JPH07111882B2 - ウイ−ンフイルタを用いた二重収束質量分析装置 - Google Patents

ウイ−ンフイルタを用いた二重収束質量分析装置

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JPH07111882B2
JPH07111882B2 JP62092604A JP9260487A JPH07111882B2 JP H07111882 B2 JPH07111882 B2 JP H07111882B2 JP 62092604 A JP62092604 A JP 62092604A JP 9260487 A JP9260487 A JP 9260487A JP H07111882 B2 JPH07111882 B2 JP H07111882B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、種々の質量の娘イオンを同時検出することの
できるウィーンフィルタを用いた二重収束質量分析装置
に関するものである。
〔従来の技術〕
メタステーブルイオン(準安定イオン)が自由空間で解
裂してできる娘イオンを検出する方法は、有機化合物の
分子構造式の決定や極微量物質の定量分析等に応用でき
るので、最近注目を集めている。この現象を利用する方
法として、従来は電場と磁場を持つ二重収束質量分析計
を用い、リンクドスキャン法や、MS/MS法が行われてい
る。
〔発明が解決すべき問題点〕
リンクドスキャン法では、イオン源と電場間の自由空間
での準安定イオンの解裂で生成する娘イオンを検出して
いる。ある準安定イオンの解裂時には、解裂の前後で各
粒子の速度は変化せず一定に保たれるが、生成した娘イ
オンの運動エネルギーはその質量に比例して異なってく
る。従って、例えばある特定親イオンM+から解裂して出
てくる一連の娘イオンM1 +を連続して検出しようとする
と、電場と磁場を連動して変化させる必要がある。
MS/MS法では第1のMS(質量分析計)である特定イオンM
+を選択し、第1のMSと第2のMSの自由空間でM+の解裂
により生ずる娘イオンM1 +を前と同じく、電場と磁場の
連動したスキャンにより検出する。すなわち、この場合
にも一連の娘イオンのピークスペクトルを得るために
は、電場と磁場を連動してスキャンする必要があった。
このことは、また、電場では一度に1つの娘イオン、即
ちあるエネルギーのイオンしか選択できないので、複数
の娘イオンの同試験出はできないことを意味すると共
に、二重収束系で純粋の電場を用いる限り、娘イオンの
同時検出はできないことを意味している。
本発明は上記問題点を解決するためのもので、特定の準
安定イオンから生ずるいろいろな質量Mの娘イオンを同
時に検出することが可能な質量分析装置を提供すること
を目的とする。
〔問題点を解決するための手段〕
そのために本発明のウィーンフィルタを用いた二重収束
質量分析装置は、主スリットと、主スリットからのイオ
ンビームが入射するウィーンフィルタと、ウィーンフィ
ルタからの出射ビームに質量分散を与える磁場発生用扇
形磁石と、主スリットとウィーンフィルタとの間の空間
で1つの親イオンから派生した質量の異なる一連の娘イ
オンに対して二重収束条件が成立する位置を含む平面に
配置された2次元検出器とからなり、前記扇形磁石を、
扇形磁場の回転角50゜、磁場入射角−20゜とすることに
より、娘イオンを高分解能で、広い質量範囲にわたって
同時検出するようにしたことを特徴とする。
〔作用〕
本発明は、ウィーンフィルタを用いて主スリットとウイ
ーンフィルタとの間の空間で1つの親イオンから派生す
るウイーン条件を満たす娘イオンを扇形磁場の回転角50
゜、磁場入射角−20゜の扇形磁石で質量分散させ、二重
収束条件が成立する位置を含む平面に配置した2次元検
出器で検出することにより、娘イオンを高分解能で、広
い質量範囲にわたって同時検出することが可能となる。
〔実施例〕
以下、実施例を図面を参照して説明する。
第1図は本発明によるウィーンフィルタを用いた二重収
束質量分析装置の原理を説明するための図で、1は主ス
リット、2はイオンビーム、3はウィーンフィルタ、4
は磁石、5はα収束面、6はβ収束面、m1、m2、m3は質
量、a1、a2、a3は各イオンの回転半径、l1、l2、l3は磁
石出口端と収束面間の距離、δ、δ、δは収束面
間の距離である。
本発明の質量分析装置では、従来の電場フィルタの代わ
りにウィーンフィルタ3を用いる。ウィーンフィルタ
は、電場と磁場とが互いに直交していると共に、これに
対して飛行するイオンの進行方向も直交し、かつ、イオ
ンに作用する電気的、磁器的力の方向が反対で大きさが
等しくなるように構成されている重畳場であって、電場
による力Fe=eE(eは電荷量、Eは電場強度),磁場に
よる力Fm=evB(vはイオン速度、Bは磁場強度が大き
さが等しく、かつ方向が反対なのでイオンは場の中を直
進する。この直進条件(ウィーン条件)はFe+Fm=0、
即ち E=vBとなるから v=−E/B …… となる。即ち、イオンが直進する条件はイオン質量には
無関係である。
図において、イオン源(図示せず)から所定エネルギに
加速されたイオンビームは、主スリット1を通り、ウィ
ーンフィルタ3に入射するが、この間の自由空間での解
裂により質量の異なる一連の娘イオンが生成する。生成
した一連の娘イオンは親イオンとほぼ同一の速度vを持
つため、この速度がウィーン条件を満たせば、ウィーン
フィルタ3を揃って通過し、これ以外のイオンはウィー
ン条件を満たさないために通過することができない。ウ
ィーンフィルタ3を通過したビームは、一様磁場を与え
る磁石4により各質量の相違によって空間的に分離さ
れ、磁場の後段の面上で一次の角度(α)収束と速度
(β)収束を行う。このα収束を行う面5をα収束面、
β収束を行う面6をβ収束面と呼び、この2つが一致し
た所で二重収束の条件が成立する。αとβの収束面間の
角度θが小さい時には、この収束面上のある範囲で二重
収束がほぼ成立している考えられる。従って、この2つ
の収束面の位置に2次元検出器を置けば、1つの親イオ
ンから生じた一連の娘イオンの同時検出ができることと
なる。実際には、α収束面とβ収束面が交差した第1図
のP点を通り、α収束面とβ収束面との中間に位置する
ように2次元検出器を配置すれば、質量分散とエネルギ
分散の両方の条件をほぼ満たすことができる。
次に第2図〜第4図によりウィーンフィルタを用いて二
重収束の条件を成立させる具体的配置について説明す
る。
第2図は本発明によるウィーンフィルタを用いた二重収
束質量分析装置の一実施例を示す図、第3図は第1図に
おけるウィーンフィルタのA−A断面図で、第1図と同
一符号は同一内容を示している。図中、7は四極子レン
ズ(Q.P)、31、32は磁極、θは収束面同士のなす角、E
1は磁場入射角、E2は磁場出射角、WAはイオンが回転す
る角度、L1は主スリットとQ.Pとの距離、QLはQ.Pの長
さ、L2はQ.Pとウィーンフィルタとの距離、LFはウィー
ンフィルタ長、L3はウィーンフィタと磁石間の距離、Lf
は磁石端と収束面間の距離、AMはイオンの回転半径、P
は収束面の交差する点である。
イオン軌道の計算は、現在では通常CPUを用いて行われ
ているが、そのため、次のような方法がとられる。ま
ず、イオンをベクトル(水平位置X、水平角度α、質
量γ、速度β、縦位置Y、縦角度α)で表示する。任
意の場の作用はこのベクトルを掛算により変換する変換
マトリックスの形にまとめられる。ここで、質量γと速
度βは場によって不変に保たれるが、水平位置X、水平
角度α、縦位置Y、縦角度αは場の作用によって変
換を受ける。ここで収束に関係するのは水平位置X、縦
位置Yである。
収束点(面)のイオンを(XFr,F,γ,β,YF,
αZ,F)と記述し、初期のイオンを(x,αr,β,γ,y,α
)と表したとき、 XF=XX+Aα+Sβ+Cγ…… αr,F=X′x+A′α+S′β+C′γ… YF=Yy+Bα αZ,F=Y′y+B′α と1次近似で表すことができる。この係数X、A、S、
C、Y、B、X′、A′、S′、C′、Y′、B′を計
算し、これを用いてイオンの収束性を検討することがで
きる。
ウィーンフィルタ3は第3図に示すようにその磁極面が
AX(1/PX)なる距離で中心平面と交わるようなテーパー
を付けて磁界方向にも収束性を持たせている。そして、
一様磁場で中心イオンが回転する角度WA=50゜に対応す
るイオンの回転半径をAM0=1.0としてすべての長さを測
る。この例ではイオンの回転半径AM=1.8〜1.2の範囲で
検討し、E2+WA=50゜としている。
ビームに沿ったα収束面とβ収束面間の距離δはS′=
dS/dLF、ΔLF=δ、dS≒ΔSとして、 δ=ΔS/S′≒S/S′ …… より得られる。
記号FM、MR、QKを、それぞれウィーンフィルター中の磁
場BFによるイオンの回転半径、FM/AM、四極子レンズの
強さとする。
FM=MR・AM、PP=1/FM−PX、 K2=PP/FMの時 ウィーンフィルター中のイオン軌道方程式は dX2/dZ2=−K2X と表される。
第4図はイオンの高さ方向yでの軌道の様子を示す図
で、出射点で縦位置と縦角度(y,α)が(1,0)およ
び(0,1)のビームが、磁場の入口でy1=Y1,y2=B1,出
口でy3=Y2,y4=B2となり、磁場の出入口でのY方向の
位置は、入口ではY=Y1y+B1α、出口ではY=Y2y+
B2αと表される。
第5図にその計算結果の例を示す。
第6図は第5図の計算例につき、図の各〜に対する
S、Cの値からα−β収束面間距離δ=S/S′,エネル
ギ巾β=Δv/v=0.01に対する分解能R=C/S・v/Δvを
求めた例を示している。この例ではAM=1.6の所でほぼ
二重収束が成立している。
ここでのイオンの質量をM0=5000と仮定すると、M/M0
AM/1.6より、各AMに対する質量Mが求められる。
いま、ウィーンフィルタの長さLF=1mとすると、の例
ではLf=2.7×AM0=100cm,AM=1.6M0であるので、Lf=
2.7×AM0/AM・AM=2.7/1.6AMより、AM=59.3cmとなる。
また、同じくにおいて、分離能5000を得るためのスリ
ット巾S0を求めると、分散係数Cを像倍率Xを用いて、
XS0=AM0Cγ,C=1.448,X=0.354であり、またγ=1/R=
1/5000とすると S0=302.8μmが得られる。
また、速度巾をβ=Δv/v=1/100に取った時に得られる
分解能Rvは、 Rv=C/S×v/Δv=C/Sβ-1=C/S×100 となり、第7図に示すような結果が得られる。
なお、上記実施例においては四極子レンズを用いたが、
収束条件が満たされれば必ずしも必要としない。
〔発明の効果〕
以上のように本発明によれば、ウィーンフィルタと一様
磁場の組合せにより、イオン源より一定の加速電圧で加
速されて、ほぼエネルギーの揃っている準安定イオン
が、イオン源とウィーンフィルタの間の自由空間で小さ
なエネルギー放出により、分裂してできる娘イオンを磁
場の後の二重収束面で、同時検出を行うことが可能とな
る。従って、従来は一連の娘イオンを検出するために
は、電場と磁場をスキャンする必要があったが、すべて
の質量につき同時に検出でき、感度を向上させることが
できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明によるウィーンフィルタを用いた二重収
束質量分析装置の原理を説明するための図、第2図は本
発明によるウィーンフィルタを用いた二重収束質量分析
装置の一実施例を示す図、第3図は第1図におけるウィ
ーンフィルタのA−A断面図、第4図はイオンの高さ方
向での軌道の様子を示す図、第5図、第6図は計算結果
の一例を示す図、第7図は分解能を示す図である。 1……主スリット、2……イオンビーム、3……ウィー
ンフィルタ、4……磁石、5……α収束面、6……β収
束面、m1、m2、m3……質量、a1、a2、a3……各イオンの
回転半径、l1、l2、l3……磁石出口端と収束面間の距
離、δ、δ、δ……収束面間の距離、7……四極
子レンズ(Q.P)、31、32……磁極、θ……収束面同士
のなす角、E1……磁場入射角、E2……磁場出射角、WA…
…イオンが回転する角度、L1……主スリットとQ.Pとの
距離、QL……Q.Pの長さ、L2……Q.Pとウィーンフィルタ
との距離、L3……ウィーンフィルタと磁石間の距離、Lf
……磁石端と収束面間の距離、AM……イオンの回転半
径、P……収束面の交差する点。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】主スリットと、主スリットからのイオンビ
    ームが入射するウィーンフィルタと、ウィーンフィルタ
    からの出射ビームに質量分散を与える磁場発生用扇形磁
    石と、主スリットとウィーンフィルタとの間の空間で1
    つの親イオンから派生した質量の異なる一連の娘イオン
    に対して二重収束条件が成立する位置を含む平面に配置
    された2次元検出器とからなり、前記扇形磁石を、扇形
    磁場の回転角50゜、磁場入射角−20゜とすることによ
    り、娘イオンを高分解能で、広い質量範囲にわたって同
    時検出するようにしたことを特徴とするウィーンフィル
    タを用いた二重収束質量分析装置。
JP62092604A 1987-04-15 1987-04-15 ウイ−ンフイルタを用いた二重収束質量分析装置 Expired - Fee Related JPH07111882B2 (ja)

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