JP2010118308A

JP2010118308A - イオンガイド及びそれを備えた質量分析装置

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Publication number: JP2010118308A
Application number: JP2008292417A
Authority: JP
Inventors: Tomoyoshi Matsushita; 知義松下
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2008-11-14
Filing date: 2008-11-14
Publication date: 2010-05-27
Anticipated expiration: 2028-11-14
Also published as: JP5141505B2

Abstract

【課題】イオンガイド内の電場の乱れを抑え、理想状態に近い電場を形成することができるイオンガイド及びそれを備えた質量分析装置を提供する。
【解決手段】イオン光軸Ｃ方向に延伸し、その端面がイオン光軸Ｃを取り囲むように配置された８枚の金属板を電極１１Ａとするとともに、イオン光軸Ｃに直交する面内で、電極１１Ａのイオン光軸Ｃ側端縁が光軸に向けて凸の円弧状又は双曲線状であるようにする。これにより、電極１１Ａの端縁で囲まれたイオン飛行空間に理想状態に近い電場が形成される。電極１１Ａは、端面加工が施されていない金属板１１１に所定の断面形状を有する電極棒１１２を溶接等により固定したものであってもよい。
【選択図】図２

Description

本発明は、イオンの軌道を収束させつつイオンを後段に輸送するためのイオンガイド及びそれを備えた質量分析装置に関する。

図７は、２つの四重極質量フィルタを用いてＭＳ／ＭＳ法による測定を行うタンデム型質量分析装置の概略構成図である。この装置では、イオンの通過経路に沿って第１段の四重極質量フィルタ３０、コリジョンセル３１、第２段の四重極質量フィルタ３３、検出器３４が配置される。コリジョンセル３１の内部には、飛行するイオンの軌道を電場により制御するイオンガイド４０が配置される。

図７において左方からイオンが導入されると、第１段の四重極質量フィルタ３０により特定の質量電荷比を有するイオンのみが選択されてコリジョンセル３１内のイオンガイド４０に導入される。コリジョンセル３１内には衝突誘起解離（ＣＩＤ）ガスが導入されており、前段で選択されたイオンはＣＩＤガスと衝突して解離し、その解離の態様に応じて生じた各種のプロダクトイオンが第２段の四重極質量フィルタ３３に導入される。そして第２段の四重極質量フィルタ３３により特定の質量電荷比を有するプロダクトイオンが選択されて検出器３４に到達して検出される。

図８に、イオンガイドの構成の一例を示す。このイオンガイド４０は円柱棒状の８本のロッド電極４１をイオン光軸Ｃの周囲に回転対称に配置したマルチポール型のものである。隣り合う２本のロッド電極４１には、同一の直流電圧に振幅が同一で位相を反転させた高周波電圧を重畳させた電圧を印加する。これにより、ロッド電極４１で囲まれた空間に高周波電場が発生し、そこに導入されたイオンが所定の周期で振動しながら進む。このとき、電場の形状は、イオン光軸Ｃに直交する面内の等電位線が、理論的に導き出される所定の曲線と一致することが望ましい。

イオンガイドでは、一般的にロッド電極をイオン光軸に平行に配置するが、僅かに傾斜させて配置することもある。例えば、ロッド電極を、イオンの出口側においてイオン光軸に近づくように僅かな角度（例えば0.5°）だけ傾斜させておけば、イオンを出口側に加速させることができる。逆に、出口側においてイオン光軸から遠ざかるように僅かに傾斜させておけば、飛行するイオンを減速させることができる。

特開2007-128694号公報

近年、分析対象物質の種類の多様化や複雑化が進み、これに対応するために質量分析装置のさらなる高感度化や高精度化などが求められている。こうした要求に応えるために、イオンガイドにおいても、イオン受容性やイオン透過性などの性能の向上を図る必要がある。そのためには、イオンガイド内の高周波電場の形状を前記理論曲線にできるだけ近づけることが望ましい。

イオンガイド内の電場を理想状態に近づけるには、一つには、各電極の配置の精度を高める必要がある。その方法の一つに、ロッド電極を非導電性のホルダで保持する方法がある。しかし、この方法では、非導電性ホルダがロッド電極のすぐ近傍にあるため、飛行するイオンが衝突することにより帯電したホルダによって、イオンガイド内の電場が乱される。

そこで、ロッド電極の背部（イオン光軸の反対側）に金属製の連結材を溶接し、その連結材をホルダで固定することにより、ホルダをイオン光軸から遠ざける方法が提案されている。しかし、この方法では、溶接箇所おいてロッド電極が熱ひずみにより変形し、その真直性が損なわれやすい。そのため、電場にもひずみが生じ、ロッド電極をイオン光軸に対して僅かな角度だけ傾斜させてイオンを加速/減速するという方法の場合、特にこのような方法をとることは困難である。

一方、主として組立構造を簡単にしてコストを下げるために、ロッド電極の代わりに金属板電極を用い、その端面でイオン光軸を取り囲むイオンガイドも提案されている（特許文献１参照）。しかし、この構成では、イオンガイド内に形成される電場は理想状態とは離れているため、イオンの収束性を高めることは困難である。

本発明は以上のような課題を解決するために成されたものであり、その目的は、イオンガイド内の電場の乱れを抑え、理想状態に近い電場を形成することのできるイオンガイド及びそれを備えた質量分析装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る第１のイオンガイドは、
イオン光軸方向に延伸し、その端面が該イオン光軸を取り囲むように配置されたｎ（ｎは４以上の偶数）枚の金属板を電極として備えたイオンガイドであって、
前記イオン光軸に直交する面内で、前記金属板の該イオン光軸側端縁が光軸に向けて凸の円弧状又は双曲線状であることを特徴とする。

上記課題を解決するために成された本発明に係る第２のイオンガイドは、
イオン光軸方向に延伸し、その端面が該イオン光軸を取り囲むように配置されたｎ（ｎは４以上の偶数）枚の金属板と、
前記金属板の前記イオン光軸側の端面に沿って固定され、該イオン光軸に直交する面内で該イオン光軸側端縁が光軸に向けて凸の円弧状又は双曲線状である電極棒と、
を備えることを特徴とする。

上記課題を解決するために成された本発明に係る質量分析装置は、上記イオンガイドを備えることを特徴とする。

本発明に係るイオンガイド及びそれを備えた質量分析装置によれば、イオン光軸に直交する面内で、電極である金属板又は電極棒のイオン光軸側端縁が光軸に向けて凸の円弧状又は双曲線状であるため、各電極で囲まれた空間に理想状態に近い電場を形成することができる。
また、電極として一端面がイオン光軸方向に向いた金属板又はその端面に電極棒を固定した金属板を用いるため、イオン光軸から離れた箇所で電極（金属板）を非導電性ホルダにより保持することができる。これにより、非導電性ホルダをイオン光軸から遠ざけて配置することができ、非導電性ホルダの帯電によるイオンガイド内の電場の乱れを抑えることができる。

本発明に係る第２のイオンガイドによれば、特に端縁形状が円弧状の場合、電極棒を円柱状とすることができるため、製造が非常に容易となる。端縁形状が双曲線状の場合でも、板の端縁を加工するよりは、棒状の部材をそのような形状に加工する方が容易である。なお、第２のイオンガイドでは電極棒を別の部材（金属板）に固定する必要があるが、電極棒はその全長に亘って金属板の端面に固定されるため、溶接等による電極棒の変形を最小限に抑えることができる。

本発明に係るイオンガイドの一実施例を図面を参照して説明する。図１(a)は本実施例に係るイオンガイドを内部に備えるイオンガイドユニット１０の側面図であり、図１(b)、(c)はそれぞれ図１(a)のＡ−Ａ矢視断面図、Ｂ−Ｂ矢視断面図である。本実施例のイオンガイドユニット１０は、図７に示したようなＭＳ／ＭＳ分析を行うタンデム型質量分析装置のコリジョンセル３１内に配置されるものであり、イオン光軸Ｃの方向に延伸した８枚の金属板を電極とするイオンガイド１１と、それらを囲う円筒状のケース１４を備える。

イオンガイド１１の各電極はその長手側の端面をイオン光軸Ｃに向け、イオン光軸Ｃの周りに互いに45°ずつの角度を保って回転対称に配置されている。８枚の電極のうち一つ置きに配置された４枚の電極を第１電極１１Ａとし、それらに隣接する４枚の電極を第２電極１１Ｂとする。なお、ここでは、８枚の電極から成る８重極の構成であるが、多重極電場を形成する場合、４重極、６重極等、電極の枚数は４以上の偶数であればよい。

図２(a)に１枚の第１電極１１Ａの斜視図を示す。第１電極１１Ａはイオン光軸Ｃに直交する面内でイオン光軸Ｃ側端縁が光軸に向けて凸の円弧状又は双曲線状である。また、イオン光軸Ｃ側の端面はイオンの進行方向（図１(c)及び図２(a)の右方向）に向かうに従ってイオン光軸Ｃから僅かに遠ざかるように傾斜している。この傾斜により多重極電場の強さをイオンガイド１１の出口側ほど小さくして、飛行するイオンを減速させることができる。この第１電極１１Ａ以外の他の３枚の第１電極１１Ａ及びそれらに隣接する４枚の第２電極１１Ｂも同じ形状を有する。
なお、第１電極１１Ａ及び第２電極１１Ｂは図２(b)に示すように、端面加工が施されていない金属板１１１の端面に所定の断面形状を有する電極棒１１２を溶接等により固定したものであってもよい。この電極棒１１２はイオン光軸Ｃに直交する面内で、少なくともイオン光軸Ｃ側端縁が光軸に向けて凸の円弧状又は双曲線状であれば、丸棒に限らず断面が半円状のもの等でもよい。

ケース１４は第１電極１１Ａ及び第２電極１１Ｂを取り巻く筒部１４１と、筒部１４１の一方の端部に取り付けられ各電極の一端面（図１(c)における左側の端面）を支える第１支持部１４２と、筒部１４１の他方の端部に取り付けられた第２支持部１４３と、第２支持部１４３との間に図３に示すような板バネ１３を挟んで固定するための板バネ固定部１４４とを備える。第１支持部１４２及び第２支持部１４３はセラミックスやプラスチック等の絶縁体から成り、中央にイオンを通過させるための開口が設けられている。さらに第２支持部１４３には各電極に対応する位置に円筒状の貫通穴が設けられている。

図３に示した板バネ１３は金属製のリング状の枠部１３１と、枠部１３１から内側に突出する片持ちバネである８個のバネ部１３２から成る。バネ部１３２はＴ字形状にし、隣り合うバネ部１３２の左右端が近接するようにしておく。このような板バネ１３は金属板をプレス加工することにより低コストで製造することができる。なお、バネ部１３２は枠部１３１から外側に突出する構成にしてもよい。

第１支持部１４２における電極を支える面には金属製の薄板１５が配置される。図４に薄板１５の平面図を示す。薄板１５はリング状の枠部１５１と、枠部１５１から内側に突出する４個の金属接点１５２から成る。薄板１５もプレス加工により低コストで製造することができる。第１支持部１４２に配置された薄板１５は金属接点１５２の位置が第１電極１１Ａの位置に対応する。これにより、薄板１５は第１電極１１Ａのみに接触し、第２電極１１Ｂには接触しない。

図５に、イオンガイドユニット１０の第２支持部１４３側の端部における、板バネ１３及び板バネ固定部１４４を取り外した状態の端面図を示す。第２支持部１４３に設けられた８個の貫通穴のうち第１電極１１Ａに対応する４個の穴には絶縁体から成る絶縁スペーサ１２１が挿入され、第２電極１１Ｂに対応する４個の穴には導電体から成る導電スペーサ１２２が挿入される。各スペーサは同じ長さを有する円筒状のものであり、その長さは一端が電極に接触した状態で他端が第２支持部１４３の表面から僅かに突出する程度にする。

図６に、図５に示したイオンガイドユニット１０に板バネ１３及び板バネ固定部１４４を取り付けた状態の部分端面図を示す。板バネ１３は隣り合うバネ部１３２の近接した左右端が１つの絶縁スペーサ１２１又は１つの導電スペーサ１２２の突出部を押さえるように配置される。これにより、板バネ１３は第１電極１１Ａとは絶縁スペーサ１２１により絶縁され、第２電極１１Ｂとは導電スペーサ１２２を介して電気的に接続する。このとき、各導電スペーサ１２２は２つのバネ部１３２と接触するため、各導電スペーサがそれぞれ１つのバネ部と接触する場合と比べ、それらの接点における汚れや埃等を原因とする接触不良の発生確率が低下する。

以上の構成により、板バネ１３のバネ部１３２が絶縁スペーサ１２１又は導電スペーサ１２２を介して第１電極１１Ａ及び第２電極１１Ｂを第１支持部１４２側へ押さえる。これにより、各電極は板バネ１３と第１支持部１４２により両側から挟まれて固定される。このとき、第１電極１１Ａの端面は絶縁スペーサ１２１又は金属製の薄板１５に接触し、第２電極１１Ｂの端面は導電スペーサ１２２又は絶縁体から成る第２支持部１４３に接触する。そして、図示しない電圧印加回路より、第１電極１１Ａには薄板１５を介して直流電圧Ｖに高周波電圧ｖ・cosωｔが重畳された電圧Ｖ＋ｖ・cosωｔが印加され、第２電極１１Ｂには板バネ１３及び導電スペーサ１２２を介して同じ直流電圧に位相が反転された（つまり180°ずれた）高周波電圧が重畳された電圧Ｖ−ｖ・cosωｔが印加される。これにより、８枚の電極の縁端面で囲まれた空間に多重極電場が形成され、そこに導入されるイオンが収束される。

このとき、イオン光軸Ｃに直交する面内で、８枚の電極のイオン光軸Ｃ側端縁が光軸に向けて凸の円弧状又は双曲線状であるため、電極の近傍にはその曲線に沿うような形状の電場が発生する。これにより、各電極の端面で囲まれた空間に理想状態に近い電場を形成することができる。

本実施例に係るイオンガイドユニットでは以下の効果も奏する。各電極は一端面がイオン光軸Ｃから放射方向に長さを有する板状となっているため、イオン光軸Ｃから離れた箇所でそれらを保持することができる。このため、その保持手段である絶縁性の第１支持部１４２にイオンが衝突しにくくなり、その帯電によるイオンガイド内の電場の乱れを抑えることができる。
本実施例の電極には溶接箇所がないため、電極が変形することがない。従って、電極の高精度の配置が可能となり、例えば、その端面をイオン光軸Ｃ側に対して僅かな角度（例えば0.5°）だけ傾斜させてイオンを加速/減速すること等の操作も高精度に行うことができる。

上述したイオンガイドユニット１０はイオンの軌道を収束させつつイオンを後段に輸送する機能を備える様々な質量分析装置に適用することができ、ＭＳ／ＭＳ分析を行うタンデム型質量分析装置のように複数の質量分析部を有するものに限らず、例えば液体クロマトグラフ質量分析装置（ＬＣ／ＭＳ）のように単一の質量分析部を有するものにも適用することができる。

上記実施形態は本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜変更が許容される。

本発明の一実施例であるイオンガイドユニットを説明する図であり、(a)は側面図、(b)、(c)はそれぞれ(a)のＡ−Ａ矢視断面図、Ｂ−Ｂ矢視断面図である。電極を説明する図であり、(a)は本実施例の電極の斜視図、(b)は変形例の電極の斜視図である。板バネの平面図。薄板の平面図。板バネ及び板バネ固定部を取り付ける前のイオンガイドユニットの端面図。板バネ及び板バネ固定部を取り付けた後のイオンガイドユニットの拡大端面図。タンデム型質量分析装置の概略構成図。従来のイオンガイドの構成の一例を示す概略斜視図。

符号の説明

１０…イオンガイドユニット
１１、４０…イオンガイド
１１１…金属板
１１２…電極棒
１１Ａ…第１電極
１１Ｂ…第２電極
１２１…絶縁スペーサ
１２２…導電スペーサ
１３…板バネ
１３１、１５１…枠部
１３２…バネ部
１４…ケース
１４１…筒部
１４２…第１支持部
１４３…第２支持部
１４４…板バネ固定部
１５…薄板
１５２…金属接点
３０、３３…四重極質量フィルタ
３１…コリジョンセル
３４…検出器
４１…ロッド電極

Claims

イオン光軸方向に延伸し、その端面が該イオン光軸を取り囲むように配置されたｎ（ｎは４以上の偶数）枚の金属板を電極として備えたイオンガイドであって、
前記イオン光軸に直交する面内で、前記金属板の該イオン光軸側端縁が光軸に向けて凸の円弧状又は双曲線状であることを特徴とするイオンガイド。
イオン光軸方向に延伸し、その端面が該イオン光軸を取り囲むように配置されたｎ（ｎは４以上の偶数）枚の金属板と、
前記金属板の前記イオン光軸側の端面に沿って固定され、該イオン光軸に直交する面内で該イオン光軸側端縁が光軸に向けて凸の円弧状又は双曲線状である電極棒と、
を備えることを特徴とするイオンガイド。
請求項１又は２に記載のイオンガイドを備えることを特徴とする質量分析装置。