JP4644506B2 - 質量分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、装置内にイオンをトラップするトラップ部と飛行時間型質量分析計を具備す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。ひとつ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（Electro spray ionization，
ＥＳＩ）である。もうひと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-assistedlaser desorption ionization ，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 mass spectrometer，ＴＯＦ／ＭＳ)を用いる。ＴＯＦ／ＭＳは、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／ＭＳ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／ＭＳの間にイオントラップを導入し、高い質量精度で、かつＭＳⁿ 分析を可能とする手法が考案された。この手法は、特開２００３−３４６７０４号公報(特許文献２)，特表２００５−５００６６２号公報（特許文献３）に記載されている。ＥＳＩイオン源とＴＯＦ／ＭＳ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、ＭＳⁿ 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／ＭＳのイオン加速領域に導入され、その後、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。

しかしながら、イオントラップ内に必要以上にイオンが捕捉されると、イオントラップ内のイオン密度が増加し、イオントラップ内の電場が変化し、いわゆるスペースチャージといわれる現象が発生することが知られている。スペースチャージが発生すると、捕捉されたイオンの質量数に対応する交流電場が変化してしまい（マスずれ）、目的イオンの選択，乖離，排出などの操作を行うことができなくなる。

例えば、イオントラップのみの質量分析装置の場合、本来図２（ａ）に示すように、複数のイオン（２０１〜２０５）が出現するはずが、トラップ部４０４に許容容量以上のイオンが導入され、トラップ部４０４内部の電界が乱れ、スペースチャージが発生すると、図２（ｂ）の２１１〜２１５に示すように、出現するスペクトル位置が高質量側にずれて出現するようになる。

従来技術では、この対策として、二つの方法が採られてきた。一つ目は、試料を正確に測定する前に簡易測定を行い、測定の際、導入されるイオン量の見積を行い、これに基づきトラップ部にイオンを導入する時間を変化させ、トラップ部に導入されるイオン量を調整するものである。上記特許文献１及び２、特開平９−３０６４１９号公報(特許文献３)には、この方法が記載されている。

二つ目は、スペースチャージによって発生したマスずれを補正するために、標準試料のイオン蓄積時に標準試料以外のイオンがイオントラップ内に蓄積されないように、イオントラップ内に排除したい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発生させる方法である。特開平１１−８３８０３号公報（特許文献４）に、この方法が記載されている。

特開２００３−３４６７０４号公報 特表２００５−５００６６２号公報 特開平９−３０６４１９号公報 特開平１１−８３８０３号公報

しかしながら、上記一つ目の方法では、目的のイオンが捕捉できるようになるものの、トラップ部分へのイオンの導入時間が少なくなるため、導入されるイオン量は、減少し、ノイズばかりではなく、目的のイオン量も減少し、高感度測定を行うことができないという問題があった。

また、上記二つ目の方法は、スペースチャージによって生じたマスずれを補正するために、標準試料を導入し、キャリブレーションを行うステップを実施しなければならない。

本発明の目的は、イオントラップを備えたＴＯＦ／ＭＳにおいて、ＭＳⁿ 測定時における目的イオンの選択効率の向上や分析効率向上を実現することである。

前記課題を解決するために本発明は、測定試料をイオン化するイオン源と、イオンの蓄積，選択，開裂，排出が可能なイオントラップ部と、飛行時間質量分析計とを備えた質量分析装置において、前記イオントラップ部において任意の質量範囲のイオンをトラップした後に、イオンの選択，開裂を行わずに前記飛行時間型分析計においてマススペクトルの取得を行い、前記取得されたマススペクトルから分析すべきイオンの量および質量対電荷比のピークの出現位置を把握し、該分析すべきイオンの質量対電荷比のピークが捉まるような質量範囲が設定され、前記イオントラップ部に前記分析すべきイオン以外のイオンが蓄積されないように補助交流電場を形成し、該分析すべきイオンのそれぞれに対して前記イオントラップ部において選択，開裂を行い、前記飛行時間型質量分析計において質量分析を行うことを特徴とする。

トラップＴＯＦ／ＭＳのトラップ部において、スペースチャージが発生しても、高感度に分析を行うことが可能となる。

図１は、本実施例の測定シーケンスを示すフローチャートであり、図３は、本発明を説明するためのスペクトル、図４は、イオントラップＴＯＦ／ＭＳの概要を示す概略図、図５は、条件設定画面の例である。

図４において、イオン源４０１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４０２を通り、第１の多重極イオンガイド４０３，第２の多重極イオンガイド
４０５を通り、トラップ部４０４へと導かれる。第１の多重極イオンガイド４０３および第２の多重極イオンガイド４０５は、トラップ部４０４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およびイオンビームの収束を行う。

トラップ部４０４は、リング電極と一対のエンドキャップ電極からなるイオントラップであり、これらの電極に電圧を印加することで３次元４重極電界を形成し、イオンの蓄積，選択，開裂，排出を実行することが可能となる。

トラップ部４０４から排出したイオンを第３の多重極イオンガイド４０６に導入する。第３の多重極イオンガイド４０６は、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。導入されたイオンは第３の多重極イオンガイド４０６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ＴＯＦ４０７の加速部４０９に導入し、直交方向（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４０８によって反射され、検知器４１０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４１０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析を行い、マススペクトルを得る。

次に、図４の装置において、通常のＭＳ測定もしくは、ＭＳⁿ 測定を行う場合の基本的なシーケンスについて、図６を用いて説明する。

測定が開始されると（６０１）、試料イオンは、まずトラップ部４０４に導入され、トラップ部４０４内で任意の質量範囲のイオンが捕獲蓄積（６０２）される。次に、予め
ＭＳⁿ 測定の設定が行われている場合はステップ６０４に、ＭＳⁿ 測定の設定が行われていない場合はステップ６０７に行く。

ステップ６０４では、目的外のイオンが共鳴しトラップ部４０４内に蓄積されないような補助交流電場を発生させ、目的のイオンのみを選択する。その後、目的のイオンが共鳴し、開裂するような補助交流電場をトラップ内に生成し、フラグメントイオンを生成
（６０５）する。その後、ＭＳ／ＭＳを予め設定された回数（ｎ回）繰り返したかを判断し、まだ設定回数に満たなければステップ６０４に戻り、設定回数を満たしたならばステップ６０７へ行く。

ステップ６０７では、捕獲しているイオンをトラップ部４０４外に排出し、排出されたイオンは、ＴＯＦ４０７において、質量分離され検出される（６０８）。その後、更に次の分析試料の有無を確認し（６０９）、分析すべき試料があれば、ステップ６０２へ戻り、無ければ終了する（６１０）。

図４の構成においてトラップ部４０４は、第２の多重極イオンガイド４０５から導入されたイオンの蓄積，操作，排出を繰り返す。

通常のトラップ部４０４しか装備していない単独の質量分析装置の場合、トラップ部
４０４で必要以上にイオンが捕捉されると発生する現象（スペースチャージ）により、捕獲されたイオンに対して、排出，乖離などの正確な操作を行うことができず、誤った測定結果しか得られない。したがって、図６のステップ６０２において、スペースチャージが発生しないように、トラップするイオンの量をコントロールしなければならない。

しかしながら、上記構成のようなトラップ部４０４の次段に、ＴＯＦ４０７を備えた装置の場合、トラップ部４０４でスペースチャージが発生し、トラップ部４０４から質量数毎に正確にイオンが排出されない場合でも、ＴＯＦ４０７で精密に質量分離を行うため、トラップ部４０４でのスペースチャージ発生の有無に関わらず、トラップ部４０４に導入されたイオンの正確な質量数および量を知ることができる。また、イオンのトラップや共鳴出射するためにトラップ部４０４に印加する電圧は、スペースチャージが発生する以前に設定した（キャリブレーションした）値を用いれば、スペースチャージの影響は受けない。

そこで本発明では、本測定（ＭＳⁿ 測定）を行う前に、簡易測定（ＭＳ測定）を行い、
ＴＯＦ４０７にて観測されるイオンを測定し、その測定結果にあわせて、本測定（ＭＳⁿ測定）の際、トラップ部４０４でのイオン蓄積時に、スペースチャージが発生する以前に設定した（キャリブレーションした）印加電圧値を用いることで、トラップ部４０４におけるスペースチャージの発生の有無にかかわらず、高感度に分析が行えるようにする。

具体的なシーケンスを図１および図３を用いて説明する。

本発明においては、図１に示すように、まず条件設定を行い（１０２）、簡易測定
（１０３）を行ってスペクトルを確認した後、本測定（１０５）を行う。

まず条件設定のステップ１０２では、図５に示すウインドウを表示することで測定者に設定させる。「Isotope」のチェックボックスは、測定の際にIsotope（同位体）のイオンが出現するが、このチェックボックスをチェックすると、同位体であると判断されたイオンのＭＳ／ＭＳ（あるいはＭＳⁿ ）分析を行わないようにするための設定項目である。後ろの数値は、同位体であるかどうかを判断するための閾値である。

「Charge」のチェックボックスは、チェックボックスをチェックした際、１価イオンと判定されたものはＭＳ／ＭＳ（あるいはＭＳⁿ ）分析を行わなくするための設定項目である。

「Rejection 」のチェックボックスは、あらかじめ質量数を決めておき、その質量数はＭＳ／ＭＳ（あるいはＭＳⁿ）分析を行わないようにするための設定項目である。

次に、簡易測定（１０３）を行い、その結果、検出されたイオンの量（信号量）および正確なピークの出現位置を把握する。図３においては、（Ａ）のスペクトルである。ここでは、ピーク３０１〜３０５の５本のピークが検出されたものとする。

次に、ステップ１０４において、簡易測定の結果によって得られたスペクトル中のピーク位置（質量対電荷比ｍ／ｚ）を把握する。

次にステップ１０５に移り、ステップ１０４で把握したイオンのそれぞれに対して、本測定を行う。本測定で行う分析の手順は、図６で示した手順であるが、ステップ６０３の分岐条件は、ステップ１０２で設定された条件に基づいて、分析が行われる。

図３には、（Ｂ）〜（Ｄ）に、ピーク３０１〜３０３を分析する様子を示す。図３(Ｂ)では、図６におけるステップ６０３で、ピーク３０１が捉まるような質量範囲が設定された状態を示す。範囲３１１および範囲３１２は、トラップ部４０４にイオンが蓄積されない範囲であり、トラップ部４０４のエンドキャップ電極に補助ＲＦ電圧を印加することによって、補助電界を形成することによって達成できる。いわゆるＦＮＦ信号の印加である。

ここで、簡易測定のステップ１０３において、イオンの蓄積量がトラップ部４０４の許容範囲を超えていた場合、トラップ部４０４はスペースチャージを発生するが、上記FNF信号の印加によるイオンの選択ついては、影響が無い（予め設定された質量対電荷比に対応する信号を印加するためであり、質量対電荷比の検出もＴＯＦを用いるため。）。

選択されたピーク３０１に対しては、図１のステップ１０２で設定された各条件に基づき、図６のステップ６０３以降の手順でＭＳⁿなどの分析が行われる。

ピーク３０２や３０３についても同様の測定が行われる。

上記の測定シーケンスを用いて測定を行えば、トラップ部４０４でスペースチャージが発生したとしても、図３に示すように測定対象イオンをマスずれを気にすることなくトラップ部４０４内に捕捉でき、ＭＳⁿなどの測定が可能になる。

本実施例において、イオン源４０１部には、ＥＳＩやＭＡＬＤＩ等があるが、イオン化の方法によりそれぞれ出現するイオンの価数の特徴が異なるため、使用するイオン源により、図１のステップ１０３でピーク位置を把握する際、特定の価数のイオンのみを測定する機能を設け、一定時間内で測定できるピークを増やすことも可能である。

また、本特許は、トラップ部４０４が、Ｘ軸に対して回転対称なリング電極と一対のエンドキャップ電極を用いた３次元イオントラップ型だけではなく、図７の概略図のように、４本の柱状の電極を持つリニアイオントラップ型であっても同様に適用できる。

本発明における測定シーケンスを示すフローチャートである。 マスずれが発生したマススペクトルを示す図である。 本発明における分析例を示すためのマススペクトルである。 本発明の概略構成図である。 条件設定時に用いるウインドウの例を示す図である。 本測定の測定シーケンスを示すフローチャートである。 本発明の概略構成図（リニアトラップ型）である。

符号の説明

４０１…イオン源、４０２…インターフェース、４０３…第１の多重極イオンガイド、４０４…トラップ部、４０５…第２の多重極イオンガイド、４０６…第３の多重極イオンガイド、４０７…ＴＯＦ、４０８…ミラーレンズ、４０９…加速部、４１０…検知器、
７０１…トラップ部（リニア型）。

Claims (5)

1. 測定試料をイオン化するイオン源と、イオンの蓄積，選択，開裂，排出が可能なイオントラップ部と、飛行時間質量分析計とを備えた質量分析装置において、
   前記イオントラップ部において任意の質量範囲のイオンをトラップした後に、イオンの選択，開裂を行わずに前記飛行時間型分析計においてマススペクトルの取得を行い、
   前記取得されたマススペクトルから分析すべきイオンの量および質量対電荷比のピークの出現位置を把握し、該分析すべきイオンのピークが捉まるような質量範囲が設定され、
   前記分析すべきイオン以外のイオンが共鳴し前記イオントラップ部内に蓄積されないように補助交流電場を発生させ、前記分析すべきイオンのみを選択し、その後、該分析すべきイオンが共鳴し開裂するような補助交流電場を前記イオントラップ部内に生成し、前記分析すべきイオンのそれぞれに対して前記イオントラップ部において選択，開裂を行い、前記飛行時間型質量分析計において質量分析を行うことを特徴とする質量分析装置。
2. 前記請求項１において、
   前記イオントラップ部は、リング電極と一対のエンドキャップ電極からなる３次元イオントラップであることを特徴とする質量分析装置。
3. 前記請求項１において、
   前記イオントラップ部は、４本の柱状の電極を持つリニアトラップであることを特徴とする質量分析装置。
4. 測定試料をイオン化するイオン源と、イオンの蓄積，選択，開裂，排出が可能なイオントラップ部と、飛行時間質量分析計とを備えた質量分析装置を用いた質量分析方法において、
   前記イオントラップ部において任意の質量範囲のイオンをトラップした後に、イオンの選択，開裂を行わずに前記飛行時間型分析計においてマススペクトルの取得を行う簡易測定ステップと、
   前記取得されたマススペクトルから分析すべきイオンの量および質量対電荷比のピークの出現位置を把握し、該分析すべきイオンの質量対電荷比のピークが捉まるような質量範囲が設定され、
   前記分析すべきイオン以外のイオンが共鳴し前記イオントラップ部内に蓄積されないように補助交流電場を発生させ、前記分析すべきイオンのみを選択し、その後、該分析すべきイオンが共鳴し開裂するような補助交流電場を前記イオントラップ部内に生成し、前記分析すべきイオンのそれぞれに対して前記イオントラップ部において選択，開裂を行い、前記飛行時間型質量分析計において質量分析を行う本測定ステップを備えたことを特徴とする質量分析方法。
5. 請求項４において、
   前記簡易測定ステップで取得したマススペクトルに対して、同位体であると判断されたイオン、１価イオンと判定されたイオン、あらかじめ決められた質量数のイオンのいずれかのＭＳ／ＭＳ分析を行わなくするための条件設定に基づいてイオンの選択を行い、前記本測定を行うことを特徴とする質量分析方法。

Images