JP5186595B2 - イオントラップにおける空間電荷飽和作用を回避する方法 - Google Patents

Description

本発明は、イオントラップ、質量分析計、イオントラッピング方法、および質量分析の方法に関する。

イオントラッピング技術は、質量分析の分野において十分に確立されている。四重極ロッド構造に基づく市販の三次元ポールイオントラップおよびリニア型イオントラップ（ＬＩＴ）は、多くの種類の質量分析のための強力かつ比較的安価なツールとなっている。イオンは、無線周波数において変調された不均一な電場（ＲＦ閉じ込め）によりこれらのデバイスによってトラップされる。ＤＣトラッピング電位を使用することもできる。質量選択的な軸方向または半径方向の射出は、様々な異なる技術によって実現され得る。しかし、従来の市販のイオントラップは、イオン集団の密度が高い場合に空間電荷飽和作用が発現することによってダイナミックレンジが制限されるという問題を大なり小なり有している。

分析用イオントラップにおける空間電荷飽和は、質量分解能、質量測定精度または確度および定量精度といった分析性能の低下ならびにスペクトルのダイナミックレンジの低下を特徴とする。

従来の市販のリニア四重極イオントラップにおける空間電荷飽和作用は、約３０，０００個の電荷からなるイオン集団にとって重大なものとなり得る。しかし、通常の動作において、分析性能は損なわれるものの、リニア四重極イオントラップは、はるかに大きいイオン集団をトラッピングすることができる。このようなイオントラップの全電荷容量は、容認される分析性能を達成するための空間電荷限度よりも桁違いに高い場合がある。

分析用イオントラップに入射する全電荷を制御または制限するための様々な方法が知られている。従来の方法は、一般に、入射イオンビームの組成を一定期間にわたって測定する事前スキャンを必要とする。次いで、事前スキャンにおいて記録された信号量を用いて、イオン集団が目標値を上回ることがないような、入射イオンビームの分析用イオントラップへの充填が許容される時間を推定する。しかし、事前スキャンの実行およびイオントラップの分析スキャンの実行に要する時間中に入射イオンが失われ、よって実験のデューティサイクルおよび全体的な感度が低下する。

加えて、事前スキャン中、全電荷の推定は、検出された信号の振幅から一般に行われる。しかし、検出器の振幅応答は、電荷状態および質量が異なるイオンについては直線的でない場合がある。したがって、高電荷の種を含む集団については、従来の技術では全電荷が低く見積もられ得る。空間電荷が性能を損ない得る程度は、イオントラップにおける全電荷に一般に依存し、イオントラップにおけるイオン数には必ずしも依存しない。

改良されたイオントラッピング構成を提供することが所望される。

本発明の一局面によると、第１のイオントラップおよび第１のイオントラップの下流に配置された第２のイオントラップ、ならびに（ｉ）第１のイオントラップの第１の電荷容量に近づいたかそれを超えた時点を判定し、次いで（ｉｉ）第１のイオントラップ内に蓄積された少なくともいくつかのイオンまたは全てのイオンを第２のイオントラップに移動させるように構成および適合された制御システムを含む質量分析計が提供される。

図１は、第２のまたは分析用イオントラップの上流に配置された第１のイオントラップを含む本発明の実施形態を示す。 図２は、第１のイオントラップと第２のまたは分析用イオントラップとの間にフラグメンテーションデバイスが設けられている本発明の別の実施形態を示す。 図３は、著しい損失を生ずることなくイオントラップ内に閉じ込められ得る全電荷をＤＣ電位が制御する本発明の実施形態に係るイオントラップを示す。 図４Ａは、図３に示すイオントラップ内の時間Ｔ０でのイオンの蓄積を示し、図４Ｂは、図３に示すイオントラップ内の時間Ｔ１でのイオンの蓄積を示し、図４Ｃは、図３に示すイオントラップ内の時間Ｔ２でのイオンの蓄積を示す。 図５は、著しい損失を生ずることなくイオントラップ内に閉じ込められ得る全電荷をＲＦ電位が制御する本発明の実施形態に係るイオントラップを示す。 図６は、飛行時間質量分析部に結合された本発明の実施形態に係るイオントラップを示す。 図７は、図６に示す装置を用いて得られたマスクロマトグラムを示す。 図８は、図６に示す装置を用いて得られたマスクロマトグラムを示す。 図９は、トラッピング電位に対する蓄積電荷数のグラフを示す。 図１０は、図６に示す装置を用いて得られたさらなるマスクロマトグラムを示す。

一実施形態によると、
（ｉ）第１のイオントラップおよび／または第２のイオントラップが、四重極、六重極もしくは八重極ロッドセットイオントラップ、リニアもしくは二次元イオントラップ、中心リング電極と２つのエンドキャップ電極とを含む三次元イオントラップ、または質量選択的ロッドセットイオントラップを含み、かつ／あるいは
（ｉｉ）第１のイオントラップおよび／または第２のイオントラップが、複数の電極を含むイオントンネルイオントラップであって、各電極が使用時にイオンが移送される１つ以上の開口を含むイオントンネルイオントラップを含み、かつ／あるいは
（ｉｉｉ）第１のイオントラップおよび／または第２のイオントラップが、概ねイオン移送平面に配置された複数の平面電極を含むイオンガイドであって、複数の平面電極が軸方向にセグメント化されているイオンガイドを含む。

一実施形態によると、
（ａ）第１の電荷容量が、（ｉ）＜１００００個の電荷、（ｉｉ）１００００〜１５０００個の電荷、（ｉｉｉ）１５０００〜２００００個の電荷、（ｉｖ）２００００〜２５０００個の電荷、（ｖ）２５０００〜３００００個の電荷、（ｖｉ）３００００〜３５０００個の電荷、（ｖｉｉ）３５０００〜４００００個の電荷、（ｖｉｉｉ）４００００〜４５０００個の電荷、（ｉｘ）４５０００〜５００００個の電荷、および（ｘ）＞５００００個の電荷に設定され、かつ／あるいは
（ｂ）第２のイオントラップが第２の電荷容量を有し、第２の電荷容量が、（ｉ）＜１００００個の電荷、（ｉｉ）１００００〜１５０００個の電荷、（ｉｉｉ）１５０００〜２００００個の電荷、（ｉｖ）２００００〜２５０００個の電荷、（ｖ）２５０００〜３００００個の電荷、（ｖｉ）３００００〜３５０００個の電荷、（ｖｉｉ）３５０００〜４００００個の電荷、（ｖｉｉｉ）４００００〜４５０００個の電荷、（ｉｘ）４５０００〜５００００個の電荷、および（ｘ）＞５００００個の電荷に設定され、かつ／あるいは
（ｃ）第２のイオントラップが第２の電荷容量を有し、第１の電荷容量に対する第２の電荷容量の比が、（ｉ）＞１、（ｉｉ）１〜１.５、（ｉｉｉ）１.５〜２.０、（ｉｖ）２.０〜２.５、（ｖ）２.５〜３.０、（ｖｉ）３.０〜３.５、（ｖｉｉ）３.５〜４.０、（ｖｉｉｉ）４.０〜４.５、（ｉｘ）４.５〜５.０、（ｘ）５.０〜６.０、（ｘｉ）６.０〜７.０、（ｘｉｉ）７.０〜８.０、（ｘｉｉｉ）８.０〜９.０、（ｘｉｖ）９.０〜１０.０、および（ｘｖ）＞１０.０からなる群から選択される。

一動作モードにおいて、イオンを第１のイオントラップ内に軸方向に閉じ込めるために、軸方向ＤＣ電位障壁および／または軸方向擬電位障壁が第１のイオントラップの領域全体にわたって維持され、軸方向ＤＣ電位障壁および／または軸方向擬電位障壁の振幅が第１の電荷容量を少なくとも部分的に決定し、第１の電荷容量を超えると、少なくともいくつかの過剰なイオンが軸方向ＤＣ電位障壁および／または軸方向擬電位障壁を越えて第１のイオントラップから現れる。

上記質量分析計は、偏向レンズと、第１のイオントラップの下流に配置されたイオン検出器とを好ましくはさらに含み、偏向レンズは、第１の動作モードにおいて、第１の電荷容量を超えると第１のイオントラップから軸方向に現れるイオンをイオン検出器上に偏向するように動作し、かつ、イオン検出器が第１のイオントラップから現れたイオンを検出すると、第１の電荷容量に近づいたかそれを超えたと制御システムが判定する。

イオン検出器が第１のイオントラップから現れたイオンを検出することによって、第１の電荷容量に近づいたかそれを超えたと制御が判断すると、偏向レンズが、次いで、第２の動作モードにおいて、第１のイオントラップから後続して現れるイオンを第２のイオントラップへと移送するように動作する。

第１の電荷容量を超えると、少なくともいくつかの過剰なイオンが第１のイオントラップから半径方向および／または軸方向に射出され、イオン検出器によって検出される。

制御システムは、
（ｉ）第１の電荷容量に近づいたかそれを超えたと制御システムが判定すると、および／または
（ｉｉ）イオンが第１のイオントラップから第２のイオントラップに移動中、および／または
（ｉｉｉ）イオンが第１のイオントラップから第２のイオントラップに移動した後のいずれかに、
更なるイオンが第１のイオントラップに一定期間入射できないようにするか、または第１のイオントラップ内へ移送されている更なるイオンを減衰または減少させるように好ましくはさらに構成および適合される。

一動作モードにおいて、イオンを、所定の最大充填期間Ｔまで第１のイオントラップに入射または充填させることができ、充填期間Ｔの後、イオンは第１のイオントラップに一定の期間実質的に入射できない。

イオン検出器または他のデバイスが第１のイオントラップから現れるイオンを所定の充填期間Ｔ中に検出できなかった場合、
制御システムが、
（ｉ）更なるイオンが第１のイオントラップに一定期間入射できないようにするか、または第１のイオントラップ内へ移送されている更なるイオンを減衰または減少させ、かつ／あるいは
（ｉｉ）所定の充填期間Ｔの後、イオンを第１のイオントラップから第２のイオントラップに移動させるように構成および適合される。

イオン検出器または他のデバイスが、所定の充填期間Ｔ中に時間Ｔ／ｘにおいて第１のイオントラップから現れるイオンを検出した場合、
制御システムが、
（ｉ）更なるイオンが第１のイオントラップに一定期間入射できないようにするか、または第１のイオントラップ内へ移送されている更なるイオンを減衰または減少させ、かつ／あるいは
（ｉｉ）時間Ｔ／ｘの後、イオンを第１のイオントラップから第２のイオントラップに移送させ、かつ／あるいは
（ｉｉｉ）第２のイオントラップからイオンをスキャンまたは射出し、かつ／あるいは
（ｉｖ）イオンが第２のイオントラップからスキャンまたは射出されたことによって記録された質量スペクトルデータの強度を因子ｘによってスケーリングするように構成および適合される。

イオン検出器が、所定の充填期間Ｔ中に時間Ｔ／ｘにおいて第１のイオントラップから現れるイオンを検出した場合、
制御システムが、
（ｉ）更なるイオンが第１のイオントラップに一定期間入射できないようにするか、または第１のイオントラップ内へ移送されている更なるイオンを減衰または減少させ、かつ／あるいは
（ｉｉ）イオンを第１のイオントラップから第２のイオントラップに移動させ、かつ／あるいは
（ｉｉｉ）第２のイオントラップからイオンをスキャンまたは射出し、かつ／あるいは
（ｉｖ）イオンが第２のイオントラップからスキャンまたは射出されたことによって記録された質量スペクトルデータの強度を因子（Ｃ＋Ｄ）／Ｃ（式中、Ｃは第１の電荷容量、Ｄは時間Ｔ中にイオン検出器によって記録された電荷数に対応する）によってスケーリングするように構成および適合される。

一実施形態によると、
（ｉ）制御システムが、一旦イオンが第１のイオントラップから第２のイオントラップに移動したら、更なるイオンを第１のイオントラップに蓄積させるように構成および適合され、かつ／あるいは
（ｉｉ）制御システムが、第２のイオントラップからイオンがスキャンまたは射出されている間、更なるイオンを第１のイオントラップに蓄積させるように構成および適合され、かつ／あるいは
（ｉｉｉ）制御システムが、イオンが第１のイオントラップから第２のイオントラップに移動していると同時に、イオンを第２のイオントラップから質量選択的に射出またはスキャン射出させるように構成および適合され、かつ／あるいは
（ｉｖ）制御システムが、一旦イオンが第１のイオントラップから第２のイオントラップに移動したら、イオンを第２のイオントラップから質量選択的に射出またはスキャン射出させるように構成および適合される。

第１の電荷容量および第２のイオントラップの電荷容量は、少なくともいくつかのイオンまたは全てのイオンが第１のイオントラップから第２のイオントラップに移動するときに、第２のイオントラップの分析性能が実質的に損なわれない、かつ／あるいは第２のイオントラップの電荷容量が実質的に超過されることがないように好ましくは構成および設定される。

第２のイオントラップが、第２のイオントラップ内に蓄積されたイオンの質量分析を行うために使用時にスキャンされる分析用イオントラップを好ましくは含む。

一実施形態によると、
（ｉ）一動作モードにおいて、イオンが第２のイオントラップからスキャンされているかそうでなければ射出されている間、イオンを第１のイオントラップへ入射させ、かつ／あるいは
（ｉｉ）一動作モードにおいて、他のイオンを第１のイオントラップに入射または充填するように配置しながら、同時に前記第２のイオントラップからイオンをスキャンする。

第２のイオントラップからスキャンまたは射出されるイオンが、第２のイオントラップの下流に配置されたイオン検出器、質量分析部または別の分析用デバイスに移送されるのが好ましい。

質量分析計は、第１のイオントラップと第２のイオントラップとの間に配置された減衰レンズまたは減衰デバイスをさらに含むのが好ましく、減衰レンズまたは減衰デバイスが、第１のイオントラップから第２のイオントラップへと前方移送されるイオンの強度を低下させるように構成および適合されるのが好ましい。

一実施形態によると、上記質量分析計は、
（ａ）第１のイオントラップの上流に配置されたイオン源であって、イオン源が、（ｉ）エレクトロスプレーイオン化（「ＥＳＩ」）イオン源、（ｉｉ）大気圧光イオン化（「ＡＰＰＩ」）イオン源、（ｉｉｉ）大気圧化学イオン化（「ＡＰＣＩ」）イオン源、（ｉｖ）マトリックス支援レーザ脱離イオン化（「ＭＡＬＤＩ」）イオン源、（ｖ）レーザ脱離イオン化（「ＬＤＩ」）イオン源、（ｖｉ）大気圧イオン化（「ＡＰＩ」）イオン源、（ｖｉｉ）シリコン上脱離イオン化（「ＤＩＯＳ」）イオン源、（ｖｉｉｉ）電子衝突（「ＥＩ」）イオン源、（ｉｘ）化学イオン化（「ＣＩ」）イオン源、（ｘ）電界イオン化（「ＦＩ」）イオン源、（ｘｉ）電界脱離（「ＦＤ」）イオン源、（ｘｉｉ）誘導結合プラズマ（「ＩＣＰ」）イオン源、（ｘｉｉｉ）高速原子衝撃（「ＦＡＢ」）イオン源、（ｘｉｖ）液体二次イオン質量分析（「ＬＳＩＭＳ」）イオン源、（ｘｖ）脱離エレクトロスプレーイオン化（「ＤＥＳＩ」）イオン源、（ｘｖｉ）ニッケル−６３放射性イオン源、（ｘｖｉｉ）大気圧マトリックス支援レーザ脱離イオン化イオン源、（ｘｖｉｉｉ）サーモスプレーイオン源、（ｘｉｘ）大気サンプリンググロー放電イオン化（「ＡＳＧＤＩ」）イオン源、および（ｘｘ）グロー放電（「ＧＤ」）イオン源からなる群から選択されるイオン源、ならびに／あるいは
（ｂ）１つ以上の連続イオン源またはパルス化イオン源、ならびに／あるいは
（ｃ）第１のイオントラップおよび／または第２のイオントラップの上流および／または下流および／または中間に配置された１つ以上のイオンガイド、ならびに／あるいは
（ｄ）第１のイオントラップおよび／または第２のイオントラップの上流および／または下流および／または中間に配置された１つ以上のイオン移動度分離デバイスおよび／または１つ以上のフィールド非対称イオン移動度分光計デバイス、ならびに／あるいは
（ｅ）第１のイオントラップおよび第２のイオントラップの上流および／または下流および／または中間に配置された１つ以上のイオントラップまたは１つ以上のイオントラッピング領域、ならびに／あるいは
（ｆ）第１のイオントラップおよび第２のイオントラップの上流および／または下流および／または中間に配置された１つ以上の衝突セル、フラグメンテーションセルまたは反応セルであって、（ｉ）衝突誘起解離（「ＣＩＤ」）フラグメンテーションデバイス、（ｉｉ）表面誘起解離（「ＳＩＤ」）フラグメンテーションデバイス、（ｉｉｉ）電子移動解離（「ＥＴＤ」）フラグメンテーションデバイス、（ｉｖ）電子捕獲解離（「ＥＣＤ」）フラグメンテーションデバイス、（ｖ）電子衝突または衝撃解離フラグメンテーションデバイス、（ｖｉ）光誘起解離（「ＰＩＤ」）フラグメンテーションデバイス、（ｖｉｉ）レーザ誘起解離フラグメンテーションデバイス、（ｖｉｉｉ）赤外放射誘起解離デバイス、（ｉｘ）紫外放射誘起解離デバイス、（ｘ）ノズル−スキマ間インターフェースフラグメンテーションデバイス、（ｘｉ）インソースフラグメンテーションデバイス、（ｘｉｉ）インソース衝突誘起解離フラグメンテーションデバイス、（ｘｉｉｉ）熱または温度源フラグメンテーションデバイス、（ｘｉｖ）電界誘起フラグメンテーションデバイス、（ｘｖ）磁場誘起フラグメンテーションデバイス、（ｘｖｉ）酵素消化または酵素分解フラグメンテーションデバイス、（ｘｖｉｉ）イオン−イオン反応フラグメンテーションデバイス、（ｘｖｉｉｉ）イオン−分子反応フラグメンテーションデバイス、（ｘｉｘ）イオン−原子反応フラグメンテーションデバイス、（ｘｘ）イオン−準安定イオン反応フラグメンテーションデバイス、（ｘｘｉ）イオン−準安定分子反応フラグメンテーションデバイス、（ｘｘｉｉ）イオン−準安定原子反応フラグメンテーションデバイス、（ｘｘｉｉｉ）イオンを反応させて付加イオンまたはプロダクトイオンを形成するためのイオン−イオン反応デバイス、（ｘｘｉｖ）イオンを反応させて付加イオンまたはプロダクトイオンを形成するためのイオン−分子反応デバイス、（ｘｘｖ）イオンを反応させて付加イオンまたはプロダクトイオンを形成するためのイオン−原子反応デバイス、（ｘｘｖｉ）イオンを反応させて付加イオンまたはプロダクトイオンを形成するためのイオン−準安定イオン反応デバイス、（ｘｘｖｉｉ）イオンを反応させて付加イオンまたはプロダクトイオンを形成するためのイオン−準安定分子反応デバイス、（ｘｘｖｉｉｉ）イオンを反応させて付加イオンまたはプロダクトイオンを形成するためのイオン−準安定原子反応デバイス、（ｘｘｉｘ）電子イオン化解離（「ＥＩＤ」）フラグメンテーションデバイス、および（ｘｘｘ）負電荷の親イオンまたは分析種イオンに電子を照射して親イオンまたは分析種イオンをフラグメンテーションする電子脱離解離（「ＥＤＤ」）デバイスからなる群から選択される衝突セル、フラグメンテーションセルまたは反応セル、ならびに／あるいは
（ｇ）第２のイオントラップの上流および／または下流に配置された質量分析部であって、（ｉ）四重極質量分析部、（ｉｉ）二次元またはリニア四重極質量分析部、（ｉｉｉ）ポールまたは三次元四重極質量分析部、（ｉｖ）ペニングトラップ質量分析部、（ｖ）イオントラップ質量分析部、（ｖｉ）磁場型質量分析部、（ｖｉｉ）イオンサイクロトロン共鳴（「ＩＣＲ」）質量分析部、（ｖｉｉｉ）フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴（「ＦＴＩＣＲ」）質量分析部、（ｉｘ）静電場またはオービトラップ質量分析部、（ｘ）フーリエ変換静電場またはオービトラップ質量分析部、（ｘｉ）フーリエ変換質量分析部、（ｘｉｉ）飛行時間質量分析部、（ｘｉｉｉ）直交加速式飛行時間質量分析部、および（ｘｉｖ）直線加速式飛行時間質量分析部からなる群から選択される質量分析部、ならびに／あるいは
（ｈ）第１のイオントラップおよび／または第２のイオントラップの上流および／または下流および／または中間に配置された１つ以上のエネルギー分析器または静電エネルギー分析器、ならびに／あるいは
（ｉ）第１のイオントラップおよび第２のイオントラップの上流および／または下流および／または中間に配置された１つ以上のイオン検出器、ならびに／あるいは
（ｊ）第１のイオントラップおよび第２のイオントラップの上流および／または下流および／または中間に配置された１つ以上の質量フィルタであって、（ｉ）四重極質量フィルタ、（ｉｉ）二次元またはリニア四重極イオントラップ、（ｉｉｉ）ポールまたは三次元四重極イオントラップ、（ｉｖ）ペニングイオントラップ、（ｖ）イオントラップ、（ｖｉ）磁場型質量フィルタ、（ｖｉｉ）飛行時間質量フィルタ、および（ｖｉｉｉ）ウィーンフィルタからなる群から選択される質量フィルタ、ならびに／あるいは
（ｋ）第１のイオントラップおよび／または記第２のイオントラップ中にイオンをパルス化して注入するためのデバイスまたはイオンゲート、ならびに／あるいは
（ｌ）実質的に連続したイオンビームをパルス化イオンビームに変換するためのデバイスのいずれかを更に含んでもよい。

一実施形態によると、上記質量分析計は、
（ｉ）Ｃ−トラップ、および外側樽状電極と同心の紡錘状電極とを含むオービトラップ質量分析部であって、第１の動作モードにおいて、イオンが、Ｃ−トラップに移送され、次いでオービトラップ質量分析部中に注入され、第２の動作モードにおいて、イオンが、Ｃ−トラップに移送され、次いで、少なくともいくつかのイオンがフラグメントイオンにフラグメンテーションされる衝突セルまたは電子移動解離デバイスに移送され、次いで、フラグメントイオンが、オービトラップ質量分析部中に注入される前にＣ−トラップに移送されるオービトラップ質量分析部、ならびに／あるいは
（ｉｉ）使用時にイオンが移送される開口をそれぞれが有する複数の電極を含む積層リングイオンガイドであって、電極間の間隔がイオン経路の長さ方向に増加し、イオンガイドの上流部における電極の開口が第１の直径を有し、イオンガイドの下流部における電極の開口が、第１の直径より小さい第２の直径を有し、使用時に、ＡＣ電圧またはＲＦ電圧の反対の位相が連続する電極に印加される積層リングイオンガイドを更に含んでもよい。

本発明の一局面によると、第１のイオントラップおよび第２のイオントラップを含む質量分析計の制御システムによって実行可能なコンピュータプログラムであって、制御システムに、
（ｉ）第１のイオントラップの電荷容量に近づいたかそれを超える時点を判定させ、かつ
（ｉｉ）第１のイオントラップ内に蓄積された少なくともいくつかのイオンまたは全てのイオンを第２のイオントラップに移送させるように構成されたコンピュータプログラムが提供される。

本発明の一局面によると、
第１のイオントラップおよび第２のイオントラップを含む質量分析計の制御システムによって実行可能に構成されたコンピュータによって実行可能な命令が格納されたコンピュータ読み取り可能な媒体であって、制御システムに、
（ｉ）第１のイオントラップの電荷容量に近づいたかそれを超える時点を判定させ、
（ｉｉ）第１のイオントラップ内に蓄積された少なくともいくつかのイオンまたは全てのイオンを第２のイオントラップに移送させるように構成されたコンピュータ読み取り可能な媒体が提供される。

コンピュータ読み取り可能な媒体は、（ｉ）ＲＯＭ、（ｉｉ）ＥＡＲＯＭ、（ｉｉｉ）ＥＰＲＯＭ、（ｉｖ）ＥＥＰＲＯＭ、（ｖ）フラッシュメモリ、（ｖｉ）光学ディスク、（ｖｉｉ）ＲＡＭ、および（ｖｉｉｉ）ハードドライブメモリからなる群から選択されるのが好ましい。

本発明の一局面によると、
第１のイオントラップおよび第２のイオントラップを準備する工程、
第１のイオントラップの電荷容量に近づいたかそれを超える時点を判定する工程、および
第１のイオントラップ内に蓄積された少なくともいくつかのイオンまたは全てのイオンを第２のイオントラップに移送する工程を含む質量分析の方法が提供される。

本発明の一局面によると、
第１のイオントラップおよび第１のイオントラップの下流に配置された第２のイオントラップ、ならびに
制御システムであって、
（ｉ）イオンを第１のイオントラップに所定の期間入射させ、第１のイオントラップが第１の電荷容量を有するように構成され、所定の期間中に第１の電荷容量を超えると、過剰なイオンが第１のイオントラップから現れるかそうでなければ射出され、かつ
（ｉｉ）所定の期間後に、第１のイオントラップ内に蓄積された少なくともいくつかのイオンまたは全てのイオンを第２のイオントラップに移動させるように構成および適合された制御システムを含む質量分析計が提供される。

一実施形態によると、第１の電荷容量および第２のイオントラップの電荷容量は、少なくともいくつかのイオンまたは全てのイオンが第１のイオントラップから第２のイオントラップに移動するときに、第２のイオントラップの分析性能が実質的に損なわれずかつ／または第２のイオントラップの電荷容量が実質的に超過されることがないように構成および設定される。

上記質量分析計は、第１のイオントラップと第２のイオントラップとの間に配置された減衰レンズまたは減衰デバイスを好ましくはさらに含み、減衰レンズまたは減衰デバイスが、第１のイオントラップから第２のイオントラップへと前方移送されるイオンの強度を低下させるように好ましくは構成および適合される。

本発明の一局面によると、
第１のイオントラップおよび第１のイオントラップの下流に配置された第２のイオントラップを準備する工程、
イオンを第１のイオントラップに所定の期間入射させる工程であって、第１のイオントラップが第１の電荷容量を有するように構成され、所定の期間中に第１の電荷容量を超えると、過剰なイオンが第１のイオントラップから現れるかそうでなければ射出される工程、および
所定の期間後に、第１のイオントラップ内に蓄積された少なくともいくつかのイオンまたは全てのイオンを第２のイオントラップに移動させる工程を含む質量分析の方法が提供される。

上記方法は、第１の電荷容量および第２のイオントラップの電荷容量を、少なくともいくつかのイオンまたは全てのイオンが第１のイオントラップから第２のイオントラップに移動するときに、第２のイオントラップの分析性能が実質的に損なわれずかつ／または第２のイオントラップの電荷容量が実質的に超過されることがないように構成または設定する工程をさらに含むのが好ましい。

本発明の一局面によると、
第１のイオントラップを含む質量分析計であって、
（ｉ）第１のイオントラップが、イオンが第１のイオントラップ内に蓄積され、かつ第１の電荷容量を超えた場合に過剰なイオンが第１のイオントラップから現れるかそうでなければ射出されるような第１の電荷容量を第１のイオントラップが有するように構成される第１の動作モードで最初は動作し、次いで
（ｉｉ）第１のイオントラップが、第１のイオントラップ内にトラップされたイオンが質量選択的または質量電荷比選択的に第１のイオントラップから射出またはスキャンされる第２の動作モードでその後に動作する質量分析計が提供される。

一実施形態によると、
（ａ）第１の電荷容量が、（ｉ）＜１００００個の電荷、（ｉｉ）１００００〜１５０００個の電荷、（ｉｉｉ）１５０００〜２００００個の電荷、（ｉｖ）２００００〜２５０００個の電荷、（ｖ）２５０００〜３００００個の電荷、（ｖｉ）３００００〜３５０００個の電荷、（ｖｉｉ）３５０００〜４００００個の電荷、（ｖｉｉｉ）４００００〜４５０００個の電荷、（ｉｘ）４５０００〜５００００個の電荷、および（ｘ）＞５００００個の電荷に設定され、かつ／あるいは
（ｂ）第１の動作モードにおける第１の電荷容量が、第１のイオントラップが第２の動作モードで動作するときに、第１のイオントラップの分析性能が実質的に損なわれずかつ／または第１のイオントラップの電荷容量が実質的に超過されることがないように構成または設定される。

上記質量分析計は、制御システムをさらに含み、
（ｉ）制御システムが、第１の電荷容量に近づいたかそれを超えたと判定しかつ／または過剰なイオンが第１のイオントラップから現れたかそうでなければ射出されたと判定すると、制御システムが、更なるイオンが第１のイオントラップに所定の期間入射できないようにするかまたは第１のイオントラップ内へ移送されている更なるイオンを減衰または減少させるように構成および適合され、かつ／あるいは
（ｉｉ）制御システムが、第１の電荷容量に近づいたかそれを超えたと判定しかつ／または過剰なイオンが第１のイオントラップから現れたかそうでなければ射出されたと判定すると、制御システムが、第１のイオントラップの分析スキャンを行うように構成および適合され、かつ／あるいは
（ｉｉｉ）制御システムが、第１のイオントラップの分析スキャンが行われた後に、更なるイオンを第１のイオントラップに入射させるように配置および構成されるのが好ましい。

本発明の一局面によると、
第１のイオントラップを準備する工程、
第１のイオントラップを、イオンが第１のイオントラップ内に蓄積され、かつ第１の電荷容量を超えた場合に過剰なイオンが第１のイオントラップから現れるかそうでなければ射出されるような第１の電荷容量を第１のイオントラップが有するように構成される第１の動作モードで最初に動作させる工程、および次いで
第１のイオントラップを、第１のイオントラップ内にトラップされたイオンが質量選択的または質量電荷比選択的に第１のイオントラップから射出またはスキャンされる第２の動作モードでその後に動作させる工程を含む質量分析の方法が提供される。

一実施形態によると、
（ａ）第１の電荷容量が、（ｉ）＜１００００個の電荷、（ｉｉ）１００００〜１５０００個の電荷、（ｉｉｉ）１５０００〜２００００個の電荷、（ｉｖ）２００００〜２５０００個の電荷、（ｖ）２５０００〜３００００個の電荷、（ｖｉ）３００００〜３５０００個の電荷、（ｖｉｉ）３５０００〜４００００個の電荷、（ｖｉｉｉ）４００００〜４５０００個の電荷、（ｉｘ）４５０００〜５００００個の電荷、および（ｘ）＞５００００個の電荷に設定され、かつ／あるいは
（ｂ）第１の動作モードにおける第１の電荷容量が、第１のイオントラップが第２の動作モードで動作するときに、第１のイオントラップの分析性能が実質的に損なわれずかつ／または第１のイオントラップの電荷容量が実質的に超過されることがないように構成または設定される。

一実施形態によると、
（ｉ）第１の電荷容量に近づいたかそれを超えたと判定されかつ／または過剰なイオンが第１のイオントラップから現れたかそうでなければ射出されたと判定されると、更なるイオンが第１のイオントラップに所定の期間入射できないようにするかまたは第１のイオントラップに移送されている更なるイオンを減衰または減少させ、かつ／あるいは
（ｉｉ）第１の電荷容量に近づいたかそれを超えたと判定されかつ／または過剰なイオンが第１のイオントラップから現れたかそうでなければ射出されたと判定されると、第１のイオントラップの分析スキャンが行われ、かつ／あるいは
（ｉｉｉ）上記方法が、第１のイオントラップの分析スキャンが行われた後に、更なるイオンを第１のイオントラップに入射させる工程をさらに含む。

上記好適な実施形態は、イオントラップの分析性能が質量スペクトルを記録する前に存在する電荷数に依存する質量選択的イオントラップ内のイオン集団を制御する手段に関する。上記好適な実施形態によると、分析用イオントラップの上流に更なるイオントラップが配置され、この更なるイオントラップは、この更なるイオントラップに閉じ込められたイオン集団の少なくとも一部を質量選択的イオントラップに移送または移動するように構成されるのが好ましい。

一実施形態によると、１つ以上のイオン検出器を、上記更なるイオントラップの電荷容量をいったん超えると、この更なるイオントラップから失われる可能性のあるイオンの少なくとも一部を検出するように構成してもよい。

一実施形態によると、上記更なるイオントラップの電荷容量は、この更なるイオントラップに関連付けられた１つ以上のＲＦ電圧および／またはＤＣ電圧を設定することにより制御され得る。

一実施形態において、上記更なるイオントラップから質量選択的イオントラップまたは分析用イオントラップに移送されるかまたは移動するイオンの割合は、両イオントラップの間に配置された１つ以上の電極によって制御され得る。この電極は、上記更なるイオントラップからの全てのイオンまたは一部のイオンを質量選択的イオントラップに移送または移動するように構成され得る。電極は、必要なまたは好適な移送効率を有するしかつ／またはイオンを必要なまたは所定の期間移送するように構成され得る。

好ましさの劣る実施形態によると、分析用イオントラップおよび更なるイオントラップは、異なる条件下で順次動作する同じ物理的デバイスを含み得る。

一実施形態によると、別個の質量フィルタが、更なるイオントラップの上流および／または上記２つのイオントラップの間の中間領域および／または質量選択的イオントラップまたは分析用イオントラップの下流に配置され得る。例えば、四重極質量フィルタを更なるイオントラップの上流に配置し、制限された質量電荷比範囲のイオンを選択すること可能にしてもよい。

衝突ガスセルまたは他のフラグメンテーションデバイスが、更なるイオントラップの上流および／または上記２つのイオントラップの間および／または質量選択的イオントラップもしくは分析用イオントラップの下流に配置され得る。例えば、ガス衝突セルを上記２つのイオントラップの間の中間領域に配置し、更なるイオントラップを出射するイオンのフラグメンテーションを行うことを可能にしてもよい。

以下に、添付の図面を参照し、本発明の種々の実施形態を、例として説明する。

図１は、第２のまたは分析用イオントラップの上流に配置された第１のイオントラップを含む本発明の実施形態を示し、
図２は、第１のイオントラップと第２のまたは分析用イオントラップとの間にフラグメンテーションデバイスが設けられている本発明の別の実施形態を示し、
図３は、著しい損失を生ずることなくイオントラップ内に閉じ込められ得る全電荷をＤＣ電位が制御する本発明の実施形態に係るイオントラップを示し、
図４Ａは、図３に示すイオントラップ内の時間Ｔ０でのイオンの蓄積を示し、図４Ｂは、図３に示すイオントラップ内の時間Ｔ１でのイオンの蓄積を示し、図４Ｃは、図３に示すイオントラップ内の時間Ｔ２でのイオンの蓄積を示し、
図５は、著しい損失を生ずることなくイオントラップ内に閉じ込められ得る全電荷をＲＦ電位が制御する本発明の実施形態に係るイオントラップを示し、
図６は、飛行時間質量分析部に結合された本発明の実施形態に係るイオントラップを示し、
図７は、図６に示す装置を用いて得られたマスクロマトグラムを示し、
図８は、図６に示す装置を用いて得られたマスクロマトグラムを示し、
図９は、トラッピング電位に対する蓄積電荷数のグラフを示し、
図１０は、図６に示す装置を用いて得られたさらなるマスクロマトグラムを示す。

以下に本発明の好適な一実施形態について図１を参照しながら説明する。イオン源からのイオン１が、好ましくは、第１のイオントラップ２に導入される。イオントラップ２は、好ましくは、著しい損失を生ずることなくイオントラップ２内に閉じ込められ得る全電荷数を制御する手段を含む。この制御手段は、好ましくは、ＤＣ電位障壁および／またはＲＦ電位障壁を含む。

イオン源は、レーザ脱離イオン化（「ＬＤＩ」）イオン源、マトリックス支援レーザ脱離イオン化（「ＭＡＬＤＩ」）イオン源、またはシリコン上脱離イオン化（「ＤＩＯＳ」）イオン源等のパルス化イオン源を含んでいてもよい。

あるいは、かつより好ましくは、連続イオン源が使用されてもよく、その場合、更なるイオントラップ（図示せず）がイオントラップ２の上流に設けられ得る。更なるイオントラップを用いて、イオンを蓄積し次いで周期的にイオンを放出し得る。使用され得る連続イオン源としては、エレクトロスプレーイオン化（「ＥＳＩ」）イオン源、大気圧化学イオン化（「ＡＰＣＩ」）イオン源、電子衝突（「ＥＩ」）イオン源、大気圧光子イオン化（「ＡＰＰＩ」）イオン源、化学イオン化（「ＣＩ」）イオン源、脱離エレクトロスプレーイオン化（「ＤＥＳＩ」）イオン源、大気圧ＭＡＬＤＩ（「ＡＰ−ＭＡＬＤＩ」）イオン源、高速原子衝撃（「ＦＡＢ」）イオン源、液体二次イオン質量分析（「ＬＳＩＭＳ」）イオン源、電界イオン化（「ＦＩ」）イオン源、および電界脱離（「ＦＤ」）イオン源が含まれる。また、他の連続イオン源または疑似連続イオン源も使用することができる。

一実施形態によると、第１のイオントラップ２に移送されるイオン１は、イオントラップ２の上流に配置された別個の分析用デバイスあるいはフラグメンテーションデバイスから移送され得る。

イオン源からのイオンは、好ましくは、イオントラップ２に入射するように配置され得、これらのイオンは、好ましくは、障壁電位の存在によってイオントラップ２を出射できないようにされる。障壁電位は、ＤＣ電位または擬電位（不均一な電場をＲＦ周波数において変調することにより生成され得る）を含み得る。熱エネルギー付近へのイオンの衝突冷却を促進するために、イオントラップ２に緩衝ガスを存在させてもよい。

一旦イオントラップ２の電荷容量に達すると、クーロン反発によってイオンに加えられる力は、一部のイオンがトラッピング電位を越え始めるようなものであるのが好ましい。その結果、過剰なイオンは、第１のイオントラップ２から漏出するかそうでなければ現れる。イオントラップ２から漏出するか現れるイオンは、例えば、イオン検出器４によってモニタリングされてもよい。一実施形態によると、イオン検出器４は、イオントラップ２の下流にかつイオントラップ２に対して直交して位置し得る。偏向レンズ３が設けられてもよく、また、偏向レンズ３を用いて、イオントラップ２を出射する過剰なイオンをこれらのイオンがイオン検出器４に入射するように導いてもよい。

イオンがイオントラップ２から現れるかまたは漏出し始める時点は、イオントラップ２内に存在するイオンの数にではなく電荷量に関連するのが好ましい。したがって、イオントラップ２内に閉じ込められたイオンの電荷状態に関係なく、同じ電荷がイオントラップ２内に好ましくは滞在することになる。

第２のまたは分析用イオントラップ５が、好ましくは、第１のイオントラップ２の下流に配置される。好適な一動作モードにおいて、第１のイオントラップ２の最大電荷容量は、分析用イオントラップ５の容認される性能に対して許容可能な最大電荷数未満に設定されるのが好ましい。偏向レンズ３は、好ましくは、第１のイオントラップ２を出射する過剰なイオンをイオン検出器４上に導くように最初は設定される。イオン検出器４によってイオンが記録される時点まで第１のイオントラップ２にイオンを入射させるのが好ましい。イオン検出器４でのイオンの検出は、好ましくは、第１のイオントラップ２の電荷容量を超えたことを示す。この時点で、更なるイオンがイオントラップ２に入射できないようにするのが好ましい。偏向レンズ３に印加される電位は、次いで、後にイオントラップ２から現れるイオンが分析用イオントラップ５に好ましくは直接移送されるように変調されるのが好ましい。イオンは、次いで、分析用イオントラップ５内に蓄積される。イオンは、次いで、好ましくは、その質量または質量電荷比に応じて分析用イオントラップ５から選択的に射出される。射出されたイオン６は、好ましくは、分析用イオントラップ５の下流に好ましくは配置されたイオン検出器または別の分析用デバイスに移送される。

分析用イオントラップ５の分析スキャンの際、過剰なイオンをイオン検出器４を用いてモニタリングしながら、イオン源からのイオンをイオントラップ２に再び充填してもよい。分析用イオントラップ５のスキャンおよび第１のイオントラップ２の充填を同時に行うことにより、好ましくは、実験のデューティサイクルが最大化される。

この動作モードにおいて、イオントラップ２が充填される時間は、入射イオンビームの組成および流量によって異なる。しかし、分析用イオントラップ５内に存在する全電荷は、すべての分析スキャンについて実質的に同じであるのが好ましい。この好適な実施形態によると、電荷は、分析用イオントラップ５の性能が損なわれるレベルを超えないのが好ましい。

第２の動作モードにおいて、第１のイオントラップ２の所定の最大充填時間Ｔが設定され得る。充填時間Ｔの間中または充填時間Ｔの経過後にイオン検出器４によって過剰なイオンが検出されない場合は、イオントラップ２の充填は、好ましくは、時間Ｔにおいて停止され、次いで、イオンは、好ましくは、分析のために分析用イオントラップ５に送られる。しかし、過剰なイオンが所定の最大充填時間Ｔの一部（例えば、Ｔ／ｘ（式中、ｘ＞１））が経過した後に検出された場合、イオントラップ２の充填は、好ましくは、時間Ｔ／ｘにおいて停止され、イオンは、次いで、好ましくは、分析のために分析用イオントラップ５に送られる。分析用イオントラップ５の分析スキャンからの出力として保存された記録データの強度を因子ｘにより直接スケーリングして、時間Ｔ中にイオントラップ２に入射したであろう平均電荷量を示すことができる。このスケーリングにより、入射イオンビームに関する定量的情報を最終データに反映させることが可能となる。

第３の動作モードによると、一定の充填時間Ｔを予め定め、イオントラップ２から漏出した可能性のある全電荷量をイオン検出器４によって検出された信号から推定してもよい。時間Ｔ中にイオン検出器４によって信号が検出されない場合、分析用イオントラップ５の分析スキャン中に生成されたデータに対してスケーリングを適用しないのが好ましい。イオントラップ２の電荷容量が電荷数Ｃに設定され、かつ電荷数Ｄに対応する信号が時間Ｔ中にイオン検出器４によって記録される場合、得られるデータを因子（Ｃ＋Ｄ）／Ｃによってスケーリングしてもよい。

好ましさの劣るさらなる動作モードによると、予め定められた一定の充填時間Ｔ中、信号はイオン検出器４によってモニタリングされないのが好ましい。イオントラップ２の電荷容量が制限されることで、分析用イオントラップ５に送られる最大全電荷量が容認される分析性能に対して許容可能な最大量未満となることが確実となる。しかし、この実施形態において、時間Ｔ中にイオントラップ２に入射する平均電荷量は定められておらず、したがって、記録されたデータにスケーリングを適用しなくてもよい。

第１のイオントラップ２と第２のまたは分析用イオントラップ５との間の中間領域にフラグメンテーションデバイス７が設けられた本発明の別の実施形態を図２に示す。

一実施形態によると、好適なイオントラップは、著しい損失を生じることなく閉じ込めることが可能な全電荷数を制御するための手段を含んでもよく、かつ分析用イオントラップと同じ物理的デバイスであってもよい。例えば、イオントラップは、半径方向および／または軸方向の質量選択的射出を行うことが可能なリニア四重極イオントラップを含み得る。この実施形態において、分析用イオントラップは、２つの別個のモードで順次動作する。第１のモードにおいて、分析用イオントラップの全電荷容量は、同じイオントラップの分析スキャンに容認される性能に対して要求されるものと同じ値となるように最初は修正される。これは、例えば、トラッピング電位を変更することによって行われ得る。イオンは、電荷容量に達するまでイオントラップに蓄積される。過剰なイオンは外部のイオン検出器を用いて検出され得る。この時点で、イオンの蓄積は好ましくは停止される。次いで、イオントラップの分析スキャンを行うことを可能にするために、静電位は好ましくは変更される。この実施形態において、イオンの蓄積は分析スキャンがいったん完了してからのみ続行することができる。

前述の各動作モードは、所定のイオン集団の蓄積およびこれに続く分析スキャンの実施の両方に単一のデバイスが用いられ得る実施形態に適用することができる。

図３は、著しい損失を生ずることなく閉じ込めることが可能な全電荷数の制御手段を含むイオントラップの一例を示す。このイオントラップは、一列の環状電極を含むイオントンネルイオントラップ８を含む。環状電極の電位は、好ましくは、ＲＦ周波数において変調される。隣接するプレートまたは電極には、ＡＣ電圧の反対の位相が好ましくは印加される。ＡＣ電位により、イオンを半径方向に閉じ込めるかあるいはトラッピングするように作用する擬電位が好ましくは生じる。ＡＣ電位に加えて、環状プレートまたは電極にはさらなるＤＣ電位が供給され得る。

入口プレート９および出口プレート１０には、ＤＣ電位のみが供給されるのが好ましい。距離に対するＤＣ電位のグラフは、入口プレート９、出口プレート１０、および環状電極に印加されるＤＣ電位の一般的な形状を示している。ＤＣ電位は、トラップされたイオンのクーロン反発による力が閉じ込め電場を越えるのに十分となるまで、イオンをイオントラップ内に軸方向にトラッピングするように作用するのが好ましい。半径方向の閉じ込め力は、トラップ内に存在するすべての異なるイオン種について、軸方向の閉じ込め力よりも大きいと考えられる。

イオンは、好ましくは、入口プレート９を通ってまたは経由してイオントラップ８に入射する。イオンは、好ましくは、イオントラップ８の電荷容量を超えるまでイオントラップ８内に蓄積する。軸方向ＤＣトラッピング電位の大きさに対する半径方向擬電位の相対的な大きさは、イオントラップ８の電荷容量を超えたときに、イオンが出口プレート１０を経由して、すなわち軸方向にイオントラップ８を出射し始めるように構成されるのが好ましい。

イオントラップの中心軸にイオンを閉じ込めるために不均一なＲＦ電場を使用するリニアイオントラップの場合、半径方向擬電位障壁Ｖ_r＊は比（ｚ／ｍ）に比例し、半径方向有効閉じ込め力Ｆ_r＊は、リニアイオントラップの物理的形態にかかわらず比（ｚ²／ｍ）に比例する。換言すれば、四重極、六重極、八重極、多重極、またはリング積層イオンガイドの場合、以下のようになる。

Ｖ_r＊＝ｋ₁．（ｚ／ｍ） （１）
Ｆ_r＊＝ｋ₂．（ｚ²／ｍ） （２）
（式中、ｍはイオンの質量、ｚは電子電荷数、ならびにｋ₁およびｋ₂はイオンガイドの幾何学的形態および寸法と印加されるＲＦ電圧の振幅および周波数とに依存する定数である）。

しかし、Ｖ_aがイオントラップの出口プレート１０に印加されるＤＣ電位である場合、出口プレート１０に印加される軸方向閉じ込めＤＣ電圧による力Ｆ_aはイオンの電荷ｚに正比例する。すなわち以下のようになる。

Ｆ_a＝ｋ₃．ｚ （３）
（式中、ｋ₃はイオンガイドおよび出口プレートの幾何学的形態および寸法と出口プレート１０に印加されるＤＣ電位Ｖ_aとに依存する定数である。）
好適な一実施形態において、軸方向の力Ｆ_aは、すべての存在するイオン種について、その質量ｍおよび電子電荷ｚにかかわりなく半径方向の有効力Ｆ_r＊よりも小さい。これにより、イオンがイオントラップ８から漏出し始める際に、当該イオンは確実に軸方向に漏出することになる。さらに、イオンは、イオントラップ８の電荷容量に達するまで漏出を開始することはなく、少なくとも第１近似では、イオントラップに存在するイオンの質量および／または質量電荷比に依存することはない。

Ｖ_r＊、Ｖ_a、Ｆ_r＊、Ｆ_a、ｍ、およびｚ間のこれらの関係により、イオンがイオントラップ８に捕獲され、イオンに熱エネルギーまで冷却する時間が与えられた場合、比較的低い質量電荷比値すなわちより高い電荷状態を有するイオンは、比較的高い質量電荷比値すなわちより低い電荷状態を有するイオンと比べて、イオントラップ８の中心軸のより近くへ集束する。電荷状態がより高いイオンは、さらに、出口障壁および入口障壁から軸方向により遠くに滞在し始める。しかし、イオントラップ８中にイオンが注入される間に、このような隔離効果が起こる時間がある可能性は低く、質量および電荷に依存するイオンの変位は最小となると考えられる。

図４Ａは、イオントラップ８の軸方向ＤＣ井戸内のイオンの蓄積を示し、時間Ｔ０においてトラッピング領域に入射するイオンを示している。図４Ｂは、後の時間Ｔ１（Ｔ１＞Ｔ０）においてトラッピング領域に蓄積するイオンを示している。図４Ｃは、イオントラップ８の電荷容量を超えるさらに後の時間Ｔ２（Ｔ２＞Ｔ１）においてイオントラップを出射するイオンを示している。

図５は、著しい損失を生ずることなく閉じ込められることが可能な全電荷数の制御手段を含む好ましさの劣る実施形態に係るイオントラップ８を示している。イオントラップ８は、好ましくは、ＲＦ周波数において変調された電位が印加される一列の環状電極を含むイオントンネルイオントラップ８を含む。イオンを半径方向に閉じ込めるために、隣接するプレートにはＡＣ電圧の反対の位相が好ましくは印加される。

距離に対するＤＣ電位のグラフは、入口プレート９、環状プレート電極８、および出口プレート１０に印加されるＤＣ電位の一般的な形状を示している。イオントンネル８の端部の環状プレートには独立したＡＣ電位１１が供給されることが示されている。変調電位のより高い振幅をこのプレート電極に印加することにより、イオントラップ８の出口に擬電位障壁が形成される。この構成により生成される軸方向擬電位の一般的な形状が、距離に対する擬電位のグラフに示されている。同じ振幅を有するＡＣ電位の反対の位相を近接する電極に印加することにより、一連の浅い軸方向波形が形成される。しかし、電極１１に印加されるＡＣ電位の振幅を増大させると、この領域により高い電場ひいてはより大きい擬電位が生じる。

この擬電位障壁によって、入口プレート９を通ってまたは経由してイオントラップ８に入射するイオンを、トラップされたイオンのクーロン反発による力が閉じ込め電場を越えるのに十分なものとなるまで、出口プレート１０を通ってまたは経由して出射できないようにするのが好ましい。

この実施形態において、イオントラップ８からのイオンの出射を妨げる力は、半径方向閉じ込め力と同様に、質量および電荷に依存する。質量電荷比がより低いイオンは、質量電荷比がより高いイオンと比べて、より小さい半径にかつ出口開口からより遠くへ閉じ込められ得る。これらのイオンは、質量電荷比がより高いイオンよりも大きい擬電位障壁を受けるであろう。したがって、この実施形態において、イオンがイオントラップ８を出射し始める全トラップ電荷は、イオン集団の組成により大きく依存するであろう。

尚、擬電位障壁は、環状プレートの内径を小さくすることによって形成されてもよく、あるいは近接するプレート間の位相差を変えることにより変化させてもよい。

図６は、引き出し電極１４を含む直交加速式飛行時間質量分析計１２に結合された図３に示すようなイオントラップを示している。正イオンの連続ビームをエレクトロスプレーイオン化イオン源から導入する実験を行った。イオン源からのイオンは、質量電荷比範囲が狭いイオンを移送するように設定可能かあるいはＲＦのみの通過幅動作モードで動作可能な四重極質量フィルタ１３を通過した。次いで、イオンを、著しい損失を生じることなく閉じ込めることが可能な全電荷数を制御する手段を含む積層リングイオントラップ８に入射するように配置した。イオントラップ８は、アルゴンの約５×１０^-3ｍｂａｒの圧力に維持した。

また、図６は、イオントラップ８内のイオンの蓄積中に各構成要素に印加されるＤＣ電位を示している。四重極質量フィルタ１３を接地電位より６Ｖ高い電位で動作させるとともに、イオントラップの入口レンズ９を接地電位より５Ｖ高い電位に設定した。積層リングイオントラップ８の電極は０Ｖに維持した。出口プレート１０の電位を０．７Ｖ〜１．５Ｖの間で変化させて、イオントラップ８の電荷容量を変化させた。積層リングイオントラップ８は、長さ１８７ｍｍ、内径５ｍｍとした。積層リングイオントラップ８に周波数２ＭＨｚの２８０Ｖピーク・トゥ・ピークＡＣ電圧を供給した。

イオントラップ８の出口プレートのＤＣ１０を０.７〜１.５Ｖに設定し、イオントラップ８の電荷容量を超えたことを示す信号が直交加速式飛行時間型検出器１２で観察されるまでイオンを積層リングイオントラップ８内に蓄積した。この際、エレクトロスプレーキャピラリーの電圧を０Ｖに低下させることによって入射イオンビームを遮断した。次いで、出口レンズ１０の電位を０Ｖに設定して、イオントラップ８内に蓄積されたイオンを積層リングイオントラップ８から出射させた。次いで、イオントラップ８を出射したイオンを飛行時間質量分析部１２を用いて記録した。

図７は、上述の１回の実験から得られた結果を示している。少量のギ酸ナトリウム を２ｎｇ／ｕｌのロイシンエンケファリン溶液に加え、エレクトロスプレーイオン化イオン源中に２ｕｌ／分で連続的に注入した。質量電荷比が５７８であるロイシンエンケファリンＭ＋Ｎａ⁺の同位体クラスターからのイオンを四重極質量フィルタ１３を用いて単離した。質量電荷比５７８の再構築されたマスクロマトグラムを図７に示す。時間Ｔ０において、出口レンズ１０の電位を１Ｖに上昇させた。この時点でイオンは積層リングイオントラップ８において蓄積を開始した。後の時間Ｔ２まで信号は観察されず、この時点で、エレクトロスプレーキャピラリー電圧を０Ｖに設定し、これによって更なるイオンが生成されないようにし、したがってイオンがイオン源から実質的に出射しないようにした。時間Ｔ３において、出口レンズ１０の電位を０Ｖに低下させ、これにより、イオンをイオントラップ８から出射させた。次いで、イオントラップ８を出射するイオンを記録した。

出口レンズ１０から飛行時間型検出器１２へのシステムの公知の移送率から、これらの条件下での積層リングイオントラップ８の容量は５×１０⁶個の電荷であると推定した。

図８は、図７に関連して上記に説明した方法を用いたが出口レンズ１０に印加される出口レンズ電位を異ならせて実験を繰り返した場合の、質量電荷比が５７８であるイオンの再構築されたマスクロマトグラムを示している。トラッピング過程中にイオントラップ８に入射するイオンの流量は、すべての結果において一定のままであった。Ａで示す３つの結果は、イオントラッピング中の出口レンズ電位を１Ｖにして得られた。Ｂで示す３つの結果は、イオントラッピング中の出口レンズ電位を０.７５Ｖにして得られた。Ｃで示す３つの結果は、イオントラッピング中の出口レンズ電位を０.７Ｖにして得られた。Ｄで示す３つの結果は、イオントラッピング中の出口レンズ電位を１.５Ｖにして得られた。

トラッピング電位が減少するにつれ積層リングイオントラップ８の電荷容量もまた低下することが分かる。入力速度が同じである場合、イオンが出口障壁からあふれ出て検出されるまでの期間は短くなる。

図９は、出口プレート１０に印加される電位に対する推定蓄積電荷数のグラフを図８に示すデータについて示している。

図１０は、上記と同じ実験装置を用いた別の一連の結果を示している。この場合、Ｅで示す結果は、出口プレート１０のトラッピング電位を１Ｖにした前回の結果の繰り返しである。３つの測定のイオントラップの平均充填時間は、１４秒であった。平均最大トラップ電荷数は、６×１０⁶個であった。Ｆで示す３つの結果の場合、出口プレート１０のトラップ電圧は１Ｖのままとしたが、入射イオン流量を約１０分の１に減衰させた。Ｆで示す３つの測定のトラップの平均充填時間は１１７秒であった。平均最大トラップ電荷数は、４.７×１０⁶個であった。この実験において、イオントラップ８の平均充填時間は８倍に増加し、記録された蓄積電荷数は前回の実験での数の０.７８倍に減少した。実験誤差の範囲内において、このデータは、上記好適な方法を用いて、イオントラップ８内に入射イオン流量にかかわらず目標数のイオンが捕集され得ることを示している。

さらなる実施形態が考えられる。例えば、図１を参照すると、イオントラップ２の構成によっては、イオン検出器４は、イオントラップ２を半径方向に出射するイオンを捕集するように配置されてもよい。一実施形態によると、イオン検出器４は、分析用イオントラップ５の軸方向上流に配置されてもよい。この場合、イオントラップ２の充填中、分析用イオントラップ５は、検出のためにイオントラップ２を出射するすべてのイオンを移送するように設定されてもよい。

別の実施形態によると、イオントラップ２は、イオンを軸方向に閉じ込めるためにＤＣ電位障壁または擬電位障壁のいずれかが設けられ得るＲＦ多重極（例えば、四重極、六重極、または八重極）を含んでもよい。

好ましさの劣る別の実施形態によると、イオントラップ２はセグメント化フラットプレートイオンガイドを含んでもよく、プレートは、プレート平面をイオンガイドの軸に対して平行にしてサンドイッチ状に配置されるとともに、近接するプレートにはＲＦ電圧が印加される。

一実施形態によると、イオントラップ２から分析用イオントラップ５に移送されるイオンの強度を制御、変調、変更または低減するために、減衰レンズまたは減衰デバイスがイオントラップ２と分析用イオントラップ５との間に設けられてもよい。

本発明を好適な実施形態を参照して説明してきたが、添付の特許請求の範囲に記載の発明の範囲を逸脱せずにその形態および詳細が種々に変更され得ることが当業者によって理解される。

Claims (15)

1. 第１のイオントラップおよび前記第１のイオントラップの下流に配置された第２のイオントラップ、ならびに
   制御システムを含み、
   前記制御システムは、
   （ｉ）イオンを前記第１のイオントラップに所定の期間入射させ、前記第１のイオントラップが第１の電荷容量を有するように構成され、前記所定の期間中に前記第１の電荷容量を超え、過剰なイオンが前記第１のイオントラップから現れるかそうでなければ射出され、かつ
   （ｉｉ）前記所定の期間後に、前記第１のイオントラップ内に蓄積された少なくともいくつかのイオンまたは全てのイオンを前記第２のイオントラップに移動させるように構成および適合された質量分析計であって、
   前記第２のイオントラップが第２の電荷容量を有し、前記第１の電荷容量に対する前記第２の電荷容量の比が、＞１であり、
   前記第１の電荷容量および前記第２のイオントラップの電荷容量は、少なくともいくつかのイオンまたは全てのイオンが前記第１のイオントラップから前記第２のイオントラップに移動するときに、前記第２のイオントラップの分析性能が実質的に損なわれずかつ／または前記第２のイオントラップの電荷容量が実質的に超過されることがないように構成および設定される
   質量分析計。
2. （ｉ）前記第１のイオントラップおよび／または前記第２のイオントラップが、四重極、六重極もしくは八重極ロッドセットイオントラップ、リニアもしくは二次元イオントラップ、中心リング電極と２つのエンドキャップ電極とを含む三次元イオントラップ、または質量選択的ロッドセットイオントラップを含み、かつ／あるいは
   （ｉｉ）前記第１のイオントラップおよび／または前記第２のイオントラップが、複数の電極を含むイオントンネルイオントラップであって、各電極が使用時にイオンが移送される１つ以上の開口を含むイオントンネルイオントラップを含み、かつ／あるいは
   （ｉｉｉ）前記第１のイオントラップおよび／または前記第２のイオントラップが、概ねイオン移送平面に配置された複数の平面電極を含むイオンガイドであって、前記複数の平面電極が軸方向にセグメント化されているイオンガイドを含む、請求項１に記載の質量分析計。
3. （ａ）前記第１の電荷容量が、（ｉ）＜１００００個の電荷、（ｉｉ）１００００〜１５０００個の電荷、（ｉｉｉ）１５０００〜２００００個の電荷、（ｉｖ）２００００〜２５０００個の電荷、（ｖ）２５０００〜３００００個の電荷、（ｖｉ）３００００〜３５０００個の電荷、（ｖｉｉ）３５０００〜４００００個の電荷、（ｖｉｉｉ）４００００〜４５０００個の電荷、（ｉｘ）４５０００〜５００００個の電荷、および（ｘ）＞５００００個の電荷に設定され、かつ／あるいは
   （ｂ）前記第２の電荷容量が、（ｉ）＜１００００個の電荷、（ｉｉ）１００００〜１５０００個の電荷、（ｉｉｉ）１５０００〜２００００個の電荷、（ｉｖ）２００００〜２５０００個の電荷、（ｖ）２５０００〜３００００個の電荷、（ｖｉ）３００００〜３５０００個の電荷、（ｖｉｉ）３５０００〜４００００個の電荷、（ｖｉｉｉ）４００００〜４５０００個の電荷、（ｉｘ）４５０００〜５００００個の電荷、および（ｘ）＞５００００個の電荷に設定され、かつ／あるいは
   （ｃ）前記第１の電荷容量に対する前記第２の電荷容量の比が、（ｉ）１〜１.５、（ｉｉ）１.５〜２.０、（ｉｉｉ）２.０〜２.５、（ｉｖ）２.５〜３.０、（ｖ）３.０〜３.５、（ｖｉ）３.５〜４.０、（ｖｉｉ）４.０〜４.５、（ｖｉｉｉ）４.５〜５.０、（ｉｘ）５.０〜６.０、（ｘ）６.０〜７.０、（ｘｉ）７.０〜８.０、（ｘｉｉ）８.０〜９.０、（ｘｉｉｉ）９.０〜１０.０、および（ｘｉｖ）＞１０.０からなる群から選択される、請求項１または２に記載の質量分析計。
4. 一動作モードにおいて、イオンを前記第１のイオントラップ内に軸方向に閉じ込めるために、軸方向ＤＣ電位障壁および／または軸方向擬電位障壁が前記第１のイオントラップの領域全体にわたって維持され、前記軸方向ＤＣ電位障壁および／または前記軸方向擬電位障壁の振幅が前記第１の電荷容量を少なくとも部分的に決定し、前記第１の電荷容量を超えると、少なくともいくつかの過剰なイオンが前記軸方向ＤＣ電位障壁および／または前記軸方向擬電位障壁を越えて前記第１のイオントラップから現れる、請求項１、２または３に記載の質量分析計。
5. 偏向レンズと、前記第１のイオントラップの下流に配置されたイオン検出器とをさらに含み、
   前記偏向レンズは、第１の動作モードにおいて、前記第１の電荷容量を超えると前記第１のイオントラップから軸方向に現れるイオンを前記イオン検出器上に偏向するように動作し、かつ、
   前記制御システムが、前記イオン検出器が前記第１のイオントラップから現れたイオンを検出すると、前記第１の電荷容量を超えたと判定する、請求項１〜４のいずれかに記載の質量分析計。
6. 前記イオン検出器が前記第１のイオントラップから現れたイオンを検出することによって、前記第１の電荷容量を超えたと前記制御が判断すると、前記偏向レンズが、次いで、第２の動作モードにおいて、前記第１のイオントラップから後続して現れるイオンを前記第２のイオントラップへと移送するように動作する、請求項５に記載の質量分析計。
7. 前記第１の電荷容量を超えると、少なくともいくつかの過剰なイオンが前記第１のイオントラップから半径方向および／または軸方向に射出され、イオン検出器によって検出される、請求項１〜６のいずれかに記載の質量分析計。
8. 前記制御システムが、
   （ｉ）前記第１の電荷容量を超えたと前記制御システムが判定すると、および／または
   （ｉｉ）イオンが前記第１のイオントラップから前記第２のイオントラップに移動中、および／または
   （ｉｉｉ）イオンが前記第１のイオントラップから前記第２のイオントラップに移動した後のいずれかに、
   更なるイオンが前記第１のイオントラップに一定期間入射できないようにするか、または前記第１のイオントラップ内へ移送されている更なるイオンを減衰または減少させるようにさらに構成および適合される、請求項１〜７のいずれかに記載の質量分析計。
9. 一動作モードにおいて、イオンを、所定の最大充填期間Ｔまで前記第１のイオントラップに入射または充填させることができ、前記所定の最大充填期間Ｔの後、イオンは前記第１のイオントラップに一定の期間実質的に入射できない、請求項１〜８のいずれかに記載の質量分析計。
10. イオン検出器または他のデバイスが前記第１のイオントラップから現れるイオンを前記所定の最大充填期間Ｔ中に検出できなかった場合、
    前記制御システムが、
    （ｉ）更なるイオンが前記第１のイオントラップに一定期間入射できないようにするか、または前記第１のイオントラップ内へ移送されている更なるイオンを減衰または減少させ、かつ／あるいは
    （ｉｉ）前記所定の最大充填期間Ｔの後、イオンを前記第１のイオントラップから前記第２のイオントラップに移動させるように構成および適合される、請求項９に記載の質量分析計。
11. イオン検出器または他のデバイスが、前記所定の最大充填期間Ｔ中に時間Ｔ／ｘにおいて前記第１のイオントラップから現れるイオンを検出した場合、
    前記制御システムが、
    （ｉ）更なるイオンが前記第１のイオントラップに一定期間入射できないようにするか、または前記第１のイオントラップ内へ移送されている更なるイオンを減衰または減少させ、かつ／あるいは
    （ｉｉ）前記時間Ｔ／ｘの後、イオンを前記第１のイオントラップから前記第２のイオントラップに移送させ、かつ／あるいは
    （ｉｉｉ）前記第２のイオントラップからイオンをスキャンまたは射出し、かつ／あるいは
    （ｉｖ）イオンが前記第２のイオントラップからスキャンまたは射出されたことによって記録された質量スペクトルデータの強度を因子ｘによってスケーリングするように構成および適合される、請求項９に記載の質量分析計。
12. イオン検出器が、前記所定の最大充填期間Ｔ中に前記第１のイオントラップから現れるイオンを検出した場合、
    前記制御システムが、
    （ｉ）更なるイオンが前記第１のイオントラップに一定期間入射できないようにするか、または前記第１のイオントラップ内へ移送されている更なるイオンを減衰または減少させ、かつ／あるいは
    （ｉｉ）イオンを前記第１のイオントラップから前記第２のイオントラップに移動させ、かつ／あるいは
    （ｉｉｉ）前記第２のイオントラップからイオンをスキャンまたは射出し、かつ／あるいは
    （ｉｖ）イオンが前記第２のイオントラップからスキャンまたは射出されたことによって記録された質量スペクトルデータの強度を因子（Ｃ＋Ｄ）／Ｃ（式中、Ｃは前記第１の電荷容量、Ｄは時間Ｔ中に前記イオン検出器によって記録された電荷数に対応する）によってスケーリングするように構成および適合される、請求項９に記載の質量分析計。
13. （ｉ）前記制御システムが、一旦イオンが前記第１のイオントラップから前記第２のイオントラップに移動したら、更なるイオンを前記第１のイオントラップに蓄積させるように構成および適合され、かつ／あるいは
    （ｉｉ）前記制御システムが、前記第２のイオントラップからイオンがスキャンまたは射出されている間、更なるイオンを前記第１のイオントラップに蓄積させるように構成および適合され、かつ／あるいは
    （ｉｉｉ）前記制御システムが、イオンが前記第１のイオントラップから前記第２のイオントラップに移動していると同時に、イオンを前記第２のイオントラップから質量選択的に射出またはスキャン射出させるように構成および適合され、かつ／あるいは
    （ｉｖ）前記制御システムが、一旦イオンが前記第１のイオントラップから前記第２のイオントラップに移動したら、イオンを前記第２のイオントラップから質量選択的に射出またはスキャン射出させるように構成および適合される、請求項１〜１２のいずれかに記載の質量分析計。
14. 前記第１のイオントラップと前記第２のイオントラップとの間に配置された減衰レンズまたは減衰デバイスをさらに含み、前記減衰レンズまたは減衰デバイスが、前記第１のイオントラップから前記第２のイオントラップへと前方移送されるイオンの強度を低下させるように構成および適合される、請求項１〜１３のいずれかに記載の質量分析計。
15. 第１のイオントラップおよび前記第１のイオントラップの下流に配置された第２のイオントラップを準備する工程、
    イオンを前記第１のイオントラップに所定の期間入射させる工程であって、前記第１のイオントラップが第１の電荷容量を有するように構成され、前記所定の期間中に前記第１の電荷容量を超え、過剰なイオンが前記第１のイオントラップから現れるかそうでなければ射出される工程、および
    前記所定の期間後に、前記第１のイオントラップ内に蓄積された少なくともいくつかのイオンまたは全てのイオンを前記第２のイオントラップに移動させる工程を含む質量分析の方法であって、
    前記第２のイオントラップが第２の電荷容量を有し、前記第１の電荷容量に対する前記第２の電荷容量の比が、＞１であり、
    前記方法が、第１の電荷容量および前記第２のイオントラップの電荷容量を、少なくともいくつかのイオンまたは全てのイオンが前記第１のイオントラップから前記第２のイオントラップに移動するときに、前記第２のイオントラップの分析性能が実質的に損なわれずかつ／または前記第２のイオントラップの電荷容量が実質的に超過されることがないように構成または設定する工程をさらに含む
    質量分析の方法。

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