JP5259169B2

JP5259169B2 - タンデム型飛行時間型質量分析装置および方法

Info

Publication number: JP5259169B2
Application number: JP2007321479A
Authority: JP
Inventors: 佐藤貴弥
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2007-01-10
Filing date: 2007-12-13
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2027-12-13
Also published as: JP2008192600A; DE102007060669A1; US20090026365A1; US7755036B2; DE102007060669B4

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タンデム型飛行時間型質量分析装置および方法に関する。

［質量分析計］
質量分析計（以下MS）は、イオン源で試料をイオン化し、質量分析部で質量を電荷数で割った値（以下m/z値）ごとにイオンを分離し、検出器で分離したイオンを検出する。その結果は、横軸にm/z値、縦軸に相対強度を取ったマススペクトルの形で表示され、試料に含まれる化合物群のm/z値および相対強度が得られ、試料の定性、定量的な情報を得ることができる。イオン化法、質量分離法、イオン検出法にはさまざまな方法がある。本発明ではとりわけ質量分離法がもっとも関連が深い。質量分析計には、その質量分離原理の違いにより、四重極MS（QMS）、イオントラップMS（ITMS）、磁場型MS、飛行時間型MS（time-of-flight MS: TOFMS）、フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴MS（FTICRMS）などがある。

［MS/MS測定とMS/MS装置］
MSでは、イオン源で生成したイオン群を質量分析部にてm/z値ごとに分離し検出する。結果は各イオンのm/z値および相対強度をグラフ化したマススペクトルという形で表わされる。以下、この測定を後述のMS/MS測定に対し、MS測定と呼ぶ。これに対し、イオン源で生成した特定のイオンを初段のMS装置（以下MS1）で選択し（選択されたイオンはプリカーサイオンと呼ばれる）、自発的または強制的に開裂させ、生成したイオン群（開裂生成したイオンはプロダクトイオンと呼ばれる）を後段のMS装置（以下MS2）で質量分析するMS/MS測定があり、それが可能な装置をMS/MS装置と呼ぶ（図１）。

MS/MS測定では、プリカーサイオンのm/z値と複数の開裂経路で生成するプロダクトイオンのm/z値、相対強度情報が得られるため、プリカーサイオンの構造情報を得ることができる（図２）。MS/MS測定を行なうことができるMS/MS装置には、前述の質量分析装置を２つ組み合わせた様々なバリエーションが存在する。また、開裂方法にも、ガスとの衝突による衝突誘起解離（collision induced dissociation: CID）法、光解離法、電子捕獲法などの方法がある。本発明に関連するものは、TOFMSを２台直列に接続し、その間にCID法による開裂手段を配したMS/MS装置であり、一般的にはTOF/TOFと呼ばれている。

さて、CID法を利用したMS/MS装置の解離情報は、衝突エネルギー、すなわち衝突室に入射するイオンの運動エネルギーの高低により異なる。現在利用できるMS/MS装置の場合、数十eV程度の低衝突エネルギー（Low Energy CID）か、数〜数十kVの高衝突エネルギー（High Energy CID）の２種類に分かれる。この差は、装置の構成に左右される。それを表１にまとめる。

High Energy CIDの利点としては、アミノ酸が数十個程度連なったペプチドの開裂において、側鎖情報が得られる場合があり、分子量が同じロイシン、イソロイシンの区別も可能である。

［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Ｖ_a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＝ｑｅＶ_a ………（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）。

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。

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３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４に反射型TOFMSの一例を示す。

［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。

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。

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、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。

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（特許文献４）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５）。

［MALDI法と遅延引き出し法］
MALDI法は、使用するレーザー光波長に吸収帯をもつマトリックス（液体や結晶性化合物、金属粉など）に試料を混合溶解させて固化し、これにレーザー照射して試料を気化あるいはイオン化させる方法である。MALDI法に代表されるレーザーによるイオン化では、イオン生成時の初期エネルギー分布が大きくこれを時間収束させるため、遅延引き出し法がほとんどの場合で用いられる。これは、レーザー照射より数百nsec遅れてパルサー電圧を印加する方法である。

一般的なMALDIイオン源と遅延引き出し法の概念図を図５に示す。サンプルプレート上に、マトリックス（液体や結晶性化合物、金属粉など）に試料を混合溶解させて固化したサンプルを載せる。サンプルの状態が観察できるように、レンズ２、ミラー２、ＣＣＤカメラを配置している。レンズ１、ミラー１によりレーザーをサンプルに照射し、サンプルを気化あるいはイオン化する。生成したイオンは、中間電極１、ベース電極に印加された電圧により加速され質量分析部に導入される。

次に遅延引き出し法の飛行時間測定のシーケンスを図５に合わせて示す。まず、中間電極１とサンプルプレートの電位を同電位Ｖsにしておく。次にレーザー発振を知らせるレーザーからの信号を受けてから、数百nsec後に中間電極１の電位Ｖsを高速で電位Ｖ1に変化させ、サンプルプレートと中間電極１の間に電位勾配を作り、生成したイオンを加速させる。飛行時間計測の開始時間は、パルサーの立ち上がり時間と同期させる。

［垂直加速TOFMS］
MALDI法は、パルス的にイオンを生成するため、TOFMSとの相性が非常に良い。しかしながら、質量分析法のイオン化法には、電子衝撃（EI）、化学イオン化（CI）、エレクトロスプレー（ESI）、大気圧化学イオン化（APCI）といった連続的にイオンを生成するイオン化法も数多くある。これらのイオン化法とTOFMSを組み合わせるために開発されたのがOrthogonal Acceleration（垂直加速法）である。

図６に垂直加速法を用いたTOFMS（以下垂直加速型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。垂直加速部では十kV程度のパルス電圧を印加し、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。パルス電圧印加後、イオンが検出器に到達するまでの時間が、イオンの質量により異なることから、質量分離を行なう。

［TOF/TOF］
TOFMSを２台直列接続したMS/MS装置は、一般的にTOF/TOFと呼ばれ、主にMALDIイオン源を採用した装置に使用されている。従来のTOF/TOFは、図７に示すように、直線型TOFMSと反射型TOFMSで構成される。その間には、プリカーサイオンを選択するためのイオンゲートが設けられ、イオンゲート付近に第１TOFMSの収束点が配置される。

イオンゲートにもいくつかの種類があるが、代表的なものには、２枚の電極を対向させた平行平板型、複数のワイヤに交互に極性の異なる電圧を印加するブラドベリー・ニールセン（Bradbury-Nielson）型がある。また、２つのイオンゲートを飛行軸に沿って並べることによりイオンの選択性を上げる方法も提案されている（特許文献６）。

プリカーサイオンは、自発的に開裂する（post source decay: PSD）ほか、第１TOFMSもしくは第２TOFMSの反射場以前に配置された衝突室にて強制的に開裂させられる。MALDI-TOF/TOF質量分析計の利点および欠点を次に挙げる。

利点。

Pro.１ MALDI法によりイオン化したサンプルを効率良くMS/MS測定できる装置である。

Pro.２高い衝突エネルギー（約２０eV）で開裂させることができる数少ない装置の1つである（表１参照）。

欠点。

Con.１プリカーサイオン選択性が悪い。

Con.２ MS２の質量分解能、質量精度が悪い。

Con.３ PSDによるプリカーサイオンと、CIDによるプリカーサイオンが混合するため、スペクトルが複雑で解析が困難である。

Con.４プリカーサイオンを１つしか選択することができず、サンプルの浪費につながる。

これまでに、上記Con.１、Con.２を克服するための方法はいくつか報告されているので、後述する。しかしながら、Con.３、Con.４は、従来TOF/TOFの原理的な欠点であり、解決することは困難である。

M. Toyoda, D. Okumura, M. Ishihara and I. Katakuse, J. Mass Spectrom., 2003, 38, pp. 1125-1142. 特開２０００−２４３３４５号公報特開２００３−８６１２９号公報特開２００６−１２７８２号公報英国特許第２０８００２１号公報国際公開第２００５／００１８７８号パンフレット特開２００５−３０２７２８号公報米国特許第６４４１３６９号公報米国特許第６３００６２７号公報米国特許第４６２５１１２号公報特開２００６−１９６２１６号公報

［従来技術の問題点１］
従来技術の問題点の第１は、プリカーサイオンの選択性が悪いことである。プリカーサイオンの選択性は、TOF１の実効飛行距離とイオンゲートの性能とに関連する。従来TOF/TOF装置の第１MSは、前述の通りリニア型TOFMSであることが多い。そのため、実効飛行距離は０．５ｍ程度である。イオンゲートの性能は、空間的、時間的な観点から考える必要がある。図８にはTOF１の実効飛行距離を０．５ｍとした場合のm/z１０００、運動エネルギー２０．０kVのイオンを基準にし、m/z９９９、１０００、１００１で運動エネルギー２０．０keV、１９．９keVをもつイオンのTOF１収束点からの前後０．３ｍの位置に到達する時間差を示した。収束位置（横軸０ｍ）は、TOF１の収束点であり、同じm/z値、異なる運動エネルギーをもつイオンが同時に到着していることが読み取れる。

さて、図からm/zが１単位しか違わないイオンは、前後０．１ｍの位置では時間差がなく、重なり合っていることが分かる。つまり、どんなにイオンゲートの応答時間が速くても分離することはできない。また、重なりのない収束点から前後０．１ｍ以内の位置でもその時間差は、m/z１単位で５ns程度である上に、０．５ｍｍの空間差しかないので分離は不可能である。結果的に、イオンゲートはTOF１の収束点の近傍に置かなければならないという制約がある上、TOF/TOFのプリカーサ選択性は、m/zの前後２単位程度である。

［従来技術の問題点２］
従来技術の問題点の第２は、MS２の質量分解能、質量精度が悪いことである。MS２の質量分解能、質量精度が悪い理由には、問題点１およびTOF/TOF装置の利点である高エネルギーCIDであることが大きく関連している。

衝突解離により生成するプロダクトイオンの運動エネルギーＵproは、プリカーサイオンの運動エネルギーＵpreと質量Ｍpre、プロダクトイオンの質量ｍにより、
Ｕpro ＝（ｍ／Ｍpre）×Ｕpre
と表わすことができる。たとえば、加速電圧が２０kV、プリカーサイオンの価数が１の場合、Ｕpreは２０keVであるから、原理的には、０〜２０keVの運動エネルギーを持つプロダクトイオン群が開裂生成する。

このように、幅広い運動エネルギーをもつイオン群を収束させるために、いくつかの方法が提案されている。減速、開裂、加速により運動エネルギーの分布を抑える方法（特許文献７）、開裂後、ある空間のポテンシャルを急激に変化させた後、再加速する方法（特許文献８）、電界傾斜型の反射場を利用する方法（特許文献９）、再加速とオフセットパラボリックイオンミラー（直線型電界と放物線型電界で構成される反射場）を組み合わせる方法（特許文献１０）がある。しかしながら、これらの方法では、非常に幅広い運動エネルギーをもつイオン群のすべてについて収束させることはむづかしく、一般的にMS/MS測定の結果は、反射型TOFMSによるMS測定よりも分解能が悪い。

さらに、TOF/TOFの構造に由来して分解能が悪化する。従来技術で述べたように、TOFMSでは、ある測定開始時間で初期分布などを除けば全てのイオンが同じ位置にあることが前提である。しかしながら、TOFMSを直列に接続した場合、TOF１でm/z値に差があるものは分離されていること、プリカーサイオン選択性が悪いため異なるm/z値を有する複数のイオンが第２TOFMSに導入されることなどから、全てのイオンの初期位置が同じではない。そのため、TOF２の質量分解能、質量精度は悪化する。

［従来技術の問題点３］
従来技術の問題点の第３は、MS/MS測定の結果が複雑なことである。TOF/TOF装置の最大の利点は、High Energy CIDが可能な数少ない装置の１つであることである。しかしながら、MALDI法では、PSDが一般的に起こることが知られている。PSD法の開裂経路は、Low Energy CIDの経路に近い。また、従来のTOF/TOF装置では、TOF１がリニアTOFMSであるため、PSDイオンの分離は不可能である。そのため、CIDとPSDによる開裂が同時にMS/MS測定結果に反映される。その結果、問題点２に示したように、MS２の分解能が悪いため、MS/MSスペクトルが非常に複雑になり、解析が困難となる。

［従来技術の問題点４］
従来技術の問題点の第４は、１つのMS/MS測定において、１つのプリカーサイオンからの開裂経路のみしか測定できないことである。表２は、MS/MS測定において、複数のプリカーサイオンの選択を行なう場合に、最初のプリカーサイオンの質量と、次に選択可能となるプリカーサイオンの質量の関係を、従来の直線型TOFMSと反射型TOFMSを結合したTOF/TOF装置で計算したものである。L1は第１TOFMS（直線型）の実効飛行距離、L2は第１TOFMS（反射型）の実効飛行距離であり、L1/L2比を０．５として計算した。

表２から分かるように、最初に選択したプリカーサイオンと次に選択したプリカーサイオンの質量差が大きく、事実上、１回の測定で複数のプリカーサイオンの選択は不可能である。つまり、選択したプリカーサイオン以外は全て排除することになるため、サンプルの浪費となる。

本発明の目的は、上述した点に鑑み、従来のTOF/TOF装置および方法の利点を生かし、欠点を克服した、新しいTOF/TOF装置および方法を提供することにある。

この目的を達成するため、本発明にかかるタンデム型飛行時間型質量分析装置は、
サンプルをイオン化するイオン源と、
生成したイオンをパルス的に加速する加速手段と、
複数の扇形電場で構成され、加速されたイオンをらせん状に飛行させるらせん軌道型の第１の飛行時間型質量分析装置と、
該第１の飛行時間型質量分析装置内に置かれ、特定の質量電荷比を持つイオンのみを選択するイオンゲートと、
該イオンゲートの後段に配置され、選択されたイオンを開裂させるためにガスを充填させた衝突室と、
該衝突室の後段に配置され、開裂したイオンの質量を分析する反射型の第２の飛行時間型質量分析装置と、
該第２の飛行時間型質量分析装置を通過したイオンを検出する検出器と
から成るタンデム型飛行時間型質量分析装置において、
前記第１の飛行時間型質量分析装置は、らせん軌道の周回ごとに飛行方向およびその垂直な面に対する空間的な収束を満たすと共に、
前記イオンゲートは、前記第１の飛行時間型質量分析装置のらせん軌道内に置かれ、該イオンゲートで選択されたイオンは、イオンゲートの後段に配置された前記扇形電場を通過して前記衝突室に入ることを特徴としている。

また、前記第１の飛行時間型質量分析装置と前記第２の飛行時間型質量分析装置の間に、イオン飛行軌道上とイオン飛行軌道外との間を移動可能なもう１つの検出器を備えたことを特徴としている。

また、前記第１の飛行時間型質量分析装置を通過したイオンを検出する検出器と、該検出器と前記イオンゲートとの間に存在する扇形電場にイオンが通過する孔を設け、孔を通過したイオンが入射するように前記衝突室と前記第２の飛行時間型質量分析装置を配置するように構成したことを特徴としている。

また、前記イオン通過孔を持つ扇形電場のイオン通過孔を含む階層を他の階層から独立して通電を遮断できるように構成し、前記第１および第２の飛行時間型質量分析装置でタンデム質量分析を行なう場合には、該階層への通電を遮断してイオンが孔を通過するようにしたことを特徴としている。

また、前記通電を遮断にする時間は、プリカーサイオンが通過するタイミングであることを特徴としている。

また、前記らせん軌道上の異なる自由空間で同じ周回角度の位置に、前記複数のゲートとして２つのイオンゲートを配置し、ゲートをＯＮ／ＯＦＦする電圧が同一電源から供給されることを特徴としている。

また、前記衝突室の前段に減速領域を配置し、衝突室の後段に再加速領域を配置したことを特徴としている。

また、前記第２の飛行時間型質量分析装置における反射場が、曲線状のポテンシャル分布を持つイオンミラーであることを特徴としている。

また、前記衝突室の後段に再加速領域を配置すると共に、前記第２の飛行時間型質量分析装置における反射場内のポテンシャルが直線と放物線を直列に組み合わせた形状のイオンミラーであることを特徴としている。

また、前記第２の飛行時間型質量分析装置を構成する反射場は、複数の電極で構成され、各電極に供給される電圧が両端の電極に接続された接地電位を挟む両極性の２つの電源と、隣り合う電極間を接続する抵抗とにより分割供給される場合、両極に挟まれた間に位置する１つの電極を接地電位に設定することを特徴としている。

また、前記イオン源でのイオン化法が、導電性のサンプルプレート上のサンプルをレーザー光照射によりイオン化する方法であることを特徴としている。

また、前記イオン化法が、MALDI法であることを特徴としている。

また、前記イオンを加速する手段が、遅延引き出し法であることを特徴としている。

また、前記イオン源からイオンをパルス的に加速する加速手段が、連続型イオン源で生成したイオンを低エネルギーで輸送してパルス的に加速する垂直加速法であることを特徴としている。
また、本発明にかかるタンデム型飛行時間型質量分析方法は、
前記タンデム型飛行時間型質量分析装置を用い、１回の飛行時間測定において複数のプリカーサイオンを選択してMS/MS測定を行なうことを特徴としている。

また、前記複数のプリカーサイオンが、すべてモノアイソトピックイオンであることを特徴としている。

本発明のタンデム型飛行時間型質量分析装置によれば、
サンプルをイオン化するイオン源と、
生成したイオンをパルス的に加速する加速手段と、
複数の扇形電場で構成され、加速されたイオンをらせん状に飛行させるらせん軌道型の第１の飛行時間型質量分析装置と、
該第１の飛行時間型質量分析装置内に置かれ、特定の質量電荷比を持つイオンのみを選択する複数のイオンゲートと、
該イオンゲートの後段に配置され、選択されたイオンを開裂させるためにガスを充填させた衝突室と、
該衝突室の後段に配置され、開裂したイオンの質量を分析する反射型の第２の飛行時間型質量分析装置と、
該第２の飛行時間型質量分析装置を通過したイオンを検出する検出器と
から成るタンデム型飛行時間型質量分析装置において、
前記第１の飛行時間型質量分析装置は、らせん軌道の周回ごとに飛行方向およびその垂直な面に対する空間的な収束を満たすと共に、
前記複数のイオンゲートは、前記第１の飛行時間型質量分析装置のらせん軌道内の異なる自由空間で同じ周回角度の複数の位置に置かれ、該イオンゲートで選択されたイオンは、すべてのイオンゲートを通過後、更にイオンゲートの後段に配置された前記扇形電場を通過して前記衝突室に入るので、
従来のタンデム型飛行時間型質量分析装置の利点を生かし、欠点を克服した、新しいタンデム型飛行時間型質量分析装置を提供することが可能になった。

また、本発明のタンデム型飛行時間型質量分析方法によれば、
前記タンデム型飛行時間型質量分析装置を用い、１回の飛行時間測定において複数のプリカーサイオンを選択してMS/MS測定を行なうので、
従来のタンデム型飛行時間型質量分析方法の利点を生かし、欠点を克服した、新しいタンデム型飛行時間型質量分析方法を提供することが可能になった。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。本実施例の記述では、４つの扇形電場で構成されるらせん軌道TOFMSを第１TOFに利用した例を挙げるが、ジグザグ軌道の多重反射型についても同様のことが言える。また、MALDI法をイオン源に採用した場合について述べるが、垂直加速法を応用して連続イオン源に接続した場合についても同様である。さらに、第２TOFとして、再加速とオフセットパラボリックイオンミラーについて述べるが、他の運動エネルギー圧縮方法、他のイオンミラーを用いても良い。

［実施例１］
図９は本発明にかかる第１の実施の形態例を示す図である。（ａ）は装置をＺ方向に見た図、（ｂ）は（ａ）図の矢印方向（Y方向）から見た図である。図において、１１はＭＡＬＤＩイオン源、１２〜１５はZ方向に多層に積層されて８の字形のらせん軌道を形作る扇形電場、１６はプリカーサイオンを選択するイオンゲート、１７はイオンを開裂させる衝突室、１８はらせん軌道TOFMS（以下第１TOFMS）と反射型TOFMS（以下第２TOFMS）の間に形成された一定電圧またはパルス電圧によるイオンの再加速領域、１９は衝突室１７で開裂したイオンが入射される反射場で、この場合はオフセットパラボリックイオンミラー、２０は反射場１９を反射したイオンが検出される検出器である。尚、衝突室１７の前段にイオンの減速領域を設けても良い。

本実施例の最大の特徴は、イオンゲート１６の後段に、さらに扇形電場の一部が配置されていて、イオンゲート１６を通過した後にイオンの自発的な開裂によってできたプロダクトイオンを第２TOFMS側に通過させないように、扇形電場の一部をマスフィルターとして利用するように工夫されていることである。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

まずMALDIイオン源にてサンプル化合物群をイオン化し、遅延引き出し法にてイオンを加速する。第１TOFMSのイオン光学系は、８の字らせんの各周で飛行方向およびその垂直な面に対して空間的な収束を満たすように設計されている。第２TOFMSも運動エネルギー収束性をもつ系であるので、遅延引き出し法による収束点F1は、再加速領域１８の始点に設定する。サンプルイオン群は、第１TOFMS、第２TOFMSを飛行する間に、質量電荷比ごとに分離され、MS測定の場合、検出器２０で検出される。

前述の通り、従来のTOF/TOFでは、この収束点付近にイオンゲートを配置しなければならない上に、プリカーサイオンの選択性が非常に悪かった。それに対して、らせん軌道TOFMSを第１TOFMSに採用することで、イオンゲートまでの実効飛行距離を延長でき、収束点に関わらず、高いプリカーサイオン選択性を実現することができる。

図１０には、収束点までの実効飛行距離（F1までの距離＋周回軌道の長さ）を１０ｍとした場合に、m/z１０００、運動エネルギー２０．０kVのイオンを基準にしたm/z９９９、１０００、１００１で運動エネルギー２０．０keV、１９．９keVをもつイオンの第１TOF収束点からの前後０．３ｍの位置に到達する時間差を示した。イオンゲートの位置でのイオンパケットの状態は、F2の位置と同じである。F1とF2までの距離差を０．２ｍ〜０．３ｍ程度と仮定すると、イオンゲートの位置は、図の−０．２ｍ〜−０．３ｍの間である。図１０から明らかなように、収束点F1から０．２ｍ程度離れていても、m/z１単位異なるイオンは空間的、時間的に良く分離されていて、高いプリカーサイオン選択性を実現できることが分かる。また、扇形電場は、通過することにできる位置および角度のずれについての規制が厳しいため、イオンゲートを扇形電場の前に配置することにより、単純なイオンゲートよりも高いプリカーサイオン選択性を得ることができる。

選択されたプリカーサイオンは、衝突室１７に入射し、内部に充填されたガスとの衝突により開裂を起こし、プロダクトイオンを生成する。このとき、第１TOFMSを構成する扇形電場は、運動エネルギーフィルタの機能を持つので、第１TOFMS飛行中にPSDにより開裂生成するイオンを排除することができる。つまり、高エネルギーCIDのみのマススペクトルを得ることができる。

全てのプロダクトイオンおよびプリカーサイオンは、一定電圧またはパルス電圧による再加速領域１８にて再加速され、運動エネルギーを圧縮された後、オフセットパラボリックイオンミラー１９とその前後の自由空間、および検出器２０で構成される第２TOFMSにて、m/z値ごとに分離され、検出器２０にて検出される。

通常の有機物を測定したマススペクトルには、構成元素の同位体に由来する同位体ピークが観測される。その中で、最も質量の小さいピーク、すなわち構成元素のうち最も小さい質量の同位体のみで構成されたイオンは、モノアイソトピックイオンと呼ばれ、それを示すピークは、モノアイソトピックピークと呼ばれている。

図１１は、アンギオテンシンＩ（C₆₂H₉₀N₁₇O₁₄ ⁺）の同位体ピークとモノアイソトピックピークを示したものである。高いプリカーサイオン選択性の利点は、構成元素の最も質量数の小さい同位体のみから成るモノアイソトピックイオンを選択した場合に顕著である。つまり、そのプロダクトイオンも最も質量の小さい同位体のみで構成されるので、１つの組成に対して１本のピークのみ表われ、複雑なCIDのMS/MSスペクトルを単純化できる。

また、MALDI法を用いる場合、MS測定にて大量のマトリクス由来イオンがm/z＜５００に観測される。前述のイオンゲートによってマトリクス由来イオンなど高強度のイオンを排除するイオンゲートとして用いることも可能である。

［実施例２］
本実施例は、図１２に示すように、実施例１にMS測定用の検出器２１を追加したものである。通常、衝突室１７は気密性を確保するため、イオンの出入り口は１ｍｍφ程度である。そのため、MS測定において衝突室１７を通過したイオンを検出することは、感度面で不利になる可能性もある。また、前述の通り、遅延引き出し法においてサンプルプレートから収束点までの距離を短くすることで、MS測定における質量分解能の質量依存性を低減することができる。これらの理由により、MS測定およびMS/MS測定両者においてより良いデータを取得するためには、遅延引き出し法の収束点を変える方法が有効である。

まずMALDIイオン源にてサンプル化合物群をイオン化し、遅延引き出し法にてイオンを加速する。第１TOFMSのイオン光学系は、８の字らせんの各周で飛行方向およびその垂直な面に対して空間的な収束を満たすように設計されている。つまり、らせん軌道最終周の検出器２１の位置に相当する位置F2に遅延引き出し法による収束点を設定すれば良い。サンプルイオン群は、らせん軌道の第１TOFMSにて質量電荷比ごとに分離され、MS測定の場合、検出器２１で検出される。MALDI法を用いる場合、大量のマトリクスイオンが生成する場合が多い。検出器２１以前の周回に配置されたイオンゲート１６によってマトリクスイオンなど高強度のイオンを排除することが可能である。

MS/MS測定の場合は、検出器２１をイオン軌道上から外し、イオンを通過可能とする。また、第２TOFMSの始点である再加速領域１８の始点が収束点となるよう、遅延引き出し法の収束点を位置F2となるように条件設定する。実施例１で記載した通り、収束点F1から０．２ｍ〜０．３ｍ程度離れたF1の位置付近では、m/zで１単位異なるイオン同士が空間的、時間的に良く分離されており、ここにイオンゲートを配置すれば、高いプリカーサイオン選択性を実現できる。

［実施例３］
本実施例は、図１３に示すように、実施例２の一部を変更したものである。本実施例では、検出器２１が配置された周回数よりは前で、かつイオンゲート１６が配置された周回数よりは後ろの扇形電場にイオン通過孔２２を設け、イオン通過孔から直線状に延びる飛行軌道の延長線上に、衝突室１７、再加速領域１８、オフセットパラボリックイオンミラー１９、検出器２０を配置している。

MS測定の場合、このイオン通過孔２２を持つ扇形電場に電圧を印加しておき、イオンにこのイオン通過孔２２を通過させることなく、らせん軌道上を飛行させる。MS/MS測定の場合は、イオンゲート１６で選択したイオンがイオン通過孔２２を通過するために、扇形電場の電場をなくす必要がある。多層に積層されて８の字形のらせん軌道を形作る扇形電場の全ての階層が導通されており、同じ電源から電圧が供給されている場合は、選択したプリカーサイオンが通過する瞬間のみ電圧をOFFにすれば良い。また、イオン通過孔を持つ階層のみが他の階層から絶縁されている場合は、その階層に電圧のON/OFFを切り替えるスイッチを配置することで、MS測定モードとMS/MS測定モードを切り替えるようにしても良い。

［実施例４］
本実施例は、図１４に示すように、実施例１〜３のイオンゲートを変更したものである。実施例１では、m/z１単位の違いを分離できるプリカーサイオン選択能を持つが、装置の小型化やより高い選択性実現のために、イオンゲートの応答時間を速くする必要もある。その場合、従来技術でも説明したように、２つのイオンゲートを利用する方法がある。例えば、MALDIイオン源に近い側のイオンゲートで選択すべきプリカーサイオンよりm/z値の小さなイオンを排除し、検出器に近い側のイオンゲートでプリカーサイオンよりm/z値の大きなイオンを排除する。

実施例１〜３で述べた通り、従来TOF/TOFでは、イオンゲートはTOF１収束点付近に配置する必要があったが、本装置ではイオンゲートの位置は比較的自由に設定できる。そのため、２つのイオンゲートを用いる場合には、様々な配置方法がある。しかしながら、イオンゲートへの電圧供給線の延長は、イオンゲートそのものの応答を悪化させる。そのことを勘案すると、図１４（ａ）のように同じ階層の空間に配置したり、図１４（ｂ）のように異なる階層の比較的近い位置に置いたりしても良い。図１４（ｃ）は、ブラドベリー・ニールセン（Bradbury-Nielson）型のイオンゲートの構造を異なる階層間にまたがらせることにより、構造物としては１つにまとめたものである。もちろん、平行平板型のイオンゲートでも同じことが可能である。

［実施例５］
本実施例は、サンプルの浪費を減らすため、同じレーザー照射による測定で、複数のプリカーサイオンを選択する方法を示したものである。本実施例では、実施例１を変更した例を挙げているが、実施例２〜４においても同様のことができる。

まずMALDIイオン源にてサンプル化合物群をイオン化し、生成したイオンをパルス電圧にて加速する。イオン化によってサンプル化合物群はサンプルイオン群となる。第１TOFMSにてサンプルイオン群を質量電荷比ごとに分離する。第１TOFMSを通過したサンプルイオン群は、イオンゲートにて選択される。選択されたプリカーサイオンは、衝突室に入射し、内部に充填されたガスとの衝突により開裂を起こし、プロダクトイオンを生成する。プリカーサイオンおよびプロダクトイオンは、検出器にて検出される。

次に、複数のプリカーサイオンを選択するMS/MS測定の動作について図１５を用いて説明する。今、説明のために、MALDIイオン源にてサンプル由来の７つのプリカーサイオンPre１〜Pre７があるとする。それぞれの価数は１価とし、質量の関係は、番号の若い順に小さいものとする。各イオンはMALDIイオン源にて加速され、第１TOFMSにて質量分離した後、図１５（ａ）に示すように、質量の小さい順にイオンゲートに到達する。

各プリカーサイオンPreＮのイオンゲート到達時間をＴ_N,IGとする。まず、１つのプリカーサイオンPre４を選択した場合のMS/MS測定の場合を考える。イオンゲートでPre４のみを選択して衝突室に導入すると、開裂を起こしプロダクトイオンを生成する場合と、開裂を起こさずプリカーサイオンのまま衝突室を通過する場合とがある。開裂が起こる場合、プリカーサイオンの持つ運動エネルギーＵ_pre4は、開裂時にプロダクトイオンの質量に比例して配分される。すなわち、プロダクトイオンの運動エネルギーＵ_proは、ｍ／Ｍ_pre4×Ｕ_pre4（ｍはプロダクトイオンの質量）となる。

続いてプリカーサイオンとプロダクトイオンは、第２TOFMSに導入される。反射型TOFMSの反射場では、運動エネルギーの小さなイオンが先に折り返し、検出器に到達するため、プリカーサイオンが最後に検出器に到達することとなる。各プリカーサイオンPreＮの検出器到達時間をＴ_N,Dとする。つまり、Pre４を選択した場合のMS/MSスペクトルは、図１５（ｂ）のように、Ｔ_4,IG〜Ｔ_4,Dの間を測定すれば良い。

このように、それぞれのプリカーサイオンのMS/MS測定に必要な飛行時間範囲は、容易に計算することができ、お互いの飛行時間範囲が干渉し合わなければ、同一の飛行時間測定において複数のMS/MS測定が可能であることが分かる。

このような状況を実現するためには、イオンゲートでの各プリカーサイオンの飛行時間間隔が、MS/MS測定に必要な飛行時間範囲よりも大きければ良い。そのためには、第１TOFMSの実効飛行距離L1と第２TOFMSの実効飛行距離L2の比L1/L2を大きくする必要がある。らせん軌道TOFMSは、従来の反射型TOFMSと比較して１０倍程度の長い実効飛行距離を実現できるため、らせん軌道TOFMSと反射型TOFMSを組み合わせることで同一の飛行時間測定において複数のプリカーサイオンを選択したMS/MS測定が可能である。

次に、この議論をより定量的に行なう。表３は、複数のプリカーサイオンを選択するMS/MS測定において、最初のプリカーサイオンの質量と、次に選択可能となるプリカーサイオンの質量の関係を、L1/L2比および最初に選択するプリカーサイオンの質量を変化させ、計算した結果である。

本発明では、第１TOFMSの実効飛行距離L1の値は、らせん軌道型TOFMSの周回軌道距離と周回数により比較的自由に設定できるが、表３ではL1/L2値が５と１０の場合を示した。従来TOF/TOF装置の場合、L2の方が長い場合が多く、L1/L2値はおおよそ０．５以下である。表３から、従来装置の場合、最初に選択したプリカーサイオンと次に選択できるプリカーサイオンの質量差が大きすぎて、事実上複数のプリカーサイオンを選択することは不可能である。それに対し、本装置の場合は、最初に選択したプリカーサイオンと次に選択できるプリカーサイオンの質量差が数百程度となり、十分複数のプリカーサイオンを選択できることが分かる。

［実施例６］
イオンミラーは、図１６（ａ）に示すように、数十枚程度の複数の穴あき電極を並べ、その両端に電源を供給し、中間の電極へは抵抗分割により電圧を供給する場合が多い。多くの場合、イオンミラーの両端の電圧は、グランド電位を挟んで逆極性の場合が多い。それぞれの電源には、微小な電圧の振れ（リップル）や温度変化などによる経時的な変化（ドリフト）が存在するが、各電極に供給される電圧のリップルやドリフトは、両端に接続された電源の変化が合算される形となる。本実施例では、図１６（ｂ）に示すように、グランド電位を挟んで逆極性の場合に、１つの電極をグランド電位と接続することで、電源の変化の影響を抑え、各電極の電源精度、つまり測定における飛行時間精度を向上させることができる。

飛行時間型質量分析装置のタンデム測定に広く利用できる。

従来のMS/MS装置の一例を示す図である。従来のMS/MS測定の一例を示す図である。従来のリニア型TOFMS装置の一例を示す図である。従来の反射型TOFMS装置の一例を示す図である。従来のMALDIイオン源の一例を示す図である。従来の垂直加速型TOFMS装置の一例を示す図である。従来のTOF/TOF装置の一例を示す図である。従来技術におけるプリカーサイオン選択性の一例を示す図である。本発明にかかるTOF/TOF装置の一実施例を示す図である。本発明におけるプリカーサイオン選択性の一例を示す図である。アンギオテンシンＩの同位体ピークとモノアイソトピックピークを示す図である。本発明にかかるTOF/TOF装置の別の実施例を示す図である。本発明にかかるTOF/TOF装置の別の実施例を示す図である。本発明にかかるイオンゲートの一実施例を示す図である。複数のプリカーサイオンを選択したMS/MS測定の概念図である。本発明にかかる反射電場の一実施例を示す図である。

符号の説明

１１：MALDIイオン源、１２：扇形電場１、１３：扇形電場２、１４：扇形電場３、１５：扇形電場４、１６：イオンゲート、１７：衝突室、１８：再加速領域、１９：オフセットパラボリックイオンミラー、２０：検出器、２１：検出器、２２：イオン通過孔

Claims

サンプルをイオン化するイオン源と、
生成したイオンをパルス的に加速する加速手段と、
複数の扇形電場で構成され、加速されたイオンをらせん状に飛行させるらせん軌道型の第１の飛行時間型質量分析装置と、
該第１の飛行時間型質量分析装置内に置かれ、特定の質量電荷比を持つイオンのみを選択する複数のイオンゲートと、
該イオンゲートの後段に配置され、選択されたイオンを開裂させるためにガスを充填させた衝突室と、
該衝突室の後段に配置され、開裂したイオンの質量を分析する反射型の第２の飛行時間型質量分析装置と、
該第２の飛行時間型質量分析装置を通過したイオンを検出する検出器と
から成るタンデム型飛行時間型質量分析装置において、
前記第１の飛行時間型質量分析装置は、らせん軌道の周回ごとに飛行方向およびその垂直な面に対する空間的な収束を満たすと共に、
前記複数のイオンゲートは、前記第１の飛行時間型質量分析装置のらせん軌道内の異なる自由空間で同じ周回角度の複数の位置に置かれ、該イオンゲートで選択されたイオンは、すべてのイオンゲートを通過後、更にイオンゲートの後段に配置された前記扇形電場を通過して前記衝突室に入ることを特徴とするタンデム型飛行時間型質量分析装置。
前記第１の飛行時間型質量分析装置と前記第２の飛行時間型質量分析装置の間に、イオン飛行軌道上とイオン飛行軌道外との間を移動可能なもう１つの検出器を備えたことを特徴とする請求項１記載のタンデム型飛行時間型質量分析装置。
前記第１の飛行時間型質量分析装置を通過したイオンを検出する検出器と、該検出器と前記イオンゲートとの間に存在する扇形電場にイオンが通過する孔を設け、孔を通過したイオンが入射するように前記衝突室と前記第２の飛行時間型質量分析装置を配置するように構成したことを特徴とする請求項１記載のタンデム型飛行時間型質量分析装置。
前記イオン通過孔を持つ扇形電場のイオン通過孔を含む階層を他の階層から独立して通電を遮断できるように構成し、前記第１および第２の飛行時間型質量分析装置でタンデム質量分析を行なう場合には、該階層への通電を遮断してイオンが孔を通過するようにしたことを特徴とする請求項３記載のタンデム型飛行時間型質量分析装置。
前記通電を遮断にする時間は、プリカーサイオンが通過するタイミングであることを特徴とする請求項４記載のタンデム型飛行時間型質量分析装置。
前記らせん軌道上の異なる自由空間で同じ周回角度の位置に、前記複数のゲートとして２つのイオンゲートを配置し、ゲートをＯＮ／ＯＦＦする電圧が同一電源から供給されることを特徴とする請求項１、２、または３記載のタンデム型飛行時間型質量分析装置。
前記衝突室の前段に減速領域を配置し、前記衝突室の後段に再加速領域を配置したことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のタンデム型飛行時間型質量分析装置。
前記第２の飛行時間型質量分析装置における反射場が、曲線状のポテンシャル分布を持つイオンミラーであることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載のタンデム型飛行時間型質量分析装置。
前記衝突室の後段に再加速領域を配置すると共に、前記第２の飛行時間型質量分析装置における反射場内のポテンシャルが直線と放物線を直列に組み合わせた形状のイオンミラーであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のタンデム型飛行時間型質量分析装置。
前記第２の飛行時間型質量分析装置を構成する反射場は、複数の電極で構成され、各電極に供給される電圧が両端の電極に接続された接地電位を挟む両極性の２つの電源と、隣り合う電極間を接続する抵抗とにより分割供給される場合、両極に挟まれた間に位置する１つの電極を接地電位に設定することを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載のタンデム型飛行時間型質量分析装置。
前記イオン源でのイオン化法が、導電性のサンプルプレート上のサンプルをレーザー光照射によりイオン化する方法であることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のタンデム型飛行時間型質量分析装置。
前記イオン化法が、MALDI法であることを特徴とする請求項１１記載のタンデム型飛行時間型質量分析装置。
前記イオンを加速する手段が、遅延引き出し法であることを特徴とする請求項１２記載のタンデム型飛行時間型質量分析装置。
前記イオン源からイオンをパルス的に加速する加速手段が、連続型イオン源で生成したイオンを低エネルギーで輸送してパルス的に加速する垂直加速法であることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のタンデム型飛行時間型質量分析装置。
請求項１ないし１４に記載のタンデム型飛行時間型質量分析装置を用い、１回の飛行時間測定において複数のプリカーサイオンを選択してMS/MS測定を行なうことを特徴とするタンデム型飛行時間型質量分析方法。
前記複数のプリカーサイオンが、すべてモノアイソトピックイオンであることを特徴とする請求項１５記載のタンデム型飛行時間型質量分析方法。