(57)【要約】【課題】Ｈ2Ｏなどの特定の分子に付着した金属イオンを脱離させ、被測定ガスのみに金属イオンを付着させた状態を形成することができ、被測定ガスの測定の信頼性を向上させるイオン付着質量分析装置を提供する。【解決手段】付着室１０２内で正電荷の金属イオンを被測定ガスの分子に付着させて付着イオンを生成させ、質量分析室１０３にて付着イオンの質量分析を行なうイオン付着質量分析装置１０において、付着室１０２内に、被測定ガス中に混在する特定の分子の吸収帯に合致する周波数の電磁波を照射し、特定の分子に付着した金属イオンを離脱させ又は特定の分子への金属イオンの付着を阻止する電磁波発生装置を設ける。【選択図】図１
2008258179.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属イオン放出体から正電荷の金属イオンが放出されるイオン発生室と、被測定ガスが導入され、前記イオン発生室から導入される前記金属イオンを前記被測定ガスの分子に付着させる付着室と、該付着室で前記金属イオンが付着した前記被測定ガスの分子が導入されて質量分析計により質量分析される質量分析室とを有するイオン付着質量分析装置において、
前記付着室内に、前記被測定ガス中に混在する特定の分子の吸収帯に合致する周波数の電磁波を照射し、前記特定の分子に付着した前記金属イオンを離脱させ又は前記特定の分子への前記金属イオンの付着を阻止する電磁波発生装置が設けられていることを特徴とするイオン付着質量分析装置。
【請求項２】
前記電磁波が赤外線であることを特徴とする請求項１に記載のイオン付着質量分析装置。
【請求項３】
前記特定の分子が水であることを特徴とする請求項１又は２に記載のイオン付着質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン付着質量分析装置に関し、特に、被測定ガスの成分を測定するイオン付着質量分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン付着質量分析装置（ＩＡＭＳ；Ｉｏｎ  Ａｔｔａｃｈｍｅｎｔ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）は、被測定ガスを、その成分原子、イオン、原子団などの断片（フラグメント）に分解させずにイオン化して質量分析を行う方法であって、特に解離しやすい有機物の分析に大変有効となっている。ホッジ（非特許文献１）やボンビック（非特許文献２）、藤井（非特許文献３，４）によりイオン付着質量分析装置の報告がなされている。また、いくつかの特許出願（特許文献１〜６など）も公開されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−１１４８５号公報
【特許文献２】特開２００１−１７４４３７号公報
【特許文献３】特開２００１−３５１５６７号公報
【特許文献４】特開２００１−３５１５６８号公報
【特許文献５】特開２００２−１２４２０８号公報
【特許文献６】特開２００２−１７０５１８号公報
【非特許文献１】ホッジ（Ｈｏｄｇｅ）、「アナリティカル・ケミストリ（Ａｎａｌｙｔｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）」、１９７６年、第４８卷、第６号、ｐ．８２５
【非特許文献２】ボンビック（Ｂｏｍｂｉｃｋ）、「アナリティカル・ケミストリ（Ａｎａｌｙｔｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）」、１９８４年、第５６卷、第３号、ｐ．３９６
【非特許文献３】藤井、「アナリティカル・ケミストリ（Ａｎａｌｙｔｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）」、１９８９年、第６１卷、第９号、ｐ．１０２６
【非特許文献４】藤井、「ケミカル・フィジックス・レターズ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ）」、１９９２年、第１９１卷、第１２号、ｐ．１６２
【０００４】
従来のイオン付着質量分析装置は、金属イオン放出体（エミッタ）、付着領域、質量分析計の順で配置されている。金属イオン放出体、付着領域、質量分析計は、すべて大気圧以下の減圧雰囲気に存在している。金属酸化物であるエミッタは加熱され、Ｌｉ+などの正電荷の金属イオンを発生する。付着領域には被測定ガスが導入されており、被測定ガス分子の極性、すなわち電荷の片寄りのある場所に金属イオンが緩やかに付着する。金属イオンが付着した分子は、全体として正電荷を持つイオン（以下、付着イオンという）となる。付着の際に余分となるエネルギである余剰エネルギは非常に小さいため分子は解離しない上、Ｎ2などの雰囲気ガスとの衝突により速やかに取り除かれるので、安定した付着イオンが生成される。付着イオンは電場による力を受けて、付着領域から質量分析計まで輸送される。質量分析計により付着イオンは質量ごと分別・計測される。
【０００５】
大気環境や自動車排ガスなどから採取した試料には、実際に測定すべき被測定ガス以外に湿気による多量のＨ2Ｏ（水）が気体（蒸気）の形で含まれている。大気環境のような室温の場合で分圧（絶対湿度）として数％、自動車排ガスのように高温の場合で１０％ものＨ2Ｏが含まれていることが多い。このような試料をイオン付着質量分析装置で測定する場合、付着領域には被測定ガスよりも高濃度のＨ2Ｏが存在することになる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
Ｈ2Ｏは極性が高く、すなわち電荷の片寄りが強く、金属イオンと非常に付着しやすい。そのため、多量に存在するＨ2Ｏに付着領域に存在する金属イオンが効率よく付着してしまい、金属イオンの大方を消費してしまう。その結果、本来測定すべき、肝心の被測定ガスの分子に付着する金属イオンが少なくなり、被測定ガスの測定感度が大幅に低下してしまう。
【０００７】
また、Ｈ2Ｏでは、複数分子に１つの金属イオンが付着した多量体も形成されやすい。例えば、通常であればＨ2ＯＬｉ+の単量体となるところが、二量体の（Ｈ2Ｏ）2Ｌｉ+、三量体の（Ｈ2Ｏ）3Ｌｉ+、四量体の（Ｈ2Ｏ）4Ｌｉ+などが生成される。さらには、雰囲気ガスとして多量に存在するＮ2との多量体、すなわちＨ2ＯＮ2Ｌｉ+なども形成される。これらは、被測定ガスのピークと重なりあって、干渉してしまい、本来の被測定ガスの測定の信頼性が大幅に低下してしまう。いずれも測定性能を劣化させる大きな原因となる。
【０００８】
なお、吸湿材や冷却部など使って試料中のＨ2Ｏを除去、脱水させる方法もあるが、これは同時に被測定ガスも除去してしまうことが多く実用的とは言えない。
【０００９】
本発明の目的は、上記問題を解決するため、Ｈ2Ｏなどの特定分子に付着した金属イオンを脱離させ、被測定ガスのみに金属イオンを付着させた状態を形成することができ、被測定ガスの測定の信頼性を向上させるイオン付着質量分析装置を提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、測定の信頼性を損なうような不必要な成分ガスに金属イオンを付着させないようにするだけでなく、複数の成分から構成されるガス成分のうちの特定成分だけを選択的に測定することができ、被測定ガスのさらなる信頼性向上と、測定の効率化および分析装置の長寿命化可能なイオン付着質量分析装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係るイオン付着質量分析装置は、上記の目的を達成するために、次のように構成される。
【００１２】
即ち、本発明のイオン付着質量分析装置は、金属イオン放出体から正電荷の金属イオンが放出されるイオン発生室と、被測定ガスが導入され、前記イオン発生室から導入される前記金属イオンを前記被測定ガスの分子に付着させる付着室と、該付着室で前記金属イオンが付着した前記被測定ガスの分子が導入されて質量分析計により質量分析される質量分析室とを有するイオン付着質量分析装置において、前記付着室内に、前記被測定ガス中に混在する特定の分子の吸収帯に合致する周波数の電磁波を照射し、前記特定の分子に付着した前記金属イオンを離脱させ又は前記特定の分子への前記金属イオンの付着を阻止する電磁波発生装置が設けられていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、前記電磁波が赤外線であること、前記特定の分子が水であることを好ましい態様として含むものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、次の効果を奏する。
【００１５】
本発明のイオン付着質量分析装置によれば、電磁波発生装置が、特定分子の吸収帯に合致した周波数を持つ電磁波を照射する手段であるため、その電磁波を照射することによって、特定分子のみ、その分子振動、回転運動を励起するエネルギを与え、有効に特定分子だけを加熱することができ、そのエネルギが特定分子に付着した金属イオンを脱離するエネルギにも関与し、特定分子に付着した金属イオンだけを脱離することができる。金属イオンと分子の付着しやすさは、分子の極性だけでなく温度に非常に強く依存する。温度が高くなると、接触しても熱エネルギをもらってすぐに離れてしまうので、付着しにくくなる。正確には、付着のしやすさは温度の逆数をべき数とする指数関数となる。したがって、分子の温度を上昇させることにより、付着効率を桁違いに減少させることができる。また、上記エネルギは、金属イオンを特定分子に付着しにくくする。金属イオンと分子の付着しやすさは、分子の極性だけでなく温度に非常に強く依存する。温度が高くなると、接触しても熱エネルギをもらってすぐに離れてしまうので、付着しにくくなる。正確には、付着のしやすさは温度の逆数をべき数とする指数関数となる。したがって、分子の温度を上昇させることにより、付着効率を桁違いに減少させることができる。
【００１６】
電磁波の波長によって加熱のメカニズムは異なる。０．８μｍから１ｍｍ程度の波長を持つ電磁波（赤外線）は分子内部の原子核の振動を励起して加熱する。また、１ｍｍから１００ｃｍ程度の波長を持つ電磁波（マイクロ波）は分子の回転振動を励起して加熱する。振動数の高い原子核の振動は波長の短い、すなわち周波数（振動数）の高い赤外線によって励起され、一方、振動数の低い回転振動は波長の長い、すなわち周波数（振動数）の低いマイクロ波によって励起されるのである。
【００１７】
ここで重要なことは、照射された電磁波（赤外線・マイクロ波）のうち分子の固有振動数に合致した周波数の電磁波（赤外線・マイクロ波）のみが分子に吸収され、励起・加熱に寄与することである。固有振動数と合致しない周波数の電磁波は、決して分子に吸収されず加熱に寄与しない。一方、分子の固有振動数は一般に複数存在し、これらの固有振動数により吸収される電磁波の周波数の範囲は吸収帯として知られている。すなわち、照射された電磁波の周波数が、分子の持つ複数の吸収帯のどれかに合致すれば、その分子は加熱される。一方、どの吸収帯にも合致しないと加熱されない。異なる分子が混在している場合、特定分子の吸収帯にのみ合致する周波数の電磁波を照射すると、その特定分子のみが加熱され他の分子は加熱されない。つまり、この特質を利用すれば、特定の分子のみを選択的に加熱することができる。
【００１８】
なお、電磁波の周波数を選別するには、赤外線の場合は特定周波数のみ透過させる光学フィルタなどを、またマイクロ波の場合は特定周波数を持った発振器などを使用する。このような特定周波数の電磁波を発生させる技術は、従来から多方面で使用されているので、本発明にはこれらの技術をそのまま利用することができる。
【００１９】
本発明のイオン付着質量分析装置によれば、上記電磁波の照射により、付着領域で特定分子に付着した金属イオンを選択的に脱離させ、又は付着領域で特定分子への金属イオンの付着を阻止することができる。このため、Ｈ2Ｏなどの測定を阻害する分子あるいは測定する必要のない特定分子に付着した金属イオンを脱離させ、又はＨ2Ｏなどの測定を阻害する分子あるいは測定する必要のない特定分子への金属イオンの付着を阻止し、被測定ガスのみに金属イオンを付着させた状態を形成することができ、被測定ガスの測定の信頼性を向上させることができる。また、測定の信頼性を損なうような不必要な成分ガスに金属イオンを付着させないようにするだけでなく、複数の成分から構成されるガス成分のうちの特定成分だけを選択的に測定することができ、被測定ガスのさらなる信頼性向上と、測定の効率化および分析装置の長寿命化が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２１】
図１に、本発明によるイオン付着質量分析装置の第１の実施形態を示す。イオン付着質量分析装置１０は、図中左から金属イオン放出体（エミッタ）１１、付着領域１２、質量分析計１３の順で配置され、また、真空ポンプ１４を備えている。また、装置中央付近にある付着領域１２に向けて、金属イオン選択脱離装置として特定周波数の電磁波発生装置１５が備えられている。図１において、１０１はイオン発生室、１０２は付着室、１０３は質量分析室である。
【００２２】
金属イオン放出体１１は、Ｌｉ+などの金属イオン１６を放出するためのものであり、酸化リチウムを含むマトリックス（Ｌｉ2Ｏ：Ａｌ2Ｏ3：ＳｉＯ2）からなるビーズをインジウムワイヤのフィラメントに塗布したものが設置されている。フィラメントに電流を流すことでフィラメントが加熱され、ビーズが加熱され、Ｌｉ+が付着領域１２に放出される。
【００２３】
付着領域１２は、試料ガスが導入され、金属イオン放出体１１から放出されたＬｉ+などの金属イオン１６が被測定ガスを構成する各分子に付着するための領域である。
【００２４】
質量分析計１３は、付着領域１２で金属イオン１６の付着によって形成された付着イオン１７の質量を分析する装置であり、例えば、四重極質量分析計から構成される。
【００２５】
真空ポンプ１４は、イオン付着質量分析装置１０を真空排気し、減圧状態にするポンプである。
【００２６】
電磁波発生装置１５は、金属イオン選択脱離装置として用いられ、特定の周波数の電磁波を発生する装置であり、付着領域１２に電磁波を照射し、特定分子に付着した金属イオン１６を選択的に脱離するための装置である。例えば、特定分子がＨ2Ｏの場合、その特定周波数は、Ｈ2Ｏの吸収帯に合致している。付着領域１２には試料に含まれているＨ2Ｏと被測定ガスが混在し、さらに金属イオン放出体１１で発生したＬｉ+が存在している。
【００２７】
次に、本発明の第１の実施形態に係るイオン付着質量分析装置１０の動作を説明する。
【００２８】
金属イオン放出体１１が加熱されると、Ｌｉ+などの正電荷の金属イオン１６が空間に放出され、付着領域１２に導入された被測定ガスに付着して金属イオン１６の付着したガスが生成される。それと同時に、付着領域には、導入された試料ガス内のＨ2Ｏも存在するので、Ｈ2Ｏにも金属イオンが付着する。そのとき、特定分子、例えばＨ2Ｏの吸収帯に合致した周波数を持つ特定周波数の電磁波を発生する電磁波発生装置１５を動作させると、付着領域１２に電磁波が照射されてＨ2Ｏが選択的に加熱される。その様子を図２に模式的に図示する。図２（ａ）のようにＨ2Ｏの吸収帯に合致した周波数を持つ特定周波数の電磁波ｈν1が照射されたＨ2Ｏは、酸素原子核と水素原子核間の振動あるいは回転が電磁波のエネルギにより励起される。それにより、図２（ｂ）に示すように、Ｌｉ+と酸素原子間の振動が励起され、その励起がＬｉ+の結合エネルギ以上のとき、図２（ｃ）に示すように、Ｌｉ+はＨ2Ｏから脱離する。このようにＨ2Ｏには金属イオン１６が付着しにくくなり、その結果、付着領域１２において、金属イオンが付着した付着イオン１７は、被測定ガスの分子だけとなり、金属イオン１６が付着したＨ2Ｏは、低減する。そして、質量分析計１３内には、被測定ガスの分子に金属イオンが付着した付着イオン１７だけが導入され、それらの付着イオンの質量が計測される。
【００２９】
このように、本発明の第１の実施形態に係るイオン付着質量分析装置では、Ｈ2Ｏの影響が低減して、被測定ガスを正常に測定することができる。なお、特定成分をＨ2Ｏなどの測定を阻害する成分としたが、それに加えて特に測定する必要のない成分であっても良い。このようにすれば、特に測定したい成分ガスのみに金属イオンが付着した付着イオンだけを測定することができる。
【００３０】
次に、付着領域１２内に照射する電磁波の周波数について言及する。図３に、２種類の被測定ガス：Ａ，ＢとＨ2Ｏが混在する場合、照射する電磁波の周波数によって加熱されるガスが異なる状況を模式的に示した。図３において、横軸ＬＡは被測定ガスＡの吸収帯を表すための波長範囲を示しており、横軸ＬＢは被測定ガスＢの吸収帯を表すための波長範囲を示しており、横軸ＬＣはＨ2Ｏの吸収帯を表すための波長範囲を示している。この図は非常に簡素化して書かれているが、実際には吸収帯の数は非常に多く、それぞれの吸収帯も電磁波の吸収効率が大幅に異なる。すなわち、強い吸収帯と弱い吸収帯が存在し、これらが広い範囲に多数分布している。図３では、被測定ガスＡの吸収帯を吸収帯Ａ１，Ａ２，Ａ３で示し、被測定ガスＢの吸収帯を吸収帯Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３で示し、Ｈ2Ｏの吸収帯を吸収帯Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３で示している。
【００３１】
図３（ａ）に示すように、照射する電磁波の特定周波数（波長）が波長範囲λ１にあるときは、被測定ガスＡの吸収帯Ａ３と被測定ガスＢの吸収帯Ｂ３とＨ2Ｏの吸収帯Ｃ３に合致するため、被測定ガスＡ、被測定ガスＢ、Ｈ2Ｏとも加熱される。また、図３（ｂ）に示すように、照射する電磁波の特定周波数（波長）が波長範囲λ２にあるときは、被測定ガスＡの吸収帯Ａ２とＨ2Ｏの吸収帯Ｃ２に合致するため、被測定ガスＡとＨ2Ｏが加熱される。さらに、図３（ｃ）に示すように、照射する電磁波の特定周波数（波長）が波長範囲λ３にあるときは、Ｈ2Ｏの吸収帯Ｃ１のみに合致し、そのとき、Ｈ2Ｏのみ加熱される。
【００３２】
したがって、Ｈ2Ｏの強い吸収帯、例えば吸収帯Ｃ１に合致する周波数の電磁波を照射すれば、相対的にＨ2Ｏを選択的に加熱することができて、Ｈ2Ｏに金属イオンが付着しにくくなる。その結果、Ｈ2Ｏの影響が排除され、被測定ガスが正常に計測される。
【００３３】
次に、具体的な周波数について説明する。イオン付着質量分析装置は有機物の分析に有用であるので、Ｈ2Ｏの強い吸収帯には合致するが、各種有機物の吸収帯には合致しない周波数が重要となる。赤外線に対してＨ2Ｏは３μｍに強い吸収帯を持っている（赤外線では慣習的にしたがい吸収帯を波長で表す。１μｍ＝１×１０-6ｍ）。これに対し、各種有機物は３μｍ付近に弱い吸収帯を持っているものもあるが、４μｍ〜２０μｍに強い吸収帯を持っている。そこで、波長３μｍの赤外線を照射すると主にＨ2Ｏが加熱されて、被測定ガスである有機物はほとんど加熱されない。
【００３４】
一方、Ｈ2Ｏは２μｍ以下にも吸収帯が存在する。具体的には１．９μｍ、１．５μｍ、１．２μｍなどの吸収帯がある。そこで、これらの波長に合致する赤外線を照射するとＨ2Ｏのみが加熱されて、被測定ガスである有機物は全く加熱されない。
【００３５】
同様に、マイクロ波に対してＨ2Ｏは２２ＧＨｚ、１０ＧＨｚ、２．４５ＧＨｚ、０．９ＧＨｚに強い吸収帯を持っている。（１ＧＨｚ＝１×１０9Ｈｚ）そこで、これらの周波数に合致するマイクロ波を照射すると、主にＨ2Ｏが加熱されて被測定ガスはほとんど加熱されない。ちなみに、２．４５ＧＨｚは電子レンジにて使用されている。
【００３６】
また、選択的に分子を加熱する方法として、上記マイクロ波、赤外線の吸収を用いる以外に、ラマン効果を用いる方法が考えられる。ラマン効果とは、分子に紫外光・可視光を照射すると、その分子に誘電分極が起こり、振動のエネルギ準位を上昇させて、その分子の固有振動数に等しいエネルギを散乱する現象を言い、光源としてはレーザが用いられる。これを利用して、水分子のみがラマン活性をもつ周波数帯の電磁波を照射することによって水分子のみ選択的に加熱を行う。
【００３７】
ラマン活性を持つのは、基本的に対称性のある分子の中心に対して対称性のある振動である。
【００３８】
表１は、量子力学原理に基づくコンピュータシュミレーション（Ｇａｕｓｓｉａｎ９８）により求めたＨ2Ｏの３つの固有振動による吸収光の波数と、その吸収強度（赤外強度）とラマン散乱光の散乱強度（ラマン活性）の相対的な強度を数値で表したものである。
【００３９】
【表１】
2008258179.tif 000003
【００４０】
また、Ｘ、Ｙ、Ｚは、図４のＸＹＺ座標上にＯ原子と２つのＨ原子を配置したときのそれぞれの原子の振動の変位を示す。固有振動１では、図４（ａ）に示すような振動をし、固有振動２では、図４（ｂ）に示すような振動をし、固有振動３では、図４（ｃ）に示すような振動をする。表１を見て分かるように、水は波数３８０４ｃｍ-1（２．６３μｍ）と３９２７ｃｍ-1（２．５５μｍ）に強いラマン活性がある。この吸収帯には被測定ガスである有機分子の吸収は少なく、選択性は高いと思われる。しかし、高濃度で存在する水分子を加熱した場合には、水分子との衝突により被測定ガスの分子も加熱され、被測定ガスの分子の付着感度を低下させてしまうことがある。
【００４１】
しかしながら、上記のようなＨ2Ｏの強い吸収帯に合致する周波数の赤外線やマイクロ波などの電磁波を照射すれば、相対的にＨ2Ｏを選択的に加熱することができて、Ｈ2Ｏに金属イオンが付着しにくくなる。その結果、Ｈ2Ｏの影響が排除され、被測定ガスが正常に計測される。
【００４２】
図５に、本発明によるイオン付着質量分析装置の第２の実施形態を示す。２０１はイオン発生室、２０２は付着室、２０３は質量分析室である。イオン付着質量分析装置２０は、図中左から付着領域２１、金属イオン放出体（エミッタ）２２、質量分析計２３の順で配置され、また、真空ポンプ２４を備えている。また、装置先端付近にある付着領域２１に向けて、金属イオン選択脱離装置として特定周波数の電磁波発生装置２５が備えられている。金属イオン放出体２２から放出される金属イオン２７は静電偏向器２６によって、付着領域２１に金属イオン２７が導入されるように偏向され、付着領域２１で減速、反射して効率のよい付着が行われる。その他の構造については第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００４３】
次に、本発明の第２の実施形態に係るイオン付着質量分析装置２０の動作を説明する。
【００４４】
金属イオン放出体２２が加熱されると、Ｌｉ+などの正電荷の金属イオン２７が空間に放出され、静電偏向器２６によって付着領域２１に導入され、付着領域２１に導入された被測定ガスに付着して金属イオン２７の付着したガスが生成される。それと同時に、付着領域２１には、導入された試料ガス内のＨ2Ｏも存在する。そのとき、特定分子、例えばＨ2Ｏの吸収帯に合致した周波数を持つ特定周波数の電磁波を発生する電磁波発生装置２５を動作させると、付着領域２１に電磁波が照射されてＨ2Ｏが選択的に加熱される。そのとき、第１の実施形態において説明したことと同様に、一旦付着したＬｉ+はＨ2Ｏから脱離する。このようにＨ2Ｏには金属イオン２７が付着しにくくなり、その結果、付着領域２１において、金属イオン２７が付着した付着イオン２８は、被測定ガスの分子だけとなり、金属イオン２７が付着したＨ2Ｏは、低減する。そして、質量分析計２３内には、被測定ガスの分子に金属イオン２７が付着した付着イオン２８だけが導入され、それらの付着イオン２８の質量が計測される。
【００４５】
このように、本発明の第２の実施形態に係るイオン付着質量分析装置では、Ｈ2Ｏの影響が低減して、被測定ガスを正常に測定することができる。
【００４６】
次に、本発明の第３の実施形態に係るイオン付着質量分析装置を説明する。第３の実施形態では、イオン付着質量分析装置１０あるいは２０において、電磁波発生装置１５あるいは２５から発生する特定周波数を特定分子と付着した金属イオンが形成する付着イオンの振動を励起する周波数とする以外は、第１あるいは第２の実施形態と同様であるので、装置構造については説明を省略する。
【００４７】
金属イオン放出体１１あるいは２２が加熱されると、Ｌｉ+などの正電荷の金属イオンが空間に放出され、付着領域１２あるいは２１に導入され、付着領域１２あるいは２１に導入された被測定ガスに付着して金属イオンの付着したガスが生成される。それと同時に、付着領域１２あるいは２１には、導入された試料ガス内のＨ2Ｏも存在する。そのとき、特定分子、例えばＨ2Ｏと付着した金属イオンが形成する付着イオンの振動を励起する周波数を持つ特定周波数の電磁波を発生する電磁波発生装置１５あるいは２５を動作させると、付着領域１２あるいは２１に電磁波が照射されて付着イオンの振動を励起する。その様子を図６に模式的に図示する。図６（ａ）のようにＨ2Ｏと付着した金属イオンが形成する付着イオンの振動を励起する周波数を持つ特定周波数の電磁波ｈν2が照射された付着イオン（Ｈ2ＯＬｉ+）は、酸素原子核と水素原子核とＬｉ+間の振動あるいは回転が電磁波のエネルギにより励起される。それにより、図６（ａ）に示すように、Ｌｉ+と酸素原子間の振動が励起され、その励起がＬｉ+の結合エネルギ以上のとき、図６（ｂ）に示すように、Ｌｉ+はＨ2Ｏから脱離する。このようにＨ2Ｏには金属イオンが付着しにくくなり、その結果、付着領域１２あるいは２１において、金属イオンが付着した付着イオンは、被測定ガスの分子だけとなり、金属イオンが付着したＨ2Ｏは、低減する。そして、質量分析計１３あるいは２３内には、被測定ガスの分子に金属イオンが付着した付着イオンだけが導入され、それらの付着イオンの質量が計測される。
【００４８】
次に、コンピュータシュミレーションの結果を示す。上記のように、リチウムが付着したＨ2ＯＬｉ+を加熱すれば、Ｈ2ＯＬｉ+は中性のままの水分子に比べて桁外れに少ないため、被測定ガスの分子までが加熱される影響は低くなる。また、本実施形態で使用するＨ2ＯＬｉ+の吸収帯は本発明を研究する過程において新たに見出したものである。量子力学原理に基づくコンピュータシュミレーションによると、Ｈ2ＯＬｉ+付着イオンの固有振動は表２で示す６種類である。
【００４９】
【表２】
2008258179.tif 000004
【００５０】
表２は、量子力学原理に基づくコンピュータシュミレーションにより求めたＨ2ＯＬｉ+の６つの固有振動による吸収光の波数と、その吸収強度（赤外強度）とラマン散乱光の散乱強度（ラマン活性）の相対的な強度を数値で表したものである。また、Ｘ、Ｙ、Ｚは、図７のＸＹＺ座標上にＯ原子と２つのＨ原子とＬｉ+を配置したときのそれぞれの原子あるいはイオンの振動の変位を示す。固有振動１では、図７（ａ）に示すような振動をし、固有振動２では、図７（ｂ）に示すような振動をし、固有振動３では、図７（ｃ）に示すような振動をし、固有振動４では、図７（ｄ）に示すような振動をし、固有振動５では、図７（ｅ）に示すような振動をし、固有振動６では、図７（ｆ）に示すような振動をする。第３の実施形態で利用する赤外吸収４１５ｃｍ-1はＨの伸縮振動によるものであり、ラマン吸収３７７６ｃｍ-1と３８５８ｃｍ-1はＯ原子に対するＨ原子の対称振動である。後述の第４の実施形態で利用するＯ−Ｌｉ+結合に起因するものは固有振動３による吸収帯である。
【００５１】
表２を見て分かるように、Ｈ2ＯＬｉ+も水分子同様に固有の振動数を持ち、４１５ｃｍ-1（２４．１μｍ）に強い赤外吸収がある。この振動数は、水や有機化合物の吸収帯とは全く重ならないため、Ｈ2ＯＬｉ+の選択的加熱に有効と考えられる。また、ラマン吸収は３７７６ｃｍ-1と３８５８ｃｍ-1（２．６５μｍ、２．５９μｍ）に強いラマン活性がある。この波長帯は水分子と３０〜４０ｃｍ-1ずれているので、Ｈ2ＯＬｉ+を選択的に加熱することができる。
【００５２】
また、Ｈ2Ｏ−Ｌｉ+の結合部位（Ｏ−Ｌｉ+結合）の固有振動の赤外線を照射して結合を直接切断すれば、存在するＨ2Ｏに比べてＨ2Ｏ−Ｌｉ+は非常に少ないため、Ｈ2Ｏ−Ｌｉ+との衝突により被測定ガスの分子が加熱されて付着感度が低下する弊害がない。Ｈ2Ｏ−Ｌｉ+結合部位、すなわちＯ−Ｌｉ+間の吸収帯は５５１ｃｍ-1（１８．１５μｍ）である。この赤外線を照射して、選択的にＯ−Ｌｉ+結合を切断することができる。
【００５３】
このように、本発明の第３の実施形態に係るイオン付着質量分析装置では、Ｈ2Ｏの影響が低減して、被測定ガスを正常に測定することができる。
【００５４】
次に、本発明の第４の実施形態に係るイオン付着質量分析装置を説明する。第４の実施形態では、イオン付着質量分析装置１０あるいは２０において、電磁波発生装置１５あるいは２５から発生する特定周波数を特定分子と付着した金属イオンが形成する付着イオンにおける金属イオンの結合エネルギに対応する周波数とする以外は、第１あるいは第２の実施形態と同様であるので、装置の構造については説明を省略する。
【００５５】
金属イオン放出体１１あるいは２２が加熱されると、Ｌｉ+などの正電荷の金属イオンが空間に放出され、付着領域１２あるいは２１に導入され、付着領域１２あるいは２１に導入された被測定ガスに付着して金属イオンの付着したガスが生成される。それと同時に、付着領域１２あるいは２１には、導入された試料ガス内のＨ2Ｏも存在する。そのとき、特定分子、例えばＨ2Ｏと付着した金属イオンが形成する付着イオンにおける金属イオンの結合エネルギに対応する特定周波数の電磁波を発生する電磁波発生装置１５あるいは２５を動作させると、付着領域１２あるいは２１に電磁波が照射されて付着イオンにおける金属イオンが脱離する。その様子を図８に模式的に図示する。図８（ａ）のようにＨ2Ｏと付着した金属イオンの結合エネルギに対応する特定周波数の電磁波ｈν3が照射された付着イオン（Ｈ2ＯＬｉ+）は、酸素原子核とＬｉ+間の結合状態が励起される。それにより、図８（ｂ）に示すように、Ｌｉ+はＨ2Ｏから脱離する。このようにＨ2Ｏには金属イオンが付着しにくくなり、その結果、付着領域１２あるいは２１において、金属イオンが付着した付着イオンは、被測定ガスの分子だけとなり、金属イオンが付着したＨ2Ｏは、低減する。そして、質量分析計１３あるいは２３内には、被測定ガスの分子に金属イオンが付着した付着イオンだけが導入され、それらの付着イオンの質量が計測される。
【００５６】
このように、本発明の第４の実施形態に係るイオン付着質量分析装置では、Ｈ2Ｏの影響が低減して、被測定ガスを正常に測定することができる。
【００５７】
次に、本発明の第５の実施形態に係るイオン付着質量分析装置を説明する。第５の実施形態では、イオン付着質量分析装置１０あるいは２０において、金属イオン付着阻止手段として電磁波発生装置１５あるいは２５を用い、電磁波発生装置１５あるいは２５から発生する特定周波数を特定分子への金属イオンの付着を阻止するような特定分子の励起状態を形成する周波数とする以外は、第１あるいは第２の実施形態と同様であるので、装置の構造については説明を省略する。
【００５８】
金属イオン放出体１１あるいは２２が加熱されると、Ｌｉ+などの正電荷の金属イオンが空間に放出され、付着領域１２あるいは２１に導入され、付着領域１２あるいは２１に導入された被測定ガスに付着して金属イオンの付着したガスが生成される。それと同時に、付着領域１２あるいは２１には、導入された試料ガス内のＨ2Ｏも存在する。そのとき、特定分子、例えばＨ2Ｏなどの特定分子への金属イオンの付着を阻止するような特定分子の励起状態を形成する特定周波数の電磁波を発生する電磁波発生装置１５あるいは２５を動作させると、付着領域１２あるいは２１に電磁波が照射されて特定分子への金属イオンの付着を阻止するような特定分子の励起状態を形成する。ここで、金属イオンの付着を阻止するような特定分子の励起状態とは、例えば分子の回転運動が励起された状態である。その様子を図９に模式的に図示する。図９（ａ）のようにＨ2Ｏ分子の回転運動を励起するエネルギに対応する特定周波数の電磁波ｈν4が照射されたＨ2Ｏ分子は、分子の回転運動が励起される。それにより、図９（ｂ）に示すように、ある瞬間、Ｌｉ+がＨ2Ｏ分子のＯ原子側に存在するときはＯ原子に引きつけられる。しかし、Ｈ2Ｏ分子の回転運動が励起されているために、他の瞬間には、図７（ｃ）に示すように、Ｈ原子がＬｉ+に接近した状態となる。このとき、Ｈ原子は、正の荷電を持っているために、Ｌｉ+は反発される。その結果、Ｈ2Ｏ分子の回転運動が励起されているときにはＨ2Ｏには金属イオンが付着しにくくなり、付着領域１２あるいは２１において、金属イオンが付着した付着イオンは、被測定ガスの分子だけとなり、金属イオンが付着したＨ2Ｏは、低減する。そして、質量分析計１３あるいは２３内には、被測定ガスの分子に金属イオンが付着した付着イオンだけが導入され、それらの付着イオンの質量が計測される。
【００５９】
このように、本発明の第５の実施形態に係るイオン付着質量分析装置では、Ｈ2Ｏの影響が低減して、被測定ガスを正常に測定することができる。
【００６０】
また、付着阻止手段として特定分子の吸収帯に合致した周波数を持つ電磁波を照射する装置を用いたとき、その電磁波を照射することによって、特定分子のみ、その分子振動、回転運動を励起するエネルギを与え、有効に特定分子だけを加熱することができ、そのエネルギによって特定分子への金属イオンの付着をしにくくすることができる。分子を直接加熱する方法としては、電磁波の照射が有効である。ただし、その波長によって加熱のメカニズムは異なる。０．８μｍから１ｍｍ程度の波長を持つ電磁波（赤外線）は分子内部の原子核の振動を励起して加熱する。また、１ｍｍから１００ｃｍ程度の波長を持つ電磁波（マイクロ波）は分子の回転振動を励起して加熱する。振動数の高い原子核の振動は波長の短い、すなわち周波数（振動数）の高い赤外線によって励起され、一方、振動数の低い回転振動は波長の長い、すなわち周波数（振動数）の低いマイクロ波によって励起されるのである。
【００６１】
さらに、電磁波の周波数が、特定分子の吸収帯には合致するが被測定ガスの吸収帯には合致していないようにすることにより、異なる分子が混在している場合、特定分子の吸収帯にのみ合致する周波数の電磁波を照射すると、その特定分子のみが加熱され他の分子は加熱されない。つまり、この特質を利用すれば、特定の分子のみを選択的に加熱することができる。
【００６２】
なお、以上、問題となる成分としてＨ2Ｏについてのみ説明してきたが、別の成分についても影響を排除すべき場合がある。試料が固体や液体である場合にはアセトンなどの溶媒に溶解した形で提供されることが多いが、アセトンなどの溶媒はＨ2Ｏと同じく極性が高く金属イオンと非常に付着しやすい。そのためＨ2Ｏと同じ問題が発生する。そこで、この場合にはアセトンなどの溶媒の吸収帯やアセトンに金属イオンが付着した付着イオンの振動、回転を励起する電磁波、あるいは、アセトンに付着した金属イオンの結合エネルギに対応する周波数の電磁波を照射することによって問題を解決することができる。
【００６３】
また、金属イオンとしてはＬｉ+を使用したが、これに限定されずＫ+、Ｎａ+、Ｒｂ+、Ｃｓ+、Ａｌ+、Ｇａ+、Ｉｎ+などの一価イオンあるいは二価イオンに適用できる。また、質量分析計としてはＱポール型質量分析計や外部イオン化方式によるイオントラップ型質量分析計、磁場セクター型質量分析計、ＴＯＦ（飛行時間）型質量分析計、ＩＣＲ（イオンサイクロトロンレゾナンス）型質量分析計も使用することができる。また、本装置を他の成分分離装置、例えばガスクロマトグラフや液体クロマトグラフに接続して、ガスクロマトグラフ／質量分析装置（ＧＣ／ＭＳ）、液体クロマト／質量分析装置（ＬＣ／ＭＳ）とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明によるイオン付着質量分析装置の第１の実施形態を示す図である。
【図２】付着領域に電磁波が照射されてＨ2Ｏが選択的に加熱される様子を示す模式図である。
【図３】２種類の被測定ガス：Ａ，ＢとＨ2Ｏが混在する場合の照射する電磁波の周波数によって加熱されるガスが異なる状況を模式的に示した図である。
【図４】ＸＹＺ座標上にＯ原子と２つのＨ原子を配置したときのそれぞれの原子の振動の変位を示す模式図である。
【図５】本発明によるイオン付着質量分析装置の第２の実施形態を示す図である。
【図６】付着領域に電磁波が照射されて付着イオンの振動を励起する様子を示す模式図である。
【図７】ＸＹＺ座標上にＯ原子と２つのＨ原子とＬｉ+イオンを配置したときのそれぞれの原子あるいはイオンの振動の変位を示す模式図である。
【図８】付着領域に電磁波が照射されて金属イオンが脱離する様子を示す模式図である。
【図９】付着領域に電磁波が照射されて金属イオンが水分子に付着しにくくなる様子を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６５】
１０  イオン付着質量分析装置
１１  金属イオン放出体（エミッタ）
１２  付着領域
１３  質量分析計
１４  真空ポンプ
１５  電磁波発生装置
１６  金属イオン
１７  付着イオン
２０  イオン付着質量分析装置
２１  付着領域
２２  金属イオン放出体（エミッタ）
２３  質量分析計
２４  真空ポンプ
２５  電磁波発生装置
２６  静電偏向器
２７  金属イオン
２８  付着イオン
１０１ イオン発生室
１０２ 付着室
１０３ 質量分析室
２０１ イオン発生室
２０２ 付着室
２０３ 質量分析室
【図１】
2008258179.tif 000005
【図２】
2008258179.tif 000006
【図３】
2008258179.tif 000007
【図４】
2008258179.tif 000008
【図５】
2008258179.tif 000009
【図６】
2008258179.tif 000010
【図７】
2008258179.tif 000011
【図８】
2008258179.tif 000012
【図９】
2008258179.tif 000013