JP2010244903A - Mass spectrometer - Google Patents

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欧樹 榮
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance the convergency of ions of same m/z, when emitting pulse-likely the ions in an ion source by an EI method. <P>SOLUTION: A gate electrode 15 is arranged between a filament 12 for generation a thermoelectron and a thermoelectron introducing port 102 of an ionization chamber 10. The thermoelectron is shielded by impressing a prescribed voltage to the gate electrode 15, after a sample molecule is ionized by introducing the thermoelectron into the ionization chamber 10. An ion emission voltage is impressed to a repeller electrode 14 after the thermoelectron introduced into the ionization chamber 10 just before is passed through the ionization chamber 10, and initial kinetic energy is imparted to the ions in the ionization chamber 10, to emit the ions pulse-likely from the ionization chamber 10. An electric field is not disturbed at that time by the thermoelectron, and a behavior of the ion is not affected by the thermoelectron, because no thermoelectron exists substantially in the ionization chamber 10. A noise is also restrained from being generated by collision of the thermoelectron with the repeller electrode 14. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は質量分析装置に関し、さらに詳しくは、質量分析装置において電子イオン化法(EI)を利用してイオンを生成するイオン源に関する。   The present invention relates to a mass spectrometer, and more particularly, to an ion source that generates ions using electron ionization (EI) in a mass spectrometer.

従来より、質量分析装置において気体状の試料をイオン化するイオン源として電子イオン化法(以下、EI法と称す)を利用したものが知られている。EI法では、フィラメントを加熱することで発生させた熱電子を電場の作用により加速し、気体状の試料分子(又は原子)に衝突させる。すると、試料分子から電子が飛び出し、試料分子イオンが生成される。   2. Description of the Related Art Conventionally, an ion source using an electron ionization method (hereinafter referred to as EI method) is known as an ion source for ionizing a gaseous sample in a mass spectrometer. In the EI method, thermoelectrons generated by heating a filament are accelerated by the action of an electric field and collide with gaseous sample molecules (or atoms). Then, electrons jump out from the sample molecules, and sample molecule ions are generated.

飛行時間型質量分析装置(TOF−MS)のイオン源として上記EIイオン源を用いる場合、或いは、EIイオン源で生成したイオンを3次元四重極型イオントラップなどに間欠的に導入する場合には、イオン源で生成したイオンをパルス的に加速してパケット状態(ひとかたまりの状態)で送り出す必要がある。非特許文献1に記載のTOF−MSでは、次のようにして、EI法により生成したイオンをパルス的にイオン源から出射させて質量分析に供する。   When using the EI ion source as an ion source of a time-of-flight mass spectrometer (TOF-MS), or when introducing ions generated by the EI ion source intermittently into a three-dimensional quadrupole ion trap or the like Needs to accelerate the ions generated by the ion source in a pulsed manner and send them out in a packet state (a group of states). In the TOF-MS described in Non-Patent Document 1, ions generated by the EI method are pulsedly emitted from an ion source and used for mass spectrometry as follows.

即ち、フィラメントで発生させた熱電子を加速して連続的にイオン化室内に導入すると、この熱電子はイオン化室内に導入された試料分子に衝突し、これによって試料分子はイオン化される。熱電子流は連続的にイオン化室内に供給されるため、気体状の試料がイオン化室内に連続的に供給されれば、イオンもほぼ連続的に生成される。イオン化室からイオンを送り出す際には、イオン化室内に配設されたリペラ電極にパルス的にイオンと同極性の電圧を印加する。これにより、イオン化室内にはイオンが反発する電場が生じるから、この電場の作用によってイオンは初期運動エネルギを付与され、イオン化室に設けられたイオン出射口を通してパルス的に放出される。上記のようにしてイオン化室から出射されたイオンはさらに1乃至複数段の加速電極により加速され、飛行空間に導入されて飛行空間中を飛行する過程で質量電荷比に応じて分離される。   That is, when the thermoelectrons generated in the filament are accelerated and continuously introduced into the ionization chamber, the thermoelectrons collide with the sample molecules introduced into the ionization chamber, thereby ionizing the sample molecules. Since the thermionic current is continuously supplied into the ionization chamber, if a gaseous sample is continuously supplied into the ionization chamber, ions are also generated almost continuously. When ions are sent out from the ionization chamber, a voltage having the same polarity as the ions is applied in a pulse manner to a repeller electrode disposed in the ionization chamber. As a result, an electric field in which ions are repelled is generated in the ionization chamber, so that ions are given initial kinetic energy by the action of this electric field and are emitted in a pulse manner through an ion emission port provided in the ionization chamber. The ions emitted from the ionization chamber as described above are further accelerated by one or more stages of acceleration electrodes, introduced into the flight space, and separated in accordance with the mass-to-charge ratio in the process of flying in the flight space.

上記のようなTOF−MSで高い質量精度や質量分解能を達成するためには、イオンが検出器に到達する時点で、同一質量電荷比(m/z)を有するイオンが時間的に収束している必要がある。つまり、同一質量電荷比を有するイオンの飛行時間スペクトルピークの幅ができるだけ狭いことが好ましい。しかしながら、上記従来のEIイオン源では必ずしも時間収束が十分でないという問題がある。その原因としては次のようなことが考えられる。   In order to achieve high mass accuracy and mass resolution with TOF-MS as described above, ions having the same mass-to-charge ratio (m / z) converge in time when ions reach the detector. Need to be. That is, it is preferable that the time-of-flight spectrum peak width of ions having the same mass-to-charge ratio is as narrow as possible. However, the conventional EI ion source has a problem that time convergence is not always sufficient. The following can be considered as the cause.

即ち、熱電子流はイオン化室内に連続的に導入されるため、リペラ電極にパルス的に電圧(イオン出射用電圧)を印加してイオン化室内のイオンを出射させるときに、イオン群に加えて電子群もイオン化室内に存在している。この電子群の存在が、リペラ電極にイオン出射用電圧が印加されるときのイオン化室内の電場を乱し、イオンの挙動に影響を与え、イオン化室から放出されるイオンの収束に影響を与えることが考えられる。また、正イオン測定の場合にはリペラ電極に正のイオン出射用電圧が印加されるため、その電圧印加時にイオン化室内に存在する電子はリペラ電極に誘引されて該電極に衝突する。このように電子群がリペラ電極に衝突することで、ノイズが発生する原因にもなる。   That is, since the thermionic current is continuously introduced into the ionization chamber, when a voltage (voltage for ion emission) is applied to the repeller electrode in a pulsed manner to emit ions in the ionization chamber, electrons are added in addition to the ions. Groups are also present in the ionization chamber. The presence of this electron group disturbs the electric field in the ionization chamber when the ion extraction voltage is applied to the repeller electrode, affecting the behavior of the ions, and affecting the convergence of ions emitted from the ionization chamber. Can be considered. In the case of positive ion measurement, since a positive ion emission voltage is applied to the repeller electrode, electrons existing in the ionization chamber are attracted to the repeller electrode and collide with the electrode when the voltage is applied. In this way, the electron group collides with the repeller electrode, which causes noise.

また、同一質量電荷比を有するイオンパケットを十分に収束させるためには、リペラ電極にイオン出射用電圧を印加した時点でのイオン化室内でのイオンの初期位置(空間的な初期分布)が重要である。従来のEIイオン源では、熱電子流がイオン化室内に常時導入されることで次々と試料分子がイオン化され、それら多量のイオン同士のクーロン反発力により、イオン化室内でイオンは空間的に拡がってしまう。そのため、リペラ電極にイオン出射用電圧が印加されたときの各イオンの出発点の位置が相違し、各イオンが付与される運動エネルギのばらつき、或いは飛行距離のばらつきなどにより、イオンの収束が悪くなると考えられる。   In addition, in order to sufficiently converge ion packets having the same mass-to-charge ratio, the initial position (spatial initial distribution) of ions in the ionization chamber at the time when the ion extraction voltage is applied to the repeller electrode is important. is there. In a conventional EI ion source, sample molecules are ionized one after another by constantly introducing a thermionic current into the ionization chamber, and ions are spatially expanded in the ionization chamber due to the Coulomb repulsive force between these many ions. . For this reason, when the ion extraction voltage is applied to the repeller electrode, the position of the starting point of each ion is different, and the convergence of ions is poor due to variations in kinetic energy to which each ion is applied or variations in flight distance. It is considered to be.

ウィレイ(W.C. Wiley)、ほか1名、「タイム・オブ・フライト・マス・スペクトロメータ・ウィズ・インプルーブド・リゾリューション(Time-of-Flight Mass Spectrometer with Improved Resolution)」、レビュー・オブ・サイエンティフィック・インストゥルメンツ(Review of Scientific Instruments)、第26巻、1995年、p. 1150-1157WC Wiley and 1 other, “Time-of-Flight Mass Spectrometer with Improved Resolution”, Review of Science Review of Scientific Instruments, Volume 26, 1995, p. 1150-1157

本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、例えばイオン源で生成したイオンを飛行時間型質量分析器で質量分析する場合に、同一質量電荷比を有するイオンの収束を良好に行うことにより、質量分離能や質量精度を向上させることができる質量分析装置を提供することである。   The present invention has been made in view of the above problems, and the object of the present invention is to provide ions having the same mass-to-charge ratio when, for example, ions generated from an ion source are subjected to mass analysis by a time-of-flight mass analyzer. It is to provide a mass spectrometer capable of improving mass resolution and mass accuracy by performing the convergence of the above.

上記課題を解決するために成された本発明は、熱電子を生成する熱電子生成部と、該熱電子生成部で生成した熱電子を内部に導入する熱電子導入口を有し、その内部において熱電子を利用して試料分子又は原子をイオン化するイオン化室と、を含むイオン源を具備する質量分析装置において、
a)前記熱電子生成部と前記イオン化室の熱電子導入口との間に配置され、熱電子を通過させる又は遮断するためのゲート電極と、
b)前記イオン化室内で生成されたイオンに対し電場により運動エネルギを付与して該イオン化室から出射させるためのイオン出射用電極と、
c)熱電子の通過/遮断を制御する電圧を前記ゲート電極に印加する第1電圧印加手段と、
d)前記イオン化室内からイオンを出射させるための電圧を前記イオン出射用電極に印加する第2電圧印加手段と、
e)前記ゲート電極を熱電子が通過可能な状態で前記イオン化室内でイオンを生成し、前記ゲート電極で熱電子が遮断される状態に移行した後に前記イオン化室内からイオンを出射させるべく前記イオン出射用電極に電圧を印加するように第1及び第2電圧印加手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴としている。
The present invention made to solve the above problems has a thermoelectron generator that generates thermoelectrons, and a thermoelectron inlet that introduces thermoelectrons generated by the thermoelectron generator into the interior. In a mass spectrometer comprising an ion source including: an ionization chamber that ionizes sample molecules or atoms using thermal electrons in
a) a gate electrode that is disposed between the thermoelectron generator and the thermoelectron inlet of the ionization chamber, and passes or blocks thermoelectrons;
b) an ion extraction electrode for applying kinetic energy to the ions generated in the ionization chamber by an electric field and emitting them from the ionization chamber;
c) first voltage applying means for applying a voltage for controlling passage / blocking of the thermoelectrons to the gate electrode;
d) a second voltage applying means for applying a voltage for ejecting ions from the ionization chamber to the ion ejection electrode;
e) Ion emission to generate ions in the ionization chamber in a state where thermionic electrons can pass through the gate electrode, and to emit ions from the ionization chamber after transitioning to a state in which the thermoelectrons are blocked by the gate electrode. Control means for controlling the first and second voltage application means so as to apply a voltage to the working electrode;
It is characterized by having.

熱電子生成部は例えば、加熱により熱電子を生成するフィラメントである。また、イオン出射用電極は、イオン化室内に配設され、電場の作用によりイオン化室内のイオンを外側に押し出す押し出し(リペラ)電極、又は、イオン化室の外側に配設され、電場の作用によりイオン化室内のイオンを外側に引き出す引き出し電極のいずれかである。   The thermoelectron generator is, for example, a filament that generates thermoelectrons by heating. The ion extraction electrode is disposed inside the ionization chamber, and is disposed on the outside of the ionization chamber by the action of an electric field. One of the extraction electrodes that draws out the ions to the outside.

本発明に係る質量分析装置では、制御手段の制御の下に、ゲート電極を自由に通過させた熱電子をイオン化室内に送り込む。イオン化室内では熱電子が試料分子に接触し、該試料分子がイオン化される。こうして所定時間、イオン化を行った後に、第1電圧印加手段からゲート電極に所定の電圧を印加し、それにより形成される電場の作用によって熱電子の通過を妨害する。具体的には、熱電子生成部に対して負となる電圧をゲート電極に印加することにより、熱電子を跳ね返すようにすればよい。熱電子がイオン化室内に供給されなくなると、短時間の間にイオン化室内には熱電子が殆ど存在しなくなる。その状態で第2電圧印加手段からイオン出射用電極に所定のイオン出射用電圧が印加され、それにより形成される電場の作用によって、イオン化室内のイオンは外側に送り出される。   In the mass spectrometer according to the present invention, the thermoelectrons freely passing through the gate electrode are fed into the ionization chamber under the control of the control means. In the ionization chamber, the thermal electrons come into contact with the sample molecules, and the sample molecules are ionized. Thus, after ionization for a predetermined time, a predetermined voltage is applied to the gate electrode from the first voltage applying means, and the passage of the thermal electrons is obstructed by the action of the electric field formed thereby. Specifically, the thermoelectrons may be rebounded by applying a negative voltage to the gate electrode with respect to the thermoelectron generator. When the hot electrons are not supplied into the ionization chamber, there are almost no thermoelectrons in the ionization chamber in a short time. In this state, a predetermined ion emission voltage is applied from the second voltage application means to the ion emission electrode, and ions in the ionization chamber are sent out by the action of the electric field formed thereby.

このようにして、本発明に係る質量分析装置によれば、イオン化室内に熱電子が殆どない状態で、その直前に生成したイオンをイオン化室内から出射させることができる。したがって、イオン出射時のイオン化室内の電場は電子群の影響を受けなくなるので、例えばイオン化室から出射したイオンを飛行時間型質量分析器に導入する場合に、検出器に到達する時点における同一質量電荷比を有するイオンの収束性が向上する。それによって、質量分解能や質量精度を向上させることができる。また、正イオンを測定するためにイオン出射用電極に正電圧を印加した場合でも該電極への電子の衝突が少なくなるため、この衝突に起因するノイズの発生を抑制することができる。   In this manner, according to the mass spectrometer of the present invention, ions generated immediately before the ionization chamber can be emitted from the ionization chamber with almost no thermoelectrons in the ionization chamber. Therefore, since the electric field in the ionization chamber at the time of ion emission is not affected by the electron group, for example, when introducing ions emitted from the ionization chamber into the time-of-flight mass analyzer, the same mass charge at the time of reaching the detector The convergence of ions having a ratio is improved. Thereby, mass resolution and mass accuracy can be improved. Further, even when a positive voltage is applied to the ion emission electrode in order to measure positive ions, collision of electrons with the electrode is reduced, so that generation of noise due to this collision can be suppressed.

本発明に係る質量分析装置の好ましい一態様として、前記制御手段は、パルス的に熱電子がゲート電極を通過するように該ゲート電極への電圧の印加を制御し、該ゲート電極で熱電子が遮断される状態に移行した直後に前記イオン化室内からイオンを出射させるべく前記イオン出射用電極にイオン出射用電圧を印加するように第1及び第2電圧印加手段を制御するとよい。   As a preferred aspect of the mass spectrometer according to the present invention, the control means controls the application of voltage to the gate electrode so that the thermoelectrons pass through the gate electrode in a pulsed manner, and the thermoelectrons The first and second voltage applying means may be controlled so that an ion emission voltage is applied to the ion emission electrode so that ions are emitted from the ionization chamber immediately after the transition to the blocked state.

この構成によれば、熱電子流がパルス的に短時間だけイオン化室内に導入され、その後速やかにイオン出射用の電場がイオン化室内に形成されるため、イオン生成開始時点からイオンに運動エネルギが付与される時点までの時間が短くてすむ。その結果、イオン同士のクーロン反発力による空間的な拡がりが殆ど生じない状況の下で、イオンをイオン化室内から出射させることができる。それにより、イオンの出発位置のばらつきや付与される運動エネルギのばらつきが軽減され、同一質量電荷比の収束性を一層高めることができる。   According to this configuration, a thermionic current is introduced into the ionization chamber for a short time in a pulsed manner, and then an electric field for ion extraction is quickly formed in the ionization chamber, so that kinetic energy is imparted to ions from the start of ion generation. It takes less time to start. As a result, ions can be ejected from the ionization chamber under the condition that the spatial expansion due to the Coulomb repulsive force between the ions hardly occurs. Thereby, the variation of the ion starting position and the variation of the applied kinetic energy can be reduced, and the convergence of the same mass-to-charge ratio can be further enhanced.

本発明の一実施例である質量分析装置の全体構成図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The whole block diagram of the mass spectrometer which is one Example of this invention. 本実施例の質量分析装置におけるイオン源の詳細構成図。The detailed block diagram of the ion source in the mass spectrometer of a present Example. 本実施例の質量分析装置におけるゲート電極及びリペラ電極への電圧印加のタイミング図。The timing diagram of the voltage application to the gate electrode and repeller electrode in the mass spectrometer of a present Example. 本実施例の質量分析装置による飛行時間スペクトルピークの実測例。The example of actual measurement of the time-of-flight spectrum peak by the mass spectrometer of a present Example. 他の実施例によるゲート電極及びリペラ電極への電圧印加のタイミング図。The timing diagram of the voltage application to the gate electrode and repeller electrode by another Example.

本発明の一実施例である質量分析装置について添付図面を参照して説明する。図1は本実施例の質量分析装置の全体構成図、図2はイオン源の詳細構成図である。   A mass spectrometer which is one embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is an overall configuration diagram of a mass spectrometer according to the present embodiment, and FIG. 2 is a detailed configuration diagram of an ion source.

図1において、真空容器6の内部は図示しない真空ポンプにより真空排気され、所定の真空度に維持される。例えば図示しないガスクロマトグラフ(GC)のカラムから流出する試料ガスは適宜のインタフェイスを介して試料導入管7からイオン源1のイオン化室10内へと供給される。イオン化室10にはフィラメント12からトラップ電極13に向かう熱電子流が形成され、イオン化室10に導入された試料分子に熱電子が接触することによって該分子はイオン化される。   In FIG. 1, the inside of the vacuum vessel 6 is evacuated by a vacuum pump (not shown) and maintained at a predetermined degree of vacuum. For example, sample gas flowing out from a column of a gas chromatograph (GC) (not shown) is supplied from the sample introduction tube 7 into the ionization chamber 10 of the ion source 1 through an appropriate interface. A thermoelectron flow from the filament 12 toward the trap electrode 13 is formed in the ionization chamber 10, and the molecules are ionized when the thermoelectrons contact the sample molecules introduced into the ionization chamber 10.

生成された各種イオンは後述する電場の作用によりイオン化室10からパルス的に出射され(図1では右方)、第2段加速電極2でさらに加速されてフライトチューブ3内に形成される飛行空間4に導入される。ほぼ同時にイオン源1を出発した各種イオンは、質量電荷比に応じた速度をもって飛行空間を飛行する。したがって、飛行空間4中を飛行する間に質量電荷比が大きなイオンほど遅れ、時間差がついて検出器5に到達する。検出器5による検出信号を受けた図示しないデータ処理部では、予め求めておいた較正情報を用いて飛行時間を質量電荷比に換算し、例えばマススペクトルを作成する。   The generated various ions are pulsedly emitted from the ionization chamber 10 by the action of an electric field to be described later (right side in FIG. 1), and are further accelerated by the second stage acceleration electrode 2 and formed in the flight tube 3. 4 is introduced. Various ions that have started from the ion source 1 almost simultaneously fly in the flight space at a speed corresponding to the mass-to-charge ratio. Therefore, ions having a larger mass-to-charge ratio are delayed while flying in the flight space 4, and reach the detector 5 with a time difference. A data processing unit (not shown) that has received the detection signal from the detector 5 converts the flight time into a mass-to-charge ratio using previously obtained calibration information, and creates, for example, a mass spectrum.

図2に詳細に示すように、イオン化室10の壁面に開口した熱電子導入口102の外側にはフィラメント12が内装されたフィラメント室11が配置されており、図示しない加熱電流源からフィラメント12に加熱電流が供給されるとフィラメント12の温度が上昇して熱電子が放出される。一方、イオン化室10にあって熱電子導入口102に対向する位置には熱電子出射口103が設けられ、その外側にトラップ電極13が配置されている。フィラメント室11と熱電子導入口102との間には、熱電子が通過する開口が穿設されたゲート電極15が配設されている。またイオン化室10内にあって、該イオン化室10の壁面に形成されたイオン出射口101と反対側には、平板状のリペラ電極14が配設されている。   As shown in detail in FIG. 2, a filament chamber 11 having a filament 12 is disposed outside the thermoelectron introduction port 102 opened in the wall surface of the ionization chamber 10. When a heating current is supplied, the temperature of the filament 12 rises and thermoelectrons are emitted. On the other hand, in the ionization chamber 10, a thermoelectron emission port 103 is provided at a position facing the thermoelectron introduction port 102, and a trap electrode 13 is disposed outside the thermoelectron emission port 103. Between the filament chamber 11 and the thermoelectron introduction port 102, a gate electrode 15 having an opening through which thermoelectrons pass is disposed. A flat repeller electrode 14 is disposed in the ionization chamber 10 on the side opposite to the ion emission port 101 formed on the wall surface of the ionization chamber 10.

フィラメント室11及びトラップ電極13のさらに外側には磁石16及びヨーク17が配設されているが、これは磁場の作用によって熱電子を螺旋状に旋回させ、イオン化室10内での熱電子の空間的な拡がりを抑えるためのものである。それにより、熱電子と試料分子とが接触し得る空間、つまりはイオンの生成領域を狭くし、イオンの飛行の出発位置のばらつきを軽減することができる。   A magnet 16 and a yoke 17 are disposed on the outer side of the filament chamber 11 and the trap electrode 13. The magnets rotate spirally by the action of a magnetic field, and the space of the thermoelectrons in the ionization chamber 10. This is to suppress general spread. As a result, the space in which the thermoelectrons and the sample molecules can contact, that is, the ion generation region can be narrowed, and variations in the starting position of the ion flight can be reduced.

フィラメント12には例えば−70[V]の直流電圧V1が、フィラメント室11にはそれよりも僅かに低い例えば−73[V]の直流電圧V2がそれぞれ印加され、トラップ電極13及びイオン化室10は接地(電位0[V])されている。ゲート電極15には本発明における第1電圧印加手段に相当する電子制御電圧発生部21から後述する所定電圧が、リペラ電極14には本発明における第2電圧印加手段に相当する出射制御電圧発生部22から後述する所定電圧が、それぞれ印加され、電子制御電圧発生部21及び出射制御電圧発生部22の動作はCPUなどを含む制御部20により制御される。なお、トラップ電極13の電位は理想的にはイオン化室10の電位よりも高い+10[V]程度であるが、ここでは実験を容易にするために0[V]に設定した。   For example, a direct current voltage V1 of −70 [V] is applied to the filament 12, and a direct current voltage V2 of −73 [V], for example, slightly lower than that is applied to the filament chamber 11, and the trap electrode 13 and the ionization chamber 10 are Grounded (potential 0 [V]). The gate electrode 15 has a predetermined voltage, which will be described later, from the electronic control voltage generator 21 corresponding to the first voltage application means in the present invention, and the repeller electrode 14 has an emission control voltage generator corresponding to the second voltage application means in the present invention. A predetermined voltage, which will be described later, is applied from 22, and the operations of the electronic control voltage generator 21 and the emission control voltage generator 22 are controlled by a controller 20 including a CPU. The potential of the trap electrode 13 is ideally about +10 [V], which is higher than the potential of the ionization chamber 10, but here it was set to 0 [V] to facilitate the experiment.

図1、図2に、図3を加え、本実施例の質量分析装置における特徴的なイオン生成動作について説明する。図3はゲート電極15及びリペラ電極14への電圧印加のタイミング図である。   FIG. 3 is added to FIGS. 1 and 2, and a characteristic ion generation operation in the mass spectrometer of the present embodiment will be described. FIG. 3 is a timing chart of voltage application to the gate electrode 15 and the repeller electrode 14.

制御部20の制御の下に、電子制御電圧発生部21がイオン化室10の電位と同じ0[V]の電圧をゲート電極15に印加すると、フィラメント12で生成された熱電子はゲート電極15の開口を自由に通過し、さらに熱電子導入口102を通過してイオン化室10内に入る。つまり、図2に示すような上から真下に向かう(厳密には上述した磁場の作用により螺旋状に進む)熱電子による電子流(電子線)が形成される。イオン化室10内に導入された試料分子はこの熱電子に接触してイオン化される。このときには、リペラ電極14には出射制御電圧発生部22から0[V]の電圧(つまりイオン化室10と同電位)が印加されているので、生成された正イオンはイオン化室10内に溜まる。   Under the control of the control unit 20, when the electronic control voltage generation unit 21 applies a voltage of 0 [V], which is the same as the potential of the ionization chamber 10, to the gate electrode 15, the thermoelectrons generated in the filament 12 are transferred to the gate electrode 15. It passes freely through the opening, and further passes through the thermal electron inlet 102 and enters the ionization chamber 10. That is, an electron flow (electron beam) is formed by thermionic electrons from the top to the bottom as shown in FIG. 2 (strictly, it advances spirally by the action of the magnetic field described above). The sample molecules introduced into the ionization chamber 10 are ionized in contact with the thermoelectrons. At this time, a voltage of 0 [V] (that is, the same potential as that of the ionization chamber 10) is applied to the repeller electrode 14 from the extraction control voltage generator 22, so that the generated positive ions accumulate in the ionization chamber 10.

時刻t1において、電子制御電圧発生部21はV1、V2よりも低い所定電圧(例えば−100[V])をゲート電極15に印加する。すると、ゲート電極15とフィラメント室11との間には電子に対する高い電位障壁が形成されるから、フィラメント12で生成された熱電子は跳ね返され、イオン化室10へと入射できなくなる。時刻t1の直前にゲート電極15を通り抜けた熱電子はイオン化室10へと入るが、それ以降、イオン化室10への熱電子の入射は停止するので、イオン化室10内の熱電子の密度は急速に下がり、時刻t1から或る時間が経過するまでの期間には、全ての熱電子がイオン化室10を通り抜ける。後述するように電子の速度は非常に速いため、ごく短い時間でほぼ全ての熱電子はイオン化室10を通り抜け、イオン化室10内は熱電子が殆ど存在しない状態となる。   At time t1, the electronic control voltage generator 21 applies a predetermined voltage (for example, −100 [V]) lower than V1 and V2 to the gate electrode 15. Then, since a high potential barrier against electrons is formed between the gate electrode 15 and the filament chamber 11, the thermoelectrons generated in the filament 12 are rebounded and cannot enter the ionization chamber 10. The thermoelectrons that have passed through the gate electrode 15 immediately before the time t1 enter the ionization chamber 10, but thereafter, the incidence of the thermoelectrons into the ionization chamber 10 stops, so the density of the thermoelectrons in the ionization chamber 10 is rapid. In the period from the time t1 until a certain time elapses, all the thermoelectrons pass through the ionization chamber 10. As will be described later, since the speed of the electrons is very high, almost all the thermoelectrons pass through the ionization chamber 10 in a very short time, and there are almost no thermoelectrons in the ionization chamber 10.

そうした状態となった時刻t2において、出射制御電圧発生部22は所定の正電圧(例えば1400[V])をリペラ電極14へ印加する。すると、イオン化室10内に溜まっていた正イオンは、リペラ電極14への印加電圧によりイオン化室10内に形成された同極性の電場の作用により、図2で右方へ向かう初期運動エネルギを付与される。これにより、試料分子に由来するイオンはほぼ一斉に移動を開始し、イオン出射口101を経てイオン化室10外へと出射される。これらイオンは第2段加速電極2への印加電圧により形成される電場によりさらに加速され、飛行空間4に導入される。   At the time t <b> 2 when such a state is reached, the emission control voltage generator 22 applies a predetermined positive voltage (for example, 1400 [V]) to the repeller electrode 14. Then, the positive ions accumulated in the ionization chamber 10 are given initial kinetic energy toward the right in FIG. 2 by the action of the electric field of the same polarity formed in the ionization chamber 10 by the voltage applied to the repeller electrode 14. Is done. Thereby, the ions derived from the sample molecules start to move almost simultaneously and are emitted out of the ionization chamber 10 through the ion emission port 101. These ions are further accelerated by the electric field formed by the voltage applied to the second stage acceleration electrode 2 and introduced into the flight space 4.

上述したように、リペラ電極14にイオン出射用電圧を印加する時点(時刻t2)でイオン化室10内には熱電子が殆ど存在しないため、リペラ電極14への印加電圧により形成される正電場は熱電子の影響を殆ど受けることがない。そのため、イオン化室10から出射されるイオンの挙動は熱電子により乱されることなく、同一質量電荷比を有するイオンは高い収束性を示す。また、リペラ電極14に正電圧が印加されてもリペラ電極14に熱電子が衝突しないので、こうした電子の衝突に起因するノイズも抑制することができる。   As described above, since there are almost no thermoelectrons in the ionization chamber 10 at the time of applying the ion emission voltage to the repeller electrode 14 (time t2), the positive electric field formed by the applied voltage to the repeller electrode 14 is It is hardly affected by thermionic electrons. Therefore, the behavior of ions emitted from the ionization chamber 10 is not disturbed by thermal electrons, and ions having the same mass-to-charge ratio exhibit high convergence. Further, even if a positive voltage is applied to the repeller electrode 14, no thermal electrons collide with the repeller electrode 14, and thus noise caused by such electron collision can be suppressed.

次に、図2に示した構成のイオン源1を用いた実測結果について説明する。この測定では、試料として窒素ガスを用いた。また、リペラ電極14とイオン化室10との間の電位差は約1400[V]、イオン化室10と第2段加速電極2との間の電位差は約6900[V]とした。また、図3に示したt1とt2の時間差tは0に設定した。これはリペラ電極14の実際の電位は図3に示したようには急峻に立ち上がらず、出射制御電圧発生部22で電圧の上昇を開始した時点からリペラ電極14の電圧が立ち上がるまでに約30[nsec]の時間が掛かっているためである。したがって、リペラ電極14の電圧の立ち上がりが速い場合には時間差tを数〜数十[nsec]程度設けたほうがよい。   Next, actual measurement results using the ion source 1 having the configuration shown in FIG. 2 will be described. In this measurement, nitrogen gas was used as a sample. The potential difference between the repeller electrode 14 and the ionization chamber 10 was about 1400 [V], and the potential difference between the ionization chamber 10 and the second stage acceleration electrode 2 was about 6900 [V]. Also, the time difference t between t1 and t2 shown in FIG. This is because the actual potential of the repeller electrode 14 does not rise steeply as shown in FIG. 3, and about 30 [from the time when the output control voltage generator 22 starts increasing the voltage until the voltage of the repeller electrode 14 rises. This is because it takes nsec]. Therefore, when the rise of the voltage of the repeller electrode 14 is fast, it is better to provide a time difference t of several to several tens [nsec].

図4は収束面Pの位置に配設された検出器(MCP)5で観測された信号波形、つまり飛行時間と信号強度との関係を示す飛行時間スペクトルである。イオンの収束特性はスペクトルピークの時間幅(半値幅)を用いて示すことができるが、この例では半値幅は1.8[nsec]となり、十分に収束していることが分かる。   FIG. 4 shows a signal waveform observed by the detector (MCP) 5 disposed at the position of the convergence plane P, that is, a time-of-flight spectrum showing the relationship between the time of flight and the signal intensity. The ion convergence characteristic can be shown by using the time width (half-value width) of the spectrum peak. In this example, the half-value width is 1.8 [nsec], which indicates that the ion is sufficiently converged.

次に、本発明の他の実施例による質量分析装置について説明する。この質量分析装置の基本的な構成は上記実施例と同じであるが、制御部20の制御の下に電子制御電圧発生部21及び出射制御電圧発生部22からゲート電極15及びリペラ電極14にそれぞれ印加される電圧の変化のタイミングが相違する。図5はゲート電極15及びリペラ電極14への電圧印加のタイミング図である。   Next, a mass spectrometer according to another embodiment of the present invention will be described. The basic configuration of this mass spectrometer is the same as that of the above embodiment, but under the control of the control unit 20, the electronic control voltage generation unit 21 and the emission control voltage generation unit 22 are connected to the gate electrode 15 and the repeller electrode 14, respectively. The timing for changing the applied voltage is different. FIG. 5 is a timing diagram of voltage application to the gate electrode 15 and the repeller electrode 14.

この実施例では、図5に示すように、電子制御電圧発生部21からゲート電極15にパルス的に短時間だけ熱電子の通過を許可するような電圧を印加し、その後直ぐに、リペラ電極14にイオン出射用電圧を印加する。上述したように、イオン化室10内では熱電子が導入されるときにのみ試料分子がイオン化されるため、イオン生成が開始されるのは時刻t3の時点であり、時刻t4の時点でイオン生成は終了し、時刻t5の時点でイオン出射用電圧がリペラ電極14に印加される。   In this embodiment, as shown in FIG. 5, a voltage is applied from the electronic control voltage generator 21 to the gate electrode 15 so as to allow the passage of thermoelectrons for a short time in a pulsed manner, and immediately thereafter, to the repeller electrode 14. Ion extraction voltage is applied. As described above, since the sample molecules are ionized only in the ionization chamber 10 when the thermoelectrons are introduced, the ion generation is started at the time t3, and the ion generation is performed at the time t4. The ion extraction voltage is applied to the repeller electrode 14 at time t5.

イオン化室10内で生成されたイオンは同極性の電荷を有するから、そのクーロン反発力によって、初めに狭い領域に密集した状態にあった多数のイオンは時間経過に伴い空間的に拡がっていく。これに対し、この実施例による装置では、上述したようにイオン生成開始時点からイオン出射用電圧印加時点までの時間が短いため、上記のようなクーロン反発力によるイオンの空間的拡がりが殆どない状態で、イオンに初期運動エネルギを付与して加速することができる。その結果、イオンの出発点は比較狭い領域に収まり、各イオンの飛行距離のばらつきが抑えられるとともに、付与される初期運動エネルギのばらつきも小さくなる。その結果、同一質量電荷比を有するイオンの収束性を高めることができる。   Since the ions generated in the ionization chamber 10 have the same polarity, a large number of ions that were initially densely packed in a narrow region spread spatially over time due to the Coulomb repulsive force. On the other hand, in the apparatus according to this embodiment, as described above, since the time from the ion generation start time to the ion extraction voltage application time is short, there is almost no spatial expansion of ions due to the Coulomb repulsion as described above. Thus, it is possible to accelerate by applying initial kinetic energy to the ions. As a result, the starting point of the ions falls within a comparatively narrow region, and the variation in the flight distance of each ion is suppressed, and the variation in the applied initial kinetic energy is also reduced. As a result, the convergence of ions having the same mass-to-charge ratio can be improved.

なお、電子とイオンとでは速度に大きな差がある。例えば70[eV]で加速された電子の速度は5×10[m/sec]であり、50[mm]の長さ(これはイオン化室10内のイオン化領域の長さのオーダー)を通過するのに要する時間は10[nsec]にすぎない。それに対して400[K]における窒素イオンの速度は6×10[m/sec]であり、10[nsec]の時間でイオンが移動する距離は僅か6[μm]である。このことから、熱電子がイオン化室10内のイオン化領域を完全に通過するまで待ってリペラ電極14にパルス的にイオン出射用電圧を印加しても、その間にイオンは空間的に殆ど拡がらず、上記のような効果が達成できる。 There is a large difference in speed between electrons and ions. For example, the velocity of the electron accelerated at 70 [eV] is 5 × 10 6 [m / sec] and passes through a length of 50 [mm] (this is the order of the length of the ionization region in the ionization chamber 10). The time required for this is only 10 [nsec]. On the other hand, the velocity of nitrogen ions at 400 [K] is 6 × 10 2 [m / sec], and the distance that the ions move in a time of 10 [nsec] is only 6 [μm]. Therefore, even when the thermoelectrons completely pass through the ionization region in the ionization chamber 10 and the ion extraction voltage is applied to the repeller electrode 14 in a pulsed manner, the ions hardly spread spatially during that time. The effects as described above can be achieved.

上記実施例ではいずれも、パルス的にイオン源から出射させたイオンを飛行時間型質量分析器に導入して質量分析を行っていたが、パルス的にイオン源から出射させたイオンを例えば3次元四重極型イオントラップに導入して一旦捕捉し、その後にイオントラップからイオンを出射して質量分析を行うようにすることもできる。即ち、本発明に係る質量分析装置において、質量分析の手法は特に限定されるものではない。   In any of the above-described embodiments, ions emitted from the ion source in a pulse manner are introduced into the time-of-flight mass analyzer to perform mass analysis. However, the ions emitted from the ion source in a pulse manner are, for example, three-dimensional. It can also be introduced into a quadrupole ion trap and once trapped, and then ions can be emitted from the ion trap for mass analysis. That is, in the mass spectrometer according to the present invention, the mass spectrometry method is not particularly limited.

また、それ以外にも、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正、追加を行っても、本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。   In addition, it is obvious that any modifications, corrections, and additions as appropriate within the scope of the present invention are included in the scope of the claims of the present application.

1…イオン源
10…イオン化室
101…イオン出射口
102…熱電子導入口
103…熱電子出射口
11…フィラメント室
12…フィラメント
13…トラップ電極
14…リペラ電極
15…ゲート電極
16…磁石
17…ヨーク
2…第2段加速電極
3…フライトチューブ
4…飛行空間
5…検出器
6…真空容器
7…試料導入管
20…制御部
21…電子制御電圧発生部
22…出射制御電圧発生部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Ion source 10 ... Ionization chamber 101 ... Ion emission port 102 ... Thermionic introduction port 103 ... Thermionic emission port 11 ... Filament chamber 12 ... Filament 13 ... Trap electrode 14 ... Repeller electrode 15 ... Gate electrode 16 ... Magnet 17 ... Yoke 2 ... 2nd stage acceleration electrode 3 ... Flight tube 4 ... Flight space 5 ... Detector 6 ... Vacuum vessel 7 ... Sample introduction tube 20 ... Control part 21 ... Electronic control voltage generation part 22 ... Output control voltage generation part

Claims (2)

熱電子を生成する熱電子生成部と、該熱電子生成部で生成された熱電子を内部に導入する熱電子導入口を有し、その内部において熱電子を利用して試料分子又は原子をイオン化するイオン化室と、を含むイオン源を具備する質量分析装置において、
a)前記熱電子生成部と前記イオン化室の熱電子導入口との間に配置され、熱電子を通過させる又は遮断するためのゲート電極と、
b)前記イオン化室内で生成されたイオンに対し電場により運動エネルギを付与して該イオン化室から出射させるためのイオン出射用電極と、
c)熱電子の通過/遮断を制御する電圧を前記ゲート電極に印加する第1電圧印加手段と、
d)前記イオン化室内からイオンを出射させるための電圧を前記イオン出射用電極に印加する第2電圧印加手段と、
e)前記ゲート電極を熱電子が通過可能な状態で前記イオン化室内でイオンを生成し、前記ゲート電極で熱電子が遮断される状態に移行した後に前記イオン化室内からイオンを出射させるべく前記イオン出射用電極に電圧を印加するように第1及び第2電圧印加手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする質量分析装置。
A thermoelectron generator that generates thermoelectrons, and a thermoelectron inlet that introduces thermoelectrons generated by the thermoelectron generator into the inside, and ionizes sample molecules or atoms using the thermoelectrons inside the thermoelectrons A mass spectrometer comprising an ion source including:
a) a gate electrode that is disposed between the thermoelectron generator and the thermoelectron inlet of the ionization chamber, and passes or blocks thermoelectrons;
b) an ion extraction electrode for applying kinetic energy to the ions generated in the ionization chamber by an electric field and emitting them from the ionization chamber;
c) first voltage applying means for applying a voltage for controlling passage / blocking of the thermoelectrons to the gate electrode;
d) a second voltage applying means for applying a voltage for ejecting ions from the ionization chamber to the ion ejection electrode;
e) Ion emission to generate ions in the ionization chamber in a state where thermionic electrons can pass through the gate electrode, and to emit ions from the ionization chamber after transitioning to a state in which the thermoelectrons are blocked by the gate electrode. Control means for controlling the first and second voltage applying means so as to apply a voltage to the working electrode;
A mass spectrometer comprising:
請求項1に記載の質量分析装置であって、
前記制御手段は、パルス的に熱電子がゲート電極を通過するように該ゲート電極への電圧の印加を制御し、該ゲート電極で熱電子が遮断される状態に移行した直後に前記イオン化室内からイオンを出射させるべく前記イオン出射用電極にイオン出射用電圧を印加するように第1及び第2電圧印加手段を制御することを特徴とする質量分析装置。
The mass spectrometer according to claim 1,
The control means controls the application of voltage to the gate electrode so that thermionic electrons pass through the gate electrode in a pulsed manner, and immediately after the transition to the state where the thermionic electrons are blocked by the gate electrode, from the ionization chamber. A mass spectrometer characterized by controlling first and second voltage applying means so as to apply an ion extraction voltage to the ion extraction electrode to emit ions.
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