JP4417524B2 - 誘導結合プラズマ質量分析装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘導結合プラズマ質量分析装置に係り、特に、高い高周波（ＲＦ）電圧を必要とする高質量数のサンプルに対する信号／バックグラウンド（Ｓ／Ｂ）比を向上して、検出限界を改善することが可能な誘導結合プラズマ質量分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、発光分析の光源に用いられている誘導結合プラズマ（Inductive Coupled Plasma：ＩＣＰ）を、質量分析計（Mass Spectrometer：ＭＳ）のイオン源として用いて、溶液中の元素分析をイオンによって行う誘導結合プラズマ質量分析装置（ＩＣＰ−ＭＳ）が提案されている（例えば特開昭６２−２６７５７参照）。
【０００３】
このＩＣＰ−ＭＳの１つに、図１に示す如く、ＩＣＰによってイオン化された元素を測定質量数毎に分けるための、例えば４本の電極ロッド５４で構成される４重極（Ｑポール）のマスフィルタ５２の入側に、高周波電圧が印加される、同じく４本の電極ロッド４４で構成されるＱポールのプレフィルタ４２を設けたものがある。
【０００４】
図において、３２は、ＩＣＰ内で発生したイオンの運動エネルギの方向を揃えるためのサンプリングコーン、３４は、該サンプリングコーン３２を通過したイオンの一部を通過させるためのスキマーコーンである。
【０００５】
このようなＩＣＰ−ＭＳにおいて、従来は、プレフィルタ４２の内接円の直径ｄ1と、メインフィルタであるマスフィルタ５２の内接円の直径ｄ2が等しくされ、且つ、図２に示すような回路により、コンデンサＣを介してプレフィルタ４２に印加するＲＦ電圧Ｖrf1と、マスフィルタ５２に直接印加するＲＦ電圧Ｖrf2も、ほぼ等しくされていた。ここで、Ｖrf1は、Ｖrf2と同様、質量数に応じて掃引される。又、マスフィルタ５２には、更に直流電圧Ｖdcも印加される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このようなＩＣＰ−ＭＳにおいては、連続的な背景雑音となる、いわゆるオフマスバックグラウンドが、検出限界を制限する一因となっていた。
【０００７】
このオフマスバックグラウンドの強度の変化は、２種類あるが、このうち、質量数が高くなる程（即ち、プレフィルタやマスフィルタの電圧が高くなる程）高くなるオフマスバックグラウンドの成分（アナライザチャンバにイオンが入射する条件で高質量数領域に発生する成分）については、前記プレフィルタ４２に印加するＲＦ電圧を低下させれば強度が小さくなり、Ｓ／Ｂ比が向上するが、同時に感度の低下も大きいという問題点を有していた。
【０００８】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、感度を低下させることなくＳ／Ｂ比を向上して、検出限界を向上することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、誘導結合プラズマによってイオン化された元素を測定質量数毎に分けるためのマスフィルタの入側に、電圧が印加されるプレフィルタが設けられた誘導結合プラズマ質量分析装置において、前記プレフィルタに印加する高周波電圧を、マスフィルタに印加する高周波電圧より低下させると共に、該プレフィルタの内接円の径を、マスフィルタの内接円の径より小さくすることにより、前記課題を解決したものである。
【００１０】
又、前記プレフィルタを構成する電極ロッドの径も小さくしたものである。
【００１１】
又、前記プレフィルタに印加する高周波電圧を、マスフィルタとプレフィルタ間のコンデンサの容量を小さくすることにより、低下させたものである。
【００１２】
又、前記プレフィルタの電界が、高周波電圧を低下させる前とほぼ同等となるようにしたものである。
【００１３】
発明者等は、感度やピーク形状等の性能を低下させることなく、オフマスバックグラウンドを低減させるべく、種々実験を行った。その結果、プレフィルタ４２に印加するＲＦ電圧Ｖrf1を低下させることで、オフマスバックグラウンドが低減することが見出された。この際、ＲＦ電圧を低下させる分、内接円直径ｄ1及び必要に応じてロッド径も小さくして、プレフィルタ４２の内部に作られる電界に変化を与えないようにすることで、感度及びピーク形状等の性能を保ったまま、バックグラウンドを低減できる。
【００１４】
発明者等の実験により判明した、プレフィルタの径とＲＦ電圧を変化させた場合の性能変化の実験結果を図３に示す。ここで、プレフィルタとしては、従来と同様のロッド径１０．３ｍｍ、内接円直径９．０ｍｍの丸棒Ｑポール型と、本発明により、ロッド径８．７ｍｍ、内接円直径７．６ｍｍに小さくした丸棒Ｑポール型を用いた。又、プレフィルタ４２のＲＦ電圧Ｖrf1を変化させるため、同じく丸棒Ｑポール型のマスフィルタ５２とプレフィルタ４２間のコンデンサＣの容量を１００ｐｆから２５ｐｆに小さくした。
【００１５】
容量が同じコンデンサを使用した場合には、内接円の径が小さいプレフィルタの方が、プレフィルタ自体の容量が大きい分、低い電圧になる筈である。
【００１６】
プレフィルタの内接円の径ｄ1を変更せずにＲＦ電圧Ｖrf1を低下させた場合には、高質量数のＳ／Ｂ比は向上するが、感度の低下が大きい。一方、ＲＦ電圧を低下させると当時に、プレフィルタの内接円の径も小さくすれば、低質量数サンプルの感度低下は大きいが、高質量数サンプルに関しては、感度低下無しで、オフマスバックグラウンドを低下させることができる。
【００１７】
マスフィルタと同じＱポール型であるプレフィルタ４２内の電位Ｖ（ｒ，φ）は、ロッド印加電圧をＶ0、内接円半径をｒ0とすると、次式で表わされる。
【００１８】
Ｖ＝Ｖ0(ｒ／ｒ0)²cos２φ …（１）
【００１９】
ここで、φは、図４に示す如く、プレフィルタ内の座標位置（位置ｒのｘ軸となす角度）である。
【００２０】
従って、内接円直径７．６ｍｍのロッドに、内接円直径９．０ｍｍのロッドに対する電圧の０．７１倍の電圧を印加した場合に、プレフィルタの作る電界は、（径の大きさを無視すると）等しくなる。
【００２１】
内接円半径が７．６ｍｍのプレフィルタを用いた条件で、プレフィルタのＲＦ電圧を、コンデンサの容量を交換して変化させた場合の性能変化の例を図５（１０ｐｐｂサンプルの感度変化）、図６（オフマスバックグラウンド強度の変化）、図７（１００ｐＦの時の値で規格化したＳ／Ｂ比の変化）に示す。測定したサンプルは、１０ｐｐｂのＬｉ、Ｃｏ、Ｙ、Ｃｅ、Ｔｌ（１％硝酸溶液）、測定した質量数は７（Ｌｉ）、３８（Ａｒ）、５６（ＡｒＯ）、５９（Ｃｏ）、８９（Ｙ）、１４０（Ｃｅ）、２０５（Ｔｌ）である。
【００２２】
オフマスバックグラウンドの強度は、図６に示す如く、コンデンサが小さくなるに連れて（即ち、プレフィルタに印加するＲＦ電圧が小さくなるに連れて）低下し、１２．５ｐＦまで下げれば、質量数に変わりなく、ほぼ一定となる。この状態では、ＲＦ電圧に依存するオフマスバックグラウンドの成分は、ほぼ消失していると考えられる。
【００２３】
これに対して、感度は、図５に示す如く、２０ｐＦまでは、ほとんど変化せず、これより容量を小さく（ＲＦ電圧を小さく）すると、高質量数側の感度が低下する。コンデンサの容量が約２０ｐＦの時に、内接円直径７．６ｍｍのプレフィルタが作る電界は、内接円直径９．０ｍｍのプレフィルタを１００ｐＦのコンデンサで接続した場合と同様になっていると推測できる。
【００２４】
図５、図６から明らかなように、低質量数領域では、コンデンサ容量を小さくすると、オフマスバックグラウンドの低下より感度の低下の方が大きいので、図７に示す如く、Ｓ／Ｂ比は悪くなる。一方、Ｃｅ位の質量数より高い領域では、標準（コンデンサ容量１００ｐＦ、この時のプレフィルタのＲＦ電圧は、マスフィルタの８６％と予測される）より、容量を小さくした方がＳ／Ｂ比は良くなるが、下げすぎると悪化する。
【００２５】
以上のように、高質量数側に現れるオフマスバックグラウンドを低減するには、プレフィルタのＲＦ電圧を低下させればよい。但し、ＲＦ電圧を下げると、特に高質量数側の感度が低下する。この際、プレフィルタの内接円半径を小さくすることによって、ＲＦ電圧の低下による電界の変化を小さくできるので、感度の低下を抑えられるが、プレフィルタの内接円を小さくした時点で、低質量数側の感度が低下する。
【００２６】
従って、感度とオフマスバックグラウンドが必要なバランスとなるように、プレフィルタの内接円半径とＲＦ電圧を設定すればよい。
【００２７】
本発明は、上記のような知見に基づいてなされたものである。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２９】
本実施形態は、図８に示す如く、丸棒Ｑポール型のプレフィルタ４２の内接円直径d1を、同じく丸棒Ｑポール型のマスフィルタ５２の内接円直径ｄ2よりも小さくすると共に、プレフィルタ４２に印加するＲＦ電圧Ｖrf1を、次式に示す如く、マスフィルタ５２に印加するＲＦ電圧Ｖrf2より低下させ、プレフィルタ４２の電界が、ＲＦ電圧を低下させる前とほぼ同等になるようにしたものである。
【００３０】
Ｖrf1＝(ｄ1／ｄ2)²Ｖrf2 …（２）
【００３１】
マスフィルタ５２にＲＦ電圧Ｖrf2を印加すると共に、プレフィルタ４２にＲＦ電圧Ｖrf1を印加する回路の例を図９に示す。図において、Ｃp／４はプレフィルタ４２のロッド間容量、Ｃgは同じく対グランドロッド容量である。
【００３２】
なお、前記実施形態においては、プレフィルタ４２とマスフィルタ５２が共に丸棒Ｑポール型とされていたが、例えばプレフィルタを、電極ロッドが８本の８重極（オクトポール）型としたり、両者を共にオクトポール型とすることも可能である。
【００３３】
【実施例】
ある実験条件では、コンデンサＣを５０ｐＦ（このときプレフィルタのＲＦ電圧はマスフィルタの７５％と予測される）にした場合、感度の変化は、ほとんどなく、オフマスバックグラウンドを約３０％減少できた。但し、プレフィルタの取付条件等の装置の条件によって、適当なコンデンサ容量は変化する。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、感度やピーク形状等の性能を保ったまま、オフマスバックグラウンドを低減させることができる。従って、Ｓ／Ｂ比、特に高いＲＦ電圧を必要とする高質量数のＳ／Ｂ比が向上し、検出限界が改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＩＣＰ−ＭＳの基本的な構成を示す構成図
【図２】同じく回路図
【図３】本発明の原理を説明するための、プレフィルタの径とＲＦ電圧を変化させた場合の性能変化の例を示す線図
【図４】同じくプレフィルタの位相角を説明する断面図
【図５】同じくコンデンサの交換による感度変化の例を示す線図
【図６】同じくオフマスバックグラウンド強度の変化の例を示す線図
【図７】同じくＳ／Ｂ比の変化の例を示す線図
【図８】本発明の実施形態の基本的な構成を示す構成図
【図９】同じく回路図
【符号の説明】
４２…プレフィルタ
４４、５４…電極ロッド
５２…マスフィルタ（メインフィルタ）

Claims (4)

1. 誘導結合プラズマによってイオン化された元素を測定質量数毎に分けるためのマスフィルタの入側に、高周波電圧が印加されるプレフィルタが設けられた誘導結合プラズマ質量分析装置において、前記プレフィルタに印加する高周波電圧を、マスフィルタに印加する高周波電圧より低下させると共に、該プレフィルタの内接円の径を、マスフィルタの内接円の径より小さくしたことを特徴とする誘導結合プラズマ質量分析装置。
2. 前記プレフィルタを構成する電極ロッドの径を前記マスフィルタを構成する電極ロッドの径よりも小さくしたことを特徴とする、請求項１に記載の誘導結合プラズマ質量分析装置。
3. 前記プレフィルタに印加する高周波電圧を、マスフィルタとプレフィルタ間のコンデンサの容量を小さくすることにより、低下させることを特徴とする、請求項１又は２に記載の誘導結合プラズマ質量分析装置。
4. 前記プレフィルタの電界が、前記マスフィルタに印加する高周波電圧と同じ高周波電圧を前記マスフィルタと同じ内接円の径を有するプレフィルタに印加した場合に生じる電界と同等になっていることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の誘導結合プラズマ質量分析装置。

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