CN108140537B

CN108140537B - 质谱分析装置

Info

Publication number: CN108140537B
Application number: CN201580083656.7A
Authority: CN
Inventors: 西口克; 奥村大辅
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2015-08-06
Filing date: 2015-08-06
Publication date: 2020-01-17
Anticipated expiration: 2035-08-06
Also published as: CN108140537A; JPWO2017022125A1; US20180315588A1; JP6544430B2; WO2017022125A1; US10229823B2

Abstract

本发明的质谱分析装置具备配置于中真空区域的碰撞室(16)、聚焦电极(18)、加速电极(19)、作为静电透镜的前级离子透镜系统(20)、用于分离中真空区域与高真空区域的分隔壁(22)、配置于高真空区域的离子输送光学系统(23)。利用聚焦电极(18)使由于在碰撞室(16)的出口电极(16a)与加速电极(19)之间形成的加速电场而被引出并加速的离子聚焦于微小的离子通过开口(19a)。加速电极(19)阻止气体流，因此减少离子在加速电极(19)的后方与气体颗粒接触的机会。另外，加速电场对离子赋予大的动能，因此离子即使与气体颗粒接触也不会耗散。通过了离子通过开口(19a)的离子被前级离子透镜系统(20)聚焦于分隔壁(22)的离子通过孔(22a)。通过了离子通过孔(22a)的离子被后级离子输送光学系统(23)减速并进行束成形，具有适度的能量地入射至正交加速部(24)。

Description

质谱分析装置

技术领域

本发明涉及采用差动排气系统的结构的质谱分析装置，尤其涉及具有配置有飞行时间型质量分离器或傅立叶变换离子回旋加速器共振型质量分离器等的高真空室、以及利用具有微小的离子通过孔的分隔壁与该高真空室隔开的中真空环境的中真空室的质谱分析装置。

背景技术

作为质谱分析装置之一，已知被称为Q-TOF型质谱分析装置的质谱分析装置。Q-TOF型质谱分析装置如专利文献1等中记载的那样具备：四极杆滤质器，其从源自试样的离子中选择具有特定质荷比的离子；碰撞室，其通过碰撞诱导裂解(CID)使所选择的离子断裂；以及飞行时间型质量分离器，其将通过该断裂而生成的产物离子根据质荷比分离并进行检测。作为飞行时间型质量分离器，采用了在与离子束的入射方向正交的方向上对离子进行加速并将该离子送入飞行空间的正交加速方式的飞行时间型质量分离器。

对于飞行时间型质量分离器，若飞行中的离子接触残留气体，则飞行轨迹变化，并且飞行时间变化，因此质量分辨率和质量精度降低。因此，通常，飞行时间型质量分离器设置在维持到高真空度(10^-4Pa量级)的高真空室内。另一方面，向使离子裂解的碰撞室中连续或间歇地供给CID气体，该气体从碰撞室泄漏。因此，碰撞室并不设置在与飞行时间型质量分离器相同的高真空室，而是设置在利用分隔壁与高真空室隔开的、气压比该高真空室高的中真空室内。然后，通过在隔开该中真空室与高真空室的分隔壁形成的离子通过孔将在碰撞室内生成的产物离子向高真空室侧输送。为了维持高真空室内的真空度而使离子通过孔微小，为了使离子在该微小的孔中高效地穿过，而在碰撞室与分隔壁之间配置有用于对离子束的截面形状进行整形并输送离子的离子输送光学系统。

质谱分析装置中利用的离子输送光学系统的代表例为专利文献2等中公开的多极型高频离子导向器。多极型高频离子导向器利用高频电场使离子振动，并且一边将离子约束在被多个电极包围的规定空间中一边将该离子输送。对于如上所述那样因供给至碰撞室的CID气体而配置在中真空室内的离子输送光学系统，需要考虑离子与气体的碰撞。离子与气体的碰撞导致夺取该离子的能量的冷却效应。在利用高频电场捕获离子的多极型高频离子导向器中，对于使离子束聚焦来说，上述冷却效应是合适的。即，多极型高频离子导向器适合于在气压较高的中真空室内使从碰撞室射出的离子聚焦后引导至微小的离子通过孔。因此，现有的Q-TOF型质谱分析装置中，作为中真空室内的碰撞室与分隔壁之间的离子输送光学系统，通常利用多极型高频离子导向器。

另一方面，位于高真空室内的形成有离子通过孔的分隔壁与飞行时间型质量分离器的正交加速部之间的离子输送光学系统的主要作用是离子束的截面形状的整形和离子所具有的动能的调整。这是因为，若离子保持着具有大的动能的状态地被导入至正交加速部，则该正交加速部中的离子的射出方向的倾斜度变得过大，存在穿过了飞行空间的离子不会到达检测器的担心。在几乎不存在残留气体的高真空室内，与中真空室内不同，离子与气体的接触几乎不会发生。因此，不发生由与气体的碰撞造成的离子的冷却效应，高频电场对离子的捕获几乎不发挥功能。因此，大多情况下，高真空室内的离子输送光学系统使用利用直流电场控制离子的轨迹或动能的静电离子透镜。

除上述Q-TOF型质谱分析装置以外，还有从1Pa左右的中真空区域通过设置于分隔壁的离子通过孔向高真空区域输送离子的差动排气方式的质谱分析装置。例如，与使用电喷雾离子源等大气压离子源作为飞行时间型质谱分析装置的离子源的质谱分析装置、飞行时间型质量分离器同样地，在存在残留气体对性能造成不良影响的担心的傅立叶变换离子回旋加速器共振型质谱分析装置等中，也采用与Q-TOF型质谱分析装置同样的差动排气系统的结构。在这种质谱分析装置中，也往往在隔着分隔壁的前级的中真空区域侧使用多极型高频离子导向器，并在其后级的高真空区域侧使用静电离子透镜，以跨过真空度不同的两个真空区域地输送离子。

然而，在中真空室内或中真空区域中配置的多极型高频离子导向器虽然离子的输送效率高，但是电极的数量多，对这些多个电极的形状和配置也要求高的机械精度。另外，分别对多个电极施加的电压的条件也复杂，因此对多极型高频离子导向器施加电压的电压源的结构也复杂。因此，通常存在多极型高频离子导向器与静电离子透镜相比成本非常高的问题。

专利文献1：日本特开2002-110081号公报

专利文献2：英国专利第2481749号说明书

发明内容

发明要解决的问题

本发明是为了解决这种问题而完成的，其目的在于，提供一种隔着形成有离子通过孔的分隔壁地配置中真空区域和高真空区域的差动排气方式的质谱分析装置，该质谱分析装置能够在使配置于中真空区域侧的离子输送光学系统的电极的结构和施加电压的条件简单化的同时，实现高的离子透过率。

用于解决问题的方案

为了解决上述问题而完成的本发明为具有利用形成有离子通过孔的分隔壁隔开的中真空区域和高真空区域的差动排气方式的质谱分析装置，所述质谱分析装置具有如下的离子输送路径：该离子输送路径使从配置在中真空区域中的前级离子光学系统发出的离子通过所述离子通过孔并将该离子引导至高真空区域中，并将该离子导入到配置在该高真空区域中的后级离子光学系统，所述质谱分析装置的特征在于，具备：

a)前级离子输送光学系统，其为静电离子透镜，包括配置在所述前级离子光学系统与所述分隔壁之间，包括加速电极和聚焦电极，所述加速电极设置于所述前级离子输送光学系统的入口侧，具有微小的离子通过开口，从前级离子光学系统引出离子并对该离子进行加速，所述聚焦电极位于该加速电极与所述前级离子光学系统之间，使从该前级离子光学系统引出的离子聚焦以使该离子通过所述加速电极的离子通过开口；

b)后级离子输送光学系统，其为在所述分隔壁与所述后级离子光学系统之间配置的静电离子透镜；以及，

c)电压施加部，其对构成所述前级离子光学系统、前级离子输送光学系统、所述分隔壁以及所述后级离子输送光学系统的部件分别施加直流电压，以如下方式对各部件施加电压：在所述前级离子光学系统与所述加速电极之间的区域形成对离子进行加速的加速电场，在该区域中的聚焦电极附近形成使离子聚焦的电场，在所述加速电极与所述分隔壁之间的区域形成维持离子所具有的动能且使该离子聚焦于所述离子通过孔的聚焦电场，在所述分隔壁与所述后级离子光学系统之间的区域形成减少比由所述加速电场对离子赋予的动能小的动能的减速电场。

此处，中真空区域是指1Pa～0.01Pa左右的范围的气压的状态，高真空区域是指0.001(＝10^-3)Pa左右以下的气压的状态。

本发明所涉及的质谱分析装置的一个方式是如下的Q-TOF型质谱分析装置，即，前级离子光学系统为通过碰撞诱导裂解使离子断裂的碰撞室，另外，后级离子光学系统为正交加速式飞行时间型质量分离器中的正交加速部。

本发明所涉及的质谱分析装置的另一方式是如下的Q-FT型质谱分析装置，即，前级离子光学系统为碰撞室，后级离子光学系统为傅立叶变换质谱分析装置。

本发明所涉及的质谱分析装置的又一方式为如下的飞行时间型质谱分析装置，即，前级离子光学系统为线性离子阱等离子保持部，后级离子光学系统为正交加速式飞行时间型质量分离器中的正交加速部，离子源为电喷雾离子源等大气压离子源。

在本发明所涉及的质谱分析装置中，从碰撞室等前级离子光学系统射出的离子由于在该前级离子光学系统与加速电极之间的区域形成的加速电场而从该前级离子光学系统被引出，被赋予大的动能。中真空区域与被分隔壁隔开的高真空区域相比，残留气体多，特别是前级离子光学系统为碰撞室的情况下，由于向该碰撞室内连续或间歇地导入CID气体，因此CID气体从该碰撞室的泄漏较多。在中真空区域中，这种气体去向形成于分隔壁的离子通过孔，但该气体难以穿过形成于加速电极的微小的离子通过开口，因此能够减少加速电极与分隔壁之间的区域中存在的气体。

如上所述，利用上述加速电场使离子在被赋予了大的动能的状态下通过加速电极及其后的前级离子输送光学系统。因此，即使发生了离子与残留气体的碰撞也不易耗散，利用聚焦电场使离子适当地聚焦于离子通过孔附近，从而高效地通过该离子通过孔。此外，优选的是，即使在加速电极与分隔壁之间离子与残留气体进行几次左右的碰撞，以该离子所具有的动能一定大于入射至后级离子光学系统时所需的动能的方式设定利用加速电场对离子赋予的动能的大小。在利用加速电场对离子赋予了过量的动能的情况下，也会在离子刚刚通过离子通过孔而被导入至几乎不存在残留气体的影响的高真空区域之后，利用减速电场来掠夺动能，使离子被调整至具有适度的动能的状态后，被导入至正交加速部等后级离子光学系统。

发明的效果

如此，在本发明所涉及的质谱分析装置中，利用在具有使离子聚焦于在分隔壁形成的离子通过孔的作用的前级离子输送光学系统的入口侧设置的加速电极，阻止沿与离子相同方向前进的气体流，并且利用该加速电极近前的加速电场赋予能够足够耐受与残留气体的碰撞的量的动能，因此在无法忽略与残留气体的碰撞的影响的中真空区域，也能够仅利用静电离子透镜来高效地输送离子。与利用高频电场来进行离子输送的多极型高频离子导向器相比，在静电离子透镜中，电极的结构或对电极施加电压的电压源的结构更简单，另外，电极自身的尺寸精度和配置的精度也较为宽松即可。因此，根据本发明所涉及的质谱分析装置，能够实现装置的成本降低，并且增加送入至高真空区域的离子的量，能够实现分析灵敏度和精度的提高。

附图说明

图1为作为本发明的一个实施例的Q-TOF型质谱分析装置的整体结构图。

图2为示出本实施例的Q-TOF型质谱分析装置中的碰撞室与正交加速部之间的离子光学系统的结构和离子光轴上的离子所具有的动能的变化的图。

图3为示出本实施例的Q-TOF型质谱分析装置中的碰撞室与正交加速部之间的离子轨迹的模拟结果的图。

具体实施方式

参照附图针对作为本发明的一个实施例的Q-TOF型质谱分析装置进行说明。

图1为本实施例的Q-TOF型质谱分析装置的整体结构图。

本实施例的Q-TOF型质谱分析装置具有多级差动排气系统的结构。即，在腔室1内配置有：电离室2，其为大致大气压环境；高真空室6，其真空度最高(即气压最低)；以及第一至第三的三个中间真空室3、4、5，其位于这两个室之间，且真空度阶梯式地变高。虽未图示，利用旋转泵、或旋转泵与涡轮分子泵的组合对除电离室2以外的室进行了真空排气。

在电离室2中，设置有用于进行电喷雾电离(ESI)的ESI喷雾器10。将包含目标化合物的试样液供给至ESI喷雾器10时，在该喷雾器10前端赋予偏压电荷，由喷雾到大致大气中的液滴生成源自化合物的离子。将所生成的各种离子通过加热毛细管11向第一中间真空室3输送，利用离子导向器12进行聚焦，通过分离器(skimmer)13向第二中间真空室4输送。再利用八极杆型的离子导向器14将离子聚焦后，向第三中间真空室5输送。

在第三中间真空室5内，设置有四极杆滤质器15以及内部配置有多极型离子导向器17的碰撞室16。源自试样的各种离子被导入至四极杆滤质器15，只有具有与对构成四极杆滤质器15的各电极施加的电压相应的特定质荷比的离子通过该四极杆滤质器15。该离子作为前体离子而被导入至碰撞室16，在碰撞室16内通过与自外部供给的CID气体的接触而使前体离子裂解，生成各种产物离子。

以隔着将第三中间真空室5与高真空室6隔开的分隔壁22的方式在其前方配置有包括聚焦电极18、加速电极19及静电离子透镜系统20的前级离子输送光学系统21，在其后方配置有作为静电离子透镜系统的后级离子输送光学系统23。另外，在高真空室6内，除了后级离子输送光学系统23之外，还设置有作为离子射出源的正交加速部24、具有反射器26和背板27的飞行空间25以及离子检测器28。正交加速部24包括离子入口电极241、挤出电极242、引出电极243。

后面将详细描述，在碰撞室16内生成的产物离子沿着离子光轴C经由聚焦电极18、加速电极19及静电离子透镜系统20穿过形成于分隔壁22的微小的离子通过孔22a，经由后级离子输送光学系统23被导入至正交加速部24。

在规定的时机利用对挤出电极242和引出电极243施加的电压使沿X轴方向导入至正交加速部24的离子沿Z轴方向进行加速，从而使该离子开始飞行。从正交加速部24射出的离子首先进行自由飞行，然后利用由反射器26和背板27形成的反射电场使该离子折返，该离子再次自由飞行而到达离子检测器28。离子从正交加速部24出发的时刻起至到达离子检测器28为止的飞行时间取决于离子的质荷比。因此，接收到源自离子检测器28的检测信号的未图示的数据处理部将各离子的飞行时间换算成质荷比，基于其换算结果制作示出质荷比与信号强度的关系的质谱。

控制部30在执行如上所述的分析时根据预定的序列向电压生成部31输送控制信号，电压生成部31基于控制信号而生成规定的电压并施加于各电极等。

此外，在本实施例的Q-TOF型质谱分析装置中，也可以通过不利用四极杆滤质器15进行离子的选择并且在碰撞室16内不进行离子的裂解操作，来进行未裂解的离子的质谱分析、即通常的质谱分析。

本实施例的Q-TOF型质谱分析装置在用于将离子从碰撞室16输送至正交加速部24为止的离子光学系统的结构上具有特征。

图2的(a)为示出图1中的碰撞室16与正交加速部24之间的离子光学系统的结构的图，图2的(b)为示出离子光轴C上的离子所具有的动能的变化的图。

紧接在碰撞室16的出口之后配置的聚焦电极18为具有以离子光轴C为中心的大的圆形状开口的平板状电极。其后方配置的加速电极19为具有以离子光轴C为中心的微小的离子通过开口19a的平板状电极。另外，静电离子透镜系统20和后级离子输送光学系统23分别包括一个或多个具有以离子光轴C为中心的大的圆形状开口的平板状电极。除这些各电极之外，由电压生成部31分别对碰撞室16的出口电极16a、分隔壁22、正交加速部24的离子入口电极241施加规定的直流电压。

在此，为了方便说明，作为测定对象的离子为正离子，但测定对象为负离子的情况下，很显然，将电压的极性等反转来考虑即可。

对加速电极19施加相对于向碰撞室16的出口电极16a施加的电压而言负向的大的电压。由此，在碰撞室16的出口电极16a与加速电极19之间的区域，形成从碰撞室16内引出正离子并对该离子进行加速、即对该离子赋予大的动能的加速电场。另一方面，对聚焦电极18施加与离子相同极性的、即正的适宜的直流电压，由此，在聚焦电极18的开口附近形成聚焦电场。

聚焦电极18的开口大，因此，聚焦电场具有使要通过该开口的附近的离子的轨迹弯曲成该离子接近离子光轴C的作用，但聚焦电场的作用几乎不波及通过离子光轴C附近的离子。另外，加速电场在聚焦电极18的开口的内侧也发挥作用，因此从碰撞室16引出的离子被加速电场加速且聚焦于离子光轴C附近，高效地通过加速电极19的微小的离子通过开口19a。向碰撞室16内连续或间歇地供给CID气体，该气体从碰撞室16的出口向其外侧(第三中间真空室5内)流出，形成去向分隔壁22方向的气体流。然而，如上所述形成于加速电极19的离子通过开口19a是微小的，因此气体流难以通过，加速电极19与分隔壁22之间的区域的残留气体少于第三中间真空室5内的其它区域。因此，通过了离子通过开口19a的离子与残留气体碰撞的机会与不存在加速电极19对气体的阻止的情况相比变少。

尽管如此，与高真空室6相比，加速电极19与分隔壁22之间的区域存在大量残留气体，因此通过这里的离子无法避免与残留气体的碰撞。于是，该Q-TOF型质谱分析装置中，将加速电极19与碰撞室16的出口电极16a之间的电压差设定得较大，以使利用上述加速电场对离子赋予与离子入射至正交加速部24时所需的动能相比充分大的动能。穿过了加速电极19的离子具有大的动能，因此即使与残留气体碰撞也不会因此而大幅改变轨迹，而且也不会大幅失去动能，在由施加于静电离子透镜系统20的正的电压形成的聚焦电场的作用下聚焦于离子光轴C附近。如此，在真空度不是很高的第三中间真空室5内，能够在使用简单结构的静电离子透镜系统20的同时使离子高效地聚焦后通过离子通过孔22a。

在高真空室6内，利用施加于后级离子输送光学系统23的电压而形成有减速电场，如图2的(b)所示，离子的动能由于该电场而被急速地减少至规定的动能。另外，同时，将离子束的截面的尺寸或形状成形为适于导入至正交加速部24的状态。即，离子束的成形和离子所具有的动能的调整在能够忽略离子与气体的碰撞的高真空室6内进行。由此，在隔着分隔壁22的前方的第三中间真空室5内和后方的高真空室6内均能够实现利用静电离子透镜的离子的高效输送，能够将更多量的离子向正交加速部24导入。

图3为示出模拟上述离子光学系统中的离子轨迹所得到的结果的图。如图中记载的那样，作为模拟条件，设为碰撞室16内的气压：1Pa、第三中间真空室5内的气压：0.1Pa、高真空室6内的气压：10^-4Pa。另外，将图3中未示出的向正交加速部入射的离子的动能假设为5eV，相对于碰撞室16的出口电极16a的电位0V，将后级离子输送光学系统23的最后级的透镜电极的电位设定为-5V。另一方面，将加速电极19的电位设定为-60V，使通过了加速电极19后的离子以60eV这样的比最终动能明显更大的动能通过中真空区域(换言之，通过离子通过孔22a)。另外，此处示出的全部电极采用具有圆形状开口的简单的孔口电极。

图3中，用深色的线示出到达了高真空室6内的最后级的透镜电极的离子的轨迹，用浅色的线示出中途消失的离子的轨迹。该离子轨迹的模拟考虑了与真空度相应的离子与中性气体的碰撞。虽然若干离子在加速电极19的后方的第三中间真空室5内因与中性气体碰撞而轨迹发生变化，碰撞于分隔壁22等而无法通过离子通过孔22a，但是，绝大部分离子通过离子通过孔22a而被向高真空室6侧输送。根据本发明人的粗略计算，通过加速电极19后的离子透过率相当高，为90％左右。即，可以得出以下结论：本实施例中的离子光学系统在存在与气体的碰撞的中真空区域，仅依靠不利用高频电场的静电离子透镜系统就实现了足够的离子透过率。

上述实施例将本发明应用于Q-TOF型质谱分析装置，但本发明可以应用于采用中真空区域与高真空区域被分隔壁隔开的差动排气系统的结构的各种结构的质谱分析装置。

例如，在ICR室内使离子旋转运动并测定由该运动产生的感应电流的傅立叶变换离子回旋加速器共振型质谱分析装置中，离子与残留气体接触而振动衰减时，分辨率受到制约。因此，与飞行时间型质量分离器同样地需要将ICR室设置在高真空室内，将在碰撞室内通过断裂而生成的离子导入至ICR室来进行质谱分析的情况下，与上述实施例同样地需要将碰撞室配置在中真空区域，并将ICR室配置在高真空区域。因此，在碰撞室与ICR室之间可以应用与上述实施例同样的离子光学系统。

另外，如上述实施例那样，代替使用四极杆滤质器和碰撞室，而将例如具有线性离子阱的功能的离子导向器配置在中真空区域，将在该离子导向器中暂时保持的离子从该离子阱中喷出，并导入至飞行时间型质量分离器，来进行质谱分析，在这样的情况下，与上述实施例同样的离子光学系统也有用。即，采用多级差动排气系统的结构，在最后级的真空室配置飞行时间型质量分离器、ICR室等、即最后级的真空室的真空度相当高的质谱分析装置中，通常可以应用本发明来得到上述那样的效果。

另外，上述实施例只不过是本发明的一例，即便在本发明的宗旨的范围内适当进行变更、修改、追加，当然也包括在本申请权利要求书的范围内。

附图标记说明

1：腔室；2：电离室；3：第一中间真空室；4：第二中间真空室；5：第三中间真空室；6：高真空室；10：ESI喷雾器；11：加热毛细管；12、14：离子导向器；13：分离器；15：四极杆滤质器；16：碰撞室；16a：出口电极；17：多极型离子导向器；18：聚焦电极；19：加速电极；20：静电离子透镜系统；21：前级离子输送光学系统；22：分隔壁；22a：离子通过孔；23：后级离子输送光学系统；24：正交加速部；241：离子入口电极；242：挤出电极；243：引出电极；25：飞行空间；26：反射器；27：背板；28：离子检测器；30：控制部；31：电压生成部；C：离子光轴。

Claims

1.一种质谱分析装置，其为具有利用形成有离子通过孔的分隔壁隔开的中真空区域和高真空区域的差动排气方式的质谱分析装置，所述质谱分析装置具有如下的离子输送路径：该离子输送路径使从配置在中真空区域中的前级离子光学系统发出的离子通过所述离子通过孔并将该离子引导至高真空区域中，并将该离子导入到配置在该高真空区域中的后级离子光学系统，所述质谱分析装置的特征在于，具备：

a)前级离子输送光学系统，其为静电离子透镜，配置在所述前级离子光学系统与所述分隔壁之间，包括加速电极和聚焦电极，所述加速电极设置于所述前级离子输送光学系统的入口侧，具有微小的离子通过开口，从前级离子光学系统引出离子并对该离子进行加速，所述聚焦电极位于该加速电极与所述前级离子光学系统之间，使从该前级离子光学系统引出的离子聚焦以使该离子通过所述加速电极的离子通过开口；

2.根据权利要求1所述的质谱分析装置，其特征在于，

所述前级离子光学系统为通过碰撞诱导裂解使离子断裂的碰撞室，所述后级离子光学系统为正交加速式飞行时间型质量分离器中的正交加速部。

3.根据权利要求1所述的质谱分析装置，其特征在于，

所述前级离子光学系统为通过碰撞诱导裂解使离子断裂的碰撞室，所述后级离子光学系统为傅立叶变换质谱分析装置。

4.根据权利要求1所述的质谱分析装置，其特征在于，

所述前级离子光学系统为离子保持部，所述后级离子光学系统为正交加速式飞行时间型质量分离器中的正交加速部，用于生成离子的离子源为大气压离子源。