JP6811682B2 - 質量分析装置およびノズル部材 - Google Patents

Description

本開示は、質量分析装置およびそれに用いられるノズル部材に関する。

従来、大気圧下で試料をイオン化するイオン化室と高真空雰囲気下でイオンを選択する分析室との間に一つまたは複数の中間真空室を設けた多段差動排気系を有する質量分析装置がある。中間真空室には、試料ガスの流通路となる開口が設けられている。イオン化室と中間真空室とでは大きな圧力差があるため、試料ガスは上記開口を通過して圧力が低い中間真空室へ流入する際に超音速自由噴流となって、マッハディスク（衝撃波）およびバレルショックが形成される。

図１は、膨張した噴流の構造を示す図である。試料ガスは圧力差が大きい室間を移動する際に膨張波を生成する。マッハディスクは、膨張波が噴流の境界で反射し、反射波が干渉して増幅することによって生成される。つまり、マッハディスクは噴流の圧力または密度が高い位置を指す。マッハディスクが繰り返し生成されると、質量分析装置の検出感度の低下を招くと考えられている。

特許文献１には、イオン化室から第１中間真空室へイオンを送る加熱パイプの出口孔の外側に、通路が円錐形状である整流ノズルを設けたイオン輸送装置が記載されている。当該イオン輸送装置は、ノズルの円形開口の径を、該ノズルがないと仮定したときに超音速自由噴流により形成されるマッハディスクの径よりも小さく設定することにより、マッハディスクの生成を抑制する。

特開２０１０−１５７４９９号公報

ところで、超音速自由噴流の境界の形状は、イオン化室の圧力と中間真空室の圧力との比によって変化する。そのため、特許文献１に記載されたイオン輸送装置では、ノズルの円形開口の径が上記圧力比に基づいて設計される。したがって、特許文献１に記載された発明では、装置完成後にイオン化室および第１中間真空室の圧力が変化する場合、マッハディスクの生成が十分に抑制できなくなる可能性がある。

一方、生体内試料の分析等、高い感度を要求される質量分析を質量分析装置が実施する場合、マッハディスクの生成は十分に抑制される必要がある。

本開示は、上記の点に鑑みてなされたものであり、質量分析装置の広範な稼働条件に対してマッハディスクの生成を抑制できる技術を提供する。

上記課題を解決するために、代表的な発明の一つとして、試料をイオン化するイオン化部と、前記イオン化部と流通管によって接続されイオン化された前記試料が流入する流入口と、流入した前記試料が流出する流出口と、を有するノズル部と、真空排気手段によって排気された、前記ノズル部から前記試料が流入する真空室と、前記真空室より前記試料の流れの下流に位置し、前記試料からイオンを選択する質量分析部と、前記質量分析部が選択したイオンを検出するイオン検出部と、を備える質量分析装置であって、前記ノズル部の内部には、前記試料の流れを分岐する分岐部が設けられ、前記分岐部は前記流出口に向かうにつれて径が小さくなるテーパー形状の凸部を有する質量分析装置を提供する。

また、代表的な発明の別の一つとして、質量分析装置に用いるノズル部材であって、イオン化された試料が流入する流入口と、流入した前記試料が流出する流出口と、を有し、前記試料の流れを分岐する分岐部が内部に設けられ、前記分岐部は前記流出口に向かうにつれて径が小さくなるテーパー形状の凸部を有するノズル部材を提供する。

さらに、代表的な発明の別の一つとして、試料をイオン化するイオン化部と、前記イオン化部と流通管によって接続されイオン化された前記試料が流入する流入口と、流入した前記試料が流出する流出口と、を有するノズル部と、真空排気手段によって排気された、前記ノズル部から前記試料が流入する真空室と、前記真空室より前記試料の流れの下流に位置し、前記試料からイオンを選択する質量分析部と、前記質量分析部が選択したイオンを検出するイオン検出部と、を備える質量分析装置であって、前記ノズル部の内部には、前記試料の流れを分岐する分岐部が設けられ、前記分岐部は、分岐された前記試料の流れを交差させて前記真空室に流入させる質量分析装置を提供する。

本開示によれば、質量分析装置の広範な稼働条件に対してマッハディスクの生成を抑制できる。上記以外の課題、構成および効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。

図１は、膨張した噴流の構造を示す図である。 図２は、実施例に係る質量分析装置の構成の概略図である。 図３は、四重極電場内におけるイオン安定透過領域図である。 図４は、ａ−ｑ平面を示す図である。 図５は、イオン種毎の検出数を示すスペクトルデータである。 図６は、ノズル部および真空室の断面図である。 図７は、ノズル部の断面図である。 図８は、試料の流れを比較した図である。 図９は、試料の流れを数値解析した結果を示す図である。 図１０は、変形例１のノズル部の断面図である。 図１１は、分岐部の凸部が流入口から突出した様子を示す図である。 図１２は、変形例２のノズル部の断面図である。 図１３は、変形例３のノズル部の断面図である。 図１４は、変形例４のノズル部の断面図である。 図１５は、変形例５のノズル部の断面図である。 図１６は、変形例６のノズル部の断面図である。 図１７は、変形例７のノズル部の断面図である。

以下、図面に基づいて、本開示の実施例を説明する。なお、本開示の実施例は、後述する実施例に限定されるものではなく、その技術思想の範囲において、種々の変形が可能である。また、後述する各実施例の説明に使用する各図の対応部分には同一の符号を付して示し、重複する説明を省略する。

＜実施例＞
[質量分析装置の構成]
図２は、実施例に係る質量分析装置Ｓの構成の概略図である。この明細書では、トリプル四重極質量分析装置を例にとって実施例の質量分析装置Ｓを説明する。質量分析装置Ｓは、前処理部１、イオン化部２、ノズル部３、真空室４、衝突室５、質量分析部６、イオン検出部７、データ処理部８、表示部９およびユーザ入力部１０を備える。また、真空室４、衝突室５および質量分析部６は、それぞれ、排気手段であるポンプＰと接続され、室内に四重極の電極１１、１２および１３を備える。質量分析装置Ｓは、上記電極１１、１２および１３に電圧を印加する電圧源１４と上記電圧を制御する制御部１５とを備える。

前処理部１は、例えば、ガスクロマトグラフィー（ＧＣ）または液体クロマトグラフィー（ＬＣ）であり、質量分析対象の試料を時間的に分離または分画する。イオン化部２は、前処理部１から流れてきた試料を順次イオン化する。なお、イオン化された試料はガス状または気相である。

ノズル部３は、イオン化部２と図示しない流通管によって接続され、イオン化された試料が流入する流入口と、流入した試料が流出する流出口と、を有する。上記流出口は、真空室４に設けられた開口部のうちの一つと一致する。また、ノズル部３の内部には、流入口３ａ側から流出口３ｂ側へ延伸し、試料の流れを分岐する分岐部が設けられている。上記分岐部の存在により、試料の流れはノズル部３内にて複数に分岐する。なお、ノズル部３は例えば、ＳＵＳなどの金属材料で形成されている。

真空室４は、ポンプＰによって排気され、上述したように四重極の電極１１を備える。ポンプＰには、例えばロータリーポンプまたはターボ分子ポンプを使用する。上記電極１１には交流電圧が印加され、ノズル部３から真空室４に流入した試料のうち特定の範囲の質量対電価比（ｍ／Ｚ比）のイオン（プリカーサーイオン）が真空室４を通過する。ここで、ｍはイオン質量であり、Ｚはイオンの帯電価数である。真空室４は、例えば、イオンガイドとして機能する。

ここで、ノズル部３の流入口に接続された流通管より上流の圧力はほぼ大気圧と同程度であり、真空室４の圧力は数パスカル程度である。具体的には、流通管内の圧力Ｐ１と真空室４内の圧力Ｐ２との比Ｐ１／Ｐ２は、例えば、５０倍以上である。試料が上記の圧力差がある室間を移動する際に、膨張波は生成する。

衝突室５は、ポンプＰによって排気された後、例えば、ヘリウムやアルゴンといった不活性ガスが充填される。真空室４を通過したプリカーサーイオンは、ヘリウムやアルゴンと衝突することによって、化学結合が切断されてフラグメントイオンへと分割される。上述のように衝突室５には電極１２が設けられており、電極１２に電圧を印加することによって上記フラグメントイオンを加速し、質量分析部６へと輸送する。

質量分析部６は、ポンプＰによって排気され高真空状態となっている。質量分析部６は、例えば、ｍＰａ程度のオーダーの真空状態である。質量分析部６は四重極の電極１３を備え、上記電極１３に直流電圧Ｕと交流電圧Ｖ_RFＣＯＳ（Ω_RFｔ＋ＲＦ）とが印加されることによって、フラグメントイオンのうちｍ／Ｚ比が特定の範囲にあるイオンが選択される。

イオン検出部７は、質量分析部６において選択されたイオンの組成比および質量等を検出する。イオン検出部７は、取得したデータをデータ処理部８に通知する。データ処理部８は、イオン検出部７から取得したデータを分析する。データ処理部８は、例えば、予め記録されたデータベースと照合することによって、フラグメンテーションが起きる前のイオンを同定する。データ処理部８は、分析結果を表示部９に表示する。

表示部９は、データ処理部８から取得した質量分析データを表示する。表示部９には、例えば、試料に含まれる物質名およびその質量比などが質量分析データとして表示される。また、表示部９は、ユーザがユーザ入力部１０を介して入力した質量分析装置Ｓの各種設定項目を表示する。ユーザ入力部１０は、ユーザからの入力を受け付ける。ユーザは、例えば、真空室４、衝突室５及び質量分析部６が備える四重極の電極１１〜１３に印加する電圧をユーザ入力部１０に入力する。電圧源１４は、ユーザが設定した値の電圧を各電極１１〜１３に印加する。また、ユーザ入力部１０は、真空室４、衝突室５および質量分析部６の室内圧力に関する入力を受け付ける。実施例の質量分析装置Ｓは、上記各室内の圧力が変更可能である。

制御部８は、上記の試料のイオン化、試料イオンビームの質量分析部６への輸送または入射、質量分離、イオン検出、データ処理およびユーザ入力部１０が受け付けた入力の処理等を制御する。

[イオン選択の方法]
続いて、質量分析装置Ｓがイオン化された試料から特定のイオンを選択する方法について説明する。

図３は、質量分析装置Ｓが備える電極１１、１２および１３を詳細に示した図である。図３では、例として、各電極１１、１２および１３のそれぞれが四本の棒状電極から成る四重極質量分析計（ＱＭＳ：quadrupole mass spectrometer）が示されている。なお、電極の構成はＱＭＳ以外にも四本以上の棒状電極で構成される多重極質量分析計としてもよい。また、四本の棒状電極は、円柱形状の電極でもよく、一組の電極のそれぞれの対向面が双極面形状をした電極でもよい。

図３に示すように、真空室４及び衝突室５が備える電極には、例えば、交流電圧のみが印加される。具体的には、２組の電極のうち、一方の組の電極には、交流電圧＋Φ_RF＝ＶＣＯＳＷｔが印加され、もう一方の組の電極には、上記交流電圧の逆位相である―Φ_RF＝―ＶＣＯＳＷｔが印加される。ここで、図３に示すように組となっている２本の電極は互いに向き合っている。上記電圧の印加によって生じた電場は、帯電したイオンを振動させる一方で、中性の粒子には作用しない。したがって、帯電したイオンは真空室４および衝突室５を通過する一方、中性の粒子はほとんど当該室を通過しない。

一方、質量分析部６が備える電極には、例えば、直流電圧と交流電圧との双方が印加される。具体的には、２組の電極のうち、一方の組の電極には、直流電圧と交流電圧との和＋Φ_DC+RF＝Ｕ＋Ｖ_qＣＯＳＷ_qｔが印加され、もう一方の組の電極には、上記電圧の逆位相である―Φ_DC+RF＝―Ｕ―Ｖ_qＣＯＳＷ_qｔが印加される。ここで、図３に示すように組となっている２本の電極は互いに向き合っている。上記電圧の印加によって生じた電場は、ｍ／Ｚ比が特定の範囲または特定の値にあるイオンを通過させる一方で、それ以外のイオンを通過させない。

質量分析部６がイオンを選択する仕組みについて図４および図５を参照しながらさらに詳細に説明する。上記電圧が印加された四本の棒状電極間には、次式に示す高周波電界ＥxおよびＥyが生成される。

イオン化された試料は、質量分析部６が備える電極間の中心軸(図中z軸方向)に沿って導入され、式（１）に示される高周波電界の中を通過する。上記高周波電界中のイオンのｘ軸方向およびｙ軸方向の軌道の安定性は、イオンの運動方程式（Mathieu方程式）から導かれる下記の無次元パラメータａおよびｑによって決まる。

ここで、無次元パラメータaおよびqは、ＱＭＳにおける安定性パラメータである。また、式（２）および式（３）におけるｒ₀は対向する電極間の距離の半値、ｅは素電荷、ｍ／Ｚはイオンの質量対電荷比、Ｕは電極１３に印加する直流電圧、Ｖ_RFは高周波電圧の振幅、Ω_RFは角振動周波数を示す。ｒ₀、Ｕ、Ｖ_RFおよびΩ_RFの値が決まると、各イオン種はその質量対電荷比ｍ／Ｚに応じて、ａ-ｑ平面上の異なる(a、q)点に対応する。イオン種が質量分析部６を通過してイオン検出部７にて検出されるための直流電圧と交流電圧の値の組の集合は、ａ-ｑ平面上で領域を形成する。上記領域は安定領域と称される。

図４はａ-ｑ平面を示す図である。図４（ａ）はａ-ｑ平面の全体を示す図、図４（ｂ）はａ-ｑ平面内の四つの領域の境界点付近を拡大した図である。図４（ａ）および（ｂ）において陰影がついている箇所が安定領域である。図４（ａ）において示された直線は、式（２）および式（３）から導出された以下の式４が示す直線である。

式（４）からわかるとおり、直流電圧Ｕおよび交流電圧の振幅Ｖ_RFを変化させることによって、直線の傾きが変化する。直流電圧の値Ｕを大きくすると直線の傾きが大きくなり、直線は安定領域と交わらなくなる。つまり、直流電圧Ｕが大きいほどイオンは質量分析部６を通過できなくなる。また、交流電圧の振幅Ｖ_RFが大きいほど直線の傾きは小さくなり、直線は安定領域と交わるようになる。つまり、交流電圧の振幅Ｖ_RFが大きいほどイオンは質量分析部６を通過しやすくなる。

ここで、式（２）および式（３）に示されているように、印加する電圧が固定されると（ａ、ｑ）点は質量対電荷比と１対１に対応する。したがって、直線の内、安定領域と交わる部分が短ければ、より少ないイオン種しか質量分析部６を通過しなくなる。特に、直線が安定領域と不安定領域との境界点を通過するように電圧ＵおよびＶ_RFが設定された場合、一種類のイオンのみが質量分析部６を通過できる。

具体的には、一部のイオンは電極１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ間を振動しながら質量分析部６を通過するのに対して、別の一部のイオンは振動が発散して、図３に示したｘ軸方向またはｙ軸方向に出射する。このように、質量分析装置Ｓは、印加する電圧を調節することによって、検出したいイオンを変更できる。

図５は、イオン種毎の検出数を示すスペクトルデータである。図５に示したイオン種Ｍ−１、Ｍ、Ｍ＋１は、それぞれ、図４（ｂ）の直線上に示したＭ−１、Ｍ、Ｍ＋１に対応する。図５に示されているように、安定領域上の点であるイオンＭは、不安定領域の上に位置するイオンＭ−１およびイオンＭ＋１よりも多数検出されている。

[ノズル部の形状]
続いて、実施例の質量分析装置Ｓが備えるノズル部３の形状について説明する。
図６は、ノズル部３および真空室４の断面図である。図６では、ノズル部３と真空室４とが一体となって形成されているが、ノズル部３は真空室４と着脱可能であってもよい。

図７は、ノズル部３の断面図である。図７（ａ）は図３に示したｙｚ平面で切断した場合のノズル部３の断面図である。図７（ｂ）は図７（ａ）に示した位置ｚ１においてｘｙ平面に沿ってノズル部３を切断した場合の断面図である。図７（ｃ）は図７（ａ）に示した位置ｚ２においてｘｙ平面に沿ってノズル部３を切断した場合の断面図である。なお、図７（ａ）および（ｂ）に示された矢印は、試料が真空室４に流入した際にｘｙ平面の方向に膨張する様子を示したものである。

図７（ａ）に示すように、ノズル部３の内部は、流入口３ａ、流出口３ｂおよび分岐部３ｃそれぞれの中心軸が同一の直線３ｄ上に沿う構成となっている。また、分岐部３ｃはノズル部３の内壁と接続された支持部３ｅによって支持されている。

分岐部３ｃは、試料の流れの下流に向かうにつれて径が小さくなるテーパー形状の凸部３ｆを有する。換言すると、分岐部３ｃは、流入口３ａ側から流出口３ｂ側へ向かうにつれて径が小さくなる凸部３ｆを有する。図７（ａ）には、例として上記凸部３ｆが円錐形状の凸部３ｆが示されている。したがって、分岐部３ｃは略円形状の断面を有する。

また、図７（ａ）および（ｂ）に示すように、分岐部３ｃは複数の支持部３ｅによって支持されており、支持部３ｅは、ノズル部３の内壁において流出口３ｂよりも流入口３ａに近い位置に設けられている。分岐部３ｃは一つの支持部３ｅに支持されてもよい。なお、凸部３ｆの中心軸は分岐部３ｃの中心軸と同一であるため、流出口３ｂの中心軸とも略一致している。

図７（ｂ）に示すように流入口３ａを通過した試料の流れは、中心軸上の流路３ｇを通過後、分岐部３ｃおよび支持部３ｅの存在によって複数に分岐する。図７（ｃ）に示すように、流出口３ｂ付近は分岐部３ｃの存在によって形状が円環形状となっている。そのため、試料の流体は一つに纏まらずに空間的に隔てられた状態または分離された状態で真空室４に噴出する。この空間的に分離された流体は、分岐部３ｃが有する円錐形状の凸部３ｆの存在により、それぞれ中心軸３ｄに向かって流れて交差し易くなる。

また、分岐部３ｃの断面は、略円形状であり、分岐した試料がほぼ同じ圧力の経路を通り流出口へ到達するため、分岐した流体の膨張波およびその反射波のそれぞれが好適に相殺しあう。膨張波およびその反射波をよく相殺するためには、分岐した試料の流体が同じ圧力および同じ長さの経路を通過して流出口へ到達することが好ましい。そのため、例えば、流入口３ａ、流出口３ｂおよび分岐部３ｃそれぞれの中心軸が一致するように設計される。

図８は、試料の流れを比較した図である。図８（ａ）は、従来のノズル部を用いた場合の試料の流れを示す図である。図８（ｂ）は、実施例のノズル部３を用いた場合の試料の流れを示す図である。

従来のノズル部１６では、内部に分岐部が設けられていない。そのため、試料が纏まった一つの流体としてノズル部１６の流出口１６ｂから流出し、真空室にて膨張波が形成される。一方、実施例に係るノズル部３を通過する試料は、分岐部３ｃによって流れが分岐されて流出口３ｂから流出し、真空室４にて複数の膨張波が形成される。上記複数の膨張波および／またはその反射波は互いに干渉してｙ軸方向の成分を打ち消しあう。その結果、噴流の境界上で反射する膨張波が減少する。

図９は、試料の流れを数値解析した結果を示す図である。図９（ａ）は従来のノズル部１６を用いた場合の試料の流れを示した図である。図９（ｂ）は本実施例のノズル部３を用いた場合の試料の流れを示した図である。ここでは、圧力分布を濃淡で表し、濃いところほど圧力が高いことを表している。

従来のノズル部１６を用いた場合、真空室１７に流入した試料の噴流には、周期的に圧力が高いところと低いところとが表れている。上記圧力が高いところはマッハディスクが形成されている箇所である。このようなマッハディスクが形成されることにより、質量分析の感度が悪化してしまう。

一方、実施例に係るノズル部３を用いた場合、真空室４に流入した試料の噴流には、上記圧力の周期的な分布はほとんど表れていない。つまり、実施例に係るノズル部３を用いた場合、マッハディスクの生成がかなり抑制されていることが分かる。

図８（ｂ）を参照しながら説明したとおり、マッハディスクの生成が抑制される理由は、試料の流体がノズル部３の内部にて分岐し、互いに交差する方向で流出口３ｂから流出するためと考えられる。上記マッハディスクの抑制メカニズムは、噴流の形状に依拠しない。それ故、実施例の質量分析装置Ｓは、ノズル部３上流の圧力と真空室４の圧力とが変更されたとしてもマッハディスクの生成を抑制することができる。即ち、実施例の質量分析装置Ｓは、広範な稼働条件に対してマッハディスクの生成を抑制できる。マッハディスク生成を抑制することは、質量分析の感度の向上および安定化をもたらす。

＜変形例１＞
図１０は、変形例１のノズル部１８の断面図である。図１０（ａ）は図３に示したｙｚ平面で切断した場合のノズル部１８の断面図である。図１０（ｂ）は図１０（ａ）に示した位置ｚ１においてｘｙ平面に沿ってノズル部１８を切断した場合の断面図である。図１０（ｃ）は図１０（ａ）に示した位置ｚ２においてｘｙ平面に沿ってノズル部１８を切断した場合の断面図である。

実施例のノズル部３では、試料が流入口３ａよりノズル部３に流入後、台形状の空間を通って分岐部３ｃに到達して分岐した。これに対して、変形例１のノズル部１８は試料が流入口１８ａに流入した直後から分岐するように構成されている。具体的には、ノズル部１８は流入口１８ａの側に先端が位置する凸部１８ｄを有する分岐部１８ｃを備える。

このようにすると、試料は流入口１８ａを通過した後すぐに分岐部１８ｃによって分岐したガス流となる。よって分岐部１８ｃの周りに均一にガス流が分散されやすくなる。その結果、試料が真空室４に流入した直後に膨張波およびその反射波のｘｙ方向の成分をよく相殺する。つまり、マッハディスクの生成が抑制される。

また、上記の分岐部１８ｃが設けられたノズル部１８では分岐部１８ｃを固定する支持部１８ｅをｚ軸方向に長く設計することができ、実施例に係るノズル部３と比較してより強固に分岐部１８ｃを支持することができる。なお、分岐部１８ｃの凸部１８ｄは流入口１８ａよりノズル部１８の外側へ突き出していてもよい。

図１１は、分岐部１８の凸部１８ｄが流入口１８ａから突出した様子を示す図である。分岐部１８ｃの凸部１８ｄは、試料の流体が衝突するため汚れが付着しやすい。上記汚れは分岐部１８ｃから脱着するなどして質量分析の感度を低下させるため、ノズル部１８は定期的に洗浄される必要がある。図１１に示した例では、凸部１８ｄが洗浄しやすく、保守性が向上する。その結果、質量分析の分析データにエラーが生じにくくなる。

＜変形例２＞
図１２は、変形例２のノズル部１９の断面図である。図１２（ａ）は図３に示したｙｚ平面で切断した場合のノズル部１９の断面図である。図１２（ｂ）は図１２（ａ）に示した位置ｚ１においてｘｙ平面に沿ってノズル部１９を切断した場合の断面図である。図１２（ｃ）は図１２（ａ）に示した位置ｚ２においてｘｙ平面に沿ってノズル部１９を切断した場合の断面図である。

実施例のノズル部３ではｚ軸方向の一か所にて分岐部３ｃを支持した。これに対して変形例２のノズル部１９は試料が流れる方向の二点において分岐部１９ａを支持する。図１２（ａ）では、分岐部１９ａがｚ１およびｚ２に設けられた支持部１９ｂおよび１９ｃによって支持されている。このようにすると、実施例に係るノズル部３と比較して、より強固に分岐部１９ａを固定することができる。

なお、図１２（ｂ）および（ｃ）に示されているように、ｚ１およびｚ２のそれぞれの位置において、分岐部１９ａは複数方向から支持されることが望ましい。こうすることによって、一方向から分岐部を支持した場合と異なり、より強固に分岐部１９ａを支持することができる。

＜変形例３＞
図１３は、変形例３のノズル部２０の断面図である。図１３（ａ）は図３に示したｙｚ平面で切断した場合のノズル部２０の断面図である。図１３（ｂ）は図１３（ａ）に示した位置ｚ１においてｘｙ平面に沿ってノズル部２０を切断した場合の断面図である。図１３（ｃ）は図１３（ａ）に示した位置ｚ２においてｘｙ平面に沿ってノズル部２０を切断した場合の断面図である。

図１３に示すように、変形例３のノズル部２０は試料が流れる方向の二点において異なる方向から分岐部２０ａを支持する。図１３（ｂ）および（ｃ）に示すように、分岐部２０ａは、ｚ１の位置ではｙ軸方向と平行な方向から支持部２０ｂによって支持され、ｚ２の位置ではｘ軸方向と平行な方向から支持部２０ｃによって支持される。このようにすると、試料の流体が複数に分岐され、試料が真空室４へ流入した際に膨張波およびその反射波が互いに干渉しやすくなる。

＜変形例４＞
図１４は、変形例４のノズル部２１の断面図である。図１４に示すように、ノズル部２１の分岐部２１ａは螺旋形状の支持部２１ｂによって支持される。この場合、試料はｘｙ平面内にて回転しながら真空室４に流入するため、膨張波が交差しやすくなりマッハディスクが良好に抑制される。また、分岐部２１ａと支持部２１ｂとノズル内部の内壁との接触面積が大きくなるため分岐部２１ａが強固に支持される。

＜変形例５＞
図１５は、変形例５のノズル部２２の断面図である。図１５（ａ）は図３に示したｙｚ平面で切断した場合のノズル部２２の断面図である。図１５（ｂ）は図１５（ａ）に示した位置ｚ１においてｘｙ平面に沿ってノズル部２２を切断した場合の断面図である。

変形例５では、分岐部２２ａは、分岐部２２ａの外周とノズル部２２の内壁の外周とを境界とし、複数の孔２２ｃが設けられた円環形状の支持部２２ｂによって支持されている。上記の支持部２２ｂが用いられている場合、試料は複数の孔２２ｃから通過する。よって、複数の流体が交差してマッハディスクが抑制されやすくなる。また、分岐部２２ａと支持部２２ｂとノズル内部の内壁との接触面積が大きくなるため分岐部２２ａが強固に支持される。

＜変形例６＞
図１６は、変形例６のノズル部２３の断面図である。図１６（ａ）は図３に示したｙｚ平面で切断した場合のノズル部２３の断面図である。図１６（ｂ）は図１６（ａ）に示した位置ｚ１においてｘｙ平面に沿ってノズル部２３を切断した場合の断面図である。図１６（ｃ）は図１６（ａ）に示した位置ｚ２においてｘｙ平面に沿ってノズル部２３を切断した場合の断面図である。

変形例６のノズル部２３は、流入口から流出口へ向かうにつれて径が小さくなるテーパー形状の分岐部２３ａが流出口付近に設けられている。また、流出口付近には、分岐部２３ａを取り囲む開口部を有し、開口部の径が流入口側から流出口側に向かうにつれて小さくなる外郭部２３ｂが分岐部２３ａと同じ位置に設けられている。上記分岐部２３ａと外郭部２３ｂとは互いに支持部２３ｃによって接続されている。

上記分岐部２３ａと外郭部２３ｂとが設けられたノズル部２３を用いた場合、試料は真空室４に流入する際に支持部２３ｃによって複数の流れに分岐するとともに、分岐部２３ａと外郭部２３ｂとの間の傾斜がついた溝を通過する。その結果、真空室４内にて複数の膨張波が交差して干渉しあい、マッハディスクの生成を抑制することができる。

なお、上記のとおり、変形例６のノズル部は、傾斜した溝を通過させることによって分岐した試料を交差させる構造であるため、分岐部２３ａの中心軸と流入口の中心軸とを一致させてガス流を分岐させなくても、マッハディスクの生成を抑制する効果が十分に得られる。変形例６のノズル部２３は、流出口付近に支持部２３ｃによって接続された分岐部２３ａと外郭部２３ｂとを設置する簡易な構成であるため、流出口より上流側の体系を問わない点が利点である。

＜変形例７＞
図１７は、変形例７のノズル部２４の断面図である。実施例のノズル部３では、分岐部３ｃが有する凸部３ｆの先端は流出口３ｂの開口端と同一位置であった。それに対して、変形例７のノズル部２４は、分岐部２４ａが有する凸部２４ｂの先端が流出口２４ｃの開口端よりも流入口側へ奥まった位置にある。即ち、凸部２４ｂの先端から流出口２４ｃまで距離がある。上記構成は、例えば、支持部２４ｄの位置を内壁の流出口側よりも流入口側に近づけて設計することによって実現する。

分岐した試料のそれぞれは凸部２４ｂの傾斜面に沿って流動し、凸部２４ｂの先端よりも先であって且つ真空室４よりも手前で交差する。そのため、試料の流れは真空室４に流入する前に互いのｙ軸方向の成分をよく相殺するため、膨張波の膨張を抑制することができる。即ち、変形例７のノズル部２４は、マッハディスクを抑制することができる。

＜変形例８＞
実施例の質量分析装置Ｓでは、ノズル部３と衝突室５との間に真空室４が一つだけ設けられた構成であった。真空室４は複数設けられて、段階的に真空度が高まる構成であってもよい。その場合、複数ある真空室のそれぞれにイオンガイド電極を設けて高周波電圧を印加してもよい。

＜変形例９＞
実施例の質量分析装置Ｓでは、質量分析部６は四つの電極を有するとした。質量分析部６が有する電極は四つに限らない。質量分析部６は、直流電圧Ｕnと交流電圧Ｖn_RFＣＯＳ（Ω_RF＋ＲＦ）とが印加されるｎ（ｎは２以上の整数）組の棒状電極を備えてもよい。このようにすると、イオンの選択性能が向上する。

[まとめ]
質量分析装置Ｓが備えるノズル部３の内部には、試料の流れを分岐する分岐部３ｃが設けられ、分岐部３ｃは流出口３ｂに向かうにつれて径が小さくなるテーパー形状の凸部３ｆを有する。上記構成を有する質量分析装置Ｓは、分岐された試料の流れを交差させて真空室４に流入させる。上記互いに交差する試料の流れは、膨張波の反射波を相殺しマッハディスクの生成を抑制する。

また、上記凸部３ｆは円錐形状であってもよい。このようにすると、試料は分岐部３ｃの端部において中心軸に向かって均等に流れるため、良好に膨張波の反射波を打ち消しあい、マッハディスクの生成を抑制する。

例えば、上記凸部３ｆの中心軸と流出口３ｂの中心軸とは略一致している。このようにすると、流出口３ｂの形状が上記中心軸を中心にして対称になるため、良好に膨張波の反射波を打ち消しあい、マッハディスクの生成を抑制する。

分岐部３ｃを支持する支持部３ｅは、ノズル部３の内壁において流出口３ｂよりも流入口３ａに近い位置に設けられてもよい。このようにすると、流れの乱れが少ない状態で試料が分岐部３ｃの端部へ到達するため、良好に膨張波の反射波を打ち消しあい、マッハディスクの生成を抑制する。

上記円錐形状の凸部３ｆの頂点は、例えば、流出口３ｂの開口端よりも流入口３ａ側に位置する。このようにすると、分岐された試料の流れのそれぞれが十分に交差した後に、真空室４へ流入する。その結果、良好に膨張波の反射波を打ち消しあい、マッハディスクの生成を抑制すると考えられる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

本明細書では、質量分析装置Ｓを例に上記ノズル部３の用途を説明した。しかしながら、上記のノズル部３の用途は質量分析装置だけに留まらない。上記のノズル部３は、圧力比が５０倍以上ある室間で流体を移動させる装置全般に適用可能である。

Ｓ…質量分析装置、１…前処理部、２…イオン化部、３…ノズル部、３ａ…流入口、３ｂ…流出口、３ｃ…分岐部、３ｄ…中心軸、３ｅ…支持部、３ｆ…凸部、３ｇ…流路、４…真空室、５…衝突室、６…質量分析部、７…イオン検出部、８…データ処理部、９…表示部、１０…ユーザ入力部、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ…電極、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ…電極、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ…電極、１４…電圧源、１５…制御部、１６…ノズル部、１７…真空室、１８〜２４…ノズル部。

Claims (14)

1. 試料をイオン化するイオン化部と、
   前記イオン化部と流通管によって接続されイオン化された前記試料が流入する流入口と、流入した前記試料が流出する流出口と、を有するノズル部と、
   真空排気手段によって排気された、前記ノズル部から前記試料が流入する真空室と、
   前記真空室より前記試料の流れの下流に位置し、前記試料からイオンを選択する質量分析部と、
   前記質量分析部が選択したイオンを検出するイオン検出部と、
   を備える質量分析装置であって、
   前記ノズル部の内部には、前記試料の流れを分岐する分岐部が設けられ、
   前記分岐部は前記流出口に向かうにつれて径が小さくなるテーパー形状の凸部を有する質量分析装置。
2. 請求項１に記載の質量分析装置であって、
   前記凸部は円錐形状である質量分析装置。
3. 請求項２に記載の質量分析装置であって、
   前記凸部の中心軸と前記流出口の中心軸とは略一致している質量分析装置。
4. 請求項１に記載の質量分析装置であって、
   前記分岐部は略円形状の断面を有する質量分析装置。
5. 請求項１に記載の質量分析装置であって、
   前記分岐部を支持する支持部が、前記ノズル部の内壁において前記流出口よりも前記流入口に近い位置に設けられている質量分析装置。
6. 請求項１に記載の質量分析装置であって、
   前記分岐部は複数の支持部によって支持されている質量分析装置。
7. 請求項４に記載の質量分析装置であって、
   前記分岐部は、前記分岐部の外周と前記ノズル部の内壁の外周とを境界とし、複数の孔が設けられた円環形状の支持部によって支持されている質量分析装置。
8. 請求項１に記載の質量分析装置であって、
   前記流通管内の圧力Ｐ１と前記真空室内の圧力Ｐ２との比Ｐ１／Ｐ２が５０倍以上である質量分析装置。
9. 請求項１に記載の質量分析装置であって、
   前記質量分析部は、直流電圧Ｕnと交流電圧Ｖn_RFＣＯＳ（Ω_RF＋ＲＦ）とが印加されるｎ（ｎは２以上の整数）組の棒状電極を備える質量分析装置。
10. 請求項２に記載の質量分析装置であって、
    前記凸部の頂点は、前記流出口の開口端よりも前記流入口側に位置する質量分析装置。
11. 請求項１に記載の質量分析装置であって、
    前記分岐部を取り囲む開口部を有し、前記開口部の径は前記流入口側から前記流出口側に向かうにつれて小さくなるテーパー形状である外郭部をさらに備える質量分析装置。
12. 請求項１に記載の質量分析装置であって、
    前記分岐部は、前記流入口側の端部が前記流入口から突出している質量分析装置。
13. 質量分析装置に用いるノズル部材であって、
    イオン化された試料が流入する流入口と、流入した前記試料が流出する流出口と、を有し、前記試料の流れを分岐する分岐部が内部に設けられ、
    前記分岐部は前記流出口に向かうにつれて径が小さくなるテーパー形状の凸部を有するノズル部材。
14. 試料をイオン化するイオン化部と、
    前記イオン化部と流通管によって接続されイオン化された前記試料が流入する流入口と、流入した前記試料が流出する流出口と、を有するノズル部と、
    真空排気手段によって排気された、前記ノズル部から前記試料が流入する真空室と、
    前記真空室より前記試料の流れの下流に位置し、前記試料からイオンを選択する質量分析部と、
    前記質量分析部が選択したイオンを検出するイオン検出部と、
    を備える質量分析装置であって、
    前記ノズル部の内部には、前記試料の流れを分岐する分岐部が設けられ、
    前記分岐部は、分岐された前記試料の流れを交差させて前記真空室に流入させる質量分析装置。

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