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特許6973582電場非対称波形イオン移動度分光分析装置

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6973582

(24)【登録日】2021年11月8日

(45)【発行日】2021年12月1日

(54)【発明の名称】電場非対称波形イオン移動度分光分析装置

(51)【国際特許分類】

G01N 27/624 20210101AFI20211118BHJP

【ＦＩ】

G01N27/624

【請求項の数】17

【全頁数】41

(21)【出願番号】特願2020-133337(P2020-133337)

(22)【出願日】2020年8月5日

(65)【公開番号】特開2021-39097(P2021-39097A)

(43)【公開日】2021年3月11日

【審査請求日】2020年8月5日

(31)【優先権主張番号】1912484.1

(32)【優先日】2019年8月30日

(33)【優先権主張国】GB

(73)【特許権者】

【識別番号】000001993

【氏名又は名称】株式会社島津製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110001069

【氏名又は名称】特許業務法人京都国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ロジャージャイルズ

(72)【発明者】

【氏名】ロシュアンジェイェフスキ

【審査官】吉田将志

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１０−５３０６０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００９−５３８５０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１２−５１２５０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０７５５０７１７（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】国際公開第２０１８／０４８４９４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２０１２−５２５６７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１０−５１２６３２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ２７／６０ − Ｇ０１Ｎ２７／７０

Ｇ０１Ｎ２７／９２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電場非対称波形イオン移動度分光分析（ＦＡＩＭＳ）を行うための装置であって、
３つ以上のセグメントを含む第１の分割平面電極であって、該第１の分割平面電極のセグメントが第１の平面内に配置され且つ装置の分析軸に平行な方向に延在している、第１の分割平面電極と、
３つ以上のセグメントを含む第２の分割平面電極であって、該第２の分割平面電極のセグメントが第２の平面内に配置され且つ装置の分析軸に平行な方向に延在しており、前記第１の分割平面電極と第２の分割平面電極が互いに分離されていることで両電極間に分析間隙が設けられている、第２の分割平面電極と、
前記分析間隙を通って装置の分析軸に平行な方向に進むようにイオンを押し動かすための推進手段と、
電源と
を備えており、
前記装置が、前記推進手段により前記分析間隙を通るように押し動かされるイオンのＦＡＩＭＳ分析を行うために、前記分析間隙内に非対称な時間依存性電場を生成するように前記電源が一組の電圧波形群を前記第１及び第２の分割平面電極のセグメントに印加するＦＡＩＭＳモードで作動するように構成され、
微分移動度の異なるイオンを異なる空間領域に向けて収束させるために、前記電圧波形群が、前記分析軸に垂直な面内で見たときに前記非対称な時間依存性電場が曲がった等電場強度線を持つように、構成され、各空間領域は前記分析軸に垂直な面内で見たときにそれぞれ曲がった等電場強度線に沿って延在しており、
前記装置が、前記非対称な時間依存性電場による収束の力を変化させるために前記等電場強度線の曲率を変えることをユーザに許可するように構成された収束制御部を備える
ことを特徴とする装置。

【請求項2】

前記曲がった等電場強度線が、内側円筒電極の外半径がＲ１、外側円筒電極の内半径がＲ２である２つの同軸円筒電極の間の空間内に生成される電場に対応していることを特徴とする請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記収束制御部が、ＦＡＩＭＳ装置の前記分析間隙内での円筒電場の比Ｒ２／Ｒ１を変えることをユーザに許可するように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。

【請求項4】

前記収束制御部が、ＦＡＩＭＳ装置の前記分析間隙内での円筒電場の比Ｒ２／Ｒ１を変えることをユーザに許可するように構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の装置。

【請求項5】

前記第１及び第２の分割平面電極が互いに前記分析間隙の反対側に配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の装置。

【請求項6】

２つ以上のセグメントを含む第３の分割平面電極であって、該第３の分割平面電極のセグメントが第３の平面内に配置され、装置の分析軸に平行な方向に延在している、第３の分割平面電極と、
２つ以上のセグメントを含む第４の分割平面電極であって、該第４の分割平面電極のセグメントが第４の平面内に配置され、装置の分析軸に平行な方向に延在している、第４の分割平面電極と
を更に備え、
第１及び第２の分割平面電極が互いに前記分析間隙の反対側に配置され、前記分析軸に垂直な間隙幅方向に互いに分離されており、
第３及び第４の分割平面電極が互いに前記分析間隙の反対側に配置され、前記分析軸と前記間隙幅方向に垂直な間隙高さ方向に互いに分離されている
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の装置。

【請求項7】

前記分析間隙の間隙幅方向の幅をｗ、前記分析間隙の間隙高さ方向の高さをｇとするとき、ｗ＜約８ｇであることを特徴とする請求項６に記載の装置。

【請求項8】

前記ＦＡＩＭＳモードにおいて、前記分析間隙内のガス圧を１〜２００ｍｂａｒにするように構成されているガス制御部を更に備えていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の装置。

【請求項9】

前記装置が出口スリットを有する障壁を備えており、前記推進手段が該障壁に向けてイオンを押し動かすように該障壁が前記分析軸上に位置しており、該障壁が、前記出口スリットを通過しないイオンを装置の検出器に到達させないように構成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の装置。

【請求項10】

前記障壁が取り外しできるように構成されていることを特徴とする請求項９に記載の装置。

【請求項11】

前記装置が前記障壁により設けられる前記出口スリットの幅の調節を許すように構成されていることを特徴とする請求項９又は１０に記載の装置。

【請求項12】

前記装置が前記障壁により設けられる前記出口スリットの曲率の調節を許すように構成されていることを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の装置。

【請求項13】

前記出口スリットが、前記分析軸に垂直な面内で見たときに、前記非対称な時間依存性電場の１本の曲がった等電場強度線の曲率と一致する曲率を有していることを特徴とする請求項９〜１２のいずれかに記載の装置。

【請求項14】

前記装置が、
前記推進手段により前記分析間隙を通るように押し動かされるイオンのＦＡＩＭＳ分析を行うために、前記分析間隙内に非対称な時間依存性電場を生成するように前記電源が第１の電圧波形群を前記第１及び第２の分割平面電極のセグメントに印加するＦＡＩＭＳモード、及び
前記分析軸の方へイオンを収束させるために前記分析間隙内に閉じ込め電場を生成するように前記電源が第２の電圧波形群を前記第１及び第２の分割平面電極のセグメントに印加する透過モード
で作動するように構成されていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の装置。

【請求項15】

前記電源が補償電圧と呼ばれる追加のＤＣ電圧群を前記第１及び第２の電圧波形群と同時に全てのセグメントに印加するように構成されていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の装置。

【請求項16】

前記補償電圧が、所定の微分移動度を有するイオンが出口スリットを通って出て行くように構成された所定の値を持つことを特徴とする請求項１５に記載の装置。

【請求項17】

前記装置が、異なる所定の微分移動度を有するイオンが異なる時点において出口スリットを通って出て行くように補償電圧を走査するように構成されていることを特徴とする請求項１５又は１６に記載の装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は電場非対称波形イオン移動度分光分析（field asymmetric waveform ion mobility spectrometry：FAIMS）を行うための装置に関する。

【背景技術】

【0002】

イオン移動度分光分析（ion mobility spectrometry：IMS）はガス相のイオンをキャリアバッファガス中での各イオンの移動度に基づいて分離するために用いられる分析技術である。

【0003】

リニアＩＭＳではイオンが各イオンの絶対移動度Ｋに応じて分離される。

【0004】

非リニア型ＩＭＳでは変化する電場に対する各イオンの応答に応じてイオンが分離される。

【0005】

電場非対称波形イオン移動度分光分析（ＦＡＩＭＳ、非特許文献１）は、微分移動度分光分析（differential mobility spectrometry: DMS、非特許文献２）としても知られており、イオンが分析間隙（「ＦＡＩＭＳ間隙」の名でも知られている）を通過する際、電場強度の関数としてのガス中での移動度の違いによりイオンを分離するという、確立された非リニア型ＩＭＳ法である。移動度の違いはイオン及びガス分子の形状及び物理化学的特性に依存する一方、イオン質量とは弱い相関しかない。このように質量分析（ＭＳ）に対する強い直交性があることから、ＦＡＩＭＳ／ＭＳシステム（イオンをＦＡＩＭＳで分離した後、ＭＳで分離する装置）は強力な分析のアプローチとなる。複数のＦＡＩＭＳ／ＭＳシステムが既に市販されているが、これまで顧客の支持は限られている。その大きな理由は、ＦＡＩＭＳ分離なしでは満足なＭＳ性能が得られず（つまり、ＦＡＩＭＳ／ＭＳシステムのＦＡＩＭＳ装置がＦＡＩＭＳ分離をオフにした「透過モード」で作動している間は満足なＭＳ性能が得られず）、そうするにはＦＡＩＭＳ装置をＦＡＩＭＳ／ＭＳシステムから物理的に取り外すしかないからである。

【0006】

現在大手ベンダーにより市販されている（単体又はＭＳ接続用の）ＦＡＩＭＳ段は大気圧で作動し、周波数とＨＦ／ＬＦ比を固定した二重正弦波（２種類の高調波の重畳）又はそれに近いプロファイルを用いている。このプロファイルは、理論的に分解能を最大にする理想的な矩形波から大きく外れている。

【0007】

特許文献１は真空微分型イオン移動度分光計（ＤＭＳ）を質量分析装置と組み合わせて用いることを記載している（請求項１参照）。特に特許文献１は多重極形及び平面形を含む様々な構成のＤＭＳの使用について記載している。更に同文献は、多重極形ではイオンのＦＡＩＭＳ分離を行うモード（分離モード）とＦＡＩＭＳ分離を行わずにイオンを通過させるモード（透過モード）という２つの動作モードが利用できることを教示している。動作圧力やＦＡＩＭＳ用電源ユニット（ＰＳＵ）の設け方も開示されている。特許文献１では、同軸の多重極を、全てのイオンの輸送を許可するデューティ比５０％に設定した波形を持つ四重極として作動させることにより透過モードを達成している。

【0008】

特許文献２は微分イオン移動度分光計用の分割電極について記載している。同文献では、「２つの同心円筒電極の間に形成される、曲率半径が変化する（中略）ものと等し」い電場が形成されるように電圧を印加することができると述べられている（第４欄５９〜６７行参照）。つまり特許文献２は、なぜそうなり得るかは教示していないものの、平面ＦＡＩＭＳを用いても、２つの同心円筒電極の間に形成することができる電場を作り出すことができると指摘している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】米国特許第８６１００５４号

【特許文献2】米国特許第７８６３５６２号

【特許文献3】米国特許第６１０７６２８号

【特許文献4】米国特許第７０４５７７８号

【特許文献5】米国特許第７５５０７１７号

【非特許文献】

【0010】

【非特許文献1】Ｒ・Ｗ・パービス（R. W. Purves）他、レビュー・オブ・サイエンティフィック・インスツルメンツ（Review of Scientific Instruments）、1998、69、4094

【非特許文献2】Ｉ・Ａ・ブリャコフ（I. A. Buryakov）他、インターナショナル・ジャーナル・オブ・マス・スペクトロメトリ（International Journal of Mass Spectrometry）、イオン・プロセシーズ（Ion Processes）、1993、128、143

【非特許文献3】「ＦＡＩＭＳパート１セパレーション・オブ・イオンズ・ウィズ・ＦＡＩＭＳ（FAIMS, PART 1. Separation of Ions with FAIMS）」、［online］、［２０２０年６月３０日検索］、インターネット＜URL: http://www.faims.com/howpart1.htm＞

【非特許文献4】Ａ・Ａ・シュバーツバーグ（A. A. Shvartsburg）他、ジャーナル・オブ・アメリカン・ソサエティ・フォー・マス・スペクトロメトリ（Journal of American Society for Mass Spectrometry）、2013、24、109

【非特許文献5】Ａ・Ａ・シュバーツバーグ（A. A. Shvartsburg）他、アナリティカル・ケミストリ（Analytical Chemistry）、2018、90、936

【非特許文献6】Ｙ・イブラヒム（Y. Ibrahim）他、ジャーナル・オブ・アメリカン・ソサエティ・フォー・マス・スペクトロメトリ（Journal of American Society for Mass Spectrometry）、2006、17、1299

【非特許文献7】Ａ・Ｖ・トルマチェフ（A. V. Tolmachev）、ニュークレア・インスツルメンツ・アンド・メソッズ・イン・フィジックス・リサーチ・セクションＢ（Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B）、1997、124、112

【非特許文献8】Ａ・Ａ・シュバーツバーグ（A. A. Shvartsburg）他、アナリティカル・ケミストリ（Analytical Chemistry）、2006、78、3706

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

本発明は以上の事柄に鑑みて成されたものである。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明の第１の態様は、電場非対称波形イオン移動度分光分析（ＦＡＩＭＳ）を行うための装置であって、
３つ以上のセグメントを含む第１の分割平面電極であって、該第１の分割平面電極のセグメントが第１の平面内に配置され且つ装置の分析軸に平行な方向に延在している、第１の分割平面電極と、
３つ以上のセグメントを含む第２の分割平面電極であって、該第２の分割平面電極のセグメントが第２の平面内に配置され且つ装置の分析軸に平行な方向に延在しており、前記第１の分割平面電極と第２の分割平面電極が互いに分離されていることで両電極間に分析間隙が設けられている、第２の分割平面電極と、
前記分析間隙を通って装置の分析軸に平行な方向に進むようにイオンを押し動かすための推進手段と、
電源と
を備えており、前記装置が、
前記推進手段により前記分析間隙を通るように押し動かされるイオンのＦＡＩＭＳ分析を行うために、前記分析間隙内に非対称な時間依存性電場を生成するように前記電源が第１の電圧波形群を前記第１及び第２の分割平面電極のセグメントに印加するＦＡＩＭＳモード、及び
前記分析軸の方へイオンを収束させるために前記分析間隙内に閉じ込め電場を生成するように前記電源が第２の電圧波形群を前記第１及び第２の分割平面電極のセグメントに印加する透過モード
で作動するように構成されていることを特徴としている。

【0013】

本発明者らは事実上の透過モードを持つ良好な低圧力のＦＡＩＭＳ分離（ＬＰ−ＦＡＩＭＳ分離）を提供する上で一対の分割平面電極が特に好適であることを見出した。

【0014】

ここで、特許文献１及び２のいずれも分割平面電極を透過モードで用いることを開示していないことに注意されたい。

【0015】

当該技術で公知の原理によれば、（装置がＦＡＩＭＳモードで作動しているときに）分析間隙内に生成される非対称な時間依存性電場は高電場（ＨＦ）状態と低電場（ＬＦ）状態の間で繰り返し振動する（２つの状態を行き来する）ことができ、その非対称な時間依存性電場は所定の周波数ｆで時間周期Ｔ毎に繰り返す。時間依存性電場の時間周期Ｔの１回目の部分の間はセグメント群に高電場（ＨＦ）の電圧群を印加することでＨＦ状態を作り出すことができる。時間依存性電場の時間周期Ｔの２回目の部分の間はセグメント群に低電場（ＬＦ）の電圧群を印加することでＬＦ状態を作り出すことができる。こうして、セグメント毎に、ＦＡＩＭＳモードで該セグメントに印加される（各々の）第１の電圧波形は、ＨＦ状態を作り出すように構成されたＨＦ電圧と、ＬＦ状態を作り出すように構成されたＬＦ電圧とを含むことができる。各セグメントに印加されるＨＦ電圧とＬＦ電圧はセグメント毎に振幅及び極性が異なっていてもよい。特に、ＨＦ電圧をＬＦ電圧より大きな振幅でより短い時間だけ印加することができる。しかし、分析間隙内に生成される非対称な時間依存性電場の形状（電場線）はＨＦ状態及びＬＦ状態のどちらでも同じでなければならない。

【0016】

非対称な時間依存性電場の時間周期Ｔの間で（ＨＦ電圧を各セグメントに印加することによる）ＨＦ電場の生成に消費される時間部分（つまり前の段落で言及した「第１の部分」）はデューティ比ｄとして知られている。非対称な時間依存性電場の時間周期Ｔ内で（ＬＦ電圧を各セグメントに印加することによる）ＬＦ電場の生成に消費される時間と（ＨＦ電圧を各セグメントに印加することによる）ＨＦ電場の生成に消費される時間との比はｆ値として知られている。ここで、ｆ値＝（１−ｄ）／ｄである（例えば、ｄ＝０．２ならｆ値は４になる）。

【0017】

当該技術で公知のように、非分割平面電極を用いるＦＡＩＭＳ装置では、ＨＦ状態を得るために装置の平面電極に印加される最大振幅の電圧である「分散電圧」（dispersion voltage：ＤＶ）が定義されることがある。

【0018】

分割平面電極を用いるＦＡＩＭＳ装置の場合、ＨＦ状態を得るために分割平面電極のうち１つのセグメント（典型的には中央のセグメント）に印加される最大振幅の電圧を分散電圧と定義することができる。

【0019】

本発明のいずれの態様においても、電源は、装置がＦＡＩＭＳモードで作動しているとき、補償電圧（compensation voltage：ＣＶ）と呼ばれる追加のＤＣ電圧群を第１の電圧波形群と同時に全てのセグメントに印加するように構成することができる。疑念を避けるために述べておくと、セグメント群に印加されるＤＣ電圧群（ＣＶ）はセグメント毎に異なるＤＣ電圧を含んでいてもよい。つまり、各セグメントに印加されるＤＣ電圧は他のセグメントに印加されるＤＣ電圧と同じである必要はない（ただし、例えば収束が必要ない場合等、事例によってはＤＣ電圧が全て同じでもよい）。当該技術で公知のように、補償電圧はどのイオンが分析間隙を通過するようにするかを選択するものであり、時間的に固定したり、非特許文献３で説明されているように、スペクトルを得るために走査したり（時間的に次第に変化させたり）できる。

【0020】

本装置が収束を行うように構成されている場合（後述する本発明の第２及び第３の態様を参照）、全てのセグメントに補償電圧を印加することにより得られる電場は、第１の電圧波形群を第１及び第２の分割平面電極に印加することにより生成される電場と略同一の形状を有する電場となることが好ましい。当業者であれば、このような形状を持つ電場を生成する補償電圧を発生する手段を、例えば独立に制御される複数の電源ユニット又は電圧分割器で容易に実装できるだろう。

【0021】

本装置は分析間隙内のガス圧を制御するためのガス制御部を備えていることが好ましい。

【0022】

ガス制御部は、透過モードにおける分析間隙内のガス圧がＦＡＩＭＳモードに比べて低くなるように分析間隙内のガス圧を制御するように構成されていることが好ましい。

【0023】

ガス制御部は、ＦＡＩＭＳモードにおいて、分析間隙内のガス圧を１〜２００ｍｂａｒに、より好ましくは５〜１００ｍｂａｒに、更に好ましくは５〜５０ｍｂａｒにするように構成されていることが好ましい。

【0024】

本装置が多価のタンパク質の分離に用いるために構成されている場合、前記ガス制御部は、ＦＡＩＭＳモードにおいて、分析間隙内におけるガス圧を１〜２０ｍｂａｒにするように構成されていてもよい。

【0025】

ガス制御部は、分析間隙内に混合ガスが含まれるように該分析間隙への複数のガスの供給を制御するように構成されていることが好ましい。混合ガスは窒素（Ｎ２）、水素（Ｈ）及びヘリウム（Ｈｅ）のうち２種類以上を含むものとすることができる。混合ガスはＨｅとＮ２、又はＨとＮ２とすることができる。

【0026】

ガス制御部は、透過モードにおいて、分析間隙内のガス圧を２０ｍｂａｒ以下、より好ましくは１０ｍｂａｒ以下、更に好ましくは５ｍｂａｒ以下にするように構成されていることが好ましい。このガス圧はＦＡＩＭＳモードに用いられる圧力と違っていてもよく、それより低いことが好ましい。

【0027】

第１の電圧波形群は第１の周波数で繰り返し、第２の電圧波形群は第２の周波数で繰り返すことが好ましい。第１の周波数は第２の周波数よりも低いことが好ましい。

【0028】

前記第１の周波数は５ｋＨｚ〜５ＭＨｚの範囲内、１０ｋＨｚ〜１ＭＨｚの範囲内、又は２５ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの範囲内とすることができる。

【0029】

前記第２の周波数は５００ｋＨｚ以上、１ＭＨｚ以上、２ＭＨｚ以上、又は３ＭＨｚ以上とすることができる。

【0030】

第１の電圧波形と第２の電圧波形は略矩形状であることが好ましい。

【0031】

電源はデジタル電源とすることができる。これは第１及び第２の電圧波形が異なる周波数と略矩形状の波形（上記参照）を持つことができるようにする特に簡便な方法である。

【0032】

本装置はＦＡＩＭＳモードでは０．５より小さい又は大きいデューティ比で作動するように構成されていることが好ましい。

【0033】

電源は、一又は複数のＲＦ電圧波形を生成し、容量分圧器の配列を介して前記ＲＦ電圧波形を第１及び第２の分割平面電極のセグメントに印加することにより、第１の電圧波形群を第１及び第２の分割平面電極のセグメントに印加するように構成することができる。

【0034】

電源は、一又は複数のＲＦ電圧波形を生成し、前記ＲＦ電圧波形を第１及び第２の分割平面電極のセグメントに前記容量分圧器の配列を用いずに（例えば該セグメントに直接）印加することにより、第２の電圧波形群を第１及び第２の分割平面電極のセグメントに印加するように構成することができる。

【0035】

電源は分割平面電極のセグメントに印加されている電圧波形の周波数を第１の周波数値から第２の周波数値へ略即座に変化させるように構成されていることが好ましい。ここで、「略即座に」とは周波数が変化する前の１サイクルの電圧波形のうちに（つまり、第１の周波数値をｆ１として１／ｆ１のうちに）その変化が生じることを意味するものとすることができる。これは、電源がデジタルで制御されていれば最も簡便に実現できる。電源は、例えばソフトウェアを介したユーザ入力に従って第１の周波数値から第２の周波数値へ周波数を変えるように構成されていてもよい。

【0036】

電源は分割平面電極のセグメントに印加されている電圧波形のｆ値を第１のｆ値から第２のｆ値へ略即座に変化させるように構成されていることが好ましい。ここで、「略即座に」とはｆ値が変化する前の１サイクルの電圧波形のうちにその変化が生じることを意味するものとすることができる。これは、電源がデジタルで制御されていれば最も簡便に実現できる。電源は、例えばソフトウェアを介したユーザ入力に従って第１のｆ値から第２のｆ値へｆ値を変えるように構成されていてもよい。

【0037】

透過モードにおいて第１及び第２の分割平面電極に印加される第２の電圧波形群は、分析軸の方へイオンを収束させるために、分析間隙内において分析軸に直交する面内に四重極場を生成することが好ましい。閉じ込め場の他の形態は当業者には自明であろう。

【0038】

本装置が透過モードで作動しているときにセグメントに印加される第２の電圧波形のデューティ比は０．５（ｆ値＝１）とすることができる。

【0039】

第１及び第２の分割平面電極は互いに分析間隙の反対側に配置されていることが好ましい。第１及び第２の平面は平行であることが好ましい。

【0040】

ここで、分析間隙は、間隙高さ方向、間隙幅方向及び間隙長さ方向の各方向に延在していることが好ましい。第１及び第２の分割平面電極のセグメントは間隙幅方向に分配され、間隙長さ方向に延在していることが好ましい。第１及び第２の分割平面電極は間隙高さ方向に互いに分離されていることが好ましい。間隙長さ方向は分析軸に平行であることが好ましい。

【0041】

間隙高さ方向（ｄ_ｇ）における分析間隙の高さを本明細書では間隙高さ、又は単に「ｇ」と呼ぶことがある。

【0042】

間隙幅方向（ｄ_ｗ）における分析間隙の幅を本明細書では間隙幅、又は単に「ｗ」と呼ぶことがある。

【0043】

間隙長さ方向（ｄ_l）における分析間隙の長さを本明細書では間隙長さ、又は単に「ｌ」と呼ぶことがある。

【0044】

ある実施形態ではｗ≧３ｇである。また、ある実施形態ではｗ≧４ｇである。

【0045】

第１及び第２の平面が平行である場合、間隙高さ方向は第１及び第２の平面に垂直な方向に延在していることが好ましく、間隙幅方向は第１及び第２の平面の両方に平行で分析軸に垂直な方向に延在していることが好ましく、間隙長さ方向は第１及び第２の平面の両方に平行で分析軸に平行な方向に延在していることが好ましい。従って、間隙高さ方向、間隙幅方向及び間隙長さ方向は互いに直交していることが好ましい。

【0046】

理論的にはセグメントの数はいくつでも構わないが、本装置に含まれるセグメントを好ましくは１００個以下、より好ましくは５０個以下、更に好ましくは２０個以下、更に好ましくは５〜１５個とする。少なくとも５個のセグメントがあること好ましいが、数を多くすれば収束力の値（例えば、後述するＲ２／Ｒ１という比でパラメータ化される値）を大きくできる。

【0047】

推進手段は、分析間隙を通って装置の分析軸に平行な方向に進むようにイオンを押し動かすためのガス流を供給するように構成されたガス供給部とすることができる。

【0048】

推進手段は、分析間隙を通って装置の分析軸に平行な方向に進むようにイオンを押し動かすための電場を供給するために、第２の方向ｗに、本装置の一又は複数の電極（これは例えば第１及び第２の平面電極の分割を含んでいてもよい）に電圧波形を印加するように構成された電源とすることができる。

【0049】

本発明の第２の態様は、電場非対称波形イオン移動度分光分析（ＦＡＩＭＳ）を行うための装置であって、
３つ以上のセグメントを含む第１の分割平面電極であって、該第１の分割平面電極のセグメントが第１の平面内に配置され且つ装置の分析軸に平行な方向に延在している、第１の分割平面電極と、
３つ以上のセグメントを含む第２の分割平面電極であって、該第２の分割平面電極のセグメントが第２の平面内に配置され且つ装置の分析軸に平行な方向に延在しており、前記第１の分割平面電極と第２の分割平面電極が互いに分離されていることで両電極間に分析間隙が設けられている、第２の分割平面電極と、
前記分析間隙を通って装置の分析軸に平行な方向に進むようにイオンを押し動かすための推進手段と、
電源と
を備えており、
前記装置が、前記推進手段により前記分析間隙を通るように押し動かされるイオンのＦＡＩＭＳ分析を行うために、前記分析間隙内に非対称な時間依存性電場を生成するように前記電源が一組の電圧波形群を前記第１及び第２の分割平面電極のセグメントに印加するＦＡＩＭＳモードで作動するように構成され、
微分移動度の異なるイオンを異なる空間領域に向けて収束させるために、前記電圧波形群が、前記分析軸に垂直な面内で見たときに前記非対称な時間依存性電場が曲がった等電場強度線を持つように、構成され、各空間領域は前記分析軸に垂直な面内で見たときにそれぞれ曲がった等電場強度線に沿って延在しており、
前記装置は、前記非対称な時間依存性電場による収束の力を変化させるために前記等電場強度線の曲率を変えることをユーザに許可するように構成された収束制御部を備えることを特徴としている。

【0050】

このように、非対称な時間依存性電場による収束の力（収束力）をユーザが制御することで、装置により運ばれるイオンの割合と装置による分解能とのバランスをとることができる。従来技術の全ての装置と同様に、装置により運ばれるイオンの割合が高いほど分解能は低くなり、逆も然りである。

【0051】

当業者であれば、ここでの開示から、各等電場強度線が電場強度の等しい位置を結んでいること、そして異なる線は異なる電場強度を表していることが分かるだろう。

【0052】

ここで「収束の力」（収束力）とは、ＦＡＩＭＳ分離の際に生じるイオン損失がどの程度低減又は防止されるかを表すものと理解することができる。イオン損失の原因には、１）拡散と、２）空間電荷斥力が考えられる。収束は分析間隙ｇの方向に作用することが好ましい。拡散は（温度が一定の場合）１／√Ｐで増大し、且つ移動度ｋに比例するため、収束はＬＰ−ＦＡＩＭＳにおいて特に有益である。これは、収束力が大きいほどイオンがより狭い領域に収束されるからである。収束能力を持つ装置は収束能力のない装置よりも透過率が高くなる。収束能力が可変の装置は、ＦＡＩＭＳ分離の分解能に関する与えられた要件に対して透過率を最適化することができる。ＦＡＩＭＳには高い分解能を必要としない用途もあるため、収束能力が可変であればより高い透過率を得ることができる。

【0053】

ここで「微分移動度」とは、適用される２つの異なるＥ／Ｎ値の間のイオンの移動度ｋの差と理解することができる。装置のＦＡＩＭＳモードでは一般に、非対称な時間依存性波形の間に（１）非対称な時間依存性波形の高電場電圧部分にわたるＥ／Ｎの値（Ｅ_Ｄ／Ｎ）と（２）低電場電圧部分にわたるＥ／Ｎの値という２つのＥ／Ｎ値が存在する。ＤＭＳの場合、Ｋ（Ｅ／Ｎ）が非線形の依存性を持つようにＥ_Ｄ／Ｎの値を十分に大きくした方がよい。従って、差Ｋ（Ｅ／Ｎ）はＤＭＳにおける選択又は分離の基準となる。

【0054】

疑念を避けるために述べておくと、ＦＡＩＭＳモードが装置の唯一の作動モードである必要はない。

【0055】

前記曲がった等電場強度線は、内側円筒電極の外半径がＲ１、外側円筒電極の内半径がＲ２である２つの同軸円筒電極の間の空間内に生成される電場に対応していることが好ましい。

【0056】

このような電場をここでは「円筒電場」と呼ぶこともある。このような電場は適切にスケーリングされた非対称なＲＦ及びＤＣ電圧を第１及び第２の分割平面電極のセグメントに印加することにより生成することができる。実施形態によっては、例えば囲まれた矩形領域を形成するために、後述のように第３及び第４の分割平面電極が存在することもある。どんな円筒電場もそれに関連付けられたＲ２／Ｒ１値を持つ。なお、Ｒ１とＲ２は電場と同等のもの作り出す電極に関連しているということ、つまり数学的にはＦＡＩＭＳ装置の分析間隙を用いて形成（再現）される電場と区別がつかないということを理解すべきである。明確化のために述べておくと、Ｒ２／Ｒ１という比は収束の力を直接決定する。前述した２つの同軸円筒電極の配置の場合、内側円筒電極における電場をＥ１、外側円筒電極における電場をＥ２とすると、間隙を横断する電場の変動はＥ１／Ｅ２＝Ｒ２／Ｒ１である（ただし、分割平面ＦＡＩＭＳ装置に関しては内側及び外側の円筒電極は仮想的なものである）。収束力に関してはＲ１とＲ２の絶対値は重要ではなく、装置の規模に影響するにすぎない。本発明はいかなる実際的な規模にも適用される。

【0057】

収束制御部は、例えばソフトウェアを介してＦＡＩＭＳ装置の分析間隙内での円筒電場の比Ｒ２／Ｒ１を変えることをユーザに許可するように構成されていることが好ましい。

【0058】

第１及び第２の分割平面電極は互いに分析間隙の反対側に配置されていることが好ましい。

【0059】

好ましくは、前記装置が、
２つ以上のセグメントを含む第３の分割平面電極であって、該第３の分割平面電極のセグメントが第３の平面内に配置され、装置の分析軸に平行な方向に延在している、第３の分割平面電極と、
２つ以上のセグメントを含む第４の分割平面電極であって、該第４の分割平面電極のセグメントが第４の平面内に配置され、装置の分析軸に平行な方向に延在している、第４の分割平面電極と
を更に備え、
第１及び第２の分割平面電極が互いに前記分析間隙の反対側に配置され、前記分析軸に垂直な間隙幅方向に互いに分離されており、
第３及び第４の分割平面電極が互いに前記分析間隙の反対側に配置され、前記分析軸と前記間隙幅方向に垂直な間隙高さ方向に互いに分離されている。

【0060】

第３及び第４の分割平面電極の使用は、特にｗ＜約８ｇである装置において、円筒電場を作り出す簡便な方法の１つである。ただし、２つの分割平面電極だけでも、例えばそれらが十分に細長く、例えばｗ＞８ｇである装置においては、円筒電場を実現することは可能である。

【0061】

第１及び第２の平面は互いに平行であってもよい。第３及び第４の平面は互いに平行であってもよい。

【0062】

好ましくは、前記装置が分析間隙内のガス圧を制御するためのガス制御部を備えており、更に任意選択で、ＦＡＩＭＳ装置の分割平面電極が入ったチャンバを備えている。

【0063】

ガス制御部は前記ガス圧を所望の圧力に維持するように構成されていることが好ましい。

【0064】

【0065】

前記装置が出口スリットを有する障壁を備えており、推進手段が該障壁に向けてイオンを押し動かすように該障壁が分析軸上に位置しており、該障壁が、出口スリットを通過しないイオンを装置の検出器に到達させないように構成されていてもよい。疑念を避けるために述べておくと、障壁と出口スリットは分析間隙より向こう側、つまり例えば間隙長さ方向における電極平面の範囲を超えた位置にあってもよく。更に、任意選択で（もしあれば）クランプ電極より向こう側でもよい。

【0066】

障壁は物理的な障壁とすることもできるし、電気的な障壁（例えば、当該技術で公知である、２つ以上のブラッドベリ・ニールセン・ゲートから成るもの）でもよい。

【0067】

出口スリットは（間隙高さ方向に）幅ｗ_ｓｌｉｔを有するものとすることができる。

【0068】

障壁は取り外しできるように構成することができる（例えば装置が透過モードで用いられる場合、例えば装置が本発明の第１の態様に従って構成される場合）。障壁が物理的な障壁である場合、それは例えば、モータ（例えばリニアモータ）等を用いて障壁を物理的に取り外しできるように構成された機構により実現できる。障壁が電気的な障壁である場合、それは例えば、オフに切り替わるように該電気的な障壁を構成することにより実現できる。

【0069】

前記装置は障壁により設けられる出口スリットの幅の調節を許すように構成することができる。障壁が物理的な障壁である場合、それは例えば、出口スリットの幅が異なる多数の交換使用可能な障壁を備える機構により実現できる。障壁が電気的な障壁である場合、それは例えば、該電気的な障壁により設けられる出口スリットの幅の調節を許すように該電気的な障壁を構成すること（例えば、２つ以上のブラッドベリ・ニールセン・ゲートにより形成された電気的な障壁に異なる電圧を供給すること）により実現できる。

【0070】

本発明の本態様において、出口スリットは、分析軸に垂直な面内で見たときに、非対称な時間依存性電場の１本の曲がった等電場強度線の曲率と一致する曲率を有していることが好ましい。

【0071】

前記装置は障壁により設けられる出口スリットの曲率の調節を許すように構成することができる。障壁が物理的な障壁である場合、それは例えば、出口スリットの曲率が異なる多数の交換使用可能な障壁を備える機構により実現できる。障壁が電気的な障壁である場合、それは例えば、該電気的な障壁により設けられる出口スリットの曲率の調節を許すように該電気的な障壁を構成すること（例えば、２つ以上のブラッドベリ・ニールセン・ゲートにより形成された電気的な障壁に異なる電圧を供給すること）により実現できる。

【0072】

前記機構は、非対称な時間依存性電場の１本の曲がった等電場強度線の曲率が収束制御部を用いて変更された後、障壁により設けられる出口スリットの曲率が分析軸に垂直な面内で見たときに前記等電場強度線の曲率と一致するように、該出口スリットの曲率の調節を許すように構成することができる。

【0073】

疑念を避けるために述べておくと、収束制御部はソフトウェア又はハードウェアに実装することができる。

【0074】

本発明の本態様の装置は本発明の第１の態様との関係で説明したいずれの特徴又はいずれの特徴の組み合わせも持つことができる。

【0075】

電源は、装置がＦＡＩＭＳモードで動作しているとき、分析間隙内に非対称な時間依存性電場を生成するために、第１及び第２の分割平面電極の各セグメントに前記電圧波形群からそれぞれの電圧波形を印加するように構成されていることが好ましい。

【0076】

電源は、装置がＦＡＩＭＳモードで動作しているとき、分析間隙内に非対称な時間依存性電場を生成するために、第１及び第２の分割平面電極の各セグメントに前記電圧波形群からそれぞれの電圧波形を印加するように構成された２つの電源ユニットを含むことが好ましい。

【0077】

この場合、２つの電源ユニットのうち第１のユニットが分散電圧（例えば、後でＶ_Ｄ／２及び−Ｖ_Ｄ／２と呼ぶ電圧）を供給するように構成され、第２のユニットが収束電圧（例えば、後でＶ_ｆｐ及びＶ_ｆｎと呼ぶ電圧）を供給するように構成され、（例えば、特定の形状のために必要なとき）異なる電圧が異なるセグメントに印加されるように装置が一又は複数の容量分圧器を含むものとすることができる。このようにすれば必要な電圧波形を効率良く供給できる。後で図３Ａを参照しながら例を説明する。

【0078】

電源は補償電圧（compensation voltage：ＣＶ）と呼ばれる追加のＤＣ電圧群を第１及び第２の電圧波形群と同時に全てのセグメントに印加するように構成することができる。

【0079】

補償電圧は、所定の微分移動度を有するイオンが出口スリット（例えば先に言及したもの）を通って出て行くように構成された所定の値を持つものとすることができる。

【0080】

前記装置は、例えば微分イオン移動度スペクトルを出力するために、異なる所定の微分移動度を有するイオンが異なる時点において出口スリットを通って出て行くように補償電圧を走査するように構成することができる。

【0081】

電源が第１及び第２の分割平面電極のセグメントへの前記電圧波形群の印加と同時に全てのセグメントに補償電圧を印加するように構成されている場合、補償電圧を全てのセグメントに印加することにより生成される電場が、前記電圧波形群を第１及び第２の分割平面電極のセグメントに印加することにより生成される電場と略同一の形状を有する電場となることが好ましい。

【0082】

本発明のいずれの態様においても、前記装置は、該装置の分析軸に平行な方向に分析間隙を通り抜けたイオンを検出するように構成された検出器を含むことができる。

【0083】

本発明の第３の態様は、電場非対称波形イオン移動度分光分析（ＦＡＩＭＳ）を行うための装置であって、
３つ以上のセグメントを含む第１の分割平面電極であって、該第１の分割平面電極のセグメントが第１の平面内に配置され且つ装置の分析軸に平行な方向に延在している、第１の分割平面電極と、
３つ以上のセグメントを含む第２の分割平面電極であって、該第２の分割平面電極のセグメントが第２の平面内に配置され且つ装置の分析軸に平行な方向に延在しており、前記第１の分割平面電極と第２の分割平面電極が互いに分離されていることで両電極間に分析間隙が設けられている、第２の分割平面電極と、
前記分析間隙を通って装置の分析軸に平行な方向に進むようにイオンを押し動かすための推進手段と、
電源と
を備えており、
前記装置が、前記推進手段により前記分析間隙を通るように押し動かされるイオンのＦＡＩＭＳ分析を行うために、前記分析間隙内に非対称な時間依存性電場を生成するように前記電源が第１の電圧波形群を前記第１及び第２の分割平面電極のセグメントに印加するＦＡＩＭＳモードで作動するように構成され、
微分移動度の異なるイオンを異なる空間領域に向けて収束させるために、前記電圧波形群が、前記分析軸に垂直な面内で見たときに前記非対称な時間依存性電場が略直線状の等電場強度線を持つように、構成され、各空間領域は前記分析軸に垂直な面内で見たときにそれぞれ略直線状の等電場強度線に沿って延在していることを特徴としている。

【0084】

この場合、本発明者らは、装置に後述のような障壁を設ければ高い透過率と高い分解能が同時に得られることを見出した。

【0085】

前記装置は、非対称な時間依存性電場による収束の力（例えば分析間隙内の所定の箇所で計算される）を変化させるために等電場強度線の勾配（例えば前記所定の箇所で計算される）を変えることをユーザに許可するように構成された収束制御部を備えることが好ましい。なお、一般に、分析間隙内のある１箇所における等電場強度線の勾配を変化させれば、分析間隙内の他の箇所においても同様に等電場強度線の勾配が変化することになる。

【0086】

この場合、装置に後述の障壁を設ければ、装置により運ばれるイオンの割合と装置による分解能とのトレードオフを必要とすることなく、非対称な時間依存性電場による収束の力（収束力）をユーザに制御させることができる。一般に、装置により運ばれるイオンの割合が高いほど分解能は低くなり、逆も然りである。

【0087】

分析間隙内の一定の箇所において、等電場強度線の勾配は間隙高さ方向における距離に対する電場の微分であると近似できる。これは、２本の等電場強度線上にある極めて近い２点における電場強度の差を間隙高さ方向におけるそれら２点間の距離で割ったものに相当する。

【0088】

【0089】

【0090】

出口スリットは（間隙高さ方向に）幅ｗ_ｓｌｉｔを有するものとすることができる。

【0091】

【0092】

【0093】

本発明の本態様において、出口スリットは直線状であって、分析軸に垂直な面内で見たときに、非対称な時間依存性電場の１本の直線状の等電場強度線と一致する方向に延在していることが好ましい。

【0094】

分析軸に垂直な平面で見たときに非対称な時間依存性電場が略直線状の等電場強度線を有し、該等電場強度線が直線状の出口スリットに対して平行に組み合わされる（straight combined with）ように構成された分割平面ＦＡＩＭＳ装置は、従来から全てのＦＡＩＭＳ及びＤＭＳ装置が抱えていた分解能と透過率の間のトレードオフの問題を解消する。従って、高い透過率とともにより高い分解能を達成できる。最も高い分解能が最も高い収束力において達成できる。

【0095】

また、略直線状の等電場強度線はスリットの形状が収束力と無関係であることを意味する。

【0096】

略直線状の等電場強度線はかなりの距離（例えばｗ／４以上の距離）にわたって略直線状であることが好ましい。完全に直線状の等電場強度線を得ることが困難であることは当業者なら理解できるであろう。

【0097】

【0098】

【0099】

【0100】

【0101】

間隙高さ方向における分析間隙の高さを本明細書では間隙高さ、又は単に「ｇ」と呼ぶことがある。

【0102】

間隙高さに対する間隙幅の比（ｗ／ｇ）は２〜６の範囲内、より好ましくは３〜５の範囲内、更に好ましくは３．５〜４．５の範囲内とすることができ、特に４程度とすることができる。この限定は、装置が（他の箇所で説明した）第３及び第４の分割平面電極を含んでいる場合に好ましいが、第３及び第４の分割平面電極が装置に含まれていない場合にはこの選択は当てはまらない。

【0103】

本発明の本態様の装置は本発明の第１の態様との関係で説明したいずれの特徴又はいずれの特徴の組み合わせも持つことができる。

【0104】

本発明の本態様の装置は本発明の第２の態様との関係で説明したいずれの特徴又はいずれの特徴の組み合わせも持つことができる。

【0105】

本発明の更に別の態様は、
本発明の前記いずれかの態様に係る、ＦＡＩＭＳを行うための装置と、
質量分析を行うための装置と、
を含む分析装置であって、
前記質量分析を行うための装置が前記ＦＡＩＭＳを行うための装置の分析間隙を通過したイオンを分析するように構成されている（この場合、本分析装置を「ＦＡＩＭＳ／ＭＳ装置」と呼ぶことができる）、又は、前記ＦＡＩＭＳを行うための装置が前記質量分析を行うための装置により選択されたイオンを分析するように構成されている（この場合、本分析装置を「ＭＳ／ＦＡＩＭＳ装置」と呼ぶことができる）ことを特徴としている。

【0106】

本発明の更に別の態様は、本発明の前記いずれかの態様に係る、ＦＡＩＭＳを行うための装置を操作する方法を提供する。

【0107】

記載された態様及び好ましい特徴の組み合わせは、そのような組み合わせが明らかに不可能であるか明示的に回避されている場合を除き、本発明に含まれる。

【0108】

本発明の原理を説明する実施形態及び実験について添付図面を参照しながら以下に議論する。

【図面の簡単な説明】

【0109】

【図1】例としてＬＰ−ＦＡＩＭＳ装置を組み込んだＦＡＩＭＳ／ＭＳ装置を示す図。

【図2】分割平面電極を組み込んだ模範的なＦＡＩＭＳ装置を示す図。

【図3】模範的な電圧分割を用いて図２のＦＡＩＭＳ装置をＦＡＩＭＳモードと透過モードで作動させるために用いられるＦＡＩＭＳ電源ユニットを示す図。

【図4】（ａ）、（ｂ）透過モードで用いられる調和的電圧波形及び矩形波状電圧波形の印加をそれぞれ示す図。

【図5A】円筒電場の特性を示す図。

【図5B】円筒電場の特性を示す図。

【図6】別の模範的なＦＡＩＭＳ装置と模範的な等電位面を示す図。

【図7】収束を行う分離モード（収束は電場強度線による）で作動させた図６のＦＡＩＭＳ装置と、電場勾配や収束作用のない非分割平面ＬＰ−ＦＡＩＭＳとを比較した図。

【図8A】図６のＦＡＩＭＳ装置を円筒電場により収束を行う分離モードで作動させた場合を示す図。

【図8B】図６のＦＡＩＭＳ装置をほぼ線形の電場により収束を行う分離モードで作動させた場合を示す図。

【図9】各電極の全てのセグメントが同じ電位を持つ分割平面ＦＡＩＭＳ装置を示す図。

【図10】様々な構成のＦＡＩＭＳ装置について等電場線を示す図。

【図11】透過モードで作動する分割平面ＬＰ−ＦＡＩＭＳ装置のシミュレーションを示す図。

【図12】電場勾配がないＦＡＩＭＳ分離モードのシミュレーションの結果得られた補償電圧（分散電圧）曲線を示す図。

【図13】平面ＬＰ−ＦＡＩＭＳ装置を用いて行った実験（線形電場勾配のある場合とない場合）の結果得られた解像度／感度図。

【図14】平面ＬＰ−ＦＡＩＭＳ装置を用いて行った実験から更に得られた結果。

【発明を実施するための形態】

【0110】

本発明の態様及び実施形態について添付図面を参照しながら以下に議論する。更なる態様及び実施形態は当業者には自明であろう。本稿で言及する全ての文書は参照により本明細書の一部として組み込まれる。

【0111】

全体として言えば、本願の開示は微分イオン移動度分光分析装置の可能な構造及び質量分析装置との可能な使い方に関係している。特にその使い方は低圧力ＤＭＳ装置の動作の改善に関係している。

【0112】

全体として言えば、以下の各例は特許文献１の教示の上に作り上げられたものとみることができ、分割平面電極と、改善された分離モード及び透過モードとを有するＦＡＩＭＳ装置の提供に役立つ。

【0113】

＜発明の背景＞

【0114】

本発明の考案に際し、本発明者らは、特許文献１に記載のような低圧力ＦＡＩＭＳ（ＬＰ−ＦＡＩＭＳ）装置のプロトタイプを、同文献に開示されている多重極の構成（同文献の図２の電極２６の形状を有するもの）及び（非分割）平面型の構成（同文献の図２の電極２０の形状を有するもの）の両方を用いて組み立てた。低圧力にすることで分析間隙（ＦＡＩＭＳ間隙）をかなり広げるとともに、波形周波数とピーク振幅（分散電圧、diffusion voltage: DV）を抑えることができた。分散電圧の周波数とピーク振幅を低くしたことでデジタルスイッチング技術によるＤＶ波形の生成が可能になり、特に、周波数とデューティ比ｄを幅広く変えられるほぼ矩形状のＤＶ波形を生成できた。なお、先に示した定義によりデューティ比ｄはｆ＝（１−ｄ）／ｄというｆ値で表すことができる。

【0115】

ＦＡＩＭＳにおける分散電圧と補償電圧（ＣＶ）は間隙幅に合わせて調整するために分散電場（Ｅ_Ｄ）及び補償電場（Ｅ_Ｃ）として表すことが好ましい。ＬＰ−ＦＡＩＭＳでは、電場をガスの数密度Ｎ（単位体積当たりの分子数）で割ってＥ_Ｄ／ＮとＥ_Ｃ／Ｎを求めることにより換算電場に変換することが好ましい。これは分離のガス圧依存性を取り除いたり（電気双極子配列を示すマクロ分子を除く）、分離の温度依存性を低くしたりする上で役立つ。低圧力にすることでＥ_Ｄ／Ｎ値を高くすることができ（この値は通常、ガス中での絶縁破壊により制限される）、分離がより深く非線形ＩＭＳ領域まで及ぶ。これにより分解能が改善され、拡散の増大によるピーク広がりが相殺される（等方性拡散係数はＰ^−１／２に比例する）。本発明者らは平面間隙の構成が多重極の形状よりも高い分解能をもたらし得ることを見出した。

【0116】

当該技術において、電極を異なる温度に設定することで分析間隙を横断する一定の温度勾配（ひいてはＮ及びＥ／Ｎの勾配）を形成し、間隙中でＦＡＩＭＳ分析を受けているイオンを収束することが提案されている（例えば特許文献４参照）。大気圧ＦＡＩＭＳの技術で知られているように、このような勾配は、イオン移動度ＫをＥ／Ｎの関数として表したＫ（Ｅ／Ｎ）の形状が適切なら、イオンを間隙中央線へと収束させる（間隙中央線＝間隙に沿った、間隙高さ方向における中央線）。

【0117】

本発明者らは、本発明つまり平面ＬＰ−ＦＡＩＭＳの文脈において一定の温度勾配を実装した。ここで本発明者らは、温度勾配を課すと、温度勾配のない同等の平面間隙型の装置の場合よりも最大分解能を高くできることを見出した。最適な性能を得るには下流の各チャンバ内の圧力を一定に保ちながらＬＰ−ＦＡＩＭＳチャンバ内のガス圧を調節する必要があった。また本発明者らは、温度勾配を課すと、拡散及び空間電荷広がりによる電極表面でのイオン損失が低減することによりイオン透過率が高まることも見出した。信号ゲインも高く、典型的には４倍にもなることがあるが、この透過率のゲインはＦＡＩＭＳ分離の解像度を多少失うことで得られたものである。

【0118】

そのために、下流のチャンバ内の圧力に影響を与えずにＬＰ−ＦＡＩＭＳ内の圧力を素早く変化させて安定させるための手段が考案された。

【0119】

本発明者らは、平面ＦＡＩＭＳ装置に一定の温度勾配を実装した他者の事例を知らない。

【0120】

我々の市場分析によると、ＦＡＩＭＳ／ＭＳの技術を成熟させてより広い支持を得るには、分離なしで（つまり「ＦＡＩＭＳをオフに切り替え」て透過モードにしたとき）ＦＡＩＭＳ段を通過するイオンの透過率を最大化することが不可欠である。ＦＡＩＭＳ装置を何度も物理的に取り外したり再設置したりするという解決策は受け入れられない。なぜならそれは時間がかかり、熟練した作業者を必要とし、仕事の流れを中断し、一般に再設置のたびに確認を必要とし、両ユニットの部品に負荷をかけるからである。また、ＦＡＩＭＳオンとＦＡＩＭＳオフの２モードを組み合わせた（事前プログラム式又はデータ依存式の）自動的なデータ取得の機能が望まれている。従って、ＦＡＩＭＳは器械一式の不可分な部分として設計すべきである。市場分析ではもう一つ、高分解能と高感度を同時に達成できないという問題が分かった。例えば、ＦＡＩＭＳは化学的ノイズを除去してトリプシンペプチド等の一定の化学物質群のイオン種に対する検出限界を改善することができる一方、全体的なイオン損失が検出限界の利得に制約を加える。

【0121】

前述のとおり特許文献１の平面間隙ＬＰ−ＦＡＩＭＳの形状は多重極よりも良好な解像度をもたらしたが、ＦＡＩＭＳをオフにすると効果的にイオンを搬送しないことを本発明らは見出した。この限界を克服することが本発明を成した動機の１つである。

【0122】

言い換えると、解決すべき課題の１つは、微分移動度による識別又は選択をせず事実上全てのイオンを搬送する「透過」モードでありながらも、ＦＡＩＭＳ分離モードとの素早い切り替えが機械的な調整なしで可能であるようなモードを提供することである（なお、この問題を、例えば特許文献５で教示されているような正方形状ではなく、平面状の形で克服する必要がある）。

【0123】

平面ＦＡＩＭＳ間隙内でイオンを収束させる公知のアプローチの１つは一方の電極を他方よりも高温に加熱することで間隙を横断する温度勾配を確立することである。温度勾配はイオン拡散及び空間電荷に対抗することによりイオンを収束させる。この収束の手法には複数の大きな問題がある。そのうち４つは手法に固有の問題である。即ち、（１）収束作用はＦＡＩＭＳ分離と一緒にしか働かないため、必要に応じてＦＡＩＭＳをオフに切り替えることができない（透過モードでイオンを収束する手段がない）。（２）収束力は特定のイオンのＫ（Ｅ／Ｎ）特性に強く依存しており、イオン種によっては収束が弱かったり大きく収束がぼやけたりする。（３）ガスを加熱すると収束が移動度の内在的温度依存性と結びつき、結果が予測不能になる。（４）加熱がイオンの解離や異性化を引き起こす恐れがある。以上の他、実際的な問題が２つある。即ち、（５）電極の加熱や冷却は、収束の素早い切り替えやその強度の調節にとって時間が掛かりすぎるため、ＤＤＡ（Data-Dependent Acquisition）等の多くのモードで利用できない。（６）温度勾配には間隙を横断する熱伝達による上限があり、これが最大収束力を制限する。これらの問題は更なる設計により部分的には対処できるものの、そのコストと複雑さは大変なものになる。このような事情から、本発明者らは電極の温度を操作せずにＦＡＩＭＳ装置におけるイオン収束を達成する方法を見出そうと考えた。

【0124】

本発明を考案する際、本発明者らは以下の条件を満たすＦＡＩＭＳ装置、好ましくはＬＰ−ＦＡＩＭＳ装置を得ることを目指していた。
・分離モードと「透過」モードという２つの動作モードを持つこと。
・分離モードにおけるイオン透過率が改善されること。
・分離モードにおける分解能が向上すること。
・分離モードにおける解像度／感度バランスを容易に調節できること。
・分離モードにおいて分解能と感度が同時に改善されること。

【0125】

従来技術については、円筒状の間隙（つまり２つの円筒状電極の間の間隙。例えば特許文献１の図２の電極２２を参照）やドーム状の間隙（つまり２つの半球間の間隙）を持つＦＡＩＭＳ装置が、平面間隙型の装置（２つの平面電極間に間隙を持つもの。例えば特許文献１の図２の電極２０を参照）に比べて透過率が高く解像度が低いものとして知られている。これは、同軸円筒電極に挟まれた環状の間隙内の不均一な（円筒状の）電場が、適切なＫ（Ｅ／Ｎ）形状を持つイオンをそのＫ（Ｅ／Ｎ）値に対応する領域へ収束させるからである。収束力はＲ２／Ｒ１比で定義される間隙の曲率の増加とともに大きくなる。ここでＲ１は内側電極の外半径、Ｒ２は外側電極の内半径である。

【0126】

特許文献２は、平面ＦＡＩＭＳ電極の複数の特定の要素（各セグメントは分析軸に沿って、つまり間隙中でのイオンの移動方向に沿って延在している）に複数の電圧を印加することで電極間に略円筒状の電場を形成し、それらの電圧を変化させることで真ん中の等電位面の曲率を調節することを教示している。しかしその調節の目的は特に述べられておらず、その調節を達成する手段も開示されていない。更に、特許文献２に示された装置は透過モードにおいてイオンを収束させる手段を提供していない。これらの問題が本願の開示により解決される。

【0127】

１）本発明の第１の態様

【0128】

以下に論じる各例では、本発明の本態様を、改善された透過モードを有する平面ＦＡＩＭＳ装置を提供するものとみることができる。

【0129】

本願の開示は平面間隙ＦＡＩＭＳに関し、特に大気圧よりはるかに低いガス圧で作動するもの（ＬＰ−ＦＡＩＭＳ）に関する。我々は（実験及び／又はシミュレーションで）５〜１００ｍｂａｒの圧力範囲を調べたが、それは我々の現有の器械一式とサンプルの関係で制限したものである。より広い１〜２００ｍｂａｒという範囲が実用的だと思われる。

【0130】

本発明の本態様の好ましい特徴は以下の通りである。
１．電極が、間隙中でのイオンの移動方向に沿って延在する少なくとも３つのセグメントに分割されている。こうして得られる装置を以下では分割平面ＦＡＩＭＳと呼ぶことがある。
２．イオンを押し動かして間隙を通過させるための推進手段がある。
３．ＦＡＩＭＳの電源ユニット（ＰＳＵ）が対称な波形（デューティ比５０％、透過モード用）と非対称な波形（デューティ比５０％以外の任意の所望の値、ＦＡＩＭＳモード用）とを切り替える手段を有する。
４．２つの電場構成を切り替える手段がある。２つの電場構成は、例えば（ａ）ＦＡＩＭＳ分離用の実質的な双極子場と、（ｂ）イオン閉じ込め（透過モード）用の実質的な四重極場である。後述するように様々な透過モードが考えられる（例えば、後で説明する図３（ｂ）、図３（ｃ）及び図１１（ａ）〜（ｄ）参照）。
５．ＦＡＩＭＳのＰＳＵが２つの大きく異なるＲＦ周波数を切り替える手段を有する（例えば、ＦＡＩＭＳ分離に最適な値と透過モードにおけるイオン閉じ込めに最適な値は大きく異なるため）。
６．圧力を２つの安定値の間で切り替える手段がある（例えば、ＦＡＩＭＳ分離に最適な圧力は透過モードにおけるイオン閉じ込めに最適な圧力を超えることが多いため）。

【0131】

透過モードでは、絶対移動度又は微分移動度に基づいた意図的な選択又は識別は行わず、拡散やクーロン広がりによる損失を最小限に止めてイオンに間隙を通過させることができる。以下に議論する例では、四重極場がイオンを間隙中央線へと閉じ込めることで、後段のアパーチャを通じた下流段階へのイオンの搬送効率が高められる。

【0132】

実験によると、特許文献１の多重極型装置は平面間隙型の装置よりもＦＡＩＭＳ分解能が低く、またイオン収束力を調節するための有効な手段を提供していなかった。特許文献１によると、イオンは様々な手段により形成されるガス流又は電場により間隙に沿って動かされる。同様の方法を本願の開示にも適用できる。収束力を変えられるＦＡＩＭＳ装置は多くの用途にとって有用であろう。例えば、化学的干渉を除去して質量分析の検出限界（感度）を高めたり、タンパク質イオンの荷電状態（charge states）の多重度を低減させたりする際、高い感度が重要である。十分な試料が利用できる場合、（例えば脂質やペプチドの）構造異性体のもつれをほどくにはより高い分解能が極めて重要である。

【0133】

本発明によれば、透過モードにおいて、ＦＡＩＭＳ段を通るイオンの透過率を１００％まで上げることによりＬＰ−ＦＡＩＭＳ装置の本来の性能を取り戻すために該装置を質量分析装置等の機器から物理的に取り外す必要がなくなる。本発明は分割平面電極を有するＬＰ−ＦＡＩＭＳ装置に応用可能であり、好ましくは大気圧より低い圧力、より好ましくは１〜２００ｍｂａｒの範囲内、最も好ましくは５〜５０ｍｂａｒの範囲内で作動する。ガスの組成は窒素１００％としたり、ヘリウムと窒素を混合したりできる。本発明者らは、ＬＰ−ＦＡＩＭＳ装置の場合、ヘリウムと窒素の混合ガスが窒素１００％に比べて分解能と透過率を大きく高めることができることを見出した。ガスの組成に制限はなく、他にも例えば二酸化炭素と水素が利用できる。

【0134】

２）本発明の第２の態様

【0135】

以下に論じる各例では、本発明の本態様を、可変な収束力、改善された透過率及び改善された分解能を有する実用的な平面ＦＡＩＭＳ装置を提供するものとみることができる。

【0136】

当該技術では、(i)同軸円筒状及び／又は同心球面状の電極を用いて確立される曲がった（特に円筒状の）間隙を持つものと、(ii)平行平面電極を用いて確立される平面状の間隙を持つものという２種類のＦＡＩＭＳ装置の形状が知られている。平面間隙ＦＡＩＭＳはイオン透過率（感度）を犠牲にして最高の解像度をもたらすことが分かっている。収束力を制御する円筒状ＦＡＩＭＳの重要な計量基準は先に定義したような間隙の曲率である。ＦＡＩＭＳＰｒｏ（ＴｈｅｒｍｏＦｉｓｃｈｅｒＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社の現行製品）では強い収束によりほぼ最大のイオン透過率を得るためにＲ２／Ｒ１＝１．２としている。他の市販のＦＡＩＭＳシステム及びＦＡＩＭＳ−ＭＳシステム、特にＦＡＩＭＳシステムであるＬｏｎｅｓｔａｒ（Ｏｗｌｓｔｏｎｅ社）や、Ｓｉｏｎｅｘ社のスタンドアロンシステムから派生したＦＡＩＭＳ／ＭＳシステムであるＳｅｌｅｘＩＯＮ（Ｓｃｉｅｘ社）は、平面間隙型の装置を利用している。

【0137】

これらのＦＡＩＭＳ装置はいずれも大気圧で作動する。ＳｅｌｅｘＩＯＮシステムはイオン損失を限定するためにイオンの滞留時間が短くなっているが、それでもＦＡＩＭＳＰｒｏより高い解像度をもたらす。平面型大気圧ＦＡＩＭＳによりこれまで達成された分解能の上限は、１価のイオン種の場合は１５０程度、多価のイオン種の場合は４００程度である（非特許文献４）が、イオン透過率／感度が非常に限定されている。

【0138】

特許文献１はより低いガス圧でＦＡＩＭＳを作動させる方法、つまり「ＬＰ−ＦＡＩＭＳ」を教示した。その後、四重極又は飛行時間質量分析に結合された平面状で多重極形のセルを持つＬＰ−ＦＡＩＭＳが例示された（例えば非特許文献５）。平面間隙ユニットを用いた分離の代表例としては、名目上は同重体であるアミノ酸の分離（小型分子への応用の代表）やヒトτタンパク質由来の一重及び二重リン酸化ペプチドの翻訳後修飾（ＰＴＭ）の位置が異なるものの分離（最新のプロテオーム及びエピジェネティック解析の代表）がある。その解像度は一般に、相応なイオン透過率が得られるように構成された市販の大気圧ＦＡＩＭＳシステムに匹敵するか、それを超えたが、高解像度ＦＡＩＭＳの解像度には届かなかった。しかし、これらの研究でのイオンの滞留時間は１０ｍｓ程度であるのに対し、高解像度ＦＡＩＭＳでは１００〜５００ｍｓ程度である。短いフィルタ時間は、前段の液体クロマトグラフィ（ＬＣ）又はキャピラリ電気泳動（ＣＥ）による分離における適当なピーク溶出時間内でＦＡＩＭＳ走査を入れ子式にできるため有益である。

【0139】

上述のように、ＬＰ−ＦＡＩＭＳ内の電場はタウンゼンド（Ｔｄ）を単位とする不変のＥ／Ｎに換算して表すことが好ましい。ＬＰ−ＦＡＩＭＳ内で測定されるＥ_Ｄ／ＮへのＥ_Ｃ／Ｎの依存性及びそれから導出されるＫ（Ｅ／Ｎ）関数は圧力から厳密に独立しており、電場強度のみに依存している。

【0140】

低圧力で高度に非線形なＫ（Ｅ／Ｎ）の領域にアクセスできることにより分離に柔軟性が加わり、解像度が向上する。

【0141】

先にも述べたように、ＦＡＩＭＳ装置を低圧力で作動させることにより実用可能になるデジタルスイッチングは、周波数とＨＦ／ＬＦ比（ｆ値と呼ばれる）を幅広く変えられるほぼ矩形の波形を生成してその周波数と振幅を素早く変えることを可能にする。（この技術は圧力を問わず用いることができるが、消費電力と散逸という実際上の制約から電圧が低く抑えられるため、大気圧では狭い間隙に限られ、低解像度になってしまう）。消費電力を抑えるため、エネルギー回生デジタルＰＳＵ技術が好ましい。

【0142】

上述の通りＦＡＩＭＳにおいて温度勾配を利用してイオンを収束させることが大気圧平面型ＦＡＩＭＳのために提案され、本発明者らの研究（未公開）においてＬＰ−ＦＡＩＭＳについて実証された。本発明者らはＮ（局所的ガス温度Ｔを介する）又はＥの変動から生じる収束状況が違うことを理解した。前者は一定のＥ／Ｎ勾配を伴うが、それに重畳される内在的なＫ（Ｔ）依存性（イオン種とガス同一性に依存）が事例毎に固有の複雑な挙動を生み出す。後者（曲がった間隙中）は非一定のＥ／Ｎ勾配を伴い、Ｅは円筒状間隙における１／Ｒ又は球状間隙における１／Ｒ^２とともに増大する。このように、２つのアプローチは同等ではなく、実効的な勾配はいずれも非線形である。上述の通り、温度変化を通じたＥ／Ｎ勾配の確立には内在的及び実用上の不利な面が複数ある。真に線形のＥ／Ｎ勾配であれば相当な動作上の利益を得ることができるが、それは本発明者らが知っている従来技術には見いだせなかった。

【0143】

本発明の本態様は分割平面電極を用いて実質的に線形のＥ／Ｎ勾配を提供するものとみることができる。これは原理的にはどのガス圧でも可能であるが、ＬＰ−ＦＡＩＭＳに最もなじみやすい。なぜなら、物理的により大きな電極の方が機械的な実装が容易である一方、電圧と周波数は低い方が電気的な設計が簡単になるからである。更に、透過モードは大気圧では利用できない。

【0144】

本発明の本態様の好ましい特徴は以下の通りである。
１．動作圧力範囲は１〜２００ｍｂａｒである。
２．ＬＰ−ＦＡＩＭＳ装置は、間隙中でのイオンの移動方向に沿って延在する少なくとも３つのセグメントをそれぞれ備える２つの平面電極を有している。２つの電極は誘電体スペーサで隔てられていてもよい。
３．イオンを押し動かして間隙を通過させるための手段がある。
４．ＰＳＵは少なくとも４つの非対称な波形を出力できる。
５．デューティ比ｄの非対称な波形が少なくとも２つ、デューティ比（１−ｄ）の非対称な波形が少なくとも１つある。
６．４つの非対称な波形のうち少なくともいくつかと（補償電圧値を確立するために）供給されるＤＣ電圧とが、調節可能な収束力を有する円筒状電場を形成する。
７．ＬＰ−ＦＡＩＭＳセル中の圧力を素早く調節して安定させる手段がある。
８．ＦＡＩＭＳ間隙内でのイオンのフィルタ時間を決定する手段がある（これは、ＦＡＩＭＳ装置より前にあるガス成形ダクトを物理的に交換することにより装置の長さやジェット駆動流を調節することにより行うことができる）。

【0145】

本願の開示は単純に特許文献２の上に作り上げられているのではなく、いくつかの面では同文献の教示から外れている。特に、特許文献２は可変な実効半径を有する円筒電場を形成するように電圧を印加することを教示している。しかし、それを達成する目的や方法は同文献では着想も教示もされていない。本発明者らは、収束力が、間隙を横断する最大電場半径の最小電場半径に対する比Ｒ２／Ｒ１と直接関係しており、絶対的な電場半径は収束力にとって重要ではないことを見出した。

【0146】

電極セグメント上の電圧に由来する円筒電場は物理的な円筒状間隙内の円筒電場と等価である。分割平面ＬＰ−ＦＡＩＭＳ内の収束力は、所望の実効Ｒ２／Ｒ１値を持つ電場が生じるように電極電圧を変えることにより調整できる。実効Ｒ２／Ｒ１値は間隙幅（ｇ）とは独立に設定できる。しかし、今の場合、収束領域（一定の微分移動度を持つイオンが収束される方向にある空間領域）は円弧であり、その曲率が大きいほど収束力が強まる、つまり間隙を横断するＥ_Ｄ／Ｎ勾配が大きくなる。その勾配がなければ、Ｅ_Ｃ／Ｎは次の式（１）で表されるようにＥ_Ｄ／Ｎに依存する。

【数1】

ここで、α_１、α_２及びα_３は非線形な移動度の挙動を記述する「アルファ係数」である。Ｆ２からＦ７までの項は波形プロファイルに依存する。例えば、ｆ値が４である理想的な矩形波の場合、これらの項はそれぞれ０．２５、０．１８８、０．２０３、０．１９９、０．２００、及び０．２００である。電場勾配がある場合（円筒ＦＡＩＭＳの場合のように）、式（１）はある（均衡）半径において満たされる。この半径より小さい又は大きい半径にずれたイオンは前記半径への復元力を受ける。つまり安定均衡である。この収束作用は、分離が起きる半径方向への（異方性で縦方向の）拡散を上回る。電極セグメント上の電圧に由来するＥ_Ｄ／Ｎ勾配を持つ平面間隙内では、曲がったＥ_Ｄ／Ｎ等値面に直交する拡散が抑えられる。しかし、それらの面に沿った（横の）拡散は自由なままであり、分離が進行するにつれてイオン群を次第に曲げてゆく。印加する補償電圧（ＣＶ）を様々に変えると間隙を横断して全イオン群が走査され、ＣＶ値の一定範囲にわたりイオンがＦＡＩＭＳ装置を通過できるようになる。そうするとＣＶスペクトル内のピークが広がり、分離の解像度が低下する。このことは物理的に曲がった間隙を用いる技術において知られている。

【0147】

分割平面ＦＡＩＭＳにおいて十分に正確な円筒電場を得るには、横方向の電極のスパン（ｗ）がｇ（ＦＡＩＭＳ間隙の幅）よりも一桁程度大きい必要がある。そうすれば電極のエッジ付近のフリンジ電場は装置の軸付近（間隙に沿って移動するイオンが占める領域内）の電場にあまり影響しなくなる。

【0148】

適当な収束力が必要である場合、間隙を広くすると所要の電圧を生成する上で困難を持ち込む可能性がある。

【0149】

完全に閉じ込められた間隙（例えば第１、第２、第３及び第４の分割平面電極を持つもの）の場合、全ての電極に適切な電圧が印加されていれば、必要なｗ／ｇ比は多少小さくすることができる。セグメント幅は、軸からエッジに向かって増加するように電極のスパンにわたって変えることができる。

【0150】

３）本発明の第３の態様

【0151】

以下に論じる各例では、本発明の本態様を、可変な収束力及び改善された分解能とともに改善された透過率も有する平面ＦＡＩＭＳ装置を提供するものとみることができる。

【0152】

本態様では、セグメント電圧を調節して、ほぼ線形のＥの勾配を、間隙の中央線と間隙の軸を取り囲むかなりの体積で生じさせることができる。Ｅ_ＤひいてはＥ_Ｄ／Ｎの実質的に平面的な等値面が電極と平行になり、印加される補償電圧に応じていずれかの電極に向かってシフトする。電極形状に対して必要な電圧は数値的な反復により見出すことができる。このような計算の方法は普通に行われており、当業者であれば本願の開示を考慮して実施することができる。本発明者らによる数値計算とモデリングによると、例えば本発明の本態様における各例にとっての最適なｗ／ｇ比は４程度である。電場を緩和して開放型の間隙にすれば装置の中央線の領域に十分に線形のＥ_Ｄ／Ｎ等値面が得られる。これは好適な線形電場勾配を簡便に形成する方法の一例であるが、他の方法を用いてもよい。

【0153】

この場合、イオンは前記等値面を取り囲む平面状の層に閉じ込められ、その層の内部で広がることができる。しかし、収束されたイオン群はいまやほぼ平面状になり、特徴的な補償電圧を持つ単一の層だけが平面間隙を通り、狭いアパーチャ（好ましくは間隙面内のスリット）を通ってセルから出て下流の質量分析装置又は他の機器の段階に達する。このアパーチャはＦＡＩＭＳ分離電場を乱さないような形状及び配置とすべきであり、好ましくは「透過」モードが可能になるように取り外し可能又は調節可能とする。アパーチャはフリンジ電場を挟む（該電場の範囲を限定する）電極と一緒に用いてもよく、それをセルの出口付近のかなり強いフリンジ電場の領域を通るイオンを加速するために用いてもよい。イオンがガス流により間隙を通じて運ばれる箇所では、スリットが流れのプロファイルに大きく影響すべきではない。いくつかの実施形態に含まれる障壁はブラッドベリ・ニールセン・ゲートとして作動するワイヤ電極から成るものとすることができる。２つの位相の高周波をゲートに印加するとイオンは止まり、高周波が除去されると通過できる。スリットの有効幅もブラッドベリ・ニールセン・ゲートに印加される高周波の制御により調整可能にすることができる。この構成には、アパーチャを物理的に取り外す必要がなく、所定の方法で素早くオン／オフすることができ、装置から出てくるガス流をあまり乱さないという利点がある。

【0154】

収束力が大きいほどスリットは細くすべきである。

【0155】

本発明の本態様の好ましい特徴は、本発明の第２の態様に関して論じた前記特徴１〜５、７及び８に加えて以下のものがある。

【0156】

９．４つの非対称な波形のうち少なくともいくつかと、（補償電圧値を確立するために）供給されるＤＣ電圧とが、独立に変更可能な振幅を有していることで、平面電極に平行な略平面状の等値面を持つ電場を形成する。なお、これは簡単な変更ではなく、線形の電場勾配を達成するにはセグメント間で電圧を分割するやり方を変える必要があるだろう。４つの電圧を単に変えるだけでそのような変化が達成できるとは思えない。

【0157】

１０．装置が出口スリットを有する障壁を備えており、推進手段が該障壁に向けてイオンを押し動かすように該障壁が分析軸上に位置しており、該障壁が、出口スリットを通過しないイオンを分析間隙から外に出さないように構成されていてもよい。

【0158】

本発明の本態様は、流れ駆動、縦電場駆動又はジェット駆動等、イオンを押し動かして間隙を通過させるどのような仕組みを持つＦＡＩＭＳにも関係している。前記駆動法は全て特許文献１に記載されている。ＦＡＩＭＳにおけるイオン収束は（例えば装置を長くすることによる）フィルタ時間の増大と組み合わせて用いることができる。普通はこれに伴って拡散やクーロン斥力によりイオンビームが広がってイオン損失が生じるが、ここではそれはない。そのため、イオン損失を緩やかにしながら解像度を高めることができる。

【0159】

スリットを持つ障壁を強い収束と組み合わせて用いれば、本発明により高い分解能及び短いフィルタ時間とともに良好な透過率が得られる。

【0160】

＜詳細な例＞

【0161】

１）本発明の第１の態様に関する例

【0162】

図１は例としてＬＰ−ＦＡＩＭＳ装置１４を組み込んだＦＡＩＭＳ／ＭＳ装置１を示している。

【0163】

図１において、ＬＰ−ＦＡＩＭＳ装置１４を備えるチャンバ６が大気圧イオン化（ＡＰＩ）イオン源（本例ではエレクトロスプレイイオン化（ＥＳＩ）源２）と質量分析（ＭＳ）段８との間にある。当該技術で公知のように、適宜の溶媒に溶かした試料がイオン源２に配送され、そのイオン源２が煙状の荷電液滴を生成する。その液滴の少なくとも一部と該液滴から放出されたイオンが脱溶媒管（キャピラリ）４に入り、そこで液滴が蒸発してイオンを放出する。これらのイオンはキャピラリ４から噴出する超音速ガスジェットに運ばれ、１〜１００ｍｂａｒの圧力に維持されたチャンバ６に入る。チャンバ６はジェットを減速する手段を含む（特許文献１に開示）。装置１４は全てのイオン種をスキマー１６へ送るか、その中で選択された微分移動度値を持つ一部のイオン種のみを送る。後者の場合、他のイオン種はＦＡＩＭＳ電極へと偏向させられ、電極表面に当たると同時に中和により破壊される。

【0164】

図２（ａ）に示した模範的な分割ＦＡＩＭＳ装置は２つの平行な平面電極を備えており、上側の電極にはセグメント１８ａ〜１８ｋ、下側の電極にはセグメント２０ａ〜２０ｋがある。図２（ａ）は間隙高さ（ｄ_ｇ）、間隙幅（ｄ_ｗ）及び間隙長さ（ｄ_ｌ）の各方向も示している。各電極は３以上のセグメント（例えば１００セグメントもの）を備えることができる。今の図では１１のセグメントがある。図２（ｂ）は装置の断面を示しており、寸法は例としてｇ＝７．５ｍｍ、ｗ＝３０ｍｍである（ここではｗ＝４ｇ）。各セグメントはＬ字状で、横方向に２ｍｍのスパンを持ち、互いに０．５ｍｍの隙間を空け、絶縁スペーサにより絶縁された状態で取り付け具に固定されている。図２（ｃ）に示したように、上側と下側の電極はｇの値を決める２つの絶縁スペーサ３０により分離されている。

【0165】

円筒状（収束）電場に対応する例として図３（ａ）に示した電圧についてより詳しく説明する。分割電極の２つの平面内にある全ての電極セグメント（本例の電極ｐ１〜ｐ１１及びｎ１〜ｎ１１）への電圧は２つのＰＳＵだけで供給できる。そのとき２つのＰＳＵは前記電極の平面内にある各電極セグメントに所要の電圧を供給することができる。電極毎に、分散電圧（Ｖ_Ｄ／２及び−Ｖ_Ｄ／２）並びに収束電圧Ｖ_ｆｐ及びＶ_ｆｎを供給するためのＰＳＵが設けられている。なお、下付文字のｆｐは正の収束電圧、ｆｎは負の収束電圧を表す。Ｖ_Ｄ／２と−Ｖ_Ｄ／２は各平面内の中央の電極ｐ６及びｎ６にそれぞれ印加され、Ｖ_ｆｐは最も外側の電極ｐ１及びｐ１１に印加され、同様にＶ_ｆｎは最も外側の電極ｎ１及びｎ１１に印加される。他のセグメントｐ２、ｐ３、ｐ４、ｐ５、ｐ７、ｐ８、ｐ９及びｐ１０の電圧は、図３（ａ）の例においてキャパシタＣ１〜Ｃ５とＣ６〜Ｃ１０を用いて行っているように容量分圧により供給することができる。収束力、つまりＲ２／Ｒ１の値は、電圧比Ｖ_ｆｐ／Ｖ_Ｄ及びＶ_ｆｎ／Ｖ_Ｄを変化させることにより調整する。所要の電圧は図３（ａ）においてＰＳＵの電圧Ｖ_Ｄ／２、−Ｖ_Ｄ／２、Ｖ_ｆｐ及びＶ_ｆｎで定められる。ただし、これらの例示した値は特定の形状にしか適用されないことに注意すべきである。一般に、本アプローチは電極セグメントの数がいくつの場合でも適用できる。図３（ａ）に提示した各値はキャパシタＣ_ｂ（ＤＣ遮断キャパシタ）と隣接電極間の容量を考慮したＣ１〜Ｃ５及びＣ６〜Ｃ１０の値を示すものである。通常の能力を有する技術者なら所要の容量値Ｃ１〜Ｃ５及びＣ６〜Ｃ１０を決定することができるだろう。明確化のために述べておくと、先に述べたように、Ｖ_Ｄ／２と−Ｖ_Ｄ／２並びにＶ_ｆｐとＶ_ｆｎは非対称なＲＦ電圧である。Ｃ_ｂはＤＣ及びＲＦ電圧を各電極に印加することを可能にする。ＤＣ電圧はＲＦ電圧と同じ相対比で電極セグメントに印加する必要がある。なお、Ｖ_Ｄは分析間隙を横断して印加される分散電圧の合計である。本例では上側平面に＋Ｖ_Ｄ／２、下側平面に−Ｖ_Ｄ／２が印加されているため、分析間隙を横断する電圧は合計Ｖ_Ｄである。また、Ｖ_ｆｐ≠−Ｖ_ｆｎであり、Ｖ_ｆｐ≧＋Ｖ_Ｄ／２であるためＶ_ｆｐは常に正であること、また、Ｖ_ｆｎ≧−Ｖ_Ｄ／２であるためＶ_ｆｎは正負いずれの値も取り得ることに注意されたい。収束が不要なときはＲ２／Ｒ１＝１であり、Ｖ_ｆｐは＋Ｖ_Ｄ／２に、またＶ_ｆｎは−Ｖ_Ｄ／２に設定される。

【0166】

本例では、透過モードが、ＦＡＩＭＳセルの軸にイオンを閉じ込める四重極場を伴っている。この電場は典型的なデューティ比ｄ＝０．５を持つ交流電圧ＶＴによる。模範例として、ＶＴを供給するための電子的な構成を２つ、図３（ｂ）と（ｃ）に示す（電極が交互に逆の位相を有する）。図３（ｂ）は実質的な四重極場（透過モード用）を示している。これはＤＣ電圧がなくてもイオンを閉じ込めることができる。図３（ｃ）は線形多重極場（透過モード用）を示している。これは分割電極の平面間に延在する方向にイオンを配置するものの、横方向にイオンを閉じ込めるには追加のＤＣ電圧が必要である。

【0167】

Ｖ及びＶＴ並びにそれらに対応する負の電圧を出力するＰＳＵにデジタル電源を用いれば、ｄ＜０．５又はｄ＞０．５も容易に設定できるため好ましい。図３（ａ）〜（ｃ）のいずれの構成も、デジタルコントローラ（図示せず）により操作される分離スイッチ又はリレーを用いることが好ましい。前記コントローラは平面ＦＡＩＭＳモード（イオン収束なし）、グラジエントＦＡＩＭＳモード（収束力を調節可能）及び透過モードの間で装置を切り替えるように構成されていることが好ましい。透過モード用の対称な高周波は通常の調和的なプロファイル（例えば図４（ａ）に示したもの）及び矩形波プロファイル（例えば図４（ｂ）に示したもの）を持つものとすることができる。いずれの形態のＲＦも機能するが、矩形波プロファイルの方が良好な閉じ込めができると考えられる。

【0168】

デジタルＰＳＵは波形の周波数と振幅を容易に変えることができる。分離モードにおける典型的な周波数は（図２（ｂ）に示した装置寸法の場合）２５〜５００ｋＨｚである。この周波数は目的とするイオンの質量及び移動度に大きく依存し、巨大分子（例えばタンパク質）イオンのように重くて移動度の低いイオン種に対しては低く、軽くて小さいイオンに対しては高い。よく用いられる周波数は２００ｋＨｚである。

【0169】

少なくとも４０ｍｂａｒまでの圧力で効果的にイオンを閉じ込める（特許文献３及び非特許文献６）には、透過モードにおける最適な周波数をより高くすることが好ましい。これに関係する数量γは１（完全な閉じ込めの場合）から０（閉じ込めがない場合）まで変化するが、これはガス圧とＲＦ周波数に依存する（非特許文献７）。物理的にはイオンの緩和時間はＲＦの周期に近いかそれを上回る必要がある。従って、ある圧力に対し、周波数を上げることにより閉じ込めを改善することができる。しかし、周波数を上げるとデーメルトの擬似ポテンシャルの深さも小さくなる。この深さは周波数に比例してＲＦ電圧を最大で絶縁破壊上限まで上げることにより回復することができる。周囲ガス温度（３００Ｋ）における、標準のパパベリン（１＋）イオン（換算移動度Ｋ_０＝１．０４ｃｍ^２／ｖｓ）についての模範的な状況を次の表１に示す。透過モードにおいて閉じ込め（透過率）を改善するには様々な周波数が必要であることが分かる。

【0170】

【表1】

【0171】

この表から透過モードにおいて良好なイオン透過率を得るために必要な適切な圧力と周波数を推定することができる。例えば、３０ｍｂａｒと２００ｋＨｚにすれば閉じ込めはごくわずかになる（透過モードでγ＝０．００１）と推定することができる。同じ圧力で周波数を最大３ＭＨｚまで変える（好ましい形態であるデジタル電源なら可能である）とγが大きく増加して０．２０になる。ところが、同時に圧力を例えば５ｍｂａｒまで下げると閉じ込めがほぼ完全になる（γ＝０．９０）。また、圧力を１ｍｂａｒまで下げると、元の周波数０．２ＭＨｚでも適度なイオン閉じ込め（γ＝０．５０）が生じる。以上のことは、ＬＰ−ＦＡＩＭＳ装置の透過モードにおいて良好なイオン透過率を得る条件を広範なイオンについて推定する上で役に立つ。

【0172】

２）本発明の第２の態様に関する例

【0173】

２つの同軸円筒電極の内側電極の外半径をＲ１、外側電極の内半径をＲ２とするとき、これらの電極に挟まれた環状の間隙内の円筒電場の等電位面と強度はよく分かっている。

【0174】

例えばχ＝Ｒ２／Ｒ１と定義する。等電位面は直交座標ｘとｙで表して次の式（２）で定められる。

【数2】

また、円筒電場の強度は次の式（３）で定められる。

【数3】

【0175】

図５Ａ(i)〜(iv)はχの様々な値について円筒電場５０２、５０４、５０６、５０８を示している。

【0176】

図５Ｂは円筒電場内の任意の場所に配置できる矩形領域５１０を示している。この領域では直交座標ｘ、ｙを基準にして等電位線が定められている。各等電位線は曲率半径Ｒを有し、その中心５１８は共通である。矩形領域５１２が、矩形領域５１０内に配置された選ばれた間隙ｇと選ばれた幅ｗを持つＬＰ分割ＦＡＩＭＳ装置と同じ寸法及び形状を持つように選ばれている。半径Ｒ１の等電位線は下側電極平面５１４の内面の中心で該内面に接している。半径Ｒ２の等電位線は上側電極平面５１６の内面の中心で該内面に接している。ＬＰ分割ＦＡＩＭＳ装置を横断するＥ／Ｎの比は（Ｅ／Ｎ_{ｌｏｗｅｒ}）／（Ｅ／Ｎ_{ｕｐｐｅｒ}）＝χである。

【0177】

このようにχは収束の直接的な尺度を提供し、間隙ｇには依存しない。言い換えるとこれは、χの選択に応じて電極への印加電圧を設定することにより、ｇ及びｗに拘わらず、そのχを持つ円筒電場を矩形領域内で確立できるということを示している。

【0178】

説明のため（限定の意図はなく）、図２（ｂ）に示した寸法（ｇ＝７．５ｍｍ）を用いて、χ＝１．１と１．５となるＲ１及びＲ２の値を次の表２に示す。この表から、ＬＰ分割ＦＡＩＭＳはχのみによって決まるＥ／Ｎ値の範囲でイオンを通過させるということが分かる。間隙の中央における収束の力も電場の勾配に換算して定義することができる。円筒電場の場合、電場の勾配は４／ｌｎ（χ）／（Ｒ２＋Ｒ１）^２で与えられる。つまり、選ばれたＫ（Ｅ／Ｎ）依存性を持つイオンが、Ｒ１とＲ２の間にある選ばれた半径の等電場線に向かって収束される。

【0179】

【表2】

【0180】

図６は別の模範的な平面ＦＡＩＭＳ装置を示している。

【0181】

この例では、平面ＦＡＩＭＳ装置が、平行平面内に配置された第１の分割電極群６０２〜６１４と第２の分割電極群６１６〜６２８、並びに、第１の分割電極群に直交する２つの平行平面内に配置された第３の分割電極群６３０〜６３４と第４の分割電極群６３６〜６４０を備えている。

【0182】

図６（ａ）はこの平面ＦＡＩＭＳ装置が適切な円筒電場を生成するために用いられている様子を示している。各電極上の必要な電圧は式（２）で定められる。曲率の中心６５０は長辺方向の電極群の中央の電極６２２及び６０８を二等分する直線上で電極６２２の内面からＲ１の距離にある。式（２）による等電位面がＦＡＩＭＳ間隙内において内側電極上の電位が０、外側電極上の電位が１となるように示されている。他の電極上の電圧はその内面の中心座標に対して式（２）から導かれている。例として、電極６１８、６１０、６３８の中心座標をベクトル６５２、６５４、６５６でそれぞれ示している。得られた等電位線は所望のχ値に対して図５Ａ及び５Ｂの等電位線をほぼ複製したものとなっている。

【0183】

同じ平面ＦＡＩＭＳ装置を、例えば図６Ｂに示したように間隙の幾何学的中心に原点６６２を持つ四重極場６６０を用いて透過モードで作動させることができる。図示した等電位線はここでも、ベクトル６６４と６６６で例示したように、（ｄ＝０．５の対称な波形を想定として）電極の内面の中心で求められている。

【0184】

図７は、図６に示した分割平面ＬＰ−ＦＡＩＭＳ装置を、収束を行う分離モード（収束は円筒電場により行われる）で作動させた状態を、収束のない分割平面ＬＰ−ＦＡＩＭＳ装置と比較して示している。図６（ａ）の装置（ここでは符号７０２を付してある）の円筒電場中のイオンは等電位線７１６に沿って配置された明瞭な領域を形成する。これらの明瞭な領域は、印加されるＥ_Ｃ／Ｎに応じて間隙を横切って、例えば印加されたＥ_Ｃ／Ｎの増大とともに符号７１８から７２２までシフトする。ＦＡＩＭＳ間隙を通過するイオンの強度（ｙ軸）を印加されたＥ_Ｃ／Ｎ（ｘ軸）の関数として測定すると、図７（ｃ）のＦＡＩＭＳスペクトル７０６が得られる。真の円筒間隙と同様、間隙内では各イオン種がＥ_Ｃ／Ｎの一定の範囲にわたって同じ様に安定であるため、ピークは広がる。しかし、収束を行うと電場に平行な方向への拡散によるイオン損失が防止される。標準的な平面間隙ＦＡＩＭＳ７１４（当該技術で公知）を用いる場合、均一な電場では、定められたＥ_Ｃ／Ｎを持つ１つのイオン種だけが間隙中のどこかで均衡することができる。しかし、図７（ｂ）に示したように自由な拡散があるためイオンパケット７１２は広がる。その広がりは電場に直交する方向よりも電場に平行な方向の方が大きい。得られるＦＡＩＭＳスペクトル７１０は図７（ｄ）に示したように、より狭く、強度の低いピークを有している。

【0185】

より具体的には図８Ａ（i）に示したように、曲がったイオン領域８０４（装置８０８を通るイオン束の方向に直交する面で図示）が、間隙中央線に沿って配置された狭い出口スリット８１０の投影面８３２よりも上及び下に広がる。図８Ａ（ii）に示した垂直な投影図では、ＦＡＩＭＳ装置入口８０２から入った煙状のイオンが、出口８３０に向かって進むにつれて収束により垂直方向に押しつぶされ、前述のように等電位線により決まる安定状態の形状に近づいてゆく。間隙の出口に近づいてゆくイオンの一部がスリット８１０（装置８０８内のガス流の乱れを最小限にする形状を有している）を通過してイオン転送段８１２に達する。スリット８１０の両側の圧力は近いことが好ましい。印加されたＥ_Ｃ／Ｎが（増加方向又は減少方向に）走査されるにつれて、曲がったイオン領域が線形間隙を横断して移動し、イオンが一定の補償電圧範囲にわたってスリット８１０を通過する。これにより図８Ａ（iii）に示したようにＦＡＩＭＳスペクトルのピークが広がり、強度が低下する。これは理想的ではない。

【0186】

図８Ｂ(i)に示したように、（前述のように確立された）ほぼ線形の電場を中央に有する分割平面ＬＰ−ＦＡＩＭＳ段８２０は、間隙のスパンに沿って配置された線形領域８１８にイオンを収束させる。これは、より狭いＥ_Ｃ／Ｎの範囲にわたり、あるいはただ１つのＥ_Ｃ／Ｎにおいて、図８Ｂ(ii)に示したように垂直方向に狭まった安定状態のイオン煙が出口スリット８２６を通過できるということを意味している。これにより、図８Ｂ(iii)に示したように、より狭く、より強度の高いピーク８１６がＦＡＩＭＳスペクトルに生じる。

【0187】

３）本発明の第３の態様に関する例

【0188】

図９は各電極の全てのセグメントが同じ電位（一方の電極は正の電位、他方は負の電位）を持つ分割平面ＦＡＩＭＳ装置を示している。これにより生じる等電位線と電場強度線を、有限差分法を用いてラプラス方程式を数値的に解くことにより求めた結果が図９（ａ）及び９（ｂ）にそれぞれプロットされている。間隙中央線付近に電場線がないのは電場勾配がないこと、つまり間隙を横断する電場の均一性を示している。セグメントのエッジ付近では電場線が僅かに勾配を示すが、それはイオン集団が希薄な領域であるため、ＦＡＩＭＳ分離にはあまり影響しない。従って、このモードは従来技術の標準的な平面間隙ＦＡＩＭＳ装置をエミュレートしたものである。

【0189】

数値的に解いた電場について詳しく説明する。図１０（ａ）は（例えば図５Ｂに描いたように）末端のない完全に円筒状の電極に挟まれた円環状の間隙内での理想的な円筒電場の１つのセグメントについて等電場線を示している。これらの円筒状電極をｗ＝４ｇ（両側で空隙が開いた状態）で区切ると図１０（ｂ）に示したように空隙の中心付近の線はほぼ平面状で平行になる。同じｗ／ｇ比の開放型の間隙を持ち、各電極に７つのセグメントがあり、それらが（上記のように計算された）適切な電圧を持つ、平面ＦＡＩＭＳ段では、同様の平面状で平行な電場線が間隙の中心付近で等価Ｒ２／Ｒ１値の広い範囲にわたって特徴的に見られる。例えばＲ２／Ｒ１＝１．１５の場合は図１０（ｃ）、Ｒ２／Ｒ１＝１．６の場合は図１０（ｄ）のようになる。

【0190】

ＦＡＩＭＳ間隙の限られた領域にわたって略平面状で平行な電場線を生じさせる方法は他にもあり、上記の例は何ら限定を意図していない。本発明の本態様は、平面ＦＡＩＭＳ装置において差分的な電極加熱を行うことにより作り出されるものと実質的に同じＥ／Ｎ勾配を作ることができるが、前述のようないくつもの利点がある。間隙を抜けてＭＳ又は他の下流段で検出されるイオンの通路を制限する出口スリットがあれば、間隙中心から離れた曲がった非平行の電場線は本質的には重要でなくなる。

【0191】

動作圧力は数ｍｂａｒまで下げることができる。後で６．２ｍｂａｒでの実験データを示す。最大５４３Ｔｄという極端なＥ_Ｄ／Ｎにおいてでさえ、大小様々なタンパク質の信号はかなり高く、特に低い荷電状態でそうである。これまで本発明者ら又は他のＦＡＩＭＳの専門家が実現可能と思ってきた圧力よりも低い超低圧の状況は、巨大分子構造の分離と研究にとって比類のない利点をもたらす可能性がある。

【0192】

裏付け／比較データ

【0193】

図１１は透過モードで作動する分割平面ＬＰ−ＦＡＩＭＳ装置のシミュレーションを示している。このシミュレーションはソフトウェア「ＳＩＭＩＯＮ」を統計的拡散シミュレーション（statistical diffusion simulation：ＳＤＳ）モードで用いて行った。シミュレーションは、実験的に設定したＫ（Ｅ／Ｎ）依存性を持つ質量３４０Ｄａのプロトン化パパベリン（１＋）イオンを対象として行った。バッファガスは温度４３℃、圧力３３ｍｂａｒの窒素（Ｎ_２）で、軸方向の流速が１０ｍ／ｓ、横方向の速度はゼロとした。セルの寸法はｇ＝７．５ｍｍとｗ＝３０ｍｍでｗ／ｇ＝４とし、長さ（Ｌ）は１００ｍｍとした。従ってフィルタ時間はｔ＝１０ｍｓとなる。対称な矩形波の周波数は２００ｋＨｚとした。ＳＤＳモデルはイオン移動度が安定状況（即ち、イオンが瞬間電場により制御される最終速度でドリフトしている状況）にあることを想定しており、これは高い圧力と低いＲＦ周波数に対応する。そうすると、γがゼロに近づき、イオンの閉じ込めが弱くなるが、それでもこのシミュレーションではＦＡＩＭＳ電極へのイオン損失は限定的であった。

【0194】

図１１（ａ）に示した例は、５０ＶのピークＲＦ振幅で図３（ｃ）に従って電圧が印加された３１セグメント型の電極を有している。等電場線は５０Ｖ／ｃｍ間隔でプロットされている。軌道は無限持続表示で示されている。従って、各図は１０ｍｓのシミュレーション時間の間における１０００個のイオンの横方向の最大の広がりを示している。イオンの初期位置は軸付近であった。

【0195】

図１１（ｂ）では、図３（ｃ）に従ってＲＦ電圧を印加するとともに、ＤＣ電圧を追加で補うことで、イオンを装置の中心軸へと押す勾配を作り出している。イオンはＲＦ電場によりｙ方向に、そしてＤＣ電場によりｘ方向に閉じ込められる。同じ条件で電極を７セグメント型にしたときの結果を図１１（ｃ）に示す。

【0196】

四重極場を用いた実施形態をモデル化したものを図１１（ｄ）に示す。電場は２００Ｖのピーク振幅で図３（ｂ）に従って電圧を印加することにより作り出した。イオン軌道は前述のように記録した。シミュレーション時間中の電極へのイオン損失は７％で、上述のような本シミュレーションの限界に逆らってさえいる。四重極場はイオンをより良好に閉じ込めるものの、同じ質量範囲内でより高い電圧を必要とする。中心軸へのこの優れた閉じ込め作用は、先に述べたように圧力を下げると共に周波数を高くすることによっても達成可能である（シミュレーションは図示せず）。

【0197】

本発明者らは更に、図１０（ｃ）に従った線形の電場勾配（Ｒ２／Ｒ１＝１．１５）を用いたＦＡＩＭＳ分離モードのシミュレーションを行った。周波数２００ｋＨｚ及びｄ＝０．２の非対称な波形を想定し、他の条件は図１１（ａ）〜（ｄ）に従った。間隙の出口平面を通る全てのイオンを数えた。即ち、出口アパーチャ（スリット）は考慮しなかった。図１２に示したようにＥ_Ｃ／ＮとＥ_Ｄ／Ｎに換算した補償電圧（分散電圧）曲線は、標準的な平面間隙ＦＡＩＭＳに対して得られた曲線と基本的に合致している。しかし、今度はＥ_Ｃ／Ｎピークの幅と強度はＥ_Ｄ／Ｎが高くなるほど増加している。

【0198】

例として、ｇをやや小さく（５ｍｍ）し、ｗ＝２０ｍｍでｗ／ｇ＝４とし、長さは同じＬ＝１００ｍｍとした平面ＬＰ−ＦＡＩＭＳ装置を用いて測定を行った。こちらも出口スリットはない。イオンの収束は、電極間に温度勾配を課し、以て線形の電場勾配を作り出すことにより達成した。この線形勾配は本発明の前記態様を模している。フィルタ時間はより長く、５０ｍｓに設定した。

【0199】

図１３に示したように、３つの等価Ｒ２／Ｒ１値において解像度／感度図（分解能と信号の関係を示す）をＥ_Ｄ／Ｎの全範囲にわたって測定した。符号１３１がＲ２／Ｒ１＝１（収束無し）、１３３がＲ２／Ｒ１＝１．０３（非常に弱い収束）、そして１３５がＲ２／Ｒ１＝１．０７（弱い収束）における曲線である。非常に弱い収束と、特に弱い収束は、収束なしの基準線に比べて同じ解像度における信号を分解能Ｒの全範囲で大きく増大させ、弱い収束では最大で１０倍程度（Ｒ＝１９のとき）に達した。また、非常に弱い収束と、特に弱い収束は、同じ感度における分解能も高める。例えば、同じ信号レベルで収束なしの場合の値１９から最大Ｒ＝４３まで上がっている。

【0200】

この例は、実験又は理論面での従来技術の知識を大きく且つ質的に押しのけるようなやり方で、ＬＰ−ＦＡＩＭＳにおける柔軟なイオン収束の重要な利点を明らかに示している。つまり、かつての（物理的な間隙の曲率又は物理的な間隙の曲率＋温度勾配により実施される）収束は一般に、解像度と引き換えに全てのイオン種のＦＡＩＭＳ間隙の透過率を高め、以て測定信号を高めるものとみられていた。これは過去に報告された第１原理の計算及び数値シミュレーションと一致している（例えば非特許文献８）。言い換えれば、イオン収束はこれまで、収束がない場合に、解像度／感度曲線で描かれる空間内でＦＡＩＭＳの性能を移動させて解像度と引き換えに感度を得るものと理解され、期待されてきた。ここで示したように、等しい解像度で感度を得たり、等しい感度で解像度を得たり、図１３のように両方を得たりすることは根本的に従来技術を超えている。出口スリットを追加すればいずれの従来技術に対しても解像度／感度のバランスの点で更に利益をもたらすであろう。

【0201】

更に、有用なＦＡＩＭＳ圧力範囲の下限を探る実験を行った。実験にはｇ＝７．５ｍｍ、ｗ＝３０ｍｍ、Ｌ＝１２６ｍｍの平面ＬＰ−ＦＡＩＭＳ装置を使用し、周波数５０ｋＨｚとｄ＝０．２の波形で駆動した。具体的には、図１４に示したように、６．２ｍｂａｒの圧力において短いフィルタ時間（１０ｍｓ）で代表的なタンパク質のデータを得た。模範例である２Ｄのパレット１４１は荷電状態６＋のプロトン化ウシ・ユビキチン（８．６ｋＤａ）に対する信号を横軸１４３にＥ_Ｃ／Ｎ、縦軸１４５にＥ_Ｄ／Ｎをとって示したものであり、Ｅ_Ｄ／Ｎ＝５４３Ｔｄにある絶縁破壊限界まで優れたＳＮ比で十分な信号が得られている。これは横軸１４９にＥ_Ｃ／Ｎ、縦軸１４８にイオン信号をとったＥ_Ｃ／Ｎスペクトル１４７に見て取れる。このＥ／Ｎ範囲におけるＦＡＩＭＳ分析は前例がない。３００Ｔｄを超える分析は従来技術では知られていない。

【0202】

これまで達成できなかった状況は多くの新しい現象及び分離法の調査及び利用を可能にする。例えば図１４には２本の別々のＥ_Ｃ（Ｅ_Ｄ）曲線が明瞭に見えるが、これらは恐らく構造又はプロトン化構成の異なる異性体−プロトマーの存在を示している。分解能は最大３０であるが、これはより低いＥ_Ｄ／Ｎで達成可能な計量基準を超えており、複数の分解されない配座異性体を通常含むタンパク質にも対応できる。より大きなタンパク質や他の巨大分子に対しては、有用な操作をより低い圧力まで広げることでＥ／Ｎを更に高める方がよい。圧力Ｐを１ｍｂａｒ程度まで下げればＥ／Ｎを１０００Ｔｄ以上にできる。

【0203】

＜考えられる変形及び応用＞

【0204】

分割ＬＰ−ＦＡＩＭＳ電極は僅かに曲がっていてもよい。僅かに曲がった電極への印加電圧は、本発明に係る電圧勾配によるイオン収束を弱める又は強めるために利用することができる。

【0205】

本発明は透過モードとしてＬＰ−ＦＡＩＭＳに用いることが好ましい。この場合、ユーザは通常なら透過率を低下させる装置を質量分析装置から物理的に取り外さなくて済む。このようにすれば、ユーザは質量分析装置の感度の低下により生じる恐れがある問題をあまり心配しなくなり、ＬＰ−ＦＡＩＭＳの使用への興味が増すだろう。

【0206】

ここまでの記述、後述の請求項、又は添付図面に開示された各特徴は、必要に応じて、その具体的な形態で表現されるか、開示された機能を実行するための手段又は開示された結果を得るための方法若しくはプロセスの観点から表現されていたが、それらの特徴は、個別に又はいくつかの特徴を任意に組み合わせて、本発明をその多様な形態で実現するために利用することができる。

【0207】

上記では本発明を模範的な実施形態と結びつけて説明してきたが、多くの同等の修正や変形は本願の開示があれば当業者にとって自明であろう。従って、前述した本発明の模範的な実施形態は例証的なものであって限定的なものではないとみなされるべきである。前記実施形態には本発明の精神及び範囲から逸脱することなく様々な変更を加えることができる。

【0208】

疑念を避けるために述べておくと、本明細書で行われた理論的な説明はいずれも読者の理解を深めることを目的としたものである。本発明者らはこれらの理論的な説明のいずれによっても束縛されることを望まない。

【0209】

本明細書で用いた見出しは整理を目的とするものに過ぎず、記載された主題を限定するものと解釈すべきではない。

【0210】

ここまで、本発明及び該本発明が関連する技術の水準をより十分に説明及び開示するために多くの公開物を引用している。引用文献の完全なリストは先に示した通りである。これらの参考文献のそれぞれの実体は参照により本明細書に組み込まれる。

【0211】

以下の各項の記述は本明細書の一部を成すものであって、その開示内容を全般的に表現したものである。

【0212】

（第Ａ１項）電場非対称波形イオン移動度分光分析（ＦＡＩＭＳ）を行うための装置であって、
３つ以上のセグメントを含む第１の分割平面電極であって、該第１の分割平面電極のセグメントが第１の平面内に配置され且つ装置の分析軸に平行な方向に延在している、第１の分割平面電極と、
３つ以上のセグメントを含む第２の分割平面電極であって、該第２の分割平面電極のセグメントが第２の平面内に配置され且つ装置の分析軸に平行な方向に延在しており、前記第１の分割平面電極と第２の分割平面電極が互いに分離されていることで両電極間に分析間隙が設けられている、第２の分割平面電極と、
前記分析間隙を通って装置の分析軸に平行な方向に進むようにイオンを押し動かすための推進手段と、
電源と
を備えており、前記装置が、
前記推進手段により前記分析間隙を通るように押し動かされるイオンのＦＡＩＭＳ分析を行うために、前記分析間隙内に非対称な時間依存性電場を生成するように前記電源が第１の電圧波形群を前記第１及び第２の分割平面電極のセグメントに印加するＦＡＩＭＳモード、及び
前記分析軸の方へイオンを収束させるために前記分析間隙内に閉じ込め電場を生成するように前記電源が第２の電圧波形群を前記第１及び第２の分割平面電極のセグメントに印加する透過モード
で作動するように構成されていることを特徴とする装置。

【0213】

（第Ａ２項）前記透過モードにおける前記分析間隙内のガス圧が前記ＦＡＩＭＳモードに比べて低くなるように前記分析間隙内のガス圧を制御するように構成されているガス制御部を更に備えていることを特徴とする第Ａ１項に記載の装置。

【0214】

（第Ａ３項）前記ガス制御部が、前記ＦＡＩＭＳモードにおいて、前記分析間隙内のガス圧を１〜２００ｍｂａｒにするように構成されていることを特徴とする第Ａ２項に記載の装置。

【0215】

（第Ａ４項）前記ガス制御部が、前記分析間隙内に混合ガスが含まれるように該分析間隙への複数のガスの供給を制御するように構成されており、前記混合ガスが窒素、水素及びヘリウムのうち２種類以上を含むことを特徴とする第Ａ２項又は第Ａ３項に記載の装置。

【0216】

（第Ａ５項）前記ガス制御部が、前記透過モードにおいて、前記分析間隙内のガス圧を２０ｍｂａｒ以下にするように構成されていることを特徴とする第Ａ２〜Ａ４項のいずれかに記載の装置。

【0217】

（第Ａ６項）前記第１の電圧波形群が第１の周波数で繰り返し、前記第２の電圧波形群が第２の周波数で繰り返すことを特徴とする第Ａ１〜Ａ５項のいずれかに記載の装置。

【0218】

（第Ａ７項）前記第１の周波数が５ｋＨｚ〜５ＭＨｚの範囲内で、前記第２の周波数が５００ｋＨｚ以上であることを特徴とする第Ａ６項に記載の装置。

【0219】

（第Ａ８項）前記第１の電圧波形と前記第２の電圧波形が略矩形状であることを特徴とする第Ａ１〜Ａ７項のいずれかに記載の装置。

【0220】

（第Ａ９項）前記電源がデジタル電源であることを特徴とする第Ａ１〜Ａ８項のいずれかに記載の装置。

【0221】

（第Ａ１０項）前記装置が前記ＦＡＩＭＳモードでは０．５より小さい又は大きいデューティ比で作動するように構成されていることを特徴とする第Ａ１〜Ａ９項のいずれかに記載の装置。

【0222】

（第Ａ１１項）前記電源が、一又は複数のＲＦ電圧波形を生成し、容量分圧器の配列を介して前記ＲＦ電圧波形を前記第１及び第２の分割平面電極のセグメントに印加することにより、前記第１の電圧波形群を第１及び第２の分割平面電極のセグメントに印加するように構成されていることを特徴とする第Ａ１〜Ａ１０項のいずれかに記載の装置。

【0223】

（第Ａ１２項）前記電源が前記分割平面電極のセグメントに印加されている電圧波形の周波数を第１の周波数値から第２の周波数値へ略即座に変化させるように構成されていることを特徴とする第Ａ１〜Ａ１１項のいずれかに記載の装置。

【0224】

（第Ａ１３項）前記電源が前記分割平面電極のセグメントに印加されている電圧波形のｆ値を第１のｆ値から第２のｆ値へ略即座に変化させるように構成されていることを特徴とする第Ａ１〜Ａ１２項のいずれかに記載の装置。

【0225】

（第Ａ１４項）前記第２の電圧波形のデューティ比が０．５であることを特徴とする第Ａ１〜Ａ１３項のいずれかに記載の装置。

【0226】

（第Ａ１５項）前記分析間隙の間隙幅方向の幅をｗ、前記分析間隙の間隙高さ方向の高さをｇとするとき、ｗ≧３ｇであることを特徴とする第Ａ１〜Ａ１４項のいずれかに記載の装置。

【0227】

（第Ａ１６項）第Ｂ１〜Ｂ１７項及び／又は第Ｃ１〜Ｃ１１項のいずれかの特徴を含む、第Ａ１〜Ａ１５項のいずれかに記載の装置。

【0228】

（第Ｂ１項）電場非対称波形イオン移動度分光分析（ＦＡＩＭＳ）を行うための装置であって、
３つ以上のセグメントを含む第１の分割平面電極であって、該第１の分割平面電極のセグメントが第１の平面内に配置され且つ装置の分析軸に平行な方向に延在している、第１の分割平面電極と、
３つ以上のセグメントを含む第２の分割平面電極であって、該第２の分割平面電極のセグメントが第２の平面内に配置され且つ装置の分析軸に平行な方向に延在しており、前記第１の分割平面電極と第２の分割平面電極が互いに分離されていることで両電極間に分析間隙が設けられている、第２の分割平面電極と、
前記分析間隙を通って装置の分析軸に平行な方向に進むようにイオンを押し動かすための推進手段と、
電源と
を備えており、
前記装置が、前記推進手段により前記分析間隙を通るように押し動かされるイオンのＦＡＩＭＳ分析を行うために、前記分析間隙内に非対称な時間依存性電場を生成するように前記電源が一組の電圧波形群を前記第１及び第２の分割平面電極のセグメントに印加するＦＡＩＭＳモードで作動するように構成され、
微分移動度の異なるイオンを異なる空間領域に向けて収束させるために、前記電圧波形群が、前記分析軸に垂直な面内で見たときに前記非対称な時間依存性電場が曲がった等電場強度線を持つように、構成され、各空間領域は前記分析軸に垂直な面内で見たときにそれぞれ曲がった等電場強度線に沿って延在しており、
前記装置が、前記非対称な時間依存性電場による収束の力を変化させるために前記等電場強度線の曲率を変えることをユーザに許可するように構成された収束制御部を備える
ことを特徴とする装置。

【0229】

（第Ｂ２項）前記曲がった等電場強度線が、内側円筒電極の外半径がＲ１、外側円筒電極の内半径がＲ２である２つの同軸円筒電極の間の空間内に生成される電場に対応していることを特徴とする第Ｂ１項に記載の装置。

【0230】

（第Ｂ３項）前記収束制御部が、ＦＡＩＭＳ装置の前記分析間隙内での円筒電場の比Ｒ２／Ｒ１を変えることをユーザに許可するように構成されていることを特徴とする第Ｂ１項又は第Ｂ２項に記載の装置。

【0231】

（第Ｂ４項）前記収束制御部が、ＦＡＩＭＳ装置の前記分析間隙内での円筒電場の比Ｒ２／Ｒ１を変えることをユーザに許可するように構成されていることを特徴とする第Ｂ１〜Ｂ３項のいずれかに記載の装置。

【0232】

（第Ｂ５項）前記第１及び第２の分割平面電極が互いに前記分析間隙の反対側に配置されていることを特徴とする第Ｂ１〜Ｂ４項のいずれかに記載の装置。

【0233】

（第Ｂ６項）２つ以上のセグメントを含む第３の分割平面電極であって、該第３の分割平面電極のセグメントが第３の平面内に配置され、装置の分析軸に平行な方向に延在している、第３の分割平面電極と、
２つ以上のセグメントを含む第４の分割平面電極であって、該第４の分割平面電極のセグメントが第４の平面内に配置され、装置の分析軸に平行な方向に延在している、第４の分割平面電極と
を更に備え、
第１及び第２の分割平面電極が互いに前記分析間隙の反対側に配置され、前記分析軸に垂直な間隙幅方向に互いに分離されており、
第３及び第４の分割平面電極が互いに前記分析間隙の反対側に配置され、前記分析軸と前記間隙幅方向に垂直な間隙高さ方向に互いに分離されている
ことを特徴とする第Ｂ１〜Ｂ５項のいずれかに記載の装置。

【0234】

（第Ｂ７項）前記分析間隙の間隙幅方向の幅をｗ、前記分析間隙の間隙高さ方向の高さをｇとするとき、ｗ＜約８ｇであることを特徴とする第Ｂ６項に記載の装置。

【0235】

（第Ｂ８項）前記ＦＡＩＭＳモードにおいて、前記分析間隙内のガス圧を１〜２００ｍｂａｒにするように構成されているガス制御部を更に備えていることを特徴とする第Ｂ１〜Ｂ７項のいずれかに記載の装置。

【0236】

（第Ｂ９項）前記装置が出口スリットを有する障壁を備えており、前記推進手段が該障壁に向けてイオンを押し動かすように該障壁が前記分析軸上に位置しており、該障壁が、前記出口スリットを通過しないイオンを装置の検出器に到達させないように構成されていることを特徴とする第Ｂ１〜Ｂ８項のいずれかに記載の装置。

【0237】

（第Ｂ１０項）前記障壁が取り外しできるように構成されていることを特徴とする第Ｂ９項に記載の装置。

【0238】

（第Ｂ１１項）前記装置が前記障壁により設けられる前記出口スリットの幅の調節を許すように構成されていることを特徴とする第Ｂ９項又は第Ｂ１０項に記載の装置。

【0239】

（第Ｂ１２項）前記装置が前記障壁により設けられる前記出口スリットの曲率の調節を許すように構成されていることを特徴とする第Ｂ９〜Ｂ１１項のいずれかに記載の装置。

【0240】

（第Ｂ１３項）前記出口スリットが、前記分析軸に垂直な面内で見たときに、前記非対称な時間依存性電場の１本の曲がった等電場強度線の曲率と一致する曲率を有していることを特徴とする第Ｂ９〜Ｂ１２項のいずれかに記載の装置。

【0241】

（第Ｂ１４項）前記装置が、
前記推進手段により前記分析間隙を通るように押し動かされるイオンのＦＡＩＭＳ分析を行うために、前記分析間隙内に非対称な時間依存性電場を生成するように前記電源が第１の電圧波形群を前記第１及び第２の分割平面電極のセグメントに印加するＦＡＩＭＳモード、及び
前記分析軸の方へイオンを収束させるために前記分析間隙内に閉じ込め電場を生成するように前記電源が第２の電圧波形群を前記第１及び第２の分割平面電極のセグメントに印加する透過モード
で作動するように構成されていることを特徴とする第Ｂ１〜Ｂ１３項のいずれかに記載の装置。

【0242】

（第Ｂ１５項）前記電源が補償電圧と呼ばれる追加のＤＣ電圧群を前記第１及び第２の電圧波形群と同時に全てのセグメントに印加するように構成されていることを特徴とする第Ｂ１〜Ｂ１４項のいずれかに記載の装置。

【0243】

（第Ｂ１６項）前記補償電圧が、所定の微分移動度を有するイオンが出口スリットを通って出て行くように構成された所定の値を持つことを特徴とする第Ｂ１５項に記載の装置。

【0244】

（第Ｂ１７項）前記装置が、異なる所定の微分移動度を有するイオンが異なる時点において出口スリットを通って出て行くように補償電圧を走査するように構成されていることを特徴とする第Ｂ１５項又は第Ｂ１６項に記載の装置。

【0245】

（第Ｂ１８項）第Ａ１〜Ｂ１５項及び／又は第Ｃ１〜Ｃ１１項のいずれかの特徴を含む、第Ｂ１〜Ｂ１７項のいずれかに記載の装置。

【0246】

（第Ｃ１項）電場非対称波形イオン移動度分光分析（ＦＡＩＭＳ）を行うための装置であって、
３つ以上のセグメントを含む第１の分割平面電極であって、該第１の分割平面電極のセグメントが第１の平面内に配置され且つ装置の分析軸に平行な方向に延在している、第１の分割平面電極と、
３つ以上のセグメントを含む第２の分割平面電極であって、該第２の分割平面電極のセグメントが第２の平面内に配置され且つ装置の分析軸に平行な方向に延在しており、前記第１の分割平面電極と第２の分割平面電極が互いに分離されていることで両電極間に分析間隙が設けられている、第２の分割平面電極と、
前記分析間隙を通って装置の分析軸に平行な方向に進むようにイオンを押し動かすための推進手段と、
電源と
を備えており、
前記装置が、前記推進手段により前記分析間隙を通るように押し動かされるイオンのＦＡＩＭＳ分析を行うために、前記分析間隙内に非対称な時間依存性電場を生成するように前記電源が第１の電圧波形群を前記第１及び第２の分割平面電極のセグメントに印加するＦＡＩＭＳモードで作動するように構成され、
微分移動度の異なるイオンを異なる空間領域に向けて収束させるために、前記電圧波形群が、前記分析軸に垂直な面内で見たときに前記非対称な時間依存性電場が略直線状の等電場強度線を持つように、構成され、各空間領域は前記分析軸に垂直な面内で見たときにそれぞれ略直線状の等電場強度線に沿って延在していることを特徴とする装置。

【0247】

（第Ｃ２項）前記装置が、前記非対称な時間依存性電場による収束の力を変化させるために、前記等電場強度線の勾配を変えることをユーザに許可するように構成された収束制御部を備えることを特徴とする第Ｃ１項に記載の装置。

【0248】

（第Ｃ３項）前記装置が出口スリットを有する障壁を備えており、前記推進手段が該障壁に向けてイオンを押し動かすように該障壁が前記分析軸上に位置しており、該障壁が、前記出口スリットを通過しないイオンを装置の検出器に到達させないように構成されていることを特徴とする第Ｃ１項又は第Ｃ２項に記載の装置。

【0249】

（第Ｃ４項）前記障壁が取り外しできるように構成されていることを特徴とする第Ｃ３項に記載の装置。

【0250】

（第Ｃ５項）前記装置が前記障壁により設けられる前記出口スリットの幅の調節を許すように構成されていることを特徴とする第Ｃ３項又は第Ｃ４項に記載の装置。

【0251】

（第Ｃ６項）前記出口スリットが直線状であって、前記分析軸に垂直な面内で見たときに、前記非対称な時間依存性電場の１本の直線状の等電場強度線と一致する方向に延在していることを特徴とする第Ｃ３〜Ｃ５項のいずれかに記載の装置。

【0252】

（第Ｃ７項）間隙幅方向における前記分析間隙の幅をｗとするとき、前記略直線状の等電場強度線がｗ／４以上の距離にわたって略直線状であることを特徴とする第Ｃ１〜Ｃ６項のいずれかに記載の装置。

【0253】

（第Ｃ８項）前記電源が補償電圧と呼ばれる追加のＤＣ電圧群を第１及び第２の電圧波形群と同時に全てのセグメントに印加するように構成されていることを特徴とする第Ｃ１〜Ｃ７項のいずれかに記載の装置。

【0254】

（第Ｃ９項）前記補償電圧が、所定の微分移動度を有するイオンが出口スリットを通って出て行くように構成された所定の値を持つことを特徴とする第Ｃ８項に記載の装置。

【0255】

（第Ｃ１０項）前記装置が、異なる所定の微分移動度を有するイオンが異なる時点において出口スリットを通って出て行くように前記補償電圧を走査するように構成されていることを特徴とする第Ｃ８項又は第Ｃ９項に記載の装置。

【0256】

（第Ｃ１１項）前記装置が、
前記推進手段により前記分析間隙を通るように押し動かされるイオンのＦＡＩＭＳ分析を行うために、前記分析間隙内に非対称な時間依存性電場を生成するように前記電源が第１の電圧波形群を前記第１及び第２の分割平面電極のセグメントに印加するＦＡＩＭＳモード、及び
前記分析軸の方へイオンを収束させるために前記分析間隙内に閉じ込め電場を生成するように前記電源が第２の電圧波形群を前記第１及び第２の分割平面電極のセグメントに印加する透過モード
で作動するように構成されていることを特徴とする第Ｃ１〜Ｃ１０項のいずれかに記載の装置。

【0257】

（第Ｃ１２項）第Ａ１〜Ｂ１５項及び／又は第Ｂ１〜Ｃ１７項のいずれかの特徴を含む、第Ｃ１〜Ｂ１１項のいずれかに記載の装置。

【図1】