JPH10213569A - イオン化検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 分子量の影響を受けず最適なイオン化を行な
う。 【解決手段】 昇温分析時のカラムオーブン１４の温度
変化を温度センサ３１でモニタし、検出温度よりカラム
１３から溶出する成分の分子量を推定し、その分子量と
ノズル温度との積がその成分のイオン化に適した値とな
るようにヒータ２３ｂの加熱を制御する。つまり、カラ
ム温度が上昇し分子量が大きくなるに従いノズル２３の
温度を下げる。これにより、ノズル２３から噴射される
分子が得る並進運動エネルギーは各成分のイオン化に最
適なものとなり、エミッタ２４に接触して表面分離の作
用により効率的にイオン化される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は表面電離型のイオン
化検出装置に関し、特にガスクロマトグラフ装置に用い
るに適した表面電離型のイオン化検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスクロマトグラフ分析では、試料成分
を検出するために各種の検出装置が用いられる。イオン
化検出装置はこのような検出装置の一種であり、試料を
含むガス中の成分分子をイオン化し、イオン電流を測定
することにより各成分の量を検出するものである。

【０００３】図３は、特公平５−１２６６３号公報に記
載の、従来の超音速自由噴流を用いた表面電離型のイオ
ン化検出装置の構成図である。試料ガス流路４０に導入
された試料ガスと補助ガス流路４１に供給された水素、
ヘリウム等の比重の軽いガスとは、合流してノズル３２
からイオン化室４３内に噴出される。ノズル４２の先端
には直径が１〜１５０μｍ程度の微小径のガス噴出口４
２ａが取り付けられると共に、ノズル４２に供給された
ガスを加熱するために加熱制御部４６に接続されるヒー
タ４２ｂがノズル４２の先端周囲に設けられる。また、
イオン化室４３内のノズル４２に対向する位置には、加
熱された固体表面を成すエミッタ４４が配置されてい
る。エミッタ４４は、例えば正電荷をもつイオンを発生
させる目的で仕事関数の高い固体表面とする場合には、
白金、レニウム、タングステン等の金属又はその金属酸
化物が使用され、これに加熱制御部４６から電流が供給
されることにより加熱される。

【０００４】イオン化室４３内は真空状態に保たれ、ノ
ズル４２の先端部及びエミッタ４４は適度に加熱され
る。試料ガス及び補助ガスをそれぞれの流路に供給する
と、両者は混じり合ってノズル４２に到達する。ガス噴
出口４２ａは極く微小径であり且つガスは連続的に供給
されるため、ノズル４２内のガス圧は次第に高まる。一
方、イオン化室４３内は真空状態であるため、ガス噴出
口４２ａの内側と外側とでは大きな圧力差が生じ、軽い
補助ガスは勢い良くイオン化室４３内に噴出する。ノズ
ル４２内は、ガスの供給と噴出とのバランスがとれた或
る圧力となる。このとき、重い（分子量の大きい）試料
成分の分子も補助ガスの噴出流に乗って真空中に飛び出
す。そして、試料成分の分子は二重衝突を繰り返しなが
ら超音速領域の速度に到達する。この超音速自由噴流と
なった試料成分の分子はエミッタ４４に衝突し、表面電
離作用によりイオン化される。このイオンはコレクタ４
５で捕集され、そのイオン数に応じた電流を微小電流計
４７で測定することにより試料成分の濃度を順次検出す
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記イオン検出装置は
ガスクロマトグラフ装置と組み合わせて使用されること
が多い。この種の装置では、ガスクロマトグラフ装置の
カラムにおいて保持時間の相違により時間的に分離され
た広範囲の分子量を有する試料成分が次々にイオン化検
出装置のノズル４２に送り込まれる。

【０００６】一般に、ノズル先端のガス噴出口４２ａか
ら飛び出した分子が有する並進運動エネルギーはその分
子量に比例するということが知られている。つまり、ノ
ズル４２の温度が一定、加速用の補助ガスの圧力又は流
量が一定、且つ補助ガスの組成が一定であるという条件
の下では、分子量が小さい成分の加速分子の並進運動エ
ネルギーは小さく、分子量が大きい成分の加速分子の並
進運動エネルギーは大きくなる。また、同族体では、一
般に分子量が大きいほどイオン化ポテンシャルが小さく
なる傾向がある。つまり、少ない並進運動エネルギーで
イオン化する。したがって、低分子量の成分の加速分子
の並進運動エネルギーがイオン化に適するように上記の
各条件を設定すると、高分子量の成分の加速分子の並進
運動エネルギーはイオン化に適した値よりも大きくなり
過ぎるため、エミッタ４４に衝突したとき分解してしま
う可能性が高い。一方、高分子量の成分の加速分子の並
進運動エネルギーがイオン化に適するように上記の各条
件を設定すると、低分子量の成分の加速分子の並進運動
エネルギーはイオン化に適した値に足らず、エミッタ４
４に衝突してもイオン化されない可能性が高い。このよ
うに、従来のイオン化検出装置では、広範囲の分子量を
有する試料成分を適正にイオン化することは困難であっ
た。

【０００７】本発明は上記課題を解決するために成され
たものであり、その目的とするところは、広範囲の分子
量を有する試料成分のいずれに対しても良好なイオン化
を達成することのできるイオン化検出装置を提供するこ
とにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に成された本発明は、固体表面に試料成分の分子を接触
させ、表面電離によって該分子をイオン化するイオン化
検出装置において、 a)前記固体表面に向けて試料成分の分子を噴出するため
のノズルと、 b)該ノズルを加熱するための加熱手段と、 c)前記ノズルに送り込まれる試料成分の分子量に応じて
該ノズルの温度を調節すべく前記加熱手段を制御する温
度調節手段と、 を備えることを特徴としている。

【０００９】

【発明の実施の形態】一般に上記の如きイオン化検出装
置では、ノズルから噴出される分子の有する並進運動エ
ネルギーは、その分子の分子量に比例すると共にノズル
の温度（絶対温度）にも比例する。そこで本発明に係る
イオン化検出装置では、ノズルに供給される成分の分子
量を推定しその分子量に応じてノズルの温度を調節する
ことにより、ノズルから噴出される分子の有する並進運
動エネルギーを個々の成分のイオン化に適した値とす
る。

【００１０】より詳しくは、例えば、ガスクロマトグラ
フ装置のカラムから溶出したガスをノズルに導入する場
合、分子量を推定するためにカラム温度を利用すること
ができる。すなわち、同族体を成す複数の所定成分を含
む物質では各成分の分子量と沸点との間には一定の関係
があるため、所定の昇温プロファイルに従ってカラム温
度が変化される昇温分析においては、カラム温度とその
時点でカラムから溶出してくる成分との間に規則性を有
している。そこで、カラム温度と溶出する成分の分子量
との関係を予め調べ、この対応関係をメモリ等に予め記
憶させておく。

【００１１】実際の分析時に、温度調節手段はカラムの
温度を検出し、メモリに記憶させておいた対応関係を参
照してノズルに供給される試料成分の分子量を得て、ノ
ズルがその分子量に応じた適宜の温度となるように加熱
手段を制御する。これにより、ノズルに供給された試料
成分の分子量が小さいときにはノズル温度は相対的に高
く、逆に分子量が大きいときにはノズル温度は相対的に
低くなる。この結果、ノズルから噴出した分子はそのイ
オン化に適した並進運動エネルギーを与えられ、固体表
面に接触した分子は最適にイオンされる。

【００１２】

【発明の効果】本発明のイオン化検出装置によれば、分
析すべき試料中に含まれている成分が広範囲の分子量分
布を有するときであっても、ノズルから噴出される成分
の分子量に応じたノズル温度が設定されるため、分子量
に依らず加速後の並進運動エネルギーを最適化すること
ができる。このため、固体表面において適当なイオン化
が行なわれるから、イオン検出感度が改善され高精度の
分析を行なうことが可能となる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明に係るイオン化検出装置の一実
施例について図１を参照して説明する。図１は、本実施
例のイオン化検出装置を備えたガスクロマトグラフ装置
の要部の構成図である。

【００１４】ガスクロマト分析部は、液体試料を導入す
るための試料気化室１１、試料気化室１１に供給するキ
ャリアガスの流量を調節するフローコントローラ１２、
試料気化室１１に連結されたカラム１３、カラム１３を
所定温度に維持するためのカラムオーブン１４から構成
されている。

【００１５】また、イオン化検出部は、補助ガスを供給
する補助ガス流路２１、補助ガス流路２１に設けられた
調圧器２２、カラム１３から溶出したガスと補助ガスと
が合流した流路の先端に設けられたノズル２３、ノズル
２３に対向して設けられたエミッタ２４、エミッタ２４
でイオン化されたイオンを検出する検出器２５、ノズル
２３等を内装するイオン化室２６、及び、イオン電流を
測定する微小電流計２７等から構成されている。ノズル
２３の先端にはガス噴出口２３ａが設けられ、ノズル２
３の周囲にはヒータ２３ｂが取り付けられている。加熱
制御部２８は、ヒータ２３ｂに加熱電流を供給する電流
発生部２９とこの電流を調節するマイクロコンピュータ
等から成る温度制御部３０とを含み、カラムオーブン１
４内の温度を検出する温度センサ３１の検出信号が温度
制御部３０に入力されている。

【００１６】上記構成において、ガスクロマト分析部１
０のカラムオーブン１４の温度は、例えば図２（ａ）に
示すような昇温プロファイルに従うように制御される。
一般に、同族体系列に含まれる複数の有機化合物におい
ては、炭素数と沸点との間には一定の関係がある。すな
わち、炭素数の増加に対して沸点は上昇する。このた
め、既知の成分が含まれる上記のようなガスクロマトグ
ラフの昇温分析では、カラム温度とカラム１３から溶出
してくる成分との間には所定の対応付けを行なうことが
できる。

【００１７】そこで、既知の複数の成分が含まれる物質
を分析する際には、予め、カラム温度とカラム１３から
溶出する成分との関係を予め調べておき、その成分の分
子量に対応した最適なノズルの絶対温度を求めておく。
具体的には、加速後の分子の並進運動エネルギーは分子
量とノズルの絶対温度とに比例するから、分子量とノズ
ルの絶対温度との積が各成分のイオン化に適した値にな
るようにノズルの絶対温度を算出し、カラム温度とこの
ノズルの絶対温度との対応関係を温度制御部３０のＲＯ
Ｍ等に格納しておく。

【００１８】分析開始時に、温度制御部３０はヒータ２
３ｂに所定の加熱電流を供給するように電流発生部２９
を制御することにより、ノズル２３の温度を低分子量の
成分のイオン化に対応した並進運動エネルギーを得るの
に適した温度にしておく。試料を試料気化室１１に注入
するに先立ってフローコントローラ１２は所定流量のキ
ャリアガスを供給するように調整され、これによりキャ
リアガスが試料気化室１１を介してカラム１３に流れ
る。試料が試料気化室１１に注入されると、瞬時に気化
した試料はキャリアガスの流れに乗ってカラム１３に送
り込まれる。そして、カラム１３を通過する間に各成分
に分離され、それぞれ相違する保持時間をもってカラム
１３から溶出する。

【００１９】分析開始後、カラムオーブン１４の温度は
図２（ａ）の曲線のように変化される。この温度変化に
伴い、始めは分子量の小さな成分が、次第に分子量の大
きな成分が順次カラム１３から溶出する。カラム１３か
ら溶出した成分を含むガスと補助ガス流路２１を通して
供給される補助ガスとは混合され、この混合ガスがノズ
ル２３へ送り込まれる。温度センサ３１はカラムオーブ
ン１４内の温度を検出し検出信号を温度制御部３０に与
える。温度制御部３０は、この検出信号のカラム温度を
基に、ＲＯＭに記憶してある対応関係を用いその時点で
カラム１３から溶出する成分の分子量に適したノズルの
絶対温度を得る。そして、このノズルの絶対温度を制御
目標値として、ノズル２３がその温度になるべくヒータ
２３ｂに流す電流を減少するように電流発生部２９を制
御する。

【００２０】カラム１３の温度が上昇し分子量の大きな
成分がカラム１３から溶出すると、温度制御部３０はヒ
ータ２３ｂに流す電流を一層減少させノズル２３の温度
を下げる。ノズル２３から噴出した分子の有する並進運
動エネルギーを決定するパラメータのうち、ノズル温度
及び分子量以外のパラメータ（例えばガス圧力、ノズル
孔径等）は一定であるので、上記のような制御を行なう
ことにより分子がもつ並進運動エネルギーはイオン化に
最適の値となる。このような並進運動エネルギーをもっ
てガス噴出口２３ａから飛び出した分子は、適当な超音
速にまで加速されてエミッタ２４に到達し、エミッタ２
４に接触してイオン化される。

【００２１】上記実施例では、予めカラム温度と分子量
の関係を求め、更に所定の並進運動エネルギーを得るた
めの分子量とノズル温度との関係を用いることによりカ
ラム温度とノズル温度との対応関係を求め、この対応関
係をＲＯＭに記憶させておき温度制御に利用していた。
しかしながら、例えばカラム温度と分子量の対応関係を
ＲＯＭに記憶しておき、温度センサ３１により検出した
温度をＲＯＭの入力として分子量を得て、その分子量か
ら所定の並進運動エネルギーが得られるノズル温度を計
算により算出する構成とすることもできる。

【００２２】また、ガスクロマトグラフ分析の成分同定
のためのデータベースを利用してノズル温度を変化させ
ることもできる。すなわち、成分が既知である場合に
は、試料注入からの経過時間に対応してカラム１３から
溶出する成分がわかるから、その成分の分子量を基に所
定の並進運動エネルギーが得られるノズル温度を計算に
より算出する構成とすることができる。これによれば、
カラム温度を変化させない恒温分析においても、ノズル
２３から噴射する分子の並進運動エネルギーを各成分の
イオン化に最適なものとすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例によるイオン化検出装置を
備えるガスクロマトグラフ装置の要部の構成図。

【図２】 ガスクロマトグラフ分析時の昇温プロファイ
ルを示すグラフ。

【図３】 従来のイオン化検出装置の構成図。

【符号の説明】

１３…カラム １４…カラムオーブン ２３…ノズル ２３ａ…ガス噴出口 ２３ｂ…ヒータ ２４…エミッタ ２８…加熱制御部 ２９…電流発生部 ３０…温度制御部 ３１…温度センサ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体表面に試料成分の分子を接触させ、
   表面電離によって該分子をイオン化するイオン化検出装
   置において、 a)前記固体表面に向けて試料成分の分子を噴出するため
   のノズルと、 b)該ノズルを加熱するための加熱手段と、 c)前記ノズルに送り込まれる試料成分の分子量に応じて
   該ノズルの温度を調節すべく前記加熱手段を制御する温
   度調節手段と、 を備えることを特徴とするイオン化検出装置。