JP4690641B2

JP4690641B2 - 質量分析計

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Publication number: JP4690641B2
Application number: JP2003202179A
Authority: JP
Inventors: 雄一郎橋本; 崇馬場; 英樹長谷川; 泉和氣
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2003-07-28
Filing date: 2003-07-28
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2023-07-28
Also published as: US6967323B2; JP2005044594A; US20050023452A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、質量分析計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プロテオーム解析などに用いられる質量分析計において、高感度、高質量精度、ＭＳ^ｎ分析などが求められている。従来、これらの分析がどのように行なわれたかについて簡単に説明を行う。
【０００３】
ＭＳ^ｎ分析が可能な高感度質量分析法として、四重極イオントラップ質量分析計がある、四重極イオントラップ質量分析計の基本的な動作原理は周知である（例えば、特許文献１参照（従来技術１））。四重極イオントラップはリング電極および１対のエンドキャップ電極よりなるポールトラップや４本の四重極ロッド電極よりなるリニアトラップ部がある。リング電極または四重極ロッド電極間に周波数１ＭＨｚ程度の高周波電圧を印加することにより、四重極イオントラップ内では、ある質量数以上のイオンが安定条件となり、蓄積することができる。
【０００４】
さらに、ポールトラップにおけるＭＳ^ｎ分析に関する報告がある（特許文献２参照（従来技術２））。この方式では、イオン源で生成したイオンをポールトラップ内に蓄積し、所望の質量を有する前駆イオンを単離する。イオン単離の後、前駆イオンに共鳴する補助的な交流電圧をエンドキャップ電極間に印加する、これによりイオン軌道を拡大させ、イオントラップに満たされたバッファガスと衝突させることによりイオンを解離する。解離生成イオンはリング電圧を掃引し、順次排出して検出する。前駆イオンの分子構造の違いにより、解離生成イオンは特有なスペクトルパターンを示すため、試料分子のより詳細な構造情報を得ることができる。
【０００５】
さらに４本の四重極ロッド電極よりなるリニアトラップ部におけるＭＳ^ｎ分析に関する報告がある（特許文献３参照（従来技術３））。ポールトラップが外部生成イオンのトラッピング効率が２０％以下であるのに対して、リニアトラップ部はトラッピング効率がほぼ１００％という利点がある。この方式では、イオン源で生成したイオンをリニアトラップ部内に蓄積し、所望の質量を有する前駆イオンを単離する。イオン単離の後、前駆イオンに共鳴する補助的な交流電圧を対向する一対の四重極ロッド電極間に印加する。これによりイオン軌道を拡大させ、リニアトラップ部に満たされたバッファガスと衝突させることによりイオンを解離する。解離生成イオンはリング電圧を掃引し、順次排出して検出する。前駆イオンの分子構造の違いにより、解離生成イオンは特有なスペクトルパターンを示すため、試料分子のより詳細な構造情報を得ることができる。従来例２の方式より、外部からのイオン取り込み効率が高いこと、また、スペースチャージの影響を受けにくいことから高感度である。
【０００６】
リニアトラップ部を用いて高質量精度かつＭＳ^ｎ分析を可能とする方式に関する報告がある（特許文献４参照（従来技術４））。この方式では、従来技術３と同様にリニアトラップ部内部でイオン単離やイオン解離を繰り返すことにより、ＭＳ^ｎ分析が可能である。直流電圧をリニアトラップ部前後の電極に印加することにより軸方向にリニアトラップ部から、飛行時間型質量分析部の加速領域へとイオンは導入される。イオン導入方向と加速方向とを直交配置とすることにより、加速方向の位置およびエネルギーの広がりを抑えることが出来る。この結果、従来技術３よりも高質量精度が達成可能となっている。
【０００７】
また、従来技術４の感度を向上させるための報告がある（特許文献５参照（従来例５））。この方式では、リニアトラップ部を２段並べ、１段目および２段目にそれぞれ蓄積、単離、解離の役割を行わせることにより、従来例４より高感度な分析が可能であると主張している。
【０００８】
また、高質量精度かつＭＳ／ＭＳ分析を可能とする方式に関する報告がある（非特許文献１参照（従来技術６））。この方式では、四重極質量分析部で質量選択されたイオンを加速して衝突室に導入する。入射したイオンは衝突室中のバッファガスと衝突し、衝突室内で解離する。衝突室は１〜１０Ｐａ程度のＡｒガスなどが供給され、ここに多重極電極を配置する。解離したイオンは多重極電界とバッファガス衝突により中心軸付近へ収束された後、飛行時間型質量分析部へ導入され検出される。これにより、ＭＳ／ＭＳ分析が可能となる。
【０００９】
また、従来技術６の感度を向上するための方式に関する記述が特許文献６に記載されている。（特許文献６参照（従来技術７））。この方式では飛行時間型質量分析部の加速電圧印加のタイミングに同期して、衝突室出口の電圧を制御することにより、特定質量数範囲のイオンの感度が向上する効果がある。
【００１０】
また、従来技術６の感度を向上させるための方式に関する報告がある（特許文献７参照（従来技術８））。この方式では、四重極ロッドにトラップした特定質量数のイオンを、補助的な交流電圧を用いることにより、軸方向に排出し、衝突室または飛行時間型質量分析部に導入することが可能である。これにより、プリカーサースキャンおよびニュートラルロススキャンのイオン利用効率が上がり、測定モードの感度が大幅に向上する。
【００１１】
【特許文献１】
米国特許第２９３９５２号明細書
【特許文献２】
米国再発行特許発明第３４０００号明細書
【特許文献３】
米国特許第５４２０４２５号明細書
【特許文献４】
米国特許第６０２０５８６号明細書
【特許文献５】
特表２００１−５２６４４７号公報
【特許文献６】
米国特許第６５０７０１９号明細書
【特許文献７】
米国特許第６５０４１４８号明細書
【非特許文献１】
H.R.Morris, et al., Rapid Communication in Mass Spectrometry, 1996, Vol10, p.889.
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術１，２，３の方式では、イオン検出時のバッファガスとの衝突に起因するケミカルマスシフト、イオン同士のクーロン反発に起因するスペースチャージによるマスシフトにより、質量精度は数１０ｐｐｍ〜１００ｐｐｍ程度しか得られず、高い質量精度が必要とされる分野には利用できないという課題がある。
【００１３】
従来技術４，５のリニアトラップ部−飛行時間型質量分析部の連結システムでは、以下の課題がある。リニアトラップ部から飛行時間型質量分析部へのイオン排出時間は、その間、他の測定が中断するため、イオンの利用効率（Duty Cycle）、ひいては感度を低下させる。このようなＤｕｔｙＣｙｃｌｅの低下を避けるためには、リニアトラップ部から飛行時間型質量分析部へのイオン排出時間を低減する必要がある。これにはリニアトラップ部からのイオンの排出電位を大きくする必要がある。大きな排出電位を用いると飛行時間型質量分析部の加速方向のエネルギー広がりが大きくなり、その結果、質量分解能が低下する問題がある。つまり、従来例４，５の方式では感度と分解能が両立しない課題がある。
【００１４】
従来技術６，７，８の方式では、ＭＳ^ｎ（ｎ≧３）分析が不可能であり、高質量分子イオンの同定には不十分である。また、衝突室に入った後、解離したイオンがさらに解離し、これがさらに解離するといったように、イオンの解離が多段に進行し、解離生成イオンから元のイオン構造を予想するのが難しい場合があるという課題がある。
【００１５】
以上のように従来技術では、高感度かつ高質量精度かつＭＳ^ｎ（ｎ≧３）分析が可能な質量分析計は不可能であった。
【００１６】
本発明の目的は、高感度かつ高質量精度かつ、ＭＳ^ｎ（ｎ≧３）分析が可能な質量分析計を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の質量分析計は、イオンを生成するイオン源と、イオンを蓄積、解離するリニアトラップ部と、飛行時間によりイオンの質量分析を行う飛行時間型質量分析部とを具備し、リニアトラップ部から排出されたイオンが飛行時間型質量分析部に導入される際の運動エネルギーを低減し、連続化するための衝突ダンピング部を設ける。衝突ダンピング部には、バッファガスを導入し、内部にイオンをガイドし、収束する多重極電場を生成する複数の電極を配置する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１は、本発明を適用した大気圧イオン化四重極リニアトラップ部飛行時間型質量分析計の構成を中央部で断面にした状態で示す概念図である。
【００１９】
１は大気圧イオン源であり、例えば、エレクトロスプレーイオン源、大気圧化学イオン源、大気圧光イオン源、あるいは、大気圧マトリックス支援レーザー脱離イオン源である。大気圧イオン源１で生成されたイオンは細孔２を通り、ロータリーポンプ３で排気された第１差動排気部１００へと導入される。第１差動排気部１００の圧力は１００〜５００Ｐａ程度である。
【００２０】
その後、イオンは、細孔４を通り、ターボ分子ポンプ５で排気された第２差動排気部２００へと導入される。ここは０．３〜３Ｐａ程度の圧力に維持されており、オクタポールやクアドロポールなどの多重極電極６が配置されている。この多重極電極には交互に位相を反転させた周波数１ＭＨｚ程度、電圧振幅数１００Ｖの高周波電圧が印加されており、この中でイオンは軸中心付近へ収束されるため、高い透過効率でイオンを輸送できる。
【００２１】
オクタポールなどの多重極電極６で収束されたイオンは細孔７を通過し、第３差動排気部３００に導入される。ゲート電極１７、入口側エンドキャップ電極４０の細孔を通り入口側エンドキャップ電極４０、出口側エンドキャップ電極４２、およびロッド電極１６ａ，１６ｂにより形成されたリニアトラップ部３１０に導入される。ロッド電極１６は、図では２本しか示されていないが、４重極リニアトラップ部である場合には、図２示すように、ロッド電極１６ｃ，１６ｄが備えられる。ロッド電極１６は双曲面ロッドまたはそれを近似した丸棒ロッド、または平板、角棒など様々な形状がある。
【００２２】
図２は４重極リニアイオントラップのロッド電極１６への電圧印加方法（公知技術）の概要を説明するための図である。ロッド電極用電源３５はトラッピング用電源５６と補助交流電圧用電源５７より構成する。トラッピング用電源５６はロッド電極１６の交互に位相の反転した周波数１ＭＨｚ、振幅０〜数ｋＶの高周波電圧を印加する。また、補助交流電源５７は、向かい合った一対のロッド電極間（１６ａ、１６ｃ間）に周波数１〜５００ｋＨｚ、振幅０〜数１０Ｖの高周波電圧を印加する。向かい合った一対のロッド電極間に印加される電圧には、直流のオフセット電圧を加えることが可能である。
【００２３】
第３差動排気部３００は、ターボ分子ポンプ８が連続運転されて、所定の真空度が維持されており、この中にリニアトラップ部３１０および衝突ダンピング部３２０が配置される。リニアトラップ部３１０は絶縁スペーサー４１により第３差動排気部３００とは遮蔽される。リニアトラップ部３１０内には、ボンベ６０から、開閉弁６１および制御弁６２を介してバッファガス（ヘリウム（Ｈｅ）やアルゴン（Ａｒ）など）が供給される。供給されるバッファガスの流量はフローコントローラー１９により制御弁６２を操作して制御される。リニアトラップ部３１０内部の圧力は一定に保たれている（Ｈｅの場合：０．０３〜０．３Ｐａ、Ａｒの場合：０．００５〜０．０５Ｐａ）。リニアトラップ部３１０内部のバッファガス圧力が高いほどトラッピング効率は高い。一方、バッファガス圧力が高すぎると、前駆イオン単離の際に質量分解能が低下することから、ＨｅやＡｒを用いた場合は、上記の圧力がリニアトラップ部圧力として最適である。イオンは当該リニアトラップ部３１０において、後述する方式により、イオン単離、イオン解離等の諸操作が行われ、ＭＳ^ｎ分析が可能である。
【００２４】
リニアトラップ部３１０内部でこれらの諸動作が行われた後、イオンは出口側エンドキャップ電極４２の細孔、イオンストップ電極１８の細孔および衝突ダンピング部３２０の入口電極１５の細孔を通過し、衝突ダンピング部３２０へと排出される。衝突ダンピング部３２０も、また、絶縁スペーサー２１により第３差動排気部３００とは遮蔽される。衝突ダンピング部３２０には、長さ０．０２〜０．２ｍ程度のオクタポール、ヘキサポールやクアドロポールなどの多重極電極２０が配置されている。これらの多重極電極２０は、リニアトラップ部から導入されたイオンをガイドし、収束する機能を持つ。多重極電極２０としては、低い振幅電圧でビーム幅を最も小さく絞ることのできるクアドロポール電極が一番有利である。また、衝突ダンピング部３２０にも、ボンベ６０から、開閉弁６１および制御弁６３を介してバッファガス（ヘリウム（Ｈｅ）やアルゴン（Ａｒ）など）が供給される。供給されるバッファガスの流量はフローコントローラー１９により制御弁６３を操作して制御される。導入されたバッファガスはイオンの運動エネルギーを低減し、イオンビームの流れを連続化する機能を持つ。
【００２５】
衝突ダンピング部３２０と飛行時間型質量分析部４００との間の細孔３０は、飛行時間型質量分析部４００での真空度を維持するため、０．３〜０．８ｍｍφ程度の小孔が用いられる。なお、他の細孔２，４，７および各電極の細孔はそれほど厳密に管理されるものである必要は無く、例えば、２ｍｍφ程度で良い。
【００２６】
衝突ダンピング部３２０から排出されたイオンは、デフレクター２２、収束レンズ２３などにより、位置、エネルギーを偏向、収束され、イオン進行方向４３のように進行し、押し出し電極２５および引き出し電極２６よりなる加速部４１０へ導入される。加速部４１０に導入されたイオンは、押し出し電極２５および引き出し電極２６に１〜１０ｋＨｚ程度の周期で電圧印加を行うことにより直交方向へ加速が行われる。イオンの加速部４１０への入射エネルギーと電極による加速によって得られるエネルギーにより、イオンの進行方向４４は元のイオンの進行方向４３に対し、７０〜９０°程度に偏向される。進行方向４４の方向に加速されたイオンは、リフレクトロン２７で折り返された後、イオン進行方向４５のようにマルチチャンネルプレート（ＭＣＰ）などからなる検出器２８に到達し検出される。イオンは質量により飛行時間が異なるため、飛行時間と信号強度から質量スペクトルがコントローラー３１に記録される。２９はターボ分子ポンプであり、飛行時間型質量分析部４００での真空度を維持するため、連続運転される。
【００２７】
ここで、ロッド電極１６に印加する電圧の電源３５、エンドキャップ電極４０および４２に印加する電圧の電源３８、押し出し電極２５および引き出し電極２６に印加する加速電圧供給電源３４、ゲート電極１７に印加する電圧の電源３６およびイオンストップ電極１８に印加する電圧の電源３７に印加する電圧はコントローラー３１により制御される。
【００２８】
以下、従来技術４あるいは５で不可能であった高感度、高質量精度、広ダイナミックレンジが、本発明により同時に実現可能である理由を説明する。
【００２９】
図３（Ａ）は本発明におけるリニアトラップ部３１０における質量数１００００のイオンに対するイオン軌道シミュレーション結果を示す図である。ロッド電極１６のオフセット電圧（図２に示すＶ_{ｏｆｆｓｅｔ}）を０Ｖ、入口側エンドキャップ電極４０の電圧を２５Ｖ、出口側エンドキャップ電極４２の電圧を−２５Ｖに設定した。図に示すように、リニアトラップ部３１０の中心部にトラップされたイオンが出口側エンドキャップ電極４２の方に流れてくる様子が観察される。図３（Ｂ）は、図１の飛行時間型質量分析部４００内に表示した座標軸のｚ方向座標でのリニアトラップ部３１０内のイオンの位置の時間変化を示す図である。時刻０では、すべてのイオンがリニアトラップ部３１０の中心部に集まっているが、時間とともに、出口側エンドキャップ電極４２の方に流れて来て、ほぼ５．５ｍｓから１０ｍｓ程度で、全てのイオンが排出されている。ここで、排出時間にばらつきがあるのは、イオンの初期位置および初期速度がばらついていることによる。なお、図３（Ａ），（Ｂ）に示す特性は、従来のリニアトラップ部においても同じである。
【００３０】
図４は、入口側エンドキャップ電極４０とロッド電極１６のオフセット間の電位差を排出電圧と定義し、また、出口側エンドキャップ電極４２とロッド電極１６間との電位差が排出電圧と等しいと仮定した条件での排出電圧に対するリニアトラップ部３１０から飛行時間型質量分析部４００への９０％イオン排出時間を示す図である。排出電圧が大きいほど排出時間は短くなる。リニアトラップ部３１０内のイオン排出中は他の測定が行えないため、イオン排出時間が短いほうがＤｕｔｙＣｙｃｌｅは高くなる。
【００３１】
図５は、同じ条件で、イオンがリニアトラップ部３１０から飛行時間型質量分析部４００へ排出されたときの、排出電圧に対する飛行時間型質量分析部４００でのｘ軸方向（図１に示した座標軸参照）のエネルギー広がりの標準偏差を示す図である。従来技術による標準偏差は菱形で示すように、排出電圧が５Ｖを超えると急速にエネルギー広がりが大きくなる。これに対し、本発明では黒の四角で示すように、排出電圧が５０Ｖ程度と大きくなってもエネルギー広がりはほとんど変わらない。従来技術では、リニアトラップ部３１０と飛行時間型質量分析部４００が直結する。そのため、飛行時間型質量分析部４００に導入されたイオンは、排出電圧を上げると、飛行時間型質量分析部４００内でのエネルギー広がりが大きくなる。これに対して、本発明では、バッファガスによって運動エネルギーが低減され、流れが連続化されたイオンが衝突ダンピング部３２０を介して飛行時間型質量分析部４００へ導入されるから、エネルギー広がりはほとんど変わらない。リニアトラップ部３１０から排出されたイオンの加速方向（ｘ方向）の運動エネルギーの広がりは、飛行時間型質量分析部４００の質量分解能に悪影響を与える。つまり、従来方式ではＤｕｔｙＣｙｃｌｅと質量分解能を両立させることは出来ない。一方、本発明では、衝突ダンピング部３２０の効果により、リニアトラップ部３１０の排出電圧に依らず飛行時間型質量分析部でのエネルギー広がりはほぼ一定である。このため、イオンを、高い排出電圧を用いてリニアトラップ部３１０から衝突ダンピング部３２０を介して飛行時間型質量分析部４００へと短時間で輸送することにより、高Ｄｕｔｙかつ高質量精度の分析が可能である。
【００３２】
また、飛行時間型質量分析部４００のシグナル検出には広くＴＤＣ（Time-to-Digital Converter）が用いられている。この場合、飛行時間型質量分析部４００の加速部に複数の同一質量数のイオンが到達すると数え落としが発生する。イオン蓄積、単離、解離の一連の操作が２０ｍｓ、飛行時間型質量分析部測定が２ｋＨｚで、ＴＤＣを用いた場合のダイナミックレンジを図６に示す。従来技術では、長い排出時間を用いないとダイナミックレンジは確保できない。さらに、排出時間を短くすると感度は低下する。本発明では後述する衝突ダンピング部３２０の効果によりイオンビームが連続化できるため、排出時間を短くしても広いダイナミックレンジの測定が可能であり、同時に感度も維持される。ＴＤＣの例を示したがＡＤＣ（Analog-to-Digital Converter）を用いた場合でのこの効果は同様である。
【００３３】
以下、衝突ダンピング部３２０の効果について、さらに、説明する。先にも述べたように、衝突ダンピング部３２０は、リニアトラップ部３１０と同様に、ターボ分子ポンプ８が連続運転されて所定の真空度が維持される第３差動排気部３００に配置され、且つ、絶縁スペーサー２１により第３差動排気部３００とは遮蔽される。それと同時に、ボンベ６０、開閉弁６１、制御弁６３およびフローコントローラー１９によりバッファガスＨｅやＡｒなどが供給され、衝突ダンピング部３２０の圧力は一定に保たれている。
【００３４】
図７に、衝突ダンピング部３２０の多重極電極２０にクアドロポールを用いた場合の衝突ダンピング部３２０の透過効率を示す。横軸にダンピングのパラメータとして一般的に用いられる圧力と長さの積を示す。このときの衝突ダンピング部３２０の長さは０．０８ｍ、衝突ダンピング部３２０と飛行時間型質量分析部４００との間の細孔３０は０．４ｍｍφであった。衝突ダンピング部３２０の長さと圧力が、バッファガスがＨｅであれば０．２Ｐａ・ｍ〜５Ｐａ・ｍ、バッファガスがＡｒであれば０．０７Ｐａ・ｍ〜２Ｐａ・ｍとすることで高透過率が得られることが図７により分かる。
【００３５】
図８（Ａ）は、バッファガスとしてＨｅを使用した場合の衝突ダンピング部３２０の終端でのイオンのｒ方向（図１に示した座標軸参照）のビーム径を長さ×圧力をパラメータとして示す図、（Ｂ）および（Ｃ）は、同じく、ｒ方向およびｚ方向（図１に示した座標軸参照）の運動エネルギーを長さ×圧力をパラメータとして示す図である。シミュレーションでは、０．３Ｐａ・ｍを超えるとビーム径が収束し、また運動エネルギーも小さくなる。ダンピングが小さすぎる（Ｈｅの場合、０．２Ｐａ・ｍ以下）とイオンは十分に減速されず、後部の細孔３０（０．４ｍｍφ）を通過できないことから、感度が低下したり、加速方向（ｘ方向）の運動エネルギーが大きいことから分解能が低下したりする問題がある。また、ダンピングが大きすぎると衝突ダンピング室のイオン滞在時間が長くなり、そこでの反応や散乱によりイオンの透過率は低下してしまうと推測される。
【００３６】
以上、図７、８の説明から、衝突ダンピング室の長さと圧力が、バッファガスがＨｅであれば０．２Ｐａ・ｍ〜５Ｐａ・ｍ、バッファガスがＡｒであれば０．０７Ｐａ・ｍ〜２Ｐａ・ｍが高透過率であるといえる。なお、上述した圧力最適化の実施例ではＨｅ、およびＡｒのみが試みられているが、ガス衝突の効果はガスの平均分子量に依存するため、窒素Ｎ_２（分子量３２）および空気Ａｉｒ（平均分子量３２．８）の場合は、ほぼＡｒ（分子量４０）にほぼ等しいと考えられる。なお、これらの混合気体を用いることも可能である。バッファガスとしては、反応性が低いＨｅ、Ａｒが適している。
【００３７】
図９は、リニアトラップ部３１０からイオンが排出され衝突ダンピング部３２０を介して飛行時間型質量分析部４００に導入される排出イオンの測定結果を示す図である。図は、サンプルとして、レセルピン／メタノール溶液を分析した結果である。０．５ｍｓ付近をピークとして、０．１〜数ｍｓまでイオンは排出される。衝突ダンピング部３２０のこのような特性から、リニアトラップ部３１０からイオンが排出されるとき以外は、不要イオンの衝突ダンピング部３２０への進入を阻止することが有効であり、このためには、例えば、イオンストップ電極１８に、イオン排出時以外は正極性の数１０〜数１００Ｖの電圧（正イオン測定時）を印加するのが良い。
【００３８】
図１０は、本発明を用いてＭＳ／ＭＳ測定を行う場合の測定シーケンスを示す図である。測定シーケンスの動作には蓄積、単離、解離および排出の４つのタイミングがある。ロッド電極１６用電源３５（補助交流電源５７およびトラッピング電源５６よりなる）、エンドキャップ電極４０用電源３８、加速電圧（電極２５−２６間の電圧）供給電源３４およびゲート電極１７用電源３６、イオンストップ電極１８用電源３７に印加する電圧はコントローラー３１により制御する。また、検出器２８により検出されるイオン強度がコントローラー３１に送られ質量スペクトルデータとして記録される。
【００３９】
以下、正イオンの場合の電圧印加方法について説明する。なお、負イオンの場合は逆極性の電圧を印加すれば良い。通常の質量スペクトル（ＭＳ^１）を得るには、上記説明した測定シーケンスの中で蓄積（イオン取り込み）、単離、解離、排出（イオン排出）を、図に示す手順とおりに行えばよい。ＭＳ^ｎ（ｎ≧３）測定の場合には単離、解離のプロセスをＭＳ／ＭＳ測定シーケンスの解離と排出の間に繰り返せば良い。
【００４０】
イオン蓄積時にはロッド電極用電源３５により生成する交流電圧（周波数１ＭＨｚ程度、振幅０〜１０ｋＶ）がロッド電極１６に印加される。この間、イオン源１で生成され、各部分を通過したイオンはリニアトラップ部３１０内にため込まれていく。イオンと蓄積時間の典型的な値は１ｍｓ〜１００ｍｓ程度である。蓄積時間が長すぎるとリニアトラップ部３１０内でのイオンのスペースチャージと呼ばれる現象から電界が乱れるため、これに至る前に蓄積を終了する。蓄積時、ゲート電極１７に負の電圧を印加し、イオンが通過可能な状態とする。一方、イオンストップ電極１８には数１０Ｖ〜数１００Ｖの正の電圧を印加してリニアトラップ部３１０内に導入されたイオンが衝突ダンピング部３２０へ流れないようにする。
【００４１】
次に、所望の前駆イオンの単離が行なわれる。例えば一対のロッド電極間（１６ａ、１６ｃ間）に所望イオンの共鳴周波数を除いた高周波成分を重畳した電圧を印加することにより、それ以外のイオンを外部に排出して特定イオン質量範囲のイオンのみをトラップ内に残留させることができる。この外にもイオン単離の方式は様々であるが、ある質量範囲の前駆イオンのみをリニアトラップ部３１０内に残留させる目的においては同じである。イオン単離に要する典型的な時間は１ｍｓ〜１０ｍｓ程度である。このときも、イオンストップ電極１８には数１０Ｖ〜数１０００Ｖの正の電圧を印加して、イオンが衝突ダンピング部３２０へ流れないようにする。
【００４２】
次に単離された前駆イオンの解離が行なわれる。前駆イオンに共鳴する補助交流電圧を例えば一対のロッド電極間（１６ａ、１６ｃ間）に印加することにより、前駆イオンの軌道が広がる。これによりイオンの内部温度は上昇し、最終的に解離する。イオン解離に要する典型的な時間は１ｍｓ〜３０ｍｓである。このときも、イオンストップ電極１８には数１０Ｖ〜数１００Ｖの正の電圧を印加してリニアトラップ部３１０内のイオンが衝突ダンピング部３２０へ流れないようにする。
【００４３】
最後にイオン排出が行なわれる。イオン排出はリニアトラップ部３１０内でｚ方向に電界がかかるように直流電圧を入口側エンドキャップ電極４０およびロッド電極１６、出口側エンドキャップ電極４２に印加する。リニアトラップ部３１０からの排出に要する典型的な時間は０．１ｍｓ〜２ｍｓである。リニアトラップ部３１０内から排出されたイオンは２ｍｓ以内にすべて衝突ダンピング部３２０へ導入される。衝突ダンピング部３２０の後部では、数〜数１０ｍｓのイオン広がりを持ってイオンは排出される。イオンストップ電極１８には、−３００〜０Ｖの電圧が印加され、リニアトラップ部３１０からのイオン排出時には排出されたイオンが衝突ダンピング部３２０の入口電極１５の細孔に効率的に入射されるように電圧を印加する。
【００４４】
先にも述べたように、イオン排出時以外にはイオンストップ電極１８には数１０Ｖ〜数１００Ｖの正の電圧を印加して、リニアトラップ部３１０からのイオンが衝突ダンピング部３２０へ流れないようにする。何故なら、それを行わない場合には、蓄積時、単離時、解離時などに排出される本来測定されるべきでは無いノイズイオンが衝突ダンピング部３２０に導入される。それらのノイズイオンは、図９の結果からわかるように、レセルピンイオンと同様、数ｍｓ程度衝突ダンピング部３２０に滞在すると考えられるため、測定されるべきイオンと測定されるべきでは無いイオンとが混合されてしまい、ノイズの大きい質量スペクトルを結果として与えることとなる。これを避けるためには、排出前にノイズイオンが排出されるまでの待ち時間を設定する必要がある。この待ち時間は単位時間あたりの測定繰り返し回数（Duty Cycle）を低下させ、ひいては感度を低下させる原因となる。イオンストップ電極１８の電圧を、イオン排出時にはイオンを通過する電圧に、それ以外ではイオンを通過しない電圧に設定することにより、待ち時間の設定が不要になり、ＤｕｔｙＣｙｃｌｅの低下を防ぐことができる。
【００４５】
本発明では、リニアトラップ部３１０は衝突ダンピング部３２０から飛行時間型質量分析部４００への排出の完了を待たずに次の蓄積を開始することができる。すなわち、リニアトラップ部３１０は、衝突ダンピング部３２０にイオンを移した後は、リニアトラップ部３１０が衝突ダンピング部３２０と機能的に分離されるから、新しい測定試料のイオンを導入して良い。
【００４６】
衝突ダンピング部３２０から排出され、飛行時間型質量分析部４００に導入されたイオンは、リニアトラップ部３１０の動作と同期しない１〜１０ｋＨｚ程度で動作する加速部４１０により加速が行われ、検出器２８で検出される。検出された信号は、コントローラー３１に質量スペクトルとして記録される。イオンストップ電極１８の働きにより、検出されたイオンは、実質上、すべて、上記ＭＳ／ＭＳの結果として生成した解離生成イオンである。
【００４７】
図１１は、本発明を実施した質量分析計において得られたレセルピン／メタノール溶液のＭＳ^ｎ分析結果を示す図である。図１１（Ａ）は通常のＭＳ^１分析による測定結果の質量スペクトルを示す図である。レセルピンイオン（６０９ａｍｕ）の他、何本かのノイズイオンのピークが確認できる。図１１（Ｂ）はレセルピンイオン（６０９ａｍｕ）を単離した後のＭＳ^１分析による測定結果の質量スペクトルを示す図である。レセルピンイオン以外のイオンがリニアトラップ部３１０の外へ排出され、飛行時間型質量分析部４００に導入されないから、ノイズはほとんど表れていない。図１１（Ｃ）はレセルピンイオンから解離したイオンのＭＳ^２分析による測定結果の質量スペクトルを示す図である。３９７ａｍｕおよび４４８ａｍｕのイオンの他いくつかの解離生成イオンが検出されている。図１１（Ｄ）はフラグメントイオンのうち４４８ａｍｕのイオンを単離後のＭＳ^１分析による測定結果の質量スペクトルを示す図である。４４８ａｍｕのイオン以外はトラップの外へ排出されている。図１１（Ｅ）は、４４８ａｍｕのイオンを解離した後のＭＳ^３分析による測定結果の質量スペクトルを示す図である。フラグメントイオンである１９６ａｍｕおよび２３６ａｍｕのイオンが見られる。図示しないが、これらのイオンを更に単離、分解することも可能である。このような高度なＭＳ^ｎ分析により、通常の質量分析やＭＳ／ＭＳ分析では得られなかった試料イオンのより詳細な構造情報が得られ、高精度な分析が可能となる。なお、レセルピンイオンに関して、質量分解能５０００以上、質量精度１０ｐｐｍ以内を達成した。
【００４８】
上述したように、イオンストップ電極１８の電圧を、イオン排出時にはイオンを通過する電圧に、それ以外ではイオンを通過しない電圧に設定することにより、待ち時間の設定が不要になり、ＤｕｔｙＣｙｃｌｅの低下を防ぐことができるが、これと同様の効果は、他の構成によっても実現できる。例えば、リニアトラップ部３１０のロッド電極１６のオフセット電圧を変化させることにより、ほぼ同様の効果を得ることも可能である。すなわち、図１０に示すシーケンスの蓄積、単離、解離および排出の４つのタイミングの内、蓄積、単離および解離時にはロッド電極１６のオフセット電圧を衝突ダンピング部３２０の多重極電極２０の電圧よりも低めに設定し（正イオン測定時）、リニアトラップ部３１０から衝突ダンピング部３２０へのイオン入射が起こらないようにする。また、排出時はリニアトラップのロッド電極１６のオフセット電圧を衝突ダンピング部３２０の多重極電極２０の電圧よりも高めに設定し（正イオン測定時）、イオンが入射されるようにする。イオンストップ電極１８による制御の方が、簡便であるため、上述の実施例では、イオンストップ電極１８によるリニアトラップ部３１０と衝突ダンピング部３２０間のイオンの開閉操作として説明した。
【００４９】
（実施例２）
図１２は、本発明を適用したマトリックス支援レーザーイオン化四重極リニアトラップ部飛行時間型質量分析計を中央部で断面にした状態で示す概念図である。図１と対比して容易に分かるように、実施例１では、サンプルのイオン化が大気圧の下で行われて質量分析計に導入されたのに対して、実施例２では、サンプルのイオン化が、０．０５〜５Ｐａ程度の真空度のイオン化室５０により行なわれる点において異なる。イオン化室５０はターボ分子ポンプ５で排気されて、０．０５〜５Ｐａ程度の真空度に維持される。イオン化室５０には、サンプルプレート５３が配置される。サンプルプレート５３は、イオン化するサンプルを溶液化したサンプル溶液とマトリックス溶液と混合、滴下して乾燥させたサンプル面を有する。イオン化室５０には、細孔５６および５７が設けられる。細孔５６を挟んで大気側にレーザー源５１が設けられ、イオン化室５０内に反射ミラー５２が設けられる。また、細孔５７を挟んで大気側にＣＣＤカメラ５５が設けられ、イオン化室５０内に反射ミラー５４が設けられる。レーザー源５１およびＣＣＤカメラ５５は、ともに、サンプルプレート５３のサンプル面に対して焦点が合わされる。例えば、窒素レーザーなどのレーザー源５１から、反射ミラー５２を介して、サンプルプレート５３のサンプル面に対してイオン化用レーザーが照射される。レーザーの照射位置が正しいかどうかは、反射ミラー５４を介して、サンプルプレート５３のサンプル面をＣＣＤカメラ５５でモニターして確認する。図には示さなかったが、サンプルプレート５３の上下、左右の位置等の調整手段が設けられ、サンプルプレート５３のサンプル面に対してイオン化用レーザーが照射されるように調整される。レーザーの照射により生成されたイオンは多重極電極６によりリニアトラップ部３１０へ輸送される。第３差動排気部３００にイオンが導入された後の処理は、実施例１と同じである。
【００５０】
（その他の実施例）
また、ＳＥＬＤＩやＤＩＯＳなど他のレーザーイオン源を用いた場合でも本発明は同様に活用できる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、１回の測定で広い質量数範囲を測定でき高感度かつ高質量精度かつＭＳ^ｎ分析が可能な質量分析計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した大気圧イオン化四重極リニアトラップ部飛行時間型質量分析計の構成を中央部で断面にした状態で示す概念図。
【図２】４重極リニアイオントラップのロッド電極１６への電圧印加方法（公知技術）の概要を説明するための図。
【図３】（Ａ）は本発明および従来技術におけるリニアトラップ部における質量数１００００のイオンに対するイオン軌道シミュレーション結果を示す図、（Ｂ）は図１の飛行時間型質量分析部内に表示した座標軸のｚ方向座標でのイオンの位置の時間変化を示す図。
【図４】入口側エンドキャップ電極とロッド電極のオフセット間の電位差を排出電圧と定義した場合の排出電圧に対するリニアトラップ部内のイオン排出時間を示す図。
【図５】飛行時間型質量分析部のｘ軸方向の排出電圧に対するエネルギー広がりの標準偏差を従来方式と本発明とを対比して示す図。
【図６】飛行時間型質量分析部のシグナル検出にＴＤＣを用いた場合の排出時間に対するダイナミックレンジを従来方式と本発明とを対比して示す図。
【図７】衝突ダンピング部３２０のバッファガスをヘリウム（Ｈｅ）またはアルゴン（Ａｒ）とした場合の多重極電極にクアドロポールを用いた場合の衝突ダンピング部の透過効率を示す図。
【図８】（Ａ）は、バッファガスとしてＨｅを使用した場合の衝突ダンピング部終端でのイオンのｒ方向（図１に示した座標軸参照）のビーム径を長さ×圧力をパラメータとして示す図、（Ｂ）および（Ｃ）は、同じく、ｒ方向およびｚ方向（図１に示した座標軸参照）の運動エネルギーを長さ×圧力をパラメータとして示す図。
【図９】リニアトラップ部３１０からイオンが排出され衝突ダンピング部３２０を介して飛行時間型質量分析部４００に導入される排出イオンの測定結果を示す図。
【図１０】本発明を用いてＭＳ／ＭＳ測定を行う場合の測定シーケンスを示す図。
【図１１】（Ａ）は通常のＭＳ^１分析による測定結果の質量スペクトルを示す図、（Ｂ）はレセルピンイオン（６０９ａｍｕ）を単離した後のＭＳ^１分析による測定結果の質量スペクトルを示す図、（Ｃ）はレセルピンイオンから解離したイオンのＭＳ^２分析による測定結果の質量スペクトルを示す図、（Ｄ）はフラグメントイオンのうち４４８ａｍｕのイオンを単離後のＭＳ^１分析による測定結果の質量スペクトルを示す図、（Ｅ）は４４８ａｍｕのイオンを解離した後のＭＳ^３分析による測定結果の質量スペクトルを示す図。
【図１２】本発明を適用したマトリックス支援レーザーイオン化四重極リニアトラップ部飛行時間型質量分析計を中央部で断面にした状態で示す概念図。
【符号の説明】
１…大気圧イオン源、２…細孔、３…ロータリーポンプ、４…細孔、５…ターボ分子ポンプ、６…多重極電極、７…細孔、８…ターボ分子ポンプ、９…ゲート電極、１３…四重極ロッド電極、１５…衝突ダンピング部入口電極、１８…イオンストップ電極、１９…バッファガス供給機構、２０…多重極電極、２１…スペーサー、２２…デフレクター、２３…収束レンズ、２５…押し出し電極、２６…引き出し電極、２７…リフレクトロン、２８…検出器、２９…ターボ分子ポンプ、３０…細孔、３１…コントローラー、３４…加速電圧電源、３５…ロッド電極用電源、３６…ゲート電極用電源、３７…イオンストップ電極用電源、４０…入口側エンドキャップ電極、４１…絶縁スペーサー、４２…出口側エンドキャップ電極、４３…イオン進行方向、４４…イオン進行方向、４５…イオン進行方向、５０…マトリックス支援レーザーイオン源、５１…イオン化用レーザー、５２…反射ミラー、５３…サンプルプレート、５４…反射ミラー、５５…ＣＣＤカメラ、５６…トラッピング用電源、５７…補助交流電源、６０…ボンベ、６１…バルブ、１００…第１差動排気部、２００…第２差動排気部、３００…第３差動排気部、３１０…リニアトラップ部、３２０…衝突ダンピング部、４００…飛行時間型質量分析部、４１０…加速部。

Claims

イオンを生成するイオン源と、
前記イオン源が生成するイオンを蓄積、解離を行う四重極リニアトラップ部と、
該四重極リニアトラップ部から導入されるイオンの飛行時間により当該イオンの質量分析を行なう飛行時間型質量分析部と、
前記リニアトラップ部と前記飛行時間型質量分析部との間に配置され内部に多重極電場を生成する複数の電極を具備する衝突ダンピング部と、
前記リニアトラップ部から前記衝突ダンピング部へのイオンの移動を制御する電極とを有し、
前記リニアトラップ部および前記衝突ダンピング部にバッファガスが導入され、
該イオンの移動を制御する電極の電圧は、前記リニアトラップ部からのイオン排出時にはイオンを通過する電圧に、それ以外ではイオンを通過しない電圧に設定されることを特徴とする質量分析計。
前記衝突ダンピング部に導入されるバッファガスがヘリウムであり、前記衝突ダンピング部の圧力と長さの積が０．２Ｐａ・ｍ〜５Ｐａ・ｍである請求項１に記載の質量分析計。
前記衝突ダンピング部に導入されるバッファガスがアルゴン、空気、窒素またはそれらの混合気体であり、前記衝突ダンピング部の圧力と長さの積が０．０７Ｐａ・ｍ〜２Ｐａ・ｍである請求項１に記載の質量分析計。
前記衝突ダンピング部の内部に多重極電場を生成する複数の電極が、４本、または６本、または８本のロッドよりなり、前記各ロッドに交互に高周波電圧を印加する請求項１に記載の質量分析計。
前記リニアトラップ部および前記衝突ダンピング部へのバッファガスが独立して制御される制御弁を介して供給される請求項１に記載の質量分析計。
前記イオン源が大気圧に配置されている請求項１に記載の質量分析計。
前記イオン源がレーザーイオン化イオン源であり、所定の減圧下にある請求項１に記載の質量分析計。
前記四重極リニアトラップ部が４本のロッド電極よりなり、交互にトラッピングＲＦ電圧が印加される請求項１に記載の質量分析計。