JP2010146876A - Multiply-bent type quadrupole time-of-flight mass spectrometer - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、多屈曲型四重極飛行時間型質量分析装置に関し、四重極型が小型である特長も活かしつつ分解能も改善可能であり、測定1回のデータ取得時間を数ミリ秒或いはそれ以下に短縮できる多屈曲型四重極飛行時間型質量分析装置を提供することを目的としている。
【解決手段】円弧状に曲がった電極4個組の四重極と直線状電極4個組の四重極同士がイオン光学上の光軸が接続部でほぼ一致するように電極部材が接する構造で、一体化乃至は接続された状態の四重極の外形を持つ構成であり、前記四重極部はイオンガイドとして機能させ、飛行するイオンの飛行時間を計測できるように構成する。
【選択図】図2The present invention relates to a multi-bending quadrupole time-of-flight mass spectrometer, which can improve the resolution while taking advantage of the small size of the quadrupole type, and reduces the data acquisition time per measurement to several millimeters. It is an object of the present invention to provide a multi-bending quadrupole time-of-flight mass spectrometer that can be shortened to seconds or less.
A structure in which an electrode member is in contact with a quadrupole of a set of four electrodes bent in an arc shape and a quadrupole of a set of four linear electrodes so that the optical axes on ion optics are substantially coincident with each other at a connection portion. Thus, the quadrupole shape is integrated or connected, and the quadrupole portion functions as an ion guide so that the flight time of flying ions can be measured.
[Selection] Figure 2
Description
本発明は多屈曲型四重極飛行時間型質量分析装置に関し、更に詳しくは飛行時間型質量分析計としても、またマスフィルタとしても機能できるようにした多屈曲型四重極飛行時間型質量分析装置に関する。 The present invention relates to a multi-bending quadrupole time-of-flight mass spectrometer, and more specifically, a multi-bending quadrupole time-of-flight mass spectrometer that can function as a time-of-flight mass spectrometer and a mass filter. Relates to the device.
四重極子で構成した質量分析装置(四重極質量分析装置:略称QMS)は、小型の汎用機としての利用が多く、質量分析場である四重極場の連続的な掃引或いは飛び飛びの設定で、個々質量の異なるイオンを選別して検出する方式(マスフィルタと呼ばれる)で使用されている。 A mass spectrometer (quadrupole mass spectrometer: QMS) composed of quadrupoles is often used as a small general-purpose machine, and can be used to set a continuous sweep or jump of a quadrupole field that is a mass spectrometer. In this method, ions having different masses are selected and detected (called a mass filter).
従来の四重極質量分析装置としては、イオン源と、四重極フィルタを通過したイオンを検出する検出器とを具備する四重極質量分析装置において、前記四重極フィルタを通過するイオンの質量数が順次変化するように該四重極フィルタへの印加電圧を走査する際に、走査速度に応じて、前記イオン源と四重極フィルタとの間に印加する直流電圧を変化させる技術が知られている(例えば特許文献1参照)。 As a conventional quadrupole mass spectrometer, a quadrupole mass spectrometer comprising an ion source and a detector that detects ions that have passed through the quadrupole filter, the ion of the ions that pass through the quadrupole filter is described. A technique for changing the DC voltage applied between the ion source and the quadrupole filter according to the scanning speed when scanning the applied voltage to the quadrupole filter so that the mass number changes sequentially. It is known (see, for example, Patent Document 1).
また、飛行時間型質量分析装置においては、飛行管を第1の金属で作り、該飛行管の少なくとも一端を構成する壁部を摺動可能な嵌め合い構造にした装置が知られている(例えば特許文献2参照)。
四重極型質量分析装置は、一般的には質量分解能が1マス差を分ける程度と高くはないが、小型・安価で使い勝手がよいとされる範囲で利用されている。高い質量分解能を必要とする用途では、二重収束型質量分析装置等の他の高性能な質量分析装置が用いられる。また、質量差を分離して異なるイオンを検出するために必要とする時間は、分析場の掃引或いは飛び飛びの制御で、測定1回のデータ取得で速くても100ミリ秒程度を要している。 The quadrupole mass spectrometer is generally not so high that the mass resolution divides one mass difference, but is used in a range that is small, inexpensive, and easy to use. In applications that require high mass resolution, other high-performance mass spectrometers such as double-focusing mass spectrometers are used. In addition, the time required for separating different masses and detecting different ions requires about 100 milliseconds at the fastest in acquiring data for one measurement by controlling the sweep or jumping of the analysis field. .
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、四重極型が小型である特長も活かしつつ分解能も改善可能であり、測定1回のデータ取得時間を数ミリ秒或いはそれ以下に短縮できてサンプリングの同時性改善可能な装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of such problems, and the resolution can be improved while taking advantage of the small size of the quadrupole type, and the data acquisition time for one measurement is several milliseconds or less. It is an object of the present invention to provide a device that can be shortened to an improved sampling simultaneity.
(1)請求項1記載の発明は、円弧状に曲がった電極4個組の四重極と直線状電極4個組の四重極同士がイオン光学上の光軸が接続部でほぼ一致するように電極部材が接する構造で、一体化乃至は接続された状態の四重極の外形を持つ構成であり、前記四重極部はイオンガイドとして機能させ、飛行するイオンの飛行時間を計測できる構成にしたことを特徴とする。 (1) In the first aspect of the invention, the quadrupole of the quadruple electrode bent in a circular arc shape and the quadrupole of the quadruple linear electrode set substantially coincide with each other in the optical axis on the ion optics. In this way, the electrode members are in contact with each other and have a quadrupole outer shape that is integrated or connected, and the quadrupole portion functions as an ion guide so that the time of flight of flying ions can be measured. It is characterized by having a configuration.
(2)請求項2記載の発明は、中心軸から斜め45度方向の四方に配置する円弧状に曲がった電極4個組の四重極と直線状電極4個組の四重極同士がイオン光学上の光軸が接続部でほぼ一致するように電極部材が接する構造で、一体化乃至は接続された状態の四重極の外形を持つ構成で、この四重極部はイオンガイドとして機能させて、飛行するイオンの飛行時間を計測できる構成にしたことを特徴とする。
(2) The invention according to
(3)請求項3記載の発明は、円弧状に曲がった電極4個組の四重極と直線状電極4個組の四重極の組合せ数、及び接続方向を任意に変えて連結し、少なくとも直線型四重極の部分を2組以上とする接続で、イオンの飛行時間を測定するようにしたことを特徴とする。
(3) The invention according to
(4)請求項4記載の発明は、円弧状に曲がった電極4個組の四重極と直線状電極4個組の四重極同士がイオン光学上の光軸が接続部でほぼ一致するようにし、間に電気的に絶縁するための空隙を設けて連結した四重極の外形を持つ構成で、直線状電極4個組の四重極部分だけは、電気系回路の切り替えにより円弧状部分とは異なる電圧印加を可能とし、マスフィルタとしても使用しうるようにしておいて、四重極部全体をイオンガイドとして機能させてイオンの飛行時間を計測できる状態とマスフィルタとして質量分析できる状態の何れかのモードを必要に応じて切り替えるようにしたことを特徴とする。
(4) In the invention according to
(5)請求項5記載の発明は、前記円弧状電極組部分の光軸線の回転半径が、前記電極の直径の10倍以内であることを特徴とする。
(6)請求項6記載の発明は、前記電極は棒状又はパイプ状であることを特徴とする。
(5) The invention according to claim 5 is characterized in that the radius of rotation of the optical axis of the arcuate electrode assembly portion is within 10 times the diameter of the electrode.
(6) The invention described in claim 6 is characterized in that the electrode is rod-shaped or pipe-shaped.
(1)請求項1記載の発明によれば、前記四重極部はイオンガイドとして機能させ、飛行する飛行時間を計測できるようにすることができる。
(2)請求項2記載の発明によれば、前記四重極部を中心軸から斜め45度方向の四方に配置したイオンガイドとすることができ、中性粒子成分による電極表面への付着・汚染を低減することができる。
(1) According to the first aspect of the present invention, the quadrupole portion can function as an ion guide so that the time of flight can be measured.
(2) According to the invention of
(3)請求項3記載の発明によれば、直線型四重極の部分を2個以上とする接続で、イオンの飛行時間を分解能よく計測することができる。
(4)請求項4記載の発明によれば、装置をマスフィルタとしても、飛行時間型質量分析装置としても利用することができる。
(3) According to the invention described in
(4) According to the invention described in
(5)請求項5記載の発明によれば、円弧状電極部分の光軸線の回転半径が電極の直径の10倍以内になるようにして小型化に適した質量分析装置を提供することができる。
(6)請求項6記載の発明によれば、前記電極を棒状のものを用いても、またパイプ状のものを用いても、多屈曲型四重極飛行時間型質量分析装置を提供することができる。
(5) According to the invention described in claim 5, it is possible to provide a mass spectrometer suitable for miniaturization by making the radius of rotation of the optical axis of the arcuate electrode portion within 10 times the diameter of the electrode. .
(6) According to the invention described in claim 6, a multi-bending quadrupole time-of-flight mass spectrometer is provided regardless of whether the electrodes are rod-shaped or pipe-shaped. Can do.
(実施の形態1)
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図1は本発明の装置構成概要を示す図である。1はイオン源又は系外からのイオンを中継するイオン供給部、2はイオンを一時的に溜め込みパルス的に射出するか、イオン流をパルス的に入り/切りするイオン溜め又はイオンパケット化部、3はイオンを質量分散させる質量分析場、4は最終的にイオンを検出するイオン検出部である。本発明の特徴となる部分以外の、例えば電源制御系、真空排気系、データ処理システム等は省略している。
(Embodiment 1)
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing an outline of the apparatus configuration of the present invention. 1 is an ion supply unit that relays ions from an ion source or outside the system, 2 is an ion reservoir or ion packetization unit that temporarily accumulates ions and ejects them in a pulsed manner, or pulsed ions are turned on and off. 3 is a mass spectrometric field for mass-dispersing ions, and 4 is an ion detector for finally detecting ions. For example, a power supply control system, an evacuation system, a data processing system, and the like other than the characteristic features of the present invention are omitted.
このように構成された装置で、イオン供給部1から出射されたイオンは、イオン溜め又はイオンパケット部2に貯留され、イオンを一時的に溜め込みパルス的に射出される。質量分析場3は出射されてきたイオンを質量毎に質量分散させる。質量分散されたイオンは、イオン検出部4に到達し、質量が検出される。
In the apparatus configured as described above, the ions emitted from the
図2は多数回屈曲の構成例を示す図である。同図は、図1の中の質量分析場3をなす基本的なイオン光学系としての四重極子配置並びに構成を全体図として立体的に示したもので、イオン軌道の計算のためにモデル化して用いたものの図である。シミュレーションモデルのため、電極子を支持する絶縁材はここには示されていないが、これらの電極子は絶縁支持体で保持され、真空排気装置で維持された真空室内に格納される。
FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of multiple bending. This figure shows the arrangement and configuration of the quadrupole as a basic ion optical system constituting the mass
電極子は直線型四重極として直線状棒電極構成四重極の部分(以下直線型四重極という)6と、円弧型四重極として円弧状に曲がった棒電極構成四重極の部分(以下円弧型四重極という)7とが連結された図2に示すような外形的構造になっている。図2は多数回屈曲四重極の構成例を示す図である。図に示すように3次元的にジグザグな折り曲げがされ、長い光軸が短く折り畳まれたものになっている。 The electrode is a linear quadrupole part (hereinafter referred to as a linear quadrupole) 6 as a linear quadrupole, and a bar electrode constituent quadrupole bent into an arc as an arcuate quadrupole. 2 (hereinafter referred to as an arc-shaped quadrupole) 7 is connected to the external structure as shown in FIG. FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of a multi-fold bent quadrupole. As shown in the figure, the three-dimensional zigzag bending is performed, and the long optical axis is folded short.
8はイオン入口側スリット、9はイオン出口側スリットである。イオン入口側スリット8とイオン出口側スリット9は、この系でのイオンの出入り口になる細孔を持つ電極である。直線型四重極6と円弧型四重極7の四重極には直流電圧と高周波電圧が供給され、そのための電源や制御系が図示されていないが、構成として含まれる。 8 is an ion inlet side slit, and 9 is an ion outlet side slit. The ion inlet side slit 8 and the ion outlet side slit 9 are electrodes having pores that serve as ion inlets and outlets in this system. A DC voltage and a high-frequency voltage are supplied to the quadrupole of the linear quadrupole 6 and the arc-shaped quadrupole 7, and a power supply and a control system for that purpose are not shown, but are included as a configuration.
四重極子部の電極電圧供給の事例として、その基本的なものを図3に示す。図3は四重極電極断面と基本的な配線例を示す図である。図中の式の記号は、Voが高周波振幅電圧値、ωが角周波数、tが時間、θが位相、U1が直流電圧値(軸電圧設定用)を示している。図3において、K1〜K4は電極子である。電極子K1とK4にはVo・cos(ωt+θ)+U1が印加され、電極子K2とK3には
−Vo・cos(ωt+θ)+U1が印加されている。
FIG. 3 shows a basic example of the electrode voltage supply of the quadrupole part. FIG. 3 is a diagram showing a cross section of a quadrupole electrode and a basic wiring example. Symbols in the expression in the figure indicate Vo as the high-frequency amplitude voltage value, ω as the angular frequency, t as time, θ as the phase, and U1 as the DC voltage value (for setting the shaft voltage). In FIG. 3, K1 to K4 are electrodes. Vo · cos (ωt + θ) + U1 is applied to the electrodes K1 and K4, and −Vo · cos (ωt + θ) + U1 is applied to the electrodes K2 and K3.
詳述しないが、図1のイオン検出部4は、イオンを電気信号に変換し、到達イオン量の観測値とイオン溜又はイオンパケット化部2から射出された時点から検出部到達時点までの時間も計測する機能を備えている。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。
Although not described in detail, the
図2に示した例では、直線型四重極6と円弧型四重極7とに
高周波電圧Vrf(=±Vo・cos(ωt+θ))と直流電圧Vdc(=U1)とが重畳される。イオン入口側スリット8とイオン出口側スリット9にも入口電圧Vdc_inと出口電圧Vdc_outがそれぞれ印加される。
In the example shown in FIG. 2, the high-frequency voltage Vrf (= ± Vo · cos (ωt + θ)) and the DC voltage Vdc (= U1) are superimposed on the linear quadrupole 6 and the arc-shaped quadrupole 7. The inlet voltage Vdc_in and the outlet voltage Vdc_out are also applied to the ion inlet side slit 8 and the ion outlet side slit 9, respectively.
この条件の下でイオンがイオン入口側スリット8の細孔からこの四重極場の系に導入されると、イオンは高周波電圧で動径方向(光軸に垂直な方向)に振動しながら進行し、イオン出口側スリット9に至り、この系外へと進む。イオンはパケット(時間的に短時間の一塊)として射出され、射出時間から信号としてイオンが検出されるまでの飛行経過時間が計測される。 When ions are introduced into the quadrupole field system from the pores of the ion entrance slit 8 under these conditions, the ions travel while vibrating in the radial direction (perpendicular to the optical axis) at a high frequency voltage. Then, it reaches the ion exit side slit 9 and proceeds out of this system. Ions are ejected as a packet (a lump of time in a short time), and the elapsed flight time from the ejection time until the ions are detected as a signal is measured.
イオンがパケット状に射出される時は、同じ運動エネルギーがほぼ全てのイオンに付与されるので、射出から検出までの飛行経過時間は、質量に依存した所用時間になるため、質量分析計として用いることができる。イオンの飛行時間を長くする方が質量差による時間差を得やすいので飛行時間を長くする、即ち接合の繰り返し回数は多くなる構成の方が有利である。但し、距離を長く延ばしても系には時間収差が存在するので、長さには限度がある。 When ions are ejected in packets, the same kinetic energy is imparted to almost all ions, so the elapsed flight time from ejection to detection becomes the time required depending on the mass, so it is used as a mass spectrometer. be able to. Since it is easier to obtain a time difference due to a mass difference when the ion flight time is lengthened, it is advantageous to increase the flight time, that is, to increase the number of repetitions of bonding. However, even if the distance is increased, the system has time aberration, so the length is limited.
収差の分が拡大すると、質量の違いでの差と収差に起因する差とが区別できなくなった時点でそれ以上の質量分別ができないからである。また、イオンの一塊とした集団が収差の原因で拡散すると、信号検出時に時間的に到達するために感度的な限界も関わってくる。図4は四重極の分析場を直線型四重極6と、円弧型四重極7の部分全てをイオンガイドとして機能させ飛行時間型とした場合でのイオン軌道の飛行軌跡をシミュレーションしたものである。即ち、イオン軌跡例を示す図である。 This is because when the amount of aberration is enlarged, when the difference due to the difference in mass cannot be distinguished from the difference due to the aberration, further mass separation cannot be performed. In addition, if a cluster of ions diffuses due to aberrations, it reaches a time when detecting a signal, and thus a sensitivity limit is involved. FIG. 4 is a simulation of the ion trajectory flight trajectory when the quadrupole analysis field is a linear quadrupole 6 and the arc quadrupole 7 is made to function as an ion guide to be a time-of-flight type. It is. In other words, FIG.
図5はイオンの飛行時間を記録した例を示す図である。図は異なる質量のイオンを同一時刻に射出した飛行時間を計測記録したものである。図中、TOFの表記の後に続く数値が飛行時間、Massの後が質量を表すが、質量の違いで飛行時間にも違いが生じているのが確認できる。 FIG. 5 is a diagram showing an example in which the flight time of ions is recorded. The figure shows a measurement record of the time of flight when ions of different masses were ejected at the same time. In the figure, the numerical value following the TOF notation represents the flight time, and the mass after the mass represents the mass. It can be confirmed that the difference in the mass caused a difference in the flight time.
第1の実施の形態によれば、前記四重極部はイオンガイドとして機能させ、飛行する飛行時間を計測できるようにすることができる。また、直線型四重極の部分を2個以上とする接続で、イオンの飛行時間を分解能よく計測することができる。
(実施の形態2)
ここでは、四重極連結部分の円弧型四重極の曲げ方向等についての変形例を示す。図2に記載の例は図6に示す屈曲の基本部分を示すように3次元即ち立体的に屈曲させた場合である。図6は3次元屈曲型と軌道重畳図を示す図である。細い実線で軌道が示されている。図7に示す例は、同一の平面に屈曲させたものである。即ち、図7は平面屈曲型と軌道重畳図を示す図である。細い実線で軌道が示されている。
According to the first embodiment, the quadrupole part can function as an ion guide so that the flight time can be measured. In addition, by connecting two or more linear quadrupole parts, the time of flight of ions can be measured with high resolution.
(Embodiment 2)
Here, the modification about the bending direction etc. of the arc-shaped quadrupole of a quadrupole connection part is shown. The example shown in FIG. 2 is a case where it is bent three-dimensionally or three-dimensionally so as to show the basic part of bending shown in FIG. FIG. 6 is a diagram showing a three-dimensional bending type and a track superposition diagram. The orbit is shown by a thin solid line. The example shown in FIG. 7 is bent in the same plane. That is, FIG. 7 is a diagram showing a plane bending type and a track superposition diagram. The orbit is shown by a thin solid line.
このように屈曲方向を組み合わせると、必要に応じた形状に変更可能である。ここでは例示していないが、同一平面上での周回や渦巻きなどの構造、その渦巻く方向に垂直な方向へ角度が少しずれていく要素も取り入れたヘリカル構造も可能である。なお、取り上げた事例の円弧状四重極の部分回転角は何れも同じで、180度にイオンの進行する向きが変わる接続例を示しているが、必ずしもこの180度の角度が必須ではないので、必要に応じてイオンのガイドが可能で光軸に垂直な断面の電極径と内接径との比率関係が保てる角度で偏向してもよい。 When the bending directions are combined in this way, the shape can be changed as necessary. Although not illustrated here, it is possible to adopt a helical structure incorporating a structure such as a lap or spiral on the same plane and an element whose angle is slightly shifted in a direction perpendicular to the spiral direction. Although the partial rotation angles of the arc-shaped quadrupoles in the examples taken up are the same and the connection example in which the direction of the ion travel changes by 180 degrees is shown, the angle of 180 degrees is not necessarily required. If necessary, ions may be guided and deflected at an angle that can maintain a ratio relationship between the electrode diameter and the inscribed diameter in a cross section perpendicular to the optical axis.
円弧型四重極の部分での曲げの程度としては、図8に示すように小さな回転半径にしてもイオンはガイドできるので、その部分の回転半径は大きくなりすぎない程度で製作の都合に合わせて変更できる。この場合において、円弧状電極部分の光軸線の回転半径が電極の直径の10倍以内になるようにして小型化に適した質量分析装置を提供することができる。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。 As shown in Fig. 8, the degree of bending at the arc-shaped quadrupole part can guide ions even with a small turning radius. Can be changed. In this case, a mass spectrometer suitable for miniaturization can be provided such that the radius of rotation of the optical axis of the arcuate electrode portion is within 10 times the diameter of the electrode. The operation of the apparatus configured as described above will be described as follows.
実施の形態1と基本的には変わりはない。単にイオンが進行する際の偏向方向や量が異なる。但し、イオンの初期条件の違いでイオンそれぞれは異なる軌道を取るので、この偏向・接続の形態・径の長さ等でも取り得るイオンの飛行軌道は変わってくる。よって、全く同じ結果ということにはならないが、そのことが重要な要素ではないので、軌道の曲げ方等は製作上の都合に合わせて変更することが可能である。
(実施の形態3)
図9は、本発明の中の図1の質量分析場で最も基本的な構造のイオン光学系の例を示す図であり、四重極の光学系全体を示す図である。四重極子配置並びに構成を全体図として立体的に示したもので、特徴を捉えるために最小単位での連結回数で、イオン軌道の計算のためにモデル化して用いたものの図である。
There is basically no difference from the first embodiment. The deflection direction and amount when the ions simply travel are different. However, since each ion takes a different trajectory depending on the initial ion condition, the ion flight trajectory that can be taken varies depending on the deflection, the form of connection, the length of the diameter, and the like. Therefore, the results are not exactly the same, but since this is not an important factor, the way of bending the track can be changed according to the manufacturing convenience.
(Embodiment 3)
FIG. 9 is a diagram showing an example of the ion optical system having the most basic structure in the mass spectrometry field of FIG. 1 in the present invention, and is a diagram showing the entire quadrupole optical system. The quadrupole arrangement and configuration are shown in a three-dimensional view as an overall view, and are used by modeling for calculation of ion trajectories with the number of connections in the minimum unit in order to capture features.
また、見易くするために、図10に四重極の光学系全体の投影を示した。図10では、平面図と正面図と側面図を示している。図2と同一のものは、同一の符号を付して示す。6は直線型四重極、7は円弧型四重極、8はイオン入口側スリット、9はイオン出口側スリットである。 For easy viewing, FIG. 10 shows a projection of the entire quadrupole optical system. FIG. 10 shows a plan view, a front view, and a side view. The same components as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals. 6 is a linear quadrupole, 7 is an arc-shaped quadrupole, 8 is an ion inlet side slit, and 9 is an ion outlet side slit.
シミュレーションモデルのため、図2と同様、電極子を指示する絶縁材はここには示していないが、これらの電極子は、絶縁支持体で保持され、真空排気装置で維持された真空領域に格納される。電極子は、直線型四重極6の部分と両端に一部直線部分を含んだ円弧型四重極の部分とが空隙を置いて連結された構造になっている。 For the simulation model, as in FIG. 2, the insulating material indicating the electrodes is not shown here, but these electrodes are held by an insulating support and stored in a vacuum region maintained by a vacuum exhaust device. Is done. The electrode has a structure in which a part of the linear quadrupole 6 and a part of the arc-shaped quadrupole including a part of the linear part at both ends are connected with a gap.
この例では、3組の直線型四重極6と2組の円弧型四重極7で構成され、図9に示すように3次元的にジグザグな折り曲げがされて、長い光軸が小さく折り畳まれたものになっている。イオン入口側スリット8とイオン出口側スリット9は、この系でのイオンの出入り口になる細孔を持った電極板である。 In this example, it is composed of three sets of linear quadrupoles 6 and two sets of arc-shaped quadrupoles 7, and three-dimensional zigzag bending is performed as shown in FIG. It has become. The ion entrance side slit 8 and the ion exit side slit 9 are electrode plates having pores that serve as ion entrances and exits in this system.
通常、四重極型質量分析装置の四重極子には、直流電圧と高周波電圧が供給されるが、この場合も同様で、そのための電源や制御系が図示されていないが、構成として含まれる。四重極部の電極電圧供給の事例としては、この基本的なものを図11に示す。図3と同一のものは、同一の符号を付して示す。 Usually, the quadrupole of the quadrupole mass spectrometer is supplied with a DC voltage and a high-frequency voltage. In this case as well, a power source and a control system therefor are not shown, but are included as a configuration. . As an example of the electrode voltage supply of the quadrupole part, this basic one is shown in FIG. The same components as those in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals.
電極K1とK4は共通接続され、Vo・cos(ωt+θ)+U1+U2が供給され、電極K2とK3は共通接続され、−Vo・cos(ωt+θ)+U1−U2が供給される。ここで、Voは高周波振幅電圧値、ωは角周波数、tは時間、θは位相、U1は軸電位設定用の直流電圧値、U2はマスフルタ機能用の直流電圧値である。U2の電圧を供給回路切断で供給しないか、その値を0にすれば、イオンガイドとして使用できるので、マスフィルタモードとイオンガイドモードとの切り替えができる構成乃至は制御系が組み込まれる。直線型四重極6への電圧供給は、この切り替えがされるような構成となる。なお、直線型四重極部分のイオン入口側スリット8は特にイオンガイドとして機能させるような使用もある。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。 The electrodes K1 and K4 are commonly connected and supplied with Vo · cos (ωt + θ) + U1 + U2, and the electrodes K2 and K3 are connected together and supplied with −Vo · cos (ωt + θ) + U1−U2. Here, Vo is a high-frequency amplitude voltage value, ω is an angular frequency, t is time, θ is a phase, U1 is a DC voltage value for setting an axial potential, and U2 is a DC voltage value for a mass filter function. If the voltage of U2 is not supplied by cutting the supply circuit or if the value is set to 0, it can be used as an ion guide. Therefore, a configuration or control system capable of switching between the mass filter mode and the ion guide mode is incorporated. The voltage supply to the linear quadrupole 6 is configured to be switched. It should be noted that the ion entrance side slit 8 in the linear quadrupole portion may be used particularly as an ion guide. The operation of the apparatus configured as described above will be described as follows.
図9で示した例では、直線型四重極6に高周波電圧
Vrf1(=±Vo・cos(ωt+θ))と直流電圧Vdc1(=±U2)が一定の電圧比で印加・走査されるマスフィルタ(質量分析器)として駆動し、更に電位調整用の軸電圧Vdc3(=U1)も重畳される。
In the example shown in FIG. 9, the high frequency voltage Vrf1 (= ± Vo · cos (ωt + θ)) and the DC voltage Vdc1 (= ± U2) are applied to the linear quadrupole 6 and scanned at a constant voltage ratio. It is driven as a (mass analyzer), and a shaft voltage Vdc3 (= U1) for potential adjustment is also superimposed.
円弧型四重極7には、主として軸電圧Vd2と高周波電圧Vrf2が印加される。高周波電圧Vrf1と高周波電圧Vrf2とは同じにされる場合が多いので、高周波の電源を同一にすることもできるし、異なる設定でも使用し得るので別々の電源の場合もある。イオン入口側スリット8とイオン出口側スリット9にも入口電圧Vdc_inと出口電圧Vdc_outがそれぞれ印加される。 The arc-shaped quadrupole 7 is mainly applied with the shaft voltage Vd2 and the high-frequency voltage Vrf2. Since the high-frequency voltage Vrf1 and the high-frequency voltage Vrf2 are often the same, the high-frequency power supply can be the same, or can be used in different settings, and may be a separate power supply. The inlet voltage Vdc_in and the outlet voltage Vdc_out are also applied to the ion inlet side slit 8 and the ion outlet side slit 9, respectively.
この条件下で、イオンがイオン入口側スリット8から系に導入されると、高周波電圧で動径方向に振動しながら進行し、イオン出口側スリット9に到り、検出器へと進む。直線型四重極6の部分では、モードを切り替えてイオンガイドではなく、マスフィルタとして使用されると、四重極場に設定された条件に応じた質量選別作用で、特定の質量のイオンだけが系を通過でき、それ以外は動径方向の振動振幅が大きくなって光軸から外れ、この系を通過できなくなり排除される。 Under this condition, when ions are introduced from the ion entrance slit 8 into the system, they proceed while vibrating in the radial direction with a high frequency voltage, reach the ion exit slit 9 and proceed to the detector. In the case of the linear quadrupole 6, when the mode is switched and used as a mass filter instead of an ion guide, only ions of a specific mass can be obtained by mass selection according to the conditions set in the quadrupole field. Can pass through the system, and otherwise, the vibration amplitude in the radial direction becomes large and deviates from the optical axis, so that it cannot pass through the system and is eliminated.
図12にシミュレーションモデルとイオン軌道とを重ねて示す。イオン軌道は細い実線で示している。動作を見易くするために、図13と図14にイオン軌道だけを取り出して示す。図13は、同一質量のイオンの入射初期条件を変化させ、図14では質量の異なるイオンも含めて初期条件を変えたシミュレーションを示してある。 FIG. 12 shows the simulation model and the ion trajectory superimposed. The ion trajectory is shown by a thin solid line. In order to make the operation easy to see, only the ion trajectory is taken out and shown in FIGS. FIG. 13 shows a simulation in which the initial incident conditions of ions having the same mass are changed, and FIG. 14 shows a simulation in which the initial conditions are changed including ions having different masses.
図13では、マスフィルタとして機能させている直線型四重極の部分になる区域の最初の直線部分は通過できたイオンでも、後段の直線部分のマスフィルタ、この場合は3回目に通過する直線の領域部分でも振動振幅が大きくなりすぎて系の途中で電極面に衝突しているのが分かる。つまり、質量選別の条件がより厳しくなっていることを示している。 In FIG. 13, even if the first straight part of the area that becomes the part of the linear quadrupole functioning as a mass filter can pass through, the mass filter of the subsequent straight part, in this case, the straight line that passes for the third time. It can be seen that the vibration amplitude is too large even in the region of and collides with the electrode surface in the middle of the system. In other words, it shows that the conditions for mass selection are becoming stricter.
図14では、通過できる条件に合致しない質量のイオンも射出した場合を示している。従って、最初の直線領域だけでなく、2回目、3回目に通過する直線領域でも途中で振動振幅が大きくなって電極面に衝突して通過できなくなっている様子が見てとれる。やはり、この例でも、質量選別の条件がより厳しくなっていることのあらわれである。 FIG. 14 shows a case where ions having a mass that does not match the conditions that allow passage are also ejected. Accordingly, it can be seen that not only the first linear region but also the second and third linear regions pass, the vibration amplitude becomes large on the way and the electrode surface collides and cannot pass. Again, this example shows that the conditions for mass selection are becoming stricter.
四重極型質量分析装置の質量分解能は、一つにはイオンの振動数に依存するとされている点から、印加する高周波電圧の周波数を高くするか、直線型四重極の部分を長くすることがその方法でもあるが、実際的には、周波数を高くするとそれにつれて印加する高周波電圧も高くする必要があり、四重極を長くする場合も直線的に単に引き延ばすだけだと装置全体も長くなってしまうので実用的ではない。 The mass resolution of the quadrupole mass spectrometer is partly dependent on the frequency of the ions, so the frequency of the applied high-frequency voltage is increased or the linear quadrupole is lengthened. However, in practice, when the frequency is increased, the applied high-frequency voltage must be increased accordingly, and when the quadrupole is lengthened, if it is simply stretched linearly, the entire device becomes longer. Because it becomes, it is not practical.
しかしながら、本発明によれば、直線型四重極6の部分を長くしても畳み込みができるので、装置が極端に長くなる欠点は低減されて、質量分解能が改善される。よって、折り返しで畳み込む回数を多くして、実施の形態1の図2に示したような構造にまで拡張すると、装置を大きくすることなく、飛行距離を長くすることができる。
However, according to the present invention, the linear quadrupole 6 can be convoluted even if the length of the linear quadrupole 6 is lengthened. Therefore, the disadvantage that the apparatus becomes extremely long is reduced, and the mass resolution is improved. Therefore, if the number of times of folding is increased and the structure is expanded to the structure shown in FIG. 2 of
実施の形態3によれば、装置をマスフィルタとしても、飛行時間型質量分析装置としても利用することができる。また、四重極の電極は棒状としているが、中空のパイプ状のものでもよく、電極断面形状は必ずしも円形に留まらない。即ち、四重極場が形成できればよく、双曲、四角等と変形可能である。
(第4の実施の形態)
第4の実施の形態は、外観構成は、図9,図10と同じである。違うのは、図11に対する図15の配線である。図15において、SWは、電極K1〜K4に印加する電圧を切り替えるスイッチである。スイッチSWの一方の接点には、+U2が印加され、他方の接点には−U2が印加されている。スイッチSWの接点が閉じた状態でマスフィルタとして動作し、スイッチSWの接点が開いた状態でイオンガイドとして動作する。図11はマスフィルタとして動作させた場合を示している。
(第5の実施の形態)
イオンガイド機能の円弧型四重極部において、棒状電極を斜め45度方向の四方に配置した場合は、軌道が屈曲する部分での中性粒子の軌道が電極の間隙を抜けるような形になり、中性粒子成分による電極表面への付着・汚染が低減される。電場での偏向作用を受けない中性粒子は、軌道が曲がったイオンとは分離されるので、余計な衝突を防ぐことができ、検出器へのノイズの原因としても低減できる。また、通常の上下左右の四方に配置した場合は、円弧状四重極の電極棒の曲げ部分では基本形として3種類の電極棒が必要であるが、45度方向の四方に配置したものでは、向きが回転する内側と外側の2種類で構成することができる。
According to the third embodiment, the apparatus can be used both as a mass filter and as a time-of-flight mass spectrometer. Further, although the quadrupole electrode has a rod shape, it may have a hollow pipe shape, and the electrode cross-sectional shape is not necessarily circular. That is, it is sufficient if a quadrupole field can be formed, and it can be transformed into a hyperbola, a square, and the like.
(Fourth embodiment)
The fourth embodiment has the same external configuration as that shown in FIGS. The difference is the wiring of FIG. 15 with respect to FIG. In FIG. 15, SW is a switch for switching a voltage applied to the electrodes K1 to K4. + U2 is applied to one contact of the switch SW, and -U2 is applied to the other contact. It operates as a mass filter when the contact of the switch SW is closed, and operates as an ion guide when the contact of the switch SW is open. FIG. 11 shows a case where the filter is operated as a mass filter.
(Fifth embodiment)
In the arc-shaped quadrupole part of the ion guide function, when the rod-shaped electrode is arranged in four directions at an angle of 45 degrees, the orbit of the neutral particle passes through the gap of the electrode at the part where the orbit is bent. Adhesion / contamination to the electrode surface due to neutral particle components is reduced. Neutral particles that are not subjected to the deflection action in the electric field are separated from ions whose orbits are bent, so that unnecessary collision can be prevented and the noise can be reduced as a cause of noise to the detector. In addition, when arranged in the usual four directions of up, down, left, and right, three types of electrode rods are required as the basic shape in the bent portion of the arc-shaped quadrupole electrode rod. It can be composed of two types, an inner side and an outer side whose direction rotates.
以上、説明した本発明の効果を列挙すると以下の通りである。
1.イオンガイド機能の円弧型四重極部を間に介して、直線型四重極マスフィルタ或いはイオンガイドを交互に複数組連続的に畳み込むような形で繋ぐことにより、直線的に繋ぐ形式よりも直線的に長くなりすぎない小型の質量分析装置が製作でき、イオンガイド・直線型四重極マスフィルタの機能部分を組み合わせた構成の装置でも小型化することができる。
2.直線型四重極マスフィルタを複数繋ぐことで、その内部を飛行するイオン軌道長さをその分長くとれるようになり、振動回数が多ければ質量分解能も向上するので、装置性能を向上させることができる。
3.直線型四重極を複数繋ぐことで、その内部を飛行するイオン軌道長さをその分長くととれるようになり、イオンガイドモードで使用すると、四重極の場を飛行するイオンの検出器までの到達時間を長くすることができるので、飛行時間型質量分析装置として使用でき、またモードの切り替えでマスフィルタとしても動作する複合型で利用することができる。
4.直線型四重極の多段接続に使用する円弧状四重極部の回転角度を変えて設定できることから、畳み込みの形にも自由度を設けることができ、装置作製の上からも都合がよい。
The effects of the present invention described above are listed as follows.
1. Rather than connecting linearly by connecting a plurality of linear quadrupole mass filters or ion guides in an alternating manner, with the arc-shaped quadrupole part of the ion guide function in between. A small mass spectrometer that does not become too long linearly can be manufactured, and even a device that combines the functional parts of an ion guide and a linear quadrupole mass filter can be miniaturized.
2. By connecting multiple linear quadrupole mass filters, the length of the ion trajectory flying in the interior can be increased accordingly, and the greater the number of vibrations, the greater the mass resolution, thus improving the performance of the device. it can.
3. By connecting multiple linear quadrupoles, the length of the ion trajectory flying inside it can be increased accordingly, and when used in ion guide mode, the detector of ions flying in the quadrupole field can be used. Can be used as a time-of-flight mass spectrometer, and can be used in a composite type that operates as a mass filter by switching modes.
4). Since the rotation angle of the arcuate quadrupole portion used for the multi-stage connection of the linear quadrupole can be changed and set, the degree of freedom of the convolution can be provided, which is convenient from the viewpoint of manufacturing the device.
以上説明したように、本発明によれば四重極型が小型である特長も活かしつつ分解能も改善可能であり、測定1回のデータ取得時間を数ミリ秒或いはそれ以下に短縮できてサンプリングの同時性改善可能な装置を提供することができる。 As described above, according to the present invention, the resolution can be improved while taking advantage of the small size of the quadrupole type, and the data acquisition time for one measurement can be shortened to several milliseconds or less so that sampling can be performed. A device capable of improving simultaneity can be provided.
1 イオン供給部
2 イオン溜め又はイオンパケット化部
3 質量分析場
4 イオン検出部
6 直線型四重極
7 円弧型四重極
8 イオン入口側電極
9 イオン出口側電極
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記四重極部はイオンガイドとして機能させ、飛行するイオンの飛行時間を計測できる構成にしたことを特徴とする多屈曲型四重極飛行時間型質量分析装置。 Integrated with a structure in which the electrode members are in contact with each other so that the optical axis on the ion optics is almost coincident with the quadrupole of the quadruple electrode set in a circular arc and the quadrupole of the linear electrode set of four. Or a configuration with a quadrupole shape in a connected state,
A multiflex quadrupole time-of-flight mass spectrometer characterized in that the quadrupole part functions as an ion guide and can measure the time of flight of flying ions.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008323560A JP2010146876A (en) | 2008-12-19 | 2008-12-19 | Multiply-bent type quadrupole time-of-flight mass spectrometer |
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ID=42567064
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| JP (1) | JP2010146876A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2022084764A1 (en) * | 2020-10-19 | 2022-04-28 | Dh Technologies Development Pte. Ltd. | Systems and methods for multistage mass spectrometry utilizing an electrostatic ion trap |
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2008
- 2008-12-19 JP JP2008323560A patent/JP2010146876A/en not_active Withdrawn
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