(57)【要約】  本発明は、イオン移動度分析装置及び分析方法を提供する。分析器は、イオン源と、２組の平行な電極群であって、これらの間に移動領域が形成されており、移動領域はイオン入口及びイオン出口を有し、イオン入口はイオン源に連通しており、２組の平行な電極群はそれぞれ平面内に位置しており、且つ２つの当該平面が互いに平行であり、移動領域には層流が存在している２組の平行な電極と、イオンに対する気流の作用方向とは逆方向の直流電場が形成され、気流と直流電場の相互作用によって異なる移動度を有するイオンが捕捉されるよう、２組の平行な電極群に直流電位を印加する電源装置であって、更に、異なる移動度を有するイオンを移動領域において分離するよう直流電場を走査し、更に、気流に対し垂直な方向にイオンを束縛するよう平行な電極群にＲＦ電圧を重畳する電源装置と、イオン出口に連通しており、イオンを受け付けて検出する検出器と、を含む。本発明の分析器は感度及びイオンの利用効率が高く、且つ、イオン移動度を正確に測定可能である。【選択図】図４Ａ
2019525203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン分析物の分離及び標識のためのイオン移動度分析装置において、
イオン源と、
２組の平行な電極群であって、これらの間に移動領域が形成されており、前記移動領域はイオン入口及びイオン出口を有し、前記イオン入口は前記イオン源に連通しており、前記２組の平行な電極群はそれぞれ平面内に位置しており、且つ２つの当該平面が互いに平行であり、前記移動領域には気流が存在しており、前記気流が層流である２組の平行な電極群と、
イオンに対する前記気流の作用方向とは逆方向の直流電場が形成され、前記気流と直流電場の相互作用によって異なる移動度を有するイオンが捕捉されるよう、前記２組の平行な電極群に直流電位を印加する電源装置であって、更に、異なる移動度を有するイオンを移動領域において分離するよう前記直流電場を走査し、更に、前記気流に対し垂直な方向にイオンを束縛するよう前記平行な電極群にＲＦ電圧を重畳する電源装置と、
前記イオン出口に連通しており、イオンを受け付けて検出する検出器と、を含むことを特徴とするイオン移動度分析装置。
【請求項２】
平行な電極群ごとに一連の平行な線状電極を含み、前記線状電極の延伸方向は前記気流の方向に対し垂直であり、隣接する線状電極には位相の異なるＲＦ電圧が印加され、前記気流に対し垂直な方向にイオンを束縛する四重極電場配列又は多重極電場配列が形成されることを特徴とする請求項１に記載のイオン移動度分析装置。
【請求項３】
平行な電極群ごとに一連の平行な線状電極を含み、前記線状電極の方向は前記気流の方向に対し平行であり、隣接する線状電極には位相の異なるＲＦ電圧が印加され、気流に対し平行な方向にイオンを束縛する四重極電場配列又は多重極電場配列が形成されることを特徴とする請求項１に記載のイオン移動度分析装置。
【請求項４】
前記移動領域のイオン出口近傍における予め定められた長さ部分には一連の電極が設けられており、前記予め定められた長さ部分の一連の電極には、電場を収束してイオンビームを束縛及び収束し、検出器へと伝送するようＲＦ電圧が印加されることを特徴とする請求項１に記載のイオン移動度分析装置。
【請求項５】
前記イオン源及び検出器は、それぞれ前記気流の上流及び下流に位置していることを特徴とする請求項１に記載のイオン移動度分析装置。
【請求項６】
前記イオン源及び検出器は、それぞれ前記気流の下流及び上流に位置していることを特徴とする請求項１に記載のイオン移動度分析装置。
【請求項７】
前記イオン源及び検出器は、前記気流における特定位置の両側に同様に位置していることを特徴とする請求項１に記載のイオン移動度分析装置。
【請求項８】
前記イオン移動度分析装置とともに移動度と質量電荷比を組み合わせた分析器を構成するよう、前記移動領域の前段及び／又は後段には質量スペクトル分析器が含まれることを特徴とする請求項１に記載のイオン移動度分析装置。
【請求項９】
前記イオン源の近傍でイオンが濃縮されるよう、前記電源装置は、前記移動領域のうちイオン入口の近傍部分の電極に、イオンに対する作用方向が前記気流とは逆方向の非線形電場を形成することを特徴とする請求項１に記載のイオン移動度分析装置。
【請求項１０】
前記移動領域内の前記直流電場は、異なる移動度を有するイオンを捕捉するよう非線形直流電場を含み、
前記電源装置は、捕捉されたイオンが移動度別に移動領域を別々の移動時間に通過して検出器に到達するよう、時間に伴って前記非線形直流電場を走査することを特徴とする請求項１に記載のイオン移動度分析装置。
【請求項１１】
前記移動領域内の前記直流電場は、全てのイオンがイオン入口から移動領域の一端に伝送されて当該端で濃縮するよう非線形直流電場を含み、
前記電源装置は、濃縮した当該イオンが移動度別に移動領域を別々の移動時間に通過して検出器に到達するよう、時間に伴って前記非線形直流電場を走査することを特徴とする請求項１に記載のイオン移動度分析装置。
【請求項１２】
全てのイオンビームを気流に対して垂直な方向にイオン源から検出器へと向かう軸線付近に束縛するよう、前記直流電場の種別には非線形直流電場が含まれ、
前記電源装置は、イオンが気流に対して垂直な方向にイオン入口からイオン出口に到達するよう、前記２組の平行な電極群における少なくとも一部に気流に対して垂直な方向の直流勾配を付与することを特徴とする請求項１に記載のイオン移動度分析装置。
【請求項１３】
イオンが移動度別に移動領域を別々の移動時間に通過して検出器に到達するよう、前記移動領域内の気流の速度が時間に伴って走査されることを特徴とする請求項１に記載のイオン移動度分析装置。
【請求項１４】
イオン分析物を分離及び識別する分析方法であって、
イオン源を提供し、
２組の平行な電極群であって、これらの間に移動領域が形成されており、前記移動領域はイオン入口及びイオン出口を有し、前記イオン入口は前記イオン源に連通しており、前記２組の平行な電極群はそれぞれ平面内に位置しており、且つ２つの当該平面が互いに平行であり、前記移動領域には気流が存在しており、前記気流が層流である２組の平行な電極群を提供し、
イオンに対する前記気流の作用方向とは逆方向の直流電場が形成され、前記気流と直流電場の相互作用によって異なる移動度を有するイオンが捕捉されるよう、前記２組の平行な電極群に直流電位を印加する電源装置であって、更に、異なる移動度を有するイオンを移動領域において分離するよう前記直流電場を走査し、更に、前記気流に対し垂直な方向にイオンを束縛するよう前記平行な電極群にＲＦ電圧を重畳する電源装置を提供し、
イオンを受け付けて検出するよう前記イオン出口に連通する検出器を提供することを特徴とする方法。
【請求項１５】
前記移動領域内の前記直流電場は非線形直流電場を含み、前記方法は、
前記非線形直流電場を利用して異なる移動度を有するイオンを捕捉し、
捕捉されたイオンが移動度別に移動領域を別々の移動時間に通過して検出器に到達するよう、時間に伴って前記非線形直流電場を走査することを特徴とする請求項１４に記載の分析方法。
【請求項１６】
前記移動領域内の前記直流電場は非線形直流電場を含み、前記方法は、
前記非線形直流電場を利用して、全てのイオンをイオン入口から移動領域の一端に伝送するとともに当該端で濃縮し、
濃縮した当該イオンが移動度別に移動領域を別々の移動時間に通過して検出器に到達するよう、時間に伴って前記非線形直流電場を走査することを特徴とする請求項１４に記載の分析方法。
【請求項１７】
前記直流電場の種別には非線形直流電場が含まれ、前記方法は、
全てのイオンビームを気流に対して垂直な方向にイオン源から検出器へと向かう軸線付近に束縛し、
イオンが気流に対して垂直な方向にイオン入口からイオン出口に到達するよう、前記２組の平行な電極群における少なくとも一部に気流に対して垂直な方向の直流勾配を付与することを特徴とする請求項１４に記載の分析方法。
【請求項１８】
イオンが移動度別に移動領域を別々の移動時間に通過して検出器に到達するよう、移動領域内の気流の速度が時間に伴って走査されることを特徴とする請求項１４に記載の分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン移動度分析の技術分野に関し、特に、イオン移動度分析装置及びこれに応用される分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオンの移動度を測定する方式には、電場及び静止ガス中のイオン速度を測定する方式と、垂直な電場及び気流におけるイオンの運動距離を測定する方式の２種類がある。しかし、これら２種類のイオンモビリティスペクトロメトリー（ＩＭＳ，Ｉｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）による分解能と感度は拡散により制限されてしまう。ここで、従来のＴＯＦ（Ｔｉｍｅ  Ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）−ＩＭＳによる分解能については、移動管の長さ延長や電場強度の上昇とともに、径方向の電場（ＲＦイオン漏斗、ＲＦ四重極電場及び直流の周期的静電場）を上昇することで拡散による分解能への影響を低減可能である。また、ＴＯＦ−ＩＭＳによれば非常に短時間でイオン移動度スペクトルを完成させられる。更には、数ミリ秒で１００超の分解能が得られる。しかし、ＴＯＦ−ＩＭＳの場合には、主として分解能が上がるほどデューティー比が低下するとの欠点がある。
【０００３】
ＩＭＳの分解能をより向上するために、Ｚｅｌｅｎｙ（非特許文献１）は、パラレルフローアナライザにおいて気流と電場の方向を互いに逆向きとすればよいことを提案した。Ｚｅｌｅｎｙの分析器は２つの平行なグリッドを含み、イオンは気流と電場による２つの相反する作用力によって平衡をとる。これに対し、Ｌａｉｋｏ（非特許文献２）はＺｅｌｅｎｙの装置を改良した。Ｌａｉｋｏの分析器は気流と逆方向の非線形電場を含み、異なる移動度を有するイオンを電場と気流の相互作用によって分離する。しかし、Ｌａｉｋｏの装置は、大気圧下で動作する場合に拡散作用を低減するための径方向の力が存在せず、実験結果が理想的とはいえない。また、これら以外にも、Ｌｏｂｏｄａによる逆方向気流を伴う分割四重極電場（特許文献１）、Ｇｉｌｌｉｇによる直流ＰＦＤＭＡ（ＤＣ  ｐｅｒｉｏｄｉｃ  ｆｏｃｕｓｉｎｇ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ａｎａｌｙｚｅｒ）（特許文献２）、及びＰａｒｋによるパラレルフローＩＭＳ（ｐａｒａｌｌｅｌ  ｆｌｏｗ  ｉｏｎ  ｍｏｂｉｌｉｔｙ  ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）／ＴＩＭＳ（Ｔｒａｐｐｅｄ  Ｉｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）（特許文献３）を含む様々なパラレルフローアナライザを製造する試みがなされている。しかし、現在のところはＬｏｂｏｄａとＰａｒｋの装置及びＧｉｌｌｉｇのＰＦＤＭＡのみが実験的に成功している。ＬｏｂｏｄａとＰａｒｋの装置ではいずれも低圧気流下でＲＦ電場を用い、径方向にイオンを束縛する。このうち、Ｐａｒｋは非線形電場を用い、イオン移動度に応じてイオンを予め分離してから、電場を緩やかに低下させることでイオンを移動度の違いに応じてゆっくりと順に分析器に通過させている（図１参照）。一方、Ｌｏｂｏｄａは、緩やかに上昇する均一電場によりイオンを押動し、気流の作用に抗して分析器に通過させている。また、Ｇｉｌｌｉｇの場合には、気流に対し垂直な電場と逆方向の電場を組み合わせてイオンを駆動し、気流の作用に抗して検出器に到達させている。このうち、Ｐａｒｋの装置はＬｏｂｏｄａの装置に比べて動作気圧が高く、より高い分解能が得られる。しかし、Ｐａｒｋの装置には次のような３つの欠点が存在する。第一に、不使用時の滞留時間が長い。第二に、１回の分析で捕捉される特定移動度のイオン数に限界があるため、装置の感度とデューティー比が低い。第三に、当該装置における移動ガスは空気に限られているため、測定される移動度が不正確となる。
【０００４】
上記より、感度及びイオンの利用効率が高く、イオン移動度を正確に測定可能な高分解能のＩＭＳ分析器が必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６６３０６６２Ｂ１号
【特許文献２】米国特許第９３２４５５２Ｂ２号
【特許文献３】米国特許第７８３８８２６Ｂ１号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｚｅｌｅｎｙ，Ｊ．Ｐｈｉｌｏｓ．Ｍａｇ．４６，１２０（１８９８）
【非特許文献２】Ｌａｉｋｏ，Ｖｉｃｔｏｒ  Ｖ．Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｔｈｅ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｆｏｒ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ  １７．４（２００６）：５００−５０７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した従来技術における欠点に基づき、本発明は、イオン移動度分析装置及びこれに応用される分析方法を提供し、従来技術における課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的及びその他関連の目的を実現するために、本発明は、イオン分析物の分離及び標識のためのイオン移動度分析装置であって、イオン源と、２組の平行な電極群であって、これらの間に移動領域が形成されており、前記移動領域はイオン入口及びイオン出口を有し、前記イオン入口は前記イオン源に連通しており、前記２組の平行な電極群はそれぞれ平面内に位置しており、且つ２つの当該平面が互いに平行であり、前記移動領域には気流が存在しており、前記気流が層流である２組の平行な電極群と、イオンに対する前記気流の作用方向とは逆方向の直流電場が形成され、前記気流と直流電場の相互作用によって異なる移動度を有するイオンが捕捉されるよう、前記２組の平行な電極群に直流電位を印加する電源装置であって、更に、異なる移動度を有するイオンを移動領域において分離するよう前記直流電場を走査し、更に、前記気流に対し垂直な方向にイオンを束縛するよう前記平行な電極群にＲＦ電圧を重畳する電源装置と、前記イオン出口に連通しており、イオンを受け付けて検出する検出器と、を含む装置を提供する。
【０００９】
本発明の一実施例において、平行な電極群ごとに一連の平行な線状電極を含み、前記線状電極の延伸方向は前記気流の方向に対し垂直であり、隣接する線状電極には位相の異なるＲＦ電圧が印加され、前記気流に対し垂直な方向にイオンを束縛する四重極電場配列又は多重極電場配列が形成される。
【００１０】
本発明の一実施例において、平行な電極群ごとに一連の平行な線状電極を含み、前記線状電極の方向は前記気流の方向に対し平行であり、隣接する線状電極には位相の異なるＲＦ電圧が印加され、気流に対し平行な方向にイオンを束縛する四重極電場配列又は多重極電場配列が形成される。
【００１１】
本発明の一実施例において、前記移動領域のイオン出口近傍における予め定められた長さ部分には一連の電極が設けられており、前記予め定められた長さ部分の一連の電極には、電場を収束してイオンビームを束縛及び収束し、検出器へと伝送するようＲＦ電圧が印加される。
【００１２】
本発明の一実施例において、前記イオン源及び検出器は、それぞれ前記気流の上流及び下流に位置している。
【００１３】
本発明の一実施例において、前記イオン源及び検出器は、それぞれ前記気流の下流及び上流に位置している。
【００１４】
本発明の一実施例において、前記イオン源及び検出器は、前記気流における特定位置の両側に同様に位置している。
【００１５】
本発明の一実施例において、前記イオン移動度分析装置とともに移動度と質量電荷比を組み合わせた分析器を構成するよう、前記移動領域の前段及び／又は後段には質量スペクトル分析器が含まれる。
【００１６】
本発明の一実施例において、前記イオン源の近傍でイオンが濃縮されるよう、前記電源装置は、前記移動領域のうちイオン入口の近傍部分の電極に、イオンに対する作用方向が前記気流とは逆方向の非線形電場を形成する。
【００１７】
本発明の一実施例において、前記移動領域内の前記直流電場は、異なる移動度を有するイオンを捕捉するよう非線形直流電場を含み、前記電源装置は、捕捉されたイオンが移動度別に移動領域を別々の移動時間に通過して検出器に到達するよう、時間に伴って前記非線形直流電場を走査する。
【００１８】
本発明の一実施例において、前記移動領域内の前記直流電場は、全てのイオンがイオン入口から移動領域の一端に伝送されて当該端で濃縮するよう非線形直流電場を含み、前記電源装置は、濃縮した当該イオンが移動度別に移動領域を別々の移動時間に通過して検出器に到達するよう、時間に伴って前記非線形直流電場を走査する。
【００１９】
本発明の一実施例において、全てのイオンビームを気流に対して垂直な方向にイオン源から検出器へと向かう軸線付近に束縛するよう、前記直流電場の種別には非線形直流電場が含まれ、前記電源装置は、イオンが気流に対して垂直な方向にイオン入口からイオン出口に到達するよう、前記２組の平行な電極群における少なくとも一部に気流に対して垂直な方向の直流勾配を付与する。
【００２０】
本発明の一実施例において、イオンが移動度別に移動領域を別々の移動時間に通過して検出器に到達するよう、前記移動領域内の気流の速度が時間に伴って走査される。
【００２１】
上記の目的及びその他関連の目的を実現するために、本発明は、イオン分析物を分離及び識別する分析方法であって、イオン源を提供し、２組の平行な電極群であって、これらの間に移動領域が形成されており、前記移動領域はイオン入口及びイオン出口を有し、前記イオン入口は前記イオン源に連通しており、前記２組の平行な電極群はそれぞれ平面内に位置しており、且つ２つの当該平面が互いに平行であり、前記移動領域には気流が存在しており、前記気流が層流である２組の平行な電極群を提供し、イオンに対する前記気流の作用方向とは逆方向の直流電場が形成され、前記気流と直流電場の相互作用によって異なる移動度を有するイオンが捕捉されるよう、前記２組の平行な電極群に直流電位を印加する電源装置であって、更に、異なる移動度を有するイオンを移動領域において分離するよう前記直流電場を走査し、更に、前記気流に対し垂直な方向にイオンを束縛するよう前記平行な電極群にＲＦ電圧を重畳する電源装置を提供し、イオンを受け付けて検出するよう前記イオン出口に連通する検出器を提供する方法を提示する。
【００２２】
本発明の一実施例において、前記移動領域内の前記直流電場は非線形直流電場を含み、前記方法は、前記非線形直流電場を利用して異なる移動度を有するイオンを捕捉し、捕捉されたイオンが移動度別に移動領域を別々の移動時間に通過して検出器に到達するよう、時間に伴って前記非線形直流電場を走査する。
【００２３】
本発明の一実施例において、前記移動領域内の前記直流電場は非線形直流電場を含み、前記方法は、前記非線形直流電場を利用して、全てのイオンをイオン入口から移動領域の一端に伝送するとともに当該端で濃縮し、濃縮した当該イオンが移動度別に移動領域を別々の移動時間に通過して検出器に到達するよう、時間に伴って前記非線形直流電場を走査する。
【００２４】
本発明の一実施例において、前記直流電場の種別には非線形直流電場が含まれ、前記方法は、全てのイオンビームを気流に対して垂直な方向にイオン源から検出器へと向かう軸線付近に束縛し、イオンが気流に対して垂直な方向にイオン入口からイオン出口に到達するよう、前記２組の平行な電極群における少なくとも一部に気流に対して垂直な方向の直流勾配を付与する。
【００２５】
本発明の一実施例において、前記分析方法は、イオンが移動度別に移動領域を別々の移動時間に通過して検出器に到達するよう、移動領域内の気流の速度を時間に伴って走査する。
【発明の効果】
【００２６】
以上述べたように、本発明はイオン移動度分析装置及び分析方法を提供する。分析器は、イオン源と、２組の平行な電極群であって、これらの間に移動領域が形成されており、前記移動領域はイオン入口及びイオン出口を有し、前記イオン入口は前記イオン源に連通しており、前記２組の平行な電極群はそれぞれ平面内に位置しており、且つ２つの当該平面が互いに平行であり、前記移動領域には気流が存在しており、前記気流が層流である２組の平行な電極群と、イオンに対する前記気流の作用方向とは逆方向の直流電場が形成され、前記気流と直流電場の相互作用によって異なる移動度を有するイオンが捕捉されるよう、前記２組の平行な電極群に直流電位を印加する電源装置であって、更に、異なる移動度を有するイオンを移動領域において分離するよう前記直流電場を走査し、更に、前記気流に対し垂直な方向にイオンを束縛するよう前記平行な電極群にＲＦ電圧を重畳する電源装置と、前記イオン出口に連通しており、イオンを受け付けて検出する検出器と、を含む。本発明の分析器は感度及びイオンの利用効率が高く、且つ、イオン移動度を正確に測定可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、従来技術におけるＰａｒｋ特許の移動度分析器を示す図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の一実施例におけるイオン移動度分析装置の第１の構造を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の一実施例におけるイオン移動度分析装置の第２の構造を示す図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、図２Ａ又は図２Ｂにおけるイオン移動度分析装置のｘｙ平面の断面図である。
【図３】図３は、本発明におけるイオン移動度分析装置と、当該装置の前段及び後段における真空装置との関係を示す構造図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明におけるイオン移動度分析装置の第１実施例の構造を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明におけるイオン移動度分析装置の第１実施例にかかる分析ステップの電場分布を示す図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、本発明におけるイオン移動度分析装置の第１実施例にかかるイオン軌道のシミュレーション図である（シミュレーション条件として、ｍ／ｚ：７２０、４ＴｏｒｒのＮ２、開始電場強度８．５Ｖ／ｍｍ、走査速度１×１０−４Ｖ／ｍｍ・μｓ）。
【図４Ｄ】図４Ｄは、本発明におけるイオン移動度分析装置の第１実施例にかかるシミュレーションスペクトルである。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明におけるイオン移動度分析装置の第２実施例の構造を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明におけるイオン移動度分析装置の第２実施例にかかる分析ステップの電場分布を示す図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、本発明におけるイオン移動度分析装置の第２実施例にかかるイオン軌道のシミュレーション図である（シミュレーション条件として、ｍ／ｚ：７２０、４ＴｏｒｒのＮ２、開始電場強度９Ｖ／ｍｍ、走査速度１×１０−４Ｖ／ｍｍ・μｓ）。
【図５Ｄ】図５Ｄは、本発明におけるイオン移動度分析装置の第２実施例にかかるシミュレーションスペクトルである。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明におけるイオン移動度分析装置の第３実施例の構造を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明におけるイオン移動度分析装置の第３実施例にかかる分析ステップの電場分布を示す図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、本発明におけるイオン移動度分析装置の第３実施例にかかるイオン軌道のシミュレーション図である（シミュレーション条件として、ｍ／ｚ：７２０、４ＴｏｒｒのＮ２、開始電場強度８．５Ｖ／ｍｍ、走査速度１×１０−４Ｖ／ｍｍ・μｓ）。
【図６Ｄ】図６Ｄは、本発明におけるイオン移動度分析装置の第３実施例にかかるシミュレーションスペクトルである。
【図７Ａ】図７Ａは、本発明におけるイオン移動度分析装置の第４実施例の構造を示す図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、本発明におけるイオン移動度分析装置の第４実施例にかかる分析ステップの電場分布を示す図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、本発明におけるイオン移動度分析装置の第４実施例にかかるイオン軌道のシミュレーション図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下に、特定の具体的実施例を挙げて本発明の実施形態につき説明する。なお、当業者であれば、本明細書に開示の内容から、本発明のその他の利点及び効果を容易に理解可能である。
【００２９】
なお、本明細書の図面に記載する構造、比率、寸法等は、当業者の理解と閲覧のために明細書に開示の内容と組み合わせているにすぎず、本発明で実施可能な条件を限定するものではない。よって、これらの図面に技術上の実質的意味はない。また、構造についてのあらゆる補足、比率関係の変更又は寸法の調整は、本発明によりもたらされる効果及び達成可能な目的に影響しない限り、いずれも本発明に開示される技術内容で網羅可能な範囲に包括される。また、本明細書で使用する「上」、「下」、「左」、「右」、「中間」や「一の」等の用語もまた記載を明瞭化するためのものにすぎず、本発明で実施可能な範囲を限定するものではない。よって、相対関係の変更又は調整は、技術内容に実質的変更がない限り、いずれも本発明で実施可能な範囲とみなされる。
【００３０】
本発明は、イオン、分子及び粒子の分離と標識に用いられる技術方案を提供する。具体的に、本発明は、電場及び気流がイオンにもたらす相互作用の下で、イオン移動度に応じてイオンを分離及び分析する装置及び方法を提供する。本発明は、電場走査及び気流走査という２種類の方式でイオンを分離及び分析可能である。なお、本発明が有する平面構造によれば大イオン容量が提供されるため、装置は高分解能を有するとともに、高い感度及びイオン利用効率を有する。
【００３１】
図２Ａは、本発明におけるイオン移動度分析装置１の一実施例の構造を示す図である。前記イオン移動度分析装置１は、互いに平行な２組の電極群７及び８を含む。電極群７と電極群８はそれぞれ複数の線状電極を含む。且つ、電極群７と電極群８の各線状電極は一対一で対をなすよう設けられており、イオン伝送の軸方向に沿って順に配列されている。また、電極群７と電極群８の間には移動領域が形成されている。前記移動領域には気流４が存在しており、前記気流は層流である。また、平行な電極群７と８が存在する平面同士は互いに平行である。
【００３２】
前記平行な電極群７と８には、１つ前の領域に直流電場６が形成されるよう、電源装置によって直流電位が印加される。前記直流電場６は線形としてもよいし非線形としてもよいが、図中の矢印から明らかなように、イオンに対する作用方向は気流４と逆方向とする。
【００３３】
また、気流４に対し垂直な流動方向においてイオンを束縛する四重極電場又は多重極電場が形成されるよう、前記電源装置は、電極群７及び８における隣接する電極に位相の異なるＲＦ電圧を重畳してもよい。
【００３４】
図２Ｂは、本発明における他の構造であるイオン移動度分析装置１’を示す図である。当該構造は、２つの電極群７’及び８’における各電極がイオン伝送軸の軸方向に対して垂直な方向に分割されている点で図２Ａの構造とは異なる。隣接する電極には、気流４’に対し垂直な方向においてイオンを束縛する四重極電場又は多重極電場が形成されるよう、位相の異なるＲＦ電圧が印加される。このような形式の四重極電場又は多重極電場の場合、イオンの運動方向にＲＦ干渉が存在しないため、装置の分解能が影響を受けることがない。また、イオンに対する作用方向が前記気流とは逆方向の線形又は非線形の直流電場６’が形成されるよう、前記電極群には直流電圧が印加される。
【００３５】
図２Ｃは、本発明の図２Ａ又は図２Ｂの実施例におけるイオン移動度分析装置１’’のｘｙ平面の断面図である。イオン源２はイオン移動度分析装置の入口外部に位置している。また、２組の電極群７’’及び８’’によって移動度分析器としての移動領域が構成される。移動領域には気流４’’が存在しており、前記気流は層流である。また、電極群７’’及び８’’が存在する平面は互いに平行である。電極群７’’及び８’’には、イオンに対する作用方向が気流４’’とは逆方向の線形又は非線形の直流電場６’’が形成されるよう、直流電圧が印加される。また、電極群７’’及び８’’には、ＲＦ電場を形成してイオンを束縛するようＲＦ電圧が重畳される。電場と気流の相互作用により、イオンはイオン軌道５に従って移動領域を通過し、検出器３に到達する。
【００３６】
図３は、一実施例における本発明のイオン移動度分析装置１と、当該装置の前段及び後段の真空装置を含むイオン分析システムを示す図である。イオン源の大気圧から質量分析器における１０−６Ｔｏｒｒの高真空まで、質量分析計は複数の真空装置を備えている。イオンはイオン源から発生すると、毛細管９を通過して一次真空装置１０に進入する。イオンは当該真空装置内でＲＦイオン導入装置１９により収束された後、ディスペンサー２０を経由して二次真空装置１１に進入する。本発明におけるイオン移動度分析装置１は二次真空装置１１に配置されている。また、当該真空装置１１の気圧範囲は２〜４Ｔｏｒｒである。イオンはイオン移動度分析装置１を経由した後、三次真空装置１２に進入する。当該真空装置１２には２つ目のイオン導入装置２２が配置されている。当該真空装置の後段は、質量分析器２４が存在する四次真空装置１３となっている。なお、ここでいう質量分析器はトリプル四重極又はＱ−ＴＯＦとすればよい。各真空装置間は小孔１７及び２３で接続されている。また、各真空装置には、真空を維持するために吸気装置が接続されている。イオン移動度分析装置が設けられる真空装置１１には、純粋な移動度分析キャリアガスを導入するためにガス導入装置１５が存在している。また、当該真空装置１１の装置入口及び装置出口位置には、イオン移動度分析装置内の気流を層流とするために気流整流装置２５及び２６が設けられている。図面から明らかなように、イオンの導入及び導出は、いずれもシステム全体にわたるイオン伝送軸方向に対し垂直な方向に発生する（イオン伝送方向１９，２２，２４参照）。よって、本発明におけるイオン移動度分析装置では、イオン移動度の正確な測定のために純度の高いキャリアガスを導入可能であるとともに、気流の方向及び速度を変更しやすい。
【００３７】
図４Ａ〜４Ｃは、本発明で提供するイオン移動度分析装置の第１実施例について示す一連の図である。
【００３８】
図４Ａは、本発明におけるイオン移動度分析装置の第１実施例の構造を示す図である。本実施例において、イオン源２と検出器３は移動領域の同一端に位置するとともに、気流の上流に位置している。イオンは、気流の作用によってイオン源２から移動領域の他端まで伝送されると、電場と気流の相互作用によって移動度別に異なる位置で平衡をとる。一定時間が経過すると、電場を走査することで、イオンを移動度別に逆方向に移動領域に通過させて、別々の移動時間に検出器に到達させる。本実施例において、前記イオン移動度分析装置は、イオン濃縮（Ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ）、捕捉（Ｔｒａｐ）及び流出（Ｅｌｕｔｅ）という３つの分析ステップを有する。当該３つの分析ステップにおける電場強度分布は図４Ｂのようになる。本実施例において、移動領域は、イオン注入・導出領域３３、イオン伝送・分析領域３４及び非線形電場勾配捕捉領域３５という３つの領域を有する。まず、イオンは連続的に移動領域に導入される。電極群７及び８に印加されている電場は小強度又は零強度であるため、全てのイオンが気流の作用によってイオン注入領域３３及び伝送領域３４を通過して非線形電場勾配捕捉領域３５に進入する。次に、電極群７及び８に直流電圧を印加することで、イオンに対する作用方向が気流とは逆方向の非線形の直流電場を移動領域内に形成する。作用方向は３２のようになり、異なるイオン移動度Ｋ１〜Ｋ５（Ｋ１＞Ｋ２＞Ｋ３＞Ｋ４＞Ｋ５）を有するイオン２７〜３１が当該領域の別々の電場強度位置において気流と平衡をとる。なお、平衡条件はＫＥ＝Ｕとする。気流の速度Ｕを定数とすると、高い移動度を有するイオンは比較的低い電場強度位置で平衡をとる。続いて、一定の濃縮時間が経過した後にイオン源部分のイオンゲートを閉じることで、移動領域に対するイオンの進入を不可能とする。イオンは非線形電場勾配捕捉領域３５で捕捉され、衝突冷却される。一定時間が経過すると、非線形電場勾配捕捉領域３５と伝送領域３４の電場強度は、初期値Ｅ０から一定の速度βで緩やかに上昇する（例えば、電場強度は３９〜３６のように徐々に上昇する）。電場強度の上昇に伴って、まずは比較的高いイオン移動度を有するイオンが移動領域から検出器３に流出する。図４Ｃは、本実施例におけるイオン軌道のシミュレーション図である。また、図４Ｄは、質量電荷比が７２０、衝突断面がそれぞれ２．１１ｅ−１８ｎｍ２及び２．１３ｅ−１８ｎｍ２であるイオンのシミュレーションスペクトルである。図面から明らかなように、分解能は１５０程度、移動時間は５〜７ｍｓであった。
【００３９】
図５Ａは、本発明におけるイオン移動度分析装置の第２実施例を示す図である。本実施例において、イオン源２と検出器３は移動領域の両端にそれぞれ位置している。且つ、イオン源２は気流の上流に位置しており、検出器３は気流の下流に位置している。イオンはイオン源２から移動領域に導入され、移動領域でイオン移動度に応じて異なる位置で捕捉される。一定時間が経過すると、電場を走査することで、イオンを移動度別に移動領域に通過させて、別々の移動時間に検出器に到達させる。本実施例は、濃縮、捕捉及び流出の３つの分析ステップを有する。３つの分析ステップにおける電場強度分布については図５Ｂに示す通りである。本実施例において、移動領域は、イオン分析領域４７、非線形電場捕捉領域４６、イオン伝送領域４５及びイオン注入領域４４という４つの領域を有する。濃縮過程において、イオンは連続的に移動領域に導入される。領域４５及び４４に存在する電場は小強度又は零強度であるため、全てのイオンが気流により駆動されてこれら２つの領域を通過し、捕捉領域４６に進入する。次に、捕捉領域４６において、電極群７及び８に直流電圧を印加することで、イオンに対する作用方向が気流とは逆方向の非線形の直流電場を形成する。作用方向は３２のようになり、異なるイオン移動度Ｋ１〜Ｋ５（Ｋ１＞Ｋ２＞Ｋ３＞Ｋ４＞Ｋ５）を有するイオン２７〜３１が当該領域の別々の電場強度位置において気流と平衡をとる。そして、一定の濃縮時間が経過すると、全てのイオンが移動領域に進入不可能となるようイオン注入領域４４の電場強度を上昇させる。イオンは非線形電場捕捉領域４６で捕捉され、衝突冷却される。次に、流出ステップにおいて、非線形電場捕捉領域４６とイオン分析領域４７の電場強度が、初期値Ｅ０から一定の速度βで緩やかに低下する（例えば、電場強度は５１〜４８のように徐々に低下する）。電場強度の低下に伴って、まずは比較的低いイオン移動度を有するイオンが移動領域から検出器に流出する。図５Ｃは、本実施例におけるイオン軌道のシミュレーション図である。また、図５Ｄは、質量電荷比が７２０、衝突断面がそれぞれ２．１１ｅ−１８ｎｍ２及び２．１３ｅ−１８ｎｍ２であるイオンのシミュレーションスペクトルである。図面から明らかなように、分解能は１５０程度、移動時間は１０〜１２ｍｓであった。
【００４０】
図６Ａは、本発明におけるイオン移動度分析装置の第３実施例を示す図である。本実施例において、気流方向４は第２実施例の気流方向とは逆方向である。また、イオン源２は気流の下流に位置しており、検出器３は気流の上流に位置している。イオンはイオン源２から移動領域に導入され、移動領域でイオン移動度に応じて異なる位置で捕捉される。一定時間が経過すると、電場を走査することで、イオンを移動度別に移動領域に通過させて、別々の移動時間に検出器に到達させる。本実施例は、濃縮、捕捉及び流出の３つの分析ステップを有する。３つの分析ステップにおける電場強度分布については図６Ｂに示す通りである。本実施例において、移動領域は、イオン分析領域４３、非線形電場捕捉領域４２、イオン伝送領域４１及びイオン注入領域４０という４つの領域を有する。濃縮過程において、イオンは連続的に移動領域に導入される。領域４１及び４０には高強度の電場が存在するため、全てのイオンがこれら２つの領域を通過して捕捉領域４２に進入する。次に、捕捉領域４２において、電極群７及び８に直流電圧を印加することで、イオンに対する作用方向が気流とは逆方向の非線形の直流電場を形成する。作用方向は３２のようになり、異なるイオン移動度Ｋ１〜Ｋ５（Ｋ１＞Ｋ２＞Ｋ３＞Ｋ４＞Ｋ５）を有するイオン２７〜３１が当該領域の別々の電場強度位置において気流と平衡をとり捕捉される。そして、一定の濃縮時間が経過すると、全てのイオンが移動領域に進入不可能となるよう、イオン注入領域４０の電場強度を低下させる。イオンは非線形電場捕捉領域４２で捕捉され、衝突冷却される。次に、流出ステップにおいて、非線形電場捕捉領域４２とイオン分析領域４３の電場強度が、初期値Ｅ０から一定の速度βで緩やかに上昇する（例えば、電場強度は３６〜３９のように徐々に上昇する）。電場強度の上昇に伴って、まずは比較的高いイオン移動度を有するイオンが移動領域から検出器に流出する。図６Ｃは、本実施例におけるイオン軌道のシミュレーション図である。また、図６Ｄは、質量電荷比が７２０、衝突断面がそれぞれ２．１１ｅ−１８ｎｍ２及び２．１３ｅ−１８ｎｍ２であるイオンのシミュレーションスペクトルである。図面から明らかなように、分解能は１５０程度、移動時間は５〜７ｍｓであった。
【００４１】
図７Ａは、本発明におけるイオン移動度分析装置の第４実施例を示す図である。本実施例において、イオン源と検出器は移動領域の同一端に位置するとともに、全てのイオンが気流に対し垂直な方向にイオン源から検出器へと伝送される。全てのイオン２７〜３１を気流に対して垂直な方向にイオン源から検出器へと向かう軸線付近に束縛するよう、平行な電極群７及び８には気流と逆方向の非線形電場が印加される。また、全てのイオンが気流に対して垂直な方向にイオン源から検出器へと伝送されるよう、平行な電極群７及び８には気流に対して垂直な方向の直流勾配を重畳する。なお、電場分布については図７Ｂに示す通りである。また、図７Ｃは、本実施例におけるイオン軌道のシミュレーション図である。図面より、イオンの伝送効率はほぼ１００％であり、伝送時間も非常に短かった（約１００μｓ）。
【００４２】
以上述べたように、本発明はイオン移動度分析装置及び分析方法を提供する。分析器は、イオン源と、２組の平行な電極群であって、これらの間に移動領域が形成されており、前記移動領域はイオン入口及びイオン出口を有し、前記イオン入口は前記イオン源に連通しており、前記２組の平行な電極群はそれぞれ平面内に位置しており、且つ２つの当該平面が互いに平行であり、前記移動領域には気流が存在しており、前記気流が層流である２組の平行な電極群と、イオンに対する前記気流の作用方向とは逆方向の直流電場が形成され、前記気流と直流電場の相互作用によって異なる移動度を有するイオンが捕捉されるよう、前記２組の平行な電極群に直流電位を印加する電源装置であって、更に、異なる移動度を有するイオンを移動領域において分離するよう前記直流電場を走査し、更に、前記気流に対し垂直な方向にイオンを束縛するよう前記平行な電極群にＲＦ電圧を重畳する電源装置と、前記イオン出口に連通しており、イオンを受け付けて検出する検出器と、を含む。本発明の分析器は感度及びイオンの利用効率が高く、且つ、イオン移動度を正確に測定可能である。
【００４３】
なお、上記の実施例は本発明の原理及び効果を例示的に説明するためのものにすぎず、本発明を制限するものではない。当該技術を熟知する者であれば、本発明の精神及び範囲から逸脱しないことを前提に、上記実施例につき追加又は変更が可能である。したがって、当業者が、本発明で開示する精神及び技術的思想を逸脱せずに実施するあらゆる等価の追加又は変更もまた、本発明における特許請求の範囲に含まれる。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
2019525203.tif 000019
【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【国際調査報告】
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