JP2019500579A - 交流波形を用いるイオン移動度分離のための方法および装置 - Google Patents

交流波形を用いるイオン移動度分離のための方法および装置 Download PDF

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Abstract

連続交流（ＡＣ）によって形成された進行波（ＴＷ）を用いる、イオン捕捉、移動、および移動度分離を含むイオン操作のための方法および装置が開示される。イオン操作のための装置は、第１の複数の連続電極と第２の複数の分割電極とに接続された表面を備える。第２の複数の分割電極は、第１の複数の電極の間にまたは第１の複数の電極に隣接して長手方向のセットで配置される。第１の複数の電極の隣接する電極に印加されるＲＦ電圧は、装置内にイオンを閉じ込めるために、約１８０°だけ位相シフトされる。第２の複数の分割電極の長手方向のセット内の隣接する電極に印加されるＡＣ電圧波形は、分離のために装置を通って長手方向にイオンを移動させるために、隣接する電極上で１°〜３５９°だけ位相シフトされる。

Description

本出願は、２０１５年１０月７日に出願された「ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧ ＩＯＮＳ ＩＮ Ａ ＧＡＳ ＰＨＡＳＥ」と題する米国特許仮出願第６２／２３８２９１号の優先権を主張し、参照することによりその教示のすべてについてその全体が本明細書に組み込まれる。
本発明は、米国エネルギー省によって与えされた契約番号ＤＥ−ＡＣ０５７６ＲＬＯ１８３０号に基づいて米国政府の支援を受けて行われた。米国政府は本発明に関する一定の権利を有する。
本開示の各実施形態は、イオン移動度分離および関連するイオン操作に関する。より詳細には、開示される各実施形態は、１つ以上の分割電極に印加される連続的な交流（ＡＣ）電圧波形または複数の連続的なＡＣ電圧波形を用いて、移動イオントラップ領域およびイオン移動度分離の際の動きを含むイオン操作を行うことに関する。
イオン移動度分光法（ＩＭＳ）は、イオンを分離同定する技術である。ＩＭＳを用いて、構造異性体を分離し、巨大分子の立体構造を解明することができる。ＩＭＳはまた、メタボロミクス、グライコミクスおよびプロテオミクスを含む広範囲の用途において質量分析（ＭＳ）を拡張するために使用され得る。
例えば、ＩＭＳを行う場合、異なるイオンを含む試料が、バッファガスとも呼ばれるキャリアガスを入れた密閉セルの第１の端部に注入される。セルでは、イオンは、印加電場の影響下で、セルの第１の端部からセルの第２の端部に移動する。その後、イオンは時間の関数として電流としてセルの第２の端部で検出される。試料イオンは、印加電場に起因する加速とバッファガス分子との衝突に起因する減速との正味の影響から生じる、最大の一定速度（すなわち、終端速度）に達する。ＩＭＳセル内のイオンの終端速度は、質量、サイズ、形状、および電荷などのイオン特性に関連した、それぞれの移動度に比例する。これらの特性のうちの１つ以上が異なるイオンは、所与の電場の下で所与のバッファガスを移動するときに異なる移動度を呈し、従って、異なる終端速度を呈する。その結果、各イオンは、セルの第１の端部からセルの第２の端部へ移動するための特性時間を呈する。試料内のイオンについてのこの特性移動時間を測定することにより、イオンを同定することができる。
化学および生化学分析に使用される多くのＩＭＳ方式があり、一定電場ドリフトチューブ型イオン移動度分光法（ＤＴ−ＩＭＳ）、高電界非対称波形イオン移動度分光法（ＦＡ−ＩＭＳ）、微分型移動度分析（ＤＭＡ）、および進行波イオン移動度分光法（ＴＷ−ＩＭＳ）が挙げられる。これらの方式は、ＩＭＳセル内のイオンを分離するための電場の印加の仕方が異なる。しかしながら、特に、従来のＩＭＳ装置は、イオンを分離する電場を生成する電極構造のサイズおよび複雑さに関する実際的な制限のために、イオンを分離する能力（分離力）に限界がある。
米国特許第８，８３５，８３９号明細書
従って、イオン移動度分離のための改良されたシステムおよび方法が絶えず必要とされている。
本開示の一実施形態では、イオン操作のための装置が提供される。本装置は、少なくとも１つの表面と、第１の複数の連続電極と、第２の複数の分割電極と、を備える。第１の複数の連続電極は、少なくとも１つの表面に接続され、かつ無線周波数（ＲＦ）電圧源と電気的に接続されている。ＲＦ電圧源によって第１の複数の電極の隣接する電極に印加されるＲＦ電圧は、第１の複数の電極の隣接する電極上で約１８０°だけ位相シフトされる。第２の複数の分割電極は、少なくとも１つの表面に接続され、かつ第１の複数の電極の間にまたは第１の複数の電極に隣接して長手方向のセットで配置される。第２の複数の分割電極は、交流（ＡＣ）電圧源とさらに電気的に接続されている。ＡＣ電圧源によって第２の複数の分割電極の長手方向のセット内の隣接する電極に印加されるＡＣ電圧波形は、第２の複数の電極の隣接する電極上で１°〜３５９°だけ位相シフトされる。
本装置の各実施形態は、以下のうちの１つ以上を任意の組み合わせで含むことができる。
一実施形態では、本装置は、少なくとも１つの表面上において、第１および第２の複数の電極の外側端部に配置された複数のガード電極をさらに備える。複数のガード電極は、ＤＣ電圧源と電気的に接続されている。複数のガード電極は、ＤＣ電圧源から一定のＤＣ電圧を受けると、ガード電極に向けてイオンの動きを制約する電場を生成する。
本装置の一実施形態では、ＡＣ電圧波形は正弦波である。
本装置の一実施形態では、ＡＣ電圧波形は、２つ以上のＡＣ電圧波形の和である。
本装置の一実施形態では、第２の複数の分割電極の長手方向のセット内の隣接する電極に印加されるＡＣ電圧波形は、第２の複数の分割電極の隣接する電極上で繰り返しパターンで位相シフトされる。
本装置の一実施形態では、第２の複数の分割電極の長手方向のセット内の隣接する電極に印加されるＡＣ電圧波形は、第２の複数の電極の隣接する電極上で段階的に約４５°、９０°、または１２０°だけ位相シフトされる。
本装置の一実施形態では、少なくとも１つの表面は、単一の非平面の表面を含む。
本装置の一実施形態では、単一の非平面の表面は、以下の形状、すなわち、湾曲、円筒形、螺旋状、漏斗状、半球状、または楕円形のうちの１つの形状である。
本装置の一実施形態では、少なくとも１つの表面は、互いに離間した２つの表面を含む。
本装置の一実施形態では、２つの表面は互いに略平行である。
本装置の一実施形態では、印加されるＡＣ電圧波形の周波数は１０Ｈｚ〜２００ｋＨｚの範囲から選択され、印加されるＲＦ電圧の周波数は１００ｋＨｚ〜５ＭＨｚの範囲から選択される。
本装置の一実施形態では、印加されるＡＣ電圧波形の周波数は１Ｈｚ〜１ｋＨｚの範囲から選択される。
本装置の一実施形態では、本装置の圧力範囲は大気圧から１ｍｔｏｒｒの真空である。
本開示の別の実施形態では、イオン操作のための装置が提供される。本装置は、少なくとも１つの表面と、複数の分割電極と、を備える。複数の分割電極は、少なくとも１つの表面に接続され、かつ１つ以上の長手方向のセットで配置される。複数の分割電極は、交流（ＡＣ）電圧源および無線周波数（ＲＦ）電圧源とさらに電気的に接続されている。ＡＣ電圧源によって複数の電極の長手方向のセット内の隣接する電極に印加されるＡＣ電圧波形は、１°〜３５９°だけ位相シフトされる。ＲＦ電圧源によって複数の電極の隣接する電極に印加されるＲＦ電圧は、約１８０°だけ位相シフトされる。
本装置の各実施形態は、以下のうちの１つ以上を任意の組み合わせで含むことができる。
一実施形態では、本装置は、少なくとも１つの表面上において、複数の電極の外側端部に配置された複数のガード電極をさらに備える。複数のガード電極は、ＤＣ電圧源とさらに電気的に接続されている。複数のガード電極は、ＤＣ電圧源から一定のＤＣ電圧を受けると、複数のガード電極に向けてイオンの動きを制約する電場を生成する。
本装置の一実施形態では、印加されるＡＣ電圧波形は正弦波である。
本装置の一実施形態では、ＡＣ電圧波形は、２つ以上のＡＣ電圧波形の和である。
本装置の一実施形態では、印加されるＡＣ電圧波形は、複数の電極の隣接する電極上で繰り返しパターンで位相シフトされる。
本装置の一実施形態では、印加されるＡＣ電圧波形は、複数の電極の隣接する電極上で段階的に約４５°、９０°、１２０°または１８０°だけ位相シフトされる。
本装置の一実施形態では、少なくとも１つの表面は、単一の非平面の表面を含む。
本装置の一実施形態では、単一の非平面の表面は、以下の形状、すなわち、湾曲、円筒形、螺旋状、漏斗状、半球状、または楕円形のうちの１つの形状である。
本装置の一実施形態では、少なくとも１つの表面は、互いに離間した２つの表面を含む。
本装置の一実施形態では、２つの表面は互いに略平行である。
本装置の一実施形態では、印加されるＡＣ電圧波形の周波数は１ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの範囲から選択され、ＲＦ電圧は１００ｋＨｚ〜５ＭＨｚの範囲から選択される。
本装置の一実施形態では、本装置の圧力範囲は大気圧から１ｍｔｏｒｒの真空である。
本開示の追加的な実施形態では、イオン操作の方法が提供される。本方法は、少なくとも１つの表面を準備するステップを含む。少なくとも１つの表面は、少なくとも１つの表面に接続され、かつ無線周波数（ＲＦ）電圧源と電気的に接続されている、第１の複数の連続電極を備える。少なくとも１つの表面は、少なくとも１つの表面に接続され、かつ第１の複数の電極の間にまたは第１の複数の電極に隣接して長手方向のセットで配置される、第２の複数の分割電極をさらに備える。第２の複数の分割電極は、交流（ＡＣ）電圧源とさらに電気的に接続されている。本方法は、ＲＦ電圧源によって、第１の複数の電極の隣接する電極にＲＦ電圧を印加するステップであって、印加されるＲＦ電圧は、第１の複数の電極の隣接する電極上で約１８０°だけ位相シフトされる、ステップをさらに含む。本方法は、ＡＣ電圧源によって、第２の複数の分割電極の長手方向のセット内でＡＣ電圧波形を印加するステップであって、印加されるＡＣ電圧波形は、第２の複数の電極の隣接する電極上で１°〜３５９°だけ位相シフトされる、ステップを追加的に含む。
本方法の実施形態は、以下のうちの１つ以上を任意の組み合わせで含むことができる。
一実施形態では、本方法は、少なくとも１つの表面上において、第１および第２の複数の電極の外側端部に複数のガード電極を配置するステップをさらに含む。複数のガード電極は、ＤＣ電圧源とさらに電気的に接続されている。複数のガード電極は、ＤＣ電圧源から一定のＤＣ電圧を受けると、ガード電極に向けてイオンの動きを制約する電場を生成する。
本方法の一実施形態では、ＡＣ電圧波形は正弦波である。
本方法の一実施形態では、ＡＣ電圧波形は、２つ以上のＡＣ電圧波形の和である。
本方法の一実施形態では、印加されるＡＣ電圧波形は、第２の複数の分割電極の隣接する電極上で繰り返しパターンで位相シフトされる。
本方法の一実施形態では、印加されるＡＣ電圧波形は、第２の複数の分割電極の隣接する電極上で段階的に約４５°、９０°、または１２０°だけ位相シフトされる。
本方法の一実施形態では、少なくとも１つの表面は、単一の非平面の表面を含む。
本方法の一実施形態では、単一の非平面の表面は、以下の形状、すなわち、湾曲、円筒形、螺旋状、漏斗状、半球状、または楕円形のうちの１つの形状である。
本方法の一実施形態では、少なくとも１つの表面は、互いに離間した２つの表面を含む。
本方法の一実施形態では、２つの表面は互いに略平行である。
本方法の一実施形態では、印加されるＡＣ電圧波形の周波数は１０Ｈｚ〜２００ｋＨｚの範囲から選択され、ＲＦ電圧の周波数は１００ｋＨｚ〜５ＭＨｚの範囲から選択される。
本開示の別の実施形態では、イオン操作の方法が提供される。本方法は、少なくとも１つの表面に接続され、かつ１つ以上の長手方向のセットで配置される、複数の分割電極を備えた、少なくとも１つの表面を準備するステップを含む。複数の分割電極は、交流（ＡＣ）電圧源および無線周波数（ＲＦ）電圧源と電気的に接続されている。本方法は、ＡＣ電圧源によって、複数の分割電極のセット内の隣接する電極にＡＣ電圧波形を印加するステップをさらに含む。印加されるＡＣ電圧波形は、複数の分割電極の隣接する電極上で１°〜３５９°だけ位相シフトされる。本方法はまた、ＲＦ電圧源によって、複数の分割電極の隣接する電極にＲＦ電圧を印加するステップを含む。印加されるＲＦ電圧は、複数の分割電極の隣接する電極上で約１８０°だけ位相シフトされる。
本方法の実施形態は、以下のうちの１つ以上を任意の組み合わせで含むことができる。
一実施形態では、本方法は、少なくとも１つの表面上において、複数の分割電極の外側端部に複数のガード電極を配置するステップをさらに含む。複数のガード電極は、ＤＣ電圧源とさらに電気的に接続されている。複数のガード電極は、ＤＣ電圧源から一定のＤＣ電圧を受けると、ガード電極に向けてイオンの動きを制約する電場を生成する。
本方法の一実施形態では、ＡＣ電圧波形は正弦波である。
本方法の一実施形態では、ＡＣ電圧波形は、２つ以上のＡＣ電圧波形の波の和である。
本方法の一実施形態では、印加されるＡＣ電圧波形は、複数の分割電極の隣接する電極上で繰り返しパターンで位相シフトされる。
本方法の一実施形態では、印加されるＡＣ電圧波形は、複数の分割電極の隣接する電極上で段階的に約４５°、９０°、または１２０°だけ位相シフトされる。
本方法の一実施形態では、少なくとも１つの表面は、単一の非平面の表面を含む。
本方法の一実施形態では、単一の非平面の表面は、以下の形状、すなわち、湾曲、円筒形、螺旋状、漏斗状、半球状、または楕円形のうちの１つの形状である。
本方法の一実施形態では、少なくとも１つの表面は、互いに離間した２つの表面を含む。
本方法の一実施形態では、２つの表面は互いに略平行である。
本方法の一実施形態では、印加されるＡＣ電圧波形の周波数は１０Ｈｚ〜２００ｋＨｚの範囲から選択され、印加されるＲＦ電圧の周波数は１００ｋＨｚ〜５ＭＨｚの範囲内で選択される。
一実施形態では、電極は、限定されるものではないが、特許文献１に記載されている装置などのイオン操作装置の領域内にイオンを捕捉し、蓄積するように構成することができ、特許文献１は、参照することによりその全体が本明細書に組み込まれる。
一実施形態では、ＡＣ波形は、ＤＣ電圧の過渡的印加と比較して、ＡＣ進行波形によるイオン加熱の程度を変更、低減、または排除するように調整することができる。
一実施形態では、イオン移動度分離は、ＡＣ波形の振幅を増加させることによって停止することができる。
一実施形態では、ＡＣ進行波形は、隣接するＡＣ電極に印加される位相シフトをほぼゼロに変更することによって、またはＡＣ周波数をほぼゼロに低減することによって停止される。
本開示の第１の実施形態による、イオン移動度分離のための装置の概略図である。 本開示の第２の実施形態による、イオン移動度分離のための装置の概略図である。 本開示の第３の実施形態による、イオン移動度分離のための装置の概略図である。 イオンを閉じ込めるための第１の複数のＲＦ電極によって生成された電場の影響下でのイオンの動きを示す概略図である。 イオンを閉じ込めるための第１の複数のＲＦ電極によって生成された電場の影響下でのイオンの動きを示す概略図である。 イオンを閉じ込めるための第１の複数のＲＦ電極および複数のガード電極によって生成された正味の電場を示す概略図である。 イオンの軸方向移動および分離のための進行波を生成するための第２の複数の分割電極に印加される連続ＡＣ電圧波形（ＡＣＷＦ）の概略図である。 電極構成の代替的な実施形態の概略図である。 電極構成の代替的な実施形態の概略図である。 電極構成の代替的な実施形態の概略図である。 電極構成の代替的な実施形態の概略図である。 電極構成の代替的な実施形態の概略図である。 電極構成の代替的な実施形態の概略図である。 連続ＡＣ波形を用いてイオン分離を行うための、複数のレベルを含む装置の代替的な実施形態の概略図である。 連続ＡＣ波形を用いてイオン分離を行うための、複数のレベルを含む装置の代替的な実施形態の概略図である。 連続ＡＣ波形を用いてイオン分離を行うための、複数のレベルを含む装置の代替的な実施形態の概略図である。 連続ＡＣ波形を用いてイオン分離を行うための、複数のレベルを含む装置の代替的な実施形態の概略図である。 連続ＡＣ波形を用いてイオン分離を行うための、複数のレベルを含む装置の代替的な実施形態の概略図である。 連続ＡＣ波形を用いてイオン分離を行うための、複数のレベルを含む装置の代替的な実施形態の概略図である。 連続ＡＣ波形を用いてイオン分離を行うための、複数のレベルを含む装置の代替的な実施形態の概略図である。 連続ＡＣ波形を用いてイオン分離を行うための、複数のレベルを含む装置の代替的な実施形態の概略図である。 連続ＡＣ波形を用いてイオン分離を行うための、複数のレベルを含む装置の代替的な実施形態の概略図である。 連続ＡＣ波形を用いてイオン分離を行うための、複数のレベルを含む装置の代替的な実施形態の概略図である。 過渡ＤＣ電圧を用いてイオン分離を行うための装置の概略図である。 図７Ａの装置と共に使用される過渡ＤＣ電圧の概略図である。 約１７Ｖのピークツーピーク振幅（Ｖｐ−ｐ）および４ｋＨｚの周波数を有する過渡ＤＣ電圧波形を示す、時間の関数としての電圧のプロットである。 図８Ａの過渡ＤＣ電圧波形の影響下で１１６ｍ／ｓの速度で図７Ａの装置を通って移動する６２２および９２２の質量電荷比（ｍ／ｚ）を有するイオンの到達時間分布を示す、時間の関数としての強度のプロットである。 約３５Ｖのピークツーピーク振幅（Ｖｐ−ｐ）および４ｋＨｚの周波数を有する連続ＡＣ電圧波形を示す、時間の関数としての電圧のプロットである。 図９Ａの連続ＡＣ電圧波形の影響下で７６ｍ／ｓの速度で図１の装置を通って移動する６２２および９２２の質量電荷比（ｍ／ｚ）を有するイオンの到達時間分布を示す、時間の関数としての強度のプロットである。 図６および図１の装置をそれぞれ通って移動する６２２および９２２のｍ／ｚを有するイオンについて、図７ＡのＤＣ電圧波形および図８Ａの連続ＡＣ電圧波形を用いて実現される分解能を示す進行波速度の関数としての分解能のプロットである。 図７Ａおよび図８Ａの電圧波形をそれぞれ用いて図６および図１の装置を通って移動する６２２〜９２２のｍ／ｚを有するイオンの電場強度の関数としての正規化時間のプロットである。 過渡ＤＣ電圧を用いてイオン分離を行うための湾曲した表面を有する装置の概略図である。 過渡ＤＣ電圧の影響下で図１２の装置を通って移動する６２２および９２２のｍ／ｚを有するイオンの到達時間分布を示す、時間の関数としてのイオンカウントのプロットである。 連続ＡＣ波形の影響下で図３の装置を通って移動する６２２および９２２のｍ／ｚを有するイオンの到達時間分布を示す、時間の関数としてのイオンカウントのプロットである。
以下の説明は、本開示の各実施形態を含む。これらの実施形態は、図示されたものに限定されるものではなく、様々な修正および様々な修正への実施形態をも含む。従って、本説明は例示のためのものとみなされるべきであって、限定するものとみなされるべきではない。開示される各実施形態は、様々な修正および代替的な構成が可能であるが、議論された特定の形態に本開示を限定する意図はなく、反対に、本開示は、すべての修正、代替的な構成、および特許請求の範囲に定義されたような本開示の趣旨および範囲内に含まれる均等物を含むことを理解されたい。
本開示の各実施形態は、１つ以上の分割電極に印加される連続交流（ＡＣ）波形または複数の連続ＡＣ波形を使用して、気相イオンをそれらの移動度に基づいて分離するための改良された方法および装置に関する。以下に詳述するように、これらの実施形態は、同等の分離能力を提供しながら、イオンの加熱の低減を含み、従来のイオン移動度分離装置および方法を上回る利点を提供する。
従来のドリフトチューブイオン移動度分離（ＤＴ−ＩＭＳ）は、ＩＭＳチューブの長さにわたって一定の電圧降下を使用して、イオンがＩＭＳチューブを通過する比較的弱い一定の電場を提供する。この技術では、印加された電場の下で所与のバッファガスを通って移動するとき、イオンはそれらの相対移動度に従って分離される。移動度は、不活性バッファガスとのイオンの衝突断面積に関係し、衝突断面積は、衝突を起こすためにバッファガス分子の中心が衝突するはずのイオンの周りの面積である。上述したように、衝突断面積は、質量、サイズ形状、および電荷などのイオン特性に関係する。一般に、比較的より大きな衝突断面積を有するイオンは、より低い移動度を有し、逆もまた同様である。例えば、比較的低いイオン移動度（より大きいイオン衝突断面積）を有するイオンは、比較的大きなイオン移動度（より小さい衝突断面積）を有するイオンと比較して、遅れて検出器に到達する。従って、時間の関数としてイオンカウント数を測定することによって、ピークおよびバレーのスペクトルが得られる。このようなスペクトルを測定条件下の既知のイオンのスペクトルと比較することにより、試料内のそれぞれのイオンの同定が可能になる。
いかなるＩＭＳ測定についても、異なるイオンがＩＭＳスペクトルにおいて別個のピークとして現れるように、異なるイオンを適切に分離することが望ましい。換言すると、ＩＭＳスペクトルの解釈は、異なるイオンによるピークが重なると、かなり困難になる。従って、近接したピークを分解するＩＭＳ装置の能力は重要な関心事である。
従来のＤＴ−ＩＭＳとの関連では、ＩＭＳの分離効率を特徴付ける量である分解能を上げるためには、チューブの長さ（ｄ）にわたる電圧降下（Ｖ）の大きさを増加させる必要がある。上述のように、ＤＴ−ＩＭＳでは、電場（Ｅ）は一定に保たれ、Ｅ＝Ｖ／ｄによって与えられる。従って、分解能を上げる（Ｖを増加させる）には、ドリフトチューブの長さｄを伸ばして、一定の電場を維持する必要があることが理解されよう。従って、他の考慮事項の中でも、電圧降下の大きさおよびチューブ長に関する実用的な制約が、ＤＴ−ＩＭＳで実現される分解能を制限する。
別の従来のＩＭＳ技術である進行波イオン移動度分離（ＴＷ−ＩＭＳ）に移ると、上述の一定の電場とは対照的に、進行する電場波形がＩＭＳチューブを通ってイオンを移動させるために使用される。この場合の進行波形は、ＩＭＳチューブの長さに沿った一連の電極上に過渡的かつ反復的な直流（ＤＣ）電圧プロファイルを印加することによって生成される。例えば、図７の例に関連して以下に詳述するように、電極のセットにわたって方形の電圧プロファイルを形成するために、過渡ＤＣ電圧を電極のセットに印加することができる。例えば、高く一定の電圧が電極の第１のサブセットに印加され、低い（例えばゼロ）の電圧が、直後の、電極の第２のサブセットに印加される。次いで、最初の時間ステップで高い電圧を受ける電極が次の時間ステップで低い電圧を受けるように、ＤＣ電圧波形は段階的に電極の全セットを通して時間でステップが進められる。次いで、この時間でステップを進めることは、ＴＷを生成するために装置全体に伝播され、通常、装置の多くの電極にわたって単純な一連のステップが何度も繰り返される。過渡ＤＣ電圧（例えば、進行波）の印加は、ドリフト長が増加するにつれてますます電圧を高くする必要性を排除することができる。
一般に、ＴＷ−ＩＭＳにおけるイオンの動きに影響を与える変数は、進行波の振幅、進行波速度、および動作圧力である。バッファガスと衝突しながら進行波に追いつくイオンの能力は、イオンの速度（移動度）の関数である。進行波の速度に対する最大イオン速度の比ｃに応じて、イオン挙動の３つのモードが観察される。
・ｃ＞＞１：最大イオン速度が進行波の速度よりもはるかに大きい場合、すなわち、ｃ＞＞１である場合、イオンは、ＴＷによって生成された有効かつ別個のイオン捕捉領域において装置を通過する。よって、この条件では、イオンは分離されずに移動してそこを出る。
・ｃ＜＜１：最大イオン速度が進行波の速度よりもはるかに小さい場合、すなわち、ｃ＜＜１である場合、イオンの移動度はＴＷに追いつくには不十分である。この状況下では、イオンはＴＷにほとんど影響されない。結果として、イオンは、ＩＭＳ装置の内部に閉じ込められ、ＩＭＳ装置を出ない、またはＩＭＳ装置における移動および退出が遅くなるだけであり、しばしば顕著な拡散広がりを伴う。
・ｃ≒１：最大イオン速度が進行波の速度１にほぼ等しい場合、すなわちｃ≒１である場合、イオンは、時間の大部分で進行波と一緒に動くことができるが、進行波が通り過ぎる場合もある。より低い速度または移動度のイオンは、より速い速度または移動度のイオンよりも頻繁に遅れをとる傾向があり、イオン分離が実現される。
しかしながら、特に、市販のＴＷ−ＩＭＳ装置は、電極構造のサイズおよび複雑さに関する実際的な限界に起因して、分離能力に限界がある。このように限られた分離能力では、多くの潜在的な用途には不適切であり、特に高感度も望まれる場合には、ＩＭＳにとって一般的な課題である。さらに、従来のＴＷ−ＩＭＳにおける過渡ＤＣ電圧がオンオフベースで印加されるため、波の前部において結果として得られる電場の大きさは、ＤＴ−ＩＭＳにおいて使用される電場の大きさと比較して比較的高い。ＴＷ−ＩＭＳにおける高電場は、高電場においてより多くの時間を費やすイオンをもたらし、さらに、ドリフトチューブ構成と比較してイオンの内部「加熱」の程度をある程度増加させる。この加熱は、イオンの立体構造または形状の望ましくない変化、ならびに分離されるイオンの衝突断面積の決定における精度の低下をもたらし得る。
これらの限界に対処するために、本開示の各実施形態は、従来のＴＷ−ＩＭＳの過渡ＤＣ電圧波形とは対照的な、連続的な交流（ＡＣ）電圧波形（ＡＣ−ＳＬＩＭＳ）を用いて進行波を形成するイオン移動度分離のための新しい進行波ベースの無損失イオン操作（ＳＬＩＭＳ）構造を開発および特性評価を提示する。
以下に詳述するように、ＡＣ−ＳＬＩＭＳ装置の特定の実施形態は、第１の複数の連続無線周波数（ＲＦ）電極と、第２の複数の分割ＡＣ電極と、を備える。第１の複数のＲＦ電極は、表面に取り付けられ、互いに略平行に配置される。第２の複数の分割ＡＣ電極は、第１の複数のＲＦ電極の横方向に隣接して配置される（例えば、間に配置される）。第１の複数の連続電極へのＲＦ電圧の印加は、イオン閉じ込めをもたらす電場を生成する。連続的な時変ＡＣ電圧を第２の複数の分割電極に印加すると、交流（ＡＣ）電圧波形が形成されて、電場を生成して長手方向のイオンの動きおよび分離をもたらすＴＷを生成する。ＡＣ電圧波形は、正弦波、余弦波、または複数の正弦波および／もしくは余弦波の組み合わせの形態で印加されてもよい。
以下の実施例に示すように、ＡＣ−ＳＬＩＭＳ手法は、従来のＴＷ−ＩＭＳと同等の分解能を実現する。さらに、ＡＣ−ＳＬＩＭＳの実施形態の予想外の特徴は、イオンがより高い電場でより少ない時間を費やすように見えることである。結果として、ＡＣ−ＳＬＩＭＳ手法を使用して分離されたイオンは、ＤＣ電圧波形の過渡的印加を使用する従来のＴＷ−ＩＭＳと比較して、イオン加熱によって立体構造変化を経ることがより少なくなる。さらに、立体構造変化はまた、イオン衝突断面積を変化させるため、ＡＣ−ＳＬＩＭＳ手法を用いてこれらの変化の数を減らすことにより、イオン衝突断面積のより正確な測定が可能になる。
衝突断面積のより正確な測定を提供するＡＣ−ＳＬＩＭＳ手法の能力は非常に有益である。一実施態様では、この精度は、ある実験室で行われたイオン測定が別の実験室で再現されるのを容易にする。別の実施態様では、この精度は、ＡＣ−ＳＬＩＭＳ装置および方法を使用して取得された測定値において、より大きな信頼度を提供する。さらなる実施態様において、この精度は、試料中にどのような異なる構造が存在し得るかの合理的な決定を可能にするため、イオン構造の詳細な検査のために重要である。追加的な実施態様では、衝突断面積が他の計算において物理定数として使用され得るので、この精度は他の計算においても精度を高める。
ここで、本開示の一実施形態によるイオン移動度分離のための装置１００の概略図を示す図１を説明する。装置１００は、少なくとも１つの表面（図示せず）と、少なくとも１つの表面に接続された複数の電極と、を備える。特定の実施形態では、少なくとも１つの表面は単一の表面である。さらなる実施形態では、少なくとも１つの表面は、単一の平面または単一の非平面の表面（例えば、曲面）である。代替的な実施形態では、少なくとも１つの表面は、互いに略平行に配置され、かつ間隙によってオフセットされた（例えば、垂直にオフセットされた）、１対の表面である。
例えば、特定の実施形態では、１対の表面の間の間隔が、それぞれの長さに沿って選択された値から所定の量より少ない量だけ逸脱する場合、１対の表面は略平行であり得る。所定量は、０．００１％〜１０％の範囲内で選択することができる。
一実施形態では、少なくとも１つの表面は、１つ以上の導電性要素（例えば、電極）を受け入れる、および／またはその上に電気回路を形成するのに適した材料から形成された基板である。例えば、少なくとも１つの表面は、任意の絶縁材料（例えば、半導体、セラミック、ポリマーなど）から形成されてもよい。別の例では、少なくとも１つの表面は、付加的な製造プロセス（例えば、３Ｄプリンティング）によって形成することができる。
さらなる例では、少なくとも１つの表面はプリント回路基板（ＰＣＢ）である。ＰＣＢは、限定するものではないが、強化または非強化ポリマー樹脂を含む材料から形成することができる。強化材の例としては、連続繊維および不連続繊維（例えば、ガラス繊維）が挙げられるが、これらに限定されない。ポリマー樹脂の例としては、エポキシを挙げることができるが、これに限定されない。
さらなる実施形態では、少なくとも１つの表面の寸法は、必要に応じて、無制限に設けられてもよい。特定の実施形態では、少なくとも１つの表面の寸法のそれぞれは、長さ３ｃｍ〜３００ｃｍおよび幅０．７５ｃｍ〜７６ｃｍの範囲から独立に選択することができる。
複数の電極は、第１の複数の連続電極１１０および１２０と、第２の複数の分割電極１２５と、を備える。複数のガード電極１３０がまた、第１の複数の連続電極１１０および１２０の側部に配置される。以下に詳述するように、第１の複数の連続電極１１０、１２０は、ｙ方向（例えば、垂直方向）にイオンを閉じ込める働きをする一方、ガード電極１３０は、イオンをｘ方向（例えば、幅方向）に閉じ込める働きをする。第２の複数の分割電極１２５は、イオンを装置１００を通ってｚ方向（例えば、長手方向）に移動させるＴＷを形成する。
第１の複数の連続電極１１０、１２０をさらに参照して議論を続ける。始めに、本明細書では、これらの電極は、ＲＦ電極、第１の複数の電極、または単に電極１１０および／もしくは電極１２０と交換可能に言及することができる。第１の複数の電極１１０、１２０のそれぞれは、概して細長く連続しており、少なくとも１つの表面の長さの少なくとも一部分（例えば、ｚ方向）に沿って延びている。例えば、図１に示すように、第１の複数の電極１１０、１２０のそれぞれは、表面の全長に沿って延びる。さらに、第１の複数の電極１１０および１２０は、互いに離間して表面の幅（例えば、ｘ方向）に沿って交互に配置される。
第１の複数の電極１１０、１２０の寸法およびそれぞれの互いの間隔は、装置１００内にイオンを閉じ込める有効電位を生成するように独立に選択することができる。一般に、第１の複数の電極１１０、１２０の最大または最小の長さまたは幅は存在しない。第１の複数の電極１１０、１２０の長さは、それらが固定される少なくとも１つの表面の所望の寸法によってのみ制限される。第１の複数の電極１１０、１２０の幅および横方向の間隔は、一般に、閉じ込め電場の精密な制御を実現するために可能な限り小さくすることが望ましい。一例では、第１の複数の電極１１０、１２０の幅は、０．０５ｍｍ〜５ｍｍ（例えば、０．５ｍｍ）の範囲から独立に選択することができる。さらなる例では、第１の複数の電極１１０、１２０の隣接する電極の間の横方向の間隔は、０．０４ｍｍ〜４ｍｍの範囲から選択することができる。
図１の実施形態は限定として解釈されるものではなく、少なくとも１つの表面に接続された第１の複数の連続電極１１０および１２０の数は同じであっても異なっていてもよいことに留意されたい。また、ガード電極１３０に最も近い第１の複数の連続電極は、それぞれ同一の電極１１０または１２０であってもよいし、それぞれ第１の複数の電極１１０および１２０のうちの異なる電極であってもよい。従って、一例として、各ガード電極１３０に最も近い電極は、同じ電極１１０とすることができる。第１の複数の電極のさらなる代替的な構成については、図６に関連して以下に詳述する。
第１の複数の電極１１０、１２０の電極のそれぞれは、ＲＦ電圧源（図示せず）と追加的に電気的に接続されている。使用時には、第１の電極セット１１０および１２０の横方向に隣接する電極に対して、互いに対して約１８０°位相がずれたＲＦ電圧が印加される。すなわち、一例として、複数の第１の電極１１０に印加されるＲＦ電圧は、複数の第１の電極１２０に印加されるＲＦ電圧に対して１８０°位相がずれている。従って、任意の所与の時間における第１の複数の電極１１０および１２０の横方向に隣接する電極上の電荷は、ＲＦ＋およびＲＦ−として図１に示された反対の極性である。以下に詳述するように、時間が進むにつれて、複数の電極１１０、１２０のそれぞれの極性が切り替わり、正から負または負から正に遷移する。
第１の電極セット１１０および１２０にＲＦ電圧を印加することによって生成される電場内のイオン挙動の一例を図４Ａおよび図４Ｂに示す。装置１００の長手断面（ｘｙ平面）が提示され、それぞれの第１の電極セット１１０および１２０を接続させた２つの対向する表面を含む。初期状態（図４Ａ）では、電極１１０はその上に正電荷を有し、電極１２０はその上に負電荷を有する。
例えば、第１および第２の陽イオン４００、４０２が２つの表面の間に配置され、第１の陽イオン４００が２つの表面の略中央に配置され、第２の陽イオン（実線の輪郭）が電極１１０の近くに配置されると仮定する。一般に、第１の複数の電極１１０、１２０に印加される電圧の大きさは、イオンと電極との間の距離が２つの電極幅未満である場合に結果として得られる電場がイオンの動きにのみ影響を及ぼすような大きさである。これにより、第１の陽イオンが、第１の複数の電極１１０、１２０によって生成された電場に起因する正味の引力または斥力をほとんど受けない「中立帯」（ニ点鎖線）が表面間に生成される。対照的に、正に帯電した電極１１０の近くにある第２の陽イオンは、中立帯に向かって第２の陽イオンを押しやる斥力を受ける（例えば、図４Ａの上向き）。
さらに図４を参照すると、時間が進むにつれて、第１の電極セット１１０、１２０のｃが反転し、その結果、電極１１０は負電荷を有し、電極１２０は正の極性を有する。図４Ａに関して上述したように、万一第２の陽イオンの受ける斥力によって第２の陽イオンが中立帯を越えて移動した場合、電極１２０によって生成された電場は、さらに斥力を与え、第２の陽を中立帯（例えば、図４Ａの上方）に向けて戻るように押しやる。
その後、時間がさらに進むにつれて、第１の複数の電極１１０、１２０の極性が再び反転し、図４Ａの状態に戻る。ＲＦ周波数がイオンが電極に接触するのを防ぐのに十分に迅速に変化するならば、中立帯から付近に逸脱したイオンの位置は、中立帯に戻されるように正され、２つの表面間の閉じ込め（すなわち、ｙ方向）がもたらされる。例えば、一実施形態では、第１の複数の電極に印加されるＲＦ電圧の周波数は、１００ｋＨｚ〜５ＭＨｚの範囲から選択することができ、ＲＦ電圧の振幅は、１０Ｖ〜５００Ｖの範囲から選択することができる。
所与の電荷の場合、ＲＦ周波数および振幅は、イオンの質量およびバッファガスの圧力に基づいて、それぞれの範囲から選択される。比較的軽いイオン（すなわち、より速く移動するイオン）には比較的より高い周波数およびより高い振幅が選択され、比較的重いイオン（すなわち、より遅く移動するイオン）にはこの範囲内で選択されるより低い周波数およびより低い振幅が選択される。より高い圧力には比較的より高い電圧が使用される。このようにしてＲＦ電極によって生成された電場は、図４Ｃに示すように、有効電場Ｅｅｆｆ，ＲＦによって表すことができる。
さらに図１を参照すると、複数のガード電極１３０のそれぞれは、表面に接続され、第１の複数の電極１１０、１２０の最も外側の電極に横方向に隣接して配置される。例えば、図１に示すように、複数のガード電極１３０は、最も外側の電極１１０の横方向に隣接して配置される。複数のガード電極１３０のそれぞれは、ＤＣ電圧源（図示せず）とさらに電気的に接続されている。ガード電極の寸法のそれぞれは、０．０５ｍｍ〜５ｍｍ幅の範囲から独立に選択することができる。
使用時には、複数のガード電極１３０のそれぞれに一定のＤＣ電圧が印加されて、イオンをｘ方向（例えば、イオンの長手方向の動きの方向に直交して、横方向）にさらに閉じ込める。ＤＣ電圧の極性は、イオンの極性と同じとなるように選択され、図４Ｃに示すように、イオンを退ける電場ＥＤＣを生成する。一実施形態では、ＤＣ電圧の大きさは、１Ｖ〜１００Ｖの範囲から選択される。
ここで、図１をさらに参照して、第２の複数の電極１２５について説明する。第２の複数の電極１２５の電極は、分割され、第１の複数の電極１１０および１２０の間に挿入される。第２の複数の電極１２５の所与の電極のセットは、所与の１対の第１の複数の電極１１０、１２０の間に配置されたそれぞれの電極を含むことができる。例えば、第２の複数の電極１２５の所与の電極のセットは、図１に示すように、線に沿ってｚ方向に延びることができる。第２の複数の電極１２５のそれぞれの寸法のそれぞれは、長さが０．２ｍｍ〜２０ｍｍおよび幅が０．０４ｍｍ〜４．５ｍｍの範囲から独立に選択することができる。
しかしながら、第２の複数の電極の他の構成もまた企図されることが理解されよう。例えば、第２の複数の電極のセットは、ガード電極に横方向に隣接して配置されてもよく、従って、第１の複数の電極の横方向に隣接する電極の間に必ずしも挿入される必要はない。他の実施形態では、第２の複数の電極のそれぞれの長さは、独立に変えることができる。第２の複数の電極のさらなる代替的な構成については、図６に関連して詳述する。
第２の複数の電極１２５の分割電極のそれぞれは、ＡＣ電圧源（図示せず）とさらに電気的に接続されている。図５をさらに参照すると、単一の第２の複数の電極セット１２５が示されている。使用時には、ＡＣ電圧波形が電極１２５のそれぞれに印加され、ＡＣ電圧波形は、第２の複数の電極１２５の長手方向セット内の長手方向に隣接する電極に印加される。印加されたＡＣ電圧波形は、長手方向に隣接する電極１２５に対して位相シフトされる。このようにして、印加されたＡＣ電圧波形は、イオン移動の所望の方向（すなわち、ｚ方向）に長手方向に延びる、第２の複数の電極１２５の一部に及ぶ。
例えば、図５に示すように、第２の複数の電極１２５は、８つの分割電極１４１〜１４８を含み、その間に正弦波の形態のＡＣ電圧波形が印加される。一実施形態では、分割電極１４１〜１４８のそれぞれの間の位相シフトは等しく（すなわち、４５°）、電極１４１〜１４８にわたる位相シフトの合計は、合計３６０°になる。すなわち、印加されたＡＣ波は、分割電極上で、それぞれ４５°、９０°、１３５°、１８０°、２２５°、２７０°、３１５°、および３６０°だけ段階的に位相シフトされて、位相シフトが増加する方向にイオンを移動および分離させる。従って、分割電極１４１に印加されるＡＣ電圧波形は、４５°の位相を有し、分割電極１４２に印加されるＡＣ電圧波形は、９０°の位相を有し、分割電極１４３に印加されるＡＣ電圧波形は、１３５°の位相を有し、分割電極１４４に印加されるＡＣ電圧波形は、１８０°の位相を有し、分割電極１４５に印加されるＡＣ電圧波形は、２２５°の位相を有し、分割電極１４６に印加されるＡＣ電圧波形は、２７０°の位相を有し、分割電極１４７に印加されるＡＣ電圧波形は、３１５°の位相を有し、分割電極１４８に印加されるＡＣ電圧波形は、３６０°の位相を有する。
その後、電極１４１〜１４８に続く複数の第２の電極に対してＡＣ電圧波形を繰り返して段階的に印加する。例えば、図１をさらに参照すると、分割電極１５１に印加されるＡＣ電圧波形は、４５°の位相を有し、分割電極１５２に印加されるＡＣ電圧波形は、９０°の位相シフトを有し、分割電極１５３に印加されるＡＣ電圧波形は、１３５°の位相シフトを有し、分割電極１５４に印加されるＡＣ電圧波形は、１８０°の位相シフトを有し、分割電極１５５に印加されるＡＣ電圧波形は、２２５°の位相シフトを有し、分割電極１５６に印加されるＡＣ電圧波形は、２７０°の位相シフトを有し、分割電極１５７に印加されるＡＣ電圧波形は、３１５°の位相シフトを有し、分割電極１５８に印加されるＡＣ電圧波形は、３６０°の位相シフトを有する。このプロセスは、第２の複数の電極１２５の追加的な分割電極に対して、第２の複数の電極１２５の端部に達するまで繰り返されて、イオンをｚ方向に移動および分離させる。
所与の時間において、装置１００内のイオンは、一般に、進行波の動きに追いつくためのイオン速度に依存する最も低いエネルギー位置に位置する。例えば、この最も低いエネルギー位置が、ＡＣ電圧波形の最小振幅を有する分割電極（すなわち、２７０°の位相シフトを有する電極セグメント１４６）の位置にまたはその近くにあると仮定する。最大イオン速度が進行波の速度にほぼ等しい場合、すなわちｃ≒１である場合、イオンは、時間の大部分で進行波と一緒に移動できるが、進行波が通り過ぎる場合もある。より低い速度または移動度のイオンは、より速い速度または移動度のイオンよりも頻繁に遅れをとる傾向があり、イオン分離が実現される。従って、ｃ≒１の条件下では、ｚ方向におけるＡＣ電圧波形の並行移動は、最も低いエネルギー位置に留まるようにイオンを移動させる進行波を形成する。
一実施形態では、ＡＣ電圧波形の周波数は、１０Ｈｚ〜２００ｋＨｚ（例えば、１ｋＨｚ〜２００ｋＨｚ）の範囲から選択でき、ＡＣ電圧波形の振幅は、１Ｖ〜２００Ｖの範囲から選択できる。例えば、一実施形態では、ＡＣ電圧波形の周波数は、１Ｈｚ〜１ｋＨｚの範囲から選択することができる。さらなる実施形態では、キャリアガスの圧力は、大気圧から１ｍｔｏｒｒの真空の範囲から選択される。所与の電荷に対して、ＡＣ電圧波形の周波数および振幅は、バッファガスの圧力、第２の複数の電極１２５の分割電極の寸法、およびイオン質量電荷比のうちの１つ以上に基づくそれぞれの範囲から選択される。
図５の実施形態は、隣接する分割電極間で４５°の一定の位相シフト（すなわち、３６０°をＡＣ電圧波形が広がる電極の数で割ったもの）を使用する。しかしながら、さらなる実施形態では、進行するＡＣ電圧波形は、０°〜３５９°の範囲から選択される他の位相シフトを制限なしに採用してもよい。例えば、１つの代替的な実施形態では、位相シフトは９０°または１２０°であってもよい。他の代替的な実施形態では、少なくとも１対の隣接する分割電極間の位相シフトは、異なっていてもよい。さらなる代替的な実施形態では、ＡＣ電圧波形は少なくとも１つの不連続箇所を呈する（すなわち、ＡＣ電圧波形が広がる電極間の位相シフトの和は３６０°にならない）。
図５の例では、ＡＣ電圧波形は正弦波である。しかしながら、代替的な実施形態では、ＡＣ電圧波形は、余弦波または２つ以上の波の和などの他の形態を採用してもよいことが理解されよう。
追加的な実施形態では、第２の複数の電極の分割電極の数は、図１または図５に示されるものとは異なっていてもよい。例えば、複数の第２の電極は、分離のためにイオンを捕捉して輸送するためのポテンシャルの谷を形成するために、３つの分割電極を最小限必要とする。しかしながら、複数の第２の電極内の電極の最大数に制限はない。従って、複数の第２の電極内の電極の数は、３以上の整数から選択することができる。
ここで図２を参照すると、本開示の第２の実施形態による、イオン移動度分離のための装置２００の概略図が示されている。装置２００は、少なくとも１つの表面（図示せず）と、表面に接続された複数の分割電極２５０と、を備える。代替的な実施形態では、少なくとも１つの表面は、互いに平行に配置され、かつ間隙によってオフセットされた（例えば、垂直にオフセットされた）、１対の表面である。装置２００は、複数の電極２５０の側部に配置されたガード電極２３０をさらに含む。
さらに図２を参照すると、装置２００は、ＡＣ電圧およびＲＦ電圧が、第１の複数の電極１１０、１２０および第２の複数の電極１２５ではなく、複数の電極２５０に同時に印加される点で装置１００と異なる。従って、以下に詳述するように、複数の分割電極２５０は、イオンをｙ方向（例えば、垂直方向）に閉じ込め、かつイオンを装置１００を通ってｚ方向（例えば、長手方向）に移動させるＴＷを形成する働きをする。複数のガード電極１３０は、イオンをｘ方向（例えば、水平方向）に閉じ込める働きをする。以下の説明で特に明記しない限り、装置２００は装置１００と同様に動作する。
複数の分割電極２５０のそれぞれは、ＡＣ電圧源およびＲＦ電圧源（図示せず）と電気的に接続されている。さらに図２を参照すると、使用時に、複数の分割電極２５０のそれぞれにＡＣ電圧が印加され、ＡＣ電圧は、０°〜３５９°の範囲から選択される値だけ互いに対して位相シフトされ、長手方向に隣接する分割電極に印加される。このようにして、イオン移動の所望の方向（すなわち、ｚ方向）に長手方向に延びる、複数の分割電極２５０の一部に及ぶＡＣ電圧波形が形成される。同時に、印加されたＡＣ電圧にＲＦ電圧が重畳される。長手方向に隣接する分割電極に印加されるＲＦ電圧の位相は、互いに対して約１８０°位相がずれている（すなわち、位相シフトはイオンの動きの方向にある）。
例えば、４５°の位相を呈するＡＣ電圧波形と、別個のＲＦ電圧と、が電極セグメント２５１にそれぞれ印加され、９０°の位相を呈するＡＣ電圧波形と、電極セグメント２５１に印加されるＲＦ電圧から１８０°位相がずれたＲＦ電圧と、が電極セグメント２５２にそれぞれ印加され、１３５°の位相を呈するＡＣ電圧波形と、電極セグメント２５２に印加されるＲＦ電圧から１８０°位相がずれたＲＦ電圧と、が電極セグメント２５３にそれぞれ印加され、１８０°の位相を呈するＡＣ電圧波形と、電極セグメント２５３に印加されるＲＦ電圧から１８０°位相がずれたＲＦ電圧と、が電極セグメント２５４にそれぞれ印加され、２２５°の位相を呈するＡＣ電圧波形と、電極セグメント２５４に印加されるＲＦ電圧から１８０°位相がずれたＲＦ電圧と、が電極セグメント２５５にそれぞれ印加され、２７０°の位相を呈するＡＣ電圧波形と、電極セグメント２５５に印加されるＲＦ電圧から１８０°位相がずれたＲＦ電圧と、が電極セグメント２５６にそれぞれ印加され、３１５°の位相を呈するＡＣ電圧波形と、電極セグメント２５６に印加されるＲＦ電圧から１８０°位相がずれたＲＦ電圧と、が電極セグメント２５７にそれぞれ印加され、３６０°の位相を呈するＡＣ電圧波形と、電極セグメント２５７に印加されるＲＦ電圧から１８０°位相がずれたＲＦ電圧と、が電極セグメント２５８にそれぞれ印加される。
図２の分割電極に進むと、４５°の位相シフトを呈するＡＣ電圧波形と、ＲＦ電圧と、が分割電極２６１に同時に印加され、９０°の位相を呈するＡＣ電圧波形と、電極２６１に印加されるＲＦ電圧から１８０°位相がずれたＲＦ電圧と、が分割電極２６２にそれぞれ印加され、１３５°の位相を呈するＡＣ電圧波形と、電極２６２に印加されるＲＦ電圧から１８０°位相がずれたＲＦ電圧と、が分割電極２６３にそれぞれ同時に印加され、１８０°の位相を呈するＡＣ電圧波形と、電極２６３に印加されるＲＦ電圧から１８０°位相がずれたＲＦ電圧と、が分割電極２６４にそれぞれ同時に印加され、２２５°の位相を呈するＡＣ電圧波形と、電極２６４に印加されるＲＦ電圧から１８０°位相がずれたＲＦ電圧と、が分割電極２６５にそれぞれ同時に印加され、２７０°の位相を呈するＡＣ電圧と電極２６５に印加されるＲＦ電圧から１８０°位相がずれたＲＦ電圧と、が分割電極２６６にそれぞれ同時に印加され、３１５°の位相を呈するＡＣ電圧波形と、電極２６６に印加されるＲＦ電圧から１８０°位相がずれたＲＦ電圧と、が分割電極２６７にそれぞれ同時に印加され、３６０°の位相を呈するＡＣ電圧波形と、電極２６７に印加されるＲＦ電圧から１８０°位相がずれたＲＦ電圧と、が分割電極２６８にそれぞれ同時に印加される。
一実施形態では、ＲＦ電圧の周波数は１００ｋＨｚ〜５ＭＨｚの範囲から選択することができ、ＲＦ電圧の振幅は１０Ｖ〜５００Ｖの範囲から選択することができる。さらなる実施形態では、ＡＣ波形の周波数は１０Ｈｚ〜２００ｋＨｚの範囲から選択することができ、ＡＣ波形の振幅は１Ｖ〜２００Ｖの範囲から選択することができる。
図２をさらに参照すると、複数のガード電極２３０のそれぞれは、複数の分割電極２５０の最も外側の電極に横方向に隣接して配置された表面に接続される。複数のガード電極２３０のそれぞれは、ＤＣ電圧源（図示せず）とさらに電気的に接続されている。使用時には、図１のガード電極１３０に関連して上述したように、ガード電極２３０のそれぞれに一定のＤＣ電圧が印加されて、イオンをｘ方向（例えば、イオンの長手方向の動きの方向に直交して、横方向）にさらに閉じ込める。一実施形態では、ＤＣ電圧の大きさは、１Ｖ〜１００Ｖの範囲から選択される。
上記の例は、複数の分割電極２５０の長手方向に隣接する電極に印加されるＡＣ電圧波形の間に４５°の一定の位相シフトを使用する（すなわち、ＡＣ波形が広がる電極の数で３６０°を除算したもの）。しかしながら、さらなる実施形態では、進行するＡＣ電圧波形は、０°〜３５９°の範囲から選択される他の位相シフトを制限なしに採用してもよい。例えば、１つの代替的な実施形態では、位相シフトは９０°または１２０°であってもよい。他の代替的な実施形態では、少なくとも１対の長手方向に隣接する分割電極間の位相シフトは、異なっていてもよい。さらなる代替的な実施形態では、ＡＣ電圧波形は少なくとも１つの不連続箇所を呈し得る（すなわち、ＡＣ電圧波形が広がる電極間の位相シフトの和は３６０°にならない）。
追加的な実施形態では、複数の分割電極２５０の数は、図２に示されるものとは異なっていてもよい。例えば、複数の分割電極２５０は、分離のためにイオンを捕捉して輸送するためのポテンシャルの谷を形成するために、３つの分割電極を最小限必要とする。しかしながら、複数の分割電極の分割電極の最大数に制限はない。従って、分割電極の数は、３以上の整数から選択されてもよい。
図２の装置の複数の電極に印加されたＡＣ電圧波形は、ＡＣ電圧波形の正弦波として上述した。しかしながら、さらなる実施形態では、ＡＣ電圧波形は、余弦波または２つ以上の波の和などの他の形態を採用してもよい。
図３を参照すると、本開示の第３の実施形態によるイオン移動度分離のための装置３００の概略図が示されている。装置３００は、少なくとも１つの表面（図示せず）と、表面に接続された複数の湾曲電極３１０、３２０、３２５、および３３０と、を備える。湾曲した電極の曲率半径は、１ｍｍ〜１００ｍｍの範囲から選択することができる。
第１の複数の湾曲した電極３１０および３２０は、互いに横方向に離間し、ＲＦ電圧源（図示せず）と電気的に接続されている。動作中、逆位相ＲＦ電圧が、第１の複数の電極３１０および３２０の横方向に隣接する電極に印加されて、イオンをｙ方向に閉じ込める。湾曲した電極３１０、３２０の寸法および配置、ならびにＲＦ電圧の印加の仕方は、図１の第１の複数の電極１１０、１２０に関連して上述したように提供されてもよい。
電極３３０は、互いに横方向に離間し、かつ湾曲した電極３１０、３２０、および３２５の最も外側の電極に隣接した、湾曲したガード電極である。例えば、図３に示すように、湾曲したガード電極３３０は、第１の複数の湾曲した電極３１０、３２０の最も外側の電極に横方向に隣接して配置される。湾曲したガード電極３３０は、ＤＣ電圧源（図示せず）とさらに電気的に接続されている。動作中、湾曲した形状および印加されたＤＣ電位によって生成された電場がｘ方向におけるイオンの閉じ込めを提供するように、ガード電極３３０にＤＣ電圧が印加される。湾曲したガード電極３３０の寸法および配置、ならびにＤＣ電圧の印加方法は、図１のガード電極１３０に関連して上述したように提供されてもよい。
第２の複数の湾曲した電極３２５は、第１の複数の湾曲した電極３１０、３２０のそれぞれの間に分割されて挿入されている。第２の複数の湾曲した電極は、ＡＣ電圧源（図示せず）とさらに電気的に接続されている。第２の複数の湾曲した電極３２５の所与の電極セットは、所与の第１の複数の湾曲した電極対３１０、３２０の間に配置されてもよい。動作中、連続ＡＣ電圧波形が第２の複数の湾曲した電極３２５に印加され、ＡＣ電圧波形は、所与の第２の複数の湾曲した電極セット内の長手方向に隣接する電極上で位相シフトされて、装置３００の長さを通って（すなわち、ｚ方向）にイオンを移動させる。第２の複数の湾曲した電極３２５の寸法および配置、ならびに連続ＡＣ電圧の印加の仕方は、図１の第２の複数の電極１２０に関連して上述したように提供されてもよい。
少なくとも１つの表面に接続された電極構成の代替的な実施形態を図６Ａ〜図６Ｆに示す。以下で論じるように、図６Ａ〜図６Ｆの実施形態は、第１の複数の連続電極１１０、１２０、ガード電極１３０、および第２の複数の電極１２５に関連して、装置１００の文脈で提示される。さらに、ガード電極１３０は、第１の複数の電極１１０および１２０の側部に配置され、第２の複数の分割電極１２５は、第１の複数の電極１１０および１２０の間に挿入される。
代替的な実施形態では、図６Ａ〜図６Ｆの電極構成における第１の複数の連続電極１１０、１２０および第２の複数の分割電極１２５の位置を逆にすることができる。さらなる代替的な実施形態では、図６Ａ〜図６Ｆの電極構成を、第１および第２の複数の電極１１０、１２０、１２５の代わりに複数の電極２５０が設けられている装置２００と組み合わせて使用することもできる。
図６Ａは、第１のセグメント６００Ａ−１であって、互いに平行に配置され、かつ第１のセグメント６００Ａ−１に垂直に配置された第２のセグメント６００Ａ−２に接続され、「Ｕ」字形を形成する、第１のセグメント６００Ａ−１を含む、代替的な電極構成の一実施形態を示す。この構成は、イオンの動きの方向を反転させることが望ましい状況において有益であり得る。さらなる代替的な実施形態では、第１および第２のセグメント６００Ａ−１、６００Ａ−２のそれぞれの向きが変更されてもよいことが理解されよう。例えば、第１のセグメント６００Ａ−１同士は、平行である必要はなく、互いに対してゼロではない角度をとることができる。別の例では、第２のセグメント６００Ａ−２は、第１のセグメント６００Ａ−１の一方または両方に垂直である必要はなく、代わりに、第１のセグメント６００Ａ−１のそれぞれに依然として接続されたまま、９０°ではない角度をとることができる。
図６Ｂは、代替的な電極構成の一実施形態を示しており、第１の複数の電極１１０、１２０のそれぞれが、ガード電極１３０に隣接し、その長手方向軸がイオン移動の方向に平行に配置された第１の部分と、第１の部分の内側にあり、イオンの移動方向に垂直に配置された第２の部分と、を備える。第２の複数の電極１２５のそれぞれは、その長手方向軸がイオン移動の方向に対して垂直に配置されている。ＲＦ波形およびＡＣ波形を第１および第２の複数の電極に印加する方法は、図１に関連して上述したものと同じである。
図６Ｃは、イオン移動の経路長に沿って電極配置を変化させる代替的な電極構成の一実施形態を示す。図６Ｃの電極構成は、第１のセグメント６００Ｃ−１と第２のセグメント６００Ｃ−２とを備える。第１のセグメント６００Ｃ−１において、第１の複数の電極１１０、１２０および第２の複数の電極のそれぞれの長手方向軸は、それぞれ、イオン移動方向（すなわち長手方向）に平行に向けられている。第２セグメント６００Ｃ−２において、第１および第２の複数の電極１１０、１２０、１２５は、図６Ｂに関連して上述したように構成される。
図６Ｅは、第２の部分６００Ｄ−２よりも、第１および第２の複数の電極１１０、１２０、１２５のうちの少ない方を有する第１の部分６００Ｄ−１を含む代替的な電極構成の一実施形態を示す。その結果、イオンの動きの方向に沿ったイオン経路の幅は、イオンの動きの方向に沿って変化する（例えば、収束する、発散するなど）。この構成は、イオンビームの幅を（例えば、集束のために）圧縮するためおよび／または２つの異なるイオン経路の接合部に隣接して圧縮するのに有益であり得る。
図６Ｆは、第２のセグメント６００Ｅ−２に直角に接続され、「Ｔ」字形を形成する第１のセグメント６００Ｅ−１を含む代替的な電極構成の一実施形態を示す。この構成は、第１のセグメント６００Ｅ−１から第２のセグメント６００Ｅ−２へイオンをそらすことが望ましい状況において有益であり得る。この構成は、特定の移動度または組成のイオンを選択（例えば、質量分析計内の残りのイオンの注入前に望ましくないイオンを除去）するのに望ましい場合がある。
さらなる代替的な実施形態では、第１および第２のセグメント６００Ｅ−１、６００Ｅ−２のそれぞれの向きが変更されてもよいことが理解されよう。例えば、第１のセグメント６００Ｅ−１は、第２のセグメント６００Ｅ−２に対して垂直である必要はなく、９０°ではない角度を採用することができる。
図６Ｇは、２つの異なるレベル６０２ａ、６０２ｂを含む装置を示し、各レベルは、上述したように、複数の電極（例えば、１１０、１２０、１２５）を含む一対の平行な表面を含む。一実施態様では、複数のレベルを使用することにより、異なるイオンの分離のために異なるレベルを最適化できる。
しかしながら、特に、レベル間でイオンを輸送する機構は、それぞれのレベルからイオンを挿入して除去するために必要である。従って、レベル６０２ａ、６０２ｂの対向する平行な面のそれぞれに開口部６０４（例えば、正方形または円形の開口部）が形成される。開口部６０４は、第２の複数の分割電極１２５（例えば、図６Ｈ）と交差するように配置され、エレベータ６０６へのアクセスを可能にする。エレベータ６０６は、レベル６０２ａ、６０２ｂのそれぞれの開口部６０４に重なるように配置され、複数の積層された分割電極アレイ６１０（例えば、６つの積層電極）を備える。動作中、第２の複数の電極１２５によって生成される進行波が、図６Ｇの方向矢印によって示されるように、レベル６００ａからエレベータ６０６を通ってレベル６００ｂにイオンを運ぶために使用される。
各電極スタック６１０内の電極アレイ６１０の各実施形態を図６Ｉおよび図６Ｊに示す。一般に、各電極アレイは交番するＡＣ電極（例えば１２５）およびＲＦ電極（１１０および／または１２０）を含む。一実施形態では、電極アレイ６１０ａ内のＲＦ電極のそれぞれは、所与の時間に同じ極性をそれぞれ有することができる。代替的な実施形態では、電極アレイ６１０ｂ内のＲＦ電極のそれぞれは、その最も近い隣接ＲＦ電極と反対の極性をそれぞれ有することができる。例えば、図６Ｉに示すように、電極アレイ６１０ａは、ＲＦ電極１２０とＡＣ電極１２５との交互のセグメントを含み、ＲＦ電極１２０はそれぞれ所与の時間に同じＲＦ位相を有する。図６Ｊにさらに示されるように、電極アレイ６１０ｂは、ＲＦ電極１１０、１２０、およびＡＣ電極１２５の交互のセグメントを含み、ＲＦ電極１１０および１２０は反対のＲＦ位相を有する（すなわち、互いに１８０°位相がずれている）。
電極アレイ６０６の異なる積層配置を有するエレベータ６０６の各実施形態が図６Ｋおよび６Ｌに示されている。例えば、図６Ｋのエレベータ６０６ａは、電極アレイ６０６ａから形成され、所与の電極アレイ６０６ａ内の各ＲＦ電極は、同じ極性を有する。しかしながら、特に、隣接する電極アレイ６０６は反対の極性を有する。対照的に、図６Ｌのエレベータ６０６ｂも電極アレイ５０６ａから形成されるが、隣接する電極アレイ６０６ａも同じ極性を有する。
代替的な実施形態では、装置１００は、図６Ｍ〜図６Ｏに示すように、エレベータ６２０を含む。エレベータ６２０は、互いに積み重ねられた電極１１０、１２０、１２５、および１３０をそれぞれ有する複数のプレート６２２から形成される。各プレート６２２は、隣接する隣の開口６２４と位置合わせされた開口６２４を含み、エレベータ６２０を通るイオンの通過のための通路を形成する。上記のように、複数の第２の電極１２５によって生成された進行波は、レベル６００ａからエレベータ６２０を介してレベル６０２ｂにイオンを運ぶために使用される一方、ＲＦ電極１１０、１２０によって生成された電場およびガード電極１３０は、それらのそれぞれのプレート６２２の開口６２２内にイオンを閉じ込める。
図６Ｐに示すさらなる代替的な実施形態では、装置１００は、比較的傾斜した部分６３０によって形成され連結された少なくとも２つのレベル６０２を含み、レベル６０２および傾斜部６３０のそれぞれは、複数の電極１１０、１２０、１２５、１３０を含む１対の平行な表面を含む。例えば、図６Ｐに示すように、５つのレベル６０２ａ〜６０２ｅが存在し、レベル６０２ａは最下位レベルであり、レベル６０２ｅは最上位レベルである。さらに、傾斜部６３０ａは、レベル６０２ａと６０２ｃとの間に延び、傾斜部６３０ｂは、レベル６０２ｂと６０２ｄとの間に延び、傾斜部６３０ｃは、レベル６０２ｃと６０２ｅとの間に延びる。使用時には、複数の第２の電極１２５によって生成された進行波を使用して、それぞれの傾斜（例えば、６３０ａ）を介して下位レベル（例えば、６０２ａから上位レベル（例えば、レベル６０２ｃ）にイオン（例えば、６３４）を運ぶ。
図６Ｇ〜図６Ｐの各実施形態に示された多レベル装置のそれぞれの各実施形態は、図１、図２、図３および図６Ａ〜図６Ｆに示されるように、電極の任意の構成で使用され得ることが理解されよう。
実験結果
平面および曲面を使用したイオン分離について上述したＡＣ−ＳＬＩＭＳ手法の各実施形態の性能を調査するためにシミュレーションを行った。比較のために、過渡ＤＣ電圧を使用する従来のＴＷ−ＩＭＳについて、対応するシミュレーションをさらに行う。以下の実施例は、本開示の実施形態および実施態様を例示するためにさらに役立ち、それらの範囲を限定するものと解釈されることを意味しない。
実施例１−平坦な表面のシミュレーション
（ｉ）ＡＣ−ＳＬＩＭＳシミュレーションパラメータ
図１に示す概略モジュールがシミュレーションに使用される。ＡＣ電極１２５は、長いＲＦ電極ストリップ１１０、１２０に隣接する分割電極である。ガード電極１３０は、ＡＣ電極１２５およびＲＦ電極１１０、１２０の外側にある。モジュールは、ＰＣＢを用いて製作され、４．７５ｍｍの間隔で配置された一対の平行なＰＣＢ（長さ３０．５ｃｍ×幅７．６ｃｍ）を備える。このモジュールは、０．１３ｍｍだけＲＦ電極１１０および１２０の隣接するアレイから離間した５つのＡＣ電極アレイ１２５を使用する。ＡＣ電極１２５の寸法は、長さが１．９８ｍｍ、幅が０．４３ｍｍである。ガード電極１３０の幅はそれぞれ０．５０８ｍｍである。ＲＦ電極１１０および１２０の寸法は、それぞれ幅が０．４３ｍｍである。
このモジュールは、バッファガスとして窒素を利用して４Ｔｏｒｒの圧力で動作される。６２２と９２２の質量電荷比（ｍ／ｚ）を有する一価イオンをシミュレーションに使用する。
ＲＦ電圧は、６つのＲＦ電極１１０および１２０に、各表面の隣接する電極に対して１８０°位相をずらして印加されて、擬似ポテンシャルを生成してイオンを閉じ込め、２つのＰＣＢへのイオン損失を抑制する。
このシミュレーションでは正弦波であるＡＣ電圧波形は、ＲＦ電極１１０、１２０の間に配置され、最初の８つの分割電極１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６、１４７、および１４８ならびに第２の８つの分割電極セット１５１、１５２、１５３、１５４、１５５、１５６、１５７、および１５８にさらに印加される。
各隣接する電極セグメント１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６、１４７、および１４８には、ＡＣ電圧波形の４５°位相シフトがさらに採用される。長手方向に隣接する電極セグメント１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６、１４７、および１４８に印加されるＡＣ波形は、繰り返しパターンで位相シフトされる。つまり、印加されたＡＣ電圧波形は、分割電極１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、１４６、１４７、および１４８上で、それぞれ４５°、９０°、１３５°、１８０°、２２５°、２７０°、３１５°、および３６０°だけ段階的に位相シフトされて、位相シフトが増加する方向にイオンを移動および分離させる。
その後、ＡＣ電極１５１、１５２、１５３、１５４、１５５、１５６、１５７、および１５８にＡＣ電圧波形を繰り返して段階的にさらに印加する。印加されたＡＣ電圧波形は、分割電極１５１、１５２、１５３、１５４、１５５、１５６、１５７、および１５８上で、それぞれ４５°、９０°、１３５°、１８０°、２２５°、２７０°、３１５°、および３６０°だけ段階的に位相シフトされて、位相シフトが増加する方向にイオンを移動および分離させる。
分割電極の追加的なアレイの場合、これらの追加的な電極アレイに印加されるＡＣ電圧波形の位相は、段階的に繰り返されて、位相シフトが増加する方向にイオンを移動および分離させる。
（ｉｉ）ＤＣ−ＴＷシミュレーションパラメータ
図７Ａに示す概略モジュール７００がシミュレーションに使用される。ＤＣ電極６２５は、長いＲＦ電極７１０、７２０に隣接して配置された分割電極である。ガード電極７３０は、ＤＣ電極７２５およびＲＦ電極７１０、７２０の外側にある。
モジュール７００は、ＰＣＢを用いて製作され、４．７５ｍｍの間隔で配置された一対の平行なＰＣＢ（長さ３０．５ｃｍ×幅７．６ｃｍ）を備える。このモジュールは、０．１３ｍｍだけＲＦ電極６１０および１２０の隣接するアレイから離間した５つのＤＣ電極アレイ７２５を使用した。ＤＣ電極７２５の寸法は、長さが１．９８ｍｍ、幅が０．４３ｍｍであった。ガード電極７３０の幅は０．５０８ｍｍであった。ＲＦ電極７１０および７２０の寸法は、それぞれ幅が０．４３ｍｍであった。
このモジュールは、バッファガスとして窒素を利用して４Ｔｏｒｒの圧力で動作される。６２２と９２２の質量電荷（ｍ／ｚ）を有する一価イオンをシミュレーションに使用する。
ＲＦ電圧は、６つのＲＦ電極７１０および７２０に、各表面の隣接するＲＦ電極に対して１８０°位相をずらして印加されて、擬似ポテンシャルを生成してイオンを閉じ込め、２つのＰＣＢへのイオン損失を抑制する。過渡ＤＣ電圧波形は、一連の隣接する分割ＤＣ電極７２５に印加される。例えば、図７Ａに示すように、ＤＣ電圧は、４つのブロック（例えば、７４１、７４２、７４３ ７４４および７５１、７５２、７５３ ７５４）でＤＣ電極に印加される。ＤＣ電圧は、４つのブロック（例えば、７４５、７４６、７４７、７４８、ならびに７５５、７５６、７５７、および７５８）でＤＣ電極に同様に印加されない。これにより、図７Ｂに示すように方形波が形成される。時間が前進すると、ＤＣ過渡波形は、一度に１つのＤＣ電極（例えば、左から右へ）進む。すなわち、時間が最初の増分だけ前進すると、電極７４１および７５１へのＤＣ電圧の印加が停止する一方、電極７４５および７５５へのＤＣ電圧の印加が開始される。さらに時間が進むにつれて、ＤＣ過渡波形のこの段階的な進行が継続する。
（ｉｉｉ）到着時間分布の比較
図８Ａおよび図９Ａは、それぞれ、ＤＣ過渡波形および連続ＡＣ波形を示す。印加された過渡ＤＣ波速度は、約１７Ｖのピークツーピーク振幅と１１６ｍ／ｓの速度を有する。印加された連続ＡＣ波形は、約１７Ｖｐ−ｐのピークツーピーク振幅と７６ｍ／ｓの正弦波速度を有する。
図８Ｂおよび図９Ｂは、それぞれ、ｍ／ｚが６２２〜９２２を有するイオンにＤＣ過渡波形および連続ＡＣ波形を使用して、結果として得られる到着時間分布を示す。特に、図８Ｂおよび図９Ｂの到着時間測定は、従来の過渡ＤＣ手法と、本明細書で開示されたＳＬＩＭＳ−ＡＣ手法の実施形態とでほぼ同一の分離が得られることを示している。
（ｉｖ）解像度の比較
図１０は、図１および図７の装置を通って移動するｍ／ｚが６２２〜９２２のイオンによる、開示されたＡＣ−ＳＬＩＭＳ技術の各実施形態に従って生成された過渡ＤＣ波形および連続ＡＣ波形を使用して達成される分解能を示す。進行波電圧は３０Ｖであり、外側ガード電極には５Ｖを印加した。両方のＰＣＢ表面に６２８〜６４８ｋＨｚのＲＦ周波数を印加した。ＲＦ電圧の振幅は２２０Ｖｐ−ｐであった。
特に、本明細書で開示されたＳＬＩＭＳ−ＡＣ手法の各実施形態は、従来の過渡ＤＣ波形手法と比較してほぼ同一の分解能が得られる。
（ｉｖ）電場暴露の比較
図１１は、開示されたＡＣ−ＳＬＩＭＳ技法の各実施形態に従って生成された過渡ＤＣ波形および連続ＡＣ波形を使用して、ｍ／ｚが６２２〜９２２のイオンが費やす時間量を高電場と低電場とで比較する。ＡＣ波形の周波数は約１０ｋＨｚであり、過渡ＤＣ波形の周波数は約３５ｋＨｚであった。波形のそれぞれの振幅は３０Ｖである。
図１１のデータは、過渡ＤＣ波形（方形）の影響下で移動するイオンが、その時間のほぼ４０％を高い電場において費やした一方で、開示された連続ＡＣ波形（三角形）の各実施形態の影響下で移動するイオンは、その時間のほとんどを低電場で費やした。このことから、連続ＡＣ波形の影響下で移動するイオンは、過渡ＤＣ波形の影響下で移動するイオンよりも低い温度に留まると結論付けることができる。イオンが加熱されると解離を経て、イオン分離プロセスに有害であるため、加熱の不存在または緩和は、非常に有益である。
実施例２−曲面のシミュレーション
（ｉ）ＡＣ−ＳＬＩＭＳシミュレーションパラメータ
図３に示す概略モジュールがシミュレーションに使用される。湾曲したＡＣ電極３２５は、長い湾曲したＲＦ電極ストリップ３１０、３２０に隣接する分割電極である。湾曲したガード電極３３０は、湾曲した電極３１０、３２０、３２５の外側にある。
モジュールは、ＰＣＢを使用して製作され、１枚のＰＣＢ（長さ１５ｃｍ×幅０．５ｃｍ）を含む。このモジュールは、０．３ｍｍだけ隣接するＲＦ電極３１０および３２０から離間した２つのＡＣ電極アレイセット３２５を使用する。ＡＣ電極１２５の寸法は、長さが２ｍｍ、幅が０．４ｍｍである。ガード電極１３０の幅はそれぞれ１ｍｍである。ＲＦ電極１１０および１２０の寸法は、それぞれ幅が１ｍｍである。電極の曲率半径は３．６ｍｍである。
このモジュールは、バッファガスとして窒素を利用して４Ｔｏｒｒの圧力で動作される。６２２と９２２の質量電荷比（ｍ／ｚ）を有する一価イオンをシミュレーションに使用した。
３つのＲＦ電極３１０、３２０には、隣接する電極に対して１８０°位相をずらしてＲＦ電圧が印加されて、擬似ポテンシャルが生成されてイオンを閉じ込め、ＰＣＢへのイオン損失を抑制する。ＲＦ電圧は、振幅が３００Ｖｐ−ｐ、周波数が１ＭＨｚである。
横方向の（ｘ方向における）イオンの動きを抑制するために、湾曲したガード電極にＤＣ電圧が印加される。ＤＣ電圧振幅は３０Ｖである。
ＡＣ電圧波形は、８つのＡＣ電極３２５の繰り返されるシーケンスにわたって印加される正弦波であり、長手方向にイオンを移動および分離させる。印加されたＡＣ電圧波形は、３０Ｖの振幅および２０ＫＨｚの周波数を有する。ＡＣ電圧波形の４５°の位相シフトが、長手方向に隣接するＡＣ電極３２５に印加される。
（ｉｉ）ＤＣ−ＴＷシミュレーションパラメータ
図１２は、シミュレーションに使用されるモジュール１２００の上面図である。モジュール１２００は、外側ＤＣ電極１２１０から横方向にオフセットされた内側ＤＣ電極１２３０を含む曲面１２０５を含む。ＲＦ電極１２２０および１２２５は、内側ＤＣ電極１２３０の両側に配置される。電極は、表面１２０５に接続され、表面１２０５の長さに沿って延びる。
モジュールは、１枚のＰＣＢ（長さ１５ｃｍ×幅０．５ｃｍ）を使用して製作される。このモジュールは、２つの外側ＤＣ電極１２１０、２つの内側ＤＣ電極１２３０、および逆位相ＲＦ＋およびＲＦ−の２つのＲＦ電極対１２２０、１２２５を使用する。各内側ＤＣ電極１２３０は、隣接する一対の内側ＤＣ電極１２２０および１２２５の間に配置される。ＲＦ電極１２２０、１２２２の寸法は、長さ７６ｍｍ、幅１ｍｍである。外側ＤＣ電極１２１０は、長さ２ｍｍ、幅０．４ｍｍである。内側ＤＣ電極１２３０は、長さ２ｍｍ、幅０．４ｍｍである。電極の曲率半径は３．５ｍｍである。
外側ＤＣ電極１２１０に印加されるＤＣ電圧は同じである。内側ＲＦ電極１２２０に印加される電圧は、その隣接する内側電極１２２５と位相がずれている。電極１２１０、１２２０、１２２５に印加された電位によって生成された電場は、イオン閉じ込めを提供する。内側アレイ電極１２３０に印加されるＤＣ電圧は、モジュール１２００内に配置されたイオンを移動させ分離する時間依存ＤＣ電場または波形である。
電極１２１０、１２２０、１２２５、１２３０に印加されるＲＦ電場およびＤＣ電場の組み合わせは、曲面１２０５の形状と組み合わさって、モジュール１２００を通ってイオンを移動させる、閉じ込めおよび駆動電場を生成する。横方向の閉じ込めは、外側電極１２１０に印加される電場と表面１２０５の曲率との組み合わせによって達成可能である。モジュール１２００に関するさらなる詳細は、参照によりその全体が組み込まれる、米国特許出願第１４／８５１９３５号に見出すことができる。
モジュール１２００は、バッファガスとして窒素を利用して４Ｔｏｒｒの圧力で動作される。６２２および９２２の質量電荷比（ｍ／ｚ）を有する一価イオンをシミュレーションに使用する。
図１３Ａは、ＤＣ過渡電圧の影響下で図１２の湾曲した表面の装置を通って移動する６２２および９２２の質量電荷比（ｍ／ｚ）を有するイオンの到達時間分布を示す、時間の関数としてのイオンカウントのプロットである。図１３Ｂは、連続ＡＣ波形の影響下で図３の湾曲した表面の装置を通って移動する６２２および９２２のｍ／ｚを有するイオンの到達時間分布を示す、時間の関数としてのイオンカウントのプロットである。
図１３Ａ〜図１３Ｂを比較すると、イオンの動きおよび分離のための連続ＡＣ波形を使用する図３の湾曲したＡＣ−ＳＬＩＭＳモジュールは、ＤＣ過渡電圧を使用する図１２の湾曲したモジュールと同等に機能することが観察される。
本開示の多くの実施形態を図示し説明してきたが、当業者には、広範な実施態様における本開示から逸脱することなく、多くの変更および修正をなし得ることは明らかなはずである。従って、添付の特許請求の範囲は、本開示の真の趣旨および範囲内に含まれるそのようなすべての変更および修正を包含するように意図されている。

Claims (47)

  1. 少なくとも１つの表面と、
    前記少なくとも１つの表面に結合され、かつ無線周波数（ＲＦ）電圧源と電気的に通信する、第１の複数の連続電極であって、前記ＲＦ電圧源によって前記第１の複数の電極の隣接する電極に印加されるＲＦ電圧は、前記第１の複数の電極の前記隣接する電極上で約１８０°によって位相シフトされる、第１の複数の連続電極と、
    前記少なくとも１つの表面に結合され、かつ前記第１の複数の電極の間にまたは前記第１の複数の電極に隣接して長手方向のセットで配置される、第２の複数の分割電極であって、前記第２の複数の分割電極は、交流（ＡＣ）電圧源とさらに電気的に通信し、前記ＡＣ電圧源によって前記第２の複数の分割電極の長手方向のセット内の隣接する電極に印加されるＡＣ電圧波形は、前記第２の複数の電極の前記隣接する電極上で１°〜３５９°によって位相シフトされる、第２の複数の分割電極と
    を備える、イオン操作のための装置。
  2. 前記少なくとも１つの表面上において、前記第１および前記第２の複数の電極の外側端部に配置された複数のガード電極であって、前記複数のガード電極は、ＤＣ電圧源とさらに電気的に通信し、前記複数のガード電極は、前記ＤＣ電圧源から一定のＤＣ電圧を受けると、前記ガード電極に向けてイオンの動きを制約する電場を生成する、複数のガード電極をさらに備える、請求項１に記載の装置。
  3. 前記ＡＣ電圧波形は正弦波である、請求項１に記載の装置。
  4. 前記ＡＣ電圧波形は、２つ以上のＡＣ電圧波形の和である、請求項３に記載の装置。
  5. 前記第２の複数の分割電極の長手方向のセット内の隣接する電極に印加される前記ＡＣ電圧波形は、前記第２の複数の分割電極の前記隣接する電極上で繰り返しパターンで位相シフトされる、請求項１に記載の装置。
  6. 前記第２の複数の分割電極の長手方向のセット内の隣接する電極に印加される前記ＡＣ電圧波形は、前記第２の複数の電極の前記隣接する電極上で段階的に約４５°、９０°、または１２０°によって位相シフトされる、請求項５に記載の装置。
  7. 前記少なくとも１つの表面は、単一の非平面の表面を含む、請求項１に記載の装置。
  8. 前記単一の非平面の表面は、以下の形状、すなわち、湾曲、円筒形、螺旋状、漏斗状、半球状、または楕円形のうちの１つの形状である、請求項７に記載の装置。
  9. 前記少なくとも１つの表面は、互いに離間した２つの表面を含む、請求項１に記載の装置。
  10. 前記２つの表面は、互いに略平行である、請求項９に記載の装置。
  11. 前記印加されるＡＣ電圧波形の周波数は１０Ｈｚ〜２００ｋＨｚの範囲から選択され、前記印加されるＲＦ電圧の周波数は１００ｋＨｚ〜５ＭＨｚの範囲から選択される、請求項１に記載の装置。
  12. 印加されるＡＣ電圧波形の周波数は１Ｈｚ〜１ｋＨｚの範囲から選択される、請求項１に記載の装置。
  13. 前記装置の圧力範囲は大気圧から１ｍｔｏｒｒの真空である、請求項１に記載の装置。
  14. 少なくとも１つの表面と、
    前記少なくとも１つの表面に結合され、かつ１つ以上の長手方向のセットで配置された、複数の分割電極であって、前記複数の分割電極は、交流（ＡＣ）電圧源および無線周波数（ＲＦ）電圧源と電気的に通信する、複数の分割電極と
    を備える、イオン操作のための装置であって、
    前記ＡＣ電圧源によって前記複数の電極の長手方向のセット内の隣接する電極に印加されるＡＣ電圧波形は、１°〜３５９°によって位相シフトされ、
    前記ＲＦ電圧源によって前記複数の電極の隣接する電極に印加されるＲＦ電圧は、約１８０°によって位相シフトされる、
    イオン操作のための装置。
  15. 前記少なくとも１つの表面上において、前記複数の電極の外側端部に配置された複数のガード電極であって、前記複数のガード電極は、ＤＣ電圧源とさらに電気的に通信し、前記複数のガード電極は、前記ＤＣ電圧源から一定のＤＣ電圧を受けると、前記複数のガード電極に向けてイオンの動きを制約する電場を生成する、複数のガード電極をさらに備える、請求項１４に記載の装置。
  16. 前記印加されるＡＣ電圧波形は正弦波である、請求項１４に記載の装置。
  17. 前記ＡＣ電圧波形は、２つ以上のＡＣ電圧波形の和である、請求項１６に記載の装置。
  18. 前記印加されるＡＣ電圧波形は、前記複数の電極の前記隣接する電極上で繰り返しパターンで位相シフトされる、請求項１４に記載の装置。
  19. 前記印加されるＡＣ電圧波形は、前記複数の電極の前記隣接する電極上で段階的に約４５°、９０°、１２０°または１８０°によって位相シフトされる、請求項１８に記載の装置。
  20. 前記少なくとも１つの表面は、単一の非平面の表面を含む、請求項１４に記載の装置。
  21. 前記単一の非平面の表面は、以下の形状、すなわち、湾曲、円筒形、螺旋状、漏斗状、半球状、または楕円形のうちの１つの形状である、請求項２０に記載の装置。
  22. 前記少なくとも１つの表面は、互いに離間した２つの表面を含む、請求項１４に記載の装置。
  23. 前記２つの表面は、互いに略平行である、請求項２２に記載の装置。
  24. 前記印加されるＡＣ電圧波形の周波数は１ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの範囲から選択され、前記ＲＦ電圧は１００ｋＨｚ〜５ＭＨｚの範囲から選択される、請求項１４に記載の装置。
  25. 前記装置の圧力範囲は大気圧から１ｍｔｏｒｒの真空である、請求項１４に記載の装置。
  26. 少なくとも１つの表面を準備するステップであって、前記少なくとも１つの表面は、
    前記少なくとも１つの表面に結合され、かつ無線周波数（ＲＦ）電圧源と電気的に通信する、第１の複数の連続電極と、
    前記少なくとも１つの表面に結合され、かつ前記第１の複数の電極の間にまたは前記第１の複数の電極に隣接して長手方向のセットで配置される、第２の複数の分割電極であって、前記第２の複数の分割電極は、交流（ＡＣ）電圧源とさらに電気的に通信する、第２の複数の分割電極と
    を備える、ステップと、
    前記ＲＦ電圧源によって、前記第１の複数の電極の隣接する電極にＲＦ電圧を印加するステップであって、前記印加されるＲＦ電圧は、前記第１の複数の電極の前記隣接する電極上で約１８０°によって位相シフトされる、ステップと、
    前記ＡＣ電圧源によって、前記第２の複数の分割電極の長手方向のセット内でＡＣ電圧波形を印加するステップであって、前記印加されるＡＣ電圧波形は、前記第２の複数の電極の前記隣接する電極上で１°〜３５９°によって位相シフトされる、ステップと
    を含む、イオン操作を行うための方法。
  27. 前記少なくとも１つの表面上において、前記第１および前記第２の複数の電極の外側端部に複数のガード電極を配置するステップであって、前記複数のガード電極は、ＤＣ電圧源とさらに電気的に通信し、前記複数のガード電極は、前記ＤＣ電圧源から一定のＤＣ電圧を受けると、前記ガード電極に向けてイオンの動きを制約する電場を生成する、ステップをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
  28. 前記ＡＣ電圧波形は正弦波である、請求項２６に記載の方法。
  29. 前記ＡＣ電圧波形は、２つ以上のＡＣ電圧波形の和である、請求項２８に記載の方法。
  30. 前記印加されるＡＣ電圧波形は、前記第２の複数の分割電極の前記隣接する電極上で繰り返しパターンで位相シフトされる、請求項２６に記載の方法。
  31. 前記印加されるＡＣ電圧波形は、前記第２の複数の分割電極の前記隣接する電極上で段階的に約４５°、９０°、または１２０°によって位相シフトされる、請求項３０に記載の方法。
  32. 前記少なくとも１つの表面は、単一の非平面の表面を含む、請求項２６に記載の方法。
  33. 前記単一の非平面の表面は、以下の形状、すなわち、湾曲、円筒形、螺旋状、漏斗状、半球状、または楕円形のうちの１つの形状である、請求項３２に記載の方法。
  34. 前記少なくとも１つの表面は、互いに離間した２つの表面を含む、請求項２６に記載の方法。
  35. 前記２つの表面は、互いに略平行である、請求項３４に記載の方法。
  36. 前記印加されるＡＣ電圧波形の周波数は１０Ｈｚ〜２００ｋＨｚの範囲から選択され、前記ＲＦ電圧の周波数は１００ｋＨｚ〜５ＭＨｚの範囲から選択される、請求項２６に記載の方法。
  37. 少なくとも１つの表面を準備するステップであって、前記少なくとも１つの表面は、前記少なくとも１つの表面に結合され、かつ１つ以上の長手方向のセットで配置される、複数の分割電極を備え、前記複数の分割電極は、交流（ＡＣ）電圧源および無線周波数（ＲＦ）電圧源と電気的に通信する、ステップと、
    前記ＡＣ電圧源によって、前記複数の分割電極のセット内の隣接する電極にＡＣ電圧波形を印加するステップであって、前記印加されるＡＣ電圧波形は、前記複数の分割電極の前記隣接する電極上で１°〜３５９°によって位相シフトされる、ステップと、
    前記ＲＦ電圧源によって、前記複数の分割電極の隣接する電極にＲＦ電圧を印加するステップであって、前記印加されるＲＦ電圧は、前記複数の分割電極の前記隣接する電極上で約１８０°によって位相シフトされる、ステップと
    を含む、イオン操作を行うための方法。
  38. 前記少なくとも１つの表面上において、前記複数の分割電極の外側端部に複数のガード電極を配置するステップであって、前記複数のガード電極は、ＤＣ電圧源とさらに電気的に通信し、前記複数のガード電極は、前記ＤＣ電圧源から一定のＤＣ電圧を受けると、前記ガード電極に向けてイオンの動きを制約する電場を生成する、ステップをさらに含む、請求項３７に記載の方法。
  39. 前記ＡＣ電圧波形は正弦波である、請求項３７に記載の方法。
  40. 前記ＡＣ電圧波形は、２つ以上のＡＣ電圧波形の和である、請求項３９に記載の方法。
  41. 前記印加されるＡＣ電圧波形は、前記複数の分割電極の前記隣接する電極上で繰り返しパターンで位相シフトされる、請求項３７に記載の方法。
  42. 前記印加されるＡＣ電圧波形は、前記複数の分割電極の前記隣接する電極上で段階的に約４５°、９０°、または１２０°によって位相シフトされる、請求項４１に記載の方法。
  43. 前記少なくとも１つの表面は、単一の非平面の表面を含む、請求項３７に記載の方法。
  44. 前記単一の非平面の表面は、以下の形状、すなわち、湾曲、円筒形、螺旋状、漏斗状、半球状、または楕円形のうちの１つの形状である、請求項４３に記載の方法。
  45. 前記少なくとも１つの表面は、互いに離間した２つの表面を含む、請求項３７に記載の方法。
  46. 前記２つの表面は、互いに略平行である、請求項４５に記載の方法。
  47. 前記印加されるＡＣ電圧波形の周波数は１０Ｈｚ〜２００ｋＨｚの範囲から選択され、前記印加されるＲＦ電圧の周波数は１００ｋＨｚ〜５ＭＨｚの範囲から選択される、請求項３７に記載の方法。
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