JP2003505846A - 超小型非対称電界イオン移動度フィルタおよび検出システム - Google Patents

超小型非対称電界イオン移動度フィルタおよび検出システム

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Abstract

(57)【要約】 検出システム用の超小型非対称電界イオン移動度フィルタ(24)であって、サンプル入口(16)および出口の間において基板間で流路を画定する、間隔を空けた1対の基板と、流路内に配置され、各電極が各基板にそれぞれ結合された間隔を空けた1対のフィルタ電極(20,22)を有するイオン・フィルタと、イオン・フィルタ電極の両端にバイアス電圧および非対称の周期的電圧を印加して、フィルタを通過するイオン流路を制御する電子コントローラ(30)とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の分野】
本発明は非対称電界イオン移動度(FAIM)フィルタに関し、さらに詳しく
は超小型FAIMフィルタおよび分析計に関する。
【0002】
【発明の背景】
爆薬、麻薬、化学薬剤および生物薬剤、ならびに空気品質を検出および識別す
る能力は、テロリスト、軍事的活動、および環境問題の増加と共に、極めて重要
性が増してきた。以前におけるこのような薬剤の検出は、従来の質量分析計、飛
行時間型イオン移動度分析計、および従来技術で製作されたFAIM分析計を用
いて実行されていた。
【0003】 質量分析計は感度が高く、また極めて分離性が高く、速い応答時間を提供する
。しかし、質量分析計はサイズが大きく、動作するのに膨大なパワーを必要とす
る。質量分析計は、また、高真空度を維持してイオンを中性分子から分離し、選
択イオンの検出を可能にするための強力な真空ポンプを必要とする上に、極めて
高価である。
【0004】 さほど複雑でない別の分析計技術としては、飛行時間型イオン移動度分析計が
あり、この分析計技術は、現在の大部分の携帯用化学兵器と爆薬検出器で実現さ
れている方法である。この検出は、単に分子の質量だけでなく、分子の電荷およ
び断面積にも基づく。しかし、これら種々の特性に基づくため、分子種類の識別
が質量分析計のように確定的かつ高精度ではない。一般に飛行時間型イオン移動
度分析計は、サイズを減少(ドリフト・チューブ長さを2インチ(51mm)未
満に)させようとすると、分解能および感度限界が容認できないものとなる。飛
行時間型イオン移動度では、分解能はドリフト・チューブの長さに比例する。拡
散による側壁でのイオン消失を防止するためにドリフト・チューブの幅が十分な
大きさであると仮定すると、チューブを長くすれば分解能が上がる。したがって
、基本的に、飛行時間型イオン移動度システムを小型化することは、システム性
能の低下をまねくことになる。これら装置は比較的廉価で、かつ信頼性を有する
が、いくつかの制限を受ける。第1に、検出器を通るサンプルの容積が小さいた
め、分析計の感度を上げるには、検出器電子回路が極めて高感度(高価な電子回
路を必要とする)であるか、または濃縮器(システムを複雑にする)を備えるか
のいずれかが必要である。さらに、ゲートおよびゲーティング電子回路が、一般
に、ドリフト・チューブへのイオン注入を制御する必要がある。
【0005】 FAIM分光測定法は、1980年代に以前のソビエト連邦で開発された。F
AIM測定法では、不要なイオンの通過を阻止する一方で、選択イオンをフィル
タに通過させる。従来のFAIM分析計は寸法が大きく、また高価である。例え
ば、装置全体のサイズはほぼ1立方フィート(0.028m3)で、価格は25
,000ドル以上である。これらのシステムは、小型の検出器を必要とする用途
には適さない。これらのシステムは、また、比較的低速であり、サンプル・ガス
の完全なスペクトルを作成するのに1分近くを要し、また製作が困難であり、大
量生産できない。
【0006】
【発明の概要】
以上より、本発明は、従来のFAIM装置に比べて、選択イオンの流れをより
高速、かつ高精度で制御して、サンプルのスペクトルを作成するFAIMフィル
タおよび検出システムを提供することを目的とする。
【0007】 本発明の別の目的は、バイアス電圧の掃引を必要とせずに、複数の所定の選択
イオンを検出できるフィルタおよび検出システムを提供することである。
【0008】 本発明のさらに別の目的は、バイアス電圧なしに、選択イオンを検出できるフ
ィルタおよび検出システムを提供することである。
【0009】 本発明のさらに別の目的は、イオンの軌道に基づいて空間的にイオンを検出す
るフィルタおよび検出システムを提供することである。
【0010】 本発明のさらに別の目的は、極めて高い分解能を有するフィルタおよび検出シ
ステムを提供することである。
【0011】 本発明のさらに別の目的は、従来の検出装置に比べて、選択イオンを高速に検
出できるフィルタおよび検出システムを提供することである。
【0012】 本発明のさらに別の目的は、ppb(十億分の一(1/109))〜ppt(
一兆分の一(1/1012))の感度を有するフィルタおよび検出システムを提供
することである。
【0013】 本発明のさらに別の目的は、単一チップ内に実装できるフィルタおよび検出シ
ステムを提供することである。
【0014】 本発明のさらに別の目的は、実装および製作に対する費用対効果が高いフィル
タおよび検出システムを提供することである。
【0015】 本発明は、超小型、高精度、および高速の以下のFAIMフィルタおよび検出
システムを実現することにより達成される。このシステムは、間隔を空けた1対
の基板を用いてサンプル入口および出口の間に流路を画定し、この流路内にフィ
ルタを配置している。前記フィルタは、各電極が各基板にそれぞれ結合された間
隔を空けた1対の電極と、バイアス電圧および非対称の周期的電圧を前記電極の
両端に印加してフィルタを通過するイオン流路を制御するコントローラとを有す
る。
【0016】 本発明はさらに、フィルタ・アレイを設け、アレイの各フィルタが異なるバイ
アス電圧に組み合わされることにより、バイアス電圧の掃引なしに、フィルタが
複数の選択イオンの検出に用いられることを実現することにより達成される。
【0017】 本発明はさらに、周期的電圧のデューティ・サイクル(負荷サイクル)を変化
させることにより、バイアス電圧必要を無くすることを実現することにより達成
される。
【0018】 本発明はさらに、検出器を分割体に分割することにより、イオンがフィルタを
出るときのイオン軌道に従って、空間的にイオンを検出して、高精度かつ高分解
能が得られるイオン検出を実現することにより達成される。
【0019】 本発明にかかる検出システム用の超小型非対称電界イオン移動度フィルタは、
サンプル入口および出口の間において基板間で流路を画定する、間隔を空けた1
対の基板と、この流路内に配置され、各電極が各基板にそれぞれ結合された間隔
を空けた1対の電極を有するイオン・フィルタと、イオン電極の両端にバイアス
電圧および非対称の周期的電圧を印加してフィルタを通過するイオン流路を制御
するコントローラとを備える。
【0020】 好ましい実施形態では、イオン・フィルタの下流に、フィルタを出たイオンを
検出する検出器を備える。この検出器は複数の分割体を有してもよく、これらの
分割体は流路に沿って分割され、イオンの軌道に従ってイオンを空間的に分離す
る。電子コントローラに応答して、選択イオンがフィルタを通過する際にこれら
イオンを閉じ込める閉じ込め電極(confining electrode)を備えてもよい。閉
じ込め電極をシリコンにしてもよい。シリコン電極は1対の基板の間隔を空ける
スペーサとして作用する。流路を加熱するヒータを備えてもよい。ヒータはイオ
ン・フィルタ電極を包含してもよい。電子コントローラが、フィルタ電極を通し
て電流を選択的に供給して、フィルタ電極を加熱する手段を有してもよい。基板
をガラスにしてもよい。ガラスをパイレックス(Pyrex)(登録商標)としてもよ
い。フィルタの上流に、サンプル入口からの流体流れをイオン化するイオン化源
を備えてもよい。イオン化源は放射線源であってもよい。またイオン化源は紫外
線ランプであってもよい。さらにイオン化源はコロナ放電装置であってもよい。
清浄化された空気を流路に導入する清浄空気入口を備えてもよい。流路を通過す
る流体流れを調節する、流路に連通しているポンプを備えてもよい。
【0021】 また、本発明にかかる超小型非対称電界イオン移動度フィルタおよび検出シス
テムは、サンプル入口および出口の間に流路を有するハウジングと、この流路内
に配置され、間隔を空けた1対のフィルタ電極を有するイオン・フィルタと、イ
オン・フィルタ電極の両端にバイアス電圧および非対称の周期的電圧を印加して
フィルタを通過するイオン流路を制御するコントローラと、イオン・フィルタの
下流の分割された検出器とを備え、この分割体は流路に沿って分割されて、イオ
ンの軌道に従ってイオンを空間的に分離する。
【0022】 好ましい実施形態では、電子コントローラに応答して、イオンがフィルタを通
過する際にこれらイオンを閉じ込める閉じ込め電極を備えてもよい。閉じ込め電
極をシリコンにしてもよい。シリコン電極は1対のフィルタ電極の間隔を空ける
スペーサとして作用する。流路を加熱するヒータを備えてもよい。ヒータはイオ
ン・フィルタ電極を包含してもよい。電子コントローラが、フィルタ電極を通し
て電流を選択的に供給して、フィルタ電極を加熱する手段を有してもよい。フィ
ルタの上流に、サンプル入口からの流体流れをイオン化するイオン化源を備えて
もよい。イオン化源は放射線源であってもよい。またイオン化源は紫外線ランプ
であってもよい。さらにイオン化源はコロナ放電装置であってもよい。清浄化さ
れた空気を流路に導入する清浄空気入口を備えてもよい。流路を通過する流体流
れを調節する、流路に連通しているポンプを備えてもよい。
【0023】 さらに、本発明にかかる非対称電界イオン移動度フィルタ・アレイは、サンプ
ル入口および出口の間に少なくとも1つの流路を画定するハウジングと、このハ
ウジング内に配置され、各イオン・フィルタが間隔を空けた1対のフィルタ電極
をそれぞれ有する、複数のイオン・フィルタと、イオン・フィルタ電極の両端に
バイアス電圧および非対称の周期的電圧を印加してフィルタを通過するイオン流
路を制御するコントローラとを備える。
【0024】 好ましい実施形態では、各イオン・フィルタを流路の1つに組み合わせること
ができる。各イオン・フィルタの下流に、各フィルタを出たイオンを検出する検
出器を備えてもよい。各検出器は複数の分割体を有してもよく、これらの分割体
は流路に沿って分割され、イオンの軌道に従ってイオンを空間的に分離する。電
子コントローラに応答して、選択イオンが各フィルタを通過する際にこれらイオ
ンを閉じ込める複数の閉じ込め電極を備えてもよい。各閉じ込め電極をシリコン
にしてもよい。シリコン電極は1対のフィルタ電極の間隔を空けるスペーサとし
て作用する。少なくとも1つの流路を加熱するヒータを備えてもよい。ヒータは
各イオン・フィルタ電極対を包含してもよい。電子コントローラが、各フィルタ
電極対を通して電流を選択的に供給して、フィルタ電極を加熱する手段を有して
もよい。各フィルタの上流に、サンプル入口からの流体流れをイオン化するイオ
ン化源を備えてもよい。イオン化源は放射線源であってもよい。またイオン化源
は紫外線ランプであってもよい。さらにイオン化源はコロナ放電装置であっても
よい。清浄化された空気を少なくとも1つの流路に導入する清浄空気入口を備え
てもよい。各流路を通過する流体流れを調節する、各流路に連通しているポンプ
を備えてもよい。
【0025】 さらに、本発明にかかる検出システム用の非補償型非対称電界イオン移動度フ
ィルタは、サンプル入口および出口の間に流路を有するハウジングと、この流路
内に配置され、間隔を空けた1対のフィルタ電極を有するイオン・フィルタと、
イオン・フィルタ電極の両端に非補償型非対称の周期的電圧を印加してフィルタ
を通過するイオン流路を制御するコントローラと、検出する選択イオンの種類を
ターゲットとするために、前記周期的電圧のデューティ・サイクルを選択的に調
整する選択回路とを備える。
【0026】 好ましい実施形態では、イオン・フィルタの下流に、フィルタを出たイオンを
検出する検出器を備える。この検出器は複数の分割体を有してもよく、これらの
分割体は流路に沿って分割され、イオンの軌道に従ってイオンを空間的に分離す
る。電子コントローラに応答して、イオンがフィルタを通過する際にこれらイオ
ンを閉じ込める閉じ込め電極を備えてもよい。閉じ込め電極はシリコンにしても
よい。シリコン電極は1対のフィルタ電極の間隔を空けるスペーサとして作用す
る。流路を加熱するヒータを備えてもよい。ヒータはイオン・フィルタ電極を包
含してもよい。電子コントローラが、フィルタ電極を通して電流を選択的に供給
して、フィルタ電極を加熱する手段を有してもよい。フィルタの上流に、サンプ
ル入口からの流体流れをイオン化するイオン化源を備えてもよい。イオン化源は
放射線源であってもよい。またイオン化源は紫外線ランプであってもよい。さら
にイオン化源はコロナ放電装置であってもよい。清浄化された空気を流路に導入
する清浄空気入口を備えてもよい。流路を通過する流体流れを調節する、流路に
連通しているポンプを備えてもよい。
【0027】 さらに、本発明にかかる非対称電界イオン移動度フィルタは、サンプル入口お
よび出口の間に流路を有するハウジングと、この流路内に配置され、間隔を空け
た1対のフィルタ電極を有するイオン・フィルタと、前記流路を横切る1対の閉
じ込め電極と、イオン・フィルタ電極の両端に第1バイアス電圧および非対称の
周期的電圧を印加し、かつ閉じ込め電極の両端に第2バイアス電圧を印加して、
フィルタを通過するイオン流路を制御する電子コントローラとを備える。
【0028】 好ましい実施形態では、イオン・フィルタの下流に、フィルタを出たイオンを
検出する検出器を備える。この検出器は複数の分割体を有してもよく、これらの
分割体は流路に沿って分割され、イオンの軌道に従ってイオンを空間的に分離す
る。閉じ込め電極をシリコンにしてもよい。シリコン電極は1対のフィルタ電極
の間隔を空けるスペーサとして作用する。流路を加熱するヒータを備えてもよい
。ヒータはイオン・フィルタ電極を包含してもよい。ヒータは、また、閉じ込め
電極を包含してもよい。電子コントローラが、フィルタ電極を通して電流を選択
的に供給して、フィルタ電極を加熱する手段を有してもよい。電子コントローラ
が、閉じ込め電極を通して電流を選択的に供給して、閉じ込め電極を加熱する手
段を有してもよい。フィルタの上流に、サンプル入口からの流体流れをイオン化
するイオン化源を備えてもよい。イオン化源は放射線源であってもよい。またイ
オン化源は紫外線ランプであってもよい。さらにイオン化源はコロナ放電装置で
あってもよい。清浄化された空気を流路に導入する清浄空気入口を備えてもよい
。流路を通過する流体流れを調節する、流路に連通しているポンプを備えてもよ
い。
【0029】
【好適な実施形態】
本発明のその他の目的、特徴および利点は、好ましい実施形態の以下の説明と
添付図面から、当業者には理解されるであろう。
【0030】 図1のFAIM分析計10は、ポンプ14によって、矢印12で示すように、
入口16からイオン化領域18内にガスを吸引して作動する。イオン化されたガ
スは、イオン・フィルタを構成する平行電極プレート20,22の間を通過し、
流路26を流れる。プレート20,22の間を通過する際に、ガス・イオンは、
電極プレート20,22間の非対称交番電界に曝される。この非対称交番電界は
、電子コントローラ30に応答して電圧発生器28からプレートに印加される電
圧によって発生する。
【0031】 イオンがフィルタ24を通過する際に、一部のイオンはプレート20,22に
より中性化するが、他のイオンは通過して、検出器32により検出される。検出
器32は所定の電位の上側電極33と、通常は接地された下側電極35を有する
。上側電極33はイオンを電極35に向かって下方に偏向させる。しかし、いず
れの電極もイオンおよび電極に印可された電圧に依存してイオンを検出できる。
さらに、上側電極33を第1検出器として使用し、下側電極35を第2検出器と
して使用することにより、複数のイオンを検出できる。電子コントローラ30は
、例えば、増幅器34およびマイクロプロセッサ36を有してもよい。増幅器3
4は検出器32で集められた電荷の関数である検出器32の出力を増幅し、この
出力をマイクロプロセッサ36に提供して分析させる。同様に、仮想線で示す増
幅器34'を設けて、電極33を検出器として利用できる。
【0032】 図2に示すように、ガス流れ12を横切る交番非対称電界40を通過する際に
、イオン38は、電界40によって経路42a,42b,42cに沿って「揺れ
動く」。一般に電極40は直流の±(1000〜2000)ボルトの範囲にあり
、最大電界強度は40,000V/cmを有する。特定のイオンが取る経路は、
そのイオンの質量、サイズ、断面積および電荷の関数である。イオンが、一旦、
電極20または22に達すると、中性化される。第2の電界である、バイアスす
なわち補償電界44は、一般に、±2000V/cmまたは直流の±100ボル
トの範囲であり、プレート20,22に印可されたバイアス電圧と、図1のマイ
クロプロセッサ36に応答する電圧発生器28とによって、電極20,22の間
に同時に誘導され、所定の選択イオン種類をフィルタ24に通過させて検出器3
2で検出させる。補償電界44は一定バイアスであり、交番非対称電界40にオ
フセットを与えて、イオン38cのような所定の選択イオンを検出器32まで通
過させる。したがって、適切なバイアス電圧により、特定のイオンの種類が経路
42cを進行し、一方で不要なイオンが経路42a,42bを進行してプレート
20,22に到達すると中性化する。
【0033】 FAIM分析計10の出力は、所定のバイアス電圧44に対する検出器32で
の電荷量の測定値である。所定の補償バイアス電圧において設定されるフィルタ
24を長くすれば、検出器32に蓄積する電荷は多くなる。しかし、所定の電圧
範囲にわたって補償電圧44を掃引することによって、サンプル・ガス12の完
全なスペクトルが得られる。本発明にかかるFAIM分析計は、所定のガス・サ
ンプルに対する完全なスペクトルを作成するのに、一般に、30秒よりも短く、
1秒のように僅かな時間で済む。
【0034】 ガス・サンプルの完全なスペクトルを提供するために、補償バイアス電圧44
を変化させて、検出される種類を変えることができる。例えば、図3Aに濃度ピ
ーク46で示すように、バイアス電圧3.5ボルトでアセトンが検出された。こ
れは、83ppb(十億分の一)のように低い濃度でも検出された。これに対し
て、図3Bに示すように、6.5ボルトのバイアス電圧で、ジエチル・メチル・
アミンのピーク48が、280ppbのような低い濃度でも検出された。
【0035】 図4のフィルタ24は、1インチ(25.4mm)サイズのようなフィルタで
ある。分析計10は、間隔の空いた基板52,54および電極20,22を有す
る。これら基板52,54は、例えば、ニューヨーク市コーニング社製のコーニ
ングガラスから入手できるパイレックス(登録商標)のようなガラスであり、電
極20,22は、例えば、金、チタン、またはプラチナであり、基板52,54
にそれぞれ取付けまたは形成されている。基板52,54は、それぞれスペーサ
56a,56bによって間隔が空けられ、これらスペーサは、シリコンウェーハ
をエッチングまたはダイシングして形成されている。スペーサ56a,56bの
厚みが、電極20,22間の距離を画定する。さらに、同一の電圧、一般に直流
の±(10〜1000)ボルトをシリコンスペーサ56a,56bに印加するこ
とによって、スペーサ56a,56bは電極となる。これらスペーサ56a,5
6bは、閉じ込め電界58を生成し、良好なサンプル・スペクトルを得るために
、イオン流路を図1の流路26の中心に導くかまたは閉じ込める。イオンを閉じ
込めるために、スペーサ電極56a,56bを同一電圧として、イオンを流路2
6の中心に「押す」ことが必要である。これにより、より多数のイオンが検出器
34に衝突するようにイオンを保って、システムの感度が向上する。しかし、こ
れは、本発明の必須の制限事項ではない。
【0036】 分析計10の精度と高信頼動作を維持するために、電極20,22に堆積した
中性化イオンを除去する必要がある。これは、流路26を加熱することにより達
成できる。例えば、図1のコントローラ30が仮想線で示す電流源29を備える
ことにより、マイクロプロセッサ36に応答して、電極20,22に電流Iを供
給してプレートを加熱し、堆積した中性化分子を除去できる。同様に、電流Iを
図4のスペーサ電極56a,56bに代わりに供給して流路26を加熱し、プレ
ート20,22から中性化分子を除去できる。
【0037】 図5のパッケージ化されたFAIM分析計は、そのサイズを1インチ(25.
4mm)×1インチ×1インチにまで減少できる。ポンプ14は基板52上に取
り付けられ、ガス・サンプルを入口16内に吸入する。ガス・サンプルのイオン
化の前後に、再循環ポンプ14aによって清浄な乾燥空気を図1の流路26内に
導入できる。電子コントローラ30を、分析計10のハウジングを形成する基板
52,54に結合するシリコン制御層60にエッチングしてもよい。基板52,
54および制御層60を、例えば陽極接合を使用して一体に結合し、超小型のF
AIM分析計を実現できる。小型ポンプ14,14aは、ガス・サンプル12の
分析をさらに促進する大容量スループットを提供する。ポンプ14,14aは、
例えば、小型遠心空気圧縮機ロータまたは超小型ポンプ(1〜4リットル/分の
流量を持つ)が装着された従来の小型ディスク・ドライブ・モータであってもよ
い。ポンプ14の一例は、フロリダ州クリアウォータのセンシダイン・インコー
ポレーテッド(Sensidyne,Inc.)から市販されている。
【0038】 本発明によるFAIM分析計は特定のガス・サンプルのスペクトルを高速で作
成するが、フィルタ32のアレイを用いてそれに要する時間をさらに短縮できる
。図6のFAIM分析計10は、フィルタ・アレイ62、単一の入口16、およ
び単一の流路26を有してもよい。サンプル・ガス12は、イオン化源18を通
過後、閉じ込め電極56a〜56hによってフィルタ・アレイ62に導かれる。
イオン化源18は、紫外線光源、放射線源、またはコロナ放電装置などである。
フィルタ・アレイ62は、例えば、1対のフィルタ電極20a〜20eおよび2
2a〜22eを有する。各電極対に異なる補償バイアス電圧44(図2)を印可
し、かつ各電極対を異なる電圧範囲に渡って掃引することにより、異なるイオン
種類を同時に検出して、掃引時間を大幅に短縮できる。さらに、アレイ62は、
分析計のサイズに依存して任意の数のフィルタを有してもよい。検出器アレイ6
4は検出器32a〜32eを有し、複数の選択イオン種類を同時に検出し、その
結果、ガス・サンプル12のスペクトルを得るのに要する時間が短縮される。電
極対は同一の非対称周期的AC電圧40を共有する。
【0039】 清浄乾燥空気を、再循環ポンプ14a(図5)を介して清浄空気入口66から
流路26に導入してもよい。清浄空気の導入することで、湿度に対するFAIM
分析計の感度を低下させることができる。さらに、清浄乾燥空気を使用せずに分
析計を作動し、かつ既知のガス・サンプルが装置内に導入された場合、得られる
スペクトルは水分濃度に応じて所定のサンプルの標準スペクトルから変化するた
め、この装置を湿度センサとしても使用できる。
【0040】 フィルタ・アレイ62の各フィルタ24a〜24eおよび検出器アレイ64の
各フィルタ各フィルタ32a〜32eが同一流路26を共有する代わりに、図7
の個々の流路26a〜26eを設けることにより、各流路を、例えば入口16a
、イオン化領域18a、閉じ込め電極56a'、56b'、イオン・フィルタ電極
対20a,22a、検出器電極対33a,35a、および出口ポート68aと組
み合わせることができる。
【0041】 作動中、サンプル・ガス12は、図8のサンプル入口16aから入り、例えば
コロナ放電装置18aによりイオン化される。イオン化されたサンプルは、閉じ
込め電極56aによりイオン・フィルタ24aに向かって導かれる。イオンがイ
オン・フィルタ電極20aと22aとの間を通過するとき、不要なイオンは中性
化され、一方、選択イオンはフィルタ24aを通過して、検出器32aにより検
出される。
【0042】 図9に示すように、複数の同時検出がベンゼンのピーク50とアセトンのピー
ク51でなされており、本発明によるアレイ・フィルタおよび検出器の利点が示
されている。
【0043】 また、選択イオンの種類を検出するのに、補償バイアス電圧を必ずしも要しな
いことが判明した。図10のフィルタ24の電極20,22に印可される非対称
の周期的電圧のデューティ・サイクルを変化させることにより、プレート電極2
0,22に一定バイアス電圧を印加する必要がなくなる。電圧発生器28は、制
御電子回路30に応答して、非対称の交流電圧40のデューティ・サイクルを変
化させる。図11に示すように、周期的電圧のデューティ・サイクルを変化させ
ることにより、選択イオン32cの経路を制御できる。これに限定されるわけで
はないが、例として、電界40のデューティ・サイクルを、25%の高レベルの
ピーク70と、75%の低レベルの谷72にすると、イオン38cはプレート2
0に接近して中性化される。しかし、電圧40aのデューティ・サイクルを40
%のピーク70aにまで変化させることにより、イオン38cは中性化されるこ
となくプレート20,22間を通過する。一般に、デューティ・サイクルは10
〜50%の高レベルおよび90〜50%の低レベルの間で変化できる。したがっ
て、電界40のデューティ・サイクルを変化させることにより、バイアス電圧を
必要とせずに、イオン流路を制御できる。
【0044】 FAIM分析計の分解能をさらに改良するために、図12のように検出器32
を分割してもよい。これにより、イオンがフィルタ電極20,22の間でフィル
タを通過する際に、サイズ、電荷、および断面積によって決定される各軌道42
c'〜42c''''を有する各イオン38c'〜38c''''を空間的に検出できる。
これにより、検出器分割体32'はあるイオン種類の濃度を検出し、検出器分割
体32''は異なるイオン種類の濃度を検出し、各分割体が特定のイオン種類を検
出するため、スペクトル分解能が向上する。
【0045】 本発明の特定の形態をいくつかの図面で示し、その他を示していないが、この
理由は、単に便宜的なものであり、各形態を本発明にしたがった他の形態のいず
れかまたはすべてに組み合わせることができる。 他の実施形態は当業者には理解されるであろう。また他の実施形態は特許請求
の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による超小型フィルタおよび検出システムの概略ブロック図である。
【図2】 図1のフィルタ電極を通って検出器に向かうイオンを示す説明図である。
【図3A】 アセトンを検出するのに必要なバイアス電圧、および得られた感度を示すグラ
フ図である。
【図3B】 図3Aと同様に、ジエチル・メチル・アミンを検出するのに必要なバイアス電
圧を示すグラフ図である。
【図4】 本発明による、間隔を空けた、超小型フィルタの断面図である。
【図5】 パッケージ化された超小型フィルタおよび検出システムの3次元図であり、こ
のシステムは流体ポンプを有し、実現できる小型サイズを明らかに示す図である
【図6】 本発明にかかる一実施形態の分解図であり、フィルタ・アレイおよび検出器ア
レイが単一流路内に配置されている構成を示す図である。
【図7】 図6と同様に分解図であり、フィルタ・アレイが積層され、1つのフィルタお
よび検出器が単一流路内に組み込まれている構成を示す図である。
【図8】 図7のアレイ・フィルタおよび検出器システムの単一流路の断面図である。
【図9】 ベンゼンおよびアセトンの同時複数検出を示すグラフ図である。
【図10】 図1と同様に概略ブロック図であり、フィルタがバイアス電圧により補償され
ておらず、代わりに周期的電圧のデューティ・サイクルを変化させて、フィルタ
を通過するイオン流れを制御する構成を示す図である。
【図11】 変化するデューティ・サイクルを有する非対称周期的電圧のグラフ図であり、
この電圧を図9のフィルタに印加して、バイアス電圧なしに選択イオンをフィル
タする構成を示す図である。
【図12】 フィルタおよび検出器システムの概略図であり、検出器を分割して、イオンが
フィルタを出るときにこのイオンを空間的に検出する構成を示す図である。
【符号の説明】
10…非対称電界イオン移動度フィルタおよび検出システム、14a…ポンプ
、16…サンプル入口、18…イオン化源、20(20a〜20e),22(2
2a〜22e)…フィルタ電極、26…流路、30…電子コントローラ、32…
検出器、32'〜32''''…分割体、44…バイアス電圧、52,54…基板、
56a〜56h…閉じ込め電極。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,MZ,SD,SL,SZ,TZ,UG ,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD, RU,TJ,TM),AE,AL,AM,AT,AU, AZ,BA,BB,BG,BR,BY,CA,CH,C N,CR,CU,CZ,DE,DK,DM,EE,ES ,FI,GB,GD,GE,GH,GM,HR,HU, ID,IL,IN,IS,JP,KE,KG,KP,K R,KZ,LC,LK,LR,LS,LT,LU,LV ,MA,MD,MG,MK,MN,MW,MX,NO, NZ,PL,PT,RO,RU,SD,SE,SG,S I,SK,SL,TJ,TM,TR,TT,TZ,UA ,UG,UZ,VN,YU,ZA,ZW (72)発明者 ナザロブ・アーキンジョン・ジー アメリカ合衆国,ニューメキシコ州 88001,ラス クルーセス,スウィート アベニュー 1427 Fターム(参考) 5C038 FF04 GH01

Claims (77)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 サンプル入口および出口の間において基板間で流路を画定す
    る、間隔を空けた1対の基板と、 前記流路内に配置され、各電極が各基板にそれぞれ結合された間隔を空けた1
    対のフィルタ電極を有するイオン・フィルタと、 前記イオン・フィルタ電極の両端にバイアス電圧および非対称の周期的電圧を
    印加して、前記フィルタを通過するイオン流路を制御する電子コントローラとを
    備えた、検出システム用の超小型非対称電界イオン移動度フィルタ。
  2. 【請求項2】 請求項1において、さらに、前記イオン・フィルタの下流に
    、前記フィルタを出たイオンを検出する検出器を備えた超小型フィルタ。
  3. 【請求項3】 請求項2において、前記検出器は複数の分割体を有し、これ
    らの分割体は前記流路に沿って分割されて、イオンの軌道に従ってイオンを空間
    的に分離する超小型フィルタ。
  4. 【請求項4】 請求項1において、さらに、前記電子コントローラに応答し
    て、選択イオンが前記フィルタを通過する際にこれら選択イオンを閉じ込める閉
    じ込め電極を備えた超小型フィルタ。
  5. 【請求項5】 請求項4において、前記閉じ込め電極がシリコンである超小
    型フィルタ。
  6. 【請求項6】 請求項5において、前記シリコン電極が前記1対の基板の間
    隔を空けるスペーサとして作用する超小型フィルタ。
  7. 【請求項7】 請求項1において、さらに、前記流路を加熱するヒータを備
    えた超小型フィルタ。
  8. 【請求項8】 請求項7において、前記ヒータが前記イオン・フィルタ電極
    を包含する超小型フィルタ。
  9. 【請求項9】 請求項8において、前記電子コントローラが、さらに、前記
    フィルタ電極を通して電流を選択的に供給して、前記フィルタ電極を加熱する手
    段を備えた超小型フィルタ。
  10. 【請求項10】 請求項1において、前記基板がガラスである超小型フィル
    タ。
  11. 【請求項11】 請求項10において、前記ガラスがパイレックス(登録商
    標)である超小型フィルタ。
  12. 【請求項12】 請求項1において、さらに、前記フィルタの上流に、前記
    サンプル入口からの流体流れをイオン化するイオン化源を備えた超小型フィルタ
  13. 【請求項13】 請求項12において、前記イオン化源が放射線源を有する
    超小型フィルタ。
  14. 【請求項14】 請求項12において、前記イオン化源が紫外線ランプを有
    する超小型フィルタ。
  15. 【請求項15】 請求項12において、前記イオン化源がコロナ放電装置を
    有する超小型フィルタ。
  16. 【請求項16】 請求項1において、さらに、清浄空気を前記流路内に導入
    する清浄空気入口を備えた超小型フィルタ。
  17. 【請求項17】 請求項1において、さらに、前記流路を通る流体流れを調
    節する、前記流路に連通するポンプを備えた超小型フィルタ。
  18. 【請求項18】 サンプル入口および出口の間に流路を有するハウジングと
    、 前記流路内に配置され、間隔を空けた1対のフィルタ電極を有するイオン・フ
    ィルタと、 前記イオン・フィルタ電極の両端にバイアス電圧および非対称の周期的電圧を
    印加して、前記フィルタを通過するイオン流路を制御する電子コントローラと、 前記イオン・フィルタの下流の分割された検出器であって、これら分割された
    各分割体が前記流路に沿って分割されて、イオンの軌道に従ってイオンを空間的
    に分離する検出器とを備えた、非対称電界イオン移動度フィルタおよび検出シス
    テム。
  19. 【請求項19】 請求項18において、さらに、前記電子コントローラに応
    答して、選択イオンが前記フィルタを通過する際にこれら選択イオンを閉じ込め
    る閉じ込め電極を備えた、非対称電界イオン移動度フィルタおよび検出システム
  20. 【請求項20】請求項19において、前記閉じ込め電極がシリコンである、
    非対称電界イオン移動度フィルタおよび検出システム。
  21. 【請求項21】 請求項20において、前記シリコン電極が前記1対のフィ
    ルタ電極の間隔を空けるスペーサとして作用する、非対称電界イオン移動度フィ
    ルタおよび検出システム。
  22. 【請求項22】 請求項18において、さらに、前記流路を加熱するヒータ
    を備えた、非対称電界イオン移動度フィルタおよび検出システム。
  23. 【請求項23】 請求項22において、前記ヒータが前記イオン・フィルタ
    電極を包含する、非対称電界イオン移動度フィルタおよび検出システム。
  24. 【請求項24】 請求項23において、前記電子コントローラが、さらに、
    前記フィルタ電極を通して電流を選択的に供給して、前記フィルタ電極を加熱す
    る手段を備えた、非対称電界イオン移動度フィルタおよび検出システム。
  25. 【請求項25】 請求項18において、さらに、前記フィルタの上流に、前
    記サンプル入口からの流体流れをイオン化するイオン化源を備えた、非対称電界
    イオン移動度フィルタおよび検出システム。
  26. 【請求項26】 請求項25において、前記イオン化源が放射線源を有する
    、非対称電界イオン移動度フィルタおよび検出システム。
  27. 【請求項27】 請求項25おいて、前記イオン化源が紫外線ランプを有す
    る、非対称電界イオン移動度フィルタおよび検出システム。
  28. 【請求項28】 請求項25において、前記イオン化源がコロナ放電装置を
    有する、非対称電界イオン移動度フィルタおよび検出システム。
  29. 【請求項29】 請求項18において、さらに、清浄空気を前記流路内に導
    入する清浄空気入口を備えた、非対称電界イオン移動度フィルタおよび検出シス
    テム。
  30. 【請求項30】 請求項18において、さらに、前記流路を通る流体流れを
    調節する、前記流路に連通するポンプを備えた、非対称電界イオン移動度フィル
    タおよび検出システム。
  31. 【請求項31】 サンプル入口および出口の間に少なくとも1つの流路を確
    定するハウジングと、 前記ハウジング内に配置され、各イオン・フィルタが間隔を空けた1対のフィ
    ルタ電極をそれぞれ有する、複数のイオン・フィルタと、 前記各対のイオン・フィルタ電極の両端にバイアス電圧および非対称の周期的
    電圧を印加して前記各フィルタを通過するイオン流路を制御する電子コントロー
    ラとを備えた、非対称電界イオン移動度フィルタ・アレイ。
  32. 【請求項32】 請求項31において、前記各イオン・フィルタが前記流路
    の1つに組み合わせられるフィルタ・アレイ。
  33. 【請求項33】 請求項31において、さらに、前記各イオン・フィルタの
    下流に、前記各フィルタを出たイオンを検出する検出器を備えたフィルタ・アレ
    イ。
  34. 【請求項34】 請求項33において、前記各検出器が複数の分割体を有し
    、これらの分割体は前記流路に沿って分割されて、イオンの軌道に従ってイオン
    を空間的に分離するフィルタ・アレイ。
  35. 【請求項35】 請求項31において、さらに、前記電子コントローラに応
    答して、イオンが前記各フィルタを通過する際にこれらのイオンを閉じ込める複
    数の閉じ込め電極を備えたフィルタ・アレイ。
  36. 【請求項36】 請求項35において、前記各閉じ込め電極がシリコンであ
    るフィルタ・アレイ。
  37. 【請求項37】 請求項36において、前記シリコン電極が前記1対のフィ
    ルタ電極の間隔を空けるスペーサとして作用するフィルタ・アレイ。
  38. 【請求項38】 請求項31において、さらに、前記少なくとも1つの流路
    を加熱するヒータを備えたフィルタ・アレイ。
  39. 【請求項39】 請求項38において、前記ヒータが前記各イオン・フィル
    タ電極対を包含するフィルタ・アレイ。
  40. 【請求項40】 請求項38において、前記電子コントローラが、さらに、
    前記各フィルタ電極対を通して電流を選択的に供給して、前記フィルタ電極を加
    熱する手段を備えたフィルタ・アレイ。
  41. 【請求項41】 請求項31において、さらに、前記各フィルタの上流に、
    前記サンプル入口からの流体流れをイオン化するイオン化源を備えたフィルタ・
    アレイ。
  42. 【請求項42】 請求項41において、前記イオン化源が放射線源を有する
    フィルタ・アレイ。
  43. 【請求項43】 請求項41において、前記イオン化源が紫外線ランプを有
    するフィルタ・アレイ。
  44. 【請求項44】 請求項41において、前記イオン化源がコロナ放電装置を
    有するフィルタ・アレイ。
  45. 【請求項45】 請求項31において、さらに、清浄空気を前記少なくとも
    1つの流路内に導入する清浄空気入口を備えたフィルタ・アレイ。
  46. 【請求項46】 請求項31において、さらに、前記各流路を通る流体流れ
    を調節する、前記各流路に連通するポンプを備えたフィルタ・アレイ。
  47. 【請求項47】 サンプル入口および出口の間に流路を有するハウジングと
    、 前記流路内に配置され、間隔を空けた1対のフィルタ電極を有するイオン・フ
    ィルタと、 前記イオン・フィルタ電極の両端に非補償型非対称の周期的電圧を印加して前
    記イオン・フィルタを通過するイオン流路を制御する電子コントローラと、 検出する選択イオンの種類をターゲットとするために、前記周期的電圧のデュ
    ーティ・サイクルを選択的に調整する選択回路とを備えた検出システム用の非補
    償型非対称電界イオン移動度フィルタ。
  48. 【請求項48】 請求項47において、さらに、前記イオン・フィルタの下
    流に、前記フィルタを出たイオンを検出する検出器を備えたイオン移動度フィル
    タ。
  49. 【請求項49】 請求項48において、前記検出器は複数の分割体を有し、
    これらの分割体は前記流路に沿って分割されて、イオンの軌道に従ってイオンを
    空間的に分離するイオン移動度フィルタ。
  50. 【請求項50】 請求項48において、さらに、前記電子コントローラに応
    答して、イオンが前記フィルタを通過する際にこれらイオンを閉じ込める閉じ込
    め電極を備えたイオン移動度フィルタ。
  51. 【請求項51】 請求項50において、前記閉じ込め電極がシリコンである
    イオン移動度フィルタ。
  52. 【請求項52】 請求項51において、前記シリコン電極が前記1対のフィ
    ルタ電極の間隔を空けるスペーサとして作用するイオン移動度フィルタ。
  53. 【請求項53】 請求項47において、さらに、前記流路を加熱するヒータ
    を備えたイオン移動度フィルタ。
  54. 【請求項54】 請求項51において、前記ヒータが前記イオン・フィルタ
    電極を包含するイオン移動度フィルタ。
  55. 【請求項55】 請求項54において、前記電子コントローラが、さらに、
    前記フィルタ電極を通して電流を選択的に供給して、前記フィルタ電極を加熱す
    る手段を備えたイオン移動度フィルタ。
  56. 【請求項56】 請求項47において、さらに、前記フィルタの上流に、前
    記サンプル入口からの流体流れをイオン化するイオン化源を備えたイオン移動度
    フィルタ。
  57. 【請求項57】 請求項56において、前記イオン化源が放射線源を有する
    イオン移動度フィルタ。
  58. 【請求項58】 請求項56において、前記イオン化源が紫外線ランプを有
    するイオン移動度フィルタ。
  59. 【請求項59】 請求項56において、前記イオン化源がコロナ放電装置を
    有する移動度フィルタ。
  60. 【請求項60】 請求項47において、さらに、清浄空気を前記流路内に導
    入する清浄空気入口を備えたイオン移動度フィルタ。
  61. 【請求項61】 請求項47において、さらに、前記流路を通る流体流れを
    調節する、前記流路に連通するポンプを備えたイオン移動度フィルタ。
  62. 【請求項62】 サンプル入口および出口の間に流路を有するハウジングと
    、 前記流路内に配置され、間隔を空けた1対のフィルタ電極を有するイオン・フ
    ィルタと、 前記流路を横切る1対の閉じ込め電極と、 前記イオン・フィルタ電極の両端に第1バイアス電圧および非対称の周期的電
    圧を印加し、前記閉じ込め電極の両端に第2バイアス電圧を印加して、前記フィ
    ルタを通過するイオンの流路を制御する電子コントローラとを備えた、非対称電
    界イオン移動度フィルタ。
  63. 【請求項63】 請求項62において、さらに、前記イオン・フィルタの下
    流に、前記フィルタを出たイオンを検出する検出器を備えたフィルタ。
  64. 【請求項64】 請求項63において、前記検出器は複数の分割体を有し、
    これらの分割体は前記流路に沿って分割されて、イオンの軌道に従ってイオンを
    空間的に分離するフィルタ。
  65. 【請求項65】 請求項62において、前記閉じ込め電極がシリコンである
    フィルタ。
  66. 【請求項66】 請求項65において、前記シリコン電極が前記1対のフィ
    ルタ電極の間隔を空けるスペーサとして作用するフィルタ。
  67. 【請求項67】 請求項62において、さらに、前記流路を加熱するための
    ヒータを備えているフィルタ。
  68. 【請求項68】 請求項67において、前記ヒータが前記イオン・フィルタ
    電極を包含するフィルタ。
  69. 【請求項69】 請求項67において、前記ヒータが前記閉じ込め電極を包
    含するフィルタ。
  70. 【請求項70】 請求項68において、前記電子コントローラが、さらに、
    前記フィルタ電極を通して電流を選択的に供給して、前記フィルタ電極を加熱す
    る手段を備えたフィルタ。
  71. 【請求項71】 請求項68において、前記電子コントローラが、さらに、
    前記閉じ込め電極を通して電流を選択的に供給して、前記閉じ込め電極を加熱す
    る手段を備えたフィルタ。
  72. 【請求項72】 請求項62において、さらに、前記フィルタの上流に、前
    記サンプル入口からの流体流れをイオン化するイオン化源を備えたフィルタ。
  73. 【請求項73】 請求項71において、前記イオン化源が放射線源を有する
    フィルタ。
  74. 【請求項74】 請求項71において、前記イオン化源が紫外線ランプを有
    するフィルタ。
  75. 【請求項75】 請求項71において、前記イオン化源がコロナ放電装置を
    有するフィルタ。
  76. 【請求項76】 請求項62において、さらに、清浄空気を前記流路内に導
    入する清浄空気入口を備えたフィルタ。
  77. 【請求項77】 請求項62において、さらに、前記流路を通る流体流れを
    調節する、前記流路に連通するポンプを備えたフィルタ。
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