JP2002141017A

JP2002141017A - イオン移動度スペクトロメータ

Info

Publication number: JP2002141017A
Application number: JP2001233101A
Authority: JP
Inventors: Anthony Jenkins; アンソニー．ジェンキンス; William J Mcgann; ウィリアム．ジェー．マクガン
Original assignee: Ion Track Instruments LLC
Current assignee: Ion Track Instruments LLC
Priority date: 2000-08-02
Filing date: 2001-08-01
Publication date: 2002-05-17
Also published as: EP1178307B1; US6690005B2; EP1178307A1; US20020017605A1; ATE480769T1; EP2259054A1; DE60143005D1

Abstract

(57)【要約】【課題】優れた感度と選択性でもって関心対象物質を
識別、同定することが可能であり、また放射性物質を用
いないため安全で、かつ携行用途に供することが可能な
イオン移動度スペクトロメータの提供。【解決手段】サンプル分子をイオントラップ移動度ス
ペクトロメータに導入するための入口と、該入口と離間
して設けられたドリフト部を、該ドリフト部中を移動す
るイオン化された分子を捕集するための捕集電極と、前
記入口とドリフト部との間に設けられ、サンプル分子か
ら熱中性子化されたイオンのプラズマを電子的に発生さ
せるための手段を有する反応室とからなることを特徴と
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、イオン移動度スペ
クトロメータに関し、特に、イオンを発生させて、イオ
ン−分子反応が平衡状態に移行する際に異なる間隔でイ
オン集団をサンプリングする方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】イオン移動度スペクトロメータはガス流
中に関心対象の分子があるかどうかを調べるためにこれ
まで長い間使用されてきた。従来技術のイオン移動度ス
ペクトロメータは、サンプルを採取し、関心対象の分子
の有無について試験することにより行われてきた。従来
技術による一部のイオン移動度スペクトロメータでは、
関心対象の分子の有無に関して調べようとする表面全体
にわたって織布または不織布製のトラップを張ることに
よりサンプルを採取する。従来技術による他のイオン移
動度スペクトロメータには、関心対象の分子に関して調
べようとする表面の近傍にガス流を生じさせるか、ある
いは既存のガス流を利用するものがある。サンプルは不
活性ガス流に乗せて電離箱に運ばれる。これらの従来技
術のイオン移動度スペクトロメータでは、電離箱中でサ
ンプルを放射性物質に曝す。ニッケル^６３あるいはトリ
チウムのような放射性物質がサンプルの流れにβ粒子を
衝突させてイオンを生じさせる。

【０００３】さらに、従来技術のイオン移動度スペクト
ロメータは電離箱の近くに設けられたドリフトチェンバ
ーを有する。ドリフトチェンバーは、端的に言うと、電
離箱と反対側の端部に複数の場形成電極と１つの捕集電
極を設けたものである。電離箱で生じたイオンはドリフ
トチェンバーを通って捕集電極の方へ移動することがで
きる。捕集電極は、捕集されたイオンのスペクトルを検
出、分析し、関心対象の分子が検出された場合は適切な
指示ないしは表示を発生させる。

【０００４】イオン移動度スペクトロメータは、爆発
物、麻薬その他の禁制品を捜索し確認するために使用さ
れるセキュリティ用途を含め多くの用途を有する。イオ
ン移動度スペクトロメータの例としては、米国特許第
３，６９９，３３３号及び米国特許第５，０２７，６４
３号に記載されたものがある。

【０００５】上記の初期のイオン移動度スペクトロメー
タの改良形態としてイオン・トラック・インスツルメン
ト（ＩｏｎＴｒａｃｋＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｉ
ｎｃ．）社によって開発されたイオン移動度スペクトロ
メータがあり、イオントラップ移動度スペクトロメータ
（ＩＴＭＳ）と呼ばれている。このイオントラップ移動
度スペクトロメータは、上記の従来のイオン移動度スペ
クトロメータに比べてより高い感度と信頼性が得られ
る。イオントラップ移動度スペクトロメータの一例がア
ントニー・ジェンキンズ（ＡｎｔｈｏｎｙＪｅｎｋｉ
ｎｓ）に対して発行された米国特許第５，２００，６１
４号に記載されている。この従来技術イオントラップ移
動度スペクトロメータは、反応装置内のイオン化効率及
び反応装置から捕集電極へのイオン輸送効率を改善する
ことによって動作の改善を達成したものである。より詳
しくは、イオントラップ移動度スペクトロメータの電離
箱は、キャリヤーガスに対するβ粒子の作用によって電
子と陽イオンの両方のイオン集団が蓄積させられる無電
界領域になっている。これによって得られる高密度のイ
オンは関心対象の分子のイオン化確率を非常に高くし、
従って非常に高いイオン化効率をもたらす。

【０００６】米国特許第５，４９１，３３７号には、イ
オントラップ移動度スペクトロメータのさらなる改良形
態が開示されている。より詳しくは、この米国特許第
５，４９１，３３７号には、麻薬等のアルカロイドの存
在が検出されるようなより高い効率を有するイオントラ
ップ移動度スペクトロメータが開示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上に引用した特許に記
載されている動作の効率性にもかかわらず、スペクトロ
メータの分解能あるいは選択性を高くすると同時にコス
ト低減を可能にするさらなる改良の必要がなおかつ存在
する。また、国によっては、放射性物質を使用すること
に対する法的規制障壁があり、放射線源を内蔵する装置
の携行用途での使用を妨げている。

【０００８】最近では、電子的イオン化手段を提供する
試みが英国特許出願第９８１６４４５２号に記載されて
いる。しかしながら、この提案では、イオン反応が無電
界状態で行われるようにはなっておらず、またそれらの
イオン反応を平衡状態に移行する際に検出するようにも
なっていない。その結果、同英国特許出願の方法は、本
願記載の方法より感度及び選択性共低い。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、放射性イオン
化源に替えて高電圧電子パルスによって作り出されるイ
オン源を用いるイオントラップ移動度スペクトロメータ
にある。イオンは反応室で周期的に形成され、無電界環
境中でそれらの集団をできるだけ大きくされると共に熱
中性子化させられ、その後反応室の気相中の分子種と反
応させられる。その少し後、イオンは、イオントラップ
移動度スペクトロメータのドリフト部（例えば米国特許
第５，２００，６１４号に開示されたイオントラップ移
動度スペクトロメータのドリフト部のような）へパルス
状に送られる。反応期間はイオン集団を種々異なる間隔
でサンプリングするよう変えることが可能である。これ
によって、イオン集団が平衡状態に近づく際のイオン−
分子反応を観測することができる。その後、分子のイオ
ン集団は平衡状態に近づく際の異なる時点で変化するの
で、観測結果を分析して反応種間の差を知ることができ
る。その結果、ターゲットの識別、同定の動作、性能が
改善される。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１おいては、本発明のイオント
ラップ移動度スペクトロメータ（ＩＴＭＳ）が全体とし
て参照符号１０で表されている。ＩＴＭＳ１０は、その
一端部に関心対象のサンプル空気を受け入れるためのガ
ス入口１４を持つ円筒状の検出器１２を有する。関心対
象のサンプル空気はキャリヤーガスによって輸送するこ
とが可能である。

【００１１】このキャリヤーガスは、通常、米国特許第
５，４９１，３３７号に開示されているアンモニア、ニ
コチンアミドあるいは他の同様のドーパントのような小
濃度のドーパント物質を含有する清潔な乾燥空気であ
る。ターゲット物質から発生した蒸気サンプルは、米国
特許５，４９１，３３７号に記載されているシステムの
ような適切な入口システムからこのキャリヤーガス流に
乗せて検出器１０に運ばれる。

【００１２】入口１４からのガス流は反応室１６に入
る。より詳しく言うと、反応室１６は一端部に入口１４
を備えた中空の金属製円筒状カップ１８よりなる。反応
室内には２本のピン電極２０及び２２が半径方向内向き
に突設されている。ピン電極２０、２２は各電極２０、
２２の半径方向内側の点以外の場所からの放電を防ぐよ
うに絶縁されている。反応室１６の入口１４と反対側の
端部には格子電極Ｅ_１が設けられている。格子電極Ｅ_１
は、通常反応室１６の入口側端部及び壁部と同じ電位に
保たれる。反応室１６内でのイオン発生についてこの後
より詳細に説明する。キャリヤーガスは反応室１６を通
り抜け、金属製円筒状カップ１８の周囲を排気して、ガ
ス出口２４を通って検出器外に出る。

【００１３】検出器１０には、格子電極Ｅ_１の下流側に
ドリフト部２６が形成されている。ドリフト部２６は複
数の環状電極Ｅ_２−Ｅ_Ｎを具有する。検出器１０では、
清潔なドリフトガスが図１に矢印Ｄで示す方向にドリフ
ト部２６を通って流れるようになっている。ドリフトガ
スは、キャリヤーガスが反応装置部屋１６から出る点で
キャリヤーガスと合流し、ドリフトガス、キャリヤーガ
ス共出口２４から検出器外に出る。

【００１４】ほとんどの時間にわたって、金属製円筒状
カップ１８、２本の両方のピン２０、２２及びグリッド
Ｅ_１上の電位は同じであり、その結果反応室１６は無電
界空間と見なされる。しかしながら、周期的に２本のピ
ン電極２０と２２の間に高電圧パルスが印加される。そ
のために、キャリヤーガスは反応室１６の２本のピン電
極２０と２２の間にある部分内で正と負のコロナ放電に
よってイオン化される。負の直流コロナでは、陰極ピン
２０によって電子が放出され、ピン２０の先端近傍の非
常に高い電界で加速される。その結果、キャリヤーガス
分子の衝突によって２次イオンが形成される。この２次
イオン化プロセスで大部分が窒素の陽イオンとさらなる
電子が生み出される。陽イオンは陰極ピン２０に引き戻
されて、そこでさらに電子を放出させ、結果的に放電を
持続させる。他方、電子はより電界強度が低いピン２０
から一定距離の部分へ移動する。それらの電子は、キャ
リヤーガスのさらなるイオン化を生じさせなくなる。さ
らに、電子は反応室を横切って他方のピン電極２２へ移
動する。これらの電子は熱エネルギーをはるかに上回る
エネルギーを帯び、そのため、ほとんどの物質はこれと
反応し合って陰イオンを形成することはない。しかしな
がら、１つの顕著な例外として酸素がある。酸素は微温
の電子を捕捉することによって負の酸素イオンを形成す
る。

【００１５】単一コロナをイオン移動度スペクトロメー
タ用のイオン源として用いることを考える場合の主な短
所は、高いエネルギーにおいて電荷移動プロセスが妨げ
られるということである。もう一つの短所は、陽イオン
はその大部分が陰極ピン２０の先端を取り囲む小さな容
積内に存在するため、イオンの相互反応に利用される陽
イオンは陰イオンより少ないということである。しかし
ながら、上に説明した図１に示す検出器１０では、ほと
んど同じ数の陽イオンと陰イオンが得られる。この疑似
中性プラズマ中のイオンは熱エネルギーで反応すること
ができ、従って米国特許第５，２００，６１４号に記載
されているイオントラップ移動度スペクトロメータの長
所が全て達成される。これは、２つの電極２０と２２と
の間に幅の狭い高周波高電圧パルスを印加することによ
って達成される。周波数は、多くの電子あるいは陽イオ
ンがそれぞれ対応する電極２０及び２２に捕集される以
前に場（電界）が非常に急速に縮落することができるよ
うに、通常１ＭＨｚ以上にする。パルス期間中はピン間
のプラズマが増大する。パルスがオフに切り換わると、
イオンは急速に熱中性子化して、反応室１６内に存在す
る分子種と反応する。電荷移動プロセスは全て最も高い
電荷親和性を持つ分子イオンが形成される方向に進む。
分子濃度によって、電荷は一つの分子種からより高い電
荷親和性を持つ別の種へ移動され得る。米国特許第５，
４９４，３３７号には、このプロセスを多くの妨害化合
物と関心対象のターゲット化合物との間の中間の電荷親
和性を持つドーパント蒸気、例えばアンモニアあるいは
ニコチンアミドを用いて修正する一つの方法が記載され
ている。ドーパント蒸気は、弱い電荷親和性を持つ妨害
分子の存在下で電荷を吸引し、保持する。しかし、ドー
パント蒸気は、ターゲット分子が反応室１６内に現れる
につれてそれらのターゲット分子に電荷を移す。これに
よって、反応室内に存在する互いに異なるイオン種類の
数が少なくなり、その結果、検出器１０による誤同定の
発生が少なくなる。

【００１６】図１に示す検出器１０中の放電パルスは、
ターゲット分子の効率的イオン化が確保されるだけの十
分な電荷を発生させるに足る時間だけオンに保たれる。
通常、放電パルスの持続時間は数１００マイクロ秒であ
り、これはイオンが対応する電極に移動する時間より短
い。パルスの周波数は必要なだけのピン電圧の縮落が達
成されるよう１ＭＨｚ以上とすることが好ましい。

【００１７】放電がオフに切り換わった後は、正と負の
電荷の濃度がほぼ等しいことによって、反応装置内では
空間電荷がほとんどあるいは全く発生することがなくな
り、その結果、無電界空間が保たれることになる。する
と、その結果、全ての電荷は迅速に（＜１ミリ秒）熱平
衡に達することができ、この熱平衡点では最適の電荷移
動プロセスが助長される。最も高い電荷親和性を持つ分
子は、最終的には他の全てのイオン種からの電荷を捕捉
する。これらの高電荷親和性分子が反応室１６中に数ｐ
ｐｔの濃度しかないとすると、電荷親和性がより低い何
らかの特定のイオンからターゲット分子へ電荷を移動さ
せる相互反応（衝突）は僅か１０^１２回中１回しかな
い。大気圧下及び検出器１０の温度では、分子は通常１
秒当たり約１０^８回の頻度で相互反応（衝突）する。反
応室１６内には、数ミリ秒以内に確実に平衡イオン化が
達成されるようなイオン濃度が作り出される。この平衡
点に達する前に、ターゲット物質と関連付けられる多く
のイオン種が観測することが可能である。例えば、不審
な小包のサンプリングから検出器に導入されたコカイン
蒸気のサンプルは麻薬増量剤や他のアルカロイドを含有
しているかもしれない。これらの増量剤やコカイン以外
のアルカロイドはより高い濃度で存在するかもしれない
が、コカインの正電荷親和性は非常に高いので、平衡状
態では電荷は全てコカインイオンが帯び、それらの増量
剤や他のアルカロイドは検出されないことになる。同様
に、陰イオンモードでは、より強い電気陰性の種が優勢
になるため、爆発物の混合物は完全には同定、特定され
ない場合がある。しかしながら、終点平衡状態に達する
前に、低電荷親和性の化合物はイオン化され、検出する
ことができる。本発明の構成においては、反応室へのイ
オン電荷注入後に種々異なる時間間隔でプラズマグラム
（プラズマ様相図）が得られる。

【００１８】放電パルスがオフに切り換わった後の異な
る時点でイオン集団をサンプリングするようにした上記
方法によれば、非平衡状態イオン化を観測し、分子種を
分別するためのもう一つの基準として使用することが可
能になる。放電パルスと反応室１６中のイオンのサンプ
リングとの間の遅延時間の変化によって、電荷移動プロ
セスを調べ、それを用いてターゲット物質をより正確に
識別、同定することが可能になる。これは、放電パルス
と金属製円筒状カップ１８から格子電極Ｅ_１に対して反
応室１６全体にわたり高電界を印加する時点との間の時
間を制御し、変化させることによって達成される。この
高電界は、米国特許第５，２００，６１４号に記載され
ている方法と同様にして、ちょうど大半のイオンが電極
Ｅ_１を通って検出器のドリフト部へ放出されるに足る時
間だけ反応装置全体にわたって保たれる。イオンは、環
状電極Ｅ_２、Ｅ_３、・・・、Ｅ_Ｎによって形成される電
界の作用下でドリフト部２６を通って移動する。イオン
はガード格子２８を通過して、捕集電極３０に捕集され
る。種々異なるイオン種はドリフト部２６内に沿って縦
方向に移動し、分子の及び形によって決まる異なる速度
になる。イオン種は集群として移動し、ガウス形濃度分
布をもって捕集電極３０に達する。これが信号出力に電
流ピークを生じさせる。出力信号を増幅し、ドリフト時
間を測定することによって各イオン集群が同定される。

【００１９】ＩＴＭＳ１０の反応室１６内の対をなす２
つの対向状コロナ放電ポイント、すなわちピン電極２０
及び２２は、図２に示すような２つの経路から供給され
る高電圧で駆動される。通常、高圧電源装置３２、高圧
スイッチ回路３４及び高圧レギュレータ３６は、ピン電
極２０及び２２を反応室１６の壁部の他の部分及び第１
の格子電極Ｅ_１と同じ高電圧（例えば１０００ボルト）
に保つよう動作する。これは高抵抗の抵抗器Ｒ_１及びＲ
_２によって達成される。高圧スイッチ回路は、従来技術
のＩＴＭＳと同様に、イオンが反応室から検出器の第１
の格子電極Ｅ_１を通り、そこからさらにドリフト領域を
通って駆動されるように随時高電圧のキックアウトパル
スを供給するよう構成されている。

【００２０】ドリフト期間の終わりには、対をなす２つ
の対向状コロナピン電極２０及び２２の各々に印加され
る高周波高圧パルスの作用によって、これらのピン電極
２０及び２２から反応室内にイオンが作り出される。コ
ロナピン電極２０及び２２の平均電圧は、高抵抗の抵抗
器Ｒ_１及びＲ_２を介してこれらの電極の周りの反応室１
６の電圧レベルに保たれる。さらに、ピン電極２０及び
２２には、高圧変圧器Ｔ_１から小容量のコンデンサＣ_１
及びＣ_２を介して高周波（＞１ＭＨｚ）の高電圧が供給
される。なお、変圧器Ｔ_１はゲート制御発振器Ｏ_１から
電源が供給される。ピン電極２０と２２との相対極性は
大部分のイオンがピン電極２０及び２２に到達して放電
するだけの十分な時間が経過する前に反転するので、ピ
ン電極２０と２２との間のプラズマ中には両方の極性の
イオンが形成され、そのイオン集団はピン２０電極及び
２２自体での放電なしに大きくなる。イオン密度は数１
００マイクロ秒の間増加し、その後ワンショットパルス
発生器Ｇ_１の作動によってゲート制御発振器Ｏ_１はオフ
に切り換わる。この点で、ピン電極の電圧は反応室１６
の壁と同じ電圧に戻る。陽イオン集団と陰イオン集団は
ほぼ等しく、これらのイオン集団はプラズマ領域から反
応室１６の他の部分に向けて外方に拡散し、それらの部
分で関心対象の分子との相互反応が生じる。

【００２１】可変遅延回路３８は、数１０マイクロ秒か
ら数ミリ秒の間で可変な一定期間後にタイムアウトし、
そのタイムアウト後にワンショットパルス発生器Ｇ_１が
再度反応室１６及びピン電極２０、２２の電圧を格子電
極Ｅ_１より高い電圧に上昇させる。すると、これによっ
て反応室１６からドリフト部２６へイオンが放出され、
され上記のプロセス再度開始される。

【００２２】以上、本発明を一実施例との関連で説明し
たが、特許請求の範囲に記載するところによって規定さ
れる発明の範囲を逸脱することなく様々な修正・変更態
様をなすことが可能なことは明白である。

【００２３】

【発明の効果】本発明のイオンとラップ移動度スペクト
ロメータによれば、従来技術に比べて優れた感度と選択
性でもって関心対象物質を識別、同定することが可能で
あり、放射性物質を用いないため安全であり、かつ携行
用途に供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のイオントラップ移動度スペクトロメー
タ（ＩＴＭＳ）の概略断面図である。

【図２】図１に示すＩＴＭＳの電極を駆動するための回
路のブロック回路図である。

【符号の説明】

１０イオントラップ移動度スペクトロメータ１２検出器１４入口１６反応室１８金属製円筒状カップ２０、２２ピン電極２４ガス出口２６ドリフト部３０捕集電極Ｅ_１、Ｅ_２、・・・、Ｅ_Ｎ格子電極３２高圧電源装置３４高圧スイッチ回路３６高圧レギュレータ３８遅延回路Ｇ_１パルス発生器Ｏ_１ゲート制御発振器Ｔ_１変圧器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ウィリアム．ジェー．マクガンアメリカ合衆国．02767．マサリューセッツ州．レインハアム．ヒッコリー．ドライブ．ノース．28 Ｆターム(参考） 5C038 GG08 GH01 GH08 GH15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】サンプル分子を分析すると共に、該サン
プル分子中に存在する関心対象の分子を識別・同定する
ためのイオントラップ移動度スペクトロメータにおい
て：サンプル分子をイオントラップ移動度スペクトロメ
ータ中に導入するための入口と、該入口と離間して設け
られたイオン化された分子のドリフト流を収容するため
のドリフト部と、該ドリフト部の該入口と反対側の端部
に設けられた該ドリフト部中を移動するイオン化された
分子を捕集するための捕集電極と、該入口と該ドリフト
部との間に設けられた反応室で、該反応室中のサンプル
分子から熱中性子化されたイオンのプラズマを電子的に
発生させるための手段を有する反応室と、よりなること
を特徴とするイオントラップ移動度スペクトロメータ。
【請求項２】熱中性子化されたイオンのプラズマを電
子的に発生させるための上記手段が、持続時間が約５０
０マイクロ秒以下の高電圧パルスを発生させるよう動作
することを特徴とする請求項１記載のイオントラップ移
動度スペクトロメータ。
【請求項３】熱中性子化されたイオンのプラズマを電
子的に発生させるための上記手段が、１ＭＨｚ以上の周
波数を有する高電圧パルスを発生させるよう動作するこ
とを特徴とする請求項２記載のイオントラップ移動度ス
ペクトロメータ。
【請求項４】さらに、イオン発生とイオンサンプリン
グとの間の時間を変化させて平衡状態の前に生じる電荷
移動プロセス中のイオンを検出するための手段を含むこ
とを特徴とする請求項３記載のイオントラップ移動度ス
ペクトロメータ。
【請求項５】サンプル分子中から関心対象の分子を検
出する方法において、サンプル分子の流れを生じさせる
ステップと、５００マイクロ秒未満の持続時間の高電圧
パルスを印加して、熱中性子化されたイオンのプラズマ
を電子的に発生させるステップと、該イオンをして該ド
リフト部中を移動させるステップと、該ドリフト部の該
反応室と反対側の端部におけるイオンの特性を検出して
関心対象の分子を識別・同定するステップと、よりなる
ことを特徴とする方法。
【請求項６】上記高電圧パルスが少なくとも１ＭＨｚ
の周波数を有することを特徴とする請求項５記載の方
法。