JP5114930B2

JP5114930B2 - 質量分析計イオン源

Info

Publication number: JP5114930B2
Application number: JP2006323439A
Authority: JP
Inventors: 顕一北村
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2006-11-30
Filing date: 2006-11-30
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2026-11-30
Also published as: JP2008140583A

Description

ガス状サンプルを導入してイオン化する質量分析計におけるイオン源のイオン化部の加熱に関する。

本発明は、サンプル化合物分子の質量を測定する質量分析計たとえば、ガスクロマトグラフ質量分析計（以下ＧＣ／ＭＳと称する）におけるイオン源について説明する。

ＧＣ／ＭＳでは、分析するサンプルを気化した状態で装置に導入しイオン化しイオンの分離および測定を行うが、サンプルがとくに高沸点化合物の場合温度低下の起こった場所に吸着し分析感度の低下が生じる。

ＧＣ／ＭＳの構成部品のひとつであるイオン源においても同様の影響があるためイオン化室内の壁への付着を防止する手段として、イオン源のイオン化室は加熱し保温される。通常イオン化室を加熱し保温するためにイオン源に機能上必要とされるサンプルガス分子をイオン化するための電子線を放射するフィラメントおよびリペラー電極、収束レンズ、マグネットを避けて熱源を配置する（特許文献１参照）。

図５、図６および図７はＧＣ／ＭＳのイオン源の構造を示している。図５はイオン源の正面図を示す。図６は図５の矢線Ｉ−Ｉにおける断面図を示す。図７は図５の平面図を示す。

図５で、１５は熱源でヒータ２と温度センサー３とヒートブロック１（図６、７に示す）で構成され、９ａはリペラー電極リード端子で１０はフィラメントリード端子、１０ａはフィラメント取付けネジであり、２６はプレートで熱源１５とリペラー電極９とイオン化室箱８（図６に示す）を取付けるためのプレートを兼ねており、これらの部品はイオン源を構成する部品の一部である。１３はサンプル導入部である。熱源１５によりイオン化室箱８は加熱され、ＧＣからのサンプルガスはサンプル導入部１３を通してイオン化室箱８内に導入される。

図６で、イオン化室箱８に設けられた電子入射孔１７を通してイオン化室Ａにイオン化室箱８の外部に配置されたフィラメント（図示せず）から放射された電子を紙面に垂直方向に入射させ、サンプル導入部１３を介してイオン化室箱８に接続されたガスクロマトグラフのカラム２８によりサンプル導入孔１９を通してイオン化室Ａに導入されたサンプルガス分子をイオン化する。前記フィラメントは２個設けられている場合があり一方が作動しているときは他方は電子トラップとして機能する。イオン化室Ａで生成されたサンプルイオンは、リペラー電極９によりイオン化室箱８に設けられたイオン出射孔１８よりレンズ電極１１、１１ａが形成する電界レンズ空間Ｃに押し出され収束されてイオンビーム２９は真空チャンバーＢ内に設けられた質量分離部に導入され質量分離されイオン信号として検出される。なお、１１ｂはレンズ電極１１、１１ａを固定するための位置決めピンである。２０はプレート２６によりイオン化室箱８とリペラー電極９をイオン化室プレート２３に締結固定するためのボルトであり、２０ａはイオン化室プレート２３に設けられたボルト２０を止めるタップ穴である。

図７では図５で説明したように、熱源１５はヒートブロック１とそれに埋設したヒータ２と温度センサー３で構成され、イオン化室プレート２３に固着している。熱源１５からの熱はイオン化室箱８を載架しているイオン化室プレート２３を通じてイオン化室箱８に伝導され、イオン化室Ａが所定温度に保持されるようになっている。２４はスペーサでフィラメント（図示せず）とマグネット２１の保持とイオン化室箱８とイオン化室プレート２３の固定を兼ねており、１２はイオン源のベース板である。マグネット２１はイオン化室箱８の外側に配置したフィラメント（図示せず）の後方に配置されておりフィラメントから放射される電子流をイオン化室Ａ内で集光してサンプルガスと電子線の衝突断面積を大きくしイオン化効率を高める働きをする。

しかし、上述した従来のイオン源では熱源１５の配置およびイオン化室箱８に接触して熱を伝導するイオン化室プレート２３の材料と、イオン化室プレート２３を支持するスペーサ２４の材料によりまたそれらの配置や構成により、イオン化室箱８とイオン化室Ａの加熱および保温の効率性が問題である。また装置を停止してメンテナンスを行う場合は、高温での大気暴露による部品材料表面の劣化をさけるために真空中でイオン源の温度を下げる必要があるが、真空中であるため前記部品の材料と配置や構成によりメンテナンス可能な温度である約４０度以下に低下するまでに長時間を要する問題もある。
特公平６−７５３９０号公報

熱源１５は、熱源が接触しているイオン化室プレート２３を通じてイオン化室箱８を加熱、保温するが位置的な制約があり、図５、図７のようにサンプル導入部１３の反対側に熱源１５を配置することになる。この構成では熱源１５から発生した熱は、イオン化室プレート２３、スペーサ２４、ベース板１２を通って真空チャンバーＢに逃げる。この場合、熱源１５からイオン化室プレート２３およびスペーサ２４に向かって熱の移動がありサンプル導入部１３側に向かって熱勾配が発生する。図６で熱源１５から遠いサンプル導入部１３側のイオン化室箱８の温度が低下しサンプル導入孔１９側のイオン化室箱８の内壁およびサンプル導入孔１９の内壁に高沸点成分サンプルの吸着が起こり分析感度の低下を引き起こす。温度低下分を補うように設定温度を上昇させることが対策として考えられるが、熱が逃げるためイオン化室箱８の内壁の温度が均一にならずに温度差が発生し必要以上に高温の部分ができる。そのため化合物によっては内壁に接触して分解し正確な分析ができない。

従って、熱源１５からイオン源に伝導される熱の損失を減らして、サンプルが接触する部分は温度差を少なくし、均一に保持することができない問題がある。また、装置を停止してメンテナンスを行う場合はイオン源の温度を下げなければならないが、真空雰囲気ではメンテナンスが可能な温度に低下するまで長時間を要するため温度低下時間を短縮する必要がある。

特許文献１に示す技術では、図５の破線で示すようにインタフェースブロック１４がイオン化室箱８に当接するようにした構造になっており、サンプルガス分子はインタフェースブロック１４の中心線を貫通したサンプル導入流路よりイオン化室に導入される。インタフェースブロック１４を熱源として利用しイオン化室箱を加熱していたがイオン化室の加熱、保温が効率良く行えない問題とイオン化室箱をインタフェースブロック１４に対して独立して加熱、保温ができない問題がある。

本発明は、従来の質量分析計のイオン源部の加熱、保温および放熱に関する上述のような問題点を解消するイオン源を提供しようとするものである。

本発明が提供するイオン源は、上記課題を解決するために、加熱源をサンプル導入部と反対側に配置しまたはイオン化室箱を包囲するように配置し、イオン化室箱と加熱源を直接載架するイオン化室プレートをサンプル導入部に近い側は断熱体で支持しあるいは支持せずに、サンプル導入部から遠い側は放熱体で支持する構成とする。この構成により適正な加熱が保証される。

本発明によれば、加熱源からのイオン化室箱への熱伝導が効率良く行えるためイオン化室内の温度分布が熱源に近い温度で均一に保持され、高沸点化合物サンプルがイオン化室箱のサンプル導入孔側のイオン化室壁およびサンプル導入孔部分に吸着するのを抑えることができる。また、イオン化室の内壁が必要以上に加熱されることもなくサンプルの分解も起こらず分析感度が向上する。熱源側を放熱性のある部材で固定しているので、装置を停止してメンテナンスを行う場合などはイオン源の冷却時間を短縮することができ、迅速にメンテナンスを行うことができる。

サンプル導入部側の固定を断熱性の高い材料を用いて放熱の少ない構造とすることでこの熱流量の損失を減少させることができる。また、イオン化室プレートの熱伝導性が増加するように材料および構造を決めることで単位熱流量に対する温度低下量を減少できる。

さらに本発明はサンプル導入部以外の部位でイオン化室プレートを固定するものである。この構成によりさらに熱損失を減少させる。

サンプル導入部側に支持点を設けないことによって、サンプル導入部側への熱流を無くしているため請求項１よりも熱損失が少ない。また、イオン化室プレートの熱伝導率が増加するように材料および構造を決めることで単位熱流量に対する温度低下量をさらに減少させることができる。その結果、サンプル導入部側のイオン化室の温度がより熱源に近い温度になりイオン化室壁の温度分布が改善される。

本発明はさらに熱源の形状を、イオン化室箱を包囲する形として構成する。すなわちイオン化室プレートの支持位置をイオン化室の温度低下に影響を与えない熱源の外側の位置とし、イオン化室箱に接触する部分のイオン化室プレートの温度勾配発生を防止し、イオン化室の温度低下を生じさせないようにする。イオン化室箱が熱源にて包囲された形となり、この状態で熱源の温度調整を行うと、真空チャンバーにつながる支持部分に向かって熱流が発生することになるが、イオン化室箱自体には放熱経路が設けられておらず真空チャンバーに向かっては熱流が発生せず、温度低下も発生しない。

以下本発明を実施例にしたがって説明する。
図１と図２および図３は本発明の第１の実施例を示す。図１はイオン源の正面図であり図２は矢線Ｉ−Ｉにおける断面図、そして図３は平面図を示している。図２に示すようにイオン化室箱８およびプレート２６、フィラメント（図示せず）、リペラー電極９、レンズ電極１１、１１ａの構造および配置は従来技術と同等である。なお、図１から図４において図５から図７に示す符号と同一の符号で示す部品は図５から図７における部品と同一であり、これらについての詳細な説明は省略する。

図１で、熱源１５はヒータ２と温度センサー３とヒートブロック１から構成されており、熱源１５のヒートブロック１が別途の温度制御手段によって一定温度に保たれると、ヒートブロック１に固着しているイオン化室プレート上４とイオン化室プレート下５（図２に示す）が熱源１５に近い温度まで加熱される。

図２に示すようにイオン化室プレート上４はイオン化室箱８の低部の近い側に接触しておりイオン化室プレート下５はイオン化室プレート上４の下側に接触して固定されており、イオン化室プレート上４を熱伝導率の高い材料、例えばアルミ合金、銅合金などで構成し、熱源１５からの熱がイオン化室プレート上４を通して効率良くイオン化室箱８に伝わるようにしている。イオン化室プレート下５は熱伝導率がより低い素材、例えばステンレスなどで構成しているが、これは、図２に示すように下側のイオン化室プレート下５にプレート２６によりイオン化室箱８とリペラー電極９をボルト２０で締結固定するためのタップ穴２０ａを設け、アルミ合金などにタップ穴を設けると繰り返し締結に耐えられず、下側のプレートを別素材とするためである。なお、２７はリペラー電極９を位置決めするためのプレートである。

温度の低下量を最少とするだけであれば、イオン化室プレート上４とイオン化室プレート下５は熱伝導率の高い素材で一体の構成にすることが望ましい。イオン化室プレート上４とイオン化室プレート下５を位置決めし保持する図３のサンプル導入部１３側のスペーサ６は、伝熱量が少なくなるような断面形状と長さにして、後述のスペーサ７に比べて放熱量を減少させている。スペーサ７はフィラメント（図示せず）とマグネット２１の保持とイオン化室プレート上４とイオン化室プレート下５の固定を兼ねており、イオン化室プレート上４との接触面積は、放熱量を増やすため機能上問題のない範囲で最大となっている。

接触面積を多くするのは、熱源１５の温度調整を切った後、冷却が短時間で終了することを目的としており、この接触部分を通じての放熱量は、先述のスペーサ６を通じた放熱量に比べて大きくなる。しかし、この熱流は放熱流路が設けられていないイオン化室箱８近辺を通過することはなく直接真空チャンバーＢに行くので、イオン化室Ａの温度低下を起こすことはない。また、ヒータ２は発熱量がスペーサ７を通した放熱量に対して十分な余裕があるものを使う。なお、図２、図３に示すようにイオン化室箱８およびフィラメント（図示せず）、リペラー電極９、レンズ電極１１、１１ａ、マグネット２１はその固定位置も重要な要素であり、相互の位置決めができるようベース板１２に固定されている。

これらの部品を保持しているイオン化室プレート下５とスペーサ７は、嵌合構造でベース板１２に固定されている。

図４は本発明の実施例２を示す。図４は実施例１の正面図である図３に対応する正面図である。

この実施例２と実施例１との差は、図４に示すようにサンプル導入部１３側の支持は行わない点にある。すなわち、実施例１の図３におけるスペーサ６を無くした構成である。これによって、イオン化室箱８周辺のイオン化室プレート上４、イオン化室プレート下５を通って逃げる熱量は微量となり、イオン化室プレート上４自体の熱伝導性は問題とならない程度となるので、熱伝導性よりも強度を確保できる素材、例えばステンレスなどで構成することができる。

従って、実施例１では、図２と図３ようにイオン化室プレート上４およびイオン化室プレート下５の２枚重ねの構造としていたが、本実施例２では図４のように１枚構造のイオン化室プレート２５にすることができる。

実施例３は、上記した実施例１における構成においてイオン化室箱８全体を加熱する構造としたものである。イオン化プレート上４およびイオン化室プレート下５を支持する点は、熱源１５と同位置または、熱源１５よりも外側に配置する。実施例２と同様にサンプル導入部１３側の支持は行わない。熱源１５は、実施例１でいうところのスペーサ７と一体構造として、イオン化室箱８のサンプル導入部１３側まで熱伝導させる。

これによって、イオン化室箱８周辺のイオン化室プレート上４とイオン化室プレート下５を通って逃げる熱量はごくわずかとなり、イオン化室プレート自体の熱伝導性は問題とならない程度となるので、熱伝導性よりも、強度を確保できる素材、例えばステンレスなどで構成することができる。従って、この実施例の場合も、イオン化室プレート上４およびイオン化室プレート下５は実施例２と同様１枚構造とすることができる。

本発明は、ガス状サンプルを導入してイオン化する質量分析計のサンプルイオン化部の加熱および保温に関するものであり、またイオン源の冷却時間に関するものでありガスクロマトグラフ質量分析計などに利用可能である。なお、上記実施例においては熱伝導率がより低い材料としてステンレスを例に挙げたが、このステンレス材に限定されるものではなく使用条件が合えば他の材料を利用できる。

本発明のイオン源を示す正面図である。本発明のイオン源を示す図１の矢線Ｉ−Ｉにおける断面図である。本発明のイオン源を示す平面図である。本発明のイオン源を示す平面図である。従来例のイオン源の正面図である。従来例のイオン源の図７の矢線Ｉ−Ｉにおける断面図である。従来例のイオン源の平面図である。

符号の説明

１ヒートブロック
２ヒータ
３温度センサー
４イオン化室プレート上
５イオン化室プレート下
６スペーサ
７スペーサ
８イオン化室箱
９リペラー電極
９ａリペラー電極リード端子
１０フィラメントリード端子
１０ａフィラメント取付けネジ
１１レンズ電極
１１ａレンズ電極
１１ｂ位置決めピン
１２ベース板
１３サンプル導入部
１４インタフェースブロック
１５熱源
１７電子入射孔
１８イオン出射孔
１９サンプル導入孔
２０ボルト
２０ａタップ穴
２１マグネット
２３イオン化室プレート
２４スペーサ
２５イオン化室プレート
２６プレート
２７プレート
２８カラム
２９イオンビーム
Ａイオン化室
Ｂ真空チャンバー
Ｃ電界レンズ空間

Claims

試料をイオン化するイオン化室を内方に有するイオン化室箱と、試料を前記イオン化室に導入する試料導入部と、前記イオン化室箱を加熱する加熱源と、前記イオン化室箱と前記加熱源を載架するイオン化室プレートと、前記イオン化室プレートと前記加熱源を固定し前記試料導入部に対して近い側に設けられた第１のスペーサと、前記イオン化室プレートと前記加熱源を固定し前記試料導入部に対して遠い側に設けられた第２のスペーサとを備えた質量分析計イオン源において、前記加熱源は前記試料導入部と反対側に配置され、前記第１のスペーサは前記第２のスペーサと比べて放熱量が低いことを特徴とする質量分析計イオン源。
試料をイオン化するイオン化室を内方に有するイオン化室箱と、試料を前記イオン化室に導入する試料導入部と、前記イオン化室箱を加熱する加熱源と、前記イオン化室箱と前記加熱源を載架するイオン化室プレートと、前記イオン化室プレートと前記加熱源を固定するスペーサとを備えた質量分析計イオン源において、前記加熱源を前記試料導入部と反対側に配置し、前記スペーサを前記試料導入部に対して遠い側に設け前記試料導入部に対して近い側には設けないことを特徴とする質量分析計イオン源。
請求項１又は２に記載された質量分析計イオン源において、前記加熱源は前記イオン化室箱全体を加熱する構造であることを特徴とする質量分析計イオン源。