JP6485557B2 - イオンガイド装置 - Google Patents

Description

本発明はイオンガイド装置に関し、特に侵入電圧を用いて軸方向にイオンを移動させるイオンガイド装置に関する。

周知のように、イオンガイド装置は質量分析装置にとって必須の重要な構成要素であり、イオンガイド装置の性能が感度、質量範囲及び走査速度といった質量分析装置全体の多くの特性に大きく影響する。現在市販されている主な質量分析装置で用いられている各種のイオンガイド装置を見ると、典型的には四重極ロッド及び多重極ロッド（一般に六重極又は八重極）が最も一般的な構造である。イオンガイド装置としては四重極ロッドの方がイオンビーム圧縮効果が高く、故に次段のイオン光学装置にイオンを容易に効率良く導入することができるという利点がある。しかし、四重極ロッドは多重極ロッドに比べてイオン受容面積が小さく、イオン透過効率が低い。また四重極ロッド及び多重極ロッドは、高周波電圧により生成される高周波電場が確実且つ効果的にイオンを閉じ込めることができるようにするため、一般に動作ガス圧が低い。また、軸方向の駆動電場が存在しないため、軸方向のイオンの搬送は初期運動エネルギー又はガス流駆動によって行わざるを得ず、故に比較的長い時間イオンが滞留することがあり、それが装置の分析速度に影響を及ぼす。

特許文献１においてリチャード・Ｄ・スミスらはイオンファンネル技術を開示している。この技術では、内径が徐々に小さくなる一連の環状電極が用いられ、それらが軸方向に重ねられて徐々にすぼまる開口を持つファンネル構造を形成している。隣接する環状電極間には逆位相の高周波電圧が印加され、それらの電極が抵抗を通じて直列接続されることで軸方向の電圧分割構造が形成されているため、イオンファンネル構造の内部には半径方向の多重極場と軸方向の電場が形成され、それによりイオンの軸方向の搬送と半径方向の圧縮が行われる。この装置は四重極ロッドのイオン圧縮機能と多重極ロッドの広いイオン受容面積及び高いイオン透過効率という利点を有し、しかも極めて高いガス圧で動作可能である。しかし、この技術的解決策は、電極を軸方向に分割したように環状電極を重ねた構造を用いているため、軸方向のイオンの移動を実現するには軸方向の電圧分割の設計が必要であり、その結果、装置の構造及び回路接続が比較的複雑になるため簡便に機械加工することができない。またこの装置は試料のコンタミネーションへの耐性が低い。

特許文献２においてアレクサンダー・Ａ・シュバーツバーグらは平面状イオンファンネル装置を提案している。この装置では、前記イオンファンネル装置を基に、平面状の構造設計と極めて小さな電極サイズ及び電極ギャップ（＜２００μｍ）を用いることで動作ガス圧とイオンファンネルの放電電圧を高めている。しかし、この平面状イオンファンネルの基本的な動作原理と設計思想は前記イオンファンネル装置と大差ない。

また、特許文献３においてゴードン・Ａ・アンダーソンらは無損失のイオン操作構造を提案している。この構造は２つの面に接着された電極アレイから成り、高周波電圧及び直流電圧の印加により構造内で様々なイオン操作を行うことができる。この構造の柔軟な拡張性は一組の平行平板型電極構造に大きく依存している。また、この構造ではイオン圧縮効果を得ることが難しい。

特許文献４においてブルース・Ａ・トムソンらはロッド電極から成るイオンガイド構造を提案している。この構造では、ロッド電極の断面積及びロッド電極間の先端から末端までの間隔を変化させることにより軸方向の駆動電場を作り出している。また、トムソンらは補助電極を用いた軸方向の電位分布の調整も提案している。しかし、この構造では、軸方向の駆動電場を作り出すためにロッド電極の断面を変化させる必要があり、またロッド電極の先端から末端までの間隔を２方向に変化させている。つまり前記構造を成す入口部分及び出口部分の両方を２方向に変化させている。更に該構造は補助電極にも依存している。そのためこの構造は比較的複雑になる。

同様に、特許文献５においてリサ・カズンズらは矩形状の横断面を有する平行ロッド電極から成るイオンガイド装置を提案している。この装置では、ロッド電極の横断面をその長手方向に沿って徐々に小さくし、更にイオンガイド装置を追加の円筒電極で囲むことで、軸方向の駆動電場を作り出している。この構造も同じく比較的複雑で、しかも円筒電極に依存している。

また、特許文献６においてジェームズ・Ｌ・バーチュらは多重極ロッドを徐々に複数の四重極に遷移させることができるイオンガイド・圧縮装置を提案している。しかし、この装置では軸方向の駆動電場を作り出すためにその長手方向に沿って降下する直流電圧をロッド電極に印加する必要がある。

また、特許文献７においてロバート・ハロルド・ベイトマンらは平面上に配置された板状電極から成るイオン搬送構造を提案している。この装置には、異なる板状電極を組み合わせることにより複雑なイオン搬送経路を作り出し、以て中性分子に起因するノイズを低減することができるという特徴がある。しかし同文献には、イオンを軸方向に移動させるために、軸方向に垂直な方向に電圧勾配を印加することにより軸方向の侵入電圧勾配を生み出す、という考えは提示されていない。またこの装置には、板状電極に大きく依存しているため装置の電極間に大きな容量が発生し、それが高周波電源を用いたイオンの閉じ込めの際に消費電力を増大させる、という点で制限がある。

要約すると、既存のイオンガイド・圧縮技術における電極構造及び回路接続は比較的複雑で、簡便に機械加工することができない。従って、現在、簡単な構造を用いて高い効率でイオンの搬送と圧縮を行うことが、強い関心を集める研究課題となっている。

ＵＳ６１０７６２８ ＵＳ８２９９４４３Ｂ１ ＵＳ８８３５８３９Ｂ１ ＵＳ５８４７３８６ ＵＳ７８６８２８９Ｂ２ ＵＳ８１９３４８９Ｂ２ ＵＳ６８９１１５７Ｂ２

従来技術における前記の不利な点に鑑み、本発明の目的は、一定の空間軸に沿って延在する２組の電極系から成るイオンチャネルを備え、前記軸に垂直な平面における前記イオンチャネルの断面積が軸方向に徐々に小さくなっており、前記軸に垂直な方向に電圧勾配が印加されることで、軸方向のイオンの搬送を実現するための軸方向の電圧勾配が形成されるイオンガイド装置であって、電極形状及び構造が簡素であり、簡便に機械加工、組み立て及び機能の拡張を行うことが可能であり、イオンの効率的な搬送及び効果的な圧縮が実現できるイオンガイド装置を提供することである。

前記目的及び他の関連する目的を達成するため、本発明は、一定の空間軸に沿って延在する２組の電極群と、第１の電源装置と、第２の電源装置とを備えるイオンガイド装置であって、前記２組の電極群が前記空間軸に垂直な方向に沿って拡大可能に配置され、各組の電極群に含まれる各電極の少なくとも１つの面が同一の空間平面上にほぼ載っており、各組の電極群に対応する空間平面は同一でも平行でもなく、以て前記空間軸に垂直な方向における断面積が徐々に小さくなっているイオン搬送チャネルを形成し、該イオン搬送チャネルのイオン入口が大きな開口を有し、同チャネルのイオン出口が小さな開口を有し、前記第１の電源装置が、前記２組の電極群に含まれる少なくとも一部の電極に高周波電圧を印加することで前記イオン搬送チャネル内のイオンを前記空間軸に垂直な少なくとも１つの方向において閉じ込めるために用いられ、前記第２の電源装置が、前記２組の電極群に含まれる少なくとも一部の電極に電圧信号を印加することで前記空間軸に垂直な少なくとも１つの方向に電圧分布を形成してイオンの運動を制御するため、且つ、前記空間軸の方向に電圧分布を形成して該空間軸に沿ったイオンの搬送を実現するために用いられる、イオンガイド装置を提供する。

前記イオンガイド装置において、空間軸は直線状又は曲線状の軸である。

更に、前記イオンガイド装置において、空間軸が曲線状の軸である場合、イオン入口における軸の方向が第１の軸方向であり、イオン出口における軸の方向が第２の軸方向であり、該第１の軸方向と該第２の軸方向の間の挟角が１０°未満、１０°〜２０°、２０°〜３０°、３０°〜４０°、４０°〜５０°、５０°〜６０°、６０°〜７０°、７０°〜８０°、８０°〜９０°、９０°〜１００°、１００°〜１１０°、１１０°〜１２０°、１２０°〜１３０°、１３０°〜１４０°、１４０°〜１５０°、１５０°〜１６０°、１６０°〜１７０°、及び、１７０°〜１８０°のうちいずれかである。

前記イオンガイド装置において、２組の電極群に含まれる電極は板状又は非平面状電極である。

前記イオンガイド装置において、板状電極は四角柱電極、矩形板状電極、扇形板状電極及び絶縁基板上に接着された薄層板状電極のうち１つ又はそれらの組み合わせである。

更にまた、前記イオンガイド装置において、絶縁基板はプリント回路基板、ポリイミド、セラミック及びガラスのうちいずれかである。

更に、前記イオンガイド装置において、非平面状電極はその表面の一部又は全てが非平面状の電極である。

前記イオンガイド装置において、空間平面は平面状及び／又は非平面状である。

前記イオンガイド装置において、イオン出口に対するイオン入口の面積比は１〜１０、１０〜１００、１００〜１０００、及び１０００より大きい値のいずれかである。

前記イオンガイド装置において、第１の電源装置は各組の電極群に含まれる全ての電極に逆極性の高周波電圧を順次印加する。

前記イオンガイド装置において、第２の電源装置により印加される電圧信号は、直流電圧、矩形波矩形波電圧、鋸歯波電圧、三角波電圧、及び交流電圧のうちの１つ又はそれらの組み合わせから選ばれる。

更に、前記イオンガイド装置において、矩形波電圧のデューティ比は０〜１０％、１０％〜２０％、２０％〜４０％、４０％〜６０％、及び、６０％〜１００％のうち１つ又は複数の範囲内にある。

更に、前記イオンガイド装置において、交流電圧信号の周波数は１０Ｈｚ〜１００ＭＨｚである。

前記イオンガイド装置において、空間軸に垂直な方向における２組の電極群の拡大可能な配置は平行及び／又は非平行に広がった配置である。

前記イオンガイド装置において、２組の電極群に含まれる電極はいずれも軸方向には分割されていない。

前記イオンガイド装置は更に補助電極を備え、該補助電極はイオンガイド装置の両側に配置され、第２の電源装置は補助電極に電圧信号を印加することで前記空間軸に垂直な方向へのイオンの運動を制限するとともにイオンチャネル内に軸方向の電圧勾配を生み出してイオンの搬送を実現する。

更に、前記イオンガイド装置において、補助電極は前記空間軸に平行又は非平行である。

更に、前記イオンガイド装置において、補助電極は平面状又は非平面状電極である。

前記イオンガイド装置において、イオンガイド装置の動作ガス圧は２×１０^５Ｐａ〜２×１０^３Ｐａ、２×１０^３Ｐａ〜２０Ｐａ、２０Ｐａ〜２Ｐａ、２Ｐａ〜２×１０^−１Ｐａ、２×１０^−１Ｐａ〜２×１０^−３Ｐａ、及び、２×１０^−３Ｐａ未満のうち１つ以上の範囲にある。

前記イオンガイド装置において、イオンガイド装置の最適な動作ガス圧は０．１Ｐａ〜１００Ｐａの範囲内にある。

前記イオンガイド装置において、２組の電極群は前記空間軸に垂直な方向に沿って広がってアレイ構造を形成している。

前記イオンガイド装置において、２組の電極系は一定の閉曲線に沿って広がって、閉じたアレイ構造を形成している。

前記イオンガイド装置はイオン入口にイオンを注入するための複数のイオン注入口を備える。

更に、前記イオンガイド装置において、イオン注入方向は前記空間軸の方向及び該空間軸に垂直な方向のいずれか又はそれらの組み合わせである。

前記イオンガイド装置において、該イオンガイド装置は、質量分析装置又はイオン移動度分析装置の前段イオンガイド装置、イオン移動度分析器、イオン圧縮器、イオン蓄積器、衝突室、及びイオン集群器のうち１つ又はそれらの組み合わせとしての役割を果たす。

以上のように、本発明のイオンガイド装置には以下の有利な効果がある。
（１）電極形状及び装置構造が簡素であるため、機械加工、組み立て及び機能の拡張が容易である。
（２）イオンの非常に効率的な搬送と効果的な圧縮を実現することができる。
（３）本装置は質量分析やイオン移動度分析といった関連技術分野に応用できる。
（４）本装置を直交入射イオン飛行時間型質量分析装置におけるイオンビーム圧縮に応用すれば、イオンを効率的に圧縮してイオンの初期の空間分布を低減し、以て装置の分解能を改善することができる。
（５）三連四重極質量分析装置や他の質量分析装置においては、本装置を用いて軸外し型のイオン光学設計を簡便に実現することができる。これにより、中性ガス分子からの干渉を効果的に低減させて装置の信号雑音比を改善することができるだけでなく、装置の体積を非常に小さくすることができる。

本発明のイオンガイド装置の最も好ましい実施例の概略構造図。 本発明のイオンガイド装置の典型的な電圧印加モードの概略図。 本発明のイオンガイド装置のイオン出口に形成される近似的四重極場イオンチャネルの概略構造図。 本発明のイオンガイド装置におけるイオン軌道の側面図。 本発明のイオンシミュレーションテストにおいて検出器上で検出された、スリットの開口方向におけるイオンビームの分布図。 本発明において横方向の電圧分布を独立に制御できる場合のイオンガイド装置の電圧印加モードの概略図。 本発明において横方向の電圧分布の調節の間にイオンが異なるイオンチャネルを選択する場合に得られるイオン軌道の概略図。 本発明における矩形板状電極から成るイオンガイド装置の概略構造図。 本発明における扇形板状電極から成るイオンガイド装置の概略構造図。 本発明における絶縁基板をベースとする薄層板状電極から成るイオンガイド装置の概略構造図。 本発明において９０°の方向転換構造として四角柱電極で構成されたイオンガイド装置の概略構造図。 本発明において１８０°の方向転換構造として四角柱電極で構成されたイオンガイド装置の概略構造図。 本発明における補助電極を両側に有するイオンガイド装置の概略構造図。 本発明において両側の補助電極が空間軸に平行ではない場合のイオンガイド装置の概略構造図。 本発明において横方向に拡がる非平行な構造を有するイオンガイド装置の概略構造図。 本発明において９０°方向転換された空間軸を持つイオンガイド装置の概略構造図。 本発明において９０°方向転換された空間軸を持つ別のイオンガイド装置の概略構造図。 本発明において１８０°方向転換された空間軸を持つイオンガイド装置の概略構造図。 本発明において１８０°方向転換された空間軸を持つ別のイオンガイド装置の概略構造図。 本発明のイオンシミュレーションにおいて９０°方向転換された空間軸を持つイオンガイド装置におけるイオンの方向転換軌道の概略図。 本発明における複数のイオン注入源を有するアレイ電極構造の概略図。 本発明においてイオンが空間軸に垂直に注入される場合のアレイ電極構造の概略図。 本発明におけるイオン蓄積機能を有するアレイ電極構造の概略図。 本発明におけるイオン移動度分析機能を有するアレイ電極構造の概略図。 本発明におけるイオン移動度分析機能を有する閉じた電極アレイ構造の概略図。

以下、特定の具体例を通じて本発明の実施例を説明する。当業者であれば本明細書の開示を通じて本発明の他の利点及び効果を容易に理解できる。また本発明は他の異なる特定の実施例を通じて実施又は応用してもよく、本発明の精神から離れることなく、異なる見解や用途に基づいて、本明細書中の様々な細部に対して様々な修正又は変更を施すことができる。

なお、実施例で提示される図面は本発明の基本概念を例証的に示すものに過ぎない。故に図面は現実の実装における構成要素の数、形状及び大きさに従って描かれたものではなく、本発明に関連する構成要素だけを示すものである。各構成要素の構成、数及び大きさは現実の実装の際に任意に変更可能であり、それらの構成要素の配置及び構成はより複雑になることもある。

本発明のイオンガイド装置は、イオン流の搬送、圧縮、分割、衝突誘起解離といった操作を行うためのイオンガイド装置及びイオン移動度分析器であり、質量分析装置やイオン移動度分析装置等のイオン分析装置において利用できる。

特に、本発明のイオンガイド装置はある特定の空間軸に沿って延在する２組の電極系から成るイオンチャネルを備えており、該イオンチャネルは軸に垂直な方向の断面積が軸方向に徐々に小さくなっている。また、軸に垂直な方向に電圧勾配が印加されることで、イオンを軸方向に移動させるための軸方向の電圧勾配が生み出されている。このイオンガイド装置において、電極は軸方向に分割されている必要はない。これは回路設計の複雑さを低減しつつ機械加工や組み立てを行う上で非常に好都合である。また、イオン入口が大きく、イオン出口が小さい。これによりイオン受容面積が確実に大きくなるだけでなく、優れたイオン圧縮効果を実現することができる。従って、本発明のイオンガイド装置を質量分析装置、イオン移動度分析装置及びそれらの組み合わせに利用して、イオンの搬送及び衝突誘起解離並びにイオン流の圧縮及び分割といった利用法を実現することができる。

図１は本発明のイオンガイド装置の最も好ましい実施例の概略構造図である。図示したように、イオンガイド装置１０は空間軸１０２に沿って延在する２組の板状電極群１０１ａ及び１０１ｂ並びに第１の電源装置及び第２の電源装置を備えている。２組の板状電極群１０１ａ及び１０１ｂは空間軸１０２に垂直な方向に沿って拡大可能に配置され、各組の板状電極群に含まれる各電極１０３の少なくとも１つの面が同一の空間平面上にほぼ載っている。各組の板状電極群１０１ａ及び１０１ｂに対応する空間平面は同一でも平行でもない。つまり２つの空間平面の間の挟角は１８０°ではなく、これにより、空間軸１０２に垂直な方向の断面積が徐々に小さくなるイオン搬送チャネルが形成されている。イオン搬送チャネルのイオン入口１０４は大きな開口を有し、同イオン出口１０５は小さな開口を有している。なお、本発明の最も好ましい実施例は各組の板状電極群に含まれる各電極１０３の少なくとも１つの面が同一の空間平面上にあるというものである。ただし、それを基本としつつ、各組の板状電極群に含まれる各電極１０３の少なくとも１つの面が一定の小さな誤差の範囲内で同一の空間平面上にある場合も本発明の保護範囲に含まれる。

第１の電源装置は、２組の板状電極群に含まれる少なくとも一部の電極に高周波電圧を印加することで、イオン搬送チャネル内のイオンを空間軸１０２に垂直な少なくとも１つの方向において閉じ込めるために用いられる。

第２の電源装置は、２組の板状電極群に含まれる少なくとも一部の電極に電圧信号を印加することで、空間軸１０２に垂直な少なくとも１つの方向に電圧分布を形成してイオンの運動を制御するために用いられる。一方、イオン搬送チャネルは空間軸に垂直な方向の断面積が空間軸に沿って徐々に小さくなっているため、空間軸１０２に垂直な方向の電圧分布は該空間軸１０２の方向に、ある電圧分布を形成する。こうして空間軸に沿ったイオンの搬送を実現することができる。

好ましくは、前記空間平面が平面状及び／又は非平面状である。

好ましくは、イオン出口に対するイオン入口の面積比が、ａ）１〜１０、ｂ）１０〜１００、ｃ）１００〜１０００、及び、ｄ）１０００を超える値の中から選ばれる。

好ましくは、第２の電源装置により印加される電圧信号は、直流電圧、矩形波電圧、鋸歯波電圧、三角波電圧、及び交流電圧のうちの１つ又はそれらの組み合わせから選ばれる。矩形波電圧のデューティ比は調整可能であり、ａ）０〜１０％、ｂ）１０％〜２０％、ｃ）２０％〜４０％、ｄ）４０％〜６０％、及び、ｅ）６０％〜１００％のうち少なくとも１つの範囲内で選択可能である。交流電圧信号の周波数は１０Ｈｚ〜１００ＭＨｚである。

好ましくは、２組の電極群に含まれる電極はいずれも軸方向には分割されていない。

好ましくは、本イオンガイド装置は、質量分析装置又はイオン移動度分析装置の前段イオンガイド装置、イオン移動度分析器、イオン圧縮器、イオン蓄積器、衝突室、及びイオン集群器のうち１つ又はそれらの組み合わせとしての役割を果たす。

好ましくは、本イオンガイド装置の動作ガス圧は２×１０^５Ｐａ〜２×１０^３Ｐａ、２×１０^３Ｐａ〜２０Ｐａ、２０Ｐａ〜２Ｐａ、２Ｐａ〜２×１０^−１Ｐａ、２×１０^−１Ｐａ〜２×１０^−３Ｐａ、及び、２×１０^−３Ｐａ未満のうち１つ以上の範囲にある。また、本イオンガイド装置の最適な動作ガス圧は０．１Ｐａ〜１００Ｐａの範囲内にある。上流のイオン光学装置を経てイオンがイオン入口１０４に導入されると、該イオンは中性ガスと衝突して大量に運動エネルギーを失い、急速に冷却される。自由拡散により生じるイオン損失を低減するため、図２に示すように、第１の電源装置がイオンガイド装置１０の全ての電極１０３に一群の逆極性の高周波電圧ＲＦ１を印加することで、電極１０３の表面の近傍に多重極場を形成し、イオンが電極１０３に接近することを防止する。これによりイオン損失が大幅に低減される。更に、空間軸１０２に垂直な方向へのイオンの自由拡散を制限するため、図２に示すように、第２の電源装置が電極１０３に直流電圧を印加してイオンチャネルの両端に電圧障壁を形成する。これにより、両側へ向かうイオンの動きが制限される。一方、イオンガイド装置１０の内部で空間軸１０２にそって形成されたイオンチャネルは断面積がイオン入口１０４からイオン出口１０５へ向かう方向に徐々に小さくなっているため、イオンチャネルの両側にある電極１０３に印加された直流電圧の侵入により形成される軸方向の電位強度もそれに応じて徐々に低減する。つまり、空間軸１０２に沿った軸方向の電位勾配がイオンチャネル内に形成される。この軸方向の電位勾配は、イオンを空間軸１０２に沿ってイオン入口１０４からイオン出口１０５へ向かう方向に搬送するために用いられる。一方、図３に示すように、高周波電圧ＲＦ１によりイオンチャネル内に形成された多重極場の半径も、イオンチャネルの断面が徐々に小さくなるに従って徐々に小さくなり、最終的にはイオン出口において近似的な四重極場の分布を伴う複数のイオン出口１０５が徐々に形成される。

図４に示すように、イオンの搬送中、多重極場の半径が徐々に小さくなるにつれて、強度を増す多重極場によってイオン軌道も徐々に圧縮されて細くなっていく。イオン光学シミュレーションにおいて、電場の半径が約０．５ｍｍであるイオン出口１０５からイオンを取り出し、０．５ｍｍの開口を有するスリット１０６を通して、最後に検出器１０７に入射させたところ、図５に示すように、スリット１０６の開口方向に検出されたイオンビームのスポットの半値幅は約０．１３ｍｍであった。

また、イオンの透過軌道をより柔軟に制御するには、図６に示すように、独立して制御可能な直流電圧を全ての電極１０３にそれぞれ印加することにより、独立して制御可能な直流電位分布を横方向に形成し、イオンによる搬送チャネルの選択を制限する。図７に示すように、横方向の直流電位分布を制御することによりイオンチャネルの数及び経路を自由に選び、以てイオンビームの分割作用を実現することができる。これは、空間電荷効果を低減してイオンビームの圧縮寸法の縮小やダイナミックレンジの拡大等を行う上で非常に好都合である。

また、直流電圧の強度を調整することにより、装置全体の走査速度に合うようにイオンのドウェル時間を変化させることができる。本実施例の別の動作モードとして、直流電源を、調整可能なデューティ比を持つ矩形波電源で置き換えてもよい。このようにすれば、一方でデューティ比を変化させることでイオンのドウェル時間を調整することができ、他方で矩形波電圧を用いてイオン流の集群操作を実現することができる。これにより、連続的なイオン流を複数のイオンパケットに分割した後、各イオンパケットをイオン出口１０５から取り出すことができる。また、矩形波電圧のデューティ比を変化させることにより、後段のイオン分析装置の走査速度に合うように各イオンパケットの時間幅を調整することもできる。従って、飛行時間質量分析器やイオントラップ質量分析器、オービトラップ質量分析器、イオンドリフトチューブ等、後段に接続されたパルス型イオン分析器に対するイオン利用効率を大幅に向上させて、それら分析器のイオン分析のデューティ比を非常に大きくすることができる。矩形波電源の使用には、装置の長さを比較的短くしつつもイオンの飛行経路を長くして衝突誘起解離効率を高めることができるという利点もある。

更に、前記実装構造の別の動作モードとして、前記直流電圧の代わりに別の一群の高周波電圧ＲＦ２を使用し、それらを両側の電極１０３に印加することで両側へ向かうイオンの運動を制限してもよい。一方、擬似ポテンシャルの理論に従い、高周波電圧ＲＦ２はイオンガイド装置の内部に侵入し、イオンを軸方向に移動させるための等価的な軸方向の疑似ポテンシャル電圧分布を形成する。この動作モードは、高周波電圧ＲＦ２がイオンチャネルの半径方向に高周波収束場を形成し、それにより電極表面からイオンを引き離して中心方向へ収束させることができるという点で直流電圧の使用よりも優れている。これにより、イオンが電極表面に衝突するリスクをある程度軽減することができる。周知の通り、直流電圧により形成される電場は両側の方向にイオンを収束するにすぎず、電極表面に略垂直な方向にはイオンを発散させるため、電極表面に向かうイオンの運動が強められる。これはイオンが電極表面に衝突するリスクを増大させるため、イオンの無損失の搬送にとって不利である。

イオンガイド装置１０の他の実施例として、２組の板状電極群１０１ａ及び１０１ｂは図８、９及び１０に示したような形状であってもよい。イオンガイド装置１０により示された構造を本発明の精神から離れることなく形成できるいかなる電極形状も本発明の保護範囲内に入る。図９に示すように、扇形板状電極で構成された非直線的に縮小するイオンチャネル部を持つ構造にすれば、軸方向の侵入電圧の強度が更に高まる。これはイオンのドウェル時間を減らす上で非常に好都合である。また、この構造では電極を長くしなくてもイオン入口が広がるため、イオンの受容面積を非常に大きくすることができる。図１０に示した例では、２組の薄層板状電極群を（例えばプリント回路基板技術や他の適切なメッキ処理方法により）絶縁基板に接着することで当該構造を有するイオンガイド装置が構成されている。絶縁基板はプリント回路基板、ポリイミド、セラミック及びガラスのいずれかとすることができる。この方法はアレイ電極構造を機械加工する上で非常に好都合である。アレイ電極構造及びその利点については後でそれぞれ例示する。図１１及び１２に示すように、イオンガイド装置を構成するために四角柱電極を用いてもよい。これには、電極間の容量が大幅に低減され、以て高周波電源の出力に関する要件が大幅に緩和されるという利点がある。四角柱電極は様々な角度で方向転換構造を構成することができる。例えば、図１１は９０°の方向転換構造、図１２は１８０°の方向転換構造である。

なお、板状電極に限らず、非平面状電極を用いて２組の電極群１０１ａ及び１０１ｂの機能を実現することもできる。非平面状電極はその表面の一部及び／又は全体が非平面状の電極とすることができる。

図１３は軸方向の侵入電位勾配の効果を更に高めるための本発明のイオンガイド装置の別の実施例を示している。この構造では、イオンガイド装置の両側に１組の補助電極１０８が配置されている。第２の電源装置が補助電極に電圧信号を印加する。補助電極に電圧を印加することで両側へのイオンの運動が制限され、またイオンチャネル内には軸方向の侵入電位勾配が形成されてイオンを移動させる。なお、本実施例において、第２の電源装置が２組の電極群に電圧信号を印加するようにしてもよい。この構造には、補助電極が広い面積をカバーしているため、両側からより強い電位勾配がイオンガイド装置の内部に侵入することができ、それによりイオンのドウェル時間を短縮できるという利点がある。また、補助電極１０８が空間軸と非平行であり、図１４に示したように、その間隔がイオン入口において狭く、イオン出口において広くなっていれば、イオンガイド装置内に非線形の電位勾配が形成され、それによりイオンチャネル内のイオンのドウェル時間を短縮することができる。なお、補助電極１０８は平面状電極でも非平面状電極でもよい。また、本発明の概念と両立する他の形状の補助電極（湾曲した電極等）も本発明の保護範囲内に入る。

図１に示したように２組の電極群が平行で横方向に拡大可能な配置と異なり、本発明のイオンガイド装置の別の実施例は、図１５に示すように横の広がり方向に被平行に拡大可能な配置構造を有する装置を更に備えている。本イオンガイド装置の電極系は横方向に平行な構造ではなく、イオン入口から遠ざかるにつれて徐々に中心軸へ近付いている。この実施例には、比較的少ない数の電極を用いながらも、イオン受容面積が比較的大きくなるとともにイオン出口が狭い範囲に集中するという利点がある。また、中央の２組の電極群が、電場半径が徐々に小さくなる四重極ロッド構造をほぼ形成しているため、良好なイオン収束効果が常に（特にイオン入口の付近で）維持される。これによりイオンの損失がある程度低減される。

図１に示したように空間軸が直線状の軸である実施例とは異なり、本発明のイオンガイド装置の別の実施例は、例えば図１６（ａ）及び１６（ｂ）に示したように空間軸が９０°方向転換された電極構造や、図１７（ａ）及び１７（ｂ）に示したように空間軸が１８０°方向転換された電極構造のように、空間軸が曲線状の軸である構造を更に備える。本実施例における電圧印加モード及び電極系の基本部分の基本形状は前述の各実施例のものと同様である。曲線状の軸を有する構造には以下の利点がある。まず、イオン軌道を方向転換させることができる。また、一方で軸外し構造の利用により中性ガス分子からの干渉を低減させることができ、他方でよりコンパクトな装置の設計構造を実現することができる。図１８はイオンシミュレーション実験において９０°方向転換された空間軸を有する電極構造におけるイオンの飛行軌道を示している。

なお、空間軸が曲線状の軸である場合、イオン入口における軸の方向が第１の軸方向であり、イオン出口における軸の方向が第２の軸方向であり、該第１の軸方向と該第２の軸方向の間の挟角が１０°未満、１０°〜２０°、２０°〜３０°、３０°〜４０°、４０°〜５０°、５０°〜６０°、６０°〜７０°、７０°〜８０°、８０°〜９０°、９０°〜１００°、１００°〜１１０°、１１０°〜１２０°、１２０°〜１３０°、１３０°〜１４０°、１４０°〜１５０°、１５０°〜１６０°、１６０°〜１７０°、及び、１７０°〜１８０°のうちのいずれかである。

本発明のイオンガイド装置の別の実施例として、図１９に示すように、電極構造を横方向にも広げてアレイ型分散電極構造４００を形成することもできる。この実施例では、イオン入口端が前段の装置の複数のイオン注入口４０１からイオンを受け取ることができる。イオン注入方向は空間軸の方向及び該空間軸に垂直な方向のいずれか又はそれらの組み合わせである。図１９は空間軸の方向に沿ったイオンの注入を示している。図２０は空間軸に垂直な方向に沿ったイオンの注入を示している。

図１９に示すように、横方向に電圧分布を設けることで、イオン流４０２を同一のイオン出口チャネル４０３へ収束させて次段へ送ることができる。この方法を用いれば電極構造を横方向に任意に広げることができるため、それに囲まれたイオン受容面積が非常に大きくなる。他方、横方向の電圧分布を柔軟に設計することにより、イオンによるイオン出口チャネルの選択を任意に操作することができる。従って、アレイ型分散電極構造４００は複数のイオン源を有する装置構造に非常に適している。

また、本実施例の別の動作モードとして、横方向の電圧分布を動的に調整して、アレイ型分散電極構造が複数のイオン操作機能（例えばイオン蓄積、イオン移動度分離及び測定）を持つようにすることもできる。図２１に示すように、アレイ型分散電極構造４００の両側に印加する横方向の直流電圧勾配をゼロ又は低い値にすると、軸方向の侵入駆動電圧が高周波電圧により生成される擬似ポテンシャル障壁に対抗できなくなるため、イオンは両側のイオン蓄積領域４０４に蓄積される。軸方向の駆動電圧がない場合も同様である。一定の時間だけイオンを蓄積した後、両側の横方向の電圧分布を変更することにより、両側に蓄積したイオンが通常の所定のイオン出口チャネル４０３に戻ることができるようになり、そこから運ばれて次段へ取り出される。また図２２に示すように、アレイ型分散電極構造４００をイオン移動度分離・測定装置として利用することもできる。この場合、一方の側から注入されたイオンが横方向の電位勾配の作用の下で他方の側へ移動し、且つ軸方向に連続的に運ばれる。ドリフトの間、軸方向の電位勾配は高周波電圧により生成される擬似ポテンシャル障壁に対抗できないため、イオンは軸方向には十分に安定した状態となり、軸方向に逃げることがない。イオンが他方の側に移動してしまえば、軸方向の侵入電位がそこで急激に高くなるため、イオン出口チャネル４０３からイオンを軸方向に取り出すことができる。

更に、図２３に示すように、アレイ型分散電極構造４００は別の閉曲線に沿って閉じた電極分散アレイ４１０の形にすることもできる。電極毎の電圧の分布を動的に調整することにより、閉曲線に沿って閉じた電極アレイ４１０内でイオンを１周以上ドリフトさせることができる。これによりイオンのドリフト距離が非常に長くなり、より高いイオン移動度分解能が得られる。前述のイオン取り出しモードと同様、イオンの取り出しの際は、電極群の所定箇所の軸方向の侵入電位を高周波電圧により生成される擬似ポテンシャル障壁に対抗できるように十分に高くすることで、イオン出口チャンネル４０３からイオンを軸方向に順次取り出す。

要約すると、本発明のイオンガイド装置には以下の利点がある。即ち、電極形状及び装置構造が簡素であるため、機械加工、組み立て及び機能の拡張が容易である。イオンの効率的な搬送と効果的な圧縮を実現することができる。本装置は質量分析やイオン移動度分析といった関連技術分野に応用できる。本装置を直交入射イオン飛行時間型質量分析装置におけるイオンビーム圧縮に応用すれば、イオンを効率的に圧縮してイオンの初期の空間分布を低減し、以て装置の分解能を改善することができる。三連四重極質量分析装置や他の質量分析装置においては、本装置を用いて軸外し型のイオン光学設計を簡便に実現することができ、それにより、中性ガス分子からの干渉を効果的に低減させて装置の信号雑音比を改善することができるだけでなく、装置の体積を大幅に小さくすることができる。このように、本発明は従来技術の様々な問題を効果的に克服しており、優れた産業上の利用価値を有している。

前記の各実施例は本発明の原理及び効果を例証的に説明するために用いたものに過ぎず、本発明を限定することを意図したものではない。当業者であれば本発明の精神及び範囲から離れることなく各実施例に修正や変更を施すことができる。従って、本発明に開示された精神及び技術思想から離れることなく当該技術分野における通常の技術を有する者により成されるあらゆる等価な修正又は変更もまた本発明の特許請求の範囲に包含される。

１０…イオンガイド装置
１０１ａ…板状電極
１０１ｂ…板状電極
１０２…空間軸
１０３…電極
１０４…イオン入口
１０５…イオン出口
１０６…スリット
１０７…検出器
１０８…補助電極
４００…アレイ電極構造
４０１…イオン注入口
４０２…イオン流
４０３…イオン出口チャネル
４０４…イオン蓄積領域
４１０…閉じた電極構造

Claims (25)

1. 空間軸に沿って延在する２組の電極群と、第１の電源装置と、第２の電源装置とを備えるイオンガイド装置であって、
   前記２組の電極群が前記空間軸に垂直な方向に沿って配置され、各組の電極群を構成する電極の数又は間隔は任意であり、各組の電極群に含まれる各電極の少なくとも１つの面が同一の空間平面上にほぼ載っており、各組の電極群に対応する空間平面は同一でも平行でもなく、以て前記空間軸に垂直な方向における断面積が徐々に小さくなっているイオン搬送チャネルを形成し、該イオン搬送チャネルのイオン入口が大きな開口を有し、同チャネルのイオン出口が小さな開口を有し、
   前記第１の電源装置が、前記２組の電極群に含まれる少なくとも一部の電極に高周波電圧を印加することで前記イオン搬送チャネル内のイオンを前記空間軸に垂直な少なくとも１つの方向において閉じ込めるために用いられ、
   前記第２の電源装置が、前記２組の電極群に含まれる全ての電極に対して独立に電圧信号を印加することで前記空間軸に垂直な少なくとも１つの方向に独立に制御可能な直流電位の分布を形成してイオンの運動を制御するため、且つ、前記空間軸の方向に電圧分布を形成して該空間軸に沿って選択可能なイオンの搬送経路を実現するために用いられる
   ことを特徴とするイオンガイド装置。
2. 前記空間軸が直線状又は曲線状の軸であることを特徴とする請求項１に記載のイオンガイド装置。
3. 前記空間軸が曲線状の軸である場合、前記イオン入口における軸の方向が第１の軸方向であり、前記イオン出口における軸の方向が第２の軸方向であり、該第１の軸方向と該第２の軸方向の間の挟角が１０°未満、１０°〜２０°、２０°〜３０°、３０°〜４０°、４０°〜５０°、５０°〜６０°、６０°〜７０°、７０°〜８０°、８０°〜９０°、９０°〜１００°、１００°〜１１０°、１１０°〜１２０°、１２０°〜１３０°、１３０°〜１４０°、１４０°〜１５０°、１５０°〜１６０°、１６０°〜１７０°、及び、１７０°〜１８０°のうちのいずれかであることを特徴とする請求項２に記載のイオンガイド装置。
4. 前記２組の電極群に含まれる電極が板状電極又は非平面状電極であることを特徴とする請求項１に記載のイオンガイド装置。
5. 前記２組の電極群に板状電極が含まれており、該板状電極が四角柱電極、矩形板状電極、扇形板状電極及び絶縁基板上に接着された薄層板状電極のうち１つ又はそれらの組み合わせであることを特徴とする請求項４に記載のイオンガイド装置。
6. 前記板状電極が前記絶縁基板上に接着された薄層板状電極を含み、該絶縁基板がプリント回路基板、ポリイミド、セラミック及びガラスのうちいずれかであることを特徴とする請求項５に記載のイオンガイド装置。
7. 前記２組の電極群に非平面状電極が含まれており、該非平面状電極はその表面の一部又は全てが非平面状の電極であることを特徴とする請求項４に記載のイオンガイド装置。
8. 前記空間平面が平坦又は非平坦であることを特徴とする請求項１に記載のイオンガイド装置。
9. 前記イオン出口に対する前記イオン入口の面積比が１〜１０、１０〜１００、１００〜１０００、及び１０００より大きい値のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載のイオンガイド装置。
10. 第１の電源装置が各組の電極群に含まれる全ての電極に逆極性の高周波電圧を順次印加することを特徴とする請求項１に記載のイオンガイド装置。
11. 前記第２の電源装置により印加される電圧信号が、直流電圧、矩形波電圧、鋸歯波電圧、三角波電圧、及び交流電圧のうちの１つ又はそれらの組み合わせから選ばれることを特徴とする請求項１に記載のイオンガイド装置。
12. 前記矩形波電圧のデューティ比が０〜１０％、１０％〜２０％、２０％〜４０％、４０％〜６０％、及び、６０％〜１００％のうち１つ又は複数の範囲内にあることを特徴とする請求項１１に記載のイオンガイド装置。
13. 前記交流電圧信号の周波数が１０Ｈｚ〜１００ＭＨｚであることを特徴とする請求項１１に記載のイオンガイド装置。
14. 前記空間軸に垂直な方向における前記２組の電極群の配置が平行又は非平行な配置であることを特徴とする請求項１に記載のイオンガイド装置。
15. 前記２組の電極群に含まれる電極がいずれも軸方向には分割されていないことを特徴とする請求項１に記載のイオンガイド装置。
16. 補助電極を更に備え、該補助電極がイオンガイド装置の両側に配置され、前記第２の電源装置が前記補助電極に電圧信号を印加することで前記空間軸に垂直な方向へのイオンの運動を制限するとともにイオンチャネル内に軸方向の電圧勾配を生み出してイオンの搬送を実現することを特徴とする請求項１に記載のイオンガイド装置。
17. 前記補助電極が前記空間軸に平行又は非平行であることを特徴とする請求項１６に記載のイオンガイド装置。
18. 前記補助電極が平面状又は非平面状電極であることを特徴とする請求項１６に記載のイオンガイド装置。
19. イオンガイド装置の動作ガス圧が２×１０^５Ｐａ〜２×１０^３Ｐａ、２×１０^３Ｐａ〜２０Ｐａ、２０Ｐａ〜２Ｐａ、２Ｐａ〜２×１０^−１Ｐａ、２×１０^−１Ｐａ〜２×１０^−３Ｐａ、及び、２×１０^−３Ｐａ未満のうちの１つ以上の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載のイオンガイド装置。
20. イオンガイド装置の最適な動作ガス圧が０．１Ｐａ〜１００Ｐａの範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載のイオンガイド装置。
21. 前記２組の電極群が前記空間軸に垂直な方向に沿って広がってアレイ構造を形成していることを特徴とする請求項１に記載のイオンガイド装置。
22. 空間軸に沿って延在する２組の電極群と、第１の電源装置と、第２の電源装置とを備えるイオンガイド装置であって、
    前記２組の電極群が前記空間軸に垂直な方向に沿って配置され、各組の電極群を構成する電極の数又は間隔は任意であり、各組の電極群に含まれる各電極の少なくとも１つの面が同一の空間平面上にほぼ載っており、各組の電極群に対応する空間平面は同一でも平行でもなく、以て前記空間軸に垂直な方向における断面積が徐々に小さくなっているイオン搬送チャネルを形成し、該イオン搬送チャネルのイオン入口が大きな開口を有し、同チャネルのイオン出口が小さな開口を有し、
    前記第１の電源装置が、前記２組の電極群に含まれる少なくとも一部の電極に高周波電圧を印加することで前記イオン搬送チャネル内のイオンを前記空間軸に垂直な少なくとも１つの方向において閉じ込めるために用いられ、
    前記第２の電源装置が、前記２組の電極群に含まれる少なくとも一部の電極に電圧信号を印加することで前記空間軸に垂直な少なくとも１つの方向に電圧分布を形成してイオンの運動を制御するため、且つ、前記空間軸の方向に電圧分布を形成して該空間軸に沿ったイオンの搬送を実現するために用いられ、
    前記２組の電極群が閉曲線に沿って広がって、閉じたアレイ構造を形成していることを特徴とするイオンガイド装置。
23. 空間軸に沿って延在する２組の電極群と、第１の電源装置と、第２の電源装置とを備えるイオンガイド装置であって、
    前記２組の電極群が前記空間軸に垂直な方向に沿って配置され、各組の電極群を構成する電極の数又は間隔は任意であり、各組の電極群に含まれる各電極の少なくとも１つの面が同一の空間平面上にほぼ載っており、各組の電極群に対応する空間平面は同一でも平行でもなく、以て前記空間軸に垂直な方向における断面積が徐々に小さくなっているイオン搬送チャネルを形成し、該イオン搬送チャネルのイオン入口が大きな開口を有し、同チャネルのイオン出口が小さな開口を有し、
    前記第１の電源装置が、前記２組の電極群に含まれる少なくとも一部の電極に高周波電圧を印加することで前記イオン搬送チャネル内のイオンを前記空間軸に垂直な少なくとも１つの方向において閉じ込めるために用いられ、
    前記第２の電源装置が、前記２組の電極群に含まれる少なくとも一部の電極に電圧信号を印加することで前記空間軸に垂直な少なくとも１つの方向に電圧分布を形成してイオンの運動を制御するため、且つ、前記空間軸の方向に電圧分布を形成して該空間軸に沿ったイオンの搬送を実現するために用いられ、
    更に、前記イオン入口にイオンを注入するための複数のイオン注入口を備えることを特徴とするイオンガイド装置。
24. イオン注入方向が前記空間軸の方向及び該空間軸に垂直な方向のいずれか又はそれらの組み合わせであることを特徴とする請求項２３に記載のイオンガイド装置。
25. イオンガイド装置が、質量分析装置又はイオン移動度分析装置の前段イオンガイド装置、イオン移動度分析器、イオン圧縮器、イオン蓄積器、衝突室、及びイオン集群器のうち１つ又はそれらの組み合わせとしての役割を果たすことを特徴とする請求項１に記載のイオンガイド装置。

Images