JP5925806B2 - イオンゲートとイオンモディファイアとの組み合わせ - Google Patents

Description

本発明は、試料中の物質を検出する種類の検出装置に関するものである。本発明は特に、イオン移動度分光計（ＩＭＳ）に関するものであるが、これに限定されるものではない。

イオン移動度分光計は、一般的に大気圧における蒸気又は気体中の化学物質の存在を検出するのに用いられている。ＩＭＳは、コロナ放電又は放射線源のような、試料の化学物質をイオン化させる何らかの手段を有している。ゲートは分子イオンクラスターをドリフト室の一方の端部内に入れるように開放しており、このドリフト室にまたがって電圧が印加されてこれらのイオンクラスターを反対側の端部に向けて移動（ドリフト）させ、この反対側の端部でこれらのイオンクラスターをコレクタ（収集）プレート上に収集させる。これらの分子イオンクラスターにはドーパントイオンを付加させることもできる。ドーパントは、所望の（関心のある）イオンを識別するのに役立つように導入される。分子イオンクラスターがゲートからコレクタプレートまで通過するのに要する時間は、分子イオンクラスターに関する質量、大きさ、形状及び電荷に依存する。この時間を測定することにより、化学的性質を表すことができる。

多くの場合、所望の物質を確実に識別するのは困難である。その理由は、その発生したイオンクラスターの飛行時間が、異なる物質の飛行時間に極めて類似する可能性がある為である。異なる分子イオンクラスター間の識別を改善する種々の構成配置が提案されている。米国特許第６７９７９４３号明細書（この米国特許明細書は、その全体が参考のためにここに導入されるものである）に記載された１つの構成配置には、レーザエネルギー、パイロライザ（熱分解デバイス）、等を用いて分子イオンをフラグメント化（開裂）することが含まれる。イオンクラスターは容器内に蓄積され、これらイオンクラスターはドリフト室に入れられる前にこの容器内でイオンフラグメント化エネルギーにさらされる。この構成配置に対する１つの問題点は、全ての分子イオンクラスターにフラグメント化が行われ、これによりスペクトルに多数のピークを生ぜしめ、従って、分析を極めて困難とするおそれがあるということである。フラグメント化は有効な手段となりうるが、このフラグメント化は、ＩＭＳにより用いられる全エネルギーを高めるおそれがある。

ドーパントは、所望の１つ以上の物質と結合して、識別可能なスペクトルピークが生じるように選択される。この場合、ドーピングしていない試料のスペクトルとドーピングした同じ試料のスペクトルとを比較することにより、異なる位置のピークを明らかにでき、このことは所望の被分析物質を決定するのに役立つように用いることができる。ドーパントは、所望の物質とは異なる容易に識別可能な出力を生じるように、所望の物質と結合しない又は結合するように選択することもできる。

国際公開公報ＷＯ２００６／１１４５８０（この国際公開公報は、その全体が参考のためにここに導入されるものである）には、イオン変更（イオンモディフィケーション）させる装置及び方法が開示されている。この装置には、高電界を加えてフラグメント化のようなイオン変更をイオンに生ぜしめるようにする手段が含まれている。この電界は、この電界内でかなりの割合のイオンをイオン変更させるのに有効な約２ＭHzの高強度のＲＦ電界とすることができる。電界強度は少なくとも10,000Ｖ／cmとすることができ、又数万ボルト／cm程度とすることができる。ＲＦ電界は連続的に加えるか、又はコロナ放電を防止するために１マイクロ秒程度で一気に加えることができる。

これらの電界は、イオン変更を生ぜしめるのに充分なエネルギーをイオンに与えることができる。イオン変更した又はフラグメント化したイオンは、イオン変更していないイオンとは異なる移動度で装置のコレクタプレートに到達し、従ってこれらのイオンは出力スペクトルに互いに異なるピークを生ぜしめる。このことにより、検出装置は同様な移動度を有する２つの異なるイオン間を識別しうるようにする。その理由は、これらのイオンのイオン変更したものは一般に同様な移動度を有さない為である。

米国特許第６７９７９４３号明細書 国際公開公報ＷＯ２００６／１１４５８０

イオン変更は、非ドープ系及びドープ系の双方で生じうる。ドープ系では、２つの効果を生ぜしめることができる。イオン変更処理によれば、イオン自体に如何なる変更をも生ぜしめることなく、イオンからドーパント付加体（アダクト）を除去しうる。その理由は、イオンがイオンモディファイアを殆ど通過する際にこのイオンからドーパント付加体のみが除去され、更なるイオン変更を達成するには不充分な距離しかこのイオンモディファイアに残っていないようにする為である。イオンモディファイア及びこれを越える領域にドーパントが無い場合には、De付加イオンが残りうる。その理由は、この領域にドーパントが有る場合には、再結合が生じる為である。イオン自体のイオン変更を達成するのに充分な時間及びエネルギーがイオンモディファイア領域内で残っている場合には、このイオン自体のイオン変更をも生ぜしめる可能性がある。

本発明によれば、イオン化領域と、２つの電極を有するイオンゲートと、２つの電極を有するイオンモディファイアと、ドリフト室と、コレクタとを具える検出装置において、前記イオンゲートが前記イオンモディファイアの電極のうちの一方の電極を構成するように、前記イオンゲートと前記イオンモディファイアとが組み合わさっていることを特徴とする検出装置を提供する。

一例では、イオンゲートが固定電位電極と可変電位電極とを有するようにする。これらの電極は平行ワイヤの組とするか、ワイヤのメッシュとするか、又はこれらの平行ワイヤの組及びワイヤのメッシュの組み合わせとすることができる。

本発明は、検出装置に用いる、イオンゲートとイオンモディファイアとの組み合わせであって、前記イオンゲートは２つの電極を有しており、これらの電極を通して電流が流されて検出装置内へのイオンの流れを制御するようになっており、前記イオンモディファイアは２つの電極を有しており、これらの電極を経て高周波波形が供給されるようになっているようにした、イオンゲートとイオンモディファイアとの組み合わせにおいて、前記イオンゲートが前記イオンモディファイアの電極のうちの第１の電極を構成していることを特徴とする、イオンゲートとイオンモディファイアとの組み合わせをも提供する。

本発明の例では、イオンゲートとイオンモディファイアの電極のうちの第２の電極との間の距離を１mmよりも短くするか、又は０．７５mmよりも短くするものであり、例えば、０．０５〜０．５mmの範囲内、又は０．１〜０．４mmの範囲内、又は０．１５〜０．３mmの範囲内とすることができる。イオンモディファイアの前記第２の電極はイオンゲートに近接させるのが重要である。

イオンモディファイアの前記第２の電極をイオンゲートに近接させる結果として、イオンモディファイアのこの第２の電極とイオンゲートとがほぼ同時に、例えば、互いに１ミリ秒の範囲内で起動される。

本発明は、試料中の物質を検出する検出方法において、試料を検出装置のイオン化領域に供給し、この試料をイオン化してイオンゲートとイオンモディファイアとの組み合わせに通し、これらイオンゲート及びイオンモディファイアの双方によりドリフト室への試料のイオンの流れを制御するとともに試料内のイオンをフラグメント化し、試料中のフラグメント化されたイオンをドリフト室に沿ってコレクタまで移動させる検出方法をも提供する。

上述したように、イオンゲートとイオンモディファイアとはほぼ同時に、例えば、互いに１ミリ秒の範囲内で起動させることができる。

図１は、検出装置を有するシステムを示す線図である。 図２は、本発明による検出装置を示す線図である。

図１を参照するに、検出装置は細長の管状ハウジング１を有しており、その内部はほぼ大気圧にある。入口部２がこのハウジングの左側端部に向けてイオン化領域３内に開口している。分析すべき試料のガス又は蒸気は通常のようにフィルタ４を介して入口部２に送給される。イオン化領域３は、試料をイオン化するためにコロナ放電ポイント５を有するか、又は放射線源のようなある種の他のイオン化手段を有している。イオンゲート６は、イオンコレクタプレート８が装着されているハウジング１の右側端部まで延在するドリフト室７からイオン化領域３を分離させる。ドリフト室７は、このドリフト室７の長手方向に沿って互いに分離された電極１１〜１５の列を有している。

コレクタプレート８、電極１１〜１５、ゲート６及び放電ポイント５はプロセッサ制御ユニット２０に電気接続されており、このプロセッサ制御ユニットが、検出された物質を表す出力をディスプレイ又はその他の利用ユニット２１に供給する。

ハウジング１の右側端部には入口部３０においてドリフトガスを送給し、このドリフトガスをドリフト室７に沿って右側から左側に、すなわちイオンの流れ方向とは反対方向に流す。このドリフトガスは、ドリフト室７の左側端部で出口部３１を経てこのドリフト室７から排出させる。このドリフトガスは、分子篩３３及びポンプ３４を有するガスシステム３２を介して出口部３１と入口部３０との間を流れる。分子篩３３にはドーパントを入れることができる。

イオン化領域３内で生じるイオンは、ゲート６が開放している場合にドリフト室７の左側端部内に入る。これらのイオンは、電極１１〜１５により加えられる約２５０Ｖcm^-1の比較的低い電界による影響の下でドリフト室７に沿って左側から右側に移動する。移動度が互いに異なるイオンはドリフト室７に沿って通過する際に互いに分離され、従って、これらの異なるイオンが常にドリフト室の異なる領域に存在する。従って、移動度が互いに異なるイオンが異なる時間にコレクタプレート８に到達し、異なる時間でプロセッサ制御ユニット２０に出力ピークを生ぜしめる。

ドリフト室７内には、イオンにフラグメント化のようなイオン変更を生ぜしめる高電界を供給することができる。この電界は、ドリフト室の主軸に沿って互いに分離された２つの電極１３Ａ及び１３Ｂを有する電極１３により供給される。他の実施例では、これらの２つの電極をドリフト室７の直径にまたがる方向で互いに分離させる。更に他の実施例では、イオンモディファイア電極が、ドリフト室の軸線に沿って互いに分離された２つのメッシュ構造を有するようにする。

図１では、これらの電極１３Ａ及び１３Ｂをドリフト室７に沿う中間に示してあるが、これらは、イオン化領域に隣接するようなドリフト室に沿う如何なる個所にも、或いはイオン化領域内に配置することもできる。これらの電極１３Ａ及び１３Ｂは、プロセッサ制御ユニット２０により制御される高電圧ＲＦユニット４０に接続されている。この高電圧ＲＦユニット４０は、電界内のイオンの少なくとも一部、例えば、電界内のかなりの割合のイオンをイオン変更させるのに有効な高強度のＲＦ電界を加えるように動作しうる。ＲＦ電界は連続的に又は一気に加えることができる。この電界は、代表的には、ドリフト管の両側に配置された２組のワイヤ間に加えられる正弦波電界とする。

図２を参照するに、図１と同じ構成要素には図１と同じ参照符号を用いている。この場合、イオンモディファイアは、イオンゲート６と関連して動作するように構成されている電極１８を有しており、この電極は、イオンモディファイアの第２の電極として作用する。電極１８は、イオンモディファイアの第１の電極としても作用するイオンゲート６にできるだけ接近させて配置することができ、ゲート上の電位が正しくなると、荷電イオンはゲートを通過して瞬時に変更又はフラグメント化する。例えば、電極１８は、この電極とイオンゲートとの間でアーク放電しないようにイオンゲート６にできるだけ接近させて配置することができる。

一実施例では、イオンモディファイア電極１８をイオンゲートの下流側に配置する。他の実施例では、イオンモディファイア電極をイオンゲートの上流側に配置する。

イオンゲート６は代表的に、ブラッドベリー・ニールセンシャッタの場合のように二組のインターデジテイテッドパラレルワイヤを以て構成されている。これら二組のワイヤにおける電位が均等化されると、例えば、互いにほぼ等しくされると、イオンはイオンゲートを通過する。これらの電位が相殺されると、イオンの移動方向に対し垂直な電界が形成される。ワイヤに衝突するイオンはイオンゲートを通って伝送されない。一組のワイヤは代表的に固定電位にし、他方のワイヤは可変電位としうる。

図２の装置は、イオンゲート及びイオンモディファイアを形成するのに３つの電極を有している。このように電極の個数を減少させることにより装置の感度を高めることができる。その理由は、電極との衝突により失われるイオンが少なくなる。更に、イオンモディファイアはイオンゲートに隣接している為に、（イオンモディファイアが起動されると）ほぼ全てのイオンを変更させることができる。本例では、イオンがドリフト室内に入るとイオン変更が生じ、上述した構造を有していない装置に比べて装置の感度を高める。

動作中イオンモディファイアが起動されると、正弦波の半分、例えば、ほぼ半分が電極１８に印加され、他の半分がイオンゲート６に印加される。正弦波はイオンゲート６の一方の電極のみに印加させるか、又は双方の電極に印加して、イオンゲート（例えば、ブラッドベリー・ニールセンシャッタ）の電極の固定グリッド及び移動グリッド間にブレークダウンが生じないようにしうる。

試料のアイデンティティを大きな精度及び確実性で同定するのに役立つ大きなフラグメントイオンのピークを発生させることで装置の感度が大きくなる。これらのピークを現存するピークのライブラリーに加えることにより、特定の試料のより詳細な定義をエンドユーザーに与えることができる。

装置は、イオン変更を行わずに、すなわち電極１８をスイッチオフさせたままで動作させるように構成されている。不明瞭な物質を識別する場合、この不明瞭性を解消するために、イオン変更を開始するようにプロセッサ制御ユニット２０を構成することができる。或いはまた、装置をイオン変更電界で動作させ、その後この装置を短期間の間ターンオフさせて物質の決定を確認するようにしうる。

イオンモディファイアをイオンゲートに隣接させることにより、従来の装置の場合に生じるタイミングに関する問題を最小にするか又はこれらの問題を回避させもする。従来技術（図１参照）では、イオン変更電界を、ゲート６の開放後の予め決定した計算時間に開始する必要がある為、選択した移動度範囲内のイオンは、イオン変更電極１３Ａ及び１３Ｂをイオン変更電圧により附勢した際のものとなる。このような動作は、イオン変更を、選択されたイオンのみに限定するのに寄与するものであり、これにより追加のピークをスペクトル上に生ぜしめるのを回避するとともに識別を容易にする。

しかし、イオン変更電界のタイミングは、イオンの大きさ及び速度や、ドリフトガスや、イオンゲートに対するイオンモディファイアの相対位置や、印加する電界や、ドーパントの存在のように試料に依存して変化する可能性がある。本発明は、イオン変更をイオンゲートに隣接させるとともに、イオンゲートをイオンモディファイア中の第２の電極として有するようにすることにより、タイミングに関する問題を最小にするか又は回避するものである。イオンモディファイア電極とイオンゲートとはほぼ同時に、例えば、互いに１ミリ秒の範囲内で起動させることができる。

本発明はＩＭＳ装置との関連で例示的に上述したが、イオンゲートとイオンモディファイアとの組み合わせはＩＭＳ装置以外の如何なる検出装置にも用いうるものである。

Claims (18)

1. イオン化領域と、２つの電極を有するイオンゲートと、２つの電極を有するイオンモディファイアと、ドリフト室と、コレクタとを具える検出装置において、
   前記イオンゲートが前記イオンモディファイアの電極のうちの一方の電極を構成するように、前記イオンゲートと前記イオンモディファイアとが組み合わさっていることを特徴とする検出装置。
2. 請求項１に記載の検出装置において、前記イオンゲートが固定電位電極と可変電位電極とを有している検出装置。
3. 請求項２に記載の検出装置において、前記固定電位電極及び可変電位電極は平行ワイヤの組である検出装置。
4. 請求項２に記載の検出装置において、前記固定電位電極及び可変電位電極は双方ともワイヤのメッシュである検出装置。
5. 請求項２に記載の検出装置において、前記固定電位電極及び可変電位電極は平行ワイヤとワイヤのメッシュとの組み合わせである検出装置。
6. 検出装置に用いる、イオンゲートとイオンモディファイアとの組み合わせであって、前記イオンゲートは２つの電極を有しており、これらの電極を通して電流が流されて検出装置内へのイオンの流れを制御するようになっており、前記イオンモディファイアは２つの電極を有しており、これらの電極を経て高周波波形が供給されるようになっているようにした、イオンゲートとイオンモディファイアとの組み合わせにおいて、
   前記イオンゲートが前記イオンモディファイアの電極のうちの第１の電極を構成していることを特徴とする、イオンゲートとイオンモディファイアとの組み合わせ。
7. 請求項６に記載のイオンゲートとイオンモディファイアとの組み合わせにおいて、前記イオンゲートと前記イオンモディファイアの第２の電極との間の距離が１mmよりも短くなっているイオンゲートとイオンモディファイアとの組み合わせ。
8. 請求項７に記載のイオンゲートとイオンモディファイアとの組み合わせにおいて、前記イオンゲートと前記イオンモディファイアの第２の電極との間の距離が０．７５mmよりも短くなっているイオンゲートとイオンモディファイアとの組み合わせ。
9. 請求項８に記載のイオンゲートとイオンモディファイアとの組み合わせにおいて、前記イオンゲートと前記イオンモディファイアの第２の電極との間の距離が０．０５〜０．５mmの範囲内、又は０．１〜０．４mmの範囲内、又は０．１５〜０．３mmの範囲内であるイオンゲートとイオンモディファイアとの組み合わせ。
10. 請求項６に記載のイオンゲートとイオンモディファイアとの組み合わせにおいて、前記イオンモディファイアの第２の電極は前記イオンゲートとほぼ同時に起動されるようになっているイオンゲートとイオンモディファイアとの組み合わせ。
11. 請求項１０に記載のイオンゲートとイオンモディファイアとの組み合わせにおいて、前記第２電極は前記イオンゲートの起動から１ミリ秒以内で起動されるようになっているイオンゲートとイオンモディファイアとの組み合わせ。
12. 請求項６に記載のイオンゲートとイオンモディファイアとの組み合わせにおいて、前記イオンモディファイア電極は、イオンの流れに対して前記イオンゲートの下流に配置されているイオンゲートとイオンモディファイアとの組み合わせ。
13. 請求項６に記載のイオンゲートとイオンモディファイアとの組み合わせにおいて、前記イオンモディファイア電極は、イオンの流れに対して前記イオンゲートの上流に配置されているイオンゲートとイオンモディファイアとの組み合わせ。
14. ２つの電極を有するイオンゲートと、２つの電極を有するイオンモディファイアとの組み合わせを具える検出装置を動作させる方法であって、該方法は、
    前記イオンゲートの２つの電極の電位を制御することで検出装置内へのイオンの流れを制御するステップと、
    前記イオンモディファイアの２つの電極に電圧波形を供給するステップと、を含み、
    前記イオンゲートが、前記イオンモディファイアの２つの電極のうちの一方の電極を構成することを特徴とする、方法。
15. 請求項１４に記載の方法において、前記電圧波形が、無線周波数波形を含む、方法。
16. 請求項１４に記載の方法において、前記イオンゲートと前記イオンモディファイアとをほぼ同時に起動し、前記イオンモディファイアを前記イオンゲートの起動から１ミリ秒以内で起動する、方法。
17. 請求項１４に記載の方法において、試料を検出装置のイオン化領域に供給し、この試料をイオン化して前記イオンゲートと前記イオンモディファイアとの組み合わせに通し、これらイオンゲート及びイオンモディファイアの双方によりドリフト室への試料のイオンの流れを制御するとともに試料内のイオンをフラグメント化し、試料中のフラグメント化されたイオンを前記ドリフト室に沿ってコレクタまで移動させる、方法。
18. 請求項１７に記載の方法において、
    イオン変更を行わずに前記イオンゲートと前記イオンモディファイアとの組み合わせを動作させるステップと、
    不明瞭性を解消するための不明瞭な物質の識別に基づいて、試料のイオンをフラグメント化するためのイオン変更の開始を決定するステップと、を含む、方法。

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