JP3936908B2

JP3936908B2 - 質量分析装置及び質量分析方法

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Publication number: JP3936908B2
Application number: JP2002372200A
Authority: JP
Inventors: 雄一郎橋本; 英樹長谷川; 崇馬場; 泉和氣
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2002-12-24
Filing date: 2002-12-24
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2022-12-24
Also published as: US20040119015A1; US6888134B2; JP2004206933A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、四重極型イオントラップ質量分析装置、四重極型イオントラップ飛行時間型質量分析装置、四重極型イオントラップフーリエ変換質量分析装置など四重極型イオントラップが適用されるすべての質量分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
種々の質量分析方法の一例として、イオントラップ質量分析法がある。四重極型イオントラップ質量分析法の基本的な原理は知られている（特許文献１）。イオントラップ方式では、リング電極に１ＭＨｚ程度の周波数の高周波電圧を印加してイオンを蓄積する。イオントラップ内では、ある質量数以上のイオンが安定条件となり蓄積される。その後、リング電極に印加する電圧を低い方から高い方へ掃引する。この際、イオンは低マスから排出されマススペクトルが得られる。
【０００３】
しかし、この方式では、質量数が同じ異種イオンを区別できない。これを改善するため、イオントラップにおけるタンデム質量分析が開発された。四重極型イオントラップにおけるタンデム質量分析の一例として、四重極イオントラップ内のバッファガスとの衝突解離法が知られている（特許文献２）。この方式では、イオン源で生成したイオンをイオントラップ内に蓄積し、検出対象とされる質量数をもつ前駆イオンを選択する。イオン選択の後、前駆イオンに共鳴する補助的な交流電界をエンドキャップ電極間に印加することにより、イオン軌道を拡大させ、イオントラップに満たされた中性ガスと衝突させることにより、イオンを解離（分解）させて検出する。分解物イオンは分子構造の違いにより特有なパターンを示すため、質量数が同じ異種イオンを判別できる。
【０００４】
しかし、イオンを解離するためには、リング電極に印加する電圧により生じるイオンのトラッピングポテンシャルを大きくする必要がある。トラッピングポテンシャルを大きくするためには、リング電極に印加する電圧を高電圧に設定する必要があるが、これにより、低質量数の分解物イオンが安定軌道条件から外れ、トラップできなくなるという問題が生ずる。また、マトリックス支援レーザーイオン化法では、１価の高質量数イオン（分子量２０００以上）が生成しやすい。これらは、構造が安定で通常の衝突解離法では分解が難しい。
【０００５】
低質量数の分解物イオンが検出できない、また、高質量のイオンを分解できないという問題点を解決するための方法が知られている（非特許文献１）。この方法では、イオンのクーリングのために連続して導入されている連続導入バッファガス（通常Ｈｅが用いられる）のほかに、イオントラップ内でのイオンの衝突解離の促進のためにＡｒなど分子量の大きなガスを、スイッチングが可能なソレノイドバルブを用いて、エンドキャップ電極とリング電極の間隙から、間欠的に導入している。これらの諸操作の後、リング電極に印加する交流電圧を増加させて、イオンをイオントラップから順次排出して検出を行なっている。これによりイオントラップ内でのイオンの励起効果が高まり、より低い質量数の分解物イオンを検出することが可能となった。この手法と同様の手法を、イオントラップハイブリッド飛行時間型質量分析装置に適用した方法が知られている（非特許文献２）。この方式においても、通常の連続導入バッファガス（通常Ｈｅが用いられる）のほかに、イオントラップ内でのイオンの衝突解離の促進のために、Ａｒなど分子量の大きなガスを、高速にスイッチングが可能なソレノイドバルブを用いて、エンドキャップ電極とリング電極の間隙から、間欠的に導入している。これらの諸操作の後、エンドキャップ電極及びリング電極に直流電圧を印加してイオンを引き出し、同軸方向に加速を行ないイオンの飛行時間から質量分離を行なっている。これにより、より低い質量数の分解物イオンを高い質量数精度で検出することが可能となった。
【０００６】
一方、低質量数の分解物イオンが検出できないことと、高質量数のイオンを分解できないという通常の衝突解離の問題点を解決するための方法が知られている（非特許文献３）。この方法によると、イオン選択の後、リング電極をくり貫いた穴からＣＯ２レーザーを照射しトラップ中心部に照射する。イオンは、赤外光を吸収することにより、内部エネルギーの励起により分解が進行する。この方式により、四重極イオントラップ質量分析装置で低質量数の分解物イオンの検出が可能である。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許第４，６５０，９９９号明細書
【特許文献２】
米国特許第４，７３６，１０１号明細書
【非特許文献１】
リチャードダビュル．ベィチェット，グレイエル．グリシュ、ジャーナルオブアメリカンソサイアティーフォーマススペクトロメトリー、１９９６年、７巻、ｐ．１１９４−１２０２（Richard W. Vachet and Gray L. Glish, Journal of American Society for Mass Spectrometry, Vol. 7, pp. 1194-1202, 1996)
【非特許文献２】
リデング他（ＬｉＤｉｎｇｅｔａｌ．）、「プロシーディングＳＰＩＥザインターナショナルソサイアティーフォーオプティカルエンジニアリング（Proceeding SPIE the international Society for Optical Engineering）」、１９９９年、３７７７巻、Ｐ．１１４−１５５
【非特許文献３】
アーマンドコロラド他（Armando Colorado et al.）、「アナリティカルケミストリー（Analytical Chemistry）」、１９９６年、６８巻、ｐ．４０３３−１０４３
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように、イオントラップにイオンを蓄積する過程と、前駆イオンを選択的にイオントラップに保持する過程と、間欠導入バッファガスあるいは照射レーザーの助けを借りて前駆イオンを分解する過程と、分解されたイオンを検出する過程と、を計時的に実行し、且つ、これを繰り返して、高感度に質量分析を行うことが可能になっているが、それぞれの方式には問題点も残っている。
【０００９】
非特許文献１及び非特許文献２に記載の例では、イオントラップ内でのイオンの衝突解離の促進のために、衝突解離過程の数１０ｍｓ〜１００ｍｓの間に、間欠導入バッファガスを１回または複数回１ｍｓ以下の短時間導入する操作を繰り返すものであり、衝突解離によって前駆イオンを分解する過程内でイオントラップ内部の圧力が変動する。このためガス圧力に大きく依存する衝突解離時における補助電圧条件を最適に設定することが困難である。
【００１０】
また、実装上の問題として、非特許文献１に記載の例では、質量数精度を得るために、導入した間欠導入バッファガスがイオントラップから排出されるまでの数百ｍｓを検出前の時間待ち時間としている。これは装置全体のイオン利用効率（Duty Cycle）を著しく低下させ、感度が大幅に低下する原因となる。一方、非特許文献２に記載の例では、この待ち時間を少なくするためにイオントラップ内のガスを排気する専用のターボ分子ポンプを設け排気能力を高めている。しかし、これは装置に大幅なコストアップとなる。
【００１１】
非特許文献３に記載の方式により、四重極イオントラップ質量分析装置で低質量数の分解物イオンの検出が可能であるが、５０Ｗ程度の出力のＣＯ₂レーザーを用いる場合に必要なイオントラップ内のバッファーガスガス圧（０．０１Ｐａ以下）と、イオンの取り込みの効率、感度を維持するために最適な真空度（０．１Ｐａ〜１Ｐａ程度）とが一致しないため、従来のレーザー光を用いた分解方法では、イオントラップへのイオンの蓄積、分解を最適な真空度で行なうことができなかった。従って、従来のレーザーを利用したイオントラップ質量分析装置では、高い解離効率を得るためにはイオントラップ効率、感度が低下するという問題があった。
【００１２】
本発明の目的は、低質量数の分解物イオンを検出し、かつ高感度な測定を可能とするイオントラップを用いる質量分析装置及び質量分析方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の質量分析装置は、試料のイオンを生成するイオン源と、１対のエンドキャップ電極とリング電極とを具備しイオンを蓄積および分解して排出するイオントラップと、エンドキャップ電極又はリング電極に配置され間欠導入バッファガスを所定のタイミングでイオントラップの内部に導入するガス導入手段と、イオントラップから排出されたイオンを検出する検出系とを有しており、ガス導入孔の中心軸はイオントラップの重心領域を通るように配置されている。
【００１４】
本発明に関わる質量分析装置では、イオントラップ内部のガス圧力を高速に切り替え可能であり、かつ、切り替えた各々の圧力をほぼ一定に保つことが可能である。具体的には、検出対象とされる質量数をもつ前駆イオンの衝突解離過程に重質量数のバッファガス（Ａｒ、Ｎ２など）を間欠的に導入してＣＩＤ（衝突誘起分解）を行なう。また、レーザー照射によりイオンの解離を行なうタイプの質量分析装置では、イオンため込み過程およびイオン検出過程にのみバッファガスを導入して、前駆イオンの解離過程ではガス導入を停止して、レーザー解離を行なう。本発明では、従来技術に比べ、結果的に質量分析装置の感度が向上する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
本発明の四重極イオントラップの実施例を図１を参照して説明する。
【００１６】
図１は、本発明の四重極イオントラップの実施例を断面図の形で示す図である。四重極イオントラップは、向かい合った一対のおわん形状のエンドキャップ電極７ａ、７ｂと、ドーナツ状のリング電極９と、リング電極９とエンドキャップ電極７ａ、７ｂとを結合し、且つ、リング電極９とエンドキャップ電極７ａ、７ｂと電気的に絶縁するための円筒状の絶縁体２８とにより両側端面がおわん形状に窪んだ円筒状のイオントラップ領域を構成している。エンドキャップ電極７ａにはイオンが入射する開口部（イオン入射口）５０ａが形成され、エンドキャップ電極７ｂにはイオンが排出される開口部（イオン排出口）５０ｂが形成されている。絶縁体２８には適当な数の小孔２９が分散して設けられている。リング電極９には内径がｄの開口部が設けられこの開口部に１ｍｓ以下の高速スイッチングが可能なソレノイドを利用したパルスバルブ４４が連通するように設けられる。後述するように、このパルスバルブ４４を開閉して検出対象とされる質量数をもつ前駆イオンの衝突解離過程に重質量数の間欠導入バッファガス（Ａｒ、Ｎ２など）を導入してＣＩＤ（衝突誘起分解）を行なう。
【００１７】
四重極イオントラップには、分析しようとする試料をイオン化するイオン源から、エンドキャップ電極７ａの開口部５０ａを通してイオンが導入される。一方、四重極イオントラップで衝突解離等の処理がなされたイオンは、エンドキャップ電極７ｂの開口部５０ｂから排出され、イオン検出系によって検出される。四重極イオントラップを利用した質量分析装置では、イオントラップ領域にイオンを蓄積する過程と、前駆イオンを選択的にイオントラップ領域に保持する過程と、間欠導入バッファガスあるいは照射レーザーの助けを借りて前駆イオンを分解する過程と、分解されたイオンを検出する過程と、を計時的に実行し、且つ、これを繰り返して、高感度に質量分析を行うものとされるが、この構成と動作は後述する。
【００１８】
実施例１の四重極イオントラップの代表的な構成の数値例は次の通りであるが、これに限定されるものではないことは言うまでもない。エンドキャップ電極７ａ、７ｂの間のもっとも近接している位置での距離は１０ｍｍ程度、リング電極９の内側の半径は７ｍｍ程度である。これらの電極に挟まれた空間で３次元の四重極電場によるイオントラップ領域が形成され、これによりイオンを蓄積し、イオンを選択的にエンドキャップ電極７ｂの開口部５０ｂから排出することができる。リング電極９に設けられた開口部の内径ｄは０．２ｍｍ〜２ｍｍ程度が望ましい。
【００１９】
図１では表記を省略したが、四重極イオントラップには、導入されるイオンをクーリングするためのバッファガスを連続導入するのが一般的である。これについても四重極イオントラップを利用した質量分析装置の説明で補足する。
【００２０】
四重極イオントラップに導入され、連続導入バッファガスとの衝突によりクーリングされたイオンは、ポテンシャルの最も低い四重極イオントラップの重心を中心とする比較的小さい球体（直径わずか１ｍｍ〜２ｍｍの球体）の領域Ｏに収束される。すなわち、Ｏで示される領域にはイオンが高密度で集まっている。一方、リング電極９に設けられた開口部の内径ｄを２ｍｍとするとこのＯで示される領域とはほぼ同じ程度のものとなる。本発明は、この点に着目したものであり、リング電極９に設けられた開口部からパルスバルブ４４を介して導入されるＣＩＤ（衝突誘起分解）を行なうための間欠導入バッファガスの分子流がこのＯで示される領域に直接ぶつかるようにして、間欠導入バッファガスとイオンとが効率的に相互作用するようにする。すなわち、イオンの分解過程で、高密度に収束されているイオンの領域に間欠導入バッファガスの分子流を直接ぶつけて効率よく分解を行うものである。
【００２１】
一方、質量分析装置ではイオンの分解過程からイオンの検出過程へと続くが、この過程の切り替えが速やかに出来るためには、間欠導入バッファガスが速やかに排出されることが重要である。本発明では、エンドキャップ電極の開口部５０ａ、５０ｂおよび絶縁体２８に設けられた小孔２９からガスの排気が速やかになされる。四重極イオントラップの構造がシンプルでガスの移動に関するコンダクタンスが大きく出来ることも相まって、１ｍｓ以下の短時間で排気可能であり、イオンの分解過程からイオンの検出過程への切り替えが速やかに出来る。
【００２２】
図２は、図１に示す実施例１に対応する従来方式の四重極イオントラップの構成を示す断面図である。この例では、間欠導入バッファガスの導入を制御するパルスバルブ４４がリング電極９を避けた位置に設けられる。その他の構成は、図1と同じである。
【００２３】
図２と図１とを対比して明らかなように、本発明によれば、パルスバルブ４４を介して導入される間欠導入バッファガスの分子流は、イオンが高密度で集まっている領域Ｏに直接ぶつけられるのに対して、図２に示す従来技術では、イオントラップ内に導入された間欠導入バッファガスが、拡散によりイオンが高密度で集まっている領域Ｏに作用することになる。したがって、間欠導入バッファガスによるＣＩＤ（衝突誘起分解）も、間接的となり、本発明によるような高効率な分解は期待できない。
【００２４】
さらに、イオンの分解過程からイオンの検出過程への切り替えには間欠導入バッファガスが速やかに排出されることが重要であるが、図２の構造では、四重極イオントラップの構造が、本発明のようにシンプルでないため、ガスの移動に関するコンダクタンスが大きく出来ず、排気時間も長くなる。
【００２５】
図３は、既設の質量分析装置のイオントラップを図１に示す本発明の実施例１の構造とした場合と、図２に示す従来の構造とした場合について、既知のサンプルの質量分析を行ない、イオンのトラッピング効率の間欠導入バッファガス量依存性を評価した結果を示す図である。いずれの場合も、パルスバルブ４４の制御によるガス導入量の制御は同じとした。
【００２６】
図３から容易に分かるように、いずれの場合も、ガス導入量が上昇するに従い信号強度は当初増加した後飽和する。実施例１では少ない導入ガス流量で高いトラッピング効率が得られるとともに、少ない導入ガス流量で飽和が起こる。これは、導入ガスのイオントラップ重心付近のガス密度が局在的に増加したため、ガスによる衝突誘起分解が効果的に起こり、トラッピングに有効に働くためと考えることができる。従来の構造では、信号強度の増加はゆっくりであり増加の程度も小さい。図３の結果から、本発明によれば、従来法に比べ、同じ導入ガス量において約５倍〜１０倍、イオントラップ重心部の圧力を高められるものと考えられる。この現象について、以下に説明を行なう。
【００２７】
一次圧（パルスバルブ４４が開とされてイオントラップ内にガスが導入されるときのガス圧）をＰ₁とすると、一般的に導入されるガス流量Ｑは式（１）で算出される。
【００２８】
【数１】

Ｃは圧力により決定する定数であり、分子流領域（０．１Ｐａ以下）であれば、９１ｍ／ｓと計算される。パルスバルブ４４の開口部の内径ｄ及び一次圧Ｐ₁を調整することにより、ガス流量Ｑは決定できる。また、イオントラップ内部の圧力を均一と見た場合、イオントラップの排気コンダクタンスをＳとすると、トラップ内部の圧力Ｐ_IT、ガス密度Ｄ_ITは式（２）、式（３）で与えられる。Ｒは気体定数、ｋはＢｏｌｔｚｍａｎｎ定数である。
【００２９】
【数２】

【数３】

なお、排気速度Ｓはイオントラップの形状及びイオントラップを取り巻く真空室の排気ポンプの排気速度より決定されるため、これらから、Ｐ_IT、Ｄ_ITは調整可能である。仮に、イオントラップから外部への排気速度Ｓが０．０１５ｍ³／ｓ程度（絶縁体２８に設けられた小孔２９の直径を３ｍｍとしてこれが２０個分散して配置されている場合）とすると、Ｐ_ITが１Ｐａ（Ｔ＝３００ＫでＤ_IT＝２．４×１０¹⁸個／ｍ³）となるには、導入ガス量Ｑ＝７ＰａＬ／ｓ、これより、Ｄ_ITとＰ₁の関係が求められる。ｄ＝２ｍｍとしてこれが２０個分散して配置されている場合には、Ｐ₁＝５６Ｐａとなる。
【００３０】
ガスは高圧部から低圧部へと流れる際、分子線を形成する。この分子線の中心方向は、ガス放出細孔部の開口面にほぼ垂直に形成される。マッハディスクの範囲内で、パルスバルブ４４の一次側の圧力Ｐ₁から、パルスバルブ４４からイオントラップの内部にガスが導入される開口面から下流ｈ、パルスバルブ４４から放出されるジェットガスの、パルスバルブ４４のガス流路の中心軸から角度θの範囲内におけるガス密度Ｄ（ｈ，θ）は式（４）で表される。Ｘ（γ）、φはガスの自由度により経験的に求められた定数で、希ガスの場合はＸ（γ）＝０．５６２、φ＝１．３７（ｒａｄ）とされている。
【００３１】
【数４】

一例として、Ｐ₁＝５６Ｐａ、ｈ＝７ｍｍ、θ＝０の場合、Ｄ（ｈ，０）＝４．７×１０¹⁸個／ｍ³となり、この計算結果はイオントラップ内で均一と考えたモデルよりも、ガス密度が約２倍であることを意味し、イオントラップの中心部（ｈ，θ＝０）は高い圧力となっていることがわかる。θ＝２０°の場合でも、Ｄ（ｈ，２０°）＝４．０×１０¹⁸個／ｍ³であり、ガス密度は約１．７倍と計算され、イオントラップの中心部の近傍（ｈ，θ＝２０°）の位置でもやはり高い圧力となっている。
【００３２】
つまり、このようにイオントラップ内でガス圧力の高い領域ができるのは、イオントラップ重心部がパルスバルブ４４の吹き出し孔からの分子線により占有されるからである。このような選択的にガス圧力の高い領域が存在するのは、Ｄ（ｈ，θ）＞Ｄ_ITとなる領域である。式（３）、式（４）から式（５）が得られる。
【００３３】
【数５】

具体的にはＳ＝０．０４ｍ³／ｓ，θ＝０とすると、ｈ≦１６ｍｍの領域で、圧力が高くなる。
【００３４】
式（５）によれば、イオントラップ重心付近の領域のガス密度を選択的に上昇させられるガス導入位置とイオントラップ重心部との位置関係が定義できる。リング電極９に設けられるガス導入孔の先端部からイオントラップの重心までの距離を１６ｍｍ以下とすれば良いと言うことは、実施例１の構成例では、リング電極９の内側の半径は７ｍｍ程度であるから条件を満足する。
【００３５】
一方、リング電極９の中心付近に設けられるガス導入孔（開口ｄ＝０．２ｍｍ〜２ｍｍの直径）の開口面がイオントラップの重心に対して完全に垂直にできるとは限らず、幾分傾いたものとなる可能性がある。この場合、開口面の中心を頂点とし、この頂点と、エンドキャップ７ａ、７ｂの開口部５０ａ、５０ｂの中心を結ぶ軸上にあるイオントラップの重心の近傍の領域Ｏとを通る直線を中心軸とし、角度４０°以下の天頂角をもつ円錐の内部に、パルスバルブ４４から噴出されるガス流路の中心軸が配置されるようにすれば、実質的に、パルスバルブ４４のガス流の中心軸がイオントラップの重心の近傍の領域Ｏを中心とする直径１ｍｍ〜２ｍｍの領域を通るのと同じ程度のＣＩＤ（衝突誘起分解）が期待できる。
【００３６】
ガス密度がＤ_AからＤ_Bになるまでの排気時間Δｔは、式（６）で表される。Ｖは排気体積、Ｓは排気速度である。
【００３７】
【数６】

排気対象となるガスの体積に排気時間は比例している。このため、実施例１の構成により、イオントラップ重心部にのみ効率的にガス圧力を高めることができれば、間欠導入バッファガスの量を低減できるから、排気速度を大幅に高めることが期待される、
本発明の構造による排気速度の大幅な向上を確認するために、エンドキャップ７ａ、７ｂの開口部５０ａ、５０ｂの穴径を３ｍｍφ、絶縁スペーサー２８に設けたガス抜きの穴２９（３ｍｍφ）は４個のイオントラップを試作して評価した。この構造では、エンドキャップ電極７ａ、７ｂ、リング電極９、絶縁スペーサー２８に挟まれたイオントラップの内部容積は９ｃｃであった。
【００３８】
実施例１の構造と、図２に示す従来の構造とで、それぞれにおけるイオントラップの内部からのガス排出の時定数（ガス圧力が１／ｅになる時間）を実験で求めた。算出方式は、間欠導入バッファガスのガス密度に対応した解離効率を予め求めておき、ガス導入とイオンため込みの遅延時間を変化させることにより求めたものである。この実験から求められた時定数は、実施例１の方式では１ｍｓ以下、図２に示す従来の構造では７±２ｍｓであった。実施例１の方式の計算によるガス排出の時定数は１．６ｍｓとなる。
【００３９】
この結果から、実施例１の方式での時定数は、図２に示す従来の構造の約７倍以上、計算値よりも１．６倍以上高速であることが分かった。これは、本発明では、エンドキャップ７ａ、７ｂの開口部５０ａ、５０ｂの中心を結ぶ軸にほぼ垂直でありイオントラップの重心の近傍の領域Ｏを通る直線と交差するリング電極９の中心付近からのガス導入により、イオンが集中する中心部のみのガス圧力が高まるため、間欠導入バッファガスの導入量が少なくても十分なイオンの解離ができ、したがって、実質的な排気体積Ｖを小さくできることおよび構造のシンプルさにより、コンダクタンスが大きいことによる。
【００４０】
以下、本発明のイオントラップを適用した質量分析装置の実施例を説明する。
【００４１】
（実施例２）
図４は、本発明の第２の実施例であり、イオン源としてエレクトロスプレーイオン源を用い、実施例１のイオントラップを用いた大気圧イオン化イオントラップ質量分析装置の構成例を、主要な構成部分を断面で示す図である。図４に示す実施例２はすべての種類の大気圧イオン源に対して同様に適用できる。
【００４２】
実施例２の大気圧イオン化イオントラップ質量分析装置は、大気中に配置されているイオン源１００と、イオン源１００の生成する試料イオンをイオン取り込み細孔３を介して導入する真空レベルの第１差動排気室２００、第１差動排気室２００と細孔４を介して連通し、オクタポール７ａ，７ｂによりイオンをガイドする真空レベルの第２差動排気室３００、第２差動排気室３００と細孔１４を介して連通し、オクタポール６ａ，６ｂによりイオンをガイドする真空レベルの第３差動排気室４００を備える。第３差動排気室４００には前述した実施例１の四重極イオントラップ５００が配置される。各差動排気室２００，３００および４００には排気ポンプ２０，２１および２２が備えられて、各差動排気室を所定の真空度に維持している。
【００４３】
イオン源１００として、図４では、ＥＳＩ（エレクトロスプレーイオン）キャピラリー１に数ｋＶの高電圧を印加した状態で試料を先端部から噴出させることにより、大気圧下において試料をイオン化する例を示した。ＥＳＩキャピラリー１の典型的な直径は、外径０．３ｍｍ、内径０．１５ｍｍ程度である。試料流量が２０μＬ／分以上の場合には、更にＥＳＩキャピラリー１の周りに外筒２を設け、外筒２とＥＳＩキャピラリー１との間に窒素ガスを流すなどしてイオン化を安定に進行させることができる。
【００４４】
イオン源１００で生成されたイオンはイオン取り込み細孔３を通り、ポンプ２０により排気された第１差動排気室２００へと導入される。イオン取り込み細孔３の典型的な直径は０．２ｍｍ程度であり、ポンプ２０は５００Ｌ／分程度のロータリーポンプを使用する。この場合、第１差動排気室２００の圧力は３００Ｐａ程度になる。
【００４５】
その後、イオンは細孔４を通り、ポンプ２１により排気された第２差動排気室３００に導入される。細孔４の穴径は１ｍｍ〜２ｍｍであり、第２差動排気室３００の圧力は０．７Ｐａ〜１．３Ｐａである。ターボ分子ポンプ２１の排気量は１５０Ｌ／ｓである。第２差動排気室３００の圧力は０．７〜１．３Ｐａ程度になる。
【００４６】
第２差動排気室３００には８本の丸棒からなるオクタポール７ａ，７ｂ（紙面後方側４本のみ図示）が配置され、オクタポール５の中心をイオンが通過する。オクタポール５の電極には、１ＭＨｚ、１５０Ｖ（０−ｐｅａｋ）程度の逆位相の交流電圧を交互に印加する（電圧源と配線の表示は省略した）。オクタポール５はイオンの運動エネルギーや位置を収束し、効率良くイオンを輸送する効果がある。このため、イオン軌道を偏向させる際に用いることができる。
【００４７】
オクタポール５を通過したイオンは細孔１４を通過して第３差動排気室４００へと導入される。第３差動排気室４００はターボ分子ポンプ２２により排気されている。ターボ分子ポンプ２２の排気量は１００Ｌ／ｓ〜２００Ｌ／ｓ程度である。第３差動排気室４００の圧力は０．０３Ｐａ〜０．０１Ｐａ程度である。細孔１４を通過したイオンは、オクタポール６ａ、６ｂ（紙面後方側４本のみ図示）、によってガイドされて、ゲート入口電極８、エンドキャップ電極７ａの開口部５０ａを通過して四重極イオントラップ５００内へと導入される。オクタポール６ａ、６ｂも、オクタポール７ａ，７ｂと同様に電圧が印加される。
【００４８】
四重極イオントラップ５００は、図１の構成と同じであるが、質量分析装置に組み込まれたときはトラップ内に導入されるイオンを冷却するためのクーリングガス（一般にＨｅガスのみ）が開口２７から連続的に導入される。２４はクーリングガスボンベである。連続して導入されるガスとしてＨｅしか用いられない理由は、重分子量ガスを使用すると検出時の質量分解能が著しく低下するためである。
【００４９】
四重極イオントラップ５００は、先にも説明したように、向かい合った一対のおわん形状のエンドキャップ電極７ａ、７ｂとドーナツ状のリング電極９により構成されている。パルスバルブ４４は絶縁体２８によりリング電極９から絶縁される。また、リング電極９とエンドキャップ電極７ａ、７ｂの間もテフロン（登録商標）などの絶縁体２８で絶縁される。エンドキャップ電極間の距離は１０ｍｍ程度、リング電極９に内接する円の半径は７ｍｍ程度である。リング電極９にはトラッピング用交流電圧発生電源３３により供給される５００ｋＨｚ〜１ＭＨｚの高周波電圧が印加される。リング電極９には最大で数ｋＶの高電圧（対アース）が印加される。これらの電極７ａ−７ｂ間には、補助交流電圧発生電源３２で生成された１ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの交流電圧及びそれが重畳された電圧が印加される。リング電極９およびエンドキャップ電極７ａ，７ｂに挟まれた空間で３次元の四重極電場が形成され、３次元の四重極電場によりイオンを蓄積し、電極７ａ−７ｂ間の周波数および電圧を制御して、イオン選択や衝突解離を行わせ、エンドキャップ電極７ｂの開口部５０ｂから選択的にイオンを排出する。
【００５０】
リング電極９には、パルスバルブ４４の開口部が設けられるとともに、パルスバルブ４４は間欠導入バッファガス源のボンベ２５に連結される。パルスバルブ４４を介して導入される間欠導入バッファガスのガス流量を絞る場合には、パルスバルブ４４の上流側に設けられるポンプ（図示せず）で減圧すれば良い。間欠導入バッファガスはＨｅ、Ａｒ，Ｎ２、Ｘｅ、Ｋｒ，エアーなどを用いることが可能である。ガスボンベ２４および２５には開閉バルブが設けられる。
【００５１】
ゲート入口電極８には、イオン源１００で生成されたイオンがイオン取り込み細孔３、細孔４、細孔１４、ゲート入口電極８およびエンドキャップ電極７ａの開口部５０ａを経由して四重極イオントラップ５００に導入されるイオン蓄積過程で０〜−２００Ｖ程度の電圧（対アース）が印加される。一方、出口電極１０には、エンドキャップ電極７ｂの開口部５０ｂから排出されるイオンの検出過程で０〜−３００Ｖ程度の電圧（対アース）が印加される。偏向電極１１、コンバージョンダイノード１２および検出器１３が出口電極１０の下流側に設けられる。出口電極１０を通過したイオンは、偏向電極１１によりイオン軌道を曲げられコンバージョンダイノード１２に衝突する。コンバージョンダイノード１２には、正イオン検出時には−数ｋＶの電圧が印加されており、コンバージョンダイノード１２にイオンが衝突する際、電子が発生する。発生した電子は１０ｋＶ程度が印加された電子増倍管などからなる検出器１３へ到達し、シグナルとして観測される。
【００５２】
３１は制御装置であり、リング電極９に印加するトラッピング交流電圧源３３、エンドキャップ電極７ａ、７ｂの間に印加する補助交流電圧源３２、パルスバルブ制御用電源３４の電圧の大きさおよび周波数および印加のタイミングを制御する。また、検出器１３から得られる信号の処理を行ない、試料のマススペクトルデータを得る。なお、制御装置３１の信号処理部はいわゆるパソコンで構成され、必要なシーケンシャル処理やデータの統計的な処理が可能なものとされる。
【００５３】
図５は、実施例２の測定シーケンスを示す図である。図５に示す測定シーケンスは制御装置３１により制御される。以下、実施例２におけるイオントラップの動作方法を図５を用いて説明する。
【００５４】
実施例２におけるイオントラップによる質量分析の動作には、イオン蓄積過程、前駆イオン選択過程、イオン分解（解離）過程およびイオン検出過程の４つの過程よりなるシーケンスがあり、データの集積効果を得るために、この過程をシーケンス必要な回数だけ繰り返すことが行われる。
【００５５】
イオン蓄積過程では、イオン取り込み用の交流電源３３で生成するトラッピング交流電圧がリング電極９に印加される。この間、イオン源１００で生成され、イオン取り込み細孔３、細孔４、細孔１４、ゲート入口電極８およびエンドキャップ電極７ａの開口部５０ａを経由したイオンはイオントラップ５００内にため込まれていく。イオンの蓄積時間の典型的な値は、０．１ｍｓ〜１００ｍｓ程度である。この蓄積時間が長すぎると、イオントラップ５００内でのイオンのスペースチャージと呼ばれる現象により電界が乱れるから、試料の種類等に応じて適当な時間を選択する。イオン蓄積過程では、パルスバルブ４４からのイオン分解（解離）のための間欠導入バッファガス導入はしない。
【００５６】
次に、前駆イオン選択過程で、トラッピング交流電圧、補助交流電圧を設定して、検出対象となる前駆イオンの選択が行なわれる。例えば、リング電極９にトラッピング交流電圧を印加し、エンドキャップ電極７ａ、７ｂの間に、前駆イオンの共鳴周波数を除いた高周波成分を重畳した電界を印加する。これにより、前駆イオン以外のイオンがトラップ条件から外れるようにして、イオントラップ５００の外部に排出されて、検出対象のイオン質量数範囲のイオンのみを、イオントラップ５００内に残留させることができる。
【００５７】
この外にも、検出対象のイオン選択の方式は種々あり、いずれを採用しても良い。いずれの場合も、あるイオン質量数範囲の検出対象のイオンのみをイオントラップ内に残留させる目的においては同じである。イオン選択に要する典型的な時間は、５ｍｓ〜２０ｍｓ程度である。前駆イオン選択過程でも、パルスバルブ４４からのイオン分解（解離）のための間欠導入バッファガス導入はしない。
【００５８】
次に、イオン分解過程では、選択された前駆イオンの解離（分解）が行なわれる。リング電極９にトラッピング交流電圧が印加され、エンドキャップ電極７ａ、７ｂの間に補助交流電圧が印加される。イオン分解過程の区間では、パルスバルブ４４が開き間欠導入バッファガスが導入される。導入ガスとして、イオンの分解効率を高める目的でＡｒ、Ｘｅ、Ｋｒなど分子量の大きなイオンが選択される。
【００５９】
最後に、イオン検出過程で、イオン検出が行なわれる。イオン検出時には、トラッピング交流電圧、補助交流電圧を低電圧から高電圧へと変化させていく。低質量数のイオンから不安定化してイオントラップの外部へ排出され検出器１３でイオン強度が検出される。イオン検出時にも、パルスバルブ４４から間欠導入バッファガスの導入はしない。イオントラップ内には、Ｈｅガスのみが存在するため、分解能は維持される。トラッピング交流電圧と排出されるイオンの質量とは一定の関係があるため、この時の検出器１３による検出イオン強度がマススペクトルデータとして制御装置３１に記録される。
【００６０】
実施例２における具体的な電圧設定方法について以下説明する。擬似的なポテンシャルＤ_Z、イオンの安定度を決定する指数ｑ_Zは、式（７）、式（８）で与えられる。ｅは電子素量、ｍはイオン質量、Ｖはリング電極９に印加する電圧、Ωはリング電極９に印加する電圧Ｖの角周波数、ｚ₀はエンドキャップ電極７ａ，７ｂの間の距離（最接近部での距離）の半分の値である。ｒ₀ ²＝２ｚ₀ ²のとき、
【００６１】
【数７】

【数８】

図６は、実施例２における電圧設定方法に係る擬似的なポテンシャルとイオンの安定度を決定する指数との関係を示す図である。図６では、質量数が１０００ａｍｕ、リング電極９に印加する交流電圧Ｖの周波数が７７０ｋＨｚ、エンドキャップ電極の間の距離が１４ｍｍの時の、ポテンシャルＤ_Zの深さを示す。低質量数の分解物イオンを検出するには、ｑ_Zを小さくする必要があるが、ポテンシャルの深さはｑ_Zの二乗に比例するため、ｑ_Zが小さくなると解離に至るような衝突が行なえない。そのため、従来、質量数比の低いイオンを分解物イオンとして得ることは四重極イオントラップ質量分析装置においては難しいとされている。
【００６２】
一方、イオンの共鳴周波数ｆは、式（９）で与えられる。β（ｑ_Z）はｑ_Zで一義的に与えられる安定化パラメーターである。
【００６３】
【数９】

図７は、実施例２における電圧設定方法に係る共鳴周波数とイオンの安定度を決定する指数との関係を示す図である。図７では、リング電極９に印加する交流電圧Ｖの周波数が７７０ｋＨｚの時の共鳴周波数を示す。エンドキャップ電極７ａ，７ｂ間に、この共鳴周波数、もしくは、この共鳴周波数近傍の周波数の補助交流電圧を印加する。
【００６４】
補助交流電圧の周波数として、単一の周波数を用いて良いし、複数の周波数を重畳しても良い。
【００６５】
以上が電圧設定法の説明である。
【００６６】
質量ｍのイオンが、分子量Ｍの間欠導入バッファガスと衝突することに得られる内部エネルギーの増加分ΔＥｉｎｔは式（１０）で与えられる。
【００６７】
【数１０】

つまり、同一ポテンシャルにおいて、バッファガスの分子量が大きいほどイオンの内部エネルギーを大きく励起することが式（１０）より分かる。
【００６８】
図８は、本発明の効果を検証するために、実施例２において、実際にイオンの安定度を決定する指数であるｑ_Z値を変化させた時のロイシンエンケファリン１価イオンの分解効率を示す図である。実施例２では、ｑ_Zが０．１以上で高い分解効率を維持しているが、図２に示す従来の構造のイオントラップでは、ｑ_Zが０．２以上でないとイオンは分解しない。実施例２では低いｑ_Z値でイオン分解が進行しているため、図２に示す従来のイオントラップの構造では不可能であった低質量イオンの検出が可能であることが確認できた。
【００６９】
図９は、本発明の実施例２におけるイオン分解過程での電圧設定方法の一例を示す図であり、エンドキャップ電極７ａ、７ｂの間に印加する補助交流電圧の例を示す図である。図９（Ａ）に示すように、補助交流電圧として前駆イオンに共鳴する周波数近傍の単一の周波数（ｆ（ｑ_z＝０．１））の補助交流電圧５１の印加が有効である。また、図９（Ｂ）に示すように、補助交流電圧として周波数（ｆ（ｑ_z＝０．１））から周波数（ｆ（ｑ_z＝０．４））までの周波数を含み、且つ、周波数が大きい成分の方が電圧の大きさが小さい広帯域周波数の補助交流電圧５２の印加も有効である。さらに、図９（Ｃ）に示すように、補助交流電圧として、時間的に周波数を低周波数から高周波数へと変化させた補助交流電圧５３の印加が有効である。この場合、補助交流電圧５３の周波数は、時間と共に、低周波数ｆ（ｑ_z＝０．１））から高周波数ｆ（ｑ_z＝０．４）へと変化し、電圧の大きさは時間とともに小さくなるように制御される。
【００７０】
図９（Ｂ）に示す広帯域の補助交流電圧５２の印加、あるいは、図９（Ｃ）に示す時間的に周波数変化する補助交流電圧５３の印加とする方が、図９（Ａ）に示す単一周波数の補助交流電圧の印加と比較して、一度分解したイオンが追分解されて多種類の分解物ピークが計測できるというメリットがある。
【００７１】
イオン検出過程では、イオントラップ５００の内部で衝突解離が行われたイオンは、トラッピング交流電圧、補助交流電圧が低電圧から高電圧へと変化させられるのに対応して、イオンの質量ごとにエンドキャップ電極７ｂの開口部５０ｂより、イオントラップ５００の外部に排出され、検出器１３で検出され、この出力が制御装置３１に送られマススペクトルとして記録される。
【００７２】
図１０、図１１は、本発明の実施例２における効果を示す図であり、横軸はＭ／ｚ、縦軸は相対信号強度を示す。
【００７３】
図１０は、間欠導入バッファガスとしてＡｒを使用し、イオン分解過程（ＣＩＤ時間）に導入するとともに、この間にエンドキャップ電極７ａ、７ｂの間に単一周波数の補助交流電圧５１を印加した場合のロイシン−エンケファリン擬分子イオンの質量スペクトルを示す図である（ｑｚ＝０．１）。図１０に示す質量スペクトルでは、低質量数（ｍ／ｚ＜２５０）の分解物イオンは余り見られない。これは前駆イオンから直接生成する分解物イオンが高質量数（ｍ／ｚ＞２５０）のイオンであるためである。
【００７４】
一方、図１１は、図１０の場合と同様に、間欠導入バッファガスとしてＡｒをイオン分解過程（ＣＩＤ時間）で導入し、エンドキャップ電極７ａ、７ｂの間に広帯域の補助交流電圧５２を印加した場合のロイシン−エンケファリン擬分子イオンの質量スペクトルを示す図である（ｑ_Z＝０．１）。
【００７５】
図１０と対比して明らかなように、図１１に示す質量スペクトルでは、低質量数（ｍ／ｚ＜２５０）のイオンも検出される。これは、広帯域の補助交流電圧５２の印加により、一度分解した高質量数（ｍ／ｚ＞２５０）のイオンが追分解されて、低質量数のイオンが生成されたことを示すものである。低質量数まで多種類のイオンが検出されることは、イオンを同定する上で有用であるため、図９（Ｂ）に示すような、広帯域の補助交流電圧５２の印加は有効であることがわかる。また、図９（Ｃ）に示すような、時間的に周波数変化する補助交流電圧５３の印加でも、広帯域の補助交流電圧５２の印加とほぼ同様の効果が得られる。
【００７６】
また、低質量数の分解物イオンを検出する目的以外において、例えば、Ｈｅを間欠導入バッファガスとして用いた場合には解離不可能であったイオンの解離にも効果がある。この場合には、解離時のｑ_Zを、通常の衝突解離と同じく、０．２〜０．４程度になるようリング電極９に印加する電圧Ｖを設定することで、イオンの分解が可能である。また、イオントラップ５００の周辺部を加熱し、間欠導入バッファガスの温度を上昇させることで、さらにこの効果は増加する。
【００７７】
（実施例３）
図１２は、本発明の実施例３であり、実施例２で説明した大気圧イオン化イオントラップ質量分析装置に対して、レーザー照射によるイオン解離を適用した構成をもつ質量分析装置の構成例を示す図である。図４と同じものに同じ参照符号を付したので、両者を対比して明らかなように、実施例３の質量分析装置でも、イオン源１００により生成されたイオンがイオントラップ５００へ導入されるまでの経緯および分解されたイオンが検出される過程は、実施例２の質量分析装置と同じである。この実施例では、第３差動排気室４００の細孔１４に対向する位置に入射窓１５が設けられ、ここからレーザー光が入射される点において実施例２と異なる。入射されたレーザー光はイオントラップ重心付近の領域Ｏに向けて、エンドキャップ電極７ｂのイオン出射孔５０ｂを通過して、照射される。３０は赤外レーザー源、１６はレンズ、１７はミラーである。レンズ１６及び入射窓１５には、ＣＯ₂レーザー（波長１０．６μｍ）の透過率が高いＺｎＳｅなどの材質が用いられる。
【００７８】
レーザー光のアライメントはまず、エンドキャップ電極７ａ、７ｂの開口部５０ａ、５０ｂを光が通過するようにミラー１７の傾きの粗調整を行なう。その後、レセルピンイオンなどの擬似的サンプルを用いてその解離効率が最大となるように、ミラー１７の調整を行なう。ミラー１７は大気圧中にあるためこの操作は容易である。レーザー光の焦点面積を小さくするには、初期のビーム広がりが大きいほど有利であるため、レーザー源３０とミラー１７の間にビームエクスパンダー（図示せず）を設置することも有効である。これによりビーム径をより細く収束させることが可能となる。
【００７９】
レーザービーム径を、より細く収束させ、イオントラップの重心付近の領域Ｏでのイオンの広がりとほぼ一致する面積に合わせるとレーザーのエネルギーを効率良くイオンへ与えることが可能である。図１２ではレンズ、ミラーを介してレーザーが導入されているが、これらを省略してレーザー源から直接照射する形態もあり得る。この場合には、光学部品のコストを削減できるメリットがある。
【００８０】
実施例３の場合、イオン分解過程では、実施例２ではクーリングガス導入孔２７よりイオントラップ５００の内部に連続して導入されるクーリングガスを流さないか、又は、ガスの流量を極めて低流量に設定する。レーザー光がクーリングガスと衝突することによりイオン分解が緩和されるため、レーザー照射によるイオン分解は、イオントラップ５００の内部の圧力が高い（０．０１Ｐａ以上）と進行しない。クーリングガスを流さないか、又は、ガスの流量を極めて低流量に設定するのはこのためである。イオントラップ５００の重心領域Ｏに照射されるレーザー光の出力は１０Ｗ〜３０Ｗ、焦点面積は０．３ｍｍ²〜２ｍｍ²程度である。赤外レーザー３０の強度と照射のタイミングは制御装置３１により行なわれる。
【００８１】
図１３は、実施例３の測定シーケンスを示す図である。図１３に示す測定シーケンスは制御装置３１により制御される。以下、実施例３におけるイオントラップの動作方法を図１３を用いて説明する。実施例３におけるイオントラップの動作も、実施例２（図５）と同様に、イオン蓄積過程、前駆イオン選択過程、イオン分解（解離）過程、イオン検出過程の４つのシーケンスがある。以下では、実施例３の測定シーケンスで実施例２の測定シーケンスと共通する点の説明は省略し、相違する点を中心に説明する。
【００８２】
イオン蓄積過程では、実施例２のイオン蓄積過程と同様にして、リング電極にトラッピング交流電圧が印加され、イオンはイオントラップ５００内にため込まれていく。実施例３のイオン蓄積過程では、パルスバルブ４４から間欠導入バッファガスが導入され、補助交流電圧の印加、レーザー照射はなされない。間欠導入バッファガスとしてはＨｅのほかＡｒ、エアーなどを用いることが可能である。イオン取込み時のトラッピング効率は間欠導入バッファガス量が多いほど高くなるので、トラップに十分な間欠導入バッファガスを導入することにより感度が向上する。
【００８３】
前駆イオン選択過程では、実施例２の前駆イオン選択過程と同様にして、特定のイオン質量数範囲のイオンのみをトラップ内に残留させる。実施例３の前駆イオン選択過程では、パルスバルブ４４から間欠導入バッファガスの導入が行なわれ、レーザー照射はなされない。
【００８４】
イオン解離過程では、選択された前駆イオンの解離が行なわれる。この時、低質量数の分解物イオンを検出したいのであれば、トラッピング交流電圧は低めに設定される。また、難分解性のイオンを解離したいのであれば、トラッピング交流電圧を高めに設定する。また、イオン解離過程では、レーザー光が照射され、前駆イオンに共鳴する数１０ｍＶ〜数Ｖの補助交流電圧が印加される。
【００８５】
イオン解離に要する典型的な時間は５ｍｓ〜５０ｍｓ程度である。レーザー光の典型的な出力は１０Ｗ〜３０Ｗ、この時のレーザー光密度は２０Ｗ／ｍｍ²〜６０Ｗ／ｍｍ²（計算値により不正確）である。イオン解離過程では、パルスバルブ４４から間欠導入バッファガスの導入は停止される。このため、トラップ内の圧力はイオン解離過程では０．０１Ｐａ以下まで低下する。
【００８６】
イオン検出過程は、実施例２のイオン検出過程と同じである。
【００８７】
図１４は、図２に示す従来のイオントラップの構造で連続してイオン解離のための間欠導入バッファガスを導入した場合と、実施例３の場合とを、トラップされるイオン量とレーザー照射によるイオン解離効率について比較した結果を示す図である。
【００８８】
図１４では、信号強度約６０００、解離効率約９０％に対応するデータ点でのみ、図２に示す従来構造のイオントラップでも、高い解離効率で解離が進行している。これは、しかし、間欠導入バッファガスの導入を停止している場合のデータであり、トラッピング効率を高めるため、間欠導入バッファガスを導入すると信号量は増加するが、解離が進行しなくなる（解離効率は約１０％以下）。
【００８９】
一方、実施例３では、図２に示す従来法の６倍以上のトラッピング効率となるように間欠導入バッファガスを導入しても解離効率の低下は見られなかった。実施例３を用いれば、従来不可能であった高トラッピング効率を維持したままのレーザー照射によるイオン解離が可能になる。
【００９０】
（実施例４）
図１５は、本発明の実施例４であり、実施例１のイオントラップを用いる大気圧イオン化イオントラップ飛行時間型質量分析装置の構成例を示す図である。図４と同じものに同じ参照符号を付したので、両者を対比して明らかなように、実施例４の質量分析装置でも、イオン源１００により生成されたイオンがイオントラップ５００へ導入されるまでの経緯は実施例２の質量分析装置と同じである。
【００９１】
この実施例４では、イオンの検出方式が実施例２の質量分析装置と異なる。第３差動排気室４００に隣接して開口４３で連通したターボ分子ポンプ２３により排気される第４差動排気室６００（飛行時間型質量分析室）が設けられる。第４差動排気室６００内には数ｋＶの電圧が印加されたリフレクトロン４２が設けられ、イオントラップ５００からリフレクトロン４２の方向へ飛行したイオンは逆方向へ押し戻され検出器１３へ到達して検出される。すなわち、四重極イオントラップからイオンを引き出し、四重極イオントラップの中心軸と同軸方向に加速を行ない、イオンの飛行時間から質量分離を行なう。
【００９２】
イオントラップ５００内で解離されたイオンは、イオン検出過程の初期段階でエンドキャップ電極７ａ、７ｂの間に数１００Ｖ〜数ｋＶの直流電圧を印加することにより、第４差動排気室６００の方向に排出され、イオンの出口側のエンドキャップ電極７ｂと加速電極４０の間に、数１００Ｖ〜数ｋＶのパルス電圧を印加することにより、加速電極４０の開口４１を通して飛行時間型質量分析室６００に輸送される。実施例４の質量分析装置の検出器１３には高速のＭＣＰなどが用いられる。実施例４の構成は、実施例２の構成と比較して、検出されるイオンの質量分解能や質量精度がより優れている利点がある。
【００９３】
なお、実施例４では、上述の説明から明らかなように、実施例２および３で示した電源以外に直流電圧源およびパルス電源とこれらを必要個所に接続するための配線が必要である。しかし、これらは通常の技術者が容易に準備することができるものであるので、図示は省略した。また、制御装置３１をこれに対応するものとすることも同様に容易にできる。
【００９４】
図１６は、実施例４の測定シーケンスを示す図である。図１６に示す測定シーケンスは制御装置３１により制御される。以下、実施例４におけるイオントラップの動作方法を図１６を用いて説明する。
【００９５】
実施例４におけるイオントラップの動作は、実施例２（図５）、実施例３（図１３）と同様に、イオン蓄積過程、前駆イオン選択過程、イオン分解（解離）過程、イオン検出過程の４つのシーケンスがある。以下では、実施例４の測定シーケンスで実施例２の測定シーケンスと共通する点の説明は省略し、相違する点を中心に説明する。
【００９６】
イオン蓄積過程では、実施例２のイオン蓄積過程と同様にして、リング電極にトラッピング交流電圧が印加され、イオンはイオントラップ５００内にため込まれていく。実施例４のイオン蓄積過程では、正イオンの測定時に、ゲート入口電極８には−１００Ｖ程度、加速電極４０には１００Ｖ程度の電圧が印加される。前者はイオンを効率良くイオントラップへと導入するため、後者はイオントラップ５００に一度入ったイオンが排出されないために印加される。実施例２のイオン蓄積過程と同様にして、スペースチャージと呼ばれる現象が起こらないうちに蓄積を終了する。
【００９７】
エンドキャップ電極７ａを通過してイオントラップの内部へ到達したイオンのうち、安定にトラップされる効率はイオントラップの内部のクーリングガスによるガス圧に依存する。０．０６Ｐａ〜０．４Ｐａのガス圧力が、感度、分解能が良好なバッファガス圧である。
【００９８】
前駆イオン選択過程、イオン分解過程は、それぞれ、実施例２の前駆イオン選択過程、イオン分解過程と同じである。
【００９９】
イオン検出過程では、図１６に示すようにＤＣ電圧が印加され、エンドキャップ電極７ａ、７ｂ、リング電極９、加速電極４０に直流電圧が印加される。この時の電圧の一例として、入口側のエンドキャップ電極７ａに４ｋＶ、出口側のエンドキャップ電極７ｂに３．５Ｖ、加速電極４０に０Ｖ程度が印加される。０〜数１０マイクロ秒後にイオンは検出器１３に到達する。
【０１００】
（実施例５）
以上説明した実施例では、図５、図１３、図１６に示すように、パルスバルブ４４は１つであり、パルスバルブ４４からイオントラップの内部へ導入する間欠導入ガスのガス圧力を、パルス状に、ＯＮ、ＯＦＦの２通りに変化させたい場合の例を説明した。
【０１０１】
図１７は、本発明の実施例５であり、リング電極９に複数のパルスバルブ４４を配置する構成例を示す断面図である。図１７に示すように、パルスバルブ４４をリング電極９に複数設置すれば、イオンに化学作用を起こさせるためのガス噴射を与えることが可能である。この時、実施例２と同様に、エンドキャップ７ａ、７ｂの開口部５０ａ、５０ｂの中心を結ぶ軸にほぼ垂直でありイオントラップの重心を通る直線と各パルスバルブ４４のガス流路の中心軸とが一致する領域Ｏに、各パルスバルブ４４をリング電極９の一部に配置する。図１７に示す例では、２つのパルスバルブ４４が対向するようにリング電極９に配置されている。
【０１０２】
（実施例６）
前述の実施例は全てリング電極９にパルスバルブ４４を設けたものであったが、本発明では、当然、エンドキャップ７ａに設けても良い。図１８はこのような形になされた実施例を示す図である。
【０１０３】
図１８では、実施例２に示す第３差動排気室４００にイオントラップ５００を設け、エンドキャップ７ａにパルスバルブ４４を設けた。エンドキャップ７ｂの開口５０ｂはイオンの導出に必要であるので実施例２と同じにした。６０はエンドキャップ７ａとパルスバルブ４４との間の絶縁体である。エンドキャップ７ａの開口部５０ａはパルスバルブ４４の開口部がふさいでしまうので、イオントラップ５００内部に、直接、イオン源を設ける構造とした。トラップ内部に設定できるイオン源としては電子衝撃イオン源（ＥＩ）およびマトリックス支援レーザーイオン源（ＭＡＬＤＩ）があるが、図１８にはＥＩの場合を示す。試料溜め５６より、試料はキャピラリーチューブ５７を通り、絶縁体２８に設けられた開口５８からイオントラップ内部へと導入される。試料のイオン化はフィラメント５５より放出される電子と、キャピラリーチューブ５７から放出される試料ガスが衝突することにより行われる。その他の構成要素は実施例２（図４）の構成と同じものに同じ参照符号を付した。
【０１０４】
測定シーケンスは、実施例２のシーケンスを示す図５と同様であるフィラメント５５は制御装置３１により制御され、イオンため込み時のみ電流が流れ、熱電子を放出するように制御される。
【０１０５】
実施例６のように、イオン源をイオントラップの中に配置し、エンドキャップ７ａにパルスバルブ４４を設ける形としても、パルスバルブ４４から供給される間欠導入ガスの照射領域をイオンがトラップされるイオントラップ５００の重心付近の領域Ｏと一致させれば、効率良くイオンの分解ができる。
【０１０６】
（その他の実施例）
以上の各実施例では、イオン源としてエレクトロスプレーイオン源を用いた場合を例にとって説明したが、マトリックス支援レーザーイオン化、大気圧化学イオン化、超音速噴霧イオン化法等で生成されたイオンに関しても、本発明は同様の効果が得られる。
【０１０７】
本発明によれば、四重極イオントラップにおいて、感度や分解能を低下させることなく、低質量数の分解物イオンを検出でき、難分解性のイオンの分解が可能な質量分析装置を提供できる。従来技術に比べ、定性及び定量能力が向上した質量分析装置を提供できる。
【０１０８】
【発明の効果】
本発明によれば、イオントラップを用いる質量分析装置及び質量分析方法において、低質量数の分解物イオンを検出し、かつ高感度な測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の四重極イオントラップの実施例を断面図の形で示す図。
【図２】図１に示す実施例１に対応する従来方式の四重極イオントラップの構成を示す断面図。
【図３】既設の質量分析装置のイオントラップを図１に示す本発明の実施例１の構造とした場合と、図２に示す従来の構造とした場合について、既知のサンプルの質量分析を行ない、イオンのトラッピング効率の間欠導入バッファガス量依存性を評価した結果を示す図。
【図４】本発明の第２の実施例であり、イオン源としてエレクトロスプレーイオン源を用い、実施例１のイオントラップを用いた大気圧イオン化イオントラップ質量分析装置の構成例を、主要な構成部分を断面で示す図。
【図５】本発明の実施例２の測定シーケンスを示す図。
【図６】実施例２における電圧設定方法に係る擬似的なポテンシャルとイオンの安定度を決定する指数との関係を示す図。
【図７】実施例２における電圧設定方法に係る共鳴周波数とイオンの安定度を決定する指数との関係を示す図。
【図８】本発明の効果を検証するために、実施例２において、実際にイオンの安定度を決定する指数であるｑ_Z値を変化させた時のロイシンエンケファリン１価イオンの分解効率を示す図。
【図９】本発明の実施例２におけるイオン分解過程での電圧設定方法の一例を示す図であり、エンドキャップ電極７ａ、７ｂの間に印加する補助交流電圧の例を示す図。
【図１０】本発明の実施例２において、Ａｒをイオン分解過程で導入して単一周波数の補助交流電圧を印加した場合のロイシン−エンケファリン擬分子イオンの質量スペクトルを示す図。
【図１１】本発明の実施例２において、Ａｒをイオン分解過程で導入して広帯域の補助交流電圧を印加した場合のロイシン−エンケファリン擬分子イオンの質量スペクトルを示す図。
【図１２】本発明の実施例３であり、実施例２で説明した大気圧イオン化イオントラップ質量分析装置に対して、レーザー照射によるイオン解離を適用した構成をもつ質量分析装置の構成例を示す図。
【図１３】本発明の実施例３の測定シーケンスを示す図。
【図１４】図図２に示す従来のイオントラップの構造で連続してイオン解離のための間欠導入バッファガスを導入した場合と、実施例３の場合とを、トラップされるイオン量とレーザー照射によるイオン解離効率について比較した結果を示す図。
【図１５】本発明の実施例４であり、実施例１のイオントラップを用いる大気圧イオン化イオントラップ飛行時間型質量分析装置の構成例を示す図。
【図１６】本発明の実施例４の測定シーケンスを示す図。
【図１７】本発明の実施例５であり、リング電極９に複数のパルスバルブ４４を配置する構成例を示す断面図。
【図１８】本発明の実施例６であり、エンドキャップ７ａにパルスバルブ４４を設けた質量分析装置の構成例を示す断面図。
【符号の説明】
１…ＥＳＩキャピラリー、２…ガス導入外筒、３…イオン取り込み細孔、４…第２細孔、７ａ，７ｂ…オクタポール、６ａ、６ｂ…オクタポール、７ａ、７ｂ…エンドキャップ電極、８…ゲート入口電極、９…リング電極、１０…ゲート出口電極、１１…偏向電極、１２…コンバージョンダイノード、１３…検出器、１５…入射窓、１６…レンズ、１７…反射ミラー、２０…ポンプ、２１…ターボ分子ポンプ、２２…ターボ分子ポンプ、２３…ターボ分子ポンプ、２４…ガスボンベ、２５…ガスボンベ、２７…クーリングガス導入孔、２８…絶縁体、２９…絶縁体に形成された孔、３０…赤外レーザー、３１…制御装置、３２…補助交流電圧発生電源、３３…トラッピング用交流電圧発生電源、３４…パルスバルブ制御用電源、４０…加速電極、４２…リフレクトロン、４４…パルスバルブ、５０ａ…エンドキャップ７ａの開口部、５０ｂ…エンドキャップ７ｂの開口部、５１…単一周波数の補助交流電圧、５２…広帯域の補助交流電圧、５３…時間的に周波数変化する補助交流電圧、５５…フィラメント、５６…試料溜め、５７…キャピラリーチューブ、５８…開口、６０…絶縁体、１００…大気中に配置されているイオン源、２００…第１差動排気室、３００…第２差動排気室、４００…第３差動排気室、５００…四重極イオントラップ。

Claims

試料のイオンを生成するイオン源と、
１対のエンドキャップ電極とリング電極とを具備し前記イオンを蓄積して排出するイオントラップと、
前記リング電極又は前記エンドキャップ電極に配置され、間欠導入バッファガスを前記イオントラップの内部に導入するガス導入孔と、
前記イオントラップから排出されたイオンを検出する検出装置とを有し、
前記ガス導入孔の中心軸が、前記イオントラップの中心を通るように配置され、
前記リング電極に印加する交流電圧の印加タイミングと前記ガス導入孔からの前記間欠導入バッファガスの導入のタイミングとを制御する装置を備えることを特徴とする質量分析装置。
請求項１に記載の質量分析装置において、前記ガス導入孔が前記リング電極に配置されていることを特徴とする質量分析装置。
請求項１に記載の質量分析装置において、前記ガス導入孔が少なくとも一方の前記エンドキャップ電極に配置されていることを特徴とする質量分析装置。
請求項１に記載の質量分析装置において、前記間欠導入バッファガスが、ソレノイドを利用したパルスバルブを介して、前記イオントラップの内部に導入されることを特徴とする質量分析装置。
請求項１に記載の質量分析装置において、前記ガス導入孔の先端部から前記イオントラップの中心までの距離が１６ｍｍ以下であることを特徴とする質量分析装置。
イオン源で試料のイオンを生成する過程と、
前記イオンを、１対のエンドキャップ電極とリング電極を具備するイオントラップに入射させて蓄積する過程と、
所望の質量数をもつ前駆イオンを前記イオントラップに選択的に保持する過程と、
前記リング電極に配置され、前記イオントラップの中心を通るように配置される中心軸をもつガス導入孔から間欠導入バッファガスを、前記イオントラップの内部に導入して、前記前駆イオンを分解する過程と、
前記イオントラップから分解されたイオンを排出する過程と、
排出された前記イオンを検出する過程と、
前記リング電極に印加する交流電圧の印加タイミングと前記ガス導入孔からの前記間欠導入バッファガスの導入のタイミングとを制御する過程とを有することを特徴とする質量分析方法。