JP5644863B2 - イオンガイド及び質量分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、イオンを収束させつつ輸送するためのイオンガイド、及び、該イオンガイドを用いた質量分析装置に関する。

質量分析装置では、前段から送られて来るイオンを収束し、場合によっては加速して後段の例えば四重極マスフィルタ等の質量分析器に送り込むためにイオンガイドと呼ばれるイオン光学素子が用いられる。イオンガイドの一般的な構成は、４本或いは８本の円柱（又は円筒）状ロッド電極をイオン光軸を取り囲むように互いに平行に配置した多重極型の構成である。通常、四重極型又は八重極型のイオンガイドでは、イオン光軸を挟んで対向するロッド電極に同一の高周波電圧が印加され、これと周方向に隣接するロッド電極には先の高周波電圧と振幅が同一で位相が反転された高周波電圧が印加される。このように印加される高周波電圧によりロッド電極で囲まれる空間に高周波電場が形成され、イオンはこの高周波電場中で振動しつつ後段に輸送される。

特許文献１に記載のイオンガイドでは、ロッド電極の代わりに、イオン光軸方向に並べられた複数枚の電極板からなる仮想ロッド電極が用いられている。この構成では、イオン光軸方向に電位勾配を有する直流電場を形成することにより、イオンの収束性が良好であるという多重極型イオンガイドの利点を生かしつつ、イオンを加速したり逆に減速させたりすることも可能である。

前述したようにイオンガイドは、主としてイオン源で生成された各種イオンを質量分析器に輸送するために用いられるが、一般的に、イオンガイドには試料由来のイオンだけでなくイオン源でイオン化されなかった試料分子などの中性粒子も導入される。こうした中性粒子が質量分析器まで到達すると、測定ノイズの要因となるほか、質量分析器の汚染の原因ともなる。そこで、イオンガイドを通過する途中で中性粒子を除去するために、従来、湾曲状のロッド電極を用いた湾曲型イオンガイドが用いられている（特許文献２、３など参照）。

図８は湾曲型イオンガイドの一例の概略斜視図である。図示するように、このイオンガイド２は４本の湾曲状ロッド電極２０１、２０２、２０３、２０４を備え、試料由来のイオンは高周波電場の影響によりイオンガイド２の形状に沿って曲がりながら進む一方、電荷を持たない中性粒子は高周波電場の影響を受けないためイオンガイド２内部を直進し、途中でイオンガイド２の外側に排出されてしまったり湾曲状ロッド電極２０１〜２０４に接触してしまったりして除去される。

イオンガイド２に導入されるイオンは或る程度大きな運動エネルギを有しているため、高周波電場のみによってイオンを収束させつつ湾曲状経路に沿って曲げることは実際には難しい。そこで、特許文献３に記載の湾曲型イオンガイドでは、ロッド電極自体を湾曲形状とするだけでなく、湾曲状ロッド電極、又は湾曲状ロッド電極とは別に補助的に設けた電極に偏向用の直流電圧を印加することにより、イオンを湾曲状経路の内方（図８中の矢印Ｒの方向）に曲げるような力を作用させる直流電場を湾曲状ロッド電極で囲まれる空間に形成している。

図９及び図１０は、特許文献３における湾曲状ロッド電極及び補助電極とそれら電極に電圧を印加する回路ブロックの構成図である。図９は補助電極を設けない構成であり、図中の白抜矢印はこの湾曲型イオンガイド２の湾曲状経路の内方（円弧の一部である湾曲状中心軸の半径方向且つ内周方向）を示している。電圧源５０１〜５０４は、４本の湾曲状ロッド電極２０１〜２０４のうちの対向する２本の湾曲状ロッド電極２０２、２０４には高周波電圧Ｖ_RFを印加し、他の２本の湾曲状ロッド電極２０１、２０３には振幅が同一で極性が逆である高周波電圧−Ｖ_RFを印加する。これにより、湾曲状ロッド電極２０１〜２０４で囲まれる空間には、上述したようにイオンを振動させつつ収束させる高周波電場が形成される。これに加えて、電圧源５０１〜５０４は、湾曲状経路内方側に位置する２本の湾曲状ロッド電極２０１、２０２には分析対象であるイオン（この例では正イオン）と逆極性である直流電圧−Ｖ_DEFを印加し、湾曲状経路外方側に位置する２本の湾曲状ロッド電極２０３、２０４には分析対象であるイオンと同極性である直流電圧Ｖ_DEFを印加している。これにより、湾曲状ロッド電極２０１〜２０４で囲まれる空間にはイオンを湾曲状経路の内方、つまり図中の白抜き矢印の方向へと誘引する直流電場が形成される。

図１０は補助電極２０５、２０６を設けた構成であり、電圧源５１１、５１２は、４本の湾曲状ロッド電極２０１〜２０４のうちの対向する２本の湾曲状ロッド電極２０２、２０４に高周波電圧Ｖ_RFを印加し、他の２本の湾曲状ロッド電極２０１、２０３に振幅が同一で極性が逆である高周波電圧−Ｖ_RFを印加する。また、電圧源５１４は湾曲状経路内方側に位置する補助電極２０５に分析対象であるイオンと逆極性の直流電圧−Ｖ_DEFを印加し、電圧源５１３は湾曲状経路外方側に位置する補助電極２０６に分析対象であるイオンと同極性の直流電圧Ｖ_DEFを印加する。これにより、図９の構成と同様に、湾曲状ロッド電極２０１〜２０４で囲まれる空間に、イオンを収束させる高周波電場に重畳した状態で、イオンを湾曲状経路の内方へと誘引する直流電場が形成されることになる。

上述のように湾曲状ロッド電極又は補助電極に適当な偏向用直流電圧を印加することにより、イオンガイド２の湾曲状経路に沿ってイオンを曲げながら出口端まで導き、イオン通過効率を向上させることができる。しかしながら、こうした従来の構成では次のような問題がある。

即ち、上記のようにイオンガイド２内の空間においてその半径方向に作用する直流電場は、特定の運動エネルギ範囲内のイオンを透過させるエネルギフィルタとして機能する。そのため、イオンガイド２に導入されたイオンの運動エネルギのばらつきが相対的に大きいと、イオンの通過効率が低下してしまう。それを避けるためには、イオンガイド２に導入するイオンの運動エネルギを比較的大きくすることでエネルギばらつきを相対的に小さくする必要がある。特許文献３に記載のイオンガイドでは、１００eVというかなり大きな運動エネルギを持つイオンについて、偏向用直流電場の有無に対するイオン透過率の差異が検討されている。しかしながら、本願発明者の検討によれば、このように大きな運動エネルギをイオンに与えて湾曲型イオンガイドに導入した場合、高周波電場だけでは十分にイオンを収束させることが難しくなり、それがイオンの通過効率を下げる一因となる。

特開２０００−１４９８６５号公報 特許第３５４２９１８号公報 米国特許出願公開２００９／０２９４６６３号明細書

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、湾曲型イオンガイドにおいて、導入されるイオンの運動エネルギが大きい場合であってもイオンの収束性を向上させ、高いイオン通過効率を達成することを目的としている。また、本発明に係る質量分析装置の目的は、イオン通過効率を改善した湾曲型イオンガイドを用いることで、検出感度の向上を図ることである。

上記課題を解決するために成された第１発明は、イオンを収束させつつ湾曲状経路に沿って輸送するイオンガイドにおいて、
a)湾曲状中心軸を取り囲むように配置された２ｎ（ｎは２以上の整数）本の湾曲状ロッド電極と、
b)前記２ｎ本の湾曲状ロッド電極にそれぞれ電圧を印加する電圧発生手段であって、該２ｎ本の湾曲状ロッド電極の中で周方向に隣接する任意の２本の湾曲状ロッド電極に互いに極性が逆である高周波電圧を印加し、該２ｎ本の湾曲状ロッド電極で囲まれる空間内のイオンを前記湾曲中心軸に直交する面内で該湾曲状中心軸の曲がりの内側方向に誘引するように、少なくとも１本の湾曲状ロッド電極に前記高周波電圧に加えて偏向用直流電圧を印加し、さらに、前記２ｎ本の湾曲状ロッド電極で囲まれる空間内のイオンを前記湾曲状中心軸に直交する面内で前記偏向用直流電圧によるイオンの誘引方向と直交又は斜交する線上で両側からそれぞれ湾曲中心軸に向かって押すように、該偏向用直流電圧が印加されている湾曲状ロッド電極を除き、少なくとも湾曲状中心軸を挟んで対向する２本の湾曲状ロッド電極に前記高周波電圧に加えて収束用直流電圧を印加する電圧発生手段と、
を備えることを特徴としている。

第１発明において２以上の整数であるｎには原理的な上限はないが、実用的にはｎは２〜４程度の範囲、つまり湾曲状ロッド電極は四重極、六重極又は八重極の構成であることが好ましい。

第１発明に係るイオンガイドの一態様は、ｎが２である四重極型の構成であり、湾曲状中心軸を挟んで対向する２本の湾曲状ロッド電極の中心は前記湾曲状中心軸が載る平面上に位置し、他の２本の湾曲状ロッド電極の中心は前記平面に直交し且つ前記湾曲状中心軸を含む湾曲状曲面上に位置するように、４本の湾曲状ロッド電極が配置され、前記電圧発生手段は、中心が前記平面上に位置する２本の湾曲状ロッド電極の一方又は両方に偏向用直流電圧を印加し、他の２本の湾曲状ロッド電極には分析対象のイオンと同極性である収束用直流電圧を印加する構成とすることができる。

第１発明に係るイオンガイドによれば、２ｎ本の湾曲状ロッド電極で囲まれる空間に導入されたイオンには高周波電場による収束作用に加えて、収束用直流電圧が印加された湾曲状ロッド電極により形成される直流電場により、イオンが徐々に曲がる半径方向と直交又は斜交する方向について該イオンを湾曲状中心軸付近に圧縮するような力が作用する。このため、或る程度大きな運動エネルギを有して導入されたイオンが偏向用直流電場の作用で湾曲状に進む場合でも、イオンの拡がりが抑えられ、高い効率でイオンガイド出口端に到達する。これにより、高いイオン通過効率を実現することができる。

また第１発明に係るイオンガイドの別の態様では、前記湾曲状ロッド電極はそれぞれ、湾曲状中心軸に沿って並べられた複数の電極板からなる仮想的湾曲状ロッド電極であり、前記電圧発生手段は前記収束用直流電圧として、１本の仮想的湾曲状ロッド電極を構成する複数の電極板に対し１枚毎交互に、分析対象のイオンと同極性である電圧と逆極性である電圧とを印加する構成とすることができる。

この構成では、イオンが湾曲状経路を進む際に、収束用直流電圧による直流電場は、仮想的湾曲状ロッド電極の電極板１枚おきにイオンを収束させる作用を有する。これにより、複数枚のイオンレンズを直列的に連ねた効果が得られ、イオンを効率良く輸送することができる。

また上記課題を解決するために成された第２発明は、イオンを収束させつつ湾曲状経路に沿って輸送するイオンガイドにおいて、
a)湾曲状中心軸を取り囲み、且つ該湾曲状中心軸が載る平面上に位置しないように配置された２ｎ（ｎは２以上の整数）本の湾曲状ロッド電極と、
b)前記湾曲状中心軸が載る平面上で且つ周方向に隣接する湾曲状ロッド電極の間に配置された湾曲状である偏向用補助電極と、
c)前記平面に直交又は斜交し且つ前記湾曲状中心軸を含む湾曲状曲面上で且つ周方向に隣接する湾曲状ロッド電極の間に配置された湾曲状である収束用補助電極と、
d)前記２ｎ本の湾曲状ロッド電極の中で周方向に隣接する任意の２本の湾曲状ロッド電極に互いに極性が逆である高周波電圧を印加する主電圧発生手段と、
e)前記２ｎ本の湾曲状ロッド電極で囲まれる空間内のイオンを前記湾曲中心軸に直交する面内で該湾曲状中心軸の曲がりの内側方向に誘引するように、前記偏向用補助電極に偏向用直流電圧を印加する一方、前記２ｎ本の湾曲状ロッド電極で囲まれる空間内のイオンを前記湾曲状中心軸に直交する面内で前記偏向用直流電圧によるイオンの誘引方向と直交又は斜交する線上で両側からそれぞれ湾曲中心軸に向かって押すように、前記収束用補助電極に収束用直流電圧を印加する補助電圧発生手段と、
を備えることを特徴としている。

第２発明においても第１発明と同様に２以上の整数であるｎには原理的な上限はないが、実用的にはｎは２〜４の範囲、つまり湾曲状ロッド電極は四重極、六重極又は八重極の構成であることが好ましい。

第２発明に係るイオンガイドの一態様は、ｎが２である四重極型の構成であり、前記偏向用補助電極は湾曲状中心軸を挟んで対向して２つ配設され、収束用補助電極は前記平面に直交する湾曲状曲面上で且つ湾曲状中心軸を挟んで対向して２つ配設され、前記補助電圧発生手段は、その２つの偏向用補助電極のうちの湾曲内方側の補助電極に分析対象のイオンと逆極性の、湾曲外方側の補助電極には分析対象のイオンと同極性の偏向用直流電圧を印加し、また２つの収束用補助電極にはいずれも分析対象のイオンと同極性である収束用直流電圧を印加する構成とすることができる。

第２発明に係るイオンガイドによれば、２ｎ本の湾曲状ロッド電極で囲まれる空間に導入されたイオンには高周波電場による収束作用に加えて、収束用直流電圧が印加された収束用補助電極により形成される直流電場により、イオンが徐々に曲がる半径方向と直交又は斜交する方向について該イオンを湾曲状中心軸付近に圧縮するような力が作用する。このため、或る程度大きな運動エネルギを有して導入されたイオンが偏向用直流電場の作用で湾曲状に進む場合でも、イオンの拡がりが抑えられ、高い効率でイオンガイド出口端に到達する。これにより、高いイオン通過効率を実現することができる。

なお、収束用補助電極には収束用直流電圧のほかに、高周波電場の作用を強めるべく高周波電圧を重畳して印加するようにしてもよい。

また上記課題を解決するために成された第３発明に係る質量分析装置は、第１又は第２発明に係るイオンガイドをイオン源と質量分析器との間に配設したことを特徴としている。

この構成によれば、イオン源で生成されたイオンを効率良く質量分析器まで輸送することができる一方、分析には不必要で装置の汚染や測定ノイズの原因ともなる中性粒子を質量分析器に達する前に除去することができる。

第１、第２発明に係るイオンガイドによれば、従来の湾曲型イオンガイドに比べてイオンをより収束させた状態で湾曲状経路に沿って輸送することができるので、高いイオン通過効率を達成することができる。また、第１、第２発明に係るイオンガイドを用いた第３発明に係る質量分析装置によれば、従来の湾曲型イオンガイドを用いた場合に比べて質量分析に供されるイオンの量が増加するので、分析感度、分析精度を向上させることができる。

本発明の一実施例（第１実施例）であるイオンガイドの概略構成図。 第１実施例であるイオンガイドの湾曲状ロッド電極の斜視図。 第１実施例であるイオンガイドを用いた質量分析装置の概略構成図。 本発明の別の実施例（第２実施例）であるイオンガイドの概略構成図。 従来のイオンガイドと第２実施例のイオンガイドとにおける直流電場を比較する模式図。 本発明の別の実施例（第３実施例）であるイオンガイドの概略構成図。 本発明の別の実施例（第４実施例）であるイオンガイドの概略構成図。 湾曲型イオンガイドの湾曲状ロッド電極の斜視図。 従来の湾曲型イオンガイドにおける電極構成と電圧源の回路構成とを示す図。 従来の湾曲型イオンガイドにおける電極構成と電圧源の回路構成とを示す図。

以下、本発明に係るイオンガイドと該イオンガイドを備えた質量分析装置とについて、実施例を挙げて説明する。

［第１実施例］
図１は第１実施例による湾曲型イオンガイドの概略構成図、図２は第１実施例による湾曲型イオンガイドの湾曲状ロッド電極の概略斜視図、図３はこの湾曲型イオンガイドを備える質量分析装置の概略構成図である。

図３に示すように、この質量分析装置において、イオン化部（イオン源）１から出射された試料由来のイオンは、軌道を略９０°曲げる湾曲型イオンガイド２に導入され、そのイオンガイド２の湾曲状中心軸Ｏに沿って進行方向を徐々に曲げつつ進んでイオンガイド２の出口端から出射する。イオン化部１からイオンとともにイオンガイド２に導入された試料分子などの中性粒子はイオンガイド２内部の電場の影響を受けずに直進し、イオンとは分離されて除外される。イオンガイド２の出口端から出射されたイオンは四重極マスフィルタ等の質量分析器３に導入され、ここで質量電荷比に応じて分離されて検出器４に到達する。

イオンガイド２は図２に示すように、湾曲状中心軸Ｏを取り囲むように配置された４本の湾曲状ロッド電極２１１〜２１４を備える。このうちの２本の湾曲状ロッド電極２１２、２１４は、円弧の一部である湾曲状中心軸Ｏが載る平面（図３では紙面に相当）Ｐ上にその中心が位置している。また、他の２本の湾曲状ロッド電極２１１、２１３は平面Ｐに直交し且つ湾曲状中心軸Ｏを含む曲面上にその中心が位置している。図１に示す湾曲状ロッド電極２１１〜２１４は、図２中の湾曲状ロッド電極２１１〜２１４を湾曲状中心軸Ｏに直交する面で切断した状態の端面である。

図１に示すように、電圧源５２２、５２３は、４本の湾曲状ロッド電極２１１〜２１４のうちの対向する２本の湾曲状ロッド電極２１２、２１４に高周波電圧Ｖ_RFに所定の直流バイアス電圧Ｖ_BIASを重畳した電圧を印加し、電圧源５２１は、他の２本の湾曲状ロッド電極２１１、２１３に高周波電圧Ｖ_RFと振幅が同一で極性が逆である高周波電圧−Ｖ_RFに所定の直流バイアス電圧Ｖ_BIASを重畳した電圧を印加する。直流バイアス電圧Ｖ_BIASは全ての湾曲状ロッド電極２１１〜２１４に共通に印加される電圧であり、この直流バイアス電圧Ｖ_BIAS自体はイオンガイド２の内部に直流電場を形成しない。なお、図９、図１０の例は直流バイアス電圧Ｖ_BIAS＝０である。上記のように、湾曲状ロッド電極２１１〜２１４に印加される高周波電圧Ｖ_RF、−Ｖ_RFにより、イオンガイド２の内部には、イオンを振動させつつ収束させる高周波電場が形成される。これは従来と同じである。

電圧源５２２は、湾曲状経路内方側に位置する湾曲状ロッド電極２１２に分析対象であるイオン（この例では正イオン）と逆極性である直流電圧−Ｖ_DCxを偏向用直流電圧として印加する。湾曲状中心軸Ｏを挟んで対向する湾曲状ロッド電極２１４には偏向用直流電圧が印加されていないが、これは０Ｖの偏向用直流電圧が印加されていると捉えることができる。これにより、イオンガイド２の内部にはイオンを湾曲状経路の内方、つまり図１中の白抜き矢印の方向へと誘引する直流電場が形成される。この直流電場の作用も従来と同じである。

さらに、このイオンガイド２において電圧源５２１は、湾曲状中心軸Ｏを挟んで対向する２本の湾曲状ロッド電極２１１、２１３に分析対象であるイオンと同極性である直流電圧＋Ｖ_DCyを収束用直流電圧として印加する。この収束用直流電圧の印加により湾曲状ロッド電極２１１、２１３の近傍に形成される直流電場（収束用直流電場）は、イオンガイド２内部にあるイオンをそれぞれ湾曲状ロッド電極２１１、２１３から離すように作用する。即ち、図１中の太線矢印に示すように、イオンは２本の湾曲状ロッド電極２１１、２１３付近から湾曲状中心軸Ｏ方向に向かう力を受けるため、イオンは外周側に拡がりにくく湾曲状中心軸Ｏ付近に収束しつつ、上記の偏向用直流電場の作用により進行に伴って曲げられる。本実施例のイオンガイド２では、高周波電場に加えて収束用直流電場の作用により、イオンの拡がりを抑え、湾曲状中心軸Ｏに沿ってイオンを効率よく出口端まで輸送することができる。

［第２実施例］
図４は第２実施例による湾曲型イオンガイドの概略構成図である。この第２実施例では、４本の湾曲状ロッド電極２０１〜２０４は第１実施例のような構造・配置ではなく、図８〜図１０に示した従来例と同じ構造・配置である。即ち、４本の湾曲状ロッド電極２０１〜２０４はいずれも、湾曲状中心軸Ｏが載る平面Ｐ上、及び、該平面Ｐに直交し且つ湾曲状中心軸Ｏを含む曲面上に位置していない。また、図１０に示した従来例と同様に、湾曲状中心軸Ｏが載る平面Ｐ上には該湾曲状中心軸Ｏを挟んで対向して一対の偏向用補助電極２０５、２０６が配設されている。さらに、平面Ｐに直交し且つ湾曲状中心軸Ｏを含む曲面上には該湾曲状中心軸Ｏを挟んで対向して一対の収束用補助電極２０７、２０８が配設されている。この収束用補助電極２０７、２０８は断面矩形状で、湾曲状中心軸Ｏに平行な湾曲形状に延伸する形状である。

図４に示すように、電圧源５３１は、４本の湾曲状ロッド電極２０１〜２０４のうちの対向する２本の湾曲状ロッド電極２０１、２０３に高周波電圧Ｖ_RFに所定の直流バイアス電圧Ｖ_BIASを重畳した電圧を印加し、電圧源５３２は、他の２本の湾曲状ロッド電極２０２、２０４に高周波電圧Ｖ_RFと振幅が同一で極性が逆である高周波電圧−Ｖ_RFに所定の直流バイアス電圧Ｖ_BIASを重畳した電圧を印加する。これにより、イオンガイド２の内部には、イオンを振動させつつ収束させる高周波電場が形成される。

電圧源５３３は、湾曲状経路外方側に位置する偏向用補助電極２０６に分析対象であるイオンと同極性である直流電圧Ｖ _DEF を偏向用直流電圧として印加し、電圧源５３４は、湾曲状経路内方側に位置する偏向用補助電極２０５に分析対象であるイオンと逆極性である直流電圧−Ｖ _DEF を偏向用直流電圧として印加する。これにより、イオンガイド２の内部にはイオンを湾曲状経路の内方、つまり図４中の白抜き矢印の方向へと誘引する直流電場が形成される。

さらに、このイオンガイド２において電圧源５３５は、湾曲状中心軸Ｏを挟んで対向する収束用補助電極２０７、２０８に分析対象であるイオンと同極性である直流電圧＋Ｖ_DCyを収束用直流電圧として印加する。この収束用直流電圧の印加により収束用補助電極２０７、２０８の近傍に形成される直流電場は、イオンガイド２内部にあるイオンをそれぞれ湾曲状ロッド電極２０１〜２０４から離すように作用する。

図５は湾曲状中心軸Ｏに直交する面内での直流電場による等電位線を模式的に示す図であり、（ａ）は図１０の従来例に対応する模式図、（ｂ）が図３に示した第２実施例に対応する模式図である。図５（ａ）に示すように、従来の構成では、湾曲状ロッド電極２０１〜２０４で囲まれる空間内の等電位線はほぼ直線的になっており、イオンは湾曲状中心軸Ｏの内方側に向かう力を受けるだけである。これに対し、図５（ｂ）に示すように、第２実施例の構成では、湾曲状ロッド電極２０１〜２０４で囲まれる空間内の等電位線が中央で左方（湾曲状中心軸Ｏの外方）に凸となる湾曲状になっており、これによりイオンは湾曲状中心軸Ｏ付近から内方側へと向かう力と収束用補助電極２０７、２０８近傍から湾曲状中心軸Ｏへと向かう力とを合成した力を受ける。これにより、イオンは外周側に拡がりにくく湾曲状中心軸Ｏ付近に収束しつつ、上記の偏向用直流電場の作用により進行に伴って湾曲状中心軸Ｏの湾曲に沿って曲げられる。その結果、イオンは高い効率で出口端まで到達する。

なお、収束用補助電極２０７、２０８には収束用直流電圧のみならず、これに重畳して高周波電場の形成を補助するために高周波電圧を印加してもよい。

［第３実施例］
図６は第３実施例による湾曲型イオンガイドの概略構成図である。この第３実施例によるイオンガイドは８本の湾曲状ロッド電極２２１〜２２８を備える八重極型の構成であり、第１実施例に示した四重極型のイオンガイドにおいて周方向に隣接する湾曲状ロッド電極の間に、さらに１本ずつ湾曲状ロッド電極が追加された構成となっている。電圧源５４１、５４４は周方向に隣接しない（つまり１本おきの）４本の湾曲状ロッド電極２２１、２２３、２２５、２２７に高周波電圧Ｖ_RFに所定の直流バイアス電圧Ｖ_BIASを重畳した電圧を印加し、電圧源５４２、５４３、５４５は、他の４本の湾曲状ロッド電極２２２、２２４、２２６、２２８に高周波電圧Ｖ_RFと振幅が同一で極性が逆である高周波電圧−Ｖ_RFに所定の直流バイアス電圧Ｖ_BIASを重畳した電圧を印加する。イオンガイド２の内部には、イオンを振動させつつ収束させる高周波電場が形成される。

電圧源５４１、５４２は、湾曲状経路内方側に位置する３本の湾曲状ロッド電極２２１、２２２、２２３に分析対象であるイオンと逆極性である直流電圧−Ｖ_DEFを偏向用直流電圧として印加し、電圧源５３４は、湾曲状経路外方側に位置する３本の湾曲状ロッド電極２２５、２２６、２２７に分析対象であるイオンと同極性である直流電圧Ｖ_DEFを偏向用直流電圧として印加する。これにより、イオンガイド２の内部にはイオンを湾曲状経路の内方、つまり図６中の白抜き矢印の方向へと誘引する直流電場が形成される。なお、湾曲状ロッド電極２２２、２２６のみに偏向用直流電圧を印加してもよい。

さらに、電圧源５４３は、湾曲状中心軸Ｏを挟んで対向する２本の湾曲状ロッド電極２２４、２２８に分析対象であるイオンと同極性である直流電圧＋Ｖ_DCyを収束用直流電圧として印加する。この収束用直流電圧の印加により湾曲状ロッド電極２２４、２２８の近傍に形成される直流電場は、イオンガイド２内部にあるイオンをそれぞれ湾曲状ロッド電極２２４、２２８から湾曲状中心軸Ｏに向かって押すように作用する。これにより、上記実施例と同様に、イオンはその拡がりが抑えられつつ湾曲状中心軸Ｏに沿って曲げられる。

［第４実施例］
図７は第４実施例による湾曲型イオンガイドの概略構成図である。この第４実施例によるイオンガイドは第１実施例と同様に補助電極を使用しない四重極型の構成であるが、各湾曲状ロッド電極に代えて仮想的湾曲状ロッド電極が用いられている。即ち、１本の仮想的湾曲状ロッド電極は、湾曲状中心軸Ｏに沿って互いに分離された複数枚（図７（ｂ）の例では６枚だが、この枚数は任意である）の電極板（例えば２３１ａ〜２３１ｆ）から構成され、こうした仮想的湾曲状ロッド電極が湾曲状中心軸Ｏの周りに９０°の回転角度離して４本配設されている。なお、図７（ａ）では１本の仮想的湾曲状ロッド電極を構成する複数枚の電極板を直線的に配置しているが、実際には湾曲状中心軸Ｏの曲がりに沿ってずらして配置されることになる。また、図７（ｂ）は図７（ａ）に示した仮想的湾曲状ロッド電極を、湾曲状中心軸Ｏが載る平面に直交し且つ湾曲状中心軸Ｏを含む曲面で切断したときの端面を示す図であり、そのため湾曲状中心軸Ｏは直線状に延伸している。

電圧源５５３、５５４は湾曲状中心軸Ｏを挟んで対向する２本の仮想的湾曲状ロッド電極に含まれる電極板２３２ａ、２３２ｂ、…、２３４ａ、２３４ｂ、…、に高周波電圧Ｖ_RFに所定の直流バイアス電圧Ｖ_BIASを重畳した電圧を印加し、電圧源５５１は他の２本の仮想的湾曲状ロッド電極に含まれる電極板２３１ａ、２３１ｂ、…、２３３ａ、２３３ｂ、…、に高周波電圧Ｖ_RFと振幅が同一で極性が逆である高周波電圧−Ｖ_RFに所定の直流バイアス電圧Ｖ_BIASを重畳した電圧を印加する。これにより、イオンガイド２の内部には、イオンを振動させつつ収束させる高周波電場が形成される。

電圧源５５３は、湾曲状経路内方側に位置する仮想的湾曲状ロッド電極に含まれる電極板２３２ａ、２３２ｂ、…に分析対象であるイオンと逆極性である直流電圧−Ｖ_DCxを偏向用直流電圧として印加する。これは、第１実施例と同様であり、これにより、イオンガイド２の内部にはイオンを湾曲状経路の内方、つまり図７（ａ）中の白抜き矢印の方向へと誘引する直流電場が形成される。

さらに、電圧源５５１は、湾曲状中心軸Ｏを挟んで対向する２本の仮想的湾曲状ロッド電極に含まれる電極板のうち、最も手前に位置する電極板２３１ａ、２３３ａから１枚おき（２３１ｃ、２３３ｃ、２３１ｅ、２３３ｅ）に、分析対象であるイオンと同極性である直流電圧Ｖ_DCaltを収束用直流電圧として印加する。また、電圧源５５２は、湾曲状中心軸Ｏを挟んで対向する２本の仮想的湾曲状ロッド電極に含まれる電極板のうち、手前から２番目に位置する電極板２３１ｂ、２３３ｂから１枚おき（２３１ｄ、２３３ｄ、２３１ｆ、２３３ｆ）に、分析対象であるイオンと逆極性である直流電圧−Ｖ_DCaltを収束用直流電圧として印加する。これにより、直流電圧Ｖ_DCaltが印加された電極板２３１ａ、２３３ａ、２３１ｃ、２３３ｃ、２３１ｅ、２３３ｅで囲まれる空間をイオンが通過する際には、イオンは外方から湾曲状中心軸Ｏ方向に押され、凸イオンレンズの機能を果たす。一方、直流電圧−Ｖ_DCaltが印加された電極板２３１ｂ、２３３ｂ、２３１ｄ、２３３ｄ、２３１ｆ、２３３ｆで囲まれる空間をイオンが通過する際には、イオンは湾曲状中心軸Ｏ方向から外方に押され、凹イオンレンズの機能を果たす。このようにイオンが進行するに伴い、収束、非収束が繰り返されるので、これによってイオンは効率良く輸送されていって出口端に到達する。

以上のように、本発明に係る第１乃至第４実施例のイオンガイドはいずれも、収束用直流電場の作用によりイオンの拡がりを抑えつつイオンを湾曲状中心軸Ｏに沿って曲げながら輸送するので、従来の湾曲型イオンガイドと比較して高いイオン通過効率を達成することができる。

なお、本発明に係るイオンガイドは、図３に示したように、イオン化部と質量分析器との間に配設されるだけでなく、質量分析装置においてイオンを収束させつつ後段に輸送することが必要な様々な部位で使用することができる。例えば、三連四重極型質量分析装置において、コリジョンセル内に配設されるイオンガイドとして上記湾曲型イオンガイドを用いることもできる。さらにまた、本発明に係るイオンガイドは質量分析装置のみならず、イオンを扱う様々な機器、装置において用いることができる。

また、上記実施例はいずれも一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正、追加を行っても、本願請求の範囲に包含されることは明らかである。例えば、上記実施例に示したイオンガイドは四重極型又は八重極型であるが、六重極や十重極以上の多重極の構成としてもよい。

１…イオン化部
２…イオンガイド
２…湾曲型イオンガイド
２０１〜２０４、２１１〜２１４、２２１〜２２８…湾曲状ロッド電極
２０５、２０６…偏向用補助電極
２０７、２０８…収束用補助電極
２３１ａ〜２３１ｆ、２３２ａ〜２３２ｃ、２３３ａ〜２３３ｆ、２３４ａ〜２３４ｃ…電極板
３…質量分析器
４…検出器
５２１〜５２３、５３１〜５３５、５４１〜５４５、５５１〜５５４…電圧源
Ｏ…湾曲状中心軸

Claims (6)

1. イオンを収束させつつ湾曲状経路に沿って輸送するイオンガイドにおいて、
   a)湾曲状中心軸を取り囲むように配置された２ｎ（ｎは２以上の整数）本の湾曲状ロッド電極と、
   b)前記２ｎ本の湾曲状ロッド電極にそれぞれ電圧を印加する電圧発生手段であって、該２ｎ本の湾曲状ロッド電極の中で周方向に隣接する任意の２本の湾曲状ロッド電極に互いに極性が逆である高周波電圧を印加し、該２ｎ本の湾曲状ロッド電極で囲まれる空間内のイオンを前記湾曲中心軸に直交する面内で該湾曲状中心軸の曲がりの内側方向に誘引するように、少なくとも１本の湾曲状ロッド電極に前記高周波電圧に加えて偏向用直流電圧を印加し、さらに、前記２ｎ本の湾曲状ロッド電極で囲まれる空間内のイオンを前記湾曲状中心軸に直交する面内で前記偏向用直流電圧によるイオンの誘引方向と直交又は斜交する線上で両側からそれぞれ湾曲中心軸に向かって押すように、該偏向用直流電圧が印加されている湾曲状ロッド電極を除き、少なくとも湾曲状中心軸を挟んで対向する２本の湾曲状ロッド電極に前記高周波電圧に加えて収束用直流電圧を印加する電圧発生手段と、
   を備えることを特徴とするイオンガイド。
   
2. 請求項１に記載のイオンガイドであって、
   ｎが２である四重極型の構成であり、湾曲状中心軸を挟んで対向する２本の湾曲状ロッド電極の中心は前記湾曲状中心軸が載る平面上に位置し、他の２本の湾曲状ロッド電極の中心は前記平面に直交し且つ前記湾曲状中心軸を含む湾曲状曲面上に位置するように、４本の湾曲状ロッド電極が配置され、
   前記電圧発生手段は、中心が前記平面上に位置する２本の湾曲状ロッド電極の一方又は両方に偏向用直流電圧を印加し、他の２本の湾曲状ロッド電極には分析対象のイオンと同極性である収束用直流電圧を印加することを特徴とするイオンガイド。
3. 請求項１に記載のイオンガイドであって、
   前記湾曲状ロッド電極はそれぞれ、湾曲状中心軸に沿って並べられた複数の電極板からなる仮想的湾曲状ロッド電極であり、
   前記電圧発生手段は前記収束用直流電圧として、１本の仮想的湾曲状ロッド電極を構成する複数の電極板に対し１枚毎交互に、分析対象のイオンと同極性である電圧と逆極性である電圧とを印加することを特徴とするイオンガイド。
4. イオンを収束させつつ湾曲状経路に沿って輸送するイオンガイドにおいて、
   a)湾曲状中心軸を取り囲み、且つ該湾曲状中心軸が載る平面上に位置しないように配置された２ｎ（ｎは２以上の整数）本の湾曲状ロッド電極と、
   b)前記湾曲状中心軸が載る平面上で且つ周方向に隣接する湾曲状ロッド電極の間に配置された湾曲状である偏向用補助電極と、
   c)前記平面に直交又は斜交し且つ前記湾曲状中心軸を含む湾曲状曲面上で且つ周方向に隣接する湾曲状ロッド電極の間に配置された湾曲状である収束用補助電極と、
   d)前記２ｎ本の湾曲状ロッド電極の中で周方向に隣接する任意の２本の湾曲状ロッド電極に互いに極性が逆である高周波電圧を印加する主電圧発生手段と、
   e)前記２ｎ本の湾曲状ロッド電極で囲まれる空間内のイオンを前記湾曲中心軸に直交する面内で該湾曲状中心軸の曲がりの内側方向に誘引するように、前記偏向用補助電極に偏向用直流電圧を印加する一方、前記２ｎ本の湾曲状ロッド電極で囲まれる空間内のイオンを前記湾曲状中心軸に直交する面内で前記偏向用直流電圧によるイオンの誘引方向と直交又は斜交する線上で両側からそれぞれ湾曲中心軸に向かって押すように、前記収束用補助電極に収束用直流電圧を印加する補助電圧発生手段と、
   を備えることを特徴とするイオンガイド。
   
5. 請求項４に記載のイオンガイドであって、
   ｎが２である四重極型の構成であり、前記偏向用補助電極は湾曲状中心軸を挟んで対向して２つ配設され、収束用補助電極は前記平面に直交する湾曲状曲面上で且つ湾曲状中心軸を挟んで対向して２つ配設され、前記補助電圧発生手段は、その２つの偏向用補助電極のうちの湾曲内方側の補助電極に分析対象のイオンと逆極性の、湾曲外方側の補助電極には分析対象のイオンと同極性の偏向用直流電圧を印加し、また２つの収束用補助電極にはいずれも分析対象のイオンと同極性である収束用直流電圧を印加することを特徴とするイオンガイド。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のイオンガイドを、イオン源と質量分析器との間に配設したことを特徴とする質量分析装置。

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