JP5040893B2 - イオンガイドユニット及びそれを備えた質量分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、イオンの軌道を収束させつつイオンを後段に輸送するためのイオンガイドユニット及びそれを備えた質量分析装置に関する。

図７は、２つの四重極質量フィルタを用いてＭＳ／ＭＳ法による測定を行うタンデム型質量分析装置の概略構成図である。この装置では、イオンの通過経路に沿って第１段の四重極質量フィルタ３０、コリジョンセル３１、第２段の四重極質量フィルタ３３、検出器３４が配置される。コリジョンセル３１の内部には、飛行するイオンの軌道を電場により制御するイオンガイド４０が配置される。

図７において左方からイオンが導入されると、第１段の四重極質量フィルタ３０により特定の質量電荷比を有するイオンのみが選択されてコリジョンセル３１内のイオンガイド４０に導入される。コリジョンセル３１内には衝突誘起解離（ＣＩＤ）ガスが導入されており、前段で選択されたイオンはＣＩＤガスと衝突して解離し、その解離の態様に応じて生じた各種のプロダクトイオンが第２段の四重極質量フィルタ３３に導入される。そして第２段の四重極質量フィルタ３３により特定の質量電荷比を有するプロダクトイオンが選択され、検出器３４にて検出される。

イオンガイド４０としては、複数のロッド電極をイオン光軸の周囲に回転対称に配置したマルチポール型のものが一般的であるが、ロッド電極の代わりにイオン光軸方向に延伸する金属板電極を用い、その端面でイオン光軸を取り囲むものも提案されている（特許文献１参照）。図８に、そのようなイオンガイド４０を備えるイオンガイドユニット４４の一例を示す。図８(a)はイオンガイドユニット４４の側面図であり、図８(b)、(c)はそれぞれ図８(a)のＡ−Ａ矢視断面図、Ｂ−Ｂ矢視断面図である。

イオンガイド４０はイオン光軸Ｃを取り囲む８枚の金属板電極４１から成る。イオンガイド４０の周囲には、それを取り巻くように略Ｃ字型の帯状金属板４２、４３が互いに接触しないように配置され、それぞれ異なる一つ置きの金属板電極４１に接続している。これにより、一つ置きの金属板電極４１は帯状金属板４２、４３を介して同電位になる。

帯状金属板４２、４３には、同一の直流電圧に振幅が同一で位相を反転させた高周波電圧を重畳させた電圧が印加される。これにより、８枚の金属板電極４１の端面で囲まれた空間に高周波電場が発生し、そこに導入されたイオンが所定の周期で振動しながら進む。

特開2007-128694号公報

図９に、上記イオンガイドユニット４４における１枚の金属板電極４１の平面図(a)及び側面図(b)を示す。金属板電極４１のイオン光軸側の反対側の辺には突出部４１１が設けられている。突出部４１１は先端が折り曲げられており、そこに貫通穴が設けられている。この貫通穴と一方の帯状金属板４３に設けられた貫通穴にネジが通され、金属板電極４１と帯状金属板４３はネジで固定される。この金属板電極４１から一つ置きに配置されている他の３枚の金属板電極４１も同じ突出部を同じ位置に備えており、同様に帯状金属板４３にネジで固定される。これら４枚の金属板電極４１に隣接する他の４枚の金属板電極４１には同形状の突出部が長手方向にずれた位置に設けられており、これらの金属板電極４１はもう一方の帯状金属板４２にネジで固定される。

このように従来のイオンガイドユニット４４では、金属板電極４１及び帯状金属板４２、４３に、両者を接続するための曲げ加工や穴あけ加工を施している。そのため、加工コストが掛かるほか、その組立及び分解の作業が煩雑である。

本発明は以上のような課題を解決するために成されたものであり、その目的は、製造コストを抑えることができ、組立及び分解が容易であるイオンガイドユニット及びそれを備えた質量分析装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係るイオンガイドユニットは、
イオン光軸を取り囲むように配置された、ｎを２以上の自然数として該イオン光軸方向に延伸する２ｎ本の電極をイオンガイドとして備え、該電極のうち、一つ置きに配置されたｎ本の電極を第１電極とし、該第１電極に隣接するｎ本の電極を第２電極とするイオンガイドユニットであって、
a)前記２ｎ本の電極を一方の端面からイオン光軸方向に押圧するとともに、前記ｎ本の第１電極に対応する位置に絶縁部を有し、前記ｎ本の第２電極に対応する位置に導電部を有する押圧手段と、
b)前記２ｎ本の電極を他方の端面において支えるとともに、前記ｎ本の第１電極に対応する位置に導電部を有し、前記ｎ本の第２電極に対応する位置に絶縁部を有する支持手段と、
を備えることを特徴とする。

また、上記課題を解決するために成された本発明に係る質量分析装置は、上記イオンガイドユニットを備えることを特徴とする。

本発明に係るイオンガイドユニット及びそれを備えた質量分析装置によれば、複数の電極を押圧手段と支持手段で両端から挟むようにして固定するため、それらの電極を同方向に一度に押さえて固定することができる。これにより、イオンガイドユニットの生産効率が従来よりも大幅に高まり、メンテナンス時の組立及び分解が容易になる。
押圧手段の導電部が一つ置きに配置されたｎ本の第２電極に接触し、支持手段の導電部が第２電極に隣接するｎ本の第１電極に接触するため、電極に特別な加工（例えば曲げ加工や穴あけ加工等）を施さなくてもそれぞれの電極に所定の電圧を印加することができる。従って、電極の加工コストを抑えることができる。

本発明に係るイオンガイドの一実施例を図面を参照して説明する。図１(a)は本実施例に係るイオンガイドを内部に備えるイオンガイドユニット１０の側面図であり、図１(b)、(c)はそれぞれ図１(a)のＡ−Ａ矢視断面図、Ｂ−Ｂ矢視断面図である。本実施例のイオンガイドユニット１０は、図７に示したようなＭＳ／ＭＳ分析を行うタンデム型質量分析装置のコリジョンセル３１内に配置されるものであり、イオン光軸Ｃの方向に延伸した８枚の金属板を電極とするイオンガイド１１と、それらを囲う円筒状のケース１４を備える。

イオンガイド１１の各電極はその長手側の端面をイオン光軸Ｃに向け、イオン光軸Ｃの周りに互いに45°ずつの角度を保って回転対称に配置されている。８枚の電極のうち一つ置きに配置された４枚の電極を第１電極１１Ａとし、それらに隣接する４枚の電極を第２電極１１Ｂとする。なお、ここでは、８枚の電極から成る８重極の構成であるが、多重極電場を形成する場合、４重極、６重極等、電極の枚数は４以上の偶数であればよい。

図２(a)に１枚の第１電極１１Ａの斜視図を示す。第１電極１１Ａはイオン光軸Ｃに直交する面内でイオン光軸Ｃ側端縁が光軸に向けて凸の円弧状又は双曲線状である。また、イオン光軸Ｃ側の端面はイオンの進行方向（図１(c)及び図２(a)の右方向）に向かうに従ってイオン光軸Ｃから僅かに遠ざかるように傾斜している。この傾斜により多重極電場の強さをイオンガイド１１の出口側ほど小さくして、飛行するイオンを減速させることができる。この第１電極１１Ａ以外の他の３枚の第１電極１１Ａ及びそれらに隣接する４枚の第２電極１１Ｂも同じ形状を有する。
なお、第１電極１１Ａ及び第２電極１１Ｂは図２(b)に示すように、端面加工が施されていない金属板１１１の端面に所定の断面形状を有する電極棒１１２を溶接等により固定したものであってもよい。この電極棒１１２はイオン光軸Ｃに直交する面内で、少なくともイオン光軸Ｃ側端縁が光軸に向けて凸の円弧状又は双曲線状であれば、丸棒に限らず断面が半円状のもの等でもよい。

ケース１４は第１電極１１Ａ及び第２電極１１Ｂを取り巻く筒部１４１と、筒部１４１の一方の端部に取り付けられ各電極の一端面（図１(c)における左側の端面）を支える第１支持部１４２と、筒部１４１の他方の端部に取り付けられた第２支持部１４３と、第２支持部１４３との間に図３に示すような板バネ１３を挟んで固定するための板バネ固定部１４４とを備える。第１支持部１４２及び第２支持部１４３はセラミックスやプラスチック等の絶縁体から成り、中央にイオンを通過させるための開口が設けられている。さらに第２支持部１４３には各電極に対応する位置に円筒状の貫通穴が設けられている。

図３に示した板バネ１３は金属製のリング状の枠部１３１と、枠部１３１から内側に突出する片持ちバネである８個のバネ部１３２から成る。バネ部１３２はＴ字形状にし、隣り合うバネ部１３２の左右端が近接するようにしておく。このような板バネ１３は金属板をプレス加工することにより低コストで製造することができる。なお、バネ部１３２は枠部１３１から外側に突出する構成にしてもよい。

第１支持部１４２における電極を支える面には金属製の薄板１５が配置される。図４に薄板１５の平面図を示す。薄板１５はリング状の枠部１５１と、枠部１５１から内側に突出する４個の金属接点１５２から成る。薄板１５もプレス加工により低コストで製造することができる。第１支持部１４２に配置された薄板１５は金属接点１５２の位置が第１電極１１Ａの位置に対応する。これにより、薄板１５は第１電極１１Ａのみに接触し、第２電極１１Ｂには接触しない。

図５に、イオンガイドユニット１０の第２支持部１４３側の端部における、板バネ１３及び板バネ固定部１４４を取り外した状態の端面図を示す。第２支持部１４３に設けられた８個の貫通穴のうち第１電極１１Ａに対応する４個の穴には絶縁体から成る絶縁スペーサ１２１が挿入され、第２電極１１Ｂに対応する４個の穴には導電体から成る導電スペーサ１２２が挿入される。各スペーサは同じ長さを有する円筒状のものであり、その長さは一端が電極に接触した状態で他端が第２支持部１４３の表面から僅かに突出する程度にする。

図６に、図５に示したイオンガイドユニット１０に板バネ１３及び板バネ固定部１４４を取り付けた状態の部分端面図を示す。板バネ１３は隣り合うバネ部１３２の近接した左右端が１つの絶縁スペーサ１２１又は１つの導電スペーサ１２２の突出部を押さえるように配置される。これにより、板バネ１３は第１電極１１Ａとは絶縁スペーサ１２１により絶縁され、第２電極１１Ｂとは導電スペーサ１２２を介して電気的に接続する。このとき、各導電スペーサ１２２は２つのバネ部１３２と接触するため、各導電スペーサがそれぞれ１つのバネ部と接触する場合と比べ、それらの接点における汚れや埃等を原因とする接触不良の発生確率が低下する。

以上の構成により、板バネ１３のバネ部１３２が絶縁スペーサ１２１又は導電スペーサ１２２を介して第１電極１１Ａ及び第２電極１１Ｂを第１支持部１４２側へ押さえる。これにより、各電極は板バネ１３と第１支持部１４２により両側から挟まれて固定される。このとき、第１電極１１Ａの端面は絶縁スペーサ１２１又は金属製の薄板１５に接触し、第２電極１１Ｂの端面は導電スペーサ１２２又は絶縁体から成る第２支持部１４３に接触する。そして、図示しない電圧印加回路より、第１電極１１Ａには薄板１５を介して直流電圧Ｖに高周波電圧ｖ・cosωｔが重畳された電圧Ｖ＋ｖ・cosωｔが印加され、第２電極１１Ｂには板バネ１３及び導電スペーサ１２２を介して同じ直流電圧に位相が反転された（つまり180°ずれた）高周波電圧が重畳された電圧Ｖ−ｖ・cosωｔが印加される。これにより、８枚の電極の縁端面で囲まれた空間に多重極電場が形成され、そこに導入されるイオンが収束される。

このとき、イオン光軸Ｃに直交する面内で、８枚の電極のイオン光軸Ｃ側端縁が光軸に向けて凸の円弧状又は双曲線状であるため、電極の近傍にはその曲線に沿うような形状の電場が発生する。これにより、各電極の端面で囲まれた空間に理想状態に近い電場を形成することができる。

本実施例に係るイオンガイドユニットでは以下の効果も奏する。８枚の電極は仮に長手方向の寸法にばらつきがあったとしても、それぞれ板バネ１３の弾性力により独立に押さえられるため、いずれも端面から適度な力で押さえられる。つまり、電極に無理な力が加わって電極が撓むおそれがない。
絶縁スペーサ１２１及び導電スペーサ１２２として同じ長さのものを用いることで、各電極と板バネ１３の距離を同じにすることが可能となり、全ての電極を同一形状に統一することができる。

上述したイオンガイドユニット１０はイオンの軌道を収束させつつイオンを後段に輸送する機能を備える様々な質量分析装置に適用することができ、ＭＳ／ＭＳ分析を行うタンデム型質量分析装置のように複数の質量分析部を有するものに限らず、例えば液体クロマトグラフ質量分析装置（ＬＣ／ＭＳ）のように単一の質量分析部を有するものにも適用することができる。

上記実施形態は本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜変更が許容される。例えば、第１支持部１４２を導電体から成るものとし、それと第２電極１１Ｂの間に絶縁部材を介在させてもよい。第１電極１１Ａ及び第２電極１１Ｂは板状に限らず、棒状であってもよい。

本発明の一実施例であるイオンガイドユニットを説明する図であり、(a)は側面図、(b)、(c)はそれぞれ(a)のＡ−Ａ矢視断面図、Ｂ−Ｂ矢視断面図である。 電極を説明する図であり、(a)は本実施例の電極の斜視図、(b)は変形例の電極の斜視図である。 板バネの平面図。 薄板の平面図。 板バネ及び板バネ固定部を取り付ける前のイオンガイドユニットの端面図。 板バネ及び板バネ固定部を取り付けた後のイオンガイドユニットの拡大端面図。 タンデム型質量分析装置の概略構成図。 従来のイオンガイドユニットを説明する図であり、(a)は側面図、(b)、(c)はそれぞれ(a)のＡ−Ａ矢視断面図、Ｂ−Ｂ矢視断面図である。 従来のイオンガイドユニットの金属電極板の平面図。

符号の説明

１０、４４…イオンガイドユニット
１１、４０…イオンガイド
１１１…金属板
１１２…電極棒
１１Ａ…第１電極
１１Ｂ…第２電極
１２１…絶縁スペーサ
１２２…導電スペーサ
１３…板バネ
１３１、１５１…枠部
１３２…バネ部
１４…ケース
１４１…筒部
１４２…第１支持部
１４３…第２支持部
１４４…板バネ固定部
１５…薄板
１５２…金属接点
３０、３３…四重極質量フィルタ
３１…コリジョンセル
３４…検出器
４１…金属板電極
４１１…突出部
４２、４３…帯状金属板

Claims (4)

1. イオン光軸を取り囲むように配置された、ｎを２以上の自然数として該イオン光軸方向に延伸する２ｎ本の電極をイオンガイドとして備え、該電極のうち、一つ置きに配置されたｎ本の電極を第１電極とし、該第１電極に隣接するｎ本の電極を第２電極とするイオンガイドユニットであって、
   a)前記２ｎ本の電極を一方の端面からイオン光軸方向に押圧するとともに、前記ｎ本の第１電極に対応する位置に絶縁部を有し、前記ｎ本の第２電極に対応する位置に導電部を有する押圧手段と、
   b)前記２ｎ本の電極を他方の端面において支えるとともに、前記ｎ本の第１電極に対応する位置に導電部を有し、前記ｎ本の第２電極に対応する位置に絶縁部を有する支持手段と、
   を備えることを特徴とするイオンガイドユニット。
2. 前記押圧手段が、中央にイオンの通過部を有する枠部と、該枠部から放射方向に内側又は外側に突出して前記２ｎ本の電極をイオン光軸方向に押圧する複数のバネ部からなる板バネであることを特徴とする請求項１に記載のイオンガイドユニット。
3. 前記支持手段が、中央にイオンの通過部を有し該通過部の周辺に前記２ｎ本の電極を支える支持面が設けられている絶縁部材と、該支持面と前記ｎ本の第１電極の間に介在する互いに電気的に接続されたｎ個の金属接点とを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のイオンガイドユニット。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のイオンガイドユニットを備えることを特徴とする質量分析装置。

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