(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、
前記イオントラップは、
前記イオン化室中に配置されており、かつ、前記イオントラップ中と前記イオン化室および前記飛行室中との間を気密に保つ気密構造をなし、
照射孔、引き出し孔が設けられているエンドキャップ電極と、
リング電極と、
前記エンドキャップ電極の端部と前記リング電極の端部との間に固定されており、前記エンドキャップ電極の端部と前記リング電極の端部との間の隙間を塞ぐ絶縁物と、
前記エンドキャップ電極および前記リング電極および前記絶縁物を保持するホルダと、
から構成されており、
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、請求項１にかかる発明は、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、このイオン化室中にイオントラップが配置されており、このイオントラップがイオントランプ中と前記イオン化室および前記飛行室中との間を気密に保つ気密構造をなす。すなわち、このイオントラップが、照射孔、引き出し孔が設けられているエンドキャップ電極と、リング電極と、このエンドキャップ電極の端部とリング電極の端部との間に固定されていてエンドキャップ電極の端部とリング電極の端部との間の隙間を塞ぐ絶縁物と、このエンドキャップ電極およびリング電極および絶縁物を保持するホルダと、から構成されている。そして、サンプルガスを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前記イオントラップに接続されている、ことを特徴とする。
【００１２】
この結果、この発明は、イオントラップが気密構造をなすので、イオントランプ中とイオン化室および飛行室中との間を気密に保つことができる。また、この発明は、イオン化手段および飛行時間型質量分析手段に対して仕切られたイオントラップ中にサンプルガスをサンプルガス導入管を介して直接充填することができる。このために、イオントラップ中のガス圧（ガス密度）を高めることができると共に、イオン化手段および飛行時間型質量分析手段中のガス圧を所定の圧力以下に保持することができる。
【００１３】
これにより、イオン化域であるイオントラップ中のガス圧、すなわち、サンプルガス密度を高めることができるので、イオントラップ中で真空紫外光によりイオン化されるイオンの生成量が大量となる。この結果、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。また、イオントラップ中のガス圧を高めても、イオン化手段および飛行時間型質量分析手段中のガス圧が所定の圧力以下に保持されているので、飛行時間型質量分析手段の計測感度の向上に対して何ら支障を来すような虞はない。
【００１４】
【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。
【００１５】
（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。また、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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。前記一方のエンドキャップ電極１０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。前記他方のエンドキャップ電極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。
【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中に直接導入することができる。前記空間２４中に導入されたサンプルガスは、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いている。
【００２５】
前記飛行室２０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飛行室２０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。
【００２６】
前記飛行室２０のうち、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、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】
（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。
【００２９】
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中に直接導入する。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とを経て、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。
【００３０】
このとき、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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
（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、前記イオントラップ９において、エンドキャップ電極１０、１１とリング電極１２との間の隙間は、絶縁物１５により塞がれているので、イオントラップ９においては、小さな照射孔１３と引き出し孔１４とが開設されているだけである。この結果、小さな照射孔１３と引き出し孔１４との抵抗により、イオントラップ９中と、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中との間をある程度の気密に保つことができる。また、この実施の形態における化学物質検出装置は、イオン化手段１および飛行時間型質量分析手段１９に対して仕切られたイオントラップ９中にサンプルガスをサンプルガス導入管３を介して直接充填することができる。
【００３７】
このために、イオントラップ９中のガス圧を、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中のガス圧よりも、高めることができる。たとえば、推測で約１０倍程度高めることができる。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。しかも、イオントラップ９中のガス圧を従来の装置とほぼ同様にすれば、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、約１０-5Ｔｏｒｒよりも、たとえば、約１０-6Ｔｏｒｒ以下に低下させることができるので、その分、イオン検出器２２におけるノイズを低減でき、計測感度が向上される。
【００３９】
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。この結果、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。また、イオントラップ９中のガス圧を高めても、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中のガス圧が所定の圧力（約１０-5Ｔｏｒｒ）以下に保持されているので、飛行時間型質量分析手段１９の計測感度の向上に対して何ら支障を来すような虞はない。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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が直進する方式のものを使用する。このために、イオンが電極によりＵターンする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。
【００４３】
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。
【００４４】
また、図２中の破線にて示すように、照射孔１３を、イオン１８の引き出し方向に対して交差する（直交する）方向に設けても良い。この場合、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。この結果、イオン加速域に存在するサンプルガスがイオン化されてノイズとなる虞がない。
【００４５】
【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、イオントラップが気密構造をなすので、イオントランプ中とイオン化室および飛行室中との間を気密に保つことができる。また、この発明にかかる化学物質検出装置は、イオン化手段および飛行時間型質量分析手段に対して仕切られたイオントラップ中にサンプルガスをサンプルガス導入管を介して直接充填することができる。このために、イオントラップ中のガス圧を高めることができると共に、イオン化手段および飛行時間型質量分析手段中のガス圧を所定の圧力以下に保持することができる。
【００４６】
これにより、イオン化域であるイオントラップ中のガス圧、すなわち、サンプルガス密度を高めることができるので、イオントラップ中で真空紫外光によりイオン化されるイオンの生成量が大量となる。この結果、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。また、イオントラップ中のガス圧を高めても、イオン化手段および飛行時間型質量分析手段中のガス圧が所定の圧力以下に保持されているので、飛行時間型質量分析手段の計測感度の向上に対して何ら支障を来すような虞はない。
【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
【図１】
0003664974.tif 000002
【図２】
0003664974.tif 000003
【図３】
0003664974.tif 000004