JP2001503196A - 飛行時間質量分析計及びそれに対する検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 飛行時間質量分析計（１）に使用されるイオン検出器（２７）が開示されている。イオン検出器（２７）は、拡張されたダイナミックレンジを有し、異なる表面積の収集電極（３６，３８；３９）を備える。一実施例において、これら収集電極（３６，３８；３９）はより大きなプレート状収集電極（３６，３８）とより小さなプレート状収集電極（３９）とから成るアレイ形態で形成されている。マイクロチャネル増倍器プレート（３１，３２）はこれら収集電極（３６，３８；３９）の前方に配列され得る。代替実施例において、収集電極はプレート状電極（４３）の前方に配置されたグリッド(４２)、より好ましくはワイヤ電極（５０）から成る。

Description

【発明の詳細な説明】 飛行時間質量分析計及びそれに対する検出器 技術分野 この発明は、飛行時間質量分析計とその関連されたイオン検出システムに関す る。それは、飛行時間質量分析計においてイオンを検出する装置と、その装置を 作動させる方法とを提供して、先行技術にかかる分析計と比べた場合により低コ ストで性能を改善するものである。 背景技術 飛行時間質量分析計において、イオンの各種群が同一の運動エネルギーを伴っ て電磁場がないドリフト領域に入って、それらイオンが異なる速度で移動してい るので、該イオンがそれらの質量対電荷比に従って時間的に分離する。それ故に 、異なる質量対電荷比を有するイオンは、異なる時間に、ドリフト領域の末端に 配置された検出器に到着し、それらの質量対電荷比がそれらの該ドリフト領域を 通る通過時間の測定によって決定される。 飛行時間質量分析計用の先行技術にかかる検出器は、電子増倍装置が付随され たイオン-電子変換器を備える。幾つかの実施例において、イオンは増倍装置の 面を叩いて電子を解放し、別個の変換器が提供されていない。検出器はドリフト 領域の出口アパチャーの全体にわたって離れるイオンに応答しなければならない ので、従来通りに増倍装置として１つ或はそれ以上のマイクロチャネル・プレー ト電子増倍器を用いる。収集電極はマイクロチャネル・プレートによって作り出 された電子を受け取るように配置されており、そうして生成された電流に応答し て出力信号を作り出す手段が設けられている。そうした検出器と、磁気セクタ、 四重極、或は四重極イオン・トラップ分析計と共に従来通りに用いられる同様装 置との間の主な相違は、イオンの通過時間を、任意の特定時間窓内に到着する数 (１つ或はそれ以上の質量対電荷比に対応)と共に示す信号を作り出さなければな らない電子信号処理である。このデータは、次のイオン群がドリフト領域内に入 れられ得る前に生成されて読み出されなければならず、その結果、検出器速度は 反 復率（反復速度）の重要な決定要素であり、それ故に分析計全体の感度の重要な 決定要素である。 飛行時間分析計用のより早期の検出器は、収集電極に接続されたＤＣ増幅器と 、該増幅器の出力をディジタル化するアナログ-ディジタル変換器（ＡＤＣ）と を備えていた。通常、この構成は時間スライス検出で用いられて、それで増幅器 が特定の時間窓以内に到達するイオンだけに応答するようにゲート操作されてい た(典型的には１つの質量単位に対応)。時間窓は動作の反復サイクル中に（イオ ンのドリフト領域内への入場時間に対して）移動させられて、完全な質量スペク トルがやっとのことで記録されていた。こうして改善には、同時に異なる時間窓 を記録するように配列された幾つかの増幅器及びＡＤＣの使用を含む。にもかか わらず、分析計の多数サイクルが完全な質量スペクトルを記録する為に必要とさ れ、分析計の反復率は各サイクルでのアナログ-ディジタル変換に費やされる時 間によって厳しく制限される。ディジタル過渡レコーダ（例えば米国特許第4,49 0,806号、第5,428,357号、並びに、ＰＣＴ出願第WO94/28631号及び第WO95/00236 号に記載されたもの）はＡＤＣによって作り出されたディジタル・データを効率 的に処理すべく案出されたが、特に、有機化合物の分析に対する飛行時間質量分 析器の場合、これらは高反復率を達成すると云う問題に対しての費用効果的な解 決に相当しない。 飛行時間質量分析計に対する代替的な検出システムはイオンのカウント（イオ ン計数）に基づいている。これらの方法において、単一イオンの検出器に対する 衝突による信号はディジタル・ブール値、イオン衝突の場合には「真」（ディジタ ル「１」によって表現され得る）か、或は、イオン衝突が何等なければ「偽」（例え ば、ディジタル「０」）に変換される。次いで、様々なタイプのタイマ及び／或は カウンタが利用されて、作り出されたディジタル・データを処理する。例えば、 特定の時間窓に関連されたカウンタは、信号がその時間窓内に生成される度に増 分され得る。代替的には、イオン群の入場でスタートしたタイマの出力は、検出 器が「真」信号を生成する度にメモリ・アレイ内に保存され得る。イオン計数検 出器のアナログ検出器を凌ぐ長所は、単一イオン衝突による電子増倍器の出力信 号の変動が、±５０％或はそれ以上であり得て、ノイズ閾値以上の各信号が同等 であるので効率的に削除されることである。更にイオン計数検出器はアナログ検 出器システムに組み入れられたＡＤＣによって必然的に作り出される追加的なノ イズを被らず、動作においてはより高速である。結果として、ノイズのイオン・ カウント全体に対する寄与は低減されており、より正確なイオン・カウントが達 成され、特に少数のイオン場合に達成される。短所は、イオン衝突を表すディジ タル信号が、次のイオンがもし検出されようとしていればそのイオンが検出器に 到着する前に、非常に迅速に処理されなければならいことである。実際上、全て の検出器はイオン衝突に続いての即時的な不感時間(deadtime)を有し、その間に それら検出器がイオン衝突に応答できない。これは所与の時間内に検出され得る イオンの数を制限するものであって、検出器のダイナミックレンジをも制限され る。修正がこうした検出器出力に為され得て、不感時間の効果に対する補償を為 すが（例えば、Stephen,Zehnpfenning並びにBenninghovenの「J.Vac.Sci.Technol .A.」、１９９４年、第１２（２）冊、第４０５〜４１０頁を参照のこと）や、１ ９９８年１月２３日出願のGB9801565.4出願からの優先権を請求している欧州特 許出願、そうした修正が実行された時でさえ、検出器のダイナミックレンジは、 そうした検出器を具備する飛行時間質量分析計の性能を依然として効果的に低減 する。 飛行時間質量分析計に対する改善されたイオン計数検出器は、Rockwoodのピッ ツバーク協議会、１９９７年、アトランタ、ＧＡ（冊子第７３３号）で一般的に 説明されており、Sensar Larsen-Davis社から「Simulpulse」検出器として商業 的に入手可能である。Sensar Larson-Davis社によって出版された情報に従えば 、それは多数の個々別々の均等面積アノードを備え、それらアノードの各々はイ オンのその関連されたアノードへの到着によってトリガされるディジタル・パル ス生成回路を具備する。アノードは幅広い面積の検出器内に配置されているで、 それらはドリフト領域から退出するイオンによって叩かれる可能性が全て同等で ある。結果として、同時的（或は近同時的）なイオンの衝突は、十中八九、異な る電極上で生じ、検出器不感時間の効果は大きく低減されている。これらアノー ド各々からのデータは合算されて８ビットのディジタル・ワードに為され、それ が任意の特定時でのイオン強度を表し、そのワード及び関連時間の値がディジタ ル・メモリに保存される。しかしながら、そうした検出器は明らかに複雑であり 、高価 な製造となる。 ダイナミックレンジを拡張すべく２つの動作モードを有した、スキャニング質 量分析計に対する電子倍増器のイオン検出器が、Kristo及びEnkeのRev．Sci.Ins trum.、１９８８年、第５９（３）冊、第４３８〜４４２頁に開示されている。 この検出器は中間アノードに直列した２チャネル・タイプの電子増倍器を備える 。この中間アノードは、第１増倍器を立ち去る電子の約９０％を妨害し、残りの 電子が第２増倍器に入ることを許容するように構成されていた。アナログ増幅器 がその中間アノード、弁別器、並びに、第２増倍器を立ち去る電子を受け取るべ く配置された電極に接続されているパルス・カウンタに接続されている。アナロ グ増幅器及びパルス・カウンタは電子的に組合せられている。また、保護グリッ ドが増倍器間に配置されている。高入射イオン束では、その出力信号は中間アノ ードに接続されたアナログ増幅器の出力に含まれていた。これら条件下、電位が 保護グリッドに印加されて電子が第２増倍器に入ることを妨げる(それは、さも なければ、第２増倍器を損傷する)。低イオン束では、保護グリッド上の電位が ターン・オフされ、出力信号はパルス・カウンタの出力に含まれていた。このモ ードで、検出器は単一イオン計数モードで動作していた。このようにして、検出 器は中間アノードを用いて低感度アナログ・モードで動作可能であると共に、両 増倍器及びパルス・カウンタを用いて高感度イオン計数モードで動作可能であっ て、ダイナミックレンジがこれらモードの内の一方のみを用いた従来の検出器と 比べて相当に大きくなっていた。 ダイナミックレンジを拡張する為の手段を具備した電子増倍器における他の先 行技術にかかる教示は、米国特許第5,463,219号に教示された同時モード（即ち 、パルス計数及びアナログ式）電子増倍器を含む。米国特許第4,691,160号は異 なる面積の２つの最終収集電極を有する個別ダイノード電子増倍器を教示してお り、それら面積の各々は別個の増幅器に接続されてマニュアル操作スイッチによ って選択可能である。ソビエト連邦発明者証SU 851549は、２つのチャネル・プ レート電子増倍器の間の制御グリッド配備を教示しており、それらグリッド上の 電位はそのアセンブリの利得を制御すべく調整可能となっている。英国特許出願 第2300513号は、複数のダイノード・シートのスタックを備える電子増倍器にお け る特定のダイノード・シート間に配置された同様の制御グリッドを教示しており 、それは本質的には光増倍管に適合している。米国特許第4,691,160号に開示さ れる先行技術も、２つの収集電極を有する連続ダイノード電子増倍器を備え、そ れら収集電極の一方が、最終ダイノードに先行して配置されたダイノードからの 電子を受け取ることができて、増倍器がより少ない利得を有している。 多重アノード検出器も飛行時間質量分析計に使用されて、像形成飛行時間分析 器と通常組み合わされてドリフト領域を立ち去るイオンの空間的分布の像形成を 為す。そうした位置感応検出器は、Cierjacks，Petkovic等のNucl．Instrum．an d Methods in Phys.Res.、１９８５年、第Ａ２３８冊、第３５４〜３６４頁、Ke lloggのRev.Sci.Intrum.、１９８７年、第５８（１）冊、第３８〜４２頁、並び に、ＰＣＴ出願第WO87/00682号に教示されている。これら検出器はイオン衝突の 空間的座標を示す信号を作り出すと共に、多重アノードである「Simulpulse」検 出器とは実質的に異なる方式で動作する。それらは動作の点において一般に低速 であり、本発明で利用されているイオン計数原理よりもアナログ信号処理を用い ている。 発明の開示 本発明の目的は、飛行時間質量分析計とそのための検出器とを提供することで あり、殆どの先行技術にかかる装置よりも大きなダイナミックレンジを有すると 共に、同等性能である先行技術にかかる分析計及び検出器よりも製造がより安価 である。更なる目的は、そうした分析計及び検出器を動作する方法を提供するこ とである。 本発明の第１局面に従えば、請求項１に記載された飛行時間質量分析計が提供 される。 用語「実効面積」はイオン或は他の粒子が突き当たり得る収集電極の部分の面 積を意味するように解釈されるべきであり、必要に応じて、前記イオン検出手段 上に入射するイオンの空間的分布に関しての均一性の何等かの欠陥が修正される 。 好ましくは、イオン検出手段はドリフト領域を立ち去るイオンを受け取って、 該イオン各々の検出手段到着に応じて電子バーストを作り出す荷電粒子贈倍手段 を備える。そうした場合、収集電極はこれら電子を受け取るべく配置される。 典型的には、１つ或はそれ以上のチャネル・フルート電子贈倍器が使用され得 る。 前記ドリフト領域を立ち去るイオンを受け取るべく配置されて、粒子贈倍手段 に次いで入る二次粒子を生成する別個の変換電極をも設けることができる。 収集電極は、好都合にも、同一平面内に配置された異なる実効面積の２つ或は それ以上のプレート状電極を含むことができる。 代替的には、それらは１つ以上のプレート状電極の前方に配置された１つ或は それ以上の部分的透過性である電極を含み得て、それら部分的透過性電極が入射 イオン／電子の束の一部を妨げ、残りをそれらの背後のプレート状電極へ伝達す るように為している。 適切な部分的透過性電極はグリッド電極を含み得て、その場合、グリッド電極 及びプレート状電極の実効面積の比が該グリッドの透過効率によって決定され得 る。 しかしながらより好ましくは、部分的透過性電極は単一ワイヤを含み得る。実 際上、判明されたことは、プレート状電極及び電子贈倍器プレートの間に配置さ れた細い単一ワイヤ電極の実効面積はその実際の面積よりも相当に大きいことで ある。 好適実施例において、１つ以上の選択された通過時間を有するイオンの数を決 定する前記手段は、 （ａ）前記電極の内の最大電極であり、その最大電極に対して、前記選択通過 時間での到着率が所定値を超えおらず、該所定値を上回ると前記不感時間の出現 がその電極で登録されたイオン到着の数に甚大な誤差を生ずることから成る最大 電極と、 （ｂ）前記（ａ）で規定されたものよりも小さい少なくとも１つの電極と、 で登録（又は記録）されたイオン到着の数をカウントする手段を含む。 好適実施例において、イオンの到着を登録又は記録する前記手段が、それの関 連された収集電極上の電圧が荷電粒子の該電極に対する到着に応じて予め選択さ れた閾値レベルを上回るように土昇するとディジタルの「真」信号を生成する高 速弁別器を含み得る。 イオンの前記ドリフト領域を通る通過時間を決定する手段が、多重停止時間デ ィジタイザを含むことができ、それがイオン群の前記ドリフト領域への入場に及 んで始動させられ、前記収集電極に関連された弁別器からの「真」信号の生成に 応じて、ディジタル経過時間信号を生成する。 経過時間信号は、次いで、各信号が関連された収集電極を示すフラグと伴って 、ディジタル・メモリ内に記録され得る。 更なる好適実施例において、２つの収集電極が設けられ、そのより大きい収集 電極が、より小さい収集電極の実効面積よりも、２倍から２０倍の間、そして最 も好ましくは約８倍の実効面積を有する。 前記選択通過時間の各々で登録されたイオン到着をカウントする手段は、適切 にプログラムされたディジタル・コンピュータを含むことができる。好都合にも 、選択通過時間の各々にそれぞれ対応するクロック・パルスが生成され、各クロ ック・パルス毎にイオン到着を登録する各手段が応答させられる。イオン到着が 所与のクロック・パルス中に登録させられる場合、時間ディジタイザからの通過 時間のディジタル表現は、イオン到着が行われた電極を示すフラグを伴って、メ モリ内に保存させられる。時間ディジタイザは新イオン群の生成に及んでリセッ トさせることができて、異なるイオン群内の所与の質量対電荷比を具備するイオ ンの到着が同等の通過時間で記録させられる。代替的には、各イオン群が生成さ れる時間はイオン到着時間と共に保存可能であって、実際の通過時間が、各到着 時間が関連されるイオン群の始動時間の減算で後に計算可能である。一連のイオ ン群の終了で、各収集電極に１つ以上（典型的には全て）の選択された通過時間 で到着したイオンの合計数が計算され得る。 またディジタル計算手段は、各収集電極へのイオン到着率を見積もるべく且つ それが所定値を超えているか否かを設定すべく使用され得る。 残念ながら、第２収集電極からのデータが所与の通過時間で信頼性あるかにつ いての決定は、その電極での観測されたイオン到着率に基づいては直に為すこと ができず、それはその観測された率が不感時間の影響を受けている可能性がある からである。例えば、その観測された率は高イオン到着率を被った拡張している 不感時間検出器の場合にはゼロに入る得る。 電極に対するイオン到着率を見積もる好適な方法は、前記選択された通過時間 の各々で、最小電極に対するイオン到着の数をカウントすることである。もしそ れらが所定値よりも小さければ、その通過時間での最大電極に対するイオン到着 率が不感時間問題を回避する為に充分に低いものと見なされ得る。結果として、 より大きな電極からのデータがその選択通過時間を有するイオンの数を決定すべ く使用され得る。しかしながら、もしそのより小さい電極に対するイオンの到着 の数が所定値を超えていれば、より大きな電極に関連されたデータが不正確であ る可能性があり、その通過時間を有するイオンの数はより小さい電極のみに関連 されたデータから決定されるべきである。前記所定値は、異なる入射イオン束に よる両電極でのイオン・カウントの比を決定することによって設定され得る。こ の比は、不感時間効果がより大きな電極に関連されたデータに影響し始める点ま でイオン束が増大される間に一定に維持される。その点で、この比はより小さな 電極に有利にバイアスされ、所定値がそれに従って設定され得る。 代替的には、さほどでもない好適実施例において、イオン群の合計数に対する 、イオン到着が所与の通過時間で登録されているイオン群数の比からの暗示によ ってイオン到達率を見積もることができる。もしこの比が所定値（イオン群生成 の頻度に対する既知の検出器不感時間の考察から設定される）を超えていれば、 最大電極に関連されたデータが拒絶されて、次に小さい電極に関連されたデータ だけが使用されるべきである。そのより小さい電極へのイオン到着率は、明らか に、より大きな電極でのものよりも小さくなり(電極間の実効面積の比に比例し て)、不感時間中のイオン到着によるカウント損失がそれに従ってより小さくな る。よって、より小さい電極に関連されたカウント・データは、典型的には、引 き続く通過時間に対するより大きな電極に関連されたデータに優先して、より大 きな電極へのイオン到着率が許容レベルに入るまで利用される。拡張不感時間を 有する検出器の場合には、典型的には、より大きな電極については何等登録され ていない一方でこうした状況ではそれがイオン到着を示しているより小さな電極 のカウント・データの検査によって、より大きな電極の完全飽和によるイオン・ カウントの欠如を真のイオン到着率における減少として取り違えないように注意 をしなければならない。 代替的には、第２収集電極に関連されたデータは、不感時間の効果に対して、 ピークの初めか始動して段階的に修正され得る。次いで、そうして生成された修 正の大きさは、充分な修正が不可能となる程にピークの後での電極へのイオン到 着率が大きくなり、そうした場合、第１収集電極からのデータだけがピーク全体 を特徴付けるように使用されるべきである。 この方法は、より正確なカウントがより小さな電極に関連されたデータへの切 り替えを必要する程には高度ではないが、不感時間による何等かの損失と成る程 には高度である、イオン到着率に対して獲得可能となる。 更なる好適実施例は、GB 9801565.4(代理人整理番号：80.85.67750/001)から だけ優先権を請求して本願と同時に提出された同時係属中のＰＣＴ特許出願に教 示された不感時間修正の方法を含み、それは最大電極からの生カウント・データ がソフトウェアを取り扱う従来の質量分析データによって先ず処理されて、未修 正質量スペクトルを作り出して、予め計算された検索テーブルによって不感時間 の効果に対する修正が引き続き為される。 その出願での方法において、取得されたデータは処理されて、特定の通過時間 を有するイオンの数を表すデータを含む少なくとも１つの観測された質量スペク トルを作り出し、そして、その質量スペクトル中に、質量ピークに対応するデー タの部分を認識又は識別する。このプロセスは、前記データ部分の内の少なくと も１つから観測されたピーク領域及び観測された質量中心を決定し、前記飛行時 間質量分析計に特有であり且つ前記観測された質量中心に従って選択された所定 ピーク形状関数を用いて、前記観測された質量中心から前記質量ピークの形状を 示す分布関数を決定し、そして、修正を前記観測された質量中心に適用して、検 出不感時間の効果に対して修正された前記質量中心の値を獲得するものであり、 前記修正は前記分布関数及び前記観測されたピーク領域の異なる値に対して前記 修正の値を付与する所定修正テーブルから獲得されるものであり、前記所定テー ブルは、前記分布関数及びピーク領域の適切な範囲に対する前記ピーク形状関数 を有する複数のシミュレートされた質量の各々に対する前記検出器不感時間の効 果を予測することによって獲得されたものである。 ディジタル計算手段は更にプログラムされて、より小さな電極に関連されたデ ータを電極の実効面積の比に基づく係数で倍加して、その電極に関連されたデー タをより大きな電極に関連されたものと比肩できるように為す。 本発明は、分析計のダイナミックレンジを拡張するものであり、その理由は、 先行する単一収集電極分析計において、イオン束が検出器の飽和を妨げるように 制限されなければならず、さもなければ、例えもし不感時間の先行方法が適用さ れたとしても、データが回復不可能に失われるからである。本発明に従った分析 計において、イオン束は最大電極の飽和を引き起こすであろう程度を超えて増大 可能であり、それによって、最強ピークがより小さな電極に関連されたデータを 用いて記録され得る一方で、低強度ピークが最大電極に関連されたデータを用い て記録させるようにしている。同様の結果は先に議論した先行技術に係る「Simu lpulse」検出器によって達成されるが、本発明では、異なる実効面積の電極を用 いて、電極数及びそれらに関連されたエレクトロニックスを減ずることによって より費用効果的な解決策を提示している。本発明ではダイナミックレンジが１０ ：１の面積比を有する２つの電極を用いて約１０の係数だけ増大させることがで きる一方、先行技術に係る検出器を用いての同様増大には同等面積の１０個の電 極が必要となるであろう。 理解して頂けるように、本発明はその分析計が、特定の質量では強力なイオン ・ビームを作り出す一方で他の質量では遥かに小さいイオン・ビームを作り出す ことができる、例えば、誘導結合プラズマ・イオン源、電子衝突式化学イオン化 、或は、ＡＰＣＩイオン源等々のイオン・ソース（イオン源）を含む際に、特に 有益である。しかしながら、他のタイプのイオン・ソース、例えば、エレクトロ スプレー或はマトリックス補助レーザ脱着イオン・ソース(MALDI)でも利用可能 である。 本発明の第２局面に従えば、請求項２０に記載の飛行時間質量分析方法が提供 される。 その方法に対する好適な変更等は、本発明での装置に関して先に提供した議論 から明らかであろう。 本発明の様々な実施例が、例示的目的のみで、添付図面を参照して、以下説明 される。 図面の簡単な説明 図１は、ＩＣＰ質量分析計の概略図である。 図２は、イオン検出器の概略図である。 図３は、図２に示された検出器に適合する収集電極のアレイの概略図である。 図４は、代替的なイオン検出器の概略図である。 図５は、図４に示される平面ＡＡによる断面図である。 発明を実施するための最良の形態 先ず図１で参照されるように、プラズマ３を生成するＩＣＰトーチ２を備える ＩＣＰ質量分析計が符号１によって全般的に示されている。従来のＩＣＰ質量分 析計におけるように、分析されるべき試料（サンプル）がトーチ・ガス供給（不 図示）内に閉じ込められたトーチ２内に導入され得る。そうした試料に特有のイ オンはプラズマ３内に生成される。トーチ２はサンプリング・コーン（又は標本 抽出コーン）４に隣接して配置されており、該サンプリング・コーンはプラズマ ３内に生成されたイオンの内の少なくとも一部が、第１ポンプ７で真空引きされ る第１減圧チャンバー６に入る為に通過するオリフィス５を有する。従来の慣習 に従って、サンプリング・コーン４と協働するスキマー８が設けられて、ノズル -スキマー・インタフェースを提供している。第２減圧チャンバー９に接続され た第２ポンプ１０によってポンプ汲み上げ作用を受ける追加段が設けられている 。プラズマ３からのイオンはスキマー８から軸線１１に沿って出て、第２減圧チ ャンバー９を通過し、チャンバー９及び１３間の境界壁の一部を形成している円 錐状摘出レンズ１２内のオリフィスを介して第３減圧チャンバー１３に出る。こ の第３チャンバー１３は第３ポンプ１４によって減圧されている。欧州特許出願 第0813228 A号の教示に従えば、六極ロッド・アセンブリ１５（約１０^-2トルの 圧力であるガスを含む）が第３減圧チャンバー１３内に設けられて、欲せざる種 からの干渉を低減すると共に、イオンのエネルギー拡散を低減している。 そのロッド・アセンブリ１５を通過後にイオンは、第３減圧チャンバー１３を 、飛行時間質量分析器を含む第４減圧チャンバーから分割している壁部１７内の オリフィス１６を通過する。真空ポンプ１９はチャンバー１８内の圧力を１０^-6 トル或はより良好に維持している。減圧チャンバー１８に入るに及んで、イオン は 静電集束レンズ２０を通過し、パルス生成器２２からのパルスが供給される複数 電極であるイオン・プッシャ又はイオン推進器２１に入って、イオン群が軸線２ ５に平行してドリフト領域２４内へ繰り返し放出される。それ故に一般的な意味 で、アイテム１乃至２４がイオン群を反復的に生成するイオン・ソースを含む。 イオン推進器２１は、これらイオン群の少なくとも一部が、軸線２５（イオン軸 線１１に直交）に沿っての実質的に同一の運動エネルギー成分を伴って、ドリフ ト領域に入るように為すイオン加速手段を含む。それ故にこの構成は、直交加速 飛行時間分析器を含むが、線形構成をも本発明の範囲内である。イオン推進器２ １を立ち去るイオンは弾道２３に沿ってドリフト領域２４内を移動し(これは、 イオンがイオン軸線１１の方向の有限の速度成分を有する故に軸線２５から逸脱 している)、そしてそれらの質量対電荷比に従って時間に関して又は時間的に分 離させられる。ドリフト領域２４は反射タイプ分析器であり、弾道に続いてのイ オンの移動方向を変更する静電イオン・ミラー２６を備え、それらイオンをイオ ン検出器２７内へ方向付けている。イオン・ミラー２６の使用は分析計のサイズ を減少すると共に、質量解像度を改善するが、所望に応じて線形分析器が使用可 能である。前記イオンの到着を登録（又は記録）する手段は、少なくとも２つの 高速弁別器２８を含み(イオン検出器２７における電極の各々に対してそれぞれ １つずつ)、イオンが検出器２７に到着する度にディジタル信号を作り出す。イ オンのドリフト領域２４を通る通過時間を決定する手段と、１つ以上の選択され た移動時間を有するイオンの数を決定する手段とはクロック生成器２９及びディ ジタル・コンピュータ３０を備え、以下により詳細に説明される。 次に図２で参照されるように、本発明の用途に適合するイオン検出器２７の実 施例は、イオン・ミラー２６（図１）によって検出器２７へ向けて方向付けられ たイオンを受け取るべく配置された一対の第１及び第２のマイクロチャネル増倍 器プレート３１及び３２を備える。このイオン束は矢印３３で図２に概略的に示 されている。各イオンは第１増倍器プレート３１の前面を叩いて、そのイオン衝 突に対応する点の背面で電子バーストを解放する。これら電子は第２増倍器プレ ート３２の前面によって受け取られて、その背面でより大きな電子バーストが生 成される。これら電子が収集電極アレイ３４に衝突して、該アレイ内の１つ或は それ以上の電極へそうして転送された電荷が弁別器２８によって検出される。電 源３５がこれら増倍器フルート３１及び３２の両面間にそれらの適切な動作のた めに必要とされるような電位差を維持する。 本発明の用途に適合する収集電極アレイが図３に示されている。そのアレイは 典型的にはセラミックスである絶縁基板３７を備え、該基板上に３つの電気的に 導電性の電極３８，３９，３６が被覆されている。これら電極の内の２つの電極 ３８，３６はリード線４１に接続されて、より小さな電極３９の約８倍の面積を 有する単一電極として機能している。この電極構成は、長寸の電極３９に平行す る軸線に少なくとも沿ってアレイ３３で表されるイオン束の不均質性又は不均等 性を補償するものであるが、他の電極構成も本発明の範囲内である。 理解して頂けるように、イオンの検出器２７への到着は空間的に無作為であっ て(役立つように導入された不均等性が欠如した状態)、電極３８及び３６を含む 複合状態のより大きな電極で記録されたイオン到着の数が、好適実施例に従えば 、より小さな電極３９上で記録されたものの約８倍となる。この発明における検 出器は位置感応性ではなく、均等性イオン束であれば、電極パターンの唯一の重 要性はそれら面積の比である。しかしながら、任意の実用的な実施例において、 イオン束は不均等であることが既知であり、電極パターンはそれの効果を最小化 すべく構成され得る。 代替的なイオン検出器は図４に示されている。この検出器はプレート状電極４ ３が被覆されている絶縁基板４４を備える。電極４３はリード線４５によって弁 別器２８の一方と接続されている。グリッド電極４２が絶縁体４７及び４８によ って増倍器プレート３２の出口面とプレート状電極４３との間に支持されている 。このグリッド電極４３は、増倍器プレート３２を立ち去る電子の内の約１２. ５％を妨げて、残りの電子をプレート状態電極４３へ伝達するような透過度（又 は透明度）を有する。リード線４６はグリッド電極４２を弁別器２８の他方へ接 続している。 図４に示されたイオン検出器の短所は、グリッド電極の実効面積が弁別器２８ の閾値設定に強く依存していることである。グリッド電極の場合、作り出される 電流パルスの振幅はプレート状電極４３によって作り出されるものよりもより広 範囲に拡張しており、恐らくは、グリッドを含むワイヤに接近して通過するが実 際にワイヤを叩くことがない電子が、その電極内に、中実電極に対するそうした 電子の衝突によって作り出されるであろう最小信号よりも小さい信号を誘導する からである。この効果はグリッド内に含まれるワイヤ数が増大するに連れてより 顕著となる。弁別器28の閾値調整によってグリッドの実効面積を変動させる効果 がある一方、グリッド電極４２及びプレート電極４３の実効面積の比を一定値に 維持することがより難しくなる。結果として、イオン検出器に関するより好適な 実施例において、グリッド電極４２（図４）は絶縁体４７及び４８の間に電極４ ３を横切るように張られた単一ワイヤ５０で置き換えることができる。図５は、 図４に示された平面ＡＡ内におけるイオン束の方向で見た断面図であり、そうし た構成を示している。典型的には、０．５ｍｍ径のワイヤが使用され得る。そう した電極によって作り出されたパルス振幅の範囲は、グリッド電極によって作り 出されたものよりも小さいが、プレート電極によって作り出されたものよりも依 然として大きく、それは実効面積の比の充分な安定性を提供する一方で、弁別器 ２８の閾値レベルの交替によるその比の幾分かの調整を許容している。この「誘 導」効果の故に、ワイヤ５０の実効面積はその実際の面積よりも相当に大きくな っている。 電源４９は、増倍器プレート３２の出口面に対して、弁別器２８の入力に正の バイアスをかけるように構成されて、該プレートを立ち去る電子がグリッド電極 ４２及びプレート状電極４３へ向かって加速されるように為す。この実施例にお いて、より大きな電極にはプレート状電極４３を含み、それがグリッド電極４２ を含むより小さな電極の約８倍の実効面積を有する。しかしながら、これら実効 面積の比のより正確な値は双方の電極から信号を同時にモニタすることによって 設定可能である。 先に説明されたように、２つの電極は殆ど目的に対して充分であるが、それぞ れが異なる面積を有するより多くの数の電極を用いることも本発明の範囲内であ る。更には、特に入射イオン・ビームが不均等性の場合、電極の実効面積がそれ らの実際の面積と正確に同等ではない可能性かある。しかしながら実効面積の比 は、検出器が例えばイオン・ソース内に導入された較正化合物から実質的に一定 のイオン束を受け取っている間、双方の電極からの信号をモニタすることによっ て容易に設定され得る。しかしながら注意しなければならないことは、較正プロ セス中のイオン強度は、より大きな電極からの信号が検出器不感時間によって歪 曲される程には大きくはないことである。 アレイに含まれる各電極は高速弁別器２８に接続されており、そうした高速弁 別器は電極への電荷の到着に対して、フラグと、電荷到着を検出した時点でクロ ック・パルス生成器２９から獲得される時間値とを含むディジタル信号を生成す ることによって応答する。ディジタル・コンピュータ３０はこの値を保存して、 信号を生成したイオンの通過時間が決定可能となる。これを促進するために、イ オン推進器２１がパルス生成器によって起動されてイオン群をドリフト領域に入 らせる時間もコンピュータ３０によって保存される。検出されたイオン各々の通 過時間は、イオンのドリフト領域内への入場の適切時間をイオンがディジタル・ コンピュータ３０を用いて検出された時間から単に減算することによって決定さ れる。 コンピュータ３０は、１つ或はそれ以上の通過時間を有するイオンの数を以下 のようにして決定すべくプログラムされている。 先ず、イオン到着がクロック・パルス生成器２９の各刻時毎に各電極で登録さ れる回数は、フラグ付けされた通過時間データの検査によって決定されて、通過 時間に対するイオン・カウントのヒストグラム（不感時間に対して未修正の質量 スペクトルに対応）が各電極に関して作り出され得る。特定の質量ピークのみを モニタしなければならない場合、イオン・カウント・データが、モニタされるべ き質量対電荷比に対応した１つ以上の選択通過時間(即ち、クロック刻時)の各々 で保持されることだけが必要である。 次に、最小の収集電極３９でのイオン到着率が所定値（典型的には、先に説明 されたように実験によって設定される）と比較されて、複合のより大きな電極（ ３８，３６）からのデータが許容可能であるか否かを定める。も許容可能であれ ば、最大電極及び最小電極の双方に対するカウント合算がその特定通過時間を有 するイオンの数を決定すべく使用される。もしその比較が、より大きな電極に関 連されたデータが正確性に欠ける可能性があれば、より小さなで極３９に関連さ れた データだけが使用され、電極の実効面積の比に依存した係数で倍加される。この プロセスは選択された通過時間の各々に対して繰り返される。 イオン到着率を見積もる代替的な方法は、Stephanによって議論されたように( 上記を参照)、各選択通過時間での生カウント・データに不感時間修正を適用す る先行技術方法である。イオン到着率が必要となる重大な不感時間修正にとって 充分に高くなるポイントは、修正プロセスの結果から自明であろう。もし修正が カウント・データに適用されれば、イオン到着率に対してより高い所定値がより 小さな電極への切換をトリガすべく使用可能となり、これは適用される修正がよ り大きな電極に対して高到着率で作り出されるより信頼性あるデータとなるから である。しかしながら不感時間修正の殆どの先行する方法では甚大な計算時間を 背負い込み、それによって分析計の反復率を低減するか、或は大量のデータを高 速メモリ内に保存することを要求する。ある種の不感時間修正を提供する別の方 法は、未修正カウント・データを従来の質量分析術データ処理ソフトウェアを用 いて処理して、質量ピークを識別し、最大電極を含む１つ以上の電極上に獲得さ れたデータを用いて、各識別質量ピークに対するイオン強度の値を含む「棒状(s tick)」質量スペクトルを作り出すことである。次いでこのデータは、GB 980156 5.4から優先権を請求した同時係属中のEP特許出願の方法に従って、不感時間に 対して修正され得る。これはスペクトルの各種領域を示し、これらにおいて、イ オン到着率が充分に高くより小さな電極に関連されたデータの使用のみを必要と しており、スペクトルのそれらの部分はより小さな電極上で獲得された同等部分 によって代替可能となって、これら電極の実効面積の比を許容している。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 ９８１０８６７．３ (32)優先日 平成10年５月20日(1998．5．20) (33)優先権主張国 イギリス（ＧＢ） (31)優先権主張番号 ９８１３２２４．４ (32)優先日 平成10年６月18日(1998．6．18) (33)優先権主張国 イギリス（ＧＢ） (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＣＡ，ＪＰ，Ｕ Ｓ (72)発明者 マーレン、トーマス・オリバー イギリス国 ダブリュエイ15 ８アールジ ェイ チェシャー、アルトリンチャム、ヘ イル、カールトン・ロード 40 (72)発明者 ホイエス、ジョン・ブライアン イギリス国 エスケイ４ ４ジェイユー チェシャー、ストックポート、ヒートン・ ムール、リー・ロード 34 (72)発明者 コトレル、ジョナサン・チャールズ イギリス国 ダブリュエイ15 ９ディージ ー チェシャー、アルトリンチャム、ヘイ ル、グリン・アベニュ ５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 飛行時間質量分析計（１）であって、 分析されるべき試料から反復的にイオン群を生成するイオン・ソース（１乃至 ２４）と、 前記イオン群の各々内に含まれる少なくとも一部のイオンを、実質的に同一の 軸線（２５）に沿った運動エネルギー成分を具備させて、該軸線（２５）に沿っ てドリフト領域（２４）に入らせるイオン加速手段（２１）であり、前記ドリフ ト領域（２４）内においてそれらイオンがそれらの質量対電荷比に従って時間に 関して分離させられることから成るイオン加速手段（２１）と、 前記ドリフト領域（２４）通過後のイオンを受け取るべく配置されたイオン検 出器（２７）と、 前記ドリフト領域（２４）を通る前記イオンの通過時間を決定する手段（２９ ，３０）と、 １つ以上の通過時間を有するイオンの数を決定する手段（２９，３０）と、を 備え、 前記イオン検出手段（２７）が、 各々が相互に異なる実効面積を有し、その上に前記イオンから生成された前記 イオン或は粒子が突き当たることになる少なくとも２つの収集電極（３６,３８ ；３９）であり、前記イオンの到着を登録する別々の手段（２８）をそれぞれに 関連して有し、当該収集電極（３６，３８；３９）の各々とその関連された登録 する手段（２８）が、別のイオン到着を登録できない期間である、より早期のイ オン到着の結果として生ずる不感時間を有することから成る少なくとも２つの収 集電極（３６，３８；３９）を含み、 １つ以上の選択された通過時間を有するイオンの数を決定する前記手段（２９ ，３０）が、 前記収集電極の内の最大の収集電極を含む１つ以上の電極で前記選択された通 過時間の１つのものとして登録されたイオン到着の数をカウントするカウント手 段（２９，３０）を含み、それらの電極に対して前記選択通過時間でのイオン到 着率が所定値を超えておらず、該所定値を上回ると前記不感時間の出現がその電 極で登録されたイオン到着の数に甚大な誤差を生ずることになることを特徴とす る飛行時間質量分析計。 ２． 前記イオン検出手段（２７）が、前記ドリフト領域（２４）を立ち去 るイオンを受け取り、且つ、前記イオン検出手段（２７）への各イオンの到着に 応じて電子バーストを作り出す少なくとも１つの荷電粒子贈倍手段（３１，３２ ）を更に含み、前記収集電極（３６，３８；３９）が前記バースト内に含まれる 電子を受け取るように構成されている、請求項１に記載の飛行時間質量分析計。 ３． 前記少なくとも１つの荷電粒子贈倍手段（３１，３２）が、チャネル ・プレート電子贈倍器（３１，３２）を含む、請求項２に記載の飛行時間質量分 析計。 ４． 前記ドリフト領域（２４）を立ち去るイオンを受け取るべく、且つ、 前記荷電粒子贈倍手段（３１，３２）に対して突き当たる二次粒子を生成すべく 配置された別個の変換電極を更に含む、請求項２或は３の内の何れか一項に記載 の飛行時間質量分析計。 ５． 前記少なくとも２つの収集電極（３６，３８；３９）が２つ以上のプ レート状電極を含む、任意の先行する請求項の内の一項に記載の飛行時間質量分 析計。 ６． 前記２つ以上のプレート状電極が同一平面内に配置されている、請求 項５に記載の飛行時間質量分析計。 ７． 前記収集電極が２つの収集電極（３６，３８；３９）を含み、それら の内のより大きい収集電極が、より小さい収集電極（３９）の実効面積の、２倍 から２０倍、好ましくは約８倍の実効面積を有することからなる２つの収集電極 （３６，３８；３９）を含む、請求項５或は６の内の何れか一項に記載の飛行時 間質量分析計。 ８． 前記収集電極が少なくとも１つのプレート状電極（４３）の前方に配 置された少なくとも１つの部分的透過性電極（４２；５０）を含み、前記少なく とも１つの部分的透過性電極（４２；５０）が入射イオン／電子の束の一部を使 用中に妨害し、残りを前記少なくとも１つのプレート状電極（４３）へ伝達する 、請求項１乃至４の内の何れか一項に記載の飛行時間質量分析計。 ９． 前記砂区とも１つの部分的透過性電極が少なくとも１つのグリッド電 極（４２）を含む、請求項８に記載の飛行時間質量分析計。 １０． 前記少なくとも１つの部分的透過性電極が少なくとも１つのワイヤ電 極（５０）を含む、請求項８に記載の飛行時間質量分析計。 １１． 前記カウント手段（２９，３０）が前記選択通過時間の１つとして、 （ａ）前記電極の内の最大電極であり、その最大電極に対して、前記選択通過 時間での到着率が所定値を超えおらず、該所定値を上回ると前記不感時間の出現 がその電極で登録されたイオン到着の数に甚大な誤差を生ずることから成る最大 電極と、 （ｂ）もし存在すれば、前記（ａ）で規定されたものよりも小さい少なくとも １つの電極と、 で登録（又は記録）されたイオン到着の数をカウントする、任意の先行する請求 項の内の何れか一項に記載の飛行時間質量分析計。 １２． イオンの到着を登録する前記手段（２８）が、それの関連された収集 電極（３６，３８；３９）上の電圧が該収集電極（３６，３８；３９）に対する 荷電粒子の到着に応じて予め選択されたレベルを上回って上昇すると、ディジタ ル信号を生成する高速弁別器（２８）を含む、任意の先行する請求項の内の何れ か一項に記載の飛行時間質量分析計。 １３． イオンの前記ドリフト領域（２４）を通る通過時間を決定する前記手 段が、イオン群が前記ドリフト領域（２４）に入ると始動され、且つ、前記収集 電極（３６，３８；３９）に関連された前記弁別器（２８）からのディジタル信 号の前記生成に応じてディジタル経過時間信号を生成する多重停止時間ディジタ イザを含む、請求項１２に記載の飛行時間質量分析計。 １４． 前記ディジタル経過時間信号が、各信号が関連された収集電極（３６ ，３８；３９）を示すフラグを伴って、ディジタル・メモリ内に保存される、請 求項１３に記載の飛行時間質量分析計。 １５． 前記カウント手段（２９，３０）が前記最大電極を決定することであ り、その最大電極に対して、前記選択通過時間での前記イオン到着率が所定値を 超えおらず、該所定値を上回ると前記不感時間の出現がその電極で登録されたイ オン到着の数に甚大な誤差を生ずることから成る最大電極の決定の為に、より小 さな電極でのイオン到着率の測定から前記電極でのイオン到着率を予想して、前 記電極の内の最大電極を選択して、該最大電極に対してそのように予想されたイ オン到着率がその電極に対する前記所定値を超えないように為す、任意の先行す る請求項の内の何れか一項に記載の飛行時間質量分析計。 １６． 前記カウント手段（２９，３０）が前記最大電極を決定することであ り、その最大電極に対して、前記選択通過時間での前記イオン到着率が所定値を 超えおらず、該所定値を土回ると前記不感時間の出現がその電極で登録されたイ オン到着の数に甚大な誤差を生ずることから成る最大電極の決定の為に、不感時 間修正アルゴリズムを用いて各電極での真のイオン到着率を計算し、前記電極の 内の最大電極を選択して、該最大電極に対してそうして計算されたイオン到着率 がその電極に対する前記所定値を超えないように為す、請求項１乃至１４の内の 何れか一項に記載の飛行時間質量分析計。 １７． 前記所定値が、その値を超えると不感時間修正が正確性の所望程度ま で為され得ないことを示すような値である、請求項１乃至１６の内の何れか一項 に記載の飛行時間分析計。 １８． 前記所定値が、その電極でのイオン・カウントとより小さい電極での イオン・カウントとの比が実質的に一定に保持される最高イオン到着率となるよ うに先行する実験によって決定される、請求項１乃至１６の内の何れか一項に記 載の飛行時間質量分析計。 １９． 前記所定値が、その電極でのイオン・カウントとより小さい電極での イオン・カウントとの比が、不感時間修正アルゴリズムを用いて、少なくともよ り大きな電極に関連されたデータの修正の後に実質的に一定に保持される最高イ オン到着率となるように先行する実験によって決定される、請求項１乃至１６の 内の何れか一項に記載の飛行時間質量分析計。 ２０． 飛行時間質量分析方法であって、 分析されるべき試料からイオン群を反復的に生成する段階と、 前記イオン群の各々内に含まれる少なくとも一部のイオンを、それらイオンが 実質的に同一の軸線（２５）に沿った運動エネルギー成分を有するように加速す る段階であり、それらイオンの前記軸線（２５）に沿ってのドリフト領域（２４ ）の引き続く通過の間、それらイオンをそれらイオンの質量対電荷比に従って時 間に関して分離させられることから成る段階と、 前記イオンの前記ドリフト領域（２４）の通過後、該イオンの内の少なくとも 一部を検出する段階と、 そのようにして検出されたイオンの各々に対して、前記ドリフト領域（２４） を通るそれぞれの通過時間を決定する段階と、 １つ或はそれ以上の選択された通過時間を有するイオンの数を決定する段階と 、の諸段階を含み、 前記イオンの内の少なくとも一部を検出する前記段階が、それらイオン或はそ れらイオンから生成された粒子を異なる実効面積の少なくとも２つの収集電極（ ３６，３８；３９）に対して突き当たらせることを含み、それら収集電極（３６ ，３８；３９）の各々及びそれに関連された登録手段（２８）がより早期のイオ ン到着の結果として別のイオン到着を登録できない期間としての不感時間を有し ており、 前記収集電極の内の最大の収集電極を含む１つ以上の電極で前記選択された通 過時間の１つのものとして登録されたイオン到着の数をカウントすることを含み 、その最大電極に対して前記選択通過時間でのイオン到着率が所定値を超えてお らず、該所定値を上回ると前記不感時間の出現がカウントされたイオンの数に甚 大な誤差を生ずることになる、ことを特徴とする飛行時間質量分析方法。 ２１． 前記最大電極を決定する段階であり、その最大電極に対して、前記選 択通過時間での前記イオン到着率が所定値を超えおらず、該所定値を上回ると前 記不感時間の出現がその電極で登録されたイオン到着の数に甚大な誤差を生ずる ことから成る最大電極の決定の為に、より小さな電極でのイオン到着率の測定か ら前記電極でのイオン到着率を予想して、前記電極の内の最大電極を選択して、 該最大電極に対してそのように予想されたイオン到着率がその電極に対する前記 所定値を超えないように為す段階を更に含む、請求項２０に記載の飛行時間質量 分析方法。 ２２． 前記最大電極を決定する段階であり、その最大電極に対して、前記選 択通過時間での前記イオン到着率が所定値を超えおらず、該所定値を上回ると前 記不感時間の出現がその電極で登録されたイオン到着の数に甚大な誤差を生ずる ことから成る最大電極の決定の為に、不感時間修正アルゴリズムを用いて各電極 での真のイオン到着率を計算し、前記電極の内の最大電極を選択して、該最大電 極に対してそうして計算されたイオン到着率がその電極に対する前記所定値を超 えないように為す段階を更に含む、請求項２０に記載の飛行時間質量分析方法。 ２３． 前記所定値が、その値を超えると不感時間修正が正確性の所望程度ま で為され得ないことを示すような値である、請求項２０乃至２２の内の何れか一 項に記載の飛行時間分析方法。 ２４． 前記所定値が、その電極でのイオン・カウントとより小さい電極での イオン・カウントとの比が実質的に一定に保持される最高イオン到着率となるよ うに先行する実験によって決定される、請求項２０乃至２２の内の何れか一項に 記載の飛行時間質量分析方法。 ２５． 前記所定値が、その電極でのイオン・カウントとより小さい電極での イオン・カウントとの比が、不感時間修正アルゴリズムを用いて、少なくともよ り大きな電極に関連されたデータの修正の後に実質的に一定に保持される最高イ オン到着率となるように先行する実験によって決定される、請求項２０乃至２２ の内の何れか一項に記載の飛行時間質量分析方法。