JP2004119040A - High sensitivity supersonic speed molecule jet multiphoton absorption ionization mass spectroscopic apparatus - Google Patents

High sensitivity supersonic speed molecule jet multiphoton absorption ionization mass spectroscopic apparatus Download PDF

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Shunichi Hayashi
林 俊一
Tetsuya Suzuki
鈴木 哲也
Morihisa Saeki
佐伯 盛久
Makoto Sakai
酒井 誠
Masaaki Fujii
藤井 正明
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Nippon Steel Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high sensitivity supersonic speed molecule jet multiphoton absorption ionization mass spectroscopic apparatus which has excellent detection of ultramicroscopic gas, high boiling point gas or unstable gas existing in a high temperature furnace or a flue. <P>SOLUTION: The supersonic speed molecule jet multiphoton absorption ionization mass spectroscopic apparatus includes a pulse valve for introducing a sample gas into the apparatus, an ionization region for ionizing the gas discharged from the valve, an ion optical system for introducing ion generated in the ionization region to a detector, and an ion detector for detecting the ion drawn from the optical system. In this apparatus, a lead-out electrode of the system is formed in a protruding electrode shape. Opposed electrodes of the same shape are disposed at positively opposite positions of the electrodes, the pulse valve is disposed rear of the opposed electrodes. A cylindrical potential switch is disposed rear of the lead-out electrodes, the detector is further disposed rear of the potential switch, the detector is disposed rear of the switch, holes of the drawer electrodes and the opposed electrodes, a jet port of the valve, and the detector are coaxially disposed. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温炉、燃焼炉から放出される極微量ガス、高沸点を有するガス、不安定ガスを高感度で検出する超音速分子ジェット多光子吸収イオン化質量分析装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のダイオキシンの公定の測定・分析法は、厚生労働省のまとめた「ダイオキシン類の発生防止ガイドライン」の中で測定標準法として示されている。この方法は、ダイオキシン類を有機溶媒により抽出し、各種クロマトグラフィー法で濃縮・分離後、ガスクロマトグラフ質量分析法(GC/MS)によって分析するものである。この試験分析工程は、多大な計測時間とコストを必要とする。
一方、ダイオキシンをはじめとする有機塩素系化合物の人体への影響が強く懸念されている現在、焼却炉の設計や操業管理に必要な情報を得るといった例を一つとっても、極微量有機塩素化合物を選択的かつ定量的にオンサイト実時間分析可能な新評価技術の開発が望まれている。
【0003】
一般に、有機分子は、その分子骨格に起因する電子状態を持ち、その状態に振動準位や回転準位などが複雑に相互作用していく。赤外線、紫外線等を利用した吸収分光法は、このような有機分子の分子骨格の違いによる光吸収を利用して、存在する分子種を特定する方法である。この分子固有の励起状態を利用して、リアルタイムに有機分子を選択、検出することを可能にすると期待されているのが、超音速分子ジェット多光子吸収イオン化質量分析(Jet−REMPI)法である。Jet−REMPI法は、公定法のような濃縮前処理技術を必要とせず、高感度かつ高化学種選択性をもって検出できる分析法として注目されつつある。この原理を簡単に述べる。
【0004】
Jet−REMPI法は、共鳴多光子吸収イオン化(REMPI)法と超音速分子ジェット(Jet)法を組み合わせた方法である。
共鳴多光子吸収イオン化(REMPI:Resonance Enhanced Multi−Photon Ionization)法とは、レーザ光で有機分子を励起する際、注目分子特有の励起準位にレーザ波長を同調させることで、特定分子種のみを選択的にイオン化(共鳴多光子吸収イオン化)させ、イオンを質量分析計を用いて検出する方法である。光吸収によって試料をイオン化するには、吸収断面積(吸収効率)の観点から吸収スペクトルで観測されるピーク付近の波長を利用する。しかし、常温、常圧の有機化合物の吸収スペクトルのピーク幅は、振動・回転準位からの遷移が重なるために幅広くなり、構造が似通った異性体の吸収ピークを分離することはできない。一方、この分子を絶対零度付近(数K)まで冷却すると、振動や回転していない真の基底状態に電子が位置するようになり、また遷移の選択率によって特定の準位にのみ励起されるようになるため、数本の鋭いピークのみが観測されるようになる。ピーク幅は冷却された温度によって決まるが、通常0.01nm程度である。この程度のピーク幅であれば、波長可変レーザを用いることによって構造が非常に似通った異性体でも選択的に励起、イオン化することができる。
【0005】
超音速分子ジェット(Jet)法とは、分子を極低温まで冷却する一つの方法である。この方法は、気化させた試料分子をヘリウムやアルゴンなどの希ガスと共にピンホールから真空中に噴出させて、断熱膨張冷却および希ガスとの衝突により、試料分子を絶対零度付近まで瞬時に冷却する方法である。分子の速度が音速の数十倍に達するため、超音速分子ジェット法と呼ばれている。
このように、超音速分子ジェット多光子吸収イオン化質量分析(Jet−REMPI)法とは、注目分子の振動・回転準位を凍結し、その注目分子の共鳴励起準位に波長可変レーザのエネルギーを同調させることで、特定分子のみ選択的にイオン化し、質量分析する方法である。
【0006】
一般的なJet−REMPI装置は、図1に示すように、レーザイオン化領域5を通常2枚メッシュを中心に置く平行平板型電極(押し出し電極(対向電極)7、引き出し電極1)に挟まれた空間に置く。メッシュを置くのは、引き出し電極1において、発生したイオンを高い透過率で質量分析計に導入することができることと、平行平板型電極で形成される電場を乱さないためである。したがって、正対する押し出し電極(対向電極)7もメッシュを有する平板電極となっている。
【0007】
パルスバルブ10から噴出された粒子をレーザイオン化領域5に導入する。色素レーザから発生した可視光(ω)を非線形光学結晶を用いて、注目する分子の選択励起波長である第2高調波(ω/2)を発生させ、レーザイオン化領域5に挿引する。これにより、注目分子のみの選択的なイオン化を起こさせることができる。発生したイオンは、平行平板型の電極1、7により加速され、アインツェルレンズ4、ディフレクタ11、12を通して、収束され、偏向されて検出器13に到達する。検出されたイオン信号は、抵抗分割器14を通してプリアンプ15で増幅されデジタルオシロスコープ16で計測される。あるいは、BOXCAR積分器17で信号積算される。また、積分信号強度のレーザ波長依存性をパーソナルコンピュータ18で観察する。
【0008】
このような特徴を持つJet−REMPI法を有害有機化合物のオンライン・リアルタイム分析法として利用する試みが近年活発に検討され始めており、Oserらにより、約10pptのジクロロダイオキシンを検出できることが報告されている(例えば、非特許文献1参照)。
一方、ダイオキシンを初めとする有害有機化合物の規制濃度は、pptからppqレベルとなり、更なる高感度化を検討する必要がある。なお、上記のダイオキシンの分析に限らず、一般のガス分析においても高感度分析装置の開発が切望されている。
【0009】
【非特許文献1】
H. Oser, R. Thanner, H. H. Grotheer, B. K. Gillett, N. B. French, and D. Natscke, Proc. 16th Int. Conf. on Incineration and Thermal Treatment Technologies (1997).
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した従来の問題点を解決すべく、超音速分子ジェット多光子吸収イオン化質量分析(Jet−REMPI)法において、更なる高感度分析可能な装置を提供することを課題とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上述のように、ダイオキシンを初めとする有害有機化合物の規制濃度は、pptレベルからppqレベルとなり、更なる高感度化を検討する必要がある。しかしながら、従来の超音速分子ジェット多光子吸収イオン化質量分析(Jet−REMPI)装置では、検出器に到達するのはパルスイオン化源でイオン化した全てのイオンであるため、注目する分子の信号が数え落とされる可能性が高く、また、これを避けるためにパルスイオン化源の出力を下げると超微量成分の信号が検出できないなどの問題があった。
【0012】
これに対して、本発明者らは、特願2001−207261号において、従来のJet−REMPI装置の問題点を解決すべく、発生したイオンを効率よく検出器に導入し、高いイオン検出効率を達成するシステムを提案している。即ち、該装置のイオン光学系が、発生したイオンを効率よく検出器に導く出鼻形状の引き出し電極を有し、その効率をより高く、かつノイズをより抑制するために設けた対向電極、静電メッシュ、ガイド電極を有する構成であり、発生したイオンを選択検出することで質量分析計の飽和を避け、より定量的かつ高感度に、注目するイオンを検出する特徴を有するシステムである。
しかし、本発明者らが特願2001−207261号で提案しているJet−REMPI装置であっても、試料ガスを質量分析計に対して直交した方向に噴射するため、質量分析計と直交する方向に分子流を噴射した場合、分子の運動量がわずかにレーザイオン化した粒子の軌道に影響し、質量分析計に導入される効率に影響を与えるという問題点があった。
【0013】
そこで、本発明者らは、上述した問題点を解決すべく、試料ガスを検出器に効率よく導入する光学系、即ち、試料ガスを質量分析計に向かって噴射させる光学系について検討すべく、従来の通常2枚メッシュを中心に置く平行平板型電極(押し出し電極(対向電極)、引き出し電極)で構成されたJet−REMPI装置において、レーザイオン化領域に試料ガスを導入し、質量分析計に正対した形で分子流を発生させる実験を試みた。
【0014】
質量分析計に正対した形で分子流を発生させるには、押し出し電極(対向電極)上流側にスキマーまたはパルスバルブを設置する必要がある。しかし、押し出し電極(対向電極)上流側にスキマーまたはパルスバルブを設置し、メッシュを有する引き出し電極に向かって分子流を噴射させると、分子がメッシュに衝突し分子運動が冷却されにくくなることや、吸着分子の再放出とそのイオン化によるノイズの発生、絶縁破壊などが起こってしまう。そこで、本発明者らは、押し出し電極(対向電極)の中心から静電メッシュをはずして孔を開けたままの構造とし、分子との衝突のない構造に変更した。しかし、メッシュの無い孔を有する平板型電極では、孔周囲に電界の乱れ(レンズ効果)が現れて、さらに、押し出し電極(対向電極)の孔径、およびノズル先端と押し出し電極(対向電極)の距離により、ビームの広がりは大きく変化する。
【0015】
そこで、さらに、本発明者らは、ノズル先端(口径0.5mm)と押し出し電極(対向電極)との距離を5mmに固定してイオン軌道計算を行った。なお、5mmに固定した理由は、これ以上近づけると、パルスバルブまたはスキマー(接地)と押し出し電極(対向電極)(3kV印加)との間で放電が起こりやすくなるためである。この条件で押し出し電極(対向電極)の孔径を6mmとした場合、レーザイオン化した粒子のビーム径は、静電反射飛行時間型質量分析計の検出器上で1.5mm程度となり、前記孔径を10mmとした場合には2.0mmとなることがわかった。孔径を更に大きくすると、更にビーム径が広がり、検出器の有効径を超えてしまう可能性がある。一方、孔径を大きくすることで、分子ジェットをレーザイオン化領域に障害なく導入することができる。本発明者らは、以上の理由から、ノズル先端と押し出し電極(対向電極)との距離を両者間で放電の起きない最近接距離とした場合に、押し出し電極(対向電極)の孔径をノズル口径以上10mm以下とすることで、押し出し電極(対向電極)の孔周囲の電界の乱れを十分小さく抑えることができ、注目する有機化合物を高感度に検出できることを見出した。
【0016】
また、本発明者らは、特願2001−207261号で提案した出鼻形状の電極を使用し、対向電極上流側にスキマーまたはパルスバルブを設置し、対向電極のホールから引き出し電極のホールに向かって分子流を噴射し、同軸上に配置された検出器で測定することで、上記従来型の平行平板型に比べ、イオン捕集効率をより高くすることができることを見出した。
さらに、本発明者らは、焼却炉内や煙道内の雰囲気をそのまま検出可能なガス導入部の構造について検討した結果、スキマーまたはオリフィスを用いた差動排気チャンバを付属させることで、検出系の真空度を保持しつつ、注目する有機化合物を高温反応炉内の濃度を反映した形で高感度に検出できることを見出した。
【0017】
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、その要旨は以下のとおりである。
(1) 試料ガスを装置内に導入するパルスバルブと、該パルスバルブから放出された試料ガスをイオン化するイオン化領域と、該イオン化領域にて発生したイオンを検出器に導入するイオン光学系と、該イオン光学系から引き出されたイオンを検出するイオン検出器を具備する超音速分子ジェット多光子吸収イオン化質量分析装置であって、前記イオン光学系の引き出し電極が出鼻形状であり、引き出し電極の正対する位置に同一形状の対向電極を配置し、該対向電極の後方にパルスバルブを配置し、前記引き出し電極の後方に円筒状のポテンシャルスイッチを配置し、さらにその後方に前記検出器を配置し、かつ、前記引き出し電極および対向電極の孔、前記パルスバルブの噴射口、前記検出器を同軸上に配置することを特徴とする高感度超音速分子ジェット多光子吸収イオン化質量分析装置。
(2) 試料ガスを装置内に導入するパルスバルブと、該パルスバルブから放出された試料ガスをイオン化するイオン化領域と、該イオン化領域にて発生したイオンを検出器に導入するイオン光学系と、該イオン光学系から引き出されたイオンを検出するイオン検出器を具備する超音速分子ジェット多光子吸収イオン化質量分析装置であって、前記イオン光学系の引き出し電極が孔および孔部にメッシュを有する平板形状であり、引き出し電極の正対する位置に同一形状の孔を有する対向電極を平行に配置し、該対向電極の後方にパルスバルブを配置し、前記引き出し電極の後方に前記検出器を配置し、かつ、前記引き出し電極および対向電極の孔、前記パルスバルブの噴射口、前記検出器を同軸上に配置することを特徴とする高感度超音速分子ジェット多光子吸収イオン化質量分析装置。
(3) 前記パルスバルブが、ゲートバルブを介して、煙道と接続されているガス導入室の構造を有することを特徴とする前記(1)または(2)に記載の高感度超音速分子ジェット多光子吸収イオン化質量分析装置。
(4) 前記ガス導入室が、さらに、ガス導入弁を介して不活性ガス供給装置と接続されていることを特徴とする前記(3)に記載の高感度超音速分子ジェット多光子吸収イオン化質量分析装置。
(5) 前記ガス導入室内あるいは前記ゲートバルブの直前の煙道内にフィルターが設置されていることを特徴とする前記(3)に記載の高感度超音速分子ジェット多光子吸収イオン化質量分析装置。
(6) 前記試料ガスが、高温炉、燃焼炉から放出されるガスであることを特徴とする前記(1)または(2)に記載の高感度超音速分子ジェット多光子吸収イオン化質量分析装置。
(7) 前記試料ガスが、飛灰を含有することを特徴とする前記(6)に記載の高感度超音速分子ジェット多光子吸収イオン化質量分析装置。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を以下に説明する。なお、本発明はここで示した諸条件に限定されるものではない。
本発明に係るJet−REMPI装置のイオン光学系の概要について説明する。本発明に係るイオン化領域を構成する電極には、従来の平行平板型、または本発明者らが特願2001−207261号で提案した出鼻形状の電極を使用する。出鼻形状の電極は、従来型の平行平板型に比べ、イオン捕集効率をより高くすることができる。さらに、後述のように電極内でレーザイオン化ビームを一度焦点を結ばせることができるため、ガス導入部に差動排気システムを構成し、真空度を高く保持できるため、質量分析計への負荷も小さく、スキマーまたはオリフィスを利用した連続ガス導入システムにとって有利である。また、ノイズをより抑制するために設けた対向電極、静電メッシュ、ガイド電極を有すると共に、発生したイオンを選択検出することで、質量分析計の飽和を避け、より定量的かつ高感度に注目する粒子を検出することができる。
【0019】
まず、本発明に係る出鼻形状の電極を用いたイオン光学系の概要を示す。図2に、本発明に係る出鼻形状の電極を用いたイオン光学系の概要を示す。
引き出し電極1は、出鼻形状を持ち、その外側に、同心円状に引き出し電極1を包囲する円筒状のガイド電極2を有する。また、その外側を円筒状の静電メッシュ3が包囲している。また、引き出し電極1の後段には、アインツェルレンズ4が設置されている。レーザイオン化領域5を中心にして、引き出し電極部の左右対称の位置に引き出し電極と共有する4本の支持棒6によって、対向電極7が設置されている。対向電極7は、引き出し電極1と同様に、ガイド電極2′および静電メッシュ3′、アインツェルレンズ4′を有し、対向電極7の後段に、パルスバルブ10が取り付けられている。
【0020】
パルスバルブ10は接地電位にて動作させるため、押し出し電極(対向電極)7との絶縁を保持する。ここでは、円筒状テフロン(登録商標)ブロック19の中心に対向電極7の孔径と同等の大きさの孔を通したものをパルスバルブ10のノズル孔の中心と同心円状に貼り付けて固定した。この材質は、テフロンに限られるものではなく、真空中での脱ガスが少なく、絶縁性の高く、加工精度が得られやすく、孔空けを行っても変形しないものであれば何でも良い。また、形状はブロック状でもディスク状でもかまわない。さらに、孔径は、絶縁性を保ち、試料ガスの噴射を阻害するものでなければ特に限定はない。
【0021】
対向電極7のアインツェルレンズ4′は、イオン検出には寄与しないが、引き出し電極1内のアインツェルレンズ4が故障した際に、レンズ交換を即座に行えるように付与している。これら1対の電極(引き出し電極1、対向電極7)はレーザイオン化領域5を中心に完全に対称な位置に設置される必要があり、かつ両者の出鼻電極中心のホールは、引き出し電極1の後段にあるアインツェルレンズ4のホールの中心、Y軸ディフレクタ11、X軸ディフレクタ12、ポテンシャルスィッチ9の中心、そしてパルスバルブ10のノズル孔、テフロンブロック19の孔と同軸上にある。二つの静電メッシュ3、3′は5〜100mm程度離しておく。好ましくは5〜20mm程度であり、レーザイオン化領域からイオンを最も効率よく取り込むには10mm程度が最適である。
【0022】
パルスバルブ10より、超音速分子ジェット流が噴射される。二つの電極のホール部は常に同軸上にあり、ホール間距離の中点にレーザイオン化領域5が位置する。引き出し電極1と対向電極7は、レーザイオン化領域5を中心に1対の対称な構造を持ち、この構造が崩れると電場が崩れ、イオンを高い効率で検出器に到達させることができない。従って、支持棒6により、この2つの電極を保持した位置関係を保つ必要がある。
【0023】
レーザイオン化領域5の真空度は、レーザにより発生したイオンの検出器に到達するまでの生き残り確率を大きくするために10−2Pa以下にする必要がある。また、検出器の雑音を軽減するためには、質量分析計内において10−5Pa以下の真空度が必要となる。したがって、差動排気を行ったとしても、レーザイオン化室の真空度は10−3Pa程度が必要である。一方、レーザイオン化領域に導入する粒子数をより多くすることが高感度化にとって重要である。以上のことより、レーザイオン化室の真空度は、10−3Pa程度が最適である。
【0024】
アインツェルレンズ4の後段には、ポテンシャルスィッチ9が設置されている。ポテンシャルスィッチとは、円筒形状の電極である。ここで、一般的な測定条件である対向電極+2kV、引き出し電極−2kV印加した場合で考えてみることにする。−2kVで引き出されたイオンは、ポテンシャルスィッチ9が接地されていると、反発電位を感じ、ポテンシャルスィッチ9の空洞内で彷徨い、質量分析計の方に引き出されてこない。一方、ポテンシャルスィッチ9に−2kVが印加されていれば、イオンは引き出し電極1と同電位のポテンシャルスィッチ9の中を等速で通過していく。しかし、ポテンシャルスィッチ9の出口を出た瞬間、ほぼ無電位のディフレクタ11、12や接地されている質量分析計を感じ、やはり飛散して検出器に到達できない。
【0025】
そこで、本発明者らは、特願2001−207261号で、円筒形状のポテンシャルスイッチ9にパルス状の高電圧を印加することを提案しており、これにより、上述した問題は解決できる。つまり、注目する粒子が−2kVを印加したポテンシャルスィッチ9内に到達した時間に、ポテンシャルスイッチ9の電位をパルス状に接地電位まで昇圧することで達成できる。即ち、ポテンシャルスィッチ9内に到達したイオンは、−2kVの電位で等速運動しているが、パルス状に接地電位まで昇圧される結果、ポテンシャルスィッチ9の出口では、ディフレクタ11、12、質量分析計の接地電位を感じることなく等速運動を継続し、検出器に到達する。
【0026】
図3に、本発明に係る出鼻形状の電極を用いた際のレーザイオン化された正イオンのイオン軌道シミュレーション結果を示す。前述した電圧を印加した条件をSIMION7.0を用いてシミュレーションしたものであるが、生成したイオンは、引き出し電極1内部で焦点を結び、アインツェルレンズ4で平行ビームとなり、質量分析計に導入される。従って、出鼻形状の引き出し電極1内部のイオンの焦点付近にイオンが十分通過できるオリフィスを設置することで、イオン化領域と質量分析計の間で差動排気を行うことが可能となる。このように、質量分析計内の真空度を保持し、信号ノイズの低い測定条件を得るために差動排気を利用しやすい出鼻電極は非常に有効である。
【0027】
次に、本発明に係る平行平板型電極を用いたイオン光学系の概要を示す。図4に、本発明に係る平行平板型電極を用いたイオン光学系の概要を示す。
平行平板電極の押し出し電極(対向電極)7には、中心部の孔にメッシュはなく、引き出し電極1側のみにメッシュを貼っている。また、押し出し電極(対向電極)7の孔径は、前述したように、ノズル先端と押し出し電極(対向電極)との距離を両者間で放電の起きない最近接距離とした場合に、検出器にイオンが十分収束できる条件とする。また、押し出し電極(対向電極)7の後方には、パルスバルブ10が設置されている。
【0028】
パルスバルブのヘッド部の径は通常、押し出し電極(対向電極)7と比較してかなり小さいため、このままで、押し出し電極(対向電極)7に電圧を印加すると、形状の不均一性から電場の乱れが発生する。そのため、パルスバルブ10のヘッド部に押し出し電極(対向電極)7とほぼ同一の形状のディスク20を取り付けた。ディスク20の中心には孔を開け、パルスバルブのノズル孔を遮蔽しないようにした。また、分子ジェットにディスクが衝突しないように、できるだけ大きな径の孔とし、端部にはテーパー(緩やかな斜め研磨)を施した。このディスクの材質は、金属、セラミックス、テフロン等の有機物でもかまわない。
【0029】
次に、本発明のJet−REMPI装置のガス導入部について説明する。
煙道より導入されるガスは、ほぼ大気と同じ組成となっており、分子ジェットにおける冷却効率が悪いため、分子選択性が劣化する恐れがある。この場合、煙道より導入されるガスの雰囲気を不活性ガスによって特定濃度に希釈することにより、冷却効率を向上させることができる。分子流の冷却には、比熱の大きい不活性ガス(希ガス)が最も優れた媒質となり、He、Ne、Ar、Xeが好適である。一般に、超音速分子ジェットは、注目する有機化合物を含むHeガスを用いる。
【0030】
本発明では、ガス導入室内にガス導入弁を設置する。図5には、本発明に係る煙道からガス導入室までの概要の一例を示す。図5に示すように、ガス導入室内にガス導入弁21を設置する。煙道22からの被検体ガスはゲートバルブ24を介して配管を経由して試料導入室に導入される。希ガスボンベ26からマスフローメータ25により流量を制御された希ガスはガス導入弁21から導入され、被検体ガスとガス導入室内で混合され、パルスバルブ10に導入される。これにより、特定有機化合物の検出限界の把握や定量下限の決定も併せて検討できる。
【0031】
上述の本発明の技術は、高温炉内あるいは煙道内の超微量ガス、高沸点ガス、不安定ガスの検出に関するものであるが、煙道内には、前記ガス成分の他に、飛灰などの固形成分も対流している。このような固形成分は、パルスバルブの目詰まりの問題を引き起こしたり、真空槽の汚染源となるため、ガス導入室あるいはその直前の煙道内にフィルター23を設置し、真空槽に導入される前に、固形成分を除去できるようにしている。さらに、フィルター23を加熱することにより、ガス成分の吸着や水分の凝結を防ぐことができる。加熱温度は、一般に、煙道における雰囲気ガス温度とほぼ一致させる方がよい。特に、100℃以上の場合、フィルターを加熱することで、水分の凝結を防ぐことができる。フィルターは、200℃以上の加熱に耐え、メッシュ状に加工できること、酸に対する耐性があることなどの特徴があれば、どのような材料を用いてもよい。また、このフィルターは交換可能なものであることが好ましい。本発明では、後述の実施例において、ステンレスワイアで作製した40〜200μmのメッシュからなるフィルター23にガス成分が吸着されないように、フィルター自身を170℃程度に加熱・保持して用いた。
【0032】
パルスバルブから放出された有機分子に、レーザを照射してイオン化する。レーザは、一般に、ナノ秒のパルス幅を持つNd3+:YAGレーザで励起された色素レーザが用いられる。挿引する波長は、注目する分子の電子励起エネルギー準位によって変化させる必要がある。例えば、クロロベンゼンでは269.8nm、p−クロロフェノールでは287.2nmである。従って、注目する化合物により色素レーザの波長を同調し、場合によっては色素を交換する必要がある。近年、オプティカルパラメトリック発信器(Optical Parametric Oscilater:OPO)が開発され、2μm〜200nmの波長範囲で連続的にレーザ光の波長を挿引できるようになってきている。
【0033】
一方、2,3,7,8−テトラクロロダイオキシンに代表されるように、毒性の高い環境ホルモンは多環多ハロゲン芳香族が少なくない。多数のハロゲン原子が芳香族環と結合した化合物は、レーザ光を吸収して最低励起状態に励起される際に一重項状態から三重項状態への項間交差が起こり、最終的にフラグメンテーション(開裂)してしまう。これを重原子効果と呼ぶ。重原子効果により、これら多環多ハロゲン芳香族分子のレーザイオン化確率は極端に低下することが知られている。この重原子効果を抑制するには、項間交差の緩和寿命である数〜数100psec以下のレーザ光パルス幅を該分子に照射する必要がある。しかし、パルス幅を極端に短くすると、不確定性原理よりレーザ光のエネルギー分解能が反比例して大きくなる。エネルギー分解能の低下は、分子選択性、構造異性体選択性を失わせる可能性がある。そこで、エネルギー分解能が構造異性体選択性を保持しうる5cm−1程度となる3psecを最短として10nsecまでのパルス幅の波長可変レーザを用いる方が良い。
【0034】
イオン化された有機分子は、飛行時間型質量分析計(Time−of−Flight Mass Spectrometry:TOF−MS)により、質量分析され検出されるため、異性体などは共鳴波長の違いにより選別され、異なる質量数を持つ異なる有機分子は分離可能である。また、静電反射型TOF−MSを用いることで、パルスバルブ近傍や引き出し電極に衝突して発生したイオンなどを分離し、検出器に到達させずに雑音を低減することができる。
【0035】
【実施例】
以下に、本発明を実施例に基づいて説明する。
(実施例1)
希ガスにHeを用いて、クロロベンゼンの検出量とガス中のクロロベンゼンの濃度との相関を測定した。測定には、図4に示すような、同軸方向にパルスバルブを設置し、平行平板電極形状のイオン光学系を用い、パルスバルブとレーザイオン化領域との間の距離を25mmとした。Heガスをガス導入弁の流量を制御することで、He中のクロロベンゼン濃度を変化させた。スキマーから導入されるHe希釈のクロロベンゼン濃度は、パーミエーターを用いて定量化した。パーミエーター中のガスとガス導入弁のガスをガス導入室に混合し、パルスバルブを用いてJet−REMPI装置に導入し、濃度と検出信号の相関を得た結果を図6に示す。
【0036】
なお、比較例1として、図1に示すような平行平板電極の上方にパルスバルブを設置した従来の直交型のJet−REMPI装置(パルスバルブ−レーザイオン化領域間距離:55mm)で、同様の実験を行った結果を図6に併せて示す。
図6からわかるように、本発明の同軸型のイオン光学系では従来の直交型と比較して5倍程度の高感度化が達成されている。これは、同軸型とすることで、パルスバルブ−レーザイオン化領域間距離が短くできるために、高濃度の分子流をレーザイオン化領域に導入できることが大いに影響していると考えられる。図からわかるように、非常に直線性の高い検量線が得られることが確かめられ、信号/雑音比から検出限界は従来の10ppt以下から、約2pptまで低減された。
【0037】
(実施例2)
実施例1と同様の方法で、希ガスにHeを用いて、クロロベンゼンの検出量とガス中のクロロベンゼンの濃度との相関を測定した。測定には、図2に示すような、出鼻電極を用いて、パルスバルブ−レーザイオン化領域との間の距離を13mmとした。また、比較例2として、特願2001−207261号に示した出鼻電極を用いた直交型のJet−REMPI装置(パルスバルブ−レーザイオン化領域間距離:25mm)で同様の実験を行った。これらの結果を図7に併せて示す。図からわかるように、5倍程度の感度向上が確認された。
この理由は、実施例1および比較例1で示したように、平行平板電極の場合も同様な感度向上が見られたが、さらに同軸型にすることにより、パルスバルブ−レーザイオン化領域間距離をほぼ半減することができたことに起因すると考えられる。ジェットの分子流濃度は、距離の2乗に反比例すると考えられることから、ほぼ納得できる結果であると言える。
【0038】
【発明の効果】
本発明により、高温炉あるいは煙道内に存在する超微量ガス、高沸点ガス、不安定ガスの検出に優れた超音速分子ジェット多光子吸収イオン化質量分析装置が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】超音速分子ジェット多光子吸収イオン化質量分析装置の概要図である。
【図2】本発明に係る出鼻形状の電極を用いたイオン光学系の概要図である。
【図3】本発明に係る出鼻形状の電極を用いた際のレーザイオン化された正イオンのイオン軌道シミュレーション結果である。
【図4】本発明に係る平行平板電極を用いたイオン光学系の概要図である。
【図5】本発明に係る煙道からガス導入室までの概要図である。
【図6】本発明に係る同軸型平行平板型電極を用いた高感度超音速分子ジェット多光子吸収イオン化質量分析装置で得られたモノクロロベンゼンの検量線である。
【図7】本発明に係る同軸型出鼻形状電極を用いた高感度超音速分子ジェット多光子吸収イオン化質量分析装置で得られたモノクロロベンゼンの検量線である。
【符号の説明】
1   : 引き出し電極      2、2′: ガイド電極
3、3′: 静電メッシュ      4、4′: アインツェルレンズ
5   : レーザイオン化領域   6   : 支持棒
7   : 対向電極        8   : ガイド電極
9   : ポテンシャルスィッチ  10  : パルスバルブ
11  : Y軸ディフレクタ    12  : X軸ディフレクタ
13  : 検出器         14  : 抵抗分割器
15  : プリアンプ
16  : ディジタルオシロスコープ
17  : BOXCAR積分器
18  : パーソナルコンピュータ
19  : テフロンブロック    20  : ディスク
21  : ガス導入弁       22  : 煙道
23  : フィルター       24  : ゲートバルブ
25  : マスフローメータ    26  : 希ガスボンベ
27  : レーザ光
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a supersonic molecular jet multiphoton absorption ionization mass spectrometer for detecting a trace amount of gas, a gas having a high boiling point, and an unstable gas emitted from a high-temperature furnace or a combustion furnace with high sensitivity.
[0002]
[Prior art]
The conventional official measurement and analysis method of dioxin is shown as a standard measurement method in the "Guidelines for Prevention of Dioxins" compiled by the Ministry of Health, Labor and Welfare. In this method, dioxins are extracted with an organic solvent, concentrated and separated by various chromatographic methods, and then analyzed by gas chromatography / mass spectrometry (GC / MS). This test analysis process requires a great deal of measurement time and cost.
On the other hand, at present, there is a strong concern that the effects of organic chlorine compounds such as dioxins on the human body are insignificant. The development of a new evaluation technique that enables selective and quantitative on-site real-time analysis is desired.
[0003]
In general, an organic molecule has an electronic state due to its molecular skeleton, and a vibration level, a rotational level, and the like interact in a complicated manner in that state. Absorption spectroscopy using infrared rays, ultraviolet rays, or the like is a method of identifying existing molecular species by utilizing light absorption due to the difference in molecular skeleton of organic molecules. The supersonic molecular jet multiphoton absorption ionization mass spectrometry (Jet-REMPI) method is expected to be able to select and detect an organic molecule in real time by utilizing the excited state inherent to the molecule. . The Jet-REMPI method is attracting attention as an analytical method that does not require a pretreatment method for concentration like the official method and can detect with high sensitivity and high chemical species selectivity. This principle will be briefly described.
[0004]
The Jet-REMPI method is a method that combines the resonance multiphoton absorption ionization (REMPI) method and the supersonic molecular jet (Jet) method.
Resonance enhanced multi-photon ionization (REMPI) is a technique in which, when an organic molecule is excited by laser light, only a specific molecular species is tuned by tuning a laser wavelength to an excitation level peculiar to a molecule of interest. In this method, ions are selectively ionized (resonant multiphoton absorption ionization) and ions are detected using a mass spectrometer. In order to ionize a sample by light absorption, a wavelength near a peak observed in an absorption spectrum is used from the viewpoint of an absorption cross section (absorption efficiency). However, the peak width of the absorption spectrum of an organic compound at normal temperature and normal pressure becomes wider due to the overlap of transitions from vibrational and rotational levels, and it is not possible to separate the absorption peaks of isomers having similar structures. On the other hand, when this molecule is cooled to near absolute zero (several K), the electrons are located in the true ground state without vibration or rotation, and are excited only to a specific level by the selectivity of transition. As a result, only a few sharp peaks are observed. The peak width is determined by the cooling temperature, but is usually about 0.01 nm. With this peak width, isomers having very similar structures can be selectively excited and ionized by using a wavelength tunable laser.
[0005]
The supersonic molecular jet (Jet) method is one method of cooling molecules to extremely low temperatures. In this method, vaporized sample molecules are ejected into a vacuum from a pinhole together with a rare gas such as helium or argon, and the sample molecules are instantaneously cooled to near absolute zero by adiabatic expansion cooling and collision with the rare gas. Is the way. Since the speed of molecules reaches several tens of times the speed of sound, it is called the supersonic molecular jet method.
As described above, the supersonic molecular jet multiphoton absorption ionization mass spectrometry (Jet-REMPI) method freezes the vibration / rotation level of a molecule of interest and assigns the energy of a tunable laser to the resonance excitation level of the molecule of interest. This is a method in which only specific molecules are selectively ionized by tuning, and mass analysis is performed.
[0006]
In a general Jet-REMPI apparatus, as shown in FIG. 1, a laser ionization region 5 is usually sandwiched between parallel plate electrodes (extrusion electrode (opposite electrode) 7, extraction electrode 1) centered on two meshes. Put in space. The mesh is provided so that the ions generated in the extraction electrode 1 can be introduced into the mass spectrometer with high transmittance, and that the electric field formed by the parallel plate type electrodes is not disturbed. Therefore, the push-out electrode (opposite electrode) 7 facing directly is also a plate electrode having a mesh.
[0007]
The particles ejected from the pulse valve 10 are introduced into the laser ionization region 5. Using a nonlinear optical crystal, a visible light (ω) generated from a dye laser is used to generate a second harmonic (ω / 2), which is a selective excitation wavelength of a molecule of interest, and is inserted into a laser ionization region 5. Thereby, selective ionization of only the molecule of interest can be caused. The generated ions are accelerated by the parallel plate type electrodes 1 and 7, converged and deflected through the Einzel lens 4 and the deflectors 11 and 12, and reach the detector 13. The detected ion signal is amplified by a preamplifier 15 through a resistance divider 14 and measured by a digital oscilloscope 16. Alternatively, the signal is integrated by the BOXCAR integrator 17. The dependence of the integrated signal intensity on the laser wavelength is observed by the personal computer 18.
[0008]
Attempts to use the Jet-REMPI method having such characteristics as an on-line real-time analysis method for harmful organic compounds have been actively studied in recent years, and Oser et al. Report that about 10 ppt of dichlorodioxin can be detected. (For example, see Non-Patent Document 1).
On the other hand, the regulated concentration of harmful organic compounds such as dioxin is changed from ppt to ppq level, and it is necessary to consider further increasing the sensitivity. It should be noted that the development of a high-sensitivity analyzer is strongly desired not only for dioxin analysis but also for general gas analysis.
[0009]
[Non-patent document 1]
H. Oser, R .; Thanner, H .; H. Grotheer, B.S. K. Gillett, N.W. B. French, and D.C. Natscke, Proc. 16 th Int. Conf. on Inclusion and Thermal Treatment Technologies (1997).
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide an apparatus capable of further high-sensitivity analysis in supersonic molecular jet multiphoton absorption ionization mass spectrometry (Jet-REMPI) in order to solve the conventional problems described above.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
As described above, the regulated concentration of harmful organic compounds such as dioxin changes from the ppt level to the ppq level, and it is necessary to consider further increasing the sensitivity. However, in a conventional supersonic molecular jet multiphoton absorption ionization mass spectrometer (Jet-REMPI) apparatus, since all ions ionized by the pulse ionization source reach the detector, the signal of the molecule of interest is not counted. If the output of the pulse ionization source is reduced to avoid this, there is a problem that a signal of an ultra-trace component cannot be detected.
[0012]
On the other hand, the present inventors have disclosed in Japanese Patent Application No. 2001-207261, in order to solve the problems of the conventional Jet-REMPI device, efficiently introduce generated ions into a detector, and achieve high ion detection efficiency. Propose a system to achieve. That is, the ion optical system of the device has a nose-shaped extraction electrode that efficiently guides generated ions to the detector, the efficiency is higher, and a counter electrode provided to further suppress noise, an electrostatic electrode, This system has a mesh and a guide electrode, and has a feature of avoiding saturation of the mass spectrometer by selectively detecting generated ions, and detecting ions of interest more quantitatively and with high sensitivity.
However, even with the Jet-REPMI apparatus proposed by the present inventors in Japanese Patent Application No. 2001-207261, since the sample gas is injected in a direction orthogonal to the mass spectrometer, it is orthogonal to the mass spectrometer. When a molecular flow is jetted in the direction, there is a problem that the momentum of the molecule slightly affects the trajectory of the laser ionized particles, which affects the efficiency introduced into the mass spectrometer.
[0013]
Therefore, the present inventors, in order to solve the above-mentioned problems, to study an optical system for efficiently introducing the sample gas to the detector, that is, to study an optical system for ejecting the sample gas toward the mass spectrometer, In a conventional Jet-REMPI apparatus composed of parallel plate electrodes (extrusion electrode (counter electrode), extraction electrode) centered on a normal two-mesh, a sample gas is introduced into a laser ionization region, and the sample gas is introduced into a mass spectrometer. An experiment to generate a molecular flow in the opposite form was attempted.
[0014]
In order to generate a molecular flow in a form directly facing the mass spectrometer, it is necessary to provide a skimmer or a pulse valve upstream of the pushing electrode (counter electrode). However, if a skimmer or a pulse valve is installed on the upstream side of the extrusion electrode (counter electrode) and a molecular flow is jetted toward the extraction electrode having the mesh, the molecule collides with the mesh and the molecular motion is hardly cooled, Re-emission of the adsorbed molecules and ionization thereof cause noise, dielectric breakdown, and the like. Then, the present inventors removed the electrostatic mesh from the center of the push-out electrode (counter electrode) to leave a hole in the structure, and changed the structure without collision with molecules. However, in the case of a flat electrode having holes without a mesh, disturbance of the electric field (lens effect) appears around the holes, and the hole diameter of the pushing electrode (counter electrode) and the distance between the tip of the nozzle and the pushing electrode (counter electrode). As a result, the spread of the beam changes greatly.
[0015]
Therefore, the present inventors further performed ion trajectory calculation while fixing the distance between the nozzle tip (diameter 0.5 mm) and the extrusion electrode (counter electrode) to 5 mm. The reason why the distance is fixed to 5 mm is that when the distance is further increased, a discharge easily occurs between the pulse valve or the skimmer (ground) and the pushing electrode (counter electrode) (applying 3 kV). When the hole diameter of the extrusion electrode (counter electrode) is 6 mm under these conditions, the beam diameter of the laser-ionized particles is about 1.5 mm on the detector of the electrostatic reflection time-of-flight mass spectrometer, and the hole diameter is 10 mm. It was found to be 2.0 mm. Increasing the hole diameter further increases the beam diameter and may exceed the effective diameter of the detector. On the other hand, by increasing the pore size, the molecular jet can be introduced into the laser ionization region without any obstacle. For the above reasons, the inventors of the present invention set the hole diameter of the pushing electrode (counter electrode) to the nozzle diameter when the distance between the tip of the nozzle and the pushing electrode (counter electrode) is the closest distance at which no discharge occurs between them. By setting the thickness to 10 mm or less, it has been found that the disturbance of the electric field around the hole of the extrusion electrode (counter electrode) can be sufficiently suppressed, and the organic compound of interest can be detected with high sensitivity.
[0016]
In addition, the present inventors used a nostril-shaped electrode proposed in Japanese Patent Application No. 2001-207261, installed a skimmer or a pulse valve on the upstream side of the counter electrode, and moved from the hole of the counter electrode to the hole of the extraction electrode. By injecting a molecular flow and measuring with a detector arranged coaxially, it has been found that the ion collection efficiency can be higher than that of the conventional parallel plate type.
Furthermore, the present inventors have studied the structure of the gas introduction unit that can directly detect the atmosphere in the incinerator and the flue.As a result, by attaching a differential exhaust chamber using a skimmer or orifice, the detection system It has been found that the organic compound of interest can be detected with high sensitivity while maintaining the degree of vacuum while reflecting the concentration in the high-temperature reactor.
[0017]
The present invention has been made based on the above findings, and the gist is as follows.
(1) a pulse valve for introducing a sample gas into the apparatus, an ionization region for ionizing the sample gas released from the pulse valve, and an ion optical system for introducing ions generated in the ionization region to a detector; A supersonic molecular jet multiphoton absorption ionization mass spectrometer comprising an ion detector for detecting ions extracted from the ion optical system, wherein an extraction electrode of the ion optical system has a nose-out shape, and a positive electrode of the extraction electrode. A counter electrode of the same shape is arranged at a position opposite thereto, a pulse valve is arranged behind the counter electrode, a cylindrical potential switch is arranged behind the extraction electrode, and the detector is arranged further behind the potential switch. And high sensitivity wherein the holes of the extraction electrode and the counter electrode, the injection port of the pulse valve, and the detector are coaxially arranged. Supersonic molecular jet multiphoton absorption ionization mass spectrometer.
(2) a pulse valve for introducing a sample gas into the apparatus, an ionization region for ionizing the sample gas released from the pulse valve, and an ion optical system for introducing ions generated in the ionization region to a detector; A supersonic molecular jet multiphoton absorption ionization mass spectrometer comprising an ion detector for detecting ions extracted from the ion optical system, wherein the extraction electrode of the ion optical system has a hole and a mesh in a hole. A counter electrode having a hole of the same shape at a position facing the extraction electrode is arranged in parallel, a pulse valve is arranged behind the counter electrode, and the detector is arranged behind the extraction electrode, And a hole for the extraction electrode and the counter electrode, an injection port for the pulse valve, and the detector are coaxially arranged. Multi-photon absorption ionization mass spectrometer.
(3) The high-sensitivity supersonic molecular jet according to (1) or (2), wherein the pulse valve has a structure of a gas introduction chamber connected to a flue via a gate valve. Multiphoton absorption ionization mass spectrometer.
(4) The high-sensitivity supersonic molecular jet multiphoton absorption ionization mass according to (3), wherein the gas introduction chamber is further connected to an inert gas supply device via a gas introduction valve. Analysis equipment.
(5) The high-sensitivity supersonic molecular jet multiphoton absorption ionization mass spectrometer according to (3), wherein a filter is provided in the gas introduction chamber or in a flue immediately before the gate valve.
(6) The high-sensitivity supersonic molecular jet multiphoton absorption ionization mass spectrometer according to (1) or (2), wherein the sample gas is a gas released from a high-temperature furnace or a combustion furnace.
(7) The high sensitivity supersonic molecular jet multiphoton absorption ionization mass spectrometer according to (6), wherein the sample gas contains fly ash.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described below. Note that the present invention is not limited to the conditions shown here.
The outline of the ion optical system of the Jet-REMPI apparatus according to the present invention will be described. As the electrode constituting the ionization region according to the present invention, a conventional parallel plate type electrode or a nose-shaped electrode proposed by the present inventors in Japanese Patent Application No. 2001-207261 is used. The nasal electrode can increase the ion collection efficiency as compared with the conventional parallel plate type. Furthermore, as will be described later, the laser ionization beam can be once focused within the electrode, so that a differential pumping system is configured in the gas inlet, and a high degree of vacuum can be maintained, thereby reducing the load on the mass spectrometer. Small, advantageous for continuous gas introduction systems utilizing skimmers or orifices. In addition, it has a counter electrode, electrostatic mesh, and guide electrode provided to further suppress noise, and selectively detects generated ions to avoid saturation of the mass spectrometer and focus on more quantitative and high sensitivity. Particles can be detected.
[0019]
First, an outline of an ion optical system using a nose-shaped electrode according to the present invention will be described. FIG. 2 shows an outline of an ion optical system using a nasal electrode according to the present invention.
The extraction electrode 1 has a nose-out shape, and has a cylindrical guide electrode 2 surrounding the extraction electrode 1 concentrically on the outside thereof. A cylindrical electrostatic mesh 3 surrounds the outside. Further, an Einzel lens 4 is provided downstream of the extraction electrode 1. An opposing electrode 7 is provided at four symmetrical positions of the extraction electrode portion with respect to the laser ionization region 5 by four support rods 6 shared with the extraction electrode. The counter electrode 7 has a guide electrode 2 ′, an electrostatic mesh 3 ′, and an Einzel lens 4 ′ similarly to the extraction electrode 1, and a pulse valve 10 is attached to a stage subsequent to the counter electrode 7.
[0020]
Since the pulse valve 10 operates at the ground potential, the pulse valve 10 maintains insulation from the push-out electrode (counter electrode) 7. Here, a cylindrical Teflon (registered trademark) block 19 in which a hole having a size equal to the diameter of the counter electrode 7 is passed through the center of the block 19 is attached and fixed concentrically with the center of the nozzle hole of the pulse valve 10. This material is not limited to Teflon, and any material may be used as long as it is less degassed in a vacuum, has high insulation properties, easily obtains processing accuracy, and does not deform even if a hole is formed. The shape may be a block shape or a disk shape. Further, the pore diameter is not particularly limited as long as it does not maintain the insulating property and does not hinder the injection of the sample gas.
[0021]
The Einzel lens 4 ′ of the counter electrode 7 does not contribute to ion detection, but is provided so that the lens can be replaced immediately when the Einzel lens 4 in the extraction electrode 1 breaks down. The pair of electrodes (the extraction electrode 1 and the counter electrode 7) need to be installed at positions completely symmetrical with respect to the laser ionization region 5. , The center of the hole of the Einzel lens 4, the Y-axis deflector 11, the X-axis deflector 12, the center of the potential switch 9, the nozzle hole of the pulse valve 10, and the hole of the Teflon block 19. The two electrostatic meshes 3, 3 'are separated by about 5 to 100 mm. It is preferably about 5 to 20 mm, and about 10 mm is optimal for most efficiently capturing ions from the laser ionization region.
[0022]
From the pulse valve 10, a supersonic molecular jet stream is jetted. The holes of the two electrodes are always coaxial, and the laser ionization region 5 is located at the midpoint between the holes. The extraction electrode 1 and the counter electrode 7 have a pair of symmetric structures centered on the laser ionization region 5, and when this structure is broken, the electric field is broken and ions cannot reach the detector with high efficiency. Therefore, it is necessary to maintain a positional relationship in which the two electrodes are held by the support rod 6.
[0023]
The degree of vacuum in the laser ionization region 5 is set at 10 to increase the probability of surviving the ions generated by the laser before reaching the detector. -2 It is necessary to make it Pa or less. In order to reduce the noise of the detector, 10 -5 A vacuum degree of Pa or less is required. Therefore, even if differential pumping is performed, the degree of vacuum in the laser ionization chamber is 10 -3 About Pa is required. On the other hand, it is important for increasing the sensitivity to increase the number of particles introduced into the laser ionization region. From the above, the degree of vacuum in the laser ionization chamber is 10 -3 Approximately Pa is optimal.
[0024]
A potential switch 9 is provided downstream of the Einzel lens 4. The potential switch is a cylindrical electrode. Here, let us consider a case where a common measurement condition of +2 kV of the counter electrode and -2 kV of the extraction electrode are applied. When the potential switch 9 is grounded, the ions extracted at −2 kV feel the anti-power generation level, wander in the cavity of the potential switch 9, and are not extracted to the mass spectrometer. On the other hand, if −2 kV is applied to the potential switch 9, ions pass through the potential switch 9 having the same potential as the extraction electrode 1 at a constant speed. However, at the moment of leaving the exit of the potential switch 9, the deflectors 11 and 12 and the grounded mass spectrometer which are almost non-potential are felt, and they also scatter and cannot reach the detector.
[0025]
In view of this, the present inventors have proposed in Japanese Patent Application No. 2001-207261 to apply a pulsed high voltage to the potential switch 9 having a cylindrical shape, whereby the above-described problem can be solved. That is, it can be achieved by raising the potential of the potential switch 9 to the ground potential in a pulsed manner at the time when the target particle reaches the inside of the potential switch 9 to which -2 kV is applied. That is, the ions arriving in the potential switch 9 are moving at a constant speed at a potential of −2 kV, but are boosted to the ground potential in a pulsed manner. As a result, at the outlet of the potential switch 9, the deflectors 11 and 12 The constant velocity motion is continued without feeling the ground potential of the meter, and reaches the detector.
[0026]
FIG. 3 shows an ion orbit simulation result of laser ionized positive ions when the nose-shaped electrode according to the present invention is used. The simulation was performed using SIMION 7.0 under the conditions of applying the above-described voltage. The generated ions were focused inside the extraction electrode 1, turned into a parallel beam by the Einzel lens 4, and introduced into the mass spectrometer. You. Therefore, by arranging an orifice through which ions can sufficiently pass near the focal point of the ions inside the nose-shaped extraction electrode 1, it becomes possible to perform differential evacuation between the ionization region and the mass spectrometer. As described above, a nasal discharge electrode in which the degree of vacuum in the mass spectrometer is maintained and the differential exhaust is easily used to obtain measurement conditions with low signal noise is very effective.
[0027]
Next, an outline of an ion optical system using the parallel plate type electrode according to the present invention will be described. FIG. 4 shows an outline of an ion optical system using the parallel plate type electrode according to the present invention.
The push-out electrode (opposite electrode) 7 of the parallel plate electrode has no mesh in the hole at the center, and has a mesh only on the extraction electrode 1 side. Further, as described above, when the distance between the tip of the nozzle and the pushing electrode (counter electrode) is the closest distance at which no discharge occurs between them, as described above, the hole diameter of the pushing electrode (counter electrode) 7 Are conditions that can sufficiently converge. A pulse valve 10 is provided behind the push-out electrode (counter electrode) 7.
[0028]
Since the diameter of the head portion of the pulse valve is usually much smaller than that of the push-out electrode (counter electrode) 7, when a voltage is applied to the push-out electrode (counter electrode) 7 as it is, the electric field is disturbed due to non-uniform shape. Occurs. Therefore, a disk 20 having substantially the same shape as the push-out electrode (counter electrode) 7 was attached to the head of the pulse valve 10. A hole was made in the center of the disk 20 so that the nozzle hole of the pulse valve was not blocked. In order to prevent the disk from colliding with the molecular jet, the hole was made as large as possible, and the end portion was tapered (gently slanted polishing). The material of this disk may be an organic substance such as metal, ceramics, and Teflon.
[0029]
Next, the gas introduction section of the Jet-REMPI apparatus of the present invention will be described.
The gas introduced from the flue has almost the same composition as the atmosphere, and the cooling efficiency of the molecular jet is poor, so that the molecular selectivity may be degraded. In this case, the cooling efficiency can be improved by diluting the atmosphere of the gas introduced from the flue to a specific concentration with the inert gas. For cooling the molecular flow, an inert gas (rare gas) having a large specific heat becomes the most excellent medium, and He, Ne, Ar, and Xe are preferable. Generally, a supersonic molecular jet uses He gas containing an organic compound of interest.
[0030]
In the present invention, a gas introduction valve is installed in the gas introduction chamber. FIG. 5 shows an example of the outline from the flue to the gas introduction chamber according to the present invention. As shown in FIG. 5, the gas introduction valve 21 is installed in the gas introduction chamber. The subject gas from the flue 22 is introduced into the sample introduction chamber via the pipe via the gate valve 24. The rare gas whose flow rate is controlled by the mass flow meter 25 from the rare gas cylinder 26 is introduced from the gas introduction valve 21, mixed with the test gas in the gas introduction chamber, and introduced into the pulse valve 10. Thereby, it is also possible to grasp the detection limit of the specific organic compound and determine the lower limit of quantification.
[0031]
The technology of the present invention described above relates to the detection of ultra-trace gas, high boiling point gas, and unstable gas in a high-temperature furnace or in a flue, but in the flue, in addition to the gas components, fly ash and the like. Solid components are also convective. Such a solid component causes a problem of clogging of the pulse valve or becomes a source of contamination of the vacuum chamber. Therefore, the filter 23 is installed in the gas introduction chamber or in the flue immediately before the gas introduction chamber, and before being introduced into the vacuum chamber. , So that solid components can be removed. Further, by heating the filter 23, adsorption of gas components and condensation of moisture can be prevented. In general, it is better to make the heating temperature substantially equal to the ambient gas temperature in the flue. In particular, when the temperature is 100 ° C. or higher, condensation of moisture can be prevented by heating the filter. The filter may be made of any material as long as it has characteristics such as resistance to heating at 200 ° C. or more, processing into a mesh, and resistance to acid. Also, this filter is preferably replaceable. In the present invention, the filter itself is heated and held at about 170 ° C. so that gas components are not adsorbed to the filter 23 made of stainless steel and having a mesh of 40 to 200 μm in the examples described later.
[0032]
The organic molecules emitted from the pulse valve are irradiated with a laser to be ionized. The laser is typically Nd with a nanosecond pulse width. 3+ : A dye laser excited by a YAG laser is used. The wavelength to be subtracted needs to be changed according to the electronic excitation energy level of the molecule of interest. For example, it is 269.8 nm for chlorobenzene and 287.2 nm for p-chlorophenol. Therefore, it is necessary to tune the wavelength of the dye laser depending on the compound of interest and replace the dye in some cases. In recent years, an optical parametric oscillator (OPO) has been developed, and it has become possible to continuously extract the wavelength of laser light in a wavelength range of 2 μm to 200 nm.
[0033]
On the other hand, highly toxic environmental hormones, such as 2,3,7,8-tetrachlorodioxin, are not limited to polycyclic polyhalogen aromatics. When a compound in which a large number of halogen atoms are bonded to an aromatic ring absorbs laser light and is excited to the lowest excited state, intersystem crossing from a singlet state to a triplet state occurs, and finally fragmentation (cleavage) occurs. )Resulting in. This is called the heavy atom effect. It is known that the laser ionization probability of these polycyclic polyhalogen aromatic molecules is extremely reduced due to the heavy atom effect. In order to suppress this heavy atom effect, it is necessary to irradiate the molecule with a laser light pulse width of several to several hundred psec or less, which is the relaxation lifetime of intersystem crossing. However, when the pulse width is made extremely short, the energy resolution of the laser beam increases in inverse proportion to the uncertainty principle. Decrease in energy resolution may cause loss of molecular selectivity and structural isomer selectivity. Therefore, the energy resolution is 5 cm which can maintain the structural isomer selectivity. -1 It is better to use a wavelength tunable laser with a pulse width of up to 10 nsec, with 3 psec being the shortest.
[0034]
The ionized organic molecules are mass-analyzed and detected by a time-of-flight mass spectrometry (TOF-MS), so that isomers and the like are separated by a difference in resonance wavelength, and different masses are separated. Different organic molecules with numbers can be separated. In addition, by using the electrostatic reflection type TOF-MS, ions generated in the vicinity of the pulse valve or in collision with the extraction electrode can be separated, and noise can be reduced without reaching the detector.
[0035]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described based on examples.
(Example 1)
Using He as a rare gas, the correlation between the detected amount of chlorobenzene and the concentration of chlorobenzene in the gas was measured. For the measurement, a pulse valve was installed in the coaxial direction as shown in FIG. 4, and a parallel plate electrode-shaped ion optical system was used, and the distance between the pulse valve and the laser ionization region was set to 25 mm. The chlorobenzene concentration in He was changed by controlling the flow rate of He gas through a gas introduction valve. The chlorobenzene concentration of the He dilution introduced from the skimmer was quantified using a permeator. FIG. 6 shows the results obtained by mixing the gas in the permeator and the gas from the gas introduction valve into the gas introduction chamber, introducing the gas into the Jet-REMPI apparatus using a pulse valve, and obtaining the correlation between the concentration and the detection signal.
[0036]
As Comparative Example 1, a similar experiment was performed using a conventional orthogonal Jet-REMPI apparatus (pulse valve-laser ionization region distance: 55 mm) in which a pulse valve was installed above a parallel plate electrode as shown in FIG. FIG. 6 also shows the results of the above.
As can be seen from FIG. 6, the coaxial ion optical system of the present invention achieves about five times higher sensitivity than the conventional orthogonal type. This is considered to be largely affected by the fact that the coaxial type can shorten the distance between the pulse valve and the laser ionization region, so that a high-concentration molecular flow can be introduced into the laser ionization region. As can be seen from the figure, it was confirmed that an extremely linear calibration curve was obtained, and the detection limit was reduced from 10 ppt or less to about 2 ppt from the conventional signal / noise ratio.
[0037]
(Example 2)
In the same manner as in Example 1, the correlation between the detected amount of chlorobenzene and the concentration of chlorobenzene in the gas was measured using He as a rare gas. For the measurement, a nasal electrode as shown in FIG. 2 was used, and the distance between the pulse valve and the laser ionization region was set to 13 mm. As Comparative Example 2, a similar experiment was performed using an orthogonal Jet-REMPI apparatus (distance between a pulse valve and a laser ionization region: 25 mm) using a nasal electrode described in Japanese Patent Application No. 2001-207261. These results are also shown in FIG. As can be seen from the figure, a sensitivity improvement of about 5 times was confirmed.
The reason for this is that, as shown in Example 1 and Comparative Example 1, a similar improvement in sensitivity was observed in the case of the parallel plate electrode, but by further using the coaxial type, the distance between the pulse valve and the laser ionization region was reduced. It is considered that the reduction was almost halved. Since the molecular flow concentration of the jet is considered to be inversely proportional to the square of the distance, it can be said that the result is almost satisfactory.
[0038]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a supersonic molecular jet multiphoton absorption ionization mass spectrometer that is excellent in detecting an ultra-trace gas, a high-boiling gas, and an unstable gas existing in a high-temperature furnace or a flue.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a supersonic molecular jet multiphoton absorption ionization mass spectrometer.
FIG. 2 is a schematic view of an ion optical system using a nose-shaped electrode according to the present invention.
FIG. 3 is an ion orbit simulation result of laser ionized positive ions when the nose-shaped electrode according to the present invention is used.
FIG. 4 is a schematic diagram of an ion optical system using a parallel plate electrode according to the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram from a flue to a gas introduction chamber according to the present invention.
FIG. 6 is a calibration curve of monochlorobenzene obtained by a high-sensitivity supersonic molecular jet multiphoton absorption ionization mass spectrometer using a coaxial parallel plate electrode according to the present invention.
FIG. 7 is a calibration curve of monochlorobenzene obtained by a high-sensitivity supersonic molecular jet multiphoton absorption ionization mass spectrometer using the coaxial nose-shaped electrode according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1: Leader electrode 2, 2 ': Guide electrode
3, 3 ': Electrostatic mesh 4, 4': Einzel lens
5: Laser ionization area 6: Support rod
7: Counter electrode 8: Guide electrode
9: Potential switch 10: Pulse valve
11: Y-axis deflector 12: X-axis deflector
13: Detector 14: Resistance divider
15: Preamplifier
16: Digital oscilloscope
17: BOXCAR integrator
18: Personal computer
19: Teflon block 20: Disk
21: Gas inlet valve 22: Flue
23: Filter 24: Gate valve
25: Mass flow meter 26: Noble gas cylinder
27: Laser light

Claims (7)

試料ガスを装置内に導入するパルスバルブと、該パルスバルブから放出された試料ガスをイオン化するイオン化領域と、該イオン化領域にて発生したイオンを検出器に導入するイオン光学系と、該イオン光学系から引き出されたイオンを検出するイオン検出器を具備する超音速分子ジェット多光子吸収イオン化質量分析装置であって、前記イオン光学系の引き出し電極が出鼻形状であり、引き出し電極の正対する位置に同一形状の対向電極を配置し、該対向電極の後方にパルスバルブを配置し、前記引き出し電極の後方に円筒状のポテンシャルスイッチを配置し、さらにその後方に前記検出器を配置し、かつ、前記引き出し電極および対向電極の孔、前記パルスバルブの噴射口、前記検出器を同軸上に配置することを特徴とする高感度超音速分子ジェット多光子吸収イオン化質量分析装置。A pulse valve for introducing a sample gas into the apparatus, an ionization region for ionizing the sample gas released from the pulse valve, an ion optical system for introducing ions generated in the ionization region to a detector, and the ion optics A supersonic molecular jet multiphoton absorption ionization mass spectrometer comprising an ion detector for detecting ions extracted from the system, wherein the extraction electrode of the ion optical system has a nose-out shape, and is positioned at a position directly opposite to the extraction electrode. Arranging a counter electrode of the same shape, arranging a pulse valve behind the counter electrode, arranging a cylindrical potential switch behind the extraction electrode, further arranging the detector behind the same, and High sensitivity supersonic, wherein the extraction electrode and the counter electrode hole, the injection port of the pulse valve, and the detector are coaxially arranged. Child jet multiphoton absorption ionization mass spectrometer. 試料ガスを装置内に導入するパルスバルブと、該パルスバルブから放出された試料ガスをイオン化するイオン化領域と、該イオン化領域にて発生したイオンを検出器に導入するイオン光学系と、該イオン光学系から引き出されたイオンを検出するイオン検出器を具備する超音速分子ジェット多光子吸収イオン化質量分析装置であって、前記イオン光学系の引き出し電極が孔および孔部にメッシュを有する平板形状であり、引き出し電極の正対する位置に同一形状の孔を有する対向電極を平行に配置し、該対向電極の後方にパルスバルブを配置し、前記引き出し電極の後方に前記検出器を配置し、かつ、前記引き出し電極および対向電極の孔、前記パルスバルブの噴射口、前記検出器を同軸上に配置することを特徴とする高感度超音速分子ジェット多光子吸収イオン化質量分析装置。A pulse valve for introducing a sample gas into the apparatus, an ionization region for ionizing the sample gas released from the pulse valve, an ion optical system for introducing ions generated in the ionization region to a detector, and the ion optics A supersonic molecular jet multiphoton absorption ionization mass spectrometer comprising an ion detector for detecting ions extracted from a system, wherein the extraction electrode of the ion optical system has a flat plate shape having holes and a mesh in a hole portion. A counter electrode having a hole of the same shape is arranged in parallel at a position facing the extraction electrode, a pulse valve is arranged behind the counter electrode, the detector is arranged behind the extraction electrode, and the A hole for an extraction electrode and a counter electrode, an injection port for the pulse valve, and the detector are coaxially arranged. DOO multiphoton absorption ionization mass spectrometer. 前記パルスバルブが、ゲートバルブを介して、煙道と接続されているガス導入室の構造を有することを特徴とする請求項1または2に記載の高感度超音速分子ジェット多光子吸収イオン化質量分析装置。The high sensitivity supersonic molecular jet multiphoton absorption ionization mass spectrometer according to claim 1 or 2, wherein the pulse valve has a structure of a gas introduction chamber connected to a flue via a gate valve. apparatus. 前記ガス導入室が、さらに、ガス導入弁を介して不活性ガス供給装置と接続されていることを特徴とする請求項3に記載の高感度超音速分子ジェット多光子吸収イオン化質量分析装置。The high sensitivity supersonic molecular jet multiphoton absorption ionization mass spectrometer according to claim 3, wherein the gas introduction chamber is further connected to an inert gas supply device via a gas introduction valve. 前記ガス導入室内あるいは前記ゲートバルブの直前の煙道内にフィルターが設置されていることを特徴とする請求項3に記載の高感度超音速分子ジェット多光子吸収イオン化質量分析装置。The high sensitivity supersonic molecular jet multiphoton absorption ionization mass spectrometer according to claim 3, wherein a filter is provided in the gas introduction chamber or in a flue immediately before the gate valve. 前記試料ガスが、高温炉、燃焼炉から放出されるガスであることを特徴とする請求項1または2に記載の高感度超音速分子ジェット多光子吸収イオン化質量分析装置。The high sensitivity supersonic molecular jet multiphoton absorption ionization mass spectrometer according to claim 1 or 2, wherein the sample gas is a gas released from a high-temperature furnace or a combustion furnace. 前記試料ガスが、飛灰を含有することを特徴とする請求項6に記載の高感度超音速分子ジェット多光子吸収イオン化質量分析装置。7. The high sensitivity supersonic molecular jet multiphoton absorption ionization mass spectrometer according to claim 6, wherein the sample gas contains fly ash.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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JP2010165556A (en) * 2009-01-15 2010-07-29 Nippon Steel Corp Jet-rempi device for gas analysis

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