JP2000040489A - Laser ionization mass spectrometer and measuring method - Google Patents

Laser ionization mass spectrometer and measuring method

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JP2000040489A
JP2000040489A JP11013371A JP1337199A JP2000040489A JP 2000040489 A JP2000040489 A JP 2000040489A JP 11013371 A JP11013371 A JP 11013371A JP 1337199 A JP1337199 A JP 1337199A JP 2000040489 A JP2000040489 A JP 2000040489A
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JP
Japan
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laser
laser light
mass spectrometer
laser beam
substance
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JP11013371A
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Japanese (ja)
Inventor
Hideki Nagano
英樹 永野
Kunio Miyazawa
邦夫 宮澤
Takaaki Kondo
隆明 近藤
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JFE Engineering Corp
Original Assignee
NKK Corp
Nippon Kokan Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To almost simultaneously measure at least two or more measuring object substances even by a compact measuring instrument, and to analyze the measuring object substances in high quantitatively determining accuracy by providing a laser beam wave length high speed converting mechanism in a pulse laser beam oscillator. SOLUTION: A resonator of a titanium sapphire laser of a laser beam wave length high speed converting mechanism used as a pulse laser beam oscillator, is composed of a rear mirror 5, a plane mirror 6, a titanium sapphire crystal 2, a telescope 12 and an acoustic optical element 3. A control signal is outputted from a personal computer 20, and when an ultrasonic wave of a frequency of 100 MHz to 70 MHz is applied to the acoustic optical element 3 by an ultrasonic driver 7, a laser beam having a wave length of 700 to 1000 nm can be outputted from an output coupler 6. When the laser beam is introduced to an ionization chamber, it is turned into a laser beam having a wave length for exciting/ionizing 1.4-dichlorobenzene, and can be changed in a period of maximum 1 KHz.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術】本発明は、レーザー光の照射によ
って測定対象物質である試料分子をイオン化し、そのイ
オンの質量スペクトルを測定することで試料の質量分析
を行うレーザーイオン化質量分析装置に関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laser ionization mass spectrometer for ionizing sample molecules as a substance to be measured by irradiating a laser beam and measuring the mass spectrum of the ions to perform mass analysis of the sample. is there.

【0002】[0002]

【従来の技術】石炭・重油をはじめとする燃焼排ガス、
都市ごみならびに産業廃棄物の焼却排ガス、金属製錬プ
ロセス排ガス、プラスチック熱分解生成ガスなどには、
微量ではあるが窒素酸化物、硫黄酸化物、芳香族化合
物、塩素系有機化合物、塩素化芳香族化合物、その他ハ
ロゲン系化合物などの化合物が含有されており、多くの
場合これらの複数が一緒、すなわち混合状態で存在す
る。これらの化合物の迅速な測定技術としては、測定対
象化合物について検出の選択性のあるレーザー多光子イ
オン化質量分析による方法が原理的に優れている。
2. Description of the Related Art Combustion exhaust gas including coal and heavy oil,
Municipal waste and industrial waste incineration exhaust gas, metal smelting process exhaust gas, plastic pyrolysis gas, etc.
Although it is a trace amount, it contains compounds such as nitrogen oxides, sulfur oxides, aromatic compounds, chlorinated organic compounds, chlorinated aromatic compounds, and other halogenated compounds, and in many cases, a plurality of these are together, Present in a mixed state. As a rapid measurement technique for these compounds, a method based on laser multiphoton ionization mass spectrometry, which has selectivity for detection of a compound to be measured, is excellent in principle.

【0003】混合ガス試料をレーザー多光子イオン化質
量分析で測定する例が、Analytical Che
mistry誌,第66巻,1062〜1069頁(1
994年)に紹介されている。すなわち、通常の試料導
入によるレーザー多光子イオン化質量分析技術では、分
子運動のため各々の化合物の紫外・可視領域の光の吸収
線が幅広であるので、単色光を照射しても複数の化合物
がイオン化する。したがって、特定の分子(化合物)のみ
の分離・検出が不可能となる場合が多い。つまり、定量
に共存する他の化合物の影響を受けて、精度が低下す
る。そこで、小さな孔径の試料導入バルブを通してガス
試料を真空のイオン化室に導入し、レーザーを照射して
イオン化し、質量分析計で測定する。これにより、ガス
試料が断熱膨張し、絶対零度近くまで冷却されるため、
各々の化合物の分子の振動・回転が抑制される。この状
態では、各々の化合物の紫外・可視光の吸収線が鋭くな
り、単色のレーザー光を利用して特定の分子種を選択的
にイオン化できる。すなわち、種々の化合物が共存、つ
まり混合物として存在していても、レーザーイオン化質
量分析装置により特定の物質のみ選択的に計測すること
ができる。この方法は、導入した分子の速度が音速の数
十倍程度であることから超音速分子ビーム分光分析、あ
るいは超音速分子ジェット分光分析と呼ばれるときもあ
る。また、この文献には標準的なレーザー光照射時間は
10nsと記載されている。
An example in which a mixed gas sample is measured by laser multiphoton ionization mass spectrometry is described in Analytical Che.
Mistry, Vol. 66, pp. 1062-1069 (1
994). That is, in the laser multiphoton ionization mass spectrometry technique using ordinary sample introduction, since the absorption line of light in the ultraviolet and visible regions of each compound is wide due to molecular motion, even if monochromatic light is irradiated, a plurality of compounds can be obtained. Ionize. Therefore, it is often impossible to separate and detect only a specific molecule (compound). That is, the accuracy is reduced due to the influence of other compounds coexisting in the quantification. Therefore, a gas sample is introduced into a vacuum ionization chamber through a sample introduction valve having a small hole diameter, irradiated with a laser, ionized, and measured by a mass spectrometer. This allows the gas sample to expand adiabatically and cool to near absolute zero,
Vibration and rotation of molecules of each compound are suppressed. In this state, the absorption line of ultraviolet / visible light of each compound becomes sharp, and a specific molecular species can be selectively ionized using monochromatic laser light. That is, even if various compounds coexist, that is, exist as a mixture, only a specific substance can be selectively measured by a laser ionization mass spectrometer. This method is sometimes called supersonic molecular beam spectroscopy or supersonic molecular jet spectroscopy because the velocity of the introduced molecules is about several tens of times the speed of sound. In this document, a standard laser beam irradiation time is described as 10 ns.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】このレーザー多光子イ
オン化質量分析技術により、応答時間の速い計測器を製
作しようとすると、装置の6〜8割程度をレーザー発振
器およびその電源が占める。つまり、排ガス中の化合物
を測定対象とする場合、例えば現在の技術レベルでは幅
が1000mm程度、奥行きが1000〜2000mm
程度、高さが1200〜1500mm程度となってしま
う。そこで、少なくとも2つの測定対象物質を略同時に
計測しようとすると、計測器のさらなる大型化に繋がる
という問題があった。すなわち、通常の紫外領域の可変
レーザー光の発振は、色素レーザーであれば、色素の交
換、あるいは色素セルの角度変化によって、発振波長を
変える。一方、光パラメトリック発振レーザーのとき
は、結晶の角度回転により、波長を変化させる。何れに
しても、数分〜数時間の時間を要することになり、2つ
の測定対象物質を略同時に計測しようとすると、2つの
紫外可変レーザーを備える必要があることになる。
In order to manufacture a measuring device having a fast response time by using this laser multiphoton ionization mass spectrometry technique, a laser oscillator and its power supply occupy about 60 to 80% of the apparatus. That is, when the compound in the exhaust gas is to be measured, for example, the width is about 1000 mm and the depth is 1000 to 2000 mm at the current technical level.
And the height is about 1200 to 1500 mm. Therefore, there is a problem that an attempt to measure at least two substances to be measured substantially simultaneously leads to a further increase in the size of the measuring instrument. That is, the oscillation of the variable laser light in the ordinary ultraviolet region is a dye laser, and the oscillation wavelength is changed by exchanging the dye or changing the angle of the dye cell. On the other hand, in the case of an optical parametric oscillation laser, the wavelength is changed by the angle rotation of the crystal. In any case, it takes several minutes to several hours. To measure two substances to be measured almost simultaneously, it is necessary to provide two ultraviolet tunable lasers.

【0005】これを回避するために、非共鳴波長のレー
ザー光でイオン化しようとすると、イオン化効率が上が
らないので大幅な感度低下を招き、また選択的なイオン
化ができないので存在する殆ど凡ての化合物がイオン化
してしまう。したがって、例えばRapid Comm
unications in Mass Spectr
ometry誌、第11巻、1099頁(1997年)
の図3に示されているように、燃焼排ガス、あるいは金
属製錬プロセス排ガスなど種々の化合物を含有するガス
を試料とすると、他の化合物に起因するピークが測定対
象物質のピークに重なってしまい、定量的な計測値が得
られない場合が多い。
[0005] In order to avoid this, ionization with a laser beam having a non-resonant wavelength results in a significant decrease in sensitivity because the ionization efficiency does not increase, and almost all compounds present because of the inability to selectively ionize. Is ionized. Therefore, for example, Rapid Comm
communications in Mass Spectr
Ometry, vol. 11, p. 1099 (1997)
As shown in FIG. 3, when a gas containing various compounds such as a combustion exhaust gas or a metal smelting process exhaust gas is used as a sample, a peak caused by another compound overlaps with a peak of a substance to be measured. In many cases, quantitative measurement values cannot be obtained.

【0006】また、各種燃焼排ガス、あるいは金属精錬
プロセス排ガスを長時間連続的に計測しようとすると、
排ガスに含有されている高沸点化合物などで分析装置が
汚染されて初期性能を維持できない。つまり、特にイオ
ン化室のレーザー光が透過する窓(内壁)に高沸点化合物
が付着すると、分子ジェットに対して照射されるレーザ
ー光の強度が変わり、一定量の分子が導入されても生成
するイオン量が異なるという問題もあった。すなわち定
量精度が劣る結果になるという問題があった。
[0006] Further, when trying to continuously measure various combustion exhaust gas or metal refining process exhaust gas for a long time,
The analyzer is contaminated with high boiling compounds contained in the exhaust gas and the initial performance cannot be maintained. In other words, if a high-boiling compound adheres to the window (inner wall) of the ionization chamber through which the laser beam passes, the intensity of the laser beam applied to the molecular jet changes, and even if a certain amount of molecules are introduced, the ions generated There was also the problem that the amount was different. That is, there has been a problem that the result is inferior in quantitative accuracy.

【0007】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされたもので、超音速分子ジェットによる試料導
入のレーザーイオン化質量分析技術において、コンパク
トな計測器でありながら少なくとも2つ以上の測定対象
物質を略同時に計測でき、さらに分析装置内部の汚染
(高沸点化合物付着)や励起用のレーザー発振器の経時
劣化にかかわりなく測定対象物質を高い定量精度で分析
できるレーザーイオン化質量分析装置を提供することを
目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve such a problem. In a laser ionization mass spectrometry technique for introducing a sample by a supersonic molecular jet, at least two or more measurement methods can be performed while using a compact measuring instrument. Provided is a laser ionization mass spectrometer capable of measuring a target substance at substantially the same time and analyzing the target substance with high quantitative accuracy regardless of contamination inside the analyzer (attachment of a high-boiling compound) or deterioration with time of an excitation laser oscillator. The purpose is to:

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記課題は、高速波長可
変レーザー発振器を備えるレーザー多光子イオン化質量
分析装置によって解決される。
The above object is achieved by a laser multiphoton ionization mass spectrometer equipped with a high-speed tunable laser oscillator.

【0009】すなわち、本発明は、分子ジェットを形成
するパルスバルブを備えた試料導入部と、パルスレーザ
ー光発振器と、該発振器から発せられたレーザー光が通
過しうる窓を有する真空イオン化室または相当する部位
と、該レーザー光によってイオン化された分子の質量を
分析する質量分析計を有するレーザーイオン化質量分析
装置において、パルスレーザー光発振器がレーザー光波
長高速変換機構を備えていることを特徴とするレーザー
イオン化質量分析装置に関するものである。
That is, the present invention provides a sample introduction unit having a pulse valve for forming a molecular jet, a pulsed laser light oscillator, and a vacuum ionization chamber or window having a window through which laser light emitted from the oscillator can pass. And a laser ionization mass spectrometer having a mass spectrometer for analyzing the mass of molecules ionized by the laser light, wherein the pulse laser light oscillator is provided with a laser light wavelength high-speed conversion mechanism. The present invention relates to an ionization mass spectrometer.

【0010】上記構成により、超音速分子ジェット試料
導入のレーザー多光子イオン化質量分析装置において、
システム全体をコントロールしているパーソナルコンピ
ューターで指令を出してイオン化用レーザー光の波長を
2つ以上の測定対象化合物を選択的に励起・イオン化で
きるような波長に高速変化させる。そこで、2台の紫外
レーザー発振器を必要とせずに、少なくとも2つ以上の
化合物を略同時にイオン化・検出できるようになる。し
たがって、少なくとも紫外可変レーザー発振器1台分が
不要となるため、レーザー多光子イオン化質量分析装置
の大部分を占めるレーザーシステムを簡略化できるの
で、装置のコンパクト化が達成される。
According to the above configuration, in a laser multiphoton ionization mass spectrometer for introducing a supersonic molecular jet sample,
An instruction is issued by a personal computer that controls the entire system to rapidly change the wavelength of the laser beam for ionization to a wavelength that can selectively excite and ionize two or more compounds to be measured. Therefore, at least two or more compounds can be ionized and detected substantially simultaneously without the need for two ultraviolet laser oscillators. Therefore, since at least one ultraviolet variable laser oscillator is not required, the laser system which occupies most of the laser multiphoton ionization mass spectrometer can be simplified, and the apparatus can be downsized.

【0011】また、排ガス等の試料に所定量(好ましく
は排ガス等の試料に一定割合)の内部標準物質を予め添
加してサンプリングを行い、測定対象物質と内部標準物
質の検出量データを比較・補正することにより精度の良
い定量結果が得られる。この技術により、サンプリング
する排ガスに圧力変動があり、分子ジェットの形状・密
度が変化してイオン化効率が変化してもそれを解決する
手段となりうる。
Further, a predetermined amount (preferably a fixed ratio of the sample such as exhaust gas) of an internal standard substance is added to a sample such as an exhaust gas in advance, and sampling is performed. By performing the correction, an accurate quantitative result can be obtained. According to this technique, even if the exhaust gas to be sampled has a pressure fluctuation and the ionization efficiency changes due to a change in the shape / density of the molecular jet, it can be a means for solving it.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】本発明のレーザー光波長高速変換
機構はレーザー媒質をはさんで両側にミラーを配置した
光共振器が用いられる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The laser light wavelength high-speed conversion mechanism of the present invention uses an optical resonator having mirrors disposed on both sides of a laser medium.

【0013】レーザー媒質にはチタンサファイア結晶、
BBO結晶、色素等を使用することができる。
The laser medium is titanium sapphire crystal,
BBO crystals, dyes and the like can be used.

【0014】ミラーはレーザー光を反射してレーザー媒
質を繰返し通過させるものであり、一方のミラー(リア
ミラー)はレーザー光を常に反射するもの、例えば波長
域680〜1000nmの範囲で反射率99.9%以上
のものが適当である。
The mirror reflects the laser light and repeatedly passes the laser medium. One mirror (rear mirror) constantly reflects the laser light, for example, a reflectance of 99.9 in a wavelength range of 680 to 1000 nm. % Or more is appropriate.

【0015】他方のミラー(アウトプットカプラー)に
は、上述の波長域において反射率が70〜90%程度の
平面ミラーを使用できる。
As the other mirror (output coupler), a flat mirror having a reflectance of about 70 to 90% in the above-mentioned wavelength range can be used.

【0016】この二枚のミラーによって往復するレーザ
ー光の通路には音響光学素子を設ける。
An acousto-optic element is provided in the path of the laser light reciprocated by the two mirrors.

【0017】音響光学素子とは、加えられる超音波の周
波数に応じて一定の方向に、特定の波長の光を回折させ
る性質を有するもので、複屈折性の光学結晶であるTe
2結晶、CaMoO4結晶などを利用して作製できる。
An acousto-optic element has the property of diffracting light of a specific wavelength in a certain direction in accordance with the frequency of an applied ultrasonic wave, and is a birefringent optical crystal of Te.
It can be manufactured using O 2 crystal, CaMoO 4 crystal, or the like.

【0018】この音響光学素子の結晶では、レーザー光
は結晶内を進む超音波との相互作用により、一部進行方
向からずれて、ある方向へ回折される。そこで、発振し
たい波長に合うように光共振器を構成する、すなわち共
振するように発振したい波長のレーザー光を回折させる
ことによって特定の波長のレーザー光を発振できる。つ
まり、加える超音波の周波数に応じて、ポンピングレー
ザーの波長を変換できることになり、超音波の周波数は
高速に変えられるので、高速の波長変換が可能となる。
また、2種類の周波数の超音波を加えることによって、
2つの波長のレーザー光を作り出すことが可能な場合も
ある。
In the crystal of this acousto-optic element, the laser light is partially deviated from the traveling direction and diffracted in a certain direction due to the interaction with the ultrasonic wave traveling in the crystal. Therefore, a laser beam having a specific wavelength can be oscillated by configuring the optical resonator so as to match the wavelength to oscillate, that is, diffracting the laser beam having the wavelength to oscillate so as to resonate. That is, the wavelength of the pumping laser can be converted in accordance with the frequency of the ultrasonic wave to be added, and the frequency of the ultrasonic wave can be changed at a high speed.
Also, by applying ultrasonic waves of two different frequencies,
In some cases, it is possible to create laser light of two wavelengths.

【0019】本発明の質量分析装置における試料導入部
は超音速分子ジェットを作り出せるようなノズル(オリ
フィスを含む。)を備えているものであれば連続的な導
入、パルス的な導入の何れでも構わないが、ポンプなど
排気系に掛る負担を勘定するとパルス的な導入の方が好
ましい。
The sample introduction part in the mass spectrometer of the present invention may be either continuous introduction or pulse introduction as long as it has a nozzle (including an orifice) capable of producing a supersonic molecular jet. However, in consideration of the burden on the exhaust system such as a pump, pulse-like introduction is preferred.

【0020】パルスバルブはエンジンの燃料噴射などで
使用されており、日本化学会編,第4版,実験化学講
座,第8巻,127〜129頁(1993年)に記載さ
れているように、通常、ばねでシール面に押さえ付けら
れているプランジャーが、後方のソレノイド(電磁コイ
ル)への瞬間的な通電によって電磁気的に後方に引き付
けられてその間だけ開口するものがよく用いられる。そ
の他、Gentry−Gieseタイプのパルスバル
ブ、ピエゾ素子を用いたパルスバルブなども用いること
ができる。
The pulse valve is used for fuel injection of an engine or the like. As described in the Chemical Society of Japan, 4th edition, Experimental Chemistry Course, Vol. 8, pages 127 to 129 (1993), Usually, a plunger pressed against a seal surface by a spring is electromagnetically attracted rearward by instantaneous energization of a rear solenoid (electromagnetic coil) and is opened only during that time. In addition, a Gentry-Giese type pulse valve, a pulse valve using a piezo element, or the like can be used.

【0021】パルスレーザー光発振器は、高出力のパル
スレーザー光を発振できればとくに限定されるものでは
ないが、例えばナノ秒オーダーのパルスレーザー光を発
振するものであれば、次のようなものを用いることがで
きる。つまり、チタンサファイアレーザー、または色素
レーザーが最も一般的に使用される。例えば、チタンサ
ファイアレーザーの場合、エキシマーレーザー、あるい
はヤグレーザーの第二高調波をポンピング光源として用
いる。
The pulsed laser light oscillator is not particularly limited as long as it can oscillate a high-output pulsed laser light. For example, the following can be used as long as it oscillates a pulsed laser light on the order of nanoseconds. be able to. That is, a titanium sapphire laser or a dye laser is most commonly used. For example, in the case of a titanium sapphire laser, an excimer laser or a second harmonic of a yag laser is used as a pumping light source.

【0022】このレーザー光をそのままチタンサファイ
アレーザーに導き、紫外領域の可変レーザー光を発振す
ることができる。そこで、チタンサファイアレーザーの
共振器内に、上述のように音響光学素子を設置し、メカ
ニカルフリーな完全電子制御による波長選択ができるよ
うにする。完全電子制御方式の採用により、レーザーシ
ステム制御用パーソナルコンピューターからの信号によ
って直接レーザー発振波長と、その出力をパルスごとに
制御することが可能となるので、高速な波長変化が達成
される。
This laser beam is guided to a titanium sapphire laser as it is, and a variable laser beam in the ultraviolet region can be oscillated. Therefore, the acousto-optic device is installed in the resonator of the titanium sapphire laser as described above so that the wavelength can be selected by mechanically free complete electronic control. The adoption of the completely electronic control method makes it possible to directly control the laser oscillation wavelength and its output for each pulse by a signal from the laser system control personal computer, thereby achieving a high-speed wavelength change.

【0023】レーザー光の集光については、何ら限定さ
れるものではなく、通常のビーム断面が円形、あるいは
特殊レンズ(シリンドリカルレンズ)を用いてできる分
子ジェットの断面に近い楕円状など種々の形状のものを
用いることができる。照射時間については、通常、数ナ
ノ秒から数十ピコ秒であるが、レーザーエネルギーが同
程度であればそれより短くしてもよい。すなわち、フェ
ムト秒領域のものでも構わない。
The focusing of the laser beam is not limited at all, and it has various shapes, such as a normal beam cross section or an elliptical shape close to the cross section of a molecular jet formed using a special lens (cylindrical lens). Can be used. The irradiation time is usually several nanoseconds to several tens of picoseconds, but may be shorter if the laser energy is almost the same. That is, it may be in a femtosecond region.

【0024】イオン化室は高真空を形成しうる構造をし
ていて、レーザー光を透過する材質で作られている窓を
設けてあればよい。真空イオン化室と質量分析計の真空
室が連設されて仕切がない場合もある。その場合、イオ
ン化が行なわれる部位が真空イオン化室に担当する部位
になる。
The ionization chamber has a structure capable of forming a high vacuum, and may be provided with a window made of a material that transmits laser light. In some cases, the vacuum ionization chamber is connected to the vacuum chamber of the mass spectrometer so that there is no partition. In that case, the site where the ionization is performed is the site in charge of the vacuum ionization chamber.

【0025】また、質量分析計としては、飛行時間型、
四重極型、二重収束型など何れの形式のものも用いるこ
とができる。
As the mass spectrometer, a time-of-flight type,
Any type such as a quadrupole type and a double focusing type can be used.

【0026】イオン化室およびこれに隣接する質量分析
計には油回転ポンプ、メカニカルブースターポンプ、油
拡散ポンプ、ターボ分子ポンプなどを接続して10-6
10 -8torr程度に保持できるようにする。
Ionization chamber and adjacent mass spectrometer
Oil rotary pump, mechanical booster pump, oil
Connect a diffusion pump, turbo molecular pump, etc.-6~
10 -8It can be maintained at about torr.

【0027】試料の導入については、通常イオン化室
(または相当する部位)が10-6torr以下に保持さ
れているので、ガス状になってさえいれば常圧付近の圧
力で十分でこれが駆動力になり導入されるため、とくに
加圧等の圧力調整はしなくてもよい。
As for the introduction of the sample, since the ionization chamber (or the corresponding part) is normally kept at 10 -6 torr or less, a pressure near normal pressure is sufficient as long as it is in a gaseous state, and the driving force is sufficient. Therefore, pressure adjustment such as pressurization does not need to be performed.

【0028】分子イオンの質量数決定と検出については
質量分析計を通常の作動状態で運転すればよく、記録に
ついては一般的なデジタルオシロスコープ、レコーダー
で行うことができる。
The determination and detection of the mass number of the molecular ion can be performed by operating the mass spectrometer in a normal operation state, and the recording can be performed by a general digital oscilloscope or recorder.

【0029】本発明で使用される内部標準物質は、測定
対象物質と別異のものであって、イオン化波長が測定対
象物質と少なくとも0.1nm程度、好ましくは1nm
以上異なるものが適当である。好ましい内部標準物質の
例としてハロゲン化芳香族化合物、重水素化芳香族化合
物、質量数13の炭素で置き換えた芳香族化合物等を挙
げることができ、測定対象物質(試料)には存在しないこ
とが重要である。ハロゲン化芳香族化合物の場合には塩
素化合物、特にクロロベンゼンは試料中に存在し、測定
対象物質となることが多いのでそれを除いたものがよ
く、例えば266nmの波長のレーザー光でイオン化で
きるブロモベンゼン、ヨードベンゼン等が好ましい。ま
た、重水素化ベンゼンおよび誘導体、質量数13の炭素
から構成されるクロロベンゼン等も利用することができ
る。
The internal standard substance used in the present invention is different from the substance to be measured and has an ionization wavelength at least about 0.1 nm, preferably 1 nm, from the substance to be measured.
Those different from the above are appropriate. Preferred examples of the internal standard substance include a halogenated aromatic compound, a deuterated aromatic compound, an aromatic compound substituted with carbon having a mass number of 13, and the like, which may not be present in the measurement target substance (sample). is important. In the case of halogenated aromatic compounds, chlorine compounds, especially chlorobenzene, are present in the sample and often become a substance to be measured, so it is preferable to exclude them. For example, bromobenzene which can be ionized by laser light having a wavelength of 266 nm is used. And iodobenzene are preferred. In addition, deuterated benzene and derivatives, chlorobenzene composed of carbon having a mass number of 13, and the like can also be used.

【0030】内部標準物質の添加機構は、例えば、排ガ
スが流れている煙道、あるいは塔、槽類などから排ガス
を吸引することのできるポンプと、その配管に溶剤など
で希釈した内部標準物質を定量的に送り込むことのでき
るポンプとから構成されている装置が利用できる。必要
に応じて、加熱・保温機能を有していてもよい。また、
内部標準物質が常温付近の温度でガス状になるものであ
ればガス状で送り込んでもよいし、他の不活性なガスに
よって希釈して排ガスサンプリング配管に導入しても構
わない。要は、排ガスに対して所定量を添加できればよ
い。内部標準物質の添加量は、排ガス中の濃度が1pp
b〜100ppb程度、好ましくは1ppb〜10pp
b程度になるように注入するのが適当である。
The addition mechanism of the internal standard substance is, for example, a pump capable of sucking the exhaust gas from a flue in which the exhaust gas flows, a tower, a tank, or the like, and an internal standard substance diluted with a solvent or the like in its piping. A device consisting of a pump capable of quantitatively feeding can be used. If necessary, it may have a heating / heating function. Also,
As long as the internal standard substance becomes gaseous at a temperature near normal temperature, it may be sent in gaseous form, or may be diluted with another inert gas and introduced into the exhaust gas sampling pipe. The point is that a predetermined amount can be added to the exhaust gas. The concentration of the internal standard substance is 1pp
b to about 100 ppb, preferably 1 ppb to 10 pp
It is appropriate to inject so as to be about b.

【0031】[0031]

【実施例】[実施例1]以下、本発明の一実施例を図面
に基づいて説明する。
Embodiment 1 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0032】図1は、一例としてのチタンサファイアレ
ーザーと光学系、とくにレーザー光の波長高速変換機構
の図面である。紫外・可視領域のレーザーを発生するた
めのレーザーは、パルスヤグレーザー(例えば、ニュー
ウェーブリサーチ社のNd:YAGレーザーシステム
Model Mini Lase−III 10GS)で発振
し、第二高調波を利用する。チタンサファイア結晶2上
に、凸レンズ11により集光する。チタンサファイアレ
ーザーの共振器は、リアミラー5、平面ミラー(アウト
プットカプラー)6、チタンサファイア結晶2、テレス
コープ12、および音響光学素子3(Brimrose
社製)により構成する。パーソナルコンピューター20
から制御信号を出して、超音波ドライバー7によって1
00MHz〜70MHzの周波数の超音波を音響光学素
子3に掛けると、700〜1000nmの波長を有する
レーザー光をアウトプットカプラー6から出力すること
ができる。これを第三高調波変換器(図示していない)に
導き、例えば排ガス中のモノクロロベンゼンを励起・イ
オン化する波長が269.8nmのレーザー光にし、レ
ーザーイオン化質量分析装置のイオン化室に導く。ま
た、次の瞬間に、1,4−ジクロロベンゼンを励起・イ
オン化する波長のレーザー光(274.1nm)とする
ことができる。最大1kHzの周期で変化することがで
きる。
FIG. 1 is a drawing of a titanium sapphire laser as an example and an optical system, in particular, a mechanism for converting a laser beam to high-speed wavelength light. A laser for generating a laser in an ultraviolet / visible region is a pulse yag laser (for example, Nd: YAG laser system of New Wave Research Inc.).
It oscillates with a Model Mini Laser-III 10GS) and utilizes the second harmonic. Light is collected on the titanium sapphire crystal 2 by the convex lens 11. The resonator of the titanium sapphire laser includes a rear mirror 5, a plane mirror (output coupler) 6, a titanium sapphire crystal 2, a telescope 12, and an acousto-optic device 3 (Brimrose).
(Made by the company). Personal computer 20
Output a control signal from the
When an ultrasonic wave having a frequency of 00 MHz to 70 MHz is applied to the acousto-optic element 3, a laser beam having a wavelength of 700 to 1000 nm can be output from the output coupler 6. This is guided to a third harmonic converter (not shown), for example, a laser beam having a wavelength of 269.8 nm for exciting and ionizing monochlorobenzene in exhaust gas is guided to an ionization chamber of a laser ionization mass spectrometer. At the next moment, the laser light (274.1 nm) having a wavelength for exciting and ionizing 1,4-dichlorobenzene can be obtained. It can change at a cycle of up to 1 kHz.

【0033】イオン化室および質量分析計は以下のもの
から構成されている。レーザー光を透過する窓を有して
いるイオン化室と200l/s程度の排気速度のターボ
分子ポンプ、および質量分析計は長さ1200mmの飛
行管のリフレクトロンタイプの飛行時間型のもので、検
出器にマイクロチャンネルプレートを用いている。質量
分析計は同様のターボ分子ポンプを備えている。また、
イオン化室には、排ガス試料導入用のパルスバルブが取
り付けられているため、これをヤグレーザーと同期させ
て作動させると、排ガスがイオン化室に入り、含まれて
いるモノクロロベンゼンに269.8nmのレーザー光
が照射される。すると、モノクロロベンゼンイオンが生
成して、後段の質量分析計で計測される。
The ionization chamber and the mass spectrometer are constituted as follows. An ionization chamber having a window through which laser light is transmitted, a turbo-molecular pump with a pumping speed of about 200 l / s, and a mass spectrometer are a 1200 mm long flight tube reflectron type time-of-flight type, and are detected. A microchannel plate is used for the vessel. The mass spectrometer is equipped with a similar turbo-molecular pump. Also,
Since a pulse valve for introducing an exhaust gas sample is installed in the ionization chamber, when this pulse valve is operated in synchronization with the yag laser, the exhaust gas enters the ionization chamber, and the monochlorobenzene contained therein has a 269.8 nm laser. Light is irradiated. Then, monochlorobenzene ions are generated and measured by a mass spectrometer at a later stage.

【0034】また、次の瞬間にレーザー光の波長を27
4.1nmに切り替えると、1,4−ジクロロベンゼン
がイオン化されて、計測される。
At the next moment, the wavelength of the laser light is changed to 27.
When switching to 4.1 nm, 1,4-dichlorobenzene is ionized and measured.

【0035】[実施例2]図2は本発明の内部標準物質
添加機構31と図1に示したレーザー光の波長高速変換
機構を備えているレーザー多光子イオン化質量分析装置
32の構成図である。
[Embodiment 2] FIG. 2 is a block diagram of a laser multiphoton ionization mass spectrometer 32 provided with the internal standard substance addition mechanism 31 of the present invention and the laser light wavelength high-speed conversion mechanism shown in FIG. .

【0036】内部標準物質添加機構31は、例えば都市
ごみ焼却炉のバグフィルタ下流などの煙道33から、加
熱・保温した5〜10mm径のステンレス配管(サンプ
リング配管)を用いてポンプにより排ガスを吸引する。
配管の途中に排ガス中の濃度が1ppb〜100ppb
程度の範囲で一定になるように、定量ポンプ等を使用し
てブロモベンゼンを注入する。ブロモベンゼンを注入し
た位置に対して下流のサンプリング配管にレーザー多光
子イオン化質量分析装置32を接続する。
The internal standard substance addition mechanism 31 sucks exhaust gas from a flue 33, for example, downstream of a bag filter of a municipal solid waste incinerator by a pump using a heated and heated stainless steel pipe (sampling pipe) having a diameter of 5 to 10 mm. I do.
Concentration in exhaust gas is 1ppb-100ppb in the middle of piping
Bromobenzene is injected using a metering pump or the like so as to be constant within the range. A laser multiphoton ionization mass spectrometer 32 is connected to a sampling pipe downstream of the position where bromobenzene was injected.

【0037】測定対象物質を励起・イオン化する波長の
レーザー光の照射で生成する測定対象物質、および非共
鳴波長ではあるが266nmのレーザー光照射で生成す
るブロモベンゼンのイオンは飛行時間型質量分析計のマ
イクロチャンネルプレートで検出し、デジタルオシロス
コープでスペクトルを得ることができる。測定対象物質
は例えばクロロベンゼン類、クロロフェノール類、コプ
ラナーPCB、内分泌攪乱物質(環境ホルモン)の塩素
化芳香族化合物等であり、排ガス中の濃度はおよそ0.
1ppb〜100ppb程度である。
The substance to be measured, which is generated by irradiation with a laser beam having a wavelength that excites and ionizes the substance to be measured, and the ion of bromobenzene, which is a non-resonant wavelength but is generated by irradiation with a laser beam having a wavelength of 266 nm, is a time-of-flight mass spectrometer. And a spectrum can be obtained with a digital oscilloscope. The substances to be measured are, for example, chlorobenzenes, chlorophenols, coplanar PCBs, chlorinated aromatic compounds of endocrine disrupting substances (environmental hormones), and the like.
It is about 1 ppb to 100 ppb.

【0038】したがって、予め測定対象物質とブロモベ
ンゼンの感度比を求めておくと、コンピュータなどによ
り自動的に正確な分析値に変換できる。
Therefore, if the sensitivity ratio between the substance to be measured and bromobenzene is determined in advance, accurate analysis values can be automatically converted by a computer or the like.

【0039】具体的には、測定対象物質の試薬(高純度
品)とブロモベンゼンの試薬(高純度品)を用いて測定
を行い、それぞれの強度から濃度換算係数C=I(ブロ
モベンゼン)/I(測定対象物質)を求めておく。この
測定には必要により窒素等をキャリヤーガスとして用い
て温度も実際の排ガスの平均温度に合わせておくことが
好ましい。また、測定は1点でもよいが、濃度を変えて
2〜3点程度測定し、平均値を求めておくことが好まし
い。そこで、次式により、分析値が計算できる。なお、
ブロモベンゼンの添加濃度は濃度換算係数を求めるとき
と実際の排ガスを測定するときと同じとし、また、濃度
換算係数を求めるときの測定対象物質の濃度は実際の排
ガスの平均的な濃度あるいはそれに近いものとする。
Specifically, the measurement was performed using the reagent of the substance to be measured (high-purity product) and the reagent of bromobenzene (high-purity product), and the concentration conversion coefficient C = I (bromobenzene) / I (substance to be measured) is determined in advance. For this measurement, it is preferable to use nitrogen or the like as a carrier gas if necessary and to adjust the temperature to the actual average temperature of the exhaust gas. The measurement may be performed at one point, but it is preferable to measure about two or three points while changing the concentration and obtain an average value. Therefore, the analysis value can be calculated by the following equation. In addition,
The concentration of bromobenzene added is the same as when calculating the concentration conversion coefficient and when measuring the actual exhaust gas, and the concentration of the substance to be measured when calculating the concentration conversion coefficient is the average concentration of the actual exhaust gas or close to it. Shall be.

【0040】分析値=(ブロモベンゼン導入濃度)×
(I(測定対象物質実測値)/I(ブロモベンゼン実測
値))×C
Analysis value = (Bromobenzene introduction concentration) ×
(I (actually measured value of target substance) / I (actually measured value of bromobenzene)) × C

【0041】[0041]

【発明の効果】以上のように、本発明によると、コンパ
クトな計測器でイオン化用レーザー光の波長変化を迅
速、かつ容易に行え、少なくとも2つ以上の測定対象物
質について略同時に良好な計測結果を得ることができる
という効果がある。
As described above, according to the present invention, the wavelength of the laser beam for ionization can be changed quickly and easily with a compact measuring instrument, and at least two or more substances to be measured can be measured almost simultaneously. Is obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明の一実施例であるレーザー光の高速波
長変換機構を示す図。
FIG. 1 is a view showing a laser light high-speed wavelength conversion mechanism according to an embodiment of the present invention.

【図2】 このレーザー光の高速波長変換機構を備えた
レーザーイオン化質量分析装置と内部標準物質添加機構
を煙道に装着した状態を示す系統図。
FIG. 2 is a system diagram showing a state in which a laser ionization mass spectrometer equipped with this laser light high-speed wavelength conversion mechanism and an internal standard substance addition mechanism are mounted on a flue.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1:ヤグレーザー(第二高調波) 2:チタンサファイア結晶 3:音響光学素子 5:リアミラー 6:平面ミラー 7:超音波ドライバー 11:レンズ 12:テレスコープ 13:反射ミラー 20:パーソナルコンピューター 31:内部標準物質添加機構 32:レーザー多光子イオン化質量分析装置 33:煙道 1: Yag laser (second harmonic) 2: Titanium sapphire crystal 3: Acousto-optic element 5: Rear mirror 6: Planar mirror 7: Ultrasonic driver 11: Lens 12: Telescope 13: Reflection mirror 20: Personal computer 31: Internal Standard substance addition mechanism 32: Laser multiphoton ionization mass spectrometer 33: Flue

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 分子ジェットを形成するパルスバルブを
備えた試料導入部と、パルスレーザー光発振器と、該発
振器から発せられたレーザー光が通過しうる窓を有する
真空イオン化室または相当する部位と、該レーザー光に
よってイオン化された分子の質量を分析する質量分析計
を有するレーザーイオン化質量分析装置において、パル
スレーザー光発振器がレーザー光波長高速変換機構を備
えていることを特徴とするレーザーイオン化質量分析装
1. A sample introduction unit having a pulse valve for forming a molecular jet, a pulsed laser light oscillator, and a vacuum ionization chamber or a corresponding part having a window through which laser light emitted from the oscillator can pass. A laser ionization mass spectrometer having a mass spectrometer for analyzing the mass of a molecule ionized by the laser light, wherein the pulse laser light oscillator is provided with a laser light wavelength high-speed conversion mechanism.
【請求項2】 レーザー光波長高速変換機構がレーザー
媒質をはさんで両側にミラーを配置した光共振器よりな
り、そのレーザー光の往復通路に音響光学素子を設け、
該音響光学素子を超音波の波長を変えて制御するように
したことを特徴とする請求項1記載のレーザーイオン化
質量分析装置
2. The laser light wavelength high-speed conversion mechanism comprises an optical resonator having mirrors disposed on both sides of a laser medium, and an acousto-optical element is provided in a reciprocating path of the laser light.
2. The laser ionization mass spectrometer according to claim 1, wherein the acousto-optic device is controlled by changing the wavelength of the ultrasonic wave.
【請求項3】 2以上の物質を略同時に計測できるレー
ザーイオン化質量分析装置を用いて、測定対象物質と内
部標準物質を計測して該測定対象物質と内部標準物質の
イオン強度比を求めておき、測定試料にもこの内部標準
物質の既知量を添加して測定試料に含まれる測定対象物
質と内部標準物質のイオン強度を測定し、測定対象物質
のイオン強度から求められる濃度を前記のイオン強度比
で補正することを特徴とする測定対象物質の濃度の計測
方法
3. Using a laser ionization mass spectrometer capable of measuring two or more substances at substantially the same time, measuring a target substance and an internal standard substance and obtaining an ionic strength ratio between the target substance and the internal standard substance. Also, a known amount of this internal standard substance is added to the measurement sample, the ionic strength of the measurement target substance and the internal standard substance contained in the measurement sample is measured, and the concentration obtained from the ionic strength of the measurement target substance is calculated as the ionic strength. Method for measuring the concentration of a substance to be measured, which is corrected by a ratio
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