イオン選択装置および方法
イオン移動度スペクトロメータ又は他のイオン装置は、イオンの流れ経路の横方向に延在した２つ又は３つのグリッド電極５１及び５２；１５１から１５３；１０６及び１０７；１０６’及び１０７’を有する。ｄｃ補償電圧と共に非対称な波形を電極間に印加して、場依存移動度に従ってイオンに異なる影響を及ぼすイオンの流れ経路に平行な場を形成する。これは、イオン検出器１１，１１１，１１１’へのイオンの移動において、異なるイオンを選択的にふるいにかけたり、遅らせたりして、さもなければ類似の出力を発するイオン間の識別を容易にする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、経路に沿ってイオンを供与する手段を含む類いのイオン選択装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
イオン移動度スペクトロメータ（ＩＭＳ）システムは、火薬、薬、ブリスター及び神経剤等の物質を検出するためにしばしば使用されている。ＩＭＳシステムは、典型的には検出セルを含み、該検出セルには、被検物質を含む空気のサンプルがガス乃至蒸気として供給される。該セルは、大気圧で又は大気圧の近傍で作動し、また、エネルギーを与えられてセルに沿って電圧勾配を形成する電極を含む。空気のサンプル中の分子は、例えば、放射線源、ＵＶ源を用いて、或いは、コロナ放電によってイオン化され、一端の静電ゲートによってセルのドリフト領域中に入ることができる。イオン化された分子は、イオンの大きさに依存した速度で、セルの反対側の端部に流れ着く。セルに沿った飛行時間を測定することによって、イオンを同定することができる。
【０００３】
場非対称ＩＭＳ又はＦＡＩＭＳにおいて、ゲートにより通過したイオンは、装置の中心軸及びイオンの移動経路と平行に位置合わせされ且つ接近して間隔を置いた２つの電極間の間隙に入ることができる。該間隙と交差して非対称場を印加することによって、イオンが、電極の一方又は他方に交互に、横方向に引き付けられることとなる。イオンの移動度に依存して、イオンは、電極の一方に当って中和されるか、間隙を通過して検出される。非対称場を変えることによって、或いは、これに加えて、ｄｃバイアス電圧を変えることによって、装置が特定のイオンを選択できるように調整することができる。ＦＡＩＭＳシステムには、種々の問題がある。それらは、コロナ放電デバイスのような、単一極性のイオンを主として生成させるイオン源と共に使用するのが難しいことがあり得る。これは、かかるデバイスによって生成するイオンの中には、ＦＡＩＭＳギャップの前の絶縁面に集まり、かかる面上に帯電する傾向があるものがある為である。このことは、ギャップに入る同種極性のイオンの数を減少させ、ＦＡＩＭＳ装置が幾つかの物質を検出する能力を低下させ得る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、代替のイオン選択装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様によれば、
上記で特定した類いのイオン選択装置であって、
該装置は、前記経路に沿って互いに間隔をあけており且つ該経路を横切って横方向に延在する第１及び第２の平行電極を含み、
該電極は、イオンがそれらを通過できるように配置されており、
また、前記装置は、前記２つの電極を通過するイオンもあれば、該２つの電極を通過しないイオンもあるように、前記２つの電極間に非対称電圧を印加して、該電極間の間隙中に高い場の期間とそれに続くより長い低い場の期間とを作り出す配列体を含む
ことを特徴とするイオン選択装置が提供される。
【０００６】
前記装置は、好ましくは、補償電圧を印加して、イオンの前記電極の通過を制御する配列体を含む。ワイヤー間に隙間を有し、該隙間を前記イオンが通過できるワイヤーグリッドによって、前記電極を準備してもよい。
【０００７】
本発明の他の態様によれば、
経路に沿ってイオンを供与する手段を含むイオン選択装置であって、
該装置は、前記経路の横方向に延在する電極配列体を含み、
該電極配列体は、選択されたイオンがそれを通過するのを可能とし、
また、前記装置は、第１の所定の値よりも大きく且つ第２の所定の値よりも小さい示差移動度を有するイオンのみが前記電極配列体を通過するように、前記電極配列体を横切って非対称電圧を印加して、該電極配列体中に高い場の期間とそれに続くより長い低い場の期間とを作り出す配列体と、前記電極配列体に補償電圧を印加する配列体とを含む
ことを特徴とするイオン選択装置が提供される。
【０００８】
前記電極配列体は、３つの平行電極を含んでもよく、前記非対称電圧が中央の電極に印加され、その外側の電極に２つの補償電圧が印加される。
【０００９】
本発明のその他の態様によれば、
イオンの移動経路に沿った領域中でイオンを選択する方法であって、
該方法は、前記経路と平行に電場を形成することを含み、
該電場は、前記イオンの中の選択したものだけが該電場を通過するように、高い場の期間とそれに続くより長い低い場の期間とを含む
ことを特徴とする方法が提供される。
【００１０】
前記電場は、好ましくは、前記イオンの中で選択したものだけが該電場を通過するように選択されたｄｃ補償場を含む。
【００１１】
本発明の第４の態様によれば、
イオン源と、ドリフト領域と、該ドリフト領域に沿って進むイオンを検出するための検出器とを含むイオン移動度スペクトロメータであって、
該スペクトロメータは、該スペクトロメータの長さに沿って互いに間隔をあけており且つイオンの経路を横切って延在する第１及び第２の平行電極を含むイオン選択用の配列体を含み、
該電極は、イオンがそれらを通過できるように配置されており、
また、前記スペクトロメータは、前記イオンの中で選択したものだけが前記ドリフト領域を通過するように、前記２つの電極間に非対称電圧を印加して、該電極間の間隙中に高い場の期間とそれに続くより長い低い場の期間とを作り出す配列体を含む
ことを特徴とするイオン移動度スペクトロメータが提供される。
【００１２】
前記イオン移動度スペクトロメータは、前記検出器へのイオンのゲート通過のためのゲートを含んでもよく、前記電極によって選択されたイオンだけが前記ゲートに移動するように、前記第１及び第２の平行電極が前記ゲートの上流に設置されている。２つの化学種がスペクトロメータから類似の出力を通常発する場合に、前記電極に印加する電圧は、一方の化学種に由来するイオンの通過を可能とし且つ他方の化学種に由来するイオンの通過を阻害するように選択されていてもよい。前記装置は、前記検出器と前記非対称場印加用配列体との間の領域に低い場を印加するための配列体を含んでもよい。
【００１３】
本発明の第５の態様によれば、
イオン源と、イオン検出器と、該イオン源と検出器の間に延在するイオンの流れ経路とを含む装置であって、
該装置は、前記検出器にイオンが到達するのに要する時間が低い場の移動度と高い場の移動度との間の違いに依存するよう、前記経路に沿って流れるイオンを高い場と低い場とに交互にさらすために、前記イオンの流れ経路の少なくとも一部に沿って、前記イオンの流れ経路と実質平行に非対称電場を印加するための配列体を含む
ことを特徴とする装置が提供される。
【００１４】
前記非対称場は、好ましくは、前記イオンの流れ経路に直角に延在し且つ該経路に沿って互いに間隔をあけている２つの平行グリッド電極間に印加される。
【００１５】
本発明の第６の態様によれば、
イオン検出器に向かうイオンの流れ経路に沿ってイオンを供給する工程と、
前記経路に沿って流れるイオンが高い場と低い場とに交互にさらされるように、前記イオンの流れ経路の少なくとも一部に沿って、前記イオンの流れ経路に実質平行な非対称電場に前記イオンをさらす工程と、
前記検出器にイオンが到達するのに要する時間を測定する工程と、
測定された前記検出器に到達するのに要する時間に従って、イオンに関する情報を提供する工程と
を含む、イオンに関する情報の提供方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
ここで、本発明に従うＩＭＳシステムを、一例として、添付の図面、即ち、前記システムを概略的に示す図１、図１のシステムのイオンフィルターの一部を拡大して示す図２、前記イオンフィルターに印加する電圧を示すグラフである図３、第１の波形極性で、高い場での移動度が異なるイオンによる移動距離を示すグラフである図４、第２の、即ち、逆の波形極性で、高い場での移動度が異なるイオンによる移動距離を示すグラフである図５、図４及び図５に示す配列の組み合わせを示すグラフである図６、図６に示すグラフトと類似するものの、補償電圧の一方を調整して帯域通過の幅を増加させたグラフである図７、図６及び図７に示す組み合わせ配列の実施を可能とする電極配列体を概略的に示す図８、前記システムの変形例を概略的に示す図９、及び図９の配置の変形例を概略的に示す図１０を参照して説明する。
【００１７】
まず、図１及び図２を参照するに、当該システムは、入口２を有するＩＭＳドリフトセル１を含み、該入口２によって、分析するサンプル空気を装置に供給する。入口２は、半透膜や、関心対象の分子の通過を可能としつつ他の分子の大部分を排除する任意の他の形態からなるもの等の選択障壁６を介して、セル１の内部の左側末端に開口している。或いは、障壁６は、国際公開第９３／０１４８５号に記載されているようなピンホールのように、非選択的であってもよい。障壁の代わりに、欧州特許第５９６９７８号に記載されている類いのような他のインターフェースによって、分析するサンプルをセル１に供給してもよい。
【００１８】
障壁６は、コロナ放電ニードル７’等のイオン源を含むイオン化領域７に通じており、イオン源は、単一の極性、即ち、正又は負のイオンを主として生成させる。63Ｎｉ又は241Ａｍのような放射性同位体や、レーザーのような光子源等の他のイオン源を用い、光電離によってイオンを生成させることもできる。イオン化領域７の右側においては、ブラッドベリー・ニールソン・ゲーティンググリッド８が、一連のドリフト電極１０によって形成されるドリフト領域９中へのイオン化された分子の通過を制御する。印加された電場を用いて、或いは左から右へのガスの流れによって、左から右、即ち、イオン化領域７からゲート８に、イオンを移動させる。セル１の右側末端のコレクタ又は検出板１１は、ドリフト領域９を通過したイオンを集める。スクリーングリッド１２は、コレクタ板１１の前に接近して設置され、適切な電位に維持されており、さもなければ入ってくるイオンによって発生するイメージ電荷から該板１１を遮蔽する。該板１１は、プロセッサ又はコントロールユニット２０に出力をもたらし、また、プロセッサ又はコントロールユニット２０は、ゲート８及び当該システムの種々の他の機能を制御する。プロセッサ２０は、ディスプレイ２１、又はサンプルの性質を示す他の利用手段に出力をもたらす。
【００１９】
右側末端において、セル１は注入口３０を有し、該注入口３０によって、再循環され、綺麗になった乾燥ドリフトガスをセルの内部に供給し、該セルの内部において、乾燥ドリフトガスは、右から左に移動し、イオン化領域７中のゲーティンググリッド８の近傍の排気口３１を介して、流出する。排気口３１に連結された注入口３３とモレキュラーシーブ４０に連結された排出口３４とを有するポンプ３２を用いて、注入口３０に空気を供給し、ここで、モレキュラーシーブ４０がドリフトチャンバー９から排出された空気を綺麗にし且つ乾燥する。また、綺麗な空気源を循環させ、膜を通して拡散する検体の蒸気と混合するために、モレキュラーシーブ４０の排出口４５は、バルブ４１を介して、膜６のまさに下流の注入口４２に連結している。
【００２０】
当該システムは、配列体５０を含み、該配列体５０がゲート８の近傍及び上流に位置して、装置に沿うイオンの流れを変えることによって、以前のＩＭＳシステムと異なる。図１及び図２に示す配置において、これは、イオン選択手段又はイオンフィルターとして機能する。
【００２１】
イオンフィルター５０は、装置の長さ及びイオン６０の移動経路Ｐに対し直角に配列された２つの電極５１及び５２を具える。２つの電極５１及び５２は、イオン６０の移動経路Ｐと交差して延びているので、ゲート８を通過した総てのイオンは、該電極をまず通過しなければならない。電極５１及び５２の構造は、イオンの通過を可能とするようなものであり、即ち、それらは、イオンが通過できる間隙又は開口を含む。本実施例では、各電極５１及び５２は、接近して間隔を置いた平行ワイヤー５３のグリッドによって形成されている。２つの電極５１及び５２中のワイヤーの角度方向は、重要な意味をもたず、即ち、それらは、平行から直角までの如何なる角度であってもよいが、本実施例では、平行に並べられている。典型的には、各グリッド５１及び５２中のワイヤー５３は、直径が０.０２ｍｍであり、互いに０.１ｍｍほど間隔を置いている。２つの電極グリッド５１及び５２は、平行で、互いに０.５ｍｍほど間隔を置いている。
【００２２】
このイオン選択配列体は、イオン移動度スペクトロメータを有する用途に限定されず、他の検出器と共に使用でき、或いはイオンを選択する必要がある他の集成装置中でも使用できる。
【００２３】
プロセッサ２０は、２つの電極グリッド５１及び５２間に図３に示す類いの電圧を印加する。該電圧は、非対称であり、比較的高電圧Ｖ1の短い期間ｔ1と反対の極性の比較的低電圧Ｖ2のより長い間隔ｔ2とからなる。少なくとも１サイクルに渡って積分した正味の場はゼロである。直流補償電圧を非対称場に付加して、イオンの運動を妨害又は促進する。この補償電圧を調整することによって、必要に応じて、示差移動度のカットオフポイントを設定することが可能となる。示差移動度は、低い場での移動度と高い場での移動度との値の差である。必要な最小値よりも大きな示差移動度を有する総てのイオンは、最終的には、通過することとなる。
【００２４】
低い場Ｅ1での移動度がＫ1で、高い場Ｅ2での移動度がＫ2で、高電圧Ｖ1での時間がｔ1で低電圧Ｖ2での時間がｔ2であるような非対称波形の場合、非対称波形の周波数は１／（ｔ1＋ｔ2）であり、１つの波形サイクルにおいて移動する正味の距離は、
Ｓ＝Ｋ1・Ｅ1・ｔ1＋Ｋ2・Ｅ2・ｔ2
である。
【００２５】
電極５１及び５２間のギャップをＤ、補償電圧をＣとすると、
Ｅ1＝（Ｖ1＋Ｃ）／Ｄ、及び、Ｅ2＝（Ｖ2＋Ｃ）／Ｄ
である。
【００２６】
Ｎ個の波形サイクル後、かかるデバイスを通過するイオンに対しては、
Ｎ・Ｓ≧Ｄ
または、
Ｎ｛Ｋ1・ｔ1（（Ｖ1＋Ｃ）／Ｄ）＋Ｋ2・ｔ2（（Ｖ1＋Ｃ）／Ｄ）｝≧Ｄ
であり、再整理すると、
Ｎ｛Ｋ1・ｔ1（（Ｖ1＋Ｃ）／Ｄ2）＋Ｋ2・ｔ2（（Ｖ1＋Ｃ）／Ｄ2）｝≧１
となる。
【００２７】
この単純モデルによって示される挙動を、図４中のグラフに示す。これは、高い場での移動度Ｋ2に対してプロットしたあるｒｆサイクル番号におけるイオンの移動距離Ｓを示している。低い場での移動度Ｋ1を１に設定し、補償電圧Ｃを印加する。
【００２８】
グリッド間のギャップＤが１であるデバイスの場合、これらの条件下では、Ｋ2が約１.１２５より大きい総てのイオンがデバイスを通過することとなる。
【００２９】
図４のグラフ中の線の傾きは、イオンに許される時間に依存する。理想条件下では、該線は、Ｋ2軸に直交するであろう。
【００３０】
上記の実施例においては、示差移動度によって生じるイオンの運動を妨害するように補償電圧Ｃを設定する。或いは、示差移動度の影響がイオンが遠い方のグリッド５１を通過するのを止めさせる傾向がでるように、波形の極性を逆にすることもできる。適当な補償電圧Ｃの印加によって、異なる状況となるであろう。この状況では、ある大きさよりも示差移動度が小さいイオンが通過するであろう。図５に示すグラフは、この状況を図解している。Ｋ2が約１.１２６より小さいイオンが通過することとなる。
【００３１】
これら２つの配列を組み合わせて、図６のグラフに示すような、高い場での移動度の通過域を有する複合システムを作ることができる。この状況では、Ｋ2が非常に狭い範囲内にあるイオンのみが伝わる。補償電圧Ｃを変えて、透過用の実際のＫ2値を設定することができる。補償電圧を走査して、高場スペクトルを作ることができる。これは、イオン抽出の方向が分析場の方向と同じであるので、平行運動スペクトロメータと見なすことができる。
【００３２】
加えて、一方又は両方の補償電圧を変更することによって、かかる複合デバイスの分解能を調整してもよい。図７に示す配列においては、例えば、単に一方の補償電圧Ｃを調整することによって、より広範囲のイオンを選択し、通過域を大きくする。
【００３３】
図８は、３つのグリッド電極１５１、１５２及び１５３を有し、外側の電極１５１及び１５２に２つの独立した補償電圧（Ｃ１及びＣ２）が印加され、中央の電極１５３に１つの非対称波形が印加される複合システムを如何にして実施できるかを示している。
【００３４】
上記のグリッド構造体を用いつつ、バルクガスがグリッド電極を通過する場合、移動度の選択操作が妨害され得るが、これは、実行上の問題とはならないようである。
【００３５】
面積が１ｃｍ2のグリッドを貫流する２４０ｃｍ3・ｍｉｎ-1の典型的なガス流を考えると、ガスの平均速度は約４ｃｍ・ｓｅｃ-1となる。従前の飛行時間型ＩＭＳでは、とても大きなイオンに対する低い場でのイオン速度は、２００Ｖ・ｃｍ-1の場に対して約５００ｃｍ・ｓｅｃ-1となるであろう。イオン速度は、約２Ｖ・ｃｍ-1の場でガス速度と適合している。分析ギャップが約０.５ｍｍのデバイスの場合、２Ｖ・ｃｍ-1の場は、０.１ボルトの電位差（補償電圧）に相当する。高場デバイスに対する典型的な補償電圧は５ボルト程となるであろうから、ガスの流れが完全に止まったとしても、必要な補償電圧に２％の変化を生じるに過ぎないであろう。
【００３６】
本発明の集成装置は、比較的簡単な構造だけを必要とするという利点を有し、該比較的簡単な構造は、容易に構築することができる。デバイスの分解能は、電子的に調整することができる。該集成装置は、飛行時間型イオン移動度スペクトロメータに適合し得るし、また、複合機器中の第１段階を形成することもできる。
【００３７】
これらのシステムにおいて、イオンがデバイスを通過するのに要する時間は、とりわけ、示差移動度に依存する。代替となる高場スペクトロメータを製造することができ、該スペクトロメータにおいては、イオンのパルスをスペクトロメータへ入れることが可能であるため、出力がスペクトルとなり、該スペクトルにおいては、イオンの到着時間が示差移動度に反比例する。
【００３８】
イオンの流れ経路と実質平行に印加される非対称場は、完全にイオンをフィルターにかけたり除去したりするために使用する必要はないが、イオンが検出器に達するのに要する時間を変えるために使用することができる。図９に示す配置において、ゲート１０４の右に位置する時間シフト分析器１０６は、異なる大きさの電場にイオンをさらした場合のイオン移動度における変化を測定するために配置されている。分析器１０６は、ハウジング１０１の横方向、即ち、装置に沿って左から右へのイオンの軸方向の流れ経路に対して直角に延びる２つのグリッド電極１０７及び１０８を含む。グリッド電極１０７及び１０８は、互いに平行に延びて、狭い間隔をあけており、典型的には約０.５ｍｍの距離を置いている。２つの電極１０７及び１０８は、ハウジング１の外側において、２つの電極間に非対称電圧を印加するために配置された電気デバイスユニット１１０と電気的に接続されている。検出板１１１によって、出力がもたらされる。
【００３９】
図３に示す類いの波形を２つの電極１０７及び１０８間に印加して、イオンを振動させる。高い場での移動度の違いを無視すると、イオンによる移動距離は、電圧と該電圧を印加する時間間隔との積に左右される。高い場の期間のイオンによる移動距離がより長い低い場の期間の反対方向への移動距離と同じになるように、低電圧期間の時間間隔を高電圧期間の時間間隔よりも長くする。そのため、交番場自体は、場に依存した移動度を有さないイオンの平均位置に変化をもたらさない。しかしながら、場の強さによって移動度が変わる場合には、各サイクルの高場及び低場部分の期間におけるイオンによる移動距離に違いがあり、イオンの平均位置に変化をもたらす。そのため、場依存イオンの平均位置は、高場及び低場の、特定イオンの移動度の場依存変化についての大きさで決まる速度で徐々に変化する。
【００４０】
移動度が電場で変化しない場合、即ち、Ｋ1＝Ｋ2の場合、
Ｓ＝Ｋ2（Ｅ1・ｔ1＋Ｅ2・ｔ2）、又は、
Ｓ＝Ｋ2（Ｖ1・ｔ1／Ｄ＋Ｖ2・ｔ2／Ｄ）＝Ｋ2（Ｖ1・ｔ1＋Ｖ2・ｔ2）／Ｄ
である。そのため、
Ｓ＝０
となる。
【００４１】
しかしながら、移動度が場の大きさに依存する場合、イオンは、Ｎサイクルの波形で、グリッド７及び８の間のギャップＤを横断することとなり、
Ｎ・Ｓ＝Ｄ
となる。所要時間Ｔは、
Ｔ＝Ｎ・（ｔ1＋ｔ2）
で与えられる。Ｎ＝Ｄ／Ｓの場合、
Ｎ＝Ｄ／（Ｋ1・Ｅ1・ｔ1＋Ｋ2・Ｅ2・ｔ2）
となる。Ｖ1・ｔ1＝−Ｖ2・ｔ2、Ｅ1＝Ｖ1／Ｄ、及び、Ｅ2＝Ｖ2／Ｄであることを考慮すると、
Ｅ1・ｔ1＝Ｖ1・ｔ1／Ｄ
そして、
Ｅ2・ｔ2＝−Ｖ1・ｔ1／Ｄ
となり、そのため、
Ｎ＝Ｄ／（Ｋ1・Ｖ1・ｔ1／Ｄ−Ｋ2・Ｖ1・ｔ1／Ｄ）
又は、
Ｎ＝Ｄ2／Ｖ1・ｔ1（Ｋ1−Ｋ2）
となる。それ故、所要時間は、
Ｔ＝Ｄ2（ｔ1＋ｔ2）／Ｖ1・ｔ1（Ｋ1−Ｋ2）
で与えられる。
【００４２】
従って、グリッド１０７及び１０８間をイオンが移動するのに要する時間は、グリッドの間隔Ｄの二乗に比例し、高場移動度と低場移動度と間の差に反比例し、印加した電圧に反比例する。
【００４３】
場に依存しないイオンよりも、場に依存するイオンが検出器１１に到達するのに要する時間の間により大きな違いをもたらすために、前記装置は、グリッド電極の一連の対で形成され順々に配置された時間シフト分析器を幾つか含んでもよい。幾つかの用途では、一方のグリッド電極の電圧を正にし、他方の電極の電圧を負にするために、高電圧及び低電圧の極性を逆にする必要があるかもしれない。
【００４４】
この装置を操作することが可能な種々の方法がある。
【００４５】
第１の配置においては、幾つかの異なるイオン種のパルスがゲート１０４を入って分析器１０６に行くことができる。個々のイオンの低い場での移動度と高い場での移動度との間の違いに依存した異なる時間で、検出板１１１において信号が発生する。この単純な配置を利用して移動度の差を測定することができ、プロセッサ１１２において、既知物質の移動度差の格納データと比較する。この方法では、物質又は混合物の化学組成を決定したり、関心対象の物質の有無を決定したりすることができる。
【００４６】
上記に概略を説明した第１の配置の問題は、２種類のイオン、即ち、移動度が電場で変わらないイオンと、場に依存した移動度を有するものの非対称場がそれらをゲート１０４に向かって逆戻りさせるイオンとの検出ができないことである。第２種類のイオンは、場を単に逆にすることで同定できるが、このことは、場に依存した移動度を有さないイオンの同定を不可能にしてしまう。この問題を解消するために、静電場成分を加えて、総てのイオンが確実に分析器１０６を通過して検出板１１１に到達するようにできる。これは、グリッド電極１０７及び１０８間に印加する電圧に静電ｄｃ成分を加えることによって達成でき、或いは、このｄｃ成分を別の電極を介して加えることもできる。
【００４７】
静電場を使用できる種々の異なる方法がある。一つの方法では、非対称場のスイッチを切り、ｄｃ場のみを印加して、従前のＩＭＳ機器と同様の方式で、イオンが検出板１１１に移動する。そして、検出板１１１の出力が、イオンの低い場での移動度の指標をもたらす。次に、非対称場のスイッチをオンにして、イオンの到達時間を測定する。これらの２つの場条件における時間の違いは、電場で移動度がどの程度変化するかを示す。
【００４８】
補償電圧Ｃの付加により、所要時間Ｔが下記：
Ｔ＝Ｄ2・（ｔ1＋ｔ2）／｛Ｖ1・ｔ1（Ｋ1−Ｋ2）＋Ｃ・（Ｋ1・ｔ1＋Ｋ2・ｔ2）｝
のように変更される。従って、高場及び低場での移動度が同じ、即ち、Ｋ1＝Ｋ2の場合、Ｋ1−Ｋ2項が消え、時間Ｔは、イオンの移動度とｄｃ場の大きさＣとで定義される。
【００４９】
代替の方法は、ｄｃ場成分の値Ｃの適切な調整に依存する。Ｃの値は、小さいものの（Ｃａ）、非対称場がオフで関心対象のイオンの総てがデバイスを通過するように、最初に設定する。イオンの到達時間を検出し、プロセッサ１１２に格納する。次に、デバイスユニット１１０が非対称場のスイッチをオンにし、引き続き、各イオンタイプに対して、例えば、イオンの到達時間が非対称場のスイッチをオフにしていたときの到達時間に戻るように、Ｃの値を調整する。このＣの新しい値（例えば、Ｃｂ）を各イオンに対してプロセッサ１１２中に格納し、ＣａとＣｂとの間の違いを、電場でイオン移動度がどの程度変化するかの尺度とする。再度、プロセッサ１１２は、これを用いて、異なる物質に対する移動度の変化の格納表と比較することで、イオンの性質を同定することができる。
【００５０】
図９に示す装置を単独で用いて、イオンに関する情報を得てもよい。また、より一層の追加情報を提供するために、該装置を他の形態の検出器と組み合わせてもよい。例えば、該装置を、低場条件下でのイオンの移動度を測定するために作動する従前の時間飛行型イオン移動度スペクトロメータと容易に組み合わせることができる。最も好都合には、ＩＭＳ機能を、図１０に示すように、同じハウジング１０１’中において、時間シフト分析器１０６’の電極１０７’及び１０８’と検出板１１１’との間で、場依存装置と組み合わせることができる。これは、ハウジング１０１’に沿って互いに間隔を置いており且つ検出板に向かって徐々に高くなる電圧を電極に印加するために配置された駆動ユニット１１０’に接続された多数の追加電極１１４’を準備することで簡単に達成できる。この方法では、漸増ｄｃ場を構築して、イオンを検出板１１１’に向かって推進させる。
【００５１】
前記装置には、種々の他の変形が可能である。
【００５２】
該装置は、イオン源とゲートとの間にイオン−分子反応領域を含むことができる。この領域において、イオン源で生成した一次イオンを、分析するガスのイオン化されていない分子と混合できる。
【００５３】
装置が分析器へのイオンの進入を制御するためのゲートを有することは、必須ではない。ｄｃ電圧Ｃの大きさを走査することによって、引き続いて、異なる示差移動度を有するイオンが検出板に達することとなる。検出器の信号を微分することで、示差移動度のスペクトルが得られる。ｄｃ電圧に加えて、低周波数、低電圧の交番電位を印加した場合、微分する必要なく、検出板で信号中のこの周波数成分の大きさを測定することができるであろう。
【００５４】
非対称波形が充分な大きさである場合、英国特許第０５０８２３９.１号に記載の手法でイオンの改変が起こるであろう。これによって、追加のイオンがもたらされ、更には、検体物質の確実な同定が容易になる。この改変は、ドーパント付加化合物の除去の結果であっても、イオン自体の分裂と娘種の生成の結果であってもよい。分析器自体を用いて、このイオンの改変を起こさせてもよいし、別のイオン変性領域を時間シフト分析器の前又は後に導入することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】前記システムを概略的に示す。
【図２】図１のシステムのイオンフィルターの一部を拡大して示す。
【図３】前記イオンフィルターに印加する電圧を示すグラフである。
【図４】第１の波形極性で、高い場での移動度が異なるイオンの移動距離を示すグラフである。
【図５】第２の、即ち、逆の波形極性で、高い場での移動度が異なるイオンの移動距離を示すグラフである。
【図６】図４及び図５に示す配列の組み合わせを示すグラフである。
【図７】図６に示すグラフトと類似するものの、補償電圧の一方を調整して帯域通過の幅を増加させたグラフである。
【図８】図６及び図７に示す組み合わせ配列の実施を可能とする電極配列体を概略的に示す。
【図９】前記システムの変形例を概略的に示す。
【図１０】図９の集成装置の変形例を概略的に示す。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、経路に沿ってイオンを供与する手段を含む類いのイオン選択装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
イオン移動度スペクトロメータ（ＩＭＳ）システムは、火薬、薬、ブリスター及び神経剤等の物質を検出するためにしばしば使用されている。ＩＭＳシステムは、典型的には検出セルを含み、該検出セルには、被検物質を含む空気のサンプルがガス乃至蒸気として供給される。該セルは、大気圧で又は大気圧の近傍で作動し、また、エネルギーを与えられてセルに沿って電圧勾配を形成する電極を含む。空気のサンプル中の分子は、例えば、放射線源、ＵＶ源を用いて、或いは、コロナ放電によってイオン化され、一端の静電ゲートによってセルのドリフト領域中に入ることができる。イオン化された分子は、イオンの大きさに依存した速度で、セルの反対側の端部に流れ着く。セルに沿った飛行時間を測定することによって、イオンを同定することができる。
【０００３】
場非対称ＩＭＳ又はＦＡＩＭＳにおいて、ゲートにより通過したイオンは、装置の中心軸及びイオンの移動経路と平行に位置合わせされ且つ接近して間隔を置いた２つの電極間の間隙に入ることができる。該間隙と交差して非対称場を印加することによって、イオンが、電極の一方又は他方に交互に、横方向に引き付けられることとなる。イオンの移動度に依存して、イオンは、電極の一方に当って中和されるか、間隙を通過して検出される。非対称場を変えることによって、或いは、これに加えて、ｄｃバイアス電圧を変えることによって、装置が特定のイオンを選択できるように調整することができる。ＦＡＩＭＳシステムには、種々の問題がある。それらは、コロナ放電デバイスのような、単一極性のイオンを主として生成させるイオン源と共に使用するのが難しいことがあり得る。これは、かかるデバイスによって生成するイオンの中には、ＦＡＩＭＳギャップの前の絶縁面に集まり、かかる面上に帯電する傾向があるものがある為である。このことは、ギャップに入る同種極性のイオンの数を減少させ、ＦＡＩＭＳ装置が幾つかの物質を検出する能力を低下させ得る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、代替のイオン選択装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様によれば、
上記で特定した類いのイオン選択装置であって、
該装置は、前記経路に沿って互いに間隔をあけており且つ該経路を横切って横方向に延在する第１及び第２の平行電極を含み、
該電極は、イオンがそれらを通過できるように配置されており、
また、前記装置は、前記２つの電極を通過するイオンもあれば、該２つの電極を通過しないイオンもあるように、前記２つの電極間に非対称電圧を印加して、該電極間の間隙中に高い場の期間とそれに続くより長い低い場の期間とを作り出す配列体を含む
ことを特徴とするイオン選択装置が提供される。
【０００６】
前記装置は、好ましくは、補償電圧を印加して、イオンの前記電極の通過を制御する配列体を含む。ワイヤー間に隙間を有し、該隙間を前記イオンが通過できるワイヤーグリッドによって、前記電極を準備してもよい。
【０００７】
本発明の他の態様によれば、
経路に沿ってイオンを供与する手段を含むイオン選択装置であって、
該装置は、前記経路の横方向に延在する電極配列体を含み、
該電極配列体は、選択されたイオンがそれを通過するのを可能とし、
また、前記装置は、第１の所定の値よりも大きく且つ第２の所定の値よりも小さい示差移動度を有するイオンのみが前記電極配列体を通過するように、前記電極配列体を横切って非対称電圧を印加して、該電極配列体中に高い場の期間とそれに続くより長い低い場の期間とを作り出す配列体と、前記電極配列体に補償電圧を印加する配列体とを含む
ことを特徴とするイオン選択装置が提供される。
【０００８】
前記電極配列体は、３つの平行電極を含んでもよく、前記非対称電圧が中央の電極に印加され、その外側の電極に２つの補償電圧が印加される。
【０００９】
本発明のその他の態様によれば、
イオンの移動経路に沿った領域中でイオンを選択する方法であって、
該方法は、前記経路と平行に電場を形成することを含み、
該電場は、前記イオンの中の選択したものだけが該電場を通過するように、高い場の期間とそれに続くより長い低い場の期間とを含む
ことを特徴とする方法が提供される。
【００１０】
前記電場は、好ましくは、前記イオンの中で選択したものだけが該電場を通過するように選択されたｄｃ補償場を含む。
【００１１】
本発明の第４の態様によれば、
イオン源と、ドリフト領域と、該ドリフト領域に沿って進むイオンを検出するための検出器とを含むイオン移動度スペクトロメータであって、
該スペクトロメータは、該スペクトロメータの長さに沿って互いに間隔をあけており且つイオンの経路を横切って延在する第１及び第２の平行電極を含むイオン選択用の配列体を含み、
該電極は、イオンがそれらを通過できるように配置されており、
また、前記スペクトロメータは、前記イオンの中で選択したものだけが前記ドリフト領域を通過するように、前記２つの電極間に非対称電圧を印加して、該電極間の間隙中に高い場の期間とそれに続くより長い低い場の期間とを作り出す配列体を含む
ことを特徴とするイオン移動度スペクトロメータが提供される。
【００１２】
前記イオン移動度スペクトロメータは、前記検出器へのイオンのゲート通過のためのゲートを含んでもよく、前記電極によって選択されたイオンだけが前記ゲートに移動するように、前記第１及び第２の平行電極が前記ゲートの上流に設置されている。２つの化学種がスペクトロメータから類似の出力を通常発する場合に、前記電極に印加する電圧は、一方の化学種に由来するイオンの通過を可能とし且つ他方の化学種に由来するイオンの通過を阻害するように選択されていてもよい。前記装置は、前記検出器と前記非対称場印加用配列体との間の領域に低い場を印加するための配列体を含んでもよい。
【００１３】
本発明の第５の態様によれば、
イオン源と、イオン検出器と、該イオン源と検出器の間に延在するイオンの流れ経路とを含む装置であって、
該装置は、前記検出器にイオンが到達するのに要する時間が低い場の移動度と高い場の移動度との間の違いに依存するよう、前記経路に沿って流れるイオンを高い場と低い場とに交互にさらすために、前記イオンの流れ経路の少なくとも一部に沿って、前記イオンの流れ経路と実質平行に非対称電場を印加するための配列体を含む
ことを特徴とする装置が提供される。
【００１４】
前記非対称場は、好ましくは、前記イオンの流れ経路に直角に延在し且つ該経路に沿って互いに間隔をあけている２つの平行グリッド電極間に印加される。
【００１５】
本発明の第６の態様によれば、
イオン検出器に向かうイオンの流れ経路に沿ってイオンを供給する工程と、
前記経路に沿って流れるイオンが高い場と低い場とに交互にさらされるように、前記イオンの流れ経路の少なくとも一部に沿って、前記イオンの流れ経路に実質平行な非対称電場に前記イオンをさらす工程と、
前記検出器にイオンが到達するのに要する時間を測定する工程と、
測定された前記検出器に到達するのに要する時間に従って、イオンに関する情報を提供する工程と
を含む、イオンに関する情報の提供方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
ここで、本発明に従うＩＭＳシステムを、一例として、添付の図面、即ち、前記システムを概略的に示す図１、図１のシステムのイオンフィルターの一部を拡大して示す図２、前記イオンフィルターに印加する電圧を示すグラフである図３、第１の波形極性で、高い場での移動度が異なるイオンによる移動距離を示すグラフである図４、第２の、即ち、逆の波形極性で、高い場での移動度が異なるイオンによる移動距離を示すグラフである図５、図４及び図５に示す配列の組み合わせを示すグラフである図６、図６に示すグラフトと類似するものの、補償電圧の一方を調整して帯域通過の幅を増加させたグラフである図７、図６及び図７に示す組み合わせ配列の実施を可能とする電極配列体を概略的に示す図８、前記システムの変形例を概略的に示す図９、及び図９の配置の変形例を概略的に示す図１０を参照して説明する。
【００１７】
まず、図１及び図２を参照するに、当該システムは、入口２を有するＩＭＳドリフトセル１を含み、該入口２によって、分析するサンプル空気を装置に供給する。入口２は、半透膜や、関心対象の分子の通過を可能としつつ他の分子の大部分を排除する任意の他の形態からなるもの等の選択障壁６を介して、セル１の内部の左側末端に開口している。或いは、障壁６は、国際公開第９３／０１４８５号に記載されているようなピンホールのように、非選択的であってもよい。障壁の代わりに、欧州特許第５９６９７８号に記載されている類いのような他のインターフェースによって、分析するサンプルをセル１に供給してもよい。
【００１８】
障壁６は、コロナ放電ニードル７’等のイオン源を含むイオン化領域７に通じており、イオン源は、単一の極性、即ち、正又は負のイオンを主として生成させる。63Ｎｉ又は241Ａｍのような放射性同位体や、レーザーのような光子源等の他のイオン源を用い、光電離によってイオンを生成させることもできる。イオン化領域７の右側においては、ブラッドベリー・ニールソン・ゲーティンググリッド８が、一連のドリフト電極１０によって形成されるドリフト領域９中へのイオン化された分子の通過を制御する。印加された電場を用いて、或いは左から右へのガスの流れによって、左から右、即ち、イオン化領域７からゲート８に、イオンを移動させる。セル１の右側末端のコレクタ又は検出板１１は、ドリフト領域９を通過したイオンを集める。スクリーングリッド１２は、コレクタ板１１の前に接近して設置され、適切な電位に維持されており、さもなければ入ってくるイオンによって発生するイメージ電荷から該板１１を遮蔽する。該板１１は、プロセッサ又はコントロールユニット２０に出力をもたらし、また、プロセッサ又はコントロールユニット２０は、ゲート８及び当該システムの種々の他の機能を制御する。プロセッサ２０は、ディスプレイ２１、又はサンプルの性質を示す他の利用手段に出力をもたらす。
【００１９】
右側末端において、セル１は注入口３０を有し、該注入口３０によって、再循環され、綺麗になった乾燥ドリフトガスをセルの内部に供給し、該セルの内部において、乾燥ドリフトガスは、右から左に移動し、イオン化領域７中のゲーティンググリッド８の近傍の排気口３１を介して、流出する。排気口３１に連結された注入口３３とモレキュラーシーブ４０に連結された排出口３４とを有するポンプ３２を用いて、注入口３０に空気を供給し、ここで、モレキュラーシーブ４０がドリフトチャンバー９から排出された空気を綺麗にし且つ乾燥する。また、綺麗な空気源を循環させ、膜を通して拡散する検体の蒸気と混合するために、モレキュラーシーブ４０の排出口４５は、バルブ４１を介して、膜６のまさに下流の注入口４２に連結している。
【００２０】
当該システムは、配列体５０を含み、該配列体５０がゲート８の近傍及び上流に位置して、装置に沿うイオンの流れを変えることによって、以前のＩＭＳシステムと異なる。図１及び図２に示す配置において、これは、イオン選択手段又はイオンフィルターとして機能する。
【００２１】
イオンフィルター５０は、装置の長さ及びイオン６０の移動経路Ｐに対し直角に配列された２つの電極５１及び５２を具える。２つの電極５１及び５２は、イオン６０の移動経路Ｐと交差して延びているので、ゲート８を通過した総てのイオンは、該電極をまず通過しなければならない。電極５１及び５２の構造は、イオンの通過を可能とするようなものであり、即ち、それらは、イオンが通過できる間隙又は開口を含む。本実施例では、各電極５１及び５２は、接近して間隔を置いた平行ワイヤー５３のグリッドによって形成されている。２つの電極５１及び５２中のワイヤーの角度方向は、重要な意味をもたず、即ち、それらは、平行から直角までの如何なる角度であってもよいが、本実施例では、平行に並べられている。典型的には、各グリッド５１及び５２中のワイヤー５３は、直径が０.０２ｍｍであり、互いに０.１ｍｍほど間隔を置いている。２つの電極グリッド５１及び５２は、平行で、互いに０.５ｍｍほど間隔を置いている。
【００２２】
このイオン選択配列体は、イオン移動度スペクトロメータを有する用途に限定されず、他の検出器と共に使用でき、或いはイオンを選択する必要がある他の集成装置中でも使用できる。
【００２３】
プロセッサ２０は、２つの電極グリッド５１及び５２間に図３に示す類いの電圧を印加する。該電圧は、非対称であり、比較的高電圧Ｖ1の短い期間ｔ1と反対の極性の比較的低電圧Ｖ2のより長い間隔ｔ2とからなる。少なくとも１サイクルに渡って積分した正味の場はゼロである。直流補償電圧を非対称場に付加して、イオンの運動を妨害又は促進する。この補償電圧を調整することによって、必要に応じて、示差移動度のカットオフポイントを設定することが可能となる。示差移動度は、低い場での移動度と高い場での移動度との値の差である。必要な最小値よりも大きな示差移動度を有する総てのイオンは、最終的には、通過することとなる。
【００２４】
低い場Ｅ1での移動度がＫ1で、高い場Ｅ2での移動度がＫ2で、高電圧Ｖ1での時間がｔ1で低電圧Ｖ2での時間がｔ2であるような非対称波形の場合、非対称波形の周波数は１／（ｔ1＋ｔ2）であり、１つの波形サイクルにおいて移動する正味の距離は、
Ｓ＝Ｋ1・Ｅ1・ｔ1＋Ｋ2・Ｅ2・ｔ2
である。
【００２５】
電極５１及び５２間のギャップをＤ、補償電圧をＣとすると、
Ｅ1＝（Ｖ1＋Ｃ）／Ｄ、及び、Ｅ2＝（Ｖ2＋Ｃ）／Ｄ
である。
【００２６】
Ｎ個の波形サイクル後、かかるデバイスを通過するイオンに対しては、
Ｎ・Ｓ≧Ｄ
または、
Ｎ｛Ｋ1・ｔ1（（Ｖ1＋Ｃ）／Ｄ）＋Ｋ2・ｔ2（（Ｖ1＋Ｃ）／Ｄ）｝≧Ｄ
であり、再整理すると、
Ｎ｛Ｋ1・ｔ1（（Ｖ1＋Ｃ）／Ｄ2）＋Ｋ2・ｔ2（（Ｖ1＋Ｃ）／Ｄ2）｝≧１
となる。
【００２７】
この単純モデルによって示される挙動を、図４中のグラフに示す。これは、高い場での移動度Ｋ2に対してプロットしたあるｒｆサイクル番号におけるイオンの移動距離Ｓを示している。低い場での移動度Ｋ1を１に設定し、補償電圧Ｃを印加する。
【００２８】
グリッド間のギャップＤが１であるデバイスの場合、これらの条件下では、Ｋ2が約１.１２５より大きい総てのイオンがデバイスを通過することとなる。
【００２９】
図４のグラフ中の線の傾きは、イオンに許される時間に依存する。理想条件下では、該線は、Ｋ2軸に直交するであろう。
【００３０】
上記の実施例においては、示差移動度によって生じるイオンの運動を妨害するように補償電圧Ｃを設定する。或いは、示差移動度の影響がイオンが遠い方のグリッド５１を通過するのを止めさせる傾向がでるように、波形の極性を逆にすることもできる。適当な補償電圧Ｃの印加によって、異なる状況となるであろう。この状況では、ある大きさよりも示差移動度が小さいイオンが通過するであろう。図５に示すグラフは、この状況を図解している。Ｋ2が約１.１２６より小さいイオンが通過することとなる。
【００３１】
これら２つの配列を組み合わせて、図６のグラフに示すような、高い場での移動度の通過域を有する複合システムを作ることができる。この状況では、Ｋ2が非常に狭い範囲内にあるイオンのみが伝わる。補償電圧Ｃを変えて、透過用の実際のＫ2値を設定することができる。補償電圧を走査して、高場スペクトルを作ることができる。これは、イオン抽出の方向が分析場の方向と同じであるので、平行運動スペクトロメータと見なすことができる。
【００３２】
加えて、一方又は両方の補償電圧を変更することによって、かかる複合デバイスの分解能を調整してもよい。図７に示す配列においては、例えば、単に一方の補償電圧Ｃを調整することによって、より広範囲のイオンを選択し、通過域を大きくする。
【００３３】
図８は、３つのグリッド電極１５１、１５２及び１５３を有し、外側の電極１５１及び１５２に２つの独立した補償電圧（Ｃ１及びＣ２）が印加され、中央の電極１５３に１つの非対称波形が印加される複合システムを如何にして実施できるかを示している。
【００３４】
上記のグリッド構造体を用いつつ、バルクガスがグリッド電極を通過する場合、移動度の選択操作が妨害され得るが、これは、実行上の問題とはならないようである。
【００３５】
面積が１ｃｍ2のグリッドを貫流する２４０ｃｍ3・ｍｉｎ-1の典型的なガス流を考えると、ガスの平均速度は約４ｃｍ・ｓｅｃ-1となる。従前の飛行時間型ＩＭＳでは、とても大きなイオンに対する低い場でのイオン速度は、２００Ｖ・ｃｍ-1の場に対して約５００ｃｍ・ｓｅｃ-1となるであろう。イオン速度は、約２Ｖ・ｃｍ-1の場でガス速度と適合している。分析ギャップが約０.５ｍｍのデバイスの場合、２Ｖ・ｃｍ-1の場は、０.１ボルトの電位差（補償電圧）に相当する。高場デバイスに対する典型的な補償電圧は５ボルト程となるであろうから、ガスの流れが完全に止まったとしても、必要な補償電圧に２％の変化を生じるに過ぎないであろう。
【００３６】
本発明の集成装置は、比較的簡単な構造だけを必要とするという利点を有し、該比較的簡単な構造は、容易に構築することができる。デバイスの分解能は、電子的に調整することができる。該集成装置は、飛行時間型イオン移動度スペクトロメータに適合し得るし、また、複合機器中の第１段階を形成することもできる。
【００３７】
これらのシステムにおいて、イオンがデバイスを通過するのに要する時間は、とりわけ、示差移動度に依存する。代替となる高場スペクトロメータを製造することができ、該スペクトロメータにおいては、イオンのパルスをスペクトロメータへ入れることが可能であるため、出力がスペクトルとなり、該スペクトルにおいては、イオンの到着時間が示差移動度に反比例する。
【００３８】
イオンの流れ経路と実質平行に印加される非対称場は、完全にイオンをフィルターにかけたり除去したりするために使用する必要はないが、イオンが検出器に達するのに要する時間を変えるために使用することができる。図９に示す配置において、ゲート１０４の右に位置する時間シフト分析器１０６は、異なる大きさの電場にイオンをさらした場合のイオン移動度における変化を測定するために配置されている。分析器１０６は、ハウジング１０１の横方向、即ち、装置に沿って左から右へのイオンの軸方向の流れ経路に対して直角に延びる２つのグリッド電極１０７及び１０８を含む。グリッド電極１０７及び１０８は、互いに平行に延びて、狭い間隔をあけており、典型的には約０.５ｍｍの距離を置いている。２つの電極１０７及び１０８は、ハウジング１の外側において、２つの電極間に非対称電圧を印加するために配置された電気デバイスユニット１１０と電気的に接続されている。検出板１１１によって、出力がもたらされる。
【００３９】
図３に示す類いの波形を２つの電極１０７及び１０８間に印加して、イオンを振動させる。高い場での移動度の違いを無視すると、イオンによる移動距離は、電圧と該電圧を印加する時間間隔との積に左右される。高い場の期間のイオンによる移動距離がより長い低い場の期間の反対方向への移動距離と同じになるように、低電圧期間の時間間隔を高電圧期間の時間間隔よりも長くする。そのため、交番場自体は、場に依存した移動度を有さないイオンの平均位置に変化をもたらさない。しかしながら、場の強さによって移動度が変わる場合には、各サイクルの高場及び低場部分の期間におけるイオンによる移動距離に違いがあり、イオンの平均位置に変化をもたらす。そのため、場依存イオンの平均位置は、高場及び低場の、特定イオンの移動度の場依存変化についての大きさで決まる速度で徐々に変化する。
【００４０】
移動度が電場で変化しない場合、即ち、Ｋ1＝Ｋ2の場合、
Ｓ＝Ｋ2（Ｅ1・ｔ1＋Ｅ2・ｔ2）、又は、
Ｓ＝Ｋ2（Ｖ1・ｔ1／Ｄ＋Ｖ2・ｔ2／Ｄ）＝Ｋ2（Ｖ1・ｔ1＋Ｖ2・ｔ2）／Ｄ
である。そのため、
Ｓ＝０
となる。
【００４１】
しかしながら、移動度が場の大きさに依存する場合、イオンは、Ｎサイクルの波形で、グリッド７及び８の間のギャップＤを横断することとなり、
Ｎ・Ｓ＝Ｄ
となる。所要時間Ｔは、
Ｔ＝Ｎ・（ｔ1＋ｔ2）
で与えられる。Ｎ＝Ｄ／Ｓの場合、
Ｎ＝Ｄ／（Ｋ1・Ｅ1・ｔ1＋Ｋ2・Ｅ2・ｔ2）
となる。Ｖ1・ｔ1＝−Ｖ2・ｔ2、Ｅ1＝Ｖ1／Ｄ、及び、Ｅ2＝Ｖ2／Ｄであることを考慮すると、
Ｅ1・ｔ1＝Ｖ1・ｔ1／Ｄ
そして、
Ｅ2・ｔ2＝−Ｖ1・ｔ1／Ｄ
となり、そのため、
Ｎ＝Ｄ／（Ｋ1・Ｖ1・ｔ1／Ｄ−Ｋ2・Ｖ1・ｔ1／Ｄ）
又は、
Ｎ＝Ｄ2／Ｖ1・ｔ1（Ｋ1−Ｋ2）
となる。それ故、所要時間は、
Ｔ＝Ｄ2（ｔ1＋ｔ2）／Ｖ1・ｔ1（Ｋ1−Ｋ2）
で与えられる。
【００４２】
従って、グリッド１０７及び１０８間をイオンが移動するのに要する時間は、グリッドの間隔Ｄの二乗に比例し、高場移動度と低場移動度と間の差に反比例し、印加した電圧に反比例する。
【００４３】
場に依存しないイオンよりも、場に依存するイオンが検出器１１に到達するのに要する時間の間により大きな違いをもたらすために、前記装置は、グリッド電極の一連の対で形成され順々に配置された時間シフト分析器を幾つか含んでもよい。幾つかの用途では、一方のグリッド電極の電圧を正にし、他方の電極の電圧を負にするために、高電圧及び低電圧の極性を逆にする必要があるかもしれない。
【００４４】
この装置を操作することが可能な種々の方法がある。
【００４５】
第１の配置においては、幾つかの異なるイオン種のパルスがゲート１０４を入って分析器１０６に行くことができる。個々のイオンの低い場での移動度と高い場での移動度との間の違いに依存した異なる時間で、検出板１１１において信号が発生する。この単純な配置を利用して移動度の差を測定することができ、プロセッサ１１２において、既知物質の移動度差の格納データと比較する。この方法では、物質又は混合物の化学組成を決定したり、関心対象の物質の有無を決定したりすることができる。
【００４６】
上記に概略を説明した第１の配置の問題は、２種類のイオン、即ち、移動度が電場で変わらないイオンと、場に依存した移動度を有するものの非対称場がそれらをゲート１０４に向かって逆戻りさせるイオンとの検出ができないことである。第２種類のイオンは、場を単に逆にすることで同定できるが、このことは、場に依存した移動度を有さないイオンの同定を不可能にしてしまう。この問題を解消するために、静電場成分を加えて、総てのイオンが確実に分析器１０６を通過して検出板１１１に到達するようにできる。これは、グリッド電極１０７及び１０８間に印加する電圧に静電ｄｃ成分を加えることによって達成でき、或いは、このｄｃ成分を別の電極を介して加えることもできる。
【００４７】
静電場を使用できる種々の異なる方法がある。一つの方法では、非対称場のスイッチを切り、ｄｃ場のみを印加して、従前のＩＭＳ機器と同様の方式で、イオンが検出板１１１に移動する。そして、検出板１１１の出力が、イオンの低い場での移動度の指標をもたらす。次に、非対称場のスイッチをオンにして、イオンの到達時間を測定する。これらの２つの場条件における時間の違いは、電場で移動度がどの程度変化するかを示す。
【００４８】
補償電圧Ｃの付加により、所要時間Ｔが下記：
Ｔ＝Ｄ2・（ｔ1＋ｔ2）／｛Ｖ1・ｔ1（Ｋ1−Ｋ2）＋Ｃ・（Ｋ1・ｔ1＋Ｋ2・ｔ2）｝
のように変更される。従って、高場及び低場での移動度が同じ、即ち、Ｋ1＝Ｋ2の場合、Ｋ1−Ｋ2項が消え、時間Ｔは、イオンの移動度とｄｃ場の大きさＣとで定義される。
【００４９】
代替の方法は、ｄｃ場成分の値Ｃの適切な調整に依存する。Ｃの値は、小さいものの（Ｃａ）、非対称場がオフで関心対象のイオンの総てがデバイスを通過するように、最初に設定する。イオンの到達時間を検出し、プロセッサ１１２に格納する。次に、デバイスユニット１１０が非対称場のスイッチをオンにし、引き続き、各イオンタイプに対して、例えば、イオンの到達時間が非対称場のスイッチをオフにしていたときの到達時間に戻るように、Ｃの値を調整する。このＣの新しい値（例えば、Ｃｂ）を各イオンに対してプロセッサ１１２中に格納し、ＣａとＣｂとの間の違いを、電場でイオン移動度がどの程度変化するかの尺度とする。再度、プロセッサ１１２は、これを用いて、異なる物質に対する移動度の変化の格納表と比較することで、イオンの性質を同定することができる。
【００５０】
図９に示す装置を単独で用いて、イオンに関する情報を得てもよい。また、より一層の追加情報を提供するために、該装置を他の形態の検出器と組み合わせてもよい。例えば、該装置を、低場条件下でのイオンの移動度を測定するために作動する従前の時間飛行型イオン移動度スペクトロメータと容易に組み合わせることができる。最も好都合には、ＩＭＳ機能を、図１０に示すように、同じハウジング１０１’中において、時間シフト分析器１０６’の電極１０７’及び１０８’と検出板１１１’との間で、場依存装置と組み合わせることができる。これは、ハウジング１０１’に沿って互いに間隔を置いており且つ検出板に向かって徐々に高くなる電圧を電極に印加するために配置された駆動ユニット１１０’に接続された多数の追加電極１１４’を準備することで簡単に達成できる。この方法では、漸増ｄｃ場を構築して、イオンを検出板１１１’に向かって推進させる。
【００５１】
前記装置には、種々の他の変形が可能である。
【００５２】
該装置は、イオン源とゲートとの間にイオン−分子反応領域を含むことができる。この領域において、イオン源で生成した一次イオンを、分析するガスのイオン化されていない分子と混合できる。
【００５３】
装置が分析器へのイオンの進入を制御するためのゲートを有することは、必須ではない。ｄｃ電圧Ｃの大きさを走査することによって、引き続いて、異なる示差移動度を有するイオンが検出板に達することとなる。検出器の信号を微分することで、示差移動度のスペクトルが得られる。ｄｃ電圧に加えて、低周波数、低電圧の交番電位を印加した場合、微分する必要なく、検出板で信号中のこの周波数成分の大きさを測定することができるであろう。
【００５４】
非対称波形が充分な大きさである場合、英国特許第０５０８２３９.１号に記載の手法でイオンの改変が起こるであろう。これによって、追加のイオンがもたらされ、更には、検体物質の確実な同定が容易になる。この改変は、ドーパント付加化合物の除去の結果であっても、イオン自体の分裂と娘種の生成の結果であってもよい。分析器自体を用いて、このイオンの改変を起こさせてもよいし、別のイオン変性領域を時間シフト分析器の前又は後に導入することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】前記システムを概略的に示す。
【図２】図１のシステムのイオンフィルターの一部を拡大して示す。
【図３】前記イオンフィルターに印加する電圧を示すグラフである。
【図４】第１の波形極性で、高い場での移動度が異なるイオンの移動距離を示すグラフである。
【図５】第２の、即ち、逆の波形極性で、高い場での移動度が異なるイオンの移動距離を示すグラフである。
【図６】図４及び図５に示す配列の組み合わせを示すグラフである。
【図７】図６に示すグラフトと類似するものの、補償電圧の一方を調整して帯域通過の幅を増加させたグラフである。
【図８】図６及び図７に示す組み合わせ配列の実施を可能とする電極配列体を概略的に示す。
【図９】前記システムの変形例を概略的に示す。
【図１０】図９の集成装置の変形例を概略的に示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
経路に沿ってイオンを供与する手段を含むイオン選択装置において、
該装置は、前記経路に沿って互いに間隔をあけており且つ該経路と交差して横方向に延在する第１及び第２の平行電極（５１及び５２；１５１及び１５２）を含み、
該電極は、イオンがそれらを通過できるように配置されており、
また、前記装置は、前記２つの電極（５１及び５２；１５１及び１５２）を通過するイオンもあれば、該２つの電極を通過しないイオンもあるように、前記２つの電極（５１及び５２；１５１及び１５２）間に非対称電圧を印加して、該電極間の間隙中に高い場の期間とそれに続く低い場のより長い期間とを作り出す配列体（２０）を含む
ことを特徴とするイオン選択装置。
【請求項２】
前記イオン選択装置が、補償電圧を印加して、イオンの前記電極（５１及び５２；１５１及び１５２）の通過を制御する配列体（２０）を含むことを特徴とする請求項１に記載のイオン選択装置。
【請求項３】
ワイヤー間に隙間を有し、該隙間を前記イオンが通過できるワイヤーグリッド（５１及び５２；１５１及び１５２）によって、前記電極が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のイオン選択装置。
【請求項４】
経路に沿ってイオンを供与する手段を含むイオン選択装置において、
該装置は、前記経路の横方向に延在する電極配列体（５０；１５１から１５３）を含み、
該電極配列体は、選択されたイオンがそれを通過するのを可能とし、
また、前記装置は、第１の所定の値よりも大きく且つ第２の所定の値よりも小さい示差移動度を有するイオンのみが前記電極配列体を通過するように、前記電極配列体（５０；１５１から１５３）と交差して非対称電圧を印加して、該電極配列体中に高い場の期間とそれに続く低い場のより長い期間とを作り出す配列体（２０）と、前記電極配列体（５０；１５１から１５３）に補償電圧を印加する配列体とを含む
ことを特徴とするイオン選択装置。
【請求項５】
前記電極配列体が３つの平行電極（１５１から１５３）を含むことを特徴とする請求項４に記載のイオン選択装置。
【請求項６】
前記非対称電圧が中央の電極（１５３）に印加され、その外側の電極（１５１及び１５２）に２つの補償電圧が印加されることを特徴とする請求項５に記載のイオン選択装置。
【請求項７】
イオンの移動経路に沿った領域中でイオンを選択する方法において、
該方法は、前記経路と平行に電場を形成することを含み、
該電場は、前記イオンの中の選択したものだけが該電場を通過するように、高い場の期間とそれに続く低い場のより長い期間とを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項８】
前記電場は、前記イオンの中の選択したものだけが該電場を通過するように選択されたｄｃ補償場を含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
イオン源（７’）と、ドリフト領域（９）と、該ドリフト領域に沿って進むイオンを検出するための検出器（１１）とを含むイオン移動度スペクトロメータにおいて、
該スペクトロメータは、該スペクトロメータの長さに沿って互いに間隔をあけており且つイオンの経路と交差して延在する第１及び第２の平行電極（５１及び５２；１５１及び１５２）を含むイオン選択用の配列体を含み、
該電極（５１及び５２；１５１及び１５２）は、イオンがそれらを通過できるように配置されており、
また、前記スペクトロメータは、前記イオンの中の選択したものだけが前記ドリフト領域（９）を通過するように、前記２つの電極間に非対称電圧を印加して、該電極間の間隙中に高い場の期間とそれに続く低い場のより長い期間とを作り出す配列体（２０）を含む
ことを特徴とするイオン移動度スペクトロメータ。
【請求項１０】
前記検出器（１１）へのイオンのゲート通過のためのゲート（８）を含み、
前記電極によって選択されたイオンだけが前記ゲートに移動するように、前記第１及び第２の平行電極（５１及び５２）が前記ゲート（１１）の上流に設置されている
ことを特徴とする請求項９に記載のイオン移動度スペクトロメータ。
【請求項１１】
２つの化学種がスペクトロメータから類似の出力を通常発する場合に、前記電極（５１及び５２；１５１及び１５２）に印加する電圧が、一方の化学種に由来するイオンの通過を可能とし且つ他方の化学種に由来するイオンの通過を阻害するように選択されていることを特徴とする請求項９又は１０に記載のイオン移動度スペクトロメータ。
【請求項１２】
前記装置が、前記検出器と前記非対称場印加用配列体との間の領域に低い場を印加するための配列体（１０）を含むことを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１３】
イオン源と、イオン検出器（１１１、１１１’）と、該イオン源と検出器の間に延在するイオンの流れ経路とを含む装置において、
該装置は、前記検出器（１１１、１１１’）にイオンが到達するのに要する時間が低い場の移動度と高い場の移動度との間の違いに依存するように、前記イオンの流れ経路の少なくとも一部に沿って、前記イオンの流れ経路と実質平行に非対称電場を印加して、前記経路に沿って流れるイオンを高い場と低い場に交互にさらするための配列体（１０７、１０８；１０７’、１０８’）を含む
ことを特徴とする装置。
【請求項１４】
前記非対称場が、前記イオンの流れ経路に直角に延在し且つ該経路に沿って互いに間隔をあけている２つの平行グリッド電極（１０７、１０８；１０７’、１０８’）間に印加されることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
イオン検出器（１１１、１１１’）に向かうイオンの流れ経路に沿ってイオンを供給する工程と、
前記経路に沿って流れるイオンが高い場と低い場とに交互にさらされるように、前記イオンの流れ経路の少なくとも一部に沿って、前記イオンの流れ経路に実質平行な非対称電場に前記イオンをさらす工程と、
前記検出器（１１１、１１１’）にイオンが到達するのに要する時間を測定する工程と、
測定された前記検出器に到達するのに要する時間に従って、イオンに関する情報を提供する工程と
を含む、イオンに関する情報の提供方法。
【請求項１】
経路に沿ってイオンを供与する手段を含むイオン選択装置において、
該装置は、前記経路に沿って互いに間隔をあけており且つ該経路と交差して横方向に延在する第１及び第２の平行電極（５１及び５２；１５１及び１５２）を含み、
該電極は、イオンがそれらを通過できるように配置されており、
また、前記装置は、前記２つの電極（５１及び５２；１５１及び１５２）を通過するイオンもあれば、該２つの電極を通過しないイオンもあるように、前記２つの電極（５１及び５２；１５１及び１５２）間に非対称電圧を印加して、該電極間の間隙中に高い場の期間とそれに続く低い場のより長い期間とを作り出す配列体（２０）を含む
ことを特徴とするイオン選択装置。
【請求項２】
前記イオン選択装置が、補償電圧を印加して、イオンの前記電極（５１及び５２；１５１及び１５２）の通過を制御する配列体（２０）を含むことを特徴とする請求項１に記載のイオン選択装置。
【請求項３】
ワイヤー間に隙間を有し、該隙間を前記イオンが通過できるワイヤーグリッド（５１及び５２；１５１及び１５２）によって、前記電極が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のイオン選択装置。
【請求項４】
経路に沿ってイオンを供与する手段を含むイオン選択装置において、
該装置は、前記経路の横方向に延在する電極配列体（５０；１５１から１５３）を含み、
該電極配列体は、選択されたイオンがそれを通過するのを可能とし、
また、前記装置は、第１の所定の値よりも大きく且つ第２の所定の値よりも小さい示差移動度を有するイオンのみが前記電極配列体を通過するように、前記電極配列体（５０；１５１から１５３）と交差して非対称電圧を印加して、該電極配列体中に高い場の期間とそれに続く低い場のより長い期間とを作り出す配列体（２０）と、前記電極配列体（５０；１５１から１５３）に補償電圧を印加する配列体とを含む
ことを特徴とするイオン選択装置。
【請求項５】
前記電極配列体が３つの平行電極（１５１から１５３）を含むことを特徴とする請求項４に記載のイオン選択装置。
【請求項６】
前記非対称電圧が中央の電極（１５３）に印加され、その外側の電極（１５１及び１５２）に２つの補償電圧が印加されることを特徴とする請求項５に記載のイオン選択装置。
【請求項７】
イオンの移動経路に沿った領域中でイオンを選択する方法において、
該方法は、前記経路と平行に電場を形成することを含み、
該電場は、前記イオンの中の選択したものだけが該電場を通過するように、高い場の期間とそれに続く低い場のより長い期間とを含む
ことを特徴とする方法。
【請求項８】
前記電場は、前記イオンの中の選択したものだけが該電場を通過するように選択されたｄｃ補償場を含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
イオン源（７’）と、ドリフト領域（９）と、該ドリフト領域に沿って進むイオンを検出するための検出器（１１）とを含むイオン移動度スペクトロメータにおいて、
該スペクトロメータは、該スペクトロメータの長さに沿って互いに間隔をあけており且つイオンの経路と交差して延在する第１及び第２の平行電極（５１及び５２；１５１及び１５２）を含むイオン選択用の配列体を含み、
該電極（５１及び５２；１５１及び１５２）は、イオンがそれらを通過できるように配置されており、
また、前記スペクトロメータは、前記イオンの中の選択したものだけが前記ドリフト領域（９）を通過するように、前記２つの電極間に非対称電圧を印加して、該電極間の間隙中に高い場の期間とそれに続く低い場のより長い期間とを作り出す配列体（２０）を含む
ことを特徴とするイオン移動度スペクトロメータ。
【請求項１０】
前記検出器（１１）へのイオンのゲート通過のためのゲート（８）を含み、
前記電極によって選択されたイオンだけが前記ゲートに移動するように、前記第１及び第２の平行電極（５１及び５２）が前記ゲート（１１）の上流に設置されている
ことを特徴とする請求項９に記載のイオン移動度スペクトロメータ。
【請求項１１】
２つの化学種がスペクトロメータから類似の出力を通常発する場合に、前記電極（５１及び５２；１５１及び１５２）に印加する電圧が、一方の化学種に由来するイオンの通過を可能とし且つ他方の化学種に由来するイオンの通過を阻害するように選択されていることを特徴とする請求項９又は１０に記載のイオン移動度スペクトロメータ。
【請求項１２】
前記装置が、前記検出器と前記非対称場印加用配列体との間の領域に低い場を印加するための配列体（１０）を含むことを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１３】
イオン源と、イオン検出器（１１１、１１１’）と、該イオン源と検出器の間に延在するイオンの流れ経路とを含む装置において、
該装置は、前記検出器（１１１、１１１’）にイオンが到達するのに要する時間が低い場の移動度と高い場の移動度との間の違いに依存するように、前記イオンの流れ経路の少なくとも一部に沿って、前記イオンの流れ経路と実質平行に非対称電場を印加して、前記経路に沿って流れるイオンを高い場と低い場に交互にさらするための配列体（１０７、１０８；１０７’、１０８’）を含む
ことを特徴とする装置。
【請求項１４】
前記非対称場が、前記イオンの流れ経路に直角に延在し且つ該経路に沿って互いに間隔をあけている２つの平行グリッド電極（１０７、１０８；１０７’、１０８’）間に印加されることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
イオン検出器（１１１、１１１’）に向かうイオンの流れ経路に沿ってイオンを供給する工程と、
前記経路に沿って流れるイオンが高い場と低い場とに交互にさらされるように、前記イオンの流れ経路の少なくとも一部に沿って、前記イオンの流れ経路に実質平行な非対称電場に前記イオンをさらす工程と、
前記検出器（１１１、１１１’）にイオンが到達するのに要する時間を測定する工程と、
測定された前記検出器に到達するのに要する時間に従って、イオンに関する情報を提供する工程と
を含む、イオンに関する情報の提供方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公表番号】特表２００９−５２２７５０（Ｐ２００９−５２２７５０Ａ）
【公表日】平成２１年６月１１日（２００９．６．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５４９９１９（Ｐ２００８−５４９９１９）
【出願日】平成１９年１月９日（２００７．１．９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２００７／００００２１
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０８０３７６
【国際公開日】平成１９年７月１９日（２００７．７．１９）
【出願人】（５０７２３５７８９）スミスズ ディテクション−ワトフォード リミテッド (25)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年６月１１日（２００９．６．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１月９日（２００７．１．９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２００７／００００２１
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０８０３７６
【国際公開日】平成１９年７月１９日（２００７．７．１９）
【出願人】（５０７２３５７８９）スミスズ ディテクション−ワトフォード リミテッド (25)
【Ｆターム（参考）】
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