カーボンナノチューブ電子イオン化装置
質量分析計に使用されるイオン源で、電子ビームを放出する電子エミッタアセンブリ、イオン化室、電子レンズおよび少なくとも１つの電極を具備する。前記電子エミッタアセンブリは、基板に固定されており前記電子ビームを放出するカーボンナノチューブ束と、前記電子ビームの放出を制御する第１制御格子と、前記電子ビームのエネルギーを制御する第２制御格子を含む。前記イオン化室は、前記電子ビームを導入させる電子ビーム入口と、試料を導入する試料入口と、イオン化試料分子を出すイオンビーム出口を含む。前記電子レンズは、前記電子エミッタアセンブリと前記イオン化室の間に配置され、前記電子ビームを集束する。前記少なくとも１つの電極は、前記イオンビーム出口の近傍に配置され、前記イオン化室から出る前記イオン化試料分子を集束する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、質量分析計に使用されるイオン源に関する。特に本発明は、質量分析計に使用される、カーボンナノチューブを用いて構成されたイオン源に関する。
【背景技術】
【０００２】
質量分析計はさまざまな試料の分析に有効な機器である。質量分析を行う時には、試料を気化する必要があり、試料気体分子をイオン源によってイオン化する。効率の良いイオン源であれば、より多くの試料分子をイオン化して、アナライザの種別ごとに最適なイオンビームを生成する。最も一般的なイオン源は電子イオン化（ＥＩ）を利用する。ＥＩイオン源は、フィラメントからの熱放出によって電子を生成する。このフィラメントは、その中を流れる電流によって高温に熱せられ、イオン化室の外に設けられている。生成された電子を、電界によって加速することによって、望ましいエネルギーレベルにまで上げる。通常は約７０ｅＶまで上げるが、約１０ｅＶから１５０ｅＶ以上の範囲内であれば良い。なおこのエネルギーレベルは、フィラメントとイオン化室の電位差によって決まる。生成された電子が試料気体分子とイオン化室内で衝突すると、各気体分子は電子を失い、プラスの電荷を帯びる。試料気体分子は、正電荷を帯びると、加速されイオン化室の外に出て行き、静電場を印加され、質量分析計の入口へと導かれていく。
【０００３】
質量分析計に使用されるＥＩイオン源の構成については、さまざまなものが提案されてきたが、最も一般的なものはニーアが考案した構成とその変形である。図１に示す２つの図は、ニーアが提案した構成を持つ基本のイオン源を示す。このイオン源は、電子ビーム１９を生成する高温のフィラメント１０を用いている。ｘ軸をイオン源からイオンが出て行く方向、ｙ軸を質量分離の方向、ｚ軸をｘ軸とｙ軸の両方に対して垂直な方向とすると、図１に示す２つのうち一方の（ａ）は、ｘｚ面で見た図を、他方の（ｂ）はｘｙ面で見た図を示している。電子ビーム１９は通常、エネルギーレベルが約７０ｅＶになるまで加速される。電子ビーム１９は、高真空の条件下で、イオン化室１１に導入される分子と反応する。この結果、分子イオンとフラグメントイオンが発生して、加速され、イオン化室１１を出て行く。
【０００４】
電子ビームは完全にまとまっているわけではないので、一対の永久磁石１４を設けて、電子ビーム１９がらせん状に進んでいくように調整する。永久磁石１４を設けることで、電子の動きが制限され、電子ビームが細くなる。電子は、磁場に直交する方向に動くと偏向され、らせん状の軌道を描くことになる。このようにすることで、電子ビーム１９と気体分子が、イオン化室１１中のプラスイオンが発生する領域において衝突しやすくなる。そのため、感度が良好になり、分解能も高くなる（イオンエネルギーの幅が小さくなる）。
【０００５】
イオン化で得られた荷電粒子は、イオンリペラー１２に押されてイオン化室１１の出口に向かう。さらに、荷電粒子は加速電位１５によって加速、集束半板１６によって集束、アルファスリット１７によって選別される。こうして、集束されたイオンビーム１８が生成される。イオンビーム１８はこの後、質量フィルタ（不図示）に導入され、質量電荷比に基づいて分離される。
【０００６】
高温のフィラメントと試料気体分子が反応することにより、フィラメントの仕事関数が変化する可能性がある。電子ビーム１９の強度を一定に保つべく、ＥＩイオン源には通常、電子トラップ１３が設けられる。電子トラップ１３は、イオン化室１１を出て行く電子ビーム１９の一部を捕獲するとともに、フィラメント１０を流れる電流に対しフィードバックコントロールを行うために、電子ビーム１９の強度を監視することもある。このフィードバックコントロールによって、フィラメント１０は電子トラップ１３が監視する電子ビーム１９の強度を一定に保つことができる。
【０００７】
通常のＥＩイオン源で使用されるフィラメント１０は、耐熱性金属から成るワイヤーでできている。フィラメント１０は、その中を流れる電流によって、熱イオン放出が生じる温度（約摂氏２，０００度）まで熱せられる。フィラメント１０は通常、（例えば、フィラメント１０とイオン化室１１に対して電位差を印加することによって）イオン化室１１に対してマイナスの電界中に置かれる。こうすることで、高温のフィラメント１０から放出された電子は電界の傾きに従って加速される。電子ビームの並進運動エネルギーは、試料気体分子と電子の反応に本質的な影響を与える。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一般的なイオン源の設計については確立された方法があるが、イオン源の性能は設計上の細かな違いが多く重なることで変わる。電子衝突や化学イオン化方式のイオン源で用いられるフィラメントアセンブリに関してはいくつか問題があるが、最大の問題として、電子放出の始点や軌道が不明確であることが挙げられる。また、電子放出は物質の気化の影響を受け、フィラメントの寿命が短縮されてしまう。気化した試料と高熱のフィラメントが反応し、フィラメントの仕事関数が変化する可能性があるためである。上述したが、トラップ電極（図１の参照番号１３）は電子ビーム１９の強度を調整するためフィードバック回路に組み込まれることもあるが、トラップ電流を調整するとフィラメントの温度が変化してしまう。このため、イオン源の温度分布にばらつきが生じ、フィラメントアセンブリの位置ずれが生じる可能性がある。結果として、絶対感度、相対感度や分子フラグメンテーションの程度が変化する。上記の理由から、試料が複雑な混合物の場合、各構成成分の寄与度について不確定要素の除去ができず、質量スペクトルを簡略化することは非常に困難である。
【０００９】
以上より、質量分析を簡略化するべく、イオン源中で生成される電子ビームは、安定しているとともに、予測可能な軌跡と均一な密度を有することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一実施形態は、質量分析計に使用されるイオン源に関する。本発明の実施形態に係るイオン源は、電子ビームを放出する電子エミッタアセンブリであって、基板に固定されており前記電子ビームを放出するカーボンナノチューブ束と、前記電子ビームの放出を制御する第１制御格子と、前記電子ビームのエネルギーを制御する第２制御格子を含む、電子エミッタアセンブリと、イオン化室であって、該イオン化室に前記電子ビームを導入させる電子ビーム入口と、試料を導入する試料入口と、イオン化試料分子を出すイオンビーム出口を含む、イオン化室と、前記電子エミッタアセンブリと前記イオン化室の間に配置され、前記電子ビームを集束する電子レンズと、前記イオンビーム出口の近傍に配置され、前記イオン化室から出る前記イオン化試料分子を集束する、少なくとも１つの電極とを具備する。
【００１１】
本発明の一実施形態はまた、質量分析計に使用されるイオン源であって、カーボンナノチューブエミッタが微小イオン化室に組み込まれているものに関する。本発明の実施形態に係るイオン源は、電子ビームを放出するカーボンナノチューブ束を含むイオン化室であって、前記カーボンナノチューブ束は該イオン化室の第１の壁の導電面に固定されているイオン化室と、前記イオン化室に備えられ、試料を導入する試料入口と、前記イオン化室に備えられ、イオン化試料分子を出すイオンビーム出口と、前記イオンビーム出口の近傍に配置され、前記イオン化室を出る前記イオン化試料分子を集束する、少なくとも１つの電極とを具備し、前記導電面と前記イオン化室の第２の壁に備えられた電子エネルギー板は、前記カーボンナノチューブ束による前記電子ビームの放出に必要な電界が発生するように、電源に接続されている。
【００１２】
本発明の一実施形態はさらに、質量分析計に関する。本発明の実施形態に係る質量分析計は、カーボンナノチューブから構成されたイオン源と、前記イオン源に接続され、質量電荷比に基づいてイオン化試料分子を分離する質量フィルタと、前記質量フィルタに接続され、前記イオン化試料分子を検出するイオン検出器とを具備する。
【００１３】
本発明の上記以外の目的や効果は、以下の説明及び付記する請求項で明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（ａ）および（ｂ）は、ニーアが考案した設計を採用した、従来のイオン源を示す図である。
【００１５】
【図２ａ】端部が閉じたＭＷＣＮＴを示す図である。
【００１６】
【図２ｂ】本発明の一実施形態に係るＣＮＴエミッタアセンブリの主要構成要素を示す図である。
【００１７】
【図３】（ａ）および（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る、ＣＮＴイオン源を示す図である。
【００１８】
【図４ａｂ】本発明の一実施形態に係る、ＣＮＴイオン源を示す図である。
【００１９】
【図４ｃ】本発明の一実施形態に係る、ＣＮＴイオン源を示す図である。
【００２０】
【図５】本発明の一実施形態に係る質量分析計を示す概略図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の実施形態は、質量分析に使用されるイオン源に関する。本発明の実施形態に係るイオン源はカーボンナノチューブを用いて構成されており、信頼性の高い電子ビームの生成が可能で、長寿命である。
【００２２】
カーボンナノチューブ（以下ＣＮＴと略す）は、グラファイトシートから形成される継ぎ目のない管状の物質で、完全なフラーレンキャップを有する。最初に発見されたＣＮＴは、図２の（ａ）に示す多層同軸管状であった（多層ＣＮＴ：ＭＷＣＮＴ）がその後、遷移金属触媒を用いることにより単層ＣＮＴ（ＳＷＣＮＴ）も作り出された。ＣＮＴは、ナノスケール電子機器や高強力素材、電界放出、走査型プローブ顕微鏡法、ガス貯蔵などの分野で有用性が期待されている。
【００２３】
ＣＮＴはフィールドエミッタとして使用する場合、仕事関数が低く、耐久性と熱的安定性に優れるという特徴を持つ。このため、ＣＮＴフィールドエミッタは低電圧で駆動できる。また、使用中に生じる気体との反応に対する耐性が向上するので、寿命を長くすることができる。ＣＮＴをフィールドエミッタとして使用した例やＣＮＴフィールドエミッタアレイの製造方法については、米国特許第６４４０７６１号（Ｃｈｏｉ）などを参照されたい。
【００２４】
図２の（ｂ）はＣＮＴフィールドエミッタアセンブリ２００を示している。アセンブリ２００は、導電層を有する基板２０と、該導電層に固定され、平行に配列されたＣＮＴ束２１を備える。ＣＮＴ束２１の端部の真上に絶縁状態で、第１格子アセンブリ（放出制御格子）２２が、必要な電子放出が行え、電子が第２格子アセンブリ（エネルギー制御格子）２３を通過できるような位置に設けられている。なお、第２格子アセンブリ２３はエネルギー制御電位Ｖｅに接続されている。放出された電子は第２格子アセンブリ２３を通過し、電位Ｖｉによって決まる電流強度を持つイオン化領域（例えば図３（ａ）のイオン化室３４）に向かう。電位Ｖｉは、トラップ電極（例えば図３（ａ）の電子トラップ３５）を含むフィードバック回路を通して放出電流密度を制御する。電位Ｖｅは、電子エネルギーを調整する。通常は７０ｅＶに設定される。以上の構成により、ＣＮＴフィールドエミッタアセンブリ２００が生成する電子ビームは、単一エネルギーで、均一な密度、所定の空間上の始点、および規定の軌跡を有することになる。
【００２５】
図３の（ａ）は、本発明の一実施形態に係るＣＮＴエミッタアセンブリ３０を含むイオン源３００をＸＺ面で見た図である。本図では、イオン化室３４と電子トラップ電極３５に対するＣＮＴエミッタアセンブリ３０と電子レンズ３１の位置関係を示す。図示される通り、ＣＮＴエミッタアセンブリ３０は、電界放出により電子ビーム３２を生成する。電子ビーム３２は、電子レンズ３２に集束されて細いビームとなり、電子ビーム入口３８を通ってイオン化室３４へと入る。その後、イオン化室３４で試料気体分子と反応し、イオン化試料分子を生成する。該イオン化試料分子は、分子イオンとフラグメントイオンを含むこともある。該イオン化試料分子はリペラー電極３６によって押され、イオンビーム出口２９を通ってイオン化室３４を出る。イオン化室３４を出た後、イオン化試料分子は少なくとも１つの電極および／または板３７によって集束され、細いイオンビーム３３となる。なお、前記少なくとも１つの電極および／または板３７は、例えば、集束半板３７ａ、スリット板３７ｂ、アルファ板３７ｃを含んでいてもよい。イオンビーム３３はこの後、分析を行うため質量フィルタおよび／またはアナライザ（不図示）に導入されてもよい。
【００２６】
さらに図３の（ａ）を見ると、電子トラップ３５がある。電子トラップ３５はイオン化室３４から出てきた電子ビーム３２の一部を捕獲する。実施の形態によっては、電子トラップ３５はフィードバック回路３５ａおよび電源３５ｂに接続され、ＣＮＴエミッタアセンブリ３０による電子ビーム３２の生成を制御するとしてもよい。電子トラップ３５とフィードバック回路３５ａは、電子トラップ３５が捕獲した電子ビーム３２に基づいて、電子ビーム３２の生成を制御し一定のレベルを維持するよう調整することができる。
【００２７】
図３の（ｂ）は、図３（ａ）に示されたイオン源３００を他方向から見た図である。本図に示す通り、イオン化室３４は、気体化試料を導入する試料入口２８と、イオン化試料分子（イオンビーム３３）がイオン化室３４から出るためのイオンビーム出口２９を有する。少なくとも１つの電極および／または板３７は、イオン化室３４から出るイオンビーム３３を集束するためイオンビーム出口２９の付近に配設される。該少なくとも１つの電極３７は、イオン化試料分子を抽出および集束してイオンビーム３３を生成してもよい。また、このイオン化試料分子の抽出は、イオンリペラー３６と、イオン化室３４およびスリット板３７ｂに印加される加速電位によって促進するとしてもよい。該少なくとも１つの電極３７は、例えば、集束半板３７ａ、スリット板３７ｂ、アルファスリット３７ｃを含む。イオンビーム３３は、イオン化室３４を出た後、質量フィルタおよび／またはアナライザ（不図示）に入る前に、集束半板３７ａ、スリット板３７ｂおよび／またはアルファスリット３７ｃによって集束されるとしてもよい。
【００２８】
図４の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、本発明の一実施形態に係る、ＣＮＴイオン源を示す。ＣＮＴイオン源４００は、微小質量分析計での使用に特に適している。図４の（ａ）は、イオン源４００をｘｚ面で見た側面図である。図４の（ｂ）は、図４の（ａ）で示された、イオン源４００中のＣＮＴ電子エミッタおよび／またはイオン源アセンブリ４０の一部を拡大して示した図である。図４の（ｃ）は、イオン源４００をｘｙ面で見た図である。
【００２９】
図４の（ａ）と（ｂ）に示すように、ＣＮＴ電子エミッタ４０は基板層４１とその上に形成されたＣＮＴ層４２を含む。微小質量分析計に使用されるＣＮＴ電子エミッタ４０の望ましい実施形態は、例えば、約０．１ｃｍ２のＣＮＴアレイでおよそ１０８本のＭＷＣＮＴを含む。しかし、当業者であれば、本発明の開示範囲を超えることなく、ＣＮＴアレイの寸法および密度を変更できることに想到するであろう。ここで、ＣＮＴの主な合成方法としては、米国特許第６３３３０１６Ｂ１号（Ｒｅｓａｓｃｏ ｅｔ ａｌ．）とその引用文献に開示されているように、炭素を用いるレーザーアブレーション、グラファイト棒を用いて行うアーク放電、炭化水素を用いる化学気相成長（ＣＶＤ）法の３つが挙げられる。これら３方法のうち、ＣＮＴ機器を製造する上で最も用途が広いのは、ＣＶＤ法とフォトリソグラフィーの組み合わせである。さまざまな構成をもつ高品質のＣＮＴ機器が現在多く市販されているが、本発明の実施形態での使用に適しているＣＮＴ機器としては、モレキュラー・ナノシステムズ（米国カリフォルニア州パロ・アルト）のものが例として挙げられる。
【００３０】
ＣＮＴ層４２は、欠陥のないＣＮＴを並列に非常に規則正しく並べたアレイから構成されてもよい。使用するＣＮＴは、ＳＷＣＮＴ、ＭＷＣＮＴのいずれか、もしくは両方の組み合わせでもよい。ＭＷＣＮＴとＳＷＣＮＴのどちらであっても、サイズ分布が小さく、周期性が大きく、アレイ密度が高いものを製造することができる。このような特性を持つので、生成する電子ビームは安定し、予測可能で、均一な密度を有することができる。望ましい実施形態に係るＣＮＴ層４２は、ＭＷＣＮＴから形成される。
【００３１】
電源４４（電界を発生させるためのもの）を基板層４１とイオン化室６４に備えられた電子エネルギー板４３に印加すると、ＣＮＴ層４２から電子が放出され、加速されて、電子エネルギー層４３に向かう。従来のＥＩイオン源と同様に、電界４４は、分子のフラグメンテーションが発生するために望ましいエネルギーレベルの電子ビームを生成できるよう制御してもよい。通常の場合、この電界は１０ｅＶから１５０ｅＶの範囲内で維持される。望ましい実施の形態では、電子ビームのエネルギーレベルが約７０ｅＶとなるよう調整される。
【００３２】
使用方法としては、気相状態の試料を試料入口４６からイオン化室６４（図４の（ｂ）または（ｃ）を参照のこと）に導入する。試料入口４６はレーザー加工されたリークアセンブリでもよいし、機械加工された適切な他種の開口でもよい。試料分子４５は、イオン化室６４内に入るとＣＮＴ層４２から放出された電子ビーム４７と反応する。この結果、試料分子４５はイオン化される（帯電する）。イオン化された試料分子４５は、イオン化室６４内に設けられた、電極であるイオンリペラー４８に押され、イオンビーム出口６６に向かう。抽出レンズＬ１はイオンビーム出口６６の付近に配設されており、１つ以上の電極を含む。また、抽出レンズＬ１には、荷電分子４５をイオンビーム出口６６からイオン化室６４の外に出すように、電位が印加されている。荷電分子４５は、イオン化室６４から出ると、少なくとも１つの電極を含む一連の集束レンズＬ２によって集束され、高度に集束した分子イオンビーム４９となる。分子イオンビーム４９はその後、質量分析計（不図示）の一部で、質量電荷比（ｍ／ｚ）に基づき荷電イオン４５を分離・検出する質量フィルタ（質量アナライザ）に導入される。
【００３３】
図５は、本発明の一実施形態に係る、ＣＮＴイオン源（図３および図４を参照のこと）を用いた質量分析計の概略図である。本図によると、質量分析計５０はイオン源５１、質量フィルタ５２および検出器５３を備える。イオン源５１には、図３もしくは図４に示すＣＮＴイオン源を使用してもよい。イオン源５１は試料分子をイオン化し集束して、細いイオンビーム５７を生成する（図３および図４を参照のこと）。
【００３４】
イオンビーム５７は質量フィルタ５２に導入され、荷電粒子は質量電荷比に基づいて分離される。本発明の実施形態には、例えば磁場型、電場型、四重極型、イオントラップ型、飛行時間型などの公知の質量フィルタのうち、いずれを使用してもよい。分離された荷電粒子はイオン検出器５３によって検出される。イオン検出器５３に関しても、本発明の実施形態においては、どの種のものでも適切なイオン検出器を使用してよい。
【００３５】
さらに、質量分析計５０は、質量フィルタ５２へのイオンビーム５７の導入を制御する電気モジュール５４を含む。電気モジュール５４によるこの導入制御は、ＣＮＴ層（図４の参照番号４２）から放出される電子ビーム（図４の参照番号４７）の生成の制御または、質量フィルタ５２へのイオンビーム５７の導入の制御のいずれかを行うことによって、実施することができる。望ましい実施の形態によれば、電気モジュール５４はＣＮＴ層（図３および図４を参照のこと）から放出される電子ビームの生成を制御する。質量フィルタ５２へのイオンビーム５７導入を制御するより、ＣＮＴ層による電子ビーム生成を制御する方が望ましい理由としては、他の条件をすべて同じとすれば、イオンビームより電子ビームを止めるほうが、必要な時間がかなり短くてすむためである。この理由は、エネルギーレベルが比較可能な場合、分子イオンのサイズは電子より少なくとも１万倍大きいので、電子の進行速度はイオンより１００倍以上早いためである。従って、電子ビームの停止・開始にかかる時間は、イオンビームの場合に比べると、少なくとも１００倍短い。
【００３６】
さらに、本発明の実施形態に係るＣＮＴ電子エミッタは、高速でのスイッチング（高頻度でスイッチのオン・オフを行うこと）が可能なので、パルス状のイオン化を行うことができる。例として、図３の（ａ）と図４の（ｂ）を参照して説明すると、電子ビーム４７とイオンリペラー４８を交互にオンにすることで、電子ビーム４７のエネルギーや軌跡を歪めることなく、リペラー４８の電圧を比較的高く設定することができ、イオン抽出が高速で行われることにつながる。
【００３７】
図５に戻って、質量分析計５０はコンピュータ５５に制御されるとしてもよい。コンピュータ５５は汎用コンピュータでもよいし、イオン源５１による試料イオン化を始めとして質量フィルタ５２の動作（例えば、電場や磁場に傾きをつけること）、イオン検出器５３による荷電粒子の検出を制御するためのインターフェース５６やプログラムを含む専用コンピュータでもよい。また、コンピュータ５５は、上述したパルス状のイオン化またはイオン源とリペラー電位を交互にオンにするスイッチングなどを可能にする電気モジュール５４を制御する。他の実施形態では、電気モジュールは、質量分析計５０ではなくコンピュータ５５に組み込まれることもある。
【００３８】
以上の実施例は説明のため挙げたにすぎない。当業者であれば、開示範囲を超えずにさまざまな変形例を実施できることに想到するだろう。例えば、図４に示すイオン源は、一般的に四角い（箱型の）イオン化室６４と円盤状のＣＮＴ層を有するが、他の形状でもかまわない。
【００３９】
本発明の効果を以下に述べる。本発明の実施形態に係るイオン源を設計するに当たり、コンピュータプログラムを用いてイオン軌跡のシミュレーションを行ったり、イオン源の性能特性に関わる可変要因の数を減らしてもよい。また、イオン源の使用に際しては、同じコンピュータプログラムを用いて、ＣＮＴイオン源の性能の変化を計測・監視してもよい。イオン源の性能の変化を監視しその理由を解明できるということは、機器の校正が簡単に行えるということである。校正の方法としては、例えば、１種類の証明済み混合校正ガスを評価しソフトウェア補正を実施するとともにアプリケーションガスライブラリを用いることで行う。こうすることで、従来のＥＩイオン源を使用した質量分析計に比べ、動作が非常に簡略化される。ＣＮＴイオン源の場合、定期的にフィラメントを交換する必要がないので、性能および信頼性が非常に高く交換部品がない、汎用工業用ガスアナライザを提供することができる。つまり、定期的メンテナンスのため真空を解除する必要がなくなり、ポンプダウンタイムを短縮する必要性がなくなることから、従来のターボ分子真空ポンプの代わりにイオンポンプを使用することができるからである。本発明に係るＣＮＴイオン源は、使用される際の熱摂動を最大限減らすことができるとともに、高速の電圧調整に対応できるので、質量分析をパルス状で行うことができる。
【００４０】
上記の説明では限られた数の実施の形態を挙げたが、当業者であれば、本開示内容に基づき、該開示内容の範囲を超えない他の実施の形態に想到すると思われる。従って、本発明の開示範囲は、付随する請求項によって限定される。
【符号の説明】
【００４１】
１０ フィラメント
１１ イオン化室
１２ イオンリペラー
１３ 電子トラップ
１４ 磁石
１５ 加速電位
１６ 集束半板
１７ アルファスリット
１８ イオンビーム
１９ 電子ビーム
２０ 基板
２１ ＣＮＴ束
２２ 放出制御格子
２３ エネルギー制御格子
３０ ＣＮＴエミッタ
３１ 電子レンズ
３２ 電子ビーム
３３ イオンビーム
３４ イオン化室
３５ 電子トラップ
４０ ＣＮＴ電子エミッタ
４１ 基板
４２ ＣＮＴ層
４３ 電子エネルギー板
４５ 試料イオン
４６ レーザー加工リークアセンブリ
４８ イオンリペラー
４９ イオンビーム
Ｌ１ 抽出レンズ
Ｌ２ 集束レンズ
６４ イオン化室
【技術分野】
【０００１】
本発明は、質量分析計に使用されるイオン源に関する。特に本発明は、質量分析計に使用される、カーボンナノチューブを用いて構成されたイオン源に関する。
【背景技術】
【０００２】
質量分析計はさまざまな試料の分析に有効な機器である。質量分析を行う時には、試料を気化する必要があり、試料気体分子をイオン源によってイオン化する。効率の良いイオン源であれば、より多くの試料分子をイオン化して、アナライザの種別ごとに最適なイオンビームを生成する。最も一般的なイオン源は電子イオン化（ＥＩ）を利用する。ＥＩイオン源は、フィラメントからの熱放出によって電子を生成する。このフィラメントは、その中を流れる電流によって高温に熱せられ、イオン化室の外に設けられている。生成された電子を、電界によって加速することによって、望ましいエネルギーレベルにまで上げる。通常は約７０ｅＶまで上げるが、約１０ｅＶから１５０ｅＶ以上の範囲内であれば良い。なおこのエネルギーレベルは、フィラメントとイオン化室の電位差によって決まる。生成された電子が試料気体分子とイオン化室内で衝突すると、各気体分子は電子を失い、プラスの電荷を帯びる。試料気体分子は、正電荷を帯びると、加速されイオン化室の外に出て行き、静電場を印加され、質量分析計の入口へと導かれていく。
【０００３】
質量分析計に使用されるＥＩイオン源の構成については、さまざまなものが提案されてきたが、最も一般的なものはニーアが考案した構成とその変形である。図１に示す２つの図は、ニーアが提案した構成を持つ基本のイオン源を示す。このイオン源は、電子ビーム１９を生成する高温のフィラメント１０を用いている。ｘ軸をイオン源からイオンが出て行く方向、ｙ軸を質量分離の方向、ｚ軸をｘ軸とｙ軸の両方に対して垂直な方向とすると、図１に示す２つのうち一方の（ａ）は、ｘｚ面で見た図を、他方の（ｂ）はｘｙ面で見た図を示している。電子ビーム１９は通常、エネルギーレベルが約７０ｅＶになるまで加速される。電子ビーム１９は、高真空の条件下で、イオン化室１１に導入される分子と反応する。この結果、分子イオンとフラグメントイオンが発生して、加速され、イオン化室１１を出て行く。
【０００４】
電子ビームは完全にまとまっているわけではないので、一対の永久磁石１４を設けて、電子ビーム１９がらせん状に進んでいくように調整する。永久磁石１４を設けることで、電子の動きが制限され、電子ビームが細くなる。電子は、磁場に直交する方向に動くと偏向され、らせん状の軌道を描くことになる。このようにすることで、電子ビーム１９と気体分子が、イオン化室１１中のプラスイオンが発生する領域において衝突しやすくなる。そのため、感度が良好になり、分解能も高くなる（イオンエネルギーの幅が小さくなる）。
【０００５】
イオン化で得られた荷電粒子は、イオンリペラー１２に押されてイオン化室１１の出口に向かう。さらに、荷電粒子は加速電位１５によって加速、集束半板１６によって集束、アルファスリット１７によって選別される。こうして、集束されたイオンビーム１８が生成される。イオンビーム１８はこの後、質量フィルタ（不図示）に導入され、質量電荷比に基づいて分離される。
【０００６】
高温のフィラメントと試料気体分子が反応することにより、フィラメントの仕事関数が変化する可能性がある。電子ビーム１９の強度を一定に保つべく、ＥＩイオン源には通常、電子トラップ１３が設けられる。電子トラップ１３は、イオン化室１１を出て行く電子ビーム１９の一部を捕獲するとともに、フィラメント１０を流れる電流に対しフィードバックコントロールを行うために、電子ビーム１９の強度を監視することもある。このフィードバックコントロールによって、フィラメント１０は電子トラップ１３が監視する電子ビーム１９の強度を一定に保つことができる。
【０００７】
通常のＥＩイオン源で使用されるフィラメント１０は、耐熱性金属から成るワイヤーでできている。フィラメント１０は、その中を流れる電流によって、熱イオン放出が生じる温度（約摂氏２，０００度）まで熱せられる。フィラメント１０は通常、（例えば、フィラメント１０とイオン化室１１に対して電位差を印加することによって）イオン化室１１に対してマイナスの電界中に置かれる。こうすることで、高温のフィラメント１０から放出された電子は電界の傾きに従って加速される。電子ビームの並進運動エネルギーは、試料気体分子と電子の反応に本質的な影響を与える。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一般的なイオン源の設計については確立された方法があるが、イオン源の性能は設計上の細かな違いが多く重なることで変わる。電子衝突や化学イオン化方式のイオン源で用いられるフィラメントアセンブリに関してはいくつか問題があるが、最大の問題として、電子放出の始点や軌道が不明確であることが挙げられる。また、電子放出は物質の気化の影響を受け、フィラメントの寿命が短縮されてしまう。気化した試料と高熱のフィラメントが反応し、フィラメントの仕事関数が変化する可能性があるためである。上述したが、トラップ電極（図１の参照番号１３）は電子ビーム１９の強度を調整するためフィードバック回路に組み込まれることもあるが、トラップ電流を調整するとフィラメントの温度が変化してしまう。このため、イオン源の温度分布にばらつきが生じ、フィラメントアセンブリの位置ずれが生じる可能性がある。結果として、絶対感度、相対感度や分子フラグメンテーションの程度が変化する。上記の理由から、試料が複雑な混合物の場合、各構成成分の寄与度について不確定要素の除去ができず、質量スペクトルを簡略化することは非常に困難である。
【０００９】
以上より、質量分析を簡略化するべく、イオン源中で生成される電子ビームは、安定しているとともに、予測可能な軌跡と均一な密度を有することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一実施形態は、質量分析計に使用されるイオン源に関する。本発明の実施形態に係るイオン源は、電子ビームを放出する電子エミッタアセンブリであって、基板に固定されており前記電子ビームを放出するカーボンナノチューブ束と、前記電子ビームの放出を制御する第１制御格子と、前記電子ビームのエネルギーを制御する第２制御格子を含む、電子エミッタアセンブリと、イオン化室であって、該イオン化室に前記電子ビームを導入させる電子ビーム入口と、試料を導入する試料入口と、イオン化試料分子を出すイオンビーム出口を含む、イオン化室と、前記電子エミッタアセンブリと前記イオン化室の間に配置され、前記電子ビームを集束する電子レンズと、前記イオンビーム出口の近傍に配置され、前記イオン化室から出る前記イオン化試料分子を集束する、少なくとも１つの電極とを具備する。
【００１１】
本発明の一実施形態はまた、質量分析計に使用されるイオン源であって、カーボンナノチューブエミッタが微小イオン化室に組み込まれているものに関する。本発明の実施形態に係るイオン源は、電子ビームを放出するカーボンナノチューブ束を含むイオン化室であって、前記カーボンナノチューブ束は該イオン化室の第１の壁の導電面に固定されているイオン化室と、前記イオン化室に備えられ、試料を導入する試料入口と、前記イオン化室に備えられ、イオン化試料分子を出すイオンビーム出口と、前記イオンビーム出口の近傍に配置され、前記イオン化室を出る前記イオン化試料分子を集束する、少なくとも１つの電極とを具備し、前記導電面と前記イオン化室の第２の壁に備えられた電子エネルギー板は、前記カーボンナノチューブ束による前記電子ビームの放出に必要な電界が発生するように、電源に接続されている。
【００１２】
本発明の一実施形態はさらに、質量分析計に関する。本発明の実施形態に係る質量分析計は、カーボンナノチューブから構成されたイオン源と、前記イオン源に接続され、質量電荷比に基づいてイオン化試料分子を分離する質量フィルタと、前記質量フィルタに接続され、前記イオン化試料分子を検出するイオン検出器とを具備する。
【００１３】
本発明の上記以外の目的や効果は、以下の説明及び付記する請求項で明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（ａ）および（ｂ）は、ニーアが考案した設計を採用した、従来のイオン源を示す図である。
【００１５】
【図２ａ】端部が閉じたＭＷＣＮＴを示す図である。
【００１６】
【図２ｂ】本発明の一実施形態に係るＣＮＴエミッタアセンブリの主要構成要素を示す図である。
【００１７】
【図３】（ａ）および（ｂ）は、本発明の一実施形態に係る、ＣＮＴイオン源を示す図である。
【００１８】
【図４ａｂ】本発明の一実施形態に係る、ＣＮＴイオン源を示す図である。
【００１９】
【図４ｃ】本発明の一実施形態に係る、ＣＮＴイオン源を示す図である。
【００２０】
【図５】本発明の一実施形態に係る質量分析計を示す概略図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の実施形態は、質量分析に使用されるイオン源に関する。本発明の実施形態に係るイオン源はカーボンナノチューブを用いて構成されており、信頼性の高い電子ビームの生成が可能で、長寿命である。
【００２２】
カーボンナノチューブ（以下ＣＮＴと略す）は、グラファイトシートから形成される継ぎ目のない管状の物質で、完全なフラーレンキャップを有する。最初に発見されたＣＮＴは、図２の（ａ）に示す多層同軸管状であった（多層ＣＮＴ：ＭＷＣＮＴ）がその後、遷移金属触媒を用いることにより単層ＣＮＴ（ＳＷＣＮＴ）も作り出された。ＣＮＴは、ナノスケール電子機器や高強力素材、電界放出、走査型プローブ顕微鏡法、ガス貯蔵などの分野で有用性が期待されている。
【００２３】
ＣＮＴはフィールドエミッタとして使用する場合、仕事関数が低く、耐久性と熱的安定性に優れるという特徴を持つ。このため、ＣＮＴフィールドエミッタは低電圧で駆動できる。また、使用中に生じる気体との反応に対する耐性が向上するので、寿命を長くすることができる。ＣＮＴをフィールドエミッタとして使用した例やＣＮＴフィールドエミッタアレイの製造方法については、米国特許第６４４０７６１号（Ｃｈｏｉ）などを参照されたい。
【００２４】
図２の（ｂ）はＣＮＴフィールドエミッタアセンブリ２００を示している。アセンブリ２００は、導電層を有する基板２０と、該導電層に固定され、平行に配列されたＣＮＴ束２１を備える。ＣＮＴ束２１の端部の真上に絶縁状態で、第１格子アセンブリ（放出制御格子）２２が、必要な電子放出が行え、電子が第２格子アセンブリ（エネルギー制御格子）２３を通過できるような位置に設けられている。なお、第２格子アセンブリ２３はエネルギー制御電位Ｖｅに接続されている。放出された電子は第２格子アセンブリ２３を通過し、電位Ｖｉによって決まる電流強度を持つイオン化領域（例えば図３（ａ）のイオン化室３４）に向かう。電位Ｖｉは、トラップ電極（例えば図３（ａ）の電子トラップ３５）を含むフィードバック回路を通して放出電流密度を制御する。電位Ｖｅは、電子エネルギーを調整する。通常は７０ｅＶに設定される。以上の構成により、ＣＮＴフィールドエミッタアセンブリ２００が生成する電子ビームは、単一エネルギーで、均一な密度、所定の空間上の始点、および規定の軌跡を有することになる。
【００２５】
図３の（ａ）は、本発明の一実施形態に係るＣＮＴエミッタアセンブリ３０を含むイオン源３００をＸＺ面で見た図である。本図では、イオン化室３４と電子トラップ電極３５に対するＣＮＴエミッタアセンブリ３０と電子レンズ３１の位置関係を示す。図示される通り、ＣＮＴエミッタアセンブリ３０は、電界放出により電子ビーム３２を生成する。電子ビーム３２は、電子レンズ３２に集束されて細いビームとなり、電子ビーム入口３８を通ってイオン化室３４へと入る。その後、イオン化室３４で試料気体分子と反応し、イオン化試料分子を生成する。該イオン化試料分子は、分子イオンとフラグメントイオンを含むこともある。該イオン化試料分子はリペラー電極３６によって押され、イオンビーム出口２９を通ってイオン化室３４を出る。イオン化室３４を出た後、イオン化試料分子は少なくとも１つの電極および／または板３７によって集束され、細いイオンビーム３３となる。なお、前記少なくとも１つの電極および／または板３７は、例えば、集束半板３７ａ、スリット板３７ｂ、アルファ板３７ｃを含んでいてもよい。イオンビーム３３はこの後、分析を行うため質量フィルタおよび／またはアナライザ（不図示）に導入されてもよい。
【００２６】
さらに図３の（ａ）を見ると、電子トラップ３５がある。電子トラップ３５はイオン化室３４から出てきた電子ビーム３２の一部を捕獲する。実施の形態によっては、電子トラップ３５はフィードバック回路３５ａおよび電源３５ｂに接続され、ＣＮＴエミッタアセンブリ３０による電子ビーム３２の生成を制御するとしてもよい。電子トラップ３５とフィードバック回路３５ａは、電子トラップ３５が捕獲した電子ビーム３２に基づいて、電子ビーム３２の生成を制御し一定のレベルを維持するよう調整することができる。
【００２７】
図３の（ｂ）は、図３（ａ）に示されたイオン源３００を他方向から見た図である。本図に示す通り、イオン化室３４は、気体化試料を導入する試料入口２８と、イオン化試料分子（イオンビーム３３）がイオン化室３４から出るためのイオンビーム出口２９を有する。少なくとも１つの電極および／または板３７は、イオン化室３４から出るイオンビーム３３を集束するためイオンビーム出口２９の付近に配設される。該少なくとも１つの電極３７は、イオン化試料分子を抽出および集束してイオンビーム３３を生成してもよい。また、このイオン化試料分子の抽出は、イオンリペラー３６と、イオン化室３４およびスリット板３７ｂに印加される加速電位によって促進するとしてもよい。該少なくとも１つの電極３７は、例えば、集束半板３７ａ、スリット板３７ｂ、アルファスリット３７ｃを含む。イオンビーム３３は、イオン化室３４を出た後、質量フィルタおよび／またはアナライザ（不図示）に入る前に、集束半板３７ａ、スリット板３７ｂおよび／またはアルファスリット３７ｃによって集束されるとしてもよい。
【００２８】
図４の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、本発明の一実施形態に係る、ＣＮＴイオン源を示す。ＣＮＴイオン源４００は、微小質量分析計での使用に特に適している。図４の（ａ）は、イオン源４００をｘｚ面で見た側面図である。図４の（ｂ）は、図４の（ａ）で示された、イオン源４００中のＣＮＴ電子エミッタおよび／またはイオン源アセンブリ４０の一部を拡大して示した図である。図４の（ｃ）は、イオン源４００をｘｙ面で見た図である。
【００２９】
図４の（ａ）と（ｂ）に示すように、ＣＮＴ電子エミッタ４０は基板層４１とその上に形成されたＣＮＴ層４２を含む。微小質量分析計に使用されるＣＮＴ電子エミッタ４０の望ましい実施形態は、例えば、約０．１ｃｍ２のＣＮＴアレイでおよそ１０８本のＭＷＣＮＴを含む。しかし、当業者であれば、本発明の開示範囲を超えることなく、ＣＮＴアレイの寸法および密度を変更できることに想到するであろう。ここで、ＣＮＴの主な合成方法としては、米国特許第６３３３０１６Ｂ１号（Ｒｅｓａｓｃｏ ｅｔ ａｌ．）とその引用文献に開示されているように、炭素を用いるレーザーアブレーション、グラファイト棒を用いて行うアーク放電、炭化水素を用いる化学気相成長（ＣＶＤ）法の３つが挙げられる。これら３方法のうち、ＣＮＴ機器を製造する上で最も用途が広いのは、ＣＶＤ法とフォトリソグラフィーの組み合わせである。さまざまな構成をもつ高品質のＣＮＴ機器が現在多く市販されているが、本発明の実施形態での使用に適しているＣＮＴ機器としては、モレキュラー・ナノシステムズ（米国カリフォルニア州パロ・アルト）のものが例として挙げられる。
【００３０】
ＣＮＴ層４２は、欠陥のないＣＮＴを並列に非常に規則正しく並べたアレイから構成されてもよい。使用するＣＮＴは、ＳＷＣＮＴ、ＭＷＣＮＴのいずれか、もしくは両方の組み合わせでもよい。ＭＷＣＮＴとＳＷＣＮＴのどちらであっても、サイズ分布が小さく、周期性が大きく、アレイ密度が高いものを製造することができる。このような特性を持つので、生成する電子ビームは安定し、予測可能で、均一な密度を有することができる。望ましい実施形態に係るＣＮＴ層４２は、ＭＷＣＮＴから形成される。
【００３１】
電源４４（電界を発生させるためのもの）を基板層４１とイオン化室６４に備えられた電子エネルギー板４３に印加すると、ＣＮＴ層４２から電子が放出され、加速されて、電子エネルギー層４３に向かう。従来のＥＩイオン源と同様に、電界４４は、分子のフラグメンテーションが発生するために望ましいエネルギーレベルの電子ビームを生成できるよう制御してもよい。通常の場合、この電界は１０ｅＶから１５０ｅＶの範囲内で維持される。望ましい実施の形態では、電子ビームのエネルギーレベルが約７０ｅＶとなるよう調整される。
【００３２】
使用方法としては、気相状態の試料を試料入口４６からイオン化室６４（図４の（ｂ）または（ｃ）を参照のこと）に導入する。試料入口４６はレーザー加工されたリークアセンブリでもよいし、機械加工された適切な他種の開口でもよい。試料分子４５は、イオン化室６４内に入るとＣＮＴ層４２から放出された電子ビーム４７と反応する。この結果、試料分子４５はイオン化される（帯電する）。イオン化された試料分子４５は、イオン化室６４内に設けられた、電極であるイオンリペラー４８に押され、イオンビーム出口６６に向かう。抽出レンズＬ１はイオンビーム出口６６の付近に配設されており、１つ以上の電極を含む。また、抽出レンズＬ１には、荷電分子４５をイオンビーム出口６６からイオン化室６４の外に出すように、電位が印加されている。荷電分子４５は、イオン化室６４から出ると、少なくとも１つの電極を含む一連の集束レンズＬ２によって集束され、高度に集束した分子イオンビーム４９となる。分子イオンビーム４９はその後、質量分析計（不図示）の一部で、質量電荷比（ｍ／ｚ）に基づき荷電イオン４５を分離・検出する質量フィルタ（質量アナライザ）に導入される。
【００３３】
図５は、本発明の一実施形態に係る、ＣＮＴイオン源（図３および図４を参照のこと）を用いた質量分析計の概略図である。本図によると、質量分析計５０はイオン源５１、質量フィルタ５２および検出器５３を備える。イオン源５１には、図３もしくは図４に示すＣＮＴイオン源を使用してもよい。イオン源５１は試料分子をイオン化し集束して、細いイオンビーム５７を生成する（図３および図４を参照のこと）。
【００３４】
イオンビーム５７は質量フィルタ５２に導入され、荷電粒子は質量電荷比に基づいて分離される。本発明の実施形態には、例えば磁場型、電場型、四重極型、イオントラップ型、飛行時間型などの公知の質量フィルタのうち、いずれを使用してもよい。分離された荷電粒子はイオン検出器５３によって検出される。イオン検出器５３に関しても、本発明の実施形態においては、どの種のものでも適切なイオン検出器を使用してよい。
【００３５】
さらに、質量分析計５０は、質量フィルタ５２へのイオンビーム５７の導入を制御する電気モジュール５４を含む。電気モジュール５４によるこの導入制御は、ＣＮＴ層（図４の参照番号４２）から放出される電子ビーム（図４の参照番号４７）の生成の制御または、質量フィルタ５２へのイオンビーム５７の導入の制御のいずれかを行うことによって、実施することができる。望ましい実施の形態によれば、電気モジュール５４はＣＮＴ層（図３および図４を参照のこと）から放出される電子ビームの生成を制御する。質量フィルタ５２へのイオンビーム５７導入を制御するより、ＣＮＴ層による電子ビーム生成を制御する方が望ましい理由としては、他の条件をすべて同じとすれば、イオンビームより電子ビームを止めるほうが、必要な時間がかなり短くてすむためである。この理由は、エネルギーレベルが比較可能な場合、分子イオンのサイズは電子より少なくとも１万倍大きいので、電子の進行速度はイオンより１００倍以上早いためである。従って、電子ビームの停止・開始にかかる時間は、イオンビームの場合に比べると、少なくとも１００倍短い。
【００３６】
さらに、本発明の実施形態に係るＣＮＴ電子エミッタは、高速でのスイッチング（高頻度でスイッチのオン・オフを行うこと）が可能なので、パルス状のイオン化を行うことができる。例として、図３の（ａ）と図４の（ｂ）を参照して説明すると、電子ビーム４７とイオンリペラー４８を交互にオンにすることで、電子ビーム４７のエネルギーや軌跡を歪めることなく、リペラー４８の電圧を比較的高く設定することができ、イオン抽出が高速で行われることにつながる。
【００３７】
図５に戻って、質量分析計５０はコンピュータ５５に制御されるとしてもよい。コンピュータ５５は汎用コンピュータでもよいし、イオン源５１による試料イオン化を始めとして質量フィルタ５２の動作（例えば、電場や磁場に傾きをつけること）、イオン検出器５３による荷電粒子の検出を制御するためのインターフェース５６やプログラムを含む専用コンピュータでもよい。また、コンピュータ５５は、上述したパルス状のイオン化またはイオン源とリペラー電位を交互にオンにするスイッチングなどを可能にする電気モジュール５４を制御する。他の実施形態では、電気モジュールは、質量分析計５０ではなくコンピュータ５５に組み込まれることもある。
【００３８】
以上の実施例は説明のため挙げたにすぎない。当業者であれば、開示範囲を超えずにさまざまな変形例を実施できることに想到するだろう。例えば、図４に示すイオン源は、一般的に四角い（箱型の）イオン化室６４と円盤状のＣＮＴ層を有するが、他の形状でもかまわない。
【００３９】
本発明の効果を以下に述べる。本発明の実施形態に係るイオン源を設計するに当たり、コンピュータプログラムを用いてイオン軌跡のシミュレーションを行ったり、イオン源の性能特性に関わる可変要因の数を減らしてもよい。また、イオン源の使用に際しては、同じコンピュータプログラムを用いて、ＣＮＴイオン源の性能の変化を計測・監視してもよい。イオン源の性能の変化を監視しその理由を解明できるということは、機器の校正が簡単に行えるということである。校正の方法としては、例えば、１種類の証明済み混合校正ガスを評価しソフトウェア補正を実施するとともにアプリケーションガスライブラリを用いることで行う。こうすることで、従来のＥＩイオン源を使用した質量分析計に比べ、動作が非常に簡略化される。ＣＮＴイオン源の場合、定期的にフィラメントを交換する必要がないので、性能および信頼性が非常に高く交換部品がない、汎用工業用ガスアナライザを提供することができる。つまり、定期的メンテナンスのため真空を解除する必要がなくなり、ポンプダウンタイムを短縮する必要性がなくなることから、従来のターボ分子真空ポンプの代わりにイオンポンプを使用することができるからである。本発明に係るＣＮＴイオン源は、使用される際の熱摂動を最大限減らすことができるとともに、高速の電圧調整に対応できるので、質量分析をパルス状で行うことができる。
【００４０】
上記の説明では限られた数の実施の形態を挙げたが、当業者であれば、本開示内容に基づき、該開示内容の範囲を超えない他の実施の形態に想到すると思われる。従って、本発明の開示範囲は、付随する請求項によって限定される。
【符号の説明】
【００４１】
１０ フィラメント
１１ イオン化室
１２ イオンリペラー
１３ 電子トラップ
１４ 磁石
１５ 加速電位
１６ 集束半板
１７ アルファスリット
１８ イオンビーム
１９ 電子ビーム
２０ 基板
２１ ＣＮＴ束
２２ 放出制御格子
２３ エネルギー制御格子
３０ ＣＮＴエミッタ
３１ 電子レンズ
３２ 電子ビーム
３３ イオンビーム
３４ イオン化室
３５ 電子トラップ
４０ ＣＮＴ電子エミッタ
４１ 基板
４２ ＣＮＴ層
４３ 電子エネルギー板
４５ 試料イオン
４６ レーザー加工リークアセンブリ
４８ イオンリペラー
４９ イオンビーム
Ｌ１ 抽出レンズ
Ｌ２ 集束レンズ
６４ イオン化室
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量分析計に使用されるイオン源であって、
電子ビームを放出する電子エミッタアセンブリであって、基板に固定されており前記電子ビームを放出するカーボンナノチューブ束と、前記電子ビームの放出を制御する第１制御格子と、前記電子ビームのエネルギーを制御する第２制御格子とを含む、電子エミッタアセンブリと、
イオン化室であって、該イオン化室に前記電子ビームを導入させる電子ビーム入口と、試料を導入する試料入口と、イオン化試料分子を出すイオンビーム出口とを含む、イオン化室と、
前記電子エミッタアセンブリと前記イオン化室の間に配置され、前記電子ビームを集束する電子レンズと、
前記イオンビーム出口の近傍に配置され、前記イオン化室から出る前記イオン化試料分子を集束する、少なくとも１つの電極と、
を具備する、質量分析計に使用されるイオン源。
【請求項２】
前記カーボンナノチューブ束は、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、または単層カーボンナノチューブと多層カーボンナノチューブとの組み合わせのいずれかを含む、請求項１に記載のイオン源。
【請求項３】
前記イオン化試料分子の前記イオン化室からの放出を促進するべく、前記イオン化室の内部に、さらにイオンリペラーを具備する、請求項１に記載のイオン源。
【請求項４】
電子ビーム放出に対するフィードバックコントロールを行うべく、前記イオン化室を出る前記電子ビームの一部を取り込むトラップ電極をさらに具備する、請求項１に記載のイオン源。
【請求項５】
前記少なくとも１つの電極は、集束半板、スリット板、アルファ板、抽出レンズ、または集束レンズのうち、少なくとも１つを含む、請求項１に記載のイオン源。
【請求項６】
前記第２制御格子は、前記電子ビームのエネルギーが約７０ｅＶとなるように、電源に接続されている、請求項１に記載のイオン源。
【請求項７】
質量分析計に使用されるイオン源であって、
電子ビームを放出するカーボンナノチューブ束を含むイオン化室であって、前記カーボンナノチューブ束は該イオン化室の第１の壁の導電面に固定されているイオン化室と、
前記イオン化室に備えられ、試料を導入する試料入口と、
前記イオン化室に備えられ、イオン化試料分子を出すイオンビーム出口と、
前記イオンビーム出口の近傍に配置され、前記イオン化室を出る前記イオン化試料分子を集束する、少なくとも１つの電極と、
を具備し、
前記導電面と前記イオン化室の第２の壁に備えられた電子エネルギー板は、前記カーボンナノチューブ束による前記電子ビームの放出に必要な電界が発生するように、電源に接続されている、イオン源。
【請求項８】
前記カーボンナノチューブ束は、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、または単層カーボンナノチューブと多層カーボンナノチューブとの組み合わせのいずれかを含む、請求項７に記載のイオン源。
【請求項９】
前記イオン化試料分子の前記イオン化室からの放出を促進するべく、前記イオン化室の内部に、さらにイオンリペラーを具備する、請求項７に記載のイオン源。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの電極は、集束半板、スリット板、アルファ板、抽出レンズ、または集束レンズのうちの少なくとも１つを含む、請求項７に記載のイオン源。
【請求項１１】
質量分析計であって、
カーボンナノチューブから構成されたイオン源と、
前記イオン源に接続され、質量電荷比に基づいてイオン化試料分子を分離する質量フィルタと、
前記質量フィルタに接続され、前記イオン化試料分子を検出するイオン検出器と、
を具備する、質量分析計。
【請求項１２】
前記イオン源は、
電子ビームを放出する電子エミッタアセンブリであって、基板に固定されており前記電子ビームを放出するカーボンナノチューブ束と、前記電子ビームの放出を制御する第１制御格子と、前記電子ビームのエネルギーを制御する第２制御格子を含む、電子エミッタアセンブリと、
イオン化室であって、該イオン化室に前記電子ビームを導入させる電子ビーム入口と、試料を導入する試料入口と、イオン化試料分子を出すイオンビーム出口とを含む、イオン化室と、
前記電子エミッタアセンブリと前記イオン化室の間に配置され、前記電子ビームを集束する電子レンズと、
前記イオンビーム出口の近傍に配置され、前記イオン化室から出る前記イオン化試料分子を集束する、少なくとも１つの電極と、
を含む、請求項１１に記載の質量分析計。
【請求項１３】
前記カーボンナノチューブ束は、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、または単層カーボンナノチューブと多層カーボンナノチューブとの組み合わせのいずれかを含む、請求項１２に記載の質量分析計。
【請求項１４】
前記イオン源は、前記イオン化試料分子の前記イオン化室からの放出を促進するべく、前記イオン化室の内部に、さらにイオンリペラーを具備する、請求項１２に記載の質量分析計。
【請求項１５】
前記イオン源は、電子ビーム放出に対するフィードバックコントロールを行うべく、前記イオン化室を出る前記電子ビームの一部を取り込むトラップ電極をさらに具備する、請求項１２に記載の質量分析計。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの電極は、集束半板、スリット板、アルファ板、抽出レンズ、または集束レンズのうちの少なくとも１つを含む、請求項１２に記載の質量分析計。
【請求項１７】
前記第２制御格子は、前記電子ビームのエネルギーが約７０ｅＶとなるように、電源に接続されている、請求項１２に記載の質量分析計。
【請求項１８】
前記イオン源は、
電子ビームを放出するカーボンナノチューブ束を含むイオン化室であって、前記カーボンナノチューブ束は該イオン化室の第１の壁の導電面に固定されているイオン化室と、
前記イオン化室に備えられ、試料を導入する試料入口と、
前記イオン化室に備えられ、イオン化試料分子を出すイオンビーム出口と、
前記イオンビーム出口の近傍に配置され、前記イオン化室を出る前記イオン化試料分子を集束する、少なくとも１つの電極と、
を具備し、
前記導電面と前記イオン化室の第２の壁に備えられた電子エネルギー板は、前記カーボンナノチューブ束による前記電子ビームの放出に必要な電界が発生するように、電源に接続されている、請求項１１に記載の質量分析計。
【請求項１９】
前記カーボンナノチューブ束は、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、または単層カーボンナノチューブと多層カーボンナノチューブとの組み合わせのいずれかを含む、請求項１８に記載の質量分析計。
【請求項２０】
前記イオン化試料分子の前記イオン化室からの放出を促進するべく、前記イオン化室の内部に、さらにイオンリペラーを具備する、請求項１８に記載の質量分析計。
【請求項２１】
前記少なくとも１つの電極は、集束半板、スリット板、アルファ板、抽出レンズ、または集束レンズのうちの少なくとも１つを含む、請求項１８に記載の質量分析計。
【請求項２２】
前記質量フィルタは、磁場型、電場型、四重極型、イオントラップ型、飛行時間型から選択した方式に基づいて構成されている、請求項１１に記載の質量分析計。
【請求項２３】
前記イオン源に接続され、電子ビームの放出を制御する電気モジュールをさらに具備する、請求項１１に記載の質量分析計。
【請求項２４】
該質量分析計に接続されているコンピュータをさらに具備する、請求項１１に記載の質量分析計。
【請求項２５】
前記コンピュータは前記イオン源の動作を監視するプログラムを含む、請求項２４に記載の質量分析計。
【請求項１】
質量分析計に使用されるイオン源であって、
電子ビームを放出する電子エミッタアセンブリであって、基板に固定されており前記電子ビームを放出するカーボンナノチューブ束と、前記電子ビームの放出を制御する第１制御格子と、前記電子ビームのエネルギーを制御する第２制御格子とを含む、電子エミッタアセンブリと、
イオン化室であって、該イオン化室に前記電子ビームを導入させる電子ビーム入口と、試料を導入する試料入口と、イオン化試料分子を出すイオンビーム出口とを含む、イオン化室と、
前記電子エミッタアセンブリと前記イオン化室の間に配置され、前記電子ビームを集束する電子レンズと、
前記イオンビーム出口の近傍に配置され、前記イオン化室から出る前記イオン化試料分子を集束する、少なくとも１つの電極と、
を具備する、質量分析計に使用されるイオン源。
【請求項２】
前記カーボンナノチューブ束は、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、または単層カーボンナノチューブと多層カーボンナノチューブとの組み合わせのいずれかを含む、請求項１に記載のイオン源。
【請求項３】
前記イオン化試料分子の前記イオン化室からの放出を促進するべく、前記イオン化室の内部に、さらにイオンリペラーを具備する、請求項１に記載のイオン源。
【請求項４】
電子ビーム放出に対するフィードバックコントロールを行うべく、前記イオン化室を出る前記電子ビームの一部を取り込むトラップ電極をさらに具備する、請求項１に記載のイオン源。
【請求項５】
前記少なくとも１つの電極は、集束半板、スリット板、アルファ板、抽出レンズ、または集束レンズのうち、少なくとも１つを含む、請求項１に記載のイオン源。
【請求項６】
前記第２制御格子は、前記電子ビームのエネルギーが約７０ｅＶとなるように、電源に接続されている、請求項１に記載のイオン源。
【請求項７】
質量分析計に使用されるイオン源であって、
電子ビームを放出するカーボンナノチューブ束を含むイオン化室であって、前記カーボンナノチューブ束は該イオン化室の第１の壁の導電面に固定されているイオン化室と、
前記イオン化室に備えられ、試料を導入する試料入口と、
前記イオン化室に備えられ、イオン化試料分子を出すイオンビーム出口と、
前記イオンビーム出口の近傍に配置され、前記イオン化室を出る前記イオン化試料分子を集束する、少なくとも１つの電極と、
を具備し、
前記導電面と前記イオン化室の第２の壁に備えられた電子エネルギー板は、前記カーボンナノチューブ束による前記電子ビームの放出に必要な電界が発生するように、電源に接続されている、イオン源。
【請求項８】
前記カーボンナノチューブ束は、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、または単層カーボンナノチューブと多層カーボンナノチューブとの組み合わせのいずれかを含む、請求項７に記載のイオン源。
【請求項９】
前記イオン化試料分子の前記イオン化室からの放出を促進するべく、前記イオン化室の内部に、さらにイオンリペラーを具備する、請求項７に記載のイオン源。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの電極は、集束半板、スリット板、アルファ板、抽出レンズ、または集束レンズのうちの少なくとも１つを含む、請求項７に記載のイオン源。
【請求項１１】
質量分析計であって、
カーボンナノチューブから構成されたイオン源と、
前記イオン源に接続され、質量電荷比に基づいてイオン化試料分子を分離する質量フィルタと、
前記質量フィルタに接続され、前記イオン化試料分子を検出するイオン検出器と、
を具備する、質量分析計。
【請求項１２】
前記イオン源は、
電子ビームを放出する電子エミッタアセンブリであって、基板に固定されており前記電子ビームを放出するカーボンナノチューブ束と、前記電子ビームの放出を制御する第１制御格子と、前記電子ビームのエネルギーを制御する第２制御格子を含む、電子エミッタアセンブリと、
イオン化室であって、該イオン化室に前記電子ビームを導入させる電子ビーム入口と、試料を導入する試料入口と、イオン化試料分子を出すイオンビーム出口とを含む、イオン化室と、
前記電子エミッタアセンブリと前記イオン化室の間に配置され、前記電子ビームを集束する電子レンズと、
前記イオンビーム出口の近傍に配置され、前記イオン化室から出る前記イオン化試料分子を集束する、少なくとも１つの電極と、
を含む、請求項１１に記載の質量分析計。
【請求項１３】
前記カーボンナノチューブ束は、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、または単層カーボンナノチューブと多層カーボンナノチューブとの組み合わせのいずれかを含む、請求項１２に記載の質量分析計。
【請求項１４】
前記イオン源は、前記イオン化試料分子の前記イオン化室からの放出を促進するべく、前記イオン化室の内部に、さらにイオンリペラーを具備する、請求項１２に記載の質量分析計。
【請求項１５】
前記イオン源は、電子ビーム放出に対するフィードバックコントロールを行うべく、前記イオン化室を出る前記電子ビームの一部を取り込むトラップ電極をさらに具備する、請求項１２に記載の質量分析計。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの電極は、集束半板、スリット板、アルファ板、抽出レンズ、または集束レンズのうちの少なくとも１つを含む、請求項１２に記載の質量分析計。
【請求項１７】
前記第２制御格子は、前記電子ビームのエネルギーが約７０ｅＶとなるように、電源に接続されている、請求項１２に記載の質量分析計。
【請求項１８】
前記イオン源は、
電子ビームを放出するカーボンナノチューブ束を含むイオン化室であって、前記カーボンナノチューブ束は該イオン化室の第１の壁の導電面に固定されているイオン化室と、
前記イオン化室に備えられ、試料を導入する試料入口と、
前記イオン化室に備えられ、イオン化試料分子を出すイオンビーム出口と、
前記イオンビーム出口の近傍に配置され、前記イオン化室を出る前記イオン化試料分子を集束する、少なくとも１つの電極と、
を具備し、
前記導電面と前記イオン化室の第２の壁に備えられた電子エネルギー板は、前記カーボンナノチューブ束による前記電子ビームの放出に必要な電界が発生するように、電源に接続されている、請求項１１に記載の質量分析計。
【請求項１９】
前記カーボンナノチューブ束は、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、または単層カーボンナノチューブと多層カーボンナノチューブとの組み合わせのいずれかを含む、請求項１８に記載の質量分析計。
【請求項２０】
前記イオン化試料分子の前記イオン化室からの放出を促進するべく、前記イオン化室の内部に、さらにイオンリペラーを具備する、請求項１８に記載の質量分析計。
【請求項２１】
前記少なくとも１つの電極は、集束半板、スリット板、アルファ板、抽出レンズ、または集束レンズのうちの少なくとも１つを含む、請求項１８に記載の質量分析計。
【請求項２２】
前記質量フィルタは、磁場型、電場型、四重極型、イオントラップ型、飛行時間型から選択した方式に基づいて構成されている、請求項１１に記載の質量分析計。
【請求項２３】
前記イオン源に接続され、電子ビームの放出を制御する電気モジュールをさらに具備する、請求項１１に記載の質量分析計。
【請求項２４】
該質量分析計に接続されているコンピュータをさらに具備する、請求項１１に記載の質量分析計。
【請求項２５】
前記コンピュータは前記イオン源の動作を監視するプログラムを含む、請求項２４に記載の質量分析計。
【図１】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図３】
【図４ａｂ】
【図４ｃ】
【図５】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図３】
【図４ａｂ】
【図４ｃ】
【図５】
【公表番号】特表２００７−５１１０６４（Ｐ２００７−５１１０６４Ａ）
【公表日】平成１９年４月２６日（２００７．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５３９９４４（Ｐ２００６−５３９９４４）
【出願日】平成１６年１１月１２日（２００４．１１．１２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０３７９５６
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０４８２９０
【国際公開日】平成１７年５月２６日（２００５．５．２６）
【出願人】（５０４０２４０３６）サーモ フィッシャー サイエンティフィック インク (6)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年４月２６日（２００７．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１１月１２日（２００４．１１．１２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０３７９５６
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０４８２９０
【国際公開日】平成１７年５月２６日（２００５．５．２６）
【出願人】（５０４０２４０３６）サーモ フィッシャー サイエンティフィック インク (6)
【Ｆターム（参考）】
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