JP5699796B2 - イオントラップ装置 - Google Patents

Description

本発明は、イオントラップ質量分析装置やイオントラップ飛行時間型質量分析装置などに用いられる、交流電場によってイオンを閉じ込めるイオントラップを具備するイオントラップ装置に関する。

質量分析装置において、交流電場によりイオンを捕捉する（閉じ込める）イオントラップを利用した装置が従来から知られている。典型的なイオントラップは、略円環状のリング電極と、このリング電極を挟むように配設される一対のエンドキャップ電極と、から成る、いわゆる３次元四重極型イオントラップである。一般のこうしたイオントラップでは、リング電極に正弦波状の高周波電圧を印加することで、電極で囲まれる空間に捕捉電場を形成し、この捕捉電場によりイオンを振動させつつ閉じ込める。

イオントラップ質量分析装置では、分析対象イオンをイオントラップ内に捕捉した後に、該イオントラップ自体の質量分離機能を利用して特定の質量電荷比を有するイオンを選択的にイオントラップから排出し、その外部に設けた検出器によりイオン強度を検出する。一方、イオントラップ飛行時間型質量分析装置では、分析対象イオンをイオントラップ内に捕捉した後に、それらイオンに運動エネルギを付与し一斉にイオントラップから放出して飛行時間型質量分析器へ導入し、イオンを飛行時間型質量分析器で質量電荷比毎に分離して検出する。いずれの場合でも、高い感度でイオンを検出するには、外部のイオン源で生成されたイオンを効率良くイオントラップ内に導入して捕捉する必要がある。

イオントラップの内部にイオンを捕捉するためには上述したようにリング電極に高周波電圧を印加して高周波電場を形成するが、この高周波電場は外部から入り込もうとするイオンに対してポテンシャル障壁となる。そのため、高周波電場が形成された状態で外部からイオントラップにイオンを導入しようとしても、上記ポテンシャル障壁によってイオンが跳ね返されたり逆に過度に加速されたりしてしまう。その結果、高周波電場が形成された状態のイオントラップへのイオンの導入効率はたかだか数％程度でしかなかった。

これを解決するため、特許文献１に記載の方法では、イオントラップ内にイオンを導入する際に、リング電極への高周波電圧の印加を一時的に停止し、パケット化されたイオンがイオントラップ内に導入された直後に高周波電圧の印加を再開する制御が行われている。なお、試料のイオン化手法がＭＡＬＤＩである場合には、パルス状のレーザ光を試料に照射するため短時間の間にパケット状にイオンが生成されるが、エレクトロスプレーイオン化（ＥＳＩ）法などの大気圧イオン源が用いられる場合には連続的にイオンが生成されるため、特許文献１に記載の装置では、イオンガイドでイオンを堰き止めて一旦溜め込んだ後に一斉にイオンガイドから排出することにより、連続的なイオン流をパケット状のイオン集合とするようにしている。

上記方法では、イオントラップへのイオン入射が高周波電場によって妨げられることがなく、イオンの導入効率を高くすることができる。ただし、高周波電場がない状態ではイオンに対する捕捉作用は生じないため、イオントラップ内に入射したイオンがあまり拡がらない間にリング電極への高周波電圧の印加を開始しなければならない。したがって、イオントラップに導入されたイオンを的確に捕捉するには、高周波電圧の印加のタイミングが重要であり、イオン導入効率を最適にするためにはそのタイミングを適切に調整する必要がある。

ところで、近年、正弦波電圧の代わりに矩形波電圧をリング電極に印加することでイオンの閉じ込めを行うデジタル駆動方式のイオントラップ、いわゆるデジタルイオントラップ（Digital Ion Trap：ＤＩＴ）が開発されている（非特許文献１など参照）。

ＤＩＴでは、半導体スイッチング素子などにより直流高電圧を切り替えることにより矩形波高電圧を生成するため、矩形波高電圧の周波数変更、デューティー比制御、位相制御などが容易に行えるという特徴がある。特許文献２には、こうしたＤＩＴを搭載した質量分析装置において、イオントラップ内にイオンを保持した状態で、イオントラップ内に追加的にイオンを導入する際にリング電極への矩形波電圧の印加を一時的に停止し、イオン導入後に矩形波電圧の印加を再開する制御を行うことが記載されている。この場合には、既にイオントラップに捕捉されているイオンが散逸してしまうことを防止しつつ、追加導入されたイオンを的確に捕捉する必要があり、矩形波電圧の印加を停止する時間として１〜５０μsecの時間が適当であることが開示されている。

特許第３３８６０４８号公報 特開２００８−２８２５９４号公報

古橋、竹下、小河、岩本、「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年年３月３１日、第６２巻、第３・４号、ｐｐ.１４１−１５１

上述のようにイオン導入時に一時的に矩形波電圧（高周波電圧）の印加を停止する場合、その印加停止の時間や印加再開のタイミングがイオンの捕捉効率を上げる上で重要であることは知られていたが、本願発明者の検討によれば、特にＤＩＴの場合、矩形波電圧の印加再開の際の位相もイオンの捕捉効率に影響を及ぼすことが判明した。

本発明はこうした点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、ＤＩＴによるイオントラップ装置において、外部からイオンを導入して捕捉する際にその捕捉効率を従来よりもさらに向上させることを主たる目的としている。

上記課題を解決するために成された本発明に係るイオントラップ装置は、パルス状にイオンを供給するイオン供給源と、複数の電極で囲まれる空間に形成する電場により前記イオン供給源から供給されたイオンを捕捉するイオントラップと、を具備するイオントラップ装置において、
a)前記イオントラップ内にイオンを捕捉するための高周波電場を形成するべく、前記イオントラップを構成する複数の電極の少なくとも１つの電極に矩形波状の高周波電圧を印加する電圧印加手段と、
b)前記矩形波状の高周波電圧を前記少なくとも１つの電極に印加しない状態で前記イオン供給源からパルス状に供給されたイオンを前記イオントラップ内に導入し、その導入されたイオンを捕捉するべく所定時間経過後に前記矩形波状の高周波電圧の印加を特定の位相から開始するように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。

本発明に係るイオントラップ装置の典型的な一態様として、上記イオントラップは、リング電極と、該リング電極を挟むように配設される一対のエンドキャップ電極と、から成る３次元四重極型イオントラップである構成とすることができる。この場合、電圧印加手段はリング電極に矩形波状の高周波電圧を印加し、これによりイオントラップ内空間にイオンを捕捉するための高周波電場を形成することができる。

本発明に係るイオントラップ装置では、イオン供給源から供給されるイオンが例えば入口側エンドキャップ電極に穿設されているイオン入射孔を通してイオントラップ内に導入される際にはリング電極には矩形波状高周波電圧が印加されておらず、イオン捕捉用の高周波電場はイオントラップ内に存在しない。この高周波電場はイオン入射孔を通して入り込もうとするイオンにとってはポテンシャル障壁となるが、この障壁がないことでイオンはイオン入射孔で跳ね返されることなくまた過度なエネルギを与えられることもなく、円滑に且つ適度な速度でイオントラップ内に導入される。

ただし、高周波電場がないためにイオントラップ内に入ったイオンは拡散しようとする。このようにイオンが高周波電場に拘束されない挙動をしている状態で、リング電極への矩形波状高周波電圧の印加が開始され高周波電場が形成される。イオンに対する捕捉用高周波電場の作用は、矩形波状高周波電圧の半周期毎に、イオンをリング電極の回転軸に沿った方向で中心付近に圧縮しつつ該方向と直交する方向に膨張させる作用と、逆に、イオンをリング電極の回転軸と直交する方向で中心付近に圧縮しつつ該回転軸に沿った方向に膨張させる作用と、を交互に繰り返す。そのため、高周波電場が存在しない状態から急に該高周波電場が形成されると、その開始時点の電場の状態、つまり矩形波状高周波電圧の位相がイオンの挙動に大きく影響する。

本願発明者のイオン挙動のシミュレーション計算によれば、矩形波状高周波電圧の印加開始時の位相が０°付近であるとその直後にイオンはリング電極の回転軸に沿った方向に膨張し、その位相が１８０°付近であるとその直後にイオンはリング電極の回転軸に直交する方向に膨張することが確認できる。一方、矩形波状高周波電圧の印加開始時の位相が９０°付近及び２７０°付近である場合には、イオンはリング電極の回転軸方向及びそれに直交する方向のいずれにおいても適度に収縮した状態になることが確認された。実際には、リング電極の内接半径の約２／３及びエンドキャップ電極のイオントラップ中心からの距離の約２／３以上の軌道を描くイオンは消散する確率が高いため、そうした観点からイオンの振動振幅がイオントラップ内空間の適度な範囲に収まる位相の範囲を判断すると、９０°±４０°、及び２７０°±４０°である。そうしたことから、本発明に係るイオントラップ装置において、上記特定の位相とは、好ましくは９０°±４０°の範囲、又は、２７０°±４０°の範囲、とするとよい。

本発明に係るイオントラップ装置によれば、イオントラップへのイオン導入時にイオン捕捉用の高周波電場を形成しないので効率良くイオンを導入することができ、イオンを導入した後に高周波電場によってイオンを効率良く捕捉することができる。それにより、従来よりもイオンの捕捉効率が向上し、より多くの量のイオンを質量分析に供することが可能となるために分析感度や分析精度を改善することができる。

本発明の一実施例によるイオントラップ飛行時間型質量分析装置の全体構成図。 本実施例のイオントラップ飛行時間型質量分析装置における制御タイミング図。 リング電極へ印加開始する高周波電圧の位相とイオントラップ内のイオンの拡がり状態との関係をシミュレーションした結果を示す図（位相：３２０°〜４０°）。 リング電極へ印加開始する高周波電圧の位相とイオントラップ内のイオンの拡がり状態との関係をシミュレーションした結果を示す図（位相：５０°〜１３０°）。 リング電極へ印加開始する高周波電圧の位相とイオントラップ内のイオンの拡がり状態との関係をシミュレーションした結果を示す図（位相：１４０°〜２２０°） リング電極へ印加開始する高周波電圧の位相とイオントラップ内のイオンの拡がり状態との関係をシミュレーションした結果を示す図（位相：２３０°〜３１０°）。 リング電極へ印加開始する高周波電圧の位相を変えたときの実測マススペクトルを示す図。 リング電極へ印加開始する高周波電圧の位相を変えたときの実測マススペクトルを示す図（図７の縦軸を拡大した図）。

本発明に係るイオントラップ装置の一実施例であるイオントラップ飛行時間型質量分析装置について添付図面を参照して詳細に説明する。図１は本実施例によるイオントラップ飛行時間型質量分析装置の全体構成図である。

この質量分析装置は、イオン化部１、イオンガイド２、３次元四重極型のイオントラップ３、飛行時間型質量分析部４を含む。例えばイオン化部１としては大気圧下で液体試料中の試料成分をイオン化するエレクトロスプレーイオン源やそれ以外の大気圧イオン源、或いは大気圧下でなく真空雰囲気の下でイオン化を行うイオン源としてもよい。イオンガイド２は多重極ロッド型の構成であり、後述するようにイオンを圧縮して後述のイオントラップ３に導入するために多重極ロッド電極の出口側端部の一部に抵抗体をコートし、出口側端部に電位凹部を形成できるようにするとともに、その外側に出口側ゲート電極２１を有している。

イオントラップ３は、内面が回転１葉双曲面形状を有する１個の円環状のリング電極３１と、それを挟むように対向して設けられた、内面が回転２葉双曲面形状を有する一対のエンドキャップ電極３２、３４とから成り、これら電極３１、３２、３４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３２の中央にはイオン入射孔３３が穿設され、出口側エンドキャップ電極３４にあってイオン入射孔３３とほぼ一直線上にはイオン出射孔３５が穿設されている。

飛行時間型質量分析部４は、リフレクタ４２を備えた飛行空間４１と、イオン検出器４３とを有し、イオントラップ３において一定の運動エネルギを与えられて出射された各種イオンを質量電荷比m/zに応じて分離して検出する。

イオントラップ駆動部５は、制御部７により制御される駆動信号生成部５１、リング電極３１に所定の電圧を印加する主電圧発生部５２、エンドキャップ電極３２、３４にそれぞれ所定の電圧を印加する補助電圧発生部５３を含む。イオントラップ３はいわゆるデジタルイオントラップ（ＤＩＴ）であり、主電圧発生部５２は駆動信号生成部５１から与えられる制御パルスに応じて直流高電圧±Ｖをスイッチングすることで矩形波状の高周波電圧を発生する回路を備える。

本実施例のイオントラップ飛行時間型質量分析装置の基本的な分析動作について図１に加え、図２を参照して説明する。図２は本実施例のイオントラップ飛行時間型質量分析装置における制御タイミング図である。

イオン化部１で生成されたイオンはイオンガイド２に導入されるが、このとき出口側ゲート電極２１を閉じるとともにイオンガイド２の出口側端部に電位凹部を形成し、その凹部にイオンを一時的に集積する。そして、所定時間、イオンをイオンガイド２の電位凹部に集積させたあとに、図２に示すように、出口側ゲート電極２１への印加電圧を変化させることで、集積していたイオンを一斉にイオントラップ３に向けて送り出す。イオンガイド２からイオントラップ３へイオンを送り出す際には、主電圧発生部５２からリング電極３１への高周波電圧の印加を停止しておき、補助電圧発生部５３から入口側エンドキャップ電極３２へ０Ｖ、出口側エンドキャップ電極３４へイオンの極性と同極性である所定の直流電圧を印加しておく。

これにより、イオンガイド２からパケット状に出射されたイオンは入口側エンドキャップ電極３２で反発されることなくイオン入射孔３３を通過してイオントラップ３内に導入され、出口側エンドキャップ電極３４に近付くとイオンと同極性の直流電場により反発される。イオンガイド２の電位凹部に集積されていたイオンは短時間でイオントラップ３内に導入され、イオン出射時点から所定時間ｔが経過した時点で主電圧発生部５２はリング電極３１への矩形波状高周波電圧の印加を瞬時的に開始し、捕捉用の高周波電場をイオントラップ３内に形成する。所定時間ｔはイオンガイド２から出射されたイオンの全て又は殆どがイオントラップ３に導入された時点となるように予め適当に定められる。また、リング電極３１への矩形波状高周波電圧の印加は予め定められた特定の位相から開始される。図２では、矩形波状高周波電圧の印加が該電圧の９０°の位相位置から開始されるようなタイミングとなっているが、これは一例であり、後述する所定の位相範囲内で任意の位相を選択することができる。

上述したようにリング電極３１に矩形波状高周波電圧が印加され高周波電場が形成されると、イオントラップ３に導入されたイオンは捕捉される。その後、図示しないガス供給部からイオントラップ３内にクーリングガスを導入し、イオンをクーリングガスに接触させることでイオンの運動エネルギを減衰させてイオンをイオントラップ３の中心付近に集める。そして、所定のタイミングで補助電圧発生部５３から入口側エンドキャップ電極３２にイオンと同極性の大きな直流電圧を印加することでイオンに運動エネルギを与え、イオン出射孔３５を通してイオンを一斉に出射させる。出射したイオンは飛行空間４１に送り込まれ、リフレクタ４２により形成される反射電場で折返し飛行する間に質量電荷比に応じて飛行時間に差がつき、最終的にイオン検出器４３に到達して順次検出される。

なお、イオントラップ３にイオンを捕捉した後、イオントラップ３内に衝突誘起解離ガスを導入するとともにイオンを共鳴励起振動させることによってイオンの解離を促進させ、解離によって生成した各種プロダクトイオンを飛行時間型質量分析部４により分析することもできる。

上記のような質量分析において分析感度や分析精度を上げるには、飛行時間型質量分析部４に送り込むイオンの量をできるだけ増やすことが重要であり、そのためには、イオン化部１で生成されイオンガイド２の電位凹部に集積されたイオンを効率良くイオントラップ３に導入して捕捉することが必要である。上述したように、イオン入射孔３３を経てイオントラップ３内に導入されたイオンを効率良く捕捉する、換言すればできるだけイオンの損失を少なくするには、矩形波状高周波電圧の印加を開始するタイミング、即ち、時間ｔを適切に定めると同時に、矩形波状高周波電圧の印加を開始するときの位相を適切に定めることが重要である。

リング電極３１に印加される高周波電圧によりイオントラップ３内に形成される高周波電場は、イオントラップ３内のイオンに対し、イオントラップ３の中心から離れる方向に移動させる作用とイオントラップ３の中心に向かって移動させる作用とを交互に及ぼす。このため、イオントラップ３内のイオンの雲状の集合体は高周波電圧の周期に同期して交互に膨張と収縮とを繰り返す。特に、イオントラップ３内に高周波電場が存在しない、つまり高周波電場による拘束力がない状態から瞬時に高周波電圧が印加されて高周波電場が形成されたとき、その直後のイオンの挙動は印加開始時の位相の影響を受け易いと想定される。そこで、本願発明者は、リング電極３１へ矩形波状高周波電圧の印加を開始する時点でのその位相とその直後のイオンの挙動との関係を把握するために、シミュレーション計算によりイオン軌道の解析を行った。

図３〜図６はイオンの軌道を計算した結果を示す図である。即ち、イオントラップ３の外部からイオン入射孔３３を通してイオントラップ３内部へm/z６０９のイオンを入射し、該イオンがイオントラップ３中心部付近に達した瞬間に、リング電極３１に矩形波状高周波電圧波形を印加している。この矩形波状高周波電圧の電圧振幅は７００Ｖで周波数は５００kHzとしている。この条件で、矩形波状高周波電圧の印加開始時の位相を１０°ずつ変化させたときの、５０μsec間のイオンの軌道を描出したのが図３〜図６である。

図３（ｅ）の０°、図４（ｅ）の９０°、図５（ｅ）の１８０°、図６（ｅ）の２７０°の４つの結果を比較すると、位相０°ではイオンは全体的にリング電極３１の回転軸（イオン入射孔３３の中心とイオン出射孔３５の中心を結ぶ軸）に沿った方向に膨張した状態にあり、逆に位相１８０°では、イオンは全体的にリング電極３１の回転軸に直交する方向（イオントラップ３内に向いたリング電極３１の頂部を含む面内の方向）に膨張した状態にあることが分かる。その両者の間の位相、つまり位相９０°及び２７０°ではイオンはリング電極３１の回転軸に沿った方向とそれに直交する方向のいずれにも比較的収縮した状態にあり、比較的狭い空間に収まっていることが分かる。

実際の装置においては、イオントラップ３内でイオンがイオントラップ３の中心から大きく外れてリング電極３１やエンドキャップ電極３２、３４に近付き過ぎると、イオンの軌道は不安定になって電極３１、３２、３４に接触したりイオン入射孔３３やイオン出射孔３５を通して排出されてしまったりして消散する可能性が高い。本願発明者の検討によれば、リング電極３１の内接半径の２／３及びエンドキャップ電極３２、３４のイオントラップ３中心からの距離の２／３で囲まれる範囲を逸脱するような軌道を描くイオンは散逸する確率が高くなることから、ここでは、イオンが該範囲を逸脱しないような軌道を描くようにすることを捕捉の目標とする。図３〜図６の結果について該目標を達し得るような位相の範囲は９０°及び２７０°を中心としておおよそ±４０°の範囲である。即ち、５０°〜１３０°、及び、２３０°〜３１０°が矩形波状高周波電圧の印加開始時の位相として適切な範囲であると言える。

矩形波状高周波電圧の印加開始時の位相を上記のように適切に定めることの効果を確認するために、位相を０°、９０°、１８０°、２７０°に設定したときのＮａＴＦＡサンプルに対するマススペクトルを実測した。その結果を図７に示し、図７の縦軸を拡大したものを図８に示す。０ベースピークであるm/z４３０の信号強度は、位相０°の場合に１．３×１０⁷、位相１８０°の場合に１．１×１０⁷であるのに対し、位相９０°、２７０°の場合には、１０〜２０％程度信号強度が改善している。また、質量電荷比の大きな領域において、位相９０°、２７０°の場合には位相０°、１８０°の場合に殆ど検出されないイオンが検出されていることが分かる。これら実測結果から、矩形波状高周波電圧の印加開始の位相を９０°、２７０°とすることにより、質量分析に供されるイオンの量が増加し、分析感度の改善がみられることが確認できる。

なお、イオントラップ３へのイオン導入時に矩形波状高周波電圧の印加を開始する位相は上記のような範囲内で予め１つに定めておいてもよいが、特定の質量電荷比や特定の質量電荷比範囲のイオンの質量分析を行う際に上記の位相範囲内でもより適切な位相が存在することがあり得る。そこで、目的とする質量電荷比や質量電荷比範囲に対して自動的に校正（チューニング）を実行し、信号強度が最大になるような位相を見いだすようにしてもよい。

また、上記実施例は本発明の一例にすぎず、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。

例えば、上記実施例では飛行時間型質量分析部により質量分析を実施していたが、イオントラップ自体でイオンの質量分離を実施するようにしてもよい。また、上記実施例ではイオン化部１が連続的に試料をイオン化するものであるため、イオントラップ３へパルス的にイオンを導入するためにイオン保持機能を有するイオンガイド２を用いていたが、イオン化部１がＭＡＬＤＩイオン源などのパルス的にイオンを生成するものである場合には、イオン化部１でパルス的に生成したイオンをそのままイオントラップ３に導入する構成とすることができる。

１…イオン化部
２…イオンガイド
２１…出口側ゲート電極
３…イオントラップ
３１…リング電極
３２…入口側エンドキャップ電極
３３…イオン入射孔
３４…出口側エンドキャップ電極
３５…イオン出射孔
４…飛行時間型質量分析部
４１…飛行空間
４２…リフレクタ
４３…イオン検出器
５…イオントラップ駆動部
５１…駆動信号生成部
５２…主電圧発生部
５３…補助電圧発生部
７…制御部

Claims (2)

1. パルス状にイオンを供給するイオン供給源と、複数の電極で囲まれる空間に形成する電場により前記イオン供給源から供給されたイオンを捕捉するイオントラップと、を具備するイオントラップ装置において、
   a)前記イオントラップ内にイオンを捕捉するための高周波電場を形成するべく、前記イオントラップを構成する複数の電極の少なくとも１つの電極に矩形波状の高周波電圧を印加する電圧印加手段と、
   b)前記矩形波状の高周波電圧を前記少なくとも１つの電極に印加しない状態で前記イオン供給源からパルス状に供給されたイオンを前記イオントラップ内に導入し、その導入されたイオンを捕捉するべく所定時間経過後に前記矩形波状の高周波電圧の印加を特定の位相から開始するように前記電圧印加手段を制御する制御手段と、
   を備え、前記特定の位相は、９０°±４０°の範囲、又は、２７０°±４０°の範囲、であることを特徴とするイオントラップ装置。
2. 請求項１に記載のイオントラップ装置であって、
   前記イオントラップは、リング電極と、該リング電極を挟むように配設される一対のエンドキャップ電極と、から成る３次元四重極型イオントラップであり、前記電圧印加手段は前記リング電極に矩形波状の高周波電圧を印加することを特徴とするイオントラップ装置。