JP2007242426A - Time-of-flight mass spectrometer - Google Patents
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本発明は、飛行時間により質量分離を行う質量分析装置に係り、特に従来に比べ感度,分解能が高い質量分析装置に関する。 The present invention relates to a mass spectrometer that performs mass separation according to time of flight, and more particularly, to a mass spectrometer that has higher sensitivity and resolution than conventional techniques.
人のDNA配列の解析が終了した今日、この遺伝情報を用いて生成されるタンパク質、また、タンパク質をもとに細胞内で翻訳後修飾され機能する高分子の構造解析が重要になってくる。生体分子の構造解析を行う方法の1つとして、質量分析法がある。質量分析法は、生体分子を構成する物質の質量数により同定を行う。さらに、現在この分野では、一回の質量分離では得られない生体高分子の配列情報を得ることが出来るイオントラップ型質量分析装置や、Q−TOF(Time of flight)型と呼ばれる飛行時間型質量分析装置が主流となっている。また、最近では、この配列情報を高精度に確認するために質量数が高精度に測定できるTOFとイオントラップを組み合わせた装置も販売されている。装置と同様に、生体試料をイオン化する方法としてレーザーを用いたMALDI方式や大気圧下でイオン化を行うElectro Spray 法が用いられている。各方式において、高質量数のイオンを高感度,高精度に測定することは、構造に関する情報量が多くなるため、今後要求が高まっていくことが予測される。 Now that the analysis of human DNA sequences has been completed, structural analysis of proteins that are generated using this genetic information and macromolecules that are modified and function in cells based on the proteins becomes important. One method for analyzing the structure of biomolecules is mass spectrometry. In mass spectrometry, identification is performed based on the mass number of substances constituting a biomolecule. Further, in this field, an ion trap mass spectrometer that can obtain biopolymer sequence information that cannot be obtained by a single mass separation, or a time-of-flight mass called a Q-TOF (Time of flight) type. Analyzing devices are mainstream. Recently, in order to confirm this sequence information with high accuracy, a device combining a TOF and an ion trap capable of measuring the mass number with high accuracy is also on the market. Similar to the apparatus, a MALDI method using a laser and an Electro Spray method for performing ionization under atmospheric pressure are used as a method for ionizing a biological sample. In each method, it is expected that the demand for measuring ions with a high mass number with high sensitivity and high accuracy will increase in the future because the amount of information related to the structure increases.
現在、広く用いられている飛行時間型質量分析装置は、イオンの飛行時間差により質量数を判定する。この場合、より質量数差を精度良く測定するためには、高速処理が可能で、時間精度が高い検出系が必要である。従来の飛行時間型の質量分析装置において分解能を向上する方法として、レーザーイオン化を用いた飛行型質量分析装置では、Delayed
Excitationが用いられてきた。Delayed Excitationは、一度打ち出したイオンを再加速することにより初期イオンの分布を改善し分解能を向上させている。大気圧Electro−Sprayイオン化方法では、入ってくるイオンを制限することや入射するイオンビームをレンズによる偏向および収束を行うことにより高分解能化を行っていた。これらの方法を用い分解能の向上は計れるが、感度との両立は難しかった。
Currently, time-of-flight mass spectrometers that are widely used determine the mass number based on the time-of-flight difference of ions. In this case, in order to measure the mass number difference with higher accuracy, a detection system capable of high-speed processing and having high time accuracy is required. As a method of improving resolution in a conventional time-of-flight mass spectrometer, a flight-type mass spectrometer using laser ionization is delayed.
Excitation has been used. Delayed Excitation improves the resolution by improving the initial ion distribution by re-acceleration of the ions once launched. In the atmospheric pressure Electro-Spray ionization method, high resolution is achieved by limiting incoming ions and deflecting and converging an incident ion beam by a lens. Although the resolution can be improved by using these methods, it is difficult to achieve both sensitivity and sensitivity.
入射エネルギーを変化させる、打ち出し方向とは異なる方向に偏向を行う方法が、特許文献1に記載されている。また、特許文献1では、複数個の検出機構をもつことにより感度の向上が図られている。しかし、この方法を用いた場合には、打ち出し回数を増加させることにより感度は向上するが、入射イオンのエネルギーを変化させたり、質量数の違うイオンを偏向したりする場合に、打ち出し領域での初期分布が変化する。この結果、各検出器において分解能および感度が変化する。つまり、複数の検出器で検出される分解能が検出器ごとに変化し、この結果全体として検出される信号の分解能が低下する。
TOFの形状を計算することにより分解能を向上させることが、特許文献3において行われている。計算精度を向上させることにより分解能は向上するが、イオンの初期分布の影響を低減することは難しい。イオン化領域の温度,周囲温度などにより各電極の電圧の変動が生じた場合、設定電圧の変更など複雑な制御が必要になる。
In
また、この方式では、複数のイオンビームを打ち出す際には、イオンの飛行時間に誤差が生じ、飛行時間が変化し結果的に質量数精度および分解能が低下する。 In this method, when a plurality of ion beams are launched, an error occurs in the flight time of ions, and the flight time changes, resulting in a decrease in mass number accuracy and resolution.
飛行中のイオンを偏向する方法としては、特許文献4が上げられる。特許文献4では、飛行中のイオンの偏向と検出器の取り付け方向を調整する方法が用いられているが、この方法においても、偏向により検出器表面に収束点を作り出すことにより分解能を向上させている。しかし、打ち出し回数を増やすことによる感度の向上を行う際には、多数のイオン検出を同時に行う必要があるため検出器の調整のみでは対応できない。 As a method of deflecting ions in flight, Patent Document 4 is raised. In Patent Document 4, a method of adjusting the deflection of ions in flight and the mounting direction of the detector is used. In this method, the resolution is improved by creating a convergence point on the detector surface by the deflection. Yes. However, when the sensitivity is improved by increasing the number of launches, it is necessary to detect a large number of ions at the same time.
通常のTOFでは、イオンの初期分布打ち出す際のエネルギー広がりを低減することが重要である。このエネルギー広がりを低減するために、打ち出し空間でエネルギー広がりが最小となるように光学系を最適する。ただし、感度を低減させずに分解能を向上させることは、難しい。 In normal TOF, it is important to reduce the energy spread when launching the initial distribution of ions. In order to reduce this energy spread, the optical system is optimized so that the energy spread is minimized in the launch space. However, it is difficult to improve the resolution without reducing the sensitivity.
従来、分解能を向上させる手段としては、初期分布の影響を低減するために加速電圧を増加させ、全体の飛行時間を短くすることと、初期分布の広がりを抑えるためにスリットなどを用いて、収束したイオンのみを測定する手法等が用いられてきた。しかし、飛行時間短縮による分解能,感度の向上を実施した後でも、初期分布の広がりとイオン量を制限することによる感度低下が問題となっていた。このため、特許文献2,3,4のようにイオン光学系を調整,偏向する機能を持つ質量分析装置が考えられてきた。この方式でも飛行時間間隔に入射した低質量数の感度の低下および高質量数イオンの未検出という点が解決できなかった。最近検出系の高速化,大量のデータ処理が可能となったため、特許文献1のように多チャンネルのイオンの測定が可能となってきた。しかし、多チャンネルの検出器を用いた場合、チャンネル間での分解能の違いおよびイオン量制限やイオン軌道補正による分解能向上策による感度低下を両方について解決することが必要となる。
Conventionally, as means for improving the resolution, the acceleration voltage is increased in order to reduce the influence of the initial distribution, the entire flight time is shortened, and a slit is used to suppress the spread of the initial distribution to converge. For example, a method for measuring only the ions has been used. However, even after improving the resolution and sensitivity by shortening the flight time, there was a problem of sensitivity reduction due to the spread of the initial distribution and limiting the amount of ions. For this reason, mass spectrometers having a function of adjusting and deflecting the ion optical system have been considered as in
通常のTOFでは、図1のように打ち出し領域において位置とエネルギーに対して空間的な分布が発生する。イオンの打ち出し方向とイオンの入射方向についての解析は、特許文献2において行われているが、特許上で求めた電界を生成させ動作させるとは、理想的な条件のみで有効であり、実際に動作させる際には、イオンの価数,質量などによりビーム軌道が微妙に変化することが考えられ、入射ビーム形状の最適化を行う必要性がある。また、感度向上を行うため、イオンビームを曲げた場合にも位置検出器での検出ポイントのキャリブレーションを行うことにより、実使用条件に合わせた測定が可能となる。本発明では、位置検出器を用い、検出器への入射イオン分布を考慮することにより分解能を向上させる。具体的には、実際のイオンの入射により発生した分布を測定により求められた分布により補正を行う。この補正を行う場合、入射イオンビームは一定の条件だけでなく、例えば入射エネルギーを変化させることにより形状を変化させ、変化に対応する形状関数を作成することにより、実際の測定条件に応じた補正が可能となる。
In a normal TOF, a spatial distribution occurs with respect to position and energy in the launch region as shown in FIG. The analysis of the ion launch direction and the ion incidence direction is performed in
特許文献1で述べられている複数の打ち出しによる感度向上についてであるが、実際に打ち出し回数を増加させることにより感度は向上する。しかし、入射エネルギーを変化させ感度を向上させた場合、入射エネルギーにより分解能が変化する。この分解能が変化した場合、同時に動作をさせ積算を行った場合に、分解能が一番悪い条件で測定精度が決定される。分解能を低下させずに測定を行うためには、位置検出を用い各検出部において測定を実施する必要がある。また、位置検出を行うことにより、イオンの打ち出しに対応した検出器のモニタリングを行うことが出来ることから、TOFの打ち出し回数を増加させることが可能となり分解能を低減することなく高い繰り返し回数による高感度化を計ることが出来る。
Regarding sensitivity improvement by a plurality of launches described in
この検出器を用いることにより、入射イオンを曲げることによるビームの広がりについても補正することが出来る。最初に、検出器のキャリブレーションを行うことにより、検出の際に使用するアドレスの決定を行い、最終的な質量スペクトルを得る際に活用する。また、ビームを曲げる際に発生する質量数に依存して検出器への入射位置が変化することに対しても補正することが出来る。 By using this detector, it is possible to correct the beam spread caused by bending incident ions. First, by calibrating the detector, an address to be used for detection is determined, which is utilized when obtaining a final mass spectrum. Moreover, it can correct | amend with respect to the incident position to a detector changing depending on the mass number which generate | occur | produces when bending a beam.
本発明は、多チャンネルの検出器などによる感度向上策で問題となる分解能低下とイオン量制限やイオン軌道補正による分解能向上策による感度低下を両立することを目的とする。 It is an object of the present invention to achieve both a reduction in resolution, which is a problem with a sensitivity improvement measure using a multi-channel detector, and a sensitivity reduction due to a resolution improvement measure based on ion amount limitation or ion trajectory correction.
多チャンネルの検出器での分解能低下とイオン量制限やイオン軌道補正による感度低下を改善した質量分析装置を提供することができる。 It is possible to provide a mass spectrometer that can improve resolution reduction in a multi-channel detector and sensitivity reduction due to ion amount limitation and ion trajectory correction.
図2に本発明の第1の実施例を示す。ビームを射出方向に対し直交する面にほぼ平行な方向に偏向させる第2のイオン偏向手段を備え、垂直にイオンを打ち出すことが出来るイオン射出手段と、第2のイオン偏向手段でビームを射出方向に対し直交する面にほぼ平行な方向に偏向されたイオンビームを検知できるように、従来のような位置次元の検知器ではなく、二次元の検知器を備えたことを特徴とする。打ち出しと領域の直前に対向するイオン偏向電極を設けることで、イオンの質量対電荷比に応じて二次元的にイオンが偏向される。すなわち、質量対電荷比が大きいものはほとんど偏向されず、質量対電荷比が小さいものはより大きく偏向される。このように偏向されたことにより、イオンの打ち出される位置が異なってくる。このイオンの打ち出される位置は、偏向電極に入射してきたときのイオンの速度,偏向電極に印加される電圧などを要素とするイオンの偏向形状関数として表現できる。打ち出されたイオンは基本的に打ち出された位置と同じ関係を保って検出器に入射する。本発明のように偏向しないままに打ち出されたイオンを検出する従来の飛行時間型質量分析装置では、1次元の検知器で良かったが、本発明では、二次元の広がりをもって射出されたイオンをその形状のままで検知できるように二次元平面上でイオンを検出できる検知器が必要となる。すなわち、従来の飛行時間型の質量分析装置のように飛行時間を計測すると共に、質量対電荷比に応じた打ち出し位置の違いをも検出し、それらの計測結果を合わせて計算することで、検出感度を低下させることなく、分解能を向上することができる。 FIG. 2 shows a first embodiment of the present invention. Second ion deflecting means for deflecting the beam in a direction substantially parallel to a plane orthogonal to the emitting direction is provided. The ion emitting means capable of ejecting ions vertically and the second ion deflecting means emit the beam in the emitting direction. In order to detect an ion beam deflected in a direction substantially parallel to a plane perpendicular to the plane, a two-dimensional detector is provided instead of a conventional position-dimensional detector. By providing an ion deflection electrode facing the launch immediately before the region, ions are deflected two-dimensionally in accordance with the mass-to-charge ratio of the ions. That is, those with a large mass-to-charge ratio are hardly deflected and those with a small mass-to-charge ratio are deflected more greatly. Due to such deflection, the position where ions are launched differs. The position where the ions are ejected can be expressed as an ion deflection shape function whose elements are the velocity of the ions when they enter the deflection electrode, the voltage applied to the deflection electrode, and the like. The ejected ions basically enter the detector while maintaining the same relationship as the ejected position. In a conventional time-of-flight mass spectrometer that detects ions launched without being deflected as in the present invention, a one-dimensional detector is sufficient. However, in the present invention, ions ejected with a two-dimensional spread are detected. A detector capable of detecting ions on a two-dimensional plane is required so that the shape can be detected as it is. In other words, the time of flight is measured like a conventional time-of-flight mass spectrometer, the difference in launch position according to the mass-to-charge ratio is detected, and the measurement results are combined and calculated. The resolution can be improved without reducing the sensitivity.
但し、広範囲での測定を行う場合には、事前に偏向による検出位置の形状関数を決定し、検出器位置での分布を補正する必要がある。また、この場合には、重なりが出ない打ち出し条件を設定する必要がある。 However, when performing measurement in a wide range, it is necessary to determine the shape function of the detection position by deflection in advance and correct the distribution at the detector position. In this case, it is necessary to set launch conditions that do not cause overlap.
実施例2では、本実施例の位置検出器を持つ飛行時間型質量分析装置は、エレクトロスプレイイオン源,マトリックス支援レーザーイオン源,大気圧化学イオン源,大気圧光イオン源および大気圧マトリックス支援レーザーイオン源などでイオン化されたイオンは、飛行時間型質量分析装置に導入される。この飛行時間型質量分析装置の検出部には、位置検出器が用いられる。本方式では、位置検出を行うことにより、収束点およびイオンビームの広がりを測定することが出来る。このため、スリットの形状と検出された位置と時間に対する広がりの情報から、元のビームの広がりを計算により形状関数を求めることが出来る。従来の検出法よりも元の広がりによる影響を低減した高分解能なスペクトルを再現することが出来る。また、従来飛行中のイオンの重なりあいにより打ち出し回数が、制限されていた。一方本発明の方式では、位置検出を行ない、打ち出し位置飛行時間との時間と位置に対する補正を行うことにより感度を向上させることを特徴とする。また、同時にビームの形状関数を求めることにより分解能を低下させずに感度も向上する位置検出器を有する飛行型質量分析装置に関するものである。 In Example 2, the time-of-flight mass spectrometer having the position detector of this example includes an electrospray ion source, a matrix-assisted laser ion source, an atmospheric pressure chemical ion source, an atmospheric pressure photoion source, and an atmospheric pressure matrix-assisted laser. Ions ionized by an ion source or the like are introduced into a time-of-flight mass spectrometer. A position detector is used for the detection unit of the time-of-flight mass spectrometer. In this method, by performing position detection, the convergence point and the spread of the ion beam can be measured. Therefore, the shape function can be obtained by calculating the original beam spread from the slit shape, the detected position and spread information with respect to time. It is possible to reproduce a high-resolution spectrum in which the influence of the original spread is reduced as compared with the conventional detection method. Conventionally, the number of launches has been limited by the overlap of ions during flight. On the other hand, the method of the present invention is characterized in that the position is detected and the sensitivity is improved by correcting the time and position with respect to the launch position flight time. The present invention also relates to a flight mass spectrometer having a position detector that simultaneously improves the sensitivity without degrading the resolution by obtaining the beam shape function.
Claims (3)
前記イオン射出手段により射出されたイオンをその質量対電荷比に応じて飛行時間が異なるように偏向するイオン偏向手段と、
前記イオン偏向手段により偏向されたイオンを検出する検出器と、
を備えた飛行時間型質量分析装置において、
前記イオン射出手段に入射させるイオンビームを、射出方向に対し直交する面にほぼ平行な方向に偏向させる第2のイオン偏向手段を備え、
かつ前記検出器は前記イオン射出方向に対し直交する面上での位置情報を検出できる二次元検出器であることを特徴とする質量分析装置。 Ion ejection means for ejecting ionized molecules in a direction substantially perpendicular to the incident direction;
Ion deflecting means for deflecting the ions ejected by the ion ejecting means so that the time of flight differs according to the mass-to-charge ratio;
A detector for detecting ions deflected by the ion deflection means;
In a time-of-flight mass spectrometer equipped with
Second ion deflecting means for deflecting an ion beam incident on the ion ejecting means in a direction substantially parallel to a plane orthogonal to the ejecting direction;
The mass spectrometer is a two-dimensional detector capable of detecting positional information on a plane orthogonal to the ion ejection direction.
前記第2の偏向手段は前記イオン射出手段に入射させるイオンビームの飛行軌跡を挟んで対向する対向電極であることを特徴とする質量分析装置。 The mass spectrometer according to claim 1,
The mass spectrometer according to claim 2, wherein the second deflecting unit is a counter electrode facing each other across a flight trajectory of an ion beam incident on the ion ejecting unit.
前記第2の偏向手段によるイオンビームの偏向形状関数を記憶する記憶手段を備え、該記憶手段に記憶された該偏向形状関数に基づき前記検知器での検出結果を解析する機能を備えたことを特徴とする質量分析装置。
The time-of-flight mass spectrometer according to claim 1 or 2,
A storage unit that stores a deflection shape function of the ion beam by the second deflection unit; and a function of analyzing a detection result of the detector based on the deflection shape function stored in the storage unit. Characteristic mass spectrometer.
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- 2006-03-09 JP JP2006063481A patent/JP2007242426A/en active Pending
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