JP2003092079A

JP2003092079A - 質量分析装置

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Publication number: JP2003092079A
Application number: JP2001280862A
Authority: JP
Inventors: Manabu Shimomura; 学下村; Hiroto Itoi; 弘人糸井
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2001-09-17
Filing date: 2001-09-17
Publication date: 2003-03-28
Anticipated expiration: 2021-09-17
Also published as: US20050211895A1; US20030052266A1; US7119329B2; JP3578127B2

Abstract

(57)【要約】【課題】分析者が容易にイオン源やイオントラップの
メンテナンスをおこなうことができる質量分析装置を提
供する。【解決手段】装置のイオン源を分解し、洗浄が必要な
金属部品か否かにより部品を分別する。金属部品はアル
ミナ粉末で研磨し、研磨後アルミナ粉末を除去して、有
機溶剤で洗浄する。その後４００℃で１時間加熱する。
常温になってからイオン源を再組立てする。そして装置
に装着する。また、イオントラップについても同様な処
理をおこなう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試料ガスを電子線
で衝撃することによりイオン化し、生成したイオンを磁
場、又は電場に導き、質量数によって分離し、そのイオ
ン量を測定する質量分析装置に係わり、特に、試料ガス
がイオン源及びトラップにおいて分解し電極などに吸着
堆積するのを防止するための技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】質量分析装置（ＭＳ）は、試料分子を数
十ｅＶの電子線で衝撃することにより、イオン化し、生
成したイオンを磁場、または電場に導き、質量数によっ
て分離し、質量数を横軸にとり、そのイオン量を縦軸に
表した質量スペクトルから試料分子を推定する分析装置
である。ＭＳは質量分離の方法により、磁場型と電場型
に分類される。図３（ａ）に磁場型を、（ｂ）に電場型
のＭＳの原理を示す。（ａ）磁場型の場合、分析系内は１０^−６〜１０^−８Ｔ
ｏｒｒの高真空に保たれており、試料ガスは一定流量で
イオン源１０に導入され、イオン源１０に入った試料ガ
スは、一般に５０〜１００ｅＶ程度のエネルギーを持っ
た電子線の衝撃を受けてイオン化される。生成イオンは
イオン源１０から加速電極２で加速され、磁場３に向か
って出射される。磁場３内ではフレミングの左手の法則
に従って軌道が曲げられる。そして、コレクタスリット
４を介して、検知器５で検出される。その軌道半径は質
量数によって異なるので、質量スペクトルが得られる。（ｂ）電場型の場合、イオン源１０で試料ガスがイオン
化され、加速電極２ａで加速され、四重極電極３ａの電
場に導かれる。互いに平行に置かれた４本の棒状電極
に、高周波電圧に直流電圧を加え合わせたもの±（Ｕ＋
Ｖｃｏｓωｔ）が印加される。この電場にイオンを入射
させると、ある周波数条件の時、特定の質量数のイオン
のみがｘ、ｙ軸で限定された振幅を持って通過するが、
その他のものは、振幅が指数関数的に時間と共に増大
し、電極に衝突してしまう。従って、電場条件に合った
質量数のイオンだけが通過し、二次電子増倍管５ａに到
達し検知される。そして、電場を帰引し、通過質量条件
を順次変化させることにより質量スペクトルが得られ
る。

【０００３】ＭＳのイオン源１０における試料のイオン
化方法は、電子による電子衝撃イオン化法（ＥＩ法）
と、反応ガスイオンによる化学イオン化法（ＣＩ法）な
どがある。最も一般的な方法として、電子衝撃法が用い
られる。分子の最外殻軌道から電子を１個引き離して試
料をイオン化する以上のエネルギーを、電子線衝撃で与
えると、分子から電子１個を失った分子イオン（親イオ
ン）のほかに、分子内結合が切れたいろいろなイオン
（フラグメントイオン）が生成する。ＥＩ法はフラグメ
ンテーション（イオンの解裂）によって生成したフラグ
メントイオンからなるマススペクトルを使って定性を行
うことができる。また、ＣＩ法は、ＥＩ法に比べてソフ
トなイオン化法であるため、フラグメンテーションが起
こりにくく、分子量についての情報を得ることができ
る。

【０００４】図４に、従来の電子衝撃イオン化法による
イオン源１０の概略構成図を示す。真空雰囲気中に配設
されるイオン化室２０には、試料導入管１９が接続され
ており、ここからイオン化室２０内へ気体試料分子が導
入される。イオン化室２０の壁面に開口した熱電子照射
孔１１ａの外側には熱電子発生用のフィラメント１１が
配置されており、加熱電流源１１ｂからフィラメント１
１に加熱電流が供給されるとフィラメント１１の温度が
上昇して熱電子が放出される。熱電子（図４中のｅ⁻）
は、フィラメント１１とトラップ電極１２との間の電位
差によって誘引されてイオン化室２０内に入り、更にト
ラップ電極１２に向けて加速される。試料分子に熱電子
流が衝突すると、試料分子から電子が叩き出されて該分
子は正イオンになる。発生したイオンはイオン出口２１
からイオン化室２０の外部へ飛び出し、図３に示す加速
電極２（または２ａ）によって吸引され加速されて質量
分析系に導入される。トラップ電極１２に捕捉される電
子数はフィラメント１１から放出された電子数に依存し
ているから、制御部１１ｃは、トラップ電極１２に到達
した熱電子により流れるトラップ電流が所定値になるよ
うに加熱電流源１１ｂを制御する。これにより、フィラ
メント１１での熱電子の発生量がほぼ一定になり、イオ
ン化室２０内で安定したイオン化が達成される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の質量分析装置は
以上のように構成されているが、試料ガスと接触する分
析機器の内表面、特に、電界を形成する電極等を備えた
イオン源やイオントラップにおいては、何らかの形態で
その表面が試料ガス分子にさらされ、これらの表面に特
定の試料ガスが分解、吸着し、試料物質が着床し、イオ
ンなどとの相互作用によって、予測もつかないデータが
観測されることがある。例えば、これらの表面において
化学反応により触媒反応が起こり、測定結果を歪ませた
りする。また、これらの表面は着床する試料分子の堆積
を促し温度を上昇させたりする等の問題がある。触媒作
用により表面に試料物質が堆積し測定に悪い影響を及ぼ
すので、その対策として、イオン源やイオントラップの
電極の表面に、クロム又は酸化クロムをコーティングす
る方法や、有機シラン試薬を化学的に接着させる方法
や、不活性溶融シリカを０．０２〜０．１μｍ厚さにコ
ーティングする方法や、アルミナや窒化珪素や選択的半
導体材料等及びそれらを交互にコートする方法が提案さ
れている。不活性溶融シリカ、アルミナ、窒化珪素など
の表面処理は、不活性な非有機、非金属材を電極にコー
トし、最低の厚みに形成してピンホールをなくし、絶縁
性と電界形成の両面を生かした構造である。しかし、こ
のような表面処理は分析者が簡単に行うことができない
ので、イオン源やイオントラップのメンテナンスを分析
者が実施することができないという問題がある。

【０００６】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであって、分析者が容易にイオン源やイオントラ
ップのメンテナンスを行うことができる質量分析装置を
提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の質量分析装置は、試料ガスを電子線で衝撃
することによりイオン化するイオン源から、生成したイ
オンを磁場、又は電場に導き、質量数によって分離し、
その質量スペクトルから試料を推定する質量分析装置に
おいて、大気雰囲気中で２００℃から７００℃の範囲で
ベーキングされたステンレス製の電極を有する前記イオ
ン源を備えるものである。

【０００８】また、本発明の質量分析装置は、試料ガス
を電子線で衝撃することによりイオン化し、一時的に保
持するトラップから、そのイオンを磁場、又は電場に導
き、質量数によって分離し、その質量スペクトルから試
料を推定する質量分析装置において、大気雰囲気中で２
００℃から７００℃の範囲でベーキングされたステンレ
ス製の電極を有する前記トラップを備えるものである。

【０００９】本発明の質量分析装置は上記のように構成
されており、質量分析装置のイオン源またはイオントラ
ップに用いられる電極が、ステンレス製のもので構成さ
れ、メンテナンス時にその電極が大気雰囲気中で２００
℃から７００℃の範囲でベーキング処理されたものであ
る。このように処理されたステンレス製の電極は、表面
に分解した試料分子などを着床して堆積することがな
く、イオンなどとの相互作用もなく、安定して分析を行
うことができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の質量分析装置の一実施例
を、図１を参照しながら説明する。図１は本発明の質量
分析装置のイオン源のコンディショニング法のフローチ
ャートを示す図である。本質量分析装置は、大気雰囲気
中で２００℃から７００℃の範囲でベーキングされたス
テンレス製の電極を有するイオン源又はトラップと、そ
のイオン源又はトラップのイオンを、図３の右側に示す
分析系に吸引し加速する加速電極２（または２ａ）と、
加速されたイオンを質量数によって分離する磁場３（ま
たは四重極電極３ａ）と、分離されたイオンを検出する
検出器（検知器５または二次電子増倍管５ａ）とから構
成される。

【００１１】本質量分析装置は、従来の図３、図４に示
す質量分析装置と構造は同じであるが、イオン源１０ま
たはトラップに使われている電極の材料とその処理方法
が異なる。本質量分析装置は、イオン源またはトラップ
に使われている電極の材料がステンレス製であること、
そして、その電極の処理方法が大気雰囲気中で、２００
℃から７００℃の範囲でベーキングされたものである。

【００１２】電極材料は、ステンレス材が用いられる。
従来の電極は、ニッケル、モリブデン、純鉄にニッケル
メッキしたもの、モネル、オーステナイトステンレス鋼
などが用いられていたが、ガスの物理吸着と化学吸着の
ほかに電気的吸着があり、電離により生じたイオンが、
鏡像力、静電分極、永久双極子等により、その表面で堆
積物との相互作用により触媒作用が発生し、分子から電
子１個を失った分子イオン（親イオン）のほかに、分子
内結合が切れたいろいろなイオン（フラグメントイオ
ン）が生成し、余剰エネルギーによってフラグメンテー
ションが強く起こり、分子の種類によっては、親イオン
が測定されないことがある。

【００１３】電極材料にステンレスを用いた理由とし
て、ステンレス鋼の成分は、鉄、ニッケル、クロムなど
が主成分であり、そのステンレス鋼に含まれる表面のク
ロムが、酸素との親和力が強く、大気中で温度を上げる
ことにより表面が酸化し、２酸化クロム、酸化クロムを
生成することである。しかし、このため付近の合成成分
の変動が起こり多少磁性化することがあり、また、７０
０℃で軟化するので、温度処理はそれ以下の２００〜７
００°でおこなうようにする。２酸化クロム、酸化クロ
ムは、表面に緻密な不活性な酸化皮膜として、非常に薄
く形成されピンホールを少なくして、試料分子のイオン
等が表面に付着しにくくなる。

【００１４】次に、本質量分析装置のイオン源の電極材
料を、分析者が容易に処理できる方法を以下に説明す
る。イオン源またはトラップの電極処理のコンディショ
ニング法として、図１に示すように、まず、イオン源
（またはトラップ、以下イオン源という）を分解する。
そして、洗浄が必要な金属部品とそれ以外に分別する。
金属部品のみをアルミナ粉末で所定の時間研磨する。そ
して、金属部品を取出し、アルミナ粉末を吹飛ばして除
去する。その後、金属部品を有機溶剤で洗浄する。そし
て、電気炉で、大気雰囲気中で４００℃１時間（電極形
状、厚さなどにより２００〜７００℃の範囲）加熱す
る。その後、イオン源を組み立てる。このようにしてコ
ンディショニングされたイオン源が再生される。

【００１５】図２に、イオン源の電極を（ａ）コンディ
ショニングした場合と、（ｂ）コンディショニングしな
かった場合のクロマトグラムを示す。横軸は時間、縦軸
は分析された強度を示す。（ａ）コンディショニングし
た場合は、急峻なピーク値を示し、（ｂ）コンディショ
ニングしなかった場合は、滑らかな分離しがたい曲線に
なる。このように処理を行えば、電極表面でのイオンに
よる相互作用の触媒作用が無くなり、感度の高い質量分
析装置として使用することができる。

【００１６】次に、図４に示された、電子衝撃イオン化
法によるイオン源１０の電極処理のコンディショニング
について具体的に説明する。まず、イオン源１０を分解
し、フィラメント１１及びその集束電極など、試料導入
管１９、イオン出口２１の金具、トラップ電極１２、イ
オン化室２０に分ける。そして、その中で洗浄が必要な
金属部品と絶縁物を分別する。フィラメント１１の部分
は絶縁物を除いて、電極類を洗浄対象とし、洗浄後新し
いフィラメント１１をマウントする。また、試料導入管
１９、イオン出口２１の金具、トラップ電極１２、イオ
ン化室２０をアルミナ粉末で研磨する。所定の時間、研
磨した後、各部品からアルミナ粉末を除去し、有機溶剤
で洗浄する。そして、各金属部品を電気炉で、大気圧、
４００℃、１時間加熱する。そして、取出した各部品を
組立て、イオン源を元通りに再生する。

【００１７】上記の実施例では、イオン源について説明
したが、イオントラップについても同様に、電極材料に
ステンレスを用い、その電極処理のコンディショニング
法を上記のようにおこなえば、同様の効果を得ることが
できる。

【００１８】

【発明の効果】本発明の質量分析装置は上記のように構
成されており、各種の試料ガスを分析し、長時間にわた
って使用していると、装置のイオン源またはイオントラ
ップに用いられている電極表面に、特定の試料が分解し
着床堆積するので、分析者は定期的にイオン源またはイ
オントラップを分解し、ステンレス製の金属部品と絶縁
物を分離し、金属部品をアルミナ粉末で研磨し、有機溶
剤で洗浄し、４００℃で１時間加熱処理を行い、その
後、再組立てして使用する。このような比較的簡単な処
理方法で、特定成分の金属部品表面への吸着を防ぐこと
ができ、装置の性能を最大限に発揮させて安定して分析
を行うことができ、効果／費用比が大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の質量分析装置の一実施例を示す図で
ある。

【図２】本発明の質量分析装置のクロマトグラムを示
す図である。

【図３】質量分析装置の原理構成を示す図である。

【図４】質量分析装置のイオン源を示す図である。

【符号の説明】

２、２ａ…加速電極３…磁場３ａ…四重極電極４…コレクタスリット５…検知器５ａ…二次電子増倍管１０…イオン源１１…フィラメント１１ａ…熱電子照射口１１ｂ…加熱電流源１１ｃ…制御部１２…トラップ電極１９…試料導入管２０…イオン化室２１…イオン出口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料ガスを電子線で衝撃することによりイ
オン化するイオン源から、生成したイオンを磁場、又は
電場に導き、質量数によって分離し、その質量スペクト
ルから試料を推定する質量分析装置において、大気雰囲
気中で２００℃から７００℃の範囲でベーキングされた
ステンレス製の電極を有する前記イオン源を備えること
を特徴とする質量分析装置。
【請求項２】試料ガスを電子線で衝撃することによりイ
オン化し、一時的に保持するトラップから、そのイオン
を磁場、又は電場に導き、質量数によって分離し、その
質量スペクトルから試料を推定する質量分析装置におい
て、大気雰囲気中で２００℃から７００℃の範囲でベー
キングされたステンレス製の電極を有する前記トラップ
を備えることを特徴とする質量分析装置。