(57)【要約】イオン流の方向と実質的に異なる方向へ酸素含有ガスの流れを方向付けすることにより中性種を除去するコロナ放電イオン化源。生成されるイオンのプロフィールは、63Ｎｉ源により生成されるイオンのプロフィールと多くの点で類似しており、すなわち、代替的な非放射能イオン化源が提供される。【選択図】図３
2004528685.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コロナイオン化源と、該コロナイオン化源を通過してガスを流すための手段と、該コロナイオン化源により生成される全てのイオンを該コロナイオン化源から引き離すために電界を印加するための手段とを含む、ガスをイオン化する装置であって、
コロナイオン化源を通過するガス流の方向は、電界内のイオンの流れの方向と実質的に異なる、
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記コロナイオン化源は、連続コロナイオン化源であることを特徴とする請求項１に記載のガスをイオン化する装置。
【請求項３】
前記コロナイオン化源を通過するガスの流れは、連続的であることを特徴とする請求項１から請求項２のいずれか１項に記載のガスをイオン化する装置。
【請求項４】
前記コロナイオン化源を通過するガスの流れは、周期的に起ることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載のガスをイオン化する装置。
【請求項５】
前記コロナイオン化源を通過してガスを流すための手段は、前記イオン化領域において装置から排気されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のガスをイオン化する装置。
【請求項６】
前記コロナイオン化源を通って流れるガスは、空気であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のガスをイオン化する装置。
【請求項７】
前記ガスは、糜爛ガスを更に含むことを特徴とする請求項６に記載のガスをイオン化する装置。
【請求項８】
前記ガスは、爆発性蒸気を更に含むことを特徴とする請求項６に記載のガスをイオン化する装置。
【請求項９】
前記ガスは、麻薬蒸気を更に含むことを特徴とする請求項６に記載のガスをイオン化する装置。
【請求項１０】
前記コロナイオン化源を通過してガスを流すための手段の流量は、調節可能であることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のガスをイオン化する装置。
【請求項１１】
反応領域を含むことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のガスをイオン化する装置。
【請求項１２】
試料物質が前記反応領域内に導入されることを特徴とする請求項１１に記載のガスをイオン化する装置。
【請求項１３】
ドリフト領域を含むことを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載のガスをイオン化する装置。
【請求項１４】
前記ドリフト領域を通ってガスを流すための手段を含むことを特徴とする請求項１３に記載のガスをイオン化する装置。
【請求項１５】
前記ドリフト領域を通してガスを流すための手段は、該ドリフト領域において排気されることを特徴とする請求項１４に記載のガスをイオン化する装置。
【請求項１６】
前記ドリフト領域を通してガスを流すための手段の流量は、調節可能であることを特徴とする請求項１４又は請求項１５に記載のガスをイオン化する装置。
【請求項１７】
前記コロナイオン化源を通してガスを流すための手段の流量は、前記ドリフト領域を通してガスを流すための手段の流量とは独立的に調節可能であることを特徴とする請求項１６に記載のガスをイオン化する装置。
【請求項１８】
前記イオンは、負に帯電されることを特徴とする請求項１から請求項１７のいずれか１項に記載のガスをイオン化する装置。
【請求項１９】
前記イオンは、正に帯電されることを特徴とする請求項１から請求項１８のいずれか１項に記載のガスをイオン化する装置。
【請求項２０】
前記コロナイオン化源を通過するガスの流れは、前記イオン化領域にフラッシュ入口、及び、同じく該イオン化領域にフラッシュ出口を有することを特徴とする請求項１から請求項１９のいずれか１項に記載のガスをイオン化する装置。
【請求項２１】
請求項１から請求項２０のいずれか１項に記載されているガスをイオン化する装置を含むことを特徴とするイオン移動度分光計。
【請求項２２】
フーリエ変換技術が、前記イオン移動度分光計にインタフェースされることを特徴とする請求項２１に記載のイオン移動度分光計。
【請求項２３】
図３を参照して本明細書に記載されているイオン移動度分光計。
【請求項２４】
図５を参照して本明細書に記載されているイオン移動度分光計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コロナイオン化源に関し、より具体的には、イオン移動度分光分析において使用される連続コロナイオン化源に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン移動度分光計は、麻薬、爆発物、及び空気中の化学戦争物質の検出、及び、環境モニタリングのためなどの数多くの用途に使用されている。
典型的なイオン移動度分光計（ＩＭＳ）は、イオン化源、反応領域、及びドリフト領域を含む。モニタリング／検出は周囲大気圧で行われるから、大気圧における試料ガスのイオン化が要求される。イオン化の後、試料ガスから発生したイオンはドリフト領域内に放出され、そこで電界及び逆方向へ流れるドリフトガスとの衝突の影響下で、イオンは、捕集器に到達する前に一定の速度に達する。得られるイオン移動度スペクトルは、検査されている試料に特徴的なものである。
【０００３】
63Ｎｉのような放射性物質は、イオン移動度分光計におけるイオン化源として従来的に使用されている。そのような放射能供給源からの出力は高度に安定であり、しかもノイズがなくて電力が不要である。しかし、放射能供給源は、その取扱いや廃棄に非常な注意を払わなくてはならず、操作要員に対するイオン化放射線被曝は、注意深く制御かつモニタされなくてはならない。従って、放射能供給源を組み込んだ装置の使用、運搬、保管、及び廃棄に関して必要なあらゆる予防措置を講じるにはコストがかかる。
【０００４】
放射能供給源の使用に代わるものとして、連続コロナイオン化源が、「ＩＭＳ」システムに以前使用されたことがある。しかし、連続コロナイオン化源を組み込み、負のモードで作動する（つまり、負に荷電されたイオンを生成かつ収集する）「ＩＭＳ」により生成されたイオンは、放射性63Ｎｉイオン化源を使用して生成されたイオンとは顕著に異なることが発見された。空気が連続コロナイオン化源によりイオン化される時に生成されるイオン種を論じたものとしては、例えば、「物理学会誌Ｂ：分子物理学，２０、６３３７（１９８７年）」掲載のＢ．Ｇｒａｖｅｎｄｅｅ及びＦ．Ｊ．ｄｅ  Ｈｏｏｇによる論文を参照することができる。主な問題点は、イオン化の過程で形成される中性種が、始めに形成された反応イオン種と反応することである。これは、放射性63Ｎｉイオン化源により生成されたイオンよりも反応に対してかなり安定であり、かつ試料蒸気と容易に反応しない非反応性イオンの形成をもたらす。その結果、連続コロナイオン化源を組み込んだ「ＩＭＳ」システムの感度は低くなる可能性があり、連続コロナイオン化源は、従来的な放射性イオン化源の代替として不適当であるということが、「ＩＭＳ」分野の当業者によって一般に受け入れられている。
【０００５】
様々なパルスコロナ放電源も開発されており、これらは、上述した連続コロナイオン化源の使用に伴う欠点のうちの幾つかを或る程度まで克服している。しかし、パルスコロナ放電源は高価であり、複雑なパルス駆動、トリガ駆動、及びタイミング遅延を必要とし、ゲート開放イベントと同期されなくてはならない。従って、コロナイオン化装置に対して、イオン移動度スペクトルデータを改善し、それを放射性イオン化源の実行可能な代替装置にするために改善する必要性が依然として存在する。更に、イオン移動度分光計と共に使用するために、初期イオン化段階の間に形成される中性種と反応イオン種との望ましくない副反応を最小化又は排除したコロナ放電イオン化装置を開発する必要性も残っている。このことは、始めに形成された反応イオン種と試料物質との間でより効率的な反応が達成され、次にスペクトルの結果を改善することを保証するであろう。
【０００６】
先行技術において様々なイオン移動度分光計が開示されている。例えば、米国特許第４，４４５，０３８号は、中心に置かれた反応領域の両側のそれぞれに二重ドリフト領域を備えたイオン移動度分光分析において陽イオンと陰イオンを同時に検出するための装置を開示し、米国特許第５，２３４，８３８号は、アンモニアを分析するためのイオン移動度分光計を開示し、それによって、搬送ガス流をイオン化チャンバ内に付加する前に搬送ガス流にジメチルメチルホスホン酸塩を添加し、従って異なるドリフト時間を有するアンモニアとのクラスタを形成し、米国特許第５，２８３，１９９号は、二酸化塩素を分析するためのイオン移動度分光計を開示し、それによって、搬送ガス流をイオン化チャンバ内に付加する前に搬送ガス流に制御された量のアミンを添加し、従って塩素ピークを抑制する。
【０００７】
これらの文献は、コロナイオン化源の使用を任意選択的なものとして開示してはいるが、いずれもコロナイオン化されたイオン移動度スペクトルの品質改善の問題については具体的に触れていない。一層具体的に言うと、これらの文献は、イオン化されたガス中の中性種と反応イオン種との相互作用をいかに最小化又は排除するかという問題については述べていない。興味深いことに、これらの文献のそれぞれに記載された装置は、主たる役割がドリフト領域内でイオンを分離することであるドリフトガスの特定の流れが、分光計のドリフト領域からイオン化領域内へ通ることができるような構成を有する。しかし、これは、中性物質を排出口へ一掃することを含む、イオン化領域内での物質の流れを妨げるという二次的効果を有する。そのような中性物質としては、イオン化領域内に導入される試料物質とイオン化の過程で生成される中性種とを含むことができる。
【０００８】
先行技術に説明されたような構成に付随する幾つかの問題がある。これらの問題には、ドリフトガスが、イオン化源の十分近くを通過してイオン化ガス内で形成される厄介な中性種を効率良く除去することができないこと、ドリフトガスが、シャッタグリッドを通過しなければならない結果、そのイオン化領域内への流量を一定にできないこと、イオン化領域内における任意のドリフトガスの流れを、ドリフト領域内における流量と独立的に調節することが可能でないこと、及び、中性種の除去が、試料物質の希釈とそれに伴う感度低下を招くことになることが含まれる。
【０００９】
【特許文献１】
米国特許第４，７７７，３６３号
【特許文献２】
米国特許第４，４４５，０３８号
【特許文献３】
米国特許第５，２３４，８３８号
【特許文献４】
米国特許第５，２８３，１９９号
【非特許文献１】
Ｂ．Ｇｒａｖｅｎｄｅｅ、及び、Ｆ．Ｊ．ｄｅ  Ｈｏｏｇ：「物理学会誌Ｂ：分子物理学」２０、６３３７、１９８７年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
すなわち、イオン化の過程で形成された中性種を如何にしてイオン化されたガスから効率的に除去し、中性種と始めに形成された反応イオン種との相互作用を最小化又は排除するかという問題が依然として存在する。始めに形成された反応イオン種と試料物質との反応効率を如何にして最大化するかという問題も存在する。最後に、分光計ドリフト領域内のイオンを分離するためのドリフトガスの使用に影響を及ぼすことなく、如何にして上記の効果を達成するかという問題も存在する。従って、本発明の目的は、コロナイオン化源の使用に伴う上述のような欠点の幾つかを軽減することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
第１の態様によると、本発明は、コロナイオン化源と、コロナイオン化源を通過してガスを流す手段と、コロナイオン化源により生成される全てのイオンをコロナイオン化源から引き離すために電界を印加する手段とを含む、ガスをイオン化するための装置に関し、本装置は、コロナイオン化源を通過するガス流の方向が、電界におけるイオンの流れの方向と実質的に異なることを特徴とする。
【００１２】
第２の態様によれば、本発明は、本発明の第１の態様において特徴付けられたガスをイオン化するための装置を含むイオン移動度分光計に関する。
本明細書における「実質的に異なる」という表現は、イオン化源により生成されたイオンが、イオン化源により生成されたいずれの中性種からも空間的に分離されるように、電界により引き起こされたコロナイオン化源からのイオン流の方向と、コロナイオン化源を通過するガス流の方向との間に相違があるという意味に解釈されるべきである。
【００１３】
本明細書における「反応イオン」という用語は、コロナ放電源によりガスがイオン化される時、始めに形成される反応性イオンを指している。理想的には、これらのイオンは、後に試料物質と反応してイオン化された試料種を形成し、次いで、この試料種はドリフト領域内に送られ、イオン移動度分光計による検出に先立って分離される。
本明細書における「中性種」という用語は、コロナ放電源によりガスがイオン化される時、始めに形成される中性種を指している。
本明細書における「非反応性イオン」という用語は、反応イオン種と中性種との間で生じる副反応の結果として形成されるイオンを指している。これらの非反応性イオンは、試料物質とそれ以上反応することはできない。
【００１４】
イオン化源からのイオンの流れとガスの流れとを実質的に異なる方向へ向けて、コロナにより形成されるイオンと中性種とを空間的に分離することは、中性種と反応イオンとの間で更なる化学反応が起きることを防止する。これにより、放射性イオン化源を使用して得られるスペクトルと実質的に同様なイオン移動度スペクトルが得られ、かつイオン移動度分光計内でコロナイオン化源を使用した場合の上述のような欠点の幾つかが軽減される。本発明においては、任意の不活性ガスが、電界内でのイオンの流れと実質的に異なる方向へコロナイオン化源を通過して流すのために使用されるであろう。不活性ガスは、これに含まれた水分の一部又は全部を除去するために、その使用に先立って任意選択的に乾燥させてもよい。不活性ガスは、空気であるのが好ましい。
【００１５】
有利な態様においては、コロナイオン化源は、連続コロナイオン化源である。連続コロナイオン化源は、パルスコロナ放電イオン化源と比べて、比較的安価であるという利点を有する。連続コロナイオン化源はまた、パルスコロナ源に要求される複雑なパルス駆動、トリガ駆動、遅延タイミング、及びシャッタ同期を必要としない。多くの異なるコロナイオン化源が入手可能であって、用途に適したイオン化源は、その材料、コロナエネルギ、及びイオン化しようとしている不活性ガスに応じて変わるであろう。当業者は、任意の与えられた事例に使用するのに適したコロナイオン化源を特定することができると思われる。コロナイオン化源は、多種多様な金属材料で作製できる針を含む。一般に使用される金属材料の例としては、金、プラチナ、鋼、ステンレス鋼、及び多くの金属合金が含まれる。コロナ針の直径は、特に加えられるコロナエネルギなどの条件に応じて変わるであろう。針サイズの例としては、直径１０μｍ、直径５０μｍ、又は１０，０００μｍの直径を有し、一点に向かってテーパを付けた大きな大気圧化学イオン化針が含まれる。不活性ガスをイオン化するために必要なコロナエネルギを供給するために、針に電流が流される。針の直径とイオン化しようとする不活性ガスとに応じて、広範囲の電流を使用することができる。ここでもまた、当業者は、通常の実験により特定状況に要する最適電流を特定できると思われる。
【００１６】
コロナイオン化源を通過するガスの流れは、連続的であるか、又は、代替的には周期的であるのが便利である。言い換えると、ガスは、コロナイオン化源を通って連続的に流れるか、又はコロナイオン化源を通って周期的に流されてもよい。連続コロナイオン化源が使用される場合には、電界内におけるイオンの流れ方向と実質的に異なる方向へのイオン化源を通過するガスの流れも連続的であるのが好ましい。或る範囲の空気流量を使用することができる。コロナ針を通過するガスの適正流量は、コロナ針のサイズ、コロナエネルギ、及びイオン化しよとする不活性ガスに応じて装置毎に変わるから、通常の実験により当業者により最適化されることが必要であろう。コロナエネルギが低くなればなるほど、必要とされる流量は低くなる傾向がある。ガスの流量は、当該装置に対する最適流量が決まるまで変えることができるように、調節可能であるのが望ましい。最適作動においては、イオン化された反応イオン種及び中性種が電界内でコロナ針から流れ去ることに影響を及ぼすことなく、中性種をイオン化されたガスから十分に流し去ることができるように、流量は調節されるべきである。これは、始めに形成される反応イオンの濃度を最大にするか、又は試料生成イオンの濃度を最大にするように装置の感度を最適化することにより、当業者による通常の実験によって判断することができる。
【００１７】
イオン化チャンバの複雑さを最低限に抑えるために、イオン化される不活性ガスと、電界内におけるイオンの流れ方向と実質的に異なる方向にコロナイオン化源を通って流れる不活性ガスとは、好ましくは同じガスである。このモードでは、不活性ガスの一部は、それがコロナイオン化源を通って流れる時にこのイオン化源によりイオン化され、ガスの他の部分は、イオン化されたガス内から全ての中性種を流し去るために使用されることになる。
【００１８】
試料物質は、試料ガスがイオン化されたガスと混合され、この混合ガスが反応領域に送り込まれるように、イオン化領域内に導入することができ、又は、試料物質は、反応領域内に直接導入することもできる。イオン化源を通過するガスの流量は、それがイオン化された不活性ガスから中性種を流し去ることができ、しかもイオン化領域又は反応領域から試料物質をできるだけ少なく流すように調節するのが好ましい。試料を反応領域内へ直接導入することの利点は、イオン化源を通過する不活性ガスの流れを、試料物質の導入から隔離できるということである。これは、試料物質がガスの流れによって希釈されないから試料物質とイオン化された種との間の反応が集中されて、その効率が改善されることを意味している。
【００１９】
この装置が、ドリフト領域を通してガスを流し、かつこのガスを反応領域又はドリフト領域から排出させる手段を含むことも大いに好ましい。この排出点は、試料物質又は全てのイオン化された物質の装置内での流れを妨げることがないように装置内に配置されるのが好ましい。そのような装置は、イオン化源を通ってガスを流すための第１の手段、及び、ドリフト領域を通してガスを流すための第２の手段の少なくとも２つのガスを流す手段を含む。更に、各ガスの流量を別々に変えることができるように、各手段は、独立的に調節可能であるのが好ましい。これは、中性種を効率的に流し去るためにイオン化チャンバ内におけるガスの流量を最適化することを可能にする。ドリフト領域を流れるガスの流量は、イオン化された試料物質を良好に分離するために独立的に最適化できる。最適な分光結果を達成するために、これら２つの流量は異なるのが普通である。そのような設計から最大の利点を得るために、装置は、ドリフトガス入口とドリフトガス出口とをドリフト領域内に備え、ドリフトガスの処理を可能にすることが好ましい。更に、装置は、電界内におけるイオンの流れ方向と実質的に異なる方向にイオン化源を通ってフラッシュガスが流れることができるように、フラッシュ入口をイオン化領域又は反応領域内に、かつフラッシュ出口をイオン化領域内に備えるようにすべきである。イオン化源を通過するガスの最適な流れを達成するために、フラッシュ出口は、イオン化領域内に置かれるべきである。
【００２０】
本発明の装置においては、ドリフト領域は、任意のドリフト管を含むことができるが、このドリフト管は、グラスビー・イオニクス（英国ワトフォード所在）から入手可能な管のような、金メッキのステンレス鋼とセラミックとが交互したリングで構成された可撓性モジュール式装置であるのが好ましい。イオンは、「ブラッドベリー・ニールセン」シャッタのような適当なゲート装置を使用して、ドリフト領域内に送り込まれるのが好ましい。ドリフト管は、任意の便利な長さに組み立てることが可能であり、通常の実験に基づいて、かつ要求される感度及び分解能に応じて当業者によって用途毎に判断されると思われる。最後に、ドリフト管には、任意の適当な強さの電界を作用させることが可能であって、当業者は適正な電界を識別できると思われる。
【００２１】
更に別の実施形態においては、ガスをイオン化するための装置は、コロナイオン化源を含むイオン化領域、反応領域、及びドリフト領域を含み、コロナイオン化源を通してガスを流すための手段は、コロナイオン化源を通過するガス流の方向が電界内におけるイオンの流れ方向と実質的に異なるように、イオン化領域内にフラッシュ入口、及び、同じくイオン化領域内にフラッシュ出口を有し、試料物質は、反応領域内に導入される。この構成においては、コロナ源により生成された中性種は、イオン化領域から流し去られ、他方、反応イオンは、試料と反応させるために反応領域内へ送られる。この装置は幾つかの利点を有する。先ず第１に、同じ不活性ガスをイオン化ガス及びフラッシュガスとして容易に使用することができる。第２に、未反応の試料物質を不用意に流し去る恐れなく中性種を最大限に流し去って望ましくない副反応を最小化するために、流量を調節することができる。最後に、反応イオンが試料物質と相互作用する以前に中性種が十分に流し去られるので、スペクトルの質を低下させる副反応が起る可能性が低減される。この装置は、陰イオンが検出される負のモードでも、又は陽イオンが検出される正のモードでも作動可能である。本装置は、陰イオンと陽イオンとを同時に検出できるように構成することも可能である。本発明は、本装置が負のモードで作動された時に得られる結果を特に改善する。
【００２２】
理想的には、ガスは空気を含み、また、化学戦物質、爆発物、麻薬、大気汚染物質などのうちの１つ又はそれ以上の蒸気のような化学物質蒸気の試料も含むことができる。
別の好ましい実施形態においては、イオン移動度分光計は、上に述べたガスをイオン化するための装置を含む。フーリエ変換技術をそのようなイオン移動度分光計に適用した場合は、そのような機械によって得られるスペクトル結果を向上させることができる。これは、標準的な機器によって達成されるものと比べて、信号の感度と分解能の両方を高める可能性を有する。
ここで、本発明を添付図面を参照しながら以下に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１を参照すると、先行技術によるイオン移動度分光計２は、イオン化領域４と、反応領域６と、ドリフト領域８とを含む。これらの領域は、金属製の円筒壁９で囲まれ、反応領域６とドリフト領域８との長手方向に沿って複数の電極１１が置かれている。反応領域６とドリフト領域８との間には、一般的にそれに電圧が印加される２つの薄いワイヤグリッドを含む電気的なイオンシャッタ１８が置かれている。
【００２４】
試料ガス１０は、入口膜１２上に向けられる。入口膜１２は、普通は薄いシリコーンゴムのフィルムを含み、試料ガス１０から水分を除去するために使用される。入口膜１２を使用して試料ガス１０から水分を除去することは必須要件ではないが、水分の存在は得られるイオン移動度スペクトルを複雑化しがちであるために行われる。
入口膜１２を通過した試料ガスは、イオン化領域４内に流入するガス１４と混合してガス混合気１５を作り、そのガス混合気は、イオン化領域４に流入する。
イオン化領域４は、典型的には63Ｎｉ箔のようなβ線放射体である放射能供給源１６を含む。放射能供給源１６から放射された放射線は、ガス混合気１５をイオン化する。イオン化領域４内のガス混合気１５がイオン化された後、ガスは反応領域６内に流入し、そこで更なる化学反応が起る。
【００２５】
電極１１に適当な電圧を印加することにより、反応領域６及びドリフト領域８の長手方向に沿って一様な電界が作用する。典型的には、約２００Ｖ／ｃｍの一様な電界が使用される。シャッタ１８が周期的に開放され、電界の影響下にイオン２２がドリフト領域８内に送り込まれる。ドリフトガス２４の流量のために、ガス混合気１５の非イオン化部分は、ドリフト領域８に流入しない傾向がある。
電界の影響下に、かつ逆方向に流れるドリフトガス２４との衝突により、イオン２２は、ドリフト領域８内に送り込まれて一定の速度に達する。低分子量のイオンは、高分子量の大きなイオンよりも一般により高速度で移動するから、ドリフト領域内でイオンの分離が起り、最も移動性の大きなイオンが最初に捕集器２０に到達する。しかし、質量が到達時間を決める主要な要因ではあるが、体積、形状、及び分極率のような他のパラメータも一定の役割を演ずる。得られる移動度スペクトルは、イオン化及び反応したガス混合気１５に特有なスペクトルである。
【００２６】
一様な電界は、陰イオン又は陽イオンが捕集器に到達するような電界である。捕集器２０において陰イオンを検出させる電界を使用する作動は、負のモード作動と呼ばれ、他方、陽イオンを捕集する電界を使用する作動は、正のモード作動と呼ばれる。
典型的には、イオン化領域と反応領域とを通過するガス１４と、逆方向に流れるドリフトガス２４とは、共に空気である。63Ｎｉイオン化源を含む「ＩＭＳ」装置においては、空気がイオン化される時に生成される主要なイオンはＯ2-及びＣＯ4-である。更なる化学反応が何ら行われない場合には、これらのＯ2-及びＣＯ4-イオンは、負のモードで作動している時の反応イオンピーク（ＲＩＰ）に寄与する主要なイオンである。
【００２７】
ガス混合気１５が空気と試料物質（化学戦物質、麻薬、又は爆薬の蒸気など）とを含む場合には、イオン化領域４内における空気のイオン化は、Ｏ2-及びＣＯ4-イオンを生成することになる。一般に、試料物質自体は、放射能供給源１６によって直接的にはイオン化されない。空気をイオン化することによりＯ2-及びＣＯ4-イオンが生成されたら、それらは試料物質と化学反応して当該の試料物質に特有のイオンを生成する。更なる化学反応の大部分は、反応領域６内で起る。
【００２８】
図２の装置を参照すると、図１を参照して説明した放射能供給源１６の代わりに連続コロナイオン化源２６が使用される。連続コロナ放電源は、比較的安価かつ単純であり、ほとんど電力を消費することなく連続的に作動できる。しかし、多くの研究にもかかわらず、連続コロナ放電イオン化は、放射性イオン化源に取って代わるのに必要な基準をまだ満たしていない。特に、負のモードで作動する「ＩＭＳ」装置内で連続コロナ放電を使用して得られるイオン移動度スペクトルは、63Ｎｉイオン化源を使用して得られるスペクトルとはかなり異なることが判明した。また、このモードでの化学戦物質検出に対する感度の損失も観察された。
【００２９】
コロナ源におけるオゾン及びＮＯXのような中性種の形成は、63Ｎｉ源で得られるものとは異なる陰イオンの化学的性質によると考えられる。上に述べたように、63Ｎｉ源を使用した空気のイオン化は、主としてＯ2-及びＣＯ4-イオンを生成させる。図２に示す種類の「ＩＭＳ」装置においては、コロナ内で中性種（例えば、Ｏ3、ＮＯ、及びＮＯ2）が形成され（例えば、「物理学会誌Ｂ：分子物理学，２０、６３３７（１９８７年）」掲載のＢ．Ｇｒａｖｅｎｄｅｅ及びＦ．Ｊ．ｄｅ  Ｈｏｏｇによる論文を参照することができる）、Ｏ2-及びＣＯ4-イオンと次のように反応して、更に別のイオンを生成しやすい。
Ｏ2-  ＋  Ｏ3  →  Ｏ3-  ＋  Ｏ2
Ｏ3-  ＋  ＣＯ2  →  ＣＯ3-  ＋  Ｏ2
Ｏ2-  ＋  ＮＯ2  →  ＮＯ2-  ＋  Ｏ2
Ｏ2-  ＋  ＮＯ  →    ＮＯ3-
【００３０】
コロナ源により生成される中性種とＯ2-及びＣＯ4-イオンとの反応により生成される更なるイオン（例えば、Ｏ3-、ＣＯ3-、及びＮＯ3-）は、試料物質と反応する筈のＯ2-及びＣＯ4-イオンを犠牲にして形成される。これらの更なるイオンが試料物質と反応することはない。
図２に示す種類の連続コロナ「ＩＭＳ」装置は、それが負のモードで作動された場合には効果のないことが判明したが、その理由は、上記のような陰イオンに対する中性種の影響にあると考えられる。
【００３１】
図３を参照すると、本発明による「ＩＭＳ」装置は、イオン化領域４と、反応領域６と、ドリフト領域８とを含む。これらの領域は、金属製の円筒壁９で囲まれ、反応領域６及びドリフト領域８の長手方向に沿って複数の電極１１が置かれている。反応領域６とドリフト領域８との間には、典型的にはそれに電圧が印加される２つの薄いワイヤグリッドを含む電気的なイオンシャッタ１８が置かれる。
イオン化領域４は、連続コロナイオン化源２６を含み、この連続コロナイオン化源は、それに高電圧が印加される（電圧源は図示せず）連続コロナ針を含む。商業的に入手可能な複数の連続コロナイオン化源が当業者には知られており、容易に入手可能である。連続コロナイオン化源の代わりに、非連続コロナイオン化源（パルスコロナ放電源のような）も使用可能なことが当業者には分かるであろう。
【００３２】
試料物質（例えば、化学戦物質、麻薬、又は爆薬の蒸気など）を含んだガス１０は、入口膜１２を通過させられる。入口膜１２は、ガス試料１３が反応領域６内に入ることを可能にする。
フラッシュガス３２がガス試料１３と混合して、反応領域６を通過し、更にイオン化領域４内に置かれた連続コロナイオン化源２６を通過する。連続コロナイオン化源２６により生成されたイオンは、次に電極１１により発生した一様な電界によりシャッタ１８に向かって反応領域６内を移動させられる。連続コロナイオン化源２６によって生成された中性種は、電界の影響下にシャッタ１８に向かって移動するイオンとは逆方向のフラッシュガス３２の流れにより、イオン化領域４から運び去られる。
【００３３】
中性種がコロナにより生成されたイオンと反応できる前に中性種をその生成地点から除去することは、放射性イオン化源によって生成されたイオンに匹敵するイオンの集合を生成する。その結果、コロナにより生成されたイオンと試料物質との化学反応により、本発明の反応領域６内で生成されるイオンは、図１を参照して説明した装置の反応領域内で生成されたイオンに匹敵する。
イオン分析のためにイオンをドリフト領域内に送り込むために、シャッタ１８は周期的に開放される。ドリフトガス２４は、ドリフト領域８を通って流れ、このようにして、ガス試料１３に特有のイオン移動度スペクトルが得られる。
【００３４】
検出しようとする試料の性質に応じて、本発明による「ＩＭＳ」装置が作動される温度と圧力が判断されることになる。例えば、糜爛ガスを検出する場合には、「ＩＭＳ」装置は、一般に周囲温度及び圧力で作動される。麻薬又は爆薬の蒸気を検出する場合、試料蒸気の不揮発性の故に、「ＩＭＳ」装置は、より高い温度（おそらく、摂氏数百度）で作動される。異なる試料蒸気を検出する場合の「ＩＭＳ」装置の最適温度及び圧力は、当業者には公知である。
試料物質（例えば、糜爛ガス、爆薬、又は麻薬の蒸気）は、上に述べた以外の多くの方法で反応領域６内に導入することができることも当業者には明らかである。例えば、試料物質は、おそらくは適当な入口膜により濾過された後に、フラッシュガス３２が反応領域６に入る以前にこのフラッシュガス３２と混合することができるであろう。
【００３５】
本発明の要点は、コロナからのイオンの流れに対して異なる方向へガス流を向け、それによって後で化学反応が生じる領域から望ましくない中性種を効果的に「流し去る」ことにより、コロナイオン化領域からの中性種除去を達成することである。これを達成できる数多くの構成が、当業者には直ちに考えられるであろう。従って、図５を参照して説明する特定の装置は、本発明の範囲を限定するものと見なされるべきではない。
同様に、本発明は、「ＩＭＳ」装置（フーリエ変換「ＩＭＳ」装置、及びイオントラップ「ＩＭＳ」装置を含む）ばかりでなく、化学イオン化を行ういかなる装置にも適用可能であることが当業者には分かるであろう。本発明の別の応用例としては、大気圧化学イオン化質量分析における使用、又は電気集塵装置内の望ましくないオゾン除去における使用が含まれる。
【００３６】
本発明の利点は、図４に示す実験データにより明らかにされる。
図４ａは、図２を参照して上述した種類の連続コロナ「ＩＭＳ」装置を空気が通過する時、試料ガス１０中に何らの試料物質も存在しない場合の捕集器２０に到達するイオン種を示している。この装置においては、63Ｎｉ放射能供給源により空気がイオン化される時に生成される反応イオンＯ2-及びＣＯ4-は、ほとんど完全に抑制されることが分かる。使用された流量の範囲に亘って含まれる主なイオンは、ＮＯ3-、ＣＯ3-、及びＯ3-のような反応性の低いイオンである。
【００３７】
図４ｂは、本発明による逆流連続コロナ「ＩＭＳ」装置を空気が通過する時、試料ガス１０中に何らの試料物質も存在しない場合の捕集器２０に到達するイオン種を示している。コロナ放電内で形成されたイオンは、電界の影響下に捕集器２０に向けて送られるが、中性種は、ガス流３２により反応領域６から除去されるので、コロナにより生成されたイオンと最早反応することはない。その結果、反応イオンＯ2-及びＣＯ4-が支配的となり、特に高い流量ではＮＯ3-、ＣＯ3-、及びＯ3-の影響力は大きく低減される。
【００３８】
図５を参照すると、本発明による「ＩＭＳ」装置は、イオン化領域４と、反応領域６と、ドリフト領域８とを含む。イオン化領域４は、ポリ四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）壁４０で囲まれる。反応領域６とドリフト領域８とは、金属製円筒壁９で囲まれる。イオン化領域４と反応領域６とドリフト領域８との長手方向に沿って複数の電極１１が置かれる。反応領域６とドリフト領域８との間には、典型的にはそれに電圧が印加される２つの薄いワイヤグリッドを含む電気的なイオンシャッタ１８が置かれる。
【００３９】
イオン化領域は、連続コロナイオン化源２６を含み、この連続コロナイオン化源は、それに高電圧が印加される（電圧源は図示せず）連続コロナ針を含む。フラッシュガス３２は、反応領域６に入り、これを通って連続コロナイオン化源２６に向かう。フラッシュガス３２がイオン化されると、電極１１は、帯電種を反応領域６に向けて移動させる。帯電種が流れる方向と実質的に反対の方向へフラッシュガス３２がイオン化領域４を通って流れることは、連続コロナイオン化源２６がフラッシュガス３２に作用することにより生成される中性種が、イオン化領域４から運び去られて排出口５０を通じて排出されることを意味する。従って、これらの中性種は、反応領域６には入らない。
【００４０】
試料ガス１０は、入口膜１２を通って反応領域６に入る。このことは、ガス１３が反応領域に入ることを可能にする。フラッシュガス３２から形成された反応イオン種は、次に、ガス１３と相互作用してイオン化された試料物質２２を生成する。イオン化された試料物質２２は、一連の電極１１によりドリフト領域に向けて移動させられる。イオン化された試料物質２２がドリフト領域８に入るのを許すために、シャッタ１８が周期的に開放される。イオン化された試料物質２２がドリフト領域８に入ると、更に別の電極１１がこれを捕集器２０へと移動させる。電極１１によって生じた電界と、イオン化された試料物質２２と逆の方向へドリフト領域を通って流れる不活性ドリフトガス２４との影響の下で、イオン化された試料物質２２内のイオンが分離される。
【００４１】
図６を参照すると、ここに示すデータは、逆方向のガス流を使用することにより得られる改善された結果を明らかにしている。本図は、この実験で使用された流量の制限範囲内で逆方向ガス流の流量が増大されるにつれて、これらの結果が連続的に改善されることも示している。実験は、試料物質としてサリチル酸メチルを使用し、１０μＡという高いコロナエネルギを使用したイオン逆流モードで作動する装置を用いて実施された。これは、１．５６ｃｍ2Ｖ-1ｓ-1という低減された移動度（Ｋ0）にて付加的な生成イオンＭＳ．Ｏ2-を生成する。実験結果は、コロナ針を通過するガス流が減少する時、反応ガスピークが大きく変化することを示している。その領域における流量が６００ｍｌ／ｍｉｎである時、２．１６ｃｍ2Ｖ-1ｓ-1における優勢なピークは、Ｏ2-及びＣＯ2．Ｏ2-イオンを表していると確認され、２．２８ｃｍ2Ｖ-1ｓ-1におけるより小さなピークは、ＣＯ3-族を表していると確認された。この高い流量において、反応イオンのピーク領域は、従来的な放射性63Ｎｉイオン化源（図示せず）を使用した場合に見られるものと非常に似通っている。針を通過する流れが減ると、反応イオンピークの形状と位置が変化する。流量が３００〜５００ｍｌ／ｍｉｎの範囲内にある場合には、Ｏ2-及びＣＯ2．Ｏ2-イオンのレベルにおける減少と、ＣＯ3-イオン族ピークのレベルにおける増加とが確認される。逆方向流量が減少し続ける時、高い移動度値における反応イオンピークは減少し、低い値における新たな広いピークの発達が見られる。このピークは、ＮＯ3-、ＮＯ2-、ＮＯ3．ＨＮＯ3-等のような窒素酸化物と関係していることが確認された。更に、流量が減少するにつれて、サリチル酸メチルの付加イオンピークは低下する。高い流量において観察される鋭い生成イオンピークは、イオン化領域内で形成されるオゾン及びＮＯXの高濃度が迅速に除去された結果であると考えられる。流量が低下すると、オゾン及びＮＯXは効果的に除去されない。その結果、オゾン及びＮＯXは、始めに発生したＯ2-及びＣＯ2．Ｏ2-イオンと相互作用することができる。これは、ＭＳ．Ｏ2-付加イオンが容易には形成され得ないということを意味している。その結果、図６に示すように、得られるスペクトルの質は大きく低下し、２００ｍｌ／ｍｉｎの流量において生成付加イオンの証拠は認められない。
【００４２】
本発明により空気をイオン化した場合に得られるイオン曲線は、63Ｎｉ放射能供給源を使用した場合に得られるイオン曲線と非常に類似している。本例においては空気のイオン化について述べたが、本発明は、他のガス（例えば、窒素、酸素、二酸化炭素、その他）が使用される場合にも適用できる。本明細書は陰イオンの化学的性質に焦点を絞って説明してきたが、本技術は、コロナイオン化源を陽イオンの化学的性質に合わせて使用した場合にも利点が得られると考えられる。これらの装置においては、イオン化段階中に生成されるオゾン及びＮＯXは、試料物質中の不飽和化合物及び芳香性化合物と反応し、その結果、観察されるスペクトルの質の低下を招くことが証明されている。本明細書に開示されたような逆方向ガス流コロナイオン化装置を使用することにより、そのような望ましくない反応を低減又は排除することができる。
すなわち、本発明は、放射能供給源ではないコロナイオン化源を使用して正負のいずれのモードでも作動可能な「ＩＭＳ」システムを提供し、また、放射性イオン化源を組み込んだ「ＩＭＳ」システムに匹敵する性能を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】放射性イオン化源を使用した先行技術による典型的なイオン移動度分光計を示す図である。
【図２】連続コロナイオン化源を使用したイオン移動度分光計を示す図である。
【図３】本発明による装置を示す図である。
【図４ａ】図２を参照して説明した装置からのイオン生成に関する実験データを示す図である。
【図４ｂ】本発明による装置からのイオン生成に関する実験データを示す図である。
【図５】コロナイオン化源を含むイオン化領域と、反応領域と、ドリフト領域とを含み、コロナイオン化源を通ってガスを流すための手段が、イオン化領域内にフラッシュ入口と、同じくイオン化領域内にフラッシュ出口とを有し、試料が、反応領域内に導入されることから成る、ガスをイオン化するための装置を示す図である。
【図６】異なる逆方向流量でのサリチル酸メチルに対する陰イオンモードのイオン移動度分光計応答を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
４  イオン化領域
６  反応領域
８  ドリフト領域
９  金属製の円筒壁
１０  試料ガス
１１  電極
１２  入口膜
１８  イオンシャッタ
２０  捕集器
２６  連続コロナイオン化源
【図４ａ】
2004528685.tif 000003
【図４ｂ】
2004528685.tif 000004
【図６】
2004528685.tif 000005
【国際公開パンフレット】
2004528685.tif 000006
2004528685.tif 000007
2004528685.tif 000008
2004528685.tif 000009
2004528685.tif 000010
2004528685.tif 000011
2004528685.tif 000012
2004528685.tif 000013
2004528685.tif 000014
2004528685.tif 000015
2004528685.tif 000016
2004528685.tif 000017
2004528685.tif 000018
2004528685.tif 000019
2004528685.tif 000020
2004528685.tif 000021
2004528685.tif 000022
2004528685.tif 000023
2004528685.tif 000024
2004528685.tif 000025
2004528685.tif 000026
2004528685.tif 000027
2004528685.tif 000028
2004528685.tif 000029
2004528685.tif 000030
2004528685.tif 000031
2004528685.tif 000032
2004528685.tif 000033
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004528685.tif 000034
【手続補正書】
【提出日】平成15年4月10日(2003.4.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）イオン化領域（４）、反応領域（６）、及びドリフト領域（８）と、
（ｂ）該反応領域（６）を該ドリフト領域（８）から分離するシャッタグリッド（１８）と、
（ｃ）コロナイオン化源（２６）と、
（ｄ）該イオン化領域（４）において装置から排気される第１のガスを、該コロナイオン化源を通過して流すための手段と、
（ｅ）該コロナイオン化源により生成される全てのイオンを該コロナイオン化源から引き離すために電界を印加するための手段（１１）と、
（ｆ）第２のガスを該ドリフト領域（８）を通して流すための手段と、
を含み、該コロナイオン化源（２６）を通過する該第１のガス流の方向が、該電界内の該イオンの流れの方向と実質的に異なるような、ガスをイオン化する装置であって、
第２のガスは、ドリフト領域（８）において装置から排気される、
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記コロナイオン化源（２６）は、連続コロナイオン化源であることを特徴とする請求項１に記載のガスをイオン化する装置。
【請求項３】
前記コロナイオン化源（２６）を通過する第１のガスの流れは、連続的であることを特徴とする請求項１から請求項２のいずれか１項に記載のガスをイオン化する装置。
【請求項４】
前記コロナイオン化源（２６）を通過する第１のガスの流れは、周期的に起ることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載のガスをイオン化する装置。
【請求項５】
前記コロナイオン化源（２６）を通って流れる前記第１のガスは、空気であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のガスをイオン化する装置。
【請求項６】
前記第１のガスは、糜爛ガスを更に含むことを特徴とする請求項５に記載のガスをイオン化する装置。
【請求項７】
前記第１のガスは、爆発性蒸気を更に含むことを特徴とする請求項５に記載のガスをイオン化する装置。
【請求項８】
前記第１のガスは、麻薬蒸気を更に含むことを特徴とする請求項５に記載のガスをイオン化する装置。
【請求項９】
前記コロナイオン化源（２６）を通過して第１のガスを流すための手段の流量は、調節可能であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載のガスをイオン化する装置。
【請求項１０】
試料物質が前記反応領域（６）内に導入されることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のガスをイオン化する装置。
【請求項１１】
前記ドリフト領域（８）を通して第２のガスを流すための手段の流量は、調節可能であることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のガスをイオン化する装置。
【請求項１２】
前記コロナイオン化源（２６）を通して第１のガスを流すための手段の流量は、前記ドリフト領域（８）を通して第２のガスを流すための手段の流量とは独立的に調節可能であることを特徴とする請求項１１に記載のガスをイオン化する装置。
【請求項１３】
前記イオンは、負に帯電されることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載のガスをイオン化する装置。
【請求項１４】
前記イオンは、正に帯電されることを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載のガスをイオン化する装置。
【請求項１５】
前記コロナイオン化源（２６）を通過する第１のガスの流れは、前記イオン化領域にフラッシュ入口、及び、同じく該イオン化領域にフラッシュ出口を有することを特徴とする請求項１から請求項１４のいずれか１項に記載のガスをイオン化する装置。
【請求項１６】
請求項１から請求項１５のいずれか１項に記載されているガスをイオン化する装置を含むことを特徴とするイオン移動度分光計。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
イオン移動度分光計は、麻薬、爆発物、及び空気中の化学戦争物質の検出、及び、環境モニタリングのためなどの数多くの用途に使用されている。
米国特許第４，７７７，３６３号に説明されたものなどの典型的なイオン移動度分光計（ＩＭＳ）は、イオン化源、反応領域、及びドリフト領域を含む。モニタリング／検出は周囲大気圧で行われるから、大気圧における試料ガスのイオン化が要求される。イオン化の後、試料ガスから発生したイオンはドリフト領域内に放出され、そこで電界及び逆方向へ流れるドリフトガスとの衝突の影響下で、イオンは、捕集器に到達する前に一定の速度に達する。得られるイオン移動度スペクトルは、検査されている試料に特徴的なものである。




【国際調査報告】
2004528685.tif 000035
2004528685.tif 000036
2004528685.tif 000037