JP3690330B2

JP3690330B2 - イオントラップ装置

Info

Publication number: JP3690330B2
Application number: JP2001318096A
Authority: JP
Inventors: 栄三河藤
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2001-10-16
Filing date: 2001-10-16
Publication date: 2005-08-31
Anticipated expiration: 2021-10-16
Also published as: US6730903B2; US20030071210A1; JP2003123687A; EP1306882A3; EP1306882A2; EP1306882B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３次元四重極電場を用いてイオンを捕捉（トラップ）するイオントラップ装置に関する。イオントラップ装置は、質量分析やイオン分別等に使用される。
【０００２】
【従来の技術】
イオントラップ装置では、基本的にRF電場とDC電場を組み合わせて形成される３次元四重極電場を用いてイオンを捕捉（トラップ）する。イオントラップの構成には、内面が双曲面形状を有する電極を用いて、電極に囲まれた領域内の広い範囲にわたってイオン捕捉領域を形成するものや、円筒や円板状の電極を組み合わせて、電極に囲まれた領域の中心あたりにイオン捕捉領域を形成するもの（Cylindrical Ion Trap）などがある。これらの構成において、中央部の円筒電極はリング電極、その両側の円板状の電極はエンドキャップ電極と呼ばれており、通常は、リング電極にRF電圧を印加することによって捕捉電場を形成している。いずれの電極構成においても、イオンの質量／電荷（m/e）比に応じて、そのイオンが安定に捕捉されるか、あるいは不安定な軌道を描いて電極に衝突したり、電極の開口部から放出されてしまうかが定まる。イオントラップの理論的な説明は、例えば、「R. E. March and R. J. Hughes, Quadrupole Storage Mass Spectrometry, John Wiley & Sons, 1989, pp. 31-110」（以下、文献１と呼ぶ）に詳しく述べられている。
【０００３】
３次元四重極電場においてイオンが安定に捕捉される条件は、図１の0＜β_r＜1，0＜β_z＜1の領域で示される。図１における縦軸及び横軸のパラメータa_z、q_zは、DC電圧U、RF電圧V、RF周波数ｆまたは角周波数Ω（＝２πf）、電極の寸法r₀（リング電極中心の半径）、イオンの質量m、電荷eを用いて、以下の式で表される。
【数１】

最近の多くのイオントラップ質量分析装置においては、DC電圧Uをゼロにして、RF電圧Vのみを使用してイオンを捕捉する動作が用いられる場合が多く、この時のイオン捕捉のパラメータはａ_z＝0のｑ_z軸上に存在する。図１から明らかなように、この場合、ｑ_zが0.908より小さくなるような質量／電荷比（m/e）を持つイオンだけがイオントラップ内部に安定に捕捉される。
イオントラップへのイオンの導入方法には、イオントラップに電子ビーム等を入射して、イオン捕捉領域内部でイオンを生成する方法と、外部で生成したイオンをイオントラップに注入する方法がある。イオントラップに導入又は生成されたイオンのうち安定なものだけが捕捉され、イオントラップ内部に満たされたヘリウムなどのクーリングガスによって、捕捉領域の中心へと集められる。
【０００４】
図２に、質量選択不安定モードと呼ばれる分析方法を示す（文献１、p.330）。イオンの導入とクーリング(I)の後に、RF電圧Vをゆっくりと上昇させる(II)。これに伴い、質量／電荷比の小さなイオンから順次不安定となり、その一部が電極に開けられた開口部から飛び出す。これらのイオンの信号をRF電圧に対してプロットすることにより、質量スペクトルを得ることができる（質量分析）。
図３に、より複雑なRF電圧変化を伴うMS／MSと呼ばれる分析方法を示す（文献１、p.371）。この例では、区間(I)においてイオンを生成し、区間(II)において不要な低質量側のイオンを排除する。この時、イオントラップ内部には分析対象となるイオン（親イオン）がトラップされている。次に、子イオンの質量スペクトルを得るために必要なだけRF電圧を下げておく(III)。ここで、トラップ内部に残された親イオンの振動数を計算する。そして、区間(IV)において、親イオンの振動数と同じ周波数の補助RF電圧をエンドキャップ電極に印加し、イオン捕捉空間に親イオン励起用の双極電場を形成して、子イオンを発生させる。区間(V)において、RF電圧をゆっくりと上昇させることにより、子イオンの質量スペクトルを得ることができる。
この例では、捕捉電場を変化させることにより親イオンの分離を行なっているが、他にもエンドキャップ電極に特殊な補助電圧波形を用いることによって親イオンをより高分解能で分離する技術も用いられている（例えば、米国特許No.4,761,545、米国特許No.5,134,826）。このような分離方式を採用する場合、通常はRF電圧を高い精度で一定に保っている。RF電圧に誤差が生じると、イオンの固有振動周波数がシフトするため、高い分解能を達成することができなくなってしまう。また、分離が行なわれる前に十分な時間をかけてイオンの運動がクーリングされていなければ、やはり固有振動周波数のシフトが生じて分解能の低下を招いてしまう。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
RF電圧を変化させる時、制御装置側で直ちに目標とするRF電圧値に設定した場合でも、実際にリング電極に印加されている電圧は急激に変化することができず、この設定電圧値に到達するには相応の時間を必要とする。特に、RF電圧の設定値を急激に下げた場合には、実際のRF電圧に大きなアンダーシュートが生じてしまい、イオンの運動が不安定となって捕捉領域から失われ、装置の感度や再現性を低下させる原因となる。
実際の装置では、電極間の容量と外部コイルとでQ値の高い共振回路を形成し、比較的低いRFドライブ電圧でイオンを捕捉するための高いRF電圧を発生させている。RF電圧が一定しているときには、共振回路の抵抗分による損失とRFドライブ回路から補充されるパワーとが釣り合った状態になっている。この時、RFドライブ回路側の出力電圧を急激に変更すると、バランスが崩れて、実際にリング電極に印加されているRF電圧は共振器の時定数でその設定値に近づいていく。この共振器の時定数はおよそ100μs程度であり、Q値を上げるに従い長くなる。
RF電圧の設定値を変えた時、RFドライブ回路の出力電圧は実際には一定にはならず、RF電圧のモニタ値と設定値が等しくなるようにフィードバック制御が行なわれている。例えば急速にRF電圧設定値を下げた場合、リング電極のRF電圧は急には変化しないので、モニタ値は元のままである。このため、モニタ値と設定値の差が非常に大きくなり、RFドライブ回路の出力電圧は一気にゼロまで下げられる。このため、リング電極のRF電圧は共振回路の時定数で減少してゆく。そしてRF電圧が設定値に近づいてきたところで、ようやくRFドライブ回路の出力電圧が増加する。このためRF電圧は、一旦設定値を通り越して下がってから、再び上昇して設定値より大きくなる。すると、またRFドライブ回路の出力電圧が減少する。このように、実際のRF電圧にはアンダーシュートやリンギングが発生し、イオンの運動の安定性に悪影響を及ぼすことになる。また、RFドライブ回路の出力電圧が安定し、それに伴ってRF電圧が安定するのには相当に長い時間を要することになる。
【０００６】
フィードバックに伴うこのような問題を解決するための一つの方法では、RF電圧の設定値を、目標値に向けて一定のスロープで変化させる。スロープが十分に緩やかであれば、RF電圧のモニタ値と設定値を比較する誤差アンプの出力が過大にならず、RF電圧にアンダーシュートを生じることが無くなり、またイオンの運動が不安定になって捕捉領域から失われることもない。RFドライブ回路の出力電圧をゼロにした場合、リング電極のRF電圧V(t)は次式のように共振器の時定数τで指数関数的にゼロに近づいて行く。
【数２】

上式によると、RF電圧をV₁からV₂まで下げる時、RF電圧の変化率は‐V₁／τから‐V₂／τまで変化する。RF電圧を一定のスロープで変化させようとするとき、誤差アンプが振りきれないようにするためには、スロープをその（絶対値の）最小値である‐V₂／τよりも緩やかにする必要がある。そこで、例えばスロープを‐V₂／T（但し、T≧τ）とすると、RF電圧をV₁からV₂まで変化させるに要する時間は、
【数３】

になる。このため、V₂が小さくなるにしたがって、RF電圧を変更するのに必要な時間が増加してしまうという問題が生じる。また、RF電圧設定値のスロープをRF電圧の目標値V₂に応じて変化させる必要が生じる。そして、RF電圧が目標値V₂に到達してからクーリングを行なうのには、さらに時間が必要なため、分析に必要な時間が長くなりスループットが低下する。
そこで本発明の目的は、前記の問題点を改善し、RF電圧変化に要する時間を短縮し、装置のスループットを向上させたイオントラップ装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明は次のような手段をとった。すなわち、RF電場を用いてイオンを捕捉するイオントラップ装置において、前記RF電場の振幅を第１の値から第２の値に変化させる際、該振幅の設定値をその間指数関数形に時間変化させる。そして、この指数関数の時定数を、RF電場を発生させる共振器回路の時定数に等しいか、あるいは長くなるように設定する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図４はRF電圧の制御回路を簡略化して表現したものである。イオントラップの捕捉電界用の高電圧を発生する共振回路21は、共振器コイル18、共振器容量19と共振器抵抗20によって近似的な形で表現されている。共振器コイル18は、コイル素子のインダクタンスのほかに共振回路21のインダクタンス全てを含んでいる。共振器容量19はリング電極とエンドキャップ電極間の静電容量や、共振周波数調整用の可変コンデンサの容量や、その他の付属回路や浮遊容量などの総容量を表している。共振器抵抗20は、コイルなどの配線の抵抗や、コイルや容量の位相遅れ／進み成分による等価抵抗分の総和を表している。
RF電圧の設定値はRF電圧設定回路11より与えられ、誤差アンプ13へと送られる。一方、実際にイオントラップにかかっているRF電圧の値も、RF電圧モニタ回路12により検波整流されて誤差アンプ13へと送られ、設定電圧と比較される。この誤差信号から、ドライブ電圧制御回路16により制御用信号が生成される。制御用信号は、RFドライブ回路15において基準RF周波数発生回路14で生成された正弦波と掛け合わされ、さらに増幅されて、ドライブコイル17へ送られる。ドライブコイル17は共振回路21と磁気結合しており、リング電極のRF電圧を制御する。したがって、一定のRF電圧の設定値を与えた時、RF電圧モニタ回路12の入力側に、この設定値に比例した振幅値を持つRF電圧が生成される。この時、設定値とRF電圧（の振幅値）との間のゲインは、RF電圧モニタ回路12により決定されている。
【０００９】
まず、RFドライブ回路のフィードバックを安定に動作させるためには、RF電圧の設定値とモニタ値とを比較する誤差アンプ13に過大な入力を生じないようにすることが重要である。例えばRF電圧（RF電圧モニタ回路12の入力）がV₁の時、RFドライブ回路15の出力電圧をゼロにした場合には、RF電圧の変化率は‐V₁／τになる。これがRF電圧の変化率の（絶対値の）最大値となり、ゲイン換算すると、RF電圧設定値の変化率の（絶対値の）最大値を与える。
RF電圧設定値をこの変化率よりもゆっくりと変化させると、RF電圧はその設定電圧に追随し、誤差アンプ13に過大な入力を生じない。一方、RF電圧設定値をこの変化率よりも速く変化させると、RF電圧の変化が設定値の変化についてゆくことができず、設定値とモニタ値の誤差が時間と共に増大して、ドライブ電圧制御回路16の誤差積分回路を飽和させる等の問題を生じる。
そこで本実施例においては、図５に示すように、設定値を指数関数形に変化させることにより、安定かつ高速にRF電圧を設定することができるようにした。図５はMS/MS分析時のRF電圧設定値の変化を示したものである。
イオンを導入する前(I)のRF電圧は、直前の分析で生成されたイオンなどを排除するために、ゼロもしくは小さな値に設定されている。イオンの導入時(II)には、速やかにRF電圧を立ち上げる。これには例えば、国際出願PCT/GB98/03856（WO00/38312）に開示されている方法などを用いることができる。すなわち、リング電圧のRF電圧とRF電圧設定値とを同時に立ち上げれば、設定値とモニタ値の誤差は小さいので、RF電圧を安定に制御することができる。
イオン導入後のクーリングにより(III)イオンの軌道が安定したところで、親イオン選別のためにRF電圧を変化させる(IV)。これにより、親イオンの固有振動数を、イオン選別用波形の周波数に一致させる。このRF電圧設定値の変化には指数関数形を用い、その時定数は共振器21の時定数τよりも少し長めに設定する。
RF電圧が安定したところで、イオン選別用電界が生成されて、親イオンが選別される(V)。その後、子イオン生成のために再びRF電圧を変化させる(VI)。この時にもRF電圧を指数関数形に変化させている。通常、子イオンの質量／電荷比は、親イオンの質量／電荷比よりも小さいので、広い範囲の子イオンを捕捉可能にするために、子イオンの生成時のRF電圧をより小さな値に設定する(VII)。
その後、一定の速度でRF電圧をスキャンして、質量選択不安定性モードや、共鳴放出などの手法を用いて質量スペクトルの収集が行なわれる(VIII)。
【００１０】
RF電圧をV₁からV₂（V₂＜V₁）まで下げる時に、時定数がTの指数関数形で設定値を変化させると、電圧がV₁からV₂まで変化するのに要する時間はT×ln(V₁/V₂)で与えられる。仮にV₂=0.3V₁とすると、その時間は1.20Tとなる。
一方、RF電圧の設定値をリニアに変化させた場合には、V₁からV₂まで変化するのに要する時間を数式３を用いて計算すると2.33Tとなる。従って、指数関数形を用いた場合、電圧変化に要する時間はリニアに変化させる場合の約半分に短縮されることになる。
【００１１】
本実施例においては、イオントラップのRF電圧を変化させ（走査して）、捕捉したイオンをイオントラップから徐々に排出することにより質量スペクトルを得ている。しかし、イオントラップは、例えばイオントラップから一気にイオンを放出し、飛行時間質量分析計を用いて質量分析を行なう手法などにも用いられる。このような場合にも、イオントラップ内部でのさまざまな処理において、RF電圧を変化させる場合に本発明に従って指数関数形の電圧変化を用いることにより、処理時間を短縮し、スループットを向上させるメリットがある。
また、本実施例においては、RF電圧を減少させる時のみに指数関数形の電圧変化を用いたが、RF電圧を上昇させる場合に指数関数形の電圧変化をさせることもまた有用である。この場合には、RF電圧が設定値に到達するときのオーバーシュートやリンギングを回避でき、RF電圧を減少させる時と同様に、イオンを安定な状態に保つことが可能になる。
さらに、本実施例においては、ドライブ回路の出力を磁気結合を用いて共振器コイルに伝えていたが、直接結合により、直接共振器コイルの電圧を操作しても構わない。
【００１２】
【発明の効果】
本発明においては、RF電場を用いてイオンを捕捉するイオントラップ装置において、RF電場を変化させる際、その振幅を指数関数形に時間変化させる。このため、RF電圧の変化に際してオーバーシュート、アンダーシュート、リンギングなどの発生が無く、またイオンの運動に不安定性を生じることもなしに、最適な電圧変化を得ることができ、イオントラップ装置のスループットを向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】イオントラップの安定領域を示す図。
【図２】質量選択不安定モードによる分析方法を説明するための図。
【図３】 MS／MS分析方法を説明するための図。
【図４】本発明の一実施例によるRF電圧の制御回路を説明するための図。
【図５】本発明に従うRF電圧波形の変化例。
【符号の説明】
１１…RF電圧設定回路
１２…RF電圧モニタ回路
１３…誤差アンプ
１４…基準RF周波数発生回路
１５…RFドライブ回路
１６…ドライブ電圧制御回路
１７…ドライブコイル
１８…共振器コイル
１９…共振器容量
２０…共振器抵抗
２１…共振器

Claims

RF電場を用いてイオンを捕捉するイオントラップ装置において、前記RF電場の振幅を第１の値から第２の値に変化させる際、該振幅の設定値をその間指数関数形に時間変化させることを特徴とするイオントラップ装置。
前記指数関数の時定数を、上記RF電場の生成回路の時定数に等しいか、あるいは長くなるように設定することを特徴とする請求項１に記載のイオントラップ装置。