JP6881679B2 - 飛行時間型質量分析装置 - Google Patents

Description

本発明は飛行時間型質量分析装置（以下、適宜「ＴＯＦＭＳ」と称す）に関し、さらに詳しくは、コリジョンセルで解離させたイオンを直交加速方式のＴＯＦＭＳに導入して質量分析する四重極−飛行時間型質量分析装置などのＴＯＦＭＳに関する。

ＴＯＦＭＳの一つの方式として、試料成分由来のイオン流の進行方向と略直交する方向にイオンを加速して飛行空間へと送り込む、直交加速（「垂直加速」や「直交引出し」とも呼ばれる）方式のＴＯＦＭＳ（以下、適宜「ＯＡ−ＴＯＦＭＳ」と称す）が知られている。例えば特許文献１、非特許文献１には、衝突誘起解離によりイオンを解離させるコリジョンセルの前段に四重極マスフィルタを配置する一方、コリジョンセルの後段にＯＡ−ＴＯＦＭＳを配置した四重極−飛行時間型質量分析装置（以下、適宜「Ｑ−ＴＯＦＭＳ」と称す）が開示されている。

ＯＡ−ＴＯＦＭＳの直交加速部では、パルス的にイオンを加速する加速電圧（特許文献１における「push-pull voltage」）が所定のタイミングで加速電極に印加されるため、その加速電圧の印加時点で直交加速部を通過しているイオンのみが飛行空間に向けて加速され、それ以外のイオン、つまりその加速電圧印加時よりも前又は後に直交加速部を通過するイオンは無駄になる。ＯＡ−ＴＯＦＭＳにおけるこのイオンの利用効率は一般にデューティサイクル（Duty Cycle）と呼ばれ、次の式で定義される（特許文献２等参照）。
Duty Cycle［％］＝｛（実際に測定に利用されるイオンの量）／（直交加速部へ到達したイオンの量）｝×１００

上記式から分かるように、直交加速部に連続的にイオン流が導入される場合にはデューティサイクルは低くなる。そこでデューティサイクルを向上させるために、従来の一般的なＱ−ＴＯＦＭＳでは、コリジョンセルの内部に測定対象であるイオンを一旦蓄積し、その蓄積したイオンをコリジョンセルから吐き出して圧縮された状態のイオン流を断続的に直交加速部に送り込み、そのイオン流が供給されたタイミングに合わせて直交加速部においてイオンを加速するという構成が採られている。

例えば特許文献３に記載のＱ−ＴＯＦＭＳでは、コリジョンセル内に配置されたイオンガイドを構成する複数本のロッド電極を、イオンが進行するに伴いイオン光軸（中心軸）からの距離が徐々に大きくなるように傾けて配置することで、軸方向のポテンシャル分布（厳密には疑似ポテンシャルの分布であるが、本明細書中では疑似ポテンシャル及び直流電圧由来の実ポテンシャルを、便宜上「ポテンシャル」という）がイオン進行方向に下り傾斜となるようにしている。そして、コリジョンセルの出口側開口に設けられた出口側ゲート電極との間の直流電位差によって、そのイオンガイドの出口端と出口側ゲート電極との間の空間にポテンシャル障壁を形成し、上記下り傾斜であるポテンシャル分布と上記ポテンシャル障壁とによって、イオンガイドで囲まれる空間にイオンを蓄積できるようにしている。

さらにまた、該文献３に記載のＱ−ＴＯＦＭＳでは、測定対象のイオンの質量電荷比に応じて上記ポテンシャル障壁の高さを変えることでポテンシャル障壁を乗り越えようとするイオンを押し返す力の大きさを調整し、それによって、コリジョンセルから吐き出されたイオンが直交加速部まで到達する移動時間の質量電荷比依存性を軽減している。これにより、様々な質量電荷比を有するイオンについて、高いデューティサイクルを実現している。

米国特許第６２８５０２７号明細書 特開２０１０−１７０８４８号公報 国際公開第２０１６／０４２６３２号パンフレット 米国特許第７４５６３８８号明細書

「飛行時間型質量分析」、アジレント・テクノロジー株式会社、［online］、［平成３０年４月１１日検索］、インターネット＜URL: https://www.chem-agilent.com/pdf/low_5990-9207JAJP.pdf＞

しかしながら、本発明者らの実験的な検討によれば、上述したように測定対象であるイオンの質量電荷比に応じてポテンシャル障壁の高さを調整しても、デューティサイクルが良好にならない場合がある。

例えば、Ｑ−ＴＯＦＭＳでは、コリジョンセル内で衝突誘起解離により解離させたイオンを質量分析するＭＳ／ＭＳ（＝ＭＳ²）分析を行うことができるが、コリジョンセル内でイオンを解離させない通常の質量分析（ＭＳ¹分析）を実行することも可能である。ＭＳ／ＭＳ分析を実行する場合とＭＳ¹分析を行う場合とで測定対象のイオンの質量電荷比が同程度であるとき、イオン蓄積のためのポテンシャル障壁の高さを同じにしてもデューティサイクルには明確な差が生じる。そのため、例えばＭＳ／ＭＳ分析時のデューティサイクルができるだけ良好になるようにパラメータを調整すると、ＭＳ¹分析時のデューティサイクルが低くなり、それだけイオンの検出感度が低下することになる。

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、その目的とするところは、Ｑ−ＴＯＦＭＳ等のＴＯＦＭＳにおいて、ＭＳ／ＭＳ分析、ＭＳ¹分析のいずれを行う場合でもデューティサイクルを改善することによりマススペクトルの感度を向上させることができるＴＯＦＭＳを提供することである。

Ｑ−ＴＯＦＭＳにおいてＭＳ／ＭＳ分析を実行する場合には、コリジョンセル内で所定のガス（コリジョンガス）との接触によりイオンを解離させるために或る程度大きなエネルギ（コリジョンエネルギ）をイオンに付与してコリジョンセル内に導入する必要がある。これに対し、Ｑ−ＴＯＦＭＳにおいてＭＳ¹分析を実行する場合には、コリジョンセル内に所定のガスが存在していても解離が生じないように、コリジョンセル内に導入されるイオンにはイオン解離操作時に比べて小さなエネルギが付与される。本発明者らは実験的な検討により、コリジョンセルに導入される際にイオンに付与されるエネルギ、つまりはコリジョンエネルギの違いにより、デューティサイクルを改善するためのポテンシャル障壁の高さが相違することを見いだした。そして、こうした知見に基づいて本発明を完成させるに至った。

即ち、上記課題を解決するためになされた本発明は、所定のエネルギを有して入射したイオンを所定のガスに接触させるためのコリジョンセルと、該コリジョンセルから排出されたイオンをそのイオン流の入射軸と異なる方向に加速する加速部と、該加速部で加速されたイオンを質量電荷比に応じて分離して検出する分離検出部と、を具備する飛行時間型質量分析装置であって、
a)測定対象であるイオンを一時的に保持するために、前記コリジョンセルの内部に配置された、高周波電場によってイオンをイオン光軸付近に収束させるイオンガイドと、該イオンガイドの出口端外側に配置された、前記コリジョンセルの一部を構成する又は該コリジョンセルとは別体である出口側ゲート電極と、を含むイオン保持部と、
b)前記出口側ゲート電極に直流電圧を印加する電圧印加部と、
c)前記イオンガイドの内部空間に測定対象であるイオンを保持する際に、少なくとも該イオンガイドの出口端よりも前記出口側ゲート電極におけるポテンシャルが高くなるような保持時直流電圧を該出口側ゲート電極に印加するとともに、前記イオンガイドからイオンを放出する際には、該イオンガイドの出口端よりも前記出口側ゲート電極におけるポテンシャルが低くなるような放出時直流電圧を該出口側ゲート電極に印加するべく前記電圧印加部を制御する制御部であって、前記コリジョンセルの前段から該コリジョンセルの内部にイオンが導入される際に該イオンに付与されるエネルギの大きさに応じて前記保持時直流電圧を変化させる制御部と、
を備えることを特徴としている。

本発明では、コリジョンセルに導入されるイオンに付与されるエネルギ、つまりはコリジョンエネルギが大きいほど、測定対象であるイオンを保持する際にイオンガイドの出口端と出口側ゲート電極との間に形成されるポテンシャル障壁が高くなるように保持時直流電圧を設定する。通常、ＭＳ／ＭＳ分析時にはＭＳ¹分析時に比べてコリジョンエネルギ（厳密に言えば、ＭＳ¹分析時にはイオンを解離させないので「コリジョンエネルギ」ではないが、本明細書では便宜的に、ＭＳ／ＭＳ分析時、ＭＳ¹分析時ともにコリジョンエネルギという）が高いため、ＭＳ／ＭＳ分析時にはＭＳ¹分析時に比べて上記ポテンシャル障壁は高くなる。

相対的に小さなコリジョンエネルギを有してコリジョンセルにイオンが導入されたとき、イオンガイドの出口端と出口側ゲート電極との間に形成されるポテンシャル障壁が相対的に低いため、必要以上にイオンは押し戻されず、イオンガイド内の出口付近に集中的に蓄積され易い。そのため、放出時直流電圧が出口側ゲート電極に印加されて上記ポテンシャル障壁が無くなったときに、測定対象のイオンがあまり分散せずに加速部に到達する。それにより、デューティサイクルを改善することができる。なお、加速部は典型的には入射軸と直交する方向にイオンを加速する直交加速部である。

一方、相対的に大きなコリジョンエネルギを有してコリジョンセルにイオンが導入されたとき、イオンガイドの出口端と出口側ゲート電極との間に形成されるポテンシャル障壁は相対的に高い。コリジョンセルに導入されたイオンはコリジョンガスに接触して解離し各種のプロダクトイオンが生成されるが、このプロダクトイオンも比較的大きなエネルギを有している。イオンガイドの出口端と出口側ゲート電極との間に形成されるポテンシャル障壁が低いと、大きなエネルギを有するプロダクトイオンがポテンシャル障壁を乗り越えて漏出してしまうおそれがあるが、本発明では、ポテンシャル障壁が高いので大きなエネルギを有するプロダクトイオンもポテンシャル障壁を乗り越えず、確実に蓄積される。それにより、測定対象のイオンの損失が抑えられ、デューティサイクルを改善することができる。

ただし、ポテンシャル障壁の高さを変えるとイオンを押し戻す力が変わるため、イオンガイドの内部空間でイオンが多く存在する部位に差が生じる。具体的には、ポテンシャル障壁が高いとイオンガイドの内部空間でより入口端に近い部位にイオンが多く存在し易い。そのため、ポテンシャル障壁の高さによって、該ポテンシャル障壁が無くなったときにイオンがイオンガイドから発して加速部に到達するまでの時間（イオンの移動時間）に差が生じる。

そこで、本発明において好ましくは、前記制御部は、前記保持時直流電圧を変化させるのに伴い、放出時直流電圧を前記出口側ゲート電極に印加する時点から前記加速部でイオンを加速させるまでの遅延時間を変化させる構成とするとよい。

具体的には、測定対象のイオンの質量電荷比が同程度であっても、ポテンシャル障壁が高いときには低いときに比べて上記遅延時間を長くするとよい。適切な遅延時間は予め実験的に又はシミュレーションにより求めておけばよい。これにより、より一層、デューティサイクルを向上させ、高い感度で以てイオンを検出することができる。

また本発明では、解離させたイオンを質量分析するＭＳ／ＭＳ分析モードと、解離させないイオンを質量分析するＭＳ分析モードと、を選択的に実行可能であり、
ＭＳ／ＭＳ分析モードにおいては前記コリジョンセルに導入されたイオンが所定のガスに接触したときに解離するようなエネルギを該イオンに付与し、ＭＳ分析モードにおいては前記コリジョンセルに導入されたイオンが所定のガスに接触したときに解離が生じずクーリングされるように解離時よりも低いエネルギを該イオンに付与する構成とするとよい。

なお、本発明において、イオンガイドの内部に軸方向にイオンを輸送する下り傾斜のポテンシャル分布を形成するために、特許文献３に開示されているように、イオンガイドを構成する複数本のロッド電極をイオン光軸と平行ではなくイオン光軸に対し傾けて配置することで、イオン光軸に直交する面内でのイオン光軸とロッド電極内周面との間の距離をイオン進行方向に向かうに従い徐々に大きくするとよい。また、特許文献４に開示されている別の方法を用いてもよい。

本発明によれば、ＭＳ／ＭＳ分析、ＭＳ¹分析のいずれを行う場合でもデューティサイクルを改善することができ、それによりマススペクトルの感度を向上させることができる。また、ＭＳ／ＭＳ分析を実行する際に、例えば目的化合物の種類に応じて、或いは、同じ化合物でも開裂の態様を変えるために、コリジョンエネルギが変更されることがあるが、そうした場合でも常にデューティサイクルを最良に近い状態にすることができ、それにより良好なマススペクトルを得ることができる。

本発明の一実施例であるＱ−ＴＯＦＭＳの要部の構成図。 本実施例のＱ−ＴＯＦＭＳにおける四重極マスフィルタと直交加速部との間の詳細構成図（ａ）、及び、軸方向の概略ポテンシャル分布を示す図（ｂ）。 本実施例のＱ−ＴＯＦＭＳにおけるイオンガイド内部空間でのイオン挙動の説明図。 本実施例のＱ−ＴＯＦＭＳにおける出口側ゲート電極への印加電圧及び直交加速の印加電圧のタイミング図。 異なるコリジョンエネルギの下での押し戻し電圧、遅延時間、及び信号強度の関係の実測結果を示す図。

以下、本発明の一実施例であるＱ−ＴＯＦＭＳについて、添付図面を参照して説明する。

図１は本実施例のＱ−ＴＯＦＭＳの要部の構成図である。本実施例のＱ−ＴＯＦＭＳは、多段差動排気系の構成を有しており、チャンバ１内には、略大気圧雰囲気であるイオン化室２、第１中間真空室３、第２中間真空室４、第１分析室５、及び、最も真空度が高い第２分析室６が配設されている。

イオン化室２には、エレクトロスプレイイオン化（ＥＳＩ）を行うためのＥＳＩスプレー７が設けられ、目的化合物を含む液体試料がＥＳＩスプレー７に供給されると、該スプレー７先端から帯電液滴が噴霧され、該液滴が分裂するとともに溶媒が蒸発する過程で目的化合物由来のイオンが生成される。なお、イオン化法はこれに限るものではなく、例えば、試料が液体である場合には、ＥＳＩ以外の大気圧化学イオン化（ＡＰＣＩ）法、大気圧光イオン化（ＡＰＰＩ）法、探針エレクトロスプレーイオン化（ＰＥＳＩ）法などの大気圧イオン化法が使用可能であり、また試料が固体状である場合にはＭＡＬＤＩ法などが使用可能であり、試料が気体状である場合には電子イオン化（ＥＩ）法、化学イオン化（ＣＩ）法などが利用可能である。

イオン化室２内で生成された各種イオンは加熱キャピラリ８を通して第１中間真空室３へ送られ、アレイ型イオンガイド９により収束されてスキマー１０を通して第２中間真空室４へ送られる。さらに、イオンは多重極型イオンガイド１１により収束されて第１分析室５へ送られる。第１分析室５内には、四重極マスフィルタ１２と、リニアイオントラップとして機能する四重極型イオンガイド１４が内部に設けられたコリジョンセル１３と、が設置されている。試料由来の各種イオンは四重極マスフィルタ１２に導入され、ＭＳ／ＭＳ分析時には、四重極マスフィルタ１２に印加されている電圧に応じた特定の質量電荷比（又は質量電荷比範囲）を有するイオンが該四重極マスフィルタ１２を通り抜ける。このイオンはプリカーサイオンとしてコリジョンセル１３に導入され、コリジョンセル１３内に外部から供給されるコリジョンガスとの接触によってプリカーサイオンは解離し、各種のプロダクトイオンが生成される。

イオンガイド１４はリニア型イオントラップとして機能し、解離により生成されたプロダクトイオンはイオンガイド１４の内部空間に一時的に蓄積される。そして、一時的に蓄積されていたイオンは所定のタイミングでコリジョンセル１３から排出され、イオン輸送光学系１６により案内されつつイオン通過口１５を経て第２分析室６内に導入される。イオン輸送光学系１６は、イオン通過口１５を挟んで第１分析室５と第２分析室６とに跨って配置されている。

第２分析室６内には、イオン射出源である直交加速部１７と、リフレクタ１９が配置された飛行空間１８と、イオン検出器２０とが設けられており、イオン光軸Ｃに沿って直交加速部１７にＸ軸方向に導入されたイオンは所定のタイミングでＺ軸方向に加速されることで飛行を開始する。飛行空間１８においてイオンはまず無電場である空間中を自由飛行したあと、リフレクタ１９により形成されている反射電場で折り返され、再び無電場の空間中を自由飛行してイオン検出器２０に到達する。イオンが直交加速部１７を出発した時点からイオン検出器２０に到達するまでの飛行時間は、そのイオンの質量電荷比に依存する。したがって、図示しないデータ処理部は、イオン検出器２０による検出信号に基づいて飛行時間とイオン強度との関係を示す飛行時間スペクトルを作成し、既知の校正情報に基づいて飛行時間を質量電荷比に換算することでマススペクトルを作成する。

図２（ａ）は図１中の四重極マスフィルタ１２から直交加速部１７までの構成要素の詳細な構成図、図２（ｂ）は軸方向の概略ポテンシャル分布図である。なお、図２（ｂ）において、イオンガイド１４におけるポテンシャルＵ₁はイオン光軸Ｃ上のポテンシャル分布ではなく、イオン光軸Ｃ外のイオンビームが出口側に向かって輸送される際に受ける疑似ポテンシャル勾配であり、イオンガイド１４以外のポテンシャル分布は実質的にイオン光軸Ｃ上のポテンシャル分布を示している。

四重極マスフィルタ１２はイオン光軸Ｃに平行に配置された４本のロッド電極を含む。ただし、ここではイオン光軸Ｃを含むＸ−Ｚ平面上に位置する２本のロッド電極のみを描出している（以下の四重極型イオンガイド１４も同様）。四重極型イオンガイド１４は４本のロッド電極からなるが、この４本のロッド電極は図２（ａ）に示すように、イオン光軸Ｃに平行ではなく、イオン進行方向（図２（ａ）では右方向）に向かってイオン光軸Ｃからの距離が徐々に大きくなるように傾けて配置されている。コリジョンセル１３の後端面は出口側ゲート電極１３２となっており、この出口側ゲート電極１３２と四重極型イオンガイド１４とが実質的にリニア型イオントラップとして機能する。イオン輸送光学系１６は、中央に円形開口を有する円盤状の電極板がイオン光軸Ｃに沿って複数（この例では５枚）配列された構成である。直交加速部１７は、入口電極１７１、押出電極１７２、及びグリッド状の引出電極１７３、を含む。

制御部３０の制御の下に、四重極マスフィルタ電圧発生部３１は四重極マスフィルタ１２の各ロッド電極に所定の電圧を印加する。四重極マスフィルタ１２で特定の質量電荷比を有するイオンを選択する場合、この電圧は直流電圧に高周波電圧を重畳した電圧であり、その直流電圧と高周波電圧の振幅とはそれぞれ選択したい質量電荷比に応じたものである。また、この直流電圧と高周波電圧とを合成した電圧にさらに直流バイアス電圧が加算される。イオンガイド電圧発生部３２は四重極型イオンガイド１４の各ロッド電極に所定の電圧を印加する。この電圧はイオン収束用の高周波電圧に直流バイアス電圧が加算されたものである。出口側ゲート電極電圧発生部３３は出口側ゲート電極１３２に所定の直流電圧を印加する。また、イオン輸送光学系電圧発生部３４はイオン輸送光学系１６に含まれる各電極板にそれぞれ所定の直流電圧を印加する。直交加速部電圧発生部３５は入口電極１７１、押出電極１７２及び引出電極１７３にそれぞれ所定の電圧を印加する。

ここでは、コリジョンセル１３内に導入されるイオンに付与されるエネルギ、つまりはコリジョンエネルギは四重極マスフィルタ１２のロッド電極に印加されるバイアス電圧と、四重極型イオンガイド１４のロッド電極に印加されるバイアス電圧との電圧差により決まる。本実施例のＱ−ＴＯＦＭＳにおいてＭＳ／ＭＳ分析を実行する際には、上述したように、コリジョンセル１３内で衝突誘起解離によりイオンを解離させる必要があるため、比較的大きなコリジョンエネルギをイオンに付与してコリジョンセル１３に導入する。一方、本実施例のＱ−ＴＯＦＭＳにおいてＭＳ¹分析を実行する際には、コリジョンセル１３内でイオンが解離しないようにするために、ＭＳ／ＭＳ分析時に比べて小さなコリジョンエネルギをイオンに付与してコリジョンセル１３に導入する。なお、ＭＳ¹分析時にはコリジョンセル１３内でイオン解離を行わないが、コリジョンセル１３に導入されたイオンが持つエネルギを減じて捕捉され易くするために、クーリングガスとして不活性ガスをコリジョンセル１３内に導入する。

本実施例のＱ−ＴＯＦＭＳでは、コリジョンセル１３内に導入されたイオン、或いはその導入されたイオンを衝突誘起解離により解離させることで生成したプロダクトイオンを四重極型イオンガイド１４の内部空間に一旦蓄積し、その蓄積したイオンをコリジョンセル１３から排出してイオン輸送光学系１６を通して直交加速部１７に導入し質量分析する。その際の動作について、図２に加えて図３、図４を参照して説明する。図３は四重極型イオンガイド１４の内部空間におけるイオン挙動の説明図、図４は出口側ゲート電極１３２への印加電圧及び直交加速の印加電圧のタイミング図である。なお、ここでは、測定対象のイオンが正イオンである場合を例示しているが、測定対象のイオンが負イオンである場合には、電圧の極性を正負反転すればよいことは明らかである。

四重極型イオンガイド１４の内部空間にイオンを蓄積する際に、イオンガイド電圧発生部３２は該イオンガイド１４を構成する４本のロッド電極にそれぞれ高周波電圧と直流電圧とを加算した電圧を印加する。この高周波電圧はイオンをイオン光軸Ｃ付近に収束させる四重極高周波電場を形成するためのものである。一方、直流電圧は主としてイオン光軸Ｃに沿ったポテンシャル分布を形成するため、及び、上述したようにコリジョンエネルギをイオンに付与するためのものである。また、イオンを蓄積する際には、出口側ゲート電極電圧発生部３３は出口側ゲート電極１３２に四重極型イオンガイド１４の出口端よりも高い所定の直流電圧を印加する。

図２（ｂ）中に示す実線Ｕ₅は、四重極マスフィルタ１２の出口端と四重極型イオンガイド１４の入口端との間の空間におけるイオン光軸Ｃ上の概略ポテンシャル分布である。また、 実線Ｕ₁は、四重極型イオンガイド１４の内部空間にイオンを蓄積するときの、その内部空間における軸方向の概略ポテンシャル分布である。上述したように、コリジョンセル１３に導入されるイオンは実線Ｕ₅で示される下り傾斜のポテンシャル分布によりコリジョンエネルギを付与される。また、四重極型イオンガイド１４のロッド電極は上述したような特徴的な配置であるために、該イオンガイド１４の内部空間における軸上のポテンシャル分布は入口端から出口端に向かって緩やかに下傾する形状となっている。

一方、図２（ｂ）中に一点鎖線Ｕ₂で示すように、出口側ゲート電極１３２の位置のポテンシャルは四重極型イオンガイド１４の出口端のポテンシャルよりも高くなっており、該イオンガイド１４の出口端（図２（ｂ）中の点Ｐ₁の位置）と出口側ゲート電極１３２（図２（ｂ）中の点Ｐ₂の位置）との間の空間にはポテンシャル障壁が形成されている。

上述したようにコリジョンセル１３内に導入されたイオン又はコリジョンセル１３内で解離によって生成されたプロダクトイオンは、四重極型イオンガイド１４の内部空間に形成されている緩やかな下り傾斜のポテンシャル分布に従ってイオン進行方向（図２での右方向）に移動する。そして、四重極型イオンガイド１４の出口端に達するとポテンシャル障壁によって押し返される。ここで、制御部３０は、コリジョンセル１３に導入されるイオンに付与されるコリジョンエネルギに応じて出口側ゲート電極１３２への印加電圧を変えるように、出口側ゲート電極電圧発生部３３を制御する。具体的には、コリジョンエネルギが大きいほど出口側ゲート電極１３２への印加電圧を高くする。これにより、コリジョンエネルギが大きいほどポテンシャル障壁は高くなる。

図２（ｂ）中の二本の一点鎖線Ｕ₂は、異なる高さのポテンシャル障壁を示している。上述したように、ＭＳ¹分析時とＭＳ／ＭＳ分析時とではコリジョンエネルギが異なるから、ここでは、二本の一点鎖線Ｕ₂のうちの高いほうはコリジョンエネルギが相対的に大きなＭＳ／ＭＳ分析時のポテンシャル障壁を示し、二本の一点鎖線Ｕ₂のうちの低いほうはコリジョンエネルギが相対的に小さなＭＳ¹分析時のポテンシャル障壁を示す。

図３（ａ）はポテンシャル障壁が高い場合の、つまりは相対的にコリジョンエネルギが大きい場合のイオンの挙動、図３（ｂ）はポテンシャル障壁が低い場合の、つまりは相対的にコリジョンエネルギが小さい場合のイオンの挙動、を示す概念図である。

ポテンシャル障壁によって押し返されたイオンは、実線Ｕ₁で示されるポテンシャルの傾斜を上り、或る位置まで達するとエネルギがゼロになって方向を反転し、再びポテンシャルの傾斜を下る。図３（ａ）に示すようにポテンシャル障壁が高いと該障壁の傾斜が急であるためイオンを押し返すエネルギが大きく、押し返されたイオンは四重極型イオンガイド１４の出口端から遠い位置（点Ｐ₃の位置）まで戻る。また、コリジョンセル１３に導入されたイオンは大きなコリジョンエネルギを有しているため、解離により生成されたイオン自体も比較的大きなエネルギを有した状態でコリジョンセル１３の出口に向かって進行することが多い。そのため、ポテンシャル障壁が低いとイオンがポテンシャル障壁を乗り越えてコリジョンセル１３から漏出してしまう可能性があるが、ここではポテンシャル障壁が高いので、大きなエネルギを有するイオンも確実に押し返すことができる。これにより、イオンの損失を回避して、多くの量のイオンを四重極型イオンガイド１４の内部空間に蓄積することができる。

一方、図３（ｂ）に示すようにポテンシャル障壁が低いと該障壁の傾斜は相対的に緩いため、イオンを押し返すエネルギは小さく、押し返されたイオンは四重極型イオンガイド１４の出口端から近い位置（点Ｐ₃’の位置）までしか戻らない。即ち、この場合には、イオンガイド１４の出口端に比較的近い狭い空間にイオンを蓄積することができる。また、ポテンシャル障壁は低いので、イオンが大きなエネルギを有しているとポテンシャル障壁を乗り越えてしまうおそれがあるが、コリジョンセル１３に導入されるイオンに付与されるコリジョンエネルギは小さいので、イオンは低いポテンシャル障壁で以て確実に押し返される。したがって、多くの量のイオンを四重極型イオンガイド１４の出口端に近い空間に蓄積することができる。

こうしてイオンを一時的に蓄積したあと、所定のタイミングで、出口側ゲート電極電圧発生部３３は出口側ゲート電極１３２に印加する電圧を、四重極型イオンガイド１４の出口端の電圧よりも低くイオン輸送光学系１６の初段の電極板への印加電圧よりも高い電圧値まで引き下げる。図２（ｂ）中に示す点線Ｕ₃は、このときの四重極型イオンガイド１４出口端とイオン輸送光学系１６の初段電極板との間の概略ポテンシャル分布である。

図２（ｂ）に示すように、上記ポテンシャル障壁はなくなり、四重極型イオンガイド１４出口端からイオン輸送光学系１６に向けて下傾したポテンシャル勾配が形成されるため、四重極型イオンガイド１４の内部空間に一時的に蓄積されていたイオンはイオン輸送光学系１６に向けて一斉に放出される。なお、イオン輸送光学系１６においてイオンをイオン光軸Ｃ付近に収束させつつ輸送するために、イオン輸送光学系電圧発生部３４からイオン輸送光学系１６に含まれる各電極板にはそれぞれ異なる電圧が印加されており、厳密にいえばその各電極板の設置位置のポテンシャルは同一ではないが、平均的にみれば一定であるとみなし得るので、図２（ｂ）ではポテンシャル分布を点線で示している。

図４に示すように、四重極型イオンガイド１４（つまりはコリジョンセル１３）からイオンが排出される時点から所定の遅延時間ｔが経過して時点で、直交加速部電圧発生部３５は押出電極１７２及び引出電極１７３にそれぞれ加速電圧をパルス的に印加する。このときの遅延時間ｔは後述するように決められる。直交加速部１７において加速電圧が印加される際には、測定対象であるイオンがちょうど直交加速部１７に導入され、押出電極１７２と引出電極１７３との間の空間に存在している。それによって、本実施例のＱ−ＴＯＦＭＳでは、測定対象であるイオンを確実に飛行空間１８に向けて射出し、質量分析に供することができる。

次に、上述したようにコリジョンエネルギに応じてイオン蓄積時のポテンシャル障壁の高さを変えることで、目的とする試料成分由来のイオンの強度を増加させることができることを実験的に確認した結果について説明する。
図５は、コリジョンエネルギ（ＣＥ）を５eVとしたＭＳ¹分析モードとコリジョンエネルギを２０eVとしたＭＳ／ＭＳモードとについて、コリジョンセル１３からのイオン排出から直交加速部１７でイオンを射出するまでの遅延時間ｔを横軸に、コリジョンセル１３の出口における折り返し電圧を縦軸にとったときに実測されるイオンのピーク強度を等高線で示した図である。測定対象の化合物はＮａ^＋（ＮａＩ）（m/z １７２）である。また、ここで「押し返し電圧」とは上述したポテンシャル障壁の高さに相当する電圧である。

図５（ａ）、（ｂ）において斜め格子パターンで示されている領域がイオン強度が最も高い領域である。この結果から、ＣＥ＝５eVにおいてイオン強度が最大になるのは押し返し電圧が約２Ｖ、ＣＥ＝２０eVにおいてイオン強度が最大になるのは押し返し電圧が約７Ｖであることが分かる。イオン強度が最大になるときにデューティサイクルは最良の状態であると推定される。したがって、この結果から、コリジョンエネルギに応じてイオン蓄積時のポテンシャル障壁の高さを適切に変えることで、デューティサイクルを改善してイオンの検出感度を向上させることができることが分かる。

また、図５から、イオン強度が最大になるときの遅延時間ｔもコリジョンエネルギによって明らかに異なることが分かる。即ち、この実測例では、ＣＥ＝５eVのときには遅延時間ｔが１８〜１９us、ＣＥ＝２０eVのときには遅延時間ｔが約２２〜２３usでイオン強度が最大となる。これは、上述したように、コリジョンエネルギが大きくポテンシャル障壁が高いと、イオンがより大きく押し返されるためにコリジョンセル１３からイオンが排出されるときの出発位置が全体的に四重極型イオンガイド１４の入口に近い側になることによると推測される。こうしたことから、直交加速部電圧発生部３５は、押出電極１７２及び引出電極１７３にそれぞれ加速電圧を印加するタイミングをコリジョンエネルギに応じて又はポテンシャル障壁の高さに応じて変えるとよい。即ち、コリジョンエネルギが大きい場合には小さい場合に比べて遅延時間ｔを長くし、コリジョンエネルギが小さい場合に比べて少し遅れて直交加速部１７に到達するイオンを効率良く加速するようにするとよい。

なお、上記説明では、コリジョンエネルギが相違する場合の例として最も典型的な例であるＭＳ¹分析とＭＳ／ＭＳ分析とについて述べたが、ＭＳ／ＭＳ分析の実行時に目的の化合物によってコリジョンエネルギを変えたり、或いは、一つの化合物についてＭＳ／ＭＳ分析の際のコリジョンエネルギを変えることで異なる態様で解離させて異なるピークパターンのマススペクトルを取得したりすることは一般に行われている。こうした場合にも、コリジョンエネルギに応じてイオン蓄積時のポテンシャル障壁の高さを適宜変えると共に遅延時間ｔを変えることで、デューティサイクルを改善してイオンの検出感度を向上させることができることは明らかである。

また上記実施例は、本発明をＯＡ−ＴＯＦＭＳを用いたＱ−ＴＯＦＭＳに適用したものであるが、イオンの入射軸に直交する方向ではなく斜め方向など、入射方向と異なる方向にイオンを加速して射出させる構成のＴＯＦＭＳを有する装置に本発明を適用できることは明らかである。

また、上記実施例はあくまでも本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜変更、修正、追加など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。

１…チャンバ
２…イオン化室
３…第１中間真空室
４…第２中間真空室
５…第１分析室
６…第２分析室
７…ＥＳＩスプレー
８…加熱キャピラリ
９…アレイ型イオンガイド
１０…スキマー
１１…多重極型イオンガイド
１２…四重極マスフィルタ
１３…コリジョンセル
１３２…出口側ゲート電極
１４…四重極型イオンガイド
１５…イオン通過口
１６…イオン輸送光学系
１７…直交加速部
１７１…入口電極
１７２…押出電極
１７３…引出電極
１８…飛行空間
１９…リフレクタ
２０…イオン検出器
３０…制御部
３１…四重極マスフィルタ電圧発生部
３２…イオンガイド電圧発生部
３３…出口側ゲート電極電圧発生部
３４…イオン輸送光学系電圧発生部
３５…直交加速部電圧発生部
Ｃ…イオン光軸

Claims (4)

1. 所定のエネルギを有して入射したイオンを所定のガスに接触させるためのコリジョンセルと、該コリジョンセルから排出されたイオンをそのイオン流の入射軸と異なる方向に加速する加速部と、該加速部で加速されたイオンを質量電荷比に応じて分離して検出する分離検出部と、を具備する飛行時間型質量分析装置であって、
   a)測定対象であるイオンを一時的に保持するために、前記コリジョンセルの内部に配置された、高周波電場によってイオンをイオン光軸付近に収束させるイオンガイドと、該イオンガイドの出口端外側に配置された、前記コリジョンセルの一部を構成する又は該コリジョンセルとは別体である出口側ゲート電極と、を含むイオン保持部と、
   b)前記出口側ゲート電極に直流電圧を印加する電圧印加部と、
   c)前記イオンガイドの内部空間に測定対象であるイオンを保持する際に、少なくとも該イオンガイドの出口端よりも前記出口側ゲート電極におけるポテンシャルが高くなるような保持時直流電圧を該出口側ゲート電極に印加するとともに、前記イオンガイドからイオンを放出する際には、該イオンガイドの出口端よりも前記出口側ゲート電極におけるポテンシャルが低くなるような放出時直流電圧を該出口側ゲート電極に印加するべく前記電圧印加部を制御する制御部であって、前記コリジョンセルの前段から該コリジョンセルの内部にイオンが導入される際に該イオンに付与されるエネルギの大きさに応じて前記保持時直流電圧を変化させる制御部と、
   を備えることを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
2. 請求項１に記載の飛行時間型質量分析装置であって、
   前記制御部は、前記コリジョンセルに導入されるイオンに付与されるエネルギが相対的に大きい場合には前記保持時直流電圧を相対的に大きい値とし、該エネルギが相対的に小さい場合には前記保持時直流電圧を相対的に小さい値とするように、前記電圧印加部を制御することを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
3. 請求項１に記載の飛行時間型質量分析装置であって、
   前記制御部は、前記保持時直流電圧を変化させるのに伴い、放出時直流電圧を前記出口側ゲート電極に印加する時点から前記加速部でイオンを加速させるまでの遅延時間を変化させることを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の飛行時間型質量分析装置であって、
   解離させたイオンを質量分析するＭＳ／ＭＳ分析モードと、解離させないイオンを質量分析するＭＳ分析モードと、を選択的に実行可能であり、ＭＳ／ＭＳ分析モードにおいては前記コリジョンセルに導入されたイオンが所定のガスに接触したときに解離するようなエネルギを該イオンに付与し、ＭＳ分析モードにおいては前記コリジョンセルに導入されたイオンが所定のガスに接触したときに解離が生じずクーリングされるように解離時よりも低いエネルギを該イオンに付与することを特徴とする飛行時間型質量分析装置。

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