(57)【要約】      （修正有）【課題】スキマーコーンの開口への導入効率を向上させることができるＩＣＰ質量分析装置の提供。【解決手段】プラズマイオン源１０と質量分析部との間に配置されたインターフェース部２０と、質量分析部を制御する制御部とを備え、インターフェース部２０は、チェンバ２１と、チェンバ２１内を真空状態とするための真空ポンプとを有し、チェンバ２１のプラズマイオン源１０側の側壁２１ａには、開口２３ａを有するサンプリングコーン２３が配置されているとともに、チェンバ２１のプラズマイオン源１０側と反対側の側壁２１ｂには、開口２４ａを有するスキマーコーン２４が配置されているＩＣＰ質量分析装置であって、サンプリングコーン２３とスキマーコーン２４との間には、イオンガイド２５が配置されており、制御部は、イオンガイド２５に印加する電圧を制御する。【選択図】図２
2014107012.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料をプラズマによりイオン化するプラズマイオン源と、
イオン化された試料を質量分析する質量分析部と、
前記プラズマイオン源と前記質量分析部との間に配置されたインターフェース部と、
前記質量分析部を制御する制御部とを備え、
前記インターフェース部は、チェンバと、当該チェンバ内を真空状態とするための真空ポンプとを有し、
前記チェンバのプラズマイオン源側の側壁には、開口を有するサンプリングコーンが配置されているとともに、前記チェンバのプラズマイオン源側と反対側の側壁には、開口を有するスキマーコーンが配置されているＩＣＰ質量分析装置であって、
前記サンプリングコーンと前記スキマーコーンとの間には、イオンガイドが配置されており、
前記制御部は、前記イオンガイドに印加する電圧を制御することを特徴とするＩＣＰ質量分析装置。
【請求項２】
前記サンプリングコーンの開口は、イオン進行方向に対して徐々に狭まった後、徐々に広がるような形状となっていることを特徴とする請求項１に記載のＩＣＰ質量分析装置。
【請求項３】
前記サンプリングコーンの開口は、ラバールノズル形状であることを特徴とする請求項２に記載のＩＣＰ質量分析装置。
【請求項４】
前記チェンバは、金属製であり、
前記イオンガイドは、絶縁性高熱伝導率素材製のブロックを介して前記チェンバに固定されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のＩＣＰ質量分析装置。
【請求項５】
前記チェンバ及びスキマーコーンは、金属製であり、
前記イオンガイドは、絶縁性高熱伝導率素材製のブロックを介して前記スキマーコーンに固定されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のＩＣＰ質量分析装置。
【請求項６】
前記絶縁性高熱伝導率素材は、窒化アルミ又は窒化ボロンであることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載のＩＣＰ質量分析装置。
【請求項７】
前記イオンガイドは、多重極ロッド構造であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のＩＣＰ質量分析装置。
【請求項８】
前記多重極ロッド構造の１本のロッドは、第一の半径と、当該第一の半径より小さい第二の半径とに交互に変化しており、
前記ロッドには、高周波電圧が印加されることを特徴とする請求項７に記載のＩＣＰ質量分析装置。
【請求項９】
前記多重極ロッド構造の１本のロッドは、複数枚の平板電極を有し、
複数枚の平板電極が一列に配列されており、
前記ロッドには、高周波電圧が印加されることを特徴とする請求項７に記載のＩＣＰ質量分析装置。
【請求項１０】
前記イオンガイドは、開口を有する複数枚の平板電極を有し、
複数枚の平板電極が一列に配列されており、
前記平板電極には、高周波電圧が印加されることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のＩＣＰ質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）をイオン源とするＩＣＰ質量分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩＣＰ質量分析装置は、現在、高感度の元素分析を行える装置として注目されている。図８は、従来のＩＣＰ質量分析装置の一例を示す概略構成図であり、図９は、第一チェンバの一例を示す断面図である。
ＩＣＰ質量分析装置１０１は、プラズマトーチ１０と、プラズマトーチ１０に隣接して配置されたインターフェース部１２０と、インターフェース部１２０に隣接して配置された質量分析部３０と、コンピュータ（制御部）１４０とを備える（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
インターフェース部１２０は、アルミニウムや銅製のケース状の第一チェンバ１２１と、第一チェンバ１２１内を真空状態（例えば１００〜１５０Ｐａ）とするためのロータリーポンプ等の真空ポンプ２２とを有し、第一チェンバ１２１のプラズマトーチ１０側の側壁１２１ａには、開口１２３ａを有するサンプリングコーン１２３が配置されているとともに、第一チェンバ１２１のプラズマトーチ１０側と反対側の側壁１２１ｂには、開口２４ａを有するスキマーコーン２４が配置されている。
【０００４】
サンプリングコーン１２３は、円錐形部を中央部に有した金属体であって、円錐形部の中央に円形状の開口１２３ａが形成されており、アースされている。また、サンプリングコーン１２３の開口１２３ａは、イオン進行方向に対して徐々に広がるような形状となっている。
【０００５】
スキマーコーン２４は、円錐形部を中央部に有した金属体であって、円錐形部の中央に円形状の開口２４ａが形成されており、アースされている。また、スキマーコーン２４の開口２４ａは、イオン進行方向に対して徐々に広がるような形状となっている。
【０００６】
質量分析部３０は、アルミニウムや銅製のケース状の第二チェンバ３７と、アルミニウムや銅製のケース状の第三チェンバ３１と、第二チェンバ３７内を真空状態（例えば１０−１Ｐａ）とするためのターボ分子ポンプ等の真空ポンプ３６と、第三チェンバ３１内を真空状態（例えば１０−４Ｐａ以下）とするためのターボ分子ポンプ等の真空ポンプ３２とを有する。第二チェンバ３７内には、収束レンズ等のイオンレンズ部３３が配置され、第三チェンバ３１内には、四重極ロッド構造等の質量分離部３４が配置され、最後段にエレクトロマルチプライヤ等の検出部３５が配置されている。
なお、イオンレンズ部３３は、絶縁性素材製のブロック（図示せず）を介して第二チェンバ３７に固定され、質量分離部３４は、絶縁性素材製のブロック（図示せず）を介して第三チェンバ３１に固定されている。このような絶縁性素材としては、例えば、テフロン（登録商標）（ＰＴＦＥ）、ピーク（ＰＥＥＫ；登録商標）樹脂等が挙げられる。
【０００７】
コンピュータ１４０は、イオンレンズ部３３や質量分離部３４に所定の電圧を印加する質量分析部電圧印加部４０ａと、検出部３５からの信号を取得する取得部４０ｂとを有する。
【０００８】
このようなＩＣＰ質量分析装置１０１では、プラズマトーチ１０の誘導コイルに高周波電流を流すことによりプラズマＰが生成され、プラズマＰの５０００〜６０００℃の熱によって試料がイオン化し、イオンとプラズマＰとがサンプリングコーン１２３の開口１２３ａを通過して第一チェンバ１２１内に導入される。そして、第一チェンバ１２１内に導入されたイオンは、スキマーコーン２４の開口２４ａを通過して第二チェンバ３７内に導入される。第二チェンバ３７内では、イオンレンズ部３３によりインターフェース部１２０からのイオンを後方の質量分離部３４に向けて収束される。
【０００９】
直流電圧と高周波電圧とを重畳した電圧が印加された質量分離部３４では、印加された電圧に応じた質量数（質量ｍ／電荷ｚ）を有するイオンのみが選択的に通過することとなるので、ここで選択されたイオンが検出器３５に到達する。このとき、質量分離部３４を通過するイオンの質量数は、印加される電圧に依存するので、印加される電圧を走査することにより、所定の質量数を有するイオンについてのイオン強度信号を検出器３５で得ることができる。なお、検出器３５の出力はコンピュータ１４０に入力されることになる。
【００１０】
ところで、第一チェンバ１２１の外部は大気圧であるが、第一チェンバ１２１の内部は真空状態となっているので、第一チェンバ１２１の外部と内部で急激な真空度の変化が生じる。このため、サンプリングコーン１２３の開口１２３ａを通過したプラズマＰは、第一チェンバ１２１内で等エントロピー膨張を起こし、超音速ジェットビームを形成する。そこで、サンプリングコーン１２３とスキマーコーン２４との間の距離Ｌ２は、サンプリングコーン１２３の後方で生成される超音速ジェットビームの所定位置に、スキマーコーン２４の先端が位置するように予め計算により求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平１１−１４４６７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上述したようなインターフェース部１２０では、サンプリングコーン１２３とスキマーコーン２４との間を予め算出された距離Ｌ２としても、超音速ジェットビーム中に含まれるイオンのうち、スキマーコーン２４の開口２４ａへの導入効率は１％程度とされている。つまり、９９％のイオンは、真空ポンプ２２によって第一チェンバ１２１外に排気されてしまっている。
そこで、本発明は、スキマーコーンの開口への導入効率を向上させることができるＩＣＰ質量分析装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するためになされた本発明のＩＣＰ質量分析装置は、試料をプラズマによりイオン化するプラズマイオン源と、イオン化された試料を質量分析する質量分析部と、前記プラズマイオン源と前記質量分析部との間に配置されたインターフェース部と、前記質量分析部を制御する制御部とを備え、前記インターフェース部は、チェンバと、当該チェンバ内を真空状態とするための真空ポンプとを有し、前記チェンバのプラズマイオン源側の側壁には、開口を有するサンプリングコーンが配置されているとともに、前記チェンバのプラズマイオン源側と反対側の側壁には、開口を有するスキマーコーンが配置されているＩＣＰ質量分析装置であって、前記サンプリングコーンと前記スキマーコーンとの間には、イオンガイドが配置されており、前記制御部は、前記イオンガイドに印加する電圧を制御するようにしている。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように、本発明のＩＣＰ質量分析装置によれば、サンプリングコーンの開口を通過したイオンの持つ運動エネルギーをイオン光学的に制御し、スキマーコーンの開口に導入することができる。これによりスキマーコーンの開口への導入効率を向上させることができ、その結果、質量分析の感度と検出精度とを向上させることができる。
【００１５】
（その他の課題を解決するための手段及び効果）
また、本発明のＩＣＰ質量分析装置においては、前記サンプリングコーンの開口は、イオン進行方向に対して徐々に狭まった後、徐々に広がるような形状となっているようにしてもよい。
本発明のＩＣＰ質量分析装置によれば、チェンバの外部と内部とでは、圧力が大気圧から真空に変化するが、流速が連続的に変化するような超音速流を得ることで、チェンバ内部における衝撃波（マッハディスク）の発生を防止することができる。また、これにより、サンプリングコーンの直後にイオンガイドを配置しても、イオン光学的にイオンを正確に制御し、スキマーコーンの開口に導入することができる。
【００１６】
また、本発明のＩＣＰ質量分析装置においては、前記サンプリングコーンの開口は、ラバールノズル形状であるようにしてもよい。
【００１７】
また、本発明のＩＣＰ質量分析装置においては、前記チェンバは金属製であり、前記イオンガイドは、絶縁性高熱伝導率素材製のブロックを介して前記チェンバに固定されているようにしてもよい。
本発明のＩＣＰ質量分析装置によれば、イオンガイドはプラズマによって熱されるが、ブロックを介してイオンガイドの熱をチェンバに伝導させて放熱することで、イオンガイドの焼損・破損を防止することができる。このとき、イオンガイドをチェンバに直接固定すると、チェンバをアース電位とするため、イオンガイドに印加する電圧を制御することができなくなるが、本発明ではブロックを介してチェンバに固定しているので、イオンガイドに印加する電圧を制御することができる。
【００１８】
また、本発明のＩＣＰ質量分析装置においては、前記チェンバ及びスキマーコーンは、金属製であり、前記イオンガイドは、絶縁性高熱伝導率素材製のブロックを介して前記スキマーコーンに固定されているようにしてもよい。
本発明のＩＣＰ質量分析装置によれば、イオンガイドはプラズマによって熱されるが、ブロックを介してイオンガイドの熱をチェンバに伝導させて放熱することで、イオンガイドの焼損・破損を防止することができる。このとき、イオンガイドをスキマーコーンに直接固定すると、スキマーコーンをアース電位とするため、イオンガイドに印加する電圧を制御することができなくなるが、本発明ではブロックを介してスキマーコーンに固定しているので、イオンガイドに印加する電圧を制御することができる。
【００１９】
また、本発明のＩＣＰ質量分析装置においては、前記絶縁性高熱伝導率素材は、窒化アルミ又は窒化ボロンであるようにしてもよい。
また、本発明のＩＣＰ質量分析装置においては、前記イオンガイドは、多重極ロッド構造であるようにしてもよい。
【００２０】
また、本発明のＩＣＰ質量分析装置においては、前記多重極ロッド構造の１本のロッドは、第一の半径と、当該第一の半径より小さい第二の半径とに交互に変化しており、前記ロッドには、高周波電圧が印加されるようにしてもよい。
そして、本発明のＩＣＰ質量分析装置においては、前記多重極ロッド構造の１本のロッドは、複数枚の平板電極を有し、複数枚の平板電極が一列に配列されており、前記ロッドには、高周波電圧が印加されるようにしてもよい。
さらに、本発明のＩＣＰ質量分析装置においては、前記イオンガイドは、開口を有する複数枚の平板電極を有し、複数枚の平板電極が一列に配列されており、前記平板電極には、高周波電圧が印加されるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係るＩＣＰ質量分析装置の一例を示す概略構成図。
【図２】本発明に係る第一チェンバの断面図及びイオンガイドの構造を示す図。
【図３】本発明に係る第一チェンバの他の一例を示す断面図。
【図４】本発明に係る第一チェンバのさらに他の一例を示す断面図。
【図５】イオンガイドの他の一例を示す断面図。
【図６】イオンガイドのさらに他の一例を示す斜視図。
【図７】イオンガイドのさらに他の一例を示す斜視図。
【図８】従来のＩＣＰ質量分析装置の一例を示す概略構成図。
【図９】従来の第一チェンバの一例を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。
【００２３】
図１は、本発明に係るＩＣＰ質量分析装置の一例を示す概略構成図であり、図２は、第一チェンバの一例を示す断面図（ａ）と、第一チェンバ内に配置されるイオンガイドの構造を示す図（ｂ）である。なお、上述したＩＣＰ質量分析装置１０１と同様のものについては、同じ符号を付している。
ＩＣＰ質量分析装置１は、プラズマトーチ１０と、プラズマトーチ１０に隣接して配置されたインターフェース部２０と、インターフェース部２０に隣接して配置された質量分析部３０と、コンピュータ（制御部）４０とを備える。
【００２４】
インターフェース部２０は、アルミニウムや銅製のケース状の第一チェンバ２１と、第一チェンバ２１内を真空状態とするためのロータリーポンプ等の真空ポンプ２２とを有し、第一チェンバ２１のプラズマトーチ１０側の側壁２１ａには、開口２３ａを有するサンプリングコーン２３が配置されているとともに、第一チェンバ２１のプラズマトーチ１０側と反対側の側壁２１ｂには、開口２４ａを有するスキマーコーン２４が配置されている。
【００２５】
サンプリングコーン２３は、円錐形部を中央部に有した金属体であって、円錐形部の中央に円形状の開口２３ａが形成されている。また、サンプリングコーン２３の開口２３ａは、ラバールノズル形状（イオン進行方向に対して徐々に狭まり、そして所定の距離において一定の大きさを維持した後、徐々に広がるような形状）となっている。
これにより、開口２３ａの出口部分の圧力と、開口２３ａの出口直後の第一チェンバ２１内の圧力とが等しくなり、その結果、第一チェンバ２１外部の大気圧から内部の真空に圧力が変化しても、第一チェンバ２１内部における衝撃波（マッハディスク）の発生を防止することができる。
【００２６】
サンプリングコーン２３とスキマーコーン２４との間の距離は、第一チェンバ２１内部における衝撃波の発生を防止するため、距離Ｌ１となっている。なお、距離Ｌ１は距離Ｌ２より長くなっている。つまり、サンプリングコーン２３とスキマーコーン２４との間に、イオンガイド２５を配置する空間が形成されている。
【００２７】
イオンガイド２５は、４本の円柱形状のロッド２５ａ〜２５ｄを有する四重極ロッド構造である。４本の円柱形状のロッド２５ａ〜２５ｄは、イオン光軸を軸とする円に外接するように、互いに離間して配置されている。
そして、４本のロッド２５ａ〜２５ｄの一端部は、窒化アルミ製の円柱形状のブロック２６を介して第一チャンバ２１の内壁面に固定されている。
これにより、イオンガイド２５のロッド２５ａ〜２５ｄはプラズマＰによって熱されるが、この４本のロッド２５ａ〜２５ｄの熱を、ブロック２６を介して第一チェンバ２１に伝導させて放熱することで、ロッド２５ａ〜２５ｄの焼損・破損を防止することができる。
【００２８】
このような４本のロッド２５ａ〜２５ｄは、インターフェース部電圧印加部４０ｃに接続されている。そして、円周方向に隣接するロッド２５ａ〜２５ｄには、同一の直流電圧に互いに位相が反転した高周波電圧が重畳された電圧（換言すると直流的にバイアスされた高周波電圧）が印加されるようになっている。これにより、インターフェース部電圧印加部４０ｃによって制御されることで発生する高周波電場によって、４本のロッド２５ａ〜２５ｄに導入されたイオンは、所定の周期で振動しながら進み、後段へと効率よく送られる。
【００２９】
コンピュータ４０は、イオンレンズ部３３や質量分離部３４に所定の電圧を印加する質量分析部電圧印加部４０ａと、検出部３５からの信号を取得する取得部４０ｂと、イオンガイド２５に所定の電圧を印加するインターフェース部電圧印加部４０ｃとを有する。
【００３０】
このようなＩＣＰ質量分析装置１では、プラズマトーチ１０の誘導コイルに高周波電流を流すことによりプラズマＰが生成され、プラズマＰの５０００〜６０００℃の熱によって試料がイオン化し、イオンとプラズマＰとがサンプリングコーン２３の開口２３ａを通過して第一チェンバ２１内に導入される。第一チェンバ２１内にはイオンガイド２５が設けられており、イオンガイド２５により形成される高周波電場によってイオンが加速されるとともに、イオンを所定の周期で振動させながらスキマーコーン２４の開口２４ａに収束するように進行させる。そして、スキマーコーン２４の開口２４ａを通過して第二チェンバ３７内に導入される。第二チェンバ３７内では、イオンレンズ部３３によりインターフェース部２０からのイオンを後方の四重極マスフィルタ３４に向けて収束される。
【００３１】
直流電圧と高周波電圧とを重畳した電圧が印加された質量分離部３４では、印加された電圧に応じた質量数（質量ｍ／電荷ｚ）を有するイオンのみが選択的に通過することとなるので、ここで選択されたイオンが検出器３５に到達する。このとき、質量分離部３４を通過するイオンの質量数は、印加される電圧に依存するので、印加される電圧を走査することにより、所定の質量数を有するイオンについてのイオン強度信号を検出器３５で得ることができる。なお、検出器３５の出力はコンピュータ４０に入力されることになる。
【００３２】
以上のように、本発明のＩＣＰ質量分析装置１によれば、サンプリングコーン２３の開口２３ａを通過したイオンの持つ運動エネルギーをイオン光学的に制御し、スキマーコーン２４の開口２４ａに導入することができる。これによりスキマーコーン２４の開口２４ａへの導入効率を向上させることができ、その結果、質量分析の感度と検出精度とを向上させることができる。
【００３３】
＜他の実施形態＞
（１）上述したＩＣＰ質量分析装置１において、４本のロッド２５ａ〜２５ｄは、窒化アルミ製の円柱形状のブロック２６を介して第一チャンバ２１の内壁面に固定されている構成としたが、４本のロッド２５ａ〜２５ｄは、窒化アルミや窒化ボロン製の円柱形状のブロック２６を介してスキマーコーン２４’の前面に固定されているような構成としてもよい。図３は、本発明に係る第一チャンバ２１の他の一例を示す断面図である。
【００３４】
（２）上述したＩＣＰ質量分析装置１において、サンプリングコーン２３の開口２３ａはラバールノズル形状の構成としたが、サンプリングコーン２３’の開口２３ａ’は、イオン進行方向に対して徐々に広がるような形状の構成としてもよい。図４は、本発明に係る第一チャンバ２１のさらに他の一例を示す断面図である。
【００３５】
（３）上述したＩＣＰ質量分析装置１において、イオンガイド２５は、４本の円柱形状のロッド２５ａ〜２５ｄを有する四重極ロッド構造としたが、ロッドの構造は、これに限らず六重極や八重極でもよく、さらに、８本以上の複数本のロッドを有する構造としてもよい。
【００３６】
（４）上述したＩＣＰ質量分析装置１において、ロッド２５ａ〜２５ｄの形状は、円柱形状の構成としたが、第一の半径と、第一の半径より小さい第二の半径とに交互に変化するような形状であってもよく（図５参照）、さらに、複数枚の平板電極が一列に配列されているような形状であってもよい（図６参照）。
【００３７】
（５）上述したＩＣＰ質量分析装置１において、イオンガイド２５は、４本の円柱形状のロッド２５ａ〜２５ｄを有する四重極ロッド構造としたが、ロッドの構造を、開口を有する複数枚の平板電極を有し、複数枚の平板電極が一列に配列されているような構成としてもよい（図７参照）。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、ＩＣＰ質量分析装置に利用することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１：  ＩＣＰ質量分析装置
１０：  プラズマトーチ（プラズマイオン源）
２０：  インターフェース部
２１：  第一チェンバ
２２：  真空ポンプ
２３：  サンプリングコーン
２４：  スキマーコーン
２５：  イオンガイド
３０：  質量分析部
４０：  コンピュータ（制御部）
【図１】
2014107012.tif 000003
【図２】
2014107012.tif 000004
【図３】
2014107012.tif 000005
【図４】
2014107012.tif 000006
【図５】
2014107012.tif 000007
【図６】
2014107012.tif 000008
【図７】
2014107012.tif 000009
【図８】
2014107012.tif 000010
【図９】
2014107012.tif 000011