特許 7600300 質量分析向けの細長いトラッピング領域を有する小型荷電粒子トラップ

(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】

(24)【登録日】2024-12-06

(45)【発行日】2024-12-16

(54)【発明の名称】質量分析向けの細長いトラッピング領域を有する小型荷電粒子トラップ

(51)【国際特許分類】

   H01J 49/00 20060101AFI20241209BHJP

   H01J 49/42 20060101ALI20241209BHJP

   G01N 27/62 20210101ALI20241209BHJP

【ＦＩ】

H01J49/00 310

H01J49/00 130

H01J49/42 400

H01J49/42 550

G01N27/62 E

【請求項の数】 24

(21)【出願番号】P 2023065561

(22)【出願日】2023-04-13

(62)【分割の表示】P 2021109942の分割

【原出願日】2013-05-21

(65)【公開番号】P2023086802

(43)【公開日】2023-06-22

【審査請求日】2023-05-11

(31)【優先権主張番号】13/840,653

(32)【優先日】2013-03-15

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】501345323

【氏名又は名称】ザ ユニバーシティ オブ ノース カロライナ アット チャペル ヒル

【氏名又は名称原語表記】ＴＨＥ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＮＯＲＴＨ ＣＡＲＯＬＩＮＡ ＡＴ ＣＨＡＰＥＬ ＨＩＬＬ

(74)【代理人】

【識別番号】100107364

【弁理士】

【氏名又は名称】斉藤 達也

(72)【発明者】

【氏名】ラムジー，ジェイ．マイケル

(72)【発明者】

【氏名】シュルツ，ケヴィン

【審査官】藤本 加代子

(56)【参考文献】

【文献】特表２００３－５１０７６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１５８６９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－０９３１６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００９－５１９５８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１３－５１７５９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０６４６９２９８（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｊ ４９／００

Ｈ０１Ｊ ４９／４２

Ｇ０１Ｎ ２７／６２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

質量分析用のイオントラップであって、
平面電極であり、前記平面電極を通って延びる１つ以上の開口部を含む、前記平面電極と、
前記平面電極の両側に配置されたエンドキャップ電極であって、前記エンドキャップ電極の各々は少なくとも１つの開口を含む、前記エンドキャップ電極と、を備え、
前記１つ以上の開口のうちの少なくとも１つは、前記平面電極内に細長い湾曲したトラップ領域を有する前記平面電極の平面における断面形状を有する、
イオントラップ。

【請求項2】

前記細長い湾曲したトラップ領域の少なくとも一部は、前記平面電極の前記平面内において円弧状である、請求項１に記載のイオントラップ。

【請求項3】

前記細長い湾曲したトラップ領域の少なくとも一部は、円形または螺旋状の開口部の一部を有する、請求項１に記載のイオントラップ。

【請求項4】

前記１つ以上の開口のうちの少なくとも１つは、前記平面電極内の細長い直線状のトラップ領域を有する、請求項１に記載のイオントラップ。

【請求項5】

前記細長い直線状のトラップ領域の少なくとも一部は、前記細長い湾曲したトラップ領域の少なくとも一部に連結されている、請求項４に記載のイオントラップ。

【請求項6】

連結された前記細長い直線状のトラップ領域と前記細長い湾曲したトラップ領域は、前記平面電極内における蛇行トラップ領域を形成する、請求項５に記載のイオントラップ。

【請求項7】

前記１つ以上の開口のうちの少なくとも１つは、全体が非直線状である断面形状を有する、請求項１に記載のイオントラップ。

【請求項8】

前記１つ以上の開口のうちの少なくとも１つは、複数の開口を含む、請求項１に記載のイオントラップ。

【請求項9】

前記複数の開口は、前記平面電極の共通点に対して同心状に配置されている、請求項８に記載のイオントラップ。

【請求項10】

前記平面電極内でイオンが放出される位置を制御するために、前記１つ以上の開口の部分を選択的に隠すように配置されたマスクを更に備える、請求項１に記載のイオントラップ。

【請求項11】

前記エンドキャップ電極の各々は、前記平面電極の前記１つ以上の開口と前記イオントラップの軸方向に沿って整列された複数の開口を含む、請求項１に記載のイオントラップ。

【請求項12】

前記エンドキャップ電極の各々の前記複数の開口の少なくとも一部は、前記平面電極の前記１つ以上の開口の断面形状に対応する断面形状を有する、請求項１１に記載のイオントラップ。

【請求項13】

質量分析システムであって、
イオン源と、
請求項１又は２のいずれか一項に記載のイオントラップと、
イオン検出器と、
電子プロセッサであって、
前記１つ以上の開口部の前記少なくとも１つからトラップされたイオンを放出するために１つ以上の電位を印加し、
前記イオン検出器によって生成されたものであって前記放出されたイオンに対応するイオン信号に基づいて、試料に関する質量スペクトル情報を決定する、
ように構成された、前記電子プロセッサと、
を備える質量分析システム。

【請求項14】

前記電子プロセッサは、前記１つ以上の開口部の一部のみから選択的にトラップされたイオンを放出するために前記１つ以上の電位を印加するように構成されている、請求項１３に記載のシステム。

【請求項15】

試料を分析する方法であって、
試料からイオンを生成し、
前記生成されたイオンを、平面電極を貫通して延びる１つ以上の開口を含む前記平面電極を備えるイオントラップに捕捉し、ここで、前記１つ以上の開口のうちの少なくとも１つは、前記平面電極内に細長い湾曲したトラップ領域を有する前記平面電極の平面における断面形状を有し、
前記トラップされたイオンの少なくとも一部を前記イオントラップから放出し、
前記放出された前記トラップされたイオンの少なくとも一部に対応するイオン信号を測定し、
前記測定されたイオン信号に基づいて、試料に関する質量スペクトル情報を決定する、
ことを含む、方法。

【請求項16】

前記細長い湾曲したトラップ領域の少なくとも一部は、前記平面電極の前記平面内において円弧状である、請求項１５に記載の方法。

【請求項17】

前記細長い湾曲したトラップ領域の少なくとも一部は、円形または螺旋状の開口部の一部を有する、請求項１５に記載の方法。

【請求項18】

前記１つ以上の開口のうちの少なくとも１つは、前記平面電極内の細長い直線状のトラップ領域を有する、請求項１５に記載の方法。

【請求項19】

前記細長い直線状のトラップ領域の少なくとも一部は、前記細長い湾曲したトラップ領域の少なくとも一部に連結されている、請求項１５に記載の方法。

【請求項20】

連結された前記細長い直線状のトラップ領域と前記細長い湾曲したトラップ領域は、前記平面電極内における蛇行トラップ領域を形成する、請求項１９に記載の方法。

【請求項21】

前記１つ以上の開口のうちの少なくとも１つは、全体が非直線状である断面形状を有する、請求項１５に記載の方法。

【請求項22】

前記１つ以上の開口のうちの少なくとも１つは、複数の開口を含む、請求項１５に記載の方法。

【請求項23】

前記複数の開口は、前記平面電極の共通点に対して同心状に配置されている、請求項２２に記載の方法。

【請求項24】

前記トラップされたイオンの少なくとも一部が前記イオントラップから放出される前記平面電極内の位置を制御するために、前記１つ以上の開口の部分を選択的に隠すように配置されたマスクを更に備える、請求項１５に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

連邦政府による資金提供を受けた研究又は開発に関する記載
本発明は、米国陸軍研究局から授与された助成金Ｗ９１１ＮＦ－１０－１－０４４７の下で、政府の助成によってなされた。政府は、本発明に一定の権利を有する。

【0002】

関連出願の相互参照
本出願は、２０１３年３月１５日出願の「質量分析向けの細長いトラッピング領域を有する小型荷電粒子トラップ（ＭＩＮＩＡＴＵＲＥ ＣＨＡＧＥＤ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＴＲＡＰ ＷＩＴＨ ＥＬＯＮＧＡＴＥＤ ＴＲＡＰＰＩＮＧ ＲＥＧＩＯＮ ＦＯＲ ＭＡＳＳ ＳＰＥＣＴＲＯＭＥＴＲＹ）」という名称の米国仮特許出願第１３／８４０６５３号明細書の利益を主張し、その内容全体を参照により本明細書に援用する。

【0003】

本発明は、質量分析向けの細長いトラッピング領域を有する小型荷電粒子トラップに関する。

【背景技術】

【0004】

この背景技術のセクションは、情報を提供することのみを目的とするものであり、本明細書に含まれる主題のいずれも、本出願に対して従来技術を限定することにはならず、またそれを認めない。

【0005】

質量分析（ＭＳ）は、分析技法の中で最も有益なものである。速度、選択性、及び感度の組合せにより、ＭＳには、微量元素分析、非常に複雑な試料での生体分子特性評価、同位体比の確定などの領域において広範囲の用途がある。しかし、ＭＳシステムによっては、サイズが大きく、重量が重く、電力消費が大きい（ＳＷａＰ）為、一般に、こうした分析は研究室の環境に限定される。現場での迅速な測定が望ましいか、又は研究室内での分析が最適ではない用途であれば、持ち運び可能な小型のＭＳシステムの開発から恩恵を受けるであろう。

【0006】

ＭＳ作業においてＳＷａＰが増大し、ますます複雑になるのは、ほとんどの質量分析器に必要とされる高真空（１０^－５～１０^－９トル）を実現するのに必要な真空システムに原因がある。従って、ＳＷａＰを低減する為の１つの手法は、それよりも圧力が高い状態でＭＳを実行できることである。イオントラップは、１０^－４トルよりも圧力が高い状態で動作することができ、従って小型システム用の質量分析器として使用することができる。しかし、場合によっては、数ミリトルを著しく超えてイオントラップ内の圧力を高めると、解像度及び信号強度に有害な影響が生じる。圧力を更に高めてバッファガスとの衝突数が増大すると、電場によってイオンの軌道を制御しにくくなる。トラップの動作周波数（通常は、高周波即ち「ＲＦ」）を上げると、１サイクル毎に中性衝突がほとんど生じることがなく、圧力が高い状態での動作の負の影響が軽減されるが、対応してトラップの寸法を小さくして、必要となるＲＦ電圧振幅を低減することが必要になる可能性がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】米国特許第７，８４７，２４０号明細書

【文献】米国特許第６，４６９，２９８号明細書

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0008】

従来サイズのセンチメートル規模のトラップ幾何形状の寸法をただ小さくするのみでは問題となることを、これまで本出願人らは知っていた。トラップのサイズを小さくするにつれて、従来の機械加工技法を用いて、イオントラップ電極の従来の双曲面形状を製造することがますます困難になる。トラップの幾何形状を簡略化する為に、これらの双曲面形状を平面の電極で置き換えてもよい。

【0009】

しかし、イオントラップを小型化するに当たっての制限は、空間電荷効果により、トラップの寸法が小さくなるにつれてイオントラッピング能力が低下することである。シミュレーションでは、１μｍ規模のトラップが、単一イオンに近い電荷容量を有することになる。

【0010】

一方向に細長いトラッピング空洞を有する小型化トラップを実現することによって、この制限を軽減又は克服できることを、これまで本出願人らは知っていた。次元数を増やすことにより、同じく製造が容易なままで、対称なトラッピング空洞を有する同様のトラップよりも記憶容量を上げることができる。従って、本明細書に記載のイオントラップの各実施形態は、高いレベルの小型化と有利には大きな電荷容量の両方を実現することができる。

【0011】

一態様では、荷電粒子をトラッピングする為の小型電極装置が開示される。実施形態によっては、この装置は、縦方向に沿って、第１のエンドキャップ電極と、開口を有する中央電極と、第２のエンドキャップ電極とを備える。実施形態によっては、この開口は、中央電極を通って縦方向に延在し、及びこの中央電極は、縦方向に対して垂直な横方向の面内の開口を囲繞して、荷電粒子をトラップする為の横断空洞を画定する。

【0012】

実施形態によっては、中央電極内の開口は、横方向の面において細長い。様々な実施形態において、以下の方法のいずれでも、細長い開口が特徴となり得る。

【0013】

実施形態によっては、細長い開口は、大きい方の寸法と小さい方の寸法との比が１．０よりも大きく、ここで、大きい方の寸法は、横方向の面内の開口を横断する最も長い直線の距離であり、及び小さい方の寸法は、大きい方の寸法に対応する直線に対して垂直な横方向の面内の開口を横断する最も長い直線の距離である。こうした実施形態によっては、大きい方の寸法と小さい方の寸法との比は、１．５、２．０、３．０、４．０、５．０、１０．０、５０．０、１００．０よりも大きいか、又はそれを上回る。実施形態によっては、小さい方の寸法は、１０ｍｍ、５ｍｍ、１ｍｍ、０．１ｍｍ、０．０１ｍｍ、０．００１ｍｍよりも小さいか、又はそれを下回る。

【0014】

実施形態によっては、細長い開口の大きい方の寸法と小さい方の平均寸法との比が１．０よりも大きく、ここで、大きい方の寸法は、横方向の面内の開口を横断する最も長い直線の距離であり、及び小さい方の平均寸法は、大きい方の寸法に対応する線に沿ったあらゆる位置において、大きい方の寸法に対応する線に対して垂直な横方向の面内の開口を横断するそれぞれの直線に沿った距離の積算平均である。こうした実施形態によっては、大きい方の寸法と小さい方の平均寸法との比は、１．５、２．０、３．０、４．０、５．０、１０．０、５０．０、１００．０よりも大きいか、又はそれを上回る。実施形態によっては、小さい方の平均寸法は、１０ｍｍ、５ｍｍ、１ｍｍ、０．１ｍｍ、０．０１ｍｍ、０．００１ｍｍよりも小さいか、又はそれを下回る。

【0015】

実施形態によっては、細長い開口は、第１及び第２の端部を有する細長いチャネルを含み、ここで、この細長いチャネルでは、チャネル長とチャネル幅との比が１．０よりも大きく、ここで、チャネル長は、第１の端部から第２の端部まで横方向の面内のチャネルを横断する最も短い曲線の距離であり、及びチャネル幅は、チャネル長に対応する曲線に対して垂直な横方向の面内のチャネルを横断する最も長い直線の距離である。こうした実施形態によっては、チャネル長とチャネル幅との比は、１．５、２．０、３．０、４．０、５．０、１０．０、５０．０、１００．０よりも大きいか、又はそれを上回る。実施形態によっては、チャネル幅は、１０ｍｍ、５ｍｍ、１ｍｍ、０．１ｍｍ、０．０１ｍｍ、０．００１ｍｍよりも小さいか、又はそれを下回る。

【0016】

実施形態によっては、各エンドキャップは、平面導電部材であって、縦方向に沿って導電部材を通って延在する複数の孔を有する平面導電部材を含む。実施形態によっては、各平面導電部材は、縦軸に対して横方向に延在し、且つ電子透過性又はイオン透過性になるように構成される。実施形態によっては、各平面導電部材は導電メッシュである。実施形態によっては、縦軸に沿って導電メッシュが中央電極に突出して、横方向の面における中央電極内の細長い開口を完全に取り囲む。

【0017】

実施形態によっては、各エンドキャップ電極は、エンドキャップ及び中央電極の開口を通る縦方向に沿った荷電粒子用の経路を画定する為の開口を有する導電材料を含む。実施形態によっては、少なくとも１つのエンドキャップ内の開口が、導電メッシュで略満たされる。

【0018】

様々な実施形態において、少なくとも１つのエンドキャップ内の開口は、任意の適切な形状を有してもよい。実施形態によっては、少なくとも１つのエンドキャップ内の開口は、中央電極内の開口の大きい方の寸法よりも大きい周辺部を有する円形開口を含み、ここで、この大きい方の寸法は、前述の各方法のいずれかで画定される。実施形態によっては、少なくとも１つのエンドキャップ内の開口は、中央電極内の開口のチャネル長よりも大きい周辺部を有する円形開口を備える。実施形態によっては、少なくとも１つのエンドキャップ内の開口は、細長いスリットを含む。

【0019】

実施形態によっては、中央電極内の細長い開口は、任意の適切な形状を有してもよい。実施形態によっては、細長い開口は、細長いスリット、２つ以上の交差した細長いスリット、蛇行部分、らせん部分、円形スリットの一部分、及びそれらの任意の組合せを含む。

【0020】

実施形態によっては、縦方向に沿って、第１のエンドキャップ電極と中央電極との間に配置された第１の絶縁スペーサ、及び中央電極と第２のエンドキャップ電極との間に配置された第２の絶縁スペーサを備えるものもある。

【0021】

実施形態によっては、各電極に結合されて、中央電極とエンドキャップ電極との間に振動電磁場を生成する電源を備えるものもある。

【0022】

実施形態によっては、中央電極内の横方向に細長い開口によって画定された横断空洞は、第１のエンドキャップから第２のエンドキャップまでの縦方向における垂直方向の寸法が、約１０ｍｍ、１０ｍｍ、５ｍｍ、１ｍｍ、０．１ｍｍ、０．０１ｍｍ、０．００１ｍｍよりも小さい、又はそれを下回る。実施形態によっては、中央電極内の横方向に細長い開口によって画定された横断空洞は、その垂直方向の寸法が空洞の横方向の範囲にわたって実質的に均一である。実施形態によっては、中央電極内の横方向に細長い開口によって画定された横断空洞は、その垂直方向の寸法が空洞の横方向の範囲のうちの１つ又は複数にわたって変化する。

【0023】

実施形態によっては、中央電極内の横方向に細長い開口によって画定された横断空洞は、その垂直方向の寸法が、第１のエンドキャップから第２のエンドキャップまでの縦方向において、小さい方の寸法、小さい方の平均寸法、又は細長い開口のチャネル幅と等しいか、又はそれよりも大きい。

【0024】

実施形態によっては、中央電極内の細長い開口は、横方向の長さ及び横方向の幅を有する少なくとも１つのチャネル部分を含み、且つこの幅は、チャネル部分に沿って実質的に均一である。

【0025】

実施形態によっては、中央電極内の細長い開口は、横方向の長さ及び横方向の幅を有する少なくとも１つのチャネル部分を含み、且つこの幅は、チャネル部分の横方向の長さに沿って変化する。

【0026】

実施形態によっては、横断空洞の局所領域との間の電子又はイオンの伝達を阻止するように構成される、少なくとも１つのマスク要素を含むものもある。

【0027】

実施形態によっては、中央電極は複数の開口を備え、この複数の開口が、荷電粒子をトラップする為のそれぞれの横断空洞をそれぞれ画定するように構成されている。

【0028】

実施形態によっては、細長い開口は、複数の実質的に直線の部分、及びこの実質的に直線の部分の対を連結する複数の湾曲部分を有する蛇行スリットを中央電極内に備える。実施形態によっては、湾曲部分に対応する横断空洞の局所領域からのイオン伝達を阻止するように構成される、１つ又は複数のマスク要素を備えるものもある。実施形態によっては、直線部分に対応する横断空洞の局所領域からのイオン伝達を阻止するように構成される、１つ又は複数のマスク要素を備えるものもある。

【0029】

他の態様では、荷電粒子をトラップする為の小型電極組立体を備える質量分析装置が開示されており、この組立体は、イオントラップ組立体に結合された少なくとも１つの電気信号源と共に、前述のタイプのいずれかの装置を備える。実施形態によっては、電極組立体は、電気信号源からの信号に応答して電磁場を生成して、イオントラッピング領域を生成するように構成される。

【0030】

実施形態によっては、電気信号源に動作可能に結合され、及びこの信号源を調整して、トラッピング領域からのイオンの質量選択放出を実行するように構成された制御装置を備えるものもある。

【0031】

実施形態によっては、エンドキャップ電極のうちの少なくとも１つが、トラッピング領域からのイオンの放出を可能にするように構成される。

【0032】

実施形態によっては、トラッピング領域内にトラップされるイオンを注入又は形成するように構成されたイオン源を備えるものもある。

【0033】

実施形態によっては、組立体から放出されたイオンを検出するように構成される、少なくとも１つの検出器を備えるものもある。実施形態によっては、この少なくとも１つの検出器は、ファラデーカップ検出器又は電子増倍管を備える。

【0034】

実施形態によっては、イオントラッピング領域を含むチャンバが設けられ、動作中、このチャンバは１００ミリトル、１トル、１０トル、１００トル、５００トル、７６０トル、１０００トルよりも高いか、又はそれを超えるバックグラウンド圧力を有するように構成される。

【0035】

実施形態によっては、中央電極は複数の開口を備え、この開口のそれぞれが、荷電粒子をトラップする為の横断空洞を画定し、各空洞が複数のイオントラッピング空洞領域のうちの別々の領域を含む。実施形態によっては、質量分析装置は、複数のイオントラッピング空洞領域から出力される結合された質量選択的なイオン放出に基づいて、強化された出力信号を生成するように構成される。

【0036】

別の態様では、荷電粒子をトラップする為の小型電極組立体に電気信号を印加するステップであって、この組立体が、荷電粒子をトラップする為の前述のタイプのうちの任意のタイプの小型電極装置を含むステップを含む質量分析法が開示される。実施形態によっては、この電気信号に応答して、イオントラップ組立体の空洞内に位置するイオントラッピング領域を有する電磁場を生成するステップを含むものもある。実施形態によっては、信号源を調整して、トラッピング領域からのイオンの質量選択放出を実行するステップと、トラッピング領域から放出されたイオンを検出して、質量分析信号を生成するステップと、質量分析信号を出力するステップとを含むものもある。

【0037】

実施形態によっては、トラッピング領域でトラップされるイオンを注入又は形成するステップを含むものもある。実施形態によっては、第１及び第２のエンドキャップ電極のうちの少なくとも１つは、平面導電部材であって、平面導電部材を通って延在する複数の孔を有する平面導電部材を備え、この平面導電部材は、電子透過性又はイオン透過性になるように構成されている。実施形態によっては、この方法は、平面導電部材内の複数の孔を介して、イオン又は電子をトラッピング領域に注入するステップを含む。

【0038】

実施形態によっては、トラッピング領域の局所部分からイオンを放出するステップを含むものもある。実施形態によっては、この局所部分は、トラッピング領域の横方向の端部又はトラッピング領域の中央部分に対応する。実施形態によっては、トラッピング領域内の複数の位置でイオンを形成又は注入するステップと、トラッピング領域内の実質的に単一の位置からイオンを放出するステップとを含むものもある。

【0039】

実施形態によっては、トラッピング領域の第１の部分でイオンを形成又は注入するステップと、第１の部分の容積よりも小さい容積を有するトラッピング領域の第２の部分からイオンを放出するステップとを含むものもある。実施形態によっては、トラッピング領域は、複数の実質的に直線の部分、及びこの実質的に直線の部分の対を連結する複数の湾曲部分を有する端点の対の間を延在する蛇行領域を含み、第１の部分が、実質的に直線の部分のうちの１つ又は複数に対応し、及び第２の部分が、湾曲部分及び端点のうちの少なくとも１つに対応する。

【0040】

実施形態によっては、トラッピング領域の一部分から放出されたイオンを選択的に阻止して、イオンが検出されるのを防止するステップを含むものもある。実施形態によっては、発生源からの電子又はイオンがトラッピング領域の一部分に入らないよう選択的に阻止するステップを含むものもある。

【0041】

実施形態によっては、電気信号に応答して、複数の別々のイオントラッピング領域を有する電磁場を生成するステップを含むものもある。実施形態によっては、イオントラッピング領域のうちの少なくとも２つが、異なるイオントラッピング安定特性を有する。実施形態によっては、イオントラッピング領域のそれぞれが、実質的に同じイオントラッピング安定特性を有する。

【0042】

実施形態によっては、信号源を調整して、トラッピング領域のそれぞれからのイオンの質量選択放出を実行するステップを含むものもある。実施形態によっては、複数のトラッピング領域から放出されるイオンを、単一の検出器を用いて検出して、結合された質量分析信号を生成するステップを含むものもある。実施形態によっては、複数のトラッピング領域のそれぞれから放出されるイオンを、それぞれの検出器を用いて検出して、それぞれの質量分析信号を生成するステップを含むものもある。

【0043】

様々な実施形態は、単独又は任意の適切な組合せで、前述の要素のいずれを含んでもよい。

【0044】

本明細書に記載の様々な実施形態では、荷電粒子をトラッピングする為の小型電極装置が開示される。この装置は、縦方向に沿って、第１のエンドキャップ電極と、開口を有する中央電極と、第２のエンドキャップ電極とを備える。この開口は、中央電極を通って縦方向に沿って延在し、この中央電極は、縦方向に対して垂直な横方向の面内の開口を囲繞して、荷電粒子をトラップする為の横断空洞を画定する。中央電極内の開口は、横方向の面において細長い。様々な実施形態において、以下の方法のいずれでも、細長い開口が特徴となり得る。

【0045】

以下に述べるように、例えば図１～４及び図１７を参照しながら示すように、細長い開口は、任意の細長い形状でもよい。図１８Ａ～図１８Ｃを参照すると、形状は、以下の方法のいずれかを特徴としてもよい。

【0046】

実施形態によっては、細長い開口は、大きい方の寸法と小さい方の寸法との比が１．０よりも大きく、ここで、大きい方の寸法は、横方向の面内の開口を横断する最も長い直線の距離であり、小さい方の寸法は、大きい方の寸法に対応する直線に対して垂直な横方向の面内の開口を横断する最も長い直線の距離である。こうした実施形態によっては、大きい方の寸法と小さい方の寸法との比は、１．５超、２．０、３．０、４．０、５．０、１０．０、５０．０、１００．０以上である。実施形態によっては、小さい方の寸法は、１０ｍｍ未満、５ｍｍ、１ｍｍ、０．１ｍｍ、０．０１ｍｍ、０．００１ｍｍ以下である。

【0047】

図１８Ａに示すように、開口の大きい方の寸法は、横方向の面内の開口を横断する最も長い直線の距離として定義され、小さい方の寸法は、大きい方の寸法に対応する直線に対して垂直な横方向の面内の開口を横断する最も長い直線の距離である。こうした実施形態によっては、大きい方の寸法と小さい方の寸法との比は、１．０超、１．５、２．０、３．０、４．０、５．０、１０．０、５０、１００以上である。実施形態によっては、小さい方の寸法は、１０ｍｍ未満、５ｍｍ、１ｍｍ、０．１ｍｍ、０．０１ｍｍ、０．００１ｍｍ以下である。図１Ａ～１Ｅに示すスリット形状の開口の場合、大きい方の寸法はｙ_０に対応し、小さい方の寸法は２ｘ_０に対応する。

【0048】

図１８Ｂに示すように、開口の大きい方の寸法は、横方向の面内の開口を横断する最も長い直線の距離として定義され、小さい方の平均寸法は、大きい方の寸法に対応する線に沿ったあらゆる位置において、大きい方の寸法に対応する線に対して垂直な横方向の面内の開口を横断するそれぞれの直線に沿った距離の積算平均である。こうした実施形態によっては、大きい方の寸法と小さい方の平均寸法との比は、１．０超、１．５、２．０、３．０、４．０、５．０、１０．０、５０、１００、１０００以上である。実施形態によっては、小さい方の平均寸法は、１０ｍｍ未満、５ｍｍ、１ｍｍ、０．１ｍｍ、０．０１ｍｍ、０．００１ｍｍ以下である。

【0049】

実施形態によっては、図１８Ｃに示すように、細長い開口は、第１及び第２の端部を有する細長いチャネルである。こうした場合には、チャネル長は、第１の端部から第２の端部まで横方向の面内のチャネルを横断する最も短い曲線の距離として定義され、チャネル幅は、チャネル長に対応する曲線に対して垂直な横方向の面内のチャネルを横断する最も長い直線の距離として定義される。こうした実施形態によっては、チャネル長とチャネル幅の比は、１．５超、２．０、３．０、４．０、５．０、１０．０、５０、１００、１０００以上である。実施形態によっては、チャネル幅は、１０ｍｍ未満、５ｍｍ、１ｍｍ、０．１ｍｍ、０．０１ｍｍ、０．００１ｍｍ以下である。

【図面の簡単な説明】

【0050】

【図1A】乃至

【図1E】荷電粒子をトラップする為の小型電極装置の図を示す。図１Ａは、斜視図である。図１Ｂは、別の角度での第２の斜視図である。図１Ｃは、上面図である。図１Ｄは、面ＡＡ’に沿った垂直断面図である。図１Ｅは、面ＡＡ’に沿った斜視断面図である。

【図2A】乃至

【図2C】荷電粒子をトラップする為の小型電極装置を含むイオントラップの図を示す。図２Ａは、斜視図である。図２Ｂは、上面図である。図２Ｃは、分解図である。

【図3】荷電粒子をトラップする為の小型電極装置を含むイオントラップの写真である。

【図4】図１Ａ～１Ｅに示すタイプの小型電極装置の中央電極用の幾つかの代替デザインの概略図を示す。

【図5A】質量分析装置の概略図である。

【図5B】質量分析装置の詳細な機能図である。

【図5C】質量分析装置の詳細な機能図である。

【図5D】質量分析装置の例示的なタイミング図である。

【図6】差動排気チャンバを特徴とする質量分析装置の概略図である。

【図7】トラップ幅が変化する際に分解能が変化するストレッチトレングスイオントラップ（ＳＬＩＴ）を使用して得られる、３０ミリトルのヘリウムバッファガス内での１０^－４トルのＸｅの質量スペクトルを示す。

【図8A】乃至

【図8B】ＳＬＩＴと円筒形イオントラップ（ＣＩＴ）の性能比較を示す。図８Ａは、ＳＬＩＴ（上側の線）及びＣＩＴ（下側の線）を用いて記録した、Ｈｅバッファガスが５１ミリトルでの、１０^－４トルのＸｅの質量スペクトルを示す。参考までに、ＸｅについてのＮＩＳＴ ＥＩスペクトラムの棒グラフが、グラフの下部に沿って示してある。５つの主要ピークの平均ＦＷＨＭは、ＳＬＩＴ及びＣＩＴにおいて、それぞれ０．４１Ｔｈ及び０．４４Ｔｈである。図８Ｂは、ＳＬＩＴ（上側の線）の感度がＣＩＴ（下側の線）の感度を上回って大きく増加することを示す試料圧力の関数として、全てを統合したＸｅ信号を示す。測定値をなぞった線の傾斜は、ＳＬＩＴ及びＣＩＴについて、それぞれ０．５２μＶ＊ｓ／トル、及び１．５２μＶ＊ｓ／トルであり、ＳＬＩＴにおける感度は１０倍高くなる。垂直のエラーバーは、各圧力において連続的に３回得られたスペクトルの標準偏差を表し、水平のエラーバーは、フルレンジ圧力計の不正確さを表す。

【図9】トラッピング長の延びの関数としてのＳＬＩＴ信号のグラフを示す。個々のスペクトルは、３３ミリトルのＨｅにおける１０^－４トルでのＸｅのものであった。エラーバーは、連続的に３回得られたスペクトルの標準偏差を表す。

【図10】Ｈｅバッファガス圧が２０２～１００２ミリトルの場合に得られる、ＸｅのＳＬＩＴ質量スペクトルを示す。圧力が高まるにつれて、分解能と信号が劣化する。イオン化時間、エミッタバイアス電圧、及びエミッタ電流を調整することによってイオン化電子の総量を増大させることにより、信号損失が調整される。圧力が低い状態での略０．５Ｔｈのピーク幅が、１トルでは推定で２Ｔｈのピーク幅にまで劣化する。

【図11】図１０に示す圧力が高い状態での質量スペクトルについての実験条件の表を示す。

【図12】９ミリトル～１０００ミリトルの圧力での窒素バッファガスを用いて、有機化合物メシチレンの質量スペクトルをＳＬＩＴが得たことを示す。圧力を上げてトラップ内でのイオン化電子を増やすにつれて、イオン化条件を調整した。この圧力範囲にわたって、主要なメシチレンのピークの幅が２．３Ｔｈ～７．２Ｔｈに大きくなる。

【図13A】３つのトラッピング空洞を特徴とするＳＬＩＴトラップ用の中央電極を示す。

【図13B】図１３Ａに示す中央電極を特徴とするＳＬＩＴトラップを使用して得られる、３０ミリトルのヘリウムバッファガス内での１０^－４トルのＸｅの質量スペクトルを示す。

【図14A】乃至

【図14B】蛇行スリットトラップの全長方向に沿ってイオンのトラッピングを示す実験結果を示す。

【図15】線形トラップのアレイを使用する質量分析実験の実験結果を示す。

【図16】単一の線形トラップを使用する質量分析実験の実験結果を示す。

【図17】先細の線形トラップを使用する質量分析実験の実験結果を示す。

【図18A】乃至

【図18C】細長い開口での形状を特徴付ける為の様々な方法を示す。

【発明を実施するための形態】

【0051】

様々な実施形態において、例えば、質量分析装置内の質量分析器として使用する為のストレッチトレングスイオントラップ（ＳＬＩＴ）が設けられている。イオントラップは、２つの寸法方向に沿って小型化され、ただし第３の寸法方向に沿って引き伸ばされた、即ち細長いトラッピング領域を特徴とする。

【0052】

例えば、図１Ａ～図１Ｅには、荷電粒子をトラップする為の小型電極装置１００の図が示してある。図１Ａは斜視図である。図１Ｂは、別の角度での第２の斜視図である。図１Ｃは、上面図である。図１Ｄは、面ＡＡ’に沿った垂直断面図である。’図１Ｅは、面ＡＡ’に沿った斜視断面図である。

【0053】

小型電極装置１００は、縦方向（各図においてｚ方向で示す）に沿って積み重ねられた３つの電極を備える。各電極は、第１のエンドキャップ電極１０２、中央電極１０４、及び第２のエンドキャップ電極１０６を備える。中央電極１０４は、細長い開口１０８を備える。この開口１０８は、中央電極を通って縦方向ｚに沿って延在し、この中央電極１０４は、縦方向に対して垂直な横方向の面内（ｘ－ｙ面で示す）の開口１０８を囲繞して、荷電粒子をトラップする為の横断空洞を画定する。

【0054】

中央電極及びエンドキャップ電極１０２、１０４、１０６は、金属（例えば、銅、金、ステンレス鋼）などの任意の適切な導電材料、又は高濃度ドープのｎ若しくはｐタイプのシリコンなどのドープされた半導体材料から作製してもよい。各電極は、例えば、フライス削り、エッチング（例えばウェットエッチング）、及びレーザ切断を含め、任意の適切な製造技法を使用して形成してもよい。

【0055】

開口１０８は、横方向の面で「引き伸ばされており」、即ち細長い。例えば図に示すように、開口１０８は、ｘ方向よりもｙ方向に長い、細長いスリットである。

【0056】

様々な実施形態において、開口１０８は、任意の細長い形状をとってもよい。例えば、様々な実施形態において、この開口は、横方向の面内で開口を横断する最も長い直線距離である大きい方の寸法、及びこの大きい方の寸法に垂直な横方向の面内で開口を横断する最も長い直線距離である小さい方の寸法を有する。図１Ａ～図１Ｅに示す例では、大きい方の寸法が長さｙ_０に対応し、小さい方の寸法が距離２ｘ_０に対応する（図１Ｃに最も良好に示してある）。慣例により、本明細書においてｘ_０は開口の幅の半分として定義され、ｙ０は開口の全長であることに留意されたい。

【0057】

実施形態によっては、大きい方の寸法と小さい方の寸法との比は、１．０、１．５、２．０、３．０、４．０、５．０、１０．０、２０．０、３０．０、４０．０、５０．０、１００．０、１５０、２００よりも大きいか、又はそれを上回る。例えば、実施形態によっては、大きい方の寸法と小さい方の寸法との比は、１．１～１０００の範囲、又はその任意の部分範囲にある。

【0058】

例えば、荷電粒子トラッピング動作を相対的に高い周波数で実行できるよう、電極装置１００は小型でもよい。例えば、実施形態によっては、開口１０８に小さい方の寸法は、５０ｍｍ、１０ｍｍ、５ｍｍ、４ｍｍ、３ｍｍ、２ｍｍ、１．０ｍｍ、０．１ｍｍ、０．０１ｍｍ、０．０５ｍｍ、又は０．００１よりも小さい。例えば、実施形態によっては、小さい方の寸法は、０．００１ｍｍ～５０ｍｍの範囲、又はその任意の部分範囲にある。実施形態によっては、小さい方の寸法は、電極装置が動作して、大きい方の寸法に沿って延びる単一荷電粒子の線又は面のみをトラップするように十分小さい。

【0059】

実施形態によっては、中央電極１０４内の横方向に細長い開口１０８によって画定された横断空洞の垂直方向の寸法２ｚ_０（図１Ｄに最も良好に示してある）は、約１０ｍｍ、５０ｍｍ、１０ｍｍ、５ｍｍ、４ｍｍ、３ｍｍ、２ｍｍ、１．０ｍｍ、０．１ｍｍ、０．０１ｍｍ、０．０５ｍｍ、又は０．００１よりも小さい。ｚ_０は、空洞の高さの半分として画定されてきており、例えば図に示すように、開口１０８の高さの半分に加えて、開口からエンドキャップ電極までの距離として画定されることに留意されたい。例えば、実施形態によっては、小さい方の寸法は、０．００１ｍｍ～５０ｍｍの範囲、又はその任意の部分範囲にある。実施形態によっては、小さい方の寸法は、電極装置が動作して、垂直方向の寸法に沿った単一荷電粒子のみをトラップするように十分小さい。実施形態によっては、ｚ_０とｘ_０との比は１よりも大きく、例えば１．１～１．３の範囲にある。様々な実施形態では、エンドキャップ電極１０２及び１０６は、荷電粒子に対して少なくとも部分的に透過性である為、こうした粒子が横断空洞との間で出入りできるようになる。

【0060】

例えば、図に示すように、各エンドキャップ電極１０２及び１０６は、縦方向に沿って内部を通って延在する複数の孔を有する平面導電部材１１０を含む。図に示すように、各平面導電部材１１０は、縦軸に対して横方向に延在し、電子透過性又はイオン透過性になるように構成される。

【0061】

実施形態によっては、平面導電部材１１０は、電鋳メッシュ又は織物メッシュなどの導電メッシュである。様々な実施形態では、メッシュの開口率（即ち、メッシュを通って延在する通路を含むメッシュ表面の面積の百分率）は、荷電粒子に対する所望の透過性及び所望の機械的強度を実現するように選択することができる。実施形態によっては、メッシュは少なくとも５０％開口、少なくとも７５％開口、少なくとも８０％開口、少なくとも９０％以上でもよい。例えば、実施形態によっては、メッシュの開口率は、１％～９９％の範囲、又はその任意の部分範囲にある。

【0062】

実施形態によっては、エンドキャップ電極１０２及び１０６においてメッシュ１１０を使用することは、各電極１０２、１０４、及び１０６を精密に位置合せする必要が低減する為、有利である。例えば、図１Ｃに最も良好に示すように、各エンドキャップ電極１０２及び１０６において、縦軸に沿った中央電極への導電メッシュ１１０の突出により、横方向の面内の中央電極１０４での細長い開口１０８が完全に取り囲まれる。図に示すように、エンドキャップ電極１０２及び１０６のメッシュ部分１１０は、中央電極１０４内の開口１０８よりも幅が広くて長い、細長のスリットとして形状付けられている。図に示す構成では、メッシュ部分１１０の長さは、開口の長さと略等しいが、他の実施形態では、このメッシュ部分が、中央電極１０４内の開口１０８よりも長くても（又は短くても）よいことに留意されたい。様々な実施形態では、他の形状又は構成を使用してもよい。例えば、図３に示すように、メッシュは、エンドキャップ電極１０２又は１０６内の円形開口内に配置してもよく、この円形開口は、その直径が、中央電極１０４内の開口１０８の大きい方の寸法よりも長い。

【0063】

前述のタイプの実施形態では、ｘ－ｙ方向での横方向シフト、及び／又は縦軸の周りの回転などのミスアライメントが、イオントラップの動作に実質的に影響を及ぼすことにはならない。即ち、メッシュ１１０の特性は比較的一様である為、中央電極１０４内の細長い開口１０８に面する、エンドキャップ電極１０２又は１０６の一部分の構造が、こうしたミスアライメントによって変化することはない。従って、実施形態によっては、イオントラップの性能は、主として又は専ら電極１０２、１０４、及び１０６の垂直アライメントに依存する。以下で詳細に述べるように、実施形態によっては、例えば各電極間に配置された非導電性スペーサ要素を使用して、適切な垂直アラインメントを容易に維持してもよい。

【0064】

メッシュ１１０を使用すると有利な場合もあるが、実施形態によっては、メッシュを省いてもよく、またエンドキャップ電極１０２及び１０６のうちの一方又は両方が、空の開口を単に備えてもよい。この開口は、任意の適切な形状（例えば、細長いスリット又は円筒形開口）を有してもよい。様々な実施形態では、エンドキャップ１０２又は１０６内の開口は、中央電極１０４内の開口１０８の形状に実質的に対応する形状を有してもよく、又はそれと実質的に異なる形状を有してもよい。実施形態によっては、エンドキャップ１０２及び１０６の開口は、中央電極１０４内の開口１０８と同様の形状、ただしｘ方向の長さが開口１０８の対応する長さよりも短い形状を横方向の面内に有してもよい。例えば、図２Ａ～２Ｃに示す実施形態では、電極１０２、１０４、及び１０６のそれぞれが、細長いスリット開口を備え、各スリットが位置合せされている。

【0065】

図１Ａ～図１Ｅに示す実施形態では、中央電極１０４内の横方向に細長い開口１０８によって画定される横断空洞の垂直寸法は２ｚ_０（エンドキャップ間の間隔に対応する）であり、これは、空洞の横方向のｘ及びｙの範囲にわたって実質的に均一である。しかし、実施形態によっては、中央電極１０４内の横方向に細長い開口１０８によって画定される横断空洞は、例えばエンドキャップ電極１０２又は１０６のうちの一方が中央電極１０４に対してある角度で配置されている場合に、空洞の横方向の範囲の１つ又は複数にわたって変化する垂直寸法を有してもよいことを理解されたい。場合によっては、空洞の垂直範囲でのアライメントが変化すると、質量分析器として動作するときの分解能が劣化するという点で、この構成は不利である。しかし、他の場合では（例えば以下に述べるように、トラッピング空洞の局所領域から、トラップされた粒子が選択的に放出される場合では）、この構成が有利になることがある。

【0066】

一般に、各電極内の開口の形状は、所与の用途での要求に応じて修正してもよい。例えば、実施形態によっては、中央電極１０４内の細長い開口１０８は、横方向の長さと幅を有する少なくとも１つのチャネル部分を備える。場合によっては、この幅は、チャンネル部分に沿って実質的に均一でもよく、場合によっては、この幅は、チャネル部分の横の長さ方向に沿って変化する。

【0067】

図２Ａ～２Ｃには、荷電粒子をトラップする為の小型電極装置１００を含むイオントラップ組立体２００の図が示してある。図２Ａは斜視図である。図２Ｂは、上面図である。図２Ｃは分解図である。

【0068】

図１Ａ～図１Ｅと同様に、小型電極装置１００は、第１のエンドキャップ電極１０２、中央電極１０４、及び第２のエンドキャップ電極１０６を備える。中央電極１０４は、細長い開口１０８を備える。この開口１０８は、中央電極１０４を通って縦方向ｚに沿って延在し、この中央電極１０４は、縦方向に対して垂直な横方向の面内（ｘ－ｙ面で示す）の開口１０８を囲繞して、荷電粒子をトラップする為の横断空洞を画定する。

【0069】

装置１００は、支持部材２０１上に配置される。電極１０２、１０４、及び１０６を相隔てる、非導電性スペーサ２０２が設けられる。任意の適切な非導体材料、例えばポリイミド、ポリアミド、カプトン、若しくはテフロン（登録商標）のフィルムなどの高分子フィルム、又はセラミック若しくはマイカなどの絶縁材料を、スペーサ２０２に使用してもよい。他の実施形態では、例えば、半導体処理例えば酸化ケイ素又は窒化ケイ素の膜の成長の分野で知られている技法を使用して、各電極のうち１つ又ＥＥは複数の電極上に、非導電性材料を成長又は堆積させてもよい。６つのスペーサ２０２が示してあるが、様々な実施形態では、任意の適切な数を使用してもよい。

【0070】

電極１０２、１０４、１０６とスペーサ２０２とで構成されているサンドイッチ構造体は、任意の適切な取付け機構、例えばサンドイッチ構造体を通って支持部材２０１まで延在する１つ又は複数のねじを使用して、支持部材２０１に固定してもよい。実施形態によっては、このねじは、サンドイッチ構造体の縦軸の周りに対称に配置し、等しいトルクで締めて、電極１０２、１０４、１０６の平行アライメントを維持してもよい。

【0071】

実施形態によっては、支持部材２０１は、装置１００を取り付ける際の補助となる１つ又は複数のアライメント機能を含んでもよい。例えば、実施形態によっては、支持部材２０１は、案内ポストを取り付ける為の１つ又は複数の孔を含んでもよい。次いで、電極１０２、１０４、及び１０６は、各電極が案内ポスト上を滑るようにして、組立て中に所望のアライメントを維持する為の案内孔を含んでもよい。実施形態によっては、これらの案内ポストは、電極を支持部材２０１に固定した後に取り外してもよい。

【0072】

図３は、荷電粒子をトラップする為の小型電極装置１００を含むイオントラップ２００の写真である。前述の通り、図に示す実施形態では、エンドキャップ電極１０２及び１０６でのメッシュ１１０が、エンドキャップ電極１０２及び１０６内の円形開口に配置されており、その直径は、中央電極１０４内の開口１０８の大きい方の寸法よりも大きい。エンドキャップ電極１０２及び１０６への電気接続部３０１。図に示すように、この接続部は、トラッピング電極へのハンダ接続部であるが、様々な実施形態では任意の適切な接続部を使用してもよい。

【0073】

上記の例では、中央電極１０４内のスリットとして形成された単一の細長い開口１０８を特徴としているが、他の実施形態では、別の開口形状及び／又は２つ以上の開口を設けてもよい。図４には、図１Ａ～１Ｅに示すタイプの小型電極装置の中央電極用の幾つかの代替デザインの概略図が示してある。

【0074】

中央電極４０１は複数の開口を含み、それぞれが、荷電粒子をトラップする為の別々の横断空洞を画定する。図に示すように、各開口は、規則正しい線形配列で配置された細長いスリットである。しかし、様々な実施形態では、２次元配列の開口、又は不規則若しくはランダムに配置された開口を含め、他の開口形状及び配置を使用してもよい。

【0075】

中央電極４０２は、蛇行形状の開口を備える。図に示すように、蛇行形状の開口は、相対的に短い曲線部分によって連結された、相対的に長い直線部分を含む。蛇行形状は、相対的にコンパクトな占有面積に収まっていながら、有効長（即ち、蛇行形状をまっすぐ伸ばした場合に開口が有する長さ）が非常に長いトラッピング空洞を実現できるという点で有利である。

【0076】

同様に、中央電極４０３は、らせん状の開口を備える。中央電極４０４は、円の各部分として形成された複数のスリット形状の開口を備える。様々な実施形態では、他の曲線開口形状を使用してもよい。

【0077】

実施形態によっては、例えば、中央電極は、１つ又は複数の交差スリット形状の開口を備えてもよい。例えば、中央電極４０５は、共通の端点で交わる２つのスリットを有する。中央電極４０６は、星形に配置された３つの交差スリットを有する。様々な実施形態では、任意の適切な数及び配置の交差スリットを使用してもよい。

【0078】

様々な実施形態では、開口のスリット形状部分は、任意の適切な形状を有してもよいことに留意されたい。例えば、各スリットの垂直の高さ、横方向の長さ、及び横方向の幅は、実質的に均一でもよい。実施形態によっては、各スリットの垂直の高さ、横方向の長さ、及び横方向の幅のうちの１つ又は複数が変化してもよい。

【0079】

図５Ａは、質量分析装置５００の概略図である。質量分析装置５００は、荷電粒子をトラップする為の小型電極装置１００を有するトラップ２００を備え、これは、図１Ａ～２Ｃを参照しながら説明したタイプのものである。電気信号源５０１がイオントラップ組立体に結合されて、電気信号を供給する。電極装置１００は、信号に応答して電磁場を生成する。この電磁場は、横断空洞内に配置された、各電極によって形成されるイオントラッピング領域を含む。例えば、実施形態によっては、信号源は、各電極に結合されて、中央電極とエンドキャップ電極の間に振動電磁場を生成する電源として動作する。実施形態によっては、この電磁場は、ＲＦ周波数、例えば１ＭＨｚ～１０００ＧＨｚ又はその任意の部分範囲で振動する。圧力が高い状態での動作においては、高い周波数が望ましく、従って、トラッピング場のある振動の期間は、トラップされた粒子が背景ガス内の粒子と衝突する平均時間よりもはるかに短いことに留意されたい。

【0080】

制御装置５０２は、電気信号源５０１に動作可能に結合され、この信号源を調整して、トラッピング領域からのイオンの質量選択放出を実行するように構成される。様々な実施形態では、質量選択放出を実現する為の任意の適切な技法を使用してもよい。例えば、実施形態によっては、トラップ２００に印加されるＲＦ電位は傾斜しており、その結果、質量ａ（＞ｂ）のイオンの軌道は安定しているが、質量ｂのイオンが不安定になり、（例えば、エンドキャップ電極のうちの１つを介して）縦軸上で放出されて、検出器５０３（以下に詳述）に至る。他の実施形態では、２次の軸方向のＲＦ信号をエンドキャップ電極全体に印加して、トラップ内に双極性の電場を生成することを含め、別の技法を使用してもよい。この双極性電場は、イオンの永続周波数が軸方向のＲＦ周波数と等しくなるとき、イオンを放出することができる。

【0081】

システム５００は、トラッピング領域内にトラップされるイオンを注入又は形成するように構成されたイオン源５０４を備える。様々な実施形態では、任意の適切な発生源を使用してもよい。例えば、実施形態によっては、電子発生源を使用して、（例えば、エンドキャップ電極のうちの１つの電極を介して）電子をトラップ２００に送る。これらの電子は、トラップ２００の横断空洞内で検体種をイオン化し、イオンを形成することができ、このイオンが電極構造体内でトラップされる。イオン発生源５０５は、動作可能なように制御装置に結合されて、例えば、動作中に要望通りこの発生源をオン／オフすることができる。

【0082】

システム５００はまた、トラップ２００から放出された荷電粒子（例えばイオン）を検出するように構成された検出器５０５を備える。様々な実施形態では、任意の適切な検出器を使用してもよい。圧力が高い用途では、高いバックグラウンド圧力で動作できる検出器、例えばファラデーカップタイプの検出器を使用することが有利になる場合がある。圧力が低い用途では、例えば電子増倍管検出器など、別のタイプの検出器を使用してもよい。検出器は、動作可能なように制御装置５０２に結合されて、例えば、制御装置に信号を送信し、処理して質量スペクトルを生成してもよい。

【0083】

システム５００は、イオントラップ組立体を含むチャンバ（図示せず）を備えてもよい。このチャンバは、選択されたバックグラウンド圧力で維持してもよい。実施形態によっては、バックグラウンド圧力は、５ミリトル、１０ミリトル、１００ミリトル、１トル、１０トル、１００トル、５００トル、又は７６０トルよりも高い。例えば、実施形態によっては、バックグラウンド圧力は、１００ミリトル～１０００ミリトルの範囲、又はその任意の部分範囲にある。

【0084】

実施形態によっては、システム５００は、前述の通り、２つ以上のトラッピング空洞を特徴とするイオントラップ２００を備えてもよい。こうした場合には、空洞それぞれからの質量放出を単一の検出器５０５で検出して、結合され強化された質量スペクトル信号を生成してもよい。例えば、実施形態によっては、この信号は、少なくとも２、５、１０、１５、２０、２５、５０、又は１００以上のトラップからの結合された出力に基づいて生成してもよい。

【0085】

実施形態によっては、複数の空洞のそれぞれ（又は、そのサブセット）からの質量放出は、別々の専用検出器５０５によって検出してもよい。この構成は、各空洞（又は、空洞のサブセット）のトラッピング特性が異なる場合に有用になることがある。例えば、場合によっては、このタイプの構成により、システム５００が分析できるイオン質量の範囲を広げることができる。

【0086】

細長いトラッピング領域を特徴とする実施形態によっては、イオンは、トラッピング領域の局所部分（例えば、端部又は中央部分）から優先的に放出される。従って、実施形態によっては、トラッピング領域内の複数の位置でイオンを形成又は注入してもよく、またトラッピング領域内の実質的に単一の位置からイオンを放出してもよい。実施形態によっては、トラッピング領域の第１の部分でイオンを形成又は注入してもよく、また、第１の部分の容積よりも小さい容積を有するトラッピング領域の第２の部分からイオンを放出してもよい。

【0087】

場合によっては、空間的に局所化された放出が有利になることがある。例えば、実施形態によっては、得られた質量スペクトルの分解能が改善されることがある。理論に束縛されるものではないが、実施形態によっては、この改善された分解能は、局所領域での電極アライメントの比較的わずかな変化に関係することが予想される。

【0088】

実施形態によっては、例えば、局所領域からイオンが優先的に放出される場合、１つ又は複数のマスク要素を配置して、トラップの選択領域（例えば、局所放出領域以外の領域）から放出されるイオンが検出器５０５に到達するのを阻止してもよい。実施形態によっては、これにより、検出された質量スペクトルの分解能が改善されることがある。

【0089】

例えば、前述の通り（例えば図４を参照）、実施形態によっては、トラッピング領域は、複数の実質的に直線の部分、及びこの実質的に直線の部分の各対を連結する複数の湾曲部分を有する１対の端点間を延在する蛇行領域を含んでもよい。こうした場合には、直線部分から放出されるイオンを検出器５０５に到達させながら、湾曲部分及び／又は端点から放出されるイオンを阻止することが有利になる場合がある。他の実施形態では、湾曲部分及び／又は端点から放出されるイオンを検出器５０５に到達させながら、直線部分から放出されるイオンを阻止する場合には、逆の構成を使用してもよい。

【0090】

様々な実施形態では、システム５００は、携帯用ユニット、例えばハンドヘルドユニットとして実装してもよい。システム５００を使用して、例えば、無機化合物、有機化合物、爆発物、環境汚染物質、及び危険物質を含め、任意の適切な検体から質量スペクトルを得てもよい。

【0091】

実施形態によっては、システム５００は、選択領域内に配置されて、選択条件（例えば、１つ又は複数の選択対象物質の存在又はレベル）を監視する為の監視ユニットとして実装してもよい。実施形態によっては、システム５００は、選択状態の検出を伝達するのに使用できるデータ伝送装置（例えば、有線又は無線の通信装置）を備えてもよい。

【0092】

図５Ｂには、質量分析システム７１００（例えば携帯システム）が示してあり、質量分析組立体７１０を格納するハウジング７１００ｈが、通常は真空チャンバ７１０５（組立体７１０の周りの破線で示してある）内にある。ハウジング７１００ｈは、流路に接続される加圧されたバッファガス「Ｂ」のキャニスタ７１１０（又は他の発生源）を、真空チャンバ７１０５に外せるよう取り付けることができる。ハウジング７１００ｈは、制御回路７２００、及び様々な電源７２０５、７２１０、７２１５、７２２０を保持することができ、これらは、各配線に接続されて、イオン化、質量分析、及び検出を実行する。ハウジング７１００ｈは、プロセッサ７２５５に接続されて質量スペクトル出力を生成する出力増幅器７２５０を含め、１つ又は複数の増幅器を保持することができる。システム７１００は、携帯可能で軽量とすることができ、典型的には、使用する際にはバッファガス供給装置７１１０を含めて１～１５ポンド（真空ポンプは含まず）である。ハウジング７１００ｈは、ゲームコントローラ、ノートブック、スマートフォンなどハンドヘルド型のハウジングとして構成することができ、場合によっては、制御回路７２００を保持するピストルグリップ７１００ｇを有してもよい。しかし、ハウジングの別の構成と共に制御回路の別の構成を使用してもよい。ハウジング７１００ｈは、表示画面を保持し、グラフィックユーザインターフェースなどのユーザインターフェースを有することができる。

【0093】

システム７１００はまた、スマートフォン又は広く普及している他のコンピューティング装置と通信して、例えば、安全なＡＰＰ又は他のプログラム可能な無線通信プロトコルを用いて、動作を制御する為のデータを伝送するよう構成してもよい。

【0094】

システム７１００は、約１００ミリトルの圧力、又はそれを超えて大気圧までの圧力で動作するよう構成することができる。

【0095】

実施形態によっては、質量分析計７１００は、イオン発生源（イオン化装置）７３０、（本明細書に記載のタイプのいずれかの）イオントラップ質量分析器７２０、及び検出器７４０が、略等圧の条件で、且つ１００ミリトルを超える圧力で動作するように構成される。用語「略等圧の条件」は、任意の隣接する２つのチャンバ間の圧力が、１００倍以下、ただし通常は１０倍以下だけ異なる場合の条件を含む。

【0096】

図５Ｃに示すように、分光計１００は、質量分析組立体７１０及び任意関数発生器２１５ｇを備えていて、共鳴放出の質量走査中に、低電圧の軸方向ＲＦ入力２１５をイオントラップ７２０に供給することができる。低電圧の軸方向ＲＦは、約１００ｍＶｐｐ～約８０００ｍＶｐｐの間、典型的には２００～２０００ｍＶｐｐの間とすることができる。共鳴放出を容易にする為、質量走査中に、エンドキャップ７２２若しくは８２３、通常はエンドキャップ７２３、又は２つのエンドキャップ７２２と７２３の間に、軸方向のＲＦ２１５ｓを印加することができる。

【0097】

図５Ｂ及び５Ｃに示すように、装置７１００は、イオントラップ７２０の中央電極７２１に入力信号を供給するＲＦ電源７２０５を備える。ＲＦ電源７２０５は、ＲＦ信号発生器、ＲＦ増幅器、及びＲＦ電力増幅器を備えることができる。これら構成部品のそれぞれは、真空チャンバ７１０５内にイオントラップ７２０を格納するハウジング７１００ｈ内の回路板に保持することができる。実施形態によっては、ＲＦ信号発生器への入力として振幅傾斜波形を供給して、ＲＦ振幅を調整することができる。ＲＦ前置増幅器、次いで電力増幅器によって低電圧ＲＦを増幅して、所望のＲＦ信号を生成することができる。ＲＦ信号は、リング電極機構のサイズに応じて、約１ＭＨｚ～１０００ＭＨｚの間とすることができる。当業者にはよく知られているように、ＲＦ周波数は、中央電極内の開口のサイズに依存することがある。図１Ａ～１５に示すタイプで寸法ｘ_０が５００μｍのスリット形状開口での典型的なＲＦ周波数は、５～２０ＭＨｚになるはずである。電圧は、１００Ｖ_０ｐ～約１５００Ｖ_０ｐの間で、典型的には約５００Ｖ_０ｐまでとすることができる。

【0098】

概説するならば、電子は、よく知られた方法で発生源３０によって生成され、加速電位によって質量分析器（例えばイオントラップ）７２０に送られる。電子は、質量分析器７２０内の試料ガスＳをイオン化する。イオントラップ構成においては、ＲＦトラッピング及び放出の回路が、質量分析器７２０に結合されて、イオントラップ７２０内に交流電場を生成して、イオンの質量／電荷の比に比例して、まずイオンをトラップし、次いでイオンを放出する。イオン検出器４０は、特定のイオン質量に対応する様々な時間間隔で放出されるイオンの数を記録して、質量分光化学分析を実行する。イオントラップは、ＲＦ駆動信号７２０５ｓによって生成される動的な電場を使用して、測定試料からのイオンを動的にトラップする。イオンをトラップしている高周波（ＲＦ）電場の特性（例えば、振幅、周波数など）を変化させることにより、イオンの質量／電荷の比（質量（ｍ）／電荷（ｚ））に対応して、イオンが選択的に放出される。こうしたイオンの数を、分析する為にデジタル化し、スペクトルとしてオンボードプロセッサ及び／又は遠隔プロセッサ７２５５上に表示することができる。

【0099】

最も単純な形態では、一定のＲＦ周波数の信号２０５ｓは、２つのエンドキャップ電極２２、２３に対して中央電極２１に印加することができる。中央電極信号２０５ｓの振幅を直線状に増加させて、イオントラップ内に保持される様々なｍ／ｚのイオンを選択的に不安定化することができる。この振幅放出構成では、最適な性能又は分解能を実現できないことがある。しかし、エンドキャップ２２、２３にまたがって差動的に第２の信号２１５ｓを印加することによって、この振幅放出法を改善することができる。この軸方向のＲＦ信号２１５ｓを使用すると、双極子の軸方向の励起が生じ、これによって、トラップ内での振動のイオンの永続周波数がエンドキャップの励起周波数に合致するとき、イオントラップからイオンの共鳴放出が実現する。

【0100】

イオントラップ７２０又は質量フィルタは、略純粋なキャパシタンスとして見える等価回路を有することができる。イオントラップ７２０を駆動する為の電圧７２０５ｓの振幅は高くてもよく（例えば、１００Ｖ～１５００Ｖ）、高電圧を生成する為のトランス結合を利用することができる。トランス２次のインダクタンスとイオントラップのキャパシタンスとで、並列タンク回路を形成することができる。必要以上の損失及び／又は回路サイズの増大を避けるには、この回路を共振周波数で駆動することが望ましい場合がある。

【0101】

真空チャンバ７１０５は、少なくとも１つのポンプ（図示せず）と流体連結することができる。このポンプは、バリアン（Ｖａｒｉａｎ）（現在はアジレントテクノロジー（Ａｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ））社のＴＰＳ Ｂｅｎｃｈコンパクトポンプシステム又はＴＰＳコンパクトポンプシステムのうちの一方又は両方を含め、粗引きポンプ及び／又はターボポンプなど、任意の適切なポンプとすることができる。ポンプは、真空チャンバ１０５と流体連結することができる。実施形態によっては、真空チャンバは、動作中に圧力が高い状態、例えば１００ミリを超えて大気圧までの圧力にすることができる。圧力が高い状態での動作により、ターボ分子ポンプ、拡散ポンプ、又はイオンポンプなどの高真空ポンプが必要でなくなる。ロータリベーンポンプ、往復動ピストンポンプ、又はスクロールポンプなど、機械式の容積型ポンプによって、略１００ミリトルを超える動作可能な圧力を容易に実現することができる。

【0102】

試料Ｓは、入力ポートを通してイオントラップ７２０に向けて、バッファガスＢと共に真空チャンバ７１０５に投入してもよい。環境からハウジング１００ｈへのＳの取込みは、任意の適切な位置にすることができる（ほんの一例として底部からの状態を示してある）。１つ又は複数の試料取込みポートを使用することができる。

【0103】

バッファガスＢは、発生源としてバッファガスの加圧されたキャニスタ７１１０として供給することができる。しかし、任意の適切なバッファガス、又は、空気、ヘリウム、水素若しくは他のガスを含むバッファガス混合物を使用することができる。空気を使用する場合、空気は大気から吸入することができ、加圧されたキャニスタ又は他の発生源を必要としない。通常、バッファガスはヘリウムを含み、典型的には、適切な純度で約９０％ヘリウムを超える（例えば９９％以上）。質量流量制御装置（ＭＦＣ）を使用して、加圧されたバッファガス発生源１１０からの加圧されたバッファガスＢと共に試料Ｓの、チャンバ１０５への流れを制御することができる。バッファガスとして環境空気を使用する場合、制御された漏れを使用して、空気バッファガス及び環境試料を真空チャンバに注入することができる。制御された漏れの設計は、利用するポンプの性能、及び所望の動作圧力に依存することになるはずである。

【0104】

図９Ｄには、質量分析計７１００の様々な構成部品を作動／制御するのに使用できる、例示的なタイミング図が示してある。質量走査全体を通してＲＦ振幅を調整する傾斜波形を使用して、ＲＦ振幅駆動信号を駆動することができ、また、その他の３つのパルスが、イオン化、検出、及び印加された軸方向のＲＦ電圧を制御する。図に示すように、初めに、任意選択としてゲートレンズ７５０（使用する場合）に０Ｖを印加して、イオン化期間中に電子が通過できるようにすることができる。或いは、この信号をイオン化装置３０に直接印加して、電子又はイオンの生成をオン／オフすることができる。ＲＦ振幅駆動７２０５ｓは、イオン化期間中は固定電圧に保持して、トラップ７２０内部で生成されるイオンをトラップすることができる。イオン化期間の最後で、ゲートレンズ電圧（使用する場合）が、ある電位にまで駆動されて、イオン化装置７３０の電子ビームを阻止し、イオン化を停止する。次いで、ＲＦ振幅駆動２０５ｓは、規定時間、例えば約５ｍｓの間は一定に保持されて、トラップされたイオンが衝突によって冷却されてトラップの中央に向かうようにすることができる。ＲＦ振幅駆動７２０５ｓは、直線的に増加して、質量不安定性走査を実行し、増加するｍ／ｚ順に検出器４０に向けてイオンを放出することができる。軸方向のＲＦ信号７２１５ｓは、ＲＦ振幅信号の直線的な上昇の上昇開始時点（ｔ＝６ｍｓで示してあるが、他の時点を使用してもよい）で同期して印加して、実質的に同時にゲートをオンにして、分解能及び質量範囲を改善する為に質量走査中に共鳴放出を実行することができる。質量不安定性走査中にデータを取得して、質量スペクトルを生成する。最後に、ＲＦ振幅駆動７２０５ｓを低い電圧にまで低下させて、残っているイオンをトラップ７２０から取り除き、次の走査に向けて準備することができる。当業者にはよく知られているように、幾つかのイオン操作の方法を、ＣＩＴなどのイオントラップ装置に適用することができる。放出し、隔離し、衝突分離する為の様々な方法の全てを、本出願において議論されるイオントラッピング構造体に適用することができる。

【0105】

様々な実施形態では、本明細書に記載の装置を使用して、タンデム質量分析（例えば、（特許文献１）に記載）を含め、当技術分野で知られている質量分析技法を実施してもよい。本明細書に記載の装置は、他の用途、例えば量子コンピューティング、精密な時刻基準若しくは周波数基準、又は他の任意の適切な目的などの目的の為に荷電粒子をトラッピングする際に使用してもよい。

【実施例】

【0106】

ストレッチトレングスイオントラップ電極
以下の例では、質量スペクトルを得る為のＳＬＩＴタイプのトラップの使用について説明する。比較の為に、場合によっては、２００２年１０月２２日発行の（特許文献２）に記載されたタイプの、円筒型の対称形トラッピング開口を有する中央電極を特徴とするトラップを使用してもスペクトルが得られた。この円筒形イオントラップタイプは、以下では「ＣＩＴ」と呼ぶことにする。

【0107】

ＳＬＩＴ及びＣＩＴトラップは、以下の技法を使用して構成された。中間電極用の８００μｍ厚の銅シートストック、及びエンドキャップ電極用の２５０μｍ厚のベリリウム銅シートストックが、フォトリソグラフィでパターン付けされ、化学的にウェットエッチングされて、図１Ａに示す基本形状になった（タウンテクノロジーズ（Ｔｏｗｎｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ）、サマービル、ニュージャージー）。中間電極の空間は、１ｍｍのエンドミルを用いて通常通りに機械加工された。ＣＩＴは、追加で長さを増やすことなく作製されて、半径ｒ_０＝０．５ｍｍの円筒形開口を生成し、ＳＬＩＴ機構は、ｙ_０寸法が２ｍｍ～６ｍｍの範囲で機械加工された。エンドキャップ支持電極が直径５ｍｍにまでドリルで孔開けされ、その後、１００ラインズパーインチ（ＬＰＩ）で、７３％透過率の電鋳メッシュが開口全体に接着された（プレシジョンエレクトロフォーミング（Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｆｏｒｍｉｎｇ）、コートランド、ニューヨーク）。カプトンワッシャを用いてエンドキャップと中央電極の間の２５０μｍの間隔を実現し、限界寸法がｚ_０＝６５０μｍ、ｘ_０＝５００μｍのトラップを作製した。この例では、ｚ_０は、中央電極の厚さの半分と、中央電極とエンドキャップの間の間隔との和になるように規定され、ｘ_０は、ＳＬＩＴ空間の狭い寸法の幅の半分である。他のｚ_０／ｘ_０比はまた、幅が０．９４ｍｍ～１．１７ｍｍの範囲にあるＳＬＩＴの幅をミリング加工し、Ｘｅの安定同位元素を試料として使用する場合での、質量スペクトルの分解能の変化を観察することによって調査された。

【0108】

機器の設計及び動作
ＳＬＩＴ電極組立体は、図５Ｂ～５Ｄを参照しながら図示して説明するタイプの質量分析装置を特徴とする特注機器の内部に配置され、高い又は低いバックグラウンド圧力において動作する検出器と共に使用するのに適したデュアルチャンバ設計を含むように修正された。簡略化された機器構成が図６に示してあり、これは、コンダクタンスを制限する役割を果たすトラッピング電極を用いる差動圧力動作用の特注アルミニウムデュアルチャンバの設計を含む。

【0109】

メシチレンガス状試料（シグマオールドリッチ（Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈ））、及びＸｅ１０％／Ｈｅ９０％混合物（エアリキッド（Ａｉｒ Ｌｉｑｕｉｄｅ）、純度９９．９９９％）が、精密リーク弁（ＵＬＶ－１５０、バキュームプロダクツ（Ｖａｃｕｕｍ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ））を介して注入され、フルレンジ真空計（ＦＲＧ－７００、バリアン（Ｖａｒｉａｎ））を用いて測定され、未訂正値として報告された。ヘリウム又は窒素のバッファガスが、１００ｓｃｃｍ質量流量制御装置（オメガ（Ｏｍｅｇａ） ＦＭＡ５４０８）を通して中に入れられ、０．１２％精度の２トルフルスケールキャパシタンスマノメータ（ＭＫＳ６２７Ｄ）を用いて、絶対圧力が測定された。機器の動作は、通常のトラップ内電子イオン化方法で実行された。イットリア被覆したイリジウムのディスクエミッタ（ＥＳ－５２５、キンブルフィジックス（Ｋｉｍｂａｌｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ））を、８０ＬＰＩのステンレス鋼メッシュゲート電極と共に使用して、トラッピング領域を電子で照射した。全ての実験では、６．４ＭＨｚのトラッピング周波数と、バックエンドキャップをチャンバに接地した状態を維持しながら、２．２３ＭＨｚの軸方向ＲＦをフロントエンドキャップに印加した状態での１／３ヘクサポール共鳴の周りの非線形共鳴放出とを利用したが、共鳴軸方向ＲＦ周波数が、それぞれ個々のトラップについて観察された。選択的に質量放出されたイオンが、様々な方法によって検出された。１００ミリトル未満の圧力が低い状態での動作においては、電子増倍管（２３００、ディテック（ＤｅＴｅｃｈ））を用いてイオンが検出され、結果として得られた信号が増幅され（ＳＲ５７０、スタンフォードリサーチシステムズ（Ｓｔａｎｆｏｒｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｙｓｔｅｍｓ））、１６ビットのアナログ入力カード（ＰＸＩ－６１２２、ナショナルインスツルメンツ（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ））を介してデジタル化された。比較の為に、この実験設定を使用して、ＣＩＴを用いた実験も実施した。圧力が高い状態の窒素をバッファガスとして使用する実験においては、ファラデーカップ検出器を使用し、これは、イオンを収集するのに使用される直径１２．５ｍｍの真鍮板から構成されていた。電荷感度の高い（クールフェット（ＣｏｏｌＦＥＴ）Ａ２５０ＣＦ、アンプテック（ＡｍｐＴｅｋ））を使用して、収集された電荷を、アナログ入力カードで監視するのに適した電圧に変換した。ファラデーカップ検出器を用いる場合、２つのチャンバの中間の弁を開けることによって、両方のチャンバが同じ圧力で動作した。１００ミリトルを超える圧力が高い状態でのヘリウムバッファガス実験では、やはり電子増倍管が使用された。ＣＩＴに対してＳＬＩＴのガスコンダクタンスがはるかに高い為、幾つかの修正がなされた。２つのチャンバ間のコンダクタンスを制限する為に、５ｍｍ×０．２ｍｍのスロットを、０．２５０ｍｍ厚の電極内で機械加工し、検出器側のエンドキャップ電極の背後に配置した。更に、ディテック（ＤｅＴｅｃｈ）電子増倍管を、圧力耐性の更に高いメガスピルトン（ＭｅｇａＳｐｉｒａｌｔｏｎ）電子増倍管（フォトニス（Ｐｈｏｔｏｎｉｓ）、スターブリッジ、マサチューセッツ）で置き換えた。

【0110】

実験結果
ＣＩＴ用の３つの電極の位置合せが、トラップ性能に重要な関連のあることが分かった。イオン放出用のスロットを有する固いエンドキャップ電極を使用する場合、ＳＬＩＴ電極構造によって、別の自由度及びより複雑な位置合せが加わった。微細な電鋳メッシュ（図３に示す）を使用して、平面エンドキャップ電極をシミュレーションして、このように位置合せから３つの自由度、即ち１つの回転自由度及び２つの横方向の自由度を取り除いた。説明した全ての実験において、電極組立体用にねじ孔アライメントのみを使用した。関心事である１次アライメント公差は、トラップの全長にわたっての距離ｚ_０であった。トラップの全長にわたっての可変値ｚ_０によって、イオン放出は、そのｙ軸の位置に依存することになり、潜在的にスペクトル分解能が劣化することになるはずである。

【0111】

トラッピング場にＤＣ成分が存在しない場合、２次元の４極性場でのイオンのトラッピング及び放出を左右する関係式は、３次元の場合と同一である。従って、最適な電極間隔（２５０μｍ）は、ＣＩＴでこれまで確定していた最適な間隔と同一であると考えられていた。様々なｚ_０／ｘ_０比での最適なスペクトル分解能を観察することによって、これが実験的に確かめられた。幅が０．９４ｍｍ～１．１７ｍｍの範囲にあるＳＬＩＴの幅をミリング加工し、結果として得られた図７に示すＸｅスペクトルの分解能の変化を観察することによって、この特定のｚ_０／ｘ_０比が最適であると判定された。最良のスペクトル分解能をもたらす実験的に観察されたｚ０／ｘ０比の値は、１．３であり、ＣＩＴにおいて観察されたｚ_０／ｒ_０値と同様の引き伸ばされた構成に対応しており、これは、２００２年１０月２２日発行の（特許文献２）に記載されている。調査されたＳＬＩＴの引き伸ばし距離の長さであるｙ_０の全ての値について、この比が最適であると観察された。

【0112】

ｘ_０（ＳＬＩＴ）＝ｒ_０（ＣＩＴ）で、電極間隔が同一のＳＬＩＴとＣＩＴを直接比較する、代表的なキセノンのスペクトルが、図８Ａに示してある。５０ミリトルのＨｅで得られる１×１０^－４トルのＸｅ／Ｈｅ混合物の走査平均が５００個得られ、両方とも正規化されて、相対的な分解能をより良好に比較した。ＸｅのＳＬＩＴスペクトルにおける５つの主要なピークのＦＷＨＭでの平均ピーク幅は、０．４１Ｔｈであり、それと比較してＣＩＴでは０．４４Ｔｈである。一般に、条件が同一なら、同様の分解能を維持しながら、ＳＬＩＴのスペクトルの信号強度が、ＣＩＴで得られる信号強度よりも高いことが観察された。この増大した感度が図８Ｂに定量化してあり、ここで、全てを統合した信号の変化と試料圧力とが、ＳＬＩＴとＣＩＴの両方についてプロットしてある。点ではなく直線範囲に沿ってイオンをトラップするのに固有のトラッピング容量の増大が、略１０倍に感度が高まることではっきり示してある。更に、イオン信号全体は、ＳＬＩＴのｙ_０パラメータの値と線形の関係でなければならず、感度要求に対処する為の電極構造を設計できるようになることが見込まれる。この仮定を実証する為、様々な長さ、即ちｙ_０値の幾つかのＳＬＩＴ電極が、他の全ての寸法を等しくした状態で機械加工された。図９には、ｙ０の長さの関数として、Ｘｅスペクトル用の統合イオン電流が示してある。これらのデータは実際に、信号がトラッピング長に略線形に依存することを示しており、一定のトラップ長ｙ_０を仮定すると、各トラップの長さが更に狭くなるにつれて、ＣＩＴを上回るＳＬＩＴの信号の相対利得が増大し続けることを示している。

【0113】

ｒ_０値が５００μｍのＣＩＴは、１トルを超える圧力で質量スペクトルを生成することが実証された。ＳＬＩＴは、ＣＩＴと同様に機能する為、やはり圧力が高い状態で動作するものと見込まれる。Ｈｅバッファガス圧力が０．２～１トルでのＳＬＩＴ質量スペクトルが、図１０に示してある。ポンピング速度を下げて１．３×１０^－４トルのＸｅ／Ｈｅ混合物を流し込み、Ｈｅバッファの流量を１ｓｃｃｍ～７０ｓｃｃｍに調整することによって、実験を実施した。熱電子エミッタの冷却が増え、電子の平均自由行程が減る為、圧力が上昇するにつれて、イオン化に利用可能な電子束が減少する。圧力が上昇するトラップに対して、エミッタ電流、イオン化時間、及びエミッタバイアス電圧を増やすことによって、圧力に対する電子イオン化損失を補償しようと試みた。これら圧力が高い状態でのスペクトルを更に改善する為、軸方向のＲＦ振幅も圧力と共に増大させた。図１０での各スペクトルについての実験条件が、図１１に示す表に提示してある。分解能の分析には、バッファガスと衝突すると、イオンの軌道を制御する際に電場と競合する為、予想通り、圧力が高くなるとピークが広がることが示してある。ＣＩＴにおける圧力が高い状態でのデータと合致して、５つの主要な同位元素のピークが依然として明確であり、４００～５００ミリトルの高さで平均ピーク幅が０．８７Ｔｈである。

【0114】

圧力が高い状態でスペクトルを取り込むことを実証してきたが、結局は、機器動作の更なる調整を実行して、実用的で非常に携帯性の高い質量分析計を作製する必要がある。動作上の１つの変更は、ヘリウムの代わりに、バッファガスとして窒素又は空気を使用することになる。使用する時点で清浄な窒素と空気の両方を生成することができ、ヘリウム発生源を備える必要がなくなる。別の変更は、ファラデーカップなど、圧力耐性の更に高い検出器を使用することになる。従って、バッファガスとして窒素を用いて有機試料を分析し、圧力耐性の高いファラデーカップ検出器を使用しながら、ＳＬＩＴ設計がどのように機能するのか調べることが有用である。窒素バッファガス中での９ミリトル、８０ミリトル、及び１０００ミリトルで収集されたメシチレンのスペクトルが、図１２に示してある。窒素分子の衝突に関連する運動量伝達が大きくなる為、圧力が低い状態でも、ピーク幅はＨｅバッファガスのスペクトルよりも広い。この場合も、ピーク幅は、圧力と共に著しく増大する。バックグラウンドの不規則な形状は、検出器用のクールフェット（ＣｏｏｌＦＥＴ）前置増幅器がどのように動作するのかの人為的結果であり、他の実験設計において容易に説明できることに留意されたい。

【0115】

１つの中間電極及び２つのエンドキャップ電極から複数ＳＬＩＴの並列アレイを形成することにより、トラップされるイオンの数が増大し、従って、単一のトラップ装置と動作的に何ら異なることなく最終的に検出される信号が増大する。例えば、図１３Ａには、３つのＳＬＩＴアレイの中間電極が示してある。１ｍｍ幅で０．５ｍｍだけ分離された、３つの同一のＳＬＩＴ機構を機械加工することによって、これを製造した。ＳＬＩＴアレイは、前述したように、同じ電鋳メッシュエンドキャップを利用する。図１３Ｂには、３０ミリトルのキセノンとＨｅバッファ向けのこの構成を使用して得られる、質量スペクトルが示してある。このデータには、良好な信号が示してある。単一トラップに比べてピーク幅が適度に広がるのは、機械加工の精度によるトラップ公差のわずかな差に起因する。

【0116】

図１４Ａを参照すると、ＳＬＩＴ用の中央電極を１．０ｍｍのエンドミルで通常通りに機械加工して、３つの直線区間（４ｍｍ）とそれを連結する２つの湾曲区間を有する蛇行開口を設ける実験を実施した。各直線区間は、０．５ｍｍ幅のポストによって互いに分離されている。トラップは、前述の従来型ＳＬＩＴと同じエンドキャップ電極及びスペーサで構成され、図６に示すチャンバ内部に配置された。３０ミリトルのＨｅ中での８．０×１０^－５トルのＸｅの質量分光分析を実行し、図に示すスペクトルを得た。十分な分解能及び良好な信号強度が見られた。

【0117】

図１４Ｂを参照すると、蛇行トラップの長さ方向全体を通ってイオンが移動するのを観察する為、図１４Ａに示したのと同じ電極セットを使用して以下の実験を設定した。イオン化及びイオン放出位置を制御する為、更に荷電粒子マスク要素を追加した。イオン化側のエンドキャップ上に単一の銅マスク要素を配置して、トラッピング空間の上部１／３のみのイオン化を可能にした。検出器側のエンドキャップ上に第２の銅マスク要素を配置して、トラップの下部１／３を除く全てからのイオン放射を阻止した。このようにして、イオン信号を見ることのできる唯一の方法は、蛇行ＳＬＩＴ構造体の上部１／３でイオンが形成され、少なくともイオンの一部分が、放出前に下部１／３にまで移動することである。３０ミリトルのＨｅバッファガス中での３．５×１０^－５トルのＸｅを使用して、これが観察された。Ｘｅのスペクトルは、図１４Ｂに示してある。

【0118】

イオンがトラッピング空間全体を満たすのに要する最短時間を試験する為に、同じ実験設定を使用した。イオン化の開始と放出された第１のＸｅピークとの間の時間が可能な限り短縮された。イオンは依然として放出され、１．５ｍｓほどの短い時間で検出器において観察された。これは、この設定の実験限界である。従って、イオンが形成され、少なくとも１．５ｍｓほどの速さで、この蛇行トラップの長さ全体を移動することができると結論付けてもよい。

【0119】

図１５を参照すると、前述の５ｍｍ単一ＳＬＩＴと同一の３つのＳＬＩＴのアレイを機械加工して、０．５０ｍｍだけ分離された１つの中間電極を設けた。図示した実験では、３つのトラップにわたってｚ_０が変化することによって、質量傾斜での様々なポイントにおいてイオン放出が生じる。最も平行なエンドキャップを確実なものにするようあらゆる予防措置をとり、この中間電極を使用して、トラップ（上部挿入物）が組み立てられた。結果として得られる、３０ミリトルのＨｅ中での３．０×１０^－５トルのＸｅスペクトルが、上部のグラフに示してある。次いで、チャンバが開放され、他に修正することなく、図示した上部ＳＬＩＴアライメントねじ（下部挿入物）がオーバートルクで締め込まれて、中間電極に対して２つのエンドキャップに傾斜を設け、それによって、トラップのそれぞれでｚ０の値が互いに異なることになった。理論的に予測されるように、質量分析動作中、イオンは、ＲＦ傾斜内の様々なポイントで放出され、それによって、スペクトル全体が、互いに重なり合う３つの個々のスペクトルから構成されるようになる。この実験はまた、このオーバートルク技法によって、ｚ寸法に十分な変化が生じて、質量スペクトルに明確な影響を及ぼすことを示している。

【0120】

図１６を参照すると、追加実験が実行されて、単一トラップに沿ったｚ_０寸法を変化させる影響が示してある。前述のタイプの標準の５ｍｍＳＬＩＴが、前のスライドでの３つのＳＬＩＴアレイと同じように組み立てられ、試験されたが、この単一ＳＬＩＴの例外は、９０°回転していることであり、従って、ｚ_０の変化が、そのｙ_０寸法に沿ったものになる。この場合、３０ミリトルのＨｅ中での３．０×１０^－５トルのＸｅにおいて得られたスペクトルは、エンドキャップが平行であっても傾斜していても、いずれにせよ同一であった。トラップされた適量のイオン（１ｍｓのイオン化）と、トラップされた大量のイオン（５０ｍｓのイオン化）の両方において、これが正しい。

【0121】

図１７を参照すると、単一開口ＳＬＩＴを製造し、ここで、ｙ_０寸法全体にわたってｘ_０寸法が１０％変化し、図１６で説明した実験に対して補完的な実験になった。この場合も、基本質量分析実験を実行し、３０ミリトルのＨｅ中での３．０×１０^－５トルのＸｅを分析した。結果として得られたスペクトルが示してある。このスペクトルは、これまでに示したスペクトルほど良好には鮮明でなく、理論によれば、単一ピークの幅が５Ｔｈを超えることになり、これによってスペクトルが完全に不鮮明になる。図１６の実験で示した結果と組み合わせたこの実験により、ＳＬＩＴの幾何形状が、最初に予想した公差よりも不十分な機械的公差の影響を受けることがはるかに少ないことが示してある。

【0122】

ｘ_０寸法とｚ_０寸法の両方の変化に対するＳＬＩＴ性能の許容範囲は、構成によっては、空間的に特有のイオン放出に起因し、即ち、ｙ_０寸法の狭い範囲にわたって全てのイオンが放出されると考えられている。ｘ_０寸法及びｚ_０寸法は、図１６及び図１７に説明した実験において、ｙ_０範囲全体にわたって著しく変化することが分かるが、この変化は、イオンが実際に放出されるｙ_０の範囲にわたって無視できる。トラップの半分の背後に銅シム電極を配置し、その区間からに全てのイオン放出を十分に阻止することにより、図１６に示す設定を用いて、この空間的に特有の放出を更に研究した。トラップのもう半分でこの実験を繰り返し、トラップ全体で観察されるイオン信号全体が、ほんの半分からの放出の結果であることが確定した。構成によっては、トラップの寸法は、任意の所望のポイントからのイオン放出に向けて調整することができ、装置の解像力は、放出領域内のトラップの幾何形状によって決定され、イオンが放出されていない領域の幾何形状には相対的に影響を受けにくいと考えられている。更に、このような構造は、全体のトラッピング電極構造アライメント公差の影響を受けにくくなるが、依然としてＳＬＩＴ構造の全体寸法の電荷容量を実現する。

【0123】

振り返ると、水平方向にＣＩＴを伸ばすことによって、高容量のイオントラップを首尾よく開発してきた。このトラップは、限界寸法がｚ_０＝０．６５０μｍ、ｘ_０＝５００μｍ、及びｙ_０＝５．００ｍｍであり、同様の条件下で動作する同様のサイズのＣＩＴによって特徴付けられ、またそれと比較されてきた。信号は、ＣＩＴと同じ分解能を維持しながら、１桁だけ増大するように見えた。トラッピング容量は、ｙ方向の延長と共に直線的に増大するように見えた。

【0124】

１トルまでのバッファガス圧においてヘリウムと窒素の両方を使用して、バッファガス圧が上昇した際のＳＬＩＴの動作が首尾よく実行された。差動排気真空チャンバ内の高圧電子増倍管、及び等圧チャンバ内のファラデーカップをそれぞれ使用して、キセノンとメシチレンの両方を分析した。

【0125】

発明性のある様々な実施形態を、本明細書において説明し、図示してきたが、機能を実行し、且つ／又は、結果及び／若しくは本明細書に記載の利点のうちの１つ若しくは複数を得る為の様々な他の手段並びに／又は構造を当業者なら容易に思いつくことになり、このような変形形態及び／又は修正形態は、本明細書に記載の発明性のある実施形態の範囲内にあると見なされる。より具体的には、本明細書に記載のあらゆるパラメータ、寸法、材料、及び構成が例示的なものであることを意味し、実際のパラメータ、寸法、材料、及び／又は構成は、発明性のある教示が使用される具体的な用途に依存することが、当業者には容易に理解されよう。ほんの日常的な実験を用いれば、本明細書に記載の具体的で発明性のある実施形態に対する数多くの均等物が、当業者には認識又は確認できよう。従って、前述の実施形態は、ほんの一例として提示されるものであり、添付特許請求の範囲及びその均等物の範囲内であれば、具体的に説明され、特許請求の範囲に記載されているものとは異なる態様で、発明性のある実施形態を実施してもよいことを理解されたい。本開示の発明性のある実施形態は、本明細書に記載のそれぞれ個々の機能、システム、物品、材料、キット、及び／又は方法を対象とする。更に、２つ以上のこうした機能、システム、物品、材料、キット、及び／又は方法の任意の組合せは、そうした機能、システム、物品、材料、キット、及び／又は方法が相互に矛盾していない場合、本開示の発明性のある範囲内に含まれる。

【0126】

前述の実施形態は、数多くの方法のいずれにおいても実施することができる。例えば、各実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア、又はその組合せを使用して実施してもよい。ソフトウェアで実施されるとき、このソフトウェアコードは、単一のコンピュータに設けられていても、又は複数のコンピュータ間に分散されていても、任意の適切なプロセッサ、又は一群のプロセッサ上で実行することができる。

【0127】

また、コンピュータは、１つ又は複数の、入力装置及び出力装置を有してもよい。これらの装置を使用して、とりわけユーザインターフェースを提供することができる。ユーザインターフェースを提供するのに使用できる出力装置の例には、出力を視覚的に提示する為のプリンタ又は表示画面、及び、出力を音響的に提示する為のスピーカ又は他の音響生成装置が含まれる。ユーザインターフェース用に使用できる入力装置の例には、キーボード、及び、マウス、タッチパッド、デジタイズ用タブレットなどのポインティング装置が含まれる。他の例として、コンピュータは、音声認識を介して、又は他の音響形式で入力情報を受け取ってもよい。

【0128】

このようなコンピュータは、任意の適切な形式で１つ又は複数のネットワークによって相互接続してもよく、こうしたネットワークには、企業ネットワーク、インテリジェントネットワーク（ＩＮ）、インターネットなどの、ローカルエリアネットワーク又は広域ネットワークが含まれる。このようなネットワークは、任意の適切な技術に基づいてもよく、また任意の適切なプロトコルに従って動作してもよく、また無線ネットワーク、有線ネットワーク、又は光ファイバネットワークを含んでもよい。

【0129】

本明細書に記載の機能の少なくとも一部分を実施するのに利用されるコンピュータは、メモリ、１つ又は複数の処理ユニット（本明細書では単に「プロセッサ」とも呼ばれる）、１つ又は複数の通信インターフェース、１つ又は複数の表示ユニット、及び１つ又は複数のユーザ入力装置を備えてもよい。メモリは、任意のコンピュータ読取り可能な媒体を含んでもよく、また本明細書に記載の様々な機能を実施する為のコンピュータ命令（本明細書では「プロセッサ実行可能な命令」とも呼ぶ）を記憶してもよい。処理ユニットを使用して、命令を実行してもよい。通信インターフェースは、有線又は無線のネットワーク、バス、又は他の通信手段に結合してもよく、従って、コンピュータが他の装置との間で通信情報を送信及び／又は受信できるようにしてもよい。表示ユニットを設けて、例えば、命令の実行に関連して、ユーザが様々な情報を見ることができるようにしてもよい。ユーザ入力装置を設けて、例えば、ユーザが手動で調整し、選択し、データ若しくは他の様々な情報を入力し、且つ／又は、命令実行中に、様々な方法のうち任意の方法でプロセッサと対話することができるようにしてもよい。

【0130】

本明細書で概説した様々な方法又はプロセスは、様々なオペレーティングシステム若しくはプラットフォームを利用する１つ又は複数のプロセッサ上で実行可能なソフトウェアとして符号化してもよい。更に、このようなソフトウェアは、幾つかの適切なプログラミング言語、及び／又はプログラミングツール若しくはスクリプティングツールを使用して書いてもよく、フレームワーク又は仮想マシン上で実行される、実行可能な機械語コード又は中間コードとしてコンパイルしてもよい。

【0131】

この点において、様々な発明性のある概念は、コンピュータ読取り可能な記憶媒体（又は複数のコンピュータ読取り可能な記憶媒体）（例えば、コンピュータメモリ、１つ若しくは複数のフロッピー（登録商標）ディスク、コンパクトディスク、光ディスク、磁気テープ、フラッシュメモリ、フィールドプログラマブルゲートアレイ若しくは他の半導体装置での回路構成、又は他の持続的な媒体若しくは有形のコンピュータ記憶媒体）として実施してもよく、これらの媒体は、１つ又は複数のコンピュータ若しくはプロセッサ上で実行されるとき、これまで論じた本発明の様々な実施形態を実施する方法を実行する、１つ又は複数のプログラムを用いて符号化される。コンピュータ読取り可能な媒体は可搬式とすることができ、従って、そこに記憶されるプログラムは、１つ又は複数の異なるコンピュータ若しくは他のプロセッサ上にロードして、前述の通り本発明の様々な態様を実施することができる。

【0132】

用語「プログラム」又は「ソフトウェア」は、本明細書では総称的な意味で使用されて、コンピュータ若しくは他のプロセッサをプログラムして、前述の通り実施形態の様々な態様を実施するのに利用できる、任意のタイプのコンピュータコード又はコンピュータ実行可能な命令のセットを指す。更に、ある１つの態様によれば、実行されると本発明の方法を実行する１つ又は複数のコンピュータプログラムは、単一のコンピュータ又はプロセッサに存在する必要はなく、複数の異なるコンピュータ又はプロセッサ間でモジュール式に分散して、本発明の様々な態様を実施してもよいことを理解すべきである。

【0133】

コンピュータ実行可能な命令は、１つ又は複数のコンピュータ又は他の装置によって実行される、プログラムモジュールなどの数多くの形態でもよい。一般に、プログラムモジュールには、ルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造などが含まれており、これらは、特定のタスクを実行し、又は特定の抽象データ型を実装する。通常、プログラムモジュールの機能は、様々な実施形態において要望される通り、組み合わせても、又は分散してもよい。

【0134】

また、データ構造は、コンピュータ読取り可能な媒体に任意の適切な形態で記憶してもよい。説明を簡単にする為に、データ構造は、このデータ構造内の位置を介して関連付けられるフィールドを有することを示してもよい。更に、このような関係は、位置を伴うフィールド用の記憶装置を、各フィールド間の関係を伝達するコンピュータ読取り可能な媒体に割り当てることによって実現してもよい。しかし、データ要素間の関係を確立する、ポインタ、タグ、又は他のメカニズムを使用することを含めて、任意の適切なメカニズムを使用して、データ構造のフィールド内の情報間の関係を確立してもよい。

【0135】

また、様々な発明性のある概念は、１つ又は複数の方法として実施してもよく、そこから実施例がもたらされた。方法の一部として実行される各動作は、任意の適切な方法で順序付けてもよい。従って、説明したのとは異なる順序で各動作が実行される実施形態を構成してもよく、このことは、例示的な実施形態では順次動作として示してあっても、幾つかの動作を同時に実行することを含んでもよい。

【0136】

本明細書で定義され、使用されるあらゆる定義は、辞書的定義、参照により組み込まれた文書での定義、及び／又は定義された用語の通常の意味を踏まえて制御するものと理解しなければならない。

【0137】

本明細書及び特許請求の範囲で使用される不定冠詞「１つの（ａ）」及び「１つの（ａｎ）」は、反対の意味が明確に示されない限り、「少なくとも１つ」を意味するものと理解すべきである。

【0138】

本明細書及び特許請求の範囲で使用される慣用句「及び／又は（ａｎｄ／ｏｒ）」は、そのように結合した要素、即ち、場合によっては接続されるように存在し、また場合によっては分離されるように存在する要素の「いずれか又は両方（ｅｉｔｈｅｒ ｏｒ ｂｏｔｈ）」を意味するものと理解すべきである。「及び／又は」を用いてリストされる複数の要素は、同じようにして、即ち、そのように結合された要素の「１つ又は複数」と解釈すべきである。場合によっては、具体的に指定された要素に関連していても、関連していなくても、「及び／又は」の句によって具体的に指定された要素以外の他の要素が存在してもよい。従って、非限定的な例として、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」などのオープンエンド用語と関連して使用されるときに「Ａ及び／又はＢ」と言及してあれば、例えば、ある実施形態では、Ａのみ（場合によってはＢ以外の要素を含む）を指し、別の実施形態では、Ｂのみ（場合によってはＡ以外の要素を含む）を指し、更に別の実施形態では、ＡとＢの両方（場合によっては他の要素を含む）を指す。

【0139】

本明細書及び特許請求の範囲で使用されるように、「又は（ｏｒ）」は、前述の「及び／又は」と同じ意味を有していると理解すべきである。例えば、リスト内の項目を分離するとき、「又は」又は「及び／又は」は、包含的である、即ち要素の数又はリストのうち少なくとも１つを含むが、２つ以上も含み、場合によってはリストされていない追加項目を含むと解釈されるものである。「～のうちの１つのみ（ｏｎｌｙ ｏｎｅ ｏｆ）」若しくは「～のうちのまさに１つ（ｅｘａｃｔｌｙ ｏｎｅ ｏｆ）」、又は特許請求の範囲で使用されるときの「～から成る（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ）」など、明確に反対の意味で示される用語は、複数の又はリストになった要素のうちのまさに１つの要素を含むことを指す。一般に、本明細書で使用される用語「又は」は、「いずれか（ｅｉｔｈｅｒ）」、「～のうちの１つ（ｏｎｅ ｏｆ）」、「～のうちの１つのみ」、「～のうちのまさに１つ」などの排他的な用語が先行するときに、専ら排他的な代替物（即ち、「一方又は他方であり、ただしその両方ではない」）を示すものと解釈されるものである。「～から本質的に成る（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ）」は、特許請求の範囲で使用されるとき、特許法の分野で使用されるその元々の意味を有するものである。

【0140】

本明細書及び特許請求の範囲で使用されるように、１つ又は複数の要素のリストに関しての慣用句「少なくとも１つ（ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ）」は、要素リスト内の各要素のうち任意の１つ又は複数から選択された少なくとも１つの要素を意味するものと理解すべきであるが、要素リスト内に具体的にリストされたそれぞれあらゆる要素のうち少なくとも１つを必ずしも含むものではなく、要素リスト内の各要素の任意の組合せを排除するものでもない。また、この定義により、場合によっては、具体的に指定された要素に関連していても、関連していなくても、慣用句「少なくとも１つ」が指す、要素のリスト内に具体的に指定された要素以外の要素が存在してもよい。従って、非限定的な例として、「Ａ及びＢのうち少なくとも１つ（ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ ｏｆ Ａ ａｎｄ Ｂ）」（又は、同様に、「Ａ又はＢのうち少なくとも１つ（ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ ｏｆ Ａ ｏｒ Ｂ）」、若しくは同様に、「Ａ及び／又はＢのうち少なくとも１つ（ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ ｏｆ Ａ ａｎｄ／ｏｒ Ｂ）」）は、例えば、一実施形態では、少なくとも１つ（場合によっては２つ以上を含む）のＡを指し、Ｂは存在せず（場合によっては、Ｂ以外の要素を含み）、別の実施形態では、少なくとも１つ（場合によっては２つ以上を含む）のＢを指し、Ａは存在せず（場合によっては、Ａ以外の要素を含み）、更に別の実施形態では、少なくとも１つ（場合によっては２つ以上を含む）のＡ、及び少なくとも１つ（場合によっては２つ以上を含む）のＢ（また、場合によっては他の要素も含む）を指す。

【0141】

特許請求の範囲並びに前述の本明細書において、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「担持する（ｃａｒｒｙｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「含む（ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ）」、「保持する（ｈｏｌｄｉｎｇ）」、「～から構成される（ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ）」などのあらゆる移行句は、オープンエンドであり、即ち、それを含むがそれのみに限定はされないことを意味すると理解されたい。移行句「～から成る」及び「～から本質的に成る」のみは、排他的又は半排他的な移行句となり、それぞれ、米国特許庁の特許調査手順マニュアルのセクション２１１１．０３に記載されている。

【0142】

〔付記１〕
荷電粒子をトラップする為の小型電極装置であって、縦方向に沿って、
第１のエンドキャップ電極と、
開口を有する中央電極と、
第２のエンドキャップ電極と
を備え、
前記開口が、前記中央電極を通って前記縦方向に沿って延在し、及び前記中央電極が、前記縦方向に対して垂直な横方向の面内の前記開口を囲繞して、荷電粒子をトラップする為の横断空洞を画定し、
前記中央電極内の前記開口が、前記横方向の面において細長い、装置。
〔付記２〕
前記細長い開口の大きい方の寸法と小さい方の寸法との比が１．０よりも大きく、
前記大きい方の寸法が、前記横方向の面内の前記開口を横断する最も長い直線の距離であり、及び前記小さい方の寸法が、前記大きい方の寸法に対応する前記直線に対して垂直な前記横方向の面内の前記開口を横断する最も長い直線の距離である、付記１に記載の装置。
〔付記３〕
前記大きい方の寸法と前記小さい方の寸法との比が１．５よりも大きい、付記１に記載の装置。
〔付記４〕
前記大きい方の寸法と前記小さい方の寸法との比が２．０よりも大きい、付記１に記載の装置。
〔付記５〕
前記大きい方の寸法と前記小さい方の寸法との比が３．０よりも大きい、付記１に記載の装置。
〔付記６〕
前記大きい方の寸法と前記小さい方の寸法との比が５．０よりも大きい、付記１に記載の装置。
〔付記７〕
前記大きい方の寸法と前記小さい方の寸法との比が１０．０よりも大きい、付記１に記載の装置。
〔付記８〕
前記細長い開口の大きい方の寸法と小さい方の平均寸法との比が１．０よりも大きく、
前記大きい方の寸法が、前記横方向の面内の前記開口を横断する最も長い直線の距離であり、及び前記小さい方の平均寸法が、前記大きい方の寸法に対応する前記線に沿ったあらゆる位置において、前記大きい方の寸法に対応する前記線に対して垂直な前記横方向の面内の前記開口を横断するそれぞれの直線に沿った前記距離の積算平均である、付記１に記載の装置。
〔付記９〕
前記大きい方の寸法と前記小さい方との平均寸法との比が１．５よりも大きい、付記８に記載の装置。
〔付記１０〕
前記大きい方の寸法と前記小さい方の平均寸法との比が２．０よりも大きい、付記８に記載の装置。
〔付記１１〕
前記大きい方の寸法と前記小さい方の平均寸法との比が３．０よりも大きい、付記８に記載の装置。
〔付記１２〕
前記大きい方の寸法と前記小さい方の平均寸法との比が４．０よりも大きい、付記８に記載の装置。
〔付記１３〕
前記大きい方の寸法と前記小さい方の平均寸法との比が５．０よりも大きい、付記８に記載の装置。
〔付記１４〕
前記大きい方の寸法と前記小さい方の平均寸法との比が１０．０よりも大きい、付記８に記載の装置。
〔付記１５〕
前記細長い開口が、第１及び第２の端部を有する細長いチャネルを有し、前記細長いチャネルでは、チャネル長とチャネル幅との比が１．０よりも大きく、
前記チャネル長が、前記第１の端部から前記第２の端部まで前記横方向の面内の前記チャネルを横断する最も短い曲線の距離であり、及び前記チャネル幅が、前記チャネル長に対応する前記曲線に対して垂直な前記横方向の面内の前記チャネルを横断する最も長い直線の距離である、付記１に記載の装置。
〔付記１６〕
前記チャネル長と前記チャネル幅との比が１．５よりも大きい、付記１５に記載の装置。
〔付記１７〕
前記チャネル長と前記チャネル幅との比が２．０よりも大きい、付記１５に記載の装置。
〔付記１８〕
前記チャネル長と前記チャネル幅との比が３．０よりも大きい、付記１５に記載の装置。
〔付記１９〕
前記チャネル長と前記チャネル幅との比が４．０よりも大きい、付記１５に記載の装置。
〔付記２０〕
前記チャネル長と前記チャネル幅との比が５．０よりも大きい、付記１５に記載の装置。
〔付記２１〕
前記チャネル長と前記チャネル幅との比が１０．０よりも大きい、付記１５に記載の装置。
〔付記２２〕
前記小さい方の寸法が１０ｍｍ未満である、付記１～２１のいずれか一項に記載の装置。
〔付記２３〕
前記小さい方の平均寸法が１０ｍｍ未満である、付記８～１４のいずれか一項に記載の装置。
〔付記２４〕
前記平均チャネル幅が１０ｍｍ未満である、付記８～１４のいずれか一項に記載の装置。
〔付記２５〕
前記小さい方の寸法が５ｍｍ未満である、付記８～１４のいずれか一項に記載の装置。
〔付記２６〕
前記小さい方の平均寸法が５ｍｍ未満である、付記８～１４のいずれか一項に記載の装置。
〔付記２７〕
前記平均チャネル幅が５ｍｍ未満である、付記１５～２１のいずれか一項に記載の装置。
〔付記２８〕
前記小さい方の寸法が１ｍｍ未満である、付記１～７のいずれか一項に記載の装置。
〔付記２９〕
前記小さい方の平均寸法が１ｍｍ未満である、付記８～１４のいずれか一項に記載の装置。
〔付記３０〕
前記平均チャネル幅が１ｍｍ未満である、付記１５～２１のいずれか一項に記載の装置。
〔付記３１〕
前記小さい方の寸法が０．１ｍｍ未満である、付記１～７のいずれか一項に記載の装置。
〔付記３２〕
前記小さい方の平均寸法が０．１ｍｍ未満である、付記８～１４のいずれか一項に記載の装置。
〔付記３３〕
前記平均チャネル幅が０．１ｍｍ未満である、付記１５～２１のいずれか一項に記載の装置。
〔付記３４〕
各エンドキャップが、平面導電部材であって、前記縦方向に沿って前記導電部材を通って延在する複数の孔を有する平面導電部材を含む、付記１～３３のいずれか一項に記載の装置。
〔付記３５〕
各平面導電部材が、前記縦軸に対して横方向に延在し、且つ電子透過性又はイオン透過性になるように構成される、付記３４に記載の装置。
〔付記３６〕
各平面導電部材が導線メッシュである、付記３５に記載の装置。
〔付記３７〕
前記縦軸に沿って前記導電メッシュが前記中央電極に突出して、前記横方向の面における前記中央電極内の前記細長い開口を完全に取り囲む、付記３６に記載の装置。
〔付記３８〕
各エンドキャップ電極が、前記エンドキャップ及び中央電極の前記開口を通る前記縦方向に沿った前記荷電粒子用の経路を画定する為の開口を有する導電材料を含む、付記１～３７のいずれか一項に記載の装置。
〔付記３９〕
少なくとも１つのエンドキャップ内の前記開口が、前記中央電極内の前記開口の前記大きい方の寸法よりも大きい周辺部を有する円形開口を備える、付記３８に記載の装置。
〔付記４０〕
少なくとも１つのエンドキャップ内の前記開口が、前記中央電極内の前記開口の前記チャネル長よりも大きい周辺部を有する円形開口を備える、付記３８に記載の装置。
〔付記４１〕
少なくとも１つのエンドキャップ内の前記開口が、細長いスリットを備える、付記３９又は４０に記載の装置。
〔付記４２〕
少なくとも１つのエンドキャップ内の前記開口が、導電メッシュで略満たされる、付記３９～４１のいずれか一項に記載の装置。
〔付記４３〕
細長い開口が細長いスリットを含む、付記１～４２のいずれか一項に記載の装置。
〔付記４４〕
前記細長い開口が蛇行部分を含む、付記１～４３のいずれか一項に記載の装置。
〔付記４５〕
前記細長い開口がらせん部分を含む、付記１～４４のいずれか一項に記載の装置。
〔付記４６〕
前記細長い開口が、円形スリットの一部分を含む、付記１～４５のいずれか一項に記載の装置。
〔付記４７〕
前記縦方向に沿って、前記第１のエンドキャップ電極と前記中央電極との間に配置された第１の絶縁スペーサ、及び前記中央電極と前記第２のエンドキャップ電極との間に配置された第２の絶縁スペーサを更に備える、付記１～４６のいずれか一項に記載の装置。
〔付記４８〕
前記電極に結合されて、前記中央電極と前記エンドキャップ電極との間に振動電磁場を生成する電源を更に備える、付記１～４７のいずれか一項に記載の装置。
〔付記４９〕
前記中央電極内の前記横方向に細長い開口によって画定された前記横断空洞が、約１０ｍｍ未満の垂直方向の寸法２ｚ_０を有する、付記１～４８のいずれか一項に記載の装置。
〔付記５０〕
前記中央電極内の前記横方向に細長い開口によって画定された前記横断空洞が、約１ｍｍ未満の垂直方向の寸法２ｚ_０を有する、付記１～４９のいずれか一項に記載の装置。
〔付記５１〕
前記中央電極内の前記横方向に細長い開口によって画定された前記横断空洞が、約０．５ｍｍ未満の垂直方向の寸法２ｚ_０を有する、付記１～５０のいずれか一項に記載の装置。
〔付記５２〕
前記中央電極内の前記横方向に細長い開口によって画定された前記横断空洞が、約０．１ｍｍ未満の垂直方向の寸法２ｚ_０を有する、付記１～５１のいずれか一項に記載の装置。
〔付記５３〕
前記中央電極内の前記横方向に細長い開口によって画定された前記横断空洞が、前記空洞の前記横方向の寸法にわたって実質的に均一である垂直方向の寸法２ｚ_０を有する、付記１～５２のいずれか一項に記載の装置。
〔付記５４〕
前記中央電極内の前記横方向に細長い開口によって画定された前記横断空洞が、前記空洞の前記横方向の寸法の１つ又は複数にわたって変化する垂直方向の寸法２ｚ_０を有する、付記１～５３のいずれか一項に記載の装置。
〔付記５５〕
前記中央電極内の前記細長い開口が、横方向の長さ及び横方向の幅を有する少なくとも１つのチャネル部分を含み、且つ前記幅が、前記チャネル部分に沿って実質的に均一である、付記１～５４のいずれか一項に記載の装置。
〔付記５６〕
前記中央電極内の前記細長い開口が、横方向の長さ及び横方向の幅を有する少なくとも１つのチャネル部分を含み、且つ前記幅が、前記チャネル部分の前記横方向の長さに沿って変化する、付記１～５５のいずれか一項に記載の装置。
〔付記５７〕
前記横断空洞の局所領域との間の電子又はイオンの伝達を阻止するように構成される、少なくとも１つのマスク要素を更に含む、付記１～５６のいずれか一項に記載の装置。
〔付記５８〕
前記中央電極が複数の開口を備え、前記複数の開口が、荷電粒子をトラップする為のそれぞれの横断空洞をそれぞれ画定するように構成されている、付記１～５７のいずれか一項に記載の装置。
〔付記５９〕
前記細長い開口が、複数の実質的に直線の部分、及び前記実質的に直線の部分の対を連結する複数の湾曲部分を有する蛇行スリットを前記中央電極内に備える、付記１～５８のいずれか一項に記載の装置。
〔付記６０〕
前記湾曲部分に対応する前記横断空洞の局所領域からのイオン伝達を阻止するように構成される、１つ又は複数のマスク要素を備える、付記３６に記載の装置。
〔付記６１〕
前記直線部分に対応する前記横断空洞の局所領域からのイオン伝達を阻止するように構成される、１つ又は複数のマスク要素を備える、付記３６に記載の装置。
〔付記６２〕
荷電粒子をトラップする為の小型電極組立体であって、付記１～６１のいずれか一項に記載の装置を備える小型電極組立体と、
前記イオントラップ組立体に結合された少なくとも１つの電気信号源と
を備える質量分析装置であって、
前記電極組立体が、前記電気信号源からの信号に応答して電磁場を生成して、横断空洞内に配置されたイオントラッピング領域を生成するように構成される、質量分析装置。
〔付記６３〕
前記電気信号源に動作可能に結合され、及び前記信号源を調整して、前記トラッピング領域からのイオンの質量選択放出を実行するように構成された制御装置を更に備える、付記６２に記載の質量分析装置。
〔付記６４〕
前記エンドキャップ電極のうちの少なくとも１つが、前記トラッピング領域からのイオンの放出を可能にするように構成される、付記６３に記載の質量分析装置。
〔付記６５〕
前記トラッピング領域内にトラップされるイオンを注入又は形成するように構成されたイオン源を更に備える、付記６４に記載の質量分析装置。
〔付記６６〕
前記組立体から放出されたイオンを検出するように構成される、少なくとも１つの検出器を更に備える、付記６２～４５のいずれか一項に記載の質量分析装置。
〔付記６７〕
前記少なくとも１つの検出器が、ファラデーカップ検出器を備える、付記６６に記載の質量分析装置。
〔付記６８〕
前記少なくとも１つの検出器が、電子増倍管を備える、付記６６に記載の質量分析装置。
〔付記６９〕
前記イオントラッピング領域を含むチャンバを備え、動作中に、前記チャンバが１００ミリトルよりも高いバックグラウンド圧力を有するように構成される、付記６２～６８のいずれか一項に記載の質量分析装置。
〔付記７０〕
前記イオントラッピング領域を含むチャンバを備え、動作中に、前記チャンバが１トルよりも高いバックグラウンド圧力を有するように構成される、付記６２～６８のいずれか一項に記載の質量分析装置。
〔付記７１〕
前記イオントラッピング領域を含むチャンバを備え、動作中に、前記チャンバが１０トルよりも高いバックグラウンド圧力を有するように構成される、付記６２～６８のいずれか一項に記載の質量分析装置。
〔付記７２〕
前記イオントラッピング領域を含むチャンバを備え、動作中に、前記チャンバが１００トルよりも高いバックグラウンド圧力を有するように構成される、付記６２～６８のいずれか一項に記載の質量分析装置。
〔付記７３〕
前記イオントラッピング領域を含むチャンバを備え、動作中に、前記チャンバが５００トルよりも高いバックグラウンド圧力を有するように構成される、付記６２～６８のいずれか一項に記載の質量分析装置。
〔付記７４〕
前記イオントラッピング領域を含むチャンバを備え、動作中に、前記チャンバが７６０トルよりも高いバックグラウンド圧力を有するように構成される、付記６２～６８のいずれか一項に記載の質量分析装置。
〔付記７５〕
中央電極が複数の開口を備え、前記開口のそれぞれが、荷電粒子をトラップする為の横断空洞を画定し、各空洞が複数のイオントラッピング空洞領域のうちの別々の領域を含み、
前記質量分析装置が、前記複数のイオントラッピング空洞領域から出力される結合された質量選択的なイオン放出に基づいて、強化された出力信号を生成するように構成される、付記６２～７４のいずれか一項に記載の質量分析装置。
〔付記７６〕
荷電粒子をトラップする為の小型電極組立体に電気信号を印加するステップであって、前記組立体が、付記１～６１のいずれか一項に記載の装置を含むステップと、
前記電気信号に応答して、前記イオントラップ組立体の前記空洞内に位置するイオントラッピング領域を有する電磁場を生成するステップと
を含む、質量分析法。
〔付記７７〕
前記信号源を調整して、前記トラッピング領域からのイオンの質量選択放出を実行するステップと、
前記トラッピング領域から放出されたイオンを検出して、質量分析信号を生成するステップと、
前記質量分析信号を出力するステップと
を更に含む、付記７６に記載の方法。
〔付記７８〕
前記トラッピング領域でトラップされるイオンを注入又は形成するステップを更に含む、付記７７に記載の方法。
〔付記７９〕
前記第１及び第２のエンドキャップ電極のうちの少なくとも１つが、平面導電部材であって、前記平面導電部材を通って延在する複数の孔を有する平面導電部材を備え、前記平面導電部材が、電子透過性又はイオン透過性になるように構成される、付記７８に記載の方法であって、
前記平面導電部材内の前記複数の孔を介して、イオン又は電子を前記トラッピング領域に注入するステップを含む、方法。
〔付記８０〕
前記トラッピング領域の局所部分からイオンを放出するステップを含む、付記７６～７９のいずれか一項に記載の方法。
〔付記８１〕
前記局所部分が、前記トラッピング領域の横方向の端部に対応する、付記８０に記載の方法。
〔付記８２〕
トラッピング領域内の複数の位置でイオンを形成又は注入するステップと、
前記トラッピング領域内の実質的に単一の位置からイオンを放出するステップと
を含む、付記８０又は８１に記載の方法。
〔付記８３〕
前記トラッピング領域の第１の部分でイオンを形成又は注入するステップと、
前記第１の部分の容積よりも小さい容積を有する前記トラッピング領域の第２の部分からイオンを放出するステップと
を含む、付記８０又は８１に記載の方法。
〔付記８４〕
前記トラッピング領域が、複数の実質的に直線の部分、及び前記実質的に直線の部分の対を連結する複数の湾曲部分を有する端点の対の間を延在する蛇行領域を含み、
前記第１の部分が、前記実質的に直線の部分のうちの１つ又は複数に対応し、及び
前記第２の部分が、前記湾曲部分及び前記端点のうちの少なくとも１つに対応する、付記８３に記載の方法。
〔付記８５〕
前記トラッピング領域の一部分から放出されたイオンを選択的に阻止して、前記イオンが検出されるのを防止するステップを含む、付記７７～８４のいずれか一項に記載の方法。
〔付記８６〕
発生源からの電子又はイオンが前記トラッピング領域の一部分に入らないよう選択的に阻止するステップを含む、付記７７～８５のいずれか一項に記載の方法。
〔付記８７〕
前記電気信号に応答して、複数の別々のイオントラッピング領域を有する電磁場を生成するステップを含む、付記７６～８６のいずれか一項に記載の方法。
〔付記８８〕
前記イオントラッピング領域のうちの少なくとも２つが、異なるイオントラッピング安定特性を有する、付記８７に記載の方法。
〔付記８９〕
前記イオントラッピング領域のそれぞれが、実質的に同じイオントラッピング安定特性を有する、付記８７に記載の方法。
〔付記９０〕
前記信号源を調整して、前記トラッピング領域のそれぞれからのイオンの質量選択放出を実行するステップを更に含む、付記８７～８９のいずれか一項に記載の方法。
〔付記９１〕
複数のトラッピング領域から放出されるイオンを、単一の検出器を用いて検出して、結合された質量分析信号を生成するステップを含む、付記９０に記載の方法。
〔付記９２〕
複数のトラッピング領域のそれぞれから放出されるイオンを、それぞれの検出器を用いて検出して、それぞれの質量分析信号を生成するステップを含む、付記９０に記載の方法。

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図1D】

【図1E】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13A】

【図13B】

【図14A】

【図14B】

【図15】

【図16-1】

【図16-2】

【図17】

【図18A】

【図18B】

【図18C】