JP3504854B2 - 飛行時間型質量分析計 - Google Patents

飛行時間型質量分析計

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JP3504854B2 JP10387398A JP10387398A JP3504854B2 JP 3504854 B2 JP3504854 B2 JP 3504854B2 JP 10387398 A JP10387398 A JP 10387398A JP 10387398 A JP10387398 A JP 10387398A JP 3504854 B2 JP3504854 B2 JP 3504854B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、飛行時間型質量分
析計に関し、より詳しくは、外部イオン源からイオン溜
に導入されたイオンに対し、高圧パルス電圧を加えるこ
とによってイオンの飛行方向と交差する方向にイオンを
加速させた後、一定の飛行距離を飛行させてイオンの質
量電荷比を分析する垂直加速型飛行時間型質量分析計に
関する。
【0002】
【従来の技術】飛行時間型質量分析計(TOFMS)
は、イオンに同一運動エネルギーUを与えた時、イオン
の質量電荷比M(=m/z)が小さいものほどイオン検
出器に早く到達することを利用して、イオンの分離を行
なっている。イオンの飛行距離Lを飛行するトータルの
時間をtTOF、イオンパルスの幅をΔtとすると、得ら
れるマススペクトルの分解能Rは(1)式で与えられ
る。 R = M/ΔM = tTOF/2Δt (1) tTOF = L√(m/2U) イオンの飛行距離Lが一定ならば、(1)式に従って、
イオンパルス幅Δtが狭いほど分解能Rは高くなる。こ
のため、パルスイオン幅Δtを短くする最も簡便な方法
として、紫外レーザパルスを用いたいわゆるパルスイオ
ン化法が開発されており、これにより、数nsのイオン
パルスを生成させている。このパルスイオン化法に分光
計としてTOFMSを組み合わせた装置として、SIM
S/TOF、SNMS/TOF、及びMALDI/TO
Fがある。
【0003】一方、EI、CI、ESI、及びICPの
ようなイオン化法は、上記のパルスイオン化法に対して
連続イオン化法と呼ばれる。このような連続イオン化法
と組み合わせたTOFMSのひとつとして、垂直加速型
飛行時間型質量分析計(Orthogonal Acceleration TO
FMS:OA/TOF)が提案されている(J.H.J.Dawson
and Guihause, Rapid commu. Mass Spectrom.,
3, (1989), 155)。
【0004】OA/TOFの模式図を図1に示す。運動
エネルギーeV1で外部イオン源1からイオン溜2に導
入されたイオンビーム3が、長さy0のイオン溜2に充
満すると、イオン押し出しプレート4に高圧パルス電圧
(V2)が加えられ、イオンは飛行方向と垂直の方向
(TOFMSの光軸方向)に運動エネルギーeV2で加
速され、イオン溜より排出されると共に、TOFMS分
光部5を飛行後、イオン検出部6に到達する。イオン検
出器に到達するイオンビームの断面の形状は、イオン溜
の形状を反映した短冊形であり、縦が数cm〜10cm、横
が数mmの幅を持っている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】イオン検出器は、通
常、面検出器であり、2次電子の走行時間が短く、2次
電子増幅作用を持つマイクロチャンネルプレート(MC
P)またはマイクロスフェアプレート(MSP)が1個
使用される。しかしながら、MCP(又はMSP)は、
イオン強度が大きい(イオン個数が多い)イオンパルス
が入射した場合、2次電子増倍管としての飽和を生じ
る。この飽和を解消できる時間の長短は、そのMCP
(又はMSP)の持つ固有のストリップ電流に支配され
るが、通常、マイクロ秒オーダーを要する。このため、
MCP(又はMSP)の飽和が解消するまでの間、イオ
ン検出器としての不感時間を生じ、この間のスペクトル
測定ができなくなり、データが欠落する。
【0006】予め、イオン強度の強いイオンパルスの質
量電荷比(m/z)が判っていれば、そのイオンがイオ
ン検出器に到達する直前直後の短時間にMCP(又はM
SP)への印加電圧を低下及び復元させ、イオン強度の
強いイオンパルスが到達する瞬間だけイオン検出器の2
次電子増幅率を低下させる方法(MCPゲート法)があ
る。この方法は、不感時間を短縮する効果はあるもの
の、未知試料のスペクトルを測定する場合には、予めこ
のような時間予測を行なうことは困難である。
【0007】本発明の目的は、上述した点に鑑み、イオ
ン強度の強いイオンパルスがイオン検出器に入射して
も、イオン検出器の飽和によるデータの欠落をもたらさ
ない垂直加速型飛行時間型質量分析計のイオン検出シス
テムを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明にかかる飛行時間型質量分析計は、外部イオ
ン源からイオン溜に導入されたイオンに対し、高圧パル
ス電圧を加えることによってイオンの飛行方向と交差す
る方向にイオンを加速させた後、一定の飛行距離を飛行
させてイオンの質量電荷比を分析する飛行時間型質量分
析計において、異なる2次電子増幅率を持つ複数のマイ
クロチャンネルプレート又はマイクロスフェアプレート
をイオン検出器として並べて配置して、イオン強度の強
いイオンパルスが入射した場合の高増幅率のマイクロチ
ャンネルプレート又はマイクロスフェアプレートの飽和
に由来する不感時間のデータ欠落部分を低増幅率のマイ
クロチャンネルプレート又はマイクロスフェアプレート
から得たデータで補完させることを特徴としている。
【0009】また、外部イオン源からイオン溜に導入さ
れたイオンに対し、高圧パルス電圧を加えることによっ
てイオンの飛行方向と交差する方向にイオンを加速させ
た後、一定の飛行距離を飛行させてイオンの質量電荷比
を分析する飛行時間型質量分析計において、得られたス
ペクトルのS/N比を改善するために、シグナルアベレ
ージャーを用いてスペクトルを積算させることを特徴と
している。
【0010】 また、外部イオン源からイオン溜に導入
されたイオンに対し、高圧パルス電圧を加えることによ
ってイオンの飛行方向と交差する方向にイオンを加速さ
せた後、一定の飛行距離を飛行させてイオンの質量電荷
比を分析する飛行時間型質量分析計において、イオンの
入射方向に対して並列に配置された、異なる2次電子増
幅率を持つ複数のマイクロチャンネルプレート又はマイ
クロスフェアプレートと、該プレートからの出力をプレ
ート毎に増幅させるための複数のプリアンプと、該プリ
アンプからの出力をプリアンプ毎にAD変換させるため
の複数のADコンバータと、該ADコンバータからの出
力を一括して処理するためのデータ処理システムとを備
えたことを特徴としている。
【0011】また、外部イオン源からイオン溜に導入さ
れたイオンに対し、高圧パルス電圧を加えることによっ
てイオンの飛行方向と交差する方向にイオンを加速させ
た後、一定の飛行距離を飛行させてイオンの質量電荷比
を分析する飛行時間型質量分析計において、前記ADコ
ンバータの後段かつ前記データ処理システムの前段に、
前記複数のADコンバータからの出力をADコンバータ
毎に積算させるための複数のシグナルアベレージャーを
設けたことを特徴としている。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態を説明する。図2は、本発明にかかる垂直加
速型飛行時間型質量分析計のイオン検出システムを示し
たものである。イオンパルス7は、短冊型のビーム断面
形状を保ったまま、イオン検出器8に入射する。イオン
検出器8は、3個のMCP(又は、MSP)をイオンパ
ルスの形状に合わせて並列に配置したもので、それぞれ
異なるMCP電源(又は、MSP電源)9によって異な
る電圧V1、V2、V3が印加されている。その結果、3
個のMCP(又は、MSP)はそれぞれ異なった2次電
子増幅率を持っている。例えば、2次電子増幅率は、各
々相対的に×1、×10、×100、(又は×1、×1
/10、×1/100)といったように設定される。こ
れは、もちろん×1/3、×1/9、×1/27や×1
/5、×1/10、×1/25のような端数の出る設定
であってもかまわない。要は、複数の異なる2次電子増
幅率を持つように、MCP(又は、MSP)の印加電圧
を設定した並列検出システムを提供することにある。
【0013】3個のMCP(又は、MSP)には、それ
ぞれプリアンプ10、ADコンバータ11、シグナルア
ベレージャー12が直列に接続されている。そして、3
個のシグナルアベレージャー12は、一括して1台のデ
ータ処理システム13に接続される構成になっている。
【0014】このイオン検出システムは次のように動作
する。まず、イオン検出器8からのイオンパルス7の入
射信号は、3個のMCP(又は、MSP)の各々に接続
された3個のプリアンプ10に個別に出力され、プリア
ンプ10の作用によって増幅される。増幅されたアナロ
グの入射信号は、ADコンバータ11においてデジタル
信号に変換される。デジタル化された入射信号は、シグ
ナルアベレージャー12において繰り返し積算され、S
/N比の改善が図られる。飛行時間型質量分析計では、
毎秒50k〜100k回の高速測定が可能なので、この
ような積算によるS/N比の改善は極めて有効である。
S/N比を改善された入射信号は、データ処理システム
13に取り込まれ、種々のデータ処理に供される。
【0015】イオン検出器自身の飽和に伴う不感時間対
策は次の通りである。図2において、例えば最大の2次
電子増幅率を持つMCP(又は、MSP)が強いイオン
パルスによって飽和した場合、不感時間で欠落した部分
のスペクトルは、より低い2次電子増幅率を持つMCP
(又は、MSP)で得たスペクトルから補完させること
ができる。即ち、より低い2次電子増幅率のMCP(又
は、MSP)で観測したスペクトルは、飽和によるデー
タの欠落がないため、2つのMCP(又は、MSP)間
の2次電子増幅率の比を掛けてやることで、飽和によっ
て欠落したデータ部分を再現でき、データ処理システム
13の処理で、ほぼ完全なスペクトルを再構成させるこ
とができるからである。
【0016】この方式は、MSPの場合には、更に有利
な点がある。MSPにおける2次電子増幅率の直線性は
103〜104なので、複数の2次電子増幅率を持つイオ
ン検出系を持つことは、イオン検出部のトータルダイナ
ミックレンジを拡大できる利点があるからである。
【0017】
【発明の効果】以上述べたごとく、本発明の垂直加速型
飛行時間型質量分析計を用いれば、イオン検出器の飽和
に由来するデータの欠落を簡単に補完させることができ
るので、未知試料のマススペクトルを測定する場合で
も、イオン検出器の飽和を気にすることなく測定を行な
うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来の垂直加速型飛行時間型質量分析計を示
す図である。
【図2】 本発明の垂直加速型飛行時間型質量分析計の
イオン検出システムを示す図である。
【符号の説明】 1・・・外部イオン源、2・・・イオン溜、3・・・イオンビー
ム、4・・・イオン押し出しプレート、5・・・TOFMS分
光部、6・・・イオン検出部、7・・・イオンパルス、8・・・
イオン検出器、9・・・MCP電源(又は、MSP電
源)、10・・・プリアンプ、11・・・ADコンバータ、1
2・・・シグナルアベレージャー、13・・・データ処理シス
テム。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01J 49/00 - 49/42 G01T 1/28

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】外部イオン源からイオン溜に導入されたイ
    オンに対し、高圧パルス電圧を加えることによってイオ
    ンの飛行方向と交差する方向にイオンを加速させた後、
    一定の飛行距離を飛行させてイオンの質量電荷比を分析
    する飛行時間型質量分析計において、異なる2次電子増
    幅率を持つ複数のマイクロチャンネルプレート又はマイ
    クロスフェアプレートをイオン検出器として並べて配置
    して、イオン強度の強いイオンパルスが入射した場合の
    高増幅率のマイクロチャンネルプレート又はマイクロス
    フェアプレートの飽和に由来する不感時間のデータ欠落
    部分を低増幅率のマイクロチャンネルプレート又はマイ
    クロスフェアプレートから得たデータで補完させること
    を特徴とする飛行時間型質量分析計。
  2. 【請求項2】外部イオン源からイオン溜に導入されたイ
    オンに対し、高圧パルス電圧を加えることによってイオ
    ンの飛行方向と交差する方向にイオンを加速させた後、
    一定の飛行距離を飛行させてイオンの質量電荷比を分析
    する飛行時間型質量分析計において、得られたスペクト
    ルのS/N比を改善するために、シグナルアベレージャ
    ーを用いてスペクトルを積算させることを特徴とする請
    求項1記載の飛行時間型質量分析計。
  3. 【請求項3】外部イオン源からイオン溜に導入されたイ
    オンに対し、高圧パルス電圧を加えることによってイオ
    ンの飛行方向と交差する方向にイオンを加速させた後、
    一定の飛行距離を飛行させてイオンの質量電荷比を分析
    する飛行時間型質量分析計において、イオンの入射方向
    に対して並列に配置された、異なる2次電子増幅率を持
    つ複数のマイクロチャンネルプレート又はマイクロスフ
    ェアプレートと、該プレートからの出力をプレート毎に
    増幅させるための複数のプリアンプと、該プリアンプか
    らの出力をプリアンプ毎にAD変換させるための複数の
    ADコンバータと、該ADコンバータからの出力を一括
    して処理するためのデータ処理システムとを備えて成る
    飛行時間型質量分析計。
  4. 【請求項4】外部イオン源からイオン溜に導入されたイ
    オンに対し、高圧パルス電圧を加えることによってイオ
    ンの飛行方向と交差する方向にイオンを加速させた後、
    一定の飛行距離を飛行させてイオンの質量電荷比を分析
    する飛行時間型質量分析計において、前記ADコンバー
    タの後段かつ前記データ処理システムの前段に、前記複
    数のADコンバータからの出力をADコンバータ毎に積
    算させるための複数のシグナルアベレージャーを設けた
    ことを特徴とする請求項3記載の飛行時間型質量分析
    計。
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