JP7807969B2 - IMS analysis device and IMS analysis method - Google Patents
IMS analysis device and IMS analysis methodInfo
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Description
本発明は、IMS分析装置及びIMS分析方法に関する。 The present invention relates to an IMS analysis device and an IMS analysis method.
従来のIMS分析装置では、放射線、コロナ放電などを用いて試料ガスをイオン化している。放射線やコロナ放電は高いエネルギーを有するため、試料ガスをイオン化する際に試料ガスが化学的に分解することがある。この場合、試料ガスが分解して生成した多くのイオンが検出器により検出され、IMSスペクトルに多くのピーク(検出ピーク)が現れる。このことがIMS分析において試料ガスを特定することを困難にしている。
電子放出素子から放出される低エネルギーの電子を用いて試料ガスをイオン化するIMS分析装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。この分析装置により、試料ガスが化学的に分解することを抑制することができ、試料ガスを特定することが容易になる。このIMS分析装置では、キャリアガスとして空気を用いており、IMSスペクトルに空気から生成したイオン(一次イオン)に対応するピークが現れる。
Conventional IMS analyzers ionize sample gases using radiation, corona discharge, or the like. Because radiation and corona discharge have high energy, the sample gas may be chemically decomposed during ionization. In this case, the detector detects many ions generated by the decomposition of the sample gas, resulting in many peaks (detection peaks) appearing in the IMS spectrum. This makes it difficult to identify the sample gas in IMS analysis.
An IMS analyzer is known that ionizes a sample gas using low-energy electrons emitted from an electron-emitting element (see, for example, Patent Document 1). This analyzer can suppress chemical decomposition of the sample gas, making it easier to identify the sample gas. This IMS analyzer uses air as a carrier gas, and peaks corresponding to ions (primary ions) generated from the air appear in the IMS spectrum.
従来のIMS分析装置では、検出対象成分から生成したイオンに対応するピークが一次イオンに対応するピークに重なっているIMSスペクトルが測定される場合がある。この場合、検出対象成分を特定することが困難である。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、検出対象成分から生成したイオンに対応するピークが一次イオンに対応するピークに重なっている場合であっても、検出対象成分を特定することが可能なIMS分析装置を提供する。
In conventional IMS analyzers, IMS spectra may be measured in which peaks corresponding to ions generated from the target component overlap peaks corresponding to primary ions, making it difficult to identify the target component.
The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and provides an IMS analysis device that can identify a detection target component even when a peak corresponding to ions generated from the detection target component overlaps with a peak corresponding to a primary ion.
本発明は、イオン源と、コレクタと、静電ゲート電極と、電場形成用電極と、制御部とを備え、前記制御部は、前記静電ゲート電極と前記コレクタとの間のドリフト領域に電位勾配を形成するように前記電場形成用電極の電位を制御するように設けられ、前記コレクタ及び前記制御部は、イオンが前記コレクタに到達することにより流れる電流の電流波形を測定するように設けられ、前記制御部は、前記電流波形において第1ピークに重なっている第2ピークが存在するか否かを判断するように設けられ、かつ、第2ピークが存在すると判断した場合、前記電位勾配の傾きが小さくなるように前記電場形成用電極の電位を変化させて前記電流波形を測定するように設けられたことを特徴とするIMS分析装置を提供する。 The present invention provides an IMS analysis apparatus comprising an ion source, a collector, an electrostatic gate electrode, an electric field forming electrode, and a control unit, wherein the control unit is configured to control the potential of the electric field forming electrode so as to form a potential gradient in a drift region between the electrostatic gate electrode and the collector, the collector and the control unit are configured to measure the current waveform of a current that flows when ions reach the collector, and the control unit is configured to determine whether a second peak overlaps a first peak in the current waveform, and, if it is determined that a second peak exists, to change the potential of the electric field forming electrode so as to reduce the slope of the potential gradient and measure the current waveform.
ドリフト領域の電位勾配の傾きを小さくして電流波形(IMSスペクトル)を測定すると、静電ゲート電極からコレクタまでイオンが移動する時間が長くなり、IMS分析装置のイオン分離特性が向上する。このため、第1測定で得られたIMSスペクトルにおいて第1ピークに重なっている第2ピークが存在すると判断した場合、第2測定で得られるIMSスペクトルにおいて第2ピークを第1ピークから分離することができ、第2ピークを用いて検出対象成分を特定することや検出対象成分を定量することが可能になる。このことにより、従来特定できなかった検出対象成分を特定することが可能になる。 Measuring the current waveform (IMS spectrum) by reducing the gradient of the potential gradient in the drift region increases the time it takes for ions to travel from the electrostatic gate electrode to the collector, improving the ion separation characteristics of the IMS analyzer. Therefore, if it is determined that a second peak overlaps with a first peak in the IMS spectrum obtained in the first measurement, the second peak can be separated from the first peak in the IMS spectrum obtained in the second measurement, making it possible to identify and quantify the target component using the second peak. This makes it possible to identify target components that were previously impossible to identify.
本発明のIMS分析装置は、イオン源と、コレクタと、静電ゲート電極と、電場形成用電極と、制御部とを備え、前記制御部は、前記静電ゲート電極と前記コレクタとの間のドリフト領域に電位勾配を形成するように前記電場形成用電極の電位を制御するように設けられ、前記コレクタ及び前記制御部は、イオンが前記コレクタに到達することにより流れる電流の電流波形を測定するように設けられ、前記制御部は、前記電流波形において第1ピークに重なっている第2ピークが存在するか否かを判断するように設けられ、かつ、第2ピークが存在すると判断した場合、前記電位勾配の傾きが小さくなるように前記電場形成用電極の電位を変化させて前記電流波形を測定するように設けられたことを特徴とする。
IMSは、Ion Mobility Spectrometry(イオン移動度スペクトロメータ)の省略である。
第1ピークがキャリアガスに含まれる成分から生成したイオンに対応するピークである場合、第2ピークは試料ガスに含まれる成分から生成したイオンに対応するピークであってもよい。また、試料ガスに含まれる成分から複数のイオンが生成しこれらのイオンに対応するピークある場合、第1ピーク及び第2ピークの両方が試料ガスに含まれる成分から生成したイオンに対応するピークであってもよい。
The IMS analyzer of the present invention comprises an ion source, a collector, an electrostatic gate electrode, an electric field forming electrode, and a controller, wherein the controller is configured to control the potential of the electric field forming electrode so as to form a potential gradient in a drift region between the electrostatic gate electrode and the collector, the collector and the controller are configured to measure a current waveform of a current that flows when ions reach the collector, and the controller is configured to determine whether or not a second peak overlapping a first peak exists in the current waveform, and, if it is determined that a second peak exists, to change the potential of the electric field forming electrode so as to reduce the slope of the potential gradient, and measure the current waveform.
IMS is an abbreviation for Ion Mobility Spectrometry.
When the first peak corresponds to an ion generated from a component contained in the carrier gas, the second peak may correspond to an ion generated from a component contained in the sample gas. When a plurality of ions are generated from the component contained in the sample gas and there are peaks corresponding to these ions, both the first peak and the second peak may correspond to ions generated from the component contained in the sample gas.
好ましくは、本発明のIMS分析装置は、試料ガス注入部をさらに備え、前記コレクタと、前記静電ゲート電極と、前記電場形成用電極とは分析チャンバに収容され、前記試料ガス注入部は、試料ガスとキャリアガスとの混合ガス又は前記試料ガスを含まないキャリアガスを前記分析チャンバに注入するように設けられ、前記イオン源は、前記試料ガスに含まれる成分又は前記キャリアガスに含まれる成分を直接的に又は間接的にイオン化するように設けられ、第1ピークは、前記キャリアガスに含まれる成分から生成したイオンに対応し、第2ピークは、前記試料ガスに含まれる成分から生成したイオンに対応し、前記制御部は、前記試料ガスを含まないキャリアガスを前記分析チャンバに注入しているときに測定される前記電流波形と、前記混合ガスを前記分析チャンバに注入しているときに測定される前記電流波形とを比較することにより、第2ピークが存在するか否かを判断するように設けられる。このことにより、第1ピークと重なっている第2ピークが存在するか否かを正確に判断することができる。 Preferably, the IMS analyzer of the present invention further includes a sample gas injector, wherein the collector, the electrostatic gate electrode, and the electric field generating electrode are housed in an analysis chamber. The sample gas injector is configured to inject a mixed gas of a sample gas and a carrier gas or a carrier gas not containing the sample gas into the analysis chamber. The ion source is configured to directly or indirectly ionize components contained in the sample gas or components contained in the carrier gas. The first peak corresponds to ions generated from the components contained in the carrier gas, and the second peak corresponds to ions generated from the components contained in the sample gas. The control unit is configured to determine whether a second peak exists by comparing the current waveform measured when the carrier gas not containing the sample gas is being injected into the analysis chamber with the current waveform measured when the mixed gas is being injected into the analysis chamber. This allows for accurate determination of whether a second peak overlaps with the first peak exists.
好ましくは、前記イオン源は電子放出素子であり、前記電子放出素子は下部電極と、表面電極と、前記下部電極と前記表面電極の間に配置された中間層とを有し、前記制御部は、前記下部電極と前記表面電極との間に電圧を印加するように設けられ、前記キャリアガスは、水分を含む空気である。
好ましくは、前記制御部及び前記試料ガス注入部は、前記試料ガスを含まないキャリアガスを前記分析チャンバに注入しているときに第1ピークのピーク高さ又はピーク面積が目標値に近づくように前記下部電極と前記表面電極との間に印加する電圧を調節するように設けられ、かつ、前記下部電極と前記表面電極との間に印加する電圧を調節した後に前記混合ガスを前記分析チャンバに注入し前記電流波形を測定するように設けられる。このことにより、一次イオンの生成量を安定化することができ、検出対象成分を定量的に測定することが可能になる。
Preferably, the ion source is an electron-emitting element, the electron-emitting element having a lower electrode, a surface electrode, and an intermediate layer arranged between the lower electrode and the surface electrode, the control unit is configured to apply a voltage between the lower electrode and the surface electrode, and the carrier gas is air containing moisture.
Preferably, the control unit and the sample gas injector are configured to adjust the voltage applied between the lower electrode and the surface electrode so that the peak height or peak area of the first peak approaches a target value when a carrier gas not containing the sample gas is injected into the analysis chamber, and are configured to inject the mixed gas into the analysis chamber and measure the current waveform after adjusting the voltage applied between the lower electrode and the surface electrode. This makes it possible to stabilize the amount of primary ions produced and quantitatively measure the components to be detected.
好ましくは、前記制御部は、前記混合ガスを前記分析チャンバに注入しているときに測定される前記電流波形に微小ピークが存在するか否かを判断するように設けられ、かつ、微小ピークが存在しないと判断した場合、前記下部電極と前記表面電極との間に印加する電圧を大きくするように設けられる。このことにより、IMS分析装置の検出感度を必要に応じて高くすることができ、従来のIMS装置では特定できなかった成分を特定することが可能になる。 Preferably, the control unit is configured to determine whether a minute peak is present in the current waveform measured while the mixed gas is being injected into the analysis chamber, and if it determines that a minute peak is not present, to increase the voltage applied between the lower electrode and the surface electrode. This allows the detection sensitivity of the IMS analysis device to be increased as needed, making it possible to identify components that could not be identified with conventional IMS devices.
本発明は、分析チャンバに試料ガスとキャリアガスとの混合ガスを注入しているときにイオンがコレクタに到達することにより流れる電流の電流波形を測定するステップと、
前記電流波形において第1ピークに重なっている第2ピークが存在するか否かを判断するステップと、第1ピークに重なっている第2ピークが存在すると判断した場合、静電ゲート電極と前記コレクタとの間のドリフト領域の電位勾配の傾きが小さくなるように電場形成用電極の電位を変化させてイオンが前記コレクタに到達することにより流れる電流の電流波形を測定するステップとを含むIMS分析方法も提供する。
本発明のIMS分析方法では、前記分析チャンバに試料ガスを含まないキャリアガスを注入しているときにイオンが前記コレクタに到達することにより流れる電流の電流波形を測定するステップをさらに備え、前記試料ガスを含まないキャリアガスを前記分析チャンバに注入しているときに測定された前記電流波形と、前記混合ガスを前記分析チャンバに注入しているときに測定された前記電流波形とを比較することにより、第1ピークに重なっている第2ピークが存在するか否かを判断することが好ましい。
The present invention includes the steps of: measuring a current waveform of a current that flows when ions reach a collector while a mixed gas of a sample gas and a carrier gas is being injected into an analysis chamber;
The present invention also provides an IMS analysis method, which includes the steps of: determining whether or not a second peak overlapping a first peak exists in the current waveform; and, if it is determined that a second peak overlapping the first peak exists, changing the potential of the electric field forming electrode so that the gradient of the potential gradient in the drift region between the electrostatic gate electrode and the collector becomes smaller, and measuring the current waveform of the current that flows when ions reach the collector.
In the IMS analysis method of the present invention, it is preferable to further include a step of measuring the current waveform of the current that flows when ions reach the collector when a carrier gas that does not contain a sample gas is being injected into the analysis chamber, and to determine whether or not a second peak overlaps with a first peak by comparing the current waveform measured when the carrier gas that does not contain the sample gas is being injected into the analysis chamber with the current waveform measured when the mixed gas is being injected into the analysis chamber.
以下、図面を用いて本発明の一実施形態を説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。 An embodiment of the present invention will be described below using the drawings. The configurations shown in the drawings and the following description are merely examples, and the scope of the present invention is not limited to those shown in the drawings or the following description.
図1は、本実施形態のIMS分析装置の概略断面図である。
本実施形態のIMS分析装置40は、イオン源1と、コレクタ6と、静電ゲート電極8と、電場形成用電極9a~9hと、制御部12とを備え、制御部12は、静電ゲート電極8とコレクタ6との間のドリフト領域11に電位勾配を形成するように電場形成用電極9a~9hの電位を制御するように設けられ、コレクタ6及び制御部12は、イオンがコレクタ6に到達することにより流れる電流の電流波形を測定するように設けられ、制御部12は、前記電流波形において第1ピークに重なっている第2ピークが存在するか否かを判断するように設けられ、かつ、第2ピークが存在すると判断した場合、前記電位勾配の傾きが小さくなるように電場形成用電極9a~9hの電位を変化させて前記電流波形を測定するように設けられたことを特徴とする。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the IMS analysis device of this embodiment.
The IMS analyzer 40 of this embodiment includes an ion source 1, a collector 6, an electrostatic gate electrode 8, electric field forming electrodes 9 a to 9 h, and a control unit 12. The control unit 12 is configured to control the potentials of the electric field forming electrodes 9 a to 9 h so as to form a potential gradient in a drift region 11 between the electrostatic gate electrode 8 and the collector 6. The collector 6 and the control unit 12 are configured to measure a current waveform of a current that flows when ions reach the collector 6. The control unit 12 is configured to determine whether or not a second peak overlapping a first peak exists in the current waveform, and, if it is determined that a second peak exists, to change the potentials of the electric field forming electrodes 9 a to 9 h so as to reduce the slope of the potential gradient, and measure the current waveform.
本実施形態のIMS分析装置40は、試料ガスをイオン化し、その移動度を分析する装置である。分析装置40は、ドリフトチューブ方式IMSで分析するドリフトチューブ型IMS分析装置であってもよい。
IMS分析装置40で分析する試料ガスは、気体試料であってもよく、液体を気化した試料であってもよい。
The IMS analysis device 40 of this embodiment is a device that ionizes a sample gas and analyzes its mobility. The analysis device 40 may be a drift tube type IMS analysis device that performs analysis using a drift tube type IMS.
The sample gas analyzed by the IMS analyzer 40 may be a gas sample or a vaporized liquid sample.
制御部12は、IMS分析装置40を制御する部分である。制御部12は、例えば、CPU、メモリ、タイマー、入出力ポートなどを有するマイクロコントローラを含むことができる。また、制御部12は、電場制御部26、ゲート制御部27、素子電圧制御部17、回収電流測定部19、電源部などを含むことができる。 The control unit 12 is a part that controls the IMS analyzer 40. The control unit 12 may include, for example, a microcontroller having a CPU, memory, timer, input/output ports, etc. The control unit 12 may also include an electric field control unit 26, a gate control unit 27, an element voltage control unit 17, a recovery current measurement unit 19, a power supply unit, etc.
イオン源1は、試料ガスに含まれる成分又はキャリアガスに含まれる成分をイオン化するように設けられた部分であり、例えば、電子放出素子2、コロナ放電用電極、放射線源などである。以下の説明では、イオン源1として電子放出素子2を用いたIMS分析装置40について説明する。 The ion source 1 is a component configured to ionize components contained in the sample gas or the carrier gas, and may be, for example, an electron emitter 2, a corona discharge electrode, or a radiation source. The following description focuses on an IMS analyzer 40 that uses an electron emitter 2 as the ion source 1.
本実施形態のIMS分析装置40は、試料ガスに含まれる検出対象成分を分析する分析チャンバ30を有し、分析チャンバ30は、電子放出素子2とコレクタ6との間に試料ガスに含まれる検出対象成分をイオン化しイオン(マイナスイオン又はプラスイオン)を生成するためのイオン化領域10と、イオンを移動させ分離するためのドリフト領域11(イオン移動領域)とを有する。イオン化領域10とドリフト領域11との間には、静電ゲート電極8が設けられている。また、イオン化領域10の静電ゲート電極8側の反対側には、表面電極4がイオン化領域側となるように電子放出素子2が配置される。また、ドリフト領域11の静電ゲート電極側の反対側には、コレクタ6が配置される。電子放出素子2、コレクタ6、電場形成用電極9a~9h、静電ゲート電極8などは分析チャンバ30に収容されている。 The IMS analyzer 40 of this embodiment has an analysis chamber 30 that analyzes the target components contained in the sample gas. The analysis chamber 30 has an ionization region 10 between the electron emitter 2 and the collector 6 for ionizing the target components contained in the sample gas to generate ions (negative ions or positive ions), and a drift region 11 (ion migration region) for moving and separating the ions. An electrostatic gate electrode 8 is provided between the ionization region 10 and the drift region 11. An electron emitter 2 is disposed on the side of the ionization region 10 opposite the electrostatic gate electrode 8, with the surface electrode 4 facing the ionization region. A collector 6 is disposed on the side of the drift region 11 opposite the electrostatic gate electrode 8. The electron emitter 2, collector 6, electric field forming electrodes 9a-9h, electrostatic gate electrode 8, etc. are housed in the analysis chamber 30.
試料ガス注入部16は、分析チャンバ30に試料ガス又はキャリアガスを注入する部分である。また、試料ガス注入部16は、試料ガスとキャリアガスとの混合ガス又は前記試料ガスを含まないキャリアガスを分析チャンバ30に注入するように設けられてもよい。例えば、試料ガスを測定する前のキャリブレーションにおいて、試料ガス注入部16は、試料ガスを含まないキャリアガスを分析チャンバ30に注入することができる。また、試料ガスを測定する際に試料ガス注入部16は、試料ガスとキャリアガスとの混合ガスを分析チャンバ30に注入することができる。試料ガス注入部16が分析チャンバ30に供給する気体の流量は、例えば、200mL/minである。
試料ガスに含まれる検出対象成分がイオン移動度分析により分析される。試料が気体である場合、試料ガス注入部16は試料ガスを連続的に分析チャンバ30に供給するように設けることができる。また、試料が液体である場合、試料ガス注入部16は気化室を有することができ、この気化室で気化した試料ガスを分析チャンバ30に注入することができる。
また、キャリアガスは、試料ガスと共に分析チャンバ30に注入されるガスであり、例えば、水分を含む空気などである。キャリアガスに含まれる成分が電子放出素子2の放出電子によりイオン化されて一次イオンが生成する。
The sample gas injector 16 is a part that injects a sample gas or a carrier gas into the analysis chamber 30. The sample gas injector 16 may also be configured to inject a mixed gas of a sample gas and a carrier gas, or a carrier gas that does not contain the sample gas, into the analysis chamber 30. For example, in calibration before measuring the sample gas, the sample gas injector 16 can inject a carrier gas that does not contain the sample gas into the analysis chamber 30. When measuring the sample gas, the sample gas injector 16 can inject a mixed gas of a sample gas and a carrier gas into the analysis chamber 30. The flow rate of the gas supplied to the analysis chamber 30 by the sample gas injector 16 is, for example, 200 mL/min.
The components to be detected contained in the sample gas are analyzed by ion mobility spectrometry. When the sample is a gas, the sample gas injector 16 can be configured to continuously supply the sample gas to the analysis chamber 30. When the sample is a liquid, the sample gas injector 16 can have a vaporization chamber, and the sample gas vaporized in the vaporization chamber can be injected into the analysis chamber 30.
The carrier gas is a gas, such as air containing moisture, that is injected into the analysis chamber 30 together with the sample gas. Components contained in the carrier gas are ionized by the electrons emitted from the electron emitter 2 to generate primary ions.
ドリフトガス注入部15は、ドリフトガスを分析チャンバ30に注入するように設けられた部分である。ドリフトガスは、ドリフト領域11においてイオンの移動方向(静電ゲート電極8からコレクタ6へ向かう方向)とは逆方向に流すガスであり、イオンがドリフト領域11を移動する際の抵抗となるガスである。ドリフトガスは、大気中の空気を浄化した空気(清浄空気)であってもよく、圧縮空気シリンダーから供給される空気であってもよく、排気部20により分析チャンバ30から排出された空気を浄化したものであってもよい。ドリフトガス注入部15が分析チャンバ30に供給するドリフトガスの流量は、試料ガス注入部16が分析チャンバ30に供給する気体の流量よりも大きくすることができる。ドリフトガスの流量は、例えば、500mL/minである。 The drift gas injector 15 is a component configured to inject drift gas into the analysis chamber 30. The drift gas flows in the drift region 11 in the opposite direction to the ion movement direction (from the electrostatic gate electrode 8 to the collector 6) and acts as a resistance to the ions as they move through the drift region 11. The drift gas may be purified atmospheric air (clean air), air supplied from a compressed air cylinder, or purified air exhausted from the analysis chamber 30 by the exhaust unit 20. The flow rate of the drift gas supplied by the drift gas injector 15 to the analysis chamber 30 can be greater than the flow rate of the gas supplied by the sample gas injector 16 to the analysis chamber 30. The flow rate of the drift gas is, for example, 500 mL/min.
排気部20は、分析チャンバ30の気体を排出するように設けられた部分である。排気部20は、ドリフトガス及び試料ガスを分析チャンバ30から排出するように設けられる。排気部20は、排気ファンなどにより分析チャンバ30の気体を強制排気するように設けられてもよく、分析チャンバ30の気体を自然排気するように設けられてもよい。 The exhaust unit 20 is a part provided to exhaust gas from the analysis chamber 30. The exhaust unit 20 is provided to exhaust drift gas and sample gas from the analysis chamber 30. The exhaust unit 20 may be provided to forcibly exhaust gas from the analysis chamber 30 using an exhaust fan or the like, or may be provided to naturally exhaust gas from the analysis chamber 30.
試料ガス注入部16及び排気部20は、試料ガスがイオン化領域10を流れるように設けることができる。このことにより、イオン化領域10において電子放出素子2の表面電極4から放出させた電子により直接的又は間接的に試料ガスに含まれる成分をイオン化しマイナスイオン又はプラスイオンを生成することができる。 The sample gas inlet 16 and exhaust 20 can be arranged so that the sample gas flows through the ionization region 10. This allows electrons emitted from the surface electrode 4 of the electron emitter 2 in the ionization region 10 to directly or indirectly ionize components contained in the sample gas, generating negative or positive ions.
ドリフトガス注入部15及び排気部20は、ドリフト領域11においてドリフトガスがコレクタ側から静電ゲート電極側に向かって流れるように設けられる。例えば、ドリフトガス注入部15は、コレクタ側からドリフトガスをドリフト領域11に供給するように設けることができ、排気部20は、イオン化領域10の周りの筐体28の開口(ガス出口)からドリフトガスを排気するように設けることができる。 The drift gas injection unit 15 and exhaust unit 20 are configured to allow the drift gas to flow from the collector side toward the electrostatic gate electrode side in the drift region 11. For example, the drift gas injection unit 15 can be configured to supply the drift gas to the drift region 11 from the collector side, and the exhaust unit 20 can be configured to exhaust the drift gas from an opening (gas outlet) in the housing 28 around the ionization region 10.
電子放出素子2は、表面電極4から電子を放出するように設けられた素子であり、この放出された電子により直接的又は間接的に試料ガスに含まれる検出対象成分をイオン化しマイナスイオン又はプラスイオンを生成するための素子である。
電子放出素子2は、下部電極3と、表面電極4と、下部電極3と表面電極4との間に配置された中間層5とを有する。
The electron emitter element 2 is an element configured to emit electrons from the surface electrode 4, and is an element that uses the emitted electrons to directly or indirectly ionize the components to be detected contained in the sample gas, thereby generating negative ions or positive ions.
The electron-emitting element 2 has a lower electrode 3 , a surface electrode 4 , and an intermediate layer 5 disposed between the lower electrode 3 and the surface electrode 4 .
表面電極4は、電子放出素子2の表面に位置する電極である。表面電極4は、好ましくは10nm以上100nm以下の厚さを有することができる。また、表面電極4の材質は、例えば、金、白金である。また、表面電極4は、複数の金属層から構成されてもよい。
表面電極4は、40nm以上の厚さを有する場合であっても、複数の開口、すき間、10nm以下の厚さに薄くなった部分を有してもよい。中間層5を流れた電子がこの開口、すき間、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4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、薄くなった部分は、下部電極3と表面電極4との間に素子電圧を印加することによっても形成することができる。
The surface electrode 4 is an electrode located on the surface of the electron-emitting element 2. The surface electrode 4 preferably has a thickness of 10 nm or more and 100 nm or less. The surface electrode 4 is made of, for example, gold or platinum. The surface electrode 4 may also be made of multiple metal layers.
Even if the surface electrode 4 has a thickness of 40 nm or more, it may have a plurality of openings, gaps, or thinned portions with a thickness of 10 nm or less. Electrons that flow through the intermediate layer 5 can pass through or penetrate these openings, gaps, or thinned portions, and can be emitted from the surface electrode 4. Such openings, gaps, or thinned portions can also be formed by applying a device voltage between the lower electrode 3 and the surface electrode 4.
下部電極3は、中間層5を介して表面電極4と対向する電極である。下部電極3は、金属板であってもよく、絶縁性基板上もしくはフィルム上に形成した金属層又は導電体層であってもよい。また、下部電極3が金属板からなる場合、この金属板は電子放出素子2の基板であってもよい。下部電極3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3の厚さは、例えば200μm以上1mm以下である。 The lower electrode 3 is an electrode that faces the surface electrode 4 via the intermediate layer 5. The lower electrode 3 may be a metal plate, or a metal or conductive layer formed on an insulating substrate or film. Furthermore, when the lower electrode 3 is made of a metal plate, this metal plate may also be the substrate of the electron-emitting element 2. The material of the lower electrode 3 is, for example, aluminum, stainless steel, or nickel. The thickness of the lower electrode 3 is, for example, 200 μm or more and 1 mm or less.
中間層5は、表面電極4と下部電極3との間に素子電圧を印加することにより形成される電界により電子が流れる層である。中間層5は、半導電性を有することができる。中間層5は、絶縁性樹脂、絶縁性微粒子、金属酸化物のうち少なくとも1つを含むことができる。また、中間層5は導電性微粒子を含むことが好ましい。中間層5の厚さは、例えば、0.5μm以上1.8μm以下とすることができる。中間層5は、例えば、銀微粒子を分散状態で有するシリコーン樹脂層である。 The intermediate layer 5 is a layer in which electrons flow due to an electric field formed by applying an element voltage between the surface electrode 4 and the lower electrode 3. The intermediate layer 5 may be semiconductive. The intermediate layer 5 may contain at least one of insulating resin, insulating fine particles, and metal oxide. It is also preferable that the intermediate layer 5 contain conductive fine particles. The thickness of the intermediate layer 5 may be, for example, 0.5 μm or more and 1.8 μm or less. The intermediate layer 5 is, for example, a silicone resin layer containing dispersed silver fine particles.
電子放出素子2は、表面電極4と下部電極3との間に絶縁層29を有してもよい。この絶縁層29は、開口を有することができる。絶縁層29の開口は、表面電極4の電子放出領域を規定するように設けられる。絶縁層29には電子が流れることができないため、絶縁層29の開口に対応する中間層5に電子が流れ表面電極4から電子が放出される。従って、開口を有する絶縁層29を設けることにより、表面電極4に形成される電子放出領域が規定される。電子放出領域は、例えば5mm角の領域とすることができ、電場形成用電極9a~9hの開口部やコレクタ6の大きさなどに併せて自由に設計することができる。 The electron emitter 2 may have an insulating layer 29 between the surface electrode 4 and the lower electrode 3. This insulating layer 29 may have an opening. The opening in the insulating layer 29 is provided to define the electron emission region of the surface electrode 4. Because electrons cannot flow through the insulating layer 29, electrons flow into the intermediate layer 5 corresponding to the opening in the insulating layer 29 and are emitted from the surface electrode 4. Therefore, by providing the insulating layer 29 with an opening, the electron emission region formed in the surface electrode 4 is defined. The electron emission region can be, for example, a 5 mm square area, and can be freely designed to match the openings in the electric field forming electrodes 9a-9h and the size of the collector 6.
表面電極4及び下部電極3はそれぞれ制御部12(素子電圧制御部17)と電気的に接続することができる。
素子電圧制御部17は、表面電極4と下部電極3との間に印加する素子電圧(電子放出素子2の駆動電圧)の大きさを制御するように設けられる。素子電圧制御部17を用いて下部電極3の電位を表面電極4の電位と実質的に同じにする(素子電圧を0Vにする)と、中間層5には電流は流れず電子放出素子2から電子は放出されない。
The surface electrode 4 and the lower electrode 3 can be electrically connected to the control unit 12 (element voltage control unit 17).
The device voltage control unit 17 is provided to control the magnitude of the device voltage (driving voltage of the electron-emitting device 2) applied between the surface electrode 4 and the lower electrode 3. When the potential of the lower electrode 3 is made substantially the same as the potential of the surface electrode 4 using the device voltage control unit 17 (the device voltage is made 0 V), no current flows through the intermediate layer 5 and no electrons are emitted from the electron-emitting device 2.
素子電圧制御部17を用いて下部電極3の電位が表面電極4の電位よりも低くなるように下部電極3と表面電極4との間に素子電圧(駆動電圧)を印加すると中間層5に電流が流れ、中間層5を流れた電子が表面電極4を通過しイオン化領域10へ放出される。電子放出素子2から電子を放出させるために下部電極3と表面電極4との間に印加する素子電圧は、例えば5V以上40V以下とすることができ、10V以上18V以下であることが好ましい。
素子電圧制御部17を用いて素子電圧の大きさを調節すると、中間層5を流れる電流が変化し、電子放出素子2から放出される電子の量が変化する。このため、素子電圧を大きくすることにより、イオン化領域10で生成するイオンの量を多くすることができ、回収電流測定部19を用いて測定されるIMSスペクトルに現れるピークのピーク強度を大きくすることができる(検出感度が高くなる)。ただし、素子電圧を大きくすると、IMSスペクトルに現れるピークの半値幅が大きくなる。これは、素子電圧を大きくすると、静電ゲート電極8を通過するイオン量が増加するため、ゲート通過直後の初期半値幅が大きくなるためと考えられる。また、IMSスペクトルに現れるピークの半値幅が大きくなると、複数のピークが重なる可能性が高くなる。
また、素子電圧の大きさを調節すると、電子放出素子2から放出される電子のエネルギーも変化する。
When an element voltage (driving voltage) is applied between the lower electrode 3 and the surface electrode 4 using the element voltage control unit 17 so that the potential of the lower electrode 3 is lower than the potential of the surface electrode 4, a current flows through the intermediate layer 5, and electrons that have flowed through the intermediate layer 5 pass through the surface electrode 4 and are emitted into the ionization region 10. The element voltage applied between the lower electrode 3 and the surface electrode 4 to emit electrons from the electron-emitting element 2 can be, for example, 5 V or more and 40 V or less, and preferably 10 V or more and 18 V or less.
Adjusting the magnitude of the device voltage using the device voltage control unit 17 changes the current flowing through the intermediate layer 5, thereby changing the amount of electrons emitted from the electron-emitting device 2. Therefore, increasing the device voltage increases the amount of ions generated in the ionization region 10, thereby increasing the peak intensity of the peaks appearing in the IMS spectrum measured using the recovery current measurement unit 19 (increasing detection sensitivity). However, increasing the device voltage also increases the half-width of the peaks appearing in the IMS spectrum. This is thought to be because increasing the device voltage increases the amount of ions passing through the electrostatic gate electrode 8, thereby increasing the initial half-width immediately after passing through the gate. Furthermore, increasing the half-width of the peaks appearing in the IMS spectrum increases the likelihood of multiple peaks overlapping.
Furthermore, when the magnitude of the device voltage is adjusted, the energy of the electrons emitted from the electron-emitting device 2 also changes.
試料ガス注入部16を用いて試料ガスを含まないキャリアガス(水分を含む空気)を分析チャンバ30に注入し、ドリフトガス注入部15を用いてドリフトガス(空気)を分析チャンバ30に注入している場合において、電子放出素子2からイオン化領域10へ電子を放出させると、電子は直ちに空気成分と衝突し一次イオン(マイナスイオン又はプラスイオン)を形成する。電子放出素子2から放出された電子が表面電極4の近傍の気体成分に付着すると(電子付着現象)、気体成分のマイナスイオンが生成する。電子放出素子2から放出された電子のエネルギーが表面電極4の近傍の気体成分のイオン化エネルギーよりも高い場合、気体成分のプラスイオンが生成する。この生成した一次イオンは分析チャンバ30に形成された電界により静電ゲート電極8へ向かって移動する。
一次イオンは例えば、空気中の酸素ガスがイオン化された酸素イオンである。この場合イオン化領域10には、電子放出素子2の電子放出量に応じた量の一次イオンが存在する。
この一次イオンの量は、表面電極4と下部電極3との間に印加する素子電圧を調節すること(電子放出素子2の電子放出量を調節すること)などにより調節することができる。
When a carrier gas (air containing moisture) not containing sample gas is injected into the analysis chamber 30 using the sample gas injection unit 16 and a drift gas (air) is injected into the analysis chamber 30 using the drift gas injection unit 15, when electrons are emitted from the electron emitter 2 into the ionization region 10, the electrons immediately collide with air components to form primary ions (negative ions or positive ions). When the electrons emitted from the electron emitter 2 attach to gas components near the surface electrode 4 (electron attachment phenomenon), negative ions of the gas components are generated. When the energy of the electrons emitted from the electron emitter 2 is higher than the ionization energy of the gas components near the surface electrode 4, positive ions of the gas components are generated. These generated primary ions move toward the electrostatic gate electrode 8 due to the electric field formed in the analysis chamber 30.
The primary ions are, for example, oxygen ions obtained by ionizing oxygen gas in the air. In this case, the ionization region 10 contains primary ions in an amount corresponding to the amount of electrons emitted by the electron-emitting element 2.
The amount of the primary ions can be adjusted by adjusting the device voltage applied between the surface electrode 4 and the lower electrode 3 (by adjusting the amount of electrons emitted from the electron-emitting device 2).
試料ガス注入部16を用いて試料ガスとキャリアガス(水分を含む空気)の混合ガスを分析チャンバ30に注入し、ドリフトガス注入部15を用いてドリフトガス(空気)を分析チャンバ30に注入している場合において、電子放出素子2からイオン化領域10へ電子を放出させると、電子は直ちに空気成分と衝突し一次イオン(マイナスイオン又はプラスイオン)を生成する。この一次イオンは分析チャンバ30に形成された電界により静電ゲート電極8へ向かって移動する。また、この一次イオンは、イオン化領域10において試料ガスに含まれる検出対象成分に電荷を受け渡し試料ガスに含まれる検出対象成分のマイナスイオン又はプラスイオンを生成する(イオン分子反応)。つまり、電子放出素子2を用いてイオン化領域10に試料ガスに含まれる検出対象成分のマイナスイオン又はプラスイオンを間接的に生成することができる。このとき、イオン化領域10には、試料ガスに含まれる検出対象成分から生成されたイオンと一次イオンとが存在する。
また、電子放出素子2の放出電子が直接検出対象成分に衝突した場合には、試料ガスに含まれる検出対象成分のマイナスイオン又はプラスイオンを直接的に生成することができる。
When a mixed gas of sample gas and carrier gas (air containing moisture) is injected into the analysis chamber 30 using the sample gas injector 16 and drift gas (air) is injected into the analysis chamber 30 using the drift gas injector 15, electrons are emitted from the electron emitter 2 into the ionization region 10. The electrons immediately collide with air components to generate primary ions (negative or positive ions). These primary ions are then transported toward the electrostatic gate electrode 8 by the electric field formed in the analysis chamber 30. Furthermore, these primary ions transfer charge to the target component contained in the sample gas in the ionization region 10, generating negative or positive ions of the target component (ion-molecule reaction). In other words, the electron emitter 2 can be used to indirectly generate negative or positive ions of the target component contained in the sample gas in the ionization region 10. At this time, the ionization region 10 contains both ions generated from the target component contained in the sample gas and primary ions.
Furthermore, when the emitted electrons from the electron emitter 2 directly collide with the detection target component, negative or positive ions of the detection target component contained in the sample gas can be directly generated.
電場形成部7は、電子放出素子2とコレクタ6との間の領域に電位勾配を形成するための部分である。電場形成部7は、イオンが電子放出素子側からコレクタ側へ移動するような電位勾配を形成するように設けられる。IMS分析装置40がマイナスイオンを検出する場合(マイナスイオンモード)、制御部12(電場制御部26)は、電子放出素子側の電位がコレクタ側の電位よりも低くなるような電位勾配が形成されるように電場形成部7に電圧を印加する。IMS分析装置40がプラスイオンを検出する場合(プラスイオンモード)、制御部12(電場制御部26)は、電子放出素子側の電位がコレクタ側の電位よりも高くなるような電位勾配が形成されるように電場形成部7に電圧を印加する。 The electric field forming unit 7 is a part for forming a potential gradient in the region between the electron emitter 2 and the collector 6. The electric field forming unit 7 is configured to form a potential gradient that causes ions to move from the electron emitter side to the collector side. When the IMS analyzer 40 detects negative ions (negative ion mode), the control unit 12 (electric field control unit 26) applies a voltage to the electric field forming unit 7 to form a potential gradient such that the potential on the electron emitter side is lower than the potential on the collector side. When the IMS analyzer 40 detects positive ions (positive ion mode), the control unit 12 (electric field control unit 26) applies a voltage to the electric field forming unit 7 to form a potential gradient such that the potential on the electron emitter side is higher than the potential on the collector side.
電場形成部7は、複数の電場形成用電極9a~9hを含んでもよい。電場形成用電極9a~9hは、電子放出素子2とコレクタ6との間の領域に電位勾配を形成することができればその形状は限定されないが、例えば、リング状電極であってもよく、アーチ状電極であってもよい。複数の電場形成用電極9a~9hは、リング内部又はアーチ内側にイオン化領域10及びドリフト領域11(イオン移動領域)が形成されるように一列に並ぶ。また、電場形成部7を構成する電場形成用電極9a~9hは、制御部12の電場制御部26と電気的に接続する。また、グリッド電極25、コレクタ6、電子放出素子2の表面電極4又は下部電極3が電場形成部7として機能してもよい。
制御部12は、電場形成用電極9a~9h、電子放出素子2の表面電極4などの電位を制御することにより、イオン化領域10及びドリフト領域11に電位勾配を形成することができる。
The electric field generating unit 7 may include multiple electric field generating electrodes 9a-9h. The electric field generating electrodes 9a-9h may have any shape as long as they can generate a potential gradient in the region between the electron emitter 2 and the collector 6. For example, they may be ring-shaped or arch-shaped. The multiple electric field generating electrodes 9a-9h are arranged in a row so that an ionization region 10 and a drift region 11 (ion migration region) are formed inside the ring or arch. The electric field generating electrodes 9a-9h constituting the electric field generating unit 7 are electrically connected to the electric field control unit 26 of the control unit 12. Alternatively, the grid electrode 25, the collector 6, the surface electrode 4 of the electron emitter 2, or the lower electrode 3 may function as the electric field generating unit 7.
The control unit 12 can form a potential gradient in the ionization region 10 and the drift region 11 by controlling the potentials of the electric field forming electrodes 9 a to 9 h , the surface electrode 4 of the electron emitter 2 , and the like.
電場形成部7に含まれる隣接する2つの電場形成用電極9a~9hは抵抗体を挟んで電気的に接続することができる。このことにより隣接する2つの電場形成用電極9a~9hの間に電位差を生じさせることができ、それぞれの電極間にこの電位差を生じさせることにより電子放出素子2とコレクタ6との間の領域に電位勾配を形成することができる。 Two adjacent electric field forming electrodes 9a-9h included in the electric field forming unit 7 can be electrically connected across a resistor. This allows a potential difference to be generated between two adjacent electric field forming electrodes 9a-9h, and by generating this potential difference between each electrode, a potential gradient can be formed in the region between the electron emitter 2 and the collector 6.
例えば、図1に示した分析装置40では、電場形成部7は、複数の電場形成用電極9a~9hを含み、隣接する2つの電場形成用電極9a~9hは抵抗体を挟んで電気的に接続している。また、複数の電場形成用電極9a~9hのうち最もコレクタ6に近い電極9hは、グリッド電極25に抵抗体を挟んで電気的に接続している。また、グリッド電極25は例えば抵抗体を挟んでグラウンドに接続している。また、コレクタ6から最も遠い電極9aの電位を制御部12により制御することができる。例えば、制御部12は、電極9aの電位が例えば-3000Vとなるようにドリフト電圧を印加することができる。また、グリッド電極25は抵抗体を挟んでグラウンドに接続するため0V近傍となる。また、隣接する2つの電場形成用電極9a~9hは抵抗体を挟んで電気的に接続するため、一列に並んだ複数の電場形成用電極9a~9hの電位はコレクタ6に近づくに従い階段状に高くなる。このため、電子放出素子2とコレクタ6との間の領域(イオン化領域10及びドリフト領域11)にコレクタ6に近づくに従い電位が徐々に高くなる電位勾配を形成することができる。ただし、この電位勾配は、静電ゲート電極8近辺において静電ゲート電極8の電位により変化する。
また、制御部12は、複数の電場形成用電極9a~9hにより形成される電位勾配を考慮して電子放出素子2の電位を制御することができる。また、電子放出素子2が電場形成部7の一部として機能し、複数の電場形成用電極9a~9hと電子放出素子2とが共同して電位勾配を形成することができる。
For example, in the analysis device 40 shown in FIG. 1 , the electric field generating unit 7 includes multiple electric field generating electrodes 9a-9h, and two adjacent electric field generating electrodes 9a-9h are electrically connected via a resistor. Furthermore, the electrode 9h closest to the collector 6 among the multiple electric field generating electrodes 9a-9h is electrically connected to a grid electrode 25 via a resistor. The grid electrode 25 is connected to ground, for example, via a resistor. The potential of the electrode 9a farthest from the collector 6 can be controlled by the control unit 12. For example, the control unit 12 can apply a drift voltage so that the potential of the electrode 9a is, for example, −3000 V. The grid electrode 25 is connected to ground via a resistor, so that the potential is near 0 V. Furthermore, because two adjacent electric field generating electrodes 9a-9h are electrically connected via a resistor, the potential of the multiple electric field generating electrodes 9a-9h arranged in a row increases in a stepwise manner as they approach the collector 6. Therefore, a potential gradient can be formed in the region (ionization region 10 and drift region 11) between the electron emitter 2 and the collector 6, in which the potential gradually increases as the electrode approaches the collector 6. However, this potential gradient changes in the vicinity of the electrostatic gate electrode 8 depending on the potential of the electrostatic gate electrode 8.
Furthermore, the control unit 12 can control the potential of the electron emitter 2 in consideration of the potential gradient formed by the plurality of electric field forming electrodes 9 a to 9 h. Furthermore, the electron emitter 2 functions as a part of the electric field forming unit 7, and the plurality of electric field forming electrodes 9 a to 9 h and the electron emitter 2 can cooperate to form a potential gradient.
静電ゲート電極8は、イオン化領域10とドリフト領域11との間に配置された電極であり、イオン化領域10において生成したイオンのドリフト領域11への注入をイオンと静電ゲート電極8との静電相互作用を利用して制御する電極である。
静電ゲート電極8は、例えばグリッド状の電極(シャッターグリッド)である。静電ゲート電極8は、電場形成部7を構成する複数の電場形成用電極9a~9hと共に一列に並べて配置することができる。静電ゲート電極8は、制御部12のゲート制御部27と電気的に接続することができる。また、静電ゲート電極8は、電場形成部7により形成される電位勾配を変化させることができるように設けられる。
The electrostatic gate electrode 8 is an electrode disposed between the ionization region 10 and the drift region 11, and controls the injection of ions generated in the ionization region 10 into the drift region 11 by utilizing the electrostatic interaction between the ions and the electrostatic gate electrode 8.
The electrostatic gate electrode 8 is, for example, a grid-shaped electrode (shutter grid). The electrostatic gate electrode 8 can be arranged in a row together with the plurality of electric field generating electrodes 9a to 9h that make up the electric field generating unit 7. The electrostatic gate electrode 8 can be electrically connected to the gate control unit 27 of the control unit 12. The electrostatic gate electrode 8 is provided so as to be able to change the potential gradient generated by the electric field generating unit 7.
ゲート制御部27は、低電位側クローズ(静電ゲート電極8の電位が低いためイオン化領域10のイオンが静電ゲート電極8を通過できずドリフト領域11へ移動できない状態)から高電位側クローズ(静電ゲート電極8の電位が高いためイオン化領域10のイオンが静電ゲート電極8を通過できずドリフト領域11へ移動できない状態)に瞬間的に変化させるように、又は高電位側クローズから低電位側クローズに瞬間的に変化させるように、静電ゲート電極8の電位を変化させる。このことにより、静電ゲート電極8をごく短い時間だけオープン状態とすることができ、イオン化領域10のイオンをこの短い時間にだけドリフト領域11に注入することができる。従って、イオン化領域10のイオンを単発パルス状にドリフト領域11に注入することができる。 The gate control unit 27 changes the potential of the electrostatic gate electrode 8 to instantaneously change from low-potential-side closed (a state in which the potential of the electrostatic gate electrode 8 is low, preventing ions in the ionization region 10 from passing through the electrostatic gate electrode 8 and moving to the drift region 11) to high-potential-side closed (a state in which the potential of the electrostatic gate electrode 8 is high, preventing ions in the ionization region 10 from passing through the electrostatic gate electrode 8 and moving to the drift region 11), or to instantaneously change from high-potential-side closed to low-potential-side closed. This allows the electrostatic gate electrode 8 to be open for only a very short time, allowing ions from the ionization region 10 to be injected into the drift region 11 only during this short time. Therefore, ions from the ionization region 10 can be injected into the drift region 11 in a single pulse.
ドリフト領域11に注入されたマイナスイオン又はプラスイオンは、電場形成部7が形成する電位勾配によりドリフト領域11をコレクタ6へと向かって移動し、コレクタ6へ到達する。この際、マイナスイオン又はプラスイオンは、ドリフトガスの流れに逆らって移動する。このドリフトガスの流れは、静電ゲート電極8からコレクタ6へと向かって移動するマイナスイオン又はプラスイオンの抵抗となる。この抵抗の大きさ(イオンの移動度)はイオン種により異なる。一般的に移動度はイオンの衝突断面積(イオンの大きさ)に反比例するため、イオンの衝突断面積が大きいほどイオンがコレクタ6に到達するためにかかる時間が長くなる(大きいイオン程、ドリフトガス中の空気の分子と衝突する頻度が高くなり、移動速度が遅くなってコレクタ6への到達時間が遅くなる)。従って、静電ゲート電極8によりドリフト領域11に注入されてからコレクタ6へと到達するまでの時間(到達時間、ピーク位置)がマイナスイオン又はプラスイオンのイオン種により異なる。従って、この到達時間(ピーク位置)に基づきマイナスイオン又はプラスイオン(試料に含まれる検出対象成分)を特定することが可能になる。また、試料ガスに含まれる複数の検出対象成分のイオンをドリフト領域11において分離することができる。 Negative or positive ions injected into the drift region 11 migrate through the drift region 11 toward the collector 6 due to the potential gradient created by the electric field generator 7, and reach the collector 6. In this process, the negative or positive ions move against the flow of the drift gas. This flow of drift gas acts as a resistance for the negative or positive ions moving from the electrostatic gate electrode 8 toward the collector 6. The magnitude of this resistance (ion mobility) varies depending on the ion species. Generally, mobility is inversely proportional to the ion's collision cross-section (ion size). Therefore, the larger the ion's collision cross-section, the longer it takes for the ion to reach the collector 6. (The larger the ion, the more frequently it collides with air molecules in the drift gas, resulting in a slower migration speed and a longer arrival time at the collector 6.) Therefore, the time (arrival time, peak position) from when the ion is injected into the drift region 11 by the electrostatic gate electrode 8 to when it reaches the collector 6 varies depending on the ion species (negative or positive ion). Therefore, it is possible to identify negative or positive ions (detection target components contained in the sample) based on this arrival time (peak position). Furthermore, ions of multiple detection target components contained in the sample gas can be separated in the drift region 11.
コレクタ6は、マイナスイオン又はプラスイオンの電荷を集める金属製の部材である。コレクタ6は制御部12の回収電流測定部19と電気的に接続することができる。また、この回収電流測定部19は、マイナスイオン又はプラスイオンがコレクタ6に電荷を受け渡すことにより生じる回収電流を時系列で測定するように設けられる。このことにより回収電流の電流波形(IMSスペクトル)を計測することができる。 The collector 6 is a metal component that collects the charge of negative or positive ions. The collector 6 can be electrically connected to the recovery current measurement unit 19 of the control unit 12. The recovery current measurement unit 19 is also configured to measure, in time series, the recovery current generated when negative or positive ions transfer charge to the collector 6. This makes it possible to measure the current waveform (IMS spectrum) of the recovery current.
静電ゲート電極8を用いて単発パルス状にドリフト領域11に注入された複数種のイオンはドリフト領域11を移動する間に各種イオンに分離され、各種イオンが時間的にずれてコレクタ6に到達する。この結果として、回収電流の電流波形(IMSスペクトル)は各種イオンの到着時間に応じたピークを持つ波形を示すこととなり、そのピーク位置(到達時間)から移動度を算出し、イオンの成分を判別することが可能となる。また、回収電流の電流波形のピーク高さ又はピーク面積は各種イオンがコレクタ6に受け渡した電荷量に相当するため、ピーク高さ又はピーク面積に基づき検出対象成分を定量分析することが可能になる。 Multiple types of ions injected into the drift region 11 in a single pulse using the electrostatic gate electrode 8 are separated into various ions as they move through the drift region 11, and the various ions arrive at the collector 6 with a time lag. As a result, the current waveform (IMS spectrum) of the collected current exhibits peaks corresponding to the arrival times of the various ions, making it possible to calculate the mobility from the peak position (arrival time) and identify the ion components. Furthermore, because the peak height or peak area of the current waveform of the collected current corresponds to the amount of charge transferred by the various ions to the collector 6, quantitative analysis of the target components can be performed based on the peak height or peak area.
次に、本実施形態のIMS分析装置40を用いたIMS分析方法について説明する。この方法は、制御部12を用いてIMS分析装置40を制御することにより実施することができる。なお、ここでは、IMS分析装置40をマイナスイオンモードで稼働させる場合について説明する。また、ドリフトガスを空気とし、キャリアガスを水分を含む空気とする。
図2は本実施形態のIMS分析方法のフローチャートであり、図3は本実施形態のIMS分析方法において測定されるIMSスペクトル(ノイズ除去済み)を示すグラフである。このグラフの横軸は、静電ゲート電極8を開いた瞬間を0としたイオンの到達時間を示しており、縦軸はコレクタ6に到達したイオンの電荷回収によって発生する回収電流である。
Next, an IMS analysis method using the IMS analyzer 40 of this embodiment will be described. This method can be implemented by controlling the IMS analyzer 40 using the control unit 12. Here, the case where the IMS analyzer 40 is operated in negative ion mode will be described. The drift gas is air, and the carrier gas is air containing moisture.
2 is a flowchart of the IMS analysis method of this embodiment, and FIG. 3 is a graph showing an IMS spectrum (noise removed) measured by the IMS analysis method of this embodiment. The horizontal axis of this graph represents the arrival time of ions, with the moment when the electrostatic gate electrode 8 is opened being set to 0, and the vertical axis represents the recovery current generated by the charge recovery of ions that have reached the collector 6.
ステップS1において、キャリブレーションを行う。具体的には、ドリフトガス注入部15を用いてドリフトガス(空気)を分析チャンバ30に注入し、試料ガス注入部16を用いて試料ガスを含まないキャリアガス(水分を含む空気)を分析チャンバ30に注入している状態において、制御部12を用いて電子放出素子2の下部電極3と表面電極4との間に素子電圧を印加する。この電子放出素子2から放出された電子が空気に含まれる成分に付着しマイナスイオン(一次イオン)が生成される。このマイナスイオンは、分析チャンバ30に形成された電界により静電ゲート電極8の近くまで移動する。 In step S1, calibration is performed. Specifically, drift gas (air) is injected into the analysis chamber 30 using the drift gas injection unit 15, and carrier gas (air containing moisture) not containing sample gas is injected into the analysis chamber 30 using the sample gas injection unit 16. Then, an element voltage is applied between the lower electrode 3 and surface electrode 4 of the electron emitter 2 using the control unit 12. Electrons emitted from the electron emitter 2 attach to components contained in the air, generating negative ions (primary ions). These negative ions move near the electrostatic gate electrode 8 due to the electric field formed in the analysis chamber 30.
静電ゲート電極8を瞬間的に開き単発パルス状にマイナスイオン(一次イオン)をドリフト領域11に注入すると、分析チャンバ30の電界によりマイナスイオンはドリフトガスの流れに逆らってドリフト領域11を移動しコレクタ6に到達する。そして、マイナスイオンがコレクタ6に受け渡した電荷により回収電流が流れ、IMSスペクトルを測定することができる。このIMSスペクトルには、空気に含まれる成分から生成したマイナスイオン(一次イオン)に対応する第1ピーク(RIP:Reactant Ion Peak)が現われる。この第1ピークのピーク高さ又はピーク面積を予め設定している目標値と比較する。第1ピークのピーク高さ又はピーク面積が、目標値の±5%の範囲内であるとき、第1キャリブレーションを終了しステップS2へと進む。第1ピークのピーク高さ又はピーク面積が、目標値の±5%の範囲外であるとき、電子放出素子2の下部電極3と表面電極4との間に印加する素子電圧を変更してIMS分析を行いIMSスペクトルを測定する。このようなIMS分析を第1ピークのピーク高さ又はピーク面積が、目標値の±5%の範囲内になるまで繰り返した後、ステップS2へと進む。また、最後に測定されたIMSスペクトルに現れた第1ピークのピーク高さ又はピーク面積を算出し、このピーク高さ又はピーク面積を基準値とする。試料ガスのIMS分析を繰り返す場合、第1ピークのピーク高さ又はピーク面積がこの基準値に近づくようにキャリブレーションを再び行うことができる。
このようなキャリブレーションを行うことにより、イオン化領域10における一次イオンの生成量を安定化することができ、検出対象成分を定量的に測定することが可能になる。
When the electrostatic gate electrode 8 is momentarily opened to inject negative ions (primary ions) into the drift region 11 in a single pulse, the negative ions move through the drift region 11 against the flow of the drift gas due to the electric field of the analysis chamber 30 and reach the collector 6. The charge transferred by the negative ions to the collector 6 then generates a recovery current, allowing an IMS spectrum to be measured. This IMS spectrum contains a first peak (RIP: Reactant Ion Peak) corresponding to the negative ions (primary ions) generated from components in the air. The peak height or peak area of this first peak is compared with a preset target value. If the peak height or peak area of the first peak is within ±5% of the target value, the first calibration is terminated and the process proceeds to step S2. If the peak height or peak area of the first peak is outside the ±5% range of the target value, the device voltage applied between the lower electrode 3 and the surface electrode 4 of the electron-emitting device 2 is changed, and an IMS analysis is performed to measure the IMS spectrum. This IMS analysis is repeated until the peak height or peak area of the first peak falls within ±5% of the target value, and then the process proceeds to step S2. The peak height or peak area of the first peak that appeared in the last measured IMS spectrum is calculated, and this peak height or peak area is used as the reference value. When repeating the IMS analysis of the sample gas, calibration can be performed again so that the peak height or peak area of the first peak approaches this reference value.
By performing such calibration, the amount of primary ions produced in the ionization region 10 can be stabilized, and the components to be detected can be quantitatively measured.
ステップS2において、ドリフトガス注入部15を用いてドリフトガス(空気)を分析チャンバ30に注入し、試料ガス注入部16を用いて試料ガスとキャリアガス(水分を含む空気)との混合ガスを分析チャンバ30に注入している状態において、制御部12を用いて電子放出素子2の下部電極3と表面電極4との間に、キャリブレーションで調節した素子電圧を印加する。この電子放出素子2から放出された電子が空気に含まれる成分に付着しマイナスイオン(一次イオン)が生成される。また、この一次イオンが試料ガスに含まれる検出対象成分に電荷を受け渡し検出対象成分のマイナスイオンが生成される。これらのマイナスイオンは、分析チャンバ30に形成された電界により静電ゲート電極8の近くまで移動する。 In step S2, drift gas (air) is injected into the analysis chamber 30 using the drift gas injection unit 15, and a mixed gas of sample gas and carrier gas (air containing moisture) is injected into the analysis chamber 30 using the sample gas injection unit 16. While this is happening, the control unit 12 applies an element voltage adjusted by calibration between the lower electrode 3 and surface electrode 4 of the electron emitter 2. Electrons emitted from the electron emitter 2 attach to components contained in the air, generating negative ions (primary ions). These primary ions then transfer charge to the target component contained in the sample gas, generating negative ions of the target component. These negative ions move near the electrostatic gate electrode 8 due to the electric field formed in the analysis chamber 30.
静電ゲート電極8を瞬間的に開き単発パルス状にマイナスイオンをドリフト領域11に注入すると、分析チャンバ30の電界によりマイナスイオンはドリフトガスの流れに逆らってドリフト領域11を移動しコレクタ6に到達する。そして、マイナスイオンがコレクタ6に受け渡した電荷により回収電流が流れ、IMSスペクトルを測定することができる。このIMSスペクトルには、空気に含まれる成分から生成したマイナスイオン(一次イオン)に対応する第1ピーク(RIP)と、検出対象成分から生成したマイナスイオンに対応するピークとが現われる。例えば、図3のグラフに黒色実線で示したようなIMSスペクトル(1)が測定される。検出対象成分から生成したマイナスイオンに対応するピークはIMSスペクトルに複数現れる場合があり、これらのピークのうち少なくとも1つのピークが第1ピークと重なっている場合、いわゆる隠れピークが存在することになる。 When the electrostatic gate electrode 8 is momentarily opened to inject negative ions into the drift region 11 in a single pulse, the electric field in the analysis chamber 30 causes the negative ions to move through the drift region 11 against the flow of the drift gas and reach the collector 6. The charge transferred by the negative ions to the collector 6 then generates a collection current, allowing an IMS spectrum to be measured. This IMS spectrum contains a first peak (RIP) corresponding to negative ions (primary ions) generated from components contained in the air and a peak corresponding to negative ions generated from the target component. For example, an IMS spectrum (1) such as the one shown by the solid black line in the graph in Figure 3 is measured. Multiple peaks corresponding to negative ions generated from the target component may appear in the IMS spectrum. If at least one of these peaks overlaps with the first peak, a so-called hidden peak is present.
IMSスペクトルにおけるピーク検出は、例えば、以下のように行うことができる。
(1)1次遅れ要素による近似式を使用して測定波形から静電ゲート電極8の応答による電気的ノイズを除去する。
(2)ローパスフィルタ(cutoff=5000Hz)を使用して測定波形から高周波ノイズを除去する。
(3)測定波形の一次微分波形における正→負のゼロクロスポイントの位置を検出することによりピーク位置を検出する。
(4)測定波形の3次微分波形における負→正のゼロクロスポイントの時間を求め、求めた時間に対応して2次微分波形が負の極小値を持つか確認し変曲点を検出する。
(5)求めた時間に対応して、オリジナルに設定した閾値(ノイズ成分:3σ)より大きい値を取得する(ノイズ成分との切り分け)。
(6)検出したピーク位置と、検出した変曲点の重複点を削除する。具体的には、各検出点の近傍(約0.15msec)に別の検出点があれば、値の大きい方をピークとして検出し、一方を削除する。
このようなピーク検出方法は、ステップS3、ステップS5などにおいて用いることができる。
Peak detection in an IMS spectrum can be performed, for example, as follows.
(1) Electrical noise due to the response of the electrostatic gate electrode 8 is removed from the measured waveform using an approximation formula based on a first-order lag element.
(2) Use a low-pass filter (cutoff = 5000 Hz) to remove high-frequency noise from the measured waveform.
(3) The peak position is detected by detecting the position of the positive to negative zero crossing point in the first derivative waveform of the measured waveform.
(4) The time of the negative to positive zero crossing point in the third derivative waveform of the measured waveform is determined, and an inflection point is detected by checking whether the second derivative waveform has a negative minimum value corresponding to the determined time.
(5) A value greater than the threshold value (noise component: 3σ) set in the original corresponding to the obtained time is acquired (separation from the noise component).
(6) Delete the overlapping points of the detected peak positions and the detected inflection points. Specifically, if there is another detected point in the vicinity (approximately 0.15 msec) of each detected point, the one with the larger value is detected as the peak, and the other one is deleted.
Such a peak detection method can be used in steps S3, S5, etc.
ステップS3において、制御部12は、ステップS2で測定されたIMSスペクトルに微小ピークがあるか判断する。後述するステップS5と同様の方法を用いて、第1ピークに重なっている微小ピークがあるかを判断することもできる。このことにより、隠れピークがあるか否かを判断することができる。
微小ピークがあると判断した場合にはステップS5へと進み、微小ピークがないと判断した場合にはステップS4へと進む。
ステップS4において、電子放出素子2の下部電極3と表面電極4との間に印加する素子電圧が上限に達しているか否かを判断する。上限に達している場合はステップS5へと進み、上限に達していない場合は、ステップS1へと戻り、ステップS1、ステップS2を再び行う。このステップS1では、前に行ったステップS1において設定した目標値よりも大きな目標値を設定する。このことにより、電子放出素子2の下部電極3と表面電極4との間に印加する素子電圧が大きくなり、イオン化領域10で生成される一次イオンの量が多くなる。この結果、ステップS2で測定されるIMSスペクトルに新たな微小ピークが現れる。この微小ピークが新たな第2ピークとなる場合もある。また、ステップS2で測定されるIMSスペクトルに現れる第1ピーク及び第2ピークのピーク強度が大きくなる。このステップS2では、例えば、図3のグラフに黒色破線で示したようなIMSスペクトル(2)が測定され、第1ピーク及び第2ピークのピーク強度は、IMSスペクトル(1)と比べ大きくなる。例えば、電子放出素子2の下部電極3と表面電極4との間に印加する素子電圧を10Vから12Vに大きくすることができる。
In step S3, the control unit 12 determines whether there is a minor peak in the IMS spectrum measured in step S2. It is also possible to determine whether there is a minor peak overlapping the first peak using a method similar to step S5 described later. This makes it possible to determine whether there is a hidden peak.
If it is determined that there is a minute peak, the process proceeds to step S5, and if it is determined that there is no minute peak, the process proceeds to step S4.
In step S4, it is determined whether the device voltage applied between the lower electrode 3 and the surface electrode 4 of the electron-emitting device 2 has reached its upper limit. If it has reached the upper limit, the process proceeds to step S5. If it has not, the process returns to step S1, where steps S1 and S2 are repeated. In step S1, a target value greater than the target value set in the previous step S1 is set. This increases the device voltage applied between the lower electrode 3 and the surface electrode 4 of the electron-emitting device 2, thereby increasing the amount of primary ions generated in the ionization region 10. As a result, a new minute peak appears in the IMS spectrum measured in step S2. This minute peak may become a new second peak. Furthermore, the peak intensities of the first and second peaks appearing in the IMS spectrum measured in step S2 increase. In step S2, for example, an IMS spectrum (2) such as that shown by the black dashed line in the graph of FIG. 3 is measured, and the peak intensities of the first and second peaks are greater than those of the IMS spectrum (1). For example, the device voltage applied between the lower electrode 3 and the surface electrode 4 of the electron-emitting device 2 can be increased from 10V to 12V.
ステップS5において、制御部12は、直前のステップS2で測定されたIMSスペクトルにおいて一次イオンに対応する第1ピーク(RIP)近傍に重なっているピークがあるか判断する。
まず、制御部12は、第1ピーク近傍の予め定められた範囲(例えば、第1ピークの半値幅の2倍の範囲)において第1ピークに重なっている第2ピークが存在するか否かを判断することができる。第1ピークに重なっている第2ピークが存在すると判断した場合、ステップS6へと進む。
次に、制御部12は、直前のステップS1で測定されたIMSスペクトルと、直前のステップS2で測定されたIMSスペクトルとを比較することにより、第1ピークと重なっている第2ピークが存在するか否かを判断することができる。例えば、制御部12は、ステップS1で測定されたIMSスペクトルの第1ピークと、ステップS2で測定されたIMSスペクトルの第1ピークとを重ね合わせ、ピーク形状の異なる部分を抽出することができる。例えば、第1ピークの裾野形状や肩形状において、ステップS2で測定されたIMSスペクトルの方が大きい部分がある場合、第1ピークと重なっている第2ピークが存在すると判断することができる。この場合、ステップS6へと進む。
In step S5, the control unit 12 determines whether there is a peak overlapping the vicinity of the first peak (RIP) corresponding to the primary ion in the IMS spectrum measured in the immediately preceding step S2.
First, the control unit 12 determines whether or not a second peak overlaps the first peak within a predetermined range (e.g., a range twice the half-width of the first peak) near the first peak. If it determines that a second peak overlaps the first peak, the process proceeds to step S6.
Next, the control unit 12 can determine whether a second peak overlaps with the first peak by comparing the IMS spectrum measured in the immediately preceding step S1 with the IMS spectrum measured in the immediately preceding step S2. For example, the control unit 12 can overlap the first peak of the IMS spectrum measured in step S1 with the first peak of the IMS spectrum measured in step S2 and extract portions with different peak shapes. For example, if there is a portion where the base shape or shoulder shape of the first peak is larger in the IMS spectrum measured in step S2, it can be determined that a second peak overlaps with the first peak. In this case, the process proceeds to step S6.
制御部12は、ステップS1で測定されたIMSスペクトルの第1ピークの形状と、ステップS2で測定されたIMSスペクトルの第1ピークの形状とに異なる部分がほぼない場合、第1ピークに重なっている第2ピークがないと判断し、この制御フローを終了する。この場合、直前のステップS2で測定されたIMSスペクトルを測定結果とすることができる。 If there are almost no differences between the shape of the first peak in the IMS spectrum measured in step S1 and the shape of the first peak in the IMS spectrum measured in step S2, the control unit 12 determines that there is no second peak overlapping the first peak and terminates this control flow. In this case, the IMS spectrum measured in the immediately preceding step S2 can be used as the measurement result.
ステップS6において、制御部12は、ドリフト領域11に形成される電位勾配の傾きが小さくなるように電場形成用電極の電位を変化させるようなドリフト電圧を設定する。つまり、ドリフト電圧を、前回のステップS2の測定において設定していたドリフト電圧よりも小さい電圧であり予め設定していた下限のドリフト電圧よりも大きな電圧に設定する。例えば、ステップS2において、図1に示したIMS分析装置40の電場形成用電極9aの電位が-3000Vとなるようにドリフト電圧を印加している場合、ドリフト電圧を3000Vより小さく300V(下限電圧)よりも大きい電圧に設定する。このことにより、ドリフト領域11に形成される電位勾配の傾きを小さくすることができる。
制御部12は、予め設定した変化幅でドリフト電圧を設定することができる。例えば、変化幅を300Vと設定している場合、制御部12は、電場形成用電極9aの電位が-2700Vとなるようにドリフト電圧を設定することができる。
In step S6, the control unit 12 sets a drift voltage that changes the potential of the electric field forming electrode so as to reduce the gradient of the potential gradient formed in the drift region 11. That is, the drift voltage is set to a voltage that is lower than the drift voltage set in the previous measurement in step S2 and higher than a preset lower limit drift voltage. For example, if a drift voltage is applied in step S2 so that the potential of the electric field forming electrode 9a of the IMS analyzer 40 shown in FIG. 1 becomes −3000 V, the drift voltage is set to a voltage that is lower than 3000 V and higher than 300 V (the lower limit voltage). This reduces the gradient of the potential gradient formed in the drift region 11.
The control unit 12 can set the drift voltage with a preset change width. For example, when the change width is set to 300 V, the control unit 12 can set the drift voltage so that the potential of the electric field forming electrode 9 a becomes −2700 V.
また、制御部12は、第1ピークの位置(到達時間)と第2ピークの位置(到達時間)との差からドリフト電圧の変化幅を算出し、ドリフト電圧を設定してもよい。このことにより、ドリフト電圧を適切に設定することが可能になる。例えば、第1ピークの位置と第2ピークの位置とが比較的近い場合ドリフト電圧の変化幅を大きくすることができ、第1ピークの位置と第2ピークの位置とが比較的遠い場合ドリフト電圧の変化幅を小さくすることができる。 The control unit 12 may also calculate the variation width of the drift voltage from the difference between the position (arrival time) of the first peak and the position (arrival time) of the second peak, and set the drift voltage accordingly. This makes it possible to appropriately set the drift voltage. For example, if the position of the first peak and the position of the second peak are relatively close, the variation width of the drift voltage can be increased, and if the position of the first peak and the position of the second peak are relatively far, the variation width of the drift voltage can be decreased.
ステップS7において、制御部12は設定したドリフト電圧が許容範囲内であるか(下限電圧に達したか)判断する。ドリフト電圧が許容範囲外である場合(下限に達した場合)は、この制御フローを終了し、直前のステップS2で測定されたIMSスペクトルを測定結果とすることができる。
ドリフト電圧が許容範囲内である場合は、ステップS2に戻り試料ガスの測定を行う。このステップS2では、前回のステップS2に比べドリフト領域11の電位勾配の傾きが小さくなっているため、一次イオン及び検出対象成分から生成したイオンが静電ゲート電極8を通過してからコレクタ6に到達するまでの到達時間が長くなる。このため、IMSスペクトルにおける第1ピークの位置(到達時間)と第2ピークの位置(到達時間)との差も大きくなり、第2ピークを第1ピークから分離することができる。前回のステップS5で確認された第2ピークが第1ピークから分離されたことを確認し、そのピークを特定する。その後、さらにステップS5を行い、第1ピークに重なっている新たなピークがあるか否かを判断する。
In step S7, the control unit 12 determines whether the set drift voltage is within the allowable range (whether it has reached the lower limit voltage). If the drift voltage is outside the allowable range (has reached the lower limit), this control flow ends, and the IMS spectrum measured in the immediately preceding step S2 can be used as the measurement result.
If the drift voltage is within the allowable range, the process returns to step S2 and measures the sample gas. In step S2, the gradient of the potential gradient in the drift region 11 is smaller than in the previous step S2, so the time it takes for the primary ions and ions generated from the target components to reach the collector 6 after passing through the electrostatic gate electrode 8 is longer. This increases the difference between the positions (arrival times) of the first and second peaks in the IMS spectrum, allowing the second peak to be separated from the first peak. It is confirmed that the second peak identified in the previous step S5 has been separated from the first peak, and the peak is identified. Then, step S5 is performed again to determine whether there is a new peak overlapping the first peak.
例えば、図3に示したグラフのグレー実線で示したIMSスペクトル(3)が測定される。IMSスペクトル(3)では、IMSスペクトル(2)に比べ、第1ピーク(RIP)及び第2ピーク(検出対象物質に対応するピーク)が遅く現れている(到達時間が長くなっている)。また、第2ピークが第1ピークから分離されている。
ステップS5において、第1ピークに重なっているピークがないと判断された場合には、この制御フローを終了し、直前のステップS2で測定されたIMSスペクトルを測定結果とすることができる。
For example, the IMS spectrum (3) shown by the solid gray line in the graph in Figure 3 is measured. In the IMS spectrum (3), the first peak (RIP) and the second peak (the peak corresponding to the target substance) appear later (the arrival time is longer) than in the IMS spectrum (2). In addition, the second peak is separated from the first peak.
If it is determined in step S5 that there is no peak overlapping the first peak, this control flow is terminated, and the IMS spectrum measured in the immediately preceding step S2 can be used as the measurement result.
電子放出素子2の下部電極3と表面電極4との間に印加する素子電圧を大きくして検出感度を高くし微小ピークを検知できる状態にし、重なっているピークに対してドリフト電圧を小さくしてIMS分析を行うことによりピーク分離性を向上させることができる。このため、ピーク分離性を低下させずに検出感度を高くすることが可能になる。
以上の実施形態の説明において、第1ピークはキャリアガスである空気をイオン化して生成した一次イオンとし、第2ピークは試料ガスをイオン化して生成した複数の検出ピークの内第1ピークに重なるものとしたが、第1ピークを試料ガスのピークとし、試料ガスのピーク同士で重なるピークの分離に適用しても良い。
By increasing the device voltage applied between the bottom electrode 3 and the surface electrode 4 of the electron-emitting device 2 to increase the detection sensitivity and make it possible to detect minute peaks, and then performing IMS analysis with a reduced drift voltage for overlapping peaks, the peak separation can be improved. This makes it possible to increase the detection sensitivity without reducing the peak separation.
In the above description of the embodiment, the first peak is a primary ion generated by ionizing the carrier gas, air, and the second peak is one of multiple detection peaks generated by ionizing the sample gas that overlaps with the first peak. However, the first peak may be a peak of the sample gas, and the method may be applied to separating overlapping peaks of the sample gas.
1:イオン源 2:電子放出素子 3:下部電極 4:表面電極 5:中間層 6:コレクタ 7:電場形成部 8:静電ゲート電極 9a~9h:電場形成用電極 10:イオン化領域 11:ドリフト領域 12:制御部 15:ドリフトガス注入部 16:試料ガス注入部 17:素子電圧制御部 19:回収電流測定部 20:排気部 22:素子ホルダー 25:グリッド電極 26:電場制御部 27:ゲート制御部 28:筐体 29:絶縁部 30:分析チャンバ 40:IMS分析装置 1: Ion source 2: Electron emitter 3: Lower electrode 4: Surface electrode 5: Intermediate layer 6: Collector 7: Electric field generator 8: Electrostatic gate electrodes 9a-9h: Electric field generator electrodes 10: Ionization region 11: Drift region 12: Control unit 15: Drift gas injector 16: Sample gas injector 17: Element voltage controller 19: Recovery current measurement unit 20: Exhaust unit 22: Element holder 25: Grid electrode 26: Electric field controller 27: Gate controller 28: Housing 29: Insulator 30: Analysis chamber 40: IMS analyzer
Claims (5)
前記制御部は、前記静電ゲート電極と前記コレクタとの間のドリフト領域に電位勾配を形成するように前記電場形成用電極の電位を制御するように設けられ、
前記コレクタ及び前記制御部は、イオンが前記コレクタに到達することにより流れる電流の電流波形を測定するように設けられ、
前記制御部は、前記電流波形において第1ピークに重なっている第2ピークが存在するか否かを判断するように設けられ、かつ、第2ピークが存在すると判断した場合、前記電位勾配の傾きが小さくなるように前記電場形成用電極の電位を変化させて前記電流波形を測定するように設けられ、
前記コレクタと、前記静電ゲート電極と、前記電場形成用電極とは分析チャンバに収容され、
前記試料ガス注入部は、試料ガスとキャリアガスとの混合ガス又は前記試料ガスを含まないキャリアガスを前記分析チャンバに注入するように設けられ、
前記イオン源は、前記試料ガスに含まれる成分又は前記キャリアガスに含まれる成分を直接的に又は間接的にイオン化するように設けられ、
第1ピークは、前記キャリアガスに含まれる成分から生成したイオンに対応し、
第2ピークは、前記試料ガスに含まれる成分から生成したイオンに対応し、
前記制御部は、前記試料ガスを含まないキャリアガスを前記分析チャンバに注入しているときに測定される前記電流波形と、前記混合ガスを前記分析チャンバに注入しているときに測定される前記電流波形とを比較することにより、第2ピークが存在するか否かを判断するように設けられ、
前記イオン源は、電子放出素子であり、
前記電子放出素子は、下部電極と、表面電極と、前記下部電極と前記表面電極の間に配置された中間層とを有し、
前記制御部は、前記下部電極と前記表面電極との間に電圧を印加するように設けられ、
前記キャリアガスは、水分を含む空気であり、
前記制御部及び前記試料ガス注入部は、前記試料ガスを含まないキャリアガスを前記分析チャンバに注入しているときに第1ピークのピーク高さ又はピーク面積が目標値に近づくように前記下部電極と前記表面電極との間に印加する電圧を調節するように設けられ、かつ、前記下部電極と前記表面電極との間に印加する電圧を調節した後に前記混合ガスを前記分析チャンバに注入し前記電流波形を測定するように設けられたIMS分析装置。 The apparatus comprises an ion source, a collector, an electrostatic gate electrode, an electric field forming electrode, a control unit , and a sample gas injection unit ;
the control unit is configured to control the potential of the electric field forming electrode so as to form a potential gradient in a drift region between the electrostatic gate electrode and the collector,
the collector and the control unit are configured to measure a current waveform of a current that flows when ions reach the collector;
the control unit is configured to determine whether or not a second peak overlapping a first peak exists in the current waveform, and when it is determined that a second peak exists, to change the potential of the electric field forming electrode so that the inclination of the potential gradient becomes smaller, and measure the current waveform ;
the collector, the electrostatic gate electrode, and the electric field forming electrode are contained in an analysis chamber;
the sample gas injector is configured to inject a mixed gas of a sample gas and a carrier gas or a carrier gas not containing the sample gas into the analysis chamber;
the ion source is configured to directly or indirectly ionize components contained in the sample gas or components contained in the carrier gas;
the first peak corresponds to ions generated from a component contained in the carrier gas;
the second peak corresponds to an ion generated from a component contained in the sample gas,
the control unit is configured to determine whether or not a second peak exists by comparing the current waveform measured when a carrier gas not including the sample gas is being injected into the analysis chamber with the current waveform measured when the mixed gas is being injected into the analysis chamber;
the ion source is an electron-emitting device,
the electron-emitting element has a lower electrode, a surface electrode, and an intermediate layer disposed between the lower electrode and the surface electrode;
the control unit is configured to apply a voltage between the lower electrode and the surface electrode,
the carrier gas is air containing moisture,
The control unit and the sample gas injection unit are configured to adjust the voltage applied between the lower electrode and the surface electrode so that the peak height or peak area of the first peak approaches a target value when a carrier gas not containing the sample gas is injected into the analysis chamber, and the IMS analysis device is configured to inject the mixed gas into the analysis chamber and measure the current waveform after adjusting the voltage applied between the lower electrode and the surface electrode .
前記制御部は、前記静電ゲート電極と前記コレクタとの間のドリフト領域に電位勾配を形成するように前記電場形成用電極の電位を制御するように設けられ、
前記コレクタ及び前記制御部は、イオンが前記コレクタに到達することにより流れる電流の電流波形を測定するように設けられ、
前記制御部は、前記電流波形において第1ピークに重なっている第2ピークが存在するか否かを判断するように設けられ、かつ、第2ピークが存在すると判断した場合、前記電位勾配の傾きが小さくなるように前記電場形成用電極の電位を変化させて前記電流波形を測定するように設けられ、
前記コレクタと、前記静電ゲート電極と、前記電場形成用電極とは分析チャンバに収容され、
前記試料ガス注入部は、試料ガスとキャリアガスとの混合ガス又は前記試料ガスを含まないキャリアガスを前記分析チャンバに注入するように設けられ、
前記イオン源は、前記試料ガスに含まれる成分又は前記キャリアガスに含まれる成分を直接的に又は間接的にイオン化するように設けられ、
第1ピークは、前記キャリアガスに含まれる成分から生成したイオンに対応し、
第2ピークは、前記試料ガスに含まれる成分から生成したイオンに対応し、
前記制御部は、前記試料ガスを含まないキャリアガスを前記分析チャンバに注入しているときに測定される前記電流波形と、前記混合ガスを前記分析チャンバに注入しているときに測定される前記電流波形とを比較することにより、第2ピークが存在するか否かを判断するように設けられ、
前記イオン源は、電子放出素子であり、
前記電子放出素子は、下部電極と、表面電極と、前記下部電極と前記表面電極の間に配置された中間層とを有し、
前記制御部は、前記下部電極と前記表面電極との間に電圧を印加するように設けられ、
前記キャリアガスは、水分を含む空気であり、
前記制御部は、前記混合ガスを前記分析チャンバに注入しているときに測定される前記電流波形に微小ピークが存在するか否かを判断するように設けられ、かつ、微小ピークが存在しないと判断した場合、前記下部電極と前記表面電極との間に印加する電圧を大きくするように設けられたIMS分析装置。 The apparatus comprises an ion source, a collector, an electrostatic gate electrode, an electric field forming electrode, a control unit , and a sample gas injection unit ;
the control unit is configured to control the potential of the electric field forming electrode so as to form a potential gradient in a drift region between the electrostatic gate electrode and the collector,
the collector and the control unit are configured to measure a current waveform of a current that flows when ions reach the collector;
the control unit is configured to determine whether or not a second peak overlapping a first peak exists in the current waveform, and when it is determined that a second peak exists, to change the potential of the electric field forming electrode so that the inclination of the potential gradient becomes smaller, and measure the current waveform ;
the collector, the electrostatic gate electrode, and the electric field forming electrode are contained in an analysis chamber;
the sample gas injector is configured to inject a mixed gas of a sample gas and a carrier gas or a carrier gas not containing the sample gas into the analysis chamber;
the ion source is configured to directly or indirectly ionize components contained in the sample gas or components contained in the carrier gas;
the first peak corresponds to ions generated from a component contained in the carrier gas;
the second peak corresponds to an ion generated from a component contained in the sample gas,
the control unit is configured to determine whether or not a second peak exists by comparing the current waveform measured when a carrier gas not including the sample gas is being injected into the analysis chamber with the current waveform measured when the mixed gas is being injected into the analysis chamber;
the ion source is an electron-emitting device,
the electron-emitting element has a lower electrode, a surface electrode, and an intermediate layer disposed between the lower electrode and the surface electrode;
the control unit is configured to apply a voltage between the lower electrode and the surface electrode,
the carrier gas is air containing moisture,
The control unit is configured to determine whether or not a minute peak exists in the current waveform measured when the mixed gas is injected into the analysis chamber, and if it determines that a minute peak does not exist, to increase the voltage applied between the lower electrode and the surface electrode .
前記分析チャンバに前記試料ガスと前記キャリアガスとの混合ガスを注入しているときに、前記イオン源により前記試料ガスに含まれる成分又は前記キャリアガスに含まれる成分が直接的に又は間接的にイオン化されることにより生成したイオンがコレクタに到達することにより流れる電流の電流波形を測定する第2測定ステップと、
第2測定ステップで測定した前記電流波形において第1ピークに重なっている第2ピークが存在するか否かを判断する判断ステップと、
第1ピークに重なっている第2ピークが存在すると判断した場合、静電ゲート電極と前記コレクタとの間のドリフト領域の電位勾配の傾きが小さくなるように電場形成用電極の電位を変化させてイオンが前記コレクタに到達することにより流れる電流の電流波形を測定する第3測定ステップとを含み、
第1ピークは、前記キャリアガスに含まれる成分から生成したイオンに対応し、
第2ピークは、前記試料ガスに含まれる成分から生成したイオンに対応し、
前記判断ステップにおいて、第1測定ステップにおいて前記試料ガスを含まないキャリアガスを前記分析チャンバに注入しているときに測定される前記電流波形と、第2測定ステップにおいて前記混合ガスを前記分析チャンバに注入しているときに測定される前記電流波形とを比較することにより、第2ピークが存在するか否かを判断し、
前記イオン源は、電子放出素子であり、
前記電子放出素子は、下部電極と、表面電極と、前記下部電極と前記表面電極の間に配置された中間層とを有し、
前記キャリアガスは、水分を含む空気であり、
第1測定ステップにおいて前記試料ガスを含まないキャリアガスを前記分析チャンバに注入しているときに第1ピークのピーク高さ又はピーク面積が目標値に近づくように前記下部電極と前記表面電極との間に印加する電圧を調節し、かつ、前記下部電極と前記表面電極との間に印加する電圧を調節した後に第2測定ステップにおいて前記混合ガスを前記分析チャンバに注入し前記電流波形を測定するIMS分析方法。 a first measurement step of measuring a current waveform of a current that flows when ions generated by an ion source directly or indirectly ionizing components contained in a carrier gas that does not contain a sample gas are introduced into an analysis chamber and reach a collector;
a second measurement step of measuring a current waveform of a current that flows when ions generated by the ion source directly or indirectly ionizing a component contained in the sample gas or a component contained in the carrier gas reach a collector while the mixed gas of the sample gas and the carrier gas is being injected into the analysis chamber;
a determining step of determining whether or not a second peak overlapping the first peak exists in the current waveform measured in the second measuring step ;
a third measuring step of measuring a current waveform of a current that flows when ions reach the collector by changing the potential of the electric field forming electrode so that the gradient of the potential gradient in the drift region between the electrostatic gate electrode and the collector becomes smaller when it is determined that a second peak overlaps the first peak ;
the first peak corresponds to ions generated from a component contained in the carrier gas;
the second peak corresponds to an ion generated from a component contained in the sample gas,
In the determination step, the current waveform measured when a carrier gas not containing the sample gas is injected into the analysis chamber in the first measurement step is compared with the current waveform measured when the mixed gas is injected into the analysis chamber in the second measurement step to determine whether a second peak exists;
the ion source is an electron-emitting device,
the electron-emitting element has a lower electrode, a surface electrode, and an intermediate layer disposed between the lower electrode and the surface electrode;
the carrier gas is air containing moisture,
An IMS analysis method in which, in a first measurement step, a voltage applied between the lower electrode and the surface electrode is adjusted so that the peak height or peak area of a first peak approaches a target value while a carrier gas not containing the sample gas is being injected into the analysis chamber, and after adjusting the voltage applied between the lower electrode and the surface electrode, in a second measurement step, the mixed gas is injected into the analysis chamber and the current waveform is measured .
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