CN107923875A - 门电极和离子迁移率分析装置 - Google Patents

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Abstract

作为闸门使用的门电极(10A)是通过在陶瓷制的基材(11)的矩形的开口(12)内侧安装金属制且是相同大小的一对导电性固定构件(131、132)、并在一对导电性固定构件(131、132)的内侧安装陶瓷制的绝缘性固定构件(141、142)而成的。两个为一组的梳形电极(151、152)的连结部(151a、152a)固定于导电性固定构件(131、132)，细线电极的末端固定于绝缘性固定构件(141、142)。根据各构件的热膨胀系数，将开口(12)的长度(L)和导电性固定构件(131、132)的宽度(D)设定为规定的值，能够获得伴随着温度上升而产生的、电极的伸长与该电极的固定部的扩张之间的平衡，而抑制电极的拉伸、松弛。由此，能够将漂移区域的温度设定得高于以往的温度从而进行排除了残留水蒸气等的影响的高精度、高分辨率的分析。

Description

门电极和离子迁移率分析装置
技术领域
本发明涉及用于拦截离子等带电粒子、使离子等带电粒子通过的门电极(日文：ゲート電極)和作为用于将离子以脉冲状导入漂移区域的闸门(日文：シャッタゲート)而使用了该门电极的离子迁移率分析装置。
背景技术
在使由试样分子生成的分子离子在电场的作用下在介质气体(或液体)中移动时，该离子以与由电场的强度、该分子的大小等决定的迁移率成正比的速度移动。离子迁移率分析法(Ion Mobility Spectrometry＝IMS)是为了对试样分子进行分析而利用了该迁移率的测量方法。图3是以往的通常的离子迁移率分析装置的概略结构图(参照专利文献1等)。
该离子迁移率分析装置包括：离子源1，其使试样中的成分分子离子化；漂移区域4，其设于未图示的例如圆筒形状的外壳内，用于测量离子迁移率；以及检测器5，其用于检测在漂移区域4中移动过来的离子。而且，为了将在离子源1生成的离子限定在极短的时间宽度内以脉冲状送入漂移区域4，在漂移区域4的入口具有闸门3。外壳内为大气压气氛或100Pa左右的低真空气氛，利用分别施加于在漂移区域4配置的漂移电极组2所包含的许多个圆环状的电极2a的直流电压，在漂移区域4中形成沿离子移动方向(图3中的Z方向)表现出下降电位梯度的(使离子加速的)匀强电场。而且，在该电场所产生的加速方向的相反方向上形成有中性的扩散气体的流动。
由离子源1生成的离子被闸门3暂时拦截，在闸门3短时间开放时，离子以分批状(日文：パケット状)导入到漂移区域4中。所导入的离子在漂移区域4与迎面而来的扩散气体碰撞，并且在加速电场的作用下前行。离子根据取决于其大小、立体结构、电荷等的离子迁移率而在时间上分离开，具有不同的离子迁移率的离子具有时间差地到达检测器5。在漂移区域4中的电场均匀的情况下，根据离子通过漂移区域4所需的漂移时间，能够估算离子-扩散气体之间的碰撞截面积。
作为控制对离子的阻挡和离子的通过的闸门3，常常使用专利文献2、非专利文献1等所记载的、被称作BN门(Bradbury-Nielsen Gate)的门电极。图4是专利文献2所记载的基于BN门的闸门的概略立体图。
在该例子中，将通过绕线或蚀刻等制作而成的两片梳形电极231、232粘贴在形成有圆形的开口22的由陶瓷制成的平板状的基材21的一面。其中的一片梳形电极231与正电压输入端241连接，另一片梳形电极232与负电压输入端242连接。由此，以覆盖开口22的方式拉设有在x方向上逐个交替地施加有不同极性的电压的细线状的电极。并且，通过控制经由正电压输入端241和负电压输入端242向两片梳形电极231、232施加的电压，能够在开口22附近形成用于拦截离子的电场、或消除该电场而使离子自由通过。
可是，在这样的离子迁移率分析装置中，当在漂移区域4中存在水蒸气、未充分气化的溶剂液滴等时，测量对象的离子与这样的微粒接触会成为漂移时间变动的较大的因素。因此，为了自漂移区域4极力去除水蒸气、微细溶剂液滴等，在分析时对形成漂移区域4的漂移管进行高温加热。以往，通常的加热温度为120℃～130℃左右，但原本期望提升到更高的温度(150℃～160℃)。
然而，在上述结构的闸门被暴露在高温中时，由于陶瓷制的基材21与金属制的梳形电极231、232之间的热膨胀系数之差，而使该电极231、232产生拉伸、松弛。由此，例如存在如下情况：拉设于开口22的相邻的电极线彼此接触而无法作为闸门充分地发挥功能；电极线变形或断裂而成为无法使用的状态。由于这样的限制，以往只能将装置的温度提升到120℃～130℃左右，而难以将漂移管加热到上述那样的较高的温度而进行测量。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-174619号公报
专利文献2：国际公开第03/065763号小册子
非专利文献
非专利文献1：伊格纳西奥(Ignacio A.Zuleta)及其他4人，《微型BN门(Micromachined Bradbury-Nielsen Gates)》，分析化学(Analytical Chemistry)，Vol.79，No.23，2007年，pp.9160-9165
发明内容
发明要解决的问题
本发明即是为了解决上述课题而做成的，其主要目的在于提供与以往相比即使在更高的高温环境下也难以产生拦截功能的不良、电极的变形和破损的门电极以及通过使用这样的门电极作为闸门从而能够自漂移区域充分地去除水蒸气、溶剂液滴等而进行离子迁移率分析的离子迁移率分析装置。
用于解决问题的方案
根据为了解决上述课题而做成的本发明，提供一种门电极，该门电极利用电场拦截带电粒子、使该带电粒子通过，其特征在于，
该门电极包括：
a)基材部，其呈平板状，在中央形成有离子通过用的矩形开口，该基材部由绝缘体形成；
b)两个导电性固定部，其沿着所述基材部的矩形开口的内侧的相对的两条边互相大致平行地安装于该基材部，该两个导电性固定部由导电体形成；
c)两个绝缘性固定部，其在安装于所述基材部的矩形开口的内侧的所述导电性固定部的进一步的内侧，沿着该相对的两条边大致平行地安装于该导电性固定部，该两个绝缘性固定部由与所述基材部相同的绝缘体形成；
d)第1电极部，其由多条平行的导电性电线形成，该导电性电线以一端固定于一所述导电性固定部、另一端固定于与该导电性固定部相对配置的所述绝缘性固定部、并沿着与该导电性固定部和该绝缘性固定部的延伸方向大致正交的方向延伸的方式拉设；以及
e)第2电极部，其由多条平行的导电性电线形成，该导电性电线以一端固定于另一所述导电性固定部、另一端固定于与该导电性固定部相对配置的所述绝缘性固定部、并在构成所述第1电极部的导电性电线彼此的中间与该导电性电线大致平行的方式拉设，
根据所述基材部以及所述绝缘性固定部的材料的热膨胀系数、所述导电性固定部的材料的热膨胀系数以及所述导电性电线的材料的热膨胀系数，以与规定的温度变化相对应的、沿着与所述导电性电线的延伸方向正交的方向延伸的所述矩形开口的中心线与所述导电性固定部之间的距离的变化量和与该距离相当的长度的所述导电性电线的长度的变化量平衡的方式，分别确定所述矩形开口的在所述导电性电线的延伸方向上的开口宽度和该方向上的所述导电性固定部的宽度。
另外，分别构成第1电极部和第2电极部的导电性电线既可以是在固定于导电性固定部的位置将各导电性电线的端部利用以与该电线大致正交的方式延伸的导电性的电线、带状体连结而成的梳形电极，也可以是没有这样的连结部而分别独立的导电性的线状体。
而且，为了解决上述课题而做成的本发明的离子迁移率分析装置的特征在于，作为将离子分批地导入漂移区域中的闸门，使用了上述技术方案的门电极。
在本发明的门电极中，对以覆盖基材部的矩形开口的方式拉设的导电性电线，一端均固定于导电性固定部，另一端均固定于绝缘性固定部。这可以被认为是第1电极部、第2电极部均相同，温度变化时的伸缩的状态在所有的导电性电线中相同。例如，此时若设为导电性电线的两端均固定于基材部，则在温度上升而使导电性电线产生了膨胀时，若基材部未与该导电性电线相同地产生膨胀而使开口扩大，则导电性电线被拉伸或松弛。在导电性电线使用了热膨胀系数较低的材料时，若形成基材部的绝缘体材料的热膨胀系数高于导电性电线所使用的材料的热膨胀系数，则伴随着温度上升，可能导致导电性电线被拉伸而断裂。另一方面，在导电性电线使用了热膨胀系数较高的材料时，若形成基材部的绝缘体材料的热膨胀系数低于导电性电线所使用的材料的热膨胀系数，则伴随着温度上升，可能导致导电性电线松弛、与相邻的电线接触而短路。
相对于此，在本发明的门电极中，由于导电性固定部安装于基材部的矩形开口的内侧，因此，在由于温度上升而使导电性固定部膨胀时，该导电性固定部向矩形开口的内侧膨胀。即，导电性固定部的膨胀方向成为与由基材部的热膨胀导致的开口的扩大相反的方向。因而，固定于导电性固定部的导电性电线的一端的位置伴随着温度上升而移动与矩形开口的扩大和导电性固定部向开口内侧的膨胀的差大致相当的量。若使该移动量和导电性电线的伸长(膨胀)量一定程度匹配，则能够减轻该电线的拉伸、松弛。
基材部和绝缘性固定部的材料、导电性固定部的材料以及导电性电线的材料的各自的热膨胀系数通过各材料的选择来确定，因而存在制约，但在本发明的门电极的结构中，根据各个材料的热膨胀系数的条件，分别适当确定导电性电线的延伸方向上的矩形开口的宽度和导电性固定部的宽度。与材料的热膨胀系数的选择相比，这些几何学尺寸的调整的自由度特别大，因此，能够以即使在较大的温度上升时也能避免由热膨胀导致导电性电线过度地被拉伸、相反地该电线较大程度地松弛的方式进行调整。
发明的效果
根据本发明的门电极，即使温度上升，作为电极发挥功能的导电性电线也难以被拉伸、松弛。因此，即使在高温的环境下，也能够避免由于导电性电线过度松弛而导致的与相邻的电线的接触、由于该导电性电线过度被拉伸而产生的变形、断裂。
此外，根据本发明的离子迁移率分析装置，由于使用上述那样的门电极作为闸门，因此，能够将漂移管等加热到高于以往的温度。由此，能够自漂移区域充分地去除水蒸气、溶剂液滴等，能够使离子迁移率分析的精度、分辨率提高。
附图说明
图1是作为本发明的一实施例的门电极的俯视图。
图2是门电极的变形例的俯视图。
图3是通常的离子迁移率分析装置的概略结构图。
图4是以往的门电极的一个例子的概略立体图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明所涉及的门电极和将该门电极作为闸门使用的离子迁移率分析装置的一实施例。
图1是本实施例的门电极10A的俯视图。
如图1所示，在本实施例的门电极10A中，在外形在俯视时(从上方观察纸面的状态下)呈矩形且是平板状的陶瓷制的基材11的中央形成有矩形的开口12。在此，为了方便，将图中的纵向设为y方向，将横向设为x方向。在矩形的开口12内侧的在y方向上相对的两边(图1中的上边和下边)安装有金属制且是相同大小的一对俯视呈梯形的导电性固定构件131、132，此外，在该一对导电性固定构件131、132的内侧相对地安装有陶瓷制且是相同大小的一对绝缘性固定构件141、142。在此，将开口12的y方向上的长度设为L，将导电性固定构件131、132的y方向上的宽度设为D。
一个梳形电极151和一个梳形电极152为一组，在其中一个梳形电极151中，将相当于梳齿的多个细线电极连结起来的连结部151a固定于上侧的导电性固定构件131，该细线电极的各自的末端固定于下侧的绝缘性固定构件142。同样地，在另一梳形电极152中，连结部152a固定于下侧的导电性固定构件132，细线电极(本发明中的导电性电线)的各自的末端固定于上侧的绝缘性固定构件141。在进行这些固定时，优选使用具有充分的耐热性(优选在200℃左右以上)的导电性粘接剂。在此，梳形电极151的连结部151a固定于导电性固定构件131的宽度D的大致中央，梳形电极152的连结部152a固定于导电性固定构件132的宽度D的大致中央。而且，梳形电极151的各细线电极的末端部151b固定于绝缘性固定构件142的宽度的大致中央，梳形电极152的各细线电极的末端部152b固定于绝缘性固定构件141的宽度的大致中央。在此，在y方向上，在上侧的绝缘性固定构件141的下边缘与下侧的绝缘性固定构件142的上边缘之间成为能够供离子通过的实际的开口。
基材11和绝缘性固定构件141、142为相同的陶瓷，热膨胀系数相等。另一方面，导电性固定构件131、132和梳形电极151、152均为金属，但是为不同种类的金属，热膨胀系数彼此不同。此时，将温度上升T℃(δT)时的、陶瓷的热膨胀系数设为αC，将导电性固定构件131、132所使用的金属A的热膨胀系数设为αA，将梳形电极151、152所使用的金属B的热膨胀系数设为αB。由于该门电极10A的形状以沿着x方向延伸的中心线C为中心上下对称，因此，此时考虑从中心线C开始的上半部分的热膨胀。
在温度上升时，因基材11的热膨胀而使开口12的y方向上的长度扩大。另一方面，导电性固定构件131、132的y方向上的宽度也因热膨胀而扩大。因此，温度上升了T℃时的、自中心线C到导电性固定构件131的内侧为止的y方向上的长度的变化量δC能够由以下的式(1)表示。
δC＝{δT·αC·(L/2)}-(δT·αA·D)…(1)
式(1)的第1项是由基材11的热膨胀导致的开口12的扩大，第2项是由导电性固定构件131的热膨胀导致的离子能够通过的实际开口的缩小。
另一方面，上升相同温度时的梳形电极151、152的、自中心线C到固定部位为止的y方向上的大致的变化量δB能够由以下的式(2)表示。
δB＝δT·αB·{(L/2)-D}…(2)
在此，未考虑固定梳形电极151、152的细线电极的末端部151b、152b的绝缘性固定构件141、142的变化量、该末端部151b、152b的固定位置，但是，只要事先减小绝缘性固定构件141、142的y方向上的宽度，就能使其变化量达到可忽视的程度。
上述变化量δC可被认为是梳形电极151、152在导电性固定构件131、132上的固定位置的变化量，因此，若该变化量δC与梳形电极151、152自身的变化量δB大致相等，则即使温度上升，梳形电极151、152也不会被拉伸、不会松弛。于是，以δC＝δB的方式，也就是以满足式(3)的方式，确定各材料即陶瓷、金属A以及金属B的各自的热膨胀系数、基材11的开口12的y方向上的长度L、导电性固定构件131、132的y方向上的宽度D。
αB·{(L/2)-D}＝αC·(L/2)-αA·D…(3)
由于热膨胀系数由材料决定，因此，选择的自由度非常窄。于是，通过陶瓷、金属A以及金属B的选择来确定热膨胀系数αA、αB、αC，并在此基础上以满足式(3)的方式确定长度L和宽度D。
作为具体的结构例，在此，将基材11和绝缘性固定构件141、142的材料设为氧化铝，将导电性固定构件131、132的材料设为SUS304(不锈钢)，将梳形电极151、152的材料设为Fe-Ni36％(所谓的因瓦合金：注册商标)。对于各材料的热膨胀系数，氧化铝为7.2[ppm/℃]，SUS304为17.3[ppm/℃]，Fe-Ni36％为1.2[ppm/℃]。将这些值代入到式(3)中，由于αA＝17.3，αB＝1.2，αC＝7.2，因此，成为以下式子：
1.2×{(L/2)-D}＝7.2×(L/2)-17.3×D，
对该式子进行求解，则能够得到L＝5.4×D这样的关系。因而，在将导电性固定构件131、132的宽度设为10mm的情况下，将基材11的开口12的y方向上的长度设定为54mm即可。
在本实施例的门电极10A中，通过采用上述结构，即使温度上升，也能够避免以覆盖开口12的方式拉设的梳形电极151、152较大程度地被拉伸或相反地产生松弛。本实施例的离子迁移率分析装置基本上与图3所示的以往的分析装置是相同的结构，但利用上述门电极10A作为闸门。由此，即使将漂移区域的温度设定得高于以往的温度，也能够防止闸门的电极断裂、相邻的电极接触而无法作为闸门发挥功能。由此，能够减少在漂移区域存在的水蒸气、溶剂液滴，因此，被导入到漂移区域的离子与这些粒子碰撞的可能性降低，而使分辨率、精度提高。
另外，在上述实施例中，使用了将细线电极利用连结部连结而成的梳形电极，也可以像图2所示的门电极10B那样，代替梳形电极而使用分别包括多条金属线的电极。
而且，上述实施例仅是本发明的一个例子，在本发明的主旨的范围内进行适当变更、修正、追加当然也包含在本申请权利要求书的范围内。
附图标记说明
1、离子源；2、漂移电极组；2a、电极；3、闸门；4、漂移区域；5、检测器；10A、10B、门电极；11、基材；12、开口；131、132、导电性固定构件；141、142、绝缘性固定构件；151、152、梳形电极；151a、152a、连结部；151b、152b、细线电极的末端部。

Claims (3)

1.一种门电极，其利用电场拦截带电粒子、使该带电粒子通过，其特征在于，
该门电极包括：
a)基材部，其呈平板状，在中央形成有离子通过用的矩形开口，该基材部由绝缘体形成；
b)两个导电性固定部，其沿着所述基材部的矩形开口的内侧的相对的两条边互相大致平行地安装于该基材部，该两个导电性固定部由导电体形成；
c)两个绝缘性固定部，其在安装于所述基材部的矩形开口的内侧的所述导电性固定部的进一步的内侧，沿着该相对的两条边大致平行地安装于该导电性固定部，该两个绝缘性固定部由与所述基材部相同的绝缘体形成；
d)第1电极部，其由多条平行的导电性电线形成，该导电性电线以一端固定于一所述导电性固定部、另一端固定于与该导电性固定部相对配置的所述绝缘性固定部、并沿着与该导电性固定部和该绝缘性固定部的延伸方向大致正交的方向延伸的方式拉设；以及
e)第2电极部，其由多条平行的导电性电线形成，该导电性电线以一端固定于另一所述导电性固定部、另一端固定于与该导电性固定部相对配置的所述绝缘性固定部、并在构成所述第1电极部的导电性电线彼此的中间与该导电性电线大致平行的方式拉设，
根据所述基材部以及所述绝缘性固定部的材料的热膨胀系数、所述导电性固定部的材料的热膨胀系数以及所述导电性电线的材料的热膨胀系数，以与规定的温度变化相对应的、沿着与所述导电性电线的延伸方向正交的方向延伸的所述矩形开口的中心线与所述导电性固定部之间的距离的变化量和与该距离相当的长度的所述导电性电线的长度的变化量平衡的方式，分别确定所述矩形开口的在所述导电性电线的延伸方向上的开口宽度和该方向上的所述导电性固定部的宽度。
2.根据权利要求1所述的门电极，其特征在于，
所述第1电极部和第2电极部包含梳形电极，该梳形电极是通过将所述多条平行的导电性电线的端部利用以与该电线大致正交的方式延伸的导电性的电线或其他的带状体连结而成的。
3.一种离子迁移率分析装置，其特征在于，
该离子迁移率分析装置使用了权利要求1或2所述的门电极来作为将离子分批地导入漂移区域中的闸门。
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