Development and evaluation of an ion mobility spectrometer/mass spectrometer (IMS/MS) for the analysis of ion-molecule reactions at atmospheric pressure

Abstract

An Ion Mobility Spectrometer/Mass Spectrometer (IMS/MS) has been developed for the purpose of investigating the ion-molecule reactions at atmospheric pressure. The IMS/MS consists of a drift tube and a quadrupole mass analyzer, and can provide three types of data: total ion mobility spectra, mass spectra, and mass-resolved mobility spectra. Laboratory tests with the positive and negative ions produced in the ambient laboratory air have shown that the IMS/MS is highly sensitive to be able to observe ion-molecule reactions involving trace gases in the low-ppbv to low-pptv concentration range. In the positive ion mass spectra, ions were observed to evolve from NH4(+)(H2O)(n) to the ions of pyridines and amines via proton transfer reactions. Four series of hydrated cluster ions were observed in the negative ion mass spectra, which are believed to be ions of formic acid (HCOO(-)(H2O)(n)) and oxalic acid (COOHCOO(-)(H2O)(n)) along with NO2(-)(H2O)(n) and NO3(-)(H2O)(n). The mass-resolved mobility spectra of these ions were also obtained. The preliminary interpretations of those spectra have demonstrated that mass-resolved mobility spectral measurement can be a useful tool for the analysis of pathway of the ion-molecule reactions.

大気圧下のイオン・分子反応の解析を目的に、イオン易動度スペクトロメータ/質量分析計(IMS/MS)を開発した。IMS/MSは移動管と四重極質量分析器により構成されており、全イオン易動度スペクトル、質量スペクトル、質量分解易動度スペクトルの3種類の測定が可能である。実験室雰囲気中に正負のイオンを発生させて実験室試験を行い、このIMS/MSが非常に高感度であり、低ppbvから低pptv濃度領域の極微量気体のイオン・分子反応を検出し得ることを確かめた。正イオンの質量スペクトルから、プロトン移動反応によりNH4(+)(H2O)(n)からピリジンイオンとアミンイオンが発生することがわかった。負イオンの質量スペクトルには4系統の水和クラスタイオンが観察された。これらは、ギ酸(HCOO(-)(H2O)(n))、シュウ酸(COOHCOO(-)(H2O)(n))、NO2(-)(H2O)(n)、NO3(-)(H2O)(n)であると考えられる。これらのイオンの質量分解易動度スペクトルも測定した。スペクトルの解釈はまだ予備的な段階ではあるが、質量分解易動度スペクトル測定はイオン-分子反応の経路の解析に有用な手段となると考えられる。