(57)【要約】      （修正有）【課題】大気圧下で特定範囲のイオン移動度のイオンを通過させる低コストでイオン透過率の高いイオン移動度分離フィルターを実現する。【解決手段】イオン源と、ガス流れ方向と直流電界方向が対向した第１のドリフト領域と、前記第１のドリフト領域におけるガス流れ方向と異なるガス流れ方向を有し、ガス流れ方向と直流電界印加方向が対向した第２のドリフト領域と、前記第１のドリフト領域と前記第２のドリフト領域との間にイオンを進行させる電界を有する中間領域と、前記第１の領域及び前記第２の領域を通過したイオンを検出する検出器を有する。【効果】従来技術に比べ、低コストでイオン透過率の高いイオン移動度分離フィルターが実現する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン源と、
ガス流れ方向と直流電界方向が対向した第１のドリフト領域と、
前記第１のドリフト領域におけるガス流れ方向と異なるガス流れ方向を有し、ガス流れ方向と直流電界印加方向が対向した第２のドリフト領域と、
前記第１のドリフト領域と前記第２のドリフト領域との間にイオンを進行させる電界を有する中間領域と、
前記第１の領域及び前記第２の領域を通過したイオンを検出する検出器を有することを特徴とするイオン移動度分離装置。
【請求項２】
請求項１に記載のイオン移動度分離装置において、前記ガスを、前記中間領域から前記第１の領域及び前記第２の領域それぞれの領域へ向かうように流すようにしたことを特徴とするイオン移動度分離装置。
【請求項３】
請求項１に記載のイオン移動度分離装置において、前記ガスを、前記第１の領域及び前記第２の領域それぞれから前記中間領域へ向かうように流すようにしたことを特徴とするイオン移動度分離装置。
【請求項４】
請求項1に記載の質量分析装置において、前記第１のドリフト領域及び前記第２のドリフト領域におけるガス流が層流条件であることを特徴とするイオン移動度分離装置。
【請求項５】
請求項１に記載の分離装置において、前記検出器が質量分析装置であることを特徴とするイオン移動度分離装置。
【請求項６】
請求項１に記載の分離装置において、前記検出器が電流計測器であることを特徴とするイオン移動度分離装置。
【請求項７】
請求項１に記載のイオン移動度分離装置において、前記イオン源が大気圧イオン源であることを特徴とするイオン移動度分離装置。
【請求項８】
請求項１に記載のイオン移動度分離装置において、少なくとも前記第１のドリフト領域、前記第２のドリフト領域の少なくともいずれか一つにおける電界発生手段が、導電性コーティングを使用していることを特徴とするイオン移動度分離装置。
【請求項９】
請求項１に記載のイオン移動度分離装置において、前記中間領域に面した電極が、テーバー状に加工されていることを特徴とするイオン移動度分離装置。
【請求項１０】
請求項１に記載のイオン移動度分離装置において、前記第１，２のドリフト領域の少なくとも１つの入口端、出口端にメッシュ電極を備えたことを特徴とするイオン移動度分離装置。
【請求項１１】
請求項１に記載のイオン移動度分離装置において、前記第１，２のドリフト領域における前記ガスと前記電界の少なくともいずれか一方を、時間的に変化させ、イオン移動度の値をスキャンすることを特徴とするイオン移動度分離装置。
【請求項１２】
イオン源と、
イオン進行方向と同じガス流れ方向とそれに対向する直流電界方向を有したドリフト領域と、
上記ドリフト領域を通過したイオンを検出する質量分析計を備えたイオン移動度分離/質量分析複合装置であって、
前記ドリフト領域でのガス流が、層条件であることを特徴とするイオン移動度分離/質量分析複合装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載のイオン移動度分離／質量分析複合装置において、前記ドリフト領域の出口電極と前記質量分析計のイオン取り込み孔との間に電界を印加することにより、イオンを前記質量分析計へ導入することを特徴とするイオン移動度分離／質量分析複合装置。
【請求項１４】
請求項１２に記載のイオン移動度分離装置／質量分析複合装置において、ドリフト領域における電界発生手段が、導電性コーティングを使用していることを特徴とするイオン移動度分離装置／質量分析複合装置。
【請求項１５】
請求項１２に記載のイオン移動度分離装置／質量分析複合装置において、前記第１，２のドリフト領域の少なくとも一つの入口端、出口端にメッシュ電極を使用していることを特徴とするイオン移動度分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン移動度分離装置およびイオン移動度分離/質量分析複合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン移動度はガス検知器等に広く用いられている。また、イオン検出においてイオン移動度方式の他には質量分析法がある。イオン移動度と質量分析の方法については明確な区分があり、イオン移動度では分離時におけるイオンとガスとの衝突が大きくむしろその効果を積極的に利用しているのに対し、質量分析ではイオン分離時におけるイオンとガスとの衝突回数が少ないことにある。すなわち、イオン移動度が10mTorr以上の圧力下で行われるのに対し、質量分析は1mTorr以下の圧力下で行われる。この結果、イオン移動度では、イオン移動度により分離が行われるが、質量分析ではイオンの質量電荷比により分離が行われることなどが大きな相違点である。
【０００３】
以下に従来技術の説明を行う。非特許文献１にドリフトチューブのイオン移動速度によるイオン移動度分離方式（Drift tube ion mobility spectrometry, DTIMS）について詳細に記載されている。これによれば、電場が一様と仮定すると、イオンの移動度K、電圧V、移動距離Lとすれば、検出器までの到達時間Tは（数１）で表される。
（数１）
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イオン種によりKの値は異なるため、検出器到達時間によりイオン種を分離することが可能である。このようなイオン移動度の違いを利用したイオン移動度は空港等の爆発物探知装置などに広く利用されている。
【０００４】
イオン移動度を用いてイオンを分離した後、更に質量分析部で検出する方法が特許文献１に記載されている。これによれば、一度イオン移動度で分離を行った後、順次飛行時間型質量分析計などの質量分析部に導入され質量分離検出が行われる。２次元的なデータ（一次元目：イオン移動度、二次元目：イオンの質量）が取得できるため、分解能が格段に向上する。
【０００５】
更に非対称な高周波電場を用いてイオン分離を行う方法（High field asymmetric waveform ion mobility spectrometry, FAIMS）が特許文献２に記載されている。イオンは、高い電界強度下においてイオン移動度が変化する。この変動率がイオン種により異なることを利用して特定イオン種のみを通過させるフィルターが実現可能である。特許文献２の分離メカニズムは、非特許文献１、特許文献１と異なるが、大気圧もしくは低真空下で行われるイオン分離であるため、イオン移動度分離法の一種と見做されている。
【０００６】
【非特許文献１】Anal. Chem. 1994, 66, 4195-4201
【特許文献１】特表2004-504696号
【特許文献２】米国特許6774360号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
非特許文献１、特許文献１においての課題は特定のイオン種のみに着目した場合、透過効率が低いことである。通常イオン源ではイオンは連続的に生成される。一方、非特許文献１、特許文献１の方式では間欠的にイオンが導入されるため、各加速タイミングの間に加速領域を通過したイオンは失われるため、イオン透過率は極めて低くなる。
【０００８】
特許文献2においては、高い電界強度を得るために高電圧（数kV）高速（数MHｚ）のパルス電源が必要となるため、装置が高コストになる問題がある。
本発明の課題は、低コストでイオン透過率の高いイオン移動度分離方法を提供することにある。
【０００９】
本発明の課題は、大気圧下で特定範囲のイオン移動度のイオンを通過させる低コストでイオン透過率の高いイオン移動度分離フィルターを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のイオン移動度分離装置は、イオン源と、ガス流れ方向と直流電界方向が対向した第１のドリフト領域と、前記第１のドリフト領域におけるガス流れ方向と異なるガス流れ方向を有し、ガス流れ方向と直流電界印加方向が対向した第２のドリフト領域と、前記第１のドリフト領域と前記第２のドリフト領域との間にイオンを進行させる電界を有する中間領域と、前記第１の領域及び前記第２の領域を通過したイオンを検出する検出器を有することを特徴とする。
【００１１】
さらに、本発明のイオン移動度分離装置は、前記ガスを、前記中間領域から前記第１の領域及び前記第２の領域それぞれの領域へ向かうように流すようにしたことを特徴とする。
【００１２】
さらに本発明のイオン移動度分離装置は、前記ガスを、前記第１の領域及び前記第２の領域それぞれから前記中間領域へ向かうように流すようにしたことを特徴とするイオン移動度分離装置。
【００１３】
また、本発明のイオン移動度分離／質量分析複合装置は、イオン源と、イオン進行方向と同じガス流れ方向とそれに対向する直流電界方向を有したドリフト領域と、上記ドリフト領域を通過したイオンを検出する質量分析計を備え、前記ドリフト領域でのガス流が、層条件であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、大気圧下で特定範囲のイオン移動度のイオンを通過させる低コストでイオン透過率の高いイオン移動度分離フィルターが実現する。
【実施例１】
【００１５】
図１は、本方式を実施したイオン移動度分離装置の構成図である。大気圧化学イオン源、エレクトロスプレーイオン源、大気圧マトリックス支援レーザー脱離イオン源等の大気圧イオン源１で生成されたイオンは第１入口電極2の細孔（0.1mmφ〜10 mmφ程度、Dとする）を通過し、第１入口電極2、第１出口電極4で囲まれた第１ドリフト領域11に導入される。ここでイオン源は、大気圧イオン源に限られず、試料をイオン化させるものであればよい。第１ドリフト領域11の長さは1〜100mm程度である。
【００１６】
第１ドリフト領域11ではイオンに対し、電界による速度ベクトル104がイオンの進行方向110に生じる。この電界による進行ベクトル104を形成するために、第１入口電極2および第1出口電極4へ各々電源21、22によりDC電圧が印加される。第１ドリフト領域11の電界強度E1としては10〜100 V/mm程度が印加される。なお、イオン移動度Kは、イオン種により異なり、100〜300 mm2/Vs程度の値を持つため、例えば第１の領域の電界強度E1が30 V/mmのときイオンは、進行方向110にKE1即ち3 ｍ/s〜10 m/sの速度でイオン種により異なる速度ベクトル104が生じる。第１ドリフト領域11において、平行な電場を形成するために第１入口電極2、第１出口電極4の細孔に金属製のメッシュ電極3,5を設置すると良い。
【００１７】
また、第１入口電極2と第1出口電極4との間には絶縁スペーサー14で絶縁するが、この際、内壁に導電性のコーティング30を行うことにより、第１領域における電界の均一度は更に改善する。コーティング30の導電度は高いほど、チャージアップが起こりにくくなる利点があるが、発熱や電流増加による電源の大型化などの問題も生じる。このため、第１入口電極2と第１出口電極4の間の抵抗値が103Ω〜106Ωとなるようにコーティング方法を調整する。コーティング方法として、ITOやZnO2などの酸化金属を用いると、ヒーター（図示せず）によるドリフト領域の高温化（100〜300℃）も可能である。ドリフト領域の高温化により、汚れの付着の問題を改善できる。
【００１８】
一方、第１ドリフト領域11にはガス流101（速度U1とする）をイオン進行方向110と逆の向きに流す。これによりイオンは、電界が存在しないときにはこの速度ベクトル（U1）で進行する。なお、第１ドリフト領域でイオンのガスによる進行速度を均一化するために、層流条件を満たす必要がある。層流条件の目安としては、（数２）に示すレイノルズ数Reが2000以下になることを用いるとよい。
（数２）
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ここで、νは動粘性係数（300K空気中で1.583×10-5 m2/s）である。たとえば、第１の領域の直径Dを3 mm、ガス速度Uを5 m/sとした場合、Re = 950となり、層流の条件を満たす。先に述べた電界による速度ベクトルとあわせると、第１ドリフト領域11は（数３）を満たすイオン種のみがイオン進行方向110の速度ベクトルを持ち、第１ドリフト領域11を通過することになる。
（数３）
2008282542.tif 000005
【００１９】
第１ドリフト領域11を通過したイオンは第１出口電極4と第２入口電極6で囲まれた中間領域13へと導入される。中間領域では第１出口電極4と第２入口電極6との間に電界106を生じさせることにより、イオン進行方向110の方向へイオンが進行する。また、この部分にはガス通過穴19から乾燥空気や窒素などのガスが導入方向103に導入される。このガスが先に述べた第１ドリフト領域11および後述する第２ドリフト領域12に導入される。
【００２０】
中間領域13から導入されたイオンは第2入口電極6の細孔（0.1mmφ〜5mmφ程度）を通過し、第2入口電極6、第2出口電極8で囲まれた第2ドリフト領域12に導入される。第2ドリフト領域12の長さは1〜100 mm程度である。第2ドリフト領域12ではイオンに対し、電界によりイオンが生じる速度ベクトル105がイオンの進行方向と逆向きに形成される。この電界による速度ベクトル105を形成するために、第2入口電極6および第2出口電極8へ各々電源23、24によりDC電圧が印加される。第2ドリフト領域の電界強度E2としては10〜100V/mm程度が印加される。
【００２１】
なお、イオン移動度Kは、イオン種により異なり、100〜300 mm2/Vs程度の値を持つため、例えば第２の領域の電界強度E2が20 V/mmのときイオンは、進行方向110と逆向きにKE2即ち2 ｍ/s〜6 m/sの速度でイオン種により異なる進行ベクトル105をうける。第2のドリフト領域12において、平行な電場を形成するために第2入口電極6、第2出口電極8の細孔に金属製のメッシュ電極7,9を設置すると良い。
【００２２】
また、第2入口電極6と第2出口電極8との間には絶縁スペーサー15で絶縁するが、この際、内壁に導電性のコーティング31を行うことにより、第２ドリフト領域における電界の均一度を改善する。コーティングの詳細については第１ドリフト領域と同様であり省略する。
【００２３】
一方、第2ドリフト領域12にはガス流102（速度U2とする）をイオン進行方向110と同じ向きに流す。これによりイオンは電界が存在しないときにはこの速度ベクトル（U2）でイオン進行方向110に進行する。なお、第2領域下でも上述した層流条件を満たすことが望ましい。先に述べた電界による速度ベクトルとあわせると、第2ドリフト領域12は（数４）を満たすイオン種のみがイオン進行方向110の速度ベクトルを持ち、第2ドリフト領域12を通過することになる。
（数４）
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【００２４】
以上により（数５）に示すイオンのみが第１、第２のドリフト領域を通過する。
2008282542.tif 000007
【００２５】
第１、第２のドリフト領域を通過したイオンは検出器もしくは真空中の質量分析装置10に導入され質量分離が行われた後、検出される。
【００２６】
図２に実施例１に示した場合の異なるイオン移動度Kを有するイオンの通過特性を示す。横軸にイオン移動度、縦軸にイオン透過率を示す。第１ドリフト領域は、点線で示すようにある移動度以上のイオンのみが通過できる。一方、第２ドリフト領域は、一点鎖線で示すようにある移動度以下のイオンのみが通過できる。結果として全体としては、特定範囲の移動度のイオンのみを通過させる移動度フィルターとして機能する。
【００２７】
また、図３に示すように第１ドリフト領域、第２ドリフト領域における電界強度、ガス流量などを時間的に変化させることにより、通過させるイオン移動度の値をスキャンさせることも可能である。図３のように値をスキャンすると、イオン種により移動度Kの値が異なるため、異なる時間帯にイオンが通過することになる。すなわち、左の図では電界をスキャンすることにより、低い移動度から、高い移動度へと、右の図ではガス流量を変化させることにより、低い移動度を持つイオンから高い移動度を持つイオンへと透過条件がシフトしていく。また、第１ドリフト領域および第２ドリフト領域を同様な部品で構成し、ガス流のコンダクタンスを等しくすることにより、ガス流量は同じ流量に設定する（U1 = U2）ことができる。この場合、部品の統一によりコストを低減できる効果がある。
【実施例２】
【００２８】
図4に本発明の第２の実施例を示す。第２の実施例ではイオン源から生成されたイオンが、第１ドリフト領域11、第２ドリフト領域12を経て、検出器または真空の質量分析装置10へ送られることについては同様であるが、各ドリフト領域におけるガスの流れ方向が逆向きであり、ポンプ（図示せず）を用いて103で示す方向にガスを吸引する。また、ガスの流れ方向の変更に伴い電界の向きや強度も実施例１と異なる。この実施例では、第１ドリフト領域では、（数６）を満たすイオンのみが通過し、第２ドリフト領域では（数７）を満たすイオンが通過するため、（数８）を満たすイオンのみが第１ドリフト領域および第２ドリフト領域を通過して検出器または真空の質量分析装置10へ至る。
（数６）
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【００２９】
（数７）
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【００３０】
（数８）
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【００３１】
なお、実施例1および2に共通する課題として中間領域13におけるイオン透過率の低下の課題がある。この理由は、中間領域の一部でガス流れの乱流が生成するためである。この透過率減少を補うために中間領域には図5に示す構造を用いて良い。すなわち、第1出口電極4および第2入口電極6をテーパー上に加工することにより、中心方向への電界ベクトル106が生じるため、イオンが中心部に収束する効果がある。これにより、中間領域13でのイオン透過率を向上できる。
【実施例３】
【００３２】
以上は電界方向が異なる２つのドリフト領域を直列に配置した実施例であるが、図6に、質量分析装置と組み合わせた実施例3を示す。質量分析装置では、質量の違いによりイオンを分離できるため、その前段の分離装置であるイオン移動度分離装置としては粗い分離のみが必要である場合がある。実施例1、2では特定範囲（上限値、下限値あり）のイオン移動度のみのイオンを通過させたが、本実施例では、第１ドリフト領域のみでのイオン移動度分離フィルターの例について説明する。
【００３３】
イオン源1で生成されたイオンが第１ドリフト領域をある特定の移動度以下のイオンのみが通過することは実施例２と同様である。本実施例ではガスの流れ102を質量分析部へのガス導入120で生じさせているため、実施例2のようにポンプを別に設置するコストが低減出来るメリットがある。第１ドリフト領域ではイオン移動度が低いイオンのみが通過する。第１ドリフト領域を通過したイオンは第1出口電極と質量分析計の第1細孔40との間に印加した電界により121の方向へ移動し、第1細孔40から質量分析部へと導入、様々な質量分析手段により質量分離検出が行われる。なお、ガスシールのため第１出口電極と第1細孔40との間にはセラミック等の絶縁スペーサー41が設置される。また、実施例１，２と同様に、ドリフト領域において平行な電場を形成するために、入口電極2と出口電極4の細孔に金属製のメッシュ電極3, 5を設置するとよい。
【００３４】
なお、実施例1から3に共通するが、本実施例ではドリフト領域に均一電界を印加する手段としてセラミックの内面に導電体をコーティングする例を記述したが、セラミックやプラスティックそのものに導電性物質をドープして導電性を持たしたり、抵抗を介して金属の電極を複数個配置したりした場合でも同様の効果は達成できる。また、実施例１、実施例２では第１ドリフト領域、第２ドリフト領域が同軸上に直列に配置されている場合のみを記載したが、第１ドリフト領域の方向と第２ドリフト領域の方向が折れ曲がった構造や直交した構造についても同様な効果が期待できる。この場合には構造が複雑になるデメリットの反面、イオン源から検出器までの見込み角が低減するため直進性粒子によるノイズが低減できるメリットがある。
【００３５】
本発明では非特許文献１、特許文献１のイオン移動度装置と異なり、連続的なイオン導入が可能であるためイオン透過率は高い。また、特許文献2と異なり安価なDC電源のみで構成できるため安価に製作可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本方式の実施例１。
【図２】本方式の効果の説明図。
【図３】実施例１の測定シーケンス。
【図４】本方式の実施例２。
【図５】本方式の実施例２。
【図６】本方式の実施例３。
【符号の説明】
【００３７】
１…イオン源、２…第1入口電極、３…メッシュ電極、4…第１出口電極、5…メッシュ電極、６…第２入口電極、７…メッシュ電極、８…第２出口電極、９…メッシュ電極、１０…四重極ロッド電極、１１…入口側端電極、１２…出口側端電極、１３…中間領域、１４…絶縁スペーサー、１５…絶縁スペーサー、１９…ガス通過穴、２０…絶縁スペーサー、２１…電源、２２…電源、２３…電源、２４…電源、３０…導電性コーティング、１０１…第1ドリフト領域でのガスにより生じる速度ベクトル、１０２…第2ドリフト領域でのガスにより生じる速度ベクトル、１０３…ガス導入方向、１０４…第1ドリフト領域での電界により生じる速度ベクトル、１０５…第２ドリフト領域での電界により生じる速度ベクトル、１０６…中間領域での電界により生じる速度ベクトル、１１０…イオン進行方向１２０…ガス方向、１２１…電界方向。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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