JP5623663B2

JP5623663B2 - 可変有効長を有するイオン移動度分離装置

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Publication number: JP5623663B2
Application number: JP2013558502A
Authority: JP
Inventors: グリーン・マーティン・レイモンド; ラングリッジ・デビッド・ジェー．; ワイルドグース・ジェイソン・リー
Original assignee: マイクロマスユーケーリミテッド
Priority date: 2011-03-14
Filing date: 2012-03-13
Publication date: 2014-11-12
Anticipated expiration: 2032-03-13
Also published as: EP2686869A2; US20150294848A1; GB201204372D0; GB201104238D0; WO2012123730A2; WO2012123730A3; US8829433B2; US9552974B2; US20140124663A1; CA2829828A1; EP2686869B1; GB2489310B; US20150028200A1; GB2489310A; JP2014509743A; US9070543B2

Description

他の出願の相互参照
本出願は、２０１１年４月１９日に出願された米国仮特許出願No. 61/476,850及び２０１１年３月１４日に出願された英国特許出願No.1104238.9に基づく優先権を主張するものであり、前記出願の内容は、参照することにより、その全体が本明細書に組み込まれる。

本発明は、質量分析の分野に関し、詳しくは、イオン移動度分光分析に関する。

イオン移動度分光分析（IMS：Ion Mobility Spectrometry）は、バッファガスの存在下でイオンに弱い電場をかけることにより、自身のイオン移動度に従ってイオン種を分離する、確立した分析手法である。周知のイオン移動度分光計は、ガスが充填された直線状のチューブを備える。静的で均一な軸方向電場が、チューブの長さに沿って維持される。イオンは、電場により１つの方向に軸方向の力を受けるとともに、バッファガスとの衝突により他の方向に有効な力を受ける。

このようなシステムのイオン移動度分解能Ｒを式１で表わすことができる。

ここで、Ｌはチューブの長さ（ｍ）、Ｅは、電場（Ｖ／ｍ）、Ｋはボルツマン定数、Ｔはバッファガスの温度（Ｋ）、Ｋは移動度（Ｍ²Ｖ^-1ｓ^-1）、ｑはイオン上の電荷である。

イオン移動度分解能Ｒを向上させるために、ドリフトチューブの長さを増大させてもよいし、電場を増大させてもよい。ただし、式１に示す関係は、バッファガスの数密度に対する電場の比が所定値未満となるほぼ低電場限界未満でのみ保持される。この値を超えない範囲で電場を増大させるためには、同じ倍数で圧力を増大させる必要がある。このようなアプローチは、いずれも、最終的に到達可能なＩＭＳ分解能に実際的な制限がある。

経路長を増大させることなくＩＭＳ分解能を増大させる別のアプローチが、Alexander LobodaによるJ. Am Soc Mass Spectrom. ２００６年、１７巻、第５号、６９１〜６９９ページ「衝突セル及び飛行時間型質量分析計（Collision Cell and Time of Flight Mass Spectrometer）」に記載されている。この方法では、バッファガスを電場と反対の方向に流す。ガス流とＤＣ電場との組み合わせにより、イオンをセル内に長く留まることができ、バッファガスとより多く衝突することが可能になる。この結果、移動度装置の物理的な長さを増大させることなく、移動度分解能が大幅に向上する。このアプローチでは、ＩＭＳ分解能を低下させる可能性のある乱流の影響を避けるために、ＩＭＳセルにおけるガス流動力学の設計を注意深く検討する必要がある。

質量分析計及び質量分析の方法の向上が求められている。

本発明の一つの態様は、１つ以上の物理化学特性に従ってイオンを分離する装置であって、
前記装置は、使用時にイオンが閉じ込められるイオンチャンネルを生成するように構成及び適合され、
イオンは、イオンチャンネルの軸に沿って又はイオンチャンネルに沿って、第１の端部の方向に、１つ以上の物理化学特性に従って分離され、
前記装置は、さらに、イオンチャンネルの軸又はイオンチャンネルを第１の端部から離すように構成及び適合される。

好適な実施形態において、イオンチャンネルの軸及び／又はイオンチャンネルは、非線形である。たとえば、イオンチャンネルの軸及び／又はイオンチャンネルは、螺旋形、渦巻状、又は曲線状でもよい。

あるいは、イオンチャンネルの軸及び／又はイオンチャンネルは、線形でもよい。

好適な実施形態において、第１の端部は、出口を備えるとともに、イオンが前記装置に入る際に最初に通過する第２の端部に対向する。すなわち、イオンは、イオン入口からイオン出口に向かって、装置内を移動する。あるいは、第１の端部は、イオンが前記装置に入る際に最初に通過する入口を備えるものでもよい。後者の実施形態では、特定イオンの速度よりも速くイオンチャンネルを動かすことによって、イオンが装置から出てくる又は出る方向を逆転させることができる。

イオンチャンネルの軸又はイオンチャンネルを出口から離すことによる効果は、１つ以上の物理化学特性に従ってイオンを分離させる際の経路の有効経路長を増大させることである。

イオンチャンネルは、ＤＣ電位の井戸を備えることが望ましい。

望ましくは、イオンチャンネルは、（ｉ）第１のＤＣ電圧の傾き、第１のＤＣ電位、第１の静電障壁、第１のＤＣ電位障壁又は第１の疑似電位と、（ｉｉ）第２の可動ＤＣ電位障壁、第２の可動静電障壁、第２の可動ＤＣ電位障壁又は第２の可動擬似電位障壁との間に形成される。

イオンは、ＤＣ電圧、ＤＣ電位又は静電電位によって、第１の平面又は第１の方向に、イオンチャンネル内で閉じ込められることが望ましい。

イオンは、ＲＦ電圧、ＲＦ電位又は疑似電位によって、第２の平面又は第２の方向に、前記イオンチャンネル内で閉じ込められることが望ましく、第２の平面又は第２の方向は、第１の平面又は第１の方向に略直交する。

前記装置は、望ましくは、第１のデバイスであって、前記１つ以上の物理化学特性によって実質的に決まる速度で、第１の方向に、又は、前記イオンチャンネルの軸に沿って若しくは前記イオンチャンネルに沿って、前記１つ以上の物理化学特性に従ってイオンを分離させるように構成及び適合される第１のデバイスを備える。

第１のデバイスは、望ましくは、前記装置の少なくとも一部に沿って、又は、イオンチャンネルの軸に沿って若しくはイオンチャンネルに沿って、第１の静電電位若しくは力、第１のＤＣ電位若しくは力、又は第１の疑似電位若しくは力を印加又は維持することによって、１つ以上の物理化学特性に従ってイオンを分離させるように構成及び適合される。

第１のデバイスは、
（ｉ）前記装置の軸長の少なくとも一部又は少なくとも１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％又は９０％にわたって、又は、イオンチャンネルの軸に沿って若しくはイオンチャンネルに沿って、第１のＤＣ電圧の傾き、第１のＤＣ電位又は第１のＤＣ電場を維持する、及び／又は、
（ｉｉ）前記装置の軸長の少なくとも一部又は少なくとも１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％又は９０％に沿って、又は、イオンチャンネルの軸に沿って若しくはイオンチャンネルに沿って、第１の静電電位又は力を印加する、及び／又は、
（ｉｉｉ）１つ以上の第１の過渡ＤＣ電圧又は電位を複数の電極に印加することによって、前記装置の軸長の少なくとも一部又は少なくとも１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％又は９０％に沿って、又は、イオンチャンネルの軸に沿って若しくはイオンチャンネルに沿って、イオンを移動させる、及び／又は、
（ｉｖ）３つ以上の位相を有する第１のＲＦ電圧を複数の電極に印加するものであって、異なる電極がＲＦ電圧の異なる位相に接続され、第１のＲＦ電圧が、前記装置の軸長の少なくとも一部又は少なくとも１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％又は９０％に沿って、又は、イオンチャンネルの軸に沿って若しくはイオンチャンネルに沿って、イオンを移動させる、及び／又は、
（ｖ）第１の疑似電位又は力を印加するものであって、複数の電極に印加されるＲＦ電圧の振幅及び／又は周波数は、前記装置の軸長の少なくとも一部又は少なくとも１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％又は９０％に沿って、又は、イオンチャンネルの軸に沿って若しくはイオンチャンネルに沿って、変化する、増大する、又は、減少する、
ように構成及び適合されることが望ましい。

前記装置は、望ましくは、さらに、第２のデバイスであって、１つ以上の物理化学特性と実質的に独立な速度で、第２の方向にイオンを駆動するように構成及び適合される第２のデバイスを備える。

第２のデバイスは、前記装置の少なくとも一部に沿って、第２の可動静電電位障壁、第２の可動ＤＣ電位障壁、又は、第２の可動疑似電位障壁を印加する又は維持することによって、第２の方向にイオンを駆動するように構成及び適合されることが望ましい。

第１の静電電位若しくは力、第１のＤＣ電位若しくは力、又は第１の疑似電位若しくは力は、望ましくは、第２の可動静電電位障壁、第２の可動ＤＣ電位障壁、又は第２の可動疑似電位障壁よりも実質的に大きい、実質的に等しい、又は、実質的に小さい。

第２のデバイスは、
（ｉ）前記装置の軸長の少なくとも一部又は少なくとも１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％又は９０％に沿って、第２の可動静電電位障壁を印加する、及び／又は、
（ｉｉ）１つ以上の第２の過渡ＤＣ電圧又は電位を複数の電極に印加することによって、前記装置の軸長の少なくとも一部又は少なくとも１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％又は９０％に沿って、イオンを移動させる、及び／又は、
（ｉｉｉ）３つ以上の位相を有する第２のＲＦ電圧を複数の電極に印加するものであって、異なる電極がＲＦ電圧の異なる位相に接続され、第２のＲＦ電圧が、前記装置の軸長の少なくとも一部又は少なくとも１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％又は９０％に沿って、イオンを移動させる、及び／又は、
（ｉｖ）第２の可動疑似電位障壁を印加するものであって、複数の電極に印加されるＲＦ電圧の振幅及び／又は周波数は、前記装置の軸長の少なくとも一部又は少なくとも１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％又は９０％に沿って、変化する、増大する、又は、減少する、
ように構成及び適合されることが望ましい。

一実施形態において、
（ｉ）第１の静電電位又は力は、第２の可動静電電位障壁よりも実質的に大きい、実質的に等しい、又は、実質的に小さい、及び／又は、
（ｉｉ）第１のＤＣ電位又は第１のＤＣ電場は、第２の可動ＤＣ電位障壁よりも実質的に大きい、実質的に等しい、又は、実質的に小さい、及び／又は、
（ｉｉｉ）第１の過渡ＤＣ電圧又は電位は、第２の過渡ＤＣ電圧又は電位よりも実質的に大きな、実質的に等しい、又は、実質的に小さな振幅を有する、及び／又は、
（ｉｖ）第１のＲＦ電圧は、第２のＲＦ電圧よりも実質的に大きな、実質的に等しい、又は、実質的に小さな振幅を有する、及び／又は、
（ｖ）第１の疑似電位又は力は、第２の疑似電位障壁よりも実質的に大きい、実質的に等しい、又は、実質的に小さい。

第１のデバイスは、望ましくは、第１の速度又は第１の速度成分で第１の方向にイオンを駆動する又は移動させるように構成及び適合され、
第２のデバイスは、望ましくは、第２の速度又は第２の速度成分で第２の方向にイオンを駆動する又は移動させるように構成及び適合されるものであって、
第１の速度又は第１の速度成分は、第２の速度又は第２の速度成分よりも実質的に大きい、実質的に等しい、又は、実質的に小さい。

第１の静電電位若しくは力、第１のＤＣ電位若しくは力、又は、第１の疑似電位若しくは力は、
（ｉ）特定の時点において、第２の可動静電電位障壁、第２の可動ＤＣ電位障壁、又は、第２の可動疑似電位障壁にほぼ平行な方向に、及び／又は、
（ｉｉ）第２の可動静電電位障壁、第２の可動ＤＣ電位障壁、又は、第２の可動疑似電位障壁の動きの方向に略直交する方向に、
ゼロではない成分を有することが望ましい。

一実施形態において、第１のデバイスは、第１の方向に第１の速度又は力でイオンを駆動し、
第２のデバイスは、第２の方向に第２の速度又は力でイオンを駆動するものであって、
（ｉ）第１の方向は、第２の方向に対して、傾斜している、又は、オフセットしている、及び／又は、
（ｉｉ）第１の方向は、の第２の方向と同じ方向ではない、及び／又は、
（ｉｉｉ）第１の方向は、第２の方向と反対方向ではない、及び／又は、
（ｉｖ）第１の速度又は力は、第２の方向に略直交する方向にゼロではない速度又は力の成分を有する。

第１のデバイスは、望ましくは、第１の速度又は力でイオンを駆動し、
第２のデバイスは、第２の速度又は力でイオンを駆動するものであって、
第１の速度又は力及び／又は第２の速度又は力は、時間及び／又は位置により変動する。

好適な実施形態において、物理化学特性は、イオン移動度を含む。前記装置は、イオン移動度分光計又はイオン移動度分離装置を備えることが望ましい。

物理化学特性は、示差イオン移動度を含むものでもよい。前記装置は、示差イオン移動度分光計又は電界非対称イオン移動度分光計（FAIMS：Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometer）を備えるものでもよい。

また、物理化学特性は、質量又は質量電荷比を含むものでもよい。前記装置は、質量分析器又は質量電荷比分析器を備えるものでもよい。

一実施形態において、前記装置は、内側シリンダと外側シリンダとを備え、
内側シリンダと外側シリンダとは、使用時にイオンを透過させる環状容積を規定し、
１つ以上の渦巻状又は螺旋形電極が、内側シリンダの表面上、及び／又は、外側シリンダの表面上に配置される。

第１のデバイスは、前記装置の第１の端部から前記装置の第２の端部にイオンを移動させるように作用するＤＣ電場及び／又は疑似電位力を維持するように構成及び適合されることが望ましく、
第２のデバイスは、１つ以上の渦巻状又は螺旋形電極に１つ以上の過渡ＤＣ電圧を印加することによって、前記装置の第１の端部の方向にイオンを移動させるように構成及び適合されることが望ましい。

内側シリンダ及び／又は外側シリンダは、円形、楕円形、非円形、矩形又は不規則な形状の断面を有することが望ましい。

１つ以上の渦巻状又は螺旋形電極のピッチは、前記装置の長さに沿って、一定である、増大する、減少する、又は、変化することが望ましい。

一実施形態において、前記装置は、さらに、１つ以上の渦巻状又は螺旋形電極にＲＦ電圧を印加することによって、環状容積内で半径方向にイオンを閉じ込めるデバイスを備える。

前記装置は、さらに、外側シリンダと内側シリンダとの間の環状容積にバッファガスを供給するように構成及び適合されるデバイスを備えることが望ましい。

内側シリンダ及び／又は外側シリンダは、非導電体又は誘電体を備えるものでもよい。

前記装置は、さらに、１つ以上の渦巻状又は螺旋形電極に対して内側シリンダ及び／又は外側シリンダの反対側に設けられる１つ以上の補助電極を備えるものでもよい。

１つ以上の補助電極にＲＦ電圧が印加されるものでもよい。

動作モードにおいて、前記装置を通る渦巻状又は螺旋形経路に沿ってイオンを移動させることが望ましい。

環状容積を介して、及び／又は、内側シリンダの開口部及び／又は外側シリンダの開口部を介して、前記装置に入るように、イオンが配列されることが望ましい。

イオンは、自身のイオン移動度に従って、又は、電場の強さに応じた自身のイオン移動度の変化率に従って、時間的に分離されることが望ましい。

一実施形態において、前記装置は、さらに、
複数のセグメント化された平面電極と、
第２のデバイスであって、セグメント化された平面電極にＤＣ電圧を印加することによって、１つ以上の対角又は傾斜ＤＣ電圧障壁を前記装置の長さの少なくとも一部に沿って移動させるように構成及び適合される第２のデバイスと、を備える。

一実施形態において、前記装置は、さらに、複数の内側環状電極と複数の外側環状電極と、を備え、
内側環状電極と外側環状電極とは、使用時にイオンを透過させる環状容積を規定し、
複数の内側環状電極及び／又は複数の外側環状電極は、半径方向にセグメント化されて、複数のセグメント化された電極となる。

前記装置を通過するイオンの経路長を増大させるという正味の効果が得られるように、第１のデバイス及び第２のデバイスをほぼ同時に作動させることが望ましい。

本発明の一つの態様は、上記した装置を備える質量分析計である。

本発明の一つの態様は、１つ以上の物理化学特性に従ってイオンを分離する方法であって、
イオンを閉じ込めるイオンチャンネルであって、イオンチャンネルの軸に沿って又はイオンチャンネルに沿って、第１の端部の方向に、１つ以上の物理化学特性に従ってイオンを分離させるイオンチャンネルを生成する工程と、
第１の端部からイオンチャンネルの軸又はイオンチャンネルを離す工程と、を備える。

本発明の一つの態様は、１つ以上の物理化学特性に従ってイオンを分離する装置であって、
複数の電極と、
第１のデバイスであって、１つ以上の物理化学特性によって実質的に決まる速度で、第１の方向に、１つ以上の物理化学特性に従ってイオンを分離させるように構成及び適合される第１のデバイスと、
第２のデバイスであって、１つ以上の物理化学特性と実質的に独立な速度で、第２の方向にイオンを駆動するように構成及び適合される第２のデバイスと、を備える。

本発明の一つの態様は、１つ以上の物理化学特性に従ってイオンを分離する方法であって、
１つ以上の物理化学特性によって実質的に決まる速度で、第１の方向に、１つ以上の物理化学特性に従ってイオンを分離させる工程と、
１つ以上の物理化学特性と実質的に独立な速度で、第２の方向にイオンを駆動する工程と、を備える。

イオンの経路長を増大させるという正味の効果が得られるように、第２の方向にイオンを駆動するのとほぼ同時に、１つ以上の物理化学特性に従って第１の方向にイオンを分離させることが望ましい。

本発明の一つの態様は、イオン移動度分離装置であって、
第１のデバイスであって、第１の静電電位若しくは場、第１のＤＣ電位若しくは場、又は、第１の疑似電位又は場を第１の方向に印加又は維持することによって、第１の方向に自身のイオン移動度に従ってイオンを分離させるように構成及び適合される第１のデバイスと、
第２のデバイスであって、第２の可動静電電位障壁、第２の可動ＤＣ電位障壁、又は、第２の可動疑似電位障壁を用いて、イオンを駆動することによって、第２の方向にイオンを駆動するように構成及び適合される第２のデバイスと、を備え、
（ｉ）特定の時点において、第２の可動静電電位障壁、第２の可動ＤＣ電位障壁、又は、第２の可動疑似電位障壁にほぼ平行な方向に、及び／又は、
（ｉｉ）第２の可動静電電位障壁、第２の可動ＤＣ電位障壁、又は、第２の可動疑似電位障壁の動きの方向に略直交する方向に、
自身のイオン移動度に従ってイオンを分離させる。

第１のデバイスは、望ましくは、第１の速度成分で第１の方向にイオンを駆動する又は移動させるように構成及び適合され、
第２のデバイスは、望ましくは、第２の速度成分で第２の方向にイオンを駆動する又は移動させるように構成及び適合されるものであって、
第１の速度成分は、第２の速度成分よりも実質的に大きい。

第１の静電電位若しくは力、第１のＤＣ電位若しくは力、又は、第１の疑似電位又は力は、
（ｉ）特定の時点において、第２の可動静電電位障壁、第２の可動ＤＣ電位障壁、又は、第２の可動疑似電位障壁にほぼ平行な方向に、及び／又は、
（ｉｉ）第２の可動静電電位障壁、第２の可動ＤＣ電位障壁、又は、第２の可動疑似電位障壁の動きの方向に略直交する方向に、
ゼロではない成分を有することが望ましい。

本発明の一つの態様は、自身のイオン移動度に従ってイオンを分離する方法であって、
第１の静電電位若しくは場、第１のＤＣ電位若しくは場、又は、第１の疑似電位又は場を第１の方向に印加又は維持することによって、第１の方向に自身のイオン移動度に従ってイオンを分離させる工程と、
第２の可動静電電位障壁、第２の可動ＤＣ電位障壁、又は、第２の可動疑似電位障壁を用いて、イオンを駆動することによって、第２の方向にイオンを駆動する工程と、を備え、
（ｉ）特定の時点において、第２の可動静電電位障壁、第２の可動ＤＣ電位障壁、又は、第２の可動疑似電位障壁にほぼ平行な方向に、及び／又は、
（ｉｉ）第２の可動静電電位障壁、第２の可動ＤＣ電位障壁、又は、第２の可動疑似電位障壁の動きの方向に略直交する方向に、
自身のイオン移動度に従ってイオンを分離させる。

前記方法は、望ましくは、さらに、
第１の速度成分で第１の方向にイオンを駆動する又は移動させる工程と、
同時に、第２の速度成分で第２の方向にイオンを駆動する又は移動させる工程と、を備え、
第１の速度成分は、第２の速度成分よりも実質的に大きい。

本発明の一つの態様は、自身のイオン移動度に従ってイオンを分離するイオン移動度分離装置であって、
ＤＣ電位によってイオンを閉じ込めるＤＣイオンチャンネルを生成するように構成及び適合されるデバイスであって、イオンチャンネルの軸に沿って又はイオンチャンネルに沿って、前記イオン移動度分離装置の出口の方向に、自身のイオン移動度に従ってイオンを分離させるデバイスと、
出口からイオンチャンネルの軸又はイオンチャンネルを離すことによって、前記イオン移動度分離装置の有効経路長を増大させるように構成及び適合されるデバイスと、を備える。

本発明の一つの態様は、自身のイオン移動度に従ってイオンを分離する方法であって、
ＤＣ電位によってイオンを閉じ込めるＤＣイオンチャンネルを生成する工程であって、イオンチャンネルの軸に沿って又はイオンチャンネルに沿って、イオン移動度分離装置の出口の方向に、自身のイオン移動度に従ってイオンを分離させる工程と、
出口からイオンチャンネルの軸又は前記イオンチャンネルを離すことによって、イオン移動度分離装置の有効経路長を増大させる工程と、を備える。

本発明の一つの態様は、イオン移動度分離装置又はイオン移動度分光計であって、
内側シリンダと外側シリンダであって、使用時にイオンを透過させる環状容積を規定する内側シリンダと外側シリンダと、
内側シリンダの表面上、及び／又は、外側シリンダの表面上に配置される１つ以上の渦巻状電極と、
前記イオン移動度分離装置又はイオン移動度分光計の第１の端部から前記イオン移動度分離装置又はイオン移動度分光計の第２の端部にイオンを移動させるように作用するＤＣ電場及び／又は疑似電位力を維持するように構成及び適合される第１のデバイスと、
１つ以上の渦巻状電極に１つ以上の過渡ＤＣ電圧を印加することによって、前記イオン移動度分離装置又はイオン移動度分光計の第１の端部の方向にイオンを移動させるように構成及び適合される第２のデバイスと、を備える。

本発明の一つの態様は、自身のイオン移動度に従ってイオンを分離する方法であって、
内側シリンダと外側シリンダであって、使用時にイオンを透過させる環状容積を規定する内側シリンダと外側シリンダとを準備する工程と、
内側シリンダの表面上、及び／又は、外側シリンダの表面上に配置される１つ以上の渦巻状電極を準備する工程と、
イオン移動度分離装置又はイオン移動度分光計の第１の端部からイオン移動度分離装置又はイオン移動度分光計の第２の端部にイオンを移動させるように作用するＤＣ電場及び／又は疑似電位力を維持する工程と、
１つ以上の渦巻状電極に１つ以上の過渡ＤＣ電圧を印加することによって、イオン移動度分離装置又はイオン移動度分光計の第１の端部の方向にイオンを移動させる工程と、を備える。

本発明の一つの態様は、イオンを分離する方法であって、
高周波イオンガイドにイオンを供給する工程と、
異なる特性を備えるイオンが分離されるように、１つの方向にイオンを駆動する工程と、
異なる特性を備えるイオンが事実上分離されないように、イオンの特性と事実上無関係に逆の方向にイオンを駆動する工程と、を備える。

好適な実施形態において、駆動力は静電力である。

好適な実施形態において、２つの対向する駆動力成分は、互いに略直交することが望ましい。

好適な実施形態において、駆動力の少なくとも１つは、時間に応じて又は位置に応じて変動することが望ましい。

好適な実施形態において、分離は、バッファガスにおけるイオン移動度に関係することが望ましい。

別の実施形態において、分離は、イオンの質量電荷比に関係するものでもよい。

一実施形態において、質量分析計は、さらに、
（ａ）（ｉ）エレクトロスプレーイオン化（Electrospray ionization: ESI）イオン源、（ｉｉ）大気圧光イオン化（Atmospheric Pressure Photo Ionization: APPI）イオン源、（ｉｉｉ）大気圧化学イオン化（Atmospheric Pressure Chemical Ionization: APCI）イオン源、（ｉｖ）マトリックス支援レーザー脱離イオン化（Matrix Assisted Laser Desorption Ionization: MALDI）イオン源、（ｖ）レーザー脱離イオン化（Laser Desorption Ionization: LDI）イオン源、（ｖｉ）大気圧イオン化（Atmospheric Pressure Ionization: API）イオン源、（ｖｉｉ）シリコンを用いた脱離イオン化（Desorption Ionization on Silicon: DIOS）イオン源、（ｖｉｉｉ）電子衝撃（Electron Impact: EI）イオン源、（ｉｘ）化学イオン化（Chemical Ionization: CI）イオン源、（ｘ）電界イオン化（Field Ionization: FI）イオン源、（ｘｉ）電界脱離（Field Desorption: FD）イオン源、（ｘｉｉ）誘導結合プラズマ（Inductively Coupled Plasma: ICP）イオン源、（ｘｉｉｉ）高速原子衝撃（Fast Atom Bombardment: FAB）イオン源、（ｘｉｖ）液体二次イオン質量分析（Liquid Secondary Ion Mass Spectrometry: LSIMS）イオン源、（ｘｖ）脱離エレクトロスプレーイオン化（Desorption Electrospray Ionization: DESI）イオン源、（ｘｖｉ）ニッケル−63放射性イオン源、（ｘｖｉｉ）大気圧マトリックス支援レーザー脱離イオン化（Atmospheric Pressure Matrix Assisted Laser Desorption Ionization）イオン源、（ｘｖｉｉｉ）サーモスプレーイオン源、（ｘｉｘ）大気サンプリンググロー放電イオン化（Atmospheric Sampling Glow Discharge Ionization: ASGDI）イオン源及び（ｘｘ）グロー放電（Glow Discharge: GD）イオン源からなる群から選択される１つ以上のイオン源、及び／又は、
（ｂ）１つ以上の連続又はパルスイオン源、及び／又は、
（ｃ）１つ以上のイオンガイド、及び／又は、
（ｄ）１つ以上のイオン移動度分離装置及び／又は１つ以上の電界非対称イオン移動度分光計（Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometer）、及び／又は、
（ｅ）１つ以上のイオントラップ又は１つ以上のイオン捕捉領域、及び／又は、
（ｆ）（ｉ）衝突誘起解離（Collisional Induced Dissociation: CID）フラグメンテーション装置、（ｉｉ）表面誘起解離（Surface Induced Dissociation: SID）フラグメンテーション装置、（ｉｉｉ）電子移動解離（Electron Transfer Dissociation: ETD）フラグメンテーション装置、（ｉｖ）電子捕獲解離（Electron Capture Dissociation: ECD）フラグメンテーション装置、（ｖ）電子衝突（Electron Collision）又は電子衝撃解離（Electron Impact Dissociation)フラグメンテーション装置、（ｖｉ）光誘起解離（Photo Induced Dissociation: PID）フラグメンテーション装置、（ｖｉｉ）レーザー誘起解離（Laser Induced Dissociation）フラグメンテーション装置、（ｖｉｉｉ）赤外線誘起解離装置、（ｉｘ）紫外線誘起解離装置、（ｘ）ノズル・スキマー・インターフェース・フラグメンテーション装置、（ｘｉ）インソースフラグメンテーション装置、（ｘｉｉ）インソース衝突誘起解離（Collision Induced Dissociation）フラグメンテーション装置、（ｘｉｉｉ）熱源又は温度源フラグメンテーション装置、（ｘｉｖ）電場誘起フラグメンテーション装置、（ｘｖ）磁場誘起フラグメンテーション装置、（ｘｖｉ）酵素消化又は酵素分解フラグメンテーション装置、（ｘｖｉｉ）イオン−イオン反応フラグメンテーション装置、（ｘｖｉｉｉ）イオン−分子反応フラグメンテーション装置、（ｘｉｘ）イオン−原子反応フラグメンテーション装置、（ｘｘ）イオン−準安定イオン反応フラグメンテーション装置、（ｘｘｉ）イオン−準安定分子反応フラグメンテーション装置、（ｘｘｉｉ）イオン−準安定原子反応フラグメンテーション装置、（ｘｘｉｉｉ）イオンの反応により付加イオン又はプロダクトイオン（生成イオン）を形成するイオン−イオン反応装置、（ｘｘｉｖ）イオンの反応により付加イオン又はプロダクトイオンを形成するイオン−分子反応装置、（ｘｘｖ）イオンの反応により付加イオン又はプロダクトイオンを形成するイオン−原子反応装置、（ｘｘｖｉ）イオンの反応により付加イオン又はプロダクトイオンを形成するイオン−準安定イオン反応装置、（ｘｘｖｉｉ）イオンの反応により付加イオン又はプロダクトイオンを形成するイオン−準安定分子反応装置、（ｘｘｖｉｉｉ）イオンの反応により付加イオン又はプロダクトイオンを形成するイオン−準安定原子反応装置、及び（ｘｘｉｘ）電子イオン化解離（Electron Ionization Dissociation: EID）フラグメンテーション装置、からなる群から選択される衝突、フラグメンテーション又は反応セル、及び／又は、
（ｇ）（ｉ）四重極質量分析器、（ｉｉ）２次元又はリニア四重極質量分析器、（ｉｉｉ）ポール（Paul）トラップ型又は３次元四重極質量分析器、（ｉｖ）ペニング（Penning）トラップ型質量分析器、（ｖ）イオントラップ型質量分析器、（ｖｉ）磁場型質量分析器、（ｖｉｉ）イオンサイクロトロン共鳴（Ion Cyclotron Resonance: ICR）質量分析器（ｖｉｉｉ）フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴（Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance: FTICR）質量分析器、（ｉｘ）静電またはオービトラップ型質量分析器、（ｘ）フーリエ変換（Fourier Transform）静電又はオービトラップ型質量分析器、（ｘｉ）フーリエ変換（Fourier Transform）質量分析器、（ｘｉｉ）飛行時間型（Time of Flight）質量分析器、（ｘｉｉｉ）直交加速飛行時間型（Time of Flight）質量分析器、及び（ｘｉｖ）線形加速飛行時間型（Time of Flight）質量分析器、からなる群から選択される質量分析器、及び／又は、
（ｈ）１つ以上のエネルギー分析器又は静電エネルギー分析器、及び／又は、
（ｉ）１つ以上のイオン検出器、及び／又は、
（ｊ）（ｉ）四重極マスフィルタ、（ｉｉ）２次元又はリニア四重極イオントラップ、（ｉｉｉ）ポール（Paul）又は３次元四重極イオントラップ、（ｉｖ）ペニング（Penning）イオントラップ、（ｖ）イオントラップ、（ｖｉ）磁気セクタ型マスフィルタ、（ｖｉｉ）飛行時間型（Time of Flight: TOF）マスフィルタ、及び（ｖｉｉｉ）ウィーン（Wien）フィルタ、からなる群から選択される１つ以上のマスフィルタ、及び／又は、
（ｋ）イオンをパルス状にする装置又はイオンゲート、及び／又は、
（ｌ）、実質的に連続的なイオンビームをパルスイオンビームに変換する装置、を備えるものでもよい。

質量分析計は、さらに、
（ｉ）Ｃ型トラップと、外側たる形電極及び同軸の内側紡錘形電極を備えるオービトラップ型（ＲＴＭ）質量分析器と、を備え、第１の動作モードにおいて、イオンは、前記Ｃ型トラップに送られ、次に、前記オービトラップ型（ＲＴＭ）質量分析器に注入され、第２の動作モードにおいて、イオンは、前記Ｃ型トラップに、次に、衝突セル又は電子移動解離（Electron Transfer Dissociation）装置に送られて、少なくとも一部のイオンがフラグメント（断片）イオンにフラグメント化（断片化）され、前記フラグメントイオンは、前記Ｃ型トラップに送られた後、オービトラップ型（ＲＴＭ）質量分析器に注入される、及び／又は、
（ｉｉ）使用時にイオンを透過させる開口部を各々有する１つ以上の電極を備える積層リング型イオンガイドを備え、前記電極間の間隔がイオン通路の長さ方向に沿って増大し、前記イオンガイドの上流部分に配置される電極の開口部が第１の直径を有する一方で、前記イオンガイドの下流部分に配置される電極の開口部が前記第１の直径よりも小径の第２の直径を有し、使用時に、連続する電極に、逆相のＡＣ又はＲＦ電圧を印加する、のいずれかを備えるものでもよい。

好適な実施形態に従うイオン移動度分光計は、使用時にイオンを透過させる開口部を各々有する１つ以上の電極を備えるものでもよい。１つ以上の過渡ＤＣ電圧若しくは電位又は１つ以上のＤＣ電圧又は電位波形を、イオン移動度分光計が備える電極に印加して、イオン移動度分光計の長さ方向に沿ってイオンを移動させることが望ましい。

好適な実施形態において、１つ以上の過渡ＤＣ電圧若しくは電位又は１つ以上のＤＣ電圧又は電位波形は、（ｉ）電位の山又は障壁、（ｉｉ）電位の井戸、（ｉｉｉ）複数の電位の山又は障壁、（ｉｖ）複数の電位の井戸、（ｖ）電位の山又は障壁と電位の井戸との組み合わせ、又は、（ｖｉ）複数の電位の山又は障壁と複数の電位の井戸との組み合わせを形成する。

１つ以上の過渡ＤＣ電圧又は電位波形は、反復波形又は方形波を備えることが望ましい。

ＲＦ電圧は、イオン移動度分光計の電極に印加されることが望ましく、（ｉ）５０Ｖ未満のピークトゥピーク、（ｉｉ）５０〜１００Ｖのピークトゥピーク、（ｉｉｉ）１００〜１５０Ｖのピークトゥピーク、（ｉｖ）１５０〜２００Ｖのピークトゥピーク、（ｖ）２００〜２５０Ｖのピークトゥピーク、（ｖｉ）２５０〜３００Ｖのピークトゥピーク、（ｖｉｉ）３００〜３５０Ｖのピークトゥピーク、（ｖｉｉｉ）３５０〜４００Ｖのピークトゥピーク、（ｉｘ）４００〜４５０Ｖのピークトゥピーク、（ｘ）４５０〜５００Ｖのピークトゥピーク、（ｘｉ）５００〜５５０Ｖのピークトゥピーク、（ｘｘｉｉ）５５０〜６００Ｖのピークトゥピーク、（ｘｘｉｉｉ）６００〜６５０Ｖのピークトゥピーク、（ｘｘｉｖ）６５０〜７００Ｖのピークトゥピーク、（ｘｘｖ）７００〜７５０Ｖのピークトゥピーク、（ｘｘｖｉ）７５０〜８００Ｖのピークトゥピーク、（ｘｘｖｉｉ）８００〜８５０Ｖのピークトゥピーク、（ｘｘｖｉｉｉ）８５０〜９００Ｖのピークトゥピーク、（ｘｘｉｘ）９００〜９５０Ｖのピークトゥピーク、（ｘｘｘ）９５０〜１０００Ｖのピークトゥピーク、及び（ｘｘｘｉ）１０００Ｖより大きなピークトゥピークからなる群から選択される振幅を有することが望ましい。

ＲＦ電圧は、（ｉ）１００ｋＨｚ未満、（ｉｉ）１００〜２００ｋＨｚ、（ｉｉｉ）２００〜３００ｋＨｚ、（ｉｖ）３００〜４００ｋＨｚ、（ｖ）４００〜５００ｋＨｚ、（ｖｉ）０．５〜１．０ＭＨｚ、（ｖｉｉ）１．０〜１．５ＭＨｚ、（ｖｉｉｉ）１．５〜２．０ＭＨｚ、（ｉｘ）２．０〜２．５ＭＨｚ、（ｘ）２．５〜３．０ＭＨｚ、（ｘｉ）３．０〜３．５ＭＨｚ、（ｘｉｉ）３．５〜４．０ＭＨｚ、（ｘｉｉｉ）４．０〜４．５ＭＨｚ、（ｘｉｖ）４．５〜５．０ＭＨｚ、（ｘｖ）５．０〜５．５ＭＨｚ、（ｘｖｉ）５．５〜６．０ＭＨｚ、（ｘｖｉｉ）６．０〜６．５ＭＨｚ、（ｘｖｉｉｉ）６．５〜７．０ＭＨｚ、（ｘｉｘ）７．０〜７．５ＭＨｚ、（ｘｘ）７．５〜８．０ＭＨｚ、（ｘｘｉ）８．０〜８．５ＭＨｚ、（ｘｘｉｉ）８．５〜９．０ＭＨｚ、（ｘｘｉｉｉ）９．０〜９．５ＭＨｚ、（ｘｘｉｖ）９．５〜１０．０ＭＨｚ、及び（ｘｘｖ）１０．０ＭＨｚより大きな値からなる群から選択される周波数を有することが望ましい。

イオン移動度分光計は、（ｉ）０．００１ｍｂａｒより大きな値、（ｉｉ）０．０１ｍｂａｒより大きな値、（ｉｉｉ）０．１ｍｂａｒより大きな値、（ｉｖ）１ｍｂａｒより大きな値、（ｖ）１０ｍｂａｒより大きな値、（ｖｉ）１００ｍｂａｒより大きな値、（ｖｉｉ）０．００１〜０．０１ｍｂａｒ、（ｖｉｉｉ）０．０１〜０．１ｍｂａｒ、（ｉｘ）０．１〜１ｍｂａｒ、（ｘ）１〜１０ｍｂａｒ、及び（ｘｉ）１０〜１００ｍｂａｒからなる群から選択される圧力に保持されることが望ましい。

以下、例示を目的として、本発明のさまざまな実施形態を添付の図面を参照して詳述する。

好適な実施形態に従うイオン移動度分離装置を示す図。好適な実施形態を示す説明図。好適な実施形態を示す説明図。装置内部で形成される単一の螺旋形ＤＣ障壁を示す図。好適な実施形態の詳細を示す図。（ｘ，ｙ）平面における好適な実施形態を示す図。本発明の原理を示す図。ＳＩＭＩＯＮシミュレーションから得られた結果を示す図。従来技術との比較を示す図。開示される装置におけるイオンの動きを単純化したモデルを示す図。装置内におけるイオン分離を説明する解析モデルから得られた結果を示す図。移動度値に対する分解能の変化を示すグラフ。装置内におけるイオン分離を説明する解析モデルから得られた結果を示す図。移動度値に対する分解能の変化を示すグラフ。本発明の別の実施形態を示す平面図。本発明の別の実施形態を示す側面図。本発明の別の実施形態を示す平面図。本発明の別の実施形態を示す端面図。本発明の別の実施形態を示す平面図。本発明の別の実施形態を示す平面図。

本発明の好適な実施形態を図１を参照して説明する。ただし、登園のことながら、本発明は、イオン移動度分光計に限定されるものではなく、図１に示す環状形状に代わる様々な他の形状も、本発明の範囲内である。

本発明の一実施形態において、図１に示すように、イオン移動度分離装置は、２つの同心円シリンダを備える。このシリンダには、使用時にイオンを透過させる環状容積を規定する外側シリンダ１と内側シリンダ２とが含まれる。同心円シリンダは、非導電体で形成されることが望ましい。イオン移動度分析装置は、望ましくは、イオン移動度分離装置にイオンを入れる入口側端部３と、イオン移動度分離装置からイオンを出す出口側端部４とを備える。

２つの同心円シリンダ１と２との間の環状容積に、ヘリウムや窒素等のバッファガス又はドリフトガスに供給されることが望ましい。たとえば、環状容積内のドリフトガスの圧力を０．５トール〜５トールに設定するものでもよい。

特定の実施形態において、図２Ａに示すように、渦巻状の導電体を内側シリンダ２の外側に取り付けるようにしてもよい。また、図２Ｂに示すように、渦巻状の導電体を外側シリンダ１の内側表面に取り付けてもよい。内側渦巻材と外側渦巻材は、装置の長さにわたって、内側渦巻材が外側渦巻材の経路をたどるように、配置されることが望ましい。一例として、図２Ａに示すようにｙ軸に対する導電ストリップの角度θが２０度であり、内側シリンダ２の直径が２０ｍｍであれば、ストリップは、２２．８７ｍｍごとに、シリンダの周りを完全に一巻きする。シリンダの長さが１００ｍｍの場合には、線材はシリンダの周りを４．３７巻きする。導電経路の全体の長さは、約２９２ｍｍになる。外側シリンダ１の直径が３０ｍｍであれば、外側シリンダ１と内側シリンダ２との間に半径方向の幅が５ｍｍの環状空間が形成される。

図３に、ｚ，ｙ方向において各々相補的な渦巻状導電ストリップを備える内側シリンダ２と外側シリンダ１とを示す。導電ストリップの電位を上昇させて、環状容積に沿って螺旋形ＤＣ電位障壁を形成するように、第１のＤＣ電源５が備えられる。形成されるＤＣ電位障壁を、図３の内側渦巻状経路と外側渦巻状経路との間の網掛け部として示す。

導電ストリップは抵抗を有するものでもよく、ストリップの全抵抗が５０〜５００Ω程度でもよい。これにより、第２のＤＣ電源６を用いて、導電ストリップの一端から他端に電位勾配をかけることができる。

図４に示す実施例において、外側シリンダ１は、６つの渦巻を形成する６つの等間隔の導電抵抗ストリップａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆを備える。内側シリンダの直径が２０ｍｍで角度θが２０度の例では、ストリップ幅が０．５ｍｍでストリップ間の間隔が１ｍｍの場合に、内側シリンダ２のストリップ数は合計で１５になる。

動作時に、ＤＣ電位を６つの導電ストリップすべてに印加して、イオン移動度分離装置の入口側端部３からイオン移動度分離装置の出口側端部４にイオンを移動させるように作用するＤＣ電場を事実上生成するように、第２のＤＣ電源６を配置するようにしてもよい。ただし、第１のＤＣ電源５は、いずれの時点においても、渦巻状導電ストリップのうちの１つにのみ印加されることが望ましい。

内側シリンダ２上の相補的導電ストリップに同じ電位をかけることが望ましい。

好適な実施形態において、ＲＦ周波数で振動するＡＣ電圧を導電ストリップに印加することによって、環状容積３内で半径方向にイオンを閉じ込めるようにしてもよい。隣接するストリップ間のＲＦ電圧は、１８０度位相がずれていることが望ましい。

図５に、ｘ，ｙ方向における外側シリンダ１と内側シリンダ２を示し、内側シリンダ２と外側シリンダ１とに閉じ込めＲＦと渦巻状ＤＣ障壁を印加する様子を説明する。

内側シリンダ２と外側シリンダ１は、いずれも、各シリンダの内側及び外側に導電ストリップを備える誘電体から形成されるものでもよい。たとえば、フレキシブルＰＣＢ構造を用いてもよい。

図５に、内側シリンダ２の外側及び外側シリンダ１の内側に配置されるＤＣ電極ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆを示す。

また、図５に、電極ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆと平行であって、かつ、誘電体シリンダの反対側に配置される補助導電ストリップも示す。補助ストリップは、装置の長さに沿って、電極ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆの各々に関して説明したものと同じ渦巻状をたどることが望ましい。隣接する電極に反対の位相のＲＦが供給されるように、ＲＦ周波数で振動するＡＣ電位を補助電極に供給するようにしてもよい。ＡＣ電位は、誘電体を介してＤＣ電極上の容量結合することが望ましく、この結果、環状容積内に半径方向のＲＦ閉じ込め場が生じる。ＡＣ電圧は、たとえば、振幅が４００Ｖのピークトゥピークで、周波数が１ＭＨｚであってもよい。

動作時に、イオン移動度分離装置の入口３を通って、時刻Ｔ１において、イオン移動度分離装置内にイオンがパルス状に入射されることが望ましい。時刻Ｔ１において、図４及び図５に示すストリップｆに印加される電位は、他の５つの渦巻状ストリップの電位よりも高くなっていて、事実上イオンを通過させない障壁を形成することが望ましい。導電ストリップｆから離れた領域でイオン移動度分離装置に入り、イオン移動度分離装置内への最初の通過が妨げられないように、イオンを配列させることが望ましい。

第１のＤＣ電圧源５により各ストリップにわたって印加される電位勾配は、ストリップｆに印加される電位により形成されるＤＣ障壁の経路に従う渦巻状経路でイオン移動度分離装置内を下方に進むようにイオンを動かすことが望ましい。

イオンを分離させる場の成分は、ＤＣ障壁に直交することが望ましい。

バッファガスを通過するイオンは、渦巻状ＤＣ勾配により渦巻状経路で駆動されて、自身のイオン移動度に従って分離されることが望ましい。

次の時刻Ｔ２（Ｔ２＞Ｔ１）で、装置内でイオンが下方に移動すると、望ましくは、ストリップｆへのＤＣ電圧の印加が止まり、図４に示すストリップｅにのみＤＣ電圧が印加される。したがって、時刻Ｔ２で、望ましくは、ストリップｅのＤＣ電位が、他の導電ストリップよりも上昇する。次の時刻Ｔ３（Ｔ３＞Ｔ２）で、望ましくは、ＤＣ電位障壁が導電ストリップｄにのみ切り替わる。次の時刻Ｔ４で、ＤＣ電位は、ストリップｃにのみ印加される。次の時刻Ｔ５で、ＤＣは、望ましくはストリップｂにのみ印加される。次の時刻Ｔ６で、ＤＣは、望ましくはストリップａにのみ印加される。最後に、時刻Ｔ７（Ｔ７＞Ｔ６＞Ｔ５＞Ｔ４＞Ｔ３＞Ｔ２＞Ｔ１）で、ＤＣは、望ましくはストリップｆにのみ印加される。分析の間中、このパターンが繰り返されることが望ましい。

ＤＣ電圧をこのようにストリップａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆに印加することにより、各導電ストリップに印加されるＤＣ電位勾配によってイオンがドリフトガスを通過する際に装置を通るイオンの動きを妨害するように作用する螺旋形進行ＤＣ経路又は螺旋形回転ＤＣ経路が形成される。イオンは、螺旋形ＤＣ進行波により望ましくは装置の入口の方向に戻され、同時に、ＤＣ勾配の印加によって装置の出口側に移動する際に螺旋形傾斜波面を滑り落ちる。

螺旋形進行波の速度又はＤＣ電場の強さを調節することにより、装置内におけるイオンの滞留時間を延ばすことができる。螺旋形進行波が存在しない場合に予測される期間よりも長い期間、装置の出口の方向に作用するＤＣ場をイオンが受ける。このように滞留時間が長いということは、比例してより長いイオン移動度分離装置をイオンが通過することと等価であり、したがって、同じくらいの物理長を有する従来のイオン移動度分離装置に比べて、イオン移動度分離力が向上する。

上述した装置の動作原理を概念化を助けるために、螺旋形進行ＤＣ障壁を延ばして、平面上に存在する線形障壁を形成するような単純モデルを想定するようにしてもよい。図６に、このようなモデル内部における単一のイオン種を示す。斜線Ｔ１は、時刻Ｔ１において存在する、イオンが通過できないＤＣ障壁を示す。この図において、障壁は、平面を横切り、障壁の高さは、見る人に向かって鉛直方向に伸長する。この障壁は、イオン検出器の平面又は装置Ｄの出口に対して角度θで傾斜している。長さＬは、入口平面Ｓから出口平面Ｄまでの装置の長さを規定する。入口から出口平面側にイオンを移動させるように、装置の長さＬにわたって、電場Ｅが存在する。このモデルでは、昇圧されるバッファガス内にイオンが存在し、イオンの動きは、イオン移動度Ｋにより支配される。

時刻Ｔ１において、ＤＣ障壁の傾斜端部に沿った方向に分解されたＤＣ電場Ｅの力成分により、この方向にイオンを移動させることが望ましい。Ｔ１におけるＤＣ障壁が変化しなければ、イオンは、電場Ｅにおいて距離Ｌ移動した後に、装置Ｄの出口に最終的に到達する。イオンが入口から出口まで移動する時間（ＤＴｓ）は、イオンの移動度により左右され、以下の式で表わされる。

ただし、図６において、イオンは、時刻Ｔ２まで、装置内を距離ｄ１移動することができる。この例では、ｄ１＝Ｌ／４である。

時刻Ｔ２において、ＤＣ障壁は、望ましくは、装置の入口側に向かって上方に動き、Ｔ２に表示される位置まで移動する。イオンは、障壁と垂直な方向に、この障壁の面上を移動することが望ましい。いずれの移動度値を有するイオンも、ほぼ同じ量だけ移動することが望ましい。図示するように、イオンは、装置の入口の方向に移動した後、位置Ｔ２に示す障壁に沿って再び下方に移動し始める。望ましくは、イオンは、時刻Ｔ３まで、電場Ｅの影響下で、距離ｄ２（ここで、ｄ２＝ｄ１）移動することができる。時刻Ｔ３において、障壁が再び移動し、イオンは入口側に押し戻される。障壁が再び移動する時刻Ｔ４まで、イオンは、距離ｄ３（ここで、ｄ１＝ｄ２＝ｄ３）移動することができる。次に、時刻Ｔ５で再び障壁が移動するまで、イオンは、距離ｄ４（ここで、ｄ１＝ｄ２＝ｄ３＝ｄ４）移動することができる。次に、時刻Ｔ６で再び障壁が移動するまで、イオンは、距離ｄ５（ここで、ｄ１＝ｄ２＝ｄ３＝ｄ４＝ｄ５）移動することができる。最後に、イオンが装置から出る位置まで、イオンは、距離ｄ６（ここで、ｄ１＝ｄ２＝ｄ３＝ｄ４＝ｄ５＝ｄ６）移動することができる。

電場Ｅ（Ｌｔ）内でイオンが移動した全距離は、以下の式で示される。

これを、傾斜障壁が移動しない場合に同じ電場内でイオンが移動するであろう距離Ｌと比較する。

すなわち、移動度分離装置の絶対的長さＬを、より長い仮想長さＬｔに延ばすことができる。ドリフト長さが延びた量は、イオン移動度の関数である。

移動度分離力の観点からこの手法の性能を検討するために、図６に記載した理論的モデルと同様なモデルを、ＳＩＭＩＯＮ（ＲＴＭ）イオン光学シミュレーションソフトウェアを用いて、構築した。

このモデルで用いたパラメータは、ドリフト領域の長さＬが１００ｍｍ、ＤＣ障壁の高さが１００Ｖ、出口平面に対するＤＣ障壁の角度θ＝２０度、窒素の圧力（剛体球モデル）Ｐが０．５トール、波面に垂直な障壁の速度が４０ｍ／ｓ、駆動場Ｅが４Ｖ／ｍｍであった。

４つのイオンの軌跡をモデル化した。これらイオンは、すべて、１価で、質量電荷比は５００であったが、異なる移動度値を有していた。イオン＃１は、Ｋ＝０．１７３Ｍ²Ｖ^-1ｓ^-2で断面積は２００Å、イオン＃２は、Ｋ＝０．１３９Ｍ²Ｖ^-1ｓ^-2で断面積は２５０Å、イオン＃３は、Ｋ＝０．１２６Ｍ²Ｖ^-1ｓ^-2で断面積は２７５Å、イオン＃４は、Ｋ＝０．１１５Ｍ²Ｖ^-1ｓ^-2で断面積は３００Åであった。

各移動度値を有する１０００個のイオンからなるイオン群をモデル化して、各イオン種に対する平均ドリフト時間及びドリフト時間の標準偏差を記録した。

図７に、このモデルに関するＳＩＭＩＯＮ（ＲＴＭ）から得られた結果を示す。ピークを、シミュレーション出力から測定された平均及び標準偏差を有するガウスピークで表わす。

図８に、図７に示すモデル化した例と同じ圧力、長さ及び電場において、標準ＩＭＳドリフトチューブで分離される同じイオン群の理論的ＩＭＳスペクトルを示す。

好適な実施形態に従う手法を用いる場合に、ＩＭＳ分離力に明らかに大幅な向上がみられる。これは、予想されるように、すべてのイオン種に対してドリフト時間の増大を伴う。

また、図７と図８とを比較することにより、高移動度イオンに対するドリフト時間の差は、低移動度イオンに対するドリフト時間の差よりも小さいことがわかる。これは、このようなイオンに対するドリフト時間の増大が移動度に左右されることを示す。

ドリフト時間はイオンの移動度に直線的に依存するわけではないため、移動度分解能Ｒを以下の式から直接算出することはできない。

装置の分解能に関する式を作成するためには、螺旋形進行波内におけるイオンの動きを説明する解析方程式が必要となる。

図９に、好適な実施形態の原理を説明するさらに簡略化した図を示す。長さＬのドリフトチューブ８に電場Ｅをかけることによって、速度Ｖでチューブ８に沿ってバッファガス内をイオンを通過させる。

検出器９をドリフトチューブ８の一端に配置した後一定の速度Ｖｄでドリフトチューブの出口から離していくことにより、イオンが移動するチューブの全長Ｌ_totを事実上増大させる。電場Ｅは、検出器９までのイオンの移動の間中一定であると仮定する。

後退していく検出器９にイオンが到達する時間ｔ_totは以下の式で表わされる。

ドリフトセル内に導入されたイオンパケットが時間と共に広がる度合いは、バッファガス内における拡散により支配される。

イオンパケットの幅の経時変化の標準偏差σＬは以下の式で表わされる。

ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔはケルビン温度、ｔはドリフト時間、ｑはイオン上の電荷を示す。

システムにおける時間に関する標準偏差σｔは、式７で示すイオンの相対速度で式８を除算することにより得られる。

時間Δｔにおける移動度ピークのＦＷＨＭ（半値全幅）は以下の式で表わされる。

上述したＳＩＭＩＯＮ（ＲＴＭ）モデルから得られた結果を比較するためには、追加の因子を加えて、非正規角度θで検出器９に到達したイオンを表わす必要がある。係数Ｆにより、観測されるＦＷＨＭピークを低減する効果がある。ここで、Ｆ＝ｓｉｎθである。

図１０に、図７及び図８に示したものと同じイオンであるイオン＃１、イオン＃２、イオン＃３及びイオン＃４に対してこのアプローチを適用した結果を示す。

このモデルでは、ドリフト領域Ｌを１００ｍｍ、検出器の速度Ｖｄを２９ｍ／ｓ、駆動場Ｅを４Ｖ／ｍｍとしてモデル化した。

このモデルは、図７に示すＳＩＭＩＯＮ（ＲＴＭ）シミュレーションから得られた結果と非常によく一致し、解析近似が非常によいことがわかる。

このモデルを用いて、移動度分解能に関する式を誘導するために、式２を以下のように書き換えることができる。

式７及び式８を式９に代入して値を求めることにより、所定の検出器速度に対する装置の移動度分解能Ｒに関する式が得られる。検出器速度は、好適な実施形態における螺旋形ＤＣ障壁の回転速度と同様のものである。

図１１にＫ値に対する移動度分解能Ｒのプロットを示す。実線１０は、上述したＳＩＭＩＯＮ（ＲＴＭ）シミュレーション及び解析モデルにおいて用いられた条件下の装置における理論的分解能を示す。

点線１１は、同じ長さＬの標準的なＤＣドリフトチューブを同じ圧力と同じ場Ｅで動作させた場合に得られる分解能を示す。標準的なドリフトチューブに関して算出した移動度分解能は１３であった。好適な実施形態において、この移動度の全範囲にわたり、３〜５の間の分解能の増大が得られる。標準的なドリフトチューブを用いて同じ圧力と同じ場でこのような分解能を達成するためには、ドリフトチューブの長さを０．９〜２．５ｍの範囲とする必要があり、これは非現実的である。

印加される場においてイオンが移動する総有効距離がイオン移動度に依存するため、移動度分解能は、イオンの移動度に依存する。

上述した実施形態において、螺旋形ＤＣ障壁に沿って作用するＤＣ場によりイオンは装置の出口の方向に駆動され、ＤＣ障壁の掃引又は回転により装置の出口の方向に戻される。イオンは、最終的にＤＣ場による移動方向に排出され、検出される。ただし、反対方向に、すなわち、螺旋形ＤＣ障壁を移動又は回転させることによるイオンの移動方向にイオンが排出されるようにイオンを駆動することによっても、ＩＭＳ分離を向上させることができる。

図１２は、図７に記載したモデルに対するＳＩＭＩＯＮ（ＲＴＭ）イオン光学シミュレーションにより得られた結果を示す。ただし、障壁の移動速度は、４０ｍ／ｓから９４ｍ／ｓに増大させた。イオン到達時間を、波面の方向に装置からイオンが排出される時間として記録する。

４つのモデル化したイオン種が装置から出る順序は、より高い移動度を有するイオンよりも比較的低いイオン移動度を有するイオンの方が先に装置から出ることにより逆になる。

図１３に、図１０に記載したものと同様の解析アプローチを用いて算出した移動度Ｋに対する移動度分解能Ｒのプロットを示す。ただし、このモデルでは、検出器は装置への入口に配置されて、ＤＣ場で分離される際にイオンを「捕捉する」。同じ条件下で標準的なドリフトチューブを用いた場合の分解能を点線１１に示す。この標準的なドリフトチューブの分解能は１３である。

ここで留意するべきは、ＩＭＳ分離の間、ＤＣ場の振幅を、その値の全範囲にわたって傾斜状に又は段階的に変化させることができる、及び／又は、螺旋形ＤＣ移動障壁の速度を、その値の全範囲にわたって傾斜状に又は段階的に変化させることができる、ことである。この動作モードでは、装置の分解能を特定の移動度範囲に対して最大にすることができる。

別の動作モードにおいて、装置の一端に（又は装置の長さ方向に沿ったいずれかの位置に）追加のＤＣ障壁又はＲＦ障壁を配置して、イオンが装置内に入った後にこの位置を通って出る又は移動することができないようにしてもよい。ＤＣ場の大きさ及び対向する螺旋形移動ＤＣの速度を調節することにより、すべてのイオンを装置の端まで駆動させて、装置内の特定の位置で効果的に捕捉することができる。出口障壁と螺旋形移動ＤＣの組み合わせによって、又は、出口障壁と螺旋形ＤＣの長さ方向に沿って作用するＤＣ場とによって、イオンを捕捉するようにしてもよい。

ＤＣ場の振幅を傾斜状に又は段階的に変化させることにより、又は、螺旋形移動ＤＣ障壁の速度を傾斜状に又は段階的に変化させることにより、又は、その両方の組み合わせにより、イオンを捕捉した後でイオンをスキャンアウトすることができる。この動作モードでは、装置の分解能を広い移動度範囲に対して最大にすることができる。

装置内における駆動力を変化させることにより、異なる移動度範囲のイオンを配列させて、必要に応じて同時に装置の異なる端部から排出させることが可能になる。

好適な実施形態では環状容積の一端でイオンは装置内に入るが、外側シリンダを通る別のイオン入口を介して装置の長さ方向に沿った任意の位置で環状容積に入るようにイオンを配列させるようにしてもよい。

また、別の動作モードにおいて、ＩＭＳ分離しないイオンガイドとして装置を動作させてもよい。この動作モードでは、螺旋形ＤＣ障壁に沿ってイオンを移動させるように作用するＤＣ場を実質上ゼロに設定して、螺旋形移動ＤＣを用いてイオンが装置内を通過するようにしてもよい。螺旋形移動又は回転ＤＣを用いて、連続イオンビーム、不連続イオンビーム又はパルスイオンビームを伝送するようにしてもよい。

広い範囲のバッファガス圧力にわたって、ＲＦイオンガイドとして装置を動作させてもよい。上述したように螺旋形移動ＤＣの速度を調節することにより、装置を通るイオンの通過時間を正確に制御することができる。

高圧バッファガス下で、螺旋形移動ＤＣ障壁は、事実上移動度分離をすることなく、連続イオンビーム又は不連続イオンビームを輸送することができる。静的な軸方向のＤＣ駆動力を用いた場合には、このような輸送は不可能である。

高圧バッファガス下で、螺旋形移動ＤＣ障壁は、事実上移動度分離をすることなく、また、イオンビームを分割することなく、連続イオンビーム又は不連続イオンビームを輸送することができる。従来のＤＣ進行波ガスセルを用いた場合には、一般的に、このような輸送は不可能である。

連続イオンビームを用いる場合には、高移動度カットオフフィルタ又は低移動度カットオフフィルタとして装置を利用することができる。たとえば、ＤＣ場に対向する螺旋形移動ＤＣ障壁の速度を調節することによって、所定の移動度値よりも高いイオン移動度を有するイオンのみを装置から排出させるようにしてもよい。これより低いイオン移動度のイオンは、装置の出口の方向に駆動されない、又は、出口の方向に戻される。

好適な実施形態は円筒形の形状であるが、平面形状や他の形状を用いる他の実施形態も本発明の範囲内である。

図１４Ａに、平面形状の他の実施形態のｘ，ｙ平面における平面図を示す。この実施形態は図６に示すものと同様のものである。水平平面電極を複数の電極セグメントにセグメント化する。イオンは、入口３で装置内に入り、電場Ｅにより水平対角ＤＣ障壁１４に沿って駆動される。対角ＤＣ障壁１４の位置を、矢印１５に示す方向に時間と共に掃引させる。異なる移動度のイオンが、装置の長さＷに沿った異なる位置で排出される。

図１４Ｂに、ｘ，ｚ平面における装置の側面図を示す。セグメント化された電極の上側アレイ及び下側アレイとにＲＦ電圧を印加することにより、イオンは、望ましくは、疑似電位井戸により電極アレイ内に鉛直方向に閉じ込められる。

この場合、好適な実施形態ほどコンパクトな設計にはならないが、所定の長さＬに対して達成される移動度分解能は、電場Ｅと長さＬの標準的なドリフトチューブとを用いた場合に達成可能な移動度分解能よりも著しく高い。

ｘ，ｙ方向における他の平面形状の実施形態を、図１５Ａに示す。図１５Ａは、平面図である。イオンは、入口３で入り、電場Ｅにより対角ＤＣ障壁１４に沿って駆動される。ＤＣ障壁は、装置の長さＬに対して不連続であり、イオンが装置内を通過する際にｘ軸の方向にイオンを反転させることができる。複数のＤＣ障壁の位置を、矢印１５に示す方向に、時間と共に掃引させる。

図１５Ｂに、ｘ，ｚ方向における装置の端面図を示す。セグメント化された電極の上側アレイと下側アレイとにＲＦ電圧を供給することによって、疑似電位井戸が形成され、イオンはｚ（鉛直）方向に閉じ込められる。また、電極１５にＤＣ電圧を供給することによって、イオンはｘ方向に閉じ込められる。

図１４及び図１５に示す実施形態において、さまざまな方法で、ｚ方向及びｘ方向にイオンを閉じ込めることができる。

図１６に、ｘ，ｙ方向において平面形状を有する他の実施形態の平面図を示す。この場合には、イオンは、入口３で入り、螺旋形の中心に向かって半径方向に作用する電場Ｅによって、平面状螺旋形ＤＣ障壁に沿って駆動される。螺旋形ＤＣ障壁の位置は、矢印１６で示される方向に中心点の周りに螺旋形が回転するように、時間と共に移動する。図１６に示す螺旋形は、ＤＣ電位障壁の位置を示す。

イオンは、最終的に中心点１７で装置から出る。この実施形態において、イオンを螺旋形の中心で注入して、螺旋形ＤＣ障壁の回転速度を増大させることにより、又は、電場Ｅを十分に低減することにより、イオンを螺旋形の外側に向かって駆動させることができる。

ここで、留意すべきは、動作の原理を変えることなく、放射状電場の方向と螺旋形の回転方向の両方を反転させることが可能なことである。

図１４及び図１５の実施形態において、ＲＦ電極アレイを用いて、ｘ，ｚ（鉛直方向）平面にイオンを閉じ込めるようにしてもよい。

図１４、図１５及び図１５に記載した実施形態において、ＤＣ障壁の動きの速度を変化させることにより、又は、静電場を傾斜状に変化させることにより、イオンが電場内に滞留する総時間、すなわち装置の分解能を、移動度依存的に調節することができる。

図１６の実施形態と同様に、図１７に別の実施形態を示す。この実施形態では、装置は、イオン捕捉特性を持つものとして作用する。イオンは入口３で装置内に入り、装置の中心に向かって半径方向に作用する静電場Ｅと矢印１６で示す方向への螺旋形ＤＣ電位障壁の回転によりイオンに印加される力との組み合わせによって、イオンは部分螺旋形障壁に沿って矢印１８に示す方向に駆動される。この場合、螺旋形ＤＣ電位障壁の回転速度は、螺旋形の外側に向かってイオンが駆動されるように、選択される。イオンは、螺旋形の端１９に到達すると、螺旋形の一端１９と螺旋形の他端２０近傍の位置との間で、電場Ｅにより駆動される。その後、イオンは、螺旋形を回る同じ経路をたどって、位置１９に戻る。イオンは、螺旋形障壁の端部で有効に捕捉され、中心点１７を軸に分解されて分離される。イオンは固有の経路を取らないため、移動度が低いイオンは、より低い相対速度で装置の周りを移動する移動度がより高いイオンに、最終的に追いつく。たとえば、障壁の一部を位置２０で取り除いてイオンの中心への落下を可能にすることにより、又は、装置の中心に向かって半径方向に作用する場Ｅを消失させることにより、装置からイオンを排出させることができる。後者の場合、イオンは、矢印２１で示す方向に排出される。この実施形態において、イオン移動度の逆順に装置から排出されるように、イオンを配列させてもよい。

上記した実施形態を様々に変形することが可能である。

たとえば、ＤＣ障壁を変化させる時間と位置とを適用するような変形が可能である。たとえば、装置の異なる要素上で突然電位が出現及び消失するように一連の離散段階的に電位を印加するのではなく、平滑連続関数を用いて、ＤＣ電位の振幅を印加した後、これを除去するようにしてもよい。これにより、イオンに印加される進行波間のより円滑な移行が可能になる。

上述した好適な実施形態では、移動ＤＣ障壁を形成する電位を１回に１つの導電ストリップだけに印加するものとして説明した。しかし、隣接する導電ストリップ群に同時に電位を印加することが都合がよい場合もある。進行波の大きさと形状に影響を与える他の実施形態も可能である。

好適な実施形態に記載した方法と別の方向でＲＦ閉じ込め電圧を印加するようにしてもよい。たとえば、内側シリンダと外側シリンダ上の相補的な螺旋形の間にＲＦ閉じ込め電位を印加して、内側シリンダ上の導電ストリップに、外側シリンダ上のストリップに供給されるＲＦ電位と１８０度位相のずれたＲＦ電位が供給されるようにしてもよい。内側シリンダ上のすべてのストリップが同じ位相になるように配置し、また、外側シリンダ上のすべてのストリップが同じ位相になるように配置してもよい。

あるいは、内側シリンダ上の螺旋形が外側シリンダ上の相補的な螺旋形と逆の位相になるように、ＲＦ閉じ込め電位を印加するようにしてもよい。ただし、内側シリンダ上と外側シリンダ上で隣接する螺旋形が逆位相のＲＦとなるようにしてもよい。

他のスキーマによりＲＦ閉じ込めを可能にするようにしてもよい。

装置の形状は、円形断面には限定されず、楕円形、矩形、又は不規則な断面形状でもよい。

図１に示す内側部材は、外側部材と同心円上になくてもよい。

図２で角度θで示した螺旋形移動障壁のピッチを、装置の長さ方向に沿って変化させるようにしてもよい。これは、事実上、装置に沿った位置で螺旋形移動障壁により装置を通過するイオンの速度を変化させることになる。

螺旋形移動ＤＣに対向する駆動力は、ＤＣ場ではなく、疑似電位力等の質量に依存する力でもよい。装置の長さ方向に沿って距離に応じて印加されるＲＦ電圧の振幅を次第に増大させることにより、又は、内側シリンダと外側シリンダの間の間隔を入口側端部から出口側端部にかけて減少させることにより、疑似電位駆動力を形成するようにしてもよい。

この場合、分離は、イオンの移動度と質量電荷比の両方に関係する。

好適な実施形態に関して説明したものと異なる方法で必要な場を生成するように装置を構成することができる。たとえば、内側シリンダ及び外側シリンダを、隣接するリング上のＲＦが逆相になるような同心円状ＲＦリングスタックとしてもよい。これらのリング自身が半径方向にセグメント化される場合には、適当な静的時間変動ＤＣ電位がセグメントに印加されて、必要な場が形成されるようにしてもよい。

このような構成を用いることにより、より従来のものに近いＤＣ進行波を装置に印加することが可能になる。螺旋形移動ＤＣと対向するＤＣ進行波との組み合わせを用いることにより、WO2008/071967に記載されるように、移動度分離又は質量分離を向上させることができる。

さらに、複数にセグメント化されたリングスタックを用いて、各セグメントに印加されるＲＦの振幅を時間とともに変化させることにより、螺旋形移動疑似電位障壁を形成することができる。

２つ以上の螺旋形移動ＤＣ障壁を同時に装置の長さ方向にわたってかけて、２つ以上の固有の経路を形成して、イオンを装置内で下方に移動させるようにしてもよい。

別の実施形態において、この装置を、円筒形の示差イオン移動度装置（ＤＩＭＳ：differential ion mobility device）として用いるようにしてもよい。この実施形態において、ＲＦ閉じ込め電位は非対称でもよく、又、内側シリンダと外側シリンダとの間のＲＦ閉じ込め電極に追加の非対称波形を印加するようにしてもよい。この実施形態では、内側シリンダと外側シリンダ上の相補的な螺旋形の間にＲＦ閉じ込め電位が印加されて、内側シリンダ上の導電ストリップに、外側シリンダ上のストリップに供給されるＲＦ電位と１８０度位相のずれたＲＦ電位が供給される。内側シリンダ上のすべてのストリップが同じ位相であり、また、外側シリンダ上のすべてのストリップが同じ位相である。

この結果、イオンの示差イオン移動度に応じて、内側シリンダと外側シリンダとの間で、半径方向にイオンを分散させることができる。

特定の示差イオン移動度帯域内のイオンのみが、装置内に閉じ込められる一方、他のイオンは、内側シリンダと外側シリンダの電極で失われる。外側シリンダと内側シリンダとの間に追加のＤＣ電圧（補償電圧）を印加することにより、異なる示差移動度を有するイオンが装置内を通って移動するように配列させることができる。

示差イオン移動度分離の間に、ＤＣ場を持たない螺旋形進行波によってイオンが装置内を通過する場合には、イオンは半径方向にのみ分離される。イオンは、連続ビームとして、又は、イオンパルス若しくはパケットとして、この装置内に導入されるものでもよい。

ＤＣ場を用いて、又は、ＤＣ場と対向する螺旋形進行波との組み合わせを用いて、装置内でイオンを通過させる場合には、イオンは、自身の示差移動度に従って半径方向に、また、イオン移動度に従って螺旋形の長さに沿って、分離される。

また、装置の上流側又は下流側に配置される他の分離装置（たとえば、イオン移動度分離装置又は質量分離装置）又はフィルタと連結させて、装置を用いることもできる。

第２のＩＭＳ分離装置が開示される装置の上流側に配置される場合には、第１の装置の出力を螺旋形ＤＣ進行波の速度又はＤＣ場の強さの変化に同期させることにより、広い範囲の移動度にわたってＩＭＳ分解能を最適化することができる。

開示される実施形態を互いに連動させて用いることにより、又は、連続した複数の装置として用いることにより、イオンを１つの装置から別の装置に移動させることができる。たとえば、図６に示すような平面螺旋形状で構成される複数の装置を互いに積層させるようにしてもよい。所定の一連の条件下で、一番上の螺旋内のイオンが、螺旋の中心１７に向かって駆動されるものでもよい。次に、ＤＣ場により、たとえば、第１の装置のすぐ下に配置される他の螺旋形装置の入口に向かってイオンが移動し、第２の螺旋形を下向きに移動しつつイオンが分離されるようにしてもよい。第２の装置への入口が第２の装置の螺旋の中心にある場合には、場の方向及び螺旋障壁の方向又は回転が逆になる。図１６に示す例では、場Ｅは、螺旋形の中心から外側に向かって半径方向に作用する。このように複数の装置を積層することにより、装置内における移動度値の分解能及び範囲を増大させることができる。

開示した装置を用いて、陽イオンと陰イオンの両方を同時に分析することができる。装置の一端部において陽イオンを導入させるとともに、装置の反対端部において陰イオンを導入させる場合には、これらのイオンは、反対方向に移動し、反対側の端部で装置から排出される。移動ＤＣ障壁の性質により、陰イオンと比較して、陽イオンは、固有の経路で装置内を通る。この特徴を利用して、陽イオンと陰イオンの両方を装置に入力して、ＤＣ障壁を消失させる又は低減させることにより、相互作用時間を制御することができる。このようにして、電子移動解離ＥＴＤ（electron transfer dissocination）、水素重水素交換ＨＤＸ（hydrogen deuterium exchange）又は電荷減少等のイオン−イオン相互作用が可能になる。

上述した移動ＤＣ障壁の実施形態を用いて、装置の両端において反対方向に回転する又は移動する障壁によって装置の中心に向かってイオンが移動するようにイオンを配列させることにより、陽イオンと陰イオンを両方とも捕捉することができる。

以上、本発明をその好適な実施形態を参照して詳述したが、当業者には自明のことであるが、特許請求の範囲に記載される本発明の要旨を逸脱しない範囲において、形態や詳細において、種々の変形や変更が可能である。

Claims

１つ以上の物理化学特性に従ってイオンを分離する装置であって、
前記装置は、使用時にイオンが閉じ込められるイオンチャンネルを生成するように構成及び適合され、
イオンは、ＤＣ電圧、ＤＣ電位又は静電電位によって、或る平面又は方向に、前記イオンチャンネル内で閉じ込められるとともに、
イオンは、ＲＦ電圧、ＲＦ電位又は疑似電位によって、他の平面又は方向に、前記イオンチャンネル内で閉じ込められ、
前記或る平面又は方向と、前記他の平面又は方向と、は互いに略直交するものであり、
前記イオンは、前記イオンチャンネルの軸に沿って又は前記イオンチャンネルに沿って、第１の端部の方向に、前記１つ以上の物理化学特性に従って、分離され、
前記装置は、さらに、前記イオンチャンネルの軸又は前記イオンチャンネルを前記第１の端部から離すように構成及び適合され、
前記イオンチャンネルの軸又は前記イオンチャンネルを前記第１の端部から離すことによる効果は、前記１つ以上の物理化学特性に従ってイオンを分離させる際の経路の有効経路長を増大させることであり、
前記装置は、
第１のデバイスであって、前記１つ以上の物理化学特性によって決まる速度で、第１の方向に、又は、前記イオンチャンネルの軸に沿って若しくは前記イオンチャンネルに沿って、前記１つ以上の物理化学特性に従ってイオンを分離させるように構成及び適合される第１のデバイスと、
第２のデバイスであって、前記１つ以上の物理化学特性と独立な速度で、第２の方向に前記イオンを駆動するように構成及び適合される第２のデバイスと、を備える、装置。
請求項１に記載の装置であって、
前記イオンチャンネルの軸及び／又は前記イオンチャンネルは、非線形である、装置。
請求項１又は２に記載の装置であって、
前記イオンチャンネルの軸及び／又は前記イオンチャンネルは、螺旋形、渦巻状、又は曲線状である、装置。
請求項１に記載の装置であって、
前記イオンチャンネルの軸及び／又は前記イオンチャンネルは、線形である、装置。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置であって、
前記第１の端部は、出口を備えるとともに、イオンが前記装置に入る際に最初に通過する第２の端部に対向する、装置。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置であって、
前記第１の端部は、イオンが前記装置に入る際に最初に通過する入口を備える、装置。
請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置であって、
前記イオンチャンネルは、ＤＣ電位の井戸を備える、装置。
請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置であって、
前記イオンチャンネルは、（ｉ）第１のＤＣ電圧の傾き、第１のＤＣ電位、第１の静電障壁、第１のＤＣ電位障壁又は第１の疑似電位と、（ｉｉ）第２の可動ＤＣ電位障壁、第２の可動静電障壁、第２の可動ＤＣ電位障壁又は第２の可動擬似電位障壁との間に形成される、装置。
請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置であって、
前記第１のデバイスは、
（ｉ）前記装置の軸長の少なくとも一部又は少なくとも１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％又は９０％にわたって、又は、前記イオンチャンネルの軸に沿って若しくは前記イオンチャンネルに沿って、第１のＤＣ電圧の傾き、第１のＤＣ電位又は第１のＤＣ電場を維持する、及び／又は、
（ｉｉ）前記装置の軸長の少なくとも一部又は少なくとも１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％又は９０％に沿って、又は、前記イオンチャンネルの軸に沿って若しくは前記イオンチャンネルに沿って、第１の静電電位又は力を印加する、及び／又は、
（ｉｉｉ）１つ以上の第１の過渡ＤＣ電圧又は電位を複数の電極に印加することによって、前記装置の軸長の少なくとも一部又は少なくとも１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％又は９０％に沿って、又は、前記イオンチャンネルの軸に沿って若しくは前記イオンチャンネルに沿って、イオンを移動させる、及び／又は、
（ｉｖ）３つ以上の位相を有する第１のＲＦ電圧を複数の電極に印加するものであって、異なる電極が前記ＲＦ電圧の異なる位相に接続され、前記第１のＲＦ電圧が、前記装置の軸長の少なくとも一部又は少なくとも１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％又は９０％に沿って、又は、前記イオンチャンネルの軸に沿って若しくは前記イオンチャンネルに沿って、イオンを移動させる、及び／又は、
（ｖ）第１の疑似電位又は力を印加するものであって、複数の電極に印加されるＲＦ電圧の振幅及び／又は周波数は、前記装置の軸長の少なくとも一部又は少なくとも１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％又は９０％に沿って、又は、前記イオンチャンネルの軸に沿って若しくは前記イオンチャンネルに沿って、変化する、増大する、又は、減少する、
ように構成及び適合される、装置。
請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置であって、
前記第１のデバイスは、前記装置の少なくとも一部に沿って、又は、前記イオンチャンネルの軸に沿って若しくは前記イオンチャンネルに沿って、第１の静電電位若しくは力、第１のＤＣ電位若しくは力、又は第１の疑似電位若しくは力を印加又は維持することによって、前記１つ以上の物理化学特性に従ってイオンを分離させるように構成及び適合される、装置。
請求項１０に記載の装置であって、
前記第２のデバイスは、前記装置の少なくとも一部に沿って、第２の可動静電電位障壁、第２の可動ＤＣ電位障壁、又は、第２の可動疑似電位障壁を印加する又は維持することによって、前記第２の方向に前記イオンを駆動するように構成及び適合される、装置。
請求項１１に記載の装置であって、
前記第１の静電電位若しくは力、前記第１のＤＣ電位若しくは力、又は前記第１の疑似電位若しくは力は、前記第２の可動静電電位障壁、前記第２の可動ＤＣ電位障壁、又は前記第２の可動疑似電位障壁よりも実質的に大きい、実質的に等しい、又は、実質的に小さい、装置。
請求項１１に記載の装置であって、
（ｉ）前記第１の静電電位又は力は、前記第２の可動静電電位障壁よりも実質的に大きい、実質的に等しい、又は、実質的に小さい、及び／又は、
（ｉｉ）前記第１のＤＣ電位又は前記第１のＤＣ電場は、前記第２の可動ＤＣ電位障壁よりも実質的に大きい、実質的に等しい、又は、実質的に小さい、及び／又は、
（ｉｉｉ）前記第１の過渡ＤＣ電圧又は電位は、前記第２の過渡ＤＣ電圧又は電位よりも実質的に大きな、実質的に等しい、又は、実質的に小さな振幅を有する、及び／又は、
（ｉｖ）前記第１のＲＦ電圧は、前記第２のＲＦ電圧よりも実質的に大きな、実質的に等しい、又は、実質的に小さな振幅を有する、及び／又は、
（ｖ）前記第１の疑似電位又は力は、前記第２の疑似電位障壁よりも実質的に大きい、実質的に等しい、又は、実質的に小さい、装置。
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の装置であって、
前記第２のデバイスは、
（ｉ）前記装置の軸長の少なくとも一部又は少なくとも１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％又は９０％に沿って、第２の可動静電電位障壁を印加する、及び／又は、
（ｉｉ）１つ以上の第２の過渡ＤＣ電圧又は電位を複数の電極に印加することによって、前記装置の軸長の少なくとも一部又は少なくとも１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％又は９０％に沿って、イオンを移動させる、及び／又は、
（ｉｉｉ）３つ以上の位相を有する第２のＲＦ電圧を複数の電極に印加するものであって、異なる電極が前記ＲＦ電圧の異なる位相に接続され、前記第２のＲＦ電圧が、前記装置の軸長の少なくとも一部又は少なくとも１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％又は９０％に沿って、イオンを移動させる、及び／又は、
（ｉｖ）第２の可動疑似電位障壁を印加するものであって、複数の電極に印加されるＲＦ電圧の振幅及び／又は周波数は、前記装置の軸長の少なくとも一部又は少なくとも１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％又は９０％に沿って、変化する、増大する、又は、減少する、
ように構成及び適合される、装置。
請求項１〜１４のいずれか一項に記載の装置であって、
前記第１のデバイスは、第１の速度又は第１の速度成分で前記第１の方向にイオンを駆動する又は移動させるように構成及び適合され、
前記第２のデバイスは、第２の速度又は第２の速度成分で前記第２の方向にイオンを駆動する又は移動させるように構成及び適合されるものであって、
前記第１の速度又は第１の速度成分は、前記第２の速度又は第２の速度成分よりも実質的に大きい、実質的に等しい、又は、実質的に小さい、装置。
請求項１１に記載の装置であって、
前記第１の静電電位若しくは力、前記第１のＤＣ電位若しくは力、又は、前記第１の疑似電位若しくは力は、
（ｉ）特定の時点において、前記第２の可動静電電位障壁、前記第２の可動ＤＣ電位障壁、又は、前記第２の可動疑似電位障壁にほぼ平行な方向に、及び／又は、
（ｉｉ）前記第２の可動静電電位障壁、前記第２の可動ＤＣ電位障壁、又は、前記第２の可動疑似電位障壁の動きの方向に略直交する方向に、
ゼロではない成分を有する、装置。
請求項１〜１６のいずれか一項に記載の装置であって、
前記第１のデバイスは、前記第１の方向に第１の速度又は力でイオンを駆動し、
前記第２のデバイスは、前記第２の方向に第２の速度又は力でイオンを駆動するものであって、
（ｉ）前記第１の方向は、前記第２の方向に対して、傾斜している、又は、オフセットしている、及び／又は、
（ｉｉ）前記第１の方向は、前記の第２の方向と同じ方向ではない、及び／又は、
（ｉｉｉ）前記第１の方向は、前記第２の方向と反対方向ではない、及び／又は、
（ｉｖ）前記第１の速度又は力は、前記第２の方向に略直交する方向にゼロではない速度又は力の成分を有する、装置。
請求項１〜１７のいずれか一項に記載の装置であって、
前記第１のデバイスは、第１の速度又は力でイオンを駆動し、
前記第２のデバイスは、第２の速度又は力でイオンを駆動するものであって、
前記第１の速度又は力及び／又は前記第２の速度又は力は、時間及び／又は位置により変動する、装置。
請求項１〜１８のいずれか一項に記載の装置であって、
前記物理化学特性は、イオン移動度を含む、装置。
請求項１９に記載の装置であって、
イオン移動度分光計又はイオン移動度分離装置を備える、装置。
請求項１〜１８のいずれか一項に記載の装置であって、
前記物理化学特性は、示差イオン移動度を含む、装置。
請求項２１に記載の装置であって、
示差イオン移動度分光計又は電界非対称イオン移動度分光計（FAIMS：Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometer）を備える、装置。
請求項１〜１８のいずれか一項に記載の装置であって、
前記物理化学特性は、質量又は質量電荷比を含む、装置。
請求項２３に記載の装置であって、
質量分析器又は質量電荷比分析器を備える、装置。
請求項１〜２４のいずれか一項に記載の装置であって、
前記装置は、内側シリンダと外側シリンダとを備え、
前記内側シリンダと前記外側シリンダとは、使用時にイオンを透過させる環状容積を規定し、
１つ以上の渦巻状又は螺旋形電極が、前記内側シリンダの表面上、及び／又は、前記外側シリンダの表面上に配置される、装置。
請求項２５に記載の装置であって、
前記第１のデバイスは、前記装置の第１の端部から前記装置の第２の端部にイオンを移動させるように作用するＤＣ電場及び／又は疑似電位力を維持するように構成及び適合され、
前記第２のデバイスは、前記１つ以上の渦巻状又は螺旋形電極に１つ以上の過渡ＤＣ電圧を印加することによって、前記装置の前記第１の端部の方向にイオンを移動させるように構成及び適合される、装置。
請求項２５又は２６に記載の装置であって、
前記内側シリンダ及び／又は前記外側シリンダは、円形、楕円形、非円形、矩形又は不規則な形状の断面を有する、装置。
請求項２５、２６又は２７のいずれか一項に記載の装置であって、
前記１つ以上の渦巻状又は螺旋形電極のピッチは、前記装置の長さに沿って、一定である、増大する、減少する、又は、変化する、装置。
請求項２５〜２８のいずれか一項に記載の装置であって、さらに、
前記１つ以上の渦巻状又は螺旋形電極にＲＦ電圧を印加することによって、前記環状容積内で半径方向にイオンを閉じ込めるデバイスを備える、装置。
請求項２５〜２９のいずれか一項に記載の装置であって、さらに、
前記外側シリンダと前記内側シリンダとの間の前記環状容積にバッファガスを供給するように構成及び適合されるデバイスを備える、装置。
請求項２５〜３０のいずれか一項に記載の装置であって、
前記内側シリンダ及び／又は前記外側シリンダは、非導電体又は誘電体を備える、装置。
請求項２５〜３１のいずれか一項に記載の装置であって、さらに、
前記１つ以上の渦巻状又は螺旋形電極に対して前記内側シリンダ及び／又は前記外側シリンダの反対側に設けられる１つ以上の補助電極を備える、装置。
請求項３２に記載の装置であって、
前記１つ以上の補助電極にＲＦ電圧が印加される、装置。
請求項２５〜３３のいずれか一項に記載の装置であって、
動作モードにおいて、前記装置を通る渦巻状又は螺旋形経路に沿ってイオンを移動させる、装置。
請求項２５〜３４のいずれか一項に記載の装置であって、
前記環状容積を介して、及び／又は、前記内側シリンダの開口部及び／又は前記外側シリンダの開口部を介して、前記装置に入るように、イオンが配列される、装置。
請求項２５〜３５のいずれか一項に記載の装置であって、
イオンは、自身のイオン移動度に従って、又は、電場の強さに応じた自身のイオン移動度の変化率に従って、時間的に分離される、装置。
請求項１〜２４のいずれか一項に記載の装置であって、さらに、
複数のセグメント化された平面電極を備え、
前記第２のデバイスは、前記セグメント化された平面電極にＤＣ電圧を印加することによって、１つ以上の対角又は傾斜ＤＣ電圧障壁を前記装置の長さの少なくとも一部に沿って移動させるように構成及び適合される、装置。
請求項１〜２４のいずれか一項に記載の装置であって、さらに、
複数の内側環状電極と複数の外側環状電極と、を備え、
前記内側環状電極と前記外側環状電極とは、使用時にイオンを透過させる環状容積を規定し、
前記複数の内側環状電極及び／又は前記複数の外側環状電極は半径方向にセグメント化されて、複数のセグメント化された電極となる、装置。
請求項１〜３８のいずれか一項に記載の装置であって、
前記装置を通過するイオンの経路長を増大させるという正味の効果が得られるように、前記第１のデバイス及び前記第２のデバイスをほぼ同時に作動させる、装置。
質量分析計であって、
請求項１〜３９のいずれか一項に記載の装置を備える、質量分析計。
１つ以上の物理化学特性に従ってイオンを分離する方法であって、
イオンを閉じ込めるイオンチャンネルを生成する工程であって、ＤＣ電圧、ＤＣ電位又は静電電位によって、或る平面又は方向に、前記イオンチャンネル内でイオンを閉じ込め、ＲＦ電圧、ＲＦ電位又は疑似電位によって、他の平面又は方向に、前記イオンチャンネル内でイオンを閉じ込め、前記或る平面又は方向と、前記他の平面又は方向と、は互いに略直交する、工程と、
前記イオンチャンネルの軸に沿って又は前記イオンチャンネルに沿って、第１の端部の方向に、前記１つ以上の物理化学特性に従って前記イオンを分離させる工程と、
前記第１の端部から前記イオンチャンネルの軸又は前記イオンチャンネルを離す工程と、を備え、
前記イオンチャンネルの軸又は前記イオンチャンネルを前記第１の端部から離すことによる効果は、前記１つ以上の物理化学特性に従ってイオンを分離させる際の経路の有効経路長を増大させることであり、
前記１つ以上の物理化学特性によって決まる速度で、第１の方向に、又は、前記イオンチャンネルの軸に沿って若しくは前記イオンチャンネルに沿って、前記１つ以上の物理化学特性に従ってイオンを分離させ、
前記１つ以上の物理化学特性と独立な速度で、第２の方向に前記イオンを駆動する、方法。