JPH1140098A - 誘導結合プラズマ質量分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 イオンロスが少なくかつイオンビーム経路の
調整が容易なフォトン阻止手段を備えた誘導結合プラズ
マ質量分析装置を実現する。 【解決手段】 スキマー３２の後段に設けた第１の板部
材２４０に、スキマーの開口を光学軸２００に沿って投
影した投影像とは重ならない開口２５０を設け、その後
段にイオンレンズ２４２〜２４６を設け、イオンレンズ
の後段に開口２５０の光学軸方向の投影像とは重ならな
い開口２６０を持つ第２の板部材２４８を設けたことを
特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、誘導結合プラズマ
質量分析装置に関し、特に、誘導結合プラズマに不可避
的に含まれるフォトンの影響を受けないようにした誘導
結合プラズマ質量分析装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】誘導結合プラズマ質量分析装置は、誘導
結合プラズマを用いて被分析の元素をイオン化し、イオ
ン化された元素を例えば四重極マスフィルタ等によって
質量選択し、そのイオンを２次電子増倍管等で検出する
ことにより、質量分析を行うようになっている。

【０００３】誘導結合プラズマにおいて、プラズマおよ
びイオンとともに例えば紫外線等のフォトンが発生す
る。このフォトンが２次電子増倍管に入感すると、その
検出信号によってバックグラウンド・ノイズレベルが上
昇する。バックグラウンド・ノイズレベルの上昇は微量
イオンの検出限界を狭めるので、誘導結合プラズマ質量
分析装置には、フォトンを分析系に入れないようにする
ための阻止手段が設けられる。

【０００４】そのような阻止手段の１つとして、図６に
示すように、イオンを減圧空間に導入するスキマー６０
０の後段に、フォトン阻止板６０２を設けることが行わ
れる。フォトン阻止板６０２はスキマー６００の開口面
積の投影より大きい面積を持つように構成され、光学軸
上に配置されて光学軸上を進行するフォトンを阻止する
ようになっている。

【０００５】一方、イオンは横方向の広がりを持つの
で、光学軸上のものはフォトン阻止板６０２で阻止され
るものの、それ以外のものは阻止されることなく進行
し、アインツェルレンズ６０４等の主レンズ系で集束さ
れてイオンビームが形成される。

【０００６】アインツェルレンズ６０４のビーム集束点
の後方に、面積を大きくした第２のフォトン阻止板６０
６が設けられ、フォトン阻止を完璧なものにしている。
その際、イオンビームが第２のフォトン阻止板６０６に
衝突しないようにするため、ベッセルボックス６０８等
の第２のレンズ系によって進行経路を適切に曲げるよう
にしている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記の装置において
は、第２の阻止板６０６との衝突によるイオンロスをで
きるだけ少なくするために、アインツェルレンズ６０４
やベッセルボックス６０８の電圧を適正に設定する必要
がある。しかし、イオンの持つエネルギーには幅がある
ので、最適な電圧を得るまでには煩雑な調整が必要とさ
れる。また、主レンズ系の後段に第２のレンズ系を設け
るので、光学軸が長くなって装置が大型化するととも
に、部品点数が多くなる。

【０００８】本発明は上記の問題点を解決するためにな
されたもので、その目的は、イオンロスが少なくかつイ
オンビーム経路の調整が容易なフォトン阻止手段を備え
た誘導結合プラズマ質量分析装置を実現することであ
る。

【０００９】また、フォトン阻止手段を備えながらも小
型化が容易な誘導結合プラズマ質量分析装置を実現する
ことを目的とする。また、フォトン阻止手段を備えなが
らも部品点数の少ない誘導結合プラズマ質量分析装置を
実現することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】

（１）上記の課題を解決する請求項１の発明は、誘導結
合プラズマによって被分析元素のイオンを生成するイオ
ン生成手段と、前記イオン生成手段が生成したイオンを
導入する開口を有するスキマー手段と、前記スキマー手
段の後段に配設され、前記スキマー手段の前記開口を光
学軸方向に投影した投影像とは重ならない開口を有する
第１の板部材と、前記第１の板部材の後段に配設され、
前記第１の板部材の前記開口の位置に物点を有しこの物
点から発散するイオンを像点に集束させるイオンレンズ
手段と、前記イオンレンズ手段の後段に配設され、前記
第１の板部材の前記開口を光学軸方向に投影した投影像
とは重ならない開口を前記像点に相当する位置に有する
第２の板部材と、前記第２の板部材の後段に配設され、
前記第２の板部材の前記開口を通過したイオンについて
質量分析を行う質量分析手段と、を具備することを特徴
とする。

【００１１】請求項１の発明では、スキマーの開口と第
１の板部材の開口が光学軸方向において重ならず、さら
に、第１の板部材の開口と第２の板部材の開口が光学軸
方向で重ならないので、スキマーの開口から入射したフ
ォトンは通過を阻止される。

【００１２】また、イオンレンズ手段の物点および像点
が第１の板部材の開口および第２の板部材の開口にそれ
ぞれ位置することにより、第１の板部材の開口から入射
したイオンは、効率良く第２の板部材の開口から出射す
る。

【００１３】（２）上記の課題を解決する請求項２の発
明は、誘導結合プラズマによって被分析元素のイオンを
生成するイオン生成手段と、前記イオン生成手段が生成
したイオンを導入する開口を有するスキマー手段と、前
記スキマー手段の後段に配設され、前記スキマー手段の
前記開口を光学軸方向に投影した投影像とは重ならない
開口を有する第１の板部材と、前記第１の板部材の後段
に配設され、前記第１の板部材の前記開口の位置に物点
を有しこの物点から発散するイオンを像点に集束させる
イオンレンズ手段と、前記イオンレンズ手段の後段に配
設され、前記第１の板部材の前記開口を光学軸方向に投
影した投影像とは重ならない開口を前記像点に相当する
位置に有する第２の板部材と、前記第２の板部材の後段
に配設され、前記第２の板部材の前記開口を通過したイ
オンを横方向の広がりを制限して進行させるイオンガイ
ド手段と、前記イオンガイド手段を通じて与えられたイ
オンについて質量分析を行う質量分析手段と、を具備す
ることを特徴とする。

【００１４】請求項２の発明では、スキマーの開口と第
１の板部材の開口が光学軸方向において重ならず、さら
に、第１の板部材の開口と第２の板部材の開口が光学軸
方向で重ならないので、スキマーの開口から入射したフ
ォトンは通過を阻止される。

【００１５】また、イオンレンズ手段の物点および像点
がそれぞれ第１の板部材の開口および第２の板部材の開
口に位置することにより、第１の板部材の開口から入射
したイオンは、効率良く第２の板部材の開口から出射す
る。

【００１６】また、第２の板部材の開口から出射したイ
オンが、イオンガイド手段により横方向の広がりを制限
されて効率良く質量分析手段に導かれる。 （３）上記の課題を解決する請求項３の発明は、請求項
２の発明において、前記イオンガイド手段が前記第２の
板部材の前記開口から出射するイオンの進行方向に合わ
せて光学軸に対し傾けられている、ことを特徴とする。

【００１７】請求項３の発明では、光学軸に対して傾け
たイオンガイド手段が効率よくイオンを次段に導く。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。なお、本発明は実施の形態
に限定されるものではない。

【００１９】図１に、誘導結合プラズマ質量分析装置の
模式的構成を示す。本装置は、本発明の実施の形態の一
例である。同図に示すように、本装置は、例えば石英管
等で構成されるプラズマトーチ２を有する。プラズマト
ーチ２は、本発明におけるイオン生成手段の実施の形態
の一例である。

【００２０】プラズマトーチ２には、高周波誘導コイル
４が巻回されている。高周波誘導コイル４には、高周波
電源６からインピーダンスマッチング回路８を通じて高
周波電力が供給される。プラズマトーチ２と高周波誘導
コイル４の間にはシールド板１０が配設されている。プ
ラズマトーチ２は、高周波誘導コイル４に供給された高
周波電力によって、高周波誘導結合プラズマ４０（以
下、プラズマ）を発生する。

【００２１】プラズマ４０は、分析装置の本体１００の
前面に設けられたサンプリングコーン３０に向けて照射
される。本体１００の内部はインターフェースチャンバ
１８、イオンレンズチャンバ２０およびアナライザチャ
ンバ２２に分割されている。

【００２２】インターフェースチャンバ１８は、図示し
ない例えばロータリポンプ等によって吸引・排気され、
内部圧力が例えば２００〜４００Ｐａに保たれている。
イオンレンズチャンバ２０は、図示しない例えば第１の
ターボ分子ポンプ等によって吸引・排気され、内部圧力
が例えば２×１０^-1〜８×１０^-1Ｐａに保たれている。
アナライザチャンバ２２は、図示しない例えば第２のタ
ーボ分子ポンプ等によって吸引・排気され、内部圧力が
例えば１×１０^-4〜９×１０^-4Ｐａに保たれている。す
なわち、インターフェースチャンバ１８からアナライザ
チャンバ２２まで段階的に圧力が減じられ、アナライザ
チャンバ２２において最も真空度が高くなっている。

【００２３】サンプリングコーン３０は、インターフェ
ースチャンバ１８の前面に設けられている。サンプリン
グコーン３０は、プラズマトーチ２と対向する方向に突
出する中空の錐体であり、その先端に設けられた開口を
通じて、プラズマ４０およびそれに含まれる被分析元素
のイオンをインターフェースチャンバ１８に導入（サン
プリング）するようになっている。

【００２４】インターフェースチャンバ１８とイオンレ
ンズチャンバ２０の間の隔壁には、スキマー３２が設け
られている。スキマー３２は、本発明におけるスキマー
手段の実施の形態の一例である。スキマー３２は、イオ
ンが到来する方向に突出する中空の錐体であり、その先
端に設けられた開口を通じて、イオンをイオンレンズチ
ャンバ２０に導入するようになっている。

【００２５】イオンレンズチャンバ２０にはレンズ系２
４が設けられている。レンズ系２４は、スキマー３２を
通じて導入されたイオンを収束してイオンビームを形成
するものである。レンズ系２４の構成については後にあ
らためて説明する。

【００２６】レンズ系２４によって集束されたイオンビ
ームは、イオンレンズチャンバ２０とアナライザチャン
バ２２の間の隔壁に設けられたアパチャー３４を通じ
て、アナライザチャンバ２２内の質量選択部２６に入射
される。

【００２７】質量選択部２６は、例えば四重極マスフィ
ルタ等で構成される。質量選択部２６で選択されたイオ
ンがイオン検出器２８によって検出される。イオン検出
器２８は、例えば２次電子増倍管等を前段に有するもの
である。イオン検出器２８の出力信号が図示しない信号
処理装置で処理され、質量分析値が求められる。質量選
択部２６、イオン検出器２８および信号処理装置は、本
発明における質量分析手段の実施の形態の一例である。

【００２８】図２に、レンズ系２４の模式的構成を、ス
キマー３２との相互関係とともに示す。同図に示すよう
に、レンズ系２４は、光学軸２００に沿って同軸的に順
次配列されたエレメント２４０〜２４８を有する。エレ
メント２４０〜２４８は、例えば金属等の導電体によっ
て構成される。光学軸２００は、スキマー３２の開口の
光学軸と一致している。

【００２９】エレメント２４０は、例えば、先端に平坦
部を有する中空の円錐体となるように構成される。エレ
メント２４０は、本発明における第１の板部材の実施の
形態の一例である。エレメント２４０の先端の平坦部に
は開口２５０が設けられている。開口２５０は、光学軸
２００から偏心して設けられている。これによって、ス
キマー３２の開口を光学軸２００に沿って投影したと
き、その投影像が開口２５０と重ならないようになって
いる。

【００３０】エレメント２４２は、例えば、前半部が円
錐の一部をなすように絞り込まれた円筒となるように構
成される。絞り込まれたエレメント２４２の先端部は、
エレメント２４０の内部空間に入り込んでいる。エレメ
ント２４４，２４６は、いずれも例えば円筒となるよう
に構成される。

【００３１】エレメント２４２，２４４，２４６は、イ
オンを集束するためのアインツェルレンズを構成するも
のであり、エレメント２４２とエレメント２４６には同
一の電圧が図示しない電圧源から与えられ、エレメント
２４４にはそれとは値の異なる電圧が図示しない別な電
圧源から与えられる。アインツェルレンズは、本発明に
おけるイオンレンズ手段の実施の形態の一例である。ま
た、本発明におけるアインツェルレンズの実施の形態の
一例である。

【００３２】エレメント２４８は例えば円板状に構成さ
れる。エレメント２４８は、本発明における第２の板部
材の実施の形態の一例である。エレメント２４８は、開
口２６０を有する。開口２６０は、光学軸２００から逆
方向に偏心した位置に設けられている。これによって、
エレメント２４０の開口２５０を光学軸２００に沿って
投影したとき、その投影像が開口２６０と重ならないよ
うになっている。

【００３３】エレメント２４２，２４４，２４６で構成
されるアインツェルレンズは、エレメント２４０の開口
２５０の位置に物点を有し、エレメント２４８の開口２
６０の位置に像点を有するように構成されている。その
際、エレメント２４０および２４８にも適宜の電圧を印
加し、全体として１つのイオンレンズ系を構成すること
が、物点および像点をより精密に形成する点で好まし
い。

【００３４】図３に、レンズ系２４の他の構成例を示
す。図３において、図２と同様の部分に同一の符号を付
して説明を省略する。同図に示すように、エレメント２
４８の後段にイオンガイド２７０が設けられている。イ
オンガイド２７０は、本発明におけるイオンガイド手段
の実施の形態の一例である。イオンガイド２７０は、図
４にそのＡ−Ａ断面を示すように、例えば棒状の電極２
７２〜２８２を有する。電極２７２〜２８２は、円周に
沿って等間隔に配置されかつ長手方向に互いに平行にな
っている。電極２７２〜２８２で囲まれた空間内に、エ
レメント２４８の開口２６０を通過したイオンが注入さ
れる。

【００３５】電極２７２，２７６，２８０は図示しない
高周波電圧源の一方の極に接続され、電極２７４，２７
８，２８２は図示しない高周波電圧源の他方の極に接続
されている。このような接続によって与えられる高周波
電圧により、電極２７２〜２８２で囲まれた空間には高
周波電界が形成される。

【００３６】この高周波電界は、イオンガイド２７０に
注入されたイオンを電極２７２〜２８２で囲まれた空間
の中心付近に閉じ込める働きをする。これによって、イ
オンビーム２９０は横方向への広がりが制限され、イオ
ンガイド２７０の中心軸に沿って進行する。

【００３７】すなわち、イオンガイド２７０は、イオン
ビームの横方向の広がりを抑えて中心軸に沿って導くも
のとなる。これによって、仮に、エレメント２４８の開
口２６０からアナライザチャンバのアパチャー３４まで
の距離が長い場合でも、ビームの広がりによるイオンロ
ス等を生じることなく、効率よく伝達することができ
る。

【００３８】次に、本装置の動作を説明する。プラズマ
ガスと副ガスがプラズマトーチ２に供給されるととも
に、キャリアガスとしての例えばアルゴンガスがプラズ
マトーチ２に供給される。また、高周波電源６からイン
ピーダンスマッチング回路８を介して高周波誘導コイル
４に高周波電力が供給され、高周波誘導コイル６の周囲
に高周波磁界が形成される。

【００３９】このような高周波磁界の近傍でアルゴンガ
ス中に電子またはイオンが植え付けられると、高周波磁
界の作用によって瞬時にプラズマ４０が生じる。プラズ
マ４０から紫外線等のフォトンが放射される。被分析試
料を霧化したエアロゾルをキャリアガスで搬送してプラ
ズマトーチ２内に供給すると、このエアロゾルがプラズ
マ４０によってイオン化され、被分析試料のイオンが発
生する。

【００４０】このようにして生成したプラズマ４０内の
イオンは、サンプリングコーン３０を通じてインターフ
ェースチャンバ１８に導入され、そこからスキマー３２
を通じてイオンレンズチャンバ２０に導かれる。イオン
レンズチャンバ２０において、イオンはレンズ系２４に
よって収束される。

【００４１】その様子を図５に示す。スキマー３２を通
じて導入されたイオンのうち、エレメント２４０の開口
２５０を通過したものが、レンズ系２４に入力される。
入力イオンはレンズ系２４によって集束される。

【００４２】ここで、レンズ系２４は、エレメント２４
０の開口２５０の位置に物点を有し、エレメント２４８
の開口２６０の位置に像点を有するので、開口２５０か
ら注入されたイオンは、開口２６０の位置に集束され
る。このときのイオンの進行経路は、例えばトラジェク
トリ３００で示すようになる。

【００４３】これによって、レンズ系２４に入力された
イオンは効率よく開口２６０から出力される。また、こ
のときのレンズ系２４の電圧設定は、基本的には通常の
アインツェルレンズにおける電圧設定と同様なので、適
正な電圧設定を行うための調整は容易に行うことができ
る。

【００４４】イオンレンズチャンバ２０には、スキマー
３２の開口を通じてフォトンも入射する。フォトンは光
学軸２００上を進行してエレメント２４０の平坦部に達
し、そこにスキマー３２の開口の投影像（スポット）を
形成する。

【００４５】エレメント２４０の平坦部では、開口２５
０が、スキマー３２の開口の投影像と重ならないように
光学軸２００から偏心した状態で設けられている。この
ため、フォトンの大半はエレメント２４０の平坦部で阻
止される。また、スキマー３２の開口から角度をもって
放射するフォトンの一部が開口２５０を通過するような
ことがあっても、開口２５０の光学軸２００方向への投
影像が、エレメント２４８の開口２６０と重ならないよ
うになっているので、フォトンはエレメント２４８によ
って阻止される。

【００４６】このように、レンズ系２４自体がフォトン
阻止手段を備えているので、従来のように、レンズ系２
４と直列にフォトン阻止およびそれに伴うイオン経路調
節のための特別なイオン光学系を設ける必要がない。こ
のため、装置全体の光学軸長が短縮され、また、部品点
数が減少する。

【００４７】レンズ系２４で集束されたイオンは、アパ
チャー３４を通じてアナライザチャンバ２２に入射され
る。アナライザチャンバ２２に入射されたイオンは、質
量選択部２６での質量選択を経てイオン検出器２８で検
出される。イオン検出器２８の検出信号が信号処理装置
で処理されて、質量分析値が求められる。

【００４８】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、請求項１の
発明では、イオンを導入する開口を有するスキマー手段
の後段に、スキマー手段の開口を光学軸方向に投影した
投影像とは重ならない開口を有する第１の板部材を設
け、第１の板部材の後段に、第１の板部材の開口の位置
に物点を有しこの物点から発散するイオンを像点に集束
させるイオンレンズ手段を設け、イオンレンズ手段の後
段に、第１の板部材の開口を光学軸方向に投影した投影
像とは重ならない開口をイオンレンズ手段の像点に相当
する位置に有する第２の板部材を設けるようにしたの
で、イオンビーム経路の調整が容易なフォトン阻止手段
を備えた誘導結合プラズマ質量分析装置を実現すること
ができる。

【００４９】また、上記のように構成したので、フォト
ン阻止手段備えながらも小型化が容易な誘導結合プラズ
マ質量分析装置を実現することができる。また、上記の
ように構成したので、フォトン阻止手段を備えながらも
部品点数の少ない誘導結合プラズマ質量分析装置を実現
することができる。

【００５０】請求項２の発明では、上記の構成に加え
て、第２の板部材の後段にその開口を通過したイオンを
横方向の広がりを制限して進行させるイオンガイド手段
を設けるようにしたので、イオンロスがさらに少ない誘
導結合プラズマ質量分析装置を実現することができる。

【００５１】請求項３の発明では、イオンガイドの配設
方向を第２の板部材の開口からのイオンの出射方向に合
わせてあるので、第２の板部材の開口からイオンガイド
への入射が効率良く行われ、イオンロスをさらに少なく
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例の装置の模式的構成
図である。

【図２】本発明の実施の形態の一例の装置におけるレン
ズ系の模式的構成図である。

【図３】本発明の実施の形態の一例の装置におけるレン
ズ系の模式的構成図である。

【図４】本発明の実施の形態の一例の装置におけるイオ
ンガイドの断面を示す模式図である。

【図５】本発明の実施の形態の一例の装置におけるレン
ズ系の作用を示す図である。

【図６】従来例の模式的構成図である。

【符号の説明】

２ プラズマトーチ ４ 高周波誘導コイル ６ 高周波電源 ８ インピーダンスマッチング回路 １０ シールド板 １８ インターフェースチャンバ ２０ イオンレンズチャンバ ２２ アナライザチャンバ ２４ レンズ系 ２６ 質量選択部 ２８ イオン検出器 ３０ サンプリングコーン ３２ スキマー ３４ アパチャー ４０ 高周波誘導結合プラズマ ２００ 光学軸 ２４０〜２４８ エレメント ２５０，２６０ 開口 ２７０ イオンガイド ２７２〜２８２ 電極 ２９０ イオンビーム ３００ トラジェクトリ ６００ スキマー ６０２ フォトン阻止板 ６０４ アインツェルレンズ ６０６ 第２のフォトン阻止板 ６０８ ベッセルボックス

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 誘導結合プラズマによって被分析元素の
   イオンを生成するイオン生成手段と、 前記イオン生成手段が生成したイオンを導入する開口を
   有するスキマー手段と、 前記スキマー手段の後段に配設され、前記スキマー手段
   の前記開口を光学軸方向に投影した投影像とは重ならな
   い開口を有する第１の板部材と、 前記第１の板部材の後段に配設され前記第１の板部材の
   前記開口の位置に物点を有しこの物点から発散するイオ
   ンを像点に集束させるイオンレンズ手段と、 前記イオンレンズ手段の後段に配設され、前記第１の板
   部材の前記開口を光学軸方向に投影した投影像とは重な
   らない開口を前記像点に相当する位置に有する第２の板
   部材と、 前記第２の板部材の後段に配設され前記第２の板部材の
   前記開口を通過したイオンについて質量分析を行う質量
   分析手段と、を具備することを特徴とする誘導結合プラ
   ズマ質量分析装置。
2. 【請求項２】 誘導結合プラズマによって被分析元素の
   イオンを生成するイオン生成手段と、 前記イオン生成手段が生成したイオンを導入する開口を
   有するスキマー手段と、 前記スキマー手段の後段に配設され、前記スキマー手段
   の前記開口を光学軸方向に投影した投影像とは重ならな
   い開口を有する第１の板部材と、 前記第１の板部材の後段に配設され前記第１の板部材の
   前記開口の位置に物点を有しこの物点から発散するイオ
   ンを像点に集束させるイオンレンズ手段と、前記イオン
   レンズ手段の後段に配設され、前記第１の板部材の前記
   開口を光学軸方向に投影した投影像とは重ならない開口
   を前記像点に相当する位置に有する第２の板部材と、 前記第２の板部材の後段に配設され、前記第２の板部材
   の前記開口を通過したイオンを横方向の広がりを制限し
   て進行させるイオンガイド手段と、 前記イオンガイド手段を通じて与えられたイオンについ
   て質量分析を行う質量分析手段と、を具備することを特
   徴とする誘導結合プラズマ質量分析装置。
3. 【請求項３】 前記イオンガイド手段が前記第２の板部
   材の前記開口から出射するイオンの進行方向に合わせて
   光学軸に対し傾けられている、ことを特徴とする請求項
   ２に記載の誘導結合プラズマ質量分析装置。