JP6345270B2 - ターゲット質量分光分析の方法 - Google Patents

Description

ターゲット質量分光分析の方法に関する。

[0001]電子衝撃（ＥＩ）イオン化は、環境分析および技術的制御に幅広く用いられている。対象となる試料は、食品、土壌、または水のような分析を受けた媒体から抽出される。抽出物は、リッチ化学マトリックス内の対象となる不純物を含む。この抽出物は、単一または２次元のガスクロマトグラフィ（ＧＣまたはＧＣ×ＧＣ）内で時間分離される。ＧＣキャリアガス、典型的にはヘリウムは、電子ビームによるイオン化のために試料をＥＩ源に送り届ける。電子エネルギーは、一般に、標準的なフラグメントスペクトルを得るために７０ｅＶで維持される。スペクトルは、化合物の同定のために標準的なＥＩスペクトルのライブラリとの比較を受ける。

[0002]多くの応用例は、超微量化学マトリックスとリッチ化学マトリックスの間で高レベルの感度（例えば、少なくとも１ｐｇ未満、好ましくは１ｆｇレベル）で、かつ高ダイナミックレンジ（例えば、少なくとも１Ｅ＋５、望ましくは１Ｅ＋９）で超微量の分析を必要とする。高分解能を用いたデータは、一般に、信頼できる化合物同定および信号対化学ノイズ比の改善のために求められる。

[0003]多くのＧＣ質量分析計システムは、四重極分析器を用いる。ＥＩスペクトルは多数のピークを含むので、幅広い質量範囲にわたってスキャン質量分析器を使用することが一般に必要であり、これによって必然的にイオン損失となり、スペクトル取得を遅くし、個々の質量の微量の形状のねじれをもたらし、フラグメント強度比をゆがめる。ＧＣ分離、特にＧＣ×ＧＣ分離は、短いクロマトグラフィピーク（例えば、ＧＣ×ＧＣの場合に５０ｍｓ未満）をもたらすので、飛行時間質量分析計（ＴＯＦ ＭＳ）は、一般に、パノラマ（全質量範囲）のスペクトルの迅速な取得に使用される。

[0004]近い等質量のマトリックスイオンおよびそれらの低含量の同位体からなるターゲット化合物を分離するために、多重反射ＴＯＦ ＭＳ（ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳ）などの高分解能質量分析計を用いることが望ましい。例として、質量３００を有するイオンについて４．５ｍＤａの質量差を用いて^１２ＣＨから一対の^１３Ｃ を分離することは、７５，０００の分解能を必要とする。ダイオキシン分析の場合、要求される分解能は１０％のピーク高さで１０，０００であり、ある毒性のあるベンゼンの場合、フラン分解能は１８，０００を超えるべきである。

[0005]参照により本明細書に組み込まれる国際公開第２０１２０２４４６８号は、電子ビームのいわゆる「クローズド」ＥＩ源内にイオンを貯蔵し、その後、３０，０００を超える高分解能でＭＲ−ＴＯＦ内の超高感度分析（ＬＯＤ＝１ｆｇ）を行うために直交加速器（ＯＡ）の中へ同期させて解放する方法を説明する。しかしながら、ＥＩ貯蔵能力は、１ｎｇ／秒を超える瞬間の試料束において濃縮されたマトリックス内で微量化合物が分析されるときに空間電荷によって飽和する傾向があり、したがって１０ｐｐｂ（１０億分の１）を上回るマトリックスあたりの相対的試料濃度の検出可能な閾値を制限する。制限を回避するために、手間のかかる試料用意が要求される。したがって、より低い検出閾値が、ベビーフード中の農薬、環境試料中のダイオキシンなどの非常に毒性のある化合物の分析のために望まれる。

[0006]全体的に、微量質量分光分析の方法の改善が説明される。この方法は、ガスクロマトグラフィ分離、電子衝撃イオン化、および多重反射飛行時間質量分析計における質量分析を主に用いる。改善は、加熱されたＲＦオンリ四重極（ＲＦＱ）内のイオンビーム空間圧縮、ＲＦＱにおける低質量カットオフを用いた大部分のイオン束の除去、強力に減じられた空間電荷でのＲＦＱにおけるイオン貯蔵、および同期式直交加速器へのパルス状イオン放出により実現され、加速器へのイオン注入の最大化効率での比較的狭いターゲット質量範囲を進入許可するようになっている。有利には、開示した分析計は、ＲＦＱ内のイオン空間電荷のかなりの減少、貯蔵ＥＩ源と比較してイオン貯蔵領域のサイズの延長、およびＭＲ−ＴＯＦの比較的短い直交加速器内のイオンパケットの空間集束により、そのような方法において分解能、感度、およびダイナミックレンジの組合せを改善し、したがってパルス変換効率を１に近づける。他のタイプのＭＳ分析とは対照的に、狭い質量範囲の選択は、それが分子質量対クロマトグラフィ保持時間（ＲＴ）の知られたマップを用いたターゲット化合物についての感度に影響を与えないので有利になる。同時に、不要なイオンの阻止は、ＲＦＱ内の空間電荷を大きく減少させ、したがって検出器負荷も大きく減少させる。この方法は、ＣＩ、ＡＰＰＩ、ＡＰＣＩ、調整されたＧＤ、およびＳＥＳＩなどの他のタイプのイオン源にも適用可能であり、好ましくはターゲットとなる分子イオンの信号を最大化するために選択的かつソフトなイオン化を行う。好ましくは、ＭＲ−ＴＯＦの分解能は、減じられた質量範囲に適用可能ないわゆるズームモードを用いることで改善される。

[0007]本開示の１つまたは複数の実施の詳細は、添付図面および以下の説明に記載される。他の態様、特徴、および利点は、明細書および図面ならびに特許請求の範囲から明らかになろう。

[0008]本発明の様々な実施形態は、例示の目的だけに示される構成とともに、例のみによって以下の添付図面を参照して説明される。

[0009]蓄積ＥＩ源を有する従来技術の典型的なＭＲ−ＴＯＦ質量分析計システムの概略図である。 [0010]微量質量分光分析の提供した方法の概略ブロック図である。 [0011]ＥＩイオン源内のイオンフィルタリングおよびイオン蓄積を伴うＥＩ−ＭＲ−ＴＯＦシステムの概略図である。 [0012]加熱されたＲＦオンリ四重極内のイオンフィルタリングおよびイオン蓄積を伴うＥＩ−ＭＲ−ＴＯＦシステムの概略図である。 [0013]加熱されたＲＦＱ内のイオンフィルタリングおよび半径方向イオントラップ内のイオンパルス変換を伴うＥＩ−ＭＲ−ＴＯＦシステムの概略図である。 [0014]時間遅延プロファイルによって確かめられた蓄積ＲＦＱの後のデューティサイクルの測定を示すグラフである。 [0015]パルサー利得対ｍ／ｚとして実験およびシミュレートした機器の関数を示すグラフである。 [0016]ＧＣ−ＥＩ−ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳシステムへの１ｐｇのＨＣＢの注入から得られたＨＣＢの同位体の実験記録を示すグラフである。 [0017]図９Ａは、Ｍ＊＝５０ａｍｕの低質量カットに対応する２ＭＨｚにおける２００ＶのＲＦＱにおける低ＲＦ振幅でのＧＣ−ＥＩ−ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳシステムへの１ｐｇのＨＣＢの注入および１マイクログラムのディーゼルマトリックスの注入から得られたＨＣＢの同位体の実験記録を示すグラフである。 図９Ｂは、Ｍ＊＝５０ａｍｕの低質量カットに対応する２ＭＨｚにおける２００ＶのＲＦＱにおける低ＲＦ振幅でのＧＣ−ＥＩ−ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳシステムへの１ｐｇのＨＣＢの注入および１マイクログラムのディーゼルマトリックスの注入から得られたＨＣＢの同位体の実験記録を示すグラフである。 図９Ｃは、Ｍ＊＝５０ａｍｕの低質量カットに対応する２ＭＨｚにおける２００ＶのＲＦＱにおける低ＲＦ振幅でのＧＣ−ＥＩ−ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳシステムへの１ｐｇのＨＣＢの注入および１マイクログラムのディーゼルマトリックスの注入から得られたＨＣＢの同位体の実験記録を示すグラフである。 [0018]Ｍ＊＝１５０ａｍｕの低質量カットに対応する２ＭＨｚにおける６００ＶのＲＦＱにおける高ＲＦ振幅でのＧＣ−ＥＩ−ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳシステムへの１ｐｇのＨＣＢの注入および１マイクログラムのディーゼルマトリックスの注入から得られたＨＣＢの同位体の実験記録を示すグラフである。 [0019]ＲＦＱ内のイオン伝搬の速度を示す時間プロファイルのグラフである。

[0020]様々な図面における同じ参照符号は、同じ要素を示す。
[0021]図１は、ガスクロマトグラフ１３、イオン蓄積電子衝撃（ＥＩ）イオン化源１５、輸送イオン光学系１６、同期式直交加速器１７（ＯＡ）、およびＭＲ−ＴＯＦ分析器１８を用いる（国際公開第２０１２０２４４６８号の）ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳシステム１１の概略図を示す。

[0022]このシステムは、ターゲット質量分析に主に適しており、超少量（サブｐｇから低ｆｇ）の試料は、試料用意ステップおよび濃縮ステップに当然ながら残っているので、試料マトリックスの存在中で検出されることになる。クロマトグラフィ保持時間（ＲＴ）などの分子質量または主要ピーク質量は、標準品の注入を伴う従前の実験から知られており、これはすべての特定のターゲット式分析のためにＭ（ＲＴ）マップを生成することを可能にする。ＥＩ源は、強い（１〜３ｍＡ）電子ビームのポテンシャル井戸内にイオンを蓄積する。周期的におよびＯＡと同期させて、貯蔵されたイオンは、ＥＩ電極に印加された発生器１９からのパルスによってＥＩ源からパルス放出させる。取り出しパルスも、ターゲット質量Ｍ（ＲＴ）のために事前計算される時間遅延を伴ってＯＡに印加される。ＯＡは、ターゲット化合物と同位体希釈標準品との両方のスペクトルを記録するのにちょうど十分な比較的狭い質量範囲、典型的には２０〜３０ａｍｕの幅を許容する。ＥＩ源内の空間電荷の飽和を減少させるために、取り出しパルスは、ＭＲ−ＴＯＦの飛行時間に比べて顕著に短い時間周期で印加することができる。代替として、パルスはより長い期間で印加することができ、ＭＲ−ＴＯＦはズームモード中に動作させる。通常、ＭＲ−ＴＯＦ１８のズームモードは、ＭＲ−ＴＯＦ分解能を増加させるために、パルス偏向２０をＭＲ−ＴＯＦのサイドレンズ要素に適用し、したがってイオンを分析器内の別の完全なパスに対して押すことによってなされる。

[0023]典型的なＥＩ−ＭＲ−ＴＯＦは、超高感度分析を可能にするが、限られたマトリックス濃度の条件だけである。（１ｍｓあたり１回の）遅いパルス生成では、ＥＩ源は、３０〜１００ｐｇ／ｓもしくはその周辺の中性束で飽和させるとともに、より高速なパルス生成（３０μｓあたり約１回）では約１ｎｇ／秒のマトリックス束で飽和させる。１０〜３０分のＧＣの動作を説明すると、これは総マトリックス量の約１００ｎｇ制限に対応し、すなわち分析は、１０ｐｐｂ（１Ｅ−８）またはその周辺の相対濃度のターゲットとされた化合物に制限される。達成は優れているが、より要求の厳しい応用には十分でない可能性がある。ダイオキシン分析の望ましいレベルは、１ｐｐｑ（１Ｅ−１５）までであり、一方、試料予備濃縮は、１Ｅ＋５から１Ｅ＋６へ制限されることが知られている。したがって、検出できる相対濃度のためにさらに低い制限を実現することが望ましい。

[0024]本発明者らは、大部分の蓄積されたイオンが約１００〜１５０ａｍｕ未満の低質量であることを理解した。そのような低質量イオンは、イオン貯蔵領域内の空間電荷飽和の大部分の原因となり、一方ターゲット質量は、この閾値より上である。一例として、毒性のあるダイオキシンは、約３００から５００ａｍｕ内である。

[0025]次に図２を参照すると、最も一般的な形態において、ターゲット質量分光分析の提案した方法は、以下のステップ、すなわち、（ａ）ターゲット化合物の質量がクロマトグラフィ保持時間Ｍ（ＲＴ）の関数としてマップされるような標準的な条件でのクロマトグラフィ分離、（ｂ）試料イオン化、（ｃ）ｍ（ＲＴ）よりも小さい低質量イオンの除去、（ｄ）電子ビーム、または無線周波数四重極またはＲＦトラップにおけるイオン蓄積およびパルス放出、および（ｄ）多重反射飛行時間質量分析計ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳまたは静電トラップにおける質量分析を含む。一実施では、好ましくは、この方法は、同期式直行加速のステップをさらに含んでもよい。この方法およびその変形例の複数の詳細が、特定の機器のためにさらに示される。ここで、この方法が、イオン貯蔵および稀なパルス放出の改善を主に取り扱うものであり、したがってこの方法の利点の一部が、多重反射ＴＯＦ ＭＳ、マルチターンＴＯＦ ＭＳ、開放静電トラップ、ＦＴ分析を用いる静電トラップ、および軌道トラップなどの延長された質量分析時間を用いる静電分析器からなるより一般化された群に適用できることは述べる価値がある。

[0026]図３は、一実施によるイオンフィルタリングおよびＥＩイオン源内のイオン蓄積を伴うＥＩ−ＭＲ−ＴＯＦシステム３１の概略図を示す。システム３１は、周期的パルス状またはＲＦ信号３９をＥＩ源１５の少なくとも１つの電極に加えることによってシステム１１と異なるようにする。図示の例では、０．３〜３ＭＨｚまたはその周辺の周波数範囲および５０〜１００Ｖもしくはその周辺の振幅の周期的パルス信号がイオンチャンバ３５に印加され、ほぼ対称的で逆極性のパルス信号が、電極３６および３７に印加される。対称的な直流バイアスが電極３５〜３７へ供給されて大きい質量のイオンをこのようにして形成された四重極トラップの中心へ戻し、一方、小さい質量のイオンはトラップから除去される。低質量カットオフは、Ｍ（ＲＴ）プロット１４中の曲線３４に従って、すなわち、任意の特定のＲＴにおけるターゲット化合物の質量未満で、パルス信号の振幅または周波数を調整することによって保持時間（ＲＴ）を用いて調整することができる。信号対称性により、およびチャンバ直径あたりの電極距離（距離は直径の約０．９である）の適切な選択により、トラップの中心における正味電位は、パルス信号および電極３５〜３７への直流バイアスによる影響を受けないことにも留意されたい。約７０ｅＶの電子が２ｎｓもしくはその周辺の時間で約１ｃｍの源を貫いて飛ぶので、電子ビームは時変調を受け、ただしイオントラッッピング特性を失うことはない。１００μｓ〜１ｍｓもしくはその周辺の期間内のイオン貯蔵の完了時に、取り出し用パルスは、取り出し電極３８へ印加されて貯蔵されたイオンを同期式ＯＡ１７の中に取り出す。適宜、パルス信号３５〜３７は、スイッチオフすることができ、または取り出し時間にある状態へ駆動することができる。適宜、電子ビームは、イオン取り出し時間に信号３５の負のバイアスによって阻止することができる。信号の最適な構成は、実験でこれから決定される。

[0027]軽いイオンの除去によって（１００〜１５０ａｍｕまたはその周辺のカットオフ質量の場合約２〜３桁だけ）蓄積されたイオンの空間電荷を激的に減少させ、これは、ＧＣ微小カラム能力の１０ｎｇ／秒またはその周辺の制限まで実質的に増加した試料負荷でＥＩ源の蓄積特性を保存する傾向がある。

[0028]図４は、一実施によるイオンフィルタリングおよびＲＦオンリ四重極（ＲＦＱ）内のイオン蓄積を伴うＥＩ−ＭＲ−ＴＯＦシステム４１の概略図を示す。システム４１は、ＥＩ源１５の後のイオン光学系４２と、ポート４４を介して０．１３３〜１．３３Ｐａ（１〜１０ｍＴｏｒ）のガス圧までヘリウムで満たされた加熱されたＲＦＱ４３と、出口スキマー４５および４６と、ＲＦ発生器４９とを備える。好ましくは、軸方向直流勾配は、例えばグランドカーボン充填セラミック抵抗器（ＨＶＰ抵抗器、ＵＳ抵抗器）から作製された抵抗性四重極ロッドを用いて、および複数の二次コイルを有するＲＦ回路４９、および中央タップを介して供給される直流バイアスを用いて、ＲＦＱ４３内に配置される。実験において、熱伝導性シュラウド４７を加熱することによってＲＦＱを少なくとも約２５０℃の高温で維持することが重要であることが分かった。シュラウド４７およびＲＦＱ４３は、ガスとのイオン分子反応を防ぐために金属、ガラス、およびセラミックスのようなクリーン材料を備える。好ましくは、加熱されたＲＦＱは、米国特許第６１１１２５０号に記載された、ＲＦＱを通じてのイオン移動の加速のために軸方向直流場を与えるように補助電極をさらに備えることができる。そのような補助電極は、軸方向場の線形性を改善するために（２方向に楔を形成する）先細った楔形電極とすることができる。一実施では、好ましくは、ＲＦＱ４５内のイオントラッピングは、Ｌｉｎｅａｒ Ｉｏｎ Ｔｒａｐ ｗｉｔｈ Ａｘｉａｌ Ｅｊｅｃｔｉｏｎ ａｓ Ａ Ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｒ ａ ＴＯＦ ＭＳ、ＡＳＭＳ ２００５アブストラクト、Ｋｏｚｌｏｖらに記載されるように、補助トラッッピングおよびパルス電極を用いてさらに改善することができる。

[0029]ここで、ＥＩ源１５は、連続モードで動作し、したがって源内に確立された空間電荷を減少させる。イオンは、明らかに、２ｍｍを上回る穴サイズにおいてほぼ単位効率でシュラウド４７のエントランス穴へ集束する。ＥＩ源１５とＲＦＱ４３の間の直流バイアスは、ＲＦＱ内のさらなるイオンフラグメンテーションを防ぐために、約１０ｅＶ未満で維持される。中程度の（ほぼ３以上１０Ｖ以下の）ＲＦＱ内の軸方向直流勾配は、約１００〜２００μｓ程度で迅速なイオン移動を与え、これは、極端に急速な分離をもたらすＧＣ×ＧＣを用いる場合、時間応答に影響を及ぼさない。電極４５または４６（好ましい）に離反電圧を組み合わせた軸方向勾配は、ＲＦＱ出口の近くに軸方向直流トラップを配置する。イオンは、電極４６の電気パルスによって周期的に取り出される。クロック１９は、取り出しパルスをＯＡ１７のパルスとほぼ同期させ、比較的狭い質量範囲（約２０ａｍｕ以上６０ａｍｕ未満）をＮＲ−ＴＯＦ１８の中に入れるようになっている。中に入れられた質量範囲は、特定のターゲット式分析のために以前取得したＭ（ＲＴ）マップ１４に従ってＧＣ保持時間で調整される。Ｍ（ＲＴ）マップは、標準品の注入における連続システムモードでまたは標準的な分析法を用いて得ることができる。適宜、望ましい質量窓内の正確に等しい伝達は、ＲＦＱとＯＡパルスの間の時間遅延をディザリングすることによって得ることができる。適宜、限られた質量窓により信号の重なり合いを依然として防ぎつつ、パルス周期は、ＭＲ−ＴＯＦ内の飛行時間より短く選択することができる。代替としておよびより好ましくは、パルス周期は、ＭＲ−ＴＯＦ分析をいわゆるズームモードに配置するように延ばされており、分解能を高める目的で、イオンは複数の通過のためにＭＲ−ＴＯＦ内で偏向されるパルスである。イオン減衰が約３００ａｍｕ以上５００ａｍｕ以下のイオンについて約５〜１０ｍｔｏｒ＊ｍｓであるガス圧と時間の積によって制御されるので、より長いパルス周期で、ＲＦＱからの部分的なイオンサンプリングにより、幾分低い（約０．４０Ｐａ以上約０．６７Ｐａ以下（約３ｍＴｏｒ以上５ｍＴｏｒ以下））ヘリウム圧力が使用され得る。

[0030]実験の章に示されるように、ＲＦＱトラッピングの空間電荷容量を増加させる目的で、低質量イオンを除去することが重要であり得る。低質量の境界は、グラフ１４中の曲線４８に従って選択されることが好ましく、それによって低質量カットオフが任意の特定のＲＴでターゲット質量未満のままであるようになる。一実施では、ＲＦＱは、特に減じられたＲＦ周波数で、低質量カットオフのための優れたツールである。有効に輸送される質量範囲は、（十分なＲＦ振幅が与えられ、振幅が低質量境界によって制限される場合）ＲＦ周波数の平方に比例することが知られており、広帯域ＲＦＱは約３以上５ＭＨｚ以下の周波数を用いる。従来の分析とは対照的に、ターゲット分析では、広い質量範囲は必要でない。したがって、ＲＦ周波数は、約１０００ａｍｕまでの正確に調整可能なカットオフのために約１ＭＨｚまで下げることができる。ＲＦＱは、分析四重極に比べて好ましく、それはもっとずっと高度な安定化された回路を必要とするとともに、トラップされたイオンのさらなる不安定性をもたらすことに留意されたい。

[0031]代替として、限られた（例えば、約１０ａｍｕ以上２０ａｍｕ以下）質量帯域が、さらなる粗い四重極フィルタによって、または粗い飛行時間フィルタを用いて選択されてもよい。国際公開第２０１２０２４４６８号（ＰＥＩＳ）に記載されるように、後者は、ＥＩ源１５にイオンを蓄積しイオンをパルスにすることによって配置することができ、その後に、ＥＩ源１５とＲＦＱ４３の間に短い線形のドリフト領域を配置することができる。そのようなドリフト空間は、レンズ４２を延ばすことによって配置されてもよい。質量選択は、ＲＦＱ４３のエントランススキマーを通じてのパルス進入許可によってなされ得る。

[0032]実験の章に示されるように、システム４１は、いくつかの代替方式で動作させてもよい。約２０ａｍｕの狭い質量帯域のパルス出力は、イオン信号の約１００〜２００倍の間の圧縮で約５以上１０μｓ以下のパルス持続期間で実現される。３０μｓまたはその周辺の幅広いパルスを用いることによって、圧縮利得が約１０以上２０以下まで低下し、一方、質量範囲は約２００ａｍｕまで拡大する。約１ｐｇ以上１０ｎｇ以下の範囲に対応する相対的に強い信号の全質量範囲分析は、１またはその周辺における圧縮利得で連続ＲＦＱ動作にて行われることが好ましい。

[0033]システム４１は、従来技術の貯蔵用ＥＩ源（国際公開第２０１２０２４４６８号）を超える提案した方法の利点を示す。イオン貯蔵領域はＥＩ源からＲＦＱの中に移され、それによってイオン貯蔵前の軽いイオンの除去が可能になり、したがって激的に（数桁）イオン貯蔵における空間電荷の制限を減少させる。従来技術の貯蔵用ＥＩ源は、試料による汚染の傾向があり、これはイオン貯蔵およびパルス放出方式に影響を及ぼす。貯蔵領域を源から遠くに移動させることによって、システム５１は、ずっとより安定で頑丈になる。

[0034]図５は、加熱されたＲＦＱ内のイオンフィルタリングおよび半径方向イオントラップ内のイオンパルス変換を伴うＥＩ−ＭＲ−ＴＯＦシステム５１の概略図を示す。システム５１の上流部分は、ＯＡ１７が直線イオンガイド５６とさらなる切り替えＲＦ供給部５９を有するトラップ５７とによって置き換えられることを除いて、システム４１のものととても類似している。トラップ５７（ＣＳ）の断面は、好ましくは、切り替えＲＦ信号が側電極に印加され、一方、直流信号およびパルス信号は上電極および下電極に印加されることを示す。

[0035]一実施では、システム５１は、次のように動作する。ＥＩ源は連続的に動作し、イオンは光学系４２によって加熱されたＲＦＱ４３のエントランス穴へ集束する。ＲＦＱ４３は、ガス圧約１．３３Ｐａ（約１０ｍＴｏｒ）までヘリウムで満たされる。イオン流は、ＲＦＱ電極４５から出るように小さい振幅信号を印加することによって、長い（約１００μｓ以上１ｍｓ以下）セグメントにおいて、ガイド５６の中に向かうことが停止および解放される。注入したイオンは、トラップセグメント間の小さい直流バイアスによってトラップ５７においてトラップされる。イオンは、約０．４０Ｐａ以上１．３３Ｐａ以下（約３ｍＴｏｒｒ以上１０ｍＴｏｒｒ以下）のガス圧のヘリウム中で、約１ｍｓ以上２ｍｓ以下の時間内に減衰させる。周期的ＲＦ信号５９はスイッチオフされ、取り出しパルスは、好ましくは等時性湾曲入口（図示せず）を介して、ＭＲ−ＴＯＦ１８の中へイオン注入するためにトラップの上電極および下電極へ印加される。一実施では、低質量イオンは、ＲＦＱ４３においてフィルタリングされる。フィルタリングは、トラップ５９内に蓄積した空間電荷を実質的に低下させ、より高い質量イオンの細長い（約１ｍｓ以上２ｍｓ以下）の蓄積を可能にする。

[0036]システム４１とは対照的に、システム５１は、プロット１４のグレー領域によって示されるように、幅広い質量範囲の分析を可能にするが、直線トラップ、追加のＲＦ供給部、および曲がった入口などのさらなるシステムの複雑化に関するコストが伴う。

[0037]実験的試験
[0038]以下の実験は、例示の目的のためのものである。実験的試験については、質量フィルタリングがイオン蓄積へ及ぼす影響が、内径ＩＤ１３ｍｍおよび長さ１０ｍｍのクローズドイオン源１５を用いてＧＣ−ＥＩ−ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳシステム４１において試験された。実験に関しては、熱電子エミッタ１５ｅは、３ｍＡの安定している放出電流をもたらした。イオン化チャンバは、イオン化チャンバ内の２ｍｍのビームエントランス穴を通じて５００μＡの電流の電子ビームをサンプリングした。０．０２Ｔ（２００ガウス）の均一な磁石の場は、電子ビームをイオン化領域に閉じ込めた。イオン化チャンバの取り出し穴は約４ｍｍの直径を有し、第２の電極（例えば、真空密封された取り出し電極）は直径約２ｍｍの出口穴を定める。イオン化領域は、０．１から１０ｍＬ／分のヘリウムガス流内の（Ａｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃ．、５３０１ Ｓｔｅｖｅｎｓ Ｃｒｅｅｋ Ｂｏｕｌｅｖａｒｄ、Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ、ＣＡ ９５０５１−７２０１から市販の）Ａｇｉｌｅｎｔ６８９０Ｎガスクロマトグラフから輸送ラインを介して試料を受け取る。実験の大部分は、ＧＣ微小カラムにとって典型的な１ｍＬ／分のヘリウム流に対応する。この実験については、イオン化チャンバは接地に対して＋９０Ｖで浮かせ、電子エネルギーは約２０ｅＶから約１００ｅＶの間の範囲内で選択される。連続的にイオン化された試料は、数ボルトの弱い場によって取り出され、＋８５Ｖおよび＋３０Ｖの２つのリング電極によってＲＦＱの加熱されたシュラウド内の２ｍｍのエントランス穴の中に集束させる。ＲＦＱは、２００オームのカーボン充填セラミック抵抗器（ＨＶＰ抵抗器）製の６ｍｍの抵抗性ロッドを備え、４つの二次コイルを用いてＲＦ回路によって供給を受けている。３〜１０Ｖの軸方向勾配は、二次コイルの中央タップを介してロッド端部間に直流バイアスを印加することによって配置される。ＲＦ周波数は２．３ＭＨｚである。ＲＦＱは、試料のビルドアップとメモリ効果を防ぐために２５０Ｃまで加熱される。最大試験振幅６５０Ｖで、ＲＦＱは、１５０ａｍｕ未満のイオンを除去する。イオン貯蔵およびパルス放出は、出口スキマー４５および４６へのパルス信号によって行われる。プレート４５は４ｍｍの直径を有し、プレート４６は１．５ｍｍの直径を有する。試験スキーム間で、パルス生成プレート４６はより高い圧縮利得をもたらし、したがってデータはこの一連の実験についてだけ示されることが分かった。取り出しパルスの典型的な周期は、（ＭＲ−ＴＯＦ１８における１０００ａｍｕの飛行時間に相当する）５０から６５０ｍｓで変わる。典型的な遅延は３０〜４０μｓであり、３００ａｍｕイオンのアドミタンスに対応する。イオン光学系１６は、イオンをＯＡの中に舵取りするための舵取り電極をやはり備えている２つの望遠レンズからなるセットである。典型的な偏向は、正確な光学系位置合わせを示すゼロに近い。イオンビーム発散は、１５０Ｃの温度で加熱されたコリメータによって制限され、８０ｍｍ間隔をおいて配置された３ｍｍおよび１，５ｍｍの直径の２つの穴によって形成される。

[0039]９０ｅＶのイオンビームは、直交サンプリングされるイオンパケットの有効長さが６ｍｍの直交加速器１７に入る。イオン源、ＲＦＱ４３、レンズ１６、および直交加速器１７は、各実験についてＭＲ−ＴＯＦ分析器１８のＹ軸に対して約４．５度の角度ですべて傾斜している。ビームは、直交加速器１７の後のＸＺ平面上へ戻るように舵取りされる。ソース取り出しパルスと直交加速パルスの間の遅延は、望ましい質量範囲のイオンを進入許可するように変えられ、進入許可された質量範囲は、ＭＲ−ＴＯＦ分析器１８内で確認される。

[0040]図１のＭＲ−ＴＯＦ分析器１８は、実験のために平坦であり、それぞれが５つの細長いフレームからなる２つの平行かつ平坦なイオンミラーを備える。電極の電圧は、初期イオンエネルギー、空間の広がり、および角度の広がりに対して高次の等時性イオン集束に到達するように調整される。ミラーキャップ間の距離は約６００ｍｍである。周期的レンズのセットは、主ジグザグ軌道に沿ったイオン閉じ込めを行う。イオンは、前方Ｚ方向および後方Ｚ方向にレンズを通過する。この実験の場合、イオン経路の有効全長は約１６ｍである。加速電圧４ｋＶは、ＭＲ−ＴＯＦ分析器１８の浮いているフィールドフリー領域によって規定される。１０００ａｍｕの最も重いイオンについての飛行時間は、６００μｓであり得る。

[0041]連続動作モードでは、ＥＩ−ＴＯＦ ＭＳシステム４１のデューティサイクルは、比較的重い質量／電荷比（例えば、ｍ／ｅ＝１０００）については約０．２５％であり得、より小さいイオン質量／電荷比の平方根に比例して低下する。ＥＩ−ＴＯＦ ＭＳシステム４１は、３００ａｍｕの比較的重いイオンについて４５，０００〜５０，０００の分解能を有することができる。ズームモードでは、レンズ２０は、対象となるイオンが分析器を通る第２の完全なパスを作成するように律動させ、これによって飛行時間と分解能の両方を２倍にする。

[0042]図６は、時間遅延プロファイルによって確かめられるデューティサイクルの測定値を示す。パルス蓄積モードでは、対象となるイオンは、時間が圧縮され、それによって調整パラメータに応じてパルス変換効率を１００〜２００倍高める。（カラムブリージングに対応する）２８１ａｍｕのイオンの場合、プロファイルの幅は１．５μｓであり、９０ｅＶのエネルギーで６ｍｍの間隙を通過する計算された飛行時間は、０．７５μｓ（速度８ｍｍ／μｓ）である。したがって、実験的に測定されたデューティサイクルは５０％である。

[0043]図７は、パルサー利得対ｍ／ｚとして機器の機能を示す。１４０を上回る利得が１０ａｍｕを上回る質量窓について得られる。シミュレートした機器の機能が、３つの交互の遅延を用いる場合に示される。２０ａｍｕの質量窓は、パルサー利得＝１２５で１０％以内の均一さである利得が示される。

[0044]図８は、ＲＦ振幅２００Ｖで得られたシステム４１の感度を示す。感度は、ＧＣカラムの中への１ｐｇに対応する１：１００分割で１００ｐｇ／１μｌのヘキサクロロベンゼンＣ６Ｃｌ６（ＨＣＢ）の繰り返しの注入に関して測定された。より小さい注入は、制御困難であり、あまり再現できなかった。２８３．８イオン（同位体クラスタの全同位体存在比の１／３に相当する主な同位体）について得られたＴＩＣ（全イオン電流）およびＳＩＣ（選択イオン電流）の記録が、パルスモードおよび連続モードについて示されている。クロマトグラフィピークあたり検出されたイオンの総数は、個々のイオンあたりの信号ビットの平均数を測定しつつ計算された。連続モードにおいて感度は主な同位体あたり３００〜５００個のイオン（すべてのＨＣＢピークあたり３０００個のイオン）であるが、パルスモードは、主な同位体あたり約７０，０００から１００，０００個のイオンを示した（両者、ＧＣカラムへ１ｐｇ注入時）。信号利得は約２００倍である。そのような感度は、１／２０００の存在比に対応するマイナーな２９３．８同位体についてのＳＩＣ記録の信頼できる検出を可能にする。同様の記録は、０．５ｆｇの注入で主な同位体について得ることができると発明者は結論した。装置は、ターゲット式分析について感度と分解能の前例のない組合せを与える。しかしながら、錯体マトリックスを含む実際の試料を注入するとき、パルス方式の感度は、強く影響を受けた。

[0045]図９Ａ、図９Ｂ、および図９Ｃは、パルスモードにおける感度の回復に及ぶ低質量カットオフの影響を示す。図９Ａは、ＧＣカラムに搭載された１μｇのディーゼルについての連続ＭＲ−ＴＯＦモードで取得される典型的なＴＩＣプロファイルを示す。最大ピークは、源への１０ｎｇ／秒の試料束に対応する。図９Ｂは、システム４１をパルスモードで動作させ、ＲＦＱを２００Ｖに設定したときの１μｇのディーゼル負荷での２６４ａｍｕ（ＰＦＴＢＡピーク）についてのＳＩＣを示す。ＰＦＴＢＡピークの信号は、１ｎｇ／秒に近づく試料負荷で消失する。図９Ｃは、システム４１をパルスモードで動作させ、ＲＦＱを６５０Ｖに設定しときの１μｇのディーゼル負荷での２６４ａｍｕ（ＰＦＴＢＡピーク）についてのＳＩＣを示す。ＰＦＴＢＡピークの信号は、ディーゼル溶離中にいくらかの変化を有する。しかしながら、同様の信号変調が連続動作モードで観察される。したがって、それらの変化は、ＲＦＱ貯蔵の空間電荷の飽和ではなく連続源の飽和によって引き起こされる。変調は、ＥＩ源におけるより大きい穴を用いるとき消えることが知られている。

[0046]図１０は、１ｐｇのＨＣＢと１μｇのディーゼルを同時に同時注入する一例を示す。感度は、純粋なＨＣＢの場合よりも低いが、１ｐｇのＨＣＢ注入でのＧＣピークあたり２８３．８同位体あたり約５０，０００個のイオンをそれでも与える。したがって、フェムトグラムの検出は、１μｇのマトリックスの存在で証明され、すなわち、検出可能な濃度比は１ｐｐｂである。

[0047]図１１は、１．３３Ｐａ（１０ｍｔｏｒ）のヘリウム圧および５Ｖ直流勾配でのＲＦＱ４３内のイオン伝搬の時間プロファイルを示す。ＲＦＱエントランスでのイオンパルスは、ＲＦＱの前のイオン光学系を律動させることによって形成される。パルス遅延は（イオン質量に依存する）１００〜２００μｓであり、一方パルス幅は約５０μｓである。したがって、ＲＦＱを通じてのイオン伝搬は、ＧＣ×ＧＣにおける最高速分離に何ら影響を与えない。

[0048]本明細書は多くの詳細を含むが、これらは本開示の範囲のまたは特許請求され得るものの範囲の限定として解釈されるべきではなく、むしろ本開示の特定の実施に特有の特徴の説明として解釈されるべきである。別個の実施の文脈で本明細書に記載されているいくつかの特徴は、単一の実施において組み合わせて実施することもできる。逆に、単一の実施の文脈で記載されている様々な特徴は、複数の実施において別々に実施することもでき、または任意の適切な下位の組合せにおいて実施することもできる。また、特徴はある組合せにおいて作用するものとして上述された場合があり、さらにそのようなものとして最初に特許請求され得るが、特許請求された組合せからの１つまたは複数の特徴は、場合によっては、その組合せから削除されてもよく、特許請求された組合せは、下位の組合せまたは下位の組合せの変形例に向けられてもよい。

[0049]同様に、動作は特定の順序で図面に示されているが、これは、そのような動作が図示の特定の順序または連続した順序で行われること、あるいは所望の結果を実現するために、示されたすべての動作が行われることを必要とするものとして理解されるべきでない。いくつかの状況では、マルチタスクおよび並列処理が有利であり得る。また、上述した実施形態における様々なシステムの構成要素の分離は、すべての実施形態においてそのような分離を必要とするものとして理解されるべきではなく、説明したプログラムの構成要素およびシステムは、一般に、単一のソフトウェア製品にともに統合されてもよく、または複数のソフトウェア製品に実装されてもよいことを理解されたい。

[0050]いくつかの実施が説明された。それにもかかわらず、本開示の要旨および範囲から逸脱することなく様々な変更がなされてもよいことが理解されよう。したがって、他の実施は、以下の特許請求の範囲の範囲内にある。例えば、特許請求の範囲に挙げられた動作は、異なる順序で実行されてもよく、それでもなお所望の結果を実現する。

Claims (13)

1. 試料のためのターゲット質量分光分析の方法であって、
   クロマトグラフィ分離のために、保持時間（ＲＴ）の関数としてターゲット質量のマップを確立するステップと、
   前記試料を注入しクロマトグラフィで分離するステップと、
   イオン源内で前記試料をイオン化するステップと、
   前記ターゲット質量より小さい低質量イオンを、
   無線周波数場オンリ四重極イオンガイドにおいて低質量フィルタリングするステップ、
   ２００℃を上回って前記無線周波数場オンリ四重極イオンガイドを加熱するステップ、
   イオン軸方向速度を加速させおよび制御しならびに前記無線周波数場オンリ四重極イオンガイドの出口の近くでのイオン分子反応を減少させるように構成された軸方向直流場を配置するステップ、および
   前記無線周波数場オンリ四重極イオンガイドを１〜１０ｍＴｏｒ（０．１３３〜１．３３Ｐａ）のガス圧範囲のヘリウムガスで満たすステップ、
   により除去するステップと、
   前記無線周波数場オンリ四重極イオンガイドを介してイオンを蓄積しパルス放出するステップと、
   多重反射飛行時間質量分析計ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳにおいて質量分析するステップと、
   を含む方法。
2. 同期式直交パルス式加速
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記クロマトグラフィでの分離のステップは、溶媒約１μＬを超える大容量注入で行われる、請求項１に記載の方法。
4. 前記クロマトグラフィでの分離のステップは、正確に、または実質的に０．５ｍＬ／分以上２ｍＬ／分以下のヘリウム流で行われる、請求項１に記載の方法。
5. 前記クロマトグラフィでの分離のステップは、２ｍＬ／分から２０ｍＬ／分のヘリウム流で行われ、前記方法は、
   前記試料をイオン化する前に差動ポンプステージにおいて溶離剤を分離するステップ
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記イオン化のステップは、（ｉ）電子衝撃イオン化（ＥＩ）、（ｉｉ）化学イオン化（ＣＩ）、（ｉｉｉ）光化学イオン化（ＡＰＰＩ）、（ｉｖ）大気圧化学イオン化（ＡＰＣＩ）、（ｖ）エレクトロスプレー（ＥＳＩ）、（ｖｉ）ＳＥＳＩ、（ｖｉｉ）調整されたグロー放電イオン化（ＧＤ）、および（ｖｉｉｉ）上記イオン化法における陽イオンモードまたは陰イオンモードのいずれかの使用からなる群から選択される１つのステップを含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記イオン化のステップは、電子衝撃イオン化であり、ＥＩ源の全開口面積は、（ｉ）３から５ｍｍ^２の間、（ｉｉ）５から１０ｍｍ^２の間、（ｉｉｉ）１０から２０ｍｍ^２の間、および（ｉｖ）２０から５０ｍｍ^２の間からなる群から選択される、 請求項６に記載の方法。
8. ＭＲ−ＴＯＦにおける質量分光分析の前記ステップは、飛行経路およびＭＲ−ＴＯＦ分解能を２倍にするために、サイドレンズによってイオン運動を戻すステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記イオン源と前記無線周波数場オンリ四重極イオンガイドとの間で直流バイアスを１０ｅＶ未満に維持するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記ターゲット質量より小さい低質量イオンを除去する前記ステップは、前記無線周波数場オンリ四重極イオンガイドの無線周波数の平方に比例した輸送質量範囲を備える、請求項１に記載の方法。
11. 試料のためのターゲット質量分光分析の方法であって、
    クロマトグラフィ分離のために、保持時間（ＲＴ）の関数としてターゲット質量のマップを確立するステップと、
    イオン源内で前記試料をイオン化するステップと、
    前記ターゲット質量より小さい低質量イオンを、
    線形無線周波数イオントラップにおいて低質量フィルタリングするステップ、および
    ２００℃を上回って前記線形無線周波数イオントラップを加熱するステップ、
    により除去するステップと、
    前記線形無線周波数イオントラップを介してイオンを蓄積しパルス放出するステップと、
    多重反射飛行時間質量分析計ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳにおいて質量分析するステップと、
    を含む方法。
12. 低質量イオンを除去する前記ステップは、イオン軸方向速度を加速させおよび制御しならびにイオン分子反応を減少させるように構成された軸方向直流場を配置するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. 低質量イオンを除去する前記ステップは、前記線形無線周波数イオントラップを１〜１０ｍＴｏｒ（０．１３３〜１．３３Ｐａ）のガス圧範囲のヘリウムガスで満たすステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。

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