JP2019211440A - イオン移動度分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のイオン移動度分析装置では、イオンゲートが配置される部分が高電位となるため、イオンゲートの制御部が大型化し、高価格化するという課題がある。【解決手段】イオン移動度分析装置は、第１方向に延びる内部空間を有するドリフトチューブ１１と、第１方向に延びる内部空間を有しドリフトチューブ１１に接続されるイオンチャンバ１０と、ドリフトチューブ１１とイオンチャンバ１０との境界部に設置され接地電位に保たれているイオンゲート１９と、イオンチャンバ１０内にイオンを供給するイオン源（１４、１５、３５）と、ドリフトチューブ１１内のイオンゲート１９とは反対側に配置されているイオン検出電極２１と、イオンチャンバ１０に第１の高電圧を印加する第１電圧源ＨＶ１と、イオン検出電極２１に第１の高電圧とは逆極性の第２の高電圧を印加する第２電圧源ＨＶ２と、イオン検出電極２１からの信号を検出して接地電位下で動作するデータ処理装置ＰＣに送信する信号転送部ＳＰとを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、イオン移動度分析装置に関する。

分析対象の分子をイオン化して略大気圧のガス中を移動させ、ガス中でのイオンの移動度の違いに伴う移動時間の差により対象の分子を分析する方法が、イオン移動度分光測定法（Ion Mobility Spectrometry＝ＩＭＳ）として知られている。
イオン移動度分光測定法を行うイオン移動度分析装置は、その内部でイオンを発生させる円筒状のイオンチャンバと、その内部でイオンを移動させる円筒状のドリフトチューブとが直列に接続され、その境界部にはイオンゲートが設けられている。イオンチャンバ内で生成され、所定のタイミングでイオンゲートを通過した分析対象のイオンは、ドリフトチャンバ内に形成されている電場により、概ね大気圧のガスで満たされたドリフトチューブ内を移動する。分析対象イオンがイオンゲートを通過してからドリフトチューブの反対側の端部に設けられたイオン検出電極に到達するまでの所要時間が計測される。イオンを移動させる電場を形成するために、イオンチャンバとドリフトチューブの両端部の間には、数１０ｋＶの電位差が印加されている。なお、イオンチャンバやドリフトチューブのサイズによって印加電圧の値は異なる。（特許文献１参照）

国際公開２０１６／０７９７８０号

従来のイオン移動度分析装置では、イオン検出電極からの信号を検出する検出回路の構成を簡便化するために、イオン検出電極および検出回路が配置されるドリフトチューブの端部が、扱い易い接地電位に設定されている。従って、イオンチャンバ側には数１０ｋＶの高電圧が印加され、イオンゲートが配置されるイオンチャンバとドリフトチューブとの境界部にも、その半分程度の電圧の高電圧が印加される。
このため、高精度な時間制御が要求されるイオンゲートの制御部には、高電圧への耐性も要求されることとなり、大型化および高コスト化するという課題があった。

本発明のイオン移動度分析装置は、第１方向に延びる内部空間を有するドリフトチューブと、前記第１方向に延びる内部空間を有し、前記ドリフトチューブに接続されるイオンチャンバと、前記ドリフトチューブと前記イオンチャンバとの境界部に設置され、接地電位に保たれているイオンゲートと、前記イオンチャンバ内にイオンを供給するイオン源と、前記ドリフトチューブ内の、前記イオンゲートとは反対側に配置されているイオン検出電極と、前記イオンチャンバに、第１の高電圧を印加する第１電圧源と、前記イオン検出電極に、前記第１の高電圧とは逆極性の第２の高電圧を印加する第２電圧源と、前記イオン検出電極からの信号を検出し、接地電位下で動作するデータ処理装置に送信する信号転送部と、を備える。

本発明によれば、イオンゲートを接地電位とするため、イオンゲートに接続されるイオンゲート制御部の高電圧耐性が不要となり、イオンゲート制御部の簡略化が図れる。

図１は、第１実施形態のイオン移動度分析装置の断面図。 図２は、イオンゲートおよびイオンゲート制御部を示す図。図２（ａ）は、イオンゲートとイオンゲート制御部の概略を示し、図２（ｂ）および図２（ｃ）は、イオンゲートに印加する電圧の時間変化を示す。 図３は、第２実施形態のイオン移動度分析装置の断面図。

（イオン移動度分析装置の第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態のイオン移動度分析装置１００を示す断面図である。
イオン移動度分析装置１００は、試料中の成分をイオン化するイオン化領域Ａを内側に形成するイオンチャンバ１０と、イオン移動度の違いを利用してイオンを分離するドリフト領域Ｃを内側に形成するドリフトチューブ１１とを備えている。この実施例では、イオン化領域Ａおよびドリフト領域Ｃは、ともに図１中のＺ方向に延びる空間である。また、イオンチャンバ１０とドリフトチューブ１１とは同一内径の略円筒形状体であって一体化されている。
イオンチャンバ１０とドリフトチューブ１１とにはそれぞれ、加熱のためのヒートパイプ１２、１３が周設されている。

イオンチャンバ１０の周面には、液体試料の噴霧方向がイオンチャンバ１０の中心軸に略直交する方向となるように、大気圧化学イオン化（ＡＰＣＩ）用スプレーノズル１５が取り付けられている。
なお、イオンチャンバ１０の中心軸とドリフトチューブ１１の中心軸とは一致しており、かつＺ方向に平行であり、以下の説明ではこれを単に中心軸ＡＸという。

スプレーノズル１５には、不図示の液体クロマトグラフ装置（ＬＣ）から液体試料が供給され、これをネブライズガス（通常は窒素、ヘリウムなどの不活性ガス）のガス流に乗せ、さらに高温（３００〜５００℃程度）に加熱した乾燥管を通してイオンチャンバ１０内に噴霧するものである。

イオンチャンバ１０とドリフトチューブ１１の境界部には、２つの櫛型状電極が図中のＺ方向に垂直な同一平面に配置されたイオンゲート（ＢＮゲート）１９が設けられている。なお、図１では、イオンゲート１９が２つの櫛型状電極からなることを示すために２つの櫛型状電極をＺ方向に分離して描いているが、実際には上述のとおり２つの櫛型状電極はＺ方向に垂直な同一平面にある。イオンチャンバ１０内の、ドリフトチューブ１１に接続されている側の端部と反対側である端部には、コロナ放電を行うための針電極１４が設置されている。この針電極１４とイオンゲート１９との間には、中心軸ＡＸの延伸方向（Ｚ方向）に所定の間隔で複数の前段リング状電極１６が設けられている。この前段リング状電極１６は、スプレーノズル１５とイオンゲート１９との間にも少なくとも１個以上設けられ、針電極１４とスプレーノズル１５との間にも少なくとも１個以上設けられている。

イオンチャンバ１０内の前段リング状電極１６に連なるように、ドリフトチューブ１１内にも中心軸ＡＸの延伸方向（Ｚ方向）に所定の間隔で複数の後段リング状電極１７が設けられている。
また、ドリフトチューブ１１内にあって、イオンチャンバ１０に接続されている側と反対側の端部にはイオン検出電極２１が設置されており、このイオン検出電極２１と最終段の後段リング状電極１７との間には、グリッド状電極１８が設けられている。

イオン検出電極２１が位置する付近のドリフトチューブ１１の周面にはガス導入管２２が接続され、このガス導入管２２を通してドリフトチューブ１１内には一定流量の中性ガス（例えば窒素ガス）が供給される。ドリフトチューブ１１に流される中性ガスは、導入前にドリフトチューブ１１と同程度の温度（２００℃前後）に加熱されている。
ドリフトチューブ１１内に供給された中性ガスは、イオン検出電極２１から針電極１４の方向に流れ、イオンチャンバ１０の端部に設けられている排気口２３から排出される。

第１の実施形態においては、イオンゲート１９は、これを制御するイオンゲート制御部２０を介して低電位直流電圧源ＶＲに接続されている。低電位直流電圧源ＶＲからイオンゲート制御部２０に印加される電位については、後述する。
一方、複数の前段リング状電極１６のそれぞれは、一端が低電位直流電圧源ＶＲに接続され、他端が１０ｋＶ程度の第１の高電圧を発生する第１電圧源ＨＶ１に接続された直列抵抗アレイによる第１分圧器２４に接続されている。また、複数の後段リング状電極１７、グリッド状電極１８、およびイオン検出電極２１のそれぞれは、一端が低電位直流電圧源ＶＲに接続され、他端が１０ｋＶ程度であって上記の第１の高電圧とは逆符号の第２の高電圧を発生する第２電圧源ＨＶ２に接続された直列抵抗アレイによる第２分圧器２６に接続されている。

これにより、複数の前段リング状電極１６、後段リング状電極１７、及びグリッド状電極１８には、各電極までのイオンゲート１９からの距離に応じてそれぞれ異なる電圧が印加される。
また、針電極１４には第３電圧源ＨＶ３から、第１電圧源よりも絶対値として数ｋＶ電圧が高く、針電極１４の先端にコロナ放電に必要な電場が発生するような電圧が印加される。
これらの構成により、イオンチャンバ１０およびドリフトチューブ１１の内部には、針電極１４からイオン検出電極２１に向けて電場が形成される。

第１実施形態のイオン移動度分析装置１００では、イオンゲート１９を接地電位に維持しているため、イオンチャンバ１０およびドリフトチューブ１１の各端部には、１０ｋＶ程度の高電圧が印加される。そのため、イオンチャンバ１０の図１中の左端部近傍、およびドリフトチューブ１１の図１中の右端部近傍には、安全性を向上するために従来のイオン移動度分析装置と同様に、それぞれ耐電圧カバー３１、３２を設けることが好ましい。

ところで、従来のイオン移動度分析装置においては、イオンゲートおよびその制御部には、１０ｋＶ程度の高電圧が印加されていた。従って、イオンゲートの制御部には高電圧に対しての絶縁耐性が要求され、また制御部に電力を供給する絶縁電源が必要となり、制御部の設計および製造コストが高額化していた。
第１実施形態においては、イオンゲート１９は、これを制御するイオンゲート制御部２０を介して低電位直流電圧源ＶＲに接続されている。これにより、第１の実施形態においてはイオンゲート制御部２０の電子回路に要求される高電圧耐性が従来の装置に比べて大幅に簡素化され、また絶縁電源は不要となるため、イオンゲート制御部２０の簡素化および低コスト化が図れる。

さらに、従来のイオン移動度分析装置においては、イオン検出電極が接地電位とされていたため、その反対側に配置されるイオン源には、イオンゲート部に印加される電圧の２倍程度の高電圧を印加する必要があった。そのため、イオン源が配置される装置の前半部（イオンの流れの上流部）に数１０ｋＶの高電圧が印加され、放電を防ぐための沿面距離や空間距離が大きくなり、装置の小型化が困難であった。
第１実施形態においては、上述のごとくイオンゲート１９が接地電位（低電位）となるため、スプレーノズル１５および針電極１４のイオン源に印加する電位を、従来に比べて半分程度に低下させることができる。これにより、スプレーノズル１５および針電極１４の周辺（装置の前半部）の絶縁構造を簡素化（沿面距離や空間距離を短縮）することができ、装置の小型化が図れる。

低電位直流電圧源ＶＲが発生する電位は、イオンゲート制御部２０に要求される耐高電圧設計が簡素化され、かつ、イオン源（１４，１５）、イオンチャンバ１０およびイオン検出電極２１にそれぞれ印加される第３、第１および第２の高電圧の絶対値を低減することのできる電位に設定する。
低電位直流電圧源ＶＲが発生する電位の一例は、イオン移動度分析装置１００が設置される施設から供給される真の接地電位に対して、プラスマイナス１０００Ｖ程度以内である。

従来のイオン移動度分析装置では、イオンゲート制御部に１０ｋＶ程度の高電位が印加されていたが、これに比べて１０００Ｖ（１ｋＶ）の電位は十分に低く、これによりイオンゲート制御部２０に要求される耐高電圧設計が簡素化される。
あるいは、低電位直流電圧源ＶＲが発生する電位は、真の接地電位に対してプラスマイナス１００Ｖ程度以下とすることもできる。イオンゲート制御部２０をこのような低電位に設定することで、絶縁設計がより容易になり、一層の低コスト化が図れる。

さらに、低電位直流電圧源ＶＲが発生する電位を、真の接地電位に対してプラスマイナス１０Ｖ程度以下とすることもできる。この場合には、イオンゲート制御部２０に使用する電子部品の耐圧性が不要となるため、低コストである一般的な電子部品を使用することができる。
または、低電位直流電圧源ＶＲを廃止し、イオンゲート制御部２０の電位をイオン移動度分析装置１００が設置される施設から供給される真の接地電位に設定することもできる。この場合には、低電位直流電圧源ＶＲ自体を省略できるという利点がある。

なお、１０ｋＶ程度の高電圧を扱うイオン移動度分析装置１００においては、プラスマイナス１０００Ｖ（１ｋＶ）程度以内の電位は、相対的に接地電位とみなして良い範囲である。よって、本明細書では、イオン移動度分析装置１００が設置される施設から供給される真の接地電位からプラスマイナス１０００Ｖ程度以内の電位を、接地電位と呼ぶ。

第１実施形態のイオン移動度分析装置１００において、試料中のイオンを分析する動作を説明する。
第１実施形態のイオン移動度分析装置１００では、分析対象の分子をイオン化するためのイオン化領域Ａとイオンを分離して検出するためのドリフト領域Ｃとの間には、溶媒の気化が不十分な分析対象イオン（微小液滴イオン）に対し溶媒の気化を促進させる脱溶媒領域Ｂが設けられている。

不図示の液体クロマトグラフ装置（ＬＣ）で分離された成分を含む液体試料がＡＰＣＩ用スプレーノズル１５に到達すると、スプレーノズル１５内の乾燥管による加熱と、ネブライズガスの助けを受けて液体試料は微小液滴としてイオンチャンバ１０内のイオン化領域Ａに噴霧される。イオンチャンバ１０はヒートパイプ１２によって高温（一般に１５０〜３００℃程度）に加熱されているため、微小液滴に含まれる溶媒はさらに気化し、試料中の分析対象成分が気体分子となる。

針電極１４の先端と図中左端の前段リング状電極１６とのＺ方向の間隔は数mm〜１０mm程度であり、第３電圧源ＨＶ３から針電極１４に印加される高電圧によって針電極１４の先端には電場が集中し、針電極１４からコロナ放電が発生する。このコロナ放電によって針電極１４の先端の周囲にある大気やドリフトチューブ１１から流れて来た中性ガスなどがイオン化され、一次イオンが生成される。生成された一次イオンは、イオンチャンバ１０内部の電場により、イオン化領域Ａに移動する。

イオン化領域Ａに達した一次イオンは、スプレーノズル１５から射出された微小液滴の
液体試料、あるいはすでに脱溶媒された気体分子と反応してこれをイオン化し、これにより分析対象のイオンが生成される。従って、スプレーノズル１５と針電極１４は、イオン源であると解釈することができる。
なお、生成されるべき試料成分のイオンの極性は一次イオンの極性と同じであり、一次イオンの極性は針電極１４への印加電圧の極性によって決まる。

したがって、分析対象であるイオンの極性に応じて第３電圧源ＨＶ３から針電極１４へ印加されるべき電圧の極性が決定される。また、それに応じて、第１電圧源ＨＶ１および第２電圧源ＨＶ２の電圧の極性も変更される。
分析対象であるイオンが陽イオンの場合には、第１電圧源ＨＶ１にはプラスの高電圧を発生させ、第２電圧源ＨＶ２にはマイナスの高電圧を発生させる。分析対象であるイオンが陰イオンの場合には、第１電圧源ＨＶ１にはマイナスの高電圧を発生させ、第２電圧源ＨＶ２にはプラスの高電圧を発生させる。

イオン化領域Ａ付近で生成された分析対象イオンは、前段リング状電極１６に印加されている電圧により形成される電場の作用により、イオンゲート１９の方向に移動する。イオン化領域Ａでは、溶媒が完全には気化しない状態の、液滴を含有する分析対象イオンも生成され、気相の分析対象イオンとともに電場の作用によってイオンゲート１９へと向かう。

上述のとおり、イオンチャンバ１０、ドリフトチューブ１１はヒートパイプ１２、１３によって２００℃前後の温度に加熱されており、また、ドリフトチューブ１１に流される中性ガスも、導入前に同程度の温度に加熱されている。そのため、液滴を含有する分析対象イオンも、脱溶媒領域Ｂを通過するときに高温の中性ガスに晒され、溶媒の気化が一層促進されて脱溶媒化し、気相の分析対象イオンとなる。

なお、脱溶媒領域Ｂにおいては、内部の電位ポテンシャルの勾配をイオンゲート１９に近づくほど小さく設定することで、イオンゲート１９が閉鎖状態であるときに該イオンゲート１９に到達した分析対象イオンを、イオンゲート１９の手前に滞留又は拡散させることもできる。この場合にも、滞留した分析対象イオンは、イオンゲート１９が開放状態となった期間に、イオンゲート１９を通過してドリフト領域Ｃに入る。このような電位ポテンシャルの勾配の設定は、複数の前段リング状電極１６のそれぞれの間隔を調整することにより、あるいは第１分圧器２４を構成する直列抵抗アレイ内の各電気抵抗２５の大きさを調整することにより、行うことができる。

イオンゲート１９は、イオンゲート制御部２０からイオンゲート１９を構成する２つの櫛形状電極に印加される電圧により、イオンが通過可能な開放状態とイオンの通過が阻止される閉鎖状態とを周期的に繰り返す。
イオンゲート１９が開放状態である時間は分析対象イオンがイオンゲート１９を通過した時点からイオン検出電極２１に到達するまでに要するドリフト時間に比べて十分に短い。イオン移動度分析装置１００は、イオンゲート１９が開放状態であるタイミングを起点として、分析対象イオンがイオンゲート１９からイオン検出電極２１までのドリフトに要した時間を計測する。

図２（ａ）は、イオンゲート１９およびイオンゲート制御部２０の概要を表す図である。
イオンゲート１９は、ＢＮゲート（Bradbury-Nielsen gate）と呼ばれるもので、図中の同一ＸＹ平面内に電気的に絶縁されて配置された２つの櫛形状電極１９ａ、１９ｂを有している。以下では、２つの櫛形状電極１９ａ、１９ｂを、合わせて櫛形状電極対とも呼ぶ。櫛形状電極１９ａ、１９ｂのそれぞれは１００μｍ程度の幅を有し、２つの櫛形状電極１９ａ、１９ｂが同一平面上で接触しないように配置されている。

櫛形状電極１９ａ、１９ｂのそれぞれには、低電位直流電圧源ＶＲが出力する低電位（ＶＲ）に対して、イオンゲート制御部２０内のパルス電圧発生装置２０ａ、２０ｂにより１００Ｖ程度の所定の電位差が付加された電位Ｖ１、Ｖ２が印加される。
２つの櫛形状電極１９ａ、１９ｂの電位Ｖ１、Ｖ２が等しいと、イオンゲート１９は開放状態となる。同一平面にある２つの櫛形状電極１９ａ、１９ｂ間に電位差が印加され、イオンが＋Ｚ方向に通過することを妨げる電場が形成されると、イオンゲート１９は閉鎖状態となる。

図２（ｂ）は、イオンゲート１９に印加する電圧の時間変化の一例を示す。ｔ２で表される時間帯においては、櫛形状電極１９ａの電位Ｖ１がＶＲ＋ΔＶ／２で、櫛形状電極１９ｂの電位Ｖ２がＶＲ−ΔＶ／２であり、櫛形状電極１９ａと櫛形状電極１９ｂに電位差ΔＶが印加されており、イオンゲート１９は閉鎖状態である。
一方、ｔ１で表される時間帯においては、櫛形状電極１９ａの電位Ｖ１と櫛形状電極１９ｂの電位Ｖ２はともにＶＲであり同電位であるため、イオンゲート１９は開放状態である。

イオン移動度分析装置１００は、分析対象イオンがイオンゲート１９からイオン検出電極２１までのドリフトに要した時間を計測して、分析対象イオンの分析を行う装置であるから、イオンゲート１９の開放、閉鎖には、高精度な時間制御が要求される。
従来のイオン移動度分析装置においては、イオンゲートおよびその制御部には、１０ｋＶ程度の高電圧が印加されており、制御部には高電圧耐性と高精度の動作が要求されていた。このため、制御部の構成は複雑にならざるをえず、高コスト化が避けられなかった。
第１実施形態のイオン移動度分析装置１００では、イオンゲート制御部２０は接地電位に保たれているため、電子回路に要求される高電圧耐性が従来の装置に比べて大幅に簡素化され、イオンゲート制御部２０の簡素化および低コスト化が図れるという利点がある。

図２（ｃ）は、イオンゲート１９に印加する電圧の時間変化の他の例を示す。図２（ｂ）の例と異なり、図２（ｃ）の例では、櫛形状電極１９ａの電位Ｖ１と櫛形状電極１９ｂの電位Ｖ２のうちの一方のみを制御することで、イオンゲート１９の開閉を行う。すなわち、櫛形状電極１９ａの電位Ｖ１は常にＶＲ＋ΔＶとし、櫛形状電極１９ｂの電位Ｖ２のみをＶＲとＶＲ＋ΔＶとの変化させることで、イオンゲート１９の開閉を行う。
図２（ｃ）の例では、イオンゲート１９の開放するわずかな時間（ｔ１）の間だけ、パルス電圧発生装置２０ｂを駆動すればよいので、パルス電圧発生装置２０ａ、２０ｂの省電力化が図れる。

なお、イオンゲート１９は、上述したＢＮゲートに限られるものではなく、２つの格子形状電極が図中のＺ方向に離れて対向して配置された、いわゆるチンダルゲートを用いることもできる。以下では、チンダルゲートを構成する２つの格子形状電極を、合わせて格子形状電極対とも呼ぶ。チンダルゲートを用いた場合であっても、上述のＢＮゲートを用いた場合と同様に、イオンゲート制御部２０が、チンダルゲートを構成する格子形状電極対に電位差を印加することによりイオンを遮蔽し、格子形状電極対に同電位を印加することによりイオンを通過させることができる。

イオンゲート１９を通過した分析対象イオンは、ドリフト領域Ｃに形成されている電場により、ドリフト領域Ｃ内を移動してイオン検出電極２１に至る。分析対象の各イオンは、ドリフト領域Ｃに満たされる中性ガスの内部での移動度がそれぞれ異なるので、各イオンによりドリフト領域Ｃの移動に要する時間が異なる。イオン検出電極２１は、各時間に到達したイオンの量（電荷の量）に応じた電気信号を後続の検出回路２８に伝える。検出回路２８は検出電極２１からの電気信号に対して、増幅、電流電圧変換、アナログ／デジタル変換、およびフィルター処理等の信号処理のうちの少なくとも１つを行う。

上述のとおり、第１の実施形態においては、イオン検出電極２１には第２の高電圧が印加されている。従って、イオン検出電極２１と電気回線で接続されイオン検出電極２１からの電気信号を処理する検出回路２８にも、絶縁破壊の防止のために第２の高電圧が印加されている、すなわち、第２の高電圧でフローティングされている。第１の実施形態においては、図１に示すとおり、検出回路２８が構成されている回路基板２９は第２電圧源ＨＶ２に接続され、第２の高電圧でフローティングされている。

検出回路２８は、信号処理した信号を、さらに光信号に変換する回路を有している。検出回路２８にて変換された光信号は、光ファイバ３０を介して接地電位の下に設置された入力装置ＩＦに送信される。そして、入力装置ＩＦで再び電気信号に変換され、コンピュータ等のデータ処理装置ＰＣに入力される。光ファイバ３０は、電気的な絶縁材料であるので、第２の高電圧でフローティングされた検出回路２８から、接地電位の下に設置された入力装置ＩＦへ、電気的な絶縁状態を保ったまま光信号を送信することができる。

検出回路２８から入力装置ＩＦに送信される光信号は、アナログ信号であってもデジタル信号であってもよい。
また、検出回路２８は、イオン検出電極２１からの電気信号を、上述の光信号に限らず、ＲＦ周波数等の電波の信号や磁気信号に変換して入力装置ＩＦへ送信する構成とすることもできる。光およびＲＦ周波数等の電波は、いずれも電磁波に含まれる。

イオン検出電極２１からの電気信号を、磁気信号に変換する場合には、例えば絶縁板を挟んで検出回路２８側と入力装置ＩＦ側とに２つのコイルを設置し、検出回路２８側のコイルに信号電流を流し、入力装置ＩＦ側のコイルに電磁誘導により電流を誘起させて送信することができる。これらの送信方法によっても、第２の高電圧でフローティングされた検出回路２８から、接地電位の下に設置された入力装置ＩＦへ、電気的に絶縁状態を保ったまま信号を送信することができる。
これらの、検出回路２８、回路基板２９、光ファイバ３０、入力装置ＩＦは、合わせて信号転送部ＳＰと解釈することができる。

なお、以上の第１実施形態のイオン移動度分析装置１００において、イオンチャンバ１０とドリフトチューブ１１とは、特に峻別されるべきものではない。第１実施形態においては、上述のとおりイオンチャンバ１０とドリフトチューブ１１は、同一内径の略円筒形状体であって一体化されているものとしている。上述の一体化された略円筒形状体のうち、イオンゲート１９よりもスプレーノズル１５側をイオンチャンバ１０、イオンゲート１９よりもイオン検出電極２１側をドリフトチューブ１１と解釈すればよい。

また、以上の第１実施形態のイオン移動度分析装置１００において、ドリフトチューブ１１内の電場の勾配にも変化を設けることもできる。ドリフトチューブ１１内の電場の勾配は、複数の後段リング状電極１７のそれぞれの間隔を調整し、または第２分圧器２６を構成する直列抵抗アレイの各電気抵抗２７の大きさを調整して設定すればよい。

また、直列抵抗アレイによる第１分圧器２４および第２分圧器２６に代えて、イオンチャンバ１０およびドリフトチューブ１１の側面部自体を分圧器として使用することもできる。この場合には、イオンチャンバ１０およびドリフトチューブ１１を高抵抗の導体で形成するか、またはそれらの内壁に高抵抗の導体部を形成しても良い。イオンチャンバ１０およびドリフトチューブ１１を、金属環と絶縁体の環の積層体としても良い。

（イオン移動度分析装置の第２実施形態）
図３は本発明の第２実施形態のイオン移動度分析装置１００ａを示す断面図である。上述の第１実施形態のイオン移動度分析装置１００と共通する部分には、同一の符号を付して説明を省略する。
第２実施形態のイオン移動度分析装置１００ａでは、イオンチャンバ１０内に分析対象イオンを供給するイオン源として、エレクトロスプレイイオン源（ＥＳＩ）を用いる。すなわち、イオンチャンバ１０の周面に、上述の第１実施形態のＡＰＣＩ用スプレーノズル１５に代えて、ＥＳＩ３５を設置している。

ＥＳＩ３５に、不図示の液体クロマトグラフ装置（ＬＣ）から供給される液体試料は、第４高電圧源ＨＶ４からＥＳＩ３５の先端の金属キャピラリー３５ａに印加されている高電圧による電場中を通過しつつ噴霧されることで、帯電した液滴となる。その帯電液滴が、ネブライザーガスによるせん断力や液滴表面におけるクーロン反発力により微細化され、さらに熱によって溶媒が気化する過程で、気相の分析対象イオンが生成される。
ここでは、ＥＳＩ３５からの液体試料の噴霧の方向を中心軸ＡＸに対し直交する方向ではなく、中心軸ＡＸに対し斜めに交差する角度でイオンゲート１９に向く方向としている。これは、帯電液滴やそれから生成された分析対象イオンがイオンゲート１９に向かって進むことを促進するためである。また、軸上配置しないことで、脱溶媒が不十分な場合に存在する帯電液滴が直接イオンゲートに付着し、装置の動作を不安定にすることを防ぐことも期待できる。

この第２実施形態のイオン移動度分析装置１００ａにおいても、上述の第１実施形態と同様にイオンゲート１９は接地電位に維持されている
なお、イオンチャンバ１０内に分析対象イオンを供給するイオン源として、大気圧光イオン化（ＡＰＰＩ）によるイオン源を用いても良い。この場合には、上述の第１実施形態のイオン移動度分析装置１００から針電極１４および第３電圧源ＨＶ３を除き、代りにイオン化領域Ａに対して、光（紫外線）を照射する光源を配置する。

（イオン移動度分析装置の実施形態の効果）
（１）以上の実施形態のイオン移動度分析装置は、Ｚ方向（第１方向）に延びる内部空間を有するドリフトチューブ１１と、Ｚ方向（第１方向）に延びる内部空間を有しドリフトチューブ１１に接続されるイオンチャンバ１０と、ドリフトチューブ１１とイオンチャンバ１０との境界部に設置され接地電位に保たれているイオンゲート１９と、イオンチャンバ１０内にイオンを供給するイオン源（針電極１４、ＡＰＣＩ用スプレーノズル１５、ＥＳＩ３５）と、ドリフトチューブ１１内のイオンゲート１９とは反対側に配置されているイオン検出電極２１とを備えている。さらに、イオンチャンバ１０に第１の高電圧を印加する第１電圧源ＨＶ１と、イオン検出電極２１に第１の高電圧とは逆極性の第２の高電圧を印加する第２電圧源ＨＶ２と、イオン検出電極２１からの信号を検出し接地電位下で動作するデータ処理装置ＰＣに送信する信号転送部ＳＰとを備えている。
このような構成としたので、イオンゲート１９およびイオンゲート１９を制御するイオンゲート制御部２０が概ね接地電位となり、従来は必要であったイオンゲート制御部２０の高電圧耐性構造、及びイオンゲート制御部に電力を供給するための絶縁電源を簡略化し、イオンゲート制御部２０の低コスト化が図れるという効果がある。
さらに、イオン移動度分析装置の概ね中央部に位置するイオンゲートが概ね接地電位となるため、装置の両端に印加する高電圧の絶対値が従来に比べて概ね半減される。従来のイオン移動度分析装置では、放電防止のために、電極間に配置する絶縁体の沿面距離や電極間の空間距離を大きくとる必要があり、装置の小型化が困難であった。本実施形態ではイオンゲートを概ね接地電位にすることで、装置に印加する電圧が小さくなるため、放電防止のための構造が簡素化でき、装置の小型化が可能になる。

（２）さらに、信号転送部ＳＰの少なくとも一部を第２の高電圧でフローティングされている構成とすることで、第２の高電圧が印加されているイオン検出電極２１に電気的に接続される信号転送部ＳＰを構成する電気回路（検出回路２８）の絶縁破壊を防止できる。
（３）さらに、イオンチャンバ１０の内部には、開口部を持つ前段リング状電極１６がＺ方向（第１方向）に複数並んで配置されるとともに、前段リング状電極１６のそれぞれには第１の高電圧がイオンゲート１９からの距離に応じて分圧された電圧が印加され、ドリフトチューブ１１の内部には、開口部を持つ後段リング状電極１７がＺ方向（第１方向）に複数並んで配置されるとともに、後段リング状電極１７のそれぞれには、第２の高電圧がイオンゲート１９からの距離に応じて分圧された電圧が印加される構成とすることもできる。
この構成により、イオンチャンバ１０およびドリフトチューブ１１の内部で、分析対象イオンを効率良く移動（ドリフト）させることができる。

（４）（３）において、さらに、イオンゲート１９とイオン源（１４、１５、３５）との間には、少なくとも１つの前段リング状電極１６が配置されている構成とするもできる。この構成により、イオン源とイオンゲート１９の間にイオン輸送効率が高まるような電位差を設けることができ、イオン源からイオンゲート１９まで、分析対象イオンを脱溶媒化しつつ効率良く移動させることができる。
（５）（３）または（４）において、さらに、イオン源はイオンチャンバ１０内に分析対象である液体試料を噴霧する大気圧化学イオン化用スプレーノズル（試料噴霧部）１５と、スプレーノズル１５よりもイオンゲート１９から離れた位置に配置され、第３の高電圧が印加される針電極１４とを含む構成とすることができる。
この構成により、大気圧化学イオン化（ＡＰＣＩ）により、分析対象イオンを効率良く生成することができる。

（６）さらに、信号転送部ＳＰは、イオン検出電極２１からの信号を電磁波信号に変換してデータ処理装置ＰＣに送信する構成とすることにより、少なくとも一部に第２の高電圧が印加されている信号転送部ＳＰからデータ処理装置ＰＣへの信号の送信を簡便に行うことができる。
（７）さらに、イオンゲート１９は、第１方向に直交する同一平面上に２つの櫛形状電極が電気的に接触しないように配置された櫛形状電極対、または第１方向に離れて対向した２つの格子形状電極が電気的に接触しないように配置された格子形状電極対であるすることもできる。そして、櫛形状電極対または格子形状電極対に所定の電位差を印加してイオンを遮蔽し、櫛形状電極対または格子形状電極対に等電位を印加してイオンを通過させるイオンゲート制御部を有する構成とすることもできる。この構成により、概ね接地電位に保たれているイオンゲート制御部２０により、正確に、かつより簡素化してイオンゲート１９を制御することができる。

上記では、種々の実施形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。また、各実施形態は、それぞれ単独で適用しても良いし、組み合わせて用いても良い。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１００，１００ａ：イオン移動度分析装置、１０：イオンチャンバ、１１：ドリフトチューブ、１２，１３：ヒートパイプ、１４：針電極、１５：大気圧化学イオン化（ＡＰＣＩ）用スプレーノズル、１６：前段リング状電極、１７：後段リング状電極、１８：グリッド状電極、１９：イオンゲート、２０：イオンゲート制御部、２１：イオン検出電極、２４：第１分圧器、２６：第２分圧器、２８：検出回路、２９：回路基板、３０：光ファイバ、３１，３２：耐電圧カバー、３５：ＥＳＩ、ＶＲ：低電位直流電圧源、ＨＶ１：第１電圧源、ＨＶ２：第２電圧源、ＨＶ３：第３電圧源、ＨＶ４：第４電圧源、ＩＦ：入力装置、ＰＣ：データ処理装置

Claims (7)

1. 第１方向に延びる内部空間を有するドリフトチューブと、
   前記第１方向に延びる内部空間を有し、前記ドリフトチューブに接続されるイオンチャンバと、
   前記ドリフトチューブと前記イオンチャンバとの境界部に設置され、接地電位に保たれているイオンゲートと、
   前記イオンチャンバ内にイオンを供給するイオン源と、
   前記ドリフトチューブ内の、前記イオンゲートとは反対側に配置されているイオン検出電極と、
   前記イオンチャンバに、第１の高電圧を印加する第１電圧源と、
   前記イオン検出電極に、前記第１の高電圧とは逆極性の第２の高電圧を印加する第２電圧源と、
   前記イオン検出電極からの信号を検出し接地電位下で動作するデータ処理装置に送信する信号転送部と、を備えるイオン移動度分析装置。
2. 請求項１に記載のイオン移動度分析装置において、
   前記信号転送部の少なくとも一部は前記第２の高電圧でフローティングされている、イオン移動度分析装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のイオン移動度分析装置において、
   前記イオンチャンバの内部には、開口部を持つ前段リング状電極が前記第１方向に複数並んで配置されるとともに、前記前段リング状電極のそれぞれには、前記第１の高電圧が前記イオンゲートからの距離に応じて分圧された電圧が印加され、
   前記ドリフトチューブの内部には、開口部を持つ後段リング状電極が前記第１方向に複数並んで配置されるとともに、前記後段リング状電極のそれぞれには、前記第２の高電圧が前記イオンゲートからの距離に応じて分圧された電圧が印加される、イオン移動度分析装置。
4. 請求項３に記載のイオン移動度分析装置において、
   前記イオンゲートと前記イオン源との間には、少なくとも１つの前記前段リング状電極が配置されている、イオン移動度分析装置。
5. 請求項３または請求項４に記載のイオン移動度分析装置において、
   前記イオン源は、
   前記イオンチャンバ内に分析対象である液体試料を噴霧する試料噴霧部と、
   前記試料噴霧部よりも前記イオンゲートから離れた位置に配置され、第３の高電圧が印加される針電極とを含む、イオン移動度分析装置。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載のイオン移動度分析装置において、
   前記信号転送部は、前記イオン検出電極からの信号を、電磁波信号に変換して前記データ処理装置に送信する、イオン移動度分析装置。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載のイオン移動度分析装置において、
   前記イオンゲートは、前記第１方向に直交する同一平面上に、２つの櫛形状電極が電気的に接触しないように配置された櫛形状電極対、または、前記第１方向に離れて対向した２つの格子形状電極が電気的に接触しないように配置された格子形状電極対であるとともに、
   前記櫛形状電極対または前記格子形状電極対に、所定の電位差を印加してイオンを遮蔽し、前記櫛形状電極対または前記格子形状電極対に等電位を印加してイオンを通過させるイオンゲート制御部を有する、イオン移動度分析装置。
   

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