KR20130102569A - 이온 이동 장치 - Google Patents

Abstract

이온화된 물질을 제 1 방향으로 이동시키는 이동 장치(30)를 제공한다. 이동 장치(30)는 드리프트 튜브(50)를 가지며, 드리프트 튜브(50)는, 외곽을 구성하는 전극 플레이트(71 및 72)와, 튜브 내에 배치된 복수의 링 전극(60, 61, 62)을 포함한다. 링 전극(60)은, 이온화된 물질을 축방향인 제 1 방향으로 진행시키는 리니어 구동용 제 1 교류 전계를 형성한다. 전극 플레이트(71 및 72)는, 이온화된 물질의 진행 방향을 편향시키는 비대칭인 제 2 교류 전계를 형성한다.

Description

이온 이동 장치{ION TRANSFER DEVICE}

본 발명은, 이온화된 물질을 이동시키는 장치에 관한 것이다.

고감도로 화학 물질을 검출, 분석하는 기술로서, 근년 필드 비대칭성 이온 이동도 분광계(FAIMS)로 불리는 장치가 주목을 받고 있다. 이 장치에서는, 센서에 인가하는 직류 전압과 교류 전압을 변화시킴으로써, 이온화된 화학 물질의 이동도의 변화를, 미세한 필터에 의해 검출하며, 그 검출 결과의 차이에 따라 화학 물질을 특정하는 것이 가능하다.

일본국 공표특허공보 제2008-508693호(국제공개 WO2006/013396)에는, 복수의 전극을 갖는 적어도 하나의 이온 채널 형상의 이온 필터를 갖는 이온 이동도 분광계에 대해 기재되어 있다. 이 이온 이동도 분광계에서는, 도전층에 인가되는 시간 변화하는 전위에 따라, 충전제는 이온 종(種)을 선택적으로 넣을 수 있다. 전위는, 구동 전계 성분 및 횡전계 성분을 가지며, 바람직한 실시형태에 있어서, 전극 각각은, 구동 전계 및 횡전계 성분 모두를 생성하는데 관여한다. 디바이스는, 드리프트 가스 플로우(drift gas flow)가 없어도 이용할 수 있다.

이온 이동도를 측정하는 기술로서, FAIMS(FAIMS, Field　Asy㎜etric waveform　Ion　Mobility　Spectrometry, 필드 비대칭 질량 분석계, 또는 DIMS, Differential　Ion　Mobility　Spectrometry) 기술이 알려져 있다. FAIMS 기술은, 측정 대상이 되는 화학 물질을 이온화하고, 이온 이동도가 화학 물질마다 독특한 성질을 이용하여, 캐리어 가스(버퍼 가스) 내를 이동시키면서, 차동형 전압(DV, Dispersion Voltage, Vd 전압, 교류 전압, 전계 전압(Vrf), 이후에서는 Vf)과 보상 전압(CV, Compensation Voltage, Vc 전압, 보상 전압, 직류 전압, 이후에서는 Vc)을 변화시키고, 고전계와 저전계를 비대칭으로 교대로 전환한다. 이에 따라, 목표 이외의 화학 물질은 비행 도중에 전계를 생성시키는 전극(플레이트)에 충돌하여 전하를 잃어 검출되지 않는다. 한편, 검출 목표의 이온화된 화학 물질은, 이 전압(Vf)과 전압(Vc)의 조건이 적절하게 제어되면, 검출기까지 도달하여, 검출기에 흐르는 전류값으로서 검출할 수 있다.

본 발명의 일 양태는, 이온화된 물질을 제 1 방향으로 이동시키는 이동 장치이다. 이 이동 장치는, 제 1 방향으로 나란한 복수의 제 1 전극으로서, 상기 복수의 제 1 전극의 적어도 일부의 인접하는 전극 사이에 형성되는 전계 방향이 정기적으로 반전(反轉)하며, 이온화된 물질의 적어도 일부를 상기 제 1 방향으로 진행시키는 리니어(linear) 구동용 제 1 교류 전계를 형성하는 복수의 제 1 전극과, 제 1 방향과 다른 제 2 방향으로 나란하며, 이온화된 물질의 적어도 일부의 진행 방향을 상기 제 2 방향으로 편향(偏向)시키는 비대칭인 제 2 교류 전계를 형성하는 복수의 제 2 전극을 갖는다.

이 이동 장치에 있어서는, 복수의 제 1 전극의 적어도 일부의 인접하는 전극 사이에 형성되는 전계 방향이 정기적으로 반전한다. 전형적으로는, 복수의 제 1 전극은, 인접하는 전극끼리의 극성이 정기적으로(짧은 주기로) 반전하도록 스위칭된다. 따라서, 복수의 제 1 전극에 의해 리니어 구동용 제 1 교류 전계가 형성되며, 복수의 제 1 전극은 이온화된 물질에 대해 리니어 정전 모터로서 기능한다. 제 1 방향은 직선이어도 곡선이어도 된다.

전기장(電場) 중의 이온의 평균 이동 속도(vd)는 이하의 식 (1)로 주어진다.

vd=KE　···(1)

여기서, E는 전기장의 세기이고, K는 이동도(이온 이동도)이며, 각 화학 물질(분자, 원자, 가스 성분, 조성물 등)에서 독특한 파라미터이다. 따라서, 이온 이동도와, 전기장의 세기와, 스위칭 속도(주파수)를 포함하는 제 1 교류 전계의 조건에 합치(동기)한 화학 물질이 제 1 방향으로 이동되어, 이동 장치로부터 출력된다. 또한, 이동 장치 내에서는, 제 1 교류 전계의 조건에 합치(동기)한 화학 물질의 농도가 감소되므로, 그 화학 물질이 실질적으로 이동 장치에 흡입된다.

제 2 방향으로 나란한 복수의 제 2 전극에 의해 형성되는 비대칭인 제 2 교류 전계는, FAIMS 기술에서 나타낸 바와 같이, 이온 이동도가 제 2 교류 전계의 조건에 합치한 화학 물질이 제 2 전극 사이에 남아 있다. 따라서, 이 이동 장치에 있어서는, 제 2 교류 전계의 조건에 합치한 화학 물질이 제 2 전극 사이에 남아 있어, 그 화학 물질이 제 1 교류 전계의 조건에 합치하고 있으면 고속으로 제 1 방향으로 이동된다. 이 때문에, 높은 선택 성능을 구비하여, 미량이어도 특정의 화학 물질을 효율적으로 이동시키는 것이 가능한 이동 장치를 제공할 수 있다.

리니어 정전 구동을 가능하게 하는 제 1 교류 전계를 형성하기 위해서는 높은 전계 강도를 필요로 하지만, 마이크로 머신 또는 MEMS 기술에 의해 복수의 제 1 전극 사이의 거리를 좁힘으로써, 매우 높은 전압을 이용하지 않아도 이온화된 화학 물질을 이동시킬 수 있다. 또한, 컴팩트한 이동 장치를 제공할 수 있다.

복수의 제 1 전극은, 복수의 제 2 전극이 형성하는 제 2 교류 전계 내에 배치되어 있는 것이 바람직하다. 예를 들어, 복수의 제 1 전극은, 복수의 제 2 전극 내의, 대면(對面)하는 2개의 전극의 거의 중간에 제 1 방향으로 나란하게 배치된 복수의 링 형상 전극을 포함하는 것이다. 또한, 복수의 제 2 전극의 대면하는 2개의 전극은, 통 형상의 유로를 형성하며, 복수의 링 형상 전극은, 통 형상의 유로의 중심선을 따라 배치되어 있는 것이 바람직하다. 제 2 교류 전계의 일례는, 교류 성분 및 직류 성분을 포함하는 것이다.

본 발명의 다른 양태의 하나는, 상기 이동 장치와, 이동 장치에 유입하는 물질을 이온화하는 이온화 유닛과, 이동 장치로부터 토출된 물질을 검출하는 검출기를 갖는 장치(이온 이동도 센서, 검출 장치, 측정 장치)이다. 이동 장치는, 제 1 교류 전계 및 제 2 교류 전계의 조건에 합치한 화학 물질을 검출기로 보낸다. 따라서, 분리 능력(해상도)이 높은 이온 이동도 센서 및 그것을 이용한 검출 장치를 제공할 수 있다. 또한, 이 센서에 있어서는, 제 1 교류 전계에 의해 센서의 내부에서 수시로, 이온화된 화학 물질을 가속할 수 있다. 이 때문에, 이온화된 화합물의 이동 거리를 길게 하는 것이 가능하며, 또한 분리 혹은 선택 성능이 높은 센서를 제공할 수 있다.

이동 장치로부터 토출된 물질을 축적하는 어큐뮬레이터를 설치하는 것도 유효하다. 검출기에서 확인된 화학 물질을 선택적으로 어큐뮬레이터에 축적할 수 있다. 어큐뮬레이터에 축적된 화학 물질은, 피드백 패스(feedback path)를 통해 이동 장치에 공급하며, 이동 장치에서 재선별시켜, 검출 정밀도를 높이거나, 보다 순도가 높은 화학 물질을 어큐뮬레이터에 축적하거나 하는 것이 가능하다.

본 발명의 다른 양태의 하나는, 상기 이동 장치를 복수 갖는 합성 장치이다. 합성 장치는, 복수의 이동 장치 각각으로부터 토출된 물질을 축적하는 반응 챔버와, 반응 챔버 내의 물질에 반응 에너지를 공급하는 공급 유닛을 갖는다. 이동 장치에 의해 공기 중 등으로부터 합성에 필요한 화학 물질을 분자 레벨로 선택하며, 반응 챔버로 보내, 소망하는 화학 물질을 합성할 수 있다.

합성 장치는, 또한 복수의 이동 장치 각각에 공급되는 물질을 축적하는 복수의 어큐뮬레이터와, 복수의 어큐뮬레이터 각각에 물질을 공급하는 복수의 이동 장치를 갖는 것도 유효하다. 이동 장치에 의해, 대기 중 등으로부터 합성의 소스가 되는 화학 물질을 분자 레벨로 선택하여, 어큐뮬레이터에 사전에 축적할 수 있다.

본 발명의 다른 양태의 하나는, 이동 장치를 포함하는 검출 장치 및/또는 합성 장치를 갖는 단말이다. 본 발명의 이동 장치는, 타겟의 화학 물질(분자, 원자)을 자흡(自吸)할 수 있다. 또한, 이 이동 장치를 MEMS 혹은 마이크로 머신에 의해 실현하는 것이 바람직하다. 따라서, 이동 장치를 이용한 각종 장치는, 이동 장치의 다른 펌프를 생략할 수 있어, 전체를 매우 컴팩트하게 완성할 수 있다. 이 때문에, 이동 장치를 이용한 장치를 휴대 전화나 스마트폰 등의 휴대 단말에 탑재하는 것이 가능해진다.

본 발명의 다른 양태의 하나는, 제 1 방향으로 나란한 복수의 제 1 전극과 제 2 방향으로 나란한 복수의 제 2 전극을 포함하는 이동 장치에 의해 이온화된 물질을 제 1 방향으로 이동시키는 단계를 포함하는 방법, 예를 들어, 제어 방법이다. 이동시키는 단계는 이하의 단계를 포함한다.

· 복수의 제 1 전극에 리니어 구동용 제 1 교류 전계를 형성시키는 단계.

· 복수의 제 2 전극에 비대칭인 제 2 교류 전계를 형성시키는 단계.

이동시키는 단계는, 이온화된 물질을 검출기를 향해 이동시키는 단계를 포함하고 있어도 된다. 또한, 이동시키는 단계는, 이온화된 물질을 반응 챔버를 향해 이동시키는 단계를 포함하고 있어도 된다.

도 1은 이온 이동도 센서의 개략 구성을 도시하는 도면.
도 2는 드리프트 튜브의 구성을 도시하는 단면도.
도 3은 드리프트 튜브의 구성을 도시하는 다른 방향의 단면도.
도 4는 비대칭인 교류 전계를 형성하는 전압 변화를 도시하는 도면.
도 5는 리니어 구동용 교류 전계의 변동을 도시하는 도면.
도 6은 드리프트 튜브에서 이온이 이동하는 모습을 도시하는 도면.
도 7은 전계 스위칭 속도를 변경함으로써 이온 전류가 변화하는 모습을 도시하는 도면으로, 도 7의 (a)는 제 1 스위칭 속도, 도 7의 (b)는 제 2 스위칭 속도, 도 7의 (c)는 제 3 스위칭 속도에 의해 얻어지는 전류값의 변화를 도시함.
도 8은 소프트웨어 제어 유닛의 처리의 일례를 도시하는 플로차트.
도 9는 피드백 유닛의 사용 상태를 도시하는 도면.
도 10은 합성 장치의 개략 구성을 도시하는 도면.
도 11은 이동 유닛의 개략 구성을 도시하는 도면.
도 12는 이온 이동도 센서의 다른 예를 도시하는 도면.
도 13은 이온 이동도 센서가 탑재된 휴대 단말을 도시하는 도면.

도 1에, 본 발명에 관한 이온 이동도 센서의 개요를 도시하고 있다. 이 센서(10)는, 대기 또는 호기(呼氣) 등의 샘플 가스(1)의 흡인구(11)와, 흡인된 샘플 가스(1)에 포함되는 입자 등의 이물을 제거하는 필터(12)와, 샘플 가스(1)에 포함되는 성분을 적당한 방법으로 이온화하는 이온화 유닛(13)과, 이온화된 물질(화학 물질)을, 교류 전기장을 이용하여 이동하는 이동 유닛(30; 이온 피더, 이온 컨베이어)과, 이동 유닛(30)에 의해 반송된 화학 물질을 검출하는 검출기(15)를 갖는다. 이동 유닛(30)은, U자형의 드리프트(drift) 튜브(50; 피더)를 구비하고 있으며, 이온화 유닛(13)에 입력측의 단(51; 端)이 연결된 일방(一方)의 직관부(52; 直管部)가 도입관이 되고, 타방(他方)의 직관부(55)가 방출관이 되며, 방출관(55)의 선단(56)이 검출기(15)에 연통되어 있다. 도입관(52)의 단(53)과 방출관(55)의 단(54)이 곡관(57; 曲管)에 의해 접속되어 있다.

이온화 유닛(13)은, 방사선원(N₆₃)에 의해 이온화하는 타입, 코로나 방전에 의해 이온화하는 타입 혹은 그 이외의 타입이어도 된다. 검출기(15)는, 이온화된 화학 물질이 도달하면 전류값으로서 도달한 화학 물질의 양을 측정하는 검출용 전극(15a)을 포함한다. 또한, 검출기(15)는, 검출기(15)의 환경 조건, 예를 들어, 온도, 습도, 압력, 유량 등을 취득하기 위한 센서군(15s)을 포함한다.

센서(10)는, 또한 이동 유닛(30)의 도입관(52)의 방출측의 단(53)과 입력측의 단(51)을 연통하는 피드백 유닛(200)을 포함한다. 피드백 유닛(200)은, 이동 유닛(30)의 도입관(52)의 방출측의 단(53)에 연통한 어큐뮬레이터(201; 분리 챔버)와, 어큐뮬레이터(201)와 이동 유닛(30)의 입력측의 단(51)을 연통하는 바이패스관(202)과, 바이패스관(202)의 출구(이동 유닛(30)의 입력측)에 설치된 이온화 유닛(203)을 포함한다. 피드백 유닛(200)은, 또한 어큐뮬레이터(201)의 내압을 제어하는 불활성 가스 봄베(204; 버퍼)와, 어큐뮬레이터(201)를 클린업하는 진공 배기 유닛(205)을 포함한다.

또한, 피드백 유닛(200)은, 라인을 전환하기 위한 밸브(211~215)와, 피드백 유닛(200)의 환경 정보를 취득하기 위한 센서군(221 및 222)을 포함한다.

이동 유닛(30)의 드리프트 튜브(50)는, 전형적으로는 전체가 원통 형상으로, 직경이 1㎛~10㎜이고, 바람직하게는 10~1000㎛이며, 더욱 바람직하게는, 10~500㎛이다. 드리프트 튜브(50)는, 반원 통 형상의 2장의 전극 플레이트(71 및 72; 제 2 전극, 반원 통 형상 전극)를 포함한다. 이러한 전극 플레이트(71 및 72)는 절연체를 사이에 두고 튜브(50)의 외곽을 구성하도록 조립되어 있다. 전극 플레이트(71 및 72)는, 도입관(52)을 구성하는 그룹과, 곡관(57) 및 방출관(55)을 구성하는 그룹으로 분리되어 있으며, 각각의 그룹에 따라 독립한 전계를 형성할 수 있게 되어 있다. 참고로, 인가되는 전압을 높게 할 수 있는 상황이면, 드리프트 튜브(50)의 직경은 더 커도 된다. 또한, 드리프트 튜브(50)는 단면이 각형(角型), 예를 들어 정사각형 또는 직사각형의 튜브여도 된다.

드리프트 튜브(50)는, 또한 전극 플레이트(71 및 72)의 중심 부근에, 드리프트 튜브(50)의 축방향(X)으로 배치된 링 형상의 복수의 전극(60; 제 1 전극)을 갖는다. 링 형상 전극(60)은, 적당한 간격으로 배치되어 있으며, 인접하는 전극, 예를 들어, 홀수 번째의 전극(61)과 짝수 번째의 전극(62)에는 서로 다른 극성의 전압이 인가된다. 전극(60) 사이의 거리는, 예를 들어 1㎛~1000㎛이며, 바람직하게는 10~500㎛이다. 링 형상 전극(60)의 직경은, 1㎛~1000㎛이고, 바람직하게는, 10~500㎛이며, 더 바람직하게는 10~100㎛이다. 참고로, 인가되는 전압을 높게 할 수 있는 상황이면, 링 형상 전극의 각 사이즈는 더 커도 된다. 복수의 링 형상 전극(60)은, 도입관(52) 내에 전계를 형성하는 그룹과, 곡관(57) 및 방출관(55)의 내부에 전계를 형성하는 그룹으로 분리되어 있으며, 각각의 그룹에 의해 독립한 전계를 형성할 수 있게 되어 있다.

센서(10)는, 링 형상 전극(60) 및 전극 플레이트(71 및 72)에 전력을 공급하며 이들 전극에 의해 형성되는 전계를 제어하는 구동 제어 유닛(100)을 갖는다. 구동 제어 유닛(100; 제어 유닛)은, 링 형상 전극(60)에 의해 리니어 구동용 제 1 교류 전계를 형성시키는 제 1 전계 제어 유닛(110)과, 전극 플레이트(71 및 72)에 의해 비대칭인 제 2 교류 전계를 형성시키는 제 2 전계 제어 유닛(120)을 포함한다.

제 1 전계 제어 유닛(110)은, 링 형상 전극(60)의 홀수 번째의 전극(61)과 짝수 번째의 전극(62)에 인가되는 전압(Vd1 및 Vd2)의 극성을 정기적으로 전환하며, 인접하는 전극(61 및 62) 사이에 형성되는 전계 방향을 정기적으로 반전시킨다. 이에 따라, 샘플 가스(1)에 포함되는 이온화된 화학 물질(5; 이온화된 타겟 케미컬, 이후에서는 이온 또는 이온화된 분자)를 축방향(X; 제 1 방향)으로 이동시키는 리니어 구동용 제 1 교류 전계가 링 형상 전극(60)에 의해 형성된다. 전압(Vd1 및 Vd2)은 0.1~50MHz 정도, 10~200V 정도의 교류 전압 또는 펄스상으로 스위칭된 전압이다. 전압(Vd1 및 Vd2)의 주파수 및 전압값은 전극(60)의 사이즈 및 간격에 의존하며, 상기 범위가 아니어도 된다.

제 2 전계 제어 유닛(120)은, 전극 플레이트(71 및 72)에, 교류 전압(Vf; 교류 전계)과 보상 전압(Vc)을 인가하여, 축방향(X)과 직교하는 Y방향(제 2 방향)으로 비대칭인 교류 전계를 형성한다. 교류 전압(Vf)은, 0.1~50MHz 정도, 10~200V 정도의 고주파이며, 보상 전압(Vc)은 교류 전압의 범위 내에서 비대칭인 전계를 형성하는데 적합한 직류 전압이다. 교류 전압(Vf) 및 직류 전압(Vc)의 주파수 및 전압값은 전극 플레이트(71)의 사이즈 및 갭에 의존하며, 상기 범위가 아니어도 된다.

구동 제어 유닛(100)은, 또한 이동 유닛(30)에 의해 검출기(15)로 방출된 타겟의 화학 물질(5)의 양을 전류값으로서 취득하는 측정 유닛(130)과, 피드백 유닛(200)의 감시 및 제어를 행하는 피드백 제어 유닛(140)과, 검출기(15)로부터 얻어지는 측정값에 근거하여 전계 제어 유닛(110 및 120)의 설정값 등을 소프트웨어에 의해 변경하는 소프트웨어 제어 유닛(150)과, 시뮬레이터(160)와, 데이터베이스(170)를 포함한다. 측정 유닛(130)은, 측정값인 전류값에 더하여, 검출기(15)의 센서군(15s)으로부터 환경 정보를 취득하여, 측정값을 보정한다. 피드백 제어 유닛(140)은, 피드백 유닛(200)에 설치된 밸브(211~215)를 제어하여 라인 전환을 행하며, 또한 센서군(221 및 222)의 값을 취득하여 피드백 유닛(200)의 각 부분, 예를 들어, 어큐뮬레이터(201)의 상태 등을 감시한다.

도 2는, 드리프트 튜브(50)를, 샘플 가스(1)의 유입 방향, 즉 축방향(X)에 직교하는 방향(Y)을 따라 자른 단면도이다. 도 3은, 드리프트 튜브(50)를, 샘플 가스(1)의 유입 방향, 즉 축방향(X)을 따라 자른 단면도이다. 튜브(50)는, 반원 통 형상의 2장의 전극 플레이트(71 및 72)가 절연체(78 및 79)를 사이에 두고 조립되어, 통 형상의 외곽을 구성하고 있다.

드리프트 튜브(50)의 중심 부근에, 축방향(X)을 따라 링 형상의 미소 전극(61 및 62)이 적당한 간격으로 배치되어 있다. 각각의 전극(61 및 62)은, 링 형상의 선단부(63)와, 선단부(63)에 전력을 공급하도록 절연체(78 및 79)를 관통하여 드리프트 튜브(50)의 외측으로 노출된 리드(64)를 포함한다. 도 2 및 도 3에서는, 홀수번째의 전극(61)의 리드(64)와 짝수번째의 전극(62)의 리드(64)를 다른 방향으로 유도하여, 그들 리드(64)에 극성이 다른 전압(Vd1 및 Vd2)을 인가하기 용이한 구성으로 하고 있다. 그렇지만, 전극(61 및 62)의 리드(64)의 배치는 이에 한정되지 않는다.

도 4에, 전극 플레이트(71 및 72)에 인가되는 비대칭인 교류 전압의 일례를 도시하고 있다. 교류 전압(Vf; 교류 전계)과 직류의 보상 전압(Vc)을 조합함으로써, 시각(t11, t12, t13)에 펄스상으로 변화하는 비대칭인 교류 전계(75)가 형성된다. 또한, 보상 전압(Vc)을 변경함으로써 화살표(76)로 나타낸 바와 같이 전계(75)의 비대칭성이 변경되어, 드리프트 튜브(50)를 통과하는 이온(5)의 Y방향으로의 변위(편향)를 제어할 수 있다.

도 5에, 링 형상의 미소 전극(61 및 62)을 통해 극성이 다른 전압(Vd1 및 Vd2; 구동 전압)이 인가되는 모습을 도시하고 있다. 본 도면에 도시한 바와 같이, 드리프트 튜브(50)의 미소 전극(61 및 62)에 각각 인가되는 전압(Vd1 및 Vd2)은, 시간이 시각(t0, t1~t22, t23)으로 경과하면, 소정의 시간 간격으로 극성이 서로 다르게 스위칭된다. 그 결과, 축방향(X)으로 리니어 구동용 제 1 교류 전계(65)가 형성된다.

도 6에, 드리프트 튜브(50)의 내부에서의 이온화된 분자(5)가 이동하는 모습을 모식적으로 도시하고 있다. 미소 전극(61 및 62)에 공급되는 구동 전압(Vd1 및 Vd2)에 의해 형성되는 구동용 제 1 교류 전계(65)의 주파수(f1) 및 전계 강도(E1)와, 타겟 분자(5)의 이동도(K)와의 관계가 합치(동기)하면, 실선의 화살표(6)로 나타낸 바와 같이, 동기한 분자(5)는 리니어 모터의 원리에 따라 드리프트 튜브(50)의 축방향(X)으로 가속된다. 드리프트 튜브(50)를 통과한 이온(5)은, 드리프트 튜브(50)의 출구(56)에 준비되어 있는 검출기(15)의 검출용 전극(15a)에 도달하여, 이온 전류로서 검출된다.

한편, 이동도(K)가, 미소 전극(61 및 62)에 의해 형성되는 구동용 교류 전계(65)의 주파수와 합치(동기)하지 않는 분자는, 파선의 화살표(7)로 나타낸 바와 같이, 전극 플레이트(71 또는 72)의 방향으로 편향하며, 전극 플레이트(71 또는 72)에 접촉하여 방전한다. 따라서, 검출기(15)에서는 이온 전류로서 검출되지 않는다. 즉, 이온화된 분자(5)가 전극(71 또는 72)에 충돌하면 전하(charge)를 상실하므로, 검출기(15)에서는 그 물질 전류값은 계측되지 않고, 그러한 분자가 드리프트 튜브(50)를 통과했다고 해도 검출기(15)에서는 검출되지 않는다. 이온화된 분자가 미소 전극(61 또는 62)에 접촉한 경우도 마찬가지이다.

즉, 링 형상의 미소 전극(61 및 62)은, 전극 플레이트(71 및 72)가 구성하는 드리프트 튜브(50)의 중심축(X)을 따라 배치되어 있고, 전극 플레이트(71 및 72)의 중간에 위치하며, 전극 플레이트(71 및 72)에 의해 형성되는 비대칭인 제 2 교류 전계(75)의 내부에 배치된다. 따라서, 드리프트 튜브(50)에 흡인된 이온화된 분자(5)는, 리니어 구동용 제 1 교류 전계(65)의 영향을 받는 동시에, 전극 플레이트(71 및 72)에 의해 Y방향으로 형성되는 비대칭인 제 2 교류 전계(75)의 영향을 받는다. 이 때문에, 리니어 구동용 제 1 교류 전계(65)에서 튜브(50)의 내부를 이동하지 않는 분자(5)는, 제 2 교류 전계(75)의 영향을 받아 링 형상의 미소 전극(61 및 62)의 범위로부터 벗어나, 전하를 상실한다.

또한, 비대칭인 전기장에 의해 이온화된 화학 물질의 필터링을 행하는 FAIMS 기술에서는, 교류 전압(Vf)과 직류의 보상 전압(Vc)에 의해 형성되는 비대칭인 교류 전계(75; 교류 전기장)와 이온 이동도(K)의 관계가 합치하는 분자(5; 목표 화학 물질)는, 전극 플레이트(71 및 72)의 중심 부근에 집중하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 전극 플레이트(71 및 72)의 중심 부근에 배치된 링 형상 전극(61 및 62)에 의해 형성되는 리니어 구동용 제 1 교류 전계(65; 교류 전기장)의 조건을, 비대칭인 제 2 교류 전계(75)에 의해 집중되는 분자(5)의 이온 이동도(K)와 동기시킴으로써, 비대칭인 제 2 교류 전계(75)에 의해 필터링된 분자(5)를 드리프트 튜브(50)에 의해 소정의 방향(X)으로 반송할 수 있다. 이 때문에, 캐리어 가스에 의하지 않고, 직접, 목표 화학 물질(5)을 드리프트 튜브(50)에 의해 소망하는 방향으로, 예를 들어, 검출기(15)측으로 보낼 수 있다.

도 7의 (a)~(c)에, 리니어 구동용 제 1 교류 전계(65)를 형성하는 전압(Vd1 및 Vd2)의 주파수(전계 스위칭 속도)와, 그에 따라 검출되는 이온 전류의 몇 가지 예를 도시하고 있다. 전계 스위칭 속도를 변경함으로써, 이동 유닛(30)의 드리프트 튜브(50)에 의해 반송되는 이온(5)이 변경되며, 센서(15)로 보내지는 이온(5)이 변경된다. 따라서, 센서(15)를 통과하는 이온(5)이 변경되어, 이온 전류의 값(스펙트럼)이 변화한다.

이 이동 유닛(30)에 있어서는, 구동 제어 유닛(100)을 이용하여, 리니어 구동용 제 1 교류 전계(65)의 조건 및 비대칭인 제 2 교류 전계(75)의 조건 중 어느 일방 또는 양방을 소프트웨어에 의해 제어할 수 있다. 특히, 리니어 구동용 제 1 교류 전계(65)의 조건을 소프트웨어에 의해 제어함으로써, 이동 유닛(30)의 드리프트 튜브(50)를 흐르는 분자(샘플 가스)의 유속을 제어할 수 있다. 이 때문에, 기계식으로 캐리어 가스의 유량을 제어하는 경우와 비교하여, 드리프트 튜브(50) 내의 가스 유량(가스 유속)을 세세하게 제어할 수 있다. 따라서, 이동 유닛(30)을 구비한 센서(10)에 있어서는, 이온(5)의 드리프트 속도를 더 세세하게 제어함으로써, 정밀도가 높은 안정된 측정이 가능해진다.

예를 들면, 이온화된 측정 대상의 화학 물질은, 기본적으로 제 2 교류 전계(75)를 형성하는 교류 전압(Vf)의 값과 보상 전압(Vc)의 값에 의해 선택적으로 측정하는 것이 가능해진다. 또한, 리니어 구동용 제 1 교류 전계(65)를 측정 대상의 이온화된 화학 물질에 일치하게 발생시킴으로써, 이동 유닛(30)의 선택성(필터링 성능)을 향상할 수 있다. 따라서, 이동 유닛(30)에 의해 보내진 이온(5)을 검출하는 검출기(15)의 검출 전류값(파형)이 보다 선명하고 정밀도가 높은 것으로 되는 것이 기대된다. 또한, 리니어 구동용 제 1 교류 전계(65)의 스위칭 속도도, 검출기(15)에서 검출된 전류값(측정값)을 목표로, 보다 감도가 높은 조합을 소프트웨어 제어 유닛(150)에 의해, 조정·발견하는 것이 가능해진다. 따라서, 이 센서(10)에 있어서는, 소프트웨어 제어에 의해, 타겟의 이온(5)을 검출하기 위한 제 1 교류 전계(65)의 조건(스위칭 속도)을, 넓은 스위칭 범위(switching range)로 변화시켜, 그에 대해 얻어지는 검출 전류값(피크 파형)의 특성으로부터, 보다 검출 효율이 좋은 조건을 찾는다. 그리고, 최종적으로는, 센서(10)에 의해 타겟 이온(5)을 검출하는 조건을 스위트 스포트(sweet spot)로서 결정한다.

도 8에, 소프트웨어 제어 유닛(150)에서의 처리의 일례를 도시하고 있다. 단계 301에서, 데이터베이스(170)에 준비되어 있는 유속 제어 테이블과 전계 스위칭·테이블 변환표로부터, 초기값과 단계수를 취출하여, 전계 스위칭을 개시한다(초기화). 이에 따라, 이동 유닛(30)의 드리프트 튜브(50) 내부에 링 형상 전극(61 및 62)에 의해 리니어 구동용 제 1 교류 전계(65)가 형성된다.

단계 302에서, 측정 유닛(130)을 통해 검출기(15)의 전류값을 취득한다. 전류값은 이동 유닛(30)에 의해 검출기(15)로 보내진 이온화된 화학 물질의 양을 나타낸다. 단계 303에 있어서 전류값이 제로이면, 단계 304에 있어서, 지정된 단계수를 증가시켜 전계 스위칭을 변경하며, 리니어 구동용 제 1 교류 전계(65)의 조건을 변경한다.

전류값이 제로가 아니면, 단계 305에서, 금회의 측정 시 이동 유닛(30)의 드리프트 튜브(50)의 비대칭의 제 2 교류 전계(75)를 형성하는 조건, 즉, 교류 전압(Vf) 및 보상 전압(Vc)과, 검출기(15)로부터 얻어진 전류 피크값을 그룹화하여 상관(相關)을 취한다. 데이터베이스(170)에 준비되어 있는, 각 화학 물질의 프로파일, 예를 들어 표준적인 상태에서의 교류 전압(Vf) 및 보상 전압(Vc)과 피크와의 상관을, 금회의 측정 조건(환경 조건을 포함함)에 일치하게 시뮬레이터(160)를 이용하여 시뮬레이션하여, 시뮬레이션 판정 테이블을 생성한다. 그리고, 얻어진 상관과, 시뮬레이션 판정 테이블을 비교하여 평가 함수를 새롭게 계산한다.

단계 306에서, 평가 함수의 값이 과거의 측정보다 증가하지 않는 것이면, 단계 304에서 리니어 구동용 제 1 교류 전계(65)의 조건을 변경한다.

한편, 단계 306에서, 평가 함수의 값이 과거의 측정보다 증가한 것이면, 단계 307에서 금회 측정한 제 2 교류 전계의 조건(Vf 및 Vc)과 전류 피크값과의 상관을 가미하여 시뮬레이션 판정 테이블을 갱신한다. 필요하다면, 평가 함수의 계수값을 갱신한다.

단계 308에 있어서, 검출기(15)에서 얻어진 전류값 전체의 피크에 개선이 관찰되는 경우는, 이동 유닛(30)의 드리프트 튜브(50)에 형성되는 제 1 교류 전계(65) 및 제 2 교류 전계(75)의 조건을 유지하여, 센서(10)에서의 측정을 계속한다. 개선이 관찰되지 않는 경우는, 단계 309에서 시뮬레이티드·어닐링(Simulated Annealing)이나 난수에 의한 커트＆트라이(cut&try)에 의한 파라미터 변경을 행하여, 측정 피크 개선의 가능성을 계산한다.

이 이동 유닛(30)을 채용한 센서(10)에 있어서는, 이동 유닛(30)에 의해 소망하는 이온(5)을 필터링하는 동시에 자율적으로 반송하여, 검출기(15)로 보낸다. 따라서, 캐리어 가스에 의하지 않고, 직접, 목표 화학 물질을 검출기측으로 보낼 수 있다. 이동 유닛(30)의 드리프트 튜브(50)에 있어서는, 제 1 교류 전계(65)와 제 2 교류 전계(75)에 의해 목표 화학 물질이 농축되는 경향이 있어, 드리프트 튜브(50)의 내부에서의 분압이 높아지거나, 농도가 높아지거나 하여 분자간 충돌이 격렬해질 가능성이 있다. 따라서, 도입하는 샘플 가스(1)에 포함되는 목표 화학 물질의 농도는 어느 정도 낮은 레벨인 것이 바람직하다. 반대로, 종래의 캐리어 가스와 같이 큰 가스 유량을 필요로 하지 않기 때문에, 샘플 가스(1)의 농도를 강제적으로 높게 하거나 하지 않아도 되다. 이 때문에, 저농도의 화학 물질에서도 검출할 수 있는 정밀도가 높은 센서(10)를 제공할 수 있다.

이 방식의 이동 유닛(30)을 채용한 센서(10)의 다른 우수한 점은, FAIMS의 경우, 측정 대상의 이온화된 화학 물질의 농도가 특정 레벨을 초과하면, 전류값의 측정 가능 범위를 초과해 버리는데, 이동 유닛(30)으로 검출기(15)에 도달하는 화학 물질의 양을 제한함으로써 측정 가능한 범위에 둘 수 있는 것이다. 즉, 검출기(15)의 전류값을 모니터링하면서, 이동 유닛(30)의 이동 속도를 자동으로 보정하여, 유량 제어를 전자적으로 행하는 자동 측정을 실현할 수 있다. 캐릭터라이제이션(characterization)이 완료된 데이터베이스에 FAIMS의 특성, 즉, 제 2 교류 전계(75)의 조건이 판명되어 있는 화학 물질에 대해서는, 샘플 가스(1)에 포함되는 측정 화학 물질의 농도에 따라, 이동 유닛(30)에서 형성하는 제 2 교류 전계(75)의 조건과 제 1 교류 전계(65)의 조건을 제어하여 검출기(15)에 이르는 샘플의 유량을 변경하며, 자동 계측을 실현하는 것이 가능하다.

또한, 이 센서(10)에 있어서는, 이동 유닛(30)이, 목표로 하는 화학 물질을 선택적으로 흡인하여 송출한다. 따라서, 목표로 하는 화학 물질 이외의 물질을 이동 유닛(30)이 흡입할 가능성은 작아지며, 또한 먼지 등을 포함하여 강제적으로 센서로 보내는 캐리어 가스를 생략할 수 있다. 이 때문에, 통상, FAIMS 분석 장치는, 장치 입력 전에 탄소·섬유나 마이크로 필터를 장착하고 있지만, 이러한 필터를 생략할 가능성이 있다. 이러한 필터는, 측정에 영향을 미칠 위험성이 있는 미립자를 제거하는 방식을 채용하는 것이 일반적이기는 하지만, 시스템 전체에서 보면 압력 저하 요인으로, 압력을 유지하기 위해 더욱 다량이며 고압의 캐리어 가스가 필요하다. 이 때문에, 필터를 대량으로 설치하여 일정 압력 밸런스를 유지하기 위해서는 펌프의 대수를 증가시킬 필요가 있어, 비용 상승의 요인이 되고 있었다.

도 9에, 이동 유닛(30) 및 피드백 유닛(200)을 구비한 센서(10)에 의해 화학 물질을 측정하는 처리의 일례를 도시하고 있다. 우선, 피드백 제어 유닛(140)이, 드리프트 튜브(50)의 입력측(51)에 설치된 제 1 제어 밸브(211)를 개방하여 샘플 가스(1)를 입력한다. 상술한 바와 같이, 이동 유닛(30)은, 이온 컨베이어로서의 기능을 구비하고 있으므로, 기계식 펌프(mechanical pump)나 캐리어 가스를 이용하지 않아도 샘플 가스(1)를 취득할 수 있다. 즉, 이 이온 센서(10)는, 대기로부터 자율적으로 샘플 가스(1)를 흡입할 수 있다.

소정의 가스량을 흡입하면, 제 1 제어 밸브(211)를 폐쇄하고, 측정이 종료할 때까지, 개방하지 않는다. 제 1 제어 밸브(211)를 개방하는 동시에, 불활성 가스(204)를 어큐뮬레이터(201)에 도입하기 위한 제 5 제어 밸브(215)는 폐쇄하고, 어큐뮬레이터(201)와 바이패스관(202)을 접속하는 제 4 제어 밸브(214)도 폐쇄하며, 드리프트 튜브(50)의 도입관(52)의 방출측(53)과 어큐뮬레이터(201)를 접속하는 제 3 제어 밸브(213)를 개방한다.

어큐뮬레이터(201; 분리 챔버)는 진공 배기 유닛(205)에 의해 미리 진공 상태로 되며, 이 단계에서는 어큐뮬레이터(201)는 진공 배기 유닛(205)으로부터 차단되어 있다. 이 상태에서 드리프트 튜브(50)의 제 1 전극(60(61 및 62))에 의해 리니어 구동용 제 1 교류 전계(65)가 형성되며, 제 2 전극(71 및 72)에 의해 비대칭인 제 2 교류 전계(75)가 형성되면, 드리프트 튜브(50)의 도입관(52)에 의해, 측정 대상의 화학 물질(5)이 샘플 가스(1)로부터 분리되어, 어큐뮬레이터(201)로 보내진다.

어큐뮬레이터(201)의 내압이 외기압과 같은 1기압에 도달하는 동시에, 제 3 제어 밸브(213)를 폐쇄하여, 어큐뮬레이터(201)를 드리프트 튜브(50)로부터 분리하며, 일단 드리프트 튜브(50)를 퍼지(평형 상태)로 한다. 예를 들어, 리니어 구동용 제 1 교류 전계(65) 및 비대칭인 제 2 교류 전계(75)를 다양한 조건으로 구동하여, 드리프트 튜브(50)의 내부에 존재하고 있는 물질의 농도 밸런스를 평형 상태로 한다. 그 후, 드리프트 튜브의 입력측을 대기에 접속하는 제 1 제어 밸브(211)를 폐쇄한다.

그 후, 바이패스관(202; 피드백 루프)과 드리프트 튜브(50)의 입력측(51)을 접속하는 제 2 제어 밸브(212), 불활성 가스(204)를 어큐뮬레이터(201)에 도입하는 제 5 제어 밸브(215), 어큐뮬레이터(201)와 바이패스관(202)을 접속하는 제 4 제어 밸브(214)를 개방한다. 이 조작에 의해, 어큐뮬레이터(201)에 축적된 가스가 이온화 유닛(203)을 통해 드리프트 튜브(50)로 피드백된다. 어큐뮬레이터(201)에 축적된 가스에 포함되는 성분은, 드리프트 튜브(50)에 의해 필터링된 성분이 주(主)이며, 측정 대상의 화학 물질(5)의 농도가 높은 가스(2; 농축 가스)로 되어 있다.

드리프트 튜브(50)의 도입관(52)을 이용하여, 어큐뮬레이터(201)에 축적된 가스(2; 농축 가스)의 농도를 더 높이는 경우는, 제 2 제어 밸브(212)를 개방하는 동시에 제 3 제어 밸브(213)를 개방하여 드리프트 튜브(50)의 도입관(51)의 방출측(53)을 어큐뮬레이터(201)에 연통한다. 제 5 제어 밸브(215)는, 어큐뮬레이터(201)의 내압을 외기압과 같아지도록, 불활성 가스(204)를 어큐뮬레이터(201)에 스위칭 제어하면서 서서히 도입한다. 이에 따라, 일정 압력을 유지하면서 어큐뮬레이터(201)로부터 바이패스관(202)으로의 공급이 강제적이지만, 완만하게 행해진다. 이 공급은, 어큐뮬레이터(201)의 내압이 극단적으로 감압되지 않고, 적당한 리턴(피드백) 유량을 확보할 수 있으면 충분하다.

샘플 가스(1)에 포함되는 측정 대상의 물질이 극히 저농도인 경우는, 복수회 이 피드백 유닛(200)을 이용하여 드리프트 튜브(50)에 피드백함으로써, 어큐뮬레이터(201) 내의 측정 대상의 화학 물질의 농도를 높게 할 수 있다. 어큐뮬레이터(201)는, 예를 들어, 다공질 유리 등의 흡착재가 포함된 압축 챔버(compressing chamber)여도 되며, 초소형의 저장고를 실현할 수 있다. 농도 조정은 피드백 유닛(200)을 이용한 피드백 회수를 기억함으로써 가능하다. 또한, 다공질 유리 등의 온도를 상승시켜 어큐뮬레이터(201)에 축적되어 있던 화학 물질을 한꺼번에 방출하여 농도를 높이는 것도 가능하다.

어큐뮬레이터(201)의 농축 가스(2)에 포함되는 측정 대상의 화학 물질의 종류 및 농도를 검출기(15)로 검출하는 경우는, 드리프트 튜브(50)와 바이패스관(202)을 접속하는 제 2 제어 밸브(212)를 개방하며, 드리프트 튜브(50)와 어큐뮬레이터(201)를 접속하는 제 3 제어 밸브(213)를 폐쇄한다. 농축 가스(2)는, 드리프트 튜브(50)의 도입관(52), 곡관(57) 및 방출관(55)에 의해 반송되어, 방출관(55)의 방출측(56)에 부착된 검출기(15)로 방출된다. 그리고, 방출된 가스에 포함되는 이온화된 분자(5)가 전류값으로서 계측된다.

이와 같이, 이동 유닛(30)을 구비한 이온 센서(10)는, 샘플 가스(1)를 센서(10)에 흐르게 하기 위한 기계식 펌프를 생략할 수 있다. 즉, 이 센서(10)에 있어서는, 펌프를 사용하여 샘플 가스(1)를 흡인 혹은 공급해도 되며, 펌프를 사용하지 않아도 된다.

종래의 비대칭 전기장을 이용하여 이온을 분리하는 FAIMS 센서에서는, 이온화 유닛을 통과한 후, 비행 경로를 형성하는 동시에 2개의 전극 플레이트에 대해 비대칭인 전압을 인가하지만, 샘플 가스를 검출기측으로 흐르게 하기 위해, 일정한 압력으로 일정 유량(유속)의 가스 흐름을 기계식 펌프에 의해 생성하고 있다. 이에 대해, 본 예의 센서(10)에 채용되어 있는 이동 유닛(30)에서는, 비대칭인 교류 전기장을 형성하는 시스템에 더하여, 미세 가공된 미소 전극으로서, 인접하는 전극의 극성이 플러스·마이너스로 서로 고속으로 스위칭되는 전극을 설치하여, 드리프트 튜브(50)의 내부에서 이온을 리니어 구동하고 있다. 따라서, 이온화된 화학 물질은, 검출기의 방향으로 압출(押出)되도록 이동한다.

이 센서(10), 또는 이 센서(10)를 이용한 센서 시스템에 있어서는, 종래의 FAIMS 타입의 센서와는 달리, 화학 물질의 분자량과 이온 이동도, 이온량에 따라, 목표로 하는 화학 물질을 이동(반송)하기 위한 스위칭 제어를 행한다. 이 메커니즘에도 이온 이동도가 관련하기 때문에, 목표로 하는 화학 물질을 반송할 뿐만 아니라, 필터링하는 효과도 동시에 얻을 수 있다. 따라서, 목표로 하는 화학 물질이 매우 낮은 농도로 대기 중 등에 존재하고 있는 경우에도, 그것을 표적으로 하여 검출기(15)까지 반송할 수 있어, 저농도에서도 확실하게 검출하는 것이 가능해진다.

또한, 이 센서(10)는, 이동 유닛(30)을 목표의 화학 물질을 어큐뮬레이터(201)에 집중시켜 농축하기 위해 이용하고 있다. 따라서, 목표의 화학 물질을 더 고감도로 검출할 수 있다.

또한, 피드백 유닛(200)을 설치하며, 피드백 루프(202; 바이패스관)를 통해 복수회 분리하거나, 복수회 측정함으로써, 이온화된 화학 물질 측정이 양자 친화력이나 전자 친화력의 에너지의 차이에 의해 은폐되어 측정 범위에 들어가지 않게 되는 물질의 측정도 가능해진다.

즉, FAIMS 기술에 의해 이온을 측정하는 경우, 이온화 유닛에 의해, 간접 이온화를 채용하는 경우가 있으며, 이 경우, 프로톤(proton) 친화력이나 전자 친화력에 의해, 측정 대상 샘플과 캐리어 가스 중에 포함되는 화학 물질의 조합에 따라서는, 이온 수수(전달)의 비율이 변화하고, 측정 데이터가 변화하여, 측정이 곤란해지는 경우가 있다. 방사선원이나 코로나 방전 등의 간접 이온화를 채용하여 샘플 분석이나 특정을 행하는 경우, 목표로 하는 화학 물질 및 그 조합에 따라서는, 이온화 용이성이 변화한다. 이 때문에, 목표로 하는 화학 물질을 절대값으로서의(전류값만으로의) 측정이 매우 곤란한 경우가 있었다. 즉, 측정 샘플에 따라, 운이 좋다면, 클리어로 신뢰성이 높은 측정이 가능하며, 조합에 따라서는, UV(자외선)에 의한 직접 이온화를 행하지 않으면 측정이 어려운 경우가 있었다.

이에 대해, 피드백 유닛(200)에서는, 농도가 높은 가스(2)가 형성될 뿐만 아니라, 바이패스관(202)을 통과할 때마다 이온화 유닛(203)에서 이온화된다. 따라서, 검출기(15)에 도달하는 가스의 상태(이온화 상태)를 안정시키는 것이 가능하여, 안정된 측정을 행할 수 있다.

또한, 이 이온 센서(10)에서는, 이동 유닛(30)이, 이온화된 화학 물질을 전계 차동 펌프와 같이 기능하는 드리프트 튜브(50)에 의해 어큐뮬레이터(201)로 보내며, 양성자·친화도(proton·affinity)나 전자·친화도(electron·affinity)의 이온화가 용이한 것부터 검출기(15)에 공급하여 순서대로 측정하며 배기할 수 있다. 이에 따라, 이온화의 우선 순위가 하위에 있는 화학 물질이어도, 복수회, 피드백 루프(202)를 통해 측정을 반복함으로써 측정이 가능해진다.

또한, 드리프트 튜브(50)의 특성(리니어 구동용 제 1 교류 전계의 특성)을, 플러스 이온을 반송하는 것과, 마이너스 이온을 반송하는 것으로 전환하여, 플러스·마이너스의 이온을 다른 조건으로 농축하거나, 검출하거나, 배출하거나 하는 것이 가능해진다. 이와 같이, 드리프트 튜브(50)는 다양한 조건으로 이온을 선택 및 반송할 수 있으므로, 드리프트 튜브(50)의 왕복 회수를 증가시킴으로써, 측정 대상의 화학 물질의 순도를 선택적으로 높여, 보다 정밀도가 높은 계측 결과를 얻을 수 있다.

도 10에, 나노·레벨에서의 소프트웨어 제어에 의한 화학 물질의 합성 장치의 개략 구성을 도시하고 있다. 이 합성 장치(500)는, 3개의 이동 유닛(30a, 30b 및 30c; 이동 장치, 이온 펌프, 이온 피더, 이온 컨베이어, 이온 인젝터)과, 그들 이동 장치로부터 화학 물질이 투입되는 화학 반응 챔버(510)와, 화학 반응 챔버(510)에 전기장을 가하는 전력 공급 유닛(520; 에너지 공급 유닛)과, 전기장을 온·오프함으로써 화학 반응을 스위칭 제어하는 반응 제어 유닛(530)과, 합성된 제품을 방출하는 펌프(540)와, 합성된 제품의 성분을 확인하기 위한 이온 이동도 센서(10)를 포함한다. 3개의 이동 유닛(30a, 30b 및 30c)은, 대기 중의 다른 성분( 제 1 성분, 제 2 성분, 제 3 성분)을 각각의 어큐뮬레이터에 농축하며, 각각의 성분을 화학 반응 챔버(510)에 투입하는 기능을 포함한다.

도 11에, 이동 유닛(30a)의 구성을 도시하고 있다. 다른 이동 유닛(30b 및 30c)도 동일한 구성이다. 이동 유닛(30a)은, 제 1 드리프트 튜브(50a)와, 피드백 유닛(200)을 포함하며, 제 1 드리프트 튜브(50a)에 의해, 대기로부터 소정의 성분을 선택하여 어큐뮬레이터(201)에 반송 및 저장할 수 있다. 이동 유닛(30a)은, 또한 제 2 드리프트 튜브(50b)와 검출기(15)를 포함하며, 이들에 의해 이온 이동도 센서(39)가 구성된다. 따라서, 유닛에 빌트인된 이온 이동도 센서(39)에 의해 어큐뮬레이터(201)에 저장된 성분을 모니터링하거나, 화학 반응 챔버(510)에 투입(토출)되는 성분을 모니터링할 수 있다.

이 이동 유닛(30a)은, 소정의 성분을 대기로부터 어큐뮬레이터(201)로 집중시키는 드리프트 튜브(50a)가, 어큐뮬레이터(201)로부터 소정의 성분을 반응 챔버(510)에 공급하는 드리프트 튜브로서의 기능을 겸하고 있지만, 수집용 드리프트 튜브와, 공급용 드리프트 튜브를 각각 설치하는 것도 가능하다. 소정 성분의 채취와, 공급을 병렬로 행할 수 있으므로, 합성용 소스(자원)의 고갈을 억제할 수 있다.

각각의 이동 유닛(30a~30c)은, 드리프트 튜브(50a)의 제 1 교류 전계 및 제 2 교류 전계의 조건을 제어함으로써, 매우 높은 정밀도로 대기 중의 분자를 선택할 수 있으며, 그것을 어큐뮬레이터(201)에 축적할 수 있다. 또한, 드리프트 튜브(50a)의 제 1 교류 전계 및 제 2 교류 전계의 조건을 제어함으로써, 극히 미량인 양의 화학 물질을 반송하는 것이 가능하며, 분자 단위에 가까운 레벨로 화학 물질의 양을 제어할 수 있는 가능성이 있다. 따라서, 화학 반응 챔버(510)에 의해 극히 미량의 화학 물질을 합성하는 것이 가능해지며, 또한 합성용 자원을 대기 중으로부터 집중시킴으로써, 메인터넌스 프리(maintenance free)에 근접한 합성 장치(500)를 제공할 수 있다.

화학 반응을 추진하는 적절한 효소나 촉매를 선택하기 위해, 종래는, 방대한 시간과 노력이 필요했다. 합성 장치(500)에 있어서는, 보다 높은 정밀도로, 필요한 화학 물질을 선택하여, 반응 챔버(510)로 유도할 수 있으며, 화학 물질의 양, 종류를 제어함으로써, 다양한 물질을 연속적으로, 또는 순간적으로, 화학 반응 챔버(510)에서 합성할 수 있다. 화학 반응 챔버(510)에는, 전력 이외에, 광, 자력 등으로 합성용 에너지를 부여해도 되며, 또한, 적당한 촉매를 내부에 배치해 두어도 된다. 또한, 합성에 시간을 요해도 되는 경우는, 화학 반응을 촉매나 효소에 의해 행하게 하는 것도 가능하며, 소망하는 반응을 일으키는 촉매나 효소를 선택하는 시험 장치를 사용하는 것도 가능하다.

또한, 화학 반응 챔버(510)에 의해 생성된 성분을, 합성용 자원으로서 더 피드백하는 것도 가능하다. 합성 장치(500)를, 적당하게 조건이 설정된 이동 유닛(30)에 의해 화학 반응 챔버(510)의 생성물을 선택하여 어큐뮬레이터(201)에 축적하며, 다른 타이밍에서 화학 반응 챔버(510)에 공급하도록 구성할 수 있다. 예를 들어, 유기계 생성물의 오리지널 소스(original source)로서 공기 중의 산소와, 질소와, 이산화탄소를 선택하며, 화학 반응 챔버(510)에서, 우선, 탄소수가 적은 저급 유기물을 합성하고, 다음으로, 그들을 자원으로 하여 탄소수가 많은 고급 유기물을 합성하는 것이 가능하다. 합성 장치(500)는 다양한 분야에 적용할 수 있다. 일례는, 냄새 발생 장치이다.

도 12에, 이동 유닛을 포함한 이온 이동도 센서의 다른 예를 도시하고 있다. 이 센서(600)는, 입력 포트(601)와, 이온화 유닛(602)과, 이동 유닛(30d)과, 검출기(15)와, 배기 포트(603)를 갖는다. 이동 유닛(30d)은, 병렬로 배치된 복수의 드리프트 튜브(50)를 포함한다. 복수의 드리프트 튜브(50)를 병렬로 배치함으로써 흡인할 수 있는 샘플 가스의 양이 증가한다. 하나의 드리프트 튜브(50)의 바람직한 사이즈는 수㎛~수100㎛이다. 따라서, 복수의 드리프트 튜브(50)를 병렬로 배치했다고 해도 이온 이동도 센서(600)의 전체 사이즈는 수㎜~수㎝이며, 또한 이동 유닛(30d)은 기계식 펌프가 불필요하므로, 매우 간이한 구성으로 컴팩트하며, 간단하게 휴대 전화 등의 휴대 단말에 빌트인할 수 있는 이온 이동도 센서를 제공할 수 있다.

도 13에, 휴대 전화 단말(700)에, 마이크로폰(701)과 함께 이온 이동도 센서(600)를 빌트인한 예를 도시하고 있다. 이 휴대 전화 단말(700)은, 사용자의 호기를 이온 이동도 센서(600)에 의해 상시 모니터링할 수 있다. 따라서, 호기에 포함되어 있는 화학 물질을 모니터링함으로써, 사용자의 건강 관리, 병의 초기 상태의 발견, 질병의 진행 상태의 모니터링 등이 가능해진다.

참고로, 상기에 나타낸 예는 이동 장치를 적용한 장치 혹은 시스템의 일례이며, 이동 장치는, 미량 성분의 선택 및 반송(수송)을 필요로 하는 애플리케이션에 널리 적용할 수 있다.

Claims (15)

1. 이온화된 물질을 제 1 방향으로 이동시키는 이동 장치로서,
   상기 제 1 방향으로 나란한 복수의 제 1 전극으로서, 상기 복수의 제 1 전극의 적어도 일부의 인접하는 전극 사이에 형성되는 전계 방향이 정기적으로 반전(反轉)하며, 이온화된 물질의 적어도 일부를 상기 제 1 방향으로 진행시키는 리니어(linear) 구동용 제 1 교류 전계를 형성하는 복수의 제 1 전극과,
   상기 제 1 방향과 다른 제 2 방향으로 나란하며, 이온화된 물질의 적어도 일부의 진행 방향을 상기 제 2 방향으로 편향(偏向)시키는 비대칭인 제 2 교류 전계를 형성하는 복수의 제 2 전극을 갖는, 이동 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 제 1 전극은, 상기 복수의 제 2 전극이 형성하는 제 2 교류 전계 내에 배치되어 있는, 이동 장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 복수의 제 1 전극은, 상기 복수의 제 2 전극의 대면(對面)하는 2개의 전극의 거의 중간에 상기 제 1 방향으로 나란하게 배치된 복수의 링 형상 전극을 포함하는, 이동 장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 복수의 제 2 전극의 대면하는 2개의 전극은, 통 형상의 유로를 형성하며, 상기 복수의 링 형상 전극은, 상기 통 형상의 유로의 중심선을 따라 배치되어 있는, 이동 장치.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제 2 교류 전계는, 교류 성분 및 직류 성분을 포함하는, 이동 장치.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 이동 장치와,
   상기 이동 장치로 유입하는 물질을 이온화하는 이온화 유닛과,
   상기 이동 장치로부터 토출된 물질을 검출하는 검출기를 갖는, 장치.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 이동 장치로부터 토출된 물질을 축적하는 어큐뮬레이터(accumulator)를 더 갖는, 장치.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 어큐뮬레이터로부터 상기 이동 장치의 입구측으로 상기 어큐뮬레이터 내의 물질을 공급하는 피드백 패스(feedback path)를 더 갖는, 장치.
9. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 이동 장치를 복수 갖는 장치로서,
   상기 복수의 이동 장치 각각으로부터 토출된 물질을 축적하는 반응 챔버와,
   상기 반응 챔버 내의 물질에 반응 에너지를 공급하는 에너지 공급 유닛을 갖는, 장치.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 복수의 이동 장치 각각에 공급되는 물질을 축적하는 복수의 어큐뮬레이터와,
    상기 복수의 어큐뮬레이터 각각에 물질을 공급하는 복수의 공급용 이동 장치를 가지며,
    상기 복수의 공급용 이동 장치 각각은, 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 하나에 기재된 이동 장치인, 장치.
11. 제 6 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 기재된 장치를 갖는, 휴대 단말.
12. 제 1 방향으로 나란한 복수의 제 1 전극과 제 2 방향으로 나란한 복수의 제 2 전극을 포함하는 이동 장치에 의해 이온화된 물질을 제 1 방향으로 이동시키는 단계를 포함하는 방법으로서,
    상기 이동시키는 단계는,
    상기 복수의 제 1 전극에 리니어 구동용 제 1 교류 전계를 형성시키는 단계와,
    상기 복수의 제 2 전극에 비대칭인 제 2 교류 전계를 형성시키는 단계를 갖는, 방법.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 이동시키는 단계는, 이온화된 물질을 검출기를 향해 이동시키는 단계를 포함하는, 방법.
14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 이동시키는 단계는, 이온화된 물질을 어큐뮬레이터를 향해 이동시키는 단계를 포함하는, 방법.
15. 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이동시키는 단계는, 이온화된 물질을 반응 챔버를 향해 이동시키는 단계를 포함하는, 방법.

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