JP3774767B2

JP3774767B2 - Method and apparatus for classifying atmospheric ions with high resolution

Info

Publication number: JP3774767B2
Application number: JP2003092540A
Authority: JP
Inventors: 章文瀬戸; 孝明稲田
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2023-03-28
Also published as: JP2004301565A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大気イオンを高分解能で分級するための方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の大気イオンの分級方法は、差動排気系を用いた質量分析方法、イオンクロマトグラフィー法、微分型モビリティーアナライザによる方法などが知られている。しかし、質量分析法による大気イオンの分級においては、その原理から質量分離及び検出が真空中において行われるため、大気圧下に存在するイオンを分級するには、該イオンを差動排気によって真空に導入する必要があった。この場合、断熱膨張による冷却効果や音速ジェット流によってクラスターが破壊されたり、性質が変化することが問題となっていた。また、シースガスを用いる電気移動度分級法による大気イオンの分級においては、大気圧下での動作は可能であるものの、シースガス流の増加による乱流や、ナノメートル領域でのイオンのブラウン運動による拡散ならびに、スリット幅、検出部等の装置構造によって、その分解能に限界があった。
【０００３】
【非特許文献１】
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｅｒｏｓｏｌＳｏｃｉｅｎｃｅ，Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．２，ｐｐ．１９３−２０６，１９９７
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、大気圧下での動作を行いつつ、大気イオンを高分解能で分級するための方法及び装置を提供することをその課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、大気中に存在するイオンを、シースガスが流通している静電場に導き、該シースガス中での該イオンの移動速度の違いを利用して分級する方法において、該イオンを、スリット幅とスリット間距離の比が０．０２以下となるように設定したスリットを介して該静電場に導き、２５０ｍｍ^２当りの流量が５００リットル／分以上であるシースガス流中を移動させることで、大気中に浮遊するイオンを半値幅０．０５以下の高分解能で分級することが可能で、さらに内蔵した電極によって高感度に電流を検出することで、大気イオンのサイズ分布を計測できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
即ち、本発明によれば、以下に示す大気イオンを高分解能で分級する方法及び装置が提供される。
（１）大気中に存在するイオンを、シースガスが流通している静電場に導き、該シースガス中での該イオンの移動速度の違いを利用して分級する方法において、該イオンを、スリット幅とスリット間距離の比が０．０２以下となるように設定したスリットを介して該静電場に導き、２５０ｍｍ^２当りの流量が５００リットル／分以上であるシースガス流中を移動させることを特徴とする大気イオンの高分解能分級方法。
（２）該大気中に存在するイオンが、イオン性物質を含む溶液を大気中へ超音速スプレー又は静電スプレーすることにより生成されたイオンである前記（１）に記載の方法。
（３）両端開口し、上部にスリットａを有する分級部を構成する筒体Ａと、該筒体Ａ内に配設された下部にスリットｂを有する中空ロッドＢと、該中空ロッドＢの中空内に配設された内蔵電極Ｃと、該筒体Ａの上部開口に連設されたシースガス乱流抑制機構Ｄと、該筒体Ａの上部に配設されたスリットａに連設されたイオン集束機構Ｅを有することを特徴とする大気イオンの高分解能分級装置。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の大気イオンの分級装置の１つの実施例を図１に示す。
図１において、Ａは分級部を構成する筒体Ａであり、両端開口し、上部にスリットａを有する。
Ｂは、該筒体Ａ内に配設され中空ロッド（上下端が密閉された筒体等）であり、その下部にスリットｂを有する。
Ｃは中空ロッドＢの中空内に配設された内蔵電極であり、電流計１１４に電気的に接続する。
Ｄはシースガス流が乱流化するのを抑制する乱流抑制機構であり、筒体Ａの上端開口に連設されている。
Ｅは、筒体Ａの上部に配設されたスリットａに連設されたイオン集束機構である。
【０００７】
図１に示した装置を用いて大気イオンを分級するには、大気中に浮遊するイオン１０１をキャリアガス（空気）流１０２によって搬送し、イオン集束機構１０３を介して、上部スリット１０４より筒体Ａ内に導入する。一方、筒体Ａの上部よりシースガス１０５を、２５０ｍｍ^２当り５００リットル／分以上の流量において、乱流抑制機構１０６によって層流状態を保ったまま、筒体Ａに導入する。なお、シースガスの流量の上限値は特に制約されないが、通常、２５０ｍｍ^２当り４６００リットル／分である。
キャリアガスによって導入されたイオン１０１は、直流電圧１０７および１０８によって、静電気力の作用でシースガス１０５の流れを横切るように移動する。ここで、イオンのモビリティーはその大きさによって変化するため、大きさの異なるイオンは異なる軌跡を作りながら中空ロッド１１２に向かって移動し、ある特定の移動度を持つイオンが下部スリット１０９より中空ロッド内に流入分級される。分級後のイオンは直流電圧１０８と接地された内蔵電極１１３の間の静電界によって内蔵電極に引き寄せられ沈着する。沈着したイオンから流れる電流値を電流計１１４によって計測することによって、イオンの個数濃度が得られる。ここで直流電圧１０７を走査することにより分級されるイオンの大きさが制御されるため、最終的にイオンの移動度分布が得られることになる。
【０００８】
分級計測できる大気イオンとしては、コロナ放電や滝におけるレナード効果によって生成したイオン、燃焼プロセスにおける熱電子で生成したイオン、気体の放射線照射で生成したイオン、物質に紫外線等の光を照射することによって生成したイオン、岩石への衝撃によって生成したイオン等、種々のイオンが挙げられる。
また、イオン化法として図２に示す溶液の超音速スプレーや、図３に示す静電スプレーによるイオン化法を用いると、液体中に存在する微量イオン物質の計測に用いることができる。
【０００９】
イオン集束機構１０３は、大気中のイオンを含むガス流に集束させる機構であり、このようなものとしては、図４に示すように入り口に複数の段を設置することによって、空気動力学的効果により流れの中心にイオンを集束させたものや、同様に静電場や磁場を用いて中心にイオンを集束させたもの、外部より別の流れを導入するものが挙げられる。
スリット１０４幅Ｐとしては、上部と下部のスリット間距離に対する比Ｐ／Ｑが０．０２以下とし、例えばスリット間距離が１０ｍｍの場合には０．２ｍｍのスリットを設ける必要がある。
シースガスの乱流抑制機構１０６としては、慣用のもの、例えば、メッシュ状のフィルターによる抑制、縮小管を用いた圧縮による抑制、ピエゾアクチュエーターを用いた動的乱流抑制機構などが挙げられる。
【００１０】
【実施例】
本発明を具体例を挙げて説明する。
実施例１
（スプレー法により生成した大気イオンの分級計測と単分散イオンクラスターの作成）
図２に示すように、イオン化合物を含む溶液２０１を導電性の毛細管ノズル２０２に加圧、導入し、対極管２０５との間に直流電圧２０４を加えると、約２ｋＶの電圧において静電気力による表面張力低下により、テイラーコーン２０３が生成し、その先端から大気イオン２０６が生成する。
図３に示すように、イオン化合物溶液３０１を毛細管ノズル３０２に導入し、毛細管とオリフィス３０４との間にガス流３０３を導入することにより、超音速ジェット３０５が生成し、このジェットと溶液との摩擦によって大気イオン３０６が生成する。
【００１１】
上記の静電スプレー法、超音速ジェット法によるイオン化においては、溶液に含まれる溶質が大気イオンとなり噴出されることがわかっている。例えば塩化ナトリウムを溶質として用いた場合には、１価の塩化物イオンと１価のナトリウムイオンが得られる。これらのイオンは溶媒と溶媒和の状態で安定に大気中に存在し、さらに２量体、３量体などを形成することで、サイズ分布を持つ。
空気への放射線照射によって生成した大気イオンを図１に示した分級装置に導入すると、２５０ｍｍ^２当りのシースガス流量１００リットル／分〜４６６リットル／分〜の条件において図５に示すようなモビリティー分布が得られた。図５のピークより、モビリティー分布における半値幅（ΔＺｉ／Ｚｉ）は、シース流量の増大とともに減少し、流量４６６リットル／分の場合、０．１以下であった。
同様に図１における直流電圧１０８の電圧Ｖ２を０Ｖすなわち設置した場合には内蔵電極にイオンはほとんど捕集されず、キャリアガス出口１１１から単分散のイオンクラスターが取り出されることは容易に考えられる。
【００１２】
実施例２
（イオン集束機構）
過去の文献（例えばＴａｋａｆｕｍｉＳｅｔｏｅｔａｌ，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｅｒｏｓｏｌＳｃｉｅｎｃｅ，Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．２，ｐｐ．１９３−２０６，１９９７）（非特許文献１）によると半値幅（ΔＺｉ／Ｚｉ）は次式（１）で与えられる。
（ΔＺｉ／Ｚｉ）＝（Ｑｉ／Ｑｃ）（１）
Ｑｉ：キャリアガス流量、Ｑｃ：シースガス流量
すなわち、キャリアガスとシースガスの流量比によって分解能は定義され、例えば２５０ｍｍ^２当りキャリアガス流量５リットル／分、シースガス流量５００リットル／分においては（ΔＺｉ／Ｚｉ）は理論上０．０１となる。ここで、スリット間距離をＬ、スリット幅をΔＬとすると、（Ｑｉ／Ｑｃ）＜（ΔＬ／Ｌ）の条件においては、分解能はスリット幅とスリット間距離の比によって抑制され、下記式（２）で表される。
（ΔＺｉ／Ｚｉ）＝（ΔＬ／Ｌ）（２）
例えば、上記ガス流量比０．０１においても、スリット間距離が１０ｍｍに対して、スリット幅が０．２ｍｍの場合には分解能は０．０２に低減する。ここで、ΔＬの値は、イオン流を均等に分級部に導くためのコンダクタンスにおいても有効であり、特にΔＬが０．２ｍｍ以下においては円周方向に均等な流れが得られる。
【００１３】
また、前記２つの式（１）、（２）は、イオンの熱運動、すなわちブラウン運動がないと仮定した場合の理論値であり、実際はブラウン運動によって分解能は非常に悪化することが知られており、平均径が数ナノメーターであるイオンにおいては、０．１以下の分解能を得ることは非常に困難となる。加えて、機械工作精度は組み立て精度およびシールに用いるオーリングの精度を考慮すると、ΔＬの値は０．１ｍｍ程度が限界であり、十分発達した流れを得るためにＬの値は５ｍｍは必要であることからも、０．１以下の半値幅を得ることは現状の装置構造では容易ではない。
そこで、図４に示すようなイオンの集束機構を考案した。これは図１のイオン集束機構１０３に対応する。図４において、導入されたイオンとキャリアガス４０１は流れ方向に対して垂直に設置されたステップ４０２によって、イオンは慣性力によって中心軸方向に加速され、いわゆる空気動力学的レンズ効果によって、イオンの軌跡４０３に示すように中心に集中したイオン流を得ることが可能となった。中心軸に集束されたイオン流は、最終的に分級部Ａにおいてシースガス４０５と混合される。イオンの分解能は集束率Ｒに比例して向上し、例えばＲが０．５の場合には、半分の半値幅を得ることができる。
同様に静電レンズ、磁気レンズ、光レンズなどの電磁気学的レンズを用いることで同じ効果が得られることは明らかである。
【００１４】
ここで、例えば直径が１．０ナノメートルの１価の水イオンクラスターに関して得られる分解能を質量に換算する。移動度Ｚｉとイオン直径ｄｉの関係は次式（３）で与えられる。
Ｚｉ＝ｑＣｃ／（３πμｄｉ）（３）
ｑ：電荷量、Ｃｃ：滑り補正係数、μ：ガスの粘度
１．０ナノメートルのイオンのＺｉは、１．７×１０^−５ｍ^２／ｓＶとなり、半値幅を０．０５とすると、ΔＺｉは８．５×１０^−７となる。ここで、密度を１ｇ／ｃｍ^３と仮定すると、１．０ナノメートルのイオンの質量は、３１５．３ａｍｕとなり、ΔＺｉを質量に換算すると約２５ａｍｕとなる。以上より、本装置は大気圧下で動作するイオンの質量解析装置として十分使用できる範囲であることが分かる。
【００１５】
実施例３
（乱流抑制機構）
前述したように、ナノメートルサイズのイオンにおいてはブラウン運動によって、分級における半値幅は０．１程度が限界となっている。この問題を解決するために、分級部を短時間で通過し、Ｑｉ／Ｑｃの値をできるだけ小さくするために、シースガス流量Ｑｃは大きい方が有利である。しかしながらＱｃが５００リットル／分以上の領域においては装置内で乱流が生じるため、逆に分解能が低下する。この問題を解決するために図６に示すようにシースガス入口において乱流抑制機構の設置を考案した。
ここで流体の粘性力と慣性力の比を表す無次元パラメーターであるレイノルズ数Ｒｅは以下の式（４）で与えられる。
Ｒｅ＝Ｄｕ_ａｖρ／μ （４）
（Ｄ：管径、ｕ_ａｖ：平均流速、ρ：密度、μ：粘度）
【００１６】
一般的に、円管内の流れにおいてＲｅの値が２０００以上で遷移域から乱流域となる。ここで、例えば２５０ｍｍ^２当り５００リットル／分のシースガス流量において、管径を１８ｍｍとすると、Ｒｅの値は、３４０００程度であり、乱流域に含まれることになる。この領域においては、装置表面における微小な凹凸によって乱流が生じる。そのため、装置内表面は複合電解研磨６０６を行い平滑にする必要がある。
ここではさらに乱流を積極的に抑制するために、メッシュ状のフィルター６０３による乱流抑制を用いる。図６に示すように、シースガス６０１は流れ発達領域６０２を介してフィルター６０３において整流される。ここで、管流れにおける圧力損失よりも、フィルターにおける圧力損失を十分大きな値とする事によって均一な層流が得られる。また整流フィルターをスリットの直前に設置することで乱流が発達する前にイオンの分級を行うことでも高い分解能での分級性能が得られることは明白である。
同様に、入口部において縮小管構造６０４を持たせシースガス流を圧縮することによって流れを安定させたり、粘性係数の高いガスをシースガスとして使用することや、ピエゾアクチュエーターを用いるなどの乱流抑制機構６０５も同じ効果が得られる。
【００１７】
【発明の効果】
本発明の方法及び装置は、上記手法は大気イオン、液中の微量物質の高分解能分析に用いられる。本発明の場合、大気中で動作するため真空装置を必要とせず、しかもクラスターの分析に十分な分解能を持つことを特徴とする。また、分級操作により作成された単分散クラスターは種々の用途への応用ができる。たとえば、ドラッグデリバリーにおいて、サイズ制御によって薬物イオンの輸送を制御し、患部への薬剤の集中投与やマーキングが考えられる。また、金属、半導体イオンクラスターは量子効果を用いた発光体などへの応用が可能である。さらに、基礎科学分野におけるイオンのサイズに依存した特性解析などへの広い分野への応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による大気イオンの高分解能分級装置の概念図を示す。
【図２】静電スプレーイオン化法の実施説明図を示す。
【図３】超音速スプレーイオン化法の実施説明図を示す。
【図４】イオン集束機構の概念図を示す。
【図５】超音速スプレーによって生成した大気イオンのモビリティー分布図を示す。
【図６】乱流抑制機構の概念図を示す。
【符号の説明】
１０１大気イオン
１０２キャリアガス
１０３イオン集束機構
１０４上部スリット
１０５シースガス
１０６乱流抑制機構
１０７直流電圧Ｖ１
１０８直流電圧Ｖ２
１０９下部スリット
１１０シースガス出口
１１１キャリアガス出口
１１２ロッド
１１３内蔵電極
１１４電流計
２０１イオン溶液
２０２毛細管ノズル
２０３テイラーコーン
２０４直流電圧
２０５対極管
２０６大気イオン
３０１イオン溶液
３０２毛細管ノズル
３０３ガス流
３０４オリフィス
３０６大気イオン
３０５超音速ジェット
４０１イオン＋キャリアガス
４０２ステップ
４０３イオンの軌跡
４０４スリット
４０５シースガス流
６０１シースガス
６０２流れ発達領域
６０３メッシュフィルター
６０４縮小管構造
６０５乱流抑制機構
６０６装置内表面複合電解研磨
６０７分級部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and apparatus for classifying atmospheric ions with high resolution.
[0002]
[Prior art]
As conventional atmospheric ion classification methods, a mass spectrometry method using a differential exhaust system, an ion chromatography method, a method using a differential mobility analyzer, and the like are known. However, in the classification of atmospheric ions by mass spectrometry, mass separation and detection are performed in vacuum because of its principle. Therefore, in order to classify ions existing at atmospheric pressure, the ions are evacuated by differential evacuation. It was necessary to introduce. In this case, there is a problem that the cluster is destroyed or the property is changed by the cooling effect by the adiabatic expansion or the sonic jet flow. In atmospheric ion classification by the electric mobility classification method using sheath gas, although it is possible to operate under atmospheric pressure, turbulence due to increased sheath gas flow and diffusion due to Brownian motion of ions in the nanometer region In addition, the resolution is limited by the device structure such as the slit width and the detection unit.
[0003]
[Non-Patent Document 1]
Journal of Aerosol Science, Vol. 28, no. 2, pp. 193-206, 1997
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a method and an apparatus for classifying atmospheric ions with high resolution while operating under atmospheric pressure.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In the method of classifying ions existing in the atmosphere to an electrostatic field in which a sheath gas circulates and classifying using the difference in the moving speed of the ions in the sheath gas , By leading to the electrostatic field through a slit set so that the ratio of the slit width to the distance between the slits is 0.02 or less, and moving in a sheath gas flow having a flow rate per 250 mm ² of 500 liters / minute or more. It is possible to classify ions floating in the atmosphere with a high resolution of half-width of 0.05 or less, and it is possible to measure the size distribution of atmospheric ions by detecting the current with high sensitivity using the built-in electrode. The present invention has been completed.
That is, according to the present invention, the following method and apparatus for classifying atmospheric ions with high resolution are provided.
(1) In a method in which ions existing in the atmosphere are guided to an electrostatic field in which a sheath gas circulates and classified using a difference in moving speed of the ions in the sheath gas, the ions are separated from the slit width. It is guided to the electrostatic field through a slit set so that the ratio of the distance between the slits is 0.02 or less, and is moved in a sheath gas flow having a flow rate per 250 mm ² of 500 liters / minute or more. A high resolution classification method for atmospheric ions.
(2) The method according to (1), wherein the ions present in the atmosphere are ions generated by spraying a solution containing an ionic substance into the atmosphere by supersonic spraying or electrostatic spraying.
(3) Cylindrical body A that forms a classification part that is open at both ends and has a slit a at the top, a hollow rod B that has a slit b at the bottom disposed in the cylindrical body A, and a hollow of the hollow rod B A built-in electrode C disposed inside, a sheath gas turbulent flow suppression mechanism D continuously disposed in the upper opening of the cylindrical body A, and an ion continuously disposed in a slit a disposed in the upper portion of the cylindrical body A. A high-resolution classifier for atmospheric ions, characterized by having a focusing mechanism E.
[0006]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
One embodiment of the atmospheric ion classification apparatus of the present invention is shown in FIG.
In FIG. 1, A is a cylindrical body A that constitutes a classification part, which is open at both ends and has a slit a at the top.
B is a hollow rod (such as a cylinder whose upper and lower ends are sealed) disposed in the cylinder A, and has a slit b in its lower part.
C is a built-in electrode disposed in the hollow of the hollow rod B and is electrically connected to the ammeter 114.
D is a turbulent flow suppression mechanism that suppresses the sheath gas flow from becoming turbulent, and is connected to the upper end opening of the cylindrical body A.
E is an ion focusing mechanism provided continuously with a slit a disposed on the upper part of the cylinder A.
[0007]
In order to classify atmospheric ions using the apparatus shown in FIG. 1, ions 101 suspended in the atmosphere are transported by a carrier gas (air) flow 102, and are cylindrical from an upper slit 104 via an ion focusing mechanism 103. Install in A. On the other hand, the sheath gas 105 is introduced into the cylinder A from the upper part of the cylinder A while maintaining a laminar flow state by the turbulent flow suppression mechanism 106 at a flow rate of 500 liters / minute or more per 250 mm ² . The upper limit value of the flow rate of the sheath gas is not particularly limited, but is usually 4600 liters / minute per 250 mm ² .
The ions 101 introduced by the carrier gas are moved across the flow of the sheath gas 105 by the action of electrostatic force by the DC voltages 107 and 108. Here, since the mobility of ions changes depending on the size, ions having different sizes move toward the hollow rod 112 while creating different trajectories, and ions having a certain mobility are transferred from the lower slit 109 to the hollow rod. It is classified into inflow. The classified ions are attracted and deposited on the built-in electrode by the electrostatic field between the DC voltage 108 and the grounded built-in electrode 113. By measuring the value of current flowing from the deposited ions with the ammeter 114, the number concentration of ions can be obtained. Here, since the size of ions to be classified is controlled by scanning the DC voltage 107, the ion mobility distribution is finally obtained.
[0008]
Atmospheric ions that can be classified and measured include ions generated by the Leonard effect in corona discharges and waterfalls, ions generated by thermionic electrons in the combustion process, ions generated by gas radiation irradiation, and by irradiating the substance with light such as ultraviolet rays. Various ions, such as the produced | generated ion and the ion produced | generated by the impact to a rock, are mentioned.
Further, when the ionization method is a supersonic spray of a solution shown in FIG. 2 or an ionization method using an electrostatic spray shown in FIG. 3, it can be used for measurement of a trace amount of ionic substances present in a liquid.
[0009]
The ion focusing mechanism 103 is a mechanism for focusing on a gas flow containing ions in the atmosphere. As such, as shown in FIG. 4, by installing a plurality of stages at the entrance, an aerodynamic effect is obtained. There are those in which ions are focused at the center of the flow, those in which ions are similarly focused at the center using an electrostatic field or magnetic field, and those in which another flow is introduced from the outside.
The slit 104 a width P, then the ratio P / Q with respect to the distance between the upper and lower slits and 0.02 or less, for example, when the slit spacing is 10mm, it is necessary to provide a 0.2mm slits.
Examples of the sheath gas turbulent flow suppression mechanism 106 include a conventional one, for example, suppression by a mesh filter, suppression by compression using a reduction tube, and dynamic turbulence suppression mechanism using a piezo actuator.
[0010]
【Example】
The present invention will be described with specific examples.
Example 1
(Classification measurement of atmospheric ions generated by spray method and creation of monodisperse ion clusters)
As shown in FIG. 2, when a solution 201 containing an ionic compound is pressurized and introduced into a conductive capillary nozzle 202 and a DC voltage 204 is applied to the counter electrode 205, a surface due to electrostatic force is applied at a voltage of about 2 kV. As the tension decreases, the Taylor cone 203 is generated, and atmospheric ions 206 are generated from its tip.
As shown in FIG. 3, by introducing an ionic compound solution 301 into a capillary nozzle 302 and introducing a gas stream 303 between the capillary and the orifice 304, a supersonic jet 305 is generated, and the jet and solution Atmospheric ions 306 are generated by friction.
[0011]
In the ionization by the electrostatic spray method and the supersonic jet method, it is known that the solute contained in the solution is ejected as atmospheric ions. For example, when sodium chloride is used as a solute, monovalent chloride ions and monovalent sodium ions are obtained. These ions are stably present in the atmosphere in a solvated state with the solvent, and have a size distribution by forming dimers, trimers and the like.
The introduction of atmospheric ions generated by the irradiation of the air classifier illustrated in FIG. 1, the mobility distribution as shown in FIG. 5 in the sheath gas flow rate of 100 liters / min ～466 liters / minute to conditions per 250 mm ² Obtained. From the peak of FIG. 5, the half width (ΔZi / Zi) in the mobility distribution decreased with an increase in the sheath flow rate, and was 0.1 or less when the flow rate was 466 liters / minute.
Similarly, when the voltage V2 of the DC voltage 108 in FIG. 1 is set to 0 V, that is, when it is installed, ions are hardly collected in the built-in electrode, and it is considered that monodisperse ion clusters are taken out from the carrier gas outlet 111.
[0012]
Example 2
(Ion focusing mechanism)
According to past literatures (for example, Takafumi Seto et al, Journal of Aerosol Science, Vol. 28, No. 2, pp. 193-206, 1997) (Non-Patent Document 1), the half width (ΔZi / Zi) is Given in 1).
(ΔZi / Zi) = (Qi / Qc) (1)
Qi: carrier gas flow rate, Qc: sheath gas flow rate, that is, the resolution is defined by the flow rate ratio between the carrier gas and the sheath gas. For example, when the carrier gas flow rate is 5 liters / minute per 250 mm ² and the sheath gas flow rate is 500 liters / minute, (ΔZi / Zi) Is theoretically 0.01. Here, when the distance between the slits is L and the slit width is ΔL, the resolution is suppressed by the ratio of the slit width and the distance between the slits under the condition of (Qi / Qc) <(ΔL / L). ).
(ΔZi / Zi) = (ΔL / L) (2)
For example, even when the gas flow ratio is 0.01, the resolution is reduced to 0.02 when the slit width is 0.2 mm while the distance between the slits is 10 mm. Here, the value of ΔL is also effective in conductance for uniformly guiding the ion flow to the classification portion, and in particular when ΔL is 0.2 mm or less, a uniform flow is obtained in the circumferential direction.
[0013]
Also, the above two formulas (1) and (2) are theoretical values when it is assumed that there is no thermal motion of ions, that is, Brownian motion, and it is known that the resolution is actually greatly deteriorated by Brownian motion. In the case of ions having an average diameter of several nanometers, it is very difficult to obtain a resolution of 0.1 or less. In addition, in consideration of assembly accuracy and accuracy of O-ring used for sealing, ΔL is limited to about 0.1 mm, and L must be 5 mm in order to obtain a sufficiently developed flow. For this reason, it is not easy to obtain a half width of 0.1 or less with the current apparatus structure.
Therefore, an ion focusing mechanism as shown in FIG. 4 was devised. This corresponds to the ion focusing mechanism 103 in FIG. In FIG. 4, the introduced ions and the carrier gas 401 are accelerated in the direction of the central axis by the inertial force by the step 402 placed perpendicular to the flow direction, and the ions are accelerated by the so-called aerodynamic lens effect. As indicated by the locus 403, it is possible to obtain an ion flow concentrated at the center. The ion stream focused on the central axis is finally mixed with the sheath gas 405 in the classification part A. The resolution of ions improves in proportion to the focusing rate R. For example, when R is 0.5, a half width at half can be obtained.
Similarly, it is obvious that the same effect can be obtained by using an electromagnetic lens such as an electrostatic lens, a magnetic lens, and an optical lens.
[0014]
Here, for example, the resolution obtained for a monovalent water ion cluster having a diameter of 1.0 nanometer is converted into mass. The relationship between the mobility Zi and the ion diameter di is given by the following equation (3).
Zi = qCc / (3πμdi) (3)
q: charge amount, Cc: slip correction coefficient, μ: Zi of a gas having a viscosity of 1.0 nanometer is 1.7 × 10 ⁻⁵ m ² / sV, and the half-value width is 0.05, ΔZi Is 8.5 × 10 ⁻⁷ . Here, assuming that the density is 1 g / cm ³ , the mass of 1.0 nanometer ions is 315.3 amu, and ΔZi is approximately 25 amu when converted to mass. From the above, it can be seen that this apparatus is in a range that can be sufficiently used as an ion mass spectrometer operating under atmospheric pressure.
[0015]
Example 3
(Turbulent flow suppression mechanism)
As described above, for nanometer-sized ions, the half-value width in classification is limited to about 0.1 due to Brownian motion. In order to solve this problem, it is advantageous that the sheath gas flow rate Qc is large in order to pass through the classifying portion in a short time and make the value of Qi / Qc as small as possible. However, in the region where Qc is 500 liters / minute or more, turbulent flow is generated in the apparatus, and conversely the resolution decreases. In order to solve this problem, a turbulent flow suppression mechanism has been devised at the sheath gas inlet as shown in FIG.
Here, the Reynolds number Re, which is a dimensionless parameter representing the ratio between the viscous force and the inertial force of the fluid, is given by the following equation (4).
Re = Du _av ρ / μ (4)
(D: tube diameter, u _av : average flow velocity, ρ: density, μ: viscosity)
[0016]
Generally, when the value of Re is 2000 or more in the flow in the circular pipe, the transition region changes to the turbulent flow region. Here, for example, if the tube diameter is 18 mm at a sheath gas flow rate of 500 liters / minute per 250 mm ² , the value of Re is about 34000, and is included in the turbulent flow region. In this region, turbulence occurs due to minute irregularities on the surface of the apparatus. Therefore, the inner surface of the apparatus needs to be smoothed by performing composite electrolytic polishing 606.
Here, in order to more positively suppress turbulent flow, turbulent flow suppression by the mesh filter 603 is used. As shown in FIG. 6, the sheath gas 601 is rectified in the filter 603 through the flow development region 602. Here, a uniform laminar flow can be obtained by setting the pressure loss in the filter to a value sufficiently larger than the pressure loss in the tube flow. It is obvious that a classification performance with high resolution can be obtained by installing a rectifying filter immediately before the slit and classifying ions before turbulence develops.
Similarly, a turbulent flow suppression mechanism 605 such as having a reduced tube structure 604 at the inlet to compress the sheath gas flow to stabilize the flow, using a gas having a high viscosity coefficient as the sheath gas, or using a piezo actuator. The same effect can be obtained.
[0017]
【The invention's effect】
The method and apparatus of the present invention can be used for high-resolution analysis of atmospheric ions and trace substances in liquid. In the case of the present invention, since it operates in the atmosphere, a vacuum apparatus is not required, and it has a sufficient resolution for cluster analysis. Moreover, the monodisperse cluster created by classification operation can be applied to various uses. For example, in drug delivery, it is conceivable to control drug ion transport by size control, and to concentrate and mark drugs on the affected area. Metal and semiconductor ion clusters can be applied to light emitters using the quantum effect. In addition, it can be applied to a wide range of fields such as characterization depending on the size of ions in the basic science field.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a conceptual diagram of a high resolution classifier for atmospheric ions according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining the implementation of the electrostatic spray ionization method.
FIG. 3 is a diagram for explaining the implementation of the supersonic spray ionization method.
FIG. 4 is a conceptual diagram of an ion focusing mechanism.
FIG. 5 shows a mobility distribution map of atmospheric ions generated by supersonic spraying.
FIG. 6 is a conceptual diagram of a turbulent flow suppression mechanism.
[Explanation of symbols]
101 Atmospheric ions 102 Carrier gas 103 Ion focusing mechanism 104 Upper slit 105 Sheath gas 106 Turbulence suppression mechanism 107 DC voltage V1
108 DC voltage V2
109 Lower slit 110 Sheath gas outlet 111 Carrier gas outlet 112 Rod 113 Built-in electrode 114 Ammeter 201 Ion solution 202 Capillary nozzle 203 Taylor cone 204 DC voltage 205 Counter electrode 206 Atmospheric ion 301 Ion solution 302 Capillary nozzle 303 Gas flow 304 Orifice 306 Atmospheric ion 305 Supersonic jet 401 Ion + carrier gas 402 Step 403 Ion trajectory 404 Slit 405 Sheath gas flow 601 Sheath gas 602 Flow development region 603 Mesh filter 604 Shrinking tube structure 605 Turbulence suppression mechanism 606 In-apparatus surface composite electropolishing 607 Classification unit

Claims

大気中に存在するイオンを、シースガスが流通している静電場に導き、該シースガス中での該イオンの移動速度の違いを利用して分級する方法において、該イオンを、スリット幅とスリット間距離の比が０．０２以下となるように設定したスリットを介して該静電場に導き、２５０ｍｍ^２当りの流量が５００リットル／分以上であるシースガス流中を移動させることを特徴とする大気イオンの高分解能分級方法。In a method in which ions existing in the atmosphere are guided to an electrostatic field through which a sheath gas flows and classified using a difference in the moving speed of the ions in the sheath gas, the ions are separated into a slit width and a distance between slits. The air ions are introduced into the electrostatic field through a slit set so as to have a ratio of 0.02 or less, and are moved in a sheath gas flow having a flow rate per 250 mm ² of 500 liters / minute or more. High resolution classification method.

該大気中に存在するイオンが、イオン性物質を含む溶液を大気中へ超音速スプレー又は静電スプレーすることにより生成されたイオンである請求項１に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the ions present in the atmosphere are ions generated by supersonic spraying or electrostatic spraying a solution containing an ionic substance into the atmosphere.

両端開口し、上部にスリットａを有する分級部を構成する筒体Ａと、該筒体Ａ内に配設された下部にスリットｂを有する中空ロッドＢと、該中空ロッドＢの中空内に配設された内蔵電極Ｃと、該筒体Ａの上部開口に連設されたシースガス乱流抑制機構Ｄと、該筒体Ａの上部に配設されたスリットａに連設されたイオン集束機構Ｅを有することを特徴とする大気イオンの高分解能分級装置。 A cylindrical body A that constitutes a classification part having an opening at both ends and having a slit a at the upper part, a hollow rod B having a slit b at the lower part disposed in the cylindrical body A, and a hollow rod B disposed in the hollow of the hollow rod B The built-in electrode C provided, the sheath gas turbulence suppression mechanism D provided continuously with the upper opening of the cylinder A, and the ion focusing mechanism E provided continuously with the slit a provided on the upper part of the cylinder A A high-resolution classifier for atmospheric ions, comprising: