JP4638150B2 - イオントラップ質量分析計のための一体化されたイオン集束兼ゲートレンズ系 - Google Patents

Description

本発明は、一般にはイオントラップ質量分析計に関する。より詳細には、本発明は、イオントラップ質量分析計において使用されるイオン集束兼ゲートレンズ系に関する。

大気圧イオン化源が、イオンレンズ系アセンブリー用いて質量分析計に結合されている。大気圧イオン化源において形成されたイオンが、サンプリングオリフィスを通過して真空チャンバーに入り、次いでビームスキマーを通過して四重極または六重極または八重極のイオンガイドに入り、小さい開口部を有する出口レンズに送られる。出口レンズを通過したイオンは、イオンビームをイオントラップエンドキャップの進入穴に導くために協動的に機能するイオンガイド集束（フォーカス）レンズおよびエンドキャップレンズを含む第２のイオンレンズ系段階を通過する。イオントラップにより、イオンが、イオン検出器に通過させるために選択される。

エレクトロスプレーイオン化が大気圧で行われ、広範囲の液滴直径分布を有する荷電した液滴が生じる。これらの液滴の最大のものが、入口オリフィスから真空チャンバー内に流れる加熱されたガスの流れを加えることによって除かれる。液滴が大きいとき、ガスの流れは、スプレー源と入口オリフィスとの間に存在する電場の引力に反して液滴をオリフィスから別の方向に輸送するために十分である。非常に小さい液滴は、加熱されたガスによって蒸発させられ、電場によって入口オリフィスに容易に引き寄せられ、ガスの流れとは反対方向に移動する荷電したサンプルイオンをもたらす。中間サイズの液滴もまた、電場によって、オリフィス内に、従って真空チャンバー内に引き寄せられる。そのようなイオンはオリフィスから出て、すなわち、真空ポンプに対するガス負荷を制限する真空制限から出て、超音速である膨張ガスの速度とほぼ同じ速度で移動する。従って、ガスとほぼ同じ速度で移動する液滴の運動エネルギーは、液滴の質量が大きいために、非常に大きい運動エネルギーを有する。これらの荷電した液滴を、捕捉されたイオンが検出のために走査されているときにトラップ内に進入させることは望ましくない。これらの液滴は、スペクトルを不明瞭にする大きなノイズスパイクを生じさせる。この問題は、エレクトスプレー内への液体の流速が大きくなると、一層大きくなる。先行技術の装置では、集束用電極の１つが、イオンがレンズを通過することを阻止するために大きな反発電位を加えられることによって、走査処理の時にイオンがトラップ内に進入することを阻止するためのゲートとして使用されている。例えば、下記特許文献１を参照のこと。
米国特許第５，７５０，９９３号明細書

しかしながら、これには、検出器においてバックグラウンドノイズを生じさせるエンドキャップ穴に進入することを避けるために、荷電した液滴を停止させ、反対方向に向けることが必要である。
本発明は、荷電した液滴に由来するバックグラウンドノイズを減少させることに関する。

本発明によれば、組み合わせられたイオン集束兼ゲートレンズ系が、質量分析計においてイオンガイドからイオントラップへのイオンの流れを結合するために提供される。このイオン集束兼ゲートレンズ系は、イオンビームをイオントラップエンドキャップにおける進入穴または開口部の中に集束する際の集束レンズとして役立つ分割された大略的に円筒形のイオンレンズ系デフレクターレンズエレメントを含む。

イオントラップをイオンで満たすことが望ましいとき、デフレクターレンズの２つの二分割体に加えられる電圧が同一であり、レンズは集束レンズとして機能する。イオンがエンドキャップの進入穴の中に入ることを妨げることが所望されるとき、レンズの２つの二分割体は、極性が反対である大きな電位に設定される。従って、イオンは、対称軸または焦点軸からそれて、進入穴から離れるように偏向される。このような分割されたデフレクターレンズを用いてイオンをゲート制御することによって、検出されるスペクトルにおけるバックグラウンドノイズが減少する。

本発明の特徴は、図面とともに考慮されたとき、下記の詳細な説明および添付された特許請求の範囲からより容易に明らかになる。

図１は、本発明のイオン集束兼ゲート化レンズ系が用いられているイオントラップ質量分析計の単純化された概略図である。簡単に記載すると、エレクトロスプレーイオン化が、広範囲の液滴直径分布を有する荷電した液滴を生じさせる大気圧イオン化源１０において行われる。上記で記載されたように、これらの液滴の最大のものが、入口オリフィス１２から、１Ｔｏｒｒ〜２Ｔｏｒｒの圧力にある真空チャンバー１４の中に流れる加熱されたガスの流れを加えることによって除かれる。液滴が大きいとき、ガスの流れは、イオン化源１０と入口オリフィス１２との間に存在する電場の引力に反して液滴をオリフィスから別の方向に輸送するために十分である。非常に小さい液滴は、加熱されたガスによって蒸発させられ、電場によって、入口オリフィスに、そしてキャピラリー１６を介して真空チャンバー１４に容易に引き寄せられる荷電したサンプルイオンをもたらす。イオンはスキマー１８を通過して、８ｍＴｏｒｒである第２のチャンバー１７の内部にある六重極イオンガイド２０に入る。イオンガイド２０により、イオンはイオンガイド出口２２に導かれ、次いでイオンガイド集束（フォーカス）レンズ２４およびデフレクターレンズ２６に、そしてイオントラップ３０のエンドキャップ２８における開口部に導かれる。続いて、イオントラップ３０からのイオンが、真空チャンバー３３と一緒に３０μＴｏｒｒの圧力で維持されている検出器３２によって検出される。イオントラップの双曲線状の環３４は７６０ｋＨｚのＲＦ源３６によって電圧が加えられ、また、質量分析計内の真空がポンプ３８および前段ポンプ（図示せず）によって維持される。従来のように、ヘリウムなどの不活性ガス雰囲気がヘリウム流量制御器４０によってイオントラップ３０内に提供される。

図２は、六重極イオンガイド２０の図である。六重極イオンガイド２０は、スキマー１８を通過するイオンビーム４４を受け取り、イオンビームを、イオンガイド出口２２およびイオンガイド集束レンズ２４を通過してデフレクターレンズ２６に導き、その後、イオントラップのエンドキャップ２８における開口部に導く。
図３は、レンズ２６における２つのデフレクター構成体の底部部分を示す斜視図である。イオンおよびガスのビーム４４の流れを終結させるためにイオンガイド出口２２またはイオンガイド集束レンズ２４にバイアスがかけられる先行技術とは異なり、本発明によれば、大略的に円筒形のデフレクターレンズ２６の２つの二分割体に対して、電圧バイアスが、エンドキャップ２８における開口部から離れるようにイオンおよびガスのビーム４４を偏向させるためにかけられる。

デフレクターレンズの操作が図４の電圧波形とともに示されている。デフレクターレンズ２６の２つの二分割体が反対の極性（すなわち、＋１７０ボルト、−１７０ボルト）であるとき、デフレクター構成体は偏向によりイオンビームをそらす。デフレクターレンズにより、イオンがエンドキャップ２８に通過させられるとき、デフレクターレンズの両方の二分割体は、図４に示されるように、同じ低い電圧にある。

図５Ａ、図５Ｂでは、質量対電荷比が２４２および４１０である２つのサンプルイオンに関してスペクトルが比較される。加熱されたガスはこの例では使用されておらず、液体の流速は５μ／分にすぎない。図５Ａには、イオンガイド出口レンズが、走査時にイオンがトラップに進入することを阻止するためのゲート電極として使用されたときのスペクトルのベースラインが示されている。図５Ｂには、デフレクターレンズ２６の分割されたレンズにゲート電圧を加えたことの結果が示されている。液滴ノイズスパイクが除かれた。サンプルイオンを今回は明瞭に認めることができる。

図６Ａ、図６Ｂでは、イオン／液滴の流れに対する、２ｌ／分のガスの流れを有することの効果が比較される。ガスの流れは、出口レンズをゲートとして使用したとき、スパイクノイズを減少させるが、スパイクノイズは完全には除かれない。
図７には、比較のために、液体が流れていないときの正常なエレクトロニクスバックグラウンドが示されている。

図８Ａ、図８Ｂでは、ガスが用いられないが、エレクトロスプレー内への液体の流速が５００μ／分であるスペクトルが比較される。この場合、出口レンズ（図８Ａ）およびデフレクター（図８Ｂ）がゲートとして使用される。
図９Ａ、図９Ｂでは、２ｌ／分および分割されたデフレクターレンズを使用することに対して、１１ｌ／分のガスおよび出口レンズによるゲート制御を用いて得られる検出された質量スペクトルが比較される。図９Ａでは、大きいガス流速のために、しかし、著しく低下した感度の犠牲により、ノイズがかなり低下していることが認められる。これらの図は、先行技術の場合のように集束レンズの１つに加えられた反発電圧によってイオンを停止および方向反転させることに対して、イオンをイオントラップエンドキャップにおける進入穴から離れるように偏向することの有効性を明らかにしている。

検出されるイオンスペクトルのバックグラウンドノイズを減少させるためにイオントラップ質量分析において使用される一体化されたイオン集束兼ゲートレンズ系レンズが記載された。本発明は、具体的な実施形態を参照して記載されているが、その記載は、本発明の例示であり、本発明を限定するものとして解釈してはならない。当業者は、添付された特許請求の範囲によって規定される本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、様々な改変および変化を行うことができる。

本発明が使用されるイオントラップＭＳ／ＭＳ質量分析計の概略図である。 六重極ロッドイオンガイド、イオンガイド集束レンズ、デフレクターレンズおよびエンドキャップレンズを示す。これらは一緒になって、本発明の１つの実施形態に従って、イオンビームをイオントラップエンドキャップの進入穴に集束させる。 図２のデフレクターレンズの一方の二分割体の斜視図である。 イオンを通過させるためにデフレクターレンズに加えられる電圧、およびイオンを偏向させるためにデフレクターレンズに加えられる電圧をそれぞれ示す。 イオンを停止させるためにイオンガイド出口レンズを使用したときの質量スペクトルを示す。 本発明によるデフレクターレンズを使用したときの質量スペクトルを示す。 イオンスペクトルにおけるバックグラウンドノイズの影響を示す。 イオンスペクトルにおけるイオン液滴の流れに対するガスの流れの影響を示す。 液体が質量分析計において流れていないときの正常なエレクトロニクスバックグラウンドノイズを示す。 出口レンズゲートを使用し、ガスを用いないスペクトルを示す。 デフレクターレンズゲートを使用し、ガスを用いないスペクトルを示す。 出口レンズゲートを使用し、ガスの流れを用いたイオンスペクトルを示す。 デフレクターゲートを使用し、ガスの流れを用いたイオンスペクトルを示す。

Claims (10)

1. サンプルを満たす状態および質量走査をする状態を取り得るイオントラップ質量分析計において、イオンを供給源から、イオントラップの入口開口部に向かって、またはこのイオントラップの入口開口部に関して離れるように選択的に導くための装置であって、
   ａ）多重極ロッドおよびイオンガイド出口を含み、前記供給源からのイオンビームを受け取り、かつ前記イオンガイド出口を通過するように前記イオンビームを導くためのイオンガイドと、
   ｂ）電圧がバイアスされたとき、前記イオンビームを受け取る開口部を有するイオンガイド集束レンズと、
   ｃ）円筒形の形態を形成し軸方向に延びた第１および第２の構成体を含むデフレクターレンズであって、前記円筒形の形態は、前記軸に垂直な断面において前記円筒形の直径方向に分断されたものであり、前記構成体は、前記サンプルを満たす状態に対応して、それぞれの構成体に対して同じ電圧でバイアスされたとき、前記円筒形の形態の前記軸に沿ってイオンの流れを集束させ、かつ、前記構成体は、前記質量走査をする状態に対応して、極性が反対の各電圧でバイアスされたとき、イオンの流れを、前記円筒形の形態の前記軸から離すように偏向させるものであるデフレクターレンズと、
   ｄ）前記デフレクターレンズからのイオンビームを前記イオントラップのために受け取るための開口部であって、前記軸上に配置された開口部を有するイオントラップエンドキャップレンズとを備えた装置。
2. 前記第１および第２の構成体は形態が同一である、請求項１に記載の装置。
3. 前記イオンガイドおよび前記デフレクターレンズにおいて排気された雰囲気を維持するための真空ポンプをさらに備えた、請求項２に記載の装置。
4. イオントラップを備え、サンプルを満たす状態および質量走査をする状態を取り得るイオントラップ質量分析計であって、
   ａ）大気圧イオン源と、
   ｂ）前記イオン源からのイオンビームを受け取るためのイオンガイドと、
   ｃ）円筒形の形態を形成し軸方向に延びた第１および第２の構成体を有するデフレクターレンズであって、前記円筒形の形態は、前記軸に垂直な断面において前記円筒形の直径方向に分断されたものであり、前記構成体は、前記サンプルを満たす状態に対応して、それぞれの構成体に対して同じ電圧でバイアスされたとき、前記円筒形の形態の前記軸に沿ってイオンの流れを集束させ、かつ、前記構成体は、前記質量走査をする状態に対応して、前記構成体が極性が反対の各電圧でバイアスされたとき、イオンの流れを、前記円筒形の形態の前記軸から離すように偏向させるものであるデフレクターレンズと、を備え、
   前記イオントラップが、前記デフレクターレンズからの前記イオンビームを受け取るための開口部であって、前記軸上に配置され、前記イオントラップに形成された前記入口開口部である開口部を有するエンドキャップを含む、イオントラップ質量分析計。
5. 前記イオンガイドおよび前記デフレクターレンズにおいて排気された雰囲気を維持するための真空ポンプをさらに備えた、請求項４に記載のイオントラップ質量分析計。
6. 前記デフレクターレンズの前記第１および第２の構成体は形態が同一であるとともに、前記軸のまわりに対称に配置されている、請求項５に記載のイオントラップ質量分析計。
7. 前記イオンガイドは多重極ロッドおよびイオン出口ガイドを含む、請求項６に記載のイオントラップ質量分析計。
8. 前記イオンガイド出口からのイオンビームを受け取るための開口部を有するイオンガイド集束レンズをさらに備えた、請求項７に記載のイオントラップ質量分析計。
9. 前記イオントラップからのイオンを受け取り、その質量を分析するためのイオン検出器をさらに備えた、請求項８に記載のイオントラップ質量分析計。
10. 前記イオントラップからのイオンを受け取り、その質量を分析するためのイオン検出器をさらに備えた、請求項４に記載のイオントラップ質量分析計。

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