JP2007194094A - 質量分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】イオン源で生成された電子がイオンとともにイオン光学系を通過して四重極質量フィルタに入射するとバックグランドノイズの原因となるおそれがある。
【解決手段】イオン源であるイオン化室４を出発したイオンを四重極質量フィルタ９まで輸送するイオン光学系７の静電場に、偏向磁場を重畳する磁場形成手段１１を配置する。偏向磁場を通過するイオンや電子にはローレンツ力が作用するが、イオンに比べて格段に質量が小さな電子は軌道を曲げてイオン光学系７を通過し得ないのに対し、イオンは磁場の影響を殆ど受けずに四重極質量フィルタ９に到達する。これにより、イオンの輸送効率を損なわずに四重極質量フィルタ９の手前で不要な電子を排除することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は質量分析装置に関し、特に電子衝撃イオン化法や化学イオン化法など、イオン化に電子を利用したイオン源を用いた質量分析装置に好適な装置に関する。

質量分析装置では分析対象である試料の分子や原子をイオン化するために様々なイオン化法が用いられるが、その中で電子衝撃イオン化法は典型的なイオン化法の一つである。電子衝撃イオン化法によるイオン源では、フィラメントで生成した熱電子を電場により加速して試料分子（又は原子）に接触させ、その接触作用により試料分子をイオン化する（特許文献１など参照）。

この電子衝撃イオン化イオン源では、フィラメントから発生した熱電子が、試料やヘリウムなどのキャリアガスとの相互作用によってイオン光軸方向に加速される可能性がある。具体的には、イオン源で発生した電子は最大で加速電圧（通常70eV程度）までの運動エネルギーを持つ可能性がある。そのため、原理的には、イオン源から質量分析部までの空間にフィラメントと同程度の電位以下の領域が存在しない限り、質量分析部にまで到達し得る電子が存在することになる。

こうした電子が質量分析部である四重極質量フィルタまで達すると、その速度は非常に速いため、四重極質量フィルタの高周波電場の影響を殆ど受けずに四重極質量フィルタを通過してしまう。また、四重極質量フィルタに導入された電子自体が直流電場等の影響で軌道を曲げてフィルタを通り抜けないとしても、電子が四重極に衝突すると二次電子やＸ線を叩き出すおそれがある。そして、これら電子やＸ線などがイオン検出器に導入されると、バックグランドノイズの一因となる。

2000-067808号公報

上記のような質量分析部への電子の入射による影響は、従来、殆ど考慮されることがなかった。しかしながら、様々な改良に伴って分析精度が向上するに従い、上記のような問題がより顕在化することが予想される。本発明はこのような点に鑑みて成されたものであって、その目的とするところは、質量分析部に入射する電子を積極的に排除することにより、この電子に起因するバックグランドノイズを低減することができる質量分析装置を提供することにある。

上記課題を解決するために成された本発明は、イオン源から出発したイオンを質量分析部まで輸送するイオン光学系を有する質量分析装置において、前記イオン光学系により輸送されるイオンの経路上に偏向磁場を形成する磁場形成手段を備え、前記偏向磁場により前記質量分析部に導入される電子を排除するようにしたことを特徴としている。

本発明に係る質量分析装置において、上記イオン源は必ずしもそれ自体が試料成分をイオン化する手段であるとは限らず、例えばイオントラップのように、別の場所で生成されたイオンを一旦蓄積して所定のタイミングで以て各種イオンに運動エネルギーを付与して質量分析部に向けて出発させるものであってもよい。但し、本発明は、質量分析部に向かってイオンとともに多くの電子が入射してくる場合に特に有用であるから、電子衝撃イオン化法によるイオン源である構成に適用するとよい。また、質量分析部は質量数に応じてイオンを分離するものであれば特に限定されないが、一例としては四重極質量フィルタを挙げることができる。

イオン源から出発したイオンとともに電子が加速されて質量分析部に向かって進むと、電子は磁場形成手段により形成される偏向磁場中を通過する。電子は荷電粒子の一種であるから、磁場中を通過する際に磁場の方向と電子の進行方向との両方に直交する方向にローレンツ力を受ける。同じく荷電粒子の一種であるイオンも同様のローレンツ力を受けるが、電子は最も小さな質量のイオンに比べても格段に小さな質量を有し、質量が小さいほど進行方向に垂直な方向の偏向量が大きいから、電子は質量分析部に到達するまでに軌道を大きく曲げられて質量分析部に入射しない。これに対し、電子に比べて質量が格段に大きなイオンは殆ど磁場の影響を受けずに進み、質量分析部に到達して質量数毎に分離される。

以上のように本発明に係る質量分析装置によれば、分析対象であるイオンの輸送効率を損なうことなく、四重極質量フィルタ等の質量分析部に入射する前に不要な電子を確実に排除することができる。それにより、質量分析部に入射した電子がこれを通り抜けて検出器に到達することを防止できるのみならず、質量分析部の内部で２次的に生成される電子やＸ線などが検出器に入射してしまうことも防止することができる。したがって、バックグランドノイズを従来よりも一層低減することができ、分析感度や分析精度の向上を図ることができる。

以下、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要部の概略構成図である。

真空容器１の内部は真空ポンプ２により真空排気され、所定の真空度に維持される。例えば図示しないガスクロマトグラフ（ＧＣ）のカラムから流出する試料ガスは適宜のインタフェイスを介して接続管３からイオン化室４内へと供給される。イオン化室４にはフィラメント５からトラップ電極６に向かう熱電子流が形成されており、イオン化室４に導入された試料分子に熱電子が接触することによって該分子はイオン化される。発生した各種イオンはイオン化室４から引き出され、円筒形状の静電レンズ電極８を中心とするイオン光学系７を通って四重極質量フィルタ９の長軸方向の空間に導入される。四重極質量フィルタ９には図示しない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１０に到達して検出される。それ以外の不要なイオン種は四重極質量フィルタ９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。

なお、真空容器１内の空間においては、図示するように、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の三次元座標を考える。イオン流の中心軸であるイオン光軸ＣはＺ軸方向である。

イオン化室４、フィラメント５、トラップ電極６等を含むイオン源はいわゆる電子衝撃イオン化法によるイオン源である。このイオン源において、イオン化室４内に導入された熱電子の一部は試料成分や接続管３から流れ込むキャリアガスの作用により、イオンと同様のＺ軸方向の加速エネルギーを付与されてイオン光学系７に入射する可能性がある。この電子がそのまま四重極質量フィルタ９に導入されると前述したようにバックグランドノイズとなるおそれがあるため、本実施例の質量分析装置では特徴的な構成として、静電レンズ電極８を挟むようにＸ軸方向に離して互いに平行である２枚の平板磁極１１ａ、１１ｂ（一方がＳ極で他方がＮ極）から成る磁場形成手段１１を配置している。

図２は、この静電レンズ電極８と磁場形成手段１１とをイオンの入射方向から見た概略図である。静電レンズ電極８を挟む両平板磁極１１ａ、１１ｂ間には偏向磁場Ｂが形成され、その磁場Ｂ中での磁力線の向きはＸ軸方向である。

一般に電磁場中を飛行する荷電粒子の運動方程式は次の(1)式のようになる。なお、Ｘ、Ｙ、Ｚ三次元座標におけるベクトルは↑を付けて記述することとする。つまりａのベクトルをａ↑で示す。
ｍ（ｄ²ｒ↑／ｄｔ²）＝ｑ［Ｅ↑＋（ｄｒ↑／ｄｔ）・Ｂ↑］＝ｑ・Ｅ↑＋ｑ・（ｄｒ↑／ｄｔ）・Ｂ↑］ …(1)
ここでｍは荷電粒子の質量、ｑは電荷、ｒは位置座標、ｔは時間、Ｅは電場、Ｂは磁場である。

従来の構成のように磁場形成手段１１が無い場合には磁場Ｂは考慮する必要がないから、(1)式の右辺の第二項は無視できる。したがって、荷電粒子の初期エネルギーが同じであるならば、質量に依らず軌道は同一になる。イオンや電子は共に荷電粒子であり、最も小さな質量のイオンに対しても電子の質量は格段に小さいが、両者は同一の軌道をとり得ることになる。

これに対し、磁場形成手段１１により前述のように偏向磁場Ｂが形成されている場合には、(1)式の右辺の第二項を考慮する必要がある。これは、偏向磁場Ｂを通過する際に荷電粒子に作用するローレンツ力であり、その力の方向は、荷電粒子の移動方向（Ｚ軸方向）及び磁場の磁力線の方向（Ｘ軸方向）に共に直交する方向、つまりＹ軸方向になる。即ち、荷電粒子である電子やイオンは偏向磁場Ｂを通過する際にその軌道がＹ軸方向に曲がるような力を受ける。しかしながら、その際の偏向量は質量に依存し、質量が小さなものほど大きな偏向量となるため、イオンは殆ど偏向されなくても電子は大きく偏向する。

図３はこの偏向の様子を示す模式図である。平板磁極１１ａ、１１ｂにより形成される偏向磁場Ｂ中に入射したイオンは殆ど偏向せずにほぼ真っ直ぐに進む（但し高周波電場の場合には振動する）軌道Ｐ１をとるが、電子はＹ軸方向に大きく屈曲した軌道Ｐ２をとる。したがって、イオンは偏向磁場Ｂが無いときとほぼ同様に四重極質量フィルタ９に入射して質量分析の対象となるが、電子は四重極質量フィルタ９に入射する手前で排除され四重極質量フィルタ９に入射しない。これにより、電子が四重極質量フィルタ９に入射し、さらにはイオン検出器１０に到達することによる問題を解消できる。

次に、本実施例の質量分析装置における電子の排除効果を検証するために行った軌道のシミュレーション結果について説明する。図４は静電レンズ電極８による静電場に偏向磁場を重畳しない場合の軌道シミュレーション結果を示す図であり、（ａ）は質量数500のイオンの軌道、（ｂ）はイオンと同方向に出射された電子のイオン軌道である。イオンはその殆ど全てがイオン光学系を通過して四重極質量フィルタに入射し得るが、不要な電子もその殆ど全てがイオン光学系７を通過してしまうことが分かる。

図５は静電レンズ電極８による静電場に上述したような偏向磁場Ｂを重畳した場合の軌道シミュレーション結果を示す図であり、図４と同様に（ａ）は質量数500のイオンの軌道、（ｂ）は電子のイオン軌道である。このとき、偏向磁場の重畳にも拘わらずイオンの軌道は図４（ａ）と殆ど変化せず、その全てがイオン光学系７を通過して四重極質量フィルタに到達し得る。一方、電子は偏向磁場によりその軌道が曲げられ、殆ど全てがイオン光学系７の出射側電極に衝突してしまい四重極質量フィルタには到達できない。この結果を見れば分かるように、本実施例の質量分析装置では、イオンの輸送効率に影響を与えることなく、不要な電子のみを四重極質量フィルタの手前で効率良く排除することができ、これによりバックグランドノイズの低減を図ることができる。

上記実施例では磁場形成手段１１は平行な平板磁極１１ａ、１１ｂとしていたが、実際には電子を偏向させる方向はＺ軸方向を除くいずれかの方向、好ましくはＺ軸に直交するいずれかの方向であればよいので、平行な平板磁極でなくても各種の形状とすることができる。図６は静電レンズ電極と偏向電場発生用磁極を共用化した構造の一例であり、図２と同様にイオンの入射方向から見た概略図である。この構成では、それぞれＳ極、Ｎ極の磁性を有する半円筒形状の電極１２ａ、１２ｂが所定距離離して対向して配置されている。これによれば、構造が簡単でコストを引き下げることができる。

なお、上記実施例では、質量分析部を四重極質量フィルタとしたが、これに限るものではなく、飛行時間型質量分析装置、セクター型質量分析装置、或いはその他、電子の入射が性能に悪影響を及ぼすおそれがあるような質量分析部を有する質量分析装置全般に適用することができる。また、イオン源も電子衝撃型イオン源のみに限らないが、イオン化に電子を利用するもの、例えば化学イオン化法によるイオン源などに特に有用である。

本発明の一実施例による質量分析装置の要部の概略構成図。 本実施例による質量分析装置において静電レンズ電極と磁場形成手段とをイオンの入射方向から見た概略図。 偏向磁場中での電子とイオンの軌道を示す模式図。 静電レンズ電極による静電場に偏向磁場を重畳しない場合の軌道シミュレーション結果を示す図であり、（ａ）は質量数500のイオンの軌道、（ｂ）はイオンと同方向に出射された電子のイオン軌道。 静電レンズ電極による静電場に偏向磁場を重畳した場合の軌道シミュレーション結果を示す図であり、（ａ）は質量数500のイオンの軌道、（ｂ）はイオンと同方向に出射された電子のイオン軌道。 本発明の他の実施例による質量分析装置の静電レンズ電極と偏向電場発生用磁極を共用化した構造を示す図。

符号の説明

１…真空容器
２…真空ポンプ
３…接続管
４…イオン化室
５…フィラメント
６…トラップ電極
７…イオン光学系
８…静電レンズ電極
９…四重極質量フィルタ
１０…イオン検出器
１１…磁場形成手段
１１ａ、１１ｂ…平板磁極
Ｂ…偏向磁場
Ｃ…イオン光軸

Claims (2)

1. イオン源から出発したイオンを質量分析部まで輸送するイオン光学系を有する質量分析装置において、前記イオン光学系により輸送されるイオンの経路上に偏向磁場を形成する磁場形成手段を備え、前記偏向磁場により前記質量分析部に導入される電子を排除するようにしたことを特徴とする質量分析装置。
2. 前記イオン源は電子衝撃イオン化法によるイオン源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。
   

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