DE112014000859T5

DE112014000859T5 - Massenspektrometersystem und Verfahren

Info

Publication number: DE112014000859T5
Application number: DE112014000859.1T
Authority: DE
Inventors: Yasushi Terui; Kiyomi Yoshinari
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2013-03-11
Filing date: 2014-01-24
Publication date: 2015-11-05
Anticipated expiration: 2034-01-25
Also published as: GB201515303D0; WO2014141756A1; JP2014175220A; JP6022383B2; GB2526474A; US10332736B2; GB2526474B; DE112014000859B4; US20160020082A1

Abstract

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Massenspektrometersystem bereitzustellen, das in der Lage ist, ein Massenspektrum mit einer hohen Auflösung zu erhalten, wenn die Massenzahl eines Ions höher wird. Beim Massenspektrometersystem gemäß der Erfindung steuert eine Steuereinheit 8 eine Massenspektrometrieeinheit 4, so dass eine Gleichspannung U, die Amplitude V einer Hochfrequenzspannung und die Frequenz F der Hochfrequenzspannung, die an eine Quadrupolelektrode 13 angelegt werden, erhöht werden, wenn das Masse-/Ladungsverhältnis m/z eines Ions eines Massenspektrometrieziels größer wird. Durch derartiges Steuern wird die Ionenfrequenz, wenn das Ion durch das Innere der Massenspektrometrieeinheit 4 hindurchtritt, erhöht, wenn die Massenzahl eines Ions höher wird, weshalb es möglich ist, ein Massenspektrum mit einer höheren Auflösung zu erhalten.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Massenspektrometersystem und insbesondere eine massenspektrometrische Technik zum Ausführen einer quantitativen Analyse mit einer hohen Auflösung und Empfindlichkeit in einem breiten Masse-/Ladungsverhältnisbereich.
Technischer Hintergrund
Es gibt in der allgemeinen Massenspektrometrie hauptsächlich folgende beiden Verfahrenstypen zum Abtasten des Masse-/Ladungsverhältnisses m/z eines Ziels für die Massenauswahl und -trennung, welche beispielhaft vorgestellt werden. Hierbei ist m die Ionenmasse und ist z die Ladungszahl eines Ions. Ein erster Typ ist ein Verfahren zum Steuern der Werte einer Gleichspannung U und der Amplitude V einer Hochfrequenzspannung (HF-Spannung), die an vier oder mehr Stabelektroden angelegt werden, so dass sie proportional zum Masse-/Ladungsverhältnis m/z eines Ziels für die Massenauswahl und -trennung sind. Ein zweiter Typ ist ein Verfahren zum Steuern des Werts der Winkelfrequenz Ω der an vier oder mehr Stabelektroden angelegten Hochfrequenzspannung (HF-Spannung), so dass er proportional zu 1/√m/z ist. Als das letztgenannte Verfahren wurde ein Verfahren zum Steuern der Hochfrequenzspannung (HF-Spannung), so dass sie eine hohe Frequenz annimmt, wenn ein Ion eine niedrige Massenzahl hat, und eine niedrige Frequenz annimmt, wenn ein Ion eine hohe Massenzahl hat, in PTL 1 offenbart.
Zitatliste
Patentliteratur

PTL 1: JP-A-2002-175774

Kurzfassung der Erfindung
Technisches Problem
Wenn eine Analyse, insbesondere eine quantitative Analyse, an der Komponente in einer Probe ausgeführt wird durch Abtasten des Masse-/Ladungsverhältnisses m/z des Ziels für die Massenauswahl und -trennung und durch Ausgeben der Anzahl der Detektionen von Ionen (Massenspektrum) für jedes Masse-/Ladungsverhältnis m/z, ist im Massenspektrum eine hohe Trennbarkeit (Auflösung) von der Massenspitze benachbarter Ionenspezieserforderlich. Im Stand der Technik besteht, wenn eine Massenspektrometrie in einem breiten Bereich des Masse-/Ladungsverhältnisses m/z ausgeführt wird, die Tendenz, dass die Trennbarkeit (Auflösung) von der Massenspitze benachbarter Ionenspezies hoch ist, wenn der m/z-Wert der Ionenspezies kleiner wird (Ion mit einer geringen Masse), und dass ihre Massenspitze die Massenspitze des benachbarten Ions überlagert, wenn der m/z-Wert der Ionenspezies höher wird (Ion mit einer hohen Masse), wodurch die Auflösung beeinträchtigt wird.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, das vorstehend beschriebene Problem zu lösen und ein Massenspektrometersystem und ein Verfahren bereitzustellen, wodurch eine quantitative Analyse für eine Ionenspezies mit einem hohen m/z-Wert (Ion mit einer hohen Masse) mit einer hohen Auflösung und Empfindlichkeit ausgeführt werden kann.
Lösung des Problems
Zum Lösen der vorstehend beschriebenen Aufgabe ist gemäß der Erfindung ein Massenspektrometersystem vorgesehen, welches Folgendes aufweist: eine Massenspektrometrieeinheit, welche eine Massenauswahl und -trennung einer Ionenspezies mit einem spezifischen Masse-/Ladungsverhältnis m/z ausführt durch Anlegen einer Gleichspannung U und einer Hochfrequenzspannung VcosΩt an eine Multipolelektrode, um ein elektrisches Multipolfeld zu erzeugen, Injizieren einer ionisierten Probe darin und Einstellen und Steuern der an die Multipolelektrode angelegten Spannung, so dass die Ionenspezies mit einem spezifischen Masse-/Ladungsverhältnis m/z durch die Multipolelektrode hindurchtritt, eine Ionendetektionseinheit, welche die Ionenspezies detektiert, eine Datenverarbeitungseinheit, welche eine Ausgabe der Ionendetektionseinheit verarbeitet, und eine Steuereinheit, welche die Massenspektrometrieeinheit steuert, wobei die Steuereinheit die Massenspektrometrieeinheit steuert, so dass die Ionenfrequenz der Ionenspezies proportional zum Wert des Masse-/Ladungsverhältnisses m/z der Ionenspezies, die durch die Multipolelektrode hindurchtreten gelassen wird, erhöht wird.
Zusätzlich ist zum Lösen der vorstehend beschriebenen Aufgabe gemäß der Erfindung ein Massenspektrometrieverfahren vorgesehen, bei dem eine Massenspektrometrieeinheit verwendet wird, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Steuern der Massenspektrometrieeinheit, so dass die Massenauswahl und -trennung einer Ionenspezies mit einem spezifischen Masse-/Ladungsverhältnis m/z ausgeführt wird durch Anlegen einer Gleichspannung und einer Hochfrequenzspannung an eine Multipolelektrode der Massenspektrometrieeinheit, um ein elektrisches Multipolfeld zu erzeugen, Injizieren einer ionisierten Probe darin und Einstellen und Steuern der an die Multipolelektrode angelegten Spannung, so dass die Ionenspezies mit einem spezifischen Masse-/Ladungsverhältnis m/z durch die Multipolelektrode hindurchtritt, und, wenn die Ionenspezies detektiert wird, die Ionenfrequenz der Ionenspezies proportional zum Wert des Masse-/Ladungsverhältnisses m/z der Ionenspezies, die von der Multipolelektrode durchgelassen wird, erhöht wird.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Gemäß der Erfindung wird, wenn die Massenzahl eines Ions höher wird, wofür eine Auflösung erforderlich ist, die Anzahl der Schwingungen, während das Ion durch die Multipolelektrode hindurchtritt, gesteuert erhöht, so dass eine Massenspektrometrie ausgeführt werden kann, während die Auflösung beibehalten wird, wenn die Massenzahl eines Ions hoch ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
1 ist ein schematisches Diagramm eines Steuerverfahrens für die Massenspektrometrie gemäß einer ersten Ausführungsform.
2 ist ein schematisches Diagramm eines gesamten Massenspektrometersystems, welches Massenspektrometriedaten misst, gemäß der ersten Ausführungsform.
3 ist ein Diagramm eines Gebiets einer stabilen Transmission eines Ions in einem Quadrupolfeld gemäß der ersten Ausführungsform.
4 ist ein Konzeptdiagramm gemäß der ersten Ausführungsform, wenn ein Ion durch vier oder mehr Stabelektroden stabil hindurchläuft oder instabil davon emittiert wird.
5 ist ein Konzeptdiagramm eines allgemeinen Verfahrens zur Steuerung einer Gleichspannung U und der Amplitude V einer Hochfrequenzspannung gemäß der ersten Ausführungsform.
6 ist ein Konzeptdiagramm eines allgemeinen Verfahrens zur Steuerung der Winkelfrequenz Ω der Hochfrequenzspannung gemäß der ersten Ausführungsform.
7 ist ein Konzeptdiagramm eines Massenspektrums, das unter Verwendung des allgemeinen Steuerverfahrens erhalten wird, gemäß der ersten Ausführungsform.
8 ist ein Konzeptdiagramm eines Verfahrens zur Steuerung der Gleichspannung U, der Amplitude V der Hochfrequenzspannung und der Winkelfrequenz Ω der Hochfrequenzspannung gemäß der ersten Ausführungsform.
9 ist ein Konzeptdiagramm eines gemäß der ersten Ausführungsform erhaltenen Massenspektrums.
10 ist ein schematisches Diagramm eines Verfahrens zur Steuerung der Ioneninjektionsenergie und eines Massenspektrometersystems dafür gemäß einer zweiten Ausführungsform.
11A ist ein Konzeptdiagramm des Verfahrens zur Steuerung der Injektionsenergie gemäß der zweiten Ausführungsform.
11B ist ein anderes Konzeptdiagramm des Verfahrens zur Steuerung der Injektionsenergie gemäß der zweiten Ausführungsform.
12 ist ein schematisches Diagramm des Massenspektrometersystems gemäß der zweiten Ausführungsform, wenn eine Injektionselektrode beim Verfahren zur Steuerung der Ioneninjektionsenergie verwendet wird.
13A ist ein Konzeptdiagramm eines Verfahrens zur Steuerung der an die Injektionselektrode angelegten Injektionsspannung gemäß der zweiten Ausführungsform.
13B ist ein anderes Konzeptdiagramm des Verfahrens zur Steuerung der an die Injektionselektrode angelegten Injektionsspannung gemäß der zweiten Ausführungsform.
14 ist ein schematisches Diagramm eines Massenspektrometersystems, wobei eine Ionenreflexionseinheit bereitgestellt ist, gemäß einer dritten Ausführungsform.
15 ist ein Konzeptdiagramm eines Ions, das durch Stabelektroden hindurchtritt, wobei es reflektiert wird, gemäß der dritten Ausführungsform.
16 ist ein Konzeptdiagramm eines allgemeinen Steuerverfahrens für ein Verfahren zum Anlegen einer Reflexionsspannung und ein Massenspektrometrie-Abtastverfahren gemäß der dritten Ausführungsform.
17 ist ein Konzeptdiagramm eines allgemeinen Steuerverfahrens für das Verfahren zum Anlegen einer Reflexionsspannung und das Massenspektrometrie-Abtastverfahren gemäß der dritten Ausführungsform.
18 ist ein Konzeptdiagramm eines Tandem-Massenspektrometers, welches ein Steuerverfahren gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung aufweist.
Beschreibung von Ausführungsformen
Nachstehend werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben. Zusätzlich bedeutet in der vorliegenden Beschreibung die Ionenfrequenz die Anzahl der Schwingungen, die auftreten, wenn eine Ionenspezies durch eine Multipolelektrode hindurchtritt. Gemäß der Erfindung ist die Ionenfrequenz, welchen die Anzahl der Schwingungen der durch die Multipolelektrode hindurchtretenden Spezies ist, bei Ionenspezies mit einem hohen m/z-Wert (einem Ion mit einer hohen Masse) erhöht. Die folgenden Formeln (i) bis (iii) davon sind bevorzugt:

(i) Wenn das Masse-/Ladungsverhältnis m/z eines Ziels für die Massenauswahl und -trennung erhöht wird, um in Bezug auf eine an die Multipolelektrode angelegte Spannung abgetastet zu werden, werden die Werte einer Gleichspannung U, der Amplitude V der Hochfrequenzspannung und die Winkelfrequenz Ω der Hochfrequenzspannung, welche an die Multipolelektrode angelegt werden, gesteuert, um sie gleichzeitig zu erhöhen.
(ii) Die Injektionsenergie E bei der Injektion einer ionisierten Probe in die Multipolelektrode wird gesteuert, so dass die Injektionsenergie E verringert wird, wenn der Wert des Masse-/Ladungsverhältnisses m/z des Zielions für die Massenauswahl und -trennung größer wird, und die Injektionsenergie E erhöht wird, wenn der Wert des Masse-/Ladungsverhältnisses m/z des Zielions für die Massenauswahl und -trennung kleiner wird.
(iii) Ein Ion mit einem hohen m/z-Wert, der größer oder gleich einem spezifischen Masse-/Ladungsverhältnis ist, wird so gesteuert, dass die Spannung zum Reflektieren des Ions an eine Ionenreflexionseinheit angelegt wird, die am entgegengesetzten Ende zu dem Ende, wo das Ion in die Multipolelektrode injiziert wird, bereitgestellt ist, und die Ionenspezies wird reflektiert, ohne von der Multipolelektrode emittiert zu werden, um erneut durch die Multipolelektrode hindurchzutreten. Nachstehend werden verschiedene Ausführungsformen der Reihe nach beschrieben.

ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM
Ein Massenspektrometersystem und ein Spektrometrieverfahren gemäß einer ersten Ausführungsform werden mit Bezug auf die 1 bis 9 beschrieben.
1 ist ein Diagramm eines Verfahrens zum Steuern der an eine Massenspektrometrieeinheit angelegten Spannung für ein Massenspektrometersystem gemäß der ersten Ausführungsform. 2 ist ein Konfigurationsdiagramm des gesamten Massenspektrometersystems gemäß der ersten Ausführungsform.
1 zeigt zunächst einen Spektrometrieablauf eines Massenspektrometersystems 11. Eine Zielprobe für die Massenspektrometrie des Massenspektrometersystems 11 wird durch Gaschromatographie (GC) oder Flüssigchromatographie (LC), wodurch ein Vorverarbeitungssystem 1 gebildet ist, zeitlich getrennt und fragmentiert. Zusätzlich werden die Probenionen, die durch eine Ionisationseinheit 2 sequenziell ionisiert werden, durch eine Ionentransporteinheit 3 in eine Massenspektrometrieeinheit 4 injiziert, um sie einer Massentrennung zu unterziehen.
Eine Spannung wird durch eine Spannungsquelle 9 an eine Massenspektrometrieeinheit 4 angelegt und dabei durch eine Steuereinheit 8 gesteuert. Die getrennten Ionen werden durch eine Ionendetektionseinheit 5 detektiert, eine Datenverarbeitungseinheit 6 führt eine Datenreduktion und -verarbeitung aus, und Massenspektrometriedaten 1 als ein Spektrometrieergebnis der Datenreduktion und -verarbeitung werden auf einer Anzeigeeinheit 7 angezeigt.
Wie im Massenspektrometersystem 11 aus 2 gezeigt ist, steuert die Steuereinheit 8 eine Reihe vollständiger Massenspektrometrieprozesse für die Ionisation der Probe und den Transport des Probenionenstrahls zur Massenspektrometrieeinheit 4 durch das Vorverarbeitungssystem 1, die Ionisationseinheit 2 und die Ionentransporteinheit 3, die Spannungsquelle 9, die Injektion in die Massenspektrometrieeinheit 4, einen Massentrennprozess, die Ionendetektion, die Datenverarbeitung, die Datenanzeige durch die Ionendetektionseinheit 5, die Datenverarbeitungseinheit 6, die Anzeigeeinheit 7 und einen Anweisungsprozess durch eine Benutzereingabeeinheit 10.
Hier ist die Massenspektrometrieeinheit 4 ein Quadrupol-Massenspektrometer, das aus vier Stabelektroden gebildet ist. Die Massenspektrometrieeinheit 4 kann jedoch auch ein Multipol-Massenspektrometer sein, das aus vier oder mehr Stabelektroden gebildet ist, und sie kann auch ein Quadrupol-Ionenfallen-Massenspektrometer sein. Zusätzlich können die vier Stabelektroden, wie in 1 dargestellt ist, wobei die Längsrichtung der Stabelektroden als z-Richtung festgelegt ist und die Querschnittsrichtung in die x-y-Ebene gelegt ist, wie in der x-y-Schnittansicht der Stabelektroden dargestellt ist, Zylinderelektroden oder Stabelektroden mit einer bipolaren Oberflächenform sein, wie durch eine gestrichelte Linie angegeben ist.
Bei diesen vier Stabelektroden werden, indem einander gegenüberstehende Elektroden als ein Satz festgelegt werden, Spannungen entgegengesetzter Phasen + (U + VcosΩt) und – (U + VcosΩt) an zwei Sätze von Elektroden 13a und 13b angelegt. Wie in Ausdruck (1) gezeigt, wird zwischen den vier Stabelektroden ein elektrisches Hochfrequenzfeld Ex, Ey erzeugt. [Math 1]
Das ionisierte Probenion wird entlang einer Mittelachse (z-Richtung) zwischen den Stabelektroden eingebracht und durchläuft das elektrische Hochfrequenzfeld aus Ausdruck (1). Zu dieser Zeit wird die Stabilität der Ionenbahnkurven in x- und y-Richtung durch die folgenden dimensionslosen Parameter a und q bestimmt, die aus einer Bewegungsgleichung (Mathieu-Gleichung) der Ionen zwischen den Stabelektroden erhalten werden. [Math 2]
[Math 3]
Hier ist die Valenz z auf 1 gesetzt. Im Fall z ≠ 1 ist in Ausdruck (2) und in Ausdruck (3) r₀ die Hälfte des Abstands zwischen den gegenüberstehenden Stabelektroden, ist e die Elementarladung, ist m die Masse eines Ions, ist U die an die Stabelektrode angelegte Gleichspannung und sind V und Ω die Amplitude bzw. die Winkelfrequenz einer Hochfrequenzspannung. Falls die Werte r₀, U, V und Ω festgelegt sind, entspricht jede Ionenspezies einem anderen Punkt (a, q) in einer a-q-Ebene, abhängig von der Massenzahl m der Ionenspezies. Dabei existieren aus Ausdruck (2) und Ausdruck (3) alle verschiedenen Punkte (a, q) der Ionenspezies auf der Geraden aus Ausdruck (4).
[Math 4]

a = 2U / Vq (4)

3 zeigt einen quantitativen Bereich (Gebiet stabiler Transmission) von a und q, wodurch eine stabile Lösung gegeben wird, in Bezug auf die Ionenbahnkurven in x- und y-Richtung des Massenspektrometersystemsgemäß der vorliegenden Ausführungsform. Zur Ausführung einer Massentrennung, bei der nur die Ionenspezies mit einer spezifischen Massenzahl M durch die Stabelektroden hindurchgelassen wird und bewirkt wird, dass andere Ionenspezies instabil emittiert werden, muss das Verhältnis zwischen U und V eingestellt werden, so dass das Verhältnis die Nähe des Scheitelpunkts des Gebiets stabiler Transmission in 3 schneidet.
4 zeigt ein Konzeptdiagramm, in dem nur ein Ion mit einer Ziel-Massenzahl m durch die Stabelektroden hindurchtritt und benachbarte Ionen instabil sind. Das Ion, das stabil durchgelassen wird, durchläuft die Stabelektroden 13 in z-Richtung, während es schwingt. Dagegen wird die Schwingung des instabilen Ions verstärkt, so dass das instabile Ion in x- und y-Richtung emittiert wird. Die Gerade aus Ausdruck (4) wird als Massenabtastlinie bezeichnet, und durch sequenzielles Abtasten der Werte von U und V, während die Steigung (U/V-Verhältnis) der Massenabtastlinie beibehalten wird, wird die Massenzahl M der Ionenspezies, die zwischen den Stabelektroden stabil durchgelassen und nach der Masse getrennt wird, abgetastet. [Math 5]
[Math 6]
Dabei wird anhand Ausdruck (5) und Ausdruck (6), die gegenüber Ausdruck (2) und Ausdruck (3) modifiziert sind, gewöhnlich die Massenzahl M der Ionenspezies durch Erhöhen der Werte von U und V proportional zur Ionenmasse m abgetastet.
5 zeigt ein Verfahren zur Steuerung der Spannung hierbei. Zusätzlich zeigt 6 einen Fall, in dem die Winkelfrequenz Ω oder die Frequenz f der Hochfrequenzspannung entsprechend der Massenzahl der Ionenspezies, die der Masse nach auszuwählen und zu trennen sind, auf der Grundlage von Ausdruck (7) gesteuert geändert wird. [Math 7]
Beim Massenspektrometersystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden durch Abtasten der Massenzahl M oder des Masse-/Ladungsverhältnisses m/z der nach dem in 5 oder 6 dargestellten Abtastverfahren einer Massenauswahl und -trennung zu unterziehenden Ionenspezies schließlich die Ergebnisse der Messung der Anzahl der Detektionen aller Ionen in der Probe für jede Massenzahl M als Massenspektrum ausgegeben, wie bei (1) aus 7 dargestellt ist. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse kann ein Benutzer eine qualitative Analyse ausführen, bei der eine Komponente in der Probe spezifiziert wird, oder eine quantitative Analyse ausführen, bei der der Anteil jeder Komponente gemessen wird.
Wie bei (1) aus 7 dargestellt ist, ist das Massenspektrum durch die Verteilung der Anzahl der Detektionen (Massenspitze) für jede Massenzahl gebildet und entspricht die Fläche der Massenspitze dem Anteil der Ionenspeziesmit einer Masse M. Dementsprechend wird, wie bei (2) aus 7 gezeigt, die Genauigkeit des gemessenen Anteils jeder Komponente verringert, wenn die Massenspitze der Massenzahl M die Massenspitze der Ionenspezies mit der benachbarten Massenzahl M ± 1 (benachbartes Ion) überlappt. Bei der quantitativen Analyse, wie bei (1) aus 7 gezeigt, muss jede Massenspitze mit hoher Trennbarkeit (hoher Auflösung) von der Massenspitze des benachbarten Ions getrennt werden. Als Index für die hohe Auflösung muss die Halbwertsbreite jeder Massenspitze ΔM zumindest ΔM < 0,5 erfüllen. Beim Massenspektrometersystem aus dem Stand der Technik besteht die Tendenz, dass das Massenspektrum die Massenspitze des benachbarten Ions überlappt, wenn die Massenzahl m ansteigt, und dass die Auflösung verschlechtert wird.
Wie in 4 dargestellt ist, werden Ionen in die Stabelektroden injiziert und durchlaufen das elektrische Hochfrequenzfeld zwischen den Stabelektroden, während sie eine Schwingung durchmachen. Dabei ist bekannt, das, wenn die Anzahl der Schwingungen N eines Ions größer wird, die Halbwertsbreite ΔM der Massenspitze abnimmt und demgemäß die Auflösung verbessert wird. Zusätzlich ist die Anzahl der Schwingungen N eines Ions in etwa proportional zur Winkelfrequenz Ω oder zur Frequenz f (= Ω/(2π)) der an die Stabelektroden angelegten Hochfrequenzspannung VcosΩt. Dementsprechend ist es durch Erhöhen der Winkelfrequenz Ω der Hochfrequenzspannung VcosΩt bei einer Erhöhung des Masse-/Ladungsverhältnisses m/z möglich, die Anzahl der Schwingungen N zu erhöhen, mit denen das Ion schwingt, wenn es durch die Stabelektroden hindurchtritt, und es wird dabei erwartet, dass die Auflösung verbessert wird. Demgemäß wird die Winkelfrequenz Ω entsprechend dem Masse-/Ladungsverhältnis m/z erhöht, wie in Ausdruck (8) dargestellt ist.
[Math 8]

Ω ∝ (m/z)^x (x > 0) (8)

Beim Quadrupol-Massenspektrometer müssen jedoch die Ausdrücke (5) und (6) erfüllt sein, um eine Massenauswahl und -trennung auszuführen. Demgemäß wird die Beziehung aus Ausdruck (8) durch die Verwendung einer Konstanten C durch Ausdruck (9) ausgedrückt. Dabei werden die Ausdrücke (5) und (6) zu den folgenden Ausdrücken (10) und (11) modifiziert:
[Math 9]

Ω = C·(m/z)^x (x > 0) (9)

[Math 10]
[Math 11]
Beim Massenspektrometersystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird, wie im Abtastverfahren 12 aus 8 gezeigt, in einem Fall, bei dem das einer Massenauswahl und -trennung zu unterziehende Masse-/Ladungsverhältnis m/z oder die Massenzahl M (wenn z = 1 gilt) der Ionenspezies abgetastet wird, so dass der m/z-Wert (oder M) unter Verwendung der Ausdrücke (9), (10) und (11) erhöht wird, die Abtastung so ausgeführt, dass die Gleichspannung U, die Amplitude V und die Winkelfrequenz Ω der Hochfrequenzspannung VcosΩt gleichzeitig erhöht werden. Allerdings ergibt sich aus den Ausdrücken (10) und (11) in einem Fall x ≥ 1, dass 0 < x < 1 bevorzugt ist und 0 < x < 1/2 noch bevorzugter ist, weil die Werte von U und V entsprechend m/z schnell ansteigen. Weil dabei die Anzahl der Schwingungen N, mit denen das Ion schwingt, wenn es durch die Stabelektroden hindurchtritt, zur Winkelschwingungsfrequenz Ω der Hochfrequenzspannung VcosΩt proportional ist, nimmt die Ionenfrequenz zu, wenn m/z größer wird, was zur Verbesserung der Auflösung führt.
Ein Konzeptdiagramm des dabei erhaltenen Massenspektrums ist bei (1) und (2) aus 9 dargestellt. Wie vorstehend beschrieben, wird durch das Massenspektrometersystem und das Spektrometrieverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform nicht nur bei Ionen mit einer kleinen Massenzahl, sondern auch bei Ionen mit einer hohen Massenzahl ΔM verringert und kann die Auflösung verbessert werden, wie bei (2) aus 9 dargestellt ist.
ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM
Als nächstes wird eine zweite Ausführungsform unter Verwendung der 10, 11A, 11B, 12, 13A und 13B beschrieben. 10 ist ein Diagramm, das ein Verfahren zum Steuern der an die Massenspektrometrieeinheit angelegten Spannung gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt. Gemäß der Ausführungsform ist zum Erhöhen der Anzahl der Schwingungen N der Ionen, wenn sie durch die Stabelektroden hindurchtreten, während sie schwingen, nachdem Ionen mit einem hohen Masse-/Ladungsverhältnis m/z in die Stabelektroden injiziert wurden, eine Ioneninjektionseinheit 14 bereitgestellt. Hierbei wird die Injektionsenergie der in die Massenspektrometrieeinheit 4 injizierten Ionen gesteuert. Dabei nimmt die Steuereinheit 8, wie durch ein Steuerverfahren 15 aus 11A gezeigt, eine Steuerung vor, bei der die Injektionsenergie der Ionen auf der Grundlage des folgenden Beziehungsausdrucks entsprechend dem Masse-/Ladungsverhältnis m/z angewendet wird. [Math 12]
Das heißt, dass die Injektionsenergie und die Injektionsgeschwindigkeit abnehmen, wenn die Massenzahl der Ionen höher wird. Daher wird erwartet, dass die Zeit, während derer die Ionen durch die Stabelektroden hindurchtreten, und die Ionenfrequenz N zunehmen. Dementsprechend wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine hohe Auflösung für das Massenspektrum der Ionen mit einer hohen Massenzahl erwartet. Hier kann bei einem Verfahren zum Steuern der Injektionsenergie der Ionen die Energie ähnlich der Stufenfunktion geändert werden, wie im Steuerverfahren 15 aus 11B beschrieben.
Zusätzlich ist, wie in 12 dargestellt ist, bei einer spezifischen Konfiguration der Ioneninjektionseinheit 14 die Ioneninjektionseinheit aus zwei oder mehr Elektroden 16a und 16b gebildet, worin eine Öffnung bereitgestellt ist, durch welche die Ionen hindurchtreten können, wobei die an die Elektroden angelegten Spannungen V1 und V2 sind. Wie in den 13A und 13B dargestellt ist, steuert die Steuereinheit 8 unter Verwendung eines Steuerverfahrens 16, bei dem die Potentialdifferenz ΔV = V1 – V2 entsprechend dem Masse-/Ladungsverhältnis m/z der Ionen auf der Grundlage des folgenden Ausdrucks geändert wird. [Math 13]
In diesem Fall nehmen, wenn die Massenzahl der Ionen höher wird, die Injektionsenergie und die Injektionsgeschwindigkeit ab. Daher nehmen die Zeit, während derer die Ionen durch die Stabelektroden hindurchtreten, und die Ionenfrequenz N zu. Dementsprechend werden die gleichen Wirkungen wie jene, die in den 10, 11A und 11B dargestellt sind, d. h. eine hohe Auflösung des Massenspektrums von Ionen mit einer hohen Massenzahl, erwartet. An Stelle der Ioneninjektionseinheit 14 kann die Ionentransporteinheit 3 verwendet werden. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ergibt sich aus den Ausdrücken (12) und (13) in einem Fall x ≥ 1, dass 0 < x < 1 bevorzugt ist und dass x < 1/2 noch bevorzugter ist, weil die Werte von E und ΔV schnell mit m/z ansteigen.
DRITTE AUSFÜHRUNGSFORM
Als nächstes wird eine dritte Ausführungsform unter Verwendung der 14, 15, 16 und 17 beschrieben. Wie in 14 dargestellt ist, sind beim Massenspektrometersystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform Ionenreflexionseinheiten 17a und 17b, die aus Ionenreflexionselektroden 18a und 18b bestehen, an beiden Endabschnitten der Stabelektroden bereitgestellt. Ein Verfahren 19 zum Steuern der an die Ionenreflexionselektroden 18a und 18b angelegten Spannung ist in den 16 und 17 dargestellt. Hier werden, wie in 16 dargestellt ist, durch Anlegen einer Spannung an die Ionenreflexionselektrode die Ionenspezies mit einem spezifischen m/z-Wert oder einem höheren Wert gesteuert, so dass die Ionenspezies beim Erreichen des Endabschnitts der Stabelektroden reflektiert werden, ohne von den Stabelektroden emittiert zu werden, und wieder durch die Stabelektroden hindurchtreten.
15 zeigt einen Überblick über das dabei auftretende Phänomen. Wie in 17 dargestellt ist, ist beim Verfahren zur Steuerung der Massenspektrometrie (Massenzahl-Abtastverfahren) die Spektrometriezuweisungszeit für jede Ionenspezies (Mi) ΔT(Mi), wenn die Spektrometrie ausgeführt wird, indem der Wert des Masse-/Ladungsverhältnisses m/z der Ziel-Ionenspezies für die Spektrometrie proportional zur Zeit gemacht wird. Demgemäß wird, wie in 16 dargestellt ist, die Zeit des Anlegens der Reflexionsspannung ΔT(Vref) gesteuert, um die Zeit der Ionenmassenabtastung so einzustellen, dass ΔT(Vref) < ΔT(Mi) ist. Hier besteht der Grund dafür, dass die Steuerung so ausgeführt wird, dass ΔT(Vref) < ΔT(Mi) ist, darin, dass es notwendig ist, Zeit bereitzustellen, während derer die Reflexionsspannung nicht angelegt wird, weil die Ionen in die Stabelektroden injiziert oder davon emittiert werden. Allerdings kann als Verfahren zum Abtasten eines Ziels für die Massenspektrometrie (m/z) selbst dann, wenn das lineare Abtastverfahren in Bezug auf die Zeit, das in 17 dargestellt ist, nicht verwendet wird, ein beliebiges Abtastverfahren verwendet werden, solange die Steuerung so erfolgt, dass ΔT(Vref) < ΔT(Mi) ist.
Weil zusätzlich eine Spannung für das erneute Reflektieren der Ionen an die Endseite angelegt wird, wo die Ionen in die Stabelektrode injiziert werden, wird die Reflexionsspannung bis zur Spektrometriezuweisungszeit für die nächste Ionenspezies auf Null gelegt (|Vref| = 0), so dass die Ionen eineinhalb Mal durch die Stabelektroden hin- und herlaufen, bis sie zu der Seite emittiert werden, auf der der Detektor 5 bereitgestellt ist. Vref ist jedoch in einem Fall eines negativen Ions negativ und im Fall eines positiven Ions positiv, und der Absolutwert |Vref| ist größer als ΔV, wenn die Injektionsenergie Einj der Ionen angewendet wird. Dabei kann die Anzahl der Hin- und Herläufe der Ionen zwischen den Stabelektroden, wenn sie reflektiert werden, 3n/2 sein (n ist eine natürliche Zahl ≥ 1). Das heißt, dass gemäß der Ausführungsform die Auflösung verbessert werden kann, weil die Anzahl der Schwingungen der Ionen bei ihrem Hindurchtritt durch die Stabelektroden bei Ionenspezies mit einem hohen Masse-/Ladungsverhältnis m/z höher ist.
Vierte Ausführungsform
Als nächstes wird ein Massenspektrometersystem gemäß einer vierten Ausführungsform unter Verwendung von 18 beschrieben. Wie in 18 dargestellt ist, wird bei einer Verbindungs-Massenspektrometrieeinheit 20, bei der wenigstens zwei oder mehr, vorzugsweise drei Sätze von vier oder mehr Stabelektroden in Längsrichtung verbunden sind, eine durch ein Masseneinstellverfahren, das in 18 dargestellt ist, gesteuerte Spannung an wenigstens einen Satz der Stabelektroden angelegt. Beispielsweise wird in einem Fall, in dem zwei Sätze der Stabelektroden bereitgestellt sind, nicht die Gleichspannung (DC-Spannung), sondern nur die Hochfrequenzspannung (VcosΩt) an den ersten Satz der Stabelektroden angelegt und werden die Gleichspannung (DC-Spannung) und die Hochfrequenzspannung (VcosΩt) entsprechend dem in 18 dargestellten Steuerverfahren 12 an den zweiten Satz der Stabelektroden angelegt, so dass die Anzahl der Schwingungen, wenn die Ionen hindurchtreten, mit zunehmender Massenzahl der Ionen ansteigen kann. Weil dabei im ersten Satz der Stabelektroden die Ionen einem Punkt auf einer Linie a = 0 des Gebiets stabiler Transmission, wie in 3 dargestellt ist, entsprechen, treten die Ionen stabil durch den ersten Satz der Stabelektroden hindurch und werden in den zweiten Satz der Stabelektroden injiziert. Dagegen werden in einem Fall, in dem drei Sätze der Stabelektroden bereitgestellt sind, im ersten Satz der Stabelektroden die Gleichspannung (DC-Spannung) und die Hochfrequenzspannung (VcosΩt) auf der Grundlage eines in 18 dargestellten Steuerverfahrens angelegt, die Massenzahl in die Nähe des Scheitelpunkts des Gebiets stabiler Transmission gelegt und nur eine spezifische Ionenspezies abgetrennt, um durch den ersten Satz der Stabelektroden hindurchzutreten, während im zweiten Satz der Stabelektroden ein neutrales Gas oder dergleichen eingefüllt wird und die spezifische Ionenspezies (Vorläuferion), welche durch den ersten Satz von Stabelektroden hindurchgetreten ist, veranlasst wird, mit dem zu fragmentierenden neutralen Gas zu kollidieren (kollisionsinduzierte Dissoziation), während im dritten Satz der Stabelektroden auf der Grundlage des in 18 dargestellten Steuerverfahrens ferner eine Gleichspannung (DC-Spannung) und eine Hochfrequenzspannung (VcosΩt) angelegt werden und die Massenspektrometrie der Fragmentionen ausgeführt wird. Weil dabei die Anzahl der Schwingungen des Vorläuferions und die Anzahl der Schwingungen des Fragmentions, wenn die Ionen durch die Stabelektroden hindurchtreten, zunehmen, wenn der Wert des Masse-/Ladungsverhältnisses m/z ansteigt, wird erwartet, dass die Auflösung verbessert wird.
Zusätzlich ist die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und schließt verschiedene Modifikationsbeispiele ein. Beispielsweise wurden die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen zum leichteren Verständnis der Erfindung detailliert beschrieben, und die Erfindung ist nicht auf jene beschränkt, die im Wesentlichen alle beschriebenen Konfigurationen aufweisen. Zusätzlich kann ein Teil der Konfiguration einer Ausführungsform durch die Konfiguration einer anderen Ausführungsform ersetzt werden, und die Konfiguration einer Ausführungsform kann zur Konfiguration einer anderen Ausführungsform hinzugefügt werden. Ferner können für einen Teil der Konfiguration jeder Ausführungsform eine Hinzufügung, ein Entfernen und ein Ersetzen anderer Konfigurationen vorgenommen werden.
Die Konfigurationen, Funktionen und Prozesseinheiten, die vorstehend beschrieben wurden, wurden für den Fall des Erzeugens eines von der Datenverarbeitungseinheit oder der Steuereinheit ausgeführten Programms, welches einen Teil oder alle Konfigurationen, Funktionen und Prozesseinheiten implementiert, beispielhaft beschrieben. Es erübrigt sich jedoch zu bemerken, dass ein Teil oder alle Konfigurationen, Funktionen und Prozesseinheiten als Hardware beispielsweise mit dem Entwurf einer integrierten Schaltung implementiert werden können.
Bezugszeichenliste

1: VORVERARBEITUNGSSYSTEM
2: IONISATIONSEINHEIT
3: IONENTRANSPORTEIHEIT
4: MASSENSPEKTROMETRIEEINHEIT
5: IONENDETEKTIONSEINHEIT
6: DATENVERARBEITUNGSEINHEIT
7: ANZEIGEEINHEIT
8: STEUEREINHEIT
9: SPANNUNGSQUELLE
10: BENUTZEREINGABEEINHEIT
11: GESAMTES MASSENSPEKTROMETERSYSTEM
12: STEUEREINHEIT FÜR DIE ANGELEGTE SPANNUNG
13, 13a, 13b, 13c, 13d: STARELEKTRODEN
14: IONENINJEKTIONSEINHEIT
15: VERFAHREN ZUM STEUERN DER INJEKTIONSENERGIE
16: VERFAHREN ZUM STEUERN DER INJEKTIONSSPANNUNG
17a, 17b: IONENREFLEXIONSEINHEIT
18a, 18b: IONENREFLEXIONSELEKTRODE
19: VERFAHREN ZUM STEUERN DER IONENREFLEXIONSSPANNUNG
20: TANDEM-MASSENSPEKTROMETERSYSTEM

Claims

Massenspektrometersystem, welches Folgendes aufweist: eine Massenspektrometrieeinheit, welche eine Massenauswahl und -trennung einer Ionenspezies mit einem spezifischen Masse-/Ladungsverhältnis m/z ausführt durch Anlegen einer Gleichspannung U und einer Hochfrequenzspannung VcosΩt an eine Multipolelektrode, um ein elektrisches Multipolfeld zu erzeugen, Injizieren einer ionisierten Probe darin und Einstellen und Steuern der an die Multipolelektrode angelegten Spannung, so dass die Ionenspezies mit einem spezifischen Masse-/Ladungsverhältnis m/z durch die Multipolelektrode hindurchtritt, eine Ionendetektionseinheit, welche die Ionenspezies detektiert, eine Datenverarbeitungseinheit, welche eine Ausgabe der Ionendetektionseinheit verarbeitet, und eine Steuereinheit, welche die Massenspektrometrieeinheit steuert, wobei die Steuereinheit die Massenspektrometrieeinheit steuert, so dass die Ionenfrequenz der Ionenspezies proportional zum Wert des Masse-/Ladungsverhältnisses m/z der Ionenspezies, die durch die Multipolelektrode hindurchtreten gelassen wird, erhöht wird.
Massenspektrometersystem nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit Werte der Gleichspannung U, der Amplitude V einer Hochfrequenzspannung und der Winkelfrequenz Ω der Hochfrequenzspannung, die an die Multipolelektrode angelegt werden, steuert, um sie zu erhöhen oder zu verringern, wenn der Wert des Masse-/Ladungsverhältnisses m/z eines Zielions für die Massenauswahl und -trennung für das Abtasten erhöht oder verringert wird.
Massenspektrometersystem nach Anspruch 2, wobei die Steuereinheit die Werte der Gleichspannung U und der Amplitude V der Hochfrequenzspannung, die an die Multipolelektrode angelegt werden, steuert, so dass sie proportional zur x-ten (x > 1) Potenz des Masse-/Ladungsverhältnisses (m/z) sind, um den Wert des Masse-/Ladungsverhältnisses m/z des Zielions für die Massenauswahl und -trennung abzutasten.
Massenspektrometersystem nach Anspruch 2, wobei die Steuereinheit den Wert der Winkelfrequenz Ω der an die Multipolelektrode angelegten Hochfrequenzspannung steuert, so dass er proportional zur x-ten (x ≥ 1/2) Potenz des Masse-/Ladungsverhältnisses (m/z) ist, um den Wert des Masse-/Ladungsverhältnisses m/z des Zielions für die Massenauswahl und -trennung abzutasten.
Massenspektrometersystem nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit zum Abtasten des Werts des Masse-/Ladungsverhältnisses m/z des Zielions für die Massenauswahl und -trennung die Injektionsenergie E für das Injizieren der ionisierten Probe in die Multipolelektrode steuert, so dass die Injektionsenergie E verringert wird, wenn der Wert des Masse-/Ladungsverhältnisses m/z des Zielions für die Massenauswahl und -trennung größer wird, und die Injektionsenergie E erhöht wird, wenn der Wert des Masse-/Ladungsverhältnisses m/z des Zielions für die Massenauswahl und -trennung kleiner wird.
Massenspektrometersystem nach Anspruch 5, wobei die Steuereinheit zum Abtasten des Werts des Masse-/Ladungsverhältnisses m/z des Zielions für die Massenauswahl und -trennung die Injektionsenergie E, wenn die ionisierte Probe in die Multipolelektrode injiziert wird, steuert, so dass sie umgekehrt proportional zum Wert des Masse-/Ladungsverhältnisses m/z ist.
Massenspektrometersystem nach Anspruch 1, welches ferner Folgendes umfasst: Ionenreflexionseinheiten, die an Endabschnitten der Massenspektrometrieeinheit bereitgestellt sind, wobei die Steuereinheit zum Abtasten des Werts des Masse-/Ladungsverhältnisses m/z eines Zielions für die Massenauswahl und -trennung Ionen mit einem hohen m/z-Wert, der größer oder gleich einem spezifischen Masse-/Ladungsverhältnis ist, steuert, so dass eine Spannung für das Reflektieren der Ionenspezies an die Ionenreflexionseinheit angelegt wird, die am Endabschnitt entgegengesetzt zu dem Endabschnitt, wo die Ionenspezies in die Multipolelektrode der Massenspektrometrieeinheit injiziert wird, bereitgestellt ist, und die Ionenspezies reflektiert wird, ohne von der Multipolelektrode emittiert zu werden, um erneut durch die Multipolelektrode hindurchzutreten.
Massenspektrometersystem nach Anspruch 7, wobei die Steuereinheit eine Steuerung ausführt, so dass die Spannung zum Reflektieren der Ionenspezies zur Ionenreflexionseinheit zurück, die am Endabschnitt bereitgestellt ist, wo die Ionenspezies in die Multipolelektrode der Massenspektrometrieeinheit injiziert wird, angelegt wird und die Ionenspezies zur Ionendetektionseinheit emittiert wird, nachdem die Ionenspezies 3n/2 Hin- und Herläufe (n natürliche Zahl ≥ 1) durch die Multipolelektrode ausgeführt hat.
Massenspektrometersystem nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit den abzutastenden Wert des Masse-/Ladungsverhältnisses m/z eines Zielions für die Massenauswahl und -trennung steuert.
Massenspektrometersystem nach Anspruch 1, wobei die Massenspektrometrieeinheit aus einer Tandem-Massenspektrometrieeinheit besteht, bei der mehrere der Multipolelektroden in Längsrichtung angeordnet sind, und wobei die Steuereinheit eine Steuerung ausführt, so dass zumindest eine der mehreren Multipolelektroden den Wert des Masse-/Ladungsverhältnisses m/z eines Zielions für die Massenauswahl und -trennung abtastet.
Massenspektrometrieverfahren unter Verwendung einer Massenspektrometrieeinheit, wobei das Verfahren Folgendes aufweist: Steuern der Massenspektrometrieeinheit, so dass die Massenauswahl und -trennung einer Ionenspezies mit einem spezifischen Masse-/Ladungsverhältnis m/z ausgeführt wird durch Anlegen einer Gleichspannung und einer Hochfrequenzspannung an eine Multipolelektrode der Massenspektrometrieeinheit, um ein elektrisches Multipolfeld zu erzeugen, Injizieren einer ionisierten Probe darin und Einstellen und Steuern der an die Multipolelektrode angelegten Spannung, so dass die Ionenspezies mit einem spezifischen Masse-/Ladungsverhältnis m/z durch die Multipolelektrode hindurchtritt, und, wenn die Ionenspezies detektiert wird, die Ionenfrequenz der Ionenspezies proportional zum Wert des Masse-/Ladungsverhältnisses m/z der Ionenspezies, die von der Multipolelektrode durchgelassen wird, erhöht wird.
Massenspektrometrieverfahren nach Anspruch 11, wobei Werte der Gleichspannung, der Amplitude der Hochfrequenzspannung und der Winkelfrequenz der Hochfrequenzspannung, die an die Multipolelektrode angelegt werden, gesteuert werden, um sie zu erhöhen oder zu verringern, wenn der abzutastende Wert des Masse-/Ladungsverhältnisses m/z eines Zielions für die Massenauswahl und -trennung erhöht oder verringert wird.
Massenspektrometrieverfahren nach Anspruch 12, wobei zum Abtasten des Werts des Masse-/Ladungsverhältnisses m/z des Zielions für die Massenauswahl und -trennung die Werte der Gleichspannung und der Amplitude der Hochfrequenzspannung, die an die Multipolelektrode angelegt werden, oder der Wert der Winkelfrequenz der Hochfrequenzspannung, die an die Multipolelektrode angelegt wird, gesteuert werden, so dass sie proportional zur x-ten Potenz des Masse-/Ladungsverhältnisses m/z sind.
Massenspektrometrieverfahren nach Anspruch 11, wobei zum Abtasten des Werts des Masse-/Ladungsverhältnisses m/z eines Zielions für die Massenauswahl und -trennung die Injektionsenergie, wenn die ionisierte Probe in die Multipolelektrode injiziert wird, gesteuert wird, so dass die Injektionsenergie verringert wird, wenn der Wert des Masse-/Ladungsverhältnisses m/z des Zielions für die Massenauswahl und -trennung größer wird, oder die Injektionsenergie erhöht wird, wenn der Wert des Masse-/Ladungsverhältnisses m/z des Zielions für die Massenauswahl und -trennung kleiner wird.
Massenspektrometrieverfahren nach Anspruch 11, wobei die Massenspektrometrieeinheit Ionenreflexionseinheiten an ihren Endabschnitten aufweist und wobei für das Abtasten des Werts des Masse-/Ladungsverhältnisses m/z eines Zielions für die Massenauswahl und -trennung Ionen mit einem hohen m/z-Wert, der größer oder gleich einem spezifischen Masse-/Ladungsverhältnis ist, so gesteuert werden, dass eine Spannung zum Reflektieren der Ionenspezies an die Ionenreflexionseinheit angelegt wird, die am Endabschnitt entgegengesetzt zum Endabschnitt bereitgestellt ist, wo die Ionenspezies in die Multipolelektrode der Massenspektrometrieeinheit injiziert wird, und die Ionenspezies reflektiert wird, ohne von der Multipolelektrode emittiert zu werden, um erneut durch die Multipolelektrode hindurchzutreten.