JPH031435A - 質量分析法のためのイオン化法 - 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） 本発明は、質量分析を行うために試料をイオン化する方
法に関するもので、特に、表面電離の原理を利用してイ
オン化するようにした、質量分析法のためのイオン化法
に関するものである。

（従来の技術） 微量成分の検出には、質量分析法が用いられることが多
い。この質量分析法は、ガス化した試料をイオン化し、
磁場あるいは電場からなる質量分離部を通すことにより
各イオンをその質量に従って分離させ、これを検出測定
するというものである。このような質量分析法にょれば
、分子ないしは原子単位での分析が可能となるので、特
に微量生体代謝物質の検出や公害成分あるいは半導体製
造プロセスガスに含まれる極微量不純物の分析等に威力
を発揮する。

ところで、このような質量分析法を行うためには、試料
をイオン化しなければならない。そのイオン化法として
は、電子衝撃法など、これまでにも種々の方法が提案さ
れ、実施されてきている。

そのようなイオン化法の一つとして、表面電離の原理を
利用したものがある。これは、質量分析装置のイオン化
室内に、仕事関数の高い固体表面を加熱して配置してお
き、これにガス化した試料を導くようにしたものである
。加熱環境下にある仕事関数の高い固体表面にイオン化
エネルギの小さい試料分子を接触させると、その試料分
子は表面電離により効率よくイオン化される。

このような表面電離によるイオン化法は、特に元素を効
率よくイオン化することができることから、現在でも同
位体希釈法等に欠かすことのできない手法となっている
。また、近年、ある種の有機化合物にも有用であること
が判明した。しかも、そのスペクトルは単純で構造に関
して情報の多いものが多い。そのため、このイオン化法
は、特異な方法としてその利用はますます広まっている
。

このように表面電離を利用して試料をイオン化する場合
、従来は、試料は単にガス化してイオン化室内に導入す
るようにしていた。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、そのような従来の表面電離によるイオン
化法では、表面電離によってイオン化される試料分子の
割合は、固体表面の仕事関数と試料分子のイオン化エネ
ルギとの差によって決定されることになる。そのために
、イオン化エネルギの比較的大きい化学種はイオン化さ
れにくく、十分なイオン化効率が得られない。

特に８ｅＶ以上のイオン化エネルギを有する化合物に対
しては、全く無力となってしまう。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであっ
て、その目的は、より広範な化学種を表面電離によって
効率よくイオン化することのできる質量分析法のための
イオン化法を得ることである。

（課題を解決するための手段） この目的を達成するために、本発明では、キャリヤガス
として水素やヘリウム等の軽い気体を用い、試料をその
キャリヤガスとともにノズルから真空のイオン化室内に
噴出させるようにしている。ノズルから噴出したガスは
、そのイオン化室内において、加熱された固体表面に導
かれる。

（作用） このようにノズルから真空中にガスを噴出させると、超
音速自由噴流が形成される。そして、重い試料分子は、
二体衝突を繰り返しながら、軽いキャリヤガス分子の速
度にまで加速される。したがって、試料分子は極めて大
きい運動エネルギを持つことになる。

そのように大きい運動エネルギを持つ気相の分子は、気
相と固相との相互作用の場において、著しく効率よく表
面電離される。したがって、ノズルから噴出した試料分
子を加熱された固体表面に導くと、その分子は高い効率
でイオン化されるようになる。

（実施例） 以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

図中、第１図は本発明を適用した質量分析計の一例を示
す概略構成図であり、第２図はそれに用いられているノ
ズルからガスが噴出する状態を示す説明図である。

第１図か明らかなように、質量分析計１は、試料をイオ
ン化しそれを加速するイオン源部２と、そのイオン源部
２から導入されるイオンビームな分離する質量分離部３
とを備えている。その質量分離部３は、この実施例にお
いては互いに対向する一対の電極３ａ、３・ｂを２組配
置した四重桶型のものとされている。イオンは、それら
の電極３ａ、３ｂによって形成される高周波電場を通る
ことにより、質量ごとに分離され、検出部（図示せず）
において検出されるようになっている。

これらイオン源部２及び質量分離部３は、トラップ４を
介して真空排気装置に接続される真空室５内に配置され
、常に真空雰囲気下に保たれるようになっている。

イオン源部２にはイオン化室６が設けられている。この
イオン化室６は真空室５内に開放されている。したがっ
て、イオン化室６内も、真空雰囲気に保たれるようにな
っている。

真空室５の外部には試料導入部７が設けられている。そ
の試料導入部７には、ガス化された試料が、水素あるい
はヘリウム等の軽いキャリヤガスとともに導入されるよ
うになっている。

また、その試料導入部７の出口側には、導管８を介して
ノズル９が接続されている。そのノズル９の先端は、イ
オン化室６内に突出するようにされている。

一方、イオン化室６内には、ノズル９に対向する位置に
、表面電離により試料をイオン化する固体表面をなすエ
ミッタ１０が配置されている。そのエミッタ１０は、外
部の温度制御装置１１により、表面が適度の温度に加熱
されるようになっている。

第２図に示されているように、ノズル９の先端にはガス
噴出口９ａが設けられている。そのガス噴出口９ａは、
直径５０〜１００μｍ程度の微小径のものとされている
。また、ノズル９の先端部外周には、適宜の電源によっ
て温度制御されるヒータ１２が取り付けられ、ノズル９
内のガスを加熱し得るようにされている。

エミッタ１０は、仕事関数の低い固体表面、あるいは仕
事関数の高い固体表面、のいずれかをなすものとされる
、仕事関数の低いものとする場合には、例えばルビジウ
ム塩のようなアルカリ金属化合物をドープしたアルミナ
シリケートをビーズ状として白金コイル等の加熱線に付
着させるようにする。また、仕事関数の高いものとする
場合には、例えば白金、レニウム、タングステン等の金
属あるいはその金属酸化物をコイル状として、電気加熱
するようにすればよい。

次に、このように構成された質量分析計１の作用につい
て説明する。

質量分析を行うときには、真空室５内を真空雰囲気に保
ち、エミッタ１０の表面を適度の温度に加熱しておく。

また、ノズル９の先端部もヒータ１２によって加熱して
おく。

この状態で、試料導入部７にキャリヤガスを導入すると
ともに、ガス化した試料を注入する。すると、その試料
は、キャリヤガスによって運ばれ、導管８を通ってノズ
ル９の先端部に達する。ノズル９のガス噴出口９ａは微
小径とされており、その上流側からは次々とガスが送り
込まれるので、そのノズル９内は正圧となる。一方、ノ
ズル９の外部は真空雰囲気に保たれている。したがって
、ガス噴出口９ａの上流側と下流側との間には極めて大
きな圧力差が生じる。その結果、軽いキャリヤガスはそ
のガス噴出口９ａから噴出し、それに伴って、重い試料
分子も真空中に吹き出す。

このとき、噴出するガスの平均自由行程はガス噴出口９
ａの径よりも十分に小さいので、試料分子は、噴出直後
、二体衝突を繰り返しながら、軽いキャリヤガスの分子
の速度にまで加速される。こうして、ガス噴出口９ａか
ら噴出したガスは、第２図に示されているような超音速
領域を有する超音速自由噴流となる。したがって、その
超音速噴流中にある重い試料分子の運動エネルギは極め
て大きくなる。

エミッタ１０はこの噴流中に設けられている。したがっ
て、試料分子は、そのエミッタ１０の固体表面に接触し
て、表面電離によりイオン化される。その場合、試料分
子は上述のように極めて大きな運動エネルギを持ってい
るので、そのイオン化は著しく促進される。すなわち、
試料分子が負イオンになるものである場合には、試料分
子の運動エネルギによって、その電子親和力が増幅され
たのと同じ効果が与えられるので、仕事関数の低い表面
をなすエミッタ１０に試料を導くと、その分子あるいは
その構成化学種が極めて効率よく負イオンにイオン化さ
れる。また、試料分子が正イオンになるものである場合
には、試料分子の運動エネルギが固体表面の仕事関数を
大きくしたのと同様の効果をもたらすので、仕事関数の
高い表面をなすエミッタ１０に試料を導くと、その分子
あるいはその構成化学種が著しく高い効率で正イオンに
イオン化される。

このように、検出しようとする試料の特質に応じてエミ
ッタ１０の仕事関数を高くあるいは低く設定しておけば
、従来のものではイオン化することのできなかった化合
物まで効率よくイオン化することができるようになる。

そして、このようにして生じたイオンは、イオン源部２
において加速され、イオンビームとなって質量分離部３
に導かれる。質量分離部３においては、高周波電場が形
成されているので、そのイオンビームは各イオンの質量
に応じて軌道が曲げられ、質量ごとに分離される。

このようなイオン化法において、試料分子に与えられる
運動エネルギは、ガス噴出口９ａの上流側のガス圧、下
流側の真空度、ガスの温度、ガス噴出口９ａの径などに
よって制御される。このうち、ガス噴出口９ａの下流側
の真空度は、一般には質量分析計１の真空室５内の真空
度によって決定される。また、ガス噴出口９ａの最小径
は、その加工性などの点からほぼ決定される。しかしな
がら、ガス噴出口９ａの上流側のガス圧はキャリヤガス
の供給流量によって調整することができ、ガスの温度は
ノズル９の先端に取り付けられたヒータ１２によって調
整することができる。したがって、それらを調整するこ
とによって、試料分子の運動エネルギを最適な大きさと
することができる。

なお、上記実施例においては、質量分離部３が４電極型
のものとされている質量分析計１を例に挙げたが、−様
磁場を形成する質量分離部を備えた質量分析計、あるい
は質量分析器にも、本発明を適用することができること
は明らかであろう。

また、本発明は、ガスクロマトグラフのカラムによって
分離された試料を質量分析する場合にも採用することが
できる。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、試料
を軽いキャリヤガスとともにノズルから真空中に噴出さ
せ、その試料分子に大きな運動エネルギを持たせるよう
にしているので、加熱された固体表面における表面電離
が著しく促進され、試料を高い効率でイオン化すること
ができる。したがって、従来の表面電離によるイオン化
法ではイオン化することができず、検出することのでき
なかった化合物、あるいはイオン化することができても
微量のために十分な検出感度が得られなかった化合物に
ついても、検出が可能となり、その適用範囲を広げるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を適用した質量分析計の一例を示す概
略構成図、 第２図は、そのイオン化室に設けられているノズルから
ガスが噴出する状態を示す説明図である。 １・・・質量分析計（質量分析装置） ５・・・真空室　　　　６・・・イオン化室７・・・試
料導入部 ９・・・ノズル　　　　９ａ・・・ガス噴出口１ｏ・・
・エミッタ（固体表面）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）質量分析装置の真空雰囲気下に保たれるイオン化
   室内に、適度の温度に加熱される固体表面を配置し、 その固体表面に向けて、ノズルから軽いキャリヤガスと
   ともに試料を噴出させ、 その固体表面において表面電離させることにより試料を
   イオン化することを特徴とする、質量分析法のためのイ
   オン化法。
2. （２）前記試料中の分子あるいはその構成化学種の電子
   親和力が大きい場合には、前記固体表面を仕事関数の低
   いものとすることを特徴とする、請求項１記載のイオン
   化法。
3. （３）前記試料中の分子あるいはその構成化学種のイオ
   ン化エネルギが小さい場合には、前記固体表面を仕事関
   数の高いものとすることを特徴とする、 請求項１記載のイオン化法。
4. （４）前記ノズルから噴出するガスを加熱することを特
   徴とする、 請求項１ないし３のいずれか記載のイオン化法。