CN101814415B - 质量分析装置以及质量分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种质量分析装置以及质量分析方法，实现排出效率高、质量分辨率高且排出能量低的线性阱，在导入由离子源生成的离子且具备具有入口、出口且施加有高频电压的四极杆电极的质量分析计中，利用在四极电场的中心轴上形成的阱电势来囚禁至少该离子的一部分，使囚禁的该离子的一部分向邻接的上述四极杆的中间方向振动，利用引出电场排出所振动的该离子，对所排出的该离子进行检测或导入其他检测处理。

Description

质量分析装置以及质量分析方法

本申请是申请号为“200680040945.X”、申请日为2006年3月8日、发明名称为“质量分析计以及质量分析方法”的专利申请的分案申请。

本申请主张2005年10月31日申请的日本专利申请第2005-315625号的优先权，其内容通过参照引入到本申请中。

技术领域

本发明涉及一种质量分析计及其动作方法。

背景技术

线性阱可以在内部进行MSⁿ分析，广泛用于蛋白质组解析等中。以下，说明在以往如何进行线性阱中囚禁的离子的质量选择性离子排出。

作为线性阱中的质量选择性离子排出的例子，记载于专利文献1中。在将从轴向入射的离子积蓄到线性阱内之后，根据需要进行离子选择或离子离解。之后，可以对对置的一对四极杆电极之间施加辅助交流电场，向径向激励特定离子。通过扫描囚禁RF电压，质量选择性地向径向排出离子。将由径向的四极电场形成的调和伪电势用于质量分离，故质量分辨率高。

另外，作为线性阱中的质量选择性离子排出的例子，记载于专利文献2中。在积蓄了从轴向入射的离子之后，根据需要进行离子选择或离子离解。之后，对对置的一对四极杆电极间施加辅助交流电压等，而在径向上对离子进行激励。在径向上被激励的离子由于在四极杆电极和终端电极之间产生的弥散场(fringing field)而向轴向排出离子。对辅助交流电压的频率或囚禁RF电压的振幅值进行扫描。将由径向的四极电场形成的调和伪电势用于质量分离，故质量分辨率高。在轴上附近RF电压的影响低且排出能量小。

另外，作为线性阱中的质量选择性离子排出的例子，记载于专利文献3中。进行从轴向入射的离子的积蓄。在四极杆电极间插入有叶片电极，利用叶片电极和四极杆电极间的DC偏置在线性阱轴上形成有调和电势。之后，通过对叶片电极间施加辅助交流电压而在轴向上质量选择性地进行离子排出。对DC偏置或辅助交流电压的频率进行扫描。在轴上附近RF电压的影响低且排出能量小。

在专利文献4中，记载有配置上述专利文献2中记载的线性阱、之后配置碰撞离解室以及飞行时间型质量分析计的方法。原理上，母离子扫描或中性丢失扫描的占空比(duty cycle)大幅提高。

在专利文献5中，记载有串联地配置多个上述专利文献3中记载的线性阱来提高离子的占空比的方法。由于使用离子的积蓄、离析和离解不同的线性阱来并行地进行，所以原理上占空比大幅提高。

专利文献1：美国专利5420425

专利文献2：美国专利6177668

专利文献3：美国专利5783824

专利文献4：美国专利6504148

专利文献5：美国专利6483109

发明内容

本发明的课题在于提供一种排出效率高、质量分辨率高且排出能量低的线性阱。如果可以实现满足上述性能的线性阱，则还可以如专利文献4、专利文献5等中记载的那样大幅提高占空比。

在专利文献1的情况下，离子在径向上被排出。由于对四极杆电极施加的kV级的电压在排出时被施加，所以排出能量宽度为几百eV以上，在使离子会聚并使用其他线性阱来进行囚禁时，发生大量的离子丢失。

在专利文献2的情况下，离子在轴向上被排出。在离子排出时造成离子与四极杆电极碰撞，存在排出效率低到20％以下的问题。

在专利文献3的情况下，在质量分离中使用由DC电势形成的调和电势，存在与专利文献1、专利文献2的情况相比质量分辨率低的问题。

在专利文献4、专利文献5等专利中，记载有以排出效率高、质量分辨率高且排出能量低的线性阱为前提的占空比提高方法，但关于满足上述性能的线性阱的结构，不存在可以实现的具体的记述，并且，到目前为止还没有实现这些的公知信息。

本发明的课题在于提供一种排出效率高、质量分辨率高且排出能量低的线性阱。

本发明的质量分析计以及质量分析方法使用导入由离子源生成的离子且具备四极杆电极的质量分析计，该四极杆电极具有入口、出口且施加有高频电压，

1)利用在四极电场的中心轴上形成的阱电势来囚禁至少该离子的一部分，

2)使所囚禁的该离子的一部分向邻接的四极杆的中间方向振动，

3)利用引出电场向四极杆的中心轴方向排出被振动的该离子，

4)对所排出的该离子进行检测或导入到其他检测处理。

根据本发明，可以实现排出效率高、质量分辨率高且排出能量低的线性阱。

本发明的其他目的、特征以及优点通过与附图相关的以下的本发明的实施例的记载将更加明确。

附图说明

图1A是本方式的实施例1。

图1B是沿图1A的箭头1B方向观察的剖面图。

图1C是沿图1A的箭头1C方向观察的剖面图。

图1D是沿图1B的箭头1D方向观察的剖面图。

图1E是沿图1C的箭头1E方向观察的剖面图。

图2是实施例1的测定序列。

图3是本方式的效果的说明图。

图4是本方式的效果的说明图。

图5A是本方式的效果的说明图。

图5B是其他条件下的本发明的效果的说明图。

图6是本方式的效果的说明图。

图7A是本方式的实施例2。

图7B是沿图7A的箭头7B方向观察的剖面图。

图8A是本方式的实施例3。

图8B是沿图8A的箭头8B方向观察的剖面图。

图9是本方式的实施例4。

具体实施方式

实施例1

图1A至图1E是实施了本方式线性阱的质量分析的构成图。图1A是装置整体图，图1B和图1C是径向装置剖面图，图1D和图1E是离子阱部的轴向剖面图。另外，图中1B、1C、1D、1E表示沿箭头方向观察时的剖面图。由电喷雾离子源、大气压化学离子源、大气压光离子源、大气压基质辅助激光解吸离子源、基质辅助激光解吸离子源等离子源1生成的离子通过细孔2导入到差动排气部5。差动排气部通过泵20来被排气。离子从差动排气通过细孔3导入到分析部6。分析部通过泵21来被排气，而维持在10^-4Torr(托)以下(1.3×10^{- 2}Pa以下)。通过了细孔17的离子导入到线性阱部7。线性阱部7被导入缓冲气体(未图示)，而维持在10^-4Torr～10^-2Torr(1.3×10^-2Pa～1.3Pa)。线性阱部7具有对构成线性阱部的电极的电压进行控制的电压控制部19。所导入的离子被囚禁在夹在入口侧端电极11、四极杆电极10、前部叶片电极13、阱电极14的区域中。对于被囚禁在该区域中的离子，通过后述的方法，特定质量数的离子被共振振动后，通过引出电极15所形成的引出电场向轴向被排出。对于阱电极14、引出电极15，由于位于离子的通过轨道附近，所以可以使用薄板状的电极，也可以使用导线状电极。在使用了导线状的电极时，虽然离子的透过率的损失小，但电极的形状的加工性低。在图中，描绘出了直线形状的阱电极以及引出电极，但除此以外在轴向上高效地引出离子的形状的电极形状也可以通过模拟等来实现最佳化。根据上述的引出电场，所排出的离子通过后部叶片电极16、出口侧端电极12等而被加速，通过细孔18，利用检测器8来进行检测。作为检测器，一般使用电子倍增管或闪烁器和光电倍增管的组合的类型的检测器等。

以下对正离子测定的典型的施加电压进行说明。图2示出测定序列。在四极杆电极10的偏移电位中，有时利用前后的电极电压来施加+-几十V，但在以下记述四极杆电极10的各部电极的电压时，定义为将四极杆电极10的偏移电位设为0时的值。对四极杆电极10施加振幅(100V～5000V、频率500kHz-2MHz)左右的高频电压(阱RF电压)。此时对对置的四极杆电极(图中(10a、10c)以及(10b、10d)：以下按照该定义)施加同相位的阱RF电压，另一方面，对邻接的四极杆电极(图中(10a、10b)、(10b、10c)、(10c、10d)以及(10d、10a)：以下按照该定义)施加逆相位的阱RF电压。

测定以3个序列来进行。在囚禁时间，将阱RF电压的振幅值设定为100～1000V左右。作为向其他电极的施加电压的一个例子，将入口侧端电极电压设定为20V，将前部叶片电极电压设定为0V，将阱电极14设定为20V，将引出电极15设定为20V，将后部叶片电极16、后部端电极12设定为20V左右。在四极电场的径向上利用阱RF电压形成有伪电势，在四极电场的中心轴方向上形成有DC电势，所以通过了细孔17的离子被大致100％地囚禁在夹在入口侧端电极11、四极杆电极10、前部叶片电极13、阱电极14的区域中。囚禁时间的长度是1ms～1000ms左右，其很大程度上取决于向线性阱的离子导入量。在囚禁时间过长时，离子量增加，在线性阱内部引起被称为空间电荷的现象。如果产生空间电荷，则在后述的质量扫描时，产生谱质量数的位置偏移等问题。相反，在离子量过少时，产生相当的统计误差而无法取得充分的S/N的质谱。为了选择适当的囚禁时间，使用某种手段对离子量进行监视来自动地调整囚禁时间的长度的方法也是有效的。

接下来，在质量扫描时间，将阱RF电压振幅从低的一方(100V-1000V)向高的一方(500V-5000V)进行扫描，依次排出离子。将入口侧端电极电压设定为20V，将后部叶片电极16、后部端电极12设定为-10V至-40V左右。对阱电极14施加3V～10V左右，对引出电极施加-10V至-40V左右。通过在扫描中使电压值变动，可以在更宽的范围中取得分辨率良好的谱。前部叶片电极13分别插入在邻接的四极杆电极10之间。对一对对置的前部叶片电极13a、13c之间施加辅助交流电压(振幅0.01V～1V、频率10kHz-500kHz)。此时，选择辅助共振电场方向与阱电极方向90°正交且与引出电极方向一致为相同方向的方向(图中13a-13c的方向)。辅助交流电压的振幅值可以固定，但也可以通过在扫描中使辅助交流电压的振幅值变动而在更宽的范围中取得分辨率良好的谱。共振的特定质量的离子沿邻接的四极杆的中间方向31的方向强制振动。轨道振幅变宽的离子到达由阱电极14和引出电极15的电位差(VT-VE)产生的电场所生成的区域，向轴向被排出。此时，在阱RF电压振幅V_RF和质量数m/z之间存在式(1)的关系。

(式1)

$m/z=\frac{4e{V}_{\mathrm{RF}}}{q_{\mathrm{ej}}{r}_0^2{\mathrm{\Ω}}^2}$

此处，r₀为杆电极10与四极中心的距离。另外，q_ej为可以根据阱RF电压的各频率Ω和辅助交流电压频率ω之比唯一地计算出的数值，在图3中表示出该关系。如上所述，通过使V_RF和m/z相关联，可以取得质谱。另一方面，还可以从电压高的一方向低的一方进行扫描。在该情况下，由于质量截断(cut off)的问题，产生可以检测的质量窗变小的问题。除此以外，还有对辅助交流电压的频率进行扫描的方法。例如在从高频(200kHz左右)向低频(20kHz左右)进行扫描时，对应的质量数的离子依次被排出。q_ej是取决于辅助交流频率的各频率和辅助交流频率的各频率的数值，所以在对频率进行扫描时，q_ej产生变动，从式(1)可知，所排出的m/z产生变动。在仅考虑1次的共振时，辅助交流频率的频率越高，则对应于质量越低的离子，辅助交流频率的频率越低，则对应于质量越高的离子。质量扫描的时间的长度为10ms至200ms左右，与希望检测的质量范围大致成比例。

最后，在排出时间中将所有的电压设为0，向阱外排出所有的离子。另外，通过重复进行上述3个序列，还可以积算出S/N良好的质谱。排出时间的长度为1ms左右。另外，除了上述的3个序列以外，还可以在各序列之间设置几毫秒左右的离子清除时间。在离子清除时间中设定为与接下来的序列的开始条件相同的值，从而可以使离子的初始状态稳定化。

图4示出如上那样取得的质谱。对利血平(reserpine)的甲醇溶液进行电喷雾离子化。通过将差动排气部5中的电位差设定得较高，进行碰撞离解。将阱RF频率设定为770kHz，将辅助交流频率设定为200kHz。可以确认质量数397、398的离子峰值。其中从质量数397的离子峰值取得了高质量分辨率(M/DM＞800)。另外，此时的排出效率为80％以上的高效率。另外，由于是轴向排出，所以原理上排出能量低。以下叙述这样可以实现排出效率高、质量分辨率高且低排出能量的理由。

在图5A和图5B中示出图1D的虚线区域200的电场模拟结果。越是浓的部分电位越高，每2V显示出等高线(显示出2.0V的等高线)。将质量数设为609，将阱RF电压振幅设为800V，将阱RF电压频率设为770kHz。图5A示出将阱电极、引出电极都设定为0V的情况，图5B示出将阱电极设定为6V、将引出电极设定为-20V的情况。可知仅在图5B的情况下形成轴向201的电场。该电场为由阱电极与轴向的电位差生成的直流电位，可以容易地调整。因此，通过该DC电位的调整，可以与基于伪电势的质量分离独立地调整引出力。另一方面，在专利文献2中，利用起因于由RF电场生成的伪电势的端部中的畸变的轴向电场。引出力并非是与基于伪电势的质量分离独立的参数，所以难以同时提高分辨率和排出效率。另外，作为排出效率高的其他理由，在专利文献2中在对置的四极杆间使离子强制振动。因此，在四极杆电极中，以更小的轨道振幅碰撞，其被推定为成为离子丢失的要因之一。另一方面，在本实施例中由于沿邻接的四极电极的中间方向进行强制振动，所以被推定为不易与四极杆电极碰撞从而离子丢失较小。

在图6中针对质量数为599、609、619的、质量数依次相差10Th的离子进行离子轨道计算。将辅助交流电场设定为质量数609的离子共振的频率(155kHz)。将离子个数设为5个且将计算时间设为1ms。可知质量数599的离子轨道101、质量数619的离子轨道103在中心附近保持会聚，但质量数609的离子在径向较大地强制振动而超过阱电场并向轴向高效地被排出。在实施例1中，对实施了本方式线性阱的质量分析装置的一个例子进行了说明。在以下的实施例中，由于上述的理由，也可以实现排出效率高、质量分辨率高且排出能量低的线性阱。

实施例2

图7A和图7B是实施了本方式线性阱的质量分析装置的构成图。另外，在图7A中记载有剖面图。到达线性阱为止的装置结构以及线性阱以后的装置构成与实施例1相同，省略其说明。在实施例2中没有实施例1中存在的前部叶片电极。另外，四极杆电极被分割成前部四极杆电极50和后部四极杆电极51。对其进行说明。在实施例1中，对对置的一对前部叶片电极之间施加了辅助交流电压。在实施例2中，对于邻接的电极(50a、50b以及50c、50d)，将相位反转的辅助交流电压30重叠到阱RF电压上。由此，在邻接的四极杆电极的中间方向31上，离子进行强制振动，在引出区域中离子向轴向被引出，从出口侧端电极12的细孔18被排出。离子在四极杆电极的中间方向31上强制振动这一点与实施例1相同。在实施例1中为了高效地向检测器导入所排出的离子而插入了施加有负的电压的后部叶片电极。在本实施例2中将其代替而设置有后部四极杆电极51。向后部四极杆电极51的施加电压相对于前部RF电压和阱RF电压成分，被施加-10V至-40V左右的偏移电压。实施例2与实施例1相比，可以降低前部叶片电极对四极电场施加的影响，所以质量分辨率提高，但存在向四极杆电极施加的电源变得复杂的问题。

实施例3

图8A和图8B是实施了本方式线性阱的质量分析装置的构成图。图8A是其纵剖面图。到达线性阱为止的装置结构以及线性阱以后的装置构成与实施例1相同，省略其说明。在实施例3中与实施例1相比，没有引出电极、后部叶片电极。对其进行说明。在实施例3中，与实施例1、2同样地，通过辅助交流电压的施加，离子在邻接的四极电极的中间方向31上进行强制振动。在实施例3中代替提出电极而对出口侧端电极12施加-5～-40V左右的电压来形成引出电场。在引出区域中离子向轴向被引出，并从出口侧端电极12的细孔18排出。实施例3与实施例1、2相比，存在可以减少电极数且降低成本的优点。

实施例4

图9是实施了本方式线性阱的质量分析装置的构成图。在从离子源到线性阱为止的过程、以及从线性阱质量选择性地排出离子的过程中，与实施例1相同而省略其说明。在实施例4中向碰撞离解部74导入从线性阱质量选择性地排出的离子。碰撞离解部74由入口侧端电极71、多极杆电极75、出口侧端电极73形成，内部被导入1mTorr～30mTorr(0.13Pa～4Pa)左右的氮、Ar等。从细孔70导入的离子在碰撞离解部中离解。此时，通过将四极杆电极10的偏移电位和多极杆电极75的偏移电位的电位差设定为20V～100V左右，可以高效地进行碰撞离解。离解生成的碎片离子通过细孔72、细孔80，导入到飞行时间型质量分析部85。飞行时间型质量分析部利用泵22被排气，而维持在10^-6Torr以下(1.3×10^-4Pa以下)。另外，在本实施例中，例示出由4根杆状电极构成的碰撞离解室，但杆电极的根数也可以是6根、8根、10根或其以上，也可以构成为配置多个透镜状电极并施加相位分别不同的RF电压。总之，只要是可以作为碰撞离解部使用的结构，就可以同样地应用本发明。导入到飞行时间型质量分析部的离子通过挤出加速电极81定期地在正交方向上被加速，并通过引出加速电极82被加速之后，通过反射器电极83被反射，使用由MCP(微通道板)等构成的检测器84来进行检测。利用从挤出加速到检测为止的时间，可知质量数，利用信号强度可知离子强度，所以可以取得与碎片离子相关的质谱。该碎片离子是与从线性阱排出的特定m/z的母离子对应的碎片离子，所以可以将由线性阱排出的离子的质量设为1维侧、将由飞行时间型质量分析部检测到的离子的质量设为2维侧、将信号强度设为3维侧，而取得三维的质谱。从这样的信息还可以取得通过母离子扫描或中性丢失扫描取得的信息。除了在实施例4中示出的碰撞离解以外，在对该部分施加磁场来使电子入射时，可以进行电子捕获离解，也可以通过使激光入射来进行光离解等。

在实施例1至4中共同地，作为出口侧或入口侧端电极，可以使用网格状的电极，在阱电极、引出电极中，还可以使用导线状以外的形状的电极(薄板状)。另外，作为质量扫描的方式，也可以使阱RF电压频率及其振幅、辅助共振电压频率、电压振幅多个同时地变化。在任意的情况下，在邻接的四极杆电极的中间方向上形成向轴向的引出电极，并且在四极杆电极的中间方向上使离子强制振动，以便可以利用引出电场高效地排出离子，这是本发明的本质。

上述记载是针对实施例进行的，但本发明不限于这些实施例，本领域技术人员可知，可以在本发明的精神和所附的权利要求的范围内进行各种变更以及修改。

Claims (12)

1.一种质量分析方法，使用导入离子且具备四极杆电极的质量分析计，该四极杆电极具有该离子的入口、出口且施加有高频电压，其特征在于，

利用在上述四极杆电极所产生的四极电场的中心轴上形成的阱电势来囚禁至少该离子的一部分；

使囚禁的该离子的一部分以与上述四极杆电极正交的方向为振动方向进行振动，并利用引出电场向上述四极杆电极的中心轴方向排出；

将从上述出口排出的该离子导入到检测处理。

2.根据权利要求1所述的质量分析方法，其特征在于，上述引出电场是在上述四极杆电极的中心轴方向上形成的电势。

3.根据权利要求1所述的质量分析方法，其特征在于，通过对在上述四极杆电极中的邻接的杆电极之间的方向上施加的辅助交流电压的频率进行扫描，来排出离子。

4.根据权利要求1所述的质量分析方法，其特征在于，通过对在上述四极杆电极上施加的阱RF电压的振幅进行扫描，来排出离子。

5.一种质量分析装置，具有：

离子源，使试料离子化；

离子阱部，导入由上述离子源离子化的离子，并且具备入口侧电极、出口侧电极、设置在上述入口侧电极与上述出口侧电极之间的四极杆电极、以及设置在上述四极杆电极的邻接的杆电极之间的杆间电极；

与上述四极杆电极连接的RF电源和与上述杆间电极连接的DC电源；

电压控制部，对施加到电源上的电压进行控制；和

检测部，对从上述离子阱部排出的离子进行检测，

在上述离子阱部中，利用在上述四极杆电极所产生的四极电场的中心轴上形成的阱电势来囚禁上述所导入的离子的至少一部分；使囚禁的该离子的一部分以与上述四极杆电极正交的方向为振动方向进行振动，并利用引出电场向上述四极杆电极的中心轴方向排出。

6.根据权利要求5所述的质量分析装置，其特征在于，上述杆间电极是导线状或薄板状的电极。

7.根据权利要求5所述的质量分析装置，其特征在于，

上述杆间电极是相互正交地设置在邻接的杆电极之间的第1、第2电极；

上述电压控制部分别向上述第1、第2电极施加DC电压以产生电位差，形成上述四极杆电极的轴向的电势，由此排出离子。

8.根据权利要求5所述的质量分析装置，其特征在于，上述离子阱部还具备设置在邻接的上述四极杆电极之间的叶片电极，上述电压控制部通过向上述叶片电极施加辅助交流电压来使离子在邻接的杆电极之间的方向上振动。

9.根据权利要求8所述的质量分析装置，其特征在于，上述电压控制部通过对上述辅助交流电压的频率进行扫描，来排出离子。

10.根据权利要求5所述的质量分析装置，其特征在于，上述电压控制部将相位反转的辅助交流电压重叠在RF电压上，并施加到上述四极杆电极的邻接的电极上，从而使离子在邻接的杆电极之间的方向上振动。

11.根据权利要求10所述的质量分析装置，其特征在于，上述电压控制部通过对上述辅助交流电压的频率进行扫描，来排出离子。

12.根据权利要求5所述的质量分析装置，其特征在于，上述电压控制部通过对来自上述RF电源的RF电压的振幅进行扫描，来排出离子。

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