JP5144496B2 - 検出装置、検出方法及びイオン移動度スペクトロメータ装置 - Google Patents

Description

この発明は、試料内の物質を検出する検出装置、検出方法及びイオン移動度スペクトロメータ（ＩＭＳ）装置に関するものである。

イオン移動度スペクトロメータ（ＩＭＳ）は、大気圧下にある蒸気やガス中の微量の大気中化学物質を検出するために使用される。ＩＭＳは、試料内の化学物質をイオン化する、コロナ放電又は放射線源等の手段を具える。ゲートが開口し、分子イオンクラスタがドリフト室の一端から入れられ、電圧が印加されることで、かかる分子イオンクラスタがドリフト室の他端へとドリフトし、捕集プレートにて捕集される。分子イオンクラスタは注入されたドーパントイオンを含むこともある。分子イオンクラスタがゲートから捕集プレートまで到達するまでの時間は、分子イオンクラスタの質量、寸法、形状及び電荷に依存している。かかる到達時間を測定することにより、その化学物質の有する特性を知ることが可能となる。

多くの場合、関心対象の物質のイオンクラスタの飛行時間が、他の物質のイオンクラスタの飛行時間と類似することから、関心対象の物質を正確に同定することは困難である。異なる分子イオンクラスタ間における識別能力を向上させるために、多くの構成が提案されてきた。特許文献１に記載の構成では、レーザーエネルギ、ピロライザ等を用いて、イオンをフラグメント化する。イオンクラスタは容器内に蓄積し、ドリフト室に入れられる前にイオン修飾エネルギに曝される。かかる構成の１つの問題点は、全ての分子イオンクラスタがフラグメント処理され、スペクトルのピーク値が増えてしまうので、分析が極めて困難なことにある。かかる構成のその他の問題は、確実にフラグメント化するためには相当に大きなエネルギが必要であることから、特に携帯型の電池式装置において問題となることにある。

米国特許第６７９７９４３号明細書

従って、この発明の目的は、それらに替わる検出装置、検出方法及びイオン移動度スペクトロメータ装置を提供することにある。

第一発明は、上述した種類の検出装置であり、試料に含まれる物質をイオン化するイオナイザと、イオナイザによりイオン化された物質のイオンに、当該イオンの一部をイオン修飾するための電界を印加する、電気的手段とを含む。イオン修飾は、ドリフト室内で起こるとともに、前記一部のイオンの移動度を変化させる。

また、装置は、ドリフト室におけるイオンの移動方向終端部でのイオンの移動度を測定する手段を含むことが好ましい。更に、電界は、対称性を有することが好ましく、ＲＦ電界とすることが好ましい。更にまた、電界を間欠的に印加することが好ましい。加えて、イオンは、それぞれ個別のイオン又はイオンクラスタであることが好ましく、注入されたドーパント分子を含むことが好ましい。加えてまた、電界は、選択された分子のみを修飾するよう構成することが好ましい。

第二発明は、試料内の物質を検出する検出装置であって、物質のイオンに対して、当該イオンのうち選択されたイオンのみをイオン修飾するための電界を印加する手段を含む。イオン修飾は、ドリフト室（７）内で起こる。

第三発明は、試料内の物質を検出する検出装置であって、ドリフト室内に、選択されたイオンのみをイオン修飾するための電界を印加する手段を含み、異なる物質のイオンが装置内の異なる領域に分離されるよう構成されている。

第四発明は、イオン化領域、ゲート、ドリフト室及び捕集器を含むイオン移動度スペクトロメータ装置であって、ドリフト室内にて互いに離間した一対の電極を含み、電極間に、一部のイオンを修飾するための高電界を印加することにより、修飾されたイオンがされていないイオンとは異なる速度で捕集器まで移動するよう構成されている。

装置は、ゲートの開口後、所定時間において電極間に高電界を印加することにより、選択された移動度の範囲内のイオンのみを修飾するような構成であることが好ましい。

第五発明は、試料内の物質を検出する方法であって、（ａ）試料内の物質をイオン化するステップと、（ｂ）電界を印加することにより、選択された物質のイオンのみを修飾するステップであって、当該修飾が、ドリフト室内で起こるとともに、前記選択された物質のイオンの移動度を変化させる、ステップと、（ｃ）前記電界を印加するステップの後に、前記選択されたイオンを、当該イオンの移動度に基づいて検出するステップと、を含む。

また、選択された範囲内の移動度を有するイオンをイオン修飾するように選択された時間に、エネルギを加えることが好ましい。更に、エネルギを、短時間及び／又は高周波数で加えることが好ましい。更にまた、エネルギを、電界により加えることが好ましい。

この発明に従う飛行時間イオン移動度スペクトロメータは、かかるスペクトロメータの概略図を参照し、例示しつつ、以下に説明する。

スペクトロメータは、内部が実質的に大気圧となっている延在したチューブ状筐体１を含んでいる。左方端の入口２は、イオン化領域３に向かって開口する。分析対象の試料ガス又は蒸気は、従来の方法により、フィルタ４を介して入口２に供給される。イオン化領域３は、試料をイオン化するコロナ放電点や、放射線源といったその他の手段を含む。ゲート６はドリフト室７からイオン化領域３を分離し、かかるドリフト室７は、イオン捕集プレート８が配されている筐体１の右方端に延在する。ドリフト室７は、従来の方法により、ドリフト室７の長手方向に相互に離間した電極の列１１〜１５を有する。それら捕集プレート８、電極１１〜１５、ゲート６及び放電点５は、プロセッサ制御ユニット２０に電気的に接続されており、かかるユニット２０は、ディスプレイやその他の利用可能なユニット２１に出力を行い、検出された物質を表示する。

ドリフトガスは、入口３０にて筐体１の右側端から供給され、イオンの流れる方向とは反対方向に、ドリフト室７の右側から左側へと流れる。ドリフトガスは、ドリフト室７の左方端にある出口３１から排出される。

ガスは、モレキュラーシーブ３３及びポンプ３４を含むガスシステム３２により出口３１と入口３０との間を流れる。モレキュラーシーブ３３は、特許文献２に記載のドーパントを含み得る。イオン化領域３にて生産されたイオンは、ゲート６が開口しているときにドリフト室７の左方端から入る。イオンは、電極１１〜１５により発生する約２５０Ｖｃｍ−１の低電界の作用により、ドリフト室内にて左方から右方へと流すことができる。ドリフト室７内を通ると、異なる移動度のイオンが互いに分離するので、いずれの時点においても、異なるイオンはドリフト室内の異なる領域に存在することとなる。そのことから、異なる移動度を有するイオンは、夫々異なる時間に捕集プレート８に到達し、夫々異なる時間に出力ピークをプロセッシングユニット２０に送信する。

国際公開第００／７９２６１号パンフレット

上述した装置は従来技術のものである。

この発明の装置は、高電界によりイオンをフラグメント化するなどのイオン修飾を施す手段を含む点で従来技術の装置とは異なる。様々な方法により、このことを達成することができる。装置の任意の位置にて高電界を印加することが可能であるが、図示の例では、ドリフト室内７にて高電界を印加している。かかる電界は、ドリフト室７の半径方向に離間した電極１３Ａ及び電極１３Ｂからなる電極１３の手段により印加される。電極１３Ａ及び電極１３Ｂはドリフト室７の長手方向中央にて配置されているが、ドリフト室７内であればその他の位置に配置することも可能である。これら電極１３Ａ及び電極１３Ｂは、プロセシングユニット２０により制御されている高電圧ＲＦユニット４０に接続されている。高電圧ユニット４０は、高強度ＲＦ電界（約２ＭＨｚ）を印加し、かかる電界内の大半のイオンにイオン修飾を施すよう操作することができる。電界の強度は、少なくとも１０，０００Ｖ／ｃであり、単位センチあたり数万ボルトとなることが好ましい。ＲＦ電界は、コロナ放電を阻止するために、連続的に印加又は１μｓのオーダーでバーストさせることができる。印加される電界が対称性を有していることから、分子イオンクラスタはドリフト室７の中央に配置され、電極１３〜１５と接触してしまわないように移動しない点において有利である。あるいは、１μｓオーダーの非ＲＦ短パルスを利用することができる。これら電界は、イオンに充分なエネルギを供給して、イオン修飾させることが可能である。修飾された又はフラグメント化したイオンは、修飾されていないイオンとは異なる移動度にて捕集プレート８に捕集されるので、その出力スペクトルも異なるピーク値を示す。修飾されたイオンは一般に類似した移動度とはならないことから、かかる装置を用いることで、類似した移動度を有する２つの異なるイオンを区別することが可能となる。

試料ガス又は蒸気にドーパントを注入して、数百ｐｐｍの水などの中性分子環境を安定化させることができる。

装置は、同一のＤＣ電圧である２つの電極１３Ａ及び１３Ｂは、イオン修飾電界とはなっていない近接する電極１２の電圧と電極１４の電圧との間の電圧にて、殆んど時間を常時操作できるように構成することができる。不明瞭な物質が同定された場合に、プロセッシングユニット２０がイオン修飾電界の印加を開始させて、不明瞭な物質を同定する。あるいは、イオン修飾電界が連続して印加するよう装置を操作して、検出された物質を確認するために短時間操作を止めることも可能である。

イオン修飾電界の印加は、ゲート６の操作と連動させることができる。かかる構成では、イオン修飾電界の印加は、ゲート６が開口した後、算出された所定の時間にて開始し、選択された範囲の移動度を有するイオンが、イオン修飾電圧が負荷された電極であって、イオン修飾電界用の電極１３Ａと電極１３Ｂとの間の領域に存在することとなる。かかる構成は、選択されたイオンのみに限定して、イオン修飾プロセスを実施するので、過剰な数のピークを作り出さずに、物質の同定を促進することが可能となる。

あるいは、その他のエネルギ源を用いて、同様の方法により、選択されたイオン分子をイオン修飾することが可能である。かかるその他のエネルギ源は、レーザー放射、紫外線放射、真空紫外線放射、赤外電離、光学電離、電子衝撃、電子ビーム、電子噴霧、電子電離、コロナ放電、グロー放電、プラズマ放射又は放射性放射等の放射線源を含む。

イオン修飾電界は、イオン化領域３やゲート６などにおける任意の位置にて印加することができ、また、ＩＭＳ装置の走査時の任意の時間にて印加することができる。この発明は、ＩＭＳ装置以外のその他の検出装置に適用することも可能である。

この発明に従うイオン移動度スペクトロメータの概略図である。

Claims (19)

1. 試料内の物質を検出する検出装置であって、
   前記試料に含まれる物質をイオン化するイオナイザ（５）と、
   前記イオナイザ（５）によりイオン化された前記物質のイオンに、当該イオンの一部をイオン修飾するための電界を印加する、電気的手段（１３、４０）とを含み、
   前記イオン修飾は、ドリフト室（７）内で起こるとともに、前記一部のイオンの移動度を変化させることを特徴とする検出装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、前記ドリフト室（７）におけるイオンの移動方向終端部でのイオンの移動度を測定する手段（８、２０）を含むことを特徴とする検出装置。
3. 請求項１又は２に記載の装置であって、前記電界は対称性を有することを特徴とする検出装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置であって、前記電界はＲＦ電界であることを特徴とする検出装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置であって、前記電界を間欠的に印加することを特徴とする検出装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置であって、前記イオンは、それぞれ個別のイオン又はイオンクラスタであることを特徴とする検出装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置であって、前記イオンは、注入されたドーパント分子を含むことを特徴とする検出装置。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置であって、前記電界は、選択されたイオンのみをイオン修飾するよう構成されていることを特徴とする検出装置。
9. 試料内の物質を検出する検出装置であって、
   前記物質のイオンに対して、当該イオンのうち選択されたイオンのみをイオン修飾するための電界を印加する手段（１３，４０）を含み、
   前記イオン修飾が、ドリフト室（７）内で起こることを特徴とする検出装置。
10. 試料内の物質を検出する装置であって、
    ドリフト室（７）内に、選択されたイオンのみをイオン修飾するための電界を印加する手段（１３，４０）を含み、
    異なる物質のイオンが前記装置内の異なる領域に分離されるよう構成されていることを特徴とする検出装置。
11. イオン化領域（３）、ゲート（６）、ドリフト室（７）及び捕集器（８）を含むイオン移動度スペクトロメータ装置であって、
    前記ドリフト室（７）内にて相互に離間した一対の電極（１３Ａ及び１３Ｂ）を含み、
    該電極間に、一部のイオンを修飾するための電界を印加することにより、該修飾されたイオンが修飾されていないイオンとは異なる速度で前記捕集器まで移動するよう構成されていることを特徴とするイオン移動度スペクトロメータ装置。
12. 請求項１１に記載の装置であって、前記ゲートの開口後、所定の時間において前記電極（１３Ａ及び１３Ｂ）間に前記電界を印加することにより、選択された移動度の範囲内にあるイオンのみを修飾するようにしたことを特徴とするイオン移動度スペクトロメータ装置。
13. 試料内の物質を検出する方法であって、
    （ａ） 前記試料内の物質をイオン化するステップと、
    （ｂ） 電界を印加することにより、選択された物質のイオンのみを修飾するステップであって、当該修飾が、ドリフト室内で起こるとともに、前記選択された物質のイオンの移動度を変化させる、ステップと、
    （ｃ） 前記電界を印加するステップの後に、前記選択されたイオンを、当該イオンの移動度に基づいて検出するステップと、
    を含むことを特徴とする検出方法。
14. 請求項１３に記載の方法であって、前記電界を、前記選択されたイオンの移動度が変化されるように選択された時間に、印加することを特徴とする検出方法。
15. 請求項１３に記載の方法であって、前記電界を所定時間だけ印加することにより、選択された範囲内の移動度を有するイオンのみに、前記電界のイオン修飾電圧によるエネルギを与えることを特徴とする検出方法。
16. 請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の方法であって、前記電界を所定周波数にて印加することにより、選択された範囲内の移動度を有するイオンのみに、前記電界のイオン修飾電圧によるエネルギを与えることを特徴とする検出方法。
17. 請求項１５又は１６に記載の方法であって、前記エネルギを前記電界により前記イオンに与えることを特徴とする検出方法。
18. イオン移動度スペクトロメータ装置であって、
    （ａ） イオン化領域（３）と、
    （ｂ） ゲート（６）と、
    （ｃ） ドリフト室（７）と、
    （ｄ） 捕集器（８）と、
    （ｅ） 前記ドリフト室（７）内にて相互に離間した一対の電極（１３Ａ及び１３Ｂ）とを含み、
    前記一対の電極間に、一部のイオンを修飾するための電界を印加することにより、当該修飾されたイオンが修飾されていないイオンとは異なる速度で前記捕集器まで移動するようにしたことを特徴とするイオン移動度スペクトロメータ装置。
19. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の検出装置であって、前記イオン修飾は、フラグメント化を含むことを特徴とする検出装置。

Images