电场非对称性离子迁移谱仪和使用它的混合物分离方法与流程

本发明涉及电场非对称性离子迁移谱仪和使用它的混合物分离方法。

背景技术：

专利文献1和专利文献2公开了电场非对称性离子迁移谱仪。电场非对称性离子迁移谱仪可被用于从含有两种以上物质的混合物中选择性地分离出至少一种物质。被分离的至少一种物质由电场非对称性离子迁移谱仪中包含的检测器检测。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利5221954号公报

专利文献2：日本专利5015395号公报

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种具有高的分离能力的电场非对称性离子迁移谱仪。

本发明为一种电场非对称性离子迁移谱仪，其用于从含有两种以上物质的混合物中选择性地分离出至少一种物质，具备：

用于将所述混合物中含有的两种以上物质离子化的离子化装置；和

用于从所述离子化了的两种以上物质中选出所述至少一种物质的过滤器，

其中，

所述过滤器与所述离子化装置相邻，

所述过滤器具备第1电极群和第2电极群，

所述过滤器具备平板状的第1电极、平板状的第2电极、平板状的第3电极和平板状的第4电极，

所述第1电极群包含所述平板状的第1电极和所述平板状的第3电极，

所述第2电极群包含所述平板状的第2电极和所述平板状的第4电极，

平板状的第1～第4电极各自具有与从所述离子化装置向所述过滤器的方向平行的主面，

所述平板状的第2电极位于所述平板状的第1电极和所述平板状的第3电极之间，

所述平板状的第3电极位于所述平板状的第2电极和所述平板状的第4电极之间，

所述平板状的第3电极与所述平板状的第1电极电连接，

所述平板状的第4电极与所述平板状的第2电极电连接，

在所述平板状的第1电极和第2电极之间形成有第1间隙，

在所述平板状的第2电极和第3电极之间形成有第2间隙，

在所述平板状的第3电极和第4电极之间形成有第3间隙，

并且，所述第1电极群与所述第2电极群电绝缘。

本发明的主旨中也包括一种方法，该方法使用上述的电场非对称性离子迁移谱仪从含有两种以上物质的混合物中选择性地分离出至少一种物质。

本发明提供一种具有高的分离能力的电场非对称性离子迁移谱仪。

附图说明

图1表示电场非对称性离子迁移谱仪的示意图。

图2是表示电场的强度和离子迁移率之比之间的关系的图。

图3表示实施方式涉及的过滤器的示意图。

图4a是表示向第1电极群施加的非对称的交流电压和时间的关系的图。

图4b是表示向第1电极群施加的非对称的交流电压和时间的关系的图。

图4c是表示向第1电极群施加的非对称的交流电压和时间的关系的图。

图4d是表示向第1电极群施加的非对称的交流电压和时间的关系的图。

图5表示以往的过滤器中所包含的一对平板状的电极之间的、两种离子化了的气体的运动的示意平面图。

图6表示实施方式涉及的过滤器中所包含的平板状的第1电极～第4电极之间的、两种离子化了的气体的运动的示意平面图。

图7a表示制造实施方式涉及的过滤器的方法中包括的一个工序的示意图。

图7b表示继7a之后，制造实施方式涉及的过滤器的方法中包括的一个工序的示意图。

图7c表示继7b之后，制造实施方式涉及的过滤器的方法中包括的一个工序的示意图。

附图标记说明

101第1绝缘性基板

102第1电极群

103第2电极群

105第2绝缘性基板

106a平板状的第1电极

106b平板状的第2电极

106c平板状的第3电极

106d平板状的第4电极

106e平板状的第5电极

106f平板状的第6电极

108a第1间隙

108b第2间隙

108c第3间隙

112第1带状电极

114第2带状电极

122第1壁面电极

124第2壁面电极

161第1通孔

162第2通孔

201a平板状的第1电极

201b平板状的第2电极

202气体

203气体

204气体

205电源

301离子化装置

302过滤器

303离子检测部

304泵

311电流计

900a平板状的电极

900b平板状的电极

902气体

903气体

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

首先，对电场非对称性离子迁移谱仪(以下也可称为“faims”)进行说明。

电场非对称性离子迁移谱仪可被用于从含有两种以上物质的混合物中选择性地分离出至少一种物质。

图1表示电场非对称性离子迁移谱仪的示意图。如图1所示，电场非对称性离子迁移谱仪具备离子化装置301和过滤器302。使用离子化装置301将混合物中含有的两种以上物质离子化。通过过滤器302从离子化了的两种以上物质中选出至少一种物质。

(离子化装置301)

向离子化装置301供给的混合物是液体或气体。在本说明书中，假设混合物含有三种气体202～204。使用离子化装置301将气体202～204离子化。

关于离子化装置301的详细情况，请参照专利文献1和专利文献2。这些文献作为参考被援引到本说明书中。

(过滤器302)

接着，被离子化了的气体202～204被供给到与离子化装置301相邻地配置的过滤器302中。

过滤器302具备相互平行地配置的平板状的第1电极201a和平板状的第2电极201b。第1电极201a接地。另一方面，第2电极201b与电源205连接。电源205被用于向第2电极201b施加非对称的交流电压。可对非对称的交流电压叠加补偿电压cv。关于对第2电极201b施加的非对称的交流电压，将在后面叙述。

向接地的第1电极201a与被施加非对称的交流电压的第2电极201b之间供给被离子化了的三种气体202～204。三种气体202～204受到在第1电极201a和第2电极201b之间产生的电场的影响。

图2是表示电场的强度和离子迁移率之比之间的关系的图。如图2中的标记701所示，在被离子化了的气体之中，也有当电场的强度增加时更活跃地移动的离子。质荷比(mass-to-chargeratio)小于300的离子显示出这样的运动。

如图2中所含的标记702所示，在被离子化了的气体之中也有当电场的强度增加时更活跃地移动，但当使电场的强度进一步增加时移动程度降低的离子。

如图2中所含的标记703所示，在被离子化了的气体之中也有当电场的强度增加时移动程度降低的离子。质荷比(mass-to-chargeratio)为300以上的离子显示出这样的运动。

由于这样的特性的差异，如图1所示，三种气体202～204在过滤器302的内部向不同的方向行进。只有气体203从过滤器302排出，而气体202被第1电极201a的表面捕集，并且，气体204被第2电极201b的表面捕集。这样，从三种气体中仅选择分离出气体203。换言之，只有气体203从过滤器302排出。

可根据所分离的离子的种类来适当设定电场的强度。

以下，对本实施方式涉及的电场非对称性离子迁移谱仪的特征进行说明。

本实施方式涉及的电场非对称性离子迁移谱仪，通过过滤器302的结构来赋予特征。

图3表示本实施方式涉及的过滤器302的示意图。如图3所示，过滤器302具备第1电极群102和第2电极群103。当然，本实施方式涉及的过滤器302包含在电场非对称性离子迁移谱仪中。

过滤器302具备平板状的第1电极106a、平板状的第2电极106b、平板状的第3电极106c和平板状的第4电极106d。

第1电极群102包含平板状的第1电极106a和平板状的第3电极106c。第2电极群103包含平板状的第2电极106b和平板状的第4电极106d。在过滤器302的内部，第1电极群102与第2电极群103电绝缘。

平板状的第1～第4电极106a～106d各自具有与从离子化装置301向过滤器302的方向(即混合物的流动方向)平行的主面。图3中所含的黑色箭头表示混合物的流动方向(即，从离子化装置301向过滤器302的方向)。

如图3所示，平板状的第2电极106b位于平板状的第1电极106a和平板状的第3电极106c之间。平板状的第3电极106c位于平板状的第2电极106b和平板状的第4电极106d之间。

图1所示的过滤器302，还具备平板状的第5电极106e和平板状的第6电极106f。平板状的第5电极106e包含在第1电极群102中。平板状的第6电极106f包含在第2电极群103中。

过滤器302可具备更多的平板状的电极106。平板状的第n电极106位于平板状的第(n-1)电极106和平板状的第(n+1)电极106之间(n表示2以上的自然数)。平板状的第n电极106具有与从离子化装置301向过滤器302的方向(即，混合物的流动方向)平行的主面。第1电极群102包含平板状的第2m-1电极106(m表示1以上的整数)。第2电极群103包含平板状的第2m电极106。

在相邻的两个平板状的电极106之间形成有间隙108。具体而言，在平板状的第1电极106a和平板状的第2电极106b之间形成有第1间隙108a。同样地，在平板状的第2电极106b和平板状的第3电极106c之间形成有第2间隙108b。在平板状的第3电极106c和平板状的第4电极106d之间形成有第3间隙108c。

以下，对于在本实施方式涉及的过滤器302的内部，从含有两种以上物质的混合物中选择性地分离出至少一种物质的方法进行说明。以下，假设混合物含有两种气体202～203。

由离子化装置301离子化了的气体202～203被供给到过滤器302。第2电极群103接地，另一方面，由电源205对第1电极群102施加非对称的交流电压。

图4a是表示对第1电极群102施加的非对称的交流电压和时间的关系的图。在图4a中，补偿电压为0伏。在期间t1的期间，对第1电极群102施加正电压v1(＞0)。在期间t2的期间，对第1电极群102施加负电压v2(＜0)。反复这样进行。由乘积v1·t1定义的面积s1，与由乘积|v2|·t2定义的面积s2相等。

优选时间t1为6纳秒以上且100纳秒以下。优选正电压v1为67.5伏以上且118.125伏以下，并且负电压v2为16伏以上且28.4伏以下。一般地，正电压v1的绝对值大于负电压v2的绝对值。但是，如图4c和图4d所示，正电压v1的绝对值也可以小于负电压v2的绝对值。优选非对称的交流电压具有2mhz以上且30mhz以下的频率。

图4a所示的非对称的交流电压为矩形波。但是，也可以代替矩形波而使非对称的交流电压为正弦波。

图4b也是表示对第1电极群102施加的非对称的交流电压和时间的关系的图。在图4b中，补偿电压cv叠加于非对称的交流电压。以由乘积(v1+cv)·t1’定义的面积s3等于由乘积|-v2+cv|·t2’定义的面积s4的方式，在将频率维持为恒定的状态下调整非对称的交流电压的占空比。优选补偿电压cv为-20伏以上且+20伏以下。

图5表示以往的过滤器中所含的一对平板状的电极900a和900b之间的、两种被离子化了的气体902～903的运动的示意平面图。平板状的电极900a接地，并且，平板状的电极900b与电源205电连接。图5中所含的箭头表示混合物的流动方向(即，从离子化装置301向过滤器302的方向)。

如图5所示，在期间t1，被离子化了的气体902和903朝向平板状的电极900b被吸引。而在期间t2，被离子化了的气体902和903朝向平板状的电极900a被吸引。关于气体903，在期间t1的横向的移动距离与在期间t2的横向的移动距离实质上相等。另一方面，关于气体902，在期间t1的横向的移动距离比在期间t2的横向的移动距离大。因此，气体903沿着一对平板状的电极900a和900b前进，而气体902被平板状的电极900的表面捕集。

但是，在期间t1对气体902施加的电场过小的情况、电极900的长度过短的情况、或电极900的间隔过大的情况下，气体902不被平板状的电极900的表面捕集。换言之，气体902与气体903一起从过滤器排出。其结果，气体902不能够从含有气体902和气体903的混合物中分离。这样，图5所示的以往的过滤器，其分离能力较低。

另一方面，图6表示本实施方式涉及的过滤器302中所含的平板状的第1电极106a～第4电极104d之间的、两种被离子化了的气体202～203的运动的示意平面图。如上所述，平板状的第1电极106a和平板状的第3电极106c与电源205电连接。另一方面，平板状的第2电极106b和平板状的第4电极106d接地。

在期间t1，被离子化了的气体202和203朝向第1电极群102中所含的平板状的电极之一(即，平板状的第1电极106a或平板状的第3电极106c)被吸引。而在期间t2，被离子化了的气体202和203朝向第2电极群103中所含的平板状的电极之一(即，平板状的第2电极106b或平板状的第4电极106d)被吸引。

关于气体203，在期间t1的横向的移动距离与在期间t2的横向的移动距离实质上相等。另一方面，关于气体202，在期间t1的横向的移动距离比在期间t2的横向的移动距离大。

将图6与图5进行比较明确可知，即使是在期间t1对气体202施加的电场小的情况、或平板状的电极106的长度短的情况，被离子化了的气体202也会被平板状的电极106的表面捕集，而被离子化了的气体203沿着平板状的电极106在过滤器302中直行，从而从过滤器302排出。这样，使用本实施方式涉及的过滤器302，从含有两种以上离子的混合物中高效地分离出作为目标的至少一种离子(即，被离子化了的气体203)。这样，图6所示的本实施方式涉及的过滤器具有高的分离能力。

根据作为目标的被离子化了的气体(即，被离子化了的气体203)的种类，来调整对气体施加的电场。举一个例子，在期间t1，可以对气体施加20000伏/cm以上且70000伏/cm以下的电场。在期间t2，可以施加1000伏/cm以上且10000伏/cm以下的电场。在本实施方式涉及的过滤器302中，相邻的两个平板状的电极106之间的间隔801可以为10微米以上且35微米以下。平板状的电极106的长度可以为300微米以上且10000微米以下。

以下，对本实施方式涉及的过滤器302进行更具体的说明。

如图3所示，过滤器302具有长方体的形状。优选过滤器302具备相互平行的第1绝缘性基板101和第2绝缘性基板105。平板状的电极106位于第1绝缘性基板101和第2绝缘性基板105之间。平板状的各电极106的法线与第1绝缘性基板101的厚度方向(即，纸面上的上下方向)垂直。进而，平板状的各电极106具有与混合物的流动方向(即，从离子化装置301朝向过滤器302的方向)平行的主面。

这样，平板状的电极106以在第1绝缘性基板101上沿铅垂方向站立的方式设置在第1绝缘性基板101和第2绝缘性基板105之间。

在第2绝缘性基板105的背侧设有第1带状电极112和第2带状电极114。第1带状电极112包含在第1电极群102中，并且，与平板状的第2m-1电极106(例如，平板状的第1电极106a、平板状的第3电极106c和平板状的第5电极106e)电连接。第2带状电极114包含在第2电极群103中，并且，与平板状的第2m电极106(例如，平板状的第2电极106b、平板状的第4电极106d和平板状的第6电极106f)电连接。如图3所示，优选第1带状电极112和第2带状电极114沿着与平板状的第1电极106a的法线平行的方向(即，纸面上的左右方向)延伸。

这样，优选第1电极群102和第2电极群103具有梳状。在俯视下，具有梳形状的第1电极群102和第2电极群103相互卡合。

优选第1电极群102包含位于过滤器302的一端(纸面上的左端)的第1壁面电极122。同样地，优选第2电极群103包含位于过滤器302的另一端(纸面上的右端)的第2壁面电极124。当然，在过滤器302的另外两个侧面(纸面上的前侧和后侧)设有一对开口。混合物通过一侧的开口(纸面上的后侧的开口)进入到过滤器302的内部。作为目标的至少一种物质通过另一侧的开口(纸面上的前侧的开口)从过滤器302排出。

在第2绝缘性基板105上设有第1通孔161和第2通孔162。通过第1通孔161，第1壁面电极122与电源205电连接。同样地，通过第2通孔162，第2壁面电极124接地。

以下，对制造本实施方式涉及的过滤器302的方法进行说明。

首先，如图7a所示，在表面具有铝层(未图示)的玻璃基板那样的第1绝缘性基板101上，层叠在表面具有金层(未图示)的硅基板501，以使得形成玻璃层/铝层/硅层/金层的层叠体。硅基板501的厚度可以为300微米以上且700微米以下。硅基板501中掺杂有锑之类的杂质。因此，硅基板501具有导电性。金层可通过采用溅射法或蒸镀法用金在第1绝缘性基板101上被覆而形成。金层的厚度可以为200纳米以上且300纳米以下。铝层可通过采用溅射法或蒸镀法用铝在掺杂有锑之类的杂质的硅基板上被覆而形成。铝层的厚度可以为约1μm。在表面具有铝层的硅基板501通过阳极接合法贴合在第1绝缘性基板101上。

接着，在最表面露出的金层上涂布光致抗蚀剂。使用掩模来将光致抗蚀剂曝光，形成抗蚀图案(未图示)。使用抗蚀图案作为掩模，将金层的一部分通过湿式蚀刻除去。进而，使用抗蚀图案作为掩模，将硅层的一部分采用博世(bosch；ボッシュ)法除去。使用抗蚀图案作为掩模，将铝层的一部分除去。这样，在第1绝缘性基板101上形成有平板状的电极106、第1壁面电极122和第2壁面电极124。

最后，如图7c所示，在背面具有第1带状电极112和第2带状电极114的第2绝缘性基板105，接合在第1绝缘性基板101上。在接合时，第1带状电极112与平板状的第2m-1电极106(例如，平板状的第1电极106a、平板状的第3电极106c和平板状的第5电极106e)电连接。同样地，第2带状电极114与平板状的第2m电极106(例如，平板状的第2电极106b、平板状的第4电极106d和平板状的第6电极106f)电连接。这样，就得到图3所示的过滤器302。

(其它)

(离子检测部)

如图1所示，电场非对称性离子迁移谱仪可具备离子检测部303。离子检测部303与过滤器302相邻地配置。换言之，过滤器302配置在离子化装置301和离子检测部303之间。

可使用专利文献1和专利文献2中所公开的那样的公知的离子检测部303。穿过了过滤器302的至少一种物质(即，气体203)由离子检测部303检测。到达离子检测部303的至少一种物质(即，气体203)向离子检测部303中所含的电极310传递电荷。与所传递过来的电荷的量成比例地流动的电流的值由电流计311测定。根据由该电流计测定出的电流的值来确定出气体203。

(泵或静电场)

如图1所示，电场非对称性离子迁移谱仪可以具备泵304。利用泵304，混合物从离子化装置301通过过滤器302而被抽吸到离子检测部303。

也可以代替泵304而使用静电场。换言之，利用静电场，混合物能从离子化装置301通过过滤器302而流动到离子检测部303。该情况下，电场非对称性离子迁移谱仪具备一对电极(未图示)。在一对电极之间夹有离子化装置301、过滤器302和离子检测部303。对一对电极施加直流电压。被离子化了的混合物，利用对一对电极之间施加的直流电压，能从离子化装置301通过过滤器302而流动到离子检测部303。

产业上的利用可能性

本发明的电场非对称性离子迁移谱仪，可用于检测从生物体释放出的生物气体中所含有的成分，或者，可用于检测环境气体中所含有的危险成分。