(57)【要約】【課題】高いイオン透過効率を有し、かつ簡単な構造であって、しかも簡単に制御することができるイオン偏向レンズ系を有する大気圧プラズマイオン化源質量分析装置を提供する。【解決手段】本発明の大気圧プラズマイオン化源質量分析装置は、それぞれが１つのアパチャーを有するとともに互いに対向する入射側プレート状電極及び出射側プレート状電極と、入射側プレート状電極及び出射側プレート状電極の間に配置されている少なくとも１つの筒状電極とからなり、入射側プレート状電極及び出射側プレート状電極が、それぞれのアパチャーの光軸が互いにずれるように配置され、筒状電極が、その中心軸が少なくとも入射側プレート状電極の光軸と互いにずれるように配置されているイオン偏向レンズ系を有する。【選択図】　図１
2004071470.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン化源として大気圧プラズマを利用する質量分析装置であって、イオン偏向レンズ系を有するものにおいて、
前記イオン偏向レンズ系が、
それぞれが１つのアパチャーを有するとともに互いに対向する入射側プレート状電極及び出射側プレート状電極と、
前記入射側プレート状電極及び前記出射側プレート状電極の間に配置されている少なくとも１つの筒状電極とからなり、
前記入射側プレート状電極及び前記出射側プレート状電極が、それぞれのアパチャーの光軸が互いにずれるように配置され、
かつ前記筒状電極が、その中心軸が少なくとも前記入射側プレート状電極の光軸と互いにずれるように配置されていることを特徴とする分析装置。
【請求項２】
前記筒状電極が円筒形状である請求項１に記載の分析装置。
【請求項３】
イオン化源が高周波誘導結合プラズマである請求項２に記載の分析装置。
【請求項４】
前記イオン偏向レンズ系が、インターフェース部とアイソレーションバルブの間に配置されている請求項３に記載の分析装置。
【請求項５】
前記入射側プレート状電極及び前記出射側プレート状電極に同じ電圧が印加されている請求項４に記載の分析装置。
【請求項６】
前記入射側プレート状電極及び前記出射側プレート状電極のそれぞれのアパチャーの光軸が、前記筒状電極の前記中心軸に対して、実質上同じ距離、反対方向に互いにずれている請求項５に記載の分析装置。
【請求項７】
イオンレンズの一部としてイオンガイドを有し、
前記イオン偏向レンズ系が、前記イオンガイドのイオンの入射側に配置されている請求項１に記載の分析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大気圧プラズマイオン化源質量分析装置に関する。より詳細には、本発明は、イオン偏向レンズ系を有する大気圧プラズマイオン化源質量分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高周波誘導結合プラズマ質量分析装置（ＩＣＰ−ＭＳ）に代表される大気圧プラズマをイオン化源とし、質量分析器を検出器とする分析装置は、特に無機元素分析において高感度であり、検出限界も優れていることが知られている。しかしこの種の分析装置では、ノイズ源となり得る高エネルギーの分子或いは原子、光及び装置内部の汚染源となり得る非分解サンプル等の中性粒子と目的イオンを分別する部分が必要とされる。中性粒子と目的イオンの分別は、ノイズ源となり得る中性粒子を目的イオン流から排除し、かつ質量分析器の真空槽内部が非分解サンプルの進入によって汚されることを防ぐ。真空槽内部への汚れ物質の付着は、信号の安定性を著しく悪化させ、またその汚染は信号に干渉する可能性もある。
【０００３】
光軸上に置かれ一定電位に保たれた、フォトンストップ（ｐｈｏｔｏｎ　ｓｔｏｐ）と呼ばれる小円板を利用して中性粒子と目的イオン流を分別することが公知である。上述のような中性粒子は、第２ステージのイオンレンズのイオン入射側に配置されているフォトンストップに衝突して止められるが、一方目的イオンは、広がって入射する為、その一部がフォトンストップにより止められることなく、フォトンストップを通過して、検出器により検出される。フォトンストップを利用する方法は、構造、制御ともに簡単であるが、イオンの透過効率は低い。その上フォトンストップ上に堆積した非分解サンプルにイオンがチャージアップし、信号のドリフトが起こりやすいという問題も有する。
【０００４】
また円筒部材を、軸に平行な方向及び軸に垂直な方向で四分割してなるイオン偏向レンズを利用して、中性粒子と目的イオンを分別し、目的イオンを質量分析器の一種である四重極マスフィルタへ導くことが知られている。さらにイオン偏向レンズとして、二対の平行平板電極を利用することが、高周波誘導結合プラズマ分析計と題する実開平３−６６１４５号公報に開示されている。これら２つの方法では、イオンの透過効率が高く、また非分解サンプルの堆積による信号への悪影響も、フォトンストップを利用する場合に比べて少ないが、構造、制御はより複雑になる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、高いイオン透過効率を有し、かつ従来と比較して単純な構造であるとともに簡単に制御することができるイオン偏向レンズ系を有する大気圧プラズマイオン化源質量分析装置の提供を課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、イオン化源として大気圧プラズマを利用する質量分析装置であって、イオン偏向レンズ系を有するものにおいて、イオン偏向レンズ系が、それぞれが１つのアパチャーを有するとともに互いに対向する入射側プレート状電極及び出射側プレート状電極と、入射側プレート状電極及び出射側プレート状電極の間に配置されている少なくとも１つの筒状電極とからなり、入射側プレート状電極及び出射側プレート状電極が、それぞれのアパチャーの光軸が互いにずれるように配置され、筒状電極が、その中心軸が少なくとも入射側プレート状電極の光軸と互いにずれるように配置されていることによって解決される。
【０００７】
本発明によるイオン偏向レンズ系は、きわめて単純な構造であり、制御が簡単であるにもかかわらず、一方で質量分析器を汚染したり、他方ではノイズ源となり得る中性粒子の進入を確実に遮断することが可能である。本発明によるイオン偏向レンズ系は、単純な構造であることによって、従来の同目的のレンズ系と比較して、電極へ印加する電圧の種類を少なくすることができ、イオン偏向レンズ系自体をコンパクトに設計することが可能になる。これは大気圧プラズマをイオン化源とする質量分析装置において非常に有用なことである。
【０００８】
筒状電極は、単一のものであっても、複数の筒状部材から構成されているものであってもよい。筒状電極を複数の筒状部材から構成する場合には、筒状部材を、その軸に垂直な面によって分割して形成することができる。
【０００９】
筒状電極の軸に垂直な断面を、円、長円、楕円、矩形とすることができる。製造の容易さからは、断面を円として、円筒状電極とすることが好ましい。
【００１０】
大気圧プラズマのイオン化源として、マイクロ波誘導プラズマ（ＭＩＰ）など従来公知のものを挙げることができるが、特に高周波誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）を好ましいものとして挙げることができる。
【００１１】
イオン偏向レンズ系が、大気圧プラズマを高真空部へと導入するためのインターフェース部と、装置の動作を停止した時に、質量分析部の大部分を占める高真空部の気密を保つためのアイソレーションバルブの間に配置されていることが好ましい。この構成により、イオン偏向レンズ系の交換又は保守を、アイソレーションバルブ以降の又は大部分の高真空槽の真空を保ったまま実施することが可能となり、作業効率が改善される。
【００１２】
本発明の構成では、一対のプレート状電極に同じ電圧を印加することができる。例えば１つの円筒状電極を使用する場合、一対のプレート状電極に同じ電圧を印加することによって、イオン偏向レンズ系全体としては２種類の電圧を印加すればよく、イオン偏向レンズ系の制御がきわめて単純、容易になる。
【００１３】
入射側プレート状電極のアパチャーの光軸と、出射側プレート状電極のアパチャーの光軸とがどちらも、筒状電極の中心軸をも含む同じ平面内にあり、かつ互いに筒状電極の中心軸から実質上同じ距離だけ互いに反対方向にずれていることが好ましい。この構成により、イオン偏向レンズ系はより簡単な構成となり、より単純な制御により動作させることが可能となる。
【００１４】
請求項７は、請求項２から６への変形とは独立の請求項１の変形である。イオン化源として大気圧プラズマを利用し、かつイオン偏向レンズを有する質量分析装置であるとともに、イオンガイドをイオンレンズ系の一部として用いている場合に適用される。すなわち請求項７は、イオン偏向レンズ系が、互いのアパチャーの光軸がずれるように配置されている入射側プレート状電極及び出射側プレート状電極と、これらのプレート状電極の間に配置されているすくなくとも１つの筒状電極とからなり、入射側プレート状電極と筒状電極が、入射側プレート状電極のアパチャーの光軸が筒状電極の中心軸に対してずれるように配置され、かつイオン偏向レンズ系がイオンガイドのイオンの入射側に配置されていることのみを特徴とし、請求項２から６の制限がないものと解釈される。ここでイオンの入射側というのは、当然のことながら、必ずしも入射側のすぐ隣を意味するものではなく、間に他のレンズが挿入されていてもかまわない。
【００１５】
四重極、六重極、八重極といった多重極のイオンガイドをイオンレンズ系の一部として利用する分析装置では、このようなイオンガイドが静電界によるイオンレンズよりも汚れによる影響を受けやすいため、イオンガイドに中性粒子を進入させないことが重要である。この構成では、イオン偏向レンズ系がイオンガイドのイオン入射側に配置されていることによって、中性粒子のイオンガイドへの進入を効果的に防ぐことが可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
添付の図面を参照して本発明をより詳細に説明する。先ずイオン偏向レンズ系を概略的に図１に示す。図中矢印１は、イオンの入射方向を示す。ここに示すイオン偏向レンズは、一対のプレート状電極２６、２８と、その間に配置されている１つの円筒状電極２７から構成され、それぞれのプレート状電極２６、２８にはアパチャー４６、４８が設けられている。アパチャー４６、４８の光軸５６、５８は、それぞれアパチャー４６、４８の中心を通過し、かつプレート状電極の面に垂直方向に延伸している。またアパチャーの光軸５６、５８は、円筒状電極２７の開口面の中心を通過して開口面に垂直方向に延伸する中心軸４０をも含む同じ平面内にあり、この円筒状電極２７の中心軸４０に対して、互いに反対方向に同じ距離だけずれている。図２は、計算により求めた、このようなイオン偏向レンズ系を通過するイオンの軌道シミュレーションの結果の一例を示す図である。ここで、円筒状電極２７は内径φ１４ｍｍ、長さ１６ｍｍであり、入射側アパチャー４６及び出射側アパチャー４８はそれぞれ直径φ３ｍｍであり、アパチャー４６、４８の光軸５６、５８は、それぞれ円筒状電極２７の中心軸４０から２．５ｍｍずれ、入射側及び出射側プレート状電極には−５０　Ｖ、円筒状電極には＋１０　Ｖの電圧がそれぞれ印加されている。
【００１７】
図１は、出射側プレート状電極２８のアパチャー４８の光軸５８が、円筒状電極２７の中心軸４０に対してずれている例を示しているが、この構成は必須ではない。またここでは、断面が円である筒状電極２７を使用しているが、その断面を楕円、長円、矩形とすることも可能であり、その場合には、断面形状、駆動電圧により、断面に垂直に通っている２つの光軸方向に対する集光特性を適宜変化させることができる。
【００１８】
図３には、図１に示すイオン偏向レンズ系を組み込んだ高周波誘導結合プラズマ質量分析装置の要部の概略を示す。これは、高周波誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）１７を用いて試料をイオン化させ、生じたイオンをサンプリングコーン２２とスキマーコーン２３からなるインターフェース部を介して質量分析計に導いて、電気的に検出し、イオン量を精密に測定することにより、試料中の被測定元素を高精度に分析するように構成されている。本実施例では、装置の動作を停止した場合に、質量分析部の大部分を占める高真空部の気密を保持するためにアイソレーションバルブ３０が設けられ、イオン偏向レンズ系は、アイソレーションバルブ３０のイオン入射側、インターフェース部とアイソレーションバルブの間に配置されている。
【００１９】
ＩＣＰ　１７によりイオン化され、サンプリングコーン２２、スキマーコーン２３を通過して高真空に保たれている第２ステージに導入された試料イオンは、第１レンズ２５によって、そのイオン出射側に配置されているイオン偏向レンズ系に向かうように調整される。イオンは、先ず入射側プレート状電極２６のアパチャー４６を通過する。このとき質量分析器に進入することが望まれない中性粒子も目的イオンと共に、この入射側プレート状電極２６のアパチャー４６を通過する。イオン偏向レンズ系において、中性粒子は電界の影響を受けることがないため直進し、出射側プレート状電極２８に衝突し、それ以上下流に進入せず、検出器３８に達することがない。一方イオンは、入射側プレート状電極２６と出射側プレート状電極２８にそれぞれ設けられているアパチャー４６及び４８の光軸５６及び５８が互いにずれているにもかかわらず、イオン偏向レンズ系内の電界により、その進路が偏向し、出射側プレート状電極２８のアパチャー４８を通過する。イオンはこの後、イオンレンズ３２により集光させられ、さらに質量分析器３６により質量と電荷の比（ｍ／ｚ値）によって分別され、検出器３８により検出される。
【００２０】
次に図４を参照して、本発明によるＩＣＰ−ＭＳの動作を詳細に説明する。この実施例に示す装置は、イオンレンズ系の一部に八重極イオンガイドを利用する四重極マスフィルタ型ＩＣＰ−ＭＳである。
【００２１】
試料１１は、公知の送液ポンプ１２によりネブライザ１３に送られ、ここでネブライザ用Ａｒガスチューブ１９を通過したアルゴンガスによりエアロゾルへ変換され、連結管１４を経て、プラズマトーチ１５へと送られる。ＲＦ電源２１によりコイル１６に高周波電界が印可され、そのエネルギーは、Ａｒガス供給装置１８により供給されたアルゴンガスを誘導結合により放電させることにより伝えられ、高周波誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）１７が形成される。サンプルのエアロゾルはこのプラズマ中に導入され、蒸発、分解し、大多数の元素に対して、実質上１００％イオンへと変換される。このイオンは、サンプリングコーン２２、スキマーコーン２３からなるインターフェース部を経て、イオンレンズのある第２ステージの高真空槽内部へ導入される。ここに示す装置は、３段差動排気と呼ばれる真空排気系を使用しており、小さなコンダクタンスでつながれた３つの真空槽をそれぞれロータリーポンプ２４、ターボ分子ポンプ３１、ターボ分子ポンプ３５で排気し、これによりプラズマの生成される大気圧から、最終段の高真空槽へとイオンの導入を可能にしている。このとき３つの真空槽を、大気圧側から、それぞれ第１ステージ、第２ステージ、第３ステージとも呼んでいる。
【００２２】
第１レンズ２５で適切に集光されたイオンは、アイソレーションバルブ３０のイオン入射側、インターフェース部とアイソレーションバルブの間に配置されているイオン偏向レンズ系により図中点線５１で示すようにその進路を曲げられる。この図４に示す例では、イオン偏向レンズ系は、入射側プレート状電極２６、円筒状電極２７、出射側プレート状電極２８からなり、入射側プレート状電極２６のアパチャー４６の光軸５６と、出射側プレート状電極２８のアパチャー４８の光軸５８は、円筒状電極２７の中心軸４０に対して、同じ距離かつ逆方向にずれている。イオンは、この偏向レンズ系により、出射側プレート状電極２８のアパチャー４８を効率よく通過し、次段の八重極イオンガイド３２’へ導入される。一方イオンと一緒にスキマーコーンを経て導入された非分解サンプル及びプラズマ光等の中性粒子は、偏向レンズにより偏向されず、図中実線５２で示すように直進し、出射側プレート状電極に衝突し止められる。このためイオンガイド３２’は非分解サンプルにより汚染されることがなく、安定な動作を維持することが可能となる。またプラズマからの光が検出器３８に進入することも完全に防ぐことができ、光に起因するノイズを完全に無くすことが可能となる。その一方で、図２の計算例が示すように、イオンの偏向レンズ透過効率は、１００％に近く、装置の高感度化に寄与している。
【００２３】
この偏向レンズは、２つのプレート状電極２６、２８及び、１つの円筒状電極２７からなり、簡単で小型に構成でき、図に示すようにアイソレーションバルブ３０の外側、イオン入射側に設けることが可能である。このため、汚れを受け止める出射側プレート状電極２８のクリーニングを、装置の非動作時に、アイソレーションバルブ３０を閉じたままで容易に行うことができる。従来、このような汚れ受けレンズはアイソレーションバルブの内側、イオン出射側にあることが多く、この場合には、そのクリーニングを行うために装置全体の真空を破る必要があり、その回復には長い時間が必要であった。
【００２４】
また、この偏向レンズは、２つの電圧により制御することが可能であり、その最適化は簡単である。イオンガイド３２’に送られたイオンは、差動排気のためのオリフィス３４を通過し、四重極マスフィルタ３６’で質量と電荷の比（ｍ／ｚ値）により分別をうけ、イオン検出器３８で検出される。本実施例で使用する多重極のイオンガイドは一般の静電レンズに比べ、たとえば制御変数が少なく最適化が容易であるという利点を有するが、一般に汚れの影響を受けやすい。したがってイオンガイドの前で、汚れの原因となる非分解サンプルを止めることは、装置の安定動作に大きく貢献する。
【００２５】
本実施例では、イオンレンズの一部に多重極イオンガイドの八重極イオンガイドを使用したが、四重極、六重極のイオンガイドを使用することも可能である。もちろん静電界によるイオンレンズを使用することも可能であることは言うまでもない。また図中には示していないが、八重極イオンガイドコントローラ３３、四重極マスフィルタコントローラ３７、検出器プリアンプ３９、ＲＦ電源２１、Ａｒガス供給装置１８等は、装置上のメインボードを介して制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いられるイオン偏向レンズ系の一実施例を示す図である。
【図２】計算により求めた、図１に示すイオン偏向レンズ系を通過するイオン軌道の例を表す図である。
【図３】図１のイオン偏向レンズ系を組み込んだ、本発明による大気圧プラズマイオン化源質量分析装置の概略図である。
【図４】本発明によるＩＣＰ−ＭＳの動作を説明するための概略図である。
【符号の説明】
１：　イオンの入射方向
１１：　試料溶液
１２：　送液ポンプ
１３：　ネブライザ
１４：　連結管
１５：　プラズマトーチ
１６：　ＲＦコイル
１７：　プラズマ
１８：　Ａｒ　ガス供給装置
１９：　Ａｒ　ガスチューブ（ネブライザ用）
２０：　Ａｒ　ガスチューブ（プラズマトーチ用）
２１：　ＲＦ電源
２２：　サンプリングコーン
２３：　スキマーコーン
２４：　ロータリーポンプ
２５：　第１レンズ
２６：　入射側プレート状電極
２７：　円筒状電極
２８：　出射側プレート状電極
２９：　レンズ用電源
３０：　アイソレーションバルブ
３１：　ターボ分子ポンプ
３２：　イオンレンズ
３２’：　八重極イオンガイド
３３：　八重極イオンガイドコントローラ
３４：　オリフィス
３５：　ターボ分子ポンプ
３６：　質量分析器
３６’：　四重極マスフィルタ
３７：　四重極マスフィルタコントローラ
３８：　イオン検出器
３９：　検出器プリアンプ
４０：　筒状電極中心軸
４６：　入射側プレート状電極アパチャー
４８：　出射側プレート状電極アパチャー
５１：　イオンの進路
５２：　中性粒子の進路
５６：　入射側プレート状電極アパチャーの光軸
５８：　出射側プレート状電極アパチャーの光軸
【図１】
2004071470.tif 000003
【図２】
2004071470.tif 000004
【図３】
2004071470.tif 000005
【図４】
2004071470.tif 000006