特許 6288367 平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置

(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】6288367

(24)【登録日】2018年2月16日

(45)【発行日】2018年3月7日

(54)【発明の名称】平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/62 20060101AFI20180226BHJP

【ＦＩ】

   G01N27/62 102

【請求項の数】10

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2017-504454(P2017-504454)

(86)(22)【出願日】2015年3月9日

(86)【国際出願番号】JP2015056814

(87)【国際公開番号】WO2016143030

(87)【国際公開日】20160915

【審査請求日】2017年3月29日

(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】ヴォルニック ヘルマン

【審査官】 藤田 都志行

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１２−５２５６７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１４／００６６９８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００４／０１４９９０２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 飯沼 恒一，「気相イオン輸送係数研究の現状」，電気学会論文誌Ａ，２００１年 ５月 １日，Vol. 121, No. 5，pp. 406-409

【文献】 Roger Guevremont，"High-field asymmetric waveform ion mobility spectrometry: A new tool for mass spectrometry"，Journal of Chromatography A，Elsevier B.V.，２００４年１１月２６日，Vol. 1058, No. 1-2，pp. 3-19

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２７／６２

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＣｉＮｉｉ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

一対の平行な平板電極と、該平板電極の間のイオン分離空間に不均一電場を形成するために該平板電極に非対称パルス電圧を印加する主電圧発生部と、を具備し、前記イオン分離空間にイオン導入方向と同じ方向に一定流速でバッファガスを流通させた状態で、試料成分由来のイオンを該イオン分離空間に導入し、そのイオンをバッファガスの流れによって搬送しつつ前記不均一電場の作用によってイオンの移動を制御することにより、移動度に応じてイオンを分離する平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置において、
a)前記平板電極で挟まれるイオン分離空間内にあって、イオンの通過方向と同方向に延伸する棒状で、そのイオン通過領域を挟んで配置された少なくとも２本の電場補正用電極と、
b)前記電場補正用電極に、前記非対称パルス電圧と同期するパルス電圧と所定の直流電圧とを加算した電圧を印加する電場補正用電圧発生部と、
を備えることを特徴とする平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置。

【請求項2】

請求項１に記載の平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置であって、
前記電場補正用電圧発生部は、非対称パルス電圧を抵抗分割して生成したパルス電圧と所定の直流電圧とを加算することを特徴とする平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置であって、
前記電場補正用電極の断面外縁形状は、円形、楕円形、多角形、正方形、又は矩形のいずれかであることを特徴とする平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置。

【請求項4】

請求項１〜３のいずれか１項に記載の平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置であって、
前記電場補正用電極は、前記平板電極のイオン出口側端部よりもさらに外側に延びる延出部を有することを特徴とする平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置。

【請求項5】

請求項１〜４のいずれか１項に記載の平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置であって、
前記主電圧発生部は、一対の平板電極の一方に他方の電位に比較して高い一定の付加的な直流電圧を印加するとともに、前記電場補正用電圧発生部は、イオン流を挟む一対の電場補正用電極の一方に対し他方の電位に比較して高い一定の付加的な直流電圧を印加することを特徴とする平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置。

【請求項6】

請求項１〜５のいずれか１項に記載の平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置であって、
前記イオン分離空間を通過することで移動度比に応じて分離され形成された複数のイオン流の中の、特定の移動度比を有するイオン流が到達する位置に、該イオン流のみを選択的に検出可能である大きさの唯一の検出器を備えたことを特徴とする平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置。

【請求項7】

請求項１〜５のいずれか１項に記載の平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置であって、
前記イオン分離空間を通過することで移動度比に応じて分離され形成された複数のイオン流の中の、互いに異なる複数の特定の移動度比を有するイオン流がそれぞれ到達する位置に、その複数のイオン流をそれぞれ選択的に検出可能である大きさの複数の検出器を備えたことを特徴とする平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置。

【請求項8】

請求項１〜５のいずれか１項に記載の平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置であって、
前記イオン分離空間を通過することで移動度比に応じて分離され形成された複数のイオン流の中の、互いに異なる複数の特定の移動度比を有するイオン流が到達する位置に唯一の位置敏感型検出器を備え、該位置敏感型検出器により前記複数のイオン流をそれぞれ分離して検出するようにしたことを特徴とする平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置。

【請求項9】

請求項１〜８のいずれか１項に記載の平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置であって、
前記電場補正用電極は、前記一対の平板電極の間に該電極の拡がり方向に離して平行に３本以上設けられ、隣接する２本の電場補正用電極の間の空間がそれぞれイオン分離空間であることを特徴とする平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置。

【請求項10】

請求項１〜９のいずれか１項に記載の平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置であって、
前記電場補正用電極は、イオン通過領域を挟んで配置された複数本の電極を１組として、前記平板電極に直交する方向に互いに離して２組以上設けられ、
前記電場補正用電圧発生部は、前記２組以上の電場補正用電極の組毎に異なる電圧を印加可能であることを特徴とする平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、イオンを移動度によって分離するイオン移動度分光装置に関し、さらに詳しくは、平行平板電極を用い、両電極間に不均一電場を形成して該電場中をイオンを移動させることで該イオンを分離する平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置に関する。

【背景技術】

【0002】

試料分子から生成した分子イオンを電場の作用により媒質気体（又は液体）中で移動させるとき、該イオンは電場の強さやその分子の大きさなどで決まる移動度に比例した速度で移動する。イオン移動度分光測定法（Ion Mobility Spectrometry＝ＩＭＳ）は、試料分子の分析のためにこの移動度を利用した測定手法であり、移動度に応じて分離したイオンを検出器に導入して検出する装置や、移動度に応じて分離したイオンをさらに質量分析器などに導入して質量電荷比に応じて分離したうえで検出する装置などが知られている。

【0003】

こうしたイオン移動度分光測定の一手法として、ＤＭＳ（＝Differenntial Mobility Spectrometry）と呼ばれる手法が従来知られている（特許文献１、非特許文献１参照）。イオンの移動度は強い電場の下では電場の強さに比例しなくなり、しかも、その移動度の変動率はイオン種によって異なる。ＤＭＳはこの原理を利用してイオン種を分離するものである。

【0004】

図１０及び図１１は従来の平行平板電極型のＤＭＳにおけるイオン分離部１の概略構成図であり、図１０、図１１はイオン分離部１を見る方向が異なる。
このイオン分離部１では、いずれもＸ−Ｚ平面に平行である上側平板電極１１及び下側平板電極１２で挟まれる空間がイオンを分離するためのイオン分離空間１５である。スペーサ１３、１４によってＹ軸方向に所定間隔離間した状態に保持される平板電極１１、１２の間には、パルス電圧発生部２１から、図１２に示すような、電圧値がハイレベル（Ｖ1）である期間Ｔ_Hとローレベル（Ｖ2）である期間Ｔ_Lとの長さが大きく相違する非対称パルス電圧が印加される。また、イオン分離空間１５にはＺ軸方向に一定流速で大気などの適宜のバッファガスの流れが形成される。

【0005】

印加電圧がハイレベルである期間Ｔ_Hには、相対的に強い、電場強度がＥ_Hである高電場がイオン分離空間１５に形成され、印加電圧がローレベルである期間Ｔ_Lには、相対的に弱い、電場強度がＥ_Lである低電場がイオン分離空間１５に形成される。いま、図１０に示すように、移動度が相違する３種のイオンがイオン分離空間１５に対し所定速度でＺ軸方向に入射された場合を考える。

【0006】

イオンが進行するに伴い、イオン分離空間１５における電場の強度はＥ_HとＥ_Lとに交互に切り替わる。そのため、イオン分離空間１５内を進行するイオンは電場強度Ｅ_Hである高電場による力と電場強度Ｅ_Lである低電場による力とを交互に受けることになる。これにより、イオン分離空間１５内を進行するイオンにとっては、図１０中に示したように、電場強度Ｅ_Hである高電場領域１００と電場強度Ｅ_Lである低電場領域１０１とがＺ軸方向に交互に存在するものとみなせる。高電場領域１００と低電場領域１０１とのＺ軸方向の長さの比は、電圧ハイレベル期間Ｔ_Hと電圧ローレベル期間Ｔ_Lとの比で決まる。

【0007】

高電場領域１００をイオンが通過する際には、該電場から受ける力によって３種のイオンはいずれも上側平板電極１１に向かうように進行する。このとき、高電場領域１００中における移動度がμ_H1、μ_H2、μ_H3であるイオンはそれぞれ、Ｅ_H・μ_H1、Ｅ_H・μ_H2、Ｅ_H・μ_H3という速度を持つ。一方、低電場領域１０１をイオンが通過する際には、該電場から受ける力によって３種のイオンはいずれも下側平板電極１２に向かうように進行する。このとき、高電場領域１００中における移動度がμ_L1、μ_L2、μ_L3であるイオンはそれぞれ、Ｅ_L・μ_L1、Ｅ_L・μ_L2、Ｅ_L・μ_L3という速度を持つ。これにより、３種のイオンはいずれもイオン分離空間１５中でジグザグに進行する。

【0008】

いま、高電場領域１００中における移動度と低電場領域１０１中における移動度との比（以下、単に「移動度比」という）がα₁＝μ_H1／μ_L1である１種のイオンについてＴ_H・Ｅ_H・μ_H1＝Ｔ_L・Ｅ_L・μ_L1となるように分離条件を定めると、このイオン種では、高電場領域１００中でのＹ軸方向の移動量と低電場領域１０１中でのＹ軸方向（ただし負方向）の移動量とが等しくなる。そのため、このイオン種はバッファガス流に乗って中心軸Ｃに沿いつつジグザグに移動し、イオン分離空間１５の出口に達する。図１０ではこのイオン種の軌道をａで模式的に示している。

【0009】

一方、移動度比がα₁とは異なる、α₂＝μ_H2／μ_L2であるイオン種、及び、α₃＝μ_H3／μ_L3であるイオン種はいずれも、高電場領域１００中でのＹ軸方向の移動量と低電場領域１０１中でのＹ軸方向の移動量とが等しくない。そのため、イオン分離空間１５中を進行するに伴い、これらイオンは中心軸Ｃから離れていく（図１０での軌道ｂ、ｃ参照）。そして、中心軸Ｃからのイオンの離間量が十分に大きくなると、イオンはやがて平板電極１１、１２に接触して消滅する。これにより、このＤＭＳでは、特定の移動度比を有するイオン種のみを分離して取り出すことができる。

【0010】

しかしながら、上述した平行平板電極型ＤＭＳでは、イオン分離空間１５を通過するイオンは電場によりＹ軸方向（正又は負）の力を受けるだけであるため、イオン分離空間１５の入口端面（Ｘ−Ｙ平面に平行な端面）において中心軸Ｃから離れた位置に入射した移動度比がα₁であるイオンは、イオン分離空間１５の出口端面でも中心軸Ｃから離れた位置より出射する。つまり、空間的な拡がりを有してイオン分離空間１５に導入された同じ移動度比のイオンは、空間的に拡がったままイオン分離空間１５から出てゆくことになる。また、移動度比が同じであってイオン分離空間１５の入口端面において同じ位置から入射されたイオンであっても初期エネルギや入射角度のばらつきなどがあるため、必ずしも中心軸Ｃに沿った軌道ａ上を移動するわけではない。そのため、或る移動度比を有するイオンは、イオン分離空間１５の出口端面に達した時点で、例えば図１１中にＡで示した広い範囲に広がってしまう。

【0011】

このように同じ移動度比を持つイオンが空間的に広がってしまうと、例えばイオン分離空間１５の出口外側に配置したアパーチャやスキマーなどによって特定の位置に達したイオンを取り出そうとしたとき、イオンの透過率が低くなってしまう。その結果、測定感度を上げることが難しくなる。また、移動度比の相違する複数のイオン種を分離してそれぞれ取り出そうとしても、他のイオン種が混じる可能性が高くなり、測定の精度低下に繋がる。

【0012】

改良型のＤＭＳとして、図１３に示したような円筒形状電極を用いた装置も知られている（非特許文献２参照）。このＤＭＳでは、上記例と同様に、同心円状の円筒形状電極１１０、１２０に非対称パルス電圧が印加され、その円筒形状電極１１０、１２０の間のイオン分離空間１５に上記例と同様の電場が形成される。ただし、この装置では、一対の円筒形状電極１１０、１２０の間に形成される電場による等電位面は内周側、つまり円筒形状電極１２０に近づくほど曲率半径が小さくなる。そのため、イオン分離空間１５中を移動するイオンに対してその空間的な拡がりを収束させる力が作用し、イオンは特定の円弧状の中心線Ｂ付近に収束する。

【0013】

しかしながら、こうしたＤＭＳでも、イオン流の幅方向に該イオンを収束する作用は大きくないため、イオン透過率の改善効果は十分とはいえない。また、高い機械的精度で円筒形状電極を作製しようとすると、平行平板電極に比べてコストがかなり高くなる。そのため、図１３に示したような構成は装置コストの点で不利である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0014】

【特許文献1】米国特許第６７７４３６０号明細書

【非特許文献】

【0015】

【非特許文献1】「１−８−４−１ 質量分析関連機器／ハイフネーテッド技術／イオン移動度測定／イオン移動度計（IMS）、１−８−４−１−２ High-Field Asymmetric Waveform Ion Mobility Spectrometry-Mass Spectrometry（FAIMS-MS）」、特許庁、［平成26年7月1日検索］、インターネット＜URL: http://www.jpo.go.jp/shiryou/s_sonota/hyoujun_gijutsu/mass/1-8-4.pdf＞

【非特許文献2】エイスマン(G.A.Eiceman)、ほか２名、「イオン・モビリティ・スペクトロメトリー（Ion Mobility Spectrometry）」、CRC Press、2013年

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0016】

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その主な目的は、不均一電場を形成するために平行平板電極を利用しながら、高いイオン透過率及び高いイオン分離性能を実現することができる平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0017】

上記課題を解決するために成された本発明は、一対の平行な平板電極と、該平板電極の間のイオン分離空間に不均一電場を形成するために該平板電極に非対称パルス電圧を印加する主電圧発生部と、を具備し、前記イオン分離空間にイオン導入方向と同じ方向に一定流速でバッファガスを流通させた状態で、試料成分由来のイオンを該イオン分離空間に導入し、そのイオンをバッファガスの流れによって搬送しつつ前記不均一電場の作用によってイオンの移動を制御することにより、移動度に応じてイオンを分離する平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置において、
a)前記平板電極で挟まれるイオン分離空間内にあって、イオンの通過方向と同方向に延伸する棒状で、そのイオン通過領域を挟んで配置された少なくとも２本の電場補正用電極と、
b)前記電場補正用電極に、前記非対称パルス電圧と同期するパルス電圧と所定の直流電圧とを加算した電圧を印加する電場補正用電圧発生部と、
を備えることを特徴としている。

【0018】

ここでいう非対称パルス電圧とは、電圧値がハイレベルである期間とローレベルである期間とが等しくない、つまりはデューティ比が0.5（50％）ではないパルス電圧のことである。

【0019】

本発明に係るイオン移動度分光装置において、一対の平板電極で挟まれるイオン分離空間には、平板電極に非対称パルス電圧のハイレベル電圧が印加されている期間とローレベル電圧が印加されている期間とで異なる電場が形成される。イオン分離空間に電場補正用電極が存在しない場合、イオン分離空間に形成される電場における等電位面は平板電極に略平行となる。電場中を移動するイオンはこの等電位面に略直交する方向に力を受ける。そのため、上述したように等電位面が平板電極に略平行である場合、イオンを収束させるような力は作用しない。

【0020】

これに対し、本発明に係るイオン移動度分光装置では、イオン分離空間において電場補正用電極が配置されている位置（空間的位置）の電位は電場補正用電圧発生部から該電場補正用電極に印加される電圧で決まる。そして、電場補正用電極とそれを挟む平板電極との間の空間に形成される電場における等電位面の間隔や形状は、電場補正用電極の形状や大きさ、又は位置と印加電圧に依存する。そのため、電場補正用電極の形状や大きさなどを適宜に定め、印加電圧も適宜に定めることで、イオン分離空間にあって電場補正用電極で挟まれる空間に形成される電場における等電位面の形状は歪み、つまり曲面状となり、それによって電場中を移動するイオンに対して該イオンを収束させる力が作用する。そうした力が作用しつつも、非対称パルス電圧によって各イオンは移動度比に応じてジグザグに移動する。したがって、イオン分離空間の出口においては、移動度比毎に或る程度収束したイオン流が得られる。これによって、例えば、目的とする移動度比を示すイオン流が到達する位置にスキマーなどを配置すれば、その目的イオンを高い効率で取り出すことができる。

【0021】

本発明に係る平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置において、電場補正用電圧発生部は、平板電極に印加される非対称パルス電圧と同期し、直流電圧レベルが適宜に調整されたパルス電圧を電場補正用電極に印加する必要がある。
そこで本発明に係る平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置において、電場補正用電圧発生部は、非対称パルス電圧を抵抗分割して生成したパルス電圧と所定の直流電圧とを加算する構成とするとよい。
この構成によれば、抵抗分割のための抵抗値を調整するだけで、電場補正用電極に印加されるパルス電圧の振幅を定めることができる。

【0022】

また本発明に係る平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置において、電場補正用電極の断面外縁形状は特に限定されないが、その断面外縁形状は例えば、円形、楕円形、多角形、正方形、又は矩形のいずれかとすることができる。また、断面外縁の全体が上記形状である必要はなく、少なくとも中心軸に向いた側、つまりはイオンが通過する側の断面外縁形状が円形、楕円形、或いはそれ以外の上記形状であればよい。

【0023】

また、電場補正用電極の長さは、通常、一対の平板電極におけるイオン通過方向の長さと同程度であればよいが、電場補正用電極が、平板電極のイオン出口側端部よりもさらに外側に延びる延出部を有する構成としてもよい。イオン分離空間に配置される電場補正用電極は、通常、イオン搬送用のバッファガスの流れと同方向に延伸しているから、該電場補正用電極はバッファガスが直線的に流れるようにその流れを導く作用も有する。そのため、上記構成のように、電場補正用電極に延出部を設けると、平板電極のイオン出口側端部より外側においてもバッファガスの流れが乱れにくくなり、移動度比に応じて分離されたイオンが混じることを回避することができる。

【0024】

また、本発明に係る平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置では、前記主電圧発生部は、一対の平板電極の一方に他方の電位に比較して高い一定の付加的な直流電圧を印加するとともに、前記電場補正用電圧発生部は、イオン流を挟む一対の電場補正用電極の一方に対し他方の電位に比較して高い一定の付加的な直流電圧を印加する構成とするとよい。

【0025】

これら付加的な直流電圧はいずれも、各電圧に印加される電圧そのものに比べれば僅かである。こうした付加的な直流電圧の印加によって、電場が若干アンバランスになるため、それにより移動度比に応じて案内されるイオン流の到達位置を僅かにずらすことができる。

【0026】

また、本発明の第１の態様による平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置は、
前記イオン分離空間を通過することで移動度比に応じて分離され形成された複数のイオン流の中の、特定の移動度比を有するイオン流が到達する位置に、該イオン流のみを選択的に検出可能である大きさの唯一の検出器を配置する構成とするとよい。
この第１の態様による平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置によれば、特定の移動度比を有するイオンを選択的に検出することができる。

【0027】

また、本発明の第２の態様による平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置は、
前記イオン分離空間を通過することで移動度比に応じて分離され形成された複数のイオン流の中の、互いに異なる複数の特定の移動度比を有するイオン流がそれぞれ到達する位置に、その複数のイオン流をそれぞれ選択的に検出可能である大きさの複数の検出器を配置する構成としてもよい。
この第２の態様による平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置によれば、互いに異なる複数の特定の移動度比を有するイオンを同時に検出することができる。

【0028】

また、本発明の第３の態様による平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置は、
前記イオン分離空間を通過することで移動度比に応じて分離され形成された複数のイオン流の中の、互いに異なる複数の特定の移動度比を有するイオン流が到達する位置に唯一の位置敏感型検出器を配置し、該位置敏感型検出器により前記複数のイオン流をそれぞれ分離して検出する構成としてもよい。

【0029】

ここで、位置敏感型検出器としては例えば、微小検出素子が２次元的に多数配列された２次元検出器などを用いることができる。この第３の態様による平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置でも、互いに異なる複数の特定の移動度比を有するイオンを同時に検出することができる。

【0030】

また本発明に係る平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置では、電場補正用電極は最低２本あればよいが、３本以上の電場補正用電極を略平行に配置し、隣接する２本の電場補正用電極の間の空間にイオン流を通過させることで、例えばより多くの量のイオンを移動度に応じて分離することができる。

【0031】

即ち、本発明に係る平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置において、
前記電場補正用電極は、前記一対の平板電極の間に該電極の拡がり方向に離して平行に３本以上設けられ、隣接する２本の電場補正用電極の間の空間がそれぞれイオン分離空間となっている構成としてもよい。

【0032】

さらにまた、本発明に係る平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置では、前記電場補正用電極は、イオン通過領域を挟んで配置された複数本の電極を１組として、前記平板電極に直交する方向に互いに離して２組以上設けられ、
前記電場補正用電圧発生部は、前記２組以上の電場補正用電極の組毎に異なる電圧を印加可能である構成としてもよい。

【0033】

この構成によれば、一対の平板電極の間の該電極に直交する方向の電界分布を細かく調整してイオンをより的確に分離することが可能となる。

【0034】

なお、このように３本以上の電場補正用電極を使用する場合においても、一対（２本）の電場補正用電極を使用する場合と同様に、上述した様々な構成を採用することができる。

【発明の効果】

【0035】

本発明に係る平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置によれば、平行平板電極とロッド電極などの単純な形状の電極との組み合わせによって、移動度比に応じて分離したイオンをそれぞれ空間的に収束させつつイオン分離空間から取り出すことができる。それによって、特定の移動度比を有するイオンを検出したり、或いは次段の例えば質量分析部などへ導入したりする際に、より多くの量を検出又は測定に供することができるので、検出感度や測定感度を向上させることができる。
また本発明に係る平行平板型不均一電場イオン移動度分光装置によれば、移動度比に応じたイオンの分離性能が向上するので、異なる移動度比を持つイオンの混入を軽減することができ、検出精度や測定精度を向上させることもできる。さらにまた、装置の構造が複雑になることを避けることができるので、装置コストの点でも有利である。

【図面の簡単な説明】

【0036】

【図1】本発明の一実施例であるイオン移動度分光装置におけるイオン分離部の概略構成図。

【図2】本実施例のイオン移動度分光装置におけるイオン分離部の概略斜視図。

【図3】本実施例のイオン移動度分光装置におけるイオン分離空間内に形成される電場による等電位面のシミュレーション結果を示す図。

【図4】本実施例のイオン移動度分光装置におけるイオン分離空間でのイオン軌道のシミュレーション結果を示す図。

【図5】本発明の他の実施例であるイオン移動度分光装置におけるイオン分離部の概略構成図。

【図6】本発明のさらに他の実施例であるイオン移動度分光装置におけるイオン分離部の概略斜視図。

【図7】本発明に係るイオン移動度分光装置の一態様の概略構成図。

【図8】本発明に係るイオン移動度分光装置の別の態様の概略構成図。

【図9】本発明に係るイオン移動度分光装置の別の態様の概略構成図。

【図10】従来のＤＭＳにおけるイオン分離の原理説明図。

【図11】従来のＤＭＳにおけるイオン分離部の概略構成図。

【図12】従来のＤＭＳにおいて平板電極に印加される非対称パルス電圧の一例を示す波形図。

【図13】従来の別のＤＭＳにおけるイオン分離部の概略構成図。

【発明を実施するための形態】

【0037】

以下、本発明の一実施例であるイオン移動度分光装置について、添付図面を参照して説明する。
図１は本実施例のイオン移動度分光装置におけるイオン分離部の概略構成図、図２は本実施例のイオン移動度分光装置におけるイオン分離部の概略斜視図である。
図１０〜図１３を用いて説明した従来のイオン移動度分光装置と同じ又は相当する構成要素には同じ符号を付している。

【0038】

本実施例のイオン移動度分光装置では、従来装置と同様に、スペーサ１３、１４によりＹ軸方向に所定間隔離して保持される一対の平板電極１１、１２の間にイオン分離空間１５が形成されるが、このイオン分離空間１５には、中心軸Ｃを挟んでＸ軸方向に離間して２本のロッド電極１６、１７が配置されている。これらロッド電極１６、１７はＺ軸方向に延伸する円柱状導電体であり、この２本のロッド電極１６、１７は互いに平行であるとともに、平板電極１１、１２に対しても平行である。

【0039】

電圧発生部２は、従来装置においても設けられていた主電圧発生部としてのパルス電圧発生部２１のほかに、ロッド電極１６、１７に電圧を印加する電場補正用電圧発生部として、２個の抵抗器２４、２５、直流電圧発生部２２、及び電圧加算部２３が設けられている。上側平板電極１１と下側平板電極１２との間には、パルス電圧発生部２１から、従来装置と同様の、つまりは図１２に示したような非対称パルス電圧が印加される。

【0040】

この非対称パルス電圧が直列接続された抵抗器２４、２５により電圧分割されることで生成されたパルス電圧と、直流電圧発生部２２で生成された所定の電圧値Ｖ0の直流電圧とが電圧加算部２３で加算され、２本のロッド電極１６、１７に共通に印加される。この印加電圧は、非対称パルス電圧の振幅（パルス波高値Ｖ1−Ｖ2）が抵抗器２４、２５の抵抗比に応じて縮小されたパルス電圧に対し、所定の電圧値Ｖ0だけ直流電圧レベルが適宜シフトされた（オフセット電圧が与えられた）ものとみなすこともできる。当然のことながら、ロッド電極１６、１７に印加されるパルス電圧の立ち上がり及び立ち下がりは非対称パルス電圧に同期しており、非対称パルス電圧の電圧値がハイレベル（Ｖ1）である期間Ｔ_Hとローレベル（Ｖ2）である期間Ｔ_Lとでは、ロッド電極１６、１７に印加される電圧値が交互に切り替わる。

【0041】

イオン分離空間１５にロッド電極１６、１７が存在しない場合、つまり図１１に示した構成である場合には、或る時点においてイオン分離空間１５に形成される電場中の等電位面は、平板電極１１、１２に略平行となる。これに対し、本実施例のイオン移動度分光装置では、ロッド電極１６、１７の円筒形状である外周面の電位は、或る時点において平板電極１１、１２に印加される電圧に応じた所定の電位となる。そのため、ロッド電極１６、１７のこの電位によって、上側平板電極１１とロッド電極１６、１７との間の空間の等電位面、下側平板電極１２とロッド電極１６、１７との間の空間の等電位面、及び、両ロッド電極１６、１７の間の空間における等電位面、のそれぞれの形状や、等電位面の密集度合（つまりは電位勾配）などが定まる。

【0042】

図３は、或る時点（平板電極１１、１２間にハイレベルである電圧値Ｖ1が印加されている時点）において、イオン分離空間１５内に形成される電場による等電位面（実際にはＸ−Ｙ平面上の等電位線をＺ軸方向に移動させることで描かれる面）をシミュレーションした結果の一例である。上述したようにロッド電極１６、１７の外周面は同一の所定電位であるため、この例では、下側平板電極１２とロッド電極１６、１７との間の空間に形成される等電位面は密になり、また、ロッド電極１６、１７のごく近傍では、等電位面はロッド電極１６、１７の外周面に沿った曲面形状となる。そのために、ロッド電極１６、１７で挟まれた空間における等電位面は、図３に示すように上方に膨出した曲面状となる。これは、図１３に示した円筒形状電極を用いたイオン分離部において形成される等電位面の形状に近いことが分かる。当然のことながら、この等電位面の形状は、非対称パルス電圧がハイレベルである期間Ｔ_Hとローレベルである期間Ｔ_Lとで異なる。

【0043】

電場中を移動するイオンに対して電場が作用する力は、等電位面に略直交する方向となる。イオン分離空間１５に形成される電場中の等電位面が平板電極１１、１２に略平行である場合、非対称パルス電圧の印加によって高電場と低電場とが切り替わる毎に、イオンは上下（図１〜図３中でＹ軸方向）に振られる力を受けるだけであって、イオンをいずれかの位置や領域に収束させる力は生じない。そのため、イオン分離空間１５への入射時のイオンの空間的な拡がりはイオン分離空間１５を経ても縮小せず、エネルギや入射角度にばらつきがある同移動度比を持つイオンは、イオン分離空間１５を通過する間に却ってその軌道が広がってしまうことになる。

【0044】

これに対し、平板電極１１、１２、ロッド電極１６、１７で囲まれる空間における等電位面の形状が図３に示したような曲面状である場合、ロッド電極１６、１７の近傍に位置するイオンには中心軸Ｃを通るＹ−Ｚ平面に近づくような力が作用し、その力はロッド電極１６、１７に近いほど大きい。イオン分離空間１５に、図３に示した状態とは異なる（つまりは低電場領域に対応する）電場が形成される場合も、Ｙ軸方向のイオンの移動方向の正負は反転するものの、やはりロッド電極１６、１７の近傍に位置するイオンには中心軸Ｃを通るＹ−Ｚ平面に近づくような力が作用する。これによって、バッファガスの流れに乗ってイオン分離空間１５内を搬送されるイオンは幅方向（Ｘ軸方向）及び縦方向（Ｙ軸方向）の拡がりがともに抑えられ、中心軸Ｃを通るＹ−Ｚ平面近傍で且つ移動度比毎に収束することになる。

【0045】

図４はイオン分離空間１５でのイオン軌道のシミュレーション結果を示す図である。この軌道シミュレーションでは、平板電極１１、１２間のイオン分離空間１５ほぼ全体に、３種の移動度比を持つイオンを入射するような条件を設定した。また、イオン分離がほぼ最良になるように、平板電極１１、１２及びロッド電極１６、１７への印加電圧を設定した。図４から分かるように、バッファガス流によってイオンがイオン分離空間１５内を搬送される途中で、移動度比が異なる３種のイオンは中央付近に収束されつつ、Ｙ軸方向に層状に分離される。そして、イオン種毎に軌道ａ1、ａ2、ａ3を持つイオン流に分離され、イオン分離空間１５から出射する。また、図４では明らかでないが、それぞれのイオン流はＸ軸方向にも十分に収束された状態となる。

【0046】

なお、図４に示した例では、イオン分離空間１５の出口端面の外側に、３層のイオン軌道を隔てるように２枚のごく薄い電極板１８、１９が配置されている。これら電極板１８、１９にはイオンと同極性である所定の電圧が印加されている。これによって、電極板１８の上方を通過する軌道ａ1であるイオン流は上方に、電極板１９の下方を通過する軌道ａ3であるイオン流は下方に僅かに偏向されるため、軌道ａ1、ａ2、ａ3である三つのイオン流の間隔はさらに広がる。その結果、移動度比によって分離したイオンの検出やイオンの採取が容易になる。

【0047】

図７〜図９は上述した構成のイオン分離部１を用いたイオン移動度分光装置のいくつかの態様の概略構成図である。

【0048】

図７に示した態様のイオン移動度分光装置では、イオン源３０で生成されたイオン（又は帯電エアロゾルなど）がイオン分離部１のイオン分離空間１５に導入され、上述したように異なる移動度比を有するイオンは層状に分離される。イオン分離空間１５の出口端面外側の所定位置には、ごく小さなサイズの検出面を有する又はごく微小な領域に達したイオンのみを収集して検出する検出器３１が設置されている。この検出器３１には、層状に分離され、或る一つの移動度比を有するイオンを含むイオン流のみが導入され、それ以外の移動度比を有するイオンを含むイオン流は検出器３１には入射しない。これにより、このイオン移動度分光装置では、特定の移動度比を有するイオンのみを選択的に検出することができる。
検出対象のイオンの移動度比を変更するには、直流電圧発生部２２から発生する直流電圧の値を調整することで、層状に分離されたイオン流の到達位置を変えるようにするか、或いは、検出器３１の設置位置をメカニカルに変えるようにすればよい。

【0049】

また、図７に示したイオン移動度分光装置では、平板電極１１、１２の後縁端よりもロッド電極１６、１７の後縁端が延出している。イオン分離空間１５においてロッド電極１６、１７はバッファガス流と同じ方向（Ｚ軸方向）に延伸しているから、上述したようにイオン分離空間１５の出口端面よりも突出したロッド電極１６、１７の後縁端部はイオン分離空間１５の出口端面から出たバッファガス流の乱れを軽減する、つまりはバッファガス流を整流するように作用する。これによって、移動度比に応じて層状に分離されたイオン流が、イオン分離空間１５の出口端面から出た直後にバッファガス流の乱れによって混じってしまうことを回避することができる。

【0050】

図８に示した態様のイオン移動度分光装置は、イオン分離空間１５の出口端面外側に、ごく小さなサイズの検出面を有する又はごく微小な領域に達したイオンのみを収集して検出する複数（この例では３個）の検出器３１ａ、３１ｂ、３１ｃをＹ軸方向に備える。各検出器３１ａ、３１ｂ、３１ｃにはそれぞれ、層状に分離され、或る一つの移動度比を有するイオンを含むイオン流のみが導入される。したがって、このイオン移動度分光装置では、互いに異なる特定の移動度比を有する３種のイオンを同時並行的に検出することができる。このイオン移動度分光装置においても、複数の検出器３１ａ、３１ｂ、３１ｃの位置をそれぞれ独立に変更できるようにしてもよいし、複数の検出器３１ａ、３１ｂ、３１ｃを一体としてその位置を変更できるようにしてもよい。

【0051】

図９に示した態様のイオン移動度分光装置は、イオン分離空間１５の出口端面外側に、位置敏感型の検出器として２次元検出器３２を備える。２次元検出器３２は例えば、イオンを電子に変換するマイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）と、電子を光子に変換する蛍光板と、光を電気信号に変換する微小受光素子を多数配置した２次元イメージセンサと、の組合せを用いることができる。このイオン移動度分光装置では、２次元検出器３２において、移動度比に応じて層状に分離されたイオン流が到達する位置はアドレス情報として得られるから、複数のイオン流に対応する信号強度をそれぞれ独立に得ることができる。

【0052】

また、図７〜図９に示したイオン移動度分光装置では、イオン分離部１で移動度比に応じて分離されたイオンを検出器で検出していたが、検出器に代えてスキマー、アパーチャなどのイオン導入部を設け、該イオン導入部により特定の１又は複数の移動度比を有するイオンを含むイオン流を取り出し、取り出したイオンを四重極マスフィルタなどの質量分析器に導入する構成としてもよい。これにより、移動度比に応じて分離したイオンをさらに質量電荷比に応じて分離して検出することができる。

【0053】

また、上記実施例のイオン移動度分光装置では、一対の平板電極１１、１２の間にロッド電極１６、１７を２本のみ設け、その２本のロッド電極１６、１７の間の空間内にバッファガスを流してイオンを搬送するようにしていたが、より多数のロッド電極を平行に配置し、隣接する２本のロッド電極の間の空間全てをイオン搬送に利用してもよい。こうした構造を採用した本発明の他の実施例のイオン移動度分光装置におけるイオン分離部１の概略斜視図を図６に示す。この例では、Ｘ軸方向に幅広い一対の平板電極１１Ａ、１２Ａの間に、５本のロッド電極１６Ａ、１７Ａ、１６Ｂ、１７Ｂ、１６Ｃが配置されており、隣接する２本のロッド電極の間の四つの空間がイオン搬送及びイオン分離に利用される。５本のロッド電極１６Ａ、１７Ａ、１６Ｂ、１７Ｂ、１６Ｃには共通の電圧が印加されるから、四つの空間のいずれもイオンの分離条件は同じであり、各空間において移動度比に応じて層状に分離されたイオン流が得られることになる。これにより、大量のイオンを同時並行的に分離することが可能となる。

【0054】

さらに別の構造を採用した本発明の他の実施例のイオン移動度分光装置におけるイオン分離部の概略構成図を図５に示す。この例では、一対の平板電極１１、１２の間に、Ｙ軸方向に互いに離間して複数組（この例では３組）のロッド電極対、つまり、第１のロッド電極対１６ａ、１７ａと第２のロッド電極対１６ｂ、１７ｂと第３のロッド電極対１６ｃ、１７ｃとを設けている。そして、電圧発生部２は各ロッド電極対に対して異なる電圧を印加するために、２個の抵抗器２４ａ、２５ａ、直流電圧発生部２２ａ、及び電圧加算部２３ａを含む第１の電場補正用電圧発生部と、２個の抵抗器２４ｂ、２５ｂ、直流電圧発生部２２ｂ、及び電圧加算部２３ｂを含む第２の電場補正用電圧発生部と、２個の抵抗器２４ｃ、２５ｃ、直流電圧発生部２２ｃ、及び電圧加算部２３ｃを含む第３の電場補正用電圧発生部と、を備える。

【0055】

即ち、この構成では、第１乃至第３の電場補正用電圧発生部において直列接続されている２本の抵抗器（２４ａと２５ａ、２４ｂと２５ｂ、２４ｃと２５ｃ）の抵抗比を適宜に調整することで、ロッド電極に印加する非対称パルス電圧の振幅を適宜に調整することができる。また、直流電圧発生部２２ａ、２２ｂ、２２ｃで生成する直流電圧の電圧値を適宜に調整することで、ロッド電極に印加される電圧のオフセットを調整することができる。これによって、平板電極１１、１２で挟まれる空間におけるＹ軸方向の電界分布を、移動度比に応じてイオンを的確に分離するように細かく調整して最適化することができる。

【0056】

また、上記実施例ではいずれもロッド電極は円柱状であるが、断面外縁形状が円形状である必要はなく、例えば楕円形、多角形状、正方形状、長方形状（矩形状）などであってもよい。

【0057】

また、上記実施例では２本又は複数本のロッド電極に共通の電圧を印加していたが、意図的に一方のロッド電極に他方よりも若干高い直流電圧を印加することで、Ｘ軸方向にも電場を非対称としてイオンが収束する位置をＸ軸方向にずらすようにしてもよい。

【0058】

さらにまた、本発明の趣旨の範囲で、上記以外の点について適宜変形、修正、追加を行っても、本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。

【符号の説明】

【0059】

１…イオン分離部
１１…上側平板電極
１２…下側平板電極
１３、１４…スペーサ
１５…イオン分離空間
１６、１７…ロッド電極
１８、１９…電極板
２…電圧発生部
２１…パルス電圧発生部
２２、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ…直流電圧発生部
２３、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ…電圧加算部
２４、２５、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２５ａ、２５ｂ、２５ｃ…抵抗器
Ｃ…中心軸

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】