JP2005116246A - 質量分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い質量分解能でＭＳ／ＭＳ分析を行う。
【解決手段】 イオン発生源１で発生させたイオンをイオントラップ２に導入し、イオントラップ２内でイオン選別及びイオン開裂を行った後に各種フラグメントイオンをイオントラップ２から引き出し、主飛行空間３でゲート電極３１を介して周回軌道Ａに乗せる。周回軌道Ａを所定回数飛行させることで長い飛行距離を確保し、それによって飛行時間の差を拡大する。さらにイオン反射器４でイオンを折り返すことで収差による誤差を修正した上で、イオン検出器５に入射する。これによって、装置を大型化することなく、各種のフラグメントイオンを高い質量分解能で以て分析することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は質量分析装置に関し、更に詳しくは、飛行時間型質量分析を行う質量分析装置に関する。

従来、質量分析装置として特許文献１等に記載の構成のものが知られている。この質量分析装置は、イオン源としてのイオントラップと、該イオントラップから引き出されたイオンを直線的に飛行させるための飛行空間と、その飛行空間を飛行して来たイオンを電場によって反射させる反射器と、反射されたイオンを検出する検出器とを備える。イオントラップは、円環状のリング電極と、そのリング電極の中央開口を両側から挟むように配置された一対のエンドキャップ電極と、から成る三次元四重極型の構成であり、各電極に所定の電圧を印加することで電極で囲まれる空間にイオンを蓄積し、或いは、イオンを選別し、さらには衝突誘起分解（ＣＩＤ）ガスをイオントラップ内へ導入することによりイオンを開裂させることができる。

こうした飛行時間型質量分析装置では、電場により初期的な運動エネルギーを付与された各種イオンは飛行空間内を飛行する間にその質量数に応じて分離される。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飛行距離が長いほど大きくなるから、質量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、特許文献１に記載の装置では、飛行距離を長くするためには装置を大型化する必要があり、飛行距離は装置のサイズなどの制約を受ける。そのため、装置の構成によって質量分解能の上限がほぼ決まってしまい、それ以上、質量分解能を高くすることはきわめて困難である。

これに対し、イオンの飛行軌道を工夫することによって飛行距離を実効的に長くすることが、例えば特許文献２等において提案されている。特許文献２に記載の質量分析装置では、飛行空間内に略８の字状の閉じた周回軌道を形成し、その閉軌道内にイオン源としてのイオントラップを配置している。この構成では、イオントラップから引き出されたイオンを周回軌道に沿って多数回周回飛行させることによって飛行距離を実効的に長くすることができるので、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。

特許文献２のような構成では、質量分解能の向上が可能であるという利点があるものの、イオンを周回させる際にそのイオンはイオントラップを周回数分だけ通過することになるため、その際にイオントラップ内の電場によって受けるイオンの強度減少、運動方向の撹乱についての配慮が必要となる。すなわち、一般的にイオントラップでイオンを捕捉する際には高周波電場を利用し、イオンをイオントラップから排出する際には高電圧を電極に印加しなければならないが、次にそのイオンがイオントラップを通過する際にはイオントラップ内には電場が存在しないことが望ましい。しかしながら、イオンが軌道を周回する時間は非常に短時間であるため、実際にはこのような短時間の間に電場を消滅させることは困難であり、残った電場による影響をイオンが受けることが避けられない。そのためにイオンの飛行速度が影響を受け、それによる質量分解能の低下が生じるおそれがある。

また、一定の運動エネルギーを与えられたイオンはその質量の平方根に反比例した速度を持つが、特許文献２に記載の構成においては、イオントラップからイオンを出射する際に、質量の大きなイオンがイオントラップから出て行くよりも前に質量の小さなイオンが周回してイオントラップに戻って来てしまうということが起こり得る。そのために、質量範囲に制限がない（又は質量範囲が非常に広い）という飛行時間型質量分析装置の特徴が損なわれることになる。

特表２００２−５０２０９５号公報 特開２００１−１４３６５４号公報

本発明はかかる課題に鑑みて成されたものであり、その主な目的は、装置を大型化することなく、目的イオンを開裂させることで生じたフラグメントイオンを含む各種イオンの質量分解能を向上させることができる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に係る質量分析装置は、
a)イオンの集合体であるイオンパケットに対して初期的な運動エネルギーを付与する出射手段と、
b)該出射手段により運動エネルギーが付与された前記イオンパケットに含まれる各イオンを、飛行空間内で周回、旋回、又は往復軌道に沿って飛行させる飛行制御手段と、
c)前記飛行空間内の軌道を離れたイオンを電場の作用によって反射させる反射手段と、
d)該反射手段により反射されたイオンを検出する検出手段と、
を備えることを特徴としている。

発明の実施の形態、及び効果

本発明に係る質量分析装置の具体的な一態様として、出射手段はイオンを開裂させる機能を兼ねるイオントラップである構成とすることができる。
このイオントラップは次のような３つの基本的な使用形態をとることができる。
（１）外部のイオン発生源で発生したイオンを同じく外部のイオン開裂部で開裂させたものをイオントラップに導入し、例えばクーリング等を行った後にこれらに運動エネルギーを付与してイオントラップ内から飛行空間へと引き出す。
（２）外部のイオン発生源で発生したイオンをイオントラップに導入し、イオントラップ内でイオンの開裂を促進させて、その後に開裂によって生じたフラグメントイオンに運動エネルギーを付与してイオントラップ内から飛行空間へと引き出す。
（３）分析対象の気体分子をイオントラップに導入し、イオントラップ内でまず電子衝撃法などにより分子をイオン化し、それに引き続いてイオントラップ内でイオンの開裂を促進させて、その後に開裂によって生じたフラグメントイオンに運動エネルギーを付与してイオントラップ内から飛行空間へと引き出す。

さらにまた、上記（１）〜（３）において、イオントラップ内に一旦保持したイオンの中で不要なイオンをイオントラップの外側に排出することによって、イオンの選別処理を加えることも可能である。

イオントラップが上記のようないずれの形態で動作する場合であっても、イオントラップは飛行制御手段により周回、旋回、又は往復軌道が形成される飛行空間の外側に配置される。したがって、一旦、イオントラップから引き出されて飛行空間内に入ったイオンは再びイオントラップ内を通過することはなく、イオントラップ内に電場が存在していてもその影響を受けることはない。そうして、飛行制御手段の制御の下で、イオンは周回、旋回、又は往復軌道を所定回数（回数がゼロつまり全く周回しない場合も含む）周回（旋回や往復も含む）し、その飛行の間に質量数に応じて位置がズレてゆく。こうして飛行時間に差がついた各種イオンは反射器で反射されるが、その際に、運動エネルギーが相対的に小さなイオンほど手前で反射され、反対に大きな運動エネルギーを有するイオンは奥まで進んで反射される。すなわち、イオンが持っている運動エネルギーによって飛行距離が異なり、それによって運動エネルギーのばらつきによる収差が修正されることになる。

以上のように本発明に係る質量分析装置によれば、飛行空間内を飛行するイオンはイオントラップの電場の影響を受けることなく、適宜の周回数だけ周回、旋回、又は往復軌道を周回することで長い軌道上を飛行し、さらに反射器によって各イオンの収差が収束された状態で検出器に到達する。したがって、開裂によって生じたフラグメントイオンを飛行空間に導入することにより、高い質量分解能及び精度で以てＭＳ／ＭＳ分析を行うことができる。また、イオントラップを用いる構成とすれば、イオンの開裂とそれによって発生したフラグメントイオンを含むイオンパケットへの運動エネルギーの付与とをイオントラップにより行うことができ、装置の小型・軽量化に有利である。もちろん、イオントラップ又は他のイオン開裂部で開裂させたイオンに対し、別の出射手段（イオン加速部）で運動エネルギーを付与して飛行空間に導入する構成としてもよい。

以下、本発明の一実施例による質量分析装置について図１を参照して説明する。
図１は本実施例の質量分析装置の全体構成図である。図１において、図示しない真空室の内部には、イオン発生源１、イオントラップ２、主飛行空間３、イオン反射器４、及びイオン検出器５が配設されている。

イオン発生源１は分析対象である分子をイオン化するものであって、イオン化法は特に限定されない。例えば、本質量分析装置がＧＳ／ＭＳに利用される構成においては、イオン発生源１は電子衝撃イオン化法や化学イオン化法によって気体分子をイオン化するものである。また、本質量分析装置がＬＣ／ＭＳに利用される構成においては、イオン発生源１は大気圧化学イオン化法やエレクトロスプレイイオン化法によって液体分子をイオン化するものである。さらにまた、分析対象分子がタンパク質などの高分子化合物である場合にはＭＡＬＤＩ（Matrix Assisted Laser Desorption Ionization：マトリクス支援レーザ脱離イオン化法）を利用するとよい。

イオントラップ２は、１つの円環状のリング電極２１と互いに対向する一対のエンドキャップ電極２２、２３により構成されている。イオントラップ電圧制御部７からリング電極２１及びエンドキャップ電極２２、２３に印加される電圧によって、これら電極２１、２２、２３で囲まれる空間内に形成される四重極電場によってイオン捕捉空間２４を形成し、そこにイオンを捕捉する。また、イオントラップ２にはＣＩＤガスを導入するガス導入部としてのガス導入弁２７が付設され、これによりイオントラップ２内でイオンの開裂を促進することができる。

主飛行空間３内にはイオンを略円形状の周回軌道Ａに沿って飛行させるための案内電極３２と、主飛行空間３に導入されたイオンを上記周回軌道Ａに乗せるため及び逆に周回軌道Ａを飛行しているイオンを周回軌道Ａから離脱させるためのゲート電極３１とが配置され、本発明における飛行制御手段であるＴＯＦ電圧制御部８から、ゲート電極３１及び案内電極３２に駆動電力が供給される。なお、ここでは周回軌道Ａを円形状としているが、これに限るものではなく、長円形状、８の字状の周回軌道など、任意の形状とすることができる。また、完全に同一軌道上を周回するものでなくとも、螺旋状の旋回軌道や往復軌道でもよい。

イオン反射器４は、イオンの飛行方向に沿って複数の電極を並べることにより勾配を有する反射電場を形成するものであって、各イオンが有する運動エネルギーに応じた位置で各イオンを折り返す。イオン検出器５はイオン反射器４で折り返されたイオンを検出し、その入射したイオンの数（量）に応じた電流信号を発生する。制御部６はイオントラップ電圧制御部７、ＴＯＦ電圧制御部８、及び図示しない信号線を介して他の各部の動作を統括的に制御する機能を有する。

次に、本実施例による質量分析装置の標準的な分析動作としてＭＳ／ＭＳ分析について説明する。イオン発生源１では目的試料の成分分子又は原子を所定のイオン化法によりイオン化する。発生したイオンはイオン入射孔２５を通してイオントラップ２内に導入され、イオン捕捉空間２４に捕捉されて一旦蓄積される。各種イオンをイオン捕捉空間２４に捕捉した後、電極２１、２２、２３への印加電圧を適宜に制御し、所望のイオン以外のイオンをイオントラップ２から排出する。すなわち、イオンの選択を実行して所望のイオンのみをイオン捕捉空間２４内に残す。次いで、ガス導入弁２７を開いてイオントラップ２内にＣＩＤガスを導入する。保持されているイオンはこのガス分子に衝突して開裂し、同一イオン（必ずしも１種類とは限らない）に由来する複数種のイオンの断片（フラグメントイオン）の集合体となる。ここでは、こうした同一イオンに由来するフラグメントイオンの集合をイオンパケットと呼ぶ。

上記操作によりイオントラップ２のイオン捕捉空間２４にはイオンパケットが保持され、所定時点で電極２１、２２、２３に所定の電圧が印加されることでイオンパケットはイオン出射孔２６から排出され主飛行空間３に導入される。こうしたイオンパケットに含まれる各種イオンが周回軌道Ａに乗るか否か、また周回軌道Ａに乗る場合でも何回周回した後に周回軌道Ａを離れるか、はＴＯＦ電圧制御部８により制御される。一般には、周回数が多いほど飛行距離が長くなり、質量分解能を上げることができる。周回軌道Ａを周回する間にイオンパケットに属する各種イオンはその質量数に応じて位置がズレてゆき、質量数が大きいものほど遅れてばらけてゆく。そうして各種イオンが飛行方向にばらけた状態で主飛行空間３を出てイオン反射器４に入射する。

イオンがイオントラップ２から出射する際に各イオンに付与される運動エネルギーは揃っていることが望ましいが、実際にはイオン捕捉空間２４内での位置の相違等によって運動エネルギーにはばらつきがある。こうしたばらつきに起因する収差は速度誤差を生じ、ひいては質量誤差の要因となり得るが、イオン反射器４によりこうした収差による誤差を修正することができる。すなわち、イオン反射器４の反射電場内では、大きな運動エネルギーを有するイオンは奥まで入り込んだ後に折り返されるのに対し、相対的に小さな運動エネルギーを有するイオンは手前側で折り返される。その折り返し位置によって飛行距離は変化することになり、それによって上述したような誤差は修正される。

こうして収差による誤差要因が修正されつつイオン反射器４で折り返された各種イオンは、質量数に応じて順次、イオン検出器５に入射して検出される。その検出信号は図示しないデータ処理装置へと送られ、所定のデータ処理が行われて、例えば横軸を質量数、縦軸を強度信号にとった質量スペクトルが作成される。以上のようにして、本実施例による質量分析装置では、目的イオンを開裂させて発生したフラグメントイオンを高い質量分解能で以て分析することができる。

なお、上記実施例は本発明の単に一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜変更や修正を行うことができる。具体的には、例えば、イオントラップ２、主飛行空間３及びイオン反射器４は必ずしも略一直線上に配置する必要はなく、主飛行空間３の周回軌道Ａの構成等に応じて適宜に配置することができる。また、イオン検出器５の位置もイオン反射器４の位置に依存して適宜に変更すればよく、イオン反射器４で反射したイオンを再び主飛行空間３内に導入して、その後にイオントラップ２側に配置したイオン検出器５に導入するという構成も考え得る。

また、上記実施例では、イオン発生源１で生成したイオンをイオントラップ２内に導入して、イオンの選別、イオンの開裂、イオンの出射（加速）を行うようにしていたが、イオントラップ２内でイオンの生成を行う構成としてもよい。また、イオンの開裂を他の手段で行って、開裂させたイオンをイオントラップ２に導入してもよい。また逆に、イオントラップ２で開裂させたイオンをイオントラップ２の外側に設けたイオン加速部に導入し、そのイオン加速部でイオンに運動エネルギーを付与してもよい。

本発明の一実施例による質量分析装置の要部の構成図。

符号の説明

１…イオン発生源
２…イオントラップ
２１…リング電極
２２、２３…エンドキャップ電極
２４…イオン捕捉空間
２５…イオン入射孔
２６…イオン出射孔
２７…ガス導入弁
３…主飛行空間
Ａ…周回軌道
３１…ゲート電極
３２…案内電極
４…イオン反射器
５…イオン検出器
６…制御部
７…イオントラップ電圧制御部
８…ＴＯＦ電圧制御部

Claims (2)

1. a)イオンの集合体であるイオンパケットに対して初期的な運動エネルギーを付与する出射手段と、
   b)該出射手段により運動エネルギーが付与された前記イオンパケットに含まれる各イオンを、飛行空間内で周回、旋回、又は往復軌道に沿って飛行させる飛行制御手段と、
   c)前記飛行空間内の軌道を離れたイオンを電場の作用によって反射させる反射手段と、
   d)該反射手段により反射されたイオンを検出する検出手段と、
   を備えることを特徴とする質量分析装置。
2. 前記出射手段は目的イオンを開裂させる機能を兼ねるイオントラップであることを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。

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