WO2007102202A1 - 質量分析装置 - Google Patents

Description

明 細 書

質量分析装置

技術分野

[0001] 本発明は、電子衝撃イオンィ匕法によるイオン源を備える質量分析装置に関し、さら に詳しくは、イオン源の構造に関する。

背景技術

[0002] 質量分析装置は、試料分子や原子をイオン化し、生成されたイオンを質量数に応 じて分離して検出するものである。試料分子をイオンィ匕する方法として様々な方法が 考案されているが、電子衝撃イオン化 (EI)法は最も一般的に使用されているもので ある。電子衝撃イオン化法では、真空雰囲気下に置かれた比較的小さな容積のィォ ン化室内に試料分子を導入し、イオン化室の外側に配設されたフィラメントで生成し た熱電子を加速してイオン化室内に送り込む。そしてイオンィ匕室内で試料分子と熱 電子とを接触させることにより該試料分子をイオン化する。イオン化室内で生成され たイオンは、イオン化室の外部に設置されたイオン引き出し用電極 (例えばレンズ光 学系）に印加された電圧により形成される電場によってイオンィ匕室の外部に引き出さ れる。

[0003] フィラメントで生成された熱電子を加速するためにフィラメントとイオンィ匕室との間の 空間には両者の電位差による電位勾配を持つ電場が形成され、これによつて熱電子 はイオンィ匕室に向カゝつて進行し、イオン化室壁面に設けられた電子入射口を経てィ オンィ匕室内に入る。電子衝撃イオンィ匕法の場合、通常、熱電子に約 70eV程度の加 速エネルギーを付与するために、フィラメントとイオンィ匕室との間の電位差は 70V程 度に設定される。

[0004] こうした電子衝撃イオンィ匕法によるイオン源では、イオンィ匕室内でのイオンィ匕効率を 高めるにはフィラメントで発生した熱電子を効率良くイオンィ匕室内に送り込む必要が ある。そのため、従来、イオンィ匕室の壁面に穿設された電子入射ロカも比較的近い 位置にフィラメントが設置されている。ところが、フィラメントを電子入射口に近接させ ると、フィラメントとイオンィ匕室との間の電位差によって形成される電場力 オンィ匕室 内にまで入り込み、主としてレンズ光学系とイオンィ匕室との間の電位差によってイオン 化室内に形成されるイオン引き出し用電場が乱され、イオンィ匕室力 のイオンの引き 出しに支障をきたす場合がある。

[0005] 特許文献 1 :特開 2002— 373616号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0006] 即ち、従来のイオン源では、イオンの生成効率を重視するあまりにイオンィヒ室内か らのイオンの弓 Iき出し効率が犠牲になり、そのためにトータルではイオンの検出感度 を低減させることになつていた。本発明はこうした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、イオンィ匕室内で生成されたイオンを効率良くイオン 化室外部へ取り出して質量分析に利用することにより検出感度を向上させることがで きる質量分析装置を提供することである。

課題を解決するための手段

[0007] 上記課題を解決するために成された本発明は、加熱により熱電子を発生するフイラ メントと、該熱電子を内部に導入する電子入射口を有し、その内部において熱電子を 利用して試料分子をイオン化するイオン化室と、を含む電子衝撃イオン化法によるィ オン源を備える質量分析装置において、

前記フィラメントと前記イオンィ匕室との電位差により該フィラメントと前記電子入射口 との間の空間に形成される電場の影響が前記イオン化室の内部にまで及ばない位 置まで、前記フィラメントを前記イオンィ匕室力も離して設置したことを特徴として 、る。

[0008] フィラメントをイオンィ匕室力も離すほど、フィラメントで生成された熱電子は電子入射 口を経てイオンィ匕室内へと入りにくくなり、他の条件が同一であればイオン生成効率 は低下する。一方、フィラメントをイオンィ匕室力も離すほど、フィラメントとイオンィ匕室と の間の電位差により形成される電場はイオンィ匕室内に入り込みにくくなり、そのため にイオンィ匕室内で生成されたイオンが正規のイオン出射口から引き出されて質量分 祈に利用される効率、つまりはイオン引き出し効率は高まる。従来、前者の効率を主 として考えていたために後者の効率は悪ぐトータルでイオンの検出感度の点では最 適な状態ではな力つた。これに対し、本発明に係る質量分析装置では、フィラメントの 設置位置をイオンィ匕室から、つまりは電子入射ロカ 離すようにすることにより上記 2 つの効率のバランスをとり、それによつてイオンの検出感度を従来よりも改善する。

[0009] 本発明の一実施態様として、前記電子入射口が形成されたイオン化室内壁面と該 イオン化室の中心点との間の距離 Daと、前記フィラメントと前記イオンィ匕室の中心点 との間の距離 Dbとの比率 DaZDbを、 1. 7以上に設定する構成とするとよい。従来 は DaZDbは 1. 5以下に設定されていた力 他の条件を同一にして DaZDbを 1. 7 以上とすることにより 40%程度、信号強度を高くすることができる。なお、 DaZDbの 好ましい範囲の上限は、イオンィ匕室とフィラメントとの間の電位差や一般にフィラメント の外側に配置される熱電子収束用磁場を発生するための磁石の位置や磁力などに 依存するものの、最大でも 3. 0以下とするとよい。

[0010] また、電子入射口の開口面積が大き!/、ほど熱電子加速用電場の影響はイオンィ匕 室内部に及び易くなる。そこで、本発明の一実施態様として、前記フィラメントとイオン 化室との電位差が 10〜200[V]である条件の下で、前記熱電子入射口の開口面積 A (単位: mm²)と、前記電子入射口が形成されたイオンィ匕室内壁面と前記フィラメン トとの間の距離 Db— Da (単位： mm)との比率 AZ (Db— Da)を、 0. 45〜4. 037の 範囲に設定するとよい。一般に、電子衝撃イオン化用イオン源のイオンィ匕室における 電子入射口の開口面積はおおよその値が決まって 、るが、 AZ (Db-Da)を上記の ような範囲に収めることにより、熱電子加速用電場の影響力 Sイオンィ匕室内に及ぶこと をより確実に回避することができる。

発明の効果

[0011] 以上のように本発明に係る質量分析装置によれば、フィラメントとイオンィ匕室との間 の電位差により形成される熱電子加速用の電場が電子入射口からイオン化室内に 入り込みにくいため、レンズ光学系により形成されるイオンィ匕室内のイオン引き出し用 電場の乱れがなくなり、イオンィ匕室内で生成されたイオンをイオン出射口を通して効 率的に引き出してレンズ光学系により質量分析部に輸送することができる。これにより 、従来よりも検出感度を向上させることができ、高感度の質量分析が可能となる。 図面の簡単な説明

[0012] [図 1]本発明の一実施例による質量分析装置の全体構成図。 [図 2]本実施例による質量分析装置のイオン源の構成図。

発明を実施するための最良の形態

[0013] 本発明の一実施例による質量分析装置を図面を参照して説明する。図 1は本実施 例の質量分析装置の全体構成図、図 2はイオン源の詳細構成図である。

[0014] 図 1において、真空ポンプ 11により真空排気される略密閉された真空容器 10の内 部には、イオン源 1、レンズ光学系 13、四重極質量フィルタ 14、及びイオン検出器 15 力 Sイオン光軸 Cに沿って配設されて 、る。例えば図示しな 、ガスクロマトグラフのカラ ムカゝら流出する試料ガスは適宜のインタフェイスを介して試料導入管 12からイオン源 1へと供給され、イオン源 1にお 、て試料ガスに含まれる試料分子はイオン化される。

[0015] 発生した各種イオンはイオン源 1から右方に引き出され、レンズ光学系 13により収 束されて 4本のロッド電極力も成る四重極質量フィルタ 14の長軸方向の空間に導入 される。四重極質量フィルタ 14には図示しな!、電源から直流電圧と高周波電圧とを 重畳した電圧が印加され、その印加電圧に応じた質量数を有するイオンのみがその 長軸方向の空間を通過し、イオン検出器 15に到達して検出される。それ以外の不要 なイオンは四重極質量フィルタ 14の長軸方向の空間を通り抜けることができず、途中 で発散して消失する。したがって、例えば四重極質量フィルタ 14に印加する電圧を 所定の範囲で走査することにより、イオン検出器 15に到達し得るイオンの質量数が 所定の質量数範囲に亘り変化するように走査することができ、その検出信号に基づ V、てマススペクトルを作成することができる。

[0016] 次に、電子衝撃イオンィ匕を行うイオン源 1の構造について図 1に力卩ぇ図 2により詳し く説明する。ステンレス等の金属力 成る略直方体箱形状のイオン化室 2には試料導 入管 12が接続され、試料導入管 12を通して試料分子を含む試料ガスが供給される 。イオンィ匕室 2のイオン光軸 C上にはイオン出射口 9が形成され、イオン出射口 9を通 してイオンは外部に引き出される。イオン光軸 Cを挟んでイオンィ匕室 2の対向する壁 面には電子入射口 5と電子出射口 6とが形成され、電子入射口 5の外側にはフィラメ ント 3が配置されており、電子出射口 6の外側にはフィラメント 3と同一形状のフィラメン トがトラップ電極 4として配置されて 、る。

[0017] 図示しない加熱電流源力 フィラメント 3に加熱電流が供給されると、フィラメント 3の 温度が上昇して熱電子が放出される。この熱電子は後述する電場の作用によりトラッ プ電極 4に向力つて加速され、イオン光軸 Cと略直交する熱電子流軸 Lに沿ってィォ ン化室 1内部を通過する。なお、ここではトラップ電極 4をフィラメント 3と同一形状とし ているが、これは両者の機能を逆にして使用することができるようにするためである。 また、フィラメント 3とトラップ電極 4の外方には一対の磁石 7、 8が配置されており、こ の磁石 7、 8によってフィラメント 3とトラップ電極 4との間の空間には磁場が形成されて いる。

[0018] 本実施例の質量分析装置では、イオンィ匕室 2に対するフィラメント 3の位置、及び、 その位置と電子入射口 5の開口面積との関係力 重要な要素である。即ち、イオンィ匕 室 2の中心点 Sと電子入射口 5が形成されて ヽるイオンィ匕室 2壁内面との距離 Daと、 中心点 Sとフィラメント 3との間の距離 Dbとの比 DaZDbは、従来は一般的に 1. 5以 下に設定されているのに対し、この実施例の質量分析装置では、 1. 7以上に設定さ れている。即ち、フィラメント 3の位置は従来よりも相対的に電子入射口 5から離して設 けられている。また、電子照射口 5の開口面積 Aと、イオンィ匕室 2壁内面とフィラメント 3との間の距離 Db— Da、との比 AZ(Db— Da)は 0. 45〜4. 037程度に設定され ている。その理由は後述する。

[0019] 上記構成において、例えばイオンィ匕室 2は接地され (電圧 0[V])、フィラメント 3には 例えば—70[V]、トラップ電極 4には例えば 0[V]の電圧が印加される。これにより、フ イラメント 3とイオン化室 2との間の空間にはフィラメント 3力もイオン化室 2に向かって 電子を加速する力を及ぼすような電位勾配を有する電子加速用電場が形成される。 一方、レンズ電極 13にはイオンの極性と逆極性を有する所定の電圧が印加され、レ ンズ電極 13とイオンィ匕室 2との電位差により形成される電場はイオン出射口 9からィ オンィ匕室 2内にも及び、イオンをイオン出射口 9から外部に引き出すように力を及ぼ す。

[0020] フィラメント 3で発生した熱電子は、上記熱電子加速用電場により加速されて電子入 射口 5を経てイオンィ匕室 2内に入る。そして、試料分子 (M)に熱電子 (e— )が接触する と、 M + e—→ M+' + 2e" のようにして分子イオン M+'が生成される。最終的に熱 電子は電子出射口 6を経てイオンィ匕室 2外へと出てトラップ電極 4に到達し、これによ つてトラップ電極 4にはトラップ電流が流れる。イオンィ匕室 2内で発生した正イオンは、 上記引き出し用電場によってイオンィ匕室 2からイオン出射口 9を経て外部へと引き出 される。

[0021] トラップ電極 4に捕捉される電子数はフィラメント 3から放出された電子数に依存して いるから、図示しない制御回路は、トラップ電極 4に到達した電子により流れるトラップ 電流が所定値になるようにフィラメント 3に供給する加熱電流を制御する。これによつ て、フィラメント 3での熱電子の発生量がほぼ一定で安定し、イオン化室 2内で安定し たイオンィ匕が達成される。なお、磁石 7、 8によって形成される磁場の影響によって熱 電子は直線的ではなく螺旋状に旋回しながらトラップ電極 4へと向かう。それによりィ オンィ匕室 2内での熱電子の滞在時間を長くすることができ、熱電子と試料分子との接 触の機会を増やしてイオンィ匕効率を向上させている。

[0022] 従来のようにフィラメント 3の位置が電子入射口 5に近い場合、フィラメント 3とイオン 化室 2との電位差により形成される熱電子加速用電場は電子入射口 5からイオン化 室 2の内側に入り込み、それによつてイオンィ匕室 2内のイオン引き出し用電場が乱さ れ、イオンの一部がイオン出射口 9に向かわずに電子入射口 5から飛び出したりィォ ン化室 2内面に衝突したりし易くなる。それに対し、本実施例の質量分析装置では、 フィラメント 3による熱電子加速用電場の影響力イオンィ匕室 2内部に及ばない位置ま でフィラメント 3が離されている。また、イオン化室 2内への熱電子加速用電場の入り 込み具合は電子入射口 5の開口面積にも依存するため、その開口面積とフィラメント 3の離間距離との関係も規定している。これにより、イオンィ匕室 2内において熱電子カロ 速用電場の影響が殆どなくなってイオン引き出し用電場の乱れがなくなり、イオンの 引き出し効率を高めることができる。

[0023] 本願発明者は、電子入射口 5の開口面積 Aとフィラメント 3とイオンィ匕室 2内壁面との 距離 (Db— Da)との関係が上記条件を満たすときの、 DaZDbとイオン検出器 15で の信号強度との関係を実験により調べた。その結果、 Da/Db = l. 4のときの信号 強度を 1とした場合に DaZDbを増加させてゆくと、 Da/Db = l. 7以上で信号強度 は 1. 4程度まで増加してほぼ飽和することが判明した。この結果により、 DaZDbを 1 . 7以上に設定することにより、イオンの引き出し効率を改善し、トータルの信号強度 の点でも従来より増加できることが分力る。

[0024] フィラメント 3を電子入射口 5から遠ざけると、当然のことながら、熱電子はイオンィ匕 室 2に入りにくくなつて熱電子流の電子密度が下がることでイオンの生成効率は落ち ることが予想される。しカゝしながら、フィラメント 3を電子入射口 5から遠ざけてイオンの 弓 Iき出し効率を上げることの効果力 Sイオンの生成効率の低下を補 、、検出感度の向 上と 、う点ではより好ま 、状態をもたらすものと考えられる。

[0025] なお、上記実施例は 、ずれも一例であって、本発明の趣旨の範囲で適宜変形や 修正、追加を行なえることは明らかである。

Claims

請求の範囲

[1] 加熱により熱電子を発生するフィラメントと、該熱電子を内部に導入する電子入射 口を有し、その内部にぉ ヽて熱電子を利用して試料分子をイオン化するイオン化室 と、を含む電子衝撃イオンィ匕法によるイオン源を備える質量分析装置において、 前記フィラメントと前記イオンィ匕室との電位差により該フィラメントと前記電子入射口 との間の空間に形成される電場の影響が前記イオン化室の内部にまで及ばない位 置まで、前記フィラメントを前記イオンィ匕室力も離して設置したことを特徴とする質量 分析装置。

[2] 前記電子入射口が形成されたイオンィ匕室内壁面と該イオンィ匕室の中心点との間の 距離 Daと、前記フィラメントと前記イオン化室の中心点との間の距離 Dbとの比率 Da ZDbを、 1. 7以上に設定したことを特徴とする請求項 1に記載の質量分析装置。

[3] 前記フィラメントとイオンィ匕室との電位差が 10〜200[V]である条件の下で、前記熱 電子入射口の開口面積 Aと、前記電子入射口が形成されたイオン化室内壁面と前 記フィラメントとの間の距離 Db— Daとの比率 AZ (Db— Da)を、 0. 45〜4. 037の 範囲に設定したことを特徴とする請求項 2に記載の質量分析装置。