JP2014504784A - 質量分析装置 - Google Patents

Abstract

実質的に水平向きに配列されて所定量のイオンを供給できるイオン源と、イオンの流れをろ過するためにイオンの流れを受け取るように配列されたイオンフィルタ素子と、イオン源から供給されたイオンをイオンフィルタ素子へ向けて案内するように配列されたイオンガイドと、を備える質量分析装置が提供される。イオン源とイオンフィルタ素子は、装置の輪郭を縮小して装置の有効設置面積を最小限に押さえるように、互に対して配列される。

Description

本発明は、質量分析法における及び質量分析法に関係する改良に関する。特に、本発明は、非網羅的に誘導結合プラズマ質量分析計を含めて、質量分析のための装置の改良に関する。

本明細書において、文書、行為または知識項目に言及または論考する場合、この言及または論考は、その文書、行為または知識項目またはその任意の組合せが優先日において周知の事実の一部であったことまたは本明細書が関連する問題を解決する試みに関与することが知られていたことを認めるものではない。

質量分析計は、サンプルまたは分子の元素組成の測定のために荷電粒子の質量電荷比を測定するために使用される専門的な装置である。この目的のために多様な技法が使用される。質量分析法の一つの形式は、その中にテストサンプルを導入するプラズマ場を生成するために誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）トーチの使用を伴う。この形式において、プラズマは、サンプルからのイオンが抽出されて質量分析計へ導入され得るように、サンプルを気化してイオン化する。

また、質量分析計は、質量フィルタまたは質量分析器を含み、イオンは、この中へイオン光学レンズによって導かれる。質量分析器は、イオンの質量電荷比に基づいてイオンをろ過するのに役立つ。典型的には、質量分析器は、多数の極を備える。例えば、四重極質量分析器は４本の平行ロッドを有する。

イオンが質量分析器の長さを進むと、イオンは分析のために検出器ユニットに受け入れられる。

この種の質量分析計の典型的な配列体は、それぞれの構成要素の形状大きさ（特に質量分析器及び検出器ユニットのそれぞれの長さ）のために、従来型の分析装置はかさばって、作業机または作業台の上のような在来の研究所の作業空間において使用または保管するのに概して不便である点で問題があることが判っている。

本発明の第一の主要な様相によれば、
実質的に水平方向に配列されて所定量のイオンを供給できるイオン源と、
イオンの流れをろ過するためにイオンの流れを受け取るように配列されたイオンフィルタ素子と、
イオン源から供給されたイオンをイオンフィルタ素子へ向けて案内するように配列されたイオンガイドと、
を備える質量分析装置が提供される。イオン源とイオンフィルタ素子は、装置の輪郭を縮小して装置の有効設置面積を最小限に抑えるように、互に対して配列される。

一つの実施形態において、イオン源からのイオンが抽出されて、第一予定進行経路に沿って流れるように配列され得る。

別の実施形態によれば、イオンフィルタ素子によって受取り可能なイオンが、イオン分析素子によって受け取られるように、第二予定進行経路に沿って流れるように配列される。従って、イオンガイドが、イオンを第一予定進行経路から方向転換または案内して第二予定進行経路に沿って流れさせるように、配列され得る。配列は、装置が台上または机上のような典型的な支持表面上に支持されたとき装置の設置面積が減少するような配列である。

本発明の第二の主要な様相によれば、
第一予定進行経路に沿って移動するイオンの流れを提供するために所定量のイオンを供給できるイオン源と、
イオン分析素子による分析前にイオンの流れをろ過するために第二予定進行経路に沿って移動するイオンの流れを受け取るように設置されたイオンフィルタ素子と、
第一予定進行経路に沿って移動するイオンを方向転換して第二予定進行経路に沿って移動させるように配列されたイオンガイドと、
を備える質量分析装置が提供される。第一予定進行経路と第二予定進行経路は、第二予定進行経路に実質的に直交する平面における装置の輪郭を縮小して装置の有効設置面積を最小限に抑えるように、互に対して配列される。

本発明の第三の主要な様相によれば、
第一予定進行経路に沿って移動できるイオンの流れを提供するために所定量のイオンを供給できるイオン源と、
イオン分析素子による分析前にイオンの流れをろ過するために第二予定進行経路に沿って移動するイオンの流れを受け取るように設置されたイオンフィルタ素子と、
第一予定進行経路に沿って移動するイオンを方向転換して第二予定進行経路に沿って移動させるように配列されたイオンガイドと、
を備える質量分析装置が提供される。第一予定進行経路と第二予定進行経路は、実質的に水平に整列された平面における装置の輪郭を縮小して装置の有効設置面積を最小限に抑えるように、互に対して配列される。

この配列体の一つの実施形態において、イオン源は、第一予定進行経路が水平面と実質的に整列するように整列される誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を含む。従って、水平面におけるハウジングの輪郭は縮小されて、ハウジングの有効設置面積を最小限に抑えることができる。

第三の主要な様相に従った質量分析装置は、全ての関連する内部構成要素を囲繞するように構成されたハウジングを備えることができる。従って、この実施形態において、第一予定進行経路と第二予定進行経路は、第一予定進行経路に実質的に平行な平面におけるハウジングの輪郭を縮小してハウジングの有効設置面積を最小限に抑えるように、互に対して配列される。

本発明の第一、第二及び第三の主要な様相の実施形態は、下記の特徴の任意の一つ以上を有するように配列され得る。

一つの実施形態において、第一予定進行経路及び第二予定進行経路は概ね直線状である。例えば、第一予定進行経路は、第一平面内において所望の方向を有する経路であり、第二予定進行経路は第二平面内において所望の方向を有する経路である。

一つの実施形態において、第一平面と第二平面は、互に実質的に直交するように配列される。第一平面は水平面と実質的に平行になるように整列され、第二平面は垂直面に実質的に平行になるように整列され得る。

イオン源は誘導結合プラズマによって提供され得る。この実施形態において、誘導結合プラズマは、実質的に水平面内に概ね方向付けられ。

別の実施形態において、イオン源は、分析のためにイオンを提供できる任意の既知の装置または素子を備えることができる。そのような装置または素子は、電子衝撃、マイクロ波プラズマ、光プラズマ、グロー放電、容量性放電、エレクトロスプレー、化学的イオン化及び／またはレーザーアブレーション装置を含むことができる。

一つの実施形態において、第一予定進行経路に沿ってイオンが進行する距離は、第二予定進行経路に沿ってイオンが進行する距離より実質的に小さい。

イオン分析素子は、質量分析イオン検出器ユニットを含むことができる。

イオンフィルタ素子は、ろ過のためにイオンガイドからイオンの流れを受け取るように配列された四重極質量分析器のような質量フィルタまたは質量分析器を備えることができる。この実施形態において、質量分析器は、イオン分析素子の方向に、第二予定進行経路に沿って進行するイオンを受け取る。従って、イオンフィルタ素子は、イオンフィルタ素子を通過するイオンが直後に直接にイオン分析素子またはイオン検出器ユニットへ前進するようにイオン分析素子に隣接して配置できる。

イオンフィルタ素子は、互に離間しているが平行に配列された金属ロッドのような二つ以上の極要素を備えることができる。一つの実施形態において、質量分析器は、４本の離間しているが平行の金属ロッドを有する四重極質量分析器である。

イオンフィルタ素子に使用される金属ロッドは、実質的に円形または双曲線断面を有する形状に作ることができる。ただし、金属ロッドは、作動に適する任意の断面形状で形成されてよいことが理解されるだろう。

イオンフィルタ素子は、垂直面に対して実質的に平行に整列するように配列され得る。この実施形態において、イオンフィルタ素子の縦軸線（その周りでイオンフィルタ素子の金属ロッドを離間できる）は、垂直面に対して実質的に平行になるように配列される。

典型的には、イオンフィルタ素子配列体は、その長手寸法が、その高さ及び幅寸法より大きい。従って、イオンフィルタ素子が垂直面において配列されたとき、空間（作業台スペースまたは床スペース）の実質的な節約が得られて、装置の有効設置面積を減少できる。従って、この装置の使用者は、装置が典型的な研究室の台上／机上のような作業表面上に保管又は支持されたとき、必要な保管スペースが小さくなり、かつ／またはより大きな作業スペースが得られるという点で利益を得る。

イオンガイドは、ビームまたはイオンの流れを第一予定進行経路と第二予定進行経路との間で導くこと、再度導くこと、または方向転換（例えば、偏向及び／または反射）することができる任意の配列体（イオンミラーまたは光学レンズ配列体のような）を備えることができる。

一つの実施形態において、イオンガイドは、イオンビームの必要な偏向及び／または反射（第一予定進行経路と第二予定進行経路との間または第一予定進行経路から第二予定進行経路へ、など）を与えることができるイオン光学レンズ配列体を備える。このイオン光学素子は、イオンミラー、反射器、デフレクタ、四重極イオンデフレクタ、静電エネルギー分析器、磁性イオン光学、イオン多重ガイド及びその類似品のような配列体を含むことができる。上記の例は網羅的なものではなく、二つの非平行平面の間で所定量のイオンを偏向できる任意の配列体が本発明の実施形態または配列体に採用されてよいことが理解されるだろう。例えば、イオンガイドは、米国特許第６６１４０２１号明細書（言及することにより本明細書に組み込まれる）において説明されるいくつかのＩＣＰ−ＭＳ質量分析装置において採用されるイオン光学「イオンミラー」素子の配列体またはその適切な変形体を備えることができる。さらに、ＩＣＰ−ＭＳに関して、米国特許第５５５９３３７号、第５７７３８２３号、第５８０４８２１号、第６０３１３７９号、第６８１５６６７号、第６６３０６６５号、第６６３０６６５１号明細書に説明されるような配列体は、本発明の実施形態と連動するように配列され得る。

一つの実施形態において、イオンガイドは、第一予定進行経路と第二予定進行経路との間でイオンの流れを案内または導くように配列された湾曲金属フリンジロッド（fringing rods）のような湾曲要素を備える。湾曲要素は、イオンの流れの予定経路の一部または一区分にふさわしい形状に作ることができる。

さらに、本発明による質量分析装置は、イオンの流れから妨害粒子をろ過してイオン分析素子またはイオン検出器ユニットにおけるイオンの流れの信号強度を改良するように配列された一つ以上の衝突セルを備えることができる。本明細書において説明する質量分析装置の配列体のいずれも、一つ以上の衝突セルを備えることができる。

一つ又は各衝突セルは、プラズマから抽出されたイオンと反応するために、アンモニア、メタン、酸素、窒素、アルゴン、ネオン、クリプトン、キセノン、ヘリウムもしくは水素またはこれらの任意の二つ以上の混合物のような一つ以上の反応ガスまたは衝突ガスを収容するように配列され得る。上記の例は、網羅的ではなく、他のガスまたはその組み合わせがそのような衝突セルでの使用に適する可能性があることが理解されるであろう。

一つ又は各衝突セルは、イオンの流れから望ましくない粒子を除去するように、イオンの流れの第一及び／または第二予定進行経路に沿った任意の所望の場所に配置できる。

一つの配列体において、少なくとも一つの衝突セルは、イオン源とイオン分析素子との間に配置される。

別の実施形態において、少なくとも一つの衝突セルは、イオンガイドとイオン分析素子との間に配置される。

別の実施形態において、少なくとも一つの衝突セルは、イオンガイドと質量分析器との間に配置される。

一つの実施形態において、質量分析計は、第二予定進行経路が垂直面に実質的に整列されるときこの経路に沿って移動するイオンの流れが垂直面に関して実質的に下向きになる（すなわち、重力作用で移動する）ように配列され得る。別の実施形態において、質量分析計は、第二予定進行経路に沿って移動するイオンの流れが垂直面に関して実質的に上向きになる（すなわち、重力に対抗して移動する）ように配列され得る。従って、第二予定進行経路が実質的に垂直面に整列されるとき、質量分析計は、イオンの流れが垂直面に関して上向きか下向きに流れるように配列され得る。これらの配列体において、イオン源の位置が異なることが分かるだろう。イオンが第二予定進行経路に沿って下向きに流れる配列体の場合、イオン源は、イオン分析素子の上方に配置され、好ましくは装置のハウジングの上側領域に配置される。さらに、イオンが第二予定進行経路に沿って上向きに流れる配列体の場合、イオン源は、イオン分析素子の下方に配置され、好ましくは装置のハウジングの下側領域に配置される。

本発明に係わる質量分析装置は、概して、少なくともイオン源、イオン分析素子及びイオンガイドのような装置の内部構成要素全てを囲繞するように構成されたハウジングを備える。従って、この実施形態において、第一予定進行経路と第二予定進行経路は、第二予定進行経路に実質的に直交する平面におけるハウジングの輪郭を縮小してハウジングの有効設置面積を最小限に抑えるように、互に対して配列される。

本発明の別の主要な様相によれば、
実質的に水平の向きに配列されて所定量のイオンを供給できるイオン源と、
イオンの流れをろ過するためにイオンの流れを受け取るように配列されたイオンフィルタ素子と、
イオン源から供給されたイオンをイオンフィルタ素子へ向けて案内するように配列されたイオンガイドと、
を備える誘導結合プラズマ質量分析装置が提供される。イオン源とイオンフィルタ素子は、実質的に水平に整列された平面における装置の輪郭を縮小して装置の有効設置面積を最小限に抑えるように、互に対して配列される。

本発明の別の主要な様相によれば、
実質的に水平の向きに配列されて所定量のイオンを供給できるイオン源と、
イオンの流れをろ過するためにイオンの流れを受け取るように実質的に垂直の向きに配列されたイオンフィルタ素子と、
イオン源から供給されたイオンをイオンフィルタ素子へ向けて案内するように配列されたイオンガイドと、
を備える誘導結合プラズマ質量分析装置が提供される。イオン源とイオンフィルタ素子は、実質的に水平に整列された平面における装置の輪郭を縮小して装置の有効設置面積を最小限に抑えるように、互に対して配列される。

本発明の別の主要な様相によれば、
第一予定進行経路に沿って移動するイオンの流れを提供するために所定量のイオンを供給できるイオン源と、
イオン分析素子による分析前にイオンの流れをろ過するために第二予定進行経路に沿って移動するイオンの流れを受け取るように設置されたイオンフィルタ素子と、
第一予定進行経路に沿って移動するイオンを方向転換して第二予定進行経路に沿って移動させるように配列されたイオンガイドと、
を備える誘導結合プラズマ質量分析装置が提供される。第一予定進行経路と第二予定進行経路は、第二予定進行経路に実質的に直交する平面における装置の輪郭を縮小して装置の有効設置面積を最小限に抑えるように、互に対して配列される。

一つの実施形態において、第一予定進行経路は、実質的に水平面と整列され、第二予定進行経路は実質的に垂直面と整列され、第二予定進行経路に沿って移動するイオンの流れが垂直面に関して実質的に上向きに移動する。

別の実施形態において、イオンガイドはイオンミラーである。

別の実施形態において、イオンフィルタ素子は四重極質量分析器である。

別の実施形態において、装置は、イオンガイド（例えば、イオンミラー）とイオンフィルタ素子（例えば、四重極質量分析器）の中間に配置された衝突セルを備える。

本発明の別の主要な様相によれば、
実質的に水平面に整列された第一予定進行経路に沿って移動するイオンの流れを提供するために所定量のイオンを供給できるイオン源と、
イオン分析素子による分析前にイオンの流れをろ過するために第二予定進行経路に沿って移動するイオンの流れを受け取るための四重極質量分析器であって、第二予定進行経路が実質的に垂直面に整列され、第二予定進行経路に沿って移動するイオンの流れが垂直面に関して実質的に上向きに移動するように配列される、四重極質量分析器と、
第一予定進行経路に沿って移動するイオンを方向転換して第二予定進行経路に沿って移動させるように配列されたイオンミラーと、
イオンミラーと四重極質量分析器の中間に配置された衝突セルと、
を備える誘導結合プラズマ質量分析装置が提供される。第一予定進行経路と第二予定進行経路は、第二予定進行経路に実質的に直交する平面における装置の輪郭を縮小して装置の有効設置面積を最小限に抑えるように、互に対して配列される。

本発明の別の形態によれば、
第一予定進行経路に沿って移動できるイオンの流れを提供するために所定量のイオンを供給できるイオン源と、
イオン分析素子による分析前にイオンの流れをろ過するために第二予定進行経路に沿って移動するイオンの流れを受け取るように設置されたイオンフィルタ素子と、
第一予定進行経路に沿って移動するイオンを方向転換して第二予定進行経路に沿って移動させるように配列されたイオンガイドと、
を備える誘導結合プラズマ質量分析装置が提供される。第一予定進行経路と第二予定進行経路は、実質的に水平に整列された平面における装置の輪郭を縮小して装置の有効設置面積を最小限に抑えるように、互に対して配列される。

上で規定された本発明の誘導結合プラズマ質量分析装置は、本発明の第一、第二または第三の主要な様相の任意のものと配列され得る上で規定された特徴の任意のものとともに配列され得ることが理解されるであろう。

本発明の実施形態が、さらに、添付図面の一つ以上を参照して例としてさらに説明されて例証される。

本発明の一つの実施形態に従って配列された誘導結合プラズマ質量分析計（ＩＣＰ−ＭＳ）装置の概略図である。 本発明に従って配列されたＩＣＰ−ＭＳ装置の別の実施形態の概略図である。 本発明に従って配列されたＩＣＰ−ＭＳ装置のさらなる実施形態の概略図である。 図１Ａに示されるＩＣＰ−ＭＳ装置の実施形態の変形例を示す。 図１Ｂに示されるＩＣＰ−ＭＳ装置の実施形態の変形例を示す。 図１Ｃに示されるＩＣＰ−ＭＳ装置の実施形態の変形例を示す。 本発明に従って配列されたＩＣＰ−ＭＳ装置の別の実施形態の概略図である。 本発明に従って配列されたＩＣＰ−ＭＳ装置のさらなる実施形態の概略図である。 図３Ａに示されるＩＣＰ−ＭＳ装置の実施形態の変形例を示す。 図３Ｂに示されるＩＣＰ−ＭＳ装置の実施形態の変形例を示す。 図１Ｃに示されるＩＣＰ−ＭＳ装置の実施形態の斜視図である。 図１Ｂに示されるＩＣＰ−ＭＳ装置の実施形態の斜視図である。 図３Ｂに示されるＩＣＰ−ＭＳ装置の実施形態の斜視図である。 図１Ｃに示されるＩＣＰ−ＭＳ装置の概略図である。

簡潔化のために、本発明に従って配列された質量分析装置のいくつかの実施形態が、誘導結合質量分析法（ＩＣＰ−ＭＳ）に関して説明される。ただし、このようなサンプリングインタフェース配列体は、選択的イオン粒子細分化、減衰、反応、衝突散乱、操作、及び質量スペクトル調整のための再配分に使用される任意の形式の衝突ガス体（多重極衝突または反応セルを含むがこれに限定されない）配列体を有するものを含めて、質量分析計測に容易に応用できることが分かるだろう。

従って、下記の質量分析装置すなわちＩＣＰ−ＭＳのような大気圧プラズマイオン源（低圧または高圧プラズマイン源を使用できる）質量分析法、マイクロ波プラズマ質量分析法（ＭＰ−ＭＳ）、グロー放電質量分析法（ＧＤ−ＭＳ）または光学プラズマ質量分析法（例えばレーザー励起プラズマ）、ガスクロマトグラフ質量分析法（ＧＣ−ＭＳ）、液体クロマトグラフ質量分析法（ＬＣ−ＭＳ）及びイオンクロマトグラフ質量分析法（ＩＣ−ＭＳ）、電子衝撃イオン化（ＥＩ）、リアルタイム直接分析（ＤＡＲＴ）、脱離エレクトロスプレー（ＤＥＳＩ）、流動大気圧残光（ＦＡＰＡ）、低温プラズマ（ＬＴＰ）、誘電バリア放電（ＤＢＤ）、ヘリウムプラズマイオン化源（ＨＰＩＳ）、球形圧力光イオン化（ＤＡＰＰＩ）及び大気脱離イオン化（ＡＤＩ）のような質量分析法は、本発明の原理から利益を受けることができる。当業者は、前記のリストが網羅的なものではなく、質量分析法の他の開発中の分野が本発明の原理から利益を受ける可能性があることが分かるだろう。

簡単な説明として、ＩＣＰ−ＭＳ装置の場合、イオンの生成及び試験サンプルから質量分析計へのイオンの移転を可能にするために、しばしば“Ｃａｍｐａｒｇｕｅ”タイプのプラズマサンプリングインタフェースが使用される。このタイプ形態のインタフェースは、概して、電気的に接地された二つの構成要素、すなわち一般にサンプラー（またはサンプラーコーン）と呼ばれる第一構成要素であって、プラズマによって生成されたイオンを受け取るための取入れ口として機能するためにプラズマに隣接して配置される第一構成要素と、一般にスキマー（またはスキマーコーン）として知られる第二構成要素であって、質量分析計への途中でイオンが通過するようにサンプラーの下流に配置される第二構成要素とから成る。スキマーは、イオンが通過する開口を通常は含む。サンプラー及びスキマー配列体の目的は、質量分析計による操作に必要な真空環境の中へイオンが（それぞれの開口を通って）進めるようにすることである。真空は、多段ポンプ配列体によって通常は生成及び維持され、ポンプ配列体において、第一段は、プラズマと関連するガスのほとんどを除去しようとする。イオンが質量分析計検出器ユニットに到達する前にガス体をさらに純化するために一つ以上のさらなる真空段階が使用されてよい。ほとんどのシステムにおいて、イオン光学または抽出レンズ配列体が、ＵＶ光子、高エネルギー中性子及びプラズマから機器の中へ運ばれるその他の固体粒子からイオンを分離するために、用意されてスキマーのすぐ下流に配置される。

図１Ａを参照すると、本発明に従って配列された質量分析装置２Ａの一つの実施形態が示される。一貫性を持たせるため及び説明を容易にするために、添付図面に示される本発明の実施形態は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を含むイオン源と連動するように構成される。従って、ＩＣＰイオン源からイオンを抽出する手段として、従来型のＣａｍｐａｒｇｕｅ式サンプラー配列体（上で概括的に論述した）が使用される。しかし、本明細書において説明し図において例示する本発明の原理は、ＩＣＰ−ベースの装置に限定されない。他の形式の質量分析法が本明細書に説明する本発明の中心的形態から容易に利益を得られることが、当業者には分かるだろう。他のイオン源は、質量分析のためにイオンを提供できる任意の既知の装置または素子を含むことができる。簡単な実施例として、このような装置または素子は、電子衝撃、マイクロ波プラズマ、光プラズマ、グロー放電、容量性放電、エレクトロスプレー、化学的イオン化及び／またはレーザーアブレーション配列体を含むことができる。

質量分析計２Ａは、第一予定進行経路１６Ａに沿って移動するイオンの流れ２２を提供するために所定量のイオンを供給できるイオン源１２と、イオン分析素子４４への途中において第二予定進行経路１６Ｂに沿って移動するイオンの流れを受け取るために設置されたイオンフィルタ素子２０と、第一予定進行経路１６Ａに沿って移動するイオンを方向転換して第二予定進行経路１６Ａに沿って移動させるように配列されたイオンガイド２６のようなイオン光学ユニットと、を備える。イオン源１２とイオンフィルタ素子２０は、質量分析計２Ａの輪郭が縮小されて、質量分析計２Ａの有効設置面積を最小限に抑えるように、互に対して配置される。

商業用実施形態において、質量分析計２Ａは、中に少なくともイオン源１２、イオンフィルタ素子２０及びイオンガイド２６を収容するハウジング３２を備える。このように、イオン源１２及びイオンフィルタ素子２０の配列によって、（例えば、下に述べる表面５２のような）支持面における質量分析計２Ａの有効設置面積を最小限に抑えるように、実質的に水平に整列された平面３５におけるハウジングの輪郭を縮小する。従って、図１〜８に示される本発明の配列体及び実施形態は、小さい台上設置面積を有する特有の質量分析配列体を提供する点で有利であり、これによって、例えば研究所及びこの種の設備が一般に保管されて使用される同様の場所における利用可能な作業スペースを拡大するのに役立つ。

図示される質量分析計２Ａの実施形態の場合、第一予定進行経路１６Ａ及び第二予定進行経路１６Ｂの各々は、概ね直線状である。イオンは、イオン源１２から抽出されて、サンプラーコーンとスキマーコーンと（両方とも図示しないが、全体としてインタフェース領域１８で示す）を備えるインタフェース配列体を通過する。従来型のＣａｍｐａｒｇｕｅ式サンプラー配列体の場合、所定量のイオンがイオン源１２から抽出されて、第一予定進行経路１６Ａによる経路に沿ってインタフェース領域１８（サンプラーコーン及びスキマーコーン）を通過する。図示される実施形態において、第一予定進行経路１６Ａは、水平面内に存在する全体的方向を有する。

インタフェース領域１８を通過したら、イオンは、開口３４を通過してイオン光学レンズ２５の中へ進む。イオン光学レンズ２５は、イオンを約９０度方向転換して、その進行経路を第一予定進行経路１６Ａから第二予定進行経路１６Ｂへ変更するのに役立つイオンガイド２６を含む。第二予定進行経路１６Ｂは、垂直面内に全体的所望方向を有する。

イオンは、開口２８からイオンガイド２６を出て、四重極質量分析器３６を備えるイオンフィルタ素子２０の中へ進む。図示される実施形態において、四重極質量分析器３６は、一組の先行フリンジロッド３８と、その後の一組の主フィルタロッド４０とを含む。四重極質量分析器３６の機能は、イオンの流れの中の標的イオンの質量電荷比に基づいてイオンの流れから望ましくない粒子をろ過することであることは、当業者には容易に分かるだろう。さらに、四重極質量分析器３６の固有の配列は、本明細書において説明する本発明の原理にはまったく重要ではなく、目前の状況に合わせて任意の適切な配列で構成できる。

また、図示される四重極質量分析器３６配列体の変形例も実現可能であることが当業者には分かるだろう。適切な質量分析素子は、互に離間しているが平行に配列された一つ以上の極を備えることができる。さらに、質量分析器に使用される金属ロッドのような極は、実質的に円形または放物線断面を有する形状に作ることができる。ただし、他の実施形態において、ロッドは、所定の用途における作動に適する任意の断面形状で形成されてよい。

全ての図の実施形態において示されるように、四重極質量分析器３６は、実質的に垂直面に存在するように配列される。この実施形態において、四重極質量分析器３６の縦軸線４１（または、四重極質量分析器３６のロッドが離間する際の軸線）は、実質的に垂直面内に整列するように配列されるか、または垂直面に実質的に平行に配列され、またイオンの第二予定進行経路１６Ｂと実質的に同心である。典型的には、四重極質量分析素子は、その横断方向の寸法におけるよりも長手寸法（長さ方向）における長さが大きい。

四重極質量分析器３６を通過したら、イオンはイオン分析素子４４へ導かれ、イオン分析素子においてイオンが分析される。

四重極質量分析器３６が垂直面において整列されるとき、空間（台上スペースまたは床スペースのような）の実質的な節約が得られる。この種のユニットは、概して、即座に作動できるように研究所の机上または台上に保管される。従って、必要な保管スペースが小さくなり、それによってより大きな利用可能な作業空間を与えるので、この種の設備の使用者は、本発明の質量分析配列体の利益を受けることができる。従って、質量フィルタ素子が水平面内に配列される従来型の質量分析装置よりハウジング３２の輪郭がずっと小さいことが分かるであろう。

さらに、この種の従来型の装置において、イオン源、質量分析器及び質量検出器は、直列に配列されるので、長手方向（水平平面内に配列される）に比較的大きい寸法を有する配列体となる。従って、これらの構成要素が適切なハウジングに収容されたとき、その結果この装置の設置面積は、典型的な研究所の作業台のような作業面上に支持されたとき相当量の面積（及び体積）に及ぶ。

これに対して、図に示される質量分析装置の配列体は、各々、支持作業台またはこれに類似するものの上においたとき、それぞれの装置の設置面積を減少するのに役立つ。従って、第二予定進行経路１６Ｂ（すなわち、この経路に沿って、イオンは、イオン分析素子４４への途中で四重極質量分析器３６を通過する）を垂直面内に方向づけることによって、水平面におけるハウジングの有効断面積は縮小し、それによって装置（図５〜８において作業面５２上に置かれる）の設置面積を最小限に抑えることができる。

一つの様相において、及びイオン源が水平に方向付けられなければならないＩＣＰ形態のイオン源（他の質量分析形式に比べて信号感度が増大することが知られるイオン源）に関して、図に示される配列体は、水平面内での進行から垂直面内での進行へイオンの流れ２２を方向転換するイオンガイド２６の利点を利用する。従って、これは四重極質量分析器３６及び関連する構成要素（互に直列に配列される）の垂直面内への整列を可能にし、それによって、平面３５（概して水平面に実質的に整列する）におけるハウジングの有効輪郭を縮小する。図示される配列体の場合、第一予定進行経路１６Ａに沿ってイオンが進行する距離は、第二予定進行経路１６Ｂに沿ってイオン進行する距離より実質的に小さい。

ほとんどの部分が図１Ａに示されるものと同様の配列体を備える別の実施形態を、図１Ｂ及び１Ｃに示す。図１Ｂは、イオンガイド２６と四重極質量分析器３６との間に配置された衝突セル３０を含むように配列された質量分析計２Ｂを示す。従って、イオンの流れ２２は、イオンガイド２６によって方向転換されて、開口３３を通過して衝突セル３０へ進入する。別の方法として、図１Ｃは、インタフェース領域１８とイオンガイド２６との間に衝突セル３０が配置される質量分析計２Ｃを示す。

衝突セル３０は、イオンの流れ２２から妨害粒子をろ過し、それによってイオン分析素子４４におけるイオンの流れの信号強度を改良するのに役立つことが、当業者には容易に分かるだろう。本明細書において説明する質量分析計の配列体のいずれも、一つ以上の衝突セルを含むことができる。各衝突セル３０は、プラズマから抽出されたイオンと反応するために、アンモニア、メタン、酸素、窒素、アルゴン、ネオン、クリプトン、キセノン、ヘリウムもしくは水素またはこれらの任意の二つ以上の混合物のような一つ以上の反応または衝突ガスを収容するように配列され得る。上述の例は網羅的ではなく、他の多くのガスまたはその組合せが衝突セルに使用するのに適する可能性がある。

図１Ａ〜１Ｃに示される本発明の全ての実施形態において、イオン源１２は、イオン分析素子４４上方の配列体の一番上の領域に配置されるように、すなわちイオンの流れが第二予定進行経路１６Ｂに沿ってイオン分析素子４４へ向かって重力の方向へ流れるように、配列される。イオン源１２及びイオン分析素子４４の配置は、イオン源１２がイオン分析素子４４の下方に配置されるように変更され得る。このような配列体が、図２Ａ〜２Ｃに示される実施形態の各々に反映される。例えば、図２Ａは、イオン源１２（水平面に整列する）が装置の最も低い位置に配置される質量分析計４Ａを示す。この質量分析計において、イオンの流れ２２は、イオンガイド２６によって方向転換されると、イオン分析素子４４へ向かって重力に抵抗して上向きに流れる。従って、この配列体において、第二予定進行経路１６Ｂに沿ったイオンの流れの方向は、逆転する。発明者は、イオンの流れが重力の方向に逆行する場合、信号感度が図１Ａ〜１Ｃに示される配列体と比較して損なわれないことを見出した。

図２Ｂ及び２Ｃは、それぞれ衝突セル３０が含まれる図１Ｂ及び１Ｃに示される配列体を反映する質量分析配列体４Ｂ及び４Ｃを示す。

図３Ａ及び３Ｂは、それぞれ、質量分析配列体６Ａ及び６Ｂを示す。図示される配列体の各々において、イオンガイド２６は、四重極質量分析器３６内部に組み込まれ、その中において、先行フリンジロッド３８は、イオンの流れ２２を第一予定進行経路１６Ａから第二予定進行経路１６Ｂへ案内するのに役立つ湾曲要素として設置される。質量分析計６Ａの場合、イオン光学レンズ２５は、四重極質量分析器３６への入り口に隣接して配置されて、イオンの流れ２２がインタフェース領域１８から抽出されることを保証するのに役立つ。質量分析計６Ｂに関しては、衝突セル３０が、イオン光学レンズ２５と四重極質量分析器３６への入り口との間に配置される。

図４Ａ及び４Ｂは、それぞれ質量分析配列体８Ａ及び８Ｂを示す。その各々は、イオン源１２がイオン分析素子４４の下方の配置されるケースを反映する。図２Ａ〜２Ｃに示される実施形態に関連して論じたように、イオンの流れ２２の方向は、第二予定進行経路１６Ｂに沿って逆転する。

図５〜７は、各々商品として見た場合の、それぞれ質量分析計２Ｃ、２Ｂ、６Ｂの斜視図である。各場合において、質量分析計２Ｃは、在来の研究所環境における典型的作業台上を表す表面５２に支持された状態を示す。従って、図５〜７から、垂直面に配列された四重極質量分析器３６とイオン分析素子４４との整列によって、図示される質量分析配列体のそれぞれの設置面積が従来型の装置より実質的に小さいことが明らかである。

図８は、時に研究所環境において見られるように、作業台面の下に配置された場合の質量分析計２Ｃ（図１Ｃ）の斜視図である。図８からも明らかなように、どこに配置されるかに関係なく、水平面における装置の輪郭の縮小が、相当量の空間を節約する。質量分析計２Ｃは、床に支持されるか、または適切に構成されたハーネス組立体（装置ができる限り静止したまま要求に応じて作動することを保証するために配置される）のような支持装置を用いて台の下から支持され得る。この種の装置を図示されるように支持するために多くの形式の支持構造体を開発できることが分かるだろう。

図に示される全ての実施形態に関して、イオンガイド２６は、イオンビームに水平面から垂直面への要求される偏向を与えることができるイオン光学配列体を備える。この種のイオン光学素子は、イオンミラー、反射器、四重極イオンデフレクタ、静電エネルギー分析器、磁性イオン光学、イオン多重ガイド及びその類似品のような配列体を含むことができる。上記の例は網羅的なものではなく、二つの非平行平面の間で所定量のイオンを偏向できる任意の配列体を本発明の実施形態に採用できることが理解されるであろう。例えば、イオンガイド２６は、米国特許第６６１４０２１号（参照により本明細書に組み込まれる）において説明されるいくつかのＩＣＰ−ＭＳ質量分析装置において採用されるイオン光学「イオンミラー」素子の配列体またはその適切な変形例を備えることができる。さらに、ＩＣＰ−ＭＳに関して、米国特許第５５５９３３７号、第５７７３８２３号、第５８０４８２１号、第６０３１３７９号、第６８１５６６７号、第６６３０６６５号、第６６３０６６５１号明細書に説明されるような配列体は、本発明の実施形態と連動するように配列され得る。

本明細書及びクレームにおいて使用される場合、「備える」という言葉は、本発明を限定して、変形または追加を排除するものではない。本発明の修正及び改良は、当業者には自明であろう。このような修正及び改良は、本発明の範囲にあるものとする。

Claims (36)

1. 実質的に水平方向に配列されて所定量のイオンを供給できるイオン源と、
   イオンの流れをろ過するために前記イオンの流れを受け取るように配列されたイオンフィルタ素子と、
   前記イオン源から供給されたイオンを前記イオンフィルタ素子へ向けて案内するように配列されたイオンガイドと、
   を備える質量分析装置であって、
   前記イオン源と前記イオンフィルタ素子が、該装置の輪郭を縮小して該装置の有効設置面積を最小限に抑えるように互に対して配列される、質量分析装置。
2. 前記イオン源からの前記イオンが抽出されて第一予定進行経路に沿って流れるように配列された質量分析装置であって、前記イオンフィルタ素子によって受取り可能な前記イオンが、分光分析のためにイオン分析素子によって受け取られるように、第二予定進行経路に沿って流れるように配列される、請求項１に記載の質量分析装置。
3. 該装置が、前記イオンを前記第一予定進行経路から方向転換または案内して前記第二予定進行経路に沿って流れさせるように配列され、前記配列は、該装置が台上または机上のような典型的な支持表面上に支持されたとき該装置の設置面積が減少するような配列である、請求項２に記載の質量分析装置。
4. 第一予定進行経路に沿って移動するイオンの流れを提供するために所定量のイオンを供給できるイオン源と、
   イオン分析素子による分析前にイオンの流れをろ過するために第二予定進行経路に沿って移動する前記イオンの流れを受け取るように設置されたイオンフィルタ素子と、
   前記第一予定進行経路に沿って移動するイオンを方向転換して前記第二予定進行経路に沿って移動させるように配列されたイオンガイドと、
   を備える質量分析装置であって、
   前記第一予定進行経路と前記第二予定進行経路が、前記第二予定進行経路に実質的に直交する平面における該装置の輪郭を縮小して該装置の有効設置面積を最小限に抑えるように、互に対して配列される、質量分析装置。
5. 第一予定進行経路に沿って移動できるイオンの流れを提供するために所定量のイオンを供給できるイオン源と、
   イオン分析素子による分析前にイオンの流れをろ過するために第二予定進行経路に沿って移動する前記イオンの流れを受け取るように設置されたイオンフィルタ素子と、
   前記第一予定進行経路に沿って移動するイオンを方向転換して前記第二予定進行経路に沿って移動させるように配列されたイオンガイドと、
   を備える質量分析装置であって、
   前記第一予定進行経路と前記第二予定進行経路が、実質的に水平に整列された平面における該装置の輪郭を縮小して該装置の有効設置面積を最小限に抑えるように、互に対して配列される、質量分析装置。
6. 前記イオンガイドが、前記第一予定進行経路と前記第二予定進行経路との間のイオンビームまたはイオンの流れを導くことができる任意の配列体を備える、請求項２に記載の、または請求項２に従属するときの請求項３〜６のいずれか一項に記載の質量分析装置。
7. 前記第一予定進行経路及び前記第二予定進行経路が概ね直線状であり、前記第一予定進行経路が第一平面内で所望の方向を有する経路であり、前記第二予定進行経路が第二平面内で所望の方向を有する経路である、請求項２に記載の、または請求項２に従属するときの請求項３〜６のいずれか一項に記載の質量分析装置。
8. 前記第一平面と前記第二平面が互に実質的に直交するように配列される、請求項７に記載の質量分析装置。
9. 前記第一平面が水平面に実質的に平行になるように整列され、かつ前記第二平面が垂直面に実質的に平行になるように整列される、請求項７または８に記載の質量分析装置。
10. 前記第一予定進行経路に沿ってイオンが進行する距離が前記第二予定進行経路に沿ってイオンが進行する距離より実質的に小さい、請求項２に記載の、または請求項２に従属するときの請求項３〜９のいずれか一項に記載の質量分析装置。
11. 前記イオンフィルタ素子が、ろ過のために前記イオンガイドからイオンの流れを受け取るように配列された質量フィルタまたは質量分析器を備える、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の質量分析装置。
12. 前記質量分析器が、前記イオン分析素子の方向に前記第二予定進行経路に沿って進行するイオンを受け取るように配列される、請求項２に従属するときの請求項１１に記載の質量分析装置。
13. 前記イオンフィルタ素子が、互に離間しているが平行に配列された金属ロッドのような二つ以上の極要素を備えることができる、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の質量分析装置。
14. 前記質量分析器が、４本の離間しているが平行の金属ロッドを有する四重極質量分析器である、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の質量分析装置。
15. 前記イオンフィルタ素子が、垂直面に対して実質的に平行に整列するように配列され、前記イオンフィルタ素子の縦軸線が垂直面に対して実質的に平行になるように配列される、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の質量分析装置。
16. 前記イオンガイドが、前記イオンビームを前記第一予定進行経路から前記第二予定進行経路へ導くことができるイオン光学レンズ配列体を備える、請求項２〜１５のいずれか一項に記載の質量分析装置。
17. 前記イオンガイドが、前記第一予定進行経路と前記第二予定進行経路との間で前記イオンの流れを案内または導くように配列された湾曲要素を備える、請求項２〜１６のいずれか一項に記載の質量分析装置。
18. 前記湾曲要素が、前記イオンの流れの前記予定経路の一部または一区分にふさわしい形状に作られる、請求項１７に記載の質量分析装置。
19. 該装置が、前記イオンの流れから妨害粒子をろ過してイオン分析素子における前記イオンの流れの信号強度を改良するのに役立つように配列された一つ以上の衝突セルをさらに備える、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の質量分析装置。
20. 前記一つ又は各衝突セルが、プラズマから抽出されたイオンと反応するために、次に示す反応ガスまたは衝突ガス、即ち、アンモニア、メタン、酸素、窒素、アルゴン、ネオン、クリプトン、キセノン、ヘリウムもしくは水素、またはこれらの任意の二つ以上の混合物のような反応ガスまたは衝突ガスの一つ以上を収容するように配列される、請求項１９に記載の質量分析装置。
21. 前記一つ又は各衝突セルが、前記イオンの流れから望ましくない粒子を除去するように、前記イオンの流れの前記第一予定進行経路及び／または前記第二予定進行経路に沿った任意の所望の場所に配置される、請求項２に従属するときの請求項１９または２０に記載の質量分析装置。
22. 前記イオン源が誘導結合プラズマによって与えられ、前記誘導結合プラズマが実質的に水平面内に方向付けられるように配列される、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の質量分析装置。
23. 前記第一予定進行経路と前記第二予定進行経路が、前記第一予定進行経路に実質的に平行な平面におけるハウジングの輪郭を縮小して前記ハウジングの有効設置面積を最小限に抑えるように、互に対して配列される、請求項２に記載の、または請求項２に従属するときの請求項３〜２２のいずれか一項に記載の質量分析装置。
24. 前記第一予定進行経路と前記第二予定進行経路が、前記第二予定進行経路に実質的に直交する平面におけるハウジングの輪郭を縮小して前記ハウジングの有効設置面積を最小限に抑えるように、互に対して配列される、請求項２に記載の、または請求項２に従属するときの請求項３〜２２のいずれか一項に記載の質量分析装置。
25. 前記イオン源が分析のためにイオンを提供できる任意の既知の装置または素子を備えることができる、請求項１〜２４のいずれか一項に記載の質量分析装置。
26. 前記イオン分析素子が質量分析イオン検出器ユニットを含むことができる、請求項１〜２５のいずれか一項に記載の質量分析装置。
27. 該装置が、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）質量分析計のタイプの装置であり、前記イオン源は、前記第一予定進行経路が実質的に水平面に整列するように整列された誘導結合プラズマを含む、請求項２に記載の、または請求項２に従属するときの請求項３〜２６のいずれか一項に記載の質量分析装置。
28. 実質的に水平の向きに配列されて所定量のイオンを供給できるイオン源と、
    イオンの流れをろ過するために前記イオンの流れを受け取るように配列されたイオンフィルタ素子と、
    前記イオン源から供給されたイオンを前記イオンフィルタ素子へ向けて案内するように配列されたイオンガイドと、
    を備える誘導結合プラズマ質量分析装置であって、
    前記イオン源と前記イオンフィルタ素子が、実質的に水平に整列された平面における該装置の輪郭を縮小して該装置の有効設置面積を最小限に抑えるように、互に対して配列される、誘導結合プラズマ質量分析装置。
29. 第一予定進行経路に沿って移動するイオンの流れを提供するために所定量のイオンを供給できるイオン源と、
    イオン分析素子による分析前にイオンの流れをろ過するために第二予定進行経路に沿って移動する前記イオンの流れを受け取るように設置されたイオンフィルタ素子と、
    前記第一予定進行経路に沿って移動するイオンを方向転換して前記第二予定進行経路に沿って移動させるように配列されたイオンガイドと、
    を備える誘導結合プラズマ質量分析装置であって、
    前記第一予定進行経路と前記第二予定進行経路が、前記第二予定進行経路に実質的に直交する平面における該装置の輪郭を縮小して該装置の有効設置面積を最小限に抑えるように、互に対して配列される、誘導結合プラズマ質量分析装置。
30. 前記第一予定進行経路が実質的に水平面と整列され、かつ前記第二予定進行経路が実質的に垂直面と整列され、前記第二予定進行経路に沿って移動する前記イオンの流れが前記垂直面に関して実質的に上向きに移動する、請求項２９に記載の誘導結合プラズマ質量分析装置。
31. 前記イオンガイドがイオンミラーである、請求項２９または３０に記載の誘導結合プラズマ質量分析装置。
32. 前記イオンフィルタ素子が四重極質量分析器である、請求項２９〜３１のいずれか一項に記載の誘導結合プラズマ質量分析装置。
33. 前記イオンガイドと前記イオンフィルタ素子の中間に配置された衝突セルをさらに備える、請求項２９〜３２のいずれか一項に記載の誘導結合プラズマ質量分析装置。
34. 実質的に水平面に整列された第一予定進行経路に沿って移動するイオンの流れを提供するために所定量のイオンを供給できるイオン源と、
    イオン分析素子による分析前にイオンの流れをろ過するために第二予定進行経路に沿って移動するイオンの流れを受け取るための四重極質量分析器であって、前記第二予定進行経路が実質的に垂直面に整列され、前記第二予定進行経路に沿って移動する前記イオンの流れが前記垂直面に関して実質的に上向きに移動するように配列される、四重極質量分析器と、
    前記第一予定進行経路に沿って移動するイオンを方向転換して前記第二予定進行経路に沿って移動させるように配列されたイオンミラーと、
    前記イオンミラーと前記四重極質量分析器の中間に配置された衝突セルと、
    を備える誘導結合プラズマ質量分析装置であって、
    前記第一予定進行経路と前記第二予定進行経路が、前記第二予定進行経路に実質的に直交する平面における該装置の輪郭を縮小して該装置の有効設置面積を最小限に抑えるように、互に対して配列される、誘導結合プラズマ質量分析装置。
35. 実質的に以上に説明するとおりの、添付図面のいずれか一つを参照する質量分析装置。
36. 実質的に以上に説明するとおりの、添付図面のいずれか一つを参照する誘導結合プラズマ質量分析装置。

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