JP2009521083A - 動的圧力イオン源を用いる質量分析計 - Google Patents

Abstract

質量分析計は、パルス状イオン源と、パルス状イオン源によって生成されたイオンを閉じ込める第１のイオントラップであって、第１のイオントラップから続いて放出される閉じ込められたイオンの位置を特定するための第１のイオントラップ（１０）とを有する。冷却ガスのパルスは、第１のイオントラップ（１０）がイオンを閉じ込めることを可能にするのに適しているピーク圧において、第１のイオントラップ（１０）に導かれる。ターボ分子ポンプ（１７）は、閉じ込められたイオンが、第１のイオントラップ（１０）から分析のための第２のイオントラップ（２０）の方へ放出される前に、冷却ガスの圧力を減らす。パルス状イオン源は、第１のイオントラップ（１０）の端壁を形成する試料プレート（１４）を有する。

Description

本発明は質量分析計に関し、特に、マトリックス支援レーザ脱離イオン化（ＭＡＬＤＩ）イオン源などのパルス状イオン源を有する質量分析計に関する。

ＭＡＬＤＩイオン源は、生化学分析において広く使われてきた。典型的には、ＭＡＬＤＩイオン源は、試料プレートの表面に置かれたマトリックスを形成するように放射線吸収性材料を混合された試料を含む。これは、レーザパルスによるマトリックスの照射に続いて、試料をイオン化するのを助ける。

既存の機器として、飛行時間（ＴＯＦ）質量分析計と結合したＭＡＬＤＩイオン源を含むものがある。しかしながら、このような計測器では、単純なＭＳ分析を実行できるだけである。ＭＡＬＤＩイオン源を他の質量分析器のより用途が広いタイプに結合するように、タンデム型質量分析を行うことに適しているハイブリッド・システムを開発するために、異なる種類のＭＡＬＤＩ−ＭＳインターフェースが、過去の１０年にわたって開発されてきた。一般に、パルス状イオン源（例えばＭＡＬＤＩイオン源）によって、発生するイオンは、それらの質量に比例したエネルギーを有し、最も高い質量を有するイオンは最も広いエネルギー分布を有する。例えば、質量１０，０００Ｄａを有し、最大速度１２００ｍ／ｓｅｃを有するイオンは、７５ｅＶと同じ程度の運動エネルギーを持ち得る。そのような高エネルギー・イオンは、ＭＡＬＤＩイオン源等のパルス状イオン源と質量分析器との間のインターフェースを設計するときには問題となる。

米国特許第６，５７６，８９３号は、パルス状遅延電圧の印加による高い真空静電レンズを経て、イオントラップにＭＡＬＤＩイオン源によって、発生するイオン・パルスを導く方法を記載する。
この方法は、高い大量のイオンがイオントラップの質量分析を受けるかまたはＴＯＦ分析器の次の分析のためのイオントラップから放出されることを可能にする。パルス状遅延電圧は、イオンの運動エネルギーを減らすためには効果的であるが、イオン化プロセスの結果としてイオンが獲得した内部エネルギーを減らすことはできない。また、これは、閉じ込められたイオンの望ましくない分裂を引き起こす可能性がある。

米国特許第６，３３１，７０２号は、異なる技術を記載している。ＭＡＬＤＩイオン源によって発生するイオンが、多重ポールイオン・ガイドを含むイオン経路を経て直交ＴＯＦ分析器に送られるものである。イオン・ガイドは、ＭＡＬＤＩイオン源および質量分析器の間のインターフェースとして機能して、パルス状イオンを準連続イオンビームに変換するのに効果的である。イオンの準連続イオンビームは、四重ポール分析器または速いパルスの直交ＴＯＦのために必要とされる。対照的に、四重ポールイオントラップへのイオンの連続導入は、困難である。

高質量タンパク質イオン（例えば１０，０００Ｄａを超える質量を有するイオン）は、イオンが多重ポール・イオン・ガイドに受け入れられることが可能となる前に、顕著に減少しなければならないような高い運動エネルギーを有する。これは、イオンを冷やして、エネルギーを減らすためにイオン経路に冷却ガスを提供することを必要とする。しかしながら、これを達成するためには、冷却ガスは比較的高い圧力（典型的には１０^−２ミリバールより大きな圧力）に維持することを必要とする。そして、イオン・ガイドの放電などの問題を引き起こすことがあり得る。この問題を解決するために、源領域よりも低いガス圧をイオン・ガイドにおいて使うことができるようにするために、差動ポンプが採用される。しかし、これはシステムの複雑さおよびコストを増加させる。さらに、１０^−２ミリバールの低さの圧力でさえ、イオン・ガイド内のイオンの軸運動は停止に事実上至り、イオンを分析のための分析器へ移す効率を顕著に減らす。米国特許出願公開第２００５／００９２９１２号は、移送効率を改善するためにイオン・ガイドに沿ってイオンを加速するのに用いる軸電界の供給を記載しているが、これもまた、より多くの複雑さおよびコストをシステムに加える。

欧州特許出願公開第０９６４４２７号、米国特許第５，９６５，８８４号および米国特許第６，９４６，６５３号も、ＭＡＬＤＩイオン源によって発生するイオンの運動エネルギーと内部エネルギーの両方を減らすための周囲ガスの使用を記載している。効果的な静電レンズシステムは、高圧が存在する源領域に組み込むことができないので、移送の高効率は達成するのが困難である。また、源のパルス状の性質は保存されず、この技術は、イオントラップ質量分析器のために用いることができない。

論文、P. Kofer、「Matrix Assisted Laser Desorption/Ionisation Using a New Tandem Quadrupole Ion Storage Trap, Time of Flight Mass Spectrometer」、Rapid Communications in Mass Spectrometry Vol.10, 658-662, 1996 は、双曲面三次元イオントラップのＭＡＬＤＩイオン源によって発生するイオンを冷やすためのパルス状ガスの使用について記載している。この場合、ＭＡＬＤＩ試料は、双曲面三次元イオントラップの入口エンド・キャップ電極に取り付けられる試料プローブの先端に置かれる。しかしながら、このような仕組みは、分析のための試料の量および空間分布を制限し、特に、同じセッションの間に多数の試料の分析をできなくするので、満足できるものではない。さらに、イオントラップの環状電極およびエンド・キャップ電極の表層の汚染が起こりがちであり、それは、イオントラップの分析性能を劣化させる。

米国特許第６,５７６,８９３号 米国特許第６,３３１,７０２号 米国特許出願公開第２００５/００９２９１２号 欧州特許出願公開第０９６４４２７号 米国特許第５,９６５,８８４号 米国特許第６,９４６,６５３号 P. Kofer、「Matrix Assisted Laser Desorption/Ionisation Using a New Tandem Quadrupole Ion Storage Trap, Time of Flight Mass Spectrometer」、Rapid Communications in Mass Spectrometry Vol.10, 658-662, 1996

本発明の目的は、ＭＡＬＤＩイオン源のようなパルス状イオン源を有する質量分析計を提供し、少なくとも前述の課題を軽減することである。さらに詳細に述べると、イオンが質量分析のための質量分析計のイオントラップに、効率的に移送され、閉じこめられるように、パルス状イオン源によって、発生するイオンの運動エネルギーと内部エネルギーを減らすことが、本発明の目的である。
本発明の一態様によれば、
パルス状イオン源、
パルス状イオン源によって生成されたイオンを閉じ込める第１のイオントラップであって、前記第１のイオントラップから続いて放出される閉じ込められたイオンの位置を特定するための第１のイオントラップと、
第１のイオントラップが前記イオンを閉じ込めることを可能にするのに適しているピーク圧において、冷却ガスのパルスを前記第１のイオントラップに導くためのガス吸気手段と、
前記閉じ込められたイオンが、前記第１のイオントラップから放出される前に、前記冷却ガスの圧力を減らすためのポンプ手段と、
第１のイオントラップから放出されたイオンを受け取り分析するための第２のイオントラップと、を備える質量分析計であって、
前記パルス状イオン源が、試料が堆積し第１のイオントラップの端壁を形成する平坦な試料プレートを含み、パルス状イオンが第１のイオントラップ内部で発生する、質量分析計が提供される。

減少されたガス圧は有益である。なぜなら、閉じ込められたイオンが、第１のイオントラップ低いエネルギー領域に、移動を可能にするからである。第１のイオントラップからは、イオンが比較的短い時間幅で放出される。したがって、この方法は、閉じ込められたイオンが第２のイオントラップに第１のイオントラップから移送される効率を改善できる。減少したガス圧は、また、質量分析を、差動ポンプを使用することなく、同じ真空室を共有する第２のイオントラップにおいて、実行することを可能とする。

前記ポンプ手段は、ターボ分子ポンプ等の真空ポンプであってもよい。

前記ガス吸気手段は、ソレノイド・バルブ等の電磁気駆動弁またはピエゾ素子駆動弁を含むことができる。典型的には、前記ガス吸気手段は、５×１０^−２ミリバールから１ミリバールの範囲のピーク圧で、第１のイオントラップに冷却ガスの前記パルスを導き、前記ポンプ手段は圧力を、５×１０^−３ミリバール未満の圧力まで下げる。

前記弁は、前記ポンプ手段によって得られるポンブダウン時定数より少ない期間の間、好ましくは５ｍｓ未満の間、開いているまま保たれる。

好ましくは、前記ガス吸気手段の起動および前記パルス状イオン源の次の起動間に予め設定された遅延が存在する。

好適な実施形態において、前記パルス状イオン源は、ＭＡＬＤＩイオン源である。

第１のイオントラップは、イオントラップの縦軸周辺に対称的に配列した複数の極を有する多ポール線形イオントラップ（好ましくは、四重ポール線形イオントラップ）であってもよい。多重ポール（好ましくは四重ポール）であってもよい。

本発明の好適な実施形態において、前記多ポール線形イオントラップは、前記第１のイオントラップの後端に位置するゲート電極を有し、前記電極は、イオンを反射するか放出するために選択的にバイアスしている。

第１のイオントラップにおいて軸方向ＤＣポテンシャル井戸をつくるように前記ゲート電極がバイアスしており、それによって、第１のイオントラップからの放出の前に第１のイオントラップにおける前記閉じ込められたイオン雲の位置を決める。多ポール線形イオントラップは、分割された多重ポール（例えば四重ポール）線形イオントラップであってもよく、各ポールが、第１のイオントラップの後端に隣接した比較的短いセグメントを含み、前記ＤＣ軸方向ポテンシャル井戸を増大するために、前記後端に隣接した比較的短いセグメントがバイアスしている。あるいは、環状電極は、ゲート電極と、多ポール線形イオントラップのポールとの間で提供されてもよく、前記ＤＣ軸方向ポテンシャル井戸を増大するために、環状電極がバイアスしている。

このバイアスの段取りで、閉じ込められたイオンは，冷却ガスが前記ポンプ手段によって減少すると、多ポール線形イオントラップ内で軸方向に移動でき、前記ＤＣポテンシャル井戸の底に溜まることになり、そこに集合して短い卵形イオン雲を形成し、第１のイオントラップからただちに放出され得る。前記ゲート電極は、ゲート電極に向かう静電的な加速力に従うイオンの方に、バイアスされ得て、第１のイオントラップから第２のイオントラップに向かって放出を引き起こす。

本発明の別の好適な実施形態では、前記第１のイオントラップは、縦軸を有する環状電極を含む円筒状イオントラップであり、前記平坦な試料プレートは、その前面にイオントラップの前記端壁を形成し、ゲート電極はその後端に、イオントラップの端壁を形成する。

円筒状イオントラップの場合、ＤＣバイアス手段は、第１のイオントラップから閉じ込められたイオンの放出を引き起こすために、前記平坦な試料プレートと前記ゲート電極との間に双極電界を確立するように配置され、前記第２のイオントラップが、放出されたイオンを妨害するために、更なる双極電界を確立するように配置される。

第２のイオントラップは、放出されたイオンを受けることができ、受け取られるイオンの質量分析を実行することができるのに適切などのような形式であっても良く、分割された四重ポール線形イオントラップまたは双曲面三次元イオントラップのような四重ポール線形イオントラップを含む。

第１のイオントラップおよび第２のイオントラップは両方とも線形イオントラップであってもよく、分割された線形イオントラップであってもよい。いくつかの実施形態では、第１のイオントラップおよび第２のイオントラップが、共通の縦軸上に連続に配置され、他の実施形態では、第１のイオントラップおよび第２のイオントラップは、並んで相互の平行軸上に配置され、第１のイオントラップから、第２のイオントラップへ前記平行軸に対して直交の方向にイオンを放出するために、閉じ込められたイオン放出手段が、配置される。

第１のイオントラップないし第２のイオントラップが、ＲＦドライブおよびＤＣバイアス電圧が使用のために印加される電気的伝導トラックを持つプリント回路基板から形成されたトンネル構造を備えている。

本発明の実施形態が、添付の図面を参照して、実施例として記載される。

図１を参照する。質量分析計は、真空エンクロージャ３の内に存在するイオン化領域１および質量分析領域２を有する。以下に記載する全ての実施形態は、真空エンクロージャを含むことはいうまでもないが、説明を簡単にするために、図１においてのみ示すだけであることに留意する。イオン化領域１は、パルス状イオン源によって発生されたイオンを閉じ込めるために用いる第１のイオントラップ１０を含み、質量分析領域２は、第１のイオントラップ１０から放出されるイオンを受け取り、分析するのに効果的な第２のイオントラップ２０を含む。質量分析領域２はまた、第２のイオントラップ２０から放出されるイオンを検出するためのイオン検出器Ｄを含む。

本発明による本実施形態において、第１のイオントラップ１０は、四重ポール線形イオントラップであり、第２のイオントラップ２０は、環状電極２１および２本のエンド・キャップ電極２２、２３を備える双曲面三次元イオントラップである。

２つのイオントラップ１０、２０は、共通の縦軸Ｘ−Ｘ上の連続的に配置される。
四重ポール線形イオントラップは、縦軸周辺に対称的に配置された４つの相互に平行なポール１１を備える。ポール１１には、使用中に、高電圧デジタルスイッチ回路の形の駆動ユニット１２によって、生成した高周波矩形波形デジタル駆動電圧が供給される。正弦波形駆動電圧等の高周波駆動電圧の他のいかなる適切な形式のものも、代替として使用できることに留意する。正弦波形駆動電圧は、無線周波数から可聴周波数（非常に高い質量電荷比を有するイオンに適している）まで範囲の周波数を有することができる。更に詳細に後述するが、駆動電圧は、イオントラップ内部で放射イオン運動を拘束するのに効果的である高周波四重ポールフィールドを生成する。

第２のイオントラップ２０は同様にして駆動されるが、質量分析のためのより制御されたスキャン機能が提供される。

イオン化領域１は、パルスレーザ１３を備えるパルス状イオン源を含み、パルスレーザ１３は、レーザ放射のパルスを、イオン・パルスを起こすのに適切な光学システムを経て試料Ｓに向けるように配置されている。試料Ｓは、第１のイオントラップ１０の端壁を形成する電気伝導性の試料プレート１４に置かれる。したがって、試料Ｓのパルス状照射によって発生するイオンは、イオントラップ内部で実際に生成され、これは、閉じ込めの効率を向上させる。試料プレート１４は、モーター駆動Ｘ−Ｙ操作卓（図示せず）を使用して、レーザー・ビームに対して適切に配置される。この装置によって、試料プレートに置かれる多数の試料を、試料を再ロードせずに個々に分析することができる。

本発明の特にこの実施形態において、パルス状イオン源は、好適なＭＡＬＤＩイオン源であり、試料材料が、レーザ放射のパルスに露出するように試料プレート１４に置かれるマトリックスを形成するために放射線吸収性材料を混ぜ合わせられる。この仕組みは、イオン化プロセスを助ける。代替的に、パルス状イオン源の他の既知のもの、例えば、パルス状２次イオン放出、高速原子衝撃、電子励起イオン化源等が使用できる。

イオン化領域１はまた、電磁気駆動ソレノイド・バルブ１５（または代替的に、ピエゾ素子駆動弁）を含む。冷却ガス（例えばＡｒまたはＨｅガス）の高圧パルスを局所的に第１のイオントラップ１０の内部へ、イオントラップのフロントエンドの近くに位置する注入チューブ１６を介して注入するためである。ターボ分子ポンプのような高速のポンプ１７が、続いて、イオントラップ内で５×１０^−３ミリバール未満まで、冷却ガスの圧力を減らす。ガスが、弁１５と第１のイオントラップ１０との間で移動する距離は、できるだけ短くなければならない。チューブ１６の長さは、注入されたガスが急速にポンプで排出できてより短い圧力減衰時間に結果としてなるように、チューブの直径の２０倍より小さくなければならない。

第１のイオントラップ１０は、イオントラップの後端に位置する円錐ゲート電極１８を備えている。後述するように、ゲート電極１８はイオンをイオントラップから放出するために用いられ、また、囲い込みプロセスを助けるためにも用いられる。

ＤＣ電圧源（図示せず）は、第１のＤＣポテンシャルにおいて、ポール１１上の平均的軸方向ＤＣポテンシャルに関し試料プレート１４をバイアスする。また、第２のＤＣポテンシャルにおいて、当該ポール上の平均的軸方向ＤＣポテンシャルに関しゲート電極１８をバイアスする。イオンが第１のイオントラップにおいて、閉じ込められている一方、第１および第２のＤＣポテンシャルは、両方とも、閉じ込められたイオンがそれぞれ正に荷電したイオンであるか負に荷電したイオンであるかどうかに依存して、ポール上の平均的ＤＣポテンシャルより正であるか、より負である。したがって、正に荷電したイオンである場合には、ポール１１上の平均的ＤＣポテンシャルより正であるＤＣポテンシャルにおいて、平坦な試料プレート１４とゲート電極１８は、両方ともバイアスされる。ＤＣバイアス電圧は、閉じ込められるイオンの質量範囲と線形イオントラップ１０の長さに依存して、数十ボルトから数百ボルトの範囲にあり得る。そして、ゲート電極１８上のＤＣポテンシャルは、必須ではないが好適には、試料プレート１４上のＤＣポテンシャルより低い。平坦な試料プレート１４上のＤＣポテンシャル、ゲート電極１８およびポール１１は、第１のイオントラップ１０の縦軸上にポテンシャル井戸をつくるようなものであり、ポテンシャル井戸の底が、図２の曲線２１で示すように、ゲート電極１８に隣接して位置する。

すでに、説明したように、パルス状イオン源によって発生された高質量イオン（例えば、１０，０００Ｄａより大きな質量を有するイオン）は、一般に、典型的には１００ｅＶにおよぶような、高い運動エネルギーを有する。そして、このエネルギーは、イオンが第１のイオントラップ１０内に能率的に閉じ込めることができる前に、減少しなければならない。そのために、冷却ガスの高圧パルスが、イオントラップに、チューブ１６を介して、注入される。これによって、運動エネルギーと内部エネルギー減少させるような、パルス状イオンの迅速な冷却を生じさせ、イオンが、ポール１１に印加される矩形波デジタル駆動電圧によって発生する四重ポール電界の影響を受けて、第１のイオントラップ１０内に閉じ込められることを可能にする。

イオンを閉じ込めるため、特に、高エネルギー、高質量イオンを閉じ込めるために、冷却ガスのパルスは、高いピーク圧を持たなければならず、ポンプで急速に減圧して、次の注入のため、イオンが容易に第１のイオントラップ内の適切な場所に移動できるようにしなければならない。

急速にガス圧を高めるために、高圧ガスが、弁１５の入口に供給される。典型的には、１気圧以上のヘリウムガスまたはアルゴンガスが用いられる。弁１５を開いた状態に保つために用いる電気起動パルスは、１００マイクロ秒程の短いものでよく、弁を連続的に開放に保つのに必要な電圧の１０倍より高い電圧であってもよい。実際の弁の開放時間は、バルブヘッド回復時間に依存しているが、真空システムのポンブダウン時定数より少なくなければならず、典型的には５ｍｓ未満である。吸気弁１５が開いている間、真空システムの内のガス圧は急速に増加する。理論的には、真空システムはポンプダウン時定数後、平衡圧に達する。これは、実効的ポンプ速度によって区分されるイオントラップ室の容量として規定される。例えば、真空室の容積が１リットルで、実効的ポンプ速度が、５０リットル／秒であると仮定すると、ポンプダウン時定数は、２０ｍｓである。この時間は、吸気弁１５が開けられたときから、平衡圧に達するまでに必要な時間である。吸気弁の高圧ヘッドは、１０^−１ミリバールを超える圧力とする結果としてなるかもしれず、これは、吸気弁１５が連続的に開いた状態に保たれている場合に、ターボ分子ポンプが作動するのを防止こととなる。しかしながら、吸気弁１５は、平衡圧力に達する十分前に閉じる（典型的には、５ｍｓ未満）。それゆえ、最初の高圧力にさらされる第１のイオントラップ室の領域のみが、ガス注入チューブ１６のすぐ近くにあり、この圧力は、吸気弁１５が閉じると直ちに、低下し始める。

ポンプダウン時定数２０ｍｓの下で、イオントラップ室の中の圧力は、５×１０^−２つのミリバールから、約６０ｍｓの間に、１×１０^３ミリバールまで落ちることができる。この時間評価は、イオントラップ室中の詳細な構造や吸収／脱着の影響を考慮しておらず、実際には、より長い時間が必要かもしれないことに留意する。それにもかかわらず、記載された操作の手順は、短い高圧ガス・パルスが生成され、イオントラップ内で、差動ポンプを必要とせずにパルス状イオン源により生成された高運動エネルギー・イオンの迅速な冷却を引き起こすことを可能とする。冷却ガスのパルスが真空システムに注入されたあと、ガス圧が増加するために、パルス状イオン源が活性化するまでに、遅延（典型的には１０ｍｓ）がある。通常、ガス圧をポンプで引くのに、６０ｍｓ以上かかる。それゆえ、その間、同じ分析サイクルの間に、分析のための追加的なイオンを生成するために、連続したレーザパルスを試料Ｓの上に向けることが可能である。

冷却ガスの圧力がポンプによって減少するにつれて、閉じ込められたイオンが、前述のポテンシャル井戸の底に向かって、移動することが可能である。ポテンシャル井戸の底では、短い卵形イオン雲を形成するように集合し、閉じ込められたイオンは、次に、この低いエネルギー領域から放出される。

第１のイオントラップ１０からいかなるイオンが放出される前に、第２のイオントラップ２０に供給される矩形波デジタル駆動電圧は、放出されたイオンが第２のイオントラップ２０のトラップボリュームに入ることを可能にするために、全く切断されるか、分析されるべきイオンの質量範囲により決定されるレベルより低いレベルにセットされる。この点に関しては、電圧を直ちに切断することが可能であるので、スイッチ回路によって生成した高周波の矩形波デジタル駆動電圧の使用が有利である。

閉じ込められたイオンを第１のイオントラップ１０から放出するために、ゲート電極１８は、ポール１１上の平均的ＤＣポテンシャルより正でない（正に荷電したイオンのために）あるいは、より負でない（負に荷電したイオンのために）ＤＣポテンシャルでバイアスされる。図２の曲線２２は、放出プロセスの間、第１のイオントラップの軸に沿ったＤＣポテンシャルのバリエーションを図示し、曲線２２から明らかなように、ゲート電極１８上のＤＣポテンシャルは、ポール１１上のＤＣポテンシャルの十分下である（典型的には、数十から数百ボルト低い）。それによって、第１のイオントラップから迅速な放出を引き起こしているゲート電極１８の方へ、閉じ込められたイオンに加速力をかける。

質量１０，０００Ｄａを有する分析対象イオンに対して、放出されたイオンが第２のイオントラップの中心に着くために必要とされる時間は、４０〜５０マイクロ秒であり、これより、高い質量のイオンあるいは低い質量のイオンは、より長いあるいはより短い時間を要求する。図２の曲線２２に示すように、第２のイオントラップ２０の入口エンド・キャップ電極２２上のＤＣポテンシャルは、放出されたイオンに、第２のイオントラップにおいて、妨害する力をかけるようにためにセットされる。第２のイオントラップ２０の縦軸上のＤＣポテンシャルのバリエーションは、図２に示すように、実質的に、逆にされた二次形式を有するようにすることができ、したがって、最初に第２のイオントラップに入る、より軽い、より速いイオンを減速させて、より重い、より遅いイオンが、追いつくことができるようにし、それによって、第２のイオントラップに閉じ込められることができるイオンの質量範囲を広げ、移送効率を改善することができる。実質的に全ての放出されたイオンが第２のイオントラップ２０の中心に到達すると、高周波の矩形波デジタル駆動電圧は、オンに戻されるか、正常レベルに戻され、そして、移送されたイオンを閉じ込める擬ポテンシャル井戸をつくる。これは、図２の曲線２３により表される。

冷却ガスが第１のイオントラップ１０に供給されて、ポンプで排出されている間に、いくらかの冷却ガスが、第２のイオントラップ２０に拡散する可能性がある。イオンが第１のイオントラップ１０から第２のイオントラップ２０まで移されるときに、第２のイオントラップ２０の冷却ガスの圧力は、約１×１０^−３ミリバールの圧力に達することがあり得え、イオンを冷却して、質量分析処置を実行することに全く適している。このような質量分析処置は、前駆体隔離、衝突誘導分離および質量従属放出を含み、当業者には周知である。

図１を参照して記載されている第１のイオントラップ１０は、ポール１１の単一の組を有し、ポール１１が比較的短くない限り、イオントラップの軸に沿ってＤＣポテンシャルのバリエーションを満足するように、調整することはむずかしいことが分かる。

図３（ａ）は、この問題を軽減する本発明の別の実施形態を示し、他の全ての点において、その動作は、図１に関して記載されている実施形態と実質的に同様である。図３（ａ）に示される構成要素の多くは、図１に示す、同様の参照番号を割り当てられたものと共通である。

図３（ａ）を参照する。各ポール１１は、分割され、比較的長い部分１１’と、ゲート電極１８に隣接したより短い部分１１”とを備える。

本実施形態において、高周波の矩形波デジタル駆動電圧は、容量カップリング３０を経て両方の部分１１’、１１”に供給され、ＤＣ電圧源３１は、より長い部分上の両方の軸方向のＤＣポテンシャルに関するセングメント上のＤＣポテンシャルを減らしているより短い部分１１”に、ＤＣバイアス電圧を供給し、これにより、ゲート電極１８に、比較的短いイオンのパケットが閉じ込められる比較的狭いポテンシャル井戸をつくる。イオンのパケットが、第１のイオントラップ１０から放出されるときには、ゲート電極１８上のＤＣポテンシャルは、第１のイオントラップ１０から第２のイオントラップ２０に向かってイオン・パケットの急速な加速を引き起こしているより短い部分１１”上のＤＣポテンシャルより低くされる。

分割された線形イオントラップを使用することの更なる効果は、フリンジ場の効果が非常に減少するということであり、不必要なイオンの除去をより容易なものにする。冷却ガスの圧力が、１０^−３ミリバールより低い圧力になったあと、不必要なイオンは、適切な質量選択放出プロセスの適用によって、イオントラップから放出できる。これは、ポールへの四重ポールＤＣ電圧の印加を含むことができ、高周波駆動電圧の振幅ないし周波数が、第２のイオントラップ２０の次の分析のために、選択された質量電荷比のイオンのみを保持するように、調整され、それにより、前駆体イオン選択（数百まで）のための、許容される質量分解能を達成する。代替的に、質量選択放出プロセスは、例えば、既知の「ＳＷＩＦＴ」または「ＦＮＴ」技術を使用して、ブロードバンド補助駆動電圧の使用を含むことができる。

図３（ｂ）に示されている、異なる実施形態において、第１のイオントラップ１０は、ポール１１およびゲート電極１８の間に位置する環状電極３２を含む。ＤＣ電圧源３１は、環状電極３２の中心に軸方向ポテンシャル井戸をつくっているポール１１上の平均的軸方向のＤＣポテンシャルより数ボルト低いＤＣポテンシャルを持つ環状電極３２をバイアスする。冷却ガスによって冷やされたイオンは、着実にこの位置に移動して、ポール１１に供給される高周波駆動電圧によって生成された、フリンジ四重ポール場により半径方向にかなり拘束されたＤＣポテンシャルによって、軸方向に閉じ込められる。そして、すでに記載したようにしてゲート電極１８上のＤＣポテンシャルを減らすことによって、第１のイオントラップ１０から放出されるまで、ポテンシャル井戸に留まる。

図４は、本発明のさらに別の実施形態を示す。図４に示される構成要素の多くは、また、図１および３に示した同様の参照番号を割り当てられたものと共通である。本実施形態において、円筒状イオントラップ４０は、図１および３に関して記載されている実施形態の線形イオントラップ１０を置き換えたものである。

円筒状イオントラップ４０は、適切な高周波駆動電圧を供給される円筒状環状電極４１を備え、高周波駆動電圧は、高周波矩形波デジタル駆動電圧あるいは正弦波形駆動電圧であってもよい。

すでに述べたように、試料プレート１４は、イオントラップ４０の前端で、端壁を形成し、本実施形態において、ゲート電極１８も、イオントラップ４０の後端で、端壁を形成する。また、パルス状イオン源はＭＡＬＤＩイオン源であり、本実施形態において、レーザパルスは、第１および第２のイオントラップの縦軸Ｘ−Ｘに沿って、試料Ｓ上に向けられる。代替的に、レーザパルスは、円筒状環状電極４１において形成された適切なウインドウを経て試料上に向けることができる。試料マスク４２もまた、提供される。レーザパルスに露出される試料Ｓの一部は、試料マスク４２の開口部４３に整合し、試料Ｓの他の部分は、そのような露出および、イオン化プロセスの結果として発生したイオンへの露出から保護されている。レーザパルスのタイミングは、円筒状環状電極４１に印加される駆動電圧の波形に関して、好ましくは予め定められた位相関係を有している。図５にて図示したように、正に荷電するイオンの生成に最適のタイミングは、矢印５１により表されるように、駆動電圧の位相が２７０度と３５０度との間にあるときである。矢印５２により表されるように、負に荷電したイオンの生成に最適のタイミングは、駆動電圧の位相が９０度および１７０度の間にある時であるのに対して、これらの位相は、各波形のあがる部分での零交差点時間である、０度の位相に関して参照されている。

前述のように、冷却ガスのパルスはチューブ１６を経て、第１のイオントラップ４０の内部に注入され、冷却ガスの圧力は、その後、ポンプによって減少する。試料Ｓのパルス状照射のタイミングと、冷却ガスの注入のタイミングとは、また、冷却ガスは注入された後の短い遅延をもって同期する。この結果、イオン雲は、第１のイオントラップ４０の中心に閉じ込められる。

閉じ込められたイオンを放出するために、双極電界が、試料プレート１４および、第２のイオントラップ２０の方向に閉じ込められたイオンに加速力をかけているゲート電極１８の間で、急速に確立される。同時に、反対の極性の、双極電界が、第２のイオントラップ２０の２つのエンド・キャップ電極２２、２３の間で確立されて、第２のイオントラップ２０の閉じ込め領域に入るイオンが妨害され、イオントラップの中心の近くで停止にすることになる。イオンがこのような方法で移送されている一方、両方のイオントラップに供給される高周波駆動電圧が、オフにされるか、または低いレベルにセットされる。追加的な静電レンズ４４が、移送されているときに、イオンを集中させるために、第１および第２のイオントラップ４０、２０の間に備えられる。

軸Ｘ−Ｘ上の軸方向のＤＣポテンシャルは、第１のイオントラップ４０の試料プレート１４、ゲート電極１８、環状電極４１、および、第２のイオントラップ２０の２つのエンド・キャップ電極２２、２３と環状電極２１を適切にバイアスすることにより修正することができる。そして、これは、イオンがイオントラップの間で移送される効率を改善するのか、ないし、移送されるイオンの質量を増加するのかという、イオン移送の特徴づけをするために用いることができる。

ＰＣＴ／ＣＡ２００５／０００８６に、イオン閉じ込めに必要な電界を生成するのに用いることができる電気伝導トラックを運んでいる印刷回路基板（ＰＣＢ）から形成されるトンネル構造を有するイオントラップ装置と、装置の閉じ込め部分と分析部分との間のイオンの移送と、イオン分析について記載されている。

図６は、この種の装置に基づく、本発明の他の実施形態を示す。

図６を参照する。質量分析計は、共通の縦軸Ｘ−Ｘ上の連続して配置された第１の線形イオントラップ６１および第２の線形イオントラップ７１を備える。

すでに記載したように、２つのイオントラップ６１，７１はトンネル構造を有し、適切な高周波駆動およびＤＣバイアス電圧を供給される電気伝導トラックを持つＰＣＢ６２から形成される。すでに述べたように、第１のイオントラップ６１はパルス状イオン源によって発生するイオンを閉じ込めるために用い、第２のイオントラップ７１は、第１のイオントラップ６１から放出されるイオンを受けて、分析するために用いる。また、パルス状イオン源は、好適なＭＡＬＤＩイオン源である。レーザパルスは、軸Ｘ−Ｘに沿って方向付けられ、第１のイオントラップ６１の前端に端壁を形成する試料プレート６５に置かれる試料Ｓの上に、適切なレンズシステム６９によって、フォーカスされる。

２つの線形イオントラップ６１，７１は、オリフィスを有するゲート電極６３によって、分けられている。パルス状イオン源によって発生するイオンは、上述の実施形態に関してすでに記載されているような方法で、チューブ６７を介して、第１のイオントラップ６１の内部に導入されるパルス状冷却ガスの助けを借りて、第１のイオントラップ６１内に閉じ込められる。すでに述べたように、冷却ガスの圧力は、ポンプによって、減少する。

適切な高周波駆動電圧およびＤＣバイアス電圧が供給されるときには、電気伝導トラックは、半径方向にイオンを閉じ込めるための閉じ込め多重ポール場と、イオンを閉じ込めて、トンネル構造を軸方向に移送するためのＤＣ場と、を生成することができる。この手段によって、第１のイオントラップ６１に閉じ込められたイオンは、既知の方法で、直ちに分析のために、第２のイオントラップ７１へ移送される。第２のイオントラップ７１は、軸Ｘ−Ｘに対して直交に質量選択放出技術を用いることにより、第２のイオントラップ７１から放出されたイオンを検出するイオン検出器６４を含む。

図７は、図６に関して記載されている実施形態と同様のトンネル構造を有する本発明の代替の実施形態を示す。この実施形態は、図６に関して記載されている実施形態と共通の構成要素を有し、それらは同様の参照数字を割り当てられる。

この実施形態は、第１および第２のイオントラップ６１，７１が相互の平行軸Ｘ−Ｘ、Ｙ−Ｙ上に、並んで配置されるという点で、図６の実施形態と異なる。すでに述べたように、第１のイオントラップ６１は、チューブ６７を介してイオントラップの内部に導入されるパルス状高圧の冷却ガスの助けを借りてパルス状イオン源（再びＭＡＬＤＩイオン源）によって発生するイオンを閉じ込めるために用いられる。また、試料プレート６５は第１のイオントラップ６１の端壁を形成し、レーザパルスは軸Ｘ−Ｘに沿って試料Ｓにフォーカスされる。閉じ込められたイオンは、第１のイオントラップ６１から放出されて、分析のために、軸Ｘ−ＸおよびＹ−Ｙに対して直交の方向に、第２のイオントラップ７１に適切なスリットまたは穴を経て移送される。これは、図３に関して記載した放出プロセスと同様にして、第１のイオントラップ６１における双極加速および第２のイオントラップ７１における双極遅延を用いて達成できる。本実施形態において、要求される横断電界は、適切なパルス状電圧を、ＰＣＢ構造上の電気伝導トラックに印加することによって生成される。図６に関して記載した実施形態の場合と同様に、第２のイオントラップ７１は、軸Ｘ−ＸおよびＹ−Ｙに対して直交の質量選択放出技術を用いることにより、第２のイオントラップ７１から放出されたイオンを検出するイオン検出器６４を含む。さらに、第１のイオントラップ６１内の冷却ガスの圧力が、ポンプにより適当なレベルに減少するとすれば、選択質量範囲のイオンは、質量選択共鳴放出を用いて、第２のイオントラップ７１に移送することができ、そこで、タンデム型質量分析を実行することができる。

一般に、記載した実施形態は、パルス状イオン源を、イオン移送におけるイオンの移動性の改善とともにイオンの高効率な冷却を可能とする動的なガス圧と結合して、採用しており、これにより、装置のコストと複雑さを増大する差動ポンプの必要性を減少あるいは除去しており、また、第１のイオントラップにイオンを閉じ込め、その後第２のイオントラップにイオンを質量分析のために放出する効率を改善する。いくつかの実施形態が正に荷電したイオンに関して記載されていたのであるが、当業者には明らかであるように、必要に応じて単に極性を逆転することにより、負に荷電したイオンについても、直ちに適用することが可能である。

本発明による質量分析計の長手方向断面表現の概略図である。 図１の質量分析計の第１のイオントラップおよび第２のイオントラップでの、イオンの閉じ込めと、イオンの放出の両方における、軸方向ＤＣポテンシャルの変化を示す図である。 本発明による他の質量分析計の縦の断面表現の概略図である。 本発明による他の質量分析計の縦の断面表現の概略図である。 本発明による、さらにもう１つの質量分析計の縦の断面表現の概略図である。 図４を参照して記載されている円筒状イオントラップの環状電極に印加される矩形波形駆動電圧および正弦波形駆動電圧に関するレーザ放射のパルスの最適なタイミングを説明する図である。 本発明による、さらに他の質量分析計の縦の断面表現の概略図である。 本発明による、さらに他の質量分析計の縦の断面表現の概略図である。

Claims (32)

1. パルス状イオン源と、
   前記パルス状イオン源によって生成されたイオンを閉じ込め、閉じ込められたイオンの位置を特定する第１のイオントラップであって、前記放出は、閉じ込めに続く第１のイオントラップからの放出である、第１のイオントラップと、
   第１のイオントラップが前記イオンを閉じ込めることを可能にするのに適しているピーク圧において、冷却ガスのパルスを前記第１のイオントラップに導くためのガス吸気手段と、
   前記閉じ込められたイオンが、前記第１のイオントラップから放出される前に、前記冷却ガスの圧力を減らすためのポンプ手段と、
   第１のイオントラップから放出されたイオンを受け取り分析するための第２のイオントラップと、を備える質量分析計であって、
   前記パルス状イオン源が、試料が置かれる第１のイオントラップの端壁を形成する平坦な試料プレートを含み、前記パルス状イオンが第１のイオントラップ内部で発生する、質量分析計。
2. 前記パルス状イオン源が、レーザおよび、前記試料上へレーザ放射のパルスを向けるための手段を含む、請求項１に記載の質量分析計。
3. 前記パルス状イオン源が、マトリックス支援レーザ脱離イオン化（ＭＡＬＤＩ）イオン源である、請求項２に記載の質量分析計。
4. 前記ポンプ手段が、真空ポンプである、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の質量分析計。
5. 前記ポンプ手段が、ターボ分子ポンプである、請求項４に記載の質量分析計。
6. 前記ガス吸気手段が、電磁気駆動弁を含む、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の質量分析計。
7. 前記ガス吸気手段が、ピエゾ素子駆動弁を含む、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の質量分析計。
8. 前記ガス吸気手段が、５×１０^−２ミリバールから、１ミリバールまでの範囲のピーク圧で、第１のイオントラップに冷却ガスの前記パルスを導く、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の質量分析計。
9. 前記ポンプ手段が、前記圧力を、５×１０^−３ミリバールより小さい圧力に下げる、請求項８に記載の質量分析計。
10. 前記弁が、前記ポンプ手段によって得られるポンブダウン時定数より少ない期間の間開いている、請求項６又は請求項７に記載の質量分析計。
11. 前記期間が５ミリ秒未満である、請求項１０に記載の質量分析計。
12. 前記ガス吸気手段の起動および前記パルス状イオン源の次の起動間に予め設定された遅延が存在する、請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の質量分析計。
13. 前記第１のイオントラップが多ポール線形イオントラップである、請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の質量分析計。
14. 前記多ポール線形イオントラップが、前記第１のイオントラップの後端に位置するゲート電極を含み、前記電極は、イオンを反射するか放出するために選択的にバイアスしている、請求項１３に記載の質量分析計。
15. 第１のイオントラップにおいて軸方向ＤＣポテンシャル井戸をつくるように前記ゲート電極がバイアスしており、第１のイオントラップからの放出の前に第１のイオントラップにおける前記閉じ込められたイオン雲の位置を決める、請求項１４に記載の質量分析計。
16. 前記多ポール線形イオントラップが、セグメント化された多ポール線形イオントラップであり、各ポールが、第１のイオントラップの後端に隣接した比較的短いセグメントを含み、前記ＤＣ軸方向ポテンシャル井戸を増大するために、前記後端に隣接した比較的短いセグメントがバイアスしている、請求項１５に記載の質量分析計。
17. 前記ゲート電極と前記第１のイオントラップのポールとの間に環状電極を含み、前記ＤＣ軸方向ポテンシャル井戸を増大するために、環状電極がバイアスしている、請求項１５に記載の質量分析計。
18. 前記多ポール線形イオントラップが四重ポール線形イオントラップである、請求項１３ないし１７のいずれか１項に記載の質量分析計。
19. 前記第１のイオントラップが、縦軸を有する環状電極を含む円筒状イオントラップであって、前記平坦な試料プレートが、その前面にイオントラップの前記端壁を形成し、ゲート電極はその後端に、イオントラップの端壁を形成する、請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の質量分析計。
20. 前記環状電極に供給される高周波駆動電圧の位相が、負に荷電したイオンに対して９０度から１７０度までの範囲にあるときに、正に荷電したイオンに対して２７０度から３４０度までの範囲にあるときに、前記パルス状イオン源が起動され、前記位相は、駆動電圧波形の上昇する部分の零交差時間に対して表現される、請求項１９に記載の質量分析計。
21. イオンが、放出される前に、円筒状イオントラップの幾何学的な中心にイオン雲を形成するように位置する、請求項１９又は請求項２０に記載の質量分析計。
22. 前記ゲート電極が、イオンに、第１のイオントラップから第２のイオントラップへイオンの放出を引き起こすゲート電極の方に、静電的加速力をかけるためにバイアスしている、請求項１４ないし１７のいずれか１項に記載の質量分析計。
23. 第１のイオントラップから閉じ込められたイオンの放出を引き起こすために、前記平坦な試料プレートと前記ゲート電極との間に双極電界を確立するように配置されたＤＣバイアス手段を含み、前記第２のイオントラップが、放出されたイオンを妨害するために、更なる双極電界を確立するように配置される、請求項１９ないし２１のいずれか１項に記載の質量分析計。
24. 前記第２のイオントラップが双曲面三次元イオントラップまたは四重ポール線形イオントラップである、請求項１ないし２４のいずれか１項に記載の質量分析計。
25. 四重ポール線形イオントラップが、セグメント化したポールを有する、請求項２４に記載の質量分析計。
26. 第１および第２のイオントラップが両方とも線形イオントラップである、請求項１ないし１８のいずれか１項に記載の質量分析計。
27. 前記第１および第２のイオントラップが共通の縦軸上に連続的に配置される、請求項１ないし２６のいずれか１項に記載の質量分析計。
28. 前記第１および第２のイオントラップが、相互の平行軸上に並んで配置され、閉じ込められたイオンを放出するための手段が、前記平行軸に対して直交の方向に、第１から第２のイオントラップに、イオンを放出するために配置される、請求項１ないし２６のいずれか１項に記載の質量分析計。
29. 前記第１のおよび／または前記第２のイオントラップが、ＲＦドライブおよびＤＣバイアス電圧が使用のために印加される電気的伝導トラックを持つプリント回路基板から形成されたトンネル構造を備えている、請求項１ないし２８のいずれか１項に記載の質量分析計。
30. 第１および第２のイオントラップの間に環状または円錐形静電レンズを備える、請求項１ないし２９のいずれか１項に記載の質量分析計。
31. 前記第１のおよび／または第２の前記イオントラップが、スイッチ回路によって生成される矩形波デジタル駆動電圧によって、駆動される、請求項１ないし３０のいずれか１項に記載の質量分析計。
32. 実質的に図面を参照してここに記載された質量分析計。

Images