JP2007317376A

JP2007317376A - 飛行時間型質量分析計

Info

Publication number: JP2007317376A
Application number: JP2006142516A
Authority: JP
Inventors: Takahisa Sato; 貴弥佐藤
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2006-05-23
Filing date: 2006-05-23
Publication date: 2007-12-06

Abstract

【課題】本発明は飛行時間型質量分析計に関し、加速電圧を高くしてイオンをより効率的に引き出すことを目的としている。
【解決手段】イオン源から出射されたイオンがイオン加速部で加速され、反射電場を経て検出器３で検出されるように構成された飛行時間型質量分析計において、加速部開始位置と加速部終了位置の電位が接地電位をはさみ、正負両極の電源により供給されると共に、前記反射電場の電位が入射側と出射側で異なるように構成される。このように構成することにより加速電圧を高くすることができ、イオンをより効率的に引き出すことができる。
【選択図】図２

Description

本発明は大きな分子量の化合物（例えばタンパク質）の分子量測定に用いられる飛行時間型質量分析計に関する。

（飛行時間型質量分析計）
飛行時間型質量分析計（ＴＯＦＭＳ）では、イオンを一定のパルス電圧Ｖａで加速する。この時、イオンの速度ｖはエネルギー保存則から
ｍｖ²／２＝ｑｅＶａ（１）
ｖ＝√（２ｑｅＶａ／ｍ）（２）
と表される。ただし、ｍはイオンの質量、ｑはイオンの電荷、ｅは素電荷である。一定距離Ｌの後に置いた検出器には、飛行時間Ｔで到達する。Ｔは次式で表される。

Ｔ＝Ｌ／ｖ＝Ｌ√（ｍ／２ｑｅＶａ）（３）
（３）式より飛行時間がイオンの質量により異なることから、質量を分析することができる。

図４は直線型ＴＯＦＭＳの説明図である。１はパルスイオン源であり、内部にパルス電圧発生器２が設けられている。ここで、パルスイオン源１で発生したイオンをパルス電圧発生器２でパルス的に加速すると、それぞれのイオンは空間を飛行し、検出器３に到達する。この場合において、質量の小さいイオンがより速度が速くなることから、検出器３には質量の小さいイオンから到着する。

直線型ＴＯＦＭＳの場合、イオン源での空間及び運動エネルギーの広がりを検出面で時間収束させるようイオン光学系の設計を行なう。このような時間収束を実現できる方法としていくつかのイオン加速法が提案されている（例えば非特許文献１〜４参照）。

ＴＯＦＭＳの質量分解能は、総飛行時間をＴ、スペクトルのピーク幅をΔＴとすると、
質量分解能＝Ｔ／２ΔＴ（４）
で定義される。直線型ＴＯＦＭＳでは、装置の大型化につながることからＴに制限があり、ΔＴも実行飛行距離を伸ばすことで悪化するため、高質量分解能を得ることができない。

このような直線型ＴＯＦＭＳの欠点を補うために、イオン源と検出器の間に反射電場を置くことにより飛行距離を延長すること、即ちＴを大きくすることのできる反射型ＴＯＦＭＳも広く利用されている。

図５は反射型ＴＯＦＭＳの説明図である。パルスイオン源１内のイオンは、パルス電圧発生器２でパルス的に加速される。加速されたイオンは、リフレクトロン４の反射電場で反射され、検出器３に質量の小さいイオンから到着する。この場合において、反射電場で入射されたイオンが反射されるまでの距離だけ総飛行時間Ｔが伸びることになり、質量分解能が向上する。
（ＭＡＬＤＩ法と遅延引き出し法）
ＭＡＬＤＩ（Matrix Assisted Laser Desorption Ionization）法は、使用するレーザー光波長に吸収帯をもつマトリックス（液体や結晶性化合物、金属粉等）に試料を混合融解させて固化し、これにレーザー照射して試料を気化或いはイオン化させる方法である。ＭＡＬＤＩ法に代表されるレーザーによるイオン化では、イオン生成時の初期エネルギー分布が大きく、これを時間収束させるため、遅延引き出し法が殆どの場合で用いられる。これはレーザー照射より数１００ｎｓ程度遅れてパルス電圧を印加する方法である。

図６はＭＡＬＤＩ法と遅延引き出し法の説明図である。図において、１０はサンプルプレート、１１は該サンプルプレート１０に固着されたサンプルである。１４はイオンを加速するための中間電極、１５はベース電極である。１２はレーザー光を集束するレンズ１、１３はレーザー光を反射するミラー１、１６はイオン源から到着したイオンを検出する分析部である。１７は、イオン源からの像を反射するミラー２、１８は該ミラー２からの反射された像を集束するレンズ２、１９はレンズ２を介して入ってくるサンプル１１の像を観察するＣＣＤカメラである。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

サンプルプレート１０上に、マトリックス（液体や結晶化合物、金属粉等）に試料を混合溶解させて固化したサンプル１１を固着させる。サンプル１１の状態が観察できるように、ミラー２、レンズ２、ＣＣＤカメラ１９を配置している。レンズ１、ミラー１によりレーザー光をサンプル１１に照射し、サンプル１１を気化或いはイオン化する。この場合、レーザー照射により局所的にエネルギーを得たサンプル及びマトリクスがイオン化され爆発的に飛び出すと考えられている。生成したイオンは、加速電極（中間電極１１４）に印加された電圧により加速され、ＴＯＦＭＳに導入される。

次に、遅延引き出し法の飛行時間測定のシーケンスについて説明する。先ず、加速電極１４とサンプルプレート１０の電位を同電位Ｖｓにしておく。次に、レーザー発振を知らせるレーザーからの信号を受けてから、数１００ｎｓ後に加速電極１４の電圧を高速で変化させ、サンプルプレート１０と加速電極間に電位勾配を作り加速させる。この電位勾配は電位ＶｓとＶ１間の勾配である。飛行時間計測の開始時間は、パルス電圧発生器の立ち上がり時間と同期させる。
Rev．Sci．Instrum，26，1150（1955） Rapid Commun.Mass Spectram，8，865（1994） Rapid Commun.Mass Spectram，3，155（1989） So.Phys.JETP，3745（1973） J.Mass Spectram.Soc.Jpn，51，2（2003）349-353

タンパク質のように分子量が１万〜数１００万と大きい場合、その感度はイオン化したタンパク質をいかに効率よく分析部に引き出し、質量分離し、検出するかに依存する。ＭＡＬＤＩ法では、レーザー照射により局所的にエネルギーを得たサンプル及びマトリックスがイオン化され爆発的に飛び出すと考えられている。そのため、イオンをより効率的に引き出すには、加速時の電場を強くしなければならない。

電場を強くする方法は、電位差を与える空間を狭くするか、電位差を上げなくてはならない。しかしながら、遅延引き延ばし法を利用する場合、はじめにイオンをある程度の電場のない空間（１ｍｍ程度）を飛行させなければならないため、電位差を狭くする方法には限界がある。そのため、電位差、即ち印加電圧を大きくしなければならない。

一般的なＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳでは、正イオンを加速する場合、サンプルプレートに正の高電圧、加速部出口電極を接地電位にして加速する場合が多く、その加速電圧は＋２０ｋＶ程度である。しかしながら、片側の極性のみを利用するよりも、サンプルプレートを正の高電圧とし、出口電極に負の高電圧を与えるようにする方法がより高い電場での加速が可能である。本発明の第１の目的は、正負両極の電源を同時に使用することにより加速電圧を高くすることができる飛行時間型質量分析計を提供することである。

次に、正負両極の電源を利用した場合について考える。例えば、正に帯電したイオンをサンプルプレートに＋３０ｋＶ、出口電極に−３０ｋＶの電位差で加速するＴＯＦＭＳを考えると、加速後の自由空間は−３０ｋＶの電位にしなければならない。当然検出器もこの電位にできると都合がよい。

しかしながら、現在では、検出器の耐圧はたかだか±１０ｋＶである。検出器の感度は、質量が同じであれば、入射する運動エネルギーが大きいほど高い。入射するイオンの運動エネルギーは、サンプルプレートと検出器入り口の電位差で決まる。そのため、正イオンをより高いエネルギーで入射させる場合には、検出器の耐電圧が許す限り高い負電位にするのがよい。

しかしながら、場合によっては検出器を接地電位に配置するのがよい場合もある。どちらにしても、加速後の自由空間と検出器の電位が異なるイオン光学系を採用しなければならない。本発明の第２の目的は、イオンが主に飛行する自由空間と検出器が異なる電位にある場合の反射電場の構造や配置方法を提案することできる。

（１）請求項１記載の発明は、イオン源から出射されたイオンがイオン加速部で加速され、反射電場を経て検出器で検出されるように構成された飛行時間型質量分析計において、加速部開始位置と加速部終了位置の電位が接地電位をはさみ、正負両極の電源により供給されると共に、前記反射電場の電位が入射側と出射側で異なるように構成されたことを特徴とする。
（２）請求項２記載の発明は、前記反射電場の電位を入射側と出射側とで異なるように構成するため、入射側と出射側とで電極の枚数を変えるようにしたことを特徴とする。
（３）請求項３記載の発明は、前記反射電場の入射側と出射側の電場が互いに影響を及ぼさないように、入射側と出射側の中間にシールドを設けたことを特徴とする。

（１）請求項１記載の発明によれば、加速部開始位置と加速部終了位置の電位を接地電位をはさんで正負両極の電位を与えることにより、加速時に大きな電位差を与えることができ、イオンをより効率的に引き出すことができる。
（２）請求項２記載の発明によれば、入射側と出射側とで反射電場の電極の枚数を変えることにより、反射電場の電位を入射側と出射側とで異なるように構成することができる。
（３）請求項３記載の発明によれば、反射電場の入射側と出射側とで異ならせることから、入射側と反射側とで電位が互いに影響を及ぼさないようにすることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。図１は本発明の原理構成図である。図５と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、２０はイオン源と加速部である。該イオン源でイオン化されたイオン群は、前述した遅延引き出し法により加速部で加速され、イオン源からある程度距離の離れた中間収束点Ａで一度時間集束する。中間収束点Ａで収束したイオン群は、更に運動エネルギー収束性を持つリフレクトロン４内の反射電場を通過し、検出器３に到達する。

図２はイオン源と加速部の概略図である。図６と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、１０はサンプルを取り付けたサンプルプレート、１１はサンプル、１４はサンプル１１と近接して配置される中間電極（加速電極ともいう）である。１５は出口電極である。１２はレーザー光を集束するレンズ１、１３はレーザー光を反射させるミラー１、１７はサンプル１１の光情報を反射するミラー２、１８はミラー２の反射光を集束するレンズ２、１９はレンズ２により集束されたサンプル像を観察するＣＣＤカメラである。

遅延時間前は、サンプルプレート１０と中間電極１４の電位はＶｐであり、サンプルプレート１０と中間電極１４間には電位差はない。一方、出口電極１５の電位は−Ｖｎである。即ち、この実施の形態例では、接地電位をはさみ、正負両極の電源Ｖｐ，−Ｖｎにより供給されている。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

イオン源では、レンズ１、ミラー１を通してレーザー光を入射させ、サンプルプレート１０に固着されているサンプル１１に照射し、イオン化を行なう。また、レンズ２、ミラー２を通じてＣＣＤカメラ１９でサンプル１１の状態を観察する。

この実施の形態例では、イオン群をより強い電場で引き出すために、接地電位（グランド電位）を挟んだ正負両極の高電圧が印加されている。ここでは、正に帯電したイオンを加速することを想定し、サンプルプレート１０に＋Ｖｐ、出口電極１５に−Ｖｎ（Ｖｐ，Ｖｎ＞０）を印加している。

レーザー照射後、遅延時間である数１００ｎｓ程度の間、イオンは電場のない空間を飛行し、その後、中間電極１４に印加されたパルサー電圧により加速される。飛行時間計測は、このパルサー電圧印加開始時間を始点とする。この時、中間電極１４は電圧Ｖｍにより加速される結果、サンプルプレート１０と中間電極１４間には電位の勾配ができる。イオン源で加速されたイオンビームは、中間収束点Ａで時間集束する。

この実施の形態例によれば、加速部開始位置と加速部終了位置の電位を接地電位をはさんで正負両極の電位を与えることにより、加速時に大きな電位差を与えることができ、イオンをより効率的に引き出すことができる。

図３は反射電場の概略図である。図１，図２と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、２４はイオン群が入射する反射電場である。該反射電場２４は、図に示すような複数の電極２５より構成されている。この反射電場２４は、Ｖｐ〜−Ｖｎまでの電位勾配ができている。この電位勾配は、Ｖｐ〜Ｖｎを抵抗で分圧した電位がそれぞれの電極に印加され、電位の勾配を作るようになっている。

ここで、検出器３は第ｉ番目の電極２５ａと同電位であるＶｄの電位の場所に配置されている。検出器３の電位をＶｄに設定しているのは、以下の理由による。検出器３はその耐圧の関係から−Ｖｎの電位中に配置することができない。そこで、入射側と出射側の電位をそれぞれ−ＶｎとＶｄに合わせるため、出射側はＶｄの位置までしか電極がない構造になっている。また、反射電場２４と検出器３とを電位的に分離するシールド３０が設けられている。このシールド３０の電位もＶｄとなっているので、反射電場２４を通過したイオンは、自由空間２６を飛行した後、検出器３で検出される。

この実施の形態例によれば、入射側と出射側とで反射電場の電極の枚数を変えることにより、反射電場の電位を入射側と出射側とで異なるように構成することができる。
また、反射電場の入射側と出射側とで電位を異ならせることから、その間にシールドを設け、入射側と反射側とで電位が互いに影響を及ぼさないようにすることができる。

以上、詳細に説明したように、本発明によれば、正負両極の電源を同時に使用することにより、加速電圧を高くすることができ、イオンをより効率的に引き出すことができる。また、イオンが主に飛行する自由空間と検出器が異なる電位にある場合の反射電場の構造を工夫することで、イオンを検出する検出器の配置を最適に配置することができる。

本発明の原理構成図である。イオン源と加速部の概略図である。反射電場の概略図である。直線型ＴＯＦＭＳの構成例を示す図である。反射型ＴＯＦＭＳの構成例を示す図である。ＭＡＬＤＩ法と遅延引き出し法の説明図である。

符号の説明

１０サンプルプレート
１１サンプル
１２レンズ１
１３ミラー１
１４中間電極
１５出口電極
１７ミラー２
１８レンズ２
１９ＣＣＤカメラ

Claims

イオン源から出射されたイオンがイオン加速部で加速され、反射電場を経て検出器で検出されるように構成された飛行時間型質量分析計において、
加速部開始位置と加速部終了位置の電位が接地電位をはさみ、正負両極の電源により供給されると共に、前記反射電場の電位が入射側と出射側で異なるように構成されたことを特徴とする飛行時間型質量分析計。
前記反射電場の電位を入射側と出射側とで異なるように構成するため、入射側と出射側とで電極の枚数を変えるようにしたことを特徴とする請求項１記載の飛行時間型質量分析計。
前記反射電場の入射側と出射側の電場が互いに影響を及ぼさないように、入射側と出射側の電場の中間にシールドを設けたことを特徴とする請求項１記載の飛行時間型質量分析計。