JPH04218251A - 四重極質量分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は四重極質量分析装置の分
解能向上に関する。

【０００２】

【従来の技術】四重極質量分析装置は中心対照的に配置
された四本の電極棒で構成され、ｘ軸方向に配置された
一対の電極棒とｙ軸方向に配置された一対の電極棒との
間に直流電圧Ｕと高周波電圧Ｖ　ｃｏｓωｔを印加し、
ｚ軸方向即ち電極棒と平行の方向にイオンを通すと、電
圧ＵとＶとで決まる特定質量のイオンだけが安定に電極
間を通過し、他の質量のイオンは発散してしまうので、
ＵとＶを適当な関係を保って変化させることにより質量
走査を行うことができる。四重極質量分析装置が完全に
作動し得るためには四本の電極棒はその直径，相互位置
関係に非常な高精度を要求される。しかし実際上、工作
誤差や組立誤差は避けられないので、完全な四重極電界
が形成されず、四重極質量分析装置で得られる質量スペ
クトルのピークには裾を引いたり、裾の上に突出部が出
来たりする異常が現れると云う問題があった。このよう
な問題に対し従来は組立部品を選択して用いると云うよ
うな方法で対処していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は四重極質量分
析装置の上述した質量スペクトルのピークの形に現れる
異常を部品の加工精度の向上とか、良い部品の選択と云
うような機械構造的な方法ではなく、電気的手段によっ
て解消しようとするものである。

【０００４】また、広い質量範囲の分析では上記電気的
手段によって新たなピーク形状の異常が生じる範囲が現
れるので、そのような異常が現れないように上記した電
気的手段に対する制御方法をも提供しようとするもので
ある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】四重極電極に直流電圧Ｕ
と高周波電圧Ｖ　ｃｏｓωｔの他に直流電圧に重ねて、
上記高周波電圧とは異なる周波数の小振幅の交流電圧Ｖ
ａ　ｃｏｓω’ｔを印加するようにした。そしてこの交
流電圧を直流電圧Ｕに対してしきい値Ｕｔを設定し、Ｕ
がＵｔを超えたとき、印加するようにし、Ｖａの値をＶ
ａ＝ｃ（Ｕ−Ｕｔ）　　ｃは定数 であるようにした。

【０００６】

【作用】図２は電圧Ｕ，Ｖを座標軸に取って四重極質量
分析装置の動作を説明するものである。一つの三角状の
カーブの下の領域が或る質量のイオンの安定領域で、各
質量のイオン毎に夫々の安定領域があって、質量の順に
図のように並んでおり、ＵとＶを各安定領域の頂点付近
を切るような図示ｌの軌跡に沿って変化させると、図の
下に示したような質量スペクトルが検出されることにな
る。こゝで本発明はＵ，Ｖの他にＶａ　ｃｏｓω’ｔと
云う交流を重畳するものである。以下の説明の便宜上、
Ｕ，Ｖ　ｃｏｓωｔを合わせて四重極電圧或は質量走査
電圧と云い、Ｖａ　ｃｏｓω’ｔを微小交流と云うこと
にする。図３は図２の一つの質量ｍのイオンの安定領域
を示す三角状領域の頂点付近例えばＰを拡大して示す。 この図は縦軸，横軸を四重極電圧Ｕ，Ｖおよび質量に関
係したパラメータで表すことにより、図２の各質量ピー
クを共通に一つの図で表している。上述したように四重
極電極にＶ　ｃｏｓωｔなる周波数の交流電圧の他にω
とは異なる周波数ω’の微小交流電圧を重畳すると、図
３に斜線を入れて示した帯状領域で質量ｍのイオンの運
動が不安定になり、四重極電極のｚ軸方向に通過できな
くなることが見出された。従って走査線ｌに沿って四重
極電圧のＵ，Ｖを変化させたとき、本来質量ｍのイオン
のピークプロファイルが図２ａの形になる所が裾が切れ
て同ｂの形となる。このためａのプロファイルで裾を引
いたり、裾の上に凸部が現れるような場合、その部分が
除去されるのである。

【０００７】上述した所を更に詳細に説明する。図３の
縦横各軸は夫々Ｕ，Ｖに比例するスケールであるが、夫
々のスケールを 横軸（４ｅ／ｍｒ２　ω２　）Ｖ＝ｑ 縦軸（８ｅ／ｍｒ２　ω２　）Ｕ＝ａ 但し　　　　ｍ　　　　質量 ｒ　　四重極に内接する円の半径 とすると、図３の不安定帯の存在域は安定領域を示す三
角形の頂点からの距離に対応するパラメータβｘ，βｙ
を用いて、（βｘは図中矢印の方向に１から小さくなり
、βｙは０から大きくなる）、（０≦βｘ≦１，０≦β
ｙ≦１） 　　　　−ε＋（ω’／ω）２　〈βｙ２　〈ε＋（ω
’／ω）２　　　　−ε＋（ω’／ω）２　〈（１−β
ｘ）２　〈ε＋（ω’／ω）２　　　　　但し　　　　
ε＝４ｅＶａ／ｍｒ２　ω２　 で表され、εは不安定帯の幅の１／２を与え、不安定帯
の幅の中心位置は（ω’／ω）２　で決まる。二つの不
安定帯の位置はω’／ωによって互いに連動的に変わり
、各々を独立して動かすことはできない。図３で四重極
電圧Ｕ，Ｖを走査軌跡ｌに沿って変化させるとき、不安
定帯が図のように生ずるようにすると、Ｖａを大きくす
るに従って不安定帯の幅が広がり、安定域の幅Ｂがせま
くなり、ピークプロファイルの裾が切れて分解能が向上
する。しかし走査軌跡ｌと不安定帯の位置および幅の関
係をうまく設定しないと、不安定帯がピークプロファイ
ルの中に入込んで図５に示すようなピークプロファイル
になる。

【０００８】こゝで不安定帯の位置はω’／ωで決まり
幅が微小交流の電圧Ｖａで決まるが、微小交流の周波数
ω’を変えるより、Ｖａを変える方が容易である。そこ
で走査線ｌと不安定帯との関係を制御するのにＶａを可
変とし、Ｖａを次のように決める。一般的に質量分析で
は分解能が質量に比例するように走査ｌの傾きとか高さ
を決めている。ピークプロファイルの形が問題になるの
は低質量低分解能領域ではなく、高質量高分解能域であ
る。図３でピークプロファイルの頂点は安定領域三角形
の頂点直下の位置で、その点のｑの値は走査線を上下し
ても動かない。従ってそのｑ点は質量を表す。ｑの値は
０．７０６であり、また４ｅＶ／ｍｒ２　ω２　である
から質量ｍに対して四重極電圧のうち高周波電圧Ｖが一
つに決まり、そのＶが質量を表すことになる。走査線ｌ
の安定領域三角形の頂点直下の高さをａとし、同じく三
角形頂点直下で基準高さをａｔとする。このａｔに対す
るＵの値がＵｔでａｔ＝８ｅＵｔ／ｍｒ２　ω２　によ
りしきい値Ｕｔが質量ｍに比例して決まる。このＵｔが
第２図に直線Ｕｔで示されている。走査線ｌは安定領域
三角形の頂点に近い所を通る程分解能は大になるから、
ａｔに対してａが高い位置に来る程分解能が大となる。 図３から明らかなようにａがａｔより高くなる程不安定
帯の幅を広くしなければならない。走査線ｌはＵ＝ｋＶ
−ｈの形で与えられており、図２でｌは或る質量の所で
、Ｕｔの直線を切ってＵｔの上に出る。本発明は走査線
ｌ１がＵｔの直線を切る質量以上の所で不安定帯の幅を
Ｕ−Ｕｔに比例するように広げていくのである。このよ
うにすれば図３でａが大になる程つまり高分解能が要求
される所で不安定帯の幅が大となり、質量スペクトルピ
ークの裾がカットされ、ピークプロファイルの形の異常
の影響か防がれることになる。

【０００９】不安定帯の幅εはε＝４ｅＶａ／ｍｒ２　
ω２で与えられるので、Ｖａを（ａ−ａｔ）に比例させ
ると、パラメータａの定義から、Ｕｔは質量に比例させ
ており、質量はＶによって決められるのでｑ＝０．７０
６＝４ｅＶ／ｍｒ２　ω２　からｍ＝４ｅＶ／　０．７
０６ｒ２　ω２　＝ｂＶと書ける。そこでＶａはＶａ＝
ｃ（Ｕ−Ｕｔ）＝ｃ（Ｕ−ｇＶ）このようにＶａを決め
ると、不安定帯の幅εはε＝４ｅＶａ／ｍｒ２　ω２　
＝４ｅｃ（Ｕ−ｇＶ）／ｍｒ２　ω２こゝでＵ＝ｋＶ−
ｈであるからε＝ｃ’（ｋ’Ｖ−ｈ）・４ｅ／ｍｒ２　
ω２　となる。所がｍ＝ｂＶであるからＶ＝ｍ／ｂであ
り、ε＝４ｃ’ｋ’ｅ／ｂｒ２　ω２　−２ｃ’ｋｅ／
ｍｒ２　ω２となり、上式の右辺第１項は定数であり、
第２項はｍが大になる程小さくなるので、εが大きくな
る程大となる。即ち質量の大きな所で不安定帯の幅が広
がるのである。

【００１０】

【実施例】第１図は本発明の一実施例の電圧印加回路を
示す。図で１ｘ，１ｙが四重極電極で、イオンはこの四
重極配置の中心部を図の紙面の垂直方向に進行し、その
間に四重極電極に印加される電圧によって決まる特定質
量以外のイオンはｘ，ｙ平面内の振動の振幅が増大して
発散してしまう。ｘ方向の一対の電極１ｘとｙ方向の一
対の電極１ｙとの間に直流電圧Ｕおよび高周波電圧Ｖ　
ｃｏｓωｔが印加される。Ｄは直流電源で、直流電源Ｄ
と並列にの交流電源Ａが接続されている。Ｈは角周波数
ωの高周波電源でトランスＴを介して電極１ｘ，１ｙ間
にＶ　ｃｏｓωｔの高周波電圧を印加する。直流電源Ｄ
および高周波電源Ｈは出力電圧可変であり、制御装置Ｃ
によってＵおよびＶの値を第１図に示すｌの軌跡に沿っ
て変化させ質量分析を行う。

【００１１】付加される微小交流のＶａ　ｃｏｓω’ｔ
の振幅ＶａはＶがｋＶのオーダであるのに対して数ボル
トの範囲であり、周波数ω’はωの１／２０程度と小さ
な値である。図４は微小交流のＶａを前述したＶａ＝ｃ
（Ｕ−ｇＶ） の関係で変化させる回路の一例である。ＩＣ１に走査信
号が入力される。この信号は四重極電圧の高周波分の振
幅Ｖに比例した信号で、ＩＣ１を通した信号が図１の高
周波電源Ｈに送られる。他方加算回路ＩＣ２において、
定数−ｈ’が加算されると共にｋ’倍されて、Ｕ＝ｋＶ
−ｈなる直流信号が得られて、これが図１の直流電源Ｄ
に送られる。ＩＣ３は加算回路を構成しており、ＩＣ２
の出力はＵ＝ｋＶ−ｈの反転信号であり、この信号と、
Ｖそのまゝの符号の信号がＩＣ３で加算され反転された
出力が出るので、ＩＣ３の出力はＵ−ｇＶとなる。Ｕが
Ｕｔ以下では不安定帯の幅は０とするためフィードバッ
ク回路にダイオードを入れてＩＣ３の出力が負になると
きは、出力が０になるようにしてある。このＩＣ３の出
力が掛け算回路Ｑに入力され周波数ω’の発振回路Ｆの
出力と掛け算されて図１の交流電源Ａを励振する。図５
はこの不安定帯を表した質量スペクトルのピークプロフ
ァイルの一例を示し、不安定帯の影響を見易くするため
、第３図のＵ−Ｖ軌跡線をｌ’に下げて分解能を低くし
てあり、一つのピークが質量２１１から２１９の範囲に
拡がっており、二つの谷イ，ロが上述した不安定帯の作
用でピーク側面のカットされた部分である。ω’をωの
１／２０程度，Ｖａを数ボルトの程度にすると不安定帯
は図２の三角領域の頂点近くに位置して、ピークプロフ
ァイルの裾をカットするようにすることができるのであ
る。なお上述実施例では交流電圧Ｖａ　ｃｏｓω’ｔは
電極１ｘと１ｙとの間に印加されているが、１ｘだけ或
は１ｙだけに印加するようにしてもよい。

【００１２】

【発明の効果】本発明によれば、質量スペクトルのピー
ク形状の異常が改善されるため、四重極質量分析装置の
分解能が向上し、ピークの裾引きによる隣接ピークのか
さ上げがなくなるため、ピーク強度情報の信頼性が向上
する。しかもこれらの効果は部品の加工精度とか組立精
度の向上によらず、電気的手段で得られるので、実現が
容易であり、格別に高精度の四重極質量分析計でなくて
もよいのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の回路図、

【図２】四重極質量分析装置の作用説明図、

【図３】本
発明の作用説明図、

【図４】微小交流電圧発生回路の図、

【図５】不安定帯の影響を示す図。

【符号の説明】

１ｘ，１ｙ　　四重極電極 Ｄ　　　　　　　　　　直流電源 Ｈ　　　　　　　　　　高周波電源 Ａ　　　　　　　　　　交流電源 Ｃ　　　　　　　　　　制御装置。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　直交配置される四重極電極に直流電圧
   Ｕと周波数ωの高周波電圧Ｖの他に四重極電極の互いに
   対向する一対の電極と他の一対の電極との間或は何れか
   の一対の電極に上記高周波とは異なる周波数ω’の小振
   幅の交流電圧Ｖａを印加するようにしたことを特徴とす
   る四重極質量分析装置。
2. 【請求項２】　　四重極電極に印加される直流電圧Ｕに
   対して質量に比例したしきい値Ｕｔを設定し、Ｕがこの
   しきい値を超える範囲で交流電圧Ｖａを印加するように
   し、このＶａの値を Ｖａ＝ｃ（Ｕ−Ｕｔ）　　　　ｃは定数であるようにし
   た請求項１記載の四重極質量分析装置。