JP2011146180A - Time-of-flight mass spectrometer - Google Patents
Time-of-flight mass spectrometer Download PDFInfo
- Publication number
- JP2011146180A JP2011146180A JP2010004555A JP2010004555A JP2011146180A JP 2011146180 A JP2011146180 A JP 2011146180A JP 2010004555 A JP2010004555 A JP 2010004555A JP 2010004555 A JP2010004555 A JP 2010004555A JP 2011146180 A JP2011146180 A JP 2011146180A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- ions
- flight
- time
- mass spectrometer
- electric field
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
- H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
- H01J49/34—Dynamic spectrometers
- H01J49/40—Time-of-flight spectrometers
- H01J49/408—Time-of-flight spectrometers with multiple changes of direction, e.g. by using electric or magnetic sectors, closed-loop time-of-flight
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
Abstract
Description
本発明は飛行時間型質量分析装置に関し、さらに詳しくは、複数の扇形電場を利用してイオンの飛行軌道を形成する飛行時間型質量分析装置に関する。 The present invention relates to a time-of-flight mass spectrometer, and more particularly to a time-of-flight mass spectrometer that forms a flight trajectory of ions using a plurality of sector electric fields.
一般に、飛行時間型質量分析装置では、一定のエネルギーで加速したイオンが質量に応じた飛行速度を持つという原理に基づき、イオンが一定距離の飛行空間を飛行するのに要する時間を計測し、その飛行時間からイオンの質量電荷比(m/z値)を算出する。したがって、イオンの飛行距離を延ばすほど質量分解能を向上させることができる。このことを利用し、イオンを閉軌道に沿って多重周回させる多重周回イオン光学系を用い、周回数を増やすことでイオンの飛行距離を延ばし高質量分解能を達成する多重周回飛行時間型質量分析装置が開発されている(特許文献1、2、3など参照)。
In general, a time-of-flight mass spectrometer measures the time required for ions to fly through a flight space of a certain distance based on the principle that ions accelerated with a constant energy have a flight speed corresponding to the mass. The mass-to-charge ratio (m / z value) of ions is calculated from the flight time. Therefore, the mass resolution can be improved as the flight distance of ions is increased. Utilizing this, a multi-turn time-of-flight mass spectrometer that achieves high mass resolution by extending the flight distance of ions by increasing the number of turns using a multi-turn ion optical system that makes multiple turns of ions along a closed orbit Have been developed (see
多重周回飛行時間型質量分析装置は高い質量分解能を達成可能であるものの、イオンの飛行経路が閉軌道であることに由来する欠点が存在する。その欠点とは、イオンが周回を重ねるに従い、質量電荷比が小さいために速く飛行するイオンが、質量電荷比が大きいために遅いイオンを閉軌道上で追い越してしまうことである。このようにイオンの追い越しが起こった状態の下で飛行時間スペクトルを測定すると、異なる周回数に対応する、つまり異なる飛行距離に対応するピークがスペクトル上で混在してしまう。その場合、イオンの質量電荷比と飛行距離とを一意的に決定することができないため、飛行時間スペクトルから直接的にマススペクトルを求めることができない。 Although the multi-round time-of-flight mass spectrometer can achieve high mass resolution, there is a drawback derived from the fact that the ion flight path is a closed orbit. The drawback is that, as the ions circulate, ions that fly faster because the mass-to-charge ratio is small overtake slower ions on a closed orbit because the mass-to-charge ratio is large. When the time-of-flight spectrum is measured in a state where the overtaking of ions occurs in this way, peaks corresponding to different laps, that is, peaks corresponding to different flight distances are mixed on the spectrum. In that case, since the mass-to-charge ratio of ions and the flight distance cannot be uniquely determined, the mass spectrum cannot be obtained directly from the time-of-flight spectrum.
上記のような欠点があるため、従来、多重周回飛行時間型質量分析装置は、イオン源で生成されたイオンのうち、周回軌道上で追い越しの起こらない、狭い質量電荷比範囲のイオンのみを観測するために使用されるのが一般的である。 Due to the above-mentioned drawbacks, the conventional multi-orbit time-of-flight mass spectrometers have only observed ions with a narrow mass-to-charge ratio range that do not pass on the orbit among the ions generated by the ion source. It is common to use
また上記問題を解決するために、周回毎に少しずつ軌道をずらすことで完全な閉軌道ではなく一筆書き状の軌道を形成するようにした質量分析装置が従来知られている。特許文献4に記載の質量分析装置では、周回軌道が載る面と直交する方向に周回毎に軌道を少しずつずらすことにより、螺旋状の軌道を形成するようにしている。しかしながら、このように螺旋状の軌道を形成するイオン光学系では、該軌道へのイオンの導入や該軌道からのイオンの取り出しが難しく、また電場を形成するための電極が大きくなるという問題がある。 Further, in order to solve the above-mentioned problem, there has been conventionally known a mass spectrometer that forms a one-stroke-like trajectory instead of a completely closed trajectory by shifting the trajectory little by little in each round. In the mass spectrometer described in Patent Document 4, a spiral trajectory is formed by slightly shifting the trajectory for each revolution in a direction orthogonal to the surface on which the orbit is placed. However, in such an ion optical system that forms a spiral orbit, it is difficult to introduce ions into the orbit and to extract ions from the orbit, and there is a problem that an electrode for forming an electric field becomes large. .
一方、特許文献5に記載の質量分析装置では、イオンが周回する毎に異なる扇形電場を通過させることにより、渦巻き状の軌道を形成するようにしている。しかしながら、そうした軌道を形成するために、同心で回転半径が少しずつ異なる複数の円筒電場を多層に重ねた、複雑な構造の電極を用いており、電極がかなり重くなるとともに大きくなる。また、電極を作製するのが難しく、かなり高価なものとなることが避けられない。
On the other hand, in the mass spectrometer described in
さらにまた特許文献5に記載の質量分析装置では、同一質量電荷比を有するイオンの時間収束性(周回軌道上の基準面における同一質量電荷比のイオンパケットの飛行時間幅を周回に依らず一定に保つ)は確保できるものの、同一質量電荷比を有するイオンの周回時間は周回毎に変化してしまう(つまり等時性がない)。そのため、飛行時間スペクトルからマススペクトルへの換算のためのデータ処理が煩雑である。また、同一質量電荷比を有するイオンの周回が等時性を有していれば、周回するイオンに対しイオン非破壊検出器により得られる多重周回信号に基づいて例えばフーリエ変換やこれに代わる解析手法を利用して各種イオンの質量電荷比を算出することが可能である(例えば非特許文献1参照)ものの、等時性がないためにこうした手法を利用することができないという問題もある。
Furthermore, in the mass spectrometer described in
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その主な目的は、製造が容易で且つコストも安価で済む簡単な構成のイオン光学系を用いて、周回軌道に準じた長い飛行距離を確保しつつイオンの追い越しが生じない飛行軌道を形成することにより、幅広い質量電荷比範囲のイオンを高い質量分解能でもって分析することができる飛行時間型質量分析装置を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and its main purpose is to use an ion optical system with a simple structure that can be manufactured easily and at a low cost, and is long in accordance with a circular orbit. To provide a time-of-flight mass spectrometer capable of analyzing ions with a wide mass-to-charge ratio range with high mass resolution by forming a flight trajectory that does not cause overtaking of ions while ensuring a flight distance. .
また本発明の別の目的は、同一質量電荷比を有するイオンの周回の等時性を確保しつつ周回軌道に準じた長い飛行距離が得られる軌道を実現し、イオン非破壊検出器を利用したイオン検出及びデータ処理を用いて、幅広い質量電荷比範囲について高い質量分解能のマススペクトルを取得し得る飛行時間型質量分析装置を提供することにある。 Another object of the present invention is to realize an orbit capable of obtaining a long flight distance according to the orbit while ensuring isochronous orbit of ions having the same mass-to-charge ratio, and uses an ion nondestructive detector. It is an object of the present invention to provide a time-of-flight mass spectrometer capable of acquiring a mass spectrum with a high mass resolution for a wide mass-to-charge ratio range using ion detection and data processing.
上記課題を解決するために成された本発明は、円弧状の軌道を描く扇形電場と隣接する扇形電場間で直線状の軌道を描く直線飛行部とをイオンが交互に通過し、最後の扇形電場を出射したイオンが最初に入射した扇形電場に再び入射することで、イオンが繰り返し周回可能な飛行軌道を形成可能である複数の扇形電場を用いた飛行時間型質量分析装置であって、前記周回可能な飛行軌道は互いに平行な直線飛行部が一組以上存在するような飛行時間型質量分析装置において、
前記互いに平行な直線飛行部が載る平面上で、それら直線飛行部を境界として複数の扇形電場を第1、第2なる2つのグループに分けたときに、第1のグループに含まれる1乃至複数の扇形電場を第2のグループに含まれる1乃至複数の扇形電場に対して、前記互いに平行な直線飛行部と直交する方向に所定距離だけずらして配置するとともに、
前記互いに平行な直線飛行部の軌道上に、イオンに一定のエネルギーを付与する又はイオンから一定のエネルギーを奪う加減速手段を設け、
所定の扇形電場にイオンが入射する毎に該イオンが通過する円弧状軌道の曲率半径を縮小又は拡大させることにより渦巻き状の飛行軌道を形成し、且つ、同一質量電荷比のイオンに対する周回毎の周回時間が等しくなるようにしたことを特徴としている。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a final electric sector in which ions pass alternately between a fan-shaped electric field that draws an arc-shaped trajectory and a linear flight section that draws a linear trajectory between adjacent fan-shaped electric fields. A time-of-flight mass spectrometer using a plurality of sectoral electric fields capable of forming a flight trajectory in which ions can repeatedly circulate by re-entering the sectoral electric field where the ions exiting the electric field are first incident. In a time-of-flight mass spectrometer in which there are one or more pairs of straight flight parts parallel to each other,
1 to 2 included in the first group when a plurality of sector electric fields are divided into two groups of the first and second groups on the plane on which the straight flight units parallel to each other are placed. And the one or more fan-shaped electric fields included in the second group are shifted by a predetermined distance in a direction orthogonal to the parallel flight parts parallel to each other, and
Acceleration / deceleration means is provided on the trajectories of the linear flight parts parallel to each other to give constant energy to ions or to deprive ions of constant energy,
A spiral flight trajectory is formed by reducing or expanding the radius of curvature of an arc-shaped trajectory through which ions pass each time an ion enters a predetermined sectoral electric field, and for each revolution for ions having the same mass-to-charge ratio. The feature is that the lap times are equal.
なお、本発明に係る飛行時間型質量分析装置では、複数の扇形電場により形成される飛行軌道は同一軌道を周回するものではないが、少なくともイオンが最初に入射した扇形電場に同じイオンが戻って来て再び該扇形電場に入射することから、形成される軌道を準周回軌道と呼ぶこととする。 In the time-of-flight mass spectrometer according to the present invention, the flight trajectory formed by a plurality of sector electric fields does not go around the same trajectory, but at least the same ions return to the sector electric field where the ions first entered. Since it is incident again on the sector electric field, the formed orbit is called a quasi-circular orbit.
本発明に係る飛行時間型質量分析装置において、複数の扇形電場の形状(回転角度及び回転半径)は多重周回が可能な周回軌道を形成する場合と同じであるが、複数の扇形電場の相対位置関係は多重周回型軌道を形成する場合と相違する。即ち、一般的に多重周回型軌道を形成する場合には、扇形電場の中心軸(一対の外側電極と内側電極との間の中心線)に対してイオンが入射され、扇形電場からはその中心軸に沿ってイオンが出射する。これに対し、本発明に係る飛行時間型質量分析装置では、第1のグループに含まれる1乃至複数の扇形電場と第2のグループに含まれる1乃至複数の扇形電場とが所定距離ずらして配置されているため、直線飛行部を挟んだ異なるグループに属する2つの扇形電場の中心軸は一直線上に存在しない。そのため、一方のグループに属する扇形電場からその中心軸に沿ってイオンが出射して他方のグループに属する扇形電場に入射する際に、イオンはその扇形電場の中心軸には入射し得えず、中心軸よりも外周側又は内周側に入射することになる。つまり、中心軸とは軌道半径(曲率半径)が相違する位置にイオンが入射する。 In the time-of-flight mass spectrometer according to the present invention, the shape (rotation angle and rotation radius) of the plurality of fan electric fields is the same as that in the case of forming a circular orbit capable of multiple laps, but the relative positions of the plurality of fan electric fields. The relationship is different from the case where a multi-circular orbit is formed. That is, in general, when a multi-circular orbit is formed, ions are incident on the central axis (a center line between a pair of outer electrodes and inner electrodes) of a sector electric field, and the center from the sector electric field Ions exit along the axis. On the other hand, in the time-of-flight mass spectrometer according to the present invention, the one or more sector electric fields included in the first group and the one or more sector electric fields included in the second group are shifted by a predetermined distance. Therefore, the central axes of the two sector electric fields belonging to different groups across the straight flight part do not exist on a straight line. Therefore, when ions exit from the sector electric field belonging to one group along the central axis and enter the sector electric field belonging to the other group, the ions cannot enter the central axis of the sector electric field, The light enters the outer peripheral side or the inner peripheral side with respect to the central axis. That is, ions are incident at a position where the orbit radius (curvature radius) is different from the central axis.
イオンが途中で加速も減速もされない場合、上記のように扇形電場の中心軸を外れて入射したイオンは、扇形電場内で入射時の軌道半径を維持することができない。これに対し、本発明の飛行時間型質量分析装置では、直線飛行部においてイオンが加速(次の扇形電場に入射する際に軌道が外周側にずれる場合)又は減速(次の扇形電場に入射する際に軌道が内周側にずれる場合)されるため、扇形電場に入射したイオンは入射時点と同じ軌道半径を維持しつつ円弧状の軌道を描く。それにより、少なくとも同一の扇形電場にイオンが入射する毎に該イオンが通過する円弧状軌道の曲率半径は縮小又は拡大し、結果的に、外周側から内周側に向かう又は内周側から外周側に向かう渦巻き状の準周回軌道が形成される。 When ions are not accelerated or decelerated in the middle, ions that are incident off the central axis of the sector electric field as described above cannot maintain the orbital radius at the time of incidence in the sector electric field. On the other hand, in the time-of-flight mass spectrometer of the present invention, ions are accelerated (when the orbit shifts to the outer peripheral side when entering the next sector electric field) or decelerated (incident to the next sector electric field) in the straight flight part. When the trajectory is shifted to the inner circumference side), the ions incident on the electric sector form an arc-shaped trajectory while maintaining the same trajectory radius as the incident time. As a result, the radius of curvature of the arc-shaped trajectory through which the ions pass is reduced or expanded every time the ions are incident on at least the same sector electric field, and as a result, the outer peripheral side is directed to the inner peripheral side or the inner peripheral side is changed to the outer peripheral side. A spiral quasi-circular orbit toward the side is formed.
また、このような渦巻き状の準周回軌道では、1周回毎に(同じ扇形電場に入射する毎に)1周回のイオンの飛行距離は変化するが、例えばイオンの飛行距離が短くなったときにはその分だけイオンは減速されて飛行速度が遅くなる。このため、1周回に要するイオンの飛行時間は同一質量電荷比のイオンに対し同一である。即ち、周回の等時性は維持される。 Further, in such a spiral quasi-circular orbit, the flight distance of one round of ions changes every round (each time it enters the same electric sector), but when the flight distance of ions becomes short, for example, The ions are decelerated by the amount and the flight speed is slowed down. For this reason, the flight time of ions required for one round is the same for ions having the same mass to charge ratio. That is, the isochronism of the lap is maintained.
分析対象となるイオンの質量電荷比は広い範囲に亘るため、イオンは様々な速度で広い時間拡がりを持って上記の準周回軌道上を飛行する。飛行時間から質量電荷比を正確に求めるには、分析対象となる全てのイオンについて等時性を持たせるとともに時間収束性を維持する必要がある。そのためには、加速時、減速時のイオンの運動エネルギーの変化量が質量電荷比や飛行速度に依存せずに一定であるとよい。そこで、上記加減速手段には高周波加減速器ではなく直流加減速器を用いるとよい。具体的には、イオンの進行方向に一定の、具体的には時間微分が一定である電場を発生させるものを用いることができる。 Since the mass-to-charge ratio of the ions to be analyzed covers a wide range, the ions fly on the quasi-circular orbit with a wide time spread at various speeds. In order to accurately obtain the mass-to-charge ratio from the flight time, it is necessary to provide isochronism for all the ions to be analyzed and to maintain time convergence. For this purpose, it is preferable that the amount of change in ion kinetic energy during acceleration and deceleration is constant without depending on the mass-to-charge ratio or the flight speed. Therefore, it is preferable to use a DC acceleration / decelerator instead of a high-frequency accelerator / decelerator for the acceleration / deceleration means. Specifically, it is possible to use one that generates an electric field that is constant in the ion traveling direction, specifically, that has a constant time derivative.
これによれば、周回数に依らず、同一質量電荷比を持つイオンパケットは等時性を有するとともに時間収束性も維持される。そのため、例えば準周回軌道を所定回数周回したあとのイオンを検出した検出信号に基づいて得られる飛行時間スペクトルをマススペクトルに換算する際に、その処理が容易になるとともに精度も向上する。 According to this, ion packets having the same mass-to-charge ratio have isochronism and time convergence is maintained regardless of the number of circulations. Therefore, for example, when converting a time-of-flight spectrum obtained based on a detection signal obtained by detecting ions after a predetermined number of times of orbiting the quasi-circular orbit into a mass spectrum, the processing is facilitated and the accuracy is improved.
また本発明に係る飛行時間型質量分析装置の一態様として、前記複数の扇形電場はそれぞれ、同心で等しい回転角度及び曲率半径を有する、円筒状、球面状、又はトロイダル状の内側電極と外側電極とからなる一対の電極の間に形成されるものとすることができる。 Further, as one aspect of the time-of-flight mass spectrometer according to the present invention, the plurality of sector electric fields are respectively cylindrical, spherical, or toroidal inner and outer electrodes having concentric and equal rotation angles and radii of curvature. It can be formed between a pair of electrodes.
また本発明に係る飛行時間型質量分析装置では、直線飛行部を挟む2つの扇形電場を相対的にずらすことにより、対向する扇形電場の入射端面又は出射端面の前方に形成される開放空間を通して、一筆書き状の飛行軌道の入射端となる位置にイオンを入射する、又は一筆書き状の飛行軌道の出射端となる位置からイオンを出射させる構成とするとよい。 Further, in the time-of-flight mass spectrometer according to the present invention, by relatively shifting the two sector electric fields sandwiching the straight flight part, through the open space formed in front of the incident end surface or the exit end surface of the opposing sector electric field, A configuration may be adopted in which ions are incident on a position serving as an entrance end of a one-stroke writing flight trajectory, or ions are ejected from a position serving as an exit end of a one-stroke writing flight trajectory.
この構成によれば、扇形電場により形成される上記のような飛行軌道に外部のイオン源等からイオンを導入する際に、或いは、その飛行軌道からイオンを外部へと取り出す際に、時間的に変化する(例えばオン・オフされる)電場を必要としない。そのため、飛行軌道を形成するための電極全体の構成が簡単になる、また、別グループの扇形電場にイオンを入射する毎に又は周回毎に軌道の曲率半径が小さくなる又は大きくなるようにして、最終的に、軌道の曲率半径が或る値以下又は或る値以上になった時点で、イオンが次の扇形電場に入らずに準周回軌道を外れ、直進して検出器に向かうようにすることができる。これによれば、全てのイオンについて飛行経路の距離を同一にすることができ、質量電荷比と飛行時間との関係を一意に決めることができる。 According to this configuration, when introducing ions from an external ion source or the like into the flight trajectory as described above formed by a sector electric field, or when taking ions out of the flight trajectory in time, Does not require electric fields that change (eg, turn on and off). Therefore, the configuration of the entire electrode for forming the flight trajectory is simplified, and the radius of curvature of the trajectory is reduced or increased every time ions are incident on a different group of electric electric fields or in each lap, Eventually, when the radius of curvature of the orbit becomes less than a certain value or more than a certain value, the ions do not enter the next sector electric field and go off the quasi-circular orbit and go straight to the detector. be able to. According to this, the distance of the flight path can be made the same for all ions, and the relationship between the mass-to-charge ratio and the flight time can be uniquely determined.
また本発明に係る飛行時間型質量分析装置の一態様として、渦巻き状の飛行軌道を周回するイオンを非破壊で検出するイオン検出器と、該イオン検出器による周期的な検出信号を処理することにより各イオンの質量電荷比を求めるデータ処理手段と、をさらに備える構成とすることができる。 Also, as one aspect of the time-of-flight mass spectrometer according to the present invention, an ion detector that detects non-destructively ions that circulate in a spiral flight trajectory, and a periodic detection signal by the ion detector is processed. And a data processing means for obtaining a mass-to-charge ratio of each ion.
イオン検出器としては誘導電荷検出器、誘導電流検出器などを用いることができる。また、データ処理手段は例えばフーリエ変換や自己相関関数などを利用して信号に含まれる周期性成分を時間成分に変換する演算を行うものとすればよい。これによれば、同一イオンが検出頻度が周回数倍にまで増大するため、原理的に検出信号のS/Nを改善することができ、マススペクトルの精度向上が期待できる。 As the ion detector, an induced charge detector, an induced current detector, or the like can be used. Further, the data processing means may perform an operation for converting a periodic component included in the signal into a time component by using, for example, Fourier transform or autocorrelation function. According to this, since the detection frequency of the same ions increases to twice the number of times of rotation, the S / N of the detection signal can be improved in principle, and an improvement in the accuracy of the mass spectrum can be expected.
なお、上記のようなイオン非破壊型検出器はイオンの存在の検出に際してイオンを破壊することはないものの、イオンの運動エネルギーの一部を奪うことになる。これに対し、本発明に係る飛行時間型質量分析装置では、加減速手段によりイオンに運動エネルギーを付与することが可能であるから、イオン検出によりイオンから失われたエネルギーを補うようにイオンに運動エネルギーを付与することによって等時性を維持できる。 The ion nondestructive detector as described above does not destroy ions when detecting the presence of ions, but deprives part of the kinetic energy of ions. On the other hand, in the time-of-flight mass spectrometer according to the present invention, it is possible to impart kinetic energy to ions by acceleration / deceleration means. Therefore, the ions move to compensate for the energy lost from the ions by ion detection. Isochronism can be maintained by applying energy.
さらにまた本発明に係る飛行時間型質量分析装置の一態様は、第1のグループに含まれる1乃至複数の扇形電場を、第2のグループに含まれる1乃至複数の扇形電場に対して、前記互いに平行な直線飛行部と直交する方向に移動させる移動手段と、該移動手段により前記距離を変更するに伴い、イオンに付与する又はイオンから奪うエネルギーを変えるように前記加減速手段を制御する制御手段と、をさらに備える構成としてもよい。 Furthermore, in one aspect of the time-of-flight mass spectrometer according to the present invention, the one or more sector electric fields included in the first group are compared with one or more sector electric fields included in the second group. Control means for controlling the acceleration / deceleration means so as to change the energy imparted to or taken away from the ions as the distance is changed by the moving means, and the moving means for moving in a direction orthogonal to the straight flight parts parallel to each other. And means.
この構成によれば、移動手段による移動量(つまり2つのグループ間の対向する扇形電場のずれ量)を適宜に調整することにより、イオンが準周回軌道を周回する周回数を変更することが可能である。例えば特許文献5に記載の装置では周回数は装置構成上一義的に決まってしまうが、本発明に係る上記構成では周回数を変更できるので、分析目的に応じて質量分解能を変更することができる。また、2つのグループ間の対向する扇形電場のずれ量をゼロにすることで、渦巻き状の準周回軌道ではなく完全な周回軌道を形成することもできる。
According to this configuration, it is possible to change the number of times the ions orbit around the quasi-circular orbit by appropriately adjusting the amount of movement by the moving means (that is, the amount of deviation of the opposing electric field between the two groups). It is. For example, in the device described in
完全な周回軌道とすると原理的に周回数に限界はなくなるが、その場合にイオンの追い越しが発生するため、イオン検出には上述したイオン非破壊型検出器を用いるようにするとよい。イオン非破壊検出に伴うイオンの運動エネルギーの損失は上述したように加減速手段によって補うことができる。したがって、イオン非破壊検出を行っても等時性は損なわれず、それ故に、周回数に上限のない検出信号を得ることができ、高い質量分解能を達成することができる。 In principle, there is no limit to the number of laps when a complete orbit is used, but in this case, overtaking of ions occurs, so that the ion nondestructive detector described above may be used for ion detection. As described above, the loss of kinetic energy of ions accompanying non-destructive detection of ions can be compensated by the acceleration / deceleration means. Therefore, even if ion nondestructive detection is performed, isochronism is not impaired, and therefore a detection signal without an upper limit in the number of circulations can be obtained, and high mass resolution can be achieved.
本発明に係る飛行時間型質量分析装置によれば、渦巻き状にイオンを飛行させるため、長い飛行距離を確保しながら飛行途中でイオンの追い越しが発生せず、幅広い質量電荷比範囲のイオンを高い質量分解能でもって測定することができる。また、扇形電場の形状は従来の完全周回型の飛行時間型質量分析装置と同様でよく、特許文献5に記載の従来の渦巻き型軌道を形成するための多層電極に比べて格段に簡素な構造で済むので、コストが安価で軽量・小型化にも有利である。また、渦巻き状の飛行軌道でありながら周回の等時性も確保できるので、飛行時間スペクトルからマススペクトルへの換算も容易であり、さらにイオン非破壊検出により得られる周期的な検出信号に対して解析処理を行ってマススペクトルを取得することも容易である。
According to the time-of-flight mass spectrometer of the present invention, ions are swirled in a spiral shape, so that overtaking of ions does not occur during flight while ensuring a long flight distance, and ions in a wide mass-to-charge ratio range are high. It can be measured with mass resolution. Further, the shape of the sector electric field may be the same as that of a conventional full-circulation time-of-flight mass spectrometer, and a structure that is much simpler than the conventional multilayer electrode described in
[第1実施例]
本発明に係る飛行時間型質量分析装置の第1実施例について、添付の図面を参照して詳細に説明する。図1は第1実施例による飛行時間型質量分析装置のイオン光学系を中心とする概略構成図、図2は図1中の誘導減速器の概略図である。
[First embodiment]
A first embodiment of a time-of-flight mass spectrometer according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram centering on an ion optical system of a time-of-flight mass spectrometer according to the first embodiment, and FIG. 2 is a schematic diagram of an induction speed reducer in FIG.
この第1実施例の飛行時間型質量分析装置は、イオン源1と、イオンガイド2と、イオントラップ3と、円筒電極により形成される扇形電場E1、E2や誘導減速器7、8が含まれる準周回軌道部4と、イオン出射用補助磁石9と、イオン検出器10と、を備える。
The time-of-flight mass spectrometer of the first embodiment includes an
イオン源1は目的試料から分析対象であるイオンを生成するものであり、イオン化法は特に限定されない。例えばこの質量分析装置がガスクロマトグラフ用の検出器として利用される構成においては、イオン源1は電子衝撃イオン化法や化学イオン化法によって気体分子をイオン化するものである。また、この質量分析装置が液体クロマトグラフ用の検出器として利用される構成においては、イオン源1は大気圧化学イオン化法やエレクトロスプレイイオン化法によって液体分子をイオン化するものである。さらにまた、分析対象分子がタンパク質などの高分子化合物である場合にはMALDI(マトリクス支援レーザ脱離イオン化法)を利用するとよい。
The
イオントラップ3は例えば3次元四重極型イオントラップであり、イオン源1で生成されたイオンをクーリングして一時的に蓄積し、所定のタイミングで運動エネルギーを付与することにより各種イオンを一斉に出射させるものである。つまり、この飛行時間型質量分析装置では、イオントラップ3が後述する一筆書き状の準周回軌道に対するイオンの飛行開始点(出発点)となる。
The
準周回軌道部4は、それぞれ扇形電場E1、E2を形成するための2組の円筒電極5、6と、2つの誘導減速器7、8とを含む。円筒電極5、6はそれぞれ、同心二重円筒体を回転角度180°となるように同心円の中心軸を含む面で切断した形状であり、曲率半径の相違する内側電極5a、6aと外側電極5b、6bとが一対となっている。つまり、円筒電極5、6は全く同一形状である。例えば円筒電極5においては、内側電極5aと外側電極5bとにそれぞれ所定の直流電圧が印加されることで、両電極5a、5bで挟まれる空間に回転角度が180°である扇形電場E1が形成される。同様に円筒電極6においては、内側電極6aと外側電極6bとにそれぞれ所定の直流電圧が印加されることで、両電極6a、6bで挟まれる空間に回転角度が180°である扇形電場E2が形成される。
The quasi-circular orbit 4 includes two sets of
ここで使用される円筒電極5、6(つまり扇形電場E1、E2)は、図9に示すように、理論的にはイオンを無限に周回させることが可能な完全周回軌道を形成可能なものである。即ち、図9に示すように、完全周回軌道を形成する際には、扇形電場E1のイオン入射端面E1inと扇形電場E2のイオン出射端面E2outとは、電場や磁場が作用せずにイオンが直進する直線飛行部11を挟んで対向し、扇形電場E2のイオン入射端面E2inと扇形電場E1のイオン出射端面E1outとは、電場や磁場が作用せずにイオンが直進する直線飛行部12を挟んで対向している。そして、扇形電場E1中でイオンは円弧状の中心線(内側電極5aと外側電極5bとの間の中心の線)を通り直線飛行部12で直進して、扇形電場E2中でもイオンは円弧状の中心線を通る。そして、イオンは直線飛行部11で直進し、再び扇形電場E1の入射端面E1inで1周前と全く同じ位置に戻る。これは、1周の周回軌道が空間収束を達成するように形成されているからである。また、一般に、1周の周回軌道は時間収束も達成するように形成されている。
As shown in FIG. 9, the
これに対し、本実施例の飛行時間型質量分析装置では、図1に示すような平面視の状態において、円筒電極5は円筒電極6に対し、互いに平行である直線飛行部11、12のイオン進行方向(図1において水平方向)に対して直交する方向(図1において垂直下方向)に距離dだけずらして配置されている。また、扇形電場E1を出射したイオンが扇形電場E2に入射するまでの直線飛行部12にイオンを減速させるための誘導減速器8が配置され、扇形電場E2を出射したイオンが扇形電場E1に入射するまでの直線飛行部11にも同様に、イオンを減速させるための誘導減速器7が配置されている。誘導減速器7、8の構成については後述する。
On the other hand, in the time-of-flight mass spectrometer of the present embodiment, the
イオン出射用補助磁石9は、扇形電場E1、E2により形成される準周回軌道に沿って飛行してきたイオンが実質的にその準周回軌道を離れたあとに、そのイオンを磁場の作用により内周方向に少しだけ偏向させてイオン検出器10に導くものである。もちろん、磁場によりイオンを偏向させる代わりに静電場によりイオンを偏向させるものでもよい。また、イオン出射用補助磁石9は、イオン検出器10が或る程度以上の大きさを有していて設置場所に制約があるために設けられているもので、扇形電場E1のイオン出射端面E1outの内周側から出射して直線飛行部12を直進したイオンをそのままイオン検出器10に導入可能であれば、イオン出射用補助磁石9やこれに代わる電場形成用電極は不要である。
The ion extraction
イオン検出器10は高い時間分解能を有する、マイクロチャネルプレート(MCP)等の検出器である。
The
本実施例の飛行時間型質量分析装置における分析動作を説明する。
イオン源1で生成された各種イオンはイオン源1から引き出され、イオンガイド2を経てイオントラップ3に蓄積される。そして、蓄積された各種イオンは、所定のタイミングでイオントラップ3から一定の電場により引き出され、準周回軌道部4に送り込まれる。イオンはまず直線飛行部11において誘導減速器7を通過して円筒電極5により形成される扇形電場E1に入る。上述した2組の円筒電極5、6の距離dのずれによって、扇形電場E1の入射端面E1inの外周部の前方は扇形電場E2の出射端面E2outが存在していない開放空間となっている。そこに直線飛行部11を通ってきたイオンがそのまま図1に示すように入射する。したがって、この構成では、外部(この場合にはイオントラップ3)から準周回軌道にイオンを導入するために入射用電極などは不要である。
An analysis operation in the time-of-flight mass spectrometer of the present embodiment will be described.
Various ions generated by the
扇形電場E1の入射端面E1inへの最初のイオンの入射位置の曲率半径はρであり、扇形電場E1の中心線の曲率半径よりも大きい。しかしながら、誘導減速器7を通して入射されるイオンが持つ運動エネルギーを適度に減衰しておくことで、扇形電場E1内でイオンは同一曲率半径ρの軌道を描いて進行する。図1中に示すように、イオンは扇形電場E1を出射し、直線飛行部12で誘導減速器8を通過する際に減速されて、円筒電極6により形成される扇形電場E2に入射する。このとき、上述したような円筒電極5、6の配置のずれにより、扇形電場E2の入射端面E2inではその直前の円筒電極5で通過した軌道よりも距離dだけ内側電極6aに近い位置に入射する。つまり、扇形電場E2の入射端面E2inにおけるイオンの入射位置の曲率半径はρ−dである。
The curvature radius of the incident position of the first ion on the incident end face E1in of the sector electric field E1 is ρ, which is larger than the curvature radius of the center line of the sector electric field E1. However, by appropriately attenuating the kinetic energy of the ions incident through the
その直前の扇形電場E1内でのイオンの軌道半径はρであり、仮にイオンが持つ運動エネルギーがそのままであれば、扇形電場E2内でρ−dの軌道半径をとることはできない。これに対し、扇形電場E2に入る前に誘導減速器8によりイオンを減速させている(運動エネルギーを減少させている)ため、扇形電場E2内でρ−dの軌道半径を維持することができる。
The trajectory radius of ions in the sector electric field E1 immediately before is ρ, and if the kinetic energy of the ions remains as it is, the trajectory radius of ρ-d cannot be taken in the sector electric field E2. On the other hand, since the ions are decelerated (the kinetic energy is reduced) by the
そして、扇形電場E2内でイオンは同一曲率半径ρ−dの軌道を描いて進行した後に出射し、直線飛行部11で誘導減速器7を通過する際に減速されて、再び円筒電極5により形成される扇形電場E1に入射する。扇形電場E1に再入射する際の入射位置は、1回目の入射位置よりも内周側に2dだけ片寄っている。扇形電場E1に入る前に誘導減速器7によりイオンを減速させることにより、扇形電場E1内でρ−2dの軌道半径を維持することができる。
In the
ここで、誘導減速器(この場合には減速であるが、後述の例では加速)7、8の構成と作用についてより詳細に説明する。
分析対象となるイオンの質量電荷比m/zは広い範囲に亘るため、上記のような準周回軌道上でイオンは様々な速度で時間拡がりをもって飛行している。これら分析対象である全てのイオンに対して時間収束性を維持しなければならないため、減速(又は加速)時のイオンの運動エネルギーの変化量は質量電荷比や飛行速度に依らず一定である必要がある。そこで、誘導減速器7、8としては図2に示すような構成の線形誘導減速器を用いる。
Here, the configuration and operation of the induction speed reducer (in this case, deceleration, but acceleration in the example described later) 7 and 8 will be described in more detail.
Since the mass-to-charge ratio m / z of the ions to be analyzed covers a wide range, the ions fly over the quasi-circular orbit as described above at various speeds with time spread. Since time convergence must be maintained for all the ions to be analyzed, the amount of change in ion kinetic energy during deceleration (or acceleration) must be constant regardless of the mass-to-charge ratio and flight speed. There is. Therefore, as the
この線形誘導減速器はドーナツ形状の巻磁心にコイルを巻回したものである。コイルには時間的に一定の割合で変化する電流iを流し、これにより時間的に一定の電場をイオンの進行方向に発生させる。この誘導減速器を通過する際のイオンの運動エネルギーの変化量をΔWとすると、1つの円筒電極あたりの軌道曲率半径の変化量dとΔWとの関係は次の(1)式で与えられる。
(3−n)・(d/ρ)=ΔW/W …(1)
ここで、Wは準周回軌道への入射時のイオンの運動エネルギーである。またnは扇形電場の動径方向の電場勾配であり、本実施例のように円筒電極を用いた場合には1、球面型電極の場合には2、トロイダル型電極の場合にはその曲率に応じた値をもつ。電場勾配は次の(2)式で与えられる。
n=−(ρ/E)・(∂Er/∂r) …(2)
ここでEはイオン入射点での動径方向の電場である。
This linear induction speed reducer is obtained by winding a coil around a donut-shaped wound core. A current i that changes at a constant rate is passed through the coil, thereby generating a constant electric field in the direction of ion travel. When the change amount of the kinetic energy of ions when passing through this induction decelerator is ΔW, the relationship between the change amount d of the orbital curvature radius per one cylindrical electrode and ΔW is given by the following equation (1).
(3-n) · (d / ρ) = ΔW / W (1)
Here, W is the kinetic energy of ions when entering the quasi-circular orbit. Further, n is an electric field gradient in the radial direction of the sector electric field, and is 1 when the cylindrical electrode is used as in the present embodiment, 2 when the spherical electrode is used, and 2 when the toroidal electrode is used. It has a corresponding value. The electric field gradient is given by the following equation (2).
n =-(ρ / E) · (∂Er / ∂r) (2)
Here, E is an electric field in the radial direction at the ion incident point.
(1)式の関係を満たすように誘導減速器7、8の減速電場と円筒電極5、6の位置のずれ量dとが設定されていれば、イオンの準周回軌道の半径は1周毎に2dずつ減少する。第1実施例では、回転角度180°の2つの扇形電場E1、E2により準周回軌道が形成されているので、イオンは一方の扇形電場から他方の扇形電場に入射する際に曲率半径がdだけ異なる位置に入射され、半周回毎に軌道半径はdずつ減少していくことになる。
If the decelerating electric field of the induction decelerators 7 and 8 and the shift amount d of the position of the
即ち、本実施例の飛行時間型質量分析装置では、上述したように、扇形電場E1→直線飛行部12→扇形電場E2→直線飛行部11を経て再び扇形電場E1に戻って来たイオンの入射位置は、内周側に2dだけずれることが保証される。これは質量電荷比や飛行速度の相違に拘わらず、全てのイオンに共通である。このようにイオンの準周回軌道の半径が1周毎に2dずつ減少するので、例えば円筒電極5、6の内側電極5a、6aと外側電極5b、6bとの間隔(ギャップ)幅がGである場合には、イオンは準周回軌道をG/2d周回すると出射されることになる。この例では、3/2周回した時点で全てのイオンが出射点に達する。
That is, in the time-of-flight mass spectrometer of the present embodiment, as described above, the incident of ions that have returned to the sector electric field E1 again via the sector electric field E1 → the
準周回軌道においても周回数が多いほど飛行距離は長くなるが、その周回数は扇形電場E1、E2のずらし量dにより決まる。したがって、周回数を増やすには、ずらし量dを小さくする必要がある。このずらし量dは入射端面E1inへイオンが入射するときのイオン束の水平方向(図1の紙面内)での広がりと外側電極6bの厚みとで決定される。したがって、イオンの入射点においてはイオン束の水平方向の広がりが最小となるようなイオン光学系を組んでおくことが望ましい。それにより、2つの円筒電極5、6のずらし量dをできるだけ小さくし、周回数を多くして飛行距離を延ばすようにすることができる。
Even in the quasi-circular orbit, the greater the number of laps, the longer the flight distance, but the number of laps is determined by the shift amount d of the sector electric fields E1 and E2. Therefore, in order to increase the number of turns, it is necessary to reduce the shift amount d. This shift amount d is determined by the spread of the ion flux in the horizontal direction (in the paper of FIG. 1) when ions are incident on the incident end face E1in and the thickness of the
上述のように、本実施例の飛行時間型質量分析装置では、イオントラップ3から一斉に出射された各種のイオンは準周回軌道部4において外周側から内周側に向かって渦巻き状に、つまり飛行経路が途中で重なることがない一筆書き状の経路に沿って飛行し、磁石9を経てイオン検出器10に到達する。したがって、全てのイオンに対して飛行距離は同一であり、且つ途中で飛行速度の相違によるイオンの追い越しも生じないので、イオン検出器10で得られる検出信号に基づいて作成される飛行時間スペクトル上で飛行時間と質量電荷比とを一意に決めることができる。
As described above, in the time-of-flight mass spectrometer according to the present embodiment, various ions emitted from the
[第2実施例]
次に、本発明の第2実施例による飛行時間型質量分析装置について、図3及び図4により説明する。図3は第2実施例による飛行時間型質量分析装置のイオン光学系を中心とする概略構成図。図4は図3中の円筒電極の外側電極の部分的な概略図である。第1実施例で説明した構成要素と同一又は相当する構成要素には同じ符号を付している。
[Second Embodiment]
Next, a time-of-flight mass spectrometer according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a schematic configuration diagram focusing on the ion optical system of the time-of-flight mass spectrometer according to the second embodiment. FIG. 4 is a partial schematic view of the outer electrode of the cylindrical electrode in FIG. Components that are the same as or correspond to the components described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals.
上述した第1実施例との大きな相違は、準周回軌道部4へイオンを入射するために専用の偏向電極13を使用する一方、イオン出射用補助磁石を設けていないことである。また、この第2実施例では、偏向電極13によりイオンを内周側に入射し、イオンが次の扇形電場に入射する毎に軌道半径を増加させるよう、直線飛行部11、12に誘導減速器ではなく誘導加速器14、15を設けてイオンを加速するようにしている。ただし、この誘導加速器14、15の構成は上記の誘導減速器7、8と同じであり、コイルに流す電流の向きを変えることで発生する電場の方向を反転させている点が異なる。
The major difference from the first embodiment described above is that the
本実施例の飛行時間型質量分析装置における分析動作を説明する。
イオントラップ3から準周回軌道部4へイオンを入射するときには、各種イオンは時間方向に拡がりを有さないとみなせる(実際には、イオントラップ3から偏向電極13に到達するまでの距離を進む際に若干時間方向にばらつく)ため、イオントラップ3から引き出されたイオン群が通過する間のみ、偏向電極13に所定の電圧を印加して偏向電場を発生させる。これにより、イオントラップ3からイオンが準周回軌道に入射した後には偏向電極13は存在しないものとみなすことができる。
An analysis operation in the time-of-flight mass spectrometer of the present embodiment will be described.
When ions are incident on the quasi-circular orbit 4 from the
上記第1実施例と同様に、イオンが誘導加速器14、15を通過する毎にイオンの運動エネルギーを決まった量だけ増加させることにより、扇形電場E1、E2を通過する毎に軌道半径をdずつ増加させる。そして、イオンが扇形電場E1、E2による準周回軌道を2.5周回すると、扇形電場E1の出射端面E1outの前方には扇形電場E2が存在しなくなり、直線飛行部12を直進したイオンは円筒電極6の外側電極6bのさらに外側を通過してイオン検出器10に到達する。ただし、この例の場合、ずらし量dが小さく、イオン出射点における外側電極6bがイオンと干渉するおそれがあるため、図4に示すように、外側電極6bの外面にイオンが通過する溝部61を形成してある。これにより、第1実施例の構成よりも飛行距離を延ばし、質量分解能を改善することができる。
As in the first embodiment, each time the ions pass through the
この実施例では、イオンは扇形電場E1、E2による準周回軌道を2周以上飛行し、1周回目よりも2周回目のほうが飛行距離は長くなる。即ち、渦巻き状にイオンを飛行させるために、周回毎にイオンの飛行距離が相違するという点は図9に示したような完全周回型の軌道とは異なる。そのため、イオンの飛行速度が一定であれば、周回毎に1周回に要する時間が変化してしまうことになるが、本発明では、周回毎に1周回の飛行距離が短くなる場合にはイオンの飛行速度は段階的に減少され、逆に周回毎に1周回の飛行距離が長くなる場合にはイオンの飛行速度は段階的に増加されるため、イオンが1周回するのに要する時間を一定に保つことができる。もちろん、その時間自体はイオンの質量電荷比に依存し、質量電荷比が小さいほど時間は短くなる。 In this embodiment, the ions fly two or more quasi-circular orbits by the sector electric fields E1 and E2, and the flight distance is longer in the second round than in the first round. In other words, in order to make ions fly in a spiral shape, the flight distance of ions is different for each lap, which is different from a complete lap orbit as shown in FIG. Therefore, if the flight speed of ions is constant, the time required for one lap will change for each lap, but in the present invention, when the flight distance of one lap is shortened for each lap, The flight speed is decreased step by step, and conversely, if the flight distance of one lap becomes longer for each lap, the flight speed of the ions is increased step by step, so the time required for one lap of the ions is kept constant. Can keep. Of course, the time itself depends on the mass-to-charge ratio of ions, and the smaller the mass-to-charge ratio, the shorter the time.
即ち、本発明に係る飛行時間型質量分析装置では、渦巻き状の飛行軌道であるにも拘わらず周回の等時性が確保されるという特徴がある。周回の等時性がない場合、飛行時間スペクトルをマススペクトルに換算する処理をする際に、質量電荷比によって異なる周回毎の飛行時間の変化を考慮しなければならず、処理が非常に煩雑になる。これに対し、周回の等時性が確保されていれば、飛行時間スペクトルをマススペクトルに換算する処理が容易である。また、特に周回の等時性があるために、次の第3実施例のような構成が可能である。 That is, the time-of-flight mass spectrometer according to the present invention is characterized in that the isochronism of the lap is ensured despite the spiral flight trajectory. If the time-of-flight spectrum is not isochronous, the process of converting the time-of-flight spectrum into a mass spectrum must take into account changes in the time-of-flight for each lap that varies depending on the mass-to-charge ratio. Become. On the other hand, if the isochronism of the lap is ensured, the process of converting the time-of-flight spectrum into the mass spectrum is easy. In addition, since there is a particularly isochronous circulation, a configuration as in the following third embodiment is possible.
[第3実施例]
図5は本発明に係る第3実施例による飛行時間型質量分析装置のイオン光学系を中心とする概略構成図である。基本的なイオン光学系は上記第2実施例と同じであるので説明を省略する。この飛行時間型質量分析装置の特徴は、イオン検出及び検出信号の処理の方式にある。即ち、準周回軌道に沿って飛行するイオンを検出するためにその軌道上にイオン非破壊型検出器31が設置されている。イオン非破壊型検出器31は例えば誘導電荷検出器であり、荷電粒子であるイオンが通過するとそれにより導電体に誘起される電荷に応じた検出信号を出力する。検出に伴うイオンの破壊はないものの、イオンの運動エネルギーの一部が失われるため、誘導加速器14、15はその失われた分の運動エネルギーを補うように第2実施例よりも大きな加速電場を提供する。これにより、周回の等時性が確保される。
[Third embodiment]
FIG. 5 is a schematic block diagram centering on the ion optical system of the time-of-flight mass spectrometer according to the third embodiment of the present invention. Since the basic ion optical system is the same as that of the second embodiment, description thereof is omitted. This time-of-flight mass spectrometer is characterized by ion detection and detection signal processing. That is, in order to detect ions flying along the quasi-circular orbit, an ion
イオン非破壊型検出器31では周期的な多重信号が得られるから、データ処理部32は例えば周波数成分を時間成分に変換するフーリエ変換処理を行うことにより、各イオンの飛行時間を求め、さらにこれから各イオンの質量電荷比を算出する。そして、これに基づいてマススペクトルを作成する。フーリエ変換に代えて自己相関関数を利用する等、一般的な多重周回型イオン光学系とイオン非破壊型検出器とを組み合わせた質量分析装置で利用されている様々な信号解析手法を利用することができる。
Since the ion
なお、説明を容易にするために図5では図3と同じイオン光学系を利用しているが、フーリエ変換や自己相関関数を利用して精度のよい換算を行うには、周回数をかなり多くする必要がある。したがって、実際には、距離dをもっと小さくすることになる。また、第3実施例ではイオン検出器10は省略することもできるから、準周回軌道からのイオンの取り出しは考慮する必要はない。
For ease of explanation, the same ion optical system as in FIG. 3 is used in FIG. 5, but in order to perform accurate conversion using Fourier transform or autocorrelation function, the number of turns is considerably large. There is a need to. Therefore, in practice, the distance d is further reduced. In the third embodiment, since the
[第4実施例]
2組の円筒電極5、6のずれである距離dと誘導減速器(又は誘導加速器)を通過する際のイオンの運動エネルギーの変化量をΔWとは、上記(1)式の関係になる。半周回毎に距離dだけ扇形電場E1、E2内でのイオン軌道の曲率半径は縮小又は拡大するから、dを小さくすればそれだけ周回数を増やすことが可能である。イオンがイオン源1を出射してからイオン検出器10に到達するまでの飛行距離は周回数に依存し、周回数を多くするほど質量分解能は向上する。その反面、周回数を増やすとマススペクトルを得るまでに掛かる時間が長くなる。そこで、分析目的に応じて質量分解能を調整できると都合がよい場合がある。図6に示した第4実施例は質量分解能を可変とした飛行時間型質量分析装置の一例である。
[Fourth embodiment]
The distance d which is the deviation between the two sets of
円筒電極5(5a、5b)は直線飛行部11、12に直交する方向に移動可能なステージ41上に設置され、ステージ41はモータ等を含むステージ駆動部42により駆動される。一方、誘導加速器14、15は加減速用電流供給部43から供給される電流によりイオンを加速する電場を形成する。制御部44は入力部45から与えられる例えば要求質量分解能の指示に基づいてステージ駆動部42及び加減速用電流供給部43の動作を制御し、要求された質量分解能を実現できるような飛行軌道を形成する。例えば図6は図3と同様に、イオンが2.5周回した後に準周回軌道から出射して検出される例である。これに対し、要求質量分解能が下げられると、制御部44はステージ駆動部42により距離dを拡大する。また、その距離dに応じて(1)式を満たすように運動エネルギーを調整するべく、加減速用電流供給部43を制御する。これにより、図7に示すように、イオンが1.5周回した後に準周回軌道から出射して検出されるように変更される。もちろん、このときにもイオンに付与する運動エネルギーを適宜調整して、周回の等時性を確保することができる。
The cylindrical electrode 5 (5a, 5b) is installed on a
図6の構成で距離dを0にすることにより、渦巻き状の軌道ではなく、完全な周回軌道を形成することもできる。この場合、イオンの追い越しの問題が生じるため、好ましくは、第3実施例のようにイオン非破壊型検出器によるイオン検出を行うとよい。 By setting the distance d to 0 in the configuration of FIG. 6, it is possible to form a complete orbit instead of a spiral orbit. In this case, since a problem of overtaking of ions occurs, it is preferable to perform ion detection by an ion nondestructive detector as in the third embodiment.
[第5実施例]
第1乃至第4実施例はいずれも、準周回軌道を形成する2つの扇形電場E1、E2(つまりは円筒電極5、6)の形状が同一である場合の例であるが、扇形電場の数が3以上であって、形状が同一でない場合の構成も可能である。図8はそうした構成例の1つであり、扇形電場をE2、E3、E4の3つ用いている。
[Fifth embodiment]
Each of the first to fourth embodiments is an example in which the shapes of the two sector electric fields E1 and E2 (that is, the
より具体的には、この第5実施例の飛行時間型質量分析装置において、第1実施例のイオン光学系と扇形電場E2は同じであり、扇形電場E1が2つの扇形電場E3、E4に分割されている。円筒電極20(内側電極20a、外側電極20b)により形成される扇形電場E3と円筒電極21(内側電極21a、外側電極21b)により形成される扇形電場E4との回転角度の和は180°にする必要があり、扇形電場E3の入射端面E3in及び扇形電場E4の出射端面E4outの位置は、上記の扇形電場E1の入射端面E1in及び出射端面E1outと合わせる必要がある。そこで、ここでは円筒電極20、21の回転角度をいずれも90°とし、それらの中心線の曲率半径を円筒電極5の曲率半径よりも小さくして扇形電場E3、E4間に直線飛行部22を確保している。
More specifically, in the time-of-flight mass spectrometer of the fifth embodiment, the ion optical system of the first embodiment and the sector electric field E2 are the same, and the sector electric field E1 is divided into two sector electric fields E3 and E4. Has been. The sum of the rotation angles of the sector electric field E3 formed by the cylindrical electrode 20 (
扇形電場E2の中心線の曲率半径と、扇形電場E3、E4の中心線の曲率半径とは相違するため、誘導減速器7、8における減速度合いは同一ではなく、曲率半径に合わせて適宜調整する必要があるものの、準周回軌道を半周する毎に軌道半径がdずつ減少し、一筆書き状の飛行軌道が形成可能であることは第1実施例と同じである。 Since the radius of curvature of the center line of the sector electric field E2 is different from the radius of curvature of the center lines of the sector electric fields E3 and E4, the degree of deceleration in the induction decelerators 7 and 8 is not the same, and is appropriately adjusted according to the radius of curvature. Although it is necessary, the radius of the orbit decreases by d every time it makes a semicircular orbit, so that a one-stroke flight trajectory can be formed as in the first embodiment.
さらに扇形電場の数を増やした構成とすることも可能であるが、上記のような準周回軌道を形成するには次のような条件を満たすことが必要になる。即ち、図1、図3、図5に示すように、複数の扇形電場は多重周回型の飛行軌道を形成することが可能であり、しかも、互いに平行な直線飛行部が一組以上存在することが必須である。その場合、その一組の直線飛行部を境界にして複数の扇形電場を2つのグループに分けることができ、一方のグループに属する扇形電場全体を他方のグループに属する扇形電場に対し、上記一組の直線飛行部に直交する方向に距離dだけずらした配置とすればよい。1つのグループに属する扇形電場の数に上限はない。また、上記のように異なるグループ間を繋ぐ直線飛行部には、周回毎に軌道半径を大きくする場合には誘導加速器が、周回毎に軌道半径を小さくする場合には誘導減速器が配置され、通過するイオンに一定量の運動エネルギーが増加又は減少される。 Furthermore, it is possible to adopt a configuration in which the number of sector electric fields is increased, but in order to form the quasi-circular orbit as described above, the following conditions must be satisfied. That is, as shown in FIG. 1, FIG. 3, and FIG. 5, a plurality of sector electric fields can form a multi-circular flight trajectory, and there are at least one set of straight flight parts parallel to each other. Is essential. In that case, a plurality of sector electric fields can be divided into two groups with the one set of straight flight sections as a boundary, and the entire sector electric field belonging to one group is compared to the sector electric field belonging to the other group. What is necessary is just to arrange | position by the distance d in the direction orthogonal to this straight flight part. There is no upper limit to the number of sector electric fields that belong to one group. In addition, in the linear flight part connecting between different groups as described above, an induction accelerator is arranged when the orbit radius is increased for each lap, and an induction decelerator is arranged when the orbit radius is reduced for each lap, A certain amount of kinetic energy is increased or decreased in the passing ions.
なお、上記実施例はいずれも本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜、変更や修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。 The above-described embodiments are merely examples of the present invention, and it is obvious that changes, modifications, and additions are appropriately included in the scope of the claims of the present application within the scope of the present invention.
1…イオン源
2…イオンガイド
3…イオントラップ
4…準周回軌道部
E1、E2、E3、E4…扇形電場
5、6、20、21…円筒電極
5a、6a、20a、21a…内側電極
5b、6b、20b、21b…外側電極
61…溝部
7、8…誘導減速器
9…イオン出射用補助磁石
10…イオン検出器
11、12、22…直線飛行部
13…偏向電極
14、15…誘導加速器
31…イオン非破壊型検出器
32…データ処理部
41…ステージ
42…ステージ駆動部
43…加減速用電流供給部
44…制御部
45…入力部
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記互いに平行な直線飛行部が載る平面上で、それら直線飛行部を境界として複数の扇形電場を第1、第2なる2つのグループに分けたときに、第1のグループに含まれる1乃至複数の扇形電場を第2のグループに含まれる1乃至複数の扇形電場に対して、前記互いに平行な直線飛行部と直交する方向に所定の距離だけずらして配置するとともに、
前記互いに平行な直線飛行部の軌道上に、イオンにエネルギーを付与する又はイオンからエネルギーを奪う加減速手段を設け、
所定の扇形電場にイオンが入射する毎に該イオンが通過する円弧状軌道の曲率半径が縮小又は拡大することにより渦巻き状の飛行軌道を形成し、且つ、同一質量電荷比のイオンに対する周回毎の周回時間が等しくなるようにしたことを特徴とする飛行時間型質量分析装置。 Ions that alternately pass through a fan-shaped electric field in which an ion forms an arc-shaped trajectory and a linear flight section in which ions form a linear trajectory between adjacent fan-shaped electric fields, and the ions that have exited the last fan-shaped electric field first A time-of-flight mass spectrometer using a plurality of sectoral electric fields that can form a flight trajectory in which ions can repeatedly circulate by re-entering the incident sectoral electric field, wherein the orbits that can be circulated are parallel to each other In a time-of-flight mass spectrometer where one or more straight flight parts exist,
1 to 2 included in the first group when a plurality of sector electric fields are divided into two groups of the first and second groups on the plane on which the straight flight units parallel to each other are placed. And the one or more fan-shaped electric fields included in the second group are shifted by a predetermined distance in a direction perpendicular to the straight flight parts parallel to each other, and
Acceleration / deceleration means for imparting energy to ions or depriving energy from ions is provided on the trajectories of the linear flight parts parallel to each other,
Each time an ion enters a predetermined sectoral electric field, the radius of curvature of the arcuate trajectory through which the ion passes is reduced or expanded to form a spiral flight trajectory, and for each revolution for ions of the same mass to charge ratio A time-of-flight mass spectrometer characterized in that the lap times are equal.
前記加減速手段は、イオンの進行方向に所定の電場を発生させるものであることを特徴とする飛行時間型質量分析装置。 The time-of-flight mass spectrometer according to claim 1,
The time-of-flight mass spectrometer is characterized in that the acceleration / deceleration means generates a predetermined electric field in the traveling direction of ions.
前記複数の扇形電場はそれぞれ、同心で等しい回転角度及び曲率半径を有する、円筒状、球面状、又はトロイダル状の内側電極と外側電極とからなる一対の電極の間に形成されるものであることを特徴とする飛行時間型質量分析装置。 The time-of-flight mass spectrometer according to claim 1 or 2,
Each of the plurality of sector electric fields is formed between a pair of electrodes made of a cylindrical, spherical, or toroidal inner electrode and outer electrode having concentric and equal rotation angles and curvature radii. A time-of-flight mass spectrometer.
直線飛行部を挟む2つの扇形電場を相対的にずらすことにより、対向する扇形電場の入射端面又は出射端面の前方に形成される開放空間を通して、渦巻き状の飛行軌道の入射端となる位置にイオンを入射する、又は渦巻き状の飛行軌道の出射端となる位置からイオンを出射させることを特徴とする飛行時間型質量分析装置。 The time-of-flight mass spectrometer according to any one of claims 1 to 3,
By displacing the two sectoral electric fields sandwiching the straight flight part, ions pass through the open space formed in front of the incident end face or the exit end face of the opposing sectoral electric field at the position that becomes the entrance end of the spiral flight trajectory. A time-of-flight mass spectrometer characterized in that ions are emitted from a position that becomes an exit end of a spiral flight trajectory.
渦巻き状の飛行軌道を周回するイオンを非破壊で検出するイオン検出器と、該イオン検出器による周期的な検出信号を処理することにより各イオンの質量電荷比を求めるデータ処理手段と、をさらに備えることを特徴とする飛行時間型質量分析装置。 A time-of-flight mass spectrometer according to any one of claims 1 to 4,
An ion detector that non-destructively detects ions circulating in a spiral flight trajectory, and a data processing means for obtaining a mass-to-charge ratio of each ion by processing a periodic detection signal from the ion detector; A time-of-flight mass spectrometer.
第1のグループに含まれる1乃至複数の扇形電場を、第2のグループに含まれる1乃至複数の扇形電場に対して、前記互いに平行な直線飛行部と直交する方向に移動させる移動手段と、
該移動手段により前記距離を変更するに伴い、イオンに付与する又はイオンから奪うエネルギーを変えるように前記加減速手段を制御する制御手段と、
をさらに備えることを特徴とする飛行時間型質量分析装置。 A time-of-flight mass spectrometer according to any one of claims 1 to 5,
Moving means for moving one or more fan electric fields included in the first group in a direction perpendicular to the mutually parallel straight flight sections with respect to one or more fan electric fields included in the second group;
Control means for controlling the acceleration / deceleration means so as to change energy applied to or taken away from ions as the distance is changed by the moving means;
A time-of-flight mass spectrometer.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010004555A JP2011146180A (en) | 2010-01-13 | 2010-01-13 | Time-of-flight mass spectrometer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010004555A JP2011146180A (en) | 2010-01-13 | 2010-01-13 | Time-of-flight mass spectrometer |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2011146180A true JP2011146180A (en) | 2011-07-28 |
Family
ID=44460881
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2010004555A Pending JP2011146180A (en) | 2010-01-13 | 2010-01-13 | Time-of-flight mass spectrometer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2011146180A (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105470098A (en) * | 2015-12-30 | 2016-04-06 | 东南大学 | Magnetic field based time-of-flight mass spectrometer setting method of ion well |
GB2598591A (en) * | 2020-09-03 | 2022-03-09 | HGSG Ltd | Mass spectrometer and method |
WO2022049388A1 (en) * | 2020-09-03 | 2022-03-10 | HGSG Ltd | Mass spectrometer and method |
GB2605775A (en) * | 2021-04-07 | 2022-10-19 | HGSG Ltd | Mass spectrometer and method |
-
2010
- 2010-01-13 JP JP2010004555A patent/JP2011146180A/en active Pending
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105470098A (en) * | 2015-12-30 | 2016-04-06 | 东南大学 | Magnetic field based time-of-flight mass spectrometer setting method of ion well |
GB2598591A (en) * | 2020-09-03 | 2022-03-09 | HGSG Ltd | Mass spectrometer and method |
WO2022049388A1 (en) * | 2020-09-03 | 2022-03-10 | HGSG Ltd | Mass spectrometer and method |
GB2602682A (en) * | 2020-09-03 | 2022-07-13 | HGSG Ltd | Mass spectrometer and method |
GB2605775A (en) * | 2021-04-07 | 2022-10-19 | HGSG Ltd | Mass spectrometer and method |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4001100B2 (en) | Mass spectrometer | |
KR101957808B1 (en) | First and second order focusing using field free regions in timeofflight | |
US9972483B2 (en) | Method of mass separating ions and mass separator | |
JP4182843B2 (en) | Time-of-flight mass spectrometer | |
US10692712B2 (en) | Ion transfer from electron ionization sources | |
JP2006012782A (en) | Time-of-flight mass spectrometry and mass spectroscope | |
WO2013098089A1 (en) | Extraction device for a synchrocyclotron | |
JP2005079037A (en) | Mass spectrometer | |
JP2006520072A (en) | Mass spectrometer | |
JP4645424B2 (en) | Time-of-flight mass spectrometer | |
JP2011146180A (en) | Time-of-flight mass spectrometer | |
Bourgeois et al. | Unexpected transverse velocity component of Xe+ ions near the exit plane of a Hall thruster | |
US8354635B2 (en) | Mass spectrometer | |
US10438788B2 (en) | System and methodology for expressing ion path in a time-of-flight mass spectrometer | |
JP4957187B2 (en) | Time-of-flight mass spectrometer | |
JP4273917B2 (en) | Mass spectrometer | |
RU2431214C1 (en) | Method of analysing charged particles based on mass and device for realising said method | |
WO2013097659A1 (en) | Mass analyzer with coil-shaped electric field | |
JP2012142139A (en) | Ion beam generation method and ion beam generation apparatus | |
Wollnik | High-resolving mass spectrographs and spectrometers | |
Sumbaev et al. | The Magnetic Energy Analyzer for Electron Beam Of LUE-200 Linac of IREN Facility | |
JP5238054B2 (en) | Time-of-flight mass spectrometry method and apparatus | |
JP2010170848A (en) | Vertical acceleration flight-time type mass spectrometer | |
WO2015107612A1 (en) | Ion mobility analysis device and mass spectrometer | |
JP2007335368A (en) | Time-of-flight mass spectrograph method and device |