JP2005116340A - 質量分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 周回軌道を有する質量分析装置において採取するデータ量を削減する。
【解決手段】 イオン源１からイオンが出射した時点から、そのイオンが周回軌道Ａを所定回数周回して軌道Ａを離脱するための電圧をゲート電極２１に印加するまでの期間中は、時間計測のみを実行する。そして、計時がＴｇになってゲート電極２１への印加電圧を変更した時点から、データ処理部６ではイオン検出器３による検出データの採取を開始しメモリ６１へと格納し始める。計時がＴｇになるまでは検出器３の出力は有意な変動をしないから、精度等を損なうことなくデータ量を大幅に減らしてメモリを節約することができる。
【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、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な飛行空間を有する質量分析装置に関する。

飛行時間型質量分析装置（以下、ＴＯＦＭＳ（=Time Of Flight Mass Spectrometer)と呼ぶ）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、一般に、装置のサイズなどの制約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、略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ＴＯＦＭＳ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する。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。

一般にＴＯＦＭＳでは、イオンがイオン源から出発した時点から検出器による検出信号（イオン強度信号）のデータの採取を開始し、そのデータに基づいて飛行時間とイオン強度信号との関係を求める。しかしながら、上記構成のＴＯＦＭＳではイオンの飛行周回数を多くしたときにそれに比例して飛行時間が長くなるので、採取すべきデータ量が膨大となり、データを記憶するために非常に大きな記憶容量を用意しなければならないという問題があった。

特開平１１−２９７２６７号公報 特開平１１−１３５０６１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、イオンが複数回、繰り返し飛行する軌道を飛行空間内に有する質量分析装置において、採取したデータを保存するための記憶容量を削減することを目的としている。

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)イオン源から出発した各種イオンを、飛行空間内に設定された所定の軌道に沿って複数回繰り返し飛行させる飛行制御手段と、
b)前記軌道を所定回数繰り返し飛行した後のイオンを検出する検出手段と、
c)イオンが前記軌道に沿って飛行している途中の時点若しくは該軌道を離れて前記検出手段に向かう時点、又はそれら時点であると推測される時点のいずれかにおいて、前記検出手段で検出されるイオン強度データの採取を開始するデータ処理手段と、
を備えることを特徴としている。

ここで、飛行空間内に設定された所定の軌道は、狭い飛行空間内で長い飛行距離を確保することを目的として、ほぼ同一の軌道上をイオンが繰り返し飛行することを可能とするものであればその形状を問わず、例えば、円形状、長円形状、８の字形状等の周回軌道、螺旋状等の旋回軌道、或いは、直線又は曲線状等の往復軌道などとすることができる。

なお、ここで言うイオン源とは、必ずしも分子又は原子からイオンを生成する手段を意味するものではなく、イオンを飛行空間に導入するためにイオンに運動エネルギーを付与する手段を含みさえすればよい。

発明の実施の形態、及び効果

本発明に係る質量分析装置において、飛行制御手段の制御の下に、イオン源を出発したイオンは上記軌道に乗るように誘導され、この軌道に沿って複数回の繰り返し飛行を行った後に該軌道を離れて検出手段に向かう。検出手段はそうして到達したイオンの数に応じたイオン強度信号を出力する。従来の質量分析装置ではイオン源からイオンが出発する時点から検出手段で検出されるイオン強度データの採取を開始するが、本発明に係る質量分析装置においてデータ処理手段は、イオンが上記軌道を繰り返し飛行している途中か又は該軌道を離れて検出手段に向かうときにイオン強度データの採取を開始する。イオンの全飛行時間を算出するためには、イオンが出発する時点からイオン強度データの採取を開始するまでに要する時間を別途計測し、この計測時間と上記採取データとを併せて処理すればよい。

分析対象のイオンの種類が既知又は高い確度で推定可能である場合には、イオン源を出発したイオンが軌道上の任意の所定位置近傍や軌道を離脱する位置近傍に達するまでの時間を推算することができる。したがって、イオンがイオン源を発してから、上述のように推定した時間が経過した時点でイオン強度データの採取を開始することにより、イオンが軌道に沿って飛行している途中の時点又は該軌道を離れて前記検出手段に向かう時点でイオン強度データの採取を開始することができる。一方、イオンの飛行軌道に沿った所定位置にイオンの通過を検出可能な非破壊型検出器を設けておき、その検出器の出力に応じてイオン強度データの採取を開始する構成とすることにより、上述したような推定ではなく実際にイオンが所定位置に達した時点でイオン強度データの採取を開始することができる。

いずれにしても本発明に係る質量分析装置によれば、イオンが検出手段に到達するまでの検出信号に変化が生じない期間中のかなりの部分においてデータの採取を行わずに済むので、イオン出射時点からデータ採取を行う場合と比較して、採取したデータを記憶するための記憶領域を大幅に減らすことができる。それによって、データ処理装置のハードウエアに要するコストを削減することができる。また、データ量が減るのでデータ処理の負荷も軽減される。もちろん、こうしたデータ量削減を行っても、分析の精度や感度等を損なうことは全くない。

以下、本発明の一実施例である質量分析装置について、図面を参照して具体的に説明する。

図１は本実施例による質量分析装置の概略構成図である。図１において、図示しない真空室の内部には、イオン源１、飛行空間２、及びイオン検出器３が配置されている。

イオン源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。

飛行空間２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２２と、飛行空間２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２１とが配置されている。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、前述の長円形状又は略８の字状の周回軌道のほか、任意の形状の周回軌道とすることができる。また、完全に同一の軌道でなくとも、例えば徐々に軌道の位置がずれる、例えば螺旋状の旋回軌道や往復軌道でもよい。

イオン検出器３は例えば光電子増倍管などであって、入射したイオンの数（又は量）に応じた信号（イオン強度信号）をデータ処理部６に出力する。データ処理部６は例えばパーソナルコンピュータ上で所定の処理プログラムを実行させることで具現化され、イオン強度信号を受けて横軸を質量数、縦軸をイオン強度とした質量スペクトルを作成し、さらにそれに基づいて定性分析や定量分析を実行する。制御部５はこうした質量分析を行うために、イオン源１や飛行空間２内の電極２１、２２などを適宜制御する。

次に、上記質量分析装置における特徴的な動作について、図２を参照して説明する。
イオン源１は制御部５による制御の下に、分析対象であるイオンに運動エネルギーを付与する。これによって、イオンはイオン源１から引き出されて飛行を開始する（イオン出射）。データ処理部６は制御部５からイオン出射情報を受けると、時間の計測を開始する。イオン源１から出たイオンは飛行空間２に入り、ゲート電極２１に到達する。イオン源１からゲート電極２１までの飛行経路（入射軌道）の距離がＬinである。ゲート電極２１によりイオンは周回軌道Ａに乗せられ（周回軌道突入）、案内電極２２によって周回軌道Ａ上を飛行する。この周回数は制御部５により制御される。イオンが周回軌道Ａ上を飛行している期間中、上記時間計測は継続される。

ここで分析対象とするイオンの質量数は高い確度で推定可能であって、その推定に基づいて飛行速度も計算することができる。そこで予め、イオンが所望周回数だけ周回軌道Ａを周回した後に周回軌道Ａを離れるようにゲート電極２１に印加する電圧を変更するタイミングを、イオン出射時からの経過時間として推定しておく。具体的には、所望周回数をｎとする場合、イオンが（ｎ−１）回周回した後にゲート電極２１への印加電圧を変更する必要がある。また、たとえ同一質量数のみのイオンであっても、出発位置のズレや運動エネルギーのばらつきに起因する時間的なジッタも考慮する必要がある。こうしたことを勘案して、ゲート電極２１への印加電圧の変更時間Ｔｇを求めておき、計時がそのＴｇに達したならばゲート電極２１への印加電圧を変更するように制御部５に設定する。

こうした制御部５の制御によって、目的とするイオンが所定周回数だけ周回した後、ゲート電極２１を通過する際にそのイオンは周回軌道Ａを離脱し、イオン検出器３へと向かって進む。また、このゲート電極２１への印加電圧の変更の時点で、データ処理部６はイオン検出器３からの検出信号をデジタル化した検出データをデータメモリ６１に格納し始める。すなわち、計時がＴｇとなった時点から検出データの採取を開始する。実際にイオンがイオン検出器３に到達するのは、ゲート電極２１を通過したイオンが距離Ｌoutである出射軌道を飛行した後である。したがって、実際には、ゲート電極２１への印加電圧を変更してから少し時間が経過した時点から、イオン検出器３の検出信号は変動し始める（図３参照）。

イオンがイオン源１を出発してイオン検出器３に到達するという全行程の中で、イオンが周回軌道Ａを離脱した以降の行程の割合はごく僅かである。また、この割合は周回軌道Ａ上の周回数が多いほど低くなる。すなわち、上述したように計時がＴｇになった時点からデータ採取を開始することによって、イオン出射時点からデータ採取を開始する場合に比べて採取すべきデータ量を格段に少なくすることができる。

なお、上記実施例では、検出データの採取開始のタイミングはイオンの飛行位置の推定に基づいたものであったが、推定ではなく実際にイオンの通過を検出して検出データの採取開始のタイミングを決めるようにしてもよい。具体的には、例えばゲート電極２１の近傍に電磁誘導作用などを利用して荷電粒子であるイオンの通過量に対応した電気信号を出力する、いわゆるイオン非破壊型の検出器を設け、この検出器により周回軌道Ａを離脱したイオンの通過を検出したならば検出データの採取を開始するといった構成をとることが可能である。これによって、目的とするイオンの質量数が不明であっても、イオンの飛行途中の適宜の時点でデータ採取を開始することができる。

なお、上記実施例は本発明の一実施例であるから、上記記載以外の点においても、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質量分析装置の要部の概略構成図。 本実施例の質量分析装置においてイオンの飛行状態とそれに伴う処理内容を示す模式図。 本実施例の質量分析装置で得られる検出信号の変動状態の一例を示す図。

符号の説明

１…イオン源
２…飛行空間
２１…ゲート電極
２２…案内電極
３…イオン検出器
５…制御部
６…データ処理部
６１…データメモリ
Ａ…周回軌道

Claims (1)

1. a)イオン源から出発した各種イオンを、飛行空間内に設定された所定の軌道に沿って複数回繰り返し飛行させる飛行制御手段と、
   b)前記軌道を所定回数繰り返し飛行した後のイオンを検出する検出手段と、
   c)イオンが前記軌道に沿って飛行している途中の時点若しくは該軌道を離れて前記検出手段に向かう時点、又はそれら時点であると推測される時点のいずれかにおいて、前記検出手段で検出されるイオン強度データの採取を開始するデータ処理手段と、
   を備えることを特徴とする質量分析装置。

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