JP2011175897A

JP2011175897A - Mass spectrometer

Info

Publication number: JP2011175897A
Application number: JP2010039872A
Authority: JP
Inventors: Koichi Tanaka; 耕一田中; Shinichi Iwamoto; 慎一岩本; Kei Kodera; 慶小寺
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2010-02-25
Filing date: 2010-02-25
Publication date: 2011-09-08
Anticipated expiration: 2030-02-25
Also published as: JP5504969B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To switch over and perform an analysis capable of obtaining a mass spectrum of a wide range of mass-to-charge ratio in a short measuring time and an analysis capable of obtaining a MS<SP>n</SP>spectrum useful for analysis of a complicated molecule structure by a single mass spectrometer. <P>SOLUTION: An ion trap part 20 including an ion trap and a second detection part 31 are arranged between an ion introduction part 10 including a MALDI ion source, an extraction electrode 13 to accelerate ions, and an ion optical system 14 to converge ions etc. and a flight tube 34 which has a flight space in which ions are linearly flown. At the time of a normal analysis, an ion flow is stopped by the ion optical system 14 so that it may pass an ion introduction hole 24 and an ion lead-out hole 25, and the flight time is measured using the flight tube 34 interior space, as well as ion trap interior space and the space in the second detection part 31 as a free flight region. At the time of MS<SP>n</SP>analysis, the ions are trapped in the ion trap once, and the ions discharged after mass separation by the ion trap are detected by the second detection part 31. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は質量分析装置に関し、さらに詳しくは、イオントラップと飛行時間型質量分析器とを備える質量分析装置に関する。 The present invention relates to a mass spectrometer, and more particularly to a mass spectrometer including an ion trap and a time-of-flight mass analyzer.

飛行時間型質量分析装置（以下「ＴＯＦＭＳ」と称す）では一般に、電場により一定の運動エネルギを付与することで加速したイオンを電場及び磁場を有さない飛行空間内に導入して自由飛行させる。自由飛行する際の各種イオンの飛行速度は質量電荷比（m/z）に応じて異なるため、検出器に到達するまでの間に質量電荷比の異なるイオンは時間的に分離され、各々の飛行時間からイオン種毎に質量電荷比を求めることができる。こうしたＴＯＦＭＳではイオンの飛行距離を長くすれば質量分解能を高めることができることから、イオンを直線的に飛行させるリニア型の構成のほかに、電場や磁場を利用してイオンを折返し飛行させるリフレクトロン型の構成や、イオンを略同一の閉じた軌道に沿って複数回周回させる周回型の構成も知られている。特にリニア型のＴＯＦＭＳは、質量電荷比が大きなイオンまで高い感度で測定が可能である、測定に要する時間が短くスループットが高い、といった特徴を有している。 In a time-of-flight mass spectrometer (hereinafter referred to as “TOFMS”), ions that have been accelerated by applying a constant kinetic energy by an electric field are generally introduced into a flight space that does not have an electric field and a magnetic field, and are allowed to fly freely. Since the flight speed of various ions during free flight varies depending on the mass-to-charge ratio (m / z), ions with different mass-to-charge ratios are temporally separated before reaching the detector. From the time, the mass-to-charge ratio can be determined for each ion species. In such TOFMS, the mass resolution can be improved by increasing the flight distance of ions. Therefore, in addition to the linear structure that makes ions fly linearly, the reflectron type that makes ions fly back using an electric or magnetic field. There is also known a configuration of the above-mentioned and a circulation type configuration in which ions are circulated a plurality of times along substantially the same closed orbit. In particular, the linear type TOFMS is characterized by being capable of measuring with high sensitivity up to ions having a large mass-to-charge ratio, and having a short measurement time and high throughput.

例えばペプチドなどの生体由来の大きな分子の組成や構造を解析したい場合、特定の質量電荷比を有する分子イオンを開裂させ、それにより生成された各種プロダクトイオン（フラグメントイオン）の質量電荷比を調べる必要がある。こうした目的のために、非特許文献１の図９などに開示された質量分析装置（ＡＸＩＭＡ（株式会社島津製作所の登録商標）−ＴＯＦ^２）が知られている。 For example, if you want to analyze the composition or structure of a large molecule derived from a living body such as a peptide, it is necessary to cleave molecular ions with a specific mass-to-charge ratio and investigate the mass-to-charge ratio of various product ions (fragment ions) generated thereby. There is. For this purpose, a mass spectrometer (AXIMA (registered trademark of Shimadzu Corporation) -TOF ² ) disclosed in FIG. 9 of Non-Patent Document 1 is known.

上記質量分析装置は、ＭＡＬＤＩイオン源で生成され加速されたイオンの飛行軌道の途中に、特定の質量電荷比を有するイオンを選択的に通過させるイオンゲートと、該イオンゲートを通過したイオンを開裂させる高エネルギＣＩＤ（衝突誘起解離）部と、を備え、そのＣＩＤ部で生成された各種プロダクトイオンをＣＦＲ（Curved Field Reflectron）と名付けられたリフレクトロン型ＴＯＦで分離して検出器により検出する。この質量分析装置は、試料に対する１回のレーザ光照射により幅広い質量電荷比範囲のＭＳ／ＭＳスペクトルを取得することができる、という特徴をもつ。しかしながら、この構成ではＭＳ／ＭＳ分析は行えるものの、ｎが３以上のＭＳ^ｎ分析を行うことはできない。このため、糖鎖や糖ペプチドなど、１回の開裂操作では十分に小さな断片に分裂しないような、複雑な構造をもつ物質の詳細な解析を行うことができないという制約がある。 The mass spectrometer includes an ion gate that selectively allows ions having a specific mass-to-charge ratio to pass through the flight trajectory of ions generated and accelerated by the MALDI ion source, and cleaves the ions that have passed through the ion gate. A high-energy CID (collision-induced dissociation) part, and various product ions generated in the CID part are separated by a reflectron type TOF named CFR (Curved Field Reflectron) and detected by a detector. This mass spectrometer has a feature that an MS / MS spectrum in a wide mass-to-charge ratio range can be obtained by one-time laser light irradiation on a sample. However, in this configuration, although MS / MS analysis can be performed, MS ⁿ analysis in which n is 3 or more cannot be performed. For this reason, there is a limitation that a detailed analysis of a substance having a complicated structure such as a sugar chain or a glycopeptide that does not break into sufficiently small fragments by a single cleavage operation cannot be performed.

これに対し、ＭＡＬＤＩイオン源及びリフレクトロン型ＴＯＦを備え、ＭＳ^ｎ分析が可能な質量分析装置としては、非特許文献１の図２などに記載の質量分析装置（ＡＸＩＭＡ−ＱＩＴ）がある。この質量分析装置では、ＭＡＬＤＩイオン源で生成された各種イオンを３次元四重極型イオントラップの内部に一旦捕捉する。そして、イオントラップの内部にクーリングガスを導入し捕捉したイオンに対するクーリングを十分に行った後に、該イオンに運動エネルギを与えて一斉に該トラップから放出してリフレクトロン型ＴＯＦに導入し、各イオン種の飛行時間を計測する。３次元四重極型イオントラップでは、特定の質量電荷比を有するイオンの選択（プリカーサ選択）やＣＩＤによるイオンの開裂操作などを実施することができる。したがって、イオントラップ内部にイオンを捕捉した後に、プリカーサ選択、ＣＩＤによる開裂操作、クーリング、を複数回実行し、それにより得られた各種プロダクトイオンをトラップから放出してリフレクトロン型ＴＯＦに導入することにより、ＭＳ^ｎスペクトルを取得することができる。 On the other hand, as a mass spectrometer equipped with a MALDI ion source and a reflectron type TOF and capable of MS ⁿ analysis, there is a mass spectrometer (AXIMA-QIT) described in FIG. In this mass spectrometer, various ions generated by the MALDI ion source are once captured inside a three-dimensional quadrupole ion trap. Then, after introducing a cooling gas into the ion trap and sufficiently cooling the trapped ions, the ions are given kinetic energy and discharged from the trap all at once and introduced into the reflectron type TOF. Measure species flight time. In the three-dimensional quadrupole ion trap, selection of ions having a specific mass-to-charge ratio (precursor selection), ion cleavage operation by CID, and the like can be performed. Therefore, after trapping ions inside the ion trap, precursor selection, CID cleavage operation, and cooling are performed multiple times, and the various product ions obtained thereby are released from the trap and introduced into the reflectron type TOF. Thus, an MS ⁿ spectrum can be acquired.

しかしながら、上記質量分析装置では、プリカーサ選択及びＣＩＤ操作を実施しない場合であっても、イオントラップ内部に一旦各種イオンを捕捉した後に所定時間のクーリングが必要になるため、イオントラップを用いない上記ＴＯＦＭＳに比べると分析に時間が掛かる。また、イオントラップには捕捉可能な質量電荷比範囲に原理的な制約があるため、１回の分析で得られるマススペクトル（ＭＳ^ｎスペクトルを含む）の質量電荷比範囲は比較的狭い。そのため、幅広い質量電荷比範囲のマススペクトルを取得したい場合には、分析条件（具体的にはイオントラップに捕捉される質量電荷比範囲）を変えて複数回の分析を繰り返し実行する必要がある。このため、上記ＴＯＦＭＳ並みの質量電荷比範囲を達成しようとすると測定時間はかなり長くなり、スループットが低くなる。 However, in the mass spectrometer, even if the precursor selection and the CID operation are not performed, the TOFMS that does not use the ion trap is necessary because cooling for a predetermined time is required after once trapping various ions inside the ion trap. Compared to, analysis takes time. In addition, since the ion trap has a fundamental limitation on the mass-to-charge ratio range that can be captured, the mass-to-charge ratio range of the mass spectrum (including the MS ⁿ spectrum) obtained by one analysis is relatively narrow. Therefore, when it is desired to acquire a mass spectrum in a wide range of mass-to-charge ratios, it is necessary to repeatedly perform analysis a plurality of times while changing the analysis conditions (specifically, the mass-to-charge ratio range captured by the ion trap). For this reason, when trying to achieve the mass-to-charge ratio range similar to the TOFMS, the measurement time becomes considerably long and the throughput becomes low.

また、上記のようにイオントラップとリフレクトロン型ＴＯＦとの組み合わせ以外に、共鳴励起排出によりイオントラップから放出するイオンの質量電荷比を順次走査し、その放出されたイオンを、イオントラップの外側に近接して設けた検出器で検出する質量分析装置も知られている。こうした質量分析装置では、クーリングのみならず共鳴励起排出による質量走査に時間が掛かるため（例えばm/z：５００〜２５００[Da]の質量走査で約１秒）、さらに測定時間が掛かることになる。 In addition to the combination of the ion trap and reflectron type TOF as described above, the mass-to-charge ratio of ions released from the ion trap by resonance excitation discharge is sequentially scanned, and the released ions are placed outside the ion trap. A mass spectrometer that detects with a detector provided in the vicinity is also known. In such a mass spectrometer, not only cooling but also mass scanning by resonance excitation discharge takes time (for example, about 1 second in mass scanning of m / z: 500 to 2500 [Da]), and further measurement time is required. .

山崎、「ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦおよびＭＡＬＤＩ−ＱＩＴ−ＴＯＦＭＳによるタンパク質翻訳後修飾解析」、島津評論、島津評論編集部、２００６年９月２９日発行、第６３巻、第１・２号、ｐ.７３−８３Yamazaki, “Protein post-translational modification analysis using MALDI-TOF and MALDI-QIT-TOFMS”, Shimazu review, Shimazu review editorial department, September 29, 2006, volume 63, 1.2, p.73- 83

分析現場では、分析の目的や分析対象である試料の種類などによって、分析のスループットや測定可能な質量電荷比範囲の広さなどを重視した単純な質量分析と、複雑な物質の構造解析のためのＭＳ^ｎ分析とを選択的に行いたいようなことがよくある。しかしながら、上記のような制約や問題から、従来、１台の質量分析装置でそうした使い分けを行うことは難しかった。そのため、それぞれ適切な分析を行うためには専用の質量分析装置を別々に用意する必要があり、大きなコスト的負担をユーザに課すことになっていた。 At the analysis site, depending on the purpose of analysis and the type of sample to be analyzed, for simple mass analysis that emphasizes analysis throughput and the wide range of mass-to-charge ratio that can be measured, and structural analysis of complex substances Often, it is desirable to selectively perform the MS ⁿ analysis. However, due to the limitations and problems described above, it has been difficult to perform such proper use with a single mass spectrometer. For this reason, it is necessary to prepare a dedicated mass spectrometer separately in order to perform appropriate analysis, which imposes a large cost burden on the user.

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、１台の質量分析装置を用いて、分析のスループットや質量電荷比範囲の広さなどを重視した単純な質量分析とｎが３以上のＭＳ^ｎ分析との両方を実現することを主な目的としている。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and uses a single mass spectrometer to perform simple mass spectrometry with an emphasis on analysis throughput, the range of mass-to-charge ratio range, etc., and an MS having n of 3 or more. ^The main purpose is to realize both of ⁿ analysis.

上記課題を解決するためになされた本発明に係る質量分析装置は、試料からパルス状にイオンを生成するイオン源と、該イオン源で生成されたイオンを加速するイオン加速部と、加速されたイオンを収束させるイオン収束部と、リング電極と該リング電極を挟んで対向配置された一対のエンドキャップ電極とを含み、その一対のエンドキャップ電極の一方にイオン導入穴が、他方にイオン導出穴が一直線上に位置するように形成されたイオントラップと、質量電荷比に応じてイオンを分離する飛行空間を内部に形成するフライトチューブと、該フライトチューブ内の飛行空間を飛行して来たイオンを検出する第１検出部と、を具備し、
前記イオン源で生成され前記イオン加速部で加速されたイオンが前記第１検出部に到達するまでのイオンの飛行軌道が前記イオン導入穴及び前記イオン導出穴を貫通するように、前記イオントラップは前記イオン収束部と前記フライトチューブとの間に配設され、
前記イオントラップ内に高周波電場を形成せずに、前記イオン加速部で加速されたイオンが前記イオントラップの内部空間及び前記フライトチューブ内空間を含む飛行空間を飛行して前記第１検出部に到達するまでの時間を計測する第１分析モードと、前記イオン源で生成されたイオンを前記イオントラップ内に導入して高周波電場により一旦捕捉し、その捕捉したイオンに対する所定の操作を該イオントラップ内で行った後に、前記イオン導出穴を通してイオンを放出させて前記フライトチューブで質量分離を行って前記第１検出部で検出する、又は前記イオントラップ自体で質量分離を行いつつ前記イオン導出穴を通して出射させたイオンを前記第１検出部とは別の第２検出部により検出する第２分析モードと、を選択的に行うように各部を制御する制御手段、を備えることを特徴としている。 A mass spectrometer according to the present invention, which has been made to solve the above-mentioned problems, is accelerated by an ion source that generates ions in a pulse form from a sample, an ion acceleration unit that accelerates ions generated by the ion source, and An ion converging portion for converging ions; a ring electrode and a pair of end cap electrodes arranged opposite to each other with the ring electrode interposed therebetween; an ion introduction hole in one of the pair of end cap electrodes, and an ion outlet hole in the other , The ion trap formed so as to be positioned in a straight line, the flight tube that forms the flight space that separates ions according to the mass-to-charge ratio, and the ions that have flown through the flight space in the flight tube A first detection unit for detecting
The ion trap is such that the flight trajectory of the ions generated by the ion source and accelerated by the ion acceleration unit reaches the first detection unit passes through the ion introduction hole and the ion extraction hole. Disposed between the ion focusing portion and the flight tube;
Without forming a high-frequency electric field in the ion trap, ions accelerated by the ion acceleration unit fly through a flight space including the internal space of the ion trap and the space in the flight tube and reach the first detection unit. A first analysis mode for measuring the time until completion, and ions generated by the ion source are introduced into the ion trap and once captured by a high-frequency electric field, and a predetermined operation on the captured ions is performed in the ion trap. Then, ions are ejected through the ion outlet hole and mass separation is performed by the flight tube and detected by the first detection unit, or the ion trap itself performs mass separation and is emitted through the ion outlet hole. A second analysis mode in which the detected ions are detected by a second detection unit different from the first detection unit. It is characterized in that it comprises a control means, for controlling.

本発明に係る質量分析装置において、イオン源は、例えばＭＡＬＤＩイオン源のほか、レーザ脱離イオン源、脱離エレクトロスプレイイオン源、プラズマ脱離イオン源などが考えられる。 In the mass spectrometer according to the present invention, examples of the ion source include a MALDI ion source, a laser desorption ion source, a desorption electrospray ion source, and a plasma desorption ion source.

また、フライトチューブの内部に形成される飛行空間は、直線的にイオンを飛行させるリニア型、イオンを折返し飛行させるリフレクトロン型、のいずれでもよく、またリニアモードとリフレクトロンモードとが切り替え可能であるリニア／リフレクロトン型でもよい。周知のようにリニア／リフレクロトン型では直線飛行したイオンを検出する検出器と折返し飛行したイオンを検出する検出器とが独立に設けられるから、前記第１検出部は２個の検出器を含む。 The flight space formed inside the flight tube may be either a linear type that flies ions linearly or a reflectron type that flies ions back and forth, and can be switched between linear mode and reflectron mode. A certain linear / refrecroton type may be used. As is well known, in the linear / reflectroton type, a detector for detecting straightly-flighted ions and a detector for detecting folded-flighted ions are provided independently. Therefore, the first detector includes two detectors. .

本発明に係る質量分析装置では、好ましくは、少なくともリニア型の構成を含む（つまりリニア型又はリニア／リフレクロトン型のいずれか）ようにし、第１分析モードでは直線的に飛行させたイオンを第１検出部で検出するようにするとよい。一般にリニアモードではリフレクトロンモードよりも同一の測定時間で広い質量電荷比範囲の測定が可能であるから、第１分析モードの高スループットという利点が一層活かされることになる。 In the mass spectrometer according to the present invention, it is preferable to include at least a linear configuration (that is, either linear type or linear / refrecroton type), and in the first analysis mode, ions that have been caused to fly linearly in the first analysis mode. It may be detected by one detection unit. In general, in the linear mode, it is possible to measure a wide mass-to-charge ratio range in the same measurement time as in the reflectron mode. Therefore, the advantage of the high throughput of the first analysis mode is further utilized.

第２分析モードにおいて、イオンの質量分離はフライトチューブを利用して、つまりは飛行時間型質量分析器によって行ってもよいが、イオントラップ自体の質量分離機能を利用してもよい。後者の場合、イオントラップのイオン導出穴から放出されたイオンを速やかに検出する必要があるから、イオントラップとフライトチューブとの間に第２検出器が配置される。ただし、第１分析モード時のイオンの飛行軌道を遮ることがないように第２検出器を配置する必要がある。例えば、電場によってイオンを誘引するコンバージョンダイノードとイオンの入射に応じて該コンバージョンダイノードから放出された電子を検出する後段検出器（例えば２次電子増倍管など）との組み合わせであれば、所定の空間を挟んで両者を対向して配置することができ、該空間をイオンの飛行軌道が貫通するようにすればよい。 In the second analysis mode, ion mass separation may be performed by using a flight tube, that is, by a time-of-flight mass analyzer, but the mass separation function of the ion trap itself may be used. In the latter case, it is necessary to quickly detect the ions emitted from the ion outlet hole of the ion trap, and therefore the second detector is disposed between the ion trap and the flight tube. However, it is necessary to arrange the second detector so as not to block the flight trajectory of ions in the first analysis mode. For example, if a combination of a conversion dynode that attracts ions by an electric field and a subsequent detector (for example, a secondary electron multiplier) that detects electrons emitted from the conversion dynode in response to ion incidence, It is only necessary that the two can be arranged to face each other across the space, and the flight trajectory of ions penetrates the space.

本発明に係る質量分析装置において、第１分析モードでは、イオン源で試料由来のイオンが生成されると、その後すぐに生成されたイオンがイオン加速部で加速され飛行を開始する。イオン加速部以降、第１検出器に至るまでの空間が、イオンを飛行速度に応じて（つまりは質量電荷比に応じて）分離するための飛行空間となる。即ち、フライトチューブ内の空間のみならず、イオンの飛行速度に影響を与えるような実質的な電場を有さないイオントラップの内部も飛行空間の一部になる。 In the mass spectrometer according to the present invention, in the first analysis mode, when ions derived from the sample are generated in the ion source, the ions generated immediately thereafter are accelerated by the ion acceleration unit and start to fly. The space from the ion accelerator to the first detector becomes a flight space for separating ions according to the flight speed (that is, according to the mass-to-charge ratio). That is, not only the space in the flight tube but also the inside of the ion trap that does not have a substantial electric field that affects the flight speed of ions becomes a part of the flight space.

この場合、一般に、イオンの飛行経路上でイオントラップのイオン導入穴及びイオン導出穴が最も狭い開口である。そこで、イオン加速部で加速されたイオン流がイオン導入穴及びイオン導出穴を通過する位置でそれぞれの穴の開口径以下に絞られた状態となるように、前記イオン収束部に形成する電場を調整する、即ち、イオン収束部に印加する収束用電圧を調整することが好ましい。これにより、イオン加速部で加速されたイオンがほぼ漏れなく第１検出器まで到達するので、高感度のイオン検出が行える。なお、このときイオントラップ内に高周波電場は形成されないが、イオンの飛行速度に影響を与えずにイオン流径の調整のみを行うために直流電場を形成するようにしてもよい。 In this case, generally, the ion introduction hole and the ion extraction hole of the ion trap are the narrowest openings on the ion flight path. Therefore, an electric field to be formed in the ion converging portion is set so that the ion flow accelerated by the ion accelerating portion is confined to the aperture diameter of each hole at a position passing through the ion introduction hole and the ion extraction hole. It is preferable to adjust, that is, adjust the convergence voltage applied to the ion converging unit. As a result, the ions accelerated by the ion accelerating portion reach the first detector almost without leakage, so that highly sensitive ion detection can be performed. At this time, a high-frequency electric field is not formed in the ion trap, but a DC electric field may be formed in order to adjust only the ion flow diameter without affecting the flight speed of ions.

一方、第２分析モードでは、イオン源で生成されたイオンをイオン加速部によりイオン源から引き出し、イオン導入穴を通してイオントラップ内に導入する。このとき、第１分析モードとは異なり、イオン加速部で大きな運動エネルギをイオンに付与する必要はなく、逆に、運動エネルギを小さくしておかないとイオンがイオントラップ内に捕捉されずに通り抜けてしまう。そのため、イオン加速部はイオンを加速するというよりも、むしろ、単にイオン源からイオンを引き出す機能を果たす。イオン加速部により引き出されたイオンはイオントラップのイオン導入穴を通過する必要があるから、イオン流がイオン導入穴を通過する位置でその穴の開口径以下に絞られた状態となるように、前記イオン収束部に形成する電場を調整することが好ましい。 On the other hand, in the second analysis mode, ions generated in the ion source are extracted from the ion source by the ion accelerator and introduced into the ion trap through the ion introduction hole. At this time, unlike the first analysis mode, it is not necessary to give a large kinetic energy to the ions in the ion accelerator, and conversely, if the kinetic energy is not reduced, the ions pass through without being trapped in the ion trap. End up. Therefore, rather than accelerating the ions, the ion accelerating unit simply functions to extract ions from the ion source. Since the ions extracted by the ion accelerating unit need to pass through the ion introduction hole of the ion trap, so that the ion flow is narrowed below the opening diameter of the hole at a position where it passes through the ion introduction hole, It is preferable to adjust the electric field formed in the ion converging portion.

第１分析モード及び第２分析モードにおいてそれぞれ上記のようにイオン流を収束させるために、第１分析モードでは、イオントラップのイオン導出穴を通過した後方のイオン光軸上又はイオントラップの内部のイオン光軸上にイオン流の焦点（光径が最小となる位置）を設定するとよい。また第２分析モードでは、イオントラップのイオン導入穴の手前のイオン光軸上にイオン流の焦点を設定するとよい。但し、第１分析モードでは、第１検出部にイオン流が到達した時点で、その検出面からイオン流の一部が外れるほど光径が拡がってしまうことは好ましくないから、それを避けるために、イオントラップとフライトチューブとの間に別のイオン収束部を設け、イオン導出穴を通過した後のイオン流を再度絞る構成としてもよい。 In order to converge the ion flow as described above in the first analysis mode and the second analysis mode, in the first analysis mode, on the ion optical axis behind the ion trapping hole in the ion trap or inside the ion trap. The focal point of the ion flow (position where the light diameter is minimized) may be set on the ion optical axis. In the second analysis mode, the focal point of the ion flow may be set on the ion optical axis in front of the ion introduction hole of the ion trap. However, in the first analysis mode, when the ion flow reaches the first detection unit, it is not preferable that the light diameter expands so that a part of the ion flow is removed from the detection surface. Alternatively, another ion converging unit may be provided between the ion trap and the flight tube, and the ion flow after passing through the ion outlet hole may be reduced again.

本発明に係る質量分析装置によれば、１台の質量分析装置で第１分析モード、第２分析モードの切り替えを行うことにより、短い測定時間で幅広い質量電荷比範囲のマススペクトルを取得可能な分析と、複雑な分子構造の解析に有用なＭＳ^ｎスペクトルを取得可能な分析との両方を実施することができる。これにより、それぞれの分析に好適な質量分析装置を別々に用意する必要はなくなり、ユーザにとってはコスト負担が軽減される。 According to the mass spectrometer of the present invention, a mass spectrum in a wide mass-to-charge ratio range can be acquired in a short measurement time by switching between the first analysis mode and the second analysis mode with one mass spectrometer. Both analysis and analysis capable of obtaining MS ⁿ spectra useful for analysis of complex molecular structures can be performed. As a result, it is not necessary to separately prepare a mass spectrometer suitable for each analysis, and the cost burden for the user is reduced.

また、本発明に係る質量分析装置では、第１分析モードにおいてイオントラップの内部もイオンを分離するための飛行空間に充てられる。そのため、装置内の空間を有効に利用して実質的な飛行距離を延ばすことができ、それだけ質量分解能を向上させることができるという利点もある。 In the mass spectrometer according to the present invention, the inside of the ion trap is also used for the flight space for separating ions in the first analysis mode. Therefore, there is an advantage that the substantial flight distance can be extended by effectively using the space in the apparatus, and the mass resolution can be improved accordingly.

本発明の第１実施例による質量分析装置の全体構成図。1 is an overall configuration diagram of a mass spectrometer according to a first embodiment of the present invention. FIG. 第１実施例の質量分析装置におけるパススルーＴＯＦモード時のイオン経路を示す概略図。Schematic which shows the ion path | route at the time of the pass-through TOF mode in the mass spectrometer of 1st Example. 第１実施例の質量分析装置におけるイオントラップモード時のイオン経路を示す概略図であり、イオン捕捉の際の概略図（ａ）及び捕捉したイオンを質量分析する際の概略図（ｂ）。It is the schematic which shows the ion pathway at the time of the ion trap mode in the mass spectrometer of 1st Example, and is the schematic (a) in the case of ion capture, and the schematic (b) in the case of mass-analyzing the trapped ion. 本発明の第２実施例による質量分析装置の全体構成図。The whole block diagram of the mass spectrometer by 2nd Example of this invention. 第２実施例の質量分析装置におけるパススルーＴＯＦモード時のイオン経路を示す概略図。Schematic which shows the ion path | route at the time of the pass-through TOF mode in the mass spectrometer of 2nd Example. 第２実施例の質量分析装置におけるイオントラップモード時のイオン捕捉の際のイオン経路を示す概略図。Schematic which shows the ion pathway in the case of the ion trap at the time of the ion trap mode in the mass spectrometer of 2nd Example. 第２実施例の質量分析装置におけるイオントラップモード時の捕捉したイオンを質量分析する際のイオン経路を示す概略図。Schematic which shows the ion pathway at the time of mass-analyzing the ion trapped at the time of the ion trap mode in the mass spectrometer of 2nd Example.

［第１実施例］
本発明の一実施例（第１実施例）による質量分析装置について図１〜図３を参照して詳細に説明する。図１は第１実施例による質量分析装置の概略構成図である。
第１実施例による質量分析装置は、図１に示すように、ＭＡＬＤＩ法を用いたイオン源を含むイオン導入部１０と、イオン捕捉部２０と、リニア型の飛行時間型質量分析部を含む分析・検出部３０と、を備える。 [First embodiment]
A mass spectrometer according to an embodiment (first embodiment) of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a mass spectrometer according to the first embodiment.
As shown in FIG. 1, the mass spectrometer according to the first embodiment is an analysis including an ion introduction unit 10 including an ion source using a MALDI method, an ion trapping unit 20, and a linear time-of-flight mass analysis unit. -The detection part 30 is provided.

イオン導入部１０は、試料１２を保持する導電性の試料プレート１１と、レーザ光を発するレーザ照射部１５と、そのレーザ光を反射して試料１２表面に集光する反射鏡１６と、レーザ光照射により試料１２表面近傍で生成されたイオンを引き出すとともに加速する引出し電極１３と、引き出されたイオンをさらに加速するとともにイオン光軸Ｃ付近に収束させるイオン光学系１４と、を含む。試料１２は目的物質とマトリクスとが混合されたものである。試料プレート１１は図示しない試料ステージにより保持されている。この例では、イオン光学系１４はイオン光軸Ｃに沿って並ぶ３段の電極からなる静電レンズである。 The ion introduction unit 10 includes a conductive sample plate 11 that holds a sample 12, a laser irradiation unit 15 that emits laser light, a reflecting mirror 16 that reflects the laser light and focuses it on the surface of the sample 12, and laser light. It includes an extraction electrode 13 that extracts and accelerates ions generated near the surface of the sample 12 by irradiation, and an ion optical system 14 that further accelerates the extracted ions and converges them to the vicinity of the ion optical axis C. The sample 12 is a mixture of a target substance and a matrix. The sample plate 11 is held by a sample stage (not shown). In this example, the ion optical system 14 is an electrostatic lens composed of three stages of electrodes arranged along the ion optical axis C.

イオン捕捉部２０は、１個の円環状のリング電極２１と、それを挟むように対向して配置された一対のエンドキャップ電極２２、２３とからなる３次元四重極型のイオントラップを含む。入口側エンドキャップ電極２２のほぼ中央にはイオン導入穴２４が穿設され、その外側にはイオン導入穴２４付近の電場の乱れを補正するための入口側電場補正用電極２６が配設されている。一方、出口側エンドキャップ電極２３のほぼ中央には、イオン導入穴２４とほぼ一直線上にイオン導出穴２５が穿設されている。なお、図示しないが、イオン捕捉部２０には、必要に応じてイオントラップ内部に不活性なクーリングガスを導入したり衝突誘起解離（ＣＩＤ）のためのＣＩＤガスを導入したりするためのガス供給部が設けられている。 The ion trapping unit 20 includes a three-dimensional quadrupole ion trap including one annular ring electrode 21 and a pair of end cap electrodes 22 and 23 arranged to face each other. . An ion introduction hole 24 is formed at substantially the center of the entrance end cap electrode 22, and an entrance side electric field correction electrode 26 for correcting disturbance of the electric field in the vicinity of the ion introduction hole 24 is disposed outside the ion introduction hole 24. Yes. On the other hand, an ion outlet hole 25 is formed substantially in the center of the outlet-side end cap electrode 23 so as to be substantially in line with the ion introduction hole 24. Although not shown, the ion trap 20 is supplied with a gas for introducing an inert cooling gas into the ion trap or a CID gas for collision-induced dissociation (CID) as necessary. Is provided.

分析・検出部３０は、外部からの電場や磁場の影響を遮蔽し、内部に細長い飛行空間を有するフライトチューブ３４と、引出し電極１３により試料１２から引き出され加速されたイオンがほぼ直線的に飛行して最終的に到達する第１検出部３５と、イオン捕捉部２０とフライトチューブ３４との間に設置され、入射したイオンを電子に変換するコンバージョンダイノード３２、及び、変換された電子を増倍して検出する２次電子増倍管３３からなる第２検出部３１と、を含む。 The analysis / detection unit 30 shields the influence of an external electric field or magnetic field, and the flight tube 34 having an elongated flight space inside and the ions extracted from the sample 12 and accelerated by the extraction electrode 13 fly almost linearly. The first detection unit 35 that finally arrives, the conversion dynode 32 that is installed between the ion capturing unit 20 and the flight tube 34 and converts incident ions into electrons, and the converted electrons are multiplied. And a second detector 31 composed of a secondary electron multiplier 33 to be detected.

試料１２から発したイオンが直線的に飛行して第１検出部３５に到達するまでの飛行軌道の中心が図１中に示したイオン光軸Ｃである。イオントラップは、イオン導入穴２４及びイオン導出穴２５の中心軸とイオン光軸Ｃとが略一致するように配設されている。また、第２検出部３１においてコンバージョンダイノード３２と２次電子増倍管３３とはイオン光軸Ｃを挟んで対向して離れて配置されており、これらはイオン光軸Ｃを遮らない。また、そのほかのイオン光学部材も同様にイオン光軸Ｃを遮らない。したがって、例えば試料１２上のレーザ光照射位置付近からイオン光軸Ｃに沿って第１検出部３５の方向を見たとき、イオン導入穴２４及びイオン導出穴２５を通して第１検出部３５を見通すことが可能である。 The center of the flight trajectory until ions emitted from the sample 12 fly linearly and reach the first detector 35 is the ion optical axis C shown in FIG. The ion trap is disposed so that the central axis of the ion introduction hole 24 and the ion lead-out hole 25 and the ion optical axis C substantially coincide with each other. In the second detector 31, the conversion dynode 32 and the secondary electron multiplier 33 are arranged opposite to each other with the ion optical axis C interposed therebetween, and these do not block the ion optical axis C. Further, other ion optical members do not block the ion optical axis C in the same manner. Therefore, for example, when viewing the direction of the first detection unit 35 along the ion optical axis C from the vicinity of the laser beam irradiation position on the sample 12, the first detection unit 35 is seen through the ion introduction hole 24 and the ion extraction hole 25. Is possible.

制御系としては、引出し電圧発生部４１、収束電圧発生部４２、トラップ電圧発生部４３、検出器電圧発生部４４、及び、これら各電圧発生部４１〜４４やレーザ照射部１５などを制御して後述の分析動作を実行する制御部４０、が設けられている。引出し電圧発生部４１は試料プレート１１と引出し電極１３とにそれぞれ所定の電圧を印加することにより、両者の間の空間に試料１２近傍からイオンを引き出して所定の運動エネルギを付与して加速する電場を形成する。収束電圧発生部４２はイオン光軸Ｃに沿って配列されたイオン光学系１４の少なくとも一段の電極に所定の電圧を印加し、イオン光軸Ｃ上の所定の焦点位置にイオンを収束させるための収束電場を形成する。トラップ電圧発生部４３はリング電極２１やエンドキャップ電極２２、２３に直流電圧、又は高周波電圧が重畳された直流電圧を印加し、それにより形成される電場によりイオンをイオントラップ内部に閉じ込めたり、特定のイオンを選択的に共鳴励振させたり、或いは、捕捉されているイオンに運動エネルギを付与してイオントラップ内部から吐き出させたりする。検出器電圧発生部４４は、第２検出部３１でイオンを検出する際にコンバージョンダイノード３２及び２次電子増倍管３３にそれぞれ所定の電圧を印加する。また、第１検出部３５及び第２検出部３１による検出信号はそれぞれ信号処理部４６に入力され、所定の信号処理が実行されて例えばマススペクトルが作成される。 As a control system, the extraction voltage generation unit 41, the convergence voltage generation unit 42, the trap voltage generation unit 43, the detector voltage generation unit 44, the voltage generation units 41 to 44, the laser irradiation unit 15 and the like are controlled. A control unit 40 that executes an analysis operation described later is provided. The extraction voltage generator 41 applies a predetermined voltage to the sample plate 11 and the extraction electrode 13 respectively, thereby extracting ions from the vicinity of the sample 12 and applying a predetermined kinetic energy to the space between them to accelerate the electric field. Form. The convergence voltage generator 42 applies a predetermined voltage to at least one electrode of the ion optical system 14 arranged along the ion optical axis C, and converges the ions at a predetermined focal position on the ion optical axis C. Form a convergent electric field. The trap voltage generator 43 applies a DC voltage or a DC voltage superimposed with a high-frequency voltage to the ring electrode 21 and the end cap electrodes 22 and 23, and confines ions inside the ion trap by an electric field formed thereby. These ions are selectively resonantly excited, or kinetic energy is applied to the trapped ions and discharged from the inside of the ion trap. The detector voltage generator 44 applies a predetermined voltage to the conversion dynode 32 and the secondary electron multiplier 33 when the second detector 31 detects ions. In addition, detection signals from the first detection unit 35 and the second detection unit 31 are respectively input to the signal processing unit 46, and predetermined signal processing is executed to create, for example, a mass spectrum.

第１実施例の質量分析装置では、操作部４７による操作に応じて、少なくとも、パススルーＴＯＦモード（本発明の第１分析モードに相当）とイオントラップモード（本発明の第２分析モードに相当）との２つの分析モードのいずれかの分析が選択的に行えるようになっている。この２つの分析モードにおける分析動作を説明する。 In the mass spectrometer of the first embodiment, at least the pass-through TOF mode (corresponding to the first analysis mode of the present invention) and the ion trap mode (corresponding to the second analysis mode of the present invention) according to the operation by the operation unit 47. The analysis in either of the two analysis modes can be selectively performed. The analysis operation in these two analysis modes will be described.

［１］パススルーＴＯＦモード
図２はパススルーＴＯＦモードにおけるイオン経路を示す概略図である。この分析モードは、短い測定時間で広い質量電荷比範囲に亘る通常の質量分析を実施するモードである。このモードでは、制御部４０の制御の下に、トラップ電圧発生部４３はイオントラップの内部に実質的な電場が生じないように、例えば電極２１、２２、２３に同一の所定電圧を印加するか、又は有意な電圧を印加しない状態とする。また、引出し電圧発生部４１から試料プレート１１及び引出し電極１３にそれぞれ印加される電圧、及び、収束電圧発生部４２からイオン光学系１４に印加される電圧により、試料プレート１１からイオン光学系１４にかけての空間には、試料１２表面付近で生成されたイオンに大きな運動エネルギを付与して飛行を開始させるような電場が形成される。即ち、この空間が後段の飛行空間においてイオンを質量電荷比に応じて分離するためにイオンを加速する加速領域である。また、収束電圧発生部４２からイオン光学系１４に印加される電圧により、イオン光学系１４付近には試料１２近傍から発して徐々に拡がりながら進むイオン流をイオン光軸Ｃ方向に収束させるような電場が形成される。この場合、イオン光学系１４を通り抜けたイオン流がイオントラップのイオン導入穴２４及びイオン導出穴２５を通過し得るように、つまりイオン流がイオン導入穴２４及びイオン導出穴２５をそれぞれ通過する時点でその光径が穴２４、２５の開口径以下となるように収束させるべく電場の強さ、つまりは印加電圧が調整される。 [1] Pass-through TOF mode FIG. 2 is a schematic diagram showing ion paths in the pass-through TOF mode. This analysis mode is a mode in which normal mass analysis over a wide mass-to-charge ratio range is performed in a short measurement time. In this mode, under the control of the control unit 40, the trap voltage generation unit 43 applies the same predetermined voltage to the electrodes 21, 22, and 23, for example, so that a substantial electric field is not generated inside the ion trap. Or a state where no significant voltage is applied. Further, the voltage applied from the extraction voltage generator 41 to the sample plate 11 and the extraction electrode 13 and the voltage applied from the convergence voltage generator 42 to the ion optical system 14 are applied from the sample plate 11 to the ion optical system 14. In this space, an electric field is formed so as to give a large kinetic energy to ions generated near the surface of the sample 12 and start flight. That is, this space is an acceleration region in which ions are accelerated in order to separate ions according to the mass-to-charge ratio in the subsequent flight space. Further, by the voltage applied from the convergence voltage generator 42 to the ion optical system 14, the ion flow that is emitted from the vicinity of the sample 12 and gradually spreads in the vicinity of the ion optical system 14 is converged in the direction of the ion optical axis C. An electric field is formed. In this case, the ion flow that has passed through the ion optical system 14 can pass through the ion introduction hole 24 and the ion extraction hole 25 of the ion trap, that is, when the ion flow passes through the ion introduction hole 24 and the ion extraction hole 25, respectively. Thus, the intensity of the electric field, that is, the applied voltage is adjusted so as to converge so that the light diameter is equal to or smaller than the opening diameter of the holes 24 and 25.

この例では、図２中に示すように、イオンがイオン導出穴２５を通り抜けた後のイオン光軸Ｃ上の位置Ｐ１付近にイオン流の焦点が来るように、つまりこの位置Ｐ１付近にイオン流が一旦収束するように調整されている。一般的に、イオン導入穴２４及びイオン導出穴２５をイオンが通過する時点でイオン流の光径が最小になるようにするには、イオントラップの内部のイオン光軸Ｃ上に焦点が来るようにするとよい。しかしながら、そうすると、第１検出部３５に到達する際のイオン軌道が拡がりすぎて検出面を外れてしまうおそれがある。これを避けるためにイオン流の焦点を位置Ｐ１に設定している。加速領域以降、つまり、イオン光学系１４の最後段の電極から第１検出部３５に至るまでの空間は同電位になっており、これがイオンの自由飛行領域である。 In this example, as shown in FIG. 2, the ion flow is focused near the position P1 on the ion optical axis C after the ions have passed through the ion deriving hole 25, that is, the ion flow is near the position P1. Has been adjusted to converge once. In general, in order to minimize the light diameter of the ion flow when ions pass through the ion introduction hole 24 and the ion lead-out hole 25, the focal point is on the ion optical axis C inside the ion trap. It is good to. However, in that case, there is a possibility that the ion trajectory when reaching the first detection unit 35 is too wide and the detection surface is removed. In order to avoid this, the focal point of the ion flow is set at the position P1. The space after the acceleration region, that is, the space from the last electrode of the ion optical system 14 to the first detection unit 35 has the same potential, and this is a free flight region of ions.

制御部４０の制御の下にレーザ照射部１５から短時間レーザ光が出射され、試料１２に照射される。レーザ光の照射により試料１２中のマトリクスは急速に加熱され、目的物質を伴って気化する。この際に目的物質は試料１２表面付近でイオン化される。発生したイオンは引出し電極１３と試料プレート１１との電位差により引出し電極１３に向かって引き出されて加速され、さらにイオン光学系１４に進むまでの間で加速される。また、このときイオン軌道は前述のように収束される。加速された各種イオンは、自由飛行領域に導入されると、電場の影響を受けずにその直前に各イオンがもつ速度でほぼ直線的に飛行する。イオン捕捉部２０及び第２検出部３１は自由飛行領域に含まれ、イオンはこれらを素通りする。上述したようにイオン軌道は収束されているので、イオンはイオントラップのイオン導入穴２４やイオン導出穴２５の周縁部に接触せずに高い確率で通り抜け、最終的に第１検出部３５に到達する。この自由飛行領域中を飛行する間に各イオンは質量電荷比に応じて時間的に分離され、質量電荷比が小さなものから順に第１検出部３５に到達して検出信号に反映される。 Under the control of the control unit 40, a laser beam is emitted from the laser irradiation unit 15 for a short time and irradiated onto the sample 12. The matrix in the sample 12 is rapidly heated by the laser light irradiation, and vaporizes with the target substance. At this time, the target substance is ionized near the surface of the sample 12. The generated ions are extracted toward the extraction electrode 13 due to the potential difference between the extraction electrode 13 and the sample plate 11 and accelerated, and further accelerated until the ion optical system 14 is advanced. At this time, the ion trajectory is converged as described above. When the various ions that have been accelerated are introduced into the free flight region, they fly almost linearly at the speed of each ion immediately before it without being affected by the electric field. The ion trap 20 and the second detector 31 are included in the free flight region, and ions pass through them. As described above, since the ion trajectory is converged, the ions pass with a high probability without contacting the peripheral portion of the ion introduction hole 24 or the ion extraction hole 25 of the ion trap, and finally reach the first detection unit 35. To do. While flying in this free flight region, each ion is temporally separated according to the mass-to-charge ratio, reaches the first detection unit 35 in order from the one with the smallest mass-to-charge ratio, and is reflected in the detection signal.

この分析モードでは、レーザ光照射により試料１２表面付近で生成されたイオンが速やかに加速されて自由飛行領域に導入されるので、広い質量電荷比範囲の分析を短時間で終了させることができる。例えば自由飛行距離が約１mである場合、５００−２５００[Da]の質量電荷比範囲の分析を３０μs以下で実行することができる。 In this analysis mode, ions generated near the surface of the sample 12 by laser beam irradiation are rapidly accelerated and introduced into the free flight region, so that analysis of a wide mass-to-charge ratio range can be completed in a short time. For example, when the free flight distance is about 1 m, the analysis of the mass to charge ratio range of 500-2500 [Da] can be performed in 30 μs or less.

［２］イオントラップモード
この分析モードは、典型的にはＭＳ^ｎ分析を実施するモードである。この分析モードでは、飛行時間に応じたイオンの質量分離を行う代わりに、イオントラップの共鳴励起排出を利用してイオンを質量電荷比に応じて分離しつつ吐き出し、第２検出部３１でイオンを検出する。つまり、この分析モードでは、フライトチューブ３４及び第１検出部３５は使用されない。 [2] Ion trap mode This analysis mode is typically a mode in which MS ⁿ analysis is performed. In this analysis mode, instead of performing mass separation of ions according to the time of flight, ions are ejected while being separated according to the mass-to-charge ratio using resonance excitation discharge of the ion trap, and ions are detected by the second detection unit 31. To detect. That is, in this analysis mode, the flight tube 34 and the first detection unit 35 are not used.

図３はイオントラップモードにおけるイオン経路を示す概略図であり、（ａ）はイオン捕捉時、（ｂ）は質量分離・検出時の状態である。イオントラップモードでは、分析の第１段階として試料１２から発生させたイオンをイオントラップ内部に捕捉する。即ち、パススルーＴＯＦモード時と同様に、レーザ光照射を受けて試料１２中の目的物質が試料１２表面付近でイオン化される。この場合、イオンをイオントラップで効率良く捕捉するために、生成されたイオンには大きな運動エネルギが付与されず、適度な速度で試料１２近傍から引き出されてイオン捕捉部２０に送られる。そのため、試料プレート１１と引出し電極１３との間にはパススルーＴＯＦモード時と比べると格段に小さな電位差（数Ｖ〜十数Ｖ程度）が与えられ、イオンは試料１２表面付近から緩慢に引き出されイオン光学系１４で収束される。 3A and 3B are schematic views showing ion paths in the ion trap mode, where FIG. 3A shows a state during ion trapping, and FIG. 3B shows a state during mass separation / detection. In the ion trap mode, ions generated from the sample 12 are trapped inside the ion trap as the first stage of analysis. That is, as in the pass-through TOF mode, the target substance in the sample 12 is ionized near the surface of the sample 12 by receiving the laser beam irradiation. In this case, in order to efficiently capture ions with the ion trap, the generated ions are not given large kinetic energy, but are extracted from the vicinity of the sample 12 at an appropriate speed and sent to the ion trap 20. Therefore, a remarkably small potential difference (several V to several tens of V) is given between the sample plate 11 and the extraction electrode 13 as compared with the pass-through TOF mode, and ions are slowly extracted from the vicinity of the surface of the sample 12 and ions. It is converged by the optical system 14.

このときにはイオントラップ内部にイオンを導入しさえすればよいから、イオン流がイオン導入穴２４を通過し得るようにイオン光学系１４における電場の強さが決められる。この例では、図３（ａ）中に示すように、イオンがイオン導入穴２４に入射する手前の位置Ｐ２でイオンが一旦イオン光軸Ｃ上に収束するように調整されている。トラップ電圧発生部４３はリング電極２１に所定の高周波電圧を印加するとともに、例えばエンドキャップ電極２２、２３にイオン入射のタイミングに合わせて適宜の直流電圧を印加し、イオン導入穴２４を通して導入されるイオンを内部に捕捉する。その後、例えばイオントラップ内にクーリングガスを導入して所定時間、イオンのクーリングを行った後、共鳴励起排出を利用した特定質量電荷比を有するイオンの選択（プリカーサ選択）、ＣＩＤガスの導入と共鳴励起によるＣＩＤ操作、を任意の回数（通常最大でも数回程度）繰り返し、ＣＩＤ操作により生成されたプロダクトイオンをイオントラップ内部に捕捉する。 At this time, since it is only necessary to introduce ions into the ion trap, the intensity of the electric field in the ion optical system 14 is determined so that the ion flow can pass through the ion introduction hole 24. In this example, as shown in FIG. 3A, the ion is once adjusted to converge on the ion optical axis C at a position P2 before the ion enters the ion introduction hole 24. The trap voltage generator 43 applies a predetermined high-frequency voltage to the ring electrode 21 and applies an appropriate DC voltage to the end cap electrodes 22 and 23 in accordance with the timing of ion incidence, for example, and is introduced through the ion introduction hole 24. Ions are trapped inside. Then, for example, after introducing a cooling gas into the ion trap and cooling the ions for a predetermined time, selection of ions having a specific mass-to-charge ratio (precursor selection) using resonance excitation discharge, introduction of CID gas and resonance The CID operation by excitation is repeated an arbitrary number of times (usually at most several times at the maximum), and the product ions generated by the CID operation are captured inside the ion trap.

なお、このようにイオントラップにイオンを捕捉する場合には、複数回の間欠的なレーザ光照射により試料１２から発生させたイオンを繰り返しイオントラップ内部に捕捉することにより、捕捉されるイオン量を増やすことが可能である。このようなイオンの蓄積は感度を向上させるのに有用である。 When ions are trapped in the ion trap in this way, the amount of ions to be trapped is determined by repeatedly capturing the ions generated from the sample 12 by multiple times of intermittent laser light irradiation inside the ion trap. It is possible to increase. Such ion accumulation is useful for improving sensitivity.

分析対象のプロダクトイオンをイオントラップ内部に捕捉したならば、トラップ電圧発生部４３により、リング電極２１に印加する高周波電圧の周波数又は振幅を時間経過に伴って変化させることで、共鳴励起排出によりイオン導出穴２５から吐き出すイオンの質量電荷比を走査する。これにより、図３（ｂ）に示すように、イオン導出穴２５を通してイオンが排出され、このイオンは検出器電圧発生部４４からコンバージョンダイノード３２へ印加されている電圧により形成される電場に誘引され、コンバージョンダイノード３２に接触して電子を叩き出す。この電子が２次電子増倍管３３に到達し、その管内で増倍されて検出信号として出力される。信号処理部４６は、イオン捕捉部２０での質量走査に応じて順次得られる検出信号に基づいてマススペクトル（ＭＳ^ｎスペクトル）を作成する。 If the product ions to be analyzed are trapped inside the ion trap, the trap voltage generator 43 changes the frequency or amplitude of the high-frequency voltage applied to the ring electrode 21 over time, so that the ions are generated by resonance excitation discharge. The mass-to-charge ratio of ions discharged from the outlet hole 25 is scanned. As a result, as shown in FIG. 3B, ions are ejected through the ion outlet hole 25, and these ions are attracted to the electric field formed by the voltage applied from the detector voltage generator 44 to the conversion dynode 32. Then, it contacts the conversion dynode 32 and knocks out electrons. This electron reaches the secondary electron multiplier tube 33, is multiplied inside the tube, and is output as a detection signal. The signal processing unit 46 creates a mass spectrum (MS ⁿ spectrum) based on detection signals sequentially obtained according to mass scanning in the ion trapping unit 20.

以上のようにして、本実施例の質量分析装置では、分析目的や試料の種類などによって、パススルーＴＯＦモード又はイオントラップモードのいずれかを選択して試料１２に対する分析を実行し、マススペクトル又はＭＳ^ｎスペクトルを取得することができる。前述のように、パススルーＴＯＦモードでは幅広い質量電荷比範囲のマススペクトルを短時間で取得することができるので、例えば多数の試料を順次分析する等、高い測定スループットが要求される際に有利である。一方、イオントラップモードでは測定時間は或る程度長くなるものの、原理的にはｎに制約がないＭＳ^ｎスペクトルを得ることができ、構造解析に有用な情報を提供することができる。 As described above, in the mass spectrometer of the present embodiment, either the pass-through TOF mode or the ion trap mode is selected depending on the analysis purpose or the type of sample, and the analysis is performed on the sample 12, and the mass spectrum or MS ⁿ spectra can be acquired. As described above, in the pass-through TOF mode, a mass spectrum in a wide mass-to-charge ratio range can be acquired in a short time, which is advantageous when a high measurement throughput is required, for example, when a large number of samples are sequentially analyzed. . On the other hand, in the ion trap mode, although the measurement time is increased to some extent, in principle, an MS ⁿ spectrum in which ⁿ is not restricted can be obtained, and information useful for structural analysis can be provided.

なお、上記説明では、イオントラップモードではイオントラップ自体の質量分離機能を利用して質量走査を実施していたが、フライトチューブ３４内の飛行空間を利用した飛行時間型の質量分離を実施してもよい。即ち、分析対象のプロダクトイオンをイオントラップ内部で十分にクーリングした後に、エンドキャップ電極２２、２３に所定の直流電圧を印加することによりイオンに運動エネルギを付与する。そして、イオン導出穴２５を通してイオントラップ内部から一斉にイオンを吐き出してフライトチューブ３４内の飛行空間に導入し、その空間を飛行する間に質量電荷比に応じてイオンを分離し、第１検出部３５で検出する。この場合、パススルーＴＯＦモードとは自由飛行距離が相違するから、飛行時間を質量電荷比に換算する際に注意を要する。 In the above description, in the ion trap mode, mass scanning is performed using the mass separation function of the ion trap itself, but time-of-flight mass separation using the flight space in the flight tube 34 is performed. Also good. That is, after the product ions to be analyzed are sufficiently cooled inside the ion trap, kinetic energy is imparted to the ions by applying a predetermined DC voltage to the end cap electrodes 22 and 23. Then, the ions are simultaneously discharged from the inside of the ion trap through the ion outlet hole 25 and introduced into the flight space in the flight tube 34, and the ions are separated according to the mass-to-charge ratio while flying in the space, and the first detector 35. In this case, since the free flight distance is different from the pass-through TOF mode, care must be taken when converting the flight time into the mass-to-charge ratio.

［第２実施例］
本発明の別の実施例（第２実施例）による質量分析装置について図４〜図７を参照して詳細に説明する。図４は第２実施例による質量分析装置の概略構成図である。この第２実施例と上記第１実施例との相違は、イオン捕捉部２０以降の部分、具体的には、イオンの質量分離及び検出に関わる構成である。第１実施例と共通の構成要素については同一符号を付して詳しい説明を省略する。 [Second Embodiment]
A mass spectrometer according to another embodiment (second embodiment) of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a mass spectrometer according to the second embodiment. The difference between the second embodiment and the first embodiment is the configuration relating to the portion after the ion trapping unit 20, specifically, the mass separation and detection of ions. Constituent elements common to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

この第２実施例による質量分析装置は、第１実施例の質量分析装置における分析・検出部３０に代えて、リニア／リフレクトロンモード切替え式のＴＯＦを含む分析・検出部５０を備える。この分析・検出部５０は、内部に直線的な飛行空間と折り返す飛行空間とを形成するフライトチューブ５１と、複数段の電極からなる反射器５３と、フライトチューブ５１内の空間をイオンがほぼ直線的に飛行して最終的に到達するリニア用検出部５２と、フライトチューブ５１内の空間を折返し飛行したイオンが最終的に到達するリフレクトロン用検出部５４と、を含む。リニア用検出部５２は第１実施例の質量分析装置における第１検出部３５に相当するものである。また、リフレクトロン用検出部５４は第１実施例の質量分析装置における第２検出部３１に相当するものである。反射器５３を構成する各電極には、反射器電圧発生部４５から所定の電圧が印加される。 The mass spectrometer according to the second embodiment includes an analysis / detection section 50 including a linear / reflectron mode switching type TOF instead of the analysis / detection section 30 in the mass spectrometer of the first embodiment. The analysis / detection unit 50 includes a flight tube 51 that forms a linear flight space and a folded flight space inside, a reflector 53 that includes a plurality of stages of electrodes, and ions in the space in the flight tube 51 that are substantially straight. A linear detection unit 52 that finally arrives after flying, and a reflectron detection unit 54 to which ions that have finally returned in the space in the flight tube 51 finally arrived. The linear detection unit 52 corresponds to the first detection unit 35 in the mass spectrometer of the first embodiment. The reflectron detection unit 54 corresponds to the second detection unit 31 in the mass spectrometer of the first embodiment. A predetermined voltage is applied to each electrode constituting the reflector 53 from the reflector voltage generator 45.

この第２実施例の質量分析装置においても第１実施例と同様に、操作部４７からの操作に応じて、パススルーＴＯＦモードとイオントラップモードとのいずれかの選択が可能である。図５はパススルーＴＯＦモードにおけるイオン経路を示す概略図である。パススルーＴＯＦモードでは、反射器５３の各電極は例えばフライトチューブ５１と同電位とされ、フライトチューブ５１内には実質的に電場が形成されない。したがって、フライトチューブ５１内は自由飛行領域の一部となり、第１実施例の質量分析装置におけるパススルーＴＯＦモードと全く同様の分析動作が実施される。イオン導入部１０及びイオン捕捉部２０内の各部の電圧設定も第１実施例の質量分析装置におけるパススルーＴＯＦモード時と同じである。 In the mass spectrometer of the second embodiment, either the pass-through TOF mode or the ion trap mode can be selected according to the operation from the operation unit 47 as in the first embodiment. FIG. 5 is a schematic diagram showing ion paths in the pass-through TOF mode. In the pass-through TOF mode, each electrode of the reflector 53 is set to the same potential as the flight tube 51, for example, and an electric field is not substantially formed in the flight tube 51. Therefore, the inside of the flight tube 51 becomes a part of the free flight region, and the analysis operation exactly the same as the pass-through TOF mode in the mass spectrometer of the first embodiment is performed. The voltage setting of each part in the ion introduction part 10 and the ion trapping part 20 is the same as in the pass-through TOF mode in the mass spectrometer of the first embodiment.

図６はイオントラップモードのイオン捕捉時におけるイオン経路を示す概略図である。図７はイオントラップモードの質量分離・検出時におけるイオン経路を示す概略図である。イオントラップモードのイオン捕捉時の動作は、第１実施例の質量分析装置におけるイオントラップモードのイオン捕捉時（図３（ａ）参照）と全く同様であり、イオントラップの内部に分析対象の各種プロダクトイオンが捕捉される。 FIG. 6 is a schematic diagram showing ion paths during ion trapping in the ion trap mode. FIG. 7 is a schematic view showing ion paths during mass separation / detection in the ion trap mode. The operation at the time of ion trapping in the ion trap mode is exactly the same as that at the time of ion trapping in the ion trap mode of the mass spectrometer of the first embodiment (see FIG. 3A), and various analysis targets are contained inside the ion trap. Product ions are captured.

その後、トラップ電圧発生部４３からエンドキャップ電極２２、２３に所定の直流電圧を印加することにより、捕捉していたイオンに運動エネルギを付与し、イオン導出穴２５を通してイオントラップ内部から一斉にイオンを吐き出してフライトチューブ５１内の飛行空間に導入する。このときには反射器電圧発生部４５から反射器５３の各電極にそれぞれ所定の直流電圧が印加され、反射器５３の内側にはイオンを反発させるような電場が形成される。図７に示すように、イオン光軸Ｃを中心にほぼ直線的に飛行したイオンは上記のような反射器５３による電場の作用で折り返され、最終的にリフレクトロン用検出部５４に到達する。このような折返し飛行軌道に沿ってイオンが飛行する間に、各イオンは質量電荷比に応じて分離され、異なる飛行時間をもってリフレクトロン用検出部５４に入射する。信号処理部４６はリフレクトロン用検出部５４による検出信号に基づいて飛行時間スペクトルを作成し、飛行時間を質量電荷比に換算してＭＳ^ｎスペクトルを作成する。 Thereafter, a predetermined DC voltage is applied from the trap voltage generator 43 to the end cap electrodes 22, 23 to impart kinetic energy to the trapped ions, and ions are simultaneously generated from the inside of the ion trap through the ion outlet hole 25. The air is discharged and introduced into the flight space in the flight tube 51. At this time, a predetermined DC voltage is applied from the reflector voltage generator 45 to each electrode of the reflector 53, and an electric field that repels ions is formed inside the reflector 53. As shown in FIG. 7, the ions flying substantially linearly around the ion optical axis C are folded back by the action of the electric field by the reflector 53 as described above, and finally reach the reflectron detection unit 54. While ions fly along such a return flight trajectory, the ions are separated according to the mass-to-charge ratio and enter the reflectron detection unit 54 with different flight times. The signal processing unit 46 creates a time-of-flight spectrum based on the detection signal from the reflectron detection unit 54, and converts the flight time into a mass-to-charge ratio to create an MS ⁿ spectrum.

イオントラップモードにおいてＴＯＦをリフレクトロンモードで使用するのは、主として、エネルギ収束性を高めることと飛行距離を延ばすことにより、質量分解能を高めるためである。ただ、ＴＯＦをリニアモードで使用する場合に比べて測定時間は長くなるため、スループットを重視するのであれば、イオントラップモードにおいてもＴＯＦをリニアモードで使用するとよい。また逆に、スループットを若干犠牲にしてもパススルーＴＯＦモードで質量分解能を改善したいのであれば、パススルーＴＯＦモードにおいてもＴＯＦをリフレクトロンモードで使用するとよい。 The reason why TOF is used in the reflectron mode in the ion trap mode is mainly to increase mass resolution by increasing energy convergence and extending flight distance. However, since the measurement time is longer than when the TOF is used in the linear mode, the TOF may be used in the linear mode even in the ion trap mode if importance is placed on the throughput. Conversely, if it is desired to improve the mass resolution in the pass-through TOF mode at the expense of some throughput, the TOF may be used in the reflectron mode even in the pass-through TOF mode.

なお、上記実施例は本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜、変形、追加、修正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。 It should be noted that the above embodiment is merely an example of the present invention, and it should be understood that modifications, additions, and modifications as appropriate within the spirit of the present invention are included in the scope of the claims of the present application.

例えば上記実施例ではイオン源はＭＡＬＤＩイオン源であるが、パルス状にイオンを発生することが可能なイオン源であればイオン化法の制約はない。例えば、マトリクスを用いずにレーザ光を直接試料に照射するレーザ脱離イオン源、帯電液滴を試料に吹き付ける脱離エレクトロスプレイイオン源、プラズマ流を試料に照射するプラズマ脱離イオン源などを利用することもできる。 For example, in the above embodiment, the ion source is a MALDI ion source, but there is no restriction on the ionization method as long as it is an ion source capable of generating ions in pulses. For example, a laser desorption ion source that directly irradiates a sample with laser light without using a matrix, a desorption electrospray ion source that blows charged droplets onto the sample, a plasma desorption ion source that irradiates the sample with a plasma flow, etc. You can also

１０…イオン導入部
１１…試料プレート
１２…試料
１３…引出し電極
１４…イオン光学系
１５…レーザ照射部
１６…反射鏡
２０…イオン捕捉部
２１…リング電極
２２…入口側エンドキャップ電極
２３…出口側エンドキャップ電極
２４…イオン導入穴
２５…イオン導出穴
２６…入口側電場補正用電極
３０、５０…分析・検出部
３１…第２検出部
３２…コンバージョンダイノード
３３…２次電子増倍管
３４、５１…フライトチューブ
３５…第１検出部
４０…制御部
４１…電圧発生部
４２…収束電圧発生部
４３…トラップ電圧発生部
４４…検出器電圧発生部
４５…反射器電圧発生部
４６…信号処理部
４７…操作部
５２…リニア用検出部
５３…反射器
５４…リフレクトロン用検出部
Ｃ…イオン光軸 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Ion introduction part 11 ... Sample plate 12 ... Sample 13 ... Extraction electrode 14 ... Ion optical system 15 ... Laser irradiation part 16 ... Reflector 20 ... Ion capture part 21 ... Ring electrode 22 ... Inlet end cap electrode 23 ... Outlet side End cap electrode 24 ... Ion introduction hole 25 ... Ion outlet hole 26 ... Entrance-side electric field correction electrodes 30 and 50 ... Analysis / detection unit 31 ... Second detection unit 32 ... Conversion dynode 33 ... Secondary electron multipliers 34 and 51 ... flight tube 35 ... first detector 40 ... controller 41 ... voltage generator 42 ... convergence voltage generator 43 ... trap voltage generator 44 ... detector voltage generator 45 ... reflector voltage generator 46 ... signal processor 47 ... Operation unit 52 ... Linear detection unit 53 ... Reflector 54 ... Reflectron detection unit C ... Ion optical axis

Claims

An ion source that generates ions in a pulse form from a sample, an ion acceleration unit that accelerates ions generated by the ion source, an ion converging unit that focuses accelerated ions, and a ring electrode and the ring electrode A pair of end cap electrodes arranged opposite to each other, an ion trap formed so that an ion introduction hole is positioned on one of the pair of end cap electrodes and an ion extraction hole is positioned on the other, and a mass-to-charge ratio A flight tube that forms a flight space in which ions are separated according to the inside, and a first detection unit that detects ions flying in the flight space in the flight tube,
The ion trap is such that the flight trajectory of the ions generated by the ion source and accelerated by the ion acceleration unit reaches the first detection unit passes through the ion introduction hole and the ion extraction hole. Disposed between the ion focusing portion and the flight tube;
Without forming a high-frequency electric field in the ion trap, ions accelerated by the ion acceleration unit fly through a flight space including the internal space of the ion trap and the space in the flight tube and reach the first detection unit. A first analysis mode for measuring the time until completion, and ions generated by the ion source are introduced into the ion trap and once captured by a high-frequency electric field, and a predetermined operation on the captured ions is performed in the ion trap. Then, ions are ejected through the ion outlet hole and mass separation is performed by the flight tube and detected by the first detection unit, or the ion trap itself performs mass separation and is emitted through the ion outlet hole. A second analysis mode in which the detected ions are detected by a second detection unit different from the first detection unit. Mass spectrometer, characterized in that it comprises control means, for controlling.

The mass spectrometer according to claim 1,
The mass spectrometer according to claim 1, wherein the flight tube forms at least a linear flight space, and the first detection unit detects ions flying linearly.

The mass spectrometer according to claim 1 or 2,
In the first analysis mode, the control means is in a state in which the ion flow accelerated by the ion accelerating portion is narrowed to an opening diameter of each hole or less at a position passing through the ion introduction hole and the ion extraction hole. As described above, the convergence voltage applied to the ion converging unit is adjusted, and in the second analysis mode, the ion flow drawn from the ion source by the ion accelerating unit passes through the ion introduction hole. A mass spectrometer that adjusts a convergence voltage to be applied to the ion converging unit so as to be in a state of being narrowed to an aperture diameter or less.

The mass spectrometer according to claim 3,
In the first analysis mode, the focal point of the ion flow is set on the ion optical axis behind the ion outlet hole or on the ion optical axis inside the ion trap, and in the second analysis mode, the ion introduction hole of the ion introduction hole is set. A mass spectrometer characterized in that a focal point of an ion flow is set on a front ion optical axis.