JPS5838911B2 - ion generator - Google Patents

ion generator

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JPS5838911B2
JPS5838911B2 JP56176738A JP17673881A JPS5838911B2 JP S5838911 B2 JPS5838911 B2 JP S5838911B2 JP 56176738 A JP56176738 A JP 56176738A JP 17673881 A JP17673881 A JP 17673881A JP S5838911 B2 JPS5838911 B2 JP S5838911B2
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JP
Japan
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sample
excited species
electrode
protrusions
needle
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正彦 土屋
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02Details
    • H01J49/10Ion sources; Ion guns
    • H01J49/14Ion sources; Ion guns using particle bombardment, e.g. ionisation chambers
    • H01J49/142Ion sources; Ion guns using particle bombardment, e.g. ionisation chambers using a solid target which is not previously vapourised

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
  • Electron Tubes For Measurement (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は質量分析装置或いはイオン化検出装置等に用い
て好適なイオン生成装置に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an ion generating device suitable for use in a mass spectrometer, an ionization detection device, or the like.

本発明者は先にキャリヤーガスより作成した電荷を持た
ない励起種を試料にあてて該試料をイオン化する新しい
イオン生成方法を提案した。
The present inventor previously proposed a new ion generation method in which an uncharged excited species created from a carrier gas is applied to a sample to ionize the sample.

この提案方法は特開昭55−9107号(特公昭582
616号)に詳説されているが、大略第1図に例示した
装置構成で実施することができる。
This proposed method is published in Japanese Unexamined Patent Publication No. 55-9107 (Japanese Patent Publication No. 582
616), it can be implemented using the device configuration roughly illustrated in FIG.

同図にむいて1は導入口2から内部へキャリヤーガス例
えばアルゴンが導入されるガラス管で、該ガラス管1の
ゴ端は絶縁体3によって封止されており、該絶縁体3を
貫通して針電極4がガラス管内に挿入されている。
In the figure, reference numeral 1 denotes a glass tube through which a carrier gas, such as argon, is introduced into the interior through an inlet 2. The end of the glass tube 1 is sealed with an insulator 3. A needle electrode 4 is inserted into the glass tube.

ガラス管の他端には上記針電極4と向き合う対向電極5
が取付けられ、該対向電極5に続けて網電極6、リペラ
電極7,8が間に絶縁と気密を兼ねるリング9,10.
11を介してこの順序で配置されている。
At the other end of the glass tube is a counter electrode 5 facing the needle electrode 4.
are attached, followed by the counter electrode 5, a mesh electrode 6, repeller electrodes 7, 8, and rings 9, 10, .
11 and are arranged in this order.

12は試料である。12 is a sample.

そして針電極4と対向電極5の間にコロナ放電を起こさ
せてアルゴンイオンAr+、電子e−及び励起状態のア
ルゴン原子Ar (励起種)を作成し、電極6によ
りこのうちAr十及びe−を除いてAr のみを取出
し、該Ar の持つ励起(内部)エネルギーによって
試料をイオン化することがこの提案方法の特徴であり、
(a)液体試料を大気圧下で直接イオン化できる、(b
)%にアルゴンを用いると大部分の有機化合物をイオン
化でき、しかも水、空気等は始んどイオン化しないので
試料を空気中で自由に扱うことができる、(c)大気圧
のイオン化なので厳密な気密が不要となり装置構成を簡
略化できる、等多くの優れた点を有している。
Then, a corona discharge is caused between the needle electrode 4 and the counter electrode 5 to create argon ions Ar+, electrons e-, and excited argon atoms Ar (excited species). The feature of this proposed method is that only Ar is extracted, and the sample is ionized by the excitation (internal) energy of the Ar.
(a) liquid samples can be directly ionized under atmospheric pressure; (b)
) If argon is used for %, most organic compounds can be ionized, and water, air, etc. are not ionized at first, so the sample can be handled freely in the air. (c) Since ionization is performed at atmospheric pressure, strict It has many advantages, such as eliminating the need for airtightness and simplifying the device configuration.

本発明はこの様に優れた点を持つ提案方法を更に改善す
ることを目的とするものであり、特に試料を多数の突起
を有する保持部材に付着保持させると共に該保持部材に
高電圧を印加することにより試料イオンの生成量を飛躍
的に増大させ、感度をこれ1でよりも桁違いに向上させ
ることのできるイオン生成装置を提供するものである。
The purpose of the present invention is to further improve the proposed method, which has such excellent features, and in particular, involves attaching and holding a sample to a holding member having a large number of protrusions, and applying a high voltage to the holding member. This provides an ion generating device that can dramatically increase the amount of sample ions produced and improve sensitivity by an order of magnitude compared to the first embodiment.

以下図面に基づき本発明を詳説する。The present invention will be explained in detail below based on the drawings.

第2図は本発明にかかるイオン生成装置を四重極型質量
分析装置のイオン源として用いた実施例を示す断面図、
第3図はそのI−■′断面図であり、第1図と同一の構
成要素には同一番号が付されている。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example in which the ion generator according to the present invention is used as an ion source of a quadrupole mass spectrometer;
FIG. 3 is a sectional view taken along the line I-■', and the same components as in FIG. 1 are designated by the same numbers.

本実施例ではアルゴンイオンAr十及び電子e−の除去
を確実にするため網電極6とリベラ電極7の間にもう1
枚の網電極13を配置し適宜な電位を与えており、併せ
てリング14も追加されている。
In this embodiment, in order to ensure the removal of argon ions (Ar) and electrons (e), there is another layer between the mesh electrode 6 and the liberator electrode 7.
Two mesh electrodes 13 are arranged to apply an appropriate potential, and a ring 14 is also added.

又リング11には排気口15が設けられると共に、多数
の突起を有する部材を備えた試料ホルダ16が挿入され
ている。
Further, the ring 11 is provided with an exhaust port 15, and a sample holder 16 having a member having a large number of protrusions is inserted therein.

該ホルダ16はガラス製基台17、該基台を貫通する2
本の支持電極18.19及び該電極間に張架されたタン
グステン線20から成り、試料液は該タングステン線2
0の表面に多数成長させた針状突起(ウィスカー:例え
ばシリコンあるいは炭素の針状結晶)21に付着保持さ
れる。
The holder 16 has a glass base 17 and a 2
It consists of a book support electrode 18, 19 and a tungsten wire 20 stretched between the electrodes, and the sample liquid is applied to the tungsten wire 20.
It is attached and held by needle-like protrusions (whiskers: for example, needle-like crystals of silicon or carbon) 21 that are grown in large numbers on the surface of 0.

上記タングステン線20には電源22により数百V乃至
千数百Vの高電圧が印加されてむり、必要に応じて電源
23により通電加熱を行うことができる。
A high voltage of several hundred volts to several hundred volts is applied to the tungsten wire 20 by a power source 22, and the tungsten wire 20 can be electrically heated by a power source 23 if necessary.

上記リング11の後段にはレンズ電極24゜25、四極
子電極26、イオン検出器27、真空ポンプ28を備え
た四重極型質量分析装置29が接続されてかり、両者の
間には高真空の質量分析装置との圧力差を維持し得る様
なコンダクタンスが与えられたピンホール30を有する
電極31が設置されている。
A quadrupole mass spectrometer 29 equipped with lens electrodes 24° 25, a quadrupole electrode 26, an ion detector 27, and a vacuum pump 28 is connected to the latter stage of the ring 11, and a high vacuum is placed between them. An electrode 31 having a pinhole 30 with a conductance that can maintain a pressure difference with the mass spectrometer is installed.

該電極31はリング32により周囲と絶縁され、電源3
3から適宜な電圧を印加することができる。
The electrode 31 is insulated from the surroundings by a ring 32 and connected to a power source 3.
3, an appropriate voltage can be applied.

上述の如き構成にむいて、イオン生成装置の内部には導
入口2からガラス管1、リング9,10゜14.11を
介して排気口15へ抜ける1気圧程度のアルゴンガスの
定常流が形成されてむり、そのうちの一部はピンホール
30を介して質量分析装置内へ流入する。
With the above configuration, a steady flow of argon gas of about 1 atm is formed inside the ion generator, passing from the inlet 2 to the exhaust port 15 via the glass tube 1 and the rings 9, 10°14.11. Some of it flows into the mass spectrometer through the pinhole 30.

そして針電極4に例えば3四程度の負の高電圧を印加す
ると、電極5との間でコロナ放電が起こり、この放電に
よってガラス管内のアルゴンガス中にはそのイオンAr
+、電子e−及び励起状態のアルゴン原子Ar”が生成
する。
When a negative high voltage of, for example, about 34 is applied to the needle electrode 4, a corona discharge occurs between the needle electrode 4 and the argon gas in the glass tube.
+, electron e-, and excited state argon atom Ar'' are generated.

その反応はトよそ次式で示される。(2)式の反応で生
成するAr は準安定状態(励起エネルギー11.5
5eV及び11.72 eV) を示す。
The reaction is shown by the following equation. Ar generated in the reaction of equation (2) is in a metastable state (excitation energy 11.5
5 eV and 11.72 eV).

このAr の状態は寿命が長((10−3sec以上
)、Ar原子と衝突しても次式の様に共鳴的にエネルギ
ー移動が起こるだけでAr の総数は変わらない。
This state of Ar has a long life (10-3 seconds or more), and even if it collides with an Ar atom, only resonance energy transfer occurs as shown in the following equation, and the total number of Ar does not change.

この様にしてコロナ放電により生成されたAr+、e−
及びAr“は定常流に乗って試料ホルダ方向へ移動する
か、電荷を持つAr十及びe は適宜な電位が与えSれ
た網電極6,13を通過することができず除去されるた
め、リング11内には電荷を持たないAr のみが到
達することになる。
Ar+, e- generated in this way by corona discharge
and Ar move toward the sample holder on a steady flow, or the charged Ar and e cannot pass through the mesh electrodes 6 and 13, which are given an appropriate potential, and are removed. Only uncharged Ar reaches inside the ring 11.

このAr”が試料に触れるどAr”の持つ励起エネルギ
ー(11,556V或いは11.72 eV )よりも
低いイオン化エネルギーを持つ化合物Mは次式に従って
すべてイオン化される。
When this Ar'' comes into contact with the sample, all compounds M having ionization energy lower than the excitation energy (11,556 V or 11.72 eV) possessed by Ar'' are ionized according to the following formula.

本発明ではこの時試料を多数の針状突起を持つ部材によ
って付着保持し、これに高電圧を印加しているため、針
状突起部分には極めて強い電界が存在し試料表面はこの
電界にさらされている。
In the present invention, the sample is attached and held by a member having a large number of needle-like protrusions, and a high voltage is applied to this, so an extremely strong electric field exists in the needle-like protrusions, and the sample surface is exposed to this electric field. has been done.

従ってAr との接触によりAr の持つエネル
ギー(11,55eV或いは11.72 eV )を受
は取った試料分子は即座にイオン化されてこの強電界に
より表面から速やかに脱離するため、高電圧を印加しな
い時に比べ同じ量のAr をあてても脱離する試料イ
オン量を飛躍的に増大させることができる。
Therefore, sample molecules that receive the energy of Ar (11.55 eV or 11.72 eV) upon contact with Ar are immediately ionized and quickly desorbed from the surface by this strong electric field, so a high voltage is applied. Even if the same amount of Ar is applied, the amount of sample ions desorbed can be dramatically increased compared to when no Ar is applied.

更に本発明では試料を多数の針状突起に付着保持させて
いるため試料の表面積(即ちAr”との接触面積)が大
きくなり、この面でも生成する試料イオン量が増大する
Furthermore, in the present invention, since the sample is attached and held by a large number of needle-like protrusions, the surface area of the sample (ie, the contact area with Ar'') becomes large, and the amount of sample ions generated also increases on this surface.

発明者による実験では高電圧を印加しない時に比べ検出
される試料イオン量が102〜103倍にも増加し、従
って感度が102〜103倍向上することが確認され、
難揮発性試料についても有効にイオン化できることも確
認された。
In experiments conducted by the inventor, it was confirmed that the amount of sample ions detected increased by 102 to 103 times compared to when no high voltage was applied, and therefore the sensitivity improved by 102 to 103 times.
It was also confirmed that even non-volatile samples can be effectively ionized.

尚印加する電圧を高くする程試料イオンの生成量を増加
させ得ることが確かめられたが、約1500Vを超える
と強電界により試料分子ばかりでなく周囲のアルゴン励
起種がイオン化されてしまい、試料イオンに比べて圧倒
的に大きなバックグラウンド電流を与えるので好寸しく
なく、実際には1ooovから1500Vの範囲が印加
電圧として最適である。
It was confirmed that the amount of sample ions produced could be increased as the applied voltage was increased; however, if the voltage exceeds about 1500 V, not only the sample molecules but also the surrounding argon excited species will be ionized due to the strong electric field, causing the sample ions to ionize. Since it gives an overwhelmingly large background current compared to , it is not suitable, and in reality, the range of 100V to 1500V is optimal as the applied voltage.

更に従来試料を加熱することにより生成する試料イオン
量を増加させることが試みられていたが、高電圧を印加
することによりイオン量を飛躍的に増加させ得る本発明
では加熱は必ずしも必要はなく、従って熱不安定性試料
であっても試料を破壊することなくイオン化することが
できる。
Furthermore, conventional attempts have been made to increase the amount of sample ions generated by heating the sample, but in the present invention, which can dramatically increase the amount of ions by applying a high voltage, heating is not necessarily necessary. Therefore, even a thermally unstable sample can be ionized without destroying the sample.

ただし本発明でも電源23による通電加熱を併用すれば
更に生成するイオン量を増加させることができることは
言う昔でもなく、その場合もそれ程高温にする必要はな
い。
However, in the present invention, it is also possible to further increase the amount of generated ions by using electrical heating from the power source 23, and even in that case, there is no need to raise the temperature to such a high temperature.

この様にして生成された多量の試料イオンは、リペラ電
極7に印加される電圧による力と試料付近からピンホー
ル30へ向けて流れるアルゴンガス流によって質量分析
装置内へ導入され、質量分析されるため質量分析の感度
も著しく向上することになる。
A large amount of sample ions generated in this manner are introduced into the mass spectrometer by the force of the voltage applied to the repeller electrode 7 and the argon gas flow flowing from near the sample toward the pinhole 30, and are subjected to mass analysis. Therefore, the sensitivity of mass spectrometry will also be significantly improved.

尚本実施例は正イオンを質量分析装置へ導入する例であ
るが、負イオンを分析するのであればタングステン線2
0、リペラ電極7及びピンホール電極31へ印加する電
圧の極性を逆にすればよい。
In this example, positive ions are introduced into the mass spectrometer, but if negative ions are to be analyzed, the tungsten wire 2
0. The polarity of the voltage applied to the repeller electrode 7 and pinhole electrode 31 may be reversed.

本発明は上述した実施例に限定されることなく幾多の変
形が可能である。
The present invention is not limited to the embodiments described above and can be modified in many ways.

例えば本発明をイオン化検出器に適用するのであればイ
オンコレクタ電極を試料に近接して配置し、生成した試
料イオンをコレクタ電極に集めて検出するようにすれば
良い。
For example, if the present invention is applied to an ionization detector, an ion collector electrode may be placed close to the sample, and the generated sample ions may be collected on the collector electrode and detected.

又上述した実施例ではタングステン線に多数の針状突起
を成長させたものに試料を付着させたが、多数の突起を
有する部材であれば板状でもコイル状でも形状は任意に
選ぶことができる。
In addition, in the above-mentioned example, the sample was attached to a tungsten wire with many needle-like protrusions grown thereon, but the shape of any member having a large number of protrusions can be chosen arbitrarily, such as a plate or a coil. .

又リング11内に液体クロマトグラフの分離カラムに接
続したパイプを挿入し、流出する試料溶液を針状突起部
に滴下あるいは連続的に付着させれば、液体クロマトグ
ラフと質量分析装置をオンラインで結合することが可能
となる。
In addition, by inserting a pipe connected to the separation column of the liquid chromatograph into the ring 11 and letting the flowing sample solution drip or continuously adhere to the needle-like protrusion, the liquid chromatograph and the mass spectrometer can be connected online. It becomes possible to do so.

又上述した実施例では励起種Ar を生成させるのに
放電を用いたが、光その他の放射線を用いることも考え
られ、キャリヤーガスもアルゴンに限らず他のガスを使
用することができる。
Further, in the above-described embodiment, discharge was used to generate the excited species Ar, but it is also possible to use light or other radiation, and the carrier gas is not limited to argon, but other gases can also be used.

又上述した実施例では網電極6.13により荷電粒子(
Ar+、e )を除去したが中央が穴になった電極を
用いることができるし、荷電粒子を除去するためにはガ
ス流に対し直交する方向の電場或いは磁場を印加するよ
うにしても良い。
Furthermore, in the embodiment described above, the charged particles (
It is possible to use an electrode in which Ar+, e) is removed but with a hole in the center, or an electric field or a magnetic field in a direction perpendicular to the gas flow may be applied to remove charged particles.

更に励起種は紙面と直交する方向から試料にあてる方法
もある。
Furthermore, there is also a method in which the excited species is applied to the sample from a direction perpendicular to the plane of the paper.

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

第1図は提案方法を説明するための装置構成を示す図、
第2図は本発明の一実施例の構成を示す断面図、第3図
はそのI−P断面図である。 4:針電極、5:対向電極、6.γ:網電極、16:試
料ホルダ、20:タングステン線、21:針状突起、2
2:電源、29:質量分析装置、30:ピンホール。
FIG. 1 is a diagram showing the equipment configuration for explaining the proposed method;
FIG. 2 is a sectional view showing the configuration of an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is an IP sectional view thereof. 4: needle electrode, 5: counter electrode, 6. γ: mesh electrode, 16: sample holder, 20: tungsten wire, 21: needle-like projection, 2
2: power supply, 29: mass spectrometer, 30: pinhole.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 キャリヤーガスを励起する励起手段と、励起により
生成された荷電粒子及び励起種が導かれる通路に配置さ
れる荷電粒子除去手段と、該除去手段を通過した励起種
が通る位置に配置された多数の突起を有する部材と、該
部材に高電圧を印加するための手段とを備え、前記多数
の突起を有する部材に試料を付着させ、該試料に前記励
起種をあててイオン化するようにしたことを特徴とする
イオン生成装置。 2 励起種によりイオン化した試料イオンが質量分析装
置へ導入される特許請求の範囲第1項記載の装置。 3 励起種によりイオン化した試料イオンがイオンコレ
クタへ導かれる特許請求の範囲第1項記載の装置。 4 前記励起手段はコロナ放電によってキャリヤーガス
を励起する特許請求の範囲第1項記載の装置。
[Scope of Claims] 1. An excitation means for exciting a carrier gas, a charged particle removal means disposed in a passage through which charged particles and excited species generated by the excitation are guided, and a passage through which the excited species that have passed through the removal means pass. A member having a large number of protrusions arranged at positions and means for applying a high voltage to the member, a sample is attached to the member having a large number of protrusions, and the excited species is applied to the sample. An ion generating device characterized by ionizing. 2. The device according to claim 1, wherein sample ions ionized by the excited species are introduced into the mass spectrometer. 3. The apparatus according to claim 1, wherein sample ions ionized by the excited species are guided to an ion collector. 4. The device according to claim 1, wherein the excitation means excites the carrier gas by corona discharge.
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