JPH1074479A - Laser ionization mass spectrometric device and mass spectrometry - Google Patents

Laser ionization mass spectrometric device and mass spectrometry

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JPH1074479A
JPH1074479A JP8230866A JP23086696A JPH1074479A JP H1074479 A JPH1074479 A JP H1074479A JP 8230866 A JP8230866 A JP 8230866A JP 23086696 A JP23086696 A JP 23086696A JP H1074479 A JPH1074479 A JP H1074479A
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JP
Japan
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laser
pulse
mass
laser light
oscillator
Prior art date
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Pending
Application number
JP8230866A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kunio Miyazawa
邦夫 宮澤
Fujitaro Imasaka
藤太郎 今坂
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JFE Engineering Corp
Original Assignee
NKK Corp
Nippon Kokan Ltd
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Publication date
Application filed by NKK Corp, Nippon Kokan Ltd filed Critical NKK Corp
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Priority to EP97937847A priority patent/EP0860859A1/en
Priority to PCT/JP1997/003029 priority patent/WO1998009316A1/en
Priority to US09/065,089 priority patent/US5977541A/en
Publication of JPH1074479A publication Critical patent/JPH1074479A/en
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a measuring device and method for high sensitivity detection in a laser multiple photon ionization mass spectrometric technology in which a sample is introduced by a supersonic molecule jet. SOLUTION: A mass spectrometric device is equipped with a sample introduction portion 1 which is provided with a pulse bulb 11 forming a molecule jet, a pulse laser radiation oscillator 2, a vacuum ionization chamber 3 or an equivalent part having a window 31 through which a laser radiation emitted from the oscillator 2 can pass, and a mass spectrometer 4 which analyzes the mass of an ionized molecule by the laser radiation 22. The pulse laser oscillator 2 can oscillate a ultrashort pulse laser radiation whose peak output is 1MW or more.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術】本発明は、レーザー光の照射によ
って被測定物である試料分子をイオン化し、そのイオン
の質量スペクトルを測定することで試料の質量分析を行
うレーザーイオン化質量分析技術に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a laser ionization mass spectrometry technique for ionizing a sample molecule as an object to be measured by irradiating a laser beam and measuring the mass spectrum of the ions to perform mass analysis of the sample. is there.

【0002】[0002]

【従来の技術】石炭・重油をはじめとする燃焼排ガス、
都市ごみならびに産業廃棄物の焼却排ガス、プラスチッ
ク熱分解生成ガスなどには、微量ではあるが窒素酸化
物、硫黄酸化物、芳香族化合物、塩素系有機化合物、塩
素化芳香族化合物、その他ハロゲン系化合物などの化合
物が含有されており、多くの場合これらの複数が一緒、
すなわち混合状態で存在する。これらの化合物の迅速な
測定技術のひとつに、測定対象化合物について検出の選
択性のあるレーザー多光子イオン化質量分析による方法
がある。
2. Description of the Related Art Combustion exhaust gas including coal and heavy oil,
Nitrogen oxides, sulfur oxides, aromatic compounds, chlorinated organic compounds, chlorinated aromatic compounds, and other halogenated compounds are present in trace amounts in incineration exhaust gas from municipal solid waste and industrial waste, and gas generated by pyrolysis of plastics. Such a compound is contained in many cases,
That is, they exist in a mixed state. One of the rapid techniques for measuring these compounds is a method using laser multiphoton ionization mass spectrometry, which has a selective detection of the compound to be measured.

【0003】混合ガス試料をレーザー多光子イオン化質
量分析で測定する場合、Analytical Che
mistry誌,第66巻,1062〜1069頁(1
994年)に技術の一例が紹介されている。すなわち、
通常の試料導入によるレーザー多光子イオン化質量分析
技術では、各々の化合物に対応するピークがそれぞれ幅
広のため、ピークが重なってしまい定量化が困難であ
る。そこで、孔径の小さな試料導入バルブを通してガス
試料を真空のイオン化室に導入し、レーザーを照射して
イオン化し、質量分析計で測定する。これにより、ガス
試料が断熱膨張し、絶対零度近くまで冷却されるため、
各々の化合物の分子の振動・回転が抑制される。したが
って、各々の化合物に対応するピークがシャープにな
り、それぞれ分離するため、定量化が容易になる。この
方法は、導入した分子の速度が音速の数十倍程度である
ことから超音速分子ビーム分光分析、あるいは超音速分
子ジェット分光分析と呼ばれるときもある。また、この
文献には標準的なレーザー光照射時間は10nsと記載
されている。
[0003] When a mixed gas sample is measured by laser multiphoton ionization mass spectrometry, an Analytical Che is used.
Mistry, Vol. 66, pp. 1062-1069 (1
An example of the technology is introduced in (994). That is,
In the laser multiphoton ionization mass spectrometry technique using the normal sample introduction, the peaks corresponding to the respective compounds are broad, and therefore, the peaks overlap and it is difficult to quantify. Therefore, a gas sample is introduced into a vacuum ionization chamber through a sample introduction valve having a small hole diameter, ionized by laser irradiation, and measured by a mass spectrometer. This allows the gas sample to expand adiabatically and cool to near absolute zero,
Vibration and rotation of molecules of each compound are suppressed. Therefore, the peak corresponding to each compound is sharpened and separated, which facilitates quantification. This method is sometimes called supersonic molecular beam spectroscopy or supersonic molecular jet spectroscopy because the velocity of the introduced molecules is about several tens of times the speed of sound. In this document, a standard laser beam irradiation time is described as 10 ns.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】この超音速分子ジェッ
トの試料導入では、一般にイオン化室の高真空を維持す
るため、ガス試料を連続的、あるいはパルス的に導入す
る際単位時間あたりの導入量を少なくしなくてはいけな
いという制限がある。このため、測定対象試料の量が極
めて少ないので、全体的に感度が低下するという問題が
ある。この対策として、レーザー光照射のエネルギーを
増加することが、容易に考えられる。しかしながら、レ
ーザー光エネルギーを増やすと測定対象分子が分解、す
なわちフラグメンテーションを起こして正確な定量がで
きないという問題が生ずる。
In the introduction of a supersonic molecular jet into a sample, in order to maintain a high vacuum in the ionization chamber, the amount of gas sample introduced per unit time is continuously or pulsed. There is a restriction that it must be reduced. For this reason, since the amount of the sample to be measured is extremely small, there is a problem that the sensitivity is reduced as a whole. As a countermeasure, increasing the energy of laser beam irradiation can be easily considered. However, when the energy of the laser beam is increased, there arises a problem that molecules to be measured are decomposed, that is, fragmented, and accurate quantification cannot be performed.

【0005】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされたもので、超音速分子ジェットによる試料導
入のレーザー多光子イオン化質量分析技術において、高
感度検出のための測定装置、および方法を提供すること
を目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve such problems, and a measuring apparatus and a method for high-sensitivity detection in a laser multiphoton ionization mass spectrometry technique for introducing a sample by a supersonic molecular jet. The purpose is to provide.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明者らは鋭意検討を
行った結果、分子のフラグメンテーションは照射したレ
ーザー光のエネルギーに依存するが、分子のイオン化は
レーザー光の尖頭出力と関連があることを見い出した。
尖頭出力の大きい超短パルスレーザー光を照射すると、
分子がフラグメンテーションを起こす限界エネルギーを
超えてレーザー光エネルギーを大きくしなくても、イオ
ン化効率を向上できることが判った。すなわち、大きな
尖頭出力のレーザー光を用いると、分子のフラグメンテ
ーションを抑制しつつ、分子イオン生成量を増大するこ
とができる。
Means for Solving the Problems As a result of intensive studies, the present inventors have found that the fragmentation of molecules depends on the energy of the irradiated laser beam, but the ionization of molecules is related to the peak power of the laser beam. I found something.
When irradiating an ultrashort pulse laser beam with a large peak output,
It has been found that ionization efficiency can be improved without increasing laser light energy beyond the limit energy at which molecules undergo fragmentation. That is, when a laser beam having a large peak power is used, the amount of molecular ions generated can be increased while suppressing fragmentation of molecules.

【0007】したがって、上記課題は、分子ジェットを
形成するパルスバルブを備えた試料導入部と、パルスレ
ーザー光発振器と、該発振器から発せられたレーザー光
が通過しうる窓を有する真空イオン化室または相当する
部位と、該レーザー光によってイオン化された分子の質
量を分析する質量分析計を有し、前記パルスレーザー光
発振器が尖頭出力1MW以上の超短パルスレーザー光を
発振しうるものであることを特徴とするレーザーイオン
化質量分析装置によって解決される。
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a sample introduction section having a pulse valve for forming a molecular jet, a pulsed laser light oscillator, and a vacuum ionization chamber having a window through which laser light emitted from the oscillator can pass. And a mass spectrometer for analyzing the mass of the molecules ionized by the laser light, wherein the pulsed laser light oscillator can emit an ultrashort pulsed laser light having a peak output of 1 MW or more. Solved by the characteristic laser ionization mass spectrometer.

【0008】また、試料ガスを、分子ジェットを形成し
うるパルスバルブにより真空イオン化室または相当する
部位に噴射してパルス状分子ジェットを形成し、該分子
ジェットに尖頭出力1MW以上の超短パルスレーザー光
を照射してイオン化し、該レーザー光によってイオン化
された分子の質量を分析することを特徴とする質量分析
方法によって解決される。
In addition, a sample gas is jetted into a vacuum ionization chamber or a corresponding portion by a pulse valve capable of forming a molecular jet to form a pulse-like molecular jet, and the molecular jet has an ultrashort pulse having a peak output of 1 MW or more. The problem is solved by a mass spectrometric method characterized by irradiating with a laser beam to ionize and analyzing the mass of a molecule ionized by the laser beam.

【0009】[0009]

【発明の実施の形態】試料導入部は、超音速分子ジェッ
トを作り出せるようなノズルあるいはオリフィスを備え
ているパルスバルブを使用する。パルスバルブはエンジ
ンの燃料噴射などで使用されており、日本化学会編,第
4版,実験化学講座,第8巻,127〜129頁(19
93年)に記載されているように、通常、ばねでシール
面に押さえ付けられているプランジャーが、後方のソレ
ノイド(電磁コイル)への瞬間的な通電によって電磁気
的に後方に引き付けられてその間だけ開口するものであ
る。また、ピエゾ素子を用いて開閉するバルブも開発さ
れており、利用できる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The sample introduction unit uses a pulse valve having a nozzle or orifice capable of producing a supersonic molecular jet. The pulse valve is used for fuel injection of an engine and the like, and is edited by The Chemical Society of Japan, 4th edition, Experimental Chemistry, Vol. 8, pp. 127-129 (19)
(1993), a plunger normally pressed against a sealing surface by a spring is electromagnetically attracted rearward by instantaneous energization of a rear solenoid (electromagnetic coil), during which time the plunger is attracted rearward. Only open. A valve that opens and closes using a piezo element has also been developed and can be used.

【0010】本発明においては、イオン化するためにレ
ーザー光と測定対象化合物分子が相互作用する時間はパ
ルスレーザー光の発振時間に依存するので使用するパル
スレーザー光の発振時間(照射時間)と同程度までなら
極めて短時間に作動するパルスバルブが好ましい。具体
的な作動時間としては、10μs〜5ms程度、特に5
0μs〜2ms程度が好ましい。そこで、市販のパルス
バルブの作動時間が長い場合には、ばねの長さを長くし
て、同時に強度を上げて、またコイルの電気抵抗を小さ
くして大電流を流せるようにするとともに作動電圧を大
きなものにすると、より短時間に作動するバルブとする
ことができる。ノズルの開口部は通常の円孔のほかスリ
ットであってもよい。開口部の大きさは超音速分子ジェ
ットを作り出せるように定められ、これは真空イオン化
室の排気能力等に依存するが、開口面積で0.01〜1
mm2程度、特に0.2〜0.5mm2程度が通常適当で
ある。
In the present invention, the time during which the laser light interacts with the molecule of the compound to be measured for ionization depends on the oscillation time of the pulsed laser light, and is substantially equal to the oscillation time (irradiation time) of the pulsed laser light used. A pulse valve that operates in a very short time is preferred. As a specific operation time, about 10 μs to 5 ms, particularly 5 μs
It is preferably about 0 μs to 2 ms. Therefore, when the operating time of a commercially available pulse valve is long, the length of the spring is increased, the strength is increased at the same time, the electric resistance of the coil is reduced so that a large current can flow, and the operating voltage is reduced. When the size is increased, the valve can be operated in a shorter time. The opening of the nozzle may be a slit in addition to a normal circular hole. The size of the opening is determined so as to create a supersonic molecular jet, which depends on the evacuation capacity of the vacuum ionization chamber.
mm 2 approximately, in particular about 0.2 to 0.5 mm 2 is usually appropriate.

【0011】本発明においては、パルスレーザー光発振
器により発振された尖頭出力1MW以上の超短パルスレ
ーザー光を用いるところに特徴がある。好ましい尖頭出
力は10MW〜100GWであり、特に好ましくは10
0MW〜10GWである。ここに尖頭出力とはレーザー
光の強度を表すものであり、レーザー光エネルギー
(J)/発振時間(s)である。
The present invention is characterized in that an ultrashort pulse laser light having a peak output of 1 MW or more oscillated by a pulse laser light oscillator is used. The preferred peak power is 10 MW to 100 GW, particularly preferably 10 MW.
0 MW to 10 GW. Here, the peak output indicates the intensity of the laser beam, and is expressed as laser beam energy (J) / oscillation time (s).

【0012】この尖頭出力を高める方法としては、1パ
ルスのレーザー光発振時間をより短くする方法とレーザ
ー出力を高める方法がある。照射時間については、分子
がフラグメンテーションしないレーザー光エネルギーで
尖頭出力をできる限り大きくした方がイオン化効率が増
大するので、短ければ短いほど好ましい。一方、理論的
に考えてみると、レーザー多光子イオン化というのは測
定対象化合物の分子が基底状態から励起状態のエネルギ
ー差に相当するエネルギーを有する光子により励起状態
に遷移してさらに光子のエネルギーによりイオン化する
というプロセスである。そこで、励起状態に滞在する時
間である励起寿命を目安として、分子が極端に分解しな
い程度の強力パルスレーザー光を照射すると、イオン化
効率が向上してイオン生成量が顕著に多くなることにな
る。好ましい照射時間は励起寿命の3倍以下、より好ま
しくは2倍以下、特に好ましくは同程度以下である。一
方、好ましい照射時間の下限は1/10000以上、よ
り好ましくは1/4000以上、特に好ましくは1/2
000以上である。一般的には、好ましい照射時間は1
00〜500fs程度、より好ましくは200〜300
fs程度である。
As a method of increasing the peak output, there are a method of shortening the laser light oscillation time of one pulse and a method of increasing the laser output. As for the irradiation time, it is preferable to increase the peak output as much as possible with laser light energy at which the molecules do not fragment, since the ionization efficiency increases. On the other hand, theoretically, laser multiphoton ionization means that the molecule of the compound to be measured transitions from the ground state to an excited state by a photon having an energy corresponding to the energy difference between the ground state and the excited state, and is further changed by the photon energy. This is the process of ionization. Therefore, irradiation with an intense pulsed laser beam to the extent that molecules are not extremely decomposed, based on the excitation lifetime, which is the time spent in the excited state, improves ionization efficiency and significantly increases the amount of generated ions. The preferred irradiation time is 3 times or less, more preferably 2 times or less, particularly preferably about the same as the excitation lifetime. On the other hand, the preferable lower limit of the irradiation time is 1/10000 or more, more preferably 1/4000 or more, and particularly preferably 1/2.
000 or more. Generally, a preferred irradiation time is 1
About 00 to 500 fs, more preferably 200 to 300 fs.
fs.

【0013】レーザー光エネルギーについても、理論的
には大きい方が尖頭出力を大きくできるので分子が分解
しない範囲で大きいほど好ましいが、レーザー光のビー
ムの中心とその外側では密度に若干差があるときもある
ため、分子ジェットに照射されたときに生ずるフラグメ
ンテーションも空間的に分布ができる場合もあるので、
多少レーザー光エネルギーを小さくしても効果は得られ
ることもある。好ましいパルスレーザー光エネルギーは
5mJ以下、より好ましくは4mJ以下、特に好ましく
は3mJ以下である。一方、好ましい下限は1mJ以上
であり、より好ましくは2mJ以上である。
[0013] Regarding the energy of the laser beam, it is theoretically preferable to increase the energy so that the peak output can be increased. Therefore, it is preferable that the energy is large as long as the molecule is not decomposed. However, there is a slight difference in the density between the center of the laser beam and the outside thereof. In some cases, fragmentation that occurs when irradiated with a molecular jet may also be spatially distributed,
The effect may be obtained even if the laser light energy is slightly reduced. The preferred pulse laser light energy is 5 mJ or less, more preferably 4 mJ or less, and particularly preferably 3 mJ or less. On the other hand, a preferable lower limit is 1 mJ or more, and more preferably 2 mJ or more.

【0014】照射するレーザー光の波長は、原理的には
各々の測定対象分子固有の基底状態と励起状態のエネル
ギー差に対応するもの、すなわち共鳴波長が好ましい
が、非共鳴波長でもイオン化するので十分効果を得るこ
とができる。
The wavelength of the laser beam to be applied is in principle a wavelength corresponding to the energy difference between the ground state and the excited state specific to each molecule to be measured, that is, a resonance wavelength is preferable. The effect can be obtained.

【0015】本発明に使用されるパルスレーザー光発振
器は、高出力のパルスレーザー光を発振できればとくに
限定されるものではないが、例えばナノ秒オーダーのパ
ルスレーザー光を発振するものであれば、次のようなも
のを用いることができる。つまり、色素レーザーが最も
一般的に使用される。これは、エキシマーレーザー、あ
るいはヤグレーザーをポンピング光源として用い、レー
ザー色素の交換により330〜1000nmまで連続的
に波長を変化することができる。色素の倍波発生、ミキ
シングなどを利用すると、220nmの短波長側まで発
振領域を拡大できる。最近は光パラメトリック発振レー
ザーが市販され、色素レーザーの代わりにこれを用いて
発振することもできる。また、フェムト秒オーダーのレ
ーザー光については、大別してXeClエキシマーレー
ザー励起フェムト秒パルス色素レーザーならびに増幅用
KrFエキシマーレーザーから構成されるシステムで発
振できる。これは、ナノ秒色素レーザーをクエンチング
してさらにショートキャビティーレーザーを励起し、過
飽和吸収体を通過させ、9psのパルスを発生する。こ
の光パルスは色素アンプで増幅し、分布帰還型色素レー
ザーのポンプ光として用いる。最終的には、紫外線領域
の波長、フェムト秒オーダーで最大20mJ程度の出力
のパルスレーザー光が得られるものである。なお、フェ
ムト秒レーザー部の発振を遮るとナノ秒オーダーのレー
ザー光も発振できる。
The pulse laser light oscillator used in the present invention is not particularly limited as long as it can oscillate a high-output pulse laser light. The following can be used. That is, dye lasers are most commonly used. In this method, an excimer laser or a yag laser is used as a pumping light source, and the wavelength can be continuously changed from 330 to 1000 nm by exchanging a laser dye. By utilizing the overtone generation and mixing of the dye, the oscillation region can be extended to the short wavelength side of 220 nm. Recently, an optical parametric oscillation laser is commercially available, and it is possible to oscillate using the laser instead of the dye laser. The laser light of the order of femtoseconds can be roughly oscillated by a system composed of a femtosecond pulse dye laser excited by a XeCl excimer laser and a KrF excimer laser for amplification. This quench the nanosecond dye laser to further excite the short cavity laser and pass it through a saturable absorber to generate a 9ps pulse. This light pulse is amplified by a dye amplifier and used as pump light of a distributed feedback dye laser. Eventually, a pulsed laser beam having a wavelength in the ultraviolet region and a maximum output of about 20 mJ on the order of femtoseconds can be obtained. When the oscillation of the femtosecond laser section is interrupted, laser light on the order of nanoseconds can also be emitted.

【0016】レーザー光の集光については、何ら限定さ
れるものではなく、通常のビーム断面が円形、あるいは
特殊レンズ(シリンドリカルレンズ)を用いてできる平
面状など種々の形状のものを用いることができる。
The focusing of the laser beam is not limited at all, and it is possible to use a laser beam of various shapes such as a normal beam cross section or a flat shape formed by using a special lens (cylindrical lens). .

【0017】イオン化室は高真空を形成しうる構造をし
ていて、レーザー光を透過する材質で作られている窓を
設けてあればよい。真空イオン化室と質量分析計の真空
室が連設されて仕切がない場合もある。その場合、イオ
ン化が行われる部位が真空イオン化室に相当する部位に
なる。
The ionization chamber has a structure capable of forming a high vacuum, and may be provided with a window made of a material that transmits laser light. In some cases, the vacuum ionization chamber is connected to the vacuum chamber of the mass spectrometer so that there is no partition. In that case, the site where ionization is performed is a site corresponding to a vacuum ionization chamber.

【0018】また、質量分析計としては、飛行時間型、
四重極型、二重収束型など何れの形式のものも用いるこ
とができる。
As a mass spectrometer, a time-of-flight type,
Any type such as a quadrupole type and a double focusing type can be used.

【0019】イオン化室およびこれに隣接する質量分析
計には油回転ポンプ、メカニカルブースターポンプ、油
拡散ポンプ、ターボ分子ポンプなどを接続して10-6
10 -8torr程度に保持できるようにする。
Ionization chamber and adjacent mass spectrometer
Oil rotary pump, mechanical booster pump, oil
Connect a diffusion pump, turbo molecular pump, etc.-6~
10 -8It can be maintained at about torr.

【0020】試料の導入については、通常イオン化室
(または相当する部位)が10-6torr以下に保持さ
れているので、ガス状になってさえいれば常圧付近の圧
力で十分でこれが駆動力になり導入されるため、とくに
加圧しなくてもよいが、高圧の試料を直接導入しても何
ら支障はない。また、よく知られているように減圧する
と分子ジェットの密度が高くなり、若干ではあるが感度
が向上する場合もあるので、好ましいときもある。
As for the introduction of the sample, since the ionization chamber (or the corresponding site) is normally kept at 10 -6 torr or less, a pressure near normal pressure is sufficient as long as it is in a gaseous state, and the driving force is sufficient. Thus, the pressure does not need to be particularly increased, but there is no problem even if the high-pressure sample is directly introduced. Further, as is well known, when the pressure is reduced, the density of the molecular jet increases, and the sensitivity may be slightly improved, which is sometimes preferable.

【0021】分子イオンの質量数決定と検出については
質量分析計を通常の作動状態で運転すればよく、記録に
ついては一般的なデジタルオシロスコープ、レコーダー
で行うことができる。
The determination and detection of the mass number of molecular ions can be performed by operating the mass spectrometer in a normal operation state, and the recording can be performed by a general digital oscilloscope or recorder.

【0022】[0022]

【実施例】【Example】

実施例1 図1に示すレーザーイオン化質量分析装置を作製した。
この装置に使用した部品の多くは市販品であり、試料導
入部1にはGeneral Valve社製のパルスバ
ルブ(PN91−47−900(85kg/cm2))を、
パルスレーザー光発振器2には色素レーザーを用いたL
ambda Physik社製のLPD500fs型の
レーザーシステムを、質量分析計4は長さ450mmの
飛行管を有する飛行時間型のものを、検出器45には浜
松ホトニクス(株)製のF1094型マイクロチャンネル
プレートを、そして、記録計(図示されていない。)に
はLecroy社製の9360型デジタルオシロスコー
プを使用した。パルスバルブ11のノズル12の開口は
内径0.8mmの円孔であった。
Example 1 A laser ionization mass spectrometer shown in FIG. 1 was produced.
Many of the components used in this apparatus are commercially available, and a pulse valve (PN91-47-900 (85 kg / cm 2 ) manufactured by General Valve) is installed in the sample introduction unit 1.
L using a dye laser for the pulse laser light oscillator 2
ambda Physik LPD500fs type laser system, mass spectrometer 4 is a time-of-flight type having a 450 mm long flight tube, and detector 45 is Hamamatsu Photonics F1094 type microchannel plate. A Lecroy Model 9360 digital oscilloscope was used as a recorder (not shown). The opening of the nozzle 12 of the pulse valve 11 was a circular hole having an inner diameter of 0.8 mm.

【0023】質量分析計の真空室40は190l/sの
排気速度の日本真空技術(株)製のUTM150型ター
ボ分子ポンプで真空にした。また、レーザー光照射によ
るイオン化室3は排気速度が1200l/sの日本真空
技術(株)製のULK−06A型の油拡散ポンプで排気し
た。
The vacuum chamber 40 of the mass spectrometer was evacuated with a UTM150 type turbo molecular pump manufactured by Japan Vacuum Engineering Co., Ltd. having a pumping speed of 190 l / s. In addition, the ionization chamber 3 by laser light irradiation was evacuated with a ULK-06A type oil diffusion pump manufactured by Japan Vacuum Engineering Co., Ltd. having an evacuation speed of 1200 l / s.

【0024】発振器2から発せられたパルスレーザー光
22はレンズ21で集光されて窓31から真空イオン化
室3に入る。一方、試料ガスは試料導入部1のパルスバ
ルブ11によって間欠的に導入され、ノズル12から噴
射されて分子ジェット13が形成される。この分子ジェ
ット13は真空イオン化室3に入る。そこでこの分子ジ
ェット13にレーザー光22が照射されてイオン化さ
れ、質量分析計4に入る。質量分析計4内で、まずリペ
ラー電極42によって分子ジェット流の方向が90度変
えられ、次いで、高電圧加速電極43によって加速され
る。さらに、隔壁41に設けられているイオン通過孔4
4を通り、イオン検出器45で各イオンが検出される。
この検出信号がデジタルオシロスコープによって計測さ
れる。
The pulse laser beam 22 emitted from the oscillator 2 is condensed by the lens 21 and enters the vacuum ionization chamber 3 through the window 31. On the other hand, the sample gas is intermittently introduced by the pulse valve 11 of the sample introduction unit 1 and is ejected from the nozzle 12 to form a molecular jet 13. This molecular jet 13 enters the vacuum ionization chamber 3. Then, the molecular jet 13 is irradiated with a laser beam 22 to be ionized, and enters the mass spectrometer 4. In the mass spectrometer 4, the direction of the molecular jet flow is first changed by 90 degrees by the repeller electrode 42 and then accelerated by the high-voltage accelerating electrode 43. Further, the ion passage holes 4 provided in the partition 41
4, each ion is detected by the ion detector 45.
This detection signal is measured by a digital oscilloscope.

【0025】試料ガスにはクロロベンゼンを用いて質量
分析を行なった。
The mass spectrometry was performed using chlorobenzene as the sample gas.

【0026】レーザー光のパルス幅および発振波長を変
えて4ns〜1ps、1〜1000MWのレーザー光を
発振させた。波長は248nmとした。
Laser light of 4 ns to 1 ps and 1 to 1000 MW was oscillated by changing the pulse width and oscillation wavelength of the laser light. The wavelength was 248 nm.

【0027】クロロベンゼンをアルゴンガスとともに一
定濃度で流し、パルスバルブにより分子ジェット状態で
真空イオン化室に導入した。エネルギーが1mJと4m
Jで尖頭出力を1MW、10MW、100MWおよび1
000MWと変えたレーザー光を照射してイオン化を行
った。このときのレーザー光照射時間は1ps〜4ns
の範囲であった。試料導入と同期させてパルスレーザー
光を照射して生成したイオンは飛行時間型質量分析計の
マイクロチャンネルプレートで検出し、デジタルオシロ
スコープで200回積算してスペクトルを得た。結果を
図2に示す。
Chlorobenzene was flowed at a constant concentration together with argon gas, and introduced into a vacuum ionization chamber in a molecular jet state by a pulse valve. Energy is 1mJ and 4m
1 MW, 10 MW, 100 MW and 1
Irradiation was performed by irradiating a laser beam having a different power of 000 MW. The laser light irradiation time at this time is 1 ps to 4 ns
Was in the range. The ions generated by irradiating a pulsed laser beam in synchronization with the sample introduction were detected by a microchannel plate of a time-of-flight mass spectrometer, and integrated by a digital oscilloscope 200 times to obtain a spectrum. The results are shown in FIG.

【0028】比較例1 実施例1と同一の装置を用い、フェムト秒レーザー部の
発振を遮ってエネルギーが1mJと4mJで尖頭出力が
それぞれ100kWおよび400kWのパルスレーザー
光を照射した(照射時間10ns)以外は実施例と同じ
実験を行った。図2に結果を示す。
COMPARATIVE EXAMPLE 1 Using the same apparatus as in Example 1, the laser of the femtosecond laser section was interrupted to emit pulsed laser beams having energies of 1 mJ and 4 mJ and peak outputs of 100 kW and 400 kW, respectively (irradiation time 10 ns). The same experiment as in the example was performed except for ()). FIG. 2 shows the results.

【0029】図2に示した測定ではフラグメントイオン
は観測されずに分子イオンのみが観測された。パルスレ
ーザー光のエネルギーが4mJで尖頭出力が400kW
のイオン強度(相対値)は約0.4で、エネルギーが1
mJで尖頭出力が1MWのイオン強度は約0.5である
ので、イオン強度は20%以上増加しており、レーザー
光のエネルギーではなく尖頭出力に依存していることが
明らかである。また、同じパルスレーザー光エネルギー
では、比較例より尖頭出力を大きくした方が測定される
イオン強度が大きくなっており、尖頭出力とともに増加
していることが判る。
In the measurement shown in FIG. 2, only molecular ions were observed without fragment ions. Pulse laser beam energy is 4mJ and peak output is 400kW
Has an ionic strength (relative value) of about 0.4 and an energy of 1
Since the ion intensity at a peak output of 1 MW at mJ is about 0.5, the ion intensity is increased by 20% or more, and it is clear that the ion output depends on the peak output, not the energy of the laser beam. Also, with the same pulsed laser light energy, it can be seen that the ion intensity measured is higher when the peak output is higher than in the comparative example, and increases with the peak output.

【0030】実施例2 実施例1で用いた装置と同一のものを使用した。フェム
ト秒オーダーのパルス色素レーザー光は、Lambda
Physik社製のLPD 500fs型のレーザー
システムにより発振させた。また、波長は実施例1と同
じく248nmとした。
Example 2 The same apparatus as used in Example 1 was used. The pulsed dye laser light on the order of femtoseconds is Lambda
It was oscillated by a Physik LPD 500 fs laser system. The wavelength was 248 nm as in the first embodiment.

【0031】クロロベンゼン、ブロモベンゼンおよびヨ
ードベンゼンはアルゴンガスとともに一定濃度の超音速
分子ジェットで高真空のイオン化室に導入し、それぞれ
の分子の励起寿命を考慮し、尖頭出力と照射エネルギー
を0.2〜1.5mJで変えたレーザー光を500f
s、150fs照射してイオン化を行った。因に、この
ときの尖頭出力は0.4〜10GWであった。生成イオ
ンは飛行時間型質量分析計のマイクロチャンネルプレー
トで検出し、Lecroy社製の9360型デジタルオ
シロスコープで200回積算してスペクトルを得た。結
果を図3、図4および図5に示す。
Chlorobenzene, bromobenzene and iodobenzene are introduced into a high vacuum ionization chamber with a supersonic molecular jet of a certain concentration together with argon gas, and the peak power and irradiation energy are reduced to 0.1 in consideration of the excitation lifetime of each molecule. 500f laser light changed at 2-1.5mJ
s, 150 fs irradiation for ionization. Incidentally, the peak output at this time was 0.4 to 10 GW. The generated ions were detected by a microchannel plate of a time-of-flight mass spectrometer, and integrated by a Lecroy Model 9360 digital oscilloscope 200 times to obtain a spectrum. The results are shown in FIGS. 3, 4 and 5.

【0032】比較例2 実施例2と同一の装置を用い、フェムト秒レーザー部の
発振を遮り15nsのレーザー光を照射した以外は実施
例2と同じ実験を行った。図3〜図5に結果を示す。
Comparative Example 2 Using the same apparatus as in Example 2, the same experiment as in Example 2 was performed except that the oscillation of the femtosecond laser section was blocked and a laser beam of 15 ns was applied. 3 to 5 show the results.

【0033】ここで、クロロベンゼンの励起寿命は60
0psであり、レーザー光照射時間の500fs、15
0fs、15nsはそれぞれ1/1200、1/400
0、25倍に相当し、ブロモベンゼンの励起寿命は30
psでそれぞれ1/60、1/200、500倍に相当
し、また同様にヨードベンゼンの励起寿命は400fs
程度と報告されているため、それぞれ約1/1.3、約
1/2.7、約37500倍に相当する。図5から明ら
かなように略励起寿命と同程度の短さの照射時間で効果
が認められ、図3と図4から励起寿命の1/10000
の照射時間まで効果があることが判る。また、これらの
図から、励起寿命を目安にしてレーザー光を照射する
と、顕著なイオン化効率向上効果が得られることが判
る。
Here, the excitation lifetime of chlorobenzene is 60
0 ps, 500 fs of laser light irradiation time, 15
0 fs and 15 ns are 1/1200 and 1/400, respectively.
0, 25 times, and the excitation lifetime of bromobenzene is 30.
In ps, they correspond to 1/60, 1/200, and 500 times, respectively. Similarly, the excitation lifetime of iodobenzene is 400 fs.
It is reported that the degree is about 1 / 1.3, about 1 / 2.7, and about 37500 times, respectively. As is clear from FIG. 5, the effect is recognized with the irradiation time as short as about the excitation life, and from FIGS. 3 and 4, 1/10000 of the excitation life is obtained.
It can be seen that the effect is obtained up to the irradiation time. Further, from these figures, it is understood that when laser light is irradiated with the excitation life as a standard, a remarkable effect of improving ionization efficiency can be obtained.

【0034】さらに、実施例1、実施例2はパルスレー
ザー光の発振条件のみを替えた以外、すなわちレーザー
光の尖頭出力、照射時間およびエネルギーを変えた以外
は同一の装置、同一条件で行っているので、イオン強度
は相対値ではあるが比較できる。したがって、図2およ
び図3から、パルスレーザー光の照射に際して、分子の
フラグメンテーションが起こらない範囲のエネルギーで
尖頭出力を増加して行くと、イオン化効率が向上して行
くことが判る。すなわち、図3のレーザー光エネルギー
が1mJで、照射時間が500fs、150fsは尖頭
出力が2GW(2000MW)、6.7GW(6700
MW)に相当する。このときのイオン強度はそれぞれ
1.5および1.7と読み取れる。ここで図2を見てみ
ると、レーザー光エネルギー1mJのときのイオン強度
は尖頭出力の増加とともに増加し、1000MWのとき
は1.4となっている。尖頭出力の増加によりイオン化
効率が向上していることは明らかである。
Further, Embodiments 1 and 2 were carried out under the same apparatus and under the same conditions except that only the oscillation conditions of the pulsed laser beam were changed, that is, the peak power, irradiation time and energy of the laser beam were changed. Therefore, the ionic strengths can be compared although they are relative values. Therefore, it can be seen from FIGS. 2 and 3 that the ionization efficiency is improved as the peak output is increased with an energy in a range where no fragmentation of molecules occurs during irradiation with the pulsed laser beam. That is, in FIG. 3, the laser light energy is 1 mJ, the irradiation time is 500 fs, and the peak output is 2 GW (2000 MW) and 6.7 GW (6700
MW). The ionic strength at this time can be read as 1.5 and 1.7, respectively. Here, looking at FIG. 2, the ion intensity at a laser light energy of 1 mJ increases with an increase in the peak output, and becomes 1.4 at 1000 MW. It is clear that the ionization efficiency is improved by the increase in the peak power.

【0035】[0035]

【発明の効果】以上のように、本発明によると、尖頭出
力の大きな超短パルスレーザー光照射によりイオン化効
率が向上するが、照射時間が短いために照射エネルギー
が大きくならず極端なフラグメンテーションを引き起こ
さないので、高感度検出が可能となり、定量(検出)下
限を低下できるという効果がある。
As described above, according to the present invention, the ionization efficiency is improved by irradiating an ultrashort pulse laser beam having a large peak output, but the irradiation energy is not increased due to the short irradiation time, so that extreme fragmentation occurs. Since it does not cause, it is possible to perform high-sensitivity detection and lower the quantification (detection) lower limit.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明の一実施例である装置の構成を示す図
である。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an apparatus according to an embodiment of the present invention.

【図2】 実施例1で得られたクロロベンゼンの分子イ
オンピーク強度の変化を示すグラフである。
FIG. 2 is a graph showing a change in molecular ion peak intensity of chlorobenzene obtained in Example 1.

【図3】 実施例2で得られたクロロベンゼンの分子イ
オンピーク強度の変化を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing changes in the molecular ion peak intensity of chlorobenzene obtained in Example 2.

【図4】 実施例2で得られたブロモベンゼンの分子イ
オンピーク強度の変化を示すグラフである。
FIG. 4 is a graph showing changes in the molecular ion peak intensity of bromobenzene obtained in Example 2.

【図5】 実施例2で得られたヨードベンゼンの分子イ
オンピーク強度の変化を示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing changes in the molecular ion peak intensity of iodobenzene obtained in Example 2.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1………試料導入部 11…パルスバルブ 12…ノズル 13…分子ジェット 2………パルスレーザー光発振器 21…レンズ 22…パルスレーザー光 3………真空イオン化室 31…窓 4………質量分析計 40…真空室 41…隔壁 42…リペラー電極 43…加速電極 44…イオン通過孔 45…検出器 51…排気系(油拡散ポンプ、油回転ポンプまたはター
ボ分子ポンプ) 52…排気系(ターボ分子ポンプ)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Sample introduction part 11 ... Pulse valve 12 ... Nozzle 13 ... Molecular jet 2 ... Pulse laser light oscillator 21 ... Lens 22 ... Pulse laser light 3 ... Vacuum ionization chamber 31 ... Window 4 ... Mass analysis Total 40 ... Vacuum chamber 41 ... Partition wall 42 ... Repeller electrode 43 ... Acceleration electrode 44 ... Ion passage hole 45 ... Detector 51 ... Exhaust system (oil diffusion pump, oil rotary pump or turbo molecular pump) 52 ... Exhaust system (turbo molecular pump) )

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 分子ジェットを形成するパルスバルブを
備えた試料導入部と、パルスレーザー光発振器と、該発
振器から発せられたレーザー光が通過しうる窓を有する
真空イオン化室または相当する部位と、該レーザー光に
よってイオン化された分子の質量を分析する質量分析計
を有し、前記パルスレーザー発振器が尖頭出力1MW以
上の超短パルスレーザー光を発振しうるものであること
を特徴とするレーザーイオン化質量分析装置
1. A sample introduction unit having a pulse valve for forming a molecular jet, a pulsed laser light oscillator, and a vacuum ionization chamber or a corresponding part having a window through which laser light emitted from the oscillator can pass. Laser ionization comprising a mass spectrometer for analyzing the mass of molecules ionized by the laser light, wherein the pulse laser oscillator is capable of oscillating an ultrashort pulse laser light having a peak output of 1 MW or more. Mass spectrometer
【請求項2】 試料ガスを、分子ジェットを形成しうる
パルスバルブにより真空イオン化室または相当する部位
に噴射してパルス状分子ジェットを形成し、該分子ジェ
ットに尖頭出力1MW以上の超短パルスレーザー光を照
射してイオン化し、該レーザー光によってイオン化され
た分子の質量を分析することを特徴とする質量分析方法
2. A sample gas is injected into a vacuum ionization chamber or a corresponding part by a pulse valve capable of forming a molecular jet to form a pulsed molecular jet, and the molecular jet has an ultrashort pulse having a peak output of 1 MW or more. A mass spectrometric method comprising irradiating a laser beam to be ionized, and analyzing a mass of a molecule ionized by the laser beam.
【請求項3】 パルスレーザー光のエネルギーが5mJ
以下であり、照射時間が測定対象分子の励起寿命の3〜
1/10000である請求項2記載の方法
3. The energy of a pulse laser beam is 5 mJ.
The irradiation time is 3 to less than the excitation lifetime of the molecule to be measured.
3. The method according to claim 2, wherein the ratio is 1/10000.
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