JP5243977B2 - Vertical acceleration time-of-flight mass spectrometer - Google Patents

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Description

本発明は、微量化合物の定量分析、定性一斉分析、および試料イオンの構造解析分野に用いられる飛行時間型質量分析計に関する。   The present invention relates to a time-of-flight mass spectrometer used in the fields of quantitative analysis, qualitative simultaneous analysis of trace compounds, and structural analysis of sample ions.

[飛行時間型質量分析計(TOFMS)]
TOFMSは、一定量のエネルギーを与えてイオンを加速・飛行させ、検出器に到達するまでに要する時間からイオンの質量電荷比を求める質量分析装置である。TOFMSでは、イオンを一定のパルス電圧Vaで加速する。このとき、イオンの速度vは、エネルギー保存則から、
mv2/2 = qeVa ………(1)
v = √(2qeV/m) ………(2)
と表わされる(ただしm:イオンの質量、q:イオンの電荷、e:素電荷)。
[Time of Flight Mass Spectrometer (TOFMS)]
TOFMS is a mass spectrometer that determines the mass-to-charge ratio of ions from the time it takes to reach a detector by accelerating and flying ions with a certain amount of energy. In TOFMS, ions are accelerated with a constant pulse voltage Va. At this time, the ion velocity v is calculated from the energy conservation law.
mv 2/2 = qeV a ......... (1)
v = √ (2qeV / m) (2)
Where m: ion mass, q: ion charge, e: elementary charge.

イオンは、一定距離Lの後に置いた検出器には、飛行時間Tで到達する。   The ions reach the detector placed after a certain distance L at the time of flight T.

T = L/v = L√(m/2qeV) ………(3)
式(3)により、飛行時間Tがイオンの質量mによって異なることを利用して、質量を分離する装置がTOFMSである。図1に直線型TOFMSの一例を示す。また、イオン源と検出器の間に反射場を置くことにより、エネルギー収束性の向上と飛行距離の延長を可能にする反射型TOFMSも広く利用されている。図2に反射型TOFMSの一例を示す。
T = L / v = L√ (m / 2qeV) (3)
TOFMS is a device that separates masses by using the fact that the time of flight T varies depending on the mass m of ions according to equation (3). FIG. 1 shows an example of a linear TOFMS. Reflective TOFMS is also widely used, which can improve energy convergence and extend flight distance by placing a reflection field between the ion source and the detector. FIG. 2 shows an example of a reflective TOFMS.

反射型TOFMSは、未知物質のm/z値を、組成式から計算で求められるm/z値と数ppm程度の誤差で測定することができることから、未知物質の組成推定に利用されることで知られる。   Reflective TOFMS can measure the m / z value of an unknown substance with an error of about several ppm from the m / z value calculated from the composition formula. known.

[らせん軌道TOFMS]
TOFMSの質量分解能は、総飛行時間をT、ピーク幅をΔTとすると、
質量分解能 = T/2ΔT ………(4)
で定義される。すなわち、ピーク幅ΔTを一定にして、総飛行時間Tを延ばすことができれば、質量分解能を向上させられる。しかし、従来の直線型、反射型のTOFMSでは、総飛行時間Tを延ばすこと、すなわち総飛行距離を延ばすことは装置の大型化に直結する。装置の大型化を避け、かつ高質量分解能を実現するために開発された装置が、多重周回型TOFMS(非特許文献1)である。この装置は、円筒電場にマツダプレートを組み合わせたトロイダル電場を4個用い、8の字型の周回軌道を多重周回させることにより、総飛行時間Tを延ばすことができる。この装置では、初期位置、初期角度、初期運動エネルギーによる検出面での空間的な広がりと時間的な広がりを1次の項まで収束させることに成功している。
[Helix orbit TOFMS]
The mass resolution of TOFMS is T, where total flight time is T and peak width is ΔT.
Mass resolution = T / 2ΔT (4)
Defined by That is, if the peak width ΔT is kept constant and the total flight time T can be extended, the mass resolution can be improved. However, in the conventional linear and reflective TOFMS, extending the total flight time T, that is, extending the total flight distance directly leads to an increase in the size of the apparatus. A multi-circular TOFMS (Non-Patent Document 1) is an apparatus developed to avoid an increase in the size of the apparatus and achieve high mass resolution. This device can extend the total flight time T by using four toroidal electric fields in which a Mazda plate is combined with a cylindrical electric field and by making multiple rounds of an 8-shaped orbit. In this apparatus, the spatial extent and temporal extent on the detection surface due to the initial position, initial angle, and initial kinetic energy are successfully converged to the first order term.

しかし、閉軌道を多重周回するTOFMSには、「追い越し」の問題が存在する。これは閉軌道を多重周回するため、軽いイオン(速度大きい)が重いイオン(速度小さい)を追い越してしまうことにより起こる。このため、検出面に軽いイオンから順に到着するというTOFMSの基本概念が通用しなくなる。   However, TOFMS that makes multiple rounds of closed orbits has the problem of “overtaking”. This occurs because light ions (high speed) overtake heavy ions (low speed) because they orbit around the closed orbit. For this reason, the basic concept of TOFMS, which arrives in order from light ions to the detection surface, does not work.

この問題を解決するために考案されたのが、らせん軌道型TOFMSである。らせん軌道型TOFMSは、多重周回型における閉軌道の始点と終点を閉軌道面に対して垂直方向にずらすことを特徴としている。これを実現するためには、イオンをはじめから斜めに入射する方法(特許文献1)や、デフレクタを用いて閉軌道の始点と終点を垂直方向にずらす方法(特許文献2)、積層トロイダル電場を用いる方法(特許文献3)がある。   The helical orbital TOFMS was devised to solve this problem. The helical trajectory type TOFMS is characterized in that the start point and the end point of the closed trajectory in the multi-circular type are shifted in the direction perpendicular to the closed trajectory plane. In order to realize this, a method in which ions are incident obliquely from the beginning (Patent Document 1), a method in which the start point and end point of a closed orbit are shifted in a vertical direction using a deflector (Patent Document 2), and a laminated toroidal electric field are There is a method used (Patent Document 3).

また、同様のコンセプトとして、追い越しの起こる多重反射型TOFMSの軌道をジグザグ型にしたTOFMSも考案されている(特許文献4)。このようなTOFMSでは、より精度の高い組成推定が可能である。   As a similar concept, a TOFMS in which the trajectory of a multiple reflection type TOFMS in which overtaking occurs in a zigzag shape has also been devised (Patent Document 4). With such TOFMS, more accurate composition estimation is possible.

[垂直加速型飛行時間型質量分析計(OA-TOFMS)]
TOFMSは、イオンの質量電荷比の違いをある時間始点からの経過時間により分析するため、イオンをイオン加速部にてパルス的に加速しなければならない。そのため、レーザー照射などによりパルス的にイオン化を行なうイオン化法との相性が非常に良い。
[Vertical acceleration time-of-flight mass spectrometer (OA-TOFMS)]
Since TOFMS analyzes the difference in mass-to-charge ratio of ions based on the elapsed time from a certain time starting point, the ions must be accelerated in a pulse manner in the ion accelerator. Therefore, the compatibility with the ionization method in which ionization is performed in a pulsed manner by laser irradiation or the like is very good.

しかしながら、質量分析法のイオン化法には、EI(電子衝撃イオン化法)、CI(化学イオン化法)、ESI(エレクトロスプレーイオン化法)、APCI(大気圧化学イオン化法)といった連続的にイオンを生成するイオン化法も多い。これらの連続的なイオン化法とTOFMSを組み合わせるために開発されたのがOrthogonal Acceleration(OA:垂直加速法)である。   However, in the ionization method of mass spectrometry, ions are continuously generated such as EI (electron impact ionization method), CI (chemical ionization method), ESI (electrospray ionization method), and APCI (atmospheric pressure chemical ionization method). There are many ionization methods. Orthogonal Acceleration (OA) was developed to combine these continuous ionization methods with TOFMS.

図3に垂直加速法を用いたTOFMS(以下、OA-TOFMS)の概念図を示す。連続的にイオンを生成するイオン源から生成したイオンビームは、数十eVの運動エネルギーで垂直加速部に連続的に輸送される。   Fig. 3 shows a conceptual diagram of TOFMS (hereafter referred to as OA-TOFMS) using the vertical acceleration method. An ion beam generated from an ion source that continuously generates ions is continuously transported to the vertical acceleration unit with a kinetic energy of several tens of eV.

垂直加速部では10kV程度のパルス電圧をイオンに対して印加し、イオンをイオン源からの輸送方向に対して垂直方向に加速する。パルス電圧印加開始からイオンの検出器への到達までの時間がイオンの質量ごとに異なることからイオンの質量分離を行なう。   In the vertical acceleration unit, a pulse voltage of about 10 kV is applied to the ions, and the ions are accelerated in the direction perpendicular to the transport direction from the ion source. Since the time from the start of application of the pulse voltage to the arrival of the ions at the detector varies depending on the mass of the ions, ion mass separation is performed.

特開2000−243345号公報。JP 2000-243345 A.

特開2003−86129号公報。JP2003-86129A.

特開2006−12782号公報。JP 2006-12782 A.

特表2007−526596号公報。JP-T-2007-526596.

[従来技術の問題点1]
OA-TOFMSの場合、連続的にイオンがイオン加速部に流れてきており、そのうち測定に利用できる範囲のみ切り出して測定していると考えることができる。このイオンの利用効率をDuty Cycleと呼び、
[Problem 1 of the prior art]
In the case of OA-TOFMS, ions are continuously flowing to the ion acceleration part, and it can be considered that only the range that can be used for measurement is cut out and measured. This ion utilization efficiency is called Duty Cycle,

Figure 0005243977
と定義する。
Figure 0005243977
It is defined as

これは少し見方を変えると、イオン加速部を通過するイオンビーム長のうち測定に利用されたイオンビーム長と考えることができる。つまり、測定に利用できるイオン長をLoa、イオン加速部への入射エネルギーをeVin、TOFMSの測定間隔をTdとすると、 From a slightly different perspective, this can be considered as the ion beam length used for measurement out of the ion beam length that passes through the ion accelerator. In other words, if the ion length that can be used for measurement is L oa , the incident energy to the ion accelerator is eV in , and the measurement interval of TOFMS is T d ,

Figure 0005243977
と表現できる。式(6)から、以下の3点を実現することでイオンの利用効率が向上する。
Figure 0005243977
Can be expressed. From equation (6), the ion utilization efficiency is improved by realizing the following three points.

(1)Tdを小さくする。 (1) Decrease Td .

(2)eVinを小さくする。 (2) to reduce the eV in.

(3)Loaを延長する。 (3) Extend L oa .

しかしながら、利用効率の向上には幾つかの課題が存在する。Tdは、すなわち飛行時間と関連している。式(4)から、飛行時間を延長すれば質量分解能が向上するため、Duty Cycleと質量分解能の向上はトレードオフの関係にある。 However, there are some problems in improving the utilization efficiency. T d is related to the time of flight. From equation (4), if the flight time is extended, the mass resolution is improved, so the duty cycle and the improvement of the mass resolution are in a trade-off relationship.

eVinを小さくすることが有効であるが、現実的には空間電荷効果や電極の帯電の影響が強くなり、イオン強度自体が不安定になるため、極端に低いVoa値でイオンを長距離輸送することは不可能である。 Although it is effective to reduce eVin, in reality, the effect of space charge effect and electrode charging becomes stronger, and the ionic strength itself becomes unstable, so that ions can be moved over long distances with extremely low V oa values. It is impossible to transport.

oaは、TOFMSのアクセプタンスに関連がある。反射型TOFMSであれば、検出器の大きさ(通常数十mm)、らせん軌道TOFMSであればイオン光学系の有効な大きさ(通常5〜10mm)である。 L oa is related to the acceptance of TOFMS. In the case of reflective TOFMS, the size of the detector (usually several tens of mm), and in the case of helical orbit TOFMS, the effective size of the ion optical system (usually 5 to 10 mm).

[従来技術の問題点2]
上述したDuty Cycleの問題点を改善するために、イオンを一定の期間蓄積し、間歇的に排出できるイオントラップ機構をパルス加速部に導入する前段に配置する方法も考案されている。ただし、この場合、イオントラップ機構の出射位置からパルス加速部までの距離で排出に伴ってm/z値に依存したイオンの空間的な分布が生じる。
[Problem 2 of the prior art]
In order to improve the problem of the above-described Duty Cycle, a method has been devised in which an ion trap mechanism capable of accumulating ions for a certain period and intermittently ejecting them is arranged before introducing the pulse accelerator. However, in this case, a spatial distribution of ions depending on the m / z value occurs with discharge at a distance from the emission position of the ion trap mechanism to the pulse acceleration unit.

イオントラップ機構からイオン群が出射される時間からT後の位置は、パルス排出の電圧をVinとすると、 Position after T from the time the group of ions are emitted from the ion trap mechanism, when the voltage of the pulse discharge to V in,

Figure 0005243977
となり、m/z値の平方根に反比例する。たとえば、イオントラップ機構からパルス加速部までの距離をLin、パルス加速部の有効距離をLoaとすれば、測定対象とする最小のm/z値(m/z)minと最大のm/z値(m/z)maxの関係は次の式で表わせる。
Figure 0005243977
And is inversely proportional to the square root of the m / z value. For example, if the distance from the ion trap mechanism to the pulse accelerating portion is L in and the effective distance of the pulse accelerating portion is L oa , the minimum m / z value (m / z) min to be measured and the maximum m / z The relationship of z value (m / z) max can be expressed by the following equation.

Figure 0005243977
例えば、Loa/Lin=4とすると、(m/z)max/(m/z)min=25となる。仮に(m/z)min=50とすると、(m/z)max=1250となり、測定できるm/z範囲が制限されることとなる。特にアクセプタンスの狭い扇形電場を利用した系では、Loa/Linが小さくなり、測定できるm/z範囲が極端に制限される。
Figure 0005243977
For example, if L oa / L in = 4, then (m / z) max / (m / z) min = 25. If (m / z) min = 50, then (m / z) max = 1250, which limits the m / z range that can be measured. In particular, in a system using a sectoral electric field with a narrow acceptance, L oa / L in becomes small, and the m / z range that can be measured is extremely limited.

本発明は、上述した点に鑑み、垂直加速型飛行時間型質量分析計が持つさまざまな問題点を解決して、イオンの利用効率を向上させることにある。   In view of the above-mentioned points, the present invention is to solve various problems of the vertical acceleration time-of-flight mass spectrometer and to improve ion utilization efficiency.

この目的を達成するため、本発明にかかる垂直加速型飛行時間型質量分析計は、
(1)試料をイオン化するイオン源、
(2)前記イオン源で生成したイオンを所定の距離だけ輸送するイオン輸送手段、
(3)前記イオン輸送手段の輸送先に置かれ、(i)イオン輸送手段から入射するイオンを制限する入射スリット、(ii)入射スリットの後段に置かれ、通過したイオンの輸送方向と平行に、イオンを挟むように配置された第1および第2の加速電極、(iii)該第1および第2の加速電極の間に該第1および第2の加速電極と平行に置かれ、進入するにつれてイオンに減速作用が働くような電場勾配を発生する圧縮電極、から成り、イオンの飛行時間測定の始点となる信号に同期して前記第1および第2の電極に加速電圧をパルス的に印加して、前記イオン輸送手段の輸送方向と直交する方向にイオンを加速するイオン加速部、
(4)前記イオン加速部により加速されたイオンを飛行させ、質量電荷比に応じてイオンの飛行速度が異なることを利用してイオンの質量分離を行なうイオン光学系、
(5)イオンを加速するための始点となる信号に同期して、イオン光学系を飛行してきたイオンを検出するイオン検出部、
を備え
前記第1および第2の加速電極に加速電圧を印加してイオンを加速する際に、前記圧縮電極に前記第1の加速電極と第2の加速電極の中間の電圧が印加されるように構成されていることを特徴としている。
In order to achieve this object, a vertical acceleration time-of-flight mass spectrometer according to the present invention includes:
(1) an ion source for ionizing a sample;
(2) ion transport means for transporting ions generated by the ion source by a predetermined distance;
(3) placed at the transport destination of the ion transport means, (i) an incident slit for restricting ions incident from the ion transport means, and (ii) placed at a stage subsequent to the entrance slit and parallel to the transport direction of the passed ions. , first and second acceleration electrodes arranged so as to sandwich the ion, is placed parallel to the first and second accelerating electrode during (iii) said first and second accelerating electrodes, enters compression electrodes for generating an electric field gradient as acts deceleration acts on the ions brought into, become pressurized et al., the acceleration voltage to the first and second electrodes in synchronization with the start signal serving as the flight time measurement of pulsed ions manner An ion accelerating unit that accelerates ions in a direction perpendicular to the transport direction of the ion transport means,
(4) an ion optical system for flying ions accelerated by the ion acceleration unit and performing ion mass separation using the fact that the flight speed of ions differs according to the mass-to-charge ratio;
(5) an ion detector that detects ions flying through the ion optical system in synchronization with a signal serving as a starting point for accelerating ions;
Equipped with a,
A configuration in which an intermediate voltage between the first acceleration electrode and the second acceleration electrode is applied to the compression electrode when accelerating ions by applying an acceleration voltage to the first and second acceleration electrodes. It is characterized by being.

また、前記イオン輸送手段とイオン加速部との間にイオンをトラップできるイオントラップ手段を設け、該イオントラップ手段で溜めたイオン群を前記イオン加速部の加速のタイミングと同期させながら排出させて、間歇的に該イオン加速部に前記イオン群を入射させるようにしたことを特徴としている。   In addition, an ion trap means capable of trapping ions is provided between the ion transport means and the ion acceleration section, and the ion groups accumulated in the ion trap means are discharged while being synchronized with the acceleration timing of the ion acceleration section, The ion group is incident on the ion acceleration section intermittently.

前記圧縮電極は、前記イオン加速部へのイオン入射軸に対して対称になるよう、前記第1および第2の加速電極の間に配置され、前記入射スリットから遠ざかるにつれて互いの距離が接近するように構成された、少なくとも1対の電極であることを特徴としている。 The compression electrode is disposed between the first and second acceleration electrodes so as to be symmetric with respect to an ion incident axis to the ion accelerating portion, and the distance from each other approaches as the distance from the incident slit increases. And at least one pair of electrodes.

また、前記イオン源は、EI、CI、ESI、またはAPCIであることを特徴としている。   Further, the ion source is EI, CI, ESI, or APCI.

また、前記イオン光学系は、リニア型、リフレクタ型、またはらせん軌道型であることを特徴としている。   The ion optical system may be a linear type, a reflector type, or a spiral orbit type.

本発明の垂直加速型飛行時間型質量分析計によれば、
(1)試料をイオン化するイオン源、
(2)前記イオン源で生成したイオンを所定の距離だけ輸送するイオン輸送手段、
(3)前記イオン輸送手段の輸送先に置かれ、(i)イオン輸送手段から入射するイオンを制限する入射スリット、(ii)入射スリットの後段に置かれ、通過したイオンの輸送方向と平行に、イオンを挟むように配置された第1および第2の加速電極、(iii)該第1および第2の加速電極の間に該第1および第2の加速電極と平行に置かれ、進入するにつれてイオンに減速作用が働くような電場勾配を発生する圧縮電極、から成り、イオンの飛行時間測定の始点となる信号に同期して前記第1および第2の電極に加速電圧をパルス的に印加して、前記イオン輸送手段の輸送方向と直交する方向にイオンを加速するイオン加速部、
(4)前記イオン加速部により加速されたイオンを飛行させ、質量電荷比に応じてイオンの飛行速度が異なることを利用してイオンの質量分離を行なうイオン光学系、
(5)イオンを加速するための始点となる信号に同期して、イオン光学系を飛行してきたイオンを検出するイオン検出部、
を備え
前記第1および第2の加速電極に加速電圧を印加してイオンを加速する際に、前記圧縮電極に前記第1の加速電極と第2の加速電極の中間の電圧が印加されるように構成されているので、
垂直加速型飛行時間型質量分析計が持つさまざまな問題点を解決して、イオンの利用効率を向上させることが可能になった。
According to the vertical acceleration time -of- flight mass spectrometer of the present invention,
(1) an ion source for ionizing a sample;
(2) ion transport means for transporting ions generated by the ion source by a predetermined distance;
(3) placed at the transport destination of the ion transport means, (i) an incident slit for restricting ions incident from the ion transport means, and (ii) placed at a stage subsequent to the entrance slit and parallel to the transport direction of the passed ions. , first and second acceleration electrodes arranged so as to sandwich the ion, is placed parallel to the first and second accelerating electrode during (iii) said first and second accelerating electrodes, enters compression electrodes for generating an electric field gradient as acts deceleration acts on the ions brought into, become pressurized et al., the acceleration voltage to the first and second electrodes in synchronization with the start signal serving as the flight time measurement of pulsed ions manner An ion accelerating unit that accelerates ions in a direction perpendicular to the transport direction of the ion transport means,
(4) an ion optical system for flying ions accelerated by the ion acceleration unit and performing ion mass separation using the fact that the flight speed of ions differs according to the mass-to-charge ratio;
(5) an ion detector that detects ions flying through the ion optical system in synchronization with a signal serving as a starting point for accelerating ions;
Equipped with a,
A configuration in which an intermediate voltage between the first acceleration electrode and the second acceleration electrode is applied to the compression electrode when accelerating ions by applying an acceleration voltage to the first and second acceleration electrodes. because it is,
Various problems with vertical acceleration time-of-flight mass spectrometers have been solved, and ion utilization efficiency has been improved.

従来の飛行時間型質量分析計の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the conventional time-of-flight mass spectrometer. 従来の飛行時間型質量分析計の別の例を示す図である。It is a figure which shows another example of the conventional time-of-flight mass spectrometer. 従来の飛行時間型質量分析計の別の例を示す図である。It is a figure which shows another example of the conventional time-of-flight mass spectrometer. 本発明にかかる垂直加速型飛行時間型質量分析計の一実施例である。It is one Example of the vertical acceleration type | mold time-of-flight mass spectrometer concerning this invention. 本発明にかかる垂直加速型飛行時間型質量分析計とそれに用いられる圧縮電極の一実施例である。It is one Example of the vertical acceleration type | mold time-of-flight mass spectrometer concerning this invention, and the compression electrode used for it. 本発明のパルス加速部に印加される電位の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the electric potential applied to the pulse acceleration part of this invention. 本発明のパルス加速部によって加速されたイオンパケットの飛行軌跡の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the flight locus | trajectory of the ion packet accelerated by the pulse acceleration part of this invention. 本発明にかかる圧縮電極の別の実施例を示す図である。It is a figure which shows another Example of the compression electrode concerning this invention. 本発明にかかる垂直加速型飛行時間型質量分析計の別の実施例である。It is another Example of the vertical acceleration type | mold time-of-flight mass spectrometer concerning this invention.

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。尚、以下の全ての実施例では、1価の正イオンを測定することを考えている。負イオンの測定の場合は、電圧の極性を逆にすれば良い。また、以下の実施例で述べる発明は、どのようなタイプのTOFMSに対しても適用可能であるが、特にイオン光学系としてのアクセプタンスの小さい扇形電場を利用した系に有効である。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In all the following examples, it is considered to measure monovalent positive ions. In the case of measuring negative ions, the voltage polarity may be reversed. The invention described in the following embodiments can be applied to any type of TOFMS, but is particularly effective for a system using a sectoral electric field with a small acceptance as an ion optical system.

図4〜5に構成の一例を、図6に印加電圧変化を示す。イオンは連続イオン源で生成され、イオンガイドなどのイオン輸送手段により輸送されて、パルス加速部に入射する。   4 to 5 show examples of the configuration, and FIG. 6 shows changes in applied voltage. Ions are generated by a continuous ion source, transported by an ion transport means such as an ion guide, and incident on the pulse accelerator.

尚、イオン輸送手段の輸送先に置かれ、(i)イオン輸送手段から入射するイオンを制限する入射スリット、(ii)入射スリットの後段に置かれ、通過したイオンの輸送方向と平行に、イオンを挟むように配置された少なくとも2枚の加速電極1〜2、(iii)該加速電極と平行に置かれ、進入するにつれてイオンに減速作用が働くような電場勾配を発生する圧縮電極、の3つから成る部分をイオン加速部、またはパルス加速部と名づける。   (I) an incident slit that restricts ions incident from the ion transport means; (ii) an ion slit that is placed after the entrance slit and parallel to the transport direction of the ions that have passed through the ion transport means; (Iii) a compression electrode that is placed parallel to the acceleration electrode and generates an electric field gradient that acts on the ions as a decelerating action as it enters. The part consisting of the two is called an ion acceleration part or a pulse acceleration part.

パルス加速部の中心軸(X軸)に沿ってイオンビームが入射し、加速電極に印加されるパルス電圧により、イオンビームはX軸と直交する方向(Y軸)に向けて加速される。XY平面に直交する方向をZ軸とし、原点はパルス加速部の入射位置とする。   An ion beam is incident along the central axis (X axis) of the pulse accelerating unit, and the ion beam is accelerated in a direction (Y axis) perpendicular to the X axis by a pulse voltage applied to the acceleration electrode. The direction orthogonal to the XY plane is the Z axis, and the origin is the incident position of the pulse accelerator.

パルス加速部の中心軸に沿って配置されているのは、圧縮電極である。圧縮電極の例を図5の右側に示す。圧縮電極は、X軸の正方向に向かって長く延び、延びる方向に向けて次第にX軸との距離が短くなるように構成されている。図5の例では、1対の圧縮電極間距離は、イオンビームの入射側で1.25L、その反対側で0.75Lである。   A compression electrode is disposed along the central axis of the pulse accelerating portion. An example of the compression electrode is shown on the right side of FIG. The compression electrode is configured to extend long in the positive direction of the X axis and gradually decrease the distance from the X axis in the extending direction. In the example of FIG. 5, the distance between the pair of compression electrodes is 1.25 L on the ion beam incident side and 0.75 L on the opposite side.

また図5の例では、加速電極1からY軸方向にLだけ離れた位置に1対の圧縮電極が加速電極1と平行に置かれ、圧縮電極から更にY軸方向にLだけ離れた位置に加速電極2が圧縮電極と平行に置かれ、加速電極2から更にY軸方向に10Lだけ離れた位置に加速電極3が加速電極2と平行に置かれている。   In the example of FIG. 5, a pair of compression electrodes is placed in parallel with the acceleration electrode 1 at a position separated from the acceleration electrode 1 by L in the Y-axis direction, and is further separated from the compression electrode by L in the Y-axis direction. The acceleration electrode 2 is placed parallel to the compression electrode, and the acceleration electrode 3 is placed parallel to the acceleration electrode 2 at a position further 10 L away from the acceleration electrode 2 in the Y-axis direction.

尚、圧縮電極は必ずしも1対である必要はなく、複数対の対称な電極群で構成されていても良い。   Note that the compression electrodes do not necessarily have to be a pair, and may be composed of a plurality of pairs of symmetrical electrodes.

このような構成において、イオンの極性と同じ極性の電位差を入射スリット、圧縮電極間に印加すると、パルス加速部内にX軸方向に沿ってイオンの減速場を発生させることができる。これにより、パルス加速部に深く入射したイオンほどイオンの速度が減速され、パルス加速部内のイオンビームはX軸方向に圧縮される。   In such a configuration, when a potential difference having the same polarity as the polarity of ions is applied between the entrance slit and the compression electrode, a deceleration field of ions can be generated in the pulse acceleration portion along the X-axis direction. As a result, the ions that enter the pulse accelerating portion deeper are decelerated, and the ion beam in the pulse accelerating portion is compressed in the X-axis direction.

本実施例の動作について述べる。図6はシミュレーションに使用した電圧の値である。   The operation of this embodiment will be described. FIG. 6 shows voltage values used in the simulation.

1.イオン源で連続的に生成するイオンは、連続イオンビームとしてイオン輸送系から入射規制スリットを経て運動エネルギーUin(30eV)でパルス加速部に導入される。 1. Ions continuously generated by the ion source are introduced as a continuous ion beam from the ion transport system through the incident restricting slit to the pulse acceleration unit with kinetic energy U in (30 eV).

2.このとき、パルス加速部内に適切な減速場が生じるように圧縮電極の電位Vc、加速電極1の電位V1、加速電極2の電位V2、入射スリットの電位Vsを調整する。具体的には、図に示すスイッチング前のような電位が用いられる。 2. At this time, the potential V c of the compression electrode, the potential V 1 of the acceleration electrode 1 , the potential V 2 of the acceleration electrode 2, and the potential V s of the entrance slit are adjusted so that an appropriate deceleration field is generated in the pulse acceleration unit. Specifically, the potential before switching shown in FIG. 6 is used.

3.イオン群が十分にパルス加速部に進入したタイミングで、圧縮電極の電位Vc、加速電極1の電位V1、加速電極2の電位V2、入射スリットの電位Vsをスイッチングし、イオンのY軸方向への加速を開始する。このとき、入射スリットと圧縮電極への印加電圧は、加速場を乱さないように、加速電極1、2に印加される電圧の半分程度とする。これは、本実施例では、加速電極1、2の中間にイオンビームを圧縮する圧縮電極が配置されているためである。具体的には、図に示すスイッチング後のような電位が用いられる。

3. At the timing when the ion groups enters the fully pulse acceleration unit, the potential V c of the compression electrode, the potential V 1 of the accelerating electrode 1, the potential V 2 of the accelerating electrode 2, and switching the potential V s of the entrance slit, the ions Y Start acceleration in the axial direction. At this time, the applied voltage to the entrance slit and the compression electrode is about half of the voltage applied to the acceleration electrodes 1 and 2 so as not to disturb the acceleration field. This is because in this embodiment, a compression electrode for compressing the ion beam is arranged between the acceleration electrodes 1 and 2. Specifically, the potential after switching shown in FIG. 6 is used.

4.イオンパケットは加速電極3を通過後、運動エネルギー収束性を持つイオン光学系を通過して、検出器で検出される。   4). After passing through the acceleration electrode 3, the ion packet passes through an ion optical system having kinetic energy convergence and is detected by a detector.

尚、2の段階でパルス加速部により深く進入したイオンほど減速され、イオンビームが圧縮されているので、圧縮しない場合と較べてパルス加速部でのイオンの滞留時間が長くなり、イオンの利用効率が向上する。また、加速後のY軸に対する角度φは、
φ = tan-1√(Uin/Uacc) ………(9)
と表現できる。ただし、加速エネルギーUacc=e(V1−V2)/2−eV3である。パルス加速部へのイオンの進入距離が大きく、イオンがより減速されているほど、φは小さくなるため、圧縮を行なった場合ほど一定距離飛行させたときにイオンパケットのX方向の長さが短くなる。図7では、パルス加速部(長さ12L)と自由空間(長さ80L)を飛行させた後のイオンパケットは、X方向の長さが2/3になっていた。
In addition, since ions entering deeper into the pulse acceleration unit in step 2 are decelerated and the ion beam is compressed, the ion residence time in the pulse acceleration unit is longer than in the case where compression is not performed, and the ion utilization efficiency is increased. Will improve. The angle φ with respect to the Y axis after acceleration is
φ = tan -1 √ (U in / U acc ) (9)
Can be expressed. However, the acceleration energy U acc = e (V 1 −V 2 ) / 2−eV 3 . As the distance of ions entering the pulse acceleration section increases and the ions are decelerated more, φ decreases, so that the length of the ion packet in the X direction is shorter when flying a certain distance as the compression is performed. Become. In FIG. 7, the ion packet after flying through the pulse acceleration part (length 12L) and free space (length 80L) has a length of 2/3 in the X direction.

この2つの効果により、イオン利用効率が向上する。イオン利用効率の向上は、減速場の形状、すなわち圧縮電極の形状によって異なる。図5の右側に示した形状の他に、図8に示すようなバリエーションも可能である。   Due to these two effects, ion utilization efficiency is improved. The improvement in ion utilization efficiency varies depending on the shape of the deceleration field, that is, the shape of the compression electrode. In addition to the shape shown on the right side of FIG. 5, variations as shown in FIG. 8 are possible.

また、後段にらせん軌道TOFMSを用いる場合、らせん軌道形状でφの値が決まる。圧縮電極を利用しない場合、Uin=30eV、Uacc=7400eVとすると、φ=3.6度である。通常のらせん軌道では、φ=1〜2度程度が適当であり、角度調整のための偏向手段(ディフレクタなど)が必要である。しかしながら、本実施例では入射イオンを減速することができるので、φを小さくすることが可能であり、パルス加速部をらせん軌道に直接接続させることも可能である。 When the spiral trajectory TOFMS is used in the subsequent stage, the value of φ is determined by the spiral trajectory shape. When the compression electrode is not used, φ = 3.6 degrees when U in = 30 eV and U acc = 7400 eV. In a normal spiral orbit, φ = 1 to 2 degrees is appropriate, and deflection means (deflector or the like) for adjusting the angle is necessary. However, since the incident ions can be decelerated in this embodiment, it is possible to reduce φ, and it is also possible to directly connect the pulse accelerating unit to the spiral trajectory.

実施例1のようにX軸に沿って徐々に減速をしていく方法は、ある位置で空間的に収束できるものの、イオンパケット内に角度分布を生じる。これは、アクセプタンスの小さなトロイダル電場などでレンズ効果の期待できる扇形電場を利用する系にとってはそれほど有害ではない。   Although the method of gradually decelerating along the X axis as in the first embodiment can spatially converge at a certain position, an angular distribution is generated in the ion packet. This is not so harmful for a system using a fan-shaped electric field that can be expected to have a lens effect in a toroidal electric field having a small acceptance.

しかしながら、反射電場を用いる反射型TOFMSの場合のように、アクセプタンスがそれほど小さくない系では、平行に近いビームで輸送する方が良い場合もある。そのような場合には、圧縮電極の形状を調整して、入射スリットの位置から比較的早い段階で減速をかけ、それ以降は場の変化を小さくすることも可能である。   However, in systems where the acceptance is not so small, as in the case of reflective TOFMS using a reflected electric field, it may be better to transport with a beam that is nearly parallel. In such a case, it is possible to adjust the shape of the compression electrode and apply deceleration at a relatively early stage from the position of the entrance slit, and thereafter to reduce the change in the field.

図9に本実施例の構成の一例を示す。構成と動作は、実施例1とほぼ同様である。ただし、パルス加速部の前段かつイオン輸送手段の後段にイオンをトラップするための手段を配置する。そしてトラップ手段で溜めたイオン群を、パルス加速部の加速のタイミングと同期させながら排出させて、間歇的にパルス加速部に入射させる。   FIG. 9 shows an example of the configuration of this embodiment. The configuration and operation are almost the same as in the first embodiment. However, a means for trapping ions is arranged before the pulse accelerating portion and after the ion transport means. Then, the ion group accumulated in the trap means is discharged while being synchronized with the timing of acceleration of the pulse accelerator, and is incident on the pulse accelerator intermittently.

この場合、速度が大きくm/z値の小さなイオンほど、より早くパルス加速部に進入することになるが、圧縮電極が作る減速電場のため、その差は圧縮電極がない場合ほど顕著ではない。その結果、従来技術の問題点2で示したLoa/Linの値を大きく取ることができるので、測定できるm/z範囲を拡大することができる。 In this case, ions having a higher velocity and a smaller m / z value enter the pulse accelerating portion earlier, but due to the deceleration electric field created by the compression electrode, the difference is not as significant as when there is no compression electrode. As a result, since the value of L oa / L in shown in Problem 2 of the prior art can be increased, the measurable m / z range can be expanded.

このように、垂直加速部に圧縮電極を配置すれば、イオン入射方向に減速のかかる電場勾配を発生させることができ、イオンの利用効率を向上させることができる。   Thus, if a compression electrode is arrange | positioned in a vertical acceleration part, the electric field gradient which decelerates in an ion incident direction can be generated, and the utilization efficiency of ion can be improved.

垂直加速部を備えた飛行時間型質量分析計に広く利用できる。   It can be widely used for time-of-flight mass spectrometers equipped with a vertical acceleration unit.

Claims (5)

(1)試料をイオン化するイオン源、
(2)前記イオン源で生成したイオンを所定の距離だけ輸送するイオン輸送手段、
(3)前記イオン輸送手段の輸送先に置かれ、(i)イオン輸送手段から入射するイオンを制限する入射スリット、(ii)入射スリットの後段に置かれ、通過したイオンの輸送方向と平行に、イオンを挟むように配置された第1および第2の加速電極、(iii)該第1および第2の加速電極の間に該第1および第2の加速電極と平行に置かれ、進入するにつれてイオンに減速作用が働くような電場勾配を発生する圧縮電極、から成り、イオンの飛行時間測定の始点となる信号に同期して前記第1および第2の電極に加速電圧をパルス的に印加して、前記イオン輸送手段の輸送方向と直交する方向にイオンを加速するイオン加速部、
(4)前記イオン加速部により加速されたイオンを飛行させ、質量電荷比に応じてイオンの飛行速度が異なることを利用してイオンの質量分離を行なうイオン光学系、
(5)イオンを加速するための始点となる信号に同期して、イオン光学系を飛行してきたイオンを検出するイオン検出部、
を備え
前記第1および第2の加速電極に加速電圧を印加してイオンを加速する際に、前記圧縮電極に前記第1の加速電極と第2の加速電極の中間の電圧が印加されるように構成されていることを特徴とする垂直加速型飛行時間型質量分析計。
(1) an ion source for ionizing a sample;
(2) ion transport means for transporting ions generated by the ion source by a predetermined distance;
(3) placed at the transport destination of the ion transport means, (i) an incident slit for restricting ions incident from the ion transport means, and (ii) placed at a stage subsequent to the entrance slit and parallel to the transport direction of the passed ions. , first and second acceleration electrodes arranged so as to sandwich the ion, is placed parallel to the first and second accelerating electrode during (iii) said first and second accelerating electrodes, enters compression electrodes for generating an electric field gradient as acts deceleration acts on the ions brought into, become pressurized et al., the acceleration voltage to the first and second electrodes in synchronization with the start signal serving as the flight time measurement of pulsed ions manner An ion accelerating unit that accelerates ions in a direction perpendicular to the transport direction of the ion transport means,
(4) an ion optical system for flying ions accelerated by the ion acceleration unit and performing ion mass separation using the fact that the flight speed of ions differs according to the mass-to-charge ratio;
(5) an ion detector that detects ions flying through the ion optical system in synchronization with a signal serving as a starting point for accelerating ions;
Equipped with a,
A configuration in which an intermediate voltage between the first acceleration electrode and the second acceleration electrode is applied to the compression electrode when accelerating ions by applying an acceleration voltage to the first and second acceleration electrodes. vertical acceleration time-of-flight mass spectrometer, characterized in that it is.
前記イオン輸送手段とイオン加速部との間にイオンをトラップできるイオントラップ手段を設け、該イオントラップ手段で溜めたイオン群を前記イオン加速部の加速のタイミングと同期させながら排出させて、間歇的に該イオン加速部に前記イオン群を入射させるようにしたことを特徴とする請求項1記載の垂直加速型飛行時間型質量分析計。 An ion trap means capable of trapping ions is provided between the ion transport means and the ion acceleration section, and the ions collected by the ion trap means are discharged while being synchronized with the acceleration timing of the ion acceleration section. The vertical acceleration time-of-flight mass spectrometer according to claim 1, wherein the ion group is incident on the ion accelerator. 前記圧縮電極は、前記イオン加速部へのイオン入射軸に対して対称になるよう、前記第1および第2の加速電極の間に配置され、前記入射スリットから遠ざかるにつれて互いの距離が接近するように構成された、少なくとも1対の電極であることを特徴とする請求項1または2記載の垂直加速型飛行時間型質量分析計。 The compression electrode is disposed between the first and second acceleration electrodes so as to be symmetric with respect to an ion incident axis to the ion accelerating portion, and the distance from each other approaches as the distance from the incident slit increases. 3. The vertical acceleration time-of-flight mass spectrometer according to claim 1, wherein the vertical acceleration type time-of-flight mass spectrometer is at least one pair of electrodes. 前記イオン源は、EI、CI、ESI、またはAPCIであることを特徴とする請求項1記載の垂直加速型飛行時間型質量分析計。 The vertical acceleration time-of-flight mass spectrometer according to claim 1, wherein the ion source is EI, CI, ESI, or APCI. 前記イオン光学系は、リニア型、リフレクタ型、またはらせん軌道型であることを特徴とする請求項1記載の垂直加速型飛行時間型質量分析計。 The vertical acceleration time-of-flight mass spectrometer according to claim 1, wherein the ion optical system is a linear type, a reflector type, or a spiral orbit type.
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