JP2008108739A - Mass spectroscope and measurement system provided with the same - Google Patents

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ion
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Akihiko Okumura
昭彦 奥村
Tsudoi Hirabayashi
集 平林
Izumi Wake
泉 和気
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Hitachi High Tech Corp
Original Assignee
Hitachi High Technologies Corp
Hitachi High Tech Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a practical mass spectroscope for proteome analysis. <P>SOLUTION: In a quadrature acceleration type ion trap-coupling time-of-flight mass spectrometer, a range of a mass-load ratio which can be analyzed at one time is enlarged by providing a means to decrease a speed distribution of ion emitted from an ion trap. An efficiency of a protein identification in a proteome analysis is improved. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、イオントラップを結合した飛行時間型質量分析計、特にプロテオーム解析用の
質量分析計に関する。
The present invention relates to a time-of-flight mass spectrometer coupled with an ion trap, and more particularly to a mass spectrometer for proteomic analysis.

プロテオーム解析の分野では、細胞から抽出したタンパク混合物を消化酵素により分解し
、得られたペプチド断片を液体クロマトグラフで分離した後、質量分析計内において1種
類のペプチドを選定してこれを衝突誘起解離(CID)により分解し、分解生成物の質量
スペクトルから各断片の分子量を決定し、ゲノムデータベースと照合して元のタンパクを
同定する、いわゆるショットガン法が広く行われている。質量分析計内部で1種類のイオ
ンを選定して分解し、分解生成物を質量分析する手法は一般にMS/MS分析と呼ばれる
。質量分析計の種類によってはMS/MS分析で生じる分解生成物のうちの1種類を選定
してこれをさらに分解して質量分析することが可能である。このようなシーケンスをn回
繰り返すことも可能であり、一般にMSn分析と呼ばれる。
In the field of proteome analysis, a protein mixture extracted from cells is digested with digestive enzymes, and the obtained peptide fragments are separated by liquid chromatography, and then one type of peptide is selected in a mass spectrometer to induce collision. A so-called shotgun method is widely used in which decomposition is performed by dissociation (CID), the molecular weight of each fragment is determined from the mass spectrum of the decomposition product, and the original protein is identified by collating with a genome database. A technique of selecting and decomposing one kind of ion inside the mass spectrometer and performing mass analysis on the decomposition product is generally called MS / MS analysis. Depending on the type of mass spectrometer, it is possible to select one of the decomposition products generated by MS / MS analysis and further decompose it for mass analysis. Such a sequence can be repeated n times and is generally called MSn analysis.

四重極イオントラップ型質量分析計(ITMS)はn=3以上のMSn分析が可能であ
り、またイオントラップにイオンを溜め込んでからCIDを行うため高感度かつ高効率で
あるという特長がある。しかしプロテオーム解析では3000程度までの質量対電荷比範
囲と5000程度以上の質量分解能が望まれるのに対し、イオントラップ型質量分析計は
質量対電荷比範囲および質量分解能が通常いずれも2000程度であり、さらに質量精度
も低いために適用範囲に限界があり、タンパクの同定効率が低い。
公知例1(B.M.Chien,S.M.Michael and D.M.Lubman,Rapid Commun.Mass Spectrom.7(1993
)837.)には、四重極イオントラップと飛行時間型質量分析計(TOFMS)とを同軸に
結合した質量分析装置が開示されている。本装置を用いればn=3以上のMSn分析を、
高質量対電荷比範囲で高質量精度かつ高質量分解能のTOFMSを用いて行うことが可能
である。
A quadrupole ion trap mass spectrometer (ITMS) is capable of MSn analysis of n = 3 or more, and has a feature of high sensitivity and efficiency because CID is performed after ions are accumulated in the ion trap. However, in proteomic analysis, a mass-to-charge ratio range of up to about 3000 and a mass resolution of about 5000 or more are desired, whereas an ion trap mass spectrometer generally has a mass-to-charge ratio range and mass resolution of about 2000. Furthermore, since the mass accuracy is also low, the application range is limited, and the protein identification efficiency is low.
Known Example 1 (BMChien, SMMichael and DMLubman, Rapid Commun. Mass Spectrom. 7 (1993
837.) discloses a mass spectrometer in which a quadrupole ion trap and a time-of-flight mass spectrometer (TOFMS) are coaxially coupled. MSn analysis of n = 3 or more using this device
It is possible to use TOFMS with high mass accuracy and high mass resolution in a high mass-to-charge ratio range.

しかしながら、本装置ではイオントラップとTOFMSとが同軸に結合されており、イ
オントラップがTOFMSの加速部を兼ねているため、加速途中でイオンとCID用の中
性ガスとの衝突が頻発する。そのためイオンが散乱し、結果的に高分解能を得ることが困
難である。加速電圧を高くすればイオンを短時間で射出できるため散乱が減少し分解能は
改善されるが、衝突エネルギーが大きくなるためにイオンが分解し易くなる問題がある。
加速途中で分解されたイオンはケミカルノイズとなり検出下限の低下を招く。
公知例2(U.S.Patent 6011259)に開示された質量分析装置では、多極イオンガイド中で
CIDを行い、イオンガイドからイオンを排出して直交加速型のTOFMSにより分析が
行われる。直交加速部は高真空部に配置可能なため、加速途中での中性ガスとの衝突は殆
ど無視できる。一般に多極イオンガイドでのCID効率はイオントラップに比べて低いが
、イオンガイドを2次元イオントラップ(またはリニアトラップと呼ばれる)として機能
させることにより、CIDの効率をある程度向上できる。
しかし、イオンガイドの軸方向に関するイオンの空間分布およびエネルギー分布が大きい
ため、加速されたイオンが発散し、結果的に検出感度が低い問題があった。また四重極イ
オントラップとは異なり、リニアトラップではn=3以上のMSnが不可能である。
However, in this apparatus, the ion trap and the TOFMS are coaxially coupled, and the ion trap also serves as an acceleration part of the TOFMS. Therefore, collisions between ions and neutral gas for CID frequently occur during acceleration. As a result, ions are scattered, and as a result, it is difficult to obtain high resolution. If the acceleration voltage is increased, ions can be ejected in a short time, so that the scattering is reduced and the resolution is improved. However, since the collision energy is increased, there is a problem that the ions are easily decomposed.
Ions decomposed in the middle of acceleration become chemical noise, causing a lower detection limit.
In the mass spectrometer disclosed in the known example 2 (US Patent 6011259), CID is performed in a multipolar ion guide, ions are discharged from the ion guide, and analysis is performed by orthogonal acceleration type TOFMS. Since the orthogonal acceleration part can be arranged in a high vacuum part, collision with neutral gas during acceleration can be almost ignored. In general, the CID efficiency of a multipolar ion guide is lower than that of an ion trap, but the CID efficiency can be improved to some extent by making the ion guide function as a two-dimensional ion trap (or called a linear trap).
However, since the spatial distribution and energy distribution of ions in the axial direction of the ion guide are large, the accelerated ions diverge, resulting in a low detection sensitivity. Also, unlike a quadrupole ion trap, MSn with n = 3 or more is impossible with a linear trap.

公知例3(C. Marinach, A. Brunot, C. Beaugrand, G. Bolbach, J. -C. Tabet, Proc
eedings of the 49th ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics, Chic
ago, Illinois, May 27-31,2001)には四重極イオントラップとTOFMSとを非同軸に
結合した質量分析装置が開示されている。本装置では、イオントラップからイオンを一旦
射出した後、イオントラップの軸とは直角方向にイオンを加速してTOFMS分析する。
本装置では、イオントラップの中心部に空間的に収束したイオンを、イオントラップから
直交加速部まで輸送する間に軸方向に関してできるだけ空間的に分散させて実質的に連続
イオン流を形成させる一方で、加速電圧パルスを一定周期で連続的に印加して多数回TO
FMS分析する。イオントラップ内部で空間的・エネルギー的に収束されたイオンを連続
イオン流に変換しているために、結果的に公知例2の装置と同様の問題がある。
Known Example 3 (C. Marinach, A. Brunot, C. Beaugrand, G. Bolbach, J. -C. Tabet, Proc
eedings of the 49 th ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics, Chic
ago, Illinois, May 27-31, 2001) discloses a mass spectrometer in which a quadrupole ion trap and a TOFMS are coupled non-coaxially. In this apparatus, ions are once ejected from the ion trap, and then the ions are accelerated in a direction perpendicular to the axis of the ion trap and subjected to TOFMS analysis.
In this device, while the ions spatially focused on the center of the ion trap are transported from the ion trap to the orthogonal acceleration part as spatially as possible in the axial direction, a substantially continuous ion flow is formed. , Accelerating voltage pulses are continuously applied at a constant period and many times
FMS analysis. Since ions focused spatially and energetically in the ion trap are converted into a continuous ion flow, there is a problem similar to the apparatus of the known example 2 as a result.

B.M.Chien,S.M.Michael and D.M.Lubman,Rapid Commun.Mass Spectrom.7(1993)837.)B.M.Chien, S.M.Michael and D.M.Lubman, Rapid Commun. Mass Spectrom. 7 (1993) 837.)

上記の通り、従来の質量分析装置においては、広い質量対電荷比範囲および高い質量分解
能と、十分な検出感度とを両立することが難しいという問題があった。
As described above, the conventional mass spectrometer has a problem that it is difficult to achieve both a wide mass-to-charge ratio range, high mass resolution, and sufficient detection sensitivity.

本発明では、イオントラップと直交加速型のTOFMSを組み合わせて質量分析装置を構
成することにより課題を解決する。本発明に係る質量分析装置で、イオントラップから射
出されたイオンを直交加速型部へ輸送し、イオンの進行方向に対して横方向に加速電圧を
印可する。本発明では、イオントラップからイオンを射出してから加速電圧パルスを印加
するまでの時間を所定値に設定することにより質量対電荷比範囲を制御する。
In the present invention, the problem is solved by configuring a mass spectrometer by combining an ion trap and an orthogonal acceleration type TOFMS. In the mass spectrometer according to the present invention, ions ejected from the ion trap are transported to the orthogonal acceleration type part, and an acceleration voltage is applied in a direction transverse to the traveling direction of the ions. In the present invention, the mass-to-charge ratio range is controlled by setting the time from when ions are ejected from the ion trap to when the acceleration voltage pulse is applied to a predetermined value.

イオントラップからイオンを射出する手段として、イオン蓄積用のRF電圧の印加を停
止してからイオントラップ内部に加速電場を形成してもよい。RF電圧を印加したままで
加速電場を形成すると、イオントラップ内部でのイオンの空間分布、イオントラップ内部
でのイオンの運動エネルギー分布、および中性ガスとの衝突散乱に起因する加速領域での
イオンの空間的分散が増大するが、本方法を用いればそのような増大効果を生じない。
イオントラップ内部でイオンはある程度の空間分布をもつため、上述したイオン射出手段
を設けた場合であっても、イオンの初期位置の違いによってイオンが射出される際の初期
電位が異なる。出口から遠い側のイオンは出口に近い側のイオンよりも遅れて射出される
が、その速度は出口に近い側のイオンよりも大きいためにある位置でこれを追い越す。こ
の位置は空間収束位置と呼ばれる。イオントラップ出口から直交加速部までの間にイオン
の進行方向にイオンを加速するための電場を形成しておくことにより、良く知られた多段
加速の原理によって空間収束位置を調整することができる。この原理により空間収束位置
を最適化することにより、加速領域端部に存在するイオンの検出効率を向上することがで
きる。
As a means for ejecting ions from the ion trap, an acceleration electric field may be formed inside the ion trap after the application of the RF voltage for ion accumulation is stopped. When an accelerating electric field is formed with an RF voltage applied, ions in the acceleration region are caused by the spatial distribution of ions inside the ion trap, the kinetic energy distribution of ions inside the ion trap, and collisional scattering with neutral gas. However, if this method is used, such an increase effect is not produced.
Since ions have a certain spatial distribution inside the ion trap, even if the ion ejection means described above is provided, the initial potential when ions are ejected differs depending on the difference in the initial positions of the ions. Ions far from the exit are ejected later than ions near the exit, but the velocity is greater than ions near the exit, so it overtakes it at some position. This position is called a spatial convergence position. By forming an electric field for accelerating ions in the direction of ion travel from the ion trap outlet to the orthogonal acceleration part, the spatial convergence position can be adjusted by the well-known multistage acceleration principle. By optimizing the spatial convergence position based on this principle, it is possible to improve the detection efficiency of ions existing at the end of the acceleration region.

また、イオントラップから直交加速部へイオンを輸送する間に、イオンの速度分布を小
さくする手段を設けても良い。該イオンの速度分布を小さくする手段はイオントラップ内
部に設けても良いし、外部に設けても良い。
イオントラップから射出されたイオンはその質量数対電荷比(m/z)に応じた時間差を
生じて直交加速部に到達するが、直交加速部で加速されるイオン、即ち検出器に送り出さ
れるイオンは加速電圧が印加される時点において加速領域内に存在するイオンのみである
。つまり、イオントラップに蓄積されるイオンの質量対電荷比範囲は、直交加速部の長さ
や検出器の長さ等により制限を受け、従って、一度に分析可能な質量対電荷比範囲に物理
的な制約がある。直交加速部を長くすることによっても質量対電荷比範囲を拡大できるが
、加速領域内でのイオンビームの広がりが大きくなり、全領域に渡って高分解能を実現す
ることが困難になる。また加速領域の長さに対応して検出器を大型化する必要があるが、
検出器は高価であり価格のサイズ依存性も大きい。
In addition, a means for reducing the ion velocity distribution may be provided while the ions are transported from the ion trap to the orthogonal acceleration unit. The means for reducing the ion velocity distribution may be provided inside or outside the ion trap.
The ions ejected from the ion trap reach the orthogonal acceleration unit with a time difference corresponding to the mass number-to-charge ratio (m / z), but are accelerated by the orthogonal acceleration unit, that is, ions sent to the detector. Are only ions present in the acceleration region at the time when the acceleration voltage is applied. In other words, the mass-to-charge ratio range of ions accumulated in the ion trap is limited by the length of the orthogonal acceleration unit, the length of the detector, etc. There are limitations. Although the mass-to-charge ratio range can be expanded by lengthening the orthogonal acceleration part, the spread of the ion beam in the acceleration region becomes large, and it becomes difficult to realize high resolution over the entire region. In addition, it is necessary to enlarge the detector according to the length of the acceleration region,
Detectors are expensive and have a large size dependency on the price.

よって、速度分布幅を小さくする手段を設けることにより、イオントラップに蓄積され
る1回のイオン蓄積で分析可能な質量対電荷比範囲を拡大することができる。このような
質量対電荷比範囲を拡大は、特にプロテオーム解析において有用である。
イオンの速度分布を小さくする手段の具体例としては、(1)イオントラップからイオン
が射出されるまでの間にイオントラップ内部の加速電場を大きくするか、または(2)イ
オントラップからイオンが射出された後にイオントラップ出口と直交加速部入口の間また
はその一部の領域の電場を変化させる、ことにより軸方向のイオンの速度分布を縮小する
、といった手段がある。
Therefore, by providing a means for reducing the velocity distribution width, the mass-to-charge ratio range that can be analyzed by one-time ion accumulation accumulated in the ion trap can be expanded. Such expansion of the mass-to-charge ratio range is particularly useful in proteomic analysis.
Specific examples of means for reducing the velocity distribution of ions include (1) increasing the acceleration electric field inside the ion trap before ions are ejected from the ion trap, or (2) ejecting ions from the ion trap. There is a means for reducing the velocity distribution of ions in the axial direction by changing the electric field in the region between the ion trap outlet and the orthogonal acceleration unit or a part of the region after the ion trap exit.

また、イオンの速度分布を小さくする以外の質量対電荷比範囲を拡大する手段としては
、(3)分析したい質量対電荷比範囲を複数に分割し、各領域を順次分析してデータをつ
なぎ合わせる、(4)イオントラップに蓄積したイオンのうち、低質量対電荷比範囲のイ
オンに関してはイオントラップ型質量分析法を用いて分析し、残りのイオンに関しては直
交加速型TOFMSにより分析する等の手法が考えられ、イオントラップおよび直交加速
型のTOFMSと組み合わせることにより、更に質量対電荷比範囲を拡大することが可能
である。
In addition, as a means for expanding the mass-to-charge ratio range other than reducing the ion velocity distribution, (3) dividing the mass-to-charge ratio range to be analyzed into a plurality of areas, and sequentially analyzing each area and connecting the data (4) Among the ions accumulated in the ion trap, a low mass-to-charge ratio range is analyzed using ion trap mass spectrometry, and the remaining ions are analyzed by orthogonal acceleration type TOFMS. The mass-to-charge ratio range can be further expanded by combining with an ion trap and an orthogonal acceleration type TOFMS.

高分解能で高感度なMSn装置としての直交加速型イオントラップ結合飛行時間型質量分
析計において、1度のイオン蓄積により分析可能な質量対電荷比範囲を拡大することによ
り、プロテオーム解析における実用性が向上され、その結果タンパク同定の効率が向上さ
れた。
In an orthogonal acceleration ion trap coupled time-of-flight mass spectrometer as a high-resolution, high-sensitivity MSn device, by expanding the mass-to-charge ratio range that can be analyzed by one-time ion accumulation, practicality in proteomic analysis As a result, the efficiency of protein identification was improved.

(実施例1)
図1は本発明の質量分析装置およびこれを用いた計測システムの構成を示す。本装置およ
び計測システムについてプロテオーム解析を例にして説明する。本解析例はゲノム解読が
完了した生物種に関するプロテオーム解析例であり、いわゆるショットガン法と呼ばれる
ものである。ショットガン法では、タンパクの部分断片の分子量を質量分析法により決定
し、ゲノム塩基配列から翻訳されるアミノ酸配列データベースと照合することにより元の
タンパクを同定する。まず、細胞から抽出したタンパク混合物を消化酵素等により分解し
てペプチド混合物を生成する。生成したペプチド混合物を含む試料溶液を液体クロマトグ
ラフ(LC)60のインジェクタに装填し、LC流路に注入する。試料中のペプチド混合
物は分離カラムを通過する間に分子量に応じて分離し、試料注入後数分程度から数時間程
度にわたって順次LC流路端に接続されたエレクトロスプレー(ESI)イオン源1に到
達する。なお、イオン源はESIに限定されない。イオン源は常時動作状態にありイオン
源に到達したペプチド断片から順にイオン化される。
(Example 1)
FIG. 1 shows the configuration of a mass spectrometer of the present invention and a measurement system using the same. The apparatus and measurement system will be described by taking proteome analysis as an example. This analysis example is a proteome analysis example for a biological species whose genome has been decoded, and is called a so-called shotgun method. In the shotgun method, the molecular weight of a partial fragment of a protein is determined by mass spectrometry, and the original protein is identified by collating it with an amino acid sequence database translated from a genomic base sequence. First, a protein mixture extracted from cells is decomposed with a digestive enzyme or the like to produce a peptide mixture. A sample solution containing the generated peptide mixture is loaded into an injector of a liquid chromatograph (LC) 60 and injected into the LC flow path. The peptide mixture in the sample is separated according to the molecular weight while passing through the separation column, and reaches the electrospray (ESI) ion source 1 sequentially connected to the end of the LC channel for several minutes to several hours after the sample injection. To do. Note that the ion source is not limited to ESI. The ion source is always in an operating state and is ionized sequentially from the peptide fragment that has reached the ion source.

生成したイオンは細孔2を通って質量分析計内に導入され、ゲート電極4を通過して、
第一の真空部内に設けられたイオントラップ5に入射される。51,52はゲート電極に
接続された電源である。イオントラップはリング電極15と2個のエンドキャップ電極1
6および17で構成される。リング電極15には直流電源43および高周波電源が、エン
ドキャップ電極16,17には直流電源41、42,44,45がスイッチ48を介して
接続されており、スイッチ48のオン・オフのタイミングは制御装置14により制御され
る。図1にはガス供給管6が図示されているが、原理的には不要である。
イオンを溜め込む際にはリング電極に高周波電圧を印加し、2個のエンドキャップ電極は
接地電位とする。これによりイオントラップ内部に四重極電場が形成され、入射するイオ
ンのうち高周波電圧の振幅に対応する質量数対電荷比(m/z)以上のイオンを捕捉する
ことができる。このようにして1〜100ms程度の間イオンを溜め込んだ後、ゲート電
極の電圧を変化させてイオンの入射を止める。この状態で0〜10ms程度の間、捕捉し
たイオンを安定化させる。
The generated ions are introduced into the mass spectrometer through the pore 2, pass through the gate electrode 4,
The light enters the ion trap 5 provided in the first vacuum part. Reference numerals 51 and 52 denote power sources connected to the gate electrode. The ion trap consists of a ring electrode 15 and two end cap electrodes 1
6 and 17. A DC power source 43 and a high frequency power source are connected to the ring electrode 15, and DC power sources 41, 42, 44, 45 are connected to the end cap electrodes 16, 17 via a switch 48. It is controlled by the control device 14. Although the gas supply pipe 6 is shown in FIG. 1, it is not necessary in principle.
When accumulating ions, a high-frequency voltage is applied to the ring electrode, and the two end cap electrodes are set to the ground potential. Thereby, a quadrupole electric field is formed inside the ion trap, and ions having a mass number to charge ratio (m / z) or more corresponding to the amplitude of the high-frequency voltage can be captured among the incident ions. After ions are accumulated for about 1 to 100 ms in this way, the voltage of the gate electrode is changed to stop the incidence of ions. In this state, the trapped ions are stabilized for about 0 to 10 ms.

次にリング電極への高周波電圧の印加を停止し、直後にリング電極および2個のエンド
キャップ電極に0〜100V程度の直流電圧(立ち上がり10〜100ns程度)を印加
してイオントラップ内部に加速電場を形成する。加速されたイオンはイオントラップから
排出され、接地電位であるピンホール7を通過する。ピンホールを通過した後のイオント
ラップの軸方向に関する運動エネルギーはイオントラップ中心部の電位Vtrapで決まり、
イオンの質量数には依存しない。
ピンホールを通過したイオンはM/z・v2=2eVtrapで決まる速度vで飛行し直交加速
部18を通過する。ここでMはイオンの質量、zはイオンの価数、eは電気素量である。
従ってm/zの小さいイオンほど早く加速部に到達する。直交加速部18は2枚の平行平
板電極9および10で構成され、第二の真空部8内に設けられている。直交加速部18に
イオンが充填される間、2枚の電極は接地電位であり、イオンが充填された時点で加速電
極9に高電圧パルス(立ち上がり10〜100ns)を印加する。電極10はイオンを通
過させるためにメッシュ状であるが、外周部は板状であり、全体の外形は電極9とほぼ等
しい。そのため加速電極9に加速電圧が印加された後に直交加速部に進入するイオンは直
ちに加速されて電極10の外周部に衝突し検出器には到達しない。電極10のメッシュ部
を通過したイオンは無電場のドリフト空間11を飛行してリフレクトロン12に入射し、
リフレクトロン内部で反転して再びドリフト空間を飛行してMCP検出器13に入射する
。リフレクトロンの使用により直交加速部におけるイオンの空間拡がり(加速方向に関す
る)に起因する時間拡がりが収束されて分解能が向上する利点と装置が小型化する利点が
ある。直交加速部を二段の加速電場に分割し、いわゆる二段加速法の原理を用いて空間収
束位置を調整することにより、リフレクトロンによる収束効果を最適化できる。
Next, the application of the high-frequency voltage to the ring electrode is stopped, and immediately thereafter, a DC voltage of about 0 to 100 V (rising about 10 to 100 ns) is applied to the ring electrode and the two end cap electrodes to accelerate the electric field inside the ion trap. Form. The accelerated ions are discharged from the ion trap and pass through the pinhole 7 which is the ground potential. The kinetic energy in the axial direction of the ion trap after passing through the pinhole is determined by the potential Vtrap at the center of the ion trap,
It does not depend on the mass number of ions.
Ions that have passed through the pinhole fly at a velocity v determined by M / z · v 2 = 2 eVtrap and pass through the orthogonal acceleration unit 18. Here, M is the mass of the ion, z is the valence of the ion, and e is the elementary charge.
Therefore, ions with a smaller m / z reach the acceleration part earlier. The orthogonal acceleration unit 18 is composed of two parallel plate electrodes 9 and 10 and is provided in the second vacuum unit 8. While the orthogonal acceleration unit 18 is filled with ions, the two electrodes are at the ground potential, and when the ions are filled, a high voltage pulse (rising 10 to 100 ns) is applied to the acceleration electrode 9. The electrode 10 has a mesh shape for allowing ions to pass therethrough, but the outer peripheral portion has a plate shape, and the entire outer shape is substantially equal to that of the electrode 9. Therefore, ions that enter the orthogonal acceleration portion after the acceleration voltage is applied to the acceleration electrode 9 are immediately accelerated and collide with the outer peripheral portion of the electrode 10 and do not reach the detector. Ions that have passed through the mesh portion of the electrode 10 fly in the drift space 11 of an electric field and enter the reflectron 12,
It reverses inside the reflectron, flies again in the drift space, and enters the MCP detector 13. The use of the reflectron has the advantage that the time spread caused by the spatial spread of ions in the orthogonal acceleration section (related to the acceleration direction) is converged and the resolution is improved, and the apparatus is downsized. By dividing the orthogonal acceleration section into two-stage acceleration electric fields and adjusting the spatial convergence position using the principle of the so-called two-stage acceleration method, the convergence effect by the reflectron can be optimized.

ドリフト空間に入射したイオンの飛行方向は加速電場の方向に対してある角度αをもつ
。イオンの飛行角度αは、Vtrapと直交加速部内での初期電位Vaccとの比で決まりm/z
には依存しない。従って加速された全イオンを検出するために検出器は加速領域の長さと
同等以上のものが使用される。VtrapおよびVaccの大きさは、例えばそれぞれ20Vお
よび7.5kVであり、このときα=約3度である。
このとき、静電レンズ32を用いてイオン軌道を収束させると検出器を小型化できる。同
時に、イオントラップ出口とピンホールとの間に静電レンズ30を配置することにより、
ピンホールを通過するイオン量を増加して検出感度を向上できると同時に、イオンビーム
の拡がりを抑えることができるため分解能が向上する。制御部14は、スイッチ48、4
9および52を切り替えることにより、ゲート電極、リング電極、エンドキャップ電極、
直交加速部への印加電圧の大きさおよびタイミングを制御する。
The flight direction of ions incident on the drift space has an angle α with respect to the direction of the acceleration electric field. The flight angle α of ions is determined by the ratio of Vtrap to the initial potential Vacc in the orthogonal acceleration unit m / z
It does not depend on. Therefore, in order to detect all accelerated ions, a detector having a length equal to or greater than the length of the acceleration region is used. The magnitudes of Vtrap and Vacc are, for example, 20 V and 7.5 kV, respectively, where α = about 3 degrees.
At this time, if the ion trajectory is converged using the electrostatic lens 32, the detector can be miniaturized. At the same time, by placing the electrostatic lens 30 between the ion trap outlet and the pinhole,
The detection sensitivity can be improved by increasing the amount of ions passing through the pinhole, and at the same time, since the spread of the ion beam can be suppressed, the resolution is improved. The control unit 14 includes switches 48 and 4
By switching between 9 and 52, a gate electrode, a ring electrode, an end cap electrode,
Controls the magnitude and timing of the voltage applied to the orthogonal acceleration unit.

イオントラップからイオンを射出してから直交加速部にパルス電圧を印加するまでの時
間は、制御部14内に設けられた遅延回路により制御される。遅延時間と検出されるイオ
ンのm/z範囲との関係は、イオントラップから直交加速部までの電極配置とイオントラ
ップから直交加速部までイオンを輸送するときの各電極電圧とによって定まる。従って検
出すべきイオンのm/z範囲に応じて、予め遅延時間が決定される。制御部62は、制御
部14の更に上位の制御装置であり、検出部の測定開始のタイミングや制御部14による
直交加速部の動作制御などを連携させる。
The time from when ions are ejected from the ion trap to when the pulse voltage is applied to the orthogonal acceleration unit is controlled by a delay circuit provided in the control unit 14. The relationship between the delay time and the m / z range of ions to be detected is determined by the electrode arrangement from the ion trap to the orthogonal acceleration part and the respective electrode voltages when ions are transported from the ion trap to the orthogonal acceleration part. Therefore, the delay time is determined in advance according to the m / z range of the ions to be detected. The control unit 62 is a higher-order control device of the control unit 14, and links the measurement start timing of the detection unit, the operation control of the orthogonal acceleration unit by the control unit 14, and the like.

図2は通常のMS分析を行う場合の各電極に印加する電圧シーケンスを示す。イオント
ラップからイオンを射出した後にはイオントラップを構成する各電極の電圧を、加速電場
を形成するための直流電圧から、四重極電場を形成するための電圧に切り替える。その直
後(1μs程度後)にゲート電圧を変化させてイオントラップへのイオンの注入を再開す
る。その後、直交加速部へ加速電圧パルスを印加する。加速電圧パルスのパルス幅は加速
領域に存在するイオンが全てドリフト空間に入射するまでの時間よりもやや長めに設定さ
れる。この時間は加速領域に存在するイオンの質量対電荷比範囲に依存する。この質量対
電荷比範囲(以下、マスウィンドウ)はイオントラップ内部に加速電場を形成した直後か
ら加速電圧パルスを印加するまでの時間(図中のTacc)に依存する。マスウィンドウは
測定者が決定しコンピュータのキーボードから入力する。マスウィンドウの最大値Mmax
と最小値Mminとの比Mmax/MminはVtrapに依存せず一定である。従って測定者はMmin
(またはMmax)のみを入力すればよい。あるいはパソコンの画面上などに予め適当なマ
スウィンドウを複数用意しておき、測定者が選択する方式でもよい。加速パルスの印加タ
イミングおよび加速パルス幅はソフトウェアにより自動的に計算される。
FIG. 2 shows a voltage sequence applied to each electrode in the case of performing normal MS analysis. After ions are ejected from the ion trap, the voltage of each electrode constituting the ion trap is switched from a DC voltage for forming an accelerating electric field to a voltage for forming a quadrupole electric field. Immediately thereafter (after about 1 μs), the gate voltage is changed to restart the ion implantation into the ion trap. Thereafter, an acceleration voltage pulse is applied to the orthogonal acceleration unit. The pulse width of the acceleration voltage pulse is set slightly longer than the time required for all ions existing in the acceleration region to enter the drift space. This time depends on the mass-to-charge ratio range of ions present in the acceleration region. This mass-to-charge ratio range (hereinafter referred to as mass window) depends on the time (Tacc in the figure) from immediately after the acceleration electric field is formed inside the ion trap to when the acceleration voltage pulse is applied. The mass window is determined by the measurer and entered from the computer keyboard. Maximum value of the mass window Mmax
The ratio Mmax / Mmin between the minimum value Mmin and the minimum value Mmin is constant regardless of Vtrap. Therefore, the measurer is Mmin
(Or Mmax) need only be entered. Alternatively, a method in which a plurality of appropriate mass windows are prepared in advance on the screen of a personal computer and the measurer selects may be used. The acceleration pulse application timing and acceleration pulse width are automatically calculated by software.

通常、マススペクトル分析は10〜1000回程度繰り返し行い積算スペクトルを求め
る。次に、このようにして得られたMSスペクトルのうちから最も強度の強いピークを選
定しMS/MS分析を行う。この選定はソフトウェアにより自動で行われる。MS/MS
分析では先ず、MS分析の場合と同様にしてイオントラップにイオンを蓄積する。次に選
定したピークに対応するイオン(これを親イオンと呼ぶ)以外のイオンをイオントラップ
から排除し、親イオンをCIDにより分解する。親イオンが分解して生成される断片イオ
ン(これを娘イオンと呼ぶ)の全部または一部はイオントラップ内部に捕捉・蓄積される
。次に、図2と同様のシーケンスを用いて娘イオンをイオントラップから射出してTOF
MS分析する。以上のシーケンスを通常は10〜100回程度繰り返し、得られたMS/
MSスペクトルデータを記録媒体に保存する。試料溶液の分析が完了した後、得られたM
S/MSスペクトルを積算し娘イオンの分子量を計算する。ESI法では特に多価イオン
が生成されやすいため、まずイオンの価数を決定する必要がある。タンパクは炭素を多数
含むため、断片イオンの価数は炭素安定同位体によるアイソトープピークの間隔から決定
できる。次にアイソトープピークの強度比と価数から娘イオンの平均分子量を求める。得
られた分子量をデータベースと照合し元のタンパクを同定する。
Usually, mass spectrum analysis is repeated about 10 to 1000 times to obtain an integrated spectrum. Next, the strongest peak is selected from the MS spectra thus obtained, and MS / MS analysis is performed. This selection is automatically performed by software. MS / MS
In the analysis, first, ions are accumulated in the ion trap in the same manner as in the MS analysis. Next, ions other than the ions corresponding to the selected peak (referred to as parent ions) are excluded from the ion trap, and the parent ions are decomposed by CID. All or part of fragment ions (called daughter ions) generated by decomposition of parent ions are trapped and accumulated in the ion trap. Next, daughter ions are ejected from the ion trap using the same sequence as in FIG.
MS analysis. The above sequence is usually repeated about 10 to 100 times, and the obtained MS /
MS spectrum data is stored in a recording medium. After the analysis of the sample solution is complete, the resulting M
The S / MS spectrum is integrated and the molecular weight of the daughter ions is calculated. In the ESI method, multivalent ions are particularly likely to be generated, so it is necessary to first determine the valence of the ions. Since proteins contain many carbons, the valence of fragment ions can be determined from the interval between isotope peaks due to carbon stable isotopes. Next, the average molecular weight of the daughter ions is determined from the intensity ratio and valence of the isotope peak. The obtained protein is checked against the database to identify the original protein.

次に、MSスペクトルのうちから2番目に強度の強いピークを選定し、同様にしてMS
/MS分析を行う。以下、n番目に強度の強いピークのMS/MS分析までを行う。nは
通常1〜5程度で予め測定者が設定する。試料溶液の分析が完了するまでの間、質量分析
計では以上の一連の測定を繰り返し行う。通常、1回のMSスペクトル測定および1回の
MS/MSスペクトル測定にはそれぞれ0.1〜数秒間を費やし、一連の測定では合計で
数秒から十数秒を要する。これに対しLCから溶出する各ペプチド断片はそれぞれ数十秒
〜数分にわたって質量分析計に導入される。従って、1種類のペプチド断片について数回
から数十回の一連の測定が繰り返される。
Next, the second strongest peak is selected from the MS spectrum, and the MS is similarly selected.
/ MS analysis. Hereinafter, the MS / MS analysis of the nth strongest peak is performed. n is usually about 1 to 5 and is set in advance by the measurer. Until the analysis of the sample solution is completed, the mass spectrometer repeats the above series of measurements. Usually, one MS spectrum measurement and one MS / MS spectrum measurement each take 0.1 to several seconds, and a series of measurements requires a total of several seconds to several tens of seconds. In contrast, each peptide fragment eluted from the LC is introduced into the mass spectrometer for several tens of seconds to several minutes. Therefore, a series of measurements from several times to several tens of times are repeated for one kind of peptide fragment.

図3に、本発明の質量分析計に適した四重極イオントラップの構成を示す。本イオント
ラップは4枚の平行平板電極21〜24で構成され、両端の2枚はエンドキャップ電極2
1および24、中間の2枚はリング電極22および23である。
イオンを蓄積する場合には2枚のリング電極22および23には振幅、周波数、位相が同
一の高周波電圧を印加し、2枚のエンドキャップ電極は接地する。イオンを射出する場合
には4枚の電極に適当な直流電圧を印加して加速電場を形成する。平板型の四重極イオン
トラップを用いると均一な加速電場を形成できるため、(1)イオンビームの拡がりが小
さい、(2)二段加速による空間収束位置の制御が容易であり、(3)空間収束効果も良
好である利点がある。二段加速による空間収束位置を検出位置またはその近傍に設定する
ことにより、検出面内でのイオンの拡がりが低減し、質量対電荷比範囲端部での検出感度
の低下を低減できる。
FIG. 3 shows a configuration of a quadrupole ion trap suitable for the mass spectrometer of the present invention. This ion trap is composed of four parallel plate electrodes 21 to 24, and two on both ends are end cap electrodes 2.
1 and 24, the middle two are ring electrodes 22 and 23.
In the case of storing ions, a high frequency voltage having the same amplitude, frequency and phase is applied to the two ring electrodes 22 and 23, and the two end cap electrodes are grounded. When ions are ejected, an appropriate DC voltage is applied to the four electrodes to form an accelerating electric field. If a flat quadrupole ion trap is used, a uniform accelerating electric field can be formed. (1) The ion beam spread is small. (2) The spatial focusing position can be easily controlled by two-stage acceleration. (3) There is an advantage that the spatial convergence effect is also good. By setting the spatial convergence position by the two-stage acceleration at or near the detection position, the spread of ions within the detection surface can be reduced, and the decrease in detection sensitivity at the end of the mass-to-charge ratio range can be reduced.

親イオン以外の不要イオンをイオントラップから排除するための手段としては共鳴放出
が用いられる。共鳴放出では一対のエンドキャップ電極間に周波数fの交流電圧を印加す
る。このとき周波数fに対応するm/zを有するイオンの軌道は急速に拡大しイオントラ
ップから排除される。この周波数fを親イオンのm/zに対応する周波数f0の近傍を除
く所定の周波数領域で走査することにより、親イオン以外のイオンはイオントラップから
排除される。この共鳴放出は、イオントラップへのイオンの捕捉・蓄積と同時に行うこと
もできる。この場合、イオン蓄積と不要イオンの排除とを同時に行うため、分析の繰り返
し周期が短くなり結果的に感度が向上する。周波数fを走査するのではなく、周波数f0
およびその近傍を除く所望の周波数成分を重畳して同時に印加することによっても、不要
イオンを排除することが可能である。この方式を用いれば周波数の走査が不要であるため
、不要イオンを排除するのに必要な時間を短縮できる利点がある。不要イオンを排除する
方法としては、他にリング電極に直流電圧と高周波電圧を重畳させる方法などを用いるこ
とができるが、電圧操作が煩雑であり、共鳴放出を用いる方法のほうが実用的である。
Resonance emission is used as a means for eliminating unnecessary ions other than the parent ion from the ion trap. In resonance emission, an AC voltage having a frequency f is applied between a pair of end cap electrodes. At this time, the trajectory of ions having m / z corresponding to the frequency f is rapidly expanded and excluded from the ion trap. By scanning this frequency f in a predetermined frequency region excluding the vicinity of the frequency f0 corresponding to m / z of the parent ion, ions other than the parent ion are excluded from the ion trap. This resonance emission can be performed simultaneously with trapping and accumulation of ions in the ion trap. In this case, since ion accumulation and elimination of unnecessary ions are performed at the same time, the repetition cycle of analysis is shortened, resulting in improved sensitivity. Instead of scanning the frequency f, the frequency f0
Also, unnecessary ions can be eliminated by superimposing desired frequency components excluding the vicinity thereof and applying them simultaneously. If this method is used, frequency scanning is unnecessary, and thus there is an advantage that the time required for eliminating unnecessary ions can be shortened. As a method for eliminating unnecessary ions, other methods such as superimposing a DC voltage and a high frequency voltage on the ring electrode can be used. However, the voltage operation is complicated, and the method using resonance emission is more practical.

図4に、イオンの速度分布を縮小可能なイオントラップ制御方法の一例を示す。
イオントラップにイオンを蓄積した後、高周波電圧の印加を停止し、次に2個のエンドキ
ャップ電極およびリング電極に直流電圧を印加してイオントラップ内部に加速電場を形成
する。このとき各電極電圧を接地電位から徐々に変化させることにより、加速電場の傾斜
を増加させる。電極電圧の徐々に変化することは、直流電源に備えられた電圧走査回路に
より行なう。電圧走査回路は最大電圧値(絶対値)および最大電圧値に到達するまでの時
間を設定することにより、任意の電圧走査を実現するものである。
一定の加速電場でイオンを射出する場合には、イオントラップから射出されたイオンの運
動エネルギーは一定である。射出されたイオンの速度vは、v=√(2・z/M・eV)で
決まる。ここでMはイオンの質量、Vはイオントラップ中心部の電位である。すなわち加
速電場を増加させた場合には、射出されたイオンの運動エネルギーはm/zが大きいほど
大きい。すなわちm/zが大きいほど上記速度式におけるVが大きい。加速電場の増加量
および増加速度を適切に設定することにより、1度に分析できる質量対電荷比範囲を拡大
すると同時に、検出器を小型化することができる。
FIG. 4 shows an example of an ion trap control method capable of reducing the ion velocity distribution.
After accumulating ions in the ion trap, the application of the high-frequency voltage is stopped, and then a DC voltage is applied to the two end cap electrodes and the ring electrode to form an accelerating electric field inside the ion trap. At this time, the gradient of the acceleration electric field is increased by gradually changing each electrode voltage from the ground potential. The gradual change of the electrode voltage is performed by a voltage scanning circuit provided in the DC power supply. The voltage scanning circuit realizes arbitrary voltage scanning by setting a maximum voltage value (absolute value) and a time required to reach the maximum voltage value.
When ions are ejected with a constant acceleration electric field, the kinetic energy of the ions ejected from the ion trap is constant. The velocity v of the ejected ions is determined by v = √ (2 · z / M · eV). Here, M is the mass of the ion, and V is the potential at the center of the ion trap. That is, when the acceleration electric field is increased, the kinetic energy of the ejected ions increases as m / z increases. That is, V in the velocity equation is larger as m / z is larger. By appropriately setting the increasing amount and increasing speed of the accelerating electric field, it is possible to expand the mass-to-charge ratio range that can be analyzed at one time, and at the same time to downsize the detector.

図5に、(a)加速電場を増加しない場合および(b)加速電場を適切に増加させた場
合におけるイオン軌道の模式図を示す。同様の効果は加速電場を段階的に増加することに
よっても実現できる。
FIG. 5 shows schematic diagrams of ion trajectories when (a) the acceleration electric field is not increased and (b) the acceleration electric field is appropriately increased. A similar effect can be realized by increasing the acceleration electric field stepwise.

図6は、加速電場をステップ状に変化させるイオントラップ制御方法を示す。ステップ
状に加速電場を増加する方法ではターンアラウンドタイムによるイオンの空間広がりを抑
えることができる利点がある。
FIG. 6 shows an ion trap control method in which the acceleration electric field is changed in steps. The method of increasing the accelerating electric field in a stepwise manner has the advantage that the spatial expansion of ions due to the turnaround time can be suppressed.

図7に、イオンの速度分布を縮小可能な装置構成と制御方法の一例を示す。イオントラ
ップ5と直交加速部18との間に電極65が配置されている。電極65は、通常はイオン
トラップ出口側との間に減速電場が形成されるような電位に設定されている。リング電極
へのRF電圧の印加を停止し、イオントラップ内部に加速電場を形成してイオントラップ
に蓄積したイオンを射出する。射出したイオンが減速電場を通過する最中に電極65の電
位を変化させ、図に示した様に(a)減速電場の傾斜を減少させる、(b)減速電場を消滅させ
る、あるいは(c)加速電場を形成する。減速電場の変化量および変化のタイミングを最適
化することにより図5に示した効果と同様の効果を実現できる。最適条件は定式化されて
計測ソフトウェアに書き込まれており、測定者は最低質量(または最高質量)を指定する
だけでよい。
FIG. 7 shows an example of an apparatus configuration and a control method that can reduce the velocity distribution of ions. An electrode 65 is disposed between the ion trap 5 and the orthogonal acceleration unit 18. The electrode 65 is normally set to a potential such that a decelerating electric field is formed between the electrode 65 and the ion trap outlet side. The application of the RF voltage to the ring electrode is stopped, an acceleration electric field is formed inside the ion trap, and ions accumulated in the ion trap are ejected. While the ejected ions pass through the deceleration electric field, the potential of the electrode 65 is changed, and as shown in the figure, (a) the inclination of the deceleration electric field is decreased, (b) the deceleration electric field is extinguished, or (c) Create an accelerating electric field. By optimizing the amount of change in the deceleration electric field and the timing of the change, the same effect as that shown in FIG. 5 can be realized. Optimal conditions are formulated and written into the measurement software, and the measurer only needs to specify the minimum mass (or maximum mass).

図8は、本方法による質量対電荷比範囲拡大効果に関する計算結果の一例を示す。電極
構成および電圧制御方法は図中(a)に示した通りである。イオントラップとしては平板
型を用い、空間収束位置を最適化するための多段加速法を用いている。多段加速部の出口
の後段に電極を配置し、多段加速部出口(接地電位)と電極との間に減速電場を形成し、
イオンが通過する途中のあるタイミングで電極を接地電位に変化して減速電場を消滅させ
た。図中(b)は本方法を用いた場合、(c)は本方法を用いない場合、すなわち電極が
常時接地電位である場合の計算結果である。各図の第一の縦軸は直交加速部に加速パルス
を印加するタイミングにおけるイオンの位置を示す。ここで位置0mmは加速部の入口、
位置50mmは加速部の出口に対応する。図から、本方法を用いる場合には、加速パルス
印加の時点でm/z500〜3100のイオンが加速領域に存在することがわかる。最高
質量と最低質量の比(Mmax/Mmin)は6.2である。一方、本方法を用いない場合には
加速領域に存在するイオンはm/z600〜1600であり、Mmax/Mmin=2.7であ
る。すなわちマスウィンドウは約2.3倍に拡大される。各図の第二の縦軸は直交加速部
におけるイオンの運動エネルギーを示す。本計算によって得られた位置および運動エネル
ギーを初期条件としたときのTOF部におけるイオン軌道を、イオン軌道解析ソフト「S
IMION」を用いて計算したところ、本方法を用いる場合には、検出器の検出面におけ
るイオンの空間分布は13mm以内に収まることがわかった。本方法を用いない場合の検
出面における空間分布は、前述したように加速領域の長さに等しく50mmであるので、
検出器を1/3程度に小型化できる。
FIG. 8 shows an example of the calculation result regarding the mass-to-charge ratio range expansion effect by the present method. The electrode configuration and voltage control method are as shown in FIG. A flat plate type is used as the ion trap, and a multistage acceleration method for optimizing the spatial convergence position is used. An electrode is arranged after the exit of the multistage acceleration section, and a deceleration electric field is formed between the multistage acceleration section exit (ground potential) and the electrode,
At some timing during the passage of ions, the electrode was changed to the ground potential to extinguish the deceleration electric field. In the figure, (b) shows the calculation result when this method is used, and (c) shows the calculation result when this method is not used, that is, when the electrode is always at the ground potential. The first vertical axis in each figure indicates the position of ions at the timing of applying an acceleration pulse to the orthogonal acceleration section. Here, the position 0 mm is the entrance of the acceleration part,
The position 50 mm corresponds to the exit of the acceleration part. From the figure, it can be seen that when this method is used, ions of m / z 500 to 3100 are present in the acceleration region at the time of application of the acceleration pulse. The ratio of maximum mass to minimum mass (Mmax / Mmin) is 6.2. On the other hand, when this method is not used, ions existing in the acceleration region are m / z 600 to 1600, and Mmax / Mmin = 2.7. That is, the mass window is enlarged by about 2.3 times. The second vertical axis in each figure represents the kinetic energy of ions in the orthogonal acceleration section. The ion trajectory in the TOF portion when the position and kinetic energy obtained by this calculation are used as initial conditions is represented by the ion trajectory analysis software “S
As a result of calculation using "IMION", it was found that when this method is used, the spatial distribution of ions on the detection surface of the detector is within 13 mm. As described above, the spatial distribution on the detection surface when this method is not used is equal to the length of the acceleration region and is 50 mm.
The detector can be downsized to about 1/3.

本方法の代案として、イオントラップ出口側エンドキャップと電極との間をイオンが通
過する最中に出口側エンドキャップ電極の電位を変化させる方法を用いても同様の効果を
得ることが可能である。あるいは出口側エンドキャップと電極の電位を両方変化させても
良い。要するに両電極間を飛行するイオンのうち先行するイオンと後続するイオンの運動
エネルギーの比が小さくなるように両電極間の電場を変化させればよい。ただし、イオン
ビームの広がりを低減するには、後続イオンを加速させるよりも先行イオンを減速させる
方法の方が好ましい。
As an alternative to this method, the same effect can be obtained by using a method in which the potential of the outlet end cap electrode is changed while ions pass between the ion trap outlet end cap and the electrode. . Or you may change both the electric potential of an exit side end cap and an electrode. In short, it is only necessary to change the electric field between the two electrodes so that the ratio of the kinetic energy of the preceding ions and the following ions among the ions flying between the two electrodes becomes small. However, in order to reduce the spread of the ion beam, a method of decelerating preceding ions is preferable to accelerating subsequent ions.

本方法は、リニアトラップ(2次元イオントラップ)を用いる直交加速型TOFMSに
おいても有効である。またイオンの速度分布を縮小する手段としては、電場以外に磁場を
用いることも可能である。
イオントラップからイオンを射出する手段として、イオン蓄積用のRF電圧の印加を停止
してからイオントラップ内部に加速電場を形成する方法を用いる。RF電圧を印加したま
まで加速電場を形成すると、イオントラップ内部でのイオンの空間分布、イオントラップ
内部でのイオンの運動エネルギー分布、および中性ガスとの衝突散乱に起因する加速領域
でのイオンの空間的分散が増大するが、本方法を用いればそのような増大効果を生じない
This method is also effective in an orthogonal acceleration type TOFMS using a linear trap (two-dimensional ion trap). As a means for reducing the velocity distribution of ions, a magnetic field can be used in addition to the electric field.
As a means for ejecting ions from the ion trap, a method of forming an accelerating electric field inside the ion trap after the application of the RF voltage for ion accumulation is stopped is used. When an accelerating electric field is formed with an RF voltage applied, ions in the acceleration region are caused by the spatial distribution of ions inside the ion trap, the kinetic energy distribution of ions inside the ion trap, and collisional scattering with neutral gas. However, if this method is used, such an increase effect is not produced.

イオントラップ内部でイオンはある程度の空間分布をもつため、上述したイオン射出手
段を設けた場合であっても、イオンの初期位置の違いによってイオンが射出される際の初
期電位が異なる。出口から遠い側のイオンは出口に近い側のイオンよりも遅れて射出され
るが、その速度は出口に近い側のイオンよりも大きいためにある位置でこれを追い越す。
この位置は空間収束位置と呼ばれる。イオントラップ出口から直交加速部までの間にイオ
ンの進行方向にイオンを加速するための電場を形成しておくことにより、良く知られた多
段加速の原理によって空間収束位置を調整することができる。この原理により空間収束位
置を最適化することにより、加速領域端部に存在するイオンの検出効率を向上することが
できる。
Since ions have a certain spatial distribution inside the ion trap, even if the ion ejection means described above is provided, the initial potential when ions are ejected differs depending on the difference in the initial positions of the ions. Ions far from the exit are ejected later than ions near the exit, but the velocity is greater than ions near the exit, so it overtakes it at some position.
This position is called a spatial convergence position. By forming an electric field for accelerating ions in the direction of ion travel from the ion trap outlet to the orthogonal acceleration part, the spatial convergence position can be adjusted by the well-known multistage acceleration principle. By optimizing the spatial convergence position based on this principle, it is possible to improve the detection efficiency of ions existing at the end of the acceleration region.

(実施例2)
図9は、本発明のセグメント方式による分析シーケンスの一例を示す。セグメント方式で
は分析したい質量対電荷比範囲を数度に分けて分析する。ここではMmax/Mmin=2の装
置を用いてm/z300〜3000までを分析する場合について例示した。この場合、全
質量対電荷比範囲を300〜600(マスウィンドウ1)、550〜1100(マスウィ
ンドウ2)、1000〜2000(マスウィンドウ3)、1600〜3200(マスウィ
ンドウ4)に分割する。マスウィンドウ端部における感度低下を考慮して各マスウィンド
ウの端部は適当な量だけ重ね合わされる。質量スペクトルをつなぎ合わせる際には、重畳
する質量領域については各ウィンドウのスペクトルのうちで強度の大きい方を採用する。
まずイオントラップにイオンを蓄積した後、イオントラップからイオンを射出し、加速パ
ルスを印加してマスウィンドウ1を分析する。引き続いて第二の加速パルスを印加してマ
スウィンドウ3を分析する。次に再度イオンを蓄積し、同様にしてマスウィンドウ2およ
び4を分析する。マスウィンドウの数がさらに増えた場合でも、1回のイオン蓄積で印加
する加速パルスの回数を増すことにより2回のイオン蓄積で全領域を分析することが可能
である。なお、測定者は分析したい質量対電荷比範囲を設定するだけでよく、マスウィン
ドウの設定と加速パルスのタイミングはソフトウェアにより自動計算される。
娘イオンピークが親イオンピークに重なる確率は低いため、MS/MS分析では親イオ
ンピーク近傍の領域を分析する必要性は少ない。またイオントラップでは親イオンの1/
3以下および3倍以上のm/zをもつ娘イオンはイオントラップに蓄積されない。そのた
め、Mmax/Mmin=3程度の装置を用いれば親イオンピークの近傍を除いた前後の2領域
を1度のイオン蓄積により分析すればよい。
(Example 2)
FIG. 9 shows an example of an analysis sequence according to the segment system of the present invention. In the segment method, the mass-to-charge ratio range to be analyzed is divided into several degrees. Here, the case of analyzing m / z 300 to 3000 using an apparatus of Mmax / Mmin = 2 is illustrated. In this case, the total mass-to-charge ratio range is divided into 300 to 600 (mass window 1), 550 to 1100 (mass window 2), 1000 to 2000 (mass window 3), and 1600 to 3200 (mass window 4). Considering the sensitivity reduction at the end of the mass window, the end of each mass window is overlapped by an appropriate amount. When the mass spectra are connected, the one with the higher intensity among the spectra of each window is adopted as the overlapping mass region.
First, ions are accumulated in the ion trap, ions are then ejected from the ion trap, and an acceleration pulse is applied to analyze the mass window 1. Subsequently, the mass window 3 is analyzed by applying a second acceleration pulse. Next, ions are accumulated again, and mass windows 2 and 4 are similarly analyzed. Even when the number of mass windows further increases, it is possible to analyze the entire region with two ion accumulations by increasing the number of acceleration pulses applied with one ion accumulation. The measurer only needs to set the mass-to-charge ratio range to be analyzed, and the setting of the mass window and the timing of the acceleration pulse are automatically calculated by software.
Since the probability that the daughter ion peak overlaps with the parent ion peak is low, there is little need to analyze the region in the vicinity of the parent ion peak in the MS / MS analysis. In the ion trap, 1 / of the parent ion.
Daughter ions having m / z of 3 or less and 3 or more times are not accumulated in the ion trap. Therefore, if an apparatus with Mmax / Mmin = 3 is used, two regions before and after the vicinity of the parent ion peak may be analyzed by one ion accumulation.

(実施例3)
図10は、本発明の、イオントラップ型質量分析計と直交加速型のイオントラップ結合
飛行時間型質量分析計とのハイブリッド装置の構成を示す。
本装置は、直交加速型イオントラップ結合飛行時間型質量分析計の装置構成中に、偏向電
極66および67および偏向電極によって偏向されたイオンを検出するための検出器68
を配置することにより構成される。イオントラップ型質量分析法では高周波電圧の振幅を
走査してm/zの小さいイオンから順にイオントラップから排出して検出することにより
質量スペクトルを取得する。本ハイブリッド装置では、偏向電極の2枚の電極間に電位差
を与えてから高周波電圧を走査し、排出されたイオンを偏向させて検出器に導く。2枚の
偏向電極のうちイオンが通過する側の電極はメッシュ状である。メッシュ状電極の替わり
に検出器の入射面との間に電位差を設けてイオンを偏向することもできる。この検出器は
直交加速部の後段に配置してもよい。この場合には偏向電極は不要であるため装置構成が
単純である。ただし途中にピンホールが存在するため感度が犠牲となる。
次に高周波電圧の振幅を適当な値に固定し、0〜10ms程度の間イオントラップに残さ
れたイオンを安定化し、その間に偏向電極の機能を停止した後、TOFMS分析する。本
方法では、Mmax/Mmin=2程度の装置であっても、例えばm/z100〜1500まで
をイオントラップ型質量分析法により分析し、m/z1500〜3000をTOFMSに
より分析することにより、1回のイオン蓄積で100〜3000までの広い領域を分析可
能である。イオン速度分布を縮小してマスウィンドウを拡大する方法との併用が可能であ
り、これによりより広い質量対電荷比範囲を高分解能測定できる。
ショットガン法を用いたプロテオーム解析では、娘イオンの価数を決定する際には質量分
解能が高いほど有利である。しかし親イオンを選定する場合には娘イオンの場合ほどの分
解能は必要でなく、むしろ検出感度のほうが重要である。また一般にMS測定よりもMS
/MS測定の方が高感度である。これは、MS/MS測定では目的とする親イオン専用に
イオン蓄積条件を設定できること、アイソレーションの過程で他のイオンやケミカルノイ
ズを大幅に低減できること、親イオンが分解して低分子量化することによりアイソトープ
ピークの数が減少して1本あたりのピーク強度が大きくなること、による。ITMSと直
交加速型IT−TOFMSとを比較すると、測定条件や装置構成によっては、ITMSの
ほうが高感度である場合がある。本ハイブリッド装置を用いれば、MSスペクトル測定に
はITMSを用い、MS/MSスペクトル測定にはTOFMSを用いることが可能である
。これにより親イオンの選定効率が向上し、結果的にタンパク同定効率が向上する。
(Example 3)
FIG. 10 shows a configuration of a hybrid apparatus of an ion trap mass spectrometer and an orthogonal acceleration ion trap coupled time-of-flight mass spectrometer according to the present invention.
The apparatus includes a deflection electrode 66 and 67 and a detector 68 for detecting ions deflected by the deflection electrode during the configuration of the orthogonal acceleration ion trap coupled time-of-flight mass spectrometer.
It is comprised by arranging. In the ion trap mass spectrometry, the mass spectrum is acquired by scanning the amplitude of the high-frequency voltage and discharging the ions from the ion trap in order from the smallest m / z. In this hybrid device, a potential difference is applied between the two electrodes of the deflection electrode, and then a high frequency voltage is scanned, and the ejected ions are deflected and guided to the detector. Of the two deflection electrodes, the electrode through which ions pass has a mesh shape. Instead of the mesh electrode, a potential difference can be provided between the incident surface of the detector and the ions can be deflected. This detector may be arranged after the orthogonal acceleration unit. In this case, since the deflection electrode is unnecessary, the apparatus configuration is simple. However, since a pinhole exists in the middle, sensitivity is sacrificed.
Next, the amplitude of the high-frequency voltage is fixed to an appropriate value, the ions remaining in the ion trap for about 0 to 10 ms are stabilized, and the function of the deflection electrode is stopped during that time, and then the TOFMS analysis is performed. In this method, even with an apparatus having Mmax / Mmin = 2, for example, m / z 100-1500 is analyzed by ion trap mass spectrometry, and m / z 1500-3000 is analyzed by TOFMS once. It is possible to analyze a wide region from 100 to 3000 by the ion accumulation. The method can be used in combination with a method of enlarging the mass window by reducing the ion velocity distribution, whereby a wider mass-to-charge ratio range can be measured with high resolution.
In proteomic analysis using the shotgun method, the higher the mass resolution, the more advantageous when determining the valence of daughter ions. However, when selecting a parent ion, resolution as high as that of a daughter ion is not necessary, but rather detection sensitivity is more important. In general, MS rather than MS measurement
/ MS measurement is more sensitive. This is because, in MS / MS measurement, ion accumulation conditions can be set only for the target parent ion, other ions and chemical noise can be greatly reduced during the isolation process, and the parent ion decomposes to lower the molecular weight. This reduces the number of isotope peaks and increases the peak intensity per line. When comparing ITMS and orthogonal acceleration type IT-TOFMS, ITMS may be more sensitive depending on measurement conditions and apparatus configuration. If this hybrid apparatus is used, it is possible to use ITMS for MS spectrum measurement and TOFMS for MS / MS spectrum measurement. As a result, the parent ion selection efficiency is improved, and as a result, the protein identification efficiency is improved.

(実施例4)
図11には、本発明の質量分析装置の更に別の構成例を示す。イオン源で生成されたイオ
ンは真空装置内部の第一の真空部3に配置された四重極イオントラップに導入される。イ
オンはイオントラップに捕捉され一定時間蓄積された後、イオントラップから射出される
。射出されたイオンはピンホールを通過して飛行時間測定部が配置された第二の真空部に
入射する。第二の真空部8には直交加速部が配置されており、ピンホールを通ったイオン
をイオントラップの軸方向(イオンが射出される方向)に対して直交する方向に加速する
ための電場を形成することができる。直交加速部には当初は電場は形成されておらず、検
出すべきイオンが直交加速部を通過する最中にパルス電圧を印加して加速電場を形成する
Example 4
FIG. 11 shows still another configuration example of the mass spectrometer of the present invention. Ions generated by the ion source are introduced into a quadrupole ion trap disposed in the first vacuum unit 3 inside the vacuum apparatus. Ions are trapped in the ion trap and accumulated for a certain time, and then ejected from the ion trap. The ejected ions pass through the pinhole and enter the second vacuum part where the time-of-flight measuring part is arranged. An orthogonal acceleration unit is disposed in the second vacuum unit 8, and an electric field for accelerating ions passing through the pinhole in a direction orthogonal to the axial direction of the ion trap (the direction in which ions are ejected) is provided. Can be formed. An electric field is not initially formed in the orthogonal acceleration portion, and an acceleration electric field is formed by applying a pulse voltage while ions to be detected pass through the orthogonal acceleration portion.

加速されたイオンが検出器に到達するまでの飛行時間からイオンのm/zが求められる
。イオントラップ内部にはイオンの捕捉効率を高める目的で中性ガス(ヘリウムまたはア
ルゴンなど)が導入されており、そのためイオントラップ内部の真空度は1mTorr程
度であり、第一の真空部のうちイオントラップ外部の真空度は10μTorr程度である。
第二の真空部と第一の真空部とは直径1〜2mm程度のピンホールのみを有する隔壁で隔
てられており、0.1μTorr程度の高真空である。加速部が0.1μTorr程度の高真空
部に配置されているため、加速途中あるいは加速されてから検出器に到達するまでの間に
中性ガスと衝突することは殆ど無く、従って高い質量分解能が実現される。
イオントラップから射出されたイオンは、イオンのm/zの小さい順に直交加速部に到達
するため、直交加速部にパルス電圧を印加する時点で加速部を通過中のイオンのみが検出
される。しかし、本装置では四重極イオントラップを用いてイオントラップ中心部の極め
て狭い領域(直径1mm程度以下と考えられる)にイオンを収束させることができるため
、同一m/zのイオンの直交加速部における軸方向に関する空間広がりは少なく、従って
検出すべきイオンの検出感度が高いという特徴がある。
The ion m / z is determined from the time of flight until the accelerated ions reach the detector. A neutral gas (such as helium or argon) is introduced into the ion trap for the purpose of increasing ion trapping efficiency. Therefore, the degree of vacuum inside the ion trap is about 1 mTorr, and the ion trap in the first vacuum part. The external vacuum is about 10 μTorr.
The second vacuum part and the first vacuum part are separated by a partition wall having only a pinhole having a diameter of about 1 to 2 mm, and is a high vacuum of about 0.1 μTorr. Since the acceleration part is located in a high vacuum part of about 0.1μTorr, there is almost no collision with the neutral gas during acceleration or until it reaches the detector after acceleration, thus realizing high mass resolution. Is done.
Since the ions ejected from the ion trap reach the orthogonal acceleration unit in ascending order of m / z of ions, only the ions passing through the acceleration unit are detected when a pulse voltage is applied to the orthogonal acceleration unit. However, in this device, quadrupole ion traps can be used to focus ions in a very narrow region (considered to be about 1 mm or less in diameter) at the center of the ion trap. There is a feature that there is little spatial expansion in the axial direction at, and therefore the detection sensitivity of ions to be detected is high.

(実施例5)
実施例1においては、イオントラップ内に設けたリング電極およびエンドキャップ電極に
印可する電圧の極性を交流から直流に切替えることによりイオンの速度分布を狭めたが、
同様の効果は、イオントラップの外部にイオンの速度分布を小さくする手段を設けても良
い。イオントラップの外部に一対の直流電源の接続された平行電極を設け、イオントラッ
プから射出されたイオンに対して直流電圧を印可することにより、イオンの速度分布が小
さく効果が得られる。
(Example 5)
In Example 1, the ion velocity distribution was narrowed by switching the polarity of the voltage applied to the ring electrode and end cap electrode provided in the ion trap from AC to DC.
For the same effect, a means for reducing the ion velocity distribution may be provided outside the ion trap. By providing a parallel electrode connected to a pair of DC power sources outside the ion trap and applying a DC voltage to the ions ejected from the ion trap, an effect of reducing the velocity distribution of ions can be obtained.

本発明の質量分析装置の構成。The structure of the mass spectrometer of this invention. 本発明の質量分析装置における電圧シーケンス。The voltage sequence in the mass spectrometer of this invention. 本発明に好適な平板型四重極イオントラップの構成図Configuration of a flat plate quadrupole ion trap suitable for the present invention イオンの速度分布を縮小可能な第一のイオントラップ制御方法。A first ion trap control method capable of reducing the velocity distribution of ions. イオンの速度分布縮小による質量対電荷比範囲拡大効果を示す模式図。The schematic diagram which shows the mass-to-charge ratio range expansion effect by speed distribution reduction of ion. イオンの速度分布を縮小可能な第二のイオントラップ制御方法。A second ion trap control method capable of reducing the ion velocity distribution. イオンの速度分布を縮小可能な電極構成と制御方法。Electrode configuration and control method capable of reducing ion velocity distribution. 質量対電荷比範囲拡大効果を示す計算結果。The calculation result which shows the mass to charge ratio range expansion effect. 本発明のセグメント方式の説明図。Explanatory drawing of the segment system of this invention. 本発明のハイブリッド装置の構成。The structure of the hybrid apparatus of this invention. 本発明の別の質量分析装置の構成。The structure of another mass spectrometer of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…イオン源、2…細孔、3…第1の真空部、4…ゲート電極、5…四重極イオントラッ
プ、6…ガス管、7…ピンホール、8…第2の真空部、9…加速電極、10…電極、11
…ドリフト空間12…リフレクトロン、13…検出器、14…制御部、15リング電極、
16、17…エンドキャップ電極、18…直交加速部、19…隔壁、21、24…エン
ドキャップ電極、22、23…リング電極、30、32…静電レンズ、41、43,44
…直流電源、42,45,47…交流電源、50、51、53…電源、48、49、52
…スイッチ、60…液体クロマトグラフ、61…データベース、62…制御部、65…電
極、66、67…偏向電極、68…検出器。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Ion source, 2 ... Fine hole, 3 ... 1st vacuum part, 4 ... Gate electrode, 5 ... Quadrupole ion trap, 6 ... Gas pipe, 7 ... Pinhole, 8 ... 2nd vacuum part, 9 ... acceleration electrode, 10 ... electrode, 11
... Drift space 12 ... Reflectron, 13 ... Detector, 14 ... Control part, 15 ring electrode,
16, 17 ... End cap electrode, 18 ... Orthogonal acceleration part, 19 ... Partition, 21, 24 ... End cap electrode, 22, 23 ... Ring electrode, 30, 32 ... Electrostatic lens, 41, 43, 44
... DC power supply, 42, 45, 47 ... AC power supply, 50, 51, 53 ... Power supply, 48, 49, 52
... switch, 60 ... liquid chromatograph, 61 ... database, 62 ... control unit, 65 ... electrode, 66, 67 ... deflection electrode, 68 ... detector.

Claims (8)

イオン源と、
前記イオン源で生成されたイオンを蓄積し射出するイオントラップと、
前記イオントラップから射出されたイオンを前記射出された方向に対して横方向に加速する加速手段と、
前記加速手段により加速されたイオンを検出する第1の検出器と、
前記イオントラップに印加されるRF電圧の振幅を掃引することにより前記イオントラップに蓄積されたイオンの一部を質量対電荷比の小さい順に排出するための質量走査手段と、
前記質量走査手段によりイオントラップから排出されたイオンを検出する第2の検出器とを備えることを特徴とする質量分析装置。
An ion source;
An ion trap for accumulating and ejecting ions generated by the ion source;
Accelerating means for accelerating ions ejected from the ion trap in a direction transverse to the ejected direction;
A first detector for detecting ions accelerated by the acceleration means;
A mass scanning means for discharging a part of the ions accumulated in the ion trap in ascending order of mass-to-charge ratio by sweeping the amplitude of the RF voltage applied to the ion trap;
And a second detector for detecting ions ejected from the ion trap by the mass scanning means.
請求項1に記載の質量分析装置において、前記イオントラップから排出されたイオンを前記第2の検出器に導入するイオンの軌道偏向手段を備えたことを特徴とする質量分析装置。   2. The mass spectrometer according to claim 1, further comprising orbital deflecting means for introducing ions discharged from the ion trap into the second detector. イオン源と、
前記イオン源で生成されたイオンを蓄積し射出するイオントラップと、
前記イオントラップから射出されたイオンを前記射出された方向に対して横方向に加速する加速手段と、
前記加速手段により加速されたイオンを検出する検出器と、
前記イオントラップからのイオンの射出のタイミングを制御するタイミング制御手段と、
前記加速手段と前記タイミング制御手段とを連携させる連携制御手段とを有し、
前記連携制御手段は、イオンの射出を開始するタイミングと前記加速手段による加速動作を開始するタイミングとの間の時間を、測定すべきイオンの質量対電荷比の範囲に応じて定めることを特徴とする質量分析装置。
An ion source;
An ion trap for accumulating and ejecting ions generated by the ion source;
Accelerating means for accelerating ions ejected from the ion trap in a direction transverse to the ejected direction;
A detector for detecting ions accelerated by the acceleration means;
Timing control means for controlling the timing of ion ejection from the ion trap;
Linkage control means for linking the acceleration means and the timing control means;
The cooperative control means determines the time between the timing of starting the ejection of ions and the timing of starting the acceleration operation by the acceleration means according to the range of the mass-to-charge ratio of the ions to be measured, Mass spectrometer.
請求項3に記載の質量分析装置において、前記連携制御手段は、複数の質量対電荷比領域を分析するために、イオンの射出を開始するタイミングと前記加速手段により加速動作を開始するタイミングとの間の時間を順次変化させることを特徴とする質量分析装置。   4. The mass spectrometer according to claim 3, wherein the cooperative control means includes a timing for starting ion ejection and a timing for starting an acceleration operation by the acceleration means in order to analyze a plurality of mass-to-charge ratio regions. A mass spectrometer characterized by sequentially changing the time between them. 請求項3に記載の質量分析装置において、イオンの射出を開始してから前記加速動作を複数回繰り返すことにより複数の質量対電荷比領域を分析する質量分析装置であって、イオンの射出と分析を繰り返し行い、1回又は有限回のイオンの射出ごとに前記複数回の加速動作のタイミングが異なることを特徴とする質量分析装置。   4. The mass spectrometer according to claim 3, wherein a plurality of mass-to-charge ratio regions are analyzed by repeating the acceleration operation a plurality of times after ion ejection is started, wherein the ion ejection and analysis are performed. The mass spectrometer is characterized in that the timing of the plurality of acceleration operations is different every time one or a limited number of ions are ejected. 請求項3に記載の質量分析装置において、前記連携制御手段は、イオンの射出を開始するタイミングと前記加速動作を開始するタイミングとの間の時間を、前記加速動作を行う毎に検出されるイオンの質量対電荷比領域が互いに部分的に重なり合うように定めることを特徴とする質量分析装置。   4. The mass spectrometer according to claim 3, wherein the cooperation control unit detects a time between a timing at which ion ejection is started and a timing at which the acceleration operation is started every time the acceleration operation is performed. The mass spectrometer is characterized in that the mass-to-charge ratio regions are partially overlapped with each other. 請求項1乃至6のいずれかに記載の質量分析装置と、液体クロマトグラフとを備えたことを特徴とする計測システム。   A measurement system comprising the mass spectrometer according to any one of claims 1 to 6 and a liquid chromatograph. 請求項1乃至6のいずれかに記載の質量分析装置と、データベースとを備えたことを特徴とするプロテオーム解析システム。   A proteome analysis system comprising the mass spectrometer according to any one of claims 1 to 6 and a database.
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