JP3683761B2 - Time-of-flight mass spectrometer - Google Patents
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Description
【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(TOFMS)に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
飛行時間型質量分析計(TOFMS)においては、一定の加速エネルギーで加速した試料イオンが質量に応じた飛行速度を持つことに基づき、一定距離を飛行するのに要する飛行時間を計測して質量を求める。
【0003】
この飛行時間型質量分析計の分解能は、イオン源の条件が同一の場合、イオンの飛行距離に比例する。従って、高分解能を実現するためには飛行距離を大きくすれば良いが、通常、それは装置の大型化に結びつく。
【0004】
そこで、飛行距離を長くすることと装置の小型化を両立させるため、例えば、電場を用いてイオンの飛行方向を変えてUターンさせることが行われている。さらには、電場の数を増して閉じた軌道を構成し、この軌道上でイオンを1回以上周回させることにより、長い飛行距離を実現しようとする試みもある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
このように、周回軌道を構成する場合、鍵となるのは、閉じた軌道に対するイオンの入出射のための機構である。すなわち、閉じたイオン軌道にイオンを入射させる機構と、周回軌道からイオンを検出器へ向けて出射させる技術である。
【0006】
本発明の目的は、上述した点に鑑み、イオンが周回する閉軌道を有し、この閉軌道にイオンを打ち込み、取り出しすることにより、飛行距離を長くすることと装置の小型化を両立させた飛行時間型質量分析計を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明は、試料イオンを閉じた軌道に沿って飛行させて質量分析する飛行時間型質量分析計において、前記軌道上にイオントラップを配置したことを特徴としている。
【0008】
また、前記イオントラップは、対向配置される一対のエンドキャップ電極と、該エンドギャップ電極の間に配置されるリング電極とから構成され、該一対のエンドギャップ電極には、イオンが通過する通過口が設けられていることを特徴としている。
【0009】
【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1は本発明を実施した飛行時間型質量分析計の一例を示すイオン光学図である。図1において、旋回角度が180°よりも小さい4つの扇形電場E1,E2,E3,E4を8の字の湾曲部分に配置することにより、8の字状の閉じたイオン軌道Aが形成される。この軌道Aは、4つの扇形電場E1〜E4内の円形軌道A1〜A3と、扇形電場間を結ぶ4つの直進軌道A12,A23,A34,A41から構成されている。
【0010】
扇形電場E1とE4の間の直進軌道A41の途中には、イオントラップ1が配置されている。イオントラップ1は、基本構成として、イオン軌道(直進軌道A41)がリングの中心軸を通るように配置されるリング電極2と、このリング電極2を間に挟むように間隔を置いて対向配置される一対のエンドキャップ電極3,4とを含む。リング電極2の内側のエンドキャップ電極3,4により囲まれた空間がトラップ領域となる。エンドキャップ電極3,4のイオン軌道と交差する位置には、イオンがイオントラップを通過出来るように通過口5,6が設けられている。更に、前記トラップ領域へ試料ガスを導入するための導入管7及び導入された試料ガスを電子衝撃によりイオン化するための電子銃8が設けられている。
【0011】
図2は、イオントラップ1へ給電するための回路構成の概略を示す図である。図2に示すように、リング電極2及びエンドキャップ電極3,4には、連動関係にある3接点切換スイッチS2,S3,S4を介してa,b,c3種類のモードで電圧(接地含む)がそれぞれ供給される。すなわち、aモードでは、エンドキャップ電極3,4は接地電位とされ、リング電極2にはトラップ用の高周波電圧が高周波電源9より供給される。bモードでは、リング電極2及びエンドキャップ電極3,4には、直流電源10,11,12より直流電圧V2,V3,V4がそれぞれ供給される。更に、cモードでは、すべての電極は接地される。
【0012】
前記直進軌道A12には、イオンを軌道外部へ取り出すための扇形電場13及び取り出されたイオンを検出するイオン検出器14が設けられている。扇形電場13は、取り出しを行うとき付勢され、それ以外の時は付勢されず、イオンは扇形電場に設けられた通過口を介して直進する。
【0013】
上記構成における動作を説明する。始めに、切換スイッチS2,S3,S4は、aモードに設定される。aモードでは、トラップ領域にイオンを安定にトラップする四重極電界が形成される。そして、導入管7からこの領域に導入されたガスが電子銃8からの電子による衝撃を受けて生成されたイオン(正イオン)は、このトラップ領域に蓄積されて行く。
【0014】
十分な量のイオンが蓄積された後、ガスの導入は停止され、次いで、切換スイッチS2,S3,S4は、短時間bモードに設定された後、cモードに設定される。このbモードでは、リング電極2及びエンドキャップ電極3,4には、直流電源10,11,12より直流電圧V2,V3,V4がそれぞれ供給されるが、V2,V3,V4には、V2>V3>V4の関係が与えられているため、トラップ領域には正イオンを図1における上方へ押し出す電場が形成され、その電場により、トラップ領域に蓄積されていたイオンは、等しいエネルギーを与えられつつパルス的にイオントラップ1から押し出され、扇形電場E1へ向かって飛行を開始する。
【0015】
このようにしてイオントラップ1からパルス的に取り出されたイオンは、扇形電場E1,E2,E3,E4を順次通過してイオントラップ1へ戻って来るが、このときにはイオントラップ1の各電極はcモードにて接地電位に設定されているため、イオンは加減速を受けず通過口5,6を介してイオントラップを通過することができる。そして、イオントラップを通過したイオンは、再度扇形電場E1,E2,E3,E4を順次通過し、これを繰り返すことにより、周回を重ねることになる。その間に、イオンは、その速度に応じて展開される。
【0016】
適当な周回数を経てイオンの展開が進んだ時点で、取り出し用扇形電場13を付勢すると、質量に応じて展開されたイオンは次々と周回軌道から取り出され、検出器14に入射して検出される。
【0017】
なお、取り出し用扇形電場13の付勢のタイミングは、周回軌道上で最も軽いイオンを先頭として展開されているイオンの先頭が扇形電場13に到達する直前から最後尾が通過し終わるまでの期間である。
【0018】
以上のように、飛行時間型質量分析装置におけるイオンの周回軌道上にイオントラップを配置した本発明では、イオントラップに蓄積されたイオンを飛行時間型質量分析装置の軌道上に追い出して質量分析を行うことができる。また、イオントラップ内にイオンを単に蓄積するだけでなく、種々の実験(例えばイオントラップにより予め蓄積するイオンの質量を選択しておく、あるいはイオントラップ内に蓄積されたイオンにレーザー光を照射してイオンをこわすなど)を行った後にイオンを軌道上に追い出して質量分析することも可能である。
【0019】
更に、一旦周回軌道上に追い出して質量分離を行った特定のイオン種をイオントラップ内に捕捉することによって、イオントラップ内でさらなる実験を行うことができる。外から飛行してきたイオンをイオントラップ内に捕捉するには、イオントラップの各電極にイオンを追い出したときの加速電圧を、イオンがイオントラップに入射する瞬間にパルス的に印加し、その後リング電極に高周波電圧を印加してトラップ領域にイオンを安定にトラップする四重極電界が形成されるようにすればよい。
【0020】
上記実施例では、トラップ領域内にガスを導入してイオン化したが、別の場所で生成されたイオンを外からトラップ領域内に導入するようにしても良い。図4はこのような考え方に基づく他の実施例の構成を示している。本実施例では、外部のイオン源21で生成されたイオンを、イオン周回軌道上へ導く扇形電場22が設けられている。この扇形電場22により周回軌道上へ導かれたイオンは、イオントラップ内に導入されて蓄積される。また、本実施例では、取り出し用扇形電場を設けずに、扇形電場E2を発生するための電極の一方に、取り出し穴を設け、取り出しの際には扇形電場E2の強度を零としてイオンを直進させ、その取り出し穴を介して周回軌道外へイオンを取り出し、イオン検出器へ導いて検出するようにしている。
【0021】
本実施例では、外部のイオン源21で生成されたイオンをイオントラップ内に導入し蓄積するが、蓄積後にイオンをパルス的に取り出して周回軌道に乗せ、質量に応じて展開させて検出する過程は、先の実施例と全く同一である。
【0022】
【発明の効果】
本発明の飛行時間型質量分析計は、試料イオンを、閉じた軌道に沿って飛行させて質量分析する飛行時間型質量分析計において、前記軌道上にイオントラップを配置したため、小型でありながらイオンの周回回数を増やして飛行距離を延ばすことができる飛行時間型質量分析装置が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す図である。
【図2】イオントラップ1へ給電するための回路構成の概略を示す図である。
【図3】 本発明の一実施例を示す図である。
【符号の説明】
E1,E2,E3,E4:扇形電場
1:イオントラップ 14:イオン検出器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a time-of-flight mass spectrometer (TOFMS).
[0002]
[Prior art]
In a time-of-flight mass spectrometer (TOFMS), based on the fact that sample ions accelerated with a constant acceleration energy have a flight speed corresponding to the mass, the time of flight required to fly a certain distance is measured and the mass is measured. Ask.
[0003]
The resolution of this time-of-flight mass spectrometer is proportional to the flight distance of ions when the ion source conditions are the same. Therefore, in order to achieve high resolution, the flight distance may be increased, but this usually leads to an increase in the size of the apparatus.
[0004]
Therefore, in order to achieve both a long flight distance and a reduction in the size of the apparatus, for example, a U-turn is performed by changing the flight direction of ions using an electric field. Furthermore, there is an attempt to realize a long flight distance by constructing a closed trajectory by increasing the number of electric fields and circulating ions one or more times on this trajectory.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
In this way, when configuring a circular orbit, the key is a mechanism for entering and exiting ions with respect to a closed orbit. That is, there are a mechanism for injecting ions into a closed ion trajectory and a technique for ejecting ions from the circular trajectory toward the detector.
[0006]
In view of the above-described points, the object of the present invention is to have a closed trajectory around which ions circulate, and by implanting ions into this closed trajectory and taking them out, the flight distance can be increased and the apparatus can be downsized. It is to provide a time-of-flight mass spectrometer.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve this object, the present invention is characterized in that an ion trap is disposed on the orbit in a time-of-flight mass spectrometer that performs mass analysis by flying sample ions along a closed orbit.
[0008]
The ion trap is composed of a pair of end cap electrodes arranged opposite to each other and a ring electrode arranged between the end gap electrodes, and the pair of end gap electrodes has a passage opening through which ions pass. It is characterized by being provided.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is an ion optical diagram showing an example of a time-of-flight mass spectrometer embodying the present invention. In FIG. 1, four fan-shaped electric fields E1, E2, E3, and E4 whose turning angles are smaller than 180 ° are arranged in a curved portion of the figure 8, thereby forming a closed ion trajectory A having a figure eight shape. . This orbit A is composed of circular orbits A1 to A3 in the four sector electric fields E1 to E4 and four rectilinear orbits A12, A23, A34 and A41 connecting the sector electric fields.
[0010]
An
[0011]
FIG. 2 is a diagram showing an outline of a circuit configuration for supplying power to the
[0012]
The straight trajectory A12 is provided with a sector electric field 13 for extracting ions to the outside of the orbit and an
[0013]
The operation in the above configuration will be described. First, the changeover switches S2, S3, S4 are set to the a mode. In the a mode, a quadrupole electric field that stably traps ions in the trap region is formed. Then, ions (positive ions) generated when the gas introduced into this region from the introduction tube 7 is bombarded by electrons from the electron gun 8 are accumulated in this trap region.
[0014]
After a sufficient amount of ions are accumulated, the gas introduction is stopped, and then the changeover switches S2, S3, S4 are set to the c mode after being set to the b mode for a short time. In this b mode, DC voltages V2, V3, and V4 are respectively supplied from the
[0015]
The ions extracted in a pulse manner from the
[0016]
When the extraction electric field 13 is energized after an appropriate number of circulations, the extracted ions are extracted from the circular orbit one after another and enter the
[0017]
It should be noted that the timing of energizing the extraction sector electric field 13 is the period from the time immediately before the head of the ions deployed with the lightest ion on the circular orbit reaching the sector to the end of the last passage. is there.
[0018]
As described above, in the present invention in which the ion trap is arranged on the orbit of the ion in the time-of-flight mass spectrometer, the ions accumulated in the ion trap are expelled onto the orbit of the time-of-flight mass spectrometer to perform mass analysis. It can be carried out. In addition to simply storing ions in the ion trap, various experiments (for example, selecting the mass of ions stored in advance by the ion trap, or irradiating the ions stored in the ion trap with laser light). It is also possible to mass-analyze the ions after they have been smashed).
[0019]
Furthermore, further experiments can be performed in the ion trap by capturing the specific ion species once mass-separated by being driven out on the orbit. In order to trap ions flying from outside in the ion trap, the acceleration voltage when the ions are expelled to each electrode of the ion trap is applied in a pulse manner at the moment when the ions enter the ion trap, and then the ring electrode A high frequency voltage is applied to the trap region to form a quadrupole electric field that stably traps ions.
[0020]
In the above-described embodiment, gas is introduced into the trap region and ionized, but ions generated in another place may be introduced into the trap region from the outside. FIG. 4 shows a configuration of another embodiment based on such a concept. In the present embodiment, there is provided a sector electric field 22 that guides ions generated by the external ion source 21 onto the ion orbit. Ions introduced onto the circular orbit by the electric sector 22 are introduced into the ion trap and accumulated. Further, in this embodiment, an extraction hole is provided in one of the electrodes for generating the sector electric field E2 without providing an extraction sector electric field, and ions are straightened with the intensity of the sector electric field E2 being zero at the time of extraction. Then, ions are taken out from the orbit around the take-out hole and guided to the ion detector for detection.
[0021]
In this embodiment, ions generated by the external ion source 21 are introduced and accumulated in the ion trap. After accumulation, the ions are extracted in a pulsed manner, placed on a circular orbit, and developed according to the mass and detected. Is exactly the same as the previous embodiment.
[0022]
【The invention's effect】
The time-of-flight mass spectrometer of the present invention is a time-of-flight mass spectrometer that performs mass analysis by flying sample ions along a closed trajectory. Thus, a time-of-flight mass spectrometer capable of extending the flight distance by increasing the number of laps is realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an outline of a circuit configuration for supplying power to the
FIG. 3 is a diagram showing an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
E1, E2, E3, E4: Fan electric field 1: Ion trap 14: Ion detector
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