JP2014506720A - 質量電荷比に依存しない閉じ込めによる湾曲型イオンガイド - Google Patents

Abstract

複数の電極（６）を備える非線形イオンガイドが開示される。複数の電極（６）の間にはイオンガイド領域が配置されており、イオンガイド領域は、少なくとも第１の方向（ｘ方向）に湾曲している。イオンガイド領域内において第１の方向（ｘ方向）にイオンを閉じ込めるように作用するＤＣポテンシャル井戸を形成するために、複数の電極（６）の少なくともいくつかにＤＣ電圧が印加される。
【選択図】 図２Ａ

Description

関連出願のクロスリファレンス
本願は、２０１１年４月１５日に出願された米国仮特許出願第６１／４７５９１２号および２０１１年２月２５日に出願された英国特許出願第１１０３２５５．４号の優先権および利益を主張する。上記出願の全ての内容は、参照により本明細書に援用される。

本発明は、質量分析計および質量分析の方法に関する。

湾曲形状または非線形形状のＲＦイオンガイドが公知である。湾曲形状のイオンガイドを用いると、線形イオンガイドを備えた質量分析計に比べて、よりコンパクトな質量分析計が設計可能になる。非線形形状のイオンガイドは、イオン検出器に到達する中性種または非イオン化種の量を低減するのに用いられることもある。

市販の質量分析計のなかには、衝突ガスセルとして、ガスが充填された湾曲形状のＲＦイオンガイドを用いるものがある。衝突ガスセル内のガス（例えば、アルゴン）の圧力は、一般に１０^-3〜１０^-2ｍｂａｒである。

親イオンまたは前駆イオンは、加速されて衝突セルに入ると、衝突誘起解離（「ＣＩＤ」）により断片化されて生成イオンを形成する。その後、生成イオンは、後段の質量分析器によって分析される。場合によっては、親イオンまたは前駆イオンは、断片化に先立ち、前段の質量フィルタによって選別されてもよい。

従来のＲＦイオンガイドにおいて、半径方向の閉じ込めは、ＲＦ周波数で振動する不均一場を印加することによって実現される。このような振動場の印加により、イオンガイド内にイオンを閉じ込めるように作用する擬ポテンシャルが生じる。

それぞれ開口を有する複数の電極を含むＲＦリングスタック内の擬ポテンシャル（Ｒ，Ｚ）は、半径方向距離Ｒおよび軸方向位置Ｚの関数として下記式により与えられる。

上記式中、ｍはイオンの質量であり、ｅは電子の電荷であり、ＶｏはピークＲＦ電圧であり、ωはＲＦ電圧の角周波数であり、Ｒｏは開口の半径であり、Ｚｏ．πは、リング電極どうしの中心−中心間距離であり、Ｉ０は、第１種の０次変形ベッセル関数であり、Ｉ１は、第１種の１次変形ベッセル関数である。

隣接するリング電極に印加されるＲＦ電圧は、好ましくは１８０°位相がずれている。

四重極ロッドセットイオンガイドに用いられる擬ポテンシャル場は、半径方向距離ｒの関数として下記式により与えられる。

上記式中、ｒ₀は四重極ロッドセットの内側半径である。

対向するロッドの一方の組に印加されるＲＦ電圧は、対向するロッドの他方の組に印加されるＲＦ電圧とは、１８０°位相がずれている。

上記式１および２より、擬ポテンシャルの振幅は、ガイド内のイオンの質量電荷比に反比例していることがわかる。

ＣＩＤフラグメンテーションを行うために、親イオンまたは前駆イオンは、ターゲットガスとの衝突によって断片化されるのに十分な運動エネルギーで、比較的低い圧力で維持された領域から衝突ガスセルに入射するように構成されている。イオンは、１０〜１００ｅＶの運動エネルギーを有するように構成されていてもよい。ガスセルに入射したイオンは、ターゲットガスと衝突しながら運動エネルギーを失い、ついには熱エネルギーになる。この工程は、衝突冷却と呼ばれる。

しかし、イオンの運動エネルギーが最も高くなる湾曲したガスセルの入口では、擬ポテンシャル場は、イオンが進行する方向とは反対方向に作用しており、かつ衝突冷却が起こっている間にイオンが効果的にガスセル内に閉じ込められることを確実にするほど高くなければならない。閉じ込め力が小さすぎると、イオンは、電極との衝突によって失われたり、イオンガイドから半径方向に出射したりすることがある。

擬ポテンシャル力はイオンの質量電荷比に逆依存するので、このような損失を最小限にするために、質量電荷比が高いイオンに対してはＲＦポテンシャルの振幅を増加しなければならない。ＲＦ振幅が高いと、ＲＦ場内の質量不安定に起因して、質量電荷比が高い親イオンまたは前駆イオンから得られた質量電荷比が低いイオンが失われることがある。この低質量カットオフ効果は、高電圧で動作するＲＦ装置において周知である。

湾曲型イオンガイドを開示している米国特許第６８９１１５７号 イオン抽出装置を開示している国際公開第２００５／０６７０００号 湾曲部を有する衝突セルを開示している国際公開第２００９／０３６５６９号

改良された装置を提供することが望まれる。

本発明の一態様によると、
複数の電極と、
前記複数の電極の間に配置されており、少なくとも第１の方向（ｘ方向）に湾曲しているイオンガイド領域とを備える非線形イオンガイドであって、
前記非線形イオンガイドは、
使用時に、前記イオンガイド領域内において前記第１の方向（ｘ方向）にイオンを閉じ込めるように作用するＤＣポテンシャル井戸を形成するために、前記複数の電極の少なくともいくつかにＤＣ電圧を印加するように構成および適合された第１の装置をさらに備えることを特徴とする非線形イオンガイドが提供される。

前記非線形イオンガイドは、好ましくは湾曲している。

前記第１の装置は、時間とともに前記ＤＣ電圧を変化させるように構成および適合されていてもよい。

前記イオンガイドは、使用時に、前記イオンガイド領域内において第２の方向（ｙ方向）にイオンを閉じ込めるように作用する擬ポテンシャル井戸を形成するために、前記複数の電極の少なくともいくつかにＡＣ電圧またはＲＦ電圧を印加するように構成および適合された第２の装置をさらに備えることが好ましい。

前記第２の方向（ｙ方向）は、好ましくは前記第１の方向（ｘ方向）と略直交する。

前記第２の装置は、時間とともに前記ＡＣ電圧または前記ＲＦ電圧の振幅および／または周波数を変化させるように構成および適合されていてもよい。

前記第２の装置は、前記複数の電極に印加される前記ＡＣ電圧または前記ＲＦ電圧の振幅および／または周波数が前記イオンガイドの長さに沿って変化するように構成および適合されていてもよい。

前記複数の電極は、前記イオンガイドを通ってイオンが進行する面に略平行に配置された複数の平面電極を含むことが好ましい。

別の実施形態によると、前記複数の電極は、使用時に移送されるイオンが通過する１つ以上の開口を有してもよく、前記複数の電極は、前記イオンガイドを通ってイオンが進行する面と略直交するように配置されてもよい。

各電極は、２、３、４、５、６、７、８、９、１０または１０以上の電極セグメントに細分されてもよい。

前記イオンガイド領域内において前記イオンガイドの曲率面または曲率方向に平行な方向にイオンを閉じ込めるために、１つ以上のＤＣ電圧が１つ以上の前記電極セグメントに印加されてもよい。

前記イオンガイド領域内において前記イオンガイドの曲率面または曲率方向と直交する方向にイオンを閉じ込めるために、ＡＣ電圧またはＲＦ電圧が１つ以上の前記電極セグメントに印加されてもよい。

前記複数の電極は、前記第１の方向（ｘ方向）に沿って配置された第１の電極配列と、前記第１の方向（ｘ方向）に沿って配置された第２の電極配列とを含み、前記第１の電極配列は、前記第２の電極配列から、前記第１の方向（ｘ方向）と略直交する第２の方向（ｙ方向）に間隔を置いて配置されていることが好ましい。

前記イオンガイドは、使用時に、前記イオンガイド内において前記第２の方向（ｙ方向）にイオンを閉じ込めるように作用する擬ポテンシャル井戸を形成するために、前記第１の電極配列の少なくともいくつかおよび／または前記第２の電極配列の少なくともいくつかにＡＣ電圧またはＲＦ電圧を印加するように構成および適合された第２の装置をさらに備えることが好ましい。

前記第１の装置は、前記イオンガイド領域内において前記第１の方向（ｘ方向）にイオンを閉じ込めるように、前記第１の電極配列および／または前記第２の電極配列にＤＣ電圧を印加するように構成および適合されていることが好ましい。

前記第１の電極配列は、第１の面に配置された複数の平面電極を含み、前記第２の電極配列は、第２の面に配置された複数の平面電極を含み、前記イオンガイド領域が少なくとも曲率面において湾曲しており、前記第１の面および／または前記第２の面は、前記曲率面に略平行であることが好ましい。

別の実施形態によると、前記複数の電極は、前記第１の方向（ｘ方向）に略平行な面または前記第１の方向（ｘ方向）に対して傾斜した面に配置された複数の第３の電極と、前記第１の方向（ｘ方向）に略平行な面または前記第１の方向（ｘ方向）に対して傾斜した面に配置された複数の第４の電極とを含み、前記複数の第３の電極は、前記複数の第４の電極から、前記第１の方向（ｘ方向）と略直交する第２の方向（ｙ方向）に間隔を置いて配置されていることが好ましい。

前記複数の電極は、前記第１の方向（ｘ方向）と略直交する面または前記第１の方向（ｘ方向）に対して傾斜した面に配置された複数の第５の電極と、前記第１の方向（ｘ方向）と略直交する面または前記第１の方向（ｘ方向）に対して傾斜した面に配置された複数の第６の電極とを含み、前記複数の第５の電極は、前記複数の第６の電極から前記第１の方向（ｘ方向）に間隔を置いて配置されていることが好ましい。

一実施形態によると、前記第１の装置は、前記イオンガイド領域内において前記第１の方向（ｘ方向）にイオンを閉じ込めるように、前記複数の第５の電極の少なくともいくつかおよび／または前記複数の第６の電極の少なくともいくつかにＤＣ電圧を印加するように構成および適合されていることが好ましい。

前記イオンガイドは、使用時に、前記イオンガイド内において前記第２の方向（ｙ方向）にイオンを閉じ込めるように作用する擬ポテンシャル井戸を形成するために、前記複数の第３の電極の少なくともいくつかおよび／または前記複数の第４の電極の少なくともいくつかにＡＣ電圧またはＲＦ電圧を印加するように構成および適合された第２の装置をさらに備えることが好ましい。

前記複数の第３の電極は、第１の面に実質的に配置された複数の平面電極を含み、前記複数の第４の電極は、第２の面に実質的に配置された複数の平面電極を含み、前記イオンガイド領域が少なくとも曲率面において湾曲しており、前記第１の面および／または前記第２の面は、前記曲率面に略平行であることが好ましい。

前記イオンガイドは、前記イオンガイドの長さの少なくとも一部に沿ってイオンを進ませるために、前記複数の電極に１つ以上の電圧を印加するように構成および適合された第３の装置をさらに備えることが好ましい。

前記第３の装置は、
（ｉ）前記イオンガイドの長さの少なくとも一部に沿って少なくともいくつかのイオンを進ませるために、前記イオンガイドの長さの少なくとも一部に沿って１つ以上の非ゼロＤＣ電圧勾配を印加もしくは維持する、および／または
（ｉｉ）前記イオンガイドの長さの少なくとも一部に沿って少なくともいくつかのイオンを進ませるために、前記複数の電極の少なくともいくつかに１つ以上の過渡ＤＣ電圧もしくは過渡ＤＣ電圧波形を印加するように構成および適合されていることが好ましい。

一実施形態によると、前記イオンガイド領域または前記イオンガイドが曲率面において湾曲していてもよく、前記曲率面は、前記第１の方向（ｘ方向）に対して角度θをなしており、角度θは、（ｉ）０〜１０°、（ｉｉ）１０〜２０°、（ｉｉｉ）２０〜３０°、（ｉｖ）３０〜４０°、（ｖ）４０〜５０°、（ｖｉ）５０〜６０°、（ｖｉｉ）６０〜７０°、（ｖｉｉｉ）７０〜８０°および（ｉｘ）８０〜９０°からなる群から選択される。

一実施形態によると、前記イオンガイドのイオン出口領域は、前記イオンガイドのイオン入口領域よりも高くなっていてもよく、または低くなっていてもよい。

一実施形態によると、前記複数の電極は、前記第１の方向（ｘ方向）に対して傾斜した曲率面に並べられていてもよい。

一実施形態によると、イオンが前記イオンガイドを通る異なる経路を切り換えられるように、前記イオンガイド内において、１つ以上のＤＣポテンシャル井戸が異なる位置に形成される、および／または異なる時間に形成されてもよい。

一実施形態によると、前記ＤＣポテンシャル井戸の高さおよび／または深さおよび／または幅は、前記イオンガイド領域の長さに沿って、またはその周囲で、変化するか、減少するか、漸進的に減少するか、増加するか、または漸進的に増加するように構成されている。

一実施形態によると、前記ＤＣポテンシャル井戸が前記イオンガイド領域の長さに沿って変化するように構成されていることで、前記イオンガイド領域の長さに沿って、またはその周囲にイオンが集められてもよい。

本発明の一態様によると、前記非線形イオンガイドを備えるイオン移動度分光計もしくはイオン移動度セパレータまたは微分イオン移動度分光計が提供される。

本発明の一態様によると、
（ｉ）前記非線形イオンガイドか、
（ｉｉ）前記イオン移動度分光計もしくは前記イオン移動度セパレータまたは前記微分イオン移動度分光計のいずれか一方を備える質量分析計、が提供される。

本発明の一態様によると、
複数の電極と、前記複数の電極の間に配置されており、少なくとも第１の方向（ｘ方向）に湾曲しているイオンガイド領域とを備える非線形イオンガイドを準備する工程を含むイオン誘導方法であって、
前記方法は、
前記イオンガイド領域内において前記第１の方向（ｘ方向）にイオンを閉じ込めるように作用するＤＣポテンシャル井戸を形成するために、前記複数の電極の少なくともいくつかにＤＣ電圧を印加する工程をさらに含むイオン誘導方法が提供される。

前記方法は、前記イオンガイド領域内において第２の方向（ｙ方向）にイオンを閉じ込めるように作用する擬ポテンシャル井戸を形成するために、前記複数の電極の少なくともいくつかにＡＣ電圧またはＲＦ電圧を印加する工程をさらに含むことが好ましい。

前記第２の方向（ｙ方向）は、好ましくは前記第１の方向（ｘ方向）と略直交する。

本発明の好ましい実施形態によると、非線形形状のＲＦイオンガイドが提供される。ＲＦイオンガイドは、好ましくは湾曲している。装置の曲率面または曲率方向に平行なイオンの閉じ込めは、実質的に質量電荷比に依存しないＤＣ電界によって行われることが好ましい。

装置の曲率面または曲率方向に平行な上記閉じ込め電界は、実質的にＤＣ電界であることが好ましい。

上記好ましい実施形態は、有利なことに、イオンは、イオンガイドが湾曲する方向に、質量選別によって閉じ込められないという点において、当該技術における顕著な改善を示している。

一実施形態によると、質量分析計は、
（ａ）以下のイオン源からなる群から選択されるイオン源、（ｉ）エレクトロスプレーイオン化（「ＥＳＩ」）イオン源、（ｉｉ）大気圧光イオン化（「ＡＰＰＩ」）イオン源、（ｉｉｉ）大気圧化学イオン化（「ＡＰＣＩ」）イオン源、（ｉｖ）マトリックス支援レーザー脱離イオン化（「ＭＡＬＤＩ」）イオン源、（ｖ）レーザー脱離イオン化（「ＬＤＩ」）イオン源、（ｖｉ）大気圧イオン化（「ＡＰＩ」）イオン源、（ｖｉｉ）シリコン上脱離イオン化（「ＤＩＯＳ」）イオン源、（ｖｉｉｉ）電子衝突（「ＥＩ」）イオン源、（ｉｘ）化学イオン化（「ＣＩ」）イオン源、（ｘ）電界イオン化（「ＦＩ」）イオン源、（ｘｉ）電界脱離（「ＦＤ」）イオン源、（ｘｉｉ）誘導結合プラズマ（「ＩＣＰ」）イオン源、（ｘｉｉｉ）高速原子衝撃（「ＦＡＢ」）イオン源、（ｘｉｖ）液体二次イオン質量分析（「ＬＳＩＭＳ」）イオン源、（ｘｖ）脱離エレクトロスプレーイオン化（「ＤＥＳＩ」）イオン源、（ｘｖｉ）ニッケル−６３放射性イオン源、（ｘｖｉｉ）大気圧マトリックス支援レーザー脱離イオン化イオン源、（ｘｖｉｉｉ）サーモスプレーイオン源、（ｘｉｘ）大気サンプリンググロー放電イオン化（「ＡＳＧＤＩ」）イオン源、および（ｘｘ）グロー放電（「ＧＤ」）、ならびに／または、
（ｂ）１つ以上の連続イオン源もしくはパルス化イオン源、ならびに／または、
（ｃ）１つ以上のイオンガイド、ならびに／または、
（ｄ）１つ以上のイオン移動度分離デバイスおよび／もしくは１つ以上の電界非対称イオン移動度分光計デバイス、ならびに／または、
（ｅ）１つ以上のイオントラップもしくは１つ以上のイオントラップ領域、ならびに／または、
（ｆ）以下の群から選択される１つ以上の衝突セル、フラグメンテーションセルもしくは反応セル、（ｉ）衝突誘起解離（「ＣＩＤ」）フラグメンテーションデバイス、（ｉｉ）表面誘起解離（「ＳＩＤ」）フラグメンテーションデバイス、（ｉｉｉ）電子移動解離（「ＥＴＤ」）フラグメンテーションデバイス、（ｉｖ）電子捕獲解離（「ＥＣＤ」）フラグメンテーションデバイス、（ｖ）電子衝突または衝撃解離フラグメンテーションデバイス、（ｖｉ）光誘起解離（「ＰＩＤ」）フラグメンテーションデバイス、（ｖｉｉ）レーザー誘起解離フラグメンテーションデバイス、（ｖｉｉｉ）赤外放射誘起解離デバイス、（ｉｘ）紫外放射誘起解離デバイス、（ｘ）ノズル−スキマー間インターフェースフラグメンテーションデバイス、（ｘｉ）インソースフラグメンテーションデバイス、（ｘｉｉ）インソース衝突誘起解離フラグメンテーションデバイス、（ｘｉｉｉ）熱または温度源フラグメンテーションデバイス、（ｘｉｖ）電界誘起フラグメンテーションデバイス、（ｘｖ）磁場誘起フラグメンテーションデバイス、（ｘｖｉ）酵素消化または酵素分解フラグメンテーションデバイス、（ｘｖｉｉ）イオン−イオン反応フラグメンテーションデバイス、（ｘｖｉｉｉ）イオン−分子反応フラグメンテーションデバイス、（ｘｉｘ）イオン−原子反応フラグメンテーションデバイス、（ｘｘ）イオン−準安定イオン反応フラグメンテーションデバイス、（ｘｘｉ）イオン−準安定分子反応フラグメンテーションデバイス、（ｘｘｉｉ）イオン−準安定原子反応フラグメンテーションデバイス、（ｘｘｉｉｉ）イオンを反応させて付加イオンまたは生成イオンを形成するイオン−イオン反応デバイス、（ｘｘｉｖ）イオンを反応させて付加イオンまたは生成イオンを形成するイオン−分子反応デバイス、（ｘｘｖ）イオンを反応させて付加イオンまたは生成イオンを形成するイオン−原子反応デバイス、（ｘｘｖｉ）イオンを反応させて付加イオンまたは生成イオンを形成するイオン−準安定イオン反応デバイス、（ｘｘｖｉｉ）イオンを反応させて付加イオンまたは生成イオンを形成するイオン−準安定分子反応デバイス、（ｘｘｖｉｉｉ）イオンを反応させて付加イオンまたは生成イオンを形成するイオン−準安定原子反応デバイス、および（ｘｘｉｘ）電子イオン化解離（「ＥＩＤ」）フラグメンテーションデバイス、ならびに／または、
（ｇ）（ｉ）四重極質量分析器、（ｉｉ）二次元または線形四重極質量分析器、（ｉｉｉ）ポールまたは三次元四重極質量分析器、（ｉｖ）ペニングトラップ質量分析器、（ｖ）イオントラップ質量分析器、（ｖｉ）磁場型質量分析器、（ｖｉｉ）イオンサイクロトロン共鳴（「ＩＣＲ」）質量分析器、（ｖｉｉｉ）フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴（「ＦＴＩＣＲ」）質量分析器、（ｉｘ）静電またはオービトラップ質量分析器、（ｘ）フーリエ変換静電またはオービトラップ質量分析器、（ｘｉ）フーリエ変換質量分析器、（ｘｉｉ）飛行時間質量分析器、（ｘｉｉｉ）直交加速式飛行時間質量分析器、および（ｘｉｖ）直線加速式飛行時間質量分析器からなる群から選択される質量分析器、ならびに／または、
（ｈ）１つ以上のエネルギー分析器もしくは静電エネルギー分析器、ならびに／または、
（ｉ）１つ以上のイオン検出器、ならびに／または、
（ｊ）（ｉ）四重極質量フィルタ、（ｉｉ）二次元または線形四重極イオントラップ、（ｉｉｉ）ポールまたは三次元四重極イオントラップ、（ｉｖ）ペニングイオントラップ、（ｖ）イオントラップ、（ｖｉ）磁場型質量フィルタ、（ｖｉｉ）飛行時間質量フィルタ、および（ｖｉｉｉ）ウィーンフィルタからなる群から選択される１つ以上の質量フィルタ、ならびに／または、
（ｋ）イオンをパルス状にするデバイスもしくはイオンゲート、ならびに／または、
（ｌ）実質的に連続したイオンビームをパルス化したイオンビームに変換するデバイスをさらに備えてもよい。

上記質量分析計は、
（ｉ）Ｃ−トラップと、外側樽状電極および同心の内側紡錘状電極を含むオービトラップ（ＲＴＭ）質量分析器とをさらに備え、第１の動作モードにおいて、イオンは、Ｃ−トラップに移送された後、オービトラップ（ＲＴＭ）質量分析器に注入され、第２の動作モードにおいて、イオンは、Ｃ−トラップに移送された後、衝突セルまたは電子移動解離デバイスに移送され、そこで少なくとも一部のイオンが断片化されてフラグメントイオンとなり、次に、フラグメントイオンは、Ｃ−トラップに移送されてから、オービトラップ（ＲＴＭ）質量分析器に注入されるように構成されていてもよく、および／または、
（ｉｉ）複数の電極を含む積層リングイオンガイドであって、各電極は、使用時に移送されるイオンが通過する開口を有し、イオン経路の長さに沿って電極の間の間隔が増加する積層リングイオンガイドをさらに備え、イオンガイドの上流部における複数の電極のそれぞれの開口は第１の直径を有し、イオンガイドの下流部における複数の電極のそれぞれの開口は第１の直径よりも小さい第２の直径を有しており、使用時にＡＣ電圧またはＲＦ電圧の反対の位相が連続する電極に印加されるように構成されていてもよい。

好ましい実施形態によるイオン移動度分光計は、使用時に移送されるイオンが通過する開口を有する複数の電極を含んでもよい。イオン移動度分光計の長さに沿ってイオンを進ませるために、１つ以上の過渡ＤＣ電圧もしくは過渡ＤＣポテンシャルまたは１つ以上のＤＣ電圧波形もしくはＤＣポテンシャル波形がイオン移動度分光計を構成する複数の電極に印加されることが好ましい。

好ましい実施形態によると、上記１つ以上の過渡ＤＣ電圧もしくは過渡ＤＣポテンシャルまたは上記１つ以上のＤＣ電圧波形もしくはＤＣポテンシャル波形は、（ｉ）１つのポテンシャルの山もしくはポテンシャル障壁、（ｉｉ）１つのポテンシャル井戸、（ｉｉｉ）複数のポテンシャルの山もしくはポテンシャル障壁、（ｉｖ）複数のポテンシャル井戸、（ｖ）１つのポテンシャルの山もしくはポテンシャル障壁および１つのポテンシャル井戸の組み合わせ、または（ｖｉ）複数のポテンシャルの山もしくはポテンシャル障壁および複数のポテンシャル井戸の組み合わせを生成する。

上記１つ以上の過渡ＤＣ電圧波形または過渡ＤＣポテンシャル波形は、好ましくは繰り返し波形または方形波を含む。

ＡＣ電圧またはＲＦ電圧は、好ましくは（ｉ）＜５０Ｖピークトゥピーク、（ｉｉ）５０〜１００Ｖピークトゥピーク、（ｉｉｉ）１００〜１５０Ｖピークトゥピーク、（ｉｖ）１５０〜２００Ｖピークトゥピーク、（ｖ）２００〜２５０Ｖピークトゥピーク、（ｖｉ）２５０〜３００Ｖピークトゥピーク、（ｖｉｉ）３００〜３５０Ｖピークトゥピーク、（ｖｉｉｉ）３５０〜４００Ｖピークトゥピーク、（ｉｘ）４００〜４５０Ｖピークトゥピーク、（ｘ）４５０〜５００Ｖピークトゥピーク、（ｘｉ）５００〜５５０Ｖピークトゥピーク、（ｘｘｉｉ）５５０〜６００Ｖピークトゥピーク、（ｘｘｉｉｉ）６００〜６５０Ｖピークトゥピーク、（ｘｘｉｖ）６５０〜７００Ｖピークトゥピーク、（ｘｘｖ）７００〜７５０Ｖピークトゥピーク、（ｘｘｖｉ）７５０〜８００Ｖピークトゥピーク、（ｘｘｖｉｉ）８００〜８５０Ｖピークトゥピーク、（ｘｘｖｉｉｉ）８５０〜９００Ｖピークトゥピーク、（ｘｘｉｘ）９００〜９５０Ｖピークトゥピーク、（ｘｘｘ）９５０〜１０００Ｖピークトゥピーク、および（ｘｘｘｉ）＞１０００Ｖピークトゥピークからなる群から選択される振幅を有する。

ＡＣ電圧またはＲＦ電圧は、好ましくは（ｉ）＜１００ｋＨｚ、（ｉｉ）１００〜２００ｋＨｚ、（ｉｉｉ）２００〜３００ｋＨｚ、（ｉｖ）３００〜４００ｋＨｚ、（ｖ）４００〜５００ｋＨｚ、（ｖｉ）０．５〜１．０ＭＨｚ、（ｖｉｉ）１．０〜１．５ＭＨｚ、（ｖｉｉｉ）１．５〜２．０ＭＨｚ、（ｉｘ）２．０〜２．５ＭＨｚ、（ｘ）２．５〜３．０ＭＨｚ、（ｘｉ）３．０〜３．５ＭＨｚ、（ｘｉｉ）３．５〜４．０ＭＨｚ、（ｘｉｉｉ）４．０〜４．５ＭＨｚ、（ｘｉｖ）４．５〜５．０ＭＨｚ、（ｘｖ）５．０〜５．５ＭＨｚ、（ｘｖｉ）５．５〜６．０ＭＨｚ、（ｘｖｉｉ）６．０〜６．５ＭＨｚ、（ｘｖｉｉｉ）６．５〜７．０ＭＨｚ、（ｘｉｘ）７．０〜７．５ＭＨｚ、（ｘｘ）７．５〜８．０ＭＨｚ、（ｘｘｉ）８．０〜８．５ＭＨｚ、（ｘｘｉｉ）８．５〜９．０ＭＨｚ、（ｘｘｉｉｉ）９．０〜９．５ＭＨｚ、（ｘｘｉｖ）９．５〜１０．０ＭＨｚ、および（ｘｘｖ）＞１０．０ＭＨｚからなる群から選択される周波数を有する。

イオンガイドは、（ｉ）＞０．００１ｍｂａｒ、（ｉｉ）＞０．０１ｍｂａｒ、（ｉｉｉ）＞０．１ｍｂａｒ、（ｉｖ）＞１ｍｂａｒ、（ｖ）＞１０ｍｂａｒ、（ｖｉ）＞１００ｍｂａｒ、（ｖｉｉ）０．００１〜０．０１ｍｂａｒ、（ｖｉｉｉ）０．０１〜０．１ｍｂａｒ、（ｉｘ）０．１〜１ｍｂａｒ、（ｘ）１〜１０ｍｂａｒ、および（ｘｉ）１０〜１００ｍｂａｒからなる群から選択される圧力に維持されてもよい。

図１Ａは、公知の湾曲型イオンガイドにおける質量電荷比が比較的低いイオンの軌道を示し、図１Ｂは、質量電荷比が比較的高いイオンの軌道を示す。 図２Ａは、本発明の一実施形態に係るイオンガイドを示し、図２Ｂは、図２Ａに示されたイオンガイドの断面図を示す。 図３Ａは、本発明の別の実施形態に係るイオンガイドを示し、図３Ｂは、図３Ａに示されたイオンガイドの断面図を示す。 図４Ａおよび図４Ｂは、図２Ａ〜図２Ｂに示された実施形態に類似しているが、曲率面が回転または傾斜しているさらなる実施形態を示す。 図５Ａおよび図５Ｂは、各リングが４つのセグメントに分割されている積層リングイオンガイドを備えるイオンガイドの一実施形態を示す。

以下に、添付の図面を参照しながら、あくまでも例示として、説明のためのみに示される他の構成とともに、本発明の種々の実施形態を説明する。

図１Ａおよび図１Ｂを参照して、公知のイオンガイドを説明する。

図１Ａは、イオン入口２およびイオン出口３を有する湾曲した四重極ロッドセットガスセル１を備えた公知のイオンガイドを示す。ガスセル１に入射した後、ガスセル１を通過する、質量電荷比が比較的低いイオンの軌道４が示されている。

図１Ｂは、同一条件下で動作する同じ装置を示す図であるが、質量電荷比が比較的高いイオンの軌道５が示されている。擬ポテンシャル場は、ガスセル１の内部に質量電荷比が比較的高いイオンを閉じ込めるのに不十分であり、その結果、イオンがロッドから失われる。

図２Ａは、本発明の好ましい実施形態に係る湾曲型イオンガイドを、このイオンガイドの曲率面について示す。湾曲型イオンガイドは、イオン入口２およびイオン出口３を有する湾曲電極６の配列を備えることが好ましい。図２Ｂは、イオン入口２における、曲率面に垂直な面についてのイオンガイドの断面図である。２つの平行する湾曲電極６の配列には、ＲＦポテンシャルが供給されることが好ましく、その場合、隣接する電極には、好ましくは１８０°位相がずれているＲＦ電圧が供給されることが好ましい。この構成により、イオンガイドの曲率面または曲率方向と直交するｙ（垂直）方向のＲＦ閉じ込めが実現する。

図２Ｂの下にあるグラフは、好ましくは上記電極６にさらに印加されるＤＣポテンシャルの形状を示す。ＤＣポテンシャルは、ｘ（水平）方向、すなわち、イオンガイドの曲率面または曲率方向に平行な方向にイオンを閉じ込めるように作用することが好ましい。

イオン入口２において、またはイオン入口２を介してイオンが装置に入射すると、イオンは、質量電荷比に依存しないＤＣ閉じ込め力を受けることが好ましい。このＤＣ閉じ込め力は、好ましくはイオンの向きとは反対に作用して、衝突冷却中に、あらゆる質量電荷比のイオンが同時に閉じ込められるようにするものである。従って、好ましい実施形態は、特に有利である。

図３Ａは、本発明の別の実施形態を示す。上部および下部ＲＦ電極７を備えることが好ましく、イオンガイドの長さに沿ったＲＦ電極７には、ＲＦ電圧の交互位相が供給されることが好ましい。ＲＦ電極７は、装置の中心軸に対して直角に延びる線分上に並んで配置されることが好ましい。図３Ｂは、この装置の断面図を示す。図３Ｂにおける垂直板つまり電極８には、好ましくはＤＣポテンシャルが供給される。ＤＣポテンシャルは、ｘ（水平）方向、すなわち、イオンガイドの曲率面または曲率方向に平行な方向にイオンを閉じ込めるように効果的に作用することが好ましい。各線分の水平板つまりＲＦ電極７は、好ましくはＲＦ電圧の同じ位相に維持される。

イオンが装置に入射すると、イオンは、質量電荷比に依存しないＤＣ閉じ込め力を受けることが好ましい。このＤＣ閉じ込め力は、好ましくはイオンの向きとは反対に作用して、あらゆる質量電荷比のイオンが同時に閉じ込められるようにするものである。

図４Ａ〜図４Ｂは、イオンガイドの曲率面ｐがｘ軸に対して角度θだけ回転または傾斜しているさらなる実施形態を示す。角度θは、±９０°の間でもよい。例えば、一実施形態によると、角度θは、０〜１０°、１０〜２０°、２０〜３０°、３０〜４０°、４０〜５０°、５０〜６０°、６０〜７０°、７０〜８０°または８０〜９０°の範囲に収まる。図４に示された特定の実施形態において、イオンガイドの出口は、入口よりも高くなっている。

図５Ａ〜図５Ｂは、図３を参照して説明された実施形態といくつかの類似点がある一実施形態を示す。この実施形態によると、イオンガイドは、各リングが４つのセグメントに分割されている積層リングイオンガイドとして構成される。図５Ｂに示された実施形態について、各リングは、上部セグメント９ａ、下部セグメント９ｂおよび２つの略垂直セグメント１０ａ、１０ｂを含む。

好ましい実施形態によると、イオンガイドの曲率方向または曲率面と略直交するように配置されている垂直セグメント１０ａ、１０ｂには、ＤＣポテンシャルが印加される。上部および下部セグメント９ａ、９ｂには、ＲＦ電圧が印加される。ＲＦ電圧は、隣接する（分割された）リングが逆のＲＦ位相に維持されるように印加されることが好ましい。一実施形態によると、特定の（分割された）リングの上部および下部セグメント９ａ、９ｂは、どちらも同じＲＦ位相に維持されることが好ましい。

本実施形態によると、曲率面または曲率方向に平行なイオンの閉じ込めは、印加されたＤＣ電圧によって制御されることが好ましい。

さらなる実施形態として、図４を参照して説明された実施形態と同様の方法で、図３および図５を参照して説明されたイオンガイドを傾斜させることも考慮される。

一実施形態によると、装置の中心軸に沿って作用するＤＣポテンシャルを印加することにより、イオンガイドの長さに沿って、および／またはイオンガイドの長さを通ってさらにイオンを進ませてもよい。あるいは、進行ＤＣ電圧もしくは過渡ＤＣ電圧、進行ＤＣ波もしくは過渡ＤＣ波、または、擬ポテンシャル波を印加することにより、装置に沿って、および／または装置を通ってイオンを進ませてもよい。進行ＤＣ波は、好ましくはイオンガイドを構成する複数の電極に印加される１つ以上の過渡ＤＣ電圧または１つ以上のＤＣ電圧波形を含むことが好ましい。

イオンガイドは、イオン移動度分光計もしくはイオン移動度セパレータまたはＩＭＳ分離装置として用いられてもよい。あるいは、イオンガイドは、イオンが電界強度によるイオン移動度の変化率に基づいて分離される微分イオン移動度分離装置として用いられてもよい。

イオンガイドは、任意の非線形経路または湾曲経路を採用することができる。一実施形態によると、イオンガイドのイオンを誘導する中心軸に沿った直線部分が存在しない場合もある。イオンガイドがＣ形状、Ｓ形状、Ｖ形状または略蛇行形状である実施形態も考慮される。

同様の動作原理は、イオンが低圧領域から装置の中心軸に対してある角度をもって装置に入射する線形イオンガイドにも適用される。最大限の閉じ込め効率を実現するために、このイオンガイドの電極に印加される閉じ込めＤＣポテンシャルの形状は、装置の長さに亘って、または装置の長さに沿って変化してもよい。

一実施形態によると、ＤＣ閉じ込めポテンシャルの振幅は、時間とともに変化するように構成されてもよい。例えば、所定の時間間隔でＤＣ閉じ込めポテンシャルを下げることにより、イオンビームがイオンガイドを通過しないようにすることができ、その結果、イオンビームは、効果的にゲート制御される。

好ましさが劣る実施形態によると、イオンガイドの内部寸法は、イオンガイドの長さに沿って変化するように構成されてもよい。例えば、一実施形態によると、イオンガイドは、湾曲したイオンファンネル形状を有してもよい。あるいは、イオンガイドを構成する複数の電極に印加されるＲＦ電圧の振幅および／または周波数が装置の長さに沿って変化して、同様のイオンファンネル効果をもたらすようにしてもよい。

一実施形態によると、イオンガイドまたはイオンガイド領域の内部に複数のＤＣポテンシャル井戸を形成することができ、イオンは、イオンガイドを通過するときに異なる経路を切り換えることができる。例えば、２つ以上のイオンガイド領域もしくは経路を合わせて１つのイオンガイド領域もしくは経路にしてもよく、またはその逆、すなわち、１つのイオンガイド領域もしくは経路を２つ以上のイオンガイド領域もしくは経路に分割してもよい。

好ましい実施形態を参照しながら本発明を説明したが、添付の特許請求の範囲に記載の本発明の範囲から逸脱することなく形態および内容ともに種々の変更を加え得ることが当業者には理解されよう。

Claims (33)

1. 複数の電極と、
   前記複数の電極の間に配置されており、少なくとも第１の方向（ｘ方向）に湾曲しているイオンガイド領域とを備える非線形イオンガイドであって、
   前記非線形イオンガイドは、
   使用時に、前記イオンガイド領域内において前記第１の方向（ｘ方向）にイオンを閉じ込めるように作用するＤＣポテンシャル井戸を形成するために、前記複数の電極の少なくともいくつかにＤＣ電圧を印加するように構成および適合された第１の装置をさらに備えることを特徴とする非線形イオンガイド。
2. 前記第１の装置は、時間とともに前記ＤＣ電圧を変化させるように構成および適合されている請求項１に記載の非線形イオンガイド。
3. 使用時に、前記イオンガイド領域内において第２の方向（ｙ方向）にイオンを閉じ込めるように作用する擬ポテンシャル井戸を形成するために、前記複数の電極の少なくともいくつかにＡＣ電圧またはＲＦ電圧を印加するように構成および適合された第２の装置をさらに備える請求項１または２に記載の非線形イオンガイド。
4. 前記第２の方向（ｙ方向）は、前記第１の方向（ｘ方向）と略直交する請求項３に記載の非線形イオンガイド。
5. 前記第２の装置は、時間とともに前記ＡＣ電圧または前記ＲＦ電圧の振幅および／または周波数を変化させるように構成および適合されている請求項３または４に記載の非線形イオンガイド。
6. 前記第２の装置は、前記複数の電極に印加される前記ＡＣ電圧または前記ＲＦ電圧の振幅および／または周波数が前記イオンガイドの長さに沿って変化するように構成および適合されている請求項３、４または５に記載の非線形イオンガイド。
7. 前記複数の電極は、前記イオンガイドを通ってイオンが進行する面に略平行に配置された複数の平面電極を含む先行する請求項のいずれかに記載の非線形イオンガイド。
8. 各電極は、使用時に移送されるイオンが通過する１つ以上の開口を有しており、前記複数の電極は、前記イオンガイドを通ってイオンが進行する面または方向と略直交するように配置される請求項１〜６のいずれかに記載の非線形イオンガイド。
9. 各電極は、２、３、４、５、６、７、８、９、１０または１０以上の電極セグメントに細分される請求項８に記載の非線形イオンガイド。
10. 前記イオンガイド領域内において前記イオンガイドの曲率面または曲率方向に平行な方向にイオンを閉じ込めるために、１つ以上のＤＣ電圧が１つ以上の前記電極セグメントに印加される請求項９に記載の非線形イオンガイド。
11. 前記イオンガイド領域内において前記イオンガイドの曲率面または曲率方向と直交する方向にイオンを閉じ込めるために、ＡＣ電圧またはＲＦ電圧が１つ以上の前記電極セグメントに印加される請求項９または１０に記載の非線形イオンガイド。
12. 前記複数の電極は、前記第１の方向（ｘ方向）に沿って配置された、または前記第１の方向（ｘ方向）に対して傾斜した第１の電極配列と、前記第１の方向（ｘ方向）に沿って配置された、または前記第１の方向（ｘ方向）に対して傾斜した第２の電極配列とを含み、前記第１の電極配列は、前記第２の電極配列から、前記第１の方向（ｘ方向）と略直交する第２の方向（ｙ方向）に間隔を置いて配置されている請求項１〜７のいずれかに記載の非線形イオンガイド。
13. 使用時に、前記イオンガイド内において前記第２の方向（ｙ方向）にイオンを閉じ込めるように作用する擬ポテンシャル井戸を形成するために、前記第１の電極配列の少なくともいくつかおよび／または前記第２の電極配列の少なくともいくつかにＡＣ電圧またはＲＦ電圧を印加するように構成および適合された第２の装置をさらに備える請求項１２に記載の非線形イオンガイド。
14. 前記第１の装置は、前記イオンガイド領域内において前記第１の方向（ｘ方向）にイオンを閉じ込めるように、前記第１の電極配列および／または前記第２の電極配列にＤＣ電圧を印加するように構成および適合されている請求項１２または１３に記載の非線形イオンガイド。
15. 前記第１の電極配列は、第１の面に配置された複数の平面電極を含み、前記第２の電極配列は、第２の面に配置された複数の平面電極を含み、前記イオンガイド領域が少なくとも曲率面において湾曲しており、前記第１の面および／または前記第２の面は、前記曲率面に略平行である請求項１２、１３または１４に記載の非線形イオンガイド。
16. 前記複数の電極は、前記第１の方向（ｘ方向）に略平行な面または前記第１の方向（ｘ方向）に対して傾斜した面に配置された複数の第３の電極と、前記第１の方向（ｘ方向）に略平行な面または前記第１の方向（ｘ方向）に対して傾斜した面に配置された複数の第４の電極とを含み、前記複数の第３の電極は、前記複数の第４の電極から、前記第１の方向（ｘ方向）と略直交する第２の方向（ｙ方向）に間隔を置いて配置されている請求項１〜６のいずれかに記載の非線形イオンガイド。
17. 前記複数の電極は、前記第１の方向（ｘ方向）と略直交する面または前記第１の方向（ｘ方向）に対して傾斜した面に配置された複数の第５の電極と、前記第１の方向（ｘ方向）と略直交する面または前記第１の方向（ｘ方向）に対して傾斜した面に配置された複数の第６の電極とを含み、前記複数の第５の電極は、前記複数の第６の電極から前記第１の方向（ｘ方向）に間隔を置いて配置されている請求項１６に記載の非線形イオンガイド。
18. 前記第１の装置は、前記イオンガイド領域内において前記第１の方向（ｘ方向）にイオンを閉じ込めるように、前記複数の第５の電極の少なくともいくつかおよび／または前記複数の第６の電極の少なくともいくつかにＤＣ電圧を印加するように構成および適合されている請求項１７に記載の非線形イオンガイド。
19. 使用時に、前記イオンガイド内において前記第２の方向（ｙ方向）にイオンを閉じ込めるように作用する擬ポテンシャル井戸を形成するために、前記複数の第３の電極の少なくともいくつかおよび／または前記複数の第４の電極の少なくともいくつかにＡＣ電圧またはＲＦ電圧を印加するように構成および適合された第２の装置をさらに備える請求項１６、１７または１８に記載の非線形イオンガイド。
20. 前記複数の第３の電極は、第１の面に実質的に配置された複数の平面電極を含み、前記複数の第４の電極は、第２の面に実質的に配置された複数の平面電極を含み、前記イオンガイド領域が少なくとも曲率面において湾曲しており、前記第１の面および／または前記第２の面は、前記曲率面に略平行である請求項１６〜１９のいずれかに記載の非線形イオンガイド。
21. 前記イオンガイドの長さの少なくとも一部に沿ってイオンを進ませるために、前記複数の電極に１つ以上の電圧を印加するように構成および適合された第３の装置をさらに備える先行する請求項のいずれかに記載の非線形イオンガイド。
22. 前記第３の装置は、
    （ｉ）前記イオンガイドの長さの少なくとも一部に沿って少なくともいくつかのイオンを進ませるために、前記イオンガイドの長さの少なくとも一部に沿って１つ以上の非ゼロＤＣ電圧勾配を印加もしくは維持する、および／または、
    （ｉｉ）前記イオンガイドの長さの少なくとも一部に沿って少なくともいくつかのイオンを進ませるために、前記複数の電極の少なくともいくつかに１つ以上の過渡ＤＣ電圧もしくは過渡ＤＣ電圧波形を印加するように、構成および適合されている請求項２１に記載の非線形イオンガイド。
23. 前記イオンガイド領域または前記イオンガイドが曲率面において湾曲しており、前記曲率面は、前記第１の方向（ｘ方向）に対して角度θをなしており、角度θは、（ｉ）０〜１０°、（ｉｉ）１０〜２０°、（ｉｉｉ）２０〜３０°、（ｉｖ）３０〜４０°、（ｖ）４０〜５０°、（ｖｉ）５０〜６０°、（ｖｉｉ）６０〜７０°、（ｖｉｉｉ）７０〜８０°および（ｉｘ）８０〜９０°からなる群から選択される先行する請求項のいずれかに記載の非線形イオンガイド。
24. 前記イオンガイドのイオン出口領域は、前記イオンガイドのイオン入口領域よりも高くなっている、または低くなっている先行する請求項のいずれかに記載の非線形イオンガイド。
25. 前記複数の電極は、前記第１の方向（ｘ方向）に対して傾斜した曲率面に並べられている先行する請求項のいずれかに記載の非線形イオンガイド。
26. イオンが前記イオンガイドを通る異なる経路を切り換えられるように、前記イオンガイド内において、１つ以上のＤＣポテンシャル井戸が異なる位置に形成される、および／または異なる時間に形成される先行する請求項のいずれかに記載の非線形イオンガイド。
27. 前記ＤＣポテンシャル井戸の高さおよび／または深さおよび／または幅は、前記イオンガイド領域の長さに沿って、またはその周囲で、変化するか、減少するか、漸進的に減少するか、増加するか、または漸進的に増加するように構成されている先行する請求項のいずれかに記載の非線形イオンガイド。
28. 前記ＤＣポテンシャル井戸が前記イオンガイド領域の長さに沿って変化するように構成されていることで、前記イオンガイド領域の長さに沿って、またはその周囲にイオンが集められる請求項２７に記載の非線形イオンガイド。
29. 先行する請求項のいずれかに記載の非線形イオンガイドを備えるイオン移動度分光計もしくはイオン移動度セパレータまたは微分イオン移動度分光計。
30. （ｉ）請求項１〜２９のいずれかに記載の非線形イオンガイドか、
    （ｉｉ）請求項２９に記載のイオン移動度分光計もしくはイオン移動度セパレータまたは微分イオン移動度分光計の、いずれか一方を備える質量分析計。
31. 複数の電極と、前記複数の電極の間に配置されており、少なくとも第１の方向（ｘ方向）に湾曲しているイオンガイド領域とを備える非線形イオンガイドを準備する工程を含むイオン誘導方法であって、
    前記方法は、
    前記イオンガイド領域内において前記第１の方向（ｘ方向）にイオンを閉じ込めるように作用するＤＣポテンシャル井戸を形成するために、前記複数の電極の少なくともいくつかにＤＣ電圧を印加する工程をさらに含むイオン誘導方法。
32. 前記イオンガイド領域内において第２の方向（ｙ方向）にイオンを閉じ込めるように作用する擬ポテンシャル井戸を形成するために、前記複数の電極の少なくともいくつかにＡＣ電圧またはＲＦ電圧を印加する工程をさらに含む請求項３１に記載のイオン誘導方法。
33. 前記第２の方向（ｙ方向）は、前記第１の方向（ｘ方向）と略直交する請求項３２に記載のイオン誘導方法。

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