JP2009535759A - イオントラップアレイ - Google Patents
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Abstract
Description
また、異なる帯状電極に異なる位相の交流電圧を印加することで、電極アレイの異なる列の2列の平行な電極間の空間内に交流電場を生成させる。
一つの電極アレイの帯状電極の大きさは同一である。前記帯状電極に平行な電極アレイ側に配置された前記境界電極の電位は、前記電極アレイにおける隣接する帯状電極の電位の中間値である。
例えば、上記電圧Vは純高周波電圧成分であるか、または高周波電圧成分および1000Hz以下の低周波電圧成分を含む。
イオントラップアレイからイオンを引き出すために、平行電極アレイの少なくとも一部の帯状電極上に開口、出口スリット、または出口ネットのいずれかが設けられている。
前記帯状電極の形状は平面状であり、全ての帯状電極の主表面は互いに平行である。
その平面電極アレイを形成するプリント基板には、少なくとも一面に平面電極アレイ形状パターンを有する多層プリント基板が含まれる。
先に述べたように、電極アレイ板の構成が、少なくとも一部の導電層電子部品取り付けおよびリード引込線のためのパッドを有する多層プリント基板を含む。
本発明はまた排出されたイオンを検知するためのイオン検知器を含む。該検知器はイオントラップ軸に平行な境界電極の一つの外側に設置される。
本発明はまた、1列の電極アレイの外側に設置されるイオン検知器を含み、該イオン検知器はこの電極アレイからスリットまたはネットを介して排出されるイオンを検出する。
他のイオンを排除する前記方法には、平行電極間に双極子励起場を印加することで、所定の質量電荷比のイオンを、該イオンの永年運動と双極子場との共振励起によって排出する方法が含まれる。
残ったイオンを一度に検出する前記方法には、電極アレイに平行な方向(X方向)に電場を印加してイオンを加速し、イオンを前記アレイの一方から排出させ、次いでイオン検知器でイオン流を検知する方法が含まれる。
残ったイオンを一度に検出する前記方法には、電極アレイに垂直な方向、(Y方向)に電場を印加してイオンを加速し、イオンを前記アレイの一方のスリットから排出させ、次いでイオン検知器でイオン流を検知する方法が含まれる。
本発明では、さらに前記平行電極間に交流電圧をさらに印加して、電極アレイに垂直な共振励起場を形成させ、イオンの永年運動と双極子場との共振励起によってその質量電荷比の順にイオンを排出させ、同時にイオンは電極帯のスリットを通過可能であって、検知器に到達して検知されるようにしてもよい。
本発明の方法において、さらに帯の一つのの隣接する帯状電極間に交流電圧を追加し、電極アレイに平行(X方向)に平行な共振励起場を形成し、イオンの永年運動と双極子場との間の共振励起によって質量電荷比の順にイオンを排出させ、同時にイオンは電極アレイ間の空間を通過可能であって、検知器に到達して検知されるようにしてもよい。
前記方形波を生成する電子スイッチ群の数が2であるとき、隣接する2組の群が生成する方形波の位相差は180°である。
さらに、前記電子スイッチ群の数が2より大きいときは、隣接する2組のスイッチが生成する方形波電圧の位相差は180°及び所定増量との和に等しく、結果として周期的なイオントラップ領域および進行波場の両方が電極アレイの異なる列の間に生成される。
また、前記電子スイッチ群の数が2より大きく、隣り合う2組のスイッチが生成する方形波電圧の位相差が180°に等しく、しかし波長または位相の変調がN周期毎に出現するときは、この変調によりX方向に進行波が発生する。
前記発生する進行波場はイオンの排出を促す。
異なる位相の交流電圧が印加されるN個の帯状電極(Nは1以上)毎に各帯に印加される電圧を変化させることによりNの数が変化するので、異なる軸にトラップされたイオンを一つにまとめることができる。
この場合、イオンはZ方向(軸方向)に引き出されて検出される。
当然ながら、上下平面電極アレイにおける対応する帯状電極は等電位でなくてもよく、例えばその間に双極子励起電圧電場を印加し、イオンを排出または励起させることもできる。
装置構造は図1に示すものとする。質量の異なる複数のイオンを四重極場によって捕捉、冷却した。検知器に近い側の境界電極(3)の電圧を低下させても、イオンはまだトラップされたままである。次いで四重極場を生成する高周波電圧の振幅(または周波数)を走査し、イオンをその質量電荷比の順に、安定領域の境界へ向かわせる。イオンが安定領域の境界へ向かうとその運動エネルギーが増加し、そのエネルギーが臨界値を超えると、イオンは境界電極(3)を超えて検知器へ到達する。その信号は質量電荷比に従ったスペクトルとなる。
図6の装置構造および図7の電気信号結合方法を用いる。上下電極間の距離を電極の幅と間隙との和よりも大きくし、各二次元イオントラップの横断面が正方形よりもY方向に伸びた形とすると、Y方向の正の多重極場(主に八重極)が発生する。質量の異なる複数のイオンが四重極場により捕捉され冷却された後、コイル(51, 52)を用いて固定周波数のY方向双極子励起電場を重畳するとともに、四重極場を発生する高周波電圧の振幅または周波数を走査すると、捕捉されたイオンはその質量電荷比の順に共振励起され、そのY方向運動エネルギーと振幅が増加する。するとイオンは、スリット(41)から選択的に射出され、検知器で検出され、質量スペクトルが形成される。
図4と類似した装置構造を用いる。これによりスイッチ(33)のオン時にX方向に階段状場が発生し、これを双極子励起電場とすることができる。スイッチ(33)のオンオフ動作の周波数とイオンのX方向の運動とが共振したとき、当該イオンが選択的に共振励起される。励起されたイオンの一部は、他の捕捉領域および境界電極(3a)を超えて、検知器(8)に達する。
図8に示した回路を用いることもでき、この場合、上下アレイの対応する電極を接続する。双極子励起信号源(54)が生成する信号はカップリングコイル(61, 62)によって電極(11, 13, 15)の間の領域に印加され、同様に信号はカップリングコイル(61, 63)によって電極(12, 14, 16)に印加される。こうして、各イオン捕捉領域の左右の領域に周期的な電位差が発生し、各イオン捕捉領域中にX方向の双極子励起電場が形成される。イオンはその質量電荷比の順に選択的に共振励起され、射出され、検出される。
方法Dにおいても同様に、捕捉電場を発生させ、およびX方向に双極子励起電場を重畳する。図9に示すように、スイッチアレイ(71〜74)を用いて方形波状の四重極トラップ電場を発生させる。スイッチアレイ中の各ユニット、例えば71は、一対のスイッチ(71, 71)を有し、交互に開閉させて一定周波数の矩形波電圧を発生させる。これを電極(11)に印加する。各スイッチ対の上下の交互開閉を、スイッチ対71とスイッチ対72とで逆相(180°差)にし、スイッチ対71とスイッチ対73とで同相(360°差)にすると、電極アレイに上述のようなトラップ高周波電場+Vと−Vを発生させることができる。隣り合うスイッチ対の位相差が180°ではなく、ある増量Δθを含むとすると、X方向にはトラップ高周波電場(四重極、八重極、十二重極等)のほか、二重極、六重極等の奇関数多重極場が形成される。これらの場の周波数とトラップ電場の選択的周波数とは同一であり、同時にX軸方向に沿って運行する。、これは進行波と呼ばれる。これによれば片側へ向かってイオンを搬送できるので、一度にイオンを排出するのに有用である。前記選択的位相差の増量Δθが各波上に出現せず、波N個毎に1回出現する場合、生成される双極子場の周波数はトラップ電場周波数のN分の一である。このN分の一周波数の双極子場はX方向の双極子励起電場として、イオン振動を励起する永年周波数に用いられ、イオンを選択的に排出する。
さらに、前述のイオン捕捉ユニットの一つに一の電圧(+Vまたは−V)を印加するイオン捕捉方法では、各電極帯に比例する電圧を印加することにより、複数のイオントラップ領域を一つにすることができる。
Claims (38)
- 互いに平行な2本以上の帯状電極から構成された少なくとも2列の互いに平行に配置された電極アレイと、
前記各帯状電極に異なる位相の交流電圧を印加し、2列の平行な電極アレイ間の空間に交流電場を発生させる電源と、を有し、
前記空間内に、並列した複数の線形イオントラップ領域が形成され、
これら各イオントラップ領域とそれに隣接するイオントラップ領域が物理的バリアなしに相通していることを特徴とする、
イオン蓄積・分析装置。 - 更に、低圧の衝突ガスを導入し、捕捉されたイオンの運動エネルギーを低下させ、前記帯状電極に平行な複数の軸線の周りの複数の平行な狭いイオン雲の条体にイオンが集まるようにしたことを特徴とする、請求項1に記載のイオン蓄積・分析装置。
- 上列の電極アレイ面と下列の電極アレイ面は互いに平行であり、上下の端が揃えられており、2列の隣接する平行電極アレイ間の空間の周囲に境界電極が配置されていることを特徴とする、請求項1または2に記載のイオン蓄積・分析装置。
- 一つの電極アレイにおける前記各帯状電極の大きさが同一であり、前記帯状電極に平行な電極アレイ側に配置された前記境界電極の電位が、隣り合う帯状電極の電位の中間値であることを特徴とする、請求項3に記載のイオン蓄積・分析装置。
- 前記平行電極アレイにおける帯状電極の電位は、順に+V、−V、+V、−V、…であり、前記交流電圧Vには少なくとも一つの高周波電圧成分が含まれ、前記帯状電極に平行な境界電極の電位がゼロに設定されることを特徴とする、請求項4に記載のイオン蓄積・分析装置。
- 前記電圧Vが純高周波電圧成分からなることを特徴とする、請求項5に記載のイオン蓄積・分析装置。
- 前記電圧Vが高周波電圧成分および1000Hz以下の低周波電圧成分を含むことを特徴とする、請求項5に記載のイオン蓄積・分析装置。
- さらに、高速で開閉することにより前記高周波電圧または低周波電圧を生成する電気スイッチ群を含むことを特徴とする、請求項1〜7のいずれかに記載のイオン蓄積・分析装置。
- 少なくとも一部の境界電極に、イオントラップアレイからイオンを引き出すための開口、出口スリットまたは出口ネットが設けられたことを特徴とする、請求項1〜8のいずれかに記載のイオン蓄積・分析装置。
- 前記平行電極アレイにおける少なくとも一部の帯状電極に、該イオントラップアレイからイオンを引き出すための出口スリットまたは出口ネットが設けられていることを特徴とする、請求項1〜9のいずれかに記載のイオン蓄積・分析装置。
- 該イオントラップアレイからイオンを引き出すための、隣接する二列の平行電極アレイ間に双極子場を発生させる電圧源およびカップリング装置を有する請求項1〜10のいずれかに記載のイオン蓄積・分析装置。
- 前記帯状電極の形状が平面状であり、全ての帯状電極の主表面が互いに平行であることを特徴とする、請求項1〜10のいずれかに記載のイオン蓄積・分析装置。
- 1列以上の電極アレイが、プリント基板を用いて形成可能であることを特徴とする、請求項1〜12のいずれかに記載のイオン蓄積・分析装置。
- 前記平面電極アレイを形成するプリント基板には、少なくとも一面に平面電極アレイ形状パターンを有する多層プリント基板が含まれることを特徴とする、請求項13に記載のイオン蓄積・分析装置。
- 電極アレイ板の構成が、少なくとも一部の導電層に電子部品取り付けおよび引込線のためのパッドを有する多層プリント基板を含むことを特徴とする、請求項13または14に記載のイオン蓄積・分析装置。
- 前記2列の電極アレイが別個の2枚のプリント基板により形成可能であり数個の境界電極で互いが固定されていることを特徴とする、請求項13〜15のいずれかに記載のイオン蓄積・分析装置。
- 更に、排出されたイオンを検知するイオン検知器を含み、該検知器は、前記イオントラップ軸の一つの終端かつ該イオントラップアレイの外側に設置されることを特徴とする、請求項1〜16のいずれかに記載のイオン蓄積・分析装置。
- 更に、排出されたイオンを検知するイオン検知器を含み、該検知器はイオントラップ軸に平行な境界電極の一つの外側に設置されることを特徴とする、請求項1〜16のいずれかに記載のイオン蓄積・分析装置。
- 更に、1列の電極アレイの外側に設置されたイオン検知器を含み、該イオン検知器はこの電極アレイからスリットまたはネットを介して排出されたイオンを検出することを特徴とする、請求項1〜16のいずれかに記載のイオン蓄積・分析装置。
- 互いに平行な帯状電極から成る平行電極アレイを用い、前記各帯状電極に異なる位相の交流電圧を印加し、対となる電極アレイ間の空間に交流電場を発生させ、その上で異なる電極アレイの列の間の空間にイオンをトラップする複数の相通する領域を形成させ、イオンはこれらの領域でトラップ、冷却され、その質量電荷(m/z)比の相違により分離され分析されることが可能である、イオンの蓄積・分析方法。
- 前記イオン分析方法には、所定の質量電荷比以外の全てのイオンを排除する信号を前記アレイに印加し、次に、残ったイオンを一度に検出する過程が含まれることを特徴とする、請求項20に記載のイオンの蓄積・分析方法。
- イオンを排除する前記方法には、電極アレイに印加される高周波交流電圧の他に1000Hz以下の低周波信号を重畳して、トラップされたイオンが最大及び最小の質量電荷比を有するようにする方法が含まれることを特徴とする、請求項21に記載のイオンの蓄積・分析方法。
- イオンを排除する前記方法には、前記平行電極アレイ間に双極子励起場を印加し、イオンの永年運動振動数と該双極子励起場の振動数とを共振させ、該イオンを排出する方法が含まれることを特徴とする、請求項21または22に記載のイオンの蓄積・分析方法。
- 残ったイオンを一度に検出する前記方法には、前記帯の末端の電極の直流電圧を低下させて当該電極のスリットまたはネットから正イオンを引き出すか、または前記帯の末端の境界電極の直流電圧を上昇させて当該電極のスリットまたはネットから負イオンを引き出し、次いでイオン検知器でイオン流を検知する方法が含まれることを特徴とする、請求項20〜23のいずれかに記載のイオンの蓄積・分析方法。
- 残ったイオンを一度に検出する前記方法には、前記電極アレイに平行な方向(X方向)に電場を印加してイオンを加速し、イオンを前記アレイの一方から排出させ、次いでイオン検知器でイオン流を検知する方法が含まれることを特徴とする、請求項20〜23のいずれかに記載のイオンの蓄積・分析方法。
- 残ったイオンを一度に検出する前記方法には、前記電極アレイに垂直な方向(Y方向)に電場を印加してイオンを加速し、イオンを前記アレイの一方のスリットから排出させ、次いでイオン検知器でイオン流を検知する方法が含まれることを特徴とする、請求項20〜23のいずれかに記載のイオンの蓄積・分析方法。
- 前記イオン分離方法には、イオンをトラップしている高周波の電圧または周波数を走査し、イオンをその質量電荷比の順に排出し、該アレイ外部の検知器が信号を受信し、その質量電荷比に従ってスペクトルを形成する方法が含まれることを特徴とする、請求項20に記載のイオンの蓄積・分析方法。
- 前記検知器は平行電極アレイ外側の、イオントラップ軸の一つの端に設けられており、イオンは境界電極上のスリットまたはネットを介して排出されることが可能であり、前記検知器内に入射することを特徴とする、請求項27に記載のイオンの蓄積・分析方法。
- 前記平行電極間に交流電圧をさらに印加して、電極アレイに垂直な共振励起場を形成させ、イオンの永年運動と双極子場との間の共振励起によって質量電荷比の順にイオンを排出させ、同時にイオンは電極帯のスリットを通過可能であって、検知器に到達して検知されることを特徴とする、請求項27に記載のイオンの蓄積・分析方法。
- 前記帯状電極アレイの各々に隣り合う帯状電極間に交流電圧を重畳して、電極アレイに平行(X方向)な共振励起場を形成し、イオンの永年運動と双極子場との間の共振励起によって質量電荷比の順にイオンを排出させ同時にイオンは電極アレイ間の空間を通過可能であって、検知器に到達して検知されることを特徴とする、請求項27に記載のイオンの蓄積・分析方法。
- 各隣り合う帯状電極間に印加される交流電圧は電子スイッチ群により生成され、その波形が方形波であることを特徴とする、請求項20に記載のイオンの蓄積・分析方法。
- 前記方形波を生成する前記電子スイッチ群の数が2であり、隣り合う2組のスイッチが発生する方形波電圧の位相差は180°であることを特徴とする、請求項31に記載のイオンの蓄積・分析方法。
- 前記電子スイッチ群の数が2より大きく、隣り合う2組のスイッチが生成する方形波電圧の位相差は180°及び所定増量の和に等しく、これにより周期的なイオントラップ領域および進行波場の両方が電極アレイの異なる列の間に生成されることを特徴とする、請求項31に記載のイオンの蓄積・分析方法。
- 前記電子スイッチ群の数が2より大きく、隣り合う2組のスイッチが生成する方形波電圧の位相差は180°に等しく、しかし波長または位相の変調がN周期毎に出現し、当該変調によりX方向に進行波が発生することを特徴とする、請求項31に記載のイオンの蓄積・分析方法。
- 前記進行波場がイオンの排出を促すことを特徴とする、請求項33または34に記載のイオンの蓄積・分析方法。
- 帯状電極に異なる位相の交流電圧を印加してN個の帯状電極(Nは1以上)から成るイオントラップユニットとし、各帯に印加される電圧の比を調節することによりイオントラップユニットの電場を最適化することを特徴とする、請求項20に記載のイオンの蓄積・分析方法。
- 帯状電極に異なる位相の交流電圧を印加してN個の帯状電極(Nは1以上)から成るイオントラップユニットとし、さらに各電極帯における電圧を変化させることにより、一つのトラップユニットにおける帯状電極の数が変化可能であり、異なるイオントラップ軸にトラップされたイオンを一つにすることが可能であることを特徴とする、請求項20に記載のイオンの蓄積・分析方法。
- 2列以上の平行に配置された電極アレイを使用するイオンの蓄積・分析方法であって、各列のアレイは互いに平行な帯状電極を有しており、各電極に異なる位相の交流電圧を印加して、隣り合う2つの電極アレイ間毎の空間に交流電場を発生させて、さらにこの空間に複数の相通する直線的イオン束縛領域を形成するもので、イオンは複数の領域内のいずれかで捕獲、冷却され、同時にその質量電荷比の相違により一空間から他の空間へ選択的に搬送される、イオンの蓄積・分析方法。
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