JPS5836464B2 - シツリヨウブンセキソウチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は質量分析方法及び装置、特に新規なな方式の
質量分析装置に関するものである。

質量分析装置は試料を真空中でイオン化し、個個のイオ
ンをその質量ｍと電荷ｅの比ｍ／ｅに応じて分離測定し
てマススペクトルを得るもので以下に最も一般的な磁界
形原収束質量分析装置についての原理を簡単に説明する
。

真空中で電子衝撃によってイオン化された試料は数千ボ
ルトの電界で加速されてイオンビームとなり、一様磁界
に磁力線と直角に入射するこのイオンビームぱ電荷の流
れなので、電流と同じく磁界内でフレミングの法則の力
を受けて軌道を曲げられ円軌道を描く。

い１磁界内の磁束密度をＢ、イオンの質量をｍ、電荷を
ｅ、速度を■、軌道半径をＲとすると、イオンに働らく
電磁力はＢｅＶ、遠心力は、ｍＶ２／Ｒとなり両者は釣
合うので、 となる。

筐たイオンの加速電圧を■とすると、イオンに与えられ
たエネルギーｅＶ、イオンのもつエネルギーぱｍ２／２
となり、 が或立し、（１），（２）式より となる。

い１■をボルト、Ｂをガウス、Ｒをｃｍ、ｍを原子量単
位、ｅを電子の電荷を１とした単位で表わすと、イオン
の質量数ｍ／ｅは となり、この式はイオンの質量数と加速電圧、磁界の強
さ、軌道半径の関係を示す基本式である。

この式から明らかなように軌道半径Ｒと加速電圧■を一
定にして磁束密度Ｂを変えると質量数ｍ／ｅの走査がで
きマススペクトルが得られこれを磁界走査と呼んでいる
。

この磁界走査形質量分析装置では磁界を電磁石で構或し
、磁界の励束電流を変えることによって磁束の強さに変
化を与えマススペクトルを得るようにしているが、次の
ような問題点がある。

その一つは励磁電流を急激に変化させると鉄心の中に逆
起電力を生じて渦電流が流れ、磁束の変化が励磁電流の
変化に追随しないことである。

すなわち励磁電流の変化に対し磁束の変化は遅れを生じ
、励磁電流を高速で変化させても磁束は低速でしか変化
しないのである。

（質量分析装置の電磁石は重量数十時以上の大きなもの
であり、この影響が大きい。

）特に磁束の強さを下げる方向は遅れがひどく、励磁電
流を急速に零にしても磁束がほぼ零になるのに数秒もか
かり高速繰返し走査ができない欠点がある。

この影響を少くするため、逆方向に電流を流して消磁に
要する時間を短縮する方法や、鉄心をトランスのように
珪素鋼板を重ね合わせた積層形構造にする方法などがな
されているが充分な効果があがっていないのが現状であ
る。

さらにこの磁界走査方式の他の欠点は磁界材料が本質的
にもっているヒステリシスのため、励磁電流と磁束の強
さ、すなわち質量数との関係の再現性が悪いことである
。

ガスクロマトグラフ質量分析計ではマスフラグメントグ
ラフイーと呼ばれる分析手法がよく用いられる。

この手法では一般の質量走査は行われずえらばれた数個
の質量数のイオンのみが順次検出器に至るようにセット
される。

質量数の切換は１秒間に数回〜数十回の早さで行なわれ
る。

このときの質量数の切換に磁束の強さを変化させると磁
束の強さの再現性が悪いためセットした質量数にずれを
生じ、正しい測定ができない。

従ってこの場合は磁束の強さは変化させず加速電圧を変
化させることによって質量数の切換を行なっているが、
加速電圧の変化による感度や分解能の変化があり、定量
精度が低下するので、大巾な変化を与えることができず
、質量変化範囲を限定して用いなければならない欠点が
ある。

この磁界走査方式の欠点を除くため電圧走査方式が用い
られることがある。

これは基本式（４）のＢを一定にした■を変化させるこ
とにより、ｍ／ｅを走査する方式である。

電圧走査は高速走査が可能であり、与える電圧と質量数
との再現性もよいが次の欠点をもつ。

その一つは加速電圧■により感度と分解能が変ることで
、その結果質量数による感度差があり、定量測定やデー
タの解析に支障を生じることであり、他の短所は質量数
ｍ／ｅと■が逆比例するので高質量側で■を下げる必要
があり、感度、分解能が低下する。

一般に質量分析法による分析では高質量側のデータが重
要であり、そこで感度や分解能が低下するのは大きな欠
点である。

以下図面に従ってこの発明の構成を説明する。

図にむいてＩｓはイオン源で、このイオン源に導入され
た試料ガスはこの中でイオン化され、イオン源に加えら
れた数千ボルトの電圧で加速されながら帯状のイオン流
となり、集束電極の作用でイオン源スリットＳ１上に収
束する。

このイオン源スリットＳ１を通過したイオンビームぱ、
静電収束レンズＬ，により収束され、次段の静電偏向板
（偏向手段）Ｄ１に到る。

この偏向手段Ｄ１に偏向電圧を印加することによりイオ
ンビームが曲げられ、いろいろの軌道を通り磁界Ｍに入
射する。

このとき磁界中においてのイオンビームの通過経路は、
イオンビームの磁界への入射角度（あるいは偏向手段に
釦ける偏向角度）に応じた軌道半径を各イオンがとり特
定のイオンのみが静電偏向板（偏向手段）Ｄ２に到り偏
向され（このとき磁界前後の偏向手段は、連動されてい
る必要がある）、静電収束レンズＬ２で検出器スリット
Ｌ２上に収束されて検出器Ｄで検出されるようになる。

この発明は上記の従来装置の欠点にかんがみ発明された
もので高速質量走査のできる全く新らしい方式による磁
界形質量分析装置に関するもので上記（４）式にかいて
従来装置によって一定として取扱われて来た軌道半径Ｒ
を変化させて質量走査を行なうようにするものであり、
磁界中のイオンビームの通過経路を変更してイオンの軌
道半径を変えて質量走査を行なうようにした質量分析装
置であり、渣た磁界前段にイオンビームの偏向手段を有
し磁界に入射するイオンビームの角度を変え得るように
した質量分析装置であり、さらに磁界の前後に収束レン
ズ・偏向手段をそれぞれ配置するとともにこれらの偏向
手段を連動して動作させるようにした質量分析装置であ
る。

以上の構或にち・いて静電偏向板Ｄ１によって偏向され
たイオンピームの磁界Ｍへの入射方向（点）を磁界の左
側に釦いて各々１，２，３，５，１０とすれば（この場
合例えばこの１，２，３，５，１０ぱ軌道半径Ｒに比例
していると仮定する）、磁界からの出射（点）は磁界の
右側に卦いて、例えば各々図のような軌道を経て１，４
，９，２５，ｉｏｏとなり（この１，４，９，２５，１
００はＲ２であり、質量数に比例）、図のとと〈磁界中
では円軌道を描くものである。

い１、偏向角ａのイオンビームが磁界に入射するとする
と、このイオンビーム中の軌道半径Ｒ，＝３のイオンの
みが、つ渣りＲ２−９に比例する質量数のイオンのみが
図示の軌道を通り静電偏向板Ｄ２を介して検出されるこ
ととなり、他の軌道半径を有するイオン、例えばＲ＝１
．２ ， Ｒ，＝２ ， Ｒ，＝５，Ｒ＝１０等の軌道
半径をもつイオンは図の点線のごとき軌道をとり検出さ
れることはない。

よって偏向板Ｄ１によって磁界Ｍへのイオンビームの入
射位置と角度を変えてゆくことにより質量走査を簡単に
行ない得るのである。

以上に釦いては、この発明の基本的構成の概要を説明し
たが変形実施例として種々の構戒が考え得られる。

１）図に釦いては偏向前のビームの方向は、水平方向と
したが偏向の容易さ等の考慮のもとに図の左下方より偏
向板（手段）へ入射するように構成することができる。

２）磁界の形状・大きさは図では三角形状としたが、こ
の形状にかぎらず質量分散・分解能・質量範囲などによ
り不等辺三角形、台形、矩形等の種々の形状のものを使
用することができる。

また、磁極間隔（磁界強度）は平行であってもよいが、
低質量側で広がるくさび形（磁界を弱くする）を採用す
ることも効果的である。

３）静電収束レンズは上記実施例では磁界の前後に設け
たがいずれか一方のみでもよい。

４）実施例上に釦いて磁界後方の静電偏向板Ｄ２を省略
してこの場所に検出器スリットＳ２、検出器Ｄを設ける
ことも可能である。

５）静電偏向板Ｄ，，Ｄ２を使用せずとも空心コイルを
使用すれば磁界偏向でも可能である。

以上のように種々の変形実施例を本発明にあ−いては考
慮することができるが、この発明によってつぎのごとき
種々の効果を得ることができる。

１）質量走査を静電偏向板の電圧走査のみで行なえるた
めカトラポール形の質量分析装置と同じく高速走査が可
能となる。

２）イオン加速電圧が一定なので、原理的に高質量側で
の感度分解能の低下がない。

３）質量走査が電圧走査なのでｍ／ｅの再現性がよくマ
スフラグメントグヲフイーの質量範囲の制限がなくなる
。

４）質量弁別式全イオンコレクタの設置が容易、すなわ
ち全イオンコレクターを図の磁界の後方、例えば半径ｒ
＝ｉの入射角の延長上に設けてち−けば、半径ｒ＝ｉの
イオンは図のように曲がるが、これより重量のあるイオ
ンはその１筐全イオンコレクタに捕集されることとなり
、例えばガスクロマトグラフの流出戒分からキャリャガ
スのイオン或分を除き、試料のイオン成分のみを容易に
捕集し得るのである。

５）高い質量数のものでも検出可能であり、かつ磁界形
の質量分析装置でありながらカトラポール形の質量分析
装置の特長、すなわち上記の（１），（３） ， （４
）をも兼用しているのである。

以上に釦いてこの発明の構成を説明したが、この説明で
明らかなように従来装置に釦いて、定にする“と考えら
れていたイオンの軌道半径を変臣するという考え方によ
って上記のごとき種々の特長、構或を有する質量分析装
置が得られたのであるが、ここで昭和４１年５月２５日
に、丸善株式会社から発行された実験化学構座（読）１
４，「質量スペフトル」（日本化学会編）記載の２〜３
の質量分析装置と本願の発明のものとを比較してみる。

第２図は一般的な原収束質量分析装置であるが、この装
置においては磁界走査・電圧走査のいずれの方式もイオ
ン源Ｉｓを出て検出器ＩＣに到着してマススペクトルの
信号となるイオン■の磁界Ｍ中の軌道は質量数に関係な
く同一軌道半径をもっているが、この発明では第１図で
明らかなように質量数に応じて磁界中の軌道半径は異な
っているのである。

筐た、複式イオンコレクタ一方式の質量分析装置は、検
出器を２個有し特定した２種の質量数のイオンをそれぞ
れの検出器（コレクター）で同時測定を行なうものであ
る。

磁界の強さも加速電圧も一定で質量数の異なる軌道を通
るが各質量数毎に別個の検出器をもって同時検出をする
もので、質量走査を行なわず、磁界に入射する１でのイ
オンビームの軌道は一定であり、これらの点で本発明と
は相異するものである。

第３図は乾板方式の質量分析装置（例えば、Ｍａｔｔａ
ｕｃｈ−Ｈｅｒｚｏｇタイプ）であり、この方式もイオ
ン源Ｉｓからのイオン■は、電場Ｅ・磁場Ｍを介して質
量数に応じて異なる軌道（軌道半径）を通るものである
が、磁場Ｍ内の検出器Ｄは乾板で各質量数のイオン毎に
別個の検出器をそなえて同時検出をするものと見ること
ができる。

すなわち、上記複式コレクターのコレクターが無数に配
置されたものと見ることができ、従って前記と同じく各
質量数毎に専用検出器がある、質量走査をしない（イオ
ン軌道の時間的変化はない）、磁界に入射する軌道は一
定等の点で、本発明とは全く相違するものである。

また、二重収束質量分析装置も同じく磁界と電界を組み
合わせてイオンの方向と速度を同時に収束するタイプの
ものであるが、磁場内に入射するイオンビームを静電偏
向板で偏向させている。

このタイブの装置では偏向角は装置によって一定で、時
間的に変化させられることはなく、この点でやはり本発
明とは原理的に相違しているのである。

上記のように、この発明の質量分析装置は既存のタイプ
のものとは原理的に全く相違するものであり、その結果
上記のごとき特長を有し、図面に示した実施例だけに限
られるものではないのである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の質量分析装置を説明する
ものである。 第２図、第３図は従来の各種の質量分析装置の構成を説
明するものである。 Ｉｓ・・・・・・イオン源、ＳＩ・・・・・・イオン源
スリット、２１，２２・・・・・・収束レンズ、Ｄ１，
Ｄ２・・・・・・偏向板、Ｓ２・・・・・・検出器スリ
ット、Ｄ・・・・・・検出器、Ｍ・・・・・・磁界。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 試料をイオン化し、磁界中を走行させることにより
   各イオンをその質量数に応じて分離し検出する装置にお
   いて、磁界端面に入射するイオンビームの位置を順次変
   えて磁界中のイオンの軌道半径を変えて質量走査をする
   ためのイオンビームの偏向手段を磁界前段に設けるとと
   もに磁界の前後の少なくとも一方に上記検出イオンを、
   検出するための単一の検出器のスリットに収束させる収
   束レンズを配置したことを特徴とする質量分析装置。 ２ 磁界の前後に偏向手段を配置するとともにこれらの
   偏向手段を連動させることにより磁界中のイオンの軌道
   半径を変えて質量走査をするようにしたことを特徴とす
   る特許請求の範囲２の装置。