JP4223937B2 - 質量分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、質量分析装置に関する。

プロテオーム解析などに用いられる質量分析計において、直交型飛行時間型質量分析計（以下直交ＴＯＦ）すなわち、ＴＯＦ部へのイオン導入方向とＴＯＦ部でのイオン加速方向が直交する飛行時間型質量分析計は広く利用されている。従来、これらの分析がどのようにおこなわれていたのかについて、以下説明する。

直交ＴＯＦに関する報告がある（例えば、非特許文献１参照）。ＴＯＦ部の直前に１０Ｐａ程度に排気された真空室に多重極ロッド電極を設置する。また、多重極ロッド電極に囲まれた領域ではガスとの衝突によりイオンは運動エネルギーを失い中心軸付近へ収束する。多重極ロッド電極を通過しＴＯＦ部へ導入されたイオンに対し、イオン導入方向と直行方向に加速することにより、加速方向の初期位置幅、初期エネルギー幅が抑えられ、ＴＯＦ部での質量分解能が向上する。

更に、この方法を改良して直交ＴＯＦのイオン利用効率を向上させる報告がある（例えば、特許文献１参照）。ＴＯＦ部の前段の多重極ロッド電極とその出口側に配した端電極との間に電位勾配を設け、イオンを多重極室にトラップする。また、この電位勾配をパルス的に反転させることにより、多重極室にトラップされたイオンをＴＯＦ部へ排出する。排出されたイオンがＴＯＦの加速部に到達するタイミングに同期させ加速電圧を印加することにより、特定質量範囲のイオン利用効率をほぼ１００％にまで向上することが可能である。

また、４重極マスフィルターと直交ＴＯＦとを組み合わせたＱｑ-ＴＯＦにおける直交ＴＯＦでのイオン利用効率を向上させる報告がある（例えば、特許文献２参照）。Ｑｑ-ＴＯＦでは、プリカーサーイオンの選択を行う４重極マスフィルターとＴＯＦ部との間に衝突室が設置されている。衝突室は１０Ｐａ程度に排気された真空室であり、多重極ロッド電極が設置されている。４重極マスフィルターで選択されたイオンは、多重極ロッド電極に囲まれた領域ではガスとの衝突により分解し、その後、イオンはガス衝突により運動エネルギーを失い中心軸付近へ収束する。ＴＯＦ部の前段の多重極ロッド電極とその出口側に配した端電極との間に電位勾配を設け、イオンを多重極室にトラップする。また、この電位勾配をパルス的に反転させることにより、多重極室にトラップされたイオンをＴＯＦ部へ排出する。排出されたイオンがＴＯＦの加速部に到達するタイミングに同期させ加速電圧を印加することにより、特定質量範囲のイオン利用効率をほぼ１００％にまで向上することが可能である。

次に、プロテオーム解析などに用いられる質量分析計において、また、多重極リニアトラップから特定質量範囲のイオンを排出する方法について、従来、これらの分析がどのようにおこなわれていたのかについて、以下説明する。

多重極リニアトラップから特定質量範囲のイオンを排出する方法について報告がある（例えば、特許文献３参照）。この方式では、多重極ロッド電極間に羽電極を挿入し、直流電圧を印加することにより、軸方向に静電的な調和ポテンシャルを形成する。羽電極は軸方向に２つ以上に分割されており、この間に補助的な交流電圧を印加することにより、イオンを軸方向に共鳴させる。共鳴したイオンは軸方向に形成された静電的な調和ポテンシャルを越え、軸方向に排出される。共鳴周波数は質量数により異なるので、質量選択的にイオンを軸方向に排出することが可能である。

また、４重極リニアトラップから特定質量範囲のイオンを排出する方法について報告がある（例えば、特許文献４参照）。端電極と４重極ロッド間に直流電位を印加し、イオンをリニアトラップに蓄積する。４重極ロッド電極間、もしくは４重極ロッド電極と端電極との間に補助交流電圧を印加することにより、４重極リニアトラップ内部に元々形成されている径方向の４重極または８重極成分と共鳴させる。径方向に与えられた運動エネルギーが軸方向に変換することにより、イオンは端電極と４重極ロッド間に形成された直流電位を越え、軸方向に排出される。共鳴周波数は質量数により異なるので、質量選択的にイオンを軸方向に排出することが可能である。

また、多重極リニアトラップからの特定質量数範囲の排出と直交ＴＯＦとの組み合わせにより、ＭＳ/ＭＳ測定モードの特定質量数範囲のイオン利用効率を向上させる報告がある（例えば、特許文献５参照）。質量分離手段、衝突室、質量分析手段を配し、このうち、質量分離手段および衝突室からのイオン排出のうち少なくとも一つに従来技術５で開示された質量選択的なイオン排出方法を用いることにより、特定質量範囲のイオン利用効率を向上することができる。

米国特許第５,６８９,１１１号

米国特許第６,５０７,０１９号 米国特許第５,７８３,８２４号 米国特許第６,１７７,６６８号 米国特許第６,５０４,１４８号 A. N. Krutchinsky et al. : Proceedings of the 43rd ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics, 1995, p.126

上述した従来例（非特許文献１）では、４０％以下の利用効率しか得られないという課題を有していた。イオン流は多重極ロッド電極から連続的にＴＯＦ部へ導入されるが、利用されるイオンは加速部領域（かつ検出器に到る領域）のイオンのみとなる。また、出口端電極から排出されたイオンがＴＯＦ部の加速部へ到達する時間は質量数により異なるため、質量数により、イオン利用効率が大きく異なり、特に低質量でのイオン効率が低くなる傾向がある。

また、従来例（特許文献１、２）では、高いイオン利用効率を得られる質量数範囲が極めて限定されるという課題を有していた。出口端電極から排出されたイオンがＴＯＦ部の加速部へ到達する時間は質量数により異なる。このため、特定質量数範囲以外のイオンは極めて低いイオン利用効率しか得られないというという課題を有していた。５０％以上のイオン利用効率を得られる典型的な質量数幅は、１Ｍ〜２Ｍ（例えば、質量数５００〜１０００）の範囲である。また、低質量域（例えば、質量数３００以下）、高質量域（例えば、質量数１６００以上）では、イオン利用効率は０なる。

また、従来例（特許文献３、４）では、多重極リニアトラップから質量選択的にイオン排出を行う方法についてのみ開示されており、直交ＴＯＦのイオン利用効率の向上方法については記されていない。

以上の従来例（非特許文献１および特許文献１〜４）に共通する問題として、少しでも広いマスウィンドウを得るためには大きな検出器（ＭＣＰ、Multi channel plate）が必要となる。これらは、大幅なコストアップとなる上、特にデータ変換にＡＤＣ（Analog-to-digital converter）を用いた場合は、検出器の大型化に起因する信号パルス幅の広がりが質量分解能の低下を引き起こすという課題を有していた。

さらに、従来例（特許文献５）ではＴＯＦ部の測定モードに依らない広い質量範囲でのイオン利用効率の向上の方法については記されていない。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、広い質量数範囲で高いイオン利用効率の質量分析装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の質量分析装置は、以下に示す特徴を有する。

（１）イオンを生成するイオン源と、前記イオンを輸送するイオン輸送部と、前記イオンを蓄積し、特定の質量数範囲のイオンを排出する第１のリニアトラップと、イオンを排出する出口端に端電極を配し、前記端電極の直流電位との相対的な直流電位勾配を変化させることにより、前記第１のリニアトラップから排出されたイオンをトラップし、繰り返しパルス状に排出する第２のリニアトラップと、前記第２のリニアトラップより排出されたイオンを直交方向へ加速し検出する飛行時間型質量分析部と、前記第１のリニアトラップから前記第２のリニアトラップへ排出されるイオンの質量数範囲に応じて、前記第２のリニアトラップからイオンが排出されるパルス時間幅またはイオン排出終了から前記飛行時間型質量分析部の加速電圧が印加されるまでの遅延時間幅を変化させる制御部とを具備することを特徴とする。

（２）前記（１）の質量分析装置において、前記第１のリニアトラップが、４本以上の多重極ロッド電極を有し、かつ、各ロッド電極間にリニアトラップの軸方向に調和ポテンシャルを形成可能な、前記軸方向に２つ以上に分割された羽電極を挿入して、前記ロッド電極と分割された前記羽電極の間に補助的な交流電圧を印加することにより、前記特定の質量数範囲のイオンを前記第２のリニアトラップに排出するよう構成されていることを特徴とする。

（３）前記（１）の質量分析装置において、前記第１のリニアトラップが、４本の４重極ロッド電極と、イオンを導入する入口端およびイオンを排出する出口端のそれぞれに配した端電極とを有し、前記出口端に配した端電極の形成する電位勾配により、イオンをトラップするポテンシャルを形成し、前記４重極ロッド電極および前記出口端に配した端電極のうち何れかの電極に補助的な交流電圧を印加して、前記特定の質量数範囲のイオンを前記第２のリニアトラップに排出するよう構成されていることを特徴とする。

（４）前記（１）の質量分析装置において、前記第１のリニアトラップおよび前記第２のリニアトラップが、同一の多重極ロッド電極で構成されていることを特徴とする。

（５）前記（２）又は（３）の質量分析装置において、前記第２のリニアトラップが、前記出口端に配された端電極の電位を前記ロッド電極の中心軸上の電位より上下させることにより、イオンを蓄積し、前記飛行時間型質量分析部へ排出するよう構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、広い質量数範囲を高感度かつ高質量精度で分析可能な質量分析装置を提供することができる。

以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳述する。

（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例になる飛行時間型質量分析装置の構成図を示す。なお、ポンプ等の排気装置およびバッファーガス等の導入機構は簡略化のため省いてある。

エレクトロスプレーイオン源、マトリックス支援レーザーイオン源、大気圧化学イオン源、大気圧光イオン源、または大気圧マトリックス支援レーザー脱離イオン源などのイオン源３０１で生成されたイオンは、オクタポール、４重極マスフィルター、またはイオン蓄積、イオン単離、イオン解離などが可能な４重極イオントラップもしくは多重極リニアトラップよりなるイオン輸送部３０２、入口側の端電極２を経て、第１のリニアトラップに導入される。なお、第１のリニアトラップの詳細については、先述した従来例（特許文献３）に記載されている。

第１のリニアトラップは、端電極２、３、および４本、６本、８本等の多重極ロッド電極４（本例では、４重極ロッド電極の場合を示す）、およびそれらの間にに挿入されたＺ軸上に２枚に分断された羽電極１ａ、１ｂより構成される。図１６は、羽電極１が４重極ロッド電極４の間に挿入されている構成例を示す。図では、羽電極１は、４重極ロッド電極４のすべての間に設置されているが、対向する一対の間に設置される２枚の羽電極でもこのような電位形成は可能である。また、羽電極１は、Ｚ軸上方向に２枚以上（本例では、１ａ、１ｂの２枚の場合を示す）で分割されている。

４重極ロッド電極４には、ＲＦ電源１０２で生成した交互に位相の反転したＲＦ電圧が印加される。このＲＦ電圧の典型的な電圧振幅は数１００〜数ｋＶ、周波数は５００ｋＨｚ〜２ＭＨｚ程度である。この空間の典型的なガス圧力が０.０２〜１０Ｐａ（ヘリウムＨｅの場合）、または０.００６〜３Ｐａ（アルゴンＡｒ、空気、窒素Ｎ_２、またはそれらの混合気体の場合）となるようにガスが供給されている（図示せず）。この部分へイオン輸送部３０２より導入されたイオンはガスとの衝突により運動エネルギーを失い、ほぼ室温の状態（０.０２５ｅＶ）にまで冷却され、中心部にトラップされる。

挿入された羽電極１とロッド電極の間には直流バイアス電源１０４により直流電圧（５Ｖ〜３０Ｖ程度）が印加される。この直流電圧印加に伴い、ロッド電極４および羽電極１により囲まれた空間上にはＺ軸方向に調和ポテンシャルを形成することが可能である（図１下の電位図参照）。この軸上に形成された調和ポテンシャルの大きさをＤ_０、Ｚ軸原点を調和ポテンシャルの極小点（０）におき、その極小点から端部までの距離をａとすれば、調和ポテンシャルの極小点からの距離Ｚにおける軸方向のポテンシャルＤ(Ｚ)は、次式（数１）で近似される。

・・・・・・・・・・（数１）
また、羽電極１ａと羽電極１ｂの間には補助的交流電源で生成された交流電圧が印加される。この電圧の典型的な電圧振幅は０.３〜３Ｖ、周波数は１〜１０００ｋＨｚ程度の単一周波数またはそれらを重畳した電圧が印加される。これら周波数の選択について下記説明する。Ｚ軸方向の運動方程式は、次式（数２）で表記される。

・・・・・・・・・・（数２）
ここで、ｍはイオン質量、ｅは電子素量、ｎは荷電数。

上記より、Ｚ軸方向の共鳴周波数ｆは、次式（数３）で表記される。

・・・・・・・・・・（数３）
Ｄ_０＝１０ｅＶ、ａ＝２５ｍｍのとき、ｆは、次式（数４）で表記される。

・・・・・・・・（数４）
ここで、Ｍは質量数。

図２は、排出質量数と共鳴周波数の関係を示したものである。質量数の平方根に反比例して減少する。共鳴電圧の印加により、共鳴する質量数のイオンは軸方向に励起され、１ｍｓ以内に調和ポテンシャルを越え、外部に排出することが可能である。この際、共鳴の影響を受けないイオンは中心付近に蓄積され続ける。入口端電極２の電位を出口端電極３より数Ｖ程度高めに設定しておけばイオンは出口端電極３の方向へほぼ１００％排出される。

第２のリニアトラップは、４本、６本、８本等の多重極ロッド電極５、端電極６により構成される。ロッド電極５にはＲＦ電源１０５で生成した交互に位相の反転したＲＦ電圧が印加される。このＲＦ電圧の典型的な電圧振幅は数１００〜数ｋＶ、周波数は５００ｋＨｚ〜２ＭＨｚ程度である。この空間の典型的なガス圧力が４〜２０Ｐａ（Ｈｅの場合）、または０．５〜３Ｐａ（Ａｒ、Ｎ_２等の場合）となるようにガスが供給されている（図示せず）。第２のリニアトラップでは第１のリニアトラップより排出されたイオンはガス衝突により運動エネルギーを失い、ほぼ室温の状態（０.０２５ｅＶ）にまで冷却される。また、第２のリニアトラップの出口部分には端電極６を有し、この電圧は端電極電源１０６により制御される。端電極６の電位をロッド電極５の中心軸上の電位より上下させることにより、イオンを蓄積、排出することが可能である（図１下の電位図参照）。すなわち、正イオンの場合であれば、端電極の電位を中心軸上電位より数Ｖ高く設定（実線）することによりイオン蓄積が可能であり、逆に数Ｖ低く設定（点線）すればイオンは端電極６の細孔を通過してＴＯＦ部へ導入される。なお、負イオン測定の場合は極性を反転すれば良い。端電極の電圧は端電極電源１０６により生成される。

ＴＯＦ部へ導入されたイオンは、複数電極より構成されたイオンレンズ７により、イオン収束を行った後、押し出し電極８および引き込み電極９より構成される飛行時間型質量分析部の加速部へと導入される。加速部電源１０７により、押し出し電極８、引き出し電極９の間に数１００Ｖ〜数ｋＶの電圧を印加することにより、イオンはイオン導入方向と直交方向へ加速される。なお、加速電圧印加のタイミングは端電極５でのイオン排出のタイミングと後述する関係において同期させる。直交方向に加速されたイオンはそのまま検出器に到る（図示せず）か、リフレクトロン１０と呼ばれる反射レンズを経て偏向した後、ＭＣＰなどからなる検出器１１に到達する。加速部の加速開始時間からイオン検出時間との関係からイオンの質量数が計測可能である。到達したイオンは増幅や積算を経た後、コントローラー１０１に蓄積される。

本実施例では、コントローラー１０１により、補助交流電圧電源１０３、端電極電源１０６、加速部電源１０７を制御することにより広い質量数領域において高感度な検出が可能となる。以下、具体的な制御パラメータについて、図３〜図６を用いて説明する。

図３に、測定シーケンスを示す。図において、羽電極１ａ、１ｂ間に印加される補助交流電圧、および第２のリニアトラップの出口端電極６に印加される端電極電圧、および押し出し電極８、引出し電極９に印加される加速部電圧を示す。補助交流電圧の振幅Ｖ(ｔ)、周波数ｆ(ｔ)、第２のリニアトラップからイオンが排出されるパルス時間幅Ｔ_１または排出終了から飛行時間質量分析部の加速電圧が印加されるまでの遅延時間幅Ｔ_２は時間とともに変化していく。以下、これらの数値の一具体例を示す。

まず、図４に、質量数１００〜１００００までの測定を行う場合の各測定時間におけるターゲット質量数を示す。横軸に測定時間、縦軸に測定ターゲット質量数を示す。本例では、１測定４６０ｍｓ程度を要する。これは、第１のリニアトラップから排出されるイオンの質量分解能を１００（Ｍ/ΔＭ）、すなわち質量域（１Ｍ〜１.０１Ｍ）のイオン測定を１ｍｓ以内で行うとの設定を行った場合である。時間とともにターゲット質量数は増加していき、質量数１００００に到達した後、また質量数１００へと戻り、この動作を繰り返す。

図４のような質量数領域のイオンを第１のトラップから第２のトラップへと排出するための、補助交流電圧の周波数を、図５に示す。ターゲット質量数が大きいほど、先述の（数４）の関係から、周波数は低下していく。なお、補助交流電圧の振幅値は、ガス圧力や装置の大きさ、ポテンシャル、スキャン速度、ターゲット質量数に大きく依存するが典型的には０.３〜３Ｖ程度である。

次に、各測定時間におけるＴ_１、Ｔ_２の設定値を、図６に示す。本例は、端電極６から加速部領域までの距離Ｌ_０＝４０ｍｍ、有効加速領域Ｍ_０＝２０ｍｍ、入射エネルギー５ｅＶ、Ｔ_２＝２Ｔ_１とした場合である。

このうち、３つの測定時間（ｔ＝０ｍｓ、１５０、３００、４６０ｍｓ）におけるイオンの利用効率の質量依存性を、図７に示す。Ｔ_１、Ｔ_２を異なる値に設定することにより、異なる質量数範囲で高いイオン利用効率が得られる。第１のトラップから排出されたイオンが第２のトラップからＴＯＦ部へ排出されるイオン排出時間は０〜１０ｍｓ程度であるから、第２のトラップには実質的に１Ｍ〜１.１Ｍ程度の広がりでイオンが存在することになる。このとき、Ｔ_１、Ｔ_２は１.０５Ｍ付近を利用効率最大となるように設定すれば、イオンの利用効率は９０％以上である。よって、一連の測定では、前段の共鳴周波数に応じて、Ｔ_１、Ｔ_２を変化させることにより、質量数１００〜１００００の広い質量数範囲において高いイオン利用効率が得られる。

図８に、本実施例による方式、先述した従来技術１（非特許文献１）および従来技術２（特許文献１）の各方式における質量数１００〜１００００でのイオンの利用効率を示す。いずれも、Ｌ_０＝４０ｍｍ、Ｍ_０＝２０ｍｍ、Ｔ_２＝２Ｔ_１（従来方式２および本実施例）で計算した結果である。

従来技術１は、質量数１００〜７０００で５〜３３％のイオン利用効率が得られる。加速周期を早く設定すれば、この分布を低質量数側にシフトさせることは原理的には可能であるが、特にリフレクトロン型タイプのＴＯＦを用いた場合には、ＴＯＦ部での飛行時間が長くなるため、スペクトル上の重複が問題となってくる。一方、従来技術２では、質量数１０００でのイオン利用効率が最大となるようにＴ_１＝２０μｓ、Ｔ_２＝４０μｓに設定した場合のイオン利用効率である。質量数８４０〜１１７０で８０％以上の高いイオン利用効率が得られる。しかし、質量数１００〜４３０、２３８０〜１００００のイオンは全く検出不可能である。イオン排出の時間（Ｔ_１、Ｔ_２）の設定により、分布を平行移動したり、分布の広がりを僅かに変化させることは可能であるが、質量数範囲とイオン利用効率の２者択一となる。

一方、本実施例を用いた場合は、まず、イオンは第１のトラップに蓄積され、その後ある質量数範囲のイオンのみが第２のトラップへと輸送され、それらの質量数範囲に適合したＴ_１、Ｔ_２を設定しＴＯＦ測定が行われ、その後、順次第１のトラップから第２のトラップへ排出するイオンの質量数範囲を変化させ、それに応じてＴ_１、Ｔ_２を設定する。これら一連の測定により、本実施例におけるイオン利用効率は質量数１００〜１００００の広い質量数範囲において９０％以上の高い利用効率が達成可能である。

（実施例２）
第１のリニアトラップで蓄積可能なイオン量は限定されており、スペースチャージの影響を受けないためには、より高速な測定が望まれる。

次に、測定を高速化する本発明の第２の実施例について説明する。装置構成は、第１の実施例（図１）とほぼ同様である。ただし、補助交流電源１０３は複数の高周波電圧の重畳波形を生成可能である。

図９に、その測定シーケンスを示す。Ｔ_０間に、後述する補助交流電圧を羽電極１ａ、１ｂ間に印加することにより、特定の質量数範囲のイオンのみを第１のリニアトラップから
第２のリニアトラップへと移送する。また、測定開始からある一定時間Ｔ_３（１０ｍｓ程度）の間、Ｔ_１、Ｔ_２を固定して検出を行う。この一定のＴ_１、Ｔ_２を設定する時間Ｔ_３を１スキャンと定義して、複数スキャンを行う。

図１０に、１Ｍ〜１.２Ｍまでのイオンを１スキャンで計測する場合の各スキャンにおけるターゲット最大質量数とターゲット最小質量数を示す。１Ｍ〜１.２Ｍまでのイオンを１スキャンで計測するとすれば、質量数１００〜１００００の測定を行うため１２個のスキャンが必要である。各々のスキャンは、第２のリニアトラップの通過時間である１０ｍｓ程度が適当であるから、１２０ｍｓで１測定が終了するため、第１の実施例よりも高速な測定が可能である。

図１１に、各スキャンにおける印加する周波数の最大値（最小質量対応周波数）と最小値（最大質量対応周波数）を示す。これらの重畳波形は０.１〜０.５ｋＨｚおきにＲＦ電圧を逆フーリエ変換により、合成可能である。現実的には、あらかじめそれらの合成波形を、補助交流電源１０３のメモリ内部に格納しておけば、高速呼び出しが可能である。

図１２に、各スキャンにおけるＴ_１、Ｔ_２の設定値を示す。各々、測定対象質量数の中央値（１.１Ｍ）のイオン利用効率が最大となるようにセットされている。本実施例を用いれば、質量数１００〜１００００までの質量数イオンを９０％以上の効率で実施例１よりも短時間で測定することが可能である。本実施例では１Ｍ〜１.２Ｍまでの範囲で１スキャンを形成したが、この広がりをより広くすることにより、更に高速化は可能である。しかし、この場合にはイオン利用効率は漸次低下していく。

（実施例３）
次に、本発明の第３の実施例について、図１３を用いて説明する。本実施例は、第１のリニアトラップ１６と第２のリニアトラップ１７を同一の多重極ロッド電極１２を用いることにより、装置を簡便化、低コスト化できる。図１３は、ポンプ等の排気装置およびバッファーガス等の導入機構は簡略化のため省いてある。

エレクトロスプレーイオン源、大気圧化学イオン源、大気圧光イオン源、または大気圧マトリックス支援レーザー脱離イオン源などのイオン源３０１で生成されたイオンは、オクタポール、４重極マスフィルター、または多重極リニアトラップよりなるイオン輸送部３０２、入口端電極２を経て、第１のリニアトラップ１６に導入される。第１のリニアトラップ１６は、端電極２、および４本、６本、８本等の多重極ロッド電極１２（本例では、４重極ロッド電極の場合を示す）、およびそれらに挿入された軸上に２枚に分断された羽電極１５ａおよび羽電極１５ｂで囲まれた領域の一部より構成される。羽電極１５ａ、１５ｂは、第１の実施例で述べたように、４重極ロッド電極１２の間に挿入されている。羽電極１５ａ、１５ｂは、４重極ロッド電極１２のすべての間に設置しても良いし、対向する１対の間に設置しても良い。羽電極１５は、Ｚ軸上方向に２枚以上（本例では、１５ａ、１５ｂの２枚の場合を示す）で分割されている。

４重極ロッド電極１２には、ＲＦ電源１０２で生成した交互に位相の反転したＲＦ電圧が印加される。このＲＦ電圧の典型的な電圧振幅は数１００〜数ｋＶ、周波数は５００ｋＨｚ〜２ＭＨｚ程度である。第１のリニアトラップ１６および第２のリニアトラップ１７の典型的なガス圧力が１〜１０Ｐａ（Ｈｅの場合）、または０.３〜３Ｐａ（Ａｒ、Ｎ_２等の場合）となるようにガスが供給されている（図示せず）。この部分へイオン輸送部３０２より導入されたイオンはガスとの衝突により運動エネルギーを失い、ほぼ室温の状態（０.０２５ｅＶ）にまで冷却され、中心部にトラップされる。挿入された羽電極１５とロッド電極１２の間には直流バイアス電源１０４により直流電圧（５Ｖ〜３０Ｖ程度）が印加される。この直流電圧印加に伴い、ロッド電極４および羽電極１により囲まれた空間上にはＺ軸方向に調和ポテンシャルを形成することが可能である（図１３下の電位図参照）。補助交流電源１０３による共鳴電圧の印加により、共鳴する質量数のイオンは軸方向に励起され、１ｍｓ以内に調和ポテンシャルを越え、第２のリニアトラップ１７に排出することが可能である。この際、共鳴の影響を受けないイオンは中心付近に蓄積され続ける。入口端電極２の電位を第１のリニアトラップ１６の出口部分の電位より、数Ｖ程度高めに設定しておけば、イオンは第２のリニアトラップ１７の方向へほぼ１００％排出される。

第２のリニアトラップ１７は、４本、６本、８本等の多重極ロッド電極１２、羽電極１５ｂの一部、端電極６により構成される。第２のリニアトラップでは、第１のリニアトラップより排出されたイオンはガス衝突により運動エネルギーを失い、ほぼ室温の状態（０.０２５ｅＶ）にまで冷却される。第２のリニアトラップの中心軸上には、軸方向に加速電位が形成されており、イオンを効率良く、端電極６の近辺まで移送することが可能である。第２のリニアトラップ１７の出口部分には端電極６を有し、この電圧は端電極電源１０６により制御される。端電極６の電位をロッド電極５の中心軸上の電位より上下させることにより、イオンを蓄積、排出することが可能である（図１３下の電位図参照）。すなわち、正イオンの場合であれば、端電極の電位を中心軸上電位より数Ｖ高く設定（実線）することによりイオン蓄積が可能であり、逆に数Ｖ低く設定（点線）すれば、イオンは端電極６の細孔を通過してＴＯＦ部へ導入される。なお、負イオン測定の場合は極性を反転すれば良い。端電極の電圧は端電極電源１０６により生成される。

ＴＯＦ部へ導入されたイオンは、複数電極より構成されたイオンレンズ７により、イオン収束を行った後、押し出し電極８および引き込み電極９より構成される飛行時間型質量分析部の加速部へと導入される。加速部電源１０７により、押し出し電極８、引き出し電極９の間に数１００Ｖ〜数ｋＶの電圧を印加することにより、イオンはイオン導入方向と直交方向へ加速される。なお、加速電圧印加のタイミングは、端電極６でのイオン排出のタイミングと後述する関係において同期させる。直交方向に加速されたイオンはそのまま検出器に到る（図示せず）か、リフレクトロン１０と呼ばれる反射レンズを経て偏向した後、ＭＣＰなどからなる検出器１１に到達する。加速部の加速開始時間からイオン検出時間との関係からイオンの質量数が計測可能である。到達したイオンは増幅や積算を経た後、コントローラー１０１に蓄積される。第３の実施例ではコントローラー１０１により、補助交流電圧電源１０３、端電極電源１０６、加速部電源１０７を制御することにより高質量領域において高感度な検出が可能となる。制御パラメータおよび制御方式については、第１の実施例および第２の実施例と同様な方法により可能である。

（実施例４）
本発明による方式は、多重極リニアトラップから質量選択的にイオン排出可能な他の方法と結合しても類似の効果が得られる。図１４は、本発明の第４の実施例を示し、第１のリニアトラップとして、先述した従来例（特許文献４）に記載の方式を適用した場合の装置構成図である。ポンプ等の排気装置およびバッファーガス等の導入機構は簡略化のため省いてある。

エレクトロスプレーイオン源、大気圧化学イオン源、大気圧光イオン源、または大気圧マトリックス支援レーザー脱離イオン源などのイオン源３０１で生成されたイオンは、オクタポール、４重極マスフィルター、または多重極リニアトラップよりなるイオン輸送部３０２、端電極２を経て、第１のリニアトラップに導入される。本実施例の第１のリニアトラップは、４本の４重極ロッド電極１３、端電極２および端電極１４で構成される。４重極ロッド電極１３には電源１０８で生成した位相の反転したＲＦ電圧が交互に印加される。このＲＦ電圧の典型的な電圧振幅は数１００〜数ｋＶ、周波数は５００ｋＨｚ〜２ＭＨｚ程度である。この部分でイオン輸送部３０２より排出されたイオンはガス衝突により運動エネルギーを失い、ほぼ室温の状態（０.０２５ｅＶ）にまで冷却され、第１のトラップの内部にトラップされる。

図１５（ａ）〜（ｃ）に、本実施例における第１のトラップからのイオン排出のための電圧印加方法（３例）について示す。図１５（ａ）に、対向するロッド間に４重極共鳴電圧を印加する場合のＲＦ電圧および補助交流電圧印加を示す（図中、Ｇはグラウンド電圧）。図１５（ｂ）に、対向するロッドに同一、同位相の８重極共鳴電圧を印加する場合のＲＦ電圧および補助交流電圧印加を示す。図１５（ｃ）に、端電極１４と４重極ロッド電極１３との中心電位間に８重極共鳴電圧を印加する場合のＲＦ電圧および補助交流場合を示す。共鳴周波数と質量数との関係は、図１５（ａ）の場合であれば、次式（数５）で記述され、図１５（ｂ）および図１５（ｃ）の場合であれば、次式（数６）で記述される。

・・・・・・・・・・（数５）

・・・・・・・・・・（数６）
ここで、β(Ｍ)は質量数やＲＦ電圧振幅等により一義的に決定されるパラメータであり、詳細は、例えば「Practical Aspects of Ion Trap Mass Spectrometry, CRC Press, 1995」等に記載されている。

イオンは、共鳴によりｒ方向に最初励起されるが、Ｚ軸の運動エネルギーへと変換し、結果としてＺ軸方向に排出される。入口側の端電極２の電位を出口端電極１４より数Ｖ程度高めに設定しておけばイオンは第２のトラップの方向へ排出される。本方式ではコントローラー１０１により、電源１０８、端電極電源１０６、加速電源１０７を制御することにより高質量領域において高感度な検出が可能となる。第２のトラップ以降のイオン検出手段はおよび同期手法は制御パラメータおよび制御方式については、第１の実施例および第２の実施例と同様な方法により可能である。

以上、詳述したように、本発明によれば、従来技術ではいずれも不可能であった広いマスウィンドウでの高いイオン利用効率の向上が期待できる直交型飛行時間型質量分析装置を得ることである。また、検出器の小型化により、コストを低減し、ＴＯＦ部における質量分解能を向上することが可能となる。

本発明の第１の実施例における装置構成を説明する図。 第１の実施例における排出質量数と共鳴周波数の関係を説明する図。 第１の実施例における測定シーケンスを説明する図。 第１の実施例の効果（１）を説明する図。 第１の実施例の効果（２）を説明する図。 第１の実施例の効果（３）を説明する図。 第１の実施例の効果（４）を説明する図。 第１の実施例の効果（５）を説明する図。 本発明の第２の実施例における測定シーケンスを説明する図。 第２の実施例の効果（１）を説明する図。 第２の実施例の効果（２）を説明する図。 第２の実施例の効果（３）を説明する図。 本発明の第３の実施例における装置構成を説明する図。 本発明の第４の実施例における装置構成を説明する図。 第４の実施例における電圧印加（１）を説明する図。 第４の実施例における電圧印加（２）を説明する図。 第４の実施例における電圧印加（３）を説明する図。 第１の実施例における４重極ロッド電極と羽電極との配置構成を説明する図。

符号の説明

１ａ、１ｂ…羽電極、２…入口端電極、３…出口端電極、４…多重極ロッド電極、５…多重極ロッド電極、６…端電極、７…イオンレンズ、８…押出し電極、９…引出し電極、１０…リフレクトロン、１１…検出器、１２…多重極ロッド電極、１３…４重極ロッド電極、１４…端電極、１５…羽電極、１６…実施例３の第１のリニアトラップ、１７…実施例３の第２のリニアトラップ、１０１…コントローラー、１０２…ＲＦ電源、１０３…補助交流電源、１０４…直流電源、１０５…ＲＦ電源、１０６…端電極電源、１０７…加速電源、１０８…電源、１０９…端電極電源、３０１…イオン源、３０２…イオン輸送部。

Claims (10)

1. イオンを生成するイオン源と、前記イオンを輸送するイオン輸送部と、前記イオンを蓄積し、特定の質量数範囲のイオンを排出する第１のリニアトラップと、イオンを排出する出口端に端電極を配し、前記端電極の直流電位との相対的な直流電位勾配を変化させることにより、前記第１のリニアトラップから排出されたイオンをトラップし、繰り返しパルス状に排出する第２のリニアトラップと、前記第２のリニアトラップより排出されたイオンを直交方向へ加速し検出する飛行時間型質量分析部と、前記第１のリニアトラップから前記第２のリニアトラップへ排出されるイオンの質量数範囲に応じて、前記第２のリニアトラップからイオンが排出されるパルス時間幅またはイオン排出終了から前記飛行時間型質量分析部の加速電圧が印加されるまでの遅延時間幅を変化させる制御部とを具備することを特徴とする質量分析装置。
2. 請求項１に記載の質量分析装置において、前記第１のリニアトラップが、４本以上の多重極ロッド電極を有し、かつ、各ロッド電極間にリニアトラップの軸方向に調和ポテンシャルを形成可能な、前記軸方向に２つ以上に分割された羽電極を挿入して、前記ロッド電極と分割された前記羽電極の間に補助的な交流電圧を印加することにより、前記特定の質量数範囲のイオンを前記第２のリニアトラップに排出するよう構成されていることを特徴とする質量分析装置。
3. 請求項１に記載の質量分析装置において、前記第１のリニアトラップが、４本の４重極ロッド電極と、イオンを導入する入口端およびイオンを排出する出口端のそれぞれに配した端電極とを有し、前記出口端に配した端電極の形成する電位勾配により、イオンをトラップするポテンシャルを形成し、前記４重極ロッド電極および前記出口端に配した端電極のうち何れかの電極に補助的な交流電圧を印加して、前記特定の質量数範囲のイオンを前記第２のリニアトラップに排出するよう構成されていることを特徴とする質量分析装置。
4. 請求項１に記載の質量分析装置において、前記第１のリニアトラップおよび前記第２のリニアトラップが、同一の多重極ロッド電極で構成されていることを特徴とする質量分析装置。
5. 請求項２又は３に記載の質量分析装置において、前記第２のリニアトラップが、前記出口端に配された端電極の電位を前記ロッド電極の中心軸上の電位より上下させることにより、イオンを蓄積し、前記飛行時間型質量分析部へ排出するよう構成されていることを特徴とする質量分析装置。
6. 請求項１に記載の質量分析装置において、前記第１のリニアトラップに導入されるガスがヘリウムであり、圧力が０.０２〜１０Ｐａであることを特徴とする質量分析装置。
7. 請求項１に記載の質量分析装置において、前記第１のリニアトラップに導入されるガスがアルゴン、空気、窒素またはそれらの混合気体であり、導入された前記イオンと前記ガスの衝突する領域での圧力が０.００６〜３Ｐａであることを特徴とする質量分析装置。
8. 請求項２又は３に記載の質量分析装置において、前記補助的な交流電圧における共鳴周波数電圧が、単一のＲＦ電圧の重畳で構成されていることを特徴とする質量分析装置。
9. 請求項１に記載の質量分析装置において、前記イオンを輸送するイオン輸送部が、前記イオンを蓄積、選択、分解、排出可能な４重極リニアトラップもしくは４重極イオントラップを少なくとも１つ含むことを特徴とする質量分析装置。
10. 請求項１に記載の質量分析装置において、前記イオンを輸送するイオン輸送部が、ＲＦ電圧および直流電圧を印加して前記特定の質量数範囲のイオンを選択的に透過する４重極フィルターを少なくとも１つ含むことを特徴とする質量分析装置。
    

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