CN110770577A - 离子迁移率分析装置 - Google Patents

Abstract

漂移电源部(12)的输出电压通过梯形电阻电路(10A)被适当地进行电阻分压，并被分别施加到形成离子输送区域(A)的多个环状电极(21)和形成漂移区域(B)的电阻管(4)。电压检测部(14)检测对电阻管(4)的高电位端部施加的电压，反馈控制部(15)控制漂移电源部(12)的输出电压以使检测电压为固定。在测定时，如果周围温度发生变化、或者装置被长时间连续地使用，则电阻管(4)的电阻值发生变化，但是通过反馈控制能够抑制伴随这样的变化而引起的中间电压(Vm)的变化，因此在电阻管(4)内形成的电场的强度和电位梯度稳定。由此，能够将测定的再现性和分辨率维持在较高的状态。

Description

离子迁移率分析装置

技术领域

本发明涉及一种根据离子的迁移率分离离子并进行检测、或者根据离子的迁移率分离离子后向后级的质谱分析部等分析部输送的离子迁移率分析装置。

背景技术

在通过电场的作用来使源自试样中的化合物的离子在介质气体(或液体)中移动时，该离子以与由电场的强度、该离子的大小等决定的迁移率成比例的速度进行移动。离子迁移率分析法(Ion Mobility Spectrometry＝IMS)是利用该迁移率以进行试样分子的分析的测定法。

图4是一般的离子迁移率分析装置的概要结构图(参照专利文献1等)。

该离子迁移率分析装置具备：利用电喷雾离子化(ESI)法等的离子源1，其使液体试样中的成分分子离子化；多个环状电极21，所述多个环状电极21形成离子输送区域A；多个环状电极41，所述多个环状电极41形成漂移区域B；闸门(shutter gate)3，其配置于离子输送区域A中的最后一级的环状电极21与漂移区域B中的最初一级的环状电极41之间；检测器6，其对离子进行检测；以及出口电极5，其配置于漂移区域B中的最后一级的环状电极41与检测器6之间。此外，此处以用包括作为中心轴的离子光轴C的平面切割环状电极21、41时得到的端面来表示环状电极21、41。

环状电极21、41以及出口电极5分别与包括多个电阻的梯形电阻电路10B连接，分别被施加通过梯形电阻电路10B的各电阻对从未图示的直流电源施加的电压V进行电阻分压而生成的直流电压。由此，在离子输送区域A和漂移区域B分别沿离子移动方向(在图4中为右方向)形成表示下降电位梯度、也就是说对离子进行加速那样的直流电场。在离子输送区域A形成的电场中的电位梯度和在漂移区域B形成的电场中的电位梯度能够利用构成梯形电阻电路10B的电阻的值来适当地调整。另外，在漂移区域B中，沿与利用上述电场加速的加速方向相反的方向形成了中性的扩散气体流。此外，虽未图示，但是从不同的电源对闸门3施加脉冲状的电压。

上述离子迁移率分析装置的概要动作如下面那样。

在离子源1中，从试样生成的各种离子在离子输送区域A中行进，被在闸门3处形成的势垒暂时阻挡在该闸门3前面。然后，当将闸门3短时间打开时，离子成批地、也就是说大致同时地被导入到漂移区域B中。被导入到漂移区域B中的离子在与对面过来的扩散气体碰撞的同时通过加速电场的作用而行进。在其行进的中途，离子根据取决于离子的大小、立体结构、价数等的离子迁移率而沿离子光轴C方向在空间上被分离，具有不同的离子迁移率的离子有时间差地通过出口电极5并到达检测器6。在漂移区域B中的电场为均匀的电场的情况下，能够根据离子通过漂移区域B所需要的漂移时间来估计离子-扩散气体间的碰撞截面面积。

此外，如上述那样并非是在根据离子迁移率分离离子之后直接对离子进行检测，有时也采用如下的结构：在将这些离子导入到四极杆滤质器等质量分离器来将离子根据质荷比m/z进一步分离之后进行检测。已知这种装置为离子迁移率-质谱分析装置(IMS-MS)。

在图4所示的例子中，为了在离子输送区域A、漂移区域B中分别形成用于使离子移动的电场而利用了将多个环状电极21、41层叠得到的结构体(一般是将环状电极与环状的绝缘垫片交替地层叠得到的结构体)。在本说明书中，设为将利用这种结构体形成电场的方法称为“堆栈(stack)方式”。

另一方面，在专利文献2等中公开了如下一种离子迁移率分析装置：取代多个环状电极，而使用在圆筒状玻璃管的内周面形成有电阻覆膜层的电阻管(参照非专利文献1等)。图5是这种离子迁移率分析装置的概要结构图。

在该离子迁移率分析装置中，通过在离子输送区域A用的电阻管2和漂移区域B用的电阻管4各自的两端间施加规定的直流电压，由此能够在这些电阻管2、4内形成用于对离子进行加速的均匀的电场。在该情况下，由于电阻管2、4本身分别是电阻体，因此如图5所示，梯形电阻电路10C能够设为视为存在与电阻管2、4分别对应的虚拟电阻的结构。在本说明书中，设为将利用这种结构形成电场的方法称为“电阻管方式”。

在这样的电阻管方式的离子迁移率分析装置中，也与堆栈方式同样地，通过由梯形电阻电路10C对从直流电源施加的电压进行电阻分压后施加到离子输送区域A用的电阻管2和漂移区域B用的电阻管4，由此能够抑制使用的电源的数量。

然而，在堆栈方式、电阻管方式中均具有如下问题。

在市场上出售的电阻管的两端间的电阻值由于使用该电阻管的环境的温度、连续使用时间等而产生的变化比较大。图6是示出实际测量在市场上出售的电阻管的两端间的电阻值得到的结果的图。150℃的升温状态是假定离子迁移率分析装置中的实际的使用状态的状态，但是电阻值降低到了初始状态(室温)的1/2附近。另外，如果连续使用约1000个小时，则电阻值从其升温的初始时间点起增加到了两倍以上的电阻值。此外，后者能够推测为是由于大气中的成分等附着于电阻管的电阻覆膜层等原因而引起的。

在图5所示的离子迁移率分析装置中，当电阻管4的电阻值如上述那样由于温度而变化或随时间经过而变化时，导致施加至电阻管4的两端间的电压发生变化，从而漂移区域B中的电场强度变化。由此，导致在漂移区域B中通过的离子的速度也发生变化，因此引起测定的再现性和分辨率之类的装置性能降低。

另一方面，在图4所示那样的堆栈方式的离子迁移率分析装置中，梯形电阻电路10B所包括的电阻中的用于对形成漂移区域B的多个环状电极41分配电压的电阻与用于对形成离子输送区域A的多个环状电极21分配电压的电阻是分离的，前者一般配置在漂移区域B的最近处。在测定时，形成漂移区域B的环状电极41被维持为150℃～200℃左右的高温，因此用于对这些环状电极41分配电压的电阻也为相当高的高温，但是与其相比，用于对形成离子输送区域A的环状电极21分配电压的电阻的周围温度相当低。因此，由于温度而引起的电阻值的变化在离子输送区域A侧与漂移区域B侧是不同的，由此导致在形成漂移区域B的环状电极41中的最初一级与最终一级之间施加的电压发生变化，从而引起漂移区域B中的电场强度变化。其结果是，与电阻管方式同样地，测定的再现性和分辨率之类的装置性能有可能降低。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2015-75348号公报

专利文献2：美国专利第7081618号说明书

非专利文献

非专利文献1：“Resistive Glass Products ATTRACT EVERY MOLECULE”、美国Photonis公司、[online]、[平成29年7月3日检索]、因特网<URL：https://www.photonis.com/uploads//literature/rgp/Resistive-Glass-Product-brochure.pdf>

发明内容

发明要解决的问题

本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供如下一种离子迁移率分析装置：即使在环境温度发生变化、或者长时间地使用装置的情况下，也能够稳定地保持漂移区域中的电场强度，由此能够维持高的装置性能。

用于解决问题的方案

为了解决上述问题而完成的本发明的第一方式的离子迁移率分析装置具备：

a)漂移电场形成部，其在用于根据迁移率来分离离子的空间内形成与被施加的电压相应的电场；

b)离子输送部，其根据被施加的电压，形成用于将源自试样成分的离子输送到所述空间的电场；

c)电源部，其产生规定的直流电压；

d)电压分配部，其对由所述电源部产生的输出电压进行电阻分压，并通过分配分别施加至所述离子输送部和所述漂移电场形成部；

e)电压检测部，其检测由所述电压分配部对所述漂移电场形成部施加的电压；以及

f)控制部，其控制由所述电源部产生的输出电压以将由所述电压检测部检测出的电压维持为规定值。

另外，为了解决上述问题而完成的本发明的第二方式的离子迁移率分析装置具备：

a)漂移电场形成部，其在用于根据迁移率来分离离子的空间内形成与被施加的电压相应的电场；

b)离子输送部，其根据被施加的电压，形成用于将源自试样成分的离子输送到所述空间的电场；

c)电源部，其产生规定的直流电压；

d)电压分配部，其对由所述电源部产生的输出电压进行电阻分压，并通过分配分别施加至所述离子输送部和所述漂移电场形成部，并且能够调整用于该电阻分压的一部分电阻的电阻值；

e)电压检测部，其检测由所述电压分配部对所述漂移电场形成部施加的电压；以及

f)控制部，其对在所述电压分配部中能够调整的电阻的电阻值进行调整以将由所述电压检测部检测出的电压维持为规定值。

在本发明的第一方式及第二方式的离子迁移率分析装置中，能够设为如下的结构：

所述漂移电场形成部和所述离子输送部中的至少一方是将多个环状电极沿其轴向分离规定间隔地排列而成的，

所述电压分配部对所述多个环状电极施加各不相同的电压。

另外，在本发明的第一方式及第二方式的离子迁移率分析装置中，能够设为如下的结构：

所述漂移电场形成部和所述离子输送部中的至少一方是在内部形成有供离子通过的空间的管状的电阻体，

所述电压分配部对所述管状的电阻体的两端施加电压。

即，漂移电场形成部和离子输送部既能够是均采用堆栈方式、或均采用电阻管方式，也可以是一方为堆栈方式而另一方为电阻管方式的结构。

例如，在漂移电场形成部和离子输送部两方为管状电阻体、也就是电阻管的情况下，当作为漂移电场形成部的管状电阻体的周围温度发生变化、或者由于长期间使用而随时间经过发生变化时，该管状电阻体的电阻值变化。如果离子输送部的管状电阻体的电阻值也以相同的比率进行变化则没有问题，但是通常来说该电阻值的变化的比率不会是相同的，因此电压分配部中的电阻分压的比发生变化，从而对作为漂移电场形成部的管状电阻体施加的电压变化。

在本发明的第一方式的离子迁移率分析装置中，电压检测部例如以规定的时间间隔检测该电压并输入到控制部。控制部对由电源部产生的输出电压的电压值进行反馈控制以将检测出的电压维持为规定值。即，如果检测出的电压向较高的方向变化，则进行控制以根据其变化率降低由电源部产生的输出电压，相反地，如果检测出的电压向较低的方向变化，则进行控制以根据其变化率提高由电源部产生的输出电压。通过这样的反馈控制，施加至作为漂移电场形成部的管状电阻体的电压被维持为大致固定，因此能够不受周围温度和经时变化的影响地稳定地保持由漂移电场形成部形成的电场的强度和电位梯度。

另一方面，在本发明的第二方式的离子迁移率分析装置中，能够调整电压分配部中的用于进行基于电阻分压的电压分配的一部分电阻的电阻值。而且，控制部不调整电源部而对上述的能够调整的电阻的电阻值进行调整以将由电压检测部检测出的电压维持为规定值。由此，与第一方式的离子迁移率分析装置同样地，能够不受周围温度和经时变化的影响地稳定地保持由漂移电场形成部形成的电场的强度和电位梯度。

此外，作为电阻值的调整方法，例如能够采用机械式地驱动用于改变模拟可变电阻器中的电阻值的操作器(杆等)的方法、利用开关来对多个电阻器进行切换的方法等适当的方法。

本发明所涉及的离子迁移率分析装置也可以是对根据迁移率而分离出的离子直接进行检测的装置，或者也可以是将根据迁移率分离出的离子在四极杆滤质器等质谱分析器中根据质荷比进一步分离并进行检测的装置。

即，作为本发明所涉及的离子迁移率分析装置的一个实施方式，能够设为如下结构：所述离子迁移率分析装置还具备检测器，所述检测器对通过了由所述漂移电场形成部形成有电场的空间的离子进行检测。

另外，作为本发明所涉及的离子迁移率分析装置的其它实施方式，也能够设为如下结构：所述离子迁移率分析装置还具备质谱分析部，所述质谱分析部根据质荷比来对通过了由所述漂移电场形成部形成有电场的空间的离子进行分离并进行检测。

发明的效果

根据本发明所涉及的离子迁移率分析装置，即使在环境温度发生变化、或者长时间地使用装置的情况下，也能够稳定地保持对离子的移动速度产生影响的漂移区域中的电场强度和电位梯度。由此，能够将测定的再现性和分辨率等装置性能维持在较高的状态。

附图说明

图1是作为本发明的第一实施例的离子迁移率分析装置的概要结构图。

图2是作为本发明的第二实施例的离子迁移率分析装置的概要结构图。

图3是作为本发明的第三实施例的离子迁移率分析装置的概要结构图。

图4是一般的堆栈方式的离子迁移率分析装置的概要结构图。

图5是一般的电阻管方式的离子迁移率分析装置的概要结构图。

图6是示出实际测量市场上出售的电阻管的两端间的电阻值得到的结果的图。

具体实施方式

[第一实施例]

参照图1说明本发明的第一实施例的离子迁移率分析装置。

图1是本实施例的离子迁移率分析装置的概要结构图。在图1中，对与已经说明的图4、图5所示的装置相同的结构要素标注相同的标记。

在本第一实施例的离子迁移率分析装置中，由多个环状电极21形成离子输送区域A，另一方面，由电阻管4形成漂移区域B。也就是说，离子输送区域A为堆栈方式的结构，漂移区域B为电阻管方式的结构。如上所述，电阻管4本身是电阻体，因此能够视为在用于对电阻管4及各环状电极21施加电压的梯形电阻电路10A中存在由该电阻管4形成的虚拟电阻(在图1中用虚线表示的电阻)。此外，这在下面的第二实施例中也是同样的。

梯形电阻电路10A的一端接地，另一端被漂移电源部12施加电压值V的直流电压。即，通过梯形电阻电路10A对漂移电源部12的输出电压进行电阻分压后，分别施加至电阻管4及多个环状电极21。另一方面，闸门3被闸门电源部13施加脉冲状电压。另外，对离子源1施加通过加法部18将漂移电源部12的输出电压V与离子源电源部17的输出电压Vi相加得到的电压。漂移电源部12和闸门电源部13分别通过控制部16来控制。另外，离子源电源部17为浮动电源。电压检测部14检测施加至电阻管4的高电位侧的端部的电压(下面称为“中间电压”)，将其检测结果输入到反馈(FB)控制部15。反馈控制部15执行与被输入的电压检测结果相应的运算，并进行控制以调整由漂移电源部12产生的输出电压。

一般地，漂移电源部12的输出电压V为几千伏(kV)～几十千伏(kV)的高电压，需要对离子源1施加比该输出电压V更高(在是利用ESI法的离子源的情况下为4kV～5kV左右)的电压。当设为通过离子源电源部单独地产生这样高的电压的结构时，电源的尺寸变得相当地大且重，成本也变高。与此相对，在该离子迁移率分析装置中，如上述那样将漂移电源部12的输出电压与离子源电源部17的输出电压相加后施加至离子源1，因此使离子源电源部17单纯输出离子源1中的离子化所需要的电压即可，从而能够实现电源的成本降低、尺寸和重量的减小。

在本实施例的离子迁移率分析装置中，将源自试样成分的离子根据迁移率进行分离并检测的测定动作本身与已经说明的以往装置相同，因此省略说明。

下面，对本实施例的离子迁移率分析装置中具有特征的漂移电压的反馈控制进行说明。

在执行上述那样的测定时，电压检测部14例如以规定的时间间隔重复检测电压。

此时，设为在测定开始时间点检测出的中间电压的电压值为Vm。另外，在梯形电阻电路10A中，设为：与电阻管4的电阻值R相比，在电阻管4与出口电极5之间设置的电阻以及在出口电极5与接地端之间设置的电阻的电阻值足够小，因此可忽略(也就是说，可视为0)，在最初一级的环状电极21与电阻管4之间设置的多个电阻的串联电阻值为r。于是，中间电压的电压值Vm通过下面的式(1)来表示。

Vm＝V·{R/(r+R)}…(1)

当电阻管4的电阻值R由于周围温度的变化等原因而变为R’时，与此相伴地，中间电压的电压值Vm变为Vm’。反馈控制部15基于由电压检测部14得到的检测电压结果来识别该电压变化。然后，对漂移电源部12进行控制以根据该电压变化量改变输出电压。具体地说，对漂移电源部12进行控制以使输出电压的电压值V变为通过下面的式(2)求出的电压值V’。

V’＝V·(Vm/Vm’)…(2)

漂移电源部12根据该反馈控制来改变其输出电压。由此，中间电压从Vm’恢复为Vm，电阻管4的两端间的电压被维持为固定。其结果是，在电阻管4内形成的电场的强度和电位梯度不受温度变化和经时变化的影响地被保持为固定的状态。

[第二实施例]

图2是第二实施例的离子迁移率分析装置的概要结构图。在图1中，对与已经说明的图1、图4、图5所示的装置相同的结构要素标注相同的标记。

说明与第一实施例的离子迁移率分析装置的不同点。在本第二实施例的离子迁移率分析装置中，在梯形电阻电路10A中的设置于最初一级的环状电极21与电阻管4之间的多个电阻的串联电路(也就是说，上述串联电阻值为r的电阻)的两端间电连接有能够调整电阻值的可变电阻11。而且，反馈控制部15构成为对可变电阻11的电阻值进行控制，而不是对漂移电源部12进行控制。

当电阻管4的电阻值R由于周围温度的变化等原因而变为R’时，中间电压的电压值Vm变为Vm’。该电压值Vm'能够通过下面的式(3)来表示。

Vm’＝V·R’/(r+R’)…(3)

对式(3)进行整理则为下面的式(4)。

R’＝r/{(V/Vm’)-1}…(4)

在此，为了通过将电阻值r变更为r’来获得原来的电压值Vm，而需要电阻分压的比率满足下面的式(5)。

R/(r+R)＝R’/(r+R’)…(5)

对式(5)进行整理则为式(6)，

r’＝r×(R’/R)…(6)

因此，电阻值r’只要设为下面那样即可。

r’＝r²/[R·{(V/Vm)-1}]…(7)

反馈控制部15基于像这样通过运算求出的电阻值来调整可变电阻11的电阻值。由此，与第一实施例同样地，能够将中间电压的电压值维持为大致固定，从而能够稳定地保持在电阻管4内形成的电场的强度和电位梯度。

此外，在此，在梯形电阻电路10A中的设置于最初一级的环状电极21与电阻管4之间的多个电阻的串联电路的两端间连接有可变电阻11，但是与电阻管4并联地连接可变电阻并调整该可变电阻的电阻值，也能够同样地将中间电压的电压值维持为固定，这是显而易见的。

[第三实施例]

图3是第三实施例的离子迁移率分析装置的概要结构图。在该离子迁移率分析装置中，由在绝缘性的管40的内侧配置的多个环状电极41形成了漂移区域B。也就是说，漂移区域B为堆栈方式的结构。在该结构中，也能够通过与第一实施例完全相同的动作，来将对最初一级的环状电极41施加的电压、也就是中间电压的电压值维持为固定。

另外，也可以设为如本第三实施例所示的那样将漂移区域B设为堆栈方式的结构、并如第二实施例那样调整可变电阻11的电阻值而不是调整漂移电源部12的输出电压的结构，这是显而易见的。

另外，在第一实施例至第三实施例的离子迁移率分析装置中，也可以通过电阻管来形成离子输送区域A，这是显而易见的。

在上述各实施例的离子迁移率分析装置中，由检测器6对在漂移区域B中根据离子迁移率分离出的离子进行了检测，但是也可以设为将根据离子迁移率分离出的离子导入到四极杆滤质器等质量分离器中来根据质荷比进一步分离之后进行检测的结构。

另外，上述实施例只是本发明的一例，不限于上述实施例、上述各种变形例，在本发明的宗旨的范围内适当地进行变更、修正、追加当然也包含在本申请权利要求范围内。

附图标记说明

1：离子源；2：电阻管；21：环状电极；3：闸门；4：电阻管；40：绝缘性管；41：环状电极；5：出口电极；6：检测器；10A、10B、10C：梯形电阻电路；11：可变电阻；12：漂移电源部；13：闸门电源部；14：电压检测部；15：反馈(FB)控制部；16：控制部；17：离子源电源部；18：加法部；A：离子输送区域；B：漂移区域；C：离子光轴。

Claims (10)

1.一种离子迁移率分析装置，其特征在于，具备：

a)漂移电场形成部，其在用于根据迁移率来分离离子的空间内形成与被施加的电压相应的电场；

b)离子输送部，其根据被施加的电压，形成用于将源自试样成分的离子输送到所述空间的电场；

c)电源部，其产生规定的直流电压；

d)电压分配部，其对由所述电源部产生的输出电压进行电阻分压，并通过分配分别施加至所述离子输送部和所述漂移电场形成部；

e)电压检测部，其检测由所述电压分配部对所述漂移电场形成部施加的电压；以及

f)控制部，其控制由所述电源部产生的输出电压以将由所述电压检测部检测出的电压维持为规定值。

2.一种离子迁移率分析装置，其特征在于，具备：

a)漂移电场形成部，其在用于根据迁移率来分离离子的空间内形成与被施加的电压相应的电场；

b)离子输送部，其根据被施加的电压，形成用于将源自试样成分的离子输送到所述空间的电场；

c)电源部，其产生规定的直流电压；

d)电压分配部，其对由所述电源部产生的输出电压进行电阻分压，并通过分配分别施加至所述离子输送部和所述漂移电场形成部，并且能够调整用于该电阻分压的一部分电阻的电阻值；

e)电压检测部，其检测由所述电压分配部对所述漂移电场形成部施加的电压；以及

f)控制部，其对在所述电压分配部中能够调整的电阻的电阻值进行调整以将由所述电压检测部检测出的电压维持为规定值。

3.根据权利要求1所述的离子迁移率分析装置，其特征在于，

所述漂移电场形成部和所述离子输送部中的至少一方是将多个环状电极沿其轴向分离规定间隔地排列而成的，

所述电压分配部对所述多个环状电极施加各不相同的电压。

4.根据权利要求2所述的离子迁移率分析装置，其特征在于，

所述漂移电场形成部和所述离子输送部中的至少一方是将多个环状电极沿其轴向分离规定间隔地排列而成的，

所述电压分配部对所述多个环状电极施加各不相同的电压。

5.根据权利要求1所述的离子迁移率分析装置，其特征在于，

所述漂移电场形成部和所述离子输送部中的至少一方是在内部形成有供离子通过的空间的管状的电阻体，

所述电压分配部对所述管状的电阻体的两端施加电压。

6.根据权利要求2所述的离子迁移率分析装置，其特征在于，

所述漂移电场形成部和所述离子输送部中的至少一方是在内部形成有供离子通过的空间的管状的电阻体，

所述电压分配部对所述管状的电阻体的两端施加电压。

7.根据权利要求1所述的离子迁移率分析装置，其特征在于，

所述离子迁移率分析装置还具备检测器，所述检测器对通过了由所述漂移电场形成部形成有电场的空间的离子进行检测。

8.根据权利要求2所述的离子迁移率分析装置，其特征在于，

所述离子迁移率分析装置还具备检测器，所述检测器对通过了由所述漂移电场形成部形成有电场的空间的离子进行检测。

9.根据权利要求1所述的离子迁移率分析装置，其特征在于，

所述离子迁移率分析装置还具备质谱分析部，所述质谱分析部根据质荷比来对通过了由所述漂移电场形成部形成有电场的空间的离子进行分离并进行检测。

10.根据权利要求2所述的离子迁移率分析装置，其特征在于，

所述离子迁移率分析装置还具备质谱分析部，所述质谱分析部根据质荷比来对通过了由所述漂移电场形成部形成有电场的空间的离子进行分离并进行检测。

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