JP2020016655A - イオンを分離及び分析する装置、化学的検出器、および化学的検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 改善されたイオンを分離及び分析する装置、および化学的検出方法を提供する。【解決手段】 イオンを分離及び分析する装置は、検出器と、検出器に結合され且つ幅を有する平面イオンドリフトチューブと、平面イオン源とを含む。平面イオン源は、検出器に対向するイオンドリフトチューブの端部でイオンドリフトチューブに結合され、イオンドリフトチューブの幅以上のスパンを有し、イオンドリフトチューブに入る前に、分析物ガスをイオン化して、分析物ガスイオンをフラグメント化する。化学的検出器及び化学的検出方法についても説明する。【選択図】図１

Description

（連邦研究声明）
本発明は、契約第ＦＡ８６５０−１７−Ｃ０９１０１号の下で米国空軍からの政府の支援を受けて作製された。政府は本発明に一定の権利を有する。

本開示は、分光法に関し、特に化学的検出装置及び方法の平面イオン源及びイオン移動度スペクトロメータに関する。

化学的検出は、ガスクロマトグラフ、イオン移動度スペクトロメータ、質量スペクトロメータ、微分型移動度スペクトロメータなどの様々な検出装置によって行われてもよい。これらの化学的検出器の多くは、検出成分に到達する前に、化学ガスサンプル（「サンプルガス」）をイオン源でイオン化する必要がある。イオン移動度スペクトロメータは、比較的低い電力要件や小型サイズなど、他の検出装置に比べて一定の利点がある。

従来のイオン移動度スペクトロメータの課題の１つは、例えば小型化などのサイズ縮小であり、典型的にはイオン移動度スペクトロメータのイオン化効率を低下させる。イオン化効率の低下は、一般に、サンプルガスを分析する際に検出器に送ることができるイオンが少ないことを意味する。検出器成分出力信号にはあるレベルのノイズが存在するため、少ないイオンはイオン移動度スペクトロメータの信号対ノイズ比が低下することを意味し、検出能力に悪影響を及ぼす。この効果は、従来のイオン移動度スペクトロメータの装置を携帯型にするのに十分な、またはいくつかのイオン移動度スペクトロメータにおいては、特定の化学的検出の使用において望ましい場合がある、携帯可能にするのに十分なサイズへの小型化を妨げる可能性がある。

そのような従来の方法及びシステムは、一般にそれらの意図された目的にとって満足できるものと考えられてきた。しかしながら、当技術分野において、改善されたイオン移動度スペクトロメータ用のイオン源、イオン移動度スペクトロメータ、及びイオン移動度スペクトロメータにおけるガスサンプルのイオン化方法が依然として必要とされている。本開示は、この必要性に対する解決策を提供する。

イオンを分離及び分析する装置は、検出器と、検出器に結合され且つ幅を有するイオンドリフトチューブと、平面イオン源とを含む。平面イオン源は、検出器に対向するイオンドリフトチューブの端部でイオンドリフトチューブに結合され、イオンドリフトチューブの幅以上のスパンを有し、イオンドリフトチューブに入る前に、分析物ガスをイオン化して、分析物ガスイオンをフラグメント化する。

特定の実施形態では、平面イオン源は円板体を有することができる。円板体は、平面イオン源と検出器との間でイオンドリフトチューブを通って延びるイオンドリフトチューブ軸に対して直角に配置することができる。平面イオン源は、ニッケルから形成することができる。放射性ニッケル被覆を検出器に面する平面イオン源の表面に配置することができる。平面イオン源は、約１．５センチメートル（約０．６インチ）の幅を有することができる。イオンドリフトチューブは、約３．５センチメートル（約１．４インチ）の長さを有することができる。イオンドリフトチューブは、単一ドリフトチューブであり得る。イオンドリフトチューブは第１のイオンドリフトチューブとすることができ、第２のイオンドリフトチューブは第１のイオンドリフトチューブと検出器との間に配置することができる。

特定の実施形態によれば、ドリフトチューブは大気圧に対して開放することができる。平面イオン源は、平面イオン源の中央で装置内に分析物ガス流を導入するための、中央に配置された分析物ガスポートを有することができる。平面イオン源とイオンドリフトチューブとの間にバッフルを配置して、平面イオン源と検出器との間でドリフトチューブを通って延びる軸に対して分析物ガスを半径方向外向きに向けることができる。バッファガスポートが平面イオン源に対向して、バッファガス流を装置内に導入することができる。さらなる実施形態によれば、平面イオン源は、平面イオン源の周辺部に配置された分析物ポートを有し、平面イオン源の周辺部に分析物ガス流を導入することができる。

特定の実施形態によれば、平面イオン源とドリフトチューブとの間にシャッタを配置することができると考えられる。分析物ガスのイオン化及び分析物ガスイオンのフラグメント化は、平面イオン源の近傍で、シャッタと平面イオン源との間で画定された共通のチャンバ内で、分析物イオン及びフラグメントイオンがドリフトチューブに入る前に起こり得る。

分析物ガス流及び／またはバッファガス流の流れは、検出器と平面イオン源との間に延びるドリフトセル軸に対して半径方向外向きであり得る。装置内に導入された分析物ガスは、平面イオン源の近傍での滞留時間が約２ミリ秒から約５００ミリ秒の間であり得る。装置内に導入された分析物ガスは、平面イオン源の近傍での滞留時間が約５００ミリ秒から約２秒の間であり得る。

装置が筐体を含み得ることもまた考えられる。筐体は、ドリフトチューブ、平面イオン源及び検出器を支持することができる。装置が例えばユーザの手のひら程度の大きさである携帯型になるように、筐体の大きさを決めることができる。装置はバッファガスモジュールを含むことができる。バッファガスモジュールは、平面イオン源と流体連通することができ、毎分約２５ミリリットル（毎分約０．８液量オンス）のバッファガス流を供給するよう構成することができる。装置は分析物ガスモジュールを含むことができる。分析物ガスモジュールは、平面イオン源と流体連通することができ、毎分約５ミリリットル（毎分約０．２液量オンス）の分析物ガス流を供給するよう構成することができる。装置は電圧電極を含むことができる。電圧電極をイオンドリフトセルに接続し、イオンドリフトセル内に約３００ボルト／センチメートルの電位を発生させるよう構成することができる。

化学的検出器は、内部を有する筐体を含む。上述のようにイオンを分離及び分析する装置は、筐体の内部に支持されている。筐体はユーザの手の中に収まる大きさである。平面イオン源は約１．５センチメートル（約０．６インチ）の幅を有し、ドリフトチューブは約３．５センチメートル（約１．４インチ）の長さを有する。装置に導入された分析物ガスは、平面イオン源の近傍での滞留時間が約５００ミリ秒である。

化学的検出方法は、上記のような装置において、平面イオン源のスパンにわたって分析物ガスを流すことを含む。分析物ガスはイオン化され、分析物ガスイオンは平面イオン源の近傍でフラグメント化される。イオン化及びフラグメント化されたイオン化分析物ガスならびにフラグメント化された分析物ガスイオンは、イオンドリフトチューブに入って検出器に送られ、分析物ガスの組成を示す信号を生成する。

本開示のシステム及び方法のこれら及び他の特徴は、図面と共になされる以下の好ましい実施形態の詳細な説明から当業者にはより容易に明らかになるであろう。

主題の開示が関連する当業者が過度の実験なしに主題の開示の装置及び方法をどのように作成し使用するかを容易に理解するために、その実施形態は特定の図面を参照して以下に詳細に説明される。

Ａ及びＢは、本開示により構成された化学的検出器の例示的実施形態の部分断面図であり、化学的検出器の筐体内に支持されたイオンを分離及び分析する装置を示す。 化学的検出器の分解図であり、平面イオン源と検出器との間に配置されたイオンドリフトチューブを筐体から分解して示す。 図１のイオンを分離及び分析する装置の断面図であり、単一イオンドリフトチューブの両側にあるイオン源及び検出器を示す。 例示的実施形態による図２の平面イオン源の斜視図であり、平面イオン源の中央に配置された分析物ガスポート及びバッフルを示す。 図１Ａ及び図１Ｂの装置の等流量線図であり、例示的実施形態による、イオンドリフトに入る前の共通のイオン化及びフラグメント化チャンバ内の総ガス流量分布を示す。 図１Ａ及び図１Ｂの装置の等流量線図であり、例示的実施形態による、イオンドリフトに入る前の共通のイオン化及びフラグメント化チャンバ内の総ガス流量分布を示す。 図１Ａ及び１Ｂのイオンを分離及び分析する装置の断面図であり、タンデム型イオンドリフトチューブの端部におけるイオン源及び検出器を概略的に示す。 図１Ａ及び図１Ｂの装置の概略図であり、連続した平面イオン源を有するイオンを分離及び分析する装置を示す。 例示的実施形態による方法のステップを示す、化学的検出方法のブロック図である。

ここで図面を参照するが、類似の参照番号は本開示の類似の構造的特徴または態様を特定する。限定ではなく説明及び例示の目的で、本開示によるイオンを分離及び分析する装置の例示的実施形態の部分図を図１Ａ及び図１Ｂに示し、全体を通して参照符号１００で示す。本開示によるイオンを分離及び分析する装置、イオンを分離及び分析する装置を有する化学的検出器ならびに化学的検出方法、またはそれらの態様の他の実施形態が、後述するように図２から図９に提供される。本明細書に記載のシステム及び方法は、携帯型化学的検出器用のイオン移動度スペクトロメータなどのイオン移動度スペクトロメータに使用することができるが、本開示は、一般に、携帯型化学的検出器にもイオン移動度スペクトロメータにも限定されるものではない。

図１Ａ及び１Ｂを参照して、化学的検出器１０が示されている。化学的検出器１０は、内部１０６を有する筐体１０４と、イオンを分離及び分析する装置１００と、検出電子機器１０８とを含む。化学的検出器１０はまた、バッファガスモジュール１１０、分析物ガスモジュール１１２、及び電圧電極１１４を含む。筐体１０４は、化学的検出器１０２が携帯型であり得るように、すなわちユーザ４の手２の手のひらの中に収まることができるような大きさである。装置１００、例えばイオン移動度スペクトロメータは、筐体１０４の内部１０６内に配置されている。これに関して、平面イオン源１１６（図２に示す）、イオンドリフトチューブ１１８（図２に示す）、及び検出器１２０（図２に示す）のうちの１つまたは複数が筐体１０４によって支持されている。特定の実施形態では、化学的検出器１０２の内部１０６は、筐体１０４の外部の環境、内部１０６内の圧力と平衡状態にある。

図２を参照すると、化学的検出器１０２が分解図で示されている。検出電子機器１０８は、検出器１２０と連通して配置され、化学的検出器１０２に対するイオン及びフラグメントイオンの衝突を表す信号を生成するよう構成される。電圧電極１１４は、イオンドリフトチューブ１１８を通って検出器１２０にイオン及びフラグメントイオンを送ることにより、イオンドリフトチューブ１１８内に電界を発生させるためにイオンドリフトチューブ１１８に接続される。本開示に鑑みて当業者には理解されるように、電位を端部からイオンドリフトチューブ及び検出器にわたって印加し、検出器は接地されている。分圧器は、検出器の方向に各電極に減少した電圧を印加することによって、イオンドリフトチューブの長さに沿って電圧勾配を作り出し、それにより電界を作り出す。特定の実施形態では、電圧電極１１４は、約１０００ボルトから約３０００ボルトの間の電圧をイオンドリフトチューブ１１８に印加するよう構成される。この範囲の電圧は、イオン移動度に基づくイオンの分離に適した電界を提供することができる。特定の実施形態によれば、電極１１４は、約３００ボルトをイオンドリフトチューブ１１８に印加するよう構成されている。

バッファガスモジュール１１０は装置１００と流体連通している。これに関して、バッファガスモジュール１１０は、平面イオン源１１６に向けられた装置１００にバッファガス流１２を供給するよう構成されている。特定の実施形態では、バッファガス流１２は、毎分約１０ミリリットルから約４０ミリリットルの間である。この範囲内のバッファガス流量は、分析物分子及びイオンとの効果的な衝突をもたらすことができる。それはまた、分子及びイオンがイオン化領域の近傍で、イオン化及びフラグメント化に影響を与えるのに十分な時間を費やすことを確実にすることができる。

分析物ガスモジュール１１２は装置１００と流体連通している。より具体的には、分析物ガスモジュール１１２は、平面イオン源１１６に向けられた装置１００に分析物ガス流１４を供給するよう構成される。特定の実施形態では、分析物ガス流１４は、毎分約２ミリリットルから約２０ミリリットルの間である。この範囲内の分析物ガス流は、バッファガスと効果的に混合することができる。それはまた、分子及びイオンがイオン化領域の前で、イオン化及びフラグメント化に影響を与えるのに十分な時間を費やすことを引き起こし得る。本開示に鑑みて当業者には理解されるように、分析物ガスはバッファガス流と協働してイオン化領域の前の分子及びイオンの滞留時間を制御する。特定の実施形態によれば、分析物ガス流１４は毎分約１０ミリリットルである。

図３を参照すると、装置１００が示されている。装置１００は、平面イオン源１１６、イオンドリフトチューブ１１８及び検出器１２０を含む。イオンドリフトチューブ１１８は検出器１２０に結合されており、幅１２２を有する。平面イオン源１１６は、検出器１２０に対向するイオンドリフトチューブ１１８の平面イオン源端部１２４でイオンドリフトチューブ１１８に結合され、イオンドリフトチューブ１１８の幅１２２以上のスパン１２７を有し、イオンドリフトチューブ１１８に入る前に、分析物ガス流１４の分子をイオン化し、分析物ガス流１４のイオンを分析物ガスフラグメントイオン１６にフラグメント化する。

イオンドリフトチューブ１１８は、平面イオン源端部１２４と検出器端部１２６とを有する。検出器端部１２６と平面イオン源端部１２４との間に、イオンドリフトチューブ１１８は、複数の環状電極１２８を含む。複数の環状電極１２８は、平面イオン源端部１２４と検出器端部１２６との間に延びるドリフトチューブ軸１３０に沿って互いに軸方向に積み重ねられている。複数の環状電極１２８は、イオンドリフトチューブ１１８内に電界を発生させるために電圧電極１１４（図２に示す）と電気的に連通している。電界は、ドリフトチューブ軸１３０に沿って分析物ガスイオン１８及び分析物ガスフラグメントイオン２０を送り、イオンドリフトチューブ１１８に入ると検出器１２０に衝突するのに十分な強度及び極性を有する。イオンドリフトチューブ１１８は、約２センチメートルから約１０センチメートルの間の軸方向長さを有すると考えられる。このサイズ範囲内の軸長は、代替の構成と比較してコンパクトさを提供でき、筐体１０４のサイズを制限し（図２に示される）、装置１００の小型化を容易にする。特定の実施形態では、イオンドリフトチューブ１１８は、約３．５センチメートル（約１．４インチ）の軸長を有する。

シャッタ１３２は、平面イオン源端部１２４と検出器端部１２６との間のイオンドリフトチューブ１１８の内部１３４内に配置され、分析物ガスイオン１８及び分析物ガスフラグメントイオン２０をイオンドリフトチューブ１１８の内部１３４に入れる。シャッタ１３２は、検出器電子機器１０８（図１Ｂに示す）と動作可能に関連付けられている。特定の実施形態では、イオンドリフトチューブ１１８は、例えば外部環境１０に開放する（すなわち流体連通する）ことによって、外部環境１０と実質的に等しい圧力を保持するように配置され、これは装置１００の配置を単純化し、小型化を促進して、封止及びその他の関連する絶縁構造の必要性を排除する。

検出器１２０は、イオンドリフトチューブ１１８の検出器端部１２６においてイオンドリフトチューブ軸１３０に沿って配置され、信号２２を生成するために検出電子機器１０８（図３に示される）と連通して配置される。信号２２は、検出器１２０に衝突する分析物ガスイオン１８及び分析物ガスフラグメントイオン２０を示す。図３に示す例示的実施形態では、検出器１２０はドリフトチューブ軸１３０に対して直交している。ドリフトチューブ軸１３０に対して直交するように検出器１２０を配置することは、代替の配置と比較してコンパクトさを提供し、筐体１０４（図２に示される）のサイズを制限し、装置１００の小型化を容易にする。

平面イオン源１１６は、イオンドリフトチューブ１１８が平面イオン源１１６と検出器１２０との間に配置されるように、イオンドリフトチューブ１１８の平面イオン源端部１２４に配置され、平面イオン源１１６はイオンドリフトチューブ１１８の幅１２２にわたり、放射性被覆１３８はシャッタ１３２と対向している。図３に示すように、平面イオン源１１６は、ドリフトチューブ軸１３０に対して実質的に直交するように配置されている。ドリフトチューブ軸１３０に対して直交するように平面イオン源１１６を配置することは、代替の配置と比較してコンパクトさを同様に提供し、筐体１０４（図２に示される）のサイズを制限し、装置１００の小型化を容易にする。

図４を参照すると、平面イオン源１１６が示されている。平面イオン源１１６は、円板体１４２と放射性被覆１３８を有する基部１３６とを含み、検出器１２０と対向してドリフトチューブ軸１３０に沿って配置されている。放射性被覆を有するものとして本明細書に記載されているが、非限定的な例として軟Ｘ線などの他のイオン化方法も使用できることを当業者は理解するであろう。

円板体１４２は、バッフル１４６を有する分析物ガスポート１４４を有し、ドリフトチューブ軸１３０に対して直角に配置され、図示のように円板体１４２の直径に対応するスパン１２７を画定する。スパン１２７は、約０．５センチメートルから約２．５センチメートルの間であると考えられる。このサイズ範囲内のスパンは、代替の構成と比較してコンパクトさを提供でき、筐体１０４のサイズを制限し（図２に示される）、装置１００の小型化を容易にする。特定の実施形態では、平面イオン源１１６のスパン１２７は約１．５センチメートル（約０．６インチ）であり、これは本出願者が決定したが、平面イオン源１１６にわたる流体の流れと協働して、適切な検出感度を可能にするのに十分な密度で、分析物ガスイオン１８（図３に示す）及び分析物ガスフラグメントイオン２０（図３に示す）を生成するのに十分な表面積を提供する。本明細書では円形円板として記載されているが、非円形形状を有する平面イオン源も使用できることを理解し認識すべきである。

分析物ガスポート１４４は分析物ガスモジュール１１２（図１Ｂに示す）と流体連通しており、平面イオン源１１６の中心で装置１００の内部１０６に分析物ガス流１４を導入するために中央に配置されている。バッフル１４６は、平面イオン源１１６とイオンドリフトチューブ１１８（図３に示す）との間に配置されて、ドリフトチューブ軸１３０に対して半径方向外向きに分析物ガス流１４を向ける。バッフル１４６は、平面イオン源１１６に接続され、バッフル１４６と平面イオン源１１６との間に延びる隔離絶縁器によって支持されると考えられる。バッファガスポート１４８は、平面イオン源１１６と対向する方向でバッファガス流１２を装置１００内に導入するために平面イオン源１１６と対向し、バッファガスモジュール１１０はこの目的のために、平面イオン源１１６（図１Ｂに示す）と流体連通する。図示の例示的実施形態では、バッフル１４６は、分析物ガスポート１４４の流れ領域の幅よりも大きいバッフルスパンを有し、寸法は分析物ガス流１４の半径方向の再方向付けによるイオン化効率の増加が、バッフル１４６による平面イオン源１１６の部分的な陰から生じるイオン化効率の減少よりも重要であるように、バッフル１４６と放射性被覆１４０との間に重なりが生じるように選択され得る。

図５及び図６を参照すると、例示的な実施形態による装置１００内の流体の流れの流れ図が示されている。本出願人は、適切なバッファガス質量流量及び分析物ガス質量流量の選択により、分子及びイオンが、同様のサイズの分光計では不可能であるイオン化効率を提供するのに十分な時間間隔で、放射性被覆１３８の近傍に滞留し得ることを決定した。本出願人は、選択された適切な質量流量で達成可能な延長された滞留時間は、分析物ガス流１４中に存在する比較的多数の分子のイオン化を可能にすると考える。例えば、特定の実施形態では、２ミリ秒から約５００ミリ秒の間の分析物ガス滞留時間を選択することができる。あるいは、特定の実施形態によれば、５００ミリ秒から約２秒の間の分析物ガス滞留時間を選択することができる。さらに、延長された滞留時間は、分析物ガスイオンが分析物のより小さな独特の断片にフラグメント化するのに十分な時間を提供し、これらのフラグメントはイオンドリフトチューブ１１８の内部１０６に入り（シャッタ１３２を通して）、検出器１２０に到着する前に、分析物ガス流１４の識別のための追加情報を提供する。

平面イオン源１１６及びシャッタ１３２は、分析物ガス流１４及びバッファガス流１２が分析物ガスポート１４４及びバッファガスポート１４８を通って導入される分離及びフラグメント化チャンバ１５２を互いに画定する。図５及び図６の等質量流量線に示すように、放射性被覆１４０の近傍でのガス滞留時間は、選択された質量流量によって調整することができ、質量流量の選択は、比較的高い滞留時間、例えばイオン移動度スペクトロメータのドリフト時間の５０倍以上をもたらす。高い滞留時間は、次にイオン化効率が最大化され、その後のイオンフラグメント化に十分な時間が利用可能であることを確実にするが、滞留時間は分析物送達システムの過渡特性を低下させるほど高くはない。

分析物ガス流１４は、比較的高速で分析物ガスポート１４４を通って、分離及びフラグメント化チャンバ１５２の左側から（図面に対して）入る。バッファガス流１２は、分析物ガスポート１４４を通って分析物ガス流１４に対向する向流として、分離及びフラグメント化チャンバ１５２の右側から入る。分析物ガス流１４が平面イオン源１１６の円板体１４２を横断するとき、分析物ガス流１４はバッフル１４６に遭遇し、バッフルは分析物ガス流１４を半径方向外向き（ドリフトチューブ軸１３０に対して）に再方向付けする。半径方向に再方向付けされた分析物ガス流１４が放射性被覆１４０の近傍で半径方向外向きに移動すると、分析物ガス流１４はバッファガス流１２と混合し、混合された分析物ガス流１４及びバッファガス流１２の流速は、分析物ガス流１４の質量流量及びバッファガス流１２の質量流量総計に従って遅くなる。分析物ガスのイオン化及び分析物ガスイオンのフラグメント化は、平面イオン源の近傍で、シャッタと平面イオン源との間で画定された共通のチャンバ内で、分析物イオン及びフラグメントイオンがドリフトチューブに入る前に起こり得ると考えられる。

図５に示すように、毎分１０ミリリットルの総流量では、参照符号Ａで示すように、平面イオン源１１６の近傍で約２秒の滞留時間が達成される。約２秒の滞留時間は、クロマトグラフ分析物発生器（図示せず）が分離した分析物化合物を順次時間的に分離して供給し、後続サンプルの到着前に、それぞれの化合物をイオン化して検出器に送り得るのに十分である。

分析物ガス源がイオン源１０６の近傍で費やす滞留時間は、イオン移動度スペクトロメータへの分析物ガス及び／またはバッファガスの総流量を調整することによって選択されると考えられる。例えば、図６に示すように、総流量を毎分３０ミリリットル（毎分約１液量オンス）に増加させると、図５に示す流量に比べてイオン源１０６の近傍での滞留時間が減少し、これは特定の検出及び分析用途ではより適切であり得る。図６に示す例示的な流れ図では、毎分約５ミリリットルの分析物ガス流１４と毎分約２５ミリリットルのバッファガス流１２とが協働して毎秒約１５ミリメートル（毎秒約０．６インチ）の流量を生成し、総ガス流がバッフルと出口との間でイオン源１０６の表面を横断するときにイオン化及びイオンフラグメント化が起こる。毎秒約１５ミリメートルの速度は、参照符号Ｃで示すように、平面イオン源１１６の近傍で約５００ミリ秒の滞留時間を提供することができる。特に、本出願人は、イオン化効率が、単一ドリフトチューブ２４（図３）を装置１００に採用することができるようであり得ると決定した。このような単一ドリフトチューブは、タンデム型ドリフトチューブ配置と比較してコンパクトさを提供でき、それにより筐体１０４（図２に示される）のサイズを制限し、装置１００の小型化を容易にする。

あるいは、図７に示されるように、本明細書に記載されるような平面イオン源は、タンデム型イオンドリフトチューブ配置２２６において使用され得る。これに関して装置２００が示されている。装置２００は装置１００（図１Ａに示す）と同様であり、平面イオン源２１６、検出器２２０、第１のドリフトチューブ２２２及び第２のドリフトチューブ２２４を含む。平面イオン源２１６、第１のイオンドリフトチューブ２２２、第２のイオンドリフトチューブ２２４及び検出器２２０はそれぞれドリフトチューブ軸２３０に沿って配置され、第２のイオンドリフトチューブ２２４は、第１のイオンドリフトチューブ２２２と検出器２２０との間に軸方向に配置される。本開示に鑑みて当業者には理解されるように、装置２００及びタンデム型ドリフトチューブ配置２２６は、イオンフラグメント化用の追加の容積を介して追加のイオン化効率を提供することができ、装置２００をイオン移動度分光法以外の分光用途に使用できる。

図８を参照すると、イオンをイオン化しフラグメント化するための装置３００が示されている。装置３００は装置１００（図３に示す）と同様であり、さらに平面イオン源３１６を含む。平面イオン源３１６は平面イオン源１１６（図３に示す）と同様であり、さらに隣接している。これに関して、平面イオン源３１６は、円板体３４２の中央に配置された分析物ガスポートを含まない。平面イオン源３１６は、代わりに、平面イオン源３１６の周辺部３５４に配置された周辺分析物ガスポート３４４を有する。本開示に鑑みて当業者には理解されるように、平面イオン源３１６は、平面イオン源１１６と比較してより大きな分析物ガス移動距離を提供し、装置３００の小型化を容易にする。

図９を参照すると、化学剤検出方法４００が示されている。方法４００は、ボックス４１０で示すように、平面イオン源にわたって半径方向に分析物ガスを流すこと、例えば平面イオン源１１６（図３に示す）にわたって分析物ガス流１４（図３に示す）を流すことを含む。同様にボックス４１０で示されるように、分析物ガスは平面イオン源のスパン、例えばスパン１２７を横断すると考えられる。分析物ガス流は、例えば分析物ガスポート１４４（図４に示す）を通して中央に導入することができる。分析物ガス流は、例えば周辺分析物ガスポート３４４（図５に示す）を通して周辺部に導入できることも考えられる。

分析物ガス流が平面イオン源のスパンを横断すると、ボックス４２０で示すように分析物ガス分子がイオン化される。さらに、平面イオン源で比較的長い滞留時間が可能であるため、ボックス４３０で示すように、イオン化された分子の少なくとも一部がフラグメント化される。フラグメント化は、例えば、平面イオン源にわたる分析物ガス流の半径方向に関連する平面イオン源近傍での長期の滞留期間によるものであり得る。ボックス４４０に示すように、分析物ガス分子イオン及び分析物ガス分子フラグメントイオンはその後ドリフトチューブ、例えば単一イオンドリフトチューブ１１８（図３に示す）またはタンデム型ドリフトチューブ配置２２６のタンデム型イオンドリフトチューブ（図７に示す）に入る。ボックス４５０に示すように、ドリフトチューブに入ると、分析物ガス分子イオン及び分析物ガス分子フラグメントは検出器に送られ、分析物分子の組成を示す検出器応答信号、例えば信号２２（図３に示す）を生成する。

イオン移動度スペクトロメータは化学物質用の強力な検出器であり、その小さいサイズ及び低い電力要求のために他の技術に対して特定の利点を提供する。しかしながら、イオン移動度スペクトロメータは小型化されると、一般的に検出能力が低下する。これは典型的には分析される分子のイオン化効率及びイオンフラグメント化の低下、ならびに化学的同定に利用できる情報の対応する減少の結果である。

本明細書に記載の実施形態では、源形状を有する平面イオン源は、小型化された形態で比較的高いイオン化効率をもたらす形状と共に開示される。特定の実施形態では、平面イオン源の形状は平面であり、円筒形平面イオン源などの代替の平面イオン源と比較して、比較的高いイオン化効率を提供する。他のイオン源と比較して、本明細書に記載のイオン源は大きな放射表面積を提供することができる。さらに、分析物及び／またはバッファガス流を減少させて分析物のイオン源への曝露時間を増大させることができ、分析物がイオン源を横断すると比較的多数のイオンが分析物から発生する結果を潜在的にもたらし、検出限界及び生成された情報を改善する。

本明細書に記載の平面イオン源は、このよう生成されたイオンのフラグメント化を増大させることも考えられる。比較的高いイオン化の結果として、分析物の同定のために比較的大量の情報を効率的に提供することができる。特定の実施形態によれば、情報は、化学兵器などにおける化学剤及び化学物質の検出に十分な量及び質で提供され得る。

本開示の方法及びシステムは、上で説明し図面に示したように、平面イオン源、イオンを分離及び分析する装置、及び小型（例えば携帯型）配置での高いイオン化効率を含む優れた特性を有する化学的検出方法を提供する。本開示の装置及び方法が好ましい実施形態を参照して示され説明されてきたが、当業者は、本開示の範囲から逸脱することなく変更及び／または修正がなされ得ることを容易に理解するであろう。

Claims (20)

1. イオンを分離及び分析する装置であって、
   検出器と、
   前記検出器に結合され、幅を有するイオンドリフトチューブと、
   前記検出器に対向する前記イオンドリフトチューブの端部で前記イオンドリフトチューブに結合された平面イオン源であって、前記平面イオン源は前記イオンドリフトチューブの前記幅以上のスパンを有し、前記平面イオン源の近傍で、前記イオンドリフトチューブに入る前に、分析物ガスをイオン化して、分析物ガスイオンをフラグメント化する、前記平面イオン源と
   を備える、装置。
2. 前記平面イオン源は円板体を有する、請求項１に記載の装置。
3. 前記平面イオン源はニッケルから形成され、前記イオンドリフトチューブに面する表面上に設けられた放射性ニッケル被覆を備える、請求項１に記載の装置。
4. 前記平面イオン源は、平面イオン源の中央で前記装置内に分析物ガス流を導入するための、前記中央に配置された分析物ポートを有する、請求項１に記載の装置。
5. 前記平面イオン源と前記検出器との間で前記ドリフトチューブを通って延びる軸に対して分析物ガスを半径方向外向きに向けるために、前記平面イオン源と前記イオンドリフトチューブとの間に配置されたバッフルをさらに備える、請求項１に記載の装置。
6. 前記平面イオン源は、前記平面イオン源の周辺部に配置された分析物ポートを有し、前記平面イオン源の前記周辺部に分析物ガス流を導入する、請求項１に記載の装置。
7. 前記平面イオン源に対向して、バッファガス流を前記装置内に導入するバッファガスポートをさらに備える、請求項１に記載の装置。
8. 前記平面イオン源と前記ドリフトチューブとの間に配置されたシャッタであって、前記シャッタ及び前記平面イオン源が、前記平面イオン源の近傍で、分析物イオン及びフラグメントイオンが前記ドリフトチューブに入る前の、分析物ガスのイオン化及び前記分析物ガスイオンのフラグメント化のための共通のチャンバを互いに画定する、前記シャッタをさらに備える、請求項１に記載の装置。
9. 前記分離チャンバ内の分析物ガス流及びバッファガス流は、前記検出器と前記平面イオン源との間に延びるドリフトセル軸に対して半径方向に向けられる、請求項８に記載の装置。
10. 前記装置内に導入された分析物ガスは、前記イオン源での滞留時間を制御するために、前記平面イオン源の近傍での滞留時間が約５００ミリ秒から約２秒の間である、請求項１に記載の装置。
11. 前記装置が前記検出器と前記平面イオン源との間に配置された単一イオンドリフトチューブのみを含む、請求項１に記載の装置。
12. 前記平面イオン源は約１．５センチメートル（０．６インチ）の幅を有し、前記ドリフトチューブは約３．５センチメートル（約１．４インチ）の長さを有する、請求項１に記載の装置。
13. 前記イオンドリフトチューブは、第１のイオンドリフトチューブであり、かつ第２のイオンドリフトチューブをさらに備え、前記第２のイオンドリフトチューブは前記第１のイオンドリフトチューブと前記検出器との間に配置される、請求項１に記載の装置。
14. 前記ドリフトチューブ、前記平面イオン源及び前記検出器のうちの少なくとも１つを支持する筐体をさらに備え、前記筐体は、ユーザの手の手のひらの中に収まる大きさである、請求項１に記載の装置。
15. 前記平面イオン源と流体連通し、毎分約５ミリリットル（毎分約１液量オンス）のバッファガス流を供給するよう構成されたバッファガスモジュールと、
    前記平面イオン源と流体連通し、毎分約２５ミリリットル（毎分約０．８液量オンス）のバッファガス流を供給するよう構成された分析物ガスモジュールと、
    前記イオンドリフトセルに接続され、前記イオンドリフトセルに約３００ボルト／センチメートルを印加するよう構成された電圧電極と
    をさらに備える、請求項１に記載の装置。
16. 化学的検出器であって、
    内部を有する筐体と、
    前記筐体の前記内部に配置された請求項１に記載されたイオンを分離及び分析する装置と
    を備え、
    前記平面イオン源は約１．５センチメートルの幅を有し、前記ドリフトチューブは約３．５センチメートル（約１．４インチ）の長さを有し、
    前記装置内に導入された分析物ガスは、前記平面イオン源の近傍での滞留時間が約５００ミリ秒であり、
    前記筐体は、ユーザの手の手のひらの中に収まる大きさである、化学的検出器。
17. 化学的検出方法であって、
    検出器と、前記検出器に結合され、幅を有するイオンドリフトチューブと、前記検出器に対向する前記イオンドリフトチューブの端部で前記イオンドリフトチューブに結合された、前記ドリフトチューブの前記幅以上のスパンを有する平面イオン源とを含む、イオンを分離及び分析する装置において、
    前記平面イオン源の前記スパンにわたって分析物ガスを流すことと、
    前記平面イオン源の近傍で前記分析物ガスをイオン化及びフラグメント化することと、
    前記イオン化され、前記フラグメント化された前記分析物ガスを前記ドリフトチューブに入れることと、
    前記イオン化され、前記フラグメント化された前記分析物ガスを前記検出器に送り、前記分析物ガスの組成を示す信号を生成することと
    を含む、化学的検出方法。
18. 分析物ガス流量を選択することによって、前記イオン源における滞留時間を選択することをさらに含む、請求項１７に記載の化学的検出方法。
19. 滞留時間が約２ミリ秒から約５００ミリ秒の間である、請求項１７に記載の化学的検出方法。
20. 滞留時間が約５００ミリ秒から約２秒の間である、請求項１７に記載の化学的検出方法。

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