JPS59209258A - 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】 ［産業上の利用分野１ 本発明は、測定質量範囲が広く、感度及び分解能の面で
優れ、しかも小形化が可能な質量分析装置に関する。

［従来技術］ 最近、生化学等の応用分野から高質量分子を分析したい
という要望が強くなって来ており、それに応えるものと
して、高速の一次イオンや中性粒子による衝撃によって
試料をイオン化するイオン化法が注目を浴びている。こ
のイオン化法によれば、従来の電子衝撃イオン化法（Ｅ
ｌ）あるいは化学イオン化法（ＣＩ）等では困難である
Ｉｌｌ／Ｚ＝２０００〜５００’Ｏ程度の高質量分子の
イオンを比較的容易に作成できるようになった。このよ
うな高質量分子イオンは、現在のところ大型の質量分析
装置で分析する他ないが、大型の質量分析装置は極めて
高価で、誰でも容易に使用できる状態にはない。そのた
め、小型又は中型で高質量域まで分析できる質量分析装
置が要望されており、例えば以下のような工夫が行われ
ている。

即ち、第１図（ａ）に示すような従来の小型乃至は中型
の質量分析装置の電場Ｅと一様扇形磁場１」をそのまま
使い、第１図（ｂ）に示すように磁場におけるイオン回
転角φｍを小さくし、測定質量範囲を拡大する方法であ
る。第１図においてＳはイオン源、Ｄはイオン検出器で
ある。しかしながら、この方法はφｍが小さくなるため
イオン軌道が長くなり、イオンビームの縦方向の拡がり
によってイオンのトランスミッション（通過効率）が悪
化し感度が低下してしまうし、同じくイオンビームの拡
がりにより２次及び３次の高次収差が大きくなり、分解
能も低下してしまうという大きな欠点がある。

ところで、本発明者は先に感度及び分解能の面で優れた
質量分析装置を提案した。この質量分析装置は、特願昭
５６−１１８６４５号に詳しく紹介されており、第２図
に概略の構成図を示すように、イオン源Ｓと一様扇形磁
場１とトロイダル電場Ｅとから成り、イオン源Ｓと一様
扇形磁場１との間に、通過するイオンビームの軌道平面
に垂直な方向に集束性を与え、イオンビームの動径方向
には発散性を与える２個の静電四極レンズＱ１゜Ｑ２を
配置ツることを特徴としている。

［発明の目的］ 本発明は、この提案装置の改良に関するものであり、感
度及び分解能の優れた点は残しながら、上）ボした要望
に応えて高質量分子イオンを分析できるよう測定質量範
囲を広くとることができ、しかも小形化が可能な質量分
析装置を提供することを目的としている。

［発明の構成］ 本発明は、イオン源と、該イオン源がら放出されるイオ
ンを検出するイオン検出器と、イオン源とイオン検出器
との間に配置される一様磁場と、該磁場とイオン検出器
との間に配置される電場と、イオンビームの軌道平面に
垂直な方向に集束性を与えそのイオンビームの動径方向
には発散性を与えるために前記イオン源と磁場との間に
間隔をあけて配置される２個の静電四極レンズと、イオ
ンビームの軌道平面に垂直な方向に集束性を与えるため
に前記磁場と電場との間に配置される静電四極レンズと
を備え、前記磁場におけるイオンビームの回転角度９回
転半径を夫々φＩｌｌ、ｒｌｌｌ、前記電場におけるイ
オンビームの回転角度２回転半径を夫々φｅ、　ｒ　ｅ
とした時、 ７９°≦φｅ≦８３゜ ３６″≦φｍ≦３８゜ ０．６８≦ｒｅ／ｒｍ≦０．７２ を満足するようにしたことを特徴としている。以下、本
発明を図面を用いて詳説する。

［実施例］ 第３図は本発明の一実施例を示す装置構成図である。イ
オンｖＡ１はイオン化室２と複数の電極３を有し、加速
されたイオンビームＩＢがスリット４から外部へ取出さ
れる。このＩＢは、２個の静電四極レンズ５，６の中を
通過して、一様扇形磁場７に入射する。この磁場７の中
でイオンはその質量電荷比に応じて分散され、特定の質
量電荷比を持つものが静電四極レンズ８９円筒電場９を
介してイオン検出器１０へ入射して検出される。上記磁
場７は図示しない電源によりその磁場強度を繰返し高速
掃引できるように構成されている。そのため、その掃引
にともなって磁場７を通過するイオンの質量電荷比が変
化し、検出器１０に捕捉されるイオンは質量の異なるも
のとなり、検出器１０から質問スペクトル信号が得られ
る。尚、磁場７の入出射面には、イオンビームが斜めに
入出射するような角度ε１．ε２がつけられており、且
つその入射端面にはＲ１なる曲率半径が与えられている
。

第４図は、上記静電四極レンズ５，６．８のＡ−へ断面
構造及びこれに電位を与えるための電源１１の構成を示
す図である。静電四極レンズ５゜６．８は各々４本の円
筒状電極から成り、これがイオンビーム通路Ｏを中心に
９０’間隔で対称配置され、正イオンを分析する場合に
は、イオンビ−ムの軌道平面に垂直な方向（Ｘ方向）の
対向する電極Ｐｙには正電位が印加され、イオンビーム
の動径方向くＸ方向）の対向する電極Ｐ×には負電位が
印加される。そのため、正イオンはＸ方向には集束方向
の力を受け、Ｘ方向には発散方向の力を受【プる。尚、
静電四極レンズ８の場合、該レンズ８はＸ方向集束点に
配置されているためＸ方向に与える影響が小さく、Ｘ方
向の集束性のみが与えられる。

第５図は上述したイオン光学系内のイオンビームＩＢの
流れを示す説明図である。同図（ａ）はＸ方向のビーム
幅の変化を示し、左端のイオン源１からＸ方向の方向分
散角αを持って放出されたイオンビームは、静電四極レ
ンズ５．６の発散作用によってαより大なる方向分散角
α′が与えられる。従ってイオンビームは、あたかも点
Ｆを出発点として出射されたように磁場７へ入射する。

この時点Ｆにおける像倍率Ｘはα／α′となり、像は縮
小されるため、磁場型質量分析装置の分解能Ｒを与える
下式から高分解能が得られることが分る。

Ｒ−γ・ｒＩＩｌ／〈Ｘ−８＋Δ十ｄ）上式において、
３．ｄは夫々イオン源、イオン検出器におけるスリット
幅、γは質量分散係数、Δは収差による像の拡がりであ
る。

磁場７に入射したイオンビームは該磁場７による集束作
用を受けてビーム幅が徐々に減少し、静電四極レンズ８
の出射端の近傍の点へ一旦集束された後、磁場７と組合
わされて二重集束条件を満足するように配置される電場
９へ入射し、該電場９による集束作用を受けて検出器１
０へ再び集束される。

第５図（ｂ）は、Ｘ方向のイオン軌道図を示し、図から
静電四極レンズ５．６のＸ方向の集束作用により磁場７
内でイオンビームの高さが極めて小さく押えられている
ことが分る。従って磁極の間隔を小さくして磁場強度を
高めることが可能となるし、同じ磁極間隔であれば多量
のイオンを有効に通過させることができ、感度を向上さ
せることができる。

一／一 本発明では、このように高分解能且つ高感度という優れ
た特性を有する第３図のイオン光学系において、７９°
≦φｅ≦８３°、３６°≦φｍ≦３８°、０．６８≦ｒ
ｅ／ｒｍ≦０．７２に設定することに特徴がある。

（以下本頁余白） ８− 第１最 第１表におけるａは第１図（ｂ）の従来装置、ｂは第２
図の提案装置、Ｃは本発明による装置の夫々について適
宜なディメンジョンを与えた設計例を示し、第２表は第
１表におけるａ、ｂ、ｃの各個について計算した二次及
び三次の収差係数の一覧表を示す。第１表における長さ
については、磁場におけるイオンど−ムの曲率半径ｒＩ
！ｌを１としてノーマライズされている。

φｍ：磁場によるイオンビームの回転角（度）φｅ：電
場によるイオンビームの回転角ｒｍ：磁場内でのイオン
ビームの回転半径ｒｅ：電場内でのイオンビームの回転
半径Ｒ１：磁場入射端での曲率半径 Ｑ［：静電四極レンズの長さ ＱＫＩ、ＱＫ２．ＱＫ３　：静電四極レンズ５．６．８
の強度 １−１〜Ｌ５：第１図（ｂ）、第２図、第３図に記入さ
れた各距離 Ａ×：像倍率 Ａγ：質量分散係数 Ａｙ、Ａβ：検出器位置におけるビームの高さ方向の拡
がりを示す係数 ＡＡ〜ＢＢ二二次収差係数 ＸＸＸ−ＤＢＢ　：三次収差係数 第１表において、測定質量範囲の拡大及び装置の大きさ
に寄与するφｍとｒｅ　／ｒｍについて三者を比較する
と、ａが３５°、０．６４３、ｂが７２．５°、０．９
、Ｃが３７°、０．７１であり、ａとＣは装置を大型化
せずに質量範囲を拡大でき、ｂはその点不利であること
が分る。

一方、イオンのトランスミッション（通過効率）を表わ
すＡｙ、Ａβ（小さい方がトランスミッションが優れて
いる）及びＡγ／Ａ×　（−質量分散／イオンビーム幅
）について比較すると、ａは夫々２．４１５．１０．６
７８，０．９５７であるのに対し、ｂは夫々０．５８９
．−０．８０５．４゜１５、Ｃは夫々０．５４．−１．
０８，７．５９であり、ａに比べす、ｃの方がＡＶ、Ａ
βが小さくＡγ／ＡＸが大きく、従って同じ分解能又は
同じイオンビーム幅で比べれば、ａよりもす、ｃの方−
１１− がトランスミッションが桁違いに優れ、高感度が得られ
ることが分る。

（以下重置余白） １２− 才２表 更に、第２表において分解能を決定する二次及び三次の
収差係数について比較する。実用上必要となる分解能を
５００００とし、イオン源でのイオンビームの幅をｒｍ
　／　（２００〜３００）前後とすれば、二次の収差係
数は少なくとも０．８〜１よりも小さいことが望まれ、
三次の収差係数は少なくとも５００〜８００よりも小さ
いことが望まシイ。ｔｃ　タし、ＸＸＸ、ＸＸＡ、ＸＡ
Ａに’）いてはイオン源スリットの調整等によって改善
可能なので午前後までは許容できる。

この値を考慮に入れて第２表の二次収差係数及び三次収
差係数を見れば、ａは三次収差係数は比較的良いものの
肝腎の二次収差係数が全て許容範囲を大きく外れており
、結果として分解能は５００００よりもはるかに悪くな
ってしまうことは避けられない。

次にｂは、二次収差係数に関して文句のない範囲に収ま
っているものの、三次収差係数が大きくなっており、そ
の結果分解能５００００を余裕をもって実現することは
むずかしい。

〜方、ｂの改良型である本発明にがかるＣは、二次収差
は勿論のこと三次収差に関しても許容範囲に収まってお
り、分解能５００００を余裕をもって実現することがで
きる。

以上のことを要約すれば、本発明にがかるＣにおいては
、φｍとｒｅ／ｒｍを小さくして測定質量範囲拡大を図
っても、ａの例のように収差が悪化することはなく、二
次の収差はｂの例と同等でしかも三次の収差はｂの例よ
りも逃かに改善されている。しかもトランスミッション
の優秀性はｂのそれをそのまま受けついでおり、従って
装置を大型化することなく測定質量範囲を拡大すること
ができ、なおかつ高感度高分解能が得られるという理想
的な質量分析装置が実現される。

（以下重置余白） 第３表、第４表、第５表は、このように優れた特性を持
つ本発明のイオン光学系に関し、φｅ。

φｍ、ｒｅ、’ｒｍを、前記第１表、第２表のＣの例に
おける値、即ちφｅ−８０°、φｍ＝３７°。

ｒｅ　／ｒｔｎ　＝０．７１の周囲で変化させた時、二
次及び三次の収差係数がどのように変化するかを示して
いる。

第３表に示された二次収差係数を見ると、ＡＤの値を上
述した許容範囲に収めるには、φｅを７９°から８３°
の範囲に設定する必要があることが分る。その範囲であ
れば、三次収差係数も略許容範囲にある。

第４表に示された二次収差係数を見ると、ＡＤ及びＢＢ
の値を上述した許容範囲に収めるには、φｍを３６°か
ら３８°の範囲に設定する必要のあることが分る。その
範囲であれば、三次収差係数も許容範囲にある。

次に第５表を見ると、二次収差係数のＢＢの値を上述し
た許容範囲に収めるには、ｒｅ／ｒｍを０．７２から０
．６７程度までの範囲に設定する必要があるが、三次収
差係数はｒｅ　／ｒｍが０゜６７では上述した許容範囲
を越えてしまうので、二次及び三次収差係数を勘案する
と、結局ｒｅ／ｒｍの値は０．７２から０．６８の範囲
に収める必要がある。

以上述べたように、本発明によれば、測定質量範囲が広
く、感度及び分解能の面で優れ、しかも小形化が可能な
質量分析装置が実現される。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来装置の構成を示す図、第２図は提案装置の
構成を示す図、第３図は本発明の一実施例を示す装置構
成図、第４図は静電四極レンズの断面構造及びこれに電
位を与えるための電源の構成を示す図、第５図は本発明
にかかるイオン光学系内のイオンビームの流れを示す説
明図である。 １：イオン源、４ニスリツト、 ５．６．８＋静電四極レンズ、７：一様扇形磁場、９：
円筒電場、１０：イオン検出器。 才５０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 イオン源と、該イオン源から放出されるイオンを検出す
   るイオン検出器と、イオン源とイオン検出器との間に配
   置される一様磁場と、該磁場とイオン検出器との間に配
   置される電場と、イオンビームの軌道平面に垂直な方向
   に集束性を与えそのイオンビームの動径方向には発散性
   を与えるために前記イオン源と磁場との間に間隔をあけ
   て配置される２個の静電四極レンズと、イオンビームの
   軌道平面に垂直な方向に集束性を与えるために前記磁場
   と電場との間に配置される静電四極レンズとを備え、前
   記磁場におけるイオンビームの回転角度１回転半径を夫
   々φｍ、ｒ＋ｎ、前記電場におけるイオンビームの回転
   角度１回転半径を夫々φｅ。 ｒｅとした時、 ７９６≦φｅ≦８３゜ ３６°≦φｍ≦３８゜ ０、６８≦ｒｅ／ｒｍ　　≦０．７２ を満星するようにしたことを特徴とする質量分析装置。