質量分析計の反応および衝突セルのためのガス送達システム
セルベースの質量分析計のためのガス送達システムは、ガス源に連結された入力を有する質量流量コントローラを含む。三方弁は、質量流量コントローラの出力に連結された入力と、真空システムに連結された第１の出力と、通常、反応または衝突セルに連結された第２の出力とを含む。セルは、質量分析計の真空チャンバの内側に位置付けられ、三方弁の第２の出力は、セルの入口に連結され、質量流量コントローラは、セルにガスを提供し、真空チャンバ内の圧力に対してセル内側の圧力を増加させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に使用される見出しは、系統化目的のためだけのものであって、本願に説明される主題をいかようにも限定するものとして解釈されるべきではない。
【０００２】
（関連出願の引用）
本願は、２０１０年２月２６日出願の同時係属中の米国仮特許出願第６１／３０８，７４８号の正規出願である。米国仮特許出願第６１／３０８，７４８号の内容全体は、参照することによって、本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００３】
質量分析計は、種々の種類の試料の元素および分子組成を決定するための分析器具である。一般に、質量分析計は、気相分子をイオン化するイオン源、または溶液中に存在するイオンを気相に変換するイオン源を含む。質量分析器は、その質量対電荷比別に、イオンを選別する。四重極質量分析器は、振動電場を使用して、選択的に、無線周波数（ＲＦ）四重極磁場を通過するイオンの経路を安定化または不安定化させる質量選択フィルタである。単一の質量／電荷比のみ、随時、システムを通過するが、レンズ上の電位の変化によって、広範囲の質量対電荷比値が、継続的または離散中継点の連続として、連続的に高速走査可能となる。
【０００４】
飛行時間（ＴＯＦ）質量分析器は、静電加速器を利用して、同一電荷を伴うすべてのイオンに同一量の運動エネルギーを伝える。イオンが検出器に到達するのにかかる時間が、測定される。イオンの質量対電荷比は、イオンが検出器に到達するのにかかる時間から決定することができる。粒子すべてが、同一電荷を有する場合、その運動エネルギーは、等しく、かつその速度は、その質量対電荷比にのみ依存するであろう。その結果、より軽いイオンが、最初に、検出器に到達するであろう。
【０００５】
質量分析計はまた、イオンを検出し、したがって、測定された各イオンの存在度を計算するためのデータを提供する検出器を含む。質量分析は、定性的および定量的用途の両方を有する。これらとして、未知の化合物の識別、分子内の元素の同位体組成の決定、およびその分裂を観察することによる化合物の構造の決定が挙げられる。他の用途として、試料中の化合物の量の定量化、または真空中のイオンおよび中性物質の化学的性質の基礎の研究が挙げられる。質量分析は、現在、多種多様の化合物の物理、化学、または生物学的特性を研究する分析実験室において、非常に一般的に使用されている。
【０００６】
試料の元素組成は、最初に、試料をイオン化源に暴露し、次いで、質量分析器によって分析される、気相原子イオンを生成することによって、質量分析計（ＭＳ）を使用して、分析される。イオン源の種類の１つは、試料入口において石英管を包囲し、誘導コイルの作用によって、プラズマを発生させる、高周波数誘導コイルである。そのような誘導イオン源を使用する質量分析計は、一般に、誘導結合プラズマ質量分析計（ＩＣＰ−ＭＳ）と称される。誘導結合プラズマ質量分析計は、衝突またはイオン／分子反応を通して、干渉イオンを除去する、衝突および／または反応セルを含み得る。衝突および／または反応セルは、質量分析計の真空チャンバ内で従来の質量分析器（四重極、ＴＯＦ、二重集束、イオン移動度等）の前または後に位置付けられる、多重極（四重極、六重極、八重極等）によって取り囲まれ、アンモニア、メタン、酸素、フッ化メチル、および水素等の反応ガス、あるいはヘリウムまたはネオン等の不活性衝突ガスによって充填することができる。チャンバは、１種類のガスで充填することができる、または２つ以上の種類のガスの混合物で充填することができる。衝突ガス分子は、干渉イオンと衝突し、干渉を排除するか、またはある程度減衰させることができる。反応ガス分子は、選択的に、干渉イオンと反応し、干渉を排除する、またはある程度減衰させることができる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
明細書内での「一実施形態」または「ある実施形態」という語句の参照は、実施形態と併せて説明される、特定の特徴、構造、または特性が、本教示の少なくとも一実施形態に含まれることを意味する。明細書中の種々の場所における「一実施形態では」という語句の表出は、必ずしも、すべて同一実施形態を指すわけではない。
【０００８】
本願の教示の方法の個々のステップは、本教示が動作可能のままである限り、任意の順番で、および／または同時に、行い得ることを理解されたい。さらに、本願の教示の装置および方法は、本教示が動作可能のままである限り、任意の数または全部の説明される実施形態を含むことが可能であることを理解されたい。
【０００９】
次に、付随の図面に示されるように、その例示的実施形態を参照して、本願の教示をより詳細に説明する。本願の教示は、種々の実施形態および実施例と併せて説明されるが、本願の教示をそのような実施形態に限定されることを意図するものではない。対照的に、本願の教示は、当業者によって理解されるように、種々の代替、修正、および均等物を包含する。本明細書の教示へのアクセスを有する当業者は、本明細書に説明されるように、本開示の範囲内にある、付加的実装、修正、および実施形態、ならびに他の使用分野を認識するであろう。
【００１０】
衝突／反応セルを伴う、誘導結合プラズマ質量分析計は、種々の動作モードを有する。通気セル動作モードでは、衝突／反応セルは、衝突ガスまたは反応ガスで加圧されない。イオンは、真空チャンバの他のエリアと比較して、衝突速度または反応速度のどんな増大も伴わずに、かつ真空チャンバの他のエリアと比較して、ガス分子とのどんな付加的反応も伴わずに、直接、セルを通過する。加圧セル動作モードでは、セルは、衝突ガスまたは反応ガスによって加圧される。セルを通過するイオンは、衝突ガスとの弾性衝突を有し、そのエネルギーを喪失し得るか、または反応ガスと反応し得る。
【００１１】
いくつかの動作モードでは、衝突／反応セルを伴う誘導結合プラズマ質量分析計は、通気セル動作モードと加圧セル動作モードとの間で、または異なるガスを使用する２つの加圧セルモード間で、動作モードを高速変更することが要求され得る。例えば、通気セル動作モードと加圧セル動作モードとの間を交互に切り替えることによって、器具は、非干渉および干渉同位体の両方の質量対電荷比を測定することが可能となる。
【００１２】
しかしながら、動作モードの高速切替は、いくつかの技術的課題を呈し得る。衝突または反応ガスは、比較的に低流量において、高真空下、衝突／反応セルに送達されることにより、所望の動作圧力の超過を回避することができる。いくつかの器具では、流量は、１０ｍＬ／分未満である。そのような低流量は、セルへとつながる空圧機器の死容積の充填時間の減速をもたらし得る。その結果、セルを加圧し、分析のための信号を安定化させるために要求される時間が、多くの場合、容認し難いほど、長くなり得る。このように、セルを加圧し、信号を安定化されるために要求される時間が長いことによって、混合モード方法が使用される場合、試料処理量を低下させ、質量分光分析の動作費用に著しく影響を及ぼし得る。
【００１３】
図１は、質量分析計のための公知の衝突／反応セルガス送達システム１００を例証する。図１に示されるガス送達システム１００は、第１および第２のガスを衝突／反応セル１０８に送達するための第１のガスチャネル１０４および第２のガスチャネル１０６を伴う、ガスマニホールド１０２を含む。例えば、第１のガスは、アンモニア等の反応ガスであり得、第２のガスは、ヘリウム等の衝突ガスであり得る。第１および第２のガスはまた、異なる種類の反応ガスまたは異なる種類の衝突ガスであり得る。当業者は、ガス送達システム１００が、ガスマニホールド１０２に連結された任意の数のガスチャネルを含むことができることを理解するであろう。図１に示されるガス送達システム１００では、ユーザは、第１および第２のガスチャネル１０４、１０６を制御し、第１のガスチャネル１０４、第２のガスチャネル１０６、または第１および第２のガスチャネル１０４、１０６の両方によって提供されるガスを選択する。
【００１４】
第１のガスチャネル１０４は、例えば、ガスシリンダ１１０内に含まれるアンモニア等の反応ガス源である第１のガス源を含む。調整器１１２は、ガスシリンダ１１０の出口に連結される。調整器１１２は、質量流量コントローラ１１４の入力および質量分析計内の衝突／反応セル１０８に衝突／反応ガスを提供する低圧ガスマニホールド１０２に好適である圧力に、出力ガス供給圧力を制御する。例えば、調整器１１２の出力におけるガス圧は、数ポンド／平方インチであり得る。いくつかの周知のシステムは、約５−５０ポンド／平方インチの出力圧力を使用する。
【００１５】
多くのガス供給源は、調整器１１２の出力をガスチャネル１０４の残りに連結する、ユニオン継手１１６を含む。そのようなユニオン継手１１６によって、ユーザは、容易かつ迅速に、ガスシリンダ１１０を変更し、より多くのガスを提供すること、またはガスの種類を変更することが可能となる。ユニオン継手１１６の出力は、ガスシリンダ１１０をガスチャネル１０４の残りから隔離する二方遮断弁１１８に接続される。
【００１６】
いくつかのガス送達システムでは、ゲッタ１２０等のガス清浄器が、ガス中の望ましくない分子（例えば、不純物）を除去するために、二方遮断弁１１８に連結される。例えば、ゲッタ１２０は、反応セル１０８内に競合反応が存在しないように、反応ガス内の望ましくない種を除去するために使用される。いくつかのシステムでは、ゲッタ１２０は、ガスから水分および／または酸素を除去するために使用される。例えば、酸化ジルコニウムは、ゲッタ１２０として、使用することができる。多数の他の種類のガス清浄器もまた、使用することができる。
【００１７】
質量流量コントローラ１１４は、ゲッタ１２０、または、随意のゲッタ１２０が存在しない場合、二方遮断弁１１８に連結される。質量流量コントローラ１１４は、衝突／反応セル１０８への反応ガスの流量を測定および制御する。質量流量コントローラは、典型的には、特定の範囲の流量において、具体的種類のガスの流量を制御するように設計および較正される。
【００１８】
パージ弁１２２は、ゲッタ１２０と質量流量コントローラ１１４との間に連結され、ユーザは、ガスシリンダ１１０からのガスラインをパージすること、または二方遮断弁１１８から質量流量コントローラ１１４の入力までをパージすることが可能となる。パージ弁１２２の出口は、排出システムに連結される。加圧動作モードでは、パージ弁１２２は、閉鎖され、ガスは、パージ弁１２２を通して転向され、排気されることなく、ゲッタ１２０から質量流量コントローラ１１４に、無制限に通過する。パージ動作モードでは、パージ弁１２２は、開放され、ガスライン内のガスは、パージライン１２４を通して、排出システムに排気される。パージ動作モードでは、二方遮断弁１１８は、閉鎖することができ、二方遮断弁１１８と質量流量コントローラ１１４との間のガスラインのみ、排出システムを通して、排気される。
【００１９】
第２のガスチャネル１０６は、例えば、第２のガスシリンダ１１０’内に含まれるヘリウム等の衝突ガス、または酸素等の別の反応ガスのガス源である第２のガス源を含む。調整器１１２’は、第２のガスシリンダ１１０’の出口に連結され、質量分析計内の衝突／反応セル１０８に衝突ガスを提供する、質量流量コントローラ１１４’の入力および低圧ガスマニホールド１０２に好適な圧力に、出力ガス供給圧力を制御する。ユニオン継手１１６’は、調整器１１２’の出力をガスチャネル１０６の残りに連結する。ユニオン継手１１６’の出力は、第２のガスシリンダ１１０’をガスチャネル１０６の残りから隔離する、二方遮断弁１１８’に接続される。図１に示される第２のガスチャネル１０６は、衝突ガスから望ましくない分子を除去するために、常に必要ではないため、ゲッタを含まない。しかしながら、いくつかの実施形態では、ゲッタは、望ましくない分子を除去するために、第１および第２のガス供給源１０４、１０６両方内に含まれる。第２の質量流量コントローラ１１４’は、二方遮断弁１１８’に連結され、衝突／反応セル１０８への反応ガスの流量を測定および制御するために使用される。第２のパージ弁１２２’は、第２の質量流量コントローラ１１４’と二方遮断弁１１８’との間に連結され、ユーザは、第２のガスシリンダ１１０’からまたは二方遮断弁１１８’から質量流量コントローラ１１４’の入力へのガスラインをパージすることが可能となる。パージ弁１２２’の出口は、排出システムに連結される。
【００２０】
パージ弁１２２’が閉鎖されると、ガスは、パージ弁１２２’を通して転向されることなく、二方遮断弁１１８’から第２の質量流量コントローラ１１４’に、無制限に通過する。パージ動作モードでは、パージ弁１２２’は、開放され、ガスライン内のガスは、パージライン１２４’を通して、排出システムに排気される。パージ動作モードでは、二方遮断弁１１８’は、閉鎖することができ、二方遮断弁１１８’と質量流量コントローラ１１４’との間のガスラインのみ、排出システムを通して、排気される。
【００２１】
質量流量コントローラは、多くの場合、閉鎖出力位置に構成されると、その出力ポートを通して、ガスのある程度の漏出を被る。質量流量コントローラの製造業者は、多くの場合、下流の高真空システム内へのガスの漏出が存在しないことを保証するために、質量流量コントローラの出力の下流に、正二方遮断弁を設置することを推奨する。したがって、第２の二方遮断弁１２６、１２６’は、典型的には、第１の質量流量コントローラ１１４および第２の質量流量コントローラ１１４’それぞれの出力とガスマニホールド１０２の入力との間に連結される。これらの二方遮断弁１２６、１２６’は、マニホールド１０２へのすべてのガス流を確実に遮断し、真空チャンバ１０８内への漏出を防止するために必要とされる。マニホールド１０２の出力は、真空チャンバ壁１２８を通して、衝突／反応セル１０８内に連結される。衝突または反応ガスは、所望のガス圧力が達成されるまで、セル１０８内に流動する。
【００２２】
質量分析計のための衝突／反応セルガス送達システム１００の本公知の構成では、質量流量コントローラ１１４、１１４’と第２の二方遮断弁１２６、１２６’との間に蓄積される、望ましくないガスが存在する。本望ましくないガスの蓄積は、測定を行うために、第２の二方遮断弁１２６、１２６’が開放されると、衝突／反応セル１０８内に望ましくない大量のガス流をもたらす。衝突／反応セル１０８内への大量のガス流は、時として、ガス流超過と称される。本ガス流超過の影響は、分析信号を安定化させるために要求される時間を増加させる。多くのセルベースの質量分析計器具は、ガス流超過を最小限にするために、最適セルサイズより小さいサイズを使用する。
【００２３】
本教示の方法および装置は、第２の二方遮断弁１２６、１２６’が開放されると、質量分析計の衝突／反応セル１０８内のガス流超過を低減または排除することに関する。本出願人の教示による、質量分析計の衝突／反応セルのためのガス送達システムの一側面は、質量流量コントローラ１２６、１２６’の出力とガスマニホールド１０２との間のガスラインをパージするために、三方弁または類似デバイスおよび／または真空システム構成を使用することである。一実施形態では、三方弁は、質量流量コントローラ１１４、１１４’の出力とガスマニホールド１０２の入力との間に位置付けられる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
本願の教示は、好ましいおよび例示的実施形態に従って、そのさらなる利点とともに、付随の図面と関連して検討される、以下の発明を実施するための形態により具体的に説明される。当業者は、以下に説明される図面が、例証目的にすぎないことを理解するであろう。図面は、必ずしも、正確な縮尺ではなく、代わりに、概して、本発明の原理を例証するために強調される。図面は、本出願人の教示の範囲をいかようにも限定することを意図するものではない。
【図１】図１は、質量分析計のための公知の衝突／反応セルガス送達システムを例証する。
【図２】図２は、本出願人の教示による、質量分析計のための衝突／反応セルガス送達システムを例証する。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図２は、本出願人の教示による、質量分析計のための衝突／反応セルガス送達システム２００を例証する。ガス送達システム２００は、図１に関連して説明された、ガス送達システム１００に類似する。ガス送達システム２００は、第１および第２のガス源を含む、第１のおよび第２のガスチャネル２０２、２０４を含む。例えば、本出願人の教示を例証する目的のために、第１のガス源は、アンモニア等の反応ガスを含むガスシリンダ２０６であり得、第２のガス源は、ヘリウム等の衝突ガスを含む第２のガスシリンダ２０６’であり得る。
【００２６】
いくつかの実施形態では、ガス送達システムは、第１および第２のガス源のうちの少なくとも１つ内にガスマニホールド（図示せず）を含む。これらの実施形態では、少なくとも２つのガスシリンダは、ガスマニホールドに連結される。例えば、第１のガス源は、少なくとも１つの衝突ガスおよび少なくとも１つの反応ガスに連結されるガスマニホールドを含むことができるか、または少なくとも２つの異なる反応ガスに連結されるガスマニホールドを含むことができる。類似設計を単一の反応または衝突ガスのために使用することができることは、当業者によって理解されるであろう。加えて、２つ超えるガスチャネルを伴う、マニホールドは、本教示に説明される概念を使用して、設計することができる。
【００２７】
第１の調整器２０８は、第１のガスシリンダ２０６の出口に連結され、第２の調整器２０８’は、第２のガスシリンダ２０６’の出口に連結される。調整器２０８、２０８’は、質量流量コントローラ２１０、２１０’の入力、および、質量分析計内の衝突／反応セル２１４に衝突および反応ガスを提供する低圧ガスマニホールド２１２に好適な圧力に、出力ガス供給圧力を制御する。第１のユニオン継手２１６は、第１の調整器２０８の出力を第１のガスチャネル２０２に連結し、第２のユニオン継手２１６’は、第２の調整器２０８’の出力を第２のガスチャネル２０４に連結する。第１のユニオン継手２１６の出力は、図１に関連して説明されるように、望ましくない分子（例えば、不純物）を除去する、ゲッタ２１８に連結される。第２のガスチャネル２０４は、衝突ガスを提供し、衝突ガスから望ましくない分子を除去するために、常に必要ではないため、ゲッタを含まない。しかしながら、いくつかの実施形態では、ゲッタは、望ましくない分子を除去するために、第１および第２のガス供給源２０２、２０４両方内に含まれる。
【００２８】
ゲッタ２１８は、第１の質量流量コントローラ２１０に連結される。第１のパージ弁２２０は、ゲッタ２１８と第１の質量流量コントローラ２１０との間に連結される。第１のパージ弁２２０によって、ユーザは、第１のガスシリンダ２０６から第１の質量流量コントローラ２１０の入力へのガスラインをパージ可能となる。第２のユニオン継手２１６’は、第２の質量流量コントローラ２１０’に連結される。第２のパージ弁２２０’は、第２のユニオン継手２１６’と第２の質量流量コントローラ２１０’との間に連結される。第２のパージ弁２２０’によって、ユーザは、第２のガスシリンダ２０６’から第２の質量流量コントローラ２１０’の入力へのガスラインをパージ可能となる。パージ弁２２０、２２０’の出口は、排出システムに連結される。
【００２９】
第１の質量流量コントローラ２１０の出力は、第１の三方弁２２２の入力に連結される。第１の三方弁２２２の第１の出力は、真空ポンプシステム等の真空システムに連結される。例えば、第１の三方弁２２２の第１の出力は、セル２１４を伴う質量分析計真空チャンバを排気するために使用される、粗引きポンプまたはターボ分子真空ポンプに連結することができる。要求される圧力は、例えば、１マイクロトルから最大数トルの範囲内であり得、質量分析計器具の具体的設計および三方弁２２２の内部漏出速度（すなわち、漏出を通して）に依存して、より高いまたはより低くあり得る。第１の三方弁２２２の第２の出力は、ガスマニホールド２１２の第１の入力等、セルの入口またはコネクタに連結することができる。
【００３０】
同様に、第２の質量流量コントローラ２１０’の出力は、第２の三方弁２２２’の入力に連結される。第２の三方弁２２２’の第１の出力は、真空システムに連結される。第２の三方弁２２２’の第２の出力は、ガスマニホールド２１２の第２の入力等、セルの入口またはコネクタに連結することができる。マニホールド２１２の出力は、真空チャンバ壁２２４を通して、衝突／反応セル２１４内に連結される。本出願人の教示のガス送達システムの利点の１つは、三方弁２２２、２２２’にわたる圧力差を減少させ、図１に関連して説明された二方弁１２６、１２６’と比較して、三方弁２２２、２２２’の内部漏出要件を大幅に緩和することであり得る。本圧力差の減少は、安価な三方弁の使用を可能にし得る。
【００３１】
本出願人の教示による、多くのセルベースの質量分析計器具では、セル２１４は、二重用途セルである。質量分析は、通気動作モードで行うことができ、セル２１４は、加圧されず、イオンは、セル２１４を通過し、真空チャンバ内の他のエリア内のイオンと同一圧力を被る。質量分析はまた、加圧動作モードで動作することもでき、衝突または反応ガスは、セル２１４を加圧することができ、イオンは、セルを通過するのに伴って、衝突または反応ガスの圧力上昇を被り得る。
【００３２】
通気動作モードでは、質量流量コントローラの出力２１０、２１０’からのいかなるガスも、真空システムに指向される。本動作モードでは、第１および第２の三方弁２２２、２２２’の第１の出力は、開放され、質量流量コントローラ２１０、２１０’と三方弁２２２、２２２’との間のライン内に存在し得るあらゆるガスと、第１および第２の質量流量コントローラ２１０、２１０’が、閉鎖位置に構成された場合に第１および第２の質量流量コントローラ２１０、２１０’の出力から漏出するガスとが、真空システムに連結されたガスライン２２６、２２６’を通して排気される。第１および第２の三方弁２２２、２２２’の第２の出力は、いかなるガスも、マニホールド２１２に流動しないように、閉鎖される。本出願人の教示の一実施形態では、第１および第２の三方弁２２２、２２２’の第１の出力は、通常、ユーザによって励起されない場合、通気動作モードである。
【００３３】
加圧動作モードでは、質量流量コントローラの出力２１０または２１０’（または、両方）からのガスは、ガスマニホールド２１２のそれぞれの入力に指向される。本動作モードでは、第１または第２の（または、両方の）三方弁２２２、２２２’の第２の出力は、開放され、ガスを質量流量コントローラ２１０または２１０’（または、両方）からマニホールド２１２の入力へと流動させる。本出願人の教示の一実施形態では、第１および第２の三方弁２２２、２２２’の第２の出力は、通常、ユーザが、測定を行うように、質量分析計に命令する場合のみ、ガスが、マニホールド２１２の入力に流動するように、ユーザによって励起されない場合は、通気動作モードで閉鎖され、励起される場合、開放される。衝突または反応ガスは、所望のガス圧力に到達するまで、真空チャンバ内のセル２１４内に流動し、これは、いくつかの質量分析計器具では、数ミリトルから数十ミリトルの範囲である。ガス流は、分析中、一定のままであり得るか、または種々のイオンを分析するために、ユーザによって変更することができる。ヘリウム等の衝突ガスが使用される場合、衝突ガス分子は、一定のイオンと衝突し、それによって、これらのイオンのエネルギーを低下させることができる。そのエネルギーが、衝突ガスによって低下された望ましくないイオンの伝送を防止するために、エネルギー障壁が、セル２１４の排出口に位置付けられ、得る。アンモニア等の反応ガスが使用される場合、反応ガス分子は、選択的に、いくつかのイオンと反応し、イオンを除去および中和することができる。
【００３４】
本出願人の教示による、質量分析計のための衝突／反応セルガス送達システムの利点の１つは、質量流量コントローラ２１０、２１０’の下流のガスライン内の衝突および反応ガスの内部容積を大幅に低減することができることであり得る。これらのガスライン内の衝突および反応ガスの容積の大幅な低減は、比較的に低流量において、衝突／反応セル２１４の充填時間を著しく改善することができ、典型的に、流量は、１０ｍＬ／分未満である。したがって、本出願人の教示による、質量分析計のための衝突／反応セルガス送達システムは、特に、高速通気／加圧が、ある動作モードから別の動作モードに切り替えるために必須である用途に有用であり得る。
【００３５】
通気動作モードから加圧動作モードに切り替える場合、セル内側の圧力が、所望のレベルに到達するまでに、遅延が存在する。圧力上昇の間、分析信号は、安定せず、有意義なデータを取得することができない。いくつかの器具は、信号の短期間精度が、相対標準偏差（ＲＳＤ）に関して３％を上回るまで、待機する。
【００３６】
例えば、本出願人の教示のガス送達システムは、所望の衝突または反応ガスが、セル２１４内に入り、セル内の衝突または反応を利用して、測定を行うための所望の圧力を達成する、通気動作モードから加圧動作モードへの切替時間を短縮することができる。加えて、本教示のガス送達システムは、所望の衝突または反応ガスが、セル２１４から真空ポンプシステムに排気される、加圧動作モードから通気動作モードへの切替時間を短縮することができる。これらの切替時間は、数分から、本出願人の教示のガス送達システムを使用して、１０秒以下に短縮することができる。
【００３７】
いくつかの市販のセルベースの質量分析計と比較して、本出願人の教示のガス送達システムを使用した切替時間は、６から１０倍の範囲で高速となり得る。比較的に高速の切替時間は、少なくとも部分的に、質量流量コントローラ１１４、１１４’とガスマニホールド１０２への入力との間の二方遮断弁１２６、１２６’（図１）が開放される場合の衝突または反応ガスの突発が存在しないために達成され得る。実際に、比較的に高速の切替時間は、比較的に高速のデータ可用性、より高い試料処理量、および分析コストの削減を伴う、セルベースの質量分析計器具をもたらすことができる。
【００３８】
質量流量コントローラ２１０、２１０’とガスマニホールド２１２の入力との間のガスライン２２８、２２８’の内径は、本出願人の教示による、ガス送達システムにおける重要なパラメータであり得る。これらのガスライン２２８、２２８’の内径が大き過ぎる場合、衝突または反応ガスが充填する死容積が大き過ぎ、その結果、セル２１４を充填および通気するための時間が容認可能でないほど長くかかるであろう。また、これらのガスライン２２８、２２８’の内径が小さ過ぎる場合、ガスコンダクタンスが、低く過ぎ、切替時間が、容認可能でないほど長くなるであろう。質量流量コントローラ２１０、２１０’とガスマニホールド２１２の入力との間のガスライン２２８、２２８’は、比較的に小さい死容積を有するが、依然として、十分なガス流動コンダクタンスを有し、迅速に、ガスラインをパージし、質量分析計の安定状態動作を迅速に達成する流量でセルを充填する内径によって、サイズ決定されることができることを発見した。これらの目標を達成することができる、ガスライン２２８、２２８’の特定の内径は、同時に、ガスライン２２８、２２８’の長さ等の質量分析計器具の物理的寸法と、ガスライン２２８、２２８’を通る衝突および反応ガスの種類ならびに流量に依存する。本教示を具現化する、一特定の質量分析計器具では、ガスライン２２８、２２８’の本内径は、３０／１０００〜８０／１０００インチの範囲内であり得る。
【００３９】
（均等物）
本出願人の教示は、種々の実施形態と併せて説明されるが、本出願人の教示がそのような実施形態に限定されることを意図するものではない。対照的に、本出願人の教示は、当業者によって理解されるように、教示の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書に成され得る、種々の代替、修正、および均等物を包含する。
【技術分野】
【０００１】
本明細書に使用される見出しは、系統化目的のためだけのものであって、本願に説明される主題をいかようにも限定するものとして解釈されるべきではない。
【０００２】
（関連出願の引用）
本願は、２０１０年２月２６日出願の同時係属中の米国仮特許出願第６１／３０８，７４８号の正規出願である。米国仮特許出願第６１／３０８，７４８号の内容全体は、参照することによって、本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００３】
質量分析計は、種々の種類の試料の元素および分子組成を決定するための分析器具である。一般に、質量分析計は、気相分子をイオン化するイオン源、または溶液中に存在するイオンを気相に変換するイオン源を含む。質量分析器は、その質量対電荷比別に、イオンを選別する。四重極質量分析器は、振動電場を使用して、選択的に、無線周波数（ＲＦ）四重極磁場を通過するイオンの経路を安定化または不安定化させる質量選択フィルタである。単一の質量／電荷比のみ、随時、システムを通過するが、レンズ上の電位の変化によって、広範囲の質量対電荷比値が、継続的または離散中継点の連続として、連続的に高速走査可能となる。
【０００４】
飛行時間（ＴＯＦ）質量分析器は、静電加速器を利用して、同一電荷を伴うすべてのイオンに同一量の運動エネルギーを伝える。イオンが検出器に到達するのにかかる時間が、測定される。イオンの質量対電荷比は、イオンが検出器に到達するのにかかる時間から決定することができる。粒子すべてが、同一電荷を有する場合、その運動エネルギーは、等しく、かつその速度は、その質量対電荷比にのみ依存するであろう。その結果、より軽いイオンが、最初に、検出器に到達するであろう。
【０００５】
質量分析計はまた、イオンを検出し、したがって、測定された各イオンの存在度を計算するためのデータを提供する検出器を含む。質量分析は、定性的および定量的用途の両方を有する。これらとして、未知の化合物の識別、分子内の元素の同位体組成の決定、およびその分裂を観察することによる化合物の構造の決定が挙げられる。他の用途として、試料中の化合物の量の定量化、または真空中のイオンおよび中性物質の化学的性質の基礎の研究が挙げられる。質量分析は、現在、多種多様の化合物の物理、化学、または生物学的特性を研究する分析実験室において、非常に一般的に使用されている。
【０００６】
試料の元素組成は、最初に、試料をイオン化源に暴露し、次いで、質量分析器によって分析される、気相原子イオンを生成することによって、質量分析計（ＭＳ）を使用して、分析される。イオン源の種類の１つは、試料入口において石英管を包囲し、誘導コイルの作用によって、プラズマを発生させる、高周波数誘導コイルである。そのような誘導イオン源を使用する質量分析計は、一般に、誘導結合プラズマ質量分析計（ＩＣＰ−ＭＳ）と称される。誘導結合プラズマ質量分析計は、衝突またはイオン／分子反応を通して、干渉イオンを除去する、衝突および／または反応セルを含み得る。衝突および／または反応セルは、質量分析計の真空チャンバ内で従来の質量分析器（四重極、ＴＯＦ、二重集束、イオン移動度等）の前または後に位置付けられる、多重極（四重極、六重極、八重極等）によって取り囲まれ、アンモニア、メタン、酸素、フッ化メチル、および水素等の反応ガス、あるいはヘリウムまたはネオン等の不活性衝突ガスによって充填することができる。チャンバは、１種類のガスで充填することができる、または２つ以上の種類のガスの混合物で充填することができる。衝突ガス分子は、干渉イオンと衝突し、干渉を排除するか、またはある程度減衰させることができる。反応ガス分子は、選択的に、干渉イオンと反応し、干渉を排除する、またはある程度減衰させることができる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
明細書内での「一実施形態」または「ある実施形態」という語句の参照は、実施形態と併せて説明される、特定の特徴、構造、または特性が、本教示の少なくとも一実施形態に含まれることを意味する。明細書中の種々の場所における「一実施形態では」という語句の表出は、必ずしも、すべて同一実施形態を指すわけではない。
【０００８】
本願の教示の方法の個々のステップは、本教示が動作可能のままである限り、任意の順番で、および／または同時に、行い得ることを理解されたい。さらに、本願の教示の装置および方法は、本教示が動作可能のままである限り、任意の数または全部の説明される実施形態を含むことが可能であることを理解されたい。
【０００９】
次に、付随の図面に示されるように、その例示的実施形態を参照して、本願の教示をより詳細に説明する。本願の教示は、種々の実施形態および実施例と併せて説明されるが、本願の教示をそのような実施形態に限定されることを意図するものではない。対照的に、本願の教示は、当業者によって理解されるように、種々の代替、修正、および均等物を包含する。本明細書の教示へのアクセスを有する当業者は、本明細書に説明されるように、本開示の範囲内にある、付加的実装、修正、および実施形態、ならびに他の使用分野を認識するであろう。
【００１０】
衝突／反応セルを伴う、誘導結合プラズマ質量分析計は、種々の動作モードを有する。通気セル動作モードでは、衝突／反応セルは、衝突ガスまたは反応ガスで加圧されない。イオンは、真空チャンバの他のエリアと比較して、衝突速度または反応速度のどんな増大も伴わずに、かつ真空チャンバの他のエリアと比較して、ガス分子とのどんな付加的反応も伴わずに、直接、セルを通過する。加圧セル動作モードでは、セルは、衝突ガスまたは反応ガスによって加圧される。セルを通過するイオンは、衝突ガスとの弾性衝突を有し、そのエネルギーを喪失し得るか、または反応ガスと反応し得る。
【００１１】
いくつかの動作モードでは、衝突／反応セルを伴う誘導結合プラズマ質量分析計は、通気セル動作モードと加圧セル動作モードとの間で、または異なるガスを使用する２つの加圧セルモード間で、動作モードを高速変更することが要求され得る。例えば、通気セル動作モードと加圧セル動作モードとの間を交互に切り替えることによって、器具は、非干渉および干渉同位体の両方の質量対電荷比を測定することが可能となる。
【００１２】
しかしながら、動作モードの高速切替は、いくつかの技術的課題を呈し得る。衝突または反応ガスは、比較的に低流量において、高真空下、衝突／反応セルに送達されることにより、所望の動作圧力の超過を回避することができる。いくつかの器具では、流量は、１０ｍＬ／分未満である。そのような低流量は、セルへとつながる空圧機器の死容積の充填時間の減速をもたらし得る。その結果、セルを加圧し、分析のための信号を安定化させるために要求される時間が、多くの場合、容認し難いほど、長くなり得る。このように、セルを加圧し、信号を安定化されるために要求される時間が長いことによって、混合モード方法が使用される場合、試料処理量を低下させ、質量分光分析の動作費用に著しく影響を及ぼし得る。
【００１３】
図１は、質量分析計のための公知の衝突／反応セルガス送達システム１００を例証する。図１に示されるガス送達システム１００は、第１および第２のガスを衝突／反応セル１０８に送達するための第１のガスチャネル１０４および第２のガスチャネル１０６を伴う、ガスマニホールド１０２を含む。例えば、第１のガスは、アンモニア等の反応ガスであり得、第２のガスは、ヘリウム等の衝突ガスであり得る。第１および第２のガスはまた、異なる種類の反応ガスまたは異なる種類の衝突ガスであり得る。当業者は、ガス送達システム１００が、ガスマニホールド１０２に連結された任意の数のガスチャネルを含むことができることを理解するであろう。図１に示されるガス送達システム１００では、ユーザは、第１および第２のガスチャネル１０４、１０６を制御し、第１のガスチャネル１０４、第２のガスチャネル１０６、または第１および第２のガスチャネル１０４、１０６の両方によって提供されるガスを選択する。
【００１４】
第１のガスチャネル１０４は、例えば、ガスシリンダ１１０内に含まれるアンモニア等の反応ガス源である第１のガス源を含む。調整器１１２は、ガスシリンダ１１０の出口に連結される。調整器１１２は、質量流量コントローラ１１４の入力および質量分析計内の衝突／反応セル１０８に衝突／反応ガスを提供する低圧ガスマニホールド１０２に好適である圧力に、出力ガス供給圧力を制御する。例えば、調整器１１２の出力におけるガス圧は、数ポンド／平方インチであり得る。いくつかの周知のシステムは、約５−５０ポンド／平方インチの出力圧力を使用する。
【００１５】
多くのガス供給源は、調整器１１２の出力をガスチャネル１０４の残りに連結する、ユニオン継手１１６を含む。そのようなユニオン継手１１６によって、ユーザは、容易かつ迅速に、ガスシリンダ１１０を変更し、より多くのガスを提供すること、またはガスの種類を変更することが可能となる。ユニオン継手１１６の出力は、ガスシリンダ１１０をガスチャネル１０４の残りから隔離する二方遮断弁１１８に接続される。
【００１６】
いくつかのガス送達システムでは、ゲッタ１２０等のガス清浄器が、ガス中の望ましくない分子（例えば、不純物）を除去するために、二方遮断弁１１８に連結される。例えば、ゲッタ１２０は、反応セル１０８内に競合反応が存在しないように、反応ガス内の望ましくない種を除去するために使用される。いくつかのシステムでは、ゲッタ１２０は、ガスから水分および／または酸素を除去するために使用される。例えば、酸化ジルコニウムは、ゲッタ１２０として、使用することができる。多数の他の種類のガス清浄器もまた、使用することができる。
【００１７】
質量流量コントローラ１１４は、ゲッタ１２０、または、随意のゲッタ１２０が存在しない場合、二方遮断弁１１８に連結される。質量流量コントローラ１１４は、衝突／反応セル１０８への反応ガスの流量を測定および制御する。質量流量コントローラは、典型的には、特定の範囲の流量において、具体的種類のガスの流量を制御するように設計および較正される。
【００１８】
パージ弁１２２は、ゲッタ１２０と質量流量コントローラ１１４との間に連結され、ユーザは、ガスシリンダ１１０からのガスラインをパージすること、または二方遮断弁１１８から質量流量コントローラ１１４の入力までをパージすることが可能となる。パージ弁１２２の出口は、排出システムに連結される。加圧動作モードでは、パージ弁１２２は、閉鎖され、ガスは、パージ弁１２２を通して転向され、排気されることなく、ゲッタ１２０から質量流量コントローラ１１４に、無制限に通過する。パージ動作モードでは、パージ弁１２２は、開放され、ガスライン内のガスは、パージライン１２４を通して、排出システムに排気される。パージ動作モードでは、二方遮断弁１１８は、閉鎖することができ、二方遮断弁１１８と質量流量コントローラ１１４との間のガスラインのみ、排出システムを通して、排気される。
【００１９】
第２のガスチャネル１０６は、例えば、第２のガスシリンダ１１０’内に含まれるヘリウム等の衝突ガス、または酸素等の別の反応ガスのガス源である第２のガス源を含む。調整器１１２’は、第２のガスシリンダ１１０’の出口に連結され、質量分析計内の衝突／反応セル１０８に衝突ガスを提供する、質量流量コントローラ１１４’の入力および低圧ガスマニホールド１０２に好適な圧力に、出力ガス供給圧力を制御する。ユニオン継手１１６’は、調整器１１２’の出力をガスチャネル１０６の残りに連結する。ユニオン継手１１６’の出力は、第２のガスシリンダ１１０’をガスチャネル１０６の残りから隔離する、二方遮断弁１１８’に接続される。図１に示される第２のガスチャネル１０６は、衝突ガスから望ましくない分子を除去するために、常に必要ではないため、ゲッタを含まない。しかしながら、いくつかの実施形態では、ゲッタは、望ましくない分子を除去するために、第１および第２のガス供給源１０４、１０６両方内に含まれる。第２の質量流量コントローラ１１４’は、二方遮断弁１１８’に連結され、衝突／反応セル１０８への反応ガスの流量を測定および制御するために使用される。第２のパージ弁１２２’は、第２の質量流量コントローラ１１４’と二方遮断弁１１８’との間に連結され、ユーザは、第２のガスシリンダ１１０’からまたは二方遮断弁１１８’から質量流量コントローラ１１４’の入力へのガスラインをパージすることが可能となる。パージ弁１２２’の出口は、排出システムに連結される。
【００２０】
パージ弁１２２’が閉鎖されると、ガスは、パージ弁１２２’を通して転向されることなく、二方遮断弁１１８’から第２の質量流量コントローラ１１４’に、無制限に通過する。パージ動作モードでは、パージ弁１２２’は、開放され、ガスライン内のガスは、パージライン１２４’を通して、排出システムに排気される。パージ動作モードでは、二方遮断弁１１８’は、閉鎖することができ、二方遮断弁１１８’と質量流量コントローラ１１４’との間のガスラインのみ、排出システムを通して、排気される。
【００２１】
質量流量コントローラは、多くの場合、閉鎖出力位置に構成されると、その出力ポートを通して、ガスのある程度の漏出を被る。質量流量コントローラの製造業者は、多くの場合、下流の高真空システム内へのガスの漏出が存在しないことを保証するために、質量流量コントローラの出力の下流に、正二方遮断弁を設置することを推奨する。したがって、第２の二方遮断弁１２６、１２６’は、典型的には、第１の質量流量コントローラ１１４および第２の質量流量コントローラ１１４’それぞれの出力とガスマニホールド１０２の入力との間に連結される。これらの二方遮断弁１２６、１２６’は、マニホールド１０２へのすべてのガス流を確実に遮断し、真空チャンバ１０８内への漏出を防止するために必要とされる。マニホールド１０２の出力は、真空チャンバ壁１２８を通して、衝突／反応セル１０８内に連結される。衝突または反応ガスは、所望のガス圧力が達成されるまで、セル１０８内に流動する。
【００２２】
質量分析計のための衝突／反応セルガス送達システム１００の本公知の構成では、質量流量コントローラ１１４、１１４’と第２の二方遮断弁１２６、１２６’との間に蓄積される、望ましくないガスが存在する。本望ましくないガスの蓄積は、測定を行うために、第２の二方遮断弁１２６、１２６’が開放されると、衝突／反応セル１０８内に望ましくない大量のガス流をもたらす。衝突／反応セル１０８内への大量のガス流は、時として、ガス流超過と称される。本ガス流超過の影響は、分析信号を安定化させるために要求される時間を増加させる。多くのセルベースの質量分析計器具は、ガス流超過を最小限にするために、最適セルサイズより小さいサイズを使用する。
【００２３】
本教示の方法および装置は、第２の二方遮断弁１２６、１２６’が開放されると、質量分析計の衝突／反応セル１０８内のガス流超過を低減または排除することに関する。本出願人の教示による、質量分析計の衝突／反応セルのためのガス送達システムの一側面は、質量流量コントローラ１２６、１２６’の出力とガスマニホールド１０２との間のガスラインをパージするために、三方弁または類似デバイスおよび／または真空システム構成を使用することである。一実施形態では、三方弁は、質量流量コントローラ１１４、１１４’の出力とガスマニホールド１０２の入力との間に位置付けられる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
本願の教示は、好ましいおよび例示的実施形態に従って、そのさらなる利点とともに、付随の図面と関連して検討される、以下の発明を実施するための形態により具体的に説明される。当業者は、以下に説明される図面が、例証目的にすぎないことを理解するであろう。図面は、必ずしも、正確な縮尺ではなく、代わりに、概して、本発明の原理を例証するために強調される。図面は、本出願人の教示の範囲をいかようにも限定することを意図するものではない。
【図１】図１は、質量分析計のための公知の衝突／反応セルガス送達システムを例証する。
【図２】図２は、本出願人の教示による、質量分析計のための衝突／反応セルガス送達システムを例証する。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図２は、本出願人の教示による、質量分析計のための衝突／反応セルガス送達システム２００を例証する。ガス送達システム２００は、図１に関連して説明された、ガス送達システム１００に類似する。ガス送達システム２００は、第１および第２のガス源を含む、第１のおよび第２のガスチャネル２０２、２０４を含む。例えば、本出願人の教示を例証する目的のために、第１のガス源は、アンモニア等の反応ガスを含むガスシリンダ２０６であり得、第２のガス源は、ヘリウム等の衝突ガスを含む第２のガスシリンダ２０６’であり得る。
【００２６】
いくつかの実施形態では、ガス送達システムは、第１および第２のガス源のうちの少なくとも１つ内にガスマニホールド（図示せず）を含む。これらの実施形態では、少なくとも２つのガスシリンダは、ガスマニホールドに連結される。例えば、第１のガス源は、少なくとも１つの衝突ガスおよび少なくとも１つの反応ガスに連結されるガスマニホールドを含むことができるか、または少なくとも２つの異なる反応ガスに連結されるガスマニホールドを含むことができる。類似設計を単一の反応または衝突ガスのために使用することができることは、当業者によって理解されるであろう。加えて、２つ超えるガスチャネルを伴う、マニホールドは、本教示に説明される概念を使用して、設計することができる。
【００２７】
第１の調整器２０８は、第１のガスシリンダ２０６の出口に連結され、第２の調整器２０８’は、第２のガスシリンダ２０６’の出口に連結される。調整器２０８、２０８’は、質量流量コントローラ２１０、２１０’の入力、および、質量分析計内の衝突／反応セル２１４に衝突および反応ガスを提供する低圧ガスマニホールド２１２に好適な圧力に、出力ガス供給圧力を制御する。第１のユニオン継手２１６は、第１の調整器２０８の出力を第１のガスチャネル２０２に連結し、第２のユニオン継手２１６’は、第２の調整器２０８’の出力を第２のガスチャネル２０４に連結する。第１のユニオン継手２１６の出力は、図１に関連して説明されるように、望ましくない分子（例えば、不純物）を除去する、ゲッタ２１８に連結される。第２のガスチャネル２０４は、衝突ガスを提供し、衝突ガスから望ましくない分子を除去するために、常に必要ではないため、ゲッタを含まない。しかしながら、いくつかの実施形態では、ゲッタは、望ましくない分子を除去するために、第１および第２のガス供給源２０２、２０４両方内に含まれる。
【００２８】
ゲッタ２１８は、第１の質量流量コントローラ２１０に連結される。第１のパージ弁２２０は、ゲッタ２１８と第１の質量流量コントローラ２１０との間に連結される。第１のパージ弁２２０によって、ユーザは、第１のガスシリンダ２０６から第１の質量流量コントローラ２１０の入力へのガスラインをパージ可能となる。第２のユニオン継手２１６’は、第２の質量流量コントローラ２１０’に連結される。第２のパージ弁２２０’は、第２のユニオン継手２１６’と第２の質量流量コントローラ２１０’との間に連結される。第２のパージ弁２２０’によって、ユーザは、第２のガスシリンダ２０６’から第２の質量流量コントローラ２１０’の入力へのガスラインをパージ可能となる。パージ弁２２０、２２０’の出口は、排出システムに連結される。
【００２９】
第１の質量流量コントローラ２１０の出力は、第１の三方弁２２２の入力に連結される。第１の三方弁２２２の第１の出力は、真空ポンプシステム等の真空システムに連結される。例えば、第１の三方弁２２２の第１の出力は、セル２１４を伴う質量分析計真空チャンバを排気するために使用される、粗引きポンプまたはターボ分子真空ポンプに連結することができる。要求される圧力は、例えば、１マイクロトルから最大数トルの範囲内であり得、質量分析計器具の具体的設計および三方弁２２２の内部漏出速度（すなわち、漏出を通して）に依存して、より高いまたはより低くあり得る。第１の三方弁２２２の第２の出力は、ガスマニホールド２１２の第１の入力等、セルの入口またはコネクタに連結することができる。
【００３０】
同様に、第２の質量流量コントローラ２１０’の出力は、第２の三方弁２２２’の入力に連結される。第２の三方弁２２２’の第１の出力は、真空システムに連結される。第２の三方弁２２２’の第２の出力は、ガスマニホールド２１２の第２の入力等、セルの入口またはコネクタに連結することができる。マニホールド２１２の出力は、真空チャンバ壁２２４を通して、衝突／反応セル２１４内に連結される。本出願人の教示のガス送達システムの利点の１つは、三方弁２２２、２２２’にわたる圧力差を減少させ、図１に関連して説明された二方弁１２６、１２６’と比較して、三方弁２２２、２２２’の内部漏出要件を大幅に緩和することであり得る。本圧力差の減少は、安価な三方弁の使用を可能にし得る。
【００３１】
本出願人の教示による、多くのセルベースの質量分析計器具では、セル２１４は、二重用途セルである。質量分析は、通気動作モードで行うことができ、セル２１４は、加圧されず、イオンは、セル２１４を通過し、真空チャンバ内の他のエリア内のイオンと同一圧力を被る。質量分析はまた、加圧動作モードで動作することもでき、衝突または反応ガスは、セル２１４を加圧することができ、イオンは、セルを通過するのに伴って、衝突または反応ガスの圧力上昇を被り得る。
【００３２】
通気動作モードでは、質量流量コントローラの出力２１０、２１０’からのいかなるガスも、真空システムに指向される。本動作モードでは、第１および第２の三方弁２２２、２２２’の第１の出力は、開放され、質量流量コントローラ２１０、２１０’と三方弁２２２、２２２’との間のライン内に存在し得るあらゆるガスと、第１および第２の質量流量コントローラ２１０、２１０’が、閉鎖位置に構成された場合に第１および第２の質量流量コントローラ２１０、２１０’の出力から漏出するガスとが、真空システムに連結されたガスライン２２６、２２６’を通して排気される。第１および第２の三方弁２２２、２２２’の第２の出力は、いかなるガスも、マニホールド２１２に流動しないように、閉鎖される。本出願人の教示の一実施形態では、第１および第２の三方弁２２２、２２２’の第１の出力は、通常、ユーザによって励起されない場合、通気動作モードである。
【００３３】
加圧動作モードでは、質量流量コントローラの出力２１０または２１０’（または、両方）からのガスは、ガスマニホールド２１２のそれぞれの入力に指向される。本動作モードでは、第１または第２の（または、両方の）三方弁２２２、２２２’の第２の出力は、開放され、ガスを質量流量コントローラ２１０または２１０’（または、両方）からマニホールド２１２の入力へと流動させる。本出願人の教示の一実施形態では、第１および第２の三方弁２２２、２２２’の第２の出力は、通常、ユーザが、測定を行うように、質量分析計に命令する場合のみ、ガスが、マニホールド２１２の入力に流動するように、ユーザによって励起されない場合は、通気動作モードで閉鎖され、励起される場合、開放される。衝突または反応ガスは、所望のガス圧力に到達するまで、真空チャンバ内のセル２１４内に流動し、これは、いくつかの質量分析計器具では、数ミリトルから数十ミリトルの範囲である。ガス流は、分析中、一定のままであり得るか、または種々のイオンを分析するために、ユーザによって変更することができる。ヘリウム等の衝突ガスが使用される場合、衝突ガス分子は、一定のイオンと衝突し、それによって、これらのイオンのエネルギーを低下させることができる。そのエネルギーが、衝突ガスによって低下された望ましくないイオンの伝送を防止するために、エネルギー障壁が、セル２１４の排出口に位置付けられ、得る。アンモニア等の反応ガスが使用される場合、反応ガス分子は、選択的に、いくつかのイオンと反応し、イオンを除去および中和することができる。
【００３４】
本出願人の教示による、質量分析計のための衝突／反応セルガス送達システムの利点の１つは、質量流量コントローラ２１０、２１０’の下流のガスライン内の衝突および反応ガスの内部容積を大幅に低減することができることであり得る。これらのガスライン内の衝突および反応ガスの容積の大幅な低減は、比較的に低流量において、衝突／反応セル２１４の充填時間を著しく改善することができ、典型的に、流量は、１０ｍＬ／分未満である。したがって、本出願人の教示による、質量分析計のための衝突／反応セルガス送達システムは、特に、高速通気／加圧が、ある動作モードから別の動作モードに切り替えるために必須である用途に有用であり得る。
【００３５】
通気動作モードから加圧動作モードに切り替える場合、セル内側の圧力が、所望のレベルに到達するまでに、遅延が存在する。圧力上昇の間、分析信号は、安定せず、有意義なデータを取得することができない。いくつかの器具は、信号の短期間精度が、相対標準偏差（ＲＳＤ）に関して３％を上回るまで、待機する。
【００３６】
例えば、本出願人の教示のガス送達システムは、所望の衝突または反応ガスが、セル２１４内に入り、セル内の衝突または反応を利用して、測定を行うための所望の圧力を達成する、通気動作モードから加圧動作モードへの切替時間を短縮することができる。加えて、本教示のガス送達システムは、所望の衝突または反応ガスが、セル２１４から真空ポンプシステムに排気される、加圧動作モードから通気動作モードへの切替時間を短縮することができる。これらの切替時間は、数分から、本出願人の教示のガス送達システムを使用して、１０秒以下に短縮することができる。
【００３７】
いくつかの市販のセルベースの質量分析計と比較して、本出願人の教示のガス送達システムを使用した切替時間は、６から１０倍の範囲で高速となり得る。比較的に高速の切替時間は、少なくとも部分的に、質量流量コントローラ１１４、１１４’とガスマニホールド１０２への入力との間の二方遮断弁１２６、１２６’（図１）が開放される場合の衝突または反応ガスの突発が存在しないために達成され得る。実際に、比較的に高速の切替時間は、比較的に高速のデータ可用性、より高い試料処理量、および分析コストの削減を伴う、セルベースの質量分析計器具をもたらすことができる。
【００３８】
質量流量コントローラ２１０、２１０’とガスマニホールド２１２の入力との間のガスライン２２８、２２８’の内径は、本出願人の教示による、ガス送達システムにおける重要なパラメータであり得る。これらのガスライン２２８、２２８’の内径が大き過ぎる場合、衝突または反応ガスが充填する死容積が大き過ぎ、その結果、セル２１４を充填および通気するための時間が容認可能でないほど長くかかるであろう。また、これらのガスライン２２８、２２８’の内径が小さ過ぎる場合、ガスコンダクタンスが、低く過ぎ、切替時間が、容認可能でないほど長くなるであろう。質量流量コントローラ２１０、２１０’とガスマニホールド２１２の入力との間のガスライン２２８、２２８’は、比較的に小さい死容積を有するが、依然として、十分なガス流動コンダクタンスを有し、迅速に、ガスラインをパージし、質量分析計の安定状態動作を迅速に達成する流量でセルを充填する内径によって、サイズ決定されることができることを発見した。これらの目標を達成することができる、ガスライン２２８、２２８’の特定の内径は、同時に、ガスライン２２８、２２８’の長さ等の質量分析計器具の物理的寸法と、ガスライン２２８、２２８’を通る衝突および反応ガスの種類ならびに流量に依存する。本教示を具現化する、一特定の質量分析計器具では、ガスライン２２８、２２８’の本内径は、３０／１０００〜８０／１０００インチの範囲内であり得る。
【００３９】
（均等物）
本出願人の教示は、種々の実施形態と併せて説明されるが、本出願人の教示がそのような実施形態に限定されることを意図するものではない。対照的に、本出願人の教示は、当業者によって理解されるように、教示の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書に成され得る、種々の代替、修正、および均等物を包含する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルベースの質量分析計のためのガス送達システムであって、前記ガス送達システムは、
ａ．ガス源に連結された入力を有する質量流量コントローラと、
ｂ．前記質量流量コントローラの出力に連結された入力と、真空システムに連結された第１の出力と、第２の出力とを有する三方弁と、
ｃ．質量分析計の真空チャンバ内側に位置付けられたセルと
を含み、
前記三方弁の第２の出力は、前記セルの入口に連結され、前記質量流量コントローラは、前記真空チャンバ内の圧力に対して前記セル内側の圧力を増加させるガスを前記セルに提供する、ガス送達システム。
【請求項２】
前記ガスは、衝突ガスを含む、請求項１に記載のガス送達システム。
【請求項３】
前記ガスは、反応ガスを含む、請求項１に記載のガス送達システム。
【請求項４】
前記三方弁の第１の出力は、通常、開放されており、前記三方弁の第２の出力は、通常、閉鎖されている、請求項１に記載のガス送達システム。
【請求項５】
前記三方弁は、電気的に制御され、前記三方弁への信号が、前記三方弁の第２の出力を開放し、前記セルにガスを提供する、請求項１に記載のガス送達システム。
【請求項６】
前記ガス源は、複数のガスシリンダに連結されたガスマニホールドを含む、請求項１に記載のガス送達システム。
【請求項７】
前記ガス源と前記質量流量コントローラへの入力との間に位置付けられたパージ弁をさらに含み、前記パージ弁の出力は、排出ラインの入口に連結されている、請求項１に記載のガス送達システム。
【請求項８】
前記質量流量コントローラの出力から前記セルの入力へのガスラインは、前記ガスラインをパージし、１０秒以内に前記質量分析計の安定状態動作を達成する流量によって前記セルを充填するために十分なガス流動コンダクタンスを提供する内径を有している、請求項１に記載のガス送達システム。
【請求項９】
セルベースの質量分析計のためのガス送達システムであって、前記ガス送達システムは、
ａ．複数の質量流量コントローラであって、前記複数の質量流量コントローラの各々は、複数のガス源のうちのそれぞれの１つの出力に連結された入力を有している、複数の質量流量コントローラと、
ｂ．複数の三方弁であって、前記複数の三方弁の各々は、前記複数の質量流量コントローラのうちのそれぞれの１つの出力に連結されている入力を有し、前記複数の三方弁の各々の第１の出力は、真空システムに連結されている、複数の三方弁と、
ｃ．質量分析計の真空チャンバ内側に位置付けられたセルと
を含み、
前記複数の三方弁の各々の第２の出力は、前記セルの入口に連結され、前記複数の質量流量コントローラのうちの少なくとも１つは、前記真空チャンバ内の圧力に対して前記セル内側の圧力を増加させるガスを前記セルに提供する、ガス送達システム。
【請求項１０】
前記ガスは、衝突ガスを含む、請求項９に記載のガス送達システム。
【請求項１１】
前記ガスは、反応ガスを含む、請求項９に記載のガス送達システム。
【請求項１２】
前記複数の三方弁の第１の出力は、通常、開放されており、前記複数の三方弁の第２の出力は、通常、閉鎖されている、請求項９に記載のガス送達システム。
【請求項１３】
前記複数の三方弁は、電気的に制御され、前記複数の三方弁の各々に印加される信号が、前記第２の出力を開放し、前記セルにガスを提供する、請求項９に記載のガス送達システム。
【請求項１４】
前記複数のガス源と前記複数の質量流量コントローラの入力との間に位置付けられている少なくとも１つのパージ弁をさらに含み、前記少なくとも１つのパージ弁の出力は、排出システムに連結されている、請求項９に記載のガス送達システム。
【請求項１５】
前記複数の質量流量コントローラのうちの少なくとも１つの出力から前記セルへのガスラインは、前記ガスラインをパージし、１０秒以内に前記質量分析計の安定状態動作を達成する流量によって前記セルを充填するために十分なガス流動コンダクタンスを提供する内径を有している、請求項９に記載のガス送達システム。
【請求項１６】
セルベースの質量分析計にガスを送達する方法であって、前記方法は、
ａ．質量流量コントローラにガスを提供することと、
ｂ．前記質量流量コントローラの出力から前記ガスを排気することと、
ｃ．前記質量流量コントローラによって、前記ガスを計測し、計測されたガスを質量分析計内側のセルに方向づけることと
を含む、方法。
【請求項１７】
前記ガスは、反応ガスを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記ガスは、衝突ガスを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記反応ガスは、アンモニア、メタン、酸素、フッ化メチル、および水素のうちの少なくとも１つを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記衝突ガスは、ヘリウムおよびネオンのうちの少なくとも１つを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記質量流量コントローラの出力から前記セルへのガスコンダクタンスを提供することをさらに含み、前記ガスコンダクタンスは、通気セル動作モードと加圧動作モードとの間で比較的に短い切替時間を達成する、請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
前記ガスコンダクタンスは、前記質量流量コントローラの出力と前記セルとの間で低死容積を達成する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記ガスコンダクタンスは、１０秒以内に、前記質量分析計の安定状態動作を達成する流量によって前記セルを充填するために十分な大きさである、請求項２１に記載の方法。
【請求項１】
セルベースの質量分析計のためのガス送達システムであって、前記ガス送達システムは、
ａ．ガス源に連結された入力を有する質量流量コントローラと、
ｂ．前記質量流量コントローラの出力に連結された入力と、真空システムに連結された第１の出力と、第２の出力とを有する三方弁と、
ｃ．質量分析計の真空チャンバ内側に位置付けられたセルと
を含み、
前記三方弁の第２の出力は、前記セルの入口に連結され、前記質量流量コントローラは、前記真空チャンバ内の圧力に対して前記セル内側の圧力を増加させるガスを前記セルに提供する、ガス送達システム。
【請求項２】
前記ガスは、衝突ガスを含む、請求項１に記載のガス送達システム。
【請求項３】
前記ガスは、反応ガスを含む、請求項１に記載のガス送達システム。
【請求項４】
前記三方弁の第１の出力は、通常、開放されており、前記三方弁の第２の出力は、通常、閉鎖されている、請求項１に記載のガス送達システム。
【請求項５】
前記三方弁は、電気的に制御され、前記三方弁への信号が、前記三方弁の第２の出力を開放し、前記セルにガスを提供する、請求項１に記載のガス送達システム。
【請求項６】
前記ガス源は、複数のガスシリンダに連結されたガスマニホールドを含む、請求項１に記載のガス送達システム。
【請求項７】
前記ガス源と前記質量流量コントローラへの入力との間に位置付けられたパージ弁をさらに含み、前記パージ弁の出力は、排出ラインの入口に連結されている、請求項１に記載のガス送達システム。
【請求項８】
前記質量流量コントローラの出力から前記セルの入力へのガスラインは、前記ガスラインをパージし、１０秒以内に前記質量分析計の安定状態動作を達成する流量によって前記セルを充填するために十分なガス流動コンダクタンスを提供する内径を有している、請求項１に記載のガス送達システム。
【請求項９】
セルベースの質量分析計のためのガス送達システムであって、前記ガス送達システムは、
ａ．複数の質量流量コントローラであって、前記複数の質量流量コントローラの各々は、複数のガス源のうちのそれぞれの１つの出力に連結された入力を有している、複数の質量流量コントローラと、
ｂ．複数の三方弁であって、前記複数の三方弁の各々は、前記複数の質量流量コントローラのうちのそれぞれの１つの出力に連結されている入力を有し、前記複数の三方弁の各々の第１の出力は、真空システムに連結されている、複数の三方弁と、
ｃ．質量分析計の真空チャンバ内側に位置付けられたセルと
を含み、
前記複数の三方弁の各々の第２の出力は、前記セルの入口に連結され、前記複数の質量流量コントローラのうちの少なくとも１つは、前記真空チャンバ内の圧力に対して前記セル内側の圧力を増加させるガスを前記セルに提供する、ガス送達システム。
【請求項１０】
前記ガスは、衝突ガスを含む、請求項９に記載のガス送達システム。
【請求項１１】
前記ガスは、反応ガスを含む、請求項９に記載のガス送達システム。
【請求項１２】
前記複数の三方弁の第１の出力は、通常、開放されており、前記複数の三方弁の第２の出力は、通常、閉鎖されている、請求項９に記載のガス送達システム。
【請求項１３】
前記複数の三方弁は、電気的に制御され、前記複数の三方弁の各々に印加される信号が、前記第２の出力を開放し、前記セルにガスを提供する、請求項９に記載のガス送達システム。
【請求項１４】
前記複数のガス源と前記複数の質量流量コントローラの入力との間に位置付けられている少なくとも１つのパージ弁をさらに含み、前記少なくとも１つのパージ弁の出力は、排出システムに連結されている、請求項９に記載のガス送達システム。
【請求項１５】
前記複数の質量流量コントローラのうちの少なくとも１つの出力から前記セルへのガスラインは、前記ガスラインをパージし、１０秒以内に前記質量分析計の安定状態動作を達成する流量によって前記セルを充填するために十分なガス流動コンダクタンスを提供する内径を有している、請求項９に記載のガス送達システム。
【請求項１６】
セルベースの質量分析計にガスを送達する方法であって、前記方法は、
ａ．質量流量コントローラにガスを提供することと、
ｂ．前記質量流量コントローラの出力から前記ガスを排気することと、
ｃ．前記質量流量コントローラによって、前記ガスを計測し、計測されたガスを質量分析計内側のセルに方向づけることと
を含む、方法。
【請求項１７】
前記ガスは、反応ガスを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記ガスは、衝突ガスを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記反応ガスは、アンモニア、メタン、酸素、フッ化メチル、および水素のうちの少なくとも１つを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記衝突ガスは、ヘリウムおよびネオンのうちの少なくとも１つを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記質量流量コントローラの出力から前記セルへのガスコンダクタンスを提供することをさらに含み、前記ガスコンダクタンスは、通気セル動作モードと加圧動作モードとの間で比較的に短い切替時間を達成する、請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
前記ガスコンダクタンスは、前記質量流量コントローラの出力と前記セルとの間で低死容積を達成する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記ガスコンダクタンスは、１０秒以内に、前記質量分析計の安定状態動作を達成する流量によって前記セルを充填するために十分な大きさである、請求項２１に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公表番号】特表２０１３−５２０６７３（Ｐ２０１３−５２０６７３Ａ）
【公表日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５５４４３５（Ｐ２０１２−５５４４３５）
【出願日】平成２３年２月２２日（２０１１．２．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２０１１／０００３６３
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／１０４６１１
【国際公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【出願人】（５１００７５４５７）ディーエイチ テクノロジーズ デベロップメント プライベート リミテッド (35)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２２日（２０１１．２．２２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２０１１／０００３６３
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／１０４６１１
【国際公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【出願人】（５１００７５４５７）ディーエイチ テクノロジーズ デベロップメント プライベート リミテッド (35)
【Ｆターム（参考）】
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