JP2008502097A - イオントラップ質量分析器 - Google Patents

Abstract

イオントラップ質量分析器は、壁部、長軸及び内部空間を有した長形トンネルを含んでいる。壁部は基板と導電トレースパターンとを含んでいる。導電トレースパターンに接続され、電位を提供する可変電位手段も提供されている。導電トレースパターンと可変電位手段はトンネルの内部空間に可変電界を提供し、イオンを伝送、保存及び分析させる。

Description

本発明はイオントラップ質量分析器に関する。さらに限定すれば、プリント回路ボードを使用して製造されるイオントラップ質量分析器に関する。

四重極電界は様々な種類の四重極イオン光学機器で発生できる。ＲＦ電圧で駆動されるそれら四重極イオン光学機器は、異なる目的、例えば、イオン伝送のためのイオンガイド、質量分析あるいはイオン選択のための四重極質量フィルター及びイオンの保存と分析のためのイオントラップに使用される。

これら装置の間では、四重極質量フィルターはその性能を発揮するには通常において高真空度を必要とするが、イオンガイドとイオントラップは低真空度で機能する。イオントラップ質量分析計はイオンガイドとイオントラップを組み合わせ、それらをイオン源にカップリングさせることで提供される。ＭＳ−ＭＳとしても知られるタンデム質量分析計は２つの質量分析計をそれらの間で衝突セルとタンデム式に組み合わせて提供される。タンデム質量分析計は複雑な分子の構造を解明する機会を提供し、分析化学の分野でますます多くの新規な適用法を発見している。

従来のイオントラップ質量分析計は高精度の機械装置であり、マシン加工された双曲線状面を含んでいる。そのような装置の製造組立ては非常にコストがかかる。なぜなら、双曲線状面に高精度が求められるために生産効率が低下するからである。高圧イオンガイドはそれほどの精度を必要としないが、分析装置としては利用できない。イオントラップ式質量選択放出操作モードの実用化以来、不完全なイオントラップ電極構造でも良好な分析結果の達成のために利用できること認識されてきた。例えば、延長されたイオントラップは良好な信号強度及び高質量解析を提供する。さらに、低生産コストとするため、複雑な回転式双極線形態とする代わりに、イオントラップの構築ではさらに単純な円筒形態が考案された。この低コストイオントラップは、例えばシリンダーの内径及び注入/放出開口部の内径並びにエンドプレート間の間隔等、重要な寸法の比の適切な決定により１０００以上の質量分解能を達成できる。

立体イオントラップ分析計の１つの弱点はその小荷電性能である。多数のイオン（１０⁶以上）がトラップに保存されるとき、トラップ内の空間電荷はその分析性能を台無しにするであろう。近年、空間電荷限界に到達する前に線形イオントラップが立体イオントラップよりも少なくとも１０倍のイオンを保持できることが分かってきた。ジェイ・シュワルツにより２００３年２月３日に出願された米国特許出願公開ＵＳ２００３/０１８３７５９Ａ１で開示されているもののごとき線形イオントラップ形態はますます注目されており、商業化も実現している。図１で図示するような従来の線形イオントラップの構造は３分割式四重極質量分析器に類似する。この分析器では前方分割部分と後方分割部分は中央分割部分のＤＣ電位よりも高いＤＣ電位で維持される。四重極の安定条件を満たすイオン（この場合は正イオン）は、トラップの長軸に沿ったＤＣ電界と、その長軸に垂直な方向のＲＦトラップ電界とで閉じ込められる。質量分析はそのようなトラップ条件で提供される。

しかし、線形イオントラップの製造は困難である。分割ロッドのマシン加工と全ロッドの精密な並列整合並びに対称整合は製造コストを押し上げてきた。

中国特許ＣＮ８５１０２２７４は四重極レンズ構造を開示する。そこでは、境界に沿って連続変動電位を発生させるために正方形状の境界が抵抗材料により製造されている。理論的には、この方法はレンズ構造物内に理想的な四重極電界を発生させる。しかし、実際には高熱安定性を備えた高抵抗コーティングを得ることは困難である。高周波の高電圧がその抵抗材料に印加されると、電力消散は温度上昇をもたらす。その結果、装置のインピーダンスが変動する。これでＲＦ発生器の同調が外れる。四重極電界を駆動するスイッチ回路はＰＣＴ/ＧＢ００/０３９６４（ディン他；２０００年１０月１６日出願）で教示するようにこの問題の回避のために使用できるが、不均等な温度上昇はイオン光学構造内の四重極電界分布を変更することがあり、分析性能は失われたままになることがある。

質量分析計の製造のために使用する新規な物質の求められている。２００１年１１月１３日にアラン・ロックウッド他に付与された米国特許６３１６７６８はプリント回路板（ＰＣＢ）材料で構成された飛行時間式（ＴＯＦ）質量分析計を開示する。この特許では、ＰＣＢを使用してＲＦ多重極イオンガイドを提供し、軸電圧勾配が存在できるようにＰＣＢ上のトレースが提供される。しかし、開示されたＰＣＢ構造はイオントラップとしては使えない。なぜなら、軸に沿って構造物からのイオンの逃避を阻止する手段が提供されないからである。さらに、トレース形状により誘起された八重極電界量が質量分析に好都合なトラップ電界の形成を妨害するからである。

よって、本発明の１目的は、良好な質量分析を提供する低コストイオントラップ質量分析器を製造する技術の提供である。本発明の別目的は、イオン導入と質量分析をするために光学機器を組み合わせ、装置質量分析精度を保ちつつ製造が簡単な光学機器を提供することである。本発明のさらに別な目的は、製造コストを低く抑えながら、イオントラップを並列に組み合わせることで高感度並びに高効率なイオントラップ式質量分析計を提供することである。

本発明の１特徴によれば、長形トンネルを含んだイオントラップ質量分析器が提供される。この長形トンネルは壁部を含んでおり、長軸と内部空間を有している。壁部は基板と導電トレースパターンを含んでいる。導電トレースパターンに接続され、電位を提供する可変電位手段も含まれている。導電トレースパターンと可変電位手段は、イオンの伝送、保存及び分析のため、トンネルの内部空間内に可変電界を提供する。

本発明の別な特徴によれば、上述のイオントラップ質量分析器はイオン伝送セクションとイオントラップ・分析セクションとを有しており、イオンはイオン伝送セクションからイオントラップ・分析セクション内に噴射される。

本発明の別な特徴によれば、複数のイオントラップ・分析セクションを含んだイオントラップ質量分析器が提供される。それぞれのイオントラップ・分析セクションは長形トンネルを有している。長形トンネルは壁部を含み、長軸と内部空間とを有している。壁部は基板と導電トレースパターンとを含んでいる。それぞれのイオントラップ・分析セクションはイオントラップ・分析セクションのそれぞれに隣接して沿うように延びる。可変電位手段も提供され、イオントラップ・分析セクションのそれぞれの導電トレースパターンに接続された電位を提供する。

本発明の別な特徴によれば、複数のイオントラップ・分析セクションを有したイオントラップ質量分析器を使用したタンデム式質量分析法が提供される。それぞれのイオントラップ・分析セクションは長形トンネルを含み、壁部、長軸及び内部空間を有している。壁部は基板と導電トレースパターンとを含んでいる。それぞれのイオントラップ・分析セクションはそれぞれに隣接するイオントラップ・分析セクションに沿って延びる。この方法は高周波電圧を導電トレースパターンに印加し、それぞれのイオントラップ・分析セクションで四重極電界をトラップするステップと、第１のイオントラップ・分析セクションにイオンを提供するステップと、バッファガスを用いて第１のイオントラップ・分析セクションのイオンを冷却するステップと、第１のイオントラップ・分析セクションの導電トレースパターンに励起電圧を印加し、共鳴放出手段によって選択プレカーサイオンを第１のイオントラップ・分析セクションに隣接する第２のイオントラップ・分析セクションに放出するステップと、第２のイオントラップ・分析セクションのプレカーサイオンを細分するステップと、第２のイオントラップ・分析セクションから分裂したイオンを集めて放出するステップとを含んでいる。

本発明の別な特徴によれば、イオントラップ質量分析器の製造方法が提供される。この方法は、トレースパターンを有した多層プリント回路ボード製造するステップと、プリント回路ボードを使用して多角トンネルを形成するステップと、プリント回路ボードを多角トンネル内の金属板と接着させるステップとを含んでいる。プリント回路ボードのトンネル側のトレースパターンは、適した電圧がトレースに印加されると、イオンの伝送、保存及び分析に必要な電界を多角トンネル内に発生させるようにデザインされている。

図２と図３で示すイオントラップ質量分析器２０は壁部２４のオリフィス２２を通って延びる。壁部２４は真空チャンバ２６と２８とを分離する。真空チャンバ２６と２８は異なる環境圧に維持されている。イオントラップ質量分析器２０は長形で管状の構造体２７と検出器３１とを有している。

長形構造体２７は壁部２５を有し、壁部２５は絶縁基板を有している。他の実施例では壁部２５は他タイプの基板、例えば半導体基板を含むことができる。この実施例では壁部２５は４体の長形プリント回路ボード（ＰＣＢ）１５、１７、１９、２１を含んでいる。それらは図３において最良に図示されている。ＰＣＢ１５、１７、１９、２１は長軸に沿って並べられ、それぞれは実質的にそれぞれの隣接ＰＣＢに対して垂直に配置されている。従って、長形構造体２７は長軸６３と箱型内部空間とを有したトンネル２９の形態である。

図２に図示するように、第１、第２及び第３金属プレート３２、３３、３５がトンネル２９をイオンガイドセクション３４とイオントラップ・分析セクション３６に分離しており、ＰＣＢ１５、１７、１９、２１を共に拘束する機能を果たす。金属プレート３２、３３、３５はそれぞれ中央オリフィス３７を有する。イオンガイドセクション３４はイオン源（図示せず）からイオンを受領する。イオン源は通常は高環境圧下に置かれ、イオンをイオントラップ・分析セクション３６にガイドする。イオントラップ・分析セクション３６は通常は低環境圧を必要とし、時にはイオンガイドセクション３４とは異なる含有ガスを必要とする。セクション３４と３６の間の第２金属プレート３３も、環境圧差あるいはセクション３４と３６の間の含有ガス差で引き起こされる侵入ガス流を制限するように機能する。

それぞれの真空チャンバ２６と２８は自身のポンプ手段（図示せず）を有している。好適には真空チャンバ２８は検出器３１の必要性のために環境圧を約１０^-5ミリバールに維持する。検出器は普通、電子増倍器を含む。イオンガイドセクション３４とイオントラップ・分析セクション３６の環境圧は、それぞれの真空チャンバ２６と２８のポンプ手段のポンプ速度、金属プレート３２、３３、３５のオリフィス３７の径、及び、ＰＣＢ１５、１７、１９、２１に切り込まれたスリットまたは穴部３８で提供される開口部により決定される。この詳細を後述する。

図２で示すイオントラップ質量分析器２０は異なる環境圧の２つの真空チャンバ２６と２８との間でだけ延びる。他の実施例ではイオントラップ質量分析器２０は３以上の真空チャンバを通過して延びることができる。各チャンバは対応するポンプ手段で維持される独自の環境圧を有するであろう。イオン源の環境圧がイオントラップ・分析セクション３６の環境圧よりも大幅に高いとき（例えば大気圧まで）、イオン源とイオントラップ・分析セクション３６の間にはいくつかのチャンバが存在するであろう。これらの別実施例ではチャンバはそれぞれの壁部で分離されている。イオントラップ質量分析器のＰＣＢはそれら全部のチャンバと壁部を通過して延び、対応する金属プレートはイオントラップ質量分析器をセクションに分割し、それぞれの壁部でそれらセクションのそれぞれ間に圧力を提供する。

図３に示すそれぞれのＰＣＢ１５、１７、１９、２１は外面４０と内面４２をＰＣＢ１７に関して示すように有している。外面４０は外側金属層を有しており、そこから外側導電トレースパターン４４が形成される。内面４２は内側金属層を有しており、そこから内側導電トレースパターン４６が形成される。ＰＣＢ製造の標準印刷・エッチングプロセスはこれら外側と内側のトレースパターン４４、４６の形成に利用できる。

内側トレースパターン４６はパターン化されて、トンネル２９内に必要な電界を形成する。そこで内側トレースパターン４６には所定の電圧が印加される。外側トレースパターン４４は、電子信号の伝達と、外面４０に搭載された電気コンポーネントの相互接続に使用される。これら電気コンポーネントは電圧分割と電圧源の信号カプリングを提供し、イオントラップ質量分析器と真空チャンバ２６、２８の外部のＤＣ・ＡＣ電圧源の間に必要であるリード線の数を最少にする。この点に関して詳細を後述する。内面トレースパターン４６はバイアホールによって外側トレースパターン４４に電気的に接続される。このバイアはメッキされたバイアスまたは充填されたバイアスでよい。

本発明の他の実施例では、ＰＣＢ１５、１７、１８、２１は複数のメッキ層と、対応する複数のトレースパターンを有した多層ＰＣＢでよい。

それぞれの金属プレート３２、３３、３５は図３で示すような８つの突起５０を有している。それぞれの突起５０は内面４２から外面４０にＰＣＢ１５、１７、１９、２１のそれぞれ対応する穴５２を通過して延び出る。その後に突起５０はハンダ部５４で外側トレースパターン４４の選択されたものにハンダ付けされる。突起５０は金属プレート３２、３、３５をＰＣＢ１５、１７、１９、２１に固定させるのに利用される。

ＰＣＢ１５、１７、１９、２１の１つの内側トレースパターン４６を図４で詳細に示す。他の実施例では異なるトレースパターンが使用可能である。それぞれのＰＣＢ１５、１７、１９、２１はイオンガイドセクション３４とイオントラップ・分析セクション３６の両方の一部を形成する。内側トレースパターン４６はそれぞれ、金属プレート３２、３３、３５の突起５０を受領する２つの穴５２を有した３つの帯体５６を有している。

イオンガイドセクション３４では内側トレースパターン４６は互いに電気的に絶縁された３つの帯体領域５５、５７、５９を含んでいる。それぞれの帯体領域５５、５７、５９は、中央列の帯体５８と側列ペアの帯体６１を含んだ３つの対応する帯体列を有している。それらも電気的に互いに絶縁されている。高周波電圧が中央列帯体５８に印加され、側列帯体６１が接地されると、４重極電界が形成され、１２重極電界のごときさらに多い重極電界と混合される。この電界はイオンガイドセクション３４を移動するイオンを焦点させる。そこでは外気との衝突は回避不能である。ＤＣ電圧バイアスはそれぞれの帯体領域５５、５７、５９に印加され、イオンがイオンガイドセクション３を通過し、イオントラップ・分析セクション３６に進入するのを助ける。ＤＣ電圧バイアスは、イオントラップ・分析セクション３６への放出前のイオンの蓄積にも使用できる。あるいは、衝突による分裂を引き起こすためにトンネル２９の長軸６３に沿って所定の方向にイオンを加速させるために利用可能である。他の実施例では、イオンガイドセクション３４の内側トレースパターン４６は帯体の３つ以上の領域５５、５７、５９を含むことができる。各帯体領域は同じ高周波電圧分布ではあるが異なるＤＣバイアスを有するであろう。

イオントラップ・分析セクション３６で、内側トレースパターン４６は互いに電気的に絶縁されたゲート領域６０、トラップ領域６２、及びストップ領域６４を含む。それぞれの領域６０、６２、６４は、互いに電気的に絶縁された中央列帯体６６、内側列帯体ペア６８及び側列帯体ペア７０を含んだ対応する５つの帯列を有する。帯体６６、６８または７０の各列の帯体は同一高周波電圧に電気的に接続されている。中央列帯体６６は高周波電圧の最高値でバイアスされている。側列ペア帯体７０は高周波電圧の最低値またはゼロ高周波電圧でバイアスされている。

高周波電圧に加えて、それぞれの領域６０、６２、６４はそれぞれに印加されたＤＣ電圧バイアスを有する。それぞれの領域６０、６２、６４に対して帯体の列６６、６８、７０は同じ印加ＤＣ電圧バイアスを有する。ゲート領域とストップ領域６０、６４に印加されたＤＣ電圧バイアスはトラップ領域６２に印加されたＤＣバイアスよりも通常は高く、イオントラップ・分析セクション３６内に長軸６３と実質的平行なＤＣ電位井戸を創出する。ゲート領域６０のＤＣ電圧バイアスは、イオンガイドセクション３４（開ゲート）からイオンを進入させるように減少でき、セクション３４から入るイオンあるいはセクション３４（閉ゲート）に戻るようにセクション３６から逃避するのを防止するように増加させることができる。図５はイオンガイドセクションの帯体領域５５、５７、５９から領域６０、６２、６４に印加されたＤＣ電圧で引き起こされたトンネル２９の長軸６３に沿ったＤＣ電位を示す。実線はゲート閉鎖形態を示し、破線はゲート開放形態時のゲート領域６０のＤＣ電位を示す。

図６で示す電圧分布ネットワークはＰＣＢ１５の外面４０に提供されている。それぞれのＰＣＢ１７、１９、２１も同様な構造を有している。電圧分布ネットワークはＲＣネットワーク７２である。これは高周波電圧とＤＣ電圧バイアスを、イオントラップ・分析セクション３６の外側及び内側トレースパターン４４、４６に分配するように作用する。ＲＣネットワークは外面４０上に提供されたキャパシタ７４とレジスタ７６を含んでいる。図６の円は外側トレースパターン４４から内側トレースパターン４４に電気的に信号をカップリングするバイアス７８を表す。高周波ＡＣ電源８０は高周波電圧を提供し、３つのＤＣ電源８２a、８２b、８２cは、ゲート領域６０、トラップ領域６２及びストップ領域６４それぞれのためのゲートバイアス、トラップバイアス及びストップバイアスを表す電圧レベルＶ_G、Ｖ_T、Ｖ_Sを提供する。高周波ＡＣ電源８０、３つのＤＣ電源８２a、８２b、８２c及び電圧分布ネットワーク（例えば、ＲＣネットワーク７２）は可変電位を内側トレースパターン４６に提供する。

ＲＣネットワーク７２は高周波電圧勾配が横軸６５に沿って発生するように接続される（図２参照）。これはトンネル２９の長軸６３と垂直である。また、ゲート領域６０、トラップ領域６２及びストップ領域６４がそれぞれＤＣ電圧バイアスを有するように接続される。トンネル２９のイオントラップ・分析セクション３６には高周波電界がトンネル２９の長軸６３と垂直に方向に存在する。電界は長軸６３に沿って均等に分布される。トンネル２９のイオントラップ・分析セクション３６の内側の高周波電界は、電圧分割レジスタ７６を適正に選択することで平面四重極電界にすることができる。平面四重極電界はイオンをトンネル２９の長軸６３からの放射線に沿って閉じ込める（放射方向閉込）。同時に、長軸６３に実質的に平行なＤＣ電界も存在し、イオンがイオントラップ・分析セクション３６の両端から逃避するのを防止する（軸方向閉込）。

イオントラップ・分析セクション３６に理想的な四重極電界を形成する目的は、必ずしも最良の分析性能を提供することではない。本発明は純粋な四重極電界を提供しない。従って、電界は高次の複重極電界を意図的に追加し、電界誤差を補整するように調整される。電界調整を実行するため、調整式レジスタ７７が使用され、レジスタ７６の電圧分配比を調整する。調整式レジスタは真空チャンバ２８の外部に配置されるが、他の実施例ではそうでなくてもよい。調整式レジスタ７７はレジスタ７６に、真空チャンバの外側に位置する調整式レジスタ７７とレジスタ７６との間を延びるリード線によって直列または並列に接続される。調整式レジスタ７７は製造後のイオントラップ・分析セクション３６の性能を最良化する。従って、ＰＣＢ１５、１７、１９、２１の製造に要求される精度は通常のイオントラップ質量分析器に較べて緩和される。電界誤差を補整するために調整式レジスタ７７を使うことは必ずしも必要ではない。

イオンガイドセクション３４は電圧分布ネットワーク（図示せず）も有している。これはＲＣネットワーク７２に類似し、高次の複重極を導入することで電界を改質するために調整式レジスを含むこともできる。電圧分布ネットワークのコンポーネントであるレジスタ７６とキャパシタ７４は好適には表面搭載型コンポーネントであり、これらコンポーネントの一部はＰＣＢ１５、１７、１９、２１の外面４０に直接的に搭載できる。

図２から図７にかけて示すイオントラップ質量分析器２０の操作をイオンの質量分析法を説明することでさらに詳細に解説する。イオントラップ質量分析器２０の外部のイオン源で発生したイオンは、第１金属プレート３２のオリフィス３７を通じて分析器２０のイオンガイドセクション３４に引き付けられる。イオンガイドセクション３４の内側トレースパターン４６に印加された高周波電圧の強度と周波数を制御することで、質量と電荷の比の範囲内のイオンは安定した振動軌道で伝送される。イオンガイドセクション３４の高環境圧のため、イオンの運動エネルギーは周りのガス分子との衝突で徐々に失われ、振動強度（振幅）は徐々に減少する。帯体領域５５、５７、５９に印加されるＤＣ電圧バイアスはイオンガイドセクション３４を通ってトンネル２９の長軸６３に沿ってＤＣ電力勾配を発生させる。これでイオンの軸方向速度が維持され、イオンは軸に沿ってイオントラップ・分析セクション３６の方向に移動する。

イオン導入期間中、イオントラップ・分析セクション３６のゲート領域６０の内側トレースパターン４６のＤＣ電圧バイアスは降下し、電位レベルがイオンガイドセクション３４に類似する（図４参照、図５の破線）。イオンは第２金属プレート３３のオリフィス３７を通過する。これはゲート領域６０と同じ電位である。さらにイオントラップ・分析セクション３６のゲート領域６０を通過し、イオントラップ・分析セクション３６のストップ領域６４の内側トレースパターン４６に印加されるＤＣ電圧バイアスによって発生する電位で妨害されるまで前進する。イオントラップ・分析セクション３６の内側トレースパターン４６に印加される高周波電圧は質量と電荷の比の範囲内でイオンの安定性を維持するようにセットされる。

導入期間後、イオントラップ・分析セクション３６のゲート領域６０の内側トレースパターン４６に印加されるＤＣ電圧バイアスは上昇され、電位井戸がトンネル２９の長軸６３に沿ってゲート領域６０とストップ領域６４の間で創出される。これで、さらなるイオンのイオントラップ・分析セクション３６への出入りが妨害される。イオンがイオントラップ・分析セクション３６に存在する間、イオンはゲート領域６０とストップ領域６４の間の電位井戸内で前後に移動し、ＲＣネットワーク７２に印加される高周波電圧によって創出される四重極電界によって放射方向に規制される。イオンは衝突によって徐々にエネルギーを失う。冷却されたイオンはイオントラップ・分析セクション３６のトンネル２９の中央長軸６３周囲に集まり、トラップセクション６２の内側トレースパターン４６より少々短い距離で軸方向に分布する。

続いて、トラップ電圧とも呼称される高周波電圧は高周波ＡＣ電源８０を制御することでスキャニングされる。このスキャニングは強度（振幅）スキャニングでよく、電源８０の振幅は時間の経過によって変動するが、その周波数は一定に保たれる。あるいはスキャニングは周波数スキャニングでよく、振幅が一定に保たれるが周波数は時間の経過で変動する。どちらの場合であても、当初は安定状態であるイオンは不安定になり、イオントラップ・分析セクション３６から放出される。放出されたイオンの一部はＰＣＢ１５、１７、１９、２１の１つのスリット３８を通過し、イオントラップ・分析セクション３６の側部に搭載された検出器３１で検出される。イオンがスリット３８と検出器３１の方向に確実に放出されるように、印加された四重極電界は小ＤＣコンポーネントを含む。その結果、まずスリット３８の方向で不安定となり、スリット３８の方向でイオンの振幅を増大させる。小ＤＣコンポーネントは様々な方法で追加できる。イオン不安定性を制御する原理は「四重極イオントラップ質量分析の特徴」のごとき本で教示されている。図７で示すその１方法は、高周波ＡＣ電源８０の１相に直列に接続された２つの制御可能なＤＣ源９０を使用する。

イオン放出に利用される別な方法は共鳴放出である。イオントラップ・分析セクション３６で共鳴放出モードを達成する汎用回路トポロジーは図７に図示されている。電圧分布ネットワーク、すなわち、ＲＣネットワーク７２の全コンポーネントが図７で示されているわけではない。ＡＣ電圧電源９２は補助的四重極電界駆動を提供するのに使用される。ＡＣ電源９２の励起電圧は、励起電圧をトランスフォーマ９４を介してカップリングすることで左右のＰＣＢ１７、２１にそれぞれ差動的にカップリングされる。そのようなアレンジで、トラップ四重極電界と双極励起電界の両方がイオントラップ・分析セクション３６で発生可能になる。イオントラップ・分析セクション３６のイオンの動きは、共鳴条件がマッチすると励起できる。共鳴励起の理論はよく確立されている。高周波電源８０と９２がスキャニングされると、イオンはスリット３８から放出され、質量と電荷の比で検出される。その結果、質量スペクトルが得られる。

共鳴効果は、タンデム式ＭＳがイオントラップ・分析セクション３６で得られるようにペアレントイオンの選択及び分離にも利用できる。ペアレントイオン隔離（全部の不都合なイオンを放出）のメカニズムとＣＩＤの質量選択活性化は従来のイオントラップ質量分析形のものと同じでよい。

高周波電源８０の波形は必ずしも正弦波である必要はない。これは通常はＲＦ共鳴器で発生される。イオントラップ質量分析器２０は切り替え電源用として利用できる。すなわち平方波形を採用できる。そのような場合、ＰＣＢ１５、１７、１９、２１の材料の誘電性能はＲＣネットワーク７２、すなわち電圧分布ネットワークにほとんど影響を及ぼさない。なぜなら、操作中に高度にチューニングされたＬＣ共鳴器は存在しないからである。ＲＣネットワーク７２のチューニングの問題がなければ、イオントラップ・分析セクション３６の電圧分布ネットワークのパラメータとコンポーネントの選択は単純化される。

図８に示すのは共鳴放出のシミュレーションである。このシミュレーションではイオントラップ・分析セクション３６（図２）はＰＣＢ１５、１７、１９、２１で形成されたトラップ体積物体１０ｍｘ１０ｍｍ²を有する。それぞれのＰＣＢは中央列帯体６６、内側列帯体ペア６８及び側列帯体ペア７０を含んだ５列の帯体を有している。隣接するＰＣＢの側列帯体７０は電気的に連結され、接地されている。イオントラップ・分析セクション３６のトラップ物体２０の電極で囲まれているが、実際的には１６の電極である。なぜなら、隣接する側列帯体７０は電気的に連結されており、電極は部分的に四重極トラップ電界と双極励起電界を形成するからである。各ＰＣＢ１５、１７、１９、２１の中央列帯体６６は５００ボルトの正方波形に荷電されている。８つの内側列帯体６８は中央列帯体６６の電圧値の７２％から８０％に荷電されている。可変比はＲＣネットワーク７２で調整式レジスタ７７と関連する調整を表す。四重極電界のために高周波電源８０が４６０ｋＨｚの周波数を有するとき、並びに双極励起電界のために補助電源９２（図７参照）が１１５ｋＨｚの周波数を有するとき、共鳴イオン１２０はそれらの振幅を広げてスリット３８から放出する。２０の電極形態は完全な四重極電界を形成しないが、シミュレーション結果は共鳴放出スキャニングを８００ＡＭＵ/秒の速度で使用して２５００以上の質量分解能が得られることを示す。

ＰＣＢ１５、１７、１９、２１の基板材料は好適には、堅牢で非孔質な材料であり、装置の使用時に寸法の変化やガスまたは蒸気の吸収及び排出が防止される材料である。標準ＲＦ−４ガラス繊維エポキシボードがイオントラップ質量分析器２０のためのＰＣＢの基板材料として使用できる。この場合、分析器２０はさらに特殊なＰＣＢ材料製のイオントラップ質量分析器と較べれば使用寿命はさほど長くはなく、精度も普通である。他の実施例では、ＰＣＢ１５、１７、１９、２１の基板材料はＰＴＦＥまたはセラミクス等でよい。その他の材料でも可能である。

ＰＣＢ基板の裸部分の表面電荷蓄積を回避するため、金属トレース間は好適には高抵抗材料でコーティングされる。その材料の抵抗性は好適には充分に高く、指定された信号分布への影響は無視できる程度であるが、材料は蓄積される表面電荷を放出することができるものである。基板材料を改変することも可能である。すなわち、少なくとも内側表面４２（図３参照）を有効なドープ材料でドープ処理し、抵抗性を減少させる。

図１０を説明する。例えば図２で示すイオントラップ・分析セクション３６に高精度電界を必要とするイオントラップ質量分析器２０の領域では、内側面４２の内側トレースパターン４６の帯体間でエッチングガスの代わりにメッキされたスロット１００を使用するのが望ましい。ＰＣＢ１５、１７、１９、２１の内面４２の金属層は好適には金メッキされた銅であり、厚みは０．１ｍｍ以上である。放出スリット３８は好適には導電材料でメッキされている。金属メッシュ９６は電界の歪みを減じるため、幅広いスリット３８をカバーするのに使用できる。

上述のトレースパターン（図４参照）は、本発明のイオントラップ質量分析器２０の構築に使用できる可能なトレースパターンの１実施例に過ぎない。事実、ＰＣＢ１５、１７、１９、２１の内側トレースパターン４６をイオンガイドセクション３４のイオン伝送及びイオントラップ・分析セクション３６でのイオン分析に必要な電界を形成するようにデザインする多くの異なる方法が存在する。

図９ではイオントラップ・分析セクション３６．２の内側トレースパターン４６．２の別実施例が図示されている。イオントラップ・分析セクション３６．２は本実施例では４つのＰＣＢ１５．２、１７．２、１９．２、２１．２を有する。それらＰＣＢは展開平面図で示されており、正方形トンネルを形成する。反対側のペア１５．２と１９．２の内側トレースパターン４６．２は長円形であり、反対側ペア１７．２と２１．２の内側トレースパターン４６．２は双曲線形状である。制御可能なＤＣ電圧バイアスを供給されるゲート領域６０．２は前述したようにイオン導入機能とブロック機能とを発揮する。トラップ領域６２．２はイオンをトラップして分析するところである。少なくとも１つのＰＣＢ（本例ではＰＣＢ１９．２）はイオン放出用の長形穴あるいはスリット３８．２を有する。もしスリット３８．２が大きければ、電界の歪みを最少にするために金属メッシュ９６．２でカバーできる。従来の長円形イオントラップはマシン加工では形成が非常に困難であるが、他の従来型立体イオントラップと比較すると独自の性能を有する。従来のＰＣＢ製造技術を使用して、複雑な長円並びに双曲線パターンがＰＣＢ上に容易にエッチング加工できる。従って、イオントラップ・分析セクション３６．２の複雑な電界構造は非常に安価に創出できる。

イオントラップ質量分析器２０と２０．２に関する上記の説明は１つのトンネル２９を有したＰＣＢ構造体に基づいていた。しかし、幾つかのトンネルを高処理能力と高感度を達成するように複数ステージのタンデム式質量分析器ＭＳⁿに組み入れることができる。通常は、従来の１イオントラップは順次的に時間をずらしたステージを利用してＭＳⁿをそのトラップ体積物体内で運用することができる。各ステージにおいて、選択されたペアレントイオン以外の全てのイオンはトラップから除外される。もし別なペアレントイオンを処理する必要が生じたら、サンプルイオンをイオントラップに再導入する必要があり、長分析時間及び低サンプル効率となる。

図１１ではイオントラップ質量分析器２０．３の別実施例が図示されている。イオントラップ質量分析器２０．３はイオンガイドセクション３４．３と並列イオントラップ・分析セクション３６．３a、３６．３b、３６．３cを有している。これらはＰＣＢ３０で提供される。ペアレントイオンの選択のため、全部の不要なイオンを放出する代わりに、イオンクラウド１１０内の選択ペアレントイオンがイオントラップ・分析セクション３６．３bに共鳴放出によって放出される。本実施例における共鳴放出法は質量スキャニングに関して前述した方法と類似するが、本例ではイオントラップ・分析セクション３６．３bが検出器３１と置き換わっている。イオントラップ・分析セクション３６．１bでは、イオントラップ・分析セクション３６．３aで利用される高周波電圧値と同じ値を印加することが一般的である。イオントラップ・分析セクション３６．１bの双極励起電圧は、イオンをさらに励起して続くトンネルに放出するか、イオンを大きな振幅でトラップ状態に保持し、イオンを周囲ガスと衝突させて分裂させ、あるいはイオンの動きを減速させるようにフェーズと強度の組み合わせを有するようにセットできる。分裂の場合には、“ドータ”イオンクラウド１１２が発生し、イオントラップ・分析セクション３６．３bでトラップされる。

次のステップではドータイオンクラウド１１２からのドータイオンの１つをさらに選択し、イオントラップ・分析セクション３６．３cに放出できる。そこでドータイオンは分離し、“グランドドータ”イオン１１４となる。最後に、グランドドータイオン１１４をイオントラップ・分析セクション３６．３c内でのスキャニングされた放出プロセスで検出器３１．３に放出することでＭＳ³が得られる。

イオントラップ・分析セクション３６．３aから３６．３cの中の２つセクション間のＰＣＢ３０の両側はトラップする電界を形成するために使用される。従って、電圧分布ネットワーク７２．３はＰＣＢ３０の延長されたエッジに搭載できる。

このＭＳⁿ法の従来法との相違は、全ての選択ステップにおいて、非選択イオン種はそれでもソースイオントラップ・分析セクション３６．３a、３６．３b、３６．３cに保存されることである。保存イオンの１つは再び選択され、下流のイオントラップ・分析セクション３６．３a、３６．３b、３６．３cに放出されて分裂する。従って、全分裂チャンネルは第１イオントラップ・分析セクション３６．３aを再充填せずとも分析できる。この新規なＰＣＢデザインのため、複数ステージのイオントラップ・分析セクション３６．３a、３６．３b、３６．３cの大型トラップ能力は良好な信号強度を提供する。よって高効率が提供される。さらに、ＰＣＢ３０の低製造コストにより、この複数ステージのイオトラップ質量分析器２０．３は安価であり、活用性が高い。

第２イオントラップ・分析セクション３６．３bの放出プレカーサはスローなスキャニング形態で操作できる。高圧な衝突ガスの適用されている第２イオントラップ・分析セクション３６．３b内にスキャニング処理された各イオンは急激に分裂し、ドータイオン１１２が迅速に形成されるであろう。第１イオントラップ・分析セクション３６．３aの各スキャニングステップに対して、全ドータイオンイオン１１２のスキャニングが続く。第１イオントラップ・分析セクション３６．３aのスローなスキャニングが完了すると、二次元の質量スペクトルが得られる。

図１２には本発明のイオントラップ質量分析器の別実施例が図示されている。この実施例では、イオントラップ・分析セクション３６．４は隣接するＰＣＢ１５．４と２１．３のエッジ間にスリット３８．４を有している。イオントラップ・分析セクション３６．４のイオン１２０．４は前述のように開口部３８．４を通って放出でき、検出器３１．４で検出できる。本実施例では、側列帯体７０．４は最高値高周波電圧で荷電され、それぞれ帯体６８．４と６６．４の列の各側部に沿って実質的直線状に分配される。双極励起が左右のコーナ間に印加されると、イオン１２０．４は検出器３１．ｌ４に開口部３８．４を通って放出される。開口部３８．４は電界の歪みを最少とするためにスリットあるいはメッシュを有した金属プレートを有することができる。

以上の実施例には様々な変更が可能である。例えば、トンネル２９の断面は必ずしも方形である必要がなく、他の形状であっても構わず、５以上のＰＣＢを含んでいてもよい。

本発明のイオントラップ質量分析器の性能を改良するために、ＰＣＢの製造で使用される全ても従来技術が利用できる。例えば、高周波ＰＣＢのレイアウトで一般的に使用される埋設接地層を利用し、高周波妨害を排除し、ＰＣＢの外面の局部的電圧分布ネットワークによって発生する熱を放熱して分散させるヒートシンクとして作用させることができ、ＰＣＢの温度勾配をさらに均等に分布させることができる。さらに、ブラインドバイアスを使用してトンネル内に侵入する外部電界を避けることができる。

この装置の低製造コストのおかげで、ＴｏＦシステムのソースのごとき複雑な機器の消耗部品及びモジュール部品としても使用できる。有害な物質が分析される場合にはモジュール式の使い捨て部品は特に望ましい。

図１は従来の線形イオントラップの斜視図である。 図２は本発明の１実施例によるイオントラップ質量分析器の断面図である。 図３は図２のイオントラップ質量分析器の３−３線に沿った断面図であり、チャンンバー間の壁部は省略されている。 図４は図２のイオントラップ質量分析器のプリント回路ボードの内面を示す平面図である。 図５は図４のプリント回路ボードの長軸に沿ったＤＣ電位のグラフである。 図６は図２のイオントラップ質量分析器のイオントラップ部分の電圧分布ネットワークの概略図である。 図７は図２のイオントラップ質量分析器の共鳴励起・放出回路の概略図である。 図８は図２のイオントラップ質量分析器のイオントラップから放出されるトラップされたイオンの模擬図である。 図９は本発明の別実施例によるプリント回路ボードのトレースパターンの平面図である。 図１０は本発明の別実施例による、表面荷電問題を回避するためのコーティングされたスロット部及びメッシュを図示するプリント回路ボードの断面図である。 図１１は本発明の別実施例による複数のイオントラップを有したイオントラップ質量分析器の断面図である。 図１２は本発明の別実施例によるイオントラップ質量分析器の断面図である。

Claims (36)

1. イオントラップ質量分析器であって、
   基板と導電トレースパターンとを含んだ壁部、長軸及び内部空間を有した長形トンネルと、
   前記導電トレースパターンと接続しており、電位を提供する可変電位手段と、
   を含んでおり、前記導電トレースパターンと前記可変電位手段とは前記トンネルの内部空間内に可変電界を提供してイオンを伝送、保存並びに分析させることを特徴とする分析器。
2. 壁部はプリント回路ボードを含んでいることを特徴とする請求項１記載の分析器。
3. プリント回路ボードはグラスファイバー材料を有した基板を含んでいることを特徴とする請求項２記載の分析器。
4. 可変電位手段は可変電位源と電圧分布ネットワークとを含んでいることを特徴とする請求項１記載の分析器。
5. 可変電位手段はＤＣ電位源、ＡＣ電位源及び電圧分布ネットワークを含んでいることを特徴とする請求項１記載の分析器。
6. 電圧分布ネットワークはＲＣネットワークを含んでいることを特徴とする請求項４記載の分析器。
7. 電圧分布ネットワークは調整式レジスタをさらに含んでおり、該調整式レジスタはＲＣネットワークのインピーダンスを調整できることを特徴とする請求項６記載の分析器。
8. イオン伝送セクション及びイオントラップ・分析セクションとを含み、イオンを該イオン伝送セクションから該イオントラップ・分析セクション内に放出することを特徴とする請求項１記載の分析器。
9. 壁部は複数のプリント回路ボードを含んでおり、該プリント回路ボードはそれぞれ隣接した状態で長軸に沿って延びており、トンネルを形成していることを特徴とする請求項１記載の分析器。
10. オリフィスを有したプレートをさらに含んでおり、該プレートは長軸に対して実質的に垂直であり、プリント回路ボードを共に接続していることを特徴とする請求項９記載の分析器。
11. ４体のプリント回路ボードが存在することを特徴とする請求項１０記載の分析器。
12. 導電トレースパターンと可変電位手段とが、四重極電界により長軸に対して垂直な方向に可変電界を提供することを特徴とする請求項１記載の分析器。
13. 導電トレースパターンは複数の並列導電帯体を含んでおり、該導電帯体は長軸に対して実質的に平行であることを特徴とする請求項１記載の分析器。
14. 導電トレースパターンは複数の導電トレースパターン領域を長軸に沿って含んでおり、それぞれの導電トレースパターン領域は隣接しており、それぞれの導電トレースパターン領域からは電気的に絶縁されており、並列導電帯体を含んでいることを特徴とする請求項１３記載の分析器。
15. 可変電位手段はＤＣ電位を提供し、それぞれの導電トレース領域の並列導電帯体は該ＤＣ電位の１つを有することを特徴とする請求項１４記載の分析器。
16. 可変電位手段はＡＣ電位を提供し、それぞれの並列導電帯体は印加された該ＡＣ電位の１つを有することを特徴とする請求項１３記載の分析器。
17. 壁部は、第１ペアの対面するプリント回路ボード並びに第２ペアの対面するプリント回路ボードを含んだ４体のプリント回路ボードを含んでおり、該プリント回路ボードはそれぞれ隣接した状態で長軸に沿って延び、トンネルを形成しており、前記第１ペアの対面プリント回路ボードは同心長円形導電トレースパターンを有しており、前記第２ペアの対面プリント回路ボードは双曲線状導電トレースパターンを有していることを特徴とする請求項１記載の分析器。
18. 壁部は開口部をさらに含んでおり、該開口部を介してイオンをイオントラップ質量分析器から放出できることを特徴とする請求項１記載の分析器。
19. 開口部に隣接するイオン検出器をさらに含んでいることを特徴とする請求項１８記載の分析器。
20. 開口部をカバーする金属メッシュをさらに含んでいることを特徴とする請求項１８記載の分析器。
21. 可変電位手段は双極ＡＣ電界手段を含んでおり、該双極ＡＣ電界手段は双極ＡＣ電界をトンネルの長軸に対して垂直に提供していることを特徴とする請求項１記載の分析器。
22. イオントラップ質量分析器であって、
    基板と導電トレースパターンとを含んだ壁部、長軸及び内部空間を有した長形トンネルをそれぞれ含み、隣接状態で延びる複数のイオントラップ・分析セクションと、
    それぞれの前記イオントラップ・分析セクションの前記導電トレースパターンと接続した電位を提供する可変電位手段と、
    を含んでいることを特徴とする分析器。
23. イオントラップ質量分析器を利用したタンデム質量分析法であって、該イオントラップ質量分析器は、基板と導電トレースパターンとを含んだ壁部、長軸及び内部空間を有した長形トンネルをそれぞれ含み、隣接状態で延びる複数のイオントラップ・分析セクションを有しており、本分析法は、
    前記導電トレースパターンに高周波電圧を印加し、それぞれのイオントラップ・分析セクションにトラップ用四重極電界を発生させるステップと、
    前記イオントラップ・分析セクションの第１セクションにイオンを提供するステップと、
    バッファガスを使用して前記第１セクションを冷却するステップと、
    該第１セクションの導電トレースパターンに励起電圧を印加し、選択されたプレカーサイオンを共鳴放出によって前記イオントラップ・分析セクションの前記第１セクションに隣接する第２セクションに放出するステップと、
    該第２セクションの前記プレカーサイオンを分裂させるステップと、
    該第２セクションから前記分裂イオンを集めて放出するステップと、
    を含んでいることを特徴とする分析法。
24. 分裂イオンを放出するステップはさらに、
    追加ＡＣ電圧を第２セクションに印加し、双極ＡＣ電界を発生させるステップと、
    該ＡＣ電圧をスキャニング処理して分裂イオンを放出するステップと、
    質量と荷電の比を得る目的で前記放出された分裂イオンを検出するステップと、
    を含んでいることを特徴とする請求項２３記載の分析法。
25. 分裂イオンの放出ステップはさらに、
    追加ＡＣ電圧を第２セクションの導電トレースパターンに印加し、双極ＡＣ電界を発生させるステップと、
    前記第２セクションの高周波電圧をスキャニング処理して分裂イオンを放出するステップと、
    質量と荷電の比を得る目的で前記放出された分裂イオンを検出するステップと、
    を含んでいることを特徴とする請求項２３記載の分析法。
26. イオントラップ質量分析器の製造法であって、
    トレースパターンを有した多層プリント回路ボードを準備するステップと、
    該プリント回路ボードを使用して多角トンネルを形成するステップと、
    該多角トンネル内で前記プリント回路ボードを金属プレートと接着させるステップと、
    を含んでおり、前記プリント回路ボードのトンネル側のトレースパターンは、適した電圧が該トレースパターンに印加されると、イオンの伝送、保存及び分析のために前記多角トンネル内で必要な電界を発生させるように設計されていることを特徴とする製造法。
27. プリント回路ボードに電圧分配コンポーネントを提供するステップと、
    該電圧分配コンポーネントを導電トレースパターンと接続させるステップと、
    電源リード線を該導電トレースパターンと接続するステップと、
    をさらに含んでいることを特徴とする請求項２６記載の製造法。
28. プリント回路ボードにその第１面から第２面に延びるスロットを提供するステップと、
    該スロットを導電材料でコーティングするステップと、
    前記導電材料の一部を利用して前記第１面の導電トレースパターンを前記第２面の導電トレースパターンと接続するステップと、
    をさらに含んでいることを特徴とする請求項２６記載の製造法。
29. 半導体材料をプリント回路ボードの表面に被膜させるステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項２６記載の製造法。
30. 表面はプリント回路ボードのトンネル側であることを特徴とする請求項２９記載の製造法。
31. 四重極電界が提供される比率で電位がトレースパターンに分配されるように電圧分配コンポーネントのパラメータを選択するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項２７記載の製造法。
32. 電圧分配コンポーネントはレジスタとキャパシタとを含んでいることを特徴とする請求項２７記載の製造法。
33. 電圧分配コンポーネントは表面搭載コンポーネントであることを特徴とする請求項２７記載の製造法。
34. 少量の高次多重極電界を四重極に選択的に重ねさせる外部調整装置を提供するステップをさらに含んでいることを特徴とする請求項３１記載の製造法。
35. 基板は絶縁体を含んでいることを特徴とする請求項１記載の分析器。
36. 基板は半導体を含んでいることを特徴とする請求項１記載の分析器。

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