JP2019528461A - イオン移動度分析器及び分析方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、イオン移動度分析器及び分析方法を提供する。当該分析器は、イオン源と、イオン入口が設けられた第１移動／分析領域、イオン出口が設けられた第２移動／分析領域、第１移動／分析領域と第２移動／分析領域を接続する第３接続領域、及びイオン出口に接続される検出器を含む。第１移動／分析領域及び第２移動／分析領域におけるイオンに対する直流電場及び気流の方向は互いに逆方向であり、且つ、第２気流は第１気流と気流方向が一致している。また、第３接続領域は第３直流電場を含み、第３直流電場は、イオンを第１移動／分析領域から第２移動／分析領域へと伝送する。第１及び第２の領域における気流方向は同じであるため、高分解能のイオン移動度分析器か連続イオンビームのイオン移動度フィルタであるかに関わらず、本発明は分解能と感度において良好な安定性を有する。【選択図】図２Ｂ

Description

本発明は、イオンモビリティスペクトロメトリー（Ｉｏｎ−ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ，ＩＭＳ）及びイオン分析の分野に関し、特に、イオン移動度分析器及び分析方法に関する。

ＩＭＳは、イオンの移動度に基づきイオンを分離する技術である。分離方式の違いによって、ＩＭＳは時間的分離と距離的分離の２種類に分類される。従来の飛行時間型イオンモビリティスペクトロメトリー（ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）−ＩＭＳ）は時間的分離であり、微分型移動度分析器（ＤＭＡ、ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｚｅｒ）は距離的分離である。ＩＭＳは質量分析法と比較すると分解能と感度に劣るが、これは主としてイオンの拡散に限界があるためである。一方で、ＩＭＳは分子の衝突断面に基づく付加情報を提供可能であり、質量分析の前段のイオン事前分離装置とすることもできる。また、ＤＭＡの分解能については、最適化装置の幾何構造によって向上可能である（例えば、傾斜磁場、交差気流場及び周期的収束ＤＭＡ）。また、ＴＯＦ−ＩＭＳについては、移動管の長さの延長、内部電圧及び径方向束縛電場の上昇（例えば、ＲＦイオン漏斗、ＲＦ四重極電場及び直流の周期的静電場）により分解能を向上可能である。

分解能の更なる向上のために、Ｚｅｌｅｎｙ（非特許文献１）は、パラレルフローアナライザにおいて互いに逆方向の気流と電場を用いる方式を提案している。Ｚｅｌｅｎｙの装置は２つの平行なグリッドを含み、特定の移動度を有するイオンが２つの相反する作用力（気流と電場）を受けて平衡をとるようになっている。また、その後には、傾斜グリッド法、気流を伴うイオントラップ、垂直導出ＩＭＳ、Ｌｏｂｏｄａの逆気流分割四重極電場、及びＰａｒｋのパラレルフローＩＭＳ／その後のイオン捕捉スペクトロメトリーを含むパラレルフローアナライザを製造するための様々な試みもなされている。実験上は、ＬｏｂｏｄａとＰａｒｋの装置のみで良好な結果が得られている。これらでは、いずれもＲＦ四重極電場を用いて径方向にイオンを束縛している。ここで、特許文献１において、Ｌｏｂｏｄａは均一な電場を用いている。イオンは電場の緩やかな上昇に伴い電場の作用を受けることで、気流の作用に抗して押し出される。また、特許文献２において、Ｐａｒｋは不均一な電場を用いており、異なる移動度を有するイオンを分離した後にゆっくりと電場を低下させることで、気流の作用によってイオンを分析器から押し出している。Ｐａｒｋｓの場合には、比較的高い気圧を用いることでＬｏｂｏｄａよりも高い分解能を取得している。しかし、Ｐａｒｋの装置は分析に長時間を要し、且つ１回あたりのイオン分析数に限りがあるとの課題を有する。

連続したイオンビームを分離するためには、イオン移動度フィルタを用いればよい。また、ＤＭＡは異なる移動度を有するイオンを気流に対し垂直な方向に分離可能である。このほか、ハイパス／ローパス移動度フィルタを設けることで連続したイオンビームを分離することも可能である。ここで、特許文献３において、Ｈａｓｈｉｍｏｔｏらが次のような装置を開示している。即ち、当該装置は２つの移動領域を有しており、領域内には互いに逆方向の電場と気流が存在している。また、２つの移動領域内の気流の方向が互いに逆方向となっている。当該装置では、ガスが２つの領域の接続領域から垂直に導入される。なお、当該装置を図１Ａに示す。また、特許文献４においても同様に、Ｐａｒｋｓが気流を垂直に導入する方式を採用しているが、当該装置ではＲＦ四重極電場を用いて径方向にイオンを束縛している。なお、当該装置については図１Ｂに示す。ところが、Ｈａｓｈｉｍｏｔｏ及びＰａｒｋｓによるハイパス／ローパスフィルタ装置には、気流導入領域における気流の方向が一定ではなく、明らかな乱流現象が存在するとの課題がある。このような乱流は装置の分解能とイオンの透過率に極めて大きな影響を及ぼす恐れがある。

上記より、ＩＭＳは分解能と感度の更なる向上が望まれる。また、イオン容量が大きい場合であっても高い分解能を備えるとともに、高い分解能と感度を保ちつつ連続イオンビームのイオン移動度フィルタとなり得るスペクトロメーターも必要である。

米国特許第６６３０６６２Ｂ１号 米国特許第７８３８８２６Ｂ１号 米国特許第７７１８９６０Ｂ２号 米国特許第９２８１１７０Ｂ２号

Ｚｅｌｅｎｙ，Ｊ．Ｐｈｉｌｏｓ．Ｍａｇ．４６，１２０（１８９８）

上述した従来技術における欠点に基づき、本発明は、イオン移動度分析器及び分析方法を提供し、従来技術における課題を解決することを目的とする。

上記の目的及びその他関連の目的を実現するために、本発明は、イオン源と、前記イオン源に接続されるイオン入口が設けられた第１移動／分析領域であって、第１直流電場及び第１気流を含み、前記第１直流電場及び第１気流はイオンを第１移動／分析領域の軸線に沿って運動させ、イオンに対する第１直流電場及び第１気流の作用方向が互いに逆方向である第１移動／分析領域と、イオン出口が設けられた第２移動／分析領域であって、第２直流電場及び第２気流を含み、前記第２直流電場及び第２気流はイオンを第２移動／分析領域の軸線に沿って運動させ、イオンに対する第２直流電場及び第２気流の作用方向は互いに逆方向であり、前記第２気流は前記第１気流と気流方向が一致している第２移動／分析領域と、前記第１移動／分析領域と第２移動／分析領域の間に位置する第３接続領域であって、第３直流電場を含み、前記第３直流電場はイオンを前記第１移動／分析領域から前記第２移動／分析領域まで伝送する第３接続領域と、前記イオン出口に接続される検出器、を含むイオン移動度分析器を提供する。

本発明の一実施例において、前記第１気流と第２気流は層流である。

本発明の一実施例において、前記イオン入口からのイオン導入方向は前記気流方向に対し垂直であり、及び／又は、前記イオン出口からのイオン導出方向は前記気流方向に対し垂直である。

本発明の一実施例において、前記イオン源は、気流の上流又は下流に位置する。

本発明の一実施例において、前記検出器は、気流の上流又は下流に位置する。

本発明の一実施例において、前記第２移動／分析領域の軸線は、前記第１移動／分析領域の軸線と同一直線上には位置しない。

本発明の一実施例において、前記第２移動／分析領域の軸線は、前記第１移動／分析領域の軸線と平行である。

本発明の一実施例において、前記第１移動／分析領域及び第２移動／分析領域は、互いに平行に積層されるか並列に配置される。

本発明の一実施例において、前記第１移動／分析領域及び第２移動／分析領域は、軸線に沿って配列される一連の電極対をそれぞれ含み、前記電極対が存在する平面は前記気流方向に対し垂直であり、隣接する前記電極対には位相の異なるＲＦ電圧がそれぞれ印加され、気流に対し垂直な方向にイオンを束縛する四重極電場又は多重極電場が形成される。

本発明の一実施例において、前記第１移動／分析領域及び第２移動／分析領域は、軸線に対し垂直に配列される一連の電極対をそれぞれ含み、前記電極対が存在する平面は前記気流方向に対し平行であり、隣接する前記電極対には位相の異なるＲＦ電圧がそれぞれ印加され、気流に対し平行な方向にイオンを束縛する四重極電場又は多重極電場が形成される。

本発明の一実施例において、前記第２移動／分析領域のうち検出器に近接する部分は複数の電極を含み、イオンが伝送過程で束縛されて検出器に収束するような電場が形成されるよう、各前記電極には電圧が印加される。

本発明の一実施例において、前記分析器の前段、後段、或いは前段及び後段には、イオン移動度と質量電荷比を組み合わせた分析器が構成されるよう、質量分析器が設けられている。

本発明の一実施例において、前記第１移動／分析領域及び第２移動／分析領域の一方は、第１の予め定められた移動度よりも高いイオンを通過させる第１イオン移動度フィルタとして用いられ、及び／又は、前記第１移動／分析領域及び第２移動／分析領域の他方は、第２の予め定められた移動度よりも低いイオンを通過させる第２イオン移動度フィルタとして用いられる。

本発明の一実施例において、前記第１の予め定められた移動度は、前記第２の予め定められた移動度よりも小さい。

本発明の一実施例において、前記第１移動／分析領域及び第２移動／分析領域の一方はイオン移動度分析器として用いられ、当該一方の領域に含まれる直流電場は、イオンがイオン移動度別に異なる時間に前記分析領域を通過するよう時間とともに変化し、前記第１移動／分析領域及び第２移動／分析領域の他方はイオン伝送及び／又は濃縮経路とされる。

本発明の一実施例において、前記第１移動／分析領域の第１直流電場は、イオンがイオン移動度別に異なる時間に通過するとともに、前記第３接続領域を経由して第２移動／分析領域に進入するよう時間に伴って走査し、前記第２移動／分析領域の第２直流電場は、全てのイオンを当該領域経由で検出器に到達させる。

本発明の一実施例において、前記第１移動／分析領域の第１直流電場は、イオンを当該第１移動／分析領域の少なくとも一部の領域で濃縮させる非線形の直流電場であり、前記第１直流電場は、イオンが当該第１移動／分析領域を通過するとともに、第３接続領域を経由して前記第２移動／分析領域に進入するよう時間とともに変化し、前記第２移動／分析領域の第２直流電場は、イオンがイオン移動度別に異なる時間に当該領域を通過して検出器に到達するよう時間に伴って走査する。

本発明の一実施例において、前記第１移動／分析領域の第１直流電場は、全てのイオンを前記第１移動／分析領域に通過させるとともに、前記第３接続領域経由で前記第２移動／分析領域に進入させ、前記第２移動／分析領域の第２直流電場は、イオンがイオン移動度別に異なる時間に当該第２移動／分析領域を通過して検出器に到達するよう時間に伴って走査する。

本発明の一実施例において、前記第１移動／分析領域、第２移動／分析領域、及び第３移動／分析領域の直流電場は、前記気流に対し垂直な方向に、イオンを前記イオン源から第１移動／分析領域、第３接続領域及び第２移動／分析領域を経由して検出器に到達させる。

本発明の一実施例において、前記第１移動／分析領域、第２移動／分析領域、及び第３移動／分析領域の直流電場は、前記気流に対し平行な方向に、イオンを前記第１移動／分析領域を通過させて第３接続領域に進入させるとともに、前記第３接続領域を経由して第２移動／分析領域に進入させ、前記気流に対し平行な方向に第２移動／分析領域を通過させて検出器に到達させる。

上記の目的及びその他関連の目的を実現するために、本発明は、イオン分析物を分離及び識別するイオン移動度の分析方法であって、イオンを発生させるイオン源を提供し、前記イオン源に接続されるイオン入口が設けられた第１移動／分析領域であって、第１直流電場及び第１気流を含み、前記第１直流電場及び第１気流はイオンを第１移動／分析領域の軸線に沿って運動させ、イオンに対する第１直流電場及び第１気流の作用方向が互いに逆方向である第１移動／分析領域を提供し、イオン出口が設けられた第２移動／分析領域であって、第２直流電場及び第２気流を含み、前記第２直流電場及び第２気流はイオンを第２移動／分析領域の軸線に沿って運動させ、イオンに対する第２直流電場及び第２気流の作用方向は互いに逆方向であり、前記第２気流は前記第１気流と気流方向が一致している第２移動／分析領域を提供し、前記第１移動／分析領域と第２移動／分析領域の間に位置する第３接続領域であって、第３直流電場を含み、前記第３直流電場はイオンを前記第１移動／分析領域から前記第２移動／分析領域まで伝送する第３接続領域を提供し、前記イオン出口が接続される検出器を提供する方法を提案する。

本発明の一実施例において、前記イオン移動度の分析方法は、前記気流に対し垂直な方向にイオンを前記イオン入口から導入し、及び／又は、前記気流に対し垂直な方向にイオンを前記イオン出口から導出する。

本発明の一実施例において、前記イオン移動度の分析方法は、直流電場を制御することで、前記第１移動／分析領域及び第２移動／分析領域の一方を、第１の予め定められた移動度よりも高いイオンを通過させる第１イオン移動度フィルタとして用い、及び／又は、前記第１移動／分析領域及び第２移動／分析領域の他方を、第２の予め定められた移動度よりも低いイオンを通過させる第２イオン移動度フィルタとして用いる。

本発明の一実施例において、前記イオン移動度の分析方法は、前記第１移動／分析領域及び第２移動／分析領域の一方を、時間とともに直流電場を変化させることでイオン移動度分析器とし、イオンをイオン移動度別に異なる時間に前記イオン移動度分析器に通過させるとともに、前記第１移動／分析領域及び第２移動／分析領域の他方をイオン伝送及び／又は濃縮経路とする。

本発明の一実施例において、前記イオン移動度の分析方法は、前記第１移動／分析領域、第２移動／分析領域、及び第３接続領域の直流電場を制御することで、前記気流に対し垂直な方向に、イオンを前記イオン源から第１移動／分析領域、第３接続領域及び第２移動／分析領域を経由して検出器に到達させる。

以上述べたように、本発明におけるイオン移動度分析器及び分析方法は、当該分析器が、イオン入口が設けられた第１移動／分析領域、イオン出口が設けられた第２移動／分析領域、第１移動／分析領域と第２移動／分析領域を接続する第３接続領域、及び前記イオン出口に接続される検出器を含む。前記第１移動／分析領域及び第２移動／分析領域におけるイオンに対する直流電場及び気流の方向は互いに逆方向であり、且つ、前記第２気流は前記第１気流と気流方向が一致している。また、前記第３接続領域は第３直流電場を含み、前記第３直流電場は、イオンを前記第１移動／分析領域から前記第２移動／分析領域へと伝送する。第１及び第２の領域における気流方向は同じであるため、乱流の形成が回避される。また、高分解能のイオン移動度分析器か連続イオンビームのイオン移動度フィルタであるかに関わらず、本発明は分解能と感度において良好な安定性を有する。

図１Ａは、従来技術のＨａｓｈｉｍｏｔｏによるイオン移動度フィルタを示す図である。 図１Ｂは、従来技術のＰａｒｋｓによる移動度フィルタを示す図である。 図２Ａは、本発明のイオン移動度分析器を示す図である。 図２Ｂは、本発明のイオン移動度分析器のｘｙ面を示す図である。 図３は、本発明のイオン移動度分析器とその前段及び後段の真空システムとの関係図である。 図４Ａは、本発明におけるイオン移動度分析器の第１実施例の構造を示す図である。 図４Ｂは、本発明におけるイオン移動度分析器の第１実施例にかかる分析過程の電場分布を示す図である。 図４Ｃは、本発明におけるイオン移動度分析器の第１実施例にかかるイオン軌道のシミュレーション図である。 図５Ａは、本発明におけるイオン移動度分析器の第２実施例の構造を示す図である。 図５Ｂは、本発明におけるイオン移動度分析器の第２実施例にかかる分析過程の電場分布を示す図である。 図５Ｃは、本発明におけるイオン移動度分析器の第２実施例にかかるイオン軌道のシミュレーション図である。 図６Ａは、本発明におけるイオン移動度分析器の第３実施例の構造を示す図である。 図６Ｂは、本発明におけるイオン移動度分析器の第３実施例にかかる分析過程の電場分布を示す図である。 図７Ａは、本発明におけるイオン移動度分析器の第４実施例の構造を示す図である。 図７Ｂは、本発明におけるイオン移動度分析器の第４実施例にかかる分析過程の電場分布を示す図である。 図７Ｃは、本発明におけるイオン移動度分析器の第４実施例にかかるイオン軌道のシミュレーション図である。 図８Ａは、本発明におけるイオン移動度分析器の第５実施例の構造を示す図である。 図８Ｂは、本発明におけるイオン移動度分析器の第５実施例にかかる分析過程の電場分布を示す図である。 図８Ｃは、本発明におけるイオン移動度分析器の第５実施例にかかるイオン軌道のシミュレーション図である。 図９Ａは、本発明におけるイオン移動度分析器の第６実施例の構造を示す図である。 図９Ｂは、本発明におけるイオン移動度分析器の第６実施例にかかる分析過程の電場分布を示す図である。 図９Ｃは、本発明におけるイオン移動度分析器の第６実施例にかかるイオン軌道のシミュレーション図である。

以下に、特定の具体的実施例を挙げて本発明の実施形態につき説明する。なお、当業者であれば、本明細書に開示の内容から、本発明のその他の利点及び効果を容易に理解可能である。

本発明の図面を参照する。なお、本明細書の図面に記載する構造、比率、寸法等は、当業者の理解と閲覧のために明細書に開示の内容と組み合わせているにすぎず、本発明で実施可能な条件を限定するものではない。よって、これらの図面に技術上の実質的意味はない。また、構造についてのあらゆる補足、比率関係の変更又は寸法の調整は、本発明によりもたらされる効果及び達成可能な目的に影響しない限り、いずれも本発明に開示される技術内容で網羅可能な範囲に包括される。また、本明細書で使用する「上」、「下」、「左」、「右」、「中間」や「一の」等の用語もまた記載を明瞭化するためのものにすぎず、本発明で実施可能な範囲を限定するものではない。よって、相対関係の変更又は調整は、技術内容に実質的変更がない限り、いずれも本発明で実施可能な範囲とみなされる。

図２Ａは、本発明のイオン移動度分析器１の構造を示す図である。本発明は、４組の電極群８，９，１０，１１から構成される。各電極群の電極は互いに平行に同一平面内に配置されている。また、４組の電極群が位置する平面は互いに平行である。電極群８と９の間及び１０と１１の間には、気流４及び５が存在する。なお、気流４と５の方向は同一である。電極群８と９及び１０と１１には、気流４及び５とは逆方向の直流電場６及び７が印加される。より具体的には、図２Ｂに示す通りである。

図２Ｂは、本発明のイオン移動度分析器１のｘｙ面の構造を示す図である。イオン移動度分析器１のイオン入口外部にはイオン源２が設けられており、イオン移動度分析器１の出口外部には検出器３が設けられている。図面では、２つの平行な電極群８と９により第１移動／分析領域が構成されており、２つの平行な電極群１０と１１により第２移動／分析領域が構成されている。各電極群８，９，１０，１１は、軸線に沿って分布する複数の電極を含む。

平行な電極群８，９，１０及び１１における末端の電極と電極群１２の間には、第１移動／分析領域と第２移動／分析領域を接続するよう第３接続領域が構成されている。

第１移動／分析領域において、電極群８及び９には線形又は非線形の第１直流電場６Ｅ１が印加される。図中のＥ１部分の矢印は、イオンに対する第１直流電場の作用方向を表している。また、第１気流４Ｕ１が存在しており、第１移動／分析領域を流動している。イオンに対する第１気流４Ｕ１の作用方向は、第１直流電場の方向とは逆方向である。

また、第２移動／分析領域において、電極群１０及び１１には線形又は非線形の直流電場７Ｅ２が印加される。第２移動／分析領域には第２気流５Ｕ２が存在しており、イオンに対する第２気流５Ｕ２の作用方向は直流電場とは逆方向であるが、第１移動／分析領域における第１気流４とは同じ方向である。

第３接続領域には、イオンを第１移動／分析領域から第２移動／分析領域に伝送するよう直流電場が印加されている。また、電極群８，９，１０及び１１には、軸線方向に対し垂直な径方向においてイオンを束縛するようＲＦ電圧が重畳される。

例えば、図２に示すように、前記第１移動／分析領域及び第２移動／分析領域における複数の電極は、軸線に沿って配列される複数の電極対を形成している（図中の枠Ａは１つの電極対を示している）。各前記電極対は、前記軸線に対し垂直な同一平面に位置する電極を２つずつ含む。隣接する電極対には、気流に対し垂直な方向にイオンを束縛する四重極電場又は多重極電場を形成するよう、位相の異なるＲＦ電圧をそれぞれ印加する。

及び／又は、その他の実施例において、前記第１移動／分析領域及び第２移動／分析領域における複数の電極は、軸線に沿って配列される複数の電極ユニット対を形成する。各前記電極ユニット対は、前記軸線に対し垂直な同一平面に位置する電極ユニットを２つずつ含む。また、各前記電極ユニットは、前記軸線に対し垂直な径方向に分布する複数の分割電極を含む。隣接する分割電極は、気流に対し平行な方向にイオンを束縛する四重極電場又は多重極電場を形成するよう、位相の異なるＲＦ電圧をそれぞれ印加する。

及び／又は、前記第２移動／分析領域のうち検出器に近接する部分は複数の電極を含む。イオンが伝送過程で束縛されて検出器に収束するような電場が形成されるよう、各前記電極には電圧が印加される。

なお、上記の例において、電極にＲＦ電圧を印加してイオンを束縛するとともに、直流電圧を重畳するよう印加することで直流電場を形成し、イオンの径方向における偏位及び収束を実現する構造は多数存在するため、ここでは具体的な実現方式については詳述しない。

図２から明らかなように、３つの領域において、イオンは電場と気流場の相互作用によりＵ型のイオン軌道を形成する。第１移動／分析領域では、イオンに対する第１直流電場の作用力が気流場よりも強いため、イオンが第３接続領域まで押動される。一方、第２移動／分析領域では、イオンに対する気流場の作用力が第２直流電場よりも強いため、イオンは検出器３まで押動されて検知される。

図３は、本発明のイオン移動度分析器とその前段及び後段の真空システムとの関係図である。イオン源の大気圧から質量分析器における１０^−６Ｔｏｒｒの高真空まで、質量分析計は複数の真空領域を有している。イオンはイオン源から発生すると、毛細管１４を経由して一次真空領域１５に進入する。イオンは当該真空領域１５内でＲＦイオン導入装置２４により収束された後、ディスペンサー２５を経由して二次真空領域１６に進入する。本発明におけるイオン移動度分析器１は二次真空領域１６に設けられている。また、当該真空領域１６の真空気圧範囲は２〜４Ｔｏｒｒである。イオンはイオン移動度分析器１を経由した後、三次真空領域１７に進入する。当該真空領域１７には２つ目のイオン導入装置２７が設けられている。また、当該真空領域１７の後段は質量分析器２９が設けられた四次真空領域１８となっている。当該質量分析器２９は、トリプル四重極又はＱ−ＴＯＦ等とすればよい。なお、各真空領域間は、小孔２６及び２８で接続されている。また、各真空領域には、真空を維持するために吸気装置が設けられている。イオン移動度分析器が設けられる前記真空領域１６には、純粋な移動度分析バッファガスを導入するためにガス導入装置２３が存在している。また、当該真空の入口及び出口位置には、イオン移動度分析器内の気流を層流とするために気流整流装置が設けられている。

図４Ａは、本発明におけるイオン移動度分析器の第１実施例を示す図である。本発明の第１実施例において、第１イオン移動／分析領域は高分解能・高イオン容量の走査型イオン移動度分析器とされる。また、第２イオン移動／分析領域は、イオンを検出器３へ伝送するために用いられる。電極群８及び９には、異なるイオン移動度Ｋ１〜Ｋ５を有するイオン３２，３３，３４，３５及び３６が第１移動／分析領域で分離されるよう、第１気流４Ｕ１と逆方向の非線形の第１直流電場６Ｅ１が印加される。また、電極群１０及び１１には、イオンを検出器３に伝送するよう、第２気流５Ｕ２と逆方向の第２直流電場７Ｅ２が印加される。

本実施例で実行するイオン分析は、濃縮（Ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ）、捕捉（Ｔｒａｐ）、流出（Ｅｌｕｔｅ）の３つのステップを有する。

図４Ｂに示すように、３つの分析ステップでは電場の分布に違いがある。本実施例では、第１移動／分析領域（１ｓｔ ｒｅｇｉｏｎ）における電場分布は、イオン注入領域４１、イオン伝送領域４２、電場強度下降付近領域４３及び平坦領域４４という４つの領域に分けられる。まず、イオンは連続的に第１移動／分析領域に導入される。すると、高電場により押動されて、全てのイオンが領域４１及び４２を経由して電場強度下降付近領域４３へと進入する。領域４３において、イオンは移動度別に異なる電場強度位置において気流と平衡をとる。平衡条件はＫＥ＝Ｕとする。式中、Ｋはイオン移動度、Ｅは電場強度、Ｕは気流の速度である。気流の速度Ｕを定数とすると、図中の（１）濃縮段階に示すように、高い移動度を有するイオンは比較的低い電場強度位置で平衡をとる。また、図中の（２）捕捉段階に示すように、一定の濃縮時間が経過すると、イオン注入領域４１の電場強度は、全てのイオンが第１移動／分析領域に進入不可能となるまで低下する。また、先に進入したイオンは、電場強度下降付近領域４３において衝突冷却して平衡をとる。一定時間が経過すると、電場強度下降付近領域４１と平坦領域４４の電場強度は、初期値Ｅ０から一定の速度βで緩やかに上昇する（例えば、電場強度は４０〜３７まで徐々に上昇する）。図中の（３）流出段階に示すように、電場強度の上昇に伴って、まず、比較的高いイオン移動度を有するイオンが第１移動／分析領域から接続領域及び第２移動／分析領域を経由して検出器３に到達する。なお、この過程では第２移動／分析領域（２ｎｄ ｒｅｇｉｏｎ）の電場Ｅ２は変動しない。また、図４Ｃは本実施例におけるイオン軌道のシミュレーション図である。

図５Ａは、本発明の第２実施例を示す図である。本実施例において、第１イオン移動／分析領域はイオンの濃縮及び伝送に用いられ、第２イオン移動／分析領域は高分解能の走査型移動度分析器とされる。電極群８及び９は、第１移動／分析領域でイオンを濃縮して第３接続領域へと伝送するよう、気流４Ｕ１と逆方向の直流電場を含む。また、電極群１０及び１１は、異なる移動度を有するイオン３２〜３６が第２移動／分析領域で分離されるよう、気流５Ｕ２と逆方向の非線形の直流電場を含む。なお、気流４Ｕ１と５Ｕ２は同一方向である。また、電場強度分布については図５Ｂに示す通りである。本実施例の分析過程も同様に、濃縮、捕捉及び流出の３つのステップを有する。また、第１移動／分析領域における電場分布は、イオン注入領域４９とイオン濃縮領域５０という２つの部分に分けられる。一方、第２移動／分析領域における電場分布は、イオン伝送領域５３、電場強度上昇領域５２及び平板領域５１という３つの部分に分けられる。まず、イオンは連続的に第１移動／分析領域に導入される。すると、高電場により押動されて、全てのイオンが領域４９，５０及び５１を経由して電場強度上昇領域５２へと進入する。気流と電場の相互作用によって、イオンは移動度別に異なる電場強度位置において平衡をとる。一定の濃縮時間が経過すると、イオン注入領域４９の電場強度は、全てのイオンが第１移動／分析領域に進入不可能となるまで低下する。また、先に進入したイオンは、電場強度上昇領域５２において衝突冷却して平衡をとる。一定時間が経過すると、電場強度上昇領域５２と平板領域５１の電場強度は、初期値Ｅ０から一定の速度βで緩やかに下降する（例えば、電場強度は４５〜４８まで徐々に下降する）。電場強度の下降に伴って、まずは比較的低いイオン移動度を有するイオンが検出器に到達する。なお、図５Ｃは本実施例におけるイオン軌道のシミュレーション図である。

図６Ａは、本発明の第３実施例を示す図である。本実施例において、第１移動／分析領域はイオンの伝送に用いられ、接続領域の近傍位置でイオンが濃縮される。また、第２移動／分析領域は、高分解能の走査型移動度分析器とされる。本実施例では、分析が濃縮／流出及び伝送／捕捉の２つのステップしか有さない点で他の実施例とは異なる。濃縮及び流出は２つの異なる移動／分析領域で同時に実行され、伝送及び捕捉についても同様に２つの異なる移動／分析領域で同時に実行される。なお、電場強度分布については図６Ｂに示す通りである。本実施例において、第２移動／分析領域は、イオン伝送領域５６、電場上昇付近領域５５及び平板領域５４という３つの部分に分けられる。まず、イオン３２〜３６は第１移動／分析領域の末端において濃縮される。一定時間濃縮された後、イオンは接続領域を経由して第２移動／分析領域へ伝送されるとともに、第２移動／分析領域の電場上昇付近領域５５において捕捉され、平衡をとる。一定時間が経過すると、電場上昇付近領域５５と平板領域５４の電場強度は、初期値Ｅ０から一定の速度βで緩やかに下降する（例えば、電場強度は４５〜４８まで徐々に下降する）。電場強度の下降に伴って、まずは比較的低いイオン移動度を有するイオンが検出器に到達する。同時に、第１移動／分析領域ではイオンを濃縮する。上述したように、本実施例では、濃縮及び流出は２つの異なる移動／分析領域で同時に実行される。また、同様に、伝送及び捕捉についても２つの異なる移動／分析領域で同時に実行される。なお、本実施例のデューティー比はほぼ１００％である。

図７Ａは、本発明の第４実施例を示す図である。本実施例において、第１移動／分析領域は「ハイパス」（即ち、イオン移動度が第１の予め定められたイオン移動度よりも高い）移動度フィルタとし、第２移動／分析領域は「ローパス」（即ち、イオン移動度が第２の予め定められたイオン移動度よりも低い）移動度フィルタとする。また、接続領域をイオン伝送経路とする。本実施例は、目標移動度を分析するためのものである。電極群８及び９は、Ｕ１／Ｅ１よりもイオン移動度の大きなイオンが第１移動／分析領域を通過するよう、気流４Ｕ１と逆方向の電場Ｅ１を含む。また、平行な電極群１０及び１１は、Ｕ２／Ｅ２よりもイオン移動度の小さなイオンが第２移動／分析領域を通過して検出器３に到達するよう、気流５Ｕ２と逆方向の電場Ｅ２を含む。なお、気流４Ｕ１と５Ｕ２は同一方向である。また、電場強度分布については図７Ｂに示す通りである。第１及び第２移動／分析領域の電場強度はそれぞれ５７及び５８である。第１移動／分析領域の電場強度５７は、移動度がＫ２よりも大きなイオン３４，３５及び３６を通過させる。第２移動／分析領域の電場強度５８は、移動度がＫ４よりも小さなイオン３４を通過させて検出器に到達させる。本実施例の結果、一定範囲の移動度を有する連続イオンビームが取得された。なお、図７Ｃは、本実施例におけるイオン軌道のシミュレーション図である。

図８Ａは、本発明の第５実施例を示す図である。本実施例において、全てのイオンは３つの領域を経由してイオン源２から検出器３へと伝送される。電極群８及び９は、全てのイオン３２〜３６が第１移動／分析領域を通過するよう、気流４Ｕ１と逆方向の高電場Ｅ１を含む。また、電極群１０及び１１は、全てのイオン３２〜３６が第２移動／分析領域を通過して検出器３に到達するよう、気流５Ｕ２と逆方向の低電場Ｅ２を含む。なお、本実施例の電場強度分布については図８Ｂに示す通りである。また、図８Ｃは、本実施例におけるイオン軌道のシミュレーション図である。シミュレーション結果より、イオンの伝送効率はほぼ１００％であることが示された。

図９Ａは、本発明の第６実施例を示す図である。本実施例において、全てのイオンは３つの領域を経由して、気流Ｕ１及びＵ２に対し垂直な方向にイオン源２から検出器３へと伝送される。電極群８，９，１０及び１１は、イオンが気流の方向とは垂直にイオン源から検出器へと伝送されるよう、気流４，５（即ち、Ｕ１及びＵ２）と逆方向の非線形の直流電場Ｅ１及びＥ２を含む。なお、本実施例の電場強度分布については図９Ｂに示す通りである。また、図９Ｃは、本実施例におけるイオン軌道のシミュレーション図である。シミュレーション結果より、イオンの伝送効率はほぼ１００％であり、伝送時間も非常に短い（約１００μｓ）ことが示された。

以上述べたように、本発明におけるイオン移動度分析器及び分析方法において、当該分析器は、イオン入口が設けられた第１移動／分析領域、イオン出口が設けられた第２移動／分析領域、第１移動／分析領域と第２移動／分析領域を接続する第３接続領域、及び前記イオン出口に接続される検出器を含む。前記第１移動／分析領域及び第２移動／分析領域におけるイオンに対する直流電場及び気流の方向は互いに逆方向であり、且つ、前記第２気流は前記第１気流と気流方向が一致している。また、前記第３接続領域は第３直流電場を含み、前記第３直流電場は、イオンを前記第１移動／分析領域から前記第２移動／分析領域へと伝送する。第１及び第２の領域における気流方向は同じであるため、乱流の形成が回避される。また、高分解能のイオン移動度分析器か連続イオンビームのイオン移動度フィルタであるかに関わらず、本発明は分解能と感度において良好な安定性を有する。

本発明は従来技術における様々な瑕疵を解消可能であり、高度な産業上の利用価値を有する。

なお、上記の実施例は本発明の原理及び効果を例示的に説明するためのものにすぎず、本発明を制限するものではない。当該技術を熟知する者であれば、本発明の精神及び範囲から逸脱しないことを前提に、上記実施例につき追加又は変更が可能である。したがって、当業者が、本発明で開示する精神及び技術的思想を逸脱せずに実施するあらゆる等価の追加又は変更もまた、本発明における特許請求の範囲に含まれる。

Claims (25)

1. イオン源と、
   前記イオン源に接続されるイオン入口が設けられた第１移動／分析領域であって、第１直流電場及び第１気流を含み、前記第１直流電場及び第１気流はイオンを第１移動／分析領域の軸線に沿って運動させ、イオンに対する第１直流電場及び第１気流の作用方向が互いに逆方向である第１移動／分析領域と、
   イオン出口が設けられた第２移動／分析領域であって、第２直流電場及び第２気流を含み、前記第２直流電場及び第２気流はイオンを第２移動／分析領域の軸線に沿って運動させ、イオンに対する第２直流電場及び第２気流の作用方向は互いに逆方向であり、前記第２気流は前記第１気流と気流方向が一致している第２移動／分析領域と、
   前記第１移動／分析領域と第２移動／分析領域の間に位置する第３接続領域であって、第３直流電場を含み、前記第３直流電場はイオンを前記第１移動／分析領域から前記第２移動／分析領域まで伝送する第３接続領域と、
   前記イオン出口に接続される検出器、を含むことを特徴とするイオン移動度分析器。
2. 前記第１気流と第２気流は層流であることを特徴とする請求項１に記載のイオン移動度分析器。
3. 前記イオン入口からのイオン導入方向は前記気流方向に対し垂直であり、及び／又は、前記イオン出口からのイオン導出方向は前記気流方向に対し垂直であることを特徴とする請求項１に記載のイオン移動度分析器。
4. 前記イオン源は、気流の上流又は下流に位置することを特徴とする請求項１に記載のイオン移動度分析器。
5. 前記検出器は、気流の上流又は下流に位置することを特徴とする請求項１に記載のイオン移動度分析器。
6. 前記第２移動／分析領域の軸線は、前記第１移動／分析領域の軸線と同一直線上には位置しないことを特徴とする請求項１に記載のイオン移動度分析器。
7. 前記第２移動／分析領域の軸線は、前記第１移動／分析領域の軸線と平行であることを特徴とする請求項６に記載のイオン移動度分析器。
8. 前記第１移動／分析領域及び第２移動／分析領域は、互いに平行に積層されるか並列に配置されることを特徴とする請求項１に記載のイオン移動度分析器。
9. 前記第１移動／分析領域及び第２移動／分析領域は、軸線に沿って配列される一連の電極対をそれぞれ含み、前記電極対が存在する平面は前記気流方向に対し垂直であり、隣接する前記電極対には位相の異なるＲＦ電圧がそれぞれ印加され、気流に対し垂直な方向にイオンを束縛する四重極電場又は多重極電場が形成されることを特徴とする請求項１に記載のイオン移動度分析器。
10. 前記第１移動／分析領域及び第２移動／分析領域は、軸線に対し垂直に配列される一連の電極対をそれぞれ含み、前記電極対が存在する平面は前記気流方向に対し平行であり、隣接する前記電極対には位相の異なるＲＦ電圧がそれぞれ印加され、気流に対し平行な方向にイオンを束縛する四重極電場又は多重極電場が形成されることを特徴とする請求項１に記載のイオン移動度分析器。
11. 前記第２移動／分析領域のうち検出器に近接する部分は複数の電極を含み、イオンが伝送過程で束縛されて検出器に収束するような電場が形成されるよう、各前記電極には電圧が印加されることを特徴とする請求項１に記載のイオン移動度分析器。
12. 前記分析器の前段、後段、或いは前段及び後段には、イオン移動度と質量電荷比を組み合わせた分析器が構成されるよう、質量分析器が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のイオン移動度分析器。
13. 前記第１移動／分析領域及び第２移動／分析領域の一方は、第１の予め定められた移動度よりも高いイオンを通過させる第１イオン移動度フィルタとして用いられ、及び／又は、前記第１移動／分析領域及び第２移動／分析領域の他方は、第２の予め定められた移動度よりも低いイオンを通過させる第２イオン移動度フィルタとして用いられることを特徴とする請求項１に記載のイオン移動度分析器。
14. 前記第１の予め定められた移動度は、前記第２の予め定められた移動度よりも小さいことを特徴とする請求項１３に記載のイオン移動度分析器。
15. 前記第１移動／分析領域及び第２移動／分析領域の一方はイオン移動度分析器として用いられ、当該一方の領域に含まれる直流電場は、イオンがイオン移動度別に異なる時間に前記分析領域を通過するよう時間とともに変化し、
    前記第１移動／分析領域及び第２移動／分析領域の他方はイオン伝送及び／又は濃縮経路とされることを特徴とする請求項１に記載のイオン移動度分析器。
16. 前記第１移動／分析領域の第１直流電場は、イオンがイオン移動度別に異なる時間に通過するとともに、前記第３接続領域を経由して第２移動／分析領域に進入するよう時間に伴って走査し、前記第２移動／分析領域の第２直流電場は、全てのイオンを当該領域経由で検出器に到達させることを特徴とする請求項１５に記載のイオン移動度分析器。
17. 前記第１移動／分析領域の第１直流電場は、イオンを当該第１移動／分析領域の少なくとも一部の領域で濃縮させる非線形の直流電場であり、前記第１直流電場は、イオンが当該第１移動／分析領域を通過するとともに、第３接続領域を経由して前記第２移動／分析領域に進入するよう時間とともに変化し、前記第２移動／分析領域の第２直流電場は、イオンがイオン移動度別に異なる時間に当該領域を通過して検出器に到達するよう時間に伴って走査することを特徴とする請求項１５に記載のイオン移動度分析器。
18. 前記第１移動／分析領域の第１直流電場は、全てのイオンを前記第１移動／分析領域に通過させるとともに、前記第３接続領域経由で前記第２移動／分析領域に進入させ、前記第２移動／分析領域の第２直流電場は、イオンがイオン移動度別に異なる時間に当該第２移動／分析領域を通過して検出器に到達するよう時間に伴って走査することを特徴とする請求項１５に記載のイオン移動度分析器。
19. 前記第１移動／分析領域、第２移動／分析領域、及び第３移動／分析領域の直流電場は、前記気流に対し垂直な方向に、イオンを前記イオン源から第１移動／分析領域、第３接続領域及び第２移動／分析領域を経由して検出器に到達させることを特徴とする請求項１に記載のイオン移動度分析器。
20. 前記第１移動／分析領域、第２移動／分析領域、及び第３移動／分析領域の直流電場は、前記気流に対し平行な方向に、イオンを前記第１移動／分析領域を通過させて第３接続領域に進入させるとともに、前記第３接続領域を経由して第２移動／分析領域に進入させ、前記気流に対し平行な方向に第２移動／分析領域を通過させて検出器に到達させることを特徴とする請求項１に記載のイオン移動度分析器。
21. イオン分析物を分離及び識別するイオン移動度の分析方法であって、
    イオンを発生させるイオン源を提供し、
    前記イオン源に接続されるイオン入口が設けられた第１移動／分析領域であって、第１直流電場及び第１気流を含み、前記第１直流電場及び第１気流はイオンを第１移動／分析領域の軸線に沿って運動させ、イオンに対する第１直流電場及び第１気流の作用方向が互いに逆方向である第１移動／分析領域を提供し、
    イオン出口が設けられた第２移動／分析領域であって、第２直流電場及び第２気流を含み、前記第２直流電場及び第２気流はイオンを第２移動／分析領域の軸線に沿って運動させ、イオンに対する第２直流電場及び第２気流の作用方向は互いに逆方向であり、前記第２気流は前記第１気流と気流方向が一致している第２移動／分析領域を提供し、
    前記第１移動／分析領域と第２移動／分析領域の間に位置する第３接続領域であって、第３直流電場を含み、前記第３直流電場はイオンを前記第１移動／分析領域から前記第２移動／分析領域まで伝送する第３接続領域を提供し、
    前記イオン出口が接続される検出器を提供する、ことを特徴とする方法。
22. 前記気流に対し垂直な方向にイオンを前記イオン入口から導入し、及び／又は、前記気流に対し垂直な方向にイオンを前記イオン出口から導出することを特徴とする請求項２１に記載のイオン移動度の分析方法。
23. 直流電場を制御することで、前記第１移動／分析領域及び第２移動／分析領域の一方を、第１の予め定められた移動度よりも高いイオンを通過させる第１イオン移動度フィルタとして用い、及び／又は、前記第１移動／分析領域及び第２移動／分析領域の他方を、第２の予め定められた移動度よりも低いイオンを通過させる第２イオン移動度フィルタとして用いることを特徴とする請求項２１に記載のイオン移動度の分析方法。
24. 前記第１移動／分析領域及び第２移動／分析領域の一方を、時間とともに直流電場を変化させることでイオン移動度分析器とし、イオンをイオン移動度別に異なる時間に前記イオン移動度分析器に通過させるとともに、前記第１移動／分析領域及び第２移動／分析領域の他方をイオン伝送及び／又は濃縮経路とすることを特徴とする請求項２１に記載のイオン移動度の分析方法。
25. 前記第１移動／分析領域、第２移動／分析領域、及び第３接続領域の直流電場を制御することで、前記気流に対し垂直な方向に、イオンを前記イオン源から第１移動／分析領域、第３接続領域及び第２移動／分析領域を経由して検出器に到達させることを特徴とする請求項２１に記載のイオン移動度の分析方法。

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