JP6548260B2 - Gas analyzer and gas analysis method - Google Patents

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Description

本発明は、ガス分析装置およびガス分析方法に関する。詳細には、本発明は、ガス中の極微量成分の質量を凍結凝縮および昇温脱離を用いて分析するガス分析装置およびガス分析方法に関する。   The present invention relates to a gas analyzer and a gas analysis method. In particular, the present invention relates to a gas analyzer and a gas analysis method for analyzing the mass of trace components in a gas using freeze condensation and temperature programmed desorption.

ガス中に含まれる極微量成分の分析において、低温濃縮(クライオフォーカスとも呼ばれる)を用いることが知られている。このようなクライオフォーカスを用いたガス分析装置がある(例えば、非特許文献1を参照)。   It is known to use cryogenic concentration (also called cryofocus) in the analysis of trace constituents contained in gas. There is a gas analyzer using such a cryofocus (see, for example, Non-Patent Document 1).

非特許文献1は、クライオフォーカス装置とガスクロマトグラフィー(GC)と質量分析器(MS)とを組み合わせたガス分析装置を用いて揮発性化合物を抽出し、分析することを開示している。非特許文献1のガス分析装置によれば、クライオフォーカス装置がGCカラムの導入口の前に設置され、クライオフォーカス装置内に設置された吸着管を室温よりも低い温度に冷却することで、試料ガス成分の吸着管表面への低温凝縮(凍結凝縮)が行われる。この際、冷却の温度は試料ガス成分に応じて調整される。   Non-Patent Document 1 discloses that volatile compounds are extracted and analyzed using a gas analyzer that combines a cryofocuser, gas chromatography (GC) and mass spectrometer (MS). According to the gas analyzer of Non-Patent Document 1, the cryofocusing device is installed in front of the inlet of the GC column, and the sample is installed in the cryofocusing device by cooling the adsorption tube to a temperature lower than room temperature. Low temperature condensation (freeze condensation) of gas components on the surface of the adsorption tube is performed. At this time, the temperature of cooling is adjusted in accordance with the sample gas component.

非特許文献1に記載のガス分析装置によるガス分析の手順は次の通りである。クライオフォーカスを任意の温度に冷却し、ここへ試料ガスを導入することで、試料ガス成分を冷却された吸着管へ凍結凝縮する。十分に試料ガスを凍結凝縮した後に、続いて吸着管を急速に加熱することで試料ガス成分を揮発させ、濃縮された試料ガス成分を得る。そして、濃縮された試料ガスをGC−MSにより分析する。このようにして、非特許文献1によるクライオフォーカス−GC−MSは、大気、呼気等に含まれる揮発性有機化合物(VOC)等の微量ガス成分の分析を可能にする。   The procedure of gas analysis by the gas analyzer described in Non-Patent Document 1 is as follows. The cryofocus is cooled to an arbitrary temperature, and the sample gas component is freeze-condensed into a cooled adsorption tube by introducing a sample gas into it. After sufficiently freeze-condensing the sample gas, the sample gas component is volatilized by rapidly heating the adsorption tube to obtain a concentrated sample gas component. Then, the concentrated sample gas is analyzed by GC-MS. Thus, cryofocus-GC-MS according to Non-Patent Document 1 enables analysis of trace gas components such as volatile organic compounds (VOCs) contained in the atmosphere, exhaled breath and the like.

しかしながら、非特許文献1によれば、クライオフォーカス−GC−MSによるガス分析では、クライオフォーカスは単に試料ガスの濃縮にのみ用いられ、ガス分析自体はGC−MSにより行われる。GC−MSは、比較的大きいため取り回しが容易ではないこと、高価であることから装置の導入が可能な機関は限られる等の問題があった。さらにGCによるガス分析では、GCカラムの選定に際し測定対象となるガスの性質に関する予備知識が必要であることや、測定操作やデータ解析に一定の習熟が必要であること等の課題もあった。クライオフォーカス−GC−MSよりも取り回しに優れ、熟練の技術や知識を要しない、ガス分析装置が開発されれば望ましい。   However, according to Non-Patent Document 1, in gas analysis by cryofocus-GC-MS, cryofocus is used only for concentration of sample gas, and gas analysis itself is performed by GC-MS. The GC-MS is relatively large and is not easy to handle, and is expensive, so there are problems such as limitation of an engine which can be introduced into the apparatus. Furthermore, in gas analysis by GC, there are also problems such as the need for preliminary knowledge on the properties of the gas to be measured when selecting a GC column, and the need for certain learning in measurement operation and data analysis. It would be desirable if a gas analyzer was developed that is better in handling than Cryofocus-GC-MS and does not require skilled technology or knowledge.

一方、固体基板表面に吸着したガス種を、基板温度を昇温しながらMS等により分析する手法として昇温脱離法(Temperature programmed desorption (TPD)またはThermal desorption spectroscopy (TDS))が知られている。TPDは、固体基板表面上に吸着したガス種等の吸着状態の解析に用いられる手法として現在も広く表面科学分野で用いられている。   On the other hand, Temperature programmed desorption (TPD) or Thermal desorption spectroscopy (TDS) is known as a method for analyzing gas species adsorbed on the surface of a solid substrate by MS or the like while raising the substrate temperature. There is. TPD is still widely used in the surface science field as a method used to analyze the adsorption state of gas species and the like adsorbed on the surface of a solid substrate.

基板を10K程度の極低温に冷却可能なTPDを用いた装置がある(例えば、非特許文献2および3を参照)。非特許文献2および3は、いずれも、極低温TPD装置を用い、超高真空中(真空度が10−6Pa以下)、固体基板表面に吸着したガス種の分析を行う。 There is an apparatus using TPD which can cool a substrate to a cryogenic temperature of about 10 K (see, for example, non-patent documents 2 and 3). Non-patent documents 2 and 3 perform analysis of gas species adsorbed on a solid substrate surface in ultrahigh vacuum (vacuum degree is 10 −6 Pa or less) using a cryogenic TPD apparatus.

しかしながら、非特許文献2および3に記載の極低温TPD装置は、表面科学分野で用いられることを想定しており、大気や呼気等のガス分析を行うことはできない。極低温TPD装置を改変して、大気や呼気等のガス分析ができれば望ましい。   However, the cryogenic TPD devices described in Non-Patent Documents 2 and 3 are assumed to be used in the field of surface science, and can not analyze gases such as the atmosphere and breath. It would be desirable if the cryogenic TPD device could be modified to analyze gases such as air and breath.

C.Leeら,Analytical Methods,2015,7,3521C. Lee et al., Analytical Methods, 2015, 5, 7, 3521 R.Souda,Surf.Sci.,605,2011,1257R. Souda, Surf. Sci. , 605, 201, 1257 A.K.Santraら,J.Phys.Chem.,B 106,2002,340A. K. Santra et al. Phys. Chem. , B 106, 2002, 340

本発明の課題は、ガス中に極微量に含有される物質の質量を分析するガス分析装置、および、ガス分析方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a gas analyzer that analyzes the mass of a substance contained in an extremely small amount in a gas, and a gas analysis method.

本発明の複数の物質から構成されるガスのうち1以上の物質の質量を分析するガス分析装置は、前記ガスを導入する導入管を有し、第1の真空ポンプを備える真空チャンバと、前記真空チャンバに接続される冷却装置と、前記冷却装置に接続され、前記真空チャンバ内に配置された支持体であって、前記冷却装置により前記導入されたガスのうち少なくとも前記1以上の物質を凍結凝縮させる基板が載置される支持体と、前記支持体に載置された前記基板を加熱する加熱装置と、前記真空チャンバに接続された質量分析機構とを備え、前記質量分析機構は、前記加熱装置により前記基板から脱離した前記1以上の物質を吸引する吸引管と、前記吸引管で吸引された前記1以上の物質のうち一部を排気し、前記質量分析機構内を真空状態に維持する第2の真空ポンプと、前記排気されなかった1以上の物質の質量を分析する質量分析器とをさらに備え、前記吸引管は、その一方の開口端が前記基板に対向するよう配置され、かつ、前記基板に対して近接するよう移動可能であり、前記吸引管は、前記一方の開口端の口径が前記吸引管のそれ以外の部分の口径よりも小さくなるよう先細りの形状を有し、これにより上記課題を達成する。
前記一方の開口端の口径に対する前記吸引管の前記それ以外の部分の口径の比は、2.5以上5.5以下の範囲であってもよい。
前記一方の開口端の口径は、5mm以上7mm以下の範囲であってもよい。
前記先細り形状を有する前記一方の開口端の管厚は、前記それ以外の部分のそれよりも厚くてもよい。
前記第2の真空ポンプは、前記質量分析機構内を1×10−8Pa以上1×10−2Pa以下の範囲の真空状態に維持してもよい。
前記支持体をx、yおよびz方向に移動し、回転する移動機構をさらに備えてもよい。
前記支持体に載置された前記基板の表面と、前記吸引管の前記一方の開口端の端面とが平行に対向するよう、前記移動機構による前記支持体の移動、および/または前記吸引管の移動を制御する制御部をさらに備えてもよい。
前記制御部は、前記一方の開口端と前記基板との距離が0mmより大きく3mm以下の範囲となるよう、前記移動機構および/または前記吸引管を制御してもよい。
前記制御部は、前記一方の開口端と前記基板との距離が0.5mm以上1mm以下の範囲となるよう、前記移動機構および/または前記吸引管を制御してもよい。
前記冷却装置は、機械式冷凍機または寒剤であってもよい。
前記加熱装置は、抵抗加熱装置、赤外線加熱装置および電子衝撃加熱装置からなる群から選択されてもよい。
前記基板を加熱する加熱装置の動作を制御する制御部をさらに備えてもよい。
前記質量分析器は、四重極質量分析器、飛行時間質量分析器、および、サイクロトロン共鳴質量分析器からなる群から選択されてもよい。
前記支持体は、コールドヘッドおよび伝熱棒を備え、前記伝熱棒の先端に前記基板が載置されてもよい。
前記第1の真空ポンプは、前記真空チャンバを1×10−8Pa以上1×10−1Pa以下の範囲の真空状態に維持してもよい。
本発明による複数の物質から構成されるガスのうち1以上の物質の質量を分析するガス分析をする方法は、真空チャンバ内を真空排気するステップと、前記真空チャンバ内に位置する基板を、少なくとも前記1以上の物質のそれぞれが有する3重点の中でももっとも低い3重点以下の温度まで冷却し、前記真空チャンバに前記ガスを導入し、前記基板に前記1以上の物質を凍結凝縮させるステップと、前記基板を加熱し、前記基板から前記1以上の物質をそれぞれ脱離させるステップと、質量分析器を用いて前記1以上の物質の質量を分析するステップであって、一方の開口端の口径がそれ以外の部分の口径よりも小さい吸引管を用い、前記一方の開口端を前記基板に接触しないよう対向させながら前記1以上の物質を前記吸引管で吸引するとともに、前記吸引管で吸引された前記1以上の物質の一部を排気し、かつ、残りを質量分析器で分析する、ステップとを包含し、これにより上記課題を達成する。
前記分析するステップは、1×10−8Pa以上1×10−2Pa以下の範囲の真空状態を維持するよう前記1以上の物質の一部を排気してもよい。
前記凍結凝縮させるステップは、前記ガスを1×10−8Pa以上1×10−1Pa以下の範囲の分圧で導入し、30秒以上15分以下の範囲の時間、凍結凝縮させてもよい。
前記凍結凝縮させるステップは、前記基板を少なくとも1以上の物質のそれぞれが有する熱脱離温度の中でもっとも低い熱脱離温度以下の温度まで冷却してもよい。
前記分析するステップは、前記吸引管の前記一方の開口端と前記基板との距離が0mmより大きく3mm以下の範囲となるよう、前記吸引管を前記基板に対向させてもよい。
前記分析するステップは、前記1以上の物質のそれぞれの昇温脱離スペクトルを測定し、前記それぞれの昇温脱離スペクトルから前記1以上の物質それぞれの質量を分析してもよい。
前記分析するステップは、前記それぞれの昇温脱離スペクトルにおけるピーク面積を算出してもよい。
前記凍結凝縮させるステップは、前記1以上の物質とは異なる前記複数の物質の少なくとも一部を予備的凍結凝縮させるステップをさらに包含してもよい。
前記予備的凍結凝縮させるステップは、前記基板の一部の領域を、前記1以上の物質のそれぞれが有する熱脱離温度の中でもっとも高い熱脱離温度より高く、かつ、前記1以上の物質とは異なる前記複数の物質の少なくとも一部が有する熱脱離温度以下の温度に冷却し、前記少なくとも一部を前記基板の前記一部の領域に凍結凝縮させるステップと、前記基板の別の領域を前記1以上の物質のそれぞれが有する熱脱離温度の中でもっとも低い熱脱離温度以下の温度まで冷却し、前記1以上の物質を前記基板の前記別の領域に凍結凝縮させるステップとをさらに包含してもよい。
前記脱離させるステップは、前記基板を、前記1以上の物質のそれぞれの熱脱離温度±20Kの範囲について、2K/分以上8K/分以下の昇温速度で加熱してもよい。
前記1以上の物質は、揮発性有機化合物、希ガス元素および大気汚染物質からなる群から選択されてもよい。
前記基板は、酸化物単結晶、多結晶金属、単結晶金属、単結晶半導体および層状物質からなる群から選択されてもよい。
A gas analyzer for analyzing the mass of one or more substances out of the plurality of substances according to the present invention comprises a vacuum chamber having a first vacuum pump and having an introduction pipe for introducing the gas; A cooling device connected to a vacuum chamber, and a support connected to the cooling device and disposed in the vacuum chamber, wherein at least one substance of the introduced gas is frozen by the cooling device The apparatus includes: a support on which a substrate to be condensed is placed; a heating device for heating the substrate placed on the support; and a mass analysis mechanism connected to the vacuum chamber, the mass analysis mechanism comprising A suction pipe for sucking the one or more substances detached from the substrate by the heating device, and a part of the one or more substances sucked by the suction pipe are evacuated to make the inside of the mass analysis mechanism in a vacuum state Maintenance A second vacuum pump, and a mass analyzer that analyzes the mass of the one or more substances that have not been evacuated, and the suction tube is disposed such that one open end thereof faces the substrate, And the suction tube is movable in proximity to the substrate, and the suction tube has a tapered shape so that the diameter of the one open end is smaller than the diameter of the other portion of the suction tube, The above-mentioned subject is achieved by this.
The ratio of the bore diameter of the other portion of the suction pipe to the bore diameter of the one open end may be in the range of 2.5 or more and 5.5 or less.
The diameter of the one open end may be in the range of 5 mm to 7 mm.
The tube thickness of the one open end having the tapered shape may be thicker than that of the other portion.
The second vacuum pump may maintain the inside of the mass analysis mechanism in a vacuum state in the range of 1 × 10 −8 Pa or more and 1 × 10 −2 Pa or less.
The support may be further provided with a moving mechanism that moves and rotates the support in the x, y and z directions.
The movement of the support by the moving mechanism and / or the suction tube such that the surface of the substrate placed on the support and the end face of the one open end of the suction tube face in parallel. You may further provide the control part which controls movement.
The control unit may control the moving mechanism and / or the suction pipe such that the distance between the one open end and the substrate is in the range of more than 0 mm and 3 mm or less.
The control unit may control the moving mechanism and / or the suction pipe such that a distance between the one open end and the substrate is in a range of 0.5 mm or more and 1 mm or less.
The cooling device may be a mechanical refrigerator or a cryogen.
The heating device may be selected from the group consisting of a resistive heating device, an infrared heating device and an electron impact heating device.
The apparatus may further include a control unit that controls the operation of a heating device that heats the substrate.
The mass analyzer may be selected from the group consisting of a quadrupole mass analyzer, a time of flight mass analyzer, and a cyclotron resonance mass analyzer.
The support may include a cold head and a heat transfer bar, and the substrate may be mounted on the tip of the heat transfer bar.
The first vacuum pump may maintain the vacuum chamber in a vacuum state of 1 × 10 −8 Pa or more and 1 × 10 −1 Pa or less.
According to the present invention, a method of analyzing a mass of one or more substances among a plurality of substances according to the present invention comprises the steps of: evacuating the inside of a vacuum chamber; at least a substrate located in the vacuum chamber; Cooling to a temperature not higher than triple point among the triple points of each of the one or more substances, introducing the gas into the vacuum chamber, and freezing and condensing the one or more substances on the substrate; Heating the substrate, respectively desorbing the one or more substances from the substrate, and analyzing the mass of the one or more substances using a mass spectrometer, wherein the aperture diameter of one open end is that Using the suction pipe smaller than the diameter of the other part, the one or more substances are suctioned by the suction pipe while the one open end is opposed so as not to contact the substrate Both evacuated part of aspirated said one or more substances in the suction tube, and analyzing the remaining mass analyzer includes a step, thereby achieving the above-mentioned problems.
The analyzing may include evacuating a portion of the one or more substances to maintain a vacuum in the range of 1 × 10 −8 Pa to 1 × 10 −2 Pa.
In the freezing and condensing step, the gas may be introduced at a partial pressure in the range of 1 × 10 −8 Pa or more and 1 × 10 −1 Pa or less, and may be frozen and condensed for a time in the range of 30 seconds or more and 15 minutes or less .
In the freezing and condensing step, the substrate may be cooled to a temperature equal to or lower than the lowest thermal desorption temperature among thermal desorption temperatures of at least one or more substances.
In the analysis step, the suction pipe may be opposed to the substrate such that the distance between the one open end of the suction pipe and the substrate is in the range of more than 0 mm and 3 mm or less.
The analyzing may measure the temperature-programmed desorption spectrum of each of the one or more substances, and analyze the mass of each of the one or more substances from the respective temperature-programmed desorption spectrum.
The analyzing step may calculate peak areas in the respective temperature programmed desorption spectra.
The freezing and condensing step may further include preliminary freezing and condensing at least a portion of the plurality of substances different from the one or more substances.
In the preliminary freeze-condensing step, the partial region of the substrate is higher than the highest thermal desorption temperature among the thermal desorption temperatures of each of the one or more materials, and the one or more materials Cooling to a temperature equal to or lower than the thermal desorption temperature of at least a portion of the plurality of different substances, and freezing and condensing the at least a portion on the portion of the substrate, and another region of the substrate Cooling to a temperature below the lowest thermal desorption temperature of the thermal desorption temperatures of each of the one or more substances, and freezing and condensing the one or more substances on the other region of the substrate. It may further include.
In the desorption step, the substrate may be heated at a heating rate of 2 K / min to 8 K / min for each thermal desorption temperature range of ± 20 K of the one or more substances.
The one or more substances may be selected from the group consisting of volatile organic compounds, noble gas elements and air pollutants.
The substrate may be selected from the group consisting of oxide single crystals, polycrystalline metals, single crystal metals, single crystal semiconductors and layered materials.

本発明によるガス分析装置は、冷却装置により基板上に少なくとも分析されるべき1以上の物質を凍結凝縮させ、加熱装置により分析されるべき1以上の物質のそれぞれを、それぞれに固有の熱脱離温度にて脱離させるので、各熱脱離温度において1以上の物質それぞれが選択的に濃縮したガス(選択的濃縮ガス)を得ることができる。さらに選択的濃縮ガスは、質量分析器、第2の真空ポンプおよび質量分析器を備えた質量分析機構において質量分析されるが、このような選択的濃縮ガスを吸引し、質量分析器へと導入する吸引管は、その一方の開口端が基板に対向するよう配置されており、さらに基板に対して近接するよう移動可能であるので、基板以外の場所から脱離した不要なガスの混入が抑制され、高精度な分析を可能にする。さらに、吸引管は、一方の開口端の口径が吸引管のそれ以外の部分の口径よりも小さくなるよう先細りの形状を有するので、第2の真空ポンプは、吸引された選択的濃縮ガスの一部の排気を効率的に行うことができる。その結果、質量分析機構内の真空状態が維持されるので、質量分析器が動作し、分析を可能にする。本発明のガス分析装置は、クロマトグラフィを不要とするので、装置全体が小型化されるだけでなく、装置の操作を簡便にするので、有利である。   The gas analyzer according to the present invention freezes and condenses at least one substance to be analyzed on a substrate by a cooling device, and thermally desorbs each of the one or more substances to be analyzed by a heating device. Since desorption is performed at temperature, it is possible to obtain a gas (selective enrichment gas) in which one or more substances are selectively concentrated at each thermal desorption temperature. Furthermore, the selective enrichment gas is mass analyzed in a mass spectrometer equipped with a mass spectrometer, a second vacuum pump and a mass spectrometer, but such selective enrichment gas is aspirated and introduced into the mass spectrometer. The suction tube is disposed such that one open end thereof faces the substrate and is movable so as to be close to the substrate, so that the mixing of unnecessary gas released from a place other than the substrate is suppressed. Be able to analyze with high accuracy. Furthermore, since the suction pipe has a tapered shape so that the diameter of one open end is smaller than the diameter of the other part of the suction pipe, the second vacuum pump is a part of the selectively condensed gas that has been drawn. It is possible to exhaust the part efficiently. As a result, the vacuum in the mass analysis mechanism is maintained so that the mass analyzer operates and allows analysis. The gas analyzer according to the present invention is advantageous because it eliminates the need for chromatography, which not only reduces the overall size of the device but also simplifies the operation of the device.

本発明によるガス分析方法は、基板を、少なくとも1以上の物質のそれぞれが有する3重点の中でももっとも低い3重点を下回る温度まで冷却し、基板から1以上の物質をそれぞれに固有の熱脱離温度にて脱離させるので、各熱脱離温度において1以上の物質それぞれが選択的に濃縮したガスを得ることができる。選択的濃縮ガスは、吸引管により吸引され質量分析器を用いて分析されるが、一方の開口端を基板に接触しないよう対向させながら選択的濃縮ガスを吸引するので、基板以外の場所から脱離した不要なガスの混入が抑制され、高精度な分析を可能にする。また、吸引管の一方の開口端の口径がそれ以外の部分の口径よりも小さいので、吸引管で吸引された選択的濃縮ガスの一部の排気が効率的に行われる。その結果、質量分析器の動作可能な真空状態が維持されるので、質量分析器が動作し、分析を可能にする。   The gas analysis method according to the present invention cools the substrate to a temperature below the lowest triple point among the triple points of each of the at least one substance, and the thermal desorption temperature specific to the one or more substances from the substrate. At each thermal desorption temperature, it is possible to obtain a gas in which one or more substances are selectively concentrated. Although the selective concentration gas is drawn by the suction tube and analyzed using a mass spectrometer, the selective concentration gas is drawn while opposing the one open end not to contact the substrate, so that it is removed from the place other than the substrate Contamination of unwanted unwanted gas is suppressed, enabling highly accurate analysis. In addition, since the bore diameter of one open end of the suction pipe is smaller than the bore diameter of the other part, exhausting of a part of the selectively condensed gas sucked by the suction pipe is efficiently performed. As a result, the operable vacuum state of the mass analyzer is maintained so that the mass analyzer operates and allows analysis.

本発明によるガス分析装置の模式図Schematic of gas analyzer according to the invention 本発明による吸引管の一部を拡大して示す模式図The schematic diagram which expands and shows a part of suction pipe by this invention 本発明のガス分析を行うフローチャートFlow chart for performing gas analysis of the present invention 凍結凝縮および選択的濃縮ガスを模式的に示す図Diagram showing freeze condensation and selective enrichment gas 予備的凍結凝縮による凍結凝縮および選択的濃縮ガスを模式的に示す図Diagram schematically showing freeze condensation and selective enrichment gas by preliminary freeze condensation 実施例1で構築した本発明のガス分析装置の模式図Schematic diagram of the gas analyzer of the present invention constructed in Example 1 実施例1による基板−吸引管の間の距離の温度および圧力に及ぼす影響を示す図Figure 2 shows the effect of the distance between the substrate and the suction tube on temperature and pressure according to Example 1 実施例2による84Kr0.65ppmを含有する大気を6K、1分間凍結凝縮した際の昇温脱離スペクトルを示す図The figure which shows the temperature rising desorption spectrum at the time of freezing-condensing the atmosphere containing 84 Kr 0.65 ppm by 6K for 1 minute by Example 2 実施例2による種々の濃度の84Krを含有する大気を6K、1分間凍結凝縮した際の熱脱離ピークから求めた84Krの濃度とイオン電流との関係を示す図The figure which shows the relationship of the density | concentration of 84 Kr and the ion current which were calculated | required from the thermal desorption peak at the time of freezing and condensing the atmosphere containing 84 Kr of various density | concentrations in 6K for 1 minute by Example 2. 実施例2による84Kr0.65ppmを含有する大気を6K、種々の時間凍結凝縮した際の熱脱離ピークから求めた凍結凝縮時間とイオン電流との関係を示す図The figure which shows the relationship of the freeze-condensing time and the ion current which were calculated | required from the thermal desorption peak at 6 K and the atmosphere containing 84 Kr 0.65 ppm according to Example 2 freeze-condensing for 6 hours and various times. 比較例3による質量分析スペクトルを示す図The figure which shows the mass spectrometry spectrum by the comparative example 3 実施例4によるアセトン100ppmを含有する大気、アセトン、および、大気を50K、1分間凍結凝縮した際の昇温脱離スペクトルを示す図The figure which shows the temperature rising desorption spectrum at the time of freeze-condensing air | atmosphere containing acetone 100 ppm by the Example 4, acetone, and air | atmosphere at 50 K for 1 minute for 1 minute. 実施例4による種々の濃度のアセトンを含有する大気を50K、1分間凍結凝縮した際の昇温脱離スペクトルから得られたアセトン濃度とイオン電流との関係を示す図The figure which shows the relationship between the acetone concentration and the ion current which were obtained from the temperature rising desorption spectrum at the time of freezing and condensing the air | atmosphere containing the acetone of various concentration by 50K and 1 minute by Example 4 実施例5によるアセトン100ppmを含有する大気を145K、1分間凍結凝縮した際の昇温脱離スペクトルを示す図The figure which shows the temperature rising desorption spectrum at the time of freezing-condensing the air containing 100 ppm of acetone by 145 K for 1 minute by Example 5 according to Example 5.

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。なお、同様の要素には同様の番号を付し、その説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same number is given to the same element and the description is abbreviate | omitted.

図1は、本発明によるガス分析装置の模式図である。   FIG. 1 is a schematic view of a gas analyzer according to the present invention.

本発明によるガス分析装置100は、凍結凝縮と昇温脱離と(凍結凝縮−昇温脱離分析)によって複数の物質から構成されるガス(気体)のうち少なくとも1以上の物質の質量分析を行うことができる。複数の物質とはガスを構成する任意の物質であるが、分析されるべき1以上の物質は、好ましくは、希ガス元素、揮発性有機化合物(VOC)および大気汚染物質からなる群から1以上選択される物質である。希ガス元素は、周期表の第18族元素であり、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン等である。揮発性有機化合物(VOC)は、ホルムアルデヒド、トルエン、アセトン、エタノール、2−プロパノール、ヘキサナール、d−リモネン、プロピオンアルデヒド等である。大気汚染物質は、二酸化窒素等の窒素化合物(NOx)、二酸化硫黄等の硫黄化合物(SOx)、光化学オキシダント(Ox)、一酸化炭素(CO)等である。本発明によるガス分析装置100を用いれば、上述の分析されるべき1以上の物質の存在のみならず、その質量分析を行うことができる。   The gas analyzer 100 according to the present invention performs mass analysis of at least one substance out of gas (gas) composed of a plurality of substances by freeze condensation and temperature-programmed desorption (freeze-condensed-temperature programmed desorption analysis). It can be carried out. The plurality of substances is any substance that constitutes a gas, but the one or more substances to be analyzed are preferably one or more from the group consisting of rare gas elements, volatile organic compounds (VOCs) and air pollutants. It is a substance to be selected. The rare gas element is a Group 18 element of the periodic table, and includes helium, neon, argon, krypton, xenon, radon and the like. Volatile organic compounds (VOCs) are formaldehyde, toluene, acetone, ethanol, 2-propanol, hexanal, d-limonene, propionaldehyde and the like. Air pollutants include nitrogen compounds (NOx) such as nitrogen dioxide, sulfur compounds (SOx) such as sulfur dioxide, photochemical oxidants (Ox), carbon monoxide (CO) and the like. With the gas analysis device 100 according to the invention, not only the presence of one or more substances to be analyzed as described above, but also its mass analysis can be performed.

本発明によるガス分析装置100は、複数の物質から構成されるガスを導入する導入管110を有し、内部の圧力を調整する第1の真空ポンプ120を備えるチャンバ130と、真空チャンバ130に接続される冷却装置140と、冷却装置140に接続され、真空チャンバ130内に配置された支持体150と、支持体150に載置された基板160を加熱する加熱装置170と、真空チャンバ130に接続された質量分析機構180とを備える。支持体150には、導入管110から導入された複数の物質のうち分析されるべき少なくとも1以上の物質を冷却装置140により凍結凝縮させる基板160が載置されている。   The gas analyzer 100 according to the present invention has an inlet pipe 110 for introducing a gas composed of a plurality of substances, and is connected to a chamber 130 provided with a first vacuum pump 120 for adjusting the internal pressure, and the vacuum chamber 130 Connected to the cooling device 140, the support 150 connected to the cooling device 140 and disposed in the vacuum chamber 130, the heating device 170 for heating the substrate 160 placed on the support 150, and the vacuum chamber 130 And the mass spectrometer 180. A substrate 160 on which at least one substance to be analyzed among a plurality of substances introduced from the introduction pipe 110 is frozen and condensed by the cooling device 140 is mounted on the support 150.

本発明によるガス分析装置100は、このような構成により、少なくとも分析されるべき1以上の物質について凍結凝縮し、昇温脱離分析を行う。詳細には、本発明によるガス分析装置100は、導入管110から導入された複数の物質のうち少なくとも1以上の物質を冷却装置140により基板160上に凍結凝縮させる。次いで、凍結凝縮した物質が熱脱離する温度(熱脱離温度)は物質固有であることを利用し、加熱装置170により、基板160から固有の熱脱離温度において分析されるべき1以上の物質のそれぞれを熱脱離させる。このようにして分析されるべき1以上の物質それぞれが選択的に濃縮したガス(単に選択的濃縮ガスとも呼ぶ)を、各熱脱離温度にて得ることができる。質量分析機構180が、このようにして得た選択的濃縮ガスに対して、特定の質量電荷比(m/z)を有する物質のみを検出するよう機能すれば、加熱装置170による昇温に伴い、少なくとも1以上の物質に応じた熱脱離ピークを有する昇温脱離スペクトルを得ることができる。導入された複数の物質からなるガスのすべてを凍結凝縮させれば、すべての物質について質量分析することができるのは言うまでもない。   With such a configuration, the gas analyzer 100 according to the present invention freezes and condenses at least one or more substances to be analyzed, and performs temperature programmed desorption analysis. In detail, the gas analyzer 100 according to the present invention freezes and condenses at least one substance among a plurality of substances introduced from the introduction pipe 110 on the substrate 160 by the cooling device 140. Then, the temperature at which the freeze-condensed substance thermally desorbs (thermal desorption temperature) is intrinsic to the substance, and the heating device 170 is used to analyze at least one of the thermal desorption temperatures from the substrate 160 at one or more temperatures. Allow each of the substances to thermally desorb. A gas (also referred to simply as a selective enrichment gas), in which the one or more substances to be analyzed in this way are selectively enriched, can be obtained at each thermal desorption temperature. If the mass spectrometry mechanism 180 functions to detect only a substance having a specific mass-to-charge ratio (m / z) with respect to the selectively enriched gas thus obtained, the temperature rise with the heating device 170 It is possible to obtain a thermal desorption spectrum having a thermal desorption peak according to at least one or more substances. It goes without saying that mass spectrometry can be performed for all substances by freeze-condensing all of the introduced gases consisting of a plurality of substances.

なお、熱脱離温度は、上述したように物質固有であるので、例えば、同じ分子量を有する異なる分子種であっても、それぞれ異なる熱脱離温度を有するので、容易に分離できる。   In addition, since the thermal desorption temperature is unique to the substance as described above, for example, even different molecular species having the same molecular weight can be easily separated since they have different thermal desorption temperatures.

第1の真空ポンプ120は、好ましくは、ロータリーポンプ、油拡散ポンプ、ターボ分子ポンプおよびイオンポンプからなる群から1以上選択されるポンプである。真空チャンバ130は、第1の真空ポンプ120により1×10−8Pa以上1×10−1Pa以下の範囲の真空状態に維持される。 The first vacuum pump 120 is preferably one or more pumps selected from the group consisting of a rotary pump, an oil diffusion pump, a turbo molecular pump, and an ion pump. The vacuum chamber 130 is maintained at a vacuum of 1 × 10 −8 Pa or more and 1 × 10 −1 Pa or less by the first vacuum pump 120.

冷却装置140は、分析されるべき少なくとも1以上の物質をその3重点以下の温度まで冷却できれば、制限はないが、好ましくは、機械式冷凍機または寒剤である。機械式冷凍機は、具体的には、スターリング冷凍機、ギフォード・マクマホン冷凍機(GM冷凍機)、パルス管冷凍機などである。寒剤は、液体窒素、液体ヘリウムなどである。これらを用いれば、極低温まで冷却できるので、確実に分析したい物質を凍結凝縮させることができる。   The cooling device 140 is not limited as long as it can cool at least one or more substances to be analyzed to the temperature below its triple point, but is preferably a mechanical refrigerator or freezing medium. Specifically, the mechanical refrigerator is a Stirling refrigerator, a Gifford McMahon refrigerator (GM refrigerator), a pulse tube refrigerator, or the like. Cryogens include liquid nitrogen, liquid helium and the like. By using these, since it is possible to cool to cryogenic temperature, it is possible to freeze and condense the substance to be reliably analyzed.

支持体150は、基板160を載置し、冷凍装置140によって基板160を冷却できる構成であれば、特に制限はないが、例えば、コールドヘッドおよび伝熱棒を備え、伝熱棒の先端部に基板160が載置されるようにしてあってもよい。これにより、効率的に基板160を冷却でき、基板160の操作性に優れる。   The support 150 is not particularly limited as long as the substrate 160 can be mounted and the substrate 160 can be cooled by the refrigerator 140. For example, the support 150 includes a cold head and a heat transfer rod, and the tip of the heat transfer rod The substrate 160 may be placed. Thus, the substrate 160 can be efficiently cooled, and the operability of the substrate 160 is excellent.

基板160は、大気中で安定かつ表面が平坦な物質からなれば特に制限はないが、好ましくは、酸化物単結晶、多結晶金属、単結晶金属、単結晶半導体および層状物質からなる群から選択される。より具体的には、酸化物単結晶は、酸化亜鉛、サファイヤ等であり、多結晶金属は、多結晶タンタル、多結晶ニオブ、多結晶タングステン、これらの合金等である。単結晶金属は、単結晶ニオブ等である。単結晶半導体は、単結晶シリコン等である。層状物質は、グラファイトなどである。   The substrate 160 is not particularly limited as long as it is a stable material in the atmosphere and has a flat surface, but is preferably selected from the group consisting of oxide single crystals, polycrystalline metals, single crystal metals, single crystal semiconductors and layered materials. Be done. More specifically, the oxide single crystal is zinc oxide, sapphire or the like, and the polycrystalline metal is polycrystalline tantalum, polycrystalline niobium, polycrystalline tungsten, an alloy thereof or the like. The single crystal metal is single crystal niobium or the like. The single crystal semiconductor is single crystal silicon or the like. Layered materials are graphite and the like.

加熱装置170は、少なくとも分析されるべき1以上の物質を熱脱離温度まで加熱できれば、特に制限はないが、例えば、抵抗加熱装置、赤外線加熱装置および電子衝撃加熱装置からなる群から選択される加熱装置が採用される。これらの加熱装置は操作が簡便であるだけでなく、正確な温度制御を可能にする。また、電磁波加熱装置や誘導加熱装置などを採用することもできる。   The heating device 170 is not particularly limited as long as it can heat at least one or more substances to be analyzed to the thermal desorption temperature, but is selected from the group consisting of, for example, a resistance heating device, an infrared heating device and an electron impact heating device A heating device is employed. These heating devices not only are easy to operate but also allow for precise temperature control. Moreover, an electromagnetic wave heating apparatus, an induction heating apparatus, etc. are also employable.

また、基板160の近傍、例えば、支持体150に熱電対等の温度センサを設置し、冷却装置140による基板160の冷却温度および加熱装置170による基板の加熱温度を正確に測定できるようにしてもよい。   Further, a temperature sensor such as a thermocouple may be installed near the substrate 160, for example, the support 150 so that the cooling temperature of the substrate 160 by the cooling device 140 and the heating temperature of the substrate by the heating device 170 can be accurately measured. .

さらに、冷却装置140および/または加熱装置170の動作を、後述する制御部が、分析されるべき物質の3重点および/または熱脱離温度を格納しており、プログラミングにより制御するようにしてもよい。   Furthermore, the operation of the cooling device 140 and / or the heating device 170 may be controlled by programming, which will be described later, in which the control unit described later stores the triple point and / or thermal desorption temperature of the substance to be analyzed. Good.

なお、図1では、加熱装置170は、支持体150に設置されているように示されるが、この構成に限らない。例えば、加熱装置170として赤外線加熱装置を用いた場合には、基板160に赤外線を照射するように構成してもよい。   In addition, in FIG. 1, although the heating apparatus 170 is shown as being installed in the support body 150, it does not restrict to this structure. For example, when an infrared heating device is used as the heating device 170, the substrate 160 may be irradiated with infrared light.

さらに、本願発明者らは、昇温脱離により分析されるべき1以上の物質のそれぞれの選択的濃縮ガスを質量分析機構180内に適切に吸引するだけでなく、吸引された選択的濃縮ガスにより質量分析機構180内の真空度を制御することが、凍結凝縮−昇温脱離分析により高精度にガス分析を行うために必要であることを見出し、凍結凝縮−昇温脱離分析に好適な質量分析機構180を備えた本発明のガス分析装置100を開発した。質量分析機構180について詳細に説明する。   Furthermore, we have appropriately aspirated the selectively enriched gas of each of the one or more substances to be analyzed by temperature programmed desorption into the mass spectrometry mechanism 180, as well as the aspirated selectively enriched gas It is found that it is necessary to control the degree of vacuum in the mass spectrometric analysis mechanism 180 by gas concentration analysis with high accuracy by freeze condensation-temperature programmed desorption analysis, and suitable for freeze condensation-programmed temperature desorption analysis The gas analyzer 100 of the present invention equipped with a mass spectrometer 180 was developed. The mass spectrometry mechanism 180 will be described in detail.

本発明によるガス分析装置100において、質量分析機構180は、加熱装置170により基板160から脱離した1以上の物質のそれぞれの選択的濃縮ガスを吸引する吸引管181と、吸引管181で吸引された選択的濃縮ガスのうち一部を排気し、質量分析機構180内を真空状態に維持する第2の真空ポンプ182と、排気されなかった残りの選択的濃縮ガスの質量を分析する質量分析器183とをさらに備える。   In the gas analysis apparatus 100 according to the present invention, the mass analysis mechanism 180 is aspirated by the aspiration pipe 181 for aspirating selectively concentrated gas of one or more substances desorbed from the substrate 160 by the heating device 170 and The second vacuum pump 182 exhausts a part of the selected concentrated gas and maintains the inside of the mass analysis mechanism 180 in a vacuum state, and the mass analyzer analyzes the mass of the remaining selectively condensed gas which has not been exhausted. And 183.

図2は、本発明による吸引管の一部を拡大して示す模式図である。   FIG. 2 is a schematic view showing an enlarged part of a suction pipe according to the present invention.

ここで、吸引管181は、その一方の開口端210が基板160の表面に対向するよう配置され、基板160に対して近接するよう移動可能となっている。これにより、基板160以外の場所から脱離した不要なガスの吸引管181への混入が抑制され、高精度な分析を可能にする。吸引管181の移動は、図1では、紙面に対して水平方向に移動するよう示されるが、吸引管181の移動は、基板160の表面に近接するよう移動できればこれに限らない。また、吸引管181の移動は、例えば、真空チャンバ130に設けられた窓(ビューイングポート)から目視にて手動で行ってもよいし、後述する制御部が移動装置などを制御して行ってもよい。   Here, the suction pipe 181 is disposed such that one open end 210 thereof faces the surface of the substrate 160 and is movable so as to be close to the substrate 160. Thereby, the mixing of the unnecessary gas desorbed from the place other than the substrate 160 into the suction pipe 181 is suppressed, and highly accurate analysis is enabled. Although the movement of the suction tube 181 is shown in FIG. 1 as moving in the horizontal direction with respect to the paper surface, the movement of the suction tube 181 is not limited to this as long as it can move close to the surface of the substrate 160. In addition, the movement of the suction tube 181 may be performed manually, for example, visually from a window (viewing port) provided in the vacuum chamber 130, or a control unit described later controls the movement device etc. It is also good.

吸引管181は、一方の開口端210の口径φがそれ以外の部分220の口径Φよりも小さくなるよう先細りの形状を有する。これにより、第2の真空ポンプ182のコンダクタンスを上げることができるので、吸引された選択的濃縮ガスのうち一部の排気を効率的に行うことができる。その結果、質量分析機構180内の真空状態が維持されるので、質量分析器183が確実に動作し、高精度な分析を可能にする。   The suction pipe 181 has a tapered shape such that the diameter φ of one open end 210 is smaller than the diameter φ of the other portion 220. As a result, the conductance of the second vacuum pump 182 can be increased, so that a part of the sucked selective concentrated gas can be efficiently exhausted. As a result, since the vacuum state in the mass spectrometer 180 is maintained, the mass spectrometer 183 operates reliably and enables highly accurate analysis.

吸引管181において、好ましくは、一方の開口端210の口径φに対するそれ以外の部分220の口径Φの比は、2.5以上5.5以下の範囲を満たす。これにより、第2の真空ポンプ182のコンダクタンスをさらに上げることができる。より好ましくは、一方の開口端210の口径φに対するそれ以外の部分220の口径Φの比は、4以上4.5以下の範囲を満たす。これにより、第2の真空ポンプ182のコンダクタンスを確実に上げることができる。   In the suction pipe 181, preferably, the ratio of the diameter Φ of the other portion 220 to the diameter φ of one open end 210 satisfies the range of 2.5 or more and 5.5 or less. Thereby, the conductance of the second vacuum pump 182 can be further increased. More preferably, the ratio of the diameter Φ of the other portion 220 to the diameter φ of one open end 210 satisfies the range of 4 or more and 4.5 or less. Thereby, the conductance of the second vacuum pump 182 can be reliably increased.

吸引管181において、好ましくは、一方の開口端210の口径φは、5mm以上7mm以下の範囲を満たす。これにより、真空チャンバ130と質量分析機構180との間の真空を仕切ることができる。   In the suction pipe 181, preferably, the bore diameter φ of one open end 210 satisfies the range of 5 mm or more and 7 mm or less. Thereby, the vacuum between the vacuum chamber 130 and the mass analysis mechanism 180 can be divided.

吸引管181において、好ましくは、一方の開口端210の管厚は、それ以外の部分220のそれよりも厚い。これにより、吸引管181を基板160に十分に接近させても、熱輻射による基板160の温度上昇が抑制されるので、正確な温度上昇を可能にし、分析を高精度に行うことができる。   In the suction tube 181, preferably, the tube thickness of one open end 210 is thicker than that of the other portion 220. As a result, even if the suction pipe 181 is sufficiently brought close to the substrate 160, the temperature rise of the substrate 160 due to the heat radiation is suppressed, so that the temperature rise can be made accurate and the analysis can be performed with high accuracy.

吸引管181は、好ましくは、放射率の小さな材料からなり、具体的には、波長1μmの光に対して、0以上0.5以下の範囲を満たす放射率を有する材料からなる。これにより、吸引管181が基板160の表面に近接させた場合であっても、質量分析機構180内の熱輻射による温度上昇を抑制することができる。上述の放射率を満たす材料は、例示的には、ステンレス、表面を研磨したアルミニウム等である。   The suction tube 181 is preferably made of a material having a small emissivity, specifically, a material having an emissivity satisfying the range of 0 or more and 0.5 or less with respect to light having a wavelength of 1 μm. Thereby, even when the suction pipe 181 is brought close to the surface of the substrate 160, it is possible to suppress the temperature rise due to the heat radiation in the mass analysis mechanism 180. The material satisfying the above-mentioned emissivity is, for example, stainless steel, aluminum whose surface is polished, or the like.

第2の真空ポンプ182は、第1の真空ポンプ120と同様に、ロータリーポンプ、油拡散ポンプ、ターボ分子ポンプおよびイオンポンプからなる群から1以上選択されるポンプであるが、第2の真空ポンプ182により、質量分析機構180が、真空チャンバ130の真空度よりも低く維持され、好ましくは、1×10−8Pa以上1×10−2Pa以下の範囲の真空状態に維持される。これにより、吸引管181で吸引された選択的濃縮ガスの一部の排気を確実にし、質量分析器183の動作範囲となるので、質量分析を確実に行うことができる。 Similar to the first vacuum pump 120, the second vacuum pump 182 is one or more pumps selected from the group consisting of a rotary pump, an oil diffusion pump, a turbo molecular pump, and an ion pump, but the second vacuum pump By 182, the mass spectrometry mechanism 180 is maintained lower than the degree of vacuum of the vacuum chamber 130, preferably in a vacuum state of 1 × 10 −8 Pa or more and 1 × 10 −2 Pa or less. This ensures evacuation of part of the selectively concentrated gas aspirated by the aspirating tube 181, and the operation range of the mass spectrometer 183 is achieved, so that mass spectrometry can be performed reliably.

なお、図1では、第2の真空ポンプ182は単一で示されるが、多段階に真空ポンプを設けて、上記の真空状態を維持するよう構成してもよい。   Although the second vacuum pump 182 is shown as a single unit in FIG. 1, vacuum pumps may be provided in multiple stages to maintain the above-described vacuum state.

質量分析器183は、質量分析に用いられる任意の質量分析器が採用されるが、例示的には、四重極質量分析器、飛行時間質量分析器、および、サイクロトロン共鳴質量分析器からなる群から選択される質量分析器である。これらであれば、本発明の質量分析装置に適用し、動作し得る。中でも、四重極質量分析器は、1×10−2Paの真空度においても動作するので、質量分析機構180内の真空度を高真空に維持する必要がないので、有利である。 The mass analyzer 183 employs any mass analyzer used for mass analysis, but exemplarily includes a group consisting of a quadrupole mass analyzer, a time-of-flight mass analyzer, and a cyclotron resonance mass analyzer. A mass spectrometer selected from These can be applied to and operate in the mass spectrometer of the present invention. Among other things, the quadrupole mass spectrometer operates at a vacuum of 1 × 10 −2 Pa, which is advantageous because it is not necessary to maintain the vacuum in the mass spectrometer 180 at a high vacuum.

質量分析器183は、選択的濃縮ガスについて昇温脱離スペクトルを測定する。上述した制御部が、昇温脱離スペクトルのデータを受け取り、ピーク面積を算出し、質量分析を行ってもよい。   Mass spectrometer 183 measures the thermal desorption spectrum for the selectively enriched gas. The control unit described above may receive the data of the temperature-programmed desorption spectrum, calculate the peak area, and perform mass analysis.

再度図1に戻り、本発明のガス分析装置100は、支持体150の動作を制御する移動機構(図示せず)をさらに備えてもよい。移動機構は、例えば、支持体150の上部に設けられ、支持体150をx、yおよびz方向に移動させ、かつ、回転させることができる。これにより、支持体150が、冷却装置140による冷却や加熱装置170による加熱によって変形をしても、支持体150に載置された基板160と、吸引管181の一方の開口端210とを確実に対向させることができるので、高精度な分析を達成できる。   Returning to FIG. 1 again, the gas analyzer 100 of the present invention may further include a moving mechanism (not shown) that controls the operation of the support 150. The moving mechanism is, for example, provided on the top of the support 150, and can move and rotate the support 150 in the x, y and z directions. Thereby, even if the support 150 is deformed by the cooling by the cooling device 140 or the heating by the heating device 170, the substrate 160 mounted on the support 150 and the one open end 210 of the suction pipe 181 can be secured. High accuracy analysis can be achieved.

本発明のガス分析装置100は、移動機構および/または吸引管181の動作を制御する制御部(図示せず)をさらに備えてもよい。制御部は、支持体150に載置された基板160の表面と、吸引管181の一方の開口端210とが平行に対向するよう、移動機構による支持体150の移動、および/または、吸引管181の移動を制御する。制御部は、移動機構の動作および吸引管181の動作の両方を同時に制御してもよいし、いずれか一方を制御してもよい。   The gas analyzer 100 of the present invention may further include a control unit (not shown) that controls the movement mechanism and / or the operation of the suction pipe 181. The control unit moves the support 150 by the moving mechanism and / or the suction tube so that the surface of the substrate 160 placed on the support 150 and the one open end 210 of the suction tube 181 face in parallel. Control the movement of 181. The control unit may simultaneously control both the operation of the moving mechanism and the operation of the suction tube 181, or may control either one.

制御部は、中央演算処理装置(CPU)や特定用途向け集積回路(ASIC)を備え、移動機構による支持体150の移動、および/または、吸引管181の移動を制御する。これにより、確実に基板160の表面と吸引管181の一方の開口端210とを平行に対向させることができるので、基板160から脱離した選択的濃縮ガスが吸引され、分析の制度が向上し得る。   The control unit includes a central processing unit (CPU) and an application specific integrated circuit (ASIC), and controls the movement of the support 150 by the moving mechanism and / or the movement of the suction pipe 181. As a result, the surface of the substrate 160 and one open end 210 of the suction tube 181 can be made to face each other in parallel, so that the selectively concentrated gas desorbed from the substrate 160 is sucked, and the system of analysis is improved. obtain.

より好ましくは、制御部は、基板160の表面と一方の開口耐210との距離が0mmより大きく3mm以下の範囲となるよう、移動機構による支持体150の移動、および/または、吸引管181の移動を制御する。これにより、基板160からの選択的濃縮ガスを吸引した場合であっても、質量分析機構180内の熱輻射による温度上昇および真空度変動が質量分析器183に実質的に影響を及ぼすことはないので、確実に分析できる。   More preferably, the control unit moves the support 150 by the moving mechanism and / or the suction tube 181 such that the distance between the surface of the substrate 160 and the one opening resistance 210 is in the range of more than 0 mm and 3 mm or less. Control the movement. Thereby, even when the selective concentration gas from substrate 160 is sucked, temperature rise and vacuum fluctuation due to heat radiation in mass spectroscope 180 do not substantially affect mass spectrometer 183. So you can analyze it reliably.

さらに好ましくは、制御部は、基板160の表面と一方の開口耐210との距離が0.5m以上1mm以下の範囲となるよう、移動機構による支持体150の移動、および/または、吸引管181の移動を制御する。これにより、選択的濃縮ガスを吸引した場合であっても、質量分析機構180内の熱輻射による温度上昇を確実に抑制し、真空度が低減されるので、高精度に分析できる。   More preferably, the control unit moves the support 150 by the moving mechanism and / or the suction tube 181 such that the distance between the surface of the substrate 160 and the one opening resistance 210 is in the range of 0.5 m to 1 mm. Control the movement of As a result, even when the selective concentration gas is sucked, the temperature rise due to the heat radiation in the mass analysis mechanism 180 is surely suppressed and the degree of vacuum is reduced, so that the analysis can be performed with high accuracy.

次に、図1〜図5を参照し、本発明の複数の物質から構成されるガスのうち1以上の物質の質量を分析するガス分析をするガス分析方法を説明する。なお、分析されるべき1以上の物質は、ガス分析装置100において説明したとおりであるので、説明を省略する。   Next, with reference to FIGS. 1 to 5, a gas analysis method for gas analysis will be described, which analyzes the mass of one or more substances out of the plurality of substances according to the present invention. In addition, since one or more substances to be analyzed are as described in the gas analyzer 100, the description will be omitted.

図3は、本発明のガス分析を行うフローチャートである。
図4は、凍結凝縮および選択的濃縮ガスを模式的に示す図である。
FIG. 3 is a flow chart of gas analysis of the present invention.
FIG. 4 is a diagram schematically showing freeze condensation and selective enrichment gas.

ステップS310:真空チャンバ130(図1)内を真空排気する。ここで、真空チャンバ130は、第1の真空ポンプ120(図1)等により1×10−8Pa以上1×10−1Pa以下の範囲の真空状態に維持される。 Step S310: The inside of the vacuum chamber 130 (FIG. 1) is evacuated. Here, the vacuum chamber 130 is maintained at a vacuum of 1 × 10 −8 Pa or more and 1 × 10 −1 Pa or less by the first vacuum pump 120 (FIG. 1) or the like.

ステップS320:真空チャンバ130内に位置する基板160(図1)を、例えば冷却装置140(図1)等により、少なくとも1以上の物質のそれぞれが有する3重点の中でももっとも低い3重点以下の温度まで冷却する。次いで、真空チャンバ130にガスを導入する。これにより、基板160上に複数の物質から構成されるガスのうち少なくとも分析されるべき1以上の物質が凍結凝縮される。例示的な分析される物質として、クリプトン、アルゴン、ネオン等の希ガス元素、アセトン等の揮発性有機化合物の3重点および熱脱離温度を表1に示す。   Step S320: The substrate 160 (FIG. 1) located in the vacuum chamber 130 is, for example, by the cooling device 140 (FIG. 1) or the like to the lowest temperature of the triple point among the at least one substance. Cooling. Then, a gas is introduced into the vacuum chamber 130. Thereby, at least one or more substances to be analyzed out of the gas composed of a plurality of substances are freeze-condensed on the substrate 160. As an illustrative substance to be analyzed, krypton, rare gas elements such as argon and neon, triple points of volatile organic compounds such as acetone and thermal desorption temperatures are shown in Table 1.

図4を参照し、凍結凝縮の様子を詳述する。図4(A)に示されるように、基板160の領域410を、少なくとも1以上の物質のそれぞれが有する3重点の中でももっとも低い3重点以下の温度まで冷却する。   The state of freezing and condensation will be described in detail with reference to FIG. As shown in FIG. 4A, the region 410 of the substrate 160 is cooled to a temperature not higher than the triple point of the at least one or more substances.

次に、図4(B)に示されるように、分析されるべき1以上の物質(黒色)とそれ以外の物質(白色)とからなるガスが導入される。ここでは、簡単のため、分析されるべき1以上の物質、および、それ以外の物質は、それぞれ1種であるものとする。すなわち、複数の物質からなるガスは、2種の物質からなるものとする。さらに、それ以外の物質の3重点は、分析されるべき1以上の物質のそれよりも高いものとする。   Next, as shown in FIG. 4 (B), a gas consisting of one or more substances to be analyzed (black) and the other substances (white) is introduced. Here, for the sake of simplicity, it is assumed that one or more substances to be analyzed and other substances are each one. That is, the gas consisting of a plurality of substances is made of two kinds of substances. Furthermore, the triple point of the other substances shall be higher than that of the one or more substances to be analyzed.

ガスが導入されると、図4(C)に示されるように、いずれの物質も基板160の領域410上に凍結凝縮する。すなわち、分析されるべき1以上の物質は必ず基板160上に凍結凝縮される。図4(C)ではすべての物質が実質的に凍結凝縮される例を示したが、これに限らない。少なくとも分析されるべき1以上の物質が凍結凝縮されればよいので、それ以外の物質の3重点が、1以上の物質のそれよりも顕著に低く、ステップS320において、基板160を、それ以外の物質の3重点よりも高く、かつ、1以上の物質の3重点以下に冷却してもよい。   When the gas is introduced, any substance freezes and condenses on the area 410 of the substrate 160, as shown in FIG. 4 (C). That is, one or more substances to be analyzed are always frozen and condensed on the substrate 160. Although FIG. 4C shows an example in which all substances are substantially freeze-condensed, the present invention is not limited to this. Since at least one or more substances to be analyzed may be freeze-condensed, the triple point of the other substances is significantly lower than that of the one or more substances, and in step S320, the substrate 160 is The temperature may be higher than the triple point of the substance and may be lower than the triple point of one or more substances.

表1に示されるように、通常、物質の3重点は、その熱脱離温度より高い。したがって、好ましくは、基板160を少なくとも1以上の物質のそれぞれが有する熱脱離温度の中でもっとも低い熱脱離温度以下の温度まで冷却する。これにより、基板160上に1以上の物質を確実に凍結凝縮させることができる。   As shown in Table 1, the triple point of the material is usually above its thermal desorption temperature. Thus, preferably, the substrate 160 is cooled to a temperature below the lowest thermal desorption temperature of the thermal desorption temperatures of each of the at least one substance. Thereby, one or more substances can be surely frozen and condensed on the substrate 160.

ステップS320において、好ましくは、ガスを1×10−8Pa以上1×10−1Pa以下の範囲の分圧で導入し、20秒以上15分以下の範囲の時間、凍結凝縮させる。この条件でガスを導入すれば、所定量の1以上の物質を凍結凝縮できるので、質量分析を行うことができる。より好ましくは、ガスは、1分以上15分以下の範囲の時間凍結凝縮される。これにより、さらに多くの1以上の物質が凍結凝縮されるので、昇温脱離スペクトルのピーク強度が向上し、検出限界が低減され得る。15分を超えると、後述するステップS330の昇温脱離により真空度が低下する恐れがある。さらに好ましくは、ガスは、3分以上10分以下の範囲の時間凍結凝縮される。これにより、昇温脱離スペクトルのピーク強度がさらに向上し、ピーク面積が増大するので、検出限界のさらなる低減が可能となり、真空度の低下を抑制して、高精度に分析できる。 In step S320, preferably, the gas is introduced at a partial pressure in the range of 1 × 10 −8 Pa to 1 × 10 −1 Pa, and freeze condensation is performed for a time in the range of 20 seconds to 15 minutes. If a gas is introduced under these conditions, a predetermined amount of one or more substances can be freeze-condensed, and mass analysis can be performed. More preferably, the gas is freeze-condensed for a time ranging from 1 minute to 15 minutes. This freezes and condenses more one or more substances, thereby improving the peak intensity of the thermal desorption spectrum and reducing the detection limit. If it exceeds 15 minutes, there is a possibility that the degree of vacuum may decrease due to the temperature rising and releasing in step S330 described later. More preferably, the gas is freeze condensed for a time ranging from 3 minutes to 10 minutes. As a result, the peak intensity of the temperature-programmed desorption spectrum is further improved and the peak area is increased. Therefore, the detection limit can be further reduced, and a decrease in the degree of vacuum can be suppressed to allow high-accuracy analysis.

ステップS330:基板160を、例えば加熱装置170(図1)等により加熱し、基板160から1以上の物質のそれぞれを脱離させる。熱脱離温度は物質固有であるので、1以上の物質のそれぞれの熱脱離温度となるよう昇温・加熱を行う。これにより、各熱脱離温度において、分析されるべき1以上の物質のそれぞれが選択的に脱離した濃縮したガス(選択的濃縮ガス)が得られる。簡易的には、加熱は、1以上の物質のそれぞれの熱脱離温度±20Kの範囲(熱脱離温度の少なくとも−20K以上から熱脱離温度の少なくとも+20K以下の範囲に同義)でよいが、より好ましくは、加熱は、1以上の物質のそれぞれの熱脱離温度±30Kの範囲まで行う。これにより、正確な熱脱離ピークが得られるので、高精度に分析できる。例示的な分析される物質として、クリプトン、アルゴン、ネオン等の希ガス元素、アセトン等の揮発性有機化合物に固有の熱脱離温度を表1に示す。   Step S330: The substrate 160 is heated by, for example, the heating device 170 (FIG. 1) or the like to separate one or more substances from the substrate 160. Since the thermal desorption temperature is specific to the substance, the temperature is raised and heated so as to be the thermal desorption temperature of each of one or more substances. This provides a concentrated gas (selective enrichment gas) in which each of the one or more substances to be analyzed is selectively eliminated at each thermal desorption temperature. Briefly, heating may be in the range of each thermal desorption temperature ± 20 K of one or more substances (synonymous in the range of at least -20 K or more of thermal desorption temperature to at least +20 K or less of thermal desorption temperature) More preferably, the heating is performed to the range of the thermal desorption temperature of each of the one or more substances ± 30 K. As a result, an accurate thermal desorption peak can be obtained, so that analysis can be performed with high accuracy. Thermal desorption temperatures specific to rare gas elements such as krypton, argon, neon and volatile organic compounds such as acetone are shown in Table 1 as an exemplary substance to be analyzed.


再度図4を参照する。図4(D)に示されるように、ステップS330の加熱により、基板160の領域410は、分析されるべき物質(黒色)の熱脱離温度となるよう加熱される。ステップS320で凍結凝縮された2つの物質のうち、分析されるべき物質が、基板160からすべて熱脱離する。熱脱離温度は物質固有であるため、それ以外の物質(白色)は熱脱離することなく、基板160にとどまる。その結果、主として分析される物質からなる選択的濃縮ガス420が得られる。すなわち、選択的濃縮ガスは、分析される物質単体からなることが望ましいが、分析可能な範囲において不可避の他の物質を含有していてもよい。   Refer to FIG. 4 again. As shown in FIG. 4D, the heating in step S330 heats the region 410 of the substrate 160 to the thermal desorption temperature of the substance to be analyzed (black). Of the two substances freeze-condensed in step S320, the substances to be analyzed are all thermally desorbed from the substrate 160. Since the thermal desorption temperature is intrinsic to the substance, the other substances (white) remain on the substrate 160 without thermal desorption. The result is a selectively enriched gas 420 consisting primarily of the material to be analyzed. That is, although it is desirable that the selective enrichment gas consists of the substance to be analyzed alone, it may contain other substances unavoidable in the analytical range.

表1に示されるように、熱脱離温度は、通常、3重点よりも低い。したがって、実務的には、ステップS330に先立って、真空チャンバ内に凍結凝縮されず残ったガスを除去するために真空チャンバ内を排気することがよい。これにより、高精度な分析を可能にする。続いて、基板160を、冷却装置による冷却可能温度程度(例えば、冷却装置として2段式GM冷凍機を用いた場合には5Kなどの数K、1段式GM冷凍機を用いた場合には50Kなどの数十K)まで冷却し、続いて、ステップS330を行うことがよい。これにより、1以上の物質のそれぞれを固有の熱脱離温度で確実に昇温脱離させることができる。ステップS330において、極低温(例えば、数K〜数十K)から室温程度まで連続的に昇温すれば、1以上の物質のそれぞれの熱脱離ピークを有する昇温脱離スペクトルが得られる。   As shown in Table 1, the thermal desorption temperature is usually lower than triple point. Therefore, in practice, prior to step S330, the inside of the vacuum chamber may be evacuated to remove the gas remaining in the vacuum chamber without being freeze condensed. This enables high precision analysis. Subsequently, the substrate 160 can be cooled to a temperature that can be cooled by a cooling device (for example, a number K such as 5 K when a two-stage GM refrigerator is used as the cooling device, a one-stage GM refrigerator) It is good to cool to several tens of K, such as 50 K, and then to perform step S330. Thereby, each of the one or more substances can be surely heated and desorbed at the inherent thermal desorption temperature. In step S330, when the temperature is continuously raised from a cryogenic temperature (eg, several K to several tens of K) to about room temperature, a temperature-programmed desorption spectrum having each thermal desorption peak of one or more substances can be obtained.

好ましくは、ステップS330において、基板160を、極低温から1以上の物質のそれぞれの熱脱離温度まで、2K/分以上8K/分以下の昇温速度で昇温する。このような昇温速度により、分析されるべき1以上の物質は確実に基板160から熱脱離するので、それぞれの選択的濃縮ガスが効率的に得られる。   Preferably, in step S330, the substrate 160 is heated from a cryogenic temperature to the thermal desorption temperature of one or more substances at a temperature rising rate of 2 K / min to 8 K / min. Such a heating rate ensures that one or more substances to be analyzed are thermally desorbed from the substrate 160, so that each selectively enriched gas is efficiently obtained.

ステップS340:質量分析器183(図1)を用いて1以上の物質の質量を分析する。一方の開口端の口径がそれ以外の部分の口径よりも小さい吸引管181(図1)を用い、一方の開口端を基板160(図1)に接触しないよう対向させながら1以上の物質を吸引管181で吸引するとともに、吸引管181で吸引された1以上の物質の一部を排気し、かつ、残りを質量分析器183で分析する。   Step S340: Analyze mass of one or more substances using a mass spectrometer 183 (FIG. 1). Using a suction tube 181 (FIG. 1) whose aperture diameter at one open end is smaller than the aperture diameter of the other part, suction one or more substances while facing one open end so as not to contact the substrate 160 (FIG. 1) While aspirating with the pipe 181, a part of the one or more substances aspirated with the aspirating pipe 181 is evacuated, and the remainder is analyzed with the mass spectrometer 183.

ステップS330で得られた選択的濃縮ガスは、吸引管181により吸引され質量分析器183を用いて分析されるが、一方の開口端を基板に接触しないよう対向させながら選択的濃縮ガスを吸引するので、基板以外の場所から脱離した不要なガスの混入が抑制され、高精度な分析を可能にする。また、吸引管181の一方の開口端の口径がそれ以外の部分の口径よりも小さいので、吸引管181で吸引された選択的濃縮ガスの一部の排気が効率的に行われる。その結果、質量分析器183の動作可能な真空状態が維持されるので、質量分析器183が動作し、分析を可能にする。   The selective enrichment gas obtained in step S330 is aspirated by the aspiration tube 181 and analyzed using the mass spectrometer 183, but the selective enrichment gas is aspirated while the one open end is opposed so as not to contact the substrate. Therefore, the mixture of unnecessary gas desorbed from the place other than the substrate is suppressed, enabling highly accurate analysis. In addition, since the bore diameter of one open end of the suction pipe 181 is smaller than the bore diameter of the other part, exhaust of a part of the selectively concentrated gas sucked by the suction pipe 181 is efficiently performed. As a result, the operable vacuum state of mass analyzer 183 is maintained so that mass analyzer 183 operates and allows analysis.

ステップS340において、好ましくは、1×10−8Pa以上1×10−2Pa以下の範囲の真空状態を維持するよう、ステップS330で熱脱離した1以上の物質のそれぞれの一部を排気する。これにより、質量分析器183が確実に動作する。 In step S340, preferably, a portion of each of the one or more substances thermally desorbed in step S330 is evacuated so as to maintain a vacuum state in the range of 1 × 10 −8 Pa or more and 1 × 10 −2 Pa or less. . This ensures that the mass spectrometer 183 operates.

ステップS340において、好ましくは、吸引管181の一方の開口端と基板160(図1)との距離が0mmより大きく3mm以下の範囲となるよう、吸引管181を基板160に対向させる。これにより、基板160からの選択的濃縮ガスを吸引した場合であっても、熱輻射による温度上昇および真空度変動が質量分析器183に実質的に影響を及ぼすことはないので、確実に分析できる。   In step S340, preferably, the suction pipe 181 is opposed to the substrate 160 such that the distance between one opening end of the suction pipe 181 and the substrate 160 (FIG. 1) is in the range of more than 0 mm and 3 mm or less. Thereby, even when the selective concentration gas from substrate 160 is sucked, the temperature rise and the vacuum degree fluctuation by the heat radiation do not substantially affect mass spectrometer 183, so that it can be surely analyzed. .

ステップS340において、より好ましくは、吸引管181の一方の開口端と基板160との距離が0.5mm以上1mm以下の範囲となるよう、吸引管181を基板160に対向させる。これにより、選択的濃縮ガスを吸引した場合であっても、熱輻射による温度上昇を確実に抑制し、真空度が低減されるので、高精度に分析できる。また、0.5mm以上の距離があるので、冷却・加熱による支持体150の変形があっても、吸引管181が基板160に衝突して破損することはない。   In step S340, more preferably, the suction pipe 181 is opposed to the substrate 160 such that the distance between one open end of the suction pipe 181 and the substrate 160 is in the range of 0.5 mm or more and 1 mm or less. As a result, even in the case where the selective concentration gas is sucked, the temperature rise due to heat radiation is surely suppressed and the degree of vacuum is reduced, so that analysis can be performed with high accuracy. Further, since there is a distance of 0.5 mm or more, even if the support 150 is deformed due to cooling and heating, the suction pipe 181 does not collide with the substrate 160 and break.

ステップS340において、好ましくは、質量分析器183は、熱脱離した1以上の物質のそれぞれの熱脱離ピークを有する昇温脱離スペクトルを測定する。得られた昇温脱離スペクトルに基づいて、1以上の物質のそれぞれの質量分析が行われる。このような昇温脱離スペクトルは、通常の質量分析器183を用いれば容易に得られる。さらに好ましくは、質量分析は、昇温脱離スペクトルのピーク面積を算出することによって行われる。このような算出は、手動にて行ってもよいし、CPUを備えた制御部が行ってもよい。   In step S340, preferably, mass spectrometer 183 measures a thermal desorption spectrum having thermal desorption peaks of each of the thermally desorbed one or more substances. Mass spectrometry of each of the one or more substances is performed based on the temperature-programmed desorption spectrum obtained. Such a temperature programmed desorption spectrum can be easily obtained by using a conventional mass spectrometer 183. More preferably, mass spectrometry is performed by calculating the peak area of the thermal desorption spectrum. Such calculation may be performed manually or may be performed by a control unit provided with a CPU.

図5は、予備的凍結凝縮による凍結凝縮および選択的濃縮ガスを模式的に示す図である。   FIG. 5 is a view schematically showing freeze condensation and selective enrichment gas by preliminary freeze condensation.

図4を参照し、ステップ320の凍結凝縮は、導入された複数の物質からなるガスに対して1回のみ行われる様子を示したが、本発明はこれに限らない。ステップS320は、導入された複数の物質からなるガスのうち、分析されるべき1以上の物質とは異なる少なくとも一部の物質(簡単のため、除去物質と称する)を予備的に凍結凝縮させてもよい。予備的凍結凝縮は、分析されるべき1以上の物質のそれぞれの熱脱離温度が、除去物質のそれよりも低い場合に、除去物質の影響を受けない選択的濃縮ガスが確実に得られるので有効である。   Referring to FIG. 4, the freeze condensation in step 320 is shown to be performed only once for the introduced gas consisting of a plurality of substances, but the present invention is not limited thereto. Step S320 preliminarily freeze-condenses at least a part of the introduced plurality of substances, which is different from the one or more substances to be analyzed (referred to as removal substance for simplicity) It is also good. The preliminary freeze-condensation ensures that a selectively enriched gas that is not affected by the removal material is obtained if the thermal desorption temperature of each of the one or more materials to be analyzed is lower than that of the removal material. It is valid.

図5(A)に示されるように、基板160の一部の領域510を、1以上の物質のそれぞれが有する熱脱離温度の中でももっとも高い熱脱離温度より高く、かつ、除去物質が有する熱脱離温度以下の温度に冷却する。   As shown in FIG. 5A, the partial region 510 of the substrate 160 is higher than the highest thermal desorption temperature among the thermal desorption temperatures of one or more of the substances, and the removal material has Cool to a temperature below the thermal desorption temperature.

次に、図5(B)に示されるように、分析されるべき1以上の物質(黒色)と除去物質(白色)とからなるガスが導入される。ここでは、簡単のため、分析されるべき1以上の物質、および、除去物質は、それぞれ1種であるものとする。すなわち、複数の物質からなるガスは、2種の物質からなるものとする。さらに、除去物質の熱脱離温度は、分析されるべき1以上の物質のそれよりも高い。   Next, as shown in FIG. 5 (B), a gas comprising one or more substances (black) to be analyzed and a removal substance (white) is introduced. Here, for the sake of simplicity, one or more substances to be analyzed and one substance to be removed are each one. That is, the gas consisting of a plurality of substances is made of two kinds of substances. In addition, the thermal desorption temperature of the removal material is higher than that of the one or more materials to be analyzed.

ガスが導入されると、図5(C)に示されるように、2種の物質のうち除去物質のみが基板160の領域510上に凍結凝縮する。ここで、分析されるべき物質はまだ凍結凝縮されていない。   When the gas is introduced, only the removal substance of the two substances freezes and condenses on the area 510 of the substrate 160 as shown in FIG. 5 (C). Here, the substance to be analyzed has not yet been freeze-condensed.

次いで、図5(D)に示すように、基板160の別の領域520を1以上の物質のそれぞれが有する熱脱離温度の中でももっとも低い熱脱離温度以下の温度まで冷却する。残留しているガスは、実質的に分析されるべき1以上の物質のみであるため、図5(E)に示すように、基板160の別の領域520に1以上の物質のみを凍結凝縮させることができる。   Next, as shown in FIG. 5D, the other region 520 of the substrate 160 is cooled to a temperature equal to or lower than the lowest thermal desorption temperature among the thermal desorption temperatures of one or more of the substances. Since the remaining gas is substantially only one or more substances to be analyzed, as shown in FIG. 5E, only one or more substances are frozen and condensed in another region 520 of the substrate 160. be able to.

図5(F)に示されるように、ステップS330の加熱により、基板160の別の領域520は、分析されるべき物質(黒色)の熱脱離温度となるよう加熱され、凍結凝縮された分析される物質が、基板160の別の領域520からすべて熱脱離する。その結果、分析される物質のみからなる選択的濃縮ガス530が得られる。   As shown in FIG. 5F, the heating in step S330 causes another region 520 of the substrate 160 to be heated to the thermal desorption temperature of the substance to be analyzed (black), and the freeze-condensed analysis. The substance to be removed is all thermally desorbed from another area 520 of the substrate 160. As a result, a selectively enriched gas 530 consisting only of the substance to be analyzed is obtained.

このようにして得られた選択的濃縮ガス530は、除去物質の予備的凍結凝縮を行っているので、例えば図4(D)に示す選択的濃縮ガス420よりも、含有される除去物質が劇的に少ない。このような選択的濃縮ガス530を質量分析するので、高精度な分析を可能にする。   Since the selective enrichment gas 530 obtained in this manner performs preliminary freeze-condensation of the removal material, the removal material contained is more effective than, for example, the selective concentration gas 420 shown in FIG. 4 (D). As little as possible. Mass spectrometric analysis of such a selectively enriched gas 530 enables highly accurate analysis.

また、予備的凍結凝縮を複数回行い、2以上の物質を予備的凍結凝縮し、2以上の影響を除去することもできる。   It is also possible to carry out preliminary freeze-condensing multiple times to pre-freeze freeze-condens two or more substances and remove two or more effects.

以上説明してきたように、本発明によるガス分析装置100と、上述した非特許文献1に代表されるクライオフォーカス−GC−MSとは、本発明によるガス分析装置100がガスクロマトグラフィによる物質の分離ではなく、物質固有の熱脱離温度を利用した物質の分離を行う点で装置構成がまったく異なっており、当然ながら、凍結凝縮−昇温脱離分析に必須の質量分析機構180を備えていないことに留意されたい。   As described above, the gas analyzer 100 according to the present invention and the cryofocus-GC-MS represented by the above-mentioned non-patent document 1 are examples of the gas analyzer 100 according to the present invention for separating substances by gas chromatography. The apparatus configuration is completely different in that the substance separation is performed using the thermal desorption temperature unique to the substance, and naturally, the mass spectroscope 180 essential for freeze condensation-thermal desorption analysis is not provided. Please note.

また、本発明によるガス分析装置100と、上述した非特許文献2および3に代表される極低温TPD装置とは、本発明によるガス分析装置がガス分析に特化した構成となっており、極低温TPD装置が質量分析機構180を備えていない点で装置構成が異なっていることに留意されたい。   Further, the gas analysis apparatus 100 according to the present invention and the cryogenic TPD apparatuses represented by the non-patent documents 2 and 3 described above have a configuration in which the gas analysis apparatus according to the present invention is specialized for gas analysis. It should be noted that the device configuration differs in that the low temperature TPD device does not include the mass analysis mechanism 180.

さらに、装置構成が異なる以上、本発明によるガス分析方法の手順も、当然ながら、クライオフォーカス−GC−MS、ならびに、極低温TPD装置のそれとは異なることは明らかである。   Furthermore, as far as the apparatus configuration is different, it is obvious that the procedure of the gas analysis method according to the present invention is, of course, also different from that of cryofocus-GC-MS and cryogenic TPD apparatuses.

本発明のガス分析装置100およびガス分析方法は、低温凝縮−昇温脱離分析を行うが、上述したようにガスが複数の物質(成分)から構成されている場合であっても、各物質の分離は、物質固有の熱脱離温度を利用して、基板表面の温度を制御するだけでよい。各物質の分離は容易に行われるので、ガス種の物質数に応じた熱脱離ピークを有する昇温脱離スペクトルが得られ、各熱脱離ピークから質量分析ができる。   The gas analyzer 100 and the gas analysis method of the present invention perform low temperature condensation-temperature programmed desorption analysis, but as described above, even if the gas is composed of a plurality of substances (components), each substance In the separation of the substrate, it is only necessary to control the temperature of the substrate surface by utilizing the thermal desorption temperature specific to the substance. Since the separation of each substance is easily performed, a temperature-programmed desorption spectrum having a thermal desorption peak corresponding to the number of gas species can be obtained, and mass spectrometry can be performed from each thermal desorption peak.

さらに本発明のガス分析装置100およびガス分析方法では、同じ分子量を有する異なる分子種の分離も可能である。同じ分子量を有してもいても異なる分子種であれば、熱脱離温度が異なるので、異なる温度において熱脱離ピークを有する昇温脱離スペクトルが得られることになる。呼気に含有されるアセトンおよびプロピオンアルデヒドは、いずれも分子量が58であるが、本発明のガス分析装置100およびガス分析方法を採用すれば、異なる温度でm/z=58の熱脱離ピークを有する昇温脱離スペクトルが容易に得られる。   Furthermore, in the gas analysis apparatus 100 and the gas analysis method of the present invention, separation of different molecular species having the same molecular weight is also possible. If thermal species have the same molecular weight but are different molecular species, the thermal desorption temperature is different, so that a temperature-programmed desorption spectrum having thermal desorption peaks at different temperatures is obtained. Both acetone and propionaldehyde contained in exhaled breath have a molecular weight of 58, but if the gas analyzer 100 and gas analysis method of the present invention are employed, the thermal desorption peak of m / z = 58 at different temperatures is obtained. The temperature rising desorption spectrum is easily obtained.

さらに本発明のガス分析装置100およびガス分析方法では、上述したようにガスクロマトグラフィを不要とし、単に基板160の温度を制御するだけでガス分離ができる。このため、これによりクライオフォーカス−GC−MSに比べて、装置は簡便となるだけでなく、小さくすることができる。また、装置の操作が簡単になるので、熟練の技術や知識を要しない。   Furthermore, in the gas analysis apparatus 100 and the gas analysis method of the present invention, as described above, gas chromatography is not required, and gas separation can be performed simply by controlling the temperature of the substrate 160. Therefore, not only the apparatus can be simplified but also smaller than cryofocus-GC-MS. In addition, since the operation of the device is simplified, skilled skills and knowledge are not required.

次に具体的な実施例を用いて本発明を詳述するが、本発明がこれら実施例に限定されないことに留意されたい。   Next, the present invention will be described in detail using specific examples, but it should be noted that the present invention is not limited to these examples.

[実施例1]
実施例1では、具体的な本発明のガス分析装置を構成した。
図6は、実施例1で構築した本発明のガス分析装置の模式図である。
Example 1
In Example 1, a specific gas analyzer of the present invention was configured.
FIG. 6 is a schematic view of the gas analyzer of the present invention constructed in the first embodiment.

実施例1のガス分析装置は、バリアブルリークバルブ13を備えたガスを導入する導入管を有し、第1の真空ポンプ12を備える超高真空(UHV)チャンバ14(ベース圧力:7×10−9Pa)と、UHVチャンバ14に接続されるギフォード・マクマホン型クローズドサイクルHe機械式冷凍機1〜3(Iwatani製、HE05、コンプレッサ1、フレキシブルチューブ2、冷凍機3)と、機械式冷凍機3に接続され、UHVチャンバ14内に配置されたコールドヘッド15と伝熱棒5とからなる支持体と、支持体の伝熱棒5の先端に載置された酸化亜鉛単結晶基板7を加熱する加熱装置として抵抗加熱装置(ヒータ)17と、UHVチャンバ14に接続された質量分析機構610とを備えた。基板7は、酸素終端(0001)面基板であり、10mm×10mm×0.5mmのサイズを有した。 The gas analyzer of Example 1 has an introduction pipe for introducing a gas having a variable leak valve 13 and an ultra-high vacuum (UHV) chamber 14 (base pressure: 7 × 10 ) provided with a first vacuum pump 12. 9 Pa), Gifford McMahon type closed cycle He mechanical refrigerator 1 to 3 (Iwatani, HE05, compressor 1, flexible tube 2, refrigerator 3) connected to the UHV chamber 14, and mechanical refrigerator 3 And heat the zinc oxide single crystal substrate 7 mounted on the tip of the heat transfer rod 5 of the support and the support comprising the cold head 15 and the heat transfer rod 5 disposed in the UHV chamber 14 As a heating device, a resistance heating device (heater) 17 and a mass analysis mechanism 610 connected to the UHV chamber 14 were provided. The substrate 7 was an oxygen-terminated (0001) plane substrate, and had a size of 10 mm × 10 mm × 0.5 mm.

質量分析機構610は、ヒータ17により基板7から脱離した分析されるべき1以上の物質を吸引する吸引管620と、吸引管620で吸引された1以上の物質のうち一部を排気し、質量分析機構610内を真空状態に維持する第2の真空ポンプ11と、排気されなかった1以上の物質の質量を分析する電子倍増管を備えた四重極質量分析器(AMETEK製、Dycor)10とをさらに備えた。吸引管620は、放射率0.35(1μm)であるステンレスから構成されている。   The mass analysis mechanism 610 evacuates a part of the one or more substances sucked by the suction pipe 620 and the suction pipe 620 for sucking one or more substances to be analyzed which are separated from the substrate 7 by the heater 17; Quadruple mass spectrometer (manufactured by AMETEK, Dycor) equipped with a second vacuum pump 11 for maintaining the inside of the mass analysis mechanism 610 in a vacuum state, and an electron multiplier for analyzing the mass of one or more substances not evacuated. 10 and further equipped. The suction tube 620 is made of stainless steel having an emissivity of 0.35 (1 μm).

吸引管620は、その一方の開口端9が基板7に対向するよう配置され、かつ、基板7に対して紙面に対して水平方向に近接するよう移動装置8により移動可能であった。吸引管620は、一方の開口端9の口径が6mmであり、吸引管620のそれ以外の部分の口径(25.4mm)よりも小さくなるよう先細りの形状を有した。一方の開口端9の口径に対するそれ以外の部分の口径の比は、4.2であった。先細り形状を有する一方の開口端の管厚は、それ以外の部分のそれよりも厚かった。   The suction tube 620 was disposed with its one open end 9 facing the substrate 7 and was movable by the moving device 8 so as to be close to the substrate 7 in the horizontal direction with respect to the paper surface. The suction tube 620 had a tapered shape so that the bore diameter of one open end 9 was 6 mm and smaller than the bore diameter (25.4 mm) of the other part of the suction tube 620. The ratio of the aperture of the other part to the aperture of one open end 9 was 4.2. The tube thickness of one open end having a tapered shape was thicker than that of the other part.

実施例1のガス分析装置は、さらに、伝熱棒5の先端にSiダイオード温度センサ16(LakeShore製、DT−670−SD−1.4H)を備え、基板7の温度を測定できるようにした。実施例1のガス分析装置は、さらに、移動機構として、コールドヘッド15および伝熱棒5からなる支持体をx、yおよびz方向に移動し、回転するマニピュレータ4をさらに備えた。基板7の近傍に、基板7の表面をクリーニングするためのタングステンフィラメント6が設置された。   The gas analyzer of Example 1 further includes a Si diode temperature sensor 16 (manufactured by LakeShore, DT-670-SD-1.4H) at the tip of the heat transfer rod 5 so that the temperature of the substrate 7 can be measured. . The gas analyzer of Example 1 further includes a manipulator 4 which moves a support composed of the cold head 15 and the heat transfer rod 5 in the x, y and z directions and rotates as a movement mechanism. In the vicinity of the substrate 7, a tungsten filament 6 for cleaning the surface of the substrate 7 was installed.

実施例1のガス分析装置では、UHVチャンバ14にビューイングポートがついており、マニピュレータ4および移動装置8を視認しながら操作した。   In the gas analyzer of the first embodiment, the UHV chamber 14 is provided with a viewing port, and the manipulator 4 and the moving device 8 are operated while being viewed.

実施例1のガス分析装置を用いて、基板7と吸引管620との間の距離の温度および圧力に及ぼす影響を調べた。まず、UHVチャンバ14を第1の真空ポンプ12により1×10−7Paまで真空排気した。次いで、機械式冷凍機1〜3により基板7を18.6Kまで冷却した。次いで、バリアブルリークバルブ13を介して導入管からHeガスを7×10−4Paの分圧で導入した。移動装置8により吸引管620を移動させ、基板7と吸引管620の一方の開口端9との間の距離を変化した際の温度変化および圧力の変化を調べた。基板7の温度は、Siダイオード温度センサ16により測定した。圧力は、四重極質量分析器10が備える真空計により測定した。結果を図7に示す。 The gas analyzer of Example 1 was used to examine the influence of the distance between the substrate 7 and the suction tube 620 on temperature and pressure. First, the UHV chamber 14 was evacuated to 1 × 10 −7 Pa by the first vacuum pump 12. Next, the substrate 7 was cooled to 18.6 K by the mechanical refrigerators 1 to 3. Next, He gas was introduced at a partial pressure of 7 × 10 −4 Pa from the introduction pipe via the variable leak valve 13. The suction pipe 620 was moved by the moving device 8, and changes in temperature and pressure when the distance between the substrate 7 and one open end 9 of the suction pipe 620 was changed were examined. The temperature of the substrate 7 was measured by a Si diode temperature sensor 16. The pressure was measured by a vacuum gauge provided in the quadrupole mass spectrometer 10. The results are shown in FIG.

図7は、実施例1による基板−吸引管の間の距離の温度および圧力に及ぼす影響を示す図である。   FIG. 7 is a view showing the influence of the distance between the substrate and the suction tube on the temperature and pressure according to Example 1.

図7によれば、温度は、基板と吸引管との間の距離が0.5mmまで近づいても顕著な温度上昇をしなかった。これは、吸引管の一方の開口端の管厚が、それ以外の部分のそれよりも厚かったため、熱輻射が抑制されたことを示唆する。圧力は、距離が3mm以下になると、低下する傾向を示した。このことから、熱輻射による温度上昇および真空度変動が質量分析器に実質的に影響を及ぼすことはないので、一方の開口端9と基板7との距離は0mmより大きく3mm以下の範囲が好ましいと言える。   According to FIG. 7, the temperature did not increase significantly as the distance between the substrate and the suction tube approaches 0.5 mm. This suggests that the heat radiation was suppressed because the thickness of one open end of the suction pipe was thicker than that of the other part. The pressure showed a tendency to decrease when the distance was 3 mm or less. From this, it is preferable that the distance between the one open end 9 and the substrate 7 be in the range of more than 0 mm and 3 mm or less, because temperature rise and vacuum fluctuation due to heat radiation do not substantially affect the mass analyzer. It can be said.

圧力は、距離が1mm以下になると、さらに低下する傾向を示した。特に、距離が0.5mmでは、圧力は、導入圧力(7×10−4Pa)の1/20に低減しており、圧力上昇が顕著に抑制されることが分かった。このことから、一方の開口端9と基板7との距離は0.5mm以上1mm以下の範囲が特に好ましいと言える。 The pressure tended to decrease further when the distance was 1 mm or less. In particular, when the distance was 0.5 mm, the pressure was reduced to 1/20 of the introduced pressure (7 × 10 −4 Pa), and it was found that the pressure rise was significantly suppressed. From this, it can be said that the range of 0.5 mm or more and 1 mm or less is particularly preferable as the distance between the one open end 9 and the substrate 7.

以降の実施例・比較例では、一方の開口端9と基板7との距離は0.5mm以上1mm以下の範囲として、実験を行った。   In the following examples and comparative examples, the experiment was performed with the distance between one open end 9 and the substrate 7 in the range of 0.5 mm or more and 1 mm or less.

[実施例2]
実施例2では、実施例1のガス分析装置を用いて、本発明のガス分析方法を実施し、大気中の84Kr(クリプトン)の質量分析を行った。すなわち、大気を構成する複数の物質は、N、O、CO、H、HOおよび84Krであるが、このうち分析されるべき1以上の物質は、84Krであった。
Example 2
In Example 2, the gas analysis method of the present invention was performed using the gas analyzer of Example 1, and mass analysis of 84 Kr (krypton) in the atmosphere was performed. That is, a plurality of materials constituting the atmosphere is a N 2, O 2, CO 2 , H 2, H 2 O and 84 Kr, these one or more substances to be analyzed was 84 Kr .

UHVチャンバ14を第1の真空ポンプ12により1×10−7Paまで真空排気した(図3のステップS310)。真空排気後、機械式冷凍機1〜3のコンプレッサ1を始動し、基板7を6Kまで冷却した。基板7の温度はSiダイオード温度センサ16により測定した。次いで、タングステンフィラメント6を用いた電子衝撃加熱によりフラッシュ加熱を行い、基板7の表面を清浄化した。清浄化は、600℃の温度で1分間の加熱を3回繰り返すことにより行った。 The UHV chamber 14 was evacuated to 1 × 10 −7 Pa by the first vacuum pump 12 (Step S 310 in FIG. 3). After evacuation, the compressors 1 of the mechanical refrigerators 1 to 3 were started to cool the substrate 7 to 6K. The temperature of the substrate 7 was measured by a Si diode temperature sensor 16. Next, flash heating was performed by electron impact heating using a tungsten filament 6 to clean the surface of the substrate 7. Cleaning was performed by repeating heating for 1 minute at a temperature of 600 ° C. three times.

基板7が6Kまで冷却されたことを確認した後、試料ガスとして種々の濃度の84Krを含有する大気を、バリアブルリークバルブ13を介して導入管からUHVチャンバ14に導入し、基板7上にガスを凍結凝縮した(図3のステップS320)。84Krの濃度は、0.65ppm、0.94ppm、1.93ppm、9.77ppmおよび14.9ppmであった。84Krの導入時の分圧は、1×10−2Paであり、保持時間は、20秒、1分、3分および10分であった。84Krの3重点が115.8K(表1)であることから、基板7は、84Krの3重点以下の温度まで冷却されたことを確認した。 After confirming that the substrate 7 has been cooled to 6 K, the atmosphere containing 84 Kr of various concentrations as a sample gas is introduced from the introduction pipe into the UHV chamber 14 through the variable leak valve 13, and The gas was freeze condensed (step S320 in FIG. 3). The concentrations of 84 Kr were 0.65 ppm, 0.94 ppm, 1.93 ppm, 9.77 ppm and 14.9 ppm. The partial pressure at the time of introduction of 84 Kr was 1 × 10 −2 Pa, and the retention time was 20 seconds, 1 minute, 3 minutes and 10 minutes. Since the triple point of 84 Kr is 115.8 K (Table 1), it was confirmed that the substrate 7 was cooled to a temperature equal to or less than the triple point of 84 Kr.

次に、基板7をヒータ17により加熱し、凍結凝縮したガスを昇温脱離させた(図3のステップS330)。四重極質量分析器10を用いて脱離したガスの質量を分析した(図3のステップS340)。具体的には、マニピュレータ4および移動装置8により、吸引管620の一方の開口端9を基板7に接触しないよう対向させた。このとき、吸引管620と基板7との距離は、0.5mm以上1mm以下の範囲であった。脱離したガスを吸引管620で吸引するとともに、吸引管620で吸引された脱離したガスの一部を第2のポンプ(差動排気用ポンプ)11により排気し、かつ、残りを四重極質量分析器10で分析した。このとき、質量分析機構610内の真空度は、1×10−2Pa以下であった。 Next, the substrate 7 was heated by the heater 17, and the freeze-condensed gas was heated and desorbed (Step S330 in FIG. 3). The mass of the desorbed gas was analyzed using the quadrupole mass spectrometer 10 (step S340 in FIG. 3). Specifically, one open end 9 of the suction tube 620 was opposed by the manipulator 4 and the moving device 8 so as not to contact the substrate 7. At this time, the distance between the suction pipe 620 and the substrate 7 was in the range of 0.5 mm or more and 1 mm or less. The desorbed gas is suctioned by the suction pipe 620, a part of the desorbed gas suctioned by the suction pipe 620 is exhausted by the second pump (differential exhaust pump) 11, and the remainder is quadrupled. The polar mass analyzer 10 was analyzed. At this time, the degree of vacuum in the mass analysis mechanism 610 was 1 × 10 −2 Pa or less.

ここでは、分析されるべき84Krの熱脱離温度が分からないものとして、基板7を6Kから290Kまで昇温速度5K/分で昇温し、N、O、CO、H、HOおよび84Krのそれぞれのm/zについて四重極質量分析器10が分析し、昇温脱離スペクトルを得た。結果を図8〜図10に示す。 Here, assuming that the thermal desorption temperature of 84 Kr to be analyzed is unknown, the substrate 7 is heated from 6 K to 290 K at a heating rate of 5 K / min, and N 2 , O 2 , CO 2 , H 2 , The quadrupole mass spectrometer 10 was analyzed for each m / z of H 2 O and 84 Kr to obtain a thermal desorption spectrum. The results are shown in FIGS.

図8は、実施例2による84Kr0.65ppmを含有する大気を6K、1分間凍結凝縮した際の昇温脱離スペクトルを示す図である。 FIG. 8 is a diagram showing a temperature-programmed desorption spectrum when freeze-condensing an atmosphere containing 84 Kr 0.65 ppm according to Example 2 at 6 K for 1 minute.

図8(a)は、84Krの昇温脱離スペクトルであり、図8(b)は、N、O、CO、HおよびHOの昇温脱離スペクトルである。図8(a)の84Krの昇温脱離スペクトルは、幾つかの熱脱離ピークを示すが、60K付近の熱脱離ピークは、図8(b)の大気中のN(m/z=28)、O(m/z=32)、CO(m/z=44)、H(m/z=2)およびHO(m/z=18)の昇温脱離スペクトルでは見られなかった。このことから、60K付近の熱脱離ピークは、大気中の主要成分(N、O、CO、HおよびHO)の脱離によるものではなく、84Krの脱離によるものであり、84Krの熱脱離温度は60Kであることが分かった。 FIG. 8 (a) is a temperature-programmed desorption spectrum of 84 Kr, and FIG. 8 (b) is a temperature-programmed desorption spectrum of N 2 , O 2 , CO 2 , H 2 and H 2 O. The thermal desorption spectrum of 84 Kr in FIG. 8 (a) shows several thermal desorption peaks, but the thermal desorption peak near 60 K is N 2 (m / m in the atmosphere of FIG. 8 (b). Temperature-programmed desorption of z = 28), O 2 (m / z = 32), CO 2 (m / z = 44), H 2 (m / z = 2) and H 2 O (m / z = 18) It was not seen in the spectrum. From this, the thermal desorption peak around 60 K is not due to the desorption of the main components (N 2 , O 2 , CO 2 , H 2 and H 2 O) in the air, but due to the desorption of 84 Kr The thermal desorption temperature of 84 Kr was found to be 60 K.

以上から、本発明のガス分析装置およびガス分析方法による凍結凝縮−昇温脱離分析においては、大気中に極微量含まれる84Krは、そのピーク幅から60K±30Kで昇温脱離され、分析されるべき84Krが選択的に濃縮したガス(選択的濃縮ガス)が得られることを確認し、60K±30Kにおける熱脱離ピークを用いて質量分析できることが分かった。 From the above, in the freeze condensation-temperature programmed desorption analysis by the gas analysis apparatus and the gas analysis method of the present invention, 84 Kr contained in the atmosphere in an extremely small amount is released at 60 K ± 30 K from its peak width. It was confirmed that 84 Kr to be analyzed was able to obtain a selectively enriched gas (selectively enriched gas), and it was found that mass spectrometry could be performed using a thermal desorption peak at 60K ± 30K.

図9は、実施例2による種々の濃度の84Krを含有する大気を6K、1分間凍結凝縮した際の熱脱離ピークから求めた84Krの濃度とイオン電流との関係を示す図である。 FIG. 9 is a view showing the relationship between the concentration of 84 Kr obtained from the thermal desorption peak and the ion current obtained by freezing and condensing the atmosphere containing 84 Kr of various concentrations according to Example 2 at 6 K for 1 minute. .

84Krの熱脱離ピークは60K付近に得られることから、40Kから80Kの範囲について昇温脱離スペクトルを測定した結果を挿入図に示す。熱脱離ピークのピーク強度は、84Kr濃度の増大とともに上昇しており、ピーク位置は、低温側にシフトしていた。ピーク位置のシフトは、84Kr濃度の増大に伴い、凍結凝縮したガス中での84Krの相互作用の増大により、より低温にて熱脱離が生じているものと考えられる。 Since the thermal desorption peak of 84 Kr is obtained near 60 K, the result of measuring the thermal desorption spectrum for the range of 40 K to 80 K is shown in the inset. The peak intensity of the thermal desorption peak increased with the increase of the 84 Kr concentration, and the peak position was shifted to the low temperature side. The shift of the peak position is considered to be due to the thermal desorption occurring at a lower temperature due to the increase of the 84 Kr interaction in the freeze-condensed gas as the 84 Kr concentration increases.

得られた昇温脱離スペクトルにおける各熱脱離ピークのピーク強度およびピーク面積(イオン電流に相当)を、ガウス分布曲線によるフィッティングから求めた。求めたピーク面積を84Kr濃度に対してプロットしたところ、図9に示されるように、84Kr濃度とイオン電流(信号強度)とは線形関係にあることが分かった。この結果は、挿入図のピーク強度の上昇に良好に一致した。 The peak intensity and peak area (corresponding to the ion current) of each thermal desorption peak in the obtained temperature-programmed desorption spectrum were determined from fitting with a Gaussian distribution curve. The peak area thus determined was plotted against the 84 Kr concentration, and as shown in FIG. 9, it was found that the 84 Kr concentration and the ion current (signal strength) were in a linear relationship. This result was in good agreement with the increase in peak intensity in the inset.

以上から、本発明のガス分析装置およびガス分析方法による凍結凝縮−昇温脱離分析においては、選択的濃縮ガスの濃度は、真空チャンバに導入されるガス中の分析されるべき1以上の物質の濃度と比例関係にあることが示された。このことは、予め、分析されるべき物質の濃度とイオン電流との関係を検量線として制御部などに格納しておけば、濃度の算出に有利である。   From the above, in the freeze condensation-temperature programmed desorption analysis according to the gas analysis apparatus and gas analysis method of the present invention, the concentration of the selectively concentrated gas is one or more substances to be analyzed in the gas introduced into the vacuum chamber. It was shown to be proportional to the concentration of This is advantageous for the calculation of the concentration if the relationship between the concentration of the substance to be analyzed and the ion current is stored in advance in the control unit or the like as a calibration curve.

図10は、実施例2による84Kr0.65ppmを含有する大気を6K、種々の時間凍結凝縮した際の熱脱離ピークから求めた凍結凝縮時間とイオン電流との関係を示す図である。 FIG. 10 is a view showing the relationship between the freeze-condensing time and the ion current obtained from the thermal desorption peak when freeze-condensing the atmosphere containing 84 Kr 0.65 ppm according to Example 2 at 6 K for various times.

84Krの熱脱離ピークは60K付近に得られることから、40Kから80Kの範囲について昇温脱離スペクトルを測定した結果を挿入図に示す。熱脱離ピークのピーク強度は、凍結凝縮時間の増大とともに上昇した。 Since the thermal desorption peak of 84 Kr is obtained near 60 K, the result of measuring the thermal desorption spectrum for the range of 40 K to 80 K is shown in the inset. The peak intensity of the thermal desorption peak increased with the increase of the freeze condensation time.

得られた昇温脱離スペクトルにおける各熱脱離ピークのピーク強度およびピーク面積を、ガウス分布曲線によるフィッティングから求めた。求めたピーク面積を凍結凝縮時間(低温凝縮時間)に対してプロットしたところ、図10に示されるように、凍結凝縮時間とイオン電流(信号強度)とは線形関係にあることが分かった。この結果は、挿入図のピーク強度の上昇に良好に一致した。   The peak intensity and peak area of each thermal desorption peak in the obtained temperature-programmed desorption spectrum were determined from fitting with a Gaussian distribution curve. When the peak area thus determined was plotted against the freeze condensation time (low temperature condensation time), as shown in FIG. 10, it was found that the freeze condensation time and the ion current (signal strength) had a linear relationship. This result was in good agreement with the increase in peak intensity in the inset.

また、本発明のガス分析装置およびガス分析方法による凍結凝縮−昇温脱離分析においては、四重極質量分析器10の検出下限が、凍結凝縮時間と共に改善されることが示される。例えば、図10において10分間凍結凝縮した結果によれば、84Krの検出下限は、0.03ppmと算出された。この値は、後述する比較例3で示す検出下限(0.3ppm)に比べて1桁改善された値であり、高精度な分析ができることを確認した。 In addition, in the freeze condensation-temperature programmed desorption analysis by the gas analysis device and the gas analysis method of the present invention, it is shown that the detection lower limit of the quadrupole mass spectrometer 10 is improved along with the freeze condensation time. For example, according to the result of freeze condensation for 10 minutes in FIG. 10, the detection limit of 84 Kr was calculated to be 0.03 ppm. This value was improved by one digit as compared to the lower limit of detection (0.3 ppm) shown in Comparative Example 3 described later, and it was confirmed that highly accurate analysis could be performed.

図10から、20秒以上15分以下の凍結凝縮時間であれば、質量分析が可能であるが、特に、高精度な分析においては、凍結凝縮時間は1分以上15分以下が望ましく、さらに高度な分析においては、凍結凝縮時間は3分以上10分以下が望ましいことが確認された。   From FIG. 10, if the freeze condensation time is 20 seconds or more and 15 minutes or less, mass analysis is possible, but in high precision analysis, in particular, the freeze condensation time is preferably 1 minute or more and 15 minutes or less, and further advanced In the analysis, it was confirmed that the freezing and condensing time is desirably 3 minutes or more and 10 minutes or less.

[比較例3]
比較例3では、実施例1のガス分析装置を用いるが、凍結凝縮−昇温脱離を行うことなく、大気中の84Kr(クリプトン)の質量分析を行った。ここで、84Krの濃度は、0.65ppmであった。
Comparative Example 3
In Comparative Example 3, mass analysis of 84 Kr (krypton) in the atmosphere was performed without using freeze condensation-temperature programmed desorption, although the gas analyzer of Example 1 is used. Here, the concentration of 84 Kr was 0.65 ppm.

測定は、UHVチャンバ14内に大気を分圧1×10−2Paとなるように導入し、そのまま四重極質量分析器10により84Krの質量分析を行った。スキャンにおける各点でのため込み時間は0.5秒であった。結果を図11に示す。 In the measurement, the atmosphere was introduced into the UHV chamber 14 so that the partial pressure was 1 × 10 −2 Pa, and the mass analysis of 84 Kr was performed by the quadrupole mass spectrometer 10 as it is. The dwell time at each point in the scan was 0.5 seconds. The results are shown in FIG.

図11は、比較例3による質量分析スペクトルを示す図である。   FIG. 11 is a diagram showing a mass spectrum according to Comparative Example 3.

大気中の84Krの濃度が0.65ppmであること、ならびに、m/z=84におけるピーク近傍のピーク信号対雑音比によれば、凍結凝縮−昇温脱離分析を行わない場合、84Krの検出下限は、0.3ppmであることが分かった。実施例2において説明したように、本発明のガス分析装置およびガス分析方法による凍結凝縮−昇温脱離分析を採用すれば、検出下限を低減できるので、高精度なガス分析が可能であることが示された。 According to the fact that the concentration of 84 Kr in the atmosphere is 0.65 ppm and the peak signal-to-noise ratio near the peak at m / z = 84, 84 Kr is not determined by freeze condensation-temperature desorption analysis. The lower detection limit of was found to be 0.3 ppm. As described in the second embodiment, the lower limit of detection can be reduced by adopting freeze condensation-thermal desorption analysis by the gas analysis device and gas analysis method of the present invention, so that highly accurate gas analysis is possible. It has been shown.

[実施例4]
実施例4では、実施例1のガス分析装置を用いて、本発明のガス分析方法を実施し、分析されるべき1以上の物質としてアセトンの質量分析を行った。UHVチャンバ14に導入されるガスは、大気(分圧:1×10−2Pa)、種々の濃度のアセトン(アセトン濃度:1ppm、3ppm、10ppm、30ppmおよび100ppm)を含有する大気(分圧:1×10−2Pa)およびアセトン(分圧:1×10−6Pa)であった。基板7の冷却温度を50Kとして、凍結凝縮時間を1分とした以外は、実施例2と同様の手順でガス分析を行った。結果を図12および図13に示す。
Example 4
In Example 4, the gas analysis method of the present invention was carried out using the gas analysis device of Example 1, and mass spectrometry of acetone was performed as one or more substances to be analyzed. The gas introduced into the UHV chamber 14 is atmospheric air (partial pressure: 1 × 10 −2 Pa), atmospheric air (partial pressure: 1 ppm, acetone, 1 ppm, 3 ppm, 10 ppm, 30 ppm and 100 ppm). It was 1 × 10 −2 Pa) and acetone (partial pressure: 1 × 10 −6 Pa). The gas analysis was performed in the same manner as in Example 2 except that the cooling temperature of the substrate 7 was 50 K and the freeze condensation time was 1 minute. The results are shown in FIG. 12 and FIG.

図12は、実施例4によるアセトン100ppmを含有する大気、アセトン、および、大気を50K、1分間凍結凝縮した際の昇温脱離スペクトルを示す図である。   FIG. 12 is a diagram showing a temperature-programmed desorption spectrum when air containing 100 ppm of acetone, acetone, and the air according to Example 4 are freeze-condensed at 50 K for 1 minute.

図12(a)は、アセトン100ppmを含有する大気の昇温脱離スペクトル(実線)、および、アセトンの昇温脱離スペクトル(点線)を示し、図12(b)は、大気の昇温脱離スペクトルを示す図である。   FIG. 12 (a) shows the temperature-programmed desorption spectrum (solid line) of the atmosphere containing 100 ppm of acetone and the temperature-programmed desorption spectrum (dotted line) of acetone, and FIG. 12 (b) shows the temperature programmed desorption of the atmosphere. It is a figure which shows an emission spectrum.

図12(a)によれば、アセトン含有大気の昇温脱離スペクトルは、約145Kに熱脱離ピークを、アセトンの昇温脱離スペクトルは、約125Kに熱脱離ピークを有したが、いずれの熱脱離ピークも、m/zが43と58との間で完全に一致した。このことから、熱脱離温度は異なるものの、いずれの熱脱離ピークもアセトンによるものと同定できた。   According to FIG. 12 (a), the thermal desorption spectrum of the acetone-containing atmosphere had a thermal desorption peak at about 145 K, and the thermal desorption spectrum of acetone had a thermal desorption peak at about 125 K, All thermal desorption peaks were completely matched between m / z 43 and 58. From this, although the thermal desorption temperature was different, any thermal desorption peak could be identified as by acetone.

図12(b)に示されるように、大気中の主要な成分についての昇温脱離スペクトルによれば、主要な成分の中でも水の熱脱離ピークが、約145Kにおいてもっともシャープであった。このことから、アセトン含有大気においてアセトンの熱脱離ピークは、大気に含有される水の影響を受け、水の昇温脱離に誘起されて、アセトンも昇温脱離されていることが示唆される。すなわち、約145Kにおける熱脱離ピークは、アセトンおよび水からなる選択的濃縮ガスといえる。   As shown in FIG. 12 (b), according to the temperature programmed desorption spectrum for the main component in the air, the thermal desorption peak of water was the sharpest at about 145 K among the main components. From this, it is suggested that the thermal desorption peak of acetone in the acetone-containing atmosphere is affected by the water contained in the atmosphere, induced by the temperature-programmed desorption of water, and acetone is also temperature-programmed and desorbed. Be done. That is, the thermal desorption peak at about 145 K can be said to be a selectively concentrated gas consisting of acetone and water.

図13は、実施例4による種々の濃度のアセトンを含有する大気を50K、1分間凍結凝縮した際の昇温脱離スペクトルから得られたアセトン濃度とイオン電流との関係を示す図である。   FIG. 13 is a view showing the relationship between the acetone concentration and the ion current obtained from a temperature-programmed desorption spectrum when freeze-condensing the atmosphere containing acetone at various concentrations according to Example 4 at 50 K for 1 minute.

各濃度のアセトン含有大気の昇温脱離スペクトルは、いずれも、m/zが43および58について、約145Kに熱脱離ピークを有した。各濃度の熱脱離ピークのピーク強度およびピーク面積(イオン電流に相当)を、ガウス分布曲線によるフィッティングから求めた。求めたピーク面積をアセトン濃度に対してプロットしたところ、アセトン濃度とイオン電流(信号強度)とは線形関係にあることが分かった。また、m/zが43の線形関係の傾きは、m/zが58のそれの約7倍大きかった。この結果は、既存のマススペクトルデータベース(例えば、NIST Chemistry Webbook http://webbook.nist.gov/chemistry)に類似していた。   The thermal desorption spectra of the acetone-containing atmosphere at each concentration all had thermal desorption peaks at about 145 K for m / z 43 and 58. The peak intensity and peak area (corresponding to the ion current) of the thermal desorption peak of each concentration were determined from fitting with a Gaussian distribution curve. When the peak area thus determined was plotted against the acetone concentration, it was found that the acetone concentration and the ion current (signal intensity) had a linear relationship. Also, the slope of the linear relationship where m / z is 43 was about 7 times as large as that of 58. This result was similar to the existing mass spectrum database (eg, NIST Chemistry Webbook http://webbook.nist.gov/chemistry).

図13の結果は、図9を参照して説明した84Krの結果と同様の傾向を示し、本発明のガス分析装置およびガス分析方法による凍結凝縮−昇温脱離分析においては、選択的濃縮ガスの濃度は、真空チャンバに導入されるガス中の分析されるべき1以上の物質の濃度と比例関係にあることを示した。本発明のガス分析装置およびガス分析方法は、呼気中のアセトン分析に有効であることが分かった。また、約145Kにおける熱脱離ピークは、大気中の水の影響を受けており、選択的濃縮ガスはアセトンおよび水を含有しているが、選択的濃縮ガスが主として分析されるべき物質(ここではアセトン)を含有していればガス分析は可能であることが分かった。 The results in FIG. 13 show the same tendency as the 84 Kr results described with reference to FIG. 9, and in the freeze condensation-thermal desorption analysis by the gas analysis device and gas analysis method of the present invention, selective concentration The concentration of the gas was shown to be proportional to the concentration of one or more substances to be analyzed in the gas introduced into the vacuum chamber. It has been found that the gas analyzer and gas analysis method of the present invention are effective for acetone analysis in exhaled breath. Also, the thermal desorption peak at about 145 K is affected by water in the atmosphere, and the selective enrichment gas contains acetone and water, but the selective enrichment gas is mainly the substance to be analyzed (here Then, it was found that gas analysis was possible if it contained acetone).

[実施例5]
実施例5では、実施例1のガス分析装置を用いて、本発明のガス分析方法、とりわけ、予備的凍結凝縮を実施し、分析されるべき1以上の物質としてアセトンの質量分析を行った。
[Example 5]
In Example 5, the gas analysis method of the present invention, in particular, preliminary freeze-condensation, was carried out using the gas analyzer of Example 1, and mass spectrometry of acetone was performed as one or more substances to be analyzed.

実施例4では、アセトン含有大気の昇温脱離スペクトルにおいてアセトンの熱脱離ピークは、水の昇温脱離の影響を受けていることを説明した。実施例5では、水を予備的凍結凝縮することによるアセトンの熱脱離に及ぼす影響について調べた。   In Example 4, it was explained that the thermal desorption peak of acetone is affected by the thermal desorption of water in the thermal desorption spectrum of the acetone-containing atmosphere. In Example 5, the effect on the thermal desorption of acetone by preliminary freeze-condensing water was investigated.

具体的な手順を述べる。UHVチャンバ14を第1の真空ポンプ12により1×10−7Paまで真空排気した。真空排気後、機械式冷凍機1〜3のコンプレッサ1を始動し、基板7を145Kまで冷却した。基板7の温度はSiダイオード温度センサ16により測定した。次いで、アセトン100ppmを含有する大気を、バリアブルリークバルブ13を介して導入管からUHVチャンバ14に導入し、基板7上にガス中の水のみを予備的凍結凝縮した。ここで、アセトン含有大気の導入時の分圧は、1×10−2Paであり、保持時間は、1分であった。表1に示されるように、145Kは、アセトンの3重点よりも高く水の熱脱離温度以下の温度であった。 Describe the specific procedure. The UHV chamber 14 was evacuated to 1 × 10 −7 Pa by the first vacuum pump 12. After evacuation, the compressors 1 of the mechanical refrigerators 1 to 3 were started to cool the substrate 7 to 145K. The temperature of the substrate 7 was measured by a Si diode temperature sensor 16. Next, the atmosphere containing 100 ppm of acetone was introduced from the introduction pipe into the UHV chamber 14 through the variable leak valve 13 to preliminarily freeze and condense only water in the gas on the substrate 7. Here, the partial pressure at the time of introduction of the acetone-containing atmosphere was 1 × 10 −2 Pa, and the holding time was 1 minute. As shown in Table 1, 145 K was a temperature higher than the triple point of acetone and less than the thermal desorption temperature of water.

1分後、UHVチャンバ14内を排気し、基板7を50Kまで冷却した。次いで、基板7をヒータ17により昇温速度5K/分で260Kまで加熱し、凍結凝縮したガスを昇温脱離させた。HOおよびアセトンのそれぞれのm/zについて四重極質量分析器10が分析した結果を図14に示す。 After 1 minute, the inside of the UHV chamber 14 was evacuated and the substrate 7 was cooled to 50K. Next, the substrate 7 was heated by the heater 17 to 260 K at a temperature rising rate of 5 K / min, and the freeze-condensed gas was heated and desorbed. The results analyzed by the quadrupole mass spectrometer 10 for each m / z of H 2 O and acetone are shown in FIG.

図14は、実施例5によるアセトン100ppmを含有する大気を145K、1分間凍結凝縮した際の昇温脱離スペクトルを示す図である。   FIG. 14 is a diagram showing a temperature-programmed desorption spectrum when freeze-condensing the atmosphere containing 100 ppm of acetone according to Example 5 at 145 K for 1 minute.

図14(a)は、実施例4で得た昇温脱離スペクトルであり、それぞれ、水(m/z=18)とアセトン(m/z=58)に関する。図14(b)は、実施例5で得た昇温脱離スペクトルであり、それぞれ、水(m/z=18)とアセトン(m/z=58)に関する。図14(a)から、50Kで凍結凝縮した際のアセトンと水との強度比(アセトン/水)は25.9であり、図14(b)から、145Kで凍結凝縮した際のアセトンと水との強度比(アセトン/水)は2.8であった。すなわち、50Kの凍結凝集では、アセトンと水との両方が効率的に凍結凝縮されているが、145Kの凍結凝縮では、アセトンに比べて水が圧倒的に多く凍結凝縮していることが分かった。   FIG. 14 (a) is the temperature-programmed desorption spectrum obtained in Example 4, and relates to water (m / z = 18) and acetone (m / z = 58), respectively. FIG. 14 (b) is the temperature-programmed desorption spectrum obtained in Example 5, and relates to water (m / z = 18) and acetone (m / z = 58), respectively. From Fig. 14 (a), the intensity ratio of acetone to water (acetone / water) when freeze-condensed at 50K is 25.9, and from Fig. 14 (b), acetone and water when freeze-condensed at 145K And the intensity ratio (acetone / water) to it were 2.8. In other words, it was found that both acetone and water were efficiently freeze-condensed at 50 K of freeze aggregation, but water was overwhelmingly much more freeze condensed than at acetone at 145 K freeze condensation. .

このことから、予備的凍結凝縮として、145Kで水を凍結凝縮し、次いで、水が除去されたアセトン含有大気を50Kで凍結凝縮すれば、水の影響を除去した、アセトンのみからなる選択的濃縮ガスを確実に得ることができ、高精度なガス分析を行えることを確認した。   From this, as preliminary freeze-condensation, if water is frozen and condensed at 145 K and then acetone containing air from which water is removed is frozen and condensed at 50 K, the effect of water is eliminated, selective concentration consisting only of acetone It was confirmed that the gas could be obtained reliably and highly accurate gas analysis could be performed.

本発明のガス分析装置およびガス分析方法は、凍結凝縮−昇温脱離分析により、呼気、大気等のガス(気体)中の極微量成分の質量分析をできる。特に、極微量成分が複数であっても、凍結凝縮し、固有の昇温脱離温度に加熱するだけで、容易に分離でき、熟練の技術や専門の知識を必要としないので、汎用性が極めて高い。既存のガスクロマトグラフィを不要とするので、装置は簡便となるだけでなく、小さくすることができるので、汎用性が高い。   The gas analysis apparatus and the gas analysis method of the present invention can perform mass analysis of trace components in a gas such as exhaled breath and air by freeze condensation-thermal desorption analysis. In particular, even if there are multiple trace components, they can be easily separated simply by freeze-condensing and heating to a unique temperature rising desorption temperature, and they do not require expert skills or specialized knowledge, so versatility is Extremely expensive. Since the existing gas chromatography is not required, the apparatus is not only simple but can be made small, so the versatility is high.

100 ガス分析装置
110 導入管
120、12 第1の真空ポンプ
130、14 真空チャンバ
140 冷却装置
150 支持体
160、7 基板
170、17 加熱装置
180、610 質量分析機構
181、620 吸引管
182、11 第2の真空ポンプ
183、10 質量分析器
210、9 開口端
220 吸引管の開口端以外の部分
420、530 選択的濃縮ガス
1 コンプレッサ
2 フレキシブルチューブ
3 冷凍機
4 マニピュレータ
5 伝熱棒
6 タングステンフィラメント
8 移動装置
13 バリアブルリークバルブ
15 コールドヘッド
16 Siダイオード温度センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Gas analyzer 110 Introductory pipe 120, 12 1st vacuum pump 130, 14 Vacuum chamber 140 Cooling device 150 Support body 160, 7 Substrate 170, 17 Heating device 180, 610 Mass spectroscope 181, 620 Suction pipe 182, 11 Two vacuum pumps 183, 10 Mass analyzer 210, 9 Open end 220 Non-open end of suction tube 420, 530 Selectively condensed gas 1 Compressor 2 Flexible tube 3 Refrigerator 4 Manipulator 5 Heat transfer rod 6 Tungsten filament 8 Movement Device 13 Variable leak valve 15 Cold head 16 Si diode temperature sensor

Claims (27)

複数の物質から構成されるガスのうち1以上の物質の質量を分析するガス分析装置であって、
前記ガスを導入する導入管を有し、第1の真空ポンプを備える真空チャンバと、
前記真空チャンバに接続される冷却装置と、
前記冷却装置に接続され、前記真空チャンバ内に配置された支持体であって、前記冷却装置により前記導入されたガスのうち少なくとも前記1以上の物質を凍結凝縮させる基板が載置される支持体と、
前記支持体に載置された前記基板を加熱する加熱装置と、
前記真空チャンバに接続された質量分析機構と
を備え、
前記質量分析機構は、
前記加熱装置により前記基板から脱離した前記1以上の物質を吸引する吸引管と、
前記吸引管で吸引された前記1以上の物質のうち一部を排気し、前記質量分析機構内を真空状態に維持する第2の真空ポンプと、
前記排気されなかった1以上の物質の質量を分析する質量分析器と
をさらに備え、
前記吸引管は、その一方の開口端が前記基板に対向するよう配置され、かつ、前記基板に対して近接するよう移動可能であり、
前記吸引管は、前記一方の開口端の口径が前記吸引管のそれ以外の部分の口径よりも小さくなるよう先細りの形状を有する、ガス分析装置。
A gas analyzer that analyzes the mass of one or more substances out of a gas composed of a plurality of substances, comprising:
A vacuum chamber having an inlet pipe for introducing the gas and comprising a first vacuum pump;
A cooling device connected to the vacuum chamber;
A support connected to the cooling device and disposed in the vacuum chamber, on which a substrate for freezing and condensing at least one or more substances of the gas introduced by the cooling device is placed When,
A heating device for heating the substrate placed on the support;
A mass spectrometry mechanism connected to the vacuum chamber;
The mass spectrometry mechanism is
A suction pipe for suctioning the one or more substances detached from the substrate by the heating device;
A second vacuum pump for evacuating a part of the one or more substances sucked by the suction pipe and maintaining the inside of the mass analysis mechanism in a vacuum state;
And a mass analyzer for analyzing the mass of the one or more substances not evacuated.
The suction tube is disposed such that one open end thereof faces the substrate, and is movable so as to be close to the substrate,
The gas analyzer according to claim 1, wherein the suction pipe has a tapered shape such that the diameter of the one open end is smaller than the diameter of the other portion of the suction pipe.
前記一方の開口端の口径に対する前記吸引管の前記それ以外の部分の口径の比は、2.5以上5.5以下の範囲である、請求項1に記載のガス分析装置。   The gas analyzer according to claim 1, wherein a ratio of a diameter of the other portion of the suction pipe to a diameter of the one open end is in a range of 2.5 or more and 5.5 or less. 前記一方の開口端の口径は、5mm以上7mm以下の範囲である、請求項1に記載のガス分析装置。   The gas analyzer according to claim 1, wherein the diameter of the one open end is in the range of 5 mm to 7 mm. 前記先細り形状を有する前記一方の開口端の管厚は、前記それ以外の部分のそれよりも厚い、請求項1に記載のガス分析装置。   The gas analyzer according to claim 1, wherein a tube thickness of the one open end having the tapered shape is thicker than that of the other portion. 前記第2の真空ポンプは、前記質量分析機構内を1×10−8Pa以上1×10−2Pa以下の範囲の真空状態に維持する、請求項1に記載のガス分析装置。 The gas analyzer according to claim 1, wherein the second vacuum pump maintains the inside of the mass analysis mechanism in a vacuum state in a range of 1 × 10 −8 Pa or more and 1 × 10 −2 Pa or less. 前記支持体をx、yおよびz方向に移動し、回転する移動機構をさらに備える、請求項1に記載のガス分析装置。   The gas analyzer according to claim 1, further comprising a moving mechanism that moves and rotates the support in the x, y and z directions. 前記支持体に載置された前記基板の表面と、前記吸引管の前記一方の開口端の端面とが平行に対向するよう、前記移動機構による前記支持体の移動、および/または前記吸引管の移動を制御する制御部をさらに備える、請求項6に記載のガス分析装置。   The movement of the support by the moving mechanism and / or the suction tube such that the surface of the substrate placed on the support and the end face of the one open end of the suction tube face in parallel. The gas analyzer according to claim 6, further comprising a control unit that controls movement. 前記制御部は、前記一方の開口端と前記基板との距離が0mmより大きく3mm以下の範囲となるよう、前記移動機構および/または前記吸引管を制御する、請求項6に記載のガス分析装置。   The gas analyzer according to claim 6, wherein the control unit controls the moving mechanism and / or the suction pipe such that a distance between the one open end and the substrate is in a range of more than 0 mm and 3 mm or less. . 前記制御部は、前記一方の開口端と前記基板との距離が0.5mm以上1mm以下の範囲となるよう、前記移動機構および/または前記吸引管を制御する、請求項8に記載のガス分析装置。   The gas analysis according to claim 8, wherein the control unit controls the moving mechanism and / or the suction pipe such that a distance between the one open end and the substrate is in a range of 0.5 mm to 1 mm. apparatus. 前記冷却装置は、機械式冷凍機または寒剤である、請求項1に記載のガス分析装置。   The gas analyzer according to claim 1, wherein the cooling device is a mechanical refrigerator or a cryogen. 前記加熱装置は、抵抗加熱装置、赤外線加熱装置および電子衝撃加熱装置からなる群から選択される、請求項1に記載のガス分析装置。   The gas analyzer according to claim 1, wherein the heating device is selected from the group consisting of a resistive heating device, an infrared heating device and an electron impact heating device. 前記基板を加熱する加熱装置の動作を制御する制御部をさらに備える、請求項1に記載のガス分析装置。   The gas analyzer according to claim 1, further comprising a control unit that controls the operation of a heating device that heats the substrate. 前記質量分析器は、四重極質量分析器、飛行時間質量分析器、および、サイクロトロン共鳴質量分析器からなる群から選択される、請求項1に記載のガス分析装置。   The gas analyzer according to claim 1, wherein the mass analyzer is selected from the group consisting of a quadrupole mass analyzer, a time of flight mass analyzer, and a cyclotron resonance mass analyzer. 前記支持体は、コールドヘッドおよび伝熱棒を備え、前記伝熱棒の先端に前記基板が載置される、請求項1に記載のガス分析装置。   The gas analyzer according to claim 1, wherein the support comprises a cold head and a heat transfer bar, and the substrate is mounted on the tip of the heat transfer bar. 前記第1の真空ポンプは、前記真空チャンバを1×10−8Pa以上1×10−1Pa以下の範囲の真空状態に維持する、請求項1に記載のガス分析装置。 The gas analyzer according to claim 1, wherein the first vacuum pump maintains the vacuum chamber in a vacuum state of 1 × 10 −8 Pa or more and 1 × 10 −1 Pa or less. 複数の物質から構成されるガスのうち1以上の物質の質量を分析するガス分析をする方法であって、
真空チャンバ内を真空排気するステップと、
前記真空チャンバ内に位置する基板を、少なくとも前記1以上の物質のそれぞれが有する3重点の中でももっとも低い3重点以下の温度まで冷却し、前記真空チャンバに前記ガスを導入し、前記基板に前記1以上の物質を凍結凝縮させるステップと、
前記基板を加熱し、前記基板から前記1以上の物質をそれぞれ脱離させるステップと、
質量分析器を用いて前記1以上の物質の質量を分析するステップであって、一方の開口端の口径がそれ以外の部分の口径よりも小さい吸引管を用い、前記一方の開口端を前記基板に接触しないよう対向させながら前記1以上の物質を前記吸引管で吸引するとともに、前記吸引管で吸引された前記1以上の物質の一部を排気し、かつ、残りを質量分析器で分析する、ステップと
を包含する、方法。
A method of gas analysis for analyzing the mass of one or more substances out of a gas composed of a plurality of substances, comprising:
Evacuating the inside of the vacuum chamber;
The substrate located in the vacuum chamber is cooled to a temperature not higher than the triple point of the at least one of the one or more substances, the gas is introduced into the vacuum chamber, and the substrate is placed on the substrate Freezing and condensing the above substances;
Heating the substrate to desorb each of the one or more substances from the substrate;
Analyzing the mass of the one or more substances using a mass spectrometer, using a suction tube whose aperture of one open end is smaller than the aperture of the other part, the one open end being the substrate While suctioning the one or more substances in the suction pipe while facing each other so as not to come into contact with the other, exhaust some of the one or more substances sucked in the suction pipe, and analyze the rest with a mass spectrometer , Steps and methods.
前記分析するステップは、1×10−8Pa以上1×10−2Pa以下の範囲の真空状態を維持するよう前記1以上の物質の一部を排気する、請求項16に記載の方法。 17. The method of claim 16, wherein the analyzing step evacuates a portion of the one or more materials to maintain a vacuum in the range of 1 x 10-8 Pa to 1 x 10-2 Pa. 前記凍結凝縮させるステップは、前記ガスを1×10−8Pa以上1×10−1Pa以下の範囲の分圧で導入し、30秒以上15分以下の範囲の時間、凍結凝縮させる、請求項16に記載の方法。 In the freezing and condensing step, the gas is introduced at a partial pressure in the range of 1 × 10 −8 Pa or more and 1 × 10 −1 Pa or less, and freeze-condensed for a time in the range of 30 seconds or more and 15 minutes or less. The method according to 16. 前記凍結凝縮させるステップは、前記基板を少なくとも1以上の物質のそれぞれが有する熱脱離温度の中でもっとも低い熱脱離温度以下の温度まで冷却する、請求項16に記載の方法。   The method according to claim 16, wherein the step of freezing and condensing cools the substrate to a temperature equal to or lower than the lowest thermal desorption temperature of the thermal desorption temperatures of each of the at least one substance. 前記分析するステップは、前記吸引管の前記一方の開口端と前記基板との距離が0mmより大きく3mm以下の範囲となるよう、前記吸引管を前記基板に対向させる、請求項16に記載の方法。   The method according to claim 16, wherein the analyzing step makes the suction pipe face the substrate such that the distance between the one open end of the suction pipe and the substrate is in the range of more than 0 mm and 3 mm or less. . 前記分析するステップは、前記1以上の物質のそれぞれの昇温脱離スペクトルを測定し、前記それぞれの昇温脱離スペクトルから前記1以上の物質それぞれの質量を分析する、請求項16記載の方法。   The method according to claim 16, wherein the analyzing step measures a temperature-programmed desorption spectrum of each of the one or more substances, and analyzes a mass of each of the one or more substances from the respective temperature-programmed desorption spectrum. . 前記分析するステップは、前記それぞれの昇温脱離スペクトルにおけるピーク面積を算出する、請求項21に記載の方法。   22. The method according to claim 21, wherein the analyzing step calculates peak areas in the respective temperature programmed desorption spectra. 前記凍結凝縮させるステップは、前記1以上の物質とは異なる前記複数の物質の少なくとも一部を予備的凍結凝縮させるステップをさらに包含する、請求項16に記載の方法。   17. The method of claim 16, wherein the freeze-condensing step further comprises preliminary freeze-condensing at least a portion of the plurality of materials different from the one or more materials. 前記予備的凍結凝縮させるステップは、
前記基板の一部の領域を、前記1以上の物質のそれぞれが有する熱脱離温度の中でもっとも高い熱脱離温度より高く、かつ、前記1以上の物質とは異なる前記複数の物質の少なくとも一部が有する熱脱離温度以下の温度に冷却し、前記少なくとも一部を前記基板の前記一部の領域に凍結凝縮させるステップと、
前記基板の別の領域を前記1以上の物質のそれぞれが有する熱脱離温度の中でもっとも低い熱脱離温度以下の温度まで冷却し、前記1以上の物質を前記基板の前記別の領域に凍結凝縮させるステップと
をさらに包含する、請求項23に記載の方法。
The preliminary freezing and condensing step comprises
At least a portion of the substrate is higher than the highest thermal desorption temperature among the thermal desorption temperatures of each of the one or more substances, and at least the plurality of substances different from the one or more substances Cooling to a temperature equal to or lower than a thermal desorption temperature of a part, and freezing and condensing the at least a part on the part of the substrate;
Cooling another region of the substrate to a temperature below the lowest thermal desorption temperature of the thermal desorption temperature of each of the one or more materials, and transferring the one or more materials to the other region of the substrate 24. The method of claim 23, further comprising: freezing and condensing.
前記脱離させるステップは、前記基板を、前記1以上の物質のそれぞれの熱脱離温度±20Kの範囲について、2K/分以上8K/分以下の昇温速度で加熱する、請求項16に記載の方法。   The method according to claim 16, wherein the desorption step heats the substrate at a temperature rising rate of 2 K / min to 8 K / min for each thermal desorption temperature range of ± 20 K of the one or more substances. the method of. 前記1以上の物質は、揮発性有機化合物、希ガス元素および大気汚染物質からなる群から選択される、請求項16に記載の方法。   17. The method of claim 16, wherein the one or more materials are selected from the group consisting of volatile organic compounds, noble gas elements and air pollutants. 前記基板は、酸化物単結晶、多結晶金属、単結晶金属、単結晶半導体および層状物質からなる群から選択される、請求項16に記載の方法。   17. The method of claim 16, wherein the substrate is selected from the group consisting of oxide single crystals, polycrystalline metals, single crystal metals, single crystal semiconductors and layered materials.
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