Gas analysis and mas spectrometers banner

質量分析計はどのようにしてイオンを分離しますか？

四重極分離システム

ここでは、イオンは質量電荷比に基づいて分離されます。物理学では、電気を帯びた粒子（イオン）の軌道からのゆがみは、粒子の引力は電荷に比例し、慣性（変化に抵抗する）が質量に比例するため、質量と電荷の比率に従ってのみ可能であることがわかっています。分離システムは、平行に配置され、互いに分離された4本の円筒形金属ロッドで構成されています。2本の対向ロッドには、同じ電位が帯電しています。図4.2は、ロッドとその電源の配置を概略的に示したものです。分離システム内の電場Φは、DC電圧と高周波AC電圧を重ねることによって生成されます。

r₀ = ロッドのシステム内に内接できるシリンダーの半径。

図4.2 四重極質量分析計の概略図

分離システム内の中心線の近くで平行に移動し、その移動に対して垂直に移動する1つの荷電イオンに作用があるのは、次のような力です。

これらの運動方程式の数学的処理では、マチューの微分方程式が使用されます。安定なイオンパスと不安定なイオンパスがあることが実証されています。安定したパスでは、分離システムの中心線からのイオンの距離は常にro（通過状態）未満のままです。不安定なパスでは、イオンが最終的にロッド表面と衝突するまで軸からの距離が伸びます。イオンが放電（中和）され、ディテクターが使用できなくなります（遮断状態）。

微分方程式を解くことなく、四重極分離システムの最も重要な特性を理解することができる、純粋に現象論的な説明を得ることができます。

分離システムを切り開いて、原子番号Mの単一イオン化された正イオンのゆがみを観察すると、互いに垂直で、それぞれが2つの対向するロッドの中心を通過する2つの平面内を移動します。段階を踏んで、最初にxz平面（図4.5左）、次にyz平面（図4.5右）を観察します。

図4.5 分離システムの現象学的な説明

1. ロッドのDC電位Uのみ：

xz平面（左）：ロッドで+Uの正の電位を持ち、イオンに反発効果があり、イオンを中心に保ちます。コレクターに到達します（→通過）。

yz平面（右）：ロッド-Uの負の電位。つまり、中心軸からの最もわずかなずれでも、イオンは最も近いロッドに向かって引き寄せられ、そこで中和されます。コレクターには到達しません（→ブロッキング）。

2. 高周波数電圧の重畳V · cos ω t：

xz平面（左）：ロッド電位+U + V · cos ω t。AC電圧振幅Vが上昇すると、イオンは、ロッドに接触して中和されるまで、より大きな振幅で横方向の振動を実行するようになります。分離システムは、Vの非常に大きな値に対してブロックされたままになります。

yz平面（右）：ロッド電位-U -V · cos ω t。ここでも重ね合わせを行うと、追加の力が発生するため、Vの特定の値で横方向振動の振幅がロッド間のクリアランスよりも小さくなり、イオンは、非常に大きなVでコレクターに通過できるようになります。

3. Mの固定質量の場合のイオン放射i⁺ = i⁺（V）：

xz平面（左）：V< ₁の電圧の場合、振動のエスカレーションにつながるゆがみは、V₁より小さくなります。つまり、「合格」範囲内にあります。ここで、V > V₁の場合、ゆがみは、エスカレーションと閉塞を引き起こすのに十分です。

yz平面（右）：V < V₁の電圧の場合、振動の減衰につながるゆがみは、V₁より小さくなります。つまり、まだ「ブロック」の範囲内です。V > V₁の場合、減衰は、振動を安定させるのに十分であり、通過を可能にします。

4. U / Vの固定比率に対するイオン流i+ = i+（M）

ここでは、i⁺ = i⁺（V）の関係とはまったく逆になります。これは、Vが軽質量に与える影響が、重質量よりも大きいためです。

xz平面：M < M₁の質量では、振動のエスカレーションをもたらすゆがみがM₁より大きくなり、イオンがブロックされることを意味します。M > M1では、ゆがみがエスカレーションには不十分なため、イオンは通過できます。

yz平面：M < M₁の質量では、振動の減衰をもたらすゆがみがM1より大きくなります。これは、イオンが通過することを意味します。M > M1では、減衰はシステムを落ち着かせるのに十分ではないため、イオンはブロックされます。

5. xz平面とyz平面の組み合わせ。

ロッドの両方のペア（U / Vは固定）のイオン電流i⁺ = i⁺（M）の重ね合わせには、3つの重要な範囲があります。

範囲I：ロッドのxzペアのブロッキング動作のため、Mの通過はありません。

範囲II：質量Mのロッドシステムの通過係数は、U/V比によって決まります（他のイオンは通過しません）。優れた透過性（高感度に対応）は、低選択性（分解能、質量分析の仕様を参照）と引き替えに導入されることがわかります。分離システムの理想的な調整には、これら2つの特性間の妥協が必要です。一定の分解能を得るために、U/V比は測定範囲全体にわたって一定に保たれます。分離システムを通過できるイオンの「原子番号」M（イオン化のページを参照）は、次の条件を満たす必要があります。

V = 高周波振幅、
r_O = 四重極内接半径
f = 高周波

この線形依存性の結果、UとVの同時比例変更により、質量スケール付近のliを持つ質量スペクトルが得られます。

範囲III：ロッドのyzペアのブロック特性により、Mは通過できません。

測定システム（ディテクター）

分離システムを離れた後、イオンは、イオントラップまたはディテクターに到達します。ディテクターは、最も簡単な例では、ファラデーケージ（ファラデーカップ）の形になります。どのような場合でも、ディテクターに衝突するイオンは、イオントラップからの電子によって中和されます。電気的増幅後、測定信号自体が対応する「イオン放出ストリーム」として表示されます。より高い感度を得るために、ファラデーカップの代わりに二次電子増倍管（SEMP）を使用できます。

チャネルトロンまたはチャネルプレートは、SEMPとして使用できます。SEMPは、最初の時点で約10⁺⁶の利得を持つ事実上無慣性アンプです。これは、実際に初期使用段階では低下しますが、その後、長期間にわたってほぼ一定になります。図4.6は、左側にファラデーイオントラップの基本構成を示し、右側にチャネルトロンの断面を示しています。スペクトルを記録する場合、質量線あたりの走査周期t₀と増幅器の時定数tは、t₀ = 10 τの条件を満たす必要があります。TRANSPECTORなどの最新の装置では、スキャン周期と増幅器の時間定数の無制限の選択は、マイクロプロセッサ制御によって論理値のペアに制限されます。