JP3912688B1 - Organic compound measuring apparatus and measuring method thereof - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、有機化合物、特に大気中の微量揮発性有機化合物を多成分同時に高感度、リアルタイムに測定する有機化合物の測定装置及び有機化合物の測定方法を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明は、上記課題を解決するために、 放電式のイオン源とドリフトチューブと輸送チャンバーとビーム成形輸送部材と飛行時間型質量分析計からなる陽子移動反応飛行時間型質量分析計において、前記イオン源が、押出し電極と、第一スペーサーと、引出し電極と、第二スペーサーと、中心に穿孔が穿設された接続電極からなり、前記押出し電極と前記第一スペーサーと前記引出し電極で形成されたイオン発生空間の前記押出し電極と前記引出し電極で放電し、水蒸気をH3O+にすることを特徴とする有機化合物の測定装置の構成及び、前記装置を用いた有機化合物の測定方法とした。
【選択図】図1
An object of the present invention is to provide an organic compound measuring apparatus and an organic compound measuring method for measuring an organic compound, particularly a trace volatile organic compound in the atmosphere, simultaneously with multiple components with high sensitivity and in real time.
In order to solve the above problems, the present invention provides a proton transfer reaction time-of-flight mass spectrometer comprising a discharge ion source, a drift tube, a transport chamber, a beam shaping transport member, and a time-of-flight mass spectrometer. The ion source comprises an extrusion electrode, a first spacer, an extraction electrode, a second spacer, and a connection electrode having a perforation in the center. The extrusion electrode, the first spacer, and the extraction electrode The structure of the organic compound measuring apparatus characterized in that discharge is performed at the extrusion electrode and the extraction electrode in the ion generation space formed by the step of converting the water vapor into H 3 O + and the measurement of the organic compound using the apparatus It was a method.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、有機化合物、特に大気中の微量揮発性有機化合物を多成分同時に高感度、リアルタイムに測定する有機化合物の測定装置及び有機化合物の測定方法に関する。 The present invention relates to an organic compound measuring apparatus and an organic compound measuring method for measuring an organic compound, in particular, a minute amount of a volatile organic compound in the atmosphere at the same time with high sensitivity and in real time.
揮発性有機化合物(Volatile Organic Compound)とは、VOCとして略すことがあり、パラフィン類、オレフィン類、芳香族炭化水素のようなものがある。 Volatile organic compounds and (V olatile O rganic C ompound) is sometimes referred to as VOC, paraffins, olefins, there are the aromatic hydrocarbons.
大気中の揮発性有機化合物を測定する装置としては、(1)クロマトグラフを用いて有機化合物を分離し、水素炎イオン化検出器、もしくは電子衝撃イオン化四重極質量分析計で検出するガスクロマトグラフ(GC−FID、GC−MS)が市販されている。 As an apparatus for measuring volatile organic compounds in the atmosphere, (1) a gas chromatograph that uses a chromatograph to separate organic compounds and detect them with a flame ionization detector or an electron impact ionization quadrupole mass spectrometer ( GC-FID, GC-MS) are commercially available.
しかし、(1)ガスクロマトグラフを用いた有機化合物の検出では、前処理、分離に時間を要するため、リアルタイムでの測定は困難で、また有機化合物の中には反応性が高いものも含まれ、前処理(濃縮など)の段階で有機化合物が変質する可能性がある。 However, (1) detection of organic compounds using gas chromatographs requires time for pretreatment and separation, so measurement in real time is difficult, and some organic compounds have high reactivity. There is a possibility that organic compounds may be altered during pretreatment (concentration, etc.).
(2)試薬イオンとして水の放電で生成するH3O+を用い、陽子移動反応によりプロトンを有機化合物に付加させ、ドリフトチューブ内で生成さRH+に四重極質量分析計(QMS)で電場をかけて質量ごとに分別する陽子移動反応質量分析装置(PTR−MS)も市販されている。電場は時間的に変動し、任意の質量成分のみ、検出器(SEM)に到達する。 (2) Using H 3 O + generated by water discharge as a reagent ion, a proton is added to an organic compound by a proton transfer reaction, and the RH + generated in the drift tube is converted into a quadrupole mass spectrometer (QMS). A proton transfer reaction mass spectrometer (PTR-MS) that separates each mass by applying an electric field is also commercially available. The electric field fluctuates with time, and only an arbitrary mass component reaches the detector (SEM).
ここで、陽子移動反応(Proton−Transfer−Reaction)とは、
次式1で示される反応である。
R+H3O+→RH++H2O・・・式1
Rは測定したいVOCである。
Here, the proton transfer reaction (Proton-Transfer-Reaction) is
This reaction is represented by the following
R + H 3 O + → RH + + H 2
R is the VOC to be measured.
PTR−MSではソフトな陽子移動反応を利用するので、VOCがドリフトチューブ内で壊されることなく検出でき、また、ガスクロマトグラフを使用することなく、VOCを選択的に定量することができ利点がある。加えて、比較的高い時間分解能での測定が可能なので、濃度変動が激しい発生源近く(都市域)での観測が可能である。 Since PTR-MS uses a soft proton transfer reaction, VOC can be detected without being broken in the drift tube, and VOC can be selectively quantified without using a gas chromatograph. . In addition, since measurement with a relatively high time resolution is possible, it is possible to observe near the source (urban area) where the concentration fluctuation is severe.
しかし、(2)市販のPTR−MSはsub ppbv濃度レベルの有機化合物を検出できるという高感度な装置ではあるが、四重極マスフィルターを用いるため、多成分を同時に検出することはできない。 However, although (2) a commercially available PTR-MS is a highly sensitive device capable of detecting an organic compound at a sub ppbv concentration level, it cannot detect multiple components simultaneously because it uses a quadrupole mass filter.
また、(3)図23(非特許文献1のFig.1)に示すように、PTR−MSで質量分析計として飛行時間型質量分析計39を用いた陽子移動反応飛行時間型質量分析計(PTR−TOFMS)が開発されつつある。
(3) As shown in FIG. 23 (FIG. 1 of Non-Patent Document 1), a proton transfer reaction time-of-flight mass spectrometer using a time-of-
非特許文献1に記載の陽子移動反応飛行時間型質量分析計29は、放射線源30を用いてH3O+の生成するイオン源とドリフトチューブ31がリフレクトロン33c付き飛行時間型質量分析計33に取り付けられている。ドリフトチューブ31は、電極31aと絶縁体であるスペーサー31bよりなる。
The proton transfer reaction time-of-
試料中の揮発性有機化合物は、水蒸気導入口30aから導入された水蒸気を放射線源30を用いたイオン源で生成されたヒドロニウムイオン(H3O+)と試料導入口31cより導入された試料(外気)がドリフトチューブ31内で衝突し、上記式1の陽子移動反応を起こしRH+となり、輸送チャンバー32に進入し、イオンレンズ32aでビームを成形されながらイオン加速チャンバー33aに輸送される。
Volatile organic compounds in the sample are water vapor introduced from the water
前記RH+は、前記イオン加速チャンバー33a内にあるパルス引出し電極33fから高電圧のパルスを印加され、方向を変更させられ、軌道修正部33gにより再度ビーム飛行軌道の修正を受け、飛行時間型質量分析計33の飛行チャンバー33b内を有機化合物の質量に異なる速さで飛行し、リフレクトロン33cの電場により軌道を曲げられ、MCP検出器33d(マイクロチャンネルプレート)により検出される。
The RH + is applied with a high-voltage pulse from the
非特許文献1記載の陽子移動反応飛行時間型質量分析計29による有機化合物の濃度測定方法は、MCP検出器33dに到達した有機化合物のシグナルのパルス引出し電極33fに高電圧が印加された瞬間からの時間を時間変換器33eに記憶させ、これを繰り返すことにより、多成分の有機化合物が含まれる試料中の有機化合物の質量スペクトルを取得する。なお、放射線源30には、241Amのα線(44MBq)を用いている。
The method for measuring the concentration of an organic compound by the proton transfer reaction time-of-
しかし、非特許文献1に記載の陽子移動反応飛行時間型質量分析計29は、H3O+の生成に放射線源30を用いるため、野外に持ち出すことができず野外でのリアルタイムでの測定ができないことと、感度が放電を用いた市販のPTR−MSより2桁落ちるという欠点がある。
さらに、図24(非特許文献2のFig.1)に示すように、非特許文献1の放射線源30を照射するイオン源を放電を利用するイオン源35に置換した、容易に持ち運び可能なホロカソード放電式陽子移動反応容器をリフレクトロン39c付き飛行時間型質量分析計39に取り付けたホロカソード放電式陽子移動反応飛行時間型質量分析計34が開発されつつある。
Furthermore, as shown in FIG. 24 (FIG. 1 of Non-Patent Document 2), the ion source that irradiates the
さらに、その構成はアルミニウム製のドリフトチューブ37をR500飛行時間型質量分析計(KORE Technologies,Ely、UK)に取り付けたもので、ホロカソード放電式のイオン源35とソースドリフトチューブ36とドリフトチューブ37とイオンレンズ38aが内部にある輸送チャンバー38とリフレクトロン39c付き飛行時間型質量分析計39からなる。
Further, the structure is such that an
放電式陽子移動反応飛行時間型質量分析計34は、1m×2mのスペースに置け、重量は〜300kgで、必要な電力は平均3.4kWである。主なヒドロニウムイオンは、水蒸気を水蒸気導入口35bを有するタングステン製のホロカソード35aで生成し、次のソースドリフトチューブ36内で、水とのイオン−分子反応によりヒドロニウムイオンの生成が最大に達する。なお、ホロカソード35a及びソースドリフトチューブ36でイオン源35を構成している。
The discharge-type proton transfer reaction time-of-
イオンはドリフトチューブ37へ送られる。そのドリフトチューブ37は内径50mmの4枚のアルミニウム製リング状電極37aを積み重ねており、その上端と下端に薄いリング状のレンズが取り付けられている。ドリフトチューブ37の全長は約75mmで、ドリフトチューブ37には1mmの入射オリフィス(小孔)と500μmの出射オリフィスではさまれている。
The ions are sent to the
ドリフトチューブ37内で、ヒドロニウムイオンと陽子移動可能な試料導入口36aより送入された分析物との間で陽子移動反応が起きる。イオンは出射オリフィスを通り、第1段目の第1ポンプ38b、第2ポンプ39hによる差動排気領域にある輸送チャンバー38により、パルス引出し電極39fに輸送される。パルス引出し電極39fでイオンは垂直にパルス的に引き出される。
In the
飛行時間型質量分析計39にはリフレクトロン39cのイオン鏡が取り付けられており、100L−1のターボ分子ポンプ39hを用いて10−7mbarの圧力を保っている。イオン検出はMCP検出器39dを用いている。なお、ドリフトチューブ37内の圧力は0.6〜1.0mbar、入射・出射オリフィス間電圧は240Vである。
The time-of-
パルサーボックス39eは、パルス引出し電極39fへかける電圧をパルス的に印加するためのパルススイッチを含む導入端子部である。その他、イオン加速チャンバー39a、飛行チャンバー39b、軌道修正部39gは非特許文献1と同様である。
The
上記、ホロカソード放電式陽子移動反応飛行時間型質量分析計34によれば、10〜60秒程度のタイムスケールでlppbv程度の低濃度の微量気体成分を検出することが可能であり、実際の(H3O+強度1×106cpsで規格化された)検出感度は、トルエンで3.7ncps ppbv−1、アセトンで28ncps ppbv−1 であった。
According to the above-described holocathode discharge type proton transfer reaction time-of-
また、高質量分解能、高い質量数精度(〜300ppm)を有し、多成分質量スペクトルの取得が可能であり、複雑な混合気体中の微量成分の速い選択的なオンラインでの解析が可能である。 In addition, it has high mass resolution and high mass number accuracy (up to 300 ppm), enables acquisition of multi-component mass spectra, and enables rapid and selective online analysis of trace components in complex gas mixtures. .
従って、放射線を使用しないことから、環境中から採取した空気を、屋内の特別な施設で測定することなく、採取地で測定できることとなった。
しかしながら、非特許文献2に記載の発明は、感度が市販のPTR−MSよりも1桁落ちることと、試料気体に起因するNO+やO2 +が多く生成され、これらのイオンによる干渉のため、低濃度の揮発性有機化合物を測定することができない。 However, the invention described in Non-Patent Document 2 has a sensitivity that is one order of magnitude lower than that of commercially available PTR-MS, and more NO + and O 2 + are generated due to the sample gas. It is not possible to measure low concentrations of volatile organic compounds.
これは、第1に、イオン源35の構造に問題がある。第2に、輸送チャンバー4の通過距離が長い。第3に、構造に起因して、ドリフトチューブ37内の圧力を高圧にすることができない。
First, there is a problem with the structure of the
そこで、本発明は、上記問題を解決し、有機化合物、特に大気中の微量揮発性有機化合物を多成分同時に高感度、リアルタイムに測定する有機化合物の測定装置及び有機化合物の測定方法を提供することを目的とするものである。 Accordingly, the present invention provides an organic compound measuring apparatus and an organic compound measuring method for solving the above-described problems and measuring organic compounds, particularly trace volatile organic compounds in the atmosphere, in a multi-component manner with high sensitivity and in real time. It is intended.
本発明は、上記の課題を解決するために、第1に放電式のイオン源2とドリフトチューブ3と輸送チャンバー4とビーム成形輸送部材6と飛行時間型質量分析計5からなる陽子移動反応飛行時間型質量分析計において、前記イオン源2が、水蒸気導入口2aのある押出し電極9と、前記押出し電極9の次に配置された絶縁体である第一スペーサー11と、前記第一スペーサー11の次に配置され前記押出し電極9方向に突出した凸部10bの中心に穿孔10aが穿設された引出し電極10と、前記引出し電極10の次に配置された絶縁体である第二スペーサー11dと、前記第二スペーサー11dの次に配置され背面にすり鉢状の切込部12eを有し中心に穿孔12aが穿設された接続電極12からなり、前記押出し電極9と前記第一スペーサー11と前記引出し電極10で形成されたイオン発生空間22の前記押出し電極9と前記引出し電極10の凸部10bで放電し、水蒸気をH3O+にすることを特徴とする有機化合物の測定装置の構成とした。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention firstly provides a proton transfer reaction flight comprising a discharge ion source 2, a
第2に、前記引出し電極10に穿設された穿孔10aが、直径0.5mm〜2mm、第3に円錐体6aの頂点の内角が90°以下、第4に円錐体6aの頂点からドリフトチューブ3を構成するフランジ19の凹部19fにセットした円盤20のオリフィス20aまでの距離が5mmから15mm以下、第5に円錐体6aに電圧を印加する有機化合物の測定装置の構成とした。
Second, the
さらに、注入された水蒸気を放電し、H3O+を生成するイオン源2と、前記イオン源2に接続され、前記H3O+と試料気体を反応させ、RH+を生成するドリフトチューブ3と、前記ドリフトチューブ3に接続された輸送チャンバー4と、前記輸送チャンバー4に接続された飛行時間型質量分析計5と、前記輸送チャンバー4と前記飛行時間型質量分析計5のイオン加速チャンバー5aを仕切るビーム成形輸送部材6からなり、イオン源2で排気しないことを特徴とする有機化合物の測定方法の構成とした。
Further, to discharge the injected steam, H 3 and the ion source 2 which generates a O +, is connected to the ion source 2, the H 3 O + and the sample gas are reacted, drift
本発明は、以上の構成であるから以下の効果が得られる。本発明によれば、イオン発生空間22に試料ガスの逆流を押さえ、放電を安定化させるため、H3O+を高濃度で生成でき、ドリフトチューブ3で陽子移動反応が高頻度で起こり、RH+を高効率で飛行時間型質量分析計5に導入することができる。
Since this invention is the above structure, the following effects are acquired. According to the present invention, since the backflow of the sample gas is suppressed in the
さらに、ドリフトチューブ3出口にある円盤のオリフィス20aから円錐体6aを用いた差動排気システムを採用することで、ドリフトチューブ3内で生成したイオンを効率的に飛行時間型質量分析計5に導入することができることとなった。
Further, by adopting a differential exhaust system using the
また、イオン発生空間22をコンパクトにし、イオン源2を構成する3枚の電極間を適当な高い抵抗値の抵抗(1MΩ)を取り付け、イオン源2及びドリフトチューブ3には1つの電源で電圧を供給できるため、安定した放電及び高いH3O+生成効率が得られる。
In addition, the
従って、低濃度大気中などの微量有機化合物成分を感度良く多成分同時にリアルタイムで測定することが可能であり、また野外観測に持ち出すこともできる。 Therefore, it is possible to measure a small amount of organic compound components such as in the low-concentration atmosphere in real time with a high sensitivity, and to take them out for field observation.
因みに、H3O+イオン強度は1分間積算で6×105カウント(1.7×106cpsに相当する)で、(H3O+強度1×106cpsで規格化された)検出感度は、プロピレンで30ncps ppbv−1、アセトアルデヒドで150ncps ppbv−1、アセトンで210ncps ppbv−1、イソプレンで50ncps ppbv−1、ベンゼンで60ncps ppbv−1、トルエンで60ncps ppbv−1、パラ−キシレンで50ncps ppbv−1 であった。非特許文献2の発明よりも1桁感度がよく、市販のPTR−MSと同程度の感度を有する。 Incidentally, the H 3 O + ion intensity is 6 × 10 5 counts (corresponding to 1.7 × 10 6 cps) integrated for 1 minute, and is detected (standardized at H 3 O + intensity 1 × 10 6 cps). sensitivity, 30ncps ppbv -1 propylene, 150ncps ppbv -1 acetaldehyde, 210ncps ppbv -1 with acetone, 50ncps ppbv -1 isoprene, 60ncps ppbv -1 benzene, 60ncps ppbv -1 with toluene, para - 50Ncps in xylene ppbv- 1 . One-digit sensitivity is better than the invention of Non-Patent Document 2, and the sensitivity is comparable to that of commercially available PTR-MS.
本発明は、有機化合物、特に大気中の微量揮発性有機化合物を多成分同時に高感度、リアルタイムに測定する装置有機化合物の測定装置及び有機化合物の測定方法を提供するという目的を、放電式のイオン源2とドリフトチューブ3と輸送チャンバー4とビーム成形輸送部材6と飛行時間型質量分析計5からなる陽子移動反応飛行時間型質量分析計において、前記イオン源2が、水蒸気導入口2aのある押出し電極9と、前記押出し電極9の次に配置された絶縁体である第一スペーサー11と、前記第一スペーサー11の次に配置され前記押出し電極9方向に突出した突部10bの中心に穿孔10aが穿設された引出し電極10と、前記引出し電極10の次に配置された絶縁体である第二スペーサー11dと、前記第二スペーサー11dの次に配置され背面にすり鉢状の切込部12eを有し中心に穿孔12aが穿設された接続電極12からなり、前記押出し電極9と前記第一スペーサー11と前記引出し電極10で形成されたイオン発生空間22の前記押出し電極9と前記引出し電極10の凸部10bで放電し、水蒸気をH3O+にすることを特徴とする有機化合物の測定装置の構成とすることで実現した。
An object of the present invention is to provide an apparatus for measuring an organic compound, particularly a minute amount of a volatile organic compound in the atmosphere at the same time, with high sensitivity and in real time, an apparatus for measuring an organic compound, and a method for measuring the organic compound. In a proton transfer reaction time-of-flight mass spectrometer comprising a source 2, a
以下に、添付図面に基づいて、本発明である有機化合物の測定装置及び有機化合物の測定装置について詳細に説明する。 Below, based on an accompanying drawing, the measuring device of an organic compound and the measuring device of an organic compound which are the present invention are explained in detail.
図1は、本発明である有機化合物の測定装置の縦断面模式図である。本発明である有機化合物の測定装置1は、イオン源2と、ドリフトチューブ3と、輸送チャンバー4と、ビーム成形輸送部材6及び飛行時間型質量分析計5からなる。なお、図1中のV1〜V6は印加する電圧、HVは高電圧を表す。
FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of an organic compound measuring apparatus according to the present invention. The organic
本発明である有機化合物の測定装置1を用いた有機化合物の測定方法では、先ず、水蒸気を水蒸気導入口2aからイオン源2に挿入し、V1の電圧を掛け、イオン源2でH3O+を生成し、前記H3O+はドリフトチューブ3に送り込まれ、試料導入口3aから導入された試料気体とドリフトチューブ3内で衝突し、上記式1に示すようにRH+が生成させる。
In the method for measuring an organic compound using the organic
このとき有機化合物の測定装置1は、ドリフトチューブ3に連結されたプレッシャーゲージ3dでドリフトチューブ3内の圧力を監視しながら所定の圧力になるよう水蒸気の導入速度、試料気体の注入速度を制御するとともに、第一ポンプ3cでドリフトチューブ3内の中性分子を排気する。
At this time, the organic
なお、輸送チャンバー4に送り込まれる水分子を減少させるために、窒素導入口3bからドリフトチャンバー3と輸送チャンバー4の接合部分に窒素ガスを噴射し、ドリフトチューブ3内に流れ込んだ窒素ガスを第一ポンプ3cで中性分子とともに除去する。これにより、水クラスターイオンのシグナルの干渉が取り除かれるため、より多くの有機化合物由来のイオンを検出できる。窒素ガスに換えて、反応性が低い、ヘリウム、アルゴン等の希ガスを使用してもよい。
In order to reduce water molecules fed into the transport chamber 4, nitrogen gas is injected from the nitrogen inlet 3 b to the junction between the
一方、非特許文献2に記載のホロカソード放電式陽子移動反応飛行時間型質量分析計34においては、水分子の輸送チャンバー38への侵入を防止するため、本発明の逆流防止空間23の位置に相当するソースドリフトチューブ36からポンプで余分な水蒸気を排気している。結果的に試料導入口36aから注入された試料気体がソースドリフトチューブ36へ逆流し、さらにイオン源35に逆流し、目的としないNO+、O2 +が生成されている。非特許文献2のFig.6を見る限り、O2 +はH3O+より多く生成され、NO+もH3O+の25%〜30%生成されている。したがって、ここからも本発明によるH3O+生成能力は格段に高く、結果的に有機化合物の測定精度も高まることとなる。
On the other hand, in the holocathode discharge type proton transfer reaction time-of-
次に、前記RH+は、輸送チャンバー4を短い距離通過し、ビーム成形輸送部材6を通過し、イオン加速チャンバー5aに送り込まれる。最後に飛行時間型質量分析計5でイオン濃度を測定する。
Next, the RH + passes through the transport chamber 4 for a short distance, passes through the beam shaping
ここで、輸送チャンバー4内に配置されるビーム成形輸送部材6は、輸送チャンバー4を通過したイオンを円錐体6aの頂点に穿設された穿孔6bで切り出し、3つの円筒状の電極からなるイオンレンズ6z’で、イオンビームを成形し、軌道修正部6oでイオンビーム軌道を修正して、飛行時間型質量分析計5のパルス引出し電極5gへ輸送する。円錐体には電圧V4(−60V)を、イオンレンズに中央のイオンレンズには、電圧V5(+30V)の電圧を印加し、他2つのイオンレンズは接地している。なお、軌道修正部に電圧を印加し、軌道を修正する必要はなかった。
Here, the beam-shaping
飛行時間型質量分析計5は、ドリフトチャンバー3で生成したRH+に高電圧パルスを印加し、RH+をその質量に依存した飛行速度で飛行させるパルス引出し電極5g並びに前記RH+の軌道を修正する軌道修正部5eが内部にあるイオン加速チャンバー5aと、軌道を収束させるイオンレンズ5hが内部にある軌道調整部5bと、RH+の質量により分離する飛行チャンバー5cと、MCP検出器5iが内部にあるイオン検出部5dからなる。飛行距離は約50cmでは質量分解能(m/Δm)は約100であった。
The time-of-
なお、本発明である有機化合物の測定装置1による有機化合物の測定方法では、差動排気システムを駆動させる。差動排気システムとは、イオン検出部5dの真空度を高めるため、飛行時間型質量分析計5の真空度を急激に高めることができないため、前段で段階的に減圧するシステムである。
In the organic compound measuring method using the organic
RH+が生成後は、真空度が高い方が、RH+の残存率が高まるため、輸送チャンバー4に連結された第二ポンプ4a、第三ポンプ4bによって真空度を高める。そのためここでは、2台のポンプを用いた。気体分子が存在するとRH+と衝突し、RH+が喪失してしまうからである。結果的に測定精度を下がってしまうことになる。
After the generation of RH +, the higher the degree of vacuum, the higher the residual rate of RH +. Therefore, the degree of vacuum is increased by the
同様な理由から、イオン加速チャンバー5aに連結された第四ポンプ5j、及び飛行チャンバー5cに連結された第五ポンプ5kによって、真空度を段階的に高めることが必要である。
For the same reason, it is necessary to increase the degree of vacuum stepwise by the fourth pump 5j connected to the
なお、飛行時間型質量分析計5は、一般に市販されているものでよく、リフレクトロンを取り付けてもよい。リフレクトロンを取り付けることで、RH+の飛行速度の補正を行うこともでき、また、RH+の飛行距離が長くなるため、質量分解能(m/Δm)は向上する。
In addition, the time-of-
以下、本発明での運転条件を説明する。3枚の電極からなるパルス引出し電極5gの1枚目、2枚目間に輸送チャンバー4を通過したイオンが輸送されてくる。1枚目、2枚目の電極にパルス的に高電圧(HV)を印加し、イオンをイオンビームの進行方向に対して、垂直方向にあるMCP検出器5iに向けて引き出す。
Hereinafter, the operating conditions in the present invention will be described. Ions that have passed through the transport chamber 4 are transported between the first and second of the
1枚目、2枚目の電極には高速で高電圧を印加する必要があるので、パルサーボックス5f内にあるトランジスタスイッチを用いる。1枚目、2枚目の電極にはそれぞれ、5kV、4.5kVの電圧を立ち上がり約70n秒で1μ秒間、高電圧を印加する。3枚目の電極は常に接地している。
Since it is necessary to apply a high voltage to the first and second electrodes at high speed, a transistor switch in the
MCP検出器5iの方向へ引き出されたイオンは軌道修正部5eでイオンビーム軌道の修正を行い、軌道調整部5bにあるイオンレンズ5hに電圧V6(1.3kV)を印加することによって、イオンの拡散を抑え、イオン検出部5dのMCP検出器5iに衝突させることで、イオンを検出している。MCP検出器5iには−2kVの高電圧をかけて動作させる。なお、軌道修正部5eの軌道修正板に電圧をかけてイオンビーム軌道を修正する必要はなかった。
The ions extracted in the direction of the MCP detector 5i are subjected to ion beam trajectory correction by the
イオンの飛行距離は、50cmでイオンの質量数に応じてイオンの速度が異なるため、質量数の軽いイオンほどパルス電圧の印加から早い時間で、質量数の重いイオンほど遅く飛行チャンバー5c内を飛行してMCP検出器5iに到達する。なお、高速でイオンを検出する必要があるため、立ち上がり、立ち下り1n秒のMCP検出器5iを用いた。また、本発明である有機化合物の測定装置1の質量スペクトルの半値全幅は、質量数19、59、107で、それぞれ0.35、0.56、0.60であった。
Since the ion flight distance is 50 cm and the ion velocity varies depending on the mass number of the ions, the lighter the mass number, the faster the pulse voltage is applied, and the heavier mass number of the ions travels in the
パルス引出し電極5gへ高電圧を印加するタイミングは、第一パルス発生器8aで制御しており10kHzで高電圧のスイッチのオン・オフを行っている。MCP検出器5iで検出されたイオンシグナルは、第一パルス発生器8aと同期された時間変換器7により、高電圧のスイッチのオンからシグナルを検出した時間が記憶され、横軸がイオンの到達時間、縦軸がイオンのカウント数のヒストグラムが作成される。横軸のイオンの到達時間はイオンの質量数に変換可能であるため、このヒストグラムが質量スペクトルに相当する。
The timing at which a high voltage is applied to the
このような検出を10kHzでの繰り返しで積算していく。この積算の開始、終了を制御するのが、第二パルス発生器8bで、60秒間の積算を行うように制御する。第一パルス発生器8a、第二パルス発生器8bは、計算機8によって制御され、また、時間変換器7で得られたデータは計算機8に入力され、60秒ごとの質量スペクトルとして保管される。
Such detection is integrated by repetition at 10 kHz. The
図2は、イオン源とドリフトチューブと輸送チャンバーの断面模式図である。放電式のイオン源2は、水蒸気導入口2aがある押出し電極9と、前記押出し電極9の次に配置された絶縁体である第一スペーサー11と、前記第一スペーサー11の次に配置された引出し電極10と、前記引出し電極10の次に配置された絶縁体である第二スペーサー11dと、前記第二スペーサー11dの次に配置された接続電極12からなる。これら3種の電極がH3O+を生成する放電に関与している。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of an ion source, a drift tube, and a transport chamber. The discharge type ion source 2 is disposed after the extruded electrode 9 having the
前記押出し電極9と前記第一スペーサー11と前記引出し電極10で形成されたイオン発生空間22で放電し、水蒸気をH3O+にする。押出し電極9に取り付けられた水蒸気導入口2aからなるべく円筒対称になるように水蒸気を導入する。放電は主に押出し電極9と引出し電極10の狭い領域で起こり、H3O+は引出し電極10の中心の細長い穿孔を通り、イオンビームに成形させられ接続電極12の穿孔を通過し、ドリフトチューブ3内である陽子移動反応空間24導入される。
Electric discharge is generated in the
なお、引出し電極10と第二スペーサー11dと接続電極で囲まれた逆流防止空間23は、試料気体がイオン発生空間22に逆流することを防止し、H3O+ビームを成形し、圧力調整機能を有する。
The
逆流防止空間23の圧力は、ドリフトチューブ3内の陽子移動反応空間24の圧力(約5.0Torr)より、やや高い圧力(約5.1Torr)を保ち、またイオン発生空間22の圧力は、逆流防止空間23の圧力よりさらにやや高い圧力(約5.2)を維持することが望ましい。これにより試料気体がイオン発生空間22に逆流すること極めて低下させることができる。
The pressure in the
試料気体がイオン発生空間22に逆流することで、NO+、O2 +などが発生し、H3O+の生成を妨げ、またドリフトチューブ3内でのRとの陽子移動反応と拮抗し、RH+の生成効率が低下する。結果的に有機化合物の測定精度が低くなってしまうこととなる。
When the sample gas flows back into the
ドリフトチューブ3は、試料サンプルを導入するサンプラー13と、前記サンプラー13の次に配置されるドリフトチューブ電極14と、前記ドリフトチューブ電極14の次に配置される絶縁リング15と、前記絶縁リング15の次に配置されるドリフトチューブ電極14eと、前記ドリフトチューブ電極14eの次に配置される絶縁リング15dと、絶縁リング15dの次に配置されるドリフトチューブ電極14fと、前記ドリフトチューブ電極14f次に配置される絶縁リング15eと、前記絶縁リング15e配置されるドリフトチューブ電極14gと、前記ドリフトチューブ電極14gの次に配置される中性分子を排気する第一ポンプ3c及びドリフトチューブ3内の圧力を監視するプレッシャーゲージ3dに連結するチューブ付絶縁体16と、前記チューブ付絶縁体16の次に配置されるイオンビームをオリフィス(小孔)へ導くためのインレットレンズ17と、輸送チャンバー4に連結されるフランジ19と、前記インレットレンズ17と前記フランジ19に挟まれた窒素ガスを通す導管付スペーサー18と、前記フランジ19にセットされ、RH+が通過するオリフィス(小孔)が穿設された円盤20からなる。
The
ドリフトチューブ3内に出射されたイオンビームは、サンプラー13から導入された有機化合物を含む試料気体と衝突し、陽子移動反応空間24内で陽子移動反応を起こす。なお中性気体は、ドリフトチューブ3下流の第一ポンプ3cによって排気され、イオンはインレットレンズ17を通過して、高真空の輸送チャンバー4へ運ばれる。
The ion beam emitted into the
ドリフトチューブ3内の圧力は、プレッシャーゲージ3dでモニターしており、5Torrを保つようにした。その内訳は、水蒸気量が約0.5Torr、試料気体量が約4.5oTorrである。
The pressure in the
インレットレンズ17の穿孔17aには窒素ガスを導入することができるようにしており、水蒸気によるクラスターイオンの生成を抑えるとき必要に応じて導入する。なお、窒素ガスの導入量は0.1Torr程度で十分である。
Nitrogen gas can be introduced into the
押出し電極9、引出し電極10、接続電極12、ドリフトチューブ電極14、14e、14f、14gは、各電極間には、抵抗R1(1MΩ)、R2(1MΩ)、R3(390kΩ)が設けられ、末端には抵抗R4(390Ω)があるV1(5kV直流)に接続され、電場によりH3O+又はRH+を輸送チャンバー4に輸送する。
The extrusion electrode 9, the
インレットレンズ17は、上記系とは独立してV2(150V)に、フランジ19にはV3(25V)に接続されている。また、円錐体6aにはV4(−60V)を接続することで、RH+イオンの損失をさらに低下することができるため、電圧を印加してもよい。
The
押出し電極9、引出し電極10、接続電極11、ドリフトチューブ電極14、14e、14f、14g、インレットレンズ17、フランジ19、円錐体6aは導体であり、電圧が印加される。導体としては、腐食につよいステンレス、アルミニウムなどが挙げられるが、通常電極としてしようされている素材であれば何れでもよい。なお円盤20は、ステンレスからできている。
The extrusion electrode 9, the
また、第一スペーサー11、第二スペーサー11d、サンプラー13、絶縁リング15、15d、15eチューブ付絶縁体16、導管付スペーサー18は、帯電防止性が高い絶縁素材でできており、隣り合う電極間を絶縁する。例えば、帯電防止性が高い絶縁素材強化ポリテフロン(登録商標)をベースとした日本ポリペンコ株式会社製/セミトロン(登録商標)がある。
The
上記、各電極と各絶縁体は、Oリングで密閉され、支柱3e及び支柱3fによってフランジ19に固定される。なお、支柱3e、支柱3fは絶縁体、又は金属棒に絶縁素材をコーティングしたものである。
Each electrode and each insulator are sealed with an O-ring, and are fixed to the
支柱3eは1本の棒状であり各電極に設けられた孔に貫通して下端をフランジ19の上面に螺着され、他端である上部は別のネジで固定する。支柱3fは、隣り合う電極間を固定する棒であって、一方の端にネジ穴があり、他端が前記ネジ穴に螺着するネジであり、各々が連結し、その連結してできた支柱3fの下端がフランジ19の上面に螺着され、他端である上部は別のネジで固定する。
The column 3e is in the form of a single rod, penetrates through holes provided in each electrode, and is screwed at the lower end to the upper surface of the
また、ドリフトチューブ電極の数は、一様な電場をドリフトチューブ3内に作ることができれば特に4枚に限定さることなく、ドリフトチューブ3の長さによって適時変更する。
Further, the number of drift tube electrodes is not limited to four as long as a uniform electric field can be created in the
なお、円錐体6aの頂点に穿設されたRH+ビームが通過する穿孔6bと円盤20に穿設されたオリフィスとの距離L1が、陽子移動反応生成物の減衰を改善することが見出された。結果は図21に示す。その距離は10mmでは格段に陽子移動反応物の減衰を改善することができた。
It has been found that the distance L1 between the
図3は、押出し電極を説明する図である。図3Aは押出し電極9の平面図である。図3Bは、図3AのA’−A’位置での断面図である。図3Cは押出し電極9の背面図である。 FIG. 3 is a diagram for explaining the extruded electrode. FIG. 3A is a plan view of the extruded electrode 9. FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the A′-A ′ position in FIG. 3A. FIG. 3C is a rear view of the extruded electrode 9.
押出し電極9は、水蒸気を導入する水蒸気導入口2aを有する水蒸気導入管9aを上面に取り付けた円形の電極である。孔9b、孔9cで他の電極と絶縁素材でできた支柱3e及び支柱3fでフランジ19に連結固定される。背面には凹んだ凹部9eがあり、次の第一スペーサー11と嵌合する。また、V1を印加するコネクタを配線接続孔9dに差込み通電される。
The extrusion electrode 9 is a circular electrode in which a water
なお、水蒸気導入管9aは、円筒対象に複数設けることが望ましい。導入された水蒸気が局所的に高濃度になることがなく、イオン発生空間22に均一に存在することとなり、放電によりより効率的にH3O+が生成できるからである。
In addition, it is desirable to provide a plurality of water
図4は、引出し電極を説明する図である。図4Aは引出し電極10の平面図である。図4Bは図4AのA’−A’位置での断面図である。図4Cは引出し電極10の背面図である。
FIG. 4 is a diagram illustrating the extraction electrode. FIG. 4A is a plan view of the
引出し電極10は、押出し電極9方向に突出した凸部10bと背面が窪んだ凹部10fよりなり中心に穿孔10aが穿設された円形の電極である。孔10c、孔10dで他の電極と絶縁素材でできた支柱3e及び支柱3fでフランジ19に連結固定される。背面の凹んだ凹部10fは、次の第二スペーサー11dと嵌合する。また、V1を印加するコネクタを配線接続孔10eに差込み通電される。
The
凸部10bを設けることで、イオン発生空間22の一定の容積を確保しながら、確実に押出し電極9の背面と放電(図2で点線で示している)で起こり、水蒸気からH3O+を高濃度に生成する。さらに、凸部10bを設けることで、穿孔10aの長さL2をより長く確保することができ、より試料気体の逆流を低減することが可能になる。
Providing the
穿孔10aの直径D1は、5mm、2mm、1mmで試験した結果、何れも非特許文献2でfig.6に示されている結果より、H3O+の生成効率は格段に向上している。1mmが最も良好であった(結果は図19、20に示す)。
The diameter D1 of the
また、背面の凹部10fは、接続電極12と放電を起こさないようにするとともに、逆流防止空間23の容積をより広くし、試料気体の逆流を確実に防止する効果を発揮する。
In addition, the
図5は、第一スペーサーを説明する図である。図5Aは第一スペーサー11の平面図である。図5Bは図5AのA’−A’位置での断面図である。なお、背面は平面と同一である。また第一スペーサー11と第二スペーサー11dは同一形状である。
FIG. 5 is a diagram illustrating the first spacer. FIG. 5A is a plan view of the
第一スペーサー11は、中央にある穿孔10aがあるリング状である。平面、背面にそれぞれ溝11b、溝11cが設けられ、Oリングを嵌め上下の電極と密封固定される。
The
図6は、接続電極を説明する図である。図6Aは接続電極12の平面図である。図6Bは図6AのA’−A’位置での断面図である。図6Cは接続電極12の背面図である。
FIG. 6 is a diagram illustrating connection electrodes. FIG. 6A is a plan view of the
接続電極12は、引出し電極10方向が窪んだ凹部12gと背面が窪み中心がすり鉢状に窪んだ切込部12eを有する凹部の中心に穿孔12aが穿設された電極である。孔12b、孔12cで他の電極と絶縁素材でできた支柱3e及び支柱3fで連結固定される。背面の凹んだ凹部12fは、次のサンプラー13と嵌合する。また、V1を印加するコネクタを配線接続孔12dに差込み通電される。
The
なお、背面をすり鉢状の切込部12eを設けることで、イオンが穿孔12aを通る距離を短くして、穿孔12aでのイオンの喪失を小さくする利点がある。
In addition, by providing the mortar-shaped
図7は、サンプラーを説明する図である。図7Aはサンプラー13の平面図である。図7Bは図7AのA’−A’位置での断面図である。なお、背面は平面と同一である。
FIG. 7 is a diagram illustrating the sampler. FIG. 7A is a plan view of the
サンプラー13は、リング状の本体の中心に孔13aがあり、側面に試料導入口3aを備えた2本の試料導入管13d、試料導入管13fがあり、試料導入管13d、13fには試料気体が送入される管路13e、管路13gが設けられている。また平面、背面にはそれぞれ溝13b、溝13cが設けられ、Oリングを嵌め上下の電極と密封固定される。
The
なおここでは、試料導入管13d、13fを二本としたが、側面に等間隔で対象的に複数の試料導入管13dを設けることが望ましい。試料気体を均一にドリフトチューブ3に導入することができ、試料気体がH3O+と効率的に、高頻度で陽子移動反応が起すことができるためである。
Here, two
図8は、ドリフトチューブ電極を説明する図である。図8Aはドリフトチューブ電極14の平面図である。図8Bは図8AのA’−A’位置での断面図である。なお、背面は平面と同一である。また、ドリフトチューブ電極14、14e、14f、14gは、同一形状である。そこでドリフトチューブ電極14を参照して説明する。
FIG. 8 is a diagram for explaining the drift tube electrode. FIG. 8A is a plan view of the
ドリフトチューブ電極14は、中央に穿孔14aが穿設され、サンプラー13方向及び背面共に凹み薄いリング部14hがある円形の電極である。孔14b、孔14cで他の電極と絶縁素材でできた支柱3e及び支柱3fで連結固定される。接着部14iで、上下の絶縁素材と接触する。また、V1を印加するコネクタを配線接続孔14dに差込み通電される。リング部14hはドリフトチューブ3内の電場を一様にするためなるべく薄い方が良い。本発明では1.5mmとした。
The
図9は、絶縁リングを説明する図である。図9Aは絶縁リング15の平面図である。図9Bは図9AのA’−A’位置での断面図である。なお、背面は平面と同一である。また、絶縁リング15、15d、15eは同一形状である。そこで絶縁リング15を参照して説明する。
FIG. 9 is a diagram illustrating the insulating ring. FIG. 9A is a plan view of the insulating
絶縁リング15は、中央にある孔15aがあるリング状である。平面、背面にそれぞれ溝15b、溝15cが設けられ、Oリング21を嵌め上下の電極と密封固定される。
The insulating
図10は、チューブ付絶縁体を説明する図である。図10Aはチューブ付絶縁体16の平面図である。図10Bは図10AのA’−A’位置での断面図である。なお、背面は平面と同一である。
FIG. 10 is a diagram illustrating an insulator with a tube. FIG. 10A is a plan view of the
チューブ付絶縁体16は、リング状の本体の中心に孔16aがあり、側面に陽子移動反応空間24の圧力を調整、不要な中性分子を排気する第一ポンプ3cに接続された排気管16dと、陽子移動反応空間24の圧力を監視するプレッシャーゲージ3dを連結するゲージ取付管16eが取り付けられている。また平面、背面にはそれぞれ溝16b、溝16cが設けられ、Oリングを嵌め上のドリフトチューブ電極14gと次のインレットレンズ17と密封固定される。
The
図11は、インレットレンズを説明する図である。図11Aはインレットレンズ17の平面図である。図11Bは図11AのA’−A’位置での断面図である。図11Cはインレットレンズ17の背面図である。
FIG. 11 is a diagram illustrating the inlet lens. FIG. 11A is a plan view of the
インレットレンズ17は、平面及び背面の内部が窪んだ凹部17d、凹部17eの中心に穿孔17aが穿設された円形の電極である。背面の溝17cにOリングを嵌め次ぎの導管付スペーサー18に接着する。また、V2を印加するコネクタを穴17bに差込み通電される。
The
図12は、導管付スペーサーを説明する図である。図12Aは導管付スペーサー18の平面一部透視図である。図12Bは図12AのA’−A’位置での断面図である。図12Cは導管付スペーサー18の背面図である。
FIG. 12 is a diagram for explaining a spacer with a conduit. FIG. 12A is a partially transparent plan view of the
導管付スペーサー18は、中央が上に突出した凸部18dを有する円形状の絶縁体であって、内部に窒素ガスを挿通させる導管18bを凸部18dの側面から開け、背面の溝18cと連結する。導管18bは、中央の穿孔18aから放射状に凸部18dの側面に貫通する。これにより、均一圧力の窒素ガスが穿孔18aに噴射することができる。噴射された窒素ガスは、エアーカーテンとして機能し、水分子の通過を阻止する。
The
図13は、フランジを説明する図である。図13Aはフランジ19の平面図である。図13Bは図13AのA’−A’位置での断面図である。図13Cはフランジ19の背面図である。
FIG. 13 is a diagram illustrating a flange. FIG. 13A is a plan view of the
フランジ19は、円形のプレート19nとガス送入管19bと接続管19hからなる。プレート19nは、平面に内部に導管付スペーサー18を嵌め込む凹部19l、Oリングを嵌め込む溝19g、各電極を固定する支柱3e及び支柱3fを留める固定穴19e、電圧V3を印加するための配線と取り付けるネジ穴19dがある。さらに、凹部19lには、オリフィスが穿孔されている円盤20を嵌め込む凹部19fがある。
The
また、背面には、すり鉢状の傾斜部19kがある。傾斜部19kがあることによって、第二ポンプ4a及び第三ポンプ4bによる中性分子の排気を効率的に行うことができる。中央には、RH+が通過する孔19aが穿設されている。さらにプレート19n内部には、窒素ガスを送通させる横穴19cがある。
In addition, there is a mortar-shaped
ガス送入管19bは、導管付スペーサー18の穿孔18aに噴射する窒素ガス等の供給源と連結する管である。接続管19hは、Oリング21aを嵌め込む溝19jが設けられたリングで、輸送チャンバー4の上部に接続しクランプ等の留具で固定される。
The
図14は、図13の一部拡大図である。図14Aは図13B’部の部分拡大図である。図14Bは図13C’部の部分拡大図である。 FIG. 14 is a partially enlarged view of FIG. FIG. 14A is a partially enlarged view of FIG. 13B ′. FIG. 14B is a partially enlarged view of FIG. 13C ′.
穿孔19aより広い円形の円盤20を嵌め込む凹部19fが平面状にあり、凹部の深さL3は、0.1mm以下である。内部には横穴19cに連結し、導管付スペーサー18の溝18cに連結する窒素ガスの通り道である縦穴19mがある。
The
図15は、フランジの凹部にセットする円盤を説明する図である。図15Aは平面図である。図15Bは図15AのA’−A’位置での断面図である。なお、背面は、平面と同一である。 FIG. 15 is a diagram illustrating a disk set in the concave portion of the flange. FIG. 15A is a plan view. FIG. 15B is a cross-sectional view taken along position A′-A ′ in FIG. 15A. The back surface is the same as the plane.
円盤20は、フランジ19平面の凹部19fに嵌め込むステンレスなどの導体からできている。円盤20の中央には、直径約0.4mmのオリフィス20aが穿設されている。
The
図16は、ビーム形成輸送部材の縦断面図である。図17は、ビーム形成輸送部の断面図である。ビーム成形輸送部材6は、円錐体6aと、リング6cと、筒6dと、リング6eと、円盤6fと、イオンレンズ6z’と軌道修正部6oからなり、図17に示す点線矢印がRH+の通過位置及び方向である。
FIG. 16 is a longitudinal sectional view of the beam forming and transporting member. FIG. 17 is a cross-sectional view of the beam forming and transporting portion. Beam shaping
円錐体6aは、輸送チャンバー4に向かって先端が細くなり、頂点にRH+ビームが通過する穿孔6bが穿設された内部が中空のイオンガイドである。穿孔6bの直径D2、及び円錐体6aの頂点の内角∠Aが、ドリフトチューブ3内で生成したRH+の損出量と関係があることを見いだした。その確認試験は、図21及び図22に示す。なお、円錐体6aに換えてヘキサポール等のイオンガイドを用いても良い。
The
リング6cは、前記穿孔6bと円盤20のオリフィス20aとの距離を調整する筒状の絶縁体である。円錐体6aと筒6dを連結する。また、円錐体6aは導体(SUS)でできていることから、電圧を印加することができ、電圧V4(−60V)であるとき、RH+の残存率が高まった。従って、円錐体6aに電圧V4を印加することもあることから、リング6cは、絶縁体素材を採用した。
The
筒6dは、内部にRH+が通過するイオンレンズ6z’を配置し、輸送チャンバー4とイオン加速チャンバー5aを分断し、導体でできている。イオンレンズ6z’は、3個の同一形状の第一イオンレンズ6x、第二イオンレンズ6y、第三イオンレンズ6zのからなり、第一イオンレンズ6xと第二イオンレンズ6yが留具6wで固定されている。
The
第三イオンレンズ6zは、取付板6hに留具6s’で固定され、取付板6hと輸送チャンバー4に近い第一、第二レンズに支柱6q、6r及び留具6wを介して連結される。
The
円盤6fは、輸送チャンバー4とイオン加速チャンバー5aに挟まれ、輸送空間26とイオン加速空間27を仕切る部材である。リング6eが前記筒6dと円盤6fに挟まれている。筒6dに電圧を印加することも可能とするためリング6eは絶縁素材でできている。円盤6fの平面、背面にはそれぞれ、溝6g、溝6pが設けられ、Oリングによって、平面側は、輸送チャンバー4に、平面側はイオン加速チャンバー5aにそれぞれ密封連結する。
The
上述のようにしてなるイオンレンズ6z’取付板6h及び支柱6i、支柱6jを介して前記円盤6fに固定され、筒6dの所定の位置に配置する。
It is fixed to the
なお、リング6c、留具6c’、留具6w、リング6e、支柱6q、支柱6rなどは、上述したセミトロン(登録商標)の他、金属に似た特性を持ち柔軟性に富むアセタール樹脂であるデュポン株式会社製/デルリン(登録商標)を使用してもよい。
The
軌道修正部6oは、2対の平行電極6k、平行電極6lを留具6sで固定板6uに固定し、支柱6n’を介して取付板6hに固定され、イオンレンズ6z’の下端に位置する。その先端に穿孔6tが穿設された板6mがある。導体として一般に使用されている部材でよい。
The trajectory correcting unit 6o fixes two pairs of
図18は、本発明である有機化合物の測定装置内の圧力を説明する図である。本発明による差動排気システムは、輸送チャンバー4内の輸送空間26、イオン加速チャンバー5a内のイオン加速空間27及び飛行チャンバー5c内の飛行検出空間28の三段排気系になっている。
FIG. 18 is a diagram for explaining the pressure in the organic compound measuring apparatus according to the present invention. The differential exhaust system according to the present invention is a three-stage exhaust system including a
前提として、H2Oの流量約0.02l/分でイオン発生空間22の圧力を約5.2Torr、逆流防止空間23の圧力を5.1Torr、試料気体の流量約0.18l/分であるとき、ドリフトチューブ3の陽子移動反応空間24の圧力を5.0Torrに第一ポンプ3cで調整する。
It is assumed that the flow rate of H 2 O is about 0.02 l / min, the pressure of the
第一段の輸送チャンバー4の輸送空間26の真空度は、〜10−4Torr、320l/秒の流量で第二ポンプ4a、第三ポンプ4bで排気する。
The degree of vacuum in the
イオン加速チャンバー5aのイオン加速空間27の真空度は、〜10−5〜10−6Torr、750l/秒の流量で第四ポンプ5jで排気する。
The degree of vacuum in the
飛行チャンバー5cの飛行検出空間28の真空度は、〜10−6〜10−7Torr、250l/秒の流量で第五ポンプ5kで排気する。それぞれ別に駆動するポンプで排気し、段階的に真空度(Torr)を上げる。
The degree of vacuum in the
図19は、引出し電極の穿孔の直径の違いによるH3O+の生成量を比較したときの試験結果を示す図である。図19Aは、穿孔10aの直径D1が5mm、図19Bは、穿孔10aの直径D1が2mm、図19Bは、穿孔10aの直径D1が1mmの引出し電極を用い水蒸気(5.2Torr)に放電し、試料気体として、純空気を導入したときにMCP検出器5iで得られた試薬イオンのシグナルをカウント(10kHz、60秒積算値)した質量スペクトルの結果である。ともに横軸が質量数(m/z)、縦軸がMCP検出器5iで受けたシグナル数である。
FIG. 19 is a diagram showing a test result when the amount of H 3 O + produced due to the difference in the diameter of the extraction electrode perforation is compared. 19A shows a diameter D1 of the
なお、円錐体6aの∠Aは50°を使用し、電圧条件は図1、図2で説明した条件と同一とした。
The ridge A of the
図19A、図19B、図19C何れにも、H3O+(質量数19)と、H3O+に水分子が付加したH3O+・H2O(質量数37)が強く確認できる。さらに純空気の逆流由来と考えられるNO+(質量数30)、O2 +(質量数32)のシグナルも確認できる。
FIG. 19A, FIG. 19B, in either FIG. 19C, and H 3 O + (mass number 19), H 3 O + · H 2 O ( mass number 37) that water molecules are added to the
NO+、O2 +は、有機化合物と反応して陽子移動反応とは異なるイオンを生成することが知られており、試薬イオンに対して1%未満であることが望ましいと考えられている。特に穿孔10aの直径D1=1mmでは十分にその条件をみたしていることが分る。
NO + and O 2 + are known to react with an organic compound to generate ions different from the proton transfer reaction, and are considered to be desirably less than 1% with respect to reagent ions. In particular, it can be seen that the condition is sufficiently satisfied when the diameter D1 of the
このことから穿孔10aの直径D1=1mmが最も目的外のNO+やO2 +の生成が低く抑えられた。なお、D1=2、5であっても非特許文献2でfig.6に示されている結果より、H3O+の生成効率は格段に向上している。
From this, the formation of NO + and O 2 + , which are the most undesired when the diameter D1 = 1 mm of the
これはイオン源2を構成する引出し電極10の平面側に直径20mmの環状の凸部10bがあること、背面側の凹部10fがあること、穿孔10aの長さL2が約12mmと長ことこれに伴って試料気体の混入がないことに起因している。従って、非特許文献2のホロカソード35aと本発明の引出し電極10は構造、構成が全くことなると言える。
This is because there is an annular
加えて、非特許文献2に記載のホロカソード放電式陽子移動反応飛行時間型質量分析計34では、ソースドリフトチューブ36から前述のように排気を行っていることから、より目的外の放電による反応生成物が多くみられることとなる。
In addition, in the holocathode discharge type proton transfer reaction time-of-
図20は、引出し電極の穿孔の直径を1mmとしたときのH3O+の生成量を測定したときの結果を示す図である。図19Cの条件で、放電によって生成される試薬イオン以外のイオンの干渉の影響を確認した。横軸が質量数(m/z)、縦軸がシグナル強度である。 FIG. 20 is a diagram showing the results when the amount of H 3 O + produced is measured when the diameter of the perforation of the extraction electrode is 1 mm. Under the conditions of FIG. 19C, the influence of interference of ions other than the reagent ions generated by the discharge was confirmed. The horizontal axis is the mass number (m / z), and the vertical axis is the signal intensity.
H3O+(質量数19)ピークカウントが約65000であるのに対して、NO+は約370、O2 +は同様に約370であることから、ともにH3O+の生成量に対して0.5%程度の生成比率であることが分る。また、NO+、O2 +以外の目的外の放電によるイオンが生成されているが、何れもNO+、O2 +以下の生成比率であった。従って、本発明のイオン源2によるH3O+の生成濃度は、実際に大気中の微量成分を十分精度よく測定することが可能であると言える。 Since H 3 O + (mass number 19) peak count is about 65000, NO + is about 370 and O 2 + is also about 370, both of which are relative to the amount of H 3 O + produced. It can be seen that the production ratio is about 0.5%. Further, NO +, an ion by untargeted discharge other than O 2 + is generated, any NO +, was produced a ratio of O 2 + or less. Therefore, it can be said that the production concentration of H 3 O + by the ion source 2 of the present invention can actually measure a trace component in the atmosphere with sufficient accuracy.
図21は、フランジにセットする円盤と円錐体の頂点との距離L1及び円錐体に穿設された穿孔の直径D2とH3O+生成量を比較した結果を示す図である。図21Aは穿孔6bの直径D2=2mmとし、図21Bは穿孔6bの直径D2=3mmとしたときの検出結果である。横軸がL1の長さ(mm)、縦軸がMCP検出器5iで受けたシグナル数である。
FIG. 21 is a diagram showing a result of comparing the distance L1 between the disk set on the flange and the apex of the cone, and the diameter D2 of the perforation drilled in the cone and the amount of H 3 O + generated. FIG. 21A shows the detection result when the diameter D2 of the
なお、なお、図中の記号○がH3O+(質量数19)、記号□がH3O+・H2O(質量数37)の検出結果を表している。また、ともに∠A=50°とし、その他の条件は図19Cと同一とした。 Incidentally, Symbols ○ is H 3 O + (mass number 19) in the figure, the symbol □ represents a detection result of the H 3 O + · H 2 O ( mass number 37). In addition, ∠A = 50 ° was used, and other conditions were the same as those in FIG. 19C.
図21A、Bともに、L=1mmのとき、最大の検出量が得られた。また、穿孔6bの直径D2は、2mm、3mmでは大きな違いはなかった。ただし、1mm以下、5mm以上では、今回と同一の条件で試験したところ、極端に検出値が低下した。穿孔6bの直径D2は輸送空間26及びイオン加速空間27の圧力に影響をあたえるためであると考えられる。
In both FIGS. 21A and 21B, the maximum detection amount was obtained when L = 1 mm. Further, the diameter D2 of the
図22は、円錐体の頂点の角度∠Aの相違によるH3O+の残存量を比較した結果を示す図である。図22Aは∠Aを100°であり、図22Bは∠Aを135°としたときの検出結果である。横軸がL1の長さ(mm)、縦軸がMCP検出器5iで受けたシグナル数である。 FIG. 22 is a diagram showing a result of comparing the remaining amount of H 3 O + due to the difference in the angle ∠A of the apex of the cone. 22A shows the detection result when ∠A is 100 °, and FIG. 22B shows the detection result when ∠A is 135 °. The horizontal axis represents the length (mm) of L1, and the vertical axis represents the number of signals received by the MCP detector 5i.
なお、図中の記号○がH3O+(質量数19)、記号□がH3O+・H2O(質量数37)の検出結果を表している。また、D2=2mmとし、その他の条件は、図19Cと同一とした。 Symbols ○ is H 3 O + (mass number 19) in the figure, the symbol □ represents a detection result of the H 3 O + · H 2 O ( mass number 37). Further, D2 = 2 mm, and other conditions were the same as in FIG. 19C.
図22A、図22Bともに図21に比べ、全体的に検出感度が低下している。これは、∠Aが図21に比べ鈍角になり、電圧V4を印加して得られる電場が、円錐体6aの形状に影響受け、イオン発生空間22で生成されたH3O+が、つまり陽子移動反応空間24で得られた生成物が穿孔6bに入射される頻度が低下したものと考えられる。なお、全体的なイオンのロスが確認できるが、やはり、図20と同様にL1=10mmのときが最もH3O+の喪失率が低く良好な結果が得られた。
In both FIG. 22A and FIG. 22B, the detection sensitivity as a whole is lower than that in FIG. This is because ∠A has an obtuse angle compared to FIG. 21, and the electric field obtained by applying the voltage V4 is affected by the shape of the
従って、本発明によれば、小型で放射線源も使用していないことから、観測地に持ち込み有機化合物、特に大気中の微量揮発性有機化合物を多成分同時に高感度、リアルタイムに測定することが可能になった。 Therefore, according to the present invention, since it is small and does not use a radiation source, it is possible to measure organic compounds brought into the observation site, particularly trace volatile organic compounds in the atmosphere, at high sensitivity and in real time at the same time. Became.
1 有機化合物の測定装置
2 イオン源
2a 水蒸気導入口
3 ドリフトチューブ
3a 試料導入口
3b 窒素導入口
3c 第一ポンプ
3d プレッシャーゲージ
3e 支柱
3f 支柱
4 輸送チャンバー
4a 第二ポンプ
4b 第三ポンプ
5 飛行時間型質量分析計
5a イオン加速チャンバー
5b 軌道調整部
5c 飛行チャンバー
5d イオン検出部
5e 軌道修正部
5f パルサーボックス
5g パルス引出し電極
5h イオンレンズ
5i MCP検出器
5j 第四ポンプ
5k 第五ポンプ
6 ビーム成形輸送部材
6a 円錐体
6b 穿孔
6c リング
6c’ 留具
6d 筒
6e リング
6f 円盤
6g 溝
6h 取付板
6i 支柱
6j 支柱
6k 平行電極
6l 平行電極
6m 板
6n 支柱
6n’ 支柱
6o 軌道修正部
6p 溝
6q 支柱
6r 支柱
6s 留具
6s’ 留具
6t 穿孔
6u 固定板
6w 留具
6x 第一イオンレンズ
6y 第二イオンレンズ
6z 第三イオンレンズ
6z’ イオンレンズ
7 時間変換器
8 計算機
8a 第一パルス発生器
8b 第二パルス発生器
9 押出し電極
9a 水蒸気導入管
9b 孔
9c 孔
9d 配線接続孔
9e 凹部
10 引出し電極
10a 穿孔
10b 凸部
10c 孔
10d 孔
10e 配線接続孔
10f 凹部
11 第一スペーサー
11a 孔
11b 溝
11c 溝
11d 第二スペーサー
12 接続電極
12a 穿孔
12b 孔
12c 孔
12d 配線接続孔
12e 切込部
12f 凹部
12g 凹部
13 サンプラー
13a 孔
13b 溝
13c 溝
13d 試料導入管
13e 管路
13f 試料導入管
13g 管路
14 ドリフトチューブ電極
14a 穿孔
14b 孔
14c 孔
14d 配線接続孔
14e ドリフトチューブ電極
14f ドリフトチューブ電極
14g ドリフトチューブ電極
14h リング部
14i 接着部
15 絶縁リング
15a 孔
15b 溝
15c 溝
15d 絶縁リング
15e 絶縁リング
16 チューブ付絶縁体
16a 孔
16b 溝
16c 溝
16d 排気管
16e ゲージ取付管
17 インレットレンズ
17a 穿孔
17b 穴
17c 溝
17d 凹部
17e 凹部
18 導管付スペーサー
18a 穿孔
18b 導管
18c 溝
18d 凸部
19 フランジ
19a 穿孔
19b ガス送入管
19c 横穴
19d ネジ穴
19e 固定穴
19f 凹部
19g 溝
19h 接続管
19j 溝
19k 傾斜部
19l 凹部
19m 縦穴
19n プレート
20 円盤
20a オリフィス
21 Oリング
21a Oリング
22 イオン発生空間
23 逆流防止空間
24 陽子移動反応空間
26 輸送空間
27 イオン加速空間
28 飛行検出空間
29 陽子移動反応飛行時間型質量分析計
30 放射線源
30a 水蒸気導入口
31 ドリフトチューブ
31a 電極
31b スペーサー
31c 試料導入口
32 輸送チャンバー
32a イオンレンズ
33 飛行時間型質量分析計
33a イオン加速チャンバー
33b 飛行チャンバー
33c リフレクトロン
33d MCP検出器
33e 時間変換器
33f パルス引出し電極
33g 軌道修正部
34 ホロカソード放電式陽子移動反応飛行時間型質量分析計
35 イオン源
35a ホロカソード
35b 水蒸気導入口
36 ソースドリフトチューブ
36a 試料導入口
37 ドリフトチューブ
37a 電極
38 輸送チャンバー
38a イオンレンズ
38b 第1ポンプ
39 飛行時間型質量分析計
39a イオン加速チャンバー
39b 飛行チャンバー
39c リフレクトロン
39d MCP検出器
39e パルサーボックス
39f パルス引出し電極
39g 軌道修正部
39h 第2ポンプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Organic compound measuring device 2 Ion source 2a Water vapor inlet 3 Drift tube 3a Sample inlet 3b Nitrogen inlet 3c First pump 3d Pressure gauge 3e Strut 3f Strut 4 Transport chamber 4a Second pump 4b Third pump 5 Flight time type Mass spectrometer 5a Ion acceleration chamber 5b Orbit adjustment unit 5c Flight chamber 5d Ion detection unit 5e Orbit correction unit 5f Pulser box 5g Pulse extraction electrode 5h Ion lens 5i MCP detector 5j 4th pump 5k 5th pump 6 Beam shaping transport member 6a Cone 6b Drilling 6c Ring 6c 'Retaining tool 6d Tube 6e Ring 6f Disk 6g Groove 6h Mounting plate 6i Strut 6j Strut 6k Parallel electrode 6l Parallel electrode 6m Plate 6n Strut 6n' Strut 6o Track correcting part 6p Groove 6p Groove 6p Ingredient 6 'Fastening tool 6t Perforation 6u Fixed plate 6w Fastening tool 6x First ion lens 6y Second ion lens 6z Third ion lens 6z' Ion lens 7 Time converter 8 Calculator 8a First pulse generator 8b Second pulse generator 9 Extrusion Electrode 9a Water vapor introduction tube 9b Hole 9c Hole 9d Wiring connection hole 9e Recess 10 Extraction electrode 10a Drill 10b Protrusion 10c Hole 10d Hole 10e Wiring connection hole 10f Recess 11 First spacer 11a Hole 11b Groove 11c Groove 11d Second spacer 12d 12a hole 12b hole 12c hole 12d wiring connection hole 12e notch 12f recess 12g recess 13 sampler 13a hole 13b groove 13c groove 13d sample introduction tube 13e tube 13f sample introduction tube 13g tube 14 drift tube electrode 14a hole 14b hole 14b hole 14b 14 Wiring connection hole 14e Drift tube electrode 14f Drift tube electrode 14g Drift tube electrode 14h Ring part 14i Adhesion part 15 Insulation ring 15a Hole 15b Groove 15c Groove 15d Insulation ring 15e Insulation ring 16 Insulator with tube 16a Hole 16b Groove 16c Groove 16d Exhaust pipe 16d 16e Gauge mounting tube 17 Inlet lens 17a Perforated 17b Hole 17c Groove 17d Recessed portion 17e Recessed portion 18 Spacer with conduit 18a Perforated 18b Conduit 18c Groove 18d Convex portion 19 Flange 19a Perforated 19b Gas inlet tube 19c Side hole 19d Recessed hole 19e Recessed hole 19e Groove 19h Connecting pipe 19j Groove 19k Inclined portion 19l Recessed portion 19m Vertical hole 19n Plate 20 Disc 20a Orifice 21 O-ring 21a O-ring 22 Ion generation 23 Propagation reaction space 26 Transport space 27 Ion acceleration space 28 Flight detection space 29 Proton transfer reaction time-of-flight mass spectrometer 30 Radiation source 30a Water vapor inlet 31 Drift tube 31a Electrode 31b Spacer 31c Sample inlet 32 Transport Chamber 32a Ion Lens 33 Time-of-Flight Mass Spectrometer 33a Ion Acceleration Chamber 33b Flight Chamber 33c Reflectron 33d MCP Detector 33e Time Converter 33f Pulse Extraction Electrode 33g Orbit Correction Unit 34 HoroCathode Discharge Proton Transfer Reaction Time-of-Flight Mass Spectrometry Total 35 Ion source 35a Holo cathode 35b Water vapor inlet 36 Source drift tube 36a Sample inlet 37 Drift tube 37a Electrode 38 Transport chamber 38a Ion lens 3 8b First pump 39 Time-of-flight mass spectrometer 39a Ion acceleration chamber 39b Flight chamber 39c Reflectron 39d MCP detector 39e Pulsar box 39f Pulse extraction electrode 39g Orbit correction part 39h Second pump
Claims (10)
前記イオン源が、水蒸気導入口のある押出し電極と、前記押出し電極の次に配置された絶縁体である第一スペーサーと、前記第一スペーサーの次に配置され前記押出し電極方向に突出した突部の中心に穿孔が穿設された引出し電極と、前記引出し電極の次に配置された絶縁体である第二スペーサーと、前記第二スペーサーの次に配置され背面にすり鉢状の切込部を有し中心に穿孔が穿設された接続電極からなり、
前記押出し電極と前記第一スペーサーと前記引出し電極で形成されたイオン発生空間の前記押出し電極と前記引出し電極の凸部で放電し、水蒸気をH3O+にすることを特徴とする有機化合物の測定装置。 In a proton transfer reaction time-of-flight mass spectrometer comprising a discharge ion source, a drift tube, a transport chamber, a beam shaping transport member, and a time-of-flight mass spectrometer,
The ion source is an extruded electrode having a water vapor inlet, a first spacer that is an insulator disposed next to the extruded electrode, and a protrusion that is disposed next to the first spacer and protrudes toward the extruded electrode. An extraction electrode having a perforation in the center of the electrode, a second spacer, which is an insulator disposed next to the extraction electrode, and a mortar-shaped notch on the back surface disposed next to the second spacer. It consists of a connecting electrode with a perforation in the center,
An organic compound characterized in that discharge is caused at the convex portions of the extrusion electrode and the extraction electrode in the ion generation space formed by the extrusion electrode, the first spacer, and the extraction electrode, and water vapor is changed to H 3 O + . measuring device.
10. The method for measuring an organic compound according to claim 9, wherein a voltage is applied to the extrusion tube, the extraction electrode and the connection electrode of the ion source, and the drift tube electrode constituting the drift tube with the same power source.
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