JP2555010B2 - 質量分析計 - Google Patents

質量分析計

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JP2555010B2 JP60134171A JP13417185A JP2555010B2 JP 2555010 B2 JP2555010 B2 JP 2555010B2 JP 60134171 A JP60134171 A JP 60134171A JP 13417185 A JP13417185 A JP 13417185A JP 2555010 B2 JP2555010 B2 JP 2555010B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、質量分析計、特に高圧状態でイオン分子反
応により生成したクラスターイオンを解裂させる機構を
有する質量分析計の改良に関するものである。
〔発明の背景〕
ガス中の微量不純物の分析手段として、数Torrから1
気圧の圧力下で効率よく試料をイオン化し試料をイオン
の形で細孔から質量分析計内に導入して分析する手段が
発展し実用化されている。これについては、たとえば、
特開昭51-7991号公報に記載されている。この方法は1
気圧以下でのコロナ放電またはNiβ線照射による一次イ
オン化とそれに引き続いておこるイオン分子反応による
二次イオン化の二段階でイオンを生成するために、従来
の電子衝撃イオン化法に比べて3〜6桁の高感度性を有
し、また、試料分子の分解なども少なく、単純で解釈し
やすいスペクトルが得られる。
第1図はイオン化手段としてコロナ放電針状電極1を
備えた大気圧イオン化質量分析計でイオン化部2、中間
圧力部3、質量分析部4からなり夫夫細孔5,6で接続さ
れている。
同図においてイオン化部2でコロナ放電針状電極1に
より1次イオン化し、引き続きイオン分子反応により二
次イオン化がなされ、生成した被測定分子のイオンは細
孔5を通して中間圧力部3を通過する。この中間圧力部
3は一次排気7によつて約1Torrに保たれている。
次で第2の細孔6を通つて二次排気8された質量分析
部4に入り、質量分析計によつて質量分析された後、検
出器9で検出される。なお、中間圧力部3には、イオン
を第2の細孔6上に収束させるように求心状の電場を与
えるイオン収束用電極10が設けられている。また、質量
分析部4の前段にはキヤリブレーシヨン用のイオン化手
段11で、同図においては電子衝撃イオン源である。
試料の導入は、窒素,空気,酸素,アルゴン,あるい
はヘリウムなど種々のガスを用いることができるが、窒
素ガスが最も広く用いられている。そこで、窒素ガスを
キヤリヤーとして用いた場合について以下詳述する。
試料は、大気圧のイオン化部2でコロナ放電用針状電
極1によつて1次イオンが生成される。一次イオンは大
多数の成分である窒素のイオン化により生じたN+ある
いはN2 +である。これらは直ちに窒素と反応してN4 +
よびN3 +を与える。
これらの反応で示されるように窒素中の微量の不純物
として存在する酸素や水などはN4 +から直接イオン化さ
れる。イオン化ポタンシヤルが低い分子やプロトンアフ
アニテイの大きな分子(M)から水クラスターイオンH
+(H2O)n-1+・Mが生成される。生成されたMを含
むイオンやH+(H2O)nは安定で窒素と衝突しても変
化しない。このようにしてMH+や(H2O)n-1+・Mの
ようなイオンが衝質を重ねるごとに増加し、試料分子の
選択的なイオン化が行なわれ多種類のクラスターイオン
が生成される。このように大気圧で生成したクラスター
は第1の細孔5を通して中間圧力部(約1Torr)3に導
入される。中間圧力部3の両端の細孔5,6にかけられた
電圧(以後ドリフト電圧と呼ぶ)をかけると電場が形成
され、クラスターは電界方向にドリフトを始める。この
電場によつてイオンを効率よく収束させることができイ
オンの電界濃縮が行なわれるが、同時にイオンに内部エ
ネルギーを励起させる。すなわち、クラスターはドリフ
ト電場で加速され、運動エネルギーを持つてキヤリアガ
スである中性分子と衝突する。この時クラスターの運動
エネルギーの一部がクラスターの振動、回転などの内部
エネルギーに、また一部は中性分子に与えられる。この
ような内部自由度の励起は衝突するごとに行なわれる。
通突回数が十分あるとやがてクラスターの結合の弱いと
ころから解離する。イオンの運動エネルギーはドリフト
電圧を変化させることにより制御できるので、ドリフト
電圧を増加させることにより順次弱いクラスター結合か
ら解離を始める。
キヤリヤーガスが窒素,酸素,アルゴン等の場合、生
成されたクラスターイオンの多くはその解離するドリフ
ト電圧がキヤリヤーガスの種類には依存しない。また中
間圧力部3(衝突室)の圧力Pと電界強度Eの比(E/
P)でトリフト電圧を規格化すると、解離する電圧は衝
突室の長さにもあまり依存しない。このとこはクラスタ
ーイオンの解離エネルギーDと規格化された電界強度
(E/P)の間に強い相関があることを示している。
以上説明したごとく、生成されたクラスターイオンの
解離は、中間圧力部3(衝突室)の圧力Pとドリフト電
圧による電界強度Eによつて決定されており、本従来例
では中間圧力部3の圧力を一定としてドリフト電圧を制
御することによりクラスターイオンの解離の制御が行わ
れている。しかし、中間圧力部3の圧力Pの変動は、キ
ヤリヤーガスCと微量の試料Xの供給量の変動や、クラ
スターイオンを中間圧力部3に導く細孔5(約0.15mm)
の目づまり、中間圧力部3の1次排気7を行うポンプの
性能劣化により発生し、中間圧力部3(衝突室)の圧力
Pと電界強度Eの比(E/P)でドリフト電圧を規格化で
きなくなり、クラスターイオンの衝突解離が一定となら
ない。したがつて得られるスペクトル強度に変動を生
じ、安定した同じスペクトルを得ることができない欠点
があつた。
また、中間圧力部3の圧力は、第1の細孔5と中間圧
力部3の排気ポンプの排気速度で決定され、クラスター
イオンの量はこの細孔5の断面積により決定されてい
る。このためのクラスターイオンの量や中間圧力部3の
ガス圧力の最適化は細孔5の交換によるため最適化の自
由度が小さかつた。
〔発明の目的〕
したがつて、本発明の目的は、上述したような従来の
大気圧質量分析計の難点を解消し、安定して同じスペク
トルやスペクトル強度が得られ、分析性能を向上した大
気圧質量分析計を提供することにある。
〔発明の概要〕
上記目的を達成するために本発明においては、イオン
化部で生成されたクラスターイオンが中間圧力部(衝突
室)で安定に衝突解離が行なわれるように中間圧力部に
圧力検出器を設け、中間圧力部のガス圧力を検出して、
中間圧力部のガス圧力がほぼ一定となるように制御する
ことを提案するものである。そのためには、例えば、中
間圧力部のガス圧力を検出し、この信号に応じて中間圧
力部のガスの排気速度を制御することで実現できる。
〔発明の実施例〕
以下、本発明を実施例を用いて説明する。
第2図は本発明によるガス圧力検出装置とターボ分子
排気ポンプを備えた大気圧イオン化質量分子計を示す断
面図である。
第2図に示す実施例ではイオン化部2と細孔5で接続
された中間圧力部3にガス圧力検出器12を設けターボ分
子ポンプ13が取り付けられている。中間圧力部3は大気
圧イオン化質量分析計では衝突励起解離を行う領域とな
つているため、中間圧力部3の圧力がクラスターイオン
の衝突励起解離に最適な圧力で、かつ、一定に保たれな
い場合はクラスターイオンの解離の状態に変化を生じ、
得られるスペクトルに変動を与える。従つて大気圧イオ
ン化質量分析計では中間圧力部の圧力を最適な圧力で、
かつ、一定に保つことが重要である。中間圧力部3の圧
力変動を与える要因として、試料ガス流量の変動や、ク
ラスターイオンを中間圧力部3に導く細孔5の目づま
り、中間圧力部3の一次排気10を行なうポンプの性能劣
化に起因する。従って、例えば、中間圧力部3の一次排
気7の排気速度を制御し、中間圧力部3の圧力をほぼ一
定となるように制御するのである。
本実施例では、中間圧力部3の一次排気7をターボ分
子ポンプ13で行い、中間圧力部3の圧力を検出し、ガス
圧力検出回路14の出力電圧をターボ分子ポンプ13の駆動
電源15のロータ回転数制御回路に帰還制御をかけ、ター
ボ分子ポンプ13の排気速度を制御することができる。16
は補助排気ポンプである。第3図は、ターボ分子ポンプ
のロータの回転数と排気速度との関係を示す一例であ
る。このようにターボ分子ポンプの排気速度は、ロータ
の回転数と比例関係にありロータの回転数を設定制御す
ることにより排気速度を選択し一定に保つことができ
る。以上のことから中間圧力部3の圧力をクラスターイ
オンの衝突励起解離に最適な圧力を設定することができ
る。さらに、設定圧力を一定に保つようにターボ分子ポ
ンプの排気速度を一定にすることができる。
以上のように、本手法では、中間圧力3のガス圧力を
最適な圧力に設定することができ、かつ中間圧力部3の
圧力を一定に精度よく確実に制御されるので、本実施例
では安定したスペクトルを得ることができ、測定精度の
向上を図ることができる。
またクラスターイオンの解離エネルギーDは中圧力部
3の圧力Pと電界強度Eとの比(E/P)に強い相関があ
ることから、中間圧力部3の圧力を増圧させることによ
り、ドリフト電圧を増加させた時と同様に、クラスター
イオンは中性分子との衝突回数が増加しクラスターイオ
ンの解離を行うことができる。このことからドリフト電
圧によるクラスター結合の解離を行なう大気圧イオン化
質量分析計に併合することができるので質量分析計の分
析効率を向上させる効果がある。
このように、上記実施例によれば中間圧力部3でのク
ラスターイオンの衝突解離が安定に行なわれる。従つて
得られるスペクトル強度に変動がなく再現性の良い安定
したスペクトルを得ることができる。さらに質量分析の
効率を向上させることができる。
また本発明では以下の効果も得られる。ドリフト電圧
を変化させることにより、クラスターイオンの解離が行
われることは前述したが、クラスターイオンの解離の状
況を調べるとか、分析目的に不必要なクラスターイオン
を取り除く目的で、ドリフト電圧を変化させた時、目的
とするスペクトルを得るためのドリフト電圧条件ではイ
オン検出感度が低下する場合がある。これはドリフト電
圧を増加させて行くと細孔6でイオンビームが収束しな
かつたり、四重極質量分析計における加速エネルギーに
影響があるためである。しかし、本発明では、イオンビ
ームの集束や加速エネルギーに影響を与えないような最
適ドリフト電圧を設定した上で、さらにクラスターイオ
ンの解離を行なわせる必要が生じた時は中間圧力部3の
圧力を変化させることにより、目的を達成することがで
きる。大気圧イオン化質量分析計は、高感度分析を目的
とするもので、イオン検出感度(イオン量)を増加させ
ることは極めて重要である。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によると測定条件の測定
が簡便となり、クラスターイオンの衝突解離が安定に行
なわれるのでスペクトル強度の変動がなくなり、さらに
同一試料計測時再現性の良い安定したスペクトルを得る
ことができる。また、クラスターイオンの解離をドリフ
ト電圧を順次増加させる方法と中空圧力部(衝突室)の
圧力を順次増圧させる方法とを併用することができるの
で分析効率を向上させることができる。
このように、分析精度の向上と効率の向上が図れるば
かりか、質量分析の簡易化が図れ、自動化への進展が可
能となる。
さらに、本発明によれば、ターボ分子ポンプを使用し
て排気を行うので、ポンプの特性の高速回転による超高
真空排気が可能となり、分析試料による分析装置への汚
染を真空クリーニングにより排除することが可能となる
メリットもある。
【図面の簡単な説明】
第1図はイオン化手段としてコロナ放電針状電極を備え
た大気圧イオン化質量分析計を示す断面図、第2図は本
発明によるガス圧力検出装置とターボ分子ポンプを備え
た大気圧イオン化質量分析計を示す断面図、第3図はタ
ーボ分子ポンプのロータの回転数と排気速度との関係を
示すグラフ。 1……イオン化部、2……中間圧力部、3……質量分析
部、4,5……細孔、7……1次排気、12……ガス圧力検
出器、13……ターボ分子ポンプ、14……ガス圧力検出回
路、15……(ターボ分子ポンプ)駆動電源、18……コン
ダクタンスバルブ、19……(コンダクタンスバルブ)駆
動電源。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 近藤 弥太郎 青梅市藤橋3丁目3番地の2 日立東京 エレクトロニクス株式会社内 審査官 堀部 修平 (56)参考文献 特開 昭53−81289(JP,A) 特開 昭60−42650(JP,A)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】試料が導入されるイオン化部と、クラスタ
    ーイオンの衝突解離手段と、イオン収束手段と、差動排
    気が行われる中間圧力部と、イオン分析を行う質量分析
    部とを具備し、上記イオン化部と中間圧力部とを細孔ス
    リットで接続した大気圧イオン化質量分析計において、
    上記中間圧力部にガス圧力検出装置を備え、前記ガス圧
    力が一定となるように、前記中間圧力部のガスを排気す
    るターボ分子ポンプの回転数を制御し、前記中間圧力部
    のガスの排気速度を制御することを特徴とする質量分析
    計。
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