JP3830344B2

JP3830344B2 - 垂直加速型飛行時間型質量分析装置

Info

Publication number: JP3830344B2
Application number: JP2000308631A
Authority: JP
Inventors: 鈴木貴之; 敏北村
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2000-10-10
Filing date: 2000-10-10
Publication date: 2006-10-04
Anticipated expiration: 2020-10-10
Also published as: JP2002117802A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、垂直加速型飛行時間型質量分析装置に関し、特に、イオン溜を構成するイオン押し出しプレートやグリッドの帯電によってマススペクトルの分解能が低下するのを、未然に防止することができる垂直加速型飛行時間型質量分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
質量分析装置は、試料から生成するイオンを真空中で飛行させ、飛行の過程で質量の異なるイオンを分離して、スペクトルとして記録する装置である。質量分析装置には、扇形磁場を用いてイオンの質量分散を行なわせる磁場型質量分析装置、四重極電極を用いて質量によるイオンの選別（フィルタリング）を行なわせる四重極質量分析装置（ＱＭＳ）、質量によるイオンの飛行時間の違いを利用してイオンを分離する飛行時間型質量分析装置（ＴＯＦＭＳ；time of flight ＭＳ）などが知られている。
【０００３】
これらの質量分析装置の内、磁場型質量分析装置とＱＭＳは、連続的にイオンを生成するタイプのイオン源に適合しているのに対し、ＴＯＦＭＳは、パルス状にイオンを生成するタイプのイオン源に適合している。従って、連続型のイオン源をＴＯＦＭＳに利用しようとすれば、イオン源の利用のしかたに工夫が必要である。垂直加速型飛行時間型質量分析装置（ＯＡ−ＴＯＦＭＳ；orthogonal acceleration ＴＯＦＭＳ）は、連続型のイオン源からパルス状のイオンを射出することができるように工夫されたＴＯＦＭＳの一例である。
【０００４】
図１に、典型的なＯＡ−ＴＯＦＭＳの構成を示す。ＯＡ−ＴＯＦＭＳは、電子衝撃（ＥＩ）イオン源、化学イオン化（ＣＩ）イオン源、電界脱離（ＦＤ）イオン源、エレクトロスプレイ（ＥＳＩ）イオン源、高速原子衝撃（ＦＡＢ）イオン源などの連続型の外部イオン源１と、第１および第２の隔壁および図示しない真空ポンプによって構成される差動排気壁１０と、該差動排気壁１０の第１の隔壁上に設けられた第１のオリフィス２と、該差動排気壁１０内に置かれたリングレンズ３と、該差動排気壁１０を構成する第２の隔壁上に設けられた第２のオリフィス４と、イオンガイド５が置かれた中間室１１と、集束レンズおよび偏向器から成るレンズ群６、イオン押し出しプレートと加速レンズ（グリッド）から成るランチャー７、イオンを反射するリフレクター８、およびイオン検出器９などのイオン光学系を構成する構成物が置かれた測定室１３とを備えている。
【０００５】
このような構成において、外部イオン源１において試料から生成したイオンは、まず最初に、第１のオリフィス２を通って差動排気壁１０に導入される。そして、差動排気壁１０内で拡散しようとするイオンは、差動排気壁１０内のリングレンズ３によって集束され、第２のオリフィス４を通って中間室１１に導入される。中間室１１に導入されたイオンは、中間室１１内で運動エネルギーを落とし、イオンガイド５から発生する高周波電界によってイオンビーム径を小さくして、高真空な測定室１３へと誘導される。中間室１１と測定室１３を仕切る隔壁には、第３のオリフィス１２が設けられている。イオンガイド５から誘導されてきたイオンは、この第３のオリフィス１２によって、一定の径を持ったイオンビームに整形されて、測定室１３に導入される。
【０００６】
測定室１３の入口には、集束レンズと偏向器とから成るレンズ群６が設置されている。測定室１３に入ってきたイオンビームは、レンズ群６によりビームの拡散や偏向を是正され、ランチャー７に導入される。ランチャー７内には、イオン押し出しプレートとグリッドが対向配置されて成るイオン溜と、該イオン溜の軸方向に対して直交する方向に並ぶ加速レンズとが設置されている。
【０００７】
イオンビームは、最初、図２に示すように、イオン押し出しプレート１４とグリッド１５および加速レンズ１６によって挟まれたイオン溜１７に向けて平行に進入する。イオン溜１７内を平行に移動する一定の長さを持ったイオンビーム１８は、イオン押し出しプレート１４にパルス状の加速電圧を印加することにより、イオンビーム１８の進入軸方向（Ｙ軸方向）とは垂直な方向（Ｘ軸方向）にパルス状に加速され、イオンパルス１９となって、イオン溜１７と対向する位置に設けられた図示しないリフレクターに向けて飛行を開始する。
【０００８】
垂直方向に加速されたイオンは、測定室１３に導入されたときのＹ軸方向の速度と、それとは垂直な方向にイオン押し出しプレート、グリッド、及び加速レンズによって与えられたＸ軸方向の速度とが足し合わされるため、完全なＸ軸方向ではなく、わずかに斜めを向いたＸ軸方向に飛行し、リフレクター８で反射されて、イオン検出器９に到達する。
【０００９】
イオンの加速の過程では、イオンの質量の大小にかかわらず、同じ電位差がイオンに作用するため、軽いイオンほど速度が速くなり、重いイオンほど速度が遅くなる。その結果、イオンの質量の違いがイオン検出器８に到達するまでの到達時間の違いとなって現れ、イオンの質量の違いをイオンの飛行時間の違いとして分離することができる。
【００１０】
このようにして、連続型のイオン源１から生成したイオンビームを、イオン押し出しプレート、グリッド、及び加速レンズから成るランチャー７によってパルス状に加速することにより、連続型のイオン源を、パルス状のイオン源に対して適合性を持つＴＯＦＭＳに適用することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、通常、ＯＡ−ＴＯＦＭＳでは、イオンをイオン溜に導入する際のイオンの運動エネルギーが５０ｅＶ以下と非常に小さく設定されている。従って、磁場型質量分析装置と比較した場合、ＯＡ−ＴＯＦＭＳの方が、電極その他の帯電の影響をはるかに受けやすい。その結果、イオン溜を構成する電極その他に帯電がわずかでも発生すると、イオン溜に導入されたイオンビームは、図３に示すように、偏向を受けて傾くことになり、ＯＡ−ＴＯＦＭＳの分解能や感度に低下をもたらすことになる。このような帯電は、試料イオンの残骸の有機物などが電極の表面などに付着することによって、極めて容易に起こり得る。
【００１２】
これを是正するための処置として、従来は、ＯＡ−ＴＯＦＭＳのイオン溜の直前の位置に、集束レンズと共に偏向器が設けてあった。あるいはまた、電極その他の帯電の影響を小さくするために、イオン溜に導入されるイオンビームのエネルギーを大きめに取ったりしていた。
【００１３】
偏向器を設ければ、確かにイオンビームの偏向を是正することには効果があるが、それは、設けた偏向器よりも手前でイオンビームが偏向している場合に限られる。イオン溜のイオン押し出しプレートや加速レンズ（グリッド）が帯電してしまったときには、偏向器で偏向を矯正しようとしてもほとんど効果はない。
【００１４】
また、イオン溜に導入されるイオンビームのエネルギー（インジェクション・エネルギー）を大きくすることは、偏向器を設けるよりも効果がある。イオン押し出しプレートの帯電電圧よりも相対的に大きいインジェクション・エネルギーのイオンならば、イオン押し出しプレートの帯電によってもほとんど偏向されずに、イオンビームは直進することができる。しかし、装置全体の大きさを制限する要求が出たり、省スペースの要求があることなどを考慮すると、イオン溜に導入されたイオンを、できるだけイオン溜の導入軸に対して直交する方向に加速することが望ましく、そのためには、高いインジェクション・エネルギーに対して、より高い押し出しのための加速電圧をイオン押し出しプレートに印加する必要がある。
【００１５】
しかし、いくらインジェクション・エネルギーを上昇させることが効果があると言っても、実用上の限界があるし、また、帯電の影響は必ずしも恒常的なものではなく、装置の汚染度や時間経過などによって変化しがちである。更に、帯電対策として、高圧電源や高圧対応の検出器を採用すれば、それだけコストが高くなるという問題を生じる。
【００１６】
本発明の目的は、上述した点に鑑み、イオン溜を構成するイオン押し出しプレートやグリッドが帯電しても、マススペクトルの分解能や感度が低下するのを防止することができるＯＡ−ＴＯＦＭＳを提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明にかかるＯＡ−ＴＯＦＭＳは、
外部イオン源と、
外部イオン源で発生したイオンを滞在させる空間を有し、該空間からイオンをパルス的に加速して取り出すために該空間を挟んで対向配置されるイオン押し出しプレートとグリッドを備えたイオン溜と、
前記グリッドを介して取り出されたイオンを質量分離する飛行時間型分光部と、
質量分離されたイオンを検出するイオン検出器と
を備えた垂直加速型飛行時間型質量分析装置において、
前記イオン押し出しプレートにオフセット電圧を印加するか、または前記イオン押し出しプレートと前記グリッドの両方にオフセット電圧を印加するようにしたことを特徴としている。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図４は、本発明にかかるＯＡ−ＴＯＦＭＳの一実施例を表わしたものである。本実施例は、電子衝撃（ＥＩ）イオン源、化学イオン化（ＣＩ）イオン源、電界脱離（ＦＤ）イオン源、エレクトロスプレイ（ＥＳＩ）イオン源、高速原子衝撃（ＦＡＢ）イオン源などの連続型の外部イオン源１と、第１および第２の隔壁および図示しない真空ポンプによって構成される差動排気壁１０と、該差動排気壁１０の第１の隔壁上に設けられた第１のオリフィス２と、該差動排気壁１０内に置かれたリングレンズ３と、該差動排気壁１０を構成する第２の隔壁上に設けられた第２のオリフィス４と、イオンガイド５が置かれた中間室１１と、集束レンズおよび偏向器から成るレンズ群６、イオン押し出しプレートと加速レンズ（グリッド）から成るランチャー７、イオンを反射するリフレクター８、およびイオン検出器９などのイオン光学系を構成する構成物が置かれた測定室１３とを備えている。また、ランチャー７内のイオン押し出しプレートには、直流電源２０が接続されている。
【００１９】
このような構成において、外部イオン源１において試料から生成したイオンは、まず最初に、第１のオリフィス２を通って差動排気壁１０に導入される。そして、差動排気壁１０内で拡散しようとするイオンは、差動排気壁１０内のリングレンズ３によって集束され、第２のオリフィス４を通って中間室１１に導入される。中間室１１に導入されたイオンは、中間室１１内で運動エネルギーを落とし、イオンガイド５から発生する高周波電界によってイオンビーム径を小さくして、高真空な測定室１３へと誘導される。中間室１１と測定室１３を仕切る隔壁には、第３のオリフィス１２が設けられている。イオンガイド５から誘導されてきたイオンは、この第３のオリフィス１２によって、一定の径を持ったイオンビームに整形されて、測定室１３に導入される。
【００２０】
測定室１３の入口には、集束レンズと偏向器とから成るレンズ群６が設置されている。測定室１３に入ってきたイオンビームは、レンズ群６によりビームの拡散や偏向を是正され、ランチャー７に導入される。ランチャー７内には、イオン押し出しプレートとグリッドが対向配置されて成るイオン溜と、該イオン溜の軸方向に対して直交する方向に並ぶ加速レンズとが設置されている。また、イオン溜の一方の壁部を構成するイオン押し出しプレートには、任意の直流電圧（オフセット電圧）を印加でき、極性の向きを自由に変更可能な直流電源２０が接続されている。このイオン溜の周辺を拡大して示すと、図５の通りである。
【００２１】
さて、この直流電源２０は、以下のようにして用いられる。まず、イオンビームが、図６に示すように、イオン押し出しプレート１４やグリッド１５の帯電によって偏向され、ＯＡ−ＴＯＦＭＳのマススペクトルの分解能や感度に対して深刻な影響を与えるような状況になった場合には、直流電源２０から適切な強度の直流電圧をオフセット電圧としてイオン押し出しプレート１４に印加し、これによって、試料イオンの残骸の有機物などが付着して起きた帯電の電圧を相殺させる。その結果、イオン溜１７内でのイオンビームの偏向は是正され、イオンビームは、図７に示すように、イオン溜１７の軸方向（Ｙ軸方向）に沿ってまっすぐに導入されるようになる。
【００２２】
この直流電源２０のチューニングは、イオン検出器９によって検出されるマススペクトルのピーク強度を指標に用い、マススペクトルのピーク強度が最大となるようにオフセット電圧を設定することによって、容易になされる。すなわち、コンピューターなどの制御装置によって、マススペクトルのピーク強度をモニターしながら、直流電源２０の極性と出力電圧とを変化させ、ピーク強度が最大となる値に出力電圧を設定するように動作させれば、直流電源２０のチューニングを自動的に行なわせることが可能である。
【００２３】
こうして、イオン溜１７にまっすぐに導入されるようになったイオンビーム１８は、イオン押し出しプレート１４にパルス状の加速電圧を印加することにより、図７のように、イオンビーム１８の進入軸方向（Ｙ軸方向）とは垂直な方向（Ｘ軸方向）にパルス状に加速され、イオンパルス２０となって、イオン溜と対向する位置に設けられた図示しないリフレクターに向けて飛行を開始する。そして、リフレクターで反射されてイオン検出器に到達し、質量分析が行なわれる。
【００２４】
尚、本発明には変形例が考えられる。すなわち、本実施例では、イオン溜にオフセット電圧を印加するための直流電圧２０をイオン押し出しプレート１４に接続するように構成したが、この直流電源２０は、図８に示すように、グリッド１５の側に接続しても良く、あるいは、図９に示すように、イオン押し出しプレート１４とグリッド１５の両方にそれぞれ接続しても良い。
【００２５】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本発明のＯＡ−ＴＯＦＭＳによれば、イオン溜の壁部を構成するイオン押し出しプレートおよび／またはグリッドにオフセット電圧を印加できる直流電源を接続したので、イオン押し出しプレートやグリッドが有機物などの付着により帯電して、マススペクトルの分解能や感度が低下する状態になっても、その帯電電圧を相殺して、マススペクトルの分解能や感度の低下を未然に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の垂直加速型飛行時間型質量分析装置を示す図である。
【図２】従来の垂直加速型飛行時間型質量分析装置のイオン溜近傍を示す図である。
【図３】従来の垂直加速型飛行時間型質量分析装置のイオン溜近傍を示す図である。
【図４】本発明にかかる垂直加速型飛行時間型質量分析装置の一実施例を示す図である。
【図５】本発明にかかる垂直加速型飛行時間型質量分析装置のイオン溜近傍を示す図である。
【図６】本発明にかかる垂直加速型飛行時間型質量分析装置のイオン溜近傍を示す図である。
【図７】本発明にかかる垂直加速型飛行時間型質量分析装置のイオン溜近傍を示す図である。
【図８】本発明にかかる垂直加速型飛行時間型質量分析装置の変形例を示す図である。
【図９】本発明にかかる垂直加速型飛行時間型質量分析装置の変形例を示す図である。
【符号の説明】
１・・・外部イオン源、２・・・第１のオリフィス、３・・・リングレンズ、４・・・第２のオリフィス、５・・・イオンガイド、６・・・レンズ群、７・・・ランチャー、８・・・リフレクター、９・・・イオン検出器、１０・・・差動排気壁、１１・・・中間室、１２・・・第３のオリフィス、１３・・・測定室、１４・・・イオン押し出しプレート、１５・・・グリッド、１６・・・加速レンズ、１７・・・イオン溜、１８・・・イオンビーム、１９・・・イオンパルス、２０・・・直流電源。

Claims

外部イオン源と、
外部イオン源で発生したイオンを滞在させる空間を有し、該空間からイオンをパルス的に加速して取り出すために該空間を挟んで対向配置されるイオン押し出しプレートとグリッドを備えたイオン溜と、
前記グリッドを介して取り出されたイオンを質量分離する飛行時間型分光部と、
質量分離されたイオンを検出するイオン検出器と
を備えた垂直加速型飛行時間型質量分析装置において、
前記イオン押し出しプレートにオフセット電圧を印加するか、または前記イオン押し出しプレートと前記グリッドの両方にオフセット電圧を印加するようにしたことを特徴とする飛行時間型質量分析装置。