JPH0354831B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

［産業上の利用分野］ 本発明は、測定質量範囲が広く、感度及び分解
能の面で優れ、しかも小形化が可能な質量分析装
置に関する。 ［従来技術］ 最近、生化学等の応用分野から高質量分子を分
析したいという要望が強くなつて来ており、それ
に応えるものとして、高速の一次イオンや中性粒
子による衝撃によつて試料をイオン化するイオン
化法が注目を浴びている。このイオン化法によれ
ば、従来の電子衝撃イオン化法（EI）あるいは
化学イオン化法（CI）等では困難であるｍ／ｚ
＝2000〜5000程度の高質量分子のイオンを比較的
容易に作成できるようになつた。このような高質
量分子イオンは、現在のところ大型の質量分析装
置で分析する他ないが、大型の質量分析装置は極
めて高価で、誰でも容易に使用できる状態にはな
い。そのため、小型又は中型で高質量域まで分析
できる質量分析装置が要望されており、例えば以
下のような工夫が行われている。 即ち、第１図ａに示すような従来の小型乃至は
中型の質量分析装置の電場Ｅと一様扇形磁場Ｈを
そのまま使い、第１図ｂに示すように磁場におけ
るイオン回転角φmを小さくし、測定質量範囲を
拡大する方法である。第１図においてＳはイオン
源、Ｄはイオン検出器である。しかしながら、こ
の方法はφmが小さくなるためイオン軌道が長く
なり、イオンビームの縦方向の拡がりによつてイ
オンのトランスミツシヨン（通過効率）が悪化し
感度が低下してしまうし、同じくイオンビームの
拡がりにより２次及び３次の高次収差が大きくな
り、分解能も低下してしまうという大きな欠点が
ある。 ところで、本発明者は先に感度及び分解能の面
で優れた質量分析装置を提案した。この質量分析
装置は、特願昭56−118645号（特開昭58−19848
号公報）に詳しく紹介されており、第２図に概略
の構成図を示すように、イオン源Ｓと一様扇形磁
場Ｈとトロイダル電場Ｅとから成り、イオン源Ｓ
と一様扇形電場Ｈとの間に、通過するイオンビー
ムの軌道平面に垂直な方向に集束性を与え、イオ
ンビームの動径方向には発散性を与える２個の静
電四極レンズＱ１，Ｑ２を配置することを特徴と
している。 ［発明の目的］ 本発明は、この提案装置の改良に関するもので
あり、感度及び分解能の優れた点は残しながら、
上述した要望に応えて高質量分子イオンを分析で
きるよう測定質量範囲を広くとることができ、し
かも小形化が可能な質量分析装置を提供すること
を目的としている。 ［発明の構成］ 本発明は、イオン源と、該イオン源から放出さ
れるイオンを検出するイオン検出器と、イオン源
とイオン検出器との間に配置される一様磁場と、
該磁場とイオン検出器との間に配置される電場
と、イオンビームの軌道平面に垂直な方向に集束
性を与えそのイオンビームの動径方向には発散性
を与えるために前記イオン源と磁場との間に間隔
をあけて配置される２個の静電四極レンズと、イ
オンビームの軌道平面に垂直な方向に集束性を与
えるために前記磁場と電場との間に配置される静
電四極レンズとを備え、前記磁場におけるイオン
ビームの回転角度，回転半径を夫々φm，rm、前
記電場におけるイオンビームの回転角度，回転半
径を夫々φe，reとした時、 82゜≦φe≦88゜ 39゜≦φm≦41゜ 0.715≦re／rm≦0.755 を満足するようにしたことを特徴としている。以
下、本発明を図面を用いて詳説する。 ［実施例］ 第３図は本発明の一実施例を示す装置構成図で
ある。イオン源１はイオン化室２と複数の電極３
を有し、加速されたイオンビーム電子ビームIB
がスリツト４から外部へ取出される。このIBは、
２個の静電四極レンズ５，６の中を通過して、一
様扇形磁場７に入射する。この磁場７の中でイオ
ンはその質量電荷比に応じて分散され、特定の質
量電荷比を持つものが静電四極レンズ８、円筒電
場９を介してイオン検出器１０へ入射して検出さ
れる。上記磁場７は図示しない電源によりその磁
場強度を繰返し高速掃引できるように構成されて
いる。そのため、その掃引にともなつて磁場７を
通過するイオンの質量電荷比が変化し、検出器１
０に捕捉されるイオンは質量の異なるものとな
り、検出器１０から質量スペクトル信号が得られ
る。尚、磁場７の入出射面には、イオンビームが
斜めに入出射するような角度ε₁，ε₂がつけられて
おり、且つその入射端面にはRm1なる曲率半径
が与えられている。 第４図は、上記静電四極レンズ５，６，８のＡ
−Ａ断面構造及びこれに電位を与えるための電源
１１の構成を示す図である。静電四極レンズ５，
６，８は各々４本の円筒状電極から成り、これが
イオンビーム通路０を中心に90゜間隔で対称配置
され、正イオンを分析する場合には、イオンビー
ムの軌道平面に垂直な方向（ｙ方向）の対向する
電極Pyには正電位が印加され、イオンビームの
動径方向（ｘ方向）の対向する電極Pxには負電
位が印加される。そのため、正イオンはｙ方向に
は集束方向の力を受け、ｘ方向には発散方向の力
を受ける。尚、静電四極レンズ８の場合、該レン
ンズ８はｘ方向集束点に配置されているためｘ方
向に与える影響が小さく、ｙ方向の集束性のみが
与えられる。 第５図は上述したイオン光学系内のイオンビー
ムIBの流れを示す説明図である。同図ａはｘ方
向のビーム幅の変化を示し、左端のイオン源１か
らｘ方向の方向分散角αを持つて放出されたイオ
ンビームは、静電四極レンズ５，６の発散作用に
よつてαより大なる方向分散角α′が与えられる。
従つてイオンビームは、あたかも点Ｆを出発点と
して出射されたように磁場７へ入射する。この時
点Ｆにおける像倍率Ｘはα／α′となり、像は縮小
されるため、磁場型質量分析装置の分解能Ｒを与
える下式から高分解能が得られることが分る。 Ｒ＝γ・rm／（Ｘ・Ｓ＋Δ＋ｄ） 上式において、Ｓ，ｄは夫々イオン源，イオン検
出器におけるスリツト幅、γは質量分散係数、Δ
は収差による像の拡がりである。 磁場７に入射したイオンビームは該磁場７によ
る集束作用を受けてビーム幅が徐々に減少し、静
電四極レンズ８の出射端の近傍の点へ一旦集束さ
れた後、磁場７と組合わされて二重集束条件を満
足するように配置される電場９へ入射し、該電場
９による集束作用を受けて検出器１０へ再び集束
される。 第５図ｂは、ｙ方向のイオン軌道図を示し、図
から静電四極レンズ５，６のｙ方向の集束作用に
より磁場７内でイオンビームの高さが極めて小さ
く押えられていることが分る。従つて磁極の間隔
を小さくして磁場強度を高めることが可能となる
し、同じ磁極間隔であれば多量のイオンを有効に
通過させることができ、感度を向上させることが
できる。 本発明では、このように高分解能且つ高感度と
いう優れた特性を有する第３図のイオン光学系に
おいて、82゜≦φe≦88゜、39゜≦φm≦41゜、0.715≦
re／rm≦0.755に設定することに特徴がある。

【表】 第１表におけるａは第１図ｂの従来装置、ｂは
第２図の提案装置、ｃは本発明による装置の夫々
について適宜なデイメンジヨンを与えた設計例を
示し、第２表は第１表におけるａ，ｂ，ｃの各例
について計算した二次及び三次の収差係数の一覧
表を示す。第１表における長さについては、磁場
におけるイオンビームの曲率半径rmを１として
ノーマライズされている。 φm：磁場によるイオンビームの回転角（度） φe：電場によるイオンビームの回転角 rm：磁場内でのイオンビームの回転半径 re：電場内でのイオンビームの回転半径 Rm1：磁場入射端での曲率半径 QL：静電四極レンズの長さ QK1，QK2，QK3：静電四極レンズ５，６，
８の強度 L1〜L5：第１図ｂ，第２図，第３図に記入さ
れた各距離 Ax：像倍率 Aγ：質量分散係数 Ay，Aβ：検出器位置におけるビームの高さ方
向の拡がりを示す係数 AA〜BB：二次収差係数 XXX〜DBB：三次収差係数 第１表において、測定質量範囲の拡大及び装置
の大きさに寄与するφmとre／rmについて３者を
比較すると、ａが35゜，0.643、ｂが72.5゜，0.9、ｃ
が40゜，0.735であり、ａとｃは装置を大型化せず
に質量範囲を拡大でき、ｂはその点不利であるこ
とが分る。 一方、イオンのトランスミツシヨン（通過効
率）を表わすAy，Aβ（小さい方がトランスミツ
シヨンが優れている）及びAγ／Ax（＝質量分
散／イオンビーム幅）について比較すると、ａは
夫々2.415，10.678，0.957であるのに対し、ｂは
夫々0.54，−1.08，7.59、ｃは夫々0.62，−0.74，
4.91であり、ａに比べｂ，ｃの方がAy，Aβが小
さくAγ／Axが大きく、従つて同じ分解能又は同
じイオンビーム幅で比べれば、ａよりもｂ，ｃの
方がトランスミツシヨンが桁違いに優れ、高感度
が得られることが分る。

【表】

【表】 更に、第２表において分解能を決定する２次及
び三次の収差係数について比較する。実用上必要
となる分解能を50000とし、イオン源でのイオン
ビームの幅rm／（200〜300）前後とすれば、二
次の収差係数は少なくとも0.8〜１よりも小さい
ことが望まれ、三次の収差係数は少なくとも500
〜800よりも小さいことが望ましい。ただし
XXX，XXA，XAAについてはイオン源スリツ
トの調整等によつて改善可能なので千前後までは
許容できる。 この値を考慮に入れて第２表の二次収差係数及
び三次収差係数を見れば、ａは三次収差係数は比
較的良いものの肝腎の二次収差係数が全て許容範
囲を大きく外れており、結果として分解能は
50000よりもはるかに悪くなつてしまうことは避
けられない。 次にｂは、二次収差係数に関して文句のない範
囲に収まつているものの、三次収差係数が大きく
なつており、その結果分解能50000を余裕をもつ
て実現することはむずかしい。 一方、ｂの改良型である本発明にかかるｃは、
二次収差は勿論のこと三次収差に関しても許容範
囲に収まつており、分解能50000を余裕をもつて
実現することができる。 以上のことを要約すれば、本発明にかかるｃに
おいては、φmとre／rmを小さくして測定質量範
囲拡大を図つても、ａの例のように収差が悪化す
ることはなく、二次の収差はｂの例と同等でしか
も三次の収差はｂの例よりも遥かに改善されてい
る。しかもトランスミツシヨンの優秀性はｂのそ
れをそのまま受けついでおり、従つて装置を大型
化することなく測定質量範囲を拡大することがで
き、なおかつ高感度高分解能が得られるという理
想的な質量分析装置が実現される。

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】 第３表，第４表，第５表は、このような優れた
特性を持つ本発明のイオン光学系に関し、φe，
φm，re／rmを、前記第１表，第２表のｃの例に
おける値、即ちφe＝85゜，φm＝40゜，re／rm＝
0.735の周囲で変化させた時、二次及び三次の収
差係数がどのように変化するかを示している。 第３表に示された二次収差係数を見ると、AD
の値を上述した許容範囲に収めるには、φeを82゜
から88゜の範囲に設定する必要があることが分る。
その範囲であれば、三次収差係数も略許容範囲に
ある。 第４表に示された二次収差係数を見ると、AD
及びBBの値を上述した許容範囲に収めるには、
φmを36゜から38゜の範囲に設定する必要のあるこ
とが分る。その範囲であれば、三次収差係数も許
容範囲にある。 次に第５表を見ると、二次収差係数のBBの値
を上述した許容範囲に収めるには、re／rmを
0.765から0.705程度までの範囲に設定する必要が
あるが、三次収差係数はre／rmが0.755では上述
した許容範囲を越えてしまうので、二次及び三次
収差係数を勘案すると、結局re／rmの値は0.755
から0.715の範囲に収める必要がある。 以上述べたように、本発明によれば、測定質量
範囲が広く、感度及び分解能の面で優れ、しかも
小形化が可能な質量分析装置が実現される。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来装置の構成を示す図、第２図は提
案装置の構成を示す図、第３図は本発明の一実施
例を示す装置構成図、第４図は静電四極レンズの
断面構造及びこれに電位を与えるための電源の構
成を示す図、第５図は本発明にかかるイオン光学
系内のイオンビームの流れを示す説明図である。 １：イオン源、４：スリツト、５，６，８：静
電四極レンズ、７：一様扇形磁場、９：円筒電
場、１０：イオン検出器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ イオン源と、該イオン源から放出されるイオ
   ンを検出するイオン検出器と、イオン源とイオン
   検出器との間に配置される一様磁場と、該磁場と
   イオン検出器との間に配置される電場と、イオン
   ビームの軌道平面に垂直な方向に集束性を与えそ
   のイオンビームの動径方向には発散性を与えるた
   めに前記イオン源と磁場との間に間隔をあけて配
   置される２個の静電四極レンズと、イオンビーム
   の軌道平面に垂直な方向に集束性を与えるために
   前記磁場と電場との間に配置される静電四極レン
   ズとを備え、前記磁場におけるイオンビームの回
   転角度，回転半径を夫々φm，rm、前記電場にお
   けるイオンビームの回転角度，回転半径を夫々
   φe，reとした時、 82゜≦φe≦88゜ 39゜≦φ≦41゜ 0.715≦re／rm≦0.755 を満足するようにしたことを特徴とする質量分析
   装置。