(57)【要約】【課題】簡単に短時間に作業が出来、また、装置性能の安定化のため、位置精度が高く、再現性良く、細管を固定する、試料カートリッジを提供する。【解決手段】本発明の試料カートリッジは、試料容器と、試料容器を保持する試料容器保持部と、試料容器保持部と分離可能に固定された、樹脂成型部材と、試料容器保持部に設けられた開口部に固定された第１の細管と、樹脂成型部材に設けられた開口部に固定された第２の細管と、第１の細管および第２の細管を繋ぐチューブと、第１の細管と試料容器保持部に設けられた開口部の内面との間に設けられた第１の中空円筒部材と、第２の細管と樹脂成型部材に設けられた開口部の内面との間に設けられた第２の中空円筒部材と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料容器と、
試料容器を保持する試料容器保持部と、
試料容器保持部と分離可能に固定された、樹脂成型部材と、
試料容器保持部に設けられた開口部に固定された第１の細管と、
樹脂成型部材に設けられた開口部に固定された第２の細管と、
第１の細管および第２の細管を繋ぐチューブと、
第１の細管と試料容器保持部に設けられた開口部の内面との間に設けられた第１の中空円筒部材と、
第２の細管と樹脂成型部材に設けられた開口部の内面との間に設けられた第２の中空円筒部材と、を備えたことを特徴とする試料カートリッジ。
【請求項２】
試料容器保持部に設けられた開口部は断面が円形であり、その内径は、第１の中空円筒部材の外径よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の試料カートリッジ。
【請求項３】
樹脂成型部材に設けられた開口部は断面が円形であり、その内径は、第２の中空円筒部材の外径よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の試料カートリッジ。
【請求項４】
第１の中空円筒部材の内径は、第１の細管の外径よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の試料カートリッジ。
【請求項５】
第２の中空円筒部材の内径は、第２の細管の外径よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の試料カートリッジ。
【請求項６】
第１の中空円筒部材は、先端に第１の傾斜部を有しており、先端以外の箇所も第１の傾斜部よりも緩やかな第２の傾斜部を有していることを特徴とする請求項１に記載の試料カートリッジ。
【請求項７】
第２の中空円筒部材は、先端に第１の傾斜部を有しており、先端以外の箇所も第１の傾斜部よりも緩やかな第２の傾斜部を有していることを特徴とする請求項１に記載の試料カートリッジ。
【請求項８】
試料容器保持部に設けられた開口部は、端部が第１の中空円筒部材が挿入しやすいように面取りされていることを特徴とする請求項１に記載の試料カートリッジ。
【請求項９】
樹脂成型部材に設けられた開口部は、端部が第２の中空円筒部材が挿入しやすいように面取りされていることを特徴とする請求項１に記載の試料カートリッジ。
【請求項１０】
第１の中空円筒部材の剛性は、試料容器保持部の剛性と同じか若しくはそれ以下であることを特徴とする請求項１に記載の試料カートリッジ。
【請求項１１】
第２の中空円筒部材の剛性は、樹脂成型部材の剛性と同じか若しくはそれ以下であることを特徴とする請求項１に記載の試料カートリッジ。
【請求項１２】
試料容器保持部の材質がポリプロピレンであり、第１の中空円筒部材の材質が高密度または中密度のポリエチレンであることを特徴とする請求項１に記載の試料カートリッジ。
【請求項１３】
樹脂成型部材の材質がポリプロピレンであり、第２の中空円筒部材の材質が高密度または中密度のポリエチレンであることを特徴とする請求項１に記載の試料カートリッジ。
【請求項１４】
イオン源と、
質量分離部と、
ゲートバルブと、
試料カートリッジと、を備えた質量分析装置であって、
試料カートリッジは、
試料容器と、
試料容器を保持する試料容器保持部と、
試料容器保持部と分離可能に固定された、樹脂成型部材と、
試料容器保持部に設けられた開口部に固定された第１の細管と、
樹脂成型部材に設けられた開口部に固定された第２の細管と、
第１の細管および第２の細管を繋ぐチューブと、
第１の細管と試料容器保持部に設けられた開口部の内面との間に設けられた第１の中空円筒部材と、
第２の細管と樹脂成型部材に設けられた開口部の内面との間に設けられた第２の中空円筒部材と、を備えていることを特徴とする質量分析装置。
【請求項１５】
チューブに対して圧力をかけることにより試料の供給を制御するピンチバルブを有することを特徴とする請求項１４に記載の質量分析装置。
【請求項１６】
試料を加熱するヒータを備えていることを特徴とする請求項１４に記載の質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象である液体、固体試料を保持し、質量分析装置に着脱して、測定を行う試料カートリッジおよびそれを備えた質量分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
質量分析装置は、測定対象物をイオン化し、質量分析部で質量分析を行う。質量分析部は0.1Pa以下の高真空に保たれている。一方、イオン源部は数十パスカル程度の低真空になっている。この真空度の差異を差動排気方式により実現している。特許文献1では、上記の差動排気方式に加え、イオン化した試料ガスを間欠的に質量分析部に導入している。この方式では、試料ガスを導入していない間に質量分析部は低真空から高真空に回復するので、排気速度の比較的小さな、小型の真空ポンプを採用でき、質量分析装置の小型、軽量化が実現できる。
【０００３】
特許文献1では、試料ガスを間欠的に質量分析部に導入する際、試料ガス流量を制限するステンレス製細管やピンチバルブで開閉するシリコンチューブに試料ガスが付着し、キャリーオーバーの問題が発生する可能性がある。
【０００４】
特許文献2では上記のキャリーオーバーの問題を解決するために試料ガスが付着する恐れがある箇所を測定毎に簡単に交換する試料カートリッジについて記載がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】WO2009/023361
【特許文献２】特開2013-251218
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献2に記載の試料カートリッジは、使い回しが出来ないので、測定毎に交換する必要があり、安価に製作する必要がある。試料カートリッジは主に樹脂成型により製作する樹脂部品、金属または樹脂製の細管、シリコンチューブ等で構成される。樹脂部品に細管を固定する等の作業費がコストの大部分を占めるので、如何に簡単に短時間に作業が出来、また、装置性能の安定化のため、位置精度が高く、再現性良く、細管を固定出来るかが重要な問題である。本発明は上記の課題を解決する手段を提供する事を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の試料カートリッジは、試料容器と、試料容器を保持する試料容器保持部と、試料容器保持部と分離可能に固定された、樹脂成型部材と、試料容器保持部に設けられた開口部に固定された第１の細管と、樹脂成型部材に設けられた開口部に固定された第２の細管と、第１の細管および第２の細管を繋ぐチューブと、第１の細管と試料容器保持部に設けられた開口部の内面との間に設けられた第１の中空円筒部材と、第２の細管と樹脂成型部材に設けられた開口部の内面との間に設けられた第２の中空円筒部材と、を備えている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、簡単に短時間に作業が出来、また、装置性能の安定化のため、位置精度が高く、再現性良く、細管を固定出来る。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態の質量分析装置を示す概略図である。
【図２】試料カートリッジの分解した状態を示す外観図である。
【図３】試料カートリッジを組み立てた状態を示す外観図である。
【図４】中空円筒部材を示す断面図である。
【図５】細管を固定する作業を示す断面図である。
【図６】固形試料を用いる場合の試料カートリッジの断面図である。
【図７】別の細管を固定する作業を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【００１１】
図1は、本発明の実施形態に係る質量分析装置を示す。図１を用いて、質量分析装置の構成について説明する。
【００１２】
試料カートリッジ1は液体、固体試料を保持し、分析作業毎に使い捨てにするカートリッジである。図1は液体試料15を保持した図となっている。試料カートリッジ1の役割は、液体試料15を入れたカップ14を試料容器保持部材3にネジ16により、固定後、ヒータ17によって、最大80℃程度まで加熱し、試料ガス18を発生させ、イオン源部28にピンチバルブ7の動作によって、間欠的に供給する。
【００１３】
ピンチバルブ7が下がった状態では、試料ガス18は、真空度の差異による圧力を受け、イオン源部28に流入する。ピンチバルブ7が上がり、シリコンチューブ6が潰れ、流路が閉じると、試料ガス18はイオン源28には供給されない。ピンチバルブ7の開時間は数十ミリセカンドで、約1秒に1回開閉を行う。試料カートリッジ1の詳細については後で記載する。
試料カートリッジ1が質量分析装置に装着されていない場合には、Oリング23を有する弁体22がゲートバルブ本体20に押し付けられ、真空を保持する。
【００１４】
試料カートリッジ1が質量分析装置本体に装着され、分析を行うために試料カートリッジ1をイオン源部28側に移動させ、試料カートリッジ1の細管4の先端部がゲートバルブ本体20のOリング21Aに挿入された状態になると、弁体22が図示していないリンク機構により、連動して動き、ゲートバルブ本体20より離れる。その後、細管4をOリング２１Ｂに挿入し、更に移動させると、完全に弁体22は開き、細管4が図1に示すようにイオン源部28内部に挿入される。
【００１５】
イオン源部28は、ターボ分子ポンプ、ダイアフラムポンプで構成される真空排気部38により真空引きされている。試料カートリッジ1より試料ガス18が供給されない時には、0.1パスカル以下の真空度となっている。ピンチバルブ7が下に下がり、試料ガス18が数十ミリセカンド分、供給されるイオン源部28の真空度は最大数千パスカルに達する。ガラス管25の外周の一部には高周波電圧が供給される高周波印加電極26があり、試料ガス18が供給されると高周波を印加し、直径0.1から1ミリメートルのオリフィスを有するアース電極27との間にバリア放電を発生させ、プラズマ29を発生させる。ピンチバルブ7が上に上がり、試料ガス18が供給されなくなると、イオン源部28、質量分離部31の真空は0.1パスカル以下の高真空度に戻り、質量分離部31が動作出来る真空度に回復する。
【００１６】
質量分離部31は、プラズマ29中のイオンに対してインキャップ電極32、4つの棒状の電極33、エンドキャップ電極34を用いて各々適切な電圧を印加する事により、イオンの引き込み、イオン蓄積、排出を行う。
【００１７】
イオン検出器37は、排出されたイオンを検出する。電界によりイオンを引き込み、イオン衝突時に2次イオン、電子を放出するコンバージョンダイノード、放出された電子を光電子に変換するシンチレータ、光電子を増幅するホトマル等によりイオンを電気信号に変換する。
【００１８】
以下に試料カートリッジ1の詳細の説明を行う。
【００１９】
図3に試料カートリッジ1の外観図を示す。図1の試料カートリッジ1は、その断面図を示している。細管4は外径/内径＝約1.6/1.0の長さが約30ミリメートルのPEEKチューブである。細管8は、通路11を大気圧にする場合には、外径/内径＝約1.6/0.18の長さが約13ミリメートルのPEEKチューブを用い、通路11を真空排気系部に連結して減圧する場合は、外径/内径＝約1.6/0.5の長さが約13ミリメートルのPEEKチューブを用いる。PEEKチューブを固定する使用者が質量分析装置に取り付ける時に掴持する掴持部材2、試料容器を保持する試料容器保持部材3は、共にポリプロピレン製である。
【００２０】
細管4は中空円筒部材5によって、掴持部材2に固定される。細管8は、同じく別の中空円筒部材5によって試料容器保持部材3に固定される。細管4は、試料カートリッジ1を図1中、左右に移動させる際、ゲートバルブ本体20の2つのOリング21A、21Bのしゅうどう抵抗力等を受ける。
【００２１】
この時、細管4の掴持部材2への固定が不十分な場合、このしゅうどう抵抗力に負けて細管4が移動し、高周波印加電極26と細管4の先端距離が変化する。高周波印加電圧26と細管4の先端との距離が変化してしまうと、プラズマ発生領域での試料ガス18の濃度が変化するので。プラズマ密度が変化し、最終的に装置性能の安定性を低下させる要因となる。
【００２２】
また、細管8でも、ピンチバルブ7の上下運動により、繰り返しの力を受け、細管8が試料容器保持部材3に対して抜ける可能性がある。測定の結果、細管4、8には、最大10ニュートンの引っ張り、押し込みに対して、各々、試料容器保持部材3および掴持部材2に対して動かない構造にする必要があることがわかった。
【００２３】
掴持部材2および試料容器保持部材3は互いに分離できる構造となっている。両者を分離した状態を示すのが図２であり、組み立てた状態を示すのが図３である。両者の組立は、下記の方法で行う。（１）掴持部材2に細管4を固定する。（２）次に、容器保持部材3に細管8を固定する。（３）さらに、液体試料15をカップ14に適量入れ、ネジ16を用いてカップ14を容器保持部材３に固定する。（４）容器保持部材３の突起部を掴持部材２の穴部に位置決めし、合体させる。（５）細管4にシリコンチューブ6を固定する。（６）細管8にシリコンチューブ6の他端を差し込む。
【００２４】
この組立作業でコストが主にかかるのは作業時間がかかるのは、細管4、8の固定作業である。この作業をいかに簡単に短時間ですませるかが重要である。
上記の問題解決の方法として、本実施形態では、掴持部材2および試料容器保持部材3には細管4、8が入る穴部があり、この穴径より大きい外径で、細管4、8の外径より大きい内径を持つ中空円筒形部材5に圧力を加え穴部に挿入し、変形させて、細管4、8の外周、掴持部材2および試料容器保持部材3の穴部内面に圧力を加え、摩擦力により、細管4、8を固定した。
【００２５】
摩擦力は上記の10ニュートンを超えるように掴持部材2および試料容器保持部材3の穴径、中空円筒部材5の内外径、材質を選択した。
【００２６】
図４に今回、用いた中空円筒部材5の断面図を示す。中空円筒部材5における、掴持部材2および試料容器保持部材3の穴部に最初に入る部分には、傾斜35を設けている。また、掴持部材2および試料容器保持部材3の穴部の入り口付近にはC面取りを行い、中空円筒部材5のすわりを良くして固定作業をしやすくしている。
【００２７】
また、中空円筒部材5の外周、および掴持部材2および試料容器保持部材3には、約1°の傾斜（中空円筒部材では傾斜36が図中、左側の方向に広がるような傾斜）が型成形の際、形成されており、この傾斜により掴持部材2の穴部へ挿入しやすくなっている。
【００２８】
図1に示す試料容器保持部材3中の領域9は、加熱しないと試料ガス18が結露し、液化する。この液滴はピンチバルブ7が下がると圧力差でイオン源部28、質量分離部31に流入し、汚染によるキャリーオーバーが発生する事がある。これを防止のため、図示していないヒータで領域9を加熱するが、細管8を固定する際、細管8が挿入される回りの変形量（膨らみ）が大きすぎると、ヒータと試料容器保持部材3との接触率が低下し、加熱性能が低下する。これを防止するため、中空円筒部材5は、掴持部材2と同等かまたは、より剛性の低い高密度または中密度のポリエチレンを用い、細管8回りの変形量を100マイクロメートル以下に抑えた。また、寸法として中空円筒部材5の外径は、掴持部材2および試料容器保持部材3の内径より約25マイクロメートル大きくし、中空円筒部材5の内径は、細管4、8の外径より約25マイクロメートル程度大きくした。これにより、上記の10ニュートンの押し、引き力でも細管4、8が滑って動く事はなかった。
【００２９】
図5は作業冶工具40を用いて、細管4の固定作業を行っている様子を示す。作業冶工具40の一部に細管4の位置決めを行う穴部がある。ここがストッパーとなり、細管4の先端は位置精度良く、固定される。細管4を中空円筒部材5に通し、次に、掴持部材2の穴部に配置する。作業冶工具41の穴部に細管4を通し、圧力43を加え、中空円筒部材5を挿入する。圧力43は、回転レバーを回すと、直動の動きをする工具を用いた。一連の固定作業は約10〜15秒程度で完了した。接着材を用いるなどの他の固定方法と比較して、短時間に再現性良く、組立作業が可能となった。試料容器保持部材3に細管8を固定する場合、試料容器保持部材3内部に細管8の位置決めを行うストッパー部があり、細管8を上記と同じ方法で固定する。
【００３０】
図6は、試料として液体ではなく固形物を用いる試料カートリッジ1の断面図を示す。固形試料の採取、付着、試料カートリッジ1の組立方法を以下に説明する。
【００３１】
樹脂製のカップ46とアルミ製のプローブ45を試料容器保持部材3から外しておく。次に、プローブ45、カップ46を図とは逆さにして固形試料49を付着させた後、試料容器保持部材3にネジで固定する。細管4、8は上記と同じ方法で固定しておく。掴持部材2、試料容器保持部材3を合体し、シリコンチューブ6を固定する。試料カートリッジ1をセットし、イオン源部28側に移動させると、図示しないリンク機構により、加熱ヒータブロック47がプローブ45を突き上げ、樹脂製のカップ46からプローブ45を外し、熱絶縁して効率良く、固形試料49を加熱できる。プローブ45の先端部の最高到達温度は加熱開始から数分間で約180℃に達し、難揮発性固体試料でも必要な試料ガス量を発生できるようにした。また、通風用穴10を設け、試料ガス18が上空へ抜ける形にしている。試料ガス18が有毒な場合、吸着剤などのフィルターを通風用穴10などに詰めることも可能である。
【００３２】
図７は、図6の試料容器保持部材3に細管8を固定する作業の様子を示している。図5と同じく、細管8の位置精度を出すために作業冶工具42にストッパー部がある。中空固定円筒部5を用いた固定方法は前述と同じである。
【符号の説明】
【００３３】
1      試料カートリッジ
2      掴持部材
3      試料容器保持部材
4      細管
5      中空円筒部材
6      シリコンチューブ
7      ピンチバルブ
8      細管
9      領域
10      通風穴
11      通路
13      Oリング
14      カップ
15      液体試料
16      ネジ
17      ヒータ
18      試料ガス
19      固定用突起部
20      ゲートバルブ本体
21A      Oリング（上流側）
21B      Oリング（下流側）
22      弁体
23      Oリング
24      ゲートバルブ部
25      ガラス
26      高周波印加電極
27      アース電極
28      イオン源部
29      プラズマ
31      質量分離部
32      インキャップ電極
33      棒状電極
34      エンドキャップ電極
35      傾斜
36      傾斜
37      イオン検出器
38      真空排気系
40      作業冶工具
41      作業冶工具
42      作業冶工具
43      圧力
45      プローブ
46      カップ
47      加熱ヒータブロック
49      固形試料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2016061703.tif 000009