2015 Fiscal Year Research-status Report
4原子からなる4価分子イオンの寿命測定および高収量生成・安定性の解明
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26620014
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| Research Institution | Osaka City University |
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Principal Investigator |
八ツ橋 知幸 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 教授 (70305613)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
豊田 和男 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 講師 (60347482)
藤原 亮正 大阪府立大学, 大学院理学研究科, 助教 (10580334)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | Bradbury Nielsen / 高速質量選別器 / 高速高電圧電源 / 飛行時間型質量分析計 / フェムト秒レーザー / 多価イオン / 単一同位体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１．高速質量選別器の設計・製作
ワイヤ間隔200μmのBradbury Nielsen質量選別器の製作に成功した。質量数差1のイオン同士が分離可能なBradbury Nielsen質量選別器（ワイヤ電極で構成）を既存の飛行時間型質量分析計に合わせて設計製作した。ワイヤ電極の製作に際しては、まず400 μm間隔でワイヤを張った電極を２組製作し、それらを貼り合わせることで間隔を200μmとした。ワイヤの巻き付けには大阪市立大学工学研究科菜嶋茂喜氏所有のワイヤグリッド製作機を借用して行った。この製作機はテラヘルツ帯の偏光子製作用に特化しているため、ワイヤ電極製作用に治具などを製作した。ワイヤを均等に張ることが極めて困難であった。ワイヤを均等に張れるよう絶縁用のセラミックス部品にV字型の溝を掘るなどの試行錯誤を重ねたが、電極の製作にはかなりの時間を要した。２組の電極の貼り合わせは顕微鏡下で行ったが、均等にワイヤを配置する工程が最も重要であることが分かった。
２．高速質量選別器の性能評価
製作したBradbury Nielsen質量選別器は多価イオンの単一同位体ピーク（ピーク間隔 66 ns）の分離が可能であることが分かった。製作したBradbury Nielsen質量選別器を既存の飛行時間型質量分析計に設置し、２週間の真空引きの後に性能試験を行った。まずイオンの検出を試みたが、観測できず原因（ワイヤの切断）の究明に時間を要した。はじめにイオン偏向に最適な電圧値を慎重に調べた。リフレクトロンを使用した場合には約120 Vの印加でキセノン２価イオンが偏向できることが分かった。±160Vを印加することでキセノン３価イオンの単一同位体の選別に成功した。そこで、キセノン３価イオンの単一同位体（m/z = 44.6）の選別性能を評価したところ、立ち上がり9 ns、立ち下がり 8 ns、パルス幅30 nsであった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究計画に掲げた「１）カーブフィールド・リフレクトロンによる1～3価I-C≡C-Iイオンの寿命測定、２）高速質量選別器の設計と製作、３）4価I-C≡C-Iイオンおよび芳香族多価分子イオンの寿命測定、４）I-C≡C-Iのポテンシャルエネルギー曲面計算および解離過程の検討」のうち、２）についてはほぼ目的を達した。４）についてはH26にCASSCF法を用いて十分信頼できる結果を得ており、あとは現在結果を蓄積している多重度の異なる状態の計算のみである。H27は特に２）に注力することでキセノン多価イオンの単一同位体ピーク（ピーク間隔 66 ns）の分離が可能なBradbury Nielsen質量選別器の製作に成功した。製作に際して、特にワイヤを張る操作および２組の電極を貼り合わせる工程に試行錯誤が必要であった。また、切断された電極の入れ替えが必要だったためかなりの時間を要した。製作した１組のワイヤ電極のワイヤ間隔の標準偏差は1.8%（間隔平均404.9μm）と良好であった。最終的に２組のワイヤ電極を貼り合わせてワイヤ間隔平均196.2μm、ワイヤ間隔の標準偏差7.7%、ワイヤ本数74本、ワイヤ面の幅14.3 mmのワイヤ電極の製作に成功した。
しかし、多価イオンの単一同位体ピークの選別に成功したものの、選別後のピークの半値全幅が選別前に比べて約1.5倍となる問題が生じた。電極からの漏れ電場の影響やリフレクトロンの電圧が最適化されていないなどの原因が考えられる。この点に関してはH28に最適化を行う。一方、１）および３）についてはH28に実施予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
まず、「２）高速質量選別器の設計と製作」に関しては、イオン分離の性能に関しては十分ではあるものの、選別の影響でイオンのピークが広がってしまった問題を解決する必要がある。電極からの漏れ電場の影響の調査やリフレクトロンの電圧の最適化などをH28に行うことで多価イオンの単一同位体のピーク選別をより明確なものにする。また、当初は200μm間隔で張ったワイヤ電極を貼り合わせる予定であった。しかし、顕微鏡下で位置を確認することが極めて困難であったこと、ワイヤ間隔が狭すぎて工具が入らず不要な電極を切断することが極めて困難であったことから断念した。この点に関しても工程を工夫することでワイヤ間隔の小さい電極の製作を試みたい。
現在「４）I-C≡C-Iのポテンシャルエネルギー曲面計算および解離過程の検討」を完了するため、多重度の異なるポテンシャルの計算をH27から継続して行っており、結果を蓄積中である。初年度は各価数の最低エネルギー状態（単一多重度）の計算であったが、C-I結合長が伸長することで各電子配置の寄与度が変化することが明らかになっている。特に高価数のカチオンにおいて、結合伸長により高位の状態との断熱交差があることを示唆している。また、初年度の計算に際しては、ICCの配置を固定したが、これについても構造最適化したポテンシャルを算出し、安定性の議論をより明確なものとする。
さらに、性能評価が完了したBradbury Nielsen質量選別器を用いて「１）カーブフィールド・リフレクトロンによる1～3価I-C≡C-Iイオンの寿命測定、３）4価I-C≡C-Iイオンおよび芳香族多価分子イオンの寿命測定」を行う予定である。より高圧力下で実験が行えるよう、H27に既存の真空槽にはゲートバルブを取付けてある。
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| Causes of Carryover |
当初は２組の質量選別器を使用する予定であった。この場合は高速高圧電源が２つ必要である。しかし、H27に行った性能評価の結果、１組の質量選別器で多価イオンの単一同位体ピーク（ピーク間隔 66 ns）の選別が十分可能であることがわかった。そこで高速高圧電源を追加購入するよりも、むしろ選別後のピークが幅広くなる問題を解決する事が重要であるという結論に至った。そこで、H27では高速高圧電源を購入せず、その予算でH28に対策用の追加部品（接地電極など）の設計製作を行う事にした。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
理由に挙げたように選別後のピークが選別前のピークの形状を保つよう、漏れ電場を閉じ込めるための接地電極を新たに設計製作する。これに伴い電極を支持する支柱なども新たに製作する。
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