JP2002175774A

JP2002175774A - 質量フィルタ駆動システム

Info

Publication number: JP2002175774A
Application number: JP2000370278A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Kanda; 哲也寒田
Original assignee: Yokogawa Analytical Systems Inc
Current assignee: Yokogawa Analytical Systems Inc
Priority date: 2000-12-05
Filing date: 2000-12-05
Publication date: 2002-06-21

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は質量フィルタ駆動システムに関し、
低質量から高質量まで性能劣化のない質量フィルタ駆動
システムを提供することを目的としている。【解決手段】多重極電極を駆動する多重電極駆動回路
２０と、該多重電極駆動回路２０の出力を受けて多重極
電極とのマッチングをとるマッチング回路３０と、該マ
ッチング回路３０の出力が印加される多重極電極３とに
より構成され、測定質量数に応じて前記多重電極駆動回
路２０の駆動周波数とマッチング回路３０のマッチング
周波数を変えるように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は質量フィルタ駆動シ
ステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、質量を分析する質量分析装置
が知られている。質量分析装置は、イオン源に導入され
た試料を電子衝撃法等何らかの方法でイオン化したの
ち、分析部に送り込み、電場や磁場条件の下でイオンの
走行、挙動がそれぞれの質量／電荷数（ｍ／ｚ）に依存
して一義的に決まることを利用している。

【０００３】質量分析計の中で四重極質量分析計は、図
４に示すように理想的には断面が直角双曲線となるよう
な４本の棒状電極を平行に並べたものである。相対する
電極をつなぎ、一方の組に（Ｕ＋Ｖｃｏｓωｔ）、他方
の組に−（Ｕ＋Ｖｃｏｓωｔ）の電圧を加える。ここ
で、Ｕは直流電圧、Ｖは周波数ｆの高周波のピーク電
圧、ω＝２πｆである。

【０００４】いま、イオンがこの４本の電極の端からｚ
軸に入射したとき、イオンのｘ軸及びｙ軸方向の運動
は、Ｍａｔｈｉｅｕ方程式と呼ばれる次の式で表され
る。ｄ²ｘ／ｄφ²＋（α＋２ｑｃｏｓ２φ）ｘ＝０（１）ｄ²ｙ／ｄφ²＋（α＋２ｑｃｏｓ２φ）ｙ＝０（２）ここで、α＝８ｅＵ／ｍω²ｒｏ²、ｑ＝４ｅＶ／ｍω²
ｒｏ²、φ＝ωｆ／２で、ｍはイオンの質量、ｒｏは相
対する電極間距離の１／２である。ｚ軸方向は等速運動
をする。式（１）、（２）の安定解は、図５の三角形に
近い範囲の中にあり、Ｕ／Ｖが一定、つまりα／ｑ＝一
定の点は原点を通る直線Ｐ上にある。この直線が安定領
域内の内側、点Ａ、Ｂの間にある質量ｍ1はこの電界を
通過し、外にあるｍ2は軌道の振動が大きくなって電極
に衝突したり、電界の外に出たりすること等によって通
過できなくなる。

【０００５】Ｕ／Ｖの比を次第に小さくすると、直線Ｐ
の勾配が小さくなって、通過する質量範囲が大きくな
り、Ｐがｑ軸と一致するとき、すなわちＵ＝０のときは
ほとんど全ての質量のイオンが通過する。一方、この比
を大きくすると通過する質量範囲が小さくなって分解能
が大きくなり、三角形の頂点、すなわちα＝０．２３
７、ｑ＝０．７０６を通るとき分解能は無限大で、イオ
ンの透過率は０となる。

【０００６】このとき、Ｕ／Ｖ＝０．１６８でＵ及びＶ
をボルト単位で表わすとＵ＝１．２１２（ｍ／ｚ）ｆ²ｒｏ² （３）Ｖ＝７．２１９（ｍ／ｚ）ｆ²ｒｏ² （４）となる。ここで、ｍは原子質量単位、ｆはＭＨｚ、ｒｏ
はｃｍ単位である。

【０００７】この装置の理論的分解能は、（ｍ／ｚ）／Δ（ｍ／ｚ）＝０．１２６／（０．１６８−（Ｕ／Ｖ））（５）で表わすことができる。分解能を大きくするほどイオン
の透過率は減少するので、分解能を必要とする限界まで
下げて用いる。周波数ｆは固定し、Ｕ／Ｖの比をある値
に保ったままＵ及びＶを変化させると、透過するイオン
をｍ／ｚ、すなわち質量対電荷比に応じて設定すること
ができる。

【０００８】四重極質量分析計の実際の分解能や性能
は、上に述べたこと以外に、入射イオンのエネルギー分
布、電極の形の精度や電極に加える電圧の安定性等によ
っても大きな影響を受ける。

【０００９】電極の入口と出口で電界の乱れによる分解
能の低下を防ぐために、高周波電位のみを与える短い四
重極電極（プレ及びポストロッドという）をつけ加える
場合もある。電極に加える高周波の周波数は、１〜４Ｍ
Ｈｚのものが多いが、（３）、（４）式で分かるように
周波数が高いほど、急激に電圧も高くしなければならな
い。

【００１０】設定できる最高の質量は、（３）、（４）
式に従って電圧に比例するから、高い質量範囲まで設定
する場合にはそれだけ高い電圧が得られる電源が必要に
なる。例えば、ｒｏ＝０．７ｃｍ、ｆ＝２ＭＨｚとすれ
ば、（ｍ／ｚ）＝２４０では、Ｖ＝３．４ｋＶの高周波
電源とＵ＝５７０Ｖの直流電源が必要である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】四重極質量分析計は、
通常この周波数ｆを一定とし、Ｕ及びＶを可変とし、測
定質量数（ｍ／ｚ）を設定している。この時の質量分析
計としての性能は、前述のように電極に与える電圧（以
下駆動電圧という）の安定性に強く影響を受ける。安定
性とは、具体的にはＵ、Ｖそれぞれの値及び周波数ｆの
時間軸に対する変動幅の大きさである。変動幅が小さい
ほど、安定性がよく、性能も向上する。実際には、それ
ぞれの電極に印加される電圧は、Ｕ＋Ｖｃｏｓωｔ＋ｎ，−（Ｕ＋Ｖｃｏｓωｔ）＋ｎ（６）ｎは電子回路の持つ雑音及び外乱雑音で表され、Ｕ、Ｖ
のいずれも、その値が小さいとき、電子回路の持つ雑音
成分及び外乱雑音成分が相対的に大きくなるため、安定
性は悪化する。また、ｆについても、Ｖが小さくなる
と、同様に雑音成分が相対的に大きくなるため、安定性
は悪化する。

【００１２】従って、周波数ｆを低めに設定すると、低
い質量数ではＵ、Ｖいずれもその値が小さくなるため、
安定性が悪化し、性能が低下する。しかしながら、周波
数ｆを高めに設定すると、駆動電圧Ｕ及びＶを、周波数
ｆの２乗に比例して高くしなければならず、高い質量数
まで測定しようとすると、高電圧を発生させ、またこの
高電圧に耐えるように装置を作る必要があるが、これは
困難が伴う。また、この場合、Ｖの振幅が大きくなるた
め、不要輻射を発生し、これが雑音成分Ｎとなって駆動
電圧の安定性を低下させる。

【００１３】また、Ｖｃｏｓωｔを発生させるために使
用する増幅器の混変調や高調波等の性能は一般にその出
力がある値よりも小さい場合、またある値よりも大きい
場合のいずれも低下するため、いずれも駆動電圧の安定
性は低下し、質量分析計の性能が悪化する。

【００１４】このように、従来のシステムでは、一定周
波数でその装置の目的とする質量範囲を測定しようとす
る場合、上記のような理由で、低質量側、高質量側で性
能が悪化するという問題があった。

【００１５】本発明はこのような課題に鑑みてなされた
ものであって、低質量から高質量まで、性能の低下のな
い質量フィルタ駆動システムを提供することを目的とし
ている。

【００１６】

【課題を解決するための手段】（１）請求項１記載の発
明は、多重極電極を駆動する多重電極駆動回路と、該多
重電極駆動回路の出力を受けて多重極電極とのマッチン
グをとるマッチング回路と、該マッチング回路の出力が
印加される多重極電極とにより構成され、測定質量数に
応じて前記多重電極駆動回路の駆動周波数とマッチング
回路のマッチング周波数を変えることを特徴とする。

【００１７】このように構成すれば、上記の理由で制約
のあるＵ，Ｖ電圧の範囲で、低質量域から高質量域にわ
たって、性能のよい多重極質量分析計を提供することが
できる。すなわち、低質量域を測定する場合は、周波数
ｆを高めに設定することにより、Ｕ，Ｖの値を性能が低
下するほど小さくすることなく測定することができ、ま
た、高質量域を測定する場合は周波数を低めに設定する
ことによって、Ｕ，Ｖの値を、性能が低下するほど、ま
た作るのが困難なほど大きくすることなく測定すること
ができる。

【００１８】（２）請求項２記載の発明は、前記多重極
電極として、四重極、又は六重極、又は八重極のものを
用いることを特徴とする。ここでは、前記四重極を含
む、多重極（六重極、八重極、…）に直流電圧・交流電
圧を重畳し印加することによって構成される、質量フィ
ルタ（上記四重極質量分析計に代表される質量バンドパ
スフィルタの他、質量ノッチフィルタ、質量ローパスフ
ィルタ、質量ハイパスフィルタ、質量オールパスフィル
タ）を特徴とする。多重極に直流電圧、交流電圧を重畳
し印加することによって構成されるものであれば、Ｕ，
Ｖ，ｆの関係はその得るべきフィルタの性質に依存し、
（３）、（４）式の限りではない。

【００１９】このように構成すれば、設定するＵ，Ｖ，
ｆをわりあい自由に選ぶことができ、多くの条件で性能
の劣化しない質量フィルタを提供することができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態例を詳細に説明する。図１は本発明の一実施の
形態例を示すブロック図である。図４と同一のものは、
同一の符号を付して示す。図において、２０は四重極電
極を駆動する四重電極駆動回路、３０は該四重電極駆動
回路２０の出力を受けるマッチング回路、３は該マッチ
ング回路３０と接続される四重極電極である。マッチン
グ回路３０とは、ここでは直列共振回路（ＬＣ共振回
路）をいう。共振回路を用いることとにより、四重極電
極に高い高周波交流電圧を発生させることが可能とな
る。４０は、四重電極駆動回路２０及びマッチング回路
３０を制御する制御部で、例えばマイクロプロセッサ等
を用いる演算回路によって構成される。

【００２１】即ち、制御部４０から四重電極駆動回路２
０へは、周波数制御信号と、高周波交流電圧、直流電
圧制御信号が与えられ、マッチング回路３０にはマッ
チング周波数制御信号が与えられている。また、マッ
チング回路３０内では、回路中のインダクタンス分Ｌ、
又は四重極電極に存在する静電容量と並列接続されたコ
ンデンサＣを可変としている。このように構成された装
置の動作を説明すれば、以下の通りである。

【００２２】制御部４０は、四重電極駆動回路２０に周
波数制御信号と高周波交流電圧、直流電圧制御信号を与
え、駆動電圧と駆動周波数を変える。併せて、マッチン
グ回路３０にマッチング周波数制御信号を与えて、マッ
チング周波数を可変してやる。即ち、先ずマッチング回
路３０における共振系の周波数を変える。併せて駆動回
路２０の駆動周波数を変える。

【００２３】この結果、低い質量数では、高い周波数で
駆動することができ、また、高質量数測定の場合は周波
数を下げて駆動することにより駆動が容易になる。例え
ば、ある低い質量数Ｍを測定しようとするとき、１ＭＨ
ｚで駆動しようとした場合の駆動電圧が１Ｖであるとす
ると、駆動周波数を３．３ＭＨｚとすると、駆動電圧は
１０Ｖとなり、駆動電圧の安定性は向上し、性能が向上
する。

【００２４】また、３．３ＭＨｚでの３０００倍の質量
数を同じ装置で測定しようとする場合、駆動電圧はおよ
そ３０ｋＶとなるが、逆に周波数を１ＭＨｚに落とすと
駆動電圧はおよそ３ｋＶとなり、駆動回路作成が容易と
なる。

【００２５】この結果、低い質量数から高い質量数まで
同じ装置を用いて測定することができる。このように測
りたい質量数に応じてマッチング周波数を変えてしまう
ことにより、制限のある駆動電圧範囲の中でよりよい状
態で質量を分析することができる。

【００２６】図２は四重電極駆動回路の構成例を示す図
である。図において、４１は高周波電圧ｖcosωｔを受
ける高周波（ＲＦ）増幅器で、その出力はマッチングト
ランスＴの１次側を駆動する。また、ＴＣはマッチング
調整用の半固定コンデンサである(省略されることもあ
る)。従来、駆動周波数ｆは質量数に関わらず一定であ
り、ＴＣはこの一定の駆動周波数とマッチング回路Ｌ
１、Ｌ２と電極間の静電容量Ｃおよび調整用半固定コン
デンサＴＣによる共振周波数が駆動周波数ｆ１に一致す
るように調整される。この時、最小の駆動電力で目的と
する高周波交流電圧Ｖ１ｃｏｓωｔと−Ｖ１ｃｏｓωｔ
が得られる（このマッチング回路Ｌ１、Ｌ２と電極間の
静電容量Ｃおよび調整用半固定コンデンサＴＣによる共
振周波数が駆動周波数ｆに一致した状態が「最適なマッ
チング」が得られた状態である）。

【００２７】同時に、トランスＴの２次側に直流電圧Ｕ
１と−Ｕ１を印加すると、四重極には、直流電圧に高周
波交流電圧が重畳された、＋Ｕ１＋Ｖ１ｃｏｓωｔと、
−（Ｕ１＋Ｖ１ｃｏｓωｔ）が印加される。この結果、
目的の質量数Ｍ１（ｍ／ｚ）のイオンのみが質量分析計
を通過することができる（目的以外のイオンは四重極電
極３にトラップされ、通過することができない）。

【００２８】図３は本発明の等価回路図である。図２と
同一のものは、同一の符号を付して示す。この図におい
て、Ｃは四重極電極間に存在する静電容量で、その値は
四重極電極３の配置により一義的に定まり固定である。
ＶＣは、本発明のために新たに設けた可変容量コンデン
サである。これは、図２のＴＣとは異なり、測定する質
量数に従い、動的に変更する。

【００２９】ここで、図１と図３の対応関係について説
明する。ＲＦアンプ４１への高周波電圧と、マッチング
トランスＴの２次側へ印加される直流電圧は、制御部４
０から発生して印加され、可変容量コンデンサＶＣへの
マッチング周波数制御信号は制御部４０から発生され、
可変容量コンデンサＶＣの容量を変化するように機能す
る。

【００３０】このように構成すれば、可変容量コンデン
サの容量を変化させることにより、共振回路の共振周波
数、すなわちマッチング周波数を動的に変更することが
できる。従って、駆動周波数ｆを可変としても、その周
波数に最適なマッチングを得ることができる。そのた
め、その周波数ｆｎにおける最小の駆動電力で目的とす
る高周波交流電圧Ｖｎｃｏｓωｔ、−Ｖｎｃｏｓωｔが
得られる。

【００３１】同時に、目的とする直流電圧＋Ｕｎ、−Ｕ
ｎを与えれば、四重極電極３は目的とする質量数Ｍｎの
イオンのみを通過させることができるようになる。すな
わち、四重極電極３は質量フィルタとして機能する。

【００３２】この場合、低質量域においては、駆動周波
数ｆを高めにとることができるため、電極３の中でのイ
オンの振動数が多くなり、結果的にイオン通過率、アバ
ンダンス感度等の性能が向上する。また、高質量域で
は、駆動周波数ｆを低めにとることによって、必要な駆
動電圧を下げることができ、また、その結果電極３内部
で残留気体分子がその駆動電圧による電界によってイオ
ン化することによって生じるバックグラウンドノイズ
や、高周波駆動電力そのものによって発生する不要輻射
を原因とする雑音成分を低減することができ、従って高
い性能を得ることができる。

【００３３】この場合、低質量側については、駆動周波
数を上げて測定できるので、感度、分解能等の性能が上
がる。高質量側については、電極３の中でのイオンの振
動数が相対的に多くなり、逆に印加電圧が高くなる。こ
の結果、不要なイオンが発生して測定系に対するバック
グラウンドノイズとなる。そこで、高質量側について
は、駆動周波数を低めにとって、発生する電圧を下げ、
不要なイオンの発生を抑止し、その分Ｓ／Ｎ比を向上さ
せることができる。

【００３４】上述の実施の形態例では、共振回路の容量
を可変する場合を例にとったが、本発明はこれに限るも
のではなく、共振回路のインダクタンスを可変すること
もできる。即ち、図３におけるＬ１とＬ２を可変するも
のである。

【００３５】また、上述の実施の形態例では、ロッドと
して四重極電極を用いた場合を例にとったが、本発明は
これにかぎるものではなく、他の六重極電極や八重極電
極を用いた場合にも同様に適用することができる。

【００３６】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、以下のような効果が得られる。

【００３７】（１）請求項１記載の発明によれば、制約
のあるＵ，Ｖ電圧の範囲で、低質量域から高質量域にわ
たって、性能のよい多重極質量分析計を提供することが
できる。すなわち、低質量域を測定する場合は周波数ｆ
を高めに設定することにより、Ｕ，Ｖの値を性能が低下
するほど小さくすることなく測定することができ、また
高質量域を測定する場合は、周波数ｆを低めに設定する
ことによって、Ｕ，Ｖの値を、性能が低下するほど、ま
た作るのが困難なほど大きくすることなく測定すること
ができる。

【００３８】（２）請求項２記載の発明によれば、四重
極を含む多重極（六重極、八重極、…）構成により、多
重極に直流電圧、交流電圧を重畳し印加することによっ
て構成される、多くの条件で性能の劣化しない質量フィ
ルタを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の動作の一実施の形態例を示すブロック
図である。

【図２】四重電極駆動回路の構成例を示す図である。

【図３】本発明の等価回路図である。

【図４】四重極質量分析計の原理図である。

【図５】四重極質量分析計の安定解の領域を示す図であ
る。

【符号の説明】

３四重極電極２０四重電極駆動回路３０マッチング回路４０制御部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多重極電極を駆動する多重電極駆動回路
と、該多重電極駆動回路の出力を受けて多重極電極とのマッ
チングをとるマッチング回路と、該マッチング回路の出力が印加される多重極電極とによ
り構成され、測定質量数に応じて前記多重電極駆動回路
の駆動周波数とマッチング回路のマッチング周波数を変
えることを特徴とする質量フィルタ駆動システム。
【請求項２】前記多重極電極として、四重極、又は六
重極、又は八重極のものを用いることを特徴とする請求
項１記載の質量フィルタ駆動システム。