JP2010508642A - イオン移送装置 - Google Patents

Abstract

交互に並んだ、第１の複数の環電極（２０５）と第２の複数の環電極（２１０）とを備えた電極集合体（１２０）を含む、質量分析計の圧力の高い領域と低い領域との間でイオンを輸送するためのイオン移送装置である。第１複数環電極（２０５）は、長手方向において第２複数環電極（２１０）よりも狭いが、第１複数環電極は、そこに印加された、第１極性の相対的に高い電圧を持ち、一方、第２複数環電極（２１０）は、そこに印加された、第１組環電極（２０５）に印加されている電圧と反対の極性の、相対的に低い電圧を持っている。この方法では、イオン移送装置を通過するイオンは、イオンをチャネル壁の内側表面から遠ざけ、チャネル対称面または対称軸に向かって収束する、空間的に交互に並んだ非対称電界を受ける。

Description

本発明は、質量分析計内でイオンを輸送するためのイオン移送装置、より詳細には、大気圧イオン化源から高真空の質量分析計真空チャンバへイオンを輸送するための、イオン移送装置に関する。

キャピラリとしても知られるイオン移送管は、質量分析技術において、大気圧またはその付近に保たれているイオン化チャンバと、減圧下に保たれている第２チャンバとの間でイオンを移送するものとして良く知られている。イオン移送チャネルは典型的に、イオン化チャンバに向いて開いている吸込端と、第２チャンバに向いて開いている排出端とを備えた、細長い管（キャピラリ）の形状を取ると一般的に示されている。イオンは、荷電および非荷電粒子（例えば、エレクトロスプレーまたはＡＰＣＩプローブからの部分的に脱溶媒和した(desolvated)液滴、あるいは、レーザー脱離またはＭＡＬＤＩ源からのイオンと中性粒子（ニュートラル：neutrals）と基質(Substrate)／マトリックス(Matrix)）、バックグラウンドガスと共に、イオン移送キャピラリの吸込端に入り、圧力勾配の影響を受けながらその全長を移動する。その後、イオン／ガス流は、自由噴射膨張(free jet expansion)として、イオン移送管から吹き出す。続いて、イオンはスキマーコーンの開口部を通り、連続的に圧力の低下する領域を通り抜けた後、質量スペクトルを取るための質量分析器に到達する。

既存のイオン移送装置では損失が大きいため、イオン源から生じたこれらのイオンの大部分は、イオン移送装置を通過して、次の質量分析の段階に到達することができない。

この問題に対しては、多くの取り組みが成されている。例えば、イオン移送管を加熱して残留溶媒を蒸発させ（これにより、イオン生成が向上する）、溶媒−分析物付加化合物を解離させる。スプレーが移送チャネルに入る前の脱溶媒和を進めるための、加熱ガスの向流も提案されている。イオン移送チャネルの下流にある質量分析計のイオン光学系が実質的に受け取る、イオン源からのイオン数を最大とするため、試料スプレー、キャピラリ管、およびスキマーの配列や位置決めについて、様々な手法が実践されている。

イオン移送管に入ったイオンの大部分は、管壁との衝突で失われることが観測されている（例えば、Sunnerら、J. Amer. Soc. Mass Specrometry, V.5, No.10, pp.873-885 (October 1994)参照）。これは質量分析器に到達するイオンの数を減らし、計器感度に悪影響を及ぼす。更に、誘電体から成る管では、イオンと管壁との衝突によって電荷蓄積を生じ、イオンが管に流れ込んで通過するのを妨げる。先行技術には、イオンと管壁との相互作用を減らすことで、あるいは、荷電効果を減らすことでイオン損失を少なくしようとする、多くのイオン移送管の設計が含まれている。例えば、Franzenによる、米国特許第５，７３６，７４０号は、軸方向ＤＣ電界を加えて、ガス流に対してイオンを減速することを提示している。この参考文献によれば、ガス流の（イオンに対する）放物線速度プロフィールは、管中心線へイオンを収束する気体力学的力を生じる。

その他の先行文献（例えば、Fischerによる、米国特許第６，４８６，４６９号）は、例えば、電荷シンクに繋がる入口部分を導電性材料の層で被覆することで、誘電体の管の荷電を最小とする技術に関するものである。

もう一つの取り組みは、大気中から中心軸へ向けて入ってくるイオンを漏斗状に狭めるる“ファンネル”である。イオン移送キャピラリの後、真空条件下で作動するイオンファンネルの概念は、米国特許第６，１０７，６２８号に初めて発表され、後に、Belovらによる、J. Am. Soc. Mass Spectrom 200, Vol 11, pages 19-23 に詳細に述べられている。最新のイオンファンネル技術は、米国特許第６，ｌ０７，６２８号、Tangらによる、"Independent Control of Ion transmission in a jet disrupter Dual-Channel ion funnel electrospray ionization MS interface", Anal. Chem. 2002, Vol 74, p5431-5437,（デュアル型ファンネル装置を示している）、Pageらによる、"An electrodynamic ion funnel interface for greater sensitivity and higher throughput with linear ion trap mass spectrometers", Int. J. Mass Spectrometry 265(2007) p244-250,（線形トラップ四重極（ＬＴＱ）装置での使用に適応させたイオンファンネルを述べている）に記載されている。残念ながら、イオンファンネルの有効作動範囲は、およそ４０ミリバール（４０ｈＰａ）、すなわち、大気圧の４％のガス圧までしか伸ばせない。

大気圧への開口部を持つファンネル（漏斗）型デバイスは、Kremerらによる、"A novel method for the collimation of ions at atmospheric pressure", J. Phys D:Appl Phys. Vol 39(2006) p5008-5015に開示されているが、ここでは、静電気によってイオンを収束する（平行にする）ため、フローティングエレメント受動イオンレンズを用いている。しかし、これは、大気圧と前真空（フォアバキューム：forevacuum）との間の圧力領域でのイオン収束を論点としているものではない。

更に別の装置が、Willoughbyらによる、米国特許第６，９４３，３４７号に述べられており、これは、軸方向に導電性電極の層が交互に並んだ層状管構造を提示している。導電性電極に加速電位を印加して、入口領域へ侵入する電界を最小とし、また、電界の減少から生じる分散効果を粘性力が十分に上回るようになるまで、電界拡散を遅らせる。これはイオン損失の減少に役立つように見えるが、実際に中心軸にイオンを収束するには常に軸方向電界を大きくする必要があると考えられ、これは、低圧ではブレークダウンのため技術的に不可能となる。

更にその他の先行文献（例えば、Fischerによる、米国特許第６，４８６，４６９号）は、例えば、電荷シンクに繋がる入口部分を導電性材料の層で被覆することで、誘電体の管の荷電を最小とする技術に関するものである。

前述の取り組みのいくつかは、イオン損失の減少、および／または、イオンと管壁との衝突から生じる悪影響の軽減には部分的に成功しているが、収束力は、特に、イオンビーム内にかなりの空間電荷があり、管が相当長いとするならば、イオンを壁から離して保つにはあまりに不足している。後者の要求は、エレクトロスプレーまたはＡＰＣＩイオン源によって形成されたクラスタの脱溶媒和の必要性から生じる。別の装置では、管を、簡単な開口部に置き換え、この開口部の前に脱溶媒和領域を設けなければならない。しかし、この領域での気体速度は管内部より著しく遅いため、空間電荷効果によって多くの損失が生じる。このため、当該技術においては、イオン損失がより少なく、より広範囲の実験条件および試料の種類で使用可能なイオン移送管の設計が求められている。

この背景に対して、また本発明の第１の態様に従って、

相対的に圧力の高い領域と相対的に圧力の低い領域との間でイオンを輸送するためのイオン移送装置を提示する。

この装置は、長手方向軸を持つイオン移送チャネルを構成しているＤＣ電極集合体であって、このＤＣ電極集合体は、長手方向軸に沿って第１の距離Ｄ１に亘って延びる第１の複数の電極と、前記第１複数電極と交互に並んだ、長手方向軸に沿って第２の距離Ｄ２＞Ｄ１に亘って延びる第２の複数の電極とを含んでいる、ＤＣ電極集合体と、第１の極性のＤＣ電圧＋Ｖ_１を第１複数電極に印加し、電極集合体の長手方向の平均電圧分布に対して第２の極性のＤＣ電圧−Ｖ_２（｜Ｖ_１｜＞｜Ｖ_２｜）を、第２複数電極に印加するための手段と、を含むものである。本発明の第２の態様に従って、相対的に圧力の高い領域と相対的に圧力の低い領域との間でイオンを移送する方法を提示する。この方法は、長手方向にイオン移送チャネルを構成しているＤＣ電極集合体を形成するよう、長手方向に第１の幅Ｄ１を持つ第１組の電極と、長手方向に第２の幅Ｄ２（Ｄ１＜Ｄ２）を持つ第２組の電極とを、交互に配置する工程と、第１のＤＣ電圧Ｖ_１を第１組電極に印加する工程と、ＤＣ電極集合体の長手方向の平均電圧分布に対して反対の極性の、第２のＤＣ電圧Ｖ_２（｜Ｖ_１｜＞｜Ｖ_２｜）を、第２組電極に印加する工程と、を含み、幅Ｄ１およびＤ２、電圧Ｖ_１およびＶ_２は、相対的に電界の高い領域と相対的に電界の低い領域とが、イオン移送チャネル内に連続的に交互に並んで発生するように選び、それぞれの高電界領域は、長手方向に、それぞれの低電界領域よりも短い。

大まかに言うと、本発明の１つの実施の形態に従って構成したイオン移送チャネルは、周期的電極構造体を用いて空間的に交互に並んだ非対称電界を発生し、この電界は、チャネル壁の内側表面からイオンを遠ざけ、チャネルの対称面または対称軸に向けて収束する。第１複数電極は、第２複数電極と交互に配置されており、第１複数電極の幅（軸方向）は、第２複数電極の幅に比べて著しく小さい。第１および第２ＤＣ電圧が、それぞれ第１および第２複数電極に印加され、第１電圧は、第２ＤＣ電圧よりも著しく大きく、また反対極性を持つ。ここでいうＤＣ電圧の極性とは、流路に沿って平滑化した（即ち、空間的周期に亘って平均した）電位分布を指し、対応する電位より大きい、または小さいＤＣ電圧は、それぞれ陽極性または陰極性を持つと見なす。チャネル内側表面に近い領域を通ってイオン移送チャネル中を移動するイオンは、交互に高および低電界強度条件を連続的に受けるが、第１複数電極の幅は相対的に小さいため、高電界強度条件の持続時間は、低電界強度条件よりも著しく短い。チャネル内でのイオンまたは他の荷電粒子の正味半径方向運動は、高および低電界におけるその移動度の間の関係に応じて変わると考えられる。Ａ型イオン（電界強度に対してイオン移動度が正の依存性を示すもので、目的とする多くの分析物、特に、低分子量のイオンが含まれる）では、第１ＤＣ電圧の極性をイオン極性に合わせることで、イオンを、チャネル内側表面から遠ざけ、チャネル中心線へ向けて移動させることができる。

前述のイオン移送チャネルの実施の形態は、質量分析計の相対的に圧力の高い領域で使用でき、ここでは、チャネルを通るイオン運動はガス流条件によって支配され、また規定される。多くの場合、チャネルを通る流れは、全ての質量のイオンおよび分子について、ほぼ一定の速度であるという特徴を持つ。正味の（即ち、平滑化した）ＤＣ勾配によって力を加えることができる。イオン移送チャネルの作動を成功させるには、一般に、チャネル内でのイオンの平均自由行程を、電極の寸法によって規定される周期よりも著しく短く（数百〜数千分の一）する必要があると考えられる。このような条件下では（典型的に、数百〜１０００ｍｂａｒ（数百〜１０００ｈＰａ）のオーダー）、従来のＲＦイオンガイド（例えば、Smithらによる、米国特許第６，５８３，４０８号の、ＲＦのみの多極またはイオンファンネル）では効率が悪く、伝達を向上させることができない。このような場合、本発明のイオン移送チャネルは、先行技術のものより、作動において著しい長所を提示する。

前述の実施の形態の変形において、収束／ガイド構造体は、多数の環電極から構成されており、隣り合う環電極に反対極性のＤＣ電圧を印加する。環電極の寸法（幅および内径）は、イオントンネル中を移動するイオン（ガス流中に同伴されている）が、従来の高周波（ＲＦ）電界に近い振動数で交互に変化する電界を受け、イオンが、ＲＦイオンガイド中で収束されるように流れ中心線に収束されるよう選択する。環電極を、少なくとも１つの方向変化（例えば、９０度の湾曲）を備えた流路を構成するよう配置し、イオン−中性粒子の分離を促しても良い。この実施の形態は、数十ｍｂａｒ（数十ｈＰａ）の圧力領域内でのイオンの輸送に、特に向いている（また実際に、望ましいと考えられる）。

本発明の更にその他の特徴および長所は、添付の請求項および以下の記述より明らかとなろう。

本発明の第１の実施の形態による、イオン移送装置を示す断面図である。 図１のイオン移送装置のイオン入口領域の例を示す断面図である。 流れを最適化するための空力レンズを備えた図２のイオン入口領域を示す断面図である。 図２および３のイオン入口領域の、形を作った実施の形態の筐体の例を示す図である。 図２および３のイオン入口領域の、形を作った実施の形態の筐体の例を示す図である。 図２および３のイオン入口領域の、形を作った実施の形態の筐体の例を示す図である。 図４ｂに示した形状を備えたイオン入口領域を更に詳細に示す断面図である。 図４ｂに示した形状を備えたイオン入口領域を更に詳細に示す断面図である。 図１のイオン移送装置の一部を成す、交互に変化する電圧（alternating voltage）の導管の第１の実施の形態を示す断面図である。 交互電圧導管の第２の実施の形態を示す断面図である。 図７および８の交互電圧導管の別の実施の形態を示す上面図である。 本発明による、イオン移送装置の別の実施の形態を示す断面図である。 本発明による、イオン移送装置の別の実施の形態を示す断面図である。 本発明による、イオン移送装置の別の実施の形態を示す断面図である。 本発明による、イオン移送装置の別の実施の形態を示す断面図である。 イオン移送装置を通るイオンの代表的な軌跡を示す図である。

図１は、大気圧のイオン源（例えば、エレクトロスプレー）と、それに続く、質量分析の１つ以上の段階が置かれている、真空チャンバの高真空との間でイオンを運ぶための、本発明の様々な態様を具体的に示す、イオン移送装置を表している。図１において、エレクトロスプレー源、大気圧化学イオン化（ＡＰＣＩ）、または大気圧光イオン化（ＡＰＰＩ）源など（但し、これらに限定しない）のイオン源１０は大気圧下に置かれている。これは、公知の方法でイオンを発生し、イオンは入口開口部３０を通ってイオン移送装置（一般に、参照番号２０で示す）に入る。次に、イオンは、排気される第１の輸送チャンバ４０（以後、膨張チャンバ４０と呼ぶ）を通過して、イオン導管６０を含んでいる第２の真空チャンバ５０に入る。導管６０を出たイオンは、イオン移送装置の出口開口部７０を通過し、ここで（一連のイオンレンズ（図示せず）を経て）質量分析の第１段階（以後、ＭＳ１と呼ぶ）８０に入る。当業者には容易に理解されるように、通常、ＭＳ１の後には、質量分析の次の段階（ＭＳ２、ＭＳ３．．．）が続くが、これらは本発明の一部を成すものではなく、明瞭にするため、図１には示していない。

以下に、図１のイオン移送装置２０中のコンポーネントの配置をより詳しく説明する。この配置をより良く理解するため、まず、大気圧と前真空（およそ、約１〜１０ｍｂａｒ（約１〜１０ｈＰａ）以下）との間の異なる圧力領域でイオンを輸送する方法について一般論を述べる。

図１のイオン輸送装置２０中の、またはこれを取り囲んでいる異なる圧力領域において、イオン輸送は特徴的に異なっている。無論、実際に圧力は、イオン源とＭＳ１ ８０との間のどの点においても即時に変化しないが、それでもなお、それぞれイオン輸送特性の異なる５つの明確な圧力領域が定義できる。５つの領域は、図１中で次のように示されている。

領域１：ＭＳ１の入口イオン光学系が置かれている、圧力がおよそ１〜１０ｍｂａｒ（１〜１０ｈＰａ）以下の領域。この領域は、本発明の対象ではない。

領域５：大気圧の領域であって、動的流れによりほぼ支配されており、エレクトロスプレーまたは他の大気圧イオン化源本体である。領域１と同じく、本発明の直接の対象ではない。

これより、領域２、３、および４が残る。

領域４：イオン輸送装置２０への入口オリフィス３０の付近である。

領域２：導管６０の置かれている領域であり、ＭＳ１へのイオン輸送装置２０の出口開口部７０に境を接している。

最後に、領域３：イオン輸送装置２０の入口オリフィス３０（領域４）と上記の領域２との間の領域である。

典型的な市販のキャピラリの、イオン輸送装置に流れ込むイオン流（入口オリフィス３０における）の測定値は、Ｉ_０の範囲が、およそ２．５ｎＡであることを示している。これより、流入ガス流の値Ｑ＝８ａｔｍ・ｃｍ^３／ｓ、導管の内径が０．５ｍｍであることから、初期電荷密度ρ_０の範囲は、０．３〜１×１０^−９Ｃ／ｃｍ^３＝０．３〜１×１０^−３Ｃ／ｍ^３と推定される。導管内でのイオンの滞留時間ｔ＝０．１１３ｍ／５０ｍ／ｓ、およそ２×１０^−３ｓ、大気圧での平均イオン移動度の値Ｋ＝１０^−４ｍ^２／sであることから、空間電荷斥力による伝達効率の限界は、次の式で求められる。

つまり、イオン流を向上させるには（これが本発明の態様の目的である）、導管中におけるイオン移動度とイオン滞留時間を最適化することが望ましい。

大気圧イオン化（ＡＰＩ）源でのイオン損失の大部分は、インターフェースの入口オリフィス３０の前にあるイオン化チャンバ内で起きている。このイオン損失の割合は、ＡＰＩ源のTaylorコーンから入口オリフィス３０までのイオン／液滴ドリフト時間より求める。入口オリフィス３０付近でのガス流速分布は、次の式で表せる。

式中、ｄは、導管の直径であり、Ｒは、その点から入口オリフィス３０までの距離であり、Ｃは定数であり、ΔＰは圧力低下である。イオン速度は、Ｖ_ｉｏｎ＝Ｖ_ｇａｓ＋ＫＥであって、式中、Ｋはイオン移動度であり、Ｅは電界強度である。Ｋを、約１０^−４ｍ^２／ｓ、Ｅを、約５×１０^５Ｖ／ｍとすると、電界によって生じる速度は、約５０ｍ／ｓとなる。内径０．５ｍｍの導管中でのガス流速はほぼ同じ値であるが、入口オリフィス３０から５ｍｍの距離では、ガスと共に移動するイオンは、電界中での移動より約１０倍も遅くなる。このため、この領域でのイオン滞留時間は、１０^−４ｓの範囲であり、上記の式（２）による空間電荷斥力のため、イオン損失は約５０％となる。

言い換えると、イオン移送装置の解析的考察より、空間電荷斥力が主なイオン損失機構であることが示唆される。イオン伝達効率を決定する主なパラメータは、導管中でのイオン滞留時間ｔと、イオン移動度Ｋである。つまり、イオン輸送効率を高める１つの方法は、ｔを小さくすることと考えられる。しかし、ｔには一連の制限がある。
１．液滴を蒸発させるために必要な時間
２．ガス流が層流から乱流に変わる臨界速度
３．ガス流が音速まで加速された際の衝撃波の出現。これは特に、領域５から領域１にかけて大きな圧力低下（およそ１０００ｍｂａｒ（１０００ｈＰａ）から１ｍｂａｒ（１ｈＰａ）へ）が起こる場合である。

図１に戻って、イオン輸送装置の望ましい実施の形態を更に詳細に述べる。使用した形状および配置は、先に確認したイオン輸送効率の制限に対処しようとするものである。

検討すべき最初の領域は、それぞれ、入口開口部３０の付近および膨張チャンバ４０を構成する、領域４および３である。

入口オリフィス３０前でのイオン損失に対処するには、入口オリフィス３０に流れ込むガス流を増やすことが望ましい。これは、上記の分析に従い、所定のイオン流では、イオン輸送装置へ入るときのガス流速が大きいほど、より大量のガスが捕捉でき、このガスが飽和までイオンで充たされているとすれば、より多くのイオンを捕捉することができる。領域３および４での滞留時間を短くすると、イオン流は、超音速ほどではないが、速く適当な状態になる。

このように、ＡＰＩ源１０と導管６０への入口との間を最適とし、または、コンポーネントを加えることで、領域４および３における改良が可能である。大気圧の領域５と領域２との間を接続する領域４および３は、望ましくは、一般に、対象とする殆どの分析物において、窒素分子より４〜１０倍以上重いイオンを、気体力学的に収束する。

領域５と２との間の流れが超音速になると、予期しないイオン損失を生じることがあるため、第１の目的はその回避である。この目的は、膨張チャンバ４０内に設けられた入口ファンネル４８を使用することで達成できる。このようなファンネル４８は、中心口径の異なる一連の平行板として図１に示されており、このような装置（およびそのいくつかの代替物）の目的は、図２〜４に関連して、後に述べられている。望ましくは、ファンネル４８は短く（実際には、図１に示されているようなセグメント配置では、短ければおよそ３ｍｍが可能である）、望ましくは長さ１ｃｍ以下である。

膨張チャンバ４０は、膨張チャンバのポンピングポート４５に接続した、ダイヤフラム、抽出、またはスクロールポンプ（図示せず）で、３００〜６００ｍｂａｒ（３００〜６００ｈＰａ）付近まで排気することが望ましい。イオンファンネル４８を適当な形状とすることで、膨張チャンバ４０吸入時のイオンの膨張を、衝撃波が全く発生しないよう、あるいは発生を制御するよう調節可能である。

先の、Sunnerらの参考文献に示されているように、スプレー流が遅くても、大気圧イオン源（例えば、エレクトロスプレーまたはＡＰＣＩ）は空間電荷が制限される。最も高い電界を加えても、ＡＰＩ源は、０．１〜０．５×１０^−９クーロン／（ａｔｍ．ｃｍ^３）以上を運べないことが、本発明者らにより実験的に確認されている。ナノスプレー源であっても、この流れの大半を捕捉するには、入口開口部３０の直径を少なくとも０．６〜０．７ｍｍとし、その後に強力な加速および収束電界（全電圧低下を、電気的破壊が始まるより低く保つ必要があるが）を必要とする。

図２は、この強力な加速および収束電界を得るための、簡単な装置の略図である。ここでは、吸込口３０は、第１のＤＣ電圧Ｖ１に保たれ、一方、膨張チャンバ４０内であるが、導管６０への入口に隣接している平板電極９０は電圧Ｖ２に保たれている。電圧を印加した吸込口３０と平板電極９０とが共に、簡単なイオンファンネル４８を構成する。図２の平板電極には中心開口部があり、一般に、導管６０の内径と同じ大きさで、同一線上にあり、これがイオンを導管６０へ注ぎ込む働きをする。開口部３０と平板９０との間の電界は、荷電粒子を効果的に加速し、また荷電粒子は粘性流中であっても力線と平行に移動する傾向があるため、荷電粒子は、開口部のフリンジ電界により導管中に引き込まれる。この電気的に促進された導管領域への加速は、一般に望ましい。

図２の簡単な装置の発展として、電圧Ｖ１の入口オリフィス３０と電圧Ｖ２の平板電極との間の膨張チャンバ４０内の空間に、イオンレンズまたは空力レンズ、あるいはこの二つを組み合わせたものを更に設けることができる。図３は、この概略図を示したものであり、平板電極のアレイ１００を、入口オリフィス３０と平板電極９０との間に設置して、イオンファンネル４８を構成する。平板電極のアレイ１００を形成する各電極には、入口オリフィス３０および平板電極９０の開口部と一般に同軸の中心開口部があるが、それぞれの直径は異なっている。平板電極のアレイ１００によって、様々な異なる形状を描くことができる。最も簡単なケースでは、導管へ向かうファンネルは、フレア型に広がっているだけである（直線テーパー）。この概略図を図４ａに示すが、これは、Wuら、"Incorporation of a Flared Inlet Capillary tube on a Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance Mass Spectrometer", J. Am. Soc. Mass Spectrom. 2006 Vol 17, p 772-779 に更に詳細に述べられている。その他の形状の同じく大まかな概略図も、図４ｂおよび４ｃに示すが、これらはそれぞれ、ジェットノズル形（ベンチュリ装置−Zhouら（Zhou, L.; Yue, B.; Dearden, D.; Lee, E.; Rockwood, A. & Lee, M. Incorporation of a Venturi Device in Electrospray Ionization, Analytical Chemistry, 2003. 75, 5978-5983）参照）およびトランペット形または指数関数形の吸込口である。

このように、図２から図４の装置（および、図１の膨張チャンバ４０内に示されている装置）の効果により、導管６０に向かうセグメント化されたファンネル入口ができる。いずれの場合にも、入口開口部３０は、収束チャネルの直径より小さいかもしれないが、大量のガスが流れるには十分に大きい。イオンファンネルの形を作る目的は、ファンネル出口と導管６０の入口との間の容積を、ジェットセパレータ（ガスクロマトグラフ装置に接続した質量分析計で現在でも広く使われている装置）に似たものに変えることである。分析物の分子はキャリアガス（一般に、窒素）の分子より著しく重いため、膨張後の発散は、キャリアガスより遙かに小さい。即ち、空力収束が起こる。この効果は、特に、必要な電圧が、貴ガス類の低いグロー放電限界に対応するよう十分低い場合には、キャリアガスの少なくとも一部をヘリウムとすることで更に促進することができる。この結果、チャネル直径がファンネルの直径よりあまり大きくなく、例えば、内径０．８〜１．２ｍｍであっても、イオンを、軸の近くに保ち、収束チャネルの中心部分に送り込むことができる。この直径は通常のキャピラリよりは大きいが、始動圧力は１／２〜１／３であるため、現在使われているものと同様のポンプ容量、例えば、２８〜４０ｍ^３／ｈの真空ポンプをファンネルの端に用いることはまだ可能であろう。同時に、ファンネル４８内部のイオンを積極的に収束することで、それに続く導管６０の長さを、損失を起こさずに大きくできる。これは同様に、残留している液滴やクラスタの脱溶媒和も進める。その結果、試料流量を、より多く、ナノスプレーの流量よりも遙かに多い範囲にまで広げることができる。

空力レンズの一例に過ぎないが、ジェットセパレーションの非常に簡単な例を、図９ａ〜ｄの実施の形態の一部と関連して後に論じる。

望ましい実施の形態の領域４および３の装置に更に付け加える、あるいはその代わりとなるものとして、イオンファンネル４８に、チャネル内部の１つ以上の場所に境界層の補助ポンプを加え、チャネルに沿った圧力低下を制限するなどしても良い。このようなファンネル４８に沿って強い電界を保つため、これらのポンピングスロットを、異なる電位の薄板間の隙間として用いることができる。

再び図１を参照として、領域２の配置（即ち、膨張チャンバ４０とＭＳ１ ８０への出口オリフィス７０との間の領域）を更に詳細に述べる。

真空チャンバ５０内に設置され、イオン移送装置の領域２を構成している導管６０は、３つの独立したコンポーネント、ヒーター１１０と、一組のＤＣ電極１２０と、一般に１３０で示され、以下に更に詳細に述べる、差動ポンピング装置とから成る。これらのコンポーネントは、それ独自の機能と長所をそれぞれ備えているが、共に使用すると互いに相乗的な効果が更に得られることを理解すべきである。言い換えれば、これらの３つのコンポーネントのいずれか１つ、または２つを用いてもＭＳ１への正味のイオン流は向上するが、この３つを全て組み合わせれば最大の向上が得られる。

ヒーター１１０は、導管６０の長手軸に沿って延びた、ＤＣ電極の組によって構成されているチャネルの周囲に巻いた抵抗線として、公知の方法で形成される。巻き線は、チャネル１１５と直接熱的接触しており、あるいは、代わりに、チャネル１１５と離して設け、ヒーター１１０の巻き線に電流を通して、チャネル内のガス流を放射または対流加熱しても良い。実際、別の装置では、チャネル１１５内のガス流に向けて内側へ熱を放射するよう、ヒーター巻き線を、差動ポンピング装置１３０中またはその上に形成しても良い。更に別の装置では、ヒーターも、ＤＣ電極１２０（抵抗体は対応できるよう準備する）で構成することができ、これについては後に更に検討する。当業者には、更に別の装置も明らかであろう。

イオン移送チャネル１１５を加熱すると、それを通って流れるガス流の温度が上がるため、残留溶媒の蒸発と、溶媒イオンクラスタの分解が促進され、ＭＳ１ ８０に到達する分析物イオンの数が増加する。

図５は、ポンピングを向上させるための設備４８を備えた、積み重ね型平板電極のポンピングされている導管の入り口領域として、図４ｂに描かれている形状の実施の形態を示したものである。示されている平板電極は、ＤＣ、交互（alternating）ＤＣ、またはＲＦで稼働可能であり、ポンピングと、入口開口部の適当な形状により、全ての場合において伝達が向上することを理解すべきである。

ＤＣ電極１２０の組の実施の形態について述べる。これらの概略図は、図１に縦断面図として一度示されているが、別の実施の形態を、図６および７に拡大して詳細に示す。それぞれの場合において、同じ参照番号は同じ部品を示している。

図１および６を参照とするならば、ＤＣ電極１２０の目的は、ＤＣ電極１２０自体によって構成されているチャネル１１５の壁とイオンとの相互作用を小さくすることである。これは、イオンを、チャネル壁の内側表面から離して、チャネル中心線へ向けて収束する、空間的に交互に並んだ非対称の電界を発生させることで達成される。図１および６は、このような電界を生じるため、一組のＤＣ電極１２０を用いてどのようにイオン移送チャネル１１５を構成するかの例を示す縦断面図である。イオン移送チャネル１１５は、交互に並んだ、第１の複数の電極２０５（ここでは、後に明らかになる理由により、“高電界強度電極”またはＨＦＥと呼ぶ）と、第２の複数の電極２１０（ここでは、“低電界強度電極”またはＬＦＥと呼ぶ）とから構成されている。個々のＨＦＥ２０５およびＬＦＥ２１０は環状であり、ＨＦＥ２０５とＬＦＥ２１０の内側表面が集合して、イオン移送チャネル壁の内側表面を構成する。隣接する電極は、間隙または絶縁層によって互いに電気的に絶縁されているため、後に述べる方法で異なる電圧を印加することができる。１つの具体的な実施の形態では、電気的絶縁は、複数の電極（例えば、ＬＦＥ）の１つの外側表面に、またはその付近に、絶縁材（例えば、酸化アルミニウム）の層を形成することで行うことができる。図６に示すように、ＨＦＥ２０５とＬＦＥ２１０を、外側管状構造体２１５で取り囲んで、構造完全性、気密性を与え、また集合体としても良い。しかし、図１の望ましい実施の形態では、外側管状構造体を省いても良く、あるいは、外側管状構造体に、イオン移送チャネルの内部領域を（隣接する電極間の間隙から）ポンピングできるよう、その長さに沿って穴または細孔を設けて適応させても良い。その方法は後に更に述べる。

図１および６は、明確にするため比較的少数の電極を示しているが、典型的なイオン移送チャネル１１５の実施の形態は、数十から数百の電極を含むことは理解されよう。図１および６は、イオン移送チャネル１１５のほぼ全長に亘って延びている電極を示しているが、別の実施の形態では、イオン移送チャネルの長さに電極が欠けている部分が一つ以上あっても良いことも更に言及しておく。

電極は、周期Ｈ（連続するＬＦＥまたはＨＦＥの間隔）で配置されている。ＨＦＥ２０５の幅（長手方向の長さ）は、対応するＬＦＥ２１０の幅よりかなり小さく、ＨＦＥは一般に、周期Ｈのおよそ２０から２５％を占めている。ＨＦＥ幅は、Ｈ／ｐで表わすことができ、ｐは、一般に３〜４の範囲である。周期Ｈは、イオン移送チャネル１１５を通過するイオンが、従来の高電界非対称イオン移動度分光測定（ＦＡＩＭＳ）装置の高周波閉じ込め磁場に近い周波数で、高い電界強度と低い電界強度とを交互に受けるように選ぶ。例えば、平均ガス流速を５００ｍ／秒とすると、５００マイクロメートルの周期Ｈは、１メガヘルツの周波数となる。周期Ｈは、管の全長に亘って一定に保ち、あるいは代わりに、チャネル長さに沿って調節（連続的または段階的に）して、圧力勾配による速度の変化を反映しても良い。イオン移送チャネル１１５（ＬＦＥ２０５とＨＦＥ２１０の内側表面によって構成されている）の内径（ＩＤ）は、周期Ｈより大きな値を持つことが望ましいと考えられる。

１つ以上のＤＣ電圧源（図示せず）を電極に接続して、ＨＦＥ２０５に第１電圧Ｖ_１を、ＬＦＥ２１０に第２電圧Ｖ_２を印加する。Ｖ_２は、Ｖ_１と反対の極性を持ち、その大きさはＶ_１より著しく小さい。望ましくは、Ｖ_ｌ／Ｖ_２比は、−ｐに等しく、式中、ｐは（先に示したように）、ＬＦＥ幅が占める周期Ｈの割合の逆数であり、一般に３〜４の範囲であって、全周期に亘ってイオンが受ける電界の空間／時間積分は、ゼロに等しい。Ｖ_１とＶ_２の大きさは、後に詳細に示す所望の収束効果を得るには十分に大きいが、隣接する電極の間で、または、電極と近くの表面との間で放電が起きるほど大きくてはならない。５０から５００Ｖの大きさが前述の基準を満たすと考えられる。

ＨＦＥ２０５とＬＦＥ２１０に所定のＤＣ電圧を印加すると、イオン移送チャネル１１５内部に、電界強度の高い領域と低い領域が空間的に交互に並んだパターンが生じ、それぞれの領域は、対応する電極とおおよそ長手方向に同じ広がりを持っている。各領域において、電界強度は、流れ中心線においてゼロまたはゼロに近く、中心からの径方向距離と共に増加するため、イオンは、イオン移送管の内側表面にイオンが近づくにつれて強くなる半径方向引力または斥力を受ける。交互高／低電界強度パターンは、従来の高電界非対称イオン移動度分光測定（ＦＡＩＭＳ）装置で起きるものと概念的に同じイオン挙動を生じる。ＦＡＩＭＳ装置では、非対称波形を、分析器領域を構成する向かい合った電極対の一方の電極に加えている（例えば、Guevremontら、米国特許第７，０８４，３９４号参照）。

図６は、交互非対称電界の影響下における、流れ中心線から離れた位置にある陽イオンの軌跡を示したものである。イオンは、電界強度の高い領域ではイオン移送チャネルの内側表面から離れるように動き、電界強度の低い領域では内側表面に向かって動き（これは、あたかもＨＦＥ２０５が、そこに印加された陽電圧を持ち、ＬＦＥ２１０が、陰電圧を帯びているようである（もう一度、極性は、前述のように、流路に沿って平滑化した（即ち、空間的周期に亘って平均化した）ポテンシャル分布に基づいて与えられなければならないことに注意））、ジグザグの経路を描く。

ＦＡＩＭＳ技術において詳細に示されているように、交互高／低電界を受ける粘性流領域中でのイオンの正味の移動は、電界強度でイオンの移動度を変える機能となると考えられる。イオン移動度が電界強度の増加と共に大きくなるＡ型イオンでは、サイクルの高電界強度部分で移動する半径距離は、低電界強度部分の間に移動する半径距離を上回ると考えられる。図６に図示し、先に述べた例では、Ａ型イオンは、流れ中心線に向かう正味の半径方向運動を示すため、イオン移送チャネル１１５の内側表面と衝突して中性化するのが防止されると考えられる。イオンが流れ中心線に近づくにつれて電界強度は殆ど消失し、イオンは、電極から生じる強い半径方向力を受けなくなる。反対に、Ｃ型イオン（電界強度の増大と共にイオン移動度が小さくなる）では、電界強度の低い領域でイオンが移動する半径方向距離は、電界強度の高い領域での移動を上回り、Ｖ_１とイオンの極性が同じであれば、イオン移送チャネル１１５内側表面へ向かう正味の移動が生じると考えられる。Ｃ型イオンはチャネル壁との衝突により優先的に壊れ、Ａ型イオンは流れ中心線に収束されるため、この挙動は、Ａ型およびＣ型イオンの判別に使用できるであろう。Ｃ型イオンを優先的に輸送したいならば、Ｖ_１とＶ_２の極性を入れ替える。

交互ＤＣ電界を与える上記の手法は、ガスの動的力が、イオンの軌跡を純粋に長手方向経路から逸らす、あるいは、平均自由行程が十分長くなる（即ち、気体原子または分子との衝突がイオンの動きをもはや支配しない）領域においては、イオンの収束には不適当であるかもしれない。例えば、大気圧のＡＰＩ源１０と、高真空（＜１ｍｂａｒ（＜１ｈＰａ））のＭＳ１ ８０との間の圧力差による、イオン移送チャネル１１５内でのガスの膨張と加速は、イオン移送チャネル内部で生じる１つ以上の衝撃波を、その排出端付近で引き起こし、これによりイオンの経路が大きく逸れることがある。イオン移送チャネル１１５の遠位部に設けられた電極では、イオン−チャネル壁相互作用が起きないよう十分に収束させるため、ＲＦ電圧（ＤＣ電圧と共に、または代わりに）を印加する必要があることがある。この場合、隣接電極には逆位相のＲＦ電圧を印加すると考えられる。

衝撃波を抑止する別の取り組みは、導管６０（図１）の差動排気であり、これを以下に述べる。

図７は、本発明の第２の実施の形態による、イオン収束／ガイド構造体３００を示しており、これは、質量分析計装置の大気圧付近または圧力の低い領域を通って、イオンを輸送するために用いることができる。このような圧力において、イオンは、高い粘性摩擦によりガス流内に“埋め込まれる”ため、ガス流と同じ速度を持つ。

一般に、イオンの平均自由行程が装置の大きさに比べて小さい場合、流れは、分子流れに対抗するほど粘稠であると見なせる。このような場合、分子間または分子とイオンとの間の衝突は、輸送現象において重要な役割を果たす。

本発明による、数ミリメートルから１センチメートルまでの典型的な直径と、数センチメートルまたは数十センチメートルの全長を備え、およそ大気圧から約１ｈＰａまでの圧力勾配を持つ装置において、本発明のデバイス全体は粘性流条件にある。

実際に、クヌーセン数Ｋ＝λ／Ｄが１以下の粘性流条件では、分析物と大きさにより、およそ１から１０Ｐａの圧力まで粘性流が保たれる（直径１ｍｍのキャピラリ中、代謝産物などの小分子では、１Ｐａ）。

収束／ガイド構造体３００は、交互に間に配置した、第１の複数の環電極（以後、“第１電極”）３０５と第２の複数の環電極（以後、“第２電極”）３１０とから成る。隣り合った電極は、間隙あるいは絶縁体または層によって互いに電気的に絶縁されている。図５の実施の形態とは対照的に、第１電極３０５と第２電極３１０は、ほぼ同じ幅である。環電極３０５および３１０の配置は、質量分析技術においてよく知られているＲＦ環電極イオンガイドと外見的には同じである。しかし、収束／ガイド構造体３００は、逆位相のＲＦ電圧を隣接電極に印加するのではなく、異符号で同じ大きさＤＣ電圧を隣接電極へ印加するものである。ガス（イオン）速度に対して電極周期Ｄを適当に選ぶことで、ガイド／収束構造体の内部を通るイオンは、従来のＲＦ電界に近い周波数（例えば、１メガヘルツのオーダー）で、交互に極性の変化する電界を受ける。交互に変化する電界は、ＲＦ電界とほぼ同じようにイオンを保ち、収束する。第１電極３０５と第２電極３１０に印加する適当なＤＣ電圧は、様々な幾何学的パラメータ（電極の内径および幅）や操作パラメータ（ガス圧力）に応じて選び、典型的な実施の形態では、１００から５００ＶのＤＣ電圧であれば、電極間で放電を起こすことなく、所望の電界強度を発生するためには十分と考えられる。また、これらのＤＣ電圧と共に、更にＲＦ電圧を印加しても良い（こうすると、独立した周波数で効果的に収束電界を生じる）。

この装置においては、また他の本発明の装置でも、走行長さＨはなるべく小さく、およそ０．１から２０ｍｍ、典型的に約１ｍｍ程度であって、イオンの平均自由行程は一般に、導管の関連寸法より短い。

ＡまたはＣ型イオンを優先的に伝達するよう調節可能な、図６の装置とは反対に、図７のより簡単な装置は、イオンの特異的なイオン移動度特性に関して大きな偏りを示さないが、単純に全ての荷電粒子の伝達が向上すると考えられる。

同様な効果は、図６の装置を、Ｂ型イオンを伝達する条件に調節することで（つまり、明確な高および低電界領域ができないよう、電圧を設定することで）、達成可能である。

別の操作モードでは、図７の装置を、交互に変化する高および低電界波形を用いて直接操作し、空間に伴う電界の変化を、荷電粒子の移動座標系から見た場合におおよそ等価である、時間に伴う電界の変化に変換する、ＲＦ ＦＡＩＭＳデバイスを作ることができる。

収束／ガイド構造体の第１および第２電極の配置は、特定の目的を達成するために変更しても良い。例えば、図８は、第１電極４０５と第２電極４１０とから成る、収束／ガイド構造体４００の上面図を示している。この中では、隣り合う環電極が互いに横方向にずれて湾曲したイオン軌跡（点線４１５で示す）を構成する。あるいは、構造体の軸を徐々に曲げても良い。イオン軌跡に湾曲をつけることで、イオン−中性粒子分離（電界の差動効果により）を多少行い、ガス／イオン流中のイオンの濃度を高めることができる。収束／ガイド構造体のもう一つの変形では、次第に内径を小さくした第１および第２電極を用いて、Smithらによる、米国特許第６，５８３，４０８号に開示のものと同様のイオンファンネル構造体を作るが、これは、従来のＲＦ電界の代わりに交互ＤＣ電界を使用するものである。

再び図１を参照して、差動排気装置１３０を更に詳細に述べる。

先に述べたように、大気圧イオン化源を備えた従来の吸込口部分では、質量分析計のフィルタリングおよび分析部分へ輸送するためのイオン光学系にイオンが入る前に、イオン源で発生したイオンの大部分が失われてしまう。イオン移送装置の出口端でのガス流速が速いことが、このイオンの損失の多さの原因と考えられる。中性ガスは、イオン移送管を通り抜けながらエネルギー膨張する。従来の吸込口部分では、この膨張領域と、イオン移送管中の上流の一定距離までの流れは、一般に乱流となる。このように、過去のイオン吸込口部分では、ガスによって運ばれるイオンは、限られた程度までしか収束されない。むしろ、イオンの多くは、流動ガスの容量全体に活発に動き回っている。この活発な乱流と、それによって生じるイオンに対する混合効果のため、好ましいほどまではイオンが収束せず、この流れ条件下でイオンと中性ガスとを分離することは困難であると考えられる。つまり、中性ガスを排気しながらイオンの大部分を分離し、これを下流に送るのは困難である。むしろ、イオンの多くは中性ガスと共に運び去られ、失われる。一方、本発明の実施の形態に関わる仮説は、イオン移送管のより長い部分に亘って流れを層流としておけるならば、イオンをより強く収束した状態に保つことができるというものである。所望の層流を作る１つの方法は、イオン移送管の側壁から中性ガスを除き、軸方向の流れおよびイオン移送管の出口端から出る流れを減らすことである。また、中等度まで側壁の外へ中性ガスを排気することで、イオン移送管の内側を軸方向へ流れるガスの境界層が薄くなって、速度分布がよりなだらかになり、流れがより安定となる。

大気圧イオン化インターフェースにおけるイオンのスループットまたは移送効率を高める１つの方法は、イオン移送管の内径を大きくするか、イオン移送管の長さを短くするかの１つ以上により、伝導性を大きくすることである。一般的に知られているように、イオン移送管をより太く、より短くすれば、より多くのイオンを下流のイオン光学系へ輸送することが可能であろう。しかし、利用できるポンピング装置の容量によって、どのくらい直径を大きくできるか、どのくらい全体の伝導性を大きくできるかが制限される。このため、本発明の実施の形態に従って、イオン移送チャネル１１５（図１）の内径を相対的に大きくし、同時に、イオン移送チャネル１１５の出口端から出るガス流を少なくして、ガス流の中心に向かってイオンを収束し続けるよう、流れ特性を向上させることができる。この方法では、中性ガスをイオンから容易に分離可能で、イオンを、出口オリフィス７０を通って下流のＭＳ１へ、一貫して向けることができる。この結果、輸送効率が向上し、機器感度が上がる。

一部または全てのケースにおいて、乱流がイオン輸送効率を上げることが認められたとしても、イオン移送チャネルの下流端で圧力が下がり、圧力低下によって脱溶媒和が進むことは、層流および乱流いずれの条件下においても、本発明の実施の形態に伴う長所であることは理解すべきである。更に、乱流条件であっても、イオン移送管の側壁から中性ガスの少なくとも一部が除かれることは、中性ガスからイオンを効果的に分離するよう作用するであろう。乱流中でも、液滴とイオンはその大きな質量のため、導管６０を通る軸流である間は、その殆どがより中心付近に分散していると考えられる。このように、側壁から中性ガスを除去することは、層流および乱流いずれの条件下においても、比較的少ないイオン損失で、イオンから中性ガスを効果的に分離すると期待される。また更に、側壁から中性ガスを排気することによる潜熱の除去は、層流および乱流いずれの条件下においても、脱溶媒和を進めるための加熱を可能とする。

導管６０を含む領域２は、望ましくはポンピングポート５５から排気する。図１からわかるように、差動ポンピング装置１３０は、領域２の中で、チャネル１１５を含む内部領域と、導管６０を含む真空チャンバ５０との間で流体を流通させるための、複数の通路１４０を含んでいる。中性ガスは、内部領域１１５から、差動ポンプ装置１３０中の通路１４０を通って、真空チャンバ５０へ排気され、ここから排出される。

イオン移送導管６０の側壁または他のいくつかの部分の温度を示す信号をコントローラ５８へ送り返すため、センサをイオン移送導管６０とコントローラ５８に接続しても良い。温度プロフィールを得るため、複数のセンサを様々な場所に設けても良いことは理解すべきである。このように、イオン移送導管６０の側壁の複数の通路１４０からガスを排出する際の熱の減少を検出するため、イオン移送導管６０にセンサを接続することができる。

図９ａに示す別の装置では、導管６０を、密閉された第３の真空チャンバ１５０で取り囲んでいる。これは、差動ポンピング装置１３０の壁の通路１４０からガスを吸引するために用いることができる。先に述べたような、バックグラウンドガスの除去の代わりに、通路１４０を通してイオン移送導管６０のチャネル１１５の中へガスを流入させるためにも同様に使用できるであろう。これは、第３真空チャンバ１５０内の圧力を、大気圧と、チャネル１１５内の圧力との間に調節することで行える。通路１４０からチャネル１１５内へガスを流入させると、試料液滴がばらばらになるような、より乱れた流れの状況が作られる。より流れの乱れた状況では、試料液滴が砕けて更に小さな液滴となる。この液滴の分解は、同じく液滴を砕くクーロン爆発型分解とは対照的に、外力による分解である。図９ａの実施の形態では、膨張チャンバ４０に差し込まれた、必要に応じて追加されたポンピングポート５６も示されている。ポンピングポート４５は、平板電極４８の前に向けて設けられているが、ポンピングポート５６は、平板電極４８と、第３真空チャンバ１５０への入口との間の領域を排気する。

外力およびクーロン爆発型分解の両方を用いる場合、１つのイオン移送管中でガスの除去と添加の両方を行うことができる。例えば、図９ｂに示されているように、第３真空チャンバ１５０を短くして、第２真空チャンバ５０の一つの領域だけを包囲する。この手段によって、吸込口１５６または吸込口１５６を経由して、第２真空チャンバ５０のどちらの部分にもガスを加えることができる。このように、一連の外力およびクーロン爆発分解を交互に行って、試料の液滴を砕くことができる。

図１、９ａ、９ｂ、９ｃ、および９ｄの実施の形態の差動ポンピング装置１３０の壁は、金属フリット、金属スポンジ、浸透性セラミック、および浸透性ポリマーの１つ以上を含む材料からできている。通路１４０は、材料中の細孔または間隙によって構成されていても良い。側壁の材料中の細孔または間隙は小さく、一般に、個別の開口部を持たない連続的な浸透性要素を形成している。あるいは、通路は、差動ポンピング装置１３０の側壁中に形成された個々の開口部または打ち抜き穴の形をとることができる。通路は、円形、直線形、細長い形、定形、および不定形の１つ以上の外形を持つ、貫通開口部で形成されていても良い。

更に詳細なものとして、図９ｃでは、決定的な入口領域におけるイオン流れを改良するための対策を示している。オリフィス３０内の膨張ゾーン９０は、ジェットセパレーションの簡単な形をしており、重い粒子を軸の比較的近くに優先的に送り、軽い粒子は周囲に拡散させて、その次の開口部に入らないようにしている。一方、加速プレートはイオンを集めるよう作用する。図９ｄは、ノズルプレート４８の方向が逆で、それ自体が膨張ゾーンを形成し、その後に非常に薄い入口プレートがある実施の形態を示している。十分に圧力が低下すると、重い（即ち、キャリアガスより重い）荷電粒子は、大量のキャリアビームと、ふるい分けられるべき軽い（溶媒）イオンと共に、導管領域に容易に入り込むと考えられる。

早期にガス負荷量が減少すると、次の段階でのポンピング必要量が少なくなるため、図９ａ、ｃ、およびｄに示されている（更に、図９ｂの実施の形態にも応用できる）多数のポンピング装置は、インターフェースのコストの削減に役立つ。特に、ごく初期の段階４５は、それが単なる送風機であっても、次の段階のガス負荷量を半分以下に減らすことができる。

図１０は、ＳＩＭＩＯＮ（ＲＴＭ）ソフトウェアを用いてシミュレートしたイオン軌跡（ｒ，ｚ）を示している。ＤＣ電極１２０によって構成されているチャネルの内径は０．７５ｍｍであり、長いＤＣ電極セグメント２１０は０．３６ｍｍであり、短い電極セグメント２０５は０．１２ｍｍであり、その間の間隙は０．０３ｍｍである。ガス流速は、２００ｍ／ｓであり、セグメントの組に印加する電圧は、＋／−１００Ｖである。イオンは左から右へ移動する。このシミュレーションは、ＤＣ電極によって構成されているチャネル直径の内側の３分の１にあるイオンは閉じ込められ、チャネルに沿って収束されることを示している。振動するイオンの最大動径座標は、開始時の０．１６ｍｍから、約２０ｍｍの長さを通って排出される際には０．０７ｍｍに減少する。図１０では、チャネル半径の３分の１以内にないイオンは、チャネル壁付近の逆向きのＤＣ電界に打ち勝つほど早く移動しないため、失われることが認められる。このシミュレーションから、このイオンの閉じ込めが、導管６０内部の圧力とガス流速に応じて変わることが確認されている。この効果は、大気圧およびこの圧力に相当する速度（およそ６０ｍ／ｓ）では非常に弱い（０．１７４ｍｍから０．１２６ｍｍへ収束）。しかし、より低い圧力（大気圧の数分の一）と、約２００ｍ／ｓのガス流速で、前述のＤＣ電極装置１２０を用いると、イオン閉じ込めに大きな向上が見られる。これは、圧力が約１ｍｂａｒ（約１ｈＰａ）である、ＭＳ１ ８０への最大ガス流が制限されるためである。

このように、ＤＣ電極装置１２０のみを用いても領域２におけるイオンの閉じ込めには多少の向上が見られ、またこれとは別に、ＤＣ電極装置による半径方向の静電気的閉じ込めなしに、差動ポンピング装置１３０を使用しても向上が見られるが、望ましい実施の形態においては、静電気によってイオンを軸方向に閉じ込めつつ、最適圧力範囲（約３００〜６００ｍｂａｒ（約３００〜６００ｈＰａ）以下）を作り出すよう、二つを共に使用する。

先の導入部の討論から、イオン移送装置の様々な部分が、衝撃波が生じないよう、導管６０から排出される際のガス流速を超音速以下に保とうとするものであることが注目されるだろう。この成果の１つは、ＭＳ１ ８０への入口にスキマーが不要である、つまり、領域２からの出口開口部７０は、簡単な開口部であっても良いということである。出口開口部にスキマーがあると、イオン流が減少することがあるため、実際には亜音速のガスが導管６０から排出されると、より望ましい結果が得られることが認められている（スキマーは不要である）。

前述の実施の形態の殆どでは、望ましくは、円形の断面（即ち、管）のイオン移送導管を用いているが、本発明は管に限定されるものではない。別の断面、例えば、楕円形または長方形、あるいは平面形（即ち、非常にアスペクト比の高い長方形または楕円形）の方が望ましいこともあり、特に、イオン流が速い、または多数のノズル（ノズルアレイ）が用いられている場合に好ましい。同伴するガス流の著しい増大は、差動ポンピングの段階の数を増やすことで補償する。これは、例えば、既に使用しているこれらのポンプの中間段階を用いることで行うことができる。

本出願に記載のイオン移送チャネルは、前述のようなポンピングの調節と共に、多重化してアレイとするのに適している。このような装置は、マルチキャピラリまたはマルチスプレイヤーイオン源にとって最適なものとなると考えられる。

Claims (25)

1. 相対的に圧力の高い領域と相対的に圧力の低い領域との間でイオンを輸送するためのイオン移送装置であって、
   前記装置は、
   長手方向軸を持つイオン移送チャネルを構成している電極集合体であって、前記電極集合体は、長手方向軸に沿って第１の距離Ｄ１に亘って延びる第１の複数の電極と、前記第１複数電極と交互に並んだ、長手方向軸に沿って第２の距離Ｄ２＞Ｄ１に亘って延びる第２の複数の電極とを含んでいる、前記電極集合体と、
   第１の極性のＤＣ電圧＋Ｖ_１を前記第１複数電極に印加し、前記電極集合体の長手方向の平均電圧分布に対して第２の極性のＤＣ電圧−Ｖ_２（｜Ｖ_１｜＞｜Ｖ_２｜）を、前記第２複数電極に印加するための手段と
   を含むことを特徴とするイオン移送装置。
2. 請求項１に記載のイオン移送装置であって、前記第１複数電極中の連続する電極間の間隔Ｈは、前記幅Ｄ１のおよそ２０〜２５％であることを特徴とするイオン移送装置。
3. 請求項２に記載のイオン移送装置であって、｜Ｖ_１｜／｜Ｖ_２｜は、Ｄ２＋Ｈ／Ｄｌ＋Ｈにほぼ等しいことを特徴とするイオン移送装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載のイオン移送装置であって、前記第１複数電極中の連続する電極間の周期Ｈは、前記イオン移送チャネル内において速度Ｓを持つイオンが、前記イオン移送チャネル内で、電磁スペクトルの高周波領域にある効果的な振動数ν_ｅｆｆ（ν_ｅｆｆ＝Ｓ／Ｈ）を受けるよう選ぶことを特徴とするイオン移送装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載のイオン移送装置であって、前記第１複数電極の隣接する電極間の周期Ｈは、前記ＤＣ電極集合体のほぼ全長に亘って一定であることを特徴とするイオン移送装置。
6. 請求項１から４のいずれかに記載のイオン移送装置であって、前記第１複数電極の隣接する電極間の周期Ｈは、前記周期電極集合体の長手方向に沿って、連続的または段階的に変化することを特徴とするイオン移送装置。
7. 請求項１から６のいずれかに記載のイオン移送装置であって、前記第１複数電極中の各電極は、間隙または絶縁層により、前後にある前記第２複数電極の電極と隔てられていることを特徴とするイオン移送装置。
8. 請求項１から７のいずれかに記載のイオン移送装置であって、前記電極集合体を少なくとも部分的に取り囲む筐体を更に含むことを特徴とするイオン移送装置。
9. 請求項８に記載のイオン移送装置であって、前記筐体は、その中に１つ以上のオリフィスを含むことを特徴とするイオン移送装置。
10. 請求項９に記載のイオン移送装置であって、その中の各オリフィスからガスを排出するよう、前記筐体を取り囲む領域をポンピングするためのポンピング手段を更に含むことを特徴とするイオン移送装置。
11. 請求項８に記載のイオン移送装置であって、前記筐体は気密性であることを特徴とするイオン移送装置。
12. 請求項１１に記載のイオン移送装置であって、前記イオン移送チャネル内からガスを吸引するよう、前記気密性筐体を排気するためのポンピング手段を更に含むことを特徴とするイオン移送装置。
13. 請求項９または１１に記載のイオン移送装置であって、前記イオン移送チャネルにガスを加えるための、埋め戻しガス供給源を更に含むことを特徴とするイオン移送装置。
14. 請求項１から１３のいずれかに記載のイオン移送装置であって、大気圧のイオン源から前記イオン移送チャネルの長手方向軸に向けてイオンを収束するための、空力、および／または、電気レンズを、前記電極集合体の上流に更に含むことを特徴とするイオン移送装置。
15. 請求項１４に記載のイオン移送装置であって、前記レンズは、湾曲した筐体を備えていることを特徴とするイオン移送装置。
16. 請求項１４または１５に記載のイオン移送装置であって、前記レンズは、複数の独立した環形レンズ電極から成り、前記電極集合体に近いレンズ電極は、前記電極集合体から遠いレンズ電極より小さい開口部を備えていることを特徴とするイオン移送装置。
17. 請求項１６に記載のイオン移送装置であって、前記電極集合体に近い前記レンズ電極の開口部の半径は、前記電極集合体によって構成されている前記イオン移送チャネルの半径よりも小さいことを特徴とするイオン移送装置。
18. 請求項１５から１８のいずれかに記載のイオン移送装置であって、前記イオンファンネルは、第１真空チャンバ内に置かれており、前記電極集合体は、第２の、異なる真空チャンバ内に置かれていることを特徴とするイオン移送装置。
19. 請求項１４から１９のいずれかに記載のイオン移送装置であって、前記空力、および／または、電気レンズへ正味負電位を印加するための手段を更に含むことを特徴とするイオン移送装置。
20. 請求項１４から２０のいずれかに記載のイオン移送装置であって、前記空力、および／または、電気レンズは、ジェットセパレータを更に含むことを特徴とするイオン移送装置。
21. 請求項１４から２０のいずれかに記載のイオン移送装置であって、前記空力、および／または、電気レンズは、ベンチュリ装置を更に含むことを特徴とするイオン移送装置。
22. 相対的に圧力の高い領域と相対的に圧力の低い領域との間でイオンを移送する方法であって、
    前記方法は、
    長手方向にイオン移送チャネルを構成しているＤＣ電極集合体を形成するよう、長手方向に第１の幅Ｄ１を持つ第１組の電極と、長手方向に第２の幅Ｄ２（Ｄ１＜Ｄ２）を持つ第２組の電極とを、交互に配置する工程と、
    第１のＤＣ電圧Ｖ_１を前記第１組電極に印加する工程と、
    前記ＤＣ電極集合体の長手方向の平均電圧分布に対して反対極性の、第２のＤＣ電圧Ｖ_２（｜Ｖ_１｜＞｜Ｖ_２｜）を、前記第２組電極に印加する工程と
    を含み、
    前記幅Ｄ１およびＤ２、電圧Ｖ_１およびＶ_２は、相対的に電界の高い領域と相対的に電界の低い領域とが、前記イオン移送チャネル内に連続的に交互に並んで発生するように選び、それぞれの高電界領域は、長手方向に、それぞれの低電界領域よりも短い
    ことを特徴とする方法。
23. 請求項２２に記載の方法であって、前記電極集合体の付近をポンピングする工程を更に含むことを特徴とする方法。
24. 請求項２３に記載の方法であって、前記ポンピング工程は、前記電極集合体の付近を約６００ｍｂａｒ（６００ｈＰａ）以下までポンピングする工程を含むことを特徴とする方法。
25. 請求項２２、２３、または２４に記載の方法であって、イオン源から前記電極集合体の入り口へ、イオンを漏斗状に吸い込む（ファンネリング：funnelling）する工程を更に含むことを特徴とする方法。

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