JP7139224B2 - 分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、分析装置に関する。

特許文献１に記載の検出システムは、イオン化源と、イオン・フィルタと、電子コントローラとを備える。イオン化源は、試料をイオン化する。イオン化源は、イオン・フィルタの上流に配置される。電子コントローラは、イオン・フィルタを通過するイオンの流路を制御する。イオン化源は、コロナ放電、紫外線照射方式又は放射線源を有する。

特開２０１１－７７０５４号公報

しかし、イオン化源として放射線源が用いられる場合、放射性物質特有の注意、及び管理が必要になる。従って、試料をイオン化するために煩雑な作業を要する。

本発明は、試料を容易にイオン化することができる分析装置を提供することを目的としている。

本発明の第１の局面によれば、分析装置は、イオン化部と、イオン分離部と、イオン検出部とを備える。イオン化部は、試料成分由来のイオンを生成する。イオン分離部は、前記イオンの移動度に応じて前記イオンを分離する。イオン検出部は、前記イオン分離部を通過したイオンを検出する。前記イオン化部は、反応室と、電子放出素子とを含む。反応室には、試料が導入される。電子放出素子は、前記反応室に電子を放出する。

本発明によれば、試料を容易にイオン化することができる。

分析装置の第１実施形態を示す模式図である。 分析装置の第１実施形態の一部拡大図である。 分散電圧発生部から発生する分散電圧のプロファイルの一例を示す図である。 補償電圧発生部から発生する補償電圧のプロファイルの一例を示す図である。 電子放出素子を示す概略図である。 分析装置の第２実施形態を示す模式図である。 分析装置の第３実施形態を示す模式図である。 分析装置の第４実施形態を示す模式図である。 分析装置の第４実施形態の一部拡大図である。 分析装置の第５実施形態を示す模式図である。 中間層の変形例を示す図である。 分析装置の第６実施形態を示す模式図である。 （ａ）は、ケーシングの内部の湿度と、電子放出素子から放出される電子の量との関係を示すグラフである。（ｂ）は、ケーシングの内部の湿度と、電子放出素子から放出される電子の量との関係を示す表である。 制御部の動作を示すフロー図である。

本発明の実施形態である分析装置１００について、図面を参照しながら説明する。なお、図中、同一又は相当部分については同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。

［第１実施形態］
図１、及び図２を参照して、分析装置１００の第１実施形態について説明する。図１は、分析装置１００の第１実施形態を示す模式図である。図２は、分析装置１００の一部拡大図である。

図１及び図２に示すように、分析装置１００は、試料をイオン化し、イオン化した試料を検出するＩＭＳ（Ｉｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）装置である。

第１実施形態の分析装置１００は、フィールド非対称式イオン移動度検出（ＦＡＩＭＳ：Ｆｉｅｌｄ Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｉｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）装置である。以下では、フィールド非対称式イオン移動度検出装置のことを、ＦＡＩＭＳと記載することがある。

試料は、気相中でイオン化できる分子であればよい。試料は、例えば、電子親和力が正の化合物、化学剤、麻薬、覚せい剤、有機化合物（例えば、有機則の対象となる有機溶剤）、農薬、又は環境物質を示す。化学剤は、例えば、神経ガス、びらん剤、窒息剤、血液剤、くしゃみ剤、及び催涙剤のような化学兵器用剤、又は化学兵器用剤に類似した化合物を示す。

分析装置１００は、案内部１０と、試料入口部１１と、第１キャリアガス入口部１２と、第２キャリアガス入口部１３と、試料導入部５４と、キャリアガス導入部５５とを含む。

案内部１０は、管状に形成される。案内部１０の内部には、移動方向Ｘに沿って延びるイオンの移動経路が形成される。イオンは、試料をイオン化することにより生成される試料由来のイオンを示す。移動方向Ｘは、反応室２１からイオン検出部４０に向かって移動するイオンの移動方向を示す。なお、反応室２１及びイオン検出部４０については後述する。案内部１０の形状は、管状に限定されない。案内部１０は、中空の形状を有していればよい。案内部１０は、本発明のケーシングの一例である。

試料入口部１１、第１キャリアガス入口部１２、及び第２キャリアガス入口部１３の各々は、案内部１０の内部に通じる開口部である。試料入口部１１は、案内部１０のうち移動方向Ｘの最も上流に形成される。第１キャリアガス入口部１２、及び第２キャリアガス入口部１３の各々は、案内部１０のうち移動方向Ｘの中途部に形成される。第１キャリアガス入口部１２は、第２キャリアガス入口部１３よりも移動方向Ｘの上流に位置する。

試料導入部５４は、試料入口部１１に接続され、試料入口部１１を介して案内部１０の内部に試料を導入する。試料導入部５４には、気体の試料、又は、加熱によって気化された試料が導入される。

キャリアガス導入部５５は、第１キャリアガス入口部１２、及び第２キャリアガス入口部１３の各々に接続され、第１キャリアガス入口部１２、及び第２キャリアガス入口部１３の各々を介して案内部１０の内部にキャリアガスを導入する。キャリアガスは、移動方向Ｘの下流に向かって案内部１０の内部を移動する。

キャリアガスは、試料を含まないガスを示す。キャリアガスは、例えば、雰囲気よりも乾燥した乾燥空気である。この場合、例えば、乾燥機能を有するフィルターが第１キャリアガス入口部１２、及び第２キャリアガス入口部１３の各々に設けられる。そして、案内部１０の外気がフィルターを通過することで、乾燥空気が生成される。その結果、乾燥空気であるキャリアガスが、第１キャリアガス入口部１２、及び第２キャリアガス入口部１３の各々を介して案内部１０の内部に導入される。乾燥機能を有するフィルターは、例えば、モレキュラーシーブのような乾燥剤を含むフィルターを示す。なお、フィルターは、乾燥機能のみならず、清浄機能をさらに有していてもよい。この場合、案内部１０の内部には、不純物が低減されると共に、雰囲気よりも乾燥した清浄乾燥空気が導入される。

なお、第１キャリアガス入口部１２、及び第２キャリアガス入口部１３のうちの少なくとも１つしか存在しなくてもよい。

また、第１キャリアガス入口部１２、及び第２キャリアガス入口部１３の両方が存在しなくてもよい。この場合、試料とキャリアガスとの各々は、試料入口部１１を介して案内部１０の内部に導入される。また、この場合、試料入口部１１に対し、試料導入部５４及びキャリアガス導入部５５の各々が接続される。

分析装置１００は、イオン化部２０をさらに含む。イオン化部２０は、試料をイオン化することで、試料成分由来のイオンを生成する。試料成分由来のイオンは、イオン化された試料を示す。

イオン化部２０は、反応室２１と、電子放出素子２２と、対向電極２３とを含む。イオン化部２０は、試料入口部１１に対し移動方向Ｘの下流に位置する。イオン化部２０は、第１キャリアガス入口部１２と第２キャリアガス入口部１３との間に位置する。

電子放出素子２２は、電圧が印加されることで電子を放出する素子を示す。電子放出素子２２と対向電極２３とは、幅方向Ｙに沿って互いに間隔を空けて配置される。幅方向Ｙは、移動方向Ｘに対し垂直な方向を示す。電子放出素子２２と対向電極２３との各々は、電子放出素子２２と対向電極２３との各々の周りからの放電を防ぐように絶縁されている。電子放出素子２２と対向電極２３との間には、反応室２１が位置する。

反応室２１は、案内部１０の内部に位置する空所である。反応室２１は、試料入口部１１に対し移動方向Ｘの下流に配置される。従って、試料導入部５４は、試料入口部１１を介して反応室２１に試料を導入することができる。

また、反応室２１は、第１キャリアガス入口部１２に対し移動方向Ｘの下流に配置される。従って、キャリアガス導入部５５は、第１キャリアガス入口部１２を介して反応室２１にキャリアガスを導入することができる。

電子放出素子２２は、大気圧の空所に電子を放出可能である。電子放出素子２２は、反応室２１に電子を放出する。電子放出素子２２と対向電極２３との間に電圧が印加されると、電子放出素子２２が対向電極２３に向けて電子を放出する。そして、反応室２１において、電子が、幅方向Ｙに沿いつつ、対向電極２３に向かって移動する。

分析装置１００は、電源部５３をさらに含む。

電源部５３は、電子放出素子２２と対向電極２３とに接続される。電源部５３は、電子放出素子２２と対向電極２３との間に電圧を印加することで、電子放出素子２２から反応室２１を介して対向電極２３に向けて電子を放出させる。電源部５３は、対向電極２３の電位が電子放出素子２２の電位よりも高くなるように、電子放出素子２２と対向電極２３との間に電圧を印加する。

以上、図１、及び図２を参照して説明したように、試料入口部１１を介して案内部１０の内部に流入した試料は、反応室２１に導入される。そして、反応室２１では、電子放出素子２２から放出された電子が分子である試料に付着する。この場合、電子付着現象により電子が試料に付着する。そして、電子が試料に付着すると、試料がイオン化される。その結果、試料由来のイオンが生成される。第１実施形態では、反応室２１で負イオンが生成される。なお、反応室２１で正イオンが生成されてもよい。

また、分析装置１００は、電子放出素子２２を用いて試料由来のイオンを生成する。従って、分析装置１００は、放射線源を用いることなく、イオンを生成できる。その結果、放射性物質特有の注意、及び管理を要することなく、試料を容易にイオン化することができる。

また、分析装置１００は、電子放出素子２２を用いることで、コロナ放電を用いることなくイオンを生成できる。従って、オゾンの発生を抑制でき、オゾンにより試料のイオン化が阻害されることを抑制することができる。その結果、試料を容易にイオン化することができる。

また、試料をイオン化するためのイオン化源として電子放出素子２２を用いることで、イオン化部２０の装置構成を簡素化できる。その結果、分析装置１００の電源を小型化することができる。

また、イオン化源として電子放出素子２２を用いることで、イオン化源として放射線源、又はコロナ放電を用いる場合に比べ、分析装置１００の電源を小型化することができる。その結果、分析装置１００を小型化することができる。また、分析装置１００としてＦＡＩＭＳを用いることで、分析装置１００をより小型化することができる。

なお、反応室２１の湿度が高すぎると、反応室２１において、反応室２１中の雰囲気の水分を電子が捕獲し、さらに、試料が水分を吸収しやすくなる。その結果、試料のイオン化が阻害されるおそれがある。そこで、キャリアガス導入部５５が反応室２１に所定の湿度のキャリアガスを導入してもよい。その結果、反応室２１の湿度を調整できるので、試料のイオン化が阻害されることを抑制できる。なお、例えば、負イオンのような、湿度に対し鈍感なイオンを反応室２１で生成する場合、所定の湿度は、１０％以下の湿度を示す。これに対し、例えば、正イオンのような、湿度に対して敏感なイオンを反応室２１で生成する場合、所定の湿度は、１％以下の湿度を示す。なお、所定の湿度は、好ましくは、露点０度以下になるような湿度を示す。

なお、反応室２１に所定の湿度のキャリアガスを導入する構成は、後述する第２実施形態から第６実施形態でも採用することができる。

なお、キャリアガス導入部５５が反応室２１に導入するキャリアガスの温度は、所定の温度であることが好ましい。所定の温度は、反応室２１の雰囲気の温度よりも高温であり、例えば、５０℃以上である。その結果、反応室２１の湿度を効果的に低下させることができ、試料のイオン化が阻害されることを効果的に抑制できる。なお、反応室２１に導入されるキャリアガスの温度が所定の温度である構成は、後述する第２実施形態から第６実施形態でも採用することができる。

また、第１実施形態では、分析装置１００は、試料から負イオンを生成し、負イオンを用いて試料を分析する。従って、負イオンを用いることで、低エネルギーの電子で試料をイオン化することが可能になる。また、低エネルギーの電子を用いるので、試料をイオン化する際、試料の分解を抑えることが可能になる。また、負イオンは、正イオンよりも湿度の影響を受けにくくいので、負イオンを安定して生成することが可能になる。

次に、図１～図４を参照して、分析装置１００についてさらに説明する。

図１及び図２に示すように、分析装置１００は、フィールド非対象方式のイオン分離部３０をさらに含む。

イオン分離部３０は、イオンの移動度に応じてイオンを分離する。イオン分離部３０は、イオン化部２０に対し移動方向Ｘの下流に配置される。また、イオン分離部３０は、第２キャリアガス入口部１３に対し移動方向Ｘの下流に配置される。

イオン分離部３０は、フィールド非対称イオン移動部３１と、第１電極３２と、第２電極３３と、分散電圧発生部５１と、補償電圧発生部５２とを含む。

第１電極３２と第２電極３３とは、幅方向Ｙに沿って互いに間隔を空けて配置される。第１電極３２と第２電極３３との間隔は、例えば、０．００１ｍｍ以上、２ｍｍ以下である。第１電極３２と第２電極３３との移動方向Ｘの寸法は、例えば、０．１ｍｍ以上、３０ｍｍ以下である。第１電極３２と第２電極３３との間には、フィールド非対称イオン移動部３１が位置する。

フィールド非対称イオン移動部３１は、案内部１０の内部に位置する空所である。フィールド非対称イオン移動部３１は、反応室２１に対し移動方向Ｘの下流に配置される。フィールド非対称イオン移動部３１は、第１電極３２と第２電極３３との間に位置する。フィールド非対称イオン移動部３１は、本発明のイオン移動部の一例である。

反応室２１で生成されたイオンは、キャリアガスと共に、フィールド非対称イオン移動部３１に向けて移動する。なお、反応室２１で生成されたイオンは、反応室２１とフィールド非対称イオン移動部３１との電位差による電位勾配により、フィールド非対称イオン移動部３１に向けて移動してもよい。また、反応室２１で生成されたイオンは、キャリアガス、及び電位勾配により、フィールド非対称イオン移動部３１に向けて移動してもよい。

分散電圧発生部５１は、交流電圧電源を含む。分散電圧発生部５１は、高周波電圧を重ね合わせた分散電圧（ＤＶ）を生成する。そして、分散電圧発生部５１は、第２電極３３に分散電圧を印加することにより、第１電極３２と第２電極３３との間に高周波電場を印加する。

反応室２１で生成されたイオンは、フィールド非対称イオン移動部３１に到達する。そして、イオンは、フィールド非対称イオン移動部３１を移動する際、分散電圧による移動度の変化によって揺れ動く。その結果、イオンの移動方向が変化する。

図３は、分散電圧発生部５１から発生する分散電圧のプロファイルの一例を示す図である。

図３に示すように、分散電圧は、高電圧（プラス電圧）と低電圧（マイナス電圧）とを一定期間ずつ繰り返ように印加される。また、分散電圧の波形の一周期において、分散電圧の平均値が０Ｖになるように、分散電圧が印加される。また、分散電圧の絶対値は、例えば、１００Ｖ以上、２０００Ｖ以下である。また、分散電圧により生成される電解強度の絶対値は、例えば、５０００Ｖ／ｃｍ以上、４００００Ｖ／ｃｍ以下である。また、分散電圧の周波数は、例えば、１００ｋＨｚ以上、３ＭＨｚ以下である。

図１に示すように、補償電圧発生部５２は、直流電圧電源を含む。補償電圧発生部５２は、補償電圧（ＣＶ）を生成する。そして、補償電圧発生部５２は、第２電極３３に補償電圧を印加する。そして、補償電圧によりイオンの移動度が変化し、イオンの移動度に応じてイオンの移動方向が変わる。その結果、フィールド非対称イオン移動部３１を移動中のイオンが、イオンの移動度に応じて分離される。

第１電極３２又は第２電極３３に到達したイオンは、中性の物質になる。中性の物質は、キャリアガスと共に案内部１０の外部に排出される。しかし、中性の物質が、排出されずに第１電極３２、第２電極３３、又は後述するイオン検出部４０に貯まった場合、試料入口部１１、第１キャリアガス入口部１２、及び／又は、第２キャリアガス入口部１３を介して案内部１０の内部にキャリアガスを導入することで、中性の物質を案内部１０の外部に排出することが可能になる。この場合、キャリアガスの温度が、５０℃以上であることが好ましい。

図４は、補償電圧発生部５２から発生する補償電圧のプロファイルの一例を示す図である。補償電圧は、主に分離をする際には図４（ａ）のように略一定の値を有し、分析を行う際には図４（ｂ）のように補償電圧を時間によって走査することにより移動するイオンの強度が変化するためスペクトルが得られ、分析が可能となる。補償電圧は、例えば、－１００Ｖ以上、１００Ｖ以下である。また、補償電圧により生成される電解強度は、例えば、－２０００Ｖ／ｃｍ以上、２０００Ｖ／ｃｍ以下である。

次に、図１及び図２を参照して、分析装置１００についてさらに説明する。

図１及び図２に示すように、分析装置１００は、排気口部１４と、イオン検出部４０と、排気部５６とをさらに備える。

イオン検出部４０は、イオン分離部３０を通過したイオンを検出する。詳細には、イオン検出部４０は、フィールド非対称イオン移動部３１を通過したイオンを検出する。イオン検出部４０は、フィールド非対称イオン移動部３１に対し移動方向Ｘの下流に配置される。

イオン検出部４０は、第１イオン検出器４１と、第２イオン検出器４２と、第３イオン検出器４３とを含む。

第１イオン検出器４１と、第２イオン検出器４２と、第３イオン検出器４３との各々は、例えば、電位イオン検出器、マルチチャンネルプレート、又はファラデーカップを含む。

なお、第１実施形態では、イオン検出器は、３つ設けられる。しかし、イオン検出器の個数は、特に限定されない。イオン検出器は、１つ設けられてもよく、また、３つ以外の複数設けられてもよい。なお、イオン検出器が複数設けられる場合、イオンの検出時間を短縮でき、さらに、複数のイオン検出器の各々の検出結果を互いに比較しながら検証することが可能になる。

排気口部１４は、案内部１０の内部に通じる開口部である。排気口部１４は、案内部１０のうち移動方向Ｘの最も下流に形成される。排気口部１４は、イオン検出部４０に対し、移動方向Ｘの下流に位置する。

排気部５６は、例えば、排気ポンプを含む。排気部５６は、キャリアガス、及び中性の物質を、排気口部１４を介して案内部１０の外部に排出する。

なお、排気部５６から排出されたキャリアガスをフィルターで清浄化し、さらに、必要に応じて乾燥させた後、循環ポンプにより第１キャリアガス入口部１２、及び／又は第２キャリアガス入口部１３を介して案内部１０の内部に導入させてもよい。その結果、キャリアガスを循環させることが可能になり、分析装置１００を合理的に構成することが可能になる。

また、キャリアガスの気圧により排気口部１４からキャリアガス、及び中性の物質を案内部１０の外部に排出してもよい。この場合、排気部５６が不要になり、分析装置１００を簡素に構成することが可能になる。

分析装置１００は、制御部６１と、入力部６２と、記憶部（不図示）とをさらに備える。

制御部６１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）及びＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）のようなプロセッサーを含む。制御部６１は、分析装置１００の各要素を制御する。具体的には、制御部６１のプロセッサーは、ＨＤＤのような記憶部に記憶されたコンピュータープログラムを実行することにより、分散電圧発生部５１と、補償電圧発生部５２と、電源部５３と、試料導入部５４と、キャリアガス導入部５５と、排気部５６とを制御する。

入力部６２は、分析装置１００に対する指示を受け付ける。入力部６２は、制御部６１に接続される。入力部６２が受け付けた指示内容を示す情報は、制御部６１に送信される。その結果、入力部６２が受け付けた指示内容に沿って、制御部６１が分析装置１００の各要素を制御する。

案内部１０の内部Ｎ１には、反応室２１と、電子放出素子２２と、対向電極２３と、第１電極３２と、第２電極３３と、第１イオン検出器４１と、第２イオン検出器４２と、第３イオン検出器４３とが配置される。案内部１０の内部Ｎ１では、イオン化部２０によりイオンが生成され、かつ、イオン分離部３０によりイオンが分離される。案内部１０の内部Ｎ１には、試料入口部１１から試料が導入される。案内部１０の内部Ｎ１には、第１キャリアガス入口部１２、及び第２キャリアガス入口部１３の各々からキャリアガスが導入される。案内部１０の内部Ｎ１のキャリアガスは、排気口部１４から排出される。

次に、図５を参照して、電子放出素子２２について説明する。図５は、電子放出素子２２を示す概略図である。

図５に示すように、電子放出素子２２は、表面電極２２１と、下部電極２２２と、中間層２２３と、絶縁層２２４と、配線電極２２９とを含む。また、電源部５３は、第１電源部５３１と、第２電源部５３２とを含む。

表面電極２２１は、反応室２１に対向する。また、表面電極２２１は、反応室２１を介して対向電極２３に対向する。表面電極２２１と対向電極２３との間には、反応室２１が位置する。

対向電極２３と表面電極２２１との間隔は、例えば、０．１ｍｍ以上、５ｍｍ以下である。対向電極２３と表面電極２２１との間隔は、好ましくは、０．１ｍｍ以上、３ｍｍ以下である。対向電極２３と表面電極２２１との間隔は、さらに好ましくは、１ｍｍ以上、２ｍｍ以下である。

表面電極２２１と下部電極２２２とは、互いに間隔を空けて配置される。表面電極２２１と下部電極２２２との間には、中間層２２３が配置される。中間層２２３は、中間層２２３が高抵抗になるような所定の体積抵抗率を有する。所定の体積抵抗率は、例えば、１×１０⁵（Ω・ｍ）以上、１×１０⁹（Ω・ｍ）以下である。

中間層２２３と反応室２１との間には、表面電極２２１が位置する。

下部電極２２２は、基板Ａが金属等の導電性基板であれば基板Ａであってもよく、また基板Ａが絶縁体から成る板の場合は金属層又は導電体層を基板Ａ上に設けたものでもよい。基板Ａには、絶縁層２２４が形成される。

絶縁層２２４は、絶縁性を有する材料で形成される。絶縁層２２４は、下部電極２２２から表面電極２２１へ流れる電流を遮断する。

電子放出領域ＲＤは絶縁層２２４を含まない領域である。

第１電源部５３１は、表面電極２２１と下部電極２２２との間に電圧を印加する。第１電源部５３１は、配線電極２２９を介して表面電極２２１に接続される。表面電極２２１と下部電極２２２との間に電圧が印加されると、中間層２２３に電界が生じ、この電界により中間層２２３に電子が生じ、この電子が表面電極２２１部分を通って反応室２１に放出される。図１に示す案内部１０の内部Ｎ１の湿度が略一定の場合、第１電源部５３１により電子放出素子２２に印加される電圧が大きくなる程、電子放出素子２２から放出される電子の量が多くなる。電子放出素子２２に電圧が印加されることは、表面電極２２１と下部電極２２２との間に電圧が印加されることを示す。また、電子放出素子２２から放出される電子の量は、表面電極２２１から反応室２１に放出される電子の量を示す。

表面電極２２１と下部電極２２２との間に印加される電圧は、例えば、１Ｖ以上、１００Ｖ以下である。表面電極２２１と下部電極２２２との間に印加される電圧は、好ましくは、５Ｖ以上、３０Ｖ以下である。表面電極２２１と下部電極２２２との間に印加される電圧は、さらに好ましくは、１０Ｖ以上、２０Ｖ以下である。

表面電極２２１と下部電極２２２との間の電界強度は、例えば、１ｋＶ／ｃｍ以上、１０００ｋＶ／ｃｍ以下である。表面電極２２１と下部電極２２２との間の電界強度は、好ましくは、５０ｋＶ／ｃｍ以上、５００ｋＶ／ｃｍ以下である。

第２電源部５３２は、対向電極２３に電圧を印加する。第２電源部５３２が対向電極２３に電圧を印加すると、表面電極２２１部分を通って反応室２１へ放出された電子は、対向電極２３の電界により対向電極２３に引き寄せられる。なお、第１電源部５３１と第２電源部５３２とは、対向電極２３の電位が表面電極２２１の電位よりも高くなるように、対向電極２３と表面電極２２１との間に電圧を印加する。対向電極２３と表面電極２２１との間に印加される電圧は、例えば、１００Ｖ以上、数千Ｖ以下である。

なお、表面電極２２１と対向電極２３との間の電界の向きと、図１に示す第１電極３２と第２電極３３との間の電界の向きとは、互いに同じでもよく、又は、互いに異なっていてもよい。

電子放出素子２２から放出される電子のエネルギーについて説明する。

電子放出素子２２から放出される電子は、電子付着現象が起きる程度の低エネルギーの電子であることが好ましい。例えば、電子放出素子２２から放出される電子のエネルギーは、０ｅＶよりも大きく、１０ｅＶ以下である。従って、電子放出素子２２が低エネルギーの電子を放出すると、低エネルギーの電子が電子付着現象により試料に付着する。その結果、試料の変質を抑制することができ、イオンの検出感度を向上させることができる。なお、試料の変質は、電子のエネルギーにより試料が分解され、多くの分解物が生成されることを示す。

なお、電子のエネルギーが０ｅＶ～１０ｅＶの範囲内のうちで比較的少ない場合、電子は、例えば、非解離型電子捕獲反応により試料に付着する。また、電子のエネルギーが０ｅＶ～１０ｅＶの範囲内のうちで比較的多い場合、電子は、例えば、解離型電子捕獲反応により試料に付着する。なお、非解離型電子捕獲反応により電子が試料に付着する方が、解離型電子捕獲反応により電子が試料に付着するよりも、イオンの検出感度をより向上させることができる点で有利である。

なお、事前に、第１電圧と、第２電圧と、電子のエネルギーとの関係を測定することにより、電源部５３が印加する電圧に基づいて、電子のエネルギーを算出することができる。第１電圧は、表面電極２２１と下部電極２２２との間に印加される電圧を示す。第２電圧は、表面電極２２１と対向電極間２３との間に印加される電圧を示す。

反応室２１の湿度について説明する。

反応室２１の湿度が高すぎると、反応室２１に導入された試料が電子放出素子２２の表面電極２２１又は対向電極２３に付着して中性化し、試料のイオン化が阻害されるおそれがある。そこで、キャリアガス導入部５５が反応室２１に所定の湿度のキャリアガスを導入した後、試料導入部５４が反応室２１に試料を導入してもよい。これにより、キャリアガスにより反応室２１の湿度を低下させてから、反応室２１に試料を導入することができる。その結果、表面電極２２１又は対向電極２３に試料が付着することを抑制でき、試料のイオン化が阻害されることを抑制できる。さらに、電子放出素子２２の耐久性を向上させることができる。さらに、表面電極２２１又は対向電極２３に試料が付着及び蓄積することを抑制できるので、表面電極２２１及び対向電極２３のメンテナンスに要する時間を短縮できる。メンテナンスに要する時間を短縮できると、電子放出素子２２を用いた次の測定までに必要な時間間隔（リカバー時間間隔）を短縮することができる。

なお、反応室２１に所定の湿度のキャリアガスが導入された後、反応室２１に試料が導入される構成は、後述する第２実施形態から第６実施形態でも採用することができる。

続けて、図５を参照して、中間層２２３について説明する。

図５に示すように、第１実施形態では、中間層２２３は、樹脂と、樹脂中に分散された導電性微粒子とを含む。樹脂は、例えば、シラノール（Ｒ₃－Ｓｉ－ＯＨ）を縮合重合したシリコーン樹脂である。導電性微粒子は、例えば、金、銀、白金、又はパラジウムのような導電性を有する金属粒子を用いてもよい。また、金属粒子以外の導電性材料としては、カーボン、導電性高分子、及び／又は半導電性材料を用いてもよい。中間層２２３において、導電性微粒子の含有量は、適宜設定すればよい。導電性微粒子の含有量を変更することで、中間層２２３の抵抗値を調整することができる。中間層２２３は、例えば、スピンコート法、ドクターブレード法、スプレー法、又はディッピング法のような塗布方法によって形成される。

中間層２２３の作成方法の一例を説明する。

まず、樹脂であるシリコーン樹脂３ｇ（室温硬化性樹脂、信越化学工業株式会社製）と、導電性微粒子であるＡｇナノ粒子０．０３ｇ（平均径１０ｎｍ、絶縁被覆アルコラート１ｎｍ膜、株式会社応用ナノ粒子研究所製）とが試薬瓶に入れられて混合される。その結果、シリコーン樹脂とＡｇナノ粒子との混合液が作製される。次に、超音波振動器を用いて、試薬瓶に入れた混合液がさらに攪拌されることで、塗布液が作製される。塗布液の粘度は、例えば、０．８～１５ｍＰａ・ｓである。塗布液中の樹脂成分比率は、例えば、１０～７０ｗｔ％程度である。塗布液は、基板Ａに塗布された後、大気中の湿気によって縮合重合してシリコーン樹脂となり、中間層２２３を形成する。

また、表面電極２２１は、５ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは４０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚さを有することができる。また、表面電極２２１の材質は、全体としては過剰な破壊が防止されるように、例えば、金、白金などの金属材料、半導体、ＩＴＯ（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）、及びカーボンのように電気伝導性の高い導電性材料を少なくとも１種類含む。また、表面電極８は、複数の金属層から構成されてもよい。

表面電極２２１の厚さが、４０ｎｍ以上の場合であっても、表面電極２２１は、複数の開口、すき間、及び／又は、１０ｎｍ以下の厚さに薄くなった部分を有してもよい。中間層２２３で生じた電子がこの開口、すき間、及び／又は、薄くなった部分を通過又は透過することができ、表面電極２２１から電子を放出することができる。このような開口、すき間、及び／又は、薄くなった部分は、一般的なパターニング処理を伴った薄膜形成処理（スパッタ法、蒸着法）を、表面電極２２１を構成する金属に施すことによっても形成される。

また、下部電極２２２の材質は、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルなどである。下部電極２２２の厚さは、例えば、２００μｍ以上、１ｍｍ以下でもあり得る。

［第２実施形態］
次に、図６を参照して、分析装置１００の第２実施形態について説明する。図６は、分析装置１００の第２実施形態を示す模式図である。

第２実施形態は、反応室２１の通路面積Ｓ１と、フィールド非対称イオン移動部３１の通路面積Ｓ２とが互いに異なる点で第１実施形態と異なる。以下では、主に第１実施形態と異なる点を説明する。

図６に示すように、第２実施形態の分析装置１００は、ＦＡＩＭＳである。

反応室２１の通路面積Ｓ１は、フィールド非対称イオン移動部３１の通路面積Ｓ２よりも大きい。その結果、反応室２１からフィールド非対称イオン移動部３１へ試料とキャリアガスとをより円滑に流すことが可能になる。

なお、反応室２１の通路面積Ｓ１は、移動方向Ｘに対し垂直な反応室２１の断面の面積を示す。フィールド非対称イオン移動部３１の通路面積Ｓ２は、移動方向Ｘに対し垂直なフィールド非対称イオン移動部３１の断面の面積を示す。

［第３実施形態］
次に、図７を参照して、分析装置１００の第３実施形態について説明する。図７は、分析装置１００の第３実施形態を示す模式図である。

第３実施形態は、試料の質量分析が行われる点で第１実施形態と異なる。以下では、主に第１実施形態と異なる点を説明する。

図７に示すように、第３実施形態の分析装置１００は、ＦＡＩＭＳである。

分析装置１００は、スキマー（インターフェース）７１をさらに含む。スキマー７１は、フィールド非対称イオン移動部３１に対し、移動方向Ｘの下流に配置される。スキマー７１に対し移動方向Ｘの下流には、イオン質量分析装置（不図示）が配置される。

イオンは、スキマー７１を通過した後、イオン質量分析装置へ導かれる。イオン質量分析装置は、イオンを検出し、イオンの質量分析を行う。その結果、試料中の所定成分を定量することができる。イオン質量分析装置は、本発明のイオン検出部の一例である。

［第４実施形態］
次に、図８、及び図９を参照して、分析装置１００の第４実施形態について説明する。図８は、分析装置１００の第４実施形態を示す模式図である。図９は、分析装置１００の第４実施形態の一部拡大図である。

第４実施形態の分析装置１００は、イオン分離部１３０の構成が第１実施形態～第３実施形態と異なる。以下では、主に第１実施形態と異なる点を説明する。

第４実施形態の分析装置１００は、ドリフトチューブ式イオン移動度検出装置（ドリフトチューブ式ＩＭＳ装置）である。

分析装置１００は、案内部１１０と、試料入口部１１１と、ドリフトガス入口部１１２と、排気口１１３と、試料導入部１５４と、キャリアガス導入部１５５と、ドリフトガス導入部１５６とを含む。

案内部１１０は、イオンを案内する。案内部１１０は、管状に形成される。案内部１１０の内部には、移動方向Ｘに沿って延びるイオンの移動経路が形成される。移動方向Ｘは、反応室２１からイオン検出部１４０に向って移動するイオンの移動方向を示す。案内部１１０の形状は、管状に限定されない。案内部１１０は、中空の形状を有していればよい。案内部１１０は、本発明のケーシングの二例である。

試料入口部１１１は、案内部１１０のうち移動方向Ｘの最も上流に形成される。試料導入部１５４は、試料入口部１１１を介して案内部１１０の内部に試料を導入する。キャリアガス導入部１５５は、試料入口部１１１を介して案内部１１０の内部にキャリアガスを導入する。キャリアガスは、移動方向Ｘの下流に向かって案内部１１０の内部を移動する。

ドリフトガス入口部１１２は、案内部１１０のうち移動方向Ｘの最も下流に形成される。ドリフトガス導入部１５６は、ドリフトガス入口部１１２を介して案内部１１０の内部にドリフトガスを導入する。ドリフトガスは、乾燥窒素、又は乾燥空気であることが好ましい。また、ドリフトガスは、不純物を除去可能なフィルターを通した乾燥窒素、又は乾燥空気であることが好ましい。排気口１１３は、案内部１１０のうち移動方向Ｘの中途部に位置する。

分析装置１００は、イオン化部１２０をさらに含む。イオン化部１２０は、反応室２１と、電子放出素子２２と、対向電極２３とを含む。反応室２１は、試料入口部１１に対し移動方向Ｘの下流に配置される。反応室２１は、対向電極２３と電子放出素子２２との間に位置する。詳細には、反応室２１は、対向電極２３と電子放出素子２２の表面電極２２１（図５参照）との間に形成される。反応室２１は、例えば、略四角柱に形成される。

分析装置１００は、電源部５３をさらに含む。電源部５３は、電子放出素子２２と対向電極２３との間に電圧を印加することで、電子放出素子２２から反応室２１を介して対向電極２３に向けて電子を放出させる。

試料入口部１１１を介して案内部１１０の内部に流入した試料は、反応室２１に導入される。そして、反応室２１では、電子放出素子２２から放出された電子が電子付着現象により試料に付着する。そして、電子が試料に付着すると、試料がイオン化される。その結果、試料由来のイオンが生成される。

分析装置１００は、ドリフトチューブ方式のイオン分離部１３０をさらに含む。

イオン分離部１３０は、イオンの移動度に応じてイオンを分離する。イオン分離部１３０は、イオン化部１２０に対し移動方向Ｘの下流に配置される。

イオン分離部１３０は、ドリフト部１３１と、ゲート１３２と、複数の分離電極１３３と、ドリフト電圧発生部１５１と、ゲート電圧発生部１５２とを含む。

ドリフト部１３１は、案内部１１０の内部に位置する空所である。ドリフト部１３１は、反応室２１に対し移動方向Ｘの下流に配置される。ドリフト部１３１には、ドリフトガス入口部１１２からドリフトガスが導入される。ドリフトガスは、移動方向Ｘの上流に向かってドリフト部１３１を移動する。ドリフト部１３１の気圧は、ドリフトガスにより略大気圧又は数百Ｐａ程度の低真空状態に保持される。

ドリフト部１３１と反応室２１との間には、排気口１１３が位置する。キャリアガスとドリフトガスとは、案内部１１０の内部で合流し、排気口１１３から案内部１１０の外部に放出される。

ゲート１３２は、反応室２１で生成されたイオンを堰き止める。ゲート１３２は、反応室２１とドリフト部１３１との間に位置する。ゲート１３２は、格子電極を含む。ゲート電圧発生部１５２は、ゲート１３２に電圧を印加して、ゲート１３２の電位を設定する。ゲート１３２の電位は、イオンを堰き止めるために高電位に設定される。高電位は、複数の分離電極１３３の各々の電位よりも高く、かつ、対向電極２３の電位よりも高い電位を示す。

複数の分離電極１３３の各々は、環状に形成される。複数の分離電極１３３は、ドリフト部１３１に配置され、移動方向Ｘに沿って並んでいる。ドリフト電圧発生部１５１は、複数の分離電極１３３の各々に電圧を印加する。その結果、ドリフト部１３１には、直流電場（静電場）が形成される。直流電場は、移動方向Ｘに沿って傾きが一定の電位勾配を有する。

次に、イオン分離部１３０の動作について説明する。

ゲート電圧発生部１５２は、所定のタイミングでゲート１３２に所定の電圧を印加し、ゲート１３２の電位を高電位から中間電位に切り替える。中間電位は、対向電極２３の電位よりも高く、かつ、複数の分離電極１３３の各々の電位よりも低い電位を示す。その結果、ゲート１３２で堰き止められていたイオンが、ゲート１３２を通過してドリフト部１３１に導入される。

ドリフト部１３１に導入されたイオンは、直流電場により加速されて、移動方向Ｘに移動する。この場合、イオンは、ドリフトガスに衝突しながら移動方向Ｘに移動する。イオンがドリフトガスに衝突することで、イオンの移動速度がイオンの移動度に応じた一定の速度に収束する。その結果、ドリフト部１３１を移動中のイオンが、イオンの移動度に応じて分離される。

イオン検出部１４０は、イオン分離部１３０を通過したイオンを検出する。詳細には、イオン検出部１４０は、ドリフト部１３１を通過したイオンを検出する。イオン検出部１４０は、ドリフト部１３１に対し移動方向Ｘの下流に配置される。イオン検出部１４０は、イオン検出器１４１を含む。イオン検出器１４１は、例えば、第１実施形態の第１イオン検出器４１と同じ構造を有する。

イオンがドリフト部１３１を移動する際、イオンの移動度の違いによりイオンの移動速度が変化する。従って、イオンの移動度に応じて、イオンがイオン検出器１４１に到達する時間が変化する。その結果、イオンの移動時間と、イオン検出器１４１により検出されたイオンの信号強度とを所定のグラフにプロットすることで、イオンの移動度のスペクトルを取得することが可能になる。イオンの移動時間は、ゲート１３２の電位が中間電位に切り替えられてから、イオンがイオン検出器１４１に到達するまでに要した時間を示す。イオンの信号強度は、イオンの移動度に応じた物理量を示す。所定のグラフは、例えば、横軸が時間を示し、縦軸がイオンの信号強度を示すグラフである。

なお、イオン検出器１４１に到達することなく、分離電極１３３のような障害物に付着したイオンは中性化し、中性の物質になる。中性の物質は、キャリアガスと共に、排気口１１３から排出される。しかし、中性の物質が、イオン化部１２０、ゲート１３２、イオン分離部１３０、及び／又は、イオン検出部１４０に貯まることがある。この場合、清浄乾燥空気のような試料を含まない清浄ガスを、試料入口部１１１、及び／又は、ドリフトガス入口部１１２から案内部１１０の内部に導入し、排気口１１３から排出すればよい。従って、清浄ガスと共に中性の物質を案内部１１０の外部に排出することが可能になる。なお、清浄ガスの温度は、例えば、５０℃以上のような高温であることが好ましい。

分析装置１００は、制御部１６１と、入力部１６２と、記憶部（不図示）とをさらに備える。

制御部１６１は、記憶部に記憶されたコンピュータープログラムを実行することにより、ドリフト電圧発生部１５１と、ゲート電圧発生部１５２と、電源部５３と、試料導入部１５４と、キャリアガス導入部１５５と、ドリフトガス導入部１５６とを制御する。入力部１６２は、分析装置１００に対する指示を受け付ける。

案内部１１０の内部Ｎ２には、反応室２１と、電子放出素子２２と、対向電極２３と、ドリフト部１３１と、ゲート１３２と、イオン検出器１４１とが配置される。案内部１１０の内部Ｎ２では、イオン化部１２０によりイオンが生成され、かつ、イオン分離部１３０によりイオンが分離される。案内部１１０の内部Ｎ２には、試料入口部１１１から試料とキャリアガスとが導入される。案内部１１０の内部Ｎ２には、ドリフトガス入口部１１２からドリフトガスが導入される。案内部１１０の内部Ｎ２のキャリアガスとドリフトガスとは、排気口１１３から排出される。案内部１１０の内部Ｎ２の湿度が略一定の場合、第１電源部５３１（図５参照）により電子放出素子２２に印加される電圧が大きくなる程、電子放出素子２２から放出される電子の量が多くなる。

以上、図８及び図９を参照して説明したように、電子放出素子２２を用いて試料由来のイオンが生成される。従って、放射線源、及びコロナ放電を用いることなくイオンを生成できる。従って、試料を容易にイオン化することができる。

［第５実施形態］
次に、図１０を参照して、分析装置１００の第５実施形態について説明する。図１０は、分析装置１００の第５実施形態を示す模式図である。

第５実施形態の分析装置１００は、対向電極２３を含まない点で第４実施形態の分析装置１００と異なる。以下では、主に第４実施形態と異なる点を説明する。

第５実施形態の分析装置１００は、ドリフトチューブ式イオン移動度検出装置である。

図１０に示すように、分析装置１００は、対向電極２３を含まない。電子放出素子２２は、ゲート１３２と対向する。詳細には、電子放出素子２２の表面電極２２１（図５参照）は、ゲート１３２と対向する。表面電極２２１は、ゲート１３２に対し移動方向Ｘの上流に配置される。

電子放出素子２２とゲート１３２との間には、反応室２１が位置する。詳細には、表面電極２２１とゲート１３２との間には、反応室２１が位置する。

反応室２１は、試料入口部１１１を介して試料導入部１５４（不図示）に接続される。試料導入部１５４は、試料入口部１１１を介して反応室２１に試料を導入する。その結果、反応室２１に試料が導入される。

電子放出素子２２は、ゲート１３２に向けて電子を放出する。詳細には、表面電極２２１は、ゲート１３２に向けて電子を放出する。その結果、反応室２１で試料生成由来のイオンが生成される。つまり、ゲート１３２が対向電極２３として機能する。なお、反応室２１で生成されたイオンは、第４実施形態と同様の原理によりイオン検出器１４１へ移動する。

排気口１１３は、案内部１１０のうち移動方向Ｘの最も上流に形成される。試料入口部１１１から案内部１１０の内部に導入されたキャリアガスと、ドリフトガス入口部１１２から案内部１１０の内部に導入されたドリフトガスとは、移動方向Ｘの上流に移動し、排気口１１３から排出される。また、案内部１１０の内部で生成された中性の物質も、移動方向Ｘの上流に移動し、排気口１１３から排出される。

以上、図１０を参照して説明したように、ゲート１３２が対向電極２３として機能する。従って、対向電極２３が不要になり、分析装置１００を簡素化することが可能になる。

［第６実施形態］
次に、図１２～図１４を参照して、分析装置１００の第６実施形態について説明する。図１２は、分析装置１００の第６実施形態を示す模式図である。

第６実施形態の分析装置１００は、案内部１１０の内部Ｎ２の湿度に基づいて電子放出素子２２が制御される点が第４実施形態と異なる。以下では、主に第４実施形態と異なる点を説明する。

分析装置１００は、湿度センサ８０をさらに備える。湿度センサ８０は、案内部１１０の内部Ｎ２の湿度を検出する。

湿度センサ８０は、案内部１１０の内部Ｎ２において、反応室２１の周辺に配置される。

湿度センサ８０は、案内部１１０の内部Ｎ２において、反応室２１の周辺に配置される。その結果、湿度センサ８０は、反応室２１の周辺の湿度を効果的に検出することができる。

なお、案内部１１０の内部Ｎ２において、湿度センサ８０が配置される場所は、特に限定されない。湿度センサ８０は、例えば、ドリフトガス入口部１１２の周辺に配置されてもよい。また、湿度センサ８０は、反応室２１のようなイオンが生成される場所、及びドリフト部１３１のようなイオンの移動経路に配置されないことが好ましい。その結果、湿度センサ８０が、イオンの生成、及びイオンの移動を邪魔することを抑制することができる。

分析装置１００は、乾燥剤Ｋと、通路部９０とをさらに備える。

乾燥剤Ｋは、ガスの水分を捕捉する。ガスは、キャリアガス、ドリフトガス、及び、試料のうちの少なくとも１つを示す。乾燥剤Ｋは、例えば、モレキュラーシーブを含む。乾燥剤Ｋは、通路部９０に設置される。

通路部９０は、管状の部材である。通路部９０は、案内部１１０から排出されたガスを案内部１１０の内部Ｎに戻すことにより、ガスを循環させる。

通路部９０は、試料入口部１１１と、ドリフトガス入口部１１２と、排気口１１３とに通じる。

試料入口部１１１と、ドリフトガス入口部１１２とは、本発明の導入部の一例である。排気口１１３は、本発明の排出部の一例である。

通路部９０は、第１通路部９１と、第２通路部９２と、第３通路部９３とを含む。第１通路部９１は、排気口１１３と乾燥剤Ｋとに通じる。第２通路部９２は、乾燥剤Ｋとドリフトガス入口部１１２とに通じる。第３通路部９３は、第２通路部９２から分岐して試料入口部１１１に通じる。

排気口１１３から排出されたガスは、第１通路部９１を通じて流通した後、乾燥剤Ｋを通過する。乾燥剤Ｋを通過したガスは、第２通路部９２を通じて流通する。第２通路部９２を通じて流通するガスの一部は、ドリフトガス入口部１１２から案内部１１０の内部Ｎ２戻される。第２通路部９２を通じて流通するガスの他の一部は、第３通路部９３に流入した後、試料入口部１１１から案内部１１０の内部Ｎ２に戻される。

排気口１１３から排出されたガスは、乾燥剤Ｋを通過する際、乾燥剤Ｋにより水分を補足される。そして、ガスは、乾燥剤Ｋにより水分を補足された後、第２通路部９２、又は、第３通路部９３を通じて案内部１１０の内部Ｎ２に戻される。従って、案内部１１０の内部Ｎ２の湿度を所定範囲内の湿度に保持することが可能である。所定範囲内の湿度は、例えば、０．５％以上、１０％以下である。なお、所定範囲内の湿度は、１％以下であることが好ましい。また、所定範囲内の湿度は、露点０度以下になるような湿度であることがさらに好ましい。

なお、案内部１１０の内部Ｎ２の湿度を所定範囲内に、より効果的に保持するためには、案内部１１０が密閉されることが好ましい。案内部１１０が密閉されることは、詳細には、案内部１１０のうち、試料入口部１１１、ドリフトガス入口部１１２、排気口１１３、及び案内部１１０の内部Ｎ２に引き込まれる配線用の孔のような案内部１１０の構造上、外部との連通が不可欠な箇所を除いた部分が密閉されることを示す。

次に、図１３（ａ）及び図１３（ｂ）を参照して、案内部１１０の内部Ｎ２の湿度と、電子放出素子２２から放出される電子の量との関係について説明する。図１３（ａ）は、案内部１１０の内部Ｎ２の湿度Ｚと、電子放出素子２２から放出される電子の量Ｉとの関係を示すグラフである。図１３（ｂ）は、案内部１１０の内部Ｎ２の湿度Ｚと、電子放出素子２２から放出される電子の量Ｉとの関係を示す表である。なお、電子の量Ｉは、詳細には、単位時間当たりの電子の量を示す。

本願発明者は、案内部１１０の内部Ｎ２の湿度Ｚを変更する毎に、電子放出素子２２から放出される電子の量Ｉを計測する実験を行った。

本願発明者が行った実験の手順について説明する。まず、本願発明者は、案内部１１０の内部Ｎ２の湿度Ｚを略１％に保持しつつ、電子放出素子２２を略１２００時間駆動させた。そして、本願発明者は、案内部１１０の内部Ｎ２の湿度Ｚを略１．２％に保持しつつ、電子放出素子２２を略１時間駆動させた。そして、本願発明者は、このときに電子放出素子２２から放出された電子の総量の平均値を、案内部１１０の内部Ｎ２の湿度Ｚが１．２％のときの電子の量Ｉａとして算出した。本願発明者は、案内部１１０の内部Ｎ２の湿度Ｚが５．３％のときの電子の量Ｉｂ、案内部１１０の内部Ｎ２の湿度Ｚが９．６％のときの電子の量Ｉｃ、及び案内部１１０の内部Ｎ２の湿度Ｚが１９．９％のときの電子の量Ｉｄについても、電子の量Ｉａを算出したときと同様の手順で算出した。なお、本願発明者は、実験を行う際、電子放出素子２２に印加される電圧Ｖｄを、一定の電圧１８Ｖに保持した。

図１３（ａ）のグラフ、及び図１３（ｂ）の表は、本願発明者が行った実験の結果を表す。図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に示すように、案内部１１０の内部Ｎ２の湿度Ｚが１．２％のときの電子の量Ｉａは、電流７．２３Ｅ－０８Ａであった。案内部１１０の内部Ｎ２の湿度Ｚが５．３％のときの電子の量Ｉｂは、電流７．１９Ｅ－０７Ａであった。案内部１１０の内部Ｎ２の湿度Ｚが９．６％のときの電子の量Ｉｃは、電流１．８０Ｅ－０６Ａであった。案内部１１０の内部Ｎ２の湿度Ｚが１９．９％のときの電子の量Ｉｄは、電流４．１２Ｅ－０６Ａであった。

本願発明者は、実験を行うことで、案内部１１０の内部Ｎ２の湿度Ｚと、電子放出素子２２から放出される単位時間当たりの電子の量Ｉとの間に相関があることを発見した。具体的には、電子放出素子２２に印加される電圧が一定の場合、案内部１１０の内部Ｎ２の湿度Ｚが高くなる程、電子放出素子２２から放出される電子の量Ｉが多くなる。

しかし、案内部１１０の内部Ｎ２の湿度Ｚの変化に応じて、電子放出素子２２から放出される電子の量Ｉが変化すると、イオン化部１２０で生成されるイオンの量も変化する。そして、イオン化部１２０で生成されるイオンの量が変化すると、イオン検出部１４０によるイオンの検出結果も変化する。つまり、イオン検出部１４０によるイオンの検出結果が、案内部１１０の内部Ｎ２の湿度Ｚの影響を受けて変化するという問題が発生する。

次に、図１２及び図１４を参照して、上記問題を改善するための制御部１６１（図８参照）の動作について説明する。図１４は、制御部１６１の動作を示すフロー図である。

図１２及び図１４に示すように、ステップＳ１において、制御部１６１は、湿度センサ８０から、湿度センサ８０の検出値を示す情報を取得する。なお、ステップＳ１において、電子放出素子２２には、電源部５３（図８参照）により一定の電圧αが印加されている。

ステップＳ２において、制御部１６１は、湿度センサ８０の検出値が所定の下限値（所定の下限閾値）よりも小さいか否かを判定する。所定の下限値は、例えば、２％である。

湿度センサ８０の検出値が所定の下限値よりも小さいと制御部１６１が判定すると（ステップＳ２で、Ｙｅｓ）、処理がステップＳ３に移行する。湿度センサ８０の検出値が所定の下限値よりも小さくないと制御部１６１が判定すると（ステップＳ２で、Ｎｏ）、処理がステップＳ４に移行する。

ステップＳ３において、電子放出素子２２に印加される電圧が電圧αよりも増加するように、制御部１６１が電源部５３を制御する。従って、電子放出素子２２から放出される電子の量について、案内部１１０の内部Ｎ２の湿度の減少に起因して減少する分を、電子放出素子２２に印加される電圧を増加させることで補うことができる。その結果、案内部１１０の内部Ｎ２の湿度が減少しても、電子放出素子２２から放出される電子の量が変化することを抑制することができる。

ステップＳ３に示す処理が終了すると、処理が終了する。

ステップＳ４において、制御部１６１は、湿度センサ８０の検出値が所定の上限値（所定の上限閾値）よりも大きいか否かを判定する。所定の上限値は、所定の下限値以上の値である。所定の上限値は、例えば、３％である。

湿度センサ８０の検出値が所定の上限値よりも大きいと制御部１６１が判定すると（ステップＳ４で、Ｙｅｓ）、処理がステップＳ５に移行する。湿度センサ８０の検出値が所定の上限値よりも大きくないと制御部１６１が判定すると（ステップＳ４で、Ｎｏ）、処理が終了する。

ステップＳ５において、電子放出素子２２に印加される電圧が電圧αよりも減少するように、制御部１６１が電源部５３を制御する。従って、電子放出素子２２から放出される電子の量について、案内部１１０の内部Ｎ２の湿度の増加に起因して増加する分を、電子放出素子２２に印加される電圧を減少させることで相殺することができる。その結果、案内部１１０の内部Ｎ２の湿度が増加しても、電子放出素子２２から放出される電子の量が変化することを抑制することができる。

以上、図１２及び図１４を参照して説明したように、案内部１１０の内部Ｎ２の湿度が所定の下限値よりも小さくなると、電子放出素子２２に印加される電圧が増加するように制御部１６１が電圧を制御する。また、案内部１１０の内部Ｎ２の湿度が所定の上限値よりも大きくなると、電子放出素子２２に印加される電圧が減少するように制御部１６１が電圧を制御する。従って、案内部１１０の内部Ｎ２の湿度が変化しても、電子放出素子２２から放出される電子の量が変化することを抑制することができる。その結果、イオン検出部１４０によるイオンの検出結果が、案内部１１０の内部Ｎ２の湿度Ｚの変化の影響を受けて変化することを抑制できる。なお、電圧を制御することは、電源部５３を制御することを示す。

以上、図面（図１～図１４）を参照しながら本発明の実施形態について説明した。但し、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能である（例えば、（１）～（５））。また、上記の実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって、種々の発明の形成が可能である。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。図面は、理解しやすくするために、それぞれの構成要素を主体に模式的に示しており、図示された各構成要素の個数等は、図面作成の都合から実際とは異なる場合もある。また、上記の実施形態で示す各構成要素は一例であって、特に限定されるものではなく、本発明の効果から実質的に逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

（１）第１実施形態から第３実施形態において、イオン分離部３０に対しイオン化部２０が着脱自在であってもよい（図２、図６、及び図７参照）。イオン分離部３０に対しイオン化部２０が着脱自在であると、ユーザーは、イオン分離部３０とイオン化部２０とを別々に交換することができる。その結果、ユーザーは、分析装置１００のメンテナンスを効率的に行うことができる。

以下では、イオン分離部１３０に対しイオン化部１２０を着脱自在にするための分析装置１００の装置構成の一例を説明する。

分析装置１００の装置構成の一例において、案内部１０のうち、反応室２１とフィールド非対称イオン移動部３１との間に位置する部分で、案内部１０が第１案内部材と第２案内部材とに分断されている。

第１案内部材は、爪のような係合部材を有している。第２案内部材は、凹部のような被係合部を有している。第１案内部材の係合部材には、第２案内部材の被係合部材が係合可能である。そして、被係合部に係合部が係合することで、第１案内部材に第２案内部材が連結される。その結果、イオン分離部１３０に対しイオン化部１２０が装着される。これに対し、被係合部から係合部が外れ、第１案内部材と第２案内部材との係合が解除されると、イオン分離部１３０からイオン化部１２０が外れる。

従って、係合部材を用いることで、イオン分離部１３０に対しイオン化部１２０を着脱自在に構成することが可能である。

なお、係合部材及び被係合部材に代えて、第１案内部材に第２案内部材を着脱自在に連結させるために、ねじのような締結部材を用いてもよい。

また、第１案内部材と第２案内部材とが互いに連結された状態で、第１案内部材と第２案内部材との連結箇所にパッキンのようなシール部材を装着してもよい。その結果、第１案内部材と第２案内部材との連結部の密閉性を確保することができる。

（２）第４実施形態から第６実施形態において、イオン分離部１３０に対しイオン化部１２０が着脱自在であってもよい（図９、図１０、及び図１２参照）。イオン分離部１３０に対しイオン化部１２０を着脱自在にする構成は、例えば、イオン分離部３０に対しイオン化部２０を着脱自在にする構成と同様である。

（３）第１実施形態から第５実施形態において、図５に示すように、中間層２２３は、シリコーン樹脂と、シリコーン樹脂中に分散された導電性微粒子とを含む。しかし、本発明はこれに限定されない。

図１１を参照して、中間層２２３の変形例である中間層２３０について説明する。図１１は、中間層２３０を示す図である。

図１１に示すように、中間層２３０は、ポーラスアルミナ層２２６を含む。ポーラスアルミナ層２２６は、複数の細孔２２７を有する。細孔２２７内には、導電性微粒子２２８が担持されている。

下部電極２２２は、例えば、厚さ０．５ｍｍのアルミ基板で構成される。ポーラスアルミナ層２２６は、基板Ａの表面に形成された陽極酸化層である。なお、ポーラスアルミナ層２２６は、基板Ａに支持されたアルミニウム層の表面に形成された陽極酸化層であってもよい。基板Ａがガラス基板のような絶縁基板である場合、アルミニウム層と基板Ａとの間に、導電層を形成し、アルミニウム層と導電層とを下部電極２２２として用いればよい。下部電極２２２として機能するアルミニウム層の厚さは、例えば、１０μｍ以上であることが好ましい。

細孔２２７は、ポーラスアルミナ層２２６の上面で開口している。細孔２２７は、ポーラスアルミナ層２２６と下部電極２２２との境界に向かって、掘り下げられている。細孔２２７は、複数設けられており、電子放出領域内に分散して配置されている。細孔２２７は、下部電極２２２に到達しない程度の深さを有する。

細孔２２７の径は、例えば、５０ｎｍ以上、３μｍ以下である。なお、細孔２２７は、深さ方向において径が異なっていてもよく、底部側で径が小さくなっていてもよい。ポーラスアルミナ層２２６の厚さは、１０ｎｍ以上、５μｍ以下であることが好ましい。

導電性微粒子２２８は、アルミナに担持可能であれば、どのような導電体でも用いることができる。導電性微粒子２２８の粒径は、例えば、細孔２２７の径よりも小さい。導電性微粒子２２８の粒径は、例えば、１ｎｍ以上、８０ｎｍ以下である。導電性微粒子２２８の粒径は、好ましくは、３ｎｍ以上、１０ｎｍ以下である。

例えば、導電性微粒子２２８として銀ナノ粒子を用いた場合、導電性微粒子２２８の粒径は、好ましくは、１ｎｍ以上、５０ｎｍ以下である。また、この場合、導電性微粒子２２８の粒径は、より好ましくは、３ｎｍ以上、１０ｎｍ以下である。銀ナノ粒子は、有機化合物で被覆されていてもよい。有機化合物は、例えば、アルコール誘導体、及び／又は、界面活性剤である。

（４）図１２に示す第６実施形態の分析装置１００の構成を、図１０に示す第５実施形態の分析装置１００に採用してもよい。この場合、第５実施形態の分析装置１００は、湿度センサ８０と、乾燥剤Ｋと、通路部９０とをさらに備える。そして、第５実施形態の分析装置１００の制御部１６１は、湿度センサ８０の検出値に基づいて、電子放出素子２２に印加される電圧を制御することで、図１４のステップＳ１～ステップＳ５に示す処理を行う。その結果、第６実施形態の分析装置１００と同様の効果を奏する。

（５）図１２に示す第６実施形態の分析装置１００の構成を、図１に示す第１実施形態の分析装置１００、図６に示す第２実施形態の分析装置１００、及び、図７に示す第３実施形態の分析装置１００の各々に採用してもよい。

以下では、第６実施形態の分析装置１００の構成を、第１実施形態の分析装置１００～第３実施形態の分析装置１００に採用した場合の、第１実施形態の分析装置１００～第３実施形態の分析装置１００の構成について説明する。

第１実施形態の分析装置１００～第３実施形態の分析装置１００は、湿度センサ８０と、乾燥剤Ｋと、通路部９０とをさらに備える。湿度センサ８０は、案内部１０の内部Ｎ１に配置される。通路部９０は、試料入口部１１と、第１キャリアガス入口部１２と、第２キャリアガス入口部１３と、排気口部１４とに通じる、通路部９０は、排気口部１４から排出されたガスを、試料入口部１１と、第１キャリアガス入口部１２と、第２キャリアガス入口部１３とを介して案内部１０の内部Ｎ１に戻す。試料入口部１１、第１キャリアガス入口部１２、及び第２キャリアガス入口部１３は、本発明の導入部の二例である。排気口部１４は、本発明の排出部の二例である。

通路部９０には、乾燥剤Ｋが配置される。その結果、案内部１０の内部Ｎ１の湿度を所定範囲内の湿度に保持することが可能である。

案内部１１０（図８及び図１０参照）と同様に、案内部１０も密閉されることが好ましい。

第１実施形態の分析装置１００の制御部６１～第３実施形態の分析装置１００の制御部６１の各々は、湿度センサ８０の検出値に基づいて、電源部５３を制御することで、電子放出素子２２に印加される電圧を制御して、図１４のステップＳ１～ステップＳ５に示す処理を行う。その結果、第１実施形態の分析装置１００～第３実施形態の分析装置１００の各々のついても、第６実施形態の分析装置１００と同様の効果を奏する。

本発明は、電子放出素子の分野に利用可能である。

１０、１１０ 案内部（ケーシング）
１１ 試料入口部（導入部）
１２ 第１キャリアガス入口部（導入部）
１３ 第２キャリアガス入口部（導入部）
１４ 排気口部（排出部）
２０ イオン化部
２１ 反応室
２２ 電子放出素子
３０、１３０ イオン分離部
４０、１４０ イオン検出部
５５、１５５ キャリアガス導入部
６１ 制御部
８０ 湿度センサ
９０ 通路部
１００ 分析装置
１１１ 試料入口部（導入部）
１１２ ドリフトガス入口部（導入部）
１１３ 排気口（排出部）
１３２ ゲート
１６１ 制御部
２２１ 表面電極
２２２ 下部電極
２２３、２３０ 中間層
２２６ ポーラスアルミナ層
２２９ 配線電極
Ｋ 乾燥剤

Claims (15)

1. 試料成分由来のイオンを生成するイオン化部と、
   前記イオンの移動度に応じて前記イオンを分離するイオン分離部と、
   前記イオン分離部を通過したイオンを検出するイオン検出部と
   を備え、
   前記イオン化部は、
   試料が導入される反応室と、
   前記反応室に電子を放出する電子放出素子と
   を含み、
   前記イオン分離部は、前記反応室で生成されたイオンを堰き止めるゲート電極を含み、
   前記電子放出素子は表面電極を含み、前記表面電極の電子放出面が前記ゲート電極に対向するように配置され、
   前記反応室は、前記表面電極の電子放出面と前記ゲート電極との間に配置され、
   前記表面電極と前記ゲート電極との間に電圧が印加されることによって、前記表面電極の電子放出面から前記ゲート電極に向けて電子を放出する、分析装置。
2. 前記表面電極は、前記反応室に対向し、
   前記電子放出素子は、前記表面電極に対向する下部電極を含み、
   前記表面電極と前記下部電極との間に電圧が印加されることによって、前記表面電極から前記反応室に電子を放出する、請求項１に記載の分析装置。
3. 前記電子放出素子により放出される前記電子のエネルギーが０ｅＶよりも大きく、１０ｅＶ以下である、請求項１又は請求項２に記載の分析装置。
4. 所定の湿度のキャリアガスを前記反応室に導入するキャリアガス導入部をさらに備える、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の分析装置。
5. 前記キャリアガス導入部が前記反応室に前記所定の湿度のキャリアガスを導入した後、前記反応室に前記試料が導入される、請求項４に記載の分析装置。
6. 前記電子放出素子は、前記表面電極と前記下部電極との間に位置する中間層をさらに含み、
   前記中間層は、所定の体積抵抗率を有する、請求項２に記載の分析装置。
7. 前記中間層は、シリコーン樹脂と前記シリコーン樹脂中に分散された導電性微粒子とを含み、又は、ポーラスアルミナ層を含む、請求項６に記載の分析装置。
8. 前記イオン分離部は、フィールド非対象方式のイオン分離部である、請求項１に記載の分析装置。
9. 前記イオン分離部は、前記イオンが移動するイオン移動部を含み、
   前記反応室の通路面積が、前記イオン移動部の通路面積よりも大きい、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の分析装置。
10. 前記イオン分離部に対し、前記イオン化部が着脱自在である、請求項１から請求項９に記載のいずれか１項に記載の分析装置。
11. 前記イオン分離部は、ドリフトチューブ方式のイオン分離部である、請求項１に記載の分析装置。
12. 試料成分由来のイオンを生成するイオン化部と、
    前記イオンの移動度に応じて前記イオンを分離するイオン分離部と、
    前記イオン分離部を通過したイオンを検出するイオン検出部と
    を備え、
    前記イオン化部は、
    試料が導入される反応室と、
    前記反応室に電子を放出する電子放出素子と
    を含み、
    内部に前記反応室が配置されるケーシングと、
    前記ケーシングの内部の湿度を検出する湿度センサと、
    前記湿度センサの検出値に基づいて、前記電子放出素子を制御する制御部と
    をさらに備える、分析装置。
13. 前記湿度センサの検出値が所定の下限閾値よりも小さくなると、前記電子放出素子に印加される電圧が増加するように、前記制御部が前記電圧を制御し、
    前記湿度センサの検出値が所定の上限閾値よりも大きくなると、前記電圧が減少するように、前記制御部が前記電圧を制御する、請求項１２に記載の分析装置。
14. 前記湿度センサは、前記反応室の周辺に配置される、請求項１２又は請求項１３に記載の分析装置。
15. 前記ケーシングの内部にガスを導入する導入部と、
    前記ケーシングの内部のガスを排出する排出部と、
    前記導入部と前記排出部とに通じる通路部と、
    前記通路部に設置される乾燥剤と
    をさらに備える、請求項１２から請求項１４のいずれか１項に記載の分析装置。
    

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