特許 6972519 イオン検出装置

(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】6972519

(24)【登録日】2021年11月8日

(45)【発行日】2021年11月24日

(54)【発明の名称】イオン検出装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/624 20210101AFI20211111BHJP

   G01N 27/62 20210101ALI20211111BHJP

【ＦＩ】

   G01N27/624

   G01N27/62 G

【請求項の数】7

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2016-154234(P2016-154234)

(22)【出願日】2016年8月5日

(65)【公開番号】特開2018-21859(P2018-21859A)

(43)【公開日】2018年2月8日

【審査請求日】2019年6月21日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006747

【氏名又は名称】株式会社リコー

(72)【発明者】

【氏名】丹 国広

【審査官】 吉田 将志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−２６１７９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００６−５０７５０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表平０７−５０２１４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２５９４６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００４／０１６４２３８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００５／０２００２８９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０５６８４３００（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２７／６０ − Ｇ０１Ｎ ２７／７０

Ｇ０１Ｎ ２７／９２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

被測定分子をイオン化するイオン発生器と、
前記イオン発生器によりイオン化されたイオンを選別するイオンフィルタと、
前記イオンフィルタで選別されたイオンを検出する検出器と、
前記検出器の後段に配置され、コロナ放電によりイオン風を生成させることができる気流生成器と、
を備えるイオン検出装置。

【請求項2】

前記気流生成器は、２つ以上の電極及び貫通した流路を有することを特徴とする請求項１に記載のイオン検出装置。

【請求項3】

前記気流生成器は、コロナ放電の際の電圧が可変であることを特徴とする請求項１又は２に記載のイオン検出装置。

【請求項4】

前記気流生成器に印加される電圧と前記イオン発生器に印加される電圧は、それぞれ個別に制御されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のイオン検出装置。

【請求項5】

前記気流生成器は、イオンの発生及び風の生成のための単一電源を有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のイオン検出装置。

【請求項6】

前記イオン発生器と前記イオンフィルタとの間に、前記被測定分子のイオン化を促進するための空間を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のイオン検出装置。

【請求項7】

前記イオン発生器は、１個以上の電極を有していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のイオン検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、イオン検出装置に係り、更に詳しくは、イオンを選別して検出するイオン検出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

気体や気化した化学物質を分析する方法の一つとして、電界非対称波形イオン移動度分光分析（Ｆｉｅｌｄ Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｉｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ ：以下では、「ＦＡＩＭＳ」ともいう）と呼ばれる方法がある（例えば、特許文献１〜３参照）。

【0003】

この方法は、イオン化された気体分子や化学物質（以下では、これらを総称して「化学物質等」ともいう）を、イオンフィルタに通して移動度の差によって選別し、検出器で検出することにより、該化学物質等を特定するものである。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

近年、ＦＡＩＭＳに用いられる分析装置（以下では、「イオン検出装置」ともいう）に対して、様々な現場で分析できるように小型化や携帯性が要求されるようになった。

【0005】

しかしながら、従来のイオン検出装置では、装置が大型であり携帯するのは困難であった。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、被測定分子をイオン化するイオン発生器と、前記イオン発生器によりイオン化されたイオンを選別するイオンフィルタと、前記イオンフィルタで選別されたイオンを検出する検出器と、前記検出器の後段に配置され、コロナ放電によりイオン風を生成させることができる気流生成器と、を備えるイオン検出装置である。

【発明の効果】

【0007】

本発明のイオン検出装置によれば、装置の小型化によって容易に携帯することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】一実施形態に係るイオン検出装置の概略構成図である。

【図2】イオンの移動度の電界強度依存性を説明するための図である。

【図3】イオンフィルタ部の電極間における３つのイオン（イオンＡ、イオンＢ、イオンＣ）の移動の軌跡を説明するための図（その１）である。

【図4】電極Ａと電極Ｂとの間に発生させる電界波形を説明するための図である。

【図5】イオンフィルタ部の電極間における３つのイオン（イオンＡ、イオンＢ、イオンＣ）の移動の軌跡を説明するための図（その２）である。

【図6】実施例１のイオン検出装置を説明するための図である。

【図7】気流生成器の一部を拡大した図である。

【図8】コロナ放電によるイオン風の生成を説明するための図である。

【図9】気流生成器におけるイオン風の生成を説明するための図（その１）である。

【図10】気流生成器におけるイオン風の生成を説明するための図（その２）である。

【図11】実施例２のイオン検出装置を説明するための図である。

【図12】実施例３のイオン検出装置を説明するための図である。

【図13】実施例４のイオン検出装置を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

「概要」
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１には、一実施形態に係るイオン検出装置１０の概略構成が示されている。

【0010】

このイオン検出装置１０は、イオン発生部１００、イオンフィルタ部２００、検出部６００、及び制御部９００などを備えている。なお、ここでは、ＸＹＺ３次元直交座標系を用い、被測定分子の進行方向を＋Ｚ方向とする。

【0011】

イオン発生部１００は、被測定分子をイオン化する。イオンフィルタ部２００は、イオン発生部１００からのイオンを選別する。検出部６００は、イオンフィルタ部２００で選別されたイオンを検出する。制御部９００は、装置全体を制御する。

【0012】

イオン検出装置１０の基本的な検出原理について説明する。

【0013】

イオンフィルタ部２００は、対向して配置された２つの電極（電極Ａ、電極Ｂ）を有している。

【0014】

イオンは、電界Ｅの環境下では次の（１）式で示される移動速度Ｖで移動する。ここで、Ｋは、該イオンの移動度である。
Ｖ＝Ｋ×Ｅ ……（１）

【0015】

ところで、イオンの移動度には電界強度依存性がある。そして、この電界強度依存性は、イオンの種類によって異なっている。図２には、一例として、種類が異なる３つのイオン（イオンＡ、イオンＢ、イオンＣ）における移動度の電界強度依存性が示されている。なお、図２では、分かりやすくするため、各イオンの移動度が電界強度０で等しくなるように正規化されている。

【0016】

３つのイオン（イオンＡ、イオンＢ、イオンＣ）の移動度は、電界強度が９ｋＶ／ｃｍ以下の低電界強度ではほぼ変化なしである。電界強度が約１０ｋＶ／ｃｍから増すにつれてイオンの種類固有の特性が移動度に現れる。イオンＡの移動度は、電界強度が増加するに従って大きく増加し、Ｅｍａｘで最大となる。イオンＢの移動度は、イオンＡよりも緩やかに増加する。イオンＣの移動度は、緩やかに減少する。このように三者三様の特性を示している。イオンフィルタ部２００は、低電界強度での移動度と高電界強度での移動度との違いを利用してイオンの選別を行う。

【0017】

図３には、イオンフィルタ部２００の電極間における３つのイオン（イオンＡ、イオンＢ、イオンＣ）の移動の軌跡が示されている。なお、ここでは、分かりやすくするため、便宜的に、電極Ａ及び電極Ｂを導電体でできた平行平板としている。

【0018】

電極Ａと電極Ｂとの間に発生する電界の波形を非対称電界波形とすることによって、任意のイオン（図３では、イオンＢ）のみを検出部６００に到達させることができる。

【0019】

図４には、電極Ａと電極Ｂとの間に発生させる電界波形の一例が示されている。この電界波形は、正の高電界（Ｅｍａｘ）と負の低電界（Ｅｍｉｎ）を交互に繰り返している。そして、高電界の期間（ｔ１）は低電界の期間（ｔ２）よりも短く、ｔ１とｔ２の比は１：３〜１：５である。このように電界波形は、上下に関して非対称である。この非対称電界波形は、時間平均電界が零であり、次の（２）式が成り立つように設定されている。
｜Ｅｍａｘ｜×ｔ１＝｜Ｅｍｉｎ｜×ｔ２ ……（２）

【0020】

すなわち、図４における領域Ａの面積と領域Ｂの面積が一致するように設定されている。

【0021】

なお、以下では、次の（３）式に示されるように、｜Ｅｍａｘ｜×ｔ１の値、及び｜Ｅｍｉｎ｜×ｔ２の値をβとする。
｜Ｅｍａｘ｜×ｔ１＝｜Ｅｍｉｎ｜×ｔ２＝β ……（３）

【0022】

ところで、高電界の期間（ｔ１）に、イオンがＹ軸方向に関して移動する速度Ｖｕｐは、次の（４）式で示される。ここで、Ｋ（Ｅｍａｘ）は、高電界（Ｅｍａｘ）のときのイオンの移動度である。
Ｖｕｐ＝Ｋ（Ｅｍａｘ）×｜Ｅｍａｘ｜ ……（４）

【0023】

例えば、｜Ｅｍａｘ｜が約１０ｋＶ／ｃｍ以上の場合、３つのイオン（イオンＡ、イオンＢ、イオンＣ）では、イオン毎に移動度が異なる（図２参照）ので、３つのイオンの移動速度Ｖｕｐは三者三様に異なる。すなわち、図５に示されるように、高電界の期間（ｔ１）では、３つのイオンの移動軌跡の傾斜は互いに異なっている。

【0024】

そして、高電界の期間（ｔ１）に、イオンがＹ軸方向に関して移動した距離である変位ｙｕｐ（図５参照）は、次の（５）式で示される。
ｙｕｐ＝Ｖｕｐ×ｔ１ ……（５）

【0025】

一方、低電界の期間（ｔ２）に、イオンがＹ軸方向に関して移動する速度Ｖｄｏｗｎは、次の（６）式で示される。ここで、Ｋ（Ｅｍｉｎ）は、低電界（Ｅｍｉｎ）のときのイオンの移動度である。
Ｖｄｏｗｎ＝−Ｋ（Ｅｍｉｎ）×｜Ｅｍｉｎ｜ ……（６）

【0026】

例えば、｜Ｅｍｉｎ｜が約５ｋＶ／ｃｍ以下の場合、３つのイオン（イオンＡ、イオンＢ、イオンＣ）では、移動度がほぼ同一である（図２参照）ので、３つのイオンの移動速度Ｖｄｏｗｎはほぼ同一である。すなわち、図５に示されるように、低電界の期間（ｔ２）では、３つのイオンの移動軌跡の傾斜はほぼ同じである。

【0027】

そして、低電界の期間（ｔ２）に、イオンがＹ軸方向に関して移動した距離である変位ｙｄｏｗｎ（図５参照）は、次の（７）式で示される。
ｙｄｏｗｎ＝Ｖｄｏｗｎ×ｔ２ ……（７）

【0028】

非対称電界波形の１周期（Ｔ）内では、イオンは、＋Ｚ方向に移動しつつ、期間ｔ１の間に＋Ｙ方向に移動し、期間ｔ２の間に−Ｙ方向に移動する。

【0029】

そこで、図５に示されるように、ジグザグ運動を繰り返しながら電極Ａに向かうもの（イオンＡ）と、ジグザグ運動を繰り返しながら電極Ｂに向かうもの（イオンＣ）と、＋Ｙ方向の変位と−Ｙ方向の変位とが釣り合い、検出部に向かうもの（イオンＢ）とに分かれることとなる。

【0030】

ところで、非対称電界波形における１周期（Ｔ）での、イオンのＹ軸方向に関する平均変位ΔｙＲＦは、次の（８）式で表される。
ΔｙＲＦ＝ｙｕｐ＋ｙｄｏｗｎ
＝Ｋ（Ｅｍａｘ）×｜Ｅｍａｘ｜×ｔ１−Ｋ（Ｅｍｉｎ）×｜Ｅｍｉｎ｜×ｔ２ ……（８）

【0031】

そして、上記（８）式は、上記（３）式を用いて次の（９）式のように表すことができる。
ΔｙＲＦ＝β｛Ｋ（Ｅｍａｘ）−Ｋ（ｍｉｎ）｝ ……（９）

【0032】

ここで、Ｋ（Ｅｍａｘ）−Ｋ（ｍｉｎ）をΔＫとおくと、上記（９）式は次の（１０）式のように表される。
ΔｙＲＦ＝βΔＫ ……（１０）

【0033】

βは電極Ａと電極Ｂとの間に印加される非対称電界で決まる定数である。そこで、非対称電界波形の１周期（Ｔ）あたりのイオンのＹ軸方向に関する変位は、低電界（Ｅｍｉｎ）での移動度と高電界（Ｅｍａｘ）での移動度の差分であるΔＫに依存する。

【0034】

キャリアガスだけがイオンをＺ軸方向に移送させると仮定すると、イオンが電極Ａと電極Ｂとの間に滞在しているときの、該イオンのＹ軸方向に関する変位Ｙは、次の（１１）式となる。ここで、ｔｒｅｓは、イオンが電極Ａと電極Ｂとの間に滞在している平均時間（平均イオン滞在時間）である。

【数1】

【0035】

平均イオン滞在時間ｔｒｅｓは、次の（１２）式で表される。ここで、Ａはイオンフィルタ部の断面積、ＬはＺ軸方向に関する電極の長さ（電極深さ）（図５参照）、Ｑはキャリアガスの容積流量である。Ｖはイオンフィルタ部の容積（＝ＡＬ）である。

【数2】

【0036】

上記（１１）式は、上記（１２）式及び上記（３）を用いて、次の（１３）式のように表すことができる。ここで、Ｄは非対称電界波形のデューティであり、Ｄ＝ｔ１／Ｔである。

【数3】

【0037】

非対称電界波形における高電界Ｅｍａｘ、イオンフィルタ部の容積Ｖ、非対称電界波形のデューティＤ、及びキャリアガスの容積流量Ｑについて、すべてのイオン種に対して同一の値を用いると、上記（１３）式から、変位Ｙは、イオン種固有の低電界（Ｅｍｉｎ）での移動度と高電界（Ｅｍａｘ）での移動度との差分ΔＫに比例することがわかる。

【0038】

なお、図５ではイオンＢのみが、変位Ｙが最小であり、検出部６００に到達することができるが、デューティＤを変化させることによってイオンＢとは異なるΔＫを有するイオンを検出部６００に到達させることができる。さらに、デューティＤを小刻みに変化させていくことで、ΔＫが異なる様々なイオンの有無や量を検出することができる。

【0039】

また、イオン検出装置１０において、ΔＫが異なる様々なイオン種を検出する方法として、非対称電界波形に低強度のＤＣ電界を重畳する方法がある。この方法によると、期間ｔ１及び期間ｔ２でのＹ軸方向に関する変位量を変化させることができる。そこで、電極Ａ又は電極Ｂに接触せずに検出部６００に到達することができるイオン種を連続的に変えることができる。なお、非対称電界波形に重畳するＤＣ電界は補償電圧（ＣＶ：ｃｏｍｐｅｎｓａｓｉｏｎ ｖｏｌｔａｇｅｓ）と呼ばれている。この方法では、補償電圧を掃引してΔＫが異なる様々なイオン種の有無や量を検出する。

【0040】

ところで、検出部６００に到達する前に電極Ａ又は電極Ｂに接触したイオンは、中和されてイオンでなくなり検出されない。

【0041】

なお、制御部９００は、従来のイオン検出装置における制御部とほぼ同様であるため、ここでは制御部９００の動作についての詳細な説明は省略する。

【0042】

「詳細」
イオン検出装置は、気体に含まれる微量な分子の種類及び量を検出する装置である。イオン検出装置は、汎用性が高く、試料中の薬物、化学成分などの分析、環境中の有害ガス、生体ガス、においの分析など広範囲で使われているが、装置が比較的大型であり使用環境が限られている。

【0043】

また、従来のイオン検出装置はポンプなどが必要であり、携帯性の高いものはみられなかった。また、特許文献３では、傾斜電位を利用しフローガスを不要とすることで小型化を図っているが、制御回路が複雑であったり、イオン発生手段が放射性同位元素を使っているため、携帯するには不適であった。

【0044】

＜実施例１＞
実施例１のイオン検出装置１０が、図６に示されている。このイオン検出装置１０では、検出部６００が、検出器６１０及び気流生成器６２０を有している。そして、気流生成器６２０は、検出器６１０の＋Ｚ側に配置されている。

【0045】

気流生成器６２０の一部を拡大した図が図７に示されている。気流生成器６２０は、３種類の電極（電極１、電極２、電極３）を、それぞれ複数有している。電極１は、＋Ｚ方向の端部（先端）が尖っている。そして、電極１は、Ｚ軸方向に直交する方向（図７では、Ｙ軸方向）に関して、２つの電極２に挟まれている。電極３は、電極２の＋Ｚ側に配置されている。なお、電極３は、絶縁コートされている。また、気流生成器６２０は、各電極と接続されている単一電源６２１を有している。

【0046】

図８は、コロナ放電による基本的な気流の発生メカニズムを説明するための図である。電極１と電極３との間の電圧を上げることで、電極１の先端部を中心に電界が広がり、図８に示されるように電気力線が発生し、電極１の先端付近の電界強度が約４×１０^７Ｖｍを越えると、電極１の先端付近よりイオンが発生し、発生したイオンが電気力線に従い移動をするため、イオンガスが周辺気体を押し出すように気流が発生する。この気流をイオン風あるいは、単に風と呼んでいる。

【0047】

気流生成器６２０では、コロナ放電によりイオンが発生し、＋イオン同士の反発と電極１と電極２の電界及び電気力線により、電気力線に沿ってイオンが移動する。そして、そのイオンの移動により、周辺の気体も押されるように移動し気流が発生する（図９及び図１０参照）。

【0048】

この場合は、安全にイオン風を生み出すことができる。また、イオンの発生と風の生成とを同時に単一電源６２１で実現することができる。その結果、携帯に適した小型で安全で制御が簡単なイオン検出装置を実現することができる。

【0049】

なお、ここでは、気流生成器６２０は、検出器６１０へのイオンの流れを逆流させないために、発生させるイオンの極性をイオン発生部１００とは逆の極性とし、あまり電界の影響が及ばない位置に設けられている。

【0050】

また、本実施例では、気流生成器６２０は検出部６００の一部として構成されている場合について説明したが、これに限定されるものではなく、気流生成器６２０が、検出部６００の機能と隔離して構成されていても良い。さらに、本実施例では、気流生成器６２０は検出器６１０の後段に設けられている場合について説明したが、これに限定されるものではなく、本実施例の効果を実現できる構成であれば、気流生成器６２０の設置位置は問わない。

【0051】

＜実施例２＞
実施例２のイオン検出装置１０が、図１１に示されている。このイオン検出装置１０は、実施例１のイオン検出装置１０に対して、気流生成器６２０に印加される電圧が可変であることに特徴を有する。この場合は、実施例１のイオン検出装置１０と同様な効果が得られるとともに、イオン風の流量を変えることができる。

【0052】

＜実施例３＞
実施例３のイオン検出装置１０が、図１２に示されている。このイオン検出装置１０は、実施例１のイオン検出装置１０に対して、気流生成器６２０が、イオン発生部１００を兼ねていることに特徴を有する。

【0053】

実施例３のイオン検出装置１０では、気流生成器６２０は、イオンフィルタ部２００の−Ｚ側に配置されている。

【0054】

この場合は、実施例１のイオン検出装置１０と同様な効果が得られるとともに、さらに小型化を図ることができる。

【0055】

ところで、イオン発生部１００及び気流生成器６２０を構成する電極の数、又は印加電圧を調整することにより、イオン検出量を調整することができる。また、イオン発生部１００に印加する極性を変化させた場合においても気流生成器６２０はプラスイオンでもマイナスイオンでも同じ方向にイオン風を発生させることができる。

【0056】

＜実施例４＞
実施例４のイオン検出装置１０が、図１３に示されている。このイオン検出装置１０は、実施例１のイオン検出装置１０に対して、Ｚ軸方向に関するイオン発生部１００とイオンフィルタ部２００との距離が長いことに特徴を有する。

【0057】

イオン発生部１００で生成されたイオンに含まれる窒素や酸素のイオンが多く、他の分子がイオン化されるのに時間がかかるおそれがある場合には、実施例４のイオン検出装置１０のように、イオン発生部１００とイオンフィルタ部２００との距離を長くして時間を稼ぎ、他の分子が確実にイオン化されるようにすることが好ましい。この場合も、実施例１のイオン検出装置１０と同様な効果が得られる。

【0058】

以上説明したように、本実施形態に係るイオン検出装置１０は、イオン発生部１００、イオンフィルタ部２００、検出部６００、及び制御部９００などを備えている。

【0059】

そして、検出部６００は、コロナ放電によりイオン風を生成させることができる気流生成器６２０を有している。気流生成器６２０は、３種類の電極（電極１、電極２、電極３）を、それぞれ複数有している。また、気流生成器６２０は、＋Ｚ方向に貫通した流路も有している。

【0060】

このイオン検出装置１０は、安全にイオン風を生み出すことができるとともに、イオンの発生と風の生成を同時に単一電源で実現することができる。その結果、携帯に適した小型で安全で制御が簡単なイオン検出装置を実現することができる。

【0061】

さらに、実施例２のイオン検出装置１０では、気流生成器６２０におけるコロナ放電の際の電圧が可変である。

【0062】

また、実施例３のイオン検出装置１０では、気流生成器６２０が、イオン発生部１００を兼ねている。

【0063】

また、実施例４のイオン検出装置１０では、イオン発生部１００とイオンフィルタ部２００との間に、被測定分子のイオン化を促進するための空間を有している。

【0064】

なお、上記実施形態では、イオン発生部１００が複数の電極を有する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、イオン発生部１００が、１個の電極を有していても良い。

【符号の説明】

【0065】

１０…イオン検出装置、１００…イオン発生部（イオン発生器）、２００…イオンフィルタ部（イオンフィルタ）、６００…検出部、６１０…検出器、６２０…気流生成器、６２１…単一電源、９００…制御部。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0066】

【特許文献1】米国特許出願公開第２０１５／００２８１９６号明細書

【特許文献2】特許第４０６３６７６号公報

【特許文献3】特許第５２２１９５４号公報

【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】