JP2003270207A

JP2003270207A - 質量分析装置用イオン化装置および質量分析装置

Info

Publication number: JP2003270207A
Application number: JP2002066244A
Authority: JP
Inventors: Masao Shimizu; 水昌男清; Yoshihiko Miwa; 輪義彦三
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2002-03-12
Filing date: 2002-03-12
Publication date: 2003-09-25

Abstract

(57)【要約】【課題】キャリアガスのイオン化室への進入を防止で
きる質量分析装置用イオン化装置および質量分析装置を
提供する。【解決手段】第１オリフィス１２の先端から排気室１
５へ噴出されたガスのうち、Ｈｅガスは拡散速度が大き
いので、Ｈｅガスの殆どは第２オリフィス１３の試料ガ
ス導入孔１３ａを通過しない。そして、排気室１５に拡
散したＨｅガスは、チャンバ３の排気孔８を介して排気
装置２により排気される。一方、第１オリフィス１２の
先端から噴出された質量数の大きい試料ガスは、拡散せ
ずに直進し、第２オリフィス１３の試料ガス導入孔１３
ａを通過してイオン化室９に入る。イオン化室９に導入
された試料ガスは、フィラメント１６で発生した熱電子
に叩かれてイオン化される。生成した試料イオンは、加
速電極によって図１中ｙ軸方向に加速され、その後段に
配置されたＭＳによって順次質量分析される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試料中の微量成
分分析に用いて好適な質量分析装置用イオン化装置およ
び質量分析装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、ガスクロマトグラフ（ＧＣ）と
質量分析装置（ＭＳ）を結合したＧＣ／ＭＳが、試料中
の成分分析に広く利用されている。その例として、特開
２０００−１６２１８５号公報に記載されているような
ＧＣ／ＭＳがある。

【０００３】上記公報に記載されているＧＣ／ＭＳにお
いては、１本の長いキャピラリの先端はイオン化室のす
ぐ近くまで導入され、そのキャピラリ先端から噴出され
る試料ガスとＨｅガス（キャリアガス）の全てがイオン
化室に導入される。そして、たとえば電子衝撃型イオン
源の場合、イオン化室に導入された試料ガスは、フィラ
メントで発生した熱電子に叩かれてイオン化され、生成
した試料イオンはＭＳによって順次質量分析される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】同時に、イオン化室
に導入された前記Ｈｅガスも熱電子に叩かれてイオン化
される。このように従来においては、熱電子がキャリア
ガスのイオン化に消費されてしまい、試料ガスのイオン
化がキャリアガスによって阻害されていた。

【０００５】特に、ダイオキシンのような分析では極微
量の検出感度が要求され、このような極微量の成分分析
においては、イオン化室に導入される試料ガスは極微量
であって、その殆どはキャリアガスである。このため、
試料ガスの電子衝撃によるイオン化は、キャリアガスに
よって大きく阻害されていた。

【０００６】本発明はこのような点に鑑みて成されたも
ので、その目的は、キャリアガスのイオン化室への進入
を防止できる質量分析装置用イオン化装置および質量分
析装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この目的を達成する本
発明の質量分析装置用イオン化装置は、内部が排気手段
により排気されたイオン源容器と、前記イオン源容器の
内部に配置され、イオン化室が内部に形成されたイオン
化部であって、試料ガス導入孔が前記イオン化室に通ず
るように設けられたイオン化部と、一端が前記試料ガス
導入孔と所定の間隔をおいて対向するように配置され、
他端が前記イオン源容器の外部に配置されたキャピラリ
と、試料とキャリアガスを、前記キャピラリの他端側か
らキャピラリ内に導入するための試料導入部と、前記キ
ャピラリの一端と前記試料ガス導入孔との間の間隙を排
気する手段とを備えたことを特徴としている。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実
施の形態について説明する。

【０００９】図１は、本発明の質量分析装置用イオン化
装置の一例を示した図であり、そのイオン化装置の断面
図である。

【００１０】図１において、１はイオン源の真空容器
（イオン源容器）であり、その内部は、排気装置２によ
り排気されている。

【００１１】３はチャンバであり、チャンバ３は真空容
器１の内部に配置されている。板状のチャンバ３には複
数の孔４〜８が開けられており、中央孔４はチャンバ中
央部にｙ軸方向に開けられていて、チャンバ中央部を貫
通している。この中央孔４内はイオン化室９となってお
り、イオン化室９がチャンバ３の中央部に形成されてい
る。

【００１２】また、ガイド挿入孔５がチャンバ３にｘ軸
方向に開けられる一方、電子通過孔６がチャンバ３にｚ
軸方向に開けられており、これらの孔５，６は前記イオ
ン化室９に通じている。そして、標準試料導入孔７が、
前記イオン化室９に通ずるようにチャンバ３に開けられ
ている。さらに、図１において点線で示された排気孔８
（後述する図２（ｃ）にも記載）が、チャンバ３にｙ軸
方向に開けられていて、前記ガイド挿入孔５に通じてい
る。

【００１３】１０はキャピラリガイドであり、キャピラ
リガイド１０は、ガイド１１と第１オリフィス１２と第
２オリフィス１３で構成されている。オリフィス１２，
１３を保持したガイド１１は、前記ガイド挿入孔５に挿
入されて固定されている。

【００１４】ここで、図２を用いて、キャピラリガイド
１０の構造について詳しく説明する。図２（ａ）はキャ
ピラリガイド１０の斜視図、図２（ｂ）は、図１におけ
るキャピラリガイド１０部分の拡大断面図、図２（ｃ）
は、キャピラリガイド１０がチャンバ３にセットされた
状態を前記排気孔８側から見た図である。

【００１５】図２（ｂ）に示すように、キャピラリ挿入
孔１１ａがガイド１１に開けられており、その孔径は、
キャピラリ１４の外径より少しだけ大きくされている。
このキャピラリ１４の外径は０．４ｍｍ〜０．５ｍｍ程
度であり、その内径は０．３ｍｍ程度である。ガイド１
１の端部１１ｂは、キャピラリ１４をキャピラリ挿入孔
１１ａへ入れやすくするために、すり鉢状に形成されて
いる。

【００１６】また、オリフィス挿入孔１１ｃがガイド１
１に開けられており、このオリフィス挿入孔１１ｃは前
記キャピラリ挿入孔１１ａに通じている。さらに、図２
（ａ）に示すように、排気孔１１ｄがガイド１１の側面
に開けられており、この排気孔１１ｄは前記オリフィス
挿入孔１１ｃに通じている。

【００１７】そして、図２（ｂ）に示すように、第１オ
リフィス１２と第３オリフィス１３が前記オリフィス挿
入孔１１ｃに挿入され、それらのオリフィスは所定位置
に固定されている。第１オリフィス１２と第２オリフィ
ス１３は、０．４ｍｍ程度の間隔ｄをおいて対向するよ
うに配置されている。

【００１８】前記第１オリフィス１２には２段の孔１２
ａ，１２ｂが開けられており、キャピラリ挿入孔１２ａ
の孔径はキャピラリ１４の外径に合わせられ、ガス通過
孔１２ｂの孔径はキャピラリ１４の内径に合わせられて
いる。このため、キャピラリ１４の先端は、それらの孔
１２ａ，１２ｂの段差部分１２ｃに当接して止まってい
る。

【００１９】一方、第２オリフィス１３には、試料ガス
導入孔１３ａと試料ガス通過孔１３ｂとが開けられてい
る。試料ガス導入孔１３ａの孔径は、前記ガス通過孔１
２ｂよりも少しだけ大きい０．５ｍｍ程度にされ、試料
ガス導入孔１３ａの長さ（ｘ軸方向の長さ）は、試料ガ
スがその孔１３ａを通過しやすいように短くされてい
る。また、試料ガス通過孔１３ｂの孔径は、前記キャピ
ラリ挿入孔１２ａの孔径の２倍程度にされている。

【００２０】また、図２において１５は排気室であり、
排気室１５は、第１オリフィス１２と第２オリフィス１
３との間に形成されている。この排気室１５は、図２
（ｃ）に示すように、ガイド１１の排気孔１１ｄを介し
てチャンバ３の排気孔８に通じており、排気室１５は排
気孔１１ｄ，８を介して前記排気装置２によって排気さ
れている。また、排気室１５は、前記ガス通過孔１２ｂ
を介してキャピラリ１４内部に通じていると共に、試料
ガス導入孔１３ａと試料ガス通過孔１３ｂを介してイオ
ン化室９に通じている。なお、図２に示したキャピラリ
ガイド１０においては、孔１１ａ，１２ａ，１２ｂ，１
３ａ，１３ｂの中心はｘ軸上に位置している。

【００２１】以上、図２を用い、図１におけるキャピラ
リガイド１０の構造を説明した。続いて、図１における
その他の構成について説明する。

【００２２】図１において、１６はフィラメント、１７
はトラップ電極である。トラップ電極１７は、フィラメ
ント１６から放出された熱電子のうち、イオン化室９を
通過した熱電子をトラップするためのものである。

【００２３】１８は筒状のガイドであり、ガイド１８の
周りにはヒータ１９が取付けられている。これらは真空
容器１の取付口２０に取付けられている。

【００２４】ガイド１８は、キャピラリ１４を大気側か
ら真空容器１の内部へ導入するためのガイドであり、ガ
イド１８の中心軸は、上述したキャピラリガイド１０と
同様にｘ軸上に位置している。そして、ガイド１８の真
空側端部は、真空容器１の内部において、キャピラリガ
イド１０のガイド１１と対向している。前記ヒータ１９
はキャピラリ１４を加熱するために設けられており、キ
ャピラリ１４は、試料などがその内側に吸着するのを防
止する目的で加熱される。

【００２５】２１はＧＣであり、ＧＣ２１の中はオーブ
ンになっている。前記キャピラリ１４はこのオーブンの
中に設置されていて、ＧＣ２１は、キャピラリ１４の温
度を任意の速度で昇温させることができるようになって
いる。そして、キャピラリ１４の他端は試料導入部２２
に接続されている。試料導入部２２は、Ｈｅガス（キャ
リアガス）といっしょに試料を、前記キャピラリ１４の
他端側からそのキャピラリ内に導入するものである。こ
のように図１の装置では、試料導入部２２から入れられ
た試料は、１本の長いキャピラリ１４を通ってイオン源
内部へ導入されるようになっている。

【００２６】また、図１において、２３は標準試料導入
部である。標準試料導入部２３は真空容器１の取付口２
４に取付けられていて、その先端は、チャンバ３の標準
試料導入孔７に接続されている。この標準試料は試料分
析時にイオン化室９に導入され、前記試料導入部２２か
らの分析試料と共に、ＭＳ（図示せず）において質量分
析が行われる。この結果、得られる質量スペクトル上に
は、標準試料に関するピークが分析試料のそれと共に現
れる。この標準試料ピークの出現位置（質量数）は予め
分かっており、この標準試料ピークは分析試料のピーク
判定の指標となる。

【００２７】以上、図１の質量分析装置用イオン化装置
の構成を説明した。なお、図１の装置において、本発明
におけるイオン化部は、チャンバ３とキャピラリガイド
１０とフィラメント１６とトラップ電極１７とで構成さ
れている。

【００２８】さて、図１の装置においては、キャピラリ
１４は大気側（ＧＣ側）からガイド１８に挿入され、そ
のキャピラリ１４の先端は、図１や図２（ｂ）に示すよ
うに所定位置に配置される。すなわち、図２（ｂ）に示
すように、ガイド１８を通されたキャピラリ１４は、ガ
イド１８に接近して配置されたガイド１１のキャピラリ
挿入孔１１ａを通され、その後、第１オリフィス１２の
キャピラリ挿入孔１２ａに挿入される。そして、さらに
キャピラリ１４が挿入されて、キャピラリ１４の先端が
第１オリフィス１２内の段差部分１２ｃに当接すると、
その位置でキャピラリ１４は停止する。

【００２９】このように、図１の装置においては、柔軟
に出来たキャピラリ１４であっても、その先端を第１オ
リフィス１２内の段差部分１２ｃまで容易に導入するこ
とができる。この第１オリフィス１２のイオン化室側先
端はキャピラリ先端に相当し、また、それに対向する第
２オリフィス１３の試料ガス導入孔１３ａは、イオン化
室９のガス導入孔に相当している。このため、キャピラ
リ１４の先端を第１オリフィス１２内の段差部分１２ｃ
まで常に安定して導入できる図１のキャピラリ導入機構
によれば、キャピラリ先端と、イオン化室の導入孔の相
対位置を再現性良く設定することが可能である。

【００３０】以下、図１の装置における試料分析につい
て説明する。

【００３１】まず、試料導入部２２からＨｅガスと一緒
にＧＣ２１に導入された混合物試料は、加熱用オーブン
の中に設置されたキャピラリ１４を通って個々の成分に
分離される。その後、それら各成分の試料ガスは、ヒー
タ１９によって加熱されたキャピラリ１４内をＨｅガス
によって運ばれる。なお、キャピラリ１４の温度がその
全域にわたって前記オーブンの温度に保たれるように、
キャピラリ１４はヒータ１９によって加熱されると共
に、チャンバ３内に組み込まれたヒータ（図示せず）に
よって加熱される。

【００３２】そして、キャピラリ１４を出た試料ガス
は、第１オリフィス１２のガス通過孔１２ｂを通って、
第１オリフィス１２の先端からＨｅガスと一緒に噴出さ
れる。このとき、ガス通過孔１２ｂの孔径はキャピラリ
１４の内径に合わされているので、第１オリフィス１２
内の段差部分１２ｃで、試料ガスの流れの乱れは発生し
ない。

【００３３】さて、第１オリフィス１２の先端から排気
室１５へ噴出されたガスのうち、Ｈｅガスは拡散速度が
大きいので、Ｈｅガスの殆どは第２オリフィス１３の試
料ガス導入孔１３ａを通過しない。そして、その試料ガ
ス導入孔１３ａを通過せずに排気室１５に拡散したＨｅ
ガスは、前記排気孔１１ｄ，８を介して排気装置２によ
り排気される。

【００３４】一方、第１オリフィス１２の先端から噴出
された質量数の大きい試料ガスは、拡散せずに直進し、
第２オリフィス１３の試料ガス導入孔１３ａを通過して
イオン化室９に入る。イオン化室９に導入された試料ガ
スは、フィラメント１６で発生した熱電子に叩かれてイ
オン化される。そして、生成した試料イオンは、加速電
極（図示せず）によって図１中ｙ軸方向に加速され、そ
の後段に配置されたＭＳ（図示せず）によって順次質量
分析される。

【００３５】このように図１の装置においては、キャリ
アガスであるＨｅガスがイオン化室の直前で排気され、
Ｈｅガスのイオン化室への進入は防止される。一方、試
料ガスはイオン化室へ導入される。このため、図１にお
ける電子衝撃型イオン源の場合、試料ガスが電子に衝突
する確率は従来よりもかなり高くなり、ほぼ全ての試料
ガスはイオン化される。これにより、極微量の試料でも
質量分析が可能となり、検出感度を飛躍的に向上させる
ことができる。

【００３６】また、図１の装置における他の効果とし
て、次の効果がある。

【００３７】たとえば、上述したＭＳとしてＴＯＦ−Ｍ
Ｓ（飛行時間型質量分析計）が使用された場合、低質量
側の試料イオンをＨｅイオンと分離して検出することが
可能となる。これまで、Ｈｅガスによる大量のＨｅイオ
ンがＴＯＦ−ＭＳで検出されていたため、得られた質量
スペクトル上において、低質量側の試料イオンピークは
Ｈｅイオンピークに埋もれていた。しかし、本発明で
は、Ｈｅガスのイオン化室への進入が防止されるので、
得られた質量スペクトル上にＨｅイオンのピークは現れ
ない。このため、本発明では、Ｈｅイオンの質量に近い
低質量側の試料イオンを検出できるようになった。

【００３８】また、ＭＳとして磁場型の質量分析計が使
用された場合、キャリアガスであるＨｅガスのイオン化
室への進入防止によって、Ｈｅイオンによる分析部（磁
場形成部）のチャージアップが防止される。これまで、
このチャージアップによって試料イオンの軌道が曲げら
れていたが、本発明ではこの問題が解決されたことによ
り、分解能を安定して維持することができる。

【００３９】以上、図１と図２を用いて本発明の一例を
説明した。

【００４０】図３は本発明の他の例を示した図である。
図３において、図２（ｂ）と同一の構成要素に対して
は、図２（ｂ）と同一の番号が付されている。

【００４１】図３に示すキャピラリガイド２５は、棒材
に孔が開けられて形成されている。すなわち、キャピラ
リガイド２５には、キャピラリ１４の外径に合わせられ
たキャピラリ挿入孔２５ａと、キャピラリ１４の内径に
合わせられたガス通過孔２５ｂと、そのガス通過孔２５
ｂの孔径と同程度の試料ガス導入孔２５ｃと、前記キャ
ピラリ挿入孔２５ａの孔径の２倍程度の試料ガス通過孔
２５ｄと、前記ガス通過孔２５ｂと試料ガス導入孔２５
ｃ間に切り込まれた切り込み２５ｅが設けられている。
切り込み２５ｅの幅ｄは０．４ｍｍ程度であり、切り込
み２５ｅ内は排気室２６となっている。

【００４２】前記キャピラリ１４は、キャピラリガイド
２５のキャピラリ挿入孔２５ａに挿入されており、キャ
ピラリ１４は、ガス通過孔２５ｂ，排気室２６，試料ガ
ス導入孔２５ｃ，試料ガス通過孔２５ｄを介してイオン
化室９に通じている。なお、排気室２６は、チャンバ３
に形成された前記排気孔８を介して排気装置２によって
排気されている。

【００４３】このように、図３に示すキャピラリガイド
２５は、図２（ｂ）におけるガイド１１とオリフィス１
２，１３が一体で構成されたものである。このようなキ
ャピラリガイド２５を使用した場合にも、第１の例のキ
ャピラリガイド１０を用いた時と同様な効果を得ること
ができる。

【００４４】また、図４は本発明の他の例を示した図で
ある。

【００４５】図４において、２７はチャンバであり、チ
ャンバ２７はイオン源容器の内部に配置されている。こ
のチャンバ２７には試料ガス導入孔２７ａが開けられて
おり、その孔径は、キャピラリ１４の外径と同程度であ
る。

【００４６】また、ガイド２８がチャンバ２７のガイド
挿入孔５に挿入されており、キャピラリ１４はガイド２
８のキャピラリ挿入孔２８ａに挿入されている。このキ
ャピラリ挿入孔２８ａの孔径は、キャピラリ１４の外径
に合わされている。

【００４７】そして、キャピラリ１４の先端は、前記試
料ガス導入孔２７ａと所定の間隔（たとえば０．４ｍｍ
程度）をおいて対向している。キャピラリ先端が位置す
る排気室２９は、チャンバ２７に開けられた前記排気孔
８を介して排気装置２により排気されている。

【００４８】このような図４の構成においても、キャリ
アガスのイオン化室への進入は防止され、試料ガスだけ
が孔２７ａを通ってイオン化室に導入される。

【００４９】また、この例では、キャピラリ先端から噴
出された試料ガスは、試料ガス導入孔２７ａを通過する
と直ちにイオン化室９に導入される。このように、この
例では上記例と異なり、試料ガス導入孔を通過した試料
ガスはキャピラリガイドに触れることはない。このた
め、試料ガスのキャピラリガイドへの吸着や、試料ガス
のキャピラリガイド金属部への接触による化学変化を防
止することができる。

【００５０】以上、本発明を例を挙げて説明したが、本
発明はこれらの例に限定されるものではない。たとえ
ば、上記例ではＧＣが設けられているが、溶媒なしの試
料などを分析する場合には、ＧＣを設けないようにして
も良い。

【００５１】また、上記例では、電子衝撃型イオン化法
が用いられているが、その他のイオン化法を用いるよう
にしても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる質量分析装置用イオン化装置
の一例を示した図である。

【図２】図１のキャピラリガイドを説明するために示
した図である。

【図３】本発明の他の例を示した図である。

【図４】本発明の他の例を示した図である。

【符号の説明】

１…真空容器、２…排気装置、３…チャンバ、４…中央
孔、５…ガイド挿入孔、６…電子通過孔、７…標準試料
導入孔、８…排気孔、９…イオン化室、１０…キャピラ
リガイド、１１…ガイド、１１ａ…キャピラリ挿入孔、
１１ｃ…オリフィス挿入孔、１１ｄ…排気孔、１２…第
１オリフィス、１２ａ…キャピラリ挿入孔、１２ｂ…ガ
ス通過孔、１２ｃ…段差部分、１３…第２オリフィス、
１３ａ…試料ガス導入孔、１３ｂ…試料ガス通過孔、１
４…キャピラリ、１５…排気室、１６…フィラメント、
１７…トラップ電極、１８…ガイド、１９…ヒータ、２
０…取付口、２１…ＧＣ、２２…試料導入部、２３…標
準試料導入部、２４…取付口、２５…キャピラリガイ
ド、２５ａ…キャピラリ挿入孔、２５ｂ…ガス通過孔、
２５ｃ…試料ガス導入孔、２５ｄ…試料ガス通過孔、２
６…排気室、２７…チャンバ、２７ａ…試料ガス導入
孔、２８…ガイド、２８ａ…キャピラリ挿入孔、２９…
排気室

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部が排気手段により排気されたイオン
源容器と、前記イオン源容器の内部に配置され、イオン
化室が内部に形成されたイオン化部であって、試料ガス
導入孔が前記イオン化室に通ずるように設けられたイオ
ン化部と、一端が前記試料ガス導入孔と所定の間隔をお
いて対向するように配置され、他端が前記イオン源容器
の外部に配置されたキャピラリと、試料とキャリアガス
を、前記キャピラリの他端側からキャピラリ内に導入す
るための試料導入部と、前記キャピラリの一端と前記試
料ガス導入孔との間の間隙を排気する手段とを備えたこ
とを特徴とする質量分析装置用イオン化装置。
【請求項２】前記キャピラリと試料ガス導入孔との間
の間隙は、前記イオン源容器を排気する排気手段によっ
て排気されることを特徴とする請求項１記載の質量分析
装置用イオン化装置。
【請求項３】前記試料ガス導入孔の径は、前記キャピ
ラリの径とほぼ同じであることを特徴とする請求項１記
載の質量分析装置用イオン化装置。
【請求項４】前記イオン化部は、前記キャピラリの先
端を前記試料ガス導入孔の方へ導くキャピラリガイドを
備えていることを特徴とする請求項１記載の質量分析装
置用イオン化装置。
【請求項５】前記キャピラリガイドは、前記キャピラ
リが挿入されるキャピラリ挿入孔と、前記試料ガス導入
孔と、前記キャピラリ挿入孔と前記試料ガス導入孔とを
繋ぐ排気室とを有しており、前記排気室は、その室にお
いて前記キャリアガスが拡散可能に形成されていると共
に、排気手段により排気可能に形成されていることを特
徴とする請求項４記載の質量分析装置用イオン化装置。
【請求項６】前記キャピラリガイドは、前記キャピラ
リ挿入孔を有する第１オリフィスと、前記試料ガス導入
孔を有する第２オリフィスと、前記第１オリフィスと第
２オリフィスとを保持するガイドとを備え、前記第１オ
リフィスと第２オリフィスとの間に前記排気室が設けら
れていることを特徴とする請求項５記載の質量分析装置
用イオン化装置。
【請求項７】前記キャピラリ挿入孔は、前記キャピラ
リ先端がその孔内の所定位置で停止するように形成され
ていることを特徴とする請求項５記載の質量分析装置用
イオン化装置。
【請求項８】前記イオン化室に導入された試料は、電
子による衝撃を受けてイオン化されることを特徴とする
請求項１に記載の質量分析装置用イオン化装置。
【請求項９】請求項１から８の何れかに記載のイオン
化装置を備えたことを特徴とする質量分析装置。