GCMS分析の基礎

3.2. 質量分析部

GC/MS分析で,もっとも広く使われているのが四重極型(QP)の質量分析計です。QP型質量分析計の構造と原理を説明します。

3.2.1. 質量分析計概観
3.2.2. QP型質量分析計の構造
3.2.3. ロッドへ印加される電圧
3.2.4. QP型質量分析計の質量選択
3.2.5. QP型質量分析計の原理式
3.2.6. 安定領域とイオン軌道
3.2.7. 安定領域とスキャンライン

3.2.1. 質量分析計概観

 イオン源ボックスでイオン化されたイオンは質量分析計の分析部に導かれ,イオンの質量mと電荷zの比m/zに応じて分離されます。  GC-MSで最もよく使用される質量分析計は四重極(QP)型のもので,コストパフォーマンスのよい実用的な装置です。比較的コンパクトで操作やメンテナンスも簡単,感度もよく,スキャン速度も高く,超高真空も不要です。このため,GCやLCといったクロマト装置に接続されよく使用されます。

3.2.2. QP型質量分析計の構造

 四重極型質量分析計は,20cm程度の長さのロッドを4本,平行に並べたものです。メインロッド部の製作には,ミクロンオーダーの精密加工技術と精密な組立技術が必要です。従って,メンテナンス時,分解,洗浄,再組み立てを行うことはできません。そのため,イオン源からの汚染からメインロッドを保護するため,プリロッドが取り付けられています。

3.2.3.ロッドに印加される電圧

各ロッドには電圧が印加されています。
(1)対向するロッドに同じRF電圧(=Vcos(ωt))とDC電圧(U)が同時に印加されています。
(2)隣り合うロッドには同じ強度で極性の異なる同じRF電圧とDC電圧が印加されています。
ここで角周波数ωはω=2πfです。
2つの電圧UとVを適切に設定することで,ロッドを通過するイオンのm/zが決まります。比率U/Vを一定に保った状態で電圧UとVを連続して変化させると,マススペクトルを測定することができます。

ロッドに印加される電圧  (wmv形式・2.4MB)

3.2.4. QP型質量分析計の質量選択

 QP型質量分析計は印加された電圧UとVに対応したm/zのイオンを選択し通過させます。右は,QPロッドを横から見た図です。
 m/z=180のイオンを通過させるように電圧UとVを設定した時,入射したイオンがどのような動きをするかシミュレーションしてみましょう。下の動画は,m/z=179,180,181のイオン軌道のシミュレーションです。m/z=180のイオンはロッド出口まで到達しますが,179と181のイオンはロッドを通過中にはじき出されてしまいます。この動作から,QP型質量分析計のことをマスフィルタと呼ぶこともあります。

シミュレーション1:m/z=179  (wmv形式・207KB)
シミュレーション2:m/z=180  (wmv形式・430KB)
シミュレーション3:m/z=181  (wmv形式・353KB)

3.2.5. QP型質量分析計の原理式

 四重極マスフィルタの電極に電圧が印加された時の正面から見たポテンシャルを右に示します。

ここで, 2r0は電極間距離,ωは角周波数です。この時,ロッド内の電場(四重極場)は次のようになります。

この電場中のイオンの運動はMathewの方程式で表せます。

ここでuはxまたはyを表します。

また,

およびξ=ωt/2です。

3.2.6. 安定領域とイオン軌道

Mathew方程式の解は,イオンがどのような軌道をロッド中で描くかを示してくれます。

 この解は,質量と電圧VとUで決まるaとqの値(「3.2.5 QP型質量分析計の原理式」 参照)によって数学的に安定な解になったりします。不安定な解の条件では,イオン運動の振幅はだんだん大きくなり,ロッド,真空容器の壁やその他の部品に衝突して失われてしまいます。
 以下に示す例で安定条件(青の領域)と不安定条件のイオン運動をチェックしてみてください。ロッドを輪切りにした図で,イオンは手前から奥に進むと考えてください。上向きの矢印がaとqの設定ポイントになります。最初は安定領域の設定で,x軸y軸方向ともある一定範囲内にとどまって振動しています。次はx軸方向が不安定な場合,その次はy軸方向が不安定な場合です。

安定領域とイオン軌道  (wmv形式・300KB)

3.2.7. 安定領域とスキャンライン

 安定図はaとqの軸で描かれていましたが,RF電圧VとDC電圧Uで置き換えることができます。つまり,安定図はあるm/zをもつイオンに対し,イオンが安定に通過するRF電圧VとDC電圧Uの領域を表しています。四重極マスフィルターではVとUの電圧比を一定に保って,VとUを連続的に変化させることがよくあります。この線をスキャンラインといいます。このラインに沿うように2つの電圧を変えるモードが,スキャンモードで,マススペクトルが得られます。

 この図の安定領域とスキャンラインが交わっている領域,つまり,mを中心とするΔmの幅を持ったイオンが安定に通過します。この幅が質量分解能に関係します。つまり,安定領域とこのスキャンラインの位置関係を変えることで質量分解能を変えることができます。つまり,安定領域のより先端部分を通すようにVとUを設定したスキャンラインのほうが高分解能のスペクトルが得られます。

安定領域とスキャンライン  (wmv形式・575KB)
Top of This Page