高感度かつ定量的な低真空質量分析技術を目指したスパッタ粒子イオン化法の開発

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本研究は質量分析技術の最も大きな課題である検出感度の向上を目指した新しい二次中性粒子イオン化法(SNMS)開発を目的としている。これは一次プローブを固体試料に照射した際にスパッタリングされた中性粒子をイオン化し、感度を改善する方法である。一般的に知られているSNMSは高強度レーザーやRFプラズマを用いて高イオン化効率を実現しているが、過剰なエネルギーにより分子構造を破壊してしまう点が欠点となっている。そこで、本研究では中性粒子を低真空領域に導き、試薬ガスを用いたCI(化学イオン化)を用いてイオン化することにより、比較的低エネルギーで中性粒子をイオン化する。今年度は陽子移動型質量分析計(PTR-MS)を参考にし、10 Pa程度でのCIが可能な中性粒子イオン化部の設計を行った。このイオン化部の構造は試薬ガスをプラズマによりイオン化するイオン源と、試薬ガスと中性粒子の衝突頻度を制御してイオン化効率を向上するドリフトチューブに分かれており、極めてシンプルである。このため、試薬ガスのガス種や流量および電場の操作によるイオン化効率の最適化が可能となる。現時点では水イオンを用いてエタノールなどの揮発性試料をppbレベルで検出することに成功した。今後はイオン源の改良によりpptレベル以上まで検出感度を向上し、実際にSNMSとして従来の二次イオン質量分析(SIMS)装置に組み込む。さらに、今年度は最終的に中性粒子イオン化部と結合する高速重イオンを用いた SIMS装置の改良も行い、SIMSで初めての大気圧分析を実現した。これにより、固体試料だけでなく、揮発性の液体試料の分析にも成功した。この研究成果は高速重イオンを用いた大気圧分析が固液界面分析へ応用可能であることを示唆しており、今後は電極反応や生体内反応など固液界面特有の物理および化学現象の解明へ寄与することが大いに期待できる。