JP6750652B2 - イオントラップ - Google Patents
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Description
イオントラップであって:
軸に沿って連続的に位置づけられた複数のセグメントを有する分割電極構造体であって、該分割電極構造体の各セグメントは、軸の周りに配置された複数の電極を含む、分割電極構造体と、
各セグメントに属する少なくともいくつかの電極が、セグメント内部にイオンを半径方向に閉じ込めるための閉じ込め電場を提供するように少なくとも1つのAC電圧波形を供給される半径方向閉じ込めモードで動作するように構成された第1の電圧供給部と、
前記複数のセグメントに属する電極のうちの少なくともいくつかが、前記複数のセグメントのうちの標的セグメントに向けてイオンを押しやりその中にイオンを捕捉するために軸方向に変化するプロファイルを有する捕捉電場を提供するように異なるDC電圧を供給される捕捉モードで動作するように構成された第2の電圧供給部と、
イオン源からイオンを受け取るように構成された第1のチャンバであって、前記複数のセグメント中の第1のサブセットが第1のチャンバ内部に位置する、第1のチャンバと、
前記第1のチャンバからイオンを受け取るように構成された第2のチャンバであって、前記複数のセグメント中の第2のサブセットが第2のチャンバ内部に位置し、前記標的セグメントは、複数のセグメント中の該第2のサブセットのうちの1つである、第2のチャンバと、
前記第2のチャンバに前記第1のチャンバより低いガス圧力を提供するように前記第2のチャンバからガスを排気するように構成されたガスポンプと、
前記第1のチャンバと前記第2のチャンバとの間に位置するガス流制限セクションであって、前記第1のチャンバから前記第2のチャンバにイオンを通すことを可能にすると共に前記第1のチャンバから前記第2のチャンバへのガス流を制限するように構成され、前記第1のチャンバと前記第2のチャンバとの間に壁を含み、少なくとも1つの開口が前記壁に形成されて前記第1のチャンバから前記第2のチャンバにイオンを通すことを可能にすると共にガスが前記第1のチャンバから前記第2のチャンバに流れることを制限し、前記ガス流制限セクションの前記壁における前記少なくとも1つの開口は、前記複数のセグメントの一部である1つまたは複数のガス流制限セグメントを収容し、該1つまたは複数のガス流制限セグメントは前記第1のチャンバ内に全体が位置するセグメントの内接半径よりも小さい内接半径を有する、ガス流制限セクションと
を有する、イオントラップ。
第2の電圧供給部が第1の所定の期間にわたり捕捉モードで動作して、イオンを標的セグメントに向かって動かしその中にイオンを捕捉すること、
第1および第3の電圧供給部がそれらの引き出しモードで動作して、イオンを標的セグメントからイオントラップの外に、例えば質量分析器に向かって引き出すこと
を含む。
第2の電圧供給部が第2の所定の期間にわたり事前捕捉モードで動作すること、および/または
第2の電圧供給部が第3の所定の期間にわたり熱化モードで動作すること
を含む。
第2の電圧供給部が第2の所定の期間にわたり事前捕捉モードで動作すること、および
第2の電圧供給部が第3の所定の期間にわたり熱化モードで動作すること
を含む。
第2の電圧供給部が第4の所定の期間にわたり事前熱化モードで動作すること
をさらに含み得る。
イオン源と、
本発明の第1の態様によるイオントラップであって、イオントラップの第1のチャンバは、イオン源からイオンを受け取るように構成されている、イオントラップと、
イオントラップの標的セグメントから引き出されたイオンを分析するための質量分析器と
を有する質量分析装置、を提供する。
●イオンが第2のチャンバに位置する標的セグメント304に向けて押しやられその中に捕捉される前に、第1のチャンバ内部に位置する事前捕捉セグメント326に向けてイオンを押しやりその中に捕捉するために、軸方向に変化するプロファイルを有する事前捕捉電場を提供するように、セグメントに属する少なくともいくつかの電極が異なるDC電圧を供給される事前捕捉モード。
●複数のセグメントのうちの標的セグメント304に向けてイオンを押しやりその中に捕捉するために、軸方向に変化するプロファイルを有する捕捉電場を提供するように、セグメントに属する少なくともいくつかの電極がDC電圧を供給される捕捉モード。
所定の期間にわたり事前捕捉モードで動作し、
別の所定の期間にわたり捕捉モードで動作する。
1)共鳴射出スキャン(resonance ejection scan)
2)TOF型分析器
3)静電型分析器
例としてのイオントラップのパラメータのいくつかの好ましい範囲を列挙する。これらの数字は、発明者らが最も経験を有している、バッファガスとして使用されているアルゴンガスについてのものである。しかしながら、本発明は、他のバッファガス、例えば、ヘリウムもしくは窒素ガス、または他の不活性ガスに応用することもできる。好ましい圧力範囲は、異なるガスおよび異なる形状寸法では異なっていてよい。
図6を参照して前述した例としてのイオントラップ601では、説明した質量分析器は単一のTOF型質量分析器680である。しかしながら、本発明は、他のタイプの質量分析器、実際、任意のタイプのTOF型分析器にも適用可能であり、特に、分解能の高い飛行時間型質量分析器に適用可能である。静電型分析器にも適用可能である。
図7は、本発明による例としての質量分析装置700(「LIT−TOF」である)を示す。
図8は、実験研究1および2からの結果を得るのに使用される異なる動作モードで質量分析装置700のセグメントにそれぞれ印加されるDC電圧の例示と共に、図7の質量分析装置700を示す。
実験研究2では、衝突セル850に入ることのできたガスは、セグメントの第1のサブセット702を有する第1のチャンバに適切な圧力プロファイルを提供した。コンダクタンス制限セグメント705は、高圧の勾配、したがって、セグメントの第1のサブセット702を有する第1のチャンバと第2のチャンバの標的セグメント704との間に少なくとも3桁の大きさの大きい圧力差をもたらした。この実験では、追加のアルゴンガスを、標的セグメント704を収容する第2のチャンバに供給して、そこに2×10−4mbarの圧力を確立した。セグメントの第1のサブセット702を有する第1のチャンバの圧力は、1×10−2mbarの辺りであった。
実験研究3は図11を参照して説明する。
分子流様式(molecular flow regime)と呼ばれる、バックグラウンドガス分子の平均自由行程がシステムの寸法ほどである(またはそれより長い)圧力様式は、荷電粒子デバイスでしばしば使用される。このような圧力で、ガス流特性は、単純な理論を用いて決定され得る。2つの隣接する圧力エリア間の圧力差は、2つの領域間の流体コンダクタンスCの関係として定義され得る。流体コンダクタンスは、単位時間当たりの体積で、一般的にはm3s−1またはLs−1で表される2つの領域間の排気速度の尺度である。流体コンダクタンスが大きいほど、2つの体積間の流れが大きくなる。2つの体積間でより大きい圧力差を維持するために(2つの領域のうち1つへ、例えばパイプからガス源への正味のガス流がいくらかあることを前提として)、流体コンダクタンスはより小さくしなければならない。2つの体積間の圧力差を低減するために、流体コンダクタンスはより大きくし、他はすべて等しくしなければならない。したがって、より大きい圧力差を維持するために、流体コンダクタンスが低減された領域が必要である。
Claims (18)
- イオントラップであって、
軸に沿って連続的に位置づけられた複数のセグメントを有する分割電極構造体であって、前記分割電極構造体の各セグメントは、前記軸の周りに配置された複数の電極を含む、分割電極構造体と、
各セグメントに属する少なくともいくつかの電極が、前記セグメント内部にイオンを半径方向に閉じ込めるための閉じ込め電場を提供するように少なくとも1つのAC電圧波形を供給される半径方向閉じ込めモードで動作するように構成された第1の電圧供給部と、
前記セグメントに属する前記電極のうちの少なくともいくつかが、前記複数のセグメントのうちの標的セグメントに向けてイオンを押しやりその中にイオンを捕捉するために軸方向に変化するプロファイルを有する捕捉電場を提供するように異なるDC電圧を供給される捕捉モードで動作するように構成された第2の電圧供給部と、
イオン源からイオンを受け取るように構成された第1のチャンバであって、前記セグメントの第1のサブセットが前記第1のチャンバ内部に位置する、第1のチャンバと、
前記第1のチャンバからイオンを受け取るように構成された第2のチャンバであって、前記セグメントの第2のサブセットが前記第2のチャンバ内部に位置し、前記標的セグメントは、前記セグメントの第2のサブセットのうちの1つである、第2のチャンバと、
前記第2のチャンバに前記第1のチャンバより低いガス圧力を提供するように前記第2のチャンバからガスを排気するように構成されたガスポンプと、
前記第1のチャンバと前記第2のチャンバとの間に位置するガス流制限セクションであって、前記第1のチャンバから前記第2のチャンバにイオンを通すことを可能にすると共に前記第1のチャンバから前記第2のチャンバへのガス流を制限するように構成され、前記第1のチャンバと前記第2のチャンバとの間に壁を含み、少なくとも1つの開口が前記壁に形成されて前記第1のチャンバから前記第2のチャンバにイオンを通すことを可能にすると共にガスが前記第1のチャンバから前記第2のチャンバに流れることを制限し、前記ガス流制限セクションの前記壁における前記少なくとも1つの開口は、前記複数のセグメントの一部である1つまたは複数のガス流制限セグメントを収容し、該1つまたは複数のガス流制限セグメントは前記第1のチャンバ内に全体が位置するセグメントの内接半径よりも小さい内接半径を有する、ガス流制限セクションと、
を有する、イオントラップ。 - 前記第2のチャンバの前記標的セグメントと前記第1のチャンバの最後のセグメントとの間の距離は、12r0t以下であり、r0tは前記標的セグメントの内接半径であり、前記距離は、前記標的セグメントの中心から前記第1のチャンバの前記最後のセグメントの中心まで、前記軸に沿って測定される、請求項1に記載のイオントラップ。
- 前記イオントラップは、前記イオントラップが使用中であるときに、前記第1のチャンバの所定の場所で所定の第1の圧力を、前記第2のチャンバの所定の場所で所定の第2の圧力を、提供するように構成され、前記第1の圧力は、前記第2の圧力の10倍以上大きい、請求項1又は2に記載のイオントラップ。
- 前記イオントラップは、前記イオントラップが使用中であるときに、前記第1のチャンバの所定の場所で所定の第1の圧力を、前記第2のチャンバの所定の場所で所定の第2の圧力を、提供するように構成され、前記第1の圧力は、5×10−3mbar〜5×10−2mbarであり、前記第2の圧力は、1×10−5mbar〜5×10−4mbarである、請求項1から3のいずれか1項に記載のイオントラップ。
- 各セグメントの前記複数の電極は、前記軸の方向に延び、かつ多重極イオンガイドを形成するように配置された、いくつかの細長い電極を含む、請求項1から4のいずれか1項に記載のイオントラップ。
- 少なくともいくつかの対の隣接するセグメントが存在し、該対の第1のセグメントの少なくとも1つの電極に印加されるDC電圧と前記対の第2のセグメントの少なくとも1つの電極に印加されるDC電圧との間に2V以下の小さいDCオフセットがあるような、前記捕捉モードで動作するよう前記第2の電圧供給部が構成される、請求項1から5のいずれか1項に記載のイオントラップ。
- 前記第2の電圧供給部は、熱化モードで動作するように構成され、前記熱化モードでは、前記セグメントに属する前記電極のうちの少なくともいくつかが、前記第2のチャンバ内部に位置する前記標的セグメントにイオンを捕捉すると共にさらなるイオンが前記標的セグメントに入るのを防ぐために軸方向に変化するプロファイルを有する熱化電場を提供するように異なるDC電圧を供給される、請求項1から6のいずれか1項に記載のイオントラップ。
- 前記第2の電圧供給部は、事前捕捉モードで動作するように構成され、前記事前捕捉モードでは、前記セグメントに属する前記電極のうちの少なくともいくつかが、前記第1のチャンバ内部に位置する事前捕捉セグメントに向けてイオンを押しやりその中に捕捉するために軸方向に変化するプロファイルを有する事前捕捉電場を提供するように異なるDC電圧を供給され、前記事前捕捉セグメントは前記第1のチャンバ内に全体が位置する他のセグメントよりも前記第2のチャンバに近い、請求項1から6のいずれか1項に記載のイオントラップ。
- 前記第2の電圧供給部は、事前熱化モードで動作するように構成され、前記事前熱化モードでは、前記セグメントに属する前記電極のうちの少なくともいくつかが、前記第1のチャンバ内部に位置する前記事前捕捉セグメントにイオンを捕捉すると共に、さらなるイオンが前記事前捕捉セグメントに入るのを防いで、ガス粒子との衝突を通じて前記事前捕捉セグメントに捕捉された前記イオンの熱化を可能にするために軸方向に変化するプロファイルを有する事前熱化電場を提供するように異なるDC電圧を供給される、請求項8に記載のイオントラップ。
- 前記第2の電圧供給部は、さらに、事前捕捉モードで動作するように構成され、前記事前捕捉モードでは、前記セグメントに属する前記電極のうちの少なくともいくつかが、前記第1のチャンバ内部に位置する事前捕捉セグメントに向けてイオンを押しやりその中に捕捉するために軸方向に変化するプロファイルを有する事前捕捉電場を提供するように異なるDC電圧を供給され、前記事前捕捉セグメントは前記第1のチャンバ内に全体が位置する他のセグメントよりも前記第2のチャンバに近く、
前記第2の電圧供給部は、さらに、事前熱化モードで動作するように構成され、前記事前熱化モードでは、前記セグメントに属する前記電極のうちの少なくともいくつかが、前記第1のチャンバ内部に位置する前記事前捕捉セグメントにイオンを捕捉すると共に、さらなるイオンが前記事前捕捉セグメントに入るのを防いで、ガス粒子との衝突を通じて前記事前捕捉セグメントに捕捉された前記イオンの熱化を可能にするために軸方向に変化するプロファイルを有する事前熱化電場を提供するように異なるDC電圧を供給され、
前記第2の電圧供給部は、前記熱化モードと同時に前記事前捕捉モードおよび/または前記事前熱化モードで動作するように構成されている、請求項7に記載のイオントラップ。 - 前記イオントラップは、引き出しモードで動作するように構成された第3の電圧供給部を含み、前記引き出しモードでは、1つまたは複数の引き出し電圧が、前記標的セグメントの1つもしくは複数の電極および/または1つもしくは複数の引き出し電極に供給される、請求項1から10のいずれか1項に記載のイオントラップ。
- 前記第1の電圧供給部は、引き出しモードで動作するように構成され、前記引き出しモードでは、前記半径方向閉じ込めモードにおいて前記標的セグメントの電極に供給されるAC電圧波形が、イオンを前記標的セグメントから引き出させるように休止または停止され、前記イオントラップは、引き出しサイクルを繰り返し実行するように構成され、前記引き出しサイクルは、
前記第2の電圧供給部が第1の所定の期間にわたり前記捕捉モードで動作して、イオンを前記標的セグメントに向かって動かしその中にイオンを捕捉すること、
前記第1および第3の電圧供給部がそれらの引き出しモードで動作して、イオンを前記標的セグメントから前記イオントラップの外に引き出すこと
を含む、請求項11に記載のイオントラップ。 - 質量分析装置であって、
イオン源と、
請求項1から12のいずれか1項に記載のイオントラップであって、前記イオントラップの前記第1のチャンバは、前記イオン源からイオンを受け取るように構成されている、イオントラップと、
前記イオントラップの前記標的セグメントから引き出されたイオンを分析するための質量分析器と
を有する、質量分析装置。 - 前記イオン源は、前記イオントラップの前記第1のチャンバによって受け取られるように連続したイオンの流れを提供するように構成されている、請求項13に記載の質量分析装置。
- 前記事前捕捉セグメントに供給されるDC電圧が、前記第1のチャンバ内に位置する前記セグメントの前記第1のサブセットの他のセグメントに供給されるDC電圧よりも低い、請求項8に記載のイオントラップ。
- 前記1つまたは複数のガス流制限セグメントが軸方向に延びる複数の電極を含む、請求項15に記載のイオントラップ。
- 前記第2の電圧供給部は、事前捕捉モードで動作するように構成され、前記事前捕捉モードでは、前記セグメントに属する前記電極のうちの少なくともいくつかが、前記第1のチャンバ内部に位置する事前捕捉セグメントに向けてイオンを押しやりその中に捕捉するために軸方向に変化するプロファイルを有する事前捕捉電場を提供するように異なるDC電圧を供給され、
前記事前捕捉セグメントは前記第1のチャンバ内に全体が位置する他のセグメントよりも前記第2のチャンバに近く、
前記事前捕捉セグメントに供給されるDC電圧が、前記第1のチャンバ内に位置する前記セグメントの前記第1のサブセットの他のセグメントに供給されるDC電圧よりも低い、請求項13に記載の質量分析装置。 - 前記1つまたは複数のガス流制限セグメントが軸方向に延びる複数の電極を含む、請求項17に記載の質量分析装置。
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