JP4802104B2 - サンプルの分析を改善するための分散特性、サンプル解離及び／又は圧力制御を用いた移動度ベースの装置及び方法 - Google Patents

Description

（関連出願の参照）
本出願は、以下の出願の利益およびそれらへの優先権を主張する：「Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｅｓ ｉｎ ａｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｆｉｅｌｄ」と題する米国仮特許出願番号第６０／５２４，８３０号（２００３年１１月２５日出願）；「Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ａｇｅｎｔ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ」と題する同第６０／５４９，００４号（２００４年３月１日出願）；および「Ｔｕｎａｂｌｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ａｇｅｎｔ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ」と題する同第６０／５４９，９５２号（２００４年３月４日出願）；「Ｔｕｎａｂｌｅ ＤＭＳ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ」と題する同第６０／５５６，３４９号（２００４年３月２５日出願）；および「Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ＤＭＳ」と題する同第６０／５５６，１９８号（２００４年４月２８日出願）。上記の引用出願の全体の教示が、本明細書中に参考として援用される。

本出願はまた、以下の同時係属中の米国特許出願の内容全体を本明細書中に参考として援用する：米国特許出願番号第１０／１８７，４６４号（２００２年６月２８日出願）；同第１０／２１５，２５１号（２００２年８月７日出願）；同第１０／４６２，２０６号（２００３年６月１３日出願）； 同第１０／６８４，３３２号（２００３年１０月１０日出願）；同第１０／７３４，４９９号（２００３年１２月１２日出願）；同第１０／７３８，９６７号（２００３年１２月１７日出願）；同第１０／７９７，４６６号（２００４年３月１０日出願）；同第１０／８２１，８１２号（２００４年４月８日出願）；同第１０／８２４，６７４号（２００４年４月１４日出願）；同第１０／８３６，４３２号（２００４年４月３０日出願）；同第１０／８４０，８２９号（２００４年５月７日出願）；同第１０／８６６６４５号（２００４年６月１０日出願）；同第１０／８８７，０１６号（２００４年７月８日出願）；同第１０／８９４，８６１号（２００４年７月１９日出願）；同第１０／９０３，４９７号（２００４年７月３０日出願）；同第１０／９１６，２４９号（２００４年８月１０日出願）；同第１０／９３２，９８６号（２００４年９月２日出願）；同第１０／９４３，５２３号（２００４年９月１７日出願）；および同第１０／９８１，００１号（２００４年１１月４日出願）。

（発明の分野）
本発明は、一般に、サンプルを分析するための移動度ベースのシステム、方法及び装置に関する。さらに具体的には、本発明は、さまざまな実施形態において、例えば、分散特性（２−、３−、及びｎ次元）；サンプル解離（ｆｒａｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ）；及び／又はフロー・チャンネル／フィルター電界条件の変化を使って、サンプル収集、フィルタ、検知、測定、識別及び／又は分析（「分析」と総称する）を改善することに関する。このような条件には、以下に限らないが、圧力；温度；湿度；電界強度、デューティサイクル及び／又は周波数；及び／又は補償電圧を含めることができる。

（背景）
サンプル中の化合物を分析して識別する必要のあるいろいろな状況が数多くある。このようなサンプルは、環境から直接採取するか、又は分析の前に、最新の専用装置によって化合物を分離又は調製して準備することができる。サンプル中の化合物を検知する能力を持つ、低コスト、コンパクト、低電力、高精度で使い易く、信頼性のある装置が求められている。

よく知られた分析装置の一つの種類に質量分析計（ＭＳ）がある。質量分析計は、一般に、化合物を識別するための最も精度のよいタイプの分析装置とし知られている。しかしながら、質量分析計はかなり高価で、ゆうに１００，０００ドル以上のコストを超え、物としても大きくて、公衆を危険な化学材料に曝す可能性があればどのような場所であっても配備するのは困難である。また、質量分析計には、比較的低圧で作動する必要があるなど他の弱点があり、複雑な補助システムが必要である。また、これらは、分析結果を処理したり解釈するため高度に訓練された操作者を必要とする。こういったことで、質量分析計を試験室の外部で使用することは困難である。

現場での稼動にもっと適した化学分析機器の種類として、「非対称電界イオン移動度分光計（ＦＡＩＭＳ）」又は「微分型電気移動度分光計（ＤＭＳ）」が知られており、いろいろな名称があるが「無線周波数イオン移動度分光計（ＲＦＩＭＳ）」としても知られている。以降、ＦＡＩＭＳ、ＤＭＳ、及びＲＦＩＭＳを総称してＤＭＳという。この種の分光計は、高圧−低圧に変化する非対称電界に、イオン化した流体サンプル（例、ガス、液体又は蒸気）を曝し、イオンの電界移動度に基づいてそれらをフィルタする。

サンプルは、フィルタ電界を流れ通り、フィルタ電界は、フィルタ電極に印加された補償電圧（Ｖｃｏｍｐ）に従って、選定されたイオン種、特にフィルタ電界に特定の移動度反応を示すイオンを通過させる。そこで、イオン検知器は、検知したイオンの強度／存在度データを収集する。強度データは、特定の補償電圧における「ピーク」のような特性を示す。

典型的なＤＭＳ装置は、ドリフトチューブ中の電極対を含む。非対称なＲＦによる電界がイオン流経路と交差する電極に印加される。非対称ＲＦ電界は、図１に示すように、高圧側すなわち「ピーク」電界強度と低圧側電界強度との間を交番する。電界は、所定の周期（Ｔ）、周波数（ｆ）及びデューティサイクル（ｄ）によって変化する。電界強度Ｅは、印加電界電圧（Ｖｒｆ）及び電極の間のギャップの大きさによって変化する。イオンは、イオンの非対称電界における時間あたりの正味の横方向変位量がゼロであれば電極間のギャップを通り抜ける。これに対し、正味変位を受けるイオンは、ついにはどちらかの電極にぶつかって中性化される。任意のＲＦ電極においてＲＦに低強度の直流（ｄｃ）電界を重畳させる（例、フィルタ電極の間にＶｃｏｍｐを印加する）ことによって、変位したイオンをギャップの中央部に戻す（そのイオンに対する変位が無いよう補償する）ことができる。異なった変位量のイオン（特定の電界における移動度依存性特性に起因する）は、異なる特性補償電圧によってギャップを通過する。ほぼ一定のＶｃｏｍｐを印加することによって、システムを継続的なイオン・フィルタとして機能させることができる。これに換えて、Ｖｃｏｍｐをスキャンすることによりサンプルに対するスペクトル測定が得られる。サンプルのスペクトル・スキャン画像記録を、「移動度スキャン」又は「イオノグラム」と呼ぶことがある。

ＤＭＳ装置からのアウトプットに基づく移動度スキャンの例を図２Ａ及び２Ｂに示す。スキャン図で示されている化合物は、アセトン及びキシレンの異性体（ｏ−キシレン）である。図２Ａのスキャンは、単一の化合物アセトンを個別にＤＭＳ分析装置にかけて得られたものである。図示されたプロットは、ＤＭＳ装置に見られる、検知されたイオン強度がＶｃｏｍｐに依存する典型的な反応である。例えば、アセトン・サンプルは、約−２ＶｄｃのＶｃｏｍｐにおいてピーク強度反応を示している。

図２Ｂは、アセトンとｏ−キシレンとを混合したものを分析した結果である。混合物の反応は、個別分析のケースとほぼ同じ領域に２つのピークを示している。混合物中の化合物は、その反応を、例えば単独で分析した化合物の既知の反応を保存したライブラリ、又は混合物のライブラリと対比して検知することができる。このように、図２Ａのアセトンのスキャンのように、個別に分析したスキャンをコンピュータシステムに保存し、図２Ｂのような化合物の反応が観測されたときに相対的ピーク位置を保存されたライブラリ中の反応と対比して、化合物の組成を判断することができる。

特定のＲＦ電界電圧及び電界補償電圧Ｖｃｏｍｐは、特定のイオン移動度特性を持つイオン種だけをフィルタから検知器に通過させる。ＲＦレベル及び補償電圧と、対応する検知信号とに着目することによって、さまざまなイオン種が、それらの相対的な濃度とともに（ピーク特性として観測して）識別され得る。

図３に示すように、イオン移動度のＶｒｆへの依存性をプロットしてみる。この図は、イオン強度／存在度とＲＦ電界強度との対比を３つのイオン例について示しており、電界依存性移動度（電界移動度の高さ係数αとして表す）がゼロより大きい、等しい、ゼロより小さい種について示したものである。電界（Ｅ）中のイオンの速度を十分低い値まで測定することができるので、速度（ｖ）は電界に比例し、移動度係数と呼ばれる係数（Ｋ）を用いて、ｖ＝ＫＥとなる。Ｋは、イオン種及びガスの相互作用特性に関連する係数として示すことができる。この移動度係数は、異なるイオン種の識別を可能にする固有のパラメータと考えられており、電荷、大きさ、及び質量のようなイオンの属性をはじめ、衝突頻度及び衝突と衝突との間にイオンが得るエネルギーにより決まる。

Ｅ／Ｎ比、ここでＮはガス密度である、が小さい場合、Ｋは一定値であるが、Ｅ／Ｎ値が増大するにつれ、移動度係数は変化し始める。電界の影響を、おおよそ、Ｋ（Ｅ）＝Ｋ（０）［１＋α（Ｅ）］と表すことができ、ここでＫ（０）は、低電圧での移動度係数であり、αは特定のイオンに対する移動度の電界依存性を示す固有のパラメータである。

かくして、図３に示すように、比較的低い電界強度、例えば、約８，０００Ｖ／ｃｍより低い電界強度においては、多数のイオンが同じ移動度を有することができる。しかしながら、電界強度が増大するに従って、種ごとにその反応が分かれ、これらの移動度は印加される電界の関数として変化する。このことは、比較的低いＲＦ電界強度においては、イオン移動度は印加されるＲＦ電界電圧に左右されないが、より高いＲＦ電界強度では電界依存性があることを示している。

図２Ａ及び２Ｂは、イオン種は移動度特性に従って高電界では固有のふるまいを取れることを実証している。フィルタを通過したイオンは下流で検知される。所定のＲＦ電界電圧及び電界補償電圧Ｖｃｏｍｐに対する特性検知ピークとして、検知信号強度をプロットすることができる。通常、ピーク強度、位置、及び形状を使って種を識別する。

しかしながら、典型的ＤＭＳスペクトルに見られるように、一般にピークの幅が広いことから問題が生じる。従って、同じような補償電圧において強度ピークを示す化合物を相互に見分けるのは困難である。このため、特定のＶｃｏｍｐ及び特定のＲＦ電界電圧において、又はフィルタ電界／フロー・チャンネルのパラメータの異なる組み合わせにおいて、２つの異なる化合物が見分けの付かないスキャンを生成するような状態があり得る。この様な場合には、２つの異なる化合物を判別できないことがある。２つ以上の化学種が、電界／フロー・チャンネルのパラメータの特定のセットに対して、同一又はほとんど同一のイオン移動度特性を持つ場合、別の問題が生じることがある。このことは、低電界レジーム（本明細書では「イオン移動度分光分析」又はＩＭＳという）で最も発生する可能性が高く、既存の多くのイオン移動度分光計システムはこれで動作している。従って、２つ以上の化学種が同一又はほとんど同一の移動度特性を有する場合、それらの分光ピークはオーバーラップすることになり、個別種の識別及び計量は困難又は不可能となる。

図４は、本発明の例示的実施形態によるＶｃｏｍｐとＶｒｆとの対比グラフであるが、前記した従来技術の欠点を明らかにもしている。さらに具体的には、図４は、４つの化合物、ルチジン、シクロヘキサン、ベンゼン、及びジメチルメチルホスホネート（ＤＭＭＰ）のＶｃｏｍｐとＶｒｆとの対比グラフを図示している。各々のカーブは、１００で示した円で囲まれたように、さまざまな（Ｖｒｆ，Ｖｃｏｍｐの）位置において検知されたイオン強度ピークの位置を示し、全体として各個別化合物に対するピーク特性を提示している。図示するように、ＤＭＭＰとシクロヘキサンとの強度ピーク及び移動度カーブが相互にオーバーラップしている領域１００がある。図で分かるように、Ｖｒｆ範囲で約２，５００Ｖピークから約２，６５０Ｖピーク、Ｖｃｏｍｐで約−６Ｖｄｃから約−８Ｖｄｃで作動した場合、単一のＶｒｆにおける単一のＶｃｏｍｐスキャンに基づいて２つの化合物を判別することは事実上不可能なことが分かるであろう。特に、単一のＶｒｆに対して、Ｖｃｏｍｐのある範囲における強度／存在度とＶｃｏｍｐの対比をプロットするという従来式のスペクトル・スキャン・アプローチでは、オーバーラップしたピークを一つのピークとしてプロットしてしまうことになろう。

従って、ピークのオーバーラップ問題を処理し、より向上した化合物分析性能を提供する改良されたイオン移動度ベースの化合物識別アプローチが求められている。

（発明の要旨）
本発明は、さまざまな実施形態において、サンプル中の構成物質を分析するための、改良された移動度ベースのシステム、装置及び方法を提供することによって、従来式技術の欠陥に取り組む。さらに具体的には、さまざまな実施形態において、本発明は、例えば、分散特性；サンプル解離；及び／又は、限定はされないがフロー・チャンネル／フィルター電界状態中の変動のようなサンプル処理における変動を使って、サンプル収集、フィルタ、検知、測定、識別及び／又は分析（「分析」と総称）の改善を提供する。このような条件は、以下に限定はされないが、圧力；温度；湿度；電界の強さ、デューティサイクル及び／又は周波数；電界電圧振幅、周波数及び／又はデューティサイクル；検知器バイアス電圧大きさ及び／又は極性；及び／又はフィルタ電界補償電圧の大きさ及び／又は極性を含む、任意のスペクトルの変化を含み得る。

一つの実践において、本発明は前記条件の一つ以上を採用して、複数の既知の種についてのスペクトル・シグネチャのライブラリを提供し、未知の種のスペクトル・シグネチャの少なくとも一部を、ライブラリ中に保存された一つ以上のスペクトル・シグネチャの少なくとも一部と対比することによって、未知の種を識別する。スペクトル・シグネチャとは、特定の種についてのスペクトル情報を編纂したものである。スペクトル情報には、以下に限定されないが、スペクトル・ピーク振幅；スペクトル・ピーク幅；スペクトル・ピーク勾配、スペクトル・ピーク間隔；スペクトル・ピークの数；例えば、処理条件の変化によるスペクトル・ピークの相対的位置シフト；スペクトル不連続点；Ｖｒｆ対Ｖｃｏｍｐ特性、又は前記条件の他の任意の特性を他の任意の一つ以上の前記条件に対してプロットしたものを含めることができる。

一つの様態において、本発明は、第一複数値の間で第一サンプル処理条件を変化させ、第二複数値の間で一つよりも多くの第二サンプル処理条件を変化させて、サンプルのスペクトル情報を判断することによりサンプルを分析するための改良されたイオン・ベースのシステム、方法及び装置を提供する。一つの特定実施形態において、本発明は、一つ以上のＶｒｆ値に対してある範囲の値の電界補償電圧Ｖｃｏｍｐをスキャンし、一つ以上のＶｒｆ値の各々におけるスペクトル表現を生成する。

一つの形態によれば、本発明は、第三サンプル処理条件を調整して、求めたイオンスペクトル情報から得られたスペクトル・ピークの幅を狭める。このような幅の削減は、似たような移動度特性を持つサンプル間におけるスペクトル・ピークのオーバーラップを減少させてイオン移動度ベース分析装置の分解能を向上させ、これにより、サンプル種のより精度ある判別を提供する。一つの構成において、第三サンプル処理条件は、サンプル・フロー・チャンネル中の圧力を含み、本発明はサンプル・フロー・チャンネル中の圧力を低減してスペクトル・ピークの幅を減少させる。

別の形態によって、本発明は、第三サンプル処理条件を調整して、求めたイオンスペクトル情報から得られたスペクトル・ピークの位置を、これらが生じたＶｃｏｍｐから変化させる。異なった種のピークを異なる位置にシフトできるので、このようなシフトにより、似たような移動度特性を持つ種のピーク間の改善された判別を提供することができる。一つの構成において、第三サンプル処理条件は、Ｖｒｆを含み、本発明は２つよりも多くの電界電圧Ｖｒｆを印加して、種の識別のためのピーク・シフト情報を提供する。

別の形態によって、本発明は、第三サンプル処理条件を調整して、サンプルの正イオン及び負イオン双方に関するスペクトル情報を提供する。さらに具体的には、一つの構成において、本発明は、負及び正双方のバイアス電圧を複数の検知器電極に同時に、又は単一の検知器電極に交互に供給して、負及び正モード双方のスキャンを実施する。一方のモードに対して類似のイオン移動度特性を持つ化合物が他方のモードに対しては異なったイオン移動度特性を有することがあるので、検知器電極に対するバイアス電圧の極性を調整することによって、さらにサンプル分析を改善することができる。

さらなる実施形態において、本発明は、各種のイオン・スペクトル情報のｎ次元表現を採用し、スペクトル・シグネチャの質を向上し、類似のイオン移動度特性を持つ種の判別を向上させ、これにより、具体的には識別精度を改善し、全体的にサンプル分析を向上させる。例として、一つの構成において、＞２の電界電圧Ｖｒｆに対してＶｃｏｍｐをスキャンし、例えば、スペクトル・ピーク・シフトの情報を追加して取得する。そこで、本発明は、各ＶｒｆにおいてＶｃｏｍｐをスキャンして得られたスペクトル情報を集約したスペクトル情報のｎ次元表現を生成する。一例において、ｎ次元表現は、複数の＞Ｖｒｆ電界電圧の各々においてＶｃｏｍｐをスキャンして得られたスペクトル情報を集約した、ＶｒｆとＶｃｏｍｐとの２次元プロットである。さらなる例において、集約された表現は、＞２のＶｒｆ電界電圧の各々においてＶｃｏｍｐをスキャンして得られたスペクトル情報を集約した３次元表現である。

一つのアプローチによれば、３次元表現は、Ｖｒｆ及びＶｃｏｍｐの関数としてのイオン強度のプロットである。一つの実行例によれば、ｘ及びｙ座標と、（Ｖｃｏｍｐ，Ｖｒｆ）座標点におけるイオン強度の変動を、以下に限らないがグレースケール、色彩度、及びカラーなどの、任意のカラー関連特性の当該座標点における変化とで表すといったように、Ｖｃｏｍｐ及びＶｒｆを、特殊な座標で表現する。このようなカラー関連表現は、本発明のｎ次元集約なくしては判別が困難又は不可能であった種の判別の容易な見分け方を提供する。

関連する実行例において、カラーで関連付けていた違いを囲む曲線を引いて、カラーで違いを付けること自体をやめることもできる。このように、本発明は、例えば、Ｖｃｏｍｐ対Ｖｒｆのグリッド上にスペクトル・ピークの２次元表現を提示しながら、複数のＶｒｆ値に対してＶｃｏｍｐをスキャンして得られたスペクトル情報組み込むことができる。違った別の実行例において、Ｖｃｏｍｐ、Ｖｒｆ及びイオン強度は、３次元（ｘ，ｙ，ｚ）空間表現中にマップされる。

関連する実施形態によれば、スペクトル情報のいずれか又はすべてを、処理変化項目のいずれか又はすべての関数としてｎ次元空間に表し、既知及び未知の種双方に対する＞３次元スペクトル・シグネチャを生成することができる。そこで、技法に適合した従来式のｎ次元クラスターを用いて未知の種を識別することができる。

前記のｎ次元表現のいずれにおいても、表現されたスペクトル情報のどれか又はすべてを既知の種のスペクトル・シグネチャの中に組み込んで、こういったシグネチャのライブラリに保存することができる。従来式のパターン認識技法を用いて、未知の種のスペクトル・シグネチャの少なくとも一部と、ライブラリに保存された既知のサンプルのシグネチャの少なくとも一部とを対応させて、未知の種を識別することができる。他の実行例において、シグネチャのライブラリと未知の種から採取されたシグネチャとの双方を数式として表現し、任意の適切なアプローチを用いてこのような数式の間の比較を行って未知の種を識別することができる。

別の実施形態によれば、本発明は、解離を用いてＤＭＳ分析を改善する。解離は、サンプル中の大きな分子をより小さな分子、分子クラスター、成分、及び／又は基底単体に分解することを含む。そこでフラグメントを、連続して又は並行して、個別に分析し、解離をしない場合に利用可能なよりも多くの、サンプルに対するスペクトル情報を生成することができる。解離を、例えば、限定はされないが、化学反応、高エネルギー電界強度、高いＶｒｆ、加熱、レーザ光、サンプル分子と他の分子との衝突、ソフトｘ線、電磁波、又は類似方法の一つ又はこれらの組み合わせを使って達成することができる。一つの様態によって、本発明は、フラグメントのスペクトル・ピークについての前記スペクトル情報のいずれか又はすべてをスペクトル・シグネチャに組み込む。さらなる形態によって、本発明は、ポイント（例、温度、圧力、電界強度、Ｖｒｆ、衝突分子質量、衝突分子速度、レーザ強度、レーザ周波数、ｘ線強度等）をスペクトル・シグネチャに組み込む。

他の様態によって、本発明は、前記に要約したものを含む特徴を採用したイオン・ベースの分析装置のさまざまな直列的及び並列的組み合わせを提供する。さらなる様態において、本発明は、例えば、化学兵器（ＣＷＡ）、有毒産業化合物（ＴＩＣ）及び／又は有毒産業化学材料（ＴＩＭ）を検知するための、各種のコンパクトで、携帯可能、軽量で低電力ベースの分析装置を提供する。

以降、本発明をさまざまな例示的実施形態を参照しながら説明する。

（例示的実施形態の説明）
前に要約を記載したように、本発明は、一般に、化合物の改善された検知、測定、判別及び分析（［分析］と総称する）を提供するためのシステム、方法及び装置を対象としている。解析する化合物には、単体、化学物質及び生体物質の限定なく、有機及び無機双方の任意の化合物を含めることができる。具体的な例示的実施形態において、本発明は、イオン移動度ベースの化合物分析の改善を対象とする。本発明の特定の形態には、散布プロット、サンプル解離及び／又は圧力制御を使用して、似たような又はオーバーラップ下イオン移動度特性を持つ化合物の間の判別を向上させることが含まれる。

本発明の例示的実施形態を、「微分型電気移動度分光計（ＤＭＳ）」、または「無線周波数イオン移動度分光計（ＲＦＩＭＳ）」としても知られる非対称電界イオン移動度分光計（ＦＡＩＭＳ）（以下「ＤＭＳ」）に関連させて説明しているが、本発明の特質を、同様に、イオン移動度分光分析（ＩＭＳ）飛行時間型（ＴＯＦ）ＩＭＳ、ガス・クロマトグラフ（ＧＣ）、フーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）分光法、質量分析（ＭＳ）及び液体クロマトグラフ質量分析（ＬＣＭＳ）に組み合わせて用いることができる。

図５は、本発明を用いることのできる型のＤＭＳシステム１０のブロック図である。システム１０は、フロー・セクション１５及びプロセッサ・セクション４０を含む。フロー・セクション１５は、フロー取入れ口１２からフロー出口１３まで延びるフロー・チャンネル１１を含む。対向するフィルタ電極２０及び２１はフロー・チャンネル１１内に配置されている。また、検知器電極２６及び３０もフロー・チャンネル１１内に配置されている。プロセッサ・セクション４０は、フィルタ電極２０と２１とにＲＦ電界電圧を供給するためのＲＦ電圧発生器４２、及びフィルタ電極２０と２１とにｄｃ補償電圧Ｖｃｏｍｐを供給するための直流（ｄｃ）電圧発生器４４を含む。また、プロセッサ・セクション４０は、電圧発生器４２と４４とを制御し、イオン検知器２８と３０とから、増幅器３６と３８、Ａ／Ｄコンバータ４８を経由してくるインプットを処理するためのプロセッサ４６を含む。また、プロセッサ・セクション４０は、ユーザに分析情報を提示するためのディスプレイ４９を具えている。システム１０の一つの特質は、約１ポンドの重さより軽い携帯型装置に収納できることである。

作動において、サンプルＳは、フロー・チャンネル取入れ口１２からフロー・チャンネル１１に入る。サンプルＳを、例えば、環境から引き込むこともでき、あるいは、別のＤＭＳ、又はＩＭＳ、ＴＯＦＩＭＳ、ＧＣ、ＦＴＩＲ、ＭＳ、ＬＣＭＳ等のフロントエンド装置から受取ることもできる。サンプルＳを、ガス、液体又は蒸気のような流体に混ぜることができる。この例では、サンプルＳをフロー・チャンネル１１を通し流すために、キャリヤ・ガスＣＧが用いられている。サンプルＳは、フロー・チャンネル１１に流入するとイオン化域１４に流れる。サンプルは、イオン化域１４を流れ通ってイオン化源１６によってイオン化され、サンプルＳ中のさまざまな化学種のイオン化分子のセット１７＋，１７−を、いくつかの中性分子１７ｎとともに生成する。これには、例えばモノマー・イオン及びクラスター・イオンが含まれることがある。このようなクラスターは、モノマー・イオンが水分子又は他のバックグラウンド分子と結合し、その結合がイオン化されるときに生成させることができる。

そこで、キャリヤ・ガスＣＧは、イオン化されたサンプルＳを、イオン・フィルタ２４の対向するフィルタ電極２０と２１との間に所在するイオンフィルタ電界１８中に搬送する。サンプルＳ中に含まれるさまざまなイオンのフィルタ電界１８における移動度の違いに基づいてフィルタリングが進められる。イオン移動度は、例えば、イオンのサイズ、形状、質量及び電荷に影響される。電界発生器４２は、非対称電界電圧Ｖｒｆをフィルタ電極２０と２１との間に印加し、フィルタ電界１８内の電界強度を、高低の電界強度の間で交番させる。イオン１７＋，１７−及び１７ｎは、それらの移動度特性に基づき、電界に反応して移動する。典型的には、高い電界強度状態におけるイオンの移動度は、低い電界強度状態におけるそのイオンの移動度とは異なる。この移動度の違いにより、イオンがフィルタ２４を通って縦方向に進むにつれ横方向の変位が生じる。横方向変位は、サンプルＳイオンの各々に対するイオン軌道を規定する。

前記のように、電圧発生器４４は、プロセッサ４６の制御の下に、電極２０と２１との間にｄｃ補償電圧Ｖｃｏｍｐを印加する。補償電圧Ｖｃｏｍｐは、特定のイオン種をフロー経路１４の中央の方に戻し、これにより、それらイオンが、フィルタ電極２０又は２１のいずれかにぶつかって中性化されることなく、フィルタ電界１８を抜け出られるようにする。他方、印加されたＶｃｏｍｐが不十分な種は、ついにはフィルタ電極２０及び２１にぶつかって中性化される。中性化されたイオンは、例えば、キャリヤ・ガスＣＧにより、又はフロー経路１１を加熱することによって排除される。

また、図５の例示的システム１０は、１７−，１７＋の場合のように、極性の差異に基づいてイオンを判別することができる。一つの形態によれば、図５のシステム１０は、サンプルＳ中の正及び負イオンを、並行して、又は一部の例においては、ほぼ同時に検知するよう作動することができる。この特質により、２つの化合物の識別を、並行して、又は一部の例においては、ほぼ同時に行うことができる。また、この特質により、一つの化合物の２つのモードの検知を並行して、又はほぼ同時に行うことができる。

作動において、イオン１７＋及び１７−の２つの種は、検知域２５に入り、さらなる分離が行われた後、その強度が判定される。例示的実施形態において、検知器２６の電極２８を正にバイアスして、イオン１７−を引き付けイオン１７＋をはじくことができる。これに換えて、検知器２６の電極３０を負にバイアスしてイオン１７＋を引き付けてイオン１７−をはじくことができる。検知器電極２８及び３０に集合したイオンが発生させた信号は、それぞれ増幅器３６及び３８で増幅され、Ａ／Ｄコンバータ４８を経由してプロセッサ４６に供給される。一つの形態によれば、プロセッサ４６は、Ａ／Ｄコンバータ４８からのディジタル化された信号を、メモリ４７中に格納された既知の化合物に対するイオン強度のライブラリと対比し、サンプルＳ中の化合物を識別する。対比作業の結果を、ディスプレイ４９のような適当なアウトプット装置に提供するか、あるいは、インタフェース５６を経由して外部の送信先に提供することができる。

さらなる例示的実施形態によれば、システム１０は、サンプル分析に使用される前に較正される。さらに具体的には、特定のＶｃｏｍｐ及びＶｒｆにおける既知のイオン種に対するイオン強度の曲線のライブラリを作成し、メモリ４７に保存する。一つの形態によれば、いったんシステム１００を較正すれば、さらなる較正の必要なく連続してこれを使用することができる。しかしながら、例えば、反応物イオンピーク（ＲＩＰ）又はドーパントのピークを使ってシステム１０を較正することも、本発明の範囲内である。

さまざまな例示的実施形態によれば、印加された電界電圧Ｖｒｆから得られるフィルタ電界１８内の電界強度を、約１，０００Ｖ／ｃｍから約３０，０００Ｖ／ｃｍまでの範囲、又はそれより高い値とすることができる。Ｖｒｆの周波数を、約１から約２０メガヘルツ（ＭＨｚ）までの範囲の値で、約３０％のデューティサイクルを持つより高い周波数を伴うものとすることができる。

システム１０を、例えば、任意の適切なＶｒｆ、Ｖｃｏｍｐ、電界強度、Ｖｒｆデューティサイクル、Ｖｒｆ波長及びＶｒｆ周波数動作値を用いて調整できることに注目すべきである。さらに、以下でさらなる詳細を説明するように、分析を改善するために、システム１０を、以下に限らないが、温度、圧力、湿度、流速、ドーピング、及びキャリヤ・ガスＣＧ組成のような他のフロー・チャンネル条件の値を変えて調整することができる。また、さらなる詳細を後記で説明するように、例えば、一つ以上の、追加ＤＭＳ、ＩＭＳ、ＴＯＦＩＭＳ、ＧＣ、ＦＴＩＲ、ＭＳ、又はＬＣＭＳを並列又は直列に使って、異なったフロー・チャンネル／フィルタ電界条件でサンプルＳを再循環させ及び／又は進行処理することにより、サンプルＳの複数のスキャン採取を用いてサンプルＳの分析を改善することができる。

一つの例示的実施形態によれば、プロセッサ４６は、電圧発生器４４に、印加Ｖｒｆにより制御された特定のＲＦ電界強度において、ある範囲の電界補償電圧Ｖｃｏｍｐをスキャン又は掃引させ、サンプルＳに対する第一のスペクトルを得る。次に、Ｖｒｆは異なるレベルにセットされ、再度ＶｃｏｍｐがスキャンされてサンプルＳに対する第二のスペクトルを得る。これらの情報を、前記のサンプル中の化合物を識別するのと同様なやり方で、スペクトル・スキャンのライブラリと対比することができる。

スペクトル・スキャンにおいて、特定のピーク組み合わせが特定の化合物の存在を示すことが判明した場合、その複数のピークを表すデータを保存し、将来の検知データをその保存されたデータと対比することができる。例えば、上昇された電界強度のような、制御されたフィルタ電界条件の下で、クラスター集合していた化合物をクラスター分離することができる。単一回のスキャンであっても、検知によって源泉の化合物を識別するために使えるピークのシグネチャを得ることができる。

一つの例示的応用例によれば、本発明を使って炭化水素バックグラウンド中の硫黄含有化合物を検知する。一つの例において、負イオンと正イオンとは別々に検知される。炭化水素バックグラウンドに左右されずに、検知データからこれら硫黄含有化合物の濃度を計量的に測定することができる。

別の例示的応用において、本発明を使って、変化する、又は高濃度の炭化水素バックグラウンド中のメルカプタンの微少量（百万分の１単位（ｐｐｍ）、十億分の１単位（ｐｐｂ）、又は一兆部の１単位（ｐｐｔ））を検知する。また、図５のシステム１０は、炭化水素ガス・バックグラウンドの特性判定をすることができる。例えば、本発明は、メタン・バックグラウンドにおいて、エチルメタルカプタンのようなメタルカプタンを検知することができ、また、メタルカプタン・バックグラウンド中の、メタンのようなガスを検知することもできる。

本発明のこの実践において、炭化水素バックグラウンド中のメタルカプタンが検知され、イオンフィルタ電極に印加された非対称電圧は、約９００Ｖから約１．５ｋＶの範囲（高電界条件）であり、低電圧側は、約−４００から約−５００Ｖの範囲（低電界条件）であった。周波数は、約１から２ＭＨｚの範囲であり、高周波のデューティサイクルは約３０％であった、但し、他の動作範囲も用いられた。一つの実施形態において、検知器電極には＋５ｖ及び−５ｖのバイアスが印加された。この設定によって、メタルカプタンを負モード（−５ｖ）検知器で検知することができ、炭化水素ガスを正モード（＋５ｖ）検知器で検知することができる。

システム１０は、各種の従来式構成要素を用いている。例として、増幅器３６及び３８を、Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓのモデル４５９増幅器とすることができる。さらに、Ａ／Ｄコンバータに、スキャンをデジタル化し保存するため、Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓの回路部品（モデル６０２４Ｅ）を含めることができ、結果をスペクトル、トポグラフ・プロット、散布プロット又はイオン強度−時間の対比グラフとして表示するためのソフトウエアを含めてることができる。これに換えて、こういったソフトウエアをメモリ４７に保存し、プロセッサ４６を制御することができる。イオン化源を、例えば、プラズマ、レーザ、放射線、ＵＶランプ、又は他の任意の適切なイオン化源とすることができる。

一つの例示的実施形態によれば、フィルタ電極２０と２１との間にＶｒｆが印加される。但し、一部の構成において、一方のフィルタ電極、例えば電極２０にＶｒｆが印加され、他方の電極、例えば電極２２は接地される。そこで、Ｖｃｏｍｐは、通過させるイオンの種に従って、フィルタ電極２０及び２１の一つに、あるいは、フィルタ電極２０及び２１の間に交互に印加される。別の形態によって、検知器電極２８及び３０は、電極２８が−５Ｖｄｃにバイアスされ電極３０が＋５Ｖｄｃにバイアスされるといった、浮動バイアスを印加され、炭化水素又は空気バックグラウンド中のメタルカプタン検知に対する良好なパフォーマンスにつながっている。

図６は、図５に１０として図示した型のＤＭＳシステムによって測定した、エチルメルカプタンの異なる量を含有するサンプルに対する「正モード」スペクトルにおける、イオン強度と電界補償電圧との対比グラフである。正モード検知においては、検知器電極２８は負にバイアスされ、正メタン・イオン１７ｍ＋を引き付け検知する。図７は、エチルメルカプタンの異なる量を含有するサンプルに対する「負モード」スペクトルでのイオン強度と電界補償電圧との対比グラフである。負モード検知においては、検知器電極３０は正にバイアスされ、負メタカプタン・イオン１７ｍ−を引き付け検知する。図６及び７から分かるように、さまざまな添加量レベルにおいて、エア−炭化水素キャリヤガスＣＧバックグラウンドに左右されずメタルカプタンのシグネチャが把握され、検知されたサンプル・ピークは、バックグラウンドから完全に分離されている。図６から分かるように、反応物イオンピーク（ＲＩＰ）は分離されており、図７に示すように、バックグラウンド（サンプル番号９）は平坦である。

前記のように、検知器電極２８及び３０を反対にバイアスして、正及び負双方のイオンを、並行して、一部の構成においては、ほぼ同時に検知可能にすることができる。イオン化されると顕著な負イオンを持つ性向のあるメタルカプタンのようなサンプルであってさえも、正及び負双方のイオン検知によって、単一モード検知アプローチにおける分析精度の改善が得られる。さらにこれによって、識別精度及び信頼度が向上し、誤った存在肯定及び誤った存在否定の尤度が低減される。

例えば、六フッ化硫黄（ＳＦ６）は、負モードでうまく検知できる。しかしながら、正モードにおける反応は、これだけでははっきりしないが、あるプロフィールを持ち、これを負モードと組み合わせることによって確認をすることができ、誤った検知の尤度を低下させる。一つの形態によれば、本発明は、ＳＦ６を、単一モード（例、負モードだけの検知）又は二重モード（正及び負モード双方の検知）で逐次に、並行して、又は同時に検知することができる。

ＳＦ６ガスは、パイプのリークを検知しリーク源を突き止めるトレーサとして空気流を監視するための大気トレーサ用途に、発電所においては、他にも用途はあるが、スイッチを絶縁し、スイッチの破損を低減し又は防止するために使われる。ＳＦ６の単離及び検知は、多くの場合において困難な課題であることが分かっている。

一つの例示的応用例によれば、本発明のシステムは、空気中のＳＦ６を検知するために用いられる。さらなる例示的応用例によれば、本発明は、約１×１０−９ａｔｍ ｃｃ／秒のＳＦ６（０．０１ＰＰＭ）の感度を持つ携帯型で電池式のＳＦ６検知用装置を提供する。この例示的実施形態において、本発明を、例えば、電力産業においては「高圧開閉装置」の気密性を確保するために、試験所においてはＡＳＨＲＥＡ１１０規格に対して換気フードを試験するために用いることができる。他の用途には、トーピード・ヘッド、配管システム、及びエアバッグの完全性試験が含まれる。本発明の高い感度、丈夫なデザイン、及び使用とセットアップとの容易さは、ＳＦ６の検知を必要とする多くの用途において利点となる。

図８は、本発明の例示的実施形態による、ＳＦ６の負モード検知に対するイオン強度（ｙ軸）とＶｃｏｍｐ（ｘ軸）との対比グラフである。図に示されるように、本発明の応用により、反応物イオンピークから分離された、ＳＦ６の明確なピークが得られている。図９は、正モード検知における同様なＳＦ６のプロットを提示している。見ると分かるように、正モード検知においては、ＳＦ６が存在しない信号５１とＳＦ６が存在する信号５３との間に目に付くような違いはない。図１０は、負モード検知における３つの異なる電界電圧Ｖｒｆ（５７、５８及び６１に示す）におけるＳＦ６に対するイオン強度（ｙ軸）とＶｃｏｍｐ（ｘ軸）との対比を、ＳＦ６の不在において検知されたＲＩＰ５５とともにプロットしたものである。図１１は、正モード検知における、図１０と同様なプロットを示す。予期されたように、正モード検知カーブ６９、７１及び７３は、それぞれに対応するＲＩＰカーブ６３、６５及び６７をほぼ追尾している。前記で図１６に関連して記載したように、これだけでは明確でないがこれは予期された検知であり、従って、明確なＳＦ６の負モード検知と組み合わせて確認に用いることができる。

別の形態によって、既知の装置の特性における既知のイオン種強度シグネチャについての前記のライブラリ・データに、単一モード、又は正及び負モード同時検知のいずれかによってアクセスすることができる。装置による過去の検知データと比較することによって、これらのピークをメルカプタンの実証スペクトルとしてさらに明確に識別することができる。双方のスペクトルは、定性的及び定量的にメルカプタンの徴候を示す。正及び負モード同時検知の利点をメルカプタンに関連させて前記で説明しているが、これらは、任意のサンプルの解析に用いることができ、特に、類似したイオン移動度特性を持ち従ってそれらの間を識別することが困難な、メルカプタンと炭化水素ガスとを含有するサンプルのような、複雑なサンプルをリアルタイムで分析する場合に有用である。

前記は、サンプル中に検知されたイオン種の識別のため、単一回の移動度スキャンから複数の検知データを有利に取得することを実証するものである。この革新は、多くの用途において有用である。有益な革新ではあるがさらに、（１）複数のイオン移動度スキャンから複数の検知データを取得すること、及び（２）そのようなデータをさらに処理して、移動度係数αのような、装置に左右されない特性を抽出することによって、もっと高い信頼度水準を達成し、誤った存在肯定をさらに削減することができる。

一つの例示的「複合スキャン」の実施形態によれば、イオンは、単一セットの電界条件でなく、少なくとも２つの、できればさらに多くの数の電界条件（例、少なくとも２つの電界測定点）において採取された複数のイオン強度スキャンに基づいて識別される。検知データは、少なくとも２つの異なった電界条件におけるＶｒｆ及びＶｃｏｍｐと相関付けられ、所定の検知化合物の特性設定をする。所定の対象イオン種が複数の検知データと関連付けられているので、さらに精度の高い検知を行うことができる。保存されたデータとの対比によって、検知化合物の信頼できる識別が得られる。

スペクトルピーク又は移動度カーブ中のデータに基づいて、検知イオンを識別するための方法には、カーブ合わせ、ピーク当てはめ、デコンボリューション（オーバーラップ下ピークに対して）、例えば、（ｘ，ｙ，ｚ，その他）空間座標系、及び／又は、ｚ又は他の値をカラーの変化で表した（ｘ，ｙ，その他）座標系を含む３次元表現を用いた多次元マッピングなどがある。これらの技法は、正及び負モードの同時検知を含む単一スキャン中の、また複数スキャン中のピークに基づいて、検知されたイオン種を識別することを可能にする。これらの目的は同じであって、検知されたイオンの種を、明確に識別し検知し測定し、又は他の方法で分析するため使える複数の検知データの解析である。

前記のように、化学物質の異なるイオン種は、補償された印加Ｖｒｆの関数として異なる移動度を示す。このように、さまざまな化合物に対し、異なるＶｒｆ電圧のセットを印加し、例えば、図１の検知器２６の検知のように、イオン存在度ピークの位置におけるＶｃｏｍｐを測定することによって、化合物の測定ポイントの特性のファミリーを作成することができる。そこで、このポイントのファミリーをプロットし、例えば図４に示すように、ＶｒｆおよびＶｃｏｍｐの関数として、特定の種に対するイオン移動度カーブ・シグネチャを設定することができる。また、前記のように、このようなデータを保存し、未知の化合物のスキャン・データと対比して未知の化合物を識別することができる。一部の対比アプローチでは、カーブ合わせを実施するが、他のアプローチでは、２つの隣接する電界強度及びＶｃｏｍｐ条件における、特定のイオン種に対するイオン強度を判定する。２つのデータ点の間の勾配が計算され、特定のイオン種のシグネチャとして用いられる。測定ポイントの選択及び測定ポイントの数は、特定の用途に必要な特異度に合わせて選定される。最少の測定ポイントの数は２であり、該測定ポイントは、少なくとも、分かっている電界値に対し、化合物の特性カーブの特徴（勾配等）を識別する。

単一のフィルタ電界／フロー・チャンネル条件を変化させ、単一又は複数のスキャンについて勾配及び／又はカーブ合わせを実施することにより、一部の用途に対しては十分に精度のある結果を提供することはできるが、本発明の一つの例示的実施形態において、複数のフィルタ電界／フロー・チャンネル条件を変化させながら採取された複数スキャンからは、より改善した結果を得られることが認められる。例として、一つの例示的実施形態によって、本発明は、複数の値を通してＶｒｆをステップさせ、複数Ｖｒｆの各々においてＶｃｏｍｐをスキャンし、固有のデータ・セットを生成して化合物をよりうまく判別し、これによって、検知化合物のさらに精度の高い識別を提供する。このアプローチを用いて、対象となる化合物についてより精度の高いイオン移動度シグネチャの保存データを生成することができる。

一つの例示的実施形態によれば、本発明は、複数のフィルタ電界／フロー・チャンネル条件における、特定のイオン種のイオン存在度ピークのシフトに関する情報を、化合物に対するスペクトル・シグネチャに組み込む。さらに具体的にいえば、ある特定のＶｒｆ（Ｖｒｆ１）におけるイオン存在度ピークを、ある特定のＶｃｏｍｐ（Ｖｃｏｍｐ１）位置で検知することができる。しかしながら、第二Ｖｒｆ（Ｖｒｆ２）においては、存在度ピークは、シフトして第二Ｖｃｏｍｐ（Ｖｃｏｍｐ２）位置で検知することになる。本発明の一つの例示的実施形態は、多くの例おいて、ＶｒｆがＶｒｆ１からＶｒｆ２に変わるのに反応して生じるＶｃｏｍｐ１からＶｃｏｍｐ２へのイオンピーク・シフトは、特定のイオン種を表すことを認知する。未知の化合物の同様な測定結果を、スペクトル・シグネチャのこの部分と対比して未知化合物識別の助力とすることができる。

図１２は、Ｖｒｆが１４００Ｖピークから１４５０Ｖピークに変化したことによる、Ｖｃｏｍｐスキャンでの前記イオン存在度スペクトルのシフトを示す例を図示したものである。図１２において、１４００Ｖピーク（２８，０００Ｖ／ｃｍに相当する）のＶｒｆに対し、ピーク１１０−１、１１０−２、１１０−３及び１１０−４は、特定の補償電圧Ｖｃｏｍｐに生じているが、Ｖｒｆが１４５０Ｖピーク（２９，０００Ｖ／ｃｍに相当する）に変化したのに反応してシフトし異なった補償電圧に位置している。図１２から分かるように、Ｖｒｆの変化のような、電界条件の小さな変化でさえも、測定可能なイオンピークのシフトを引き起こすことができ、これにより、イオン・スペクトル・シグネチャに重要な追加情報を提供することができる。図１２の具体例においては、未知の化合物を識別するため既知の化合物に対するイオン・スペクトル・シグネチャと対比するに際して、Ｖｒｆ変化によるイオン・ピークのシフトが用いられている。

図１３Ａ及び１３Ｂは、どのように、イオン・スペクトルのシフトを用いて未知の種を識別するかを例示する実験例を示している。図１３Ａ及び１３Ｂでは、約２４０００Ｖ／ｃｍの電界強度において、ｐ−、ｏ−、及びｍ−サンプル中の３つの異なるキシレン異性体に対するピークが検知された。図１３Ａにおいて、ｐ−とｏ−とに対するピークは区別できないが、ｍ−に対するピークは十分明確になっている。サンプルをさらに評価するために、より低い１８０００Ｖ／ｃｍの電界強度において第二検知（図１３Ｂ）が実施された。図１３Ｂで分かるように、電界強度の変化によるピークのシフトによって、キシレンの３つの異性体ｐ−、ｏ−、及びｍ−は、より明瞭に判別でき、より正確に識別できるようになっている。図１３Ａ及び１３Ｂから分かるように、種の間のよりよい識別能は、必ずしもより高い電界強度を印加することでもたらされるものでない。さらに具体的には、この例において、ｐ−及びｏ−キシレン異性体は、低い電界強度でより判別し易くなっている。

別の例示的実施形態及び前記によって、本発明はある範囲の印加フィルタ電界／フロー・チャンネル条件に渡る検知データを生成する。例えば、図１４Ａ及び１４Ｂは、ヘキサノン及びオクタノンに対し、図１中に１０として描いた型のＤＭＳを使って検知された、異なったＶｃｏｍｐレベルにおける電界強度の変化の検知ピークの位置への影響を示す。カーブは、垂直軸上を変位し、電界強度が増大するにつれ変位幅も大きくなっている。さまざまな動作電圧の範囲が可能であるが、例示として、図１４Ａ及び１４Ｂは低い方は約６２０Ｖピーク（各々の下限）から高い方は１４５０Ｖピーク（各々の上限）のピークＶｒｆを提示していると理解することができる。この一連の反応においていくつかの特質に気付く。例えば、特に図１４Ａのヘキサノンのプロットを参照すると、個別対象の６０１−１のモノマー・ピークは、最低の電界強度条件では見えにくくなっている。しかしながら、最高の印加電界強度においては、ヘキサノンに対応するピーク６０１−ｍは、他のピークから明瞭に判別される。

印加電界強度が増大するにつれ、いくつかの現象が生じている。第一に、低い電界強度検知域において反応物イオンピーク（ＲＩＰ）６０５−１が比較的顕著になっている。但し、電界強度が増大するにつれ、ＲＩＰ６０５−ｍは、対象のモノマー・イオンピーク６０１−ｍよりも速い割合で左にシフトする。これは、反応物イオン種に対するイオン移動度のαパラメータが、対象モノマー・イオンに対するイオン移動度のαパラメータと違っているためである。

さらに、ＲＩＰ６０５の相対的振幅は、電界強度の増大につれて、顕著に減少している。しかして、特定の電界強度条件では、ＲＩＰ６０５−ｍは、対象のモノマー・ピーク６０１−ｍよりかなり低い振幅で、モノマー・ピークと十分に離れている。モノマー・ピーク６０１もシフトしているが、同じような量ほどにはシフトしない。このように、ある範囲の印加電界条件に渡って化合物を分析することによって、ＲＩＰ６０５が他の観測ピーク電圧の位置尺度から離れるか又は外れ去る条件を見つけ出すことができる。いくつかのケースにおいて、このことにより、対象のモノマー・ピークイオン６０１をより容易に検知することができる。

類似のふるまいが、オクタノンについて観測したモノマー・ピーク６１０−１、６１０−…、６１０−ｎ、及び現れた反応物イオンピーク６１５−１から６１５−ｍにおいても観察される。このように、これらの方法を使い、反応カーブのファミリーを保存された既知の反応カーブのファミリーと対比することによって、種を識別することができる。

図１４Ａ及び１４Ｂ双方の中に観察される別の作用は、クラスター・イオン６０８及び６１０の群が見られることである。クラスター・イオン６０８は、サンプル中の化学材料のクラスターを表している。典型的クラスター・イオンは、より重い化学重量を有し、対象のモノマー・ピークイオンとは異なるシフトをするピークを持つ。この例では、クラスター・ピークは、電界強度の増大とともに、モノマー・ピークのシフト方向から離れる方向にシフトしている。また、このサンプルで観測されたクラスター・イオンのこの特性を保存し、ヘキサノンイオン及び／又はオクタノンイオンを見分ける際に活用することができる。図１４Ａ及び１４Ｂに示したカーブは、ある範囲の電界／フロー・チャンネル条件を加えて所定のサンプルを検知するやり方を、どのようにうまく活用するかの単なる一例である。

前記で簡潔に説明したように、一つの例示的実施形態によれば、本発明は、多次元の化合物シグネチャを用いて、未知の化合物の多次元表現と対比し、未知の化合物を識別し、さらに広く分析する。このような多次元表現は、例えば変化させた複数のフィルタ電界／フロー・チャンネル条件の関数としてイオン存在度をプロットすることにより作成することができる。このような条件には、以下に限らないが、Ｖｒｆ、Ｖｃｏｍｐ、フィルタ電界強度、Ｖｒｆデューティサイクル、Ｖｒｆ波長及びＶｒｆ周波数；温度、圧力、湿度、流速、ドーピング及びキャリヤ・ガスＣＧ組成が含まれる。また、多次元表現は、例えば、一つ以上の追加ＤＭＳ、ＩＭＳ、ＴＯＦＩＭＳ、ＧＣ、ＦＴＩＲ、ＭＳ、又はＬＣＭＳと並列又は直列に、同一の又は異なるフロー・チャンネル／フィルタ電界条件において、サンプルＳを再循環及び／又はサンプルＳを処理することによって行われたサンプルＳの複数のスキャンから得られる。一つの例示的実施形態によれば、多次元表現は、カラーの変化でｚ−座標を表した、ｘ−及びｙ−空間座標を用いた、３次元散布プロットである。

図１５Ａに、本発明の例示的実施形態による、異なるイオン強度（存在度）を異なるカラーで表した、ある範囲の電界電圧Ｖｒｆ（ｙ軸）及び電界補償電圧Ｖｃｏｍｐ（ｘ軸）に対するメチルサリチレートの検知を図示した３次元カラー散布プロット６２０を示す。カラー座標はさまざまであるが、図１５Ａの散布プロットでは、最高のイオン強度を青色、最低を黄色で表している。３次元カラー散布プロット６２０は、複数の、図１５Ｂに示すような２次元グラフの集約データを表している。さらに具体的には、図１５Ｂは、メチルサリチル塩に対する特定のＶｒｆにおけるイオン強度（ｙ軸）とＶｃｏｍｐ（ｘ軸）との対比プロット６２２を示す。複数の、例として２つ以上の、電界電圧Ｖｒｆにおいて採取した、複数の、例として２つ以上の、こういったグラフを集約して図１１Ａのカラー・プロット６２０を作成する。複数のフィルタ電界電圧Ｖｒｆ（すなわち、電界強度）において採取された複数のスキャンを集約することによって、単一のＶｒｆにおいて採取された単一のスキャンより判別度の高いスキャンが得られる。この一つの理由に、集約されたスキャンは、前記で説明した、Ｖｒｆの変化によって生じるピークのシフトが組み込まれていることがある。見られるように、図１５Ｂの２つのピーク６２７及び６２９に対し、図１５Ａの３次元表現は３つのシグネチャ・ピーク６２１，６２１、及び６３５を提示している。

散布プロットを用いることにより得られる分解能向上の効果は、似たようなイオン移動度特性を持つ化合物の間を判別する場合さらに明らかになる。例として、図１６Ａ及び１６Ｂは、ＤＭＭＰに対する正モード・プロット６２４及び６２６を示し、図１７及び図１８はＤＩＭＰに対する正モード・プロット６２８及び６３０を示す。さらに具体的には、図１６Ｂ及び１８は、それぞれ、ＤＭＭＰ及びＤＩＭＰに対する、特定のＶｒｆにおけるイオン強度（ｙ軸）とＶｃｏｍｐ（ｙ軸）との対比をプロットしている。示されるように、図１６Ｂ及び１８の双方とも、おおむね同一な電界補償電圧に位置し、類似の間隔で離れた、同じ程度の大きさの３つのピークを含んでいる。図１６Ｂ及び１８の個別プロット６２６及び６３０だけに基づいてＤＭＭＰとＤＩＭＰとを判別するのは、うまくいっても信頼性がなく、悪くすれば不可能である。しかしながら、図１６Ａ及び１７を参照すると、３次元プロット６２４及び６３６は、視覚的に容易に判別可能である。

さらに具体的には、図１６ＡのＤＭＭＰカラー・プロット６２４は、３つのカラー・ピーク６３８，６３９及び６４０を示し、ＤＩＭＰカラー・プロット６２８は、４つのカラー・ピーク６３１，６３２、６３４及び６３６を示している。ピーク６３８、６３９及び６４０は、ピーク６３１、６３４及び６３６とほとんど重なっているが、ＤＩＭＰに対する４番目の青色ピーク６３２はＤＭＭＰに無いもので、ＤＭＭＰスキャンをＤＩＭＰスキャンから容易に識別してくれる。また、カラー・プロット６２８のブランチ６３４と６３６とは、カラー・プロット６２４のブランチ６３８と６４０とより近接している。さらに、３次元カラー・プロット６２４のブランチ全体にわたるカラー分布（例、彩度）は、プロット６２８のブランチ全体にわたるカラー分布と同じではない。前記に説明したシグネチャ・スキャンの場合のように、図１５Ａ−１８に図示したような種類の３次元シグネチャ・スキャンを、既知の化合物に対するライブラリに保存することができる。保存された一つ以上のスキャンの少なくとも一部を、未知の種の同様なスキャンの少なくとも一部と対比して、未知の種を識別し、広く分析することができる。こういった対比のために、従来式のパターン整合アプローチを含め、任意の適切なパターン整合を用いることができる。

前記で説明した図１５Ａ、１６Ａ及び１７の散布プロットは、強度の表示にカラー変化を用いているが、これに換えて、又はこれと組み合わせて、色彩度、グレイ・スケール又は黒白のような任意のカラー関連特性の変化を用いることができることに注目すべきである。加えて、さらなる例示的実施形態において、本発明は、カラー関連情報を使わないで、強度ピークの周りに曲線を生成する。例として、この例示的実施形態において、例えば、カラー関連情報なしに、強度ピーク６３２、６３４及び６３６の輪郭を残すことができよう。カラー関連情報を除去することにより、例えば、複数のＶｒｆ値における複数のＶｃｏｍｐスキャンの集約から得られたスペクトル情報を取り入れた、ＶｒｆとＶｃｏｍｐとを対比した２次元散布の表現が得られる。この２次元情報のどれか又はすべてを、前記説明のシグネチャ情報に組み込むことができる。

前記のように、さまざまな例示的対比アプローチにおいて、例えば前記の２次元及び／又は３次元散布プロットを使ったパターン整合を用いることができる。しかしながら、他の例示的実施形態において、散布プロットによって得られた情報を、数学的関係としてライブラリに保存し、このような数学的関係を対比するため、適切な在来のアプローチを用いて未知の種を識別する。

別の例示的実施形態によれば、Ｖｃｏｍｐをｘ軸に、Ｖｒｆをｙ軸に、イオン強度をｚ軸にプロットすることができる。これにより、３次元カラー・プロット６２０、６２４及び６２８のように、イオン強度をカラー、色彩度、グレイ・スケール又は黒白の変化で示す代わりに、イオン強度を、トポグラフ的方法で、描写／概念化することができる。また、この種の多次元シグネチャ表現を、既知種のライブラリに保存し、前記のイオン移動度シグネチャと同じやり方で使うことができる。本発明の他の実施形態において、３より多くの次元を採用し、例えば、ｎ次元空間におけるクラスターとしてスペクトル・データをプロットし、知られたクラスター整合アルゴリズムを用いることができる。

図５のプロセッサ４６のようなプロセッサを、従来の方式でプログラムし、システム１０のような分析装置の電界電圧Ｖｒｆ及びスキャンＶｃｏｍｐの範囲を自動的にステップさせ、そのデータを、ディスプレイ、又は３次元散布プロット生成処理ために他のシステムに提供させることができる。

比較的に高い電界強度を印加することによって別の解析改善効果が見られる。具体的には、例えば、サンプルに高い電界強度を印加することによって複雑なイオン集合体を解離することができる。サンプル解離は、種の分離、検知、及び識別を向上させるための有用な技法である。解離には、サンプルの検知に先立って、サンプルの大きな分子を、小さな分子、成分、又はフラグメントに分断するプロセスが含まれる。これにより集合体の成分を個別に検知し、さらに広く分析することができる。

図１９は、メルカプタンのサンプルに対するそういった効果の例である。具体的には、ある範囲のバックグラウンド電圧（６２０から１４５０Ｖピークまで）が、エチルメルカプタンスペクトルに印加され、電界強度条件が強まるにつれイオンピーク反応の全体的シフトが見られた。しかしながら、解離状態も観察された。具体的には、弱い印加電界条件では、７０１−１におけるような強い単一のピークが観察される。しかしながら、しかし電界強度が増大するにつれ、スペクトル中に、複数のピーク７０１−ｎ、７０２、…７１０が見られるようになる。低い電圧の電界条件においてだけでなく、ある範囲の電界条件を観測し記録することによって、さらにこの解離反応を活用して、よりうまく化合物を識別することができる。一つの形態によれば、解離が発生するピークＲＦ電圧を示すデータを、保存された既知のサンプルに対するスペクトル・シグネチャに組み込む。別の形態によれば、前記とともにあるいはその代わりに、フラグメントのピークの位置を、今後、検知データと既知のデータとの照合に使用するため、保存されたスペクトル・シグネチャに組み込む。

図２０Ａは、本発明の例示的実施形態による、軽い分子と重い分子との間での、検知ピークの異なる補償電圧への分離を例示した、イオン強度（ｙ軸）と電界補償電圧Ｖｃｏｍｐ（ｘ軸）との対比グラフ７１２である。グラフ７１２は、ＲＩＰバックグラウンド・ピーク７１４に関連する軽い分子は、無特定な−３０Ｖｄｃ補償電圧において識別することができ、重い分子は、０Ｖｄｃ補償電圧あたりに集まりピークを形成する傾向があることを示している。重い分子のサンプルを解離し、例えば、ＤＭＳ又はＩＭＳシステムを使ってフラグメントを検知することにより、各ピークが一つのフラグメントに関連する複数のイオン強度ピークを使ってサンプル固有のシグネチャを作成し、そのサンプルの後の識別を可能にすることができる。サンプルの解離は、例えば、以下に限らないが、化学反応、高い強度における高エネルギー電界、高い電界電圧、加熱、レーザ光、サンプル分子と他の分子との衝突、ソフトｘ線、又は類似技法の任意の一つ又はこれらの組み合わせを使って達成することができる。

図２０Ｂは、本発明の例示的実施形態による、サンプル解離後の検知ピークの数の増加を示したイオン強度（ｙ軸）と電界補償電圧（ｘ軸）との対比グラフ７１８である。グラフ７１８は、フラグメントはより軽く、従ってより低い質量とより高い対応補償電圧を有し、フラグメントの間の分解能及び区別の改善をもたらすことを示している。また、グラフ７１８は、フラグメント・サンプルに関連するピーク７２０の数の増加を示し、これにより、化合物を同定するために使うことのできる全体的なデータが増える。追加された検知データにより、例えば検知されたシグネチャをルックアップ表中のシグネチャのセットと対比したり、本明細書で開示した他の技法によるなどして、検知された種のより正確な識別が可能になる。

図２１は、本発明の例示的実施形態による、二重チャンネル検知システム７４８の概念的ブロック図であって、これは、サンプルＳの分析を向上させるために、解離を用い第一チャンネルを形成する第一ＤＭＳシステム７２２と、並列に作動している、解離を用いない第二チャンネルを形成する第二ＤＭＳシステム７２４とを包含する。図示するように、ＤＭＳシステム７２４は、サンプル取入れ口７２６、イオン化域７２８、イオン源７３０、イオン分析部（ａｎａｌｙｚｅｒ）域７３２、及び出口７３４を含む。同様に、ＤＭＳシステム７２２は、サンプル取入れ口７３６、イオン化域７３８、イオン源７４０、イオン分析部域７４２、及び出口７４４を含む。但し、ＤＭＳシステム７２２は、イオン化域７３８内に解離エネルギー源７４６も含んでいる。それぞれのイオン分析部域７３２と７４２とは、ＤＭＳフィルタ及び検知器を含み、サンプルの検知と識別とができるようにしている。作動において、二重チャンネル検知システム７４８は、ＤＭＳシステム７２２と７２４とを、並行して、同時に、又は交互に作動させる。ＤＭＳ７２４については、サンプルＳは、サンプル取入れ口７２６を経由してイオン化域７２８に取り入れられる。そこでイオン化源７３０はサンプルＳを正及び／又は負イオンにイオン化することができ、イオンは次にイオン分析部域７３２に送られる。イオン分析部域７３２ではサンプルのフィルタと検知とが実施され、そこで、サンプルは出口７３４を経由してＤＭＳシステム７２４を抜け出す。ＤＭＳシステム７２２もＤＭＳ７２４と同様な方法で作動するが、追加されている解離源７４６作動を伴う。これにより、サンプルＳがＤＭＳ７２４のイオン化域７３８に入ると、解離源７４６は、サンプルＳ分子を、より軽くて低質量の分子に開裂／解離する。これらより軽量の分子は、そこでイオン分析部域７４２に送られフィルタされ検知される。

このように、ＤＭＳシステム７２２及び７２４を用いる二重チャンネル検知システム７４８は、サンプルＳとそのフラグメントをほぼ同時に分析し、より複雑なサンプルのシグネチャを生成することによって、サンプル分析を改善することができる。これに換えて、二重チャンネル検知システム７４８は、検知されるサンプルの種、及び他の干渉物質又は化合物とのより正確な分別の必要性によっては、解離スペクトルを選択的に対比することができる。

図２２は、本発明の例示的実施形態による、サンプル分析を改善するため、解離を用いないＤＭＳシステム７５０と、これと直列に作動する、解離を用いるＤＭＳシステム７５２との概念図である。ＤＭＳシステム７５０と７５２との結合により、直列検知システム７５４が形成される。図示するように、直列検知システム７５４は、サンプル取入れ口７５６、ＤＭＳシステム７５０、ＤＭＳシステム７５２及び出口７５８を含む。ＤＭＳシステム７５０は、イオン化域７６０、イオン源７６２、イオン・フィルタ７６４、及び検知器７６６を含む。ＤＭＳシステム７５２は、イオン化域７６８、イオン源７７０、解離源７７２、イオン・フィルタ７７４、及び検知器７７６を含む。

作動において、サンプルＳは、サンプル取入れ口７５６を経由して直列検知システム７５４に取り入れられる。ＤＭＳ７５０は、イオン化域内７６０のイオン化源７６２を使ってサンプルＳをイオン化する。そこで、イオン化されたサンプルＳはイオン・フィルタ７６４に送られる。イオン・フィルタ７６４は、サンプルＳに電界及び電界補償電圧のある組み合わせを印加して、選択したイオンが検知器７６６に到達し検知されるようにする。

図２３Ａは、ＤＭＳシステム７５０におけるピーク検知を示したイオン強度（ｙ軸）とＶｃｏｍｐ（ｘ軸）との対比グラフ７７８である。前に示したように、解離が生じない場合には、比較的重いサンプル分子が集合して、Ｖｃｏｍｐ＝約０Ｖｄｃあたりにピーク７８０を形成する。

ＤＭＳシステム７５０による分析の後、サンプルＳはＤＭＳシステム７５２に送られ、サンプルＳはイオン化源７７０によってイオン化され、また、解離源７７２によって解離される。解離源７７２を、比較的大きなサンプル分子を複数のフラグメント分子、フラグメント、成分、又は原子に分割するのに十分なエネルギーを持つ、放射能源、高エネルギー電圧源又は類似の装置とすることができる。次に、フラグメントはイオン・フィルタ７７４に送られ、複数のフィルタ電界条件によるフィルタ電界電圧Ｖｒｆと電界補償電圧Ｖｃｏｍｐとの組み合わせがフラグメントに印加され、それらを、検知器７７６による検知の前にフィルタする。

図２３Ｂは、図２２の解離を用いるＤＭＳシステム７５２におけるピーク検知を示したイオン強度と補償電圧との対比グラフ７８２である。前に示したように、解離が生じる場合には、比較的軽量のフラグメントはさまざまの別個の電界補償電圧Ｖｃｏｍｐにおいて複数のイオン強度ピーク７８４を形成する。

このように、ＤＭＳシステム７５０及び７５２を用いた直列検知システム７５４は、サンプルＳとそのフラグメントとを直列的に検知して、サンプルのさらに完全なシグネチャ又は固有形跡を生成することによってサンプル分析を向上することができる。これに換えて、直列検知システム７５４に、検知されるサンプルの種、及び他の干渉物質又は化合物とのより明確な分別の必要性によって選択的に解離スペクトルを対比させることもできる。

図２４は、本発明の例示的実施形態による、解離域７９２を含むＤＭＳシステム７８６の概念的ブロック図である。図示するように、ＤＭＳシステム７８６は、サンプル導入域７８８、イオン化域７９０、解離域７９２、解離源８０６、解離用ガス取入れ口７９４、搬送ガス取入れ口７９６、イオン・フィルタ７９８、検知器８００、及びコントローラ８１２を含む。イオン化源８０２を、解離域７９２内にオプションとして配置することができる。イオン化源８０４をイオン・フィルタ域７９８内にオプションとして配置することができる。

作動において、サンプルＳはサンプル導入域７８８に取り入れられる。サンプル導入域７８８は、サンプルＳの前分離を実施し、干渉物質又は望ましくない化合物の量を削減することができる。そこでイオン化源８０８はイオン化域７９０中のサンプルＳをイオン化する。サンプルＳが解離域７９２に送られると、解離源８０６は、サンプルＳの比較的重い分子を複数の軽いフラグメントに解離する。これに換えて、解離用ガスライン７９４を経由して、フラグメント分子を含む解離用ガスを解離域７９２に取り入れることができる。解離用ガス分子は、サンプルＳ分子とぶつかり、サンプルＳ分子の一部をサンプルＳフラグメントに分割する。

解離の後、キャリヤ・ガスＣＧのような搬送ガスを搬送ガス取入れ口７９６を経由して取り入れてサンプルＳフラグメントをイオン・フィルタ７９８に供給する。フィルタの後、次にフラグメントは検知器８００によって検知される。イオン化源８０２を、オプションとして解離域７９２内に配置することができる。さらに、前に記載した例示的実施形態のすべての場合におけるように、解離源８０６は、イオン化源として追加機能することができる。イオン化源８０４を、オプションとしてイオン・フィルタ７９８内に配置することができる。さらにまた、イオン・フィルタ７９８は、解離源８１０もしくはイオン化源８０４のいずれかとして機能することもできる。

前記の実施形態は、別々のイオン化及び解離源を参照しているが、他の例示的実施形態において、単一の源泉が、イオン化及び解離双方の役割をかねることができることに注目すべきである。さらに、前記の解離アプローチのどれをも、図２１、２２及び２４の解離源に追加して、あるいはこれらに換えて用いることができる。コントローラ８２１は、必要に応じ、解離源８０６を作動又は停止することによって、あるいは、解離用ガスを解離用ガス取入れ口７９４経由して取入れ又は取り入れないことによって、解離作業のオン・オフを切り替えることができる。

前記の解離技法及びこれらの解離技法を実行するシステムを使って、以下に限らないが、下記としても知られるサリン・ガスのような、サンプルＳの検知度を向上させることができる。

・ＧＢ
・ザリン
・ホスホノフルオリディック酸、メチル−、イソプロピルエステル
・ホスホノフルオリディック酸、メチル−、１−メチルエーテルエステル
・イソプロピルメチルホスホノフルオリダート
・メチルホスホノフルオリディック酸のイソプロピルエステル
・メチルイソプロポスフルオロホスフィン酸
・イソプロピル・メチルフルオロホスホネート
・０−イソプロピル・メチルイソプロポクスフルオロホスフェインオキサイド
・０−イソプロピル・メチルホスホノフルオリデート
・メチルフルオロホスホニック酸、イソプロピルエステル
・イソプロポシメチルホスホニルフッ化物
サリンは、無色、無臭のガスであって、成人に対し、０．５ミリグラムの致死量を持つ。これは青酸ガスの２６倍を超える致死性であり、青酸カリの２０倍を超える致死性である。針先ほどの小滴中の、キログラム体重あたりわずか０．０１ミリグラムで人を殺すことができる。

図２５は、本発明の例示的実施形態による、図１５Ａ−１８に関連して前記に説明したタイプの３次元カラー散布プロット８１４であり、ある範囲の電界電圧Ｖｒｆ及び電界補償電圧Ｖｃｏｍｐに対する物質ＧＡの検知を、異なるイオン強度を異なるカラーで表現しながら図示している。カラー散布プロット８１４は、例えば、ＧＡサンプルを０．１４ｎｇ／ｌ濃度において解離するためのＮｉ６３イオン化源を持つＤＭＳシステム７８６を使って検知した、物質ＧＡのフラグメントを表すブランチ８１６、８１８、８２０、及び８２２を含む。ブランチ８４０は解離前の元のピークを現している。

図２６Ａ−２６Ｈは、それぞれ特定のＶｒｆにおけるイオン強度（ｙ軸）とＶｃｏｍｐ（ｘ軸）との対比２次元グラフ８２４、８２６、８２８、８３０、８３２、８３４、８３６、及び８３８を図示したものである。図１５Ａ−１８に関連して前記したように、２次元グラフ８２４、８２６、８２８、８３０、８３２、８３４、８３６、及び８３８は、図２５の３次元カラー散布プロット８１４に集約されている。前に説明したように、カラー散布プロット８１４は、例えば、Ｖｒｆの変化に起因するピークのシフトを取り入れいるという要因、及び３次元カラー散布プロット８１４のカラーの特質によって、特定イオン種のシグネチャのふるまいを、他のイオン種に対して、特に解離後においてより明瞭にするという要因によって、物質ＧＡ又はＧＢのような特定の種の分析プロセスを向上させる。

図１５Ａ、１６Ａ、及び１７に関連して前記したように、図２５の散布プロットに、図示したカラーの変化に替えて、色彩度、グレースケール変化、黒白変化及び／又はピーク輪郭を用いることができる。

本明細書に記載する解離技法は、ＤＭＳシステムに限定されるものでなく、イオン移動度分光分析（ＩＭＳ）、飛行時間型（ＴＯＦ）ＩＭＳ、ガスクロマトグラフ（ＧＣ）、フーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）分光法、質量分析（ＭＳ）、液体クロマトグラフ質量分析（ＬＣＭＳ）、表面音波（ＳＡＷ）センサ、及び類似の技法のような他の移動度ベースの検知システムを用いることができる。

イオン種の検知、識別及び広く分析を改善する別の技法においては、本明細書に記載したいずれかのような移動度ベースの検知システムを、大気より低い気圧で作動させる。大気より低い気圧での作動によって、イオン強度検知ピーク間の分離は大きくなり、ピークの幅は狭くなる。このことにより分解能の向上が得られ、システムの判別能及び感度の向上がもたらされる。例えば、ＤＭＳシステムをさまざまな圧力条件で作動させることによって、圧力に対するイオン種の反応の変化を測定し、イオン種を識別するために別の特性として使うことができる。さまざまな例示的実施形態によって、本発明は、約．２と約．９気圧との間、約．３気圧より低い、約．４気圧より低い、約５．気圧より低い、約．６気圧より低い、約．７気圧より低い、又は約．８気圧より低い圧力でイオン・スキャンを実施する。

図２７Ａは、本発明の例示的実施形態による、ＤＭＳシステムの正イオン・モードで検知した複数の圧力に対するバックグラウンド（ＲＩＰ）イオン強度と電界補償電圧との対比グラフ８４０である。グラフ８４０は、ＤＭＳシステム内の圧力を調整する際、電界電圧を調整して、イオン強度ピークを同じ補償電圧位置の維持することができることを示している。さらに具体的には、グラフ８４０によれば、圧力が低下するに応じ、電界電圧が低下して種に対するイオン強度ピークを同じ補償電圧に維持する。さらに、より低い圧力における圧力変化に対して一定の補償電圧を維持するためには、電界電圧のより大きな変化が必要となっている。例えば、圧力を７６０ｍｍＨＧから６５５ｍｍＨｇに約１００ｍＨｇ低下させた時は、電界電圧の低減は、約１０５０Ｖピーク値から約１０１０Ｖピーク値へのおおよそ４０Ｖピーク値である。大体同じ幅の６６５ｍｍＨｇから５５６ｍｍＨｇへの圧力低下に対して、Ｖｒｆの低減は約１１００Ｖピークから約９２０Ｖピークへのおおよそ９０Ｖピークである。このように、６００ｍｍＨｇ値域における圧力の変化に対する電界電圧の低減はおおよそ２倍であり、このことは、低い圧力において分解能が向上することを示している。

図２７Ｂは、本発明の例示的実施形態による、ＤＭＳシステムの負イオン・モードで検知した複数の圧力に対するバックグラウンド（ＲＩＰ）イオン強度と電界補償電圧との対比グラフ８４２である。正モード・グラフ８４０と同様に、グラフ８４２は、負検知モードにおいて、ＤＭＳシステム内の圧力を調整する際、電界電圧を調整して、イオン強度ピークを同じ補償電圧位置に維持することができることを示している。

グラフ８４０とグラフ８４２とを比べて分かるように、同じ圧力及び電界電圧において、グラフ８４０の正モードイオン強度ピークとグラフ８４２の負モードイオン強度ピークとの間で、イオン強度ピークにオフセットがある。このオフセットにより、イオン種に対する、正モードと負モード検知との間におけるアルファ・パラメータの差異を表すことができる。アルファ・パラメータについては後記でさらに詳細を説明する。グラフ８４０及び８４２におけるＤＭＳの流速は、おおよそ３００ｃｃ／分である。

図２８Ａ及び２８Ｂは、本発明の例示的実施形態により、それぞれ、圧力の低下により生じた、正及び負バックグラウンド・スペクトルそれぞれに対する計量的影響を示すイオン強度（ｙ軸）と圧力（ｘ軸）との対比グラフ８４４及び８４６を図示したものである。さらに具体的には、グラフ８４４は、圧力が約０．３気圧（ａｔｍ）低下すると電界電圧は約５０％低減されることを示している。また、グラフ８４６も、約０．３気圧（ａｔｍ）の圧力低下に対し、同様に約５０％の電界電圧低減を示している。

図２９Ａ及び２９Ｂは、それぞれ、複数の圧力に対するイオン強度（ｙ軸）と電界補償電圧（ｘ軸）との対比グラフ８４８及び８５０を図示したものであって、いろいろな圧力の、負及び正のター−ブチルメルカプタン又はター−ブチルリチオル（ＴＢＭ）のスペクトルへの影響をそれぞれ示している。グラフ８４８及び８５０が、特定の電界補償電圧に対し、圧力が低下するにつれ電界電圧は低減していることを示しており、一方、グラフ８４８及び８５０は、ＴＢＭスペクトルに対するイオン強度位置が、グラフ８４０及び８４２のバックグラウンド（ＲＩＰ）スペクトルに対するイオン強度ピークのシフトとは反対の方向にシフトしていることをも示している。さらに、グラフ８４８及び８５０中のＴＢＭスペクトルに対するイオン強度ピークの変化のレベルは、グラフ８４０及び８４２中のバックグラウンド・スペクトルに対するイオン強度ピーク変化のレベルより小さい。

図３０Ａ及び３０Ｂは、イオン強度（ｙ軸）と圧力（ｘ軸）との対比を示すグラフ８５２及び８５４を図示したものであり、それぞれ、圧力変化が負及び正のＴＢＭイオンピーク・パラメータに及ぼす影響を示す。さらに具体的には、グラフ８５２は、負イオン・スペクトルに対して、圧力が変化しても、イオン強度ピークは比較的一定にとどまることを示している。グラフ８５４は、正イオンスペクトルに対して、イオン強度ピークは比較的一定にとどまるが、低圧力域でわずかな低下があることを示している。圧力の変化は、バックグラウンド（ＲＩＰ）と検体のスペクトルに違った影響を及ぼすので、ＤＭＳシステムの能力を向上させるようなやり方で、圧力を操作し、調整し、又は他の方法で制御して、バックグラウンド・スペクトルの干渉の悪影響を最小にしながら、より高い分解能でイオン種を検知し、識別することができる。

一部の実施形態において、電界強度とガス密度Ｎ又は圧力Ｐとの比率、ここでこの比率をＥ／Ｎ又はＥ／Ｐと表すものとし、これを一定に維持することによって、均一な検知結果を維持することが望ましいことがある。これにより、ＤＭＳシステム内のガス動作圧力が低下した場合、これに応じて電界電圧を低下させ一定のＥ／Ｎ又はＥ／Ｐを維持する。この電界電圧の低減は、電力消費の減少につながり、これが、小型、軽量、及び低コストの検知システムをもたらす。

図３１は、低減された圧力が、ＤＭＭＰ、ＤＩＭＰ、及びＭＳのような化学兵器の検体ピークに及ぼす影響を示したグラフ８５６である。最上部のグラフ８５７は、大気圧でのイオン強度測定結果を示し、その下部の２つのグラフ８５９及び８６１は、それぞれ、０．６５及び０．５ａｔｍにおける結果を示している。最上部のスペクトルは、電界電圧Ｖｒｆ＝約１０００Ｖピーク、１ａｔｍの下で、約１０Ｖｄｃの電界補償電圧の値域において、ＤＩＭＰのモノマー及び二量体のクラスターのオーバーラップ８５８を示している。しかし、０．６５ａｔｍ、Ｖｒｆ＝約８００Ｖピークの下では、モノマー・ピーク８６０はＶｃｏｍｐ＝約−３Ｖｄｃ、クラスター・ピーク８６２はＶｃｏｍｐ＝約＋１ボルトと、モノマー・ピーク８６０とクラスター・ピーク８６２とは分離されている。０．５ａｔｍ、Ｖｒｆ＝約８００Ｖピークの下では、ＤＩＭＰモノマー・ピーク８６４及びＤＩＭクラスター・ピーク８６６はそれぞれ細幅となり、ピーク８６４と８６６とは、それぞれ、Ｖｃｏｍｐ＝約−２．５Ｖｄｃと約＋１Ｖｄｃとにある。０．５ａｔｍにおいて細くなったピーク８６４及び８６６は、ＤＭＳシステムにより高い分解能をもたらす。

図３２Ａ−３２Ｄは、それぞれ、イオン強度（ｙ軸）とＶｃｏｍｐ（ｘ軸）との対比を示すグラフ８６８、８７０、８７２，及び８７４を表す。グラフ８６８、８７０、８７２，及び８７４は、本発明の例示的実施形態による、低減された圧力での物質ＧＦに対する改善された検知分解能を示している。グラフ８６８及び８７０は、それぞれ、１ａｔｍの下で１５００及び１０００ＶピークのＶｒｆにおける物質ＧＦのイオン強度スペクトルを示す。グラフ８７２及び８７４は、それぞれ、０．５ａｔｍの下で１０００及び７５０ＶピークのＶｒｆにおける物質ＧＦのイオン強度スペクトルを示す。グラフ８７０では、Ｖｒｆ＝約１０００Ｖピークにおいて、ピーク８７６の箇所でモノマーと二量体のピークがオーバーラップしている。しかしながら、グラフ８６８では、Ｖｒｆ＝約１５００Ｖピークにおいて、モノマー・ピーク８７８と二量体ピーク８８０とは分離している。このように、電界電圧（Ｖｒｆ）を上昇させることによって、ＤＭＳシステムの分解能を向上することができる。

グラフ８７２において、Ｖｒｆを約１０００Ｖピークとして、ＤＭＳシステムの圧力は約０．５ａｔｍに低減されている。グラフ８７２には、一切の二量体から明瞭に分離されたモノマー・ピーク８８２が示されている、というのも、クラスター又は二量体ＲＩＰピークはグラフ８７２の枠外となるからである。グラフ８７４において、システム圧力約０．５ａｔｍの下で、電界電圧は約７５０Ｖピークに低減されている。グラフ８７４は、二量体ピーク８８６及びＲＩＰピーク８８８から明瞭に分離されたＧＦモノマー・ピーク８８４を示している。このように、低減された圧力、低減された電界電圧、従って低減された電力を用いたＤＭＳシステムを使い、グラフ８７４に例示したシグネチャ・ピークによってＧＦを検知し、識別することができる。

前記のように、３次元カラー散布プロットを使い、ユーザ又はパターン認識プログラムが、カラー・パターンを既知の化合物についての類似のカラー・パターンのライブラリと照合できるようにして、ＤＭＳシステムが対象のイオン種を検知し、識別する能力を大幅に高めることができる。

図３３は、約０．６５ａｔｍの下で、ある範囲の電界強度、ガス密度（Ｅ／Ｎ）及び電界補償電圧Ｖｃｏｍｐに対して、０．００５ｍｇ／ｍ^３の正イオンの強度を描いた３次元カラー散布プロット８９０である。図に示されるように、ガス密度はｘ軸にプロットされ、Ｖｃｏｍｐはｙ軸にプロットされ、密度の変化は色の変化で表されている。プロット８９０は、顕著なブランチ３９２、８９４、及び８９６を含む。

図３４は、約０．５ａｔｍの低減された圧力の下で採取されたことを除き、図３３と同様な情報をプロットしている。プロット８９８に示されるように、プロット８９０に比して低減された圧力により、さらに大幅に顕著になったブランチ９００、９０２、及び９０４がもたらされ、しかして、より向上した分解能が得られる。

図３５は、フラグメント・サンプルに対して約０．５ａｔｍで作動するＤＭＳシステムによる、相対湿度（ＲＨ）＝約８７％における、約０．８５ｍｇ／ｍ^３の物質ＧＢのＲＩＰに対する正（９０６）及び負（９０８）モード３次元カラー散布プロットを表すグラフである。負モード・プロット９０８は、単一の強いＲＩＰのブランチ９０９だけを示しているが、正モード・プロット９０６は、太いバックグラウンドＲＩＰブランチ９０５の右側に２本の強いトレースの検体ピーク９０１及び９０３を示している。このように、サンプルの正及び負イオン種の双方に対する３次元グラフをプロットすることにより、正又は負モード測定どちらかだけの３次元プロットよりもさらに充実したイオン種の識別が得られる。

前記で説明したように、３次元カラー散布プロット９０６及び９０８は、ブランチ、すなわちピークプロット又はトレース中の不連続点をも示すことができ、これも種の識別に有用である。例えば、プロット９０６はトレース、すなわちブランチ９０１中に切れ目を含んでおり、これを、今後の対比のため保存するシグネチャの一部に含めることができる。

図１５Ａ、１６Ａ、１７及び２５に関連して前に記載したように、図３３及び３５の散布プロットは、表示されているカラーの変化に換えて、色彩度、グレースケール変化、黒白変化、及び／又はピーク輪郭を用いることができる。

別の形態によれば、前記分析識別アプローチを、装置の種類にかかわりなく実施することができる。図３６Ａ及び３６Ｂは、アセトン、ブタノン、ペンタノン、ヘキサノン、ヘプタノン、オクタノン、ノナノン、デカノンを含むケトン類の同属群に対する実験検知データを示す。図３７及び３８は、それぞれ、前記したケトン種に対するモノマーとクラスターとを示す表である。図３６Ａ及び３６Ｂに示すように、各々の種は、所定の電界条件セットに対して、固有の移動度カーブを持ち、しかして固有の移動度シグネチャを持っている。前記のように、複数のやり方のどれによっても、移動度シグネチャを取得し、精度向上することができる。しかしながら、識別プロセスを、装置に左右されないようにすることによって、さらに向上することができる。装置に左右されないようにすることで、任意の装置で使えるシグネチャ・データを生成することができる。一つの例示的実施形態によれば、本発明は、各々の種に関連する基本的移動度係数から導かれた関数のパラメータを算定することによって、これを達成する。

従って、例えば、図３６Ａ、３６Ｂ、３７及び４８に表されている複数データの各々を使い、これらの種を識別している固有の内在的移動度特性によって、検知された種の確実な識別を得ることができる。一つの形態によれば、対象となる装置に特有の参照ライブラリと対比することができるが、しかしまた、装置に依存しない共通的なデータセットと対比することもできる。このように、通常、存在度と補償電圧との対比カーブの個別のプロットだけを対比するのは望まれず、それよりも、検知されたイオン各々に対してのカーブ、勾配、符号、及びさまざまな内容を、参照データのライブラリと対比しできるように、各特定の補償電圧に対して観測されたピーク位置のプロットが生成される。

さらに具体的には、移動度シグネチャ計算の中で、私たちは電界の関数として表されるイオン移動度の電界依存性の表現式、いわゆるα係数を使って、対象種に内在する固有のα関数を生成し、これが装置に左右されないことを発見した。このように、α関数を、種に固有のシグネチャとして使うことができ、この関数を、イオン種に対する特徴的シグネチャ、及び装置に依存しない関数の双方として表すことができる。簡潔にいえば、一つの形態により、スペクトル・ピークは、相異なるアルファ・シグネチャを持ち、シグネチャの様態によってその位置を変化させることを、本発明は認知する。

一つの例示的実施形態において、本発明は、検知された種に対して、α関数を移動度シグネチャとして用いる。使用されている電界条件に基づいて、検知された未知の化合物に対するシグネチャが算定され、次にこれを用いて、既知の化合物に関して保存された既知のシグネチャ・データのルックアップ表に従って識別する。さらに具体的には、本発明の好適な実践において、さまざまな電界条件の下での種の移動度依存性に基づいてイオン種を識別する。試験されるサンプルに対して少なくとも２つの電界条件におけるデータを採取し、データを処理し、試験サンプルに対するα関数として計算された検知データを、保存データと対比することによりサンプル中の化合物を識別することができる。

α関数の論議を再度参照すると、図３は、αが０より大、０に等しい及び０より小の種に対して示された電界依存性の移動度（高電界側での移動性係数αとして表されている）を持つ３つのイオン例に対する、移動度と電界強度との対比プロットである。電界条件の任意の所定セットに対して、電界強度及び補償をα値と関連付けることができる。このことは、Ｂｕｒｙａｋｏｖほかの論文、Ａ Ｎｅｗ Ｍｅｔｈｏｄ Ｏｆ Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ Ｏｆ Ｍｕｌｔｉ−Ａｔｏｍｉｃ Ｉｏｎｓ Ｂｙ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ａｔ Ａｔｏｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｕｓｉｎｇ Ａ Ｈｉｇｈ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｓｔｒｏｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｆｉｅｌｄ、Ｉｎｔｌ Ｊ．ＭａｓｓＳｐｅｃ ａｎｄ Ｉｏｎ Ｐｒｏｃ．（１９９３）、１４５頁に示されている。

私たちは、特定の電界強度におけるαパラメータを知るだけでは、誤った「存在肯定」が防止されないことを観測した。このことは、図４中の２つのプロットの交差部分、参照数字１００で示された箇所で生じることがある。この位置におけるそれぞれのイオン種に対するαパラメータについての知見だけでは、それ以上の情報がなければ、双方の化合物に対する固有の移動度シグネチャは得られない。しかして、それ以上何もしなければ、この交差部分での、どんな数の読み取り値も、検知エラーにつながる可能性が高い。

しかしながら、また、私たちは、イオンのα移動度特性を電界の関数すなわちα（Ｅ）としても表すことができ、イオン種に対する、装置依存性のない固有の移動度シグネチャを定義できることを発見した。このα（Ｅ）すなわち「α関数」は、イオンの大きさ、実効断面、形状、及び質量を電界条件と関連付ける。印加電界が増大するにつれ、増大した電界は、イオンの化学結合を変位させ、引き伸ばし及び／又は分断する性向があり、電界が強いほど、誘発されたイオンの双極子、四極子、又はそれより高次のモーメントが増加する。これらが今度は特定のイオンの相対的移動度に影響を与える。これらの様相に関連する結果から対象イオン種に対する固有の移動度シグネチャが規定される。また、これに装置依存性がないことも判明している。

α（Ｅ）関数の電界条件に対する関係は次式で示される。

ここで、Ｖｃｏｍｐ（ピークの位置）；Ｅｓ−電界強度；ｆ（ｔ）−波形パラメータ（波形など）。

このように、各々のスペクトル検知に対して、電界条件の関数としてα、すなわちα（Ｅ）を計算することができる。具体的には、平面電界非対称波形移動度分光計における非対称波形、Ｅ_ｍａｘ（ｔ）＝Ｅ_ｍａｘｆ（ｔ）は、次の条件を満たすように設定される。

ここで、ｆ（ｔ）は、波形を表現する正規化関数であり、Ｅ_ｍａｘは波形の最大振幅である。波形は、その平均がゼロ（式３ａ）となり、１周期の間に電界の極性が正及び負の双方を取るように設定される。補償電界Ｃを波形Ｅ_ｓ（ｔ）に加えることにより４式を得る。

非対称波形の周期における平均イオン速度は次式のように書ける。

平均速度ゼロ、ｖ＝０のイオンだけが、中性化されずにギャップを通過することになる。イオンがギャップを通過できるために必要な補償電界に対する式は、式６に示すように、式２、３、及び４を式５に代入して得ることができる。

この補償電界の値は、イオン種に対するアルファ・パラメータ、波形ｆ（ｔ）、及び非対称波形Ｅ_ｍａｘの振幅が分かれば正確に予測することができる。

このように、移動度スキャンの電界依存性の実験測定からα（Ｅ）導き出す手順が分かる。この節において、アルファ・パラメータに関するいくつかのさらなる考察及びこのパラメータを算定する方法を説明する。まず、アルファ・パラメータは関数であって（数値でなく）、イオンについての物理的及び化学的情報はα（Ｅ）カーブの形状に包含されていることを強調しておかなければならない。このカーブを表す方法は主題に付随する。これらの方法において重要な唯一の基準は、移動度について計算された値（すなわち、Ｋ（Ｅ）＝Ｋ｛１＋α（Ｅ）｝）が実験値とできるだけ近似しているべきことである。α（Ｅ）に対する関数を、べき級数としてさえ、又は複雑な形で表すことができる。いずれの場合においても、実験結果のカーブと計算のカーブとがよく一致しているべきである。しかして、本近似法の質は実験結果の精度に制限され、これは例示している。２つのパラメータ、３つのパラメータ、又は５つのパラメータによる非線形関数に基づくモデルの質を見分けるのは困難であった。すべての近似法は、ΔＣ_１の誤差（±９％）以内に位置していた。

本明細書において、α（Ｅ）の関数を表現するための簡明で一定した方法を説明するが、これは異なった条件の下で得られた結果の比較に適していよう。これらの方法は、異なった非対称波形又は異なる設計のＩＭＳドリフトチューブ：線形、円筒型又は平面型ＤＭＳにも用いることができよう。一般に、アルファの近似のレベルを選択する基準は、まず、アルファ・パラメータを抽出した方法に、最少数の実験装置の個別パラメータしか用いていないのを確実にすることである。第二に、結果には最少数の調整可能パラメータしか包含されるべきでなく、近似カーブは、実験誤差の制限以内にあるべきである。次の節において、アルファ・パラメータを抽出するための一般的方法を説明し、その後の節で応用する。

α（Ｅ）の関数は、式７で示されるように、電界強度Ｅ次数の級数の多項式展開として与えられる。

式７を式６に代入して、式８に示されるように、奇多項関数を偶多項関数で除して補償電圧の値が得られる。しかして、偶次数の多項式は、識別符号の後に置かれ実験結果を近似する。

これにより、式９に示すように、予測係数（近似計算された）をアルファ・パラメータの値と対比することが可能になる。

これに換えて、式１０に従って、実験結果の近似を用い、式を反転することによってアルファ・パラメータを計算することができる。

近似ｃ _２ｎ＋１ の実験結果における多項式の項の数は、アルファ係数α _２ｎ の予測数よりも多くするべきであるので、実際上の限界が存在するが、原理的には、式１０の多項式から任意の数（例えば２ｎ）の項が決定され得る。ｎの大きさは実験誤差いかんによるので、実験カーブＣ（Ｅ_ｓ）の近似式の次数を、際限なく増加させることはできない。通常、同一のイオン種に対しＣ_ｉ（Ｅ_ｓｉ）でのＮの実験ポイントが存在し、実験データを、従来の最小二乗法を使った多項式によって近似することができる。最後になるが、級数の項の数は、実験ポイントの数を上回ることはできず、級数の項の数を、当てはめカーブが実験誤差の制限以内に位置するポイントの数を超えて増やすことは不合理である。実際面では、前記の検知データに示したような良好な近似を得るために、２つ又は３つの項で十分である。アルファに対する多項式の次数を見積もるために、測定値の中の誤差を判断しなければならない。これらの実験における誤差（判明している又は推定される誤差）の源泉は以下のようであった。

１．測定及びＲＦ電界振幅のモデリングに関連する誤差（〜５％）、
２．式４の一次近似によるＣ（Ｅ_ｓ）中の誤差（〜３％）、及び
３．補償電圧の測定の中の誤差（〜５−８％）
おおよその誤差は〜１０％程度であり、多項式の２つより上の項による利得はなく、そこでアルファは、測定値が許す限りの良好さの精度レベルで、α（Ｅ／Ｎ）＝１＋α_１（Ｅ／Ｎ）^２＋α_２（Ｅ／Ｎ）^４と表すことができる。

標準の最小二乗法（回帰分析）を使って、実験での調査結果を近似し又はモデル化した。Ｃ _ｉ （Ｅ _ｓｉ ）でのＮの実験ポイント及びＣ＝ｃ _３ Ｓ^３＋ｃ _５ Ｓ^５に対し、関数ｙ＝ｃ_３＋ｃ_５ｘが定義され、ここで、ｙ＝Ｃ／Ｓ^３；ｘ＝Ｓ^２、ｃ_５及びｃ_３は、それぞれ式１１及び１２により与えられる。

式１３及び１４に従い、実験値ｃ_３、ｃ_５を代入することによって、α_２及びα_４の値を求めることができる。

α_２ｎを計算するために、Ｃ（Ｅｓ）及び関数ｆ（ｔ）（これは非対称波形を表現している正規化関数である）に対する実験カーブの近似式についての知識が必要となる。

例えば、図３７及び３８の表に収集されたデータに基づいた図３６Ａ、３６Ｂ、３７、及び３８の８つのケトン類の各々に対し９つのデータ・ポイントが識別された。これらを使って、αカーブへの区分的な線形近似を使うなどして、その種に対するαカーブを計算することができる。例えば、ブタノンに対する２つのデータポイントとして、ａ（Ｖｃｏｍｐ−ａ，Ｖｒｆ−ａ）及びｂ（Ｖｃｏｍｐ−ｂ，Ｖｒｆ−ｂ）がある。これらの２点の間で、ブタノン・カーブの勾配及び符号を計算することができる。また、多項式カーブ当てはめのような、さらに完備したカーブの特性判断も可能である。

こうして、このデータセットは、２つのデータポイントが収集され対応するカーブが計算された未知の検知イオン種に対する、種の識別に使用するための保存データの一部となる。簡潔にいえば、本発明の例示的実践において、所与のイオン・サンプルについて密接に関連する少なくとも２つのポイント（ピーク）に対するデータを収集し、それによりカーブ・データを生成する。検知され計算されたデータを得たならば、それがアルファ・カーブを近似していると予測し、保存されたデータと照合する。適合するものを見つけたならば、そこで確実にサンプルを識別することができる。

図３９Ａ及び３９Ｂにおいて（それぞれモノマー及びクラスター）、私たちは、図３７及び３８の表に収集したデータに基づいて、ケトンイオン（アセトン、ブタノン、ペンタノン、ヘキサノン、ヘプタノン、オクタノン、ノナノン、デカノン）に対する固有のαカーブを計算し、これら多様な収集データについて、αのパーセント変化を電界強度簿変化と対比してプロットした。これらの電界強度と対比したαのパーセント変化プロットは、これらイオンの各々に対する独特のシグネチャを表している。これは、後での対比のため私たちのデータ保管庫にロードされる。シグネチャ・データは、ＲＦ電界強度及びピークが検知された補償電圧を含む。また、私たちは、これを、各々の種が検知されたピーク位置及び電界条件に関連のある既知のα関数に対する識別用データに関連付けする。

このように、図３９Ａ及び３９Ｂは、電界０から８０Ｔｄ（〜２３ｋＶ／ｃｍ）の範囲にわたり、電界の関数としてアルファのパーセント変化を示した、個別のケトンに対するα関数を表している。これらのプロットは、ドリフトチューブに左右されない、これらのイオン種の基本的シグネチャ特質であって、他の携帯型分光計でも用いることができる。このように、本発明の実践においてα関数をうまく使って、装置に左右されない携帯用の識別データセットを提供することができる。

これらの結果は、驚くべきものであり、同一の官能基を持つ化学材料について、単一タイプのプロトン化モノマーが、移動度係数の電界への依存性に関して広範囲のふるまいを示すことを実証するものである。共通な「部分」についてのこのふるまいの違いは、電界の影響が分子構造の他の側面に関連しているに違いないことを示唆している。一つの考えられる解釈は、イオンが高電界において熱せられ、プロトン化モノマーへの影響が著しいに違いないことである。（Ｈ_３Ｏ）^＋Ｍ（Ｈ_２Ｏ）_ｎ又はおそらく（Ｈ_３Ｏ）^＋Ｍ（Ｈ_２Ｏ）_ｎ（Ｎ _２ ） _２ の構造を持つこれらイオンは、高電界に起因するわずかなイオン温度上昇によって解離する傾向があるはずである。しかして、高電界においては、イオン断面及び移動度はクラスタ分離した小さなイオンを伴うことになろう。

再度、図３９Ａを参照すると、高電界におけるアセトンのプロトン化モノマーに対するα（Ｅ）は、ほぼ２０％増加していることに注目すべきである。分子重量が増加するほど、加熱のα（Ｅ）関数への影響及び反映は小さくなる。プロトン結合二量体（クラスター）に対するα（Ｅ）関数は、高電界条件下の移動度低下と一致している。結果として、それらのα（Ｅ）関数は、プロトン化モノマーのものとは違っている。実際に、デカノンのプロトン結合二量体は、高電界において約５％の移動度低下を示している。高電界における移動度の減少の原因に関する既存のモデルはないが、イオンと支持ガスとの間の衝突サイズの増大又は反応の強さの増大に起因していると考えられる。

さらに、図４のシクロヘキサン及びＤＭＭＰについて同様なことを行ったとすれば、それに従って計算されたアルファ・カーブは異なったものとなろう。かくのごとく、本発明は、対象となる各検知種に関連する少なくとも第二の検知データセットを有する限りにおいて、たとえイオン種の移動度カーブがオーバーラップしていても、それらを判別することができる。従って、本発明は、識別の精度に対して高水準の保証を実現する。

しかして、私たちは、非対称電界イオン移動度分光分析から、高電界におけるイオン移動度の基本依存性を得られることを示した。依存性の関数は、不完全な波形を処理する既存の方法を使って実験から導き出すことができる。これらの発見は、ケトンの同属列の内部整合性を示し、また、今までに報告されていない質量依存性を示している。

次に、図４０Ａ−４０Ｆに注意を向けると、本発明の実施形態のいくつかにおいて、種の識別を行うために実行できる具体的なステップのシーケンスが記載されている。これらのステップは、例示目的のものであり限定はされない。この例示において、ステップのシーケンスを、図５のイオン移動度分光分析計装置１０のマイクロプロセッサ４６に実行させることができる。マイクロプロセッサ４６は、ＲＦ分散電圧（Ｖｒｆ）発生器４２及び補償電圧（Ｖｃｏｍｐ）発生器４４にデジタル制御信号を送信して、フィルタ２４に対する動作電圧を制御する。また、電圧発生器４２及び４４に、例えば、図５には具体的に示していないが、デジタル−アナログ・コンバータを含めることができる。

マイクロプロセッサ４６は、検知器２６からの、アナログデジタル・コンバータ４８を通して読み取った反応を観測する機能をも取り入れながら、特定のＲＶ分散電圧Ｖｒｆ及び補償電圧Ｖｃｏｍｐの印加を調整する。マイクロプロセッサ４６は、こうして、ある範囲のＶｒｆ電圧を通して観測された特定のイオン種の存在度特性（ピークのような）を検知することによって、特定の化合物を識別するステップを実施することができる。これらステップには、例えば、特定の「反応カーブ」データを、メモリ４７に保存された反応カーブ・データと対比又は関連付けるステップを含めることができる。また、これらに、αカーブ・パラメータの計算を含めることができる。対比作業の結果を、ディスプレイ又はパソコン又は同様装置のような適切なアウトプット装置のフォームで提供することができ、あるいは、インタフェースを通して電気信号により他のデータ処理装置に送信することができる。

図４０Ａにさらに具体的に示すように、化合物を分析することになる「ステート」１０００をマイクロプロセッサ４６に入力する。ここでは、ユーザが、コンピュータに識別のためのテキスト文字列を入力するなどして、化合物は判明し、識別されている。そこで、既知の化学材料化合物に関するデータを取得するためのステップのシーケンスが実行される。このステート１０００から、プロセッサ４６が分散電圧Ｖｒｆ及び補償電圧Ｖｃｏｍｐの範囲を決定する、次のステート１００２が入力される。これらの範囲には、各々の範囲において印加する開始電圧（ｂ）及び終了電圧（ｓ）及び段差電圧（ｓ）が含まれており、そこで、Ｖｒｆは、初期値Ｖｒｆ（ｂ）から最終値Ｖｒｆ（ｅ）まで、段差量Ｖｒｆ（ｓ）で変化する。同様に、Ｖｃｏｍｐは、Ｖｃｏｍｐ（ｂ）から、最終値Ｖｃｏｍｐ（ｅ）まで段差量Ｖｃｏｍｐ（ｓ）で変化することになる。

そこで、電圧範囲は次のステップで印加される。具体的には、Ｖｒｆをある範囲の値を通して段階的に印加するステート１００４が入力される。次に、補償電圧Ｖｃｏｍｐを同様に一連の値又は範囲を通して掃引又は段階的に印加するステート１００８が入力される。ステート１０１０において、各印加電圧に対する反応を値（ａ）として保存する。

最後の補償電圧がまだ試験されていない場合には、処理は、ステート１００８に戻り次の補償電圧が印加される。しかしながら、ステート１０１２において、補償電圧がすべて印加されていた場合には、そこで処理はステート１０１４に進み、分散電圧の印加がすべて完了しているどうかを見るための検定が行われる。

このループはすべての補償及び分散電圧が印加されるまで継続する。そこで得られたデータ・セットは、対象の特質を識別するためステップ１０１８において分析される。説明した具体例では、対象となるのはピーク位置である。所定の印加分散電圧Ｖｒｆに対して観測された反応中のこのようなピーク各々について、個別のＶｃｏｍｐに対する反応値が測定され、それに相当する振幅（ａ）が検知され、保存される。

そこで、反応カーブ・データ、又は、ピーク位置のようなそのデータの特定の属性が、図４０Ｂに示すようなデータ・オブジェクトＰ（又は表）として保存される。このようなオブジェクトは、例として、テキスト文字列のような被試験化合物の識別を包含する。また、印加分散電圧Ｖｒｆのセットも格納される。このような各々の分散電圧Ｖｒｆに対応する補償電圧が格納される。具体的には、少なくとも、ピークが観測された補償電圧Ｖｃｏｍｐ、及び望ましくは、そのピークで観測された対応反応振幅（存在度）が保存される。

前に詳細を説明したように、与えられたＶｒｆに対し、いくつかの「ピーク」が観測される一連の補償電圧が存在することがある。例えば、図１４Ａに関連して説明したように、分析されたサンプルが、モノマー、クラスター・イオン、及び反応物イオンピークを含む特定イオンの化合物で構成されていることがある。しかして、例示として、オブジェクトＰの構造においては、どれか特定の移動度スキャン中には複数のピークがあるだろうこと、及び、反応カーブごとのピークの数はいつも同じ数ではないだろうことを予想した準備がされている。

図４０Ｂの例示的オブジェクトＰの例は、データ・エレメントを含み、単一のＲＦ分散電圧Ｖｒｆ−１に対し補償電圧Ｖｃ１１，…，Ｖｃｍｎにおいてピークを観測することができ、それらは対応する振幅ａ１１，…，ａｍｎを持つ。これを、図１４Ａの最低の印加分散電圧のケースに対応させることができ、ここでは、数多くのピーク６０１−、６０５−１、６０８−１が検知されている。しかしながら、別の分散電圧Ｖｒｆ−ｍでは、Ｖｃｏｍｐ−ｍにおいて単一のピークだけが検知された。これは、図６Ａの最上段のカーブの単一ピーク６０１−ｍが検知されたようなケースに該当するとも考えられる。

例示的な応用において、対象となる複数の既知化合物に対し図４０Ａのステップを実行することによって、オブジェクトＰ（参照ベクトル）のライブラリを作成する。これによって、図４０Ｃに示すように、ようやく測定機器は化学物質認知のためのステート１２００を入力することができるようになる。次に、ステート１２０２−１２１４において一連の測定値が採取される。この一連の測定値は図４０Ａで採取されたものと同様である。具体的には、定められた補償及びＲＦ電圧に対して一連の測定値が採取される。このモードでは、化学物質データ取得モードにおいて採取したような、同一測定すべての完全一式を採取する必要はないことを理解すべきである。具体的には、比較的密度の高いカーブ上のすべてのポイントを採取する必要はなく、各化合物を識別するのに十分な程度でよい。

測定値が採取されたならば、反応ピークのような特質が識別されるステート１２２０が入力され、各ピークについて対応補償電圧及び振幅を識別することができ、これらは候補測定値ベクトルＰ’に保存される。しかして、候補ベクトルＰ’は、いくつかの候補化合物に対比して検定する必要のある一連のデータを表す。そこで、候補ベクトルＰ’は、ステート１２３０及び／又は１２４０において、参照ベクトルのオブジェクトＰのライブラリ中の対応する類似データを探し、ＰとＰ’との整合性を採点することによって分析される。これらのステップを、ステート１２５０において整合又は最善の整合が判定されるまで繰り返すことができる。

ＰとＰ’との整合性の程度を判定するための技法をいくつでも使うことができることを理解すべきである。例えば、Ｐ及びＰ’のエレメント（Ｖｃｏｍｐ、ａ）がユークリッド幾何空間中のデータ・ポイントであると見なせる場合には、距離を計算することができる。そこで、最小のユークリッド距離との対比を、最善の整合として選定することができる。しかしながら、他の認知技法を用いて未知化合物の同一性を判定することができ、例えば、相関のようなさらに高度な信号処理技法を用いて、ピークを解明したり、他の知られたパターン認識アルゴリズム、ニューラル・ネットワーク、又は人工知能技法を用いてＰ’に対する最善の整合を見出すことができる。そこで、ステート１２６０において、ユーザに対し、化合物識別フィールドを参照し、表示することによって、最善の整合を識別する。

図４０Ｄは、データ取得フェーズ及び化学物質認知フェーズに追加して、二次のデータ処理の特徴をうまく利用することができる一連のステップを示す。例えば、データ取得のステートの中に、一連のステート１０２０、１０２２、１０２４及び１０２６を追加して、測定された反応の特定の属性に「カーブ当てはめ」をすることができる。具体的には、オブジェクトＰベクトルの各エレメントにおいてｚはピークの補償電圧ｖｃ１１、ｖｃ１２、…ｖｃ１ｍで構成される、ステート１０２０を入力することができる。

このベクトルは、ある範囲の補償電圧に対して観測されたピークのポイント位置のベクトルである。図１４Ａに注意を戻して、簡潔にいえば、これを、例えば、対象モノマー・イオンのピークの高さ及び位置に応じた６０１−１、…６０１−ｍ、…６０１−ｎの配置と対応させることができる。そこで、ステート１０２４において、カーブ当てはめアルゴリズムを使うなどして、これらのピークを通るカーブを当てはめることができる。図の例において、二次方程式が、ｙ^２＝βｘ^２＋γ形状のピークに当てはまることを想定している。そこで、ステート１０２６において、β及びγ係数をベクトルに関連させて保存することができる。こうして、化学物質を、そのピーク位置へカーブ当てはめ、移動度（α係数）反応を近似することによって識別する。

これがなされた場合、対応するステップ１２７０、１２７２及び１２７４のセットを認知プロセスに追加して、ステート１２７０及び１２７２において生データを対比するのでなく、観測されたデータ値にカーブ当てはめを実施し、そこでγ及びβ係数を算定することによりピークを識別することができる。ステート１２７４において、β及びγ係数が検定され、Ｐオブジェクト・ライブラリ中の最も近い適合対象が判定される。

図４０Ｆは、取得フェーズにおいてピークを識別又は判別するため使うことのできる一連のステップを示す。ここでは、ピークをクラスター・ピーク又はモノマー・ピークとして識別することにより、初期データをオブジェクトＰに追加することができる。具体的には、ある範囲の電界条件電圧（例、図１４Ａ）にわたって、ピーク・シフトが上昇している（すなわち、右側へのシフト）場合、これを、クラスター・ピークとして識別することができる。ピークが特定のシフト基準に当てはまらない場合、それをモノマー・ピークとして識別することができる。このように、ステート１３１０、１３３１、及び１３３２を識別プロセスに追加することができる。これらのステップの結果、オブジェクＰ中の各データ・ポイントに関連する追加パラメータＬが加わり、図４０Ｅに示すように、各ピークは、モノマー・クラスター又は他のピーク・タイプとしてさらに識別される。

これに対して他のアプローチを使ってピークを標識することができる。例えば、サンプルＳを付加しない装置での反応の分析を行うことによっても、反応物イオンピーク（ＲＩＰ）を識別することができる。このモードでは、ＲＩＰだけが生じ、ある範囲の補償電圧にわたってそれらのふるまいを保存することができる。特定の型のピークに関する情報を、そのようなピークが検知されたステート１３２０において、ポインタ・データの中に保存することができる。そこで、この情報を、図４０Ｅに具体的に示すように、オブジェクトＰに加えることができる。

図４０Ｇは、さらなる処理ステップを示しており、これらを化合物認知ステートにおいて実行し、モノマー及びクラスター・イオンの反応が観測される図３６Ａ−３８の状況でうまく利用することができる。具体的には、図４０Ｇのステップを、さらなるステップ１２８０として認知フェーズに追加することができる。ここで、あらゆる候補ピークＰ’に対して、参照群Ｐ中の対応モノマー・ピークが対比される。次にステート１２８４において、スコアは、最も近い整合対象に関連付けられる。同様に、ステート１２８６において、クラスター・ピークをピーク・ライブラリＰ中の対応ピークと対比することができる。そこで、ステップ１２８８において、最も近いこの整合度に従って、スコアｓｃが決定される。ステート１２９０において、評点ファクターｗｍ、ｗｃを評点することによって、最終スコアｓｆをモノマー・ピークスコア及びクラスター・ピーク・スコアの評点に関連付けることができる。例えば、クラスター・ピークがモノマー・ピークよりも多くの情報を提供することが予期される場合において、クラスター・ピークを高く評点し、モノマーピークを相対的に低く、あるいはゼロとして評点することができる。この評点方法を使って、モノマー及びクラスター双方のピーク識別を組み合わせてさらに化合物分析を洗練することができる。

さまざまなな応用において、前記のイオン・ベースのサンプル分析アプローチを、携帯型のような比較的コンパクトな分析装置システムに用いることができる。図４１は、そういったコンパクトＤＭＳ分析装置システム１４００の概念図である。本ＤＭＳシステムを使って、本発明の例示的実施形態によって、例えば、化学兵器（ＣＷＡ）、及び有毒産業化合物（ＴＩＣ）、有毒産業材料（ＴＩＭ）のような化合物を分析することができる。コンパクトＤＭＳ分析装置システム１４００を大気より低い気圧、例えば０．５ａｔｍで作動することによって、前記のようにシステム１４００は、その消費電力とサイズとを低減させながら、既存の最新技術のシステムのおおよそ２倍の分解能を持つ。サンプル解離を行うことによって、前記のようにサンプル分析をさらに向上させることができる。これも前記したように、３次元カラー散布プロットを活用することによってＣＷＡ、ＴＩＣ、及びＴＩＭの分析をさらに向上させることができる。

ＤＭＳ分析装置システム１４００に、電気機械ポンプ、圧縮ガス又は空気、又はソリッドステート・フロー発生器１４０２を用いることができ、システム１４００は、イオン源１４０４、イオン誘引素子１４０６、及びシステム１４００内のサンプル・フロー及び／又は圧力を制御するための強制フロー・チャンネル１４０８を含む。イオン源１４０４は、イオンの源泉を提供し、イオン誘引素子１４０６は、印加されたバイアス電圧に従って正もしくは負イオンを誘引する。イオン源１４０４とイオン誘引素子１４０６との相互作用によって発生したイオン・フローの結果、強制チャンネル１４０８中に生成されたイオン・フローは、流体（例、サンプル流体）フローを生成する。一部の例示的実施形態において、ＤＭＳ分析装置システム１４００を小型化し、イオン分析部ユニット１４１０を、サブストレート１４１２に内蔵されたアプリケーション特有集積回路（ＡＳＩＣ）の中に含めることができる。本発明が採用する型のソリッドステート・フロー発生器の更なる詳細は、同時係属及び共同所有の、２００４年９月１７日出願の米国特許出願第１０／９４３，５２３号に記載されており、この出願の全体内容を参考として本明細書に組み込む。

強制フローチャンネル１４０８は、取入れ口１４１４及び終端出口１４１６を含む。また強制チャンネル１４０８は、サンプル導入口１４１８を含み、イオン分析部１４１０がサンプルを収集して分析できるようにする。前（まえ）濃縮素子１４２０をサンプル導入口１４１８に用いて、サンプルを濃縮し分析精度を向上させることができる。イオン化装置１４２２は、例えば、放射性Ｎｉ^６３ホイル、又は非放射性プラズマイオン化装置、又はイオン化域１４２４内の他の適切なイオン化源を使ってサンプルのイオン化を提供する。プラズマイオン化装置は、イオン化のためサンプルガスに与えられるエネルギーを正確に制御できるようにする利点を持つ。理想的には、イオン化装置１４２２は、酸化窒素類（ＮＯｘ類）及びオゾンを生成することなく、サンプルをイオン化するのに十分なだけのエネルギーを与える。また、システム１４００に解離域を含めることができる。ＮＯｘ類及びオゾンは、ＣＷＡ物質のイオン化と干渉するイオン種を形成することがあるので望ましくない。拡散及び移動度定数は一般に圧力及び温度に依存するので、ＤＭＳ分析装置システム１４００に温度センサ１４２６及び／又は圧力センサ１４２８を含めて、さらに精度のよい分析を行うため、イオン分析部ユニット１４１０内のサンプルガスの温度及び／又は圧力を調整することができる。また、イオン分析部１４１０に湿度センサを含めることができる。また、イオン分析部１４１０は、フィルタ・プレート１４４２及び検知器プレート１４４４を具える分析域１４４０を含む。分子ふるい１４４６を用いて使用済み検体を捕捉することができる。

コントローラ１４４６は、フィルタ及び検知に対する制御を提供し、また、検知結果のアウトプットをも提供する。電源１４４８は、フィルタ・プレート１４４２、ソリッドステート・フロー発生器１４０２、及び他の電力を必要とする一切の部品に電力を提供する。Ｖｃｏｍｐ、Ｖｒｆ、イオン・ヒーター排気、ＤＭＳイオン運動、及び前濃縮素子１４２０ヒーターに対するコントローラ電子回路１４４６をイオン分析部１４１０とともに配置することができる。また、検知器１４４４電子回路、圧力１４２６及び温度１４２８センサ、及びデジタル・プロセッサのための処理アルゴリズムをイオン分析部１４１０内に配置することができる。

大気圧の下では、移動度の非線形性の利点を実現するために、ＤＭＳ分析装置システム１４００は、例として、約２００×１０^−６μｍのギャップにおいて、約１０^６Ｖ／ｍのＲＦ電界、及び約２００ＶピークのＶｒｆを用いる。但し、任意の適切なＲＦ電界パラメータを用いることができる。電源１４４８を、イオン分析部ユニット１４１０から離して配置し、フィルタ・プレート１４４２に対するＲＦ電圧を発生させることができる。大気よりも低い気圧においては前記のようにＲＦ電界を低減して、電力消費及びＤＭＳ分析装置システム１４００のサイズを低減することができる。

また、ＤＭＳ分析装置システム１４００を、パソコン（ＰＣ）又はコントローラ１４４６とインタフェース連結し、信号処理アルゴリズムを活用して、イオン分析部１４１０の出力を検体の検知、識別、及び／又は測定及び濃度レベルに変換することができる。また、コントローラ１４４６又は連結されたＰＣにより、ＤＭＳ分析装置システム１４００に対する制御及びパワー管理を促進することができる。ＤＭＳ分析装置システム１４００に対する支持電子装置を、例えばＡＳＩＣ、デスクリート印刷回路基板（ＰＣＢ）、又はシステムオンチップ（ＳＯＣ）に実装することができる。

作動において、ソリッドステート・フロー発生器又は電気化学移送ポンプ１４０２は、導入口１４１４からサンプルをＤＭＳ分析装置システム１４００内に引き入れ、内蔵ヒーターを具えたＣＷＡ選択性化学膜濃縮素子１４２０を通過させる。また、ＣＷＡ選択性化学膜前濃縮素子１４２０を、分析装置システム１４００の分析域１４４０とサンプル取入れ域１４５０との間の疎水性バリアとして機能させることもできる。前濃縮素子１４２０の隔膜は、例として、ＣＷＡ物質を通過させるが、他の干渉物質の伝送を低減させ、湿気に対するバリアとして機能する。

前濃縮素子１４２０に、選択性隔膜ポリマーを用いて、よくある干渉物質（例、燃えた厚紙）を抑制又は阻止する一方でＣＷＡ物質又はＣＷＡ擬似物質は、隔膜を通過させることができる。多種の選択性隔膜材料が利用可能であるが、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）は、水蒸気を排除しＣＷＡ検体を収集するための好適な隔膜／濃縮素子／フィルタとなり得る。高濃縮レベルにおいては、水蒸気分子が、検体に集まり、検体の移動度を変化させることがある。疎水性のＰＤＭＳのような隔膜材料は、水蒸気を許容可能レベルまで低減する一方、検体原子を吸収し放出する性質がある。また、濃縮された検体をイオン化域１４２４及び分析域１４４０に送るため、前濃縮素子１４２０の薄膜を定期的に加熱することができる。

隔膜／フィルタ／前濃縮素子１４２０を通る検体の拡散を除き、通常、分析域１４４０は外気に対し密閉されている。そこで、内部の分析域１４４０の圧力と分析装置システム１４００外部の大気圧とを等しくするか、又は分析域１４４０の圧力を大気圧より低く維持するためのエレメントを、分析装置システム１４００に用いて、イオン・ピーク分解能を向上させることができる。サンプルガスがイオン化されたならば、イオンは、キャリヤガスによって移送されるのではなく、静的又は進行静電界によって、フィルタプレート１４４２を介して、縦方向矢印１４５２で示された方向に駆動される。フィルタ・プレート１４４２は、横断する無線周波数（ＲＦ）電界電圧及びｄｃ励振補償電界を、分析域１４４０を通って移動するイオンに印加し、サンプル中の種を分離する。

水蒸気が除去されると、干渉物質（例、炭化水素、その他）は、通常、重量比でおおよそ流入エア量の０．１０％を構成する。前濃縮素子１４２０の収集効率にもよるが、分子ふるい１４４６を、飽和するまでに、約６、９、１２又はそれ以上の月数のほぼ連続又は連続作動に対応するサイズとすることができる。また、分子ふるい１４４６を、エアがイオン・フィルタ電極１４４２とイオン化域１４２４とを行き来し、循環するようなやり方で移動するように構成することができる。

ＤＭＳ分析装置システム１４００を使って、以下に限らないが、神経物質又は糜爛性物質のようなＣＷＡの低濃度（例、１兆分の１（ｐｐｔ））を検知することができる。一つの例示的実施形態において、ＤＭＳ分析装置システム１４００は、ＭＥＭＳ技術の上に構築された高感度、低電力のサンプルガス分析装置１４０４を含むが、ＤＭＳ分析装置システム１４００をさらに小型化し、１兆分の１感度、約０．２５の合計電力消費（すなわち、４秒ごとに１ジュールの測定）及び約２ｃｍ^３以下のサイズを実現する。

小容量の分析域１４４０、及びこれによる低流速要求条件のため、イオン変位を用いた低電力の（例、ｍＷ）ソリッドステート・ガス移送ポンプ１４０２を用いて、エアサンプルをＤＭＳ分析装置システム１４００中に、ＣＷＡ選択性化学膜前濃縮素子１４２０上へと引き入れることができる。本発明によるコンパクト型ＤＭＳ分析装置システムは、ＣＷＡ擬似物質に対して非常に高い感度を示している。例として、本発明によるコンパクト型ＤＭＳ分析装置システムは、１兆分の１（ｐｐｔ）レベルでのメチルサリチレートの検知を示した。ＤＭＳ分析装置システム１４００は、現行の現場配置の検知技術では分離できない干渉物質をＣＷＡ擬似物質から分離する能力を有する。

図４２は、ＤＭＳ分析装置システム１４００によって測定した、水性消火剤の泡（ＡＦＦＦ）からのジメチルメチルホスホネート（ＤＭＭＰ）の分離を示すＤＭＳスペクトルを図示したグラフである。ＡＦＦＦは、従来型のＩＭＳシステムにとって、ＣＷＡ又は他の擬似物質から分離するのが非常に困難なことが判明している干渉物質の一つである。ＤＭＳ又はＩＭＳシステムでのサンプル検知において、ＡＦＦＦのイオン強度ピークは、前記物質とオーバーラップする性向がある。

図４２は、一連のＣＷＡ擬似物質を選択的にＡＦＦＦの１％ヘッドスペースに混ぜたものに対する実験結果を示した複数プロットのグラフである。図４２の最上段のプロット１４６０は、センサが大気圧における、バックグラウンド・エアはあるがサンプルが存在しないＤＭＳ分析装置システム１４００に対するＲＩＰを示す。次の１４６２では、ＡＦＦＦが加えられている。これによってＲＩＰイオン強度ピークの左側（さらに負の補償電圧）へのわずかなシフトが生じただけである。次に、プロット１４６４においては、ＣＷＡ、ＤＭＭＰの擬似物質がスペクトルに取り入れられ、対応するＲＩＰピークイオン強度が低下するとともに、典型的モノマー及び二量体のピークが現れている。プロット１４６８における１％ＡＦＦＦの場合、ＤＭＭＰピークは影響を受けず、ＲＩＰのわずかな左側へのシフトだけが観測される。プロット１４６８及び１４７０において、ＤＭＭＰに対し同じ実験が繰り返され、ＡＦＦＦの影響はごくわずかなものであった。プロット１４７２において、ＭＳが導入されており、負イオンピークのモニターによって、ＡＦＦＦによる干渉の欠如を示す同様なデータが得られている。結論として１％ＡＦＦＦはまったく影響していない。このように、図４２は、ＤＭＳ分析装置システム１４００の、ＣＷＡ擬似物質を干渉物質から分離する能力を例証している。

一つの例示的実施形態において、以下の設計特質を組み合わせることによって、コンパクトな携帯型ＤＭＳ分析装置システム１４００を実現する：（ａ）より向上した感度でサイズの低減されたイオン分析部／フィルタ／検知器１４１０を使用する；（ｂ）ガス移送ポンプ１４０２として、ソリッドステート・フロー発生器又は電気機械ポンプを使用して検体をサンプル抽出し移動させる；（ｃ）内蔵ヒーターを持つ（一部の構成においては、ソリッドステート・フロー発生器又は電気機械ポンプを使って、他の分析装置システム構成要素から前濃縮素子１４２０に熱を搬送することにより供給される）ＣＷＡ選択性化学膜全濃縮素子１４２０を使って、水蒸気を除去し濃縮する；及び／又は（ｄ）電界の推進力を使ってイオン１４５４をイオン分析部１４１０の分析域１４４０を通す。

さまざまな例示的実施形態によって、本発明は種の識別の分解能を、従来型のシステムを超えて向上しながら、サイズ及び電力を低減し、１兆分の１の感度、約０．２５ｍＷを下回る合計ワット損、及び、電源又はディスプレイを除きＲＦ電界発生器を含めシステム全体において約２ｃｍ^３以下のサイズを実現する。一部の実施形態によれば、本発明の分析装置システムは、約１５Ｗ、約１０Ｗ、約５Ｗ、約２．５Ｗ、約１Ｗ、約５００ｍＷ、約１００ｍＷ、約５０ｍＷ、約１０ｍＷ、約５ｍＷ、約２．５ｍＷ、約１ｍＷ、及び／又は約．５ｍＷより小さい合計ワット損を有する。さらなる実施形態によれば、ＲＦ電界発生器とともに、オプションとして、ディスプレイ（例、表示ランプ及び／又は英数字ディスプレイ）及び電源（例、充電式バッテリ）収納部を含めた、本発明による分析装置システムの全体パッケージの外部寸法を、例えば耐衝撃性プラスチック、炭素繊維、又は金属として、約．０１６ｍ^３、約．０１２５ｍ^３、約．０１ｍ^３、約．００５６ｍ^３、約．００５ｍ^３、約．００２ｍ^３、約．００１７５ｍ^３、約．００１５ｍ^３、約．００１２５ｍ^３、約．００１ｍ^３、約７５０ｃｍ^３、約６２５ｃｍ^３、約５００ｃｍ^３、約２５０ｃｍ^３、約１００ｃｍ^３、約５０ｃｍ^３、約２５ｃｍ^３、約１０ｃｍ^３、約５ｃｍ^３、約２．５ｃｍ^３より小さくすることができる。さらなる実施形態によれば、例えば、ＲＦ発生器を含み、オプションとしてディスプレイ、キーパッド、及び電源収納部を含んだ、本発明による分析装置システムの合計パッケージ重量を約５ポンド、３ポンド、１．７５ポンド、１ポンド、又は．５ポンドとすることができる。

表１に、分析ユニットに対して利用可能な、ＤＭＳ分析装置システム１４００の流速（Ｑ）ごとのいろいろな例示的実施形態における、ドリフトチューブ（例、強制チャンネル）の寸法、キャリヤガス基本流速、及びイオン流速の対比を示す。設計１−４は、約０．０３ｌ／ｍから約３．０ｌ／ｍの範囲の異なった桁の流速を提示している。表１は、ＤＭＳ分析装置システム１４００を通る流速が減少するにつれ、フィルタ・プレート寸法及び電力必要量が低減していることを明らかにしている。表１は、サンプルガス、又は縦方向電界誘導のイオン運動のいずれかを使用しているＤＭＳ分析装置システム１４００に適用できる。不要な検体を除去する時間は、望ましくは、ほぼキャリヤがフィルタ域を流れ通る時間より小さい（ｔ比）。また、所定の標的物質について、イオンがイオン分析部１４１０を流れ通る際の側方拡散は、望ましくは、プレート間隔のほぼ半分よりは小さい（ｄｉｆ比）。この基準に基づいて、プレート寸法を約３×１ｍｍ^２以下にすることができ、理想的フロー電力を、約０．１ｍＷより小さくすることができる。このように、設計４においてさえも、検知器にぶつかる検体イオンの数は、百万分の１検知の要求条件を十分に満たす。

（表１．例示的ＤＭＳ分析装置システムの設計仕様及び特性）
サンプル／キャリヤ・ガスに対し、望ましいフロー特性において約０．５％より高い効率で作動する電気機械ポンプ見当たらない。０．５％の効率において、約０．０５ｍＷの理想フロー損失により、実際の電力消費約１０ｍＷの結果となり、前記で説明した本発明の例示的実施形態によるよりも１００倍も大きい。

ＤＭＳシステム１４００は、正及び負双方のイオン強度ピークを同時に検知することができ、さらに検知選択度を向上させる。正及び負のイオンチャンネル情報と、印加電界強度又は電圧の関数としてのスペクトル・ピークのシフトと、これら情報の３次元手法による表示との組み合わせは、化学物質識別に対する新規なメカニズムを提供する。

図４３は、前に説明した本発明の例示的実施形態によって、ある範囲の電界電圧及び電界補償電圧に対する物質ＧＡの正イオンの検知を、異なる強度を異なるカラーで表した３次元散布プロット１７５０である。プロット１７５０は、例えばＤＭＳシステム１４００によった、３次元散布プロットを用いた化合物のより向上した識別（選択度）を図示している。これに対し、図２５は、例えばＤＭＳシステム１４００による、ＧＡの負イオンのある範囲にわたるＲＦ電圧と補償電圧との対比を、異なる強度を異なるカラーで表した３次元散布プロットであり、３次元散布プロットを用いて化合物のより向上した識別（分離度）を図示している。双方の測定とも、０．１４ｎｇ／ｌのＧＡ濃度、Ｎｉ^６３源、５０％ＲＨ，３回スキャンの平均、及び３５０ｃｃ／分のキャリヤガス流量の条件を用いて実施された。図２５の３次元プロット８１４と図５０の１７５０との差異は、正及び負双方のイオンモード検知を実施することにより、イオン種のより向上したシグネチャ識別が得られることを例証している。

特定の例示的実施形態において、図４１及び他のいろいろな図のコンパクト型ＤＭＳシステム１４００は、さらなる詳細が米国特許６，４９５，８２３及び６，５１２，２２４に記載されている機能を採用し、又はシステムに組み込むことができ、これら特許を参考として本明細書に組み込む。

図４４−５３は、本発明の例示的実施形態によって、本明細書に図示し記載した構成要素、再循環システム及び他の構成要素といった、移動度検知分析装置システムのさまざまな構成を使った化学及び／又は生物剤検知システムの概念的ブロック図である。さらに具体的には、図４４は、本発明の例示的実施形態によった、ＣＷＡ及び／又は生物剤検知システム１４７６の概念的ブロック図である。システム１４７６は、移動度検知システム１４７８、分子ふるい１４８０、オプションとして排気口１４８４を具えたポンプ１４８２、オプションの第二分子ふるい１４８６、循環チャンネル１４８８、サンプル取入れ口１４９０、排出口１４９２、隔膜１４９４、及びオリフィス１４９６を用いている。また、システム１４７６に、フィルタされたエア又はガス１４９８を用いて、システム１４７６を通してサンプルを循環又は移送することができる。イオン分析部システム１４７８を、図４８のコンパクト型ＤＭＳ分析装置システム１４００、図５のＤＭＳシステム１０、ＩＭＳ、ＴＯＦ−ＩＭＳ、ＧＣ−ＩＭＳ、ＭＳ又は類似システムとすることができる。システム１４７６は、前に説明した例示的システムと同様に、一つ以上のドーパントを用いて分析を向上することができる。

作動において、システム１４７６は、取入れ口１４９０からサンプルＳを受け入れ、隔膜１４９４を通して循環チャンネル１４９８に送る。必要な場合、隔膜１４９４に、図４８の前濃縮素子１４２０と同じ又は類似の方法で、望ましくない干渉物質をフィルタすることができる。オリフィス１４９６は、固定された、制御された、又は調整可能なやり方で、分析システム１４７８中へのガス及び／又はサンプル流入を調節し、イオン分析部システム１４７８内の圧力を調節又は制御する。こうして、イオン分析部システム１４７８を、大気圧、大気より低い圧力、又は大気より高い圧力の下で作動させることができる。ポンプ１４８２は、独立的に、又はオリフィス１４９６と協調して、イオン分析部１４７８中のフロー及び圧力制御を維持する。このように、一例において、ポンプ１４８２は、サンプル・フローをオリフィス１４９６を通してイオン分析部システム１４７８中に吸引し、選定イオン種の検知及び識別ができるようにする。Ｖｒｆ及びＶｃｏｍｐ、パラメータといった、電界／フロー・チャンネル条件を調整し、一部の構成においては、ポンプ１４８４及び／又はオリフィス１４９６を制御してシステム１４００内の圧力を制御することによって整調可能に特定のイオン種を検知するＤＭＳシステム１４００を、イオン分析部システム１４７８とすることができる。

検知及び識別が実施されたならば、分子ふるい１４８０は、使用済み検体をイオン分析部システム１４７８から捕捉することができる。この場合も同様に、ポンプ１４８４は、電気機械型であれソリッドステート型であれ、オプションとして第二分子ふるい１４８６を通し、循環チャンネル１４８８を通してガスを推進する。そこで、サンプルガスは、隔膜１４９４及び排出口１４９２を通って放出されるか、あるいは、さらなるサンプルＳと混合され、オリフィス１４９６の中に戻され再循環される。

図４５は、本発明の例示的実施形態によった、低圧分析用に構成されたＣＷＡ及び／又は生物剤検知システム１５００の概念的ブロック図である。システム１５００は、隔膜の代わりに追加のサンプル・フロー・チャンネル１５０２が用いられていることを除けば、システム１４７６と同様である。システム１５００には、サンプルＳ取入れ口１５０４、オリフィス１５０６、イオン化域１５０８、デフレクタ・プレート１５１０、誘引プレート１５１２、チャンネル１５０２のポンプ１５１４、第二チャンネル１５１６、イオン分析部システム１５１８、分子ふるい１５２０、ポンプ１５２２、及びオプションとして第二分子ふるい１５２４が含まれる。

作動において、システム１５００は、サンプル取入れ口１５０４を通し、オリフィス１５０６を通してサンプルＳを引き込む。オリフィス１５０６を制御し、固定し、又は調整可能にして、チャンネル１５０２中のサンプルガス・フロー及び／又は圧力を調節することができる。ポンプ１５１４を、オリフィス１５０６と協調させて使い、チャンネル１５０２中のガス・フロー及び／又は圧力を調節することができる。デフレクタ・プレート１５１０は、開口部１５２６を通してイオンを、チャンネル１５１６中に推し進め、押入れ、又は選択的に分離することができ、一方誘引プレート１５１２は、チャンネル１５０２からチャンネル１５１６中にイオンを誘引することができる。開口部１５２６越しの圧力低下を調整して、サンプルイオンだけがチャンネル１５１６に入り、サンプルの中性種の入り込みを阻止するようにすることができる。サンプルイオンをイオン分析部システム１５１８に直接導入することもでき、または、イオンをイオン分析部システム１５１８中で、中性化し次に再イオン化することもできる。イオン分析部システム１５１８を、ＤＭＳシステム、ＩＭＳシステム、又は類似のシステムとすることができる。イオン分析部システム１５１８に、複数のＤＭＳ、ＩＭＳ、又は類似のシステム、又はこのようなシステムの組み合わせを使って、サンプルの検知及び識別を実施することができる。例えば、図２１のシステム７４８又は図２２のシステム７５４を用いて、従来式のＤＭＳ検知と解離とを組み合わせてサンプル分析を向上させることができる。

そこで、チャンネル１５１６のポンプ１５２４は、イオン分析部システム１５１８から、分子ふるい１５２０を通してサンプルＳを吸引し、次にサンプルＳを、オプションとして第二分子ふるい１５２４を通して押し出すことができる。分子ふるい１５２０及び１５２４は、使用済みサンプルＳの検体のほとんどを捕捉することになる。残った一切のサンプルＳは、新しいサンプルＳガスと混合され、チャンネル１５１６を経由してイオン分析部システム１５１８に戻される。排出口１５２８は、チャンネル１５０２からサンプルＳガスを放出する。

図４６は、本発明の例示的実施形態によった、円筒型又は同軸型のＣＷＡ及び／又は生物剤検知システム１５３０の概念的ブロック図である。システム１５３０には、サンプルＳ取入れ口１５３２、制限器（ｃｏｎｓｔｒｉｃｔｏｒ）１５３４、内部チャンネル１５３６、開口部１５３８、クリーン移送ガス取入れ口１５４０、外部チャンネル１５４２、イオン分析部システム１５４４、チャンネル１５４２の排出口１５４６、及びチャンネル１５３６の排出口１５４８が含まれる。

作動において、システム１５３０は制限器又はオリフィス１５３４を通してサンプルＳをチャンネル１５３６中に引き込む。制限器１５３４を調整可能、制御可能に又は固定して、チャンネル１５３６内の圧力を、１ａｔｍより低く、例えば０．５、０．６５、又は０．８５ａｔｍに低減することができる。クリーン移送ガス取入れ口１５４０は、クリーンな移送ガスをチャンネル１５４２内に受入れる。チャンネル１５４２は、１ａｔｍより低い圧力で作動することができる。チャンネル１５３６との圧力差によって、又はチャンネル１５４２内のイオン誘引素子によって、又はチャンネル１５４２中へのガスフローによって、又は類似の技法によって、サンプルＳを、開口部１５３８を通してチャンネル１５４２中に吸引又は誘引することができる。そこで、イオン分析部システム１５４４はサンプルＳのイオン種を検知し識別してから、排出口１５４６を通してサンプルＳを放出する。チャンネル１５３６中のサンプル中性種を、排出口１５４８を通して放出することができる。

図４７は、ポンプ１５５４と協調してシステム１５５０内の圧力を制御するオリフィス１５５２を、システム１５５０の取入れ口に包含するＤＭＳシステム１５５０である。また、本システムは、分子ふるい１５５６、イオン源１５５８、フィルタ１５６０、及び検知器１５６２を含む。作動において、ポンプ１５５４は、オリフィス１５５２を通してサンプルを引き込み、そこで、低減された圧力におけるサンプル検知を可能にするのに十分なパワーを有する。

図４８は、オリフィス１５６６、イオン源１５６８、フィルタ１５７０、検知器１５７２、分子ふるい１５７４、ポンプ１５７６、第二分子ふるい１５７８、隔膜１５８０、取入れ口１５８２、及び、排出口１５８４と１５８６とを含むＤＭＳシステム１５６４である。隔膜１５８０はオリフィス１５６６の上流に配置されており、サンプル・フローは１５８８方向となるので、隔膜１５８０は大気圧において動作し、一方、イオン源１５６８、フィルタ１５７０、及び検知器１５７２は、オリフィス１５６６越しの圧力低下により、大気より低圧で動作する。隔膜１５８０を大気圧で動作させることにより、その耐用寿命を延ばす利点を得ることができる。

図４９は、オリフィス１５９２、イオン源１５９４、フィルタ１５９６、検知器１５９８、分子ふるい１６００、ポンプ１６０２、第二分子ふるい１６０４、隔膜１６０６、取入れ口１６０８、及び、排出口１６１０と１６１２とを含むＤＭＳシステム１５９０である。隔膜１６０６はオリフィス１５９２の下流に配置されており、サンプル・フローは１６１４方向となるので、隔膜１６０６は、オリフィス１５９２越しの圧力低下により、イオン源１５９４、フィルタ１５９６、及び検知器１５９８とともに大気より低圧で動作する。隔膜１６０６を大気より低い圧力中で動作させることによる利点を得ることができる。

図５０は、オリフィス１６１８、イオン源１６２０、フィルタ１６２２、検知器１６２４、分子ふるい１６２６、ポンプ１６２８、第二分子ふるい１６３０、隔膜１６３２、取入れ口１６３４、及び、排出口１６３６と１６３８とを含むＤＭＳシステム１６１６である。隔膜１６３２及びイオン源１６２０は、オリフィス１６１８の上流に配置されており、サンプル・フローは１６４０方向となるので、隔膜１６３２及びイオン源１６２０は大気圧において動作し、一方、オリフィス１６１８越しの圧力低下により、フィルタ１６２２及び検知器１６２４は大気より低圧で動作する。隔膜１６３２及びイオン源１６２０を大気圧力で動作させることによる利点を得ることができる。

図５１は、大気圧で作動する第一チャンネル１６４４及び第二チャンネル１６４６を含むＤＭＳシステム１６４２である。第一チャンネル１６４４は、イオン源１６４８、デフレクタ電極１６５０、ポンプ１６５２、取入れ口１６６６、及び排出口１６６８を含む。第二チャンネル１６４６は、フィルタ１６５４、検知器１６５６、分子ふるい１６５８、ポンプ１６６０、及び分子ふるい１６６２を含む。開口部１６６４は、チャンネル１６４４と１６４６との間の流体の流通を提供する。

作動において、システム１６４２は、取入れ口１６６６からサンプルＳをチャンネル１６４４中に受け入れる。イオン化源１６４８はサンプルＳをイオン化する。サンプルＳのイオン化された部分、例えば正イオンは、正電荷を持つデフレクタ１６５０によって、開口部１６６４を通ってチャンネル１６４６の中へと屈折される。デフレクタ１６５０が負に帯電している場合は、デフレクタ１６５０は、サンプルＳの負イオンを、開口部１６６４を通してチャンネル１６４６の中へと屈折させることができる。サンプルＳの中性種及び屈折されなかったイオンは、そこでポンプ１６５２によって排出口１６６８に吸引されて、システム１６４２の外に放出され、一方、チャンネル１６４６中のイオンは、フィルタ１６５４によってフィルタされ、検知器１６５６によって検知される。ポンプ１６６０は、チャンネル１６４６内に１６７０方向の循環フローを生成し、使用済み検体を回収する分子ふるい１６５８を通してサンプルＳを引き寄せ、次に第二分子ふるい１６６２を通す。

図５２は、隔膜なしで、大気より低い気圧で作動する第一チャンネル１６７４及び第二チャンネル１６７６を含むＤＭＳシステム１６７２である。第一チャンネル１６７４は、イオン源１６７８、デフレクタ電極１６８０、ポンプ１６８２、取入れ口１６８４、排出口１６８６、及びオリフィス１７００を含む。第二チャンネル１６７６は、フィルタ１６８８、検知器１６９０、分子ふるい１６９２、ポンプ１６９４、及び分子ふるい１６９６、及びオリフィス１７０２を含む。開口部１６９８は、チャンネル１６７４と１６７６との間の流体の流通を提供する。

作動において、システム１６７２は、取入れ口１６８４からサンプルＳをオリフィス１７００を通してチャンネル１６７４中に受け入れる。オリフィス１７００はポンプ１６８２によって生成されたガス及び／又はエア・フローによって生じるチャンネル１６７４内の圧力降下を提供する。イオン源１６７８はサンプルＳをイオン化する。サンプルＳのイオン化された部分、例えば正イオンは、正電荷を持つデフレクタ１６８０によって、開口部１６９８を通ってチャンネル１６７６の中へと屈折される。デフレクタ１６８０が負に帯電している場合は、デフレクタ１６８０は、サンプルＳの負イオンを、開口部１６９８を通してチャンネル１６７６の中へと屈折させることができる。サンプルＳの中性種及び屈折されなかったイオンは、そこでポンプ１６８２によって排出口１６８６に吸引されて、システム１６７２の外に放出され、一方、チャンネル１６７６中のイオンは、フィルタ１６８８によってフィルタされ、検知器１６９０によって検知される。ポンプ１６９４は、チャンネル１６７６内に１７０４方向の循環フローを生成し、使用済み検体を回収する分子ふるい１６９２を通してサンプルＳを引き寄せ、次に第二分子ふるい１６９６を通す。

図５３は、第一チャンネル１７０８、第二チャンネル１７１０、及び第二チャンネル１７１０内の第三チャンネル１７１２を含み、第三チャンネル１７１２は隔膜１７１４を用いて大気圧又はそれ以下で動作することのできるＤＭＳシステム１７０６である。第一チャンネル１７０８は、取入れ口１７１６及び排出口１７１８を含む。第二チャンネル１７１０は、イオン化源１７１８、オプションのイオン化源１７２０、デフレクタ電極１７２２、フィルタ１７２４、及び検知器１７２６を含む。第三チャンネル１７１２は、誘引電極１７２８、フィルタ１７３０、及び検知器１７３２を含む。結合循環チャンネル１７３４は、化学フィルタ１７３６、ポンプ１７３８、及びオプションの化学フィルタ１７４０を含む。開口部１７４２は、チャンネル１７１０と１７１２との間の流体の流通を提供する。

作動において、システム１７０６は、取入れ口１７１６からサンプルＳをチャンネル１７０８中に受け入れる。サンプルＳをＧＳカラムから取り入れることができる。隔膜１７１４は、サンプルＳの一部をフィルタし、圧力バリアを提供して、チャンネル１７１０及び１７１２中において大気圧より低い気圧を可能にする。チャンネル１７１０及び１７１２は、結合循環チャンネル１７３４とともに、フィルタされたクリーンなキャリヤガスを循環させる。イオン化源１７１８は、このクリーン・キャリヤガス内のサンプルＳをイオン化する。オプションとして、チャンネル１７１０内に第二イオン化源１７２０を用いて、デフレクタ１７２２及び誘引素子１７２８の、選定イオンをチャンネル１７１０からチャンネル１７１２に転送する能力を向上することができる。例えば、デフレクタ１７２２は正に帯電されている場合、サンプルＳのイオン化された部分、例えば正イオンは、デフレクタ１７２２によって、開口部１７４２を通ってチャンネル１７１２の中に屈折させられる。デフレクタ１７２２が負に帯電されている場合には、デフレクタ１７２２は、サンプルＳの負イオンを、開口部１７２８を通してチャンネル１７１２の中に屈折させることができる。

サンプルＳの中性種及び屈折されなかったイオンは、そこでチャンネル１７１０、フィルタ１７２４及び検知器１７２６を通って、ポンプ１７３８によって吸引される。ポンプ１７３８は、チャンネル１７１０、１７１２、及び１７３４内に１７４４方向の循環フローを生成し、キャリヤガスをチャンネル１７１０及び１７１２から１７３４中に引き入れ、化学フィルタ１７３６を通し、オプションとして、第二化学フィルタ１７４０を通す。化学フィルタ１７３６及び１７４０は、キャリヤガスから望ましくない汚染物質を除去する。また、オプションとして、補給ガスを外部システムからチャンネル１７３４に取り入れることができる。

デフレクタ１７２２及び誘引素子１７２８を制御されたやり方で作動し、イオンをチャンネル１７１０からチャンネル１７１２に転送することができる。チャンネル１７１０において、屈折されなかったイオンは、フィルタ１７２４によってフィルタされ検知器１７２６によって検知され、一方、チャンネル１７１２おいては、屈折及び誘引されたイオンは、フィルタ１７３０及び検知器１７３２によってフィルタされる。そこで、チャンネル１７１０と１７１２とから得られた検知測定値を、相互に対比し、加算し、又は減算して、イオン種の識別を向上することができる。クリーンなキャリヤガス中で実施したサンプルＳの制御されたイオン化と、チャンネル１７１２におけるモノマー又はクラスター分離されたイオンの検知と、チャンネル１７１０におけるクラスター・イオンの検知とは、より充実した化合物及びイオン種の識別を提供する。

本発明を、特定の例示的実施形態に関連させて説明してきたが、本発明の範囲はさらに広く、本発明を、変化する制御励振電界を通って移動する未知のイオン種を、変化する電界条件の下における種の既知の移動ふるまい特性に基いて識別するどのようなシステムにも適用できることをよく理解すべきである。識別するイオンを、単独で移動するイオンとすることも、同一の又は異なる特性の移動ふるまいのイオンの群とすることもできる。対象の種がフローの中央部に戻りフィルタを通り抜けることができ、他のすべての種が阻止又は中性化される限りにおいて、フィルタ電界を任意のさまざまなやり方で補償することができる。既知の電界条件によった電界中を移動する少なくとも一つのイオン種の、既知の移動度電界依存性の差に基づいて識別を行う。

また、さまざまなな実践において、本発明は、イオン種の識別のための改善されたシステム、方法及び装置を提供することをよく理解すべきである。いくつかの形態によって、本発明は、一つ以上のフィルタ電界／フロー・チャンネル条件を変えて種の判別を向上する。例えば、いくつかの例示的実施形態によって、本発明は、例えば、Ｖｒｆ；Ｖｃｏｍｐ；電界強度；Ｖｒｆデューティサイクル；Ｖｒｆ波長；Ｖｒｆ周波数；及び／又はフロー・チャンネル温度、圧力、湿度、流速、ドーピング及び／又はキャリヤガスＣＧ組成の変化に基づいて、イオン移動度の変化を判定する。別の形態によって、本発明は、例えば、一つ以上の追加のＤＭＳ、ＩＭＳ、ＴＯＦＩＭＳ、ＧＣ、ＦＴＩＲ、ＭＳ、又はＬＣＭＳを使い、異なるフロー・チャンネル／フィルタ電界条件において、並列的又は直列的にサンプルＳを循環及び／又はサンプルＳを処理することによって、サンプルＳの多重スキャンを実施する。

さらなる形態によって、本発明は、解離、圧力低減、及び３次元散布プロットのようなアプローチを用いて、検知分解能をより向上する。他の形態によって、本発明は、既知の化合物のシグネチャのライブラリを保存し、未知の化合物のパターンを保存されているライブラリと整合させて未知の化合物を識別する。本発明は、平面ＤＭＳシステムに適用できるばかりでなく、さまざまな幾何構造、イオン化処理法、検知器処理法などを含め、各種の型の移動度分光分析装置に広く適用することができ、新規の用途、ならびに、既存技術のシステムに対してもより向上した結果をもたらすことを理解すべきである。

このように、本発明は例示的実施形態に限定されるものでなく、ラジアル型及び円筒型のＤＭＳ装置を含む、他の任意の適切な構成を実施することができる。さらに、本明細書の精神及び範囲から逸脱することなく、本発明に対するさまざまな変更案及び変形案を作成することができる。

特許及び出願ファイルは、少なくとも一枚の着色された図面を包含する。カラー図面の付いた、本特許又は特許出願刊行物のコピーは、申請して必要料金を支払えば特許局から提供される。

本発明の前記及び他の目的、特色、利点、及び例示的実施形態を、以降、以下の図面を参照して説明することとし、これらの中の同一の参照符号は、各種図面を通して同一部分を参照する。これらの図面は必ずしも一定の縮尺比でなく、それよりも本発明の原理を説明することに重点が置かれている。
図１は、ピークＲＦ、周期及びデューティサイクルを持つ非対称電界を描いたグラフである。 図２Ａは、それぞれ、非対称電界・イオン移動度分光計で検知した、アセトンだけ、及びオルトキシレンとアセトンとの組み合わせに対する、イオン存在度（強度）と印加電界補償電圧との対比を示すグラフである。 図２Ｂは、それぞれ、非対称電界・イオン移動度分光計で検知した、アセトンだけ、及びオルトキシレンとアセトンとの組み合わせに対する、イオン存在度（強度）と印加電界補償電圧との対比を示すグラフである。 図３は、微分型電気移動度分光計（ＤＭＳ）による、３つの異なる化合物に対するイオン移動度と電界強度との対比のグラフである。 図４は、本発明の例示的実施形態による、強度ピーク位置を示し、従来式の技術アプローチの欠点を概念化したＶｒｆとＶｃｏｍｐとの対比グラフである。 図５は、本発明の例示的実施形態によるＤＭＳの概念図である。 図６は、ＤＭＳで測定した、さまざまな量のエチルメルカプタンを含有するサンプルに対する正モード・スペクトルにおけるイオン強度と電界補償電圧との対比グラフである。 図７は、さまざまな量のエチルメルカプタンを含有するサンプルに対する負モードスペクトルにおけるイオン強度と電界補償電圧との対比グラフである。 図８は、六フッ化硫黄（ＳＦ６）を負モードで検知したときのモノマー及び反応物のイオンピーク（ＲＩＰ）の分離を例示したイオン強度と電界補償電圧との対比グラフである。 図９は、六フッ化硫黄（ＳＦ６）を正モードで検知したときのモノマー及び反応物のイオンピーク（ＲＩＰ）の分離を例示したイオン強度と電界補償電圧との対比グラフである。 図１０は、負イオンモードにおけるさまざまなＲＦ電圧レベルでのＤＭＳ反応を例示し、併せＳＦ６が存在しない場合に検知されたＲＩＰを示したイオン強度と電界補償電圧との対比グラフである。 図１１は、ＳＦ６のピークがＲＩＰから分離されていない場合の、正イオンモードにおけるＤＭＳ反応を例示したイオン強度と電界補償電圧との対比グラフである。 図１２は、電界強度の変化に対応したイオンスペクトル・ピークのシフトを観測することにより、検知されたイオン種間の判別を改善する能力を例示したイオン強度（存在度）と電界補償電圧との対比グラフである。 図１３Ａ及び１３Ｂは、電解強さの低減によるイオンスペクトル・ピークのシフトを観測することにより、検知されたイオン種間の判別を改善する能力を例示したイオン強度（存在度）と電界補償電圧との対比グラフである。 図１４Ａ及び１４Ｂは、補償電圧の変化の特定のスペクトルへの影響を示す複数の電界強度におけるイオン強度（存在度）と電界補償電圧との対比グラフであって、電界強度及び補償電圧の変化に伴う、モノマー、クラスター、及び反応物イオンピーク（ＲＩＰ）検知の多岐にわたるふるまいを示している。 図１５Ａは、本発明の例示的実施形態による、ある範囲の電界電圧及び電界補償電圧に対するメチルサリチレートの検知を、異なるイオン強度のカラーを変えて表し、例示した３次元のカラー散布プロットである。図１５Ｂは、単一の電界電圧での、メチルサリチレートに対するイオン強度と電界補償電圧との２次元対比グラフである。 図１６Ａは、本発明の例示的実施形態による、ある範囲の電界電圧及び電界補償電圧に対するＤＭＭＰの検知を、異なるイオン強度のカラーを変えて表し、例示した３次元のカラー散布プロットである。図１６Ｂは、単一の電界電圧での、ＤＭＭＰに対するイオン強度と電界補償電圧との２次元対比グラフである。 図１７は、本発明の例示的実施形態による、ある範囲の電界電圧及び電界補償電圧に対するＤＩＭＰの検知を、異なるイオン強度のカラーを変えて表し、例示した３次元のカラー散布プロットである。 図１８は、単一の電界電圧での、ＤＩＭＰに対するイオン強度と電界補償電圧との２次元対比グラフである。 図１９は、電界条件の個別検知ピークの位置及び検知を分離する能力を例示した、複数の電界電圧におけるイオン強度と電界補償電圧との対比グラフである。 図２０Ａは、本発明の例示的実施形態による、異なった補償電圧における、軽い分子と重い分子との検知ピークの分離を例示したイオン強度と電界補償電圧との対比グラフである。 図２０Ｂは、本発明の例示的実施形態による、サンプルの解離後検知された数の増えたピークを示したイオン強度と電界補償電圧との対比グラフである。 図２１は、本発明の例示的実施形態による、サンプル分析改良のため、解離を用いるＤＭＳシステムを解離を用いないＤＭＳシステムと並列に作動させる概念図である。 図２２は、本発明の例示的実施形態による、サンプル分析改良のため、解離を用いないＤＭＳシステムを解離を用いたＤＭＳシステムと直列に作動させる概念図である。 図２３Ａは、図２２の解離を用いないＤＭＳシステムに対するピーク検知を示したイオン強度と電界補償電圧との対比グラフである。図２３Ｂは、図２２の解離を用いたＤＭＳシステムに対するピーク検知を示したイオン強度と電界補償電圧との対比グラフである。 図２４は、本発明の例示的実施形態による、解離領域を含むＤＭＳシステムの概念的ブロック図である。 図２５は、本発明の例示的実施形態による、物質ＧＡの検知を例示した３次元カラー散布プロットである。 図２６Ａ−２６Ｂは、本発明の例示的実施形態による、特定の電界電圧におけるイオン強度と電界補償電圧との対比の２次元グラフであって、図２５の３次元カラー散布プロットと組み合わ可能なタイプにした２次元グラフである。 図２６Ｃ−２６Ｄは、本発明の例示的実施形態による、特定の電界電圧におけるイオン強度と電界補償電圧との対比の２次元グラフであって、図２５の３次元カラー散布プロットと組み合わ可能なタイプにした２次元グラフである。 図２６Ｅ−２６Ｆは、本発明の例示的実施形態による、特定の電界電圧におけるイオン強度と電界補償電圧との対比の２次元グラフであって、図２５の３次元カラー散布プロットと組み合わ可能なタイプにした２次元グラフである。 図２６Ｇ−２６Ｈは、本発明の例示的実施形態による、特定の電界電圧におけるイオン強度と電界補償電圧との対比の２次元グラフであって、図２５の３次元カラー散布プロットと組み合わ可能なタイプにした２次元グラフである。 図２７Ａ及び２７Ｂは、本発明の例示的実施形態による、複数の圧力におけるイオン強度と電界補償電圧との対比グラフである。 図２８Ａ及び２８Ｂは、本発明の例示的実施形態による、圧力の減少による計量的影響を正及び負のバックグラウンド・スペクトルでそれぞれ示したイオン強度と電界補償電圧との対比グラフである。 図２９Ａ及び２９Ｂは、本発明の例示的実施形態による、圧力の変化による負及び正のター−ブチルカプタン又はター−ブチルリチオル（ＴＢＭ）のスペクトルへの影響をそれぞれ示した、複数の圧力下におけるイオン強度と電界補償電圧との対比グラフである。 図３０Ａ及び３０Ｂは、本発明の例示的実施形態による、圧力の変化による正及び負のＴＢＭイオンのピーク・パラメータへの影響をそれぞれ示した、イオン強度と圧力との対比グラフである。 図３１は、減圧による、ＤＭＭＰ、ＤＩＭＰ、及びＭＳのような化学兵器の検体ピークへの影響を示すグラフである。 図３２Ａ−３２Ｂは、本発明の例示的実施形態による、物質ＧＦに対する、減圧下での検知分解能の向上を示したイオン強度と圧力との対比グラフである。 図３２Ｃ−３２Ｄは、本発明の例示的実施形態による、物質ＧＦに対する、減圧下での検知分解能の向上を示したイオン強度と圧力との対比グラフである。 図３３は、約０．６５ａｔｍで、ある範囲の電界電圧及び電界補償電圧における０．００５ｍｇ／ｍ^３のＤＩＭＰの正イオン検知を、異なる強度を異なるカラーで描いて例示した３次元カラー散布プロットである。 図３４は、約０．５ａｔｍで、ある範囲の電界電圧及び電界補償電圧における０．００５ｍｇ／ｍ^３のＤＩＭＰの正イオン検知を、異なる強度を異なるカラーで描いて例示した３次元カラー散布プロットである。 図３５は、０．５ａｔｍで作動するＤＭＳシステムによって、相対湿度（ＲＨ）＝８７において０．８５ｍｇ／ｍ^３の物質ＧＢのフラグメント・サンプルの正（左側）及び負（右側）の３次元カラー散布プロットを示したグラフである。 図３６Ａ及び３６Ｂは、本発明の例示的実施形態による、ケトン族に対して検知されたモノマー及びクラスターのイオン・ピークの、補償電圧と電界強度との対比プロットを示すグラフである。 図３７は、各々が８つのケトンのモノマーと二量体（クラスター）の群に対する検知データの収集をそれぞれ含む表であって、図３６Ａ及び３６Ｂのグラフ中のカーブを生成するために使われたものである。 図３８は、各々が８つのケトンのモノマーと二量体（クラスター）の群に対する検知データの収集をそれぞれ含む表であって、図３６Ａ及び３６Ｂのグラフ中のカーブを生成するために使われたものである。 図３９Ａ及び３９Ｂは、正規化アルファ・パラメータの曲線の計算結果を図示したガス密度に対する電界強度の比率（Ｅ／Ｎ）と電界補償電圧との対比グラフである。 図４０Ａは、特定の化学イオン種に関するデータを得るために用いるコンピュータ・プロセスのステップの典型的シーケンスの流れ図である。 図４０Ｂは、化合物測定データ情報を格納するライブラリーのデータ構造の図を示す。 図４０Ｃは、化学物質の見分けを行うために応用できる一連のステップの流れ図である。 図４０Ｄは、アルファ・カーブ当てはめを用いる、データ取得及び化学物質の見分けに追加できる一連のステップの流れ図である。 図４０Ｅは、より複雑なデータ構造の図を示す。 図４０Ｆは、モノマーのピーク反応とクラスターのピーク反応とを判別するために使うことのできるプロセスのシーケンスの流れ図である。 図４０Ｇは、モノマーとクラスターの評点の組み合わせを示すプロセス流れ図である。 図４１は、本発明の例示的実施形態による、戦争又はテロリスト状況において、放出される可能性のある化学兵器（ＣＷＡ）、有毒産業化合物（ＴＩＣ）及び有毒産業化学材料（ＴＩＭ）を検知し識別するために使用するコンパクトなＤＭＳ分析装置システム１４００の概念図である。 図４２は、ＡＦＦＦの１％ヘッドスペースに選択的に混合された一連の化学兵器模擬物質に対する実験結果を示す複数のプロットのグラフである。 図４３は、本発明の例示的実施形態による、ある範囲の電界電圧及び電界補償電圧について、物質ＧＡの正イオンの検知を、異なる強度を異なるカラーで表した３次元カラー散布プロットである。 図４４は、本発明の例示的実施形態による、イオン移動度分析装置システムと、隔膜と、再循環システムとを用いた化学及び／又は生物剤検知システムの概念的ブロック図である。 図４５は、本発明の例示的実施形態による、低圧分析用に構成された化学及び／又は生物剤検知システムの概念的ブロック図である。 図４６は、本発明の例示的実施形態による、シリンダー型ＤＭＳ分析装置システムと、再循環システムと、複数のフロー・チャンネルとを用いた化学及び／又は生物剤検知システムの概念的ブロック図である。 図４７は、本発明の例示的実施形態による、ＤＭＳ分析装置システムと、再循環システムと、他の構成要素とのさまざまな構成を用いた化学及び／又は生物剤検知システムの概念的ブロック図である。 図４８は、本発明の例示的実施形態による、ＤＭＳ分析装置システムと、再循環システムと、他の構成要素とのさまざまな構成を用いた化学及び／又は生物剤検知システムの概念的ブロック図である。 図４９は、本発明の例示的実施形態による、ＤＭＳ分析装置システムと、再循環システムと、他の構成要素とのさまざまな構成を用いた化学及び／又は生物剤検知システムの概念的ブロック図である。 図５０は、本発明の例示的実施形態による、ＤＭＳ分析装置システムと、再循環システムと、他の構成要素とのさまざまな構成を用いた化学及び／又は生物剤検知システムの概念的ブロック図である。 図５１は、本発明の例示的実施形態による、ＤＭＳ分析装置システムと、再循環システムと、他の構成要素とのさまざまな構成を用いた化学及び／又は生物剤検知システムの概念的ブロック図である。 図５２は、本発明の例示的実施形態による、ＤＭＳ分析装置システムと、再循環システムと、他の構成要素とのさまざまな構成を用いた化学及び／又は生物剤検知システムの概念的ブロック図である。 図５３は、本発明の例示的実施形態による、ＤＭＳ分析装置システムと、再循環システムと、他の構成要素とのさまざまな構成を用いた化学及び／又は生物剤検知システムの概念的ブロック図である。

Claims (24)

1. サンプル分析の方法であって、
   Ａ．少なくとも第一及び第二サンプル処理条件を、それぞれ、第一及び第二の複数の値にわたって変化をさせる工程と、
   Ｂ．該第一及び第二の複数の値にわたる電界を流れ通るサンプルのイオン強度を検知する工程と、
   Ｃ．該第一及び第二サンプル処理条件に対応する少なくとも２つの次元を３次元表現のうちに有する第一３次元表現の中に、該サンプル処理条件の各々に対し検知されたイオン強度を編成する工程と、
   Ｄ．該第一３次元表現の少なくとも一部に、少なくとも部分的に基づいて該サンプルを分析する工程とを
   含む方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記第一処理条件はＶｒｆを含む、方法。
3. 請求項１に記載の方法であって、前記第一処理条件はＶｃｏｍｐを含む、方法。
4. 請求項１に記載の方法であって、前記第一処理条件は電界強度を含む、方法。
5. 請求項１に記載の方法であって、前記第一処理条件は、フロー・チャンネル中の前記サンプルに加える圧力を含む、方法。
6. 請求項１に記載の方法であって、第一フロー・チャンネル圧力の下でステップＡ−Ｄを実施し、前記第一フロー・チャンネル圧力はほぼ一定なものとする、方法。
7. 請求項６に記載の方法であって、
   ほぼ一定で前記第一フロー・チャンネルとは異なる圧力の第二フロー・チャンネル圧力の下で工程Ａ−Ｄを実施する工程と、
   該第二フロー・チャンネル圧力における第二３次元表現を生成する工程と、
   該工程Ｄの分析を、少なくとも部分的に、該第二３次元表現の一部に基づいて行う工程とを
   含む方法。
8. 請求項７に記載の方法であって、前記第一及び第二フロー・チャンネル圧力の少なくとも一つは大気圧より低い、方法
9. 請求項１に記載の方法であって、前記第一処理条件は、フロー・チャンネルの中の温度を含む、方法。
10. 請求項１に記載の方法であって、前記第一処理条件は、Ｖｒｆの周波数を含む、方法。
11. 請求項１に記載の方法であって、前記第一処理条件は、電界電圧のデューティサイクルを含む、方法。
12. 請求項１に記載の方法であって、前記３次元表現の前記第一、第二、及び第三次元の少なくとも一つの値変化を、グレイスケール、黒白パターン、カラー又は色彩度のうちの一つの変化として表す工程を含む方法。
13. 請求項１に記載の方法であって、前記３次元表現中の、前記第一次元を長さ、前記第二次元を幅、第三次元を高さとして表す工程を含む方法。
14. 請求項１に記載の方法であって、前記第一３次元表現は散布プロットである、方法。
15. 請求項１に記載の方法であって、前記第一３次元表現は、電界電圧に対するｘ軸、Ｖｃｏｍｐに対するｙ軸、及びイオン強度に対するカラー関連特性の変化状況を含む、方法。
16. 請求項１に記載の方法であって、前記第一３次元表現は、電界電圧に対応するｘ軸、電界補償電圧に対応するｙ軸、及びイオン強度に対応するｚ軸を含む、方法。
17. 請求項１に記載の方法であって、前記分析をする工程は、前記第一３次元表現の少なくとも一部を、既知の種に対応し保存された３次元表現のライブラリの少なくとも一部と対比する工程を含む、方法。
18. 請求項１に記載の方法であって、サンプルを解離する工程を含む方法。
19. 請求項１５に記載の方法であって、フロー・チャンネル中の圧力を変えて前記解離を生じさせる工程を含む方法。
20. 請求項１に記載の方法であって、
    解離された状態及び解離されない状態の双方における前記サンプルに対する前記第一３次元表現を決定する工程と、
    該解離されたサンプル状態及び解離されないサンプル状態双方の第一３次元表現に、少なくとも部分的に基づいて該サンプルを分析する工程とを
    含む方法。
21. 請求項１に記載の方法であって、前記サンプルの正イオンに対して工程Ａ−Ｄを実施する工程を含む方法。
22. 請求項２１に記載の方法であって、
    前記サンプルの負イオンに対して工程Ａ−Ｄを実施する工程と、
    該サンプルの該負イオンに対する第二３次元表現を生成する工程と、
    工程Ｄの分析を、前記第一３次元表現及び該第二３次元表現の双方に少なくとも部分的に基づいて行う工程とを
    含む方法。
23. 請求項１に記載の方法であって、前記工程Ｄの分析は、前記第一３次元表現に対してパターン認識を実施して前記サンプル中の種を分析する工程を含む、方法。
24. 請求項１に記載の方法であって、前記サンプルのイオンの第二サブセットから該サンプルのイオンの第一サブセットを分離する工程と、
    該イオンの第一サブセットに対し工程Ａ−Ｄを実施して前記第一３次元表現を生成する工程と、
    該イオンの第二サブセットに対し工程Ａ−Ｄを実施して第二３次元表現を生成する工程と、
    工程Ｄの分析を、該第一及び第二３次元表現の双方に、少なくとも部分的に基づいて行う工程とを
    含む方法。

Images