JP5482135B2 - イオントラップ質量分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、高周波電場の作用によってイオンを捕捉するイオントラップを備えるイオントラップ質量分析装置に関し、さらに詳しくは、デジタル駆動方式のイオントラップを用いたイオントラップ質量分析装置に関する。

質量分析装置においてイオントラップは、高周波電場の作用によりイオンを捕捉して閉じ込めたり、特定の質量電荷比（m/z値）を持つイオンを選別したり、さらにはそうして選別したイオンを開裂させたりするために用いられる。典型的なイオントラップは、図８に示すように、内面が回転１葉双曲面形状である１個のリング電極２１と、このリング電極２１を挟んで対向して配置された内面が回転２葉双曲面形状である一対のエンドキャップ電極２２、２４とからなる３次元四重極型のイオントラップであるが、これ以外に、平行配置された４本のロッド電極から成るリニア型のイオントラップも知られている。本明細書では、便宜上、「３次元四重極型」を例に挙げてイオントラップの説明を行う。

従来の一般的なイオントラップでは、通常、リング電極２１に正弦波状の高周波電圧を印加することで、リング電極２１及びエンドキャップ電極２２、２４で囲まれる空間にイオン捕捉用の高周波電場を形成し、この高周波電場によりイオンを振動させながら閉じ込める。これに対し、近年、正弦波状の高周波電圧の代わりに矩形波電圧をリング電極２１に印加することでイオンの閉じ込めを行うイオントラップが開発されている（特許文献１、特許文献２、非特許文献１など参照）。この種のイオントラップは、通常、ハイ、ローの二値の電圧レベルを有する矩形波電圧が使用されることから、デジタルイオントラップ（Digital Ion Trap、以下「ＤＩＴ」と略す）と呼ばれる。

ＤＩＴを利用したイオントラップ質量分析装置（以下「ＤＩＴ−ＭＳ」と略す）では、非特許文献１に記載のように、捕捉したいイオンの質量範囲に応じた所定の周波数を有する矩形波高電圧を捕捉用高周波電圧としてリング電極２１に印加し、それによりイオントラップ２内に目的とするイオンを閉じ込める。こうして閉じ込めたイオンを質量電荷比に応じて順次イオン出射口２５から排出させ、その外側に設けた図示しない検出器により検出する。例えば、リング電極２１に印加する矩形波高電圧（通常、振幅は数百Ｖ以上）を所定の分周比で分周した矩形波低電圧（通常、振幅は数Ｖ程度）をエンドキャップ電極２２、２４に印加し、その矩形波高電圧及び矩形波低電圧の周波数を同時に走査する。これにより、イオントラップ２内に捕捉されているイオンを、質量電荷比の順に共鳴励起させイオン出射口２５を通して外部に排出し、検出器により順次検出してマススペクトルを作成する。

よく知られているように、イオントラップにおけるイオン安定捕捉条件はマシューダイヤグラムを用いて説明することができる。これはＤＩＴでも同様である。ＤＩＴにおいて捕捉され得るイオンの最小質量（ＬＭＣ：Low Mass Cutoff）は、次の(1)式で表される。
［ｍ／ｅ］_LMC ＝（Ｖ／ｑｒ₀ ²π²）・（４π²／Ω² ） …(1)
ｑ＝４ｅＶ／ｍｒ₀ ² Ω²
ここで、ｍはイオンの質量、ｅはイオンの価数、Ｖは高周波の矩形波電圧の振幅（厳密には矩形波電圧の１周期での平均交流成分）、Ωは矩形波電圧の周波数、ｒ₀はリング電極２１の内接半径、である。

一般に、ＤＩＴ−ＭＳでは矩形波電圧の振幅Ｖを一定に保ち、矩形波電圧の周波数Ωを制御することで質量走査が行われる。より低い質量のイオンをイオントラップ２内に安定的に捕捉するには、(1)式から、矩形波電圧の周波数Ωを高くするか、或いは、矩形波電圧の振幅Ｖを小さくする必要があることが分かる。

通常、上記矩形波電圧は正負の直流高電圧をパワーＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチング素子で切り替えることで生成される。そのため、矩形波電圧の周波数は、入手可能な半導体素子で得られる性能（速度）の限界によりその上限が決まってしまい、上述したように、矩形波電圧の周波数を上げることでＬＭＣを下げるのには限界がある。

一方、ＬＭＣを下げるために矩形波電圧の振幅を小さくしようとした場合には、次のような問題がある。矩形波電圧がリング電極２１に印加されている状態では、イオントラップ２内には、次の(2)式で近似される深さの擬電位ポテンシャルが形成される。
Ｄz＝（π²／４８）・ｑＶ …(2)
即ち、この擬電位ポテンシャルは矩形波電圧の振幅Ｖに比例するため、矩形波電圧の振幅を小さくすると擬電位ポテンシャルも浅くなる。イオントラップ２内においてイオンは擬電位ポテンシャルが落ち込んだポテンシャル井戸の中で振動しつつ捕捉されるため、擬電位ポテンシャルが浅くなるとイオンの捕捉効率が下がる。擬電位ポテンシャルの深さはイオンの質量ｍには反比例するため、質量が大きなイオンほど捕捉効率が下がることになる。

特表２００７−５２７００２号公報 特開２００８−２８２５９４号公報

古橋、竹下、小河、岩本、ディン、ギルズ、スミルノフ、「デジタルイオントラップ質量分析装置の開発」、島津評論、島津評論編集部、２００６年３月３１日、第６２巻、第３・４号、ｐｐ.１４１−１５１

上述のような擬電位ポテンシャルの観点からイオンの捕捉効率を上げるには矩形波電圧の振幅を大きくする必要があるが、そうするとＬＭＣが高くなり、低質量イオンを捕捉して検出することができなくなる。こうした現象は特に、ＭＳⁿ分析において低質量のイオンを検出したい場合に大きな問題となる。何故なら、ＭＳⁿ分析では、比較的大きな質量（分子量）を有するイオンを複数段階に開裂させて低質量のプロダクトイオンに断片化し質量分析に供することで構造情報を取得するが、低質量イオンが検出できなくなると構造情報が不足して正確な構造解析に支障をきたすことになるからである。

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、ＭＳⁿ分析を実行する際に、高質量であるプリカーサイオンを確実に捕捉しつつ、開裂により生成される低質量のプロダクトイオンを高い効率で捕捉して検出することができるイオントラップ質量分析装置を提供することにある。

上記課題を解決するために成された本発明は、複数の電極からなるイオントラップを有し、該イオントラップに捕捉した各種イオンの中で特定の質量電荷比を有するイオンをプリカーサイオンとして選択的に残すイオン選別を行い、それに引き続いて、選択したプリカーサイオンを開裂させる、という操作を少なくとも１回実行した後に、捕捉されているイオンをイオントラップ内から排出して検出する、ｎを２以上の整数としたＭＳ ⁿ 分析を実行可能なイオントラップ質量分析装置において、
a)イオンを捕捉する高周波電場を形成するために、前記複数の電極の少なくとも１つに矩形波電圧を印加する電圧印加手段と、
b)ＭＳⁿ分析を実行する際に、ｍの値を１≦ｍ≦ｎ−１の任意の１又は複数の整数として、ｍ段目のイオン選別実行の時点からそれにより選択されたプリカーサイオンの開裂操作の開始時点までの期間中の任意の時点で、前記矩形波電圧の振幅を、そのｍ段目のイオン選別実行の時点よりも前の期間における振幅よりも小さくするように切り替えるべく前記電圧印加手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴としている。

上記開裂操作は、イオントラップ内に適宜の衝突誘起解離ガスを導入し、励振させたプリカーサイオンを衝突誘起解離ガスに衝突させることで該プリカーサイオンの開裂を促してプロダクトイオンを生成するものとすることができる。

上記イオントラップは、３次元四重極型イオントラップ又はリニア型イオントラップである。３次元四重極型イオントラップの場合、通常、イオントラップは、環状のリング電極と、該リング電極を挟んで対向配置された一対のエンドキャップ電極とからなり、リング電極に上記イオン捕捉用の矩形波電圧が印加される。一方、リニア型イオントラップの場合、通常、イオントラップは、中心軸を取り囲むように互いに平行に配置された４本のロッド電極からなり、中心軸を挟んで対向する２本のロッド電極が上記リング電極に代わるものである。

本発明に係るイオントラップ質量分析装置において、一例として、３次元四重極型イオントラップを用いて２段階の開裂操作を伴うＭＳ³分析を実行する場合について考え、ｍ＝２であるものとする。この場合、例えばイオントラップの外部で生成された各種イオンがイオントラップに導入されて捕捉された後、１段目のイオン選別として特定の質量電荷比を有するイオンがプリカーサイオンとして選択され、選択されたプリカーサイオンの開裂操作が実行され、それにより生成されたプロダクトイオンがイオントラップ内に捕捉される。次に、２段目のイオン選別として、各種プロダクトイオンの中の特定の質量電荷比を有するイオンがプリカーサイオンとして選択され、選択されたプリカーサイオンの開裂操作が実行され、それにより生成されたプロダクトイオンがイオントラップ内に捕捉される。その後に、イオントラップ内に捕捉されていたプロダクトイオンが質量電荷比に応じて順次排出され、イオントラップの外部に設けられた検出器により検出される。

１段目のイオン選別、開裂操作、及びプロダクトイオンの捕捉の過程において、制御手段の制御の下に電圧印加手段は、所定周波数で相対的に大きな第１振幅を有する矩形波電圧をリング電極に印加することで、イオントラップ内にイオン捕捉用の高周波電場を形成する。このとき、ＬＭＣは比較的高いものの、１段目のプリカーサイオンの質量電荷比は比較的高く、これから生成されるプロダクトイオンも全般的に高い質量電荷比を持つものが多いため、こうしたイオンは安定的にイオントラップ内に捕捉される。また、擬電位ポテンシャルは十分に深いので、高い効率でイオンを捕捉することが可能である。

これに対し、２段目のイオン選別、開裂操作、及びプロダクトイオンの捕捉の過程において、制御手段の制御の下に電圧印加手段は、遅くても実質的に開裂操作が開始される時点までの任意の時点で、リング電極に印加する矩形波電圧の振幅を上記第１振幅よりも小さな第２振幅に切り替える。ここで、「実質的に開裂操作が開始される時点」とはイオンの励振が開始される時点であり、例えばイオントラップ内に衝突誘起解離ガスが供給されるだけでイオンが未だ励振されていない期間は、上記時点の以前となる。

即ち、２段目の開裂操作でプロダクトイオンが生成され始める時点では矩形波電圧の振幅が小さくされている。矩形波電圧の振幅が小さくなったことでＬＭＣは下がり、開裂により生成される低質量のプロダクトイオンもマシューダイヤグラムに基づく安定捕捉条件を満たすようになる。それにより、低質量のプロダクトイオンも捕捉されるようになる。一方、矩形波電圧の振幅が小さくなるに伴い捕捉対象のイオンの質量も小さくなるので、捕捉対象のイオンに対する擬電位ポテンシャルは適度な深さを保ち、イオン捕捉効率も十分に高い状態に保たれる。もちろん、矩形波電圧の振幅を小さくしたときにプリカーサイオンを捕捉できないほど擬電位ポテンシャルが下がってしまうと開裂操作自体に支障をきたすから、プリカーサイオンを捕捉可能なポテンシャルが得られるように振幅を決めておくことが必要である。

前述のように、ＬＭＣは矩形波電圧の振幅に依存し、擬電位ポテンシャルも矩形波電圧の振幅と捕捉対象のイオンの質量に依存する。したがって、ｎが３以上であるＭＳⁿ分析において何段目で矩形波電圧の振幅を小さくするのかは、プリカーサイオンの質量電荷比（換言すれば開裂により生じるプロダクトイオンの質量範囲）などに応じて適宜に決めることができる。また、多段階の開裂操作を行う場合には、矩形波電圧の振幅を１回だけでなく複数回段階的に小さくしてもよい。

通常、ＭＳⁿ分析における各段のプリカーサイオンの質量電荷比はユーザが分析パラメータの１つとして入力設定するから、制御手段は、入力設定されたプリカーサイオンの質量電荷比に応じて矩形波電圧の振幅を小さくするタイミングやその振幅値などを決定するようにしてもよい。例えば、入力設定されたプリカーサイオンの質量電荷比が予め定めた閾値以下である場合に、その段の開裂操作の開始の時点で矩形波電圧の振幅を所定の値に下げるように決めておけば、制御が簡素化される。

本発明に係るイオントラップ質量分析装置によれば、ＭＳⁿ分析を行う際に、開裂前のプリカーサイオンを確実に捕捉しつつ、開裂により生じる低質量のプロダクトイオンも高い効率で捕捉することができる。これにより、低質量のプロダクトイオンも高い感度で検出することが可能となり、プロダクトイオンの情報を利用した高分子化合物の構造解析が容易になり、その精度向上も図れる。

本発明の一実施例であるＭＡＬＤＩ−ＤＩＴ−ＭＳの要部の概略構成図。 本実施例のＭＡＬＤＩ−ＤＩＴ−ＭＳにおけるイオン捕捉用の矩形波電圧波形の一例を示す図。 本実施例のＭＡＬＤＩ−ＤＩＴ−ＭＳにおけるＭＳ²分析時の手順を示すフローチャート。 本実施例のＭＡＬＤＩ−ＤＩＴ−ＭＳにおけるＭＳ³分析時の手順を示すフローチャート。 本実施例のＭＡＬＤＩ−ＤＩＴ−ＭＳにおけるＭＳ²分析時に得られるＭＳ²スペクトルの実測例。 本実施例のＭＡＬＤＩ−ＤＩＴ−ＭＳにおけるＭＳ³分析時に得られるＭＳ³スペクトルの実測例。 図６のＭＳ³スペクトルの低質量範囲の拡大スペクトル。 ３次元四重極型イオントラップの概略構成図。

本発明に係るイオントラップ質量分析装置の一実施例であるＭＡＬＤＩ−ＤＩＴ−ＭＳについて、添付図面を参照して説明する。図１は本実施例のＭＡＬＤＩ−ＤＩＴ−ＭＳの要部の概略構成図である。

本実施例によるＭＡＬＤＩ−ＤＩＴ−ＭＳは、目的試料をイオン化するイオン化部１と、イオンを質量電荷比に応じて分離する３次元四重極型のイオントラップ２と、イオンを検出する検出部３と、を備える。

マトリクス支援レーザ脱離イオン化法（ＭＡＬＤＩ）を用いたイオン化部１は、パルス状のレーザ光を出射するレーザ照射部１１、目的試料成分を含むサンプルＳが付着されたサンプルプレート１２、レーザ光の照射によってサンプルＳから放出されたイオンを引き出すとともにその引き出し方向を限定するアパーチャ１３、引き出されたイオンを案内するイオンレンズ１４、などを含む。もちろん、ＭＡＬＤＩ以外の他のレーザイオン化法やレーザ光を用いないイオン化法を用いても構わない。

イオントラップ２は、図８に示したものと同様の構成であり、円環状の１個のリング電極２１と、これを挟むように対向して配置された、入口側エンドキャップ電極２２及び出口側エンドキャップ電極２４と、からなり、これら３個の電極２１、２２、２４で囲まれた空間が捕捉領域となる。入口側エンドキャップ電極２２の略中央にはイオン入射口２３が穿設され、イオン化部１から出射したイオンはイオン入射口２３を経てイオントラップ２内に導入される。一方、出口側エンドキャップ電極２４の略中央にはイオン出射口２５が穿設され、イオン出射口２５を経てイオントラップ２内から排出されたイオンは検出部３に到達して検出される。さらに、イオントラップ２にはガス供給部２６が付設されており、制御部５の指示に基づいてガス供給部２６はＣＩＤガスやクーリングガスをイオントラップ２に供給する。

検出部３は、イオンを電子に変換するコンバージョンダイノード３１と、コンバージョンダイノード３１から到来する電子を増倍して検出する二次電子増倍管３２とからなり、入射したイオンの量に応じた検出信号をデータ処理部４に送る。データ処理部４は、イオントラップ２において質量分離されつつ順次排出されるイオンに対して検出部３で得られる検出信号に基づいて、マススペクトル（ＭＳⁿスペクトル）を作成する機能などを有する。

主電源部（本願発明における電圧印加手段に相当）６はリング電極２１にイオン捕捉用の矩形波電圧を印加するものであって、正極性直流電圧である第１電圧Ｖ_Hを発生する第１電圧源６１と、負極性直流電圧である第２電圧Ｖ_Lを発生する第２電圧源６２と、第１電圧源６１の出力端と第２電圧源６２の出力端との間に直列に接続された第１スイッチング素子６３及び第２スイッチング素子６４と、を含む。スイッチング素子６３、６４は例えばパワーＭＯＳＦＥＴである。

制御部（本願発明における制御手段に相当）５は、第１スイッチング素子６３及び第２スイッチング素子６４が交互にオンするように（但し、少なくとも同時にオンすることがないように）、所定周波数の駆動パルスを各スイッチング素子６３、６４に供給する。第１スイッチング素子６３がオンするとき第１電圧Ｖ_Hが出力され、第２スイッチング素子６４がオンするときに第２電圧Ｖ_Lが出力されるから、出力電圧Ｖ_OUTは理想的には、ハイレベルがＶ_H、ローレベルがＶ_Lである所定周波数ｆ（周期ｔ）の矩形波電圧となる。ここでは、第１電圧Ｖ_H及び第２電圧Ｖ_Lは絶対値が同じで極性が逆の高電圧であり、その電圧値は制御部５からの指示に基づいて後述するように複数段階に切り替え可能となっている。通常、その電圧値は百Ｖ〜１ｋＶ程度の範囲であり、また周波数ｆは通常数十ｋＨｚ〜数ＭＨｚ程度の範囲である。

補助電源部７はイオントラップ２のエンドキャップ電極２２、２４にそれぞれ相違する矩形波低電圧を印加するものである。制御部５は主電源部６に供給する駆動パルスを適宜の比（この例では１／４）で分周したパルス信号を補助電源部７に与える。補助電源部７はこの信号に基づき周波数がｆ／４であって、ローレベルが０[Ｖ]、ハイレベルが＋Ｖ_E、パルス幅がｄである矩形波低電圧と、これとは逆極性の矩形波低電圧とを生成し、必要に応じ励振用電圧としてエンドキャップ電極２２、２４にそれぞれ印加する。

ＣＰＵやメモリ、各種ハードウエア回路などを含んで構成される制御部５には、ユーザが分析のための各種パラメータなどを入力するための入力部８と、データ処理部４で得られるマススペクトル等の分析結果などが表示される表示部９とが接続されている。

本実施例のＭＡＬＤＩ−ＤＩＴ−ＭＳでは通常の質量分析のほかにＭＳⁿ分析が行える。図３及び図４はＭＳ²分析、ＭＳ³分析を実行する場合の処理手順を示すフローチャートである。まず、本実施例のＭＡＬＤＩ−ＤＩＴ−ＭＳにおいてＭＳ²分析を行う際の動作について説明する。

分析に先立って、ユーザ（分析者）はプリカーサイオンの質量電荷比を分析パラメータの１つとして入力部８から入力する。分析が開始されると、制御部５はまず、主電源部６に対し第１電圧Ｖ_H＝１０００Ｖ、第２電圧Ｖ_L＝−１０００Ｖを初期値として設定する（ステップＳ１）。これにより、主電源部６からリング電極２１に図２（ａ）に示すような矩形波電圧が印加される。

イオン化部１において、制御部５の制御の下にレーザ照射部１１は短時間レーザ光を出射する。レーザ光はサンプルＳに照射され、サンプルＳ中のマトリックスは急速に加熱されて目的成分を伴い気化する。この際に目的成分がイオン化される（ステップＳ２）。発生したイオンはイオンレンズ１４により形成される静電場によって収束され、イオン入射口２３を経てイオントラップ２内に導入され、上記矩形波電圧の印加により形成される高周波電場によって捕捉される（ステップＳ３）。

イオントラップ２内に安定的に捕捉されるイオンの質量範囲は、リング電極２１に印加される矩形波高電圧の周波数に依存する。したがって、上記のようにイオンをイオントラップ２内に閉じ込めておくに際し、制御部５は所定周波数の駆動パルスをスイッチング素子６３、６４に供給し、これに応じた周波数の矩形波高電圧が主電源部６で生成されてリング電極２１に印加される。なお、このときには、エンドキャップ電極２２、２４への印加電圧は接地電位に維持される。

次に、制御部５は先に設定された質量電荷比を有するイオンのみをプリカーサイオンとして残し、他のイオンを共鳴励起排出するように、リング電極２１及びエンドキャップ電極２２、２４に印加している電圧の周波数を走査するべく主電源部６を制御する（ステップＳ４）。プリカーサイオン選択の詳しい手法は非特許文献１などに開示されているが、簡単に説明すると、まずリング電極２１に印加している矩形波電圧のデューティ比を０．５から変化させることにより、プリカーサイオンから質量電荷比が離れた不要なイオンを発散させて除去する。その後に、プリカーサイオンの質量電荷比に対応した周波数を除き、矩形波電圧の周波数を走査して不要なイオンを共鳴励起排出させることにより、高い分解能で目的とするプリカーサイオンのみをイオントラップ２内に残す。

その後、ガス供給部２６からＣＩＤガスをイオントラップ２内に導入し（ステップＳ５）、プリカーサイオンを共鳴励起させるように矩形波電圧の周波数を設定することにより、エネルギーを付与したプリカーサイオンをＣＩＤガスに衝突させて開裂を促進する（ステップＳ６）。これにより、プリカーサイオンが開裂してより低質量の各種プロダクトイオンが生成され、これがイオントラップ２内に捕捉される。それから、ガス供給部２６からクーリングガスをイオントラップ２内に導入し、生成されたプロダクトイオンのクーリングを行う（ステップＳ７）。

適宜の時間、クーリングを行って捕捉領域にプロダクトイオンを安定的に捕捉した後に、リング電極２１、エンドキャップ電極２２、２４に印加する矩形波電圧の周波数を走査することで、捕捉していたイオンを質量電荷比に応じて順次共鳴励起させ、イオン出射口２５から排出させる。排出されたイオンは検出部３に導入されて検出される。これによりイオンの質量分離及び検出が行われる（ステップＳ８）。データ処理部４は、上記の周波数走査に伴って検出部３から順次得られる検出信号を処理することにより、プロダクトイオンのマススペクトル、つまりＭＳ²スペクトルを作成する。次に分析すべきサンプルＳが未だあればステップＳ９からＳ１に戻り、全ての分析が完了していれば分析を終了する。

上記ＭＳ²分析では、捕捉対象のイオンの質量電荷比や共鳴励起排出するイオンの質量電荷比などに応じて矩形波電圧の周波数は変化するが、矩形波電圧の振幅は基本的に一定（±１０００Ｖ）に維持される。即ち、ここでは、本願発明における矩形波電圧の振幅の切り替えは行われない。

次に、本実施例のＭＡＬＤＩ−ＤＩＴ−ＭＳにおいてＭＳ³分析を行う際の動作について図４に従って説明する。図４中で図３に示したステップと同一の処理を行うステップについては、同じステップ番号を付している。

分析に先立って、ユーザ（分析者）は１段目と２段目の各プリカーサイオンの質量電荷比を分析パラメータの１つとして入力部８から入力する。分析が開始されると、制御部５はまず、主電源部６に対し第１電圧Ｖ_H＝１０００Ｖ、第２電圧Ｖ_L＝−１０００Ｖを初期値として設定する（ステップＳ１）。これにより、主電源部６からリング電極２１に図２（ａ）に示すような矩形波電圧が印加される。以下、ステップＳ２〜Ｓ７までは上記ＭＳ²分析と同様であるので説明を略す。

ステップＳ７において、適宜の時間、クーリングを行って捕捉領域にプロダクトイオンを安定的に捕捉した後に、２段目のイオン選別及び開裂操作を実行するが、その前に、制御部５はリング電極２１に印加される矩形波電圧の振幅を１／２にするべく、主電源部６に対し第１電圧Ｖ_H＝５００Ｖ、第２電圧Ｖ_L＝−５００Ｖに切り替える指示を与える。これにより、主電源部６からリング電極２１に印加される矩形波電圧は図２（ｂ）に示すように振幅が小さくなる。その振幅切替えの後に、制御部５は先に設定された２段目のプリカーサイオンのみをイオントラップ２内に残し、他のイオンを共鳴励起排出するように、リング電極２１及びエンドキャップ電極２２、２４に印加している電圧の周波数を走査するべく主電源部６を制御する（ステップＳ１４）。プリカーサイオン選択の手法はステップＳ４と同じである。

その後、ステップＳ５〜Ｓ７と同様のステップＳ１５〜Ｓ１７の手順で、ＣＩＤガスを導入し、プリカーサイオンの共鳴励起によるＣＩＤの実行、及び、生成されたプロダクトイオンのクーリング、を順次行う。２回の開裂操作を経て、イオントラップ２内に捕捉されるプロダクトイオンの質量範囲は最初にイオントラップ２内に捕捉されたイオンの質量範囲よりもかなり低くなる。そのプロダクトイオンの一部は、リング電極２１に印加される矩形波電圧が±１０００Ｖであった場合のＬＭＣを下回る質量電荷比を有する。これに対しこの実施例の装置では、上述のようにステップＳ１０でリング電極２１に印加される矩形波電圧が±５００Ｖに下げられているため、その時点でＬＭＣも低くなっている。これにより、２段目の開裂操作で生成された低質量のプロダクトイオンの質量電荷比はＬＭＣを下回ることがなく、安定的にイオントラップ２内に捕捉される。

その後、ステップＳ８と同様のステップＳ１８において、捕捉していたイオンを質量電荷比に応じて順次共鳴励起排出させ、検出部３により検出する。データ処理部４は、上記の周波数走査に伴って検出部３から順次得られる検出信号を処理することにより、プロダクトイオンのマススペクトル、つまりＭＳ³スペクトルを作成する。分析すべきサンプルＳが未だあればステップＳ１９からＳ２０に進み、制御部５は主電源部６に対し第１電圧Ｖ_H＝１０００Ｖ、第２電圧Ｖ_L＝−１０００Ｖに切り替える指示を与え、ステップＳ２へと戻る。これにより、次のサンプルのＭＳ³分析は、矩形波電圧が±１０００Ｖである状態から開始される。一方、ステップＳ１９で全ての分析が完了していると判定されれば分析を終了する。

以上説明したように、ＭＳ³分析では、１段目のイオン選別・開裂操作の段階ではリング電極２１に印加される矩形波電圧は±１０００Ｖであるが、２段目のイオン選別・開裂操作の段階ではリング電極２１に印加される矩形波電圧は±５００Ｖに下げられる。したがって、イオントラップ２に捕捉する対象のイオンの質量範囲又は質量電荷比が高いときには擬電位ポテンシャルを深くして高いイオン捕捉効率を実現できる。一方、開裂によって低質量のプロダクトイオンが生成された状態ではＬＭＣは引き下げられているので、低質量イオンの質量範囲はＬＭＣを下回ることはなく安定捕捉条件を満たす。このとき、捕捉対象のイオンは高質量ではないので、矩形波電圧の振幅を小さくしても擬電位ポテンシャルは浅くならず、高い効率でプロダクトイオンを捕捉できる。これにより、低質量のプロダクトイオンを質量分離・検出に供することができる。

上記実施例のＭＡＬＤＩ−ＤＩＴ−ＭＳによる実測例を示し、その効果を説明する。測定した試料はブラジキニンフラグメント1-7（Bradykinin fragment 1-7）であり、ＭＡＬＤＩ用マトリックスは2,5-Dihydroxybenzoic acid（ＤＨＢ）である。

図５は矩形波電圧が±１０００Ｖ一定であるときのＭＳ²スペクトルの実測例である。この場合、検出可能な最低質量のプロダクトイオンはm/z２００である。ここに出現しているいずれのプロダクトイオンをプリカーサイオンに設定してＭＳ³分析を行っても、得られるプロダクトイオンの最低質量はm/z２００となり、質量電荷比がそれ以下のプロダクトイオンは観測できない。

図５に示したＭＳ²スペクトル中のｙ₆（m/z６４２）のプロダクトイオンをプリカーサイオンとして選択する直前に矩形波電圧を±５００Ｖに低下させて（つまり図４に示したシーケンスにより）ＭＳ³分析を実行して得られたＭＳ³スペクトルが図６である。矩形波電圧の振幅の切替えにより、検出可能なプロダクトイオンの最低質量はm/z６２．６まで下がる。

図７は図６の低質量範囲（m/z１３０以下）の拡大スペクトルである。このスペクトルから、フェニルアラニンのインモニウムイオン（m/z１２０）、アルギニンのインモニウムイオン・関連イオン（m/z１１２、９８）が十分な感度で検出されていることが分かる。これらイオンはいずれも矩形波電圧が±１０００Ｖである場合（ＬＭＣがm/z２００である場合）には検出できないものであり、本願発明により、従来は検出できなかった低質量のプロダクトイオンが確実に検出できるようになることが確認できた。

図４に示したＭＳ³分析のシーケンスでは、２段目のプリカーサイオンの選択（ステップＳ１４）の直前にリング電極２１に印加する矩形波電圧の振幅を切り替えているが、プリカーサイオンからプロダクトイオンが生成される前に矩形波電圧の振幅を切り替えさえすればよいから、ステップＳ１４からＳ１６の直前までの間に矩形波電圧の振幅を切り替えればよい。但し、矩形波電圧の振幅の切替えの指示を行っても実際にリング電極２１に印加される矩形波電圧波形が変化するまでに時間遅延が生じる場合があるから、そうしたことを考慮して切替えのタイミングを決めることが必要である。また、振幅切替え後の振幅（電圧値）はその電圧印加により形成される擬電位ポテンシャルがプリカーサイオンを捕捉できるポテンシャル以上である必要がある。したがって、そうした条件を満たすように振幅値を決めておく必要がある。

また、前述したようにＬＭＣや擬電位ポテンシャルはリング電極２１に印加される矩形波電圧の振幅や対象とするイオンの質量に依存し、分析したいプリカーサイオンの質量電荷比やそれから生成されるプロダクトイオンの質量範囲は様々であるから、上記のようにＭＳ³分析の２段目のイオン選別・開裂操作の際に矩形波電圧の振幅を下げるというのは単に一例にすぎない。

プリカーサイオンの質量電荷比が設定されれば、開裂により生成されるプロダクトイオンの質量範囲もおおよそ予測が可能であるから、プリカーサイオンの質量電荷比に基づいて矩形波電圧の振幅の切り替えの要否やさらには振幅を下げる際のその振幅値を判断することが可能である。そこで、分析に先立って設定されるプリカーサイオンの質量電荷比を判断して矩形波電圧の振幅切り替えのタイミング（ＭＳⁿ分析の何段目で振幅を切り替えるか）を決定する機能を制御部５に持たせ、プリカーサイオンの質量電荷比の設定とほぼ同時に、図３、図４に示したような測定シーケンスを決めるようにすることができる。もちろん、ＭＳ⁴分析、ＭＳ⁵分析など多段階の開裂操作を伴う場合には、例えば±１０００Ｖ→±５００Ｖという２段階だけでなく、例えば±１０００Ｖ→±５００Ｖ→±２５０Ｖというように３段階以上に振幅を切り替えるようにしてもよい。

また、図３に示したＭＳ²分析では、矩形波電圧の振幅を±１０００Ｖ一定としたが、ステップＳ４のプリカーサイオン選択からステップＳ６のＣＩＤ実行の時点までの期間の任意の時点で、矩形波電圧の振幅を±１０００Ｖから例えば±５００Ｖに下げてもよい。１段目のイオン選択・開裂操作において、m/z５００といった比較的低い質量電荷比のプリカーサイオンを選択した場合、開裂操作で生成されるプロダクトイオンはより低い質量範囲に亘る傾向がある。この場合に、ＣＩＤ実行までに矩形波電圧の振幅を小さくし、ＬＭＣを下げることにより、１段目の開裂操作で生成するプロダクトイオンをより多く捕捉し検出することができる。これによって、より多くの構造情報を得ることができる。

また上記実施例では、イオントラップ２自体で質量分離を行ってイオンを検出するようにしていたが、イオントラップ２に捕捉した各種プロダクトイオンを一斉にイオントラップ２から放出して飛行時間型質量分析計で質量分離・検出する構成の質量分析装置に本発明を適用可能なことは明らかである。

また、上記実施例はイオントラップが３次元四重極型の構成であるが、リニア型イオントラップも基本的にイオンの捕捉の原理は同じであるから、リニア型イオントラップを用いたイオントラップ質量分析装置に本発明を適用可能であることも当然である。

また、それ以外の点についても、上記実施例は本発明の一例にすぎないから、本発明の趣旨の範囲で適宜、変形、追加、修正を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。

１…イオン化部
１１…レーザ照射部
１２…サンプルプレート
１３…アパーチャ
１４…イオンレンズ
２…イオントラップ
２１…リング電極
２２…入口側エンドキャップ電極
２３…イオン入射口
２４…出口側エンドキャップ電極
２５…イオン出射口
２６…ガス供給部
３…検出部
３１…コンバージョンダイノード
３２…二次電子増倍管
４…データ処理部
５…制御部
６…主電源部
６１…第１電圧源
６２…第２電圧源
６３、６４…スイッチング素子
７…補助電源部
８…入力部
９…表示部

Claims (3)

1. 複数の電極からなるイオントラップを有し、該イオントラップに捕捉した各種イオンの中で特定の質量電荷比を有するイオンをプリカーサイオンとして選択的に残すイオン選別を行い、それに引き続いて、選択したプリカーサイオンを開裂させる、という操作を少なくとも１回実行した後に、捕捉されているイオンをイオントラップ内から排出して検出する、ｎを２以上の整数としたＭＳ ⁿ 分析を実行可能なイオントラップ質量分析装置において、
   a)イオンを捕捉する高周波電場を形成するために、前記複数の電極の少なくとも１つに矩形波電圧を印加する電圧印加手段と、
   b)ＭＳⁿ分析を実行する際に、ｍの値を１≦ｍ≦ｎ−１の任意の１又は複数の整数として、ｍ段目のイオン選別実行の時点からそれにより選択されたプリカーサイオンの開裂操作の開始時点までの期間中の任意の時点で、前記矩形波電圧の振幅を、そのｍ段目のイオン選別実行の時点よりも前の期間における振幅よりも小さくするように切り替えるべく前記電圧印加手段を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とするイオントラップ質量分析装置。
   
2. 請求項１に記載のイオントラップ質量分析装置であって、
   前記イオントラップは、リング電極と、該リング電極を挟んで対向して配置された一対のエンドキャップ電極とからなり、前記電圧印加手段は、前記リング電極にイオン捕捉用の矩形波電圧を印加することを特徴とするイオントラップ質量分析装置。
3. 請求項２に記載のイオントラップ質量分析装置であって、
   ＭＳⁿ分析における各段のプリカーサイオンの質量電荷比をユーザが入力設定するための入力手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記入力手段により設定されたプリカーサイオンの質量電荷比に応じて、前記矩形波電圧の振幅を小さくするタイミング及び又はその振幅値を決定することを特徴とするイオントラップ質量分析装置。