JP3106093B2 - Infrared spectroscopy and separation method for ionization detection - Google Patents

Infrared spectroscopy and separation method for ionization detection

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JP3106093B2
JP3106093B2 JP15398195A JP15398195A JP3106093B2 JP 3106093 B2 JP3106093 B2 JP 3106093B2 JP 15398195 A JP15398195 A JP 15398195A JP 15398195 A JP15398195 A JP 15398195A JP 3106093 B2 JP3106093 B2 JP 3106093B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、各種試料の分析,分離
精製,同位体分離等に有効なイオン化検出赤外分光法に
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ionization detection infrared spectroscopy effective for analysis, separation and purification, isotope separation, etc. of various samples.

【0002】[0002]

【従来の技術】赤外分光法としては、直接吸収法,IR
dip法等が知られている。直接吸収法では、赤外領
域の光を試料セルに通し、透過光を分光器で分光して吸
収強度の波長依存性、すなわち赤外吸収を測定してい
る。分光器には、従来型の回折格子等の分散素子を使用
した分光器や光の干渉を利用するFT−IR分光器等が
使用されている。コンピュータと連動させて積算を繰り
返すことにより、検出精度が飛躍的に向上しており、希
薄な気相中における赤外吸収の測定も可能になってい
る。赤外光源として高分解能のダイオードレーザを使用
すると、分光器を用いなくても高分解能スペクトルを測
定することができる。しかし、直接吸収法は、何れも吸
収の有無を試料に入射する前後の光強度の差として検出
するものであり、赤外吸収がないときには信号を発生し
ないイオン化検出赤外分光法に比較すると、検出精度が
数桁低い。因みに、化学総説第26巻「レーザーと化学
反応」(日本化学会編)では、直接吸収法の感度が劣る
ことを説明している。また、不純物を含んだ試料を測定
する場合、直接吸収法では試料分子を選別する機能がな
いため、得られるスペクトルは、目的物と不純物の重な
り合ったスペクトルになる。そのため、この方法は、試
料の赤外吸収を測定することのみ可能であり、分離・精
製に適用できない。
2. Description of the Related Art As infrared spectroscopy, direct absorption, IR
The dip method and the like are known. In the direct absorption method, light in the infrared region is passed through a sample cell, and transmitted light is separated by a spectroscope to measure the wavelength dependence of absorption intensity, that is, infrared absorption. As the spectroscope, a conventional spectroscope using a dispersive element such as a diffraction grating, an FT-IR spectroscope using light interference, and the like are used. By repeating the integration in conjunction with a computer, the detection accuracy has been dramatically improved, and the measurement of infrared absorption in a dilute gas phase has also become possible. When a high-resolution diode laser is used as the infrared light source, a high-resolution spectrum can be measured without using a spectroscope. However, the direct absorption method detects the presence or absence of absorption as a difference in light intensity before and after entering the sample, and when compared to ionization detection infrared spectroscopy that does not generate a signal when there is no infrared absorption, Detection accuracy is several orders of magnitude lower. Incidentally, Chemical Review Vol. 26, "Laser and Chemical Reaction" (edited by The Chemical Society of Japan) explains that the sensitivity of the direct absorption method is inferior. When a sample containing impurities is measured, the direct absorption method does not have a function of selecting sample molecules, so that the obtained spectrum is a spectrum in which the target substance and the impurities overlap. Therefore, this method can only measure the infrared absorption of a sample and cannot be applied to separation and purification.

【0003】これに対し、IR dip法では、波長可
変赤外レーザと紫外レーザを同時に使用し、赤外光を試
料分子が吸収すると振動励起されていない分子の数(ゼ
ロ振動準位の分指数)が減少することを利用している。
すなわち、原理を図1に示すように、先ず赤外レーザを
試料分子に照射し、次いで試料分子の電子遷移エネルギ
ーに一致させた紫外・可視レーザ光を照射する。これに
より、基底電子状態の振動励起されていない分子は、電
子励起状態を経由する共鳴多光子過程によりイオン化さ
れる。図1には、共鳴2光子イオン化を示している。そ
のため、紫外・可視レーザにより生じるイオンの量は、
基底状態(ゼロ振動準位)の分子数に比例する。最初に
入射する赤外レーザが振動励起準位に一致していない場
合(図1a)、試料分子の大部分はゼロ振動準位に分布
しており、共鳴2光子イオン化により多量のイオンが生
成する。一方、赤外レーザが振動準位に一致した場合
(図1b)、ゼロ振動準位の分子が振動励起準位に遷移
し、ゼロ振動準位の分子数が減少する。その結果、紫外
・可視レーザ光による共鳴2光子イオン化信号も大きく
減少する。したがって、図1cに示すように、共鳴2光
子イオン化によるイオン量を測定しながら赤外レーザを
波長掃引すると、赤外吸収がイオン量の減少(dip)
として検出される。この方法では、全く同様のIR d
ipスペクトルを電子励起状態からの発光量を測定する
ことでも得ることができる。この場合にも、分解能は、
使用するレーザの分解能に依存する。
On the other hand, in the IR dip method, a tunable infrared laser and an ultraviolet laser are used at the same time, and when infrared light is absorbed by a sample molecule, the number of molecules that are not vibrationally excited (the fractional index of the zero vibration level). ) Decreases.
That is, as shown in FIG. 1, the principle is as follows. First, an infrared laser is applied to a sample molecule, and then an ultraviolet / visible laser beam is made to match the electron transition energy of the sample molecule. As a result, molecules that are not vibrationally excited in the ground electronic state are ionized by a resonant multiphoton process passing through the electronically excited state. FIG. 1 shows resonant two-photon ionization. Therefore, the amount of ions generated by the ultraviolet / visible laser is
It is proportional to the number of molecules in the ground state (zero vibration level). When the first incident infrared laser is not coincident with the vibrationally excited level (FIG. 1a), most of the sample molecules are distributed at the zero vibrational level, and a large amount of ions are generated by resonant two-photon ionization. . On the other hand, when the infrared laser coincides with the vibration level (FIG. 1B), the molecules at the zero vibration level transit to the vibration excitation level, and the number of molecules at the zero vibration level decreases. As a result, the resonance two-photon ionization signal due to the ultraviolet / visible laser light is greatly reduced. Therefore, as shown in FIG. 1c, when the wavelength of the infrared laser is swept while measuring the amount of ions by resonant two-photon ionization, the infrared absorption decreases the amount of ions (dip).
Is detected as In this way, exactly the same IR d
An ip spectrum can also be obtained by measuring the amount of light emitted from an electronically excited state. Again, the resolution is
It depends on the resolution of the laser used.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】IR dip法は、数
種類の物質が混在している試料に適用した場合でも、特
定の試料の赤外吸収スペクトルを選択的に測定できる利
点をもっている。これは、物質ごとに電子遷移の波長が
異なるため、特定の試料分子の電子遷移に紫外・可視レ
ーザの波長を合わせると、混在する他の試料分子の赤外
吸収が全く測定されないことによる。電子遷移による赤
外吸収の選択的観測は、IR dip法の大きな利点で
あるものの、測定対象とする試料分子の電子遷移が分か
っていない場合には測定不可能になることから同時に欠
点でもある。また、IR dip法は、共鳴2光子イオ
ン化又は電子励起状態からの発光強度の変化を測定する
ため、使用するレーザ等の光源の出力が僅かでも不安定
になると、信号とレーザ強度変動による揺らぎの判別が
困難になる。そのため、検出感度及びS/N比の双方共
に良好なスペクトルを得るには、出力が極めて安定した
レーザを用いる必要があり、大きな問題であった。しか
も、特定の分子種の赤外吸収スペクトルを測定できるも
のの、物質ごとの赤外吸収の差を利用して分離・生成を
行うことができないことから、分光法としてのみ使用可
能であった。本発明は、このような問題を解消すべく案
出されたものであり、赤外光で振動励起された試料と振
動励起されていない試料のイオン化効率に差があること
を利用し、振動励起分子のみを紫外・可視光により選択
的にイオン化して捕集することにより、高効率でしかも
赤外吸収スペクトルを高感度で測定し。また混合試料中
から目的物質を分離・精製することを目的とする。
The IR dip method has an advantage that the infrared absorption spectrum of a specific sample can be selectively measured even when applied to a sample in which several kinds of substances are mixed. This is because, since the wavelength of the electronic transition differs for each substance, if the wavelength of the ultraviolet / visible laser is adjusted to the electronic transition of a specific sample molecule, no infrared absorption of the other sample molecules mixed is measured at all. Although selective observation of infrared absorption by electronic transition is a great advantage of the IR dip method, it cannot be measured unless the electronic transition of a sample molecule to be measured is known, and is also a disadvantage. In addition, since the IR dip method measures a change in emission intensity from resonance two-photon ionization or an electronically excited state, even if the output of a light source such as a laser used becomes slightly unstable, fluctuations due to signal and laser intensity fluctuations may occur. Discrimination becomes difficult. Therefore, it is necessary to use a laser whose output is extremely stable in order to obtain good spectra in both the detection sensitivity and the S / N ratio, which is a major problem. In addition, although the infrared absorption spectrum of a specific molecular species can be measured, separation and generation cannot be performed using the difference in infrared absorption of each substance, so that it can be used only as a spectroscopic method. The present invention has been devised to solve such a problem, and takes advantage of the fact that there is a difference in ionization efficiency between a sample vibrationally excited by infrared light and a sample not vibrationally excited. By selectively ionizing and collecting only molecules with ultraviolet and visible light, highly efficient infrared absorption spectra can be measured with high sensitivity. Another object of the present invention is to separate and purify a target substance from a mixed sample.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明のイオン化検出赤
外分光法は、その目的を達成するため、試料に赤外線を
照射して振動励起分子を生成させ、該振動励起分子を紫
外線照射又は可視光照射によってイオン化し、生じるイ
オンを検出しながら赤外光の波長を掃引し、試料分子の
赤外吸収特性をイオン量の増大として測定することを特
徴とする。分離・濃縮に適用する場合には、目的物質を
含む混合試料を気化し、発生した気体に目的物質の赤外
吸収に波長を一致させた赤外光を照射し、紫外又は可視
光により目的物質だけをイオン化する。生じた目的物の
イオンは、電場により高効率で捕集される。
According to the ionization detection infrared spectroscopy of the present invention, in order to achieve the object, a sample is irradiated with infrared rays to generate vibrationally excited molecules, and the vibrationally excited molecules are irradiated with ultraviolet light or visible light. The method is characterized in that the wavelength of infrared light is swept while detecting ions generated by ionization by light irradiation, and the infrared absorption characteristics of the sample molecules are measured as an increase in the amount of ions. When applied to separation / concentration, a mixed sample containing the target substance is vaporized, the generated gas is irradiated with infrared light whose wavelength matches the infrared absorption of the target substance, and the target substance is irradiated with ultraviolet or visible light. Only ionize. The generated target ions are efficiently collected by the electric field.

【0006】[0006]

【作用】本発明に従った分光法は、赤外光及び紫外・可
視光を共に使用している。赤外光で特定の振動状態にあ
る振動励起分子を生成する。振動励起分子は、紫外・可
視光により選択的にイオン化して捕集される。すなわ
ち、電場によりイオンが高効率で捕集されるので、赤外
吸収スペクトルの測定が高感度で行われる。更に、生成
したイオンは、従来の赤外分光法と異なり、質量を選別
できるので赤外吸収と質量数の情報が同時に得られる。
すなわち、赤外吸収を与えた物質を質量数の面からも特
定できることになり、不純物を含む試料を使用しても目
的物の赤外吸収だけを選択的に測定できる。また、物質
・分子ごとに赤外吸収波長が異なることを利用すると、
混合試料中の特定物質だけをイオン化して分離・捕集す
ることも可能であり、分離・精製にも適用される。本発
明に従った分光法の原理を図2に示す。赤外光と共に入
射する可視・紫外光の波長λUVは、試料のイオン化ポテ
ンシャルIP(電離限界)より僅かに低エネルギーに設
定する。このように波長を設定すると、振動励起されて
いない試料(試料分子はゼロ振動準位)は、紫外・可視
光を入射してもイオン化せず、何らの信号も発しない。
他方、赤外光で振動励起された試料は、イオン化に要す
るエネルギーが振動準位のエネルギー分だけ減少してい
るので、同じ波長の紫外・可視光により容易にイオン化
され、信号が検出される。
The spectroscopy according to the present invention uses both infrared light and ultraviolet / visible light. Infrared light produces vibrationally excited molecules in a specific vibrational state. The vibrationally excited molecules are selectively ionized and collected by ultraviolet / visible light. That is, since the ions are collected with high efficiency by the electric field, the measurement of the infrared absorption spectrum is performed with high sensitivity. Further, unlike the conventional infrared spectroscopy, the generated ions can be classified by mass, so that information on infrared absorption and mass number can be obtained at the same time.
That is, the substance having infrared absorption can be specified also in terms of mass number, and even if a sample containing impurities is used, only the infrared absorption of the target substance can be selectively measured. Also, using the fact that the infrared absorption wavelength differs for each substance / molecule,
It is also possible to ionize and separate / collect only specific substances in the mixed sample, and it is also applied to separation / purification. The principle of the spectroscopy according to the invention is shown in FIG. The wavelength λ UV of the visible / ultraviolet light incident together with the infrared light is set slightly lower than the ionization potential IP (ionization limit) of the sample. When the wavelength is set in this manner, the sample that has not been vibrationally excited (the sample molecule has a zero vibration level) does not ionize and emits no signal even when ultraviolet or visible light enters.
On the other hand, since the energy required for ionization is reduced by the energy of the vibration level, the sample vibrationally excited by infrared light is easily ionized by ultraviolet / visible light of the same wavelength, and a signal is detected.

【0007】したがって、試料に赤外線を照射して振動
励起分子を生成させ、該振動励起分子を紫外線照射又は
可視光照射によってイオン化し、生じるイオンを検出し
ながら赤外光の波長を掃引すると、試料の赤外吸収がイ
オン量の増大として観測できる。このとき、分解能は、
使用する波長可変赤外光源の分解能に依存し、光源とし
てレーザ光を用いた場合には容易に高分解能が得られ
る。また、ウランのレーザ濃縮で知られるようにレーザ
を用いた分離精製に、本発明の方法を適用することもで
きる。たとえば、混合試料を気化し、その基体に目的物
質の赤外吸収に波長を一致させた赤外光を照射すると、
目的物質だけが紫外・可視光によってイオン化する。生
じた目的物のイオンは、電場により高効率で捕集可能で
あり、分離精製される。赤外光と共に入射する可視・紫
外光の波長λUVは、次のようにして与えられる。可視光
のエネルギーEは、振動励起準位のエネルギーをEV
するとき、式(1)の条件を満足することが要求され
る。 IP>E>IP−EV ・・・・(1)
Therefore, when a sample is irradiated with infrared rays to generate vibrationally excited molecules, the vibrationally excited molecules are ionized by ultraviolet irradiation or visible light irradiation, and the wavelength of the infrared light is swept while detecting the generated ions. Can be observed as an increase in the amount of ions. At this time, the resolution is
Depending on the resolution of the tunable infrared light source used, high resolution can be easily obtained when laser light is used as the light source. Further, the method of the present invention can also be applied to separation and purification using a laser as is known from laser enrichment of uranium. For example, when the mixed sample is vaporized and its substrate is irradiated with infrared light whose wavelength matches the infrared absorption of the target substance,
Only the target substance is ionized by ultraviolet / visible light. The generated target ions can be collected with high efficiency by an electric field, and are separated and purified. The wavelength λ UV of the visible / ultraviolet light incident together with the infrared light is given as follows. Energy E of visible light, when the energy of the vibration excitation level and E V, is required to satisfy the condition of Equation (1). IP>E> IP-E V ···· (1)

【0008】また、光のエネルギーと波長λの関係を定
めた式(2)を使用すると、イオン化に用いる紫外・可
視光の波長は、式(3)の条件を満足すればよいことが
判る。 E=hc/λ (hはプランク定数,cは光速)・・・・(2) hc/(IP−EV )>λUV>hc/IP ・・・・(3) このようにして、本発明においては、振動励起分子のみ
を選択的にイオン化して検出している。このイオン化検
出は、イオン化過程を替えることにより種々の分野に適
用される。そのうちの数例を以下に説明する。 (1)多光子イオン化を使用する場合 試料のイオン化にレーザ光源を使用すると、多光子過程
によるイオン化(以下、多光子イオン化という)を起こ
すことができる。多光子吸収を用いると、1光子エネル
ギーの小さな可視・近紫外領域の光を用いで振動励起分
子をイオン化できる(非共鳴多光子過程)。最も単純な
多光子過程である非共鳴2光子過程を用いた場合を図3
に示す。2光子イオン化の場合、イオン化に用いる紫外
・可視光の波長は、2光子のエネルギーがイオン化ポテ
ンシャルを超えないように波長を設定すると、イオン化
検出赤外分光法を行うことができる。この場合、波長の
条件は、2光子のエネルギーに対してIPとの関係を考
慮して、式(4)から式(5)のように定められる。 (IP/2)>E>(IP−EV )/2 ・・・・(4) 2hc/(IP−EV )>λUV>2hc/IP ・・・・(5)
Further, when the equation (2) which defines the relationship between the energy of light and the wavelength λ is used, it is understood that the wavelength of ultraviolet / visible light used for ionization should satisfy the condition of the equation (3). E = hc / λ (h is Planck constant, c is the speed of light) (2) hc / (IP−E V )> λ UV > hc / IP (3) In the present invention, only vibrationally excited molecules are selectively ionized and detected. This ionization detection is applied to various fields by changing the ionization process. Some examples are described below. (1) When using multiphoton ionization When a laser light source is used for ionizing a sample, ionization by a multiphoton process (hereinafter, referred to as multiphoton ionization) can be caused. By using multiphoton absorption, vibrationally excited molecules can be ionized using light in the visible / near-ultraviolet region having a small one-photon energy (non-resonant multiphoton process). FIG. 3 shows the case where the non-resonant two-photon process, which is the simplest multiphoton process, is used.
Shown in In the case of two-photon ionization, if the wavelength of ultraviolet / visible light used for ionization is set so that the energy of two photons does not exceed the ionization potential, ionization detection infrared spectroscopy can be performed. In this case, the condition of the wavelength is determined as in Expression (5) to Expression (5) in consideration of the relationship between the energy of two photons and IP. (IP / 2)>E> (IP-E V ) / 2 (4) 2hc / (IP-E V )> λ UV > 2hc / IP (5)

【0009】光子n個を用いる過程においても、同様に
して以下の条件が得られる。 nhc/(IP−EV )>λUV>nhc/IP ・・・・(6) このように波長を設定すると、振動励起されていない分
子は、多光子過程によりイオン化されず、紫外光源で振
動励起された試料分子のみを選択的に多光子イオン化す
ることができる。生じたイオンは、前述したように質量
選別できるため、混合試料に対しても特定の質量の物質
に対してのみ赤外吸収を測定できる。また、同様に分離
・精製にも応用される。一般に多光子イオン化を利用す
るとき、より高次の多光子過程の存在が問題にされる場
合が多い。たとえば、2光子イオン化を利用して試料分
子をイオン化する場合、3光子イオン化過程により振動
励起されていない分子までイオン化してしまうことが起
こり得る。しかし、このような副次過程は、レーザ等の
光源の出力を調整することにより無視できる程度まで抑
制することが可能である。これは、一般に多光子過程の
光子数が増大すると、吸収断面積が極めて小さくなるこ
と及び多光子過程(n光子過程)の遷移確立が照射する
光の光子密度Iのn乗に比例するためである。たとえ
ば、2光子イオン化確率はIの二乗に比例し、3光子イ
オン化過程の遷移確率はIの三乗に比例する。したがっ
て、イオン化に用いる光の光子密度を適当に調整すると
き、後述の実施例でも説明しているように、2光子イオ
ン化が生じても3光子イオン化が生じない状態を作りだ
すことができる。
In the process of using n photons, the following conditions are similarly obtained. nhc / (IP-E V )> λ UV > nhc / IP (6) When the wavelength is set in this manner, molecules that are not vibrationally excited are not ionized by the multiphoton process and vibrate with an ultraviolet light source. Only the excited sample molecules can be selectively multiphoton ionized. Since the generated ions can be mass-selected as described above, the infrared absorption can be measured only for a substance having a specific mass even for a mixed sample. It is also applied to separation and purification. In general, when utilizing multiphoton ionization, the existence of higher-order multiphoton processes is often a problem. For example, when a sample molecule is ionized by using two-photon ionization, molecules that are not vibrationally excited by the three-photon ionization process may be ionized. However, such secondary processes can be suppressed to a negligible level by adjusting the output of a light source such as a laser. This is because, in general, as the number of photons in the multiphoton process increases, the absorption cross section becomes extremely small, and the transition establishment of the multiphoton process (n-photon process) is proportional to the nth power of the photon density I of the irradiated light. is there. For example, the two-photon ionization probability is proportional to the square of I, and the transition probability of the three-photon ionization process is proportional to the third power of I. Therefore, when the photon density of the light used for ionization is appropriately adjusted, a state in which three-photon ionization does not occur even if two-photon ionization occurs can be created as described in the following embodiments.

【0010】(2)イオン化効率に波長依存性がある場
合 一般に分子が光イオン化する場合、イオン化効率は、始
状態(中性分子)と終状態(イオン化状態)の振動波動
関数の重なり積分、すなわちFranck−Condo
n因子に支配される。これは、イオン化効率が光イオン
化で生じるイオンの振動量子数(IP0 ,IP1 ,IP
2 ・・・)ごとに異なることを意味し、イオン化に用い
る光の波長を掃引するとイオン化効率が波長に依存して
変化することになる。たとえば、ゼロ振動準位のイオン
が生成するイオン化ポテンシャルIP0 を入射した場合
(図4b)よりも、振動励起されたイオンが生成するイ
オン化ポテンシャルIP2 を超える波長の光(図4d)
を入射した場合の方がイオン化効率が遥かに高くなる場
合がある(図4左側)。したがって、図3に示すイオン
化効率曲線をもつ試料の場合、図2で説明したようにイ
オン化に用いる光がイオン化ポテンシャルより僅かに低
いエネルギーである必要はなく、イオン化ポテンシャル
を超えていてもIP2 より僅かに低いエネルギーの紫外
・可視光(図4c)を入射すればよい。
(2) When the ionization efficiency has wavelength dependence Generally, when a molecule is photoionized, the ionization efficiency is determined by the overlap integral of the vibration wave functions of the initial state (neutral molecule) and the final state (ionized state), that is, Franck-Condo
It is governed by n factors. This is because the ionization efficiency is such that the vibrational quantum numbers (IP 0 , IP 1 , IP
2 ) means that when the wavelength of light used for ionization is swept, the ionization efficiency changes depending on the wavelength. For example, light having a wavelength exceeding the ionization potential IP 2 generated by vibrationally excited ions (FIG. 4D), as compared with the case where the ionization potential IP 0 generated by zero vibration level ions is generated (FIG. 4B).
May be much higher in ionization efficiency (left side in FIG. 4). Thus, for samples with ionization efficiency curve shown in FIG. 3, it is not necessary light used for the ionization is slightly lower energy than the ionization potential, as described in FIG. 2, from the IP 2 also exceeds the ionization potential Ultraviolet / visible light (FIG. 4c) having slightly lower energy may be incident.

【0011】更に、試料分子によっては、Franck
−Condon因子が始状態の振動状態で大きく変化す
るため、ゼロ振動準位からのイオン化効率(図4左側)
と振動励起準位からのイオン化効率(図4右側)の波長
依存性が大きく異なる可能性がある。たとえば、ゼロ振
動準位からの光イオン化では光のエネルギーがIP2
超える場合にイオン化効率が増大するが、振動励起準位
からのイオン化ではIP2 より低いエネルギーのIP1
でイオン化効率が増大する場合がある。このような試料
では、イオン化に用いる紫外・可視光は、図4bのよう
に振動励起準位からIP1 を僅かに超える波長の光を用
いればよいことになる。このような現象を利用すると、
イオン化に用いる紫外・可視光の波長条件をある程度緩
和することもでき、特定の波長だけを出力するYAGレ
ーザ,水銀灯等の光源をイオン化光源として使用するこ
とも物質によっては可能となる。このようにして、本発
明に従った分光・分離・精製法では、赤外光により振動
励起された試料分子と振動励起されていない試料分子の
イオン化効率の差を利用して赤外吸収により励起された
試料分子のみを選択的にイオン化させている。そのた
め、全ての原子に対して本発明方法を適用することがで
き、また現実の試料分子で想定されるイオン化効率の波
長依存性の利用も可能となる。
Further, depending on the sample molecule, the Frank
-Since the Condon factor changes greatly in the initial vibration state, the ionization efficiency from the zero vibration level (Fig. 4, left)
And the wavelength dependence of the ionization efficiency (right side in FIG. 4) from the vibrationally excited level may greatly differ. For example, although the photo-ionization of zero vibrational level ionization efficiency is increased when the energy of the light is more than IP 2, of lower energy than the IP 2 is ionized from the vibration excitation level IP 1
May increase the ionization efficiency. In such a sample, as the ultraviolet / visible light used for ionization, light having a wavelength slightly exceeding IP 1 from the vibrationally excited level as shown in FIG. 4B may be used. Using such a phenomenon,
The wavelength conditions of ultraviolet and visible light used for ionization can be relaxed to some extent, and it is possible to use a light source such as a YAG laser or a mercury lamp that outputs only a specific wavelength as an ionization light source depending on the substance. Thus, in the spectroscopy / separation / purification method according to the present invention, excitation is performed by infrared absorption using the difference in ionization efficiency between sample molecules that are vibrationally excited by infrared light and sample molecules that are not vibrationally excited. Only the sample molecules obtained are selectively ionized. Therefore, the method of the present invention can be applied to all atoms, and the wavelength dependence of the ionization efficiency assumed in actual sample molecules can be used.

【0012】本発明に従った分光法を、直接吸収法及び
IR dip法と対比して表1に示す。直接吸収法で
は、感度が原理的に低いこと、質量測定機能がなく、混
合試料中で特定の資料に対してだけ選択的に赤外吸収ス
ペクトルを測定することが困難であること、分離・精製
法として使用できないこと等が問題である。IP di
p法では、直接吸収法の問題である混合試料中での選択
的測定が可能であるものの、感度やS/N比が劣悪であ
り、実質的に赤外吸収の差異を利用した分離・精製へ応
用できない。これに対し、本発明に従った分光法は、後
述の実施例からも明らかなように、こられの問題が全て
解決されており、分光,分離,精製等の広範な分野で使
用される。
The spectroscopy according to the present invention is shown in Table 1 in comparison with the direct absorption method and the IR dip method. With the direct absorption method, the sensitivity is low in principle, there is no mass measurement function, it is difficult to selectively measure the infrared absorption spectrum only for specific materials in a mixed sample, separation and purification The problem is that it cannot be used as a law. IP di
In the p method, although selective measurement in a mixed sample, which is a problem of the direct absorption method, is possible, sensitivity and S / N ratio are inferior, and separation / purification using a difference in infrared absorption is practically used. Cannot be applied to On the other hand, the spectroscopy according to the present invention solves all of these problems and is used in a wide range of fields such as spectroscopy, separation and purification, as will be apparent from the examples described later.

【0013】 [0013]

【0014】[0014]

【実施例】イオン化検出赤外分光法の有効性を実証する
ため、図5に示す実験装置を使用してo−フルオロフェ
ノールを分光分析した。測定は、超音速ジェット条件下
の極低温孤立分子状態で行った。この状態は、10-6
ールに維持された真空槽の中にヘリウムガスに試料気体
を混合したガスを噴出して得られる状態であり、試料濃
度は10-5トール程度の非常に希薄状態である。試料の
噴出には電磁バルブを使用し、これと同期してNd3+
YAGレーザを発振させた。赤外光源は、Nd3+:YA
Gレーザの2倍波(532nm)と2倍波励起波長可変
色素レーザ(色素DCM,620〜680nm可変)の
差周波発生によるパルス波長可変赤外レーザを用いた。
差周波発生結晶には、LNbO単結晶を使用した。出力
は0.1〜0.5mJ/パルスであり、4〜1.2μm
まで波長を可変できる。また、同じNd3+:YAGレー
ザの3倍波(355nm)で励起した色素レーザ(色素
C540A)の第2高周波をKDP単結晶により発生さ
せ、紫外レーザとして使用した。
EXAMPLES In order to demonstrate the effectiveness of infrared spectroscopy with ionization detection, o-fluorophenol was spectrally analyzed using the experimental apparatus shown in FIG. The measurement was performed in a cryogenic isolated molecular state under supersonic jet conditions. This state is a state obtained by ejecting a gas obtained by mixing a sample gas with helium gas into a vacuum chamber maintained at 10 -6 Torr, and the sample concentration is very dilute at about 10 -5 Torr. is there. An electromagnetic valve was used to eject the sample, and Nd 3+ :
The YAG laser was oscillated. The infrared light source is Nd 3+ : YA
A pulse wavelength variable infrared laser using a difference frequency generation between a second harmonic (532 nm) of a G laser and a second harmonic excitation wavelength variable dye laser (dye DCM, variable from 620 to 680 nm) was used.
An LNbO single crystal was used as the difference frequency generating crystal. Output is 0.1-0.5mJ / pulse, 4-1.2μm
The wavelength can be changed up to. Further, the second high frequency of the dye laser (dye C540A) excited by the third harmonic (355 nm) of the same Nd 3+ : YAG laser was generated by a KDP single crystal and used as an ultraviolet laser.

【0015】紫外レーザの波長は、285nmに固定
し、振動励起分子を2光子イオン化するように設定し
た。また、紫外レーザは、波長可変赤外レーザを照射し
てから8ナノ秒後に試料気体に到達するように光路長を
調整した。2光子イオン化で生じたイオンは、四重極質
量選別器を通してイオン検出用二次電子像倍管で検出し
た。四重極質量選別器は、o−フルオロフェノール(質
量数108)のみを投下するように設定した。イオン信
号は、前置増幅器で10倍に増幅した後、ボックスカー
積分器で積分し、赤外レーザの波長の関数としてパソコ
ンに記録した。o−フルオロフェノールに対して測定し
たイオン化検出赤外スペクトルを図6に示す。図6の縦
軸はイオン量、横軸は赤外レーザの波長を示す。図6に
みられるように、OH伸縮振動に対応するバンドが36
34.2cm-1に強く観察され、本発明法が実効可能で
あることが証明された。更に、この場合、結合音振動へ
の遷移は禁制であり、吸収係数がOH伸縮振動等に比べ
ると極めて小さいため(共立全書「赤外吸収とラマン効
果」水島三一郎,島内武彦共著参照)、従来では観察困
難とされてきた。このような禁制バンドを明瞭に観察で
きることは、本発明に従ったイオン化検出赤外分光法が
極めて高感度であることを示す。また、得られたスペク
トルのS/N比は、このような禁制バンドを十分に識別
できる良好な値を示し、しかもボックスカー積分器の積
分回数を増加することにより容易に向上させることがで
きる。
The wavelength of the ultraviolet laser was fixed at 285 nm, and was set so that vibrationally excited molecules were two-photon ionized. The optical path length of the ultraviolet laser was adjusted so as to reach the sample gas 8 nanoseconds after irradiation with the wavelength variable infrared laser. Ions generated by two-photon ionization were detected by a secondary electron image multiplier for ion detection through a quadrupole mass sorter. The quadrupole mass separator was set to drop only o-fluorophenol (mass number 108). The ion signal was amplified 10 times with a preamplifier, integrated with a boxcar integrator, and recorded on a personal computer as a function of the wavelength of the infrared laser. FIG. 6 shows the ionization detection infrared spectrum measured for o-fluorophenol. The vertical axis in FIG. 6 indicates the ion amount, and the horizontal axis indicates the wavelength of the infrared laser. As can be seen in FIG. 6, the band corresponding to the OH stretching vibration is 36
A strong observation at 34.2 cm -1 proved that the method of the present invention was feasible. Further, in this case, the transition to the coupled sound vibration is forbidden, and the absorption coefficient is extremely small as compared with the OH stretching vibration and the like (see Kyoritsu Zensho, “Infrared absorption and Raman effect”, co-authored by Sanichiro Mizushima and Takehiko Shimauchi) Conventionally, observation has been difficult. The clear observation of such a forbidden band indicates that the ionization detection infrared spectroscopy according to the present invention has extremely high sensitivity. Further, the S / N ratio of the obtained spectrum shows a good value for sufficiently identifying such a forbidden band, and can be easily improved by increasing the number of integrations of the boxcar integrator.

【0016】図6に示したスペクトルは、o−フルオロ
フェノールイオンのみを選別して観測した結果であり、
混合試料中の特定分子又は特定物質に対する赤外スペク
トルを選択的に観察できることが判る。したがって、分
離・精製法としても応用可能であることが図6から窺わ
れる。また、バックグラウンドは信号に比べて微弱であ
り、多光子イオン化を利用した場合でもより高次の多光
子過程(この場合3光子過程)による副次的な信号が問
題にならないように強度を調整できることが判る。本発
明に従ったイオン化検出赤外分光法は、IR dip分
光法に比較して具体的には次に掲げるような有利性をも
っていた。すなわち、図5の実験装置を使用してo−フ
ルオロフェノールのIR dipスペクトルを測定し、
イオン化検出赤外スペクトルと比較した。比較結果を、
図7の上段にIR dipスペクトル、下段にイオン化
検出赤外スペクトルとして示す。なお、両スペクトル
は、横軸を揃えて図7に示した。
The spectrum shown in FIG. 6 is the result of selecting and observing only the o-fluorophenol ion.
It turns out that an infrared spectrum for a specific molecule or a specific substance in the mixed sample can be selectively observed. Therefore, it can be seen from FIG. 6 that the method can be applied as a separation / purification method. In addition, the background is weaker than the signal, and the intensity is adjusted so that a secondary signal due to a higher-order multiphoton process (in this case, a three-photon process) does not cause a problem even when multiphoton ionization is used. You can see what you can do. The ionization detection infrared spectroscopy according to the present invention has the following advantages as compared with the IR dip spectroscopy. That is, the IR dip spectrum of o-fluorophenol was measured using the experimental device of FIG.
It was compared with the ionization detection infrared spectrum. The comparison result
The upper part of FIG. 7 shows an IR dip spectrum, and the lower part shows an ionization detection infrared spectrum. Note that both spectra are shown in FIG. 7 with their horizontal axes aligned.

【0017】IR dip分光法は、試料分子の励起状
態に共鳴した多光子イオン化信号が赤外レーザによる吸
収が生じたときに減少することで赤外吸収を検出する方
法である。そのため、測定前後の赤外レーザを遮断して
紫外レーザのみによる共鳴多光子イオン量を測定する必
要がある。このイオン信号量をIR dipスペクトル
の両側に赤外offとして示した。図中のゼロ点は、共
鳴多光子イオン量ゼロ、すなわち100%吸収を示す。
IR dipスペクトルは、3634.2cm-1でイオ
ン量が大きく減少し、イオン化検出赤外スペクトルと同
じく試料のOH伸縮振動が観測されたことが判る。しか
し、図7のスペクトルにみられるように、ベースライン
が短周期,長周期で激しく振動し、これ以外のバンドの
判別が極めて困難であった。また、イオン化検出赤外分
光法で明瞭に観察された結合音振動バンドが全く観察で
きなかった。このようにIR dip分光法は、感度や
S/N比が悪く、電子遷移を用いて混合試料中での選択
的観測が行える利点があっても、極めて問題の多い分光
法であることが判る。これに対し、本発明に従ったイオ
ン化検出赤外分光法は、感度及びS/N比の双方共に良
好であり、しかも質量測定,混合試料中での選択的観測
といった従来の直接吸収法では行い得ない機能をもつた
め、極めて有用な分光・分離法であることが実証され
た。
The IR dip spectroscopy is a method of detecting infrared absorption by reducing a multiphoton ionization signal which resonates with an excited state of a sample molecule when absorption by an infrared laser occurs. Therefore, it is necessary to cut off the infrared laser before and after the measurement and measure the amount of resonant multiphoton ions using only the ultraviolet laser. This ion signal amount is shown as infrared off on both sides of the IR dip spectrum. The zero point in the figure indicates zero resonance multiphoton ion amount, that is, 100% absorption.
In the IR dip spectrum, it can be seen that the ion amount was greatly reduced at 3634.2 cm −1 , and the OH stretching vibration of the sample was observed as in the ionization detection infrared spectrum. However, as seen in the spectrum of FIG. 7, the base line vibrated violently in a short cycle and a long cycle, and it was extremely difficult to distinguish other bands. Also, no coupled sound vibration band clearly observed by ionization detection infrared spectroscopy could be observed. As described above, the IR dip spectroscopy is found to be an extremely problematic spectroscopy even though it has an advantage that sensitivity and S / N ratio are poor and that selective observation in a mixed sample can be performed using electronic transition. . On the other hand, the ionization detection infrared spectroscopy according to the present invention has good sensitivity and S / N ratio, and can be performed by conventional direct absorption methods such as mass measurement and selective observation in a mixed sample. Since it has functions that cannot be obtained, it has been proved that it is a very useful spectroscopic / separation method.

【0018】[0018]

【発明の効果】以上に説明したように、本発明のイオン
化検出赤外分光法は、極めて高感度の赤外吸収測定法で
あり、超高感度赤外分光法として従来より遥かに微量の
試料でも赤外吸収スペクトルが測定可能になる。更に、
赤外吸収と質量数の情報が同時に得られる分光分析法は
従来存在していないことからも、新規の分析法として広
範な分野での展開が期待できる。たとえば、従来、赤外
吸収スペクトルは、クロマトグラフィ等を用いて一旦混
合物を分離・精製した後に測定することが普通である
が、本発明に従った分光法を使用すると分離・精製が全
く不要になる。また、従来では赤外吸収から独立して質
量測定していたが、本発明によるとき赤外吸収及び質量
スペクトルが同時に得られる。更に、核燃料のレーザ濃
縮に代表される従来のレーザ同位体分離法では赤外レー
ザのみを用いているが、本発明による場合、赤外レーザ
及び紫外・可視光レーザの併用により高効率で分離・精
製を行うことができる。
As described above, the ionization detection infrared spectroscopy of the present invention is an infrared absorption measurement method with extremely high sensitivity, and the ultra-high sensitivity infrared spectroscopy uses a much smaller amount of sample than before. However, an infrared absorption spectrum can be measured. Furthermore,
Since no spectroscopic method capable of simultaneously obtaining information on infrared absorption and mass number has existed, development in a wide range of fields can be expected as a novel analytical method. For example, conventionally, an infrared absorption spectrum is usually measured after a mixture is once separated and purified using chromatography or the like. However, when a spectroscopic method according to the present invention is used, separation and purification are not required at all. . Conventionally, mass measurement was performed independently of infrared absorption. However, according to the present invention, infrared absorption and a mass spectrum can be obtained simultaneously. Furthermore, in the conventional laser isotope separation method represented by the laser enrichment of nuclear fuel, only the infrared laser is used. However, in the case of the present invention, the infrared laser and the ultraviolet / visible laser are used to separate and separate the light with high efficiency. Purification can be performed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 従来のIR dip法を示す原理図FIG. 1 is a principle diagram showing a conventional IR dip method

【図2】 本発明に従ったイオン化検出赤外分光法の原
理図
FIG. 2 is a diagram illustrating the principle of ionization detection infrared spectroscopy according to the present invention.

【図3】 本発明に従って2光子イオン化過程を用いる
イオン化検出赤外分光法
FIG. 3 shows infrared spectroscopy with ionization detection using a two-photon ionization process according to the present invention.

【図4】 イオン化効率に波長依存性がある場合のイオ
ン化検出赤外分光法
FIG. 4 Ionization detection infrared spectroscopy when the ionization efficiency has wavelength dependence

【図5】 本発明実施例で使用した実験装置FIG. 5 is an experimental apparatus used in an embodiment of the present invention.

【図6】 o−フルオルフェノ−ルのイオン化検出赤外
スペクトル
FIG. 6: Infrared spectrum of ionization detection of o-fluorphenol

【図7】 o−フルオルフェノ−ルのイオン化検出赤外
スペクトルをIRdipスペクトルと比較したグラフ
FIG. 7 is a graph comparing an ionization detection infrared spectrum of o-fluorphenol with an IRdip spectrum.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 21/00 - 21/01 G01N 21/17 - 21/74 G01N 27/62 - 27/70 JICSTファイル(JOIS)──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Fields surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) G01N 21/00-21/01 G01N 21/17-21/74 G01N 27/62-27/70 JICST file ( JOIS)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 試料に赤外線を照射して振動励起分子を
生成させ、該振動励起分子を紫外線照射又は可視光照射
によってイオン化し、生じるイオンを検出しながら赤外
光の波長を掃引し、試料分子の赤外吸収特性をイオン量
の増大として測定することを特徴とするイオン化検出分
光法。
(1) Irradiating a sample with infrared light to generate vibrationally excited molecules.
And irradiate the vibrationally excited molecule with ultraviolet light or visible light.
Infrared while detecting ions generated by ionization
Sweeps the wavelength of light to determine the infrared absorption characteristics of sample molecules
Ionization detection spectroscopy characterized by measuring as an increase in
【請求項2】 目的物質を含む混合試料を気化し、発生
した気体に目的物質の赤外吸収に波長を一致させた赤外
光を照射し、紫外又は可視光により目的物質だけをイオ
ン化し、生じた目的物のイオンを捕集することを特徴と
するイオン化検出赤外分離法。
2. A mixed sample containing the target substance is vaporized, and the generated gas is irradiated with infrared light whose wavelength matches the infrared absorption of the target substance, and only the target substance is ionized by ultraviolet or visible light, An ionization detection infrared separation method characterized by collecting generated target ions.
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Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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Anal.Chem.,1994年,第66巻,p.1062−1069
Chem.Phys Lett.,1993年,第215巻,p.347−352

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