JP3750386B2 - 四重極質量分析装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、四重極フィルタにより特定の質量数を有するイオンのみを分離して検出器に導く四重極質量分析装置に関し、更に詳しくは、電子衝撃法によるイオン源を備えた四重極質量分析装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図5は電子衝撃法を利用したイオン源を備えた一般的な四重極質量分析装置の要部の構成図である。真空雰囲気中に配設されたイオン化室1には試料導入管2が接続されており、ここからイオン化室1内へ気体試料分子が導入される。イオン化室1壁面に開口した熱電子照射孔3の外側には熱電子発生用のフィラメント4が配置されており、加熱電流ifが供給されるとフィラメント4の温度が上昇して熱電子が放出される。熱電子照射孔3と対向する開口外側には所定の電位が印加されたトラップ電極5が設けられており、熱電子(図5中のe-)はフィラメント4とトラップ電極5との間の電位差によって誘引されてイオン化室1内に入り、更にトラップ電極5に向けて加速される。試料分子にこの熱電子流が衝突すると、試料分子から電子が叩き出されて該分子は正イオンになる。
【0003】
発生したイオンはイオン出口6からイオン室1外部へと引き出され、イオンレンズ7によって収束及び加速された後に4本(図5では2本のみを示している)のロッド電極から成る四重極フィルタ8の長軸方向の空間に導入される。各ロッド電極には所定の電圧が印加されており、この印加電圧に依存する質量数(質量/電荷)を有するイオンのみがその空間の中心軸近傍を通り抜けて検出器9に到達し、他の質量数を有するイオンは飛行途中で発散してしまう。ロッド電極への印加電圧を適宜掃引することにより四重極フィルタ8を通り抜けるイオンの質量数を走査することができるので、その期間中に検出器9に流れるイオン電流を順次検出することにより、横軸を質量数、縦軸をイオン強度とするマススペクトルを作成することができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記四重極質量分析装置では、トラップ電極5に捕捉される電子数はフィラメント4から放出された電子数に依存しているから、トラップ電極5に到達した熱電子により流れるトラップ電流ibが所定値になるように加熱電流ifを制御すれば、フィラメント4での熱電子の発生量はほぼ一定になり、イオン化室1内で安定したイオン化が達成される。また、フィラメント4に流す加熱電流ifを増加させて熱電子の発生を促進させるとイオン化室1内で発生するイオンの量も増し、検出器9に到達するイオンが増えて検出感度が向上する筈である。しかしながら、実際には、図3に示したグラフに点線で示すように、加熱電流ifを増加させてトラップ電流ibが増加しても検出器9で検出されるイオン電流idは飽和してしまい、単に加熱電流ifを増加させただけでは感度向上に限界がある。
【0005】
本発明はこのような点に鑑みて成されたものであって、その目的とするところは、検出感度の向上を図ることができる四重極質量分析装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本願発明者は、実験を含む検討の結果、上述のようなイオン電流の飽和現象は次のような原因によるものとの知見を得た。すなわち、イオン化室1内にはフィラメント4からトラップ電極5へ向かう熱電子流が存在しており、この熱電子は負に帯電しているから、熱電子の密度が増加するとイオン化室1の空間電位が相対的に下がる。イオン化室1内で発生したイオンがイオン化室1外部へ引き出されて加速される際に付与される運動エネルギはイオンの出発点つまりイオン化室1内部と、イオンレンズ7や四重極フィルタ8との間の電位差に依存している。通常、イオンレンズ7に印加される電位は検出器9に到達するイオンの量が最大になるように適切に調整される。一方、四重極フィルタ8に印加される電圧はイオン化室1内部の熱電子の状態とは無関係に決められている。そのため、熱電子が増加すると、イオン化室1内部と四重極フィルタ8との間の電位差が変動し、イオンに付与される運動エネルギが減少して四重極フィルタ8の通過効率が低下するものと考えられる。
【0007】
そこで本発明は、熱電子をイオン化室内に放出するためのフィラメントを備えたイオン源と、該イオン化室内で発生したイオンを質量数に応じて分離する四重極フィルタと、該四重極フィルタを通過したイオンを検出する検出器とを有する四重極質量分析装置において、前記フィラメントに流す電流の大きさに応じて前記四重極フィルタに印加する直流電圧又は前記イオン化室に印加する直流電圧の少なくとも一方を調節する制御手段を備えたことを特徴としている。
【0008】
【発明の実施の形態及び発明の効果】
この発明では、熱電子の発生を増加させるためにフィラメントに流す加熱電流が増加されると、制御手段はイオン化室に対して四重極フィルタが負電位側にシフトするように印加電圧を調節する。例えばイオン化室が接地電位に固定された構成では、四重極フィルタの複数のロッド電極に対し互いに位相が180°異なる直流電圧と高周波電圧とを重畳して印加電圧を発生する過程において、直流電圧を負電位側にシフトさせる。加熱電流が増加されることによってイオン化室内部に負の電荷を有する熱電子が増加すると、イオン化室内部の空間電位は相対的に下がる。しかしながら、四重極フィルタに印加される直流電圧が負電位側にシフトされることによって、両者の間の電位差は実質的に変化しない。
【0009】
そのため、イオンがイオン化室内部から引き出される際の運動エネルギは熱電子の増加の影響を受けず、四重極フィルタをイオンが通過する際の通過効率は維持される。したがって、熱電子が増加しイオン化室内部でイオンの発生量が増加した分だけ検出器に到達するイオン量が増加することになり、検出感度の向上が達成される。
【0010】
【実施例】
以下、本発明の一実施例である四重極質量分析装置を図面を参照して説明する。図1は本実施例による四重極質量分析装置の要部の構成図である。
【0011】
真空雰囲気に維持される図示しない分析室内部には、イオン化室1、イオンレンズ7、四重極フィルタ8及び検出器9が略一直線上に配設されている。イオン化室1近傍に配置されたフィラメント4に加熱電流ifを供給すると共にトラップ電極5に直流電圧を印加するためのイオン源電源部12、イオンレンズ7に直流電圧を印加するためのレンズ電源部14、四重極フィルタ8の4本のロッド電極81〜84に電圧を印加するための四重極電源部15はそれぞれ処理・制御部10により制御されるようになっている。この処理・制御部10はCPU、メモリ、A/D変換器、D/A変換器などを含んで構成されるパーソナルコンピュータを中心にその機能が実現される。
【0012】
導電性を有するイオン化室1は接地されており、トラップ電極5には電圧源V2により70V程度の正の直流電圧が印加されている。可変電圧源V3から供給される加熱電流ifによりフィラメント4が加熱され熱電子が発生すると、フィラメント4とトラップ電極5との間の電位差によって熱電子はトラップ電極5に向けて加速される。試料導入管2からイオン化室1内部へ導入された気化試料分子(又は原子)にこの熱電子が接触すると該分子から電子が飛び出し、該分子はイオン化される。熱電子がトラップ電極5に到達するとこれによりトラップ電流ibが流れ、抵抗R1の両端にはトラップ電流ibによる電圧降下が発生し、誤差アンプ13の一方の入力端子にこの電圧が加わる。誤差アンプ13の他方の入力端子には処理・制御部10から制御電圧が加えられており、誤差アンプ13は両入力端子の電圧差に応じた信号を出力し、その電圧差が小さくなるように可変電圧源V3の電圧を調整する。すなわち、このようなフィードバックループによって、処理・制御部10から与えられる制御電圧に応じて熱電子の発生量が制御される。
【0013】
四重極電源部15は直流電源部16、高周波電源部17、2つの電圧重畳部18、19を含んでいる。一般的には、直流電源部16は互いに極性の異なる±Uなる2系統の直流電圧を発生し、高周波電源部17は互いに位相が180°異なる±V・cosωtなる電圧を発生し、電圧重畳部18、19により±(U+V・cosωt)なる電圧を生成している。4本のロッド電極81〜84のうち隣接するロッド電極には互いに位相が180°シフトした電圧が印加される。しかしながら、本実施例の四重極質量分析装置では、直流電源部16は処理・制御部10からの指示によりその中間電位(バイアス電位)が変動する構成となっている。すなわち、直流電源部16にて±Uなる電圧を発生する場合その中間電位は通常0Vであるわけだが、2系統の出力の電位差2×Uを維持したままその中間電位をシフトすることができるようになっている。
【0014】
以下、本実施例の四重極質量分析装置において、処理・制御部10を中心とする電圧設定に関する制御動作を説明する。オペレータは入力部11より質量分析に必要な各種パラメータを入力する。このパラメータには加熱電流if又はトラップ電流ibの設定を含んでいる。この入力に応じて、処理・制御部10はイオン源電源部12に対し制御電圧を設定すると共に、四重極電源部15の直流電源部16に対しバイアス電位を設定する。すなわち、フィラメント4から放出される熱電子電流が相対的に多くなるようにイオン源電源部12に対し制御電圧を設定した場合には、四重極電源部15の直流電源部16に対してはバイアス電位を下げるように指示を送る。また、このような状態で実際に検出器9により得られるイオン電流が最大になるように処理・制御部10はレンズ電源部14を制御してイオンレンズ7の印加電圧を調整する。
【0015】
図2は、質量走査時における四重極フィルタ8への印加電圧の一例を示したグラフである。この図2では高周波電圧による変動は省略している。フィラメント4から放出される熱電子電流が相対的に少ない場合には、L1、L2で示されるように、バイアス電位を−V0〔V〕としてその絶対値がスロープ状に増加するような電圧が隣接するロッド電極に印加される。このように電圧値が変動することにより質量数の走査が達成される。
【0016】
フィラメント4から放出される熱電子電流が相対的に多い場合には、バイアス電位は−V1〔V〕まで負電位方向に下げられる。これにより、質量走査のための印加電圧はL3、L4に示すように、その全体が負電位方向にシフトすることになる。熱電子の発生量が増すことによってイオン化室1内部の空間電位は相対的に下がるが、このように四重極フィルタ8に印加される電圧も下がるため、イオン化室1内部と四重極フィルタ8との間の電位差は変化しない。このようにイオン化室1及び四重極フィルタ8への印加電圧が設定された状態でイオンレンズ7への印加電圧は最適に調整されるので、イオン化室1内部から引き出されるイオンに付与される運動エネルギは変化せず、イオン通過効率も影響を受けない。一方、四重極フィルタ8内部の電位は中間電位のシフトによる影響を受けないので、イオンが通過する際の質量分離の性能はなんら変わらない。
【0017】
上記実施例に示した電圧制御を行うことによって、図3に実線で示すように、トラップ電流ibの増加に伴いイオン電流idは飽和することなく増加することが実験により確認された。したがって、例えば試料分子の濃度が低く(分子数が少なく)従来の装置では検出が困難であった場合でも、この実施例による四重極質量分析装置では入力部11において加熱電流ifを増加させるような設定を行うことにより検出感度を高め、良好に検出することが可能となる。
【0018】
なお、上記実施例ではイオン化室1の電位を固定し、四重極フィルタ8の印加電圧を調整していたが、イオン化室1の電位を変化させる、又はイオン化室1と四重極フィルタ8の両方の電位を変化させるようにしても同様の効果が得られることは明らかである。
【0019】
図4は本発明の他の実施例による四重極質量分析装置の要部の構成図である。この実施例では、イオン源電源部12の構成のみが図1に示したものと相違しており、フィラメント4から放出される熱電子電流(エミッション電流)をモニタし、それを制御電圧に応じて制御するようにしている。このような方法によっても先の実施例と同様の効果が得られることは明らかである。
【0020】
また、上記実施例は一例であって、本発明の趣旨の範囲で適宜変更や修正を行なえることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例による四重極質量分析装置の要部の構成図。
【図2】 本実施例による四重極質量分析装置において四重極フィルタへの印加電圧を概略的に示したグラフ。
【図3】 イオン化のためのトラップ電極に流れる電流ibと検出器でのイオン電流idとの関係を示すグラフ。
【図4】 本発明の他の実施例による四重極質量分析装置の要部の構成図。
【図5】 一般的な四重極質量分析装置の要部の構成図。
【符号の説明】
1…イオン化室 4…フィラメント
5…トラップ電極 8…四重極フィルタ
9…検出器 10…処理・制御部
11…入力部 12…イオン源電源部
14…レンズ電源部 15…四重極電源部
16…直流電源部 17…高周波電源部
18、19…電圧重畳部
Claims (1)
- 熱電子をイオン化室内に放出するためのフィラメントを備えたイオン源と、該イオン化室内で発生したイオンを質量数に応じて分離する四重極フィルタと、該四重極フィルタを通過したイオンを検出する検出器とを有する四重極質量分析装置において、前記フィラメントに流す電流の大きさに応じて前記四重極フィルタに印加する直流電圧又は前記イオン化室に印加する直流電圧の少なくとも一方を調節する制御手段を備えたことを特徴とする四重極質量分析装置。
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