(57)【要約】【課題】より高い分離能力を有する電界非対称性イオン移動度分光計を提供すること。【解決手段】２種類以上の物質を含有する混合物から少なくとも１種類の物質を選択的に分離するための電界非対称性イオン移動度分光計を提供する。当該分光計に含まれるフィルタは、イオン化装置からフィルタに向かう方向に平行な主面を有する第１〜第４電極を具備している。第２電極は、第１電極および第３電極の間に位置している。第３電極は、第２電極および前記第４電極の間に位置している。第３電極および第４電極は、それぞれ第１電極および第４電極と電気的に接続されている。隣接する２つの電極の間には隙間が形成されている。第１〜第４電極いずれかの電極上に凸部を持つ。【選択図】図３Ａ
2018185159.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２種類以上の物質を含有する混合物から少なくとも１種類の物質を選択的に分離するための電界非対称性イオン移動度分光計であって、以下を具備する：
前記混合物に含有される２種類以上の物質をイオン化するためのイオン化装置、および
前記イオン化された２種類以上の物質から、前記少なくとも１種類の物質を選択するためのフィルタ、
ここで、
前記フィルタは、前記イオン化装置に隣接しており、
前記フィルタは、第１電極群および第２電極群を具備し、
前記フィルタは、第１電極、第２電極、第３電極、および第４電極を具備し、
前記第１電極群は、前記第１電極および前記第３電極を含み、
前記第２電極群は、前記第２電極および前記第４電極を含み、
第１〜第４電極は、前記イオン化装置から前記フィルタに向かう方向に平行な主面を有し、
前記第２電極は、前記第１電極および前記第３電極の間に位置しており、
前記第３電極は、前記第２電極および前記第４電極の間に位置しており、
前記第３電極は、前記第１電極と電気的に接続されており、
前記第４電極は、前記第２電極と電気的に接続されており、
前記第１電極および第２電極の間には、第１隙間が形成されており
前記第２電極および第３電極の間には、第２隙間が形成されており
前記第３電極および第４電極の間には、第３隙間が形成されており
前記第１電極群は、前記第２電極群から電気的に絶縁されており、かつ
前記第１電極は、その主面上に凸部を具備する、
電界非対称性イオン移動度分光計。
【請求項２】
請求項１に記載の電界非対称性イオン移動度分光計であって、
前記フィルタは、互いに平行な第１絶縁性基板および第２絶縁性基板を具備し、
前記絶縁性第１基板および前記第２絶縁性基板の間に、前記第１〜第４電極が位置しており、かつ
前記第１〜第４電極は、前記第１絶縁性基板の厚み方向に直交する法線を有する、
電界非対称性イオン移動度分光計。
【請求項３】
請求項２に記載の電界非対称性イオン移動度分光計であって、
前記第１電極群は、第１帯状電極を具備し、
前記第２電極群は、第２帯状電極を具備し、
前記第１帯状電極は、前記第２絶縁性基板の裏面に設けられ、
前記第２帯状電極は、前記第２絶縁性基板の裏面に設けられ、
前記第１帯状電極は、前記第１電極および前記第３電極に電気的に接続されており、かつ
前記第２帯状電極は、前記第２電極および前記第４電極に電気的に接続されている、
電界非対称性イオン移動度分光計。
【請求項４】
請求項３に記載の電界非対称性イオン移動度分光計であって、
前記第１帯状電極および第２帯状電極は、前記第１電極の主面に対する法線に平行な方向に伸び出している、
電界非対称性イオン移動度分光計。
【請求項５】
請求項１に記載の電界非対称性イオン移動度分光計であって、さらに
前記フィルタにより選択された前記少なくとも１種類の物質を検出するための検出部を具備し、
前記フィルタは、前記イオン化装置および前記検出部の間に位置している、
電界非対称性イオン移動度分光計。
【請求項６】
請求項１に記載の電界非対称性イオン移動度分光計であって、
前記第１隙間、第２隙間、および第３隙間は、１０μｍ以上３５μｍ以下の幅を有する、
電界非対称性イオン移動度分光計。
【請求項７】
請求項１に記載の電界非対称性イオン移動度分光計であって、
前記各第１電極〜第４電極は、３００μｍ以上、１００００μｍ以下の長さを有する、
電界非対称性イオン移動度分光計。
【請求項８】
請求項１に記載の電界非対称性イオン移動度分光計であって、
前記第１電極は、複数の前記凸部を具備している、
電界非対称性イオン移動度分光計。
【請求項９】
請求項１に記載の電界非対称性イオン移動度分光計であって、
前記第２電極は、凸部を具備しており、かつ
前記第１電極の凸部は、前記第２電極の凸部に向かい合っている、
電界非対称性イオン移動度分光計。
【請求項１０】
請求項１に記載の電界非対称性イオン移動度分光計であって、
前記第２電極は、２つの凸部を具備しており、かつ
前記第１電極の凸部は、前記第２電極の２つの凸部の間の領域に向かい合っている、
電界非対称性イオン移動度分光計。
【請求項１１】
請求項１に記載の電界非対称性イオン移動度分光計であって、
前記凸部の断面は、１５μｍ以下の曲率半径を有する円弧の形状を有している、
電界非対称性イオン移動度分光計。
【請求項１２】
請求項１１に記載の電界非対称性イオン移動度分光計であって、
前記第１隙間は、２７．５μｍ以下の幅を有する、
電界非対称性イオン移動度分光計。
【請求項１３】
電界非対称性イオン移動度分光計を用いて、２種類以上の物質を含有する混合物から少なくとも１種類の物質を選択的に分離する方法であって、
以下を具備する前記電界非対称性イオン移動度分光計を用意する工程（ａ）、
前記混合物に含有される２種類以上の物質をイオン化するためのイオン化装置、および
前記イオン化された２種類以上の物質から、前記少なくとも１種類の物質を選択するためのフィルタ、
ここで、
前記フィルタは、前記イオン化装置に隣接しており、
前記フィルタは、第１電極群および第２電極群を具備し、
前記フィルタは、第１電極、第２電極、第３電極、および第４電極を具備し、
前記第１電極群は、前記第１電極および前記第３電極を含み、
前記第２電極群は、前記第２電極および前記第４電極を含み、
各第１〜第４電極は、前記イオン化装置から前記フィルタに向かう方向に平行な主面を有し、
前記第２電極は、前記第１電極および前記第３電極の間に位置しており、
前記第３電極は、前記第２電極および前記第４電極の間に位置しており、
前記第３電極は、前記第１電極と電気的に接続されており、
前記第４電極は、前記第２電極と電気的に接続されており、
前記第１電極および第２電極の間には、第１隙間が形成されており
前記第２電極および第３電極の間には、第２隙間が形成されており
前記第３電極および第４電極の間には、第３隙間が形成されており、
前記第１電極群は、前記第２電極群から電気的に絶縁されており、かつ
前記第１電極〜第４電極からなる群から選択される少なくとも１つの電極は、その主面上に凸部を具備し、
前記イオン化装置に前記２種類以上の物質を含有する混合物を供給し、前記混合物に含有される２種類以上の物質をイオン化する工程（ｂ）、および
前記イオン化された２種類以上の物質を前記フィルタに供給し、前記少なくとも１種類の物質を前記フィルタを通して分離する工程(c)、
ここで、
前記第１電極群および第２電極群の間に非対称な交流電圧が印加され、かつ
イオン化された前記少なくとも１種類の物質は前記第１〜第３隙間を通過する一方、それ以外のイオン化された物質は、前記第１〜第４電極の主面にトラップされる、
方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法であって、
前記フィルタは、互いに平行な第１絶縁性基板および第２絶縁性基板を具備し、
前記絶縁性第１基板および前記第２絶縁性基板の間に、前記第１〜第４電極が位置しており、かつ
前記各第１〜第４電極は、前記第１絶縁性基板の厚み方向に直交する法線を有する、
方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法であって、
前記第１電極群は、第１帯状電極を具備し、
前記第２電極群は、第２帯状電極を具備し、
前記第１帯状電極は、前記第２絶縁性基板の裏面に設けられ、
前記第２帯状電極は、前記第２絶縁性基板の裏面に設けられ、
前記第１帯状電極は、前記第１電極および前記第３電極に電気的に接続されており、かつ
前記第２帯状電極は、前記第２電極および前記第４電極に電気的に接続されている、
方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、
前記第１帯状電極および第２帯状電極は、前記第１電極の法線に平行な方向に伸び出している、
方法。
【請求項１７】
請求項１３に記載の方法であって、さらに
前記フィルタにより選択された前記少なくとも１種類の物質を検出するための検出部を具備し、
前記フィルタは、前記イオン化装置および前記検出部の間に位置している、
方法。
【請求項１８】
請求項１３に記載の方法であって、
前記第１隙間、第２隙間、および第３隙間は、１０μｍ以上３５μｍ以下の幅を有する、
方法。
【請求項１９】
請求項１３に記載の方法であって、
前記各第１電極〜第４電極は、３００μｍ以上、１００００μｍ以下の長さを有する、
方法。
【請求項２０】
請求項１３に記載の方法であって、
前記第１電極は、複数の前記凸部を具備している、
方法。
【請求項２１】
請求項１３に記載の方法であって、
前記第２電極は、凸部を具備しており、かつ
前記第１電極の凸部は、前記第２電極の凸部に向かい合っている、
方法。
【請求項２２】
請求項１３に記載の方法であって、
前記第２電極は、２つの凸部を具備しており、かつ
前記第１電極の凸部は、前記第２電極の２つの凸部の間の領域に向かい合っている、
方法。
【請求項２３】
請求項１３に記載の方法であって、
前記凸部の断面は、１５μｍ以下の曲率半径を有する円弧の形状を有している、
方法。
【請求項２４】
請求項２３に記載の方法であって、
前記第１隙間は、２７．５μｍ以下の幅を有する、
方法。
【請求項２５】
２種類以上の物質を含有する混合物から少なくとも１種類の物質を選択的に分離する電界非対称性イオン移動度分光計のために用いられるフィルタであって、以下を具備する：
第１電極、
第２電極、
第３電極、および
第４電極、ここで、
前記第１電極および前記第３電極は、第１電極群に含まれ、
前記第２電極および前記第４電極は、第２電極群に含まれ、
各第１〜第４電極は、前記イオン化装置から前記フィルタに向かう方向に平行な主面を有し、
前記第２電極は、前記第１電極および前記第３電極の間に位置しており、
前記第３電極は、前記第２電極および前記第４電極の間に位置しており、
前記第３電極は、前記第１電極と電気的に接続されており、
前記第４電極は、前記第２電極と電気的に接続されており、
前記第１〜第４電極の間には、隙間が形成されており、
前記第１電極群は、前記第２電極群から電気的に絶縁されており、
前記フィルタは、互いに平行な第１絶縁性基板および第２絶縁性基板を具備し、
前記絶縁性第１基板および前記第２絶縁性基板の間に、前記第１〜第４電極が位置しており、
前記第１〜第４電極の法線方向は、前記第１絶縁性基板の厚み方向に直交しており、
前記第１電極群は、第１帯状電極を具備し、
前記第２電極群は、第２帯状電極を具備し、
前記第１帯状電極は、前記第２絶縁性基板の裏面に設けられ、
前記第２帯状電極は、前記第２絶縁性基板の裏面に設けられ、
前記第１帯状電極は、前記第１電極および前記第３電極に電気的に接続されており、
前記第２帯状電極は、前記第２電極および前記第４電極に電気的に接続されており、かつ
前記第１電極〜第４電極からなる群から選択される少なくとも１つの電極は、その主面上に凸部を具備する、
フィルタ。
【請求項２６】
請求項２５に記載のフィルタであって、
前記第１帯状電極および第２帯状電極は、前記第１電極の法線に平行な方向に伸び出している、
フィルタ。
【請求項２７】
請求項２５に記載のフィルタであって、
前記第１隙間、第２隙間、および第３隙間は、１０μｍ以上３５μｍ以下の幅を有する、
フィルタ。
【請求項２８】
請求項２５に記載のフィルタであって、
前記各第１電極〜第４電極は、３００μｍ以上、１００００μｍ以下の長さを有する、
フィルタ。
【請求項２９】
請求項２５に記載のフィルタであって、
前記第１電極は、複数の前記凸部を具備している、
フィルタ。
【請求項３０】
請求項２５に記載のフィルタであって、
前記第２電極は、凸部を具備しており、かつ
前記第１電極の凸部は、前記第２電極の凸部に向かい合っている、
フィルタ。
【請求項３１】
請求項２５に記載のフィルタであって、
前記第２電極は、２つの凸部を具備しており、かつ
前記第１電極の凸部は、前記第２電極の２つの凸部の間の領域に向かい合っている、
フィルタ。
【請求項３２】
請求項２５に記載のフィルタであって、
前記凸部の断面は、１５μｍ以下の曲率半径を有する円弧の形状を有している、
フィルタ。
【請求項３３】
請求項３２に記載のフィルタであって、
前記第１隙間は、２７．５μｍ以下の幅を有する、
フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界非対称性イオン移動度分光計、およびそれを用いた混合物分離方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１および特許文献２は、電界非対称性イオン移動度分光計を開示している。
電界非対称性イオン移動度分光計は、２種類以上の物質を含有する混合物から少なくとも１種類の物質を選択的に分離するために用いられる。分離された少なくとも１種類の物質は、電界非対称性イオン移動度分光計に含まれる検出器により検出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許５２２１９５４号公報
【特許文献２】特許５０１５３９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、高い分離能力を有する電界非対称性イオン移動度分光計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明による電界非対称性イオン移動度分光計は、２種類以上の物質を含有する混合物から少なくとも１種類の物質を選択的に分離するための電界非対称性イオン移動度分光計であって、
前記混合物に含有される２種類以上の物質をイオン化するためのイオン化装置、および
前記イオン化された２種類以上の物質から、前記少なくとも１種類の物質を選択するためのフィルタ、
を具備する。
ここで、
前記フィルタは、前記イオン化装置に隣接しており、
前記フィルタは、第１電極群および第２電極群を具備し、
前記フィルタは、第１電極、第２電極、第３電極、および第４電極を具備し、
前記第１電極群は、前記第１電極および前記第３電極を含み、
前記第２電極群は、前記第２電極および前記第４電極を含み、
第１〜第４電極は、前記イオン化装置から前記フィルタに向かう方向に平行な主面を有し、
前記第２電極は、前記第１電極および前記第３電極の間に位置しており、
前記第３電極は、前記第２電極および前記第４電極の間に位置しており、
前記第３電極は、前記第１電極と電気的に接続されており、
前記第４電極は、前記第２電極と電気的に接続されており、
前記第１電極および第２電極の間には、第１隙間が形成されており
前記第２電極および第３電極の間には、第２隙間が形成されており
前記第３電極および第４電極の間には、第３隙間が形成されており
前記第１電極群は、前記第２電極群から電気的に絶縁されており、かつ
前記第１電極は、その主面上に凸部を具備する。
【０００６】
本発明の趣旨には、上記の電界非対称性イオン移動度分光計を用いて、２種類以上の物質を含有する混合物から少なくとも１種類の物質を選択的に分離する方法も含まれる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、高い分離能力を有する電界非対称性イオン移動度分光計を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、電界非対称性イオン移動度分光計の模式図を示す。
【図２】図２は、電界の強度およびイオン移動度の比の間の関係を示すグラフである。
【図３Ａ】図３Ａは、実施形態によるフィルタの模式図を示す。
【図３Ｂ】図３Ｂは、第１電極〜第４電極の模式図を示す。
【図４Ａ】図４Ａは、第１電極群に印加される非対称な交流電圧および時間の関係を示すグラフである。
【図４Ｂ】図４Ｂは、第１電極群に印加される非対称な交流電圧および時間の関係を示すグラフである。
【図４Ｃ】図４Ｃは、第１電極群に印加される非対称な交流電圧および時間の関係を示すグラフである。
【図４Ｄ】図４Ｄは、第１電極群に印加される非対称な交流電圧および時間の関係を示すグラフである。
【図５】図５は、従来のフィルタに含まれる一対の平板状の電極の間における、２種類のイオン化されたガスの動きの模式平面図を示す。
【図６】図６は、実施形態によるフィルタに含まれる第１電極〜第４電極の間における、２種類のイオン化されたガスの動きの模式平面図を示す。
【図７Ａ】図７Ａは、実施形態によるフィルタを製造する方法に含まれる１工程の模式図を示す。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７Ａに続き、実施形態によるフィルタを製造する方法に含まれる１工程の模式図を示す。
【図７Ｃ】図７Ｃは、図７Ｂに続き、実施形態によるフィルタを製造する方法に含まれる１工程の模式図を示す。
【図８】図８は、電界シミュレーションにおける電極の平面図を示す。
【図９】図９は、電界シミュレーションにおける電電極の他の平面図を示す。
【図１０】図１０は、図８における電界分布の模式図を示す。
【図１１】図１１は、図９における電界分布の模式図を示す。
【図１２】図１２は、実施形態の第１変形例の模式図を示す。
【図１３】図１３は、実施形態の第２変形例の模式図を示す。
【図１４】図１４は、実施形態の第３変形例の模式図を示す。
【図１５】図１５は、実施形態の第４変形例の模式図を示す。
【図１６】図１６は、実施形態の第５変形例の模式図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態が、図面を参照しながら説明される。
【００１０】
まず、電界非対称性イオン移動度分光計（以下、「ＦＡＩＭＳ」と呼ばれ得る）が説明される。
【００１１】
電界非対称性イオン移動度分光計は、２種類以上の物質を含有する混合物から少なくとも１種類の物質を選択的に分離するために用いられる。
【００１２】
図１は、電界非対称性イオン移動度分光計の模式図を示す。図１に示されるように、電界非対称性イオン移動度分光計は、イオン化装置３０１およびフィルタ３０２を具備する。イオン化装置３０１を用いて、混合物に含有される２種類以上の物質がイオン化される。フィルタ３０２を介して、イオン化された２種類以上の物質から少なくとも１種類の物質が選択される。
【００１３】
（イオン化装置３０１）
イオン化装置３０１に供給される混合物は、液体または気体である。本明細書では、混合物は、３種類のガス２０２〜２０４を含有することとする。ガス２０２〜２０４は、イオン化装置３０１を用いてイオン化される。
【００１４】
イオン化装置３０１の詳細については、特許文献1および特許文献２を参照せよ。これらの文献は、参考として本明細書に援用される。
【００１５】
（フィルタ３０２）
次に、イオン化されたガス２０２〜２０４は、イオン化装置３０１に隣接して配置されたフィルタ３０２に供給される。
【００１６】
フィルタ３０２は、互いに平行に配置された第１電極２０１ａおよび第２電極２０１ｂを具備する。第１電極２０１ａは接地されている。一方、第２電極２０１ｂは、電源２０５に接続されている。電源２０５は、非対称な交流電圧を第２電極２０１ｂに印加するために用いられる。非対称な交流電圧には、補償電圧ＣＶが重畳され得る。第２電極２０１ｂに印加される非対称な交流電圧については、後述される。
【００１７】
接地された第１電極２０１ａおよび非対称な交流電圧が印加される第２電極２０１ｂの間に、イオン化された３種類のガス２０２〜２０４が供給される。３種類のガス２０２〜２０４は、第１電極２０１ａおよび第２電極２０１ｂの間で生じた電界の影響を受ける。
【００１８】
図２は、電界の強度およびイオン移動度の比の間の関係を示すグラフである。図２に含まれる符号７０１に示されるように、イオン化されたガスの中には、電界の強度が増すと、より活発に移動するものもある。３００未満の質量電荷比（mass-to-charge ratio）を有するイオンは、このような動きを示す。
【００１９】
図２に含まれる符号７０２に示されるように、イオン化されたガスの中には、電界の強度が増すと、より活発に移動するが、さらに電界の強度を増すと、移動度合いが低下するものもある。
【００２０】
図２に含まれる符号７０３に示されるように、イオン化されたガスの中には、電界の強度が増すと、移動度合いが低下するものもある。３００以上の質量電荷比（ｍａｓｓ−ｔｏ−ｃｈａｒｇｅ  ｒａｔｉｏ）を有するイオンは、このような動きを示す。
【００２１】
このような特性の違いのため、図１に示されるように、３種類のガス２０２〜２０４がフィルタ３０２の内部で異なる方向に進行する。ガス２０３のみがフィルタ３０２から排出される一方、ガス２０２は第１電極２０１ａの表面にトラップされ、かつガス２０４は第２電極２０１ｂの表面にトラップされる。このようにして、３種類のガスからガス２０３のみが選択的に分離される。言い換えれば、ガス２０３のみがフィルタ３０２から排出される。
【００２２】
分離されることになるイオンの種類に応じて、電界の強度が適切に設定される。
【００２３】
次に、本実施形態による電界非対称性イオン移動度分光計の特徴が、以下、説明される。
【００２４】
本実施形態による電界非対称性イオン移動度分光計は、フィルタ３０２の構造によって特徴づけられる。
【００２５】
図３Ａは、本実施形態によるフィルタ３０２の模式図を示す。図３Ａに示されるように、フィルタ３０２は、第１電極群１０２および第２電極群１０３を具備する。言うまでもないが、本実施形態によるフィルタ３０２は、電界非対称性イオン移動度分光計に含まれる。図３Ａに含まれる矢印Ｘは、平板状の第１電極１０６ａの法線（すなわち、紙面左右方向）に平行である。矢印Ｙは、混合物の流れ方向（すなわち、紙面手前奥方向）に平行である。矢印Ｚは、下側絶縁性基板１０１の法線（すなわち、紙面上下方向）に平行である。
【００２６】
フィルタ３０２は、第１電極１０６ａ、第２電極１０６ｂ、第３電極１０６ｃ、および第４電極１０６ｄを具備している。
【００２７】
第１電極群１０２は、第１電極１０６ａおよび第３電極１０６ｃを含む。第２電極群１０３は、第２電極１０６ｂおよび第４電極１０６ｄを含む。フィルタ３０２の内部において、第１電極群１０２は、第２電極群１０３から電気的に絶縁されている。
【００２８】
各第１〜第４電極１０６ａ〜１０６ｄは、イオン化装置３０１からフィルタ３０２に向かう方向（すなわち、混合物の流れ方向）に平行な主面を有している。図３Ａに含まれる黒色の矢印は、混合物の流れ方向（すなわち、イオン化装置３０１からフィルタ３０２に向かう方向）を示している。
【００２９】
図３Ｂは、第１〜第４電極１０６ａ〜１０６ｄの模式図を示す。図３Ｂに示されるように、各第１〜第４電極１０６ａ〜１０６ｄは、主面１３０に対して垂直に凸部１３１を具備する。具体的には、凸部１３１は、Ｘ方向に向けて突出している。凸部１３１の長手方向はＺ軸方向に沿って伸び出ている。このため、本明細書においては、凸部１３１は、「伸び出た突起(elongated protrusion)」とも呼ばれ得る。凸部１３１の先端では平坦部１３２と比べて大きな電界が発生する。図２に示されるように、電界が大きくなるにつれ、イオン移動度の差がより大きくなる。従って、凸部１３１は、フィルタ３０２のイオン分離能力を向上させる。
【００３０】
凸部１３１によるイオン分離能力の向上を確認するために、本発明者らは、有限要素法に基づく電界シミュレーションを用いて、２つの隣接する電極１０６の間に発生する電界を解析した。図８および図９は、電界シミュレーションにおける電極１０６の平面図を示す。図８では、第１電極１０６ａの右側の面に設けられた凸部１３１が、第２電極１０６ｂの左側の面に設けられた凸部１３１に向かい合っている。図９では、第１電極１０６ａの右側の面に設けられた凸部１３１は、第２電極１０６ｂの左側の面に設けられた２つの隣接する凸部１３１の中点に向かい合っている。図８および図９に示されるように、電極１０６は、曲率半径Ｒを有している。２つの隣接する電極１０６の距離は、「ＧＡＰ」と称される。ＧＡＰは、後に詳細に説明される。図８および図９において、凸部１３１の先端１４０における電界強度が最大電界強度として解析された。同様に、図８において、向かい合う２つの凸部１３１の中点１４１における電界強度が中央地点電界強度として解析された。図９においては、第１電極１０６ａの凸部１３１および第２電極１０６ｂに設けられた２つの隣接する凸部１３１の中点の間の中点１４１における電界強度が中央地点電界強度として解析された。以下の表１〜表４は、電界シミュレーションに基づく解析の結果を示す。
【００３１】
【表１】
2018185159.tif 000003
【００３２】
【表２】
2018185159.tif 000004
【００３３】
【表３】
2018185159.tif 000005
【００３４】
【表４】
2018185159.tif 000006
【００３５】
図１０は、図８における電界分布の模式図を示す。図１０では、向かい合う２つの凸部１３１の先端１４１の近くに高電界領域が形成され、かつ２つの高電界領域の間に低電界領域が形成されている。図１１は、図９における電界分布の模式図を示す。図１１では、先端１４１の近くに高電界領域が形成されている。隣接する２つの電極１０６の間には一様な低電界領域が形成されている。
【００３６】
図１２、図１３、図１４、図１５、および図１６は、実施形態の変形例の模式図を示す。
【００３７】
図１２に示されるように、電極間隔ＧＡＰは、Ｘ軸に沿った長さであり、かつイオンが通過可能な隙間１０８の最短距離である。高さＨは、Ｘ軸に沿った長さであり、かつ凸部１３１の高さである。ＧＡＰ／Ｈにより表される比は、０．８以上７以下が望ましい。表１〜表４において、ＧＡＰの最大値は３５μｍであり、かつＲの最小値は５μｍである。従って、比ＧＡＰ／Ｈの最大値は７である。同様に、ＧＡＰの最小値は２０μｍであり、かつＲの最大値は２５μｍである。従って、比ＧＡＰ／Ｈの最小値は０．８である。図８および図９において、高さＨは曲率半径Ｒに等しい。
【００３８】
図３に示されるように、第２電極１０６ｂは、第１電極１０６ａおよび第３電極１０６ｃの間に位置している。第３電極１０６ｃは、第２電極１０６ｂおよび第４電極１０６ｆの間に位置している。
【００３９】
図１に示されるフィルタ３０２は、第５電極１０６ｅおよび第６電極１０６ｆをさらに具備する。第５電極１０６ｅは第１電極群１０２に含まれる。第６電極１０６ｆは第２電極群１０３に含まれる。
【００４０】
フィルタ１０３は、より多くの電極１０６を具備し得る。第ｎ電極１０６は、第（ｎ−１）電極１０６および第（ｎ＋１）電極１０６の間に位置している（ｎは２以上の自然数を表す）。第ｎ電極１０６は、イオン化装置３０１からフィルタ３０２に向かう方向（すなわち、混合物の流れ方向）に平行な主面を有している。第１電極群１０２は、第２ｍ−１電極１０６を含む（ｍは１以上の整数を表す）。第２電極群１０３は、第２ｍ電極１０６を含む。
【００４１】
隣接する２つの電極１０６の間には、隙間１０８が形成されている。具体的には、第１電極１０６ａおよび第２電極１０６ｂの間には、第１隙間１０８ａが形成されている。同様に、第２電極１０６ｂおよび第３電極１０６ｃの間には、第２隙間１０８ｂが形成されている。第３電極１０６ｃおよび第４電極１０６ｄの間には、第３隙間１０８ｃが形成されている。
【００４２】
以下、本実施形態によるフィルタ３０２の内部において、２種類以上の物質を含有する混合物から少なくとも１種類の物質を選択的に分離する手法が説明される。以下、混合物は、２種類のガス２０２〜２０３を含有することにする。
【００４３】
イオン化装置３０１によりイオン化されたガス２０２〜２０３は、フィルタ３０２に供給される。第２電極群１０３は接地されている一方、第１電極群１０２には、電源２０５から非対称な交流電圧が印加される。
【００４４】
図４Ａは、第１電極群１０２に印加される非対称な交流電圧および時間の関係を示すグラフである。図４Ａにおいては、補償電圧は０ボルトである。期間ｔ１の間、第１電極群１０２に正電圧Ｖ１（＞０）が印加される。期間ｔ２の間、第１電極群１０２に負電圧Ｖ２（＜０）が印加される。これが繰り返される。積Ｖ１・ｔ１により定義される面積Ｓ１は、積｜Ｖ２｜・ｔ２により定義される面積Ｓ２に等しい。
【００４５】
望ましくは、時間ｔ１は６ナノ秒以上１００ナノ秒以下である。望ましくは、正電圧Ｖ１は、６７．５ボルト以上１１８．１２５ボルト以下であり、かつ負電圧Ｖ２は、１６ボルト以上２８．４ボルト以下である。一般的に、正電圧Ｖ１の絶対値は負電圧Ｖ２の絶対値よりも大きい。しかし、図４Ｃおよび図４Ｄに示されるように、正電圧Ｖ１の絶対値は負電圧Ｖ２の絶対値よりも小さくても良い。望ましくは、非対称な交流電圧は、２ＭＨｚ以上３０ＭＨｚ以下の周波数を有する。
【００４６】
図４Ａに示される非対称な交流電圧は矩形波である。しかし、矩形波に代えて、非対称な交流電圧は正弦波であってもよい。
【００４７】
図４Ｂもまた、第１電極群１０２に印加される非対称な交流電圧および時間の関係を示すグラフである。図４Ｂにおいては、補償電圧ＣＶが非対称な交流電圧に重畳されている。積（Ｖ１＋ＣＶ）・ｔ１’により定義される面積Ｓ３が、積｜−Ｖ２＋ＣＶ｜・ｔ２’により定義される面積Ｓ４に等しくなるように、周波数を一定に維持したまま、非対称な交流電圧のデューティ比が調整される。望ましくは、補償電圧ＣＶは−２０ボルト以上＋２０ボルト以下である。
【００４８】
図５は、従来のフィルタに含まれる一対の電極９００ａ・９００ｂの間における、２種類のイオン化されたガス９０２〜９０３の動きの模式平面図を示す。電極９００ａは接地されており、かつ電極９００ｂは電源２０５に電気的に接続されている。図５に含まれる矢印は、混合物の流れ方向（すなわち、イオン化装置３０１からフィルタ３０２に向かう方向）を示している。
【００４９】
図５に示されるように、期間ｔ１では、イオン化されたガス９０２および９０３は、電極９００ｂに向かって引き寄せられる。一方、期間ｔ２では、イオン化されたガス９０２および９０３は、電極９００ａに向かって引き寄せられる。ガス９０３については、期間ｔ１での横方向の移動距離は、期間ｔ２での横方向の移動距離と実質的に等しい。一方、ガス９０２については、期間ｔ１での横方向の移動距離は、期間ｔ２での横方向の移動距離よりも大きい。従って、ガス９０３は、一対の電極９００ａ・９００ｂに沿って進む一方で、ガス９０２は、電極９００の表面にトラップされる。
【００５０】
しかし、期間ｔ１でガス９０２に印加される電界が小さすぎる場合、電極９００の長さが短すぎる場合、または電極９００の間隔が大きすぎる場合には、ガス９０２は電極９００の表面にトラップされない。言い換えれば、ガス９０２は、ガス９０３と共にフィルタから排出される。結果的に、ガス９０２およびガス９０３を含有する混合物からガス９０２が分離されない。このように、図５に示される従来のフィルタは、低い分離能力を有する。
【００５１】
一方、図６は、本実施形態によるフィルタ３０２に含まれる第１電極１０６ａ〜第４電極１０４ｄの間における、２種類のイオン化されたガス２０２〜２０３の動きの模式平面図を示す。上述の通り、第１電極１０６ａおよび第３電極１０６ｃは、電源２０５に電気的に接続されている。一方、第２電極１０６ｂおよび第４電極１０６ｄは、接地されている。
【００５２】
期間ｔ１では、イオン化されたガス２０２および２０３は、第１電極群１０２に含まれる電極の１つ（すなわち、第１電極１０６ａまたは第３電極１０６ｃ）に向かって引き寄せられる。一方、期間ｔ２では、イオン化されたガス２０２および２０３は、第２電極群１０３に含まれる電極の１つ（すなわち、第２電極１０６ｂまたは第４電極１０６ｄ）に向かって引き寄せられる。
【００５３】
ガス２０３については、期間ｔ１での横方向の移動距離は、期間ｔ２での横方向の移動距離と実質的に等しい。一方、ガス２０２については、期間ｔ１での横方向の移動距離は、期間ｔ２での横方向の移動距離よりも大きい。
【００５４】
図６を図５と比較すれば明らかなように、期間ｔ１でガス２０２に印加される電界が小さい場合でも、または電極１０６の長さが短い場合でも、イオン化されたガス２０２は電極１０６の表面にトラップされる一方、イオン化されたガス２０３は、電極１０６に沿ってフィルタ３０２を直進して、フィルタ３０２から排出される。このように、本実施形態によるフィルタ３０２を用いて、２種類以上のイオンを含有する混合物から、目的とされる少なくとも１種類のイオン（すなわち、イオン化されたガス２０３）が、効率的に分離される。このように、図６に示される本実施形態によるフィルタは、高い分離能力を有する。
【００５５】
目的とされるイオン化されたガス（すなわち、イオン化されたガス２０３）の種類(ｎａｔｕｒｅ)に依存して、ガスに印加される電界は調整される。一例を挙げると、本実施形態によるフィルタ３０２においては、隣接する２つの電極１０６の間の間隔８０１は１０μｍ以上３５μｍ以下であり得る。電極１０６の長さは、３００μｍ以上、１００００μｍ以下であり得る。期間ｔ１では、２００００ボルト／ｃｍ以上７００００ボルト／ｃｍ以下の電界がガスに印加され得る。期間ｔ２では、１０００ボルト／ｃｍ以上１００００ボルト／ｃｍ以下の電界が印加され得る。
【００５６】
本実施形態によるフィルタ３０２が、以下、より具体的に説明される。
【００５７】
図３に示されるように、フィルタ３０２は直方体の形状を有する。フィルタ３０２は、互いに平行な第１絶縁性基板１０１および第２絶縁性基板１０５を具備することが望ましい。絶縁性第１基板１０１および第２絶縁性基板１０５の間に、電極１０６が位置している。各電極１０６は、第１絶縁性基板１０１の厚み方向（すなわち、紙面上での上下方向）に直交する法線を有する。さらに、各電極１０６は、混合物の流れ方向（すなわち、イオン化装置３０１からフィルタ３０２に向かう方向）に平行な主面を有する。
【００５８】
このように、電極１０６は、第１絶縁性基板１０１上で鉛直方向に立つように、第１絶縁性基板１０１および第２絶縁性基板１０５の間に設けられている。
【００５９】
第２絶縁性基板１０５の裏側には、第１帯状電極１１２および第２帯状電極１１４が設けられている。第１帯状電極１１２は、第１電極群１０２に含まれており、かつ第２ｍ−１電極１０６（例えば、第１電極１０６ａ、第３電極１０６ｃ、および第５電極１０６ｅ）に電気的に接続されている。第２帯状電極１１４は、第２電極群１０３に含まれており、かつ第２ｍ電極１０６（例えば、第２電極１０６ｂ、第４電極１０６ｄ、および第６電極１０６ｆ）に電気的に接続されている。図３に示されるように、第１帯状電極１１２および第２帯状電極１１４は、第１電極１０６ａの法線に平行な方向（すなわち、紙面上では左右方向）に伸び出していることが望ましい。
【００６０】
このように、第１電極群１０２および第２電極群１０３は、櫛状を有することが望ましい。平面視において、櫛の形状を有する第１電極群１０２および第２電極群１０３は、互いに係合している。
【００６１】
第１電極群１０２は、フィルタ３０２の一端（紙面上では左端）に位置する第１壁面電極１２２を含むことが望ましい。同様に、第２電極群１０３は、フィルタ３０２の他端（紙面上では右端）に位置する第２壁面電極１２４を含むことが望ましい。言うまでもないが、フィルタ３０２の他の２つの側面（紙面上では前側および後側）には、一対の開口が設けられている。混合物が一方の開口（紙面上では後側の開口）を通ってフィルタ３０２の内部に入る。目的とされる少なくとも１種の物質が、他方の開口（紙面上では前側の開口）を通ってフィルタ３０２から排出される。
【００６２】
第２絶縁性基板１０５には、第１スルーホール１０６および第２スルーホール１０７が設けられている。第１スルーホール１０６を通して、第１壁面電極１２２は、電源２０５に電気的に接続される。同様に、第２スルーホール１０７を通して、第２壁面電極１２４は接地される。
【００６３】
以下、本実施形態によるフィルタ３０２を製造する方法が説明される。
【００６４】
まず、図７Ａに示されるように、表面にアルミニウム層（不図示）を有するガラス基板のような第１絶縁性基板１０１上に、表面に金層（不図示）を有するシリコン基板５０１が、ガラス層／アルミニウム層／シリコン層／金層の積層体を形成するように、積層される。シリコン基板５０１は、３００μｍ以上、７００μｍ以下の厚みを有し得る。シリコン基板５０１は、アンチモンのような不純物によってドープされている。そのため、シリコン基板５０１は導電性を有している。金層は、第１絶縁性基板１０１上をスパッタ法または蒸着法により金で被覆することによって形成され得る。金層は、２００ナノメートル以上３００ナノメートル以下の厚みを有し得る。アルミニウム層は、アンチモンのような不純物によってドープされたシリコン基板上をスパッタ法または蒸着法によりアルミニウムで被覆することによって形成され得る。アルミニウム層は、およそ１μｍの厚みを有し得る。表面にアルミニウム層を有するシリコン基板５０１は、陽極接合法により第１絶縁性基板１０１上に貼り合わされる。
【００６５】
次に、最表面に露出する金層上に、フォトレジストが塗布される。マスクを用いてフォトレジストが露光され、レジストパターン（不図示）を形成する。レジストパターンをマスクとして用いて、金層の一部がウェットエッチングにより除去される。さらに、レジストパターンをマスクとして用いて、シリコン層の一部がボッシュ法により除去される。レジストパターンをマスクとして用いて、アルミニウム層の一部が除去される。このようにして、第１絶縁性基板１０１上に、電極１０６、第１壁面電極１２２、および第２壁面電極１２４が形成される。
【００６６】
最後に、図７Ｃに示されるように、第１帯状電極１１２および第２帯状電極１１４を裏面に有する第２絶縁性基板１０５が、第１絶縁性基板１０１上に接合される。接合時に、第１帯状電極１１２は、第２ｍ−１電極１０６（例えば、第１電極１０６ａ、第３電極１０６ｃ、および第５電極１０６ｅ）に電気的に接続される。同様に、第２帯状電極１１４は、第２ｍ電極１０６（例えば、第２電極１０６ｂ、第４電極１０６ｄ、および第６電極１０６ｆ）に電気的に接続される。このようにして、図３に示されるフィルタ３０２が得られる。
【００６７】
（その他）
（イオン検出部）
図１に示されるように、電界非対称性イオン移動度分光計は、イオン検出部３０３を具備し得る。イオン検出部３０３は、フィルタ３０２に隣接して配置される。言い換えれば、フィルタ３０２は、イオン化装置３０１およびイオン検出部３０３の間に配置される。
【００６８】
特許文献１および特許文献２にも開示されているような公知のイオン検出部３０３が用いられ得る。フィルタ３０２を通り抜けた少なくとも１種の物質（すなわち、ガス２０３）は、イオン検出部３０３により検出される。イオン検出部３０３に到達した少なくとも１種の物質（すなわち、ガス２０３）は、イオン検出部３０３に含まれる電極３１０に電荷を受け渡す。受け渡された電荷の量に比例して流れる電流の値が電流計３１１によって測定される。当該電流計によって測定された電流の値を元に、ガス２０３が特定される。
【００６９】
（ポンプまたは静電界）
図１に示されるように、電界非対称性イオン移動度分光計は、ポンプ３０４を具備し得る。ポンプ３０４により、混合物は、イオン化装置３０１からフィルタ３０２を通ってイオン検出部３０３に吸引される。
【００７０】
ポンプ３０４に代えて、静電界が用いられ得る。言い換えれば、静電界により、イオン化装置３０１からフィルタ３０２を通ってイオン検出部３０３に混合物が流れ得る。この場合、電界非対称性イオン移動度分光計は、一対の電極（図示せず）を具備している。一対の電極の間に、イオン化装置３０１、フィルタ３０２、およびイオン検出部３０３が挟まれる。一対の電極には直流電圧が印加される。イオン化された混合物は、一対の電極の間に印加された直流電圧によって、イオン化装置３０１からフィルタ３０２を通ってイオン検出部３０３に流れ得る。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明による電界非対称性イオン移動度分光計は、生体から放出される生体ガスに含有される成分を検出するため、または環境ガスに含有される危険成分を検出するために用いられ得る。
【符号の説明】
【００７２】
１０１  第１絶縁性基板
１０２  第１電極群
１０３  第２電極群
１０５  第２絶縁性基板
１０６ａ  第１電極
１０６ｂ  第２電極
１０６ｃ  第３電極
１０６ｄ  第４電極
１０６ｅ  第５電極
１０６ｆ  第６電極
１０８ａ  第１隙間
１０８ｂ  第２隙間
１０８ｃ  第３隙間
１１２  第１帯状電極
１１４  第２帯状電極
１２２  第１壁面電極
１２４  第２壁面電極
１３０  電極の主面
１３１  電極の凸部
１３２  電極の平坦部
１４０  電界計測点
１４１  電界計測点
２０１ａ  第１電極
２０１ｂ  第２電極
２０２  ガス
２０３  ガス
２０４  ガス
２０５  電源
３０１  イオン化装置
３０２  フィルタ
３０３  イオン検出部
３０４  ポンプ
３１１  電流計
９００ａ  電極
９００ｂ  電極
９０２  ガス
９０３  ガス
【図１】
2018185159.tif 000007
【図２】
2018185159.tif 000008
【図３Ａ】
2018185159.tif 000009
【図３Ｂ】
2018185159.tif 000010
【図４Ａ】
2018185159.tif 000011
【図４Ｂ】
2018185159.tif 000012
【図４Ｃ】
2018185159.tif 000013
【図４Ｄ】
2018185159.tif 000014
【図５】
2018185159.tif 000015
【図６】
2018185159.tif 000016
【図７Ａ】
2018185159.tif 000017
【図７Ｂ】
2018185159.tif 000018
【図７Ｃ】
2018185159.tif 000019
【図８】
2018185159.tif 000020
【図９】
2018185159.tif 000021
【図１０】
2018185159.tif 000022
【図１１】
2018185159.tif 000023
【図１２】
2018185159.tif 000024
【図１３】
2018185159.tif 000025
【図１４】
2018185159.tif 000026
【図１５】
2018185159.tif 000027
【図１６】
2018185159.tif 000028
【外国語明細書】
2018185159000001.pdf