(57)【要約】  シャッタゲートとして用いられるゲート電極（１０Ａ）は、セラミック製のベース（１１）の矩形状の開口（１２）内側に金属製であって同じ大きさの一対の導電性固定部材（１３１、１３２）を取り付け、その内側にセラミック製の絶縁性固定部材（１４１、１４２）を取り付けたものである。二個一組である櫛形電極（１５１、１５２）の連結部（１５１ａ、１５２ａ）は導電性固定部材（１３１、１３２）に固着され、細線の電極の末端は絶縁性固定部材（１４１、１４２）に固着されている。各部材の熱膨張率に応じて、開口（１２）の長さＬと導電性固定部材（１３１、１３２）の幅Ｄとを所定の値に定めることで、温度上昇に伴う、電極の伸長と該電極の固着部の広がりとの釣り合いをとって電極の引っ張りや弛みを抑制することができる。これにより、ドリフト領域の温度を従来よりも高くして残留水蒸気などの影響を排除した高精度、高分解能の分析が行える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電場によって荷電粒子を堰き止めたり該荷電粒子を通過させたりするゲート電極であって、
a)中央にイオン通過用の矩形状開口が形成された、絶縁体から成る平板状のベース部と、
b)前記ベース部の矩形状開口の内側の対向した二つの辺に沿って互いに略平行に該ベース部に取り付けられた、導電体から成る二本の導電性固定部と、
c)前記ベース部の矩形状開口の内側に取り付けられた前記導電性固定部のさらに内側に、その対向した二つの辺に沿って略平行に該導電性固定部に取り付けられた、前記ベース部と同じ絶縁体から成る二本の絶縁性固定部と、
d)前記導電性固定部の一方に一端が固定され、他端が該導電性固定部と対向して配置されている前記絶縁性固定部に固定され、該導電性固定部及び該絶縁性固定部の延伸方向と略直交する方向に延伸するように張設された複数本の平行な導電性ワイヤから成る第１電極部と、
e)前記導電性固定部の他方に一端が固定され、他端が該導電性固定部と対向して配置されている前記絶縁性固定部に固定され、前記第１電極部を構成する導電性ワイヤ間の中間に該導電性ワイヤと略平行に張設された複数本の平行な導電性ワイヤから成る第２電極部と、
を備え、前記ベース部及び前記絶縁性固定部の材料の熱膨張率、前記導電性固定部の材料の熱膨張率、並びに前記導電性ワイヤの材料の熱膨張率に基づいて、所定の温度変化に対応する、前記導電性ワイヤの延伸方向と直交する方向に延伸する前記矩形状開口の中心線と前記導電性固定部との間の距離の変化量と、該距離に相当する長さの前記導電性ワイヤの長さの変化量とが釣り合うように、前記矩形状開口における前記導電性ワイヤの延伸方向の開口幅及び同方向の前記導電性固定部の幅がそれぞれ定められていることを特徴とするゲート電極。
【請求項２】
請求項１に記載のゲート電極であって、
前記第１及び第２電極部は、前記複数本の平行な導電性ワイヤの端部が該ワイヤに略直交するように延伸する導電性のワイヤ又は別の帯状体で以て連結されてなる櫛形電極を含むことを特徴とするゲート電極。
【請求項３】
イオンをパケット化してドリフト領域中に導入するシャッタゲートとして、請求項１又は２に記載のゲート電極を用いたことを特徴とするイオン移動度分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン等の荷電粒子を堰き止めたり通過させたりするためのゲート電極、及び、イオンをパルス状にドリフト領域に導入するためのシャッタゲートとして該ゲート電極を用いたイオン移動度分析装置に関する。
【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。イオン移動度分析法（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法である。図３は従来の一般的なイオン移動度分析装置の概略構成図である（特許文献１など参照）。【０００３】
このイオン移動度分析装置は、試料中の成分分子をイオン化するイオン源１と、図示しない例えば円筒形状のハウジング内に設けられた、イオン移動度を測定するためのドリフト領域４と、ドリフト領域４中を移動してきたイオンを検出する検出器５と、を備える。また、イオン源１において生成されたイオンをごく短い時間幅に限定してパルス的にドリフト領域４へと送り込むために、ドリフト領域４の入口にシャッタゲート３を備える。ハウジング内は大気圧雰囲気又は100Pa程度の低真空雰囲気であり、ドリフト領域４に配置されているドリフト電極群２に含まれる多数の円環状の電極２ａにそれぞれ印加されている直流電圧により、ドリフト領域４中にはイオン移動方向（図３ではＺ方向）に下り電位勾配を示す（イオンを加速する）一様電場が形成される。また、この電場による加速方向とは逆方向に中性の拡散ガスの流れが形成されている。【０００４】
イオン源１で生成されたイオンはシャッタゲート３で一旦堰き止められ、シャッタゲート３が短時間だけ開放されると、イオンはパケット状にドリフト領域４中に導入される。導入されたイオンはドリフト領域４において向かって来る拡散ガスと衝突しながら、加速電場によって進む。イオンはその大きさ、立体構造、電荷などに依存するイオン移動度によって時間的に分離され、異なるイオン移動度を持つイオンは時間差を有して検出器５に到達する。ドリフト領域４中の電場が一様である場合には、イオンがドリフト領域４を通過するのに要するドリフト時間から、イオン−拡散ガス間の衝突断面積を見積もることが可能である。【０００５】
イオンの阻止及び通過を制御するシャッタゲート３としては、特許文献２、非特許文献１等に記載の、ブラッドバリー−ニールセン・ゲート（Bradbury−Nielsen Gate）と呼ばれるゲート電極がしばしば用いられる。図４は特許文献２に記載のブラッドバリー−ニールセン・ゲートによるシャッタゲートの概略斜視図である。【０００６】
この例では、ワインディング或いはエッチング等によって作製された２枚の櫛形電極２３１、２３２が、円形状の開口２２が形成されたセラミックから成る平板状のベース２１の一面に貼り付けられる。この一方の櫛形電極２３１が正電圧入力端２４１に、他方の櫛形電極２３２が負電圧入力端２４２に接続されている。これにより、ｘ方向に１本ずつ交互に異なる極性の電圧が印加される細線状の電極が、開口２２を覆うように張設されることになる。そして、正電圧入力端２４１及び負電圧入力端２４２を介して二つの櫛形電極２３１、２３２に印加する電圧を制御することで、イオンを堰き止める電場を開口２２付近に形成したり、或いは、該電場を解消してイオンを自由に通過させたりすることができる。【０００７】
ところで、こうしたイオン移動度分析装置では、水蒸気や十分に気化していない溶媒液滴などがドリフト領域４に存在していると、測定対象のイオンがそうした微粒子に接触しドリフト時間が変動する大きな要因となる。そのため、水蒸気や微細溶媒液滴などをドリフト領域４から極力除去するために、ドリフト領域４を形成しているドリフト管は分析時に高温に加熱される。従来一般的に、その加熱温度は120〜130℃程度であるが、本来は、より高い温度（150〜160℃）にまで上げることが望ましい。【０００８】
ところが、上述した構造のシャッタゲートは、高温に晒されると、セラミック製であるベース２１と金属製である櫛形電極２３１、２３２との熱膨張率の差のために、該電極２３１、２３２に引っ張りや弛みが生じる。それによって、例えば開口２２に張設されている隣接する電極線同士が接触してシャッタとして十分に機能しなくなったり、電極線が変形又は切断してしまって使用不可能な状態になったりすることがある。こうした制約から、従来は装置の温度を120〜130℃程度にまでしか上げることができず、上述したような高い温度までドリフト管を加熱して測定を行うことは困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−１７４６１９号公報
【特許文献２】国際公開第０３／０６５７６３号パンフレット
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】イグナシオ（Ignacio A. Zuleta）、ほか４名、「マイクロマシーンド・ブラッドバリー−ニールセン・ゲーツ（Micromachined Bradbury−Nielsen Gates）」、アナリティカル・ケミストリー（Analytical Chemistry）、Vol. 79、No. 23、2007年、pp.9160-9165
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
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、従来よりもさらに高温の環境の下でもシャッタ機能の不具合や電極の変形・破損が生じにくいゲート電極、及びそうしたゲート電極をシャッタゲートとして用いることでドリフト領域から水蒸気や溶媒液滴などを十分に除去してイオン移動度分析を行うことができるイオン移動度分析装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために成された本発明に係るゲート電極は、電場によって荷電粒子を堰き止めたり該荷電粒子を通過させたりするゲート電極であって、
a)中央にイオン通過用の矩形状開口が形成された、絶縁体から成る平板状のベース部と、
b)前記ベース部の矩形状開口の内側の対向した二つの辺に沿って互いに略平行に該ベース部に取り付けられた、導電体から成る二本の導電性固定部と、
c)前記ベース部の矩形状開口の内側に取り付けられた前記導電性固定部のさらに内側に、その対向した二つの辺に沿って略平行に該導電性固定部に取り付けられた、前記ベース部と同じ絶縁体から成る二本の絶縁性固定部と、
d)前記導電性固定部の一方に一端が固定され、他端が該導電性固定部と対向して配置されている前記絶縁性固定部に固定され、該導電性固定部及び該絶縁性固定部の延伸方向と略直交する方向に延伸するように張設された複数本の平行な導電性ワイヤから成る第１電極部と、
e)前記導電性固定部の他方に一端が固定され、他端が該導電性固定部と対向して配置されている前記絶縁性固定部に固定され、前記第１電極部を構成する導電性ワイヤ間の中間に該導電性ワイヤと略平行に張設された複数本の平行な導電性ワイヤから成る第２電極部と、
を備え、前記ベース部及び前記絶縁性固定部の材料の熱膨張率、前記導電性固定部の材料の熱膨張率、並びに前記導電性ワイヤの材料の熱膨張率に基づいて、所定の温度変化に対応する、前記導電性ワイヤの延伸方向と直交する方向に延伸する前記矩形状開口の中心線と前記導電性固定部との間の距離の変化量と、該距離に相当する長さの前記導電性ワイヤの長さの変化量とが釣り合うように、前記矩形状開口における前記導電性ワイヤの延伸方向の開口幅及び同方向の前記導電性固定部の幅がそれぞれ定められていることを特徴としている。【００１３】
なお、第１及び第２電極部をそれぞれ構成する導電性ワイヤは、導電性固定部に固定される位置において各導電性ワイヤの端部が該ワイヤに略直交するように延伸する導電性のワイヤや帯状体で連結されてなる櫛形電極でもよいし、そうした連結部がなくそれぞれが独立した導電性の線状体であってもよい。【００１４】
また上記課題を解決するために成された本発明に係るイオン移動度分析装置は、イオンをパケット化してドリフト領域中に導入するシャッタゲートとして、上記発明に係るゲート電極を用いたことを特徴としている。【００１５】
本発明に係るゲート電極では、ベース部の矩形状開口を覆うように張設された導電性ワイヤはいずれも、一端が導電性固定部に固定され、他端は絶縁性固定部に固定されている。これは、第１電極部、第２電極部のいずれでも同じであり、温度が変化する際の伸縮の状態は全ての導電性ワイヤで同じであるとみなせる。例えばいま導電性ワイヤの両端がいずれもベース部に固定されているとすると、温度が上昇して導電性ワイヤが膨張したとき、ベース部も該導電性ワイヤと同じように膨張して開口が広がらないと導電性ワイヤは引っ張られたり弛んだりする。熱膨張率が低い材料が導電性ワイヤに用いられたときベース部を形成する絶縁体材料の熱膨張率がそれよりも高いと、温度が上昇するに伴い導電性ワイヤは引っ張られて切れるおそれがある。一方、熱膨張率が高い材料が導電性ワイヤに用いられたときベース部を形成する絶縁体材料の熱膨張率がそれよりも低いと、温度が上昇するに伴い導電性ワイヤは弛み、隣り合うワイヤと接して短絡するおそれがある。【００１６】
これに対し本発明に係るゲート電極では、ベース部の矩形状開口の内側に導電性固定部が取り付けられているため、温度上昇によって導電性固定部が膨張すると、該導電性固定部は矩形状開口の内方に膨張することになる。即ち、導電性固定部の膨張の方向はベース部の熱膨張による開口の広がりとは反対方向になる。したがって、導電性固定部へ固定された導電性ワイヤの一端の位置は、温度上昇に伴い、矩形状開口の広がりと導電性固定部の開口内方への膨張との差にほぼ相当する分だけ移動する。この移動量と導電性ワイヤの伸張（膨張）量とを或る程度合わせれば、該ワイヤの引っ張りや弛みは軽減される。【００１７】
ベース部及び絶縁性固定部の材料、導電性固定部の材料、並びに導電性ワイヤの材料のそれぞれの熱膨張率は、各材料の選択で決まってしまい制約があるものの、本発明に係るゲート電極の構成では、それぞれの材料の熱膨張率の条件の下で、導電性ワイヤの延伸方向における矩形状開口の幅と導電性固定部の幅とがそれぞれ適切に定められている。これら幾何学的なサイズの調整の自由度は、材料の熱膨張率の選択に比べて格段に大きいので、大きな温度上昇時にも熱膨張によって導電性ワイヤが過剰に引っ張られたり逆に該ワイヤが大きく弛んだりすることを回避するように調整することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るゲート電極によれば、温度が上昇しても電極として機能する導電性ワイヤが引っ張られたり弛んだりしにくくなる。そのため、高温の環境の下でも、導電性ワイヤが過剰に弛むことによる隣接するワイヤとの接触や、該導電性ワイヤが過剰に引っ張られることによる変形又は切断を回避することができる。【００１９】
また本発明に係るイオン移動度分析装置によれば、上述したようなゲート電極をシャッタゲートとして用いるので、ドリフト管などを従来よりも高温に加熱することができるようになる。それによって、ドリフト領域から水蒸気や溶媒液滴などを十分に除去することができ、イオン移動度分析の精度や分解能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施例であるゲート電極の平面図。
【図２】ゲート電極の変形例の平面図。
【図３】一般的なイオン移動度分析装置の概略構成図。
【図４】従来のゲート電極の一例の概略斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明に係るゲート電極及び該ゲート電極をシャッタゲートとして用いたイオン移動度分析装置の一実施例について、添付図面を参照して説明する。
図１は本実施例のゲート電極１０Ａの平面図である。
【００２２】
図１に示すように、本実施例のゲート電極１０Ａにあって、外形が上面視（紙面を上から見た状態）矩形状であって平板状であるセラミック製のベース１１には、その中央に矩形状の開口１２が形成されている。ここでは便宜上、図の縦方向をｙ方向、横方向をｘ方向としている。矩形状の開口１２内側のｙ方向に対向する二辺（図１では上辺及び下辺）には、金属製であって同じ大きさの一対の上面視台形状の導電性固定部材１３１、１３２が取り付けられ、さらにその一対の導電性固定部材１３１、１３２の内側には対向して、セラミック製であって同じ大きさの一対の絶縁性固定部材１４１、１４２が取り付けられている。ここで、開口１２のｙ方向の長さをＬ、導電性固定部材１３１、１３２のｙ方向の幅をＤとする。
【００２３】
二個一組である一方の櫛形電極１５１は、櫛歯に相当する複数の細線の電極を連結する連結部１５１ａが上側の導電性固定部材１３１に固着され、その細線の電極のそれぞれの末端が下側の絶縁性固定部材１４２に固着されている。同様に他方の櫛形電極１５２は、連結部１５２ａが下側の導電性固定部材１３２に固着され、細線の電極（本発明における導電性ワイヤ）のそれぞれの末端が上側の絶縁性固定部材１４１に固着されている。これらの固着には、十分な耐熱性（好ましくは200℃程度以上）を有する導電性接着剤を用いるとよい。ここで、櫛形電極１５１、１５２の連結部１５１ａ、１５２ａはいずれも導電性固定部材１３１、１３２の幅Ｄの略中央に固着されている。また、櫛形電極１５１、１５２の各細線の電極の末端部１５１ｂ、１５２ｂは絶縁性固定部材１４１、１４２の幅の略中央に固着されている。ここでは、ｙ方向には、上側の絶縁性固定部材１４１の下縁と下側の絶縁性固定部材１４２の上縁との間が、イオンが通過可能な実質的な開口となる。
【００２４】
ベース１１と絶縁性固定部材１４１、１４２とは同じセラミックであって熱膨張率は等しい。一方、導電性固定部材１３１、１３２と櫛形電極１５１、１５２とはいずれも金属であるが、異なる種類の金属であり熱膨張率は互いに相違する。いま、温度がＴ℃上昇（δＴ）するときの、セラミックの熱膨張率をαC、導電性固定部材１３１、１３２に使用される金属Ａの熱膨張率をαA、櫛形電極１５１、１５２に使用される金属Ｂの熱膨張率をαBとする。このゲート電極１０Ａの形状はｘ方向に延伸する中心線Ｃを中心に上下対称であるから、いま中心線Ｃから上半分における熱膨張を考える。
【００２５】
温度が上昇すると、ベース１１の熱膨張によって開口１２のｙ方向の長さは拡大する。一方、導電性固定部材１３１、１３２のｙ方向の幅も熱膨張によって拡大する。そのため、温度がＴ℃上昇したときの、中心線Ｃから導電性固定部材１３１の内側までのｙ方向の長さの変化量δCは次の(1)式で表すことができる。
δC＝｛δＴ・αC・（Ｌ／２）｝−（δＴ・αA・Ｄ）      …(1)
(1)式の第１項はベース１１の熱膨張による開口１２の拡大、第２項は導電性固定部材１３１の熱膨張によるイオン通過可能な実質的開口の縮小である。
【００２６】
一方、同じ温度上昇における櫛形電極１５１、１５２の、中心線Ｃから固着部位までのｙ方向のおおよその変化量δBは次の(2)式で表すことができる。
δB＝δＴ・αB・｛（Ｌ／２）−Ｄ｝      …(2)
ここでは、櫛形電極１５１、１５２の細線の電極の末端部１５１ｂ、１５２ｂが固着される絶縁性固定部材１４１、１４２の変化量やその固着位置は考慮されていないものの、絶縁性固定部材１４１、１４２のｙ方向の幅を小さくしておけばその変化量は無視できる程度である。
【００２７】
上記変化量δCは導電性固定部材１３１、１３２における櫛形電極１５１、１５２の固着位置の変化量であるとみなせるから、この変化量δCと櫛形電極１５１、１５２自体の変化量δBとがほぼ等しければ、櫛形電極１５１、１５２は温度上昇があっても引っ張られも弛みもしない筈である。そこで、δC＝δBとなるように、つまりは(3)式が満たされるように、各材料、即ちセラミック、金属Ａ、及び金属Ｂのそれぞれの熱膨張率、ベース１１の開口１２のｙ方向の長さＬ、導電性固定部材１３１、１３２のｙ方向の幅Ｄを決定しておく。
αB・｛（Ｌ／２）−Ｄ｝＝αC・（Ｌ／２）−αA・Ｄ      …(3)
【００２８】
熱膨張率は材料で決まるため、選択の自由度は非常に狭い。そこで、セラミック、金属Ａ、及び金属Ｂの選択によって熱膨張率αA、αB、αCを定め、そのうえで(3)式を満たすように長さＬ及び幅Ｄを決定する。
【００２９】
具体的な構成例として、いま、ベース１１及び絶縁性固定部材１４１、１４２の材料をアルミナ、導電性固定部材１３１、１３２の材料をSUS304（ステンレス）、櫛形電極１５１、１５２の材料をFe-Ni36%（いわゆるインバー：登録商標）とする。それぞれの熱膨張率は、アルミナ：７．２[ppm/℃]、SUS304：１７．３[ppm/℃]、Fe-Ni36%：１．２[ppm/℃]である。これらを(3)式に代入すると、αA＝17.3、αB＝1.2、αC＝7.2、であるから、
1.2×｛（Ｌ／２）−Ｄ｝＝7.2×（Ｌ／２）−17.3×Ｄ
となり、これを解くとＬ＝5.4×Ｄという関係が得られる。したがって、導電性固定部材１３１、１３２の幅を１０mmとした場合には、ベース１１の開口１２のｙ方向の長さを５４mmに定めればよい。
【００３０】
本実施例のゲート電極１０Ａでは、上記構成を採ることにより、温度が上昇しても開口１２を被覆するように張設された櫛形電極１５１、１５２が大きく引っ張られたり逆に弛んだりすることを回避することができる。本実施例のイオン移動度分析装置は基本的には図３に示した従来と同じ構成であるが、上記ゲート電極１０Ａをシャッタゲートとして利用する。それによって、ドリフト領域を従来よりも高温にしても、シャッタゲートの電極が切れたり隣接する電極が接触してシャッタとして機能しなくなったりすることを防止できる。それによって、ドリフト領域に存在する水蒸気や溶媒液滴を減らすことができるので、ドリフト領域に導入されたイオンがそれら粒子に衝突する可能性が低くなり、分解能や精度が向上する。
【００３１】
なお、上記実施例では、細線の電極が連結部で連結された櫛形電極を用いていたが、図２に示すゲート電極１０Ｂのように、櫛形電極の代わりに、それぞれ複数の金属線からなる電極を用いてもよい。
【００３２】
また、上記実施例は本発明の一例に過ぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜、変更や修正、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】
【００３３】
１…イオン源
２…ドリフト電極群
２ａ…電極
３…シャッタゲート
４…ドリフト領域
５…検出器
１０Ａ、１０Ｂ…ゲート電極
１１…ベース
１２…開口
１３１、１３２…導電性固定部材
１４１、１４２…絶縁性固定部材
１５１、１５２…櫛形電極
１５１ａ、１５２ａ…連結部
１５１ｂ、１５２ｂ…細線の電極の末端部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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