JP2012003836A

JP2012003836A - 質量分析装置

Info

Publication number: JP2012003836A
Application number: JP2010130069A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Kobayashi; 浩之小林; Motohiro Suyama; 本比呂須山
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2010-06-07
Filing date: 2010-06-07
Publication date: 2012-01-05

Abstract

【課題】質量分析装置において、雰囲気中に漂っているエネルギーの極めて低い＋イオン、−イオンや電子に因るノイズを低減することを解決しようとする課題とする。
【解決手段】イオン検出器１のイオン入射口１１ａの周囲の金属板１１に、複数個の棒状の絶縁スペーサー５０を介して第２のメッシュ５２を取り付け、第２のメッシュ５２に複数個の棒状の絶縁スペーサー５０を介して第１のメッシュ５１を取り付ける。検出イオンが＋イオンの場合、第１のメッシュ５１にはグランド電位に対して−の電位を印加し、第２のメッシュ５２にはグランド電位に対して＋の電位を印加する。
【選択図】図１

Description

本発明は、イオン発生装置、イオン分析部、及びイオン検出器を備えた質量分析装置に関する。

従来より、図７ないし図８に示すような質量分析装置１００が知られている（例えば、特許文献１参照）。質量分析装置１００は、図７に示すように、真空チャンバー２００を形成するステンレス製の容器１１０を備えている。真空チャンバー２００の内部には、試料をイオン化するためのイオン発生装置３、生成されたイオンを質量ごとに分離するためのイオン分析部２、分離されたイオンを検出するためのイオン検出器１が設けられている。この質量分析器１００は、イオン検出器１をデータ処理装置４に接続して使用する。

イオン分析部２は、図８に示すように、４個の円筒電極から構成されている四重極電極２１を備えていて、一端部がイオン入射部２２、他端部がイオン出射部２３となっている。イオン入射部２２とイオン出射部２３の間の空間は、イオン飛翔空間となっていて、イオン発生装置３で発生したイオンが、イオン入射部２２からイオン飛翔空間内に導入される。四重極電極２１には、定常電圧と所定の周波数の交流電圧を重畳した電圧が印加され、入射したイオンのうち、当該定常電圧、交流電圧及びその周波数に対応する質量数のイオンのみがイオン出射部２３まで導かれることにより、所定の質量数のイオンが他の質量数のイオンから分離される。

イオン検出器１は、図８に示すように、イオン検出器本体１０と電子入射面を持つ電子増倍部１６を備えている。イオン検出器本体１０は、両端部に金属板１１、１３を有し、金属板１１には、イオン入射口１１ａが、金属板１３には、出射口１３ａが形成されている。また、イオン検出器本体１０の支持金属板１２には、絶縁部材１４を介してコンバージョンダイノード１５が取り付けられている。コンバージョンダイノード１５はイオンが入射することにより電子またはイオンを放出するものであり、コンバージョンダイノード１５への印加電圧の極性を切り換えることにより、＋イオン、−イオンの双方に対応することが出来る。電子入射面を持つ電子増倍部１６はコンバージョンダイノード１５と対面するように配置されている。

所望の質量数のイオンが、イオン入射口１１ａからイオン検出器１内部に入射すると、入射したイオンは、コンバージョンダイノード１５と金属板１１、支持金属板１２とにより形成される電子レンズによりその軌道が曲げられ、コンバージョンダイノード１５に入射する。コンバージョンダイノード１５に＋イオンが入射すると、コンバージョンダイノード１５は電子を放出し、コンバージョンダイノード１５に−イオンが入射すると、コンバージョンダイノード１５は＋イオンを放出し、この電子、または＋イオンが電子入射面から電子増倍部１６に入射し、電子増倍部１６で指数関数的な増倍が行なわれて、大きな電気信号としてデータ処理部４に送られる。

特開２００１−３５１５６４号公報

。
ところで、上記従来の技術は、イオン発生装置３からイオン分析部２のイオン飛翔空間内にイオンと共に放出される電磁波や高速粒子は、イオン入射口１１ａからイオン検出器１の内部に進入するが、進入した電磁波や高速粒子は、エネルギーが高いので、電子レンズにより軌道を曲げられることが無く、そのまま直進し、金属板１３の出射口１３ａから外部に出射され、イオン検出器１内で乱反射されることがない。これにより、電磁波や高速粒子によるノイズの発生が防止される。

しかしながら、上記従来の技術では、図９に示すように、ＭＡＳ２８（信号成分）／ＭＡＳ４（ノイズ成分）すなわちＳ／Ｎ（信号雑音比）が７．０×１０^３と小さく、ノイズが完全に除去されていない。これは、イオン分析部２から漏れ出す等して質量分析装置１００内の雰囲気中に漂っているエネルギーの極めて低い＋イオン、−イオン、電子がイオン検出器１に進入し、これら＋イオン、−イオン、電子が、コンバージョンダイノード１５に入射されてこれがノイズとなると考えられる。
そこで、本発明は、イオン分析部２から漏れ出す等して質量分析装置１００内の雰囲気中に漂っているエネルギーの極めて低い＋イオン、−イオン、電子に因るノイズを低減することを目的とする。

本発明は、イオン発生装置、イオン分析部、及びイオン検出器を備えた質量分析装置において、イオン分析部のイオン出射部とイオン検出器のイオン入射口の間に、グランド電位に対して＋または−の電位が印加される第１電位設定手段と、第１電位設定手段と逆の−または＋の電位が印加される第２電位設定手段を順番に配置した。

電位設定手段はメッシュで構成することができる。

電位設定手段はアパーチャーで構成することができる。

本発明は、上記のように、イオン分析部のイオン出射部とイオン検出器のイオン入射口の間に、グランド電位に対して＋または−の電位が印加される第１電位設定手段と、第１電位設定手段と逆の−または＋の電位が印加される第２電位設定手段を順番に配置したので、イオン分析部２から漏れ出す等して質量分析装置１００内の雰囲気中に漂っているエネルギーの極めて低い＋イオン、−イオン、電子がイオン検出器内に進入することを第１電位設定手段または第２電位設定手段によって阻止することできる。したがって、イオン検出器において、これら＋イオン、−イオン、電子に因るノイズを低減することができる。

本発明の質量分析装置の第１の実施形態（検出イオンが＋イオンの場合）の説明図である。図１（ａ）に示す本発明の第１の実施形態の機能説明図である。図１（ａ）に示す本発明の質量分析装置の第１の実施形態の実験結果を表す図表である。本発明の質量分析装置の第１の実施形態（検出イオンが−イオンの場合）の説明図である。図３（ａ）に示す本発明の第１の実施形態の機能説明図である。本発明の質量分析装置の第２の実施形態（検出イオンが＋イオンの場合）の説明図である。本発明の質量分析装置の第３の実施形態（検出イオンが＋イオンの場合）の説明図である。本発明の電位設定手段の一例であるアパーチャーの斜視図である。従来の質量分析装置を示すブロック図である。従来の質量分析装置のイオン分析部、イオン検出器の説明図である。従来の質量分析装置の質量ｍ／電荷ｚに対する出力電流を表す図表である。

本発明の質量分析装置の第１の実施形態を図１ないし図３に基づき説明する。なお、図面の説明においては、同一要素においては同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１（ａ）は、本発明の質量分析装置１００の第１の実施形態（検出イオンが＋イオンの場合）を示す図であって、イオン検出器１のイオン入射口１１ａに第１のメッシュ５１、第２のメッシュ５２が取り付けられている、いわゆるＷメッシュ構造を具体的に示す図である。図１（ｂ）は、検出イオンである＋イオン６０及び雰囲気中に漂っているエネルギーの極めて低い＋イオン９０、−イオン８０、電子８５に対する第１、第２のメッシュ５１、５２の機能説明図である。

本発明の第１の実施形態の質量分析装置１００は、図１（ａ）に示すように、試料をイオン化するためのイオン発生装置３、生成されたイオンを質量ごとに分離するためのイオン分析部２、分離されたイオンを検出するためのイオン検出器１を備えている。イオン発生装置３、イオン分析部２、イオン検出器１は、図７に示した従来の質量分析装置と同様に、真空チャンバー内部に収容されている。

イオン発生装置３は、試料導入系から試料が導入されるイオン源３１の周囲に、電子源３２、リペラー電極３４を備えている。電子源３１は、例えばレニウム、タングステン等から成るフィラメントであり、電流を流すことで、イオン源の向かって飛んでいく熱電子３３を発生させる。

イオン分析部２は、四重極電極２１を備えている。四重極電極２１は、中心軸線の周りで、中心軸線に平行に配列された４個の円筒電極から構成されており、中心軸線方向の一端部がイオン入射部２２、他端部がイオン出射部２３となっている。また、四重極電極２１内部のイオン入射部２２とイオン出射部２３の間の空間は、イオン飛翔空間となっていて、イオン発生装置３で発生した＋イオン６０、９０が、イオン入射部２３からイオン飛翔空間内に導入される。四重極電極２１には、定常電圧と所定の周波数の交流電圧を重畳した電圧が印加され、入射した＋イオン６０、９０のうち、当該周波数に対応する質量数の＋イオン６０のみがイオン出射部２３まで導かれることにより、所定の質量数の＋イオン６０が他の質量数の＋イオン９０から分離される。

イオン検出器１は、図８に示す従来のイオン検出器１と同じ構造を備えている。図８に基づいて説明すると、イオン検出器１は、イオン検出器本体１０と電子入射面を持つ電子増倍部１６を備えている。イオン検出器本体１０は、両端部に金属板１１、１３を有し、金属板１１には、イオン入射口１１ａが、金属板１３には、出射口１３ａが形成されている。また、イオン検出器本体１０の支持金属板１２には、絶縁部材１４を介してコンバージョンダイノード１５が取り付けられていて、コンバージョンダイノード１５と金属板１１、支持金属板１２とにより電子レンズ形成されている。電子入射面を持つ電子増倍部１６はコンバージョンダイノード１５と対面するように配置されている。所望の質量数の＋イオン６０が、イオン入射口１１ａからイオン検出器１内部に入射すると、入射した＋イオン６０は、この電子レンズによりその軌道が曲げられ、コンバージョンダイノード１５に入射する。コンバージョンダイノード１５は＋イオン６０が入射することにより電子を放出し、この電子が電子入射面から電子増倍部１６に入射し、電子増倍部１６で指数関数的な増倍が行なわれて、大きな電気信号としてデータ処理部４に送られるものである。コンバージョンダイノード１５への印加電圧の極性を切り換えることにより、＋イオン、−イオンの双方に対応することが出来る。

図１（ａ）に示す第１の実施形態は、電位設定手段をメッシュで構成したものであって、イオン分析部２において分離された所望の質量数の＋イオン６０が入射するイオン検出器１のイオン入射口１１ａに、絶縁スペーサー５０を介して２個のメッシュ５１、５２が取り付けられている。すなわち、図１（ａ）に示すように、イオン検出器１のイオン入射口１１ａの周囲の金属板１１に、複数個の棒状の絶縁スペーサー５０を介して第２のメッシュ５２が取り付けられ、更に、第２のメッシュ５２に複数個の棒状の絶縁スペーサー５０を介して第１のメッシュ５１が取り付けられている。そして、第１のメッシュ５１にはグランド電位に対して−の電位が印加され、第２のメッシュ５２にはグランド電位に対して＋の電位が印加されている。

本発明に係る質量分析装置の第１の実施形態の動作を図１（ａ）、図１（ｂ）に従って説明する。イオン発生装置３の電子源３２であるフィラメントに電流を流し、高温に熱すると、フィラメントから熱電子が発生し、イオン源に向かって飛んでいく。この状態のイオン源に試料導入系から試料（検出対象が＋イオンである）を導入すると、試料分子は＋イオン６０、９０等に変換される。変換された＋イオン６０、９０等は、リペラー電極３４によりイオン源から押し出され、イオン分析部２のイオン入射部２２からイオン飛翔空間内に導入される。イオン分析部２においては、四重極電極２１に、定常電圧と所定の周波数の交流電圧を重畳した電圧が印加されていて、入射したイオンのうち、当該周波数に対応する質量数の＋イオン６０のみがイオン出射部２３まで導かれ、所定の質量数の＋イオン６０が他の質量数の＋イオン９０から分離される。そして、図１（ｂ）に示すように、イオン分析部２において分離された所定の質量数の＋イオン６０は、通常数１０ｅＶの比較的高いエネルギーを有している。従って、逆の極性の第１のメッシュ５１を通過し、同じ極性の第２のメッシュ５２も通過することができる。そして、イオン入射口１１ａからイオン検出器１内に導入され、電子レンズにより軌道が曲げられてコンバージョンダイノード１５に入射する。

一方、図１（ｂ）に示すように、雰囲気中に漂っているエネルギーの極めて低い−イオン８０や電子８５は、グランド電位に対して−の電位が印加されている第１のメッシュ５１によりイオン検出器１への進入が阻止され、雰囲気中に漂っているエネルギーの極めて低い＋イオン９０は、グランド電位に対して＋の電位が印加されている第２のメッシュ５２によりイオン検出器１への進入が阻止される。これにより、イオン検出器１において、これら−イオン８０や電子８５、＋イオン９０に因るノイズを低減することができる。

図２（ａ）〜（ｄ）は、図１（ａ）に示す本発明の質量分析装置の第１の実施形態において、第１のメッシュ５１の印加電位を、−１００Ｖ、−２００Ｖ、−３００Ｖ、−５００ＶとしたときのＭＡＳ２８（信号成分）／ＭＡＳ４（ノイズ成分）すなわちＳ／Ｎ（信号雑音比）を測定した実験結果を示す図表である。実験は、図９に示す従来の技術と同じ条件（真空度：１．０×１０^５、コンバージョンダイノード電圧：−１０ｋＶ、電子増倍部電圧：−１７００Ｖ）、同じ装置で行なった。なお、メッシュについては、メッシュピッチが５００μｍでメッシュ間スペーサーは１ｍｍである。

図２（ａ）〜（ｄ）の実験結果をみると、第１のメッシュ５１の印加電位が−１００Ｖのとき、第２のメッシュ５２の印加電位が＋２０Ｖにおいて、ＭＡＳ（信号成分）／ＭＡＳ４（ノイズ成分）すなわちＳ／Ｎ（信号雑音比）が１．６×１０^５であり、第１のメッシュ５１の印加電位が−２００Ｖのとき、第２のメッシュ５２の印加電位が＋２８Ｖにおいて、ＭＡＳ（信号成分）／ＭＡＳ４（ノイズ成分）すなわちＳ／Ｎ（信号雑音比）が５．８×１０^５であり、第１のメッシュ５１の印加電位が−３００Ｖのとき、第２のメッシュ５２の印加電位が＋３３Ｖにおいて、ＭＡＳ（信号成分）／ＭＡＳ４（ノイズ成分）すなわちＳ／Ｎ（信号雑音比）が４．５×１０^５であり、第１のメッシュ５１の印加電位が−５００Ｖのとき、第２のメッシュ５２の印加電位が＋４４Ｖにおいて、ＭＡＳ（信号成分）／ＭＡＳ４（ノイズ成分）すなわちＳ／Ｎ（信号雑音比）が１．１×１０^５である。したがって、第１、第２のメッシュ５１、５２を備えている場合のＭＡＳ（信号成分）／ＭＡＳ４（ノイズ成分）すなわちＳ／Ｎ（信号雑音比）は、第１、第２のメッシュ５１、５２を備えていない場合のＭＡＳ（信号成分）／ＭＡＳ４（ノイズ成分）すなわちＳ／Ｎ（信号雑音比）７．０×１０^３よりもいずれも高くなっているから、第１、第２のメッシュ５１、５２を備えることによって確実にノイズは低減されている。

図３（ａ）に示す質量分析装置１００の第１の実施形態（検出イオンが−イオンの場合）は、イオン検出器１のイオン入射口１１ａに、絶縁スペーサー５０を介して第１のメッシュ５１、第２のメッシュ５２が取り付けられている点で図１（ａ）に示す質量分析装置１００の第１の実施形態（検出イオンが＋イオンの場合）と同じ構造である。図３（ａ）に示す質量分析装置１００の第１の実施形態（検出イオンが−イオンの場合）が図１（ａ）に示す質量分析装置１００の第１の実施形態（検出イオンが＋イオンの場合）と異なる点は、検出イオンが−イオンであるために、第１のメッシュ５１にはグランド電位に対して＋電位が印加され、第２のメッシュ５２にはグランド電位に対して−電位が印加されている点である。

図３（ｂ）は、−イオン７０の検出イオン及び雰囲気中に漂っているエネルギーの極めて低い−イオン８０や電子８５、＋イオン９０に対する第１、第２のメッシュ５１，５２の機能説明図である。

本発明に係る質量分析装置の第１の実施形態（検出イオンが−イオンの場合）の動作を図３（ａ）、（ｂ）に従って説明する。イオン発生装置３、イオン分析部２、イオン検出器１の内部の動作は、図１（ａ）の場合と同様である。

イオン発生装置３により生成された−イオン７０、−イオン８０は、リペラー電極３４によりイオン源から押し出され、イオン分析部２のイオン入射部２２からイオン飛翔空間内に導入される。イオン分析部２において、所定の質量数の−イオン７０が他の質量数のイオンから分離され、そして、分離された所定の質量数の−イオン７０は、通常数１０ｅＶの比較的高いエネルギーを有している。従って、逆の極性の第１のメッシュ５１を通過し、同じ極性の第２のメッシュ５２も通過することができる。そして、イオン入射口１１ａからイオン検出器１内に導入され、電子レンズにより軌道が曲げられてコンバージョンダイノード１５に入射する。

一方、図３（ｂ）に示すように、雰囲気中に漂っているエネルギーの極めて低い＋イオン９０は、第１のメッシュ５１によりイオン検出器１への進入が阻止され、雰囲気中に漂っているエネルギーの極めて低い−イオン８０や電子８５は、第２のメッシュ５２によりイオン検出器１への進入が阻止される。これにより、イオン検出器１において、これら−イオン８０や電子８５、＋イオン９０に因るノイズを低減することができる。

本発明の質量分析装置１００の第２、第３の実施形態を図４、図５に示す。

図４に示す本発明の質量分析装置１００の第２の実施形態においては、電位設定手段としての第１、第２のメッシュ５１、５２は、イオン分析部２のイオン出射部２３に取り付けられている。図４に示すように、四重極電極２１の各々の円筒電極の端部に、棒状の絶縁スペーサー５０を介して第１のメッシュ５１が取り付けられ、更に、第１のメッシュ５１には、複数個の棒状の絶縁スペーサー５０を介して第２のメッシュ５２が取り付けられている。そして、検出イオンが＋イオンの場合は、第１のメッシュ５１にはグランド電位に対して−の電位が印加され、第２のメッシュ５２にはグランド電位に対して＋の電位が印加される。検出イオンが−イオンの場合は、第１のメッシュ５１にはグランド電位に対して＋の電位が印加され、第２のメッシュ５２にはグランド電位に対して−の電位が印加される。

図５に示す本発明の質量分析装置１００の第３の実施形態においては、電位設定手段としての第１、第２のメッシュ５１、５２は、イオン検出器１の金属板１１、イオン分析部２のイオン出射部２３以外の部材、例えば、イオン検出器１本体、イオン分析部２本体、もしくは真空チャンバーの容器１１０等に絶縁スペーサーを介して取り付けられている（図示せず）。そして、検出イオンが＋イオンの場合は、第１のメッシュ５１にはグランド電位に対して−の電位が印加され、第２のメッシュ５２にはグランド電位に対して＋の電位を印加される。検出イオンが−イオンの場合は、第１のメッシュ５１にはグランド電位に対して＋の電位が印加され、第２のメッシュ５２にはグランド電位に対して−の電位が印加される。

図４、図５に示す第２、第３の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、雰囲気中に漂っているエネルギーの極めて低い−イオン８０や電子８５、＋イオン９０は、第１のメッシュ５１、第２のメッシュ５２によってイオン検出器１内への進入が阻止されるので、イオン検出器１において、これら−イオン８０や電子８５、＋イオン９０に因るノイズを低減することができる。

以上本発明の質量分析装置１００の第１ないし第３の実施形態においては、雰囲気中に漂っているエネルギーの極めて低い＋イオン９０、−イオン８０や電子８５のイオン検出器１内への進入を阻止する電位設定手段をメッシュで構成しているが、メッシュの代わりに図６に示すアパーチャー５３、５４等の他の手段で構成してもよい。アパーチャー５３、５４等の他の手段を、イオン分析部２のイオン出射部２３とイオン分析器１のイオン入射口１１ａとの間に取り付ける手段、及び検出イオンが＋イオンの場合、検出イオンが−イオンの場合に応じてアパーチャー５３、５４等の他の手段に印加する電位は、本発明の質量分析装置１００の第１ないし第３の実施形態と同じである。

また、雰囲気中に漂っているエネルギーの極めて低い＋イオン９０、−イオン８０や電子８５のイオン検出器１内への進入を阻止する手段としてメッシュ５１、５２とアパーチャー５３、５４等の他の手段を混在して用いてもよい。

なお、本発明の質量分析装置のイオン検出器１、イオン分析部２、イオン発生装置３は、上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した範囲で種々の変形や改良が可能である。

１…イオン検出器、２…イオン分析部、３…イオン発生装置、４…データ処理装置、１０…イオン検出器本体、１１…金属板、１１ａ…イオン入射口、１２…支持金属板、１３…金属板、１３ａ…出射口、１４…絶縁部材、１５…コンバージョンダイノード、１６…電子増倍部、２１…四重極電極、２２…イオン入射部、２３…イオン出射部、３１…イオン源、３２…電子源、３３…熱電子、３４…リペラー電極、５０…絶縁スペーサー、５１…第１のメッシュ、５２…第２のメッシュ、５３、５４…アパーチャー、１００…質量分析装置、１１０…容器、２００…真空チャンバー。

Claims

イオン発生装置、イオン分析部、及びイオン検出器を備えた質量分析装置において、前記イオン分析部のイオン出射部と前記イオン検出器のイオン入射口の間に、グランド電位に対して＋または−の電位が印加される第１電位設定手段と、前記第１電位設定手段と逆の−または＋の電位が印加される第２電位設定手段を順番に配置したことを特徴とする質量分析装置。
前記電位設定手段をメッシュで構成したことを特徴とする請求項１記載の質量分析装置。
前記電位設定手段をアパーチャーで構成したことを特徴とする請求項１記載の質量分析装置。