(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン化室に反応ガスを導入し、反応ガスイオンと試料分子との化学反応により該試料分子をイオン化する化学イオン化装置において、
a)反応ガスをイオン化室へ導入するための抵抗管と、
b)該抵抗管の周囲に配設した温調ユニットと、
c)該温調ユニットの温度を制御することにより反応ガスの流量を調節する制御手段と、
を備えることを特徴とする化学イオン化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば質量分析装置等に用いられるイオン化装置に関し、更に詳しくは、化学イオン化法を利用して試料分子のイオン化を行なう化学イオン化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
質量分析装置は、分析対象である試料分子をイオン化し、該イオンを質量数（質量／電荷比）に応じて分離して検出する構成を有している。イオン化には様々な方法が用いられているが、代表的なのは電子衝撃イオン化法（ＥＩ）や化学イオン化法（ＣＩ）である。
【０００３】
ＥＩでは、フィラメントにより生成した熱電子を加速してガス状の試料分子に衝突させる。すると、試料分子から電子が放出され、該試料分子はイオン化される。一般に、ＥＩにより発生したイオンは過剰な内部エネルギーをもつため、開裂を生じてフラグメントイオンを発生し易い。
【０００４】
一方、ＣＩでは、イオン化室内にメタン、イソブタン等の反応ガスを導入し、この反応ガス分子に熱電子を衝突させて反応ガスイオン（例えばＣＨ5+、（ＣＨ3）3Ｃ+等）を多量に発生させる。そして、この反応ガスイオン雰囲気中に試料分子を導入し、化学反応を生じさせることにより試料分子をイオン化する。イオン化が比較的穏やかに行なわれるため、過剰な内部エネルギーをもたない安定した分子イオンが多く生成され、分子量の情報を得易いという特徴がある。
【０００５】
このように、ＣＩではイオン化室に試料ガス以外に反応ガスを導入する必要がある。この反応ガスの流量は例えば１ｍＬ／分程度と微流量であり、従来の化学イオン化装置では、内径が数十μｍ、全長が１ｍ程度の極細径のガラスキャピラリ等を用いた抵抗管と、その抵抗管の入口に配設した圧力調整弁とにより反応ガスの流量を調節する構成がとられている。このときの反応ガスの流量Ｑは、ガス入口圧Ｐｉ、ガス出口圧Ｐｏに対し、次式により定まる。
Ｑ＝Ｃ（Ｐｉ−Ｐｏ）          …(1)
ここで、Ｃは抵抗管のコンダクタンス（流量抵抗の逆数）であり、抵抗管の寸法のほか、ガスの粘性係数等にも依存する。ガス出口圧Ｐｏは通常真空雰囲気（大気圧イオン化法を除く）であり既知であるので、圧力調整弁にてガス入口圧Ｐｉを制御することにより反応ガスの流量を調節することできる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の化学イオン化装置では、測定者が圧力調整弁を手動で操作しなければならないため、反応ガスの流量調整の作業は大変面倒であった。また、抵抗管のコンダクタンスは周囲温度により変動するため、周囲温度が変化すると反応ガスの流量が変化し、イオン化が安定に行なわれなくなる恐れがあった。特に、反応ガスの流量が減少すると、イオン化室内で反応ガスイオンの量が減り、化学イオン化よりも電子衝撃によるイオン化が支配的になってマススペクトルが変化することがあった。
【０００７】
また、流量に対する周囲温度の影響を軽減するために、抵抗管及び圧力調整弁を用いる代わりに極低流量のニードルバルブを用いた流量調節も行なわれている。しかしながら、これによってもニードルバルブの開度の調整は手動で行なわなければならず、また、この種のニードルバルブは高価であるため装置のコストが高くなるという問題点もあった。
【０００８】
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、反応ガスの流量を自動的に調節することができると共に安定したイオン化を行なうことができる化学イオン化装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明は、イオン化室に反応ガスを導入し、反応ガスイオンと試料分子との化学反応により該試料分子をイオン化する化学イオン化装置において、
a)反応ガスをイオン化室へ導入するための抵抗管と、
b)該抵抗管の周囲に配設した温調ユニットと、
c)該温調ユニットの温度を制御することにより反応ガスの流量を調節する制御手段と、
を備えることを特徴としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る化学イオン化装置において、上記温調ユニットは、例えば、抵抗管に周設した金属ブロックと、該金属ブロックに密着又は埋設したヒータと、金属ブロックを冷却するための冷却ファンと、金属ブロックの温度を検出する温度検出手段とから構成することができる。
【００１１】
この種の化学イオン化装置における反応ガスの流量の領域では、ガスの流れは粘性流であると看做せる。粘性流では、抵抗管のコンダクタンスはガスの粘性係数に対しほぼ逆比例する。また、ガスの粘性係数は温度に依存している。そこで本発明に係る化学イオン化装置では、制御手段は制御目標流量が与えられると、予め定められた換算式等に基づき制御目標温度を得て、温調ユニットがその制御目標温度になるようにヒータ又は冷却ファンを駆動する。抵抗管が加熱又は冷却されると、ガスの粘性係数が変化して抵抗管のコンダクタンスが変化するため、反応ガス流量が変化する。
【００１２】
なお、温調ユニットによって調節可能な流量の範囲は温度の可変範囲に依存するが、一般にあまり広くない（例えばメタンガスでは２倍程度）。従って、大きく流量を変えたい場合には、抵抗管の入口に圧力調整手段を設け、該圧力調整手段により流量の粗調整を行った後に温調ユニットにより微調整を行なうようにするとよい。
【００１３】
【発明の効果】
本発明に係る化学イオン化装置によれば、温調ユニットの温度を制御することにより反応ガスの流量を調節することができるので、面倒な手動による調整作業が不要又は軽減される。また、周囲温度の影響を受けずに反応ガスの流量を一定に保つことができるので、イオン化を安定して行なうことができる。更に、高価なニードルバルブ等を用いることなく、安いコストで極微流量の制御が行なえる。
【００１４】
【実施例】
以下、本発明に係る化学イオン化装置の一実施例を図１により説明する。図１は、本実施例の化学イオン化装置を用いた質量分析装置の構成図である。
【００１５】
この質量分析装置は、イオン化室１１、イオンレンズ１４、質量分析器１５（図１では四重極フィルタを示しているが他の質量分析器でもよい）及び検出器１６から構成されており、これらは真空排気されている分析室１０内に配置されている。イオン化室１１には試料ガス導入管１２と反応ガス導入管１３とが接続されているほかに、図示しない位置に熱電子を送り込む熱電子照射孔が設けられている。反応ガス導入管１３からメタンガス等の反応ガスがイオン化室１１に導入され、熱電子との衝突により反応ガスイオンが生成される。その反応ガスイオン雰囲気中に試料ガス導入管１２から試料分子が導入されると、化学反応が生じ試料分子はイオン化される。発生したイオンはイオン化室１１から引き出されてイオンレンズ１４にて収束及び加速され、質量分析器１５に導入される。質量分析器１５には直流電圧と高周波電圧とを重畳した電圧が印加され、この電圧に応じた質量数を有するイオンのみが質量分析器１５を通り抜けて検出器１６に到達する。
【００１６】
反応ガス導入管１３の上流側には極細径のキャピラリガラス等を用いた抵抗管２０が連結され、その抵抗管２０の入口側には、調圧バルブ２１を介して反応ガス容器２２が接続されている。抵抗管２０は熱容量の小さな金属から成る均熱ブロック２３で覆われており、その均熱ブロック２３には加熱用のヒータカートリッジ２４と温度検出用の熱電対２５とが埋設されている。また均熱ブロック２３には、モータ２７により回転駆動される冷却用のファン２６が近接して設けられている。ヒータカートリッジ２４には電流発生部２８より加熱電流が供給され、制御部２９は、電流発生部２８及びモータ２７を制御することにより均熱ブロック２３を加熱又は冷却する。
【００１７】
次に、反応ガスの流量制御に関する動作を説明する。調圧バルブ２１は反応ガスの流量の粗調整に利用され、所望の流量付近になるように適当な開度に調整される。これにより、反応ガス容器２２から抵抗管２０に反応ガスが流れる。制御部２９は、与えられた制御目標流量に応じて制御目標温度Ｔ0を決定し、熱電対２５により検出した温度Ｔがその制御目標温度Ｔ0になるように電流発生部２８及びモータ２７を制御する。
【００１８】
反応ガスの流量Ｑは上記(1)式により決定される。ガス入口圧Ｐｉは調圧バルブ２１の開度によって決まる。抵抗管２０のコンダクタンスＣはガスの粘性係数にほぼ逆比例する。また、この粘性係数は温度依存性があり、例えばメタンガスでは、２０℃（絶対温度２９２Ｋ）のとき１１．０×１０-6〔Ｐａ・ｓ〕、４００℃（絶対温度６７３Ｋ）のとき２０．９×１０-6〔Ｐａ・ｓ〕である。すなわち、温度を２０℃→４００℃に上昇させるとガスの粘性係数は約２倍になり、抵抗管２０のコンダクタンスＣは約１／２になる。これにより、反応ガスの流量Ｑは約１／２になるので、この範囲で流量を微調整することができる。また、このような温度と流量との関係を予め調べておくことにより、上述のように制御目標流量に対する制御目標温度Ｔ0を得ることができる。
【００１９】
なお、均熱ブロック２３を用いる代わりに、抵抗管２０を内装する小型のオーブン（箱）を用いることもできる。また、上記実施例は一例であって、本発明の趣旨の範囲で適宜修正や変更を行なえることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による化学イオン化装置を用いた質量分析装置の一実施例の構成図。
【符号の説明】
１１…イオン化室              １３…反応ガス導入管
２０…抵抗管                  ２１…調圧バルブ
２３…均熱ブロック            ２４…ヒータカートリッジ
２５…熱電対                  ２６…ファン
２７…モータ                  ２８…電流発生部
２９…制御部
【図１】
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