CN103201620A - 离子迁移装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种使已离子化的物质沿第一方向迁移的迁移装置(30)。迁移装置(30)具有漂移管(50)，漂移管(50)包括构成轮廓的电极板(71)和(72)以及配置于管内的多个环形电极(60、61、62)。环形电极(60)形成使已离子化的物质沿轴向的第一方向行进的线性驱动用的第一交流电场。电极板(71)和(72)形成使已离子化的物质的行进方向偏转的不对称的第二交流电场。

Description

离子迁移装置
技术领域
本发明涉及一种使已离子化的物质迁移的装置。
背景技术
作为高灵敏度地检测、分析化学物质的技术，近年来被称为高场不对称性离子迁移率光谱仪(FAIMS)的装置受到关注。该装置能够通过使施加到传感器的直流电压和交流电压发生变化，来利用精细的过滤器检测已离子化的化学物质的迁移率的变化，根据其检测结果的差异来确定化学物质。
在日本特表2008-508693号公报(国际公开WO2006/013396)中记载了具有离子过滤器的离子迁移率光谱仪，该离子过滤器为至少一个离子通道的形状，该离子通道具有多个电极。该离子迁移率光谱仪通过施加到导电层的随时间变化的电位，使得能够选择性地允许填充剂的离子种类进入。电位具有驱动电场分量和横电场分量，在优选的实施方式中，各个电极均参与产生驱动电场和横电场这两个分量。即使没有漂移气流也能够使用设备。
发明内容
作为对离子迁移率进行测量的技术，已知有FAIMS(FAIMS、Field Asymmetric wave form Ion MobilitySpectrometry、高场不对称质谱仪或者DIMS、Differential IonMobility Spectrometry(差分离子迁移谱))的技术。FAIMS技术使作为测量对象的化学物质离子化，在利用离子迁移率针对每种化学物质是唯一的性质来使已离子化的化学物质在载气(缓冲气体)中迁移的同时，使差动型电压(DV、DispersionVoltage(分离电压)、Vd电压、交流电压、电场电压Vrf，以后为Vf)和补偿电压(CV、CompensationVoltage(补偿电压)、Vc电压、补偿电压、直流电压，以后为Vc)发生变化，来不对称地交替地切换高电场和低电场。由此，非目标的化学物质在飞行中途碰撞生成电场的电极(板)失去电荷而不被检测出。另一方面，如果适当地控制该电压Vf和电压Vc的条件，则作为检测目标的被离子化的化学物质能够到达检测器并作为流过检测器的电流值而检测出。
本发明的一个方式是使已离子化的物质沿第一方向进行迁移的迁移装置。该迁移装置具有：多个第一电极，该多个第一电极沿第一方向排列，该多个第一电极中的至少一部分邻接的电极间所形成的电场方向定期性地反转，形成使已离子化的物质中的至少一部分沿第一方向行进的线性驱动用的第一交流电场；以及多个第二电极，该多个第二电极沿与第一方向不同的第二方向排列，形成使已离子化的物质中的至少一部分的行进方向向第二方向偏转的不对称的第二交流电场。
在该迁移装置中，多个第一电极中的至少一部分邻接的电极间所形成的电场方向定期性地反转。典型的是对多个第一电极进行切换使得邻接的电极之间的极性定期性地(在短周期内)反转。因而，利用多个第一电极形成线性驱动用的第一交流电场，多个第一电极针对已离子化的物质作为线性静电马达而发挥功能。第一方向既可以是直线，也可以是曲线。
电场中的离子的平均迁移速度vd通过下面的式(1)提供。
vd=KE   …(1)
在此，E为电场的强度，K为迁移率(离子迁移率)，是在各化学物质(分子、原子、气体分量、组合物等)中唯一的参数。因而，使与包括离子迁移率、电场的强度以及切换速度(频率)的第一交流电场的条件相符(同步)的化学物质沿第一方向迁移，并从迁移装置输出。另外，在迁移装置内，由于与第一交流电场的条件相符(同步)的化学物质的浓度降低，因此该化学物质实质上被吸入到迁移装置。
由沿第二方向排列的多个第二电极形成的不对称的第二交流电场如FAIMS技术所示的那样使离子迁移率符合第二交流电场的条件的化学物质停留在第二电极间。因而，在该迁移装置中，符合第二交流电场的条件的化学物质停留在第二电极间，如果该化学物质符合第一交流电场的条件，则使其快速地沿第一方向迁移。因此，能够提供一种具备高的选择性能、即使微量也能够使特定的化学物质高效地迁移的迁移装置。
为了形成能够进行线性静电驱动的第一交流电场而需要高的电场强度，但是通过利用微加工(Micromachine)或者MEMS技术缩小多个第一电极间的距离，由此即使不使用非常高的电压也能够使已离子化的化学物质迁移。另外，能够提供一种小型的迁移装置。
优选多个第一电极被配置在多个第二电极所形成的第二交流电场内。例如，多个第一电极包括多个环状电极，该多个环状电极以沿第一方向排列的方式配置在多个第二电极中的相对的两个电极的大致中间。并且，优选多个第二电极中的相对的两个电极形成筒状的流路，多个环状电极沿筒状的流路的中心线配置。第二交流电场的一例是包含交流分量和直流分量。
本发明的另一个方式为具有上述迁移装置、使流入到迁移装置的物质离子化的离子化单元以及对从迁移装置排出的物质进行检测的检测器的装置(离子迁移率传感器、检测装置、测量装置)。迁移装置将符合第一交流电场和第二交流电场的条件的化学物质传送到检测器。因而，能够提供一种分离能力(分辨率)高的离子迁移率传感器以及使用该离子迁移率传感器的检测装置。另外，在该传感器中，通过第一交流电场能够在传感器的内部随时提高已离子化的化学物质的速度。因此，能够延长已离子化的化合物的迁移距离，进而能够提供一种分离或者选择性能高的传感器。
设置储存从迁移装置排出的物质的储蓄器也是有效的。能够将通过检测器确认出的化学物质选择性地储存在储蓄器中。将储存在储蓄器中的化学物质通过反馈通路供给到迁移装置，在迁移装置中重新筛选，能够提高检测精确度、将纯度更高的化学物质储存在储蓄器中等。
本发明的另一个方式是具有多个上述迁移装置的合成装置。合成装置具有：反应腔室，其储存从多个迁移装置分别排出的物质；以及供给单元，其对反应腔室内的物质供给反应能量。能够由迁移装置从空气中等选择进行合成所需要的分子水平的化学物质，并传送到反应腔室，合成所期望的化学物质。
合成装置还具有储存向多个迁移装置中各迁移装置供给的物质的多个储蓄器和向多个储蓄器中的各储蓄器供给物质的多个迁移装置也是有效的。由迁移装置从大气中等选择作为合成的来源的分子水平的化学物质，并事先储存在储蓄器中。
本发明的另一个方式是具有包括迁移装置的检测装置和/或合成装置的终端。本发明的迁移装置能够自吸收作为目标的化学物质(分子、原子)。并且，优选通过MEMS或者微加工实现该迁移装置。因而，使用了迁移装置的各种装置能够省略除迁移装置以外的泵，从而能够将整体整合得非常小。因此，能够将使用了迁移装置的装置搭载于移动电话、智能手机等移动终端。
本发明的另一个方式是包括通过迁移装置使已离子化的物质沿第一方向进行迁移的步骤的方法、例如控制方法，该迁移装置包括：多个第一电极，该多个第一电极沿第一方向排列；以及多个第二电极，该多个第二电极沿第二方向排列。进行迁移的步骤包括以下步骤。
·使多个第一电极形成线性驱动用的第一交流电场。
·使多个第二电极形成不对称的第二交流电场。
进行迁移的步骤也可以包括使已离子化的物质朝向检测器迁移。另外，进行迁移的步骤还可以包括使已离子化的物质朝向反应腔室迁移。
附图说明
图1是表示离子迁移率传感器的概要结构的图。
图2是表示漂移管的结构的截面图。
图3是表示漂移管的结构的其它方向的截面图。
图4是表示形成不对称的交流电场的电压变化的图。
图5是表示线性驱动用的交流电场的变动的图。
图6是表示在漂移管中离子进行迁移的情形的图。
图7是表示通过改变电场切换速度使离子电流发生变化的情形的图，图7的(a)表示根据第一切换速度得到的电流值的变化，图7的(b)表示根据第二切换速度得到的电流值的变化，图7的(c)表示根据第三切换速度得到的电流值的变化。
图8是表示软件控制单元的处理的一例的流程图。
图9是表示反馈单元的使用状态的图。
图10是表示合成装置的概要结构的图。
图11是表示迁移单元的概要结构的图。
图12是表示离子迁移率传感器的不同的例子的图。
图13是表示搭载有离子迁移率传感器的移动终端的图。
具体实施方式
图1示出本发明所涉及的离子迁移率传感器的概要。该传感器10具有：大气或者呼气等样本气体1的吸引口11；过滤器12，其去除所吸引的样本气体1中包含的颗粒等异物；离子化单元13，其通过适当的方法使样本气体1中包含的成分离子化；迁移单元(离子供给器、离子输送机)30，其利用交流电场使已离子化的物质(化学物质)迁移；以及检测器15，其对由迁移单元30传送的化学物质进行检测。迁移单元30具备U字型的漂移管(供给器(feeder))50，输入侧的端51与离子化单元13相连接的一侧的直管部52为导入管，另一侧的直管部55为放出管，放出管55的前端56与检测器15相连通。导入管52的端53与放出管55的端54通过弯管57进行连接。
离子化单元13也可以是利用放射线源(N63)进行离子化的类型、通过电晕放电进行离子化的类型或者其它类型。检测器15包括如下的检测用电极15a：当已离子化的化学物质到达该检测用电极15a时，以电流值的形式测量出所到达的化学物质的量。另外，检测器15包括用于获取检测器15的环境条件、例如温度、湿度、压力、流量等的传感器群15s。
传感器10还包括反馈单元200，该反馈单元200将迁移单元30的导入管52的放出侧的端53与输入侧的端51连通。反馈单元200包括：储蓄器(分离腔室)201，其与迁移单元30的导入管52的放出侧的端53相连通；旁路管202，其将储蓄器201与迁移单元30的输入侧的端51连通；以及离子化单元203，其设置在旁路管202的出口(迁移单元30的输入侧)。反馈单元200还包括：惰性气体储气罐(缓冲器)204，其对储蓄器201的内压进行控制；以及真空排气单元205，其对储蓄器201进行净化。
并且，反馈单元200包括用于对线路进行切换的阀211～215以及用于获取反馈单元200的环境信息的传感器群221和222。
典型地说，迁移单元30的漂移管50整体为圆筒状，直径为1μm～10mm，优选10μm～1000μm，更优选10μm～500μm。漂移管50包括半圆筒状的两张电极板(第二电极、半圆筒状电极)71和72。这些电极板71和72隔着绝缘体被组装构成管50的轮廓。电极板71和72被分离为构成导入管52的组以及构成弯管57和放出管55的组，能够由各个组形成独立的电场。此外，只要是能够提高所施加的电压的状况，漂移管50的直径就可以更大。另外，漂移管50也可以是截面为矩形、例如正方形或长方形的管。
漂移管50还在电极板71和72的中心附近具有沿漂移管50的轴向X配置的多个环状的电极(第一电极)60。环状电极60以适当的间隔进行配置，对邻接的电极、例如第奇数个电极61和第偶数个电极62施加极性互不相同的的电压。电极60间的距离例如是1μm～1000μm，优选10μm～500μm。环状电极60的直径为1μm～1000μm，优选10μm～500μm，更优选10μm～100μm。此外，只要是能够提高所施加的电压的状况，环状电极各自的尺寸就可以更大。多个环状电极60被分离为在导入管52内形成电场的组以及在弯管57和放出管55的内部形成电场的组，能够由各个组形成独立的电场。
传感器10具有驱动控制单元100，该驱动控制单元100对环状电极60以及电极板71和72供给电力来控制由这些电极形成的电场。驱动控制单元(控制单元)100包括：第一电场控制单元110，其使环状电极60形成线性驱动用的第一交流电场；以及第二电场控制单元120，其使电极板71和72形成不对称的第二交流电场。
第一电场控制单元110定期性地切换对环状电极60的第奇数个电极61和第偶数个电极62施加的电压Vd1和Vd2的极性，来使邻接的电极61和62之间所形成的电场方向定期性地发生反转。由此，由环状电极60形成线性驱动用的第一交流电场，该线性驱动用的第一交流电场使样本气体1中所包含的已离子化的化学物质(已离子化的目标化学物质，在下文中为离子或者已离子化的分子)5沿轴向(第一方向)X迁移。电压Vd1和Vd2是0.1MHz～50MHz左右、10V～200V左右的交流电压或者是呈脉冲状进行切换的电压。电压Vd1和Vd2的频率和电压值取决于电极60的尺寸和间隔，也可以不是上述范围。
第二电场控制单元120对电极板71和72施加交流电压(交流电场)Vf和补偿电压Vc，沿与轴向X正交的Y方向(第二方向)形成不对称的交流电场。交流电压Vf是0.1MHz～50MHz左右、10V～200V左右的高频，补偿电压Vc是适合在交流电压的范围内形成不对称的电场的直流电压。交流电压Vf以及直流电压Vc的频率和电压值取决于电极板71的尺寸和间隙，也可以不是上述范围。
驱动控制单元100还包括测量单元130、反馈控制单元140、软件控制单元150、模拟器160以及数据库170，其中，该测量单元130以电流值的方式获取由迁移单元30放出到检测器15的作为目标的化学物质5的量，该反馈控制单元140对反馈单元200进行监视和控制，该软件控制单元150根据从检测器15获得的测量值来通过软件变更电场控制单元110和120的设定值等。测量单元130除了获取作为测量值的电流值以外，还从检测器15的传感器群15s获取环境信息，对测量值进行校正。反馈控制单元140对设置于反馈单元200的阀211～215进行控制来进行线路切换，并且获取传感器群221和222的值来对反馈单元200的各部分、例如储蓄器201的状态等进行监视。
图2是沿与样本气体1的流入方向、即轴向X正交的方向Y切割漂移管50所得到的截面图。图3是沿样本气体1的流入方向、即轴向X切割漂移管50所得到的截面图。管50由半圆筒状的两张电极板71和72隔着绝缘体78和79组装而成，从而构成了筒状的轮廓。
在漂移管50的中心附近，沿轴向X以适当的间隔配置有环状的微小电极61和62。电极61和62各自包括环状的前端部63和引线64，该引线64贯通于绝缘体78和79并暴露在漂移管50的外侧以对前端部63供给电力。在图2和图3中设为以下结构：将第奇数个电极61的引线64和第偶数个电极62的引线64引向不同的方向，从而容易对这些引线64施加极性不同的电压Vd1和Vd2。然而，电极61和62的引线64的配置不限定于此。
图4示出对电极板71和72施加的不对称的交流电压的一例。通过将交流电压(交流电场)Vf和直流的补偿电压Vc进行组合，来在时刻t11、t12、t13形成呈脉冲状变化的不对称的交流电场75。另外，由于改变补偿电压Vc而电场75的不对称性如箭头76所示那样发生变化，从而能够控制通过漂移管50的离子5向Y方向的位移(偏转)。
图5示出通过环状的微小电极61和62来施加极性不同的电压(驱动电压)Vd1和Vd2的情形。如本图所示，当时间经过时刻t0、t1～t22、t23时，以规定的时间间隔对分别施加到漂移管50的微小电极61和62的电压Vd1和Vd2进行切换使得极性互不相同。其结果，沿轴向X形成线性驱动用的第一交流电场65。
图6示意地示出漂移管50的内部的已离子化的分子5进行迁移的情形。当由供给到微小电极61和62的驱动电压Vd1和Vd2形成的驱动用的第一交流电场65的频率f1和电场强度E1与作为目标的分子5的迁移率K之间的关系为相符(同步)时，如实线箭头6所示那样，根据线性马达的原理在漂移管50的轴向X上对取得同步的分子5进行加速。通过漂移管50的离子5到达在漂移管50的出口56处准备的检测器15的检测用电极15a，作为离子电流而被检测出。
另一方面，迁移率K与由微小电极61和62形成的驱动用的交流电场65的频率不相符(同步)的分子如虚线箭头7所示那样向电极板71或72的方向偏转并接触到电极板71或72而发生放电。因而，不会在检测器15中作为离子电流而被检测到。即，由于已离子化的分子5碰到电极71或72时丧失电荷，因此在检测器15中测量不到其物质电流值，即使这样的分子通过了漂移管50也不会在检测器15中被检测到。已离子化的分子接触到微小电极61或62的情况也相同。
即，环状的微小电极61和62沿电极板71和72所构成的漂移管50的中心轴X进行配置，位于电极板71和72的中间，被配置在由电极板71和72形成的不对称的第二交流电场75的内部。因而，被吸引到漂移管50的已离子化的分子5受到线性驱动用的第一交流电场65的影响，并且受到由电极板71和72沿Y方向形成的不对称的第二交流电场75的影响。因此，在线性驱动用的第一交流电场65下不在管50的内部进行迁移的分子5由于受到第二交流电场75的影响而离开环状的微小电极61和62的范围，并丧失电荷。
另外，在利用不对称的电场对已离子化的化学物质进行过滤的FAIMS技术中，已知由交流电压Vf和直流的补偿电压Vc形成的不对称的交流电场75与离子迁移率K的关系为相符的分子(目标化学物质)5集中在电极板71和72的中心附近。因而，使由配置在电极板71和72的中心附近的环状电极61和62形成的线性驱动用的第一交流电场65的条件与因不对称的第二交流电场75而聚集的分子5的离子迁移率K同步，由此能够通过漂移管50向规定的方向X传送利用不对称的第二交流电场75过滤后的分子5。因此，能够不依靠载气而通过漂移管50直接将目标化学物质5向期望的方向、例如检测器15侧传送。
图7的(a)～(c)示出形成线性驱动用的第一交流电场65的电压Vd1和Vd2的频率(电场切换速度)以及由此检测出的离子电流的几个例子。通过改变电场切换速度，由此使由迁移单元30的漂移管50传送的离子5改变，使送入传感器15的离子5改变。因而，改变通过传感器15的离子5，使离子电流的值(谱)发生变化。
在该迁移单元30中，能够使用驱动控制单元100，通过软件控制线性驱动用的第一交流电场65的条件和不对称的第二交流电场75的条件中的任一方或者双方。特别地，通过软件控制线性驱动用的第一交流电场65的条件，能够控制在迁移单元30的漂移管50中流动的分子(样本气体)的流速。因此，与机械式地控制载气的流量的情况相比，能够精细地控制漂移管50内的气体流量(气体流速)。因而，在具备迁移单元30的传感器10中，通过更加精细地控制离子5的漂移速度，能够进行稳定的高精确度的测量。
例如，基本上能够利用形成第二交流电场75的交流电压Vf的值和补偿电压Vc的值来选择性地对已离子化的作为测量对象的化学物质进行测量。并且，通过以使线性驱动用的第一交流电场65与作为测量对象的已离子化的化学物质相符的方式产生该线性驱动用的第一交流电场65，能够提高迁移单元30的选择性(过滤性能)。因而，能够期待对由迁移单元30送入的离子5进行检测的检测器15的检测电流值(波形)变得更鲜明、精确度更高。另外，线性驱动用的第一交流电场65的切换速度也能够以在检测器15中检测出的电流值(测量值)为目标，通过软件控制单元150调整、发现灵敏度更高的组合。因而，在该传感器10中，通过软件控制使用于检测作为目标的离子5的第一交流电场65的条件(切换速度)在宽的切换范围内变化，根据对此获得的检测电流值(峰波形)的特性，搜索检测效率更高的条件。而且，最终将由传感器10检测作为目标的离子5的条件决定为最佳的条件(sweet spot)。
图8示出软件控制单元150中的处理的一例。在步骤301中，从在数据库170中准备的流速控制表和电场切换/表转换表取出初始值和步骤数，开始电场切换(初始化)。由此，通过环状电极61和62在迁移单元30的漂移管50的内部形成线性驱动用的第一交流电场65。
在步骤302中，通过测量单元130获取检测器15的电流值。电流值表示由迁移单元30传送到检测器15的已离子化的化学物质的量。在步骤303中，如果电流值为零，则在步骤304中增加所指定的步骤数来改变电场切换，从而改变线性驱动用的第一交流电场65的条件。
如果电流值不为零，则在步骤305中将在本次测量时形成迁移单元30的漂移管50的不对称的第二交流电场75的条件、即交流电压Vf和补偿电压Vc与从检测器15得到的电流峰值分组来取得相关性。使用模拟器160对在数据库170中准备的各化学物质的配置文件、例如标准状态下的交流电压Vf和补偿电压Vc与峰的相关性进行模拟以使其与本次的测量条件(包括环境条件)相一致，并生成模拟判断表。然后，将所得到的相关性与模拟判断表进行比较来重新计算评价函数。
在步骤306中，如果评价函数的值与过去的测量相比并未增加，则在步骤304中改变线性驱动用的第一交流电场65的条件。
另一方面，在步骤306中，如果评价函数的值与过去的测量相比有所增加，则在步骤307中添加本次测量出的第二交流电场的条件Vf和Vc与电流峰值之间的相关性来更新模拟判断表(Sim判断表)。如果需要，则更新评价函数的系数值。
在步骤308中，在由检测器15获得的电流值整体的峰得到改善的情况下，维持在迁移单元30的漂移管50中形成的第一交流电场65和第二交流电场75的条件，继续进行传感器10的测量。在未得到改善的情况下，在步骤309中通过模拟退火法(simulated annealing)、基于随机数的尝试法(cut&try)进行参数变更，计算测量峰改善的可能性。
在采用了该迁移单元30的传感器10中，由迁移单元30对期望的离子5进行过滤的同时自主地进行传送，并传送到检测器15。因而，能够不依靠载气而直接将目标化学物质传送到检测器侧。在迁移单元30的漂移管50中，存在由于第一交流电场65和第二交流电场75而作为目标的化学物质浓缩的趋势，有可能由于漂移管50的内部的分压变高、浓度变高而分子间碰撞变得激烈。因而，期望导入的样本气体1所含的目标化学物质的浓度为某种程度的低水平。相反地，由于不像以往的载气那样需要很大的气体流量，因此可以不强制性地提高样本气体1的浓度。因此，能够提供一种即使是低浓度的化学物质也能够进行检测的高精确度的传感器10。
采用该方式的迁移单元30的传感器10的其它优点在于，在FAIMS的情况下当作为测量对象的已离子化的化学物质的浓度超过某一水平时导致超出了电流值的可测量范围，但是通过迁移单元30对到达检测器15的化学物质的量进行限制，能够使其收敛于可测量范围。即，在监视检测器15的电流值的同时自动地校正迁移单元30的迁移速度，能够实现以电子控制的方式进行流量控制的自动测量。针对在完成了特性描述(characterization)的数据库中明确了FAIMS的特性、即第二交流电场75的条件的化学物质，能够根据样本气体1所含的测量化学物质的浓度，对在迁移单元30中形成的第二交流电场75的条件和第一交流电场65的条件进行控制来改变到达检测器15的样本的流量，从而实现自动测量。
另外，在该传感器10中，迁移单元30选择性地吸引并送出作为目标的化学物质。因而，迁移单元30吸入作为目标的化学物质以外的物质的可能性变小，并且能够省去包含灰尘等在内强制性地送入传感器的载气。因此，通常FAIMS分析装置在装置输入前安装有碳纤维、微过滤器(micro filter)，但是能够省略这些过滤器。这些过滤器一般采用去除具有对测量带来影响的危险性的微粒子的方式，从系统整体来看是压力下降的主要原因，为了维持压力而需要量更多的压力更高的载气。因此，由于设置大量的过滤器而需要增加泵的台数以维持固定压力平衡，成为成本增高的主要原因。
图9示出通过具备迁移单元30和反馈单元200的传感器10对化学物质进行测量的处理的一例。首先，反馈控制单元140打开设置在漂移管50的输入侧51的第一控制阀211来输入样本气体1。如上所述，迁移单元30具备作为离子输送机的功能，因此不使用机械泵、载气也能够获取样本气体1。即，该离子传感器10能够自主地从大气吸入样本气体1。
当吸入规定的气体量时关闭第一控制阀211，在测量结束之前不打开第一控制阀211。在打开第一控制阀211的同时，关闭用于将惰性气体204导入储蓄器201的第五控制阀215，也关闭将储蓄器201与旁路管202连接的第四控制阀214，并打开将漂移管50的导入管52的放出侧53与储蓄器201连接的第三控制阀213。
储蓄器(分离腔室)201通过真空排气单元205被预先形成真空状态，在该阶段将储蓄器201与真空排气单元205切断。当在该状态下由漂移管50的第一电极60(61和62)形成线性驱动用的第一交流电场65、由第二电极71和72形成不对称的第二交流电场75时，通过漂移管50的导入管52从样本气体1中分离出作为测量对象的化学物质5，并传送到储蓄器201。
在储蓄器201的内压达到与外界大气压相同的一个大气压的同时，关闭第三控制阀213，将储蓄器201与漂移管50分离，并暂且对漂移管50进行净化(形成平衡状态)。例如以各种条件驱动线性驱动用的第一交流电场65和不对称的第二交流电场75，将存在于漂移管50的内部的物质的浓度平衡设为平衡状态。之后，关闭将漂移管的输入侧与大气进行连接的第一控制阀211。
之后，打开将旁路管(反馈环)202与漂移管50的输入侧51连接的第二控制阀212、将惰性气体204导入到储蓄器201的第五控制阀215以及将储蓄器201与旁路管202连接的第四控制阀214。通过该操作，将储存在储蓄器201中的气体通过离子化单元203反馈给漂移管50。储存在储蓄器201中的气体所包含的成分主要是由漂移管50过滤后的成分，成为作为测量对象的化学物质5的浓度高的气体(浓缩气体)2。
在使用漂移管50的导入管52进一步提高储存在储蓄器201中的气体(浓缩气体)2的浓度的情况下，打开第二控制阀212的同时打开第三控制阀213来将漂移管50的导入管51的放出侧53与储蓄器201连通。第五控制阀215在进行切换控制的同时将惰性气体204慢慢地导入到储蓄器201以使储蓄器201的内压与外界大气压相同。由此，在保持固定压力的同时从储蓄器201向旁路管202的供给虽然是强制性地但被缓慢地进行。该供给不会极端地减小储蓄器201的内压，只要能够确保适当的返回(反馈)流量即可。
在样本气体1中所包含的作为测量对象的物质的浓度非常低的情况下，多次使用该反馈单元200向漂移管50进行反馈，由此能够提高储蓄器201内的作为测量对象的化学物质的浓度。储蓄器201例如也可以是包含有多孔质玻璃等吸附材料的压缩腔室，能够实现超小型的仓库。能够通过存储使用反馈单元200的反馈次数来进行浓度调整。另外，也能够升高多孔质玻璃等的温度来一下子放出储存在储蓄器201中的化学物质，从而提高浓度。
在由检测器15对储蓄器201的浓缩气体2中所包含的作为测量对象的化学物质的种类和浓度进行检测的情况下，打开将漂移管50与旁路管202连接的第二控制阀212，关闭将漂移管50与储蓄器201连接的第三控制阀213。通过漂移管50的导入管52、弯管57以及放出管55传送浓缩气体2并放出到被安装在放出管55的放出侧56的检测器15。然后，以电流值的形式对被放出的气体所包含的已离子化的分子5进行测量。
这样，具备迁移单元30的离子传感器10能够省略用于使样本气体1在传感器10中流动的机械泵。即，在该传感器10中，可以使用泵吸引或者供给样本气体1，也可以不使用泵。
在以往的使用不对称电场将离子分离的FAIMS传感器中，在通过了离子化单元之后形成飞行通路的同时对两个电极板施加不对称的电压，但是为了使样本气体流动到检测器侧，而通过机械泵以固定的压力产生固定流量(流速)的气体流。与此相对地，在本例的传感器10所采用的迁移单元30中，除了形成不对称的交流电场的系统之外，还设置作为被微细加工过的微小电极的、邻接的电极的极性彼此高速地被切换正负的电极，在漂移管50的内部对离子进行线性驱动。因而，已离子化的化学物质以被压向检测器的方向的方式进行迁移。
在该传感器10或者使用该传感器10的传感器系统中，与以往的FAIMS类型的传感器不同，根据化学物质的分子量以及离子迁移率、离子量来进行用于使设为目标的化学物质迁移(传送)的切换控制。该机构也与离子迁移率相关，因此不仅传送设为目标的化学物质，也能够同时得到过滤的效果。因而，即使在设为目标的化学物质以非常低的浓度存在于大气中等的情况下，也能够将其作为目标传送到检测器15，即使是低浓度也能够可靠地进行检测。
并且，该传感器10用于通过迁移单元30使作为目标的化学物质聚集到储蓄器201来进行浓缩。因而，能够更高灵敏度地检测作为目标的化学物质。
另外，设置反馈单元200，通过反馈环(旁路管)202进行多次分离、进行多次测量，由此已离子化的化学物质测量也能够进行由于质子亲和力、电子亲和力的能量的不同而隐藏并不在测量范围内那样的物质的测量。
即，在通过FAIMS技术对离子进行测量的情况下，根据离子化单元的不同而存在采用间接离子化的情况，在这种情况下，存在以下情况：根据由于质子亲和力、电子亲和力而引起测量对象样本与载气中所包含的化学物质的组合的不同，离子授受(传递)的比率发生变化，测量数据发生变化，从而难以进行测量。在采用放射线源、电晕放电等的间接离子化来对样本进行分析、确定的情况下，根据设为目标的化学物质及其组合的不同，离子化难易度发生变化。因此，存在很难以绝对值的形式(仅以电流值的形式)对作为目标的化学物质进行测量的情况。也就是说，存在以下情况：根据测量样本的不同，如果幸运的话，则能够进行清楚且可靠性高的测量，根据组合的不同，如果不进行利用UV(紫外线)的直接离子化，则很难进行测量。
与此相对地，在反馈单元200中，不仅形成浓度高的气体2，而且每次通过旁路管202时都在离子化单元203中进行离子化。因而，能够使到达检测器15的气体的状态(离子化状态)稳定，从而能够进行稳定的测量。
另外，在该离子传感器10中，迁移单元30将已离子化的化学物质通过如电场差动泵那样发挥功能的漂移管50送入到储蓄器201，能够从容易进行质子亲和、电子亲和的离子化的化学物质开始供给到检测器15来依次进行测量并排出。由此，即使是离子化的优先顺序处于下级的化学物质，通过多次通过反馈环202重复进行测量，也能够测量出。
另外，能够将漂移管50的特性(线性驱动用的第一交流电场的特性)切换为传送正离子的特性以及传送负离子的特性，并以不同的条件对正负离子进行浓缩、检测以及排出等。这样，由于漂移管50能够在各种条件下选择和传送离子，因此通过增加在漂移管50中的往返次数，能够选择性地提高作为测量对象的化学物质的纯度，从而得到更高精确度的测量结果。
图10示出纳米水平的基于软件控制的化学物质的合成装置的概要结构。该合成装置500包括：三个迁移单元(迁移装置、离子泵、离子供给器、离子输送机、离子喷嘴)30a、30b及30c；化学反应腔室510，这些迁移装置向该化学反应腔室510投入化学物质；电力供给单元(能量供给单元)520，其对化学反应腔室510施加电场；反应控制单元530，其通过开启和关闭电场来对化学反应进行切换控制；泵540，其放出所合成的产品；以及离子迁移率传感器10，其用于对所合成的产品的成分进行确认。三个迁移单元30a、30b及30c具有以下功能：将大气中的不同的成分(第一成分、第二成分、第三成分)浓缩到各自的储蓄器，并将各个成分投入到化学反应腔室510。
图11示出迁移单元30a的结构。其它的迁移单元30b和30c也是同样的结构。迁移单元30a包括第一漂移管50a和反馈单元200，能够通过第一漂移管50a从大气中选择规定的成分传送并储存到储蓄器201。迁移单元30a还包括第二漂移管50b和检测器15，由它们构成离子迁移率传感器39。因而，能够通过嵌入在单元中的离子迁移率传感器39监视储存在储蓄器201中的成分、监视被投入(排出)到化学反应腔室510的成分等。
在该迁移单元30a中，从大气中将规定的成分聚集到储蓄器201的漂移管50a兼具作为将规定的成分从储蓄器201供给到反应腔室510的漂移管的功能，但是也能够分别设置收集用的漂移管和供给用的漂移管。由于能够并行地进行规定成分的提取和供给，因此能够抑制合成用的来源(资源)用尽。
迁移单元30a～30c分别通过对漂移管50a的第一交流电场和第二交流电场的条件进行控制，能够以非常高的精确度选择大气中的分子，能够将其储存在储蓄器201中。并且，通过对漂移管50a的第一交流电场和第二交流电场的条件进行控制，能够传送非常微小的量的化学物质，存在能够以接近分子单位的水平控制化学物质的量的可能性。因而，能够提供一种能够通过化学反应腔室510合成非常微小的量的化学物质、并且通过从大气中收集合成用的资源而接近免维护的合成装置500。
为了选择促进化学反应的适当的酶、催化剂，以往需要庞大的时间和劳力。在合成装置500中，能够以更高的精确度选择所需要的化学物质并导入到反应腔室510，通过对化学物质的量、种类进行控制，能够在化学反应腔室510中连续地或者瞬间地合成各种物质。除了对化学反应腔室510提供电力以外，也可以提供光、磁力等合成用的能量，还可以在内部配置适当的催化剂。另外，在合成可以需要较长时间的情况下，也能够利用催化剂、酶来进行化学反应，还能够使用选择引起期望的反应的催化剂、酶的试验装置。
另外，还能够将通过化学反应腔室510生成的成分再作为合成用的资源进行反馈。能够将合成装置500构成为由被适当地设定了条件的迁移单元30选择化学反应腔室510的产物并储存在储蓄器201中，在不同的定时供给到化学反应腔室510。例如，能够选择空气中的氧气、氮气以及二氧化碳作为有机系的产物的原始来源，在化学反应腔室510中首先合成碳数少的低级的有机物，接着将它们作为资源来合成碳数多的高级有机物。合成装置500能够应用于各种领域。一个例子是应用于气味产生装置。
图12示出包括迁移单元的离子迁移率传感器的其它例子。该传感器600具有输入端口601、离子化单元602、迁移单元30d、检测器15以及排气端口603。迁移单元30d包括并列配置的多个漂移管50。通过将多个漂移管50并列配置来增加能够吸引的样本气体的量。一个漂移管50的优选的尺寸为几μm～几100μm。因而，即使将多个漂移管50并列配置，离子迁移率传感器600的整体的尺寸也为几mm～几cm，并且迁移单元30d不需要机械泵，因此能够提供一种结构极简单且小型的能够简单地内置于移动电话等移动终端的离子迁移率传感器。
图13示出移动电话终端700内置有话筒701以及离子迁移率传感器600的例子。该移动电话终端700能够通过离子迁移率传感器600始终监视用户的呼气。因而，通过对呼气中所包含的化学物质进行监视，能够进行用户的健康管理、发现疾病的初期状态以及对疾病的进展状态进行监视等。
此外，上述所示的例子是应用了迁移装置的装置或者系统的一例，迁移装置能够广泛地应用于需要对微量成分进行选择和传送(输送)的应用程序。

Claims (15)

1.一种迁移装置，使已离子化的物质沿第一方向进行迁移，该迁移装置具有：
多个第一电极，该多个第一电极沿上述第一方向排列，该多个第一电极中的至少一部分邻接的电极间所形成的电场方向定期性地反转，形成使已离子化的物质中的至少一部分沿上述第一方向行进的线性驱动用的第一交流电场；以及
多个第二电极，该多个第二电极沿与上述第一方向不同的第二方向排列，形成使已离子化的物质中的至少一部分的行进方向向上述第二方向偏转的不对称的第二交流电场。
2.根据权利要求1所述的迁移装置，其特征在于，
上述多个第一电极配置在上述多个第二电极所形成的第二交流电场内。
3.根据权利要求2所述的迁移装置，其特征在于，
上述多个第一电极包括多个环状电极，该多个环状电极以沿上述第一方向排列的方式配置在上述多个第二电极中的相对的两个电极的大致中间。
4.根据权利要求3所述的迁移装置，其特征在于，
上述多个第二电极中的相对的两个电极形成筒状的流路，上述多个环状电极沿上述筒状的流路的中心线配置。
5.根据权利要求1～4中的任一项所述的迁移装置，其特征在于，
上述第二交流电场包括交流分量和直流分量。
6.一种具有根据权利要求1～5中的任一项所述的迁移装置的装置，还具有；
离子化单元，其使流入到上述迁移装置的物质离子化；以及
检测器，其对从上述迁移装置排出的物质进行检测。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，
还具有储蓄器，该储蓄器储存从上述迁移装置排出的物质。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，
还具有反馈通路，该反馈通路将上述储蓄器内的物质从上述储蓄器供给到上述迁移装置的入口侧。
9.一种具有多个根据权利要求1～5中的任一项所述的迁移装置的装置，还具有：
反应腔室，其储存从多个上述迁移装置分别排出的物质；以及
能量供给单元，其对上述反应腔室内的物质供给反应能量。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，还具有：
多个储蓄器，该多个储蓄器储存向多个上述迁移装置中的各迁移装置供给的物质；以及
多个供给用的迁移装置，该多个供给用的迁移装置向上述多个储蓄器中的各储蓄器供给物质，
其中，上述多个供给用的迁移装置中的各迁移装置是根据权利要求1～5中的任一项所述的迁移装置。
11.一种移动终端，具有根据权利要求6～10中的任一项所述的装置。
12.一种包括通过迁移装置使已离子化的物质沿第一方向进行迁移的步骤的方法，该迁移装置包括：多个第一电极，该多个第一电极沿第一方向排列；以及多个第二电极，该多个第二电极沿第二方向排列，
其中，上述进行迁移的步骤包括如下步骤：
使上述多个第一电极形成线性驱动用的第一交流电场；以及
使上述多个第二电极形成不对称的第二交流电场。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，
上述进行迁移的步骤还包括使已离子化的物质朝向检测器迁移的步骤。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，
上述进行迁移的步骤还包括使已离子化的物质朝向储蓄器迁移的步骤。
15.根据权利要求12至14中的任一项所述的方法，其特征在于，
上述进行迁移的步骤还包括使已离子化的物质朝向反应腔室迁移的步骤。
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