JP5094520B2 - イオンフィルタ、質量分析システムおよびイオン移動度分光計 - Google Patents

Description

本発明は、気相において所定範囲のイオン移動度を有するイオンを分離して透過させる技術に関する。特に、質量分析またはイオン移動度分析のための分離透過技術に関する。

大気圧下でイオンを生成し、質量分析を行う大気圧化学イオン化質量分析法は、気相中の微量の成分物質をリアルタイムまたは即時に検出することができるため、爆薬や有毒ガス、環境汚染物質等の探知に用いられる。この大気圧化学イオン化質量分析法を用いて化学兵器剤を検出するリアルタイムモニタリング装置がある（例えば、特許文献１参照。）。このリアルタイムモニタリング装置では、コロナ放電部（イオン化部）に導入した大気の成分物質を、化学イオン化によりイオン化し、質量分析計内部に取り込み、検出器で検出することにより質量分析を行う。

大気圧化学イオン化質量分析法は、イオン化効率が高く多量のイオンを生成できる利点がある。しかし、生成したイオンを導入する質量分析計のイオン導入口は、質量分析計内部を高真空に維持するために内径０．１ｍｍ程度の細孔が用いられる。このため、イオン間のクーロン反発により細孔に導入できるイオン量が制約される。従って、種々雑多のあるいは多量の夾雑物イオンが生成されると、検出対象の化学兵器剤のイオンの、細孔に導入される割合が低下し、結果的に化学兵器剤を検知できないという擬陰性が生じる場合がある。このような問題を解決するには、イオン化部と質量分析計のイオン導入口との間にイオンフィルタを配置して、検出対象外の不要イオンを排除する方法が有効である。

大気圧下で動作するイオンフィルタとして、気相中でのイオン移動度の相違に基づいてイオンを空間的に分離するイオンフィルタがある（例えば、非特許文献１、特許文献２参照。）。非特許文献１に開示のイオンフィルタは、ｆｉｅｌｄ ａｓｙｍｍｅｔｒｙ ｉｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙの原理に基づくものであり、イオンを含むガスを一対の電極間に流通させ、気流に直交する方向に周波数１ＭＨｚ程度で数ｋＶ／ｍｍ程度の電場を印加することにより、気流中のイオンのうち所定のイオン移動度を有するイオンを選択的に通過させる。また、特許文献２に開示のイオンフィルタは、ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｉｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙの原理に基づくイオンの分級装置である。この装置では、１対の電極間にキャリヤガスを流し、一方の電極近傍にイオンを含んだガスを導入する。１対の電極間には静電場が形成されており、イオンはキャリヤガスの流れ方向に進行しながら対向する電極に向かって移動し、そのイオン移動度に応じた位置で電極に到達する。電極の一部に開口部を設けることにより、所定のイオン移動度を有するイオンを分離して取り出す。

特開２００４−２８６６４８号公報 特開２００４−３０１５６５号公報 Ｒ．Ａ． Ｍｉｌｌｅｒ，ｅｔ ａｌ．Ａ ＭＥＭＳ ｒａｄｉｏ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｏｎ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ ｆｏｒ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ／ Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ａ ９１（２００１）３０１−３１２

非特許文献１に開示されている装置は、電極間隔が０．５〜１ｍｍ程度であるため多量のイオンを通すことができない。電極間隔を拡げると電極間隔に比例して電圧を増加する必要があるため、装置が大型かつ高価となる。特許文献２に開示の装置は比較的低電圧の直流電源で動作するという点において非特許文献１のイオンフィルタに比べて簡素である。しかしながら、その構造上、装置内部を移動する間にイオンが次第に拡散するため、選択性が制限される。選択性を上げるためにイオン導入部の幅を狭くすると、多量のイオンを流せなくなり、一方、イオン導入部の幅を狭める代わりに電極間隔を拡げると、装置を大型化しなければならない。このように、イオン移動度の相違に基づいてイオンを空間的に分離するイオンフィルタでは、供給イオン量、分離精度、小型化の全てを満足させることは難しい。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、大気圧またはそれに近い圧力の気相中において、検出対象のイオンを簡素な構成で分離して効率よく後段の装置に導入する技術を提供し、後段の装置における検出精度を高めることを目的とする。

本発明は、フィルタの形状による気流と電極間の電位との相互作用によって、所定のイオン移動度のイオンを流路中心部に集めて透過させる。気流の向きと電場の向きとを対向させ、気流の流速と電場の大きさとのバランスを制御することによってイオンの移動方向を制御し、所望のイオン移動度を有するイオンのみ透過させる。

例えば、イオン源で生成されたイオンを含有する気体が流れる流路を備えるイオンフィルタであって、前記流路の気体の流入部近傍の入口電位は、前記流路の気体の流出部近傍の出口電位より高電位に設定され、前記流路は、前記流路内の気流が前記入口電位と前記出口電位とにより形成される電場の向きと対向する方向に向くよう、流路断面積が当該流路の他の部分より狭い領域である狭領域を備え、所望のイオン移動度の範囲のイオンが前記流路を透過するよう前記気流の流速と前記入口電位と前記出口電位とが調整されていることを特徴とするイオンフィルタを提供する。

大気圧またはそれに近い圧力の気相中において、検出対象のイオンを簡素な構成で分離し、効率よく後段の装置に導入することができるため、検出器における検出精度が高まる。

＜＜第一の実施形態＞＞
以下、本発明を適用する第一の実施形態を図面を用いて説明する。各実施形態において、同一機能のものには同一の符号を付す。

図１は、本実施形態のイオンフィルタ１２０を備える質量分析装置１００の概略構成図である。質量分析装置１００は、イオンフィルタ１２０の他に、コロナ放電部１１０と、質量分析部１３０と、流路内のガスの流れを生成する送風機９および排気管８と、各部の電極に電位を印加する電源１０とを備える。これらの構成により、本実施形態の質量分析装置１００は、大気などの試料ガスを吸引し、コロナ放電部１１０において試料ガス中の成分を化学イオン化の原理に基づいてイオン化し、イオンフィルタ１２０を通して所定の範囲のイオン移動度を有するイオンを選択的に質量分析部１３０に導入し、質量分析部１３０において質量分析を行う。

コロナ放電部１１０は、上述のように試料ガス中の成分をイオン化し、イオンフィルタ１２０を介して質量分析部１３０に供給するもので、試料導入配管１３と、放電針１と、対向電極２とを備える。試料ガスは、試料導入配管１３からコロナ放電部１１０に導入され、放電針１と対向電極２とを通過する。試料ガス中の成分は、コロナ放電部１１０およびその近傍においてイオン化される。

質量分析部１３０は、イオンフィルタ１２０を介して導入されるイオンの質量を分析するもので、イオン導入口である細孔６と、フランジ７と、イオンを検出して質量分析を行う質量分析計（不図示）と、を備える。

イオンフィルタ１２０は、コロナ放電部１１０の下流側かつ質量分析部１３０の上流側に配置され、コロナ放電部１１０から供給されたイオンの中から、気流と電場とにより所定範囲のイオン移動度を有するイオンを選択的に通過させ、質量分析部１３０に供給する。本実施形態のイオンフィルタ１２０では、気流の向きと電場の向きとを対向させ、気流の流速と電場の大きさのバランスによりイオンの移動方向を制御し、所望のイオン移動度を有するイオンのみ透過させる。これを実現するため、イオンフィルタ１２０は、流路断面積が下流側に向かって漸次減少する前段領域４１と、その下流側に流路断面積が下流側に向かって漸次増加する後段領域４２とを有する砂時計型流路４と、前段領域４１の入口付近に配置した入口電極３と、後段領域４２の出口付近に配置した出口電極５とを備える。また、砂時計型流路４の内壁は電極（以下、中間電極４０と呼ぶ。）である。なお、本明細書において、気流の向きとは気流の上流側から下流側に向かう方向であり、電場の向きとは高電位から低電位に向かう方向を指す。

本実施形態のイオンフィルタ１２０の砂時計型流路４は、上述の形状を有し、前段領域４１では、砂時計型流路４の流路断面積が流れ方向に漸次減少するため、砂時計型流路４の内壁（流路内壁）から砂時計型流路４の中心部（流路中心部）に向かう気流が発生する。また、後段領域４２では、流路断面積が流れ方向に漸次増加するので、流路中心部から流路内壁に向かう気流が発生する。

なお、本実施形態では、イオンフィルタ１２０内の気流を一様で理想形に近いものとするため、本実施形態の質量分析装置１００は、以下のように構成される。
（ａ）砂時計型流路４は、流路の中心軸１２に関して回転対象形とする。
（ｂ）後段領域４２は、前段領域４１と中心軸１２に垂直な面について面対称の形状とする。
（ｃ）砂時計型流路４を流れる試料ガスの速度分布が中心軸１２に関して回転対称となるよう試料を導入する。
（ｄ）試料導入配管１３の断面形状は、試料ガスのスムーズな流れを妨げないよう、少なくとも砂時計型流路４の入口付近では砂時計型流路４の入口の形状に一致する。
（ｅ）放電針１は、試料ガスの流れを大きく乱すことのないよう、配管の側壁から配管内部に挿入し、先端を折り曲げて対向電極２に対置させる。
（ｆ）対向電極２、入口電極３および出口電極５は、流れの均質化を妨げないよう、均等に配置される同一形状の穴を全面に有するメッシュ電極とする。
（ｇ）砂時計型流路４の下流部では、均質な流れを乱さないよう、排気管８の内径と同程度になるまで配管の断面形状を漸次減少させる。
（ｈ）細孔６は外径１ｍｍ程度のキャピラリ形状とする。

一方、上記気流の向きと対向する向きに電場を形成するため、各電位は以下のように設定される。まず、イオンをコロナ放電部１１０からイオンフィルタ１２０を経て質量分析部１３０に供給するため、イオンフィルタ１２０内の電位は、コロナ放電部１１０より低電位に、また、質量分析部１３０のイオン導入口より高電位に設定される。さらに、イオンフィルタ１２０内では、中間電極４０は入口電極３より低電位に、出口電極５より高電位に設定される。すなわち、放電針１、対向電極２、入口電極３、中間電極４０、出口電極５および細孔６の電位を、それぞれ、Ｖ１、Ｖ２、Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、Ｖ３とすると、これらは、Ｖ１＞Ｖ２＞Ｖａ＞Ｖｂ＞Ｖｃ＞Ｖ３の関係に設定される。なお、電位Ｖは、単位電荷あたりの静電エネルギー（仕事）である。

さらに、入口電極３および出口電極５の形状は、図１には平坦な形状で示されているが、円錐形とする。これは、入口電極３と中間電極４０（砂時計型流路４の内壁）との間、および、中間電極４０と出口電極５との間に比較的均一な電位分布を形成するためである。これらを円錐形とした場合の、砂時計型流路４内部の電位分布（等電位線）を図２に示す。本図に示すように、入口電極３および出口電極５は、流路内壁の形状に沿って、頂点を流路中心に向けて配置される。このため、本図に示すように、前段領域４１では砂時計型流路４の中心部（流路中心部）から砂時計型流路４の内壁（流路内壁）に向かう電場成分が形成され、後段領域４２では流路内壁から流路中心部へ向かう電場成分が形成される。

また、本実施形態のイオンフィルタ１２０では、入口電極３と中間電極４０との電位差ΔＶ１と、中間電極４０と出口電極５との電位差ΔＶ２とを、ΔＶ１＜ΔＶ２と設定する。なお、前段領域４１の内壁電位と後段領域４２の内壁電位は一致している必要はなく、中間電極４０を前段領域部と後段領域部に分割し、前段領域から後段領域へ所定のイオンが透過できるよう電位設定する構成としてもよい。

以下、上述のように構成した本実施形態のイオンフィルタ１２０が所定のイオン移動度の範囲のイオンのみ透過させる原理を説明する。

イオン移動度は、電場によりイオンが移動する時の移動のし易さを示す指標である。電場の大きさをＥ（Ｖ／ｍ）、イオン移動度をＫ（ｍ^２／（Ｖ・ｓ））、イオンの速度をｖ_Ｅ（ｍ／ｓ）とすると、ｖ_Ｅ＝ＫＥの関係がある。すなわち、イオン移動度が大きいイオンほど、速い速度で、電場の向きに移動する。一方、気流による流速をｖ_Ｃとすると、気流内のイオンは、他の力が働かなければ、この速度で、気流の流れ方向に移動する。すなわち、気流の流速が一定ならば、気流によるイオンの移動速度はイオンの種類に拠らず一定である。

このため、本実施形態の砂時計型流路４内のように、気流の向きと、電場の向きとが対向する場合、特定のイオン移動度（カットオフ値と呼ぶ。）Ｋ_０より大きいイオンは、電場の影響を気流より大きく受け、電場の方向に移動する。一方、イオン移動度がカットオフ値Ｋ_０以下のイオンは、気流の影響を電場の影響より大きく受け、気流の向きに移動する。なお、カットオフ値Ｋ_０は、電場Ｅの大きさと、気流の流量（流速）ｖ_Cとに依存する。流速ｖ_ｃが一定の環境で電場Ｅが大きくなれば、カットオフ値Ｋ_０は小さくなる。一方、電場Ｅが一定の環境で流速ｖ_ｃが大きくなれば、カットオフ値Ｋ_０は大きくなる。

前段領域４１では、上述のように、流路中心部から流路内壁に向かう電場が形成される。一方、流路内壁から流路中心部へ向かう気流が発生する。従って、前段領域４１におけるカットオフ値（前段カットオフ値と呼ぶ。）をＫ_１とすると、Ｋ_１より大きなイオン移動度を有するイオン（図１のイオンａ）は、気流による影響より電場の影響を大きく受け、流路内壁から流路中心部へ向かう気流に逆らって、流路中心部から流路内壁へ向かい、流路内壁に到達して消滅する。一方、前段カットオフ値Ｋ_１以下のイオン移動度を有するイオン（図１のイオンｂおよびイオンｃ）は、電場の影響より気流の影響を大きく受け、気流に押されて流路中心部に収束し、後段領域４２へ導入される。すなわち、イオン移動度がＫ_１以下のイオンが、前段領域４１を透過する。なお、前段カットオフ値Ｋ_１は、流路を流れる気体の流量が一定の場合、前段領域の電場、すなわち、入口電極３と中間電極４０との電位差ΔＶ１が大きくなれば、小さくなる。一方、電位差ΔＶ１が一定の場合、流路を流れる気体の流量が大きくなれば、大きくなる。

後段領域４２では、上述のように、流路内壁から流路中心部へ向かう電場が形成される。一方、流路中心部から流路内壁へ向かう気流が発生する。従って、後段領域４２におけるカットオフ値（後段カットオフ値と呼ぶ。）をＫ_２とすると、Ｋ_２以下のイオン移動度を有するイオン（図１のイオンｃ）は、電場の影響より気流の影響を大きく受け、気流に押されて流路内壁に向かって移動する。一方、後段カットオフ値Ｋ_２よりも大きなイオン移動度を有するイオン（図１のイオンｂ）は、気流による影響より電場の影響を大きく受け、流路中心部から流路内壁へ向かう気流に逆らって流路中心部に留まり、質量分析部１３０のイオン導入口である細孔６に吸い込まれる。すなわち、イオン移動度が後段カットオフ値Ｋ_２より大きなイオンが、後段領域４２を透過する。後段領域４２においても、後段カットオフ値Ｋ_２は、流路内の気体の流量が一定の場合、後段領域の電場、すなわち、中間電極４０と出口電極５との電位差ΔＶ２が大きくなれば、小さくなる。一方、電位差ΔＶ２が一定の場合、流路内の気体の流量が大きくなれば、大きくなる。

上述のように、本実施形態のイオンフィルタ１２０では、砂時計型流路４の前段領域４１と後段領域４２とは面対称な形状とし、流路内を流れる気体の流量を固定して使用する。この場合、電位差ΔＶ１と電位差ΔＶ２とは、ΔＶ１＜ΔＶ２と設定される。流量固定の環境では、電場Ｅが大きくなれば、カットオフ値Ｋ_０は小さくなるため、後段カットオフ値Ｋ_２は前段カットオフ値Ｋ_１より小さくなる（Ｋ_１＞Ｋ_２）。よって、イオン移動度ＫがＫ_２より大きく、Ｋ_１以下の範囲（Ｋ_２＜Ｋ≦Ｋ_１）のイオンのみが本実施形態のイオンフィルタ１２０を透過する。このときの、イオンフィルタ１２０を透過するイオンのイオン移動度の範囲を図３に示す。ここで、透過するイオンのイオン移動度の範囲を帯域と呼ぶ。

なお、本実施形態のイオンフィルタ１２０は、帯域を任意に変更することができる。以下、帯域を変更する手法について説明する。

上述のように、前段カットオフ値Ｋ_１および後段カットオフ値Ｋ_２は、気体の流量と電位差とに依存する。両カットオフ値は、前段領域４１および後段領域４２それぞれの形状にも影響を受けるが、本実施形態では、両形状は固定されているため、ここでは考慮しない。また、本実施形態の砂時計型流路４内の試料ガスの流れは送風機９により生成される。しかし、コロナ放電部１１０のイオン化効率や放電の安定性が試料ガスの流量に依存するため、通常は試料ガスの流量は最適値付近に固定される。従って、本実施形態のイオンフィルタ１２０の帯域は、入口電極３、中間電極４０および出口電極５に印加する電位を変化させ、電位差ΔＶ１および電位差ΔＶ２を変化させることにより行う。このような操作を電位走査と呼ぶ。本実施形態では、帯域の幅はΔＶ２−ΔＶ１で定まるため、この帯域の幅を一定に保ちながら、電位走査を行い、帯域の変更を行う。

帯域変更は、電位差ΔＶ１よび電位差ΔＶ２を同量（α）変化させることにより実現する。図４は、イオンフィルタ１２０の電位走査を説明するための図である。本図において、横軸は、イオンフィルタ１２０の流路方向の位置を示し、縦軸は、電位を示す。出口電極５の電位Ｖｃは固定する。また、入口電極３および中間電極４０の電位の初期値をＶａ_０およびＶｂ_０とし、初期のΔＶ１およびΔＶ２をΔＶ１_０およびΔＶ２_０とすると、Ｖａ＝ΔＶ１_０＋α、Ｖｂ＝ΔＶ２_０＋αとし、αの値を走査することにより行う。なお、ΔＶ１_０＝Ｖａ_０−Ｖｂ_０、ΔＶ２_０＝Ｖｂ_０−Ｖｃである。

図５に、αとイオンフィルタ１２０を透過するイオンのイオン移動度との関係を模式的に示す。すなわち、電位走査による帯域の変化の様子を示す。横軸にα、縦軸にαの値の変化に応じてイオンフィルタ１２０を通過したイオンの信号量を示す。ここでは、イオン移動度の大きな順に、イオンａ、イオンｂ、イオンｃである。本図に示すように、本実施形態のイオンフィルタ１２０では、αの値を増加させて前段領域４１および後段領域４２の電位差を増大させると、イオンフィルタ１２０を透過するイオンのイオン移動度は小さくなる。このように、本実施形態のイオンフィルタ１２０では、αの値を変化させることにより、所望のイオン移動度の範囲のイオンを透過させることができる。

帯域の変更ための電位走査は、例えば、本実施形態の質量分析装置１００に演算装置からなる制御部を設け、制御部により行うよう構成してもよい。

以上説明したように、本実施形態のイオンフィルタ１２０は、イオンを含むガスの流れ方向に沿って流路断面積が漸次減少する前段領域４１と、その下流側に流路断面積が漸次増加する後段領域４２とを有する砂時計型流路４を備える。前段領域４１の入口付近に配置した入口電極３と砂時計型流路４の内壁との間および砂時計型流路４の内壁と後段領域４２の出口付近に配置した出口電極５との間に電位差を設ける。この電位差は、前段領域４１では流路中心部から流路内壁に向かってイオンをドリフトさせる電場成分を形成し、後段領域４２では流路内壁から流路中心部へイオンをドリフトさせる電場成分を形成するよう与えられる。また、前段領域４１では流路内壁から流路中心部に向かう気流が生成され、前述の電場成分との関係で、所定の値（Ｋ_１）以下のイオン移動度を有するイオンは、気流に押されて流路中心部に収束するが、所定の値（Ｋ_１）よりも大きなイオン移動度を有するイオンは流路内壁に衝突して消滅する。一方、後段領域４２では、流路中心部から流路内壁に向かう気流が生成されるため、所定の値（Ｋ_２）よりも大きなイオン移動度を有するイオンは流路中心部に収束するが、所定の値（Ｋ_２）以下のイオン移動度を有するイオンは気流に押されて流路内壁に向かって進行する。

従って、本実施形態のイオンフィルタ１２０によれば、所定範囲のイオン移動度（Ｋ_２＜Ｋ≦Ｋ_１）を有するイオンを選択的に透過させることができる。また、透過させるイオン移動度の範囲は、入口電極３、中間電極４０および出口電極５の各電位を調整することにより設定できる。

従って、このようなイオンフィルタ１２０の後段領域４２の出口付近の流路中心部に質量分析部１３０の質量分析計へのイオン導入口である細孔６を配置することにより、所望の範囲のイオン移動度を有するイオンを選択的に質量分析計に導入することができ、質量分析計における検出精度を高めることができる。また、測定対象外であるイオンの大半を系外へ排除することができるため、質量分析計のイオン導入口におけるイオン間のクーロン反発が減少し、測定対象イオンを効率よく質量分析部１３０へ導入することができる。その結果、検出感度および検量線の直線性が向上し、測定対象物質が存在するのに検知できないという擬陰性の発生率が減少する。

なお、質量分析部１３０としては、四重極型、イオントラップ型、飛行時間型、磁場型、イオンサイクロトロン型などいずれの方式のものであっても上述の効果は発揮される。

また、本実施形態では、コロナ放電部１１０において、イオン化方式としてコロナ放電を用いる大気圧化学イオン化を採用しているが、放射線源を用いる大気圧化学イオン化、光イオン化など他のイオン化方式を用いても同様の効果が得られる。例えば、図６に示すように、複数の放電針１を配置して複数のコロナ放電部を設けたマルチイオン源により、より多量のイオンを生成するよう構成してもよい。

本実施形態のイオンフィルタ１２０によれば、流路中心部から離れた位置において生成されたイオンであっても、所定の値よりもイオン移動度の小さいイオン（イオンｂおよびイオンｃ）は、流路中心部から流路内壁へ向かう電場に逆らい流路内壁から流路中心部へ向かう気流に押され、図中に実線で示すような経路をたどって流路中心部へと収束する。一方、所定の値よりもイオン移動度の大きなイオン（イオンａ）は図中に破線で示したような経路をたどって流路内壁に衝突し、消滅する。例えば、試料ガスが大気である場合、酸素、水あるいは窒素酸化物などのイオンが多量に生成される。これらの低分子イオンはイオン移動度が大きいので、砂時計型流路４の前段領域４１で排除される。一方、爆薬や毒ガス、環境汚染物質などの多くは分子量が比較的大きく、従ってイオン移動度が小さい。そのため、本実施形態のイオンフィルタ１２０により、これらは、酸素や水、窒素酸化物など大気中に存在する多量の低分子物質から効率よく分離される。すなわち、マルチイオン源により多量のイオンを生成させても検出対象物質イオンを効率よく質量分析計に導入できる。その結果、検出対象物質の検出感度が向上する。

以上説明したように、本実施形態のイオンフィルタ１２０によれば、その流路の中で、不要イオン、すなわち所定の範囲外のイオン移動度を有するイオンが次第に排除され、所定の範囲のイオン移動度を有するイオンのみが流路中心部に集束される。従って、流路中心に集束されるイオンのイオン移動度を、検出対象物質のイオン移動度に設定しておけば、種々雑多の多量のイオンのうちから検出対象物質のイオンを効率よく、下流に配置される質量分析計の検出器に導入することができる。本実施形態のイオンフィルタ１２０は、イオンを含む試料ガスの流れ方向に断面積が漸次減少し、次に漸次増加する砂時計型の形状と、その入り口側から出口側に向かう静電場を形成するだけの簡素な構成により、所定の範囲のイオン移動度を有するイオンを分離して質量分析計内の検出器に導くことを実現できる。また、流路入口の内径が大きいために多量のイオンを導入することができる。

なお、本実施形態のイオンフィルタ１２０の前段領域４１は、流路断面積が漸次減少する形状を有する場合を例にあげて説明しているが、前段領域４１の形状はこれに限られない。電場成分の向きと異なる方向に気流が発生するよう、例えば、途中で流路断面積が増えることがなく、かつ、出口側の流路断面積が入口側の流路断面積より小さくなるよう構成されていればよい。後段領域４２の形状も同様で、途中で流路断面積が減ることがなく、かつ、下流の出口側の流路断面積が入口側の流路断面積より大きくなるよう構成されていればよい。また、前段領域４１と後段領域４２とが面対称でなくてもよい。ただし、この場合、気流の状態が前段領域４１と後段領域４２とで変わるため、Ｋ_１＞Ｋ_２とするための設定電位は、形状に応じて変更される。

また、上記実施形態の質量分析装置１００では、イオンフィルタ１２０の砂時計型流路４は、前段領域４１のみ有する構成であってもよい。図７に、イオンフィルタ１２０が前段領域４１のみ有する場合の質量分析装置１００の概略構成図を示す。上述のように、前段領域４１では、前段カットオフ値Ｋ_１よりも大きなイオン移動度を有するイオン（イオンａ）が排除される。例えば、試料ガスが大気である場合、酸素、水あるいは窒素酸化物などのイオンが多量に生成される。これらの低分子イオンはイオン移動度が大きいので、前段領域４１で排除される。一方、爆薬や毒ガス、環境汚染物質などの検出対象物質の多くは分子量が比較的大きく、従ってイオン移動度が小さい。そのため、このような場合、前段領域４１のみ有する構成であっても、前段領域４１により酸素や水、窒素酸化物など大気中に存在する多量の低分子イオンから検出対象物質イオンを効率よく分離して質量分析部１３０に導入できる。マルチイオン源により多量のイオンを生成させても検出対象物質イオンを効率よく質量分析部１３０に導入できる。その結果、検出対象物質の検出感度が向上する。

さらに、上記実施形態のイオンフィルタ１２０の砂時計型流路４は、後段領域４２のみ有する構成であってもよい。図８に、イオンフィルタ１２０が後段領域４２のみ有する場合の質量分析装置１００の概略構成図を示す。上述のように、後段領域４２では、後段カットオフ値Ｋ_２よりも小さなイオン移動度を有するイオン（イオンｃ）が排除される。試料ガス中に油や排気ガスなど比較的分子量の大きな夾雑物が存在する場合、これらの物質が質量分析部１３０内に進入して内部に付着すると質量分析部１３０の性能が次第に低下する。従って、これらを排除できないと、質量分析部１３０の分解清掃が高頻度で必要となる。本構成のイオンフィルタ１２０では、後段領域４２において比較的分子量の大きな物質のイオンが排除されるため、質量分析部１３０内部の汚染の進行が遅くなり、メンテナンスの頻度が低下する。

＜＜第二の実施形態＞＞
次に、本発明を適用する第二の実施形態を図面を用いて説明する。本実施形態では、第一の実施形態のイオンフィルタ１２０を、イオン移動度分光計のイオン分離部に用いる。なお、以下の説明では、第一の実施形態と同じ構成については、同じ番号を付す。

図９に本実施形態のイオン移動度分光計２００の概略構成図を示す。本実施形態のイオン移動度分光計２００は、コロナ放電部１１０と、イオンフィルタ１２０と、イオン検出部２３０と、流路内のガスの流れを生成する送風機９および排気管（不図示）と、各部の電極に電位を印加する電源１０とを備え、試料ガスを吸引し、コロナ放電部１１０において試料ガス中の成分物質をイオン化し、イオンフィルタ１２０により所定の範囲のイオン移動度を有するイオンを分離し、分離したイオンをイオン検出部２３０の検出器に衝突させ、イオン検出部２３０において検出器を流れる電流を計測することによってイオンを検出する。

本実施形態のコロナ放電部１１０と、イオンフィルタ１２０の構成およびフィルタとして動作させるための設定電位は、第一の実施形態の質量分析装置１００の場合と同じであるため、説明を省略する。なお、図９では、放電針１を複数有する場合を図示する。

イオン検出部２３０は、検出器２２と電流計２１とを備える。検出器２２は直径数ｍｍ程度の円盤状の金属板であり、イオンフィルタ１２０の出口電極５の近傍の流路中心部に配置される。検出器２２は絶縁被覆された導線２３により電流計２１に接続される。

第一の実施形態で説明したように、イオンフィルタ１２０の入口電極３、中間電極４０、出口電極５への印加電圧を変化させることにより、イオンフィルタ１２０の帯域、すなわち、イオンフィルタ１２０を透過するイオンのイオン移動度の範囲を変化させることができる。本実施形態では、イオンフィルタ１２０の各電極への印加電圧を変化させながら、検出器２２を流れる電流を電流計２１で測定する。イオン検出部２３０では、イオンフィルタ１２０の帯域、すなわち、イオンフィルタ１２０を透過したイオンのイオン移動度と、検出器２２で検出したイオン量とを対応づけて記録する。これにより、イオン移動度毎のイオン量、すなわち、イオン移動度スペクトルを取得することができる。なお、イオンフィルタ１２０の帯域を変化させるための印加電圧は、第一の実施形態で説明したように、αを変化させることにより変化させる。

なお、電圧は、手動で変化させてもよいし、例えば、演算装置などからなる制御部を備え、制御部により制御するよう構成してもよい。イオン検出部２３０では、制御部による電圧の制御に応じて、イオンフィルタ１２０を透過したイオンのイオン移動度を判別し、検出したイオン量と対応づけて記録する。

以上説明したように、本実施形態によれば、簡素な構成で、多量のイオンのうちから検出対象物質のイオンを効率よく分離して検出器に入射させることができるため、高感度の携帯型検知器を実現することができる。

以上説明したように、上記各実施形態によれば、化学物質の分離分析装置として大気中の有害物質等の検知器などに利用される質量分析計またはイオン移動度分光計を、高い分析精度を保ちつつ簡易な構成で実現できる。

本発明の実施形態のイオンフィルタを使用する質量分析装置の概略構成図である。 本発明の実施形態のイオンフィルタ内部の電位分布を説明するための図である。 本発明の実施形態のイオンフィルタの帯域を説明するための図である。 本発明の実施形態のイオンフィルタの電位走査を説明するための図である。 本発明の実施形態のイオンフィルタの電位走査による帯域変化の模式図である。 本発明の実施形態の質量分析装置の複数のコロナ放電部を有する場合の概略構成図である。 本発明の実施形態の質量分析装置の別の例を示す概略構成図である。 本発明の実施形態の質量分析装置の別の例を示す概略構成図である。 本発明の実施形態のイオンフィルタを使用するイオン移動度分光計の概略構成図である。

符号の説明

１：放電針、２；対向電極、３：入口電極、４：砂時計型流路、５：出口電極、６：細孔、７：フランジ、８：排気管、９：送風機、１０：電源、１２：中心軸、１３：試料導入配管、２１：電流計、２２：検出器、２３：導線、４０：中間電極、４１：前段領域、４２：後段領域、１００；質量分析装置、１１０：コロナ放電部、１２０：イオンフィルタ、１３０：質量分析部、２００：イオン移動度分光計、２３０：イオン検出部

Claims (12)

1. イオンを含有する気体が流れる流路と、
   前記流路の内部に電極と、を備え、
   前記流路は、断面積が変化するとともに内壁に電位が印加された断面積変化領域を有し、
   前記流路の上流側から下流側に前記イオンを移動させるよう前記電極と前記断面積変化領域との間に電位差が設定され、所定のイオン移動度を有するイオンを、前記断面積変化領域の内壁方向に移動させて排除すること
   を特徴とするイオンフィルタ。
2. 請求項１記載のイオンフィルタであって、
   前記断面積変化領域は、前記上流側から前記下流側にかけて漸次断面積が減少する断面積減少領域であって、
   前記電極は、前記断面積減少領域の前記上流側に配置され、
   所定のイオン移動度に満たないイオンを、前記断面積減少領域の内壁方向に移動させて排除すること
   を特徴とするイオンフィルタ。
3. 請求項１記載のイオンフィルタであって、
   前記断面積変化領域は、前記上流側から前記下流側にかけて漸次断面積が増加する断面積増加領域であって、
   前記電極は、前記断面積増加領域の前記下流側に配置され、
   所定のイオン移動度を超えるイオンを、前記断面積増加領域の内壁方向に移動させて排除すること
   を特徴とするイオンフィルタ。
4. 請求項１記載のイオンフィルタであって、
   前記断面積変化領域は、前記上流側から前記下流側にかけて漸次断面積が減少した後に漸次断面積が増加する砂時計型領域であって、
   前記電極は、
   前記砂時計型領域の前記上流側に配置される入口電極と、
   前記砂時計型領域の前記下流側に配置される出口電極と、を備え、
   前記入口電極および前記出口電極には、それぞれ、独立して電位が印加され、
   所定のイオン移動度を超えるイオンと、所定のイオン移動度に満たないイオンとを、前記砂時計型領域の内壁方向に移動させて排除すること
   を特徴とするイオンフィルタ。
5. 請求項１記載のイオンフィルタであって、
   前記断面積変化領域は、中心軸を有する回転対称形であること
   を特徴とするイオンフィルタ。
6. 請求項１記載のイオンフィルタであって、
   前記電極は網目形状であること
   を特徴とするイオンフィルタ。
7. 請求項４記載のイオンフィルタであって、
   前記砂時計型領域は、面対称形状であって、
   前記入口電極と前記砂時計型領域との電位差は、前記砂時計型領域と前記出口電極との電位差より小さく設定されること
   を特徴とするイオンフィルタ。
8. イオン源と、
   前記イオン源にて生成されたイオンのうち、所定のイオン移動度を有するイオンを排除する請求項１から７いずれか１項記載のイオンフィルタと、
   前記イオンフィルタを透過したイオンを質量分析する質量分析計と、を備えること
   を特徴とする質量分析システム。
9. 請求項８記載の質量分析システムであって、
   前記イオン源は、複数のコロナ放電部を備えること
   を特徴とする質量分析システム。
10. イオン源と、
    前記イオン源にて生成されたイオンのうち、所定のイオン移動度を有するイオンを排除する請求項４記載のイオンフィルタと、
    前記イオンフィルタを透過したイオンを検出するイオン検出器と、を備えること
    を特徴とするイオン移動度分光計。
11. 請求項１０記載のイオン移動度分光計であって、前記入口電極と前記砂時計型領域との電位差および前記砂時計型領域と前記出口電極との電位差を変化させることによって、前記イオンフィルタを透過するイオンのイオン移動度の範囲を変化させること
    を特徴とするイオン移動度分光計。
12. 請求項１０記載のイオン移動度分光計であって、
    前記イオン源は、複数のコロナ放電部を備えること
    を特徴とするイオン移動度分光計。

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