(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバーと、該真空チャンバー内に試料分子線を放射する分子線発生装置と、前記真空チャンバー内または真空チャンバー外に配置された１対の平面鏡と、前記真空チャンバー内にレーザー光を入射するレーザー光発生装置と、前記真空チャンバー内に配置される、イオン化されたイオンを加速する１対の電極と、加速されたイオンを検出するイオン検出器とを備え、前記入射されたレーザー光が前記１対の平面鏡間で反射を繰り返しながら該平面鏡における反射位置を移動する光路において前記試料分子線をイオン化し、前記１対の平面鏡は、互いに平行な位置から対向する側にそれぞれ傾斜角α傾斜して配置され、前記レーザー光が前記１対の電極間を通過後に最初に反射する平面鏡への入射角をθ0とするとき、反射回数を２ｎ回とするため、θ0−２ｎα＝０の関係を満たすように設定することを特徴とするレーザーイオン化質量分析装置。
【請求項２】
前記真空チャンバーに入射されるレーザー光は、前記試料分子線を二光子以下のエネルギーでイオン化できる波長であって、平行光からなることを特徴とする請求項１に記載のレーザーイオン化質量分析装置。
【請求項３】
前記１対の平面鏡は、前記１対の電極の外側に、相互に向き合うように配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーザーイオン化質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザーイオン化質量分析装置およびレーザーイオン化質量分析方法に係わり、特に、環境計測、大気中の微量物質（揮発性芳香族化合物）等をその場で観測することのできるレーザーイオン化質量分析装置およびレーザーイオン化質量分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、キャリヤーガス中のサンプル分子の検出方法と装置について記載されている。また、特許文献２には、多面鏡システムについて記載されている。
【特許文献１】特許第２８０７２０１号
【特許文献２】特許第３２５２１２５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
一般にレーザーイオン化には、多光子過程の効率を高めるため、レーザー光を集光して用いるが、イオン化領域が集光された非常に小さな空間に限られてしまうため、数ｐｐｔオーダーの低濃度の試料の検出は難しい。またレーザー強度が大きすぎるとさらに高い多光子吸収過程や、生成した親イオンの光分解が起こり、イオンのフラグメント化が進んでしまう。
本発明の目的は、レーザー光を集光しないで平行光とすると共に、イオン化領域を大きくするために、１対の平面鏡の間でレーザー光を複数反射させるように光学系を構成することにより、検出感度を向上させたレーザーイオン化質量分析装置およびレーザーイオン化質量分析方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
第１の手段は、真空チャンバーと、該真空チャンバー内に試料分子線を放射する分子線発生装置と、前記真空チャンバー内または真空チャンバー外に配置された１対の平面鏡と、前記真空チャンバー内にレーザー光を入射するレーザー光発生装置と、前記真空チャンバー内に配置される、イオン化されたイオンを加速する１対の電極と、加速されたイオンを検出するイオン検出器とを備え、前記入射されたレーザー光が前記１対の平面鏡間で反射を繰り返しながら該平面鏡における反射位置を移動する光路において前記試料分子線をイオン化し、前記１対の平面鏡は、互いに平行な位置から対向する側にそれぞれ傾斜角α傾斜して配置され、前記レーザー光が前記１対の電極間を通過後に最初に反射する平面鏡への入射角をθ0とするとき、反射回数を２ｎ回とするため、θ0−２ｎα＝０の関係を満たすように設定することを特徴とするレーザーイオン化質量分析装置である。
第２の手段は、第１の手段において、前記真空チャンバーに入射されるレーザー光は、前記試料分子線を二光子以下のエネルギーでイオン化できる波長であって、平行光からなることを特徴とするレーザーイオン化質量分析装置である。
第３の手段は、第１の手段または第２の手段において、前記１対の平面鏡は、前記１対の電極の外側に、相互に向き合うように配置されていることを特徴とするレーザーイオン化質量分析装置である。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、１対の平面鏡によるレーザー光路の増幅により、イオン化空間領域を広げることができ、レーザーイオン化による飛行時間型のレーザーイオン化質量分析装置およびレーザーイオン化質量分析方法の検出感度を向上させることができる。
また、本発明によれば、レーザー光が１対の平面鏡間を反射する回数を２ｎとしているので、イオン化領域の空間は、短光路の２ｎ＋１倍に増幅され、この領域で生成したイオンが全てイオン検出器によって検出されることにより、イオン信号強度を約２ｎ＋１倍に増幅することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明の一実施形態を図１ないし図４を用いて説明する。
図１は、本実施形態の発明に係るレーザーイオン化質量分析装置の概略構成を示す斜視図である。なお、同図において、平面鏡４，５、電極８，９、分子線３、レーザー光６、およびイオン１０は真空チャンバー２内にあるが、理解を容易にするために明示されている。
図２は、図１に示されたレーザーイオン化質量分析装置の平面鏡４，５間で反射するレーザー光路と同一面で切断して見たレーザーイオン化質量分析装置の断面図である。
【０００７】
これらの図において、１はナフタレン等の試料ガスを流入し、真空チャンバー２内に試料分子線として噴出させる分子線発生装置、２は真空チャンバー、３は真空チャンバー２内に噴出された試料分子線、４，５は真空チャンバー２内に収納された（または真空チャンバー２外）に対向配置された平面鏡、６は真空チャンバー２内に入射されて平面鏡４，５間で反射を繰り返しながら平面鏡４，５における反射位置を移動する光路において分子線３をイオン化するレーザー光、７は真空チャンバー２外に設けられ真空チャンバー２内にレーザー光を入射するためのレーザー光発生装置、８、９は平面鏡４，５間で反射を繰り返しながら平面鏡４，５間で反射位置を移動するレーザー光路を挟んで対向配置され、イオン化されたイオンを電場によりイオン検出器１２方向に加速するための電極、１０はイオン化されたイオン、１１は飛行管、１２は電極８，９間に印加された電場により加速されたイオン１０を検出するイオン検出器である。
【０００８】
図１に示すように、本実施形態の発明に係るレーザーイオン化質量分析装置によれば、イオン化質量分析による検出を目的とした分子が微量に含まれる大気、あるいはその分子をヘリウム等のバッファーガスで希釈した試料ガスを、パルスバルブ等からなる分子線発生装置１により、真空チャンバー２内に噴出させることにより試料分子線３が得られる。分子線３中の試料は、レーザー光６によりイオン化され、イオン化されたイオン１０は、飛行時間型質量分析計のイオン引き込み電場発生用の２枚の電極間８，９の電場によりイオン検出器１２方向に加速され、それぞれの質量に特有の速度で飛行管１１を飛行後、イオン検出器１２に到達する。
【０００９】
また、図２に示すように、１対の電極８，９間をレーザー光６が複数回往復するように、１対の平面鏡４，５（反射率９９％以上）を１対の電極８，９の前後に向かい合うように配置される。レーザー光６の反射の回数を増やすことにより実効的な光路長を伸ばすことができる。最大反射回数は、平面鏡４，５間の距離、電極８，９間の距離、およびレーザービーム径により規定される。
【００１０】
図３は図２に示した反射鏡４，５、電極８，９、およびレーザー光６を拡大して示した図である。
同図において、Ｌは平面鏡４，５間の距離、Ｂはレーザー光路の最大幅、Ｄは電極８，９間の距離、αは平面鏡４，５が互いに平行する位置から対向する側にそれぞれ傾斜する角度、θ０はレーザー光６の初期入射角、２ｎはレーザー光の平面鏡４，５間における反射回数である。
ここでは、反射回数２ｎ＝１０の場合のレーザー光路を例示した。レーザー光６の初期入射角θ0とした場合、平面鏡４，５の角度αをθ０−２ｎα＝０となるように設定することによりレーザー光６は平面鏡４，５間を２ｎ回反射する。レーザー光６が反射を繰り返す光路の最大の幅Ｂは、平面鏡４，５間の距離Ｌより近似的にＬθ０（ｎ＋１）／２となり、これが電極間隔Ｄ以下になる最大の反射回数は４Ｄ／Ｌθ０−２である。従って初期入射角θ０を小さくするほど反射回数は多くなり、増幅効果は大きくなる。
【００１１】
図４は、本実施形態の発明に係るレーザーイオン化質量分析装置によって測定されたナフタレン分子の質量スペクトルの例を示す図である。横軸は飛行時間、縦軸はイオン強度を示す。
本装置において、レーザー光発生装置７から入射されるレーザー光６には、ＹＡＧレーザーの４倍波（２６６ｎｍ）を用い、二光子イオン化による検出を行った。同図において、増幅後のスペクトル（点線）は、平面鏡４，５を入れたことにより、実効的な光路長を１１倍に増幅して得られたものである。スペクトルピークの面積強度を測定すると、その比は増幅前のスペクトル（実線）に対して約８倍になった。理想的には１１倍に増加するはずであるが、必ずしもそうならなかったのは、平面鏡４，５を真空チャンバー２の外部に設置したため、レーザー入射窓の表面で反射による強度の減衰が生じたためである。表面反射ロスはなくすために真空チャンバー２内部に平面鏡４，５を設置すると平面鏡４，５間の距離も短縮されるので、反射回数も増やすことが可能となり、大幅な感度向上が期待できる。
【００１２】
本装置によれば、ナフタレン分子の検出感度は７００ｐｐｔにまで向上させることができた。さらなる高感度化、装置のコンパクト化により、大気環境などのオンサイト・リアルタイム高感度分析への展開が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るレーザーイオン化質量分析装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示されたレーザーイオン化質量分析装置の平面鏡４，５間で反射するレーザー光路と同一面で切断して見たレーザーイオン化質量分析装置の断面図である。
【図３】図２に示した反射鏡４，５、電極８，９、およびレーザー光６を拡大して示した図である。
【図４】本発明に係るレーザーイオン化質量分析装置によって測定されたナフタレン分子の質量スペクトルの例を示す図である。
【符号の説明】
【００１４】
１  分子線発生装置
２  真空チャンバー
３  試料分子線
４，５  平面鏡
６  レーザー光
７  レーザー光発生装置
８，９  電極
１０  イオン
１１  飛行管
１２  イオン検出器
【図２】
0004845051.tif 000002
【図３】
0004845051.tif 000003
【図４】
0004845051.tif 000004
【図１】
0004845051.tif 000005