JP2005276787A

JP2005276787A - 質量分析装置

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Publication number: JP2005276787A
Application number: JP2004092595A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Masujima; 努升島
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-03-26
Filing date: 2004-03-26
Publication date: 2005-10-06

Abstract

【課題】
異なったモードの質量分析を同時に行うことができ、かつ高感度な質量分析装置を提供する。
【解決手段】
イオン源から生成されるイオンの流れに対し、垂直方向にイオンを反跳するデフレクタを持ちそこに飛行時間型質量分析部を置き、そのデフレクタに印加される電場がイオンをデフレクトしないときには、そのままイオンの流れを流れ方向後部に導けるようにし、そこに同時に質量フィルタ型などの定量分析あるいは高感度分析に適した質量分析部を配置し、その両方の測定が同時にできる質量分析装置を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、分子やイオンの分析法を担う質量分析装置に関する。

質量分析装置は、イオン源からイオンの供給を受け、質量数（質量／電荷）毎にその強度を測定してマススペクトルを得たり、目的とする質量数のイオンの量を測定するものである。

質量分析装置には各種の型のものが用いられる。このうち、直交軸型飛行時間（ＯＡ-ＴＯＦ）型質量分析装置は、図１に示すように、エレクトロスプレーやナノスプレーなどのイオン源から供給されるイオンビーム１をイオンガイドなどで、そのビームの流れを揃え、収束し、そのビームを、ビームの側方に備えたリペラーあるいはデフレクターと呼ばれるイオン反跳板３で、イオンの流れ方向にほぼ垂直に反跳し、そのイオン群５が、同じ運動エネルギーを貰う為、軽いイオンは速く、重いイオンは遅く飛行する原理を利用して、その飛行時間（ＴｉｍｅＯｆＦｌｉｇｈｔ）を測定するもので、ＴＯＦ型質量分析と呼ばれ、イオンの質量と電荷の比、ｍ／ｚ、を測定するものである。

この飛行時間型（ＴＯＦ）質量分析装置は、図２に示すように、イオン供給源から供給されるイオン１を、デフレクター２により所定の高電圧Vにより加速し、そこから検出器８までの距離Lをイオンが飛行するに要する時間tを測定して、それに基づきイオンの質量mを次式で算出するものである（次式において、z・eはイオンの電荷）。
m＝(t/L)・(2・z・e・V)^1/2
飛行時間型質量分析装置は、(1) すべてのイオンが検出されるので定性分析に優れている、(2) 質量分解能が高い、という特長を持つ。特に、イオンの進路を折り返させる反射型の装置では、更に分解能を高くすることができる。

一方、質量フィルター型質量分析法の代表的なものは、４重極質量フィルター分析器で、これは、イオンビーム中心線の周辺に線対称に４本の電極を配置し、それらの電極に、直流バイアスのかかった高圧高周波を印加し、その周波数と電圧そして、直流バイアスの特定な条件では、ある質量のもののみが通過を許される事を利用する、いわゆる質量フィルター型の質量分析法である。これらの条件を系統的に変化させれば質量スペクトルを取得する事ができるが、その為様々な分子の存在の一斉分析（定性分析）には、時間がかかるし感度も落ちる。しかしある特定の分子量の分子を待ちかまえて検出するには、適しており、検出器の飽和現象も無く、検出範囲が広く、定量性に富む事と、前段に質量フィルターが設置されていれば、余計な分子の侵入がなくなり、ノイズが低下する為、高感度検出が可能であるという特徴を持つ。

さらに、異なった質量分析法にイオントラップ法がある。この方法は、前述の４重極の４本の電極のうち、対向する２本をつないで、リング電極の様にしたもので、この中にイオンを蓄積する事ができる特徴があり、さらに、蓄積モードから排出モードに代えて、質量順に排出し、質量スペクトルを得ることもできる。さらにある分子量のイオンのみを蓄積している時に分子衝突用ガスを導入し、分子をフラグメント化して、そのフラグメントのスペクトルを得る事もできる。しかし、蓄積による高感度化は可能であるが、蓄積できるイオン量は容易に飽和し、広い定量性を得るのは難しく、またイオンの質量（大きな分子程困難）に限界があり、スペクトルを得るには、４重極法と同じように電極の印加電圧を系統的に変化させなくてはならず測定時間は、ＴＯＦ型の様に即時的ではない。

これらの困難を克服する為に、上記の質量分析法を組み合わせた質量分析法が考え出された。一つの典型は、まず最初の４重極で、ある質量の分子イオンを選び、それを次に来るイオンガイド内でガスと衝突させフラグメント化し、そのフラグメントをＴＯＦ型質量分析法で一斉に解析するＱ-ＴＯＦ法と呼ばれる方法である。しかし、最終検出はＴＯＦ用の広い濃度範囲のイオン検出が出来にくいマイクロチャンネルプレートなどのイオン増倍管であり、広い濃度での検出が難しく、またタイムデジタイザーなどの時間計測法が、パルス位置のみ計測し、イオン数に無関係であったりで、定量分析に限界がある。また、初段の４重極で選ぶ分子イオンをあらかじめ決めるには、一度、４重極を単なるイオンガイドとして選択性を無くして、全イオンをＴＯＦ部に送って、一斉分子解析をして、当たりのついた問題分子を選択する必要がある。広い定量性の確保は今のところ４重極法に勝るものはない。Ｑ-ＴＯＦ法では、一斉分析とある質量の分子を狙ったフラグメント化による構造解析は別々に行い、その都度機器の条件を変える必要がある。クロマトグラフィーなどの分離法と結合した質量分析では、次々に異なった分子がイオン化されて質量分析器に入って来るので、これらの両モードでの質量分析を順次進めて行く時間的な余裕がない。

これに似た方法で、イオントラップ-ＴＯＦ法がある。初段のイオントラップでイオンを蓄積、選択、必要であれば、その後ガス導入によりフラグメント化し、その後ＴＯＦ解析に送る。これも、最終的な検出法は、広い濃度範囲のイオン検出が出来にくいマイクロチャンネルプレートなどのイオン増倍管であり、広い濃度での検出が難しく、またタイムデジタイザーなどの時間計測法が、パルス位置のみ計測し、イオン数に無関係であったりで、定量分析に限界がある。また、蓄積後ＴＯＦ分析の定性分析と、蓄積-選択-フラグメント化-ＴＯＦによる構造解析の二つのモードは切り替えて行う必要があり、同時に行うことは出来ない。

これに対して、４重極-コリジョンセル-４重極という組み合わせもあるが、これは、すでに質量が分かっている分子を最初の４重極で選び、その質量のものが確かに狙った分子であるかを、コリジョンセルでフラグメント化し、狙い通りのフラグメント分子断片を最後の４重極で測定するという、選択性あるいは特異性と、４重極の広い定量検出性をもたらし、同時に、最初の分子選択で、それ以外のイオンが後段に流れず、ノイズの低減による高感度分析も可能であるので、製薬メーカーなどが良く用いる質量分析法であるが、この方法は、４重極であるため、一斉分子分析（スペクトル測定）に時間がかかり、感度も低い点が問題である。

特開２００２-１８４３４７

環境分析（例えば「環境ホルモン物質」の分析）の分野では、微量成分の分析が可能な質量分析装置が従来より広く利用されている。環境物質は微量でも影響力のあるものが多く、近年の環境意識の高まり及び物質生理に関する研究の進展により、これまで以上に多種多様な環境物質を、より高感度で特異性高く分析することが要求されている。また、バイオ産業において近年盛んに行われているプロテオーム解析や細胞内分子動態解析などでも、多種多様な分子の存在と状態による分子発現の差を見る、分子一斉解析が必要であると同時に、その中の分子の一つ（例えばある蛋白質）を選択して、その構造解析を同時に進めたり、ある分子量での多くの候補分子から特異的な分子同定が必要となる高分解能のＭＳ／ＭＳ分析が要求されつつある。

従って、質量分析装置においても、これらの多様な分析目的に応じて、それぞれの特徴を生かした使い分けが必要となってくるが、質量分析器は大変高価であり、その為に、何種類もの質量分析器を所有することは、困難な場合が多い。

本発明はこのような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、含有分子一斉分析の様な定性分析と同時に、ある分子を選択的に広い濃度範囲でかつ高感度に定量分析することが同時にできる新しい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、ＴＯＦ型質量分析法のイオンビームの流れをよく観察して、考案したものである。図１の様に、ＴＯＦ型質量分析法は、イオンガイドなどで中心に揃えたイオンビーム１を、デフレクター２に３の如き高圧パルス電場を印加し、イオンをイオンビームの流れに対し、ほぼ垂直に反跳して、飛ばし、軽いイオンはより速く、重いイオンは遅く飛ぶ、５の様なイオン群を作り、その先にある検出器までの飛行時間から分子の質量そ測定するものである。しかし、そのイオンの反跳の場合のイオンの流れを良く観察すると、多くは、そのデフレクターに印加される電場は、３の如きパルス電場で、パルスが印加される瞬間に、デフレクター電極面付近に存在するイオンは、イオン流れ方向からほぼ垂直に飛び出すが、このデフレクター電場がパルスの裾つまり電位がゼロの時の時間は一般に長く、この時は、イオンは、流れるに任せ従来は捨てられていた。しかも、このイオンビームは、パルス印加の度に、一部が垂直方向に飛び出す為、デフレクターのイオン流れ方向後方では、断続したビームになっている事に気が付いた。

多くは、この後方のビームは散乱しがちで、従来は捨てられていたが、ここに、アインツエルレンズなどのイオン集光光学系を挿入したり、イオンガイドをデフレクター後方近いところに設置したり、あるいは、これら両者を組み合わせたりして、断続したイオンビームを集光し、ビーム化する事で、この後にさらに４重極質量フィルターなどの質量分析器を設置する事が可能であると考えた。しかも、イオンビームは断続しており、位相増幅などを行うことにより、従来よりさらに高感度で、定量性に富んだ質量分析が、ＴＯＦ型質量分析法の定性分析（どんな分子が存在するかを主とする分析）と補間的にしかも同時に行えるという、前例のない分析機器を構築することができる様になる。

イオン反跳のためにリペラーあるいはデフレクター２に印加される電場は、パルス形で、イオンを反跳している時間幅は、そのパルス幅の僅かな時間のみであり、そのパルスから次のパルスへの時間間隔は、飛行しているイオンの中で、最も遅いイオンが検出器まで到達するまでは、次のイオン反跳は始められない。その時間は、飛行チューブの中のイオンの総飛行距離（往復したり、２往復したりと色々である）により一定ではないが、大体長くても数１００マイクロ秒までで、一般に数十マイクロ秒である。例えば、そのパルス間隔時間が最短の１０マイクロ秒としても、反跳させるときのパルス幅は大体数ナノ秒であるので、１０ナノ秒として、イオンが反跳されている時間と、反跳されないでそのまま流れている時間の比は、１：１,０００,０００であり、ほとんどのイオンが素通りして、捨てられていることになる。図２では、このイオンを流れ方向そのまま適切な集イオン光学系として、イオンガイド９を配し、さらに後段に、４重極質量フィルター１０を配したものであるが、ここはイオントラップ質量分析部などを配置することもできる。これにより、前段で定性分析には非常に有効なＴＯＦ型質量分析をいつも行いながら、同時に、広い定量性をもち、狙ったイオンの高感度検出ができる四重極型質量分析などが同時にでき、定性も定量も同時に可能な広い適用範囲をもった質量分析が機器を代えて分析することなくできる。この後段にイオントラップ型質量分析部を配置すれば、その高感度で、イオンのフラグメント化が何度もでき、高度な定性分析が、ＴＯＦ型質量分析と同時に可能となる。

さらに、デフレクターに印加される反跳電場により、デフレクター後方のイオン流れは、断続される。例えば、後段に４重極質量フィルターを配置すれば、その後方に置いた検出器には、断続されたイオンビームが到達する。これを反跳パルスと同期させた位相同期増幅を例えばロックインアンプなどで行えば、さらにノイズが低減でき、さらに感度は上昇する。

これまで、この方法に似た特許は、特願２０００−３７６７４１（Ｐ２０００−３７６７４１）がある。これは、しかし、イオンの流れを、その流れ方向に垂直な一直線上にある両方向へイオンを逐次切り替えて、イオンを二つの質量分析法に振り分けるという考えである。ＴＯＦ型質量分析法とイオントラップ法へ振り分けるのみのものであり、ビームの方向も違うし、そのために、同時分析の達成にならない。また、イオンビームの断続性とその反跳時とそうでない時の時間間隔の認識に至っておらず、単なる直角両方向への切り替えとしか記載されていない。さらにイオントラップには、蓄積時間が必要で、それを行っている間は、この方法では、ＴＯＦ型質量分析法を行うことはできない。それは特願２０００−３７６７４１の発明の効果の記載にも明確に記載されている通りである。

さらに、後段にイオンを散逸させないで、イオンを収束してデフレクター部を通過させ、本発明をより効果的に行う手段も考案した。図３に示すように、デフレクターは従来は下の図の様に、２枚の電極２と１３の間を、入り口にスリットなどを置き、イオンビームを狭くして、後はこの中を自由にイオンを通していた。しかし、これだと、イオンは、ここへの様々な入射角で軌道を延ばし、６のイオン群は、結局散乱方向に幾分拡がりながら通過する。これに対して、真ん中に透過率の高い金属メッシュ１２を設置し、それにイオンが反跳しないあるいはイオンが吸い寄せられる様な電位（プラスイオンであれば、０Ｖから-５Ｖ位）をかけ、同時にこれを挟む上下の電極２と１３には、プラスイオンであれば５から１０Ｖ程度をかけると、イオンは、中心のメッシュ近傍をうねるように通過し、中心面に集まるようにして通過して行く。

これに図４の様に、３の様なイオン反跳パルス電圧をデフレクター２に印加すれば、中心グリッド１２のある左図では、イオン群が面上に狭く分布して１４の様に飛行し、その結果、検出ピーク１５は鋭いピークとなる。それに対して、中心グリッド１２が無く、イオン拡散に任された右の図の様な場合は、飛行するビームの空間分布が１６の様に拡がり、その結果、検出ピーク１７は広いピークとなる。これから、すぐにＴＯＦ検出における、分解能に影響し、鋭い１５の様な検出ピークほど、高い分解能を与えることになる。同時に、後方へのイオンの流れも、散逸が無くなり、後段には簡単なイオン集光光学系かイオンガイドでイオンビームを送達できるようになり、後段での同時質量分析を可能にする。

本発明に係る質量分析装置は上記のような構造を有するため、様々な目的で様々な方法で使用することができる。すなわち、（１）飛行時間（ＴＯＦ）型質量分析装置として、（２）四重極型質量分析装置として、そして（３）飛行時間型および４重極型の同時質量分析装置として１台でできるのみならず、（４）四重極型-コリジョンセル-ＴＯＦ型および４重極型システム質量分析装置として、（５）ＴＯＦ型-四重極型-コリジョンセル-ＴＯＦ型および４重極型システム質量分析装置としても構築することができ、定性と特異的で高感度な定量分析が同時に可能となる所が従来の質量分析にない所である。

これらは分析の対象や目的に応じて使い分けることができ、例えば高度なしかも同時的なＭＳ／ＭＳ分析が必要な場合は（４）又は（５）を、簡便で定量と定性分析が同時に必要な質量分解能が必要とされる分析には（１）-（３）を選択することができる。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図６に基づいて説明する。
図２は、その実施例の一つであり、イオンガイド６で揃えられたイオンビーム１は、デフレクター２で、ほぼ垂直方向に反跳され、含まれる分子の一斉分析（定性分析）がＴＯＦ型質量分析法で可能となり、マイクロチャンネルプレート８で検出される。このイオン光学系は、さらにこれと同時に、３のようなイオン反跳パルスの電位が０の場合、流れて行く断続されたイオンビームを、イオンガイド９でもう一度イオンの流れを揃え、４重極質量フィルター１０に導入する事が出来、そこで選ばれたある質量のイオンのみが、７のイオン検出器で捉えられる。ここに来るイオンビームは、デフレクターで断続されているので、そのデフレクターに印加するパルス波を参照信号として、位相増幅をロックインアンプ１１などの位相増幅器で、さらに高感度に増幅することができる。

本発明によれば、図２の初段のイオンガイド６を、四重極質量フィルターとコリジョンセルに置換すれば、四重極-コリジョンセル-ＴＯＦおよび四重極という、新しい組み合わせにすることもできる。その例を図５および６に示す。図６は、コリジョンセルで壊れた分子フラグメントのうち、非イオン分子フラグメントはイオンガイドを湾曲させると、束縛されないので直進して除ける様にし、さらにノイズを低減する為の配置である。これにより、細胞中の分子群の一斉分析と同時に、狙った分子のみを最初の４重極でえらび、コリジョンセルで壊して、そのフラグメント化のパターンをＴＯＦ分析で一斉に見ながら、同時にあるフラグメントのみを特異的に高感度に定量することができる。

さらに、図２の後段の四重極１０の後に、コリジョンセルを置き、さらにその後にもう一つのＴＯＦ型質量分析器と４重極を置く、ＴＯＦ-四重極-コリジョンセル-ＴＯＦおよび４重極という組み合わせもできる。これだと、どの様な多成分分子の解析であっても、初段のＴＯＦでどんな分子があるか一斉に見ながら、次の４重極でその中のある興味のある分子を選んで、コリジョンセルで壊し、その分子構造をＴＯＦで解析しながら、同時に高感度な定量も４重極でできることになる。すべて、ＴＯＦ型質量分析を行う為イオンビームを反跳させると同時に、反跳させないときのビームをイオン流れ後方で活用することで可能となる。

一台の質量分析機で、環境分析、生命現象の分析や医療分析など幅広く利用される。

飛行時間型質量分析装置内のイオンの流れ本発明の一実施例であるＴＯＦ-４重極型質量分析装置の構成図デフレクター部でイオンビームを広げない構成イオン反跳後のイオンビームの広がりと検出波形四重極-ＴＯＦおよび四重極同時質量分析装置例１四重極-ＴＯＦおよび四重極同時質量分析装置例２

符号の説明

１イオンビーム
２デフレクター
３デフレクターへの印加パルス電圧波形
４断続された後方イオンビーム
５反跳されて飛行するイオン群
６イオンガイド
７イオン検出器（例えばチャンネルトロン）
８イオン検出器（例えばマイクロチャンネルプレート）
９イオンガイドあるいはイオン集光光学系
１０４重極型質量フィルター
１１位相増幅器（例えばロックインアンプ）
１２中心グリッド板
１３グリッド板
１４飛行中の狭く分布したイオン群
１５１４のイオン群の検出波形
１６飛行中の拡がったイオン群
１７１６のイオン群の検出波形
１８コリジョンセル
１９リフレクター
２０真空チャンバー

Claims

イオン供給源から供給されるイオンの流れに対し垂直方向に飛行時間型質量分析部へイオンを反跳させる電場印加部をもち、イオンを反跳させない時は、イオン流れ方向の電場印加部下流に流れるイオンをそのままもう一つの他の質量分析部に導入するイオン光学系を持つ事を特徴とした質量分析装置。
電場印加部におけるイオンの流れの中の流れ方向に中心電極を置き、さらにそのイオンの流れを囲む対向する位置に二つの周囲電極を配置し、イオンを反跳させない時に周囲電極にイオンが僅かに反撥する電場を印加し、同時にイオンの反撥のない、あるいはイオンが引き寄せられる電位を中心電極に印加し、電場印加部を通過するイオンの流れが散逸せず、収束して通過し、同時に、集束したビームが後方にも流れるようにしたことを特徴とする請求項1記載の質量分析装置。
他の質量分析部のイオンの連続検出が、電場印加部におけるパルス状のイオン反跳電場によって断続されたイオンビームの断続位相との同期増幅により検出を行うようにしたことを特徴とする請求項1もしくは2記載の質量分析装置。
電場印加部において、周囲電極のいずれかに、高圧のイオン反跳パルスを印加して、収束したイオンビームのまま、イオン群を飛び出させる様にしたことを特徴とする請求項２記載の質量分析装置。