JP4450717B2

JP4450717B2 - 質量分析装置

Info

Publication number: JP4450717B2
Application number: JP2004305722A
Authority: JP
Inventors: 康照井; 司師子鹿
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2004-10-20
Filing date: 2004-10-20
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2024-10-20
Also published as: JP2006120412A

Description

本発明は、イオンをトラップするイオントラップ部と質量分析部とを備える質量分析装置に関する。

昨今、質量分析法はバイオ工学やバイオ化学分野において主要な分析手法として広く利用されるようになった。これは主にバイオ分野向けのイオン化技術や質量分析計の開発、改良が行われたことによる。

イオン化技術としては、熱的に不安定で高分子量の測定試料分子を、直接かつ安定にイオン化できる２つのイオン化手法が開発された。

一つのイオン化手法は、溶液中の測定試料を大気中で直接イオンとして取り出せるエレクトロスプレーイオン化（Ｅｌｅｃｔｒｏｓｐｒａｙｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ，ＥＳＩ）である。

他の一つのイオン化手法は、試料分子にレーザー光を照射することにより、試料分子をイオン化するマトリックス支援レーザ脱離イオン化法（Ｍａｔｒｉｘ−ａｓｓｉｓｔｅｄｌａｓｅｒｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ，ＭＡＬＤＩ）である。

これら２つのイオン化手法は測定者に与える情報がそれぞれ異なるため、バイオ分野では相補的に用いられている。

また、バイオ分野向けの質量分析計としては、測定する試料の分子量が大きいことから、多くの場合、飛行時間質量分析計（Ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ，ＴＯＦ）を用いる。

ＴＯＦは１９５１年に米国で特許が取得された技術である（特許文献１）が、最近のエレクトロニクスの進歩により身近な装置となり、バイオ分野をはじめ広い範囲での利用が期待されている。

ＥＳＩやＭＡＬＤＩなどのソフトイオン化とＴＯＦの結合した質量分析計は、その高い感度からバイオ分野の分析手法として急速に普及している。しかしながら、ソフトイオン化により生成されるイオンは、多くの場合、分子にプロトン（Ｈ^＋）が付加してイオンとなった擬分子イオン（Ｍ＋Ｈ）^＋である。

その結果、測定される質量スペクトルは分子量の情報を与えるだけで、構造に関する情報をほとんど与えないという問題があった。

この構造情報の不足を克服するために、ＥＳＩイオン源とＴＯＦの間にイオントラップを導入し、高い質量精度で、かつＭＳ^ｎ分析を可能とする手法が開発された。

この手法は、特許文献２に記載されている。この手法によれば、ＥＳＩイオン源とＴＯＦの間にイオントラップを導入することで、イオントラップ内部でイオンの単離やイオン解離を繰り返すことができ、ＭＳ^ｎ分析が可能である。

イオントラップから排出したイオンは、ＴＯＦのイオン加速領域に導入され、それと同期して直交方向に加速する。イオン導入方向と加速方向を直交配置することにより、高い質量精度を達成可能である。

ここで、このトラップＴＯＦ／ＭＳのトラップ部は、ＭＳ^ｎ分析を行う場合、イオンをトラップ部に導入し、以下の４工程を繰り返し行う。

（１）イオンの捕獲蓄積
（２）目的イオンの選択、目的外イオンの排除
（３）目的イオンの開裂
（４）イオンの排出
ＭＳ分析の場合は上述した工程のうち、（１）イオンの捕獲蓄積、（４）イオンの排出の２工程を繰り返し行う。

（１）の工程ではトラップ部にイオンが導入されやすいようにイオンの運動エネルギーを一定にする必要がある。また、（２）〜（４）の工程間では、トラップ部に新たなイオンを導入するとノイズ源となってしまうため、イオンをトラップ部の前段でせき止める必要がある。

このイオンをトラップ部でせき止める方法として、特許文献３に記載された技術がある。この特許文献３に記載された技術は、複数のロッドからなるイオンガイドをイオントラップ質量分析器の前に設置し、複数のロッドを、互いに対向する半数のロッドに分け、その半数のロッドにのみ直流電圧を印加する。半数のロッドにのみ直流電圧を印加することで、イオンビームをイオンガイド内で曲げて、イオンガイド外に排出し、イオントラップ部への導入を阻止している。

また、特許文献４にはイオンガイド内にクーリングガスを導入し、入口側電極と出口側電極により傾斜電場を発生させ、イオンガイド出口側にイオンを蓄積する方法が示されている。

米国特許第２，６８５，０３５号明細書特開２００１−２９７７３０号公報特許第３０６６０２５号公報特許第３３８６０４８号公報

しかし、上記特許文献３に記載されたイオンのせき止め方法では、上記工程（２）〜（４）における測定イオンを、イオンガイド外に排出してしまうことになるため、ＭＳ^ｎ分析を行う際に感度が低下してしまうという問題があった。

また、上記特許文献４に記載された技術においては、傾斜電場を発生させるためには、複数のリング状電極が必要であり、構成が複雑で高価格となってしまう。さらに、この方式は、イオンをガスに衝突させるクーリング期間が必要であり、その間、測定イオンはイオンガイド内に入って来ないため、測定感度が低下する。

また、イオンガイドへのイオン導入時、入口側電極と出口側電極をそれぞれ走査する必要があり、別途クーリングガスが必要となるなど動作が煩雑となっていた。

本発明の目的は、簡単な構成で、質量分析時の感度向上、ノイズの低減、ＭＳ^ｎ分析時の感度向上が可能な質量分析装置を実現することである。

上記目的を達成するため、本発明は次のように構成される。
（１）測定試料をイオン化するイオン源と、イオンをトラップするイオントラップ部と、上記イオン源からのイオンを導く第１の多重極イオンガイドと、上記イオントラップ部のイオン捕獲蓄積時には、交流電圧に直流電圧が重畳されて印加され、上記イオントラップ部のイオン操作・排出時には、上記直流電圧が重畳されていない上記交流電圧が印加され、上記イオン上記第１の多重極イオンガイドからのイオンをイオントラップ部に導く第２の多重極イオンガイドと、イオントラップ部から導入されるイオンの質量を分析する質量分析部とを備える質量分析装置。

（２）好ましくは、上記（１）において、上記質量分析部は、導かれたイオンを加速し、イオンを飛行させ、イオンの飛行時間に応じた電流値を検出することで質量スペクトルを算出する飛行時間質量分析を行なう。

（３）また、好ましくは、上記（１）、（２）において、上記交流電圧値は、測定するイオンの質量数に応じた値である。
（４）測定試料をイオン化するイオン源と、イオンをトラップするイオントラップ部と、上記イオン源からのイオンを導く第１の多重極イオンガイドと、この第１の多重極イオンガイドからのイオンをイオントラップ部に導く第２の多重極イオンガイドと、イオントラップ部から導入されるイオンの質量を分析する質量分析部とを備える質量分析装置を用いた質量分析方法において、上記イオントラップ部のイオン捕獲蓄積時には、交流電圧に直流電圧を重畳して上記第２の多重極イオンガイドに印加し、上記イオントラップ部のイオン操作・排出時には、上記直流電圧が重畳されていない上記交流電圧を上記第２の多重極イオンガイドに印加する。
（５）好ましくは、上記（４）において、上記質量分析部に導かれたイオンを加速し、イオンを飛行させ、イオンの飛行時間に応じた電流値を検出することで質量スペクトルを算出する飛行時間質量分析を行なう。
（６）また、好ましくは、上記（４）又は（５）において、上記交流電圧値は、測定するイオンの質量数に応じて設定する。

本発明によれば、簡単な構成で、質量分析時の感度向上、ノイズの低減、ＭＳ^ｎ分析時の感度向上が可能な質量分析装置を実現することができる。

図１は、本発明の一実施形態であるイオントラップ質量分析装置の概略構成図である。
図１において、イオン源１０にてイオン化された試料イオンは、真空部とのインターフェース２０を通り、第１の多重極イオンガイド３０、第２の多重極イオンガイド３５を通りイオントラップ部４０へと導かれる。

第１の多重極イオンガイド２０及び第２のイオンガイドは、イオントラップ部４０の入射条件に適合するように、試料イオンの運動エネルギーの補正及びイオンビームの収束を行う。

このイオンビームの進行方向をＸ方向、飛行時間質量分析計（ＴＯＦ）５０の加速部５５による加速方向をＹ方向とする。

イオントラップ部４０に導入された試料イオンは、このイオントラップ部４０内に捕獲蓄積される。捕獲中および捕獲後に、イオントラップ部４０内に補助交流電場を発生し、イオンの選択、不要イオンの排出を行う。

その後、ＭＳ測定時は、そのままイオンをトラップ部４０外に排出する。また、ＭＳ^ｎ測定の場合は目的イオンの質量数にあわせて周波数を変化させた補助交流電場をイオントラップ部４０内に生成し、フラグメントイオンを生成する。その後、生成したフラグメントイオンをイオントラップ部４０外に排出する。

イオントラップ部４０から排出したイオンを第３の多重極イオンガイド４５に導入する。この第３の多重極イオンガイド４５は、質量分析装置外部よりガスを導入することで衝突ダンピング領域となっている。

第３の多重極イオンガイド４５内に導入されたイオンは、このイオンガイド４５内のガスと衝突し、運動エネルギーが低減する。その後、試料イオンをＴＯＦ５０の加速部５５に導入し、Ｙ方向に加速する。

加速された試料イオンは、加速方向と反対方向の電場を形成しているミラーレンズ６０によって反射され、検知器６５に到達する。

試料イオンは一定の電圧によって加速していることから、質量数の小さなイオンから早く検知器に到達し、質量数の大きなイオンほど到達時間が遅くなる。この試料イオンの到達時間を計測することで質量分離を行う。

イオントラップ部４０は、第２の多重極イオンガイド３５から導入されたイオンを、トラップ部４０内に蓄積し、操作、排出を繰り返す。イオンの操作及びイオンの排出を行う際、目的イオン以外のイオンがトラップ部４０に入ると、目的イオン以外のイオンが観測され、ノイズとなりＳＮ比が低下してしまう。

そこで、本発明の一実施形態においては、第２の多重極イオンガイド３５に印加する交流電圧に直流電圧を重畳し、トラップ部４０のイオンの蓄積時と、操作及びイオン排出時とで、直流電圧を変化させることで、イオン蓄積時には最適な蓄積条件を満たし、操作及びイオン排出時にはイオンを、イオンガイド３５から排出させず、不通過とすることでノイズの発生を防いでいる。

イオントラップ部４０における、イオンの操作、排出時に、イオントラップ部にイオンが導入されないようにするために、第２の多重極イオンガイド３５に存在するイオンを廃棄してしまうと感度低下につながる。

このため、操作、排出時には測定イオンが第２の多重極イオンガイド３５に滞在し、廃棄されないように、交流電圧に直流電圧を重畳してイオンガイド３５に印加することで、ＭＳ^ｎ測定時の感度向上を図っている。

次に、本発明の一実施形態における第２の多重極イオンガイド３５への電圧印加制御について、説明する。

図２は、第２の多重極イオンガイド３５に印加する交流電圧と直流電圧の模式図である。交流電圧１１０の電圧値は、測定するイオンの質量数に応じてユーザが設定する。また、交流電圧に重畳する直流電圧が、offsetDC１００でありイオントラップ部４０の種類により、その電圧値を調整する。

図３は、多重極イオンガイド３５に印加する直流電圧の時間変化１２０を示す図である。図３において、直流電圧offsetDC１００は、イオントラップ部４０の動作に同期して、印加するか否かを切り替える。

つまり、イオントラップ部４０がイオンを蓄積している期間ｔ１〜ｔ２は、第２の多重極イオンガイド３５内をイオンが通過するように、offsetDC１００を印加する。その際、イオンの運動エネルギーをイオントラップ部４０の蓄積効率が高くなるように設定する。

その結果、、第２の多重極イオンガイド３５にoffsetDC１００を印加しないときと比べ、測定感度が改善される。

なお、offsetDC１００の値は、測定するイオンがポジティブイオンの場合、イオントラップでは０〜３０Ｖ程度が望ましく、リニアトラップでは０〜２０Ｖ程度が望ましい。

また、測定するイオンがネガティブイオンの場合、イオントラップでは０〜−３０Ｖ程度が望ましく、リニアトラップでは０〜−２０Ｖ程度が望ましい。

次に、イオントラップ部４０内に蓄積したイオンを操作、排出する期間ｔ２〜ｔ３では、第２の多重極イオンガイド３５内にイオンを止め、不通過となるように、offsetDC１００を、ｏｆｆとし、ほぼ０Ｖとする。offsetDC１００を、０Ｖとすることで測定イオンは第２の多重極イオンガイド３５内を通過することが透過できず、その内部に滞在することとなる。

そのため、イオントラップ部４０内のイオンの操作、排出時には新たなイオンがイオントラップ部４０に入り込まなくなることからノイズを低減することができる。

さらに、上述した操作、排出時には、測定イオンが第２の多重極イオンガイド３５内に滞在し、次回のイオン蓄積時にイオントラップ部４０内に導入されることから、測定感度を向上することができる。

図４の（Ａ）、図５の（Ａ）、図６の（Ａ）は、イオントラップ部４０のイオン蓄積期間に、直流電圧をイオンガイド３５に印加する場合（本発明）の測定結果を示し、図４の（Ｂ）、図５の（Ｂ）、図６の（Ｂ）は、直流電圧をイオンガイド３５に印加しない従来技術の測定結果を示す図である。

図４はＭＳ測定法の場合、図５はＭＳ/ＭＳ測定法の場合、図６はＭＳ/ＭＳ/ＭＳ測定法の場合を示す。

図４に示すように、ＭＳ測定法では、ｍ/ｚ２００１．０で、強度比が、本発明による場合は５５、従来技術の場合は５２．３となっている。

また、図５に示すように、ＭＳ/ＭＳ測定法では、ｍ/ｚ２００１．０で、強度比が、本発明による場合は３６．１、従来技術の場合は２３．６となっており、本発明による場合は、従来技術と比較して、約１．５３倍となっている。

また、図６に示すように、ＭＳ/ＭＳ/ＭＳ測定法では、ｍ/ｚ２００１．０で、強度比が、本発明による場合は１３．５、従来技術の場合は５．４となっており、本発明を適用した場合は、従来技術と比較して、約２．５倍となっている。

図４〜図６に示したように、本発明を適用した場合は、測定精度を向上することができるという効果がある。

本発明の一実施形態であるイオントラップ質量分析装置の概略構成図である。本発明の一実施形態における第２の多重極イオンガイドに印加する交流電圧と直流電圧の模式図である。本発明の一実施形態における多重極イオンガイドに印加する直流電圧の時間変化を示す図である。本発明と従来技術との測定精度を比較するグラフである。本発明と従来技術との測定精度を比較するグラフである。本発明と従来技術との測定精度を比較するグラフである。

符号の説明

１０イオン源
２０インターフェイス
３０第１の多重極イオンガイド
３５第２の多重極イオンガイド
４０イオントラップ部
４５第３の多重極イオンガイド
５０飛行時間質量分析計（ＴＯＦ）
５５加速部
６０ミラーレンズ
６５検知器
１００ offsetDC（直流電圧）

Claims

測定試料をイオン化するイオン源と、
イオンをトラップするイオントラップ部と、
上記イオン源からのイオンを導く第１の多重極イオンガイドと、
上記イオントラップ部のイオン捕獲蓄積時には、交流電圧に直流電圧が重畳されて印加され、上記イオントラップ部のイオン操作・排出時には、上記直流電圧が重畳されていない上記交流電圧が印加され、上記イオン上記第１の多重極イオンガイドからのイオンをイオントラップ部に導く第２の多重極イオンガイドと、
イオントラップ部から導入されるイオンの質量を分析する質量分析部と、
を備えることを特徴とする質量分析装置。
請求項１記載の質量分析装置において、上記質量分析部は、導かれたイオンを加速し、イオンを飛行させ、イオンの飛行時間に応じた電流値を検出することで質量スペクトルを算出する飛行時間質量分析を行なうことを特徴とする質量分析装置。
請求項１又は２記載の質量分析装置において、上記交流電圧値は、測定するイオンの質量数に応じた値であることを特徴とする質量分析装置。
測定試料をイオン化するイオン源と、イオンをトラップするイオントラップ部と、上記イオン源からのイオンを導く第１の多重極イオンガイドと、この第１の多重極イオンガイドからのイオンをイオントラップ部に導く第２の多重極イオンガイドと、イオントラップ部から導入されるイオンの質量を分析する質量分析部とを備える質量分析装置を用いた質量分析方法において、
上記イオントラップ部のイオン捕獲蓄積時には、交流電圧に直流電圧を重畳して上記第２の多重極イオンガイドに印加し、
上記イオントラップ部のイオン操作・排出時には、上記直流電圧が重畳されていない上記交流電圧を上記第２の多重極イオンガイドに印加することを特徴とする質量分析方法。
請求項４記載の質量分析方法において、上記質量分析部に導かれたイオンを加速し、イオンを飛行させ、イオンの飛行時間に応じた電流値を検出することで質量スペクトルを算出する飛行時間質量分析を行なうことを特徴とする質量分析方法。
請求項４又は５記載の質量分析方法において、上記交流電圧値は、測定するイオンの質量数に応じて設定することを特徴とする質量分析方法。