JP4659395B2 - 質量分析装置及び質量分析方法 - Google Patents

Description

本発明は、質量分析装置に関する。

以下の説明では、質量または質量数は、質量電荷比を意味し、質量範囲または質量数範囲は、質量電荷比の範囲を意味するものとする。

プロテオーム解析等に用いられる質量分析計において、リニアトラップに、高感度、高質量精度、ＭＳ^ｎ分析等が求められている。従来における、リニアトラップを用いた質量分析について説明する（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。

特許文献１に記載の従来例では、軸方向から入射されたイオン蓄積した後、必要に応じてイオン選択やイオン解離を行なう。その後、トラッピングＲＦ電圧をスキャンすることにより、径方向に質量選択的にイオン排出する。この際、補助交流電圧を四重極ロッド電極に重畳することにより、質量分解能が向上することが記載されている。これにより、高感度な質量分析が可能である。

特許文献２に記載の従来例では、軸方向から入射されたイオン蓄積した後、必要に応じてイオン選択やイオン解離を行なう。その後、四重極ロッド電極に補助交流電圧を印加することにより、軸方向に質量選択的にイオン排出する。補助交流電圧の周波数又はトラッピングＲＦ電圧の振幅値をスキャンすることにより、高感度な質量分析が可能である。

特許文献３に記載の従来例では、軸方向から入射されたイオン蓄積した後、必要に応じてイオン選択やイオン解離を行なう。四重極ロッド電極間には、羽電極が挿入されており、羽電極と四重極ロッド電極間のＤＣバイアスによって、リニアトラップ軸上に調和ポテンシャルが形成される。その後、羽電極間に補助交流電圧を印加することにより、軸方向に質量選択的にイオン排出する。ＤＣバイアス又は補助交流電圧の周波数をスキャンすることにより、高感度な質量分析が可能である。

次に、従来技術のニュートラルロススキャン、プリカーサーイオンスキャンの測定方法について説明する。

四重極飛行時間型質量分析計（QqTOF）や三連四重極質量分析計（TripleQ）において、プレカーサーイオンスキャンを行う方法が、提案されている（例えば、非特許文献１参照）。非特許文献１に記載の従来例では、後段でイオン検出質量範囲を固定して、前段の四重極質量フィルターの質量範囲をスキャンするプリカーサーイオンスキャンや、後段の検出質量範囲と前段の四重極フィルターの質量範囲の質量差を固定しながら、前段の四重極質量フィルターの質量範囲をスキャンするニュートラルロススキャンにより、ケミカルノイズが大量に存在するサンプルから特定修飾部位をもったイオン種のみをスクリーニングすることが可能になる。この手法は、例えば、多種多様なペプチド混合サンプルからリン酸化したペプチドイオン種の存在を確認すること等に利用されている。

従来技術のプリカーサーイオンスキャンやニュートラルロススキャンの極めて低いイオン利用効率（以下、Duty Cycleという）を高めるため、リニアトラップからの質量選択的なイオン排出方法が提案されている（例えば、特許文献４参照）。特許文献４に記載の従来例では、衝突室の前段に設置されたリニアトラップにイオンを蓄積し、その後、特定の質量（正確には特定の質量電荷比）範囲のみのイオンを、衝突室に導入してイオン解離を行なった後、ＴＯＦ又は四重極質量フィルターによりイオンを検出することにより、ニュートラルロススキャンやプリカーサースキャンにおけるDuty Cycleが向上することが記載されている。

一方、イオントラップのスペースチャージの低減方法が、提案されている。特許文献５に記載の従来例の方法では、イオンの前段部に四重極フィルターを設置し、予め必要とされるイオン以外を排除する。これによりトラップ部に測定対象となる特定イオンのみが導入され、イオントラップのスペースチャージが緩和される。

また、スペースチャージの低減方法が、提案されている。特許文献６に記載の従来例の方法では、四重極イオントラップの前段部にリニアトラップを設置し、予め取得した質量スペクトル等の情報から必要とされるイオン以外を補助的な補助交流電圧の印加により排除する。これによりトラップ部には測定対象となる特定イオンのみが導入可能となり、イオントラップのスペースチャージが緩和される。

米国特許第５４２０４２５号

米国特許第６１７７６６８号 米国特許第５７８３８２４号 米国特許第６５０４１４８号 米国特許出願公開第２００３／００７１２０６号 米国特許第５１７９２７８号 Organic Mass Spectrometry, Vol28, 1135-1143,1993年

上述した特許文献１〜３に記載の何れの従来技術においても、リニアトラップは、イオンため込み容量（〜１０^６個程度）が四重極イオントラップより大きく、比較的高いDuty Cycle（＝イオンため込み時間／（全測定時間）、ＭＳ^１測定時）が実現可能である。現状の典型的なイオンため込み時間１００ｍｓ、スキャン時間１００ｍｓで、Duty Cycleは、５０％程度である。

しかし、リニアトラップといえどもイオン信号量の増加や長時間のイオン蓄積は、スペースチャージを引き起こすという課題を生じる。つまり、イオン源や差動排気部の改良により、今後イオンの導入量はますます向上し、スペースチャージを許容できるイオンため込み時間を短くする必要があるという課題を生じる。今後、イオン導入量が１０倍になれば、スペースチャージを引き起こさないイオンため込み時間は１０ｍｓとなり、Duty Cycleは９％にまで低下するという課題を生じる。また、今後、イオン導入量が１００倍になれば、イオンため込み時間１ｍｓとなり、Duty Cycleは１％以下まで低下するという課題を生じる。また、現状でも分解能を通常より向上した高分解能モードが存在する。ここではスキャン速度をより低速かつイオントラップのため込み時間をより短く制限する必要があり、Duty Cycleが１％以下にまで低下するという課題は、既に顕在化している。

また、上述した非特許文献１に記載の従来技術では、プリカーサーイオンスキャン、ニュートラルロススキャン時におけるDuty Cycleが著しく低いことが課題であった。例えば、前段の四重極質量フィルターの通過質量幅を１ａｍｕで１０００ａｍｕのスキャンを行う場合には、通過質量幅以外のイオンは利用していないため、Duty Cycleは１ａｍｕ／１０００ａｍｕ＝０.１％となる。

また、上述した特許文献４に記載の従来技術では、第１のリニアトラップに広い質量数範囲のイオンをトラップした後、順次特定質量イオンを後段の衝突室に導入する。この場合、上述した特許文献１〜３に記載の従来技術における課題と同様の課題が、より顕著になることを以下に説明する。

コリジョンセル内部のイオン通過時間は１０ｍｓ程度を要する。クロストークを防止するため１０ｍｓ／ａｍｕ程度と低速のスキャン速度が、前段のリニアトラップでは一般的に用いられている。このため、１０００ａｍｕのスキャンには１０ｓ要することになる。トラップへの典型的なイオン導入速度は１０^７／ｓｅｃ程度であるから、１０ｓの間に、トラップ内に１０^８個程度のイオンがリニアトラップに導入される。このような大量のイオンがトラップ内に存在すると、イオンはスペースチャージを起こし、質量分解能は数１０程度にまで低下する。

リニアトラップから排出される質量分解能が悪いと、質量分解能を維持するためには１０^６個程度にイオントラップ内部の全イオン量を制限する必要があり、１００ｍｓのイオンしか同時にイオントラップには蓄積できない。この結果、Duty Cycleは１００ｍｓ／（１００ｍｓ＋１０ｓ）＝１％程度となる。また、これ以外にもリニアトラップからの典型的な軸排出効率は２０％程度であるから、特許文献４に記載の従来技術の効果は更に小さいといえる。以上の考察から、これ以上のDuty Cycleを達成するには、効率的なスペースチャージの低減が必要であることが示唆される。

また、上述した特許文献５、６に記載の従来技術には、何れも後段のイオントラップのスペースチャージの抑制方法が提案されている。しかし、何れも前段のフィルターを透過する質量数が、特定の質量範囲に固定されており、それに対応したイオンのみを前段部で選択することにより、イオントラップ内部のスペースチャージを低減している。これに対し、広い質量範囲をスキャンする方法に対しては、特許文献５、６に記載された従来の方法では、測定できる質量数範囲が限定されてしまうという課題を有する。

本発明の目的は、スペースチャージを効率的に抑制でき、高いDuty Cycleで広い質量数の範囲のスキャンを実現でき高感度な分析が可能な、リニアトラップを用いた質量分析装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の質量分析装置は、下記に示す特徴を有する。

本発明の質量分析装置の構成Ａは、試料をイオン化してイオンを生成するイオン源と、前記イオンを輸送するイオン輸送部と、軸方向に形成されたポテンシャルによって、輸送された前記イオンを蓄積するリニアトラップ部と、前記リニアトラップ部に第１の質量数範囲の前記イオンを蓄積するタイミングと略同じタイミングで、前記第１の質量数範囲と異なる第２の質量数範囲の前記イオンを前記リニアトラップ部から排出する制御部とを有し、かつ、前記制御部は、（１）前記リニアトラップ部を構成する少なくとも１対のリニアトラップ電極間に補助的交流電圧を印加すること、（２）前記リニアトラップ部を構成する出口側端電極に補助的交流電圧を印加すること、（３）前記リニアトラップ部を構成する羽電極を有し、前記羽電極の間に補助的交流電圧を印加すること、の何れかの電圧印加によって、前記リニアトラップ部から前記イオンを質量選択的に排出する制御を行なうことを特徴とする。

本発明の質量分析装置の構成Ｂは、試料をイオン化してイオンを生成するイオン源と、前記イオンを輸送するイオン輸送部と、軸方向に形成されたポテンシャルによって、輸送された前記イオンを蓄積するリニアトラップ部と、前記リニアトラップ部より排出された前記イオンを、外部から内部に導入されるガス、光、又は電子等と反応させ、分解反応、解離反応、多価イオンの低価イオンへの変換反応等の反応行なう反応室と、前記反応室を通過して排出された前記反応室で生成された反応生成物の質量分析を行なう質量分析部と、前記リニアトラップ部に第１の質量数範囲の前記イオンを蓄積するタイミングと略同じタイミングで、前記第１の質量数範囲と異なる第２の質量数範囲の前記イオンを前記リニアトラップ部から排出する制御部とを有し、かつ、前記制御部は、（１）前記リニアトラップ部を構成する少なくとも１対のリニアトラップ電極間に補助的交流電圧を印加すること、（２）前記リニアトラップ部を構成する出口側端電極に補助的交流電圧を印加すること、（３）前記リニアトラップ部を構成する羽電極を有し、前記羽電極の間に補助的交流電圧を印加すること、の何れかの電圧印加によって、前記リニアトラップ部から前記イオンを質量選択的に排出する制御を行なうことを特徴とする。

上記構成Ａ又は構成Ｂにおいて、前記イオン輸送部は、前記第１の質量数範囲の前記イオンを選択する質量選択手段を有することを特徴とし、（１）前記リニアトラップ部は、前記第１の質量数範囲の前記イオンを前記第２の質量数範囲で質量選択的に排出すること（２）前記リニアトラップ部は、前記第１のイオン質量数範囲の変化に応じて、前記第２の質量数範囲を変化させること、（３）前記質量選択手段により前記イオン輸送部を透過する前記第１の質量数範囲の透過質量幅が、前記リニアトラップ部に導入される前記イオンの予め計測されたマススペクトル（質量分布）により設定（制御）されること、（４）前記質量選択手段が、四重極マスフィルターであること、（５）前記質量選択手段が、リニアトラップから構成され、前記イオン輸送部から質量選択的に前記イオンを排出すること、等に特徴を有する。

本発明の質量分析装置の構成Ｃは、試料をイオン化してイオンを生成するイオン源と、第１の質量数範囲の前記イオンを選択する質量選択手段と、軸方向に形成されたポテンシャルによって前記選択されたイオンを蓄積し、前記イオンを蓄積するタイミングと略同じタイミングで、前記第１の質量数範囲と異なる第２の質量数範囲で前記イオンを前記リニアトラップ部から質量選択的に排出するリニアトラップ部と、前記イオンを蓄積する制御および前記イオンを前記リニアトラップ部から質量選択的に排出する制御を行なう制御部とを有することを特徴とし、更に、前記制御部は、（１）前記リニアトラップ部を構成する少なくとも１対のリニアトラップ電極間に補助的交流電圧を印加すること、（２）前記リニアトラップ部を構成する出口側端電極に補助的交流電圧を印加すること、（３）前記リニアトラップ部を構成する羽電極を有し、前記羽電極の間に補助的交流電圧を印加すること、の何れかの電圧印加によって、前記リニアトラップ部から前記イオンを質量選択的に排出する制御を行なうこと、更にまた、前記質量選択手段は、四重極ロッド電極を具備する四重極フィルター部から構成されること、等を特徴とする。

本発明によれば、効率的にスペースチャージを抑制でき、広い質量数の範囲をスキャンする場合に、高いDuty Cycleを実現でき大幅な感度向上が可能なリニアトラップを用いる質量分析装置を実現できる。

（実施例１）
図１は、本発明の実施例１のリニアトラップ質量分析計の構成例を示す図である。図１の下部には、四重極フイルター及びリニアトラップのｚ軸の中心軸付近での各部の電位を示している。

図１において、試料をイオン化してイオンを生成するイオン源１としては、エレクトロスプレーイオン源、大気圧化学イオン源、大気圧光イオン源、大気圧マトリックス支援レーザ脱離光イオン源、マトリックス支援レーザ脱離光イオン源等の何れか１種類のイオン源が使用される。イオン源１で試料から生成されたイオンは、図示しない差動排気部、細孔２を通過して、四重極ロッド電極３よりなる四重極フイルターに導入される。

四重極ロッド電極３には、交互に逆位相の１ＭＨｚ、数十Ｖ〜数ｋＶ程度のＲＦ電圧が印加され、また、それらの間には数十Ｖ〜数ｋＶのＤＣ電圧が印加される。これらの電圧の印加により、特定の質量範囲のイオンが、四重極フイルターを通過することが可能となる。このような四重極フイルターを単独で質量分離に用いる場合には、透過質量幅を０．５ａｍｕ〜３ａｍｕ程度に設定する。

実施例１では、四重極フイルターに、数十ａｍｕ〜数百ａｍｕの広い透過質量幅を設定する。このため、四重極フイルターが配置される領域のガス真空度は、３×１０^−２Torr〜１０^−６Torrと広い真空範囲で設定できる。また、この領域でイオン冷却を行うことにより、イオンのエネルギーが均一化し、後段のリニアトラップでのトラッピング効率が向上することは広く知られている。後段のリニアトラップでのトラッピング効率を向上させるためには、１０^−３Torr〜３×１０^−２Torr程度に設定するのが最も適切である。

四重極フィルターで選択された特定の質量範囲のイオンは、ゲート電極４、リニアトラップ入口側端電極５を通過し、リニアトラップ電極６で形成されるリニアトラップの四重極電界中へと導入される。リニアトラップ電極６で形成されるリニアトラップが配置される領域に、真空室の外部より適当な方法によりバッファーガスが導入され、真空度が所定の範囲の値に保持される。バッファーガスとしては、不活性のＨｅ、Ａｒ、Ｎ_２等が用いられる。Ｈｅをバッファーガスとして使用する場合には、真空度は１０^−２Torr〜１０^−４Torr程度に、Ａｒ、Ｎ_２をバッファーガスとして使用する場合には、真空度は３×１０^−３Torr〜３×１０^−５Torr程度に維持されている。

イオンは、リニアトラップが配置される領域で、バッファーガスとの衝突により冷却され、リニアトラップ電極６で形成される四重極電界の中心軸（リニアトラップの中心軸）上に収束する。リニアトラップ入口側端電極５及びリニアトラップ出口側端電極７には、リニアトラップ電極６のＤＣバイアスに対し５Ｖ〜３０Ｖ程度のＤＣバイアスが印加される。

四重極電界の中心軸上のポテンシャル勾配、及び、リニアトラップ電極６の形成する径方向のポテンシャル勾配により、イオンはリニアトラップ内部に安定にトラップされる。対向する一対のリニアトラップ電極６間に、補助的交流電圧を印加することにより、イオンは、径方向にイオン軌道が拡大され、リニアトラップ内部から排出される。排出されたイオンは、検出器９により検出され、コントローラ（制御部）１２のメモリに記録される。

なお、コントローラ（制御部）１２は、ゲート電極４、リニアトラップ入口側端電極５、リニアトラップ出口側端電極７、イオンストップ電極８（検出器９へのイオンの導入を制御する電極）の各電極に印加する電圧の制御、及び、電源（四重極ロッド電極３に印加する電圧を発生する四重極ロッド電極用電源１０、リニアトラップ電極６に印加する電圧を発生するリニアトラップ用電源１１）の制御を行ない、質量分析装置の動作シーケンスを制御する。

以上説明した構成と類似の形態として、リニアトラップ入口側端電極５、リニアトラップ出口側端電極７とリニアトラップ電極６の間に、補助的な四重極ロッド電極（図示せず）を挿入する場合もあるが、この時は補助的な四重極ロッド電極とリニアトラップ電極間にＤＣバイアスを印加して、イオンをトラップする。

実施例１では、質量分析装置の動作シーケンスを以下に説明する方法で制御する。従来技術との差を明確化するために、まず、従来技術における装置の動作シーケンス（正イオン測定時を例にとる）について説明する。

図２は、従来技術の装置における正イオン測定時の測定シーケンスの例を説明する図である。

従来技術の装置では、イオン強度に応じてイオンを数ｍｓ〜数百ｍｓトラップする。イオン蓄積時には、ゲート電極４に、四重極ロッド電極３のオフセット電位に対し０Ｖ〜数十Ｖ負の直流バイアスを印加し、イオンストップ電極８に、四重極ロッド電極３のオフセット電位に対し数Ｖ〜数十Ｖ正の直流バイアスを印加する。これにより、検出器９へイオンを導入をさせないようにして、イオンをイオントラップ内部へ入射させて蓄積可能となる。

一方、イオンの質量選択的排出時（即ち、スキャン時）には、トラップ内部にイオンが入射しないように、ゲート電極４に、四重極ロッド電極３のオフセット電位に対し数Ｖ〜数十Ｖ正の直流バイアスを印加し、更に、リニアトラップ電極６への補助交流電圧の印加のもとで、トラッピングＲＦ電圧をその振幅値が時間と共に増大するようにリニアトラップ電極６へ印加してスキャンし、検出器９へイオンが導入されるように、イオンストップ電極８に、出口側端電極７に対し数Ｖ〜数十Ｖ負の直流バイアスを印加する。

以上のように従来技術の装置では、イオンのトラップ及びスキャン時に、ゲート電極４に印加する電圧によりイオンのトラップ（蓄積）、イオンの質量選択的排出（スキャン）の制御を行っていた。

図３は、本発明の実施例１における正イオン測定時の測定シーケンスの例を説明する図である。

実施例１における測定シーケンスでは、イオンのトラップ（蓄積）及びスキャンの時間的な区分はない。イオンのスキャン時にも、ゲート電極４を低い電圧（四重極ロッド電極３のオフセット電位に対し０Ｖ〜数十Ｖ負の直流バイアス）に設定してイオンのトラップ（蓄積）を行っている。

時間と共に増大するＤＣ電圧（前段ＱフイルターＤＣ電圧）と、トラッピングＲＦ電圧をその振幅値が時間と共に増大するように変化するＲＦ電圧（前段ＱフイルターＲＦ電圧）とを、四重極ロッド電極３に印加することにより、数十ａｍｕ〜数百ａｍｕの質量幅（この範囲を第１の質量数範囲（Ｍ_１）と定義する）のイオンのみが、リニアトラップに入射される。四重極ロッド電極３へのＤＣ電圧及びＲＦ電圧の印加と同時に、リニアトラップ電極６への補助交流電圧の印加のもとで、リニアトラップ電極６へトラッピングＲＦ電圧をその振幅値が時間と共に増大するように印加してスキャンし、検出器９へイオンが導入されるように、イオンストップ電極８に、四重極ロッド電極３のオフセット電位に対し数Ｖ〜数十Ｖ正の直流バイアスを印加して、イオンが軸方向に排出されないように防止する。

このようにして、リニアトラップ用電源１１から適当なＲＦ電圧及び補助的な交流電圧が、リニアトラップ電極６に供給され、以下に説明するように、０.２ａｍｕ〜３ａｍｕ程度の質量幅（この範囲を第２の質量数範囲（Ｍ_２）と定義する）のイオンを排出する。以下、具体的な供給電圧について述べる。先に説明したように、四重極ロッド用電源１０及び９リニアトラップ用電源１１は、コントラローラ１２により制御される。

図１に示す四重極ロッド電極３には、一本おきに電圧、ＶＱ（ｔ）ｓｉｎΩＱｔ＋ＵＱ（ｔ）、−ＶＱ（ｔ）ｃｏｓΩＱｔ−ＵＱ（ｔ）（なお、これら電圧の式ではＤＣバイアス成分は省略している）が四重極ロッド用電源１０から供給される。また、リニアトラップ電極６には、各々電圧、ＶＬ（ｔ）ｃｏｓΩＬｔ＋ＶＳ（ｔ）ｃｏｓωＳｔ、−ＶＬ（ｔ）ｃｏｓΩＬｔ、ＶＬ（ｔ）ｃｏｓΩＬｔ−ＶＳ（ｔ）ｃｏｓωＳｔ、−ＶＬ（ｔ）ｃｏｓΩＬｔ（なお、これら電圧の式ではＤＣバイアス成分は省略している）がリニアトラップ用電源１１から供給される。ここで、ｔを時間変数とし、ＶＱ、ＵＱ、ΩＱ、ＶＬ、ΩＬ、ＶＳ、ωＳはそれぞれ、四重極ＲＦ電圧振幅、四重極ＤＣ電圧、四重極ＲＦ角周波数、トラップＲＦ電圧振幅、トラップＲＦ角周波数、補助交流電圧振幅、補助交流角周波数である。

図４は、本発明の実施例１において、上記の制御の結果達成される、第１の質量数範囲（Ｍ_１）（取り込みイオンの質量範囲）、及び、第２の質量数範囲（Ｍ_２）（排出イオンの質量範囲）の時間変化の一例を示す図である。図４の縦軸は質量数（正確には質量電荷比）、横軸は測定時間を示す。図中、横方向の矢印は、質量数ｍ_１（以下、正確には質量電荷比ｍ_１／ｅを意味する）、ｍ_２（以下、正確には質量電荷比ｍ_２／ｅを意味する）に対するイオンため込み（蓄積）時間を示し、縦方向の矢印の範囲は、ある時間ｔにおけるトラップ（蓄積）される第１の質量数範囲（Ｍ_１（ｔ））、白丸は、第２の質量数範囲（Ｍ_２（ｔ））を示す。

図３に示すように、前段ＱフイルターＤＣ電圧と、前段ＱフイルターＲＦ電圧とを四重極ロッド電極３に印加し、補助交流電圧とトラッピングＲＦ電圧とをリニアトラップ電極６へ印加することにより、数１０ａｍｕ〜３００ａｍｕ程度の第１の質量数範囲（Ｍ_１）のイオンのみがリニアトラップに入射され、０.２ａｍｕ〜３ａｍｕ程度の第２の質量数範囲（Ｍ_２）のイオンがスキャンされ、リニアトラップから排出される。

図４に示すように、第１及び第２の質量数範囲Ｍ_１（ｔ）、Ｍ_２（ｔ）は時間ｔと共に変動している。また、質量数ｍに応じて、（例えば、ｍ_１、ｍ_２）に応じて、イオンのため込み時間が、図４の斜線部で示すように、各々異なるタイミングに設定される。これにより、効果的にスペースチャージを抑制し、Duty Cycleの向上が可能となることについて、以下説明する。

実施例１では、スペースチャージを抑制する上で、従来技術では得られない、異なる２つの効果が達成できる。ここで簡単のため、質量数ｍをもつイオン強度と質量数ｍの関係を表わす質量数対イオン強度の分布が一様分布であり、第１の質量数範囲（透過質量範囲）の質量数ΔＬが一定、スキャン速度が一定であるモデルを考える。

図５は、本発明の実施例１における、イオントラップ内の総電荷量Ｃと時間の関係例を示す図である。図５の横軸は、測定時間を、全測定時間を１として示している。

図５の（ｂ）に示す従来技術では、スキャン時に取り込んだイオンが時間（測定時間）とともに単調減少する。スペースチャージの限界は最初の電荷量で決まってしまうため、結果として検出時間の後半部分では、スペースチャージに余裕がある状態が続いている。

一方、実施例１では、図５の（ａ）に示すように、ほぼ全測定時間において、トラップ内部の総電荷量が一定であるため、より多くのイオンをトラップ内部に蓄積可能であることが理解できる。ここでのモデルでは、測定時間又は検出時間、質量選択的に排出するイオンの質量数に対して、スペースチャージの限界が同じであると仮定しているが、実際には、質量選択的に排出するイオンの質量数が大きくなると、リニアトラップのＲＦ電圧の振幅増加に伴う擬似ポテンシャルの増加のため、トラップに許容されるイオン量は大きくなる。このため、ここでのモデルで算出される効果は更に大きくなる。

次に、前段の四重極フィルターで質量選択を行う効果について考察する。ここで、ため込み（蓄積）可能なイオン量をＣ、イオン流れをＩ_０、全スキャン時間をＴ_０、第１の選択幅をΔＬ、全イオン幅をＬ_０として、ｋ＝Ｔ_０Ｉ_０／Ｃとおく。従来技術では、Duty Cycleは、スペースチャージの限界量までイオンをため込んだ場合に最大となるため、（数１）、（数２）で表わされる。ｋは、スペースチャージの指数である。
Duty Cycle＝（Trapping Time）／（Total Time）
＝（Ｃ／Ｉ_０）／｛（Ｃ／Ｉ_０）＋Ｔ_０｝ ………（数１）
Duty Cycle≦１／（１＋ｋ） ………（数２）
指数ｋは、スキャン時間が長いほど、イオントラップへのイオン導入量が大きいほど、又は、ため込み可能なイオン量が小さいほど、大きな値になる。現状の通常スキャンモードでは、Ｔ_０＝１００ｍｓ、Ｉ_０＝１０^７個／秒、Ｃ＝１０^６個程度であり、ｋ＝１となり、Duty Cycleは５０％程度確保され大きな問題とならない。しかし、通常より高分解能を得るためには、トラップイオン量を抑制すること、低速なスキャンが必要とされる。このため、Ｔ０＝１ｓ、Ｃ＝１０^５程度となり、ｋ＝１００となって、イオンのDuty Cycleは、１％程度にまで低下することになる。今後、イオン源や差動排気部等が改良されていくことが期待されており、通常測定モードにおけるｋも増加傾向である。

次に、実施例１におけるDuty Cycleを導出する。実施例１におけるリニアトラップ内部の総イオン量Ｑは（数３）で表される。
Ｑ＝（Ｔ_０Ｉ_０／２）（ΔＬ／Ｌ） ^２ ………（数３）
電荷量Ｑをため込み可能なイオン量Ｃ以下とするには、（数４）の条件が必要であり、実施例１でのDuty Cycleは、（数５)で表される。（数５）に（数４）を代入することにより、実施例１のDuty Cycleとして（数６）が導出される。
（ΔＬ／Ｌ）≦（２／ｋ）^１／２ ………（数４）
Duty Cycle＝（ΔＬ／Ｌ）Ｔ_０／｛（ΔＬ／Ｌ）Ｔ_０＋Ｔ_０｝
＝（ΔＬ／Ｌ）／｛１＋（ΔＬ／Ｌ）｝ ………（数５）
Duty Cycle≦１／｛１＋（ｋ／２）^１／２｝ ………（数６）
図６は、従来技術と実施例１における、Duty Cycleのｋに対する依存性の例を示す図である。図６において、従来技術、実施例１におけるのDuty Cycleはそれぞれ、（数２）、（数６）で求めている。

図６から、ｋ＝１００において、従来技術ではDuty Cycleが１％であるのに対し、実施例１では１２％程度が得られる。実施例１では、ｋが大きくなると、従来技術に比較して大幅な感度向上効果があること明らかである。

（実施例２）
図７は、本発明の実施例２のリニアトラップ質量分析計の構成例を示す図である。図７の下部には、四重極フイルター及びリニアトラップのｚ軸の中心軸付近での各部の電位を示している。実施例２は、軸方向にイオンを質量選択的に排出している点が異なる。このため、イオンストップ電極８の電圧はリニアトラップ終端電極電位より低く設定される。

バッファーガスとして、不活性のＨｅ、Ａｒ、Ｎ_２等が用いられ、リニアトラップ内部の圧力が、Ｈｅの場合１０^−２Torr〜１０^−４Torr程度、Ａｒ，Ｎ２の場合、３×１０^−３Torr〜３×１０^−５Torr程度、に維持されている。イオンは、バッファーガスとの衝突により冷却されリニアトラップの中心軸上に収束する。

リニアトラップ入口側端電極５及びリニアトラップ出口側端電極７は、リニアトラップ電極６のＤＣバイアスに対し３Ｖ〜５Ｖ程度のＤＣバイアスを有する。ニアトラップの中心軸上のポテンシャル勾配、及び、リニアトラップ四重極電界の形成する径方向のポテンシャル勾配により、イオンは、リニアトラップ内部に安定にトラップされる。

実施例２では、イオン排出の特性のため、リニアトラップ電極６のＤＣバイアス電圧を、実施例１よりも低めにしか印加できない特徴がある。この場合、リニアトラップへのイオン入射エネルギーに広がりがあると、イオンがトラップされず検出器９にノイズとして到達する恐れがある。実施例２では、前段の四重極フィルターにおけるエネルギー収束が重要であり、このために四重極フィルターが配置される領域の圧力を、１０^−３Torr〜３×１０^−２Torrに保持することが望ましい。

リニアトラップ電極６又はリニアトラップ出口側端電極７に補助的交流電圧を印加する。共鳴したイオンは、リニアトラップ出口側端電極７が形成するフリンジングフィールドにより、ニアトラップの中心軸方向に質量選択的に排出される。排出されたイオンは検出器９により検出され、コントローラ１２に記録される。

実施例２においても、図３で示した測定シーケンスとほぼ同様な制御が行われる。結果として、図４に示すように、第１の質量数範囲及び第２の質量数範囲が設定される。実施例２においても、実施例１に関して説明したのと同様な理由により、従来技術よりも格段に高いDuty Cycleを得ることが可能である。

（実施例３）
図８は、本発明の実施例３のリニアトラップ質量分析計の構成例を示す図である。図８の下部には、四重極フイルター及びリニアトラップのｚ軸の中心軸付近での各部の電位を示している。羽電極１６を挿入し、リニアトラップ電極１５に対して直流バイアスを印加することにより、軸上に調和ポテンシャルを形成することが可能である。

実施例３の構成は、図７に示す実施例２のリニアトラップ電極６に換えて、リニアトラップ電極１５を配置し、羽電極１６をリニアトラップ電極１５の間に挿入した構成とし、リニアトラップ電極１５に電圧を供給するリニアトラップ電源１３、羽電極１６に電圧を供給する羽電極用電源１４を設けている。リニアトラップ電極１５が配置される領域にバッファーガスを導入する構成、リニアトラップ内部の圧力条件は、実施例２と同じである。

羽電極１６は、軸上に長さの異なる電極がリニアトラップ電極に挿入されるように配置される。

羽電極１６にリニアトラップ電極１５に対して、数Ｖ〜数十ＶのＤＣバイアスを印加することにより、リニアトラップの中心軸方向に調和ポテンシャルが形成される。電極形状の詳細については、先述した特許文献３の従来例に記載されている。羽電極１６間に、補助交流電圧を印加することにより共鳴したイオンは、リニアトラップの中心軸方向に加速され、質量選択的に排出される。イオンの共鳴周波数は、イオンの質量の平方根に反比例するため、特定イオンのみの排出が可能である。排出されたイオンは、検出器９により検出され、コントローラ１２に記録される。

実施例３では、装置の各部の動作は、図３で示した測定シーケンスとほぼ同様な方法により制御される。結果として、図４に示すように、第１の質量数範囲及び第２の質量数範囲が設定されるような制御が可能である。実施例３においても、実施例１に関して説明したのと同様な理由により、従来技術よりも格段に高いDuty Cycleを得ることが可能である。

（実施例４）
図９は、本発明の実施例４のリニアトラップ質量分析計の構成例を示す図である。図９は、三連四重極質量分析計を用いる例である。図９の下部には、四重極フイルター、リニアトラップ及び四重極ロッド電極１７のｚ軸の中心軸付近での各部の電位を示している。

図９に示す構成は、イオン源１で形成されたイオンが、四重極フィルターからリニアトラップに導入されるまでは、図７に示す実施例２の構成と略同じである。なお、図９に示す構成で、イオン源１で形成されたイオンが、四重極フィルターからリニアトラップまでの構成を、図８に示す実施例３の構成と同じとしても良い。

図９に示すリニアトラップからリニアトラップの中心軸方向に質量選択的に排出されたイオンは、四重極ロッド電極１７が設置された衝突室２３に導入され、イオン分解等が行われ、次に、四重極ロッド電極１８により形成される電場中に導入される。

衝突室２３は、その入口側の衝突室入口側端電極がイオンストップ電極８により構成され、その入り口側が衝突室出口側端電極２４で構成されている。四重極ロッド電極１７に電圧を供給する四重極ロッド電極用電源２５、衝突室出口側端電極２４に印加する電圧、四重極ロッド電極１８に電圧を供給する四重極ロッド電極用電源２６は、コントローラ１２により制御される。

通常、衝突室２３は、図示しないガス導入系により導入される、１mTorr〜１００mTorr程度の不活性ガスで満たされるが、この不活性ガスに反応性ガス等を添加して、特定の反応を進行させることも可能である。衝突室２３をイオンが通過するためには、数ｍｓ〜数十ｍｓの通過時間が必要である。リニアトラップから質量選択的に排出されたイオンのクロストークを防ぐため、数ｍｓ／ａｍｕ〜数十ｍｓ／ａｍｕの遅いスキャン速度が用いられる。例えば、１０ｍｓ／ａｍｕで１０００ａｍｕスキャンした場合、Ｔ_０＝１０ｓとなる。Ｉ_０＝１０^７、Ｃ＝１０^６であるから、ｋ＝１００となる。

先述した特許文献４に記載の従来技術では、実施例１で述べたｋの値が大きくなり、１％以下のDuty Cycleしか得られない。これに対して、実施例４では、先に説明した実施例１と同様に１２％のDuty Cycleが得られる。実施例４では、スキャン時間が長い場合に用いるのに極めて適している。衝突室２３で分解されたイオンは、四重極ロッド電極１７の中心軸上に収束した後、四重極ロッド電極１８よりなる四重極フィルター（四重極質量分析計として作用する）に導入される。この四重極フィルターでは、特定の質量数のイオンを通過させることにより、プリカーサースキャンや、ニュートラルロススキャンをできる。また、別の図面として図示しないが、四重極フィルターとして作用させる四重極ロッド電極１８の代わりにリ、ニアトラップ、四重極イオントラップ等を設置することも可能であり、この場合にも実施例１で訓述した効果は同様に発揮される。

（実施例５）
図１０は、本発明の実施例５のリニアトラップ質量分析計の構成例を示す図である。図１０は、図９に示す、四重極フィルターとして作用させる四重極ロッド電極１８、検出器９の代わりに、飛行時間型質量分析計（加速電極１９、リフレクトロン２０、検出器（ＭＣＰ）２１から構成される）を用いる例である。図１０の下部には、四重極フイルター、リニアトラップ及び四重極ロッド電極１７のｚ軸の中心軸付近での各部の電位を示している。

図１０に示す構成は、イオン源１で形成されたイオンが、四重極フィルターからリニアトラップに導入されるまでは、図７に示す実施例２の構成と略同じである。なお、図１０に示す構成で、イオン源１で形成されたイオンが、四重極フィルターからリニアトラップまでの構成を、図８に示す実施例３の構成と同じとしても良い。

リニアトラップからリニアトラップの中心軸方向に排出されたイオンは、四重極ロッド電極１７が設置された衝突室２３に導入され、イオン分解等が行われる。通常、衝突室２３は１mTorr〜１００mTorr程度の不活性ガスで満たされているが、不活性ガスに反応性ガス等を添加して、特定の反応を進行させることも可能である。衝突室２３をイオンが通過するため、数ｍｓ〜数十ｍｓの通過時間が必要である。リニアトラップから質量選択的に排出されたイオンのクロストークを防ぐため、数ｍｓ／ａｍｕ〜数十ｍｓ／ａｍｕの遅いスキャン速度が用いられる。例えば、１０ｍｓ／ａｍｕで１０００ａｍｕスキャンした場合、Ｔ_０＝１０ｓとなる。Ｉ_０＝１０^７、Ｃ＝１０^６であるから、ｋ＝１００となる。

先述した特許文献４に記載の従来技術では、実施例１で述べたｋの値が、〜１００以上大きくなり、１％以下のDuty Cycleしか得られない。これに対して、実施例５では、実施例１で述べたのと同様に、１２％のDuty Cycleが得られる。

実施例５は、このようにスキャン時間が長い場合に用いるのに極めて適している。衝突室２３で分解されたイオンは、四重極ロッド電極１７で形成される電場の中心軸上に収束された後、飛行時間型質量分析計に導入される。

イオンは、加速部用電源２６によって制御される加速部１９において、四重極ロッド電極１７で形成される電場の中心軸の直交方向に加速され、リフレクトロン２０により反射された後、ＭＣＰ等からなる検出器２１で検出され、データはコントローラ１２に送られメモリに記憶される。別の図面として図示しないが、図１０においてリフレクトロン２０を設置しないタイプやマルチ反射型リフレクトロン等も使用できるがあるが、この場合にも実施例１で訓述した効果は同様に発揮される。

また、図示していないが、図１０のＴＯＦ部の代わりにフーリエ変換型イオンサイクロトロン質量分析装置（ＦＴ−ＩＣＲＭＳ）を設置した場合でも、実施例１で述べた効果は同様に発揮される。

（実施例６）
図１１は、本発明の実施例６における測定のフローチャートの例を示す図である。

実施例１から実施例５では、リニアトラップへ導入されるイオンに関して、質量数対イオン強度（Ｍ（ｔ）対Ｉ（ｔ））の分布が一様分布であると仮定したが、実際にはこれらは不均一になる。そこで、実施例６では、実施例１から実施例５の測定（本測定）に先立って、プレスキャン（予備的測定）を行ない、質量（マス）スペクトルを計測して、実際に、図１１の左側の図に示すように、質量数対イオン強度（Ｍ（ｔ）対Ｉ（ｔ））の分布（即ち、マススペクトルプロファイル）を取得する。プレスキャンは、さほどの分解能、感度が要求されないため、高速のスキャン速度を用いればよい。

プレスキャンの結果から取得したマススペクトルプロファイルを使用して、質量数（即ち、スキャン時間ｔ）に対するイオン信号量のデータに基づき、質量数（即ち、スキャン時間ｔ）により、リニアトラップに導入されるイオンの第１の質量数範囲の質量数幅ΔＬを変化させる。即ち、図１１の右側の図に示すように、質量数対イオン強度（Ｍ（ｔ）対Ｉ（ｔ））の分布の値が大きいｔでは、質量数幅ΔＬ（ｔ）を狭く、逆に質量数対イオン強度の分布の値が小さいｔでは、質量数幅ΔＬ（ｔ）を広く、設定して決定する。

このような質量数幅ΔＬ（ｔ）の決定により、リニアトラップ内部の総イオン量をほぼ一定に保てる。また、スペースチャージが許容される総イオン量は、ＲＦ電圧や共鳴周波数によっても若干の相違があるため、これらの情報を質量数幅ΔＬ（ｔ）にフィードバック制御して、許容総電荷量ＣをＲＦ電圧の関数とすることも可能である。また、特に、プレスキャンを用いなくても、事前に計測されたデータからマススペクトルプロファイルを求めて、上記と同様にして、質量数幅ΔＬ（ｔ）を設定して決定することも可能である。

以上説明した実施例１から実施例５では、リニアトラップの前段部に四重極フィルターを設置したが、前段部に設置する四重極フィルターの代わりに、質量選択的にイオンの排出が可能なリニアトラップを設置しても同様の効果がある。また、上記の前段部に四重極フィルターやリニアトラップを設置しなくとも、リニアトラップ内部の補助交流電圧の印加等の制御により、リニアトラップへのイオンの導入を防ぐ方法もある。この方法はコスト的に有利であるが、パラメーターの設定が煩雑になるデメリットもある。

以上説明した実施例２から実施例５では、ガスを導入する衝突室を使用しているが、ガスに換えて、光を照射して光解離を行なう構成、電子線を照射して電子反応解離を行なう構成、としてもよいことは言うまでもない。

以上詳述したように、本発明の質量分析装置によれば、効率的にスペースチャージを抑制でき、広い質量数の範囲を高いDuty Cycleでスキャンでき、高感度の分析が可能な、リニアトラップを用いた質量分析装置が実現できる。

本発明の実施例１のリニアトラップ質量分析装置の構成例を示す図。 従来技術の装置における正イオン測定時の測定シーケンスの例を説明する図。 本発明の実施例１における測定シーケンスの例を説明する図。 本発明の実施例１において、取り込みイオンの質量範囲および排出イオンの質量範囲の時間変化の一例を示す図。 本発明の実施例１における、イオントラップ内の総電荷量と時間の関係例を示す図。 実施例１と従来技術における、Duty Cycleのｋに対する依存性の例を示す図。 本発明の実施例２のリニアトラップ質量分析装置の構成例を示す図。 本発明の実施例３のリニアトラップ質量分析装置の構成例を示す図。 本発明の実施例４のリニアトラップ質量分析装置の構成例を示す図。 本発明の実施例５のリニアトラップ質量分析装置の構成例を示す図。 本発明の実施例６における測定のフローチャートの例を示す図。

符号の説明

１…イオン源、２…細孔、３、１７、１８…四重極ロッド電極、４…ゲート電極、５…リニアトラップ入口側端電極、６、１５…リニアトラップ電極、７…リニアトラップ出口側端電極、８…イオンストップ電極、９、２１…検出器、１０、２５…四重極ロッド電極用電源、１１…リニアトラップ用電源、１２…コントローラ、１３…リニアトラップ電源、１４…羽電極用電源、１６…羽電極、１９…加速部、２０…リフレクトロン、２３…衝突室、２４…衝突室出口側端電極、２６…加速部用電源。

Claims (10)

1. 試料をイオン化してイオンを生成するイオン源と、
   前記イオンを輸送するイオン輸送部と、
   軸方向に形成されたポテンシャルによって、輸送された前記イオンを蓄積するリニアトラップ部と、
   前記イオン輸送部と、前記リニアトラップ部の制御を行う制御部とを備え、
   前記制御部は、前記リニアトラップ部に第１の質量数範囲の前記イオンを蓄積するタイミングと略同じタイミングで、前記第１の質量数範囲と異なる第２の質量数範囲の前記イオンを前記リニアトラップ部から排出する制御を行い、
   前記イオン輸送部は、前記第１の質量数範囲の前記イオンを選択する質量選択手段を有し、前記リニアトラップ部は、前記第１のイオン質量数範囲の変化に応じて、前記第２の質量数範囲を変化させることを特徴とする質量分析装置。
2. 請求項１に記載の質量分析装置において、前記制御部は、（１）前記リニアトラップ部を構成する少なくとも１対のリニアトラップ電極間に補助的交流電圧を印加すること、（２）前記リニアトラップ部を構成する出口端電極に補助的交流電圧を印加すること、（３）前記リニアトラップ部を構成する羽電極を有し、前記羽電極の間に補助的交流電圧を印加すること、の何れかの電圧印加によって、前記リニアトラップ部から前記イオンを質量選択的に排出する制御を行うことを特徴とする質量分析装置。
3. 請求項１に記載の質量分析装置において、前記質量選択手段により前記イオン輸送部を透過する前記第１の質量数範囲の透過質量幅が、前記リニアトラップ部に導入される前記イオンの予め計測されたマススペクトルにより設定されることを特徴とする質量分析装置。
4. 請求項１に記載の質量分析装置において、前記質量選択手段が、四重極マスフィルターであることを特徴とする質量分析装置。
5. 請求項１記載の質量分析装置において、前記質量選択手段が、リニアトラップから構成されることを特徴とする質量分析装置。
6. 請求項１記載の質量分析装置において、前記第２の質量数範囲は、前記第１の質量数範囲よりも狭いことを特徴とする質量分析装置。
7. 請求項１記載の質量分析装置において、前記第１の質量数範囲は、数１０〜数１００amuであり、前記第２の質量数範囲は、０．２〜３amuであることを特徴とする質量分析装置。
8. 請求項１記載の質量分析装置において、前記制御部は、前記リニアトラップ部のトラップＲＦ電圧に応じてリニアトラップ部の蓄積イオン量を変化させることを特徴とする質量分析装置。
9. 請求項１記載の質量分析装置において、さらに、前記リニアトラップ部から排出されたイオンの反応室と、前記反応室で生成された反応物の分析を行う質量分析部とを有することを特徴とする質量分析装置。
10. 試料をイオン化する工程と、
    第１の質量数範囲の前記イオンを選択して輸送する工程と、
    輸送された前記第１の質量数範囲のイオンをリニアラップ部に導入して軸方向に形成されたポテンシャルにより蓄積する工程と、
    前記リニアトラップ部に前記第１の質量数範囲のイオンを蓄積するタイミングと略同じタイミングで、前記第１の質量数範囲と異なる第２の質量数範囲の前記イオンを、前記リニアトラップ部から排出する工程と、
    前記第１の質量数範囲の変化に応じて前記第２の質量数範囲は変化され、排出された前記イオンを質量分析する工程とを有することを特徴とする質量分析方法。

Images