出力セクションを含んでもよい。ＤＭＳ分析器内での試料分析は、概して、気相中で行われるので、液体試料を液体から気相に変換する必要がある。したがって、エレクトロスプレー（ＥＳ）法（「従来の」マイクロおよび／またはナノスプレーを含んでもよい）は、液体試料を気相イオンに変換するのに使用されてもよい。エレクトロスプレー先端部から流出するイオンは、平面ＤＭＳ分析器に送達されてもよい。ＥＳ−ＤＭＳシステムにおいて、試料調製、イオン化、フィルタ処理、および検出の全ての機能は、単一の「チップ」上で行われてもよい。
【００３６】
ＥＳ−ＤＭＳシステムは、ＥＳ−ＤＭＳ−ＭＳ分析器を形成するように、質量分光計と組み合わされてもよい。ＭＳに連結されるＤＭＳは、解像度を高めること、より良好な検出限界を確立すること、分析される分子の形状および構造情報の抽出を可能にすること、およびタンパク質およびペプチドを含む生体分子等の分子の改善された分析を可能にすることによって、ＭＳの検出プロセスを高める。ＤＭＳ分析は、イオン移動度に基づいており、イオンのフィルタ処理および識別は、タンパク質の形状が大体においてその機能性を特定するので、ゲノムおよびプロテオミクス研究（すなわち、製薬業界）に有用なものとなり得る、イオンのサイズおよび形状に大きく依存する。したがって、ＤＭＳフィルタ処理は、タンパク質を特徴付ける低コストだが高容量の方法として適用されてもよい。
【００３７】
ＭＳの流入口に載置される担体内に差し込まれる、使い捨てのＤＭＳフィルタチップが用いられてもよい。ＥＳ−ＤＭＳ−ＭＳデバイスはまた、分析される分子に関する構造（配座）情報、およびＥＳ−ＭＳ分析だけでは得ることができない配列情報も提供し得る。ＤＭＳ分析器は、ＥＳ−ＭＳ分析だけを使用して識別することができない異性体（質量は同じだが、それらの形状が異なる分子）間の弁別を可能にし得る。
【００３８】
ＥＳ−ＤＭＳ分析器は、単一の筐体内に含まれてもよい。ＥＳ−ＤＭＳ分析器は、液体試料分析のための独立型センサとして、または、ＭＳのフロントエンドとして使用されてもよい。ＥＳ−ＤＭＳおよび／またはＥＳ−ＤＭＳ−ＭＳ分析器は、液体クロマトグラフィー（ＬＣ）、高圧液体クロマトグラフィー、および毛管電気泳動等の、他の液体分離技術によって動作させてもよい。例えば、ＬＣ−ＥＳ−ＤＭＳ−ＭＳシステムが用いられてもよい。ＬＣ−ＥＳ−ＤＭＳ−ＭＳシステムの一部または全ては、チップアセンブリ上に微細加工および／または形成されてもよい。ＤＭＳフィルタ部分は、平面ＤＭＳ、円筒形ＤＭＳ、および／または同軸ＤＭＳを含んでもよい。
【００３９】
微細加工（ＭＥＭＳ）処理は、ＤＭＳフィルタを伴うエレクトロスプレー先端部の単純なデバイスへの統合を可能にすることができ、また、正確で、高度に反復可能な液体試料の評価のための、精密でさらに小型の分析システムをもたらす。ＭＥＭＳ ＥＳ−ＭＳは、生物学的薬剤を検出するための、携帯可能な、小型で、低コストの生体センサとして使用されてもよい。統合ＥＳ−ＤＭＳチップは、微細加工製作技術を使用して作製されてもよい。大気圧化学イオン化（Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ：ＡＰＣＩ）デバイスは、統合ＡＰＣＩ−ＤＭＳ−ＭＳ分析器を形成するように、質量分光器に対するプレフィルタとして使用されるＤＭＳフィルタと統合されてもよい。
【００４０】
従来の機械加工は、典型的には、ＤＭＳ分析器の高い製作コストおよび不十分な再現性を伴っていた。例えば、円筒形ＤＭＳの幾何学形状は、ＭＳにインターフェースする時の収集効率を制限するか、または、試料の中性粒子および試料のイオンの両方がＭＳに入るのを可能にし、より複雑なスペクトルをもたらす。平面および／または微細加工されたＤＭＳにおいて、ＤＭＳの形成は、より精密で安定しており、生体分子の識別のための極めて信頼性のある質量スペクトルをもたらす。
【００４１】
微細加工されたＥＳ−ＤＭＳは、低コストの、大量製造が可能で、小さく、小型の、微分イオン移動度に基づいた分光計である。したがって、ＥＳ−ＤＭＳシステムは、セラミックパッケージング、ＰＣボード製造技術、またはプラスチック加工を含むＭＥＭＳ製作技術等の、大量製造技術を使用して生成されてもよい。大量製造技術は、使い捨てとすることができる、低コストのデバイスをもたらすことができ、したがって、試料の相互汚染の課題を回避する。ＥＳ−ＤＭＳチップは、ＤＭＳインターフェースフィルタとして生体分子識別にＭＳを使用する、あらゆる研究室に提供されてもよい。このようなフィルタは、フィルタ処理用電子部品を含むインターフェース治具に差し込むことができる、ＤＭＳインターフェースチップを含んでもよい。エレクトロスプレー先端部または電気泳動チップは、ＤＭＳチップと統合する（その一部として製作する）ことができる。ＭＥＭＳアプローチは不要であるが、アプローチによって、１）大量生産されるＤＭＳチップの高信頼性および繰り返し性が可能になること、および２）ＤＭＳのコストを低くして使い捨てのＤＭＳ分析器を可能にすることから、好ましくなり得る。この使い捨て性は、ある試料から次の試料（またはユーザ）への汚染を回避するが、これは、汚染を懸念するＥＰＡ（米国保護庁）およびＦＤＡ（米国食品医薬品局）のような管理機関に従って、これに対して、および／またはこれによって行われる試験に極めて重要である。
【００４２】
イオンが質量分光計に集束され、収集効率が１００％に近くなる平面ＭＥＭＳ ＤＭＳチップが製作された。本実施形態において、ＤＭＳイオンフィルタ領域内へのイオン注入は不要である。デバイスは、平面上に微小加工される。これによって、イオンのクラスタ化を最小化するように、オンボード加熱器との容易な統合が可能となる。微細加工された、または従来のエレクトロスプレー先端部、および／または微細加工された電気泳動チップと、容易に統合することができる。これは、製作要件が低減された、簡略化された設計であり、単一のガス流路だけを使用するように構成することができる。
【００４３】
微細加工は、フィルタの製造および性能の優れた再現性を提供する。これは、試験結果が、デバイス間および研究室間で一致するように、非常に重要である。微細加工は、いかなる他の方法でも成すことができない、ＤＭＳフィルタチップの新しい構成を可能にする。これらの新しい構成は、より単純であり、また、イオンを質量分光計に送達して望ましくないイオンをフィルタ処理する時に、より効率的である。
【００４４】
生物学的薬剤を検出するための、統合ＥＳ−ＤＭＳチップを使用した、携帯可能な、小型で低コストの生体センサは、本技術によってサイズの低減およびコストの低減が可能となり、製造が可能となるので、微細加工などの微細製作法を使用することで可能である。これらの機器は、現場での高品質な生体分析の利用を含む、多くの用途を有し得る。例えば、生物学的薬剤に露出されたことが推測される人は、機器に一滴の血液を供給することができる。血液は、緩衝液と混合し、処理して、エレクトロスプレーノズルを介して、イオンが分析されるＤＭＳに導入することができる。特定の生体分子が検出された場合に、警報を作動させることができる。
【００４５】
ＭＥＭＳ ＤＭＳは、構成部品の形成および結果として生じるアセンブリを簡素化する、多目的の筐体／基板／パッケージングを含んでもよい。さらなる特徴は、その上にフィルタを構築してデバイス全体に構造を提供するように物理的プラットフォームとして基板を使用すること、デバイスを通る流路を画定する絶縁プラットフォームまたはエンクロージャとして基板を使用すること、および／または性能を向上させる隔離構造を提供するように基板を使用すること、を含み得る。スペーサは、デバイス内に組み込むことができ、構造の画定、また、さらなるバイアス制御のための一対のシリコン電極の可能性の両方を提供する。複数の電極形成および機能的なスペーサ配列を利用することができ、性能および能力を向上させる。ＭＥＭＳ ＤＭＳは、そのフィルタに印加される、時間変動および／または非対称性の周期的電圧を用いてもよい。制御構成要素は、イオンをパージするための加熱器を含むことができ、さらに、加熱／温度制御のための、フィルタまたは検出器電極等の既存の電極の使用を含んでもよい。
【００４６】
ＥＳ−ＤＭＳ−ＭＳシステムは、試料調製、イオン化、フィルタ処理の全ての機能を含んでもよく、検出は、単一のチップ、アセンブリ、または構造上で行うことができる。ＤＭＳ分析器は、ＭＳに対するプレフィルタとして適用されてもよく、ＭＳは、ＤＭＳフィルタ領域の端部で排出ポートに直接連結される。種々の試料調製区間を使用してもよく、周囲空気試料を吸引するポート、エレクトロスプレー、ガスクロマトグラフ、および／または液体クロマトグラフ等を含む。
【００４７】
図１は、試料調製区間１０Ａ、フィルタ区間１０Ｂ、および出力区間１０Ｃを含む、化学センサシステム１０のブロック図を示している。実際は、液体試料Ｓは、試料調製区間１０Ａ内でイオン化され、次いで、作成されたイオンは、フィルタ区間１０Ｂに渡されてフィルタ処理され、次いで、フィルタ区間を通過したイオンは、検出のために出力区間１０Ｃに送達される。液体試料調製区間１０Ａ、フィルタ区間１０Ｂ、および出力区間１０Ｃは、コントローラ区間１０Ｄの制御および命令の下で動作する。好ましくは、コントローラ区間１０Ｄは、システム１０の動作、および検出データＤの評価および報告の両方を制御する。
【００４８】
一実施形態では、液体試料調製区間１０Ａは、エレクトロスプレーヘッドを含み、液体試料Ｓを受容し、調整して、イオン化する。これは、区間１０Ｂ内の好適な平面ＤＭＳフィルタに移送され、その後、イオンを送達して、対象となるイオン種を出力区間１０Ｃに渡す。本発明の種々の実施形態において、出力区間１０Ｃの機能は、イオン種の即時検出、または、そこでイオンを検出するための質量分光計（ＭＳ）等の別の構成要素へのイオンの転送を含んでもよく、検出されたイオン種を示すデータＤの利用を可能とする読み出しを伴う。
【００４９】
当業者には理解されているように、平面を伴うＤＭＳフィルタが示されているが、フィルタ、検出器、流路、電極等を含む、種々の非平面部分および表面を有する他の構成も動作可能となり得る。
【００５０】
図２および３Ａの実施形態において、液体試料調製区間１０Ａは、液体試料Ｓを受容するためのチャンバ１４を有する、エレクトロスプレーの試料イオン化源またはヘッド１２を含む。本発明の実施において、液体試料Ｓは、生体化合物、例えば溶媒Ｘ中の化合物ＡおよびＢを含有してもよい。本発明は、液体試料中の１つ以上の化合物の識別に関わる。
【００５１】
区間１０Ａのエレクトロスプレーデバイスの実施において、高電圧電位１８が、コントローラ１０Ｄによって、エレクトロスプレーヘッド１２のチャンバ１４内で液体試料Ｓに印加される。コントローラ１０Ｄによって駆動される、エレクトロスプレー先端部２０の液体試料Ｓと、誘引電極２２との間の電位差は、イオン領域２３の試料Ｓ内の溶媒Ｘ中の化合物Ａ、Ｂをイオン化する。これは、化合物ＡおよびＢを表すイオン２４および２６、および溶媒分子２８を作成する。一実施形態では、イオンおよび溶媒は、流路３０に沿って、平面ＤＭＳイオンフィルタ４０の平行フィルタ電極４４、４６間のフィルタ区間１０Ｂ内へ駆動または吸引される。
【００５２】
平面ＤＭＳフィルタデバイス４０におけるフィルタ処理は、イオン移動度の差に基づいており、とくに、イオンのサイズおよび形状の影響を受ける。これは、それらの特性に基づいたイオン種の分離を可能とする。本発明の一実施において、高強度非対称性波形の無線周波数（ＲＦ）信号４８、およびＤＣ補償信号５０は、コントローラ１０Ｄ内のＲＦ／ＤＣ発生器回路によって、フィルタ電極４４、４６に印加される。非対称性電場は、高および低電場強度状態を交互させて、イオンを、それらの移動度に従って、電場に応じて移動させる。典型的には、高電場時の移動度は、低電場のそれとは異なる。この移動度の差は、イオンがフィルタ電極間のフィルタを通じて長手方向に進行する時に、それらの正味の横方向の変位を生成する。補償バイアス信号の非存在下では、これらのイオンは、フィルタ電極のうちの１つに当たって中性化されるであろう。選択された補償バイアス信号５０（または他の補償）の存在下では、特定のイオン種が、流路の中央に向かって戻されて、フィルタを通過することになる。したがって、補償された非対称性ＲＦ信号４８の存在下では、イオン種に従って、イオンの互いからの分離を達成することができる。選択されていない種は、電極に当たって中性化され、対象となる種は、フィルタを通過することになる。データおよびシステムコントローラ１０Ｄは、どのイオン種をフィルタに通過させるのかを選択するために、フィルタ電極４４、４６に印加される信号４８、５０を調節する。
【００５３】
平面ＤＭＳフィルタ４０によって達成できるよう、化合物ＡおよびＢのいずれか、または両方の明確な識別を得ることができるように、イオン２４および２６を単離させることが望ましいことを理解されるであろう。平面ＤＭＳフィルタ４０は、原理上は、コントローラ１０Ｄによって印加される補償に従って、出力区間１０Ｃでの検出のために、いずれか１つだけが存在するように、それらの移動度に基づいてイオンＡとＢを識別する。例えば、イオン２４は、図２および２のフィルタ４０を通るイオン２４’で示されている。
【００５４】
再び図２および２を参照すると、出力区間１０Ｃは、検出器電極７０、７２を伴う検出器６９を含む。コントローラ１０Ｄは、フィルタ４０を通るイオンの指示として、電極７０、７２への電流を測定する。これらの電極は、コントローラ１０Ｄからのバイアス信号７１、７３による電位に維持される。フィルタ４０を通ったイオン２４’は、電極の極性および検出器電極への制御信号７１、７３に応じて、コントローラ１０Ｄの制御下で、それらの電荷を検出器電極７０、７２上に置く。さらに、補償（すなわち、バイアス電圧）を掃引することによって、試料Ｓ内のイオン種の完全なスペクトルを検出することができる。
【００５５】
コントローラ１０Ｄの知的制御によって、異なる動作制度を選択することが可能になり、その結果、対象となるイオン種のフィルタ処理を目標とすることが可能となる。本発明の一実施形態の実施において、非対称性電気信号４８は、補償バイアス電圧５０とともに印加され、その結果、フィルタが、電子コントローラ１０Ｄによって制御されるように所望のイオン種を通過させる。同様に、所定の電圧範囲にわたりバイアス電圧５０を掃引することによって、試料Ｓ内のイオン種の完全なスペクトルを達成することができる。
【００５６】
別の実施形態では、非対称性電気信号によって、所望のイオン種を通過させることが可能になり、補償は、補償バイアス電圧を必要とせずに、この場合も電子コントローラによって供給される制御信号の命令下で、非対称性電気信号のデューティサイクルを変化させる形態である。これらの特徴によって、装置はまた、同調させること、すなわち、イオン種をフィルタ処理するように同調させることができ、所望の選択された種だけを検出器に通過させる。
【００５７】
本発明のさらなる利点は、フィルタが、極性は異なるが移動度は類似する複数のイオン種を通過させることができること、およびこれらを同時に検出できることである。各検出器電極７０、７２が異なる極性に維持される場合は、フィルタを通過する（極性は異なるが移動度は類似する）複数のイオン種を同時に検出することができる。検出されたイオンは、図２のデータＤで示される、検出されたイオンの種を判定するように、印加された制御信号４８、５０および電位バイアス信号７１、７３と相関される。
【００５８】
この多機能性は、図２にあるように、出力区間１０Ｃを参照することによってさらに理解され得、上部電極７０は、対象となるイオンがフィルタ４０を通過するときに、同一極性で所定の電圧に維持されるが、下部電極７２は、別のレベルに維持、おそらくは接地されている。上部電極７０は、検出のために、イオン２４’を電極７２へ下方に偏向させる。しかしながら、いずれの電極も、イオンの電荷および極性、ならびに電極に印加される信号に応じてイオンを検出してもよい。したがって、フィルタを通過する、極性は異なるが移動度は類似する複数のイオン種は、１つの検出器として上部電極７０を使用し、第２の検出器として下部電極７２を使用し、また、コントローラ１０Ｄ内の２つの異なる検出器回路を使用し、したがって２つの異なる出力が放射されることによって、同時に検出することができる。したがって、検出器６９は、水素ガスバックグラウンド中に硫黄を含むガス試料等の、平面ＤＭＳフィルタ４０を通過する複数の種を同時に検出し得る。
【００５９】
電子部品コントローラ１０Ｄは、制御電子信号をシステム１０に供給する。制御回路は、オンボードまたはオフボードとすることができ、平面ＤＭＳデバイスは、制御回路１０Ｄに接続する、図４Ａに示される導線および接触パッドを少なくとも伴う制御部分を有する。コントローラからの信号は、このような接続を介してフィルタ電極に印加される。
【００６０】
図４Ａの実施形態において、平面ＤＭＳシステム１０は、（金等の）フィルタ電極４４、４６がその上に形成される、離間された絶縁基板５２、５４（例えば、Ｐｙｒｅｘ（登録商標）、ガラス、セラミック、プラスチック等）を有する、分光計チップ１００を含む。基板５２、５４は、それら自体の間にドリフト管２９および流路３０を画定し、したがって、筐体機能を果たす。好ましくは、基板は、絶縁しているか、電極を絶縁載置するための表面６０、６２を有する。電極４４、４６は、イオンフィルタ４０を形成し、これらの絶縁表面６０、６２上に載置されるフィルタ電極は、流路３０を挟んで互いに向き合う。
【００６１】
図４Ａ、４Ｂ、４Ｃに示されているように、基板５２、５４は、スペーサ５３、５５によって分離されるが、これらは、セラミック、プラスチック、Ｔｅｆｒｏｎ（登録商標）等で絶縁して形成されてもよく、またはシリコンウエハをエッチングまたはダイシング加工することによって、あるいは、例えば基板５２、５４の拡張部を作成することによって形成してもよい。スペーサの厚さは、電極４４、４６を担持する基板５２、５４の面の間に、距離「Ｄ」を画定する。図４Ａの一実施形態では、シリコンスペーサを電極５３’、５５’として使用することができ、閉じ込め電圧は、フィルタ処理されたイオンを流路の中央に閉じ込めるように、コントローラ１０Ｄによってシリコンスペーサ電極に印加される。この閉じ込めによって、より多くのイオンを検出器に衝突させることができ、その結果、検出が向上する。
【００６２】
図４Ｂに示されている本発明のさらなる代替実施形態では、代替構造の電極４４ｘ、４６ｘは、基板５２、５４の代わりとなり、絶縁スペーサ５３、５５に載置されて分離され、その中に流路３０を形成する。流路の一方の端部では、試料調製区間１０Ａがイオンをフィルタ区間１０Ｂに供給し、他の端部では、フィルタ処理されたイオンが出力区間１０Ｃに入る。基板が構造機能の役目をし、筐体を形成するのと同様に、構造電極４４ｘ、４６ｘも、電極であることに加えて、筐体としての機能を果たす。基板と同様に、これらの電極の外側表面は平面であってもなくてもよく、絶縁表面６１によって覆われてもよい。
【００６３】
側横断面で示されている図４Ｃ実施形態において、絶縁スペーサ５３、５５は、フィルタ電極４４、４６の縁部４４ｆ、４６ｆと重なっている。これは、流路（すなわち、ドリフト管）２９内を流れるイオンが、非均一漏れ電場「ｆ」が存在する電極縁部４４ｆ、４６ｆから離れて、フィルタ電極４４、４６間の均一な横方向電場の領域に閉じ込められるようにする。さらなる利益は、全てのイオンが、フィルタ電極間を通されること、およびその均一な電場を受けることである。
【００６４】
図２に戻ると、動作中に、イオン２４、２６は、フィルタ４０内へ流れる。一部のイオンは、それらがフィルタ電極４４、４６と衝突するときに中性化される。これらの中性化されたイオンは、概して、搬送ガスによってパージされる。パージはまた、例えば、適切に構成されたフィルタ電極（例えば、図３Ｄに示される蛇行４４’、４６’）に、または抵抗スペーサ電極に電流を印加する等によって、流路３０を加熱することによって達成することができる。図４Ａのスペーサ電極５３、５５は、抵抗材料で形成することができ、したがって、加熱可能な電極５３ｒ、５５ｒとして使用することができる。
【００６５】
イオン２４は、図２の出力区間１０Ｃに移動する。排出ポート４２は、移動したイオン２４から分子２８を排出するために提供される。このイオン２４の分離は、検出機能を容易にし、より正確な化学分析を可能にする。しかし、この予防措置によっても、一部の溶媒分子が、対象となるイオン２４に付着したままとなり得る。したがって、好適な実施形態では、それらをフィルタ処理する前に、イオン２４および２６等を脱溶媒和するように、装置が提供される。脱溶媒和は、加熱によって達成されてもよい。例えば、電極４４、４６、５３ｒ、５５ｒのうちのいずれかは、コントローラ１０Ｄによってそれらに印加される加熱器信号を有してもよい。別の実施形態では、図３Ａに示されているように、流入ガス流は、加熱器要素８９によって加熱されてもよい。
【００６６】
当業者は、エレクトロスプレーされたイオンの脱溶媒和または「乾燥」は、エレクトロスプレープロセスの重要な部分であることを理解されるであろう。イオンは、最初にエレクトロスプレー先端部から放出される時には、大量の溶媒がイオンを被覆している、液滴の形態である。それが空気を通じて対極に向かって進行するにつれて、溶媒を蒸発させて、最終的に、脱溶媒和されたイオンを残し、次いで分析することができる。分析前の不完全な脱溶媒和は、分析を歪曲する可能性がある。加えて、他の何らかの補助無しでイオンを十分に脱溶媒和できるようにするには、イオンを長距離進行させることが必要となり得る。したがって、この脱溶媒和は、本発明の実施において有益であると理解されるであろう。
【００６７】
本発明の別の実施形態では、分析前にエレクトロスプレー中に生成されるイオンの脱溶媒和を高めるように、対称性ＲＦ電場が使用される。図５Ａ、５Ｂに示されているように、イオンがこの信号からの正味の偏向無しで脱溶媒和されるように、それらがドリフト管を進行するときに、エレクトロスプレープロセスで発生されたイオンを対称的に振動させ、加熱されるように、対称性無線周波数電場が、搬送ガス流に垂直に印加される。
【００６８】
より具体的には、イオンと中性分子との間の相互作用が、それらの有効温度を上昇させ、それらの脱溶媒和を高める。それらの振動中に、イオンは、中性の空気分子に衝突し、それらの内部温度を上昇させる。イオンの内部温度の上昇は、溶媒の蒸発を高め、脱溶媒和された荷電イオンを実現するための時間を短縮する。この作用によって、比較的に長さが短いドリフト管上で脱溶媒和を行うことが可能となる。脱溶媒和は、より正確な検出データをもたらし、上述のアプローチは、本発明の平面ＤＭＳフィルタと容易に統合される。
【００６９】
脱溶媒和電場は、それらの間に空隙を伴う、互いに平行に構成される２つの電極間に電圧を印加することによって発生させることができる。例えば、電極対４４、４６および５３、５５のうちのいずれかが、コントローラ１０Ｄの制御下で、この機能のために使用されてもよい。好ましくは、図３Ａに示されているように、別個の脱溶媒和電極７７、７９が、この機能のために使用されてもよい。
【００７０】
本発明のさらなる実施形態では、図３Ａおよび３Ｂ内に図式的に示されているように、微細加工されたエレクトロスプレーヘッド８０が基板５２上に載置される。電極８２、８４、８６、８８は、基板５２の反対側上に形成され、エレクトロスプレーイオン２４、２６を、ドリフト管２９内の流路３０のイオン領域２３内へ誘導する。誘引電極２２は、イオン２４、２６をイオン領域２３内に誘引するように、それらに印加される電位を有する。搬送ガス流９０は、イオン２４、２６を取り込み、すでに説明したフィルタ処理機能のためのフィルタ４０にそれらを搬送するように、所望の流速に設定される。ガス排出口９１は、搬送ガス９０を含み、非イオン化された構成成分および中性化されたイオンを運び出す。
【００７１】
電極２２、８２、８４、８６、８８、および脱溶媒和電極７７、７９にも印加される電位は、互いに、およびフィルタ電極４４、４６に依存せずに設定および制御することができる。例えば、これは、有利には、隣接するフィルタ電極４６等のあらゆる他の電極とは異なる信号で、誘引電極２２の駆動を可能にする。これは、特に、基板の絶縁表面の提供によって容易にされ、電極の分離によって、フィルタ駆動要件に依存せずに最適化することができる。
【００７２】
この構成はまた、誘導電極８２、８４、８６、８８および誘引電極２２の、パルス化モードで（例えば、スイッチのオンおよびオフ）個々に動作されるのを可能にする。このモードでは、選択された量のイオンを、イオン領域２３内に導入することができる。例えばオリフィスから検出器７２まで等の、これらのイオンが進行する時間は、「飛行時間」（「ＴＯＦ」）型ＤＭＳモードの動作に使用することができる。このモードにおいて、飛行時間は、イオン種に関連し、したがって、さらなる情報を種の弁別に提供する。これは、円筒形ＤＭＳデバイスの改良をもたらす。
【００７３】
ＩＭＳの当業者には理解されるように、このＴＯＦは、ＩＭＳデバイスにおいて実施される飛行時間と類似するが、ここでは、ＤＭＳ構造内で実施されている。したがって、この新しい技術革新は、１つの動作デバイス内で、ＩＭＳおよびＤＭＳの両者の検出データを提供し得る。ＤＭＳおよびＩＭＳデータの組み合わせは、より良好な検出結果を生じさせることができる。
【００７４】
図２〜３Ａ、４Ａ〜４Ｂに示されているような好適な実施形態において、筐体６４は、基板５２、５４によって形成され、内部流路３０は、入力部１０Ａから、イオンフィルタ１０Ｂを通じて、出力部１０Ｃまで延在して画定される。より具体的には、基板５２、５４は、作業表面６０、６２を提供し、そこでの電極の形成に有利に働く。これらの表面６０、６２は、覆われるか、または平面であってよく、好ましくは、例えばガラスまたはセラミック基板を使用して形成された時などに、絶縁して（または絶縁されて）もよい。これは、それ自体が、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）または多重チップモジュール（ＭＣＭ）等の大量製造技術、または他のプロセスに役立ち、超小型パッケージングおよび小電極サイズをもたらす。したがって、イオンフィルタは、好ましくは、雑音を減らして性能を向上させるために、それらの間に流路３０が画定される表面フィルタ電極４４、４６、次に基板の絶縁表面によって、これらの絶縁表面上に画定され、次いで、検出器電極７０、７２からのフィルタ電極での制御信号４８、５０を分離する。これは、参照することによって本明細書に援用される第５，４２０，４２４号にあるような、従来の技術のＤＭＳデバイスの外側円筒の広範な導電領域とは異なる。
【００７５】
さらに、幾何学的および物理的な考慮により、従来の技術の円筒形設計では、イオンは、ドリフト管の横断面内に分散され、したがって、質量分光計の流入口９６付近の領域Ｒでは、わずかなイオンだけしか利用できないことを理解されるであろう。図６に示されている円筒形ＤＭＳの従来の技術の構成（参照することによって本明細書に援用される、ＰＣＴ／ＣＡ９９／００７１５を参照のこと）では、質量分光計の流入口９６へのさらなるイオンの送達を可能にすることによって、この制限を解決しようとしている。しかしながら、試料イオン２４と、溶媒分子２８等の中性分子との間にはいかなる分離も生じないので、中性試料分子も、質量分光計の流入口９６内に入ることができる。これは、質量分光計内のスペクトルを極めて複雑にし、解像度を低下させる。
【００７６】
本発明は、例えば、図３Ａの構成においてこれらの欠点を解決する。本発明の実施においては、事実上、検出器領域６９に入るイオン２４の全てが、質量分光計の流入口９６に集束される。これは、特に、流路周辺全体にイオンが分散される円筒形ＤＭＳデバイスと比較して、ＭＳの流入口だけでなく、システムの検出効率の飛躍的な向上、および感度の向上をもたらす。
【００７７】
さらに、本発明の新しい円筒形設計を参照すると、図７Ａに示されるように、エレクトロスプレー先端部２０は、外側電極４４Ｃ内のオリフィス３１’を介して、誘引電極２２’の誘引の下で、試料を流路３０’内に注入し、試料は、ガスＧの流れによってフィルタ区間１０Ｂ’に向かって搬送される。誘引電極は、内側電極４６Ｃに隣接して形成されるが、絶縁体帯Ｉｎ１、Ｉｎ２によって電気的に分離される。したがって、誘引電極は、隣接する電極、例えば４６Ｃとは別に、独立してバイアスすることができる。本実施形態はまた、部品数を削減しながら機能的および構造的構成要素を組み合わせるが、例えば、内側円筒の構成要素を、絶縁層Ｉｎ１、Ｉｎ２の結合機能を介して、互いに係合することができる。
【００７８】
図７Ｂに示されている代替実施形態において、誘引電極２２”は、外側リング電極４４Ｃ’に隣接して形成され、絶縁体リングＩｎ３によってそれらから絶縁される。エレクトロスプレー先端部２０は、試料Ｓを、側部からリング４６Ｃ”の内側に導入するが、これは、別個の電極であってもよく、または内側電極４６Ｃ’の拡張部であってもよく、試料は、誘引電極２２”の誘引を受け、ガスＧによって、フィルタ区間１０Ｂ”の流路３０”内に搬送されている。同じく、電極２２”は、絶縁体Ｉｎ３によって電極４４Ｃ’から分離され、したがって、電極は、独立して駆動することができる。
【００７９】
図８に示されている本発明のさらなる実施形態において、エレクトロスプレーアセンブリ８０”は、基板５２に取り付けられ、エレクトロスプレーヘッド１２を含む。イオンは、誘導電極「Ｆ」（本実施形態では３つ）によって、オリフィス３１に向かって搬送され、誘引電極２２、および８２、８４および／または８６、８８等の誘導電極によって、イオン領域２３内に誘引される。
【００８０】
好ましくは、イオン領域２３に向かってイオンを誘導する電位勾配を作成するように、別個のＤＣバイアス「ＤＣ」が、各誘導電極に印加される。誘導電極は、上述のように、脱溶媒和を高めるように、同じく対称性ＲＦ信号「ＤＳ」を印加することによっても、さらなる機能のために使用することができる。
【００８１】
洗浄ガスＧが、脱溶媒和をさらに高めるように、ポートＰ１で導入される。このガスは、チャンバ９３内に誘導されたイオンとは反対に流れ、ポートＰ２、Ｐ３から排出される。好ましくは、これは、オリフィス３１にいかなる圧力勾配も無く動作される。
【００８２】
スプレー条件を向上させるために、本発明の実施において、先端部２０と上部誘導電極Ｆ１との間の間隔２０Ｓを調整することができる。一実施において、筐体１２ａの位置は、基部Ｂと相対的に調整することができ、その結果、間隔２０Ｓを調整する。別様において、ヘッド１２の高さは、電極Ｆ１と相対的に調整することができる。
【００８３】
代替実施形態では、図９Ａおよび９Ｂに示されているように、離間された誘導電極Ｆ（図９Ａ）、またはＦ１、Ｆ２、Ｆ３（図９Ｂ）は、カーテンガス流ＣＧを浴びる。この流れは、筐体Ｈ１内に閉じ込められなくても、または含まれてもよい。エレクトロスプレーヘッド１２は、取り付け台Ｍ１に調節可能に載置され、その送達角度は、基板５２の表面と相対的に調整することができる。加えて、その高さは、基板と相対的に調整することができる。
【００８４】
再び図４Ａを参照すると、試料リザーバ９２は、液体試料Ｓを受容し、次いで上述のようにイオン化されてフィルタ処理される。このような実施形態では、単一の分光計チップ１００は、マイクロ流体エレクトロスプレーモジュール８０’の一部等のイオン化源、および平面高電場非対称性波形イオン移動度フィルタ４０の両方を統合する。また、内部検出器を含めてもよく、または検出のためにイオンが出力される。種々の微細加工されたマイクロ流体構成要素は、イオン源として、またはそれらの組み合わせとして使用されてもよく、エレクトロスプレー、ナノエレクトロスプレー、液体クロマトグラフィー、電気泳動分離を含む。
【００８５】
別の実施形態では、図４Ａのエレクトロスプレーヘッド８０’は、（好ましくは、陽極結合またはブレージングを通じて）基板５２に取り付けられてもよい。誘導電極８２および８４は、本実施形態では不要である。
【００８６】
図４Ｄの実施形態において、マイクロ流体エレクトロスプレーモジュール８０’は、オリフィス２０’に、次いで先端部２０に至る、延びた、蛇行する分離チャネル９２ａに送給する、試料リザーバ９２を含む。チャネル９２ａは、先端部２０でイオン化する前に、試料内の成分を調整または分離するための、液体クロマトグラフまたは電気泳動セパレータ等であってもよい。
【００８７】
マイクロ流体モジュールの有無に関わらず、このようなチップ１００の動機は、試料調整および分析における変動性の排除であり、これは、人間の相互作用を削減することによって、かつ全ての主要な構成要素を単一構造内に組み込むデバイスを提供することによって達成される。これらのチップ１００は、低コスト製造に役立ち、その結果、使い捨てにすることができる。各試料分析に対する新しいチップの使用は、試料から試料への二次汚染を排除する。加えて、人間の介在を削減することによって、試料の調製時間が削減される。従来の配列では、エレクトロスプレー先端部またはマイクロ流体構成要素は、あらゆるフィルタまたは質量分光計の流入口に対して、毎回再調整しなければならない。これには、時間およびコストがかかる。本発明の統合マイクロ流体チップ／平面ＤＭＳ装置によって、マイクロ流体構成要素と平面ＤＭＳの流入口との相対的位置が固定される。分析が完了すると、チップ全体が簡単に廃棄され、分析される試料とともに新しいチップが装填され、おそらくは質量分光計上に載置される。これは、極めて速い分析時間および高スループットが可能となる。
【００８８】
本発明の例示的な一実施形態では、図１０Ａに示されているように、コントローラ１０Ｄは、エレクトロスプレー制御１０Ｄ１と、ＲＦ非対称性駆動信号およびＤＣ制御バイアスをフィルタ電極４４、４６に印加するための、高電圧ＲＦ波形およびＤＣ発生器１０Ｄ３と協働する波形発生器（合成器）１０Ｄ２と、検出器電極上のイオンを検出するための検出用電子部品１０Ｄ４とを含む、いくつかのサブシステムを含む。コンピュータ１０Ｄ５は、データを収集し、システムを制御する。一実施形態では、ＲＦ電場は、高電圧パルスを迅速に発生するようにフライバック変圧器を組み込む、ソフトスイッチ半共振回路によって、発生器１０Ｄ３内で生成される。回路は、約１０〜７０％のデューティサイクルを伴う約１００ｋＨｚ〜４ＭＨｚの周波数で、少なくとも１４００ボルトのピークツーピークＲＦ電圧を提供する。フィルタ電極を駆動するための試料のＲＦ波形を図１０Ｂに示すが、その変形例も本発明の実施の範囲内にある。
【００８９】
好ましくは、チップ１００は、チップ受け具アセンブリ２２０内に挿入される。アセンブリ２２０は、チップを受容するためのソケット２２２を含む。ソケットは、コントローラ１０Ｄに電気的に接続される。チップ受け具２２０の好適な実施形態は、図１１Ｂに示されているように、化学センサシステム１０を質量分光計ＭＳ９８に連結する、さらなる機能を果たす。チップ受け具アセンブリ２２０は、システム１０の流出口オリフィス９９が、オリフィス９９ｘを介して、オリフィス流入口９６と一列にされ、それによって、イオン２４’が、検出および分析のために、ＭＳ内に導かれるように、質量分光計の面２２４に取り付けられる。
【００９０】
フィルタ４０を通過するイオン２４の検出は、図２の検出器電極７０、７２と関連して前述されたように行われてもよい。図３Ａには代替実施形態が示されており、電極７０は、ここでは、質量分光計９８の取り入れ口９６に向かってイオン２４’を偏向させる、偏向電極として使用される。イオンは、集束電極７２ａ、７２ｂによって誘導または集束され、基板５４’内のオリフィス９９、および取り付けアダプタ１０２を介してプレナムガスチャンバ１０１を通過する。チャンバ１０１内に低流速プレナムガスを提供することで、中性化された試料イオンまたは溶媒分子が、質量分光計の取り入れ口９６に入らないようにする。質量分光計の取り入れ口に集束されるイオンは、次いで、標準的な質量分光計の手順に従って検出される。プレナムチャンバ１０１は、図１１Ｂには示されていないが、本実施形態において有益に使用されてもよいことを理解されるであろう。
【００９１】
本発明のアセンブリは、例えば図３Ａ、１１Ｂ、および１２Ａ〜１２Ｂに示されているように、（プレナムチャンバの有無に関わらず）質量分光計の取り入れ口９６の真上に容易に載置することができる。偏向電極（側部実装、図３Ａまたは１２Ａ〜１２Ｂ）によって、ほぼ１００％のイオンを質量分光計に偏向させることができる。
【００９２】
この高効率は、質量分光計の流入口９６に載置され、ドリフト管内の全体のイオンのうちのごくわずかしか、それらを流入口９６内に推進する電場によって影響を受けず、その結果、利用可能なイオンのうちのわずかしか検出されない、図１２Ｃ〜１２Ｄの従来の技術の円筒形設計とは対照的である。
【００９３】
これで、本発明の実施において、いくつかのイオン検出器のうちのいずれかを使用して、化学分析を行うことができることを理解されるであろう。図２および４Ａの実施形態において、検出器は、完全にアセンブリ１０の内部にある。図３Ａの実施形態において、アセンブリ１０は、アダプタ１０２を介して、検出器としての質量分光計９８に密接に係合される。図３Ａの実施形態において、集束電極７２ａ、７２ｂへの電流が監視される場合は、次いで、さらなる検出器情報が、質量分光計９８の検出情報を処理するのに利用可能である。集束電極７２ａ、７２ｂが無くても、本発明のＤＭＳスペクトルは、質量分光計内の全イオン電流を監視することによって再構成することができる。
【００９４】
図１３Ａおよび１３Ｂに本発明の代替実施形態が示されているが、エレクトロスプレー先端部２０は、上部基板５２’内のオリフィス３１を通じて上から（図１３Ａ）、または側部から（図１３Ｂ）、イオン領域２３内に挿入されている。誘引電極１０４、１０６は、イオンがガス流９０内をフィルタ電極４４、４６に向かって進行する時に、流路３０内のイオンを誘引および誘導する。図１３Ａにおいて、エレクトロスプレー先端部２０からの液滴は、リザーバ５４ａ内で収集するが、排出孔５４ｂが提供されてもよい。
【００９５】
イオンがイオンフィルタを通過した後、かつ出力区間１０Ｃに入る前に、それらを濃縮することが望ましい。これは、検出器での信号対雑音比を向上させ、感度を向上させる。イオントラップまたはイオンウェルは、このように、イオンを収集し、それらを濃縮し、次いで、濃縮されたイオンを直ちに出力区間に送達することができる。中性粒子は、イオントラップ内には収集されず、ガス流によって、イオントラップＴから継続的に除去される。
【００９６】
イオントラップは、例えば、図２、Ｂ、Ｃにあるように、本発明の多くの実施形態に適用することができる。例示的な実施形態を図１３Ａに示すが、イオントラップＴは、いくつかの適切にバイアスされる電極対で形成されている。一実施例において、正イオンの場合、電極は、最小電位が電極対７６ｂの領域内に形成され、電極対７６ａおよび７６ｃの電位がより高くなるようにバイアスされる。イオンは、トラップ内に集積することができ、所望の期間の後に、所望の数のイオンが収集され、トラップは、電極７６ａ、７６ｂ、および７６ｃに印加される電圧を調整することによって開くことができる。トラップが開かれた時、トラップされたイオン２４’は、出力区間１０Ｃ内へ流れる。
【００９７】
上述の実施形態において、イオンフィルタ４０は、イオンがドリフト管２９内のガス流９０によって推進されるときに、ＲＦおよびＤＣ発生器１０Ｄ３によって駆動される、離間された電極４４、４６を含む。図１４Ａおよび１４Ｂの実施形態は、本発明の長手方向電場駆動の実施形態であり、ドリフト管２９内のイオンを運搬する新規方法が示されている。
【００９８】
図１４Ａおよび１４Ｂの実施形態において、イオンは、電極１１０および１１２によって発生される長手方向電場を使用して、出力区間１０Ｃに向かって推進される。これらの実施形態は、超小型設計におけるガス流構造の簡略化を特徴とし、ガス流でさえも随意である。
【００９９】
一実施形態では、イオンは、ガス流１２２とは反対方向に進行し、電場ベクトル１２０によって推進される。このイオンの進行とは反対方向のガス流は、試料イオンの脱溶媒和を高める。また、中性試料分子の無い清浄なイオンフィルタ４０を維持する。その結果、これは、イオンクラスタの形成レベルを減少させ、イオン種のより正確な検出をもたらす。さらに、逆ガス流は、イオン化領域２３内の以前の試料の記憶効果を空にし、削減する。本実施形態は、示されているように上または側部からイオン領域２３内に挿入される、統合エレクトロスプレー先端部２０を含むことができる。
【０１００】
図１４Ａおよび１４Ｂの長手方向電場駆動の実施形態において、イオン２４、２６は、ガス流１２２によってではなく、長手方向ＲＦおよびＤＣ発生器１０Ｄ３’とともに、複数組の協働電極１１０、１１２によって生成された長手方向電場の作用によって運搬される。特定の電極バイアススキームにおける平面ＤＭＳの動作の一実施例として、いくつかの、または全ての電極対１１０ａ〜ｈ、１１２ａ〜ｈが、同一のＲＦ電圧が印加され、一方で、ＤＣ電位は、イオンを検出器に向かって駆動するよう長手方向の電位勾配が形成されるようにステップ化される。本実施形態は、ガス流無しで動作させることができ、または随意に、中性粒子および溶媒分子を排出ポート１２４から排出する、排ガス流１２２を含むことができる。
【０１０１】
一実施例において、電極１１０、１１２ａには１０ｖｄｃが印加される場合があり、次いで、電極１１０ｈ、１１２ｈには１００ｖｄｃが印加される場合がある。これで、領域１０Ａ内の負のイオンは、電極対１１０ａ〜１１２ａによって誘引され、さらに対１１０ｈ、１１２ｈによって誘引され、次いで、それらの勢いは、フィルタを通過した場合に、それらを検出器領域１０Ｃ内に搬送する。
【０１０２】
ＲＦおよび補償は、種々の電極１１０ａ〜ｈ、１１２ａ〜ｈに印加されてもよく、上述の様態で動作する。
【０１０３】
図１４Ａの別の実施形態では、エレクトロスプレー先端部は、オリフィス３１の上の、イオン化領域２３（図示せず）の外部とすることができ、その場合、電極１１２ｊが誘引電極として機能する。図１４Ｂの長手方向電場駆動の実施形態において、イオンフィルタは、絶縁媒体１４０、１４２、例えば低温酸化材料によって、電極１３４、１３６から絶縁される、離間された抵抗層１４４、１４６を含む。好ましくは、基板が絶縁している。抵抗層１４４、１４６は、好ましくは、絶縁層１４０、１４２上に蒸着されるセラミック材料である。端子電極対１５０、１５２、１５４、１５６は、長手方向電場ベクトル１２０を発生させるように、抵抗層と接触し、各抵抗層にわたる電圧降下を可能にする。電極１５０および１５４は、用途に従ってバイアスされ、例えば、それらを１０００ボルトにし、一方で、電極１５２および１５６をゼロボルトにしてもよい。
【０１０４】
図１４Ｂの実施形態が円筒形設計で実装される時には、次いで、電極１５０および１５４がリング電極を形成し、電極１５２および１５６がリング電極を形成し、抵抗層１４４、１４６が円筒を形成する。
【０１０５】
本発明はまた、飛行時間型イオン移動度分光測定機能を実行することもできる。例えば、図１４Ａの実施形態において、電極１０４、１０６は、先端部２０からイオン化される試料を吸引するようにパルス化され、時間サイクルを開始する。電極１１０ａ〜ｈ、１１２ａ〜ｈは、発生される長手方向電場勾配によってイオンが出力区間１０Ｃに向かって駆動されるように、隣接するそれらと相対的にバイアスされる。逆ガス流１２２は、試料の中性粒子を一掃するように印加することができる。これらの電極の組み合わせは、上述したイオントラップＴを形成するのに使用することができる（図１２を参照されたい）。
【０１０６】
図１５Ａの分裂ガス流の実施形態において、エレクトロスプレー針１２は、基板５２を通じてイオン領域２３内に挿入されるが、図２にあるように、外部からドリフト管に載置されてもよい。この設計のイオン流発生器は、長手方向電場Ｅを作成するように、流路３０の反対側に複数のセグメント化電極１６０、１６２を含む。好適な実施形態において、１つ以上の個別電極１６０’、１６２’は、ガスの分裂流を越えて長手方向電場Ｅを延在させるように、ガス流入口１７０の下流に位置し、それによって、ドリフトガス流ストリーム１７２によって搬送される時に、イオンがフィルタ４０内に流れるようにする。
【０１０７】
図１５Ｂの実施形態において、質量分光計９８は、ドリフト管３０の端部に直接連結される。この設計の利点は、イオンフィルタ４０が、分裂ガス流によって試料の中性粒子の無い状態に維持されることである。これは、イオンによる中性試料分子のクラスタ化を防止し、より高い検出精度をもたらす。中性粒子Ｎを通気させるための通気デバイス１０３は、中性粒子をＭＳの取り入れ口から遠ざける。
【０１０８】
調節板１７４は、ドリフトガス流ストリーム１７２の速度に対して廃ガス流ストリーム１７６の速度を調節するように、示されるように配置されてもよい。典型的には、ドリフトガス流ストリーム１７２は、廃ガス流ストリーム１７６よりも速度が速い。しかしながら、ドリフトガス流ストリームとは異なる速度の廃ガス流ストリームを作成するための他の手段が、本発明の範囲に含まれる。
【０１０９】
図１５Ａ、１５Ｂの実施形態では、単純な周囲空気試料を吸引するポート、またはエレクトロスプレー、ガスクロマトグラフ、液体クロマトグラフ等に関わらず、種々の試料調製区間を使用することができる。何が使用されるかに関わらず、示されている分裂ガスの実施形態は、クラスタ化を防止することができ、より良好なイオン種の識別を可能にする。
【０１１０】
概して、試料イオンは、モノマーまたはクラスタ状態で見つけられる傾向にある。所与のイオン種に対するモノマーの量とクラスタイオンの量との関係は、試料の濃度および特定の実験条件（例えば、水分、温度、流速、ＲＦ電場の強度）に依存する。モノマーおよびクラスタの両方の状態は、有用な情報を化学的識別に提供する。同一の試料を、クラスタ化を促進する条件とモノマーイオンだけの形成を促進する環境とで、別々に調査することは有用である。これを達成するために、図１６に示されているような一実施形態の平面２チャネル平面ＤＭＳを使用することができる。
【０１１１】
図１６の二重チャネルの実施形態において、第１のチャネル「Ｉ」は、イオン領域１９４内の、イオン２４の受容およびドリフトガス流１９０中の分子２８を示している。また、平面ＤＭＳフィルタ電極４４、４６、および検出器電極７０、７２が含まれる。
【０１１２】
モノマー状態の試料イオンを調べるために、イオンは、（電極１９８と２００との間の電場の作用による）流れストリームから抽出され、それらは上部チャンバ「ＩＩ」内へ上方に流れる。中性分子２８は、典型的には溶媒であり、チャネル「Ｉ」を通って流れて、ドリフトガス排出口１９２において流出するのを継続する。エレクトロスプレー先端部２０と誘引電極１９１との間の電位差は、基板５６内のオリフィス１９６を通じてイオン領域１９４に入るイオンを加速する。第２のガス流２０２は、試料の中性粒子がチャンバ「ＩＩ」に入るのを防止し、イオン２４を平面ＤＭＳフィルタ４０（チャンバＩＩ内の電極４４、４６）に搬送し、通過したイオンは、次いで、図２にあるような検出器電極７０、７２、または図３Ａにあるような質量分光計等によって検出される。第２のガス流２０２は、流れ２０４として排出する。偏向および誘引電極１９８、２００が通電されていないときは、次いで、局所検出器電極７２および７０によって、チャンバＩにおいて試料イオンをクラスタ状態で観察することができる。電極１９８および２００に通電することと、通電しないこととを交互に行うことによって、化学試料をより良好に識別するために、極めて多くの情報を得ることができる。
【０１１３】
図１７は、本発明の一実施で得られる、ブタノンからデカノンにわたる、同族列のケトン試料を示している。図から、同一の化学種に対して、クラスタイオン（上部線図）は、モノマーイオン（下部線図）と比較して、非常に異なる補償信号を必要とすることは明白である。よって、モノマーおよびクラスタピークのピーク位置の差を観察することによって、化学化合物の識別レベルを大幅に増加させることができる。例えば、ブタノンの場合、モノマー状態におけるピーク位置は、ほぼ−９ボルトで生じるが、クラスタピークは、ほぼゼロである。デカノンの場合、例えば、モノマーピークは、ほぼゼロであるが、クラスタピークは、ほぼ＋４ボルトである。
【０１１４】
図１８に示されている実施形態の動機は、実施形態１６のそれと同一である。このシステムにおいて、モノマー状態とクラスタ状態との間の動作条件の切り替えは、カーテンガス流１９０ａおよび１９２ａを制御することによって達成される。印加されるカーテンガスによって、試料の中性粒子２８が、チャネル「ＩＩ」に入ることが防止され、モノマー状態のイオンを調査することができる。カーテンガス１９０ａおよび１９２ａは、例えば、同一方向に流れて、オリフィス１９６で排出されてもよい。一方、チャネル「ＩＩ」内のガス流は、図１６のシステムと同一構成のままである。チャネル「ＩＩ」にイオンを誘導するように、誘導電極２０６および２０８が含まれる。誘引電極２００がまた、イオンをチャネル「ＩＩ」に誘引するのにも使用される。カーテンガスが止められた時には、試料の中性粒子および試料イオンが、ポンプ２０４ａを使用してチャネル「ＩＩ」内へ吸引され得るので、クラスタ状態のイオンが観察され得る。また、ガス流２０２および２０４が使用されてもよい。出力区間は、質量分光計に接続されてもよい。
【０１１５】
本発明の用途において、高電場非対称性イオン移動度のフィルタ処理技術は、高周波数高電圧波形を使用する。電場は、イオン移送に対して垂直に印加され、平面構成に有利に働く。この好適な平面構成によって、ドリフト管を、好ましくは微細加工によって、小寸法で安価に製作することができる。また、電子部品を小型化することができ、推定される全電力は、４ワット（非加熱）以下の低さとすることができ、そのレベルは、電場測定に好適である。
【０１１６】
エレクトロスプレーとフィルタ構成要素とを組み合わせた新規な装置が記述された。さらに、微細加工された平面ＤＭＳ−エレクトロスプレーインターフェースチップを開示する。平面ＤＭＳ−エレクトロスプレーインターフェースチップは、エレクトロスプレー質量分析のための全ての従来の生体分子フィルタ処理法と比較して、固有の効果を提供する。同時に、本アプローチは、毛管電気泳動等の多くの液体中分離技術とともに使用することができる。
【０１１７】
本発明の一実施形態の実施において、三ブチルアミンを平面ＤＭＳフィルタおよび検出器内にエレクトロスプレーした。溶媒中のアミン、および溶媒溶出剤だけの場合の、結果として生じるスペクトルを図１９に示す。溶出剤単独の場合は事実上いかなる反応も無く、アミンに対しては著しい反応があった。これは、本発明の実用的な価値および機能を示す。
【０１１８】
本発明は、小型かつ低コストのパッケージにおける改善された化学分析を提供する。本発明は、小型で、現場で使用できる（ｆｉｅｌｄａｂｌｅ）パッケージにおけるイオン移動度に基づいた、化学種を弁別するための新規な方法および装置で、従来の技術のＴＯＦ−ＩＭＳおよびＤＭＳデバイスのコスト、サイズ、または性能限界を解決する。その結果、新規な平面、高電場非対称性イオン移動度分光計デバイスは、新しい種類の化学センサを、すなわち、独立型またはＭＳに連結されるデバイスとして達成するように、エレクトロスプレー先端部に密に連結することができる。現場で使用できる統合平面ＤＭＳ化学センサを提供することができ、広範囲の化学化合物を識別するための、正確で、リアルタイムまたはほぼリアルタイムで、原位置の直交データを迅速に生成することができる。これらのセンサは、広範囲の種の同時検出を提供するさらなる能力を有し、また、試料中の正および負のイオンの同時検出能力を有する。さらに驚くべきは、これは、低電力要件を伴う現場で動作させることができ、さらにまた、種々の検出された種を完全に識別することができる直交データを発生させることができる、費用効果的で小型の大量生産パッケージで達成できることである。
【０１１９】
従来の技術の円筒形設計を超える平面ＤＭＳ設計の別の利点は、電場強度に関して異なるアルファα依存性を有する全てのタイプのイオンにフィルタ処理および作用を与える、平面ＤＭＳの能力である（アルファαの詳細は、背景技術の項を参照されたい）。この事実は、未知の複合試料混合物の測定を行う複雑さを大幅に削減することができる。
【０１２０】
当業者には、図１２Ｃ〜Ｄに示されている従来の技術の円筒形設計において、放射状の電場分布が不均一であることが理解されるであろう。一方、図２、Ｂに示されている平面ＤＭＳのような本発明の一実施において、平面ＤＭＳ設計におけるイオンフィルタ電極間の電場分布（漏れ電場は無視する）は、均一であり、電場も均一である。
【０１２１】
平面ＤＭＳ設計でのイオンの分離にかかる時間は、イオンを集束するための条件に到達すると、従来の技術の円筒形ＤＭＳ（ＦＡＩＭＳ）設計よりも、大幅に短い（１０倍以下）。
【０１２２】
図２０は、本発明の例示的な一実施形態による、直列ＤＭＳ−ＭＳ分析器３００の略図である。分析器３００は、イオン化領域３０２と、分析器領域３０４と、プレフィルタ流入口３０６と、プレフィルタ流出口３０８と、流路３１０と、ＭＳ３１２とを含む。分析器領域３０４は、選択されたイオンをＭＳ３１２へ通過させるように非対称性電場が形成される、ＤＭＳフィルタ電極３１４および３１６を含んでもよい。イオン化領域３０２は、放射性源、容量放電源、ＥＳＩ、ナノＥＳＩ、ＭＡＬＤＩ、ＬＣ出力先端部、または他のイオン化源のようなものであってもよい、イオン化源３１８を含んでもよい。一実施形態では、分析器領域３０４を通る流路３１０の少なくとも一部は、ＭＳ３１２の入口または流入口３２６と同じ長手方向軸３２４と実質的に一列であるか、これに沿う。別の実施形態では、プレフィルタ流出口３０８は、中性粒子が、フィルタ処理されたイオンとともにＭＳ３１２に入ることができるようにする代わりに、中性粒子を分析器３００から放出できるように、流入口３２６からＭＳ３１２へオフセットされる。一実施形態では、ＤＭＳフィルタ電極３１４および３１６は、それぞれ絶縁基板３２０および３２２上に微細加工される、および／またはその上に形成される、またはそれに取り付けられる。特定の実施形態において、分析器領域３０４を少なくとも含むプレフィルタアセンブリ３２４は、分析器領域３０４を収容するための統合チップアセンブリを含む。
【０１２３】
動作において、試料は、流路３１０に沿って、プレフィルタ流入口３０６から、試料Ｓがイオン化されるイオン化領域３０２へ流れる。イオンは、次いで、選択されたイオンが、電極３１４と３１６との間の電場の条件に関して通過できる場合に、分析器領域３０４を通って流れる。条件は、補償電圧設定を含んでもよい。フィルタ処理される、または分析器領域３０４を通過することができる、選択されたイオンは、次いで、ＭＳ３１２に送達される。一実施形態では、分析器領域３０４内の電場は、実質的に全てのイオンがＭＳ３１２へ流れることができるように、除去される、および／または停止される。分析器３００の直列構成の１つの利点は、イオンが、分析器領域３０４内でフィルタ処理されているかどうかに関わらず、搬送ガスが、プレフィルタ３２４を通じて試料イオンを連続的に流すことができることである。したがって、特定の実施形態では、イオンをＭＳ３１２に流す能力に影響を及ぼさずに、イオン移動度のフィルタ処理がオンまたはオフされる。したがって、プレフィルタ３２４および／またはＤＭＳのフィルタ処理を必要とせずに分析器３００が使用されるときには、流路３１０の変更またはプレフィルタ３２４の除去は不要である。
【０１２４】
特定の実施形態において、分析器３００は、例えば図１のコントローラ１０Ｄと同一の機能を行い得る、コントローラ３２８を含む。一実施形態では、コントローラ３２８は、電極３１４および３１６に印加されるフィルタ電圧をオンまたはオフして、それによって、フィルタ電極３１４および３１６に関連するあらゆるフィルタ電場の発生または除去ができるように、フィルタ電極３１４および３１６を有効化または無効化することができる。
【０１２５】
図２１は、本発明の例示的な一実施形態による、ＬＣ−ＤＭＳ−ＭＳ分析器４００のブロック図である。分析器４００は、ＬＣ４０２と、ＥＳＩ４０４と、ＤＭＳプレフィルタ４０６と、ＭＳ４０８と、および随意に第２のＭＳ４１０とを含む。動作において、ＬＣ４０２は、液体試料を受容して、カラムを介して試料の分離を行う。ＬＣ４０２は、液体試料ＳがＤＭＳプレフィルタ４０６内に入る前に、ガスおよび／または蒸気に変換するように、液体−ガス変換区間またはＥＳＩ４０４とのインターフェースを含んでもよい。プレフィルタ４０６は、ＭＳ４０８へ通る選択されたイオン種をフィルタ処理するように、ＤＭＳ、または他のイオン移動度ベースの分析器、あるいは複数のイオン移動度ベースの分析器の組み合わせを含んでもよい。随意の構成では、さらなる検出および／または分析のために、第２のＭＳ４１０またはそれより多くを用いてもよい。
【０１２６】
特定の実施形態では、プレフィルタ４０６は、着脱可能、モジュール式、および／または交換式である。一実施形態では、プレフィルタ４０６は、使い捨てで単一用途の、または限定用途の構成要素である。別の実施形態では、プレフィルタ４０６は、同一タイプのプレフィルタまたは別のタイプのプレフィルタを、直列、並列、または直列と並列の組み合わせで配設された１つ以上のイオン移動度フィルタと交換できるように、着脱可能である。一実施形態では、プレフィルタ４０６は、ＭＳ４０８のための受容器上に載置することができる、着脱可能な統合チップアセンブリ内に含まれる。別の実施形態では、プレフィルタ４０６は、恒久的に、または半恒久的にレセプタに載置される。
【０１２７】
特定の実施形態において、プレフィルタアセンブリは、１つ以上の搬送ガス流入口、１つ以上のドープ剤流入口、１つ以上の分流ガス流入口、および／または１つ以上のカーテンガス流入口または流出口を含む。分析器４００は、有利には、薬物代謝および薬物動態学（ＤＭＰＫ）、プロテオミクス、バイオマーカ、ジェノミクス、シトミクス、バイオインフォマティクス、メタボロミクス、リピドミクス、システム生物学、トランスクリプトミクスの分野、および他の類似する分野に用いられてもよい。
【０１２８】
図２２は、本発明の例示的な一実施形態による、ＬＣ−ＤＭＳ−ＭＳ分析器５００の概略図である。分析器５００は、試料Ｓの流入口５３２と、ＬＣ５０２と、液体−ガス変換ユニット５０４と、先端部５１４と、プレフィルタアセンブリ５１０と、ＤＭＳプレフィルタ５０６と、チャンバ５１２と、ガス流入口５２４および５２６と、ガス流出口５２８と、チャンバ試料導入口５１６と、支持金具５３０と、ＭＳ５０８とを含む。ＤＭＳプレフィルタ５０６は、フィルタ電極５１８および５２０を含む。
【０１２９】
動作において、液体試料Ｓは、流入口５３２で、カラムを使用して試料Ｓの構成成分を分離する、ＬＣ５０２に導入される。ユニット５０４および先端部５１４は、流入口５１６およびガスチャンバ５１２への導入のために、液体をガスに変換する。先端部５１４は、エレクトロスプレーイオン化源の先端部であってもよい。１つ以上のドープ剤を含む搬送ガスは、流入口５２４を介してチャンバ５１２内に導入されてもよい。また、チャンバ５１２は、試料イオンのチャンバ５１２内への流れ促進するように、先端部５１４に近接する雰囲気よりも低い圧力に維持されてもよい。流出口５２８は、チャンバ５１２内の過剰なガスを排出するように、および／またはその圧力を調節するように用いられてもよい。特定の実施形態において、チャンバ５１２内の圧力は、中性干渉粒子を脱溶媒和するための、および／またはプレフィルタ５１０に入るのを防止するための、ガスの逆流（試料Ｓのイオンとは逆の流れ）を可能にするように、先端部５１４に近接する雰囲気よりも比較的に高くしてもよい。試料イオンは、流入口５３４を介してＤＭＳフィルタ５０６に導入される。選択されたイオンは、電極５２０および５２２に印加されるＲＦおよび／またはＤＣ補償電圧を調整することによって、フィルタ処理されてもよい。図示されていないが、電極５２０および５２２を離間するように、分析器領域５１８の一部または全長に沿って、スペーサを用いてもよい。分析器領域５１８を出ると、選択されたイオンは、ＭＳ５０８に移送される。分析器領域５１８からの流出口は、中性粒子および／または他の干渉物のＭＳ５０８への導入を削減するように、ＭＳ５０８からオフセットされてもよい。
【０１３０】
分析器５００は、試料分析動作を可能にするように、以下の設定範囲を含んでもよく、およそ、Ｕ１＝２０００〜４０００ｖ、Ｕ１＝５００〜８００ｖ、Ｕ３＝１００〜３００ｖ、Ｕ４＝１００〜３００ｖ、Ｕ５＝１０〜１００ｖ、ｑ＝１０〜３００ｕＬ／分、Ｑ１＝０．１〜１．１Ｌ／分、Ｑ２ｂ＝０．１〜０．４Ｌ／分、Ｑ３＝０．２〜０．５Ｌ／分、およびＱ４＝０．８〜１．５Ｌ／分、を含む。Ｑ２ａの設定は変化し得る。
【０１３１】
種々の実施形態において、ＤＭＳ−ＭＳ分析器システムのサイズおよび電力消費は、ＭＳへのイオン流速を大幅に低くすることを可能にするような方法で、ＤＭＳに関してＭＳを配向することによって削減される。したがって、ＭＳ内で適切な真空を維持するように、それによってＤＭＳ−ＭＳ分析器のサイズおよび電力要件を削減する、極めて小さい真空ポンプまたはポンプが必要である。
【０１３２】
図２３は、本発明の例示的な一実施形態による、ＤＭＳ６０６からＭＳ６０４へのイオンの流速の低減を可能にする分流器アセンブリ６０２を含む、イオン分析器６００の略図である。一実施形態では、イオン分析器６００は、イオン源６１２から第１の流速でイオン流６１０を発生させる、流動発生器６０８を含む。イオン分析器６００は、イオン源６１２からのイオン６１０の流れを受容するように連結されるチップアセンブリ（図２４を参照されたい）内に含まれてもよい。
【０１３３】
分析器６００のＤＭＳ６０６は、基板６１６に接続される第１のフィルタ電極６１８を伴う第１の基板６１６を含む、離間されたＤＭＳフィルタ６１４を含んでもよい。第２のフィルタ電極６２０は、第１のフィルタ電極６１８から離間され、それによって、第１および第２のフィルタ電極６１８および６２０と、それを通じてイオン流が生じる流路６２４の一部との間に、分析空隙６２２を画定してもよい。
【０１３４】
一実施形態では、イオン分析器６００は、流路６２４からのイオンの一部を受容する、質量分光計６０４を含む。質量分光計６０４は、流路６２４のイオン６１０の流れからオフセットされる、流入口６２６を含む。したがって、流入口が実質的にイオン流６１０の方向に位置付けられないので、流入口６２６はオフセットされている。一実施形態では、イオン分析器６００は、イオン流６１０のイオンの少なくとも一部の流れの向きを、ＭＳ６０４の流入口６２６の方へ変える、分流器アセンブリを含む。しかしながら、第１の流路からのイオンの一部は、ＤＭＳフィルタ６０６を通じたイオン流の流速未満である第２の流速で、流入口６２６を通じて流される。ＭＳ６０４への流速を実質的に削減することによって、真空発生器６２８は、ＭＳ６０４でのイオン分析を可能にする所要の真空圧力を維持するのに必要な電力および容量が少なくなる。
【０１３５】
したがって、真空発生器のサイズ、およびそれによって使用される電力量を大幅に削減することができ、より小型で携帯型のイオン分析器６００をもたらす。特定の実施形態において、真空発生器は、第１の粗引きポンプおよび第２の低温ポンプを含む２段真空ポンプシステムを含む。特定の実施形態では、１つ以上の真空ポンプが微細加工される。真空発生器６２８は、約１０−１、１０−２、１０−３、１０−４、１０−５、および１０−６トールを超える真空を維持してもよい。特定の実施形態において、ＤＭＳ６０６を通じたイオン流６１０の流速は、約１００ｃｃ／分、２００ｃｃ／分、３００ｃｃ／分、４００ｃｃ／分、および５００ｃｃ／分を超えてもよい。
【０１３６】
一実施形態では、コントローラ６３０は、種々のイオン種が分析空隙６２２を通って流れている間に、イオン種を分離するための電場特性を伴う、時間変動電場を第１および第２のフィルタ電極６１８および６２０の間に発生させるように、第１および第２のフィルタ電極６１８および６２０のうちの少なくとも１つに接続される。真空発生器６２８は、質量分光計６０４の流入口６２６でのイオン流速に応じて、質量分光計６０４内を選択された真空に維持してもよい。
【０１３７】
一実施形態では、分流器アセンブリは、第１の質量分光計６０４の流入口６２６に向かってイオンを導く、分流電極６０２を含む。別の実施形態では、分流器アセンブリは、流入口６２６に向かってイオンを誘引する、１つ以上の誘引電極６３２および６３４を含む。
【０１３８】
図２４、本発明の例示的な一実施形態による、ＭＳ７０６の流入口７０２がＤＭＳ７０８のイオン流７０４からオフセットされる、統合ＤＭＳ−ＭＳ分析器７００の略図である。一実施形態では、ＤＭＳ−ＭＳ分析器７００は、統合チップアセンブリ７１２の１つ以上の基板７１０上に含まれる。チップアセンブリは、試料流入口７１４および排出口７１６を含んでもよい。図２４には図示されていないが、チップインターフェースアセンブリ７１２が、図２３のコントローラ６３０等の種々の電子部品とインターフェースしてもよい。チップアセンブリ７１２はまた、ＤＭＳ７０８内のイオン流およびＭＳ７０６内の真空を補助するように、１つ以上の流動発生器および／または真空発生器にも連結される。特定の実施形態において、統合ＭＳ７０６は、英国、ＳｕｒｒｙのＭｉｃｒｏｓａｉｃ（登録商標） Ｓｙｓｔｅｍｓ ｏｆ ＷｏｒｋｉｎｇによるＩｏｎｃｈｉｐ（登録商標）等の、統合された、および／または微細加工されたＭＳを含んでもよい。統合ＭＳ７０６は、米国特許第５，５３６，９３９号、第６，９７２，４０６号、および第７，２０８，７２９号に記載されているタイプの統合ＭＳを含んでもよく、それらの全体の内容は、参照することによって本明細書に援用される。
【０１３９】
図２５は、本発明の例示的な一実施形態による、統合多層ＤＭＳ−ＭＳ分析器８００の略図である。特定の実施形態において、分析器８００は、図２３のＤＭＳ６０６等のＤＭＳ分析器を含むＤＭＳ層８０２と、図２３のＭＳ６０４等のＭＳを含むＭＳ層８０４と、を含む。
【０１４０】
本発明の実施形態は、円筒形、平面、および他の構成を使用した方法および装置で行われてもよく、それでも本発明の精神および範囲に含まれる。本発明の用途の実施例には、生物学的および化学センサ等が挙げられる。上述の特定の実施形態の種々の修正も、本発明の精神および範囲に含まれる。本願明細書に開示される実施例は、例示目的で示されたものであり、限定を目的とするものではない。これらの、および他の実施形態の範囲は、以下の特許請求の範囲に記載されているものに限定される。
【０１４１】
本発明は、その好適な実施形態を参照して特に図示および説明したが、当業者は、添付の特許請求の範囲に包含される本発明の範囲から逸脱することなく、形状および細部に種々の変更を行ってもよいことを理解されるであろう。
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の参照）
本願は、米国仮出願第６０／８９９，０４９号（２００７年２月１日出願）に基づく優先権および利益を主張する。この仮出願の全内容は、参照により本明細書に援用される。
【０００２】
（本発明の技術分野）
本発明は、イオン移動度分光計および微分移動度分光計等のイオン移動度ベースの分光計に関し、より具体的には、質量分光計のためのプレフィルタとして動作する微分移動度分光計に関する。
【背景技術】
【０００３】
イオン移動度分光計および微分移動度分光計等のイオン移動度ベースの分析器は、イオンがガスまたはガスの混合物を通って流れている間、イオンの移動度特性に基づいてイオンを分析する。イオン移動度分光計（Ｉｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ：ＩＭＳ）は、典型的には、ドリフト領域に沿って検出器に向かってイオンを推進するように、電圧勾配を使用する。飛行時間型（Ｔｉｍｅ−Ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ：ＴＯＦ）ＩＭＳは、異なるイオン移動度特性を有するイオン種が、異なる速度でドリフトガスを通って進行するので、異なるイオン種の検出器における到達時間を測定することによって、異なるイオン種を分離および識別する。
【０００４】
微分移動度分光計（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ：ＤＭＳ）は、電場非対称性イオン移動度分光計（Ｆｉｅｌｄ Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ＩＭＳ：ＦＡＩＭＳ）とも称され、同じく、ガスまたはガスの混合物を通って流れているイオンを分析する。しかしながら、ＩＭＳとは異なり、ＤＭＳは、イオンが非対称電場を印加するフィルタ電極間の分析空隙を通って流れる時に、時間変動（例えば、非対称の）電場をイオンに受けさせる。非対称電場は、典型的には、より長い低電場期間がその後に続く、高電場期間を含む。典型的には、ＤＭＳが選択されたイオン種を通過させることができるようにする補償電場も、フィルタ電極のうちの１つによって（ＤＣ補償電圧を電極に印加することによって）発生される。他の種は、典型的には、フィルタ電極のうちの１つに向かって偏向されて、中性化される。ＩＭＳまたはＤＭＳ等のイオン移動度ベースの分析器は、イオン強度スペクトルを測定し、そのスペクトルを既知のスペクトル、または複数のスペクトルと比較することによって、試料および試料成分を識別することができる。
【０００５】
ＤＭＳまたはＤＭＳ分析器は、典型的には、円筒または平面形状因子を有する。特許文献１に記載されているもの等の円筒形ＤＭＳ分析器は、イオンをＤＭＳから、またはＤＭＳからＭＳに導入する前に、イオンの収集および濃縮を可能にするように、終端およびトラップ領域を用いている。この構造による１つの課題は、イオンが、円筒形ＤＭＳフィルタによって分散または拡散される傾向があり、その結果、ＭＳへの導入前に、終端およびイオントラップがイオンを濃縮する必要が生じる。
【０００６】
質量分析計または質量分光計（Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ：ＭＳ）は、イオン移動度ベースの分光計とは異なり、真空中のイオンに加速電場を受けさせることによって、イオンの質量電荷比（ｍ／ｚ）を測定する。ＴＯＦ ＭＳにおいて、異なる質量電荷比を有するイオンが、同一の電場を受ける。異なるイオン種は、異なる質量電荷比を有するので、異なるイオン種は、異なる量の加速度を受け、したがって、異なる時間に検出器に到達する。したがって、ＴＯＦ ＭＳは、それらの異なる質量電荷比に基づいて、異なるイオンを検出して測定することができる。ＭＳは、それらの分子量または質量を判定することによって、試料の構成成分を識別することができる。
【０００７】
チップベースの、または微細加工されたＩＭＳ、ＤＭＳ、およびＭＳシステムは、現在市販されているものである。それらが小型および携帯型イオン検出システムの使用を可能にするので、このような微細加工されたシステムが望ましい。
【０００８】
ＩＭＳ、ＤＭＳ、およびＭＳ分析器は、スタンドアロンのシステムとしてしばしば動作する。しかしながら、タンデム型ＩＭＳ−ＭＳ、タンデム型ＤＭＳ−ＭＳ、またはタンデム型ＩＭＳ−ＤＭＳ−ＭＳシステム等の、特定のタイプの組み合わせ分析器を用いてもよい。例えば、Ｗａｌｔｈａｍ，ＭＡのＴｈｅｒｍｏ Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ，Ｉｎｃ．は、研究室での研究用のそれらのＴＳＱ Ｑｕａｎｔｕｍ（登録商標）シリーズの質量分析計によってインターフェースすることができる、円筒形ＤＭＳ（ＦＡＩＭＳ）インターフェースを販売している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第６，６２１，０７７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
プレフィルタとして円筒形ＤＭＳまたはＤＭＳをＭＳに使用することによる１つの課題は、プレフィルタ処理が所望されるときに、研究者が、円筒形ＤＭＳプレフィルタをＭＳに取り付けなければならないが、次いで、ＤＭＳのプレフィルタ処理を行わない分析が所望されるときには、円筒形ＤＭＳプレフィルタをＭＳから切り離して除去しなければならないことである。上述のように、円筒形ＤＭＳの構造は、イオンを拡散する傾向があるので、これが必要となる。したがって、円筒形ＤＭＳフィルタを除去せずに単に無効化した場合、円筒形ＤＭＳ内のイオンは、ＭＳへ入る前にもはや濃縮またはトラップされなくなり、その結果、システムの感度および性能が低下する。したがって、円筒形ＤＭＳは、イオンのＭＳへの導入前に、無効化した円筒形ＤＭＳのイオン拡散効果を防止するように、ＭＳから切り離さなければならない。円筒形ＤＭＳの着脱要件は、次の多数の理由から望ましくない。１）着脱は、ユーザを試料汚染に晒し得る。２）着脱に時間がかかる。３）着脱にユーザの訓練を必要とする。４）着脱によって、ＤＭＳ対ＭＳ接続の過度の摩耗および故障が生じ得る。５）着脱は、システムの信頼性を低下させる。および６）着脱可能なＤＭＳインターフェースは、ＭＳから分離されたときに喪失するか、または損傷を受け得る。故に、ＤＭＳまたはＤＭＳプレフィルタには、ＤＭＳプレフィルタ処理を行わないＭＳ分析が所望されるときに、切り離されるのではなく無効化することができるＭＳが必要である。
【００１１】
ＤＭＳ−ＭＳ分析器に関連する別の課題は、ＤＭＳの比較的に高い輸送ガス流速によって、取り付けられたＭＳへの比較的に高い流速が生じる可能性があることである。ＭＳは、高真空を維持しなければならないので、比較的に高いイオン流速でそのような高真空を維持するように、比較的に強力な、したがって大型のポンプが必要である。ＤＭＳ−ＭＳシステムのサイズは、研究室環境においては考慮しなくてもよいが、携帯型、現場配置型、または原位置型の試料分析用途および使用には、ＤＭＳ−ＭＳシステムのサイズおよび電力要件が極めて重要である。故に、より小型で、携帯できる、かつ消費電力の少ないＤＭＳ−ＭＳシステムを実現するように、ＭＳに使用される真空ポンプのサイズを縮小することが必要である。
【００１２】
本発明は、種々の実施形態において、ＤＭＳ−ＭＳの実験動作の安全性および効率を高め、かつＤＭＳ−ＭＳ分析器の携帯性および小型性を高めるような方法で、ＤＭＳをＭＳに連結できるようにする、システム、方法、およびデバイスを提供することによって、従来の技術の欠点に対処する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
一側面において、本発明は、試料の１つ以上のイオン種を分析するためのシステムを含む。システムは、試料成分をイオンに形成するためのイオン源を含む。システムはまた、プレフィルタアセンブリを含む。アセンブリは、一対のフィルタ電極間の分析空隙内の時間変動電場に、試料の１つ以上のイオン種を通過させる、ＤＭＳフィルタをさらに含んでもよい。アセンブリはまた、ＤＭＳフィルタからＭＳへイオン流を提供する、流出口を含んでもよい。ＭＳは、プレフィルタアセンブリからのイオン流の少なくとも一部を流入口で受容し、１つ以上のイオン種を分析してもよい。システムは、プレフィルタ処理が所望されるときには、ＤＭＳフィルタを有効化し、プレフィルタ処理が所望されないときには、ＤＭＳフィルタを無効化する、コントローラを含んでもよい。好ましくは、ＤＭＳフィルタは、質量分光計の流入口と実質的に一列に位置付けられる。
【００１４】
一構成において、ＤＭＳフィルタは、一対のフィルタ電極間の分析空隙の長手方向軸が、第１の質量分光計の流入口の長手方向軸と一列であるときに、質量分光計の流入口と一列である。時間変動電場は、調整可能であり、調整可能な補償電場を含んでもよい。
【００１５】
別の構成において、コントローラは、マイクロプロセッサを含む。イオン源は、エレクトロスプレーイオン源を含んでもよい。特定の構成において、液体クロマトグラフ（ＬＣ）は、エレクトロスプレーイオン源への液体試料の送達を可能にするように、システムに連結されてもよい。分析プロセスは、１つ以上のイオン種の検出を含んでもよい。
【００１６】
さらなる構成において、システムは、第１の質量分光計からイオンを受容して検出する、第２の質量分光計を含んでもよい。この場合、第１の質量分光計による分析は、ＤＭＳから受容するイオンの一部の集束を含んでもよい。ＤＭＳは、少なくとも１つの絶縁基板がフィルタ電極と連通する、１つ以上の絶縁基板を含んでもよい。ＤＭＳ、ＭＳ、および／またはシステムのあらゆる他の構成要素は、チップアセンブリに含まれてもよい。
【００１７】
別の側面において、ＤＭＳ−ＭＳ分析器システムのサイズおよび電力消費は、ＭＳへのイオン流速の大幅な削減を可能にするような方法で、ＤＭＳに関してＭＳを配向することによって削減される。したがって、ＭＳ内で適切な真空を維持するように、それによってＤＭＳ−ＭＳ分析器のサイズおよび電力要件を削減する、極めて小さい真空ポンプまたはポンプが必要である。
【００１８】
ＤＭＳ−ＭＳ分析器またはイオン分析器は、第１の流速でイオン源からイオン流を発生させる、流動発生器を含んでもよい。流動発生器は、ポンプ、微小加工ポンプ、圧力源、固体の流動発生器、および他の流動発生器のようなものを含んでもよい。イオン分析器は、イオン源からイオン流を受容するように連結されるチップアセンブリを含んでもよい。チップアセンブリは、基板に接続される第１のフィルタ電極を伴う第１の基板を有する、離間されたフィルタを含んでもよい。アセンブリは、第１のフィルタ電極から離間された第２のフィルタ電極を含み、それによって、第１のフィルタ電極と第２のフィルタ電極との間の分析空隙、およびそれを通じてイオン流が生じる流路の一部を画定してもよい。
【００１９】
アセンブリは、流路からイオンの一部を受容する質量分光計を含んでもよい。質量分光計は、流路内のイオン流からオフセットされる流入口を含んでもよい。流入口がオフセットされるので、チップアセンブリは、流路からイオンの一部を質量分光計の流入口内へ流すための分流器アセンブリを含んでもよい。第１の流路からのイオンの一部は、第２の流速で流入口を通って流れてもよく、第２の流速は第１の流速より小さい。
【００２０】
分析器は、第１および第２のフィルタ電極間に時間変動電場を発生させるように、第１および第２のフィルタ電極のうちの少なくとも１つに接続される、コントローラを含んでもよい。時間変動電場は、イオン種が分析空隙を通って流れている間にイオン種を分離する電場特性を含んでもよい。分析器は、質量分光計の流入口での第２の流速に応じて、質量分光計内を、選択された真空を維持するための真空発生器を含んでもよい。真空発生器は、１つ以上のポンプ、微細加工されたポンプ、圧力源、固体の流動発生器等を含んでもよい。
【００２１】
本発明の前述の、および他の目的、特徴、および利点は、以下の本発明の好適な実施形態のより具体的な説明から明らかとなるが、付随の図面に示されているように、異なる図面を通じて、これらの図面は、必ずしも正確な縮尺で示されておらず、代わりに本発明の原理を示す部分が強調されている。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明の例示的な一実施形態による、化学センサシステムのブロック図である。
【図２】図２は、本発明の例示的な一実施形態による、エレクトロスプレー源を含む液体試料調製区間を備えた化学センサシステムを示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の例示的な一実施形態による、エレクトロスプレー源を含む液体試料調製区間を備えた化学センサシステムを示す図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、本発明の例示的な一実施形態による、機械加工されたエレクトロスプレーヘッドを示す図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、本発明の例示的な一実施形態による、蛇行電極を示す図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、本発明の例示的な一実施形態による、筐体を形成する基板を示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の例示的な一実施形態による、離間した絶縁基板を備えたＤＭＳ分光計を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の例示的な一実施形態による、代替構造の電極を示す図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本発明の例示的な一実施形態による、電極の縁部に重なる絶縁スペーサを備えたフィルタの側部横断面図を示す図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは、本発明の例示的な一実施形態による、スプレー先端部に至る分離チャネルに供給する試料リザーバを備えたエレクトロスプレーを示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の例示的な一実施形態による、イオンの脱溶媒和のための対称性ＡＣ無線周波数電場を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明の例示的な一実施形態による、ＤＭＳデバイスに統合される脱溶媒和領域を示す図である。
【図６】図６は、質量分光計に接続される従来の技術の円筒形ＤＭＳを示す図である。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明の例示的な一実施形態による、改善された円筒形ＤＭＳデバイスを示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本発明の例示的な一実施形態による、改善された円筒形ＤＭＳデバイスを示す図である。
【図８】図８は、本発明の例示的な一実施形態による、エレクトロスプレーを載置する塔を示す図である。
【図９Ａ】図９Ａは、本発明の例示的な一実施形態による、誘導電極と協働するエレクトロスプレーヘッドを示す図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、本発明の例示的な一実施形態による、誘導電極と協働するエレクトロスプレーヘッドを示す図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、本発明の例示的な一実施形態による、制御システムを示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、本発明の例示的な一実施形態による、制御信号を示す図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明の例示的な一実施形態による、チップ容器を示す図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本発明の例示的な一実施形態による、質量分光計とインターフェースされるチップ容器を示す図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、本発明の例示的な一実施形態による、平面ＤＭＳ分析器を示す図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、本発明の例示的な一実施形態による、平面ＤＭＳ分析器を示す図である。
【図１２Ｃ】図１２Ｃは、従来の技術の円筒形ＤＭＳデバイスを示す図である。
【図１２Ｄ】図１２Ｄは、従来の技術の円筒形ＤＭＳデバイスを示す図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、本発明の例示的な一実施形態による、上部基板内のオリフィスを通じて上から、イオン領域内に挿入されたエレクトロスプレー先端部を示す図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、本発明の例示的な一実施形態による、側部からイオン領域内に挿入されたエレクトロスプレー先端部を示す図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、本発明の例示的な一実施形態による、長手方向電場駆動の実施形態を示す図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、本発明の例示的な一実施形態による、長手方向電場駆動の実施形態を示す図である。
【図１５Ａ】図１５Ａは、本発明の例示的な一実施形態による、分裂ガス流の実施形態を示す図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、本発明の例示的な一実施形態による、分裂ガス流の実施形態を示す図である。
【図１６】図１６は、本発明の例示的な一実施形態による、二重チャネルの実施形態を示す図である。
【図１７】図１７は、本発明の例示的な一実施形態による、異なるイオン化源のための補償電圧へのケトンの依存性を示す図である。
【図１８】図１８は、本発明の例示的な一実施形態による、二重チャネルを示す図である。
【図１９】図１９は、本発明の例示的な一実施形態による、検出スペクトルを示す図である。
【図２０】図２０は、本発明の例示的な一実施形態による、直列ＤＭＳ−ＭＳ分析器の略図である。
【図２１】図２１は、本発明の例示的な一実施形態による、ＬＣ−ＥＳ−ＤＭＳ−ＭＳ分析器のブロック図である。
【図２２】図２２は、本発明の例示的な一実施形態による、ＬＣ−ＤＭＳ−ＭＳ分析器の概略図である。
【図２３】図２３は、本発明の例示的な一実施形態による、ＭＳへの流速の削減を可能にする分流器アセンブリを含む、ＤＭＳ−ＭＳ分析器の略図である。
【図２４】図２４は、本発明の例示的な一実施形態による、ＭＳの流入口がＤＭＳの流れからオフセットされる、統合ＤＭＳ−ＭＳ分析器の略図である。
【図２５】図２５は、本発明の例示的な一実施形態による、統合多層ＤＭＳ−ＭＳ分析器の略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。本発明は、質量分光計にＤＭＳプレフィルタを使用して、化合物を分析するための方法および装置を提供する。
【００２４】
エレクトロスプレー質量分光法（ＥＳ−ＭＳ）は、ペプチドおよび／またはタンパク質の構造判定のための強力なツールを提供する。これは、構造がタンパク質の機能を定義するのを補助するので重要である。タンパク質に関する構造情報は、典型的には、そのアミノ酸配列から判定される。配列を識別するために、タンパク質は、通常、酵素によって消化され、次いで、タンデム質量分析によってペプチド断片が配列決定される。配列を得るための別の可能な方法は、タンパク質を消化して、ペプチド断片の分子量を測定することである。これらは、コンピュータプログラムのための入力データであり、データベース内に見出される全てのタンパク質が理論的に消化され、理論的な断片が、測定された分子量と比較される。
【００２５】
近年、ＩＭＳによる等のイオン移動度ベースの分析が、有用な情報をＥＳ−ＭＳ測定に提供できることが注目されている。イオン移動度ベースの分析は、通常は、分子の形状およびサイズに非常に敏感な大気圧技術である。ＩＭＳおよびＭＳの組み合わせによるタンパク質の識別は、タンパク質を消化する必要性を排除し、試料調製を簡素化し得る。
【００２６】
市販のＩＭＳシステムは、飛行時間（ＴＯＦ）に基づいており、すなわち、それらは、不活性雰囲気（１〜７６０トール）を通じて、イオンがシャッタゲートから検出器へ進行するのにかかる時間を測定する。ドリフト時間は、イオンの移動度（すなわち、そのサイズ、質量、および電荷）に依存し、検出されるイオン種の特性である。ＴＯＦ−ＩＭＳは、麻薬、爆発物、および化学兵器用薬剤を含む、多数の化合物の検出に有用な技術である。参照することによって本明細書に援用される、ＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＣＡ９９／００７１５号、また、参照することによって本明細書に援用される、米国特許第５，４２０，４２４号を参照されたい。ＩＭＳにおける気相イオン移動度は、一定の低電場強度の電場を伴うドリフト管を使用して判定される。イオンは、ゲートを介してドリフト管内へ入り、続いて、それらのドリフト速度の差に基づいて分離される。これらの条件下でのイオンのドリフト速度は、電場強度およびイオン移動度に比例する。現在のＩＭＳデバイスは、イオンの識別のために、事前に加工されたドリフト管（最小サイズ、約４０ｃｍ３）を使用している。
【００２７】
ＤＭＳ（ＦＡＩＭＳまたはＲＦ−ＩＭＳとしても知られている）は、極めて高い電場を利用し、高強度および低強度の電場におけるその移動度の差に基づいて、イオン種を識別する。ＤＭＳは、ガス試料を、ガス試料中の特定の化学物質に対応する各イオンタイプを有する、イオン種の混合物に変換するように、紫外光イオン化ランプなどのイオン化源を使用する。イオン種は、次いで、フィルタを通過することができるイオンタイプを選択するように、電極間に特定の電場が印加されるイオンフィルタを通過される。
【００２８】
フィルタを通ると、イオン種は、検出器の電極に衝突して、電気信号を生成する。試料中のイオン種の混合物を検出するために、フィルタ電極間に印加される電場は、発生される範囲およびスペクトルを通じて走査することができる。イオンフィルタ処理は、イオンフィルタ電極間で発生される２つの電場、時間変動（例えば、非対称性および周期的）無線周波数（ＲＦ）電場、およびｄｃ補償電場の組み合わせを通じて達成される。非対称性ＲＦ電場は、そのピークの正電場強度と負電場強度との間に有意差を有する。非対称性ＲＦ電場は、イオンを散乱させて、それらが中性化されるイオンフィルタ電極に偏向させ、一方で、補償電場は、特定のイオンの散乱を防止して、検出器へ通過できるようにする。イオンは、低電場でのイオンの移動度と相対的な、高電場でのイオンの移動度の差に基づいて、ＤＭＳ分析器内でフィルタ処理される。
【００２９】
ＤＭＳイオンフィルタは、時間変動、または高電場非対称性波形の無線周波数信号に加え、可変ＤＣ補償信号の制御によるイオンのフィルタ処理に用いてもよい。ＤＭＳフィルタは、高電場非対称性無線周波数信号の波長、周波数、振幅、期間、デューティサイクル等を変化させることによって、イオンのフィルタ処理を制御してもよい。ＤＭＳフィルタは、イオンフィルタ電極間の空隙を正確に画定するように、および／またはイオンフィルタ電極を確実に平行にするように、絶縁基板を使用した平面ＤＭＳフィルタ構造を含んでもよい。微細加工された基板ベースのＤＭＳの使用は、ＤＭＳフィルタによって、安定した、信頼性のある、かつ再生可能な電場を発生できるようにし得、高解像度のＤＭＳ分析器がもたらされる。
【００３０】
ＤＭＳフィルタは、エレクトロスプレー（ＥＳ）等の試料スプレー源とともに用いてもよいが、信頼性のある再生可能なスペクトルを得るために、イオンの脱溶媒和が非常に重要である。脱溶媒和電極を、脱溶媒和を補助するように含んでもよく、高められた脱溶媒和が、対称性ＲＦ信号を脱溶媒和電極に印加することによって達成される。ＲＦ信号は、イオンにエネルギーを提供し、それらの有効温度を上昇させて、脱溶媒和プロセスの向上を補助する。脱溶媒和電極はまた、エレクトロスプレーからの、およびエレクトロスプレー源以外からの、ガス試料内のイオンクラスタ化レベルの制御に使用することができる。イオンクラスタ化の制御によって、より反復可能な測定を可能にすることができ、また、検出されているイオンに関するさらなる情報を提供することができる。
【００３１】
ＥＳ−ＤＭＳシステムは、エレクトロスプレーヘッドを用いてもよく、また、イオンフィルタ電極から分離された誘引電極（ａｔｔｒａｃｔｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）を使用してもよい。誘引電極のイオンフィルタ電極からの分離は、イオンフィルタ電極と相対的な、誘引電極に印加される電位の独立制御を可能にする。誘引電極の独立制御によって、ＤＭＳにエレクトロスプレー条件およびイオン導入条件を最適化することができる。誘引電極のイオンフィルタ電極からの分離は、円筒形ＤＭＳ構成内で実現することもできる。
【００３２】
ＥＳ−ＤＭＳは、ＤＭＳイオンフィルタへのイオン注入のさらなる最適化を提供する、誘導電極を含んでもよい。エレクトロスプレーアセンブリは、ＤＭＳの基板のうちの１つに取り付けることができ、誘導電極は、イオンをイオン化領域内に誘導するのに使用してもよい。誘導電極は、ＤＭＳの基板のうちの１つに取り付けられるか、もしくは接続されるか、またはその近くに自立構造を含んでもよい。アセンブリは、脱溶媒和を高めるように、逆ガス流を含んでもよく、および／または利用してもよい。
【００３３】
ＥＳ−ＤＭＳシステムにおいて、飛行時間型（ＴＯＦ）測定は、飛行時間型測定によって提供されるさらなる情報を通じてイオン種の識別を高めるように、エレクトロスプレーを使用して、ＤＭＳフィルタアプローチと組み合わせてもよい。イオンがＤＭＳのオリフィスから検出器まで進行するのにかかる時間を測定することができる。これは、誘引および誘導電極の電位の独立制御を通じて達成することができる。いかなるイオンもドリフト領域に進ませるのではなく、誘導電極で収集されるように、最初に誘引電極の電位が調整され得る。次いで、一部のイオンがイオン化領域およびＤＭＳフィルタに進むことができるように、誘引電極をパルス化することができる。イオンがイオン化領域から検出器まで進行するのにかかる時間を提供することができ、これは、イオンの識別に関するさらなる情報を提供する。
【００３４】
ＥＳ−ＤＭＳシステムの一部は、半導体製作技術を使用して微細加工または製作されていてもよい。特定のＤＭＳ電極は、絶縁する基板または絶縁された基板上に形成してもよく、単一または複数の絶縁する基板は、筐体またはチップアセンブリを形成することができる。ＥＳ−ＤＭＳ構成要素のチップアセンブリおよび／またはマルチチップモジュールへの微細加工は、有利にも、低コストの小型センサをもたらす。
【００３５】
ＥＳ−ＤＭＳシステムは、正荷電および負荷電イオン等の、複数のイオン種を同時に検出する能力を備えた出力セクションを含んでもよい。ＤＭＳ分析器内での試料分析は、概して、気相中で行われるので、液体試料を液体から気相に変換する必要がある。したがって、エレクトロスプレー（ＥＳ）法（「従来の」マイクロおよび／またはナノスプレーを含んでもよい）は、液体試料を気相イオンに変換するのに使用されてもよい。エレクトロスプレー先端部から流出するイオンは、平面ＤＭＳ分析器に送達されてもよい。ＥＳ−ＤＭＳシステムにおいて、試料調製、イオン化、フィルタ処理、および検出の全ての機能は、単一の「チップ」上で行われてもよい。
【００３６】
ＥＳ−ＤＭＳシステムは、ＥＳ−ＤＭＳ−ＭＳ分析器を形成するように、質量分光計と組み合わされてもよい。ＭＳに連結されるＤＭＳは、解像度を高めること、より良好な検出限界を確立すること、分析される分子の形状および構造情報の抽出を可能にすること、およびタンパク質およびペプチドを含む生体分子等の分子の改善された分析を可能にすることによって、ＭＳの検出プロセスを高める。ＤＭＳ分析は、イオン移動度に基づいており、イオンのフィルタ処理および識別は、タンパク質の形状が大体においてその機能性を特定するので、ゲノムおよびプロテオミクス研究（すなわち、製薬業界）に有用なものとなり得る、イオンのサイズおよび形状に大きく依存する。したがって、ＤＭＳフィルタ処理は、タンパク質を特徴付ける低コストだが高容量の方法として適用されてもよい。
【００３７】
ＭＳの流入口に載置される担体内に差し込まれる、使い捨てのＤＭＳフィルタチップが用いられてもよい。ＥＳ−ＤＭＳ−ＭＳデバイスはまた、分析される分子に関する構造（配座）情報、およびＥＳ−ＭＳ分析だけでは得ることができない配列情報も提供し得る。ＤＭＳ分析器は、ＥＳ−ＭＳ分析だけを使用して識別することができない異性体（質量は同じだが、それらの形状が異なる分子）間の弁別を可能にし得る。
【００３８】
ＥＳ−ＤＭＳ分析器は、単一の筐体内に含まれてもよい。ＥＳ−ＤＭＳ分析器は、液体試料分析のための独立型センサとして、または、ＭＳのフロントエンドとして使用されてもよい。ＥＳ−ＤＭＳおよび／またはＥＳ−ＤＭＳ−ＭＳ分析器は、液体クロマトグラフィー（ＬＣ）、高圧液体クロマトグラフィー、および毛管電気泳動等の、他の液体分離技術によって動作させてもよい。例えば、ＬＣ−ＥＳ−ＤＭＳ−ＭＳシステムが用いられてもよい。ＬＣ−ＥＳ−ＤＭＳ−ＭＳシステムの一部または全ては、チップアセンブリ上に微細加工および／または形成されてもよい。ＤＭＳフィルタ部分は、平面ＤＭＳ、円筒形ＤＭＳ、および／または同軸ＤＭＳを含んでもよい。
【００３９】
微細加工（ＭＥＭＳ）処理は、ＤＭＳフィルタを伴うエレクトロスプレー先端部の単純なデバイスへの統合を可能にすることができ、また、正確で、高度に反復可能な液体試料の評価のための、精密でさらに小型の分析システムをもたらす。ＭＥＭＳ ＥＳ−ＭＳは、生物学的薬剤を検出するための、携帯可能な、小型で、低コストの生体センサとして使用されてもよい。統合ＥＳ−ＤＭＳチップは、微細加工製作技術を使用して作製されてもよい。大気圧化学イオン化（Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ：ＡＰＣＩ）デバイスは、統合ＡＰＣＩ−ＤＭＳ−ＭＳ分析器を形成するように、質量分光器に対するプレフィルタとして使用されるＤＭＳフィルタと統合されてもよい。
【００４０】
従来の機械加工は、典型的には、ＤＭＳ分析器の高い製作コストおよび不十分な再現性を伴っていた。例えば、円筒形ＤＭＳの幾何学形状は、ＭＳにインターフェースする時の収集効率を制限するか、または、試料の中性粒子および試料のイオンの両方がＭＳに入るのを可能にし、より複雑なスペクトルをもたらす。平面および／または微細加工されたＤＭＳにおいて、ＤＭＳの形成は、より精密で安定しており、生体分子の識別のための極めて信頼性のある質量スペクトルをもたらす。
【００４１】
微細加工されたＥＳ−ＤＭＳは、低コストの、大量製造が可能で、小さく、小型の、微分イオン移動度に基づいた分光計である。したがって、ＥＳ−ＤＭＳシステムは、セラミックパッケージング、ＰＣボード製造技術、またはプラスチック加工を含むＭＥＭＳ製作技術等の、大量製造技術を使用して生成されてもよい。大量製造技術は、使い捨てとすることができる、低コストのデバイスをもたらすことができ、したがって、試料の相互汚染の課題を回避する。ＥＳ−ＤＭＳチップは、ＤＭＳインターフェースフィルタとして生体分子識別にＭＳを使用する、あらゆる研究室に提供されてもよい。このようなフィルタは、フィルタ処理用電子部品を含むインターフェース治具に差し込むことができる、ＤＭＳインターフェースチップを含んでもよい。エレクトロスプレー先端部または電気泳動チップは、ＤＭＳチップと統合する（その一部として製作する）ことができる。ＭＥＭＳアプローチは不要であるが、アプローチによって、１）大量生産されるＤＭＳチップの高信頼性および繰り返し性が可能になること、および２）ＤＭＳのコストを低くして使い捨てのＤＭＳ分析器を可能にすることから、好ましくなり得る。この使い捨て性は、ある試料から次の試料（またはユーザ）への汚染を回避するが、これは、汚染を懸念するＥＰＡ（米国保護庁）およびＦＤＡ（米国食品医薬品局）のような管理機関に従って、これに対して、および／またはこれによって行われる試験に極めて重要である。
【００４２】
イオンが質量分光計に集束され、収集効率が１００％に近くなる平面ＭＥＭＳ ＤＭＳチップが製作された。本実施形態において、ＤＭＳイオンフィルタ領域内へのイオン注入は不要である。デバイスは、平面上に微小加工される。これによって、イオンのクラスタ化を最小化するように、オンボード加熱器との容易な統合が可能となる。微細加工された、または従来のエレクトロスプレー先端部、および／または微細加工された電気泳動チップと、容易に統合することができる。これは、製作要件が低減された、簡略化された設計であり、単一のガス流路だけを使用するように構成することができる。
【００４３】
微細加工は、フィルタの製造および性能の優れた再現性を提供する。これは、試験結果が、デバイス間および研究室間で一致するように、非常に重要である。微細加工は、いかなる他の方法でも成すことができない、ＤＭＳフィルタチップの新しい構成を可能にする。これらの新しい構成は、より単純であり、また、イオンを質量分光計に送達して望ましくないイオンをフィルタ処理する時に、より効率的である。
【００４４】
生物学的薬剤を検出するための、統合ＥＳ−ＤＭＳチップを使用した、携帯可能な、小型で低コストの生体センサは、本技術によってサイズの低減およびコストの低減が可能となり、製造が可能となるので、微細加工などの微細製作法を使用することで可能である。これらの機器は、現場での高品質な生体分析の利用を含む、多くの用途を有し得る。例えば、生物学的薬剤に露出されたことが推測される人は、機器に一滴の血液を供給することができる。血液は、緩衝液と混合し、処理して、エレクトロスプレーノズルを介して、イオンが分析されるＤＭＳに導入することができる。特定の生体分子が検出された場合に、警報を作動させることができる。
【００４５】
ＭＥＭＳ ＤＭＳは、構成部品の形成および結果として生じるアセンブリを簡素化する、多目的の筐体／基板／パッケージングを含んでもよい。さらなる特徴は、その上にフィルタを構築してデバイス全体に構造を提供するように物理的プラットフォームとして基板を使用すること、デバイスを通る流路を画定する絶縁プラットフォームまたはエンクロージャとして基板を使用すること、および／または性能を向上させる隔離構造を提供するように基板を使用すること、を含み得る。スペーサは、デバイス内に組み込むことができ、構造の画定、また、さらなるバイアス制御のための一対のシリコン電極の可能性の両方を提供する。複数の電極形成および機能的なスペーサ配列を利用することができ、性能および能力を向上させる。ＭＥＭＳ ＤＭＳは、そのフィルタに印加される、時間変動および／または非対称性の周期的電圧を用いてもよい。制御構成要素は、イオンをパージするための加熱器を含むことができ、さらに、加熱／温度制御のための、フィルタまたは検出器電極等の既存の電極の使用を含んでもよい。
【００４６】
ＥＳ−ＤＭＳ−ＭＳシステムは、試料調製、イオン化、フィルタ処理の全ての機能を含んでもよく、検出は、単一のチップ、アセンブリ、または構造上で行うことができる。ＤＭＳ分析器は、ＭＳに対するプレフィルタとして適用されてもよく、ＭＳは、ＤＭＳフィルタ領域の端部で排出ポートに直接連結される。種々の試料調製区間を使用してもよく、周囲空気試料を吸引するポート、エレクトロスプレー、ガスクロマトグラフ、および／または液体クロマトグラフ等を含む。
【００４７】
図１は、試料調製区間１０Ａ、フィルタ区間１０Ｂ、および出力区間１０Ｃを含む、化学センサシステム１０のブロック図を示している。実際は、液体試料Ｓは、試料調製区間１０Ａ内でイオン化され、次いで、作成されたイオンは、フィルタ区間１０Ｂに渡されてフィルタ処理され、次いで、フィルタ区間を通過したイオンは、検出のために出力区間１０Ｃに送達される。液体試料調製区間１０Ａ、フィルタ区間１０Ｂ、および出力区間１０Ｃは、コントローラ区間１０Ｄの制御および命令の下で動作する。好ましくは、コントローラ区間１０Ｄは、システム１０の動作、および検出データＤの評価および報告の両方を制御する。
【００４８】
一実施形態では、液体試料調製区間１０Ａは、エレクトロスプレーヘッドを含み、液体試料Ｓを受容し、調整して、イオン化する。これは、区間１０Ｂ内の好適な平面ＤＭＳフィルタに移送され、その後、イオンを送達して、対象となるイオン種を出力区間１０Ｃに渡す。本発明の種々の実施形態において、出力区間１０Ｃの機能は、イオン種の即時検出、または、そこでイオンを検出するための質量分光計（ＭＳ）等の別の構成要素へのイオンの転送を含んでもよく、検出されたイオン種を示すデータＤの利用を可能とする読み出しを伴う。
【００４９】
当業者には理解されているように、平面を伴うＤＭＳフィルタが示されているが、フィルタ、検出器、流路、電極等を含む、種々の非平面部分および表面を有する他の構成も動作可能となり得る。
【００５０】
図２および３Ａの実施形態において、液体試料調製区間１０Ａは、液体試料Ｓを受容するためのチャンバ１４を有する、エレクトロスプレーの試料イオン化源またはヘッド１２を含む。本発明の実施において、液体試料Ｓは、生体化合物、例えば溶媒Ｘ中の化合物ＡおよびＢを含有してもよい。本発明は、液体試料中の１つ以上の化合物の識別に関わる。
【００５１】
区間１０Ａのエレクトロスプレーデバイスの実施において、高電圧電位１８が、コントローラ１０Ｄによって、エレクトロスプレーヘッド１２のチャンバ１４内で液体試料Ｓに印加される。コントローラ１０Ｄによって駆動される、エレクトロスプレー先端部２０の液体試料Ｓと、誘引電極２２との間の電位差は、イオン領域２３の試料Ｓ内の溶媒Ｘ中の化合物Ａ、Ｂをイオン化する。これは、化合物ＡおよびＢを表すイオン２４および２６、および溶媒分子２８を作成する。一実施形態では、イオンおよび溶媒は、流路３０に沿って、平面ＤＭＳイオンフィルタ４０の平行フィルタ電極４４、４６間のフィルタ区間１０Ｂ内へ駆動または吸引される。
【００５２】
平面ＤＭＳフィルタデバイス４０におけるフィルタ処理は、イオン移動度の差に基づいており、とくに、イオンのサイズおよび形状の影響を受ける。これは、それらの特性に基づいたイオン種の分離を可能とする。本発明の一実施において、高強度非対称性波形の無線周波数（ＲＦ）信号４８、およびＤＣ補償信号５０は、コントローラ１０Ｄ内のＲＦ／ＤＣ発生器回路によって、フィルタ電極４４、４６に印加される。非対称性電場は、高および低電場強度状態を交互させて、イオンを、それらの移動度に従って、電場に応じて移動させる。典型的には、高電場時の移動度は、低電場のそれとは異なる。この移動度の差は、イオンがフィルタ電極間のフィルタを通じて長手方向に進行する時に、それらの正味の横方向の変位を生成する。補償バイアス信号の非存在下では、これらのイオンは、フィルタ電極のうちの１つに当たって中性化されるであろう。選択された補償バイアス信号５０（または他の補償）の存在下では、特定のイオン種が、流路の中央に向かって戻されて、フィルタを通過することになる。したがって、補償された非対称性ＲＦ信号４８の存在下では、イオン種に従って、イオンの互いからの分離を達成することができる。選択されていない種は、電極に当たって中性化され、対象となる種は、フィルタを通過することになる。データおよびシステムコントローラ１０Ｄは、どのイオン種をフィルタに通過させるのかを選択するために、フィルタ電極４４、４６に印加される信号４８、５０を調節する。
【００５３】
平面ＤＭＳフィルタ４０によって達成できるよう、化合物ＡおよびＢのいずれか、または両方の明確な識別を得ることができるように、イオン２４および２６を単離させることが望ましいことを理解されるであろう。平面ＤＭＳフィルタ４０は、原理上は、コントローラ１０Ｄによって印加される補償に従って、出力区間１０Ｃでの検出のために、いずれか１つだけが存在するように、それらの移動度に基づいてイオンＡとＢを識別する。例えば、イオン２４は、図２および２のフィルタ４０を通るイオン２４’で示されている。
【００５４】
再び図２および２を参照すると、出力区間１０Ｃは、検出器電極７０、７２を伴う検出器６９を含む。コントローラ１０Ｄは、フィルタ４０を通るイオンの指示として、電極７０、７２への電流を測定する。これらの電極は、コントローラ１０Ｄからのバイアス信号７１、７３による電位に維持される。フィルタ４０を通ったイオン２４’は、電極の極性および検出器電極への制御信号７１、７３に応じて、コントローラ１０Ｄの制御下で、それらの電荷を検出器電極７０、７２上に置く。さらに、補償（すなわち、バイアス電圧）を掃引することによって、試料Ｓ内のイオン種の完全なスペクトルを検出することができる。
【００５５】
コントローラ１０Ｄの知的制御によって、異なる動作制度を選択することが可能になり、その結果、対象となるイオン種のフィルタ処理を目標とすることが可能となる。本発明の一実施形態の実施において、非対称性電気信号４８は、補償バイアス電圧５０とともに印加され、その結果、フィルタが、電子コントローラ１０Ｄによって制御されるように所望のイオン種を通過させる。同様に、所定の電圧範囲にわたりバイアス電圧５０を掃引することによって、試料Ｓ内のイオン種の完全なスペクトルを達成することができる。
【００５６】
別の実施形態では、非対称性電気信号によって、所望のイオン種を通過させることが可能になり、補償は、補償バイアス電圧を必要とせずに、この場合も電子コントローラによって供給される制御信号の命令下で、非対称性電気信号のデューティサイクルを変化させる形態である。これらの特徴によって、装置はまた、同調させること、すなわち、イオン種をフィルタ処理するように同調させることができ、所望の選択された種だけを検出器に通過させる。
【００５７】
本発明のさらなる利点は、フィルタが、極性は異なるが移動度は類似する複数のイオン種を通過させることができること、およびこれらを同時に検出できることである。各検出器電極７０、７２が異なる極性に維持される場合は、フィルタを通過する（極性は異なるが移動度は類似する）複数のイオン種を同時に検出することができる。検出されたイオンは、図２のデータＤで示される、検出されたイオンの種を判定するように、印加された制御信号４８、５０および電位バイアス信号７１、７３と相関される。
【００５８】
この多機能性は、図２にあるように、出力区間１０Ｃを参照することによってさらに理解され得、上部電極７０は、対象となるイオンがフィルタ４０を通過するときに、同一極性で所定の電圧に維持されるが、下部電極７２は、別のレベルに維持、おそらくは接地されている。上部電極７０は、検出のために、イオン２４’を電極７２へ下方に偏向させる。しかしながら、いずれの電極も、イオンの電荷および極性、ならびに電極に印加される信号に応じてイオンを検出してもよい。したがって、フィルタを通過する、極性は異なるが移動度は類似する複数のイオン種は、１つの検出器として上部電極７０を使用し、第２の検出器として下部電極７２を使用し、また、コントローラ１０Ｄ内の２つの異なる検出器回路を使用し、したがって２つの異なる出力が放射されることによって、同時に検出することができる。したがって、検出器６９は、水素ガスバックグラウンド中に硫黄を含むガス試料等の、平面ＤＭＳフィルタ４０を通過する複数の種を同時に検出し得る。
【００５９】
電子部品コントローラ１０Ｄは、制御電子信号をシステム１０に供給する。制御回路は、オンボードまたはオフボードとすることができ、平面ＤＭＳデバイスは、制御回路１０Ｄに接続する、図４Ａに示される導線および接触パッドを少なくとも伴う制御部分を有する。コントローラからの信号は、このような接続を介してフィルタ電極に印加される。
【００６０】
図４Ａの実施形態において、平面ＤＭＳシステム１０は、（金等の）フィルタ電極４４、４６がその上に形成される、離間された絶縁基板５２、５４（例えば、Ｐｙｒｅｘ（登録商標）、ガラス、セラミック、プラスチック等）を有する、分光計チップ１００を含む。基板５２、５４は、それら自体の間にドリフト管２９および流路３０を画定し、したがって、筐体機能を果たす。好ましくは、基板は、絶縁しているか、電極を絶縁載置するための表面６０、６２を有する。電極４４、４６は、イオンフィルタ４０を形成し、これらの絶縁表面６０、６２上に載置されるフィルタ電極は、流路３０を挟んで互いに向き合う。
【００６１】
図４Ａ、４Ｂ、４Ｃに示されているように、基板５２、５４は、スペーサ５３、５５によって分離されるが、これらは、セラミック、プラスチック、Ｔｅｆｒｏｎ（登録商標）等で絶縁して形成されてもよく、またはシリコンウエハをエッチングまたはダイシング加工することによって、あるいは、例えば基板５２、５４の拡張部を作成することによって形成してもよい。スペーサの厚さは、電極４４、４６を担持する基板５２、５４の面の間に、距離「Ｄ」を画定する。図４Ａの一実施形態では、シリコンスペーサを電極５３’、５５’として使用することができ、閉じ込め電圧は、フィルタ処理されたイオンを流路の中央に閉じ込めるように、コントローラ１０Ｄによってシリコンスペーサ電極に印加される。この閉じ込めによって、より多くのイオンを検出器に衝突させることができ、その結果、検出が向上する。
【００６２】
図４Ｂに示されている本発明のさらなる代替実施形態では、代替構造の電極４４ｘ、４６ｘは、基板５２、５４の代わりとなり、絶縁スペーサ５３、５５に載置されて分離され、その中に流路３０を形成する。流路の一方の端部では、試料調製区間１０Ａがイオンをフィルタ区間１０Ｂに供給し、他の端部では、フィルタ処理されたイオンが出力区間１０Ｃに入る。基板が構造機能の役目をし、筐体を形成するのと同様に、構造電極４４ｘ、４６ｘも、電極であることに加えて、筐体としての機能を果たす。基板と同様に、これらの電極の外側表面は平面であってもなくてもよく、絶縁表面６１によって覆われてもよい。
【００６３】
側横断面で示されている図４Ｃ実施形態において、絶縁スペーサ５３、５５は、フィルタ電極４４、４６の縁部４４ｆ、４６ｆと重なっている。これは、流路（すなわち、ドリフト管）２９内を流れるイオンが、非均一漏れ電場「ｆ」が存在する電極縁部４４ｆ、４６ｆから離れて、フィルタ電極４４、４６間の均一な横方向電場の領域に閉じ込められるようにする。さらなる利益は、全てのイオンが、フィルタ電極間を通されること、およびその均一な電場を受けることである。
【００６４】
図２に戻ると、動作中に、イオン２４、２６は、フィルタ４０内へ流れる。一部のイオンは、それらがフィルタ電極４４、４６と衝突するときに中性化される。これらの中性化されたイオンは、概して、搬送ガスによってパージされる。パージはまた、例えば、適切に構成されたフィルタ電極（例えば、図３Ｄに示される蛇行４４’、４６’）に、または抵抗スペーサ電極に電流を印加する等によって、流路３０を加熱することによって達成することができる。図４Ａのスペーサ電極５３、５５は、抵抗材料で形成することができ、したがって、加熱可能な電極５３ｒ、５５ｒとして使用することができる。
【００６５】
イオン２４は、図２の出力区間１０Ｃに移動する。排出ポート４２は、移動したイオン２４から分子２８を排出するために提供される。このイオン２４の分離は、検出機能を容易にし、より正確な化学分析を可能にする。しかし、この予防措置によっても、一部の溶媒分子が、対象となるイオン２４に付着したままとなり得る。したがって、好適な実施形態では、それらをフィルタ処理する前に、イオン２４および２６等を脱溶媒和するように、装置が提供される。脱溶媒和は、加熱によって達成されてもよい。例えば、電極４４、４６、５３ｒ、５５ｒのうちのいずれかは、コントローラ１０Ｄによってそれらに印加される加熱器信号を有してもよい。別の実施形態では、図３Ａに示されているように、流入ガス流は、加熱器要素８９によって加熱されてもよい。
【００６６】
当業者は、エレクトロスプレーされたイオンの脱溶媒和または「乾燥」は、エレクトロスプレープロセスの重要な部分であることを理解されるであろう。イオンは、最初にエレクトロスプレー先端部から放出される時には、大量の溶媒がイオンを被覆している、液滴の形態である。それが空気を通じて対極に向かって進行するにつれて、溶媒を蒸発させて、最終的に、脱溶媒和されたイオンを残し、次いで分析することができる。分析前の不完全な脱溶媒和は、分析を歪曲する可能性がある。加えて、他の何らかの補助無しでイオンを十分に脱溶媒和できるようにするには、イオンを長距離進行させることが必要となり得る。したがって、この脱溶媒和は、本発明の実施において有益であると理解されるであろう。
【００６７】
本発明の別の実施形態では、分析前にエレクトロスプレー中に生成されるイオンの脱溶媒和を高めるように、対称性ＲＦ電場が使用される。図５Ａ、５Ｂに示されているように、イオンがこの信号からの正味の偏向無しで脱溶媒和されるように、それらがドリフト管を進行するときに、エレクトロスプレープロセスで発生されたイオンを対称的に振動させ、加熱されるように、対称性無線周波数電場が、搬送ガス流に垂直に印加される。
【００６８】
より具体的には、イオンと中性分子との間の相互作用が、それらの有効温度を上昇させ、それらの脱溶媒和を高める。それらの振動中に、イオンは、中性の空気分子に衝突し、それらの内部温度を上昇させる。イオンの内部温度の上昇は、溶媒の蒸発を高め、脱溶媒和された荷電イオンを実現するための時間を短縮する。この作用によって、比較的に長さが短いドリフト管上で脱溶媒和を行うことが可能となる。脱溶媒和は、より正確な検出データをもたらし、上述のアプローチは、本発明の平面ＤＭＳフィルタと容易に統合される。
【００６９】
脱溶媒和電場は、それらの間に空隙を伴う、互いに平行に構成される２つの電極間に電圧を印加することによって発生させることができる。例えば、電極対４４、４６および５３、５５のうちのいずれかが、コントローラ１０Ｄの制御下で、この機能のために使用されてもよい。好ましくは、図３Ａに示されているように、別個の脱溶媒和電極７７、７９が、この機能のために使用されてもよい。
【００７０】
本発明のさらなる実施形態では、図３Ａおよび３Ｂ内に図式的に示されているように、微細加工されたエレクトロスプレーヘッド８０が基板５２上に載置される。電極８２、８４、８６、８８は、基板５２の反対側上に形成され、エレクトロスプレーイオン２４、２６を、ドリフト管２９内の流路３０のイオン領域２３内へ誘導する。誘引電極２２は、イオン２４、２６をイオン領域２３内に誘引するように、それらに印加される電位を有する。搬送ガス流９０は、イオン２４、２６を取り込み、すでに説明したフィルタ処理機能のためのフィルタ４０にそれらを搬送するように、所望の流速に設定される。ガス排出口９１は、搬送ガス９０を含み、非イオン化された構成成分および中性化されたイオンを運び出す。
【００７１】
電極２２、８２、８４、８６、８８、および脱溶媒和電極７７、７９にも印加される電位は、互いに、およびフィルタ電極４４、４６に依存せずに設定および制御することができる。例えば、これは、有利には、隣接するフィルタ電極４６等のあらゆる他の電極とは異なる信号で、誘引電極２２の駆動を可能にする。これは、特に、基板の絶縁表面の提供によって容易にされ、電極の分離によって、フィルタ駆動要件に依存せずに最適化することができる。
【００７２】
この構成はまた、誘導電極８２、８４、８６、８８および誘引電極２２の、パルス化モードで（例えば、スイッチのオンおよびオフ）個々に動作されるのを可能にする。このモードでは、選択された量のイオンを、イオン領域２３内に導入することができる。例えばオリフィスから検出器７２まで等の、これらのイオンが進行する時間は、「飛行時間」（「ＴＯＦ」）型ＤＭＳモードの動作に使用することができる。このモードにおいて、飛行時間は、イオン種に関連し、したがって、さらなる情報を種の弁別に提供する。これは、円筒形ＤＭＳデバイスの改良をもたらす。
【００７３】
ＩＭＳの当業者には理解されるように、このＴＯＦは、ＩＭＳデバイスにおいて実施される飛行時間と類似するが、ここでは、ＤＭＳ構造内で実施されている。したがって、この新しい技術革新は、１つの動作デバイス内で、ＩＭＳおよびＤＭＳの両者の検出データを提供し得る。ＤＭＳおよびＩＭＳデータの組み合わせは、より良好な検出結果を生じさせることができる。
【００７４】
図２〜３Ａ、４Ａ〜４Ｂに示されているような好適な実施形態において、筐体６４は、基板５２、５４によって形成され、内部流路３０は、入力部１０Ａから、イオンフィルタ１０Ｂを通じて、出力部１０Ｃまで延在して画定される。より具体的には、基板５２、５４は、作業表面６０、６２を提供し、そこでの電極の形成に有利に働く。これらの表面６０、６２は、覆われるか、または平面であってよく、好ましくは、例えばガラスまたはセラミック基板を使用して形成された時などに、絶縁して（または絶縁されて）もよい。これは、それ自体が、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）または多重チップモジュール（ＭＣＭ）等の大量製造技術、または他のプロセスに役立ち、超小型パッケージングおよび小電極サイズをもたらす。したがって、イオンフィルタは、好ましくは、雑音を減らして性能を向上させるために、それらの間に流路３０が画定される表面フィルタ電極４４、４６、次に基板の絶縁表面によって、これらの絶縁表面上に画定され、次いで、検出器電極７０、７２からのフィルタ電極での制御信号４８、５０を分離する。これは、参照することによって本明細書に援用される第５，４２０，４２４号にあるような、従来の技術のＤＭＳデバイスの外側円筒の広範な導電領域とは異なる。
【００７５】
さらに、幾何学的および物理的な考慮により、従来の技術の円筒形設計では、イオンは、ドリフト管の横断面内に分散され、したがって、質量分光計の流入口９６付近の領域Ｒでは、わずかなイオンだけしか利用できないことを理解されるであろう。図６に示されている円筒形ＤＭＳの従来の技術の構成（参照することによって本明細書に援用される、ＰＣＴ／ＣＡ９９／００７１５を参照のこと）では、質量分光計の流入口９６へのさらなるイオンの送達を可能にすることによって、この制限を解決しようとしている。しかしながら、試料イオン２４と、溶媒分子２８等の中性分子との間にはいかなる分離も生じないので、中性試料分子も、質量分光計の流入口９６内に入ることができる。これは、質量分光計内のスペクトルを極めて複雑にし、解像度を低下させる。
【００７６】
本発明は、例えば、図３Ａの構成においてこれらの欠点を解決する。本発明の実施においては、事実上、検出器領域６９に入るイオン２４の全てが、質量分光計の流入口９６に集束される。これは、特に、流路周辺全体にイオンが分散される円筒形ＤＭＳデバイスと比較して、ＭＳの流入口だけでなく、システムの検出効率の飛躍的な向上、および感度の向上をもたらす。
【００７７】
さらに、本発明の新しい円筒形設計を参照すると、図７Ａに示されるように、エレクトロスプレー先端部２０は、外側電極４４Ｃ内のオリフィス３１’を介して、誘引電極２２’の誘引の下で、試料を流路３０’内に注入し、試料は、ガスＧの流れによってフィルタ区間１０Ｂ’に向かって搬送される。誘引電極は、内側電極４６Ｃに隣接して形成されるが、絶縁体帯Ｉｎ１、Ｉｎ２によって電気的に分離される。したがって、誘引電極は、隣接する電極、例えば４６Ｃとは別に、独立してバイアスすることができる。本実施形態はまた、部品数を削減しながら機能的および構造的構成要素を組み合わせるが、例えば、内側円筒の構成要素を、絶縁層Ｉｎ１、Ｉｎ２の結合機能を介して、互いに係合することができる。
【００７８】
図７Ｂに示されている代替実施形態において、誘引電極２２”は、外側リング電極４４Ｃ’に隣接して形成され、絶縁体リングＩｎ３によってそれらから絶縁される。エレクトロスプレー先端部２０は、試料Ｓを、側部からリング４６Ｃ”の内側に導入するが、これは、別個の電極であってもよく、または内側電極４６Ｃ’の拡張部であってもよく、試料は、誘引電極２２”の誘引を受け、ガスＧによって、フィルタ区間１０Ｂ”の流路３０”内に搬送されている。同じく、電極２２”は、絶縁体Ｉｎ３によって電極４４Ｃ’から分離され、したがって、電極は、独立して駆動することができる。
【００７９】
図８に示されている本発明のさらなる実施形態において、エレクトロスプレーアセンブリ８０”は、基板５２に取り付けられ、エレクトロスプレーヘッド１２を含む。イオンは、誘導電極「Ｆ」（本実施形態では３つ）によって、オリフィス３１に向かって搬送され、誘引電極２２、および８２、８４および／または８６、８８等の誘導電極によって、イオン領域２３内に誘引される。
【００８０】
好ましくは、イオン領域２３に向かってイオンを誘導する電位勾配を作成するように、別個のＤＣバイアス「ＤＣ」が、各誘導電極に印加される。誘導電極は、上述のように、脱溶媒和を高めるように、同じく対称性ＲＦ信号「ＤＳ」を印加することによっても、さらなる機能のために使用することができる。
【００８１】
洗浄ガスＧが、脱溶媒和をさらに高めるように、ポートＰ１で導入される。このガスは、チャンバ９３内に誘導されたイオンとは反対に流れ、ポートＰ２、Ｐ３から排出される。好ましくは、これは、オリフィス３１にいかなる圧力勾配も無く動作される。
【００８２】
スプレー条件を向上させるために、本発明の実施において、先端部２０と上部誘導電極Ｆ１との間の間隔２０Ｓを調整することができる。一実施において、筐体１２ａの位置は、基部Ｂと相対的に調整することができ、その結果、間隔２０Ｓを調整する。別様において、ヘッド１２の高さは、電極Ｆ１と相対的に調整することができる。
【００８３】
代替実施形態では、図９Ａおよび９Ｂに示されているように、離間された誘導電極Ｆ（図９Ａ）、またはＦ１、Ｆ２、Ｆ３（図９Ｂ）は、カーテンガス流ＣＧを浴びる。この流れは、筐体Ｈ１内に閉じ込められなくても、または含まれてもよい。エレクトロスプレーヘッド１２は、取り付け台Ｍ１に調節可能に載置され、その送達角度は、基板５２の表面と相対的に調整することができる。加えて、その高さは、基板と相対的に調整することができる。
【００８４】
再び図４Ａを参照すると、試料リザーバ９２は、液体試料Ｓを受容し、次いで上述のようにイオン化されてフィルタ処理される。このような実施形態では、単一の分光計チップ１００は、マイクロ流体エレクトロスプレーモジュール８０’の一部等のイオン化源、および平面高電場非対称性波形イオン移動度フィルタ４０の両方を統合する。また、内部検出器を含めてもよく、または検出のためにイオンが出力される。種々の微細加工されたマイクロ流体構成要素は、イオン源として、またはそれらの組み合わせとして使用されてもよく、エレクトロスプレー、ナノエレクトロスプレー、液体クロマトグラフィー、電気泳動分離を含む。
【００８５】
別の実施形態では、図４Ａのエレクトロスプレーヘッド８０’は、（好ましくは、陽極結合またはブレージングを通じて）基板５２に取り付けられてもよい。誘導電極８２および８４は、本実施形態では不要である。
【００８６】
図４Ｄの実施形態において、マイクロ流体エレクトロスプレーモジュール８０’は、オリフィス２０’に、次いで先端部２０に至る、延びた、蛇行する分離チャネル９２ａに送給する、試料リザーバ９２を含む。チャネル９２ａは、先端部２０でイオン化する前に、試料内の成分を調整または分離するための、液体クロマトグラフまたは電気泳動セパレータ等であってもよい。
【００８７】
マイクロ流体モジュールの有無に関わらず、このようなチップ１００の動機は、試料調整および分析における変動性の排除であり、これは、人間の相互作用を削減することによって、かつ全ての主要な構成要素を単一構造内に組み込むデバイスを提供することによって達成される。これらのチップ１００は、低コスト製造に役立ち、その結果、使い捨てにすることができる。各試料分析に対する新しいチップの使用は、試料から試料への二次汚染を排除する。加えて、人間の介在を削減することによって、試料の調製時間が削減される。従来の配列では、エレクトロスプレー先端部またはマイクロ流体構成要素は、あらゆるフィルタまたは質量分光計の流入口に対して、毎回再調整しなければならない。これには、時間およびコストがかかる。本発明の統合マイクロ流体チップ／平面ＤＭＳ装置によって、マイクロ流体構成要素と平面ＤＭＳの流入口との相対的位置が固定される。分析が完了すると、チップ全体が簡単に廃棄され、分析される試料とともに新しいチップが装填され、おそらくは質量分光計上に載置される。これは、極めて速い分析時間および高スループットが可能となる。
【００８８】
本発明の例示的な一実施形態では、図１０Ａに示されているように、コントローラ１０Ｄは、エレクトロスプレー制御１０Ｄ１と、ＲＦ非対称性駆動信号およびＤＣ制御バイアスをフィルタ電極４４、４６に印加するための、高電圧ＲＦ波形およびＤＣ発生器１０Ｄ３と協働する波形発生器（合成器）１０Ｄ２と、検出器電極上のイオンを検出するための検出用電子部品１０Ｄ４とを含む、いくつかのサブシステムを含む。コンピュータ１０Ｄ５は、データを収集し、システムを制御する。一実施形態では、ＲＦ電場は、高電圧パルスを迅速に発生するようにフライバック変圧器を組み込む、ソフトスイッチ半共振回路によって、発生器１０Ｄ３内で生成される。回路は、約１０〜７０％のデューティサイクルを伴う約１００ｋＨｚ〜４ＭＨｚの周波数で、少なくとも１４００ボルトのピークツーピークＲＦ電圧を提供する。フィルタ電極を駆動するための試料のＲＦ波形を図１０Ｂに示すが、その変形例も本発明の実施の範囲内にある。
【００８９】
好ましくは、チップ１００は、チップ受け具アセンブリ２２０内に挿入される。アセンブリ２２０は、チップを受容するためのソケット２２２を含む。ソケットは、コントローラ１０Ｄに電気的に接続される。チップ受け具２２０の好適な実施形態は、図１１Ｂに示されているように、化学センサシステム１０を質量分光計ＭＳ９８に連結する、さらなる機能を果たす。チップ受け具アセンブリ２２０は、システム１０の流出口オリフィス９９が、オリフィス９９ｘを介して、オリフィス流入口９６と一列にされ、それによって、イオン２４’が、検出および分析のために、ＭＳ内に導かれるように、質量分光計の面２２４に取り付けられる。
【００９０】
フィルタ４０を通過するイオン２４の検出は、図２の検出器電極７０、７２と関連して前述されたように行われてもよい。図３Ａには代替実施形態が示されており、電極７０は、ここでは、質量分光計９８の取り入れ口９６に向かってイオン２４’を偏向させる、偏向電極として使用される。イオンは、集束電極７２ａ、７２ｂによって誘導または集束され、基板５４’内のオリフィス９９、および取り付けアダプタ１０２を介してプレナムガスチャンバ１０１を通過する。チャンバ１０１内に低流速プレナムガスを提供することで、中性化された試料イオンまたは溶媒分子が、質量分光計の取り入れ口９６に入らないようにする。質量分光計の取り入れ口に集束されるイオンは、次いで、標準的な質量分光計の手順に従って検出される。プレナムチャンバ１０１は、図１１Ｂには示されていないが、本実施形態において有益に使用されてもよいことを理解されるであろう。
【００９１】
本発明のアセンブリは、例えば図３Ａ、１１Ｂ、および１２Ａ〜１２Ｂに示されているように、（プレナムチャンバの有無に関わらず）質量分光計の取り入れ口９６の真上に容易に載置することができる。偏向電極（側部実装、図３Ａまたは１２Ａ〜１２Ｂ）によって、ほぼ１００％のイオンを質量分光計に偏向させることができる。
【００９２】
この高効率は、質量分光計の流入口９６に載置され、ドリフト管内の全体のイオンのうちのごくわずかしか、それらを流入口９６内に推進する電場によって影響を受けず、その結果、利用可能なイオンのうちのわずかしか検出されない、図１２Ｃ〜１２Ｄの従来の技術の円筒形設計とは対照的である。
【００９３】
これで、本発明の実施において、いくつかのイオン検出器のうちのいずれかを使用して、化学分析を行うことができることを理解されるであろう。図２および４Ａの実施形態において、検出器は、完全にアセンブリ１０の内部にある。図３Ａの実施形態において、アセンブリ１０は、アダプタ１０２を介して、検出器としての質量分光計９８に密接に係合される。図３Ａの実施形態において、集束電極７２ａ、７２ｂへの電流が監視される場合は、次いで、さらなる検出器情報が、質量分光計９８の検出情報を処理するのに利用可能である。集束電極７２ａ、７２ｂが無くても、本発明のＤＭＳスペクトルは、質量分光計内の全イオン電流を監視することによって再構成することができる。
【００９４】
図１３Ａおよび１３Ｂに本発明の代替実施形態が示されているが、エレクトロスプレー先端部２０は、上部基板５２’内のオリフィス３１を通じて上から（図１３Ａ）、または側部から（図１３Ｂ）、イオン領域２３内に挿入されている。誘引電極１０４、１０６は、イオンがガス流９０内をフィルタ電極４４、４６に向かって進行する時に、流路３０内のイオンを誘引および誘導する。図１３Ａにおいて、エレクトロスプレー先端部２０からの液滴は、リザーバ５４ａ内で収集するが、排出孔５４ｂが提供されてもよい。
【００９５】
イオンがイオンフィルタを通過した後、かつ出力区間１０Ｃに入る前に、それらを濃縮することが望ましい。これは、検出器での信号対雑音比を向上させ、感度を向上させる。イオントラップまたはイオンウェルは、このように、イオンを収集し、それらを濃縮し、次いで、濃縮されたイオンを直ちに出力区間に送達することができる。中性粒子は、イオントラップ内には収集されず、ガス流によって、イオントラップＴから継続的に除去される。
【００９６】
イオントラップは、例えば、図２、Ｂ、Ｃにあるように、本発明の多くの実施形態に適用することができる。例示的な実施形態を図１３Ａに示すが、イオントラップＴは、いくつかの適切にバイアスされる電極対で形成されている。一実施例において、正イオンの場合、電極は、最小電位が電極対７６ｂの領域内に形成され、電極対７６ａおよび７６ｃの電位がより高くなるようにバイアスされる。イオンは、トラップ内に集積することができ、所望の期間の後に、所望の数のイオンが収集され、トラップは、電極７６ａ、７６ｂ、および７６ｃに印加される電圧を調整することによって開くことができる。トラップが開かれた時、トラップされたイオン２４’は、出力区間１０Ｃ内へ流れる。
【００９７】
上述の実施形態において、イオンフィルタ４０は、イオンがドリフト管２９内のガス流９０によって推進されるときに、ＲＦおよびＤＣ発生器１０Ｄ３によって駆動される、離間された電極４４、４６を含む。図１４Ａおよび１４Ｂの実施形態は、本発明の長手方向電場駆動の実施形態であり、ドリフト管２９内のイオンを運搬する新規方法が示されている。
【００９８】
図１４Ａおよび１４Ｂの実施形態において、イオンは、電極１１０および１１２によって発生される長手方向電場を使用して、出力区間１０Ｃに向かって推進される。これらの実施形態は、超小型設計におけるガス流構造の簡略化を特徴とし、ガス流でさえも随意である。
【００９９】
一実施形態では、イオンは、ガス流１２２とは反対方向に進行し、電場ベクトル１２０によって推進される。このイオンの進行とは反対方向のガス流は、試料イオンの脱溶媒和を高める。また、中性試料分子の無い清浄なイオンフィルタ４０を維持する。その結果、これは、イオンクラスタの形成レベルを減少させ、イオン種のより正確な検出をもたらす。さらに、逆ガス流は、イオン化領域２３内の以前の試料の記憶効果を空にし、削減する。本実施形態は、示されているように上または側部からイオン領域２３内に挿入される、統合エレクトロスプレー先端部２０を含むことができる。
【０１００】
図１４Ａおよび１４Ｂの長手方向電場駆動の実施形態において、イオン２４、２６は、ガス流１２２によってではなく、長手方向ＲＦおよびＤＣ発生器１０Ｄ３’とともに、複数組の協働電極１１０、１１２によって生成された長手方向電場の作用によって運搬される。特定の電極バイアススキームにおける平面ＤＭＳの動作の一実施例として、いくつかの、または全ての電極対１１０ａ〜ｈ、１１２ａ〜ｈが、同一のＲＦ電圧が印加され、一方で、ＤＣ電位は、イオンを検出器に向かって駆動するよう長手方向の電位勾配が形成されるようにステップ化される。本実施形態は、ガス流無しで動作させることができ、または随意に、中性粒子および溶媒分子を排出ポート１２４から排出する、排ガス流１２２を含むことができる。
【０１０１】
一実施例において、電極１１０、１１２ａには１０ｖｄｃが印加される場合があり、次いで、電極１１０ｈ、１１２ｈには１００ｖｄｃが印加される場合がある。これで、領域１０Ａ内の負のイオンは、電極対１１０ａ〜１１２ａによって誘引され、さらに対１１０ｈ、１１２ｈによって誘引され、次いで、それらの勢いは、フィルタを通過した場合に、それらを検出器領域１０Ｃ内に搬送する。
【０１０２】
ＲＦおよび補償は、種々の電極１１０ａ〜ｈ、１１２ａ〜ｈに印加されてもよく、上述の様態で動作する。
【０１０３】
図１４Ａの別の実施形態では、エレクトロスプレー先端部は、オリフィス３１の上の、イオン化領域２３（図示せず）の外部とすることができ、その場合、電極１１２ｊが誘引電極として機能する。図１４Ｂの長手方向電場駆動の実施形態において、イオンフィルタは、絶縁媒体１４０、１４２、例えば低温酸化材料によって、電極１３４、１３６から絶縁される、離間された抵抗層１４４、１４６を含む。好ましくは、基板が絶縁している。抵抗層１４４、１４６は、好ましくは、絶縁層１４０、１４２上に蒸着されるセラミック材料である。端子電極対１５０、１５２、１５４、１５６は、長手方向電場ベクトル１２０を発生させるように、抵抗層と接触し、各抵抗層にわたる電圧降下を可能にする。電極１５０および１５４は、用途に従ってバイアスされ、例えば、それらを１０００ボルトにし、一方で、電極１５２および１５６をゼロボルトにしてもよい。
【０１０４】
図１４Ｂの実施形態が円筒形設計で実装される時には、次いで、電極１５０および１５４がリング電極を形成し、電極１５２および１５６がリング電極を形成し、抵抗層１４４、１４６が円筒を形成する。
【０１０５】
本発明はまた、飛行時間型イオン移動度分光測定機能を実行することもできる。例えば、図１４Ａの実施形態において、電極１０４、１０６は、先端部２０からイオン化される試料を吸引するようにパルス化され、時間サイクルを開始する。電極１１０ａ〜ｈ、１１２ａ〜ｈは、発生される長手方向電場勾配によってイオンが出力区間１０Ｃに向かって駆動されるように、隣接するそれらと相対的にバイアスされる。逆ガス流１２２は、試料の中性粒子を一掃するように印加することができる。これらの電極の組み合わせは、上述したイオントラップＴを形成するのに使用することができる（図１２を参照されたい）。
【０１０６】
図１５Ａの分裂ガス流の実施形態において、エレクトロスプレー針１２は、基板５２を通じてイオン領域２３内に挿入されるが、図２にあるように、外部からドリフト管に載置されてもよい。この設計のイオン流発生器は、長手方向電場Ｅを作成するように、流路３０の反対側に複数のセグメント化電極１６０、１６２を含む。好適な実施形態において、１つ以上の個別電極１６０’、１６２’は、ガスの分裂流を越えて長手方向電場Ｅを延在させるように、ガス流入口１７０の下流に位置し、それによって、ドリフトガス流ストリーム１７２によって搬送される時に、イオンがフィルタ４０内に流れるようにする。
【０１０７】
図１５Ｂの実施形態において、質量分光計９８は、ドリフト管３０の端部に直接連結される。この設計の利点は、イオンフィルタ４０が、分裂ガス流によって試料の中性粒子の無い状態に維持されることである。これは、イオンによる中性試料分子のクラスタ化を防止し、より高い検出精度をもたらす。中性粒子Ｎを通気させるための通気デバイス１０３は、中性粒子をＭＳの取り入れ口から遠ざける。
【０１０８】
調節板１７４は、ドリフトガス流ストリーム１７２の速度に対して廃ガス流ストリーム１７６の速度を調節するように、示されるように配置されてもよい。典型的には、ドリフトガス流ストリーム１７２は、廃ガス流ストリーム１７６よりも速度が速い。しかしながら、ドリフトガス流ストリームとは異なる速度の廃ガス流ストリームを作成するための他の手段が、本発明の範囲に含まれる。
【０１０９】
図１５Ａ、１５Ｂの実施形態では、単純な周囲空気試料を吸引するポート、またはエレクトロスプレー、ガスクロマトグラフ、液体クロマトグラフ等に関わらず、種々の試料調製区間を使用することができる。何が使用されるかに関わらず、示されている分裂ガスの実施形態は、クラスタ化を防止することができ、より良好なイオン種の識別を可能にする。
【０１１０】
概して、試料イオンは、モノマーまたはクラスタ状態で見つけられる傾向にある。所与のイオン種に対するモノマーの量とクラスタイオンの量との関係は、試料の濃度および特定の実験条件（例えば、水分、温度、流速、ＲＦ電場の強度）に依存する。モノマーおよびクラスタの両方の状態は、有用な情報を化学的識別に提供する。同一の試料を、クラスタ化を促進する条件とモノマーイオンだけの形成を促進する環境とで、別々に調査することは有用である。これを達成するために、図１６に示されているような一実施形態の平面２チャネル平面ＤＭＳを使用することができる。
【０１１１】
図１６の二重チャネルの実施形態において、第１のチャネル「Ｉ」は、イオン領域１９４内の、イオン２４の受容およびドリフトガス流１９０中の分子２８を示している。また、平面ＤＭＳフィルタ電極４４、４６、および検出器電極７０、７２が含まれる。
【０１１２】
モノマー状態の試料イオンを調べるために、イオンは、（電極１９８と２００との間の電場の作用による）流れストリームから抽出され、それらは上部チャンバ「ＩＩ」内へ上方に流れる。中性分子２８は、典型的には溶媒であり、チャネル「Ｉ」を通って流れて、ドリフトガス排出口１９２において流出するのを継続する。エレクトロスプレー先端部２０と誘引電極１９１との間の電位差は、基板５６内のオリフィス１９６を通じてイオン領域１９４に入るイオンを加速する。第２のガス流２０２は、試料の中性粒子がチャンバ「ＩＩ」に入るのを防止し、イオン２４を平面ＤＭＳフィルタ４０（チャンバＩＩ内の電極４４、４６）に搬送し、通過したイオンは、次いで、図２にあるような検出器電極７０、７２、または図３Ａにあるような質量分光計等によって検出される。第２のガス流２０２は、流れ２０４として排出する。偏向および誘引電極１９８、２００が通電されていないときは、次いで、局所検出器電極７２および７０によって、チャンバＩにおいて試料イオンをクラスタ状態で観察することができる。電極１９８および２００に通電することと、通電しないこととを交互に行うことによって、化学試料をより良好に識別するために、極めて多くの情報を得ることができる。
【０１１３】
図１７は、本発明の一実施で得られる、ブタノンからデカノンにわたる、同族列のケトン試料を示している。図から、同一の化学種に対して、クラスタイオン（上部線図）は、モノマーイオン（下部線図）と比較して、非常に異なる補償信号を必要とすることは明白である。よって、モノマーおよびクラスタピークのピーク位置の差を観察することによって、化学化合物の識別レベルを大幅に増加させることができる。例えば、ブタノンの場合、モノマー状態におけるピーク位置は、ほぼ−９ボルトで生じるが、クラスタピークは、ほぼゼロである。デカノンの場合、例えば、モノマーピークは、ほぼゼロであるが、クラスタピークは、ほぼ＋４ボルトである。
【０１１４】
図１８に示されている実施形態の動機は、実施形態１６のそれと同一である。このシステムにおいて、モノマー状態とクラスタ状態との間の動作条件の切り替えは、カーテンガス流１９０ａおよび１９２ａを制御することによって達成される。印加されるカーテンガスによって、試料の中性粒子２８が、チャネル「ＩＩ」に入ることが防止され、モノマー状態のイオンを調査することができる。カーテンガス１９０ａおよび１９２ａは、例えば、同一方向に流れて、オリフィス１９６で排出されてもよい。一方、チャネル「ＩＩ」内のガス流は、図１６のシステムと同一構成のままである。チャネル「ＩＩ」にイオンを誘導するように、誘導電極２０６および２０８が含まれる。誘引電極２００がまた、イオンをチャネル「ＩＩ」に誘引するのにも使用される。カーテンガスが止められた時には、試料の中性粒子および試料イオンが、ポンプ２０４ａを使用してチャネル「ＩＩ」内へ吸引され得るので、クラスタ状態のイオンが観察され得る。また、ガス流２０２および２０４が使用されてもよい。出力区間は、質量分光計に接続されてもよい。
【０１１５】
本発明の用途において、高電場非対称性イオン移動度のフィルタ処理技術は、高周波数高電圧波形を使用する。電場は、イオン移送に対して垂直に印加され、平面構成に有利に働く。この好適な平面構成によって、ドリフト管を、好ましくは微細加工によって、小寸法で安価に製作することができる。また、電子部品を小型化することができ、推定される全電力は、４ワット（非加熱）以下の低さとすることができ、そのレベルは、電場測定に好適である。
【０１１６】
エレクトロスプレーとフィルタ構成要素とを組み合わせた新規な装置が記述された。さらに、微細加工された平面ＤＭＳ−エレクトロスプレーインターフェースチップを開示する。平面ＤＭＳ−エレクトロスプレーインターフェースチップは、エレクトロスプレー質量分析のための全ての従来の生体分子フィルタ処理法と比較して、固有の効果を提供する。同時に、本アプローチは、毛管電気泳動等の多くの液体中分離技術とともに使用することができる。
【０１１７】
本発明の一実施形態の実施において、三ブチルアミンを平面ＤＭＳフィルタおよび検出器内にエレクトロスプレーした。溶媒中のアミン、および溶媒溶出剤だけの場合の、結果として生じるスペクトルを図１９に示す。溶出剤単独の場合は事実上いかなる反応も無く、アミンに対しては著しい反応があった。これは、本発明の実用的な価値および機能を示す。
【０１１８】
本発明は、小型かつ低コストのパッケージにおける改善された化学分析を提供する。本発明は、小型で、現場で使用できる（ｆｉｅｌｄａｂｌｅ）パッケージにおけるイオン移動度に基づいた、化学種を弁別するための新規な方法および装置で、従来の技術のＴＯＦ−ＩＭＳおよびＤＭＳデバイスのコスト、サイズ、または性能限界を解決する。その結果、新規な平面、高電場非対称性イオン移動度分光計デバイスは、新しい種類の化学センサを、すなわち、独立型またはＭＳに連結されるデバイスとして達成するように、エレクトロスプレー先端部に密に連結することができる。現場で使用できる統合平面ＤＭＳ化学センサを提供することができ、広範囲の化学化合物を識別するための、正確で、リアルタイムまたはほぼリアルタイムで、原位置の直交データを迅速に生成することができる。これらのセンサは、広範囲の種の同時検出を提供するさらなる能力を有し、また、試料中の正および負のイオンの同時検出能力を有する。さらに驚くべきは、これは、低電力要件を伴う現場で動作させることができ、さらにまた、種々の検出された種を完全に識別することができる直交データを発生させることができる、費用効果的で小型の大量生産パッケージで達成できることである。
【０１１９】
従来の技術の円筒形設計を超える平面ＤＭＳ設計の別の利点は、電場強度に関して異なるアルファα依存性を有する全てのタイプのイオンにフィルタ処理および作用を与える、平面ＤＭＳの能力である（アルファαの詳細は、背景技術の項を参照されたい）。この事実は、未知の複合試料混合物の測定を行う複雑さを大幅に削減することができる。
【０１２０】
当業者には、図１２Ｃ〜Ｄに示されている従来の技術の円筒形設計において、放射状の電場分布が不均一であることが理解されるであろう。一方、図２、Ｂに示されている平面ＤＭＳのような本発明の一実施において、平面ＤＭＳ設計におけるイオンフィルタ電極間の電場分布（漏れ電場は無視する）は、均一であり、電場も均一である。
【０１２１】
平面ＤＭＳ設計でのイオンの分離にかかる時間は、イオンを集束するための条件に到達すると、従来の技術の円筒形ＤＭＳ（ＦＡＩＭＳ）設計よりも、大幅に短い（１０倍以下）。
【０１２２】
図２０は、本発明の例示的な一実施形態による、直列ＤＭＳ−ＭＳ分析器３００の略図である。分析器３００は、イオン化領域３０２と、分析器領域３０４と、プレフィルタ流入口３０６と、プレフィルタ流出口３０８と、流路３１０と、ＭＳ３１２とを含む。分析器領域３０４は、選択されたイオンをＭＳ３１２へ通過させるように非対称性電場が形成される、ＤＭＳフィルタ電極３１４および３１６を含んでもよい。イオン化領域３０２は、放射性源、容量放電源、ＥＳＩ、ナノＥＳＩ、ＭＡＬＤＩ、ＬＣ出力先端部、または他のイオン化源のようなものであってもよい、イオン化源３１８を含んでもよい。一実施形態では、分析器領域３０４を通る流路３１０の少なくとも一部は、ＭＳ３１２の入口または流入口３２６と同じ長手方向軸３２４と実質的に一列であるか、これに沿う。別の実施形態では、プレフィルタ流出口３０８は、中性粒子が、フィルタ処理されたイオンとともにＭＳ３１２に入ることができるようにする代わりに、中性粒子を分析器３００から放出できるように、流入口３２６からＭＳ３１２へオフセットされる。一実施形態では、ＤＭＳフィルタ電極３１４および３１６は、それぞれ絶縁基板３２０および３２２上に微細加工される、および／またはその上に形成される、またはそれに取り付けられる。特定の実施形態において、分析器領域３０４を少なくとも含むプレフィルタアセンブリ３２４は、分析器領域３０４を収容するための統合チップアセンブリを含む。
【０１２３】
動作において、試料は、流路３１０に沿って、プレフィルタ流入口３０６から、試料Ｓがイオン化されるイオン化領域３０２へ流れる。イオンは、次いで、選択されたイオンが、電極３１４と３１６との間の電場の条件に関して通過できる場合に、分析器領域３０４を通って流れる。条件は、補償電圧設定を含んでもよい。フィルタ処理される、または分析器領域３０４を通過することができる、選択されたイオンは、次いで、ＭＳ３１２に送達される。一実施形態では、分析器領域３０４内の電場は、実質的に全てのイオンがＭＳ３１２へ流れることができるように、除去される、および／または停止される。分析器３００の直列構成の１つの利点は、イオンが、分析器領域３０４内でフィルタ処理されているかどうかに関わらず、搬送ガスが、プレフィルタ３２４を通じて試料イオンを連続的に流すことができることである。したがって、特定の実施形態では、イオンをＭＳ３１２に流す能力に影響を及ぼさずに、イオン移動度のフィルタ処理がオンまたはオフされる。したがって、プレフィルタ３２４および／またはＤＭＳのフィルタ処理を必要とせずに分析器３００が使用されるときには、流路３１０の変更またはプレフィルタ３２４の除去は不要である。
【０１２４】
特定の実施形態において、分析器３００は、例えば図１のコントローラ１０Ｄと同一の機能を行い得る、コントローラ３２８を含む。一実施形態では、コントローラ３２８は、電極３１４および３１６に印加されるフィルタ電圧をオンまたはオフして、それによって、フィルタ電極３１４および３１６に関連するあらゆるフィルタ電場の発生または除去ができるように、フィルタ電極３１４および３１６を有効化または無効化することができる。
【０１２５】
図２１は、本発明の例示的な一実施形態による、ＬＣ−ＤＭＳ−ＭＳ分析器４００のブロック図である。分析器４００は、ＬＣ４０２と、ＥＳＩ４０４と、ＤＭＳプレフィルタ４０６と、ＭＳ４０８と、および随意に第２のＭＳ４１０とを含む。動作において、ＬＣ４０２は、液体試料を受容して、カラムを介して試料の分離を行う。ＬＣ４０２は、液体試料ＳがＤＭＳプレフィルタ４０６内に入る前に、ガスおよび／または蒸気に変換するように、液体−ガス変換区間またはＥＳＩ４０４とのインターフェースを含んでもよい。プレフィルタ４０６は、ＭＳ４０８へ通る選択されたイオン種をフィルタ処理するように、ＤＭＳ、または他のイオン移動度ベースの分析器、あるいは複数のイオン移動度ベースの分析器の組み合わせを含んでもよい。随意の構成では、さらなる検出および／または分析のために、第２のＭＳ４１０またはそれより多くを用いてもよい。
【０１２６】
特定の実施形態では、プレフィルタ４０６は、着脱可能、モジュール式、および／または交換式である。一実施形態では、プレフィルタ４０６は、使い捨てで単一用途の、または限定用途の構成要素である。別の実施形態では、プレフィルタ４０６は、同一タイプのプレフィルタまたは別のタイプのプレフィルタを、直列、並列、または直列と並列の組み合わせで配設された１つ以上のイオン移動度フィルタと交換できるように、着脱可能である。一実施形態では、プレフィルタ４０６は、ＭＳ４０８のための受容器上に載置することができる、着脱可能な統合チップアセンブリ内に含まれる。別の実施形態では、プレフィルタ４０６は、恒久的に、または半恒久的にレセプタに載置される。
【０１２７】
特定の実施形態において、プレフィルタアセンブリは、１つ以上の搬送ガス流入口、１つ以上のドープ剤流入口、１つ以上の分流ガス流入口、および／または１つ以上のカーテンガス流入口または流出口を含む。分析器４００は、有利には、薬物代謝および薬物動態学（ＤＭＰＫ）、プロテオミクス、バイオマーカ、ジェノミクス、シトミクス、バイオインフォマティクス、メタボロミクス、リピドミクス、システム生物学、トランスクリプトミクスの分野、および他の類似する分野に用いられてもよい。
【０１２８】
図２２は、本発明の例示的な一実施形態による、ＬＣ−ＤＭＳ−ＭＳ分析器５００の概略図である。分析器５００は、試料Ｓの流入口５３２と、ＬＣ５０２と、液体−ガス変換ユニット５０４と、先端部５１４と、プレフィルタアセンブリ５１０と、ＤＭＳプレフィルタ５０６と、チャンバ５１２と、ガス流入口５２４および５２６と、ガス流出口５２８と、チャンバ試料導入口５１６と、支持金具５３０と、ＭＳ５０８とを含む。ＤＭＳプレフィルタ５０６は、フィルタ電極５１８および５２０を含む。
【０１２９】
動作において、液体試料Ｓは、流入口５３２で、カラムを使用して試料Ｓの構成成分を分離する、ＬＣ５０２に導入される。ユニット５０４および先端部５１４は、流入口５１６およびガスチャンバ５１２への導入のために、液体をガスに変換する。先端部５１４は、エレクトロスプレーイオン化源の先端部であってもよい。１つ以上のドープ剤を含む搬送ガスは、流入口５２４を介してチャンバ５１２内に導入されてもよい。また、チャンバ５１２は、試料イオンのチャンバ５１２内への流れ促進するように、先端部５１４に近接する雰囲気よりも低い圧力に維持されてもよい。流出口５２８は、チャンバ５１２内の過剰なガスを排出するように、および／またはその圧力を調節するように用いられてもよい。特定の実施形態において、チャンバ５１２内の圧力は、中性干渉粒子を脱溶媒和するための、および／またはプレフィルタ５１０に入るのを防止するための、ガスの逆流（試料Ｓのイオンとは逆の流れ）を可能にするように、先端部５１４に近接する雰囲気よりも比較的に高くしてもよい。試料イオンは、流入口５３４を介してＤＭＳフィルタ５０６に導入される。選択されたイオンは、電極５２０および５２２に印加されるＲＦおよび／またはＤＣ補償電圧を調整することによって、フィルタ処理されてもよい。図示されていないが、電極５２０および５２２を離間するように、分析器領域５１８の一部または全長に沿って、スペーサを用いてもよい。分析器領域５１８を出ると、選択されたイオンは、ＭＳ５０８に移送される。分析器領域５１８からの流出口は、中性粒子および／または他の干渉物のＭＳ５０８への導入を削減するように、ＭＳ５０８からオフセットされてもよい。
【０１３０】
分析器５００は、試料分析動作を可能にするように、以下の設定範囲を含んでもよく、およそ、Ｕ１＝２０００〜４０００ｖ、Ｕ１＝５００〜８００ｖ、Ｕ３＝１００〜３００ｖ、Ｕ４＝１００〜３００ｖ、Ｕ５＝１０〜１００ｖ、ｑ＝１０〜３００ｕＬ／分、Ｑ１＝０．１〜１．１Ｌ／分、Ｑ２ｂ＝０．１〜０．４Ｌ／分、Ｑ３＝０．２〜０．５Ｌ／分、およびＱ４＝０．８〜１．５Ｌ／分、を含む。Ｑ２ａの設定は変化し得る。
【０１３１】
種々の実施形態において、ＤＭＳ−ＭＳ分析器システムのサイズおよび電力消費は、ＭＳへのイオン流速を大幅に低くすることを可能にするような方法で、ＤＭＳに関してＭＳを配向することによって削減される。したがって、ＭＳ内で適切な真空を維持するように、それによってＤＭＳ−ＭＳ分析器のサイズおよび電力要件を削減する、極めて小さい真空ポンプまたはポンプが必要である。
【０１３２】
図２３は、本発明の例示的な一実施形態による、ＤＭＳ６０６からＭＳ６０４へのイオンの流速の低減を可能にする分流器アセンブリ６０２を含む、イオン分析器６００の略図である。一実施形態では、イオン分析器６００は、イオン源６１２から第１の流速でイオン流６１０を発生させる、流動発生器６０８を含む。イオン分析器６００は、イオン源６１２からのイオン６１０の流れを受容するように連結されるチップアセンブリ（図２４を参照されたい）内に含まれてもよい。
【０１３３】
分析器６００のＤＭＳ６０６は、基板６１６に接続される第１のフィルタ電極６１８を伴う第１の基板６１６を含む、離間されたＤＭＳフィルタ６１４を含んでもよい。第２のフィルタ電極６２０は、第１のフィルタ電極６１８から離間され、それによって、第１および第２のフィルタ電極６１８および６２０と、それを通じてイオン流が生じる流路６２４の一部との間に、分析空隙６２２を画定してもよい。
【０１３４】
一実施形態では、イオン分析器６００は、流路６２４からのイオンの一部を受容する、質量分光計６０４を含む。質量分光計６０４は、流路６２４のイオン６１０の流れからオフセットされる、流入口６２６を含む。したがって、流入口が実質的にイオン流６１０の方向に位置付けられないので、流入口６２６はオフセットされている。一実施形態では、イオン分析器６００は、イオン流６１０のイオンの少なくとも一部の流れの向きを、ＭＳ６０４の流入口６２６の方へ変える、分流器アセンブリを含む。しかしながら、第１の流路からのイオンの一部は、ＤＭＳフィルタ６０６を通じたイオン流の流速未満である第２の流速で、流入口６２６を通じて流される。ＭＳ６０４への流速を実質的に削減することによって、真空発生器６２８は、ＭＳ６０４でのイオン分析を可能にする所要の真空圧力を維持するのに必要な電力および容量が少なくなる。
【０１３５】
したがって、真空発生器のサイズ、およびそれによって使用される電力量を大幅に削減することができ、より小型で携帯型のイオン分析器６００をもたらす。特定の実施形態において、真空発生器は、第１の粗引きポンプおよび第２の低温ポンプを含む２段真空ポンプシステムを含む。特定の実施形態では、１つ以上の真空ポンプが微細加工される。真空発生器６２８は、約１０−１、１０−２、１０−３、１０−４、１０−５、および１０−６トールを超える真空を維持してもよい。特定の実施形態において、ＤＭＳ６０６を通じたイオン流６１０の流速は、約１００ｃｃ／分、２００ｃｃ／分、３００ｃｃ／分、４００ｃｃ／分、および５００ｃｃ／分を超えてもよい。
【０１３６】
一実施形態では、コントローラ６３０は、種々のイオン種が分析空隙６２２を通って流れている間に、イオン種を分離するための電場特性を伴う、時間変動電場を第１および第２のフィルタ電極６１８および６２０の間に発生させるように、第１および第２のフィルタ電極６１８および６２０のうちの少なくとも１つに接続される。真空発生器６２８は、質量分光計６０４の流入口６２６でのイオン流速に応じて、質量分光計６０４内を選択された真空に維持してもよい。
【０１３７】
一実施形態では、分流器アセンブリは、第１の質量分光計６０４の流入口６２６に向かってイオンを導く、分流電極６０２を含む。別の実施形態では、分流器アセンブリは、流入口６２６に向かってイオンを誘引する、１つ以上の誘引電極６３２および６３４を含む。
【０１３８】
図２４、本発明の例示的な一実施形態による、ＭＳ７０６の流入口７０２がＤＭＳ７０８のイオン流７０４からオフセットされる、統合ＤＭＳ−ＭＳ分析器７００の略図である。一実施形態では、ＤＭＳ−ＭＳ分析器７００は、統合チップアセンブリ７１２の１つ以上の基板７１０上に含まれる。チップアセンブリは、試料流入口７１４および排出口７１６を含んでもよい。図２４には図示されていないが、チップインターフェースアセンブリ７１２が、図２３のコントローラ６３０等の種々の電子部品とインターフェースしてもよい。チップアセンブリ７１２はまた、ＤＭＳ７０８内のイオン流およびＭＳ７０６内の真空を補助するように、１つ以上の流動発生器および／または真空発生器にも連結される。特定の実施形態において、統合ＭＳ７０６は、英国、ＳｕｒｒｙのＭｉｃｒｏｓａｉｃ（登録商標） Ｓｙｓｔｅｍｓ ｏｆ ＷｏｒｋｉｎｇによるＩｏｎｃｈｉｐ（登録商標）等の、統合された、および／または微細加工されたＭＳを含んでもよい。統合ＭＳ７０６は、米国特許第５，５３６，９３９号、第６，９７２，４０６号、および第７，２０８，７２９号に記載されているタイプの統合ＭＳを含んでもよく、それらの全体の内容は、参照することによって本明細書に援用される。
【０１３９】
図２５は、本発明の例示的な一実施形態による、統合多層ＤＭＳ−ＭＳ分析器８００の略図である。特定の実施形態において、分析器８００は、図２３のＤＭＳ６０６等のＤＭＳ分析器を含むＤＭＳ層８０２と、図２３のＭＳ６０４等のＭＳを含むＭＳ層８０４と、を含む。
【０１４０】
本発明の実施形態は、円筒形、平面、および他の構成を使用した方法および装置で行われてもよく、それでも本発明の精神および範囲に含まれる。本発明の用途の実施例には、生物学的および化学センサ等が挙げられる。上述の特定の実施形態の種々の修正も、本発明の精神および範囲に含まれる。本願明細書に開示される実施例は、例示目的で示されたものであり、限定を目的とするものではない。これらの、および他の実施形態の範囲は、以下の特許請求の範囲に記載されているものに限定される。
【０１４１】
本発明は、その好適な実施形態を参照して特に図示および説明したが、当業者は、添付の特許請求の範囲に包含される本発明の範囲から逸脱することなく、形状および細部に種々の変更を行ってもよいことを理解されるであろう。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の１つ以上のイオン種を分析するためのシステムであって、
イオン源と、
プレフィルタアセンブリであって、
一対のフィルタ電極間の分析空隙内の時間変動電場に該試料の１つ以上のイオン種を通過させるための微分移動度分光計フィルタと、
該微分移動度分光計フィルタからイオン流を提供するための流出口と、
を含む、プレフィルタアセンブリと、
該プレフィルタアセンブリからの該イオン流の少なくとも一部を流入口で受容し、１つ以上のイオン種を分析するための第１の質量分光計と、
プレフィルタ処理が所望されるときには、該微分移動度分光計フィルタを有効化し、プレフィルタ処理が所望されないときには、該微分移動度分光計フィルタを無効化するためのコントローラと
を備え、該微分移動度分光計フィルタは、該第１の質量分光計の該流入口と実質的に一列に位置付けられる、
システム。
【請求項２】
前記微分移動度分光計フィルタは、前記一対のフィルタ電極間の前記分析空隙の長手方向軸が、前記第１の質量分光計の前記流入口の長手方向軸と一列である時に、該第１の質量分光計の該流入口と一列である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記時間変動電場は、調整可能であり、調整可能な補償電場を含む、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記コントローラは、マイクロプロセッサを含む、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記イオン源は、エレクトロスプレーイオン源を含む、請求項２に記載のシステム。
【請求項６】
液体試料を前記エレクトロスプレーイオン源に送達するための液体クロマトグラフ（ＬＣ）を備える、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記分析することは、１つ以上のイオン種の検出を含む、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記第１の質量分光計からイオンを受容して検出するための第２の質量分光計を備え、
前記分析することは、前記微分移動度分光計から受容される前記イオンの一部を集束することを含む、請求項６に記載のシステム。
【請求項９】
前記微分移動度分光計は、絶縁基板を含み、少なくとも１つの絶縁基板は、フィルタ電極と連通する、請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記微分移動度分光計は、チップアセンブリに含まれる、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
試料の１つ以上のイオン種を分析するための方法であって、
イオンを形成するように該試料の一部をイオン化するステップと、
一対のフィルタ電極間の分析空隙を通じてイオンを流すステップと、
該流れるイオンの少なくとも一部を第１の質量分光計の流入口で受容し、１つ以上のイオン種を分析するステップと、
該第１の質量分光計のプレフィルタ処理が所望されるときには、該試料の該１つ以上のイオン種を通過させるように、該一対のフィルタ電極間の該分析空隙内の時間変動電場を有効化し、プレフィルタ処理が所望されないときには、該一対のフィルタ電極間の該分析空隙内の該時間変動電場を無効化するステップと、
該一対のフィルタ電極間の該分析空隙を、該第１の質量分光計の該流入口と実質的に一列に位置付けるステップと
を含む、方法。
【請求項１２】
前記分析空隙を前記第１の質量分光計の前記流入口と一列に位置付けるステップは、前記一対のフィルタ電極間の前記分析空隙の前記長手方向軸を、該第１の質量分光計の該流入口の該長手方向軸と一列にするステップを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記時間変動電場は、調整可能であり、調整可能な補償電場を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
マイクロプロセッサを使用して、前記有効化および無効化するステップを制御するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記試料の一部をイオン化するように、エレクトロスプレーイオン源を使用するステップを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
液体クロマトグラフ（ＬＣ）から液体試料を溶出させて、前記試料を前記エレクトロスプレーイオン源に送達するステップを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記分析するステップは、１つ以上のイオン種を検出するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１の質量分光計からのイオンを第２の質量分光計で受容し、検出するステップであって、前記分析するステップは、前記流入口からの前記イオンの一部を集束するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記一対のフィルタ電極のうちの少なくとも１つのフィルタ電極を、絶縁基板上に形成するステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記絶縁基板は、チップアセンブリに含まれる、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
イオン分析器であって、
第１の流速でイオン源からイオン流を生成する流動発生器と、
該イオン源から該イオン流を受容するように連結されるチップアセンブリであって、
基板に接続される第１のフィルタ電極を伴う第１の基板を含む、離間フィルタと、
第２のフィルタ電極であって、該第１のフィルタ電極から離間され、それによって、該第１のフィルタ電極と第２のフィルタ電極との間の分析空隙、およびそれを通じて該イオン流が生じる流路の一部を画定する、第２のフィルタ電極と、
該流路から該イオンの一部を受容する質量分光計であって、該質量分光計は流入口を含み、該流入口は、該流路内の該イオン流からオフセットされる、質量分光計と、
該流路から該質量分光計の該流入口内へ該イオンの一部を流すための分流器アセンブリであって、該第１の流路からの該イオンの該一部は、第２の流速で該流入口を通って流れ、該第２の流速は、該第１の流速より小さい、分流器センブリと
を有するチップアセンブリと、
該第１のフィルタ電極と第２のフィルタ電極との間に時間変動電場を生成するように、該第１および第２のフィルタ電極のうちの少なくとも１つに接続され、イオン種が該分析空隙を通って流れている間に該イオン種を分離する電場特性を有する、コントローラと、
該質量分光計の該流入口での該第２の流速に応じて、該質量分光計内で選択された真空を維持する真空発生器と
を備えている、分析器。
【請求項２２】
前記分流器センブリは、少なくとも１つの誘引力および反発力によって、イオンを前記第１の質量分光計の前記流入口に向かって誘導する分流器電極を含む、請求項２１に記載の分析器。
【請求項２３】
前記選択された真空を維持することは、約１０−１〜約１０−６トールの範囲で真空を発生させるステップを含む、請求項２１に記載の分析器。
【請求項２４】
前記第１の流速は、約１００ｃｃ／分〜約４００ｃｃ／分の範囲である、請求項２３に記載の分析器。
【請求項２５】
前記チップアセンブリは、複数の層を含む、請求項２１に記載の分析器。
【請求項１】
試料の１つ以上のイオン種を分析するためのシステムであって、
イオン源と、
プレフィルタアセンブリであって、
一対のフィルタ電極間の分析空隙内の時間変動電場に該試料の１つ以上のイオン種を通過させるための微分移動度分光計フィルタと、
該微分移動度分光計フィルタからイオン流を提供するための流出口と、
を含む、プレフィルタアセンブリと、
該プレフィルタアセンブリからの該イオン流の少なくとも一部を流入口で受容し、１つ以上のイオン種を分析するための第１の質量分光計と、
プレフィルタ処理が所望されるときには、該微分移動度分光計フィルタを有効化し、プレフィルタ処理が所望されないときには、該微分移動度分光計フィルタを無効化するためのコントローラと
を備え、該微分移動度分光計フィルタは、該第１の質量分光計の該流入口と実質的に一列に位置付けられる、
システム。
【請求項２】
前記微分移動度分光計フィルタは、前記一対のフィルタ電極間の前記分析空隙の長手方向軸が、前記第１の質量分光計の前記流入口の長手方向軸と一列である時に、該第１の質量分光計の該流入口と一列である、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記時間変動電場は、調整可能であり、調整可能な補償電場を含む、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記コントローラは、マイクロプロセッサを含む、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記イオン源は、エレクトロスプレーイオン源を含む、請求項２に記載のシステム。
【請求項６】
液体試料を前記エレクトロスプレーイオン源に送達するための液体クロマトグラフ（ＬＣ）を備える、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記分析することは、１つ以上のイオン種の検出を含む、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記第１の質量分光計からイオンを受容して検出するための第２の質量分光計を備え、
前記分析することは、前記微分移動度分光計から受容される前記イオンの一部を集束することを含む、請求項６に記載のシステム。
【請求項９】
前記微分移動度分光計は、絶縁基板を含み、少なくとも１つの絶縁基板は、フィルタ電極と連通する、請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記微分移動度分光計は、チップアセンブリに含まれる、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
試料の１つ以上のイオン種を分析するための方法であって、
イオンを形成するように該試料の一部をイオン化するステップと、
一対のフィルタ電極間の分析空隙を通じてイオンを流すステップと、
該流れるイオンの少なくとも一部を第１の質量分光計の流入口で受容し、１つ以上のイオン種を分析するステップと、
該第１の質量分光計のプレフィルタ処理が所望されるときには、該試料の該１つ以上のイオン種を通過させるように、該一対のフィルタ電極間の該分析空隙内の時間変動電場を有効化し、プレフィルタ処理が所望されないときには、該一対のフィルタ電極間の該分析空隙内の該時間変動電場を無効化するステップと、
該一対のフィルタ電極間の該分析空隙を、該第１の質量分光計の該流入口と実質的に一列に位置付けるステップと
を含む、方法。
【請求項１２】
前記分析空隙を前記第１の質量分光計の前記流入口と一列に位置付けるステップは、前記一対のフィルタ電極間の前記分析空隙の前記長手方向軸を、該第１の質量分光計の該流入口の該長手方向軸と一列にするステップを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記時間変動電場は、調整可能であり、調整可能な補償電場を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
マイクロプロセッサを使用して、前記有効化および無効化するステップを制御するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記試料の一部をイオン化するように、エレクトロスプレーイオン源を使用するステップを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
液体クロマトグラフ（ＬＣ）から液体試料を溶出させて、前記試料を前記エレクトロスプレーイオン源に送達するステップを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記分析するステップは、１つ以上のイオン種を検出するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１の質量分光計からのイオンを第２の質量分光計で受容し、検出するステップであって、前記分析するステップは、前記流入口からの前記イオンの一部を集束するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記一対のフィルタ電極のうちの少なくとも１つのフィルタ電極を、絶縁基板上に形成するステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記絶縁基板は、チップアセンブリに含まれる、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
イオン分析器であって、
第１の流速でイオン源からイオン流を生成する流動発生器と、
該イオン源から該イオン流を受容するように連結されるチップアセンブリであって、
基板に接続される第１のフィルタ電極を伴う第１の基板を含む、離間フィルタと、
第２のフィルタ電極であって、該第１のフィルタ電極から離間され、それによって、該第１のフィルタ電極と第２のフィルタ電極との間の分析空隙、およびそれを通じて該イオン流が生じる流路の一部を画定する、第２のフィルタ電極と、
該流路から該イオンの一部を受容する質量分光計であって、該質量分光計は流入口を含み、該流入口は、該流路内の該イオン流からオフセットされる、質量分光計と、
該流路から該質量分光計の該流入口内へ該イオンの一部を流すための分流器アセンブリであって、該第１の流路からの該イオンの該一部は、第２の流速で該流入口を通って流れ、該第２の流速は、該第１の流速より小さい、分流器センブリと
を有するチップアセンブリと、
該第１のフィルタ電極と第２のフィルタ電極との間に時間変動電場を生成するように、該第１および第２のフィルタ電極のうちの少なくとも１つに接続され、イオン種が該分析空隙を通って流れている間に該イオン種を分離する電場特性を有する、コントローラと、
該質量分光計の該流入口での該第２の流速に応じて、該質量分光計内で選択された真空を維持する真空発生器と
を備えている、分析器。
【請求項２２】
前記分流器センブリは、少なくとも１つの誘引力および反発力によって、イオンを前記第１の質量分光計の前記流入口に向かって誘導する分流器電極を含む、請求項２１に記載の分析器。
【請求項２３】
前記選択された真空を維持することは、約１０−１〜約１０−６トールの範囲で真空を発生させるステップを含む、請求項２１に記載の分析器。
【請求項２４】
前記第１の流速は、約１００ｃｃ／分〜約４００ｃｃ／分の範囲である、請求項２３に記載の分析器。
【請求項２５】
前記チップアセンブリは、複数の層を含む、請求項２１に記載の分析器。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１２Ｃ】
【図１２Ｄ】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２Ａ】
【図１２Ｂ】
【図１２Ｃ】
【図１２Ｄ】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１５Ａ】
【図１５Ｂ】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【公表番号】特表２０１０−５１８３７８（Ｐ２０１０−５１８３７８Ａ）
【公表日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５４８３２４（Ｐ２００９−５４８３２４）
【出願日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／００１４１５
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０９４７０４
【国際公開日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【出願人】（５０６１７６５２６）サイオネックス コーポレイション (2)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／００１４１５
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０９４７０４
【国際公開日】平成２０年８月７日（２００８．８．７）
【出願人】（５０６１７６５２６）サイオネックス コーポレイション (2)
【Ｆターム（参考）】
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