JP2002517888A

JP2002517888A - 多重極質量分析計における軸方向射出

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Publication number: JP2002517888A
Application number: JP2000552706A
Authority: JP
Inventors: ヘイガー，ジェイムズ
Original assignee: エムディーエスインコーポレーテッド
Priority date: 1998-06-01
Filing date: 1999-06-01
Publication date: 2002-06-18
Also published as: ATE273563T1; US6177668B1; EP1084507A2; WO1999063578A2; CA2239399C; DE69919353T2; CA2239399A1; DE69919353D1; WO1999063578A3; AU4027699A; EP1084507B1

Abstract

(57)【要約】２次元ＲＦ電場が注目する質量対電荷比範囲にあるトラップされたイオンを半径方向に閉じ込め、出射レンズの障壁電場によりイオンは軸方向に封じ込められ、低ＤＣ電圧が印加される細長多重極ロッドセットを有する、質量分析計の動作方法。トラップされたイオンは、出射レンズ近傍のフリンジング電場及びその他の非調和性により誘導される自由度混合を利用して、質量選択的に軸方向に射出される。すなわち、ロッドセットの入口端にイオンが通されると同時に出口端でイオンを質量選択的に射出することができ、よって連続イオン源からのイオン束を高効率で利用することができる。質量選択性軸方向射出は、補助ＡＣ電圧を出射レンズまたはロッドセット自体あるいはそのいずれにも印加し、補助ＡＣ電圧あるいはロッドセットのＲＦ電圧をスキャンすることにより行われる。トラップされたイオンはレンズ方向への軸方向電場をかけることにより出射レンズ近くに集中させられるか、あるいは反対方向の軸方向電場をかけることにより空乏化される。軸方向電場を振動させてトラップされたイオンを分解することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】先願本出願は“多重極質量分析計における軸方向射出”という名称で本出願人によ
り１９９６年６月６日に出願された（現在は放棄されている）カナダ国特許出願
第０８/６５６,９５４号の一部継続出願である、同じ名称で本出願人により１９
９６年１０月２４日に出願されたカナダ国特許出願第０８/７３６,５５０号の一
部継続出願である。

【０００２】発明の分野本発明は質量に依存する軸方向射出をもつ細長多重極ロッドイオントラップ型
質量分析計に関する。

【０００３】発明の背景米国特許第２,９３９,９５２号に説明されている種類の従来のイオントラップ
は一般に３つの電極、すなわちリング電極及び一対のエンドキャップからなり、
リング電極とエンドキャップとの間の比較的狭い空間に注目する質量範囲にある
イオンをトラップする３次元電場を確立するために、適当なＲＦ及びＤＣ電圧が
これらの電極に印加される。電極は、理論的に完全な３次元４重極電場をつくる
双曲線形であっても、四重極電場に重畳され、得られる結果を改善し得る補助的
多重極電場が生じるように、双曲線形状からずれていてもよい。

【０００４】イオントラップ型質量分析計は通常、１つ以上の電極に印加されるＲＦ及びＤ
Ｃ電圧を操作することにより、本質的に質量に依存しない態様で満たされ、質量
に依存して空にされる。イオントラップのイオン蓄積及び高速スキャン能力が質
量分光分析法における利点である。トラップからイオンを射出して検出するため
の時間がトラップを満たすに必要な時間より短ければ、一般的なビーム型質量分
析計に比較して高い分析効率が得られる。この条件が満たされれば、無駄になる
イオンは非常に少ない。

【０００５】しかしイオントラップ固有の欠点は、主として比較的狭いトラップ空間及び外
部で生成されたイオンをトラップが受け入れる際の非常に厳しいイオンエネルギ
ー上の制約により、トラップへのイオン輸送効率が通常非常に低く、例えば１な
いし１０％であることである。イオントラップ空間が比較的狭いことは、空間電
荷効果が問題になるまでに受け入れられるイオン数も比較的少ないことを意味す
る。従来のイオントラップのトラップチャンバの容積を半径方向に拡大すればこ
の制限をある程度克服できるが、分析上の利便性の低下及び／またはコストの上
昇（例：質量範囲の縮小、より大きな電源）という別の欠点をともなう。イオン
トラップチャンバの容積が小さいことは、やはり高イオン密度における空間電荷
効果のため、線形応答範囲（すなわちダイナミックレンジ）を制限するようにも
はたらく。

【０００６】別の問題は、従来のイオントラップで分析を行っている間はイオンをさらに受
け入れることができないことである。電子スプレー、（米国特許第４,８６１,９
８８号に開示される）イオンスプレー、またはコロナ放電のような新式のイオン
源の多くについては、トラップを満たす時間が分析時間に比べて通常短いから、
このことはかなりの不利になり得る。したがって、また本発明の譲受人に譲渡さ
れた米国特許第５,１７９,２７８号に説明されるように、分析時間中に多くのイ
オンが無駄になり、よってデューティサイクルが比較的低くなり得る。

【０００７】イオンを２次元４重極子に非常に効率よくトラップし、蓄積できることが知ら
れている。いくつかの場合には、米国特許第５,１７９,２７８号に示されるよう
に、従来のイオントラップにイオンを放出する目的で、２次元４重極子にイオン
が通され次いで蓄積された。より概括的には、イオン−分子反応を研究する目的
で、イオンが加圧された線形セルまたは２次元ＲＦ４重極子に通された。一般的
に、分解４重極子のような質量選択性源から上記装置に入るイオンは規定された
時間トラップされ次いで質量に依存せずに射出され、続いて質量分析される。

【０００８】米国特許第５,４２０,４２５号は、イオンを２次元ＲＦ４重極子にトラップし
て蓄積し、質量選択性不安定性の手法を用いて、トラップされているイオンを質
量に依存してスキャンし、射出できることを教示している。この特許によれば、
特許に開示されている装置はトラップチャンバの容積を軸方向に拡大することに
よりイオン感度、検出限界及びダイナミックレンジを改善するために考えられた
という。イオン射出の質量選択性不安定性モード（及び米国特許第５,４２０,４
２５号に説明されるその他の質量分析スキャンモードの全て）は、トラップチャ
ンバから装置の中心軸に対し直交する方向への、すなわち半径方向へのイオンの
射出をともなう。

【０００９】２次元４重極子からのイオンの半径方向射出には欠点がいくつかある。欠点の
１つは半径方向射出が４重極（またはより高次の多重極）ロッドの間を通して、
イオンを放出することである。このため、イオンはＲＦ電場が相当に不完全な空
間領域を通過させられる。この不完全性の効果は、正常な安定性図では予測され
ない点でイオンが射出されることである。

【００１０】２次元ＲＦ４重極子からの半径方向射出にはさらに、射出イオンプラグの寸法
と従来のイオン検出器との間で良好な整合が得られないという欠点がある。直線
状または曲線状のロッド構造において、半径方向に射出されるイオンは装置の長
さ全体にわたって、すなわち長さがロッド自体の長さに等しい矩形の断面積をも
って出てくるであろう。従来のイオン検出器のほとんどは、細長いイオン源には
適切ではない、比較的小さな（例：２ｃｍ^２より小さい）円形の受入アパーチャ
を有する。

【００１１】２次元ＲＦ４重極子からのイオンの半径方向イオン射出に対する質量選択性不
安定性には、さらに問題がある。そのような装置から半径方向に射出されるイオ
ンは特性立体角で散開する空間プロファイルをもって出てくるであろう。射出さ
れるイオンのいくらかはロッドにあたって失われるであろう。さらに、半径方向
に射出されるイオンはトラップ構造を反対方向にも出ていくであろう。多重イオ
ン検出器は上記または同様の手法により不安定化されたイオンを全て集めなけれ
ばならないはずである。１つまたは複数の検出器からはじき出されるかまたは電
極の１つとぶつかるイオンは失われ、したがって測定されるイオン信号には寄与
しない。したがって、上記装置の蓄積能力は非常に高いにも関わらず、通常はト
ラップされたイオンの小部分しか集められない。

【００１２】発明の概要したがって本発明の目的は、その態様の１つにおいて、高注入効率及び拡大さ
れたトラップ容積を有し、また、イオンが装置の主軸に沿って射出され、よって
普通に用いられるイオン検出器と幾何学的好条件にある整合がとれる、細長多重
極質量分析計を提供することにある。

【００１３】本発明の態様の１つにおいて、本発明は細長いロッドセットを有し、このロッ
ドセットは入口端及び出口端並びに長さ方向の軸を有す、質量分析計の動作方法
を提供し、この方法は：（ａ）ロッドセットの入口端にイオンを通すステップ：（ｂ）ロッドセットの出口端に近接する出口部材に障壁電場をつくることに
より、及びロッドセットの少なくとも出口端に近接するロッドセットのロッド間
にＲＦ電場をつくることにより、イオンの少なくともいくらかをロッドセット内
にトラップするステップ；（ｃ）ロッドセットの出口端に近接する引出領域でＲＦ電場と障壁電場が相
互作用してフリンジ電場をつくるステップ；（ｄ）引出領域にあるイオンにエネルギーを与えて、質量選択的に、選択さ
れた質量対電荷比をもつイオンの少なくともいくらかを障壁電場を通してロッド
セットから軸方向に射出するステップ；及び（ｅ）射出されたイオンの少なくともいくらかを検出するステップ；を含む。

【００１４】別の態様において本発明は、直列に配された複数の細長ロッドセットを有し、
各ロッドセットは長さ方向の軸を有し、よってＭＳ/ＭＳ（マススペクトロメト
リー／マススペクトロメトリー）を提供する、質量分析計の動作方法を提供し、
この方法は：（ａ）イオン源から第１のロッドセット内にイオンを放出するステップ；（ｂ）第１のロッドセットにイオンを予備トラップするステップ；（ｃ）選択的にイオンをパルス化して第１のロッドセットから第２のロッド
セット内に送るステップであって、第２のロッドセットが入口端及び出口端を有
しているステップ；（ｄ）第２のロッドセットの出口端に近接する出口部材に障壁電場をつくる
ことにより、及び少なくとも第２のロッドセットの出口端に近接する第２のロッ
ドセットのロッド間にＲＦ電場をつくることにより、第２のロッドセット内にイ
オンの少なくともいくらかをトラップするステップ；（ｅ）第２のロッドセットの出口端に近接する引出領域でＲＦ電場と障壁電
場が相互作用してフリンジ電場をつくるステップ；（ｆ）引出領域にあるイオンにエネルギーを与えて、質量選択的に、選択さ
れた質量対電荷比をもつイオンの少なくともいくらかを障壁電場を通して第２の
ロッドセットから軸方向に射出するステップであって、射出されるイオンが親イ
オンであるステップ；（ｇ）衝突ガスを入れた第３のロッドセット内に親イオンを送り、親イオン
を第３のロッドセット内で分解してフラグメントイオンを形成するステップ；及
び（ｅ）検出のために、少なくともフラグメントイオンを質量に依存して軸方
向に射出するステップ；を含む。

【００１５】本発明のさらなる目的及び利点は、添付図面とともに行われる以下の説明から
明らかになるであろう。

【００１６】好ましい実施形態の詳細な説明本発明を用いることができる質量分析器システム１０を示す、図１をまず参照
する。システム１０には、試料を従来のイオン源１４に供給する試料源１２（通
常は液体クロマトグラフのような液体試料源）がある。イオン源１４は電子スプ
レー、イオンスプレー、またはコロナ放電装置、あるいはその他の既知のイオン
源とすることができる。１９８９年８月２９日にコーネル・リサーチ・ファウン
デーション社(Cornell Research Foundation Inc.)に交付された米国特許第４,
８６１,９８８号に示される種類のイオンスプレー装置が適している。

【００１７】イオン源１４からのイオンはアパーチャプレート１８にあるアパーチャ１６を
通して導かれる。プレート１８は、カーテンガスがカーテンガス源２０から供給
されるガスカーテンチャンバ１９の壁の１つをなしている。カーテンガスはアル
ゴン、窒素またはその他の不活性ガスであってよく、上述した米国特許第４,８
６１,９８８号に説明されている。イオンは次いでオリフィスプレート２４にあ
るオリフィス２２を通過して、約１Ｔｏｒｒ（約１３３Ｐａ）の圧力までポンプ
２８により排気された初段真空チャンバ２６に入る。

【００１８】次いでイオンはスキマープレート３２にあるスキマーオリフィス３０を通過し
て、約２ｍＴｏｒｒ（約０.２６７Ｐａ）の圧力までポンプ３６により排気され
た主真空チャンバ３４に入る。

【００１９】主真空チャンバ３４には、従来の４重極子の４本の線形ロッド３８のセットが
入っている。ロッド３８は一般に、半径がｒ＝０.４７０ｃｍ，ロッド間ギャッ
プがｒ_０＝０．４１５ｃｍ，及び軸長がｌ＝２０ｃｍである。

【００２０】ロッド３８の出口端４０から約２ｍｍ先に出射レンズ４２がおかれている。レ
ンズ４２はアパーチャ４４をもつ単なるプレートであり、イオンは（例えば質量
分析計に従来用いられている種類のチャネル型電子増倍器であってよい）従来の
検出器４６に向けてアパーチャ４４を通過できる。

【００２１】ロッド３８は、ロッド３８の全てにＤＣロッドオフセットを印加し、また従来
の態様でロッド間にＲＦも印加する主電源５０に接続される。電源５０はイオン
源１４，アパーチャ及びオリフィスプレート１８及び２４，スキマープレート３
２、並びに出射レンズ４２にも（図示されない接続により）接続される。

【００２２】例として、陽イオンの場合にはイオン源１４は一般に＋５,０００Ｖ，アパー
チャプレート１８は＋１,０００Ｖ，オリフィスプレートは＋２５０Ｖ，またス
キマープレートは接地電位（０Ｖ）でよい。ロッド３８に印加されるＤＣオフセ
ットは−５Ｖでよい。イオンの進路である装置の軸は参照数字５２で示される。

【００２３】すなわち、イオン源１４から装置に通される、注目するイオンはポテンシャル
井戸を落ちてゆき、ロッド３８に入ることができる。ロッド３８にかけられる主
ＲＦ電場内で安定なイオンは、バックグラウンドガスとの運動量散逸衝突をおび
ただしく受けながら、装置の長さ方向に進む。しかし、一般には−２ＶＤＣのト
ラップＤＣ電圧が出射レンズ４２に印加される。通常、スキマー３２と出射レン
ズ４２との間のイオン通過効率は非常に高く、１００％近くになり得る。主真空
チャンバ３４に入り、出射レンズ４２に進むイオンはバックグラウンドガスとの
おびただしい衝突により熱化され、軸５２の方向への正味の速度をほとんどもた
ない。印加されるＲＦ電圧は一般に（質量スキャンを行わない限り）約４５０Ｖ
程度であり、周波数は約８１６ｋＨｚ程度である。ロッド３８には分解ＤＣ電場
をかけない。

【００２４】ロッド３８に印加されるＤＣオフセット電圧より高いＤＣオフセット電圧を印
加することにより出射レンズ４２にＤＣトラップ電場がつくられると、ロッド３
８にかけられたＲＦ電場内で安定なイオンが効果的にトラップされる。

【００２５】しかし出射レンズ４２近傍の領域５４にあるイオンには、出射レンズ近くの主
ＲＦ及びＤＣ電場の末端の性質により、完全な４重極型ではない電場がかかる。
一般にフリンジング電場と称されるそのような電場は、トラップされたイオンの
半径方向と軸方向の自由度を結合するようにはたらく。これは、互いに直交して
いないイオン運動の軸方向成分及び半径方向成分があることを意味する。この状
況は、出射レンズ及びフリンジング電場から離れた、イオン運動の軸方向成分と
半径方向成分とが結合されていないかあるいは最小限にしか結合されていない、
ロッド構造３８の中心における状況と対照的である。

【００２６】トラップされたイオンの半径方向と軸方向の自由度を結合するフリンジング電
場のため、適当な周波数をもつ低電圧補助ＡＣ電場を出射レンズ４２にかけるこ
とより、ロッド３８で構成されたイオントラップからイオンを質量に依存してス
キャンし、軸方向に射出することができる（用い得る周波数の例は本説明で後に
与えられる）。補助ＡＣ電場は、説明のため主電源５０の一部として示される補
助ＡＣ電源５６から与えることができる。

【００２７】補助ＡＣ電場は、出射レンズ４２に印加されたトラップＤＣ電圧に重畳され、
半径方向及び軸方向の永年イオン運動のいずれとも結合する。補助ＡＣ電場は、
イオンが出射レンズ４２にある軸方向のＤＣポテンシャル障壁を乗り越えるに十
分にイオンを励起することがわかっており、よってイオンは軸上を矢印５８の方
向に出て行くことができる。出射レンズ４２近傍にある電場の偏りにより、半径
方向の永年周波数における軸方向射出を可能にする、軸方向と半径方向のイオン
運動の上述した結合が生じる。これは、上述した状況と異なり、半径方向の永年
運動の励起により一般に半径方向射出が生じ、軸方向永年運動の励起により一般
に軸方向射出が生じる、従来のイオントラップに存在する状況と対照的である。

【００２８】したがって、質量順序に依存する態様におけるイオン射出は、低電圧補助ＡＣ
電場の周波数をスキャンすることにより達成できる。補助ＡＣ電場の周波数が出
射レンズ４２近傍のあるイオンの半径方向永年周波数と一致すると、そのイオン
はエネルギーを吸収して、半径方向／軸方向運動結合により、出射レンズに存在
するポテンシャル障壁を横切ることができるようになる。イオンが軸方向に出て
行くと、イオンは検出器４６で検出される。イオンが射出された後、出射レンズ
近傍の領域５４の上流にあった他のイオンが領域５４に入ることがエネルギー的
に許され、引き続くＡＣ周波数スキャンにより励起される。

【００２９】出射レンズに印加される補助ＡＣ電圧の周波数をスキャンすることによるイオ
ン射出は、細長ロッド構造３８全体からなるトラップ空間が空にならないので、
望ましい。ロッド３８に対する従来の質量選択性不安定性スキャンモードにおい
ては、ロッドに印加されたＲＦ電圧がランピングされて、それぞれのイオンのｑ
値が０.９０７に達すると、ロッドの全長にわたって低質量から高質量へと射出
される。それぞれの質量選択性不安定性スキャンの後には、別の分析を行えるよ
うになるまで、トラップ空間を再び満たすための時間が必要である。対照的に、
上述したように補助ＡＣ電圧が出射レンズに印加されると、出射レンズ近傍が軸
方向及び半径方向のイオン運動の結合がおこり、補助ＡＣ電場が与えられる所で
あるから、普通は出射レンズ近傍だけでイオン射出がおこる。ロッドの上流部分
６０は以降の分析のために他のイオンを蓄積するはたらきをする。出射レンズ近
傍の空間５４をイオンで再び満たすに必要な時間は全トラップ空間を再び満たす
に必要な時間より常に短いであろう。したがって無駄になるイオンが少なくなる
であろう。

【００３０】別の実施形態として、出射レンズ４２に印加される補助ＡＣ電圧をスキャンす
る代わりに、以下に説明されるように、出射レンズ４２の補助ＡＣ電圧を固定し
て、ロッド３８に印加される主ＲＦ電圧の振幅をスキャンすることができる。こ
れはトラップ条件を変えるが、軸方向射出には約０.２から０.３のｑが必要であ
るにすぎず、一方半径方向射出には約０.９０７のｑが必要である。したがって
以下で説明されるように、ある適当な振幅範囲にわたってＲＦ電圧がスキャンさ
れる場合にはいくらかのイオンが半径方向射出で失われるとしても、おそらく非
常に低質量のイオンを除いては、失われるイオンはほとんどない。

【００３１】また別の実施形態として、ロッド３８に印加されるＲＦ電圧または出射レンズ
４２に印加される補助ＡＣ電圧のいずれかをスキャンする代わりに、上述した態
様でイオンを軸方向に射出する可変フリンジング電場をつくるために、（図１の
点線で表される接続５７で示されるように）、副すなわち補助ＡＣ双極電圧また
は４重極電圧をロッド３８に印加してスキャンすることができる。よく知られて
いるように、補助双極電圧を用いる場合、通常この電圧は、図２に示されるよう
に、ロッド３８の対向する対の間に印加される。

【００３２】あるいは、出射レンズ４２に存在するＤＣポテンシャル障壁を通して、イオン
を軸方向に、また質量に依存して、射出するために、上述した３つの（すなわち
出射レンズ４２にかけられる補助ＡＣ電圧をスキャンする、出射レンズ４２には
固定補助ＡＣ電圧を印加してロッドセット３８に印加されるＲＦ電圧をスキャン
する、及び出射レンズ４２への補助ＡＣ電圧印加及びロッドセット３８へのＲＦ
電圧印加に加えてロッド３８に補助ＡＣ電圧を印加する）手法の内のいくつか、
あるいは全てを組合せて用いることができる。

【００３３】上に説明した装置は、ロッド３８にかけられる主ＲＦ閉じ込め電場に入るイオ
ンがイオン自身の残留運動量により出射レンズ４２に向かって輸送され、最終的
には軸方向に射出される、連続モードで動作させることができる。すなわち、出
射レンズ近傍の引出空間に到達したイオンは、バックグラウンドガスとのおびた
だしい衝突により既に条件が調整されており、従来のイオントラップのほとんど
で必要であるような顕在的な冷却時間（及びそれにともなう遅延）の必要がなく
なっている。イオンが領域６０に入ると同時に、上述した質量依存態様でイオン
が領域５４から軸方向に射出されている。

【００３４】出射レンズ近傍の引出空間５４は極めて狭いことに注意されたい。出射レンズ
は通常、ロッド３８の末端の非常に近くに、例えばロッド３８の末端から（既に
述べたように）２ｍｍにおかれる。出射レンズ４２からロッド３８間の空間への
フリンジング電場の侵入深さは非常に小さく、一般に０.５ｍｍから１.０ｍｍ程
度と考えられ、よって図１の空間すなわち領域５４の大きさは、明確に図示する
ために、実際より誇張されている。

【００３５】さらにまた別の実施形態として、４本のロッド３８の全てに印加される（与え
られた例では−５Ｖの）ＤＣオフセットを、出射レンズ４２に印加された場合の
ＡＣと同じ周波数で変調することができる。この場合、フリンジング領域にＡＣ
電場をつくる点において、ＤＣオフセットの変調が出射レンズへのＡＣ電圧の印
加と等価であるから、出射レンズ４２のＡＣは必要ではない。もちろん、この場
合でもＤＣポテンシャル障壁は出射レンズ４２に与えられる。ＤＣオフセットの
変調振幅は、そうでなければ出射レンズ４２に印加されたはずのＡＣ電圧の振幅
と同じであろう。すなわち、ＤＣオフセット変調振幅は軸方向射出イオン信号を
最適化するように設定される。したがって、ＤＣ変調によりつくられたＡＣ電場
にイオンを順次共鳴させるようにＲＦ電場がスキャンされるか、あるいは、変調
周波数が出射レンズ近傍のフリンジング電場内のあるイオンの半径方向永年周波
数と一致したときに、同じくそのイオンがエネルギーを吸収して軸方向に射出さ
れ、検出されるように、変調周波数がスキャンされる。ロッドオフセットが変調
されていればその変調によってイオンの入射が妨げられるから、ロッドセット内
にイオンが入射してトラップされてしまうまでは変調されず、よってこの過程は
バッチ過程である。これは、イオンが領域６０に入ると同時に引出領域５４から
イオンが射出され得るいずれの場合においても、（出射レンズ４２にかかるＡＣ
電場はイオン入射に影響しないから）ＡＣが出射レンズに与えられているときに
は可能な連続過程と対照的である。

【００３６】連続モード動作における最高効率は、所望の質量／電荷比をもつイオンがロッ
ドセット内に入射して、ロッドセット内を出射レンズ４２まで進む速度よりもイ
オン射出速度が速い場合に達成される。イオン射出過程には数１０ミリ秒が必要
である。イオンがロッドセット３８の一端から他端まで進むに必要な時間は、ロ
ッド自体の長さ、イオンの初期エネルギー、及び真空チャンバ３４内の圧力に依
存する。端から端までの通過時間が支配的な場合もあるが、射出レンズ４２近傍
の領域からイオンを引き出すに必要な時間がより重要となる場合の方が多い。し
たがって、イオンが引出領域５４に到達するに必要な時間と射出過程自体がおこ
る時間との間を最適に整合させるために、イオンの軸方向エネルギーを操作する
ことが望ましいであろう。さらに、用途に応じて、射出レンズ近傍の領域におけ
る局所的な電荷密度を低めるかまたは高めるためにその領域におけるイオン濃度
を制御できることが有益であろう。

【００３７】ロッド３８のセットの一端から他端までイオンが進むに必要な時間をイオンを
射出するに必要な時間に整合する方法の１つは、ロッドセット３８に沿う軸方向
電場をかけることである。この種の軸方向電場をかけるための方法は、本出願の
譲受人に譲渡され、１９９５年８月５日に出願された、“軸方向電場をもつ分析
計”という名称のカナダ国同時係属特許出願第０８/５１４,３７２号に説明され
ている。射出レンズ４２の方向にかけられた軸方向電場は、イオンをロッドセッ
ト３８の射出レンズ４２近傍領域、すなわちイオンが引き出される装置空間５４
に集中させるはたらきをする。逆方向にかけられた軸方向電場は引出空間５４か
らイオンを空乏化するはたらきをし、ある場合にはこれが望ましいこともある。

【００３８】上に示したカナダ国同時係属特許出願第０８/５１４,３７２号に説明されるよ
うに、電極の形状寸法の改変により軸方向電場を与えるための手法がいくつか利
用可能である。そのような構成には、ロッドにテーパをつけること、あるいは一
対のロッドは装置の一端で中心線に近づけ、別の一対のロッドは装置のもう一端
で中心線に近づけて配置すること、あるいは軸方向でロッドをセグメント化して
順次するセグメントに相異なるＤＣオフセットを印加することがある。前記特許
出願の開示及び図面は本出願への参照として本明細書に含まれる。

【００３９】用いられ得る代表的な電極構成の１つが、図１の要素に対応する要素をプライ
ム（’）が付けられた参照数字が表す図３に示されている。ここでロッド３８’
は３８-１’から３８-６’のセグメントに分割され、負の値で大きくなっていく
ＤＣオフセットＶ１からＶ６が順次するセグメント３８-１’から３８-６’に印
加される。この構成は、前記特許出願に説明されるように、軸方向電場を与える
。このような構成は、イオンを引出電極４２’の近くの空間にイオンを強く集中
させ、軸方向と半径方向のイオン運動の結合を強める。

【００４０】望ましければ、上述した同時係属特許出願に説明されるように、軸方向電場を
振動させることができる。このような振動により、射出レンズ４２の近くの空間
にトラップされたイオンの軸方向射出を強めることができる。振動は、ロッド構
造内にトラップされているイオン集団を平衡位置のまわりで振動させることによ
り、上記特許出願に説明されるように、イオン分解に用いることもできる。

【００４１】説明されるシステムは開放端を有し、この開放端は（イオン源１４で与えられ
る）一体型高効率イオン入射装置である、３次元イオントラップと見なすことが
できる。射出レンズ４２近傍にあるイオンには半径方向及び軸方向成分からなる
３次元トラップ電場がかかる。半径方向には、イオンは線形ロッド３８にかけら
れる主ＲＦ電場により抑えられる。軸方向には、イオンは射出レンズ４２にある
ＤＣポテンシャルにより装置の出口端で抑えられ、また与えられた軸方向電場に
よる（またはスキマー３２による）ポテンシャル勾配により装置の入口端で抑え
られる。イオンはまた、トラップ領域すなわち空間５４の上流の蓄積電荷密度に
より生じる電場により、トラップ領域内にもある程度抑えられる。したがって、
実トラップ空間５４が軸に沿って、すなわちＺ方向に変動し得ることは理解され
よう。

【００４２】望ましければ、出射レンズ４２にあるＤＣポテンシャル障壁は維持するが、Ａ
Ｃ電場を出射レンズ４２にかけず、ロッド３８にかかるＤＣオフセットを変調せ
ず、または補助ＡＣ電圧をロッド３８にかけずに、質量に依存してイオンを射出
するためにロッド３８にかかるＲＦをスキャンすることができる。この場合、ロ
ッド３８下流端のフリンジング電場にあるイオンは質量に依存して軸方向に出て
行き、検出されるであろうが、ロッド３８の間にあるイオン（領域６０にあるイ
オン）のほとんどは半径方向に出て行き、無駄になるであろう。この損耗は、図
３に示されるようにロッド３８をセグメント化し、最後のセグメントセット３８
-６’を非常に短く（例：１ｃｍ未満）して、セグメント３８-６’にかかるＲＦ
のみを射出のためにスキャンすることにより低減できる。このようにすれば、ロ
ッド３８-６’の間にあるイオンの大部分が質量に依存して軸方向に射出され、
検出されるであろう。

【００４３】従来のイオン源からのイオンの多くは分析にほとんどまたは全く役に立たない
ことが多い。そのようなイオンの例は、低質量の溶剤イオン及びクラスターイオ
ンである。これらのイオンは最適能力を犠牲にして単にイオントラップ内の総電
荷密度を高めるはたらきをするだけである。説明される線形イオントラップから
そのような不必要なイオンを取り除くために様々な手法を用いることができる。
そのような方法の１つは、電源５０からの主ＲＦ電圧を、注目する検体はロッド
構造３８内で安定であるが、不必要なイオンは不安定になるようなレベルに設定
することである。例えば、不必要なイオンの質量対電荷比が１０から１００の範
囲にあり、注目するイオンの質量対電荷比が２００から１,０００の範囲にあれ
ば、主ＲＦ電圧をピーク間２１４Ｖに設定することができる。

【００４４】イオントラップから不必要なイオンを取り除くための別の方法は、不必要なイ
オンを共鳴させてロッドセットから半径方向に射出するため、ロッド３８の対向
する対の間に補助ＡＣ電圧をさらに印加することである。上述したように、この
手法はよく知られている。この手法においては一般に、主ＲＦ電圧レベルの約１
０％に等しく、周波数が主ＲＦよりかなり低い補助ＡＣ電圧が、ロッドの対向す
る対の間に印加される。適当な振幅及び周波数をもつ補助ＡＣ電圧を、不必要な
イオンを共鳴させて半径方向に射出するためにスキャンすることができる。

【００４５】イオンを射出するために共鳴射出を使用することは、ラングミュア(Langmuir)
の米国特許第３,３３４,２２５号、サイカ（Syka）等の米国再発行特許第３４,
０００号、及びケリー(Kelley)の米国特許第５,３８１,００７号に開示され、ま
た本出願の譲受人に譲渡されたダグラス（Douglas）の米国特許第５,１７９,２
７８号にも開示されている。

【００４６】不必要なイオンを取り除くためのまた別の手法は、ロッド３８を低分解能質量
分析計としてはたらかせるために、ロッドの対向する対に低ＤＣ電圧を印加する
ことである。印加されるＤＣの大きさは、ＡＣ及びＤＣの併用により注目してい
ない低質量範囲にあるイオンだけが射出されるような大きさである。

【００４７】最後に、注目するイオンのみがロッド構造内で安定であって、ロッド構造内に
貯蔵され得るように、フィルタリングされた雑音電場をロッドにかけることによ
り不必要なイオンをロッド構造３８内から取り除くことができる。そのようなフ
ィルタリングされた雑音電場の使用は、１９６７年８月１日に交付されたラング
ミュアの米国特許第３,３３４,２２５号及び１９９６年１月１０日に交付された
ケリーの米国特許第５,３８１,００７号に開示されている。

【００４８】ほとんどのイオントラップの欠点の１つは、既に述べたように、分析を行って
いる間はイオンをさらに受け入れることができないことである。連続イオン源を
用いている場合、イオン源で生成されるイオンの多くあるいは事実上ほとんどが
分析されず、無駄になるので、このことはデューティサイクルを低下させ、総合
感度を下げる。ダグラスの米国特許第５,１７９,２７８号は、多重極ゲートシス
テムが、イオントラップが分析を行っている間にイオン源からのイオンを受け入
れて貯蔵することにより、上記の問題を軽減し得ることを教示している。この手
法はデューティサイクルを高めることによりシステムの総合感度を劇的に高める
ことができる。図４はこれらの原理を用いる装置を示す。

【００４９】ダブルプライム（”）が付けられた参照数字は図１の要素に対応する要素を表
す図４の装置において、ロッド３８”は３つのロッドセット３８ａ，３８ｂ及び
３８ｃに分割されている。ロッド３８ａは連続イオン源１４”からのイオンを予
備トラップするために用いられる。ロッド３８ｂは、ロッド３８ｂのＤＣオフセ
ットを変えることによりイオンを反射するかまたは通過させることができるＲＦ
ロッドミラーとして用いられる。ロッド３８ｃ及び出射レンズ４２”はロッド３
８ｂを通してロッド３８ｃに入射するイオンを分析するための、先に説明した開
放端を有するイオントラップとしてはたらく。

【００５０】動作時には、ロッドセット３８ａのＲＦ及びＤＣ電圧は注目する質量範囲にあ
るイオンを受け入れるように設定され、一方ロッドセット３８ｂのＡＣ及びＤＣ
電圧はイオンを反射するように設定され、よってイオン集団がロッドセット３８
ａ内に蓄積する（この動作は米国特許第５,１７９,２７８号でロッドセット４４
に関して正確に説明されている）。既定の時間後、ロッドセット３８ａ内に蓄積
されたイオンがロッドセット３８ｂを通過してロッドセット３８ｃに進むことが
できるように、ロッドセット３８ｂの電圧が変えられる。ロッドセット３８ｃに
印加されるＲＦ電圧及びＤＣオフセット電圧並びに出射レンズ４２”に印加され
るＡＣ及びＤＣ電圧は、ロッドセット３８ｃが図１に関連して説明した軸方向射
出をもつイオントラップとして動作するように設定される。すなわち、既に説明
したように、イオンは質量に依存する態様でロッドセット３８ｃから軸方向に射
出され、検出器４６”で検出される。

【００５１】質量分析がロッドセット３８ｃで行われている間、ロッドセット３８ｂの電圧
はイオン反射モードに戻り、イオン源１４”からのさらなるイオンがロッドセッ
ト３８ａ内に貯蔵される。この構成の利点は、イオンがロッドセット３８ｃで分
析されている間に連続イオン源からのイオンが引き続く分析のために予備トラッ
プ領域、すなわちロッドセット３８ａ内に蓄積されて、失われないことである。
米国特許第５,１７９,２７８号に教示されるように、装置の分析領域を満たすに
十分なイオンを集めるための時間、予備トラップ領域を空にするための時間、及
び分析を行うための時間の適切な最適化により非常に高いデューティサイクル、
したがって高い総合感度を得ることができる。もちろん図１の構成であっても、
引出領域５４からイオンが射出されている間にロッドセット３８の領域６０にイ
オンが集められ、よってロッドセット３８及び出射レンズ４２で構成されるイオ
ントラップがイオンをスキャンしながら送り出している間にある程度のイオンを
集め得る。しかし図３に示した変形ではより大きな空間を用い得るので、より多
くのイオンを貯蔵できる。さらに、不必要なイオンを取り除くためにロッドセッ
ト３８ａの対向するロッド対の間にある程度のＤＣを都合よく印加することがで
き、よってロッドセット３８ｃにおける空間電荷効果を低減することができる。

【００５２】例として、０.１μＭ（マイクロモル）の（質量対電荷比が６０９の）レセル
ピンをよく知られたイオンスプレー源（図示せず）を用いてカナダ国オンタリオ
州コンコード(Concord)のエム・ディー・エス社(MDS Inc.)のサイエックス(Scie
x)部門で製造された従来のモデルＡＰＩ３００質量分析計に導入した。モデルＡ
ＰＩ３００のイオン光路の単純化した略図が、ガスカーテン付入口プレートが参
照数字７２で表され、スキマープレートが参照数字７４で示されており、また４
つのロッドセットがＱ０，Ｑ１，Ｑ２及びＱ３で示され、ロッドセットＱ０とＱ
１との間、ロッドセットＱ２とＱ３との間及びロッドセットＱ２とＱ３との間に
、それぞれオリフィスプレートＩＱ１，ＩＱ２及びＩＱ３がある、図５に示され
ている。出射レンズは参照数字７６で表され、検出器（チャネル型電子増倍器）
は参照数字７８で表されている。

【００５３】図５の例において、チャンバ８０の圧力は２.２Ｔｏｒｒ（約２９３Ｐａ）、
チャンバ８２の圧力は８ｍＴｏｒｒ（約１.０７Ｐａ）、また真空チャンバ８４
のＱ２を除く部分の圧力は２×１０^−５Ｔｏｒｒ（約２.６７ｍＰａ）とした。
印加ＤＣ電圧は：スキマープレート８０は接地し；Ｑ０は−５ＶＤＣ；ＩＱ１は
−７ＶＤＣ；Ｑ１は−１０ＶＤＣ；ＩＱ２は−２０ＶＤＣ；Ｑ２は−７ＶＤＣ；
（出射レンズと等価のはたらきをする）ＩＱ３は−３ＶＤＣ；Ｑ３は−１５ＶＤ
Ｃとし、最後の出口プレート７６は０Ｖとした。分解ＤＣ電圧はどの４重極にも
印加していない。

【００５４】通常は衝突セルであるＱ２を、イオンをトラップするように構成し、セル圧力
を１×１０^−３Ｔｏｒｒ（約０.１３３Ｐａ）とした。さらに、出射レンズＩＱ
３に補助ＡＣ電圧を印加した。補助ＡＣ電源は主ＲＦ周波数の１/９の周波数で
、ピーク間１００Ｖをつくることができ、主ＲＦの周波数及び位相と同期化され
、フェーズロックされた（主ＲＦ周波数は８１６ｋＨｚであり、よって補助ＡＣ
電圧は９０.６７ｋＨｚであった）。

【００５５】補助ＡＣ電圧をピーク間４７Ｖに保ち、本実験では周波数を９０.６７ｋＨｚ
で一定に保ち、質量スペクトルを得るためにロッドセットＱ２に印加するＲＦ電
圧をスキャンした。ＲＦ電圧振幅をスキャンすることによりトラップ条件が変わ
り、また非常に低質量のイオンが射出され得るが、上記条件の下では装置のｑが
非常に低いためロッドセットＱ２内にトラップされた注目するイオンは（実験が
極めて質量の低いイオンに注目していない限り）通常は射出されない。

【００５６】本実験におけるステップの順序は：（ａ）ＩＱ１のＤＣレンズ電圧を（イオンを停止させる）＋２０Ｖから（イ
オンの通過のための）−７Ｖに変えることにより、短いイオンパルスをＱ０から
Ｑ２に進ませる（本実験の間Ｑ１はイオンパイプとしてはたらく以外何の機能も
果さない）；（ｂ）次いで、ロッドセットＱ２に印加するＲＦを代表的にはピーク間９２
４Ｖからピーク間９６０Ｖまでランピングすることにより、Ｑ２にトラップされ
たイオンをスキャンして軸方向に射出する；（ｃ）次いで、ロッドセットＱ２に印加する電圧を非常に低い電圧、代表的
にはピーク間２０Ｖまで下げることにより、ロッドセットＱ２内の全ての残留イ
オンを排出する；（ｄ）次いで、このステップ順序を繰り返す；とした。

【００５７】上記の手法を用いてとられた代表的なスペクトルが、質量５２９.９２９にあ
るピーク１００を示す図６に示される。このスペクトルは質量較正されていない
ので、記録された質量５２９.９２９のピークは誤りであり、真の質量は６０９
である。

【００５８】質量較正オフセットのため手で補正された半値幅は０.４２ＡＭＵであること
がわかる。この値からＭ/Ｚ＝６０９における分解能Ｍ/ΔＭの値が約１４５０で
あることがわかり、これは非常に高い分解能である。上記の実験においては、ス
キャンを遅くしたときに、本例では７８ＡＭＵ/秒のスキャン速度で、高い分解
能が最善に得られた。しかし最適化によって、より高速なスキャンが達成される
と考えられる。

【００５９】図５のシステムで行った別の実験においては、以下の条件：（ａ）レンズＩＱ３に２ＶのトラップＤＣを印加；（ｂ）レンズＩＱ３に９０.６７ｋＨｚで（ピーク間）６２ＶＡＣを印加；（ｃ）選択された親イオン、すなわちＭ/Ｚ＝５８７のレニン基質テトラデ
カペプチド(Ｍ＋３Ｈ)^３＋のみを通過させるために、Ｑ１を（ＲＦ及びＤＣが印
加される）分解モードに設定；（ｄ）Ｑ３をＲＦのみ（分解ＤＣをかけない）に設定；（ｅ）Ｑ２の圧力をヘリウムで１×１０^−３Ｔｏｒｒ（約０.１３３Ｐａ）
まで上げる；の下でフラグメンテーションを行った。

【００６０】実験ステップは：１．レンズＩＱ１の電圧を＋２０Ｖから−７Ｖに変えることにより、Ｍ/Ｚ
＝５８７のイオンをＱ０からＱ２に通過させる；２．５０ミリ秒の間、ＲＦロッド電圧をピーク間８９７.８Ｖに設定するこ
とで、Ｑ２内のイオンを励起する。これは励起ステップである。Ｑ２内の（ＩＱ
３にかけられる）ＡＣ電場と共鳴するイオンは励起され（エネルギーを吸収し）
、高められた運動エネルギーのため、トラップから射出されるか、あるいはバッ
クグラウンドガスとの衝突により分解される；３．５０ミリ秒の励起ステップの直後に、Ｑ２のＲＦロッド電圧をピーク間
８００Ｖからピーク間１,４２２Ｖまでスキャンすることにより、Ｑ２内のイオ
ンを質量に依存してスキャンし、軸方向に射出する；とした。

【００６１】観測されたイオンが図７のピーク１０４，１０６，１０８に示される。質量ス
ペクトルはやはり較正されておらず、補正されて示されている。ピーク１０８は
Ｍ/Ｚ＝５８７の(３価の)親イオンであり、一方Ｍ/Ｚ＝６９７及びＭ/Ｚ＝７２
０のフラグメントイオンが１０６，１０８に示される（フラグメントイオンは２
価でしかないのでＭ/Ｚ比が親イオンより大きい）。

【００６２】すなわち、上述した線形トラップで衝突フラグメンテーションを容易に行い得
ること、及びフラグメントイオンを検出及び分析のため質量に依存する態様でス
キャンして軸方向に射出できることがわかる。

【００６３】図５のシステムで行われたまた別の実験においては、以下の条件の下で質量ス
ペクトルを得た。出射レンズＩＱ３に補助ＡＣ電圧を印加せず、代わりにレンズ
ＩＱ３には標準のＤＣ障壁電場だけを与えた。この場合でも、出射レンズＩＱ３
の近傍にあるフリンジング電場によるトラップされたイオンの半径方向自由度と
軸方向自由度の結合を介した、ロッドセットＱ２からの軸方向への質量選択性射
出はおこる。補助ＡＣ電圧がレンズＩＱ３に印加されていなくとも、ほぼ０.９
０６の安定性限界に一致するｑ値にあるイオンがＱ２から射出される。

【００６４】上記の動作方法において、出射レンズＩＱ３にかけられたＤＣ電場によりロッ
ドセットＱ２内にイオンがトラップされ、次いでトラップされたイオンのｑ値が
約０.９０６をこえるように、ロッドセットＱ２のロッドのＲＦ電圧が高められ
る。これにより、ロッドセットＱ２のフリンジング電場が無視できる領域で半径
方向射出がおこる。半径方向に射出されたイオンは４本のロッドのいずれかに向
かって進み、失われる。しかし、かなりの半径方向／軸方向結合がある出射レン
ズＩＱ３近傍では軸方向射出がおこる。ｑが約０.９０６より大きい場合、半径
方向及び軸方向射出の併用により検体イオンの全てがロッドセットＱ２から排出
される。さらに、ｑ値が約０.９０６より大きい場合は、イオン源から引き続き
入射する（Ｑ０，Ｑ１及びＱ２を通過する）イオンがロッドセットＱ２内でもは
や安定ではなくなり、蓄積されない。

【００６５】出射レンズＩＱ３のＤＣ障壁電場とロッドセットＱ２にかけられるＲＦ電場と
の相互作用によりつくられる出射レンズＩＱ３近傍のフリンジング電場は、わず
かな距離しか出射レンズＩＱ３近傍にあるロッドセットＱ２内に入り込まない。
上述したように、そのような侵入の深さは現在わかっておらず、また出願人が知
る限り、侵入深さを決定するための数学モデルは現在存在しない。しかし、侵入
深さは出射レンズＩＱ３をロッドセットＱ２の末端に近づけるほど大きくなるで
あろう。図５のロッドセットＱ２の長さは２００ｍｍであり、したがって、ロッ
ドセットＱ３のＲＦがランピングされると、イオンのほとんどが半径方向射出で
失われ、比較的小さな比率でしか軸方向には射出されない。しかしデューティサ
イクルが従来の装置よりかなり高いので、得られる信号レベルは従来装置で得ら
れる信号レベルと同程度かまたはそれより高いことがわかっている（上述したよ
うに、これはＱ２で分析が行われている間にイオンがＱ０でトラップされて蓄積
されているためである）。望ましければ、空間電荷効果のような望ましくない効
果を避けるに十分な長さにＱ２を保ちながら、半径方向射出で失われるイオンが
より少なくなるように、Ｑ２をより短くすることができる。

【００６６】さらに、出射レンズＩＱ３に補助ＡＣ電圧を印加せず、代わりにフリンジング
電場が単に出射レンズのＤＣ障壁電場とロッドセットＱ２にかけられるＲＦとの
（またはロッドセットＱ２に印加される補助ＡＣ電圧との）相互作用でつくられ
ていれば、扱わなければならないパラメータがより少なくなり、有用な信号をよ
り容易に得ることができる。

【００６７】例として、質量対電荷比が６０９のレセルピンの１μＭ溶液を図５の装置に導
入した。関係する電圧及び圧力は以下の通りである。チャンバ８２の圧力は８ｍ
Ｔｏｒｒ（約１.０７Ｐａ）、真空チャンバ８４のＱ２を除く部分の圧力は２×
１０^−５Ｔｏｒｒ（約２.６７ｍＰａ）とした。印加ＤＣ電圧は：スキマープレ
ート７４は接地し；Ｑ０は−５ＶＤＣ；ＩＱ１は−１０ＶＤＣ；Ｑ１は−６.５
ＶＤＣ；ＩＱ２は−１５ＶＤＣ；Ｑ２は−２０ＶＤＣ；ＩＱ３は−１４ＶＤＣ；
Ｑ３は−２０ＶＤＣとし、最後の出射プレート７６は０Ｖとした。分解ＤＣ電圧
はどの４重極にも印加していない。

【００６８】標準的な衝突セルＱ２をイオンをトラップするように構成し、ヘリウムで圧力
を１×１０^−３Ｔｏｒｒ（約０.１３３Ｐａ）とした。上述したように、出射レ
ンズＩＱ３には補助ＡＣ電圧を印加していない。

【００６９】本実験におけるステップの順序は：（ａ）レンズＩＱ１のＤＣレンズ電圧を＋２０Ｖから−７Ｖに変えることに
より、短いイオンパルスをＱ０からＱ２に進ませる；（ｂ）次いで、代表的にはピーク間１,３５０Ｖからピーク間１,５４０Ｖま
でロッドセットＱ２に印加するＲＦをランピングすることにより、衝突セルＱ２
内にトラップされたイオンをスキャンして軸方向に射出する；（ｃ）次いで、このステップ順序を繰り返す；とした。

【００７０】上述した手法により得られた代表的スペクトルが図１０に示され、この図では
参照数字１２０で表される、質量６１１にある親レセルピンイオンが示される。
この装置は、若干較正がずれており、正しい質量６０９が６１１と記録されてし
まっている。半値幅は広いが（ほぼ４ＡＭＵ）、上述の構成は最適化が容易であ
り、高速でスキャンでき（例：約５,０００ＡＭＵ/秒以上）、また多くの用途に
対し十分な分解能が得られる。さらに、質量分解能は改善できると考えられる。

【００７１】ロッドセットＱ２にかけられるＲＦ電場をランピングする代わりに、一般には
一対のロッド間で、ロッドセットＱ２に補助双極ＡＣ電場をかけてもよい。一般
に双極電場はイオンを半径方向に励起はするがイオンが射出されるには至らない
ように低レベル、例えば１Ｖに設定され、さらに、先と同様に、ＲＦ電場の振幅
がランピングされて、出射レンズの障壁電場を通してロッドセットからイオンが
質量に依存して射出される。あるいは、ＲＦを固定し、双極電場の周波数をラン
ピングしてイオンを励起することもできる。一様な双極電場が与えられた場合、
イオンはロッドセットＱ２の長さ方向に励起はされるがロッドセット内にとどま
り、軸方向ＤＣ電場の影響の下でロッドセットＱ２の出口端に向かってドリフト
し、出口端でフリンジング電場により半径方向運動が軸方向運動に変換されるこ
とに注意されたい。次いで、上記の結合によりつくられる軸方向運動が、通常は
ＲＦまたは双極電場をランピングすることにより増強されて、検出のために、出
射レンズの障壁電場を通してイオンを質量に依存して軸方向に射出する。補助双
極電場の代わりに補助４重極電場を用いても同様の結果を得ることができる。

【００７２】図５と同様の質量分析計システムを示し、対応する参照数字は対応する要素を
表す図１１を次に参照する。以下では図５との違いだけが説明される。図１１の
質量分析計は高分解能軸方向射出イオントラップとして用いることができる。

【００７３】図１１においては、ロッドセットＳＴ１とＳＴ２（“ＳＴ”は“スタッビー”
を意味する）が設けられている。これらは、従来のブルべーカー(Brubaker)イオ
ンレンズを形成する、単なる短い（一般に長さ１インチ（約２５.４ｍｍ））ロ
ッドセットである。ロッドセットＱ１及びＱ３も短く、一般に長さ１インチであ
る。

【００７４】冷却ガス源１３０が（図５に関連して、図示してはいないが、説明したように
）不活性ガス、例えばヘリウムを約１ｍＴｏｒｒ（約０.１３３Ｐａ）でロッド
セットＱ２に供給する。

【００７５】図５に示した従来装置において、主電源５０（図５には示していない）からの
ＲＦはロッドセットＱ３に接続され、ロッドセットＱ２用のＲＦはロッドセット
Ｑ３から容量結合されていた。図１１の構成において、電源５０からのＲＦ（一
般に１ＭＨｚ）がロッドセットＱ２に直接接続され、ロッドセットＳＴ１とＱ３
のＲＦはコンデンサＣ１，Ｃ２を介した容量結合によりロッドセットＱ２から与
えられる。これにより、ロッドセットＱ２のＲＦ振幅を比較的大きく（ロッドセ
ットＱ３の振幅より大きく）することができる。

【００７６】動作時には、ロッドセットＱ０，ＳＴ１，Ｑ１，ＳＴ２及びＱ３が全てＲＦの
みのモードで、すなわち“イオンパイプ”としてイオン通過モードで、動作する
。ＳＴ１，Ｑ１，ＳＴ２及びＱ３の圧力は、一般に約３×１０^−５Ｔｏｒｒ（約
４.００ｍＰａ）である。

【００７７】レンズＩＱ３は例えば約２Ｖとすることにより、Ｑ２にかかるロッドオフセッ
トに対して（前と同様に）若干反発性にされる。

【００７８】図１１の構成は、Ｑ２にトラップされたイオンを、トラップされているイオン
の永年周波数の２倍（または望ましければ、永年周波数の３倍以上）の、ＩＱ３
に印加される（電源５６からの）補助ＡＣ周波数により励起するように動作させ
ることが好ましい。これにより、理由は十分に解明できていないが、分解能が高
められることが分かっている。

【００７９】例として、図１１の構成を用い、３００ｋＨｚの補助ＡＣをＩＱ３に印加して
得られた、レセルピンの質量スペクトルを示す図１２を次に参照する。ＩＱ３の
補助ＡＣ振幅は（ピーク間）１６.５Ｖとした。図１２のスペクトルでは図６の
スペクトルに比較して、分解能が向上している（Ｍ/ΔＭ＝約８５０）ことがわ
かる。

【００８０】図１１の構成を用いているが、ここではＩＱ３に印加される補助ＡＣ周波数を
（検出されるイオンに該当するｑにおける永年周波数の同じく２倍である）８８
９ｋＨｚとして得られた、別のレセルピンスペクトルを示す図１３を次に参照す
る。さらに、低分解ＤＣ（２.０Ｖ）を電源５０のＤＣ源１３２（図１１）から
ロッドセットＱ２に印加している。分解能Ｍ/ΔＭが大きく高められ、５０％レ
ベルで測定して、ここでは７,０００となったことがわかる。図１３に見られる
３つのピークは、１ＡＭＵ間隔の１価のレセルピン同位体である。図１３のスペ
クトルに関し、ＩＱ３に印加されたＡＣ振幅は（ピーク間）１６.５Ｖであった
。

【００８１】図１４は、図１１の構成を図１３に関連して説明したように動作させて得られ
た別のスペクトルを示す。しかしこの場合は分析する物質をレニン基質とした。
図１４に示されるように、全てが互いに非常に近接している、Ｍ/Ｚ＝５８７（
質量較正されていない）の(Ｍ＋３Ｈ)^３＋イオンからの、５つの３価のピークが
、約６５００の分解能Ｍ/ΔＭで表われた。

【００８２】図１５は、図１１の構成を図１４に関連して説明したように動作させて、すな
わちＩＱ３に印加する補助ＡＣ周波数を８８９ｋＨｚとして、得られたレニンに
対する別のスペクトルを示す。図１５に見られるピークは、Ｍ/Ｚ＝４４０（質
量較正されていない）の(Ｍ＋４Ｈ)^４＋イオンからの４価のイオンを表し、４つ
のピークはほぼ１Ｍ/Ｚ単位内に表われていることがわかる。この分解能は飛行
時間型質量分析計の分解能に近く、飛行時間型装置よりスキャン時間は遅いが、
コストはかなり低く、操作もかなり容易である。

【００８３】Ｑ２のＲＦ振幅をより大きくすれば、イオンに対して半径方向“ウエル”がつ
くられ、このウエルの深さは従来のウエルより大きいと考えられる。このため、
イオンが半径方向の次元で空間的により強固に束縛され、よってより高い分解能
を達成するに役立つ、より優れた永年周波数分散が得られる。しかし、イオンの
永年周波数の２倍以上の周波数での補助ＡＣ励起により分解能が高くなる理由は
十分に解明されていない。

【００８４】次に図１０の構成の、ロッドセットＱ２にガスが加えられておらず、よってロ
ッドセットにより定められる空間の圧力が他のロッドセット内の圧力（例：２×
１０^−５Ｔｏｒｒ（約２.６６ｍＰａ））とほぼ等しい改変態様を用いた。再び
、電源５０（図１１）のＤＣ源１３２から、低分解ＤＣをロッドセットＱ２に印
加した。以下で説明されるスペクトルからわかるように、冷却ガスがないことか
ら分解能は若干低下するとはいえ、分解能は極めて良好なままであり（ほぼ１単
位分解能）、一方感度（すなわち、つくられるイオン信号量）が極めて大幅に高
くなる。実際、得られるイオン信号はガスのある時よりガスがない方が１０倍か
ら５０倍大きかった。さらに、より高い感度とかなり高い分解能を達成しながら
もスキャン速度を大幅に高めることができるようになった。

【００８５】トラップされたイオンは、ロッドセットＱ２にあるガスと衝突して冷却され、
空間電荷効果が顕著になる比較的狭い空間に押し込まれるため、感度がより高く
なる（イオン信号が大きくなる）と考えられる。空間電荷効果は、ロッドセット
Ｑ２で構成されるトラップがスペクトルの劣化をともなわずに扱えるイオン数を
制限する。冷却ガスがなければ、ロッドセットＱ２内のイオンは、空間電荷効果
が問題になるまでにより多くのイオンを扱える、より広い空間を占める。

【００８６】図１１の構成に対してここで意図した動作モードにおいては、図４に関連して
正に説明したように、イオンがスキャンされてＱ２から送り出されている間に、
イオンが（レンズＩＱ１にトラップされて）ロッドセットＱ０内に蓄積される。
図４に関連して説明したように、このことからより高いデューティサイクルが得
られ、また感度も高くなる。

【００８７】図１６は、図１１の構成で上述した動作モード（Ｑ０で予備トラップし、Ｑ２
には冷却ガスを加えず、Ｑ２に低分解ＤＣを印加する）を用いて得られた、レセ
ルピンの質量スペクトルを示す。図１７は（スペクトルは質量較正されておらず
、よって示される質量は実質量ではない）図１６における質量３６４の詳細を示
しまた図１８は同じく図１６における質量５３７の詳細を示す。分解能は前に示
したスペクトルよりは低下しているが、それでもほぼ１単位であり、図１３の例
で示したように、感度は前に示したレセルピンスペクトルより１０倍から５０倍
高い。感度が高められる理由は、冷却ガスの排除で生じる空間電荷効果の減少、
Ｑ０で予備トラップすることによるデューティサイクルの向上、及び低分解ＤＣ
の使用であった。本動作モードの別の利点は、図１６に示されるように、スキャ
ン速度が（試験に用いたエレクトロニクス装置の限界であった）３３５０ＡＭＵ
/秒であり、一方ロッドセットＱ２に冷却ガスがある場合のスキャン速度はより
低い（一般に１２０ＡＭＵ/秒）ことである。

【００８８】スキャン時の分解ＤＣの印加が感度を向上させる理由は十分には解明されてい
ないが、（１００ｐｇ/μＬのレセルピンによるスペクトルであり、質量較正さ
れていない）図１９から図２２が、Ｑ２から質量に依存してイオンをスキャンし
て軸方向に射出するときに分解ＤＣを使用することの利点を明白に示す。図１９
はＱ２を満たすとき及びスキャンしてＱ２から射出するときのいずれにおいても
分解ＤＣを印加した場合のスペクトルを示し、一方図２０はＱ２からイオンをス
キャンして射出するときにのみ分解ＤＣを印加した場合のスペクトルを示す。い
ずれの場合にも、参照数字１３４ａ，１３４ｂで表されるピークについての感度
は非常に高い（６×１０^５イオンカウント/秒より大きい）。

【００８９】対照的に、ロッドセットＱ２を満たすときにのみ分解ＤＣを印加し、スキャン
時には印加しなかった場合の図２１、及び満たすときもスキャンするときも分解
ＤＣを印加しなかった場合の図２２に示されるように、ピーク１３４ｃ，１３４
ｄについての感度はかなり低く(約２×１０^４カウント/秒)、質量分解能もかな
り低くなっていた。

【００９０】上述したように、レンズＩＱ３の電圧によりつくられた反発障壁を通してイオ
ンを質量に依存してスキャンしてＱ２から軸方向に射出するときにロッドセット
Ｑ２に分解ＤＣを印加すると、性能（感度及び分解能）が向上する理由は明確に
は解明されていない。しかし、分解ＤＣ電圧振幅の範囲を広くとれることが確認
された。例えば、０.５Ｖという低い電圧から５０Ｖまでの分解ＤＣ電圧を用い
たが、いずれの電圧でも総じて同じ有益な効果が得られている。

【００９１】別の例が、ミノキシジルに対する図２３のスペクトル並びに図２３のスペクト
ルにおける２つのピーク１３６，１３８を示す図２４及び２５のスペクトルによ
り示される。図２３，２４及び２５のスペクトルは、冷却ガスを加えず、Ｑ０で
予備トラップし、分解ＤＣを印加する、正に説明したばかりのモードで図１１の
システムを用いて得られた。質量目盛は較正されていないので、１９２.２２１
ＡＭＵに記録されたピークが実はミノキシジル(Ｍ＋Ｈ)^＋イオンである。やはり
、感度が非常に高く（低い方のピーク１３８で６×１０^５カウント/秒をこえる
）、分解能が高く（１単位ないしさらに良好な分解能）、スキャン速度が非常に
高いと見なされる３３５０ＡＭＵ/秒であることがわかる。

【００９２】図２６は、説明したばかりのように、やはり、ロッドセットＱ２に冷却ガスを
加えず、ロッドセットＱ０で予備トラップし、ロッドセットＱ２に分解ＤＣを印
加して、図１１の構成を用いて得られたレニン基質に対する質量スペクトルを示
す。分解能が（図１４のスペクトルほど高くはないが）高いにも関わらず、(Ｍ
＋３Ｈ)^３＋イオンに対する感度は、図１４のスペクトルでは約２×１０^４カウ
ント/秒でしかないことに比較して、５×１０^６カウント/秒より大きい。

【００９３】上述したように冷却ガス無しで動作させた図１１の構成は、対応する参照数字
が図１１の対応する要素を表す図２７に示されるように単純化できる。図に示さ
れるように、図２７の構成においては、Ｑ２，ＳＴ２及びＱ３が取り除かれてい
る。Ｑ０は前と同じくスキャン時にイオンを蓄積するために用いられるが、イオ
ンは今度は（Ｑ２の代わりに）Ｑ１にトラップされ、次いで質量に依存してスキ
ャンされて、反発障壁ＩＱ２を通してＱ１から軸方向に射出される。所望の（第
２の構成が示される）動作モードに依存して、補助ＡＣを電源５６から障壁ＩＱ
２あるいはロッドセットＱ１に印加することができる。Ｑ１からスキャンされて
軸方向に射出されたイオンは、出射レンズ７６で集束されて検出器に入り、イオ
ンカウントが記録される。前と同様に分解ＤＣがロッドセットＱ１に印加される
が、ロッドセットＱ１の長さは、図１１で用いられた５インチ（約１２７ｍｍ）
長ロッドセットに比較して、１インチ（約２５.４ｍｍ）でしかないから、また
ロッドセットＱ１の寸法許容度は厳しくする必要がないから、ロッドセットＱ１
にはコストがあまりかからない。それにも関わらず、図２７の構成を用いて図１
１の構成と同じ感度及び分解能を得ることができる。

【００９４】このことを示すため、図２７の構成を用い、ＲＦを１.０ＭＨｚとし、３.０Ｖ
の分解ＤＣをロッドセットＱ１に印加して得られたレセルピンの質量スペクトル
を示す図２８を参照する。ロッドセットＱ１にもＩＱ２にも補助ＡＣは印加され
ておらず、よって質量選択性軸方向イオン射出はほぼｑ＝０.９でおこる。質量
６０９についての感度が４.８×１０^５ｃｐｓ（カウント/秒）より高く、分解能
がかなり高いことがわかる。

【００９５】図２７の構成を用いて得られたレセルピンに対する２つのスペクトルを示す図
２９は、非常に短い１インチ（約２５.４ｍｍ）のロッドセットＱ１でトラップ
していても、空間電荷効果が障害を生じさせていないことを示す。図２９におい
て、ピーク１５０は１００ｐｇ/μＬのレセルピンに対応する質量６０９と同定
され、一方ピーク１５２は１０ｎｇ/μＬのレセルピンに対応するピーク（質量
６０９）に一致する。空間電荷効果があれば、より高濃度におけるピーク１５２
はシフトし、幅が広くなっているはずであるが、イオン検出エレクトロニクス装
置が１０ｎｇ/μＬ溶液からの応答により飽和していたという事実にも関わらず
、そのようなことはおこらなかった。

【００９６】ここまでを要約すると、冷却ガスを用いる図１１の構成によるスキャンでは、
スキャン速度は比較的に中程度であるが分解能を非常に高くすることができる。
冷却ガス無しでのスキャンでは、分解能は劣るが、ほとんどの用途で受け入れら
れる分解能をより高い感度及びより速いスキャン速度をもって得られる。

【００９７】これまで説明した方法の利点は、図５に簡略化した形態で示したモデルＡＰＩ
３００のような従来の市販の質量分析計を、上記の方法の少なくともいくつかを
用いて動作させ得ることである。従来用いていた動作手順を単に変更することに
より、１０倍の信号強度及び少なくとも同じ分解能を生じ得る。あるいは、標準
的なモデルＡＰＩ３００質量分析計においてＱ０はＱ１からＲＦを受け取り、よ
ってＱ１がスキャンされるとＱ０も強制的にスキャンされるから、Ｑ０にＲＦを
別に供給し、よってＱ１が質量に依存する態様でイオンをスキャンして軸方向に
射出している間、Ｑ０がイオンを予備トラップして蓄積することができる。

【００９８】図３０に示される、図１１の構成を改変した構成は、ＭＳ/ＭＳを行うために
用いることもできる。この動作モードにおいて、レンズＩＱ１の適当な反発電圧
によりイオンがＱ０に予備トラップされ、次いで、Ｑ１にイオンをトラップする
ためのレンズＩＱ２の反発電圧により、適当な時間に（冷却ガスが加えられてい
ない）トラップとしてはたらくＱ１にイオンパルスとして送られる。ＲＦはこの
目的のために、既に説明した目的のための低分解ＤＣとともに、電源５０から直
接Ｑ１に印加される。

【００９９】Ｑ１にトラップされたイオン（親イオン）は、フラグメントイオンを生成する
ために、質量に依存してスキャンされて軸方向に、親イオンをフラグメント化す
なわち親イオンを分解するための（図示されていないガス源からの）衝突ガスが
入ったＱ２内に射出される。

【０１００】Ｑ２内のイオン、すなわちフラグメントイオンと親イオンとの混合イオンは、
ロッドオフセット電圧の影響の下でＱ２を出てＱ３に入ることができ、そこでレ
ンズ７６の１つに印加された反発ＤＣ電圧によりトラップされる。ロッドセット
Ｑ３にトラップされた混合イオンは次いで、質量選択的にスキャンされて軸方向
に射出され、検出器７８で検出されてイオンカウントが記録される。前述されま
た図３０に示されるように、双極または４重極電圧の個別の補助ＡＣ電圧を電源
５０ａ，５０ｂからロッドセットＱ１及びＱ３に印加することができる。あるい
は、既に説明した目的のために、レンズＩＱ２及びレンズ７６に個別の補助ＡＣ
電圧を印加することができる。ＲＦ周波数が補助ＡＣ周波数の整数倍であれば、
ＡＣ周波数をＲＦ周波数と同期させ、フェーズロックさせることができる。ＡＣ
及びＲＦ周波数が固定され、ＲＦ振幅がスキャンされることに注意されたい。

【０１０１】代替手法として、Ｑ２にあるフラグメントイオンと親イオンとの混合イオンを
レンズＩＱ３の適当な反発電圧によりＱ２にトラップすることができる。トラッ
プされた混合イオンを次いで質量に依存してスキャンし、ＳＴ２及び（ここでは
ＲＦのみのモードであり、イオンパイプとしてはたらく）Ｑ３を通して、軸方向
にＱ２から検出器７８に射出することができる。この動作モードにおいては、ト
ラップロッドセットＱ２にあるガスのため、先に説明した動作モードより分解能
が高くなるであろう。

【０１０２】ＭＳ/ＭＳを行うためのまた別の手法は図３１のシステムに基づく。イオンは
レンズＩＱ１の適当な反発電圧によりＱ０に予備トラップされ、次いで、適当な
時間にイオンパルスとしてＱ１を通過する。Ｑ１は標準的なＲＦ/ＤＣ４重極質
量分析器であり、ＲＦ及び分解ＤＣをＱ１に供給するための専用の電源５０ａを
もち、イオントラップとしての動作は行わない。Ｑ１に印加されるＲＦ及びＤＣ
電圧は、注目する親イオンをＱ２に通過させ、その他のイオンは通常のまたよく
理解された態様で半径方向に失われるように選ばれる。Ｑ２には、フラグメント
イオンを生成するために親イオンをフラグメント化すなわち親イオンを分解する
ための、ガス源２００からの衝突ガスが入っている。フラグメントイオン及び残
留親イオンは、先に説明した態様で、ＩＱ３に印加された反発ＤＣ電圧によりＱ
２にトラップされる。ロッドセットＱ２に印加されるＲＦ，低分解ＤＣ及び補助
ＡＣは、先の説明と同様である。Ｑ２にトラップされたイオンは質量選択的にス
キャンされて軸方向にＱ２から検出器７８に向けて射出され、ＭＳ/ＭＳ質量ス
ペクトルを生じる。

【０１０３】図３１に関連して説明した構成にはいくつかの利点がある。第１に、親イオン
の質量分離ステップが非常に簡単で高速である。このことには、Ｑ０から引き出
されたイオンに従来の分解質量分析計Ｑ１を通過させることだけが関係する。こ
れにより、親イオンがイオントラップ内に単離されている場合に含まれる長めの
時間（数ミリ秒）が省略される。さらに、Ｑ１により従来のＲＦ/ＤＣスキャン
を行う能力がそのままで残され、これにより、イオンをトラップしまたデューテ
ィサイクルを高めるという利点は保ちながら動作が単純化される。質量分析の（
ここではＱ１で行われる）第１段階が４重極マスフィルタを用いてなされる必要
がないことは当然である。飛行時間型質量分析計、ＲＦのみのモードの４重極質
量分析計、あるいは単集束または二重集束扇形質量分析計のような、いずれのマ
スフィルタ装置も親イオン単離ステップに有効である。さらに、Ｑ２からスキャ
ンされて射出されるフラグメントイオンは先に説明した方法によりさらに分解す
ることができ、ＭＳ段をさらに増やすことができる。

【０１０４】図３２は、図３１で説明したシステムで得られたＭＳ/ＭＳスペクトルを示す
。ここでは、ミノキシジル（分子量２０９）の１００ｐｇ/μＬ溶液が、イオン
源１４に導入された。Ｑ１はＭ/Ｚ＝２０９を中心とする３ＡＭＵ幅のウインド
ウにあるイオンを、イオントラップとしてはたらく、圧力が高められたＱ２に送
るように設定した。１ＭＨｚの駆動ＲＦにフェーズロックされた周波数５００ｋ
Ｈｚの補助ＡＣ電圧を、４重極モードでロッドセットＱ２に印加した。ＡＣ電圧
は（ピーク間）６Ｖとした。１Ｖの分解ＤＣもロッドセットＱ２に印加した。ガ
ス源２００から供給される衝突ガスには、ＡＰＩ３００という名称でＭＤＳ社に
より販売されている質量分析計のような、市販の３段４重極質量分析計で現在用
いられている圧力のほぼ１/１０から１/５０の、約３×１０^−４Ｔｏｒｒ（約４
０.０ｍＰａ）の圧力の窒素を用いた。

【０１０５】図３２のスペクトルは想定されるミノキシジルフラグメントイオンの全てを、
高感度で示し、また半ピーク高で測定して０.１５ＡＭＵより小さいピーク幅を
示す。この分解能は非常に高い。

【０１０６】図３１のシステムで非常に低い衝突ガス圧を用い得るという事実は、小型でよ
り安価な真空ポンプを用い得ることを意味する。このこと及び従来の３段４重極
質量分析計においては高精度マスフィルタが２段必要であることに対して図３１
のシステムでは高精度マスフィルタをＱ１の位置で１段しか用いないという事実
は、相当なコスト低減を示す。

【０１０７】図５及び１１でＱ２が約１ｍＴｏｒｒ（約０.１３３Ｐａ）の衝突ガス圧で動
作すると本明細書で先に説明したが、これらの場合における圧力も大きく、例え
ば３×１０^−４Ｔｏｒｒ（約４０.０ｍＰａ）まで下げることができることに注
意されたい。この圧力は従来の衝突集束形態における動作に必要な圧力より低い
が、良好な結果を生じるにはこのような低い衝突ガス圧力で十分であることが、
実験により示されている。

【０１０８】本発明を４重極ロッド構造に関して説明したが、その他の多重極ロッド構成、
例えば８重極または６重極も用いることができる。さらに、出射レンズ４２をア
パーチャをもつプレートとして説明したが、その他の構成の出射レンズ、例えば
図８の１０２で示されるような、Ａ極対１０２ａ及びＢ極対１０２ｂを有する短
いＲＦのみのモードのロッドアレイを用いることができる。この構成ではＡ極対
１０２ａ及びＢ極対１０２ｂのロッドオフセットを射出されるべきイオンの共鳴
周波数と共振させて、出射レンズ４２にかけられる補助ＡＣ電場により得られる
軸方向射出と同様の軸方向射出を行わせることができる。

【０１０９】線形ロッドセットを説明し、図示したが、望ましければ曲線形ロッドセットを
用いることができる。さらに、孔の空いたプレートあるいは短いロッドセットの
形態の出射レンズを示したが、他の形態の出射レンズを用いることができる。例
えば図９に示されるように、出射レンズ１１０をくさび形のセグメント１１０-
１，１１０-２，１１０-３，１１０-４及びアパーチャ１１２を有するセグメン
ト型プレートとすることができる。これにより相異なる電場を各セグメントにか
けることができ、よってレンズ１１０の上流の真空チャンバ部分から流出し得る
ガス量はアパーチャプレートと同様に制限しながら、得られる結果を最適化する
ことができる。

【０１１０】本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明の範囲内で様々な変更がなさ
れ得ることは当然であり、そのような変更は全て特許請求の範囲に含まれるとさ
れている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を用いることができる簡単な質量分析計システムの略図である

【図２】図１のロッドセットの端面図であり、このロッドセットへの電気的接続を示す

【図３】図１のシステムの一部の改変を示す略図である

【図４】図１のシステムの別の改変を示す略図である

【図５】図１のシステムのまた別の改変を示す略図である

【図６】図５のシステムで得られた結果を示すグラフである

【図７】図５のシステムで得られた別の結果を示すグラフである

【図８】出射レンズとして用いることができるロッドの端面図である

【図９】改変された出射レンズの平面図である

【図１０】図５のシステムで得られたまた別の結果を示すグラフである

【図１１】図１のシステムのさらに別の改変を示す略図である

【図１２】図１１のシステムで得られた質量スペクトルを示す

【図１３】図１１のシステムで得られた別の質量スペクトルを示す

【図１４】図１１のシステムで得られたまた別の質量スペクトルを示す

【図１５】図１１のシステムで得られたさらに別の質量スペクトルを示す

【図１６】図１１の改変されたシステムを用いて得られた質量スペクトルを示す

【図１７】図１６の質量スペクトルの一部拡大図である

【図１８】図１６の質量スペクトルの別の一部拡大図である

【図１９】図１１の改変されたシステムの第１の動作モードで得られた質量スペクトルを
示す

【図２０】図１１の改変されたシステムの第２の動作モードで得られた質量スペクトルを
示す

【図２１】図１１の改変されたシステムの第３の動作モードで得られた質量スペクトルを
示す

【図２２】図１１の改変されたシステムの第４の動作モードで得られた質量スペクトルを
示す

【図２３】図１１の改変されたシステムを用いて得られた別の質量スペクトルを示す

【図２４】図２３の質量スペクトルの一部拡大図である

【図２５】図２３の質量スペクトルの別の一部拡大図である

【図２６】図１１の改変されたシステムを用いて得られたまた別の質量スペクトルを示す

【図２７】図１１のシステムの単純化した改変を示す

【図２８】図２７のシステムを用いて得られた質量スペクトルを示す

【図２９】図２７のシステムを用いて得られたさらに２つの質量スペクトルを示す

【図３０】ＭＳ/ＭＳに用いられる図１１のシステムの改変を示す

【図３１】ＭＳ/ＭＳに用いられる図１１のシステムの別の改変を示す

【図３２】図３１のシステムを用いて得られた質量スペクトルを示す

【符号の説明】

１４イオン源５０ａ，５０ｂ電源７２入口プレート７４スキマープレート７８検出器２００衝突ガスＱ０，Ｑ１，Ｑ２ロッドセットＩＱ１，ＩＱ２，ＩＱ３レンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】細長いロッドセットを有し、前記ロッドセットが入口端及び
出口端及び長さ方向の軸を有する質量分析計の動作方法において、前記方法が：（ａ）イオンを前記ロッドセットの前記入口端に通すステップ；（ｂ）前記ロッドセットの前記出口端に近接する出口部材に障壁電場をつく
ることにより、及び少なくとも前記ロッドセットの前記出口端に近接する前記ロ
ッドセットの複数のロッドの間にＲＦ電場をつくることにより、前記ロッドセッ
ト内に前記イオンの内の少なくともある程度をトラップするステップ：（ｃ）前記ロッドセットの前記出口端に近接する引出領域で前記ＲＦ電場と
前記障壁電場が相互作用して、フリンジング電場をつくるステップ；（ｄ）前記引出領域にあるイオンにエネルギーを与えて、選ばれた質量対電
荷比をもつイオンの内の少なくともある程度を前記障壁電場を通して前記ロッド
セットから質量選択的に軸方向に射出するステップ；及び（ｅ）前記軸方向に射出されたイオンの内の少なくともある程度を検出する
ステップ；を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】前記障壁電場がＤＣ電場であることを特徴とする請求項１記
載の方法。
【請求項３】前記出口部材に補助ＡＣ電圧が印加されることを特徴とする
請求項２記載の方法。
【請求項４】前記ステップ（ｄ）において、前記補助ＡＣ電圧がスキャン
されることを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項５】前記複数のロッドにＤＣオフセット電圧が印加され、前記ス
テップ（ｄ）において、選ばれたイオンを励起するために前記ＤＣオフセット電
圧がある周波数で変調され、よって選ばれたイオンが前記障壁電場を通して質量
選択的に軸方向に射出されることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項６】前記ステップ（ｄ）において、前記ＲＦ電場がスキャンされ
ることを特徴とする請求項１，２または３記載の方法。
【請求項７】前記ステップ（ｄ）において、前記ＲＦ電場の振幅がスキャ
ンされることを特徴とする請求項１，２または３記載の方法。
【請求項８】前記ステップ（ｄ）において、前記ロッドセットの前記複数
のロッド間に副ＡＣ電圧が印加されることを特徴とする請求項１，２または３記
載の方法。
【請求項９】前記ステップ（ｄ）において、前記ロッドセットの前記複数
のロッド間に副ＡＣ電圧が印加され、前記副ＡＣ電圧がスキャンされることを特
徴とする請求項１，２または３記載の方法。
【請求項１０】前記ステップ（ｄ）において、前記ロッドセットの前記複
数のロッド間に副ＡＣ電圧が印加され、前記副ＡＣ電圧が固定されて前記ＲＦ電
場がスキャンされることを特徴とする請求項１，２または３記載の方法。
【請求項１１】前記補助ＡＣ電圧が、前記ＲＦ電場の周波数及び位相と同
期化されフェーズロックされた周波数を有することを特徴とする請求項３または
４記載の方法。
【請求項１２】前記ロッドセットの前記軸に沿う軸方向電場を印加するス
テップを含むことを特徴とする請求項１，２または３記載の方法。
【請求項１３】前記ロッドセットの前記複数のロッド間にあるイオンの衝
突集束及び衝突冷却を行うために、前記ロッドセットの前記複数のロッド間に低
圧ガスを供給するステップを含むことを特徴とする請求項１，２または３記載の
方法。
【請求項１４】あるイオン源から前記イオンを供給し、前記第１の既に言
及したロッドセットと前記イオン源との間に第２のロッドセットを設け、イオン
を前記第２のロッドセットに予備トラップし、前記第１の既に言及したロッドセ
ットからの軸方向射出及びこれに続く検出のために前記第２のロッドセットから
前記第１の既に言及したロッドセットにイオンを選択的に通すステップを含むこ
とを特徴とする請求項１，２または３記載の方法。
【請求項１５】軸方向にイオンを射出する前記ステップの前に、選択され
た注目する質量範囲の外にあるイオンの内の少なくともある程度を前記ロッドセ
ットから半径方向に射出するステップを含むことを特徴とする請求項１，２また
は３記載の方法。
【請求項１６】前記イオンを軸方向に射出する前に、前記イオンを励起し
て前記イオンの内の少なくともある程度を分解するステップを含むことを特徴と
する請求項１記載の方法。
【請求項１７】前記イオンに軸方向電場をかけ、前記軸方向電場を振動さ
せることにより、前記イオンが励起されることを特徴とする請求項１６記載の方
法。
【請求項１８】前記ロッドセットの前記入口端にイオンが通されると同時
に、前記ロッドセットの前記出口端から前記障壁電場を通してイオンが質量選択
的に軸方向に射出されることを特徴とする請求項１，２または３記載の方法。
【請求項１９】少なくとも前記障壁電場を通して前記ロッドセットの前記
出口端から軸方向にイオンを質量選択的に射出する前記ステップの間、前記ロッ
ドセットに分解ＤＣ電圧が印加され、よって前記方法の感度が高められるること
を特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項２０】前記分解ＤＣ電圧が少なくとも０.５ボルトであることを
特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２１】前記分解ＤＣ電圧が約０.５ボルトから５０ボルトの間に
あることを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２２】周波数が前記選択される質量をもつ前記イオンの永年周波
数の少なくとも２倍の副ＡＣ電場を前記ロッドセットにかけることを特徴とする
請求項１記載の方法。
【請求項２３】周波数が前記選択される質量をもつ前記イオンの永年周波
数の少なくとも２倍の補助ＡＣ電場を前記出口部材にかけることを特徴とする請
求項１記載の方法。
【請求項２４】前記周波数が前記永年周波数の２倍であることを特徴とす
る請求項２２または２３記載の方法。
【請求項２５】少なくとも前記ロッドセットから軸方向にイオンを質量選
択的に射出する前記ステップの間、前記ロッドセットに分解ＤＣ電圧を印加し、
よって前記方法の感度を高めることを特徴とする請求項２２または２３記載の方
法。
【請求項２６】前記ロッドセット内にあるイオンの衝突冷却を減じるため
に前記ロッドセットを低圧まで排気し、よって前記ロッドセット内の空間電荷効
果を低減し、よって前記方法の感度を高めることを特徴とする請求項１，１９，
２２または２３記載の方法。
【請求項２７】電源から前記ロッドセットに前記ＲＦを直接印加し、よっ
て前記ロッドセットに印加される前記ＲＦの振幅及び周波数の独立制御を達成す
ることを特徴とする請求項１，１９，２２または２３記載の方法。
【請求項２８】前記ロッドセットの長さが約１インチ（約２５.４ｍｍ）
であることを特徴とする請求項１，１９，２２または２３記載の方法。
【請求項２９】直列に配された複数の細長いロッドセットを有し、前記複
数のロッドセットのそれぞれが長さ方向の軸を有し、よってＭＳ/ＭＳ（マスス
ペクトロメトリー/マススペクトロメトリー）を提供する、質量分析計の動作方
法において、前記方法が：（ａ）イオンをイオン源から前記ロッドセットの１つに放出するステップ；（ｂ）イオンを前記１つのロッドセットに予備トラップするステップ；（ｃ）前記１つのロッドセットから第２の前記ロッドセットに、選択的にパ
ルス化されたイオンを送るステップであって、前記第２のロッドセットが入口端
及び出口端を有しているステップ；（ｄ）前記第２のロッドセットの前記出口端に近接する出口部材に障壁電場
をつくることにより、及び少なくとも前記第２のロッドセットの前記出口端に近
接する前記第２のロッドセットの複数のロッドの間にＲＦ電場をつくることによ
り、前記第２のロッドセット内に前記イオンの内の少なくともある程度をトラッ
プするステップ：（ｅ）前記第２のロッドセットの前記出口端に近接する引出領域で前記ＲＦ
電場と前記障壁電場が相互作用して、フリンジング電場をつくるステップ；（ｆ）前記引出領域にあるイオンにエネルギーを与えて、選ばれた質量対電
荷比をもつイオンの内の少なくともある程度を前記障壁電場を通して前記第２の
ロッドセットから軸方向に質量選択的に射出するステップであって、前記射出さ
れるイオンが親イオンであるステップ；（ｇ）前記親イオンを衝突ガスを入れた第３の前記ロッドセットに送り、前
記第３のロッドセット内で前記親イオンを分解してフラグメントイオンを形成す
るステップ；及び（ｈ）検出のために、前記第３のロッドセットから軸方向に少なくとも前記
フラグメントイオンを質量に依存して射出するステップ；を含むことを特徴とする方法。
【請求項３０】前記イオンが質量に依存してスキャンされて前記第３のロ
ッドセットから軸方向に射出されることを特徴とする請求項２９記載の方法。
【請求項３１】前記第３のロッドセット内のフラグメントイオンが第４の
前記ロッドセットに送られ、前記第４のロッドセットは前記第４のロッドセット
内でのイオンの衝突冷却を最小限に抑えるために低圧に維持され、検出のために
前記フラグメントイオンが質量に依存してスキャンされて前記第４のロッドセッ
トから軸方向に射出されることを特徴とする請求項２９記載の方法。
【請求項３２】前記出口部材に補助ＡＣ電圧が印加されることを特徴とす
る請求項１記載の方法。
【請求項３３】前記ステップ（ｆ）において、前記補助ＡＣ電圧がスキャ
ンされることを特徴とする請求項３２記載の方法。
【請求項３４】前記補助ＡＣ電圧が前記ＲＦ電場の周波数及び位相に同期
化されフェーズロックされた周波数を有することを特徴とする請求項３３記載の
方法。
【請求項３５】直列に配された複数の細長いロッドセットを有し、前記複
数のロッドセットのそれぞれが長さ方向の軸を有し、よってＭＳ/ＭＳを提供す
る、質量分析計の動作方法において、前記方法が：（ａ）イオンをイオン源から前記ロッドセットの１つに放出するステップ；（ｂ）イオンを前記１つのロッドセットに予備トラップするステップ；（ｃ）前記１つのロッドセットから出口端を有する分解質量分析計に選択的
にパルス化されたイオンを送り、選択された質量対電荷比をもつイオンを通過さ
せるように前記分解質量分析計を動作させるステップであって、前記イオンが親
イオンであるステップ；（ｄ）前記親イオンを衝突ガスを入れた第２の前記ロッドセットに送り、前
記第２のロッドセット内で前記親イオンを分解してフラグメントイオンを形成す
るステップ；及び（ｅ）前記第２のロッドセット内に少なくとも前記フラグメントイオンをト
ラップし、検出のために、前記第２のロッドセットから軸方向に少なくとも前記
フラグメントイオンを質量に依存して射出するステップ；を含むことを特徴とする方法。
【請求項３６】前記イオンが前記第２のロッドセットにトラップされ、質
量に依存してスキャンされて前記第２のロッドセットから軸方向に射出されるこ
とを特徴とする請求項３５記載の方法。
【請求項３７】前記衝突ガスが衝突集束に必要な圧力より低い圧力にある
ことを特徴とする請求項３５または３６記載の方法。
【請求項３８】ＭＳ/ＭＳを提供するための、１つ以上の細長いロッドセ
ットを有し、前記１つ以上のロッドセットのそれぞれが長さ方向の軸を有する質
量分析計の動作方法において、前記方法が：（ａ）イオン源からイオンを放出するステップ；（ｂ）前記イオンの内の少なくともある程度を分解質量分析計に送り、選択
された質量対電荷比をもつイオンの少なくともある程度を通過させるように前記
分解質量分析計を動作させるステップであって、前記通過させられるイオンが親
イオンであるステップ；（ｃ）前記親イオンを衝突ガスを入れた前記ロッドセットの１つに送り、前
記１つのロッドセット内で前記親イオンを分解してフラグメントイオンを形成す
るステップ；及び（ｅ）前記１つのロッドセット内に少なくとも前記フラグメントイオンをト
ラップし、さらなる処理または検出のために、前記１つのロッドセットから軸方
向に少なくとも前記フラグメントイオンを質量に依存して射出するステップ；を含むことを特徴とする方法。
【請求項３９】前記イオンが前記１つのロッドセットにトラップされ、質
量に依存してスキャンされて前記１つのロッドセットから軸方向に射出されるこ
とを特徴とする請求項３８記載の方法。
【請求項４０】前記１つのロッドセット内のフラグメントイオンが第２の
前記ロッドセットに送られ、前記第２のロッドセットは前記第２のロッドセット
内でのイオンの衝突冷却を最小限に抑えるために低圧に維持され、前記フラグメ
ントイオンが前記第２のロッドセット内にトラップされ、検出のため、質量に依
存してスキャンされて前記第２のロッドセットから軸方向に射出されることを特
徴とする請求項３８記載の方法。
【請求項４１】細長いロッドセットを有し、前記ロッドセットは入口端及
び出口端及び長さ方向の軸を有する、質量分析計の動作方法において、前記方法
が：（ａ）イオンを前記ロッドセットの前記入口端に通すか、あるいは前記ロッ
ドセット内で注目するイオンを形成するステップ；（ｂ）前記イオンの内の少なくともある程度を前記ロッドセット内にトラッ
プするステップ；及び（ｃ）選択された質量対電荷比をもつ前記イオンの内の少なくともある程度
を、さらなる処理または検出のため、質量に依存して前記ロッドセットから軸方
向に射出するステップ；を含むことを特徴とする方法。