JP2002522873A - 大気圧３次元イオントラッピングのための装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、大気圧で規定された３次元空間内でイオンを選択的に伝搬し、イオンを捕捉するための装置を提供する。本発明は、アナライザ領域が第１および第２の空間を隔てた電極によって規定され、アナライザ領域がアナライザ領域を経てガスフローを距給するためのガス注入口およびガス放出口を有する高電界非対称波形イオン移動度分光法のイオン集束原理に基づいている。アナライザ領域に注入されるイオンは、ガス放出口に向かうガスフローによって搬送される。電極の少なくとも一方は、ガス放出口付近に位置する曲面の終端を備え、ガスフローは、イオンが終端の先端付近に位置する規定された３次元空間で捕捉されるように調整される。規定された３次元空間におけるイオンの捕捉によって、所望のイオンをさらに集中的に流すことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の分野】

本発明は、高電界非対称波形イオン移動度分光法のイオン集束原理に基づき、
大気圧で規定された３次元空間の中でイオンを捕捉するための装置および方法に
関する。

【０００２】

【発明の背景】

現場移動可能な用途のために高感度および小型化のしやすさから、イオン移動
度分光法は、麻薬、爆薬および化学戦用薬品を含むさまざまな化合物の検出のた
めに重要な技術とされてきた（たとえば、Ｇ．Ｅｉｃｅｍａｎ ａｎｄ Ｚ．Ｋ
ａｒｐａｓ著『Ｉｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ』（ＣＲ
Ｃ．Ｂｏｃａ Ｒａｔｏｎ，ＦＬ．１９９４）およびＴ．Ｗ．Ｃａｒｒ編『Ｐｌ
ａｓｍａ Ｃｈｒｏｍａｔｒｏｇｒａｐｈｙ』（Ｐｌｅｎｕｍ，Ｎｅｗ Ｙｏｒ
ｋ，１９８４）を参照されたい）。イオン移動度分光法において、気相イオン移
動度は、一定電界のドリフト管を用いて決定される。イオンは、ドリフト管へゲ
ート制御され、次にドリフト速度の差に基づいて分離される。イオンドリフト速
度は、低電界（たとえば、２００Ｖ／ｃｍ）で電解強度に比例し、実験によって
決定される移動度Ｋは、印加された電界に無関係である。高電界（たとえば、５
０００Ｖ／ｃｍまたは１００００Ｖ／ｃｍ）でイオンドリフト速度は、印加され
た電界に直接比例しない可能性があり、Ｋは印加された電界に左右されるように
なる（Ｇ．Ｅｉｃｅｍａｎ ａｎｄ Ｚ．Ｋａｒｐａｓ著『Ｉｏｎ Ｍｏｂｉｌ
ｉｔｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ』（ＣＲＣ．Ｂｏｃａ Ｒａｔｏｎ，ＦＬ．
１９９４）およびＥ．Ａ．Ｍａｓｏｎ ａｎｄ Ｅ．Ｗ．ＭｃＤａｎｉｅｌ著『
Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｉｏｎｓ ｉｎ Ｇａｓｅ
ｓ』（Ｗｉｌｅｙ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，１９８８）を参照されたい）。高電界で
、Ｋは非一定の高電界移動度を表す語Ｋ_ｈによってよく表される。印加された電
界におけるＫ_ｈの依存度は、高感度非対称波形イオン移動度分光法（ＦＡＩＭＳ
）の結果に基づき、本開示を通して本発明者によって使用される語であり、横電
界補償イオン移動度分光法または電界イオン分光法とも呼ばれる（Ｉ．Ｂｕｒｙ
ａｋｏｖ，Ｅ．Ｋｒｙｌｏｖ，Ｅ．Ｎａｚａｒｏｖ ａｎｄ Ｕ．Ｒａｓｕｌｅ
ｖ，Ｉｎｔ．Ｊ．Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍ．Ｉｏｎ Ｐｒｏｃ．１２８．１
４３（１９９３）；Ｄ．Ｒｉｅｇｎｅｒ，Ｃ．Ｈａｒｄｅｎ，Ｂ．Ｃａｒｎａｈ
ａｎ ａｎｄ Ｓ．Ｄａｙ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ４５ｔｈ
ＡＳＭＳ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒ
ｙ ａｎｄ Ａｌｌｉｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ，Ｐａｌｍ Ｓｐｒｉｎｇｓ，Ｃａｌ
ｉｆｏｒｎｉａ，１−５ Ｊｕｎｅ １９９７，ｐ．４７３；Ｂ．Ｃａｒｎａｈ
ａｎ，Ｓ．Ｄａｙ，Ｖ．Ｋｏｕｚｎｅｔｓｏｖ，Ｍ．Ｍａｔｙｊａｓｚｃｚｙｋ
ａｎｄ Ａ．Ｔａｒａｓｓｏｖ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ４
１ｓｔ ＩＳＡ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，
Ｆｒａｍｉｎｇｈａｍ，ＭＡ，２１−２４ Ａｐｒｉｌ １９９６，ｐ，８５；
Ｂ．Ｃａｒｎａｈａｎ ａｎｄ Ａ．Ｔａｒａｓｓｏｖに付与された米国特許第
５，４２０，４２４号を参照されたい）。イオンは、低電界におけるイオン移動
度Ｋに対する高電界における移動度Ｋ_ｈの差に基づいて、ＦＡＩＭＳにおいて分
離される。すなわち、イオンは電界の関数としてＫ_ｈの複合依存挙動のために分
離される。この挙動はイオン移動度における変化であり、監視されている絶対的
なイオン移動度ではないため、大気圧気相イオン研究にとって新たな手段を提供
する。

【０００３】 本発明によって実現されるようなこの手段の１つは、イオントラッピングの分
野において適用される。本発明者の知識では、大気圧（約７６０トール）で任意
の種類の３次元イオントラップを製作する装置または方法は、まだ知られていな
い。他の３次元イオントラッピング方法は存在するが、このような既知のイオン
トラップは一般に、真空に近い状態である１トール未満で作動するように設計さ
れている。圧力が１０トールを超えて増大する場合に、このようなイオントラッ
プの効率はきわめて急速に劣化し、７６０トールでこのような既知の方法を用い
て捕捉を実現することを提案するための実験的または理論的根拠はない。

【０００４】

【発明の開示】

一態様において、本発明は、規定された３次元空間内で、イオンを選択的に伝
搬し、上記のイオンを捕捉するための装置であって、 ａ）イオンを生成するための少なくとも１つの電離源と、 ｂ）使用中に非対称波形電圧および直流補償電圧を供給することができる電気
制御装置への接続のために少なくとも第１および第２の空間を隔てられた電極の
間の空間によって規定されるアナライザ領域を含み、非対称波形電圧および直流
補償電圧の所与の組合せで、上記の電極の間の上記のアナライザ領域において、
選択されたイオンのタイプを選択的に伝搬するためであり、上記のアナライザ領
域が使用中に上記のアナライザ領域を通じてガスフローを供給するためのガス注
入口およびガス放出口を備え、上記のアナライザ領域が上記の電離源によって生
成されたイオンの流れを上記のアナライザ領域に注入するためのイオン注入口を
さらに含む高電界非対称波形イオン移動度分光計と、 ｃ）上記の電極の少なくとも１つに設けられた曲面の終端であって、上記の終
端は、一部が上記のガス放出口に最も近い上記の電極の上記の１つの一部であり
、上記の規定された３次元空間が上記の終端の付近に位置し、使用中に上記の非
対称波形電圧、補償電圧およびガスフローが、上記の３次元空間内で上記の伝搬
されたイオンを捕捉するために調整可能であるようになっているような曲面の終
端と、を含む装置を提供する。

【０００５】 上記の第１および第２の電極は、その間に非一定の電解を形成するために湾曲
した電極本体を含んでもよく、それによって、使用中に上記のイオンが、上記の
アナライザ領域にある上記の湾曲した電極本体の間に形成される集束領域に選択
的に集束される。

【０００６】 別の実施形態において、上記の第１および第２の電極は、その間に略環状の空
間を規定する同軸に整列された略シリンダ形の外部電極本体および内部電極本体
を含み、上記の環状の空間が上記のアナライザ領域を形成し、上記の終端が上記
の内部シリンダ形電極本体の先端に設けられている。

【０００７】 別の態様において、本発明は、３次元空間内でイオンを選択的に伝搬し、捕捉
するための方法を提供する。上記の方法は、 ａ）イオンを生成するための少なくとも１つの電離源を設けるステップと、 ｂ）少なくとも第１および第２の空間を隔てられた電極の間の空間によって規
定されるアナライザ領域を設けるステップであって、上記のアナライザ領域がガ
ス注入口、ガス放出口およびイオン注入口と通信を行い、上記の電離源によって
生成された上記のイオンが、上記のイオン注入口で上記のアナライザ領域に注入
されるようになっているステップと、 ｃ）上記の電極の少なくとも１つに非対称波形電圧および直流補償電圧を供給
するステップと、 ｄ）上記のアナライザ領域内のイオンの種類を選択的に伝搬するために、上記
の非対称波形電圧および上記の補償電圧を調整するステップと、 ｅ）上記の電極の少なくとも１つに設けられた曲面の終端を形成し、上記の規
定された３次元空間が上記の終端の付近に位置するようにするステップと、 ｆ）上記のガス注入口から上記のガス放出口まで流れている上記のアナライザ
領域内のガスフローを形成し、上記の規定された３次元空間内部および付近で、
上記の伝搬されたイオンを捕捉するために、上記のガスフローを調整し、上記の
ガス放出口が上記の終端付近に位置するようにするステップと、を含む。

【０００８】 好都合なことに、上記のアナライザ領域は、実質的に大気圧および実質的に室
温で作動可能である。

【０００９】 本方法は、上記の捕捉されたイオンを抽出するために、イオン放出口を設け、
上記のイオン放出口で抽出電圧を供給するステップであって、上記のイオン放出
口が、上記の終端および上記の規定された３次元空間と実質的に整列するように
なっているステップをさらに含む。

【００１０】 さらに別の態様において、本発明は、規定された３次元空間内で、イオンを選
択的に集束し、上記のイオンを捕捉するための装置であって、 ａ）イオンを生成するための少なくとも１つの電離源と、 ｂ）使用中に非対称波形電圧、直流補償電圧および直流セグメントオフセット
電圧を供給することができる電気制御装置への接続のために、第１および第２の
空間を隔てた電極の複数の対応する組の間の空間によって規定されるアナライザ
領域を含み、上記の第１および第２の空間を隔てた電極の複数の対応する組のそ
れぞれがセグメントを形成し、上記のセグメントが直に隣接する行に整列され、
互いから電気的に絶縁され、上記のアナライザ領域が上記の電離源によって生成
されたイオンの流れを上記のアナライザ領域に注入するためのイオン注入口を有
する区分された高電界非対称波形イオン移動度分光計と、を含む装置を提供する
。

【００１１】 さらに別の態様において、本発明は、規定された３次元空間内で、イオンを選
択的に集束し、上記のイオンを捕捉するための方法であって、 ａ）イオンを生成するための少なくとも１つの電離源を設けるステップと、 ｂ）第１および第２の空間を隔てた電極の複数の対応する組の間の空間によっ
て規定されるアナライザ領域を設け、第１および第２の空間を隔てた電極の複数
の対応する組の間の空間によって規定されるアナライザ領域を設け、第１および
第２の電極の間に非一定電界を形成し、第１および第２の空間を隔てた電極の上
記の複数の対応する組のそれぞれがセグメントを形成し、上記のセグメントが互
いに直に隣接する行に整列され、互いから電気的に絶縁され、上記のアナライザ
領域が上記のイオン注入口と通信を行い、上記のイオン注入口で上記の電離源に
よって生成された上記のイオンを上記のアナライザ領域に注入するステップと、 ｃ）上記のセグメントのそれぞれにおいて、上記の第１および第２の間隔を隔
てた電極の１つに非対称波形電圧を供給するステップと、 ｄ）上記のセグメントのそれぞれにおいて、上記の第１および第２の間隔を隔
てた電極の１つに直流補償電圧を供給するステップであって、上記のセグメント
のそれぞれに供給される上記の直流補償電圧が独立に調整可能であるようになっ
ているステップと、 ｅ）上記のセグメントのそれぞれにおいて、上記の第１および第２の間隔を隔
てた電極のもう一方に直流セグメントオフセット電圧を供給するステップであっ
て、上記のセグメントのそれぞれに供給される上記の直流セグメントオフセット
電圧が独立に調整可能であるようになっているステップと、 ｆ）上記の非対称電圧、直流補償電圧および直流セグメントオフセット電圧の
所与の組合せで、上記のセグメントのそれぞれにおいて、第１および第２の電極
の対応する各組の間で所望のイオンを集束するために、上記の直流補償電圧およ
び上記の直流セグメントオフセット電圧を実質的に等しく調整し、それによって
上記のセグメントのそれぞれにおいて、第１および第２の電極の対応する各組に
沿って、一定の直流電位を供給するステップと、を含む方法を提供する。

【００１２】

【詳細説明】

手始めに重要なことについて記載するため、以下の説明は、帯電した原子的ま
たは分子的実体を意味するために、「イオン」なる語を使用する。「イオン」は
、いずれのサイズの帯電した粒子、固体または液体のいずれであってもよい。説
明では、常に「イオン」は正に帯電していると解釈する。しかし、本願明細書の
説明はすべて、負のイオンにも等しく適用することができるが、印加される電圧
の極性は逆になる。

【００１３】 ＦＡＩＭＳの動作原理は、Ｂｕｒｙａｋｏｖら（Ｉ．Ｂｕｒｙａｋｏｖ，Ｅ．
Ｋｒｙｌｏｖ，Ｅ．Ｎａｚａｒｏｖ ａｎｄ Ｕ．Ｒａｓｕｌｅｖ，Ｉｎｔ．Ｊ
．Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍ．Ｉｏｎ Ｐｒｏｃ．１２８．１４３（１９９３
）参照されたい）によって説明されているため、本願明細書では簡単に要約する
。電界の影響下で所与のイオンの移動度は、Ｋ_ｈ（Ｅ）＝Ｋ（１＋ｆ（Ｅ））に
よって表すことができる。式中、Ｋ_ｈは、高電界におけるイオンの移動度、Ｋは
低電界におけるイオン移動度係数であり、”ｆ（Ｅ）”は電界のイオン移動度の
関数依存性（Ｅ．Ａ．Ｍａｓｏｎ ａｎｄ Ｅ．Ｗ．ＭｃＤａｎｉｅｌ著『Ｔｒ
ａｎｓｐｏｒｔ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｉｏｎｓ ｉｎ Ｇａｓｅｓ』
（Ｗｉｌｅｙ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，１９８８）およびＩ．Ｂｕｒｙａｋｏｖ，Ｅ
．Ｋｒｙｌｏｖ，Ｅ．Ｎａｚａｒｏｖ ａｎｄ Ｕ．Ｒａｓｕｌｅｖ，Ｉｎｔ．
Ｊ．Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍ．Ｉｏｎ Ｐｒｏｃ．１２８．１４３（１９９
３）を参照されたい）を示している。

【００１４】 図１を参照すると、電界の強度の関数としてイオン移動度における変化が３例
、示されている。タイプＡイオンの移動度は、電界強度が増大するにつれて増大
し、タイプＣイオンの移動度は減少し、タイプＢイオンの移動度は、さらに高電
界で減少するまでは最初は増大する。ＦＡＩＭＳにおけるイオンの分離は、高電
界において移動度におけるこのような変化に基づく。イオン１、たとえば、図２
に示されているような２つの空間を隔てた平行な電極板２，４の間のガス流６に
よって搬送される図１に示されたタイプＡイオンを考える。電極板２，４の間の
空間は、イオンの分離が行われる可能性があるアナライザ領域５を規定する。電
極板２，４の間のイオン１の正味運動は、ガス６の流れている流れによる水平な
ｘ軸成分および電極板２，４の間の電界による横断するｙ軸成分の和である。（
「正味」運動なる語は、イオン１が経験する全体の並進を指し、この並進運動が
その上に重ね合わせられるさらに急速な振動を有する場合も含む。）電極板の一
方が大地電位（ここでは、下部電極板４）で維持され、他方（ここでは、下部電
極板２）はそれに印加される非対称波形Ｖ（ｔ）を有する。非対称波形Ｖ（ｔ）
は、時間ｔ_２の短時間続く高電圧成分Ｖ_１および時間ｔ_１のさらに長い時間続く
逆の極性の低電圧成分Ｖ_２から構成される。波形は、波形の完全なサイクル中、
電極板に印加される電圧および時間の積の和がゼロ（すなわち、Ｖ_１ｔ_２＋Ｖ_２ ｔ_１＝０）となるように合成される。たとえば、＋２０００Ｖで１０μｓ間の後
に、−１０００Ｖで２０μｓ間である。図２は、Ｖ（ｔ）として示された波形の
一部に関する イオン軌跡８（点線で示す）を示している。波形のさらに短い高電圧部分中のピ
ーク電圧は、「分散電圧」または本開示ではＤＶと呼ばれる。波形の高電圧部文
中、電界は、イオン１を横速度成分ｖ_１＝Ｋ_ｈＥ_ｈｉｇｈで移動させる。式中、
Ｅ_ｈｉｇｈは印加される電界であり、Ｋ_ｈは周囲の電界、圧力および温度条件の
下の高電界移動度である。移動される距離は、ｄ_１＝ｖ_１ｔ_２＝Ｋ_ｈＥ_ｈｉｇｈ ｔ_２である。式中、ｔ_２は、印加される高電圧の時間である。波形のさらに長い
持続時間、逆の極性かつ低電圧部分中、イオンの速度成分は、ｖ_２＝ＫＥ_ｌｏｗ である。式中、Ｋは、周囲の圧力および温度条件下の低電界イオン移動度である
。移動される距離は、ｄ_２＝ｖ_２ｔ_１＝ＫＥ_ｌｏｗｔ_１である。非対称波形が（
Ｖ_１ｔ_２）＋（Ｖ_２ｔ_１）＝０を保証するため、電界および時間の積Ｅ_ｈｉｇｈ ｔ_２，Ｅ_ｌｏｗｔ_１は、大きさにおいて等しい。したがって、Ｋ_ｈおよびＫが等
しければ、ｄ_１およびｄ_２は等しく、（波形の両方の部分が低電圧であれば期待
されるように）イオン１は、波形の負のサイクルを通じてｙ軸に沿ってその元の
位置へ戻ることになる。Ｅ_ｈｉｇｈかつ移動度Ｋ_ｈ＞Ｋである場合には、イオン
１は、ｙ軸に関してその元の位置からの正味の変位を経験する。たとえば、図１
に示されるタイプＡの正イオンは、波形の正部分中（すなわちｄ_１＞ｄ_２）さら
に移動し、（図２の点線８によって示されているように、）タイプＡイオン１は
、上部電極板２から離れるように移動する。同様に、、タイプＣのイオンは、上
部電極板２に向かって移動する。

【００１５】 タイプＡのイオンが上部電極板２から離れて移動する場合には、この横方向の
ドリフトを逆向きにするため、または「補償するため」に、一定の負の直流電圧
がこの電極板２に印加されることができる。「補償電圧」または本開示ではＣＶ
と呼ばれるこの直流電圧によって、イオン１が、いずれかの電極板２，４に向か
って移動しないようにする。２つの化合物から生成されたイオンが、印加された
高電界に対して異なる反応を示す場合には、Ｋに対するＫ_ｈの比は、各化合物に
対して異なる可能性がある。したがって、イオンのドリフトがいずれかの電極板
２，４に向かうことがないようにするために必要な補償電圧ＣＶの大きさも、各
化合物に対して異なっていてもよい。補償電圧ＣＶが１つの化合物の伝搬に適応
している条件下では、他の化合物は電極板２，４の一方に移動し、実質的に除去
される。化合物が電極板２，４の壁に移動する速度は、その高電界移動度特性が
、選択された条件下で通過することができる化合物の特性とは異なる程度に左右
される。ＦＡＩＭＳ計器または装置は、Ｋに対するＫ_ｈの適切な比で、そのよう
なイオンのみを選択的に伝播することができるイオンフィルタである。

【００１６】 ＦＡＩＭＳなる語は、本開示で使用されているように、装置が集束または捕捉
挙動を備えている如何によらず、上記の機構を介して、イオを分離することがで
きる任意の装置を指す。

【００１７】 （ＦＡＩＭＳに対する改良） ＦＡＩＭＳの概念は、上記のように平面電極板を用いて、Ｂｕｒｙａｋｏｖら
によって初めて示された。後に、Ｃａｒｎａｈａｎらが、イオンを分離するため
に使用される平面電極板の代わりに同軸のシリンダを用いることによって設計さ
れたセンサを改良した（Ｂ．Ｃａｒｎａｈａｎ，Ｓ．Ｄａｙ，Ｖ．Ｋｏｕｚｎｅ
ｔｓｏｖ，Ｍ．Ｍａｔｙｊａｓｚｃｚｙｋ ａｎｄ Ａ．Ｔａｒａｓｓｏｖ，Ｐ
ｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ４１ｓｔ ＩＳＡ Ａｎａｌｙｓｉｓ
Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，Ｆｒａｍｉｎｇｈａｍ，ＭＡ，２１−
２４ Ａｐｒｉｌ １９９６，ｐ，８５；Ｃａｒｎａｈａｎらに付与された米国
特許第５，４２０，４２４号を参照されたい）。同軸シリンダ設計は、平面電極
板構成より高い感度を含め、いくつかの利点がある（Ｒ．Ｗ．Ｐｕｒｖｅｓ，Ｒ
．Ｇｕｅｖｒｅｍｏｎｔ，Ｓ．Ｄａｙ，Ｃ．Ｗ．Ｐｉｐｉｃｈ ａｎｄ Ｍ．ｓ
．Ｍａｔｙｊａｓｚｃａｙｋ，Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．，６９，５０
９５（１９９８）を参照されたい）。

【００１８】 初めに述べたように、ＦＡＩＭＳ概念に基づく計器は、Ｍｉｎｅ Ｓａｆｅｔ
ｙ Ａｐｐｌｉａｎｃｅｓ Ｃｏｍｐａｎｙ（ＭＳＡ）によって構成された。Ｍ
ＳＡ計器は同軸シリンダ設計を利用し、いかにさらに詳しく記載される。（本開
示のために、ＭＳＡ計器は、ＦＡＩＭＳ−Ｅと呼ばれ、Ｅは電位計または電流検
出装置を指す。）

【００１９】 シリンダＦＡＩＭＳ技術の以前の制約の１つ（Ｄ．Ｒｉｅｇｎｅｒ，Ｃ．Ｈａ
ｒｄｅｎ，Ｂ．Ｃａｒｎａｈａｎ ａｎｄ Ｓ．Ｄａｙ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ
ｓ ｏｆ ｔｈｅ ４５ｔｈ ＡＳＭＳ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｍａｓ
ｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ ａｎｄ Ａｌｌｉｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ，Ｐａｌ
ｍ Ｓｐｒｉｎｇｓ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，１−５ Ｊｕｎｅ １９９７，ｐ
．４７３；Ｂ．Ｃａｒｎａｈａｎ，Ｓ．Ｄａｙ，Ｖ．Ｋｏｕｚｎｅｔｓｏｖ，Ｍ
．Ｍａｔｙｊａｓｚｃｚｙｋ ａｎｄ Ａ．Ｔａｒａｓｓｏｖ，Ｐｒｏｃｅｅｄ
ｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ４１ｓｔ ＩＳＡ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｄｉｖｉｓｉ
ｏｎ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，Ｆｒａｍｉｎｇｈａｍ，ＭＡ，２１−２４ Ａｐｒ
ｉｌ １９９６，ｐ，８５を参照のこと）は、高電界におけるＫ_ｈの予測不可能
な変化のために、ＦＡＩＭＳ−Ｅ ＣＶスペクトルに現れるピークの同定が曖昧
で確証を得ることができないことであった。

【００２０】 したがって、ＦＡＩＭＳ−Ｅ計器などのＦＡＩＭＳ概念に基づく計器の可能性
を拡大するための１つの方法は、たとえば、ＦＡＩＭＳ−Ｅ装置からのイオンを
質量電荷（ｍ／ｚ）分析用の質量分析計に注入することによって、ＦＡＩＭＳ−
Ｅ ＣＶスペクトルの組成をさらに正確に決定するための方法を提供することで
ある。

【００２１】 （電気噴霧電離） ＥＳＩは、液相から気相に（正または負のいずれかに帯電することができる）
イオンの移動を含む複数の関連技術の１つである。Ｋｅｂａｒｌｅは、（質量分
析法で使用することを目的とした）電気噴霧電離で生じる４つの主なプロセス：
（１）帯電した液滴の生成、（２）気化による帯電した液滴の収縮、（３）液滴
の壊変（核分裂）および（４）気相イオンの形成について記載している（Ｋｅｂ
ａｒｌｅ，Ｐ．ａｎｄ Ｔａｎｇ，Ｌ．『Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓ
ｔｒｙ』，６５（１９９３）ｐｐ．９７２Ａ−９８６Ａ）。ＥＳＩにおいて、液
体溶液（たとえば、５０／５０ｗ／ｗ 水／エタノール）は、たとえば＋２００
０Ｖ（５０ｎＡ）など帯電した液滴を生成するために高電圧に維持された金属細
管（たとえば、外径２００μｍおよび内径１００μｍ）を通過される。たとえば
１μＬ／ｍｉｎで、液体サンプルをポンプによって送り込むことができる。高電
圧によって、細管から出る液体を霧状にして、帯電した小さな液滴にし、Ｋｅｂ
ａｒｌｅをはじめとする多くの人によって記載される機構によって電気的に帯電
したイオンにする細管の出口側先端にきわめて強い比一定の電界を形成する。溶
液相から気相イオンを形成するための関連する方法も、いくつか存在する。この
ような方法の例としては、噴霧化を補助するために高速ガスからの力学的エネル
ギーを利用するイオン噴射、電圧の代わりに熱を細管に加える熱噴射、内径が小
さい細管を利用する微小噴射などが挙げられる。本開示では、ＥＳＩなる語は、
溶液から気相イオンを生成する任意の技術を含めて使用される。

【００２２】 （改良型ＦＡＩＭＳ−Ｅ） 第１段階として、Ｍｉｎｅ Ｓａｆｅｔｙ Ａｐｐｌｉａｎｃｅｓ Ｃｏｍｐ
ａｎｙによって設計および構成されたＦＡＩＭＳ−Ｅ装置が、ＥＳＩを用いてイ
オンを注入することができるように改良された。本発明者らは、ＥＳＩによって
生成されたイオンが高度の溶媒和を備えていることおよび高レベルの溶媒の蒸気
に曝される場合にはＦＡＩＭＳ−Ｅ装置が適正に機能しない恐れがあることが知
られているため、ＦＡＩＭＳ−Ｅ装置とＥＳＩ源の結合は容易ではないと考えて
いる。本発明者は、このような結合が可能であることを示すため、ＦＡＩＭＳ装
置とＥＳＩ源とを合体する装置のさまざまな実際的な実施形態を開発した。

【００２３】 一例として、図３Ａの３次元図および図３Ｂの断面図に概略的に示された改良
型ＦＡＩＭＳ−Ｅ装置１０が挙げられる。ＦＡＩＭＳ−Ｅ装置１０は、軸方向に
整列し、約５ｍｍの間隔を隔てて位置する２本の短い内部シリンダまたは管１１
，１２および２本の内部シリンダ１１，１２を包囲する長い外部シリンダ１３か
ら構成される。内部シリンダ１１，１２（内径１２ｍｍ、外径１４ｍｍ）はそれ
ぞれ、長さ約３０ｍｍ、約９０ｍｍであり、外部シリンダ１３は（内径１８ｍｍ
、外径２０ｍｍ）は、長さ約１２５ｍｍである。イオンの分離は、長い方の内部
シリンダ１２と外部シリンダ１３との間のＦＡＩＭＳアナライザ領域１４の２ｍ
ｍの環状空間で行われる。ＦＡＩＭＳ装置のＦＡＩＭＳアナライザ領域１４に注
入するための電気噴霧電離（ＥＳＩ）を用いてイオンを生成するために、ＥＳＩ
ニードル１５の金属細管は、短い方の内部シリンダ１１の中心軸に沿って配置さ
れ、２本の内部シリンダ１１，１２の間隙またはイオン注入口まで約５ｍｍの位
置で終わる。図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示されたＥＳＩニードル１５の位置
決定は、非対称波形Ｖ（ｔ）が一般に印加され、ＥＳＩニードル１５が長い方の
内部シリンダ１２を通って延在しないＭＳＡ ＦＡＩＭＳ−Ｅ装置で見られる電
離源の位置決定とは異なる。ＦＡＩＭＳ−Ｅの対向する先端からＥＳＩニードル
１５を挿入することによって、すなわち短い方の内部シリンダ１１を通り、ＥＳ
Ｉニードル１５の先端が長い方の内部シリンダ１２に接近しすぎないように位置
決定をすることによって、ＥＳＩニードル１５の性能は、（米国特許第５，４２
０，４２４号に開示されるように、）ＥＳＩニードル１５が、長い方の内部シリ
ンダ１２内部に位置する場合にはそうであるような非対称波形Ｖ（ｔ）によって
妥協しなくてもよい。

【００２４】 上述したように、混合物から１タイプのイオンを選択的に伝播することができ
る能力を利用したイオン「フィルタ」として、ＦＡＩＭＳ−Ｅ装置１０を考える
ことができる。たとえば、ＥＳＩニードル１５によって、イオンの混合物がＦＡ
ＩＭＳアナライザ領域１４の入口に連続的にもたらされ、電圧が内部シリンダ１
２にも外部シリンダ１３のいずれにも印加されていない（すなわち電極が接地さ
れている）条件下で、流れている気体によってイオンがアナライザ１４の長さに
沿って搬送される場合には、分離がなくとも、すべてのイオンに対する有限レベ
ルの伝搬がある程度期待される。

【００２５】 このような混合物において選択されたイオンの検出電流は、無電圧状態で装置
１０を介して伝搬される場合、そのイオンのための電流を超えるはずはないこと
が期待されると思われる。また、イオンの分離を生じるように設計された高電圧
の印加（すなわち、ガスフローに対して垂直な横断方向の電界の印加）は、イオ
ンの伝搬を増大させるのではなく、シリンダ１２，１３の壁との衝突によって、
伝搬を減少させるはずであると期待されると思われる。すなわち、非対称波形は
、ＦＡＩＭＳアナライザ領域１４の「幅」を効率的に狭くする可能性があるため
、イオンの伝搬を減少させるはずである。しかし、予測に反して、本発明者らに
よって行われ、本開示に記載された実験では、非対称波形Ｖ（ｔ）の電圧の振幅
が増大するにつれて、円筒形状のＦＡＩＭＳ−Ｅ１０におけるイオン検出の感度
が 向上することがわかった。以下に説明するように、このような尋常でない観測結
果は、大気圧イオン集束がＦＡＩＭＳアナライザ領域１４に生じていることを示
唆している。

【００２６】 さらに図３Ａおよび図３Ｂを参照すると、ＦＡＩＭＳ−Ｅ装置１０への４通り
のガス接続が示されている。圧縮ガス（たとえば、空気または窒素）が、キャリ
ア注入（Ｃ_ｉｎ）ポートおよび／またはサンプル注入（Ｓ_ｉｎ）ポートを経て、
木炭／分子篩ガス精製シリンダ（図示せず）を介して、ＦＡＩＭＳ−Ｅ１０に供
給される。ガスは、キャリア放出（Ｃ_ｏｕｔ）ポートおよび／またはサンプル放
出（Ｓ_ｏｕｔ）ポートを経て、ＦＡＩＭＳ−Ｅ１０から出る。４つのガスフロー
速度はすべて、調整されることができる。不揮発性検体は一般に、ＥＳＩニード
ル１５を用いて、ＦＡＩＭＳ−Ｅ１０に注入される。また、揮発性検体はＳ_ｉｎ ラインによってＦＡＩＭＳ−Ｅ１０に注入されてもよく、一部はコロナ放電ニー
ドルによって化合物経路として電離されてもよい。

【００２７】 さらに図３Ａおよび図３Ｂを参照すると、ＦＡＩＭＳ−Ｅ装置１０の外部シリ
ンダ１３および短い方の内部シリンダ１１は一般に、調整可能な電位（Ｖ_{ＦＡＩ ＭＳ} ）で維持される。Ｖ_{ＦＡＩＭＳ}は通常、ＦＡＩＭＳ−Ｅにおける大地電位で
ある。動作中、内部シリンダ１２と外部シリンダ１３との間の電界を確立するた
めに、高周波高電圧非対称波形が長い方の内部シリンダ１２に印加される。この
ような高周波（たとえば、２１０ｋＨｚ）高電圧波形に加えて、直流オフセット
電圧（すなわちＦＡＩＭＳに加えられる補償電圧ＣＶ）が、長い方の内部シリン
ダ１２に印加される。これによって、前述した方法でＦＡＩＭＳアナライザ領域
１４において、イオンの分離を生じる。

【００２８】 さらに図３Ａおよび図３Ｂを参照すると、電離源によって精製されたイオンの
一部は、外部シリンダ１３と長い方の内部シリンダ１２との間の環状空間（ＦＡ
ＩＭＳアナライザ領域１４とも呼ばれる）の長さに沿ったガスの流れによって搬
送される。ＤＶおよびＣＶの組合せが適切であり、イオンが管壁で失われていな
い場合には、外部シリンダ１３の下流先端付近にある一連の開口部またはイオン
放出口によって、約−１００Ｖまでバイアスを印加される電流検出器１７へイオ
ンを抽出することができる。（本願明細書では、キャリヤガスもイオン放出口か
ら出ることに注意されたい。）

【００２９】 実際には、図２に示されたＶ（ｔ）の簡素化した矩形波バージョンを使用する
ことはできない。このような波が波形発生器に配置する電力需要のためである。
実際の波形Ｖ（ｔ）は、図４に示される。このような波形は、正弦波および周波
数が２倍であるその高調波の電子的な加算によって生成される。図４に示される
ように、ＦＡＩＭＳ−Ｅ装置１０は、（内部シリンダに印加された波形に関する
）２つの波形モードの一方を用いて作動する。このような逆極性の波形モードは
、期待されるような「逆極性の」ＣＶスペクトルを生じない。これは、このよう
な方法における極性の反転もＦＡＩＭＳのイオン集束挙動の鏡像効果を形成する
ためである。このような極性の反転の結果は、イオンが集束することではなく、
むしろシリンダ１２，１３の壁に衝突することである。集束する谷の鏡像は、山
上のポテンシャル面である。（この特性およびＦＡＩＭＳの動作のさまざまな「
モード」については以下に詳しく記載する。）

【００３０】 （ＦＡＩＭＳ−ＭＳ） 初めに述べたように、ＦＡＩＭＳ装置の機能を拡大するための１つの方法は、
質量分析計とＦＡＩＭＳ装置を結合することである。ＦＡＩＭＳ装置と共に質量
分析計を使用することは、質量分析計がＣＶスペクトルの組成をさらに正確に決
定するための質量電荷（ｍ／ｚ）分析を促進するため、好都合である。１つの可
能なＦＡＩＭＳ−ＭＳの実施形態が、本願明細書に記載される。

【００３１】 図５Ａおよび図５Ｂを参照すると、ＦＡＩＭＳおよび質量分析計の結合（ＦＡ
ＩＭＳ−ＭＳ２０）が、概略的に示されている。図５Ａならびに図５ＢのＦＡＩ
ＭＳ−ＭＳ２０および図３Ａならびに図３ＢのＦＡＩＭＳ−Ｅ１０は、計器の検
出端でのみ著しく異なる。本発明によれば、電位計１７は、図５Ｂに簡略化した
形状で示されているように、ＦＡＩＭＳシリンダ１２，１３の先端には位置され
るサンプラコーン１８によってとって代わられている。サンプラコーン１８にお
けるオリフィス１９の直径は、約２５０μｍである。Ｃ_ｏｕｔが２つの成分、す
なわち元のＣ_ｏｕｔおよびオリフィス１９を介して質量分析計へのフローに分割
されている点を除き、ＦＡＩＭＳ−ＭＳ２０におけるガスフローは、ＦＡＩＭＳ
−Ｅ１０におけるガスフローと類似している。長い方の内部シリンダ１２に印加
される電気波形は、ＦＡＩＭＳ−Ｅ装置１０で使用される波形と同一である。サ
ンプラコーン１８は他の成分から電気的に絶縁されてもよいため、分離電圧ＯＲ
がそれに印加されてもよい。さらに、ＦＡＩＭＳ−ＭＳの感度を強化するために
、電圧がＦＡＩＭＳ装置全体（Ｖ_{ＦＡＩＭＳ}）のシリンダに印加されてもよい。

【００３２】 図５Ｂは、質量分析計のサンプラコーン１８に対して角度４５°を成すＦＡＩ
ＭＳシリンダ１２，１３を示している。図５Ａは、サンプラコーン１８に対して
角度９０°を成すＦＡＩＭＳシリンダ１２，１３を示している。イオンがＦＡＩ
ＭＳ−ＭＳ２０のシリンダ１２，１３から質量分析計へ抽出される方向（すなわ
ち、ＦＡＩＭＳの２本の管とサンプラコーン１８との間の角度）は、このような
角度に制限されない。さらに、イオンが２本の管から抽出される位置もまた、変
更することができる。すなわち、ＦＡＩＭＳの分離領域に沿ったいずれの位置で
も、イオンを抽出することができる。

【００３３】 （イオン集束／ＦＡＩＭＳ−Ｒ１−プロトタイプ） ここで、上記に言及した集束効果を立証するために図６Ａおよび図６Ｂを参照
すると、特殊なＦＡＩＭＳ計器が本発明者らによって設計され、ＦＡＩＭＳ装置
の２本のシリンダ（外部シリンダおよび内部シリンダ）の間のイオン分布を測定
するために構成された。この計器は、本開示ではＦＡＩＭＳ−Ｒ１−プロトタイ
プ３０と呼ばれ、図６Ａおよび図６Ｂに概略的に示されている。イオンは、長さ
約３５ｍｍおよび内径約２０ｍｍの電気的に接地されたシリンダ３１の内部で発
生された。電離ニードル１５の先端は一般に、この管の中心付近、ＦＡＩＭＳア
ナライザ領域３４の端から少なくとも１５ｍｍの位置に配置された。この実施形
態におけるＦＡＩＭＳアナライザ領域３４は、長さ７０ｍｍ、内径６ｍｍであり
、外径２ｍｍの内部遮蔽電極３３を包囲する外部管３２から構成される。内部遮
蔽電極３３は、電離ニードル１５に面する端を閉じられた電気的に接地されたス
テンレス鋼である。この内部電極３３は、その中心を通過する電気的に絶縁され
た導体３５を包囲および遮蔽する。この最も内側の導体３５（すなわち、イオン
コレクタ電極）は、イオン用のコレクタであり、高速電流増幅器または電位計３
６（たとえば、Ｋｅｉｔｈｌｙモデル４２８）およびディジタルストレージオシ
ロスコープ３７（たとえば、ＬｅＣｒｏｙモデル９４５０）に接続される。

【００３４】 図６Ａおよび図６Ｂに示されたシステムにおいて、内部電極３３を包囲するイ
オンは、パルス化された電圧によって内部に集束される。このようなイオンは、
内部遮蔽電極３３に穿孔された一連の５０μｍの孔３８を通って、ＦＡＩＭＳア
ナライザ領域３４から最も内部の導体３５まで移動する。内部遮蔽電極３３にお
いて穿孔された孔は、電離ニードル１５に面している端から約２ｃｍに位置し、
内部遮蔽電極３３の一側面において距離１０ｍｍで約０．５ｍｍの間隔を隔てら
れる。内部遮蔽電極３３とこのような孔３８の付近の外部シリンダ３２との距離
における可変性を最小限に抑えるために、内部遮蔽電極３３において穿孔された
孔３８はこのように配置される。本発明者らの目的は、内部遮蔽電極３３に向か
い、孔３８を経て、最も内部のイオンコレクタ電極３５に対してイオンをパルス
化することによって、内部遮蔽電極３３と外部電極３２との間の環状空間（すな
わち、ＦＡＩＭＳアナライザ領域３４）に位置するイオンのイオン存在度の放射
方向の分布を測定することであった。最も内部の導体３５に到達するイオンの時
間依存性の分布は、内部電極３３の周囲のイオンの物理的な放射方向の分布に関
連する。２本のシリンダ３２，３３の間の距離における過度な変動は、最も内部
の導体３５へのイオン到達時間の不確実性を増大しているために、この装置で行
われる測定の空間解像度を低下させる。

【００３５】 ここで、図７を参照すると、図６Ａおよび図６ＢのＦＡＩＭＳ−Ｒ１−プロト
タイプに印加される高電圧高周波非対称波形Ｖ（ｔ）が示されている。波形は、
２つの部分、集束時間および抽出時間に分割される。波形は、任意の波形発生器
（たとえば、Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ＳｙｓｔｅｍｓモデルＤＳ
３４０、図示せず）によって合成され、パルス発振器（たとえば、Ｄｉｒｅｃｔ
ｅｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｉｎｃ．，モデルＧＲＸ−３．０Ｋ−Ｈ、図示せず）によ
って増幅される。波形の周波数および波形の高電圧部分および低電圧部分の相対
的な持続時間を容易に変更することができる。高電圧およびこのＦＡＩＭＳ−Ｒ
１−プロトタイプに印加される矩形波の急峻な立上り時間のために、電力消費制
限は厳しく、約１３３０パルス（８３，０００Ｈｚで１６ｍｓ）以上の波形は、
高電圧パルス発振器の電子部品を過熱することなく、このシステムによって供給
することはできない。

【００３６】 ＦＡＩＭＳ−Ｒ１−プロトタイプ３０の場合には、高電圧高周波非対称波形は
、図６Ａおよび図６Ｂに示されるＦＡＩＭＳ−Ｒ１−プロトタイプ３０の外部シ
リンダ３２に印加されたことを留意されたい。本開示に記載されるＦＡＩＭＳの
他の形態はすべて、内部管または電極に印加される波形を備えているため、混乱
は 波形の「極性」およびＣＶの極性から生じる可能性がある。図６Ａおよび図６Ｂ
に示されるＦＡＩＭＳ−Ｒ１−プロトタイプ３０において、タイプＡのイオン（
図１に示される）は、図３Ａ、図３Ｂ、図５Ａおよび図５Ｂの装置のために示さ
れるイオン以外は、対向する極性の波形およびＣＶの印加中に集束される。しか
し、簡単化のため、装置は、従来の構成の装置と同一の方法で構成されている場
合と同一であるように極性が表記される。言い換えれば、波形＃１の印加中に伝
搬されるイオンは、正のＤＶおよび負のＣＶと共に生じる。（しかし、図６Ａお
よび図６Ｂの装置で使用される実際の電圧は、負のＤＶおよび正のＣＶであるこ
とを留意されたい。）

【００３７】 前述した従来の平行な電極板ＦＡＩＭＳ装置（図２）に見られたように、（図
１および図２に示される）高電界におけるイオン移動度の変化のため、高電圧非
対称波形Ｖ（ｔ）の印加は、イオンをＦＡＩＭＳ電極２，４の一方に向かって移
動させる。移動に対向する方向に電界または補償電圧ＣＶを印加することによっ
て、この移動を阻止することができる。図６Ａおよび図６ＢのＦＡＩＭＳ−Ｒ１
−プロトタイプ３０の場合には、このようなＣＶが高電圧非対称波形（すなわち
外部電極３２）と同一の電極に印加され、小さな直流バイアス（±５０Ｖまで）
のような波形が加えられた。ＤＶおよび補償電圧ＣＶの適切な組合せで、所与の
イオンがＦＡＩＭＳ装置３０を通過する。したがって、装置は、イオンフィルタ
のように作用する。混合物がＦＡＩＭＳ装置３０の出口から均一に流れ、イオン
の混合物がＦＡＩＭＳアナライザ領域３４の注入口に生じるが、１種類のイオン
はＦＡＩＭＳアナライザ３４で分離されるような条件を決定することができる。

【００３８】 図７に示される波形の第２の部分（すなわち、抽出時間）は、（図６Ａおよび
図６Ｂに示される）外部電極３２と内部遮蔽電極３３との間のＦＡＩＭＳアナラ
イザ領域３４からイオンをパルス化するために使用された。集束時間の終りで、
すなわち波形の１６ｍｓ後に、非対称波形が約＋３０Ｖの一定直流バイアスによ
ってとって代わられた。これは、外部電極３２と内部遮蔽電極３３との間の環状
空間３４からのイオンを、内部遮蔽電極３３の方向に移動させた。−５Ｖの検出
器バイアスが、最も内部にあるイオンコレクタ電極３５に印加され、内部遮蔽電
極３３にある孔３８の付近からイオンを、孔３８を通じて最も内部にあるイオン
コレクタ電極３５に接触するように搬送する助けとなった。＋３０Ｖのバイアス
がＦＡＩＭＳアナライザ領域３４に沿って約１５０Ｖ／ｃｍの電界を形成し、こ
の領域３４内部に位置する大部分のイオンが、約１ｍｓで２ｍｍの間隔を横切っ
て移動した。中心の内部遮蔽電極３３にイオンが到達するために、イオン電流を
予測することができる。たとえば、周囲の温度および圧力の条件で移動度２．３
ｃｍ^２／Ｖ−ｓの１種類のみのイオン、たとえば（Ｈ_２Ｏ）_ｎＨ^＋がＦＡＩＭＳ
アナライザ領域３４に配置された場合およびこのイオンが、空間において規則正
しく分散されている場合には、約０．６ｍｓ続く上部が略矩形の信号が観測され
るはずである。この所望のイオン到着分布との偏差は、イオンがＦＡＩＭＳ装置
３０の外部シリンダと内部シリンダとの間のＦＡＩＭＳアナライザ領域３４を横
切る不均等な分布に分散されたことを示唆していると思われる。

【００３９】 さらに図６Ａ、図６Ｂおよび図７を参照すると、ＦＡＩＭＳ−Ｒ１−プロトタ
イプ３０が以下のように作動した。浄化された空気の２Ｌ／ｍｉｎのフロー、キ
ャリヤガス入（Ｃ_ｉｎ）は、電離ニードル１５を収容するシリンダ３１に供給さ
れた。約２０００Ｖが、ニードル１５に印加され、電圧が安定なイオン電流を生
成するために調整された。高電圧非対称波形Ｖ（ｔ）が、約１６ｍｓ間が外部Ｆ
ＡＩＭＳシリンダ３２に印加された。このあとに、２ｍｓの抽出パルス（図７）
が続いた。最も内部のイオンコレクタ電極３５に達するイオン電流は、検出され
、ディジタルオシロスコープ３７に表示された。測定は一般に、約５Ｈｚの割合
で収集された１００個の平均スペクトルからなると思われる。ガスフロー速度、
非対称波形の電圧Ｖ（ｔ）、外部電極に印加される直流電圧ＣＶおよび抽出電圧
など、さまざまな実験変数が変更された。

【００４０】 図８は、このような実験を行うことによって観測された最も内部のイオンコレ
クタ電極３５へのイオン到達時間を示している。各トレースは２５００Ｖ印加さ
れたＤＶを利用して記録されたが、ＣＶ電圧は可変であった。見ればわかるよう
に、ＤＶおよびＣＶの印加中、イオンの放射方向の分布は、ＦＡＩＭＳアナライ
ザ領域３４の環状空間を横切って均一ではない。たとえば、−１１Ｖ付近のＣＶ
で、イオンは内部電極３３付近の狭帯域に集束されるため、抽出電圧が印加され
た後、きわめて早く生じる高強度のパルスとして検出される。低いＣＶ、たとえ
ば−５．６Ｖで、イオンは、ＦＡＩＭＳアナライザ領域３４を構成している同軸
シリンダ３２，３３の壁の間に、きわめて均等に分散される。電圧がシリンダ３
２，３３に印加されない場合には、イオンの放射方向の分布はＦＡＩＭＳアナラ
イザ領域３４を横切ってほぼ均等であるはずである（無電圧実験状態の場合のデ
ータは本願明細書には示されていない）。図８に示された実験データから、集束
しているイオンが実際にＦＡＩＭＳ計器で生じていることは明白である。この集
束は、ＦＡＩＭＳアナライザ領域３４内部の内部シリンダ３３の周囲の均一な「
シート」またはバンドで集束しているイオンを生じる。前述したように、本発明
者らの知識によると、この集束効果は観測されていないかまたはまだ解明されて
いなかった。

【００４１】 （３次元大気圧イオントラップ） 上述のＦＡＩＭＳ装置のシリンダ間のガスフローは、装置の一端から他方の端
までイオンを搬送するように作用する。あらゆる場合において、電界の作用は、
ガスフローの運搬移動に垂直である。このため、初期の装置は、横電界補償イオ
ン移動度分光法と呼ばれていた。本発明は、ガスフローおよび電界が垂直ではな
く、むしろ互いに対向して作用する物理的な位置でイオンが捕獲されることを保
証することによって、ＦＡＩＭＳ−Ｅ１０およびＦＡＩＭＳ−Ｒ１−プロトタイ
プ３０の２次元イオン集束作用を３次元トラップに改造しようという試みの結果
である。これによって、３次元大気圧イオントラップを形成する。

【００４２】 本開示では、「イオン集束」なる語は、２次元構成に限定されることを留意さ
れたい。すなわち、イオンが「集束される」場合には、シート上の構造に制限さ
れ、薄い平坦なシートが任意の距離で任意の方向に延在することができる。たと
えば、イオンが長い金属シリンダの外面の周囲に「集束される」場合には、これ
は、イオンが金属シリンダと同軸または金属シリンダを包囲する（イオンから構
成される）円筒空間内に限定されることを意味する。イオンのこのようなシート
は、シリンダおよびその周囲のすべてと同じくらい離れて連続的に延在する。他
方、本開示では、「イオン捕捉」なる語は、イオンが３次元空間の任意の方向に
自由に移動することができない状態に限定される。これは、イオンが２次元のい
ずれの場所、たとえば上記に述べた例で記載したシリンダの長さに沿ってまたは
固定半径でシリンダの周囲に移動することも自由である「集束」より限定される
。

【００４３】 質量分析計の真空室で作動するための３次元イオントラップは公知であり、い
くつかの幾何形状が存在する。しかし、このような真空イオントラップの機構お
よび動作は、本願明細書に記載したイオントラップの大気圧（７６０トール）バ
ージョンの機構および動作と著しく異なる。物理的な幾何形状、ハードウェア構
成要素の配置および既知の３次元イオントラップで印加される電圧は、イオント
ラップの本大気圧バージョンと少しも関係がない。本発明の３次元大気圧イオン
トラップの数例の実施形態が、以下で検討される。

【００４４】 （ＦＡＩＭＳ−Ｒ２−プロトタイプ） 図９Ａおよび図９Ｂを参照すると、ＦＡＩＭＳ−Ｒ２−プロトタイプ４０と呼
ばれる装置が示されている。ここでは、非対称波形Ｖ（ｔ）および補償電圧ＣＶ
が、直径約２ｍｍの内部固体電極４２に印加される。外部の電気的に接地された
電極４３の内径が約６ｍｍであることによって、電極同士の間に約２ｍｍの環状
空間を設けることができる。この環状空間は、上記の説明においてＦＡＩＭＳア
ナライザまたはＦＡＩＭＳアナライザ領域１４，３４，４４と呼ばれており、簡
単化のため、引き続きこの専門用語を使用する。イオンは、外部シリンダの壁を
貫通する０．５ｍｍの孔に隣接した位置にある独立気泡（図示せず）にコロナニ
ードル１５を用いたコロナ放電によって、生成される。図９Ａに示されるように
、イオンは、コロナ放電ニードル１５によって発生された高電界（約＋２０００
Ｖに維持される）によって、０．５ｍｍの孔４５を通って、ＦＡＩＭＳアナライ
ザ領域４４へと移動させられる（簡単化のため、孔４５に向かって直接移動して
いるイオンのみが示されている）。この孔４５の付近のＦＡＩＭＳアナライザ領
域４４の内部で、電界およびガスフロー（図９Ａおよび図９Ｂでは右から左へ流
れているように示されている）は互いに垂直であり、イオンはＦＡＩＭＳ‐Ｒ１
‐プロトタイプ３０に関連して上記の節で述べた２次元集束効果を受ける。しか
し、図９Ａに示された装置の内部電極４２は、外部電極４３の端から約１〜４ｍ
ｍの位置で終わる。下流端で外部電極４３の内面は、ＦＡＩＭＳアナライザ領域
４４の長さに沿って受けるのとほぼ同一の電界（すなわち、ＤＶおよびＣＶの印
加によって形成される）を維持するような方法で輪郭が形成される。外部電極４
３の端には、微細な高伝搬金属スクリーンで覆われる孔（約２ｍｍ）を含む出口
格子４６がある。装置４０を通って流れているガスも、格子４６を通って自由に
流れ、外部電極４３とコレクタ極板４７の間の空間から放出する。いかなる印加
電圧も存在しないとき（すなわち、ＤＶ＝０およびＣＶ＝０）に、イオンは、図
９Ａに示されるように装置を通って非常に多く移動する。イオンはアナライザ領
域４４に入り、外部電極４３の出口格子４６を通るガス放出と共に流れ、わずか
に残存するイオンは約−５Ｖでバイアスが印加されるイオンコレクタ極板４７に
引き寄せられる。コレクタ極板４７は、高利得電流増幅器または電位計３６（た
とえば、Ｋｅｉｔｈｌｙ４２８）およびオシロスコープ３７に接続された。

【００４５】 図７に示されたタイプの非対称波形の印加によって、集束作用が図９Ｂに示さ
れたような内部電極４２の略球形の終端４２Ｔの周囲に延在する点を除き、従来
のＦＡＩＭＳ−Ｅ１０およびＦＡＩＭＳ‐Ｒ１‐プロトタイプ３０に関して上述
したイオン集束挙動を生じた。これは、イオンが内部電極４２の終端４２Ｔの周
囲の領域から逃れることができないことを意味する。これは、２次元集束に関す
る説明において記載したように、内部電極４２に印加された電圧がＣＶおよびＤ
Ｖの適切な組合せである場合に生じるだけである。ＣＶおよびＤＶがＦＡＩＭＳ
アナライザ領域４４におけるイオンの集束に適しており、図９Ａおよび図９Ｂに
示された外部電極４３の内面の物理的な幾何形状がこのバランスを妨げない場合
には、イオンは、図９Ｂに示されるように終端４２Ｔ付近に集まる。いくつかの
相反する力が、内部電極４２の終端４２Ｔ付近のこの領域中のイオンに作用して
いる。図９Ｂの内部電極４２の終端４２Ｔ付近に示されるイオン雲は、ガスフロ
ーの力のために、図９Ａに示されるように左から右へ出口格子４６に向かって移
動することが好ましい。これはまた、イオンが電離源１５に向かって左から右へ
戻ることができないことを意味している。負の極性を有するＣＶの印加のために
、内部電極４２に近づきすぎたイオンは電極４２から押し戻され、外部電極４３
付近のイオンは内部電極４２に向かって戻される。流れているガスの力またはＦ
ＡＩＭＳ機構の電界（電位井戸）のいずれかによって、イオンはあらゆる方向で
捕獲される。

【００４６】 上記の説明は、イオンが「捕獲」または「捕捉」されると言及しているが、実
際には、イオンは『拡散』を受けている。拡散は常に、集束または捕捉に反して
作用する。イオンは常に、拡散のプロセスを逆方向に進めるために、電気または
ガスフローの力を必要とする。これは、イオンが（厚さほぼゼロ）空間における
架空の円筒ゾーンまたは３次元イオントラップ内に集束されてもよいが、イオン
は実は拡散のために空間のこの同一のゾーンの付近で分散されていることが実際
には公知であることを意味している。これは、イオンが常に、すべてが同一の場
所に正確に位置するのではなく、ある領域にわたって「分散」されていることを
意味している。これは重要なことであり、本願明細書で記載されているイオン運
動のすべてに補充される全体的な特性として認識されるべきである。このことは
、たとえば、３次元イオントラップが実質的な空間の幅を実際に備え、物理的お
よび化学的ないくつかの理由に関して洩れていることを意味している。

【００４７】 ＦＡＩＭＳにおける化学的な効果についてさらに詳しく述べると、イオンが中
性分子と衝突し、一時的に安定な錯体を形成する場合には、この新たな錯体が元
のイオント異なる高電界移動度特性を備えているために、この錯体がＦＡＩＭＳ
集束または捕捉領域の中から移動している可能性がある。これは、錯体が元の単
独の親イオンとは異なる高電界での挙動（図１参照）を備えている可能性がある
ことを意味している。たとえば、（極端に言えば）元のイオンが図１に示される
タイプＡであり、新たな錯体がタイプＣである可能性がある。これが事実である
場合には、新たな錯体は一般的なＤＶおよびＣＶ状態で捕捉されないであろう。
このようなイオンと装置の壁との衝突によって、すぐにトラップからイオンの消
失が生じる。元のイオン自体が捕捉され続ける可能性はあり、「化学的」効果を
経たこのようなイオンの除去は完全に可能であるが、ＦＡＩＭＳアナライザがガ
スフロー中の著しい水蒸気または汚染物質の存在を見落とす理由である。ＦＡＩ
ＭＳアナライザは、きわめて正常な状態において最適に動作する。Ｐ２モードの
動作中、高純度のガスの必要条件がある程度緩和される。

【００４８】 ここで、図１０Ａ〜図１０Ｉを参照すると、ＦＡＩＭＳ‐Ｒ２‐プロトタイプ
４０を用いた実験結果が示されている。電極の寸法は、図９Ａおよび図９Ｂに関
して上述した。ＤＶは約２０００Ｖであり、ＣＶは−１２Ｖであり、装置を通過
するガスフローは０．９Ｌ／ｍｉｎであった。ＤＶおよびＣＶが約１６ｍｓ間、
内部電極に印加された後、この電圧が内部電極４２に印加された抽出電圧によっ
てとって代わられた。内部電極４２に印加された直流抽出電圧は、イオンを内部
電極４２から出口格子４６に向かって押し続け、それによって、ガスフローが格
子４６を通って、このようなイオンを搬送する（尚、数％のイオンは、この格子
４６との衝突で消失した）。図１０Ａ〜図１０Ｉのトレースは、＋１Ｖ（図１０
Ａ）〜＋３０Ｖ（図１０Ｉ）の範囲の電圧で、抽出されたイオンの結果を表して
いる。捕捉されたイオンの抽出は、図１０Ａ〜図１０Ｉに記録された正のパルス
４８を生じる。図に示された負のパルス４９は、ＤＶおよびＣＶが除去され、抽
出電圧によってとって代わられるときに生じる電子過渡雑音である。図１０Ａ〜
図１０Ｉに示されたデータから、抽出電圧の増大が短めのさらに強いイオン信号
を発生することは明白である。これは、イオンが＋１Ｖより＋３０Ｖでさらに強
くトラップからパルス化されるために生じる。図１０Ａ〜図１０Ｉに示された実
験結果は、イオンの雲が内部電極４２の終端４２Ｔ付近に集まるという仮設を実
証する。一部のイオンが内部電極４２の終端４２Ｔ付近で入手可能でない限り、
図１０Ｉに示されたイオンのパルスは、ＦＡＩＭＳ−Ｒ２−プロトタイプ４０か
ら抽出されることはできない。

【００４９】 （ＦＡＩＭＳ−Ｒ３−プロトタイプ） ここで、図１１Ａ〜図１１Ｃを参照すると、ＦＡＩＭＳ‐Ｒ３‐プロトタイプ
５０が示されている。この装置は質量分析法によって検出するために構成され、
ガスおよびイオンが質量分析計の真空室に引き入れられるサンプラコーン１８が
、図１１Ａ〜図１１Ｃの左側に示される。真空ハウジングおよびサンプラコーン
１８の右側は、実質的に大気圧に保たれている。このような構成要素の左側は、
「質量分析計真空室」と明示され、一般に１トール未満の気圧である。大部分の
システムにおいて、第２のオリフィス（図示せず）は、一般に気圧が１０^−５ト
ール未満の質量分析計の質量アナライザ領域に導く。

【００５０】 図１１Ａに示されたＦＡＩＭＳ−Ｒ３−プロトタイプアナライザ５０は、直径
約２ｍｍの内部固体円筒電極５２および内径約６ｍｍの外部電極５３からなる。
中心電極５２は、電気接続を介して、非対称波形発生器電源５５によって電力が
供給される。ＤＶおよびＣＶの両方が、この発生器によって供給される。波形お
よびタイミング図は、図１１Ｄに示されている。図１１Ｄに示されているように
、非対称波形は内部電極５２に連続的に印加される。

【００５１】 図１１Ａに戻って参照すると、ガスは、右側からＦＡＩＭＳ−Ｒ３−プロトタ
イプ５０に入り、ＦＡＩＭＳアナライザ領域５４から構成される環状空間に沿っ
て流れ、外部電極５３の開口端を経て出る。外部電極５３から電気的に絶縁され
る微細な細い導線の金属格子から構成されている出口格子５６が、外部シリンダ
５３の開口端（左側）に隣接し、格子電気パルス発振器電源５７への電気接続を
有する。格子５６の電圧は、この電源を用いて段階的に変更することができる。
格子電圧およびタイミング図が、図１１Ｄに示されている。格子は一般に、図１
１Ｄに示されるイオン蓄積時間中、−５Ｖ〜＋５Ｖの間（たとえば０Ｖ）に維持
される。次に、内部電極の球形の終端５２Ｔに位置している３次元大気圧トラッ
プからイオンを抽出するために、格子は、−５Ｖ〜＋５Ｖの間（たとえば、図１
１Ｄの−１５Ｖ）まで段階的に変化される（１００ｎｓ移行）。図１１Ｂは、蓄
積時間中、イオンのおよその位置を概略的に示している。記憶装置に印加されて
いるＣＶおよびＤＶの組合せで「正味の」運動がゼロであることから、ここで捕
捉されるイオンは、正確な高電界イオン移動度（図１参照）を備えていることを
心に留めておくべきである。（非対称波形の印加のためにイオンが常に前後左右
に移動していることから、「正味の」なる語が使用される。すなわち、イオンが
反復して同一の位置に戻る場合には、ＤＶおよびＣＶの印加によって生じる「正
味の」運動はゼロである。）たとえば、（Ｈ_２Ｏ）_ｎＨ^＋イオンが、約＋２００
０ＶのＤＶおよび約−１０ＶのＣＶ（Ｐ１モードを象徴する）で、図１１Ａ〜図
１１Ｃに示された幾何形状に格納される。ＤＶおよびＣＶのこの組合せと著しく
異なる状態（たとえば、ＤＶ２０００ＶおよびＣＶ＋１０Ｖ）では、（Ｈ_２Ｏ） _ｎ Ｈ^＋イオンは、図１１Ｂに示されているような１つの物理的な位置に集まらな
い。代わりに、このようなイオンは、シリンダ５２，５３の壁と衝突する。ＤＶ
２５００ＶおよびＣＶ−５ＶなどのＤＶおよびＣＶ状態の第２の設定で、別のイ
オン（たとえば、（Ｌｅｕｃｉｎｅ）Ｈ^＋）が、図１１Ｂに示されているように
、内部電極５２の先端５２Ｔで収集することができる可能性がある。

【００５２】 図１１Ｂに示された内部電極５２の終端５２Ｔの付近で、相反する力のために
イオンの運動が制限される。ＦＡＩＭＳアナライザ領域５４に沿って流れている
ガスは、イオントラップガス注入口に向かって戻るように左から右へ（図１１Ｂ
）イオンが移動することを防止する力を加え、この力はまた、外部電極の左端に
示される出口格子５６に向かってトラップからイオンを押出す傾向もある。ＦＡ
ＩＭＳの電気的な力特性は、内部電極５２の側面から一定の距離にイオンを維持
する：（１）内部電極５２から離れすぎているイオンは、印加される直流オフセ
ットの負の極性、すなわち負のＣＶのために、内部電極５２に引付けられ、（２
）内部電極５２に近いイオンは、イオンがタイプＰ１であると仮定した場合、高
電界におけるイオン移動度の増大（図１参照）のために、押し続けられる。イオ
ンの運動の詳細については、以下に記載される。

【００５３】 図１１Ｃは、格子電極５６に印加される電圧まで段階的に変化させることによ
って、３次元大気圧トラップからのイオンの除去を示している。格子５６に印加
される電圧が、図１１Ｄのタイミング図に示されるように、たとえば０Ｖから−
１５Ｖに減少される場合には、イオントラップの井戸深さは減少または排除され
、イオンがガスフローの影響下でまたはイオンを出口格子５６に向かって移動さ
せる可能性がある電界によって、自由に流出する。

【００５４】 図１１Ａ〜図１１Ｃに示されるＦＡＩＭＳ−Ｒ３−プロトライプ５０は、電気
噴霧電離（ＥＳＩ）によって生成されるイオンの検出用に適している。ＦＡＩＭ
Ｓは、アナライザ領域に入るガス中の水分および汚染物質に対する感度が高い。
汚染物質または多すぎる水蒸気は、信号の完全な消失および本願明細書に記載し
たように機能するためのＦＡＩＭＳの故障を引き起こす。電気噴霧電離は溶媒混
合物の高電圧支援による霧化を含むため、水および他の揮発性溶媒の量がはるか
に多すぎると、ＦＡＩＭＳアナライザ領域５４では許容することができない。こ
れは、中性の溶媒分子がＦＡＩＭＳアナライザ領域５４に入らないようにするた
めに、ＥＳＩ−ＦＡＩＭＳ組合せ装置は常に、ガスの単離、カーテンガスまたは
向流ガスフローのタイプを必要とすることを意味する。これを実現するための１
つの方法が、図１１Ａ〜図１１Ｃに示される。ＦＡＩＭＳは、ガス注入口６２お
よびガス放出口６３用の設備を有する小さなチェンバ６１によって、電気噴霧電
離箱６０から分離される。ガスの流れがこの中間チェンバ６１に入り、ガスの一
部が電気噴霧電離箱に向かって流れる場合には、中性の溶媒分子は電気噴霧電離
箱のポートを経て放出され、イオントラップ装置に入らないようにする。図１１
Ａ〜図１１Ｃに示される電気噴霧ニードル１５Ｅは、水平面または、示されてい
る高めの垂直部分ではなく、ＦＡＩＭＳアナライザ領域５４より低い部分にある
可能性が高い。これは、きわめて大きな液滴が、重力によって、ＦＡＩＭＳアナ
ライザ領域５４に落ちやすい傾向を最小限に抑える。水平または低めの配置にお
いて、（任意に）過度の溶媒を除去するための排水管を備えていてもよい電気噴
霧電離箱６０の底部に大きな液滴が落ちる。また、イオントラップガス注入口が
閉鎖されている場合には、パージガス注入口に入るガスは両方に使用されてもよ
く、脱溶媒を援助してもよく、このガスフローの一部が、図１２の右から左へＦ
ＡＩＭＳアナライザ領域５４に沿ってイオンを搬送するために使用されると思わ
れる。

【００５５】 図１２（ガスフローが強調され、大部分のイオンが省略されている）に示され
る第２の方法で、ガスの向流を実現することができる。ガスの一部がＦＡＩＭＳ
アナライザ領域５４を出て電気噴霧電離箱６０に入るように、ＦＡＩＭＳアナラ
イザガスフローが調整される場合には、中性の汚染物質が入ることを防止するこ
とができる。これは、図１１Ａ〜図１１Ｃに示される装置より高いイオン伝搬を
生じる可能性がある。また、出口格子電極５６（図１１Ａ〜図１１Ｃ）は、図１
２には示されていないことに留意されたい。この実施形態において、イオントラ
ップを無効にする「抽出」パルスが、質量分析計サンプラコーン１８に印加され
る。

【００５６】 （ＦＡＩＭＳイオン捕捉質量分析法の実験：計器の概要） ここで、図１３Ａ〜図１３Ｊを参照すると、ＦＡＩＭＳ−Ｒ３−プロトタイプ
５０と共に飛行時間型（ＴＯＦ）質量分析計を用いたシステムが記載されている
。図１３Ａに示されるように、ＦＡＩＭＳの組立品、イオン生成およびガス制御
は、図１２２示されるものと類似している。このシステムの作動および実験結果
の詳細についてさらに説明するため、図はこの作業に使用された飛行時間型（Ｔ
ＯＦ）質量分析計７０の内部構成要素を示すために拡大されている。分散電圧、
補償電圧、サンプラコーン電圧Ｖ_ＯＲおよびＴＯＦ加速パルスのタイミング図が
、図１３Ｂに表示されている。

【００５７】 図１３Ａは、サンプラコーンへの電気接続があることを示している。電気接続
は、サンプラコーン電圧Ｖ_ＯＲ、すなわちイオントラップからイオンをゲートで
制御するために使用される電圧を制御するために使用する。たとえば、代表的な
実験において、（たとえば、ＦＡＩＭＳオフセット電圧＋２０Ｖおよび補償電圧
―３Ｖのとき、）Ｖ_ＯＲはイオンの捕捉中＋４０Ｖに設定され、イオン抽出用に
＋１Ｖに設定されてもよい。これらの電圧は、たとえば捕捉のために４０ｍｓの
時間、イオン抽出のために１０ｍｓの時間、印加される。イオン抽出の開始後、
内部電極５２の終端５２Ｔ付近に位置したイオンの雲が、サンプラコーン１８に
向かって移動する。サンプラコーン１８とＦＡＩＭＳ５０との間の電界およびサ
ンプラコーンオリフィス１８Ａを通って真空システムへ流れるガスの高流動性の
ために、一部のイオンが、サンプラコーン１８とスキマーコーン７１の間の低圧
（２トール）領域に搬送される。スキマー７１は一般に、大地電位に維持される
。イオンが低圧領域（９×１０^−５トール）に入り、８重極イオンガイド７３を
経てＴＯＦ加速領域７２の入口に搬送された後、サンプラコーン１８とスキマー
７１との間に１Ｖの差があれば、スキマー７１を経てイオンを取り出すために十
分である。８重極７３を介したパルスの搬送中、パルスの遅延および広がりを最
小限に抑えるため、８重極ガイド７３は、低圧で作動される。８重極７３は一般
に、イオンを閉じ込めるために、−４Ｖの直流オフセットおよび７００Ｖの１．
２ＭＨｚ（ピークからピークまで）を印加した波形を用いて作動される。８重極
イオンガイドの射出開口部レンズ（図示せず）は、−５．５Ｖに維持される。イ
オンは、８重極射出レンズを経て、ＴＯＦ質量分析計７０のイオン加速領域７２
を構成する一連の格子を通過する。

【００５８】 さらに図１３Ａを参照すると、ＴＯＦの加速領域７２は、２つの高電圧パルス
発振器７４Ａ，７４Ｂに接続され、以下のように動作する。装置は、３つの微細
網状金属格子７２Ａ，７２Ｂ，７２Ｃを含む。飛行管に最も近い位置に配置され
る格子７２Ｃは、一定の大地電位に維持される。他の２つの格子７２Ａ，７２Ｂ
はそれぞれ、高電圧パルス発振器７４Ａ，７４Ｂに接続される。格子７２Ａ，７
２Ｂは２つの可能な電圧状態に達し、外部のパルス発振器ディジタル論理回路７
５によって制御される。１つの電圧状態では、格子７２Ａ，７２Ｂの両方が１つ
の電圧に維持され、我々の実験では−５．５Ｖが使用された。この状態において
、８重極イオンガイド７３の射出レンズから移動するイオンは、格子７２Ａ，７
２Ｂを通過する。格子７２Ａ，７２Ｂはまた、約５０μｓの持続時間のパルスを
印加することによって得られた第２の高電圧状態に維持される。パルスが印加さ
れる場合に、このような格子７２Ａ，７２Ｂの間の領域に位置するイオンがあり
、このようなイオンは、図１３Ａに示される飛行管７６および検出器７７の方向
に加速される。このようなイオンは第２の格子７２Ｂを通過し、第２の格子７２
Ｂと大地電位である第３の格子７２Ｃとの間の高電界のために、さらに加速され
る。一旦、このようなイオンが加速領域７２から通り抜け、飛行管７６に沿って
移動している場合には、加速領域７２の２つの可変格子７２Ａ，７２Ｂの電圧は
、低電圧状態に戻り、新たなイオンが格子７２Ａ，７２Ｂの間の空間に入り得る
。格子７２Ａ，７２Ｂは一般に、約５０μｓ間、高電圧に維持される。

【００５９】 原則として、すべてのイオンがパルス出力電圧格子７２Ａ，７２Ｂと一定に接
地された格子７２Ｃとの間の電圧降下によって定義される（第１次近似と）同一
のエネルギーを有するため、飛行管７６に伝搬するイオンは質量によって分離す
る（この説明では、電荷（Ｚ）＝＋１と仮定する）。イオンエネルギーはＥ_ｉ＝
ｍｖ^２／２によって定義されるため、異なる質量ｍのイオンは異なるイオン速度
ｖであり、その結果、エネルギーＥ_ｉは一定である。イオンは、次々とイオンの
塊となって、ＴＯＦ検出器７７に到着する。質量の最も小さいイオンが最も高速
であり、検出器７７に最初に到着し、質量の最も重いイオンが最後に到着する。

【００６０】 しかし、実際には、加速領域７２に残っているイオンのすべてが、同一の電圧
ではない。イオンは、２つのパルス出力電圧格子間の開始位置によって指示され
るエネルギーをある程度有する。エネルギーのこの差によって、加速領域７２に
おける開始位置に関係なく、所与のｍ／ｚを有するイオンのすべてが同時に検出
器７７に達することを意味する「空間的な」集束性能を装置に与えることができ
る。この文脈では、「集束」なる語のこのような使用は、光学系（たとえば、カ
メラ）における光の集束によく似ている。第２の格子７２Ｂと接地された格子７
２Ｃの間から加速されたイオンは、広範囲のエネルギーを有し、望ましくない「
背景」雑音の一因となる。これは、接地された格子７２Ｃにきわめて近い（２ｍ
ｍ）第２の格子７２Ｂを配置することによって、最小限に抑える。

【００６１】 ＴＯＦ加速領域７２は、一定の遅延時間でサンプラコーン１８に印加されるパ
ルス（Ｖ_ＯＲ）を伴うパルスを出力する。ＦＡＩＭＳ５０から抽出され、真空イ
ンターフェイス１８，７１を経て、８重極７３を介して、加速領域７２へと通過
されるイオンのパルスにとって、有限の遅延時間である。ＴＯＦ質量スペクトル
は、抽出パルスがサンプラコーン１８に印加された後、一連の遅延時間で収集さ
れる。サンプラコーンが連続的に低電圧（すなわち＋１Ｖ）状態に維持される場
合には、検出されると思われる均一な信号に対応する一定レベルまでの信号強度
の減衰を伴う強い過渡信号の出現によって、イオンのパルスの到着が特徴付けら
れる。

【００６２】 （イオン捕捉の研究用のＴＯＦ質量スペクトルおよびＣＶスペクトル） コロナ放電電離によって生成される質量の小さいイオン、特に陽子を加えた水
イオンはきわめて高いイオン密度（存在度）であるため、本研究では、きわめて
急速にトラップを満たすか、または短すぎる寿命であるかのいずれかであると予
想された。したがって、Ｐ２モードで質量がより大きいイオンを探すことが決定
された。このようなイオンの存在度はキャリヤガス中の汚染物質の痕跡から作成
されるだけであるため、その存在度は低いと予測された。追加的なサンプル化合
物またはガスは、システムに追加されなかった。ここで研究されたイオンは、「
清浄な」窒素空気におけるコロナ放電電離によって形成された。イオン源および
ＦＡＩＭＳ装置は、できる限り清浄な状態で作動された。

【００６３】 図１３Ｃは、本研究のために獲得された一般的な質量スペクトルを示している
。これは既知の較正用化合物を必要とするため、正確な質量は決定されなかった
が、陽子を加えた水イオンを含む質量の小さめのいくつかのイオンに対する飛行
時間を用いて、おおよその質量が決定された。不純物イオン８１，８２がいくつ
か。スペクトルに現れたが、最も高い存在度（飛行時間２７．０μｓ）のイオン
８３のみが本研究では検討された。このイオン８３は、約３８０（±１０ｍ／ｚ
）のｍ／ｚを有する。

【００６４】 図１３Ｄは、−３５００Ｖの印加された分散電圧で飛行時間２７．０μｓ（ｍ
／ｚ約３８０）のイオン８３を検出するために、補償電圧走査を示している。Ｄ
Ｖの極性はＰ２モードと呼ばれ、一般にＰ２モードでＦＡＩＭＳを通過するイオ
ンは通常、ｍ／ｚ３００を上回る質量である。Ｐ２モードで通常存在するイオン
は、電界が増大するにつれて、減少するするイオン移動度を有する（図１のタイ
プＣのイオン）。Ｐ２モードの１つの制限は、イオンが一般に、低いＣＶで発見
されるため、イオン捕捉の強度が弱いことである。他方、質量のより大きいイオ
ンの１つの利点は、イオン移動度が一般に低めであるため、高電圧非対称波形の
印加中に移動される距離が軽減され、拡散によって壁に対するイオン消失の割合
が、最小限に抑えられると予測されることである。

【００６５】 図１３Ｄにおける各実験地点におけるイオン強度は、５０００回の反復ＴＯＦ
加速パルスから記録されたスペクトルを平均することによって得られた。電源に
よって設定された電圧を読み出すために使用されるディジタル電圧計を用いて、
補償電圧は手動で調整された。（１）Ｖ_ＯＲの「下方」端（移行）の後に、４．
５ｍｓの検出を用いたパルス出力サンプラコーン１８、（２）＋１Ｖに設定され
たＶ_ＯＲを用いてＦＡＩＭＳからＴＯＦまでの連続イオン伝搬および（３）＋１
５ＶのＶ_ＯＲを用いてＦＡＩＭＳからＴＯＦまでの連続イオン伝搬を含む３つの
動作方法における補償電圧曲線の収集に対応して、３つのトレースが図１３Ｄに
生じる。検出イオンの最大の伝搬に対応する補償電圧は、このような３つのデー
タ収集方法の場合に匹敵した。図１３Ｄから、飛行時間２０．０μｓのイオンは
、ＤＶ＝−３５００Ｖおよび約−２．５Ｖ〜−４Ｖの補償電圧で、ＦＡＩＭＳ装
置５０によって伝搬された。

【００６６】 （ＴＯＦのイオン光学中のイオン搬送遅延） ここで、図１３Ｅを参照すると、全システムの応答時間を決定するために設計
された実験の結果が示されている。Ｖ_ＯＲは、２つの値、ＦＡＩＭＳを経て真空
システムへのイオン伝搬に適した電圧（＋１５Ｖ）および捕捉またはイオン伝搬
のいずれにも不適切であった第２の電圧（−１０Ｖ）の間で段階的に変化された
。図１３Ｅは、いずれも可能なタイプのＶ_ＯＲ移行、すなわち高電圧から低電圧
までおよび低電圧から高電圧までの間の一連の時間遅延で収集される質量スペク
トルの強度を示している。以下の説明のために、これらの移行はそれぞれ、Ｖ_{Ｏ Ｒ} における変化の「下方」および「上方」端が考慮される。遅延の起点および遅
延の長さは、２つの場合では異なる。理由については次に考察する。

【００６７】 図１３Ｅの４０ｍｓで生じる高電圧から低電圧への移行、すなわち「下方」の
場合には、サンプラコーン１８に印加される低電圧は、（正に帯電した）いずれ
のイオンもサンプラコーン１８（すなわち、−１０ＶにおけるＶ_ＯＲ）とスキマ
ーコーン７１（０Ｖ）との間を通過しないようにするため、「下方」移行は、８
重極イオンガイド７３に通過するイオン束におけるきわめて急激な減少を生じる
。したがって、１つの極値に、ＴＯＦによって得られたスペクトルの強度がゼロ
まで急激に減少する可能性があると予測されると思われる。実験では、低イオン
密度領域に戻るイオンのために、イオン密度の急激な減少は「不明瞭」である。
（ａ）すべてのイオンが同一の運動エネルギーを備えているわけではなく、ごく
わずかのエネルギーを有するイオンが遅れるためおよび（ｂ）８重極ハウジング
７３の内部のイオンと残留ガスとの衝突が、イオンの一部の運動エネルギーに影
響を及ぼすために、このような広がりが予測される。８重極７３はイオンガイド
であるため、残留ガスとの衝突を経験したイオンが８重極７３の内部に含まれた
ままであることから、この長手方向の広がりが強調される。運動エネルギーが弱
められたために、このようなイオンは、長い遅延時間で、８重極７３を通って、
ＴＯＦの加速領域７２に達する。図１３Ｅは、Ｖ_ＯＲが＋１５Ｖから−１０Ｖま
で変化した後、約２ｍｓ間にイオンがＴＯＦ加速格子に到達し続けることを示し
ている。この「下方」移行は、図１３Ｅの４０ｍｓで生じることに留意されたい
。

【００６８】 低電圧から高電圧へのサンプラコーンの「上方」電圧移行は、若干異なる効果
を有する。この移行は、図１３Ｅの時間０ｍｓで生じる。図１３Ｅに示されてい
るように、ＴＯＦスペクトルの強度に関して、平坦域に達するまでに必要とされ
る時間は、約１０ｍｓである。遅延をある程度予測される。Ｖ_ＯＲが高められる
場合、ＦＡＩＭＳ５０の内部シリンダ５２の終端５２Ｔの前に位置するイオンの
比較的低い密度は、ＦＡＩＭＳシリンダ５２，５３の間の環状領域５４に沿って
伝搬した新たに到達するイオンによって増大されるに違いない。次に、このよう
なイオンは、サンプラコーン１８を経てスキマー７１領域、さらに８重極７３ま
で通過し始めるに違いない。上述したＶ_ＯＲパルスの「下方」端の説明から、８
重極７３を経て伝搬される（ことを監視されるイオンの）イオン密度似置ける変
化のために最低２ｍｓ必要である。そのため、ＴＯＦスペクトルにおいてイオン
存在度が増大する前に必要とされる追加的な時間遅延（すなわち、２ｍｓと１０
ｍｓとの差）は、サンプラコーン１８の前においてイオンの出現が遅れ、次にサ
ンプラコーン１８を経てスキマー７１領域まで伝搬することに起因している。

【００６９】 （ＦＡＩＭＳにおけるイオン捕捉の実験的な検証） ここで、図１３Ｆおよび図１３Ｇを参照すると、ＦＡＩＭＳ５０の内部電極５
２の球形終端５２Ｔの付近に位置する３次元イオントラップの実験的な検証が、
示されている。ＦＡＩＭＳ５０へのキャリヤガスフローが図１３Ｇの収集の場合
には減少した点を除き、図１３Ｆおよび図１３Ｇに関するデータ収集用の実験条
件は同一であった。この作図のためのデータは、約１週間あけて独立した実験に
おいて収集した。

【００７０】 図１３Ｆおよび図１３Ｇの作図は、サンプラコーン１８の「下方」移行後、さ
まざまな時間に収集された飛行時間２７．０μｓ（約ｍ／ｚ３８０）のイオンの
測定強度を示す。これらのパルスのタイミングは、図１３Ｆの一番下に示されて
いる。時間ゼロは、サンプラコーン１８が高電圧状態（Ｖ_ＯＲ＝＋４０Ｖ）から
低電圧状態（Ｖ_ＯＲ＝＋１Ｖ）までパルス出力された時間を示し、それによって
、イオンをＦＡＩＭＳトラップから抽出する。イオンは、ＴＯＦ加速領域７２ま
でシステムを通って移動するために、約５ｍｓ必要とする。イオンのパルスは、
通過中に広がり、本システムによって検出されたときには、（半分の高さで）約
３ｍｓの幅であった。

【００７１】 図１３Ｆおよび図１３Ｇはまた、Ｖ_ＯＲの２つの異なる設定で非パルス出力モ
ードの収集に対応する２つの水平線を含む。低い方の強度データは、パルス出力
モードで作動している場合にサンプラコーン１８の「低電圧」状態に対応するＶ _ＯＲ ＝＋１Ｖで収集された。高い方の強度の水平トレースは、サンプラコーン１
８用の実験による最適な設定（Ｖ_ＯＲ＝＋１５Ｖ）で収集された。この設定にお
けるサンプラコーン１８の直流レベルによって、非パルス出力モード用の最大の
可能なＴＯＦスペクトル強度を生じた。図１３Ｆおよび図１３Ｇに関して、デー
タは異なる場合に異なるＦＡＩＭＳガスフロー状態で収集されたが、Ｖ_ＯＲ＝＋
１５Ｖの場合の信号の強度は似ていることを留意されたい。イオン軌跡のモデル
化は、内部電極５２の終端５２Ｔの周囲を通過するイオンが、電極５２の端を通
り過ぎる際に、中心チャネルに向かって集束されることができることを示した。
このように、イオンは、最大感度を備えた真空に誘導するサンプラコーンオリフ
ィス１８Ａの中に伝搬される傾向がある。このイオン集束が生じることを示すこ
の軌跡の計算例が、図１９Ｃおよび図１９Ｄ（下）に示されている。

【００７２】 （イオン蓄積時間） 内部ＦＡＩＭＳ電極の端付近の蓄積ゾーンからイオンを抽出することによって
生じるイオンの検出パルスの強度に対する蓄積イオン蓄積時間の影響を決定する
ために、実験が行われた。蓄積時間の長さの関数によって作図された飛行時間２
７．０μｓのイオンに関するＴＯＦピークの強度が、図１３Ｈ、図１３Ｉおよび
図１３Ｊに示されている。サンプラコーン１８に印加される波形は、イオンがＴ
ＯＦに入ることができる低電圧（Ｖ_ＯＲ＝＋１Ｖ）で一定時間（１０ｍｓ）から
構成された。サンプラコーン格子電圧Ｖ_ＯＲが下げられた後、約４．５ｍｓＴＯ
Ｆ加速格子７２Ａ，７２Ｂを作動させることによって、信号強度が測定された。
Ｖ_ＯＲは、図１３Ｈ〜図１３Ｊのｘ軸に示されている時間では、高い値（Ｖ_ＯＲ ＝＋４０Ｖ）に維持された。図１３Ｈ〜図１３Ｊの３つのトレースは、補償電圧
ＣＶのさまざまな設定で収集されたデータに対応する。非最適補償電圧、ＣＶ＝
−４Ｖ（図１３Ｊ）に関するイオン強度は、イオントラップが比較的非能率的で
あり、トラップに保持されることができるイオンの最大数に比較的急速に（すな
わち、約１０ｍｓ）達することを示唆している。他方、ＣＶ＝−３Ｖ（図１３Ｈ
）およびＣＶ＝−３．５Ｖ（図１３Ｉ）では、強度は３０ｍｓ以上増大する。こ
のことは、すなわちドリフト時間２７．０μｓのＦＡＩＭＳイオントラップ内部
におけるイオンの寿命が少なくとも５ｍｓであることを示唆している。高い捕捉
時間では、トラップが満たされることおよびイオンの流入が拡散による消失およ
びガスフローによって平衡に保たれていることが仮定される。この実験は、簡単
な運動によって生じる問題であると考えられることができる。イオンの流入は、
Ｘイオン／秒である。イオンの消失、すなわちＹイオン／秒は、トラップにおけ
るイオンの数に比例する。トラップにおけるイオン数、総イオン数Ｚは、安定状
態に達し、Ｘ＝Ｙ＝ｋＺとなるまで増大し続ける。式中、ｋは、トラップからの
イオン消失の割合を表す関数に対して一定の割合である。短い遅延時間では、Ｚ
は小さく、ｋＺも小さい。したがって、Ｚ＝Ｘｔと仮定することができる。式中
のｔは時間である。時間ゼロにおけるＺがゼロである場合には、微分方程式ｄＺ
／ｄｔ＝Ｘ−ｋＺの解は、Ｚ（ｔ）＝Ｘ（１−ｅ^−ｋｔ）／ｋである。Ｘおよび
ｋを決定するために、データ設定をこの関数に合せることができる。図１３Ｈ、
図１３Ｉおよび図１３Ｊは、実験データおよびデータに合せるために使用された
上記の式に基づいて計算された曲線を示している。ＣＶ曲線−３Ｖ、−３．５Ｖ
および−４Ｖに対して、ｋの値はそれぞれ、０．０６、０．１２および０．３４
であった。対応するＸの値はそれぞれ、０．４、０．７２および０．８であった
。ｋの高い値は、イオン消失の割合が高い場合の条件を表す。Ｘの高い値は、ト
ラップへのイオンの流入が高い割合であることに対応する。

【００７３】 （ＦＡＩＭＳ−Ｒ４−プロトタイプ） ここで、図１４Ａ〜図１４Ｃに示される別の実施形態を参照すると、ＦＡＩＭ
Ｓ−Ｒ４−プロトタイプ８０と呼ばれ、電気噴霧（または別の電離）が内部電極
８２の半径の内部に生じるＦＡＩＭＳ３次元大気圧イオントラップが示されてい
る。これは、ＦＡＩＭＳのＭｉｎｅ Ｓａｆｅｔｙ Ａｐｐｌｉａｎｃｅｓ Ｃ
ｏｍｐａｎｙバージョンで好まれる構成である。この装置の改良バージョンが、
図３Ａおよび図３Ｂに概略的に示されている。一般に、イオンは、外（外部）か
ら外部電極８３まで、または内（内部）から内部電極８２までのいずれかによっ
て、ＦＡＩＭＳアナライザ領域８４に注入されてもよい。後者は、寸法が小さく
、内部電極８２の半径が、外部イオン源を用いた装置で使用されることができる
ものよりはるかに大きい必要があるため、あまり好都合ではない。さらに、電離
源（たとえば、コロナ放電ニードル）は、非対称波形で印加される高電圧の影響
を受けやすい可能性がある。イオン源を直に包囲している電極は、図３Ａおよび
図３Ｂに示されるＦＡＩＭＳに電気的に接地される。

【００７４】 図１４Ａ〜図１４Ｃに示される装置において、内部電極８２は外径約１４ｍｍ
であり、外部電極８３の内径は約１８ｍｍであり、これらの２つの同軸シリンダ
８２，８３の間には約２ｍｍの環状空間（ＦＡＩＭＳアナライザ領域８４）が存
在する。内部シリンダの端８２Ｔ（図１４Ａ〜図１４Ｃの左端）は閉じられ、電
極の端８２Ｔ付近のすべての位置に、ＦＡＩＭＳイオン捕捉に適切な電界を維持
クするのに適切であるように形成される。

【００７５】 外部シリンダ電極８３の内部は、図１４Ａ〜図１４Ｃの直径において均一であ
るように示されているが、たとえば、図１４Ａ〜図１４Ｃに示されている直径の
広い内部電極８２の場合は、外部電極８３の内面が図９Ａおよび図９Ｂに示され
るものときわめてよく似た輪郭に構成される場合には、ＲＡＩＭＳ分析状態がさ
らによく維持される可能性がある。これは、内部電極８２の球形（または円錐形
）の閉じた端８２Ｔ付近で、内部電極８２と外部電極８３の間を実質的に一定距
離に維持する。電極の端８２Ｔ付近の内部電極８２と外部電極８３との間隔は、
実質的に均一であってもよいが、電極の端８２Ｔ付近の位置で平衡状態を維持す
ることができる限り、この間隔はまた、均一でなくてもよいことを理解されたい
。

【００７６】 ガスフローは、図１４Ａ〜図１４Ｃに示されるＦＡＩＭＳアナライザ領域８４
の端（図ではＦＡＩＭＳの右側面）に入り、内部電極８２の閉じた端または終端
８２Ｔに向かって流れる。内部電極８２の終端８２Ｔを越えて、ガスフローが高
透過性の微細ワイヤ格子を含む出口格子８５を通過し、質量分析計サンプラコー
ン１８と出口格子８５との間の空間を経て出る。サンプラコーン１８のオリフィ
スへのガスフローの一部が、質量分析計の真空によって引付けられた。抽出時間
中、出口格子８５を通過したイオンの一部も、ガスフローおよび電界によって、
質量分析計へ引付けられる。

【００７７】 図１４Ａ〜図１４Ｃに示されるＦＡＩＭＳアナライザ領域８４に入るガスの一
部は、アナライザ領域８４から電離領域８６へ、内部（すなわち、向流ガスフロ
ー）を流れることができなければならず、それによって、中性分子、大きな液滴
および他の望ましくない非帯電成分がＦＡＩＭＳアナライザ領域８４を通過しな
いようにする。このような成分は、ＦＡＩＭＳアナライザ領域８４中のガスを汚
染し、本願明細書の他の部分で述べたイオンの集束および捕捉を低下させる恐れ
がある。したがって、ＦＡＩＭＳアナライザ領域から電離領域へのガスフローが
、電気噴霧実験中に逆流した場合には、装置が作動しない恐れがある。電離がき
わめて清浄な汚染されていないガスにおいて生じる場合には、ガスフローの向き
におけるこのような制限は緩和されてもよい（たとえば、放射性^６３Ｎｉ箔を用
いた清浄ガスの電離、コロナ放電電離、紫外光放射による電離など）。Ｐ２モー
ドにおいて作動中、高純度ガスの要件はある程度緩和される。

【００７８】 図１４Ａ〜図１４Ｃに示される装置は、前述した装置と類似の方法で作動する
。イオンは、放射方向に内部を流れているガスに対する電界によって伝搬される
電離領域８６から放射方向に進む。ＦＡＩＭＳアナライザ領域８４へ進むと、電
界がアナライザ領域８４の内部にイオンを閉じ込める（集束または捕捉）か、適
切でないＤＶおよびＣＶの印加のために、イオンが装置の壁と衝突するかのいず
れかである。サンプル中のイオンの１つに対して、ＤＶおよびＣＶが適切である
と仮定すると、そのイオンはＦＡＩＭＳアナライザ領域８４に集束され、（ＦＡ
ＩＭＳアナライザ領域８４において、ガスおよび電界は互いに垂直に作用するた
め、）ガスと共に内部電極８２の閉じたドーム状の終端８２Ｔに向かって流れる
。トラッピングフィールド（電位井戸）が依然として適切である場合には、イオ
ンは、図１４Ｂに示されているように内部電極８２の終端８２Ｔ付近に集まる。
これは、イオンがガスの流れに反してイオン源に戻ることができないために生じ
、イオンは、内部電極の終端８２Ｔ付近の電界の閉じ込め作用によって、格子８
５の中からガスと共に流れることができない。以下の条件：（１）ＤＶおよびＣ
Ｖが印加されていなければならず、電圧が依然として捕捉されるイオンに対して
適切であること、（２）捕捉されるイオンに対して適切であるように、外部電極
および格子の電圧が、たとえば０Ｖ付近に固定されたままであることおよび（３
）ガスフローが維持されていることが維持される限り、このトラップは存在する
。少しでも条件が変化した場合には、イオンはトラップから出てしまう恐れがあ
る。図１４Ｃに示されているように、トラッピングフィールドから格子８５を経
た後、質量分析計のサンプラコーン１８までイオンを移動させることが望ましい
場合には、この結果を実現するために、上記の条件の１つを任意に変更してもよ
い。これは、さまざまな方法で生じ得る： （１）格子８５の電圧が、内部電極８２および外部電極８３に対して（捕捉中の
その値から）降下されることができる。これは、（終端８２Ｔ付近の）ＦＡＩＭ
Ｓ捕捉領域から離れるように（正に帯電したイオンを）引付ける効果があり、そ
れによってトラップの保持を解除する。イオンはトラップから出て、格子８５に
向かって移動する。一部のイオンは格子ワイヤに衝突し、一部は（ガスフローに
よって援助されて）格子ワイヤを通過する。装置における電圧のすべてが互いに
対して考慮されなければならないため、外部電極８３および内部電極８２に印加
される電圧における変化によって、同一の効果を実現することができる。たとえ
ば、外部電極８３および内部電極８２の両方に印加される電圧の増大は、格子８
５に印加される電圧の減少と全く同一の効果を生じる。 （２）ＦＡＩＭＳ捕捉領域の付近におけるイオンの運動を変化させるさまざまな
方法で、ＤＶまたはＣＶを変更することができる。ＣＶが負の大きな値になる場
合には、イオン（正のイオン）は内部電極８２と衝突しやすく、ＣＶが正の大き
な値になる場合には、イオンは内部電極８２から離れた位置となり、ある電圧で
ＦＡＩＭＳトラップはこのイオンに対してもはや存在せず、上記の（１）で述べ
たように、イオンはガスフローと共に平均直流電界の影響下で、格子８５へ移動
する。ＤＶが排除される場合には、トラップはもはや機能しない。ＣＶがたとえ
ば、正のさらに大きな値に変更され、ＤＶが排除される場合には、（正に帯電し
た）イオンは、内部電極８２から排除され、格子８５へ移動すると思われる。 （３）ガスフローを変更することができる。ガスフローが内部電極の閉じた端８
２Ｔ付近で電界の捕捉作用を抑えるほど十分に強い場合には、上述のように、イ
オンはトラップから格子８５に向かって推進される。ガスフローが弱められるま
たは停止される場合には、イオンは拡散および化学変化によって移動する。拡散
はイオンをイオン源に向かって戻すことができ、それによって内部電極８２の終
端８２Ｔ付近のＦＡＩＭＳ捕捉領域のイオンを激減させる。ガスフローの直前で
あっても、化学的な効果のために、イオンはすぐにトラップを過疎化することが
できる。イオンが中性分子と衝突し、一時的に安定な錯体を形成する場合には、
この新たな錯体が元のイオントは異なる高電界移動度特性を備えているため、こ
の錯体はＦＡＩＭＳ捕捉領域からドリフトすることもできる。

【００７９】 （ＦＡＩＭＳ−Ｒｘ−プロトタイプの他のバージョン） 大気圧ＦＡＩＭＳイオントラップの主な目的は、空間内のある位置にイオンを
収集したり、閉じ込めたり、イオンの濃度を増大させることである。上記のパラ
グラフで記載した装置を用いて、これを実現することができる。このような装置
の簡単な変形を数例、予見することができる。 （１）内部電極の端の幾何形状は球形であると仮定されているが、表面は円錐ま
たはこのような形状の一部変形であってもよい。上述したイオンのＦＡＩＭＳ集
束およびイオンのＦＡＩＭＳ捕捉を形成するために必要である不均一電界を確立
するように、形状は選択される。 （２）外部電極の内部の幾何形状を変更してもよい。示された例の大部分は、機
械的な製作の簡単さのために、簡素な円筒幾何形状である。不均一表面は製作し
にくいが、場合によっては、特に内部電極の外径が約４ｍｍを超えている場合に
は好都合である。 （３）内部電極および外部電極は、中心の長手方向の軸に平行である壁を備えて
いるように示されていたが、これは不可欠なことではない。内部電極の外径は、
その長さに沿って線形または非線形に変化してもよい。外部電極の内径は、その
長さに沿って変化してもよい。このことは、たとえば、図３Ａ、図３Ｂ、図１４
Ａ、図１４Ｂおよび図１４Ｃに示されているように、電離源が内部電極の放射方
向の距離の中に位置する幾何形状において好都合である。 （４）本願明細書に図示されている装置に示されているガスフローは、２つの独
立した識別可能な用途に作用する。第一に、電界が領域の長さに垂直に作用して
いるため、イオンを装置の長さに沿って伝搬するのを助けることができないこと
から、ガスフローは、ＦＡＩＭＳアナライザ領域の長さに沿ってイオンを搬送す
るために作用する。第二に、ガスフローは常に、ＦＡＩＭＳアナライザ領域およ
びＦＡＩＭＳ捕捉領域を清浄、すなわち相対的に気相の水および化学汚染物質が
ない条件に保つように配置される。可能である場合には、中性物質および液滴が
ＦＡＩＭＳアナライザ領域に入らないようにするために、イオンは、ＦＡＩＭＳ
アナライザ領域に入る前に、上流への向流を流れているガスまで運ばなければな
らない。上述した大気圧３次元イオントラップの実施形態では、ガスフローの１
つの機能または別の機能をとって代わることが可能であってもよい。たとえば、
電気手段によって、ＦＡＩＭＳの長さに沿ったイオンの運搬を実現することがで
きる。たとえば、電気勾配がその長さに沿ってイオンを運搬するように作用する
ＦＡＩＭＳアナライザの長さに沿って確立される場合には、これは上記のガスフ
ローの機能の１つにとって代わる。電気勾配は、２つの方法で形成されることが
できる。第一に、各セグメントに印加されるわずかに異なる一定の直流電圧を用
いて、装置の一方の端から他方の端まで別の電圧向米を形成するような方法で、
内部電極および／または外部電極を分割することができる。装置が、イオン集束
または捕捉状態を維持するために必要であるＤＶおよびＣＶおよび幾何形状状態
を同時に維持することができる場合には、これは完全に実現可能である。第二に
、装置の長さに沿って電圧勾配を確立させることができるような方法で、１つ以
上の電極を製作してもよい。これは、半導体層で被覆された絶縁電極を用いて、
実現されている。異なる電圧がこのような電極のそれぞれの端に印加される場合
には、電極は抵抗装置のように作用し、電圧勾配はその長さに沿って存在する。
電圧勾配は、半導体層の塗布に応じて、線形であっても非線形であってもよい。
以下に記載されるイオン運動のモデル化のための方法によって、プロトタイプを
構築することなく、このようなアプローチを評価することができる。モデル化は
、このような装置が実現可能であることを示した。 （５）上記の説明において、非対称波形が印加される電極は、大部分の場合、い
わゆる「内部電極」であった。「外部電極」は内部電極を包囲し、一般に、Ｖ_{Ｆ ＡＩＭＳ} に維持される。ある例（図６Ａおよび図６Ｂ）において初めの方で説明
したように、非対称波形は、「外部電極」に印加された。ＤＶおよび／またはＣ
Ｖを内部電極に印加する理論的な根拠はない。本開示に記載される構成のすべて
において、非対称波形および／またはオフセットＣＶを、内部電極または外部電
極のいすれにも印加することができる。図１４Ａ〜図１４Ｃに示されている場合
も含めて、場合によっては、波形を外部電極に印加することに大きな利点がある
。 （６）ＤＶおよびＣＶは、同一の電極に印加される必要はない。たとえば、−１
１ＶのＣＶを実現するために、−１１Ｖが内部電極に印加されるか、または＋１
１Ｖが外部電極に印加されるかのいずれかである。厳密には、同一の論理をＤＶ
に適用する。イオンを捕捉するための状態が、（内部電極に印加された）ＤＶ２
５００Ｖを必要とする場合には、ＤＶ−２５００Ｖが外部電極に印加されるとき
と厳密に同一の挙動が期待され得る。図６Ａおよび図６Ｂに示されるハードウェ
アについて記載しているテキストに説明されたように、電圧の極性においてこの
ような変化が必要であることが理解された。したがって、図６Ａおよび図６Ｂに
関するテキストは簡単にし、波形ＤＶおよびＣＶが内部電極に印加されたかのご
とく極性を表示した。他の節に記載される装置の中で比較を簡単にするために、
このようなことを行った。 （７）質量分析計サンプラコーンの幾何形状については、説明されていない。た
とえば、図１１Ａ〜図１１Ｃに示されるサンプラコーン１８は、（簡単化のため
）ＦＡＩＭＳ装置に面する側面に平坦であるように描かれている。錐体の先端に
オリフィス自体がある隆起した（とがった）前面を有するサンプラコーンの使用
によって得られる利点が、いくつかある。イオンは一般に、とがった面に向かっ
て引付けられ、格子とオリフィスとの間の空間を横切るイオンの伝搬を改良する
ことができる。 （８）印加される非対称波形は、電圧、位相のずれおよび極性における小さな過
渡変化を利用して作動されていもよい。たとえば、中心の幾何形状においてＤＶ
２５００ＶおよびＣＶ−１１Ｖを用いて、イオンが集束または捕捉される場合に
は、ＤＶの短い（ｍｓ）変化がイオン分離能力に影響を及ぼす。ＤＶの電圧はｍ
ｓの時間で変更することができ、極性はｍｓの時間で反転されることができ、高
電圧と低電圧の相対時間は短い時間で変更されることができる。これが限界に近
い方法で集束または捕捉されるイオンがＦＡＩＭＳから拒絶される状態を形成す
る。たとえば、ほぼ同一の高電界イオン移動度特性を有する２つのイオンが、Ｆ
ＡＩＭＳアナライザ領域またはＦＡＩＭＳ捕捉領域に共存する。一方のイオンを
選択的に除去するためにステップが設けられない限り、両方のイオンが検出器（
電位計または質量分析計）に到達する。ＤＶまたはＣＶに対する小さな電圧の変
化、電圧および波形の位相における過渡変化は、一方のイオンを排除することを
助ける可能性がある。 （９）出口格子電極はさまざまな形態を取ることができ、場合によっては不必要
な場合もある。出口格子電極は、（１）内部電極の周囲に電界を完成させて、イ
オントラップが形成されること、（２）同時にこの領域を実質的に妨げられるこ
となくガスフローが通過することができる点を除き、（１）に記載された電極を
形成することおよび（３）内部電極に印加される電圧に変更を加えることなく、
トラップを形成および無効にするための機構を実現することを含めて、３つの機
能を担っている。明らかに、装置の他の部分によって、これらの機能を実現する
ことができる。たとえば、図９において、イオントラップは、内部電極に印加さ
れる電圧によって制御される。イオントラップを排除するために使用される抽出
電圧は、外部電極または内部電極に印加されてもよい。さらに、質量分析計のサ
ンプラコーンが実質的にＦＡＩＭＳの外部シリンダの端付近に配置される場合に
は、格子を完全に排除することができる。これは、図１３に示された例である。

【００８０】 （ＦＡＩＭＳ−Ｅ、ＦＡＩＭＳ−ＭＳ、２次元イオントラップおよび３次元イオ
ントラップにおけるイオン運動のモデル化） ＦＡＩＭＳにおけるイオン運動は、実験および理論を合せて考慮することによ
ってモデル化された。第一に、図１５に示されるＦＡＩＭＳで使用される２本の
シリンダを考える。電圧が内部シリンダに印加されるとき、２本のシリンダの間
の任意の点における電圧は、以下の公式：Ｖ_ｒ＝Ｃ（Ｉｎ（ｒ／ｂ）／Ｉｎ（ａ
／ｂ））を用いて計算されることができる。式中、（ｒは２本のシリンダ間の空
間になると仮定すると、）Ｖ_ｒは放射方向の距離ｒにおける電位であり、Ｖは内
部電極に印加される電位であり、内部シリンダの外径は「ａ」（ｃｍ）であり、
外部シリンダの内径は「ｂ」（ｃｍ）である。外部電極は電気的に接地され、す
なわち０Ｖが印加される。（ＦＡＩＭＳアナライザ領域と呼ばれる）環状空間は
、ａ〜ｂの放射方向の距離になる。これが、図１５に示されている。管の間の電
圧は線形ではなく、（電圧の導関数、すなわちｄＶ／ｄｒである）電界もまた非
線形である。（位置ｒにおける）管の間の電界は、Ｅ＝−Ｖ（１／ｒ Ｉｎ（ａ
／ｂ））であると示されることができる。式中、外部電極が０Ｖである場合に、
Ｅは電界（Ｖ／ｃｍ）であり、Ｖは内部電極に印加される電圧である。変数ａ，
ｂ（ｃｍ）は、上記で定義され、図１５に示される。

【００８１】 大気圧の電界におけるイオンの運動は、ｖ＝ＫＥによって表される。式中、ｖ
はイオンのドリフト速度（ｃｍ／ｓｅｃ）であり、Ｅは電界（Ｖ／ｃｍ）である
。条件の所与の設定に関して比例の「定数」は、「イオン移動度定数」Ｋと呼ば
れる。しかし、条件におけるさまざまな変化は、Ｋの値を変化させることができ
ることを留意されたい。電界におけるイオンの速度を変化させる明白な条件は、
（１）温度および（２）ガス圧を含む。上述したように、Ｋも電界と共に変化す
る。

【００８２】 ここには示されていないが、図３Ａおよび図３Ｂに示される改良型ＦＡＩＭＳ
−Ｅ１０計器を用いて、高電界におけるイオン移動度（上記の説明ではＫ_ｈと呼
ばれる）を推定することができる。図１６は、高電界におけるあるタイプのイオ
ン（Ｈ_２Ｏ）_ｎＨ^＋のイオン移動度における変化を示している。図１６における
「ターム」なる語は、非対称波形の低電界部分中のイオン移動度に関する補正係
数の周期的な改良を指す。実際には、ＤＶ３０００Ｖの波形（たとえば図４）中
、波形の低電圧部分は約−３０００／２Ｖすなわち−１５００Ｖである。このよ
うな低電圧であっても、イオン移動度が図１の左軸で示されるその「低電界」の
値であると仮定されることができないほど、電界は十分に高い。これは、きわめ
て高い電界におけるイオン移動度比Ｋ_ｈ／Ｋの最適推定値となるような周期的な
ほほ腕反復されることができる補正を必要とする。図１７は、図１６に示される
曲線を作成するために使用された高電界移動度を計算するために使用された元の
データの一部を示している。詳細についてはここでは述べない。また、実際の非
対称は計が図４（波形１）に示されているのに対し、計算結果は矩形の非対称波
形（たとえば、図２のＶ（ｔ））に基づいていることを留意されたい。

【００８３】 （Ｈ_２Ｏ）_ｎＨ^＋のイオン移動度における高電界の変化が、図１６に示される
曲線によって表されていると仮定すると、図１５に示された円筒幾何形状の中の
このイオンの軌跡を計算することができる。第１次近似の結果として、Ｒ_{ｆｉｎ ａｌ} ＝ｓｑｒｔ（２ｔＫ（Ｖ／Ｉｎ（ａ／ｂ））＋Ｒ_{ｉｎｉｔｉａｌ} ^２）で示す
ことができる。式中、Ｒ_{ｆｉｎａｌ}は長さｔの時間後のイオンの放射方向の位置
であり、Ｒ_{ｉｎｉｔｉａｌ}は時間ｔ前の放射方向の位置である。ｓｑｒｔ（）は
平方根の関数である。また、イオンが図１５に示された放射方向の距離ａ，ｂの
間で時間のすべてを費やしている場合には、この式を適用するだけである。さら
に、電界がＲ_{ｉｎｉｔｉａｌ}とＲ_{ｆｉｎａｌ}との間で大きく変化しない場合には
、式は最終的な放射方向の距離の有効値を与えるだけである。内部電極に印加さ
れる電圧はＶであり、イオン移動度はＫである。この計算のために、Ｋは軌跡の
距離（イオンが移動する距離）に関して一定であると仮定されるが、Ｋは図１６
に示される高電界挙動から計算されることを思い出されたい。たとえば、イオン
が、（非対称波形の印加中、）内部電極に印加される電圧が約１０，０００Ｖ／
ｃｍの高電界を生じるある選択された時間に距離ｒに位置する場合には、イオン
移動度は約Ｋ^＊１．０１であると計算される。１．０１は図１６から選択された
値である。Ｋの値は室温における（Ｈ_２Ｏ）_ｎＨ^＋に対して約２．３ｃｍ^２／Ｖ
−ｓである。この移動度Ｋは、ＦＡＩＭＳ計器を用いてたやすく決定されること
はできないが、従来のイオン移動度分析法（ＩＭＳ）の文献で見つけられること
ができる。

【００８４】 図１８Ａ〜図１８Ｄは、図１６の曲線によって示された高電界特性を備えたイ
オンの軌跡を示している。図１８Ａは、図２に示されたタイプの印加される非対
称波形によって生じたごくわずかの振動の動きを示している。

【００８５】 表示のために、図１５に示される円筒幾何形状は、外部半径０．１ｃｍの内部
シリンダおよび内部半径０．３ｃｍの外部シリンダを備えていてもよい。このこ
とは、軌跡を生じさせる計算のすべてがａ＝０．１ｃｍおよびｂ＝０．３ｃｍで
行われたに違いないことおよび軌跡がこのような極値を超えて広がって葉ならな
いことを意味している。図１８Ａに示されるイオン軌跡は、初めに放射方向の距
離０．１１ｃｍにあったイオンを用いて計算された。これは、図１８Ａの最も左
側の点として示されている。イオンは、印加された波形の結果として振動し、こ
のことは，イオンの放射方向の距離における増減として示されている。（図を明
確にするため、）ＦＡＩＭＳアナライザ領域にイオンを搬送するガスフローが、
図１８Ａの時間（ｘ軸）の関数として軌跡を示すことによって、シミュレーショ
ンされる。軌跡のシミュレーションの場合に印加された電圧は、ＣＶ＝０Ｖ、Ｄ
Ｖ＝２５００Ｖ、周波数＝８３０００Ｈｚであり、低電圧対高電圧の相対比（図
２におけるｔ_１およびｔ_２）は、５：１であった。図１８Ａは、波形の低電界お
よび高電界部分中の厳密に同一の距離を移動するわけではなく、イオンが「正味
の」ドリフトを経験することを示している。「正味の」ドリフトは、（図１８Ａ
の場合には）放射方向の外側へのイオンの一般的な運動を指す。シミュレーショ
ンは数回反復され、結果は図１８Ｂ〜図１８Ｄに示された。波形およびイオン運
動の振動数が図１８Ｂでははるかに高い点を除き、図１８Ｂは、図１８Ａと全く
同一の方法でシミュレーションが行われた。これは、結局のところイオンがＦＡ
ＩＭＳアナライザ領域を横切って延在し、放射方向の距離０．３ｃｍの位置で、
図１８Ｂの図の上端に位置する外壁と衝突することを意味している。したがって
、図１８Ａおよび図１８Ｂの（Ｈ_２Ｏ）_ｎＨ^＋イオンの運動のシミュレーション
を行うために使用されたＤＶおよびＣＶの状態は、上述した物理的な幾何形状を
有するＦＡＩＭＳにおける集束または捕捉には適していないと思われる。イオン
蓄積に適切であると思われる状態は、図１８Ｃに示されている。状態は、ＣＶ＝
−１１Ｖ、ＤＶ＝２５００Ｖ、周波数＝８３０００Ｈｚであり、低電圧対高電圧
の相対比（図２におけるｔ_１およびｔ_２）は、５：１である。イオンの外部への
ドリフトが内部電極への負の直流電位の印加によって妨害されると予測されるた
め、これは、図１８Ｂから予測され得る。図１８Ｃは、イオンが外側への放射方
向の距離０．１ｃｍの開始位置から正味のドリフトを経験するが、すぐにドリフ
トが停止し（イオンは、非対称波形の印加のために振動することを留意されたい
）、イオンは内側へも外側へも進まないことを示している。図１８Ｄは、イオン
運動のためのものと放射方向の開始位置が約０．２６ｃｍであるように選択され
た点を除き、図１８Ｃと同一の状態の場合に計算されたイオン軌跡を示している
。イオンは内部電極へのドリフトを経験し、図１８Ｃに示されたイオンと全く同
一の放射方向の距離で安定する。これは、イオンがその開始位置に関係なく、イ
オン集束領域に来ることを意味している。したがって、ＦＡＩＭＳの集束特性は
イオン軌跡の計算によって実証される。

【００８６】 イオンの最適集束の放射方向の位置は、イオンの高電界移動度特性、ＤＶなら
びにＣＶおよびＦＡＩＭＳアナライザ領域の幾何形状に左右される。上記に示さ
れた例では、このイオンの高電界イオン移動度の挙動がすでに確立されているた
めに、（Ｈ_２Ｏ）_ｎＨ^＋イオンが選択された。さまざまなＦＡＩＭＳハードウェ
ア幾何形状に関して、（Ｈ_２Ｏ）_ｎＨ^＋イオンの場合のＤＶおよびＣＶの最適な
組合せを計算することができる。上記のパラグラフで述べた原理に基づいて、イ
オンの軌跡を計算することができる。

【００８７】 図１９Ａ〜図１９Ｄは、図１１Ａ〜図１１Ｃに示された幾何形状、すなわちＤ
ＡＩＭＳ−Ｒ３−プロトタイプ（３次元大気圧イオン捕捉装置の１つ）と呼ばれ
る装置に関するイオン軌跡を示している。幾何形状は単純な円筒ではないため、
イオン軌跡の計算は一層複雑である。計算は、２つの独立な計算から構成される
。第一に、装置の機械的な幾何形状が、次に構成要素の周囲の電界の強度を計算
するコンピュータプログラムに入力される。これは、「緩和」と呼ばれる方法（
ヤコビ反復リチャードソン法）によって行われ、物理空間のすべての点における
場の一連の反復近似を含む。所与の点における場は、その周囲の各方向における
点の「平均」として計算される。これは、空間におけるすべての点に関して反復
される。一旦、空間全体のすべての点に関してこの計算が終了した後、今度は前
の計算からの推定値を用いて、プロセスが再び第１の点から開始される。これは
１次元で以下に示される。（「緩和」計算が始まる前に、）以下は仮想の１次元
世界のいくつかの隣接点における電圧を仮定する。アレイの最も左の点は１００
Ｖの電極であり、最も右側の点は１００Ｖの電極である。１００Ｖである電極以
外のすべての点が０Ｖであると仮定することから始まる。アレイは、次の行に示
されている：

【００８８】

【表１】 １００ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ すべての点が隣接点の平均となるようにした場合の結果を考える： １００ ５０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ これを反復する： １００ ５０ ２５ ０ ０ ０ ０ ０ １００ ６２．５ ２５ １２．５ ０ ０ ０ ０ １００ ６２．５ ３７．５ １２．５ ６．２５ ０ ０ ０

【００８９】 この計算は、データ点の変化が生じなくなるまで、または少なくともデータア
レイの変化が特定の誤差の制限内となるまで反復されなければならない。計算の
２次元および３次元バージョンも類似である。

【００９０】 ラプラスおよびポアソンの式を計算によって解決するための「緩和」法および
「逐次加速緩和」法については、流体力学の大部分のテキストブックに記載され
ている（Ｍ．Ｂ．Ａｂｂｏｔ ａｎｄ Ｄ．Ｒ．Ｂａｓｃｏ，Ｃｏｍｐｕｔａｔ
ｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ，Ａｎ Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ
ｆｏｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ（Ｌｏｎｇｍａｎｓ，Ｌｏｎｄｏｎ，１９８９）
，第８章参照）。円筒幾何形状に関する計算は、放射方向の点が空間内の点の新
たな値を計算するために使用される「平均」において、等しい重みを利用するこ
とができないという事実の小さな補正を含んでいなければならない。軸方向にお
ける（この円筒幾何形状の長さに沿って）点は互いに等価であるが、小さめまた
は大きめの放射方向の次元における点は等価ではない。したがって、円筒幾何形
状における点の平均のために使用される周囲の４点は重み付けが行われなければ
ならない。２つの軸方向の点は同一であり、放射方向において内部の点および外
部の点は互いから、かつ軸方向の点から独立に重み付けが行われる。しかし、「
緩和」法を用いた電位の計算の全般的な方法は、あらゆる幾何形状に関して同一
である。

【００９１】 任意の幾何形状におけるイオン軌跡を決定するために必要な第２の計算は、電
界が上述したように確立されていることが与えられている場合には、運動自体の
計算である。軌跡は、イオン運動を時間における小さなステップに分類すること
によって計算される。時間における各ステップで、イオンの位置、電界、印加さ
れる非対称波形の位相などが決定される。（上記の（Ｈ_２Ｏ）_ｎＨ^＋に関して実
証されたように、）時間に対する空間内の点における電界の強度から、高電界に
おけるイオン移動度が計算される。上述したように、イオン速度はｖ＝ＫＥ（ま
たはｖ＝Ｋ_ｈＥ）であると推定され、移動距離は距離＝（速度）（時間ステップ
の持続時間）である。１つの時間ステップに関して移動した距離（ｃｍ）は、持
続時間（ｓｅｃ）を乗じた速度（ｃｍ／ｓｅｃ）から決定される。新たなイオン
の位置は、古いイオンの位置および時間ステップで移動した距離から計算される
。今度は前の反復で計算されたばかりの新たなイオンの位置から始まり、この計
算が繰返される。（波形の周波数および波形における高電圧および低電圧の相対
時間が適切であるように、）一定に調整される非対称波形のために生じる電界の
強度に関して、反復が繰返される。（単純な前後運動は運動をあまり明確に実証
していないため、）イオンの運動を明確にする必要がある場合には、計算はまた
、ガスフローの外部の力によるイオンの位置の調整を含んでもよい。

【００９２】 図１９Ａは、図１１Ａ〜図１１Ｃに示される幾何形状に関して、上述した方法
において計算されたイオン軌跡を示している。内部電極の外径は約２ｍｍであり
、外部電極の内径は約６ｍｍである。これは、図１８Ａ〜図１８Ｄに示された軌
跡の計算に使用されたシリンダと同一の大きさである。状態は、ＣＶ＝−１１Ｖ
、ＤＶ＝２５００Ｖ、周波数＝８３０００Ｈｚであり、低電圧対高電圧の相対比
（図２におけるｔ_１およびｔ_２）は５：１、外部電極＝０Ｖ、格子電圧＝０Ｖで
あった。３つの電極は図１９Ａに示されており、図１１Ａ〜図１１Ｃに示された
ハードウェアに厳密に対応する。内部電極５２は固体であり、図１９Ａの中心付
近で、末端が球形５２Ｔになる。上端および下端は外部電極５３であり、図の左
端は図１１Ａ〜図１１Ｃに示される格子電極５６である。イオン軌跡は、内部電
極付近で始まり、人為的な（ガスフロー）水平運動が、図１１Ａ〜図１１Ｃにお
いて右から左へイオンを搬送するために加えられた。印加された非対称波形のた
めにイオンは振動し、２種類の正味の運動が図１９Ａで観測される。イオンは初
めに内部電極５２から離れるように移動し、次に電極からの距離が一定となる。
これは、厳密には、放射方向の正味の運動がすぐにゼロとなる図１８Ｃに示され
た状態である。イオンはまた、加えられた「ガスフロー」、すなわち人為的に強
いられた長手方向の速度のためにドリフトする。イオンが内部電極５２から一定
の距離で電極に沿って進み、その湾曲部５２Ｔをたどることを留意されたい。イ
オンは、加えられた人為的な軸方向の「ガスフロー」速度を用いても電極の終端
５２Ｔ付近の位置を離れない。イオンは、電極の終端５２Ｔ付近で捕捉されるよ
うになる。図１９Ｂは、イオン軌跡が（図１８Ｄのような）大きめの放射方向の
距離から始まった場合の運動を示している。前に説明したように、イオンは電極
の先端５２Ｔ付近の３次元イオントラップを逃れることはできない。

【００９３】 図１９Ｃおよび図１９Ｄは、図１９Ａおよび図１９Ｂと同一の物理的な幾何配
置を示しており、イオン軌跡は放射方向および軸方向において、類似の位置から
始まる。状態は、ＣＶ＝−１１Ｖ、ＤＶ＝２５００Ｖ、周波数＝８３０００Ｈｚ
であり、低電圧対高電圧の相対比（図２におけるｔ_１およびｔ_２）は５：１、外
部電極＝０Ｖ、格子電圧＝７Ｖであった。図１９Ａ〜図１９Ｄの唯一の差は、後
者の２つ（図１９Ｃおよび図１９Ｄ）が外部電極５３に対して負の電圧である出
口格子５６を用いて計算したことである。このような状態の下で、イオントラッ
プは解除され、イオンは格子５６に向かって移動する。初めは、軌跡は、イオン
がまず、使用されるＤＶならびにＣＶおよび幾何形状に関して、最適平衡点に向
かって移動するような図１９Ａおよび図１９Ｂに示されたものと同一の形態を取
る。しかし、内部電極５２の球形の終端５２Ｔ付近では状態は維持されず、出口
格子５６の電圧がイオン運動を変更し、内部電極５２から出口格子５６に向かっ
て（正に帯電した）イオンを引付ける。イオンが内部電極５２の付近を離れ、出
口格子５６に接近するとき、格子５６の電圧の吸引力も人為的に加えられる「ガ
スフロー」の軸方向の運動も、イオン軌跡の一因となる。また、イオンが内部電
極５２から離れるように移動するときに、非対称波形のために生じるイオンの「
振動」の大きさが著しく減少することも留意されたい。

【００９４】 ３次元トラッピングは、図１９Ｃおよび図１９Ｄでは実現されていないが、示
されているイオンの挙動はきわめて有用であると思われる。妥協した状態、すな
わちトラッピングにきわめて近い状態であるがトラッピングがない状態で作動す
る場合には、イオンは、電極の球形の端５２Ｔの曲面をたどり、中心軸に向かっ
て移動する傾向がある。イオンが完全に捕捉されない場合には、イオンは電極の
端５２Ｔから本質的に逃れるが、内部電極５２の中心軸に沿って放射方向の距離
が小さい位置に閉じ込められる。イオンの流れは真空室に導くサンプラコーンオ
リフィス１８Ａに向けられる場合には、信号の感度は、この「部分集束」が生じ
る状態で大いに向上される。電極の球形の終端５２Ｔの挙動を向上させているこ
の信号が、利用されるＦＡＩＭＳの唯一の部分であるＦＡＩＭＳの市場バージョ
ンを予測することは可能である。たとえ「３次元トラッピング」がそれ自体を使
用しない場合であっても、上述したＦＡＩＭＳの３次元イオントラップの実施形
態のすべては、この信号を強化するために使用されてもよい。

【００９５】 （ＦＡＩＭＳの内部電極の球形の終端におけるイオン集束を用いた信号の強化） 図１９Ｅ〜図１９Ｉは、内径約６ｍｍの円筒外部電極９３および外径約２ｍｍ
の内部電極９２からなるＦＡＩＭＳを用いて、イオン軌跡の計算の結果を示して
いる。環状のＦＡＩＭＳアナライザ領域９４は、装置の側面に沿って幅約２ｍｍ
である。内部電極９２は、サンプラコーン１８の平坦な前面の電極から約２ｍｍ
である球形９２Ｔで終わる。サンプラコーン１８の中心で、真空システムに導く
小さなオリフィス１８Ａがある。図１９Ｅにおいて、サンプラコーン１８は０Ｖ
、すなわちＶ_ＯＲ＝０Ｖに維持される。イオン軌跡のシミュレーションで使用さ
れる状態が、図１９Ｅに表されている。Ｖ_ＯＲがそれぞれ、−２．５Ｖ、−５Ｖ
、−７．５Ｖおよび−１５Ｖに変化している点を除き、図１９Ｆ〜図１９Ｉは、
図１９Ｅと厳密に同一の方法で調整される。このように低く印加されたＶ_ＯＲは
、３次元捕捉領域からイオンを抽出する効果がある。この抽出が通常の「捕捉」
状態（すなわち、不明確なイオン捕捉）にきわめて近い電圧で生じる場合には、
イオンは内部電極９２の中心軸付近に集束される傾向があるため、出口オリフィ
ス１８Ａに極めて近い領域に集束される。検出される信号強度は、中心軸にでき
る限り近い位置にイオンを閉じ込めるＶ_ＯＲで、最大になる。

【００９６】 図に示されていないが、サンプラコーン１８の変更によって、イオンビームの
「小型化」へのさらなる改良を実現することができる可能性がある。これは、印
加された電圧を備えた余分のレンズを追加すること、またはサンプラコーン１８
の前面の形状を変更することを含んでもよい。サンプラコーン１８に隣接するシ
リンダの端に、外部ＦＡＩＭＳシリンダ９３の内面を「形成する」ことによって
、さらなる改良が行われてもよい。図９Ａおよび図９Ｂに示される捕捉実験の前
のバージョンは、内部電極の球形の端において外部シリンダと内部電極との間の
（ほぼ）一定の距離を維持するために、湾曲した内面を有する外部シリンダを備
えた装置が使用された。

【００９７】 いくつかの実験変数が、上述した集束に影響を及ぼし、図１９ＧにおけるＶ_{Ｏ Ｒ} ＝−５Ｖ付近で最適となることが示されている。実験変数には、ガスフロー速
度、内部電極９２の球形の端とサンプラコーン１８との間隔および印加されるＤ
ＶならびにＣＶが挙げられる。検出されるイオン強度の最適化は、このような変
数に大いに左右されることが予測される。ガスフローは、少なくとも２つの因子
、すなわちＦＡＩＭＳアナライザ領域９４の長さから捕捉領域にイオンが流れ込
む速度および内部電極の端における乱流を制御する。図１９Ｅ〜図１９Ｉに示さ
れるシミュレーションは、ガスの乱流およびイオンの拡散を考慮していない。集
束作用の効果を得るためには、「捕捉領域」へのイオンの伝搬速度を最大にする
ト同時に、乱流によるイオンの消失を最小限に抑えるガスフローが必要である。
図１９Ｅ〜図１９Ｉに示される軌跡の計算はまた、ｘ軸に平行でない方向へのガ
スフローも考慮していない。実験システムが、たとえば、図１３Ａに概略的に示
されるシステムにおいて生じるようなＦＡＩＭＳ捕捉領域から放射方向の外側に
流れるガスを含む場合には、最大イオン強度の位置は実験によって決定されなけ
ればならないと思われる。モデル化は、このイオン集束が、最適な実験状態の一
定の設定における感度を向上することができることを示唆するために作用する。

【００９８】 いくつかの可能なハードウェア設計によって、図１９Ｅ〜図１９Ｉに示される
効果を実現することができる。これらの実施形態は、一定の基本的な構成要素を
必要とする： （１）電極は、円筒形または球形をはじめとする曲面を備えていなければならな
いが、このような種類の１つに単純に収まらない面を含んでもよい。捕捉または
集束のための状態を確立するために作用するような独特の形状の例には、図２０
に示されるヘアピンターンにある程度似ている湾曲部を有する円筒ロッドがある
。適切なガスフローを用いて、集束領域を形成することができる。 （２）イオンは、ガスフローまたは電界勾配によって、捕捉領域に搬送されなけ
ればならない。これらは印加される電圧、特にＤＶおよびＣＶに全く関係なく機
能するため、ＦＡＩＭＳの前述の実施形態はすべて、ガスフローを利用する。

【００９９】 （イオン集束およびイオン捕捉を理解するための質的に簡素な方法） イオンがＦＡＩＭＳ領域を通って伝搬されるＤＶおよびＣＶの最適な状態が、
存在する。図１７に戻って参照すると、２１００Ｖ〜３０００Ｖの範囲にある一
連のＤＶ値におけるＣＶの設定の反復曲線が示されている。一部のイオン（この
場合には、（Ｈ_２Ｏ）_ｎＨ^＋）では、ピーク最大値の位置は、補償電圧ＣＶがＦ
ＡＩＭＳアナライザの壁に向かう正味のイオンドリフトを平衡に保つのに十分な
ほど強い状態を表す。したがって、（Ｈ_２Ｏ）_ｎＨ^＋イオンが、ＣＶおよびＤＶ
の複数の理想的な組合せでＦＡＩＭＳアナライザ領域を通って伝搬されることが
できることを考える。イオンが理想とは異なるＣＶおよびＤＶの組合せを経験す
る場合には、イオンは面に衝突する。（Ｈ_２Ｏ）_ｎＨ^＋に関するＣＶおよびＤＶ
の理想的な組合せを示している作図が、図２１に示されている。イオンが「正味
の」運動を経験しないため、ＤＶおよびＣＶの理想的な組合せは、「平衡である
」と呼ばれてもよい。図２１に示される作図は、印加された電圧ＤＶおよびＣＶ
ではなくむしろ、電界（ＤＶに基づく）の観点からこの「平衡」状態を示してい
る。さらに、図における各データ点は、図１７のトレースに示されるように十分
に収集され、実験によって得られたＤＶおよびＣＶの組合せである。各点は、Ｄ
Ｖの設定に関して伝搬の最大効率（図１７における各トレースに示されたピーク
最大値）を備えたＣＶである。ＦＡＩＭＳ−Ｅ１０の環状のＦＡＩＭＳアナライ
ザ領域１４は、幅約２ｍｍであるため、ＤＶ２０００Ｖの電圧は、約２０００／
０．２＝１０，０００Ｖ／ｃｍの電界を生じる。同様に−１０Ｖの印加されたＣ
Ｖは、約−１０／０．２＝−５０Ｖ／ｃｍの電界を生じる。図２１のｘ軸および
ｙ軸は、電界（Ｖ／ｃｍ）（符号なしの絶対値）として表示される。

【０１００】 図２１はまた、このデータに対する３次回帰に最も適合する場合のトレースを
示している。この回帰は、実験によって決定された点の間に入る条件下のＣＶお
よびＤＶの最も適切な組合せを決定することを助ける。データへの適合は、高い
ＤＶ電界（最大に印加される電圧で、ＤＶの印加から生じる電界）における最後
の点に関して現れていることのみを示している。非対称波形の一部が低い逆の極
性の時間を備えているため、「ＤＶ電界」が断続的であることを留意されたい。
この最大値は、この説明のために、「基準点」として使用される。

【０１０１】 以下の問題を検討する。イオンがＦＡＩＭＳアナライザ領域の中心（放射方向
）に位置していると仮定し、イオンが所与のハードウェアの幾何形状に関して、
最適のＤＶおよびＣＶにおける平衡状態にあると仮定する。このことは、ＣＶお
よびＤＶのために生じる電界が直接的に図２１に描かれた線となることを意味し
ている。本願明細書におけるＦＡＩＭＳ図のすべてに示された円筒幾何形状は、
ＦＡＩＭＳアナライザ領域において放射方向に沿って一定でない電界を有する。
（電界は、特定の装置の幾何形状に応じて、長手方向において一定であっても一
定でなくてもよい。）電界が一定でない場合には、図２１の曲線によって示され
る最適状態は、ＦＡＩＭＳアナライザ領域のいずれの場所でも維持されるのであ
ろうか？

【０１０２】 図２２Ａは、図３Ａおよび図３Ｂに示される改良型ＦＡＩＭＳ−Ｅ１０のＦＡ
ＩＭＳアナライザ領域１４を放射方向に横断するＤＶ（２５００Ｖ）による実際
の電界を示している。図２２Ｂは、ＦＡＩＭＳ−Ｅ１０のＦＡＩＭＳアナライザ
領域１４を放射方向に横断して得られたＤＶ（２５００Ｖ）およびＣＶ（約―１
３Ｖ）のために生じる両方の実際の電界を示しているが、図２２Ａとは異なり、
電界は、図２１で使用された方法で互いに対して作図されている。物理的な放射
方向の位置の一部に対応する点が、図に表されている。図２２Ａ〜図２２Ｂの右
側は、電界が最も高く、放射方向の距離０．７ｃｍにおける内部電極１２の表面
に対応する。同様に、図２２Ｂの左側が外部電極１３の内部端に対応する。

【０１０３】 図２１および図２２Ｂを比較する。ＦＡＩＭＳ実験中、ＤＶおよびＣＶが内部
電極に印加される。ＤＶ電界は一定ではなく、むしろ小さな範囲の値（図２２Ｂ
、ｘ軸）の中に収まる。同様に、この小さな範囲の値は、図２１によって表され
る電界の範囲のごく一部にすぎない。図２２Ｂの曲線は、図２２Ｃを表すために
、図２１に示されたグラフに重ねることができる。図２２Ｃは、ＦＡＩＭＳアナ
ライザ領域内部の電界の理想的な物理状態は、ＤＶおよびＣＶの平衡を備えた点
にすべて対応するというわけではないことを示している。「実際の」状態の短い
曲線が異なる放射方向の距離の設定における状態を反映していること（すなわち
、短い曲線の最も左の点が外部電極付近の０．９ｃｍの位置の電界の状態であり
、最も右の点が内部電極表面付近の物理的な位置である）を思い出されたい。当
然のことながら、ＤＶおよびＣＶのこのような「選択された」組合せにおいて、
ＦＡＩＭＳアナライザ領域の中心に対応する少なくとも１つの点に、イオンが内
部電極へも外部電極へも移動しない（正味のドリフト）いわゆる平衡が存在する
。また、ＦＡＩＭＳアナライザ領域における「実際の状態」に関して示された線
全体が、任意の点で最適平衡曲線と交差しないＤＶおよびＣＶの組合せが多く存
在することも留意されたい。たとえば、ＤＶが図２２Ｂに示されるＤＶの５０％
まで低下された場合には、図２２Ｃにおける「実際の状態」に関する短いトレー
スは、「ＤＶ電界」のさらに低いｘ軸の値になるために、ｘ軸に沿って左に移動
する。ＣＶ電圧が変更されない場合には、図２２Ｃにおける短いトレースは「最
適」平衡トレースと交差せず、イオンはＦＡＩＭＳを通って伝播されることがで
きない。

【０１０４】 図２２Ｃにおける２本のトレースの比較はまた、さらなる問題を１つ生じる。
「最適」トレースおよび「実際の」トレースが交差する放射方向の距離にあるイ
オンが、放射方向において「正味の」運動を経験しない場合、すなわち平衡点に
ある場合には、大きめの放射方向の距離および小さめの放射方向の距離にあるイ
オンの挙動はどのようなものであろうか？イオンは正味のドリフトを経験しなけ
ればならない。図２２Ｃに示された状態では、交差点より放射方向の距離が大き
いイオン、すなわち交差点の左にあるイオンは、交差点に向かって、すなわち放
射方向の距離が小さくなる方にドリフトする。放射方向の距離が小さいイオンは
また、交差点に向かって、すなわち放射方向の距離が大きくなる方にドリフトす
る。「平衡」点または集束点（図２２Ｃにおけるトレースの交差点）以外の放射
方向のすべての位置からのイオンが、この集束点に向かって移動する場合には、
装置は、上述したＦＡＩＭＳイオン集束特性を有する。運動が発散する場合、す
なわち「平衡」点から離れる場合には、イオンはＦＡＩＭＳを通過することでき
ない。モード１（Ｐ１、正のイオン）において、ＤＶが正、ＣＶが負の極性であ
る（ＣＶおよびＤＶは内部電極に印加される）場合には、イオンは集束点に向か
ってドリフトする。このような極性の値の両方が反転する場合には、イオンの運
動（タイプＡ、図１）は、収束せずに発散する。これが、２つのタイプのイオン
がＦＡＩＭＳにおいて自動的に分離される理由である。これが、モード１および
モード２のスペクトルが常に異なり、独立したスペクトルとして常に考慮されな
ければならない理由である。Ｐ１で生じるイオン（第１次近似）は、Ｐ２タイプ
のスペクトルには現れない。逆もいえる。同様のことがＮ１およびＮ２タイプの
スペクトルにも適用される。

【０１０５】 ここで、図２３を参照すると、電界を用いたＦＡＩＭＳにおけるイオンの伝搬
を予測することが可能である。可能な実施形態は、ＪａｖａｈｅｒｙおよびＴｈ
ｏｍｓｏｎ（Ｊ．Ａｍ．Ｓｏｃ．Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍ．１９９７，８，
６９７−７０２）が、通常印加される高周波高電圧交流電圧を用いて作動してい
る４重極ロッドの設定の長さに沿ってイオンを引付けるための長手方向の電界を
形成するために区分された高周波限定の４重極を用いたほぼ同様の方法で区分さ
れるＦＡＩＭＳ装置を必要とする。区分される４重極ロッドまたはＦＡＩＭＳの
いずれかの場合のセグメントも、他の一定でない電界に重ねられる電解を形成す
るわずかに異なる直流電位に維持される。これを実現するために可能な方法が、
図２３に示される。

【０１０６】 同様の概念に基づいて、区分されたＦＡＩＭＳにおける電界のみを用いた３次
元トラッピングのための装置を開発することができ、以下に記載される。

【０１０７】 （区分されたＦＡＩＭＳにおける電界のみを用いた３次元トラッピング） ３次元トラップのこの区分されたＦＡＩＭＳバージョンは、捕捉構成要素の１
つとしてガスフローを使用しないため、新奇である。前述したように、内部電極
の球形の端におけるイオンの捕捉において、イオンは、内部電極の端に向かって
イオンを収集するガスの運動、および非対称波形によって生じるＦＡＩＭＳ収束
作用の組合せによって保持される。そのような装置では、ガスフローの停止時に
は、イオンは、ＦＡＩＭＳ内部シリンダの長さに沿って戻り始める可能性がある
。この移動のための推進力は、イオンが収集されるゾーンにおいていわゆる空間
電荷を生成する拡散およびイオン同士の斥力である。

【０１０８】 区分されたＦＡＩＭＳイオントラップの本説明において、非対称波形、および
区分されたＦＡＩＭＳ装置の長さに沿ったいずれかの方向へのイオン運動を防止
する隣接セグメントに印加される緩やかに増大する直流電圧の組合せのために、
イオンは完全に保持される。ガスフローの停止は、イオントラップに捕獲された
イオンにわずかに影響を及ぼすだけであり、たとえガスフローがゼロであっても
、イオンが逃げることはない。３次元トラッピングのこの新たなバージョンにつ
いて、さらに詳しく考える。

【０１０９】 図２４は、ＦＡＩＭＳ装置１１０の区分された円筒形の外部電極１１３および
内部電極１１２を示している。ＦＡＩＭＳの高電圧非対称波形は、内部電極１１
２に印加される。ＤＶならびにＣＶの適切な組合せおよび円筒幾何形状を与える
と、イオンはこのようなシリンダ１１２，１１３の間に収束される。正常作動に
おいて、セグメント１１２Ａまたは１１３Ａはすべて、同一の電圧である。すな
わち、内部電極１１２が１つの導体であり、外部電極１１３も１つの導体である
。シリンダの間に集束されることになるあるイオンに関する通常の状態は、ＤＶ
＝２５００ＶおよびＣＶ＝‐１２Ｖであると仮定する。これは、図２４に示され
た状態である。電極が区分されていない場合には、外部電極は、たとえば０Ｖで
ある。同様に、内部電極は１つの状態、たとえば−１２Ｖのオフセット補償電圧
を備えた非対称波形ＤＶ＝２５００Ｖだけである。このような状態の下で、イオ
ンがガスフローによってシリンダ間の環状空間に搬送される場合には、イオンは
流れているガスによって、ＦＡＩＭＳアナライザの一方の端から装置の他方の端
まで搬送されて長手方向に進み、同時にある放射方向の距離で内部電極１１２と
外部電極１１３との間に集束される。

【０１１０】 さらに図２４を参照すると、内部電極１１２および外部電極１１３が１１２Ａ
〜１１２Ｅ、１１３Ａ〜１１３Ｅに区分されると、この状況は実質的に変化する
可能性がある。外部電極１１３Ａ〜１１３Ｅに印加される新たな直流電圧がすべ
て０Ｖであり、内部電極１１２Ａ〜１１２Ｅに印加される新たな直流電圧がすべ
て０Ｖである場合には、上記のパラグラフで述べた状態に戻り、３次元トラップ
は存在せず、シリンダ間で２次元集束のみが生じる。次に、内部電極および外部
電極の中央の電極１１２Ｃ，１１３Ｃが最も低い電圧を印加されるように、一連
の新たな小さい直流電圧がＦＡＩＭＳ装置１１０の各セグメント１１２Ａ〜１１
２Ｅ、１１３Ａ〜１１３Ｅに印加されると想定する。しかし、外部電極１１３に
印加される各電圧は、内部電極１１２に印加される同一の電圧（およそ）によっ
て調和されなければならないことを留意されたい。このことは、＋５Ｖ余分に外
部電極の第１のセグメント１１３Ａに印加される場合には、＋５Ｖが内部電極の
同様のセグメント１１２Ａにも印加されなければならないことを意味している。
このようなセグメントがすでに印加された−１２Ｖの補償電圧を備えている場合
には、そのセグメントにおいて−７Ｖの正味の直流電圧を得るために新たな＋５
ＶがそのＣＶに印加される。（図において）中央のセグメント１１２Ｃ，１１３
Ｃが最も低い直流電圧が印加されるようにするために、このアプローチが他のセ
グメント１１２Ｂ〜１１２Ｅ、１１３Ｂ〜１１３Ｅに電圧を印加するために使用
される。このことは、この装置における任意の場所で捕獲された正のイオンが、
最も低い電圧領域、すなわち中央セグメント１１２Ｃ，１１３Ｃの内部電極と外
部電極の間に来ることを意味している。正常なＦＡＩＭＳ状態は各セグメント１
１２Ａ〜１１２Ｅ、１１３Ａ〜１１３Ｅの中で適用されるため、すなわち内部電
極がＤＶ＝２５００Ｖの非対称波形を備え、そのセグメントの中で、内部電極１
１２に印加される直流と外部電極１１３に印加される直流との差が引き続き１２
Ｖ（この例では必要な補償電圧）である場合には、イオンは内部電極１１２と外
部電極１１３との間の環状空間において通常の方法で集束される。このＦＡＩＭ
Ｓの長さに沿ったガスの流れ（１Ｌ／ｍｉｎの低いガスフロー）は、このトラッ
プの中央セグメント１１２Ｃ，１１３Ｃ内部の空間に位置するイオンを除去する
ことができない。イオンを除去するため、（図において約＋５Ｖの）直流電位井
戸を増大しなければならない。高いガスフローかつ空間電荷が高い高イオン密度
で、この除去を実現することが可能であると思われる。しかし、事実上、完全に
電気を帯びている捕捉領域は存在し、イオンは電界によってのみ適切な位置に保
持される。

【図面の簡単な説明】

本発明のさらによく理解するために、実施例として、本発明の好ましい実施形
態を示す添付図面を参照されたい。

【図１】 電界の強度の関数として、イオン移動度における変化の３つの可
能な例を示している。

【図２】 電位Ｖ（ｔ）の影響下で２つの電極板の間のイオンの軌跡を示し
ている。

【図３Ａ】 改良型ＦＡＩＭＳ装置の実施形態を概略的に示している。

【図３Ｂ】 改良型ＦＡＩＭＳ装置の実施形態を概略的に示している。

【図４】 図３Ａおよび図３Ｂの装置と共に利用されてもよい２つの正反対
の波形モードを示している。

【図５Ａ】 質量分析計と図３Ａおよび図３ＢのＦＡＩＭＳ装置の結合を概
略的に示している。

【図５Ｂ】 質量分析計と図３Ａおよび図３ＢのＦＡＩＭＳ装置の結合を概
略的に示している。

【図６Ａ】 アナライザ領域におけるイオン分布を測定するためのＦＡＩＭ
Ｓ装置を概略的に示している。

【図６Ｂ】 アナライザ領域におけるイオン分布を測定するためのＦＡＩＭ
Ｓ装置を概略的に示している。

【図７】 図６Ａおよび図６Ｂに示されているＦＡＩＭＳ装置に適用される
高電圧高周波非対称波形を示している。

【図８】 図６Ａおよび図６Ｂに示されているＦＡＩＭＳ装置の最も内部の
イオン制御装置の電極において、変化するイオン到着時の分布を示している。

【図９Ａ】 ＦＡＩＭＳ−Ｒ２−プロトタイプと呼ばれる３次元大気圧高電
界非対称波形イオントラップの第１の実施形態を概略的に示している。

【図９Ｂ】 ＦＡＩＭＳ−Ｒ２−プロトタイプと呼ばれる３次元大気圧高電
界非対称波形イオントラップの第１の実施形態を概略的に示している。

【図１０Ａ】 ＋１Ｖ〜＋３０Ｖの範囲の電圧に関して図９Ａおよび図９Ｂ
のＦＡＩＭＳ装置を用いて捕捉されるイオンの抽出のための実験結果を示してい
る。

【図１０Ｂ】 ＋１Ｖ〜＋３０Ｖの範囲の電圧に関して図９Ａおよび図９Ｂ
のＦＡＩＭＳ装置を用いて捕捉されるイオンの抽出のための実験結果を示してい
る。

【図１０Ｃ】 ＋１Ｖ〜＋３０Ｖの範囲の電圧に関して図９Ａおよび図９Ｂ
のＦＡＩＭＳ装置を用いて捕捉されるイオンの抽出のための実験結果を示してい
る。

【図１０Ｄ】 ＋１Ｖ〜＋３０Ｖの範囲の電圧に関して図９Ａおよび図９Ｂ
のＦＡＩＭＳ装置を用いて捕捉されるイオンの抽出のための実験結果を示してい
る。

【図１０Ｅ】 ＋１Ｖ〜＋３０Ｖの範囲の電圧に関して図９Ａおよび図９Ｂ
のＦＡＩＭＳ装置を用いて捕捉されるイオンの抽出のための実験結果を示してい
る。

【図１０Ｆ】 ＋１Ｖ〜＋３０Ｖの範囲の電圧に関して図９Ａおよび図９Ｂ
のＦＡＩＭＳ装置を用いて捕捉されるイオンの抽出のための実験結果を示してい
る。

【図１０Ｇ】 ＋１Ｖ〜＋３０Ｖの範囲の電圧に関して図９Ａおよび図９Ｂ
のＦＡＩＭＳ装置を用いて捕捉されるイオンの抽出のための実験結果を示してい
る。

【図１０Ｈ】 ＋１Ｖ〜＋３０Ｖの範囲の電圧に関して図９Ａおよび図９Ｂ
のＦＡＩＭＳ装置を用いて捕捉されるイオンの抽出のための実験結果を示してい
る。

【図１０Ｉ】 ＋１Ｖ〜＋３０Ｖの範囲の電圧に関して図９Ａおよび図９Ｂ
のＦＡＩＭＳ装置を用いて捕捉されるイオンの抽出のための実験結果を示してい
る。

【図１１Ａ】 ＦＡＩＭＳ−Ｒ３−プロトタイプと呼ばれる３次元大気圧高
電界非対称波形イオントラップの第２の実施形態を概略的に示している。

【図１１Ｂ】 ＦＡＩＭＳ−Ｒ３−プロトタイプと呼ばれる３次元大気圧高
電界非対称波形イオントラップの第２の実施形態を概略的に示している。

【図１１Ｃ】 ＦＡＩＭＳ−Ｒ３−プロトタイプと呼ばれる３次元大気圧高
電界非対称波形イオントラップの第２の実施形態を概略的に示している。

【図１１Ｄ】 図１１Ａ〜図１１ＣのＦＡＩＭＳ装置に印加される電圧用の
タイミング図を示している。

【図１２】 簡素な電気噴霧電離箱を備え、抽出格子としてサンプラコーン
を用いる図１１Ａ〜図１１ＣのＦＡＩＭＳ装置の別の実施形態を示している。

【図１３Ａ】 図１２に開示されたＦＡＩＭＳ装置と類似の装置を含むシス
テムおよび飛行時間型（ＴＯＦ）質量分析計の概略図である。

【図１３Ｂ】 図１３ＡのＦＡＩＭＳ装置およびＴＯＦ質量分析計の制御の
ためのタイミング図を示している。

【図１３Ｃ】 図１３Ａに示されたシステムを用いて得られたＴＯＦ質量ス
ペクトルを示している。

【図１３Ｄ】 ２７．０μｓのＴＯＦ飛行時間に関して、イオンの補償電圧
スペクトルを示している。

【図１３Ｅ】 図１３Ａに示されたシステムの総合応答時間を決定するため
に設計された実験の結果をグラフに示している。

【図１３Ｆ】 図１３Ａのシステムを用いて、３次元イオントラップの実験
検証を示している。

【図１３Ｇ】 図１３Ａのシステムを用いて、３次元イオントラップの実験
検証を示している。

【図１３Ｈ】 ３つの補償電圧で１ｍｓ〜６０ｍｓの可変イオントラッピン
グ時間の場合のＴＯＦピークの強度を示している。

【図１３Ｉ】 ３つの補償電圧で１ｍｓ〜６０ｍｓの可変イオントラッピン
グ時間の場合のＴＯＦピークの強度を示している。

【図１３Ｊ】 ３つの補償電圧で１ｍｓ〜６０ｍｓの可変イオントラッピン
グ時間の場合のＴＯＦピークの強度を示している。

【図１４Ａ】 ３次元大気圧高電界非対称波形イオントラップの別の実施形
態を概略的に示している。

【図１４Ｂ】 ３次元大気圧高電界非対称波形イオントラップの別の実施形
態を概略的に示している。

【図１４Ｃ】 ３次元大気圧高電界非対称波形イオントラップの別の実施形
態を概略的に示している。

【図１５】 ＦＡＩＭＳアナライザ領域内の電圧の計算のために必要なＦＡ
ＩＭＳ装置の関連寸法を示している。

【図１６】 電界Ｅの関数として（Ｈ_２Ｏ）_ｎＨ^＋に関するＫ_ｈ／Ｋの比に
おける変化を示している。

【図１７】 （Ｈ_２Ｏ）_ｎＨ^＋の高電界移動度Ｋ_ｈを計算するために使用さ
れた元データの一部を示している。

【図１８Ａ】 図１６の曲線によって示された高電界特性に関するイオンの
軌跡を示している。

【図１８Ｂ】 図１６の曲線によって示された高電界特性に関するイオンの
軌跡を示している。

【図１８Ｃ】 図１６の曲線によって示された高電界特性に関するイオンの
軌跡を示している。

【図１８Ｄ】 図１６の曲線によって示された高電界特性に関するイオンの
軌跡を示している。

【図１９Ａ】 図１１Ａ〜図１１Ｄに記載されたＦＡＩＭＳ装置および方法
を用いて計算された内部電極の終端付近のイオン軌跡の計算結果を示している。

【図１９Ｂ】 図１１Ａ〜図１１Ｄに記載されたＦＡＩＭＳ装置および方法
を用いて計算された内部電極の終端付近のイオン軌跡の計算結果を示している。

【図１９Ｃ】 図１１Ａ〜図１１Ｄに記載されたＦＡＩＭＳ装置および方法
を用いて計算された内部電極の終端付近のイオン軌跡の計算結果を示している。

【図１９Ｄ】 図１１Ａ〜図１１Ｄに記載されたＦＡＩＭＳ装置および方法
を用いて計算された内部電極の終端付近のイオン軌跡の計算結果を示している。

【図１９Ｅ】 図１３に示されたＦＡＩＭＳ装置におけるさまざまなサンプ
ラコーン電圧を用いて、内部電極の終端付近のイオン軌跡の計算結果を示してい
る。

【図１９Ｆ】 図１３に示されたＦＡＩＭＳ装置におけるさまざまなサンプ
ラコーン電圧を用いて、内部電極の終端付近のイオン軌跡の計算結果を示してい
る。

【図１９Ｇ】 図１３に示されたＦＡＩＭＳ装置におけるさまざまなサンプ
ラコーン電圧を用いて、内部電極の終端付近のイオン軌跡の計算結果を示してい
る。

【図１９Ｈ】 図１３に示されたＦＡＩＭＳ装置におけるさまざまなサンプ
ラコーン電圧を用いて、内部電極の終端付近のイオン軌跡の計算結果を示してい
る。

【図１９Ｉ】 図１３に示されたＦＡＩＭＳ装置におけるさまざまなサンプ
ラコーン電圧を用いて、内部電極の終端付近のイオン軌跡の計算結果を示してい
る。

【図２０】 イオン捕捉または集束のための条件を確立するために設計され
たＦＡＩＭＳ装置の特殊形状の例を示している。

【図２１】 図１７に示されるような一連の補償電圧走査によって収集され
るデータに基づいて、（Ｈ_２Ｏ）_ｎＨ^＋に関する補償電圧および分散電圧の最適
な組合せをプロットしたグラフである。

【図２２Ａ】 所与のＦＡＩＭＳ装置のためのＦＡＩＭＳアナライザ領域に
沿って分散電圧ラジカルによる電界を示している。

【図２２Ｂ】 ＦＡＩＭＳアナライザ領域における複数のラジカル位置で、
互いに対してプロットされた分散電圧および補償電圧による電界を示すグラフで
ある。

【図２２Ｃ】 分散電圧および補償電圧に関する実際の状態および最適状態
の交わりを示しているグラフである。

【図２３】 ＦＡＩＭＳアナライザ領域に沿って、イオンを伝搬するための
区分されたＦＡＩＭＳ装置を示している。

【図２４】 ＦＡＩＭＳアナライザ領域内でイオンを捕捉するための区分さ
れたＦＡＩＭＳ装置の概略図を示している。

【手続補正書】

【提出日】平成１３年３月８日（２００１．３．８）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 ０９／３２１，８２０ (32)優先日 平成11年５月28日(1999．5．28) (33)優先権主張国 米国（ＵＳ） (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ， ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，Ｇ Ｄ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ， ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，Ｍ Ｋ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ， ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，Ｙ Ｕ，ＺＡ，ＺＷ (71)出願人 1500 Ｍｏｎｔｒｅａｌ Ｒｏａｄ、Ｏｔ ｔａｗａ、Ｏｎｔａｒｉｏ Ｋ１Ａ ０Ｒ ６ Ｃａｎａｄａ (72)発明者 パーブス ランディー ダブリュー． カナダ国、ケー１シー ２エム１ オンタ リオ、グロウセスター サンダウン シー アール．， 59−6247 Ｆターム(参考） 5C038 JJ02 JJ05 JJ07

Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 規定された３次元空間内で、イオンを選択的に伝搬し、前記
   イオンを捕捉するための装置であって、 ａ）イオンを生成するための少なくとも１つの電離源と、 ｂ）使用中に非対称波形電圧および直流補償電圧を供給することができる電気
   制御装置への接続のために少なくとも第１および第２の空間を隔てられた電極の
   間の空間によって規定されるアナライザ領域を含み、非対称波形電圧および直流
   補償電圧の所与の組合せで、前記電極の間の前記アナライザ領域において、選択
   されたイオンのタイプを選択的に伝搬するためであり、前記アナライザ領域が使
   用中に前記アナライザ領域を通じてガスフローを供給するためのガス注入口およ
   びガス放出口を備え、前記アナライザ領域が前記電離源によって生成されたイオ
   ンの流れを前記アナライザ領域に注入するためのイオン注入口をさらに含む高電
   界非対称波形イオン移動度分光計と、 ｃ）前記電極の少なくとも１つに設けられた曲面の終端であって、前記終端は
   、一部が前記ガス放出口に最も近い前記電極の前記１つの一部であり、前記規定
   された３次元空間が前記終端の付近に位置し、使用中に前記非対称波形電圧、前
   記補償電圧および前記ガスフローが、前記３次元空間内で前記伝搬されたイオン
   を捕捉するために調整可能であるようになっているような曲面の終端と、を含む
   装置。
2. 【請求項２】 前記第１および第２の電極が湾曲した電極本体を含み、その
   間に非一定の電界を形成し、それによって、使用中に前記イオンが、前記アナラ
   イザ領域における前記湾曲した電極本体間に形成される集束領域において選択的
   に集束される請求項１に記載の装置。
3. 【請求項３】 前記アナライザ領域を規定している前記電極間の前記空間が
   、ほぼ均一である請求項２に記載の装置。
4. 【請求項４】 前記終端が、実質的に球の一部である請求項３に記載の装置
   。
5. 【請求項５】 前記第１および第２の電極がその間の略環状空間を規定して
   いる外部および内部の略円筒の同軸に整列された電極本体を含み、前記環状空間
   が前記アナライザ領域を形成し、前記終端が前記内部円筒電極本体の端に形成さ
   れる請求項２に記載の装置。
6. 【請求項６】 前記アナライザ領域が前記アナライザ領域からイオンを抽出
   するためのイオン放出口をさらに含み、前記イオン放出口が前記終端および前記
   ３次元空間と実質的に整列し、それによって、使用中、前記３次元空間に捕捉さ
   れる前記イオンが前記イオン放出口を通って開放されることができる請求項２に
   記載の装置。
7. 【請求項７】 前記イオン放出口が、前記第２の電極における開口部によっ
   て規定される請求項６に記載の装置。
8. 【請求項８】 サンプラオリフィスを有する質量分析計をさらに含み、前記
   イオン放出口を出る前記イオンを収容するために、前記サンプラオリフィスが前
   記イオン放出口に隣接する位置に配置される請求項６に記載の装置。
9. 【請求項９】 ３次元空間内でイオンを選択的に伝搬し、捕捉するための方
   法であって、 ａ）イオンを生成するための少なくとも１つの電離源を設けるステップと、 ｂ）少なくとも第１および第２の空間を隔てられた電極間の空間によって規定
   されるアナライザ領域を設けるステップであって、前記アナライザ領域がガス注
   入口、ガス放出口およびイオン注入口と通信を行い、前記電離源によって生成さ
   れた前記イオンが、前記イオン注入口で前記アナライザ領域に注入されるように
   なっているステップと、 ｃ）前記電極の少なくとも１つに非対称波形電圧および直流補償電圧を供給す
   るステップと、 ｄ）前記アナライザ領域内のイオンの種類を選択的に伝搬するために、前記非
   対称波形電圧および前記補償電圧を調整するステップと、 ｅ）前記電極の少なくとも１つに設けられた曲面の終端を形成し、前記規定さ
   れた３次元空間が前記終端の付近に位置するようにするステップと、 ｆ）前記ガス注入口から前記ガス放出口まで流れている前記アナライザ領域内
   のガスフローを形成し、前記規定された３次元空間内部および付近で、前記伝搬
   されたイオンを捕捉するために、前記ガスフローを調整し、前記ガス放出口が前
   記終端付近に位置するようにするステップと、を含む方法。
10. 【請求項１０】 前記アナライザ領域が、実質的に大気圧および実質的に室
    温である請求項９に記載の方法。
11. 【請求項１１】 前記非一定電界が、前記第１および第２の電極の間に形成
    され、それによって、前記イオンが前記電極間に形成される集束領域において、
    選択的に集束される請求項９に記載の方法。
12. 【請求項１２】 イオン放出口を設け、前記捕捉されたイオンを抽出するた
    めに前記イオン放出口に抽出電圧を供給するステップをさらに含み、前記イオン
    放出口が前記終端および前記規定された３次元空間と実質的に整列される請求項
    １１に記載の方法。
13. 【請求項１３】 捕捉状態に近い状態を形成するために、前記非対称波形電
    圧、前記補償電圧および前記ガスフローの少なくとも１つをさらに調整するステ
    ップをさらに含み、それによって、前記集束されたイオンが前記終端の曲面をた
    どりやすく、前記イオン放出口に向かってほぼ放射方向の内側に向けられる請求
    項１１に記載の方法。
14. 【請求項１４】 前記非対称波形および前記補償電圧が、前記第１および第
    ２の電極の１つに印加され、前記第１および第２の電極のもう一方が前記非対称
    波形および前記補償電圧に関係のない電圧に維持される請求項１１に記載の方法
    。
15. 【請求項１５】 規定された３次元空間内でイオンを選択的に集束し、前記
    イオンを捕捉するための装置であって、 ａ）イオンを生成するための少なくとも１つの電離源と、 ｂ）使用中に非対称波形電圧、直流補償電圧および直流セグメントオフセット
    電圧を供給することができる電気制御装置への接続のために、第１および第２の
    空間を隔てた電極の複数の対応する組の間の空間によって規定されるアナライザ
    領域を含み、前記第１および第２の空間を隔てた電極の複数の対応する組のそれ
    ぞれがセグメントを形成し、前記セグメントが直に隣接する行に整列され、互い
    から電気的に絶縁され、前記アナライザ領域が前記電離源によって生成されたイ
    オンの流れを上記のアナライザ領域に注入するためのイオン注入口を有する区分
    された高電界非対称波形イオン移動度分光計と、を含む装置。
16. 【請求項１６】 各セグメントの前記第１および第２の電極がその間に非一
    定の電界を設ける湾曲した電極本体を含み、前記イオンが前記アナライザ領域の
    前記湾曲した電極本体の間に形成される集束領域において選択的に集束される請
    求項１５に記載の装置。
17. 【請求項１７】 各セグメントの前記第１および第２の電極がその間に形成
    される略環状空間と同軸に整列される外部および内部の略円筒電極本体を含み、
    前記環状空間が前記アナライザ領域を規定する各セグメントのそれぞれにおいて
    集合的に形成する請求項１６に記載の装置。
18. 【請求項１８】 規定された３次元空間内で、イオンを選択的に集束し、前
    記イオンを捕捉するための方法であって、 ａ）イオンを生成するための少なくとも１つの電離源を設けるステップと、 ｂ）第１および第２の空間を隔てた電極の複数の対応する組の間の空間によっ
    て規定されるアナライザ領域を設け、第１および第２の電極の間に非一定電界を
    形成し、第１および第２の空間を隔てた電極の前記複数の対応する組のそれぞれ
    がセグメントを形成し、前記セグメントが互いに直に隣接する行に整列され、互
    いから電気的に絶縁され、前記アナライザ領域が前記イオン注入口と通信を行い
    、前記イオン注入口で前記電離源によって生成された前記イオンを前記アナライ
    ザ領域に注入するステップと、 ｃ）前記セグメントのそれぞれにおいて、前記第１および第２の間隔を隔てた
    電極の１つに非対称波形電圧を供給するステップと、 ｄ）前記セグメントのそれぞれにおいて、前記第１および第２の間隔を隔てた
    電極の１つに直流補償電圧を供給するステップであって、前記セグメントのそれ
    ぞれに供給される前記直流補償電圧が独立に調整可能であるようになっているス
    テップと、 ｅ）前記セグメントのそれぞれにおいて、前記第１および第２の間隔を隔てた
    電極のもう一方に直流セグメントオフセット電圧を供給するステップであって、
    前記セグメントのそれぞれに供給される前記直流セグメントオフセット電圧が独
    立に調整可能であるようになっているステップと、 ｆ）前記非対称電圧、前記直流補償電圧および前記直流セグメントオフセット
    電圧の所与の組合せで、前記セグメントのそれぞれにおいて、第１および第２の
    電極の対応する各組の間で所望のイオンを集束するために、前記直流補償電圧お
    よび前記直流セグメントオフセット電圧を実質的に等しく調整し、それによって
    前記セグメントのそれぞれにおいて、第１および第２の電極の対応する各組に沿
    って、一定の直流電位を供給するステップと、を含む方法。
19. 【請求項１９】 イオンをセグメントの間に移動させるために、隣接セグメ
    ントの間に直流電位を形成するステップをさらに含む請求項１８に記載の方法。
20. 【請求項２０】 低めの直流電位を有するセグメントが高めの直流電位を有
    する少なくとも２つのセグメントの間に設けられ、それによって、イオンが低め
    の直流電位を有する前記セグメントの第１および第２の電極の間にある集束領域
    で捕捉される請求項１９に記載の方法。
21. 【請求項２１】 隣接セグメントの間の直流電位が第１の方向において減少
    する勾配を形成し、前記集束されるイオンを前記第１の方向に移動させるように
    なっている請求項１９に記載の方法。
22. 【請求項２２】 前記第１の方向に実質的に対向する第２の方向へのガスフ
    ローを形成し、前記ガスフローを調整し、中間のセグメント前記集束されるイオ
    ンを捕捉するようになっているステップをさらに含む請求項２１に記載の方法。