JP3767317B2

JP3767317B2 - 質量分析装置

Info

Publication number: JP3767317B2
Application number: JP2000123686A
Authority: JP
Inventors: 集平林; 昭彦奥村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-04-19
Filing date: 2000-04-19
Publication date: 2006-04-19
Anticipated expiration: 2020-04-19
Also published as: JP2001307675A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体中の主に有機物質の分離分析に用いられる液体クロマトグラフ／質量分析装置（ＬＣ／ＭＳ）やキャピラリー電気泳動／質量分析装置（ＣＥ／ＭＳ）、元素分析に用いられる誘導結合プラズマ質量分析装置（ＩＣＰ―ＭＳ）やマイクロ波誘導プラズマ（ＭＩＰ−ＭＳ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、高感度質量分析計として、高周波電界を利用した四重極イオントラップ（三次元四重極）型質量分析計が広く用いられるようになった。レビューオブモダンフィジックス第６２巻（１９９０年）第５３１項−第５４０項（ＲｅｖｉｅｗｓｏｆＭｏｄｅｒｎＰｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．６２（１９９０）ｐｐ．５３１−５４０）には、四重極イオントラップ型質量分析計の原理に関する記述がある。この質量分析計は一般に曲面状の一個のリング電極と二個のエンドキャップ電極から構成され、これらの電極には高周波電圧が印加される。分析計の中心部では空間的な双極電界が形成されため、イオンの空間的な蓄積（閉じ込め）が実現する。リング電極の内径、電極に印加される電圧の直流成分、交流成分および周波数に依り、安定に蓄積が可能なイオンの質量が決定される。理想的な形状のリング電極やエンドキャップ電極を使用することにより、理想的な双極電界は形成される。印加電圧の直流成分と周波数を固定し、交流成分の電圧を変化させることにより、質量分析を行うことができる。また、特定のイオン質量の運動エネルギーだけを励起し、四重極イオントラップから外部にイオンを排出することにより、検出することもできる。（共鳴出射）また、特定の質量のイオンだけを蓄積し、次に分子衝突解離によりフラグメントイオンを生成させ、これらのイオンの質量分析を行う（ＭＳ／ＭＳ）ことも可能である。ＭＳ／ＭＳは未知物質の構造解析や同一質量物質の同定などに利用される。
【０００３】
また、アナリティカルケミストリー第６５巻（１９９３年）第２６１４項−第２６２０項（ＡｎａｌｙｔｉｃａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｖｏｌ．６５（１９９３）ｐｐ．２６１４−２６２０）には、四重極イオントラップ結合飛行時間型質量分析装置の記述がある。イオンはエレクトロスプレーイオン化法により大気中でほぼ定常的に生成される。生成されるイオンは細孔を通って真空装置に導入され、質量分析される。四重極イオントラップには、常にイオンが導入され、蓄積される。一定時間イオン蓄積した後に、イオンは飛行時間型質量分析計にパルス的に輸送され、質量分析される。四重極イオントラップ内部には、バッファーガスとしてヘリウムガスが導入され、イオンのトラッピング効率を向上させている。バッファーガスがない場合には、外部から導入されるイオンは四重極イオントラップにおいて殆どトラップされず、外部に排出される。一方、四重極イオントラップにおいて、バッファーガス圧力が１ｍｔｏｒｒ程度充填されると、イオンは蓄積されると同時に冷却される。その結果、飛行時間型質量分析計で質量分析する際に、高分解分析が実現する。
【０００４】
また、米国特許第５６８９１１１号には、多重極イオンガイドを用いた飛行時間型質量分析装置の記述がある。イオンはエレクトロスプレーイオン化法により大気中で安定して生成される。生成されるイオンは細孔を通って真空装置に導入され、質量分析される。多重極イオンガイドの入口と出口には電極が設置され、それぞれにパルス電圧が印加される。そのため、外部から導入されるイオンは一旦多重極イオンガイドに一次元的に蓄積され、電極に印加されるパルス電圧によりイオンは飛行時間型質量分析計にパルス的に導入され、質量分析される。多重極イオンガイドにおいて、イオンが濃縮されるため、高感度検出が可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
高周波電圧が印加される四重極イオントラップに外部からイオンが導入される場合、四重極イオントラップ内部にはヘリウムなどのバッファーガスが必要である。しかし、イオンが四重極イオントラップに導入される時に、イオンが外部に排出されるような電界が四重極イオントラップ内部に印加されると、イオンは四重極イオントラップから斥力を受けて外部に排出される。また、イオンが内部に吸引されるような電界が四重極イオントラップ内部に印加されると、イオンは四重極イオントラップ中心部を通り抜けて外部に排出される。このように、イオンが四重極イオントラップに導入されるタイミングにより、イオンがトラップされる効率が変動するという現象がある。この効率は四重極イオントラップに印加される高周波電圧の位相に依存している。さらに、入射するイオンの運動エネルギーにも依存する。そのため、イオンの平均的なトラッピング効率は向上させる余地があり、装置の高感度化が可能であるという課題がある。この問題は、四重極イオントラップ結合飛行時間型質量分析装置においても同様である。
【０００６】
また、多重極イオンガイドを用いた飛行時間型質量分析装置では、イオンのトラップ効率が変動するという問題は発生しない。しかし、イオン相互間のクーロン斥力により、多重極イオンガイドでのイオン濃縮は限度があり、１０倍程度とされる。さらに、多重極イオンガイドでは、四重極イオントラップのように分子衝突解離を行うことが困難である。そのため、ＭＳ／ＭＳ分析によるフラグメントイオンの解析を行うことはできず、用途が限られる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明ではパルス電圧が印加されるイオン輸送部と四重極イオントラップからなる質量分析装置が提供される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の一実施例に基づく質量分析装置の構成図を示す。イオン源で生成されたイオンはイオン輸送部を通り、四重極イオントラップに導入される。イオンは四重極イオントラップで濃縮、質量分離された後、検出部で検出される。四重極イオントラップに電圧を印加する電源１からは、電源２を制御する信号が送られる。その信号により、電源２からイオン輸送部１に電圧が印加される。
【０００９】
図２には、本発明の別の一実施例に基づく質量分析装置の構成図を示す。イオン源は大気圧下に設置され、イオンは大気圧下に生成される。イオン源におけるイオン生成手段としては、大気圧化学イオン化法、エレクトロスプレーイオン化法、ソニックスプレーイオン化法などを用いることができる。これらのイオン化法の詳細は、それぞれアナリティカルケミストリー第５４巻（１９８２年）第１４３項−第１４６項（ＡｎａｌｙｔｉｃａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙＶｏｌ．５４（１９８２）ｐｐ．１４３−１４６）、ジャーナルオブフィジカルケミストリーケミストリー第８８巻（１９８４年）第４４５１項−第４４５９項（ＡｎａｌｙｔｉｃａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙＶｏｌ．８８（１９８４）ｐｐ．４４５１−４４５９）、アナリティカルケミストリー第６６巻（１９９４年）第４５５７項−第４５５９項（ＡｎａｌｙｔｉｃａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙＶｏｌ．６６（１９９４）ｐｐ．４５５７−４５５９）に記載されている。また、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）やマイクロ波誘導プラズマ（ＭＩＰ）を用いてイオン生成することも可能である。イオンは内径０．３ｍｍ程度の細孔３から比較的真空度の低い差動排気部４に導入され、次により高い真空度の部屋５に導入される。部屋５には、イオン輸送部１と四重極イオントラップなどが設置される。四重極イオントラップ内には、ヘリウムガスなどのバッファーガスが導入される。イオン輸送部１は基本的に四重極または八重極のリニアトラップ６からなり、リニアトラップ６を構成する電極には周波数１ＭＨｚ程度の高周波電圧が印加される。発生する高周波電界により、特定の質量範囲にある質量のイオンはリニアトラップ６の中心部を通過する。リニアトラップ６が設置される領域の真空度が１０^-2〜１０^-3ｔｏｒｒ程度であると、高周波電界下にあるイオンは多数回の分子衝突を受ける。そのため、イオン輸送部に導入されるイオンの運動エネルギー幅が縮小され、四重極イオントラップにおけるイオンのトラッピング効率が向上する。このことは、大気圧下でイオンが生成される場合には特に有効である。細孔３から真空装置内に導入されるイオンの運動エネルギーには、ある程度幅があり、そのまま四重極イオントラップに導入しても高いトラッピング効率が期待されないからである。さらに、リニアトラップ６の入口側と出口側には、それぞれ入口側電極７と出口側電極８が設置され、四重極イオントラップに印加される高周波電圧の位相に同期したパルス電圧が電源９、１０から印加される。このことにより、リニアトラップ６に導入されるイオンが、四重極イオントラップに印加される高周波電圧の位相に同期して、効率よく四重極イオントラップでトラッピングされる。入口側電極７の電位は一定のまま、出口側電極８にパルス電圧を印加することも可能であり、その逆も有効である。四重極イオントラップはリング状電極１１と２つのエンドキャップ電極１２から構成されることが多いが、複数の平板状電極や円筒電極から構成されても問題はない。これらの電極には高周波電圧が印加され、その周波数や電圧により質量分離を実現させることができる。図２に示す例では、２つのエンドキャップ電極１２には直径２ｍｍ程度の穴が空いており、これらの穴を通ってイオンは導入および排出される。四重極イオントラップでトラッピングされ、質量分離されたイオンは、高電圧が印加された電極１３に向って加速され、衝突する。衝突の際に電極１２表面から放出される電子やイオンを検出器１４で検出する。検出器１４はノイズ発生量が低いことが望ましく、リニアトラップ６が設置される領域より高い真空度で使用される。
【００１０】
図３には、図２に示す質量分析装置における四重極イオントラップのリング電極１１に印加される高周波電圧（ａ）、四重極イオントラップに外部から導入されるイオンのトラッピング効率（ｂ）、入口側電極７に印加される電圧（ｃ）、出口側電極８に印加される電圧（ｄ）の時間変化を示す。高周波電圧（ａ）の周波数は１ＭＨｚ程度である。電圧（ｃ）と（ｄ）では、パルス電圧が印加されるタイミングは一致する。また、この例では、高周波電圧（ａ）の位相がｎπ（ｎは整数）の場合に、最もイオンのトラッピング効率（ｂ）が高いことが示される。一般的に、イオンのトラッピング効率（ｂ）は高周波電圧（ａ）の位相に強く依存しており、（２ｎ−１）π／４から（２ｎ＋１）π／４の範囲にある場合に、最大値を取ると考えられる。その位相のタイミングに従い、イオン輸送部にパルス電圧が印加される。（ｂ）に示すトラッピング効率の変動から、（ｃ）と（ｄ）に示すパルス電圧のパルス幅は（ａ）に示す高周波電圧の周期の１／１０程度以下であることが望ましい。
【００１１】
図４に、本発明のさらに別の一実施例に基づく飛行時間型質量分析計を用いた質量分析装置の構成図を示す。イオン源は大気圧下に設置される。イオン源におけるイオン生成手段としては、大気圧化学イオン化法、エレクトロスプレーイオン化法、ソニックスプレーイオン化法などを用いることができる。イオンは内径０．３ｍｍ程度の細孔３から比較的真空度の低い差動排気部４に導入され、次により高い真空度の部屋５に導入される。部屋５には、イオン輸送部と四重極イオントラップなどが設置される。イオン輸送部は基本的に四重極または八重極のリニアトラップ６からなり、リニアトラップ６を構成する棒状の電極には高周波電圧が印加される。発生する高周波電界により、特定の質量範囲にある質量のイオンはリニアトラップ６の中心部を通過する。さらに、リニアトラップ６の入口側と出口側には、それぞれ入口側電極７と出口側電極８が設置され、四重極イオントラップに印加される高周波電圧の位相に同期したパルス電圧が印加される。このことにより、リニアトラップ６に導入されるイオンが、四重極イオントラップに印加される高周波電圧の位相に同期して、効率よく四重極イオントラップでトラッピングされる。四重極イオントラップはリング状電極１１と２つのエンドキャップ電極１２から構成されることが多いが、複数の平板状電極や円筒電極から構成されても問題はない。これらの電極には高周波電圧が印加され、その周波数や電圧によりトラップするイオンの質量範囲を決定したり、衝突誘起解離を行うことができる。リニアトラップ６が設置される領域の真空度が１０^-2〜１０^-3ｔｏｒｒ程度であると、高周波電界下にあるイオンは多数回の分子衝突を受ける。そのため、イオン輸送部に導入されるイオンの運動エネルギー幅が縮小され、四重極イオントラップにおけるイオンのトラッピング効率を理想的には１００％にすることが可能である。図４に示す例では、２つのエンドキャップ電極１２には直径２ｍｍ程度の穴１５が空いており、これらの穴を通ってイオンは導入および排出される。四重極イオントラップでトラッピングされ、空間的エネルギー的に収束されたイオンはリング状電極１１とエンドキャップ電極１２に印加されるパルス電圧により高真空部１６に細いビーム状に導入される。高真空部１６に設置される飛行時間型質量分析計は、電極１７とメッシュ電極１８、リフレクター１９、検出器１４より構成される。電極１７とメッシュ電極１８との間には数ｋＶ程度の高電圧パルス電圧が印加され、イオンは加速される。加速されたイオンは一定方向に飛行するが、複数の電極から構成されるリフレクター１９により、検出器１４に向かう方向に軌道修正される。検出器１４には、質量の低いイオンから順次イオンが到達し、その到達時間によりイオンの質量が決定される。飛行時間型質量分析計では、電極１７とメッシュ電極１８との間に印加されるパルス電圧の立ち上がり時間が短いことが望ましく、１０ナノ秒オーダーの電圧が印加される。また、電極１７とメッシュ電極１８との間の空間に四重極イオントラップから導入されるイオンのビームが細い程、高分解分析には有利である。さらに、リフレクター１９では、同一質量イオンのエネルギー収束を行うことができ、高分解分析には有効である。検出器１４には、高時間分解検出が可能なマルチチャンネルプレート（ＭＣＰ）などが利用される。四重極イオントラップと飛行時間型質量分析計を結合させた本実施例の装置では、高感度分析が実現するだけでなく、四重極イオントラップで一種類のイオンだけを選別してトラップし、さらにヘリウムなどのバッファーガスと衝突解離させることによりフラグメントイオンを生成させ、そのイオンを高スループットで質量分析（ＭＳ／ＭＳ）することができる。
【００１２】
図５に、四重極イオントラップの電極１１や１２に印加される高周波電圧（ａ）、入口側電極７に印加される電圧（ｂ）、出口側電極８に印加される電圧（ｃ）、電極１７または１８に印加される電圧（ｄ）の時間変化を示す。電圧（ｂ）と（ｃ）では、パルス電圧が印加されるタイミングは一致する。また、この例では、高周波電圧（ａ）の位相がｎπ（ｎは整数）程度の場合に、最もイオンのトラッピング効率が高く、そのタイミングで電極７、８にパルス電圧が印加される。一方、電極１７または１８に印加される数ｋＶ程度のパルス電圧（ｄ）のタイミングは、入口側電極７や出口側電極８に印加される電圧（ｂ）、（ｃ）から一定時間遅れる。これは、四重極イオントラップの電極１１や１２に印加されるパルス電圧により、分析対象のイオンが電極１７とメッシュ電極１８との空間の中心部に到達するまでに、一定時間が必要だからである。電極１７または１８に印加されるパルス電圧の立ち上がり時間が１ナノ秒程度より短いと、質量分析計の分解能を数千から一万程度にすることが可能である。
【００１３】
図６に、本発明のさらに別の一実施例に基づくマトリックス・アシステド・レーザー・デソープション・イオン化法（ＭＡＬＤＩ）を使用した飛行時間型質量分析装置の構成図を示す。試料物質はマトリックスと呼ばれる不揮発性液体と混合されて基板２０に塗布され、真空装置内に設置される。そして、パルス幅１０ナノ秒程度の高出力レーザー光パルスは合成石英の窓２１を透過して、基板２０上に塗布された試料物質を照射し、試料物質をスパッターすると同時にイオン化する。その結果、イオンは１マイクロ秒程度の間、生成され続ける。生成されたイオンは四重極イオントラップに導入される。パルスレーザー光が照射されてから約１マイクロ秒後に、基板２０や電極８にパルス幅０．５マイクロ秒以下のパルス電圧が印加され、基板２０近傍に生成されるイオンは四重極イオントラップに導入される。このパルス電圧は、四重極イオントラップの電極１１や１２に印加される高周波電圧の位相に依存したタイミングでパルスレーザー光が照射される。このような電圧印加シーケンスにより、生成されるイオンの四重極イオントラップにおけるイオンのトラッピング効率を向上することが可能である。また、四重極イオントラップと基板２０との間に、図２や図４に示されるようなリニアトラップ６を導入すると、イオンの入射エネルギーを揃えることができるため、四重極イオントラップにおけるイオンのトラッピング効率を理想的には１００％にすることが可能である。
【００１４】
【発明の効果】
本発明によれば、四重極イオントラップに外部から導入されるイオンのトラッピング効率を理想的には１００％にすることが可能である。その結果、質量分析装置の高感度化が実現する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に基づく質量分析装置の構成図。
【図２】本発明の別の一実施例に基づく質量分析装置の構成図。
【図３】四重極イオントラップのリング電極９に印加される高周波電圧（ａ）、四重極イオントラップに外部から導入されるイオンのトラッピング効率（ｂ）、入口側電極７に印加される電圧（ｃ）、出口側電極８に印加される電圧（ｄ）の時間変化。
【図４】本発明のさらに別の一実施例に基づく飛行時間型質量分析計を用いた質量分析装置の構成図。
【図５】四重極イオントラップの電極９や１０に印加される高周波電圧（ａ）、入口側電極７に印加される電圧（ｂ）、出口側電極８に印加される電圧（ｃ）、電極１４または１５に印加される電圧（ｄ）の時間変化。
【図６】本発明のさらに別の一実施例に基づくマトリックス・アシステド・レーザー・デソープション・イオン化法（ＭＡＬＤＩ）を使用した飛行時間型質量分析装置の構成図。
【符号の説明】
１：電源、２：電源、３：細孔、４：差動排気部、５：部屋、６：リニアトラップ、７：入口側電極、８：出口側電極、９：電源、１０：電源、１１：リング状電極、１２：エンドキャップ電極、１３：電極、１４：検出器、１５：穴、１６：高真空部、１７：電極、１８：メッシュ電極、１９：リフレクター、２０：基板、２１：窓。

Claims

イオンを生成するイオン生成部と、
第一の電極を有し生成されたイオンを輸送するイオン輸送部と、
第二の電極を有し輸送された前記イオンを質量分離する四重極イオントラップ質量分析部と、
前記第二の電極に高周波電圧を印加する第二の電源と、
前記第一の電極に所定のタイミングで電圧を印加する第一の電源とを有し、
前記第二の電極に印加される前記高周波電圧の位相が、ｎを偶数として、（２ｎ−１）π／４から（２ｎ＋１）π／４の範囲にある場合に、前記第一の電極にパルス電圧が印加されることを特徴とする質量分析装置。
イオンを生成するイオン生成部と、
第一の電極を有し生成されたイオンを輸送するイオン輸送部と、
第二の電極を有し輸送された前記イオンを蓄積する四重極イオントラップ部と、
前記第二の電極に高周波電圧を印加する第二の電源と、
前記四重極イオントラップ部で蓄積された前記イオンを質量分離する質量分析部と、
前記第一の電極に所定のタイミングで電圧を印加する第一の電源とを有し、
前記第二の電極に印加される前記高周波電圧の位相ｎπ（ｎは整数）に同期したパルス電圧が前記第一の電極に印加されることを特徴とする質量分析装置。