JP2017098267A - 高速応答を有する電子衝撃イオン源 - Google Patents

Abstract

【課題】電子衝撃イオン源の感度及び応答速度を飛行時間型質量分析計の使用に適するように改善した質量分析方法及び質量分析計を提供する。【解決手段】質量分析の方法は、検体混合物をガスクロマトグラフィー９を使用して分離する段階と、検体流れ及びキャリアガス流れを出口開口３７を有する閉鎖型電子衝撃イオン源３２の中へ導入して検体イオンを形成させる段階と、出口開口の面積を所定の範囲に制限することによって前記イオン源内の検体分子の濃厚な濃度を持続する段階と、検体イオンを電子エミッタ３３ｅからの電子ビーム内に蓄積する段階と、イオンパケット６をパルス式リペラ３５及びパルス式加速電極３８により前記イオン源から飛行時間型質量分析計３の中へパルス抽出する段階とを含む。【選択図】図３

Description

[0001]本開示は、電子衝撃イオン源の感度及び応答速度を例えば飛行時間型質量分析計及び高速二次元ガスクロマトグラフィーでの使用に適するように改善することを目指した質量分光分析の分野に関する。

[0002]電子衝撃（ＥＩ）イオン化は、環境分析及び技術的制御のために採用されている。関心対象の試料は、食物、土壌、又は水の様な、分析媒質から抽出される。抽出物は、豊富な化学物質のマトリクス内に関心対象である夾雑物を含有していることであろう。抽出物は、一次元又は二次元のガスクロマトグラフィー（ＧＣ又はＧＣ×ＧＣ）内で時間的に分離されることになる。典型的にはヘリウムであるＧＣキャリアガスが、試料をＥＩ源の中へ、電子ビームによるイオン化に向けて送達する。電子エネルギーは、標準フラグメントスペクトルを取得するために７０ｅＶ又は約７０ｅＶに保たれる。スペクトルは、化合物の同定のため、標準ＥＩスペクトルのライブラリとの対照比較に供される。多くの用途は、高い感度レベル（少なくとも１ｐｇより下、好適には１ｆｇレベル）での超痕跡の分析であって、超痕跡と豊富な化学物質のマトリクスの間の高いダイナミックレンジ（少なくとも１Ｅ＋５、好適には１Ｅ＋８）を有する分析を要求することであろう。化合物同定の改善には、個々の化合物を時間で分離する二次元ガスクロマトグラフィー（ＧＣ×ＧＣ）を使用して化合物同士を分離し、ひいては共溶出化合物及び化学的ノイズの干渉が最小限に抑えられた個々の化合物のＥＩスペクトルを抽出する、というのが好適であろう。更に、高信頼度化合物同定及び信号対化学的ノイズ比改善には、高分解能力でデータを取得することが好適であろう。

[0003]ＧＣ分離、特にＧＣ×ＧＣ分離は、短いクロマトグラフィーピーク（ＧＣ×ＧＣの場合には５０ｍｓより下）をもたらすので、パノラマ（全質量範囲）スペクトルの迅速捕捉のために飛行時間型質量分析計（ＴＯＦ ＭＳ）を使用するのが好適であろう。

[0004]ＥＩ源を有する１つの市販ＴＯＦ ＭＳは、ＴＯＦ ＭＳの中へのパルス式軸方向注入を有するいわゆる開放型ＥＩ源を採用しており、例えばＬＥＣＯ社によるＰｅｇａｓｕｓ（商標）がある。開放型の源は、電子ビーム内にイオンを蓄積し、イオンパケットを直接に反射ＴＯＦ ＭＳの中へ射出する。開放型の源は、当該システムのＧＣ×ＧＣ分析での使用を可能にする短時間応答を有している。とはいえ、開放型の源は関連する真空室中の残留オイルの様な化学的ノイズを被り易く、そのせいで検出限界がＧＣ−ＭＳモードでは１ｐｇに、またＧＣ×ＧＣ分析では約０．１ｐｇに、制限されてしまうこともある。

[0005]別の型式は、反射ＴＯＦ ＭＳの中への直交加速が次に続く連続的ないわゆる「閉鎖型」ＥＩ源を採用しており、例えば、ＬＥＣＯ社によるＴｒｕＴＯＦ及びＰｅｇａｓｕｓ ＨＲＴ（商標）やＷａｔｅｒｓ社によるＧＣＴ（商標）がある。当該源は、化学的ノイズに対するより高い免疫性を提供することはできるが、緩慢応答を有することが知られており、ＧＣ×ＧＣへの適用は制限されよう。また、その様なシステムは、ＥＩ源と直交加速の間の移動インターフェース内の空間的損失のせいで大凡１００倍のイオン損失を生じさせかねない。イオン損失低減化のために衝突四重極を使用するという試みは、ＥＩスペクトルの歪みを引き起こし、ライブラリスペクトルとの整合が巧くいかない、という結果を招く可能性がある。

[0006]結果として、市販のＧＣ−ＴＯＦ及びＧＣ×ＧＣ−ＴＯＦの検出限界は、大凡０
．１−１ｐｇレベルに制限されているように見える。

国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０４８１９８ 国際特許出願ＷＯ２０１１１０７８３６

[0007]従って、飛行時間型質量分析計に適するように電子衝撃イオン源の感度、化学的ノイズに対する免疫性、及び応答時間を改善する余地がある。

[0008]組み合わされたＥＩ源パラメータは、次の特徴の１つ又はそれ以上によって改善することができ、即ち、
（ｉ）後続のパルス式直接抽出を有する「閉鎖型」ＥＩ源内に電子ビームによるイオン蓄積部を配列すること。これは、「開放型」ＥＩ源幾何学形状を採用するパルス式ＥＩイオン源と比べ、１００倍近い化学的ノイズレベル低減化を提供することができる。
（ｉｉ）源の等温化、好適には熱伝導性材料で構成されている等温シュラウドを使用すると共に低い表面吸着特性を有する材料のライナを使用することによる等温化によって、「閉鎖型」ＥＩ源の応答時間を改善することであって、これは、イオン源の低吸着性材料が低い熱伝導率を有していて結果として長引く試料吸着を引き起こしてしまうコールドスポットを有することが普通であったこれまでのイオン源とは異なる。
（ｉｉｉ）吸着性の表面を好適には１００ｍｍ^２より下に縮小することを目的にイオン化室の寸法を削減することによって「閉鎖型」ＥＩ源の応答時間を改善することであって、これは、５００ｍｍ^２から１０００ｍｍ^２までを範囲とする内表面を有する既知の閉鎖型の源とは異なる。
（ｉｖ）５−１０倍の分子分離器を、真空室内に閉鎖型ＥＩイオン源の入口に隣接して配列し、好適には源温度へ加温しターボポンプの差動ポートによって排気させることによって、イオン源ダイナミックレンジ及びスペクトル品質を改善すること。これは、雰囲気内に遠隔設置された分離素子として使用されている先行技術の分子分離器とは異なる。
（ｖ）電子ビームに沿って静電的に正のプラグを配列し、それにより、概して低速二次電子を排除しつつイオン貯蔵領域にイオンを集束させること。
（ｖｉ）源を傾け、イオンパケットをイオン軌道傾斜角度の半分について操舵し、こうして機器の分解能力を改善すること。
という以上の特徴の１つ又はそれ以上によって改善することができる。

[0009]以下に説明されている様に、上記特徴は、複数の制限の間で釣り合いを取り、而して超高感度高信頼度分析に適するようにＧＣ×ＧＣ−ＴＯＦのパラメータを改善するうえで、互いに補助し合うことができる。

[0010]これより、添付図面を参照しながら、様々な実施形を単に一例として説明してゆく。

[0011]ＴＯＦ ＭＳの中への軸方向パルス式注入を有する「開放型」ＥＩ源を描いている。 [0012]直交加速ＴＯＦ ＭＳと一体の閉鎖型ＥＩ源を描いている。 [0013]パルス式「閉鎖型」ＥＩ源の或る実施形を示している。 [0014]等温閉鎖型パルス式イオン源の或る実施形を組み立てられた形式で示している。 [0015]等温閉鎖型パルス式イオン源の或る実施形を分解された形式で示している。 [0016]「閉鎖型」ＥＩ源のための等温ケースの或る実施形及び分子分離器の或る実施形を示している。 [0017]「閉鎖型」ＥＩ源の手前の分子分離器のための差動排気の或る実施形を示している。

[0018]図１を参照すると、パルス式ＥＩイオン源を有するＴＯＦ ＭＳ１１が示されており、当該ＴＯＦ ＭＳ１１は、軸方向注入スキームを採用していて、反射ＴＯＦ ＭＳ３と同軸に整列している「開放型」パルス式イオン源１２を備えている。イオン源１２は、メッシュで覆われた平行な電極、即ち、押し出し板１３、接地メッシュ１５、引き出しメッシュ１６、加速メッシュ１７、及び電子エミッタ１４、を備えている。描かれている様に、源１２は、ターボポンプ２Ｐによって排気される。或る実施形では、反射ＴＯＦ分光計３は、イオンミラー４（単段か又は二段の何れか）、無電界空間５を覆っている電極、及び検出器７、を備えている。源１２と検出器は、傾斜しているイオン経路を障害無く通過させるようにすると共にイオンパケット幅によって引き起こされる収差を補償するために小角度に傾けられている。

[0019]作動時、分析試料（検体）の蒸気は、単段又は二段ガスクロマトグラフ９内で時間的に分離され、加温されている移動ライン８を経由し、電極１３と電極１５の間に画定されているイオン化空間に入ってゆく。或る実施形では、ターボポンプ２Ｐがガス圧力を標準ヘリウム流量１ｍＬ／ｍｉｎで中度の１Ｅ−５Ｔｏｒｒに持続している。電子エミッタ１４（例えば７０ｅｖで作動）からの連続電子ビームが試料を衝撃させ、それによりイオン化空間内に検体のイオンが発生する。電子ビームは、イオンを引き寄せるのに十分な電位を生成し、相応にイオンをトラップする。そして、周期的に電気パルスが板１３及び１６へ印加されて、電子ビームの透過を遮断し、イオンを加速し、イオンはイオンパケット６としてＴＯＦ ＭＳ３の中へ射出される。かくして、イオンはミラー４内で反射され、検出器７上へ反射される。

[0020]「開放型」の源は高速（２０−５０ｍｓ幅）ＧＣプロファイルを歪めないので、上述のシステムはＧＣ×ＧＣ分析にとっての標準技法として認識されている。代わりの「閉鎖型」ＥＩ源に比べ、開放型ＥＩ源は、その堅牢性（遥かに低い検体濃度のせいでより低い表面汚染を有する）及び匹敵する感度（より低いイオン化効率は源内でのイオン貯蔵によって補償される）を期して使用されている。他方で、「開放型」の源は、信号が真空ポンプからのオイル及び類似物の様なより高い化学的背景を含んでいる場合には不利であろう。

[0021]開放型の源の検出限界（ＬＯＤ）は、イオン信号の強度によって制限されるのではなく、何れかの媒質の質量成分当たり１０−１００ｐｇ／ｓｅｃの典型的流束を有する標準真空系の化学的背景のせいで制限されているように見える。フェムトグラムＬＯＤを実現するには、無オイル真空排気系を採用するか又は「閉鎖型」源の幾何学形状を採用するかのどちらかが所望されよう。

[0022]図２を参照すると、「閉鎖型」イオン源を有するＥＩ−ＴＯＦ ＭＳ２１が描かれており、当該ＥＩ−ＴＯＦ ＭＳ２１は反射ＴＯＦ ＭＳ３との組合せによる連続電子衝撃イオン源２２を提供していて、ＴＯＦ ＭＳ３にはパルス式電極２８及び２９を使用する直交加速器が具備されている。描かれている様に、閉鎖型の源２２は、密閉されたイオン化室２３、電子エミッタ２４、リペラ２５、及びエクストラクタ２６、を備えている
。イオン化室２３は、ＧＣ９からの移動ライン８の封止嵌合のためのポート３０を有している。或る実施形では、源は、大抵は静電レンズと操舵板（図示せず）で構成されている移動イオン光学系２７が次に続いている。イオン源領域２２とＴＯＦ ＭＳ分析器３は、ターボポンプ２Ｐとターボポンプ３Ｐによって排気されている。

[0023]作動時、分析試料（検体）がイオン化室２３の中へ導入される。エミッタ２４（例えば７０ｅＶで作動）によって生成された連続電子ビームは試料を衝撃させ、それによって検体のイオンが発生する。リペラ２５及びエクストラクタ２６の弱い静電界を使用して、イオンは室２３から継続的に抽出される。イオン光学素子２７を使用して、連続イオンビームは板２８と板２９の間の領域の中へ送り込まれる。そして、周期的に電気パルスが板２８及び２９へ印加されて、連続イオンビームの透過を遮断し、既に加速器空間を満たしているイオンを加速する。イオンパケット６は、連続イオンビームの方向に対して直交方向に抽出される。かくして、イオンパケットは、イオンミラー４によって検出器７の上へ反射される。

[0024]連続イオン源直交加速式ＴＯＦ ＭＳは、連続イオンビームの発散がイオン光学素子２７を使用して切り詰められているので、ＴＯＦ ＭＳ分析器のより高い質量分解能を提供するのに使用することができる。閉鎖型の源の遥かに高いイオン化効率という利点は、移動イオン光学素子２７内の空間的イオン損失（実験的には１０倍と推定）のせいで、及び制限されたデューティサイクル（典型的には、中間的なｍ／ｚ範囲で１０％程度）のせいで、一部が損なわれるかもしれない。総体的には、イオンパケットの強度は、機器１１と機器２１のどちらについても同等である。

[0025]閉鎖型の源は、閉鎖イオン源の低速排気のせいで応答時間が遅くなるため、ＧＣ×ＧＣ分析には不向きであるかもしれない。ＧＣプロファイルの広がりは、（ａ）「閉鎖型」の源のかなり広い体積、及び（ｂ）「閉鎖型」の源の非均一的加温がコールドスポットを出現させ、それにより源壁への長引く検体吸着を引き起こすこと、が原因である。「閉鎖型」の源の幾何学形状は超痕跡分析により適しており、というのも、源が検体を源内に濃縮させ、それにより、源室やゴムシール及び排気系の化学的背景信号に対する検体信号比が１００倍乃至１０００倍増強されるからである。而して、超痕跡ＧＣ×ＧＣ−ＴＯＦ分析にとって、「閉鎖型」の源は、閉鎖型イオン源の応答時間を固定し「閉鎖型」イオン源を過ぎてのイオン損失を排除することが望ましいとされる場合には、より適しているといえよう。

[0026]次に図３を参照すると、反射ＴＯＦ ＭＳ３の中へのパルス式軸方向注入のためのパルス式「閉鎖型」イオン源３２の或る実施形が示されている。描かれている様に、パルス式「閉鎖型」イオン源３２は、等温囲い３３、イオン化室３４(又は源)、パルス式リペラ３５、正バイアスの掛けられたスリット３６を有する電子エミッタ３３ｅ、出口開口３７、パルス式加速電極３８、及びＴＯＦ ＭＳ３の加速電位の連続加速電極３９、を備えている。或る実施形態では、源室３４は、ＧＣ×ＧＣユニット９からの移動ライン８のための封止された入口４０を有しており、反射ＴＯＦ ＭＳ３は、イオンミラー４、遮蔽されたドリフト空間５、及び検出器７、を備えている。或る実施形では、イオンミラー５と検出器７は平行に整列していてもよく、また加速電極３５、３７、３８、及び３９、を有するイオン源室３４は、イオン軌道６の半角に傾けられていてもよい。或る実施形では、イオンパケット６の軌道の傾きは、イオンが一杯まで加速された後にもう半角分について偏向器１０によって操舵されるようになっていてもよい。ＴＯＦ ＭＳ及びイオン源領域は、ターボポンプ２Ｐ及び３Ｐによって排気されるようになっていてもよい。或る実施形では、ＴＯＦ ＭＳの無電界領域５は浮動であり、かたやイオン化室３４は接地されている。或る実施形態では、加速電極３７、３８、及び３９は、細目メッシュで覆われていてもよい。或る実施形態では、無メッシュのイオン加速用光学素子が使用されている。描
かれている様に、多数の市販の閉鎖型源実施形に比べ、コールドスポットを制限し吸着時間を縮めるべくイオン化室３４及び開口３７の壁の１つ又はそれ以上（例えば壁全て）に２５０Ｃ乃至３００Ｃの均一温度を提供するように、等温ケージ３３が実施されている。吸着時間短縮を図るために、或る実施形では、源は、熱伝導性材料（例えばアルミニウム）のケージと（ステンレス鋼又はニッケルの様な）低吸着性材料の内ライナを含んでいる。

[0027]作動時、ＧＣ×ＧＣが１ｍＬ／ｍｉｎのキャリアガス（典型的にはヘリウム）内の検体を分離することになる。検体は、移動ライン８を通るキャリア流れに乗って封止されたポート４０経由でイオン化室３４の中へ供給される。描かれている様に、エミッタ３３ｅからの連続電子ビームが、その後、検体分子をイオン化し、こうして形成されたイオンを電子ビームの静電井戸内に貯蔵する。或る実施形では、正バイアスの掛けられたスリット３６は、電子ビームを運び、ビームに沿ってイオンをはじき、源の中及び反対側のエミッタ上の両方に形成される低速二次電子の排除を支援する。リペラ３５及びエクストラクタ３８へ周期的に印加されるパルスは、イオンパケットを、質量分析のためにＴＯＦ ＭＳ３の中へ抽出する。イオンパケットは、典型的に広い空間的角度的受容量を有するＴＯＦ ＭＳの中へ運ばれ、而してイオンパケットはイオン損失無しに検出器へ送達される。検出器へ向けてのイオン操舵とヘリウムイオンのパルス式偏向の両方のために偏向器７が使用されるのが好適である。電極３５の押し出しパルスは変更器７へのイオン飛行中は滞留して、偏向器７の開状態中の源からのヘリウムイオンの漏出が回避されるようにするのが好適である。

[0028]これより、数値例を使用したパルス式閉鎖型の源内でのプロセスを提供してゆく。特定の値がここに使用され論じられているが、特許請求の範囲は、その中に特定に記載されていない限り、その様な数値に限定されないものと理解されたい。例えば、他にも考えられ得る中で、次の実例の出口開口は３ｍｍの直径を有しているものと識別されている。但し、或る実施形では、出口開口は、３ｍｍから１０ｍｍの間であり、別の実施形では、７ｍｍから１０ｍｍの間とされている。或る実施形態では、（ｉ）密閉されたイオン化室３４は、１０ｍｍの直径及び長さを有し、即ち、総体積Ｖ＝１ｃｍ^３、総壁面積Ｓ＝５ｃｍ^２であり、（ｉｉ）出口開口は、３ｍｍの直径、及び開口面積Ａ＝０．１ｃｍ^２を有している。１ｍＬ／ｍｉｎのヘリウム流量では、３００Ｃで０．１ｃｍ^２を通る有効排気速度は５Ｌ／ｓであり、推定ガス圧力は２ｍＴｏｒｒで平均自由経路４ｃｍに相当する（即ち、自由分子レジームが有効になっている）。検体排気速度は（ヘリウムに比べて遥かに大きい分子重量を勘案すると）約０．５−１Ｌ／ｓであり、それはターボポンプの排気速度に比べ遥かに小さい（即ち実質的な検体濃縮がある）。同時に、真空室の壁、漏出、及び封止用Ｏリングに因る排気系の化学的背景は、真空室とイオン化室の間で均等化されている。而して、検体対源の化学的背景の比は、閉鎖型の源では実質的に改善される。検体濃縮倍率は開放型の源に比べ１００から１０００の間となり、そうすると、或る実施形では、少なくとも、排気系化学的背景に対し比例増進的な相対イオン化効率がもたらされ、濃縮されたヘリウムイオンのより大きい空間電荷効果を勘案したとしても検体のイオン化効率は開放型の源に対比して増進されそうであると、発明者は推測している。好適には、パルス間のイオン蓄積時間は、ゲートが５−１０μｓ開いている間に５０μｓから１００μｓの間で変動している。

[0029]ＧＣ×ＧＣを過ぎてのクロマトグラフィーピークの典型的な時間幅は、約３０−５０ｍｓであり、而して目標は１０ｍｓ程度の応答時間を提供することになる源パラメータへ到達することである。同じ数値例を使用して「閉鎖型」の源内の検体濃度及び脱気のプロセスを分析してみよう。自由分子レジームを勘案すると、検体の脱気速度ｓ＝Ａ＊υ／４であり、ここに、υは、３００度Ｃで１００ｍ／ｓに等しい検体熱運動速度であり、即ちＳ＝１０００ｃｍ^３／ｓである。そして脱気時定数τ＝Ｖ／ｓ＝１ｍｓである。源の
指数的空化を勘案すると、検体の濃縮の瞬時的スパイクは、ｔ＝ｌｎ（１Ｅ＋４）＊τ〜１０τ＝１０ｍｓで大きさが４桁小さくなるはずである。よって、低揮発性化合物についての１秒程度という閉鎖型源の長い応答時間は、ガスの動的脱気によって引き起こされるのではなく、むしろ源壁での収着プロセスによって引き起こされている。再び自由分子レジームを考慮に入れ、角度的等方蒸発を勘案すると、検体分子の源壁との衝突の平均数は、考察されている実例では、Ｎ＝Ａ／Ｓ〜５０と推定できる。振動時間１／ｆ〜１Ｅ−１３ｓｅｃとしてτ_Ａ＝１／ｆ＊ｅｘｐ（Ｗ／ｋＴ）とした蒸発時間の簡易推定を使用してみよう。結果は下表に提示されている。

[0030]Ｗ＝１ｅＶの「粘着性」化合物については、源の応答時間は、イオン化室を２５０°Ｃへほぼ均一に加温していれば２０ｍｓに保持できる。但し、５０°Ｃ又は約５０°Ｃ低いとコールドスポットができてしまい、応答時間は２秒に上がる。而して、低応答時間の維持は、次に様に、即ち、（ａ）ＥＩ源の均一加温を使用すること、（ｂ）より低い吸着エネルギーを有する内表面材料を使用すること、及び（ｃ）源の内表面の面積を最小化すること、によって制御することができよう。

[0031]源の内表面に関して、源内の検体濃度は少なくとも一部には出口開口の面積Ａによって制御することができる（濃度は検体質量流束を排気速度で除算したものに比例する）が、検体の壁との衝突数Ｎ及び源の応答時間Ｎ＊τ_Ａは、概して、内表面の開口表面に対する比Ｎ〜Ｓ／Ａに比例している。従って、一定した開口寸法で源寸法を削減すれば検体濃度を実質的に悪化させることなく応答時間を縮められる。或る実施形態では、源寸法は約５ｍｍまで削減され得るとしている。

[0032]次に図４及び図５を参照すると、等温閉鎖型パルス式イオン源４１が組み立てられた形式と分解された形式にそれぞれ示されている。或る実施形では、源４１は、パルス式エクストラクタ４３、等温ケージ４８、電子エミッタ５１ｅ、一対の正バイアスの掛けられたスリット５１、リペラ５２、底ライナ５３、基部５４(５３及び５４)、１つ又はそれ以上の隔離体（standoff）５７、セラミックスペーサ５８、ホルダ５９、及び真空取付フランジ６０、を備えている。

[0033]或る実施形では、示されている様に、パルス式エクストラクタ４３はメッシュで覆われていてもよい。
[0034]或る実施形では、内ライナ４４は、低吸着性材料（例えばステンレス鋼）で構成さていて、電子スリット４６、移動ライン入口４７、及び開口４５、を画定している。或
る実施形では、内ライナ４４はメッシュで覆われていてもよい。

[0035]引き続き図４及び図５を参照して、等温ケージ４８は、例えば、アルミニウム、銅、ニッケル、又は銀の様な、熱伝導性材料を含んでいよう。他の材料が使用されていてもよく、それによって実施形がその様に限定されるというものではない。更に、等温ケージ４８は、内ライナ４４を電子エミッタ５１で照射させるために移動ポート５０及び開口４９を含んでいる。

[0036]描かれている様に、２つの電子エミッタ５１ｅを源４１の互いに反対側に設けることができる。とはいえ、単一の電子エミッタが使用されていてもよく、開示は図面に描かれているものに限定されないものと理解されたい。

[0037]或る実施形では、基部５４は熱伝導性材料を備えヒーター５５と熱電対（図示せず）を含んでおり、基部５４にはリペラ５２下方の検体脱気を改善するために通気用の開口５６が画定されている。

[0038]或る実施形では、基部５４と真空取付フランジ６０の間には隔離体５７が設けられていて、セラミックスペーサ５８とリペラ５２の少なくとも一部分とホルダ５９を絶縁するための体積を画定している。或る実施形では、隔離体５７は、固定され、管状であり、概して低い熱伝導性を有する材料（例えばステンレス鋼）を含んでいる。

[0039]或る実施形では、源真空室が設けられており（図示せず）、ステンレス鋼の様な低吸着性非孔質材料で作られている。或る実施形では、真空室は、真空室壁上への検体分子の蓄積を防止するために約１００°Ｃへ加温されている。或る実施形では、源は、フィルタ(例えばオイルフィルタ)を含んでいてもよいとされるターボポンプにより排気される。或る実施形では、真空室内には、作動中にオイル及び煙霧を吸着し分析の合間にそれらを放出するように冷温表面（示されていないが、例えばペルチェ深冷器）が導入されている。

[0040]作動時、等温ケージ４８は、伝導性基部５４及びエミッタ５１からの熱（例えば照射熱）を効率的且つ急速に伝達し、内ライナ４４と底ライナ５３とリペラ５２によって形成されているイオン化室の温度を均等化し、それにより内ライナ及びリペラからの照射熱損失を防ぐ。内ライナ４４の上面からの冷却は、ケージ４８の幅広上側リングとライナ４４の上側リングの間の有効熱移動によって補償できる。著者らによる実験的研究は、その様なイオン源が１０度未満の勾配で均一に加温され得ることを示している。実質的に同時に、基部５４及びケージ４８の熱伝導性材料は、源の内表面が比較的不活性のライナ４４及び５３とリペラ５２とによって形成されているので、検体には露出されていない。代表例としての源は、（ａ）源の均一温度と（ｂ）イオン化室内の材料の低吸着性の両要件が達成できたことを実証している。

[0041]或る実施形では、閉鎖型の源の応答時間は、小型化を通じて高めることができる。或る実施形態では、約５ｍｍまでの源寸法削減が幾つかの利点に繋がるように見える。中でも特に、（ａ）全体の表面積が室寸法の二乗として縮小される、（ｂ）照射熱損失が外部表面に比例して下降する、（ｃ）壁の熱伝導率が改善する。或る実施形態では、上記は熱ケージ無しの源を可能にする。その様な実施形では、室全体が、例えばステンレス鋼などの様な低吸着性材料を備えていよう。

[0042]或る実施形では、イオン貯蔵は、電子ビームの方向に沿ってその両側でのイオンの静電反発によって強化されている。１つの特定の実施形では、その様な反発は、イオン室４６とライナ４４（例えばセラミックスペーサにより絶縁）の間の静電バイアス及びリ
ペラ５２の低押し出しバイアスを形成することによって図られている。別の特定の実施形では、正バイアスの掛けられたスリットの追加のセット（図示せず）が、エミッタ５１とライナ４４の間に挿入されている。発明者の実験で見いだされている様に、静電側方反発は、同時に、低速電子を電子ビーム領域から排除するという利点を提供しており、而して、イオン貯蔵容量を高め、「より低温」即ち励起の抑えられたイオンパケットを提供する。

[0043]直接抽出パルス式イオン源の他のパラメータで、ここに参考文献としてそっくりそのまま援用される「蓄積式電子衝撃イオン源を有する飛行時間型質量分析計」という名称の同時係属特許出願（ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０４８１９８）に記載されている著者の実験的研究に基づいて推定できるパラメータはほとんどなさそうである。例えば、彼の同時係属特許出願は、「閉鎖型」の源であって、イオンを電子ビーム内に約６００ｕｓの期間に亘って蓄積し、イオンパケットを放出し、それらに移動光学素子を通過させ、次いでイオンパケットを直交加速器によって多重反射ＴＯＦ ＭＳの中へと加速する、「閉鎖型」の源を企図している。留意すべきは、記載の装置は、以上に論じられている源からの直接パルス式抽出とは対照的に直交加速を利用していることである。実験は、感度が移動イオン光学素子での大凡１０倍のイオン損失にも関わらず１００イオン／ｆｇと測定されたことを示唆している。電子ビーム貯蔵容量は、６００ｕｓのパルシング期間では大凡１００ｐｇ／ｓｅｃの装入量で飽和していった。よって、直接抽出式「閉鎖型」源の感度は１０００イオン／ｆｇ及び飽和限界は単段反射ＴＯＦの３０ｕｓ期間で２ｎｇ／ｓｅｃと推定できよう。従って、先行技術の「開放型」パルス式源に比べ大凡１００倍優れた「閉鎖型」源の免疫性を勘案してもなお検出限界は化学的背景によって制限されることが予想される。

[0044]閉鎖型の源内での検体の濃縮はイオン源貯蔵容量のより早期飽和を引き起こす原因となり得るものと認識されている。従って、パルス式の源は、ここに参考文献としてそっくりそのまま援用されるＰＴＣ／ＵＳ２０１１／０４８１９８と同様に、高抽出周波数で作動されるようにしてもよい。１つの特定の方法では、パルス期間は、ＴＯＦ ＭＳでのイオン飛行時間より短く設定されており、より狭い質量範囲が源を過ぎてのパルス偏向器により選択される。その様な方法は、空間電荷によるイオン貯蔵制限の何れの予想され得る効果をも凌ぐものと期待され、また痕跡分析における最大の感度及びダイナミックレンジを提供するものと期待される。ここに参考文献としてそっくりそのまま援用されるＷＯ２０１１１０７８３６の方法に類似する別の特定の方法では、頻回源パルシングはパルシング時間の符号化を伴っており、復号化アルゴリズムを使用して全質量範囲スペクトルを復元させられるようにしている。上記方法は、延びた飛行時間を有してはいても通常飛行時間型機器に比べて遥かに高い分解能力を有する多重反射質量分析計との組合せに特に適している。

[0045]更に、或る実施形態では、イオン化室の中へのヘリウム流束を減少させＥＩ分析の全体としてのダイナミックレンジを改善するために、検体流れが希釈されている。
[0046]次に図６を参照すると、封止型試料注入の配列とは対照的に、分子分離を「閉鎖型」パルス式の源の手前で起こさせる配列６２が描かれている。示されている様に、配列は、更に、封止型試料注入用移動ライン６３、入口源スキマー６４、離間型イオン注入用移動ライン６５、及び整列部品６６、を含んでいる。

[0047]作動時、或る実施形態では、移動ライン６５は、内部ＧＣカラムの軸方向整列のための内インサート（図示せず）を有していて、整列部品６６を使用してスキマー６４と整列されている（例えばどれもが接地電位）。或る実施形態では、移動ライン６５とスキマー６４の間の距離は１−３ｍｍ程度であり、更にスキマー開口は１ｍｍ程度である。その様なスキームは、スキマーへのヘリウム流量を落とし重い検体成分を豊富にすることが
予想され、即ち、出現するヘリウム噴流内の検体分子の空間的損失は中性ヘリウムのそれより少なくなると期待される。とはいえ、濃厚化効果の不存在下でさえ、提案されているスキームは、幾つかの恩恵、即ち、（ａ）源内のより低いヘリウム濃度はイオンパルス式抽出でのガス上イオン散乱を低減することができる、（ｂ）より低いヘリウム濃度はイオン貯蔵容量を高めイオンパケット発散を低減することができる、（ｃ）試料の幾分低い流量はマイクロＧＣカラムへの最大装入量（ＧＣカラムの中への大凡１０ｎｇ）と源の拡大された貯蔵限界の間の調和を提供する、及び（ｄ）ＥＩスペクトル図の改善（即ち、その様なスペクトルを標準ＮＩＳＴライブラリスペクトルへより近づける）、を提供するものと期待される。

[0048]或る実施形では、示されている様に、過度のヘリウム流れは、排気室６７及びポンプ６８、好適にはターボポンプ３Ｐの差動排気ポートを使用して排出されるようになっている。

[0049]図７を参照して、或る実施形では、ＥＩ源真空室がＴＯＦ ＭＳ分析器室と組み合わされて単一の真空室３となっている。例えば、５−１０倍低いヘリウム流量（０．１−０．２ｍＬ／ｍｉｎ）では、組み合わされた真空室のガス圧力は１Ｅ−５Ｔｏｒｒ未満となり、これなら０．５−１ｍの短い飛行経路を有するＴＯＦ ＭＳに適する。或る実施形では、ＧＣ又はＧＣ×ＧＣ９からの移動ライン８経由の過度のヘリウム流れは、二重ポートターボポンプ７８の差動ポート７６によってポンプダウンされ、更に主ポート７７が真空室３を排気するのに使用されている。ヘリウム流れ及び検体流れの一部はＥＩ源７２の入口のスキマー７４を介してサンプリングされる。加えて、機器全体が単一の真空室内に納められていることで、幾つかの機械的制約が軽減される。

[0050]本発明を好適な実施形態に関連付けて説明してきたが、当業者には、形態及び詳細事項における様々な修正が、付随の特許請求の範囲の中に述べられている本発明の範囲から逸脱することなくなされ得ることが自明であろう。

２Ｐ ターボポンプ
３ 反射ＴＯＦ ＭＳ
３Ｐ ターボポンプ
４ イオンミラー
５ 無電界空間
６ イオンパケット
７ 検出器
８ 移動ライン
９ ガスクロマトグラフィー
１０ 偏向器
１１ パルス式ＥＩイオン源を有するＴＯＦ ＭＳ
１２ 開放型パルス式イオン源
１３ 押し出し板
１４ 電子エミッタ
１５ 接地メッシュ
１６ 引き出しメッシュ
１７ 加速メッシュ
２１ 閉鎖型の源を有するＥＩ−ＴＯＦ ＭＳ
２２ 連続電子衝撃イオン源
２３ イオン化室
２４ 電子エミッタ
２５ リペラ
２６ エクストラクタ
２７ 移動イオン光学系
２８、２９ パルス式電極
３０ 移動ライン用封止ポート
３２ パルス式閉鎖型イオン源
３３ 等温囲い
３３ｅ 電子エミッタ
３４ イオン化室
３５ パルス式リペラ
３６ 正バイアスの掛けられたスリット
３７ 出口開口
３８ パルス式加速電極
３９ 連続加速電極
４０ 封止された入口
４１ 等温閉鎖型パルス式イオン源
４３ パルス式エクストラクタ
４４ 内ライナ
４５ 開口
４６ 電子スリット
４７ 移動ライン入口
４８ 等温ケージ
４９ 開口
５０ 移動ポート
５１ 一対の正バイアスの掛けられたスリット
５１ｅ 電子エミッタ
５２ リペラ
５３ 底ライナ
５４ 基部
５５ ヒーター
５６ 通気用の開口
５７ 隔離体
５８ セラミックスペーサ
５９ ホルダ
６０ 真空取付フランジ
６２ 分子分離を閉鎖型パルス式源の手前で起こさせる配列
６３ 封止型試料注入用移動ライン
６４ 入口源スキマー
６５ 離間型イオン注入用移動ライン
６６ 整列部品
６７ 排気室
６８ ポンプ
７２ ＥＩ源
７４ スキマー
７６ 差動ポート
７７ 主ポート
７８ 二重ポートターボポンプ

Claims (21)

1. 質量分光分析の方法において、
   検体混合物を、狭い（時間幅）ＧＣピークを現出させる二次元ガスクロマトグラフィーを使用して分離する段階と、
   検体流れ及びキャリアガス流れを、出口開口を含んでいる閉鎖型電子衝撃イオン源の中へ導入して検体イオンを形成させる段階と、
   前記出口開口の面積を０．１ｃｍ^２から１ｃｍ^２の間に制限することによって、前記閉鎖型の源内の検体分子の濃厚な濃度を持続する段階と、
   前記検体イオンを前記閉鎖型電子衝撃イオン源の電子ビーム内に蓄積する段階と、
   イオンパケットを前記閉鎖型の源から直接に飛行時間型質量分析計の中へパルス抽出する段階と、を備えている方法。
2. 前記源は、等温ケージが近接に配置されている内ライナを含んでおり、前記方法は、更に、
   前記源の温度を実質的に均一（１０°Ｃ以内）に維持する段階を備えている、請求項１に記載の方法。
3. 前記閉鎖型の源は、更に、或る面積を有する内表面を備えており、前記内表面の前記面積と前記出口開口の前記面積の比は１０から１００の間である、請求項１に記載の方法。
4. 前記源は、ペルチェ素子が中に配置されている源真空室を含んでおり、前記方法は、
   前記源真空室内の蒸気及び煙霧を、前記ペルチェ素子によって冷却された表面を使用して凝縮させる段階を備えている、請求項１に記載の方法。
5. 前記「閉鎖型」電子衝撃源の手前で、キャリアガスの一部をポンプダウンする段階（必然的に前記導入された試料量に幾らかの損失が生じてしまう）を更に備えている、請求項１に記載の方法。
6. 前記閉鎖型の源は、更に、
   検体イオンを前記源の両側面から前記電子ビームの方向に沿って静電的にはね返す段階を備えている、請求項１に記載の方法。
7. イオンパケットをパルス抽出する段階は、
   高抽出周波数で作動する段階を備えている、請求項１に記載の方法。
8. 飛行時間型質量分析計はイオン飛行時間を定義しており、前記パルス抽出はパルス期間を定義しており、更に、前記パルス期間は前記イオン飛行時間より短い、請求項６に記載の方法。
9. 前記質量分析計はパルス式偏向器を含んでおり、前記方法は、
   前記パルス式偏向器を介して狭い質量範囲を選択する段階を備えている、請求項８に記載の方法。
10. クロマト−質量分析計において、
    イオンミラー、自由飛行領域、及び検出器、を有する反射飛行時間型分析器と、
    イオン化室の中への１つ又はそれ以上の開口部を画定している閉鎖型電子衝撃イオン源であって、前記イオン化室の中への前記１つ又はそれ以上の開口部の累積面積は０．１ｃｍ^２から１ｃｍ^２の間であり、当該閉鎖型衝撃イオン源は、連続電子ビーム、パルス式電圧供給部へ接続されているリペラ、及び前記パルス式電圧供給部へ接続されているエクス
    トラクタ、を含んでおり、前記イオンミラーは前記検出器と平行に整列しており、当該閉鎖型イオン源は小角度に傾けられている、閉鎖型電子衝撃イオン源と、
    イオンパケットを前記源の傾斜角度に略等しい角度に操舵するための偏向器と、を備えている、クロマト−質量分析計。
11. 前記１つ又はそれ以上の開口部の前記累計面積は、（ｉ）１００ｍｍ^２未満、（ｉｉ）５０ｍｍ^２未満、（ｉｉｉ）２０ｍｍ^２未満、（ｉｖ）１０ｍｍ^２未満、（ｖ）５ｍｍ^２未満、（ｖｉ）３ｍｍ^２未満、及び（ｖｉｉ）１ｍｍ^２未満、から成る群より選択されている、請求項１０の記載の装置。
12. 前記閉鎖型電子衝撃イオン源は、更に、
    内側の化学的に不活性のライナ及び熱伝導性材料の等温ケージを備えている、請求項１０に記載の装置。
13. 前記閉鎖型電子衝撃イオン源は、或る面積を画定している内表面を有しており、前記内表面の前記面積と前記出口開口の前記面積の比は１０から１００の間である、請求項１０に記載の装置。
14. 真空室と、
    前記真空室の表面を深冷してその内部の蒸気及び煙霧を凝縮させるように配列されている冷却素子と、を更に備えている、請求項１０に記載の装置。
15. 前記冷却素子はペルチェ素子である、請求項１３に記載の装置。
16. 前記閉鎖型の源の入口に設けられているスキマーと、
    前記源の中へのキャリアガスの流れを少なくとも５倍減少させるのに十分な距離だけ前記スキマーから離間されている試料送達用移動ラインと、を更に備えている、請求項１０に記載の装置。
17. 過度のキャリアガスは、前記飛行時間型質量分析器をポンプダウンする主ターボポンプの差動ポートによってポンプダウンされる、請求項１６に記載の装置。
18. イオンを前記イオン室の両側面に沿って前記電子ビームの方向に沿ってはね返すための手段を、更に備えている、請求項１０に記載の装置。
19. 前記イオン源は内ライナを含んでおり、前記イオンはね返し手段は、前記イオン室を前記内ライナから絶縁するセラミックスペーサを含んでいて、静電バイアス及びリペラの低押し出しバイアスを画定している、請求項１０に記載の装置。
20. 前記イオン源は内ライナ及びエミッタを含んでおり、前記はね返し手段は、前記エミッタと前記内ライナの間に配置されている正バイアスの掛けられたスリットによって画定されている、請求項１０に記載の装置。
21. 前記イオン源は、イオンを前記ビームに沿って閉じ込め二次イオンを排除するように１つ又はそれ以上の正バイアスの掛けられたスリットを有する内ライナ及びエミッタを含んでいる、請求項１０に記載の装置。

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