JP2011529623A - 無線周波数電場内でメッシュを使用してイオン操作を行う方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図5A
Description
図8を参照すると、RF反発面をイオントラップとイオン誘導に使用することができる。RF反発面を別のRF表面又は直流電場と組み合わせることができる。例えば、メッシュ10と周囲電極14によって構成された1対のRF反発面で、イオンチャネル12ができる(図8A)。従って、単一RF表面で円筒を包むことにより、円筒状イオンガイドができる(図8B)。引力直流電位をメッシュ10か背面電極14又はその両方に印加して、イオンをガイドするために使用できる最低限の全ポテンシャルを有するチャネルを作成することができる(図8C)。図は、カウンタ電極16上の同等の反発直流電位を示す。特に指定しない場合は、直流電極16(図8Aと図8C)、RF反発面10及び14、又はRF電極18(図8B)によってイオンを軸方向に接続することによって、任意のタイプのイオンガイドを線形イオントラップに変換することができると仮定する。図8Dで分かるように、任意の形状の箱14(例えば、球体又は平行六面体)をRF反発面で包むことでもイオントラップが構成される。
メッシュRF反発面の応用は、容易で確実な製造と、センチメートル及びミリメートルスケールのロッドで作成された従来の巨視的イオンガイドよりも小さい幾何学的スケール(サブミリメートル)の利用し易さによって促進される。
図12A1〜図12A2を参照すると、メッシュ38、シート電極40及びそれらの間の絶縁又は半絶縁薄膜42を含むイオン反発面のためのRFサンドイッチ組立体が示される。RF信号は、メッシュとシートの間に印加される。そのようなサンドイッチは、メッシュの機械的支持を提供し、導電性電極間の間隔を制御する。その結果、サンドイッチ構造は、ミクロンスケールに達する特徴形状を有するイオン反発面のより微細な小型化を可能にする。
前述のイオンガイド作成方法は、ミクロンスケールの特徴を持つ真の微視的サンドイッチメッシュを生成するのに有望である。式4によれば、周波数は、幾何学的スケールに反比例するはずである。100〜10000amuの質量範囲のイオンを保持するには、RF信号の周波数をF=100MHz〜1GHzの範囲で上昇させなければならない。発生器の出力は周波数と共に上昇するため(W〜CVRF 2F/Q。ここで、Cは電極容量、Qは共振回路のQ因子(quality factor))、同じ電圧を維持することは困難になる。電圧を10分の1に緩和すると(例えば、100Vに)、出力が減少し、周波数Fも低下する。小型化は、キャパシタンス(一般に幾何学的スケールに正比例する)の最小化と共に行われるはずである。接続ケーブルをなくしRF共振回路を電極の近くに保持することにより、全静電容量を10pF以下にすることができる。共振回路品質が約Q〜100の場合、消費電力は、周波数1GHzでわずか1011*104*109/102=1Wである。1kVの信号は、小さな体積内で100Wの損失を引き起こすため現実的ではない。また、より小さいサイズ又はより高い圧力では、RF電圧も放電によって200V未満に制限されることに注意されたい。
図13Aを参照すると、ガスイオンインタフェース50の好ましい実施形態は、ガスイオン源52を質量分析計に接続する多数の差動ポンピング段を含む。図13Aでの特定の例は、大気領域52内のESIイオン源、ノズルの後ろの領域54、及びスキマーの後ろの領域56を示す。段は、開口によって分離され差動ポンピングされ、ポンプは矢印によって示される。好ましい実施形態は、更に、大気イオンガイド53、ノズルの後ろの中間イオンガイド55、及びスキマーの後ろのイオンガイド57を含むイオンガイドを種々の段に含む。
図14Aを参照すると、メッシュ70と、対称的に配置された電極72との間に、空間的に対称なRF電場と直流電場が形成される。前述のメッシュシステムと同様に、電源は、電圧が対称的に接続されてもよく非対称的に接続されてもよい。例えば、図は、RF電源に接続されたメッシュ70と、反発直流電源に接続された電極72を示す。多数の代替が、メッシュ又は電極をアースに維持するか、様々な電極又は平衡電源間でRFと直流を分離して、電極間のアース等電位線を調整し、同時に対称的なRF電場と直流電場を生成することを可能にする。図面は、直径dと間隔L=10dを有する平行電線で構成された二次元メッシュの特定の例を示す。電極までの距離は、H=Lに選択される。電極は、X方向に平行でY方向に垂直である。
図18A〜図18Bを参照すると、前述の電線メッシュのまわりの対称RF電場が、新規の質量分離方法のために提案され、この方法は、本明細書では、「イオンクロマトグラフィ」として定義される。イオンクロマトトグラフ80の好ましい実施形態は、イオン保持用の側壁を備えた平行平板84によって構成された四角の長いチャネル82を有する。電線81は、長いチャネルに対して垂直に配置される。RF信号が、電線に印加され、2個の別の直流信号(DC1,DC2)が電極84に印加される。ESI、APPI及びMALDIのような任意の既知のガスイオン源からのイオンが、微細メッシュによって覆われた側窓89に導入される。チャネルからガス流を引き込むために、チャネルの出口側にポンピングが使用される。装置は、MEMS技術を使用して電線と壁の間の大きさが約10μmになるように小型化され、一方チャネルの長さは1〜10cmの範囲である。RF周波数は、好ましくは0.1〜1GHzの範囲である。ガス圧力は、大気圧の0.01〜1で選択されることが好ましい。
図19Aを参照すると、TOF MS用のパルスイオンコンバータの好ましい実施形態は、平面電極96によって対称的に取り囲まれたメッシュ電極94と、メッシュと電極の間に接続されたRF発生器95とから構成されたイオンマニピュレータを有する。メッシュは、チャネル方向に向けられた平行電線から形成される。メッシュは、スイッチング式RF発生器に接続され、側面電極は、一個以上のパルス発生器98に接続されることが好ましい。マニピュレータは、「配列ガイド」と呼ばれる平行イオンガイドの配列を構成する。ガイドは、イオンがガイドの縁で跳ね返される場合に線形イオントラップと見なすこともできる。更に、パルスイオンコンバータは、好ましくは中間イオン貯蔵装置(例えば、中間ガス圧力のイオンガイド)を有する外部イオン源を有する。コンバータは、また、出口側のガス圧力を下げるポンピング手段を有する。或いは、内部イオン源が使用される。このイオン源は、イオン(SIMS)、光子(PI又はMALDI)、電子(EI)による固体又はガス試料ボンバートメントを使用してもよく、試料をイオン化(CI)のためにイオン分子反応にかけてもよい。
図19Aに示された特定の実施形態は、小型化性能を示す。対称RF電場内のメッシュ94は、メッシュシートに沿って広がったイオントラップの配列のような働きをする。メッシュが平行電線から作成された場合、個々のトラップは二次元であり、正方形(六角形)メッシュセルの場合、トラップは三次元である。質量範囲境界近くのイオンがセル間で動き始めるときの前述の場合を除き、トラップは、互いに十分に分離され、メッシュ電線によって遮蔽される。
図19Dを参照すると、TOF MSのパルスイオンコンバータの好ましい実施形態は、2個の平行周囲電極102の間に配置された中央メッシュ100を有し、周囲電極102は、システムへのイオンの出入を可能にする微細メッシュ窓104を有する。RF信号は、中央メッシュに印加され、これにより、粗い中央メッシュの電線間に線形ガイド(又は、トラフ)の配列が形成される。前述のように捕捉イオンの質量範囲を改善するために、輸送位相で中央メッシュと側面メッシュの間に僅かな直流バイアスが印加される。中央メッシュは、電線で作成され、イオン輸送の方向に沿って位置決めされる。平行メッシュシステムは、いわゆるメッシュイオンガイドを構成する。メッシュイオンガイドは、差動ポンピング段の間を突き抜ける。メッシュは、(a)中間ガス圧力領域(RF電場振動の1周期当たり1個のイオンが最大1回衝突する)と(b)高真空領域(周囲ガスとの衝突数を無視できる)を分離する開口(スロット,チャネル)を達成する。図19Dの特定の場合、イオンメッシュガイドは、2個の差動ポンピング段の間に広がる。電極102を均一に維持し、差動ポンピングをチャネルの側縁によって調整することが好ましい。
「イオン」−両方の極性のイオン、電子、帯電液滴及び固体粒子を含む荷電粒子を意味する。強い電界を使用する場合、開示した装置は、電気的に分極された粒子にも適用可能である。
2 メッシュ
3 電極
4 RF信号発生器
5 内部領域
6 外部領域
7 外側電極
Claims (48)
- イオンマニピュレータであって、
メッシュ電極と、
前記メッシュ電極の一方の側の近くに位置決めされた第2の電極と、
前記メッシュ電極と第2の電極の間に結合された無線周波数電圧源とを有するイオンマニュピレータ。 - 前記メッシュ電極の前記第2の側の近くに配置されて、前記メッシュのまわりに実質的に対称的なRF電場を形成する第3の電極を更に有する、請求項1に記載のイオンマニピュレータ
- 前記メッシュ電極内にガスの流れを供給するためのガス供給源を更に有し、前記供給源が、連続的ガス供給源、パルスガス弁、及びパルス粒子線に晒される冷表面のいずれかを含む、請求項2に記載のイオンマニピュレータ。
- 前記メッシュ電極と第2の電極の少なくとも1個に結合された少なくとも1個の直流電圧源を有する、請求項1に記載のイオンマニピュレータ。
- 前記メッシュがメッシュセルを定義し、イオンの平均密度がメッシュセル1個当たりイオン1個未満になるように調整された、請求項1に記載のイオンマニピュレータ。
- 前記RF電圧源は二次コイルを有し、前記二次コイルの2個の部分を切断するか、FTMOSトランジスタを使用して前記二次コイルの出力をクランプすることによって遮断され、前記トランジスタが低キャパシタンスダイオード又は線形RF増幅器によって結合された、請求項1に記載のイオンマニピュレータ。
- 前記メッシュがメッシュセルと前記メッシュの幾何学的スケールを定義し、前記メッシュセルと前記第2の電極間の距離が3mm未満であり、RF周波数が100kHz〜1GHzの範囲で且つ前記メッシュセルサイズと反比例するように調整された、請求項1に記載のイオンマニピュレータ。
- 前記メッシュがメッシュセルと前記メッシュセルの幾何学的スケールを定義し、前記メッシュと前記第2の電極間の距離が、1mm未満、0.33mm未満、0.1mm未満、30μm未満、10μm未満、3μm未満及び1μm未満であり、RF周波数が2MHz〜1GHzの範囲で且つ前記メッシュセルサイズに反比例するように調整された、請求項1に記載のイオンマニピュレータ。
- 前記ガス供給源が、約1Torrから周囲大気ガス圧力までの周囲で前記RF電圧源の周波数に比例して拡張されたガス圧力範囲を提供する、請求項3に記載のイオンマニピュレータ。
- 前記メッシュ電極が絶縁材料を使用して支持され位置合わせされ、前記絶縁材料は、メッシュと電極間のシート、メッシュ電線下のブリッジ、メッシュ電線下のアイランド、及び2個のメッシュ電線間のブリッジのいずれかの形状を有する層である、請求項1に記載のイオンマニピュレータ。
- 前記メッシュと絶縁体層が、サンドイッチを構成し、剛性又は可撓性シート上のPCB技術、MEMS技術、制御された粒子蒸着、及び絶縁層を形成する前記メッシュの酸化のいずれかを使用して作成された、請求項10に記載のイオンマニピュレータ。
- イオンチャネルが、貫通RF電場を有する前記メッシュ電極(反発RFメッシュとして示された)と、円筒又は任意形状の箱に包まれた同じ反発RFメッシュ、別の反発RFメッシュ、直流反発電極、静電場の移動波を形成する1組の電極、及びRFトラッピングメッシュのいずれかによって構成された、請求項11に記載のイオンマニピュレータ。
- 前記イオンチャネルが、屈曲チャネル、ループチャネル、並行流(co-flow)及び向流(counter-flow)の平行チャネル、平滑又は段付き漏斗、合流チャネル、分割チャネル、自由排水口を有するチャネル、蓋付きチャネル、弁スイッチを有するチャネル、イオンリザーバ、パルスダンパ、及びイオンポンプのいずれかの形に形成された、請求項12に記載のイオンマニピュレータ。
- 前記イオンチャネル内のイオン流が、ガス流、軸方向静電場、静電場の移動波、及び移動磁場のいずれかによって引き起こされる、請求項12に記載のイオンマニピュレータ。
- マニピュレータが、イオンビームガイド、衝突減衰を有するイオンビームガイド、平行イオンガイドのアレイ、イオントラップのアレイ、イオンフラグメンテーションセル、粒子を有するイオン貯蔵リアクタ、イオン分光用のセル、質量分析計に連続注入するためのイオン源、質量分析計にパルス注入するためのイオン源、飛行時間形質量分析計に注入するためのイオンパケットパルス源、質量フィルタ、及び質量分析計のいずれかとして働く、請求項1に記載のイオンマニピュレータ。
- 少なくとも請求項1に記載のイオンマニピュレータを含む、質量分析計にガスイオン源からイオンを輸送するためのインタフェース。
- 前記イオンマニピュレータが、1mtorrから最大1大気圧までの幅広いガス圧力の質量範囲においてイオンガイドとして動作し、RF閉じ込めを保証するために、メッシュスケールLとRF周波数Fが、L(mm)<1/P(Torr)で且つF(MHz)>1*P(Torr)となるように調整された、請求項16に記載のインタフェース。
- 前記ガスイオン源からより高いガス流をサンプリングするために使用される複数のノズルを有する、請求項16に記載のインタフェース。
- 前記イオンマニピュレータが、複数の差動ポンピング段を貫通して延在する、請求項16に記載のインタフェース。
- 前記イオンマニピュレータが、(i)ESI、APCI、APPI、CI、EI等の個別のイオン源の選択的作動、(ii)主イオン源と質量較正複合物を有するイオン源との間の周期的切り替え、及び(iii)イオン流をその反応、質量較正又は感度較正のために混合するための同時作動のいずれかのために、複数のイオン源からのイオン流を合流させるために使用される、請求項16に記載のインタフェース。
- 前記イオンマニピュレータが、(i)イオンクラスタの破壊、(ii)イオンフラグメンテーション、及び(iii)イオン・粒子間反応の誘導又は抑制のために、イオンを励起するために使用される、請求項16に記載のインタフェース。
- 前記イオンマニピュレータが、(i)四重極磁石セクタMS、又は直交加速器を有するTOF MS等の連続的に動作する質量分光計(MS)内への直接且つ連続的導入、(ii)ITMS、FTMS、オービトラップ、及び同期された直交加速器を有するTOF MS等の周期的に動作するMS内へのパルス軸方向導入、及び(iii)周期的に動作するMS内への直交パルス加速のいずれかによって、イオンを質量分析計に導入するために使用される、請求項16に記載のインタフェース。
- イオンが外部イオン源からコンバータに注入され、イオンパケットが電場のパルスによって前記イオンマニピュレータから飛行時間形質量分析計(TOF MS)に直接注入される、請求項1に記載のイオンマニピュレータを有するパルスイオンコンバータ。
- 前記イオンマニピュレータが、請求項12に記載の少なくとも1個の反発RFメッシュを有するイオンチャネルを有する、請求項23に記載のTOF MS用パルスイオンコンバータ。
- 前記イオンマニピュレータがイオンガイドのアレイを有する、請求項23に記載のTOF MS用パルスイオンコンバータ。
- メッシュサイズが、1mm、0.1mm、10μm未満であり、ガス圧力とRF周波数が両方とも、メッシュサイズに反比例するように調整された、請求項23に記載のTOF MS用パルスイオンコンバータ。
- 請求項6に定義されたような電気パルス印加とRF信号スイッチングとの間の遅延が、前記TOF MSにおける時間収束を改善するように調整された、請求項23に記載のTOF MS用パルスイオンコンバータ。
- 前記パルス電場の強度が、縮小されたメッシュ幾何学的スケールに反比例して調整された、請求項33に記載のTOF MS用パルスイオンコンバータ。
- 前記イオンマニピュレータが、多数の差動ポンピング段を貫通しており、ガス圧力が、前記マニピュレータに沿って実質的に変化し、マニピュレータへのイオン注入が、イオン放出領域より実質的に高いガス圧力で行われる、請求項23に記載のTOF MS用パルスイオンコンバータ。
- 請求項1のイオンマニピュレータを有する質量選択的貯蔵装置。
- 請求項16のイオンマニピュレータを有する質量選択的貯蔵装置。
- 個々のトラップ間でガス流によってイオンが移動され、セル内のイオン捕捉が、RF信号と直流信号を調整することにより時間で変化する、請求項2に記載のイオンマニピュレータを備えたイオンクロマトグラフ。
- (i)永続イオン運動の共振励起の使用、(ii)RF及び直流電場の四次(quadrupolar)及びそれより高次の成分の比率の調整、及び(iii)連続した微視的質量分離セルの大きなアレイ内の質量分離段の多重繰り返しのいずれかによって分解能が改善された、請求項32に記載のイオンマニピュレータを備えたイオンクロマトグラフ。
- (i)イオン保持、(ii)誘導、(iii)励起、(iv)衝突減衰、(v)ガス衝突における内部エネルギーの冷却、(vi)パルスイオンフラックスの連続又は疑似連続イオンフラックスへの変換、(vii)帯電と材料付着に対する表面保護、(viii)異極性の荷電粒子の保持、(ix)幅広い質量範囲のイオンの保持、及び(x)質量対電荷比によるイオンの粗フィルタリングのいずれかのために、請求項1に記載のRF反発面を有する内部イオン化を有するイオン源。
- 内部イオン化が、(i)蒸気試料の電子、(ii)蒸気試料の光子、(iii)蒸気試料の反応物イオン、(iv)表面からの高速の粒子、(v)表面からの光子、及び(vi)固体又は液体マトリクスからの光子のいずれかによって行われる、請求項34に記載のイオン源。
- 無線周波数電場によってイオンが保持され、(i)十分に高い運動エネルギーでの前記マニピュレータへのイオン注入、(ii)イオンマニピュレータのイオン衝突表面、(iii)高速原子によるイオン衝撃、(iv)光子によるイオン照明、(v)高速電子へのイオンの露出、(vi)電子捕獲解離のための低速電子へのイオン露出、(vii)異極性の粒子とのイオン反応、及び(viii)積極的蒸気とのイオン反応のいずれかによってイオンフラグメンテーションが引き起こされる、請求項1に記載のイオンマニピュレータを有するフラグメンテーションセル。
- イオン操作方法であって、
メッシュ電極を提供する段階と、
メッシュ電極を貫通するRF電場を印加してイオンを跳ね返す段階とを含む方法。 - イオン操作方法であって、
メッシュ電極を提供する段階と、
前記メッシュ電極の周囲に実質的に対称的に無線周波数電場を印加してイオンを捕捉する段階とを含む方法。 - 連続的ガス流を提供すること、パルスノズルからパルスガス噴流を提供すること、又はパルス粒子線によって引き起こされる冷表面から脱着蒸気のパルスフラックスを提供することによるイオン衝突減衰段階を更に含む、請求項37に記載の方法。
- 直流電場を印加することにより前記メッシュにイオンを引き付ける段階を更に含む、請求項37に記載の方法。
- RF電場がイオン放出のために遮断される、請求項37に記載の方法。
- 前記RF電場の幾何学的スケールを、1mm未満、0.3mm未満、0.1mm未満、30μm未満、10μm未満、3μm未満、1μm未満のいずれかに選択する段階を更に含み、RF周波数が数GHzまで幾何学的スケールに反比例して調整される、請求項37に記載の方法。
- ガスの流れを供給することを更に含み、ガス圧力範囲が、RF周波数に比例して1mtorrから大気ガス圧力までの範囲で変化する、請求項37に記載の方法。
- メッシュを支持しカウンタ電極に位置合わせする方法として前記RF電場に絶縁体を挿入する段階を更に含む、請求項37に記載の方法。
- イオンチャネルを形成することを更に含み、イオン流は、前記イオンチャネル内でガイドされ、前記チャネルが、反発RF電場と、円筒又は任意形状の箱内に包まれた同じ反発RF電場、別の反発RF電場、直流反発電界、静電場の移動波、及びRF捕捉電場のいずれかによって形成された、請求項37に記載の方法。
- 前記誘導が、屈曲、ループ形成、並行流と向流のための平行チャネルのアレイ、平滑又は段付き漏斗内へのイオン流の閉じ込め、合流、分割、自由排出、蓋被せ、弁切り替え、イオンリザーバ内での貯蔵、パルス減衰、イオン流の速度変調、及びポンピングのいずれかの方法によって前記イオン流の変形のために使用される、請求項45に記載の方法。
- イオン流が、ガス、軸方向静電場、静電場の移動波、及び移動磁場のいずれかよって引き起こされる、請求項45に記載の方法。
- 前記イオン操作が、イオンビーム移動、イオンビーム閉じ込め、イオン捕捉、イオンフラグメンテーション、所定期間のイオン・粒子間反応のためのイオン露出、質量分析計へのイオンの連続注入、質量分析計へのイオンパルス注入、及び飛行時間形質量分析計へのイオンパケットの注入からなる群の内の1個のために使用される、請求項37に記載の方法。
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