JP4284167B2 - イオントラップ/飛行時間型質量分析計による精密質量測定方法 - Google Patents
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Description
focusing magnetic sector mass spectrometer)や飛行時間型質量分析計(Time-of-
flight Mass Spectrometer, 所謂TOF)等がある。
Spectrometer, QMS)を配置したQ−TOFや、リング電極と一対のエンドキャップ電極から構成されるイオントラップとTOFが結合したイオントラップ−TOFなどが開発されており、通常のマススペクトル測定において精密質量測定が行えるようになっている。
今、長さL(メートル)のTOFの飛行空間をイオンが飛行するに要する時間をt(秒)とすると、tは(2)式のように求められる。
ここで、kは装置固有の定数である。即ち、イオンの飛行時間tは質量の平方根に比例する。実際のTOF装置では、イオンの飛行時間即ちイオンの検出時間tとMとの関係は次式のように近似される。
a,b,cは定数である。即ち、イオンの質量Mと検出時間tとの間には2次の関係式が成立する。この関係式(3)を求める過程が質量キャリブレーションである。
ppm (ppm =10-6)程度に過ぎない。この精度の悪さは装置周辺の温度変化等に起因するTOF飛行空間Lの伸び縮みや加速電圧Uや静電レンズ電圧などのドリフトなどに起因する。この程度の精度では、求められた精密質量Mから元素組成を一義的に求めることは出来ない。
MSが可能であるが、更に高次の構造情報が得られるMSn は不可能である。当然MSn による精密質量の測定は不可能である。
53内に導入される。TOF空間53には、イオンパケット(束)の生成やイオンの加速を行うパルサー部59,リフレクタ54,検出器55が配置されている。イオンはパルサー部59のイオン押し出し電極50とイオン引き出し電極51の間を進む。イオンはイオン押し出し電極50とイオン引き出し電極51に印加された正と負のパルス電圧により、イオンの進入方向に対して直角方向、即ちTOF飛行軸方向に偏向される。さらに、イオンはイオン加速電極52に入射して最終的に加速され、TOF空間に放出される。イオンはTOF空間53を飛行し、リフレクタ54を経て、折り返し検出器55に到達し、イオンの飛行時間tに対応したイオン電流値が計測され、データ処理装置40により質量スペクトルを与える。
ステップ2;標準物質と測定対象試料の同時測定、及びMS/MS
ステップ3;MS/MSによって得られた生成物イオンの質量較正
以下に、このステップを詳細に記述する。
まず、通常のMSモードにより標準物質を測定して質量キャリブレーションを行い、上記の(3)式;M=at2+bt+c の各定数a,b,cを算出する。このためには、少なくとも3つの質量既知のイオンを与える標準物質を用いる必要がある。
(A)構造が既知で、イオンの組成も単一、かつ既知である。イオンの精密質量が正確に求められる。
(B)広い質量範囲にわたり、質量既知のイオンが出来るだけ等間隔に出現する。
(C)試料のイオン化を妨害しない。
431,…1383,…2743の質量をもつマスピークが広質量範囲に等質量間隔に出現する。それらイオンの質量Mr(真値)は次式で簡単に求められる。
CsIやCsFやNaFなどのハロゲン化アルカリ金属塩MXも同様にクラスタイオン(Mn+1Xn)+ を広質量範囲にわたり与える。これらイオンは組成が既知であり、イオンの精密質量を正確に与えることができる。CsIは、133,393,653,…と質量
260毎にクラスタイオンを与える。CsFは、133,285,437,…と質量152毎にクラスタイオンを与える。NaFは、23,65,107,…と質量42毎にクラスタイオンを与える。
ステップ1で質量キャリブレーションが終わると、ステップ1で用いた標準物質と測定対象試料を用いて、(1)イオントラップへのイオンの導入、(2)MS/MS、(3)TOF測定の順でステップ2の測定を進める。以下、その工程を説明する。
本発明は内部標準法を用いるため、イオン源で生成した試料イオンと標準物質のイオンは、混合された状態で中間圧力室6を経て真空室9に導入される。試料や標準物質のイオン化と導入においては、一つのESIイオン源に2つの溶液を同時に導入して混合し、イオン化しても良い。また、複数のイオン源を用意して、試料と標準物質の溶液とを別々のESIイオン源に送り込み、独立にイオン化した後、生成したイオンを混合させ、真空室9に一緒に導入しても良い。
このMS/MS工程は、イオントラップ20内にトラップされたイオンの内、特定の質量を持つ試料イオン(前駆イオン)と標準物質のイオンを、既知の方法によりイオントラップ内で単離した後、前駆イオンを共鳴励起して前駆イオンを開裂させるものである。
MS/MSの期間において、先ずイオン加速電極10やイオンゲート電極13にイオンと同極性の電圧(+100V)を印加して、イオンがイオン移送空間29内に進入することを阻止する(Close 状態)。前の(1)の工程でイオントラップ20内にトラップされたイオンは、既知のFNF(Filtered Noise field)やSWIFT(Stored Waveform
Inverse Fourier Transform)による複数のノッチ付のホワイトノイズを補助交流電圧としてエンドキャップ電極14,19へ印加してイオンの励起する。
motion)を持つ標準物質のイオン(mr)と前駆イオン(mp)のみがイオントラップ空間17内に残される。ここで、前駆イオンとして選択されるイオンは、測定対象となる試料イオンであり、予め質量数が既知であれば、その質量数を元に前駆イオンとして設定され、未知試料であれば、事前に一度測定を行いある程度の質量数の目安を得た後に前駆イオンとして設定される。
イオントラップ20内に前駆イオン(mp)と標準物質のイオン(mr)のみが残された後、図2の下段(b)のように、前駆イオン(mp)の固有振動数ν2と同じか近傍の周波数の補助交流電圧を補助交流電源42からエンドキャップ電極14,19に印加する。前駆イオン(mp)は、印加された補助交流電圧と共鳴して振幅が大きくなる。イオンはイオントラップ空間17内で、不活性ガス分子と繰り返し衝突し、運動エネルギーの一部を内部エネルギーとして取り込むようになる。励起による内部エネルギーが分子の化学結合エネルギーを超えると、前駆イオン(mp)は解離する(CID)。その結果生じた生成物イオン(P1,P2,P3)はイオントラップ空間17内にトラップされる。一方、標準物質は励起されないため、前駆イオン(mp)のCIDと無関係にイオントラップ内に安定にトラップされたままである。
図3の下段(b)に示したように、MS/MSで生成した生成物イオン(P1,P2,P3)はイオントラップ内にトラップされている。また、標準物質イオン(mr)はそのままトラップされている。次に、これらイオンをイオントラップから放出し、TOFに送り込み質量スペクトルを取得する。
TOF空間53に放出される。イオンはリフレクタ54で折り返し、検出器55に到達して、イオン到達時間に相当するイオン電流値が検出される。TOF測定は(3)の期間内において繰り返し行われ、取得したデータは積算され質量スペクトルを与える。
測定対象試料の精密質量測定に先立ち、ステップ1で行った質量キャリブレーションによりあらかじめ求められた(3)式に従い、ステップ2で収集した測定対象試料の生成物イオンの質量スペクトルは、それぞれの飛行時間t1,t2…から質量m1′,m2′…に変換される。
m2′=at22+bt2+c (6)
:
ステップ1からステップ2間では、当然時間間隔が生じるため、もし、温度ドリフトなどがある場合、求められたmr′はその真値mrと異なっている。
m1=m1′*r (9)
m2=m2′*r (10)
(mp)の単離効率を落とさないようにする方法を示す。
ステップA;標準物質と測定対象試料の同時測定、及びMS/MS
ステップB;MS/MSによって得られた生成物イオンの質量較正
以下に各ステップを説明する。
(1)イオンの導入,蓄積
実施例1と同様に、試料と標準物質をイオン源でイオン化し、イオントラップに導入蓄積する。
前駆イオンの単離の際に、複数のノッチ付のホワイトノイズを印加する。前駆イオン
mpと標準物質イオンmrをイオントラップにトラップし、他の質量のイオンを全て排除する。標準物質イオンmrは、前駆イオンmpを含む質量範囲に強度の高いクラスタイオンを与える標準物質を選ぶ。
(ν1,ν2)に相当する前駆イオン(mp)と標準物質イオン(mr)がイオントラップ内に残り、他のイオンは排除される。
イオンの単離の後、図4の下段(b)に示したように、mpとmrに相当する2つの周波数(ν1,ν2)の補助交流電圧を印加して前駆イオン(mp)と標準物質のイオン
(mr)を同時に励起,開裂させる。実施例1と異なり、標準物質のイオン(mr)も、このCID工程で励起,開裂させる。その結果、図5に示すように、前駆イオン(mp)は、開裂して生成物イオン(P1,P2,P3,…)を生成する。
一方、標準物質のイオンmr0は開裂して複数の生成物イオン(mr1,mr2,…)を生成する。
Na+ +… (12)
上記トリフロロ酢酸ナトリウム(n=10)は質量1383であるから、クラスタイオンを単離した後、CIDでこのイオンを開裂させると、質量1247,1111,975などのクラスタイオンが生成物イオンとして生成される。
Na+ +… (13)
このように、標準物質のイオンである一つのクラスタイオンから、複数のクラスタイオンが生成される。これら複数のクラスタイオンの質量は既知である。一般に、一つのクラスタイオン (CF3CO2Na)n はn=1から、4の中性分子CF3CO2Na が解離した質量の異なる複数のイオン(mr1,mr2,…)を与える。
上記MS/MS工程を終えた後のイオンをTOFにより測定する。得られる質量スペクトルは、試料イオンの生成物イオン(P1,P2,P3,…)と標準物質のイオン(mr1,mr2,…)、およびCIDで開裂しきれなかった前駆イオン(mp,mr0)などの混合質量スペクトルとなる。
この混合質量のスペクトルの中から、質量既知の複数のイオン(mr0,mr1,mr2,…)を選び出し、これらイオンを基に質量キャリブレーションを行う。本実施例では、測定毎に、複数の質量既知のイオンを用いて(3)式のパラメータa,b,cを求める質量キャリブレーションを行う。
(TMP)、40…データ処理装置、42…補助交流電源、43,45…高周波電源、
44…主高周波電源、50…イオン押し出し電極、51…イオン引き出し電極、53…
TOF空間、54…リフレクタ、55…検出器、59…パルサー部。
Claims (8)
- 試料をイオン化するイオン源と、複数の質量の異なるイオンをトラップするイオントラップと、飛行時間型質量分析計を備えたイオントラップ/飛行時間型質量分析計によるイオンの精密質量測定方法であって、
前記イオン源で測定対象試料と標準物質のイオンを生成するステップと、
前記測定対象試料と標準物質のイオンを共に前記イオントラップ内に導きトラップするステップと、
前記測定対象試料のイオンの中から前駆イオンを選択し、前記イオントラップ内に前記前駆イオンと標準物質のイオンを残し、他のイオンを排除するステップと、
前記前駆イオンを励起,開裂させて生成物イオンを生成するステップと、
前記イオントラップ内にトラップされた前記前駆イオン及びその生成物イオンと標準物質のイオンとをイオントラップから排出し、前記飛行時間質量分析計に導くステップと、
前記飛行時間質量分析計において質量スペクトルを測定するステップとを有し、
測定された標準物質のイオンを基に生成物イオンの精密質量の補正を行うことを特徴とするイオントラップ/飛行時間型質量分析計によるイオンの精密質量測定方法。 - 請求項1において、
前記イオン源で測定対象試料と標準物質のイオンを生成するステップの前に、
精密質量既知の標準物質をイオン化し、複数のイオンを前記飛行時間質量分析計において飛行時間を測定し、前記標準物質の複数のイオンから下式の定数a,b,cを求める質量キャリブレーションを行い、
前記前駆イオンから生成した前記生成物イオンの精密質量の補正は、前記質量キャリブレーションで用いた式に、前記生成物イオンの前記飛行時間質量分析計において測定された飛行時間(t)を代入することで行われることを特徴とするイオントラップ/飛行時間型質量分析計によるイオンの精密質量測定方法。
M=at2+bt+c
(M:質量,t:飛行時間型質量分析計における飛行時間) - 請求項2において、
前記標準物質の複数のイオンは、クラスタイオンであることを特徴とするイオントラップ/飛行時間型質量分析計によるイオンの精密質量測定方法。 - 請求項1において、
前記標準物質のイオンは、Na+イオン,K+イオン、或いはこれらのイオンに溶媒分子が付加したイオンであることを特徴とするイオントラップ/飛行時間型質量分析計によるイオンの精密質量測定方法。 - 試料をイオン化するイオン源と、複数の質量の異なるイオンをトラップするイオントラップと、飛行時間型質量分析計を備えたイオントラップ/飛行時間型質量分析計によるイオンの精密質量測定方法であって、
前記イオン源で測定対象試料と標準物質のイオンを生成するステップと、
前記測定対象試料と標準物質のイオンを共に前記イオントラップ内に導きトラップするステップと、
前記測定対象試料のイオンの中から前駆イオンを選択し、前記イオントラップ内に前記前駆イオンと標準物質のイオンを残し、他のイオンを排除するステップと、
前記前駆イオン及び前記標準物質のイオンを励起,開裂させて生成物イオンを生成するステップと、
前記イオントラップ内にトラップされた前駆イオン及び標準物質のイオンと、それらの生成物イオンをイオントラップから排出し、前記飛行時間質量分析計に導くステップと、
前記飛行時間質量分析計において質量スペクトルを測定するステップとを有し、
測定された標準物質のイオン及びその生成物イオンを基に、前記前駆イオンから生成した生成物イオンの精密質量の補正を行うことを特徴とするイオントラップ/飛行時間型質量分析計によるイオンの精密質量測定方法。 - 請求項5において、
前記イオン源で測定対象試料と標準物質のイオンを生成するステップの前に、
前記質量スペクトルごとに、前記標準物質の生成物イオンを用いて下式の定数a,b,cを求める質量キャリブレーションを行い、
前記前駆イオンから生成した生成物イオンの精密質量の補正は、前記質量キャリブレーションで用いた式に、前記前駆イオンから生成した生成物イオンの前記飛行時間質量分析計において測定された飛行時間(t)を代入することで行われることを特徴とするイオントラップ/飛行時間型質量分析計によるイオンの精密質量測定方法。
M=at2+bt+c
(M:質量,t:飛行時間型質量分析計における飛行時間) - 請求項5において、
前記標準物質のイオンは、クラスタイオンであることを特徴とするイオントラップ/飛行時間型質量分析計によるイオンの精密質量測定方法。 - 請求項7において、
前記標準物質は、ハロゲン化アルカリ金属塩,有機酸アルカリ金属塩,ポリエチレングリコールの何れかであることを特徴とするイオントラップ/飛行時間型質量分析計によるイオンの精密質量測定方法。
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