JP2000283962A - レーザーイオン化質量分析装置 - Google Patents

レーザーイオン化質量分析装置

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JP2000283962A
JP2000283962A JP11086329A JP8632999A JP2000283962A JP 2000283962 A JP2000283962 A JP 2000283962A JP 11086329 A JP11086329 A JP 11086329A JP 8632999 A JP8632999 A JP 8632999A JP 2000283962 A JP2000283962 A JP 2000283962A
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laser
ionization
molecular beam
mass spectrometer
laser beam
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JP11086329A
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Masahide Tsujishita
正秀 辻下
Masakazu Yokoo
雅一 横尾
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Osaka Gas Co Ltd
Original Assignee
Osaka Gas Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来構造を踏襲しながら比較的高い分析感度
を得ることができるレーザーイオン化質量分析装置を得
る。 【解決手段】レーザー光4を測定対象分子の分子ビーム
3に照射して、前記測定対象分子をイオン化してそのイ
オン電流を検知して質量分析を行うレーザーイオン化質
量分析装置において、前記イオン化のためのレーザー光
4として、前記分子ビーム3の流れ方向に長軸を有する
偏平なレーザー光を前記分子ビームに照射して、イオン
化を行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザー光を測定
対象分子の分子ビームに照射して、測定対象分子をイオ
ン化してそのイオン電流を検知して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。
【0002】
【従来の技術】レーザーイオン化質量分析装置は、レー
ザー光を、測定対象分子の分子ビームに照射してイオン
化し、そのイオン電流を検知して質量分析を行う。従来
型のレーザーイオン化質量分析装置にあっては、レーザ
ー光を分子ビームに照射するにあたり、球面レンズを使
用して分子ビームに点状(光線束を横断する断面にあっ
ては断面円形)に集光して照射していた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】今日、質量分析の対象
は大幅に広がっており検出が比較的困難なものもその対
象とされる場合がある。このような状況にあって、従来
型のレーザーイオン化質量分析装置にあっては、イオン
化する分子数が限られ、十分な感度が得にくいという問
題があった。即ち、分析感度が比較的低かった。上記欠
点に鑑み本発明の目的は、従来構造を踏襲しながら比較
的高い分析感度を得ることができるレーザーイオン化質
量分析装置を得ることにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
の本発明に係る、レーザー光を測定対象分子の分子ビー
ムに照射して、前記測定対象分子をイオン化してそのイ
オン電流を検知して質量分析を行うレーザーイオン化質
量分析装置の特徴構成は、請求項1に記載されているよ
うに、前記イオン化のためのレーザー光として、前記分
子ビームの流れ方向に長軸を有する偏平なレーザー光を
前記分子ビームに照射して、イオン化を行うことにあ
る。このように、分子ビームの流れ方向に長軸を有する
偏平なレーザー光を、分子ビームに照射する場合は、個
々の分子についてみるとレーザーの照射を受ける確率が
高くでき、結果的に、イオン化される分子量を格段に増
加させることができる。一方、従来構造のように、分子
ビーム内に断面円形のレーザー光を照射すると、イオン
化される分子量に限界があるとともに、その断面積に従
って、イオン化される分子量が飽和する傾向がみられ、
好ましくない。
【0005】このように、分子ビームの流れ方向に長軸
を有する偏平なレーザー光を分子ビームに照射する構成
としては、請求項2に記載されているように、レーザー
光発生装置と前記分子ビームとの間に円筒面レンズを備
え、前記円筒面レンズにより、前記レーザー光発生装置
から発生されるレーザー光を、前記分子ビームの流れ方
向に長軸を有する偏平なレーザー光とすればよい。この
場合、円筒面レンズの筒軸方向は、分子ビームの軸(流
れ方向)に一致される。このような構成を採用すること
により、分子ビームに、楕円状あるいはシート状のレー
ザー光を照射できる。
【0006】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図1に本願のレーザーイオン化質
量分析装置1の概略構造を示した。装置は、分子ビーム
発生装置2と、前記分子ビーム発生装置2により生成さ
れる分子ビーム3の所定部位にイオン化用レーザー光4
を照射するレーザー光発生装置5と、レーザー照射によ
り発生されるイオン6を加速するためのイオン加速装置
7と、前記イオン加速装置7により加速されたイオンの
イオン電流量を測定するためのイオン電流測定装置8を
備えて構成されている。本願の場合は、レーザー光発生
装置5として、後の特徴構成に記載されているように、
波長可変レーザー5aと、波長固定レーザー5bとを同
軸に備えている。この波長固定レーザー5bは、波長可
変レーザー5aの励起用として使用されるとともに、ビ
ームスプリッター5c、一対のミラー5d、ビーム合成
装置5eを経て、この波長固定レーザー5bのレーザー
光4も所定部位に照射されるようになっている。
【0007】以上、説明の構成は、レーザー光発生装置
5を除いて従来型のレーザーイオン化質量分析装置1の
構成とその概略構成において同様であるが、本願装置に
あっては、分子ビームに照射されるレーザー光4の断面
形状及び、このレーザー光4の種類(イオン化手法)に
特徴がある。以下、両者の特徴構成を順に説明する。
【0008】1 レーザー光の断面形状 図1に示すように、本願装置にあっては、レーザー光発
生装置5と前記分子ビーム3との間に円筒面レンズ9を
備え、この円筒面レンズ9により、レーザー光発生装置
5から発生されるレーザー光4を、分子ビーム3の流れ
方向に長軸を有する偏平なレーザー光とする構造が採用
されている。即ち、円筒面レンズ9の筒軸方向z1を、
分子ビームの軸z2(流れ方向)に一致されることでイ
オン化のためのレーザー光として、前記分子ビームの流
れ方向に長軸を有する偏平なレーザー光を分子ビームに
照射して、イオン化を行うことができるようになってい
る。結果、同一のレーザー光発生装置5を利用した場合
に比較して、多量のイオン化を行うことができ、結果的
に装置の関度を高くできる。このような感度上昇の程度
に関して、図2を参照しながら説明する。図2は、測定
対象分子がモノクロロベンゼンである場合に、同一のレ
ーザー光発生装置を利用して、レーザー光を本願のよう
に分子ビームの流れ方向に偏平なビームを照射した場合
と、ビーム光を断面形状、円のビームとした場合の結果
を比較したものである。実験条件を以下に箇条書記す
る。 イ 測定対象 アルゴン(95%)/クロロベンゼ
ン(5%) ロ レーザー光 波長 269.9nm 出力 0.3mJ 繰り返し周期 10Hz レーザービーム径 1mmφ イオン化方法 単色2段階励起(4.6+4.6eVで
イオン化) この場合は、波長固定レーザー5bYAG(3倍波)レ
ーザー(355nm)で励起した波長可変レーザー(色
素レーザー)5aを使用する。 ハ 低圧チャンバー内圧力 1.0×10-6 torr ニ イオン加速電圧 500V 各ビームの形状は分子ビームを横断する位置で以下のよ
うな断面形状であった。 イ 本願装置 長軸側径 2〜3mm 短軸径
0.1mm ロ 従来構造 円直径 0.1mm
【0009】図2は、横軸にレーザー光強度を、縦軸に
イオン電流測定装置により検出されるイオン化信号を示
した。この結果からも判明するように、レーザー光発生
装置5bにより照射されるレーザー光強度の増加に伴っ
て検出できる信号量は増加するが、球面レンズによりレ
ーザー光を断面円とする場合は、この信号量に飽和が見
られる。一方、円筒面レンズ9によれば、レーザー光強
度は、図2に示す測定範囲内において飽和状態となるこ
とはなく、単純な増加傾向を示しており、本願のよう
に、分子ビームの流れ方向に長いレーザー光を使用する
ことの優位性は明らかである。このようになる理由を、
以下のように発明者らは考えている。イオン化率は照射
された分子数とレーザー光強度の2乗の積で決定する。
従って、集光したレーザー光がすべて分子ビームに照射
された場合は、イオン化する分子数はレーザー光の形状
に関係なく決まる。しかしながら、レーザー光強度が強
い場合にはイオン化に飽和が生じる。このため点状(断
面円形)に集光した場合はレーザー光強度がある値以上
のときはレーザー光強度を増加しても感度は向上しな
い。一方、本願装置では試料はイオン化部にビーム状に
導入される。レーザー光をシート状に集光して照射した
場合、試料のイオン化率の飽和が生じにくい。結果とし
て分析感度が向上する。
【0010】2 イオン化手法 上記の実験例にあっては、モノクロロベンゼンを対象と
して、レーザー波長として269.9nmを採用し、所
謂、単色2段階励起(4.6+4.6eVでイオン化)
手法で、測定をおこなうものとしているが、感度向上の
意味から、本願にあっては、そのレーザー光の照射系に
も特徴を有する。即ち、レーザー光発生装置として、波
長可変レーザー5aと、波長固定レーザー5bが共に用
意されており、これらをともに分子ビームに照射できる
構造が採用されている。
【0011】以下、先ず、このような2重構造を採用す
る理由から説明する。 〔これまでの技術〕レーザーイオン化TOF−MS法な
どのレーザー光を用いて分子をイオン化し、質量分析を
行って分子濃度を測定する手法において、分子のイオン
化には、これまで以下の2つの手法が主であった。 イ 波長選択性に乏しいものの高出力のレーザー光源
(波長固定レーザー)を用いたもの。 ロ 低出力ながら波長選択が可能なレーザー光源(波長
可変レーザー)を用いたもの。 〔問題点〕分子をイオン化する場合にはその吸収線に同
調した、高強度のレーザー光を用いるのが理想的であ
る。しかしながら、上記のこれまでの技術にあっては、
共に以下のような問題があった。 イ 前者では、光出力が大きくとれるものの、波長選択
性が無いため分子の吸収線を選択的に利用することがで
きない。 ロ 後者では、波長選択性を利用して効果的に分子をイ
オン化できるものの、実用的な波長選択性のある高出力
のレーザーが存在しないため、イオン化される分子の数
は少ない。結果、質量分析器の感度はイオン化効率で決
まるため、感度が低い。 〔解決手段〕そこで、波長選択性のある低出力レーザー
(波長可変レーザー)と、波長選択性のない高出力レー
ザー(波長固定レーザー)を同時にイオン化のために照
射するものとする。このようにしておくと、分子のイオ
ン化が、いわゆる2光子励起によりおこなわれる分子の
イオン化において、一段目の励起を低出力ではあるが波
長選択性の高い波長可変レーザーの光でおこない、2段
目のイオン化レベルへの励起を波長選択性は低いが十分
な出力を有する高出力レーザーの光でおこなうことがで
きる。ここで、高出力レーザーとは10−100mJオ
ーダーのものを意味しており、低出力レーザーとは0.
1−5mJオーダーのものを意味している。このような
構成において使用できるレーザーは、波長可変レーザー
5aとして、色素レーザー、OPOレーザー、チタンサ
ファイアレーザーを使用することができ、波長可変レー
ザー5aを励起するとともに同時に分子を励起する波長
固定レーザー5bとしては、XeCl,XeF,Kr
F,ArF等のエキシマレーザー、YAGレーザーの3
倍波、あるいは4倍波を使用する。このようにすると、
従来の手法より効率的にイオン化が行われ、その結果と
して質量分析装置の感度が大幅に向上する。さらに、例
えば、YAG2倍波で波長可変レーザー励起をおこな
い、残りを5倍波でおこなう場合は、5倍波の安定性が
悪く、精度的に測定の信頼性を得ることが難しいが、上
記のようなレーザーの選択としておくと、感度を高くで
きるとともに、安定なレーザー光を使用するため信頼性
において優れた測定を行うことができる。
【0012】以下、測定対象とレーザーの組合せを個々
に箇条書きする。 i 測定対象 クロロベンゼン類 イオン化エネルギー 約9.2eV(270n
m) この物質は、以下のレーザーの組合せでイオン化でき
る。 イ 270nm(4.6eV)+266nm(4.6e
V、YAGレーザー4倍波)との組合せ ロ 270nm(4.6eV)+248nm(5eV、
KrFエキシマ)の組合せ ハ 270nm(4.6eV)+193nm(6.4e
V、ArFエキシマ)の組合せ
【0013】 ii 測定対象 ダイオキシン類 イオン化エネルギー 約9.2から10eV 一段目励起エネルギー 約4.1eV(300n
m) この物質は、以下のレーザーの組合せでイオン化でき
る。 イ 300nm(4.1eV)+213nm(5.8e
V、YAGレーザー5倍波)との組合せ ロ 270nm(4.6eV)+193nm(6.4e
V、ArFエキシマ) ハ 1+2段階励起(2光子)励起で後者に波長固定高
出力レーザーを使用することも可能である。この場合に
以下のようになる。 ハ−1 300nm(4.1eV)+355nm(3.5eVY
AGレーザー3倍波)の組合せ ハ−2 300nm(4.1eV)+308nm(4.0eVX
eClエキシマ)の組合せ ハ−3 300nm(4.1eV)+266nm(4.7eVY
AGレーザー4倍波)の組合せ ハ−4 300nm(4.1eV)+248nm(5eVKrF
エキシマ)の組合せ以上の様な組合せにより、クロロベ
ンゼン類及びダイオキシン類の質量分析を行うことがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本願のレーザーイオン化質量分析装置の概略図
【図2】レーザー光形状と信号強度の関係を示す図
【符号の説明】
1 レーザーイオン化質量分析装置 2 分子ビーム発生装置 3 分子ビーム 4 レーザー光 5 レーザー光発生装置 6 イオン 7 イオン加速装置 8 イオン電流測定装置 9 円筒面レンズ

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 レーザー光を測定対象分子の分子ビーム
    に照射して、前記測定対象分子をイオン化してそのイオ
    ン電流を検知して質量分析を行うレーザーイオン化質量
    分析装置であって、前記イオン化のためのレーザー光と
    して、前記分子ビームの流れ方向に長軸を有する偏平な
    レーザー光を前記分子ビームに照射して、イオン化を行
    うレーザーイオン化質量分析装置。
  2. 【請求項2】 レーザー光発生装置と前記分子ビームと
    の間に円筒面レンズを備え、前記円筒面レンズにより、
    前記レーザー光発生装置から発生されるレーザー光を、
    前記分子ビームの流れ方向に長軸を有する偏平なレーザ
    ー光とする請求項1記載のレーザーイオン化質量分析装
    置。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007192692A (ja) * 2006-01-20 2007-08-02 Toshiba Corp イオン化法ガス検出装置およびイオン化法ガス検出方法
CN105717189A (zh) * 2016-02-17 2016-06-29 上海交通大学 用于原位探测催化反应中间物和产物的装置及探测方法

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