JP6742390B2

JP6742390B2 - イオンモビリティ分離方法及び装置

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Publication number: JP6742390B2
Application number: JP2018226767A
Authority: JP
Inventors: エム．イブラヒム、ヤヒア; ヴィ．ビー．ガリメラ、サンディルヤ; ディー．スミス、リチャード
Original assignee: バッテルメモリアルインスティチュート
Priority date: 2015-09-11
Filing date: 2018-12-03
Publication date: 2020-08-19
Anticipated expiration: 2036-05-02
Also published as: US20170076931A1; CN108352288B; EP3347913B1; CA2997910C; US20180254178A1; AU2016320584A1; CN108352288A; US9704701B2; JP6446600B2; WO2017044159A1; EP3347913A1; CA2997910A1; JP2019039933A; JP2018528427A; AU2016320584B2; US10424474B2

Description

本発明は、気相におけるイオンモビリティ分離及びその他のイオン操作に関するものである。より具体的には、本発明は、電極を含む単一の非平面状の面を有する装置におけるイオンモビリティ分離方法及びイオン操作に係るものである。

質量分析の有用性は、より複雑なイオン操作が行えるようになり拡大している。現在のイオンモビリティ技術及びイオン操作は、電場を規定するように働く囲繞面（ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｓｕｒｆａｃｅｓ）に依存している。しかしながら、この手法は、例えば現場配置のために装置の小型化を図る際に、有効でなくなる場合がある。また、イオンが移動するドリフト長を合理的且つ実際的な物理長さに延長することにより、イオンモビリティ分析（ＩＭＳ）の高分解能を実現することが極めて困難になる。このため、ＩＭＳの有用性は、従来のイオン光学設計によって阻害されている。

イオン分離チャネルを備え、且つイオンの損失を防止できる開構造をもつイオンモビリティ分離又は操作用の装置が要求されている。

本発明は、単一面を備えたイオンモビリティ分離又は操作用の装置を対象としている。単一面は、非平面状である、すなわち平坦ではない。装置は、この面に結合された電極アレイも備える。装置は更に、電極アレイに印加されて、イオンを装置内で移動させる閉じ込め・駆動場を形成するＲＦ電圧及びＤＣ電圧の組み合わせを有する。一具体例において、この面は、その両側に電極アレイを有することができる。

一具体例において、装置の外部の１つ以上の電極又は他の面によって、部分的に又は全体的に、電極により形成される面上の電場を規定したりその電場に影響させたりできる。これらの外部の電極又は面は、電圧を印加すると、異なる又はより複雑な場を確立又は形成できる。これによって、例えば、面上の一方の電極アレイをオフにしながら他方のアレイをオンにすることが可能となる。これは、なかでも、イオンのピーク圧縮や集束（ｂｏｕｎｃｈｉｎｇ）に有用である。一具体例において、面に結合された電極アレイは、面の上方に延在し且つ面から上方の距離が変化していてもよい。更に、面に結合された１つ以上の電極アレイは、外部の面及び／又は電極によってオン・オフすることができる。

単一の非平面状の面は、多くの異なる形状のものとすることができる。面は、湾曲形状、円筒形状、螺旋形状、ファンネル形状、半球形状、楕円形状、非対称形状を有することができる。

一具体例において、透明なエンクロージャ又はカバーが、装置上に配置される。カバーには、例えば接地や近傍の電極からの電位の干渉に対して保護するために、電圧を印加できる。一具体例において、装置は、部分的に又は完全に透明なエンクロージャ又はカバー内に配置される。

一具体例において、電極アレイは、１つ以上の内側ＲＦ電極アレイと、複数の外側ＤＣ電極アレイとを含む。内側ＲＦ電極アレイ及び外側ＤＣ電極アレイは、実質的に面の長さに沿って延在する。

一具体例において、第１外側ＤＣ電極アレイが内側ＲＦ電極アレイの一方の側部に位置付けられ、第２外側ＤＣ電極アレイが内側電極アレイの他方の側部に位置付けられる。

一具体例において、ＤＣ電圧が第１及び第２外側電極アレイに印加され、ＲＦ電圧が内側電極アレイに印加される。

一具体例において、少なくとも１つの内側電極アレイに対するＲＦ波形が、その近傍の内側ＲＦ電極アレイに対するＲＦ波形と位相が異なる。各内側ＲＦ電極アレイに印加されるＲＦ電圧が、その近傍の内側電極アレイと位相がずれて、擬似ポテンシャルを形成してもよい。一具体例において、内側電極アレイに印加されるＲＦ電圧が、その近傍の内側電極アレイと約１８０度位相がずれて、擬似ポテンシャルを形成する。

装置は、線形又は非線形の経路で、実質的に面の長さに沿って延在する１つ以上の内側ＤＣ電極アレイを更に備えてもよい。各内側ＤＣ電極アレイは、隣り合うＲＦ電極アレイの対の間に位置付けられる。少なくとも１つの内側ＲＦ電極アレイに対するＲＦ波形は、近傍の又は隣り合う内側ＲＦ電極アレイに対するＲＦ波形と位相が異なる。

一具体例において、外側ＤＣ電極アレイに印加される第１ＤＣ電圧は同じであり、内側ＤＣ電極アレイに印加される第２ＤＣ電圧はＤＣ勾配を有するか又は内側ＤＣアレイに亘って異なっている。

一具体例において、外側ＤＣ電極アレイに印加される第１ＤＣ電圧は外側アレイに亘って異なるか又はＤＣ勾配を有し、内側ＤＣ電極アレイに印加される第２ＤＣ電圧はＤＣ勾配を有するか又は内側ＤＣアレイに亘って異なる。

第１ＤＣ電圧は、第２ＤＣ場よりも高いか又は低い振幅を有してもよい。

一具体例において、内側ＤＣ電極アレイは、外側電極アレイに対してずれているか又はオフセットしている。

一具体例において、ＤＣ電圧が、内側ＲＦ電極アレイの少なくとも１つに重畳される。

装置は、電荷検出器、イオン画像検出器、光学検出器及び質量分析計のうち少なくとも１つに結合させてもよい。

一具体例において、イオンが、装置の外部から斜めに装置に導入される。

イオンは、光イオン化、コロナ放電、レーザーイオン化、電子衝撃、フィールドイオン化、化学イオン化及びエレクトロスプレーのうち少なくとも１つを用いて装置の内部又は外部に形成できる。

ＤＣ電圧は、静的なＤＣ電圧又は時間依存的なＤＣ電位又は波形であってもよい。

一具体例において、面は、可撓性プリント配線基板材料を湾曲させ、３Ｄ印刷又は他の手段により非導電性面上に導電性材料を堆積させることによって形成される。

本発明の他の具体例において、気相においてイオンを移動又は分離する方法が開示される。この方法は、電極アレイを単一の非平面状の面に結合することを含む。この方法は、ＲＦ電圧及びＤＣ電圧の組み合わせを電極アレイに印加して、単一の湾曲又は非平面状の面においてイオンを移動させる閉じ込め・駆動場を形成することも含む。

本発明の他の具体例において、イオンモビリティ分離装置が開示される。この装置は、単一の非平面状の面を備える。この装置は、１つ以上の内側ＲＦ電極アレイ及び複数の外側ＤＣ電極アレイを含む電極アレイも備える。内側ＲＦ電極アレイ及び外側ＤＣ電極アレイは、実質的に面の長さに沿って延在する。第１及び第２外側ＤＣ電極アレイは、内側ＲＦ電極アレイの両側に位置付けられる。この装置は、実質的に面の長さに沿って延在する１つ以上の内側ＤＣ電極アレイを更に備える。各内側ＤＣ電極アレイは、隣り合う内側ＲＦ電極アレイの対の間に位置付けられる。ＲＦ電圧及びＤＣ電圧の組み合わせが電極アレイに印加されて、イオンを装置内で移動させる閉じ込め・駆動場を形成する。

一具体例において、少なくとも１つの内側ＲＦ電極アレイに対するＲＦ波形は、近傍の又は隣り合う内側ＲＦ電極アレイに対するＲＦ波形と位相が異なる。

外側ＤＣ電極アレイに印加される第１ＤＣ電圧は同じであるか異なり、内側ＤＣ電極アレイに印加される第２ＤＣ電圧はＤＣ勾配を有するか又は内側ＤＣアレイに亘って異なる。

本発明の他の具体例において、イオンモビリティ装置が開示される。この装置は、単一の非平面状の面を備える。この装置は、単一面に結合された内側ＲＦ電極アレイ及び複数の外側ＤＣ電極アレイも備え、内側ＲＦ電極アレイ及び外側ＤＣ電極アレイは、実質的に単一面の長さに沿って延在している。第１及び第２外側ＤＣ電極アレイは、内側ＲＦ電極アレイの両側に位置付けられる。ＲＦ電圧及びＤＣ電圧の組み合わせが、電極アレイに印加されて、イオンを装置内で移動させる閉じ込め・駆動場を形成し、イオンを装置内に更に閉じ込め移動させるようにＤＣ場が内側ＲＦ電極アレイに重畳される。

他の具体例において、装置は、各面をイオンが移動する「ウォーターフォール（ｗａｔｅｒｆａｌｌ）」効果を与える互いに配向の異なる２つ以上の非平面状の面を備えることができる。

本発明の一具体例に係る、外側ＤＣ電極アレイ及び内側ＤＣ電極アレイと、内側ＤＣ電極の両側に位相が反対のＲＦ電極アレイとを含む単一の湾曲又は非平面状の面を有するイオンモビリティ装置の上面視概略図。本発明の一具体例に係る、外側ＤＣ電極アレイ及び内側ＤＣ電極アレイと、内側ＤＣ電極の両側に位相が反対のＲＦ電極アレイとを含む単一の湾曲又は非平面状の面を有するイオンモビリティ装置の斜視概略図。本発明の一具体例に係る、外側ＤＣ電極アレイ及び内側ＤＣ電極アレイと、内側ＤＣ電極の両側に位相が反対のＲＦ電極アレイとを含む単一の湾曲又は非平面状の面を有するイオンモビリティ装置の前面視概略図。本発明の一具体例に係る、外側ＤＣ電極アレイ及び内側ＤＣ電極アレイと、内側ＤＣ電極の両側に位相が反対のＲＦ電極アレイとを含む単一の湾曲又は非平面状の面を有するイオンモビリティ装置の側面視概略図。本発明の一具体例に係る、内側ＲＦ電極アレイにＤＣ場が重畳される、外側ＤＣ電極アレイ及び内側ＲＦ電極アレイを含む単一の湾曲又は非平面状の面を有するイオンモビリティ装置の上面視概略図。本発明の一具体例に係る、内側ＲＦ電極アレイにＤＣ場が重畳される、外側ＤＣ電極アレイ及び内側ＲＦ電極アレイを含む単一の湾曲又は非平面状の面を有するイオンモビリティ装置の斜視概略図。本発明の一具体例に係る、内側ＲＦ電極アレイにＤＣ場が重畳される、外側ＤＣ電極アレイ及び内側ＲＦ電極アレイを含む単一の湾曲又は非平面状の面を有するイオンモビリティ装置の前面視概略図。本発明の一具体例に係る、内側ＲＦ電極アレイにＤＣ場が重畳される、外側ＤＣ電極アレイ及び内側ＲＦ電極アレイを含む単一の湾曲又は非平面状の面を有するイオンモビリティ装置の側面視概略図。本発明の一具体例に係る、電極に亘って異なるＤＣ場又はＤＣ勾配が印加された外側ＤＣ電極アレイ及び内側ＤＣ電極アレイと、内側ＤＣ電極の両側に位相が反対のＲＦ電極アレイとを含む単一の湾曲又は非平面状の面を有するイオンモビリティ装置の上面視概略図。本発明の一具体例に係る、電極に亘って異なるＤＣ場又はＤＣ勾配が印加された外側ＤＣ電極アレイ及び内側ＤＣ電極アレイと、内側ＤＣ電極の両側に位相が反対のＲＦ電極アレイとを含む単一の湾曲又は非平面状の面を有するイオンモビリティ装置の斜視概略図。本発明の一具体例に係る、電極に亘って異なるＤＣ場又はＤＣ勾配が印加された外側ＤＣ電極アレイ及び内側ＤＣ電極アレイと、内側ＤＣ電極の両側に位相が反対のＲＦ電極アレイとを含む単一の湾曲又は非平面状の面を有するイオンモビリティ装置の前面視概略図。本発明の一具体例に係る、電極に亘って異なるＤＣ場又はＤＣ勾配が印加された外側ＤＣ電極アレイ及び内側ＤＣ電極アレイと、内側ＤＣ電極の両側に位相が反対のＲＦ電極アレイとを含む単一の湾曲又は非平面状の面を有するイオンモビリティ装置の側面視概略図。本発明の一具体例に係る、電極に亘って異なるＤＣ場又はＤＣ勾配が印加された、ずれた又はオフセットした外側ＤＣ電極アレイ及び内側ＤＣ電極アレイと、内側ＤＣ電極の両側に位相が反対のＲＦ電極アレイとを含む単一の湾曲又は非平面状の面を有するイオンモビリティ装置の上面視概略図。本発明の一具体例に係る、電極に亘って異なるＤＣ場又はＤＣ勾配が印加された、ずれた又はオフセットした外側ＤＣ電極アレイ及び内側ＤＣ電極アレイと、内側ＤＣ電極の両側に位相が反対のＲＦ電極アレイとを含む単一の湾曲又は非平面状の面を有するイオンモビリティ装置の斜視概略図。本発明の一具体例に係る、電極に亘って異なるＤＣ場又はＤＣ勾配が印加された、ずれた又はオフセットした外側ＤＣ電極アレイ及び内側ＤＣ電極アレイと、内側ＤＣ電極の両側に位相が反対のＲＦ電極アレイとを含む単一の湾曲又は非平面状の面を有するイオンモビリティ装置の前面視概略図。本発明の一具体例に係る、電極に亘って異なるＤＣ場又はＤＣ勾配が印加された、ずれた又はオフセットした外側ＤＣ電極アレイ及び内側ＤＣ電極アレイと、内側ＤＣ電極の両側に位相が反対のＲＦ電極アレイとを含む単一の湾曲又は非平面状の面を有するイオンモビリティ装置の側面視概略図。本発明の一具体例に係る、面から離間した位置においてイオンが装置内を移動している、図１のイオンモビリティ装置の断面。図１の具体例を使用した到達時間に亘るイオンカウント数のプロットであり、モビリティによる、異なる質量電荷比の２つのイオンの分離。本発明の一具体例に係る、面から離間した位置においてイオンが装置内を移動する、図１の装置の三次元概略図。時間依存的な電場の高い部分における、図７Ａの装置内のイオンの閉じ込めを示すプロット。時間依存的な電場の低い部分における、図７Ａの装置内のイオンの閉じ込めを示すプロット。２つの異なる構成（図４の具体例又はシングルボード・イオンモビリティ分離装置及び先行技術のデュアルボード・イオンモビリティ分離装置）を使用した、異なる質量電荷比の、モビリティによって分離させた２つのイオンの到達時間に亘るイオンカウント数のプロット。本発明の一具体例に係る、ＤＣ移動波動場が外側電極に印加され且つ位相が反対のＲＦが内側電極に印加され、面から離間した位置においてイオンが装置内を移動する、図２のイオンモビリティ装置の断面。本発明の一具体例に係る、ＤＣ移動波動場が外側電極に印加され且つ位相が反対のＲＦが内側電極に印加され、面から離間した位置においてイオンが装置内を移動する、図２のイオンモビリティ装置の三次元概略図。それぞれが図１Ａ〜１Ｄに示す具体例と同様の２つの装置であって、一方の装置が他方の装置に対して斜めに上方にあり又はオフセットして、一方の装置から他方へイオンが移動する「ウォーターフォール（ｗａｔｅｒｆａｌｌ）」効果を与える２つの装置の斜視概略図。それぞれが図１Ａ〜１Ｄに示す具体例と同様の２つの装置であって、互いに対して直交するように位置付けられて、一方の装置から他方へイオンが移動する「ウォーターフォール（ｗａｔｅｒｆａｌｌ）」効果を与える２つの装置の斜視概略図。

以下の説明は、本発明の具体例の好適な最良の形態を含む。本発明のこの説明から、本発明がこれらの例示の具体例に限定されないこと、また、本発明が様々な変形例及びその具体例を含むことが明らかとなろう。従って、この説明は、限定するものではなく例示的なものとしてみなされるべきである。本発明は、様々な変形例及び代替構造が可能であるが、開示された特定の形態に本発明を限定する意図はなく、逆に本発明は、特許請求の範囲において規定された本発明の原理及び範囲に該当する全ての変形例、代替構造及び均等物を包含するものである。

イオンモビリティ分離方法及び装置が開示される。この装置は、開構造を有し、平坦でも平面状でもない単一面により形成されたドリフトセルを備えてもよい。従って、単一面は、開いており、また、チャネルを形成する２つの平坦な電極面を有する従来のドリフトセルとは対照的に、イオン分離チャネルを形成し且つイオンの損失を防止する一助となるように湾曲させるか角度を有するようにできる。

単一の非平面状の面は、可撓性プリント配線基板材料を湾曲させ、３Ｄ印刷又は他の手段により非導電性面上に導電性材料を堆積させることによって形成できる。

ＲＦ場及びＤＣ場の組み合わせを、その面に結合された電極アレイに印加することによって、湾曲面の形状に沿って、装置内でイオンを移動させる閉じ込め・駆動場（ｃｏｎｆｉｎｉｎｇａｎｄｄｒｉｖｉｎｇｆｉｅｌｄｓ）を形成する。横方向の閉じ込め（ｌａｔｅｒａｌｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ）は、外側電極に印加される電場と、面の湾曲との組み合わせによって実現可能である。

一具体例において、装置の中央近傍に位置付けられた２つの別体の電極アレイが、装置内でイオンを閉じ込めて駆動する。

イオンは、静的なＤＣ場又は時間依存的なＤＣ場を印加することによって装置内で駆動することができる。

この装置によって、イオン運動平面に対して斜めのイオン注入、及び、一例において螺旋形状の分離装置の構造が可能となる。

この開いた非平面状の装置によって、湾曲させることができ、装置内の任意の位置におけるイオン導入、並びに、装置内の任意の位置におけるイオンの流れ／モビリティ／質量測定及び光学測定が可能となり、また、非平面状の断面によって、平坦状の装置ではその上側板及び下側板のために可能ではなかった非直線状（例えば螺旋状）のイオン経路が可能となる。

この装置は、装置上に位置付けられる又は配置されるカバーを備えることもできる。このカバーには、例えば接地や近傍の電子機器からの電圧又は電位の干渉に対して保護するために、電圧を印加できる。

２つ以上の装置を、一方の装置が他方に対して斜めに上方となる又はオフセットするように互いに組み合わせて又は結合して、一方の装置から他方へイオンが移動する「ウォーターフォール（ｗａｔｅｒｆａｌｌ）」効果を得ることもできる。

図１Ａ〜図１Ｄは、外側ＤＣ電極アレイ１１０と、内側ＤＣ電極アレイ１３０とを含む単一の湾曲又は非平面状の面１０５を有するイオンモビリティ装置１００の異なる図を示す。本発明の一具体例によれば、装置１００は、内側ＤＣ電極１３０の両側に、位相が互いに反対（ＲＦ＋及びＲＦ−）のＲＦ電極アレイ１２０及び１２５も備える。アレイは、実質的に面１０５の長さに沿って結合され延在している。

一具体例において、外側ＤＣ電極アレイ１１０に印加されるＤＣ電圧は同じである。内側ＤＣ電極アレイ１３０に印加されるＤＣ電圧は、異なっていてもよいし、内側アレイ１３０に亘って印加されるＤＣ勾配があってもよい。ＤＣ電圧又はＤＣ場は、静的なＤＣ場であっても、時間依存的なＤＣ場又は波形であってもよい。

図１に示すように、各内側ＤＣ電極アレイ１３０は、内側ＲＦ電極アレイのうち隣り合う対、例えば隣り合うＲＦアレイ１２０及び１２５又は隣り合うＲＦアレイ１２５及び１２０の間に位置付けられている。また、少なくとも１つの内側ＲＦ電極アレイ１２０及び１２５に対するＲＦ波形は、近傍の又は隣り合うＲＦ電極アレイ１２０又は１２５と位相が異なっている。一具体例において、内側ＲＦ電極アレイ１２０又は１２５は、その近傍の内側電極アレイ１２０又は１２５と約１８０度位相が異なり又はずれて、擬似ポテンシャルを形成する。

湾曲又は非平面状の面１０５は、単一面である。一具体例において、面１０５は、平坦ではなく、これに限定はされないが可撓性プリント基板材料で作られてもよい。

図２Ａ〜図２Ｄは、本発明の一具体例に係る、内側ＲＦ電極アレイ２２０及び２３０にＤＣ場が重畳される、外側ＤＣ電極アレイ２１０並びに内側ＲＦ電極アレイ２２０及び２３０を含む単一の湾曲又は非平面状の面２０５を有するイオンモビリティ装置２００の異なる図を示す。少なくとも１つの内側電極アレイ２２０に対するＲＦ場は、その近傍の内側電極２３０と位相が異なる。例えば、電極アレイ２２０に印加されるＲＦ波形位相はプラス（＋）であり、電極アレイ２３０に印加されるＲＦ波形位相はマイナス（−）である。ＤＣ勾配又は異なる電圧が、電極２１０に印加される。

図３Ａ〜図３Ｄは、異なるＤＣ場又はＤＣ勾配が電極アレイ３１０及び３３０に亘って印加される、外側ＤＣ電極アレイ３１０及び内側ＤＣ電極アレイ３３０を含む単一の湾曲又は非平面状の面３０５を有するイオンモビリティ装置３００の異なる図を示す。本発明の一具体例によれば、装置３００は、内側ＤＣ電極３３０の両側に、位相が互いに反対（ＲＦ＋又はＲＦ−）のＲＦ電極アレイ３２０及び３２５も備える。このようにして、各内側ＤＣ電極アレイ３３０は、隣り合う内側ＲＦ電極アレイ３２０及び３２５の対の間に位置付けられる。

外側ＤＣ電極アレイ３１０に印加されるＤＣ場は、外側アレイ３１０に亘って異なるか、あるいはＤＣ勾配を有する。内側ＤＣ電極アレイ３３０に印加されるＤＣ場は、ＤＣ勾配を有するか、あるいは異なる。

図４Ａ〜図４Ｄは、外側ＤＣ電極アレイ４１０に対してオフセットした又はずれた内側ＤＣ電極アレイ４３０を含む単一の湾曲又は非平面状の面４０５を有するイオンモビリティ装置４００装置の異なる図を示す。内側ＤＣ電極４３０の両側には、位相が反対（＋又は−）のＲＦ電極アレイ４２０及び４２５が配置されている。

外側ＤＣ電極アレイ４１０及び内側ＤＣ電極アレイ４３０に印加されるＤＣ場は、外側ＤＣアレイ及び内側ＤＣアレイ４１０及び４３０に亘って異なっている。一具体例において、ＤＣ勾配が、外側ＤＣアレイ及び内側ＤＣアレイ４１０及び４３０に亘って印加される。各内側ＤＣ電極アレイ４３０は、隣り合う内側ＲＦ電極アレイ４２０及び４２５の対の間に位置付けられる。

図５は、本発明の一具体例に係る、面から離間した位置においてイオン５５０が装置内を移動する、図１のイオンモビリティ装置５００の断面を示す。装置５００は、外側ＤＣ電極アレイ５１０と、内側ＲＦ電極アレイ５２０及び５２５と、位相が反対（＋又は−）のＲＦ電極アレイ５２０及び５２５の間に位置付けられた内側ＤＣ電極アレイ５３０とを備える。

図５の例において、イオンは、装置５００の面から約０．３ｍｍにある。電極アレイ５１０、５２０、５２５及び５３０に印加されるＲＦ場及びＤＣ場の組み合わせが、湾曲面の形状と共に、イオンを装置５００内において移動させる閉じ込め・駆動場を形成する。横方向の閉じ込めは、面の湾曲性及び外側電極５１０への電場の印加によって実現可能である。内側ＲＦ電極アレイ及び内側ＤＣ電極アレイ５２０、５２５及び５３０が、装置内でイオンを閉じ込めて駆動する。イオンは、静的なＤＣ場若しくは時間依存的なＤＣ波形又は場のいずれかを介して駆動することができる。

図６は、図１の具体例を使用した到達時間に亘るイオンカウント数のプロットであり、異なる質量電荷比（ｍ／ｚ６２２及びｍ／ｚ９２２）の２つのイオンのモビリティ分離を示す。

図７Ａは、本発明の一具体例に係る、面から離間した位置においてイオンが装置内を移動する、図１の装置の三次元概略図である。

図７Ｂは、時間依存的な電場、動的な電場の高い部分における、図７Ａの装置内のイオンの閉じ込めを示すプロットである。

図７Ｃは、時間依存的な電場、動的な電場の低い部分における、図７Ａの装置内のイオンの閉じ込めを示すプロットである。

図８は、２つの異なる構成、すなわち、図４の具体例又はシングルボード・イオンモビリティ分離装置、及び、先行技術のデュアルボード・イオンモビリティ分離装置を使用した、異なる質量電荷比（ｍ／ｚ６２２及びｍ／ｚ９２２）の２つのイオンの到達時間に亘るイオンカウント数のプロットである。先行技術のデュアルボードは直線又は平面状であり、シングルボード構成は湾曲している。各装置の長さは、約７６ｍｍである。

図９Ａ及び図９Ｂは、本発明の一具体例に係る、ＤＣ移動波動場が外側電極に印加され且つ位相が反対のＲＦが内側電極に印加され、面から離間した位置においてイオンが装置内を移動する、図２のイオンモビリティ装置の断面及び三次元概略図をそれぞれ示す。

図１０Ａは、イオンモビリティ分離装置又は設備１０００として組み合わされて使用される２つの装置１００５及び１０５５の斜視概略図である。各装置１００５及び１０５５は、図１Ａ〜図１Ｄに示す具体例と同様であり、一方の装置１００５が他方の装置１０５５に対して斜めに上方にあり又はオフセットして、一方の装置から他方へイオンが移動する「ウォーターフォール（ｗａｔｅｒｆａｌｌ）」効果を与える。

装置１００５は、外側ＤＣ電極アレイ１０１０と、内側ＤＣ電極アレイ１０３０と、ＲＦ電極アレイ１０２０及び１０２５とを備える。各内側ＤＣ電極アレイ１０３０は、位相が反対（ＲＦ＋又はＲＦ−）のＲＦ電極アレイ１０２０及び１０２５の間に位置付けられている。

装置１０５５は、外側ＤＣ電極アレイ１０６０と、内側ＤＣ電極アレイ１０８０と、ＲＦ電極アレイ１０７０及び１０７５とを備える。各内側ＤＣ電極アレイ１０８０は、位相が反対（ＲＦ＋又はＲＦ−）のＲＦ電極アレイ１０７０及び１０７５の間に位置付けられている。

図１０Ｂは、イオンモビリティ分離装置又は設備１１００として組み合わされて使用される２つの装置１１０５及び１１５５の斜視概略図である。各装置１１０５及び１１５５は、図１Ａ〜図１Ｄに示す具体例と同様であり、装置１１０５及び１１５５が互いに対して直交するように位置付けられて、一方の装置から他方へイオンが移動する「ウォーターフォール（ｗａｔｅｒｆａｌｌ）」効果を与える。

装置１１０５は、外側ＤＣ電極アレイ１１１０と、内側ＤＣ電極アレイ１１３０と、ＲＦ電極アレイ１１２０及び１１２５とを備える。各内側ＤＣ電極アレイ１１３０は、位相が反対（ＲＦ＋又はＲＦ−）のＲＦ電極アレイ１１２０及び１１２５の間に位置付けられている。

装置１１５５は、外側ＤＣ電極アレイ１１６０と、内側ＤＣ電極アレイ１１８０と、ＲＦ電極アレイ１１７０及び１１７５とを備える。各内側ＤＣ電極アレイ１１８０は、位相が反対（ＲＦ＋又はＲＦ−）のＲＦ電極アレイ１１７０及び１１７５の間に位置付けられている。

本発明の多くの具体例を示して説明したが、本発明から逸脱することなくそのより広い態様において多くの変更及び修正ができることは当業者にとって明らかであろう。従って添付の特許請求の範囲は、本発明の原理及び範囲に該当する限りにおいてそのような変更及び修正の全てを包含することを意図している。

本発明の具体例を以下に示す。
（１）イオンモビリティ分離又は操作用の装置であって、
ａ．単一の非平面状の面と
ｂ．前記面に結合された電極アレイと、
ｃ．前記電極アレイに印加されて、イオンを前記装置内で移動させる閉じ込め駆動場を形成する、ＲＦ電圧及びＤＣ電圧の組み合わせと
を備える装置。
（２）前記装置上に追加の電場を形成するための、前記装置の外部の１つ以上の面及び／又は電極を更に備える、（１）に記載された装置。
（３）前記外部の面及び／又は電極に印加される電圧がオン・オフされるようになっている、（２）に記載された装置。
（４）前記面に結合された前記電極アレイが、前記面の上方に延在し且つ前記面から上方への距離が変化している、（１）に記載された装置。
（５）前記面に結合された前記電極アレイの１つ以上が、前記外部の面及び／又は電極によってオン・オフされるようになっている、（２）に記載された装置。
（６）前記単一の非平面状の面が、前記面の両側に電極アレイを備える、（１）に記載された装置。
（７）前記装置が、部分的に又は完全に透明なカバー又はエンクロージャ内に配置される、（１）に記載された装置。
（８）前記単一の非平面状の面が、湾曲形状、円筒形状、螺旋形状、ファンネル形状、半球形状又は楕円形状のうちのいずれかである、（１）に記載された装置。
（９）前記電極アレイが、１つ以上の内側ＲＦ電極アレイと、複数の外側ＤＣ電極アレイとを備え、
前記内側ＲＦ電極アレイ及び前記外側ＤＣ電極アレイが、実質的に前記面の長さに沿って延在している、（１）に記載された装置。
（１０）第１外側ＤＣ電極アレイが前記内側ＲＦ電極アレイの一方の側部に位置付けられ、第２外側ＤＣ電極アレイが前記内側ＲＦ電極アレイの他方の側部に位置付けられる、（９）に記載された装置。
（１１）前記ＤＣ電圧が前記第１及び第２外側電極アレイに印加され、前記ＲＦ電圧が前記内側電極アレイに印加されるようになっている、（９）に記載された装置。
（１２）少なくとも１つの内側電極アレイに対する前記ＲＦ電圧が、その近傍の内側電極と位相が異なる、（１１）に記載された装置。
（１３）各内側電極アレイに印加される前記ＲＦ電圧が、その近傍の内側電極と位相がずれて、擬似ポテンシャルを形成する、（１２）に記載された装置。
（１４）前記内側電極アレイに印加される前記ＲＦ電圧が、その近傍の内側電極アレイと約１８０度位相がずれて、前記擬似ポテンシャルを形成する、（１３）に記載された装置。
（１５）実質的に前記面の長さに沿って延在する１つ以上の内側ＤＣ電極アレイを更に備え、
各内側ＤＣ電極アレイが、隣り合う前記内側ＲＦ電極アレイの対の間に位置付けられる、（１０）に記載された装置。
（１６）少なくとも１つの内側ＲＦ電極アレイに対するＲＦ電圧が、近傍の又は隣り合う内側ＲＦ電極アレイと位相が異なる、（１５）に記載された装置。
（１７）前記外側ＤＣ電極アレイに印加される第１ＤＣ電圧が同じであり、前記内側ＤＣ電極アレイに印加される第２ＤＣ電圧がＤＣ勾配を有するか又は前記内側ＤＣアレイに亘って異なっている、（１６）に記載された装置。
（１８）前記外側ＤＣ電極アレイに印加される第１ＤＣ電圧が前記外側アレイに亘って異なっているか又はＤＣ勾配を有し、前記内側ＤＣ電極アレイに印加される第２ＤＣ電圧がＤＣ勾配を有するか又は前記内側ＤＣアレイに亘って異なっている、（１６）に記載された装置。
（１９）前記内側ＤＣ電極アレイが、前記外側電極アレイに対してずれている又はオフセットしている、（１８）に記載された装置。
（２０）前記内側ＲＦ電極アレイに重畳されるＤＣ場を更に備える、（１０）に記載された装置。
（２１）少なくとも１つの内側ＲＦ電極アレイに対する前記ＲＦ電圧が、その近傍の内側ＲＦ電極アレイと位相が異なる、（２０）に記載された装置。
（２２）前記ＤＣ電圧が静的なＤＣ電圧又は時間依存的なＤＣ波形である、（１）に記載された装置。
（２３）気相のイオンを分離又は操作する方法であって、
ａ．電極アレイを単一の非平面状の面に結合するステップと、
ｂ．ＲＦ電圧及びＤＣ電圧の組み合わせを前記電極アレイに印加して、前記単一の非平面状の面を通ってイオンを移動させる閉じ込め・駆動場を形成するステップと
を含む方法。
（２４）前記装置の外部の１つ以上の面及び／又は電極を介して、前記装置上に追加の電場を形成するステップを更に含む、（２３）に記載された方法。
（２５）前記外部の面及び／又は電極に印加される電圧をオン・オフする、（２４）に記載された方法。
（２６）前記面に結合された前記電極アレイが、前記面の上方に延在し且つ前記面から上方への距離が変化している、（２３）に記載された方法。
（２７）前記面に結合された前記電極アレイの少なくとも１つを、前記外部の面及び／又は電極によってオン・オフするステップを更に含む、（２４）に記載された方法。
（２８）前記単一の非平面状の面が、前記面の両側に電極アレイを備える、（２３）に記載された方法。
（２９）前記装置を部分的に又は完全に透明なカバー又はエンクロージャ内に配置することを更に含む、（２３）に記載された方法。
（３０）前記単一の非平面状の面が、湾曲形状、円筒形状、螺旋形状、ファンネル形状、半球形状又は楕円形状のうちのいずれかである、（２３）に記載された方法。
（３１）前記電極アレイが、１つ以上の内側ＲＦ電極アレイと、複数の外側電極アレイとを備え、
前記内側ＲＦ電極アレイ及び前記外側ＤＣ電極アレイが、実質的に前記面の長さに沿って延在している、（２３）に記載された方法。
（３２）第１外側ＤＣ電極アレイが前記内側ＲＦ電極アレイの一方の側部に位置付けられ、第２外側電極アレイが前記内側電極アレイの他方の側部に位置付けられる、（３１）に記載された方法。
（３３）前記ＤＣ電圧が前記第１及び第２外側電極アレイに印加され、前記ＲＦ電圧が前記内側電極アレイに印加される、（３１）に記載された方法。
（３４）少なくとも１つの内側電極アレイに対する前記ＲＦ電圧が、その近傍の内側電極アレイと位相が異なる、（３３）に記載された方法。
（３５）各内側電極アレイに印加される前記ＲＦ電圧が、その近傍の内側電極アレイと位相がずれて、擬似ポテンシャルを形成する、（３４）に記載された方法。
（３６）前記内側電極アレイに印加される前記ＲＦ電圧が、その近傍の内側電極アレイと約１８０度位相がずれて、前記擬似ポテンシャルを形成する、（３５）に記載された方法。
（３７）実質的に前記面の長さに沿って延在する１つ以上の内側ＤＣ電極アレイを設けるステップを更に含み、
各内側ＤＣ電極アレイが、隣り合う前記内側ＲＦ電極アレイの対の間に位置付けられる、（３２）に記載された方法。
（３８）少なくとも１つの内側ＲＦ電極アレイのＲＦ電圧が、近傍の又は隣り合う内側ＲＦ電極アレイと位相が異なる、（３７）に記載された方法。
（３９）前記外側ＤＣ電極アレイに印加される第１ＤＣ電圧が同じであり、前記内側ＤＣ電極アレイに印加される第２ＤＣ電圧がＤＣ勾配を有するか又は前記内側ＤＣアレイに亘って異なる、（３８）に記載された方法。
（４０）前記外側ＤＣ電極アレイに印加される第１ＤＣ電圧が前記外側アレイに亘って異なるか又はＤＣ勾配を有し、前記内側ＤＣ電極アレイに印加される第２ＤＣ電圧がＤＣ勾配を有するか又は前記内側ＤＣアレイに亘って異なる、（３８）に記載された方法。
（４１）前記内側ＤＣ電極アレイが、前記外側電極アレイに対してずれている又はオフセットしている、（４０）に記載された方法。
（４２）前記内側ＲＦ電極アレイにＤＣ電場を重畳させるステップを更に含む、（３２）に記載された方法。
（４３）前記イオンを、外部から斜めに前記面に導入する、（２３）に記載された方法。
（４４）前記ＤＣ電圧が静的なＤＣ電圧又は時間依存的なＤＣ波形である、（２３）に記載された方法。
（４５）イオンモビリティ分離又は操作用の装置であって、
ａ．単一の非平面状の面と、
ｂ．１つ以上の内側ＲＦ電極アレイ及び複数の外側ＤＣ電極アレイを備え、前記単一面に結合され、前記内側ＲＦ電極アレイ及び前記外側ＤＣ電極アレイが、実質的に前記単一面の長さに沿って延在し、第１及び第２外側ＤＣ電極アレイが前記内側ＲＦ電極アレイの両側に位置付けられた、電極アレイと、
ｃ．実質的に前記面の長さに亘って延在し、それぞれが、隣り合う内側ＲＦ電極アレイの対の間に位置付けられた、１つ以上の内側ＤＣ電極アレイと、
ｄ．前記電極アレイに印加されて、イオンを前記装置内で移動させる閉じ込め・駆動場を形成する、ＲＦ電圧及びＤＣ電圧の組み合わせと
を備える装置。
（４６）少なくとも１つの内側ＲＦ電極アレイに対するＲＦ電圧が、近傍の又は隣り合う内側ＲＦ電極アレイと位相が異なる、（４３）に記載された装置。
（４７）前記外側ＤＣ電極アレイに印加される第１ＤＣ電圧が同じであり、前記内側ＤＣ電極アレイに印加される第２ＤＣ電圧がＤＣ勾配を有するか又は前記内側ＤＣアレイに亘って異なる、（４３）に記載された装置。
（４８）前記外側ＤＣ電極アレイに印加される第１ＤＣ電圧が前記外側アレイに亘って異なるか又はＤＣ勾配を有し、前記内側ＤＣ電極アレイに印加される第２ＤＣ電圧がＤＣ勾配を有するか又は前記内側ＤＣアレイに亘って異なる、（４５）に記載された装置。
（４９）前記内側ＤＣ電極アレイが、前記外側電極アレイに対してずれている又はオフセットしている、（４６）に記載された装置。
（５０）イオンモビリティ分離又は操作用の装置であって、
ａ．単一の非平面状の面と、
ｂ．１つ以上の内側ＲＦ電極アレイ及び複数の外側ＤＣ電極アレイを備え、前記単一面に結合され、前記内側ＲＦ電極アレイ及び前記外側ＤＣ電極アレイが、実質的に前記単一面の長さに沿って延在し、第１及び第２外側ＤＣ電極アレイが前記内側ＲＦ電極アレイの両側に位置付けられた、電極アレイと、
ｃ．前記電極アレイに印加されて、イオンを前記装置内で移動させる閉じ込め・駆動場を形成する、ＲＦ電圧及びＤＣ電圧の組み合わせと、
ｄ．前記イオンを前記装置内に更に閉じ込め移動させるように前記内側ＲＦ電極アレイに重畳されるＤＣ場と
を備える装置。
（５１）ａ．少なくとも２つの非線形面と、
ｂ．前記少なくとも２つの面に結合された電極アレイと、
ｃ．各面の前記アレイに印加されて、一方の面から他方へイオンを移動させる閉じ込め・駆動場を形成して、それにより各面を前記イオンが移動する「ウォーターフォール」効果を与える、ＲＦ電圧及びＤＣ電圧の組み合わせと
を備えるイオンモビリティ分離又は操作用の設備。

Claims

イオンモビリティ操作用の装置であって、
第１、第２および第３の領域を含む非平面状の面であって、該第１の領域が該第２の領域と該第３の領域との間に位置する、前記非平面状の面と、
前記第１の領域に位置する第１の電極アレイであって、該第１の電極アレイが第１の電極の組を含み、該第１の電極の組がＲＦ電圧を受け、かつ前記ＲＦ電圧を受けると第１のポテンシャルを生成するように構成されている、前記第１の電極アレイと、
前記第２および第３の領域にそれぞれ結合した第２および第３の電極アレイであって、該第２および第３の電極アレイは、それぞれ、第１のＤＣ電圧を受け、かつ前記第１のＤＣ電圧を受けると第２のポテンシャルを生成するように構成されている、前記第２および第３の電極アレイと
を備え、
生成された前記第１のポテンシャルおよび前記第２のポテンシャルによりイオンの動きを操作するようになっている、装置。
前記非平面状の面が、イオンチャネルを形成するように湾曲しており、イオンの動きは該イオンチャネル内で起こるようになっている、請求項１に記載された装置。
前記第１の電極アレイ、前記第２の電極アレイおよび前記第３の電極アレイ並びに前記イオンチャネルが前記装置の長さに沿って延在している、請求項２に記載された装置。
前記第２の電極アレイが前記第１の電極アレイの一方の側部に位置付けられ、前記第３の電極アレイが前記第１の電極アレイの他方の側部に位置付けられる、請求項２に記載された装置。
前記第１の電極アレイが、第２のＤＣ電圧を受ける第２の電極の組を含む、請求項２に記載された装置。
前記第２の電極の組が、前記第２のＤＣ電圧に応答してイオンを前記イオンチャネルに移動させる勾配ポテンシャルを生成する、請求項５に記載された装置。
前記第１の電極の組の電極が、前記第２の電極の組の電極と分離されている、請求項５に記載された装置。
前記第１の電極アレイの第１の電極の組が第２のＤＣ電圧を受けるように構成されている、請求項２に記載された装置。
前記第１の電極の組の隣り合う電極により受けられるＲＦ電圧の位相がずれている、請求項８に記載された装置。
前記第２のポテンシャルにより、前記装置の横方向へのイオンの動きを制限するようになっている、請求項１に記載された装置。
前記第１の電極の組の隣り合う電極により受けられるＲＦ電圧の位相が異なっている、請求項１に記載された装置。
前記位相の差が１８０°である、請求項１１に記載された装置。
前記第１のポテンシャルにより、イオンが前記非平面状の面に近づくことを防止するようになっている、請求項１に記載された装置。
前記装置がカバーエンクロージャを更に備え、該カバーエンクロージャは外部ポテンシャルから保護するように構成されている、請求項１に記載された装置。
前記カバーがポテンシャルを受けるように構成されている、請求項１４に記載された装置。
前記非平面状の面が、円筒形状、螺旋形状、ファンネル形状、半球形状又は楕円形状のうちのいずれかの形状である、請求項１に記載された装置。