JP2004111149A

JP2004111149A - イオンガイド

Info

Publication number: JP2004111149A
Application number: JP2002270320A
Authority: JP
Inventors: Junichi Taniguchi; 谷口　純一
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2002-09-17
Filing date: 2002-09-17
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2022-09-17
Also published as: US20040051038A1; JP3791479B2

Abstract

【課題】低真空室と高真空室との間に、それらの中間の真空度に保持される１つ以上の中間室を備える装置において、低真空室から高真空室へ高い効率でイオンを輸送することができるイオンガイドを提供する。
【解決手段】中間室３０内に、イオン通過孔を有する板状電極３２をイオンの輸送方向に複数枚並置する。中間室３０と隣接室３１との間に、両者の真空度を維持すると共にイオンを透過させるために細孔（アパーチャ）３３ａを設けた板状のアパーチャ電極３３を設置する。板状電極３２及びアパーチャ電極３３を区別せずにこれらの電極に高周波電圧を印加する。形成される高周波電場により、気体分子との衝突によって進行方向が変化したイオンを、所定の進行方向へ誘導することができる。この高周波電場は板状電極３２からアパーチャ電極３３まで連続的に形成され、従来イオンの損失が生じていたアパーチャ付近においても効率よくイオンを輸送することができる。
【選択図】　図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、質量分析装置等において、低真空領域で生成されたイオンを高真空領域へ輸送するためのイオンガイドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
液体クロマトグラフ質量分析装置等の質量分析部に用いられるエレクトロスプレイ質量分析装置、高周波誘導結合プラズマ質量分析装置、大気圧化学イオン化質量分析装置等においては、試料をイオン化し、このイオンについて四重極質量分析器や飛行時間型質量分析器等を用いて質量分析を行う。ここで、試料のイオン化は大気圧に近い圧力下で行うのに対して、質量分析はイオンの散乱を防ぐために高真空下で行う必要がある。そのため、イオンをその発生源である低真空領域から質量分析器のある高真空領域に輸送する必要がある。このイオンの輸送の際に生じるイオンの損失を抑えることが、質量分析装置の高感度化を実現するためには重要である。
【０００３】
以下に、エレクトロスプレイ質量分析装置を例に挙げて、低真空領域から高真空領域へイオンを輸送するための構成を図１を用いて説明する。この質量分析装置には、液体クロマトグラフ装置のカラムの出口端に接続されたノズル１５が配設されたイオン化室１１と、四重極フィルタ１７及びイオン検出器１８が配設された分析室１４との間に、第１中間室１２及び第２中間室１３が設けられる。イオン化室１１と第１中間室１２との間は細径の脱溶媒パイプ１６を設けた隔壁によって隔てられ、第１中間室１２と第２中間室１３との間及び第２中間室１３と分析室１４との間はそれぞれ小径の通過口（アパーチャ）１９及び２０を設けた隔壁によって隔てられる。第１中間室及び第２中間室にはそれぞれイオンガイド２１及び２２が設けられる。
【０００４】
イオン化室１１内はノズル１５から試料液を噴霧するために、ほぼ大気圧とする。第１中間室１２内はロータリーポンプにより約１０^＋２Ｐａの低真空域まで排気され、第２中間室１３内はターボ分子ポンプにより約１０^−１〜１０^−２Ｐａの中真空域まで排気される。質量分析室１４内はターボ分子ポンプにより約１０⁻ ^４Ｐａの高真空域まで排気される。即ち、イオン化室１１から分析室１４に向かって各室毎に真空度を高くすること（差動排気）により、質量分析室１４内を高真空状態に維持する。なお、ここでは中間室の数が２室である例を示したが、中間室は３室以上設けてもよく、装置を簡略化したい場合には１室としてもよい。
【０００５】
試料液はノズル１５からイオン化室１１内に噴霧され、液滴中の溶媒が蒸発する過程で試料分子はイオン化される。イオンを含む微細液滴はイオン化室１１と第１中間室１２との圧力差により脱溶媒パイプ１６に引き込まれ、脱溶媒パイプ１６を通過する過程で溶媒が更に蒸発してイオン化が進む。こうして試料がイオン化され、このイオンがイオンガイド２１、アパーチャ１９、イオンガイド２２、アパーチャ２０を経て、分析室１４に到達する。
【０００６】
従来、中間室内のイオンの輸送には、図２に示す静電イオンレンズが用いられてきた。これは、複数枚並置した静電イオンレンズ２３の各々に相異なる直流電圧を印加し、それによって各静電イオンレンズ間に与えられる電位差によってイオンを輸送するものである。しかしこのイオンレンズでは、低真空域において気体分子との衝突によってイオンの進行方向が変化すれば、その方向を元に戻すことができず、イオンの輸送効率が良くない。そこで近年、高周波電場を利用したイオンガイドが使用されるようになった。そのようなイオンガイドには、図３に示すように偶数本のポール電極２４を、イオン光軸を中心に平行かつ軸対称に配置した多極子構造のものや、図４に示すように複数のリング状電極２５を進行方向に配置したもの等がある。これらのイオンガイドはいずれも、隣り合う電極間に位相の異なる高周波電圧を印加することにより高周波電場を形成する。低真空域において気体分子との衝突によってイオンの進行方向が変化したとしても、イオンはこの高周波電場によりイオンガイド内部ではその中心（イオン光軸）方向に反射され、進行方向に進むことができる。そのため、これらのイオンガイドにおけるイオンの輸送効率は、従来の直流電圧を印加する静電イオンレンズにおけるイオンの輸送効率よりも良い。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
イオンガイドの内径はイオンの輸送量を高めるために大きい方が望ましく、アパーチャの内径は各室の真空を隔離するために小さい方が望ましい。そのため、イオンガイドを通過したイオンがアパーチャ周囲の隔壁に衝突する確率が高くなり、イオンの輸送効率が低くなる。
【０００８】
そこで、イオンガイドを通過したイオンをできるだけ多くアパーチャを通過させるために、従来は図５に示すようにイオンガイドとアパーチャとの間に静電イオンレンズ２６を配置する方法や、アパーチャ自体に静電レンズの機能を持たせるなどの方法が用いられてきた。しかし、いずれもイオンガイドとアパーチャとの間（図５の例では、領域２７）には高周波電場がないため、低真空雰囲気における気体分子にイオンが衝突してその進行方向が変化することがある。
【０００９】
このように、イオンガイドの導入によって質量分析器全体ではイオンの輸送効率が向上したものの、アパーチャ近傍では未だイオンの輸送効率がよくなかった。
【００１０】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、アパーチャ近傍におけるイオンの輸送効率を向上させ、これにより装置全体において高いイオンの輸送効率を得ることができるイオンガイドを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明に係るイオンガイドは、低真空室から高真空室へイオンを輸送する経路にあり、前記低真空室と前記高真空室との間に設けられる中間室に設置されるイオンガイドにおいて、
ａ）前記中間室内に、イオンの輸送方向に複数枚並置し、イオン光軸の周囲にイオン通過孔を設けた板状電極と、
ｂ）前記中間室と隣接する室との隔壁の一部として配置し、イオン光軸の周囲に細孔を設けた板状のアパーチャ電極と、
ｃ）前記複数枚の板状電極及びアパーチャ電極に高周波電圧を印加する高周波電源と、
を備えることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、イオン化室等の低真空室と質量分析室等の高真空室との間に、それらの中間の真空度に保持される１つ以上の中間室を備える装置を対象とする。本発明のイオンガイドは、その中間室に設けられるものである。１つの中間室は隔壁によって隣接する他の室と隔離される。ここで「隣接する他の室」（本明細書では、これを「隣接室」と呼ぶ）とは、他の中間室である場合と、低真空室又は高真空室である場合がある。また、１つの中間室には２つの隣接室が存在するが、以下では説明の都合上、一方の隣接室のみに着目して説明を行う。もちろん、他方の隣接室に対しても、以下の構成を同様に適用することができる。
【００１３】
以下、図６（ａ）を用いて本発明のイオンガイドについて説明する。１つの中間室３０内に、イオン光軸の周囲にイオンが通過する孔を設けた板状電極３２をイオンの輸送方向に複数枚並置する。
【００１４】
この板状電極３２を設けた中間室３０と隣接室３１との間の隔壁に、イオン光軸の周囲にアパーチャ３３ａを設けた板状電極（アパーチャ電極３３）を設置する。隔壁が導電性材料から成る場合は、隔壁とアパーチャ電極３３との間に絶縁体３４を設ける。アパーチャ３３ａは、中間室から隣接室へイオンを送出（又は隣接室３１から中間室３０へイオンを導入）しつつ、中間室３０と隣接室３１との間の真空度の差を維持する役割を持つ。
【００１５】
前記のように、板状電極３２のイオン通過孔はイオンの輸送量を高めるために大きい方が望ましく、アパーチャ電極３３のアパーチャ３３ａは中間室３０と隣接室３１との間の真空度の差を維持するために小さい方が望ましい。
【００１６】
これらの板状電極３２及びアパーチャ電極３３に高周波電源３６を接続する。図６（ａ）には２個の高周波電源を用い、隣り合う電極には相異なる高周波電源に接続する例を示した。このような２個の高周波電源からは、互いに位相が１８０°異なる高周波電圧が電極に印加される。この高周波電源の接続は、板状電極３２とアパーチャ電極３３とを区別せずに行う。このため、イオン光軸の周囲には整合性ある連続的な高周波電場が形成され、板状電極３２とアパーチャ電極３３は全体として協同してイオンガイドとしての役割を有する。
【００１７】
イオンガイド中を通過するイオンは、中間室内の気体分子等と衝突した時に、この高周波電場によってイオン光軸３５の周囲に引き戻される。この高周波電場が隣接室との境界にあるアパーチャ電極３３まで形成され、より多くのイオンが隣接室まで到達することができる。
【００１８】
ここまでは１つの中間室に着目して説明したが、図６（ｂ）に示すように２つ以上の中間室が連続して設けられる場合には、各中間室に複数の板状電極３２を並置し、各中間室との境界の隔壁にアパーチャ電極３３を設ける。そして、これらの板状電極３２及びアパーチャ電極３３に高周波電源３６を接続する。この構成により、複数の中間室に亘って整合性ある連続的な高周波電場が形成され、より多くのイオンがこの複数の中間室を通過し隣接室まで到達することができる。
【００１９】
更に、高周波電圧に重畳して各電極に異なる直流電圧を印加することにより、イオンの進行方向に電場勾配を形成してもよい。これによって、イオンを進行方向に加速することができる。また、この電場勾配の大きさを制御することによって、イオンの運動エネルギーを制御することができる。
【００２０】
そのような直流電圧を重畳するための一構成例を図７に示す。隣接する電極間に抵抗Ｒ１，Ｒ２．．．を接続し、直流電源３７から直流電圧を抵抗に印加することよって、各板状電極３２及びアパーチャ電極３３にそれぞれ異なる直流電位が与えられる。これによって各電極には、異なる直流電圧が高周波電圧に重畳されて印加される。直流電源３７が印加する直流電圧の大きさを制御することによって、各電極に印加される直流電圧の大きさを制御することができる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明に係るイオンガイドは、アパーチャ自体をイオンガイドの１構成要素である電極の１つとすることによって、アパーチャに至るまで整合性ある連続的な高周波電場が形成される。そのため、イオンガイドとアパーチャとの間における気体分子との衝突による損失が抑えられ、より多くのイオンがアパーチャを通過することができる。これにより、装置全体において高いイオンの輸送効率を得ることができる。このイオンガイドは、低真空領域から高真空領域へイオンを輸送する各種装置に好適に用いることができる。例えば、このイオンガイドを用いた質量分析器は、イオンの輸送効率が高いため、高い感度で分析を行うことができる。
【００２２】
【実施例】
本発明の一実施例として、本発明のイオンガイドを設けた液体クロマトグラフ質量分析装置について図８を用いて説明する。前記従来技術の質量分析装置と同様に、この質量分析装置は試料液をイオン化するイオン化室１１と分析室１４との間に第１中間室１２及び第２中間室１３を備え、これらの各室はイオン化室１１から分析室１４に向かって各室毎に真空度が高くなるように差動排気される。図８には、分析室１４内に四重極質量分析器を設ける例を示したが、もちろん分析室１４内には飛行時間型質量分析器等の他の質量分析器を設けてもよい。
【００２３】
脱溶媒パイプ１６の直後から第１中間室１２及び第２中間室１３に亘り、本発明に係るイオンガイドが以下のように設けられる。第１中間室１２内及び第２中間室１３内にはそれぞれ、直径５ｍｍのイオン通過孔を設けた板状電極３２が設置される。第１中間室１２と第２中間室１３との間及び第２中間室１３と分析室１４との間には、それぞれアパーチャ電極３３１及び３３２が設けられる。アパーチャ電極３３１及び３３２には、その両隣の室の真空度を維持し且つイオンを通過させるために直径３ｍｍあるいは直径５ｍｍのアパーチャ３３１ａ及び３３２ａが設けられる。
【００２４】
板状電極３２とアパーチャ電極３３１及び３３２に高周波電源を接続する。本実施例では２個の高周波電源３６１及び３６２を、隣り合う電極には互いに異なる高周波電源から電力が供給されるように接続する。高周波電源３６１及び３６２は互いに１８０°位相の異なる高周波電圧を電極に印加する。この高周波電圧の印加により、脱溶媒パイプ１６の直後からアパーチャ３３２ａに亘り、整合性ある連続的な高周波電場が形成される。
【００２５】
本実施例では更に、隣接する電極間に抵抗を接続し、直流電源３７から直流電圧を抵抗に印加することよって、各板状電極３２及びアパーチャ電極３３１及び３３２にそれぞれ異なる直流電位を供給し、イオンの進行方向に電場勾配を与える。
【００２６】
上記構成の質量分析装置におけるイオンの輸送について説明する。試料液がイオン化室１１内に噴霧され、更に脱溶媒パイプ１６を通過することによって、試料分子はイオン化される。脱溶媒パイプ１６の直後に最初の板状電極３２があり、且つ板状電極３２のイオン通過孔の直径（５ｍｍ）が脱溶媒パイプ１６の内径（０．３ｍｍ）よりも大きいため、脱溶媒パイプ１６を通過したイオンはイオン光軸３５に垂直な方向への拡散が小さいうちに最初の板状電極３２のイオン通過孔に導入される。そのため、脱溶媒パイプ１６と最初の板状電極３２との間での損失は十分小さい。
【００２７】
その最初の板状電極３２のイオン通過孔からアパーチャ３３２ａまで、前記のように整合性ある連続的な高周波電場が形成される。これによって、従来イオンの損失が生じていたアパーチャ周辺も含め、第１中間室１２及び第２中間室１３内において気体分子等と衝突してもイオン光軸３５の周囲に引き戻されるため、多くのイオンが分析室１４まで到達することができる。
【００２８】
また、高周波電圧に重畳させて各電極に印加した直流電圧が生成する電場勾配により、イオンはイオン光軸３５の進行方向に加速される。この電場勾配を設けなくとも、各室の真空度の差によってイオンをイオン化室１１から分析室１４まで輸送することは可能であるが、この電場勾配によってイオンを更に進行方向に加速することができる。この電場勾配の大きさを制御することによって、イオンの運動エネルギーを制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】質量分析装置の一構成例を表す図。
【図２】静電イオンレンズの一構成例を表す断面図。
【図３】従来の多極子構造のイオンガイドの一構成例を表す斜視図。
【図４】従来のリング状電極を用いたイオンガイドの一構成例を表す斜視図。
【図５】従来のイオンガイドにおいてイオンの散乱を受けやすい領域を表す図。
【図６】本発明に係るイオンガイドの一構成例を表す断面図。
【図７】本発明に係るイオンガイドの各電極に直流電圧を印加する一構成例を表す断面図。
【図８】本発明に係るイオンガイドを用いた質量分析装置の一実施例を表す図。
【符号の説明】
１１…イオン化室
１２…第１中間室
１３…第２中間室
１４…分析室
１５…ノズル
１６…脱溶媒パイプ
１７…四重極フィルタ
１８…イオン検出器
１９、２０…アパーチャ
２１、２２…イオンガイド
２３…静電イオンレンズ
２４…ポール電極
２５…リング状電極
２６…静電イオンレンズ
２８…隔壁
３０…中間室
３１…隣接室
３２…板状電極
３３、３３１、３３２…アパーチャ電極
３３ａ、３３１ａ、３３２ａ…アパーチャ
３４…絶縁体
３５…イオン光軸
３６、３６１、３６２…高周波電源
３７…直流電源

Claims

低真空室から高真空室へイオンを輸送する経路にあり、前記低真空室と前記高真空室との間に設けられる中間室に設置されるイオンガイドにおいて、
ａ）前記中間室内に、イオンの輸送方向に複数枚並置し、イオン光軸の周囲にイオン通過孔を設けた板状電極と、
ｂ）前記中間室と隣接する室との隔壁の一部として配置し、イオン光軸の周囲に細孔を設けた板状のアパーチャ電極と、
ｃ）前記複数枚の板状電極及びアパーチャ電極に高周波電圧を印加する高周波電源と、
を備えることを特徴とするイオンガイド。
前記板状電極及びアパーチャ電極にイオン加速用の直流電圧を重畳することを特徴とする請求項１に記載のイオンガイド。