JP2005050689A - 多重極型質量分析計 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、イオンの質量数を変更した直後であっても高精度の質量分析が得られ、経時変化のない信頼性高い測定を可能とする多重極型質量分析計を提供することを目的とする。
【解決手段】多重極と、所定の周波数の高周波信号を発振させる発振回路、高周波トランス、前記高周波信号を増幅して前記高周波トランスの１次巻線に高周波電流を供給する高周波トランス駆動回路及び前記多重極と接続された前記高周波トランスの２つの２次巻線のそれぞれに正負の直流電圧を重畳させる直流電源を有する駆動回路と、からなり、内部を冷却するための空冷ファンを一端面に取り付けた金属シールド内に、前記高周波トランス及び前記高周波トランス駆動回路とともに、内部を加熱するための発熱手段を配置し、該発熱手段へ供給する電力を計測するイオンの質量数によって変化させる構成としたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、多重極型質量分析計に係り、特に計測されるピークの強度や位置が経時的に変化することなく安定した測定が可能な多重極型質量分析計に関する。

多重極型質量分析計の一例として４重極型質量分析計について、その構造及び測定原理を図２、３に基づいて説明する。
図２は４重極型質量分析計の構造を示す概念図であり、図３は４重極に高周波及び直流の重畳電圧を印加する駆動電源回路の一例を示す概略回路図である。
質量分析計２１は、図２に示すように、排気装置２６を備えた真空室２２の内部に配置されるイオン源（イオン発生部）２３、４重極（分析部）２４、及び検出器（検出部）２５から構成され、原子や分子はイオン源２３でイオン化され、４重極に印加する高周波及び直流電圧により所定の質量数M（＝質量ｍ／電荷数ｚ）を有するイオンのみが電極内部を通過し、検出器２５でその量が電荷量として定量される。

分析部２４は、４本の金属製の電極ロッドが平行に配置された４重極７と、対向する２組の電極ロッドの各組にそれぞれ（Ｕ+Ｖcosωt）及び−（Ｕ+Ｖcosωt）を印加する駆動回路とから構成される。 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。即ち、駆動回路は所定の周波数の高周波信号を発振させる発振回路１と、高周波トランス３と、高周波信号を増幅して高周波トランス３の１次巻線に高周波電流を供給する高周波トランス駆動回路２と、４重極７に接続された２つの２次巻線のそれぞれに接続された正負の直流電圧を重畳させる直流電源５，６とからなり、２つの２次巻線間には、インピーダンス整合をとるための可変コンデンサ８が取り付けられている。なお、４は仮想接地用コンデンサである。また、安定化電圧源９は高周波トランス駆動回路２への供給電圧源である。

この駆動回路により、（Ｕ+Ｖcosωt）及び−（Ｕ+Ｖcosωt）を４重極７に印加すると、電極内に直角双曲線電界が形成され、ある特定の質量数を有するイオンだけが電極ロッドの中心軸近傍を通過して検出器２５に到達することができ、それ以外の質量数を持つイオンは発散し検出器に到達することはない。

ここで、Ｕ/Ｖを一定とし、周波数ｆ（通常１〜数ＭＨｚ）を固定すると、検出されるイオンの質量数と高周波電圧Ｖとの間には比例関係が成立する。従って、高周波電圧Ｖを連続して掃引することにより、質量数の小さなイオンから大きなイオンまで定量分析することが可能となる。

なお、高周波を取り扱う高周波トランス駆動回路２及び高周波トランス３の高周波発生部は、金属シールド１０内に密閉されている。また、高周波トランス駆動回路２は一般に高周波増幅回路またはスイッチング回路からなり、電力損失が生じ、熱を発生する。同じく、高周波トランス３においても、トランス巻線の線材抵抗による損失（銅損）やコアを通過する磁束による損失（鉄損）に帰因する発熱が起こるため、金属シールド１０には、内部を冷却する空冷ファン１１が取り付けられている。
さらに、高周波トランス駆動回路においては、周辺温度の変動に帰因する掃引高周波電圧の直線性からのずれを補正して、安定した測定を行うための回路構成が検討されている。
特開２００２−３３０７３

しかしながら、以上の４重極型質量分析計は、使い方によっては、測定の信頼性が大きく低下するという問題があった。例えば、連続的に質量数を掃引するする場合と異なり、断続的に質量数を変更すると、その直後と所定時間経過後では計測されるピークの値や位置が異なってしまう場合があった。特に、質量数の小さなイオンから大きなイオンへと切り換えた後、さらにはこの質量数の差が大きいほど、検出されるピークの波形や位置がより大きく変化する傾向にあり、場合によっては、ピークが消失してしまい、回路の同調を取り直す必要があった。

これらの現象は、回路部での発熱量が質量数によって異なることが原因と考えられる。即ち、４重極７に印加される高周波電力は（１）式で表されるように、測定しようとする質量数Ｍが大きいほど４重極に投入する電力も大きくなり、逆に小さな質量数では電力は小さくなる。
Ｐ＝k・Ｃ・Ｍ^２・ｆ^５・ｒ₀ ^４／Ｑ （１）
ｋ：定数
Ｐ：４重極に投入するＲＦ電力（Ｗ）
Ｃ：４重極の静電容量（μＦ）
Ｍ：質量数（＝質量ｍ／電荷数ｚ）
ｆ：高周波の周波数（ＭＨｚ）
ｒ₀：４重極内接円の半径（ｃｍ）
Ｑ：４重極の静電容量と高周波トランス２次巻線とが共振したときの電流ピークの鋭さ

ここで、安定化電圧源９から高周波トランス駆動回路２へ供給される電力Ｐｉと４重極７に投入される電力Ｐとの比（Ｐ／Ｐｉ）で表される変換効率ηは、一般的には５０〜６０（％）程度となり、残りは（４０〜５０％）は熱となる。従って、例えば、小さな質量数（例えば、Ｍ＝４）において、可変コンデンサ８を調整して回路の同調をとった場合、その質量数では安定して測定を継続することが可能であるが、ここで大きな質量数に変更すると（例えば、Ｍ＝２００）、発熱量が増加しこの熱によって高周波トランス３のインダクタンスが変化して共振の同調ずれが起こる。この結果として、高周波電圧は高調波の重畳等に帰因する波形の乱れが生じ、質量分解能の変動やピークの位置ずれを引き起こすものと考えられる。逆に、Ｍ＝２００で温度が安定した後に同調を取った場合でも、Ｍ＝４に変更後及びさらにＭ＝２００に再び変更したときは、同様な現象が起こることになる。

そこで、本発明者は、金属シールド１０内にヒータを配置し、シールド内での発熱量が一定になるように質量数の値に応じてヒータへの通電量を変えたところ、２つの質量数の間で切り換えを行っても、経時的にピークが変化したり又は位置ずれを起こすという現象は緩和され、安定化することが確認された。

本発明は、かかる知見を基にさらに検討を加え完成したものであり、イオンの質量数を変更した直後であっても高精度の質量分析が得られ、経時変化のない信頼性の高い測定を可能とする多重極型質量分析計を提供することを目的とする。

本発明の多重極型質量分析計は、多重極と、所定の周波数の高周波信号を発振させる発振回路、高周波トランス、前記高周波信号を増幅して前記高周波トランスの１次巻線に高周波電流を供給する高周波トランス駆動回路及び前記多重極と接続された前記高周波トランスの２つの２次巻線のそれぞれに正負の直流電圧を重畳させる直流電源を有する駆動回路と、からなる多重極型質量分析計であって、内部を冷却するための空冷ファンを一端面に取り付けた金属シールド内に、前記高周波トランス及び前記高周波トランス駆動回路とともに、内部を加熱するための発熱手段を配置し、該発熱手段へ供給する電力を計測するイオンの質量数によって変化させる構成としたことを特徴とする。
ここで、任意の質量数の計測時に前記発熱手段に供給する電力は、測定範囲内の最大質量数と前記任意の質量数について前記４重極に供給する電力の差に比例させるのが好ましい。

即ち、金属シールド内に発熱手段を配置し、この発熱手段への通電量をイオンの質量数に応じて変化させることにより、金属シールド内部の温度変化が抑えられる。その結果、質量数を変えても同調条件が常に保たれるため、高精度の質量分析を安定して継続することが可能となる。

前記発熱手段は前記高周波トランスの上流側に配置するのが好ましく、発熱手段で発生した熱は効率よく高周波トランスに伝達し、温度変化をさらに抑えることができる。

本発明により、即ち、多重極の駆動回路を収納した金属シールド内で発生する熱量を質量数に関わりなく、一定に保つ構成とすることにより、同調条件が高精度に保たれ、質量分析を高精度かつ安定して行うことが可能となる。従って、例えば質量数を大きく変化させた場合であっても、高い精度でイオン濃度を測定でき、しかも経時的に変化することがなく、信頼性の高い測定を行うことが可能となる。
また、従来の回路に発熱手段及びその制御手段を追加するだけでよいため、低コストで高信頼性の質量分析計を実現することができる。

本発明の多重極型質量分析計の一構成例を図１に示す。図１は４重極型質量分析計の分析部を示す概念図である。本実施例の４重極型質量分析計の分析部は、４本の金属製の電極ロッドが平行に配置された４重極７と、相対する２組の電極ロッドの各組にそれぞれ（Ｕ+Ｖcosωt）及び−（Ｕ+Ｖcosωt）を印加する駆動回路とから構成される。なお、質量分析計の全体構成は図２に示した通りである。

駆動回路は所定の周波数の高周波信号を発振させる発振回路１と、高周波トランス３と、高周波信号を増幅して高周波トランス３の１次巻線に高周波電流を供給する高周波トランス駆動回路２と、４重極７に接続された２つの２次巻線のそれぞれに接続された正負の直流電圧を重畳させる直流電源５，６、と高周波トランス駆動回路２への電力供給源となる安定化電圧源９と、からなる。２つの２次巻線間にはインピーダンス整合をとるための可変コンデンサ８が配置されている。なお。４は仮想接地用コンデンサである。

これらの内、高周波トランス駆動回路２及び高周波トランス３は、発生する高周波が他の制御回路及び測定器等に影響を与えないように、金属製のシールド箱１０の内部に配置される。金属シールド１０には空冷ファン１１が取り付けられ、高周波トランス等の温度上昇を抑制している。さらに、金属シールド内にはヒータ１２（例えば、セラミックヒータ、抵抗型ヒータ）が高周波トランス３の上流側に配置されている。このように配置することにより、ヒータ１２で発生した熱は、効率よく下流の高周波トランス３等に伝達する。例えば、ヒータは、セラミックヒータ等を高周波トランス３と空冷ファン１１を結ぶ直線上にステアタイト等のスペーサーを用いて取り付ける。

本実施例においては、高周波トランス駆動回路２に電力を供給する安定化電圧源９から出力される電流を電流検出器１３で検出し、金属シールド内での発熱量が一定となるように操作する。
つまり、大きな質量数の測定時には、高周波トランス駆動回路２（さらに４重極７）に供給される電力は最大となることから、金属シールド１０内部に配置したヒータ１２に投入する電力は最小（又はゼロ）にする。一方、小さな質量数を測定する場合は、４重極７に供給される電力は小さくなることから、このときの電力損失分と、４重極７への電力供給が最大な時に発生する電力損失分との差に相当する電力をヒータ１２に投入する。

従って、まず、大きな質量数のときに、温度が安定した後に可変コンデンサ８を調節して共振条件を求めて同調をとると、その後、質量数を変えても高周波トランス等はほぼ同じ温度に維持されるため、共振条件からはずれることはなく、ピーク強度が精度良くかつ安定して測定することができる。即ち、この操作により金属シールド１０内における発熱量は常に一定となり、金属シールド１０内部の温度は測定する質量数に依存せず一定となる。従って、高周波トランスの温度も一定に保たれ、同調ずれを起こすことがない。

より具体的には、例えば、高周波トランス駆動回路２に供給される電流Ｉを検出する電流検出器１３と、計測された電流値から（２）式に相当する電力Ｐ_Ｈを求める電力調整器１４と、ヒータの駆動回路１５を取り付け、質量数に応じてヒータに供給する電力Ｐ_Ｈを調整する構成とすればよい。
Ｐ_H ＝Ｖ・（１−η）・（Ｉ_ｍａｘ−I） （２）
Ｐ_Ｈ：ヒータ投入電力
Ｖ：安定化電圧源電圧
η：変換効率
Ｉ_ｍａｘ：計測する最大の質量数に対応する検出電流
Ｉ：検出電流

以上のように、ヒータ及びその制御系を追加するだけで、従来の４重極型質量分析計をより高精度かつ安定した分析計へと改良することができる。
また、本実施例では、ファンにより形成される空気流に対して、ヒータを高周波トランスの上流側に配置する構成としたが、これに限ることはなく、例えばさらに、高周波トランスの横にも配置する等しても良く、各質量数でのピークの変動が最小となる配置とすればよい。また、本発明の発熱手段としては、上述したヒータの他、例えば、電力抵抗器、パワートランジスタ、パワーMＯＳＦＥＴ等の電流により発熱する電気部品を用いることも可能である。

以上の実施例では、ヒータの電源として、安定化電源９を兼用する構成としたが、ヒータ電源を別途設ける構成としてもよく、予めヒータに所定の電力を投入しておくことにより、測定開始時から所望の質量数について安定した質量分析測定を行うことができる。
また、以上の実施例では４重極を用いた質量分析計について説明してきたが、本発明は、同様にして、６重極、８重極、１６重極等の多重型電極を用いた質量分析計に適用することができる。

なお、本発明は、質量数を連続的に掃引して用いる場合にも好適に適用できることは言うまでもなく、この場合、より高い測定精度を得ることができる。
さらに、本発明は、例えば、４重極型質量分析装置（ＱＭＳ）、ガスクロマトグラフ質量分析装置（ＧＣ／ＭＳ）や液体クロマトグラフ質量分析装置（ＬＣ／ＭＳ）、２次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ）やイオン付着質量分析装置（ＩＡＭＳ）などに好適に適用される。

本発明の４重極型質量分析計の分析部の一構成例を示す概念図である。 従来の４重極型質量分析計を示す概念図である。 従来の４重極型質量分析計の分析部の一例を示す概念図である。

符号の説明

１ 源発振器、
２ 高周波トランス駆動回路、
３ 高周波トランス、
４ 仮想接地用コンデンサ、
５ 負極性Ｕ電圧源、
６ 正極性Ｕ電圧源、
７ ４重極、
８ 可変コンデンサ、
９ 安定化電圧源、
１０ 金属シールド、
１１ ファン、
１２ 発熱手段（ヒータ）、
１３ 電流検出器、
１４ 電力調整器、
１５ ヒータ駆動回路、
２１ ４重極型質量分析計、
２２ 真空室、
２３ イオン源、
２４ 分析部、
２５ 検出器、
２６ 排気装置。

Claims (3)

1. 多重極と、所定の周波数の高周波信号を発振させる発振回路、高周波トランス、前記高周波信号を増幅して前記高周波トランスの１次巻線に高周波電流を供給する高周波トランス駆動回路及び前記多重極と接続された前記高周波トランスの２つの２次巻線のそれぞれに正負の直流電圧を重畳させる直流電源を有する駆動回路と、からなる多重極型質量分析計であって、内部を冷却するための空冷ファンを一端面に取り付けた金属シールド内に、前記高周波トランス及び前記高周波トランス駆動回路とともに、内部を加熱するための発熱手段を配置し、該発熱手段へ供給する電力を計測するイオンの質量数によって変化させる構成としたことを特徴とする多重極型質量分析計。
2. 前記発熱手段は前記高周波トランスの上流側に配置したことを特徴とする請求項１に記載の多重極型質量分析計
3. 任意の質量数の計測時に前記発熱手段に供給する電力は、計測範囲内の最大質量数と前記任意の質量数について前記多重極に供給する電力の差に比例させることを特徴とする請求項１又は２に記載の多重極型質量分析計。

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