JP2003514349A - 長手方向の電界で駆動される非対称イオン移動度フィルタおよび検出システム - Google Patents

長手方向の電界で駆動される非対称イオン移動度フィルタおよび検出システム

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ミラー・ラナン・エー
ザーン・マーカス
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ザ・チャールズ・スターク・ドレイパー・ラボラトリー・インコーポレイテッド
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Abstract

(57)【要約】 非対称電界イオン移動度分析器１０は、サンプル媒体をイオン化してイオンを生成するイオン化源１８を備える。イオン・フィルタ２４は、イオン化源の下流にある分析ギャップ内に配置され、非対称電界を形成してイオンを濾過する。イオン流れ発生器は、非対称電界を横切る電界を形成し、イオンを、その非対称電界を通過させて検出器３２へ推進させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
本発明は長手方向の電界で駆動される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】 さらに、分析計にサンプル媒体を吸引し、かつキャリヤガスを提供するのに必
要なポンプはやや大きく、膨大なパワーを消費する。また、キャリヤガスは、必
ずイオンと同じ方向に流れなければならず、これらのイオンは、分析ギャップを
イオン化源から分離する構造体物を必要とする。
【０００７】
【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。
【０００８】 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。
【０００９】 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。
【００１０】 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。
【００１１】 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。
【００１２】 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。
【００１３】 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。
【００１４】 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。
【００１５】 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。
【００１６】 本発明のさらに別の目的は、通常、分析計に結合されている高流量および高パ
ワー消費ポンプを必要としないフィルタおよび検出システムを提供することであ
る。
【００１７】 本発明は、イオン流れ発生器が所望のイオン移動路の方向に長手方向の電界を
形成して検出器およびイオン・フィルタの役割をする横方向の非対称電界へイオ
ンを進ませるようにすることにより、ＦＡＩＭ分析計にガスのようなサンプル媒
体を吸引し、かつキャリヤガスの流れを提供するのに使用されるポンプを、より
小さく、またはポンプ群の一部分を削除できることを見出した知見に基づいてい
る。
【００１８】 その結果、本発明は、より低コスト、より低い流量およびより小さい、超小型
でさえあるポンプを導入する能力と、パワー使用の減少と、イオン移動の反対方
向に清浄な濾過されたガス(例えば湿気が取り除かれた空気)を流し、イオン・ク
ラスタ化および湿度に対する分析計の感度を除去する能力が得られた。ソース・
ガスおよび清浄な濾過されたガス用の個別の流路は、最早必要としないので、先
行技術が教示する個別の流路を維持するのに必要な構造体物を縮小することがで
きる。さらに、電気スプレー（electrospray）ノズルがイオン化源として使用さ
れる場合、長手方向および横方向の電界を形成する電極が、イオンを運び、かつ
溶媒滴の高密度な噴霧を形成する機能を有しているので、高密度な溶媒滴を形成
する電極を除去できる。
【００１９】 必要ならば、分析計を極小にでき、化学および軍事の応用において、質量分析
計用フィルタとして、ガスクロマトグラフ用検知器として、分解能を増大させる
ための飛行時間型イオン移動度分析計の前端部として、またはたわみ板波装置（
flexural plate wave device）用フィルタとして使用できる。
【００２０】 本発明はさらに、次の方法により、超小型、高精度、および高速の以下のＦＡ
ＩＭフィルタおよび検出システムを実現できることを見出した知見に基づいてい
る。すなわち、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
流路を形成し、この流路内にフィルタを配置する。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。
【００２１】 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、フィルタを
複数の選択イオンの検出に用いることができることを見出した知見に基づいてい
る。
【００２２】 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、バイアス電圧が不要になることを見出した知見に基づいてい
る。
【００２３】 本発明はさらに、検出器を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することで、高精度かつ高分解能が
得られるイオン検出を実現できることを見出した知見に基づいている。
【００２４】 本発明は、サンプル媒体をイオン化してイオンを生成するイオン化源と、分析
ギャップと、非対称電界を形成してイオンを濾過するイオン化源の下流に位置す
る前記分析ギャップ内に配置されたイオン・フィルタと、前記非対称電界を横切
る長手方向に電界を形成して前記非対称電界を通ってイオンを推進させるイオン
流れ発生器と、イオン・フィルタが濾過しないイオンを感知するイオン検出器と
を備えるイオン移動度分析器を特徴とする。
【００２５】 イオン検出器は、一般にイオン流れ発生器に近接して配置される。イオン分析
器は放射線源、紫外線ランプ、コロナ放電装置または電気スプレーノズルであっ
てもよい。
【００２６】 好ましくは、イオン・フィルタは電子コントローラに結合され、イオン・フィ
ルタにバイアス電圧および非対称の周期的電圧を印加する。イオン・フィルタは
、一般に、間隔を空けた１対の電極を含み、この電極間に非対称電界を形成する
。イオン流れ発生器は、一般に、間隔を空けた複数の分離している電極を含み、
これらの電極はイオン・フィルタの電極から絶縁されており、非対称電界を通過
させて検出器へイオンを進める方向（長手方向）の電界を形成する。
【００２７】 或いは、イオン流れ発生器は、間隔を空けた抵抗層を含み、電圧が各抵抗層に
沿って印加されて長手方向に電界を形成し、この電界が非対称電界を通過させて
検出器へイオンを進める。
【００２８】 別の実施形態では、イオン・フィルタは、電子コントローラに電気的に接続さ
れている第１の複数の分離した電極を含んでおり、この電子コントローラが前記
電極に非対称の周期的電圧を印加する。イオン流れ発生器は第２の複数の分離し
た電極を含んでおり、これらの電極は前記第１の複数の電極間に散在し、電圧源
に接続されている。この電圧源が前記第２の複数の電極に沿って電位傾度を与え
る。
【００２９】 例えば、分析ギャップは、ハウジングに内包されている。イオン・フィルタは
ハウジングの内部表面上にある電極を含んでおり、イオン流れ発生器は、イオン
・フィルタ電極に対して近接し、かつ絶縁されている電極を含む。イオン検出器
も、ハウジングの内部表面上に位置してイオン・フィルタおよびイオン流れ発生
器に近接する電極を含んでいる。
【００３０】 例えば、分析ギャップは、ハウジングに内包され、イオン・フィルタはハウジ
ングの外表面上にある電極を含んでもよく、その場合、イオン流れ発生器はハウ
ジングの内部表面上に抵抗層を含む。電圧は各抵抗層に沿って印加され、長手方
向の電界を形成する。或いは、イオン・フィルタとイオン流れ発生器を組み合わ
せて連続の分離している導電性部材を含んでもよく、電圧源が各導電性部材を相
違する位相で励起する。
【００３１】 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。
【００３２】
【好適な実施形態】
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２４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。この電界は、好ましくは非対称であり、時間に応じて振動する。
【００３３】 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加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は電極３５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。
【００３４】 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」。一般に時間変化する電圧Vは直流の±(１０００〜２０００)ボルトの範
囲にあり、最大電界強度４０，０００Ｖ／ｃｍを有する電界４０を形成する。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、直流の±１００ボル
トによって±２０００Ｖ／ｃｍの範囲ななっており、プレート２０，２２に印加
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２
８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をフ
ィルタ２４に通過させて検出器３２で検出させる。図２の補償電界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。
【００３５】 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。
【００３６】 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。
【００３７】 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（PYREX）（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，５６ｂ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（図４）を同一電圧とし
て、イオンを流路２６の中心に「押す」ことが必要である。これにより、より多
数のイオンが電極３３，３５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。
【００３８】 分析計１０の精度と高信頼動作を維持するために、電極プレート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、電極プレート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、図４のスペーサ電極５６ａ，５６ｂに電流Ｉを代わりに供給して流路２
６を加熱し、プレート２０，２２から中性化分子を除去できる。
【００３９】 図５のパッケージ化されたＦＡＩＭ分析計１０は、そのサイズを１インチ（２
５．４ｍｍ）×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１２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、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、これら基板５２，５４と共に分析計１０のハ
ウジングを形成するようにしてもよい。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ＦＡＩＭ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。
【００４０】 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）を印加
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６４
は検出器３２ａ〜３２ｅを有し、複数の選択イオン種を同時に検出し、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。上下の
電極対３２ａ〜３２ｅは同一の非対称の周期的ＡＣ電圧４０を共有する。
【００４１】 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。清浄乾燥空気を導入することで、湿度に対するＦＡ
ＩＭ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。
【００４２】 しかし、フィルタ・アレイ６２の各フィルタ２２ａ〜２２ｅ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（図８）、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，３
５ａ、および出口ポート６８ａと組み合わせることができる。
【００４３】 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、５６b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。
【００４４】 図９に示すように、混合物の各成分の識別は明確なベンゼンのピーク５０とア
セトンのピーク５１により実証されている。
【００４５】 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に印加される非対称
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４０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２０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。
【００４６】 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２４を通過する際に、イオンのサイズ、電荷および断面積によって決定される
各軌道４２ｃ'〜４２ｃ''''を有する各イオン３８ｃ'〜３８ｃ''''を空間的に検
出できる。このように、検出器分割体３２'はあるイオン種の濃度を検出し、検
出器分割体３２''は異なるイオン種の濃度を検出するから、各分割体が特定のイ
オン種を検出することでスペクトル分解能が向上する。
【００４７】 図１３に示すように、先行技術であるイオン移動度分析計２００(米国特許５
，４２０，４２４号参照)は、長手方向に沿って延びる内側の縦電極２０４およ
び外側の縦電極２０６間の空間により画定された分析ギャップ２０２を含んでい
る。サンプル媒体、またはソース・ガスはポンプ２１２の作用により入口２１０
を通って吸引され、イオン化源２１４によりイオン化される。キャリヤガスはポ
ンプ２１６により分析ギャップ２０２へ導入される。イオン化源２１４によって
生成されたイオンは、検知器２２４に達するまで、電極２２０の作用によって、
開口２１８を通過し分析ギャップ２０２へ移動する。
【００４８】 そのような構造体は２つのポンプ２１２，２１６と、ソース・ガスおよびキャ
リア・ガス用の各個別の流路２０１，２０３とを必要とする。したがって、先行
技術である移動度分析器２００は、小型化できず、ポンプ２１２，２１６を作動
するのに十分なパワーを必要とする。
【００４９】 本発明では、ポンプ２１２，２１６の必要性が無いか、またはそれらを小型化
するかであって、例えば、超小型されたポンプを使用することもできる。さらに
、ソース・ガスおよびキャリア・ガス用の各個別の流路を必要とせず、かつ除湿
空気のような清浄な濾過されたガスを導入してイオン移動の反対方向に流して、
イオン・クラスタ化を除去でき、湿度に対する分析器の感度を改良(低く)できる
。
【００５０】 図１４の本発明にかかる非対称電界イオン移動度分析器２３０は構造体２３４
内に分析ギャップ２３２を含んでいる。この構造体２３４は、円形のチューブ、
または外囲器を画定する壁を備えた小型で平らなハウジングでもよい。イオン化
源２３６は、ポンプ２３８の作用によって分析ギャップ２３２内に送り込まれた
サンプル媒体またはガスをイオン化する。このポンプ２３８は、超小型ポンプで
あってもよく、その流量が先行技術において一般に要求される毎分１〜４リット
ル以下であり、先行技術の分析器よりも１−５ワットのパワーを節約できる。
【００５１】 前述のように、イオン・フィルタ２４０は、イオン化源２３６の下流にある分
析ギャップ２３２内に位置しており、ベクトル２４２で示されている非対称電界
を形成し、イオン化源２３６によって生成されたイオンを濾過する。
【００５２】 イオン・フィルタ２４０は、例えば、図１および２が示すように、間隔を空け
た１対の電極２４８，２４６を含んでおり、これら電極２４６，２４８は、バイ
アス電圧および非対称の周期的電圧を印加する電子コントローラに接続されてい
る。
【００５３】 分析器２３０に特有であるイオン流れ発生器２５０は、ベクトル２５２が示す
ように長手方向（縦方向）の電界を形成する。長手方向の電界２５２の強度は、
時間または空間に対して一定または変化し、イオンを推進して非対称電界２４２
を通過させる。
【００５４】 一実施形態において、イオン流れ発生器２５０は、別個の電極２６０，２６２
，２６４および２６６を含んでおり、それらの電極が絶縁媒体２６８により、イ
オン・フィルタ２４０の電極２４６，２４８から絶縁されている。一例をあげる
と、電極２６０が１０００ボルトであり、電極２６６が１０ボルトであり、電極
２６２および２６４がそれぞれ５００ボルト、１００ボルトであるが、それらの
電圧レベルは、分析器２３０の具体的な実施化に依存して変化してもよい。電極
２６１、２６３、２６５および２６７に印加される電圧は、電極２６０、２６２
、２６４および２６６に印加される電圧とそれぞれほぼ同じである。イオン流れ
発生器２５０を形成する互いに対向する電極は、４対よりも多くても少なくても
よい。また、それぞれの電極対（２６０，２６１），（２６２，２６３），（２
６４，２６５）および（２６６，２６７）は互いに分離した別個の平面電極だけ
でなく環状電極でもよい。
【００５５】 いかなる場合でも、長手方向の電界２５２の強度により、イオン化源２３６に
よって生成されたイオンが非対称電界２４２を通過して検出器２７０へ向かうよ
うに推進され、その結果、図１３の先行技術のポンプ２１２および２１６が要求
する流量およびパワーを除去または減少させる。
【００５６】 例えば、検出器２７０はイオン流れ発生器２５０の近くに配置されている。ま
た、分析ギャップ２３２に対して、イオン流れ発生器２５０の電極２６０，２６
２，２６４，２６６，２６１，２６３，２６５および２６７は、好ましくは、イ
オン・フィルタ２４０の電極２４６、２４８とほぼ同一の物理空間を占めている
。
【００５７】 別の実施形態では、図１５の分析器３００は、流路３０２およびこの流路３０
２との間に開口３０６を備えた分析ギャップ３０４を画定する構造体を含む。ソ
ース・ガスがポンプ３１０によって流路３０２内に吸引され、イオン化源３０８
によってイオン化される。イオンは、偏向電極３１２，３１３により開口３０６
を通過し、イオン流れ発生器２５０の電極およびイオン・フィルタ２４０が配置
されている分析ギャップ３０４内へ偏向させられる。前述のように、イオン流れ
発生器２５０が、イオンをフィルタ２４０により形成された非対称イオン電界を
通過するよう推進する。この方法では、ポンプ３１２は、極低流量の除湿空気を
分析ギャップ３０４内へ供給するだけでよく、先行技術が教示しているようなキ
ャリア・ガス流れは必要としない。
【００５８】 さらに別の実施形態では、図１６の乾燥剤３２２がハウジング３２０内に設け
られている。小型ポンプ３２４が、唯一のポンプであり、ソース・ガスを小さな
オリフィス３２６に通過させてハウジング３２０内へ吸引する。イオン化源３２
８がイオンを生成し、このイオンが、検出器３３０に近接して配置されているイ
オン流れ発生器２５０によって形成された長手方向の電界によって補助されてフ
ィルタ２４０を通過移動する。
【００５９】 一実施形態では、図１４の検出器２７０は、図１７に示す間隔を空けた電極２
７２，２７４を含んでおり、それらの電極は図１の電極３３，３５と同様な構成
を有している。図１７のイオン・フィルタは間隔の開いた電極２７６，２７８を
含み、横の電界２８０を形成する。イオン流れ発生器は、電極２８２，２８４お
よび電極２８６，２８８に示されるように、間隔の開いた別個の（互いに分離し
た）電極を含む。電極２８２，２８４は１０００ボルトであってもよく、電極２
８６，２８８は０ボルトであってもよい。絶縁媒体２９０，２９２は電極２８２
，２８４，２８６および２８８を電極２７６，２７８に対して絶縁している。電
極対（２８２，２８４）ないし（２８６，２８８）、またはより多くの電極対は
、環状電極としてもよい。
【００６０】 図１８の他の実施形態では、イオン・フィルタは間隔の開いた抵抗層３００，
３０２を含み、それら抵抗層が、絶縁媒体２９０，２９２によりパイレックス基
板３１０上にある電極２７６，２７８から絶縁されている。絶縁媒体は、例えば
、低温酸化物である。
【００６１】 抵抗層３００，３０２は絶縁層２９０，２９２上にそれぞれ付着された抵抗セ
ラミック材であってもよい。端子電極３１２，３１４，３１６および３１８は各
抵抗層に接触していて、この各抵抗層に交差してボルテージ・ドロップを印加し
、長手方向の電界を発生させる。したがって、電極３１２，３１６が１０００ボ
ルトであってもよく、一方で電極３１４，３１８が０ボルトであってもよい。電
極３１２，３１６，３１４および３１８を環状電極にし、かつ抵抗層３００，３
０２を開口シリンダにすることにより、この実施形態を円筒体に拡張できる。
【００６２】 図１９のさらに別の実施形態では、イオン・フィルタは、電子コントローラ（
図１）に接続された複数の高周波、高圧の電極３３０，３３２，３３４および３
３６を含んでいて、この電子コントローラにより非対称の周期的電圧を印加され
て、イオン濾過電界を形成する。また、イオン流れ発生器は、図示のように、イ
オン・フィルタの別個の（互いに分離した）電極間に散在し、かつこれらの電極
から絶縁されている第２の複数の別個の電極３３８，３４０，３４２および３４
４を含んでいて、当該複数の電極が、これらの電極間に電位傾度を与えて、イオ
ン推進電界を発生させる電圧源に接続されている。このイオン推進電界がイオン
濾過電界を横切る方向に向いている。
【００６３】 図２０のさらに別の実施形態において、非対称イオン濾過電界を提供する高周
波電極３５０，３５２は、分析ギャップ３５８を確定するパイレックス（PYREX
）のような絶縁材からできている壁３５４，３５６の外側上に配置されている。
抵抗層３６０，３６２は、絶縁壁３５４，３５６の内側上に取付けられたセラミ
ック材であってもよい。各抵抗層に接触する端子電極３６４，３６６，３６８お
よび３７０は、各抵抗層の両端に表れる電圧降下を与えて長手方向のイオン推進
電界を発生する。したがって、電極３６４，３６８がそれぞれ１０００ボルトで
あってもよく、一方で電極３６６，３７０が０ボルトであってもよい。
【００６４】 図２１に示されている設計例において、別個の電極３８０〜３８６および３８
７〜３９４は、横方向および長手方向の成分を備えた電界を形成してイオンを濾
過し、かつ推進する。Vcos(wt-kz)（ｋ＝２π/λが波数である）で表される波形
の移動波電圧は、横方向および長手方向の両成分を備えた対応する電界を有して
いる。扁平方システムでは、対向する電極の連続した組が、電圧源から、固定さ
れた位相差で次々と印加されて励起される。
【００６５】 したがって、電極３８０，３８７がvcos(wt)で表される電圧により励起され、
一方で、図２１に示すように、電極３８１，３８８がvcos(wt＋１２０)で表され
る電圧で励起される。移動波電圧は多相電圧励起を必要としており、最も単純な
多相電圧励起は２位相励起である。そこで、２つの導電性リボンが、分析ギャッ
プを画定するダクトに巻かれており、この分析ギャップが、vcos(wt)で励起され
た１つの導電体とvsin(wt)で励起されたもう１つの導電体を備えている。導電性
リボンまたはテープが３つの導電体を有する場合には、３位相励起を導入するこ
とができる。
【００６６】 特定の電極が、イオンを検出器電極に向けて移動させる長手方向の電界用の電
源として機能し、かつ溶媒滴の高密度な噴霧を形成してソース・ガスまたはサン
プル媒体をイオン化する電極としても機能するので、設計例は電気スプレーイオ
ン化源ノズルの使用によく適している。
【００６７】 したがって、本発明によれば、先行技術を示す図１３のポンプ２１６，２１２
は除去されるか、または少なくともサイズを減少されるかであり、より小さい流
量およびパワー要求で済む。所望のイオン移動の方向に長手方向の電界を形成す
るイオン流れ発生器の導入によって、イオンは検出器へ推進され、かつイオン・
フィルタの役割として作動する横方向の非対称電界を通過する。好適な実施形態
では、分析のために、イオン化ガス種を分析器のドリフト管に通過させて吸引す
るポンプを必要としない。代わりに、ドリフト管の長さに沿って印加された長手
方向の電界は、ドリフト管下方でイオンをイオン・フィルタに通過させて検出器
へ推進するのに使用できる。先行技術の分析器で使用される高流量（毎分１〜４
リットル）ポンプを除去することにより、パワー消費、サイズおよびコストの相
当な減少が実現でき、単一チップ上で真の極小化された分析器が得られる。
【００６８】 この設計の２番目の利点は、清浄な濾過された空気の流れをイオン運動の反対
方向に与えることができる。この方法では、イオン化されなかったサンプル・ガ
ス中のいかなる中性子も偏向させられ、イオン分析領域に入らない。その結果、
イオンのクラスタ化問題およびセンサーの湿度依存性を除去できる。流量が小さ
いので、内蔵極少ポンプを導入することが可能である。
【００６９】 イオンのみが分析領域に入ればよいので、イオン・フィルタおよび検出領域内
ではガス流れを必要としない。分子ふるいを分析領域の入口付近に配置して、該
領域中のいかなる中性分子をも吸収し、かつクラスタ化を防止することもできる
。比較的多大なパワー量（１〜５ワット）を消費する高流量ポンプを導入し、か
つ装置のサイズを大きくした先行技術とは異り、ポンプによりイオン・フィルタ
（分析）領域内に送られる空気流れを供給するための分離した空気源は必要とさ
れない。本発明では、中性ガスの流れが、分析されるサンプル・ガスから生成さ
れたイオン種と同じ方向に流れる必要はない。代わりに、イオン流れと反対方向
に流れるフロー・ガスを、イオン・フィルタ領域から不必要な中性子および水分
を除去するのに使用できる。
【００７０】 イオン・フィルタ（ドリフト管）を通過するより大きな流量が必要とされない
。代わりに、長手方向軸であるz軸方向の小さい電位傾度により形成された縦方
向（長手方向）の電界により、イオンはz軸に沿ってイオン・フィルタ（ドリフ
ト管）を通過して吸引される。図１７に示された設計では、イオンを電極２８２
，２８４に近接させるのに、ベクトル２５２により示される長手方向の電界方向
に沿った小体積の流れのみが要求される。長手方向の電界２５２により、イオン
・フィルタおよび検出器領域内のガス流れが必要とされない。また、必要な場合
には、清浄な濾過空気の小流量が長手方向の電界と反対方向に供給されて、イオ
ン・フィルタおよび検出器の領域を中性子が存在しない状態に保持する。分圧抵
抗回路が電極２８２，２８４間に電位傾度を与える。その結果、例えば、電極２
８２，２８４が１０００ボルトであり、一方で電極２８６，２８８が０ボルトで
ある。
【００７１】 図１９に示される設計では、全ての高周波電極３３０，３３２等は電気的に結
合しており、他方で、長手方向の電界を形成する電極３３８，３４０等は、それ
らの電極間で降下した電位傾度を持つ。一実施形態では、電極に印加される電圧
を交流にでき、その結果、最初に電圧を印加して横方向の電界を発生し、次に電
圧を他の電極に印加して長手方向の電界を発生させる。
【００７２】 本発明の特定の構成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、各構成を本発明にしたがった他の構成のいず
れかまたはすべてに組み合わせることができる。 他の実施形態も当業者には思い付くであろう。そのような他の実施形態はこの
出願の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混合物から各化学成分の識別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。
【図１３】 分析器の典型的な先行技術の概略図である。
【図１４】 本発明にかかる長手方向の電界によって駆動されるイオン移動度分析器の概略
図である。
【図１５】 本発明にかかる長手方向の電界によって駆動されるイオン移動度分析器の他の
実施形態の概略図である。
【図１６】 本発明にかかる長手方向の電界によって駆動されるイオン移動度分析器のさら
に他の実施形態の概略図である。
【図１７】 本発明の分析器のイオン・フィルタ、検出器およびイオン流れ発生器を示す概
略図である。
【図１８】 本発明の他の実施形態にかかる分析器のイオン・フィルタ、検出器およびイオ
ン流れ発生器を示す概略図である。
【図１９】 本発明のさらに他の実施形態にかかる分析器のイオン・フィルタ、検出器およ
びイオン流れ発生器を示す概略図である。
【図２０】 本発明のさらに他の実施形態にかかる分析器のイオン・フィルタ、検出器およ
びイオン流れ発生器を示す概略図である。
【図２１】 本発明のさらに他の実施形態にかかる分析器のイオン・フィルタ、検出器およ
びイオン流れ発生器を示す概略図である。
【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、１４，１４ａ…
ポンプ、１６…サンプル入口、１８…イオン化源、２０（２０ａ〜２０ｅ），２
２（２２ａ〜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。
【手続補正書】
【提出日】平成１４年５月１４日（２００２．５．１４）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── 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，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 ザーン・マーカス アメリカ合衆国，マサチューセッツ州 02420，レキシントン，サマーセット ロ ード 17

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 サンプル媒体をイオン化してイオンを生成するイオン化源と
    、 分析ギャップと、 前記イオン化源の下流にある前記分析ギャップ内に配置され、非対称電界を形
    成してイオンを濾過するイオン・フィルタと、 前記非対称電界を横切る電界を形成し、イオンを、その非対称電界を通過させ
    て推進するイオン流れ発生器と、 前記イオン・フィルタによって濾過されなかったイオンを感知するイオン検出
    器と、 を備える非対称電界イオン移動度分析器。
  2. 【請求項２】 請求項１において、前記イオン検出器が前記イオン流れ発生
    器に近接している分析器。
  3. 【請求項３】 請求項２において、前記イオン化源が放射線源である分析器
    。
  4. 【請求項４】 請求項１において、前記イオン化源が紫外線ランプを含む分
    析器。
  5. 【請求項５】 請求項１において、前記イオン化源がコロナ放電装置を含む
    分析器。
  6. 【請求項６】 請求項１において、前記イオン化源が電気スプレーノズルを
    含む分析器。
  7. 【請求項７】 請求項１において、前記イオン化源が電子コントローラに接
    続されて、バイアス電圧および非対称の周期的電圧を前記イオン・フィルタに印
    加する分析器。
  8. 【請求項８】 請求項１において、前記イオン・フィルタが非対称電界を形
    成する１対の間隔の空いた電極を含み、前記イオン流れ発生器が、前記間隔の空
    いた電極対から絶縁されて前記電界を横切る方向に強度変化する電界を形成する
    複数の間隔の空いた別個の電極を含む分析器。
  9. 【請求項９】 請求項１において、前記イオン流れ発生器が間隔の空いた複
    数の抵抗層を含み、各抵抗層に沿って電圧が印加されて長手方向の電界を形成し
    ている分析器。
  10. 【請求項１０】 請求項１において、前記イオン流れ発生器が、電子コント
    ローラに電気的に接続された第１の複数の別個の電極を含み、この電子コントロ
    ーラが非対称の周期的電圧を前記第１の複数の別個の電極に印加し、かつ、前記
    イオン流れ発生器が、前記第１の複数の別個の電極間に散在して電圧源に接続さ
    れている第２の複数の別個の電極を含み、前記電圧源が前記第２の複数の別個の
    電極に沿って電位傾度を与えている分析器。
  11. 【請求項１１】 請求項１において、前記分析ギャップがハウジングにより
    内包されており、前記イオン・フィルタが、前記ハウジングの内部表面上にある
    電極を含み、前記イオン流れ発生器が、前記イオン・フィルタの電極に対して近
    接しているが絶縁された電極を含んでいる分析器。
  12. 【請求項１２】 請求項１１において、前記イオン検出器が前記ハウジング
    の内部表面上にある電極を含み、この電極が、前記イオン・フィルタおよびイオ
    ン流れ発生器に近接している分析器。
  13. 【請求項１３】 請求項１において、前記分析ギャップがハウジングにより
    内包されて、前記イオン・フィルタが前記ハウジングの外部表面上にある電極を
    含み、前記イオン流れ発生器が前記ハウジングの内部表面上に抵抗層を含み、電
    圧が各抵抗層に沿って印加されて長手方向の電界を形成している分析器。
  14. 【請求項１４】 請求項１において、前記イオン・フィルタおよびイオン流
    れ発生器が組み合わされていて、連続する別個の導電性部材を含み、各導電性部
    材が異なった位相で電圧源により励起されている分析器。
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