JP3695111B2

JP3695111B2 - 飛行時間型質量分析装置

Info

Publication number: JP3695111B2
Application number: JP36511797A
Authority: JP
Inventors: 政徳安東
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1997-12-18
Filing date: 1997-12-18
Publication date: 2005-09-14
Anticipated expiration: 2017-12-18
Also published as: JPH11185697A

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装置に関し、更に詳しくは、遅延引き出し（Time-Delayed Extraction）法を用いてイオンのもつ初期エネルギを収束させる手段を備える飛行時間型質量分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
飛行時間型質量分析装置（以下「ＴＯＦＭＳ＝Time of Flight Mass Spectrometer」と称す）は、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、検出器に到達する迄の飛行時間に応じて各種イオンを質量数毎に分離するものである。
【０００３】
図５は、最も単純な構成を有する従来のＴＯＦＭＳの要部の概略構成図である。質量分離部２０を挟んで、左にイオン源１０、右に検出部３０が配置されている。イオン源１０のサンプルスライド１１と、質量分離部２０の引き出しグリッド２１及びエンドプレート２３と、検出部３０の検出器３１はイオン光軸Ｃに沿って一直線状に配置されている。サンプルスライド１１上のサンプル１２から発生した各種イオンは、サンプルスライド１１と引き出しグリッド２１との電位差Ｖsにより引き出しグリッド２１の方向に引き出され、加速された後に電場及び磁場を有さない飛行空間２２に導入される。このとき、質量数の小さなイオンほど高い速度を与えられるため、より早く飛行空間２２を通過して検出器３１に到達する。イオンは検出器３１迄直線的に飛行するので、この構成のＴＯＦＭＳは通常リニア型と呼ばれる。
【０００４】
このようなＴＯＦＭＳにおいて、特に分解能を向上させるためには主として次の条件を考慮する必要がある。
（１）イオンの初期エネルギの同一化
全てのイオンが初期エネルギを全くもたない状態でサンプル１２から発生した場合には、引き出しグリッド２１の加速によって各イオンは完全に質量数に応じた速度を付与される。しかしながら、イオンが発生時点で初期エネルギを有していると、質量数が同一であっても上記速度は必ずしも同一とはならず、検出器３１に到達する迄の飛行時間にばらつきが生じる。すると、或る質量数に対する検出信号のピークが時間軸方向に広がり、隣接する他のピークとの分解が困難になる。従って、より高い分解能を得るには、各種イオンの発生時の初期エネルギをゼロ又は同一に揃える（つまりエネルギを収束させる）ことが望ましい。
（２）イオンの発生時間幅の短縮化
イオンの質量数が同一であってもサンプル１２からの発生時刻にずれがあると、該イオンは検出器３１に同一時刻に到達しない。これにより、或る質量数に対する検出信号のピークは時間軸方向に広がる。従って、より高い分解能を得るには、イオンの発生時間幅をできるだけ狭くすることが望ましい。
【０００５】
図６は上記観点に鑑みて改良が加えられた従来の遅延引き出し法によるＴＯＦＭＳの要部の構成図、図７はこのＴＯＦＭＳにおけるイオン引き出し動作を説明するための電位分布を示す模式図である。このＴＯＦＭＳでは、第１及び第２なる２枚のグリッド２４、２５がイオンの引き出し及び加速のために配設されており、サンプルスライド１１には一定電圧Ｖ0が印加され、第２グリッド２５は接地されている。
【０００６】
まず、サンプル１２からイオンが発生する時点では、第１グリッド２４にサンプルスライド１１と同一電圧Ｖ0を印加しておく。これにより、イオン光軸Ｃ上の電位分布は図７（ｂ）に示すようになっている。サンプルスライド１１と第１グリッド２４との間には電位傾斜がないので、サンプル１２から発生したイオンは全く加速されず、各イオンは初期エネルギのみを有する。このため、初期エネルギの大きい（つまり初速度が大きい）イオンほどサンプル１２表面から遠ざかる。従って、イオン発生から所定の遅延時間が経過した時点では、初期エネルギの大きいイオンほど第１グリッド２４に近い位置に存在している。
【０００７】
一定の遅延時間（通常１０〜数１００〔ｎｓｅｃ〕程度）経過後に、第１グリッド２４の印加電圧ＶEはＶ0よりも低いＶE1に降下される。これにより、図７（ｃ）に示すように、サンプルスライド１１から第１グリッド２４に向かって電位が下傾する電場が形成される。この結果、サンプルスライド１１に近い位置に存在するイオンほど、つまり初期エネルギの小さなイオンほど高い加速電圧が印加される。従って、同一質量数イオンのうち初期エネルギの小さなものほど大きな速度をもって飛行空間２２に導入されるので、飛行中に前方を飛行している初期エネルギの大きな同一質量数のイオンに徐々に追いつき、最終的にほぼ同一時刻に検出器３１に到達する。すなわち、初期エネルギのばらつきの影響が排除されて（つまりエネルギ収束が行なわれて）、分解能の高い測定が可能となる。
【０００８】
また、上記遅延引き出し法によるＴＯＦＭＳの構成では、サンプル１２から各種イオンが同一時刻に発生せず、或る程度の時間幅の間イオンが発生し続ける場合、イオンの発生が終了した後に第１グリッド２４の印加電圧ＶEをＶ0→ＶE1とすれば、見かけ上殆ど全てのイオンがほぼ同一時刻に発生したことになる。従って、イオン発生時間の短縮化という観点でも分解能を高めることができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このような構成のＴＯＦＭＳでは、イオン源１０としてマトリックス支援レーザ脱離イオン化（ＭＡＬＤＩ＝Matrix-assisted Laser Desorption Ionization ）法がよく用いられる。このＭＡＬＤＩでは通常数ｎｓｅｃというごく狭い半値幅のレーザ光をサンプルに照射してイオン化を行なう。従って、レーザ光が照射されている間だけサンプルからイオンが発生するのならば、イオン発生時間幅は極めて狭いものとすることができる。
【００１０】
しかしながら実際には、ＭＡＬＤＩによるイオン発生時間幅は測定対象試料の種類（イオン化の容易性や分子量）又はレーザ光強度等に大きく依存しており、条件によってはレーザ光の照射後にも比較的長い時間に亘って少しずつイオンが発生する。このような場合、上記遅延引き出し法を用いたＴＯＦＭＳにおいて最適な遅延時間を決定するのは大変困難である。すなわち、遅延時間が短過ぎると、該遅延時間が経過して多数のイオンを加速した後にもサンプル１２から発生したイオンが時間ずれをもって次々に加速されるので、実際上、同一質量数の全イオンを同時加速することができない。その結果、測定の分解能が低下する。一方、イオンの発生が完全に終了する迄遅延時間を伸ばすと、初期に発生したイオンが加速される前に分解する恐れが高く、感度が甚だしく劣化する、或いは測定化可能な質量範囲が狭くなるという問題がある。
【００１１】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、イオンの初期エネルギのばらつきの影響を排除し且つイオン発生時間幅を狭くすることにより、高い分解能をもって測定が行なえる飛行時間型質量分析装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明は、サンプルより発生した各種イオンを加速した後に飛行空間内に導入して飛行させ、イオンの質量数に応じて相異なる飛行時間をもって検出器に到達させる飛行時間型質量分析装置において、
a)イオンをサンプル表面から引き出して加速するために、該サンプルを装着したサンプル支持台から離間して順に配設された第１、第２及び第３なる少なくとも３段階のグリッドと、
b)イオンの発生開始時点より所定の遅延時間が経過する迄は、サンプル支持台及び第２グリッドの電位をそれぞれ第１グリッドの電位よりも高く保ち、該遅延時間が経過した後には、第１グリッドの電位をサンプル支持台の電位及び第２グリッドの電位よりも高く、且つ第２グリッドの電位を第３グリッドの電位よりも高くするように、サンプル支持台及び第１乃至第３グリッドの電位を設定する電位設定手段と、
を備えることを特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明に係る飛行時間型質量分析装置では、上記遅延時間が経過する迄の期間は、電位設定手段により、サンプル支持台から第１グリッドに向かって下傾する傾斜電場が形成されている。このため、サンプルにて発生したイオンは、この傾斜電場によりサンプル表面から引き出されて第１グリッドの方向に移動する。一方、第１グリッドから第２グリッドに向かっては、上傾する傾斜電場が形成されている。このため、第１グリッドによりサンプル表面から引き出されて第１グリッドを通過したイオンの速度は減速され、イオンの大部分は第１グリッドと第２グリッドとの間の空間に停滞する。このとき、イオン発生時に与えられた初期エネルギが小さなイオンほど移動速度は遅いので、該空間内の第１グリッドに近い位置に存在する。
【００１４】
上記遅延時間が経過すると電位設定手段により電位が切り替えられ、第１グリッドから第２グリッドに向かって、更に第２グリッドから第３グリッドに向かって下傾する傾斜電場が形成される。この傾斜電場により、第１グリッドと第２グリッドとの間の空間に停滞していたイオンは一斉に加速され、第３グリッドを介して飛行空間に導入される。このとき、第１グリッドに近い位置に存在するイオンほど加速電圧は高いので、より大きな速度を付与されて飛行空間に導入される。このため、同一質量数のイオンであって先行して飛行していたイオンに対し、初期エネルギが低いために後方から加速されたイオンは飛行途中で徐々に追いつき、ほぼ同一時刻に検出器に到達する。従って、イオン発生時の初期エネルギのばらつきの影響が除去され、高い分解能を得ることができる。
【００１５】
一方、上記遅延時間経過後は、サンプル支持台から第１グリッドに向かって上傾する傾斜電場が形成される。このため、サンプル支持台と第１グリッドとの間の空間に存在しているイオン及び上記遅延時間の経過後にサンプルから発生したイオンは、第１グリッドの方向に引き出されず飛行空間に導入されることもない。すなわち、イオンの発生が長時間に亘っていても、イオンの発生時間幅は上記遅延時間により制限されるので、イオン発生時間幅は見かけ上短縮化され、分解能の低下は回避できる。
【００１６】
【発明の効果】
このように本発明の飛行時間型質量分析装置によれば、イオンのエネルギ収束がなされるとともに、イオンが比較的長時間に亘って発生し続ける場合であっても見かけ上イオンの発生時間幅が短くなる。この結果、サンプルにて発生した同一質量数のイオンがほぼ同一時刻に検出器に到達するので、検出ピークの時間軸方向に広がらず、他の質量数による検出ピークとの分離がよくなる。これにより、高い分解能をもって測定を行なうことができる。また、遅延時間を質量数に応じて適宜に設定することにより、比較的質量数が大きく分解し易いイオンも高い感度をもって測定することができる。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明の一実施例であるマトリックス支援レーザー脱離イオン化飛行時間型質量分析装置（ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳ＝Matrix-assisted Laser Desorption Ionization /Time of Flight Mass Spectrometer）を図１〜図４を参照して説明する。図１は本実施例のＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳの要部の構成図、図２は本実施例のＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳにおけるイオン光軸Ｃ上の電位分布を示す模式図、図３は本実施例のＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳの動作を説明するためのタイミング図、図４は本実施例のＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳにおけるイオン発生状態を示す模式図である。
【００１８】
図１に示すように、本実施例のＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳでは、サンプルスライド１１、第１グリッド２６、第２グリッド２７、第３グリッド２８、反射電極２９及び第１検出器３１がイオン光軸Ｃに沿って一直線状に配置されている。サンプルスライド１１は金属板であって、マトリックスと呼ばれるシナピン酸等の物質に固体又は液体試料を混入したサンプル１２（通常、その混入比率はモル比で試料：マトリックス＝１：１００〜１：１００００程度）が塗布されている。このサンプル１２には、レーザ発振器１３、反射鏡１４、フィルタ１６、集光レンズ１７及び光検出器１５から成るレーザ光学系から、制御部４１の指示によりレーザ光が照射される。また、サンプルスライド１１、第１及び第２グリッド２６、２７には、電位設定切替部４０を介して制御部４１より電圧が印加されている。反射電極２９による折り返し位置には第２検出器３２が配設されており、信号処理部４２は第１検出器３１及び第２検出器３２の検出信号をデジタル値に変換して一旦蓄積した後、所定のデータ処理を実行して質量スペクトルを作成する。
【００１９】
電位設定切替部４０は、２個の抵抗Ｒ１、Ｒ２と手動のスイッチＳＷとから構成され、スイッチＳＷの切替えにより、後述のようなエネルギ収束モード（切替位置ａ）と図５でもって説明したエネルギ収束を行なわない常時加速モード（切替位置ｂ）とが選択できるようになっている。このＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳにおけるエネルギ収束モード動作は次の通りである。
【００２０】
まず、制御部４１よりレーザ発振器１３にレーザスタート信号ＬＤが送られると（図３（ａ）参照）、その立ち上がりをトリガとしてレーザ発振器１３は所定パルス幅のレーザ光を出射する。このレーザ光は反射鏡１４に当たって方向を変え、フィルタ１６を介してレンズ１７により集光されてサンプルスライド１１上のサンプル１２に照射される。反射鏡１４に付設された光検出器１５では、レーザ光出射に対応するモニタ信号ＰＤが得られる（図３（ｂ）参照）。これにより制御部４１はレーザ光の照射を認識し、その時点を時刻０としてタイマの計時を開始するとともに、第１及び第２検出器３１、３２の検出信号の蓄積を開始すべく信号処理部４２に蓄積開始指示信号ＴＲを送る（図３（ｃ）参照）。
【００２１】
また制御部４１は、レーザ光が照射される以前の適宜に時点ｔ0において、第１グリッド２６の印加電圧ＶGを電圧Ｖsよりも低い正電圧ＶG1に設定する（図３（ｄ）参照）。このとき、サンプルスライド１１と第２グリッド２７には電圧Ｖsが印加されており、第３グリッド２８は接地されているから、イオン光軸Ｃ上の電位分布は図２（ｂ）に示す状態となっている。すなわち、サンプルスライド１１と第１グリッド２６とに挟まれた領域Ｉと、第１グリッド２６と第２グリッド２７とに挟まれた領域IIとにおいて、ともに第１グリッド２６に向かって下傾する電場が形成されている。
【００２２】
サンプル１２にレーザ光が照射されると、サンプル１２中のマトリックスと目的試料とが共に気化し、目的試料がイオン化される。図４（ａ）、（ｂ）に示すように、レーザ光照射の後に或る時間ｔ1経過した時点でイオンの発生は始まり、多量のイオンが発生した後もその発生は長く継続する。サンプルスライド１１表面近傍で発生したイオンは、図２（ｂ）に示した、サンプルスライド１１と第１グリッド２６との電位差（Ｖs−ＶG1）により右方向に引き出される。この電位傾斜によって加速度を与えられたイオンは領域Ｉを通過して領域IIに突入するが、この領域IIは領域Ｉとは逆向きの電位傾斜になっているためイオンは減速される。このため、領域IIに入った各イオンの速度は鈍化し、その大部分が領域II中に留まる。サンプル１２から発生するイオンは様々な初期エネルギを有しており、大きな初期エネルギをもつイオンほど大きな速度でもって領域IIに突入するため、初期エネルギの大きなイオンは領域II中において第２グリッド２７に近い位置により多く存在する。
【００２３】
制御部４１は、タイマの計時開始から所定の遅延時間ｔ2が経過したときに、第１グリッド２６の印加電圧ＶGをＶsよりも高いＶG2に上昇させる（図３（ｄ）参照）。一方、サンプルスライド１１及び第２グリッド２７の印加電圧Ｖsはそれ以前と同一電圧値に維持される。これにより、イオン光軸Ｃ上の電位分布は図２（ｃ）に示す状態に変化する。すなわち、領域Ｉでは第１グリッド２６からサンプルスライド１１に向かって、また領域IIでは第１グリッド２６から第２グリッド２７に向かって、それぞれ下傾する電場が形成される。
【００２４】
その結果、先に領域IIに停滞していた多数のイオンに最大ＶG2−Ｖsなる加速電圧が一斉に与えられて右方向に引き出され、更に領域IIIに突入した後には第２グリッド２７と第３グリッド２８との電位差Ｖsにより一層加速されて飛行空間２２に導入される。領域IIにおいて第１グリッド２６に近い位置に存在するイオンほど高い加速電圧が印加されるため、大きな速度でもって飛行空間２２に導入される。このようなイオンは、領域IIにおいて第２グリッド２７に近い位置に存在したイオンよりも時間的に後から飛行空間２２に導入されるが、飛行速度はより大きいので、後述のように飛行途中で徐々に先行しているイオンに追いつき、ほぼ同一時刻に検出器３１、３２に到達することができる。すなわち、エネルギの収束が行なえる。
【００２５】
一方、時刻ｔ2以前にサンプル１２から発生したものの領域II迄進まず領域Ｉ内に存在しているイオン及び時刻ｔ2以降にサンプル１２から発生したイオンは、領域Ｉの電場に妨げられて右方向へは進むことができず、飛行空間２２へ導入されることはない。このため、図４（ｃ）に示すように、イオン発生時間幅は実際上時刻ｔ1〜ｔ2の範囲に制限され、図４（ｄ）に示すように時刻ｔ2においてイオンが同時加速されるから、見かけ上イオン発生時間幅は狭くなる。すなわち、イオンの発生時間の収束が行なえる。
【００２６】
飛行空間２２内でイオンを直線的に飛行させるリニア型とする場合、制御部４１は反射電極２９の印加電圧ＶRを０〔Ｖ〕にしておく。すると、上記のように飛行空間２２に導入されたイオンは反射電極２９の影響を受けずに直進し、第１検出器３１に到達する。上述の如きエネルギ収束及びイオン発生時間収束により、同一質量数を有するイオンはほぼ同一時刻に第１検出器３１に到達するので、第１検出器３１ではピーク幅が狭く且つピークトップが高い信号が得られる。従って、信号処理部４２では、この検出信号を用いて高い分解能をもって各イオンを質量数毎に分離し質量スペクトルを作成することができる。
【００２７】
一方、飛行空間２２内でイオンを折り返し飛行させるリフレクトロン型とする場合、制御部４１は反射電極２９にイオンの進行方向に対して０〜ＶRの間で所定の電位勾配を有する電圧を印加する。この反射電極２９により生じる電位勾配により、右方向に飛行しているイオンは矢印Ａのように折り返されて第２検出器３２に到達する。例えば同一質量数のイオンが飛行途中で開裂して質量の異なるイオンと中性粒子に分解した場合、イオンの折り返し位置はそのイオンの質量に依存し、小さなイオンほど手前で折り返して早く第２検出器３２に到達する。従ってリフレクトロン型では、イオン発生時点において同一質量数を有するイオンに対する分解後の各種イオンを、質量に応じて分離して検出することが可能になる。これにより、イオンの分解の状態を調べれば、目的試料の粒子の構成や内部構造の解析が行なえる。
【００２８】
なお、上記構成において、スイッチＳＷを切替位置ｂに切り替えると、第１及び第２グリッド２６、２７ともに電圧ＶGが印加される。従って、電圧ＶGをサンプルスライド１１の印加電圧Ｖsよりも低い正電圧に維持することにより、従来のようにサンプル１２から発生したイオンのエネルギ収束を行なうことなく常に加速することができる。このような常時加速モードでは、サンプル１２から発生した全てのイオンを飛行空間２２に導入し、且つ遅延引き出しを行なわないので比較的寿命が短いイオンもあまり分解することなく、第１又は第２検出器３１、３２迄導くことができる。このため、一般的にリニア型よりも高感度の測定が行なえる。
【００２９】
なお、本発明に係るＴＯＦＭＳのイオン源は、ＭＡＬＤＩに限定されるものではなく或る時間幅をもってイオンが発生するイオン源に対して同様の効果を奏することは明白である。
【００３０】
また、上記実施例は一例であって、本発明の趣旨の範囲で適宜変更や修正を行なえることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明一実施例によるＭＡＬＤＩ−ＴＯＦＭＳの要部の構成図。
【図２】本実施例におけるイオン光軸Ｃ上の電位分布を示す模式図。
【図３】本実施例の動作を示すタイミング図。
【図４】本実施例におけるイオン発生状態を示す模式図。
【図５】従来のエネルギ収束を行なわないＴＯＦＭＳの概略構成図。
【図６】従来の遅延時間引き出し法によるエネルギ収束を行なうＴＯＦＭＳの要部の構成図。
【図７】図６のＴＯＦＭＳにおけるイオン光軸Ｃ上の電位分布を示す模式図。
【符号の説明】
１１…サンプルスライド１２…サンプル
１３…レーザ発振器１４…反射鏡
１５…光検出器１６…フィルタ
１７…集光レンズ２６…第１グリッド
２７…第２グリッド２８…第３グリッド
２９…反射電極３１…第１検出器
３２…第２検出器４０…電位設定切替部
４１…制御部４２…信号処理部

Claims

サンプルより発生した各種イオンを加速した後に飛行空間内に導入して飛行させ、イオンの質量数に応じて相異なる飛行時間をもって検出器に到達させる飛行時間型質量分析装置において、
a)イオンをサンプル表面から引き出して加速するために、該サンプルを装着したサンプル支持台から離間して順に配設された第１、第２及び第３なる少なくとも３段階のグリッドと、
b)イオンの発生開始時点より所定の遅延時間が経過する迄は、サンプル支持台及び第２グリッドの電位をそれぞれ第１グリッドの電位よりも高く保ち、該遅延時間が経過した後には、第１グリッドの電位をサンプル支持台の電位及び第２グリッドの電位よりも高く、且つ第２グリッドの電位を第３グリッドの電位よりも高くするように、サンプル支持台及び第１乃至第３グリッドの電位を設定する電位設定手段と、
を備えることを特徴とする飛行時間型質量分析装置。