JP2005276451A

JP2005276451A - 質量分析装置

Info

Publication number: JP2005276451A
Application number: JP2004083761A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Kuratani; 雄一藏谷; Kazuo Nakamura; 一夫中村
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2004-03-23
Filing date: 2004-03-23
Publication date: 2005-10-06

Abstract

【課題】軸方向に傾斜電位を有する直流電場を形成するためのイオンガイドを容易に且つ高い精度で以て形成する。
【解決手段】イオンガイド３を構成するポール電極３１として、円柱形状の基体３１ａをセラミックで形成し、その出口側端部に近い位置に酸化ルテニウムの抵抗体薄膜層３１ｃを形成し、それを挟んで両側に金の導電体薄膜層３１ｂを形成する。抵抗体薄膜層３１ｃと導電体薄膜層３１ｂの境界は一部をオーバーラップさせることで接触抵抗を小さくする。また、給電線をハンダ付けする部分には銀パラジウム合金の接点用導電体薄膜層３１ｄを形成する。こうしたポール電極３１をホルダ３２に装着して相互の配置を決めイオンガイド３とする。
【選択図】図１

Description

本発明は質量分析装置に関し、更に詳しくは、質量分析装置においてイオンを保持しつつ後段へ移送するためのイオン光学系に関する。

従来より、３次元四重極電場を形成するイオントラップを利用した質量分析装置が知られている。図５は特許文献１に記載のイオントラップ型質量分析装置の要部の構成図、図６はこの質量分析装置のイオンガイドの構成（ａ）と軸方向の直流電位分布（ｂ）を示す図である。図５において、イオン供給源１から引き出されたイオンは、所定時間だけ開く入口側ゲート電極２を経てイオンガイド３に流入する。イオンガイド３は偶数本の略円柱形状ポール電極をイオン光軸Ｃの周囲に互いに平行に且つ軸対称に配置したものであり、１本のポール電極は、その出口側の一部のみを抵抗体３ｂで構成し、入口側を導電体３ａで構成している。上記所定時間以外の期間は、イオンがイオンガイド３に入らないように、且つ、一旦イオンガイド３内に入ったイオンが外に出ないように入口側ゲート電極２に高い直流電圧（正イオンの場合）を印加することで入口側ゲート電極２を閉鎖する。これにより、イオンの導入が阻止されるとともに、イオンガイド３内のイオンが入口側に来たときにこれを跳ね返す。

イオンガイド３には高周波電圧が印加されており、イオンガイド３内に入ったイオンは高周波電場によりイオンガイド３の内部に保持されるとともに、初期運動エネルギーによりイオンガイド３内を移動する。イオンガイド３端部の出口側ゲート電極４にも高い直流電圧が印加されており、イオンガイド３内のイオンは出口側ゲート電極４及び入口側ゲート電極２に近づくと直流電場による反発力を受けてイオンガイド３の中央部側に押し戻される。イオンガイド３の内部にはクーリングガスが導入されており、イオンがイオンガイド３内で往復運動をする際にクーリングガス分子と衝突することにより、イオンは運動エネルギーを徐々に失う。また、イオンガイド３の両端部に印加される直流電圧によって、イオンガイド３には入口側から出口側に向かうに従い傾斜を有する直流電場が形成されているため、運動エネルギーを失ったイオンは電位傾斜に沿って出口側端部に集積されてゆく。

上記のようにしてイオンガイド３の出口側端部にイオンを集積した後に出口側ゲート電極４の電位を下げて、集積しておいたイオンを一気にイオンレンズ５を介してイオントラップ６内の空間に導入する。イオントラップ６は、内面が回転１葉双曲面形状を有する１個の環状のリング電極６３と、該リング電極６３を挟むように対向して設けられた、内面が回転２葉双曲面形状を有する入口側エンドキャップ電極６１、及び出口側エンドキャップ電極６２とを含む。上記のように前段のイオンガイド３からイオンを受け容れる際には例えばリング電極６３に印加される高周波（ＲＦ）電圧をゼロにしておき、イオントラップ６内にイオンを受け容れた後にリング電極６３に高周波電圧を印加することでイオンをトラップする。

上述したような構成のイオンガイド３を利用して、イオントラップ６内部に効率良くイオンを導入することができる。上記のような複数のポール電極で構成されるイオンガイド３の内部でイオンの運動エネルギーを減衰させながら効率良くイオンを保持するには、イオンガイド３内に形成される電場の乱れができるだけ生じないようにすることが重要であり、そのためには、各ポール電極の寸法や特性が揃っていることと、これらポール電極がイオン光軸Ｃの周囲に高い精度で軸対称に配置されることとが必要である。

特許第３３８６０４８号公報

しかしながら、実際のポール電極の生産性や組立性を考えると、図６（ａ）に示すように抵抗体３ｂと導電体３ａとを結合した構成では、各ポール電極において高い寸法精度や高い抵抗精度を確保し、且つ、複数のポール電極の寸法や精度が揃ったものとすることはかなり難しく、コストが高くなることが避けられない。

本発明はかかる課題に鑑みて成されたものであって、質量分析装置においてイオンを保持しつつ後段へと移送するために、軸方向に傾斜を有する電場を形成するためのイオンガイドを高い精度で且つ容易に得ることを目的としている。

上記課題を解決するために成された本発明は、イオンを保持しつつ後段へ移送するためにイオン光軸の周りに偶数本の略円柱状のポール電極をイオン光軸と略平行な方向に配置して成るイオン光学系を備えた質量分析装置において、前記ポール電極は、
a)絶縁体から成る基体と、
b)該基体の周面の軸方向の両端からそれぞれ内側に所定の位置まで形成された導電体薄膜層と、
c)前記両側の導電体薄膜層で挟まれる部分に各導電体薄膜層にそれぞれオーバーラップする部分を有して形成された抵抗体薄膜層と、
を有し、前記ポール電極の両端部間に入口側と出口側とで異なる直流電圧に同一の高周波電圧を重畳した電圧を印加することで、ポール電極で囲まれる空間にイオンを閉じ込める高周波電場を形成するとともに、前記抵抗体薄膜層の部分においては軸方向に傾斜電位を有する直流電場を形成することを特徴としている。

本発明に係る質量分析装置においては、軸方向に傾斜電位を有する直流電場を形成したい部分にだけポール電極の基体の周面に抵抗体薄膜層を形成し、それ以外の部分には導電体薄膜層を形成する。実際には、偶数本のポール電極の出口側端部にのみイオンを集積して後段へと一気にイオンを吐き出すようにするためには、抵抗体薄膜層がポール電極の出口側端部に片寄って形成された構成とすれば十分である。このとき、抵抗体薄膜層と導電体薄膜層との境界部分では両者をオーバーラップさせることにより両薄膜層の接触抵抗を小さくする。例えば絶縁体としてセラミック等を用いれば、高い寸法精度で以て略円柱体を形成することができ、熱膨張率が小さいので温度変化があっても寸法の狂いが小さい。

抵抗体薄膜層及び導電体薄膜層は各種の方法で形成することができるが、例えばペースト状の材料を基体に塗布し、その後、所定温度で焼成する方法が考えられる。いずれにしても、薄膜層の膜厚や軸方向の寸法を高い精度で決めることができ、抵抗体薄膜層部分の抵抗値を容易に目標値にすることができる。この抵抗体薄膜層及び導電体薄膜層の材料としては各種のものを利用することができるが、抵抗体薄膜層は膜厚のむらが抵抗値のばらつきとなって現れるので、薄膜層の形成時に膜厚の均一性が高いものであることが好ましい。また、導電体薄膜層はイオンによる表面の汚染を防止するために化学的反応性の低い導電体を使用することが好ましい。また、ポール電極に小さな接触抵抗で確実に給電を行うためには給電線をハンダ付けすることが望ましいが、ハンダ付け部分には大きな外力が加わるので導電体薄膜層が剥離し易い。そこで、導電体薄膜層は、化学的反応性の低い導電体から成る電場形成用導電体薄膜層と、基体との密着性が良好な導電体から成り給電線がハンダ付けされる接点用導電体薄膜層とを含んで構成することが好ましい。

また、イオン光学系では、特にイオン光軸を挟んで対向する２本のポール電極で抵抗値が異なっていると電場の歪みが生じ易いから、ポール電極の個々の抵抗値を予め測定しておき、できるだけ抵抗値の揃った２本のポール電極を組にしてそれらが対向位置にくるようにポール電極の配置を決めるとよい。

本発明に係る質量分析装置によれば、各ポール電極の寸法精度や抵抗値精度などが良好に揃うので、偶数本のポール電極で構成されるイオン光学系の内部に安定的に且つ効率良くイオンを保持するための良好な高周波電場及び直流電場を形成することができる。それによって、例えばこのイオン光学系で保持したイオンを後段のイオントラップに導入する場合には、イオントラップ内に効率良くイオンを送り込むことができ、質量分析の感度を向上させることができる。また、こうした良好な電場を形成するためのポール電極を高い生産性を以て安定的に得ることができるので、製品のコストダウンを図ることができる。

以下、本発明の一実施例による質量分析装置を図面を参照して説明する。この質量分析装置の全体構成は図５に示したものと同様であるので説明を省略し、本実施例の特徴的な構成であるイオンガイド３について説明する。図１は本実施例の質量分析装置におけるイオンガイド３の正面図（ａ）及び側面図（ｂ）、図２は図１中の要部の拡大図、図３は各ポール電極への印加電圧の一例を示す図、図４はイオンガイド３とその前後の入口側ゲート電極に相当するスキマーと出口側ゲート電極との配置を示す図（ａ）及び軸方向の直流電位の分布状況を示す図（ｂ）である。

なお、本実施例のイオンガイド３は８本の円柱形状のポール電極３１をイオン光軸Ｃの周りに等角度間隔で配置したオクタポール型の構成であるが、これに限るものではなく、偶数本であれば、４本、６本などの構成としてもよい。

図１及び図２に示すように、イオンガイド３を構成する各ポール電極３１の基体３１ａは絶縁体から成る。ここでは、セラミックの一種であるアルミナ（主成分はAl₂O₃）を基体３１ａの材料としている。ポール電極３１には後述するように高周波電圧が印加されることから、誘電正接が小さいことが重要である。セラミックはこの条件を満足する。また、ポール電極３１相互の位置は電場の形状に大きく影響するため、基体３１ａは高い寸法精度が得られることが好ましいが、セラミックはこうした条件も満たす。さらにまた、熱膨張率も低いので、温度変化があった場合でも形状変化による電場の変化が小さい。ここでは、基体３１ａの寸法は、外形がφ２mm、長さが100mmとしている。

この基体３１ａの出口側端部よりも少し内側には、軸方向に所定長さの抵抗体薄膜層３１ｃを形成する。この抵抗体の材料としては例えば酸化ルテニウム(RuO₂)を用いる。各ポール電極３１における抵抗体薄膜層３１ｃの位置のずれ、膜厚の不均一性、抵抗値のばらつき等が電場の歪みの原因となるから、こうした要素をできるだけ抑制することが好ましい。酸化ルテニウムは温度安定性、膜厚の均一性に優れる好適な材料である。

上記抵抗体薄膜層３１ｃを挟んで両側には導電体薄膜層３１ｂを形成する。このとき、隣接する抵抗体薄膜層３１ｃとの電気的接続を確保するために、抵抗体薄膜層３１ｃの端部と導電体薄膜層３１ｂの一部をオーバーラップさせる。図１で明らかなように、本実施例では、入口側端部の導電体薄膜層３１ｂは軸方向に非常に長く、出口側端部の導電体薄膜層３１ｂは軸方向に短い。この導電体薄膜層３１ｂの材料が化学的な反応性が高いものであると、イオンを移送する際にイオンにより表面に汚染物が形成され易く電場の乱れを起こし易い。そこで、化学的な反応性の低い金(Au)などが好適である。

さらに、ポール電極３１の両端近くには、上記導電体薄膜層３１ｂではなく同じ導電体であるが、ハンダ付け処理に適した接点用導電体薄膜層３１ｄを形成する。すなわち、上記導電体薄膜層３１ｂに直接金属接点を押し付けて給電することも可能ではあるが、ポール電極３１は円柱形状であるため単なる接触では導通不良が生じ易い。また、給電線（リード線）を直接、導電体薄膜層３１ｂにハンダ付けすることも可能ではあるが、一般に金などの場合、焼成を行うことで形成された薄膜は剥離が生じ易い。そこで、導電体薄膜層３１ｂとは別に基体３１ａのアルミナとの密着性が高い、例えば銀（Ag）とパラジウム（Pd）の合金により接点用導電体薄膜層３１ｄを形成する。これによって、給電線３３をこの接点用導電体薄膜層３１ｄに容易に且つ強固にハンダ付けすることができる。なお、この接点用導電体薄膜層３１ｄによる給電線３３の引き出し部は、できるだけポール電極３１の端部に近い位置とすることが望ましい。これは、このイオンガイド３によって形成される電場をできるだけ理想的な状態とするためである。

上記のような構成を有するポール電極３１は、同形状の２個の電極ホルダ３２によって適正な位置に保持される。電極ホルダ３２は基体３１ａと同様に、絶縁体であって誘電正接の小さい材料から形成することが好ましい。ここでは、８本のポール電極３１がφ5.4mmの内接円に接し、且つイオン光軸Ｃの周りに等角度間隔となるように配置される。イオン光軸Ｃを挟んで対向する２本のポール電極３１は抵抗値が揃っていることが好ましいから、上記のように電極ホルダ３２に装着する前に、各ポール電極３１の抵抗値を測定しておき、抵抗値の近いもの同士を組にして対向位置に配置するとよい。

図１のようにイオンガイド３が組み上げられた後、各ポール電極３１の両端にそれぞれ接続された給電線３３は、図３（ａ）に示すように周方向に１本おきに接続される。質量分析時には、周方向に隣接するポール電極３１には、同一の直流電圧に位相が反転した高周波電圧がそれぞれ重畳された電圧Ｖ_DC±Ｖ_RF・cosωｔが印加される。また、或る１本のポール電極３１の入口端と出口端とでは、高周波電圧は同一であって異なる直流電圧Ｖ_DC1,Ｖ_DC2が重畳された電圧が印加される。高周波電圧成分Ｖ_RF・cosωｔは分析対象であるイオンの質量数によって走査されるが、直流電圧成分Ｖ_DC1,Ｖ_DC2は通常、質量数に依らずに一定である。イオンガイド３内に形成される高周波電場はイオンをイオン光軸Ｃ近傍に閉じ込めるように作用する。一方、イオンガイド３内に形成される直流電場は、図４（ｂ）に示すように、イオンガイド３の入口側端部から続く導電体薄膜層３１ｂの部分ではほぼ同電位となっており、抵抗体薄膜層３１ｃの部分では出口側端部に向かうに従って下方に傾斜する電位となる。

図４（ａ）において図５中の入口側ゲート電極２に相当する左端のスキマーよりもさらに左方に配置されている図示しないイオン供給源で発生したイオンをイオンガイド３内に取り込む際には、スキマーの電位を下げてスキマーを開放状態にし、出口側ゲート電極４には電圧Ｖ_DC2よりも高い電圧を印加することで出口側ゲート電極４を閉鎖しておく。このときにはイオンがイオンガイド３内に入ってくる。イオンがイオンガイド３内に導入された後に、スキマーの電位を上げてスキマーを閉鎖状態にする。これによって、イオンガイド３内に導入されたイオンは入口側ゲート電極（スキマー）２と出口側ゲート電極４との両方で反発され、イオンガイド３内を往復する間にクーリングガスとの衝突により徐々に運動エネルギーを奪われて、出口側端部の電位の下がった部分に集積される。

このイオンガイド３ではポール電極３１の寸法精度や抵抗値精度などが非常に良く揃っているので、高周波電場や軸方向の直流電場の乱れが少なく、上記のようにイオンガイド３内に保持されたイオンが発散せずに良好に保存される。イオンガイド３の出口側端部に集積されたイオンは、出口側ゲート電極４を開放するべく印加電圧を下げたときに出口側ゲート電極４を経て右方へと排出され、右方に配置されたイオントラップにイオンが導入されることになるが、イオンガイド３に保持している間のイオンの損失が少ないので、多量のイオンをイオントラップに導入して分析感度を向上させることができる。

なお、上記実施例は本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正及び追加を行っても本発明に包含されることは明らかである。

例えば、上記実施例に記載のポール電極３１を構成する各部の材料は単に一例であって、上記記載に限定されない。また、寸法等の数値も上記記載のものに限定されない。また、上記のようなイオンガイドは後段のイオントラップ内にイオンを導入するのみならず、例えば四重極質量フィルタや飛行時間型質量分析部等のイオントラップ以外の質量分析部に時間を限定してイオンを導入するために利用することができるのは当然である。

本発明の一実施例の質量分析装置におけるイオンガイドの正面図（ａ）及び側面図（ｂ）。図１中の要部の拡大図。各ポール電極への印加電圧の一例を示す図。イオンガイドとその前後の入口側ゲート電極に相当するスキマー及び出口側ゲート電極との配置を示す図（ａ）及び軸方向の直流電位の分布状況を示す図（ｂ）。本実施例のイオンガイドを適用するイオントラップ型質量分析装置の要部の構成図。従来のイオントラップ型質量分析装置のイオンガイドの構成（ａ）と軸方向の直流電位分布（ｂ）。

符号の説明

１…イオン供給源
２…入口側ゲート電極
３…イオンガイド
３１…ポール電極
３１ａ…基体
３１ｂ…導電体薄膜層
３１ｃ…抵抗体薄膜層
３１ｄ…接点用導電体薄膜層
３２…電極ホルダ
３３…給電線
４…出口側ゲート電極
５…イオンレンズ
Ｃ…イオン光軸

Claims

イオンを保持しつつ後段へ移送するためにイオン光軸の周りに偶数本の略円柱状のポール電極をイオン光軸と略平行な方向に配置して成るイオン光学系を備えた質量分析装置において、前記ポール電極は、
a)絶縁体から成る基体と、
b)該基体の周面の軸方向の両端からそれぞれ内側に所定の位置まで形成された導電体薄膜層と、
c)前記両側の導電体薄膜層で挟まれる部分に各導電体薄膜層にそれぞれオーバーラップする部分を有して形成された抵抗体薄膜層と、
を有し、前記ポール電極の両端部間に入口側と出口側とで異なる直流電圧に同一の高周波電圧を重畳した電圧を印加することで、ポール電極で囲まれる空間にイオンを閉じ込める高周波電場を形成するとともに、前記抵抗体薄膜層の部分においては軸方向に傾斜電位を有する直流電場を形成することを特徴とする質量分析装置。
前記抵抗体薄膜層はポール電極の出口側端部に片寄って形成されることを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
前記導電体薄膜層は、化学的反応性の低い導電体から成る電場形成用導電体薄膜層と、基体との密着性が良好な導電体から成り給電線がハンダ付けされる接点用導電体薄膜層とを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の質量分析装置。