JP6517282B2 - 多重反射飛行時間型質量分析計、及び質量スペクトル分析の方法 - Google Patents

Description

[0001]本発明は、概括的には質量分光分析の分野に関しており、より厳密には多重反射飛行時間型質量分析計の感度及び分解度を改善することに関係している。

[0002]飛行時間型質量分析計（ＴＯＦ ＭＳ）は、様々な混合物の同定及び定量分析のための分析化学では広く使用されている。その様な分析の感度及び分解度は、実際の使用にとって重大な関心事である。ＴＯＦ ＭＳの分解度を上げるため、ここに参考文献として援用する米国特許ＵＳ４，０７２，８６２はイオンエネルギーに対する飛行時間集束を改善するためのイオンミラーを開示している。継続的なイオンビーム向けにＴＯＦ ＭＳを採用するため、ここに参考文献として援用する国際特許ＷＯ９１０３０７１は、直交パルス式加速（ＯＡ）のスキームを開示している。ＴＯＦ ＭＳの分解度は飛行経路と一体でスケールするため、多重反射（ＭＲ−ＴＯＦ型）及びマルチターン（ＭＴ−ＴＯＦ型）質量分析計を含むマルチパス飛行時間型質量分析計（Ｍ−ＴＯＦ ＭＳ）が提案されている。ここに参考文献として援用する旧ソ連特許ＳＵ１７２５２８９は、２次元無格子平面状イオンミラーを使用した折り返し経路ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳを紹介している。ここに参考文献として援用するイギリス特許ＧΒ２４０３０６３及び米国特許ＵＳ５０１７７８０は、２次元ＭＲ−ＴＯＦ内のイオンパケットの空間的閉じ込めのための周期的レンズのセットを開示している。ここに参考文献として援用する国際特許ＷＯ２００７０４４６９６は、ＯＡ効率を改善するための二重直交射入に係るスキームを提唱している。とはいえ、ＯＡ−ＭＲ−ＴＯＦのデューティサイクルは１％未満に留まっている。

[0003]ここに参考文献として援用する、同時係属出願であるＰＴＣ出願番号ＰＣＴ／ＩΒ２０１０／５１６１７には、円筒状多重反射静電分析器、主として、最適化された開放静電トラップが開示されており、そこでは接線方向へのイオンビーム閉じ込めは重要とされていない。

米国特許ＵＳ４，０７２，８６２ 国際特許ＷＯ９１０３０７１ 旧ソ連特許ＳＵ１７２５２８９ イギリス特許ＧΒ２４０３０６３ 米国特許ＵＳ５０１７７８０ 国際特許ＷＯ２００７０４４６９６ ＰＴＣ出願番号ＰＣＴ／ＩΒ２０１０／５１６１７ ＰＴＣ出願番号ＰＣＴ／ＩΒ２０１１／０５５３９５

[0004]以上を要約すると、先行技術の多重反射ＴＯＦシステムは分解度を向上させるがパルス式変換器のデューティサイクルを制限する。従って、ＭＲ−ＴＯＦの感度及び分解度を改善する必要性がある。

[0005]発明者は、平行なイオンミラーで築かれたＭＲ−ＴＯＦのデューティサイクル及び分解度の組合せは、幾つかの改善措置、即ち、
（ｉ）平面上の分析器を円筒形へ巻くことによって形成されていて、実質的に、ここでは接線方向とも表記される所謂ドリフト（Ｚ）方向の有効長さを延びている分析器の円筒形トポロジーを使用する措置、
（ｉｉ）円筒形曲率半径対イオンミラーキャップ間距離の十分に大きい比（少なくとも１／６）を使用することによって分析器曲率の影響を低減する措置、
（ｉｉｉ）Ｘ方向（反射の方向）に対するイオン平均軌道の十分に小さい傾斜角度（１００，０００より上の分解度については４度）を維持する措置、
（ｉｖ）半径方向偏向のための少なくとも１つのリング電極を使用し、その様な偏向をイオンパケットがイオンミラー軸上で減速されるように調節することによって、分析器曲率の影響を実質的に低減する措置、
（ｖ）半径（Ｙ）方向へのイオンパケット幅を制限し、イオンパケットを接線（Ｚ）方向に延ばし、Ｙ関連収差の低減を図りながらパルス式の源のデューティサイクルを改善し且つ分析器の空間電荷受容を改善する措置、
（ｖｉ）接線（Ｚ）方向へのイオンビーム発散を低減しながらなおイオンパケットの１０−２０ｍｍのＺ長さを維持するための多様な対策及び手段を提供する措置、
（ｖｉｉ）分析器内でのＺ方向へのイオンパケット発散を、周期的スロットのセットか又は好適にはキャップからキャップまでの距離を少なくとも２倍上回る焦点距離を有する弱い周期的レンズのどちらかによって制限する措置であって、その様なレンズは、イオンミラー電場の弱Ｚ変調か又はドリフト空間内の周期的レンズのセットのどちらかによって形成することができる、イオンパケット発散を制限する措置、
を組み合わせることによって実質的に（約１０倍）改善され得ることに気付いた。

[0006]発明者は、これまでの―平面状ＭＲ−ＴＯＦ―とは対照的に、分析器収差が優勢となる有意シフトが出現することにも気付いた。発明者は、イオンミラー特性の多重強化、特にＹ方向に細いイオンパケットに適している強化、を提案している。

[0007]円筒状ＴＯＦ分析器内のドリフト長さの実質的な延長は、２つのＴＯＦ分光計が円筒状ＭＲ−ＴＯＦの各部分を使用するという、単一分析器内の包括的タンデム型ＴＯＦ分光計の構築を可能にする。差動ポンピングシステムを単純化するために、表面誘導解離（ＳＩＤ）が採用されている。本発明の様々な実施形態は、例示のみを目的に与えられており、単に一例として、添付図面を参照しながら、これより説明してゆく。

[0008]平面状多重反射飛行時間型質量分析計を描いている。 [0009]円筒状ＭＲ−ＴＯＦの或る実施形態を示している。 [0010]イオンパケット操舵段階を次に従える傾けられた直交加速器の或る実 施形態を示しており、描かれている実施形態では加速器は接線方向に整列している。 [0011]高次エネルギー集束のためのイオンミラーの或る実施形態を示してい る。 [0012]円筒状ＭＲ−ＴＯＦの或る実施形態の機械的概念を提示している。 [0013]単一の円筒状ＭＲ−ＴＯＦ内の２つの例としてのＴＯＦ段をベースと するタンデム型質量分析計の実施形態の略図を示している。

[0014]図１を参照すると、無電場空間１３及び当該無電場空間内の周期的レンズのセット１４によって引き離されている２つの平行な無格子イオンミラー１２と、パルス式イオン源１５と、検出器１６と、を備える平面状多重反射飛行時間型質量分析計１１が示されている。各ミラー１２は、矩形窓を有する少なくとも４つの平板電極を備えており、そのうちの１つ（ミラーレンズ１２Ｌと呼ばれる）は、エネルギーの広がりに対しては少なくとも３次まで、及びイオンパケットの空間的広がり、角度的広がり、及びエネルギーの広がりにおける小さい偏差に対しては交差項を含めて少なくとも２次までの、飛行時間集束を可能にするような加速電位に設定されている。

[0015]作動時、イオン源１５は、イオンパケット１７を生成し、それらを角度的イオン広がりΔαを有する傾斜角度α（Ｘ軸に対して）で放射する。イオンはミラー１２間で多回反射を経験しながらゆっくりとドリフトＺ方向にドリフトしてゆき、而して検出器１６に向かってジグザグ軌道が形成される。角度的発散及びエネルギー発散にもかかわらず、イオンパケットは周期的レンズのセット１４によって平均ジグザグ軌道１８に沿って閉じ込められる。小さい傾斜角度を整備するために、イオンパルス発射源は傾けられており、そうしてイオンパケットは源を過ぎて操舵される。パルス式の源のデューティサイクルを改善するため、イオンパケット１７はＹ方向に引き伸ばされる。パケットがＺ方向に引き伸ばされるとしたなら、この場合、長いドリフト次元及び１００，０００の桁の分解度に到達するための平面状分析器の不合理な寸法が必要になるはずである。

[0016]ＬＥＣＯ Ｃｏｒｐ社による市販機器Ｃｉｔｉｕｓでは、平面状ＭＲ−ＴＯＦは、長さ６００ｍｍで幅２５０ｍｍの室である真空室を有している。５０，０００の分解度が、１６ｍの折り返し飛行経路及び６ｍｍのＹ方向イオンパケットサイズで実現されている。短いイオンパケット及び長い飛行経路がデューティサイクルを０．５％未満に制限している。

[0017]円筒状ＨＲＴ分析器
[0018]ＭＲ−ＴＯＦの分解度及び感度を改善するために、或る実施形態では、分析器は円筒形へ巻かれており、イオンパケットはドリフト方向に沿って向き付けられる。以下に論じられている様に他の分析器改善及び構成も提供されている。

[0019]図２を参照すると、円筒状ＨＲＴ２１の或る実施形態は、無電場空間２３、周期的レンズのセット又は周期的スリットのセット２４、によって分離されている２つの平行同軸イオンミラー２２を備えている。描かれている様に、各ミラー２２は、２つの同軸電極セット２２Ａ及び２２Βを備えている。或る実施形態では、各電極セット２２Ａ及び２２Βは、エネルギーの広がりに対しては少なくとも３次まで、及びイオンパケットの空間的広がり、角度的広がり、及びエネルギーの広がりにおける小さい偏差に対しては交差項を含めて少なくとも２次までの、飛行時間集束を可能にするような加速レンズ２２Ｌをミラー入口に形成するはっきりと区別できる電位を有している少なくとも３つのリング電極を備えている。また、或る実施形態では、少なくとも一方の電極セット２２Ａ又は２２Βは半径方向イオン偏向のための追加のリング電極２５を備えている。別の実施形態では、半径方向偏向リング電極２６がフリー空間内に但しイオンミラーの間近に設置されていてもよい。１つの具体的な実施形態では、周期的レンズ又はスリット２４を使用する代わりに、少なくとも１つのイオンミラーが、例えばミラー電極２２Ｐの１つに波状表面２６Ｐを形成することによって又は周期的構造の補助電極２５Ｐを導入することによって、接線方向に空間変調されていてもよい。

[0020]先行技術の平面状分析器１１に比較すると、円筒状分析器２１はコンパクト分析器パッケージ化を利用して円形Ｚ方向を延長している。円筒形の幾何学形状に関係する追加の収差を避けるために、或る配設では、円筒状電場体積の半径Ｒｃはキャップからキャップまでの距離Ｌの６分の１より大きくなくてはならず、Ｘ軸に対するイオン傾斜角度αは１００，０００より上の分解度の収差制限を提供するには３度より小さくなくてはならない。最大角度と比Ｒ／Ｌの間の関係２８が説明図に示されている。また、円筒形の収差を低減するために、偏向角度は精密にイオンミラーの軸付近のイオン反射を提供するように調節されており、そのことは、初期の広がりｄＹ＝ｍｍ、ｄＺ＝ｍｍ、ａ＝ｍｒａｄ、ｄａ＝ｍｒａｄ、ｄＫ＝ｅＶを有するイオンパケットについてＬ＝６００ｍｍ及びＲｃ＝１１０を有する特定の円筒状分析器にとっての最大実現可能分解度対偏向角度を示すプロットによって説明されている。

[0021]円筒状ＨＲＴのための改善されたイオンミラー
[0022]分析器の少なくとも１００，０００収差制限を維持するために、イオンミラーの好適な幾何学形状は、次の条件、即ち、
・各ミラーは、少なくとも四（４）対の電極であって各対が電極内ギャップによって分離されている同軸に整列された外側リングと内側リングに対応している、４対の電極を収容している、
・少なくとも１つのミラー（レンズ）電極は、無電場空間に対して、少なくとも電荷当たりイオン平均エネルギーより高い引き寄せ電位にある、
・当該ミラーレンズ電極の長さは、電極内ギャップＧに比較して少なくとも２倍長い、
を満たしている。

[0023]電極内ギャップＧ対キャップからキャップまでの距離Ｌの比は０．０２５から０．０５の間である。或る実施形態では、Ｇ／Ｌ比は０．０３８２である。電極の最適寸法
及び電極の電位はＧ／Ｌ比に依存することが以下に説明されている。

[0024]円筒状ミラーは次の収差特性、即ち、
[0025]空間及び色集束：
（ｙ｜β）＝（ｙ｜δ）＝０；（ｙ｜ββ）＝（ｙ｜βδ）＝（ｙ｜δδ）＝０；
（β｜ｙ）＝（β｜δ）＝０；（β｜ｙｙ）＝（β｜ｙδ）＝（β｜δδ）＝０；
[0026]１次飛行時間集束
（Ｔ｜ｙ）＝（Ｔ｜β）＝（Ｔ｜δ）＝０；
[0027]交差項を含む２次飛行時間集束
（Ｔ｜ββ）＝（Ｔ｜βδ）＝（Ｔ｜δδ）＝（Ｔ｜ｙｙ）＝（Ｔ｜ｙβ）＝（Ｔ｜ｙδ）〜０；及び、
[0028]５次エネルギー当たり時間集束
（Ｔ｜δ）＝（Ｔ｜δδ）＝（Ｔ｜δδδ）＝（Ｔ｜δδδδ）＝（Ｔ｜δδδδδ）＝０、
を保有している。

[0029]平面状ミラーの幾何学パラメータを有する円筒状ミラーは、電位を調整することによって同じ性能に至らせることができよう。
[0030]円筒状ＨＲＴのためのイオン源
[0031]ここに開示されている配設は、パルス式抽出を有する、ＭＡＬＤＩ、ＤＥ ＭＡＬＤＩ、ＳＩＭＳ、ＬＤ、又はＥＩの様な、本質的にパルス式の各種イオン源に適用できる。

[0032]直交パルス式加速器（ＯＡ）の様なパルス式変換器又はイオン蓄積とパルス式射出を有する無線周波数トラップ（トラップ変換器）を使用するのであれば、各種の継続的又は準継続的な源を採用することができる。直交加速器（ＯＡ）の群は、一対のパルス式電極であってそのうちの一方に格子で覆われた窓を有している一対のパルス式電極、スリットを有する板を使用している無格子ＯＡ、パルス式直交抽出を有するパススルー無線周波数（ＲＦ）イオンガイド、及びパルス式直交抽出を有する静電イオンガイド、を備え得る。トラップ変換器の群は、軸方向電位井戸並びにパルス式電圧抽出を有するＲＦイオンガイド、及び半径方向パルス式抽出を有する直線状イオントラップ、を備え得る。或る実施形態では、何れかのパルス式変換器は、更に、上流のガス状ＲＦイオンガイド（ＲＦＧ）である、例えば、ＲＦイオン漏斗、ＲＦイオン多重極であって好適には軸方向場勾配を有するＲＦイオン多重極、ＲＦイオンチャネル、及びイオン多重極又はイオンチャネルのＲＦアレイ、など、を備えている。好適には、当該ガス状ＲＦイオンガイドは、イオン蓄積及びイオン集群のパルス式抽出のための手段を備えており、当該抽出はＯＡパルスに同期されている。イオン蓄積時間の変化が信号強度の調節を可能にし、而してＭＲ−ＴＯＦの動的範囲が改善される。

[0033]ＭＲ−ＴＯＦ分析器でのイオン軌道の小さい（１−３度の）傾斜角度αを考慮すると、（ａ）イオンパケットのタイムフロントを傾けることなしに傾斜角度を配設するため及び（ｂ）イオンミラーによる１回目の反射後のイオンパケットに係るイオン源又は変換器の空間的干渉を回避するためには、特別な対策を講じなくてはならない。１つの方法では、当該イオン源又は変換器は、分析器のＸ−Ｚ対称軸からずらされており、イオンパケットは少なくとも１つのパルス式偏向器によって当該Ｘ−Ｚ対称軸上へ戻される。別の方法では、並列放射源（ＭＡＬＤＩ、ＳＩＭＳ、半径方向射出を有するイオントラップなど）は、角度α／２に傾けられており、するとイオンパケットは前方へ角度α／２で操舵されて、軸Ｘに対するイオン傾斜角度αが配設される。更に別の方法は、一方のイオンミラーのパルス化区分を介するイオン射入を備えている。方法は、分析器内のイオン軌道の傾斜角度に等しいイオンパケット初期傾斜を可能にする。

[0034]図３を参照して、１つの具体的な方法は、入来する継続的なイオンビームに対して傾斜角度９０−βでイオンを放射するＯＡパルス式変換器４８に適している。角度βは、継続的なイオンビームＵ_Ｚにおけるパルス式加速Ｕ_ｘでの加速電圧によって定義され、即ち、β＝（Ｕ_ｚ／Ｕ_ｘ）^１／２である。この方法では、ＯＡ４８は、角度γ（Ｚ軸に対して）で逆傾斜しており、すると分析器内での少なくとも１回のイオン反射の後、イオンパケットは角度γで逆操舵されることになり、ここに角度γ＝（β−α）／２である。傾けと操舵は相互に時間フロントの回転を補償する。ＯＡのイオン変位がより大きければＯＡのための空間はもっと大きくなる。

[0035]イオンパケットの発散
[0036]或る実施形態では、イオンパケットは、周期的スリットのセットか又はイオンミラーの空間変調された（但し時間的には静的な）電場のどちらかによって主軌道に沿って閉じ込められることになろう。それでも、１００，０００より上のレベルの分解度を得るためには、それら空間的収束手段を、機械的不完全さ及び漂遊電場及び磁場の補償目的のみに引き留め、イオンパケットの強力集束用としないことが望ましい。シミュレーションは、空間変調場又は周期的レンズはどちらも、ＨＲＴのキャップからキャップまでの距離より少なくとも２倍長い焦点距離を有するべきであることを示唆している。他方、多様な実際のパルス式の源及び変換器の分析は、イオンパケットが１ｍｒａｄ未満の低い角度発散で形成され得ることを指し示しており、すると、接線Ｚ方向への弱い空間集束を有するＭＲ−ＴＯＦ分析器を使用することができるようになる。多様なイオン源について、２つの横方向への推定エミッタンスはθ１ｍｍ^２＊ｅＶであり、即ち、
・ＤＥ ＭＡＬＤＩ源について、＜２００ｍ／ｓ半径方向速度でＭ／ｚ＜１００ｋＤａにつきθ＜１ｍｍ^２＊ｅＶ、
・ＲＦガイドを過ぎてのＯＡ変換器について、ＲＦＱでの熱的イオンエネルギーでθ＜０．１ｍｍ^２ｅＶ、
・パルス式ＲＦトラップについて、熱的イオンエネルギーでＭ／ｚ＜２ｋＤａにつきθ＜０．０１ｍｍ^２＊ｅＶ、
である。

[0037]０．１ｍｍ未満という初期形成イオンパケットの小さい横サイズのせいで驚くほど小さいエミッタンスが出現する。半径方向に対称的なイオン源の場合には、１ｍｍ^２＊ｅＶの最大エミッタンスは、イオンパケットを１０ｋｅＶエネルギーへ加速することによるＤ＜２０ｍｍ＊ｍｒａｄより小さい角度的−空間的発散へ換算できる。その様な発散は、イオンミラーによって寛容されるＺＹ平面内での２ｍｍ＊１０ｍｒａｄ未満の発散へ、及びＸＺ平面内での２０ｍｍ＊１ｍｒａｄ未満の発散へ、レンズシステムによって適正に改質され、ＭＲ−ＴＯＦ静電分析器を通ってイオン損失無しに且つＺ方向への追加の強力な再集束段階無しに移行できよう。

[0038]円筒ＨＲＴ質量分析計の具体例
[0039]図４を参照すると、分析器略図に表記されている寸法と電圧を有する円筒状ＨＲＴの具体例が提供されている。描かれている様に、分析器は傾けられた直交加速器と連結されている。

[0040]図５を参照すると、円筒状ＨＲＴ分析器６１の１つの実施形態において、レース平板電極６２、精密セラミックスペーサ６３、軸方向電極整列用接地ロッド６４、クランプロッド６５、基部フランジ６６、低い熱膨張係数を有する離隔部（standoffs）又は飛行管６７、及び円筒状ステンレス真空室６８、を使用している円筒状ＨＲＴ分析器６１が描かれている。イオンミラー電極の積重は、スペーサ６２によって精密に隔てられ、接地ロッド６３（例えば真空適合性のためにベスペル（Ｖｅｓｐｅｌ）製）によって軸方向に整列され、ロッド６５によってクランプされて、ミラー組立体６２Ａを形成している。ミラー組立体６２Ａは、精密な長さの熱的に安定した離隔部６７を介して基部フランジ６６上へ設置されており、而して分析器組立体６１Ａを形成している。真空室６８は、分析器組立体の上へ取り付けられている。１つの具体的な実施形態では、直交加速器６９が分析器組立体へ（正確な相対配置になるように）取り付けられており、更には、上流のイオン光学器（ＩＯＳ）は、イオンビーム操舵段階がＩＯＳとＯＡの間の起こり得る機械的整列不良を補償しながら継続的なイオンビームのＯＡ６９への整列導入を確約するための手段を有している。別の具体的な実施形態では、イオントラップパルス式変換器７０が、真空室６８の外に設置されており、イオンパケットはイオンミラーのパルス化部分６２Ｐを介して導入される。

[0041]タンデム型
[0042]多くの方式の円筒状ＨＲＴ（ＣＨＲＴ）は、ＭＳ１及びＭＳ２としてのＣＨＲＴ（ＭＳ−ＣＭＲＴ）、ＣＨＲＴと一体のイオン移動度分光計（ＩＭＳ−ＣＭＲＴ）、並列ＭＳ−ＭＳ分析のための包括的ＴＯＦ−ＴＯＦ（ＣＴＴ）、ＭＳ−ＣＴＴ、及びＩＭＳ ＣＴＴ、の様な各種型式とタンデム型として組み合わされたタンデム型質量分析計を改善する。タンデム型質量分析計の殆どは、２つのＭＳ段の間のイオン断片化を前提としている。断片化は、衝突誘導解離（ＣＩＤ）、表面誘導解離（ＳＩＤ）、光誘導解離（ＰＩＤ）、電子移動解離（ＥＴＤ）、電子捕獲解離（ＥＣＤ）、及び励起されたリュードベリ原子又はオゾンによる断片化、の様な先行技術の断片化方法を採用することができる。それらタンデム型は、液体クロマトグラフィー（ＬＣ）、ガスクロマトグラフィー（ＧＣ）、電気泳動（ＣＥ）の様な前段の試料分離との適合性、また同様にＬＣ−ＣＥ及びＧＣｘＧＣの様なタンデム型クロマトグラフィー分離との適合性があるものと期待される。

[0043]ここに参考文献として援用する、同時係属出願であるＰＴＣ出願番号ＰＣＴ／ＩΒ２０１１／０５５３９５に記載されている様に、タンデム型の作動の１つの態様は、パルス式変換器での高速（１００−２００ｋＨｚ）パルス符号化を適用することができるということである。高速符号化パルスの方法は、各パルス間の固有時間間隔を有する反復可能な間隔のストリングの生成を示唆している。こうして得られるインターリーブ型（様々なスタートからの）スペクトルは、その後、間隔の知識に基づいて復号される。当該方法は、通常の（単一スタート）スペクトルがはるかに疎である（ピークがあまり密集していない）タンデム型には特に適している。その場合、復号は、大凡５−８イオンに相当する極めて小さい強度の弱い系列を回復させることができる。分析器内の飛行時間当たりパルスの数が平面状ＭＲ−ＴＯＦに比較して大凡１０倍のデューティサイクル利得に比例して下がるので、円筒状分析器は復号の効率を改善する。また一方で、このことがスタートパルスの周波数を落とすことはなく、というのも、デューティサイクル利得は主としてより高速な飛行時間に因って得られており、それはより低い分析器収差に因って実現可能となるからである。

[0044]円筒状ＨＲＴは、新規性のある装置―単一分析器内に築かれた包括的ＴＯＦ−ＴＯＦ（ＣＴＴ）質量分析計―への道を開く。図６を参照すると、ＣＴＴ７１の１つの実施形態は、イオントラップ７２、周期的レンズのセット７４を有する円筒状多重反射分析器７３、反射性端レンズ７５、時限式イオン選別ゲート（ＴＳＧ）７６、分析器７３内に設置されている表面誘導解離（ＳＩＤ）セル７７、及びイオン検出器７８、を備えている。随意的に、ＣＴＴ分光計は、更に、前段の質量分離器７９（分析四重極など）、質量分離器７９とトラップ７２の間の第２の断片化セル８０、及び補助検出器７８Ａを備えている。

[0045]作動時、イオントラップ７２はイオンの継続流れを受け入れ、それらをトラップし、それらをトラップでのイオン減衰化にとって十分な１−２ｍｓの期待期間で円筒状分析器の中へ射出する。トラップは、軸方向又は半径方向射出イオントラップであってもよい。或る実施形態では、イオンは一方のイオンミラーのパルス化部分を介して射出される。イオンが反対側ミラーから跳ね返ってきたら、パルス化部分の電圧は正規ＴＯＦレジームへ復帰される。イオンは、周期的レンズ７４の稠密ピッチ（１０ｍｍ）に整合する小さい傾斜角度（例えば１度）で射入される。２２０ｍｍの中心直径では、周期的レンズの周長は６９０ｍｍである。イオン入口から大凡５０反射後に端レンズ７５が設置されていて、イオンパケットを１度に亘って操舵することによって絶えずイオン運動を逆転させている。イオンパケットは分析器を通って再度同じ５０のレンズを通過し、表面誘導解離（ＳＩＤ）セル７７が次に控える時限式ゲート７６へと至る。時限式ゲート７６とセル７７は、デバイス間であと１回のイオン反射が可能になるように１ピッチ分空けて引き離されている。周期的インターリーブ型時限式イオン選別に関する以下に記載の規定を用いると、親イオンのパケットは検出器に１０ｅＶから１００ｅＶの間の適度なイオンエネルギーで当たり、こうして、衝突親イオンからフラグメントイオンが生成される。遅延の後、パルス式電圧信号がセルへ印可されて、二次イオンの短いイオンパケットを抽出させる。二次イオンを同じ多重反射分析器を通して検出器７８に向けて方向決めするために、ＳＩＤセルが当該１度に傾けられているか又は追加の操舵パルスがセルを過ぎて適用されるかどちらかである。二次イオンは、同じＣＨＲＴ分析器内でＳＩＤセル７７と検出器７８の間を飛行している間に時間分離されてゆく。反射数は第２ＭＳ段での所望の分解度に依存して選択されよう。

[0046]明解さを期し、１，０００から３，０００の間の分解度を提供することを期待されている、ＭＳ２段内の単一ミラー反射の事例を選んでみたい。この配設では、第２段内の飛行経路は、親分離の第１段よりも１００倍小さい。而して、変換器イオントラップ７２のパルス１つ１つで全ての親イオンについての重なり合いの無いスペクトルを得ることができよう。当該方法は、親イオン選別の時間分解度は低い（Ｒ＝１００）とはいえども、従来のＭＳ−ＭＳ技法に見られた親イオン選別のイオン損失を排除している。

[0047]最も一般的な作動方法では、親選別の分解度は、ＴＳＧ７６への周期的に適用されるパルスによって改善され、ＴＳＧパルスの格子はＴＳＧのスペクトル捕捉間の僅かな期間によって動かされる。その様なＴＳＧパルスのインターリービングは、感度の比例的損失を代償に親イオン選別の分解度を改善する。とはいえ、順次的親選別方法に比較すると、説明されている並列親分析の方法は感度を１００倍改善する―並列分析の感度利得と呼ばれる。平面状ＭＲ−ＴＯＦ内での先行技術のＣＴＴ方法に比較すると、円筒状ＭＲ−ＴＯＦは感度利得を第１ＴＯＦでのイオン経路に比例して、即ち同じ分析器サイズで大凡３乃至５倍、改善する。ここに提案されている２つのＭＳ段を１つの分析器内に組み合わせるという方法は、ＣＴＴの費用を著しく軽減する。

[0048]再度図６を参照して、同じ装置７１を、ハードウェアを再構成すること無しに、ＭＳ−ＭＳ−ＭＳという別のモードに採用することができる。このモードでは、親イオンは、順を追って、好適には分析四重極である第１ＭＳ７９で選別され、次いで、好適にはＣＩＤセルか又はＥＴＤセルのどちらかである断片化セル８０で断面化に曝される。第１世代の断片化イオン（娘イオン）は次いでトラップ７２によってパルス状イオンパケットへ変換される。娘イオンは次いで並列ＭＳ−ＭＳモードでの上記分析を受け、並列式に孫娘イオンのスペクトルが生成される。三重ＭＳ−ＭＳ分析の高い選別性が理由で、第１ＭＳは１０−２０ａｍｕの広い伝送ウインドーで作動させることができ、親イオン選別時のイオン損失は最小限に抑えられ、尚且つＣＴＴはＴＳＧ７６無しの作動か又は低いＴＳＧインターリービングファクターでの作動が可能になると期待される。ＭＳ３分析の高い選別性と信頼性に加え、当該方法は検体分子組成に関する追加の情報を提供することができる。

[0049]再度図６を参照して、同じ装置７１を、ハードウェアを再構成すること無しに、順二的なＭＳ−ＭＳタンデム型という更に別のモードに採用することができる。このモードでは、親イオンは第１四重極ＭＳ７９で選別され、セル８０で断片化され、次いでＣ−ＨＲＴ分析器内で分析される。後端レンズ７７はオフに切り換えられ、イオンは分析器を１回だけ通過した後に補助検出器７８Ａ上へ至る。当該方法は、親イオン分離でのイオン損失を代償にしてではあるが、１００，０００の範囲のフラグメント分析の高分解度を手に入れることを可能にする。

[0050]再度図６を参照して、同じ装置７１を、両ＭＳ段に高分解度を有する順次的ＭＳ−ＭＳ分析という第４のモードに採用することができる。その様なモードでは、親イオンはＣＨＲＴで分離され、ＴＳＧ７６で選別され、ＳＩＤセル７７に当たり、次いで補助検出器７８Ａに向かって操舵されてゆき、より高い分解度のためにＣＨＲＴ分析器全体を通る二次イオンにとっての長いイオン通路を可能にする。当該モードは前段の四重極でのもう１つのＭＳ段によって補完させることができる。

[0051]本発明はマルチモードＭＳ−ＭＳ分析のための新たな装置を特許請求している。
[0052]本発明は、好適な実施形態に関連付けて説明されているが、当業者には、付随の特許請求の範囲に示されている本発明の範囲から逸脱すること無しに、形態及び詳細事項における様々な修正がなされ得ることが自明であろう。

１１ 平面状多重反射飛行時間型質量分析計
１２ 無格子イオンミラー
１２Ｌ ミラーレンズ
１３ 無電場空間
１４ 周期的レンズのセット
１５ パルス式イオン源
１６ 検出器
１７ イオンパケット
２１ 円筒状ＨＲＴ
２２ 平行同軸イオンミラー
２２Ａ、２２Β 電極セット
２２Ｌ 加速レンズ
２２Ｐ ミラー電極の波状表面
２３ 無電場空間
２４ 周期的スリットのセット
２５ 追加のリング電極
２５Ｐ 補助電極
２６ 半径方向偏向リング電極
２８ 最大角度と比Ｒ／Ｌの間の関係
６１ 円筒状ＨＲＴ分析器
６１Ａ 分析器組立体
６２ レース平板電極
６２Ａ ミラー組立体
６２Ｐ イオンミラー
６３ スペーサ
６４ 接地ロッド
６５ クランプロッド
６６ 基部フランジ
６７ 離隔部（standoffs）又は飛行管
６８ 真空室
６９ 直交加速器
７０ イオントラップパルス式変換器
７１ 包括的ＴＯＦ−ＴＯＦ（ＣＴＴ）
７２ イオントラップ
７３ 円筒状多重反射分析器
７４ 周期的レンズのセット
７５ 反射性端レンズ
７６ 時限式イオン選別ゲート（ＴＳＧ）
７７ 表面誘導解離（ＳＩＤ）セル
７８ イオン検出器
７８Ａ 補助検出器
７９ 質量分離器
８０ 第２の断片化セル
α、β、γ 傾斜角度
Ｇ 電極内ギャップ
Ｌ キャップからキャップまでの距離、キャップ間距離
Ｒｃ 円筒状電場体積の半径

Claims (15)

1. 多重反射飛行時間型質量分析計において、
   パルス式イオン源またはパルス式変換器のうちの一つと、
   少なくとも２つの平行な静電イオンミラーを有する円筒状分析器であって、前記イオンミラーの各々は無電場空間を間に有し、前記イオンミラーの各々は引き寄せ電位を有する少なくとも１つの電極を有しており、前記イオンミラーの各々は、イオンミラーキャップ、内側のリング電極、及び外側のリング電極で製作されて前記外側のリング電極と前記内側のリング電極の間に円筒状の電場の体積を形成しており、更に、前記円筒状の電場の体積の半径Ｒｃは前記イオンミラーキャップ間の距離の６分の１より大きく、また更には、前記イオンミラーのうちの一つ又は前記無電場空間は、半径方向イオン偏向のための少なくとも１つのリング電極を備えている、少なくとも２つの平行な静電イオンミラー、を有する円筒状分析器と、
   を備えており、
   前記イオンミラーの少なくとも１つは、空間変調された表面であって、接線方向へのイオンの発散を制限するために接線方向に延びる複数のアーチ状のセグメントを画定する表面を含み、前記複数のアーチ状のセグメントは第１の凹状セグメントと、第２の凹状セグメントと、凸状セグメントと、を含み、前記凸状セグメントは前記第１の凹状セグメントから前記第２の凹状セグメントに向かって接線方向に延びていて、
   前記パルス式イオン源またはパルス式変換器のうちの一つは、１度の傾斜角度を有するイオンパケットを生成して、前記接線方向へのイオンの発散を制限するための手段の稠密ピッチと整合し、
   前記反射飛行時間型質量分析計は、タンデム質量スペクトルを得ることを目的に、表面誘導解離のセルを更に備え、
   前記表面誘導解離のセルは、前記円筒状分析器内に設置されており、
   前記イオンパケットの前記傾斜角度は、Ｘ軸に対する角度であり、
   前記Ｘ軸の方向は、前記イオンパケットが反射される方向である、多重反射飛行時間型質量分析計。
2. 前記接線方向へのイオンの発散を制限するための手段は、（ｉ）湾曲軸に沿って巻かれている周期的レンズのセット、（ｉｉ）湾曲軸に沿って巻かれている周期的スリットのセット、及び（ｉｉｉ）接線方向へ変調されている静電ミラー、から成る群より選択されている、請求項１に記載の多重反射飛行時間型質量分析計。
3. 引き寄せ電位を有する前記ミラー電極の高さは、前記外側のリング電極と前記内側のリング電極の間のギャップより少なくとも２倍大きい、請求項１に記載の多重反射飛行時間型質量分析計。
4. 前記パルス式イオン源とパルス式変換器のうちの一つは、（ｉ）直交パルス式加速器、（ｉｉ）無格子直交パルス式加速器、（ｉｉｉ）パルス式直交抽出を有する無線周波数イオンガイド、（ｉｖ）パルス式直交抽出を有する静電イオンガイド、及び（ｖ）上流の蓄積用無線周波数イオンガイドに先行されている上記加速器のうちの何れか、から成る群より選択されている、請求項１乃至３の何れか１項に記載の多重反射飛行時間型質量分析計。
5. 前記パルス式イオン源と前記パルス式変換器のうちの一つは、Ｚ軸に対して傾けられており、追加の偏向器がイオンパケットを前記イオンミラー内での少なくとも１回のイオン反射後に当該の同じ角度で操舵しており、
   前記Ｚ軸の方向は、前記イオンパケットのドリフト方向である、請求項１乃至４の何れか１項に記載の多重反射飛行時間型質量分析計。
6. 前記パルス式イオン源とパルス式変換器のうちの一つを過ぎてのイオンパケットの角度的な発散を３ｍｒａｄ未満に抑えるために、当該パルス式イオン源とパルス式変換器のうちの一つを過ぎてのイオンパケット再集束のための手段を更に備えている、請求項１乃至５の何れか１項に記載の多重反射飛行時間型質量分析計。
7. タンデム質量スペクトルを得ることを目的に、（ｉ）時限式イオン選別器ゲート、（ｉｉ）反射性端レンズ、（ｉｉｉ）補助検出器、の群のうちの少なくとも１つを更に備えている、請求項１乃至６の何れか１項に記載の多重反射飛行時間型質量分析計。
8. 上流の第１の質量又はイオン移動度分離器と、断片化セルと、を更に備えている、請求項７に記載の多重反射飛行時間型質量分析計。
9. 質量スペクトル分析の方法において、
   円筒状分析器の２つの平行な静電イオンミラーの静電場間でのイオンパケットの多回反射を配設する段階であって、前記２つのイオンミラーは無電場領域によって離間されていて、前記イオンミラーのそれぞれがイオンミラーキャップを有する、円筒状分析器の２つの平行な静電イオンミラーの静電場間でのイオンパケットの多回反射を配設する段階と、
   前記イオンミラーの前記静電場を、引き寄せ電位を有する電場区分を提供することによって配設する段階と、
   円筒状の電極内空洞部内に前記静電場を配設する段階であって、前記静電場は円筒対称の構造を含んでおり、前記静電場の半径Ｒｃは前記イオンミラーキャップ間の距離の６分の１より大きい、前記静電場を配設する段階と、
   半径方向イオン偏向を配設する段階と、
   接線方向へのイオンの発散を制限する段階であって、接線方向に延びる複数のアーチ状のセグメントを画定するため前記イオンミラーの少なくとも１つの表面を変調することのどちらかによって制限する段階であって、前記複数のアーチ状のセグメントは第１の凹状セグメントと、第２の凹状セグメントと、凸状セグメントと、を含み、前記凸状セグメントは前記第１の凹状セグメントから前記第２の凹状セグメントに向かって接線方向に延びている、制限する段階と、
   接線方向へのイオンの発散を制限するための手段の稠密ピッチと整合するために、１度の傾斜角度を有するイオンパケットを生成する段階と、
   タンデム質量スペクトルを並列して得る段階であって、イオンを１０乃至１００ｅＶのエネルギー範囲で検出器に衝突させてフラグメントイオンを形成させ、当該フラグメントイオンを飛行時間分析のために円筒状イオンミラーの前記同じ静電場の中へパルス抽出する段階と、を備え、
   前記フラグメントイオンは、前記円筒状分析器内に設置された表面誘導解離のセルへパルス式電圧信号を印加することで抽出される、方法。
10. 前記接線方向へのイオン発散を制限する前記段階は、（ｉ）イオンミラー内又は湾曲軸に沿って巻かれた周期的レンズのセット内に静的で周期的に空間変調される静電場を形成する段階と（ｉｉ）周期的スリットのセットによって発散を制限する段階のうちの１つを備えている、請求項９に記載の方法。
11. 飛行時間収差を低減する段階であって、引き寄せ電位領域の長さを前記イオンミラー電場の半径方向幅より少なくとも２倍大きくする、飛行時間収差を低減する段階と、を更に備えている、請求項９又は１０に記載の方法。
12. 低い交差収差での５次エネルギー集束を提供する段階を更に備えている、請求項９乃至１１の何れか１項に記載の方法。
13. １０ｋＶより上の電位を横断して前記イオンパケットを加速する段階と、
    パルス式イオン源を過ぎての前記イオンパケットの角度的な発散を３ｍｒａｄ未満に抑えるために、当該パルス式イオン源を過ぎての当該イオンパケットを再集束させる段階と、を更に備えている、請求項９乃至１２の何れか１項に記載の方法。
14. イオン断片化段階を次に従える上流の質量又はイオン移動度分離の段階を更に備えている、請求項９乃至１３の何れか１項に記載の方法。
15. 前記諸段階は、少なくとも次の型式のタンデム型質量分光分析、即ち、（ｉ）上流の質量分離と円筒状の電場での高分解度フラグメント分析を有する順次的ＭＳ−ＭＳ分析、（ｉｉ）順次的な上流の親選別と円筒状の電場での後続の並列ＭＳ−ＭＳ分析を有する、ＭＳ−ＭＳ−ＭＳ分析、（ｉｉｉ）順次的な高分解度ＭＳ−ＭＳ分析―どちらも円筒状の電場内にその円筒状の電場を通るイオン通路が設けられている―、を実施するように組み合わされる、請求項９又は１４に記載の方法。