(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプルガスを真空紫外光によりイオン化するイオン化手段と、
前記真空紫外光によりイオン化されたイオンのうち、特定質量のイオンを蓄積するイオントラップと、
前記イオントラップ中に蓄積された前記イオンを加速させ、その加速されたイオンの飛行時間に基づいて前記サンプルガス中の前記特定質量の化学物質を同定する飛行時間型質量分析手段と、
を備えた化学物質検出装置において、
前記イオン化手段は、イオン化室を有し、
前記飛行時間型質量分析手段は、前記イオン化室と連通する飛行室を有し、
前記飛行室のうち前記イオン化室と反対側には、イオン検出器が配置されており、
前記飛行室内には、前記イオン化室と連通する第１空間と前記イオン検出器を含む第２空間とに仕切る仕切り壁が配置されており、
前記仕切り壁には、イオンが通過する孔が設けられており、
前記第１空間には、相互に連通する前記第１空間および前記イオン化室中の圧力を高真空に保持するポンプが接続されており、
前記第２空間には、前記第２空間内の圧力を前記第１空間内の圧力よりも低くする差動排気用ポンプが接続されており、
前記イオン化室中には、前記イオントラップが配置されており、
前記イオントラップには、前記サンプルガスを前記イオントラップ中に直接導入するサンプルガス導入管が接続されている、
ことを特徴とする化学物質検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、化学物質検出装置に係り、特に、特定の化学物質を高精度に検出することができる化学物質検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
クロロベンゼン類、ダイオキシン類のような微量で有害な化学物質が、燃焼炉、金属精錬炉から排出される排ガス中に含まれて排出されている。このような、微量有害物質の検出および濃度測定を的確に行うことが、特に強く求められている。
【０００３】
上述のような化学物質の検出、濃度測定のための装置として、ガスクロマトグラフ法、質量分析法のような慣用技術によるものが知られており、そのうち、質量分析法は、ガスクロマトグラフ法に比べて、その計測時間が短い点で優れている。
【０００４】
質量分析法は、ＲＦ放電（高周波放電）によるプラズマ、電子銃による電子ビームなどを用いてサンプルガスをイオン化し、そのイオンを一瞬に加速して質量分離を行い、その質量数に対応する飛行時間を計測することにより、その物質を同定する方法である。
【０００５】
上述のような飛行時間型質量分析法は、サンプルガスをイオン化するプロセスで、検出対象物質以外の物質がイオン化したり、検出対象物質、検出対象でない物質の質量がより小さい分子、原子に分解され、分解されて生成するフラグメントが複雑になって、特定物質の同定が困難であり、その計測感度の低下を招いている。
【０００６】
このため、サンプルガス中の計測対象物質以外の物質のイオン化を防止する技術が開発されている。また、計測対象物質の光吸収波長に合わせたレーザ光を照射し、その物質を選択的に多光子イオン化する共鳴多光子イオン化法が知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、計測感度を高めることができる共鳴多光子イオン化法は、クロロベンゼン類、ダイオキシン類のうちで、ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼンのような塩素が多く含まれる物質ほど、イオン化の効率が低下し、その計測感度が低下するので、イオン化効率の低下を補うために、超短パルスレーザが必要になる。このため、従来装置では、上述のような特定物質の計測のために、高価な装置となってしまう。
【０００８】
そこで、この出願人は、特定物質のイオン化効率を高め、光子エネルギーより高いイオン化エネルギーを持つ他物質のイオン化の阻止、及び特定物質のフラグメント生成を抑制することで計測感度を向上することと、装置の低コスト化、簡素化を図れる化学物質検出装置（特願２０００−１７８９８５号）を先に出願した。
【０００９】
先願の化学物質検出装置は、サンプルガスを真空紫外光によりイオン化するイオン化手段と、前記真空紫外光によりイオン化されたイオンのうち、特定質量のイオンを蓄積するイオントラップと、前記イオントラップ中に蓄積された前記イオンを加速させ、その加速されたイオンの飛行時間に基づいて前記サンプルガス中の前記特定質量の化学物質を同定する飛行時間型質量分析手段と、を備える。
【００１０】
この発明は、先願の化学物質検出装置の改良にかかり、特定の化学物質を高精度に検出することができる化学物質検出装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、この発明は、以下の構成を特徴とする。すなわち、イオン化手段のイオン化室に飛行時間型質量分析手段の飛行室が連通しており、この飛行室のうち前記イオン化室と反対側にはイオン検出器が配置されており、前記飛行室内には前記イオン化室と連通する第１空間と前記イオン検出器を含む第２空間とに仕切る仕切り壁が配置されており、この仕切り壁にはイオンが通過する孔が設けられており、前記第１空間には相互に連通する前記第１空間および前記イオン化室中の圧力を高真空に保持するポンプが接続されており、前記第２空間には前記第２空間内の圧力を前記第１空間内の圧力よりも低くする差動排気用ポンプが接続されており、前記イオン化室中には前記イオントラップが配置されており、前記イオントラップには、前記サンプルガスを前記イオントラップ中に直接導入するサンプルガス導入管が接続されている。
【００１２】
この結果、この発明は、ポンプの作動により相互に連通する第１空間およびイオン化室中の圧力を高真空に保持することができ、また、差動排気用ポンプの作動により第２空間内の圧力を第１空間内の圧力よりも低くすることができる。しかも、サンプルガス導入管によりサンプルガスをイオントラップ中に直接導入して充満させることができる。これにより、この発明は、第２空間内におけるイオン検出器のノイズを低減することができる。このために、この発明は、飛行時間型質量分析手段の計測感度が向上され、その分、特定の化学物質を高精度に検出することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる化学物質検出装置の実施の形態の１例を添付図面を参照して説明する。なお、この実施の形態によりこの化学物質検出装置が限定されるものではない。
【００１４】
（実施の形態の構成の説明）
図１において、１はサンプルガスを真空紫外光によりイオン化するイオン化手段である。このイオン化手段１は、主に、イオン化室２と、サンプルガス導入管３と、イオン加速電極４と、真空紫外光発生手段としてのランプ５とから構成されている。前記イオン加速電極４は、後記イオントラップ９と後記飛行時間型質量分析手段１９との間に配置されている。
【００１５】
前記ランプ５は、供給されたランプガス６（たとえば、Ｈ2 ／Ｈｅなど）をμ波で放電させて、Ｈ2 の固有の発光線エネルギー１０．２ｅＶを持つ真空紫外光７を発生させるものである。このランプ５は、放電するランプガス６の種類を変えることにより、発生する真空紫外光７の持つ光子エネルギー量を変化させて、イオン化する物質を選定することができる。また、このランプ５中は、たとえば、約１０Ｔｏｒｒ以下に減圧されている。
【００１６】
前記ランプ５は、ＭｇＦ2 窓８を介して前記イオン化室２に配置されている。前記真空紫外光７は、前記ＭｇＦ2 窓８を経て前記イオン化室２中に照射される。前記ＭｇＦ2 窓８は、真空紫外光７の透過性が良い。
【００１７】
図１において、９は前記真空紫外光７によりイオン化されたイオンのうち、特定質量のイオンを蓄積するイオントラップである。このイオントラップ９は、前記イオン化室２中に配置されている。また、このイオントラップ９は、図２に示すように、２個のエンドキャップ電極１０、１１と、１個のリング電極１２とから構成されている。
【００１８】
前記エンドキャップ電極１０、１１および前記リング電極１２は、その内面が凸曲面をなす。前記リング電極１２のほぼ中央には、前記真空紫外光７が照射されるための小さな孔、すなわち照射孔１３が設けられている。また、前記２個のエンドキャップ電極の一方１１のほぼ中央には、蓄積されたイオンを外に引き出すための小さな孔、すなわち引き出し孔１４が設けられている。
【００１９】
前記照射孔１３と、前記引き出し孔１４とは、ほぼ直交する方向にそれぞれ設けられている。すなわち、前記イオントラップ９とイオン加速電極４との間のイオン加速域に真空紫外光７が照射されない位置に、前記ランプ５が配置されることとなる。また、前記真空紫外光７の照射方向と後記イオン１８の加速方向とが合致しない方向に、前記ランプ５が配置されることとなる。
【００２０】
前記エンドキャップ電極１０、１１の端部とリング電極１２の端部との間には、絶縁物１５（たとえば、セラミック製の絶縁物）が固定されている。そして、これらエンドキャップ電極１０、１１およびリング電極１２および絶縁物１５は、ホルダ１６により、保持されている。
【００２１】
前記イオントラップ９のリング電極１２には、前記サンプルガス導入管３の先端が接続されている。これにより、サンプルガス導入管３を介してサンプルガス（図示せず）を前記イオントラップ９中、すなわち、前記エンドキャップ電極１０、１１および前記リング電極１２で形成される空間２４中に直接導入して充満させることができる。前記空間２４中に充満しているサンプルガスは、前記真空紫外光７によりイオン化される。
【００２２】
前記エンドキャップ電極１０、１１および前記リング電極１２には、図１に示すように、高周波電圧を印加するための高周波電源１７が接続されている。この高周波電源１７から印加される高周波電圧の周波数と電圧とを調整することにより、特定の質量のイオン１８を前記空間２４中において選別蓄積することができる。すなわち、周波数と電圧とが調整された高周波電界により、特定の質量のイオン１８がそのイオン軌道上を対流して保持蓄積されるものである。その他のイオンは、電極１０、１１、１２に当って消失する。
【００２３】
前記イオントラップ９中のイオンの蓄積時間は、蓄積する化学物質により変わるが、約１〜２秒間である。その蓄積時間が終了した時点で、イオン加速電極４に電圧を印加して電界を加える。すると、イオントラップ９中に蓄積されたイオン１８が引き出し孔１４から外に引き出されて加速されることとなる。
【００２４】
図１において、１９は前記加速されたイオン１８の飛行時間に基づいてサンプルガス中の特定質量の化学物質を同定する飛行時間型質量分析手段（いわゆる、ＴＯＦＭＳ）である。この飛行時間型質量分析手段１９の飛行室２０が前記イオン化室２と連通して配置されている。
【００２５】
前記飛行室２０のうち、前記イオン化室２と反対側であって、前記イオン１８が到達する箇所には、イオン検出器２２が設置されている。このイオン検出器２２は、たとえば、マイクロチャンネルプレート（いわゆる、ＭＣＰ）や電子増倍管などから構成されているものである。このイオン検出器２２は、イオン１８を検出する雰囲気の圧力が低ければ低いほど、ノイズが低下する傾向にある装置である。
【００２６】
前記イオン検出器２２は、図３に示すように、前記イオン１８を検出した時点で信号を出力するものである。なお、前記イオン検出器２２の信号出力のレベルは、前記イオン１８の量によって変わる。
【００２７】
前記イオン検出器２２には、オシロスコープ２３が接続されている。このオシロスコープ２３は、図３に示すように、前記イオン検出器２２でイオン１８を検出した時点で出力する信号の時間波形を表示するものである。
【００２８】
前記飛行室２０内には、仕切り壁２５が配置されている。これにより、前記飛行室２０内は、前記イオン化室２と連通する第１空間２６と、前記イオン検出器２２を含む第２空間２７とに仕切られる。前記仕切り壁２５には、イオン１８が通過する孔２９が設けられている。
【００２９】
前記第１空間２６には、ポンプ２１が接続されている。このポンプ２１の作動により、相互に連通する前記第１空間２６および前記イオン化室２中の圧力が高真空、たとえば、約１０-5Ｔｏｒｒ以下に保持されている。この高真空は、前記イオン化室２および前記飛行室２０中を飛行するイオン１８が他の分子と衝突して消失しない程度のものである。
【００３０】
前記第２空間２７には、差動排気用ポンプ２８が接続されている。この差動排気用ポンプ２８は、前記第２空間２７内の圧力を前記第１空間２６内の圧力よりも低くするものである。
【００３１】
（実施の形態の作用の説明）
この実施の形態における化学物質検出装置は、以上の如き構成からなり、以下、その作用について説明する。なお、この例における検出対象の化学物質は、たとえば、ダイオキシン類やその前駆体である。
【００３２】
まず、サンプルガスをサンプルガス導入管３を介してイオントラップ９の空間２４中に直接導入して充満させる。
【００３３】
一方、ランプ５を作動させて真空紫外光７を、ＭｇＦ2 窓８と、イオン化室２中のイオントラップ９の照射孔１３を経て、イオントラップ９中に照射させる。すると、サンプルガスは、真空紫外光７により、イオン化される。このとき、前記真空紫外光７の前記イオントラップ９中への照射体積は、前記照射孔１３の開口の大きさに伴なって増大する。また、前記真空紫外光７は、イオントラップ９とイオン加速電極４との間のイオン加速域には照射されない。
【００３４】
前記真空紫外光７の照射において、サンプルガス中の検出対象の化学物質のイオン化エネルギーに対して、それよりも高い光子エネルギーを持つ真空紫外光７を照射する。この結果、検出対象の化学物質は、１光子エネルギーにより、イオン化されるので、イオン化効率が良い。
【００３５】
イオン化されたイオンのうち、特定質量のイオン１８は、イオントラップ９中の空間２４において１〜２秒間蓄積される。これにより、イオン１８の密度が高くなる。
【００３６】
イオン１８がイオントラップ９において蓄積された後、イオン加速電極４に電圧を印加する。すると、イオントラップ９中のイオン１８パケット（集団）が引き出し孔１４から引き出されて加速される。このとき、前記イオン１８パケットの引き出し加速方向と、前記真空紫外光７の照射方向とは、ほぼ直交する。
【００３７】
加速されたイオン１８パケットは、イオン化室２および飛行室２０の第１空間２６、仕切り壁２５のイオン通過孔２９、第２空間２７中を飛行してイオン検出器２２に到達する。そのイオン１８パケットの飛行時間に基づいてサンプルガス中の特定質量の化学物質が同定される。
【００３８】
たとえば、図３に示すように、飛行時間（μｓ）がＴ１の場合、質量Ｍ１（たとえば、１１２）の化学物質Ｘ１（たとえば、モノクロロベンゼン）が同定される。また、飛行時間（μｓ）がＴ２の場合、質量Ｍ２（たとえば、１４６）の化学物質Ｘ２（たとえば、ジクロロベンゼン）が同定される。ここで、図３において、時間０は、イオン加速電極４に電圧を印加した時点をいう。
【００３９】
しかも、図３に示すように、イオン検出器２２からの信号出力のレベルから検出対象の化学物質の濃度が判明する。たとえば、濃度特性から、基準の信号出力レベル（図３中の最小の三角形のレベル）の濃度を１ｐｐｍとする。この場合において、飛行時間Ｔ１における信号出力レベルＳ１が基準の信号出力レベルの２倍となっているので、質量Ｍ１の化学物質Ｘ１の濃度は、２ｐｐｍとなる。また、飛行時間Ｔ２における信号出力レベルＳ２が基準の信号出力レベルの３倍となっているので、質量Ｍ２の化学物質Ｘ２の濃度は、３ｐｐｍとなる。
【００４０】
（実施の形態の効果の説明）
このように、この実施の形態における化学物質検出装置は、飛行時間型質量分析手段１９の飛行室２０内において、ポンプ２１の差動により相互に連通する第１空間２６およびイオン化室２中の圧力を高真空、たとえば、約１０-5Ｔｏｒｒ以下に保持することができ、また、差動排気用ポンプ２８の差動排気により、第２空間２７内の圧力を第１空間２６内の圧力よりも低くすることができる。
【００４１】
この結果、この実施の形態における化学物質検出装置は、第２空間２７内におけるイオン検出器２２のノイズを低減することができる。このために、この実施の形態における化学物質検出装置は、飛行時間型質量分析手段１９の計測感度が向上され、その分、特定の化学物質を高精度に検出することができる。
【００４２】
特に、この実施の形態においては、サンプルガスは、真空紫外光７の１光子エネルギーにより、イオン化されるので、イオン化効率が良い。
【００４３】
また、この実施の形態においては、真空紫外光７の発生手段としてランプ５を使用したので、コスト上非常に優れている。しかも、ランプ５は、パルスレーザと比較して、光子密度が小さいが、連続発光であるから、光子量はトータル的にほぼ同等となる。その上、イオントラップ９でイオンを蓄積するので、光子密度の小ささは、特に問題とはならない。
【００４４】
さらに、この実施の形態においては、飛行時間型質量分析手段１９として、イオン１８が直進するリニア型方式のものを使用する。このために、イオンが電極により反射するリフレクトロン型方式の飛行時間型質量分析手段と比較して、イオンが電極に衝突して消失する量が少ない。この結果、この実施の形態においては、イオン検出器２２におけるイオン１８の検出が正確となる。
【００４５】
さらにまた、この実施の形態における化学物質検出装置は、イオン１８の引き出し加速方向と真空紫外光７の照射方向とが直交するものであるから、真空紫外光７がイオントラップ９とイオン加速電極４との間のイオン加速域に照射されない。このために、イオン加速域に存在するサンプルガスが真空紫外光７によりイオン化してノイズとなるのを抑制することができる。その結果、飛行時間型質量分析手段１９の計測感度が向上され、その分、特定の化学物質を高精度に検出することができる。
【００４６】
なお、この実施の形態においては、検出対象の化学物質としては、ダイオキシン類やその前駆体であるが、この発明は、その他の化学物質の検出にも適用できる。
【００４７】
また、この実施の形態においては、サンプルガス導入管３をイオントラップ９に接続して、サンプルガスをイオントラップ９中の空間２４に直接導入して充満させるものである。これにより、イオン化域であるイオントラップ９中のガス圧、すなわち、サンプルガス密度を高めることができるので、イオントラップ９中で真空紫外光７によりイオン化されるイオンの生成量が大量となる。また、イオン化手段１のイオン化室２および飛行時間型質量分析手段１９の飛行室２０中のガス圧を所定の圧力（約１０-5Ｔｏｒｒ）以下に保持することができる。この結果、さらに、飛行時間型質量分析手段１９の計測感度が向上され、その分、特定の化学物質を高精度に検出することができる。
【００４８】
さらに、この実施の形態においては、真空紫外光７の照射方向とイオン１８の引き出し方向とが直交するものであるが、この発明の化学物質装置においては、真空紫外光７の照射方向とイオン１８の引き出し方向とが同一方向であっても良い。
【００４９】
【発明の効果】
以上から明らかなように、この発明にかかる化学物質検出装置は、ポンプの作動により相互に連通する第１空間およびイオン化室中の圧力を高真空に保持することができ、また、差動排気用ポンプの作動により第２空間内の圧力を第１空間内の圧力よりも低くすることができる。しかも、サンプルガス導入管によりサンプルガスをイオントラップ中に直接導入して充満させることができる。これにより、この発明にかかる化学物質検出装置は、第２空間内におけるイオン検出器のノイズを低減することができる。このために、この発明にかかる化学物質検出装置は、飛行時間型質量分析手段の計測感度が向上され、その分、特定の化学物質を高精度に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の化学物質検出装置の実施の形態を示す説明図である。
【図２】同じく、イオントラップを示す縦断面図である。
【図３】同じく、オシロスコープにおいて表示されるイオン検出器からの信号出力とイオンの飛行時間とを示したグラフである。
【符号の説明】
１  イオン化手段
２  イオン化室
３  サンプルガス導入管
４  イオン加速電極
５  ランプ（真空紫外光発生手段）
６  ランプガス
７  真空紫外光
８  ＭｇＦ2 窓
９  イオントラップ
１０、１１  エンドキャップ電極
１２  リング電極
１３  照射孔
１４  引き出し孔
１５  絶縁物
１６  ホルダ
１７  高周波電源
１８  イオン
１９  飛行時間型質量分析手段
２０  飛行室
２１  ポンプ
２２  イオン検出器
２３  オシロスコープ
２４  空間
２５  仕切り壁
２６  第１空間
２７  第２空間
２８  差動排気用ポンプ
２９  イオン通過孔
【図１】
0003664976.tif 000002
【図２】
0003664976.tif 000003
【図３】
0003664976.tif 000004