JP4258310B2

JP4258310B2 - Ion cleavage method in ion trap apparatus

Info

Publication number: JP4258310B2
Application number: JP2003209612A
Authority: JP
Inventors: 純一谷口
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2023-08-29
Also published as: JP2005078804A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、質量分析やイオン選別、イオン開裂等に用いられるイオントラップ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオントラップ装置の一つの利用例として、イオントラップTOF質量分析装置を説明する。図１に示すように、イオントラップTOF質量分析装置１０では、TOF（Time Of Flight;飛行時間）型質量分析装置１１のイオン導入口にイオントラップ装置１２が設けられ、そこにおいてイオンのアイソレーション（選別）や開裂等が行われる。イオントラップ装置１２自体も質量分離の機能を有するが、イオントラップTOF質量分析装置１０ではイオントラップ装置１２は単にイオンをアイソレーション及び開裂するためだけに用いられ、イオンの質量分析は次段のTOF１１で行われる。これにより、イオントラップ装置１２を設けない場合と比較して、TOF１１ではより高い質量分解能で質量分析ができるようになるとともに、分子構造についてより多くの情報が得られるようになる。
【０００３】
イオントラップ装置１２では、図２に示すように、入口及び出口の両エンドキャップ電極２１，２２とその間に位置するリング電極２３とで囲まれるイオントラップ空間２４中に1×10^-3Torr（0.1Pa）程度のヘリウム（He）ガスを定常的に導入する。これは一つには、イオンとヘリウムガスの衝突によってイオンをイオントラップ空間２４の中心近傍に集めることにより、感度及び質量分解能を向上させる作用を行う。これをクーリング作用と呼ぶ。また、イオントラップ装置１２の両エンドキャップ電極２１，２２にイオンの共振周波数と同一の周波数を含む波形を印加した場合には、これによりイオンの運動エネルギーが高まり、その状態でイオンがヘリウム分子と衝突することにより、イオンの開裂が行われるという作用も有する。これをCID（Collision Induced Dissociation；衝突誘起開裂）作用と呼ぶ。
【０００４】
【特許文献１】
特開2002-184349号公報
【特許文献２】
特表2002-518810号公報
【０００５】
イオントラップ装置を用いた質量分析装置では、多段のMS/MS分析が可能であるという特徴を有する。すなわち、特定のイオンのみをイオントラップ空間内に残し、これをCID作用で開裂し、それにより生じたイオン（プロダクトイオン）を更にCID作用により開裂する。このような開裂を多段で繰り返すことにより、分光構造について多くの情報が得られるようになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の通り、CIDは、通常はイオントラップ装置の両エンドキャップ電極２１，２２に、開裂したい目的のイオンの共振周波数と同一の周波数成分を有する高周波信号を印加して目的イオンを共振させることで運動エネルギを高め、イオントラップ空間内に存在するヘリウムガス等の不活性ガス（以下、これをCIDガスと呼ぶ）との衝突により目的イオンを開裂することにより行われる。
【０００７】
ここで、両エンドキャップ電極２１，２２に印加する電圧（CID電圧）を高くすることにより開裂が促進されるが、その値を過度に高くすると、親イオンは開裂する前に電極２１，２２，２３の壁に衝突したり、中央の穴から外に排出されたりして消失してしまう。
【０００８】
これを詳しく説明すると次の通りである。イオントラップ空間２４内では、次式で表されるような閉じこめポテンシャルφが定義される。
【数１】

ここで、qはイオントラップ装置１２により定まるパラメータであり、リング電極２３のRF電圧V、イオンの質量m、リング電極２３の内接半径r₀、リング電圧の周波数Ω、素電荷eより次式で定義される。
【数２】

【０００９】
CID電圧を上げすぎると、親イオンの運動エネルギがこの閉じこめポテンシャルφを超えてしまうために、イオントラップ空間２４内にトラップされ得なくなる。また、できるだけ低質量数のプロダクトイオンまで観測できるようにするためには、CID電圧のq値をできるだけ下げることが必要であるが、そうすると閉じこめポテンシャルφも低くなり、親イオンが消失しやすくなってしまう。
【００１０】
親イオンが開裂される前に消失してしまうと、プロダクトイオンの強度が弱くなる。特に多段のMS/MS分析では、段数が進むほどイオンの数が少なくなってゆくため、段数毎に感度が悪化する。
【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、親イオンの消失をできるだけ抑えながら、CID電圧を高くしてCIDの効率を上げることのできるイオントラップ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に係るイオン開裂方法は、リング電極と、それを挟んで対向する一対のエンドキャップ電極を備え、それらの電極で囲まれたイオントラップ空間にガスを導入しつつそれらの電極に適宜の電圧を印加することによりイオンを開裂するイオントラップ装置において、該ガスをパルス状に繰り返し導入すると共に、各ガスパルスの導入直後にＣＩＤ電圧を印加することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態及び効果】
本発明に係るイオントラップ装置では、ヘリウムやアルゴン等のCIDガスをパルス状にイオントラップ空間に導入する。このパルスの幅（ガスの導入時間）は、イオントラップ装置のサイズ（イオントラップ空間の容積）にも依存するが、リング電極の内径が10mm程度の通常のイオントラップ装置の場合、数百μsec程度の非常に短いものとし、繰り返し速度は数十Hz以下とする。なお、CIDガスをパルス状に導入するためには、パルスガスバルブ２５を使用することができる（図２）。
【００１６】
イオントラップ装置を排気するポンプの排気能力にも依存するが、イオントラップ装置にCIDガスをこのようなパルス状で導入すると、導入直後の数十msec間はCIDガスはかなり高濃度（10-2Torr台）にイオントラップ空間内に存在する。CID電圧は、CIDガスを導入してから数msec後程度で両エンドキャップ電極２１，２２に印加する。CIDガスパルスの導入とCID電圧印加のタイミングを図３に示す。
【００１７】
CIDガスをパルス状に導入した場合、その直後に多少高いCID電圧を印加しても、高濃度に存在するCIDガスとの衝突の影響により、親イオンはすぐにクーリングされ、イオントラップ内から消失する確率は大幅に低減される。また、低いq値においても有効に機能するので、このような条件でも開裂効率が高い。
【００１８】
また従来、最適CID電圧は開裂目的イオンの質量数に依存する傾向があった。すなわち、低い質量数のイオンに対しては低いCID電圧、高い質量数のイオンに対しては高いCID電圧が必要である。しかし、イオン種によっては例外があることもあった。このため、CIDの目的とするイオンに対してその都度CID電圧を変える必要性があり、また、そのように設定をしてもうまくCIDが行われない場合があった。それに対し、本発明では、そのような質量数依存性が殆どなくなり、低い質量数の目的イオンに対して高いCID電圧を使用しても親イオンの損失が少ないという特長を有する。
【００１９】
図４に、従来のイオントラップ装置と本発明に係るイオントラップ装置における親イオン及びプロダクトイオンのイオン強度の変化のグラフを示す。CIDガスを連続的に導入する従来の装置では(a)、CID電圧を上げるに従い、プロダクトイオンの強度は、ピーク以降徐々に低下してゆく。これは、CID電圧を上げることにより、プロダクトイオンが生成される前に親イオンが失われてしまうためである。
それに対し、CIDガスをパルス状に導入する本発明の装置では(b)、CID電圧を上げてもプロダクトイオンの強度はあまり低下しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】イオントラップTOF質量分析装置の概略構成図。
【図２】イオントラップ装置の概略構成図。
【図３】 CIDガス導入及びCID電圧印加のタイミングを示すチャート。
【図４】 CIDガスを連続的に導入した場合(a)とパルス状に導入した場合(b)の親イオン及びプロダクトイオンの強度の変化を示すグラフ。
【符号の説明】
１０…イオントラップTOF質量分析装置
１１…TOF型質量分析装置
１２…イオントラップ装置
２１、２２…エンドキャップ電極
２３…リング電極
２４…イオントラップ空間
２５…パルスガスバルブ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ion trap apparatus used for mass spectrometry, ion selection, ion cleavage and the like.
[0002]
[Prior art]
As one application example of the ion trap apparatus, an ion trap TOF mass spectrometer will be described. As shown in FIG. 1, in the ion trap TOF mass spectrometer 10, an ion trap device 12 is provided at an ion inlet of a TOF (Time Of Flight) mass spectrometer 11, and ion isolation ( Sorting) and cleavage. The ion trap device 12 itself has a function of mass separation. In the ion trap TOF mass spectrometer 10, the ion trap device 12 is used only for isolating and cleaving ions, and mass analysis of ions is performed in the next stage TOF11. Done in As a result, as compared with the case where the ion trap device 12 is not provided, the TOF 11 can perform mass analysis with higher mass resolution and obtain more information on the molecular structure.
[0003]
In the ion trap apparatus 12, as shown in FIG. 2, 1 × 10 ⁻³ Torr (0.1 × 10 ⁻³ Torr (0.1 Helium (He) gas of about Pa) is constantly introduced. For one thing, the ion and helium gas collide to collect ions in the vicinity of the center of the ion trap space 24, thereby improving the sensitivity and mass resolution. This is called a cooling action. In addition, when a waveform including the same frequency as the ion resonance frequency is applied to both

end cap electrodes

21 and 22 of the ion trap device 12, this increases the kinetic energy of the ions, and in this state, the ions become helium molecules. It also has the effect | action that ion cleavage is performed by colliding. This is called CID (Collision Induced Dissociation) action.
[0004]
[Patent Document 1]
JP 2002-184349 A [Patent Document 2]
Special Table 2002-518810 Publication [0005]
A mass spectrometer using an ion trap device has a feature that multistage MS / MS analysis is possible. That is, only specific ions are left in the ion trap space, which is cleaved by the CID action, and ions (product ions) generated thereby are further cleaved by the CID action. By repeating such cleavage in multiple stages, a lot of information about the spectral structure can be obtained.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the CID normally resonates the target ion by applying a high frequency signal having the same frequency component as the resonance frequency of the target ion to be cleaved to both

end cap electrodes

21 and 22 of the ion trap apparatus. This is performed by increasing the kinetic energy and cleaving the target ions by collision with an inert gas such as helium gas (hereinafter referred to as CID gas) existing in the ion trap space.
[0007]
Here, the cleavage is promoted by increasing the voltage (CID voltage) applied to both the

end cap electrodes

21 and 22. However, if the value is excessively increased, the parent ions are separated before the

electrodes

21 and 22 are cleaved. It disappears by colliding with the wall of 23 or being discharged out of the central hole.
[0008]
This will be described in detail as follows. In the ion trap space 24, a confinement potential φ as defined by the following equation is defined.
[Expression 1]

Here, q is a parameter determined by the ion trap device 12, and the following equation is obtained from the RF voltage V of the ring electrode 23, the mass m of the ion, the inscribed radius r ₀ of the ring electrode 23, the frequency Ω of the ring voltage, and the elementary charge e. Defined by
[Expression 2]

[0009]
If the CID voltage is increased too much, the kinetic energy of the parent ions exceeds the confinement potential φ, so that it cannot be trapped in the ion trap space 24. In addition, in order to be able to observe product ions with as low a mass number as possible, it is necessary to reduce the q value of the CID voltage as much as possible. However, the confinement potential φ is also lowered, and the parent ions tend to disappear. End up.
[0010]
If the parent ion disappears before it is cleaved, the strength of the product ion will be weakened. In particular, in multi-stage MS / MS analysis, the number of ions decreases as the number of stages progresses, so the sensitivity deteriorates for each stage.
[0011]
The present invention has been made to solve such problems, and the object of the present invention is to improve the efficiency of CID by increasing the CID voltage while suppressing the disappearance of the parent ion as much as possible. It is to provide a trap device.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
An ion cleavage method according to the present invention, which has been made to solve the above problems, includes a ring electrode and a pair of end cap electrodes opposed to each other with a ring electrode interposed therebetween, and gas is introduced into an ion trap space surrounded by these electrodes. In an ion trap apparatus that cleaves ions by applying an appropriate voltage to these electrodes while being introduced, the gas is repeatedly introduced in pulses and a CID voltage is applied immediately after the introduction of each gas pulse. To do.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the ion trap apparatus according to the present invention, a CID gas such as helium or argon is introduced into the ion trap space in a pulse shape. The width of this pulse (gas introduction time) depends on the size of the ion trap device (volume of the ion trap space), but in the case of a normal ion trap device with an inner diameter of the ring electrode of about 10 mm, it is about several hundred μsec. The repetition rate should be several tens of Hz or less. In order to introduce the CID gas in a pulse form, a pulse gas valve 25 can be used (FIG. 2).
[0016]
Although depending on the pumping capacity of the pump that exhausts the ion trap device, when CID gas is introduced into the ion trap device in such a pulse shape, the CID gas concentration is very high (10-2 Torr) for several tens of milliseconds immediately after the introduction. In the ion trap space. The CID voltage is applied to both

end cap electrodes

21 and 22 about several milliseconds after the introduction of the CID gas. FIG. 3 shows the timing of introducing the CID gas pulse and applying the CID voltage.
[0017]
When CID gas is introduced in pulses, even if a slightly higher CID voltage is applied immediately thereafter, the parent ions are immediately cooled due to the collision with the CID gas present at a high concentration and disappear from the ion trap. The probability of doing is greatly reduced. Moreover, since it functions effectively even at a low q value, the cleavage efficiency is high even under such conditions.
[0018]
Conventionally, the optimum CID voltage tends to depend on the mass number of the target ion for cleavage. That is, a low CID voltage is required for low mass number ions and a high CID voltage is required for high mass number ions. However, there were exceptions depending on the ion species. For this reason, it is necessary to change the CID voltage for each target ion of the CID, and there are cases where the CID is not performed well even if such setting is performed. On the other hand, the present invention has such a feature that the dependency on the mass number is almost eliminated and the loss of the parent ion is small even when a high CID voltage is used for the target ion having a low mass number.
[0019]
FIG. 4 shows a graph of changes in ionic strength of parent ions and product ions in a conventional ion trap apparatus and an ion trap apparatus according to the present invention. In the conventional apparatus in which CID gas is continuously introduced (a), as the CID voltage is increased, the intensity of product ions gradually decreases after the peak. This is because the parent ions are lost before the product ions are generated by increasing the CID voltage.
On the other hand, in the apparatus of the present invention in which CID gas is introduced in the form of pulses (b), the intensity of product ions does not decrease so much even if the CID voltage is increased.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an ion trap TOF mass spectrometer.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an ion trap apparatus.
FIG. 3 is a chart showing the timing of CID gas introduction and CID voltage application.
FIG. 4 is a graph showing changes in the intensity of parent ions and product ions when CID gas is continuously introduced (a) and when it is introduced in a pulsed manner (b).
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Ion trap TOF mass spectrometer 11 ... TOF type | mold mass spectrometer 12 ...

Ion trap apparatus

21, 22 ... End cap electrode 23 ... Ring electrode 24 ... Ion trap space 25 ... Pulse gas valve

Claims

A ring electrode and a pair of end cap electrodes facing each other are provided, and ions are cleaved by applying an appropriate voltage to the electrodes while introducing a gas into an ion trap space surrounded by the electrodes. In the ion trap apparatus, the gas is repeatedly introduced in pulses, and a CID voltage is applied immediately after the introduction of each gas pulse.