WO2016006390A1 - 質量分析装置 - Google Patents

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WO2016006390A1
WO2016006390A1 PCT/JP2015/067109 JP2015067109W WO2016006390A1 WO 2016006390 A1 WO2016006390 A1 WO 2016006390A1 JP 2015067109 W JP2015067109 W JP 2015067109W WO 2016006390 A1 WO2016006390 A1 WO 2016006390A1
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WO
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pore
pressure chamber
ion
intermediate pressure
stage
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PCT/JP2015/067109
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English (en)
French (fr)
Inventor
長谷川　英樹
宏之 佐竹
管　正男
橋本　雄一郎
Original Assignee
株式会社日立ハイテクノロジーズ
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Publication date
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Priority to US15/324,092 priority patent/US9892901B2/en
Priority to DE112015002716.5T priority patent/DE112015002716B4/de
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    • H01J49/34—Dynamic spectrometers

Definitions

  • the present invention relates to a mass spectrometer having high robustness and capable of high sensitivity and low noise analysis.
  • General atmospheric pressure ionization mass spectrometer introduces ions generated under atmospheric pressure into a vacuum and analyzes the mass of the ions.
  • ion sources that generate ions under atmospheric pressure
  • ESI electrospray method
  • APCI atmospheric pressure chemical ionization method
  • MALDI matrix-assisted laser desorption ionization method
  • a substance that becomes a noise component is generated.
  • noise components such as charged droplets and neutral droplets are simultaneously generated in addition to ions.
  • General mass spectrometers are composed of several spaces separated by pores, and each space is evacuated by a vacuum pump, and the degree of vacuum increases (lower pressure) as it goes to the subsequent stage.
  • the first space which is separated from the atmospheric pressure by the first pore electrode (AP1), is often evacuated by a rotary pump or the like and maintained at a degree of vacuum of about several hundred Pa.
  • a second space separated from the first space by the second pore electrode (AP2) an ion transporting part (quadrupole electrode, electrostatic lens electrode, etc.) that allows ions to pass through while converging. In many cases, it is exhausted to about several Pa by a turbo molecular pump or the like.
  • an ion analyzer ion trap, quadrupole filter electrode, collision cell
  • the generated ions (including noise components) pass through AP1 and are introduced into the vacuum container. Thereafter, the ions pass through AP2 and are converged on the central axis at the ion transport portion. Thereafter, the ions pass through AP3 and are separated for each mass or decomposed by the ion analyzer, whereby a more detailed ion structure can be analyzed. Finally, the ions are detected by the detection unit.
  • AP1, AP2, and AP3 are often arranged on the same axis. Since the droplets other than the ions described above are not easily affected by the electric field of the pore electrode, the ion transport part, or the ion analysis part, they basically have a tendency to go straight. For this reason, introduction of excessive rectilinear droplets may reach the detector, leading to a shortened lifetime of the detector.
  • Patent Document 1 a member having a plurality of holes is arranged between the ion source and AP1. Since this member is not perforated at a position coaxial with AP1, introduction of noise components from AP1 can be reduced. However, since the member having the plurality of holes is disposed outside the AP1, both the front and back sides of the member are in the atmospheric pressure state.
  • Patent Document 2 the central axis of AP1 and the central axis of AP2 are arranged orthogonally, and in Patent Document 3, the central axis of AP1 and the central axis of AP2 are arranged at eccentric positions. The droplets are removed.
  • a vacuum exhaust pump such as a rotary pump in a direction orthogonal to the central axis of AP2.
  • FIG. 1 of Patent Document 4 discloses an apparatus configuration in which the central axis of AP1 is bent in a crank shape.
  • the central axes of AP1 and AP2 are eccentric due to the crank-shaped flow path, but the flow is in a laminar flow state because the inner diameters are substantially the same from the AP1 inlet to the outlet.
  • the closer to the tube center due to friction in the tube the stronger the flow, and there is a possibility that noise factors such as droplets may flow out from the AP1 outlet along the flow.
  • the pressure difference between the inlet and the outlet of AP1 is large as in Patent Document 1, the flow near the AP1 outlet may be in a sonic speed state and may generate a Mach disk. Therefore, the flow near the AP1 outlet is disturbed by the Mach disk, and the efficiency of introducing ions into AP2 is reduced.
  • a mass spectrometer of the present invention includes an ion source that generates ions, a vacuum chamber that is evacuated by vacuum evacuation means and analyzes the mass of ions, and an ion introduction electrode that introduces ions into the vacuum chamber.
  • the ion introduction electrode has a front pore on the ion source side, a rear pore on the vacuum chamber side, and an intermediate pressure chamber between the front pore and the rear pore, and an ion inlet of the intermediate pressure chamber
  • the cross-sectional area is larger than the cross-sectional area of the front pore, the central axis of the front-stage pore and the central axis of the rear-stage pore are in an eccentric position, and the ion outlet is cut off from the cross-sectional area of the ion inlet of the intermediate pressure chamber The area is smaller.
  • the angle formed by the central axis direction of the previous pore with respect to the wall of the intermediate pressure chamber is an acute angle.
  • it is desirable that the angle formed by the central axis direction of the previous stage pore with respect to the wall surface of the intermediate pressure chamber is 15 ° to 75 °.
  • the pressure in the intermediate pressure chamber is desirably 2000 to 30000 Pa.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of an apparatus according to the first embodiment.
  • A Explanatory drawing which looked at the ion introduction electrode of Example 1 from the ion source direction.
  • B Explanatory drawing of the cross section on the central axis of the iontophoretic electrode of Example 1.
  • FIG. A) Explanatory drawing which looked at the ion introduction electrode used for the performance comparison with the ion introduction electrode of Example 1 from the direction of the ion source.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram showing the results of droplet noise intensity and ion intensity depending on an ion incident angle into the intermediate pressure chamber of Example 1.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing the result of ionic strength according to the pressure in the intermediate pressure chamber of Example 1. Explanatory drawing of the effect of the intermediate pressure chamber of Example 1.
  • FIG. 1 Explanatory drawing of the performance comparison result by the internal diameter and length of the back
  • FIG. (A) Explanatory drawing which looked at the ion introduction electrode of Example 2 from the ion source direction.
  • FIG. (B) Explanatory drawing of the cross section on the central axis of the iontophoretic electrode of Example 3.
  • FIG. (A) Explanatory drawing which looked at the ion introduction electrode of Example 4 from the ion source direction.
  • (B) Explanatory drawing of the cross section on the central axis of the iontophoretic electrode of Example 4.
  • FIG. (A) Explanatory drawing which looked at the ion introduction electrode of Example 5 from the ion source direction.
  • (B) Explanatory drawing of the cross section on the central axis of the iontophoretic electrode of Example 5.
  • FIG. (A) Explanatory drawing which looked at the ion introduction electrode of Example 6 from the ion source direction.
  • FIG. (B) Explanatory drawing of the cross section on the central axis of the iontophoretic electrode of Example 9.
  • FIG. (A) Explanatory drawing which looked at the ion introduction electrode of Example 10 from the ion source direction.
  • (B) Explanatory drawing of the cross section on the central axis of the iontophoretic electrode of Example 10.
  • FIG. (A) Explanatory drawing which looked at the ion introduction electrode of Example 11 from the ion source direction.
  • (B) Explanatory drawing of the cross section on the central axis of the iontophoretic electrode of Example 11.
  • Example 1 an apparatus configuration in which an ion introduction electrode for introducing ions from under atmospheric pressure into a vacuum is composed of three elements: a first stage first pore, an intermediate pressure chamber, and a second stage first pore.
  • the apparatus configuration of the first embodiment is characterized by having an intermediate pressure chamber having a tapered shape such that the internal cross-sectional area continuously decreases as the ion proceeds.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram of the configuration of a mass spectrometer using this method.
  • the mass spectrometer 1 is mainly composed of an ion source 2 and a vacuum vessel 3 that are under atmospheric pressure.
  • the ion source 2 shown in FIG. 1 generates ions of a sample solution based on a principle called electrospray method (ESI).
  • ESI electrospray method
  • the principle of the ESI method is that ions 7 of the sample solution 6 are generated by supplying the sample solution 6 while applying a high voltage to the metal capillary 4 from the power source 5.
  • the droplet 8 of the sample solution 6 repeats the division, and finally becomes a very fine droplet and is ionized.
  • Examples of droplets that could not be made sufficiently fine during the ionization process include neutral droplets and charged droplets.
  • a tube 9 is provided outside the metal capillary 4, a gas 10 is allowed to flow through the gap between the two, and the gas 10 is sprayed from the outlet end 11 of the tube 9, thereby vaporizing the droplet 8. Promotes.
  • the ions 7 and droplets 8 generated under atmospheric pressure pass through the ion introduction electrode 12 and are introduced into the first vacuum chamber 13. Thereafter, the ions 7 pass through the hole 15 formed in the second pore electrode 14 and are introduced into the second vacuum chamber 16.
  • the second vacuum chamber 16 has an ion transport part 17 that allows ions to pass through while converging. A multipole electrode, an electrostatic lens, etc. can be used for the ion transport part 17.
  • the ions 18 that have passed through the ion transport portion 17 pass through the hole 20 formed in the third pore electrode 19 and are introduced into the third vacuum chamber 21.
  • the third vacuum chamber 21 has an ion analyzer 22 that separates and dissociates ions.
  • An ion trap, a quadrupole filter electrode, a collision cell, a time-of-flight mass spectrometer (TOF), or the like can be used for the ion analyzer 22.
  • the ions 23 that have passed through the ion analyzer 22 are detected by a detector 24.
  • an electron multiplier, a multi-channel plate (MCP), or the like can be used as the detector 24.
  • the ions 23 detected by the detector 24 are converted into electrical signals and the like, and information such as ion mass and intensity can be analyzed in detail by the control unit 25.
  • the control unit 25 includes an input / output unit and a memory for receiving an instruction input from the user and controlling a voltage and the like, and also has software and the like necessary for power operation.
  • the first vacuum chamber 13 is evacuated by a rotary pump (RP) 26 and is maintained at about several hundred Pa.
  • the second vacuum chamber 16 is evacuated by a turbo molecular pump (TMP) 27 and maintained at about several Pa.
  • the third vacuum chamber 21 is evacuated by the TMP 28 and maintained at 0.1 Pa or less.
  • the electrode 29 as shown in FIG. 1 is arranged outside the ion introduction electrode 12, the gas 30 is introduced into the gap between the two, and sprayed from the outlet end 31 of the electrode 29, thereby being introduced into the vacuum vessel 3. The number of droplets 8 is reduced.
  • a DC or AC voltage is applied to the ion introduction electrode 12, the second pore electrode 14, the ion transport portion 17, the third pore electrode 19, the ion analysis portion 22, the detector 24, and the electrode 29 from the power source 62. Apply and use.
  • FIG. 2A shows a view of the ion introduction electrode 12 viewed from the ion source 2 side
  • FIG. 2B shows a cross-sectional view of the ion introduction electrode 12 on the central axis.
  • the iontophoretic electrode 12 is mainly composed of three elements: a first-stage first pore 35, an intermediate pressure chamber 33, and a second-stage first pore 36.
  • the axial deviation amount is the distance between the axial center of the first-stage first pore 35 and the axial center of the second-stage first pore 36.
  • the gas containing the ions 7 and the droplets 8 from the atmospheric pressure is first introduced as a trajectory 39 along the central axis 37 of the first stage first pore 35.
  • the introduced gas including the ions 7 and the droplets 8 collides with the collision point 40 on the inner surface of the intermediate pressure chamber 33.
  • the angle between the axial direction of the first-stage first pore and the wall surface of the intermediate pressure chamber is ⁇ .
  • the central axis 37 of the first stage first pore 35 and the taper center of the intermediate pressure chamber 33 do not necessarily have to be parallel. After the collision, the air flow changes direction and travels along the inner surface angle of the intermediate pressure chamber 33 like a track 41. Thereafter, the airflow changes its direction again in the vicinity of the inlet of the rear first pore 36, travels along a central axis 38 of the rear first pore 36, and is introduced into the first vacuum chamber 13.
  • the primary pressure refers to the pressure in the vicinity of the inlet of the first stage first pore 35
  • the secondary pressure refers to the pressure at the outlet to the intermediate pressure chamber 33. Due to the turbulent flow state, small-diameter ions 7 and the like having small inertia proceed along the downstream flow, and large-diameter droplets 8 and the like having large inertia cannot be bent and collide with the collision point 40, and the liquid downstream. Drop inflow can be prevented. On the other hand, in general pipe flow with a constant inner diameter ( ⁇ laminar flow), the closer to the tube center, the faster the flow due to the effect of friction in the tube, and the flow velocity is significantly slower near the inner wall of the tube.
  • a noise factor such as a droplet may flow out from the outlet of the rear first pore 36 along the flow. That is, even if the in-tube flow path is refracted in a crank shape, the probability that a droplet or the like collides with the inside of the tube is low.
  • the intermediate pressure chamber 33 having a tapered shape such that the internal cross-sectional area continuously decreases as the ion advances. That the internal cross-sectional area is continuously reduced means that the flow velocity is gradually increased. Turbulence occurs near the inlet of the intermediate pressure chamber 33, and the airflow is temporarily uncontrollable.
  • the downstream side is forcibly It is possible to generate an air current.
  • the front-stage member 32 and the rear-stage member 34 are illustrated as separate members, but there is no problem with the same member. However, in consideration of the manufacturing cost of the parts, a configuration including two structures as shown in FIG. 2 is desirable. Further, the intermediate pressure chamber 33 and the rear first pore 36 may be constituted by separate members. Further, the front first pore 35 and the intermediate pressure chamber 33 may be the same member, and only the rear first pore 36 may be a different member.
  • FIG. 3 shows a configuration in which an incident angle ⁇ at the time of collision is 90 °, that is, a collision occurs at a right angle.
  • FIG. 5 shows the droplet noise intensity result 43, and the lower part shows the ion intensity (reserpine ion: m / z 609) result 44.
  • FIG. 6 shows the result 61 of the dependence of the ionic strength (reserpine ion: m / z 609) on the internal pressure (P M ) of the intermediate pressure chamber 33.
  • P 0 atmospheric pressure (10 5 Pa).
  • the diameter M D Mach disc at the position of M L can be a maximum 1.5mm approximately from Equation 3.
  • the jet flow in the sonic state at the outlet of the first-stage first pore 35 has the effect of removing droplets utilizing the turbulence of the flow at the inlet of the intermediate pressure chamber 33 and improving the ion permeability by the tapered shape.
  • the pressure inside the intermediate pressure chamber 33 is 2000 to 30000 Pa, which is lower than the atmospheric pressure, the pressure difference between the inlet and outlet of the rear first pore 36 is reduced, so that only the general first pore electrode can be used. Disturbances in the flow are alleviated rather than the configuration, and ion transmission efficiency in the subsequent stage is improved.
  • FIG. 7 shows a comparison result 45 for the presence or absence of an intermediate pressure chamber. It can be seen from FIG. 7 that the ionic strength (reserpine ion: m / z 609) decreases to 70% or less in the configuration without the intermediate pressure chamber 33 compared to the configuration with the intermediate pressure chamber 33.
  • FIG. 8 shows a comparison result 46 based on the structure of the latter first pore.
  • the countless arrows in FIG. 9 indicate the direction of fluid flow. From FIG. 9, it can be seen that many arrows are displayed along the extension line 48 of the taper angle of the intermediate pressure chamber 33. In particular, the arrows in the direction of the extension line 48 are very large in a range 49 surrounded by a dotted line sprayed from the rear first pore 36. Like this flow, in the actual experimental system, since the spray was performed in an oblique direction with respect to the central axis 38 of the rear first pore 36, it is considered that the ion transmission efficiency in the rear stage is remarkably lowered.
  • L 3 d 2 ⁇ tan (90- ⁇ ) (Formula 4)
  • L 3 / d 2 0.3 to 3.7. That is, although it depends on the taper angle, it is necessary to satisfy the condition of L 3 / d 2 ⁇ 0.3.
  • Example 2 an apparatus configuration in which an ion introduction electrode for introducing ions from under atmospheric pressure into a vacuum is composed of three elements of a first stage first pore, an intermediate pressure chamber, and a second stage first pore.
  • the apparatus configuration of the second embodiment is characterized in that it has a taper shape in which the internal cross-sectional area continuously decreases as it proceeds in the ion traveling direction, and an intermediate pressure chamber composed of a straight circular tube-shaped portion.
  • FIG. 11A shows a view of the ion introduction electrode 12 as viewed from the direction of the ion source 2
  • FIG. 11B shows a cross-sectional view of the ion introduction electrode 12 on the central axis.
  • the ion introduction electrode 12 shown in FIG. 11 is basically the same in configuration and function as the ion introduction electrode 12 described in FIG. 2, and therefore, redundant description is omitted and the difference from the configuration in FIG. 2 is omitted. Only explained.
  • the intermediate pressure chamber 33 is composed of a front stage portion 33-1 and a rear stage portion 33-2.
  • the rear stage portion 33-2 has a tapered shape such that the internal cross-sectional area continuously decreases as the ion advances, but the front stage portion 33- 1 has a straight circular tube shape whose cross-sectional area does not change.
  • the front stage portion 33- 1 has a straight circular tube shape whose cross-sectional area does not change.
  • it has a taper shape such that the internal cross-sectional area continuously decreases as the ion proceeds in the direction of ions. It is possible to obtain the same function as in FIG.
  • the front stage portion 33-1 By having the front stage portion 33-1, the distance from the outlet of the front stage first pore 35 to the collision point 40 can be increased even under the same taper inlet ⁇ D and incident angle ⁇ . Accordingly, there is an effect that contamination near the outlet of the first-stage first pore 35 due to collision rebound can be reduced.
  • ion introduction electrode 12 of FIG. 11 can be combined with the apparatus configuration described in FIG. 1 in the same manner as the ion introduction electrode 12 of FIG.
  • Example 3 an apparatus configuration in which an ion introduction electrode for introducing ions into the vacuum from atmospheric pressure is composed of three elements: a first stage first pore, an intermediate pressure chamber, and a second stage first pore.
  • the apparatus configuration of the third embodiment is characterized by having an intermediate pressure chamber having a tapered shape of two kinds of angles such that the internal cross-sectional area continuously decreases as the ion advances.
  • FIG. 12A shows a view of the ion introduction electrode 12 viewed from the direction of the ion source 2
  • FIG. 12B shows a cross-sectional view of the ion introduction electrode 12 on the central axis.
  • the ion introduction electrode 12 shown in FIG. 12 is basically the same in configuration and function as the ion introduction electrode 12 described in FIG. 2, and therefore, redundant description is omitted and the difference from the configuration in FIG. 2 is omitted. Only explained.
  • the intermediate pressure chamber 33 is composed of a front part 33-1 and a rear part 33-2. Similarly to the intermediate pressure chamber 33 described with reference to FIG.
  • the front-stage part 33-1 and the rear-stage part 33-2 are also tapered so that the internal cross-sectional area continuously decreases as the ion advances.
  • the taper angle is different between the front stage portion 33-1 and the rear stage portion 33-2.
  • the taper of the front stage portion 33-1 is an angle that becomes an incident angle ⁇
  • the taper of the rear stage portion 33-2 has a relation of ⁇ ⁇ , where ⁇ is an angle corresponding to ⁇ .
  • the same function as in FIG. 2 can be achieved even with two types of taper shapes in which the internal cross-sectional area continuously decreases as the ion travels in the traveling direction. Can be obtained.
  • the angle ⁇ of the rear stage 33-2 is larger than the angle ⁇ of the front stage 33-1, the amount of liquid droplets introduced into the rear first pore 36 after the collision at the collision point 40 of the front stage 33-1 is reduced. There is an effect that can be done.
  • the intermediate pressure chamber 33 having two types of taper angles has been described with reference to FIG. 12, the same effect can be obtained even with the intermediate pressure chamber 33 having a multi-stage taper shape having a plurality of taper angles.
  • ion introduction electrode 12 in FIG. 12 can be combined with the apparatus configuration described in FIG. 1 in the same manner as the ion introduction electrode 12 in FIG.
  • Example 4 an apparatus configuration in which an ion introduction electrode for introducing ions into the vacuum from atmospheric pressure is composed of three elements of the first stage first pore, the intermediate pressure chamber, and the second stage first pore.
  • the apparatus configuration of Example 4 is not a configuration in which the cross-sectional shape linearly changes like a taper in an intermediate pressure chamber having a shape in which the internal cross-sectional area continuously decreases as the ion proceeds. It is characteristic that it changes in a curve. Therefore, the intermediate pressure chamber of Example 4 has a bowl-shaped internal shape.
  • This system is similar to the structure of Example 3 in which the number of stages of the intermediate pressure chamber having a plurality of taper angles having a plurality of taper angles is increased infinitely.
  • FIG. 13A shows a view of the ion introduction electrode 12 as viewed from the direction of the ion source 2
  • FIG. 13B shows a cross-sectional view of the ion introduction electrode 12 on the central axis.
  • the ion introduction electrode 12 shown in FIG. 13 is basically the same in configuration and function as the ion introduction electrode 12 described in FIG. 2, and therefore, redundant description is omitted and the difference from the configuration in FIG. 2 is omitted. Only explained.
  • the intermediate pressure chamber 33 does not have a configuration in which the cross-sectional shape changes linearly like a taper, but has a shape that changes in a curve (a bowl shape).
  • the incident angle ⁇ is formed by a curved tangent line 52 in the cross section at the collision point 40.
  • the intermediate pressure chamber 33 in FIG. 13 also has a shape in which the internal cross-sectional area continuously decreases as the ion travels in the traveling direction, so that basically the same effect as in FIG. 2 can be obtained.
  • the tangential angle of the cross section of the intermediate pressure chamber 33 continuously and gently changes as the ions progress, so that the loss of ions can be reduced and introduced into the subsequent first pore 36.
  • ion introduction electrode 12 of FIG. 13 can be combined with the apparatus configuration described in FIG. 1 in the same manner as the ion introduction electrode 12 of FIG.
  • Example 5 an apparatus configuration in which an ion introduction electrode for introducing ions into the vacuum from atmospheric pressure is composed of three elements of the first stage first pore, the intermediate pressure chamber, and the second stage first pore. explain.
  • the apparatus configuration of the fifth embodiment is characterized by having an intermediate pressure chamber having a tapered shape of two kinds of angles such that the internal cross-sectional area continuously decreases as the ion advances.
  • FIG. 14A shows a view of the ion introduction electrode 12 viewed from the direction of the ion source 2
  • FIG. 14B shows a cross-sectional view of the ion introduction electrode 12 on the central axis.
  • the ion introduction electrode 12 shown in FIG. 14 is basically the same in configuration and function as the ion introduction electrode 12 described in FIG. 2, and therefore, redundant description is omitted and the difference from the configuration in FIG. 2 is omitted. Only explained.
  • the intermediate pressure chamber 33 is composed of a front stage portion 33-1 and a rear stage portion 33-2. Similarly to the intermediate pressure chamber 33 described with reference to FIG.
  • the front-stage part 33-1 and the rear-stage part 33-2 are also tapered so that the internal cross-sectional area continuously decreases as the ion advances.
  • the taper angle is different between the front stage portion 33-1 and the rear stage portion 33-2.
  • the taper of the front stage portion 33-1 is an angle that becomes an incident angle ⁇
  • the taper of the rear stage portion 33-2 has a relation of ⁇ > ⁇ , where ⁇ is an angle corresponding to ⁇ .
  • the taper shape of two kinds of angles such that the internal cross-sectional area continuously decreases as the ion proceeds is basically the same as FIG. Similar functions can be obtained.
  • the angle ⁇ of the front part 33-1 is larger than the angle ⁇ of the rear part 33-2, a loss of the amount of ions introduced into the rear first pore 36 after the collision at the collision point 40 of the front part 33-1 is prevented. effective.
  • the intermediate pressure chambers 33 having two types of taper angles have been described with reference to FIG. 14, the same effect can be obtained even with the intermediate pressure chamber 33 having a multi-stage taper shape having a plurality of taper angles.
  • ion introduction electrode 12 in FIG. 14 can be combined with the apparatus configuration described in FIG. 1 in the same manner as the ion introduction electrode 12 in FIG.
  • Example 6 an apparatus configuration in which an ion introduction electrode for introducing ions into the vacuum from atmospheric pressure is composed of three elements, the first stage first pore, the intermediate pressure chamber, and the second stage first pore. explain.
  • the apparatus configuration of Example 6 is not a configuration in which the cross-sectional shape linearly changes like a taper in an intermediate pressure chamber having a shape in which the internal cross-sectional area continuously decreases as the ion advances. It is characteristic that it changes in a curve. Therefore, the intermediate pressure chamber of Example 6 has a trumpet type internal shape.
  • This system is similar to the structure of Example 5 in which the number of stages of the multi-stage tapered intermediate pressure chamber having a plurality of taper angles is increased indefinitely.
  • FIG. 15A shows a view of the ion introduction electrode 12 as viewed from the direction of the ion source 2
  • FIG. 15B shows a cross-sectional view of the ion introduction electrode 12 on the central axis.
  • the ion introduction electrode 12 shown in FIG. 15 is basically the same in configuration and function as the ion introduction electrode 12 described in FIG. 2, and therefore, redundant description is omitted and the difference from the configuration in FIG. 2 is omitted. Only explained.
  • the intermediate pressure chamber 33 does not have a configuration in which the cross-sectional shape changes linearly like a taper, but has a shape that changes in a curve (a trumpet type).
  • the incident angle ⁇ is formed by a curved tangent line 52 in the cross section at the collision point 40.
  • the intermediate pressure chamber 33 in FIG. 15 also has a shape such that the internal cross-sectional area continuously decreases as the ions travel in the traveling direction, so that basically the same effect as in FIG. 2 can be obtained.
  • the tangential angle of the cross section of the intermediate pressure chamber 33 continuously and gently changes as the ions progress, so that the loss of ions can be reduced and introduced into the subsequent first pore 36.
  • the ion introduction electrode 12 of FIG. 15 can also be combined with the apparatus structure demonstrated in FIG. 1 similarly to the ion introduction electrode 12 of FIG.
  • Example 7 an apparatus configuration in which an ion introduction electrode for introducing ions into the vacuum from atmospheric pressure is composed of three elements, the first stage first pore, the intermediate pressure chamber, and the second stage first pore. explain.
  • the apparatus configuration of the seventh embodiment is characterized by having an intermediate pressure chamber having a shape such that the internal cross-sectional area becomes smaller step by step as the ion advances.
  • FIG. 16A shows a view of the ion introduction electrode 12 as viewed from the direction of the ion source 2
  • FIG. 16B shows a cross-sectional view of the ion introduction electrode 12 on the central axis.
  • the ion introduction electrode 12 shown in FIG. 16 is basically the same in configuration and function as the ion introduction electrode 12 described in FIG. 2, and therefore, redundant description is omitted and the difference from the configuration in FIG. 2 is omitted. Only explained.
  • the intermediate pressure chamber 53 is composed of a plurality of stepped steps 53-1 to 53-n.
  • the stepped portions 53-1 to 53-n have such a shape that the internal cross-sectional area gradually decreases as the ions progress in the traveling direction.
  • the same function as that of FIG. 2 can be obtained even in a shape in which the internal cross-sectional area gradually decreases as the ion advances. It becomes possible.
  • the collision part 40 is tapered as shown in FIG. 16, there is no problem even if it is curved as in the fourth and sixth embodiments.
  • the collision point 40 is at a position overlapping the stepped step.
  • the step pitch is desirably about 0.1 mm, which is sufficiently smaller than that.
  • ion introduction electrode 12 in FIG. 16 can be combined with the apparatus configuration described in FIG. 1 in the same manner as the ion introduction electrode 12 in FIG.
  • Example 8 an apparatus configuration in which an ion introduction electrode for introducing ions into the vacuum from atmospheric pressure is composed of three elements, the first stage first pore, the intermediate pressure chamber, and the second stage first pore. explain.
  • the apparatus configuration of Example 8 is only on the first-stage first pore side when viewed from the second-stage first pore. There is a feature in that there is an inclined part.
  • FIG. 17A shows a view of the ion introduction electrode 12 viewed from the direction of the ion source 2
  • FIG. 17B shows a cross-sectional view of the ion introduction electrode 12 on the central axis.
  • the iontophoretic electrode 12 shown in FIG. 17 is basically the same in configuration and function as the iontophoretic electrode 12 described in FIG. 2, and therefore, redundant description is omitted and the difference from the configuration in FIG. 2 is omitted. Only explained.
  • the intermediate pressure chamber 33 is not symmetrical with respect to the central axis 38 of the rear first pore 36 like a taper, but is viewed from the central axis 38 of the rear first pore 36.
  • the inclined portion is formed only in the direction of the central axis 37 of the first-stage first pore 35.
  • the inlet area A of the intermediate pressure chamber 33 is about half as large as the tapered inlet area ⁇ 12 mm 2 of the desirable condition described in the first embodiment, and the size is reduced.
  • the size is preferably about A ⁇ 6 mm 2 . Since the inlet area is small, the pressure difference with the first stage first pore 35 is smaller than in the case of FIG. 2, but the loss of ions is relatively small accordingly.
  • the intermediate pressure chamber 33 in FIG. 17 has a shape in which the internal cross-sectional area continuously decreases as the ion travels in the traveling direction, so that basically the same effect as in FIG. 2 can be obtained.
  • ion introduction electrode 12 of FIG. 17 can be combined with the apparatus configuration described in FIG. 1 in the same manner as the ion introduction electrode 12 of FIG.
  • Example 9 an apparatus configuration in which an ion introduction electrode for introducing ions into the vacuum from atmospheric pressure is composed of three elements of a first stage first pore, an intermediate pressure chamber, and a second stage first pore. explain.
  • the apparatus configuration of Example 9 is characterized in that it has an intermediate pressure chamber shaped so that the internal cross-sectional area continuously decreases as it proceeds in the direction of ion travel, and there are a plurality of holes in the first stage first pore. It is.
  • FIG. 18A shows a view of the ion introduction electrode 12 viewed from the direction of the ion source 2
  • FIG. 18B shows a cross-sectional view of the ion introduction electrode 12 on the central axis.
  • the ion introduction electrode 12 shown in FIG. 18 is basically the same in configuration and function as the ion introduction electrode 12 described in FIG. 2, and therefore, redundant description is omitted and the difference from the configuration in FIG. 2 is omitted. Only explained.
  • the iontophoretic electrode 12 shown in FIG. 18 is characterized by a plurality of first-stage first pores 35.
  • FIG. 18A shows a view of the ion introduction electrode 12 viewed from the direction of the ion source 2
  • FIG. 18B shows a cross-sectional view of the ion introduction electrode 12 on the central axis.
  • the ion introduction electrode 12 shown in FIG. 18 is basically the same in configuration and function as the ion introduction electrode 12 described in FIG. 2, and therefore, redundant description is omitted
  • the number of the first stage first pores 35 is six, but the number of the first stage first pores 35 may be any number.
  • the flow rate introduced into the intermediate pressure chamber 33 is increased by the number of the first stage first pores 35, but the intermediate pressure chamber 33 in FIG. Since the shape is such that the internal cross-sectional area continuously decreases as the direction progresses, basically the same effect as in FIG. 2 can be obtained.
  • ion introduction electrode 12 in FIG. 18 can be combined with the apparatus configuration described in FIG. 1 in the same manner as the ion introduction electrode 12 in FIG. 18 can be combined with the structure of the intermediate pressure chamber 33 shown in FIGS. 11 to 17.
  • Example 10 an apparatus configuration in which an ion introduction electrode for introducing ions into the vacuum from atmospheric pressure is constituted by three elements of a first stage first pore, an intermediate pressure chamber, and a second stage first pore. explain.
  • the apparatus configuration of Example 10 has an intermediate pressure chamber shaped so that the internal cross-sectional area continuously decreases as it proceeds in the direction of ion travel, and the first stage first pore and the intermediate pressure chamber are electrically connected. It is characterized by a structure that is insulated from each other.
  • FIG. 19A shows a view of the ion introduction electrode 12 viewed from the direction of the ion source 2
  • FIG. 19B shows a cross-sectional view of the ion introduction electrode 12 on the central axis.
  • the iontophoretic electrode 12 shown in FIG. 19 is basically the same in configuration and function as the iontophoretic electrode 12 described in FIG. 2, and therefore, redundant description is omitted and the difference from the configuration in FIG. 2 is omitted. Only explained.
  • the iontophoretic electrode 12 shown in FIG. 19 is characterized in that the front-stage member 32 and the rear-stage member 34 can be electrically insulated by an insulator 54.
  • the intermediate pressure chamber 33 and the rear first pore 36 are shown as the same member. However, these are separate members, and the intermediate pressure chamber 33 and the rear first pore 36 are insulated. It is also possible to electrically insulate.
  • the intermediate pressure chamber 33 in FIG. 19 has a shape in which the internal cross-sectional area continuously decreases as the ions travel in the traveling direction, and thus basically the same effect as in FIG. 2 can be obtained.
  • the ion introduction electrode 12 of FIG. 19 can also be combined with the apparatus structure demonstrated in FIG. 1 similarly to the ion introduction electrode 12 of FIG. Further, the insulating structure of FIG. 19 can be combined with the configuration of the iontophoretic electrode 12 of FIGS.
  • Example 11 an apparatus configuration in which an ion introduction electrode for introducing ions from under atmospheric pressure into a vacuum is composed of three elements: a first stage first pore, an intermediate pressure chamber, and a second stage first pore.
  • the apparatus configuration of Example 11 is characterized in that it has an intermediate pressure chamber shaped so that its internal cross-sectional area continuously decreases as it proceeds in the direction of ion travel, and has heating means for heating the iontophoretic electrode. It is.
  • FIG. 20A shows a view of the ion introduction electrode 12 viewed from the direction of the ion source 2
  • FIG. 20B shows a cross-sectional view of the ion introduction electrode 12 on the central axis.
  • the iontophoretic electrode 12 shown in FIG. 20 is basically the same in configuration and function as the iontophoretic electrode 12 described in FIG. 2, and therefore, redundant description is omitted and the difference from the configuration in FIG. 2 is omitted. Only explained.
  • the iontophoretic electrode 12 shown in FIG. 20 is characterized by having heating means 57 and 58 for heating the iontophoretic electrode 12.
  • the droplet 8 introduced into the ion introduction electrode 12 can be evaporated and vaporized, and the inflow of the droplet 8 to the subsequent stage can be suppressed.
  • the front-stage member 32 and the rear-stage member 34 are independently heated by separate heating means 57 and 58, but both may be heated by a single heating means.
  • the intermediate pressure chamber 33 and the rear first pore 36 may be independently heated by separate heating means.
  • the heating means 57 and 58 of FIG. 20 are illustrated as if the heating wire is wound in a coil shape, the heating means may be a heater other than such a shape.
  • ion introduction electrode 12 of FIG. 20 can be combined with the apparatus configuration described in FIG. 1 in the same manner as the ion introduction electrode 12 of FIG. 20 can be combined with the structure of the ion introduction electrode 12 shown in FIGS.
  • Example 12 an apparatus configuration in which an ion introduction electrode for introducing ions from atmospheric pressure into a vacuum is composed of three elements, a first stage first pore, an intermediate pressure chamber, and a second stage first pore.
  • the apparatus configuration of Example 12 has an apparatus having an intermediate pressure chamber shaped so that the internal cross-sectional area continuously decreases as it proceeds in the direction of ion travel, and has an ion converging unit in the first vacuum chamber. It is a feature.
  • the structure of the mass spectrometer 1 of Example 12 is demonstrated in detail using FIG.
  • the mass spectrometer 1 shown in FIG. 21 is basically the same in configuration and function as the mass spectrometer 1 described in FIG. 1, and therefore, redundant description is omitted and the difference from the configuration in FIG.
  • the mass spectrometer 1 shown in FIG. 21 is characterized in that an ion converging unit 59 is arranged in the first vacuum chamber 13.
  • the ion converging unit 59 can be composed of a plurality of ring-shaped electrodes, a plurality of rod-shaped electrodes, or the like, and applies a DC voltage, an AC voltage (including a high-frequency voltage), or both simultaneously.
  • the ions are converged near the central axis.
  • the ions 7 that have passed through the ion introduction electrode 12 and introduced into the first vacuum chamber 13 are converged near the central axis 60 by the ion converging unit 59.
  • a direct current or alternating voltage is applied to the ion converging unit 59 by a power source 62 and used.
  • the mass spectrometer 1 shown in FIG. 21 can be combined with the iontophoretic electrode 12 shown in FIG. 2 or FIGS.
  • Turbo molecular pump (TMP) 29 ... Electrode 30 ... Gas 31 ... Outlet end 32 ... Pre-stage member 33 ... Intermediate pressure chamber 33-1 ... Pre-stage part 33-2 ... Rear stage part 34 ... Rear stage member 35 ... Pre-stage first pore 36 ... Rear stage first pore 37 ... central axis 38 ... central axis 39 ... orbit 40 ... collision point 41 ... orbit 42 ... orbit 43 ... droplet noise intensity 44 ... ion intensity 45 ... comparison result 46 with or without intermediate pressure chamber ... Comparison result 47 ... Fluid simulation result 48 ... Tapered angle extension line 49 ... Range 50 ... Intersection 51 ... Outlet end 52 ... Tangent line 53 ... Intermediate pressure chambers 53-1 to 53-n ... Step part 54 ...
  • Insulator 55 ... Power supply 56 . Power source 57 . Heating means 58 ... Heating means 59 . Ion converging unit 60 ... Center axis 61 ... Internal pressure (P M ) dependence result 62 of the intermediate pressure chamber ... Power source

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Abstract

　本発明は、ロバスト性が高く、高感度かつ低ノイズな分析が可能な質量分析装置に関する。　イオンの導入効率低下の防止、および、液滴などのノイズ成分の導入の抑制が課題である。イオンを生成するイオン源と、真空排気手段で排気されイオンの質量を分析する真空室と、イオンを真空室に導入するイオン導入電極（１２）を有し、イオン導入電極（１２）は、イオン源側の前段細孔（３５）と、真空室側の後段細孔（３６）と、前段細孔（３５）と後段細孔（３６）との間の中間圧力室（３３）を有し、中間圧力室（３３）のイオン入口の断面積は前段細孔（３５）の断面積よりも大きく、前段細孔（３５）の中心軸と後段細孔（３６）の中心軸とは偏心した位置にあり、中間圧力室（３３）のイオン入口の断面積よりもイオン出口の断面積の方が小さいことを特徴とする。

Description

質量分析装置
　本発明は、ロバスト性が高く、高感度かつ低ノイズな分析が可能な質量分析装置に関する。
　一般的な大気圧イオン化質量分析装置は、大気圧下で生成したイオンを真空中に導入しイオンの質量を分析する。
　大気圧下でイオンを生成するイオン源には、エレクトロスプレー方式（ＥＳＩ）、大気圧化学イオン化方式（ＡＰＣＩ）、マトリックス支援レーザー脱離イオン化方式（ＭＡＬＤＩ）など様々な方式があるが、何れの方法においても所望のイオン以外にノイズ成分となる物質を生成する。例えばＥＳＩイオン源では、小径の金属キャピラリーに試料溶液を流しながら高電圧印加し試料をイオン化するため、イオン以外にも帯電液滴や中性液滴などのノイズ成分も同時に生成される。
　一般的な質量分析装置は、細孔で区切られたいくつかの空間から構成されており、各々の空間は真空ポンプで排気されていて、後段に行くほど真空度が高い（圧力が低い）。第一番目の細孔電極（ＡＰ１）で大気圧と区切られた第一番目の空間はロータリーポンプなどで排気され数百Ｐａ程度の真空度に保持されることが多い。第二番目の細孔電極（ＡＰ２）で第一番目の空間と区切られた第二番目の空間には、イオンを収束させながら透過させるイオン輸送部（四重極電極、静電レンズ電極など）があり、ターボ分子ポンプなどで数Ｐａ程度に排気されることが多い。第三番目の細孔電極（ＡＰ３）で第二番目の空間と区切られた第三番目の空間には、イオンの分離や解離を行うイオン分析部（イオントラップ、四重極フィルター電極、コリジョンセル、飛行時間型質量分析計（ＴＯＦ）など）とイオンを検出する検出部があり、ターボ分子ポンプなどで０．１Ｐａ以下に排気されることが多い。３つよりも多くの空間で区切られた質量分析装置もあるが、３つ程度の空間からなる装置が一般的である。
　生成したイオンなど（ノイズ成分を含む）は、ＡＰ１を通過し真空容器内に導入される。その後、イオンはＡＰ２を通過しイオン輸送部で中心軸上に収束される。その後、イオンはＡＰ３を通過しイオン分析部で、質量毎に分離されたり、イオンを分解したりすることで、より詳細なイオンの構造を分析できる。最終的にイオンは検出部で検出される。
　最も一般的な質量分析計では、ＡＰ１、ＡＰ２、ＡＰ３が同軸上に配置されることが多い。先に述べたイオン以外の液滴は、細孔電極やイオン輸送部やイオン分析部の電界の影響を受けにくいため、基本的に直進する傾向がある。そのため、過剰な直進液滴の導入は検出器まで到達する恐れがあり、検出器の寿命を短くすることにもつながる。
　この問題を解決するために、特許文献１ではイオン源とＡＰ１との間に複数穴を有する部材を配置している。この部材にはＡＰ１と同軸の位置には穴が開いていないので、ＡＰ１からのノイズ成分の導入を低減する事ができる。但し、この複数穴を有する部材はＡＰ１の外側に配置されているので、この部材の表裏のどちら側も大気圧状態である。
　一方、特許文献２ではＡＰ１の中心軸とＡＰ２の中心軸を直交に配置することで、また、特許文献３ではＡＰ１の中心軸とＡＰ２の中心軸を偏心した位置に配置することで、直進する液滴の除去を図っている。但し、特許文献２と特許文献３の装置構成では、直角に曲げられたＡＰ１とＡＰ２の間の空間を、ＡＰ２の中心軸と直交方向にロータリーポンプなどの真空排気ポンプで排気している。
　また、特許文献４の図１には、ＡＰ１の中心軸がクランク状に曲がっている装置構成が開示されている。
米国特許5986259 米国特許5756994 米国特許6700119 特開2010-157499
　特許文献１に記載された装置構成では、ＡＰ１の上流側が大気圧なので、ＡＰ１の入口と出口との圧力差が大きい。そのため、ＡＰ１出口近傍での流れが音速状態になりマッハディスクを発生させるおそれがある。マッハディスクによりＡＰ１出口近傍の流れが乱れるため、ＡＰ２へのイオンの導入効率が低下する。
　一方、特許文献２または特許文献３の装置構成では、直角に曲げられたＡＰ１とＡＰ２の間の空間を、ＡＰ２の中心軸と直交方向にロータリーポンプなどの真空排気ポンプで排気している。そのため、液滴などのノイズ成分と一緒にイオンまでも排気されてしまうので、イオンのロスが生じ感度低下を招く。
　また、特許文献４の装置構成ではクランク状の流路によりＡＰ１とＡＰ２の中心軸が偏心した位置関係にあるが、ＡＰ１入口から出口に向けてほぼ同じ内径となっているため層流状態の流れとなり、管内摩擦により管中心に近いほど流れが強くなり、その流れに沿って液滴などのノイズ因子もＡＰ１出口から流れ出す恐れがある。また、特許文献１と同様にＡＰ１の入口と出口との圧力差が大きいため、ＡＰ１出口近傍での流れが音速状態になりマッハディスクを発生させるおそれがある。そのため、マッハディスクによりＡＰ１出口近傍の流れが乱れ、ＡＰ２へのイオンの導入効率が低下する。
　上記課題を解決するため、本発明の質量分析装置は、イオンを生成するイオン源と、真空排気手段で排気されイオンの質量を分析する真空室と、イオンを真空室に導入するイオン導入電極を有し、イオン導入電極は、イオン源側の前段細孔と、真空室側の後段細孔と、前段細孔と後段細孔との間の中間圧力室を有し、中間圧力室のイオン入口の断面積は前段細孔の断面積よりも大きく、前段細孔の中心軸と後段細孔の中心軸とは偏心した位置にあり、中間圧力室のイオン入口の断面積よりもイオン出口の断面積の方が小さいことを特徴とする。
　また、中間圧力室の壁面に対し前段細孔の中心軸方向のなす角度は鋭角であることを特徴とする。特に、中間圧力室の壁面に対し前段細孔の中心軸方向のなす角度が１５°～７５°であることが望ましい。
　また、中間圧力室の圧力は、２０００～３００００Ｐａであることが望ましい。前段細孔の一次側圧力をＰ０、二次側圧力をＰＭとした場合、ＰＭ／Ｐ０≦０．５であることが望ましい。
　本発明により、ロバスト性が高く、高感度かつ低ノイズな質量分析装置の実現が可能となる。
実施例１の装置構成図。 （Ａ）実施例１のイオン導入電極をイオン源方向から見た説明図。（Ｂ）実施例１のイオン導入電極の中心軸上での断面の説明図。 （Ａ）実施例１のイオン導入電極との性能比較に用いたイオン導入電極をイオン源の方向から見た説明図。（Ｂ）実施例１のイオン導入電極との性能比較に用いたイオン導入電極の中心軸上での断面の説明図。 （Ａ）実施例１のイオン導入電極との性能比較に用いたイオン導入電極をイオン源の方向から見た説明図。（Ｂ）実施例１のイオン導入電極との性能比較に用いたイオン導入電極の中心軸上での断面の説明図。 実施例１の中間圧力室へのイオン入射角度による液滴ノイズ強度とイオン強度の結果を示す説明図。 実施例１の中間圧力室の圧力によるイオン強度の結果を示す説明図。 実施例１の中間圧力室の効果の説明図。 実施例１の後段第一細孔の内径と長さによる性能比較結果の説明図。 実施例１のイオン導入電極との性能比較に用いたイオン導入電極の流体シミュレーション結果の説明図。 実施例１の後段第一細孔の内径と長さの関係の説明図。 （Ａ）実施例２のイオン導入電極をイオン源方向から見た説明図。（Ｂ）実施例２のイオン導入電極の中心軸上での断面の説明図。 （Ａ）実施例３のイオン導入電極をイオン源方向から見た説明図。（Ｂ）実施例３のイオン導入電極の中心軸上での断面の説明図。 （Ａ）実施例４のイオン導入電極をイオン源方向から見た説明図。（Ｂ）実施例４のイオン導入電極の中心軸上での断面の説明図。 （Ａ）実施例５のイオン導入電極をイオン源方向から見た説明図。（Ｂ）実施例５のイオン導入電極の中心軸上での断面の説明図。 （Ａ）実施例６のイオン導入電極をイオン源方向から見た説明図。（Ｂ）実施例６のイオン導入電極の中心軸上での断面の説明図。 （Ａ）実施例７のイオン導入電極をイオン源方向から見た説明図。（Ｂ）実施例７のイオン導入電極の中心軸上での断面の説明図。 （Ａ）実施例８のイオン導入電極をイオン源方向から見た説明図。（Ｂ）実施例８のイオン導入電極の中心軸上での断面の説明図。 （Ａ）実施例９のイオン導入電極をイオン源方向から見た説明図。（Ｂ）実施例９のイオン導入電極の中心軸上での断面の説明図。 （Ａ）実施例１０のイオン導入電極をイオン源方向から見た説明図。（Ｂ）実施例１０のイオン導入電極の中心軸上での断面の説明図。 （Ａ）実施例１１のイオン導入電極をイオン源方向から見た説明図。（Ｂ）実施例１１のイオン導入電極の中心軸上での断面の説明図。 実施例１２の装置構成図。
　実施例１では、大気圧下から真空中へイオンを導入するためのイオン導入電極が、前段第一細孔、中間圧力室、後段第一細孔の三つの要素から構成されている装置構成について説明する。実施例１の装置構成は、イオンの進行方向に進むに従い、内部の断面積が連続的に小さくなるようなテーパ形状の中間圧力室を有することが特徴である。
　図１に本方式を用いた質量分析装置の構成の説明図を示す。質量分析装置１は、主に大気圧下にあるイオン源２と真空容器３で構成される。図１に示したイオン源２は、エレクトロスプレー方式（ＥＳＩ）と呼ばれる原理により、試料溶液のイオンを生成する。ＥＳＩ方式の原理は、金属キャピラリー４に電源５により高電圧を印加しながら試料溶液６を供給することで、試料溶液６のイオン７が生成される。ＥＳＩ方式のイオン生成原理の過程では、試料溶液６の液滴８が分裂を繰り返し、最終的に非常に微細な液滴になりイオン化する。イオン化の過程で充分に微細になる事ができなかった液滴には、中性液滴や帯電液滴などがある。これらの液滴８を低減するため、金属キャピラリー４の外側に管９を設け、両者の間隙にガス１０を流し、管９の出口端１１からガス１０を噴霧することで、液滴８の気化を促進している。
　大気圧下で生成したイオン７や液滴８は、イオン導入電極１２を通過し第一真空室１３に導入される。その後、イオン７は第二細孔電極１４に開けられた穴１５を通過し第二真空室１６に導入される。第二真空室１６には、イオンを収束させながら透過させるイオン輸送部１７がある。イオン輸送部１７には多重極電極や静電レンズなどを用いることができる。イオン輸送部１７を通過したイオン１８は、第三細孔電極１９に開けられた穴２０を通過し、第三真空室２１に導入される。第三真空室２１には、イオンの分離や解離を行うイオン分析部２２がある。イオン分析部２２には、イオントラップ、四重極フィルター電極、コリジョンセル、飛行時間型質量分析計（ＴＯＦ）などを用いることができる。イオン分析部２２を通過したイオン２３は検出器２４で検出される。検出器２４には、電子増倍管やマルチチャンネルプレート（ＭＣＰ）などを用いることができる。検出器２４で検出されたイオン２３は電気信号などに変換され制御部２５によりイオンの質量や強度などの情報を詳細に分析する事ができる。また制御部２５では、ユーザからの指示入力の受け付けや電圧等の制御を行うための入出力部やメモリ等を備え、電源操作に必要なソフトウェア等なども有している。
　なお、第一真空室１３はロータリーポンプ（ＲＰ）２６で排気され、数百Ｐａ程度に保持される。第二真空室１６はターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）２７で排気され、数Ｐａ程度に保持される。第三真空室２１はＴＭＰ２８で排気され、０．１Ｐａ以下に保持される。また、図１に示したような電極２９をイオン導入電極１２の外側に配置し、両者の間隙にガス３０を導入し、電極２９の出口端３１から噴霧させることで、真空容器３に導入される液滴８の低減を図っている。
　また、イオン導入電極１２、第二細孔電極１４、イオン輸送部１７、第三細孔電極１９、イオン分析部２２、検出器２４、電極２９などには、電源６２より直流や交流の電圧を印加して使用する。
　次に、図２を用いて実施例１のイオン導入電極１２の構成について詳細に説明する。なお、図２（Ａ）はイオン源２側から見たイオン導入電極１２の図を示し、図２（Ｂ）はイオン導入電極１２の中心軸上での断面図を表している。イオン導入電極１２は主に、前段第一細孔３５、中間圧力室３３、後段第一細孔３６の三つの要素から構成されている。前段第一細孔３５は内径＝Φｄ１、長さ＝Ｌ１であり、後段第一細孔３６は内径＝Φｄ２、長さ＝Ｌ２である。前段第一細孔３５と後段第一細孔３６の間にある中間圧力室３３は、頂角＝α°、入口＝ΦＤ、出口＝Φｄ２の円錐テーパ状の内部形状となっている。前段第一細孔３５の中心軸３７と後段第一細孔３６の中心軸３８は軸ずれ量＝Ｘで偏心した位置関係に配置されている。軸ずれ量については、ここでは前段第一細孔３５の軸中心と後段第一細孔３６の軸中心との距離とする。
　大気圧下からのイオン７や液滴８を含む気体は、まず、前段第一細孔３５の中心軸３７に沿って軌道３９のように導入される。導入されたイオン７や液滴８を含む気体は、中間圧力室３３の内面の衝突箇所４０に衝突する。衝突の際の入射角＝β°は、前段第一細孔３５の中心軸３７と中間圧力室３３のテーパ中心が平行な場合、β＝α／２の関係になる。ここでは、イオンは前段第１細孔の軸方向に進むとして、前段第１細孔の軸方向と中間圧力室の壁面とのなす角度をβとしている。前段第一細孔３５の中心軸３７と中間圧力室３３のテーパ中心は、必ずしも平行である必要は無い。衝突後、気流は向きを変え中間圧力室３３の内面角度に沿って軌道４１のように進む。その後、後段第一細孔３６の入口付近で、気流は再度向きを変え、後段第一細孔３６の中心軸３８に沿って軌道４２のように進み、第一真空室１３に導入される。
　このときポイントとなるのは、気流がイオン導入電極１２を通過する間に、流路の断面積が不連続に変化することである。具体的には、前段第一細孔３５から中間圧力室３３に移行する際に、急激に断面積が大きくなるため、乱流状態になり得る。前段第一細孔３５からの気流の速度が音速状態になれば、前段第一細孔３５の出口付近での乱流が発生しやすい。前段第一細孔３５の一次側圧力をＰ０（＝大気圧）、二次側圧力をＰＭとした場合、乱流状態にするためには音速条件であるＰＭ／Ｐ０≦０．５の条件にすることが望ましい。ここで、一次側圧力とは前段第一細孔３５の入口付近の圧力、二次側圧力とは中間圧力室３３への出口の圧力を指す。乱流状態になるため、慣性の小さい小径のイオン７などは下流への流れに沿って進み、慣性の大きい大径の液滴８などは曲がりきれず衝突箇所４０に衝突し、下流への液滴流入を防ぐことができる。一方、一般的な一定内径の管内流れ（≒層流状態）では、管内摩擦の影響により管中心に近いほど流れが速く、かつ、管内壁付近では流速が著しく遅くなるため、管中心付近の強い流れに沿って液滴などのノイズ因子も後段第一細孔３６の出口から流れ出す恐れがある。つまり、管内流路をクランク状に屈折させても、液滴などが管内に衝突する確立が低い。
　もう一つのポイントとなるのは、イオンの進行方向に進むに従い、内部の断面積が連続的に小さくなるようなテーパ形状の中間圧力室３３である。内部の断面積が連続的に小さくなるということは、流速が徐々に速くなることを意味する。中間圧力室３３の入口付近で乱流状態となり気流は一旦制御不能となるが、テーパ形状のように進行方向に速度分布を持つ中間圧力室３３の形状を採用することで、強制的に下流側に気流を発生させることが可能となる。
　さらに、もう一つのポイントは、中間圧力室３３に後段第一細孔３６の他に出口が存在しないため、中間圧力室３３に導入されるイオン７がロスすることなく透過できる。
　なお、図２では前段部材３２と後段部材３４を別部材のごとく図示しているが、同一部材でも問題無い。但し、部品の製作コストなどを考慮すると、図２に示すような二つの構造物からの構成が望ましい。また、中間圧力室３３と後段第一細孔３６を別部材から構成しても構わない。また、前段第一細孔３５と中間圧力室３３とが同一部材で後段第一細孔３６のみが別部材でも構わない。
　次に、図３および図４に示すようなイオン導入電極と本方式のイオン導入電極１２とで性能比較した結果を説明する。なお、本方式のイオン導入電極１２と図３および図４に示すイオン導入電極とでは、根本的に異なる構成であるが、対比を簡便にするため、類似の要素の符号類はあえて本方式と同じものを用いて説明する。また、簡便のため図２と重複する構成や機能の説明は省略する。
　図３は衝突の際の入射角β＝９０°、つまり直角に衝突する構成である。一方、図４は軸ずれ量Ｘ＝０ｍｍ（中心軸３７＝中心軸３８）、つまり衝突箇所４０や向きを変えた軌道４１が無い構成である（衝突は無いが、以下、便宜上、入射角β＝０°構成と表現する）。図２（β＝１５°、３０°、４５°、６０°、７５°）と図３（β＝９０°）と図４（β＝０°）を比較した結果を図５に示す。図５の上段は液滴ノイズ強度結果４３を、下段にはイオン強度（レセルピンイオン：ｍ/ｚ６０９）結果４４を示す。図２および図３の構成では、全て軸ずれ量Ｘ＝３ｍｍの構成とした。その他条件は、ｄ１＝Φ０．６５ｍｍ、Ｌ１＝２０ｍｍ、ｄ２＝Φ２ｍｍ、Ｌ２＝６ｍｍとした。液滴ノイズ強度結果４３から、軸ずれ量Ｘ＝０ｍｍの図４の構成に対し、その他の構成では液滴ノイズ強度が１／１００以下に低減できており、本方式の有効性が確認できる。一方、イオン強度結果４４からテーパ形状を有する図２の構成全てが、図３や図４よりも高い強度を得ている。この原因は、これまで述べたようにテーパ形状特有の速度分布を持つ中間圧力室３３の効果と言える。一方、図３のβ＝９０°のような直角構造では、気流の進行方向となる下流への速度ベクトルが中間圧力室内に存在しないので、後段第一細孔の入口付近で局所的に速くなる流速のみで引き込まれる量だけが導入量となるので感度が低い。また、図４のＸ＝０ｍｍの構成では、前段第一細孔３５の中心軸３７と後段第一細孔３６の中心軸３８が同軸であり、ｄ１≦ｄ２の条件のため、前段第一細孔３５の出口付近の音速付近のジェット流が後段第一細孔３６を突き抜け、直接第一真空室１３に導入されてしまうため、流れの乱れにより後段のイオン透過効率が低下している。よって、少なくとも入射角β＝１５～７５°がよい条件と言える。
　次に、図６を用いて入射角β＝３０°の構成での、中間圧力室３３の内部圧力によるイオン強度比較の結果を説明する。図６はイオン強度（レセルピンイオン：ｍ/ｚ６０９）の中間圧力室３３の内部圧力（ＰＭ）依存性結果６１を示す。なお、ＰＭの値はｄ１、Ｌ１、ｄ２、Ｌ２および第一真空室１３の圧力＝Ｐ１などの条件から式１で換算した値である。ここに、Ｐ０＝大気圧（１０５Ｐａ）とする。
　PM=((d1 4×P0 2/L1 + d2 4×P1 2/L2) / (d1 4/L1 + d2 4/L2))1/2　（式１）
図６から２０００～３００００Ｐａ程度の範囲が最適と言える。この最適圧力条件は、前段第一細孔３５の入口側圧力（１０５Ｐａ）の半分以下なので、前段第一細孔３５の出口付近で音速状態になりマッハディスクが形成される可能性がある。前段第一細孔３５の出口からマッハディスクまでの距離ＭＬは式２で表現できる。
　ML=0.67×(P0/PM)1/2×d1　　　（式２）
式２からｄ１＝Φ０．６５の条件では、ＭＬは０．８～３ｍｍとなる。また、ＭＬの位置でのマッハディスクの直径ＭＤは式３から最大１．５ｍｍ程度となり得る。
　MD=0.4～0.5×ML　　　（式３）
　この結果から、中間圧力室３３の内壁の衝突箇所４０付近で最大直径１．５ｍｍ（半径０．７５ｍｍ）の範囲で噴霧される可能性がある。従って、軸ずれ量Ｘは、Ｘ≧ＭＤ／２＋ｄ２／２の条件にしないと、前段第一細孔３５の出口ジェットが後段第一細孔３６に直接噴霧されてしまう恐れがある。具体的には、ｄ１＝Φ０．６５ｍｍ、ｄ２＝Φ２ｍｍの条件ではＸ≧１．７５ｍｍの配置にする必要がある。同様に、中間圧力室３３のテーパ入口ΦＤは、ΦＤ≧２×（Ｘ＋ＭＤ／２）の条件にしないと、テーパ入口での導入ロスが生じる。具体的には、ｄ１＝Φ０．６５ｍｍ、ｄ２＝Φ２ｍｍの条件ではΦＤ≧Φ４ｍｍ（テーパ入口面積≧１２ｍｍ２）の配置にする必要がある。これらの値は、ｄ１やｄ２の大きさなどにもよるが、Ｘ≧１．５ｍｍ、テーパ入口面積≧１２ｍｍ２程度に設定するのが望ましい。
　なお、前段第一細孔３５の出口で音速状態のジェット流は前述の通り、中間圧力室３３の入口での流れの乱れを利用した液滴除去、および、テーパ形状によるイオン透過率向上の効果がある本方式には好都合である。また、中間圧力室３３の内部が２０００～３００００Ｐａと大気圧に比べ低圧になるので、後段第一細孔３６の入口と出口の圧力差が小さくなるので、一般的な第一細孔電極のみの構成よりも流れの乱れが緩和され、後段のイオン透過効率が向上する。
　次に、図７を用いて中間圧力室３３および後段第一細孔３６が存在しない一般的な装置構成と本方式（図２）の構成との性能比較結果を説明する。図７は中間圧力室の有無の比較結果４５を示す。図７から中間圧力室３３が無しの構成では、有りの構成に比べ７割以下までイオン強度（レセルピンイオン：ｍ／ｚ６０９）が低下することが分かる。この結果は、前述の説明の通り、中間圧力室３３および後段第一細孔３６により、後段第一細孔３６の入口側と出口側の圧力差が低くなるため、後段第一細孔３６の出口での流速が一般的な装置構成より低くなり、流れの乱れによるイオン透過のロスが軽減していることを表している。なお、本評価はｄ１＝Φ０．６５ｍｍ、Ｌ１＝２０ｍｍ、ｄ２＝Φ２ｍｍ、Ｌ２＝６ｍｍ、β＝３０°、Ｘ＝３ｍｍの構成で行った。
　次に、図８を用いて後段第一細孔３６の直径ｄ２と長さＬ２による性能比較結果を説明する。図８は後段第一細孔の構造による比較結果４６を示す。図８からｄ２＝Φ４ｍｍ、長さＬ２＝０．５ｍｍの構成では、ｄ２＝Φ２ｍｍ、長さＬ２＝６ｍｍの構成に対し、１／５以下までイオン強度（レセルピンイオン：ｍ／ｚ６０９）が低下することが分かる。
　この結果の検証のため、ｄ２＝Φ４ｍｍ、長さＬ２＝０．５ｍｍの構成における流体シミュレーション結果４７を図９に示す。図９の無数の矢印は流体の流れの方向を示している。図９から、中間圧力室３３のテーパ角度の延長線４８に沿って多くの矢印が表示されていることが分かる。特に、後段第一細孔３６から噴霧された点線で囲まれた範囲４９の中で延長線４８方向の矢印が非常に多くなっている。この流れのように、実際の実験系でも後段第一細孔３６の中心軸３８に対して斜め方向に噴霧されたため、後段のイオン透過効率が著しく低下していると考えられる。
　これらの結果から、図１０を用いて最適な構成について説明する。図９の流体シミュレーション結果のようにならないためには、図１０に示すように中間圧力室３３のテーパ角度の延長線４８と、後段第一細孔３６の内壁とが交差する必要がある（交差箇所５０）。つまり、延長線４８を挟んで下流側に後段第一細孔３６の出口端５１が存在する必要がある。具体的には、交差箇所５０の位置Ｌ３は、式４で表される。
　L3=d2×tan(90-β)　　　（式４）
　図５で最適としたβ＝１５～７５°の条件を当てはめると、Ｌ３／ｄ２＝０．３～３．７となる。つまり、テーパ角度にもよるが、Ｌ３／ｄ２≧０．３の条件にする必要がある。
　また、後述する実施例２～１１においては、βについて、中間圧力室の壁面についてイオン入口側と出口側で角度が変化する場合には、最適な角度を選択すればよく、その平均値を用いたり又は後段細孔３６側の角度を用いて計算してもよい。
　実施例２では、大気圧下から真空中へイオンを導入するためのイオン導入電極が、前段第一細孔、中間圧力室、後段第一細孔の三つの要素から構成されている装置構成について説明する。実施例２の装置構成は、イオンの進行方向に進むに従い内部の断面積が連続的に小さくなるようなテーパ形状と、ストレートな円管形状部から成る中間圧力室を有することが特徴である。
　図１１を用いて実施例２のイオン導入電極１２の構成について詳細に説明する。なお、図１１（Ａ）はイオン源２の方向から見たイオン導入電極１２の図を示し、図１１（Ｂ）はイオン導入電極１２の中心軸上での断面図を表している。図１１に示すイオン導入電極１２は、基本的に図２で説明したイオン導入電極１２と、構成や機能はほぼ同様であるため、重複する説明については省略し、図２の構成との差異についてのみ説明する。図１１に示すイオン導入電極１２では、中間圧力室３３が前段部３３－１と後段部３３－２から構成されている。後段部３３－２は、図２で説明した中間圧力室３３と同様に、イオンの進行方向に進むに従い、内部の断面積が連続的に小さくなるようなテーパ形状であるが、前段部３３－１は断面積が変化しないストレートな円管形状となっている。図１１に示した中間圧力室３３のような構造のように、一部でもイオンの進行方向に進むに従い、内部の断面積が連続的に小さくなるようなテーパ形状を有することで、基本的に図２と同様の機能を得ることが可能となる。前段部３３－１を有することで、テーパ入口ΦＤと入射角βが同じ条件でも、前段第一細孔３５の出口から衝突箇所４０までの距離を長くすることができる。これにより、衝突のはね返りによる前段第一細孔３５の出口付近の汚染を低減できる効果がある。
　なお、図１１のイオン導入電極１２は、図２のイオン導入電極１２と同様に、図１で説明した装置構成に組み合わせることも可能である。
　実施例３では、大気圧下から真空中へイオンを導入するためのイオン導入電極が、前段第一細孔、中間圧力室、後段第一細孔の三つの要素から構成されている装置構成について説明する。実施例３の装置構成は、イオンの進行方向に進むに従い、内部の断面積が連続的に小さくなるような二種類の角度のテーパ形状から成る中間圧力室を有することが特徴である。
　図１２を用いて実施例３のイオン導入電極１２の構成について詳細に説明する。なお、図１２（Ａ）はイオン源２の方向から見たイオン導入電極１２の図を示し、図１２（Ｂ）はイオン導入電極１２の中心軸上での断面図を表している。図１２に示すイオン導入電極１２は、基本的に図２で説明したイオン導入電極１２と、構成や機能はほぼ同様であるため、重複する説明については省略し、図２の構成との差異についてのみ説明する。図１２に示すイオン導入電極１２では、中間圧力室３３が前段部３３－１と後段部３３－２から構成されている。前段部３３－１と後段部３３－２も、図２で説明した中間圧力室３３と同様に、イオンの進行方向に進むに従い、内部の断面積が連続的に小さくなるようなテーパ形状であるが、前段部３３－１と後段部３３－２とでは、テーパ角度が異なることが特徴である。前段部３３－１のテーパは入射角βとなる角度であり、後段部３３－２のテーパではβに対応する角度をθとすると、β＜θの関係となる。図１２に示した中間圧力室３３の構造のように、イオンの進行方向に進むに従い、内部の断面積が連続的に小さくなるような二種類の角度のテーパ形状でも、図２と同様の機能を得ることが可能となる。後段部３３－２の角度θが前段部３３－１の角度βより大きいため、前段部３３－１の衝突箇所４０で衝突後、後段第一細孔３６に導入される液滴の量を低減できる効果がある。なお、図１２では、テーパ角度が二種類の中間圧力室３３について説明したが、さらに複数の角度のテーパを有する多段階テーパ形状の中間圧力室３３であっても同様の効果が得られる。
　なお、図１２のイオン導入電極１２は、図２のイオン導入電極１２と同様に、図１で説明した装置構成に組み合わせることも可能である。
　実施例４では、大気圧下から真空中へイオンを導入するためのイオン導入電極が、前段第一細孔、中間圧力室、後段第一細孔の三つの要素から構成されている装置構成について説明する。実施例４の装置構成は、イオンの進行方向に進むに従い、内部の断面積が連続的に小さくなるような形状の中間圧力室において、テーパのように断面形状が直線的に変化する構成ではなく、曲線的に変化することが特徴である。よって、実施例４の中間圧力室は、お椀型の内部形状を有する。本方式は、実施例３の複数のテーパ角度を有する多段階テーパ形状の中間圧力室の段階数を無限に増やした構造に類似している。
　図１３を用いて実施例４のイオン導入電極１２の構成について詳細に説明する。なお、図１３（Ａ）はイオン源２の方向から見たイオン導入電極１２の図を示し、図１３（Ｂ）はイオン導入電極１２の中心軸上での断面図を表している。図１３に示すイオン導入電極１２は、基本的に図２で説明したイオン導入電極１２と、構成や機能はほぼ同様であるため、重複する説明については省略し、図２の構成との差異についてのみ説明する。図１３に示すイオン導入電極１２では、中間圧力室３３が、テーパのように断面形状が直線的に変化する構成ではなく、曲線的に変化する形状（お椀型）となっている。この構成の場合、入射角βは衝突箇所４０における断面での曲線の接線５２で形成される。図１３の中間圧力室３３も、イオンの進行方向に進むに従い、内部の断面積が連続的に小さくなるような形状なので、基本的に図２と同様の効果が得られる。イオンの進行に従い中間圧力室３３の断面の接線角度が連続的に緩やかに変化するためイオンのロスが少なく後段第一細孔３６に導入することができる。
　なお、図１３のイオン導入電極１２は、図２のイオン導入電極１２と同様に、図１で説明した装置構成に組み合わせることも可能である。
　実施例５では、大気圧下から真空中へイオンを導入するためのイオン導入電極が、前段第一細孔、中間圧力室、後段第一細孔の三つの要素から構成されている装置構成について説明する。実施例５の装置構成は、イオンの進行方向に進むに従い、内部の断面積が連続的に小さくなるような二種類の角度のテーパ形状から成る中間圧力室を有することが特徴である。
　図１４を用いて実施例５のイオン導入電極１２の構成について詳細に説明する。なお、図１４（Ａ）はイオン源２の方向から見たイオン導入電極１２の図を示し、図１４（Ｂ）はイオン導入電極１２の中心軸上での断面図を表している。図１４に示すイオン導入電極１２は、基本的に図２で説明したイオン導入電極１２と、構成や機能はほぼ同様であるため、重複する説明については省略し、図２の構成との差異についてのみ説明する。図１４に示すイオン導入電極１２では、中間圧力室３３が前段部３３－１と後段部３３－２から構成されている。前段部３３－１と後段部３３－２も、図２で説明した中間圧力室３３と同様に、イオンの進行方向に進むに従い、内部の断面積が連続的に小さくなるようなテーパ形状であるが、前段部３３－１と後段部３３－２とでは、テーパ角度が異なることが特徴である。前段部３３－１のテーパは入射角βとなる角度であり、後段部３３－２のテーパではβに対応する角度をθとすると、β＞θの関係となる。図１４に示した中間圧力室３３の構造のように、イオンの進行方向に進むに従い、内部の断面積が連続的に小さくなるような二種類の角度のテーパ形状でも、基本的に図２と同様の機能を得ることが可能となる。前段部３３－１の角度βが後段部３３－２の角度θより大きいため、前段部３３－１の衝突箇所４０で衝突後、後段第一細孔３６に導入されるイオン量のロスを防ぐ効果がある。なお、図１４では、テーパ角度が二種類の中間圧力室３３について説明したが、さらに複数の角度のテーパを有する多段階テーパ形状の中間圧力室３３であっても同様の効果が得られる。
　なお、図１４のイオン導入電極１２は、図２のイオン導入電極１２と同様に、図１で説明した装置構成に組み合わせることも可能である。
　実施例６では、大気圧下から真空中へイオンを導入するためのイオン導入電極が、前段第一細孔、中間圧力室、後段第一細孔の三つの要素から構成されている装置構成について説明する。実施例６の装置構成は、イオンの進行方向に進むに従い、内部の断面積が連続的に小さくなるような形状の中間圧力室において、テーパのように断面形状が直線的に変化する構成ではなく、曲線的に変化することが特徴である。よって、実施例６の中間圧力室は、ラッパ型の内部形状を有する。本方式は、実施例５の複数のテーパ角度を有する多段階テーパ形状の中間圧力室の段階数を無限に増やした構造に類似している。
　図１５を用いて実施例６のイオン導入電極１２の構成について詳細に説明する。なお、図１５（Ａ）はイオン源２の方向から見たイオン導入電極１２の図を示し、図１５（Ｂ）はイオン導入電極１２の中心軸上での断面図を表している。図１５に示すイオン導入電極１２は、基本的に図２で説明したイオン導入電極１２と、構成や機能はほぼ同様であるため、重複する説明については省略し、図２の構成との差異についてのみ説明する。図１５に示すイオン導入電極１２では、中間圧力室３３が、テーパのように断面形状が直線的に変化する構成ではなく、曲線的に変化する形状（ラッパ型）となっている。この構成の場合、入射角βは衝突箇所４０における断面での曲線の接線５２で形成される。図１５の中間圧力室３３も、イオンの進行方向に進むに従い、内部の断面積が連続的に小さくなるような形状なので、基本的に図２と同様の効果が得られる。イオンの進行に従い中間圧力室３３の断面の接線角度が連続的に緩やかに変化するためイオンのロスが少なく後段第一細孔３６に導入することができる。
　なお、図１５のイオン導入電極１２は、図２のイオン導入電極１２と同様に、図１で説明した装置構成に組み合わせることも可能である。
　実施例７では、大気圧下から真空中へイオンを導入するためのイオン導入電極が、前段第一細孔、中間圧力室、後段第一細孔の三つの要素から構成されている装置構成について説明する。実施例７の装置構成は、イオンの進行方向に進むに従い、内部の断面積が段階的に小さくなるような形状から成る中間圧力室を有することが特徴である。
　図１６を用いて実施例７のイオン導入電極１２の構成について詳細に説明する。なお、図１６（Ａ）はイオン源２の方向から見たイオン導入電極１２の図を示し、図１６（Ｂ）はイオン導入電極１２の中心軸上での断面図を表している。図１６に示すイオン導入電極１２は、基本的に図２で説明したイオン導入電極１２と、構成や機能はほぼ同様であるため、重複する説明については省略し、図２の構成との差異についてのみ説明する。図１６に示すイオン導入電極１２では、中間圧力室５３が段階的な複数の段部５３－１～５３－ｎから構成されている。段部５３－１～５３－ｎは、イオンの進行方向に進むに従い、内部の断面積が段階的に小さくなるような形状である。図１６に示した中間圧力室５３のような構造のように、イオンの進行方向に進むに従い、内部の断面積が段階的に小さくなるような形状でも、図２と同様の機能を得ることが可能となる。なお、図１６のように部分的にストレートな円管部が存在しても問題ない。また、衝突箇所４０は図１６のようにテーパ状になっているのが望ましいが、実施例４や実施例６のように曲線状でも問題ない。また、衝突箇所４０が階段状の段差に重なる位置にあっても問題ない。但し、衝突箇所４０が段差に重なる場合は、軸ずれ量Ｘがミリオーダーなので、段差ピッチはそれより十分小さい０．１ｍｍ程度にすることが望ましい。
　なお、図１６のイオン導入電極１２は、図２のイオン導入電極１２と同様に、図１で説明した装置構成に組み合わせることも可能である。
　実施例８では、大気圧下から真空中へイオンを導入するためのイオン導入電極が、前段第一細孔、中間圧力室、後段第一細孔の三つの要素から構成されている装置構成について説明する。実施例８の装置構成は、イオンの進行方向に進むに従い、内部の断面積が連続的に小さくなるような形状の中間圧力室において、後段第一細孔から見て前段第一細孔側のみに傾斜部があることが特徴である。
　図１７を用いて実施例８のイオン導入電極１２の構成について詳細に説明する。なお、図１７（Ａ）はイオン源２の方向から見たイオン導入電極１２の図を示し、図１７（Ｂ）はイオン導入電極１２の中心軸上での断面図を表している。図１７に示すイオン導入電極１２は、基本的に図２で説明したイオン導入電極１２と、構成や機能はほぼ同様であるため、重複する説明については省略し、図２の構成との差異についてのみ説明する。図１７に示すイオン導入電極１２では、中間圧力室３３が、テーパのように後段第一細孔３６の中心軸３８に対して対称形状ではなく、後段第一細孔３６の中心軸３８から見て前段第一細孔３５の中心軸３７の方向のみに傾斜部がある形状となっている。この場合、中間圧力室３３の入口面積Ａは、実施例１で説明した望ましい条件のテーパ入口面積≧１２ｍｍ２程度に対し、約半分の面積で十分であり小型になる。大きさとしてはＡ≧６ｍｍ２程度の条件が望ましい。入口面積が小さくなるため前段第一細孔３５との圧力差は図２の場合より小さくなるが、その分イオンのロスは比較的少なくなる。図１７の中間圧力室３３も、イオンの進行方向に進むに従い、内部の断面積が連続的に小さくなるような形状なので、基本的に図２と同様の効果が得られる。
　なお、図１７のイオン導入電極１２は、図２のイオン導入電極１２と同様に、図１で説明した装置構成に組み合わせることも可能である。
　実施例９では、大気圧下から真空中へイオンを導入するためのイオン導入電極が、前段第一細孔、中間圧力室、後段第一細孔の三つの要素から構成されている装置構成について説明する。実施例９の装置構成は、イオンの進行方向に進むに従い、内部の断面積が連続的に小さくなるような形状の中間圧力室を有し、前段第一細孔の穴が複数あることが特徴である。
　図１８を用いて実施例９のイオン導入電極１２の構成について詳細に説明する。なお、図１８（Ａ）はイオン源２の方向から見たイオン導入電極１２の図を示し、図１８（Ｂ）はイオン導入電極１２の中心軸上での断面図を表している。図１８に示すイオン導入電極１２は、基本的に図２で説明したイオン導入電極１２と、構成や機能はほぼ同様であるため、重複する説明については省略し、図２の構成との差異についてのみ説明する。図１８に示すイオン導入電極１２では、前段第一細孔３５が複数あるのが特徴である。図１８では、前段第一細孔３５の数が６個の構成を示しているが、前段第一細孔３５の個数については幾つでも構わない。前段第一細孔３５の数を増やすことで、中間圧力室３３へ導入される流量は、前段第一細孔３５の個数分だけ増加するが、図１８の中間圧力室３３も、イオンの進行方向に進むに従い、内部の断面積が連続的に小さくなるような形状なので、基本的に図２と同様の効果が得られる。
　なお、図１８のイオン導入電極１２は、図２のイオン導入電極１２と同様に、図１で説明した装置構成に組み合わせることも可能である。また、図１８の前段第一細孔３５は、図１１～図１７の中間圧力室３３の構成と組み合わせることができる。
　実施例１０では、大気圧下から真空中へイオンを導入するためのイオン導入電極が、前段第一細孔、中間圧力室、後段第一細孔の三つの要素から構成されている装置構成について説明する。実施例１０の装置構成は、イオンの進行方向に進むに従い、内部の断面積が連続的に小さくなるような形状の中間圧力室を有し、前段第一細孔と中間圧力室とが電気的に絶縁される構造であることが特徴である。
　図１９を用いて実施例１０のイオン導入電極１２の構成について詳細に説明する。なお、図１９（Ａ）はイオン源２の方向から見たイオン導入電極１２の図を示し、図１９（Ｂ）はイオン導入電極１２の中心軸上での断面図を表している。図１９に示すイオン導入電極１２は、基本的に図２で説明したイオン導入電極１２と、構成や機能はほぼ同様であるため、重複する説明については省略し、図２の構成との差異についてのみ説明する。図１９に示すイオン導入電極１２では、前段部材３２と後段部材３４が絶縁物５４により電気的に絶縁できることが特徴である。電気的に絶縁されるので、電源５５、５６により前段部材３２と後段部材３４に独立した別電位を印加することが可能となる。なお、図１９では中間圧力室３３と後段第一細孔３６とが同一部材のごとくに図示しているが、これらを別部材とし、中間圧力室３３と後段第一細孔３６とを絶縁物により電気的に絶縁することも可能である。図１９の中間圧力室３３も、イオンの進行方向に進むに従い、内部の断面積が連続的に小さくなるような形状なので、基本的に図２と同様の効果が得られる。
　なお、図１９のイオン導入電極１２は、図２のイオン導入電極１２と同様に、図１で説明した装置構成に組み合わせることも可能である。また、図１９の絶縁構造は、図１１～図１８のイオン導入電極１２の構成と組み合わせることができる。
　実施例１１では、大気圧下から真空中へイオンを導入するためのイオン導入電極が、前段第一細孔、中間圧力室、後段第一細孔の三つの要素から構成されている装置構成について説明する。実施例１１の装置構成は、イオンの進行方向に進むに従い、内部の断面積が連続的に小さくなるような形状の中間圧力室を有し、イオン導入電極を加熱する加熱手段を有することが特徴である。
　図２０を用いて実施例１１のイオン導入電極１２の構成について詳細に説明する。なお、図２０（Ａ）はイオン源２の方向から見たイオン導入電極１２の図を示し、図２０（Ｂ）はイオン導入電極１２の中心軸上での断面図を表している。図２０に示すイオン導入電極１２は、基本的に図２で説明したイオン導入電極１２と、構成や機能はほぼ同様であるため、重複する説明については省略し、図２の構成との差異についてのみ説明する。図２０に示すイオン導入電極１２では、イオン導入電極１２を加熱する加熱手段５７、５８を有することが特徴である。イオン導入電極１２を加熱することにより、イオン導入電極１２の内部に導入される液滴８を蒸発、気化させることが可能となり、後段への液滴８の流入を抑止することが可能となる。図２０では、前段部材３２と後段部材３４を独立して別個の加熱手段５７、５８で加熱しているが、一個の加熱手段で両方を加熱しても構わない。また、中間圧力室３３の部分と後段第一細孔３６の部分を別々の加熱手段で独立に加熱しても構わない。また、図２０の加熱手段５７、５８は電熱線をコイル状に巻き付けているがごとくの図示をしているが、加熱手段に関しては、このような形状以外のヒータ類でも構わない。
　なお、図２０のイオン導入電極１２は、図２のイオン導入電極１２と同様に、図１で説明した装置構成に組み合わせることも可能である。また、図２０のイオン導入電極１２は、図１１～図１９のイオン導入電極１２の構成と組み合わせることができる。
　実施例１２では、大気圧下から真空中へイオンを導入するためのイオン導入電極が、前段第一細孔、中間圧力室、後段第一細孔の三つの要素から構成されている装置構成について説明する。実施例１２の装置構成は、イオンの進行方向に進むに従い、内部の断面積が連続的に小さくなるような形状の中間圧力室を有する装置を有し、第一真空室にイオン収束部を有することが特徴である。
図２１を用いて実施例１２の質量分析装置１の構成について詳細に説明する。図２１に示す質量分析装置１は、基本的に図１で説明した質量分析装置１と、構成や機能はほぼ同様であるため、重複する説明については省略し、図１の構成との差異についてのみ説明する。図２１に示す質量分析装置１では、第一真空室１３にイオン収束部５９を配置していることが特徴である。このイオン収束部５９は、複数枚のリング状の電極や複数本のロッド状の電極などで構成することができ、直流電圧や交流電圧（高周波電圧を含む）、またはその両方を同時に印加することにより、イオンは中心軸付近に収束される。イオン導入電極１２を通過して第一真空室１３に導入されたイオン７は、イオン収束部５９により中心軸６０の付近に収束される。これにより、後段の第二細孔電極１４の穴１５へのイオン導入効率が向上し、感度が向上する。その他構成などについては、図１と同様である。また、イオン収束部５９には、直流や交流の電圧を電源６２により印加して使用する。
　なお、図２１の質量分析装置１には、図２や図１１～図２０のイオン導入電極１２を組み合わせることも可能である。
１…質量分析装置
２…イオン源
３…真空容器
４…金属キャピラリー
５…電源
６…試料溶液
７…イオン
８…液滴
９…管
１０…ガス
１１…出口端
１２…イオン導入電極
１３…第一真空室
１４…第二細孔電極
１５…穴
１６…第二真空室
１７…イオン輸送部
１８…イオン
１９…第三細孔電極
２０…穴
２１…第三真空室
２２…イオン分析部
２３…イオン
２４…検出器
２５…制御部
２６…ロータリーポンプ（ＲＰ）
２７…ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）
２８…ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）
２９…電極
３０…ガス
３１…出口端
３２…前段部材
３３…中間圧力室
３３－１…前段部
３３－２…後段部
３４…後段部材
３５…前段第一細孔
３６…後段第一細孔
３７…中心軸
３８…中心軸
３９…軌道
４０…衝突箇所
４１…軌道
４２…軌道
４３…液滴ノイズ強度
４４…イオン強度
４５…中間圧力室の有無の比較結果
４６…後段第一細孔の構造による比較結果
４７…流体シミュレーション結果
４８…テーパ角度の延長線
４９…範囲
５０…交差箇所
５１…出口端
５２…接線
５３…中間圧力室
５３－１～５３－ｎ…段部
５４…絶縁物
５５…電源
５６…電源
５７…加熱手段
５８…加熱手段
５９…イオン収束部
６０…中心軸
６１…中間圧力室の内部圧力（ＰＭ）依存性結果
６２…電源

Claims (16)

  1. 　イオンを生成するイオン源と、
    　真空排気手段で排気され前記イオンの質量を分析する真空室と、
    　前記イオンを前記真空室に導入するイオン導入電極を有し、
    　前記イオン導入電極は、
    　前記イオン源側の前段細孔と、前記真空室側の後段細孔と、前記前段細孔と前記後段細孔との間の中間圧力室を有し、
    　前記中間圧力室のイオン入口の断面積は、前記前段細孔の断面積よりも大きく、
    　前記前段細孔の中心軸と前記後段細孔の中心軸とは偏心した位置にあり、
    　前記中間圧力室のイオン入口の断面積よりもイオン出口の断面積の方が小さいことを特徴とする質量分析装置。
  2. 　前記中間圧力室の壁面に対し前記前段細孔の中心軸方向のなす角度は鋭角であることを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
  3. 　前記中間圧力室の壁面に対し前記前段細孔の中心軸方向のなす角度が１５°～７５°であることを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
  4. 　前記後段細孔の出口端は、前記中間圧力室のイオン入口と出口とを結ぶ延長線よりも下流側にあることを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
  5. 　前記後段細孔の内径Ｄと長さＬの比が、Ｌ／Ｄ≧０．３であることを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
  6. 　前記中間圧力室の圧力は、２０００～３００００Ｐａであることを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
  7. 　前記イオン導入電極を加熱する加熱手段を有することを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
  8. 　前記後段細孔から出たイオンを収束するイオン収束部を有することを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
  9. 　前記前段細孔の一次側圧力をＰ０、二次側圧力をＰＭとした場合、ＰＭ／Ｐ０≦０．５であることを特徴とする請求項１記載の質量分析装置。
  10. 　前記中間圧力室のイオン入口から出口にかけて、前記中間圧力室の壁面が複数の角度を有することを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
  11. 　請求項１０に記載の質量分析装置であって、前記中間圧力室の前記前段細孔の中心軸方向とのなす角度として、０°の部分を前記前段細孔側に有することを特徴とすることを特徴とする質量分析装置。
  12. 　請求項１０に記載の質量分析装置であって、前記中間圧力室の前記前段細孔の中心軸方向とのなす角度として、前記前段細孔側の角度は前記後段細孔側の角度よりも小さいことを特徴とする質量分析装置。
  13. 　請求項１０に記載の質量分析装置であって、前記中間圧力室の前記前段細孔の中心軸方向とのなす角度として、前記前段細孔側の角度は前記後段細孔側の角度よりも大きいことを特徴とする質量分析装置。
  14. 　前記中間圧力室の前記前段細孔の中心軸方向とのなす角度として、前記中間圧力室の壁面の角度がイオン入口から出口にかけて連続的に大きくなることを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
  15. 　前記中間圧力室の前記前段細孔の中心軸方向とのなす角度として、前記中間圧力室の壁面の角度がイオン入口から出口にかけて連続的に小さくなることを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
  16. 　前記前段細孔を構成する第１の部材と前記中間圧力室を構成する第２の部材とを有し、前記第１の部材と前記第２の部材との間は絶縁物により電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
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