JP2516840B2 - プラズマ質量分析計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、試料に含まれる元素の特性を示すイオンが
形成されるようにした、例えば誘導結合プラズマまたは
マイクロ波誘導プラズマのようなプラズマ内で試料をイ
オン化する質量分析計に関する。

背景技術 溶液に溶解している試料の元素の組成を決定するため
に、誘導結合プラズマまたはマイクロ波誘導プラズマか
らなるプラズマイオン源を有する質量分析計を使用する
ことができる。一般に、前記溶液を噴霧して、プラズマ
トーチに供給される不活性ガス（例えばアルゴン）内の
前記溶液の液滴からなるエーロゾルを生成する。誘導結
合プラズマの場合には、巻数２乃至３回のコイルをプラ
ズマトーチの周囲に配置し、かつ最大2kWの高周波電力
（通常27または40MHz）を供給し、それによって試料内
に含まれる元素の特性を示すイオンが形成されるような
プラズマを発生させる。マイクロ波誘導プラズマの場合
には、一般に2.3GHzで最大1kWまで給電されるキャビテ
ィの中にプラズマトーチの端部を挿入し、同様の結果を
得ている。

プラズマ内に形成されるイオンを質量分析するため
に、分析されるべきイオンの少なくとも一部分がプラズ
マガスに同伴してその中を排気された真空領域内へと通
過するような孔をその先端に有する冷却されたサンプリ
ング円錐体の近傍にプラズマが形成されるようにプラズ
マトーチを配置する。同様にその先端に孔を有するスキ
マー円錐体をサンプリング円錐体の下流に配置され、該
サンプリング円錐体と共働して、一般に四重極型の質量
アナライザ及びイオン検出器を有する第２の真空排気領
域内に通じる分子線インターフェイスを形成するように
なっている。前記スキマー円錐体と質量アナライザとの
間の領域を通るイオンの輸送効率を増大させるために従
来より静電レンズシステムを設けてスキマー円錐体の孔
から出てくるイオンを質量アナライザの入口開口に収束
させるようになっている。一般に、プラズマによって発
生する光子が質量アナライザに到達しかつノイズレベル
を増大させるのを防止するために、前記静電レンズシス
テムの中心軸に所謂「光子ストッパ」が設けられてい
る。一般に静電レンズシステムは、少なくともイオンの
一部分が前記ストッパの周囲を通過するように電極をバ
イアスした静電レンズシステムの軸線上に光子ストッパ
を有する「ベッセル箱」の構成を有するのが通例であ
る。このようなレンズ構成は、エネルギアナライザとし
ても機能する。しかしながら、前記スキマー円錐体の孔
のすぐ下流側の圧力が相当高いので、この領域に於ける
イオンの動作は、前記スキマー円錐体内部に存在する比
較的弱い静電界よりもむしろガス分子との衝突に支配さ
れる傾向があり、そのために前記イオンはアナライザへ
能率的に送られない。その結果、従来のICPMSシステム
では、この領域に於けるイオンの動作がスキマーを通過
する非常に過剰の中性分子の流れによって大きく制御さ
れることから、サンプリング円錐体−スキマーインター
フェースの設計は従来実践されている分子線を追従する
ものであった。これらのシステムの動作は充分に確率さ
れており、かつ最適な平行ビーム発生のパラメータが十
分に確立されている。例えば、カンパーグ、アール（Ca
mpargue,R）のJ.Phys.Chem.1984 vol.88、第4466〜4474
頁、及びベイジェリンク、エイチシーダブリュ（Beijer
inck,HCW）、バン・ゲルベン、アールジェイエフ（Van
Gerwen,RJF）他によるChem.Phys.1985 vol.96、第153〜
173頁を参照。これらの理論によれば、内側及び外側の
夾角がそれぞれ約55°及び45°である円錐体からなるス
キマーによって最適の輸送効率が得られ、かつこれらの
角度から外れた場合には常に効率が非常に低下すること
が予想される。

このように一般に従来のICP質量分析計では、サンプ
リング円錐体とマッハディスク（Mach disk）の推定位
置との間の「跳躍帯」から試料を採取するようにスキマ
ーが配置され、かつその外側及び内側の夾角が一般にそ
れぞれ55°及び45°である。同様に、前記サンプリング
円錐体とスキマーとの間の領域に於ける圧力は、上述の
「カンパーグ型式」のスキマー理論が適用されると考え
られる場合には、0.1〜2.0トルに維持される。

従来のICP質量分析計では、様々な干渉が観察され
る。特に、直接的な質量スペクトルの重なりが無い場合
でさえ、試料溶液内に他の元素またはイオンが存在する
ことによって特定の元素の検出限界が、多くの場合には
大幅に悪化するようなマトリックス効果が存在する。こ
のような現象については様々な原因が考えられる。例え
ばブーシェミン（Beauchemin）、マクラーレン（McLare
n）及びベルマン（Berman）のSpectrochim.Acta、198
7、vol.42B（３）第467〜90頁、グレゴアール（Gregoir
e）のSpectrochim.Acta、1987vol.42B（７）第895〜907
頁、カワグチ（Kawaguchi）、タナカ（Tanaka）他のAna
l.Sciences、1987、vol.3、第303〜308頁、及びギルソ
ン（Gillson）、ダグラス（Douglas）他のAnal.Chem.、
1988、vol.60、第1472〜４頁を参照。ギルソン、ダグラ
ス他（同書）は、少なくとも前記インターフェイスの一
部分が、イオンビームによって発生する空間電荷の結果
としてスキマー円錐体の中を通過する際の前記イオンビ
ームのデフォーカスの結果であることを示唆している。
このデフォーカス現象が、ビーム電流が増加し（即ち、
より高濃度の干渉イオンの存在下で）かつ質量に依存し
易い場合にひどくなることは明らかである。一般に多く
の研究者が経験的に得た結果によれば、この効果は、実
際上イオン抽出レンズ電位及び他の機器条件を調節する
ことによって観察される抑制の性質を変化させ得る場合
が多いことに留意しつつ、障害抑制効果の一部分につい
て少なくともその理由となっていることが確認されてい
る。ギルソン及びダグラス（同書）によれば、この問題
を軽減させるイオン抽出レンズシステムを設計しようと
いう試みが失敗に終ったことを報告しているが、物理的
な装置については記述していない。しかしながら、グレ
ゴアール（Gregoire）（Applied Spectrosc.1987、vol.
41（５）、第897頁〜）（特に第897頁）、及びロンガル
チ（Longarch）、フライアー（Fryer）及びストロング
（Strong）のSpetrochim.Acta、1987、vol.12、第101〜
９頁（特に第109頁）には、前述のギルソン及びダグラ
スが言及したシステムと類似すると本願発明者が考える
ICPMS機器の変形について記載されている。これらの研
究者は、スキマー円錐体とベッセル箱レンズとの間に於
ける３シリンダーアインツェル（Einzel）レンズシステ
ムの使用について報告しているが、これはこれらの著者
が使用した前述のシステムと比較して干渉効果を低減さ
せると思われるが、他の研究者（例えばハウスラー（Ha
usler）の、Spectrochi.Acta.1987、vol.42B（1/2）第6
3〜73頁）が使用したシステムと大きく異なるものでは
ない。残念ながら、これらのシステムは依然として抑制
効果を幾分有する。

本発明の目的は、従来形式のものよりもマトリックス
元素及び／またはイオンによる抑制の程度を小さくしか
つ干渉を少なくしたICP及びMIP質量分析計を提供するこ
とにある。本発明の別の目的は、従来形式のものより高
い効率を有するプラズマと質量アナライザとの間にイン
ターフェイスを有するICPまたはMIP質量分析計を提供す
ることにある。本発明の更に別の目的は、改良されたサ
ンプリング円錐体−スキマーのインターフェイス及び改
良されたイオン送給システムを有するICP及びMIP質量分
析計を提供することにある。

発明の開示 本発明の一面によれば、質量アナライザと、キャリア
ガスの流れの中にプラズマを生成するための手段と、前
記プラズマ内に試料を導入するための手段と、前記試料
の特性を示すイオンの少なくとも一部分が第１の真空排
気領域の中に向けて通過するための第１のオリフィスを
有する前記プラズマ近傍のサンプリング部材と、その狭
小端部が前記サンプリング部材に最も近接するように配
置され、かつその中を前記イオンの少なくとも一部分が
前記第１真空排気領域から第２真空排気領域へと更に前
記質量アナライザに向けて通過する第２のオリフィスを
前記狭小端部に有する中空テーパー部材とからなり、前
記中空テーパー部材が、内側の夾角60°以上であるよう
に外側及び内側双方が先細に形成された部分を少なくと
も有することを特徴とする質量分析計が提供される。

前記内角が90°乃至120°の範囲内にあると好都合で
ある。更に、前記中空テーパー部材及びサンプリング部
材の外部が概ね円錐形をなし、かつ両部材が、前記第１
オリフィスと第２オリフィスが共通の対称軸上にくるよ
うに配置されるとより好都合である。

前記中空テーパー部材が一様にテーパーに形成されか
つ60°より大きな内側夾角を有するのに対して、好適実
施例では、前記中空テーパー部材の拡径端部近傍の部分
のみが60°より大きい内側夾角を有する。前記中空テー
パー部材のその他の部分は、その狭小端部に於いて外側
夾角が約60°より小さい外側テーパー部分を有する。こ
のような場合には、60°より小さい夾角を有する前記部
分の長さが、前述したカンパーグが教示するように、サ
ンプリング部材と前記マッハディスクとの間の「跳躍
帯」から試料を採取するために従来の質量分析計に於て
使用されている一様な勾配形状のスキマー円錐体の長さ
より実質的に短くなる。しかしながら、更に好適な実施
例では、60°より小さい外側夾角を有する前記部分の長
さが、前記中空テーパー部材の狭小端部がマッハディス
クの上流側になるように選択される。前記第１オリフィ
スと第２オリフィスとの距離は、第２真空排気領域及び
質量アナライザへのイオンの送給が最適化されるように
選択される。この距離が従来の質量分析計の場合と同様
に、非常に厳密なものであり、かつ経験によって最適に
決定されることが判明した。また、前記第２真空排気領
域の圧力は10^-3トル以下に維持することが好ましい。

好適実施例では、その拡径端部近傍の前記中空テーパ
ー部材の部分のみが60°より大きな内側夾角を有し、か
つ前記第２オリフィスが形成されているその他の部分は
60°より小さい内側夾角、好適には40°乃至50°の範囲
内の夾角を有する。

更に好適な実施例では、管形の電極が、前記第２オリ
フィスから出てくるイオンを前記質量アナライザへ送る
ために前記第２真空排気領域内に配置されている。この
管形電極は、その中を少なくとも一部のイオンが通過す
る第３のオリフィスを有する実質的に閉鎖された端部を
備える。前記管形電極と中空テーパー部材との間に電位
差を維持するための手段が設けられている。この電位差
は、イオンの質量アナライザへの通過を最大化するだけ
でなく、後述するようにマトリックス効果及び干渉効果
を最小にするべく選択される。この第３のオリフィスが
中空テーパー部材に於ける第２のオリフィスより大きい
と好都合であり、かつ両オリフィスの大きさは上述した
ようにイオンの通過を最適化しかつマトリックス効果を
最小にするべく選択される。更に、前記管形電極の実質
的な閉鎖端部が中空テーパー部材内に延出していると一
層好都合であり、このような構成は中空テーパー部材の
前記拡径部分の内角を比較的大きくすることによって容
易に達成される。

前記管形電極及び中空テーパー部材が実質的に円形の
断面を有し、かつ概ね閉鎖された前記端部がその大径端
部に於いて前記管形電極の概ね円筒上の部分に取り付け
られた円錐形で部分的に球状または切頭円錐形の部材か
らなると好都合である。一般に、第３のオリフィスは中
空テーパー部材の対称軸上に於いて前記第２オリフィス
と整合される。

更に別の好適実施例では、本発明による質量分析計を
試料の元素組成の測定に適用させることができ、誘導結
合プラズマ質量分析計（ICP）またはマイクロ波誘導プ
ラズマ質量分析計（MIP）で構成することができる。こ
のような質量分析計では、試料の元素を含む溶液が、通
常後でプラズマが形成されるキャリアガス（アルゴンま
たはヘリウム）に於けるエーロゾルの形でプラズマ内に
導入される。前記サンプリング部材が前記中空テーパー
部材より大きな内側夾角を有する中空円錐体からなると
好都合であり、かつ前記第２真空排気領域内の圧力を0.
01乃至10トルの範囲内に維持することができる。更に、
前記質量アナライザが10^-3トル以下の圧力に維持される
前記第２真空排気領域内に配置された四重極質量アナラ
イザからなると好都合である。しかしながら、高性能の
機器に於ては、小さいオリフィスによって前記第２領域
から分離しかつ該第２領域より低い圧力に維持された第
３の真空排気領域内に前記四重極質量アナライザを配置
することができる。別の実施例では、磁気セクタ型質量
アナライザを用いることができる。

本願発明者によれば、60°以上の内側夾角を有する中
空テーパー部材と実質的な閉鎖端部を備える電極とを使
用することによって、第２オリフィスから出てくるイオ
ンをより強くかつより効率的に収束させることが可能に
なると考えられる。これによって、さもなければイオン
ビーム内の空間電荷の結果として生じるであろう前記中
空テーパー部材の内面に於けるイオンの質量依存損失が
低下し、かつそれに従って干渉効果及びマトリックス効
果の規模が低減される。上述した２部分部材を用いるこ
とによって最大の利点が得られるにも拘らず、最適な分
子線が形成される約55°の一般に許容されている角度よ
りも前記中空テーパー部材の外角が実質的に大きい場合
でさえ、多数の利点が得られる。

本発明の別の面によれば、ガスの流れの中にプラズマ
を生成し、試料を前記プラズマ内に導入し、第１真空排
気領域内に向けてサンプリング部材の第１オリフィスを
通過する前記プラズマ内に存在するイオンを試料採取
し、少なくともイオンの一部分を前記第１オリフィスを
通過させて第２真空排気領域内に向けて中空テーパー部
材の第２オリフィスを通過させ、前記第２オリフィスを
通る少なくとも一部のイオンを質量アナライザ内へ送る
過程とからなり、前記中空テーパー部材が60°より大き
な内側夾角を有するように外側及び内側がテーパーに形
成されかつその狭小端部に於て前記サンプリング部材に
近接するように配置された部分を少なくとも有すること
を特徴とする質量分析計によって試料の組成を測定する
方法が提供される。

好適には、前記中空テーパー部材が、その拡径端部に
於て外側及び内側双方にテーパーに形成された部分と、
その狭小端部に於て約60°より小さい外側夾角を有する
ように外側が先細に形成された第２部分とを有する。

更に、前記第１オリフィスと中空テーパー部材との間
の第１真空排気領域内にガスの超音速膨張ジェット流を
形成し、かつ前記中空テーパー部材の狭小端部が前記超
音速膨張ジェット流内の前記マッハディスクの上流側に
位置するように前記外側先細第２部分の長さを選択する
と好都合である。第２真空排気領域内に、その大部分が
前記中空テーパー部材の内部にありかつその軸線を概ね
直角方向に横切る等ポテンシャル曲線を有することを特
徴とする静電界を発生させるための手段を設けることが
できる。前記等ポテンシャル曲線の大部分が前記中空テ
ーパー部材内部にあると好都合であり、かつ最も好適な
実施例では、実質的に全ての前記等ポテンシャル曲線が
前記中空テーパー部材内に存在する。静電界を発生させ
るための前記手段が、第２オリフィスの近傍に配置され
た実質的な閉鎖端部を有する管形レンズ要素と、その中
をイオンが通過する前記閉鎖端部内の第３オリフィスと
を有すると好都合である。

このようにして、中空テーパー部材内の第２オリフィ
スから出るイオンの軌跡曲線を、イオンビームに関連す
る空間電荷に拘らず軸線の近傍に制限することができ、
かつ前記中空テーパー部材内の内面に於けるイオンの損
失を最小にすることができる。

本発明は、その狭小端部に設けられたオリフィスを有
し、かつ60°より大きな内側夾角を有するように外側及
び内側がテーパーに形成された部分を有すると共に、プ
ラズマイオン発生源と質量アナライザとの間のサンプリ
ング円錐体−スキマーインターフェイスに於けるスキマ
ー円錐体として使用するのに適した中空テーパー部材に
まで拡大することができる。好適には、前記中空テーパ
ー部材はその拡径端部に於て外側及び内側に先細に形成
された部分と、その狭小端部に於て約60°より小さい外
側夾角を有する外側を先細に形成した第２部分とを備え
る。

上述した定義に於て、夾角の定義は、例えば頂角の直
近に引いた接線間の角度ではなく、部材の適当なある程
度の大きさを有する部分の夾角に関するものである。

図面の簡単な説明 以下に添付図面を参照しつつ実施例を用いて本発明を
より詳細に説明する。

第１図は、本発明によるICP質量分析計を概略的に示
す図である。

第２図は、第１図の質量分析計の一部分を示す断面図
である。

第３図は、本発明に使用するのに適した中空テーパー
部材を示す断面図である。

第4A図及び第4B図は、それぞれ従来の質量アナライザ
の一部分及び本発明による質量分析計の一部分に於ける
計算による等ポテンシャル曲線及びイオンの軌跡曲線を
示す図である。

発明を実施するための最良の形態 第１図に関して言えば、分析されるべき試料の溶液１
が、ガス供給ユニット４からパイプ３を通ってアルゴン
ガスが流れ込む空気式ネブライザ２へ送られるようにな
っている。アルゴンガスに飛沫同伴される前記試料は、
従来のICPトーチ６によってプラズマ14（第２図）内に
パイプ５を介して導入され、かつ余剰の溶液はドレイン
７を介してネブライザ２から排出される。ガス供給ユニ
ット４から更に２つの制御されたアルゴンガスの流れが
パイプ８及び９を介してトーチ６に送られる。高周波発
電機10によってリード線12、13を介してコイル11に電力
が供給され、それによってトーチ６の端部にプラズマ14
が生成される。

ICPトーチ６とガス供給ユニット４、コイル11、発電
機10及びネブライザ２を含む関連機器とは従来の設備機
器であり、これ以上の説明は省略する。適当な機器の詳
細が、フーク（Houk）、ファッセル（Fassel）、フレッ
シュ（Flesch）他によるAnalytical Chemistry 1980 vo
l.52の第2283〜89頁に紹介されている。第１図では、試
料をプラズマ14内に導入するために空気式ネブライザを
使用する方法が示されているが、本発明の技術的範囲内
に於て他の方法、例えば電熱による蒸発を使用すること
ができる。

プラズマ14が、冷却されたフランジ33上に取付けら
れ、かつ第１真空排気領域17と連通する第１オリフィス
16を有するサンプリング部材15に対して放射される。真
空ポンプ18が、第１真空排気領域17内の圧力を概ね大気
圧以下（一般に0.01乃至10トルの範囲）に維持してい
る。中空テーパー部材19からなるスキマーが、拡散ポン
プ（図示せず）によって排気される第２の真空排気領域
20から第１真空排気領域17を分離しており、かつ第２オ
リフィス37（第３図）が中空テーパー部材19の狭小端部
に形成されている。静電界レンズアセンブリ（図中符号
21を付して概略図示）が第２真空排気領域20内に配置さ
れている。四重極質量アナライザ22が、別の小さなオリ
フィスを有するダイヤフラム39によって第２真空排気領
域20から分離された別の真空排気領域23内に配置されて
いる。機器の性能が低い場合には、四重極質量アナライ
ザ22を第２真空排気領域20内に配置して追加のポンプ及
びダイヤフラム39を省略することができる。

質量アナライザ22を通過するイオンがイオン検出器24
に入り、そこでコンバータ電極26に衝突し、電子増倍管
25に入る２次電子を解放する。電子倍増管25によって生
成された電子信号はディスプレイユニット27の増幅器に
よって増幅され、次にデジタルコンピュータ28及び端末
29に送給されて更にデータを処理するようになってい
る。

四重極質量アナライザ22、イオン検出器22及び符号2
7、28及び29で示されるデータ収集システムは従来のも
のである。しかしながら、本発明は第１図に示される四
重極質量アナライザに限定されるものではない。これに
代えて他の型式の質量アナライザを使用することがで
き、例えば国際公開番号W089/12313に記載されているよ
うに結合される磁気セクタ型質量アナライザを使用する
ことができる。

次に、中空テーパー部材19近傍の構成要素を詳細に示
した第２図に関して言えば、サンプリング部材15は、そ
の頂点に第１オリフィス16を有しかつ外角が約150°で
ある中空円錐体からなる。これは、真空ハウジング31の
端壁を構成するフランジ33に良好に熱接触した状態でボ
ルトで締結されている。水であると好都合な冷却剤がフ
ランジ33内の通路32の中を循環して、該フランジ及びプ
ラズマ14と接触するサンプリング部材15とを冷却してい
る。フランジ33の円形溝内に配置されたＯリング30によ
って、サンプリング部材15とフランジ33との間に気密な
シールが得られる。

サンプリング部材15は従来のものであり、かつ米国特
許第4,760,253号明細書に記載されるように研磨すると
好都合である。

ダイヤフラム34は第２図に示されるように真空ハウジ
ング31内部に溶接され、かつ中空テーパー部材19を担持
している。ダイヤフラム34及び中空テーパー部材19が、
第１真空室17を第２真空室20から分離する概ね気密なバ
リヤーを構成している。中空テーパー部材19はダイヤフ
ラム34の円形凹所内に取り付けられているが、第１真空
室17が比較的低圧であることから別のシール手段を必要
としない。

中空テーパー部材19は、第３図により詳細に図示され
ており、その狭小端部がサンプリング部材15に最も近接
するように配置され、かつ第２図に示される実施例では
概ね円錐形である。これは、内側夾角36が約100°であ
るように内側及び外側双方を先細に形成した部分35を有
する。第２図及び第３図に示される好適な実施例では、
中空テーパー部材19が更に約55°の外側夾角40を有する
第２の外側先細部分38を有する。中空テーパー部材19の
前記外側テーパー部分全体の長さ41は13mmであり、かつ
第２部分38の長さ42は3.0mmである。部材全体の長さ41
に比較して55°の夾角を有する円錐部の長さ42が比較的
短いことによって、後述する管形電極43をオリフィス37
に近接させることができ、かつ一般に12〜15mmの長さを
有する従来のICP質量分析計に使用される従来の「カン
パーグ」型スキマーの50゜の夾角を有するスキマー円錐
体に対する重要な特徴となっている。ICP質量分析計に
於て使用される通常の条件下では、本願発明者によれ
は、前記円錐体の外面が角度を変える位置に概ね配置さ
れた平面57に沿って前記マッハディスクが配置され、そ
れによってイオンの試料採取が、前記マッハディスクと
サンプリング部材15との間に存在する「跳躍帯」58から
前記マッハディスクの上流側で行なわれると推定され
る。

サンプリング部材15の第１オリフィス16と中空テーパ
ー部材19の第２オリフィス37との距離は、従来のIPC質
量分析計の場合と同様に相当厳密である。正しい距離は
実験によって見い出すのが最良であり、一連の距離のそ
れぞれについて得られる最大イオンビーム強度を測定
し、かつ最大の通過率が得られる距離を選択する。

再び第２図に関して言えば、レンズアセンブリ21の一
部分を構成する管形電極43が、中空テーパー部材19の背
後の第２真空排気領域20内に配置されている。これは、
互いに120°の角度をもって配設されかつ管形電極43の
外側部分に溶接された３個のラグ44によって支持されて
いる。ラグ44は、３個の絶縁スペーサ・ねじアセンブリ
45によって真空ハウジング31内に溶接された取付プレー
ト46に固定されている。取付プレート46は、各ラグ44を
堅固に支持するのに十分な部分だけを残して削除され、
その存在によって中空テーパー部材19のすぐ内側の領域
に於ける排気率が大幅に低下しないようになっている。
管形電極43は、その拡径端部に於て円筒部分に結合され
た円錐部材からなる実質的に閉鎖された端部47を有す
る。円錐部材47は、第２図に示されるように中空テーパ
ー部材19内部に延出している。閉鎖端部47の端部には第
３オリフィス53が形成され、その中を中空テーパー部材
19の第２オリフィス37を通過した後のイオンが通過する
ようになっている。第２オリフィス37の直径は、第３オ
リフィス53の直径が約3.0mmであるのに対して、0.3〜1.
0mmの範囲内であると好都合である。静電界レンズアセ
ンブリ21を構成する前記電極の残部は、従来のICP質量
分析計に於いて使用されるものと類似している。一般
に、静電界レンズアセンブリ21は更に２個の管形電極と
中央の光子ストッパとを備える。調整可能な電圧電源59
からなる手段が、管形電極43と中空テーパー部材19との
間に電位差を維持するために設けられている。前記全電
極に於ける電位は、分析されるべきイオンの中空テーパ
ー部材19の第２オリフィス37から質量アナライザ22への
通過を最適にし、かつマトリックス制御効果を最小にす
るように選択される。中央に配置される光子ストッパ
が、さもなければ前記プラズマからイオン検出器24内に
通過してノイズを増加させる光子及び高速中性粒子の数
を最小にするために設けられている。静電界レンズアセ
ンブリ21は、イオンビームが前記光子ストッパの周囲で
分岐するように配置されるが、従来のICP質量分析計と
同様に幾らかの損失は避けられない。

第4A図は、内角が45°である「カンパーグ」型式のス
キマーを有する一般的な従来形式のICP質量分析計のス
キマー49及び円筒形レンズ要素50の背後の領域内に存在
する静電界を現わす一連のコンピュータ予測による等ポ
テンシャル曲線48を示している。スキマー49内部に抽出
場（extraction field）が非常に僅かしか侵入していな
いことが理解される。また、第4A図は、静電レンズ要素
50の電位が前記スキマーに関してマイナス200ボルトで
ある場合に該スキマーの前記オリフィスを通過する質量
50ダルトン及び初期エネルギー10eVのイオンのコンピュ
ータ予測による軌跡を示している。軌跡のコンピュータ
予測はイオンビーム内の空間電荷を考慮しており、添付
図面に示されるのは１μＡのイオン電流に関する予測軌
跡である。これらの条件は、従来のICPMSの場合に遭遇
するであろう極めて一般的な条件である。スキマー49内
でイオンビームが相当膨脹するであろうことは明らかで
あり、全イオンビーム電流が１μＡより大きい場合、及
び軌跡51が例えば50ダルトンではなく１または２ダルト
ンのようなより軽いイオンについて計算された場合に
は、より大きな膨張が予想される。これらの予測から、
スキマー49の内面に於てイオンの重大なかつ質量に依存
する損失が生じることは明らかであり、ギルソン及びダ
グラス（同書）によって得られた結果と類似する結果が
確認される。

対照的に、第4B図は、閉鎖端部47からなる管形電極43
と本発明による質量分析計の中空テーパー部材19内面と
の間に存在する静電界について計算された一連の等ポテ
ンシャル曲線52を示している。前記静電界を特徴付ける
等ポテンシャル曲線52がより一層オリフィス37に近接
し、かつ第４図の従来システムの場合よりも前記スキマ
ー内部により強い抽出場を形成していることがわかる。
更に、より多くの等ポテンシャル曲線52が、第4A図の従
来システムの場合より大きな距離に関して中心軸55に対
して概ねに直交しており、それにより同様に収束が改善
されている。その結果として、中空テーパー部材19のオ
リフィス37を通過するイオンの第4A図の例に於て使用さ
れた条件と同じ条件について得られるコンピュータ予測
による軌跡曲線54は、軌跡曲線51より膨張が非常に少な
いことを示している。本願発明者が考える所によれば、
これによって本発明により構成される質量分析計の通過
効率の向上及び判別の低下が説明される。好適実施例で
は、等ポテンシャル曲線の大部分またはより好適には全
部が中空テーパー部材19内に存在する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブラッドショウ、ネイル イギリス国ストックポート・エスケイ４ ３アールエフ・ヒートンマージー・チ ェビングトンドライブ 27 (56)参考文献 特開 昭62−26757（ＪＰ，Ａ) 米国特許4760253（ＵＳ，Ａ) 米国特許4740696（ＵＳ，Ａ) 欧州特許出願公開199455（ＥＰ，Ａ ２)

Claims (18)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】質量アナライザと、ガスの流れの中にプラ
   ズマを生成させる手段と、前記プラズマの中に試料を導
   入する手段と、前記試料の特性を示すイオンの少なくと
   も一部分が第１真空排気領域内に向けて通過する第１オ
   リフィスを有する前記プラズマ近傍のサンプリング部材
   と、前記サンプリング部材にその狭小端部を最も近接さ
   せて配置され、かつ前記狭小端部にその中を前記イオン
   の少なくとも一部分が前記第１真空排気領域から第２真
   空排気領域へかつ最終的に前記質量アナライザに向けて
   通過するための第２オリフィスを有する中空テーパー部
   材とを備え、前記中空テーパー部材が、60゜より大きな
   内側夾角を有するように外側及び内側を先細に形成した
   部分を少なくとも有することを特徴とする質量分析計。
2. 【請求項２】前記夾角が90゜乃至120゜の範囲内にある
   ことを特徴とする請求項１に記載の質量分析計。
3. 【請求項３】前記中空テーパー部材及び前記サンプリン
   グ部材の外形が概ね円錐形であり、かつ前記両部材が、
   前記第１及び第２オリフィスが共通の対称軸上にあるよ
   うに配置されることを特徴とする請求項１にまたは２に
   記載の質量分析計。
4. 【請求項４】前記中空テーパー部材が、その拡径端部に
   於て外側及び内側を先細に形成した前記部分と、その狭
   小端部に於て約60°より小さい外側夾角を有するように
   外側を先細に形成した第２部分とを有することを特徴と
   する請求項１乃至３のいずれかに記載の質量分析計。
5. 【請求項５】前記中空テーパー部材が、その拡径端部に
   於て外側及び内側双方を先細に形成した前記部分と、そ
   の狭小端部に於て60°より小さい内側夾角を有する内側
   を先細に形成した第２部分とを有することを特徴とする
   請求項１乃至４のいずれかに記載の質量分析計。
6. 【請求項６】プラズマイオン源と質量アナライザとの間
   のサンプリング円錐体−スキマーインターフェイスに於
   いて使用するのに適したスキマー円錐体であって、 その狭小端部にオリフィスを有する中空テーパー部材か
   らなり、かつその拡径端部に於いて60°より大きな内側
   夾角を有するように外側及び内側を先細に形成した第１
   部分と、前記狭小端部に於て約60°より小さい外側夾角
   を有するように外側を先細に形成した第２部分とを有す
   ることを特徴とするスキマー円錐体。
7. 【請求項７】前記第２真空排気領域内に、前記第２オリ
   フィスから出てくるイオンを前記質量アナライザに送る
   ための管形電極が配置され、該管形電極が、その中を前
   記イオンが通過する第３オリフィスを有する実質的に閉
   鎖された端部を有し、かつ前記管形電極と前記中空テー
   パー部材との間に電位差を維持するための手段が設けら
   れていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに
   記載の質量分析計。
8. 【請求項８】前記実質的な閉鎖端部が前記中空テーパー
   部材の内部に延出していることを特徴とする請求項７に
   記載の質量分析計。
9. 【請求項９】前記管形電極及び中空テーパー部材が概ね
   円形の断面を有し、かつ前記実質的な閉鎖端部が、その
   拡径端部に於いて前記管形電極の概ね円筒形をなす部分
   に結合された円錐形、切頭円錘形または部分球状部材か
   らなることを特徴とする請求項７または８に記載の質量
   分析計。
10. 【請求項１０】前記電位差及び前記第１及び第２オリフ
    ィスの大きさがマトリックス抑制効果を最小にするよう
    に選択されることを特徴とする請求項７乃至９のいずれ
    かに記載の質量分析形。
11. 【請求項１１】前記プラズマが誘導結合プラズマまたは
    マイクロ波誘導プラズマであることを特徴とする請求項
    １乃至５、７乃至10のいずれかに記載の質量分析計。
12. 【請求項１２】質量分析計によって試料の組成を測定す
    る方法であって、 ガスの流れの中にプラズマを生成する過程と、前記プラ
    ズマ内に前記試料を導入する過程と、サンプリング部材
    の第１オリフィスを介して第１真空排気領域内に向かう
    前記プラズマに存在するイオンを試料採取する過程と、
    前記第１オリフィスを通過するイオンの少なくとも一部
    分を中空テーパー部材の第２オリフィスを介して第２真
    空排気領域内へ通過させる過程と、前記第２オリフィス
    を通過するイオンの少なくとも一部分を質量アナライザ
    内に送る過程とからなり、前記中空テーパー部材が、60
    °以上の内側夾角を有するように外側及び内側を先細に
    形成した部分を少なくとも有し、かつその狭小端部が前
    記サンプリング部材に近接するように配置されているこ
    とを特徴とする試料の組成測定方法。
13. 【請求項１３】前記中空テーパー部材が、その拡径端部
    に於て外側及び内側双方を先細に形成した前記部分と、
    その狭小端部に於て約60°より小さい外側夾角を有する
    ように外側を先細に形成した第２部分とを有することを
    特徴とする請求項12に記載の試料の組成測定方法。
14. 【請求項１４】前記第１オリフィスと前記中空テーパー
    部材との間の前記第１真空排気領域内にガスの超音速膨
    張ジェットを形成し、かつ前記中空テーパー部材の狭小
    端部が前記超音速膨張ジェット内の前記マッハディスク
    の上流側に配置されるように、前記外側先細第２部分の
    長さを選択することを特徴とする請求項13に記載の試料
    の組成測定方法。
15. 【請求項１５】その大部分が前記中空テーパー部材内に
    ありかつその軸線と概ね直角方向に交差するような等ポ
    テンシャル曲線を特徴とする静電界を発生させる手段を
    前記第２真空排気領域内に設けることを特徴とする請求
    項12乃至14のいずれかに記載の試料の組成測定方法。
16. 【請求項１６】実質的に全ての前記等ポテンシャル曲線
    が前記中空テーパー部材内にあることを特徴とする請求
    項15に記載の試料の組成測定方法。
17. 【請求項１７】前記中空テーパー部材内に延出する実質
    的に閉鎖された端部からなる管形電極によって前記静電
    界を発生させることを特徴とする請求項15または16に記
    載の試料の組成測定方法。
18. 【請求項１８】前記プラズマが誘導結合プラズマまたは
    マイクロ波誘導プラズマであることを特徴とする請求項
    12乃至17のいずれかに記載の試料の組成測定方法。