質量分析器における改良された感度のための方法および装置
質量分析器においては、質量解析器による質量解析に先行して、イオン源からのイオンは、送出のために入口開口を通過して真空チャンバに入る。入口開口の構成は、音速開口部または音速ノズルを形成し、既定の真空チャンバ圧を用いて、超音速自由ジェット膨張は、バレルショックおよびマッハディスクの範囲内にイオンを閉じ込める真空チャンバにおいて生成される。一旦形成されると、超音速自由ジェット膨張を実質的に半径方向に閉じ込めるための既定の断面を有するイオンガイドは、真空チャンバを介して送出のためにイオンを集中し得る。これは、イオン源と質量解析器との間のイオン送出を効果的に改善する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の参照）
本出願は、２００５年１２月２２日に出願された米国一部継続特許出願に対する優先権を主張し、その出願番号はまだ割り当てられておらず、その出願は、２００５年１月１０日に出願された米国特許出願第１１／０３２，３７６号の一部継続である。
【０００２】
（技術分野）
本教示は、サンプルにおけるイオンの検出のためにイオンを送るための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
（序文）
質量分析器のための１つの用途は、サンプル分子がイオン化のステップにおいて、イオンに変換され、次いで、質量分離および検出のステップにおいて、質量解析器によって検出される、生物学的なサンプルの研究に向けられる。イオン化技術の多様なタイプは、現在公知であり、一般的に公称の大気圧の領域においてイオンを生成する。質量解析器は、ＲＦ／ＤＣイオンガイドが質量電荷比（ｍ／ｚ）値の限られた占有の範囲内でイオンを送るために使用される四重極の解析器、大きな磁場がｍ／ｚに従ってイオンをそらせるためにイオンの動きに垂直に力を及ぼす扇形磁場解析器および各イオンの飛行時間を測定することがｍ／ｚの決定を可能にする飛行時間（「ＴＯＦ」）解析器であり得る。質量解析器は、隣接する圧力分離を提供するチャンバ間開口を備える１つ以上の個別的にポンプされる真空チャンバにおける配置を一般的には必要とする低圧環境で一般に動作する。イオン化ステップと質量解析器の真空チャンバとの間に配置される１つ以上の開口は、一般に、イオンを質量解析器に送るためのインターフェースを定義する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
（概要）
上述を考慮して、本教示は、サンプルにおけるイオンの検出のためにイオンを送るための装置を提供する。該装置は、高圧領域において、例えば、大気圧でサンプルからイオンを生成するためのイオン源および該イオンを受け取るための真空チャンバを備えている。該真空チャンバは、高圧領域から真空チャンバへイオンを通過させるための入口開口を有する。異なる圧力と関連して、入口開口の直径は、既定のバレルショックおよびマッハディスクを有する、超音速自由ジェット膨張を提供するように寸法を合わせられ、その結果、イオンを真空チャンバ内に閉じ込める。該装置はまた、所定の断面を有する少なくとも１つのイオンガイドを備え、その所定の断面は、超音速自由ジェット膨張を半径方向に閉じ込めるように寸法を合わせられ、その結果、実質的にすべてのイオンを捕捉する。ＲＦ電源によって供給されるＲＦ電圧がイオンガイドに印加される際、超音速自由ジェットにおけるイオンが、出口開口に集束され向けられるように、該イオンガイドは、入口開口と出口開口との間のチャンバに位置付けられ得る。多様な実施形態において、入口開口は、音速ノズルまたは音速開口部を備えているタイプのものであり得、イオンガイドは、多極イオンガイドであり得る。
【０００５】
本教示はまた、サンプルにおけるイオンの検出のためにイオンを送るための方法を提供する。該方法は、高圧領域において、例えば、大気圧でサンプルからイオンを生成するイオン源と、イオン源の下流に配置され、該イオン源を受け取る真空チャンバとを提供することを含む。該真空チャンバは、高圧領域から真空チャンバへイオンを通過させるための入口開口が提供されている。異なる圧力と関連して、該方法は、既定のバレルショックおよびマッハディスクを有する超音速自由ジェット膨張を提供するために、入口開口の直径の寸法を合わせることを含む。イオンは、入口開口を通過し、真空チャンバで生成された超音速自由ジェット膨張によって閉じ込められる。該方法は、所定の断面を有する少なくとも１つのイオンガイドを提供することをさらに含み、その所定の断面は、超音速自由ジェット膨張を半径方向に閉じ込めるように寸法を合わせられ、その結果、実質的にすべてのイオンを捕捉する。ＲＦ電源によって供給されるＲＦ電圧がイオンガイドに印加される際、超音速自由ジェットにおけるイオンが、出口開口に集束され向けられるように、該イオンガイドは、入口開口と出口開口との間のチャンバに位置付けられ得る。
【０００６】
本教示の上述および他の特徴は、本明細書中に示される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
当業者は、以下に記載される図面は、例示目的のためだけであることを理解する。該図面は、決して本教示の範囲を制限することを意図されていない。
【０００８】
図面においては、類似した参照番号は、類似した部分を示す。
【０００９】
（多様な実施形態の説明）
多様なエレメントを参照して本教示に関連して使用される「１つ（ａ）」または「１つ（ａｎ）」という句は、文脈が格別に明示しない場合には、「１つ以上」または「少なくとも１つ」を含む。最初に図１が参照され、図１は、参照番号２０によって概して示される質量分析器を概略的に示す。質量分析器２０は、対象であるサンプル（図示されず）からイオン３０を提供するためのイオン源２２を備えている。イオン源２２は、背景ガス（図示されず）を含み、概して２４に示される高圧Ｐ０領域に配置され得る一方で、イオン３０は、矢印３８によって示される方向に、真空チャンバ２６に向かって進む。該イオンは、入口開口２８を介してチャンバ２６に入り、入口開口２８でイオンがガスの超音速流によって閉じ込められ、ガスの超音速流は、以下に記載されるように超音速自由ジェット膨張３４として概して参照される。真空チャンバ２６は、入口開口２８から下流に位置する出口開口３２と、開口２８および３２の間に位置し、超音速自由ガスジェット３４からのイオン３０を半径方向に閉じ込め、集中させ、送るイオンガイド３６とをさらに備えている。図１の出口開口３２は、チャンバ間開口として示され、チャンバ間開口は、第一の真空チャンバ２６としても知られる真空チャンバ２６を、次の、または第二の真空チャンバ４５から分離し、第二の真空チャンバ４５は、以下に記載されるように、追加のイオンガイドまたは質量解析器４４を収納し得る。本教示の一般的な質量解析器４４は、四重極質量解析器、イオントラップ質量解析器（線イオントラップ質量解析器を含む）および飛行時間質量解析器を含み得る。真空チャンバ２６における圧力Ｐ１は、ポンプ４２によって維持され得、電源４０は、公知の方法でＲＦ電圧を提供するためにイオンガイド３６に接続され得る。イオンガイド３６は、参照文字Ｄ（図５にもまた図示される）によって示される直径を有する内接円によって特徴付けられる所定の断面を有する一組の四極ロッドであり得、内部の体積３７を定義するようにイオンガイド３６の軸方向の長さに沿って伸びている。イオン３０は、最初に開口部カーテンガス領域を通過し得、その開口部カーテンガス領域は、一般に当業技術に公知であり、脱溶媒を実行し、望まれない微粒子が真空チャンバに入るのを遮断するが、明瞭性のために、これは、図１に示されない。
【００１０】
どのようにイオン３０が、半径方向に閉じ込められ、集中させられ、入口開口２８と出口開口３２との間に送られるかを理解する助けとするために、ここで図２を参照する。公称の高圧Ｐ０領域から有限の背景圧力Ｐ１の領域へのガスの断熱膨張は、超音速自由ジェット３４の仕切られない膨張（超音速自由ジェット膨張としてもまた公知である）を形成することが、適切に特徴付けられている。入口開口２８は、音速開口部または音速ノズルを備え、開口部またはノズルを介してのガスの膨張は、音の局所的な速さに対する流れの速さの比に基づいて２つの別個の領域に分割され得る。高圧Ｐ０領域において、開口部またはノズルの近くの流れの速さは、音の局所的な速さよりも低い。この領域においては、流れは亜音速と考えられ得る。ガスが入口開口２８から背景圧力Ｐ１領域へと膨張するにつれて、流れの速度は、増加し、一方、音の局所的な速さは、減少する。流れの速さが音の速度に等しい境界は、音速面と呼ばれる。この領域は、超音速領域またはより一般的には以下に記載されるように超音速自由ジェット膨張と呼ばれる。開口部の形は、音速面の形に影響を及ぼす。開口部２８が薄いプレートとして定義され得る場合には、音速面は、Ｐ１圧力に向かって曲げられ得る。理想的に形成されたノズルは、図１２で示されるものと類似する合流分流ダクトを従来備え、そのノズルの使用は、平らで、ノズルの出口にある音速面を生成する。合流部分はまた、図２に示されるチャンファ３１の表面によって便利に定義され得る一方で、真空チャンバの体積は、分流部分を定義し得る。合流分流ダクトの最小限エリアの位置は、しばしばスロート２９と呼ばれ、本教示においては、最小限エリアまたはスロート２９の直径は、図２にＤ０として示される。スロート２９を介して通過するガスの速度は、「詰まる」または「制限される」ようになり、直径Ｄ０を通るガスの絶対的な圧力比が０．５２８以下である際には、音速面を生成して、音の局所的な速さに到達する。超音速自由ジェット３４においては、ガスの密度は、単調に減少し、高圧領域２４からのガスのエンタルピーは、方向付けられた流れに変換される。ガスの運動温度は、低下し、流れの速さは、音の局所的な速さを超える（それゆえに超音速膨張という用語である）。図２に示されるように、該膨張は、同心のバレルショック４６を備え、マッハディスク４８として公知である垂直ショックによって終了される。イオン３０が入口開口部２８を介して真空チャンバ２６に入るときに、イオンは、超音速自由ジェット３４に閉じ込められ、バレルショック４６の構成は、ガスおよびイオンが膨張する領域を定義するので、入口開口部２８を介して通過するイオン３０の事実上すべては、バレルショック４６の領域に閉じ込められる。マッハディスク４８の下流のガスは、再膨張して、一連の１つ以上の続いて起こるバレルショックおよびマッハディスクを形成し、それらは、最初のバレルショック４６および最初のマッハディスク４８と比較してあまりよく定義されない。しかしながら、続いて起こるバレルショックおよびマッハディスクに閉じ込められたイオン３０の濃度は、最初のバレルショック４６および最初のマッハディスク４８に閉じ込められたイオン３０と比較すると、それ相応に減少され得る。
【００１１】
バレルショックの直径Ｄｂであって、図２に示される最も幅のある部分に一般的に位置するバレルショックの直径Ｄｂと、マッハディスク４８のダウンストリームの位置Ｘｍであって、入口開口２８から、より正確には、音速面を生成する入口開口２８のスロート２９から測定された、マッハディスク４８のダウンストリームの位置Ｘｍとによって、超音速自由ジェット膨張３４は一般に特徴付けられ得る。ＤｂおよびＸｍの大きさは、入口開口のサイズ、すなわち、直径Ｄ０、イオン源Ｐ０における圧力、および、真空チャンバにおける圧力Ｐ１から計算され得え、例えば、ｄｅＬｅｅｕｗ，Ｊ．Ｈ．，Ｒａｒｅｆｉｅｄ Ｇａｓ Ｄｙｎａｍｉｃｓの編集者、Ｆｏｕｒｔｈ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ＩＶ、ｖｏｌｕｍｅ２、Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、１９６６年、ｐ．８４におけるＡｓｈｋｅｎａｓ、Ｈ．およびＳｈｅｒｍａｎ，Ｆ．Ｓ．による論文から計算され得る。
【００１２】
【数１】
ここに、Ｐ０は、入口開口２８の上流にある領域２４のイオン源２２付近の圧力であり、Ｐ１は、上述されたように開口２８の下流の圧力である。例えば、入口開口２８の直径が約０．６ミリメートルであり、適切なポンピングの速さにすることにより、下流の真空チャンバ２６における圧力が約２．６トルであり、イオン源２２の領域における圧力が７６０トル（大気）であるならば、式（１）からバレルショックの所定の直径Ｄｂが４．２ミリメータであり、式（２）から計算されるように、マッハディスク４８が入口開口２８のスロート２９から約７ミリメータ下流に位置する。
【００１３】
超音速自由ジェット３４から、質量解析器４４を含む第二の真空チャンバ４５へ、イオンをサンプリングする最も一般的な先行技術の方法の１つは、図３に示されるスキマー５０を通すことである。該スキマー５０の頂点５２は、質量解析器４４へイオン３０をサンプリングし、通過させるために、流体力学で周知である個別ガス濃度を有することによって特徴付けられる区間において、マッハディスク４８の上流または下流に位置付けられ得る。図３においては、スキマー５０は、マッハディスク４８の軸方向の上流にあるイオンをサンプリングする一方で、他のものは、超音速自由ジェット３４に直交して、マッハディスク４８の下流にスキマーを位置付けた。図３においては、マッハディスク４８の一部分は、示されるが、流体力学で一般に知られるように、バレルショックは、スキマーに取り付けられ得、それゆえに、図示されるものとは異なる変更された輪郭を生じる。マッハディスク４８の上流に位置付けされようと下流に位置付けされようと、先行技術のスキマーの構成は、超音速自由ジェット膨張３４から利用可能なイオン３０の一部分だけをサンプリングする。図示されないが、スキマー５０に向かってできるだけ多くのイオンを引き込もうとするために、入口開口２８とスキマー頂点５２との間に静電界（静電気の）を印加することが一般的である。しかしながら、質量解析器４４が適切に機能するために必要とされるほど低く、次のチャンバ４５の圧力を保つために、スキマー頂点５２は、相対的に小さい直径に維持される必要がある。これは、電界を印加したとしても、必ずしもイオン３０のすべてが、スキーマ５０を通してサンプリングされ得るとは限らないことを意味し、それは、入口開口２８の直径が、イオン源２２からより多くのイオン３０を通過させるために、増加されるならば、そのときは、超音速自由ジェット３４内の圧力は、増加され、イオン３０を静電気的に集中させることをより困難にする。
【００１４】
これらのすべての要因は、単純に入口開口の直径を増加することによって先行技術の入口開口スキマー構成のサンプリングシステムにおける感度を増加することをより困難にする。ある点までは成功しても、入口開口の直径を増加すること（必要とされる低圧に真空チャンバの圧力を維持するために真空ポンプのサイズの付随的な増加を伴う）は、結局は、真空ポンプのコストおよびサイズがあまりに大きくなりすぎ、商業的には成功しないので、実際的な解決法ではない。
【００１５】
上述の先行技術の構成のすべてにおいて、分析されるべきイオンは、入口開口２８とイオンガイド３６との間の入口の縁をなす場の領域を通過するために集中することを必要とし、それゆえに、圧力または濃度が相対的に大きい領域内にの静電気的な集中手段を必要とし、それは、感度において潜在的な損失につながる。さらに、イオンが、イオンガイドに入る前に、スキマーなどの別の制限的な開口を通過することを必要とするならば、イオンガイドに到達する前に損失し得、結果としてさらなる感度の減少を生じる。
【００１６】
本出願人は、入口開口２８のスロート２９から下流に膨張する超音速自由ジェット膨張３４およびバレルショック構造４６は、イオン３０が適切にイオンガイド３６の体積３７範囲内に存在するまで、イオン３０を輸送し、イオン３０の最初の膨張を閉じ込める効果的な方法であり得ることを認識する。ガスおよびイオン３０のすべてが、バレルショック４６内およびバレルショック４６付近の超音速自由ジェット３４の領域に閉じ込められる事実は、イオンガイド３６が自由ジェット膨張３４のすべて、またはほとんどすべてを受け入れるように設計されるならば、イオン３０の大きな部分は、イオンガイド３６の体積３７に最初は制限され得ることを意味する。さらに、マッハディスク４８がイオンガイド３６の体積３７の範囲内にあり得るような一定の位置にイオンガイド３６が位置付けされ得ることを出願人は、認識する。イオンガイド３６を、入口開口２８の下流で、かつ自由ジェット膨張３４の実質的にすべての直径Ｄｂを含む位置に配置することによって、より大きな入口開口２８が、使用され得、従って、より高い真空チャンバ２６の圧力Ｐ１が用いられ得、同時に開口２８と開口３２との間のイオン３０を半径方向に閉じ込め、集中させることにおいて高い効率を維持し、それによって、より多くのイオンを、第二の真空チャンバ４５へ送ることを可能にする。したがって、適切なＲＦ電圧、イオンガイドの大きさおよび真空圧を用いて、イオンガイド３６は、半径方向への閉じ込めを提供するだけではなく、イオンガイド３６はまた、イオン３０を集中させ得る一方で、イオン３０は、入口開口２８と出口開口３２との間の内部の体積を横断し、例えば、ＤｏｕｇｌａｓおよびＦｒｅｎｃｈによる米国特許第４，９６３，７３６号（７３６号特許）に記述されているとおりであり、７３６号特許の内容は、本明細書中に参照として援用される。本教示において、イオンガイド３６の機能は、イオンの半径方向への閉じ込めおよび集中を提供するように記載され得るが、イオンガイド３６がイオン集中効果を実行することは不可欠ではない。しかしながら、入口開口２８と出口開口３２との間のより効果的なイオン送出が、イオンガイド３６の集中能力を用いて達成され得る。
【００１７】
上述された実施例において、そこでは、バレルショック４６の直径Ｄｂが約４．２ミリメータであり、入口開口２８のスロートから測定されたマッハディスク４８の位置Ｘｍが約７ミリメータであり、超音速自由ガスジェット３４におけるすべて、または実質的にすべての閉じ込められたイオン３０が、イオンガイド３６の内部の体積３７の範囲内に含まれるために、イオンガイド３６の既定の断面（この例では、直径Ｄの内接円）は約４ミリメータであり得る。効果的なＲＦイオンの半径方向への閉じ込めが達成され得るように、７ミリメータよりも大きいイオンガイド３６のための適切な長さが選択され得る。これは、真空ポンピング能力を増加させること、およびこのようなより大きなポンプに関連するコストを必要とすることなしに、最大の感度を生じさせる。どのように超音速自由ジェット膨張３４がイオンガイド３６の体積３７の範囲内に閉じ込められ得るかを示すコンピュータシミュレーションからのこれらの結果のグラフ表示は、図４に示される。図４の参照番号は、図１に示された参照番号と同じである。
【００１８】
上述されたように、式（１）および式（２）に従って、イオンガイド３６を含む真空チャンバ２６の範囲内の圧力Ｐ１は、超音速自由ジェット３４構造の特徴に寄与する。圧力Ｐ１が低すぎるならば、そのときは、バレルショック４６の直径Ｄｂは大きく、イオンガイド３６は、超音速自由ジェット膨張３４によって閉じ込められるイオン３０を閉じ込めるために十分に大きい実質的に実際的な努力を必要とし得る。結果的に、大きな内接円Ｄが大きなバレルショックの直径Ｄｂに従って大きさが決められ得る場合には、そのときは、効果的なイオンの半径方向への閉じ込めおよびイオン集中を提供するために、より大きな電圧が使用されなければならない。しかしながら、より大きな電圧は、電気的破壊および放電を引き起こし得、これは、イオンガイドの適切な機能を妨害し得、安全で信頼し得る動作のための装置には相当な複雑性を導入し得る。さらに、大きな電圧を提供し得る電源は、価格が高い傾向があり、これは、市販の装置のコストを高騰させ得る。それゆえに、電圧が電気的破壊以下に維持されるように、ジェットの直径を小さく保ち、イオンガイドの直径Ｄを可能な限り小さく保たせるために、上記圧力を相対的に高く保つことはより効果的である。
【００１９】
反対に、圧力Ｐ１が高すぎる場合には、そのときは、イオンガイド３６の集中作用は、減少される。結果的に、イオン運動のコンピュータシミュレーションを通して、迅速かつ効果的な集中作用が約１トルと約１０トルとの間の圧力で獲得され得ることを、出願人は、決定した。この範囲では、超音速自由ジェットの直径Ｄｂは、約０．４ミリメータと約１ミリメータとの開口部の一般的な直径のためには小さく、イオンガイドの直径は、実際的に適用され得る。具体的には、内接円Ｄは、約２ミリメータと約８ミリメータとの間にあり得る。効果的な閉じ込めは、ピークからピークに約５０ボルトと約３００ボルトとの間のＲＦ電圧を用いて獲得され得、動作圧でガスの破壊電圧を超えない要求だけによって上端で制限され得る。一般的なＲＦ周波数は、約１ＭＨｚと約２ＭＨｚとの間であり得るが、約０．５ＭＨｚと約５ＭＨｚとの間の他の周波数もまた、かなり実際的であり、効果的であり得る。
【００２０】
本教示は、多様な実施形態と関連して記載されるが、本教示は、このような実施形態に制限されることは意図されない。反対に、本教示は、当業者によって認識されるように、多様な代替物、変化物および等価物を含む。例えば、本出願人は、入口開口部２８のスロート２９が有限の長さを有し得ることを認識し、構造的な統合性を維持すると同時に長さを特定の用途のために可能な限り短くすることが望ましい一方、毛管などの長いスロート長を有する開口もまた、毛管の末端で自由ジェット膨張を提供し得ることを認識する。多様な実施形態において、図１の入口開口２８は、図１１に示される円錐８０の頂点において音速開口部７８であり得、ここに、チャンファ３１は、Ｐ１（低）圧力側上にあり、または入口開口は、図１２に示されるチューブ８４の末端において合流ノズル８２であり得る。いずれかの実施例においても、開口の構成は、以下に記載され得る。特定の圧力差（Ｐ０とＰ１との間）においては、スロート２９を通過するガスは、詰まった流れ、またはより正確には「詰まった速度」を有するものとして特徴付けられ、ここに、ガスの速度は、音速である。これは、ダウンストリームの絶対圧Ｐ１がアップストリームの絶対圧Ｐ０の約５２．８％である場合に空気流に対して生じる。図２、図１１および図１２においては、スロート２９は、真空圧Ｐ１に隣接する直径Ｄ０を備えている。上流で、直径Ｄ０に隣接して、ガスは、音速に向かって加速し、イオン３０を閉じ込めまたは引き込み、高い効率で開口２８を通してイオン３０を送る。スロート２９の長さが、毛管のように、長い際には、スロートに入口でのガスの速度は、亜音速であり、スロートの入口へのガスの引き込みは、減じられる。それゆえに、短いスロートの効果は、高圧領域２４から真空チャンバ２６への最適なイオン送出をさらに達成するために使用され得る。
【００２１】
上記の計算で用いられたパラメータは、改善を提供し得、それは以下の実施例で記述される一方、本教示のための入口開口の直径および圧力Ｐ１の他の組み合わせを使用することもまた実際的であり得る。例えば、多様な実施形態において、入口開口２８が約０．１ミリメータの直径Ｄ０および約０．１トルの圧力Ｐ１を有する場合には、バレルショック４６の既定の直径Ｄｂは、３．６ミリメータと計算される。約４ミリメータの直径Ｄを有するイオンガイド３６は、超音速自由ジェット３４を効果的に捕捉し、イオン３０を半径方向に閉じ込める。同様に、約０．２ミリメータの直径Ｄ０および約１０トルの圧力Ｐ１を有する入口開口２８は、結果として１．２ミリメータの規定の直径Ｄｂになり、その結果、約１．２ミリメータの直径Ｄを有する小さなイオンガイド３６が、それゆえに、より低いＲＦ電圧を必要とし、使用され得る。さらに、本教示の入口開口２８の構成は、その断面において円形ではないと知覚され得ることが理解され得る。例えば、多様な実施形態において、入口開口２８は、直径Ｄ０を有する対応する円形断面積に同等であり得る断面積を有する正方形または三角形であり得る。
【００２２】
イオンガイド３６の既定の断面は、超音速自由ジェット３４におけるイオンの対応する部分を閉じ込め得るように、既定の直径Ｄｂよりも小さく大きさを合わせられ得る一方、感度においてなお相当な改善を達成する。例えば、多様な実施形態において、イオンガイド３６の断面は、該断面が既定の直径Ｄｂの少なくとも５０％であるように大きさを合わせられ得る。
【００２３】
図１のイオンガイド３６は、内部の体積３７が、完全に線状の軸に沿って、超音速自由ジェット膨張３４を包むように位置付けられるが、本出願人は、イオンガイド３６の体積３７が、最初のバレルショック４６および最初のマッハディスク４８の幾つかを包むか、または全く包まないように、入口開口２８の下流にイオンガイド３６を配置することを考えた。図１および図２の最初のバレルショック４６および最初のマッハディスク４８を全く包まないが、または一部分を包むような内部の体積３７のイオンガイド３６のこのような下流の配置は、なおその後の再膨張されたバレルショックおよびマッハディスクを包み得ることが認識され得る。
【００２４】
本出願人は、実質的に同じイオン送出効率を達成するために、１つ以上の入口開口２８の使用を考えた。例えば、多様な実施形態において、２つの開口２８ａおよび２８ｂは、図１３に示されるが、次に記載されるように、付加的な開口およびそれらの対応するエレメントは、暗黙に実践性に従うように含意されることは、当業者によって理解される。同じ番号付けシステムが用いられ、文字「ａ」および「ｂ」の付加を除いて、図１に示されるエレメントと共通のエレメントを表す。開口２８ａおよび２８ｂの各々は、対応する超音速自由ジェット膨張３４ａおよび３４ｂならびにバレルショック４６ａおよび４６ｂを形成し得、自由ジェット３４ａおよび３４ｂのうちの少なくとも１つは、それらの対応するイオンガイド３６ａおよび３６ｂによって包まれる。開口２８ａおよび２８ｂの累積的断面積は、上述された望まれる直径を有する単一の入口開口２８の断面積と同等であり得る。イオンガイド３６ａおよび３６ｂのうちの１つ以上によって半径方向に閉じ込められ、送られるイオンは、付加的なイオンガイドによって、さらに閉じ込められ集中され送られ得、その結果イオンを単一のイオンビーム（図示されず）に合成する。離散的なジェットであろうと重なるジェットであろうと、超音速自由ジェット３４ａおよび３４ｂの配列は、１つのイオンガイド３６ｃによって包まれ得、ここに、イオンガイド３６ｃの内接直径Ｄは、図１４に示されるように、適切に大きさを合わされる。
【００２５】
イオンの閉じ込め、集中および導きのデバイスとして作用するイオンガイド３６は、図５〜図１０に示されるタイプのものであり得る。図５、図６および図７の多数のイオンガイドは、四極（４つの極）６４、六極（６つの極）６６および八極（８つの極）６８またはより多い数の極７４を含み得る。極７４は、当該技術分野で一般に知られたＲＦ電圧を伝送する長く延びた電極である。より多い数の極または異なる形の電極を含む他の構成もまた可能である。例えば、電極は、ワイアまたはロッドからなり得、断面が円形の代わりに正方形であり得、または電極は、長くされた長さに沿って変わる断面を有し得る。多様な実施形態において、極７４は、対応する電源に接続された多数の電極セグメントであり得、その対応する電源は、隣接するセグメントの間に異なる場（ｆｉｅｌｄｓ）を提供提供するためのものである。図８、図９および図１０のイオンガイドは、リングガイド７０として一般的に知られ、ホール７６を有する個々のリング７２またはプレート７２が、一般に、イオン３０が横断する軸通路を形成するように互いに関係して整列されている。隣接するプレート７２は、当該の技術分野で知られているように逆位相のＲＦ電圧を伝送し得る。図９の積み重ねられたプレート７２が実質的に類似の直径の孔７６を有する一方で、図１０のプレート７２は、収束作用または集中作用を提供するように、孔の直径が変わる。収束効果と発散効果との組み合わせは、積み重ねられたプレート７２または変化する断面を有する長く延びた電極のいずれかを用いて適用され得る。均質でない（空間において）交流電場によってイオン３０を閉じ込める任意のＲＦ集中デバイスが、使用され得る。多様な実施形態において、四極イオンガイドは、デバイスの中心に向かってより強い集中作用を提供するために使用され得、イオンは、軸の近くの狭い位置により強く閉じ込められ得る。これは、イオン３０を小さな出口開口３２を通って次のチャンバ４５に送るために有利であり得る。付加的な実施形態は、図１６および図１７に例示され、ここで、共通のエレメントは、図１と同じ参考番号を有し、幾つかの共通エレメントは、図の明瞭性を提供するために省略された。図１６においては、図１のイオンガイド３６は、一連のイオンガイド３６ｄおよび３６ｅによって置換される。しかしながら、この実施例においては、２つのイオンガイド３６ｄおよび３６ｅは、以下に論じられるように、一連のイオンガイドを定義し、該一連のイオンガイドは、２つより多いイオンガイドを備え得る。各イオンガイド３６ｄおよび３６ｅは、内接直径Ｄ１およびＤ２を伴う既定の断面を有することによって特徴付けられ得る。直径Ｄ１およびＤ２は、各イオンガイド３６ｄおよび３６ｅの軸の長さに沿って延びて、各々、参照番号３７によって集合的に示される内部の体積を定義する。図１６に示されるように、直径Ｄ１およびＤ２は、似ておらず、電源４０は、以下に論じられるように、イオンガイドの内部の体積３７の範囲内でイオンを半径方向に閉じ込めるためにイオンガイド３６ｄおよび３６ｅへの独立した接続を有し得る。
【００２６】
単一のＲＦ閉じ込め場を有するイオンガイド３６を備えている図１に従う構成は、特定の適用において入口開口２８と出口開口３２との間のイオン転送を提供するために最適ではあり得ない。例えば、印加されるＲＦ電圧によって定義される一組の動作パラメータ、内接直径Ｄなどのイオンガイドの大きさ、および真空圧Ｐ１は、出口開口３２に対する最適なイオン集中およびイオン送出を提供するように選ばれ得る。しかしながら、これらの同じパラメータは、バレルショックの既定の直径Ｄｂの一部分だけを包むのに十分であり得、それゆえに、イオン３０の最初の膨張の最適な受け入れは、実現され得ない。逆も可能であり、最適なイオンの受け入れ条件のために選ばれる別の組のパラメータは、出口開口３２に対する最適のイオン集中およびイオン送出を提供し得ない。したがって、本出願人は、ある応用において、イオンの集中／送出とイオンの受け入れとの間の最適化を別の半径方向のＲＦ閉じ込め場（ｆｉｅｌｄｓ）を提供することによって達成することが有利であると判断し、一方の場は、体積３７内の入口開口２８から現れるイオン３０を受け入れ閉じ込め、他方の場は、イオン３０を集中して、その結果体積３７から出口開口３２にイオンを通過させる。
【００２７】
上述の最適化は、図１６に示すように達成され得、すなわち、第１のイオンガイド３６ｄに、ＲＦ閉じ込め場を確立するための対応するＲＦ電圧を引加し、そのＲＦ閉じ込め場は、イオン３０の最初の膨張を受け入れるために最適化されており、第２のイオンガイド３６ｅに、ＲＦ閉じ込め場のための対応する電圧を引加し、その閉じ込め場は、イオン３０を出口開口３２の大きさに集中することによって達成され得る。多様な実施形態において、イオン源に最も近く、結果的に入口開口２８に最も近い、第一のイオンガイド３６ｄは、バレルショックの直径Ｄｂの少なくとも５０パーセントを受け入れるように適宜に大きさを合わされた内接Ｄ１を有するよう構成され得て、その結果、超音速自由ジェット３４に閉じ込められたイオン３０のすべて、または実質的にすべてが、イオンガイド３６ｄの体積３７の範囲内に包まれ得る。第一のイオンガイド３６ｄに印加された対応するＲＦ電圧は、所望のイオン３０の質量に加えて、効率的に包まれたイオン３０を閉じ込め集中させイオン３６ｅへの効率的な送出を可能にする直径Ｄ１およびＰ１に応じて選択され得る一方、動作圧でガスの破壊電圧を超えない。
【００２８】
さらに、出口開口３２に最も近いイオンガイド３６ｅは、出口開口３２の大きさに従って内接直径Ｄ２を有する断面を用いて構成され得る。イオンガイド３６ｅに印加される対応するＲＦ電圧は、出口開口３２の大きさに、すべて、または実質的にすべてのイオン３０を集中するために、イオンガイド３６ｅの体積３７の範囲内でＲＦ閉じ込め場を確立するための直径Ｄ２に従って選択され得る。出口開口の大きさは、例えば、円形の開口に対する場合におけるように、該直径によって、または正方形の開口に対する場合におけるように、開口の幅などの他の幾何学的構成に対する別の大きさのパラメータによって定義され得る。特定の幾何学的形状にかかわらず、出口開口３２の断面積は、直径によって定義される等しい円形の断面積により一般に記載され得る。最適なイオン送出は、イオン３０が出口開口３２の直径以下である直径を有するイオンビームを形成するように集中される際に実現され得る。十分なイオン送出は、イオンビームの直径が出口開口３２の直径よりも大きい場合に達成され得るが、最適なイオン送出集中が、ビームの直径が出口開口３２の直径以下である場合に予測され得ることは、当業者に明白である。
【００２９】
一般に、第一のイオンガイド３６ｄの機能が出口開口２８からのイオン３０を捕捉し、集中するためのものである一方で、第二のイオンガイド３６ｅの機能は、第一のイオンガイド３６ｄから出口開口３２にイオン３０を集中し、送るためのものである。第一のイオンガイド３６ｄの直径Ｄ１および対応する印加されるＲＦ電圧は、バレルショックの既定の直径Ｄｂに従って選択される一方で、第二のイオンガイド３６ｅの直径Ｄ２および対応する印加されたＲＦ電圧は、上述された出口開口３２の直径に従って選択される。多様な実施形態において、バレルショックの直径Ｄｂは、しばしば出口開口３２の直径よりも大きくあり得、それゆえに、第一のイオンガイド３６ｄの対応する断面は、第二のイオンガイド３６ｅの対応する断面よりも大きくあり得る。結果的に、入口開口２８と出口開口３２との間の最適なイオン送出のための多様な実施形態においては、第二のイオンガイド３６ｅの第一のイオンガイド３６ｄに対する断面の相対比は、１未満であり得る。一般的には、実施例２で以下に論じられるように、出願人は、入口開口２８と出口開口３２との間の改善されたイオン３０の送出を示すために、約０．６ミリメータのイオンガイドの断面の間の相対比を付与するように、約４ミリメータの直径Ｄ２および約７ミリメータの直径Ｄ１を利用した。多様な実施形態において、第一のイオンガイド３６ｄおよび第二のイオンガイド３６ｅの断面が等しい一方で、対応するＲＦ電圧は、イオンの集中／送出およびイオンの受け入れのために独立して最適化されるＲＦ閉じ込め場を提供するように選択され得る。
【００３０】
多様な実施形態において、２つより多くのイオンガイドを備えている一連のイオンガイドは、付加的な多数の集中段階を提供される。例えば、図１７においては、付加的なイオンガイド３６ｘは、第一のイオンガイド３６ｄと第二のイオンガイド３６ｅとの間に配置される。付加的なイオンガイド３６ｘは、第一のイオンガイド３６ｄおよび第二のイオンガイド３６ｅの直径の中間または等しい内部の直径Ｄｘを有する対応する断面を用いて構成され得る。第一のイオンガイド３６ｄおよび第二のイオンガイド３６ｅに印加される対応するＲＦ電圧の詳細は、上述されたとおりである一方で、イオンガイド３６ｘに印加される対応するＲＦ電圧は、同じ、または異なる半径方向の閉じ込め場を提供するように構成され得る。各対応するＲＦ電圧は、２つ以上の独立した電源４０および４０ａによって提供され得ること、または図１６および図１７に示されるように、単一の電源が独立した対応するＲＦ電圧を適切に送るように構成され得ることは、当業者に明白である。
【００３１】
一連の各イオンガイド３６ｄ、３６ｘおよび３６ｅの長さは、対応する半径方向のＲＦ場が体積３７の範囲内でイオン３０を十分に集中するために必要な距離に従って適切に選択され得る。イオンガイドの集中機能に加えて、イオンガイドは、入口開口２８と出口開口３２との間で転送されるガスの量を制限するように物理的な機能を実行し得る。図１８を参照すると、ガス流線８６は、第一のイオンガイド３６ｄを通過する超音速自由ジェット膨張３４から出現するガスの表示であり得る。イオン３０が第一のイオンガイド３６ｄと第二のイオンガイド３６ｅとの間で収束するときに、ガス８６は、第二のイオンガイド３６ｅの末端表面８８に遭遇し得、イオン３０の経路から遠くにそらされ得る。そらされたガス８６は、矢印９２によって示されるように、イオンガイド３６ｄとイオンガイド３６ｅとの間のギャップ９０を通過し得る。これは、出口開口３２を通って質量解析器４４に送られるガス８６に対するイオン３０における改善という結果になり得る。
【００３２】
さらに、イオンガイドの形状およびサイズは、ガス流の特徴に影響を及ぼし得る。例えば、多様な実施形態において、多極のイオンガイドの極直径を増加することは、イオンガイドの長さに沿ってより多くのガス流を閉じ込めることを導き得る。増加される極直径は、直径Ｄ１を維持すると同時に、隣接する極の間のギャップに対する中心軸１００の間の半径方向の距離を効果的に増加する。これは、第一のイオンガイドにより多くのガス流を閉じ込める可能性を増加し得る。代替的に、多極の形状は、極の表面積を増加するプレートのようであり得る一方、より良いガスの閉じ込めを達成するためのギャップの大きさを維持し、または減少する。
【００３３】
多様な実施形態において、図１９に示される単一のイオンガイド９４は、出口開口部３２に最も近い直径Ｄ２によって特徴付けられる出口断面よりも大きい、イオン源に最も近い直径Ｄ１によって特徴付けられる入口断面を有するように構成され得る。簡単のために、共通のエレメントが図１におけるのと同じ参照番号を有する一方で、幾つかのエレメントは、この図の明瞭性を提供するために省略された。イオンガイド９４に印加される単一のＲＦ電圧は、中心軸１００に沿って測定される際、入口直径Ｄ１と出口直径Ｄ２との間の強さを増加し得るＲＦ閉じ込め場を提供し得る。上述されるように、ＲＦ電圧は、所望のイオン３０の質量に従って選択され、動作圧でガスの破壊電圧を超えない要求によってだけ上端で制限される。入口断面に対する出口断面の相対比は、１未満であり得る。一般的には、該比は、２センチメータと２０センチメータとの間の長さであるイオンガイド９４を超えて約０．４であり得る。入口開口部２８と出口開口部３２との間で利用可能であるスペースにのみ制限してより大きな長さが可能であることは、当業者に明白である。
【００３４】
多様な実施形態において、第二の真空チャンバ４５は、第二の真空チャンバ４５から質量解析器４４までイオンを通過させるための流出開口を有し得、ここに、質量解析器４４は、第三の真空チャンバに収納され得る。第二の真空チャンバ４５は、７３６号特許に記載されたように、出口開口３２と流出開口との間でイオン３０を半径方向に閉じ込め、集中し、輸送するためのＲＦのみのイオンガイドを有し得る。出口開口３２は、上述されたように、チャンバ間開口３２として機能する。ＲＦのみのイオンガイドは、イオンガイド３６と同様に作られ得る。使用中に、イオン３０は、第一の真空チャンバから、チャンバ間開口３２を通って第２の真空チャンバ４５へ通過し、ここで、イオン３０が、ＲＦのみのイオンガイドを横断するときに、イオン３０は、ＲＦイオンガイドによって半径方向に閉じ込められ、集中され得る。イオン３０が、第二の真空チャンバ４５から、流出開口を通って第三の真空チャンバへ通過した後、質量解析器４４は、質量解析のためにイオン３０を受け取る。イオンガイド３６にＲＦ電圧を提供する同じ電源４０または別々の電源が、知られた方式でＲＦ電圧を提供するためにＲＦのみのイオンガイドに接続され得る。
【００３５】
イオン源２２は、解析されるべきサンプルのタイプに依存する多くの公知のタイプのイオン源の１つであり得る。多様な実施形態において、イオン源２２は、エレクトロスプレーもしくはスプレーデバイス、コロナ放電ニードル、プラズマイオン源、電子衝撃もしくは化学イオン化源、光イオン化源、ＭＡＬＤＩ源またはそれらの任意の組み合わせであり得る。当業者に知られたイオン源の他の望ましいタイプが使用され得、イオン源は、大気圧で、大気圧より上で、大気圧付近で、または大気圧より下でイオンを生成し得るが、絶対圧力比は、Ｐ１／Ｐ０≦０．５２８であるように、真空チャンバ２６での圧力と関連する圧力よりも高い。
【００３６】
本教示の局面は、以下の実施例を考慮してさらに理解され得るが、決して本教示の範囲を制限するものとして解釈されるべきではない。
【実施例】
【００３７】
（実施例１）
図１５は、本教示に従い三重の四極質量分析器システムの感度を示すし、本教示は、ｍ／ｚ６０９先行モデルのｍ／ｚ１９５フラグメントイオンをモニタする動作のマルチ反応モニタリングモードを使用して、２００ｕＬ／分のサンプルの流量率で合成レセルピンの５０ｐｇ注入に起因する。信号のピークの高さは、該システムの感度の直接的な指標であり得る。２つの別個の実験からの反応は、図１５で重ね合わされ、この場合に、垂直軸は、正規化された強度を示し、水平軸は、任意の単位における時間の関数である。
【００３８】
ＡＰＩ ４０００とラベルされた第一（低い方）のピークは、先行技術の質量分析器の応答であり、その質量分析器は、０．３２ミリメータの入口開口の直径および２．４ミリメータのスキマーの直径を使用する、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｂｉｏｓｙｓｔｅｍｓ／ＭＤＳ Ｓｃｉｅｘによって製造された、ＡＰＩ ４０００の三重の四極質量分析器である。
【００３９】
ラベルＡＰＩ ５０００によって示される第二（高い方）のピークは、本教示に従った三重の四極質量分析器装置での応答を示し、この場合に、入口開口部の直径が０．６ミリメータに増加され、ＲＦ四重イオンガイドが、本教示に従って超音速自由ジェットからイオンを捕捉し、集中するために使用された。この実施例においては、イオンガイドの領域における圧力は、２．６トルであり、イオンガイドの直径は、４ミリメータであって、式（１）に従って計算された、マッハディスクのバレルショックの最大の直径は、４．２ミリメータであった。感度においてラベル６ｘで示された約６倍の増加は、本教示に従ってかなりより良い質量分析性能を達成する能力を示す。
【００４０】
（実施例２）
図２０は、本教示に従った三重の四極質量分析器システムの感度を示し、このシステムは、図１の単一のイオンガイド３６を図１６の一連のイオンガイド３６ｄおよび３６ｅならびに対応するＲＦ電圧を置換することから得たものである。図１５と類似して、図２０の結果は、ｍ／ｚ６０９先行モデルのｍ／ｚ１９５フラグメントイオンをモニタする動作のマルチ反応モニタリングモードを使用して、２００ｕＬ／分のサンプルの流量率で合成レセルピンの１０ｐｇ／ｕＬの注入液からであった。信号のピークの高さは、該システムの感度の直接的な指標であり得る。２つの別々の実験からの応答は、図２０で重ね合わされ、この場合に、垂直軸は、正規化された強度を示し、水平軸は、任意の単位における時間の関数である。
【００４１】
ＡＰＩ ５０００とラベルされた第一（低い方）のピークは、図１５に示されるのと同じラベルに対する応答と類似する応答を示す。ラベルＡＰＩ ５０００二重イオンガイドによって示される第二（大きい方）のピークは、同じ三重の四極質量分析器システム上での反応を示すが、しかしながら、該４ミリメータのイオンガイドは、直径７ミリメータの第一のイオンガイドおよび直径４ミリメータの第二のイオンガイドによって置換された。第一のイオンガイドの長さは、７ミリメータであり、第二のイオンガイドの長さは、５ミリメータであった。感度において約２倍〜約３倍の増加は、ラベル２〜３ｘによって示され、本教示に従ってかなりより良い質量分析性能を達成する能力を示す。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１は、本教示に従う質量分析器の概略図である。
【図２】図２は、本教示に従う入口開口、イオンおよび超音速自由ジェット膨張のより詳細な概略図である。
【図３】図３は、先行技術の開口およびスキマーの構成の概略図である。
【図４】図４は、図１の実施形態のコンピュータシミュレーションのグラフ表示である。
【図５】図５は、本教示に従うイオンガイドの多様な実施形態の概略図および概略断面図である。
【図６】図６は、本教示に従うイオンガイドの多様な実施形態の概略図および概略断面図である。
【図７】図７は、本教示に従うイオンガイドの多様な実施形態の概略図および概略断面図である。
【図８】図８は、本教示に従うイオンガイドの多様な実施形態の概略図および概略断面図である。
【図９】図９は、本教示に従うイオンガイドの多様な実施形態の概略図および概略断面図である。
【図１０】図１０は、本教示に従うイオンガイドの多様な実施形態の概略図および概略断面図である。
【図１１】図１１は、本教示に従うイオンガイドの多様な実施形態の概略断面図である。
【図１２】図１２は、本教示に従うイオンガイドの多様な実施形態の概略断面図である。
【図１３】図１３は、本教示の多様な実施形態の概略図である。
【図１４】図１４は、本教示の多様な実施形態の概略図である。
【図１５】図１５は、先行技術の質量分析器に対して本教示に従う質量分析器の改善された性能を示す知られた合成物の強度の輪郭である。
【図１６】図１６は、本教示の多様な実施形態の概略図である。
【図１７】図１７は、本教示の多様な実施形態の概略図である。
【図１８】図１８は、本教示に従う一連のイオンガイド、ガス流およびイオン送出のより詳細な概略図である。
【図１９】図１９は、本教示の多様な実施形態の概略図である。
【図２０】図２０は、本教示に従う質量分析器の改良された性能をさらに示す知られた合成物の強度の輪郭である。
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の参照）
本出願は、２００５年１２月２２日に出願された米国一部継続特許出願に対する優先権を主張し、その出願番号はまだ割り当てられておらず、その出願は、２００５年１月１０日に出願された米国特許出願第１１／０３２，３７６号の一部継続である。
【０００２】
（技術分野）
本教示は、サンプルにおけるイオンの検出のためにイオンを送るための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
（序文）
質量分析器のための１つの用途は、サンプル分子がイオン化のステップにおいて、イオンに変換され、次いで、質量分離および検出のステップにおいて、質量解析器によって検出される、生物学的なサンプルの研究に向けられる。イオン化技術の多様なタイプは、現在公知であり、一般的に公称の大気圧の領域においてイオンを生成する。質量解析器は、ＲＦ／ＤＣイオンガイドが質量電荷比（ｍ／ｚ）値の限られた占有の範囲内でイオンを送るために使用される四重極の解析器、大きな磁場がｍ／ｚに従ってイオンをそらせるためにイオンの動きに垂直に力を及ぼす扇形磁場解析器および各イオンの飛行時間を測定することがｍ／ｚの決定を可能にする飛行時間（「ＴＯＦ」）解析器であり得る。質量解析器は、隣接する圧力分離を提供するチャンバ間開口を備える１つ以上の個別的にポンプされる真空チャンバにおける配置を一般的には必要とする低圧環境で一般に動作する。イオン化ステップと質量解析器の真空チャンバとの間に配置される１つ以上の開口は、一般に、イオンを質量解析器に送るためのインターフェースを定義する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
（概要）
上述を考慮して、本教示は、サンプルにおけるイオンの検出のためにイオンを送るための装置を提供する。該装置は、高圧領域において、例えば、大気圧でサンプルからイオンを生成するためのイオン源および該イオンを受け取るための真空チャンバを備えている。該真空チャンバは、高圧領域から真空チャンバへイオンを通過させるための入口開口を有する。異なる圧力と関連して、入口開口の直径は、既定のバレルショックおよびマッハディスクを有する、超音速自由ジェット膨張を提供するように寸法を合わせられ、その結果、イオンを真空チャンバ内に閉じ込める。該装置はまた、所定の断面を有する少なくとも１つのイオンガイドを備え、その所定の断面は、超音速自由ジェット膨張を半径方向に閉じ込めるように寸法を合わせられ、その結果、実質的にすべてのイオンを捕捉する。ＲＦ電源によって供給されるＲＦ電圧がイオンガイドに印加される際、超音速自由ジェットにおけるイオンが、出口開口に集束され向けられるように、該イオンガイドは、入口開口と出口開口との間のチャンバに位置付けられ得る。多様な実施形態において、入口開口は、音速ノズルまたは音速開口部を備えているタイプのものであり得、イオンガイドは、多極イオンガイドであり得る。
【０００５】
本教示はまた、サンプルにおけるイオンの検出のためにイオンを送るための方法を提供する。該方法は、高圧領域において、例えば、大気圧でサンプルからイオンを生成するイオン源と、イオン源の下流に配置され、該イオン源を受け取る真空チャンバとを提供することを含む。該真空チャンバは、高圧領域から真空チャンバへイオンを通過させるための入口開口が提供されている。異なる圧力と関連して、該方法は、既定のバレルショックおよびマッハディスクを有する超音速自由ジェット膨張を提供するために、入口開口の直径の寸法を合わせることを含む。イオンは、入口開口を通過し、真空チャンバで生成された超音速自由ジェット膨張によって閉じ込められる。該方法は、所定の断面を有する少なくとも１つのイオンガイドを提供することをさらに含み、その所定の断面は、超音速自由ジェット膨張を半径方向に閉じ込めるように寸法を合わせられ、その結果、実質的にすべてのイオンを捕捉する。ＲＦ電源によって供給されるＲＦ電圧がイオンガイドに印加される際、超音速自由ジェットにおけるイオンが、出口開口に集束され向けられるように、該イオンガイドは、入口開口と出口開口との間のチャンバに位置付けられ得る。
【０００６】
本教示の上述および他の特徴は、本明細書中に示される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
当業者は、以下に記載される図面は、例示目的のためだけであることを理解する。該図面は、決して本教示の範囲を制限することを意図されていない。
【０００８】
図面においては、類似した参照番号は、類似した部分を示す。
【０００９】
（多様な実施形態の説明）
多様なエレメントを参照して本教示に関連して使用される「１つ（ａ）」または「１つ（ａｎ）」という句は、文脈が格別に明示しない場合には、「１つ以上」または「少なくとも１つ」を含む。最初に図１が参照され、図１は、参照番号２０によって概して示される質量分析器を概略的に示す。質量分析器２０は、対象であるサンプル（図示されず）からイオン３０を提供するためのイオン源２２を備えている。イオン源２２は、背景ガス（図示されず）を含み、概して２４に示される高圧Ｐ０領域に配置され得る一方で、イオン３０は、矢印３８によって示される方向に、真空チャンバ２６に向かって進む。該イオンは、入口開口２８を介してチャンバ２６に入り、入口開口２８でイオンがガスの超音速流によって閉じ込められ、ガスの超音速流は、以下に記載されるように超音速自由ジェット膨張３４として概して参照される。真空チャンバ２６は、入口開口２８から下流に位置する出口開口３２と、開口２８および３２の間に位置し、超音速自由ガスジェット３４からのイオン３０を半径方向に閉じ込め、集中させ、送るイオンガイド３６とをさらに備えている。図１の出口開口３２は、チャンバ間開口として示され、チャンバ間開口は、第一の真空チャンバ２６としても知られる真空チャンバ２６を、次の、または第二の真空チャンバ４５から分離し、第二の真空チャンバ４５は、以下に記載されるように、追加のイオンガイドまたは質量解析器４４を収納し得る。本教示の一般的な質量解析器４４は、四重極質量解析器、イオントラップ質量解析器（線イオントラップ質量解析器を含む）および飛行時間質量解析器を含み得る。真空チャンバ２６における圧力Ｐ１は、ポンプ４２によって維持され得、電源４０は、公知の方法でＲＦ電圧を提供するためにイオンガイド３６に接続され得る。イオンガイド３６は、参照文字Ｄ（図５にもまた図示される）によって示される直径を有する内接円によって特徴付けられる所定の断面を有する一組の四極ロッドであり得、内部の体積３７を定義するようにイオンガイド３６の軸方向の長さに沿って伸びている。イオン３０は、最初に開口部カーテンガス領域を通過し得、その開口部カーテンガス領域は、一般に当業技術に公知であり、脱溶媒を実行し、望まれない微粒子が真空チャンバに入るのを遮断するが、明瞭性のために、これは、図１に示されない。
【００１０】
どのようにイオン３０が、半径方向に閉じ込められ、集中させられ、入口開口２８と出口開口３２との間に送られるかを理解する助けとするために、ここで図２を参照する。公称の高圧Ｐ０領域から有限の背景圧力Ｐ１の領域へのガスの断熱膨張は、超音速自由ジェット３４の仕切られない膨張（超音速自由ジェット膨張としてもまた公知である）を形成することが、適切に特徴付けられている。入口開口２８は、音速開口部または音速ノズルを備え、開口部またはノズルを介してのガスの膨張は、音の局所的な速さに対する流れの速さの比に基づいて２つの別個の領域に分割され得る。高圧Ｐ０領域において、開口部またはノズルの近くの流れの速さは、音の局所的な速さよりも低い。この領域においては、流れは亜音速と考えられ得る。ガスが入口開口２８から背景圧力Ｐ１領域へと膨張するにつれて、流れの速度は、増加し、一方、音の局所的な速さは、減少する。流れの速さが音の速度に等しい境界は、音速面と呼ばれる。この領域は、超音速領域またはより一般的には以下に記載されるように超音速自由ジェット膨張と呼ばれる。開口部の形は、音速面の形に影響を及ぼす。開口部２８が薄いプレートとして定義され得る場合には、音速面は、Ｐ１圧力に向かって曲げられ得る。理想的に形成されたノズルは、図１２で示されるものと類似する合流分流ダクトを従来備え、そのノズルの使用は、平らで、ノズルの出口にある音速面を生成する。合流部分はまた、図２に示されるチャンファ３１の表面によって便利に定義され得る一方で、真空チャンバの体積は、分流部分を定義し得る。合流分流ダクトの最小限エリアの位置は、しばしばスロート２９と呼ばれ、本教示においては、最小限エリアまたはスロート２９の直径は、図２にＤ０として示される。スロート２９を介して通過するガスの速度は、「詰まる」または「制限される」ようになり、直径Ｄ０を通るガスの絶対的な圧力比が０．５２８以下である際には、音速面を生成して、音の局所的な速さに到達する。超音速自由ジェット３４においては、ガスの密度は、単調に減少し、高圧領域２４からのガスのエンタルピーは、方向付けられた流れに変換される。ガスの運動温度は、低下し、流れの速さは、音の局所的な速さを超える（それゆえに超音速膨張という用語である）。図２に示されるように、該膨張は、同心のバレルショック４６を備え、マッハディスク４８として公知である垂直ショックによって終了される。イオン３０が入口開口部２８を介して真空チャンバ２６に入るときに、イオンは、超音速自由ジェット３４に閉じ込められ、バレルショック４６の構成は、ガスおよびイオンが膨張する領域を定義するので、入口開口部２８を介して通過するイオン３０の事実上すべては、バレルショック４６の領域に閉じ込められる。マッハディスク４８の下流のガスは、再膨張して、一連の１つ以上の続いて起こるバレルショックおよびマッハディスクを形成し、それらは、最初のバレルショック４６および最初のマッハディスク４８と比較してあまりよく定義されない。しかしながら、続いて起こるバレルショックおよびマッハディスクに閉じ込められたイオン３０の濃度は、最初のバレルショック４６および最初のマッハディスク４８に閉じ込められたイオン３０と比較すると、それ相応に減少され得る。
【００１１】
バレルショックの直径Ｄｂであって、図２に示される最も幅のある部分に一般的に位置するバレルショックの直径Ｄｂと、マッハディスク４８のダウンストリームの位置Ｘｍであって、入口開口２８から、より正確には、音速面を生成する入口開口２８のスロート２９から測定された、マッハディスク４８のダウンストリームの位置Ｘｍとによって、超音速自由ジェット膨張３４は一般に特徴付けられ得る。ＤｂおよびＸｍの大きさは、入口開口のサイズ、すなわち、直径Ｄ０、イオン源Ｐ０における圧力、および、真空チャンバにおける圧力Ｐ１から計算され得え、例えば、ｄｅＬｅｅｕｗ，Ｊ．Ｈ．，Ｒａｒｅｆｉｅｄ Ｇａｓ Ｄｙｎａｍｉｃｓの編集者、Ｆｏｕｒｔｈ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ＩＶ、ｖｏｌｕｍｅ２、Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ、１９６６年、ｐ．８４におけるＡｓｈｋｅｎａｓ、Ｈ．およびＳｈｅｒｍａｎ，Ｆ．Ｓ．による論文から計算され得る。
【００１２】
【数１】
ここに、Ｐ０は、入口開口２８の上流にある領域２４のイオン源２２付近の圧力であり、Ｐ１は、上述されたように開口２８の下流の圧力である。例えば、入口開口２８の直径が約０．６ミリメートルであり、適切なポンピングの速さにすることにより、下流の真空チャンバ２６における圧力が約２．６トルであり、イオン源２２の領域における圧力が７６０トル（大気）であるならば、式（１）からバレルショックの所定の直径Ｄｂが４．２ミリメータであり、式（２）から計算されるように、マッハディスク４８が入口開口２８のスロート２９から約７ミリメータ下流に位置する。
【００１３】
超音速自由ジェット３４から、質量解析器４４を含む第二の真空チャンバ４５へ、イオンをサンプリングする最も一般的な先行技術の方法の１つは、図３に示されるスキマー５０を通すことである。該スキマー５０の頂点５２は、質量解析器４４へイオン３０をサンプリングし、通過させるために、流体力学で周知である個別ガス濃度を有することによって特徴付けられる区間において、マッハディスク４８の上流または下流に位置付けられ得る。図３においては、スキマー５０は、マッハディスク４８の軸方向の上流にあるイオンをサンプリングする一方で、他のものは、超音速自由ジェット３４に直交して、マッハディスク４８の下流にスキマーを位置付けた。図３においては、マッハディスク４８の一部分は、示されるが、流体力学で一般に知られるように、バレルショックは、スキマーに取り付けられ得、それゆえに、図示されるものとは異なる変更された輪郭を生じる。マッハディスク４８の上流に位置付けされようと下流に位置付けされようと、先行技術のスキマーの構成は、超音速自由ジェット膨張３４から利用可能なイオン３０の一部分だけをサンプリングする。図示されないが、スキマー５０に向かってできるだけ多くのイオンを引き込もうとするために、入口開口２８とスキマー頂点５２との間に静電界（静電気の）を印加することが一般的である。しかしながら、質量解析器４４が適切に機能するために必要とされるほど低く、次のチャンバ４５の圧力を保つために、スキマー頂点５２は、相対的に小さい直径に維持される必要がある。これは、電界を印加したとしても、必ずしもイオン３０のすべてが、スキーマ５０を通してサンプリングされ得るとは限らないことを意味し、それは、入口開口２８の直径が、イオン源２２からより多くのイオン３０を通過させるために、増加されるならば、そのときは、超音速自由ジェット３４内の圧力は、増加され、イオン３０を静電気的に集中させることをより困難にする。
【００１４】
これらのすべての要因は、単純に入口開口の直径を増加することによって先行技術の入口開口スキマー構成のサンプリングシステムにおける感度を増加することをより困難にする。ある点までは成功しても、入口開口の直径を増加すること（必要とされる低圧に真空チャンバの圧力を維持するために真空ポンプのサイズの付随的な増加を伴う）は、結局は、真空ポンプのコストおよびサイズがあまりに大きくなりすぎ、商業的には成功しないので、実際的な解決法ではない。
【００１５】
上述の先行技術の構成のすべてにおいて、分析されるべきイオンは、入口開口２８とイオンガイド３６との間の入口の縁をなす場の領域を通過するために集中することを必要とし、それゆえに、圧力または濃度が相対的に大きい領域内にの静電気的な集中手段を必要とし、それは、感度において潜在的な損失につながる。さらに、イオンが、イオンガイドに入る前に、スキマーなどの別の制限的な開口を通過することを必要とするならば、イオンガイドに到達する前に損失し得、結果としてさらなる感度の減少を生じる。
【００１６】
本出願人は、入口開口２８のスロート２９から下流に膨張する超音速自由ジェット膨張３４およびバレルショック構造４６は、イオン３０が適切にイオンガイド３６の体積３７範囲内に存在するまで、イオン３０を輸送し、イオン３０の最初の膨張を閉じ込める効果的な方法であり得ることを認識する。ガスおよびイオン３０のすべてが、バレルショック４６内およびバレルショック４６付近の超音速自由ジェット３４の領域に閉じ込められる事実は、イオンガイド３６が自由ジェット膨張３４のすべて、またはほとんどすべてを受け入れるように設計されるならば、イオン３０の大きな部分は、イオンガイド３６の体積３７に最初は制限され得ることを意味する。さらに、マッハディスク４８がイオンガイド３６の体積３７の範囲内にあり得るような一定の位置にイオンガイド３６が位置付けされ得ることを出願人は、認識する。イオンガイド３６を、入口開口２８の下流で、かつ自由ジェット膨張３４の実質的にすべての直径Ｄｂを含む位置に配置することによって、より大きな入口開口２８が、使用され得、従って、より高い真空チャンバ２６の圧力Ｐ１が用いられ得、同時に開口２８と開口３２との間のイオン３０を半径方向に閉じ込め、集中させることにおいて高い効率を維持し、それによって、より多くのイオンを、第二の真空チャンバ４５へ送ることを可能にする。したがって、適切なＲＦ電圧、イオンガイドの大きさおよび真空圧を用いて、イオンガイド３６は、半径方向への閉じ込めを提供するだけではなく、イオンガイド３６はまた、イオン３０を集中させ得る一方で、イオン３０は、入口開口２８と出口開口３２との間の内部の体積を横断し、例えば、ＤｏｕｇｌａｓおよびＦｒｅｎｃｈによる米国特許第４，９６３，７３６号（７３６号特許）に記述されているとおりであり、７３６号特許の内容は、本明細書中に参照として援用される。本教示において、イオンガイド３６の機能は、イオンの半径方向への閉じ込めおよび集中を提供するように記載され得るが、イオンガイド３６がイオン集中効果を実行することは不可欠ではない。しかしながら、入口開口２８と出口開口３２との間のより効果的なイオン送出が、イオンガイド３６の集中能力を用いて達成され得る。
【００１７】
上述された実施例において、そこでは、バレルショック４６の直径Ｄｂが約４．２ミリメータであり、入口開口２８のスロートから測定されたマッハディスク４８の位置Ｘｍが約７ミリメータであり、超音速自由ガスジェット３４におけるすべて、または実質的にすべての閉じ込められたイオン３０が、イオンガイド３６の内部の体積３７の範囲内に含まれるために、イオンガイド３６の既定の断面（この例では、直径Ｄの内接円）は約４ミリメータであり得る。効果的なＲＦイオンの半径方向への閉じ込めが達成され得るように、７ミリメータよりも大きいイオンガイド３６のための適切な長さが選択され得る。これは、真空ポンピング能力を増加させること、およびこのようなより大きなポンプに関連するコストを必要とすることなしに、最大の感度を生じさせる。どのように超音速自由ジェット膨張３４がイオンガイド３６の体積３７の範囲内に閉じ込められ得るかを示すコンピュータシミュレーションからのこれらの結果のグラフ表示は、図４に示される。図４の参照番号は、図１に示された参照番号と同じである。
【００１８】
上述されたように、式（１）および式（２）に従って、イオンガイド３６を含む真空チャンバ２６の範囲内の圧力Ｐ１は、超音速自由ジェット３４構造の特徴に寄与する。圧力Ｐ１が低すぎるならば、そのときは、バレルショック４６の直径Ｄｂは大きく、イオンガイド３６は、超音速自由ジェット膨張３４によって閉じ込められるイオン３０を閉じ込めるために十分に大きい実質的に実際的な努力を必要とし得る。結果的に、大きな内接円Ｄが大きなバレルショックの直径Ｄｂに従って大きさが決められ得る場合には、そのときは、効果的なイオンの半径方向への閉じ込めおよびイオン集中を提供するために、より大きな電圧が使用されなければならない。しかしながら、より大きな電圧は、電気的破壊および放電を引き起こし得、これは、イオンガイドの適切な機能を妨害し得、安全で信頼し得る動作のための装置には相当な複雑性を導入し得る。さらに、大きな電圧を提供し得る電源は、価格が高い傾向があり、これは、市販の装置のコストを高騰させ得る。それゆえに、電圧が電気的破壊以下に維持されるように、ジェットの直径を小さく保ち、イオンガイドの直径Ｄを可能な限り小さく保たせるために、上記圧力を相対的に高く保つことはより効果的である。
【００１９】
反対に、圧力Ｐ１が高すぎる場合には、そのときは、イオンガイド３６の集中作用は、減少される。結果的に、イオン運動のコンピュータシミュレーションを通して、迅速かつ効果的な集中作用が約１トルと約１０トルとの間の圧力で獲得され得ることを、出願人は、決定した。この範囲では、超音速自由ジェットの直径Ｄｂは、約０．４ミリメータと約１ミリメータとの開口部の一般的な直径のためには小さく、イオンガイドの直径は、実際的に適用され得る。具体的には、内接円Ｄは、約２ミリメータと約８ミリメータとの間にあり得る。効果的な閉じ込めは、ピークからピークに約５０ボルトと約３００ボルトとの間のＲＦ電圧を用いて獲得され得、動作圧でガスの破壊電圧を超えない要求だけによって上端で制限され得る。一般的なＲＦ周波数は、約１ＭＨｚと約２ＭＨｚとの間であり得るが、約０．５ＭＨｚと約５ＭＨｚとの間の他の周波数もまた、かなり実際的であり、効果的であり得る。
【００２０】
本教示は、多様な実施形態と関連して記載されるが、本教示は、このような実施形態に制限されることは意図されない。反対に、本教示は、当業者によって認識されるように、多様な代替物、変化物および等価物を含む。例えば、本出願人は、入口開口部２８のスロート２９が有限の長さを有し得ることを認識し、構造的な統合性を維持すると同時に長さを特定の用途のために可能な限り短くすることが望ましい一方、毛管などの長いスロート長を有する開口もまた、毛管の末端で自由ジェット膨張を提供し得ることを認識する。多様な実施形態において、図１の入口開口２８は、図１１に示される円錐８０の頂点において音速開口部７８であり得、ここに、チャンファ３１は、Ｐ１（低）圧力側上にあり、または入口開口は、図１２に示されるチューブ８４の末端において合流ノズル８２であり得る。いずれかの実施例においても、開口の構成は、以下に記載され得る。特定の圧力差（Ｐ０とＰ１との間）においては、スロート２９を通過するガスは、詰まった流れ、またはより正確には「詰まった速度」を有するものとして特徴付けられ、ここに、ガスの速度は、音速である。これは、ダウンストリームの絶対圧Ｐ１がアップストリームの絶対圧Ｐ０の約５２．８％である場合に空気流に対して生じる。図２、図１１および図１２においては、スロート２９は、真空圧Ｐ１に隣接する直径Ｄ０を備えている。上流で、直径Ｄ０に隣接して、ガスは、音速に向かって加速し、イオン３０を閉じ込めまたは引き込み、高い効率で開口２８を通してイオン３０を送る。スロート２９の長さが、毛管のように、長い際には、スロートに入口でのガスの速度は、亜音速であり、スロートの入口へのガスの引き込みは、減じられる。それゆえに、短いスロートの効果は、高圧領域２４から真空チャンバ２６への最適なイオン送出をさらに達成するために使用され得る。
【００２１】
上記の計算で用いられたパラメータは、改善を提供し得、それは以下の実施例で記述される一方、本教示のための入口開口の直径および圧力Ｐ１の他の組み合わせを使用することもまた実際的であり得る。例えば、多様な実施形態において、入口開口２８が約０．１ミリメータの直径Ｄ０および約０．１トルの圧力Ｐ１を有する場合には、バレルショック４６の既定の直径Ｄｂは、３．６ミリメータと計算される。約４ミリメータの直径Ｄを有するイオンガイド３６は、超音速自由ジェット３４を効果的に捕捉し、イオン３０を半径方向に閉じ込める。同様に、約０．２ミリメータの直径Ｄ０および約１０トルの圧力Ｐ１を有する入口開口２８は、結果として１．２ミリメータの規定の直径Ｄｂになり、その結果、約１．２ミリメータの直径Ｄを有する小さなイオンガイド３６が、それゆえに、より低いＲＦ電圧を必要とし、使用され得る。さらに、本教示の入口開口２８の構成は、その断面において円形ではないと知覚され得ることが理解され得る。例えば、多様な実施形態において、入口開口２８は、直径Ｄ０を有する対応する円形断面積に同等であり得る断面積を有する正方形または三角形であり得る。
【００２２】
イオンガイド３６の既定の断面は、超音速自由ジェット３４におけるイオンの対応する部分を閉じ込め得るように、既定の直径Ｄｂよりも小さく大きさを合わせられ得る一方、感度においてなお相当な改善を達成する。例えば、多様な実施形態において、イオンガイド３６の断面は、該断面が既定の直径Ｄｂの少なくとも５０％であるように大きさを合わせられ得る。
【００２３】
図１のイオンガイド３６は、内部の体積３７が、完全に線状の軸に沿って、超音速自由ジェット膨張３４を包むように位置付けられるが、本出願人は、イオンガイド３６の体積３７が、最初のバレルショック４６および最初のマッハディスク４８の幾つかを包むか、または全く包まないように、入口開口２８の下流にイオンガイド３６を配置することを考えた。図１および図２の最初のバレルショック４６および最初のマッハディスク４８を全く包まないが、または一部分を包むような内部の体積３７のイオンガイド３６のこのような下流の配置は、なおその後の再膨張されたバレルショックおよびマッハディスクを包み得ることが認識され得る。
【００２４】
本出願人は、実質的に同じイオン送出効率を達成するために、１つ以上の入口開口２８の使用を考えた。例えば、多様な実施形態において、２つの開口２８ａおよび２８ｂは、図１３に示されるが、次に記載されるように、付加的な開口およびそれらの対応するエレメントは、暗黙に実践性に従うように含意されることは、当業者によって理解される。同じ番号付けシステムが用いられ、文字「ａ」および「ｂ」の付加を除いて、図１に示されるエレメントと共通のエレメントを表す。開口２８ａおよび２８ｂの各々は、対応する超音速自由ジェット膨張３４ａおよび３４ｂならびにバレルショック４６ａおよび４６ｂを形成し得、自由ジェット３４ａおよび３４ｂのうちの少なくとも１つは、それらの対応するイオンガイド３６ａおよび３６ｂによって包まれる。開口２８ａおよび２８ｂの累積的断面積は、上述された望まれる直径を有する単一の入口開口２８の断面積と同等であり得る。イオンガイド３６ａおよび３６ｂのうちの１つ以上によって半径方向に閉じ込められ、送られるイオンは、付加的なイオンガイドによって、さらに閉じ込められ集中され送られ得、その結果イオンを単一のイオンビーム（図示されず）に合成する。離散的なジェットであろうと重なるジェットであろうと、超音速自由ジェット３４ａおよび３４ｂの配列は、１つのイオンガイド３６ｃによって包まれ得、ここに、イオンガイド３６ｃの内接直径Ｄは、図１４に示されるように、適切に大きさを合わされる。
【００２５】
イオンの閉じ込め、集中および導きのデバイスとして作用するイオンガイド３６は、図５〜図１０に示されるタイプのものであり得る。図５、図６および図７の多数のイオンガイドは、四極（４つの極）６４、六極（６つの極）６６および八極（８つの極）６８またはより多い数の極７４を含み得る。極７４は、当該技術分野で一般に知られたＲＦ電圧を伝送する長く延びた電極である。より多い数の極または異なる形の電極を含む他の構成もまた可能である。例えば、電極は、ワイアまたはロッドからなり得、断面が円形の代わりに正方形であり得、または電極は、長くされた長さに沿って変わる断面を有し得る。多様な実施形態において、極７４は、対応する電源に接続された多数の電極セグメントであり得、その対応する電源は、隣接するセグメントの間に異なる場（ｆｉｅｌｄｓ）を提供提供するためのものである。図８、図９および図１０のイオンガイドは、リングガイド７０として一般的に知られ、ホール７６を有する個々のリング７２またはプレート７２が、一般に、イオン３０が横断する軸通路を形成するように互いに関係して整列されている。隣接するプレート７２は、当該の技術分野で知られているように逆位相のＲＦ電圧を伝送し得る。図９の積み重ねられたプレート７２が実質的に類似の直径の孔７６を有する一方で、図１０のプレート７２は、収束作用または集中作用を提供するように、孔の直径が変わる。収束効果と発散効果との組み合わせは、積み重ねられたプレート７２または変化する断面を有する長く延びた電極のいずれかを用いて適用され得る。均質でない（空間において）交流電場によってイオン３０を閉じ込める任意のＲＦ集中デバイスが、使用され得る。多様な実施形態において、四極イオンガイドは、デバイスの中心に向かってより強い集中作用を提供するために使用され得、イオンは、軸の近くの狭い位置により強く閉じ込められ得る。これは、イオン３０を小さな出口開口３２を通って次のチャンバ４５に送るために有利であり得る。付加的な実施形態は、図１６および図１７に例示され、ここで、共通のエレメントは、図１と同じ参考番号を有し、幾つかの共通エレメントは、図の明瞭性を提供するために省略された。図１６においては、図１のイオンガイド３６は、一連のイオンガイド３６ｄおよび３６ｅによって置換される。しかしながら、この実施例においては、２つのイオンガイド３６ｄおよび３６ｅは、以下に論じられるように、一連のイオンガイドを定義し、該一連のイオンガイドは、２つより多いイオンガイドを備え得る。各イオンガイド３６ｄおよび３６ｅは、内接直径Ｄ１およびＤ２を伴う既定の断面を有することによって特徴付けられ得る。直径Ｄ１およびＤ２は、各イオンガイド３６ｄおよび３６ｅの軸の長さに沿って延びて、各々、参照番号３７によって集合的に示される内部の体積を定義する。図１６に示されるように、直径Ｄ１およびＤ２は、似ておらず、電源４０は、以下に論じられるように、イオンガイドの内部の体積３７の範囲内でイオンを半径方向に閉じ込めるためにイオンガイド３６ｄおよび３６ｅへの独立した接続を有し得る。
【００２６】
単一のＲＦ閉じ込め場を有するイオンガイド３６を備えている図１に従う構成は、特定の適用において入口開口２８と出口開口３２との間のイオン転送を提供するために最適ではあり得ない。例えば、印加されるＲＦ電圧によって定義される一組の動作パラメータ、内接直径Ｄなどのイオンガイドの大きさ、および真空圧Ｐ１は、出口開口３２に対する最適なイオン集中およびイオン送出を提供するように選ばれ得る。しかしながら、これらの同じパラメータは、バレルショックの既定の直径Ｄｂの一部分だけを包むのに十分であり得、それゆえに、イオン３０の最初の膨張の最適な受け入れは、実現され得ない。逆も可能であり、最適なイオンの受け入れ条件のために選ばれる別の組のパラメータは、出口開口３２に対する最適のイオン集中およびイオン送出を提供し得ない。したがって、本出願人は、ある応用において、イオンの集中／送出とイオンの受け入れとの間の最適化を別の半径方向のＲＦ閉じ込め場（ｆｉｅｌｄｓ）を提供することによって達成することが有利であると判断し、一方の場は、体積３７内の入口開口２８から現れるイオン３０を受け入れ閉じ込め、他方の場は、イオン３０を集中して、その結果体積３７から出口開口３２にイオンを通過させる。
【００２７】
上述の最適化は、図１６に示すように達成され得、すなわち、第１のイオンガイド３６ｄに、ＲＦ閉じ込め場を確立するための対応するＲＦ電圧を引加し、そのＲＦ閉じ込め場は、イオン３０の最初の膨張を受け入れるために最適化されており、第２のイオンガイド３６ｅに、ＲＦ閉じ込め場のための対応する電圧を引加し、その閉じ込め場は、イオン３０を出口開口３２の大きさに集中することによって達成され得る。多様な実施形態において、イオン源に最も近く、結果的に入口開口２８に最も近い、第一のイオンガイド３６ｄは、バレルショックの直径Ｄｂの少なくとも５０パーセントを受け入れるように適宜に大きさを合わされた内接Ｄ１を有するよう構成され得て、その結果、超音速自由ジェット３４に閉じ込められたイオン３０のすべて、または実質的にすべてが、イオンガイド３６ｄの体積３７の範囲内に包まれ得る。第一のイオンガイド３６ｄに印加された対応するＲＦ電圧は、所望のイオン３０の質量に加えて、効率的に包まれたイオン３０を閉じ込め集中させイオン３６ｅへの効率的な送出を可能にする直径Ｄ１およびＰ１に応じて選択され得る一方、動作圧でガスの破壊電圧を超えない。
【００２８】
さらに、出口開口３２に最も近いイオンガイド３６ｅは、出口開口３２の大きさに従って内接直径Ｄ２を有する断面を用いて構成され得る。イオンガイド３６ｅに印加される対応するＲＦ電圧は、出口開口３２の大きさに、すべて、または実質的にすべてのイオン３０を集中するために、イオンガイド３６ｅの体積３７の範囲内でＲＦ閉じ込め場を確立するための直径Ｄ２に従って選択され得る。出口開口の大きさは、例えば、円形の開口に対する場合におけるように、該直径によって、または正方形の開口に対する場合におけるように、開口の幅などの他の幾何学的構成に対する別の大きさのパラメータによって定義され得る。特定の幾何学的形状にかかわらず、出口開口３２の断面積は、直径によって定義される等しい円形の断面積により一般に記載され得る。最適なイオン送出は、イオン３０が出口開口３２の直径以下である直径を有するイオンビームを形成するように集中される際に実現され得る。十分なイオン送出は、イオンビームの直径が出口開口３２の直径よりも大きい場合に達成され得るが、最適なイオン送出集中が、ビームの直径が出口開口３２の直径以下である場合に予測され得ることは、当業者に明白である。
【００２９】
一般に、第一のイオンガイド３６ｄの機能が出口開口２８からのイオン３０を捕捉し、集中するためのものである一方で、第二のイオンガイド３６ｅの機能は、第一のイオンガイド３６ｄから出口開口３２にイオン３０を集中し、送るためのものである。第一のイオンガイド３６ｄの直径Ｄ１および対応する印加されるＲＦ電圧は、バレルショックの既定の直径Ｄｂに従って選択される一方で、第二のイオンガイド３６ｅの直径Ｄ２および対応する印加されたＲＦ電圧は、上述された出口開口３２の直径に従って選択される。多様な実施形態において、バレルショックの直径Ｄｂは、しばしば出口開口３２の直径よりも大きくあり得、それゆえに、第一のイオンガイド３６ｄの対応する断面は、第二のイオンガイド３６ｅの対応する断面よりも大きくあり得る。結果的に、入口開口２８と出口開口３２との間の最適なイオン送出のための多様な実施形態においては、第二のイオンガイド３６ｅの第一のイオンガイド３６ｄに対する断面の相対比は、１未満であり得る。一般的には、実施例２で以下に論じられるように、出願人は、入口開口２８と出口開口３２との間の改善されたイオン３０の送出を示すために、約０．６ミリメータのイオンガイドの断面の間の相対比を付与するように、約４ミリメータの直径Ｄ２および約７ミリメータの直径Ｄ１を利用した。多様な実施形態において、第一のイオンガイド３６ｄおよび第二のイオンガイド３６ｅの断面が等しい一方で、対応するＲＦ電圧は、イオンの集中／送出およびイオンの受け入れのために独立して最適化されるＲＦ閉じ込め場を提供するように選択され得る。
【００３０】
多様な実施形態において、２つより多くのイオンガイドを備えている一連のイオンガイドは、付加的な多数の集中段階を提供される。例えば、図１７においては、付加的なイオンガイド３６ｘは、第一のイオンガイド３６ｄと第二のイオンガイド３６ｅとの間に配置される。付加的なイオンガイド３６ｘは、第一のイオンガイド３６ｄおよび第二のイオンガイド３６ｅの直径の中間または等しい内部の直径Ｄｘを有する対応する断面を用いて構成され得る。第一のイオンガイド３６ｄおよび第二のイオンガイド３６ｅに印加される対応するＲＦ電圧の詳細は、上述されたとおりである一方で、イオンガイド３６ｘに印加される対応するＲＦ電圧は、同じ、または異なる半径方向の閉じ込め場を提供するように構成され得る。各対応するＲＦ電圧は、２つ以上の独立した電源４０および４０ａによって提供され得ること、または図１６および図１７に示されるように、単一の電源が独立した対応するＲＦ電圧を適切に送るように構成され得ることは、当業者に明白である。
【００３１】
一連の各イオンガイド３６ｄ、３６ｘおよび３６ｅの長さは、対応する半径方向のＲＦ場が体積３７の範囲内でイオン３０を十分に集中するために必要な距離に従って適切に選択され得る。イオンガイドの集中機能に加えて、イオンガイドは、入口開口２８と出口開口３２との間で転送されるガスの量を制限するように物理的な機能を実行し得る。図１８を参照すると、ガス流線８６は、第一のイオンガイド３６ｄを通過する超音速自由ジェット膨張３４から出現するガスの表示であり得る。イオン３０が第一のイオンガイド３６ｄと第二のイオンガイド３６ｅとの間で収束するときに、ガス８６は、第二のイオンガイド３６ｅの末端表面８８に遭遇し得、イオン３０の経路から遠くにそらされ得る。そらされたガス８６は、矢印９２によって示されるように、イオンガイド３６ｄとイオンガイド３６ｅとの間のギャップ９０を通過し得る。これは、出口開口３２を通って質量解析器４４に送られるガス８６に対するイオン３０における改善という結果になり得る。
【００３２】
さらに、イオンガイドの形状およびサイズは、ガス流の特徴に影響を及ぼし得る。例えば、多様な実施形態において、多極のイオンガイドの極直径を増加することは、イオンガイドの長さに沿ってより多くのガス流を閉じ込めることを導き得る。増加される極直径は、直径Ｄ１を維持すると同時に、隣接する極の間のギャップに対する中心軸１００の間の半径方向の距離を効果的に増加する。これは、第一のイオンガイドにより多くのガス流を閉じ込める可能性を増加し得る。代替的に、多極の形状は、極の表面積を増加するプレートのようであり得る一方、より良いガスの閉じ込めを達成するためのギャップの大きさを維持し、または減少する。
【００３３】
多様な実施形態において、図１９に示される単一のイオンガイド９４は、出口開口部３２に最も近い直径Ｄ２によって特徴付けられる出口断面よりも大きい、イオン源に最も近い直径Ｄ１によって特徴付けられる入口断面を有するように構成され得る。簡単のために、共通のエレメントが図１におけるのと同じ参照番号を有する一方で、幾つかのエレメントは、この図の明瞭性を提供するために省略された。イオンガイド９４に印加される単一のＲＦ電圧は、中心軸１００に沿って測定される際、入口直径Ｄ１と出口直径Ｄ２との間の強さを増加し得るＲＦ閉じ込め場を提供し得る。上述されるように、ＲＦ電圧は、所望のイオン３０の質量に従って選択され、動作圧でガスの破壊電圧を超えない要求によってだけ上端で制限される。入口断面に対する出口断面の相対比は、１未満であり得る。一般的には、該比は、２センチメータと２０センチメータとの間の長さであるイオンガイド９４を超えて約０．４であり得る。入口開口部２８と出口開口部３２との間で利用可能であるスペースにのみ制限してより大きな長さが可能であることは、当業者に明白である。
【００３４】
多様な実施形態において、第二の真空チャンバ４５は、第二の真空チャンバ４５から質量解析器４４までイオンを通過させるための流出開口を有し得、ここに、質量解析器４４は、第三の真空チャンバに収納され得る。第二の真空チャンバ４５は、７３６号特許に記載されたように、出口開口３２と流出開口との間でイオン３０を半径方向に閉じ込め、集中し、輸送するためのＲＦのみのイオンガイドを有し得る。出口開口３２は、上述されたように、チャンバ間開口３２として機能する。ＲＦのみのイオンガイドは、イオンガイド３６と同様に作られ得る。使用中に、イオン３０は、第一の真空チャンバから、チャンバ間開口３２を通って第２の真空チャンバ４５へ通過し、ここで、イオン３０が、ＲＦのみのイオンガイドを横断するときに、イオン３０は、ＲＦイオンガイドによって半径方向に閉じ込められ、集中され得る。イオン３０が、第二の真空チャンバ４５から、流出開口を通って第三の真空チャンバへ通過した後、質量解析器４４は、質量解析のためにイオン３０を受け取る。イオンガイド３６にＲＦ電圧を提供する同じ電源４０または別々の電源が、知られた方式でＲＦ電圧を提供するためにＲＦのみのイオンガイドに接続され得る。
【００３５】
イオン源２２は、解析されるべきサンプルのタイプに依存する多くの公知のタイプのイオン源の１つであり得る。多様な実施形態において、イオン源２２は、エレクトロスプレーもしくはスプレーデバイス、コロナ放電ニードル、プラズマイオン源、電子衝撃もしくは化学イオン化源、光イオン化源、ＭＡＬＤＩ源またはそれらの任意の組み合わせであり得る。当業者に知られたイオン源の他の望ましいタイプが使用され得、イオン源は、大気圧で、大気圧より上で、大気圧付近で、または大気圧より下でイオンを生成し得るが、絶対圧力比は、Ｐ１／Ｐ０≦０．５２８であるように、真空チャンバ２６での圧力と関連する圧力よりも高い。
【００３６】
本教示の局面は、以下の実施例を考慮してさらに理解され得るが、決して本教示の範囲を制限するものとして解釈されるべきではない。
【実施例】
【００３７】
（実施例１）
図１５は、本教示に従い三重の四極質量分析器システムの感度を示すし、本教示は、ｍ／ｚ６０９先行モデルのｍ／ｚ１９５フラグメントイオンをモニタする動作のマルチ反応モニタリングモードを使用して、２００ｕＬ／分のサンプルの流量率で合成レセルピンの５０ｐｇ注入に起因する。信号のピークの高さは、該システムの感度の直接的な指標であり得る。２つの別個の実験からの反応は、図１５で重ね合わされ、この場合に、垂直軸は、正規化された強度を示し、水平軸は、任意の単位における時間の関数である。
【００３８】
ＡＰＩ ４０００とラベルされた第一（低い方）のピークは、先行技術の質量分析器の応答であり、その質量分析器は、０．３２ミリメータの入口開口の直径および２．４ミリメータのスキマーの直径を使用する、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｂｉｏｓｙｓｔｅｍｓ／ＭＤＳ Ｓｃｉｅｘによって製造された、ＡＰＩ ４０００の三重の四極質量分析器である。
【００３９】
ラベルＡＰＩ ５０００によって示される第二（高い方）のピークは、本教示に従った三重の四極質量分析器装置での応答を示し、この場合に、入口開口部の直径が０．６ミリメータに増加され、ＲＦ四重イオンガイドが、本教示に従って超音速自由ジェットからイオンを捕捉し、集中するために使用された。この実施例においては、イオンガイドの領域における圧力は、２．６トルであり、イオンガイドの直径は、４ミリメータであって、式（１）に従って計算された、マッハディスクのバレルショックの最大の直径は、４．２ミリメータであった。感度においてラベル６ｘで示された約６倍の増加は、本教示に従ってかなりより良い質量分析性能を達成する能力を示す。
【００４０】
（実施例２）
図２０は、本教示に従った三重の四極質量分析器システムの感度を示し、このシステムは、図１の単一のイオンガイド３６を図１６の一連のイオンガイド３６ｄおよび３６ｅならびに対応するＲＦ電圧を置換することから得たものである。図１５と類似して、図２０の結果は、ｍ／ｚ６０９先行モデルのｍ／ｚ１９５フラグメントイオンをモニタする動作のマルチ反応モニタリングモードを使用して、２００ｕＬ／分のサンプルの流量率で合成レセルピンの１０ｐｇ／ｕＬの注入液からであった。信号のピークの高さは、該システムの感度の直接的な指標であり得る。２つの別々の実験からの応答は、図２０で重ね合わされ、この場合に、垂直軸は、正規化された強度を示し、水平軸は、任意の単位における時間の関数である。
【００４１】
ＡＰＩ ５０００とラベルされた第一（低い方）のピークは、図１５に示されるのと同じラベルに対する応答と類似する応答を示す。ラベルＡＰＩ ５０００二重イオンガイドによって示される第二（大きい方）のピークは、同じ三重の四極質量分析器システム上での反応を示すが、しかしながら、該４ミリメータのイオンガイドは、直径７ミリメータの第一のイオンガイドおよび直径４ミリメータの第二のイオンガイドによって置換された。第一のイオンガイドの長さは、７ミリメータであり、第二のイオンガイドの長さは、５ミリメータであった。感度において約２倍〜約３倍の増加は、ラベル２〜３ｘによって示され、本教示に従ってかなりより良い質量分析性能を達成する能力を示す。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１は、本教示に従う質量分析器の概略図である。
【図２】図２は、本教示に従う入口開口、イオンおよび超音速自由ジェット膨張のより詳細な概略図である。
【図３】図３は、先行技術の開口およびスキマーの構成の概略図である。
【図４】図４は、図１の実施形態のコンピュータシミュレーションのグラフ表示である。
【図５】図５は、本教示に従うイオンガイドの多様な実施形態の概略図および概略断面図である。
【図６】図６は、本教示に従うイオンガイドの多様な実施形態の概略図および概略断面図である。
【図７】図７は、本教示に従うイオンガイドの多様な実施形態の概略図および概略断面図である。
【図８】図８は、本教示に従うイオンガイドの多様な実施形態の概略図および概略断面図である。
【図９】図９は、本教示に従うイオンガイドの多様な実施形態の概略図および概略断面図である。
【図１０】図１０は、本教示に従うイオンガイドの多様な実施形態の概略図および概略断面図である。
【図１１】図１１は、本教示に従うイオンガイドの多様な実施形態の概略断面図である。
【図１２】図１２は、本教示に従うイオンガイドの多様な実施形態の概略断面図である。
【図１３】図１３は、本教示の多様な実施形態の概略図である。
【図１４】図１４は、本教示の多様な実施形態の概略図である。
【図１５】図１５は、先行技術の質量分析器に対して本教示に従う質量分析器の改善された性能を示す知られた合成物の強度の輪郭である。
【図１６】図１６は、本教示の多様な実施形態の概略図である。
【図１７】図１７は、本教示の多様な実施形態の概略図である。
【図１８】図１８は、本教示に従う一連のイオンガイド、ガス流およびイオン送出のより詳細な概略図である。
【図１９】図１９は、本教示の多様な実施形態の概略図である。
【図２０】図２０は、本教示に従う質量分析器の改良された性能をさらに示す知られた合成物の強度の輪郭である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧領域においてイオンを生成するイオン源と、
真空チャンバであって、該高圧領域から該真空チャンバの中へイオンを通過させるための入口開口と、該真空チャンバからイオンを通過させるための出口開口とを備える真空チャンバと、
該入口開口と該出口開口との間のイオンガイドであって、内部の体積を定義する所定の断面を有するイオンガイドと、
該イオンガイドの該内部のボリューム内で半径方向にイオンを閉じ込めるために該イオンガイドにＲＦ電圧を提供する電源と
を備えた質量分析器であって、
該入口開口の構成、および該イオン源と該真空チャンバとの間の圧力の相違が、該入口開口下流に超音速自由ジェット膨張を提供し、該超音速自由ジェット膨張は、所定の直径のバレルショックを備えており、
該イオンガイドの断面は、該超音速自由ジェット膨張の該バレルショックの所定の直径の少なくとも５０％の大きさに合わされている、質量分析器。
【請求項２】
前記入口開口は、音速ノズルまたは音速開口部を備えている、請求項１に記載の質量分析器。
【請求項３】
前記イオンガイドは、四重極イオンガイド、六重極イオンガイド、八重極イオンガイド、リングガイドおよびそれらの任意の組み合わせから選択される、請求項２に記載の質量分析器。
【請求項４】
前記イオンガイドは、四重極イオンガイドである、請求項３に記載の質量分析器。
【請求項５】
前記高圧領域は、実質的に大気圧である、請求項３に記載の質量分析器。
【請求項６】
前記真空チャンバは、約０．１トルと約１０トルとの間の圧力を有する、請求項５に記載の質量分析器。
【請求項７】
前記入口開口部は、円形であり、約０．１ミリメータと約１ミリメータとの間の直径を有する、請求項６に記載の質量分析器。
【請求項８】
前記所定の断面は、内接円を形成し、約１ミリメータと約８ミリメータとの間の直径を有する、請求項７に記載の質量分析器。
【請求項９】
前記真空チャンバから通過されたイオンを受け取る質量解析器をさらに備えた、請求項１に記載の質量分析器。
【請求項１０】
質量解析器と、
該質量解析器によって解析されるべきイオンを生成するイオン源と、
第１の真空チャンバであって、該イオンを受け取るための入口開口と、第一の該真空チャンバから該イオンを輸送するための出口開口とを備える第一の真空チャンバと、
所定の断面を有するイオンガイドであって、該入口開口と該出口開口との間の該第一の真空チャンバに配置されたイオンガイドと、
イオンガイドに接続され、該イオンガイドにＲＦ電圧を提供する電源と
を備えた質量分析器であって、
該入口開口のサイズ、および該イオン源と該第一の真空チャンバとの間の差圧は、該第一の真空チャンバにおいて超音速自由ジェット膨張を生成し、
該イオンガイドの断面は、該超音速自由ジェット膨張のバレルショックの所定の直径の少なくとも５０％のサイズにされており、
該超音速自由ジェット膨張内のイオンは、該イオンが該イオンガイドを横断するときに、半径方向に閉じ込められる、質量分析器。
【請求項１１】
前記第一の真空チャンバの下流にある第二の真空チャンバと、
該第一の真空チャンバから前記イオンを受け取るためのチャンバ間開口を備える第二の真空チャンバと、
該第二の真空チャンバから該質量解析器にイオンを輸送するための流出開口と、
該チャンバ間の開口と該流出開口との間に配置されるＲＦのみのイオンガイドと
をさらに備える、請求項１０に記載の質量分析器。
【請求項１２】
前記第二の真空チャンバにおける前記ＲＦのみのイオンガイド接続されて、該ＲＦのみのイオンガイドにRF電圧を提供する電源をさらに備え、
それによって、イオンが該ＲＦのみのイオンガイドを横断するときに、該イオンは、半径方向に集束される、請求項１１に記載の質量分析器。
【請求項１３】
質量解析を実行する方法であって、該方法は、
高圧領域においてイオンを生成することと、
真空チャンバであって、該高圧領域から該真空チャンバの中へイオンを通過させるための入口開口と、該真空チャンバからイオンを通過させるための出口開口とを備えた該真空チャンバの中へ該イオンを通過させることと、
該入口開口と出口開口との間のイオンガイドであって、内部のボリュームを定義する所定の断面を有するイオンガイドを提供することと、
該イオンガイドの該内部のボリューム内でイオンを半径方向にイオンを閉じ込めるために該イオンガイドにＲＦ電圧を印加することと
を含み、
該入口開口の構成、および該高圧領域と該真空チャンバとの間の圧力差が、該入口開口の下流に超音速自由ジェット膨張を提供し、該超音速自由ジェット膨張は、所定の直径のバレルショックを備えており、
該イオンガイドの断面は、該超音速自由ジェット膨張のバレルショックの所定の直径の少なくとも５０％のサイズにされている、方法。
【請求項１４】
前記入口開口は、音速ノズルまたは音速開口を備えている、請求項１３に記載の質量解析を実行するための方法。
【請求項１５】
前記イオンガイドは、四重極イオンガイド、六重極イオンガイド、八重極イオンガイド、リングガイドおよびそれらの任意の組み合わせから選択される、請求項１４に記載の質量解析を実行するための方法。
【請求項１６】
前記イオンガイドは、四重極イオンガイドである、請求項１５に記載の質量解析を実行するための方法。
【請求項１７】
前記高圧領域は、実質的に大気圧である、請求項１５に記載の質量解析を実行するための方法。
【請求項１８】
前記真空チャンバは、約０．１トルと約１０トルとの間の圧力を有する、請求項１７に記載の質量解析を実行するための方法。
【請求項１９】
前記入口開口は、円形であり、約０．１ミリメータと約１ミリメータとの間の直径を有する、請求項１８に記載の質量解析を実行するための方法。
【請求項２０】
前記所定の断面は、内接円を形成し、約１ミリメータと約８ミリメータとの間の直径を有する、請求項１９に記載の質量解析を実行するための方法。
【請求項２１】
高圧領域においてイオンを生成するイオン源と、
真空チャンバであって、該高圧領域から該真空チャンバの中へイオンを通過させるための入口開口と、該真空チャンバからイオンを通過させるための出口開口とを備えている真空チャンバと、
該入口開口と該出口開口との間の一連の多極イオンガイドであって、該一連のイオンガイドの各々は、内部のボリュームを定義する所定の断面を有し、該一連のイオンガイドは、該入口開口の最も近くに配置された少なくとも第一のイオンガイドと、該出口開口の最も近くに配置された第二のイオンガイドとを備える、一連のイオンガイドと、
該イオンガイドの該内部のボリューム内でイオンを半径方向に閉じ込めるために、該イオンガイドの各々に対応するＲＦ電圧を提供する電源と
を備えた質量分析器であって、
該入口開口の構成、および該イオン源と該真空チャンバとの間の圧力の相違が、該入口開口下流にの超音速自由ジェット膨張ダウンストリームを提供し、該超音速自由ジェット膨張は、所定の直径のバレルショックを備えており、
該第一のイオンガイドの断面、および該第一のイオンガイドに印加される対応するＲＦ電圧は、該超音速自由ジェット膨張のバレルショックの該所定の直径の少なくとも５０％を受け入れるように構成されている、質量分析器。
【請求項２２】
前記第二のイオンガイドの断面、および該第二のイオンガイドに印加される対応するＲＦ電圧は、前記出口開口の大きさに前記イオンを集中させるように構成されている、請求項２１に記載の質量分析器。
【請求項２３】
前記第二のイオンガイドの断面、および前記第一のイオンガイドの断面は、１以下の相対比を有する、請求項２２に記載の質量分析器。
【請求項２４】
前記比は、０．６以下である、請求項２３に記載の質量分析器。
【請求項２５】
前記多極イオンガイドは、四重極イオンガイド、六重極イオンガイド、八重極イオンガイドおよびそれらの任意の組み合わせから選択される、請求項２１に記載の質量分析器。
【請求項２６】
各イオンガイドは、四重極イオンガイドである、請求項２１に記載の質量分析器。
【請求項２７】
前記高圧領域は、実質的に大気圧である、請求項２１に記載の質量分析器。
【請求項２８】
前記真空チャンバは、約０．１トルと約１０トルとの間の圧力を有する、請求項２７に記載の質量分析器。
【請求項２９】
前記入口開口部は、円形であり、約０．１ミリメータと約１ミリメータとの間の直径を有する、請求項２８に記載の質量分析器。
【請求項３０】
前記第一のイオンガイドの断面は、内接円を形成し、約１ミリメータと約８ミリメータとの間の直径を有する、請求項２９に記載の質量分析器。
【請求項３１】
前記電源は、対応するＲＦ電圧を提供するための少なくとも２つの別々の電源を備えている、請求項２１に記載の質量分析器。
【請求項３２】
前記真空チャンバから通過されたイオンを受け取る質量解析器をさらに備えている、請求項２１に記載の質量分析器。
【請求項３３】
高圧領域においてイオンを生成するイオン源と、
真空チャンバであって、該高圧領域から該真空チャンバの中へイオンを通過させるための入口開口と、該真空チャンバからイオンを通過させるための出口開口とを備える真空チャンバと、
該入口開口と該出口開口との間の一連の多極イオンガイドであって、該イオンガイドは、内部のボリュームを定義する入口断面および出口断面を有し、該出口断面および該入り口断面は、１未満の相対比を有する、一連の多極イオンガイドと、
該イオンガイドの該内部のボリューム内で半径方向にイオンを閉じ込めるために該イオンガイドにＲＦ電圧を提供する電源と
を備えた質量分析器であって、
該入口開口の構成、および該イオン源と該真空チャンバとの間の圧力の相違が、該入口開口の下流に超音速自由ジェット膨張を提供し、該超音速自由ジェット膨張は、所定の直径のバレルショックを備えており、
該入口断面は、該超音速自由ジェット膨張のバレルショックの該所定の直径の少なくとも５０％を受け入れるように構成され、該出口断面は、該イオンを該出口開口に集中させるように構成されている、質量分析器。
【請求項３４】
前記比は、０．４以下である、請求項３３に記載の質量分析器。
【請求項３５】
前記イオンガイドは、四重極イオンガイド、六重極イオンガイドおよび八重極イオンガイドから選択される、請求項３３に記載の質量分析器。
【請求項３６】
前記イオンガイドは、四重極イオンガイドである、請求項３３に記載の質量分析器。
【請求項３７】
質量解析を実行するための方法であって、該方法は、
高圧領域においてイオンを生成することと、
真空チャンバであって、該高圧領域から該真空チャンバの中へイオンを通過させるための入口開口と、該真空チャンバからイオンを通過させるための出口開口とを備える真空チャンバにイオンを通過させることと、
該入口開口と該出口開口との間の一連の多極イオンガイドであって、該一連のイオンガイドの各々は、内部のボリュームを定義する所定の断面を有し、該一連のイオンガイドは、該入口開口の最も近くに配置された少なくとも第一のイオンガイドおよび該出口開口の最も近くに配置された第二のイオンガイドを備えている一連の多極イオンガイドを提供することと、
該イオンガイドの内部のボリューム内で半径方向にイオンを閉じ込めるために、各イオンガイドに対応するＲＦ電圧を印加することと
を備え、
該入口開口の構成、および該高圧領域と該真空チャンバとの間の圧力の相違が、該入口開口下流に超音速自由ジェット膨張を提供し、該超音速自由ジェット膨張は、所定の直径のバレルショックを備えており、
該一連のイオンガイドにおける少なくとも第一のイオンガイドの断面および対応するＲＦ電圧は、該超音速自由ジェット膨張のバレルショックの該所定の直径の少なくとも５０％を受け入れるように構成されている、方法。
【請求項３８】
前記一連のイオンガイドにおける少なくとも該第二のイオンガイドの断面および該第二のイオンガイドに印加される対応するＲＦ電圧は、該出口開口の大きさにイオンを集中するように構成されている、請求項３７に記載の質量解析を実行するための方法。
【請求項３９】
前記第二のイオンガイドの断面および前記第一のイオンガイドの断面は、１以下の相対比を有する、請求項３８に記載の質量解析を実行するための方法。
【請求項４０】
前記比は、０．６以下である、請求項３９に記載の質量解析を実行するための方法。
【請求項１】
高圧領域においてイオンを生成するイオン源と、
真空チャンバであって、該高圧領域から該真空チャンバの中へイオンを通過させるための入口開口と、該真空チャンバからイオンを通過させるための出口開口とを備える真空チャンバと、
該入口開口と該出口開口との間のイオンガイドであって、内部の体積を定義する所定の断面を有するイオンガイドと、
該イオンガイドの該内部のボリューム内で半径方向にイオンを閉じ込めるために該イオンガイドにＲＦ電圧を提供する電源と
を備えた質量分析器であって、
該入口開口の構成、および該イオン源と該真空チャンバとの間の圧力の相違が、該入口開口下流に超音速自由ジェット膨張を提供し、該超音速自由ジェット膨張は、所定の直径のバレルショックを備えており、
該イオンガイドの断面は、該超音速自由ジェット膨張の該バレルショックの所定の直径の少なくとも５０％の大きさに合わされている、質量分析器。
【請求項２】
前記入口開口は、音速ノズルまたは音速開口部を備えている、請求項１に記載の質量分析器。
【請求項３】
前記イオンガイドは、四重極イオンガイド、六重極イオンガイド、八重極イオンガイド、リングガイドおよびそれらの任意の組み合わせから選択される、請求項２に記載の質量分析器。
【請求項４】
前記イオンガイドは、四重極イオンガイドである、請求項３に記載の質量分析器。
【請求項５】
前記高圧領域は、実質的に大気圧である、請求項３に記載の質量分析器。
【請求項６】
前記真空チャンバは、約０．１トルと約１０トルとの間の圧力を有する、請求項５に記載の質量分析器。
【請求項７】
前記入口開口部は、円形であり、約０．１ミリメータと約１ミリメータとの間の直径を有する、請求項６に記載の質量分析器。
【請求項８】
前記所定の断面は、内接円を形成し、約１ミリメータと約８ミリメータとの間の直径を有する、請求項７に記載の質量分析器。
【請求項９】
前記真空チャンバから通過されたイオンを受け取る質量解析器をさらに備えた、請求項１に記載の質量分析器。
【請求項１０】
質量解析器と、
該質量解析器によって解析されるべきイオンを生成するイオン源と、
第１の真空チャンバであって、該イオンを受け取るための入口開口と、第一の該真空チャンバから該イオンを輸送するための出口開口とを備える第一の真空チャンバと、
所定の断面を有するイオンガイドであって、該入口開口と該出口開口との間の該第一の真空チャンバに配置されたイオンガイドと、
イオンガイドに接続され、該イオンガイドにＲＦ電圧を提供する電源と
を備えた質量分析器であって、
該入口開口のサイズ、および該イオン源と該第一の真空チャンバとの間の差圧は、該第一の真空チャンバにおいて超音速自由ジェット膨張を生成し、
該イオンガイドの断面は、該超音速自由ジェット膨張のバレルショックの所定の直径の少なくとも５０％のサイズにされており、
該超音速自由ジェット膨張内のイオンは、該イオンが該イオンガイドを横断するときに、半径方向に閉じ込められる、質量分析器。
【請求項１１】
前記第一の真空チャンバの下流にある第二の真空チャンバと、
該第一の真空チャンバから前記イオンを受け取るためのチャンバ間開口を備える第二の真空チャンバと、
該第二の真空チャンバから該質量解析器にイオンを輸送するための流出開口と、
該チャンバ間の開口と該流出開口との間に配置されるＲＦのみのイオンガイドと
をさらに備える、請求項１０に記載の質量分析器。
【請求項１２】
前記第二の真空チャンバにおける前記ＲＦのみのイオンガイド接続されて、該ＲＦのみのイオンガイドにRF電圧を提供する電源をさらに備え、
それによって、イオンが該ＲＦのみのイオンガイドを横断するときに、該イオンは、半径方向に集束される、請求項１１に記載の質量分析器。
【請求項１３】
質量解析を実行する方法であって、該方法は、
高圧領域においてイオンを生成することと、
真空チャンバであって、該高圧領域から該真空チャンバの中へイオンを通過させるための入口開口と、該真空チャンバからイオンを通過させるための出口開口とを備えた該真空チャンバの中へ該イオンを通過させることと、
該入口開口と出口開口との間のイオンガイドであって、内部のボリュームを定義する所定の断面を有するイオンガイドを提供することと、
該イオンガイドの該内部のボリューム内でイオンを半径方向にイオンを閉じ込めるために該イオンガイドにＲＦ電圧を印加することと
を含み、
該入口開口の構成、および該高圧領域と該真空チャンバとの間の圧力差が、該入口開口の下流に超音速自由ジェット膨張を提供し、該超音速自由ジェット膨張は、所定の直径のバレルショックを備えており、
該イオンガイドの断面は、該超音速自由ジェット膨張のバレルショックの所定の直径の少なくとも５０％のサイズにされている、方法。
【請求項１４】
前記入口開口は、音速ノズルまたは音速開口を備えている、請求項１３に記載の質量解析を実行するための方法。
【請求項１５】
前記イオンガイドは、四重極イオンガイド、六重極イオンガイド、八重極イオンガイド、リングガイドおよびそれらの任意の組み合わせから選択される、請求項１４に記載の質量解析を実行するための方法。
【請求項１６】
前記イオンガイドは、四重極イオンガイドである、請求項１５に記載の質量解析を実行するための方法。
【請求項１７】
前記高圧領域は、実質的に大気圧である、請求項１５に記載の質量解析を実行するための方法。
【請求項１８】
前記真空チャンバは、約０．１トルと約１０トルとの間の圧力を有する、請求項１７に記載の質量解析を実行するための方法。
【請求項１９】
前記入口開口は、円形であり、約０．１ミリメータと約１ミリメータとの間の直径を有する、請求項１８に記載の質量解析を実行するための方法。
【請求項２０】
前記所定の断面は、内接円を形成し、約１ミリメータと約８ミリメータとの間の直径を有する、請求項１９に記載の質量解析を実行するための方法。
【請求項２１】
高圧領域においてイオンを生成するイオン源と、
真空チャンバであって、該高圧領域から該真空チャンバの中へイオンを通過させるための入口開口と、該真空チャンバからイオンを通過させるための出口開口とを備えている真空チャンバと、
該入口開口と該出口開口との間の一連の多極イオンガイドであって、該一連のイオンガイドの各々は、内部のボリュームを定義する所定の断面を有し、該一連のイオンガイドは、該入口開口の最も近くに配置された少なくとも第一のイオンガイドと、該出口開口の最も近くに配置された第二のイオンガイドとを備える、一連のイオンガイドと、
該イオンガイドの該内部のボリューム内でイオンを半径方向に閉じ込めるために、該イオンガイドの各々に対応するＲＦ電圧を提供する電源と
を備えた質量分析器であって、
該入口開口の構成、および該イオン源と該真空チャンバとの間の圧力の相違が、該入口開口下流にの超音速自由ジェット膨張ダウンストリームを提供し、該超音速自由ジェット膨張は、所定の直径のバレルショックを備えており、
該第一のイオンガイドの断面、および該第一のイオンガイドに印加される対応するＲＦ電圧は、該超音速自由ジェット膨張のバレルショックの該所定の直径の少なくとも５０％を受け入れるように構成されている、質量分析器。
【請求項２２】
前記第二のイオンガイドの断面、および該第二のイオンガイドに印加される対応するＲＦ電圧は、前記出口開口の大きさに前記イオンを集中させるように構成されている、請求項２１に記載の質量分析器。
【請求項２３】
前記第二のイオンガイドの断面、および前記第一のイオンガイドの断面は、１以下の相対比を有する、請求項２２に記載の質量分析器。
【請求項２４】
前記比は、０．６以下である、請求項２３に記載の質量分析器。
【請求項２５】
前記多極イオンガイドは、四重極イオンガイド、六重極イオンガイド、八重極イオンガイドおよびそれらの任意の組み合わせから選択される、請求項２１に記載の質量分析器。
【請求項２６】
各イオンガイドは、四重極イオンガイドである、請求項２１に記載の質量分析器。
【請求項２７】
前記高圧領域は、実質的に大気圧である、請求項２１に記載の質量分析器。
【請求項２８】
前記真空チャンバは、約０．１トルと約１０トルとの間の圧力を有する、請求項２７に記載の質量分析器。
【請求項２９】
前記入口開口部は、円形であり、約０．１ミリメータと約１ミリメータとの間の直径を有する、請求項２８に記載の質量分析器。
【請求項３０】
前記第一のイオンガイドの断面は、内接円を形成し、約１ミリメータと約８ミリメータとの間の直径を有する、請求項２９に記載の質量分析器。
【請求項３１】
前記電源は、対応するＲＦ電圧を提供するための少なくとも２つの別々の電源を備えている、請求項２１に記載の質量分析器。
【請求項３２】
前記真空チャンバから通過されたイオンを受け取る質量解析器をさらに備えている、請求項２１に記載の質量分析器。
【請求項３３】
高圧領域においてイオンを生成するイオン源と、
真空チャンバであって、該高圧領域から該真空チャンバの中へイオンを通過させるための入口開口と、該真空チャンバからイオンを通過させるための出口開口とを備える真空チャンバと、
該入口開口と該出口開口との間の一連の多極イオンガイドであって、該イオンガイドは、内部のボリュームを定義する入口断面および出口断面を有し、該出口断面および該入り口断面は、１未満の相対比を有する、一連の多極イオンガイドと、
該イオンガイドの該内部のボリューム内で半径方向にイオンを閉じ込めるために該イオンガイドにＲＦ電圧を提供する電源と
を備えた質量分析器であって、
該入口開口の構成、および該イオン源と該真空チャンバとの間の圧力の相違が、該入口開口の下流に超音速自由ジェット膨張を提供し、該超音速自由ジェット膨張は、所定の直径のバレルショックを備えており、
該入口断面は、該超音速自由ジェット膨張のバレルショックの該所定の直径の少なくとも５０％を受け入れるように構成され、該出口断面は、該イオンを該出口開口に集中させるように構成されている、質量分析器。
【請求項３４】
前記比は、０．４以下である、請求項３３に記載の質量分析器。
【請求項３５】
前記イオンガイドは、四重極イオンガイド、六重極イオンガイドおよび八重極イオンガイドから選択される、請求項３３に記載の質量分析器。
【請求項３６】
前記イオンガイドは、四重極イオンガイドである、請求項３３に記載の質量分析器。
【請求項３７】
質量解析を実行するための方法であって、該方法は、
高圧領域においてイオンを生成することと、
真空チャンバであって、該高圧領域から該真空チャンバの中へイオンを通過させるための入口開口と、該真空チャンバからイオンを通過させるための出口開口とを備える真空チャンバにイオンを通過させることと、
該入口開口と該出口開口との間の一連の多極イオンガイドであって、該一連のイオンガイドの各々は、内部のボリュームを定義する所定の断面を有し、該一連のイオンガイドは、該入口開口の最も近くに配置された少なくとも第一のイオンガイドおよび該出口開口の最も近くに配置された第二のイオンガイドを備えている一連の多極イオンガイドを提供することと、
該イオンガイドの内部のボリューム内で半径方向にイオンを閉じ込めるために、各イオンガイドに対応するＲＦ電圧を印加することと
を備え、
該入口開口の構成、および該高圧領域と該真空チャンバとの間の圧力の相違が、該入口開口下流に超音速自由ジェット膨張を提供し、該超音速自由ジェット膨張は、所定の直径のバレルショックを備えており、
該一連のイオンガイドにおける少なくとも第一のイオンガイドの断面および対応するＲＦ電圧は、該超音速自由ジェット膨張のバレルショックの該所定の直径の少なくとも５０％を受け入れるように構成されている、方法。
【請求項３８】
前記一連のイオンガイドにおける少なくとも該第二のイオンガイドの断面および該第二のイオンガイドに印加される対応するＲＦ電圧は、該出口開口の大きさにイオンを集中するように構成されている、請求項３７に記載の質量解析を実行するための方法。
【請求項３９】
前記第二のイオンガイドの断面および前記第一のイオンガイドの断面は、１以下の相対比を有する、請求項３８に記載の質量解析を実行するための方法。
【請求項４０】
前記比は、０．６以下である、請求項３９に記載の質量解析を実行するための方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公表番号】特表２００８−５２７６５３（Ｐ２００８−５２７６５３Ａ）
【公表日】平成２０年７月２４日（２００８．７．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５５０５０６（Ｐ２００７−５５０５０６）
【出願日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０００４９２
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０７６２２８
【国際公開日】平成１８年７月２０日（２００６．７．２０）
【出願人】（５０５１２３６９７）アプレラ コーポレイション (21)
【出願人】（５０６１８３１３３）エムディーエス インコーポレーテッド (7)
【出願人】（５０７２３１９６５）
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年７月２４日（２００８．７．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１月５日（２００６．１．５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０００４９２
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０７６２２８
【国際公開日】平成１８年７月２０日（２００６．７．２０）
【出願人】（５０５１２３６９７）アプレラ コーポレイション (21)
【出願人】（５０６１８３１３３）エムディーエス インコーポレーテッド (7)
【出願人】（５０７２３１９６５）
【Ｆターム（参考）】
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