JP2005078987A - 飛行時間型質量分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 周回軌道又は往復軌道を有する構成において質量精度を向上させる。
【解決手段】 同一質量数のイオンについて、周回軌道Ａを周回する周回数を飛行制御部５により変化させ、イオン検出器３による検出信号により飛行時間をそれぞれ測定する。周回数を変えたときの飛行時間の差は、イオンの運動エネルギーのばらつき、イオン出射系や測定系での時間的変動などの誤差要因が除去され、周回数の差に依存したものとなる。そこで、データ処理部６では、その飛行時間の差に基づいてイオン速度を算出し、その速度から質量数を算出する。それによって、質量数の算出精度が向上する。
【選択図】 図１

Description

本発明は飛行時間型質量分析装置に関し、更に詳しくは、分析対象であるイオンが略同一の軌道を周回運動又は往復運動するように飛行空間が形成された飛行時間型質量分析装置に関する。

飛行時間型質量分析装置では、一般的に、電場により加速したイオンを電場及び磁場を有さない飛行空間内に導入し、検出器に到達するまでの飛行時間に応じて各種イオンを質量数毎に分離する。或る質量数差を有する２種類のイオンに対する飛行時間の差はイオンの飛行距離が長いほど大きくなるから、質量数分解能を高くするためには、できるだけ飛行距離を長く確保することが好ましい。しかしながら、装置のサイズなどの制限によって直線的な飛行距離を長くとることは困難であるため、従来より、飛行距離を実効的に長くするような各種の構成が提案されている。

例えば特許文献１に記載の装置では、複数のトロイダル型扇形電場を用いて長円形の周回軌道を形成し、この軌道に沿ってイオンを多数回繰り返し周回させることで飛行距離を長くしている。また、特許文献２に記載の装置では、８の字状の閉じた周回軌道を形成することで、同様に飛行距離を実効的に長くしている。こうした装置では、イオンがイオン源を出発してから周回軌道を所定回数、周回した後にイオン検出器に到達して検出されるまでの飛行時間を計測し、その飛行時間に応じてイオンの質量数を算出している。イオンが周回軌道を周回する回数（周回数）が多いほど飛行時間は長くなるため、一般的には、周回数を多くするほど質量分解能が向上する。

こうした飛行時間型の質量分析において、理想的には、同一質量数を有するイオンは同一地点から同一の初期エネルギーを付与されて同時に出発し、且つそれらイオンが揃って同時にイオン検出器に到達することが望ましい。しかしながら、実際には、同一質量数のイオンであっても、付与される初期的な運動エネルギーのばらつき、イオンの出発地点の位置のばらつき、イオンの出発時の時間的な変動（ジッタ）、イオン検出器で検出される際の時間的変動（ジッタ）、電源電圧の時間的変動、等の様々な要因が飛行時間の誤差をもたらす。こうした要因は質量数とは無関係であるため、誤差を含む飛行時間は正確には質量数の関数とはならない。そのため、こうした誤差は周回数を増加させても解消されることはなく、質量分析精度の向上を阻む一因となっている。

特開平１１−２９７２６７号公報 特開平１１−１３５０６０号公報

本発明はかかる課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、イオンの質量数以外の要因に係る誤差をなくす又は軽減することで、質量分析精度を向上させることができる飛行時間型質量分析装置を提供することにある。

上記課題を解決するために成された本発明は、イオン源から出発した各種イオンを略同一の周回軌道に沿って１乃至複数回繰り返し飛行させた後に検出器に導入することで、前記イオンを質量数に応じて分離して検出する飛行時間型質量分析装置において、
a)同一質量数のイオンに対し、前記周回軌道の周回数を少なくとも２種以上に変化させるべくイオンの飛行状態を制御する飛行制御手段と、
b)異なる周回数に対するイオンの飛行時間の差を求め、その飛行時間の差に基づいて該イオンの質量数を算出する処理手段と、
を備えることを特徴としている。

ここで周回軌道はその形状を問わず、またイオンが直線状の軌道を往復飛行するような場合も周回軌道に含むものとする。

発明の実施の形態、及び効果

同一の周回軌道を飛行するイオンの速度はその質量数に依存している。同一質量数のイオンについて、例えば周回軌道をＮ回周回して検出器に到達したときの飛行時間と、同じ周回軌道をＮ＋１回周回して検出器に到達したときの飛行時間との差は、そのイオンの速度に依存する筈であるから、当然、そのイオンの質量数にも依存する。また、その飛行時間の差は、イオンがイオン源を出発する際の時間的変動や検出器に到達する際の時間的変動などの要因の影響を受けない。したがって、異なる周回数の飛行時間の差に基づいてイオンの質量数を算出することにより、上記のような誤差要因を除去した、より高い精度の質量数を求めることができる。

また好ましくは、周回数を３種以上（例えば、Ｎ−１回、Ｎ回、Ｎ＋１回）に変化させて各周回毎の飛行時間の差を求めることにより、１周回当たりの飛行時間をより正確に算出することができる。それによって、質量数の算出精度も一層向上する。

このように本発明に係る飛行時間型質量分析装置によれば、従来よりも質量分析精度を向上させることができるので、イオンの質量数の特定が一層容易になり、また質量分解能も向上する。

以下、本発明に係る飛行時間型質量分析装置の一実施例について、図面を参照して具体的に説明する。図１は本実施例による飛行時間型質量分析装置の概略構成図である。この例では、周回軌道を円形状としているが、これに限るものではなく、既に述べたような長円形状、８の字状の周回軌道のほか、任意の形状の周回軌道、又は直線上を往復運動する往復軌道でもよい。

図１において、イオン源１から出発したイオンは、飛行空間２内に導入され、ゲート電極４を介して周回軌道Ａに乗るように導かれる。イオンは周回軌道Ａを１乃至複数回周回した後に軌道Ａを離れ、飛行空間２から出て外側に設けられたイオン検出器３に到達して検出される。イオン検出器３の検出信号はデータ処理部６へと入力され、デジタルデータに変換された後にデータ処理が実行される。それによって、後述するように目的とするイオンの質量数が算出される。

図１では記載を省略しているが、飛行空間２内には、イオンを周回軌道Ａに沿って周回させるための電場を形成する電極等が適宜、配置されており、飛行制御部５からゲート電極４を含む各電極に駆動電力が供給される。したがって、イオンの周回軌道Ａの周回数は飛行制御部５により制御される。イオン源１は、イオントラップやマトリクス支援レーザ脱離イオン化法（ＭＡＬＤＩ=Matrix-assisted Laser Desorption Ionization）によるイオン源など、各種のイオン源を利用することができる。

次に、本実施例の飛行時間質量分析装置における質量分析動作について説明する。いま、図１において次のように定めることとする。
Ｌin ：イオン源１から周回軌道Ａ入口までの飛行距離
Ｌout ：周回軌道Ａ出口からイオン検出器３までの飛行距離
Ｕ ：イオンの持つ運動エネルギー
Ｃ(U) ：周回軌道Ａにおける１周回運動の飛行距離（以下、周回長という）
ｍ ：イオンの質量数
TOF(m,U) ：運動エネルギーＵ、質量数ｍを持つイオンの飛行時間（イオン源１を発してからイオン検出器３に到達するまでの所要時間）
Ｖ(m,U) ：運動エネルギーＵ、質量数ｍを持つイオンの速度
Ｎ ：イオンが周回軌道Ａを周回した回数（以下、周回数という）
Ｔo ：測定系のジッタ等の各種要因で発生する飛行時間のずれ

飛行時間型質量分析装置の基本的な原理より、次の(1)式が成り立つ。
TOF(m,U)＝Ｌin／Ｖ(m,U)＋Ｎ・Ｃ(U)／Ｖ(m,U)＋Ｌout／Ｖ(m,U)＋Ｔo …(1)
いま、周回数ＮをＮ’に変化させたときに、それぞれに対応する飛行時間TOF1(m,U)、TOF2(m,U)は次の(2)式及び(3)式となる。
TOF1(m,U)＝Ｌin／Ｖ(m,U)＋Ｎ・Ｃ(U)／Ｖ(m,U)＋Ｌout／Ｖ(m,U)＋Ｔo …(2)
TOF2(m,U)＝Ｌin／Ｖ(m,U)＋Ｎ’・Ｃ(U)／Ｖ(m,U)＋Ｌout／Ｖ(m,U)＋Ｔo …(3)
(2)式と(3)式との差を求めると、
ΔTOF＝TOF1(m,U)−TOF2(m,U)＝（Ｎ−Ｎ’）・Ｃ(U)／Ｖ(m,U) …(4)
となる。
(4)式より、イオンの飛行時間の差ΔTOFは周回軌道Ａの周回数の差に依存し、飛行時間のずれＴoは除去されてしまうことが分かる。したがって、同一質量数のイオンに由来する飛行時間の差ΔTOFを測定すれば、その値から質量数ｍを精度よく求めることができる。

図１の装置において質量分析を行う際の具体的な動作の一例として、次のようにするとよい。すなわち、目的とする同一質量数のイオンについて、飛行制御部５により周回数ＮをＮ−１、Ｎ、Ｎ＋１、Ｎ＋２の４種類に設定し、それぞれの周回数に対する飛行時間を測定する。この周回数と飛行時間との関係は図２に示すようなグラフ上でそれぞれ１点として表される。データ処理部６において、このようなデータに適当な統計的処理を施すことによって、１周回当たりの飛行時間差ΔTOFを一層高い精度で求めることができる。

なお、上記実施例は本発明の一実施例であるから、本発明の趣旨の範囲で適宜に修正、変更、追加などを行っても本願発明に包含されることは明らかである。

本発明の一実施例による飛行時間型質量分析装置の要部の概略構成図。 本実施例による飛行時間型質量分析装置の測定動作を説明するためのグラフ。

符号の説明

１…イオン源
２…飛行空間
３…イオン検出器
４…ゲート電極
５…飛行制御部
６…データ処理部

Claims (1)

1. イオン源から出発した各種イオンを略同一の周回軌道に沿って１乃至複数回繰り返し飛行させた後に検出器に導入することで、前記イオンを質量数に応じて分離して検出する飛行時間型質量分析装置において、
   a)同一質量数のイオンに対し、前記周回軌道の周回数を少なくとも２種以上に変化させるべくイオンの飛行状態を制御する飛行制御手段と、
   b)異なる周回数に対するイオンの飛行時間の差を求め、その飛行時間の差に基づいて該イオンの質量数を算出する処理手段と、
   を備えることを特徴とする飛行時間型質量分析装置。

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