JP3659216B2

JP3659216B2 - 飛行時間型質量分析装置

Info

Publication number: JP3659216B2
Application number: JP2001347171A
Authority: JP
Inventors: 一夫中村
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2001-11-13
Filing date: 2001-11-13
Publication date: 2005-06-15
Anticipated expiration: 2021-11-13
Also published as: JP2003151488A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、飛行時間型質量分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の飛行時間型質量分析装置の構造及び作用を図１により説明する。真空チャンバ１０内の一方の端にイオン源１１、イオン加速器１２とイオン検出器１３が、他方の端にリフレクトロン（イオン反射器）１４が設けられている。イオン源としては、MALDI（Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization）等の試料イオン化部又はLCMSなどのイオン導入部が使用される。真空チャンバ１０には、高真空を達成可能なターボ分子ポンプ等の真空ポンプ１５が接続されている。また、真空チャンバ１０の全体は恒温槽１６の中に納められている。
【０００３】
イオン源１１で生成されたイオンは、イオン加速器１２において所定の加速電圧により運動エネルギが与えられ、リフレクトロン１４に向けて飛行空間１７を飛行する。イオンはリフレクトロン１４における傾斜電界により反射され、飛行空間１７を戻って、イオン検出器１３において検出される。イオンが飛行空間１７を往復するに要する時間はイオンの質量数（m/z、ただしzは電荷）に依存するため、イオン検出器１３におけるイオン検出量を連続的に測定することにより、イオン源１１において生成されたイオンの質量スペクトルが得られる。なお、イオン加速器とイオン検出器とを両端に配置し、イオンが飛行空間を一方向にのみ飛行した後に検出を行う一方向型のものもある。
【０００４】
このような装置では、同じエネルギを与えられても、イオンの飛行時間は当然飛行距離に応じて変化する。従って、イオン加速器１２、飛行空間１７、リフレクトロン１４、イオン検出器１３等を含むイオン光学系の位置関係、特に飛行空間１７の長さが変化すると、同一質量数のイオンであってもイオン検出器１３に到達する時間が変化し、測定されるスペクトルの質量数軸がずれる。そこで、真空チャンバ１０の全体を恒温槽１６に収容し、測定時にイオン光学系の温度が一定となるように制御が行われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
高性能の飛行時間型質量分析装置に要求される時間安定性は、通常、20ppm程度であるが、飛行空間１７の長さの変化による飛行時間のズレをこれ以下にしようとすると、真空チャンバ１０を低熱膨張率の材料（通常、ステンレス鋼が使用される）で作製しても、その温度変化の幅を1℃程度としなければならない。一方、市販されている飛行時間型質量分析装置には、イオン飛行空間１７が約1mになるものもあるため、それを内包する真空チャンバ１０の全体を収容する恒温槽１６は相当大きなものとならざるをえない。そのような大きな恒温槽１６を1℃以下の許容幅で制御するためには、恒温槽１６の熱容量を相当大きいものにし、更に、高精度の温度制御装置を設けなければならない。
【０００６】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、高性能の恒温槽を設けることなく安定した質量スペクトルを得ることのできる飛行時間型質量分析装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明に係る飛行時間型質量分析装置は、
a)恒温槽内に保持される真空チャンバと、
b)上記真空チャンバの内部に、低熱伝導率材料から成る保持部材を介して保持され、内包するイオン飛行空間を挟んで少なくともイオン加速器とイオン検出器とが固定されたフライトチューブと、
を備えることを特徴としている。
【０００８】
なお、上記「イオン飛行空間を挟んで少なくともイオン加速器とイオン検出器とが固定されたフライトチューブ」には、フライトチューブの一端にイオン加速器、他端にイオン検出器が設けられている一方向型のものの他、フライトチューブの一端にイオン加速器とイオン検出器が設けられ、他端にイオン反射器が設けられている往復型のものを含む。更に、複数のイオン反射器を介してイオンが飛行空間を往復する多重往復型のものをも含む。
【０００９】
【発明の実施の形態及び効果】
イオン加速器とイオン検出器とは共にフライトチューブに固定されているため、両者間のイオン飛行空間の長さ（イオンの飛行距離）はフライトチューブの長さに依存する。このフライトチューブは、低熱伝導率材料から成る保持部材を介して真空チャンバの内部に保持されているため、真空チャンバからの空気による伝熱の影響を殆ど受けず、保持部材を介しての熱伝導の影響も殆ど受けない。従って、真空チャンバを囲う恒温槽の温度変動幅が多少大きくても、真空チャンバの内部のフライトチューブの温度変動幅は極めて小さいことが保証される。このため、イオン加速器とイオン検出器との間の距離は非常に安定したものとなり、質量分析の再現性の精度が高まる。
【００１０】
本発明に係る飛行時間型質量分析装置ではこのように真空チャンバ内部の真空を断熱手段として用いているため、装置始動時にフライトチューブの温度を上げようとする際には、これが逆に昇温時間を長引かせる原因となる。そこで、本発明に係る質量分析装置では、始動時にはまず恒温槽の加熱を開始し、所定時間が経過した後に真空チャンバ内の真空引きを開始するように制御を行う制御部を設けることが望ましい。これにより、装置始動時には恒温槽の熱は真空チャンバから空気の対流を伴う伝導によりフライトチューブに与えられ、フライトチューブは比較的速やかに所定温度まで上昇することができるようになる。この「所定時間」としては、真空チャンバの真空引きが完了する時点とフライトチューブが所定の操業温度（質量分析を行うときの温度）に到達する時点がほぼ同時となるような時間に設定しておくことが望ましいが、フライトチューブが操業温度に到達したと考えられる時間の後でもよい。或いは、時間で決定するのではなく、恒温槽、真空チャンバ又はフライトチューブが、それぞれ所定の温度（前記操業温度又はそれに近い温度）になった時点で真空引きを開始するようにしてもよい。
【００１１】
【実施例】
図２に本発明の一実施例である往復型飛行時間型質量分析装置の概略構成図を示す。本実施例においては、イオン加速器２２、リフレクトロン２４及びイオン検出器２３はいずれも、真空チャンバ２０内に保持されたフライトチューブ３０に固定されている。往復型であるため、イオン加速器２２及びイオン検出器２３がフライトチューブ３０の一端に設けられ、リフレクトロン２４が他端に設けられている。フライトチューブ３０を保持する部材３１は、低熱伝導率材料（例えばセラミックや樹脂等）で作製されている。なお、イオン源（図示せず）はフライトチューブ３０に固定してもよいし、フライトチューブ３０とは独立に真空チャンバ２０に固定してもよい。
【００１２】
真空チャンバ２０は恒温槽２６に囲われており、恒温槽２６にはヒータ３２、ファン３３及び温度センサ３４等から成る温度調節装置が設けられている。真空チャンバ２０の真空ポンプ２５及び恒温槽２６の温度調節装置は、コンピュータを備えた操作制御部３５により制御されている。また、これとは別に、イオン加速器２２及びイオン検出器２３（それに、図示せぬイオン源）に接続され、試料の質量分析を行うための測定制御部３６も設けられている。
【００１３】
本実施例の質量分析装置が始動する際の操作制御部３５の制御の内容を次に説明する。操作者が操作制御部３５の始動ボタンを押すことにより、又は、所定のプログラムの実行により操作制御部３５として動作しているパソコンの所定のキーを押したりマウス操作を行うと、操作制御部３５はまずヒータ３２に通電し、恒温槽２６の温度を所定操業温度（通常、室温よりも5〜10℃高い値に設定しておく）に向けて上昇させる。それと同時に、又は所定時間後或いは温度センサ３４の検出値が所定値になった時点で、ファン３３を起動し、恒温槽２６内の空気を攪拌する。その後、操作制御部３５は温度センサ３４により恒温槽２６内の温度をモニタしつつヒータ３２及びファン３３の動作を制御することにより、オーバーシュートすることなく、装置全体が最短時間で所定の操業温度に到達するようにフィードバック制御を行う。
【００１４】
このとき、真空ポンプ２５は未だ起動しない。このため、真空チャンバ２０内には外部と同じ圧力の空気が存在し、ヒータ３２の熱は真空チャンバ２０の外壁からその空気による対流を伴う伝熱により比較的速やかにフライトチューブ３０に与えられる。従って、フライトチューブ３０の温度は、恒温槽２６からそう遅れることなく所定操業温度に到達する。
【００１５】
起動時（ヒータ３２への通電を開始した時点）から所定の時間が経過した時点で、操作制御部は真空ポンプ２５を起動する。この「所定の時間」としては、予め実験によりフライトチューブ３０が所定の操業温度に到達するまでの時間を調べておき、その値を採用する。なお、それよりもやや前でもよい。また、恒温槽２６の温度が所定操業温度に到達した時点又はそれから所定時間後（フライトチューブ３０への伝熱時間を考慮して）でもよい。フライトチューブ３０に温度センサ３４を直接取り付けることが可能である場合には、それが所定操業温度に到達した時点又はそれより少し前でもよい。
【００１６】
前記のように飛行空間２７の長さが1m程度の質量分析装置の場合、恒温槽２６のヒータ３２への通電を開始してから内部の全体が上記操業温度に到達するまでには3時間程度の時間を要する。また、飛行時間型質量分析装置では最高10^-7torrの真空度で測定を行うため、その真空引きには例えば5時間程度を要する。従って、上記のような昇温後真空引きという手順で始動を行うことにより、全体として8時間程度の時間がかかる。しかし、仮に、真空引きを恒温槽２６のヒータ３２への通電開始と同時に行った場合には、真空チャンバ２０内での空気による伝熱の効果が利用できないため、フライトチューブ３０が十分に操業温度に近づくためには20時間近くかかる。従って、上記のような始動方法を採用することにより、全体の始動時間を半分以下に短縮することができる。
【００１７】
操作制御部３５は、温度センサ３４により検出される恒温槽２６内の温度が所定の値に到達し、真空計（図示せず）により検出される真空度が所定値に達した時点で、試料の質量分析を行うことができることを示す「READY」ランプを点灯する。その後は、測定制御部３６の制御により、試料の質量分析が行われる。その間、操作制御部３５は恒温槽２６内の温度制御を行うが、この時にはフライトチューブ３０は低熱伝導率材料による保持部材３１及び真空により真空チャンバ２０から熱的に断絶されているため、恒温槽２６の温度変動は非常に長い時定数でしかフライトチューブ３０の温度変動に影響を及ぼさない。これにより、フライトチューブ３０の温度変動幅は恒温槽２６の温度変動幅よりもかなり小さく抑えることができる。具体的には、前記のようにフライトチューブ３０の温度変動幅を1℃以下に抑えるためには、恒温槽２６の温度変動幅が数℃であってもよい。逆に、高性能の（温度変動幅の小さい）恒温槽２６を使用することにより、フライトチューブ３０の温度変動幅を更に小さく抑えることが可能となり、質量分析の精度を従来よりも高めることができるようになる。
【００１８】
なお、上記実施例では理解の便のために図１と同様の往復型のもので説明を行ったが、もちろん、リフレクトロン２４の位置にイオン検出器を置いた一方向型でも、本発明は全く同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の往復型飛行時間型質量分析装置の概略構成図。
【図２】本発明の一実施例である往復型飛行時間型質量分析装置の概略構成図。
【符号の説明】
１０、２０…真空チャンバ
１１…イオン源
１２、２２…イオン加速部
１３、２３…イオン検出器
１４、２４…リフレクトロン（イオン反射器）
１５、２５…真空ポンプ
１６、２６…恒温槽
１７、２７…イオン飛行空間
３０…フライトチューブ
３１…フライトチューブ保持部材
３２…ヒータ
３３…ファン
３４…温度センサ

Claims

a)恒温槽内に保持される真空チャンバと、
b)上記真空チャンバの内部に、低熱伝導率材料から成る保持部材を介して保持され、内包するイオン飛行空間を挟んで少なくともイオン加速器とイオン検出器とが固定されたフライトチューブと、
を備えることを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
上記フライトチューブの一端にイオン加速器とイオン検出器が固定され、他端にイオン反射器が固定されていることを特徴とする請求項１に記載の飛行時間型質量分析装置。
更に、始動時にまず上記恒温槽の加熱を開始し、所定時間経過後に上記真空チャンバの真空引きを開始するように制御を行う制御部を備える請求項１又は２に記載の飛行時間型質量分析装置。
更に、始動時にまず上記恒温槽の加熱を開始し、恒温槽、真空チャンバ又はフライトチューブが所定温度に達した時点で上記真空チャンバの真空引きを開始するように制御を行う制御部を備える請求項１又は２に記載の飛行時間型質量分析装置。