JP4163556B2 - イオン移動度検出器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオン移動度検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のイオン移動度検出器として、試料分子をイオン化するイオン化室と、イオン化室にてイオン化された試料分子が長手方向に移動するドリフト室と、イオン化された試料分子を収集するための集電極と、集電極に対向して設けられたグリッド電極とを備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
上記グリッド電極には、ドリフト室の長手方向中心軸付近をドリフト室内に形成される電界に概ね垂直に移動するイオン化された試料分子が主として集電極に到達するように、集電極の面積よりも小さい開口面積を有するアパーチャが形成されている。これにより、移動途中にドリフト室の長手方向中心軸に交差する方向に分散し、ドリフト室の長手方向中心軸から離れた軌跡を形成するイオン化された試料分子が集電極に到達するのが阻止され、集電極からの出力に時間的な遅れ成分が含まれるのを防いで、時間分解能が劣化するのを抑制している。
【０００４】
【特許文献１】
米国特許第４７１２００８号明細書
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者等の調査研究の結果、上記特許文献１に記載されたイオン移動度検出器においては、依然として時間分解能が劣化するという問題点を有していることが判明した。
【０００６】
集電極の外周端部近傍で電界の乱れが生じ、この電界の乱れにより、本来なら集電極には到達しないようなイオン化された試料分子（移動途中にドリフト室の長手方向中心軸に交差する方向に分散し、ドリフト室の長手方向中心軸から離れた軌跡を形成するイオン化された試料分子）までもが、集電極とグリッド電極との間隙を通り、集電極を回り込んで到達してしまう惧れがある。このように、イオン化された試料分子が集電極を回り込んで到達すると、集電極からの出力に時間的な遅れ成分が含まれてしまうので、時間分解能が劣化することとなる。
【０００７】
本発明は、時間分解能の劣化を効果的に抑制することが可能なイオン移動度検出器を提供することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るイオン移動度検出器は、イオン化室にてイオン化された試料分子が長手方向に移動するドリフト室と、イオン化された試料分子を収集するための集電極と、を備えたイオン移動度検出器であって、集電極の外周側に設けられ、当該集電極と同電位とされる補助電極を有することを特徴としている。
【０００９】
本発明に係るイオン移動度検出器では、集電極の外周側に、当該集電極と同電位とされる補助電極が設けられているので、移動途中にドリフト室の長手方向中心軸に交差する方向に分散し、当該長手方向中心軸から離れた軌跡を形成するイオン化された試料分子は、集電極に収集されることなく、補助電極に確実に収集されることとなる。これにより、集電極からの出力が時間的な遅れ成分を含むようなことはなく、時間分解能の劣化を効果的に抑制することができる。
【００１０】
また、ドリフト室内におけるイオン化された試料分子の移動方向に見て集電極より前方からドリフトガスをドリフト室内に導入するドリフトガス導入手段を更に有しており、補助電極は、ドリフトガスを透過することが好ましい。このように構成した場合、集電極近傍に存在する中性化された試料分子がイオン化された試料分子の移動方向に見て集電極より前方から導入するドリフトガスにより除去されることとなる。この結果、イオン化された試料分子の集電極への到達が集電極近傍に存在する中性化された試料分子により遅れてしまうことはなく、時間分解能の劣化をより一層抑制することができる。なお、補助電極はドリフトガスを透過するので、上記ドリフトガスの流れを阻害するようなことはない。
【００１１】
また、補助電極は、メッシュ状とされていることが好ましい。このように構成した場合、ドリフトガスを確実に透過し得る構成の補助電極を簡易且つ低コストにて実現することができる。
【００１２】
また、補助電極は、貫通孔を有する板状部材からなることが好ましい。このように構成した場合、ドリフトガスを確実に透過し得る構成の補助電極を簡易且つ低コストにて実現することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態に係るイオン移動度検出器について図面を参照して説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１４】
図１は、本実施形態に係るイオン移動度検出器の構成を説明するための概略斜視図である。図２は、本実施形態に係るイオン移動度検出器を示す縦断面図である。図３は、図２におけるIII−III線に沿った断面図である。図４は、図３におけるIV−IV線に沿った断面図である。イオン移動度検出器ＩＭＳは、図１に示されるように、イオン化室１と、ドリフト室２１とを有している。イオン化室１及びドリフト室２１内の圧力は、大気圧相当である。なお、本実施形態に係るイオン移動度検出器ＩＭＳは、試料分子を陽イオン化し、陽イオン化した試料分子のイオン移動度を検出するものである。
【００１５】
イオン化室１は、図２〜図４に示されるように、両端に開口３ａ，３ｂを有する筒状部材３（本実施形態においては、内周断面形状及び外周断面形状が矩形である角形の筒状部材を用いている。）内に形成されており、試料分子をイオン化する領域である。筒状部材３は、電気絶縁性材料からなる。イオン化室１（筒状部材３の内部空間）は、筒状部材３の一方の開口３ａを通してドリフト室２１に連通している。筒状部材３には、試料導入管５と、真空紫外ランプ７が設けられている。
【００１６】
試料導入管５は、キャリアガスを供給するキャリアガス供給源９及び試料分子を供給する試料分子供給源１１に接続されており、試料導入管５の一端に形成された導入口１３を通してイオン化室１に連通している。キャリアガス供給源９から供給されたキャリアガス及び試料分子供給源１１から供給された試料分子は、混合された状態で、試料導入管５を通ってイオン化室１内に導入される。ここで、試料導入管５は、試料分子をイオン化室１内に導入する試料分子導入手段として機能する。なお、本実施形態において、キャリアガス供給源９と試料分子供給源１１とは試料導入管５に対して直列に接続されているが、並列に接続されていてもよい。
【００１７】
真空紫外ランプ７は、試料導入管５を通してイオン化室１に導入された試料分子に真空紫外光を照射する。真空紫外光が照射された試料分子は、イオン化されることとなる。ここで、真空紫外ランプ７は、イオン化室１に導入された試料分子にエネルギー線を照射するエネルギー線照射手段として機能する。なお、真空紫外ランプ７としては、希ガス等を利用するエキシマランプやキャピラリ放電管、水素放電ランプを用いることができる。また、真空紫外ランプ７の代わりに、紫外線やＸ線を放出するＤ２ランプ、軟Ｘ線管や、多光子吸収によってイオン化させることができるＵＶレーザを用いることができる。
【００１８】
真空紫外ランプ７による真空紫外光の照射方向と試料導入管５を通した試料分子の導入方向とは、図１にも示されるように、互いに交差（本実施形態においては、直交）すると共に、ドリフト室２１の長手方向中心軸Ｌと交差（本実施形態においては、直交）する方向に設定されている。なお、本実施形態においては、真空紫外ランプ７による真空紫外光の照射方向、試料導入管５を通した試料分子の導入方向、及び、ドリフト室２１の長手方向中心軸Ｌは一点で交差している。
【００１９】
筒状部材３には、試料導入管５を通した試料分子の導入方向で見て導入口１３と対向する位置に、導入された試料分子を排出するための排出口１５が形成されている。イオン化室１は、排出口１５を通して外部空間に連通している。
【００２０】
筒状部材３の他方の開口３ｂは、電子捕集電極１７により塞がれている。この電子捕集電極１７は、試料分子がイオン化される際に発生する電子を捕集するためのものであり、所定の正の電位が印加されている。電子捕集電極１７には、筒状部材３の他方の開口３ｂに内挿される突出部１９が形成されている。
【００２１】
ドリフト室２１は、図２〜図４に示されるように、ドリフト管２３内に形成されており、一端側がイオン化室１に連通し、イオン化室１内でイオン化された試料分子がその長手方向に移動する領域である。ドリフト管２３は、複数のリング状の電極２５と、複数のリング状の電気絶縁体２７とを含んでおり、電極２５と電気絶縁体２７が交互に積層された構成となっている。即ち、電極２５と電極２５との間に電気絶縁体２７が配置され、電極２５と電極２５とは電気絶縁体２７により電気的に絶縁された状態にある。電極２５及び電気絶縁体２７は、ドリフト室２１内にイオン化された試料分子を移動させるための電界を形成する電界形成手段として機能する。
【００２２】
ドリフト管２３の一端側には、ゲートシャッターとしてのゲート電極３１が設けられている。ゲート電極３１としては、ブラッドバリー−ニールセン・シャッター（Bradbury-Nielsen shutter）を用いることができる。ゲート電極３１は、印加される電位が変化することによりイオン化された試料分子を通過させるものであり、一対の電極３１ａと電気絶縁性を有する枠部材３２とを含んでいる。各電極３１ａは、基幹部と当該基幹部から交差する方向に伸びる複数の分岐部とを有した櫛歯形状を呈しており、枠部材３２に互いに噛み合うように配置されている。上記一対の電極３１ａ間の電位差を０とすることにより、イオン化された試料分子の通過が許容され、当該電位差を０より大きい所定の値とすることにより、イオン化された試料分子の通過が禁止される。したがって、ゲート電極３１にパルス状の信号を供給し、所定の時間、一対の電極３１ａ間の電位差を０とすることにより、当該所定の時間だけイオン化された試料分子がゲート電極３１を通過することとなる。ゲート電極３１により、イオン化室１とドリフト室２１とが分離されることとなる。ゲート電極３１には、電位を印加するためのリード部３３がドリフト管２３の径方向に突出して設けられている。
【００２３】
ゲート電極３１と筒状部材３との間には、略円板状の電極３５が配置されている。電極３５は、ドリフト管２３を構成する電極２５と同様の形状を有する外周部３７と、当該外周部３７から内側方向に伸びる基部３９とを有している。基部３９には、筒状部材３の一方の開口３ａに連通する開口３９ａと、当該開口３９ａの外周寄りの位置に形成されたガス放出口３９ｂが形成されている。外周部３７にも、ガス放出口３７ａが形成されている。ドリフト室２１（ドリフト管２３の内部空間）は、電極３５の基部３９に形成された開口３９ａ及び筒状部材３の一方の開口３ａを通して、イオン化室１に連通している。また、ドリフト室２１（ドリフト管２３の内部空間）は、ガス放出口３７ａ，３９ｂを通して、外部空間に連通している。
【００２４】
ドリフト管２３の他端側には、図５にも示されるように、導電性の基板４３が設けられている。基板４３には、イオン化された試料分子を収集するための集電極４５（本実施形態においては、アノードとして機能する。）と、ドリフトガスをドリフト室２１内に導入するドリフトガス導入管４７が配置されている。図５は、本実施形態に係るイオン移動度検出器に含まれる基板周辺を示す断面図である。
【００２５】
集電極４５は、円板状の部材であり、基板４３に電気絶縁性を有するリング状の部材４６を介して設けられた支持部材にネジ止めされることにより、基板４３に配置されている。リング状の部材４６以外に集電極４５を基板４３と電気的に絶縁する手段としては、集電極４５のリード部をガラス等の電気絶縁材料で封着したり、Ｏリング止めをしたりしてもよい。集電極４５としては、ファラデー・カップ等を用いることができる。集電極４５は、その中心軸がドリフト室２１の長手方向中心軸Ｌと一致するように設けられている。集電極４５の電位は、基板４３と同じ電位に保たれている。
【００２６】
ドリフトガス導入管４７は、ドリフトガスを供給するドリフトガス供給源５１に接続されており、ドリフトガス導入管４７の一端に形成された導入口４９を通してドリフト室２１の他端側に連通している。ドリフトガス供給源５１から供給されたドリフトガスは、ドリフトガス導入管４７を通り、ドリフト室２１内におけるイオン化された試料分子の移動方向に見て集電極４５より前方からドリフト室２１内に導入される。即ち、集電極４５は、ドリフトガスの流れ方向で見て、ドリフトガス導入管４７の導入口４９よりも下流に位置している。ドリフト室２１内に導入されたドリフトガスは、ドリフト室２１内をイオン化室１方向に向かって流れ、ガス放出口３７ａ，３９ｂから外部に排出される。ドリフト室２１内におけるドリフトガスの流れ方向と、イオン化された試料分子の移動方向とは、反対方向となる。
【００２７】
ドリフト室２１の他端側には、メッシュ形状を呈したグリッド電極５３が集電極４５に対向して設けられている。このグリッド電極５３は、電極２５のうちの最も基板４３に近い電極に電気的に接続されており、当該電極と同じ電位とされている。グリッド電極５３は、ドリフト室２１内に形成される電界がゲート電極３１における電位のパルス状の変化により変動するのを抑制する。
【００２８】
集電極４５の外周側には、補助電極５５が配置されている。補助電極５５は、図６に示されるように、板状部材からなり、その中央部に集電極４５の直径よりも若干大きい内径を有する開口５７が形成されている。補助電極５５は、開口５７内に集電極４５が位置するように、集電極４５と同一平面内に設けられている。補助電極５５の外周部分は、基板４３と接しており、当該基板４３と電気的に接続されている。これにより、補助電極５５の電位は、基板４３と同じ電位に保たれる。また、補助電極５５の電位は、集電極４５の電位と同である。
【００２９】
補助電極５５には、複数の貫通孔５５ａが形成されている。ドリフトガス導入管４７の導入口４９から導入されるドリフトガスは、まず、基板４３と補助電極５５及び集電極４５とで画成される空間内に流入する。その後、ドリフトガスは、補助電極５５に形成された貫通孔５５ａ、及び、補助電極５５の内周と集電極４５の外周との間隙を通って、ドリフト室２１内を流れていく。基板４３と補助電極５５及び集電極４５とで画成される空間は、ドリフトガスのバッファ領域として機能する。
【００３０】
なお、補助電極５５は、貫通孔５５ａを有する板状部材の他に、図７に示されるように、メッシュ状の部材としてもよい。
【００３１】
電極２５，３５、電気絶縁体２７、ゲート電極３１、筒状部材３及び電子捕集電極１７は、基板４３と抑え板５９とで挟持されている。抑え板５９は、電極２５、電気絶縁体２７、ゲート電極３１、筒状部材３及び電子捕集電極１７を挟持した状態で、一端側が基板４３に固定された支柱６１の他端側に螺合するナット６３により基板４３に対して固定される。なお、電子捕集電極１７は、抑え板５９にネジ止めされている。
【００３２】
ところで、基板４３、電極２５，３５及び電子捕集電極１７は、隣り合うもの同士が分圧抵抗（図示せず）により電気的に接続されている。分圧抵抗は、ブリーダ回路基板６５上に形成された薄膜状の抵抗体であり、導電性を有するネジ６７を通して基板４３、電極２５，３５及び電子捕集電極１７に電気的に接続される。このネジ６７は、ブリーダ回路基板６５を固定する機能も有している。そして、上述したように、電子捕集電極１７に所定の正の電位を印加し、基板４３を接地すると、図８に示されるように、イオン化室１からドリフト室２１にわたって、電界が形成される。この電界により、イオン化された試料分子は、イオン化室１からドリフト室２１に移動し、ドリフト室２１内を集電極４５に向けて移動する。なお、図８は、イオン化室及びドリフト室における電界分布とイオン化された試料分子の移動軌跡を示す図である。図８中、実線はイオン化された試料分子の移動軌跡を示し、一点鎖線はイオン化室１及びドリフト室２１における電界電界の等電位面を示している。また、各電極２５等に設定されている電位（＋）はそれぞれ、
電子捕集電極１７ ：２．１ｋＶ
電極３５ ：１．６７ｋＶ
ゲート電極３１ ：１．５７ｋＶ
ゲート電極３１の隣の電極２５ ：１．５１２ｋＶ
…
グリッド電極５３が電気的に接続された電極２５の隣の電極２５：２１５Ｖ
グリッド電極５３が電気的に接続された電極２５ ：５３Ｖ
基板４３ ：０Ｖ
である。
【００３３】
筒状部材３と電極３５との間には、メッシュ状電極６９が配置されている。メッシュ状電極６９は、筒状部材３と電極３５とで挟持されており、電極３５と同じ電位とされる。このメッシュ状電極６９は、筒状部材３の一方の開口３ａ近傍に位置することとなり、イオン化室１内に形成される電界がゲート電極３１における電位のパルス状の変化により変動するのを抑制する。
【００３４】
続いて、上述した構成を有するイオン移動度検出器ＩＭＳの測定原理を簡単に説明する。イオン化室１にてイオン化された試料分子（以下、単にイオンと称する）を、ゲート電極３１にパルス状の電圧を印加して電位を変化させることで、ドリフト室２１内に導入する。ドリフト室２１に導入されたパルス状のイオン群は、ドリフトガス導入管４７より導入されたドリフトガスの分子の影響を受けることで時間的遅れを持って移動し、ドリフト室２１内に形成されたほぼ均一の電界に沿って集電極４５に到達する。集電極４５に到達したイオン群はパルス状の電気信号として出力され、当該電気信号に基づいて、ゲート電極３１から集電極４５までの到達時間（飛行時間（ＴＯＦ）、集電極４５に到達したイオン群の量等が検出される。上記到達時間からイオン移動度を求めることができ、試料分子の同定が可能となる。また、電気信号の応答波形の積分値もしくはピーク値から、試料分子の定量が可能となる。
【００３５】
以上のように、本実施形態においては、集電極４５の外周側に、当該集電極４５と同電位とされる補助電極５５が設けられているので、移動途中にドリフト室２１の長手方向中心軸Ｌに交差する方向に分散し、当該長手方向中心軸Ｌから離れた軌跡を形成するイオン化された試料分子は、集電極４５に収集されることなく、補助電極５５に確実に収集されることとなる。これにより、集電極４５からの出力が時間的な遅れ成分を含むようなことはなく、イオン移動度検出器ＩＭＳの時間分解能の劣化を効果的に抑制することができる。
【００３６】
また、本実施形態においては、ドリフト室２１内におけるイオン化された試料分子の移動方向に見て集電極４５より前方からドリフトガスをドリフト室２１内に導入するドリフトガス導入管４７を更に有しており、補助電極５５は、ドリフトガスを透過する。これにより、集電極４５近傍に存在する中性化された試料分子がイオン化された試料分子の移動方向に見て集電極４５より前方から導入するドリフトガスにより除去されることとなる。この結果、イオン化された試料分子の集電極４５への到達が集電極４５近傍に存在する中性化された試料分子により遅れてしまうことはなく、イオン移動度検出器ＩＭＳ時間分解能の劣化をより一層抑制することができる。なお、補助電極５５はドリフトガスを透過するので、上記ドリフトガスの流れを阻害するようなことはない。
【００３７】
また、本実施形態において、補助電極５５は、メッシュ状とされている。これにより、ドリフトガスを確実に透過し得る構成の補助電極５５を簡易且つ低コストにて実現することができる。
【００３８】
また、本実施形態において、補助電極５５は、貫通孔５５ａを有する板状部材からなる。これにより、ドリフトガスを確実に透過し得る構成の補助電極５５を簡易且つ低コストにて実現することができる。
【００３９】
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。例えば、イオン化室１に導入された試料分子をイオン化するための手段は、上述した真空紫外ランプ７等のエネルギー線照射手段に限られることなく、試料分子にイオン化エネルギーを与えるものであればよい。
【００４０】
また、本実施形態においては、本発明を、試料分子を陽イオン化し、陽イオン化した試料分子のイオン移動度を検出するイオン移動度検出器ＩＭＳに適用しているが、これに限られることなく、試料分子を陰イオン化し、陰イオン化した試料分子のイオン移動度を検出するイオン移動度検出器にも本発明を適用することができる。陰イオン化した試料分子のイオン移動度を検出するイオン移動度検出器の場合、電位配置は、上記イオン移動度検出器ＩＭＳの電位配置とは逆の関係になる。また、ＧＮＤ（接地）の位置は、任意に設定することができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、時間分解能の劣化を効果的に抑制することが可能なイオン移動度検出器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係るイオン移動度検出器の構成を説明するための概略斜視図である。
【図２】本実施形態に係るイオン移動度検出器を示す縦断面図である。
【図３】図２におけるIII−III線に沿った断面図である。
【図４】図３におけるIV−IV線に沿った断面図である。
【図５】本実施形態に係るイオン移動度検出器に含まれる基板周辺を示す断面図である。
【図６】本実施形態に係るイオン移動度検出器に含まれる補助電極の一例を説明するための斜視図である。
【図７】本実施形態に係るイオン移動度検出器に含まれる補助電極の一例を説明するための斜視図である。
【図８】イオン化室及びドリフト室における電界分布とイオン化された試料分子の移動軌跡を示す図である。
【符号の説明】
１…イオン化室、３…筒状部材、５…試料導入管、７…真空紫外ランプ、１７…電子捕集電極、２１…ドリフト室、２３…ドリフト管、２５…電極、２７…電気絶縁体、３１…ゲート電極、３５…電極、４３…基板、４５…集電極、４７…ドリフトガス導入管、５３…グリッド電極、５５…補助電極、５５ａ…貫通孔、６５…ブリーダ回路基板、６９…メッシュ状電極、ＩＭＳ…イオン移動度検出器、Ｌ…ドリフト室の長手方向中心軸。

Claims (4)

1. イオン化室にてイオン化された試料分子が長手方向に移動するドリフト室と、前記イオン化された試料分子を収集するための集電極と、を備えたイオン移動度検出器であって、
   前記集電極の外周側に設けられ、当該集電極と同電位とされる補助電極を有することを特徴とするイオン移動度検出器。
2. 前記ドリフト室内における前記イオン化された試料分子の移動方向に見て前記集電極より前方からドリフトガスを前記ドリフト室内に導入するドリフトガス導入手段を更に有しており、
   前記補助電極は、前記ドリフトガスを透過することを特徴とする請求項１に記載のイオン移動度検出器。
3. 前記補助電極は、メッシュ状とされていることを特徴とする請求項２に記載のイオン移動度検出器。
4. 前記補助電極は、貫通孔を有する板状部材からなることを特徴とする請求項２に記載のイオン移動度検出器。

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