JP3385327B2 - 三次元四重極質量分析装置 - Google Patents

三次元四重極質量分析装置

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JP3385327B2
JP3385327B2 JP32447895A JP32447895A JP3385327B2 JP 3385327 B2 JP3385327 B2 JP 3385327B2 JP 32447895 A JP32447895 A JP 32447895A JP 32447895 A JP32447895 A JP 32447895A JP 3385327 B2 JP3385327 B2 JP 3385327B2
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正義 矢野
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は三次元四重極質量分
析装置に関する。
【0002】
【従来の技術】2個の対向するエンドキャップ電極及び
その中間に設けられるリング電極間に高周波電圧(必要
に応じて更に直流電圧)を印加し、それによって形成さ
れる三次元四重極電界中にイオンを存在せしめると、イ
オンは形成されている電界によって決められる一定の運
動を行い、この電界中に存在し続ける。このとき、設定
された電界条件に合致しないイオンは電界外にはじき飛
ばされる。したがって電界条件を連続的に変化させ、電
界内に存在しているイオンをその質量数の小さい順ある
いは大きい順に電界外に取り出すことにより質量分析が
可能となる。
【0003】この質量分析法において、電界内に存在す
るイオンの生成法は、前記エンドキャップ電極の一端か
ら三次元四重極電界内に電子流を入射させて、ガス状で
別途三次元四重極電界内に導入される試料分子と衝突さ
せ(電子衝撃イオン化:EIと呼称)イオン化するもの
である。この方法においては試料ガスが大量に導入さ
れ、イオンが電界内の存在許容量以上に生成するとイオ
ン同志、イオンと試料分子の衝突が起き、正しい試料存
在量と異なる量のイオン量となり正しい分析が不可能と
なることがある。
【0004】また、イオンを三次元四重極電界外で生成
させる方法も可能である。この場合も導入イオン量を制
御せずに電界内に入射すると同様の現象が生じる。
【0005】なお、三次元四重極質量分析装置はたとえ
ば米国特許第3,065,640号、同第4,755,670号及び特開平
1-258353号等に記載されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】前述のように、三次元
四重極電界内のイオン量がその電界内でのイオン存在許
容量より多量になると、分析不可能になることがある。
【0007】したがって、本発明の目的はそのような分
析不可能な事態が生じないようにするのに適した三次元
四重極質量分析装置を提供することにある。
【0008】本発明のもう一つの目的は上述したような
分析不可能な事態を自動的に発生させないようにするの
に適した三次元四重極質量分析装置を提供することにあ
る。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明にもとづく三次元
四重極質量分析装置においては、イオンを生成する手段
と、その生成されたイオンを三次元イオン閉じ込め空間
内に閉じ込めるようにその三次元イオン閉じ込め空間内
に三次元四重極電界を形成する手段と、前記三次元イオ
ン閉じ込め空間から所望の質量対電荷比をもつイオンを
出射させる手段と、前記三次元イオン閉じ込め空間内に
存在するイオンの量を検出する手段とが備えられてい
る。
【0010】したがって、その検出結果を判断して三次
元イオン閉じ込め空間内に存在するイオンの量を許容量
以上にならないように調整することができるようにな
る。それ故、本発明によれば、前述したような分析不可
能な事態が生じないようにするのに適した三次元四重極
質量分析装置が提供されることになる。
【0011】イオンの生成は三次元イオン閉じ込め空間
の外部で行われるようにしてもよいし、あるいは内部で
行われるようにしてもよい。外部イオン生成タイプの場
合は、イオン生成手段によって生成されたイオンを三次
元イオン閉じ込め空間に導入するときのイオン集束条件
を変えることによって三次元イオン閉じ込め空間に存在
するイオンの量を調整することができる。もちろん、イ
オン生成手段によって生成されるイオンの生成量それ自
体を変えることによって三次元イオン閉じ込め空間に存
在するイオンの量を調整するようにしてもよい。一方、
内部イオン生成タイプの場合は、イオン生成手段によっ
て生成されるイオンの生成量それ自体をかえることで三
次元イオン閉じ込め空間に存在するイオンの量を調整す
ることができる。
【0012】本発明にもとづく三次元四重極質量分析装
置おいてはまた、イオンを生成する手段と、その生成さ
れたイオンを三次元イオン閉じ込め空間内に閉じ込める
ようにその三次元イオン閉じ込め空間内に三次元四重極
電界を形成する手段と、前記三次元イオン閉じ込め空間
から所望の質量対電荷比をもつイオンを出射させる手段
と、前記三次元イオン閉じ込め領域内に存在するイオン
の量に対応するする電気信号を発生させるように前記イ
オンの量を検出する手段と、前記発生された電気信号に
もとづいて前記三次元イオン閉じ込め空間内に存在する
イオンの量を予め定められたレベルを実質的に越えない
ように制御する手段とが備えられている。 したがっ
て、本発明によれば、前述したような分析不可能な事態
を自動的に発生させないようにするのに適した三次元四
重極質量分析装置が提供される。
【0013】本発明の他の目的及び特徴は図面を参照し
てなされる以下の実施例の説明から明らかとなるであろ
う。
【0014】
【発明の実施の形態】図1(a)を参照するに、フイラ
メント22から放出される電子はイオン源1とフイラメ
ント22の間に印加される電子加速電源21により加速
され、電子流23となってイオン源1を通ってコレクタ
により捕捉される。したがって、イオン源1の外部から
その内部に導入されるガス試料20(このガス試料は一
般的にはガスクロマトグラフ(GC)や液体クロマトグ
ラフ(LC)によって分離されたガス試料成分である)
は電子衝撃によりイオン化され、それによって生成され
たイオン2はイオン源1の出射口から放出される。生成
されたイオンのうちの出射口の反対の方向に向かおうと
するイオンはリペラ電極電源18からリペラ電極19
a、19bに与えられるリペラ電圧によって追い返さ
れ、出射口から効果的に出射される。
【0015】出射されたイオンは第1、第2及び第3電
極3、4及び5によって構成されるレンズを通り、更に
スリット7を通って三次元四重極質量分析部に導入され
る。三次元四重極質量分析部は回転双曲面をもつリング
電極9並びにその両側に配置された、双曲面をもつエン
ドキャップ電極8及び10を含んでいる。図示は省略さ
れているが、リング電極9とエンドキャップ電極8及び
10との間には直流電圧及び高周波電圧が印加され、こ
れによって三次元四重極質量分析部の内部には三次元四
重極電界が形成される。この電界空間は図では符号11
で示されている。
【0016】直流電圧は印加されてもよいが、ゼロであ
ってもよい。いずれにしても、よく知られているよう
に、イオンの安定度ダイヤグラム(図示せず)の安定領
域に属するイオンは三次元四重極電界空間11内に閉じ
込められる。したがって、その電界空間は三次元イオン
閉じ込め空間と呼ぶこともできる。安定に閉じ込められ
ているイオンのうち、目的とする質量数すなわち質量対
電荷比のイオンだけを質量分離して三次元イオン閉じ込
め空間11からその外部に取り出そうというのが三次元
四重極質量分析の原理である。
【0017】目的とする質量数のイオンだけを取り出す
主な方法は次の二つである。一つは、高周波電圧を徐々
に変化させることによって異なる質量数のイオンの振動
を不安定にし、そしてその不安定にされたイオンを三次
元イオン閉じ込め空間11からその外部に出射させる方
法(通常方法)方法である。もう一つは、三次元イオン
閉じ込め空間11に、取り出したい質量数のイオン固有
振動数と同じ振動数の補助交流電界(このための電源は
図示が省略されている)を更に生成し、そのイオンの振
動振幅を増幅させて三次元イオン閉じ込め空間11から
その外部に出射させる方法(共鳴出射法)である。
【0018】この場合、その補助交流電界を生成する方
法はいくつか存在するが、最も一般的な方法は、一対の
エンドキャップ電極に互いに半位相ずれた、ある特定の
周波数をもつ補助交流電圧を補助電源より与えることで
ある。これによって、ある特定の周期で振動する補助電
界が形成され、各イオンの質量対電荷比すなわち質量数
に応じてイオンが補助交流電圧に共鳴して出射する。こ
のとき、主高周波電圧の振幅を走査することによって各
イオン種のもつ固有振動数も走査される。したがって、
ある特定の周波数の補助交流電圧を印加して、主高周波
電圧の振幅を走査すると、共鳴出射するイオンの質量数
も走査されることになる。
【0019】以上のようにして質量分析されたイオンは
イオン検出器12によって検出して電気信号に変換され
る。この電気信号は増幅器13を介してデ−タ処理装置
14に導かれ、その電気信号に関して種々の処理がなさ
れる。
【0020】レンズを構成する第1電極3はイオン源1
から放出されるイオン(ト−タルイオン)を検出するイ
オン検出器としても機能するもので、増幅器15を介し
てコンピュ−タ及び制御装置16に接続されている。第
2電極4は可変電極電源17から高電圧が印加され、可
変電極電源17はコンピュ−タ及び制御装置16からの
信号にもとづいて可変される。第3電極5はア−スされ
ている。
【0021】イオン源1から放出されるイオンのうち、
第1電極3のイオン通過孔を通過したイオン以外のイオ
ンは第1電極3によって検出され、電気信号に変換され
る。イオン源1に導入されるガス試料は前述したように
一般的にはガスクロマログラフ(GC)又は液体クロマ
トグラフ(LC)によって分離されたガス試料成分であ
るから、変換された電気信号は分離された試料成分に対
応してピ−ク状をなす。得られた結果は一般にクロマト
グラムと呼ばれる。変換された電気信号は増幅器15を
介してコンピュ−タ及び制御装置16に導入され、該コ
ンピュ−タ及び制御装置16はこれに導入される電気信
号にもとづいて可変電源17を変える。これによって、
第2電極4に印加される高電圧が変えられ、三次元イオ
ン閉じ込め空間に導入されるイオン量、したがってその
内部に存在するイオン量が変えられる。
【0022】すなわち、第2電極4に印加される電圧が
ある値の場合は図1(b)に示されるようにイオンがス
リット7に集束され、また、印加される電圧がゼロの場
合は図1(c)に示されるようにイオンに対する集束効
果が得られない。それ故、スリット7を通って三次元イ
オン閉じ込め空間11に導入されるイオン量、したがっ
てその空間に存在するイオン量は第2電極4に与えられ
る電圧を変えてレンズによるイオンの集束条件を変える
ことによって変えられることがわかる。
【0023】第1電極3によって検出されるイオン量は
三次元イオン閉じ込め空間内11に存在するイオン量と
ある特定の関係にあり、したがって第1電極3によって
検出されるイオン量から三次元イオン閉じ込め空間11
内に存在するイオン量を推定して求めることができる。
そこで、三次元イオン閉じ込め空間内に存在し得るイオ
ン量の許容値にもとづいて定められる、コンピュ−タ及
び制御部16に与えられる電気信号についてある特定の
スレッショルドレベルを設定し、その電気信号がそのス
レッショルドレベルを越えないような制御をコンピュ−
タ及び制御装置16が実行するようにしている。
【0024】この点について図2のフロ−チャ−トを用
いて説明する。説明を簡単にするために増幅器15を介
してコンピュ−タ及び制御装置16に導かれる電気信号
の瞬時値をSI、そのピ−ク値をSPとし、更に三次元イ
オン閉じ込め空間11内に存在し得るイオンの許容量に
もとづいて上記電気信号について予め定められたスレッ
ショルドレベルをLSとする。
【0025】イオン化が始まると、初めにゼロであった
Iは時間と共に増大する。ステップS1ではSIがLS
よりも大きいかどうかの判断がなされる。SIがLSに達
しない間はステップS2においてSPがLSよりも小さい
かどうかの判断がなされ、SPがLSよりも小さい場合は
フロ−はそれで終了する。
【0026】一方、ステップS1においてSIがLSと等
しくなったと判断されたとき又はステップS2において
PがLSと等しくなったと判断されたときは、SI又は
PがLSを越えないように、スリット7を通して三次元
四重極電界空間すなわち三次元イオン閉じ込め空間11
内に導入されるイオンのレンズによる集束条件が変えら
れ、固定される。もちろん、その集束条件の変更はSI
又はSPにもとづいて電極電源17を調整して、第2電
極4に印加される電圧を変えることによって達成され
る。
【0027】前述の「越えない」という言葉は厳密性を
もつものではなく、したがって、現実的に許容される範
囲内での超過は当然「越えない」という言葉のもつ意味
の範囲に含まれるものとする。また、SI=LSという現
象とSP=LSという現象が同時に起こった場合はそのど
ちらを優先させるようにしてもよい。
【0028】その後ステップ3においては、SI又はSP
がLSよりも小さくなったかどうかの判断が継続され、
I又はSPがLSよりも小さくなったら、ステップ3に
おいて変更され、固定された、レンズによるイオンの集
束条件がその変更前の集束条件(初期条件)に戻され、
これをもってフロ−は終了する。以上の動作はイオンピ
−クが出現するごとに繰り返される。
【0029】ト−タルイオンの検出器については、これ
を図1の実施例のように第1電極3が兼ねてもよいが、
第1電極3とは別個に設けてもよい。
【0030】以上の説明から、三次元イオン閉じ込め空
間11内に存在するイオン量をその中に存在し得る許容
値を実質的に越えないようにし得ることが理解される。
【0031】図3は本発明にもとづくもう一つの実施例
の主要部を示すもので、この実施例の図1に示される実
施例との相違点は、コンピュ−タ及び制御部16に導か
れる電気信号に応答して行われる、三次元イオン閉じ込
め空間11に導入されるイオン量の変更を、図1では可
変電源17を調整してレンズによるイオンの集束条件を
変えることによって行っているのに対して、図3ではリ
ペラ電極電源18を調整してリペラ電極19a及び19
bに与えられるリペラ電圧を変えることによって行うよ
うにしていることである。この実施例によっても、イオ
ン源1から放出されるイオン量、すなわちイオン源1に
よって生成されるイオン量を変えることができるので、
図1の実施例と同様にして三次元イオン閉じ込め空間1
1に存在するイオン量を変えることができる。
【0032】イオン源1によって生成されるイオン量は
リペラ電圧を変える代わりに電子加速電源21によって
与えられる電子加速電圧を変えることによっても変えら
れ得る。したがって、この場合も、同様にして三次元イ
オン閉じ込め空間に存在するイオン量を変えることがで
きる。図3に1点鎖線で示される系はその制御系を表し
ている。
【0033】図4は本発明のもとづく更にもう一つの実
施例の主要部を示す。この実施例は液体クロマトグラフ
と結合される場合の例を示す。
【0034】液体クロマトグラフ(LC)(図示せず)
から流出される流出液24は霧化器25によって霧化さ
れ、更に脱溶媒器26によって溶媒が除去され、試料ガ
ス流27となる。
【0035】コロナ放電電極である針電極28と第1細
孔電極30の間には高電圧電源37から高電圧が印加さ
れ、したがって、霧化された試料ガス流は大気圧下での
コロナ放電によりイオン化される。生成されたイオンは
中間電極31、第2細孔電極32を通過してイオン流2
となって、真空容器34内に導入される。イオン流は第
2細孔32を通過した後拡散するが、第1、第2及び第
3電極2、4及び5によって構成されるレンズによって
集束され、スリット7を介して三次元四重極電界空間1
1に導入される。
【0036】図1の実施例と同じように、第3電極5は
ア−スされ、第2電極4には可変電源17が接続され、
そして第1電極には増幅器15を介してコンピュ−タ及
び制御装置16が接続されている。図1の実施例と同じ
ように、第1電極3に衝突したイオンは該電極によって
電気信号に変換され、増幅器15を介してコンピュ−タ
及び制御装置16に導入される。
【0037】コンピュ−タ及び制御装置16はこれに導
入される電気信号にもとづいて電極駆動装置29を駆動
し、これによって針電極28がその軸方向に移動され
る。これによって、針電極28の位置がかわるので、コ
ロナ放電の程度が変えられ、イオン生成量がそれによっ
て変わる。かくして、三次元イオン閉じ込め空間11内
に存在するイオン量はある定められたレベルを実質的に
越えないように制御され得る。
【0038】もちろん、針電極28を移動させる代わり
に、図1の実施例と同じように、第2電極4に高電圧を
与える電源17を可変するようにしてもよい。また、第
1細孔電極30と第2細孔電極32の間に印加される可
変電源36を可変するようにしてもよい。
【0039】なお、33は中間電極31及び第2細孔電
極32間を中間圧力に排気するための排気系である。
【0040】ここまでの実施例はイオン生成手段が三次
元イオン閉じ込め空間11の外部に配置されるタイプの
ものであるが、本発明はイオン生成を三次元イオン閉じ
込め空間11内で実行するタイプのものに適用されても
よい
【0041】
【0042】
【0043】
【0044】
【0045】
【発明の効果】本発明によれば、三次元イオン閉じ込め
空間内にイオンが過度に存在することによって分析不可
能な事態が生じないようにするのに適した三次元四重極
質量分析装置が提供され得る。また、三次元イオン閉じ
込め空間内にイオンが過度に存在することによって分析
不可能な事態を自動的に発生させないようにするのに適
した三次元四重極質量分析装置も提供され得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にもとづく一実施例を示す三次元四重極
質量分析装置を示すもので、(a)はその全体構成概要
図、(b)及び(c)はそのイオン源部の概要図であ
る。
【図2】図1の一例としての動作フローチャートを示す
図である。
【図3】本発明にもとづくもう一つの実施例を示す三次
元四重極質量分析装置の主要部の概要図である。
【図4】本発明にもとづく更にもう一つの実施例を示す
三次元四重極質量分析装置の主要部の概要図である。
【符号の説明】
1:イオン源、2:イオン流、3:第1電極、4:第2
電極、5:第3電極、7:スリット、8、10:エンド
キャップ電極、9:リング電極、11:三次元四重極電
界空間(三次元イオン閉じ込め空間)、12:イオン検
知器、13、15:増幅器、14:データ処理装置、1
6:コンピュータ及び制御装置、17:可変電極電源、
18:リペラ電極電源、19(a、b):リペラ電極、
20:ガス試料、21:電子加速電源、22:フィラメ
ント、23:電子流、24:流出液、25:霧化器、2
6:脱溶媒器、27:試料ガス流、28:針電極(コロ
ナ放電電極)、29:電極駆動装置、30:第1細孔電
極、31:中間電極、32:第2細孔電極、33:排気
系、34:真空容器、36:可変電源、37:高電圧電
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−168327(JP,A) 特開 昭61−292846(JP,A) 特開 平6−60847(JP,A) 特開 昭62−276739(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01J 49/00 - 49/42

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 試料にフィラメントからの電子流を衝突さ
    せてイオン化しリペラ電極電源からの電圧が印加される
    リペラ電極によってイオンを放出するイオン源と、リン
    グ電極と一対のエンドキャップ電極によって前記イオン
    源から放出されたイオンを捕捉するための三次元イオン
    閉じ込め空間を形成するイオン捕捉部と、前記イオン捕
    捉部から出射されたイオンを検出するイオン検出部とを
    有する三次元四重極質量分析装置において、前記イオン
    源と前記イオン捕捉部との間に設けられイオン通過孔を
    有しイオン通過量を検出する検出電極と、前記検出電極
    によって検出されたイオン量に基づいて前記リペラ電極
    への印加電圧を制御する手段、とを具備したことを特徴
    とする三次元四重極質量分析装置。
  2. 【請求項2】 大気圧下で針電極のコロナ放電により試料
    をイオン化するイオン源と、高真空下におかれたリング
    電極と一対のエンドキャップ電極によって前記イオン源
    から放出されたイオンを捕捉するための三次元イオン閉
    じ込め空間を形成するイオン捕捉部と、当該イオン捕捉
    部から出射されたイオンを検出するイオン検出部とを有
    する三次元四重極質量分析装置において、前記針電極の
    位置を可変させる針電極駆動部と、前記イオン源と前記
    イオン捕捉部との間の高真空下に配置されイオン通過孔
    を有しイオン通過量を検出する検出電極とを具備し、前
    記検出電極によって検出されたイオン量に基づいて前記
    針電極駆動部を駆動してイオン生成量を制御することを
    特徴とする三次元四重極質量分析装置。
  3. 【請求項3】 大気圧下で針電極のコロナ放電により試料
    をイオン化するイオン源と、リング電極と一対のエンド
    キャップ電極によって前記イオン源からのイオンを捕捉
    するための三次元イオン閉じ込め空間を形成するイオン
    捕捉部が配置された高真空室と、前記イオン源と前記高
    真空室との間に配置された中間圧力室を有し,前記イオ
    ン源と前記中間圧力室間に第1の細孔電極を設け、前記
    中間圧力室と前記高真空室間に第2の細孔電極を設け,
    前記イオン源からのイオンを前記第1の細孔電極および
    前記第2の細孔電極を介して前記高真空室内のイオン捕
    捉部にイオンを導く三次元四重極質量分析装置におい
    て、前記第2の細孔電極と前記イオン捕捉部の間であり
    かつ前記高真空室内に配置されイオン通過孔を有するイ
    オン検出電極と、前記第1の細孔電極と前記第2の細孔
    電極間に電圧を印加する可変電源とを備え、前記検出電
    極によって検出される前記イオン源からのイオン量を基
    に前記第1の細孔電極と前記第2の細孔電極に対する印
    加電圧を制御することを特徴とする三次元四重極質量分
    析装置。
JP32447895A 1995-12-13 1995-12-13 三次元四重極質量分析装置 Expired - Lifetime JP3385327B2 (ja)

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