JP7169464B2 - 質量分析計における干渉抑制 - Google Patents

Description

本発明は、質量分析計を用いて分析を行う際の干渉の抑制に関する。特に、本発明は、質量分析計を用いて実施される微量元素分析における多原子干渉を抑制するために使用することができるが、これに限定されない。より詳細には、本発明は、質量分析計において衝突セルを動作させる方法、質量分析計において使用するための衝突セル、およびそのような衝突セルを備えた質量分析計に関する。

誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）質量分析（ＭＳ）は、地質学的研究、環境研究、食品および安全性の研究、ならびに生物医学研究など、さまざまな用途で広く使用されている。典型的なＩＣＰ－ＭＳ分析では、サンプルがキャリアガスとともに噴霧室に噴霧される。後者は、サンプルのイオン化、および、大気圧領域から減圧下で動作する質量分析計の下流要素へのイオン輸送を支援するために使用される。分析物種が他の物質とともに気化、霧化、イオン化され、輸送されることはよく知られており、これらはまとめてマトリックス、またはイオン化された形態のマトリックスイオンと呼ばれる。

市販のＩＣＰ－ＭＳ機器では、典型的なキャリアガスはアルゴン（Ａｒ）であり、高温（８，０００Ｋ超）のアルゴンプラズマを形成する。数ｐｐｍ（百万分率）から数ｐｐｔ（一兆分率）までの濃度範囲の分析物を含む低濃度（２％）硝酸（ＨＮＯ₃）水溶液がアルゴンプラズマに導入されると、さまざまな異なるマトリックスイオンが形成される。これらには、Ａｒ²⁺、ＡｒＯ⁺、ＡｒＨ⁺、および他の多くが含まれる。例えば、分析溶液中の塩酸（ＨＣｌ）の濃度が低い場合（０．５％）、ＣｌＯ⁺などの追加のマトリックスイオンも形成される。これらのイオン化マトリックス種はすべて、化学分析用途における多原子干渉であり、同重体単原子分析物の検出限界に大きく影響する。さらに、干渉は非常に強い信号を呈し、分析信号を数桁（２桁以上）超えることが多いため、同重体種の微量元素分析が妨げられる。例えば、分子ＡｒＯ⁺は、鉄の主要な同位体⁵⁶Ｆｅの検出に大いに干渉する可能性がある。

これらのＩＣＰ干渉問題に対処するために、いくつかの異なる手法が開発された。運動エネルギー弁別（ＫＥＤ）と呼ばれる１つの手法は、不活性ガスで満たされた衝突／反応セル（ＣＲＣ）を通過するときの干渉（通常は分子イオン）および分析物による様々な程度の運動エネルギー損失を利用する。ＫＥＤモードでは、イオン種がＣＲＣに導入され、衝突／反応ガス（典型的にはＨｅ）との複数の衝突が発生する。ＣＲＣを出ると、すべてのイオン種は、ＣＲＣの下流に位置付けられた分析四重極への進入によって減速される。減速は、例えば、ＣＲＣロッドよりも数ボルト（約２～３Ｖ）高い分析四重極ロッドにバイアスをかけることによって達成される。より低い程度の運動エネルギー損失を呈する分析物種は、このエネルギー障壁を通じて分析四重極に、次いで、さらにＭＳ検出器に向かってより容易に伝達される。ＫＥ手法は、当該技術分野において広く採用されているが、分析物信号の非常に大幅な損失を特徴としており、典型的には、ＩＣＰ生成イオンのｍ／ｚ（質量対電荷）のより高い範囲（ｍ／ｚ１００～ｍ／ｚ２００）においては最大１桁、および、より低いｍ／ｚのイオン（ｍ／ｚ５０～６０未満）については３桁を超える損失がある。さらに、ＫＥＤモードにおいて動作するＣＲＣの前にイオン選択が採用された場合、加圧セルを介した伝達を本質的に支援する空間電荷成分が除去されるため、分析損失はさらに大きくなる。

別の手法は、選択的にアルゴン（Ａｒ）ベースの干渉を除去するために、Ｈ₂などの反応性試薬ガスで充填された３Ｄ衝突セルを採用している、米国特許第６，２５９，０９１号に記載されている。反応性ガスは、元素化学分析に２つのタイプの有益な反応をもたらし、それは、より強力なアルゴンベースの干渉種を中和し、干渉および分析物イオンをｍ／ｚドメインにおいて相互にシフトさせる。この手法は、Ａｒ⁺およびより低いｍ／ｚ干渉を除去するのに効率的であることが示されているが、様々なタイプの干渉への幅広い適用性が不足している。この手法は、分析物のイオン化ポテンシャルが、干渉のイオン化ポテンシャルよりも低い試薬のイオン化ポテンシャルよりも低い、分析物との電荷交換反応において最もよく機能する。したがって、ＵＳ６，２５９，０９１の手法は、適用範囲が制限されている。

例えば、ＷＯ２００４／１０９７４１に開示されているように、質量分析においてガス流と静的軸方向電場の両方を使用すること自体は知られていることに留意されたい。しかしながら、既知の構成では、ガス流と軸方向電場とは反対方向に作用する。すなわち、イオンがデバイスに供給される方向にガスが流れ、したがって、イオンの移動を支援する場合、電場は、一部のイオンを減速またはさらには停止させるように構成される。ガスが反対方向に流れる場合、電場はイオンを加速させて、少なくとも一部のイオンに対するガス流の減速効果を克服するように構成される。したがって、従来技術の構成では、ガス流と電気力との平衡が存在する。これにより、多色干渉の抑制におけるそれらの使用が制限される。

本発明の目的は、先行技術の欠点を克服し、干渉、特に、排他的にではなく、誘導結合プラズマ質量分析（ＩＣＰ－ＭＳ）の分析におけるマトリックス干渉を抑制することを可能にする、質量分析計において衝突セルを動作させる方法を提供することである。

したがって、本発明は、質量分析計において衝突セルを動作させる方法を提供し、衝突セルが、入口開口、出口開口、少なくとも１つのＤＣ出口電極、少なくとも１対のＲＦ軸方向電極、および少なくとも１つのＤＣ軸方向電極を備え、方法が、
前方軸方向において入口開口を通じて衝突セル内にイオンを供給することと、
少なくとも１対のＲＦ軸方向電極を使用して、イオンを半径方向に閉じ込めるためのＲＦ電場分布を生成することと、
第１の期間中に、少なくとも１つのＤＣ出口電極を使用して、衝突セル内にイオンをトラップするための第１のＤＣ電場分布を生成することと、
第２の期間中に、少なくとも１つのＤＣ出口電極を使用して、トラップされたイオンを前方軸方向において出口開口に向かって解放するための第２のＤＣ電場分布を生成することと、
衝突断面積に応じてイオンを分離するように、衝突セル内で、少なくとも入口開口の近くで、前方軸方向とは反対のガス流を生成することと、
少なくとも１つのＤＣ軸方向電極を使用して、入口開口を通って衝突セルに入るイオンの運動エネルギーを変調するための軸方向場勾配を有するさらなるＤＣ電場分布を生成することと、を含み、
軸方向場勾配が、衝突セルに入るイオンの運動エネルギーを低減するように構成されている。

ＲＦ電場分布を生成することにより、衝突セルに入るイオンを、好ましくは衝突セルの中心軸上の空間内に半径方向に閉じ込めることができる。このような閉じ込めは、イオンが失われるのを防ぎ、したがって衝突セルの収率を増加させる。ＲＦ場分布を生成するために使用されるＲＦ軸方向電極は、例えば、四重極構成を構成し得る。

それぞれ第１の期間および第２の期間中にイオンをトラップするための第１のＤＣ電場分布およびトラップされたイオンを解放するための第２のＤＣ電場分布を生成することにより、イオンを衝突セルにトラップし、衝突セルから解放することができる。トラップイベントおよび解放（またはパージ）イベントをそれぞれ規定する第１の期間および第２の期間は、好ましくは連続している。第１のＤＣ電場分布および第２のＤＣ電場分布により、衝突セルをイオントラップとして、特に線形イオントラップとして使用することができる。

衝突セルの内部で、少なくとも入口開口の近くで、ただし好ましくは衝突セルの長さの相当部分にわたって、イオンの順方向とは反対のガス流を生成することによって、衝突断面積に基づいてイオンを分離することが可能である。イオンの順方向とは反対のガス流は、例えば、衝突セルの長さの少なくとも半分にわたって生成され得る。ガスの向流は抗力を引き起こし、これはイオンの速度を低下させる。速度の変化は、イオンの衝突断面積にほぼ比例する。大きい（衝突）断面積を有するイオンは、小さい（衝突）断面積を有するイオンよりもガス分子と衝突する可能性が高く、したがって、ガスによって速度が低下する可能性が高くなる。この効果は、ガスが静止している従来の衝突セルと比較して、ガスの向流によって増強される。

イオンの断面積に依存する速度低下の結果として、イオンが異なる同重体イオン種に属する場合にも、異なる（衝突）断面積を有するイオンの空間的分離が起こり得る。これは、原子イオンを、分子マトリックスイオンなどの干渉分子イオンから分離する場合に特に有利である。

ＤＣ場によるトラップと断面積ベースの分離との組み合わせにより、イオンを選択的にトラップすることができる。本発明によれば、比較的小さい衝突断面積を有するイオンをトラップし、したがって収集することができ、一方、比較的大きい衝突断面積を有するイオンが、トラップされて拒絶されるのを防ぐことができる。トラップにより、一定量の選択されたイオンを収集して、質量フィルタリングおよび／または検出などのさらなる処理を行うことができる。

いかなる理論または説明にも拘束または制限されることなく、比較的小さい原子イオンが衝突セルの出口開口に到達することが可能になり得、一方で、ガス流抗力の減速効果により、同じ質量電荷比（ｍ／ｚ）の比較的大きい多原子イオンが出口開口に到達することを防ぐことができる。本発明の方法は、衝突セルに入るときに高い初期運動エネルギーを有するイオンに特に適用可能である。

別の態様では、本発明は、質量分析の方法を提供し、方法が、
プラズマイオン源においてイオンを生成することと、
イオンを衝突セルに輸送することと、
上記の質量分析計において衝突セルを動作させる方法に従って、衝突セルを動作させることと、を含み、
第２のＤＣ電場分布を生成することにより、イオンが衝突セルから吐出され、方法が、
吐出されたイオンを質量分析器に輸送することと、
質量分析器においてイオンを質量分析することと、をさらに含む。

質量分析計において使用するためのイオントラップ装置はよく知られていることに留意されたい。例えば、その内容が参照により本文献に組み込まれる、ＵＳ８，２７８，６１８（Ｔｈｅｒｍｏ Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）は、イオンをトラップするためにトラップ場を生成することができるガス充填衝突セルを開示している。トラップされたイオンは衝突セル内で処理され、電場勾配が生成され、これにより、処理されたイオンは衝突セルから反対方向に出る。イオンがデバイスを通じて進行する方向のこの反転は、一部の用途では望ましくない。本発明の方法では、解放されたイオンは、それらが入ったのと実質的に同じ前方軸方向にトラップを出る、すなわち、それらの方向は実質的に変化しない。さらに、ＵＳ８，２７８，６１８は、マトリックス干渉の問題に対処していない。

電圧勾配を提供するために少なくとも１つのＤＣ軸方向電極を使用して、本発明の方法は、少なくとも１つのＤＣ軸方向電極を使用して、入口開口を通って衝突セルに入るイオンの運動エネルギーを変化させるための軸方向場勾配を有するさらなるＤＣ電場分布を生成することをさらに含む。

電圧勾配を有するＤＣ軸方向電極は、絶縁基板上に軸方向に取り付けられた一連のそれぞれのＤＣ電極と、電気抵抗勾配を提供するための抵抗器の直列構成とを含む構造によって構成され得る。複数の抵抗器がそれぞれのＤＣ電極を相互接続し、その結果、ＤＣ軸方向電極がＤＣ電圧源に接続されると、軸方向電場勾配が生成される。構造はいわゆるベーンであり得、絶縁基板はプリント回路基板（ＰＣＢ）を含み得る。

各ＤＣ軸方向電極は、隣接するＲＦ軸方向電極間の空間を占め得る。一実施形態において、４つのＤＣ軸方向電極が、４つのＲＦ軸方向電極間のそれぞれの空間を占める。

軸方向電場勾配は、イオンの速度を変化させるための追加のメカニズムを提供する。ガス流と軸方向電場勾配との組み合わせを使用することにより、トラップされるイオンの選択をさらに改善することができる。より具体的には、軸方向場勾配は、運動エネルギー、したがってイオンの速度を変えるための別のメカニズムを提供する。

いくつかの実施形態において、軸方向場勾配は、第１の期間（注入イベント）中、および場合によっては第２の期間（解放イベント）中もゼロまたは実質的にゼロであり得る。ただし、非ゼロ値の軸方向場勾配が好ましい。特に、軸方向場勾配は、衝突セルに入るイオンの運動エネルギーを低減するように構成することができる。したがって、軸方向場勾配は、ガス向流の効果を高め得る。

軸方向場勾配は、一定であってもよく、または、経時的に、例えば、期間ごとに、もしくは、さらには期間内に変化してもよい。軸方向場勾配が、衝突セルに入るイオンの運動エネルギーを低減するように構成されている場合、軸方向電場勾配は、第１の期間中よりも第２の期間中により大きくなり得る。反対に、第１の期間中、軸方向場勾配は、第２の期間中よりも小さくなり得る。結果として、イオンの運動エネルギーは、イオンが注入およびトラップされている第１の期間中よりも、トラップされたイオンが衝突セルから解放される第２の期間中により低減する。これは、衝突セルに入るイオンが解放されるイオンと混合するのを防ぐ。いくつかの実施形態において、第１の期間中の軸方向場勾配は、ゼロであり得るか、または、さらには、イオンの運動エネルギーを増加させるように構成され得る。

ガス流に起因するイオンの運動エネルギー低減と、軸方向場勾配による運動エネルギー低減とは同一ではなく、補完するものであることに留意されたい。ガス流は、イオンの衝突断面積に応じて運動エネルギーを低減し、一方、軸方向場勾配は、イオンの電荷に応じて運動エネルギーを低減する。

衝突セル内のガス圧は、０．００１ｍｂａｒ～０．１ｍｂａｒであり得る。好ましくは、ガス圧は、０．００５ｍｂａｒ～０．０２ｍｂａｒであり得、例えば、約０．０１ｍｂａｒ（１Ｐａ）であり得る。衝突セルは、質量分析計の真空室内に位置し、すなわち真空ポンプと連通することができる。そのような構成では、衝突セル内のガス圧は、ガス流速に加えて、周囲の真空室内の圧力に依存し得る。

一実施形態において、入口開口における前方軸方向とは反対のガス流は、５ｍｌ／分～４０ｍｌ／分の間の流速を有する。より詳細には、入口開口におけるガス流速は、１０ｍｌ／分～１５ｍｌ／分、好ましくは約１２ｍｌ／分であり得る。

さらなるＤＣ電場分布が、ガス流速に依存することが好ましい。すなわち、軸方向場勾配の存在および／または大きさは、好ましくは、ガス流の流速に依存する。一実施形態において、さらなるＤＣ電場分布を低減する運動エネルギーは、入口開口におけるガス流が閾値よりも低い流速を有する場合にのみ生成され得る。ガス向流の閾値を超えると、イオンの運動エネルギーの低減は、さらにＤＣ電場分布を低減する運動エネルギーが存在する場合、イオンが出力開口に到達することができないようなものであり得る。

閾値は、例えば、８ｍｌ／分～１２ｍｌ／分であり得るが、約１０ｍｌ／分の閾値が好ましい。閾値は、衝突セルの寸法、使用されるガス、トラップされるイオン、および拒絶されるイオンなどの様々なパラメータに依存し得ることが理解されよう。

一実施形態において、軸方向場勾配は、代替の動作モード中に衝突セルに入るイオンの運動エネルギーを一時的に増加させるように構成され得る。したがって、軸方向場勾配は、そのような実施形態において、ガス向流の影響を一時的に低減することができる。

代替の動作モードが使用されている間に衝突セルに入るイオンの運動エネルギーを増加させるように軸方向場勾配が構成される場合、軸方向電場勾配は、第１の期間中よりも第２の期間中により小さくなり得る。逆に、軸方向電場勾配は、第２の期間中よりも第１の期間中により大きくなり得る。すなわち、解放イベント中、軸方向場勾配は、トラップイベント中に増加される運動エネルギーよりも少なく運動エネルギーを増加させる。これは、入来するイオンがトラップされたイオンと混合するのを防ぐためである。いくつかの実施形態において、第２の期間中の軸方向電場勾配は、ゼロであり得るか、または、さらには、イオンの運動エネルギーを低減するように構成され得る。

上で言及したように、ＤＣ電場分布を低減するさらなる運動エネルギーは、ガス流が閾値よりも低い流速を有する場合にのみ生成され得る。すなわち、ガス流速が閾値よりも高い場合、ガス向流がすでに十分な運動エネルギー低減を提供しているため、ＤＣ電場分布を低減するさらなる運動エネルギーは生成され得ない。実際、イオンのさらなる運動エネルギーの低減は、それらの速度を過度に低減し、イベントがイオンのトラップを妨げ得る。

ガス向流は、衝突セルの相当部分に及び得、衝突セルの全長に及び得るが、それは典型的には、本発明の利点を達成するために必須ではない。いくつかの実施形態において、ガス向流は、衝突セルの長さの約３分の１または４分の１にしか及ばなくてもよい。

したがって、一実施形態において、ガスは、入口開口と出口開口との間の距離の約４分の１～約４分の３から、好ましくは入口開口と出口開口との間のほぼ中間から、イオンの前方軸方向と反対に流れる。そのような実施形態において、ガス流方向は、衝突セルの長さのほぼ前半にわたってイオンの前方軸方向と反対であり、衝突セルの長さのほぼ後半にわたって前方軸方向と実質的に同一である。

別の実施形態において、ガスは、イオンの前方軸方向とは反対に、ほぼ出口開口から流れ、したがって、衝突セルの実質的に全長に及び得る。そのような実施形態において、ガス流は、衝突セルの実質的に全長にわたる向流である。

ガス流は、イオンと非反応性であるガスを含み得る。非反応性ガスは、好ましくは、ヘリウムなどの不活性ガスである。

注入イベントが発生する第１の期間と、解放イベントが発生する第２の期間とは、異なる持続時間を有し得る。第１の期間は、第２の期間より２～３０倍長くてもよく、例えば、約１０倍または２０倍長くてもよい。例えば、第１の期間は、約２ｍｓの持続時間を有してもよく、一方、第２の期間は、約０．２ｍｓ以下、例えば、０．１ｍｓの持続時間を有してもよい。ただし、それぞれの持続時間においてより大きい差も可能である。第１の期間は、第２の期間より３０倍以上長くてもよく、例えば、４０倍またはさらには５０倍長くてもよい。

第２の期間に、再び第１の期間が続いてもよく、または、遅延などの別の期間が続いてもよい。第１の期間（期間Ｔ１）、続く第２の期間（期間Ｔ２）において実行される動作のサイクルは、必要な数のイオンが解放されて質量分析されるまで、所望の回数繰り返すことができる。軸方向勾配を生成するための電圧など、イオントラップに印加される電圧を、必要に応じてサイクル間で調整して、イオンから除去される干渉を調整することができる。

衝突セルは、四重極構成を構成する２対のＲＦ軸方向電極を備え、方法は、四重極構成を使用して、イオンを半径方向に閉じ込めるためのＲＦ電場分布を生成することを含むことができる。四重極構成の代わりに、例えば、六重極または八重極など、異なる数の極を有する代替的な構成が使用されてもよい。したがって、衝突セルは、六重極、八重極、またはより高次の構成を構成する３対以上のＲＦ軸方向電極を備えることができ、一方、方法は、六重極、八重極、またはより高次の構成を使用して、イオンを半径方向に閉じ込めるためのＲＦ電場分布を生成することを含むことができる。閉じ込め型ＲＦ場は永続的に存在し得るが、例えば、解放イベント中には存在しない場合がある。

イオンは様々な供給源に由来し得るが、本発明は、イオンがプラズマ源に由来し、原子イオンおよび多原子イオンを含む用途において特に有用である。そのような用途において、原子イオンは所望のイオンまたは分析物であり得、一方、多原子イオンは望ましくないまたはマトリックスイオンであり得る。本発明の方法は、同じ質量電荷比（ｍ／ｚ）の多原子干渉から単原子分析物を分離するのに非常に適しており、単原子分析物が、多原子のより大きい衝突断面積に起因する多原子干渉を拒絶しながら、トラップを通過することを可能にする。

本発明は、ガスによって引き起こされる抗力効果がイオンの（衝突）断面積に依存するという洞察に基づいている。本発明の実施形態はまた、ガス流によって引き起こされる抗力と軸方向電場勾配によって引き起こされる静電力との組み合わせが、多原子干渉イオンを除去するときに効率的であるというさらなる洞察に基づいている。このとき、望ましくないイオンを除去することで、所望のイオンをより効率的にトラップできる。すなわち、衝突断面積が小さいイオンは、イオントラップの出口領域に到達して蓄積され得るが、衝突断面積が大きいイオン（マトリックスイオンなど）は、衝突セルの出口領域に到達しない程度まで、ガス流抗力と静電力との組み合わせに晒されることになる。その結果、マトリックスイオンの存在量が多いことに起因する望ましくない空間電荷効果が軽減される。

ＵＳ６，６３０，６６２は、質量分析計のためのイオンガイドを開示していることに留意されたい。この従来技術のイオンガイドは、イオンガイドに沿ってＤＣおよびＲＦ電場を生成するための区分化された軸方向電極を備えており、さらに、抗力を引き起こすようにガス流を生成するように構成されている。ＵＳ６，６３０，６６２において、ガス流の抗力と電場の勾配とは反対方向に作用し、前方軸方向電場はイオンをイオンガイドへと加速させ、一方、ガス流の後方抗力はイオンを減速させ、軸方向電場とガス流との適切な平衡によってイオンをトラップすることが可能になるとされている。ＵＳ６，６３０，６６２のイオンガイドは、イオンをトラップおよび解放するためのＤＣ出口電極を欠いている。

本発明の方法においては、第２のＤＣ電場分布が生成される第２の期間は、第１のＤＣ電場分布が生成される第１の期間に続き得る。反対に、第３の期間の直後に、または第３の期間の後に、第２の期間が、第１の期間に続き得る。そのような第３の期間では、例えば、ＤＣ場は生成され得ず、イオンは衝突セルに供給され得ない。

本発明は、付加的に、質量分析計において使用するための衝突セルを提供し、衝突セルは、
前方軸方向においてイオンを受け入れるための入口開口と、
前方軸方向においてイオンを放出するための出口開口と、
第１の期間中に、イオンをトラップするための第１のＤＣ電場分布を生成し、第２の期間中に、出口開口に向かって前方軸方向に、トラップされたイオンを解放するための第２のＤＣ電場分布を生成するための少なくとも１つのＤＣ出口電極と、
イオンを半径方向に閉じ込めるためのＲＦ電場分布を生成するための少なくとも１対のＲＦ軸方向電極と、
衝突断面積に応じてイオンを分離するように、少なくとも入口開口の近くで、前方軸方向とは反対のガス流を受け入れるための少なくとも１つのガス入口ポートと、
衝突セルに入るイオンの運動エネルギーを低減するように、入口開口を通って衝突セルに入るイオンの運動エネルギーを変調するための軸方向場勾配を有するさらなるＤＣ電場分布を生成するための少なくとも１つのＤＣ軸方向電極と、を備える。

本発明による衝突セルは、上記の方法と同じ利点を有する。衝突セルは、１対、２対、３対、４対、または別の数の対の軸方向ＲＦ電極を有してもよい。同様に、衝突セルは、１つ、２つ、３つ、または別の数のＤＣ出口電極を有してもよい。

トラップ電極と呼ばれる場合もある少なくとも１つのＤＣ出口電極は、衝突セルの出口開口の近くに配置され得る。いくつかの実施形態において、少なくとも１つのＤＣ出口電極は、出口開口を画定することができる。すなわち、いくつかの実施形態において、ＤＣ出口電極は、出口開口を構成する貫通孔を有するディスクまたはプレートなどの要素によって構成することができる。したがって、出口開口は、ＤＣ出口電極内に設けることができる。そのような実施形態において、少なくとも１つのＤＣ出口電極は、出口開口を画定することができる。

少なくとも１つのＤＣ軸方向電極は、抵抗勾配を有することができ、抵抗勾配は、例えば、抵抗器の直列構成によって構成することができる。

本発明の衝突セルでは、軸方向場勾配は、通常、衝突セルに入るイオンの運動エネルギーを低減するように構成されている。本発明の衝突セルは、ガス流が閾値よりも低い流速を有する場合にのみ、さらなるＤＣ電場分布を生成するようにさらに構成することができる。閾値は、８ｍｌ／分～１２ｍｌ／分であってもよく、好ましくは、約１０ｍｌ／分であってもよい。

別の実施形態において、軸方向場勾配は、代替の動作モードにおいて衝突セルに入るイオンの運動エネルギーを増加させるように構成され得る。そのような実施形態において、衝突セルは、第１の期間中よりも第２の期間中により小さい軸方向電場勾配を生成するように構成することができる。

衝突セルに入るイオンの運動エネルギーを増加させるように軸方向場勾配が構成されている実施形態は、ガス流が閾値よりも高い流速を有する場合にのみ、加速軸方向場勾配を有する電場を生成するようにさらに構成することができる。閾値は、８ｍｌ／分～１２ｍｌ／分であってもよく、好ましくは、約１０ｍｌ／分であってもよい。

本発明による衝突セルは、５ｍｌ／分～４０ｍｌ／分の、入口開口におけるガス流の流速を提供するためのガス源をさらに備えることができる。流速は、１０ｍｌ／分～１５ｍｌ／分であってもよく、例えば、約１２ｍｌ／分であってもよい。

本発明による衝突セルは、ガス圧を約０．００１ｍｂａｒ～０．１ｍｂａｒ、好ましくは約０．００５～０．０２ｍｂａｒ、より好ましくは約０．０１バールに維持するように構成することができる。

少なくとも１つのガス入口ポートは、入口開口と出口開口との間の距離の約４分の１～４分の３に、好ましくは入口開口と出口開口との間のほぼ中間に、配置することができる。別の実施形態において、少なくとも１つのガス入口ポートは、ほぼ出口開口に配置されてもよい。

ガス流は、イオンと非反応性であるガス、例えば、ヘリウムなどの不活性ガスを含んでもよい。窒素またはアルゴンなどの他のガスを使用することもできる。

本発明による衝突セルは、正および／または負のイオンをトラップおよび解放するための正および／または負の電圧を提供するための電圧源をさらに備えることができる。ＩＣＰ－ＭＳ用途は正に帯電したイオンを生成するが、本発明はまた、負イオンを生成することが可能な他のイオン化源を使用する場合に適用することもできる。

ＤＣ出口電極に印加される典型的な電圧は、例えば、－１００Ｖ～＋５０Ｖに及んでもよく、一方、ＤＣ軸方向電極には、－４０Ｖ～＋１０Ｖの範囲の電圧が印加され得る。加えて、ＲＦ軸方向電極には、－４０Ｖ～＋１０Ｖの範囲のＤＣバイアスを与えることができる。ただし、イオンの１つ以上のタイプおよび衝突セルの形状に応じて、他の適切な電圧を選択することもできる。

例示的な実施形態において、ＤＣ軸方向電極の一端にある１つの電極に－３５Ｖの電圧が印加され、別の反対側の端部にある別の電極に－５Ｖの電圧が印加され、したがって、ＤＣ軸方向電極の長さにわたって－３０Ｖの勾配が生じ、中心軸における電場透過率を２％と仮定すると、衝突セルの中心軸上の実効電場分布勾配は－０．６Ｖになる。例えば、電極の長さが１３０ｍｍの場合、これにより、中心軸上で－４ｍＶ／ｍｍの実効電場分布勾配が得られる。

動作中はいつでも、衝突セルを一定期間にわたって、従来の通過モード、すなわち、トラップおよび解放イベントのないモードに切り替えることができる。例えば、干渉している可能性のあるイオン（マトリックス干渉など）がないｍ／ｚスペクトルの領域を分析する場合、イオンをトラップするための第１のＤＣ電場分布は、オフに切り替えることができ、したがって、トラップされたイオンを解放するための第２のＤＣ電場分布が後続する必要はない。通過モード中は、ＤＣ電場分布がなくてもよい。いくつかの実施形態において、通過モードにおいては、加速する（順方向に）ＤＣ軸方向場勾配を衝突セルに適用することができる。

本発明はさらに、上記のような衝突セルを備える質量分析計を提供する。本発明による質量分析計は、少なくとも１つのイオン源と、少なくとも１つの質量分析器と、イオンを検出するための少なくとも１つの検出器とをさらに備えることができる。少なくとも１つの質量分析器は、例えば、四重極、または磁気セクター型質量分析器、またはＦＴＭＳ質量分析器、または軌道トラップ質量分析器（Ｏｒｂｉｔｒａｐ（商標）質量分析器など）を含んでもよい。イオン源は、プラズマ源、例えば、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）源またはマイクロ波誘導プラズマ（ＭＩＰ）源であってもよい。イオンは典型的には、プラズマイオン源によって生成される場合、正に帯電したイオンである。

質量分析計は、典型的には、本発明の方法を実行するように、電極に電圧を供給するための少なくとも１つの電圧源を制御するように構成されたコントローラを備える。コントローラはまた、少なくとも１つのイオン源、任意のイオンガイド、任意の質量フィルタ、質量分析器および検出器を含むがこれらに限定されない、分光計の様々な構成要素に印加される電圧を制御することもできる。コントローラは、関連するメモリを伴う少なくとも１つのマイクロプロセッサを備えることができる。少なくとも１つのプロセッサに本発明の方法を実行させるためのプログラムコードのモジュールを有するコンピュータプログラムを提供することができる。

本発明はまた、質量分析計を提供するための部品キットも提供し、部品キットは、
少なくとも１つのイオン源、
少なくとも１つの質量分析器、
イオンを検出するための少なくとも１つの検出器、および
上述したような少なくとも１つの衝突セルのうちの少なくとも２つを備える。

部品キットは、組み立てられると、上述したような質量分析計を提供することができる。

本発明による質量分析計の第１の例示的な実施形態を概略的に示す。 本発明による衝突セルの例示的な実施形態およびその機能を概略的に示す。 本発明による衝突セルの例示的な実施形態およびその機能を概略的に示す。 本発明による衝突セルの例示的な実施形態およびその機能を概略的に示す。 本発明による衝突セルの例示的な実施形態およびその機能を概略的に示す。 本発明による衝突セルの例示的な実施形態およびその機能を概略的に示す。 本発明による衝突セルの例示的な実施形態およびその機能を概略的に示す。 本発明による衝突セルの例示的な実施形態およびその機能を概略的に示す。 本発明による質量分析計の第２の例示的な実施形態を概略的に示す。 従来技術によるトリプル四重極質量分析計によって得られたＩＰＣ－ＭＳスペクトルを概略的に示す。 従来技術によるトリプル四重極質量分析計によって得られたＩＰＣ－ＭＳスペクトルを概略的に示す。 本発明によるトリプル四重極質量分析計によって得られたＩＰＣ－ＭＳスペクトルを概略的に示す。 本発明によるトリプル四重極質量分析計によって得られたＩＰＣ－ＭＳスペクトルを概略的に示す。 それぞれ従来技術および本発明による軸方向勾配電圧の関数としての行列信号を概略的に示す。 それぞれ従来技術および本発明による軸方向勾配電圧の関数としての行列信号を概略的に示す。 本発明に従って得られた質量スペクトルの２つの領域を概略的に示す。 本発明に従って得られた質量スペクトルの２つの領域を概略的に示す。 本発明による衝突セルを動作させる方法の一実施形態を概略的に示す。

質量分析において頻繁に発生する問題は、望ましくない同重体イオン種が所望の分析物イオンと混合し、ｍ／ｚ（質量／電荷）ドメインにおける、所望の分析物イオンのスペクトル信号と同じまたは類似の位置に望ましくないスペクトル信号が生じることである。これらの望ましくない信号、いわゆる干渉は、スペクトル信号に基づく定量化を信頼性の低いものにし、特定の分析物信号の抑制をもたらす場合さえある。本発明は、ガス流と電場との組み合わせを使用して、望ましくないイオン種を遮断または抑制し、関心のある分析物のみを通過させることによって、この問題に対処する。

本発明は、ガス流を通って移動するイオンが経験する抗力を使用して、それらのイオンを分離することができるという洞察に基づいている。粘性ガス流を通って移動する粒子が、ストークス－カニンガムの式によって記述される抗力Ｆｄを経験すること自体は知られている。

式中、

式中、

また式中、Ａ、Ｂ、Ｅは定数、μはガス粘度、Ｒは分析物（粒子）半径、Ｋｎはクヌーセン数、Ｖは分析物速度、λは分析物の平均自由行程、σはガス分子の衝突断面積、Ｎはガス数密度である。

粘性ガス流において、抗力は粒子（例えば、分析物）の速度と反対に向けられ、粒子の有効半径に比例する。したがって、衝突セルまたは衝突反応セル（ＣＲＣ）内では、ガスの向流（ガス流の方向がイオンの初期速度と反対の場合）に導入されたイオン化種は運動エネルギーを失い、したがって減速する。大きい（衝突）断面積を有するイオンは、小さい（衝突）断面積を有するイオンよりもガス分子と衝突する可能性が高いため、この減速はイオンの衝突断面積に比例する。結果として、上記の式（１）によって表される抗力は、主に、より大きい衝突断面積を有するより大きい同重体イオンに作用する。これらのより大きい断面積の種は、それらの初期運動エネルギーをより高い程度ガス分子に伝達し、それらの種が同重体である場合でさえ、異なる衝突断面積の種の空間的分離を生じさせる。

また、衝突セル内に軸方向電場分布を生成することにより、イオンの運動エネルギーをさらに変えることができる。このようにして、イオンの運動エネルギーを変化させる追加のメカニズムが提供される。帯電した種に作用する電場力は、以下によって統制される。

式中、ｅは電気素量、φは電位である。したがって、軸方向電位勾配の増加は、電場強度Ｅの比例的な増加をもたらし、これは、種の移動度ｋに基づいて粘性ガスを通じて一定速度Ｖｄにおいて帯電種を駆動する。

より低い粘度領域（１０ｍＬ／分未満のガス流速）では、減速電場は、衝突セルの軸上で印加される一定の場強度を有し得る。

衝突セルは、イオンをトラップおよび解放するための追加の電場を提供することにより、イオントラップとしてさらに使用することができる。イオントラップとして使用される衝突セル内のイオン操作は、（イオン）注入イベントおよび（イオン）解放イベントと呼ばれ得る２つのイベントによって表され得る。本発明によれば、望ましくない種を拒絶しながら、所望の分析物をトラップし、続いて解放することを可能にする衝突セルが提供される。

本発明を適用することができる質量分析計の例示的な実施形態を図１に概略的に示す。

図１の質量分析計１００は、高エネルギー衝突解離（ＨＣＤ）セル１０をＣＲＣ（衝突反応セル）として組み込んでいる、修正されたトリプル四重極質量分析計である。質量分析計１００は、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）イオン源１を備えることが示されており、これは、例えば、２７ＭＨｚの周波数で動作する１４００Ｗ ＲＦ（無線周波数）発生器を利用することができる。図１の質量分析計１００は、サンプリングコーン２、スキマーコーン３、イオン抽出光学系４Ａおよび４Ｂ、角度偏向構成要素５Ａおよび５Ｂ、事前選択四重極焦点レンズ７、事前選択四重極入口開口８、ならびに事前選択四重極９をさらに備える。事前選択四重極９は、分析のために下流に伝達される一定の質量範囲のイオンを選択することができる。

衝突セル（または衝突反応セル）１０は、示されている例では、第２の四重極を備える。衝突セル１０は、入口開口電極１１、四重極ロッド１２、および出口開口電極１３を含むように示されている。中間デフレクタアセンブリは、デフレクタアセンブリ構成要素１４、１５Ａ、および１５Ｂを含み、これらは、それぞれ、フォーカスＤ２およびＤ１と呼ばれ得る。第３の四重極または分析四重極１６は、入口開口電極１７、分析クワッドロッド１８、および分析クワッド出口開口電極１９を備えるように示されている。検出器アセンブリ２０は、検出器アナログダイノード２１、検出器アナログ信号電極２２、検出器ゲート２３、検出器計数信号２４、および電子増倍管電極として機能する検出器カウンタダイノード２５を備えるように示されている。代替的に、Ｃｈａｎｎｅｌｔｒｏｎ（登録商標）またはマイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）検出器を使用することもできる。他の実施形態において、検出器アセンブリ２０は、ファラデーカップを備えることができる。ＦＴＭＳ（フーリエ変換質量分析計）タイプなどのいくつかのタイプの質量分析器では、検出器は、分析器内の振動イオンを検出するイメージ電流検出器を備えることができる。

質量分析計１００は、図面を単純化するために図１に示されていないさらなる部品を備えることができる。例えば、１つ以上の電圧源を、ＡＣおよび／またはＤＣ電圧を四重極構成に供給するように構成することができ、一方、ガス源は、衝突セル１０にガスを供給することができる。同様に、ガス源は、ＩＣＰイオン源１にガスを供給するように構成することができる。

質量分析計１００は、イオンが衝突セル１０に入るときに高い初期運動エネルギーを有するように構成することができる。当業者は、必要に応じて、イオンを加速するために、様々な部品に適切な電圧を容易に印加することができるであろう。

イオン源１、サンプリングコーン２、スキマーコーン３、イオン光学系４Ａおよび４Ｂ、衝突セル１０、質量分析器１６、および検出器アセンブリ２０は、本発明による質量分析計を製造するための部品キットとして供給することができる。本発明による質量分析計を製造するための部品キットは、より多くのまたはより少ない部品を含んでもよい。

イオン源１から質量分析計１００の様々な部品を通って検出器アセンブリ２０に至るイオン軌道ＩＴも図１に示されている。

図１の衝突セル１０の例示的な実施形態は、図２Ａ～図２Ｄにより詳細に示され、その機能の態様は、図２Ｅ～図２Ｇに概略的に示されている。衝突セル１０は、図２Ａにおいては正面図で、図２Ｂにおいては側面図で示されている。図２Ｃは、図２Ｂの線Ｂ－Ｂに沿った断面図を示し、図２Ｄは、図２Ａの線Ａ－Ａに沿った断面図を示している。

衝突セル１０は、イオンが入ることができる前端と、イオンが出ることができる後端とを有するハウジング１１５を含むように示されている。前端において、入口開口電極１１１（図１の入口開口電極１１に対応し得る）が、入口開口１１６を有するプレートによって構成されており、一方、後端において、出口開口電極１１３（図１の出口開口電極１３に対応し得る）が、出口開口１１７を有するプレートによって構成されている。四重極ロッド１１２および軸方向場勾配ベーン１１４が、ハウジング１５の長手方向（図２ＥのＬＤ）において、その長手方向軸に平行に配置されている。図２Ｃに見られるように、衝突セル１０は、４つの四重極ロッド１１２の間のそれぞれの空間に位置する４つのベーン１１４を有する。

ガスがハウジングに入ることを可能にするために、入口ポート１１９がハウジング１１５内に設けられている。図２Ｂに見られるように、示される実施形態において、入口ポート１１９は、ハウジングの長さに沿ってほぼ中間に位置する。この実施形態において、ハウジング１１５に入るガスは、ハウジングの上流区画および下流区画にわたってほぼ均等に分散される。例えば、１０ｍｌ／分の流速では、ガスの圧力は約０．０１ｍｂａｒ（１Ｐａ）になり得る。いくつかの実施形態において、入口ポートは、入口開口１１６により近く、または出口開口１１７により近く、例えば、ハウジング１１５の長さの約４分の１、または長さの約４分の３に位置し得る。

ベーン１１４は、ベーンに沿って一定の範囲、例えば、漸進的な範囲の電圧を提供することができる分圧器を実装するように、例えば、各々５０ｋΩの２０個の抵抗器が直列に配置された抵抗器の構成を有するＰＣＢ（プリント回路基板）、例えば、セラミックまたはポリマーＰＣＢによって構成され得る。抵抗器のそのような直列構成は、例えば、ＵＳ７，６７５，０３１またはＵＳ８，６０４，４１９に記載されており、各ベーンは、いくつかの区画（またはセグメント）にセグメント化されている。各区画は、入口セグメントおよび出口セグメントに印加される電圧ならびに抵抗器の値によって決定される電圧を生成する。ベーンに適切な電圧を印加することにより、電圧勾配および対応する軸方向電場勾配が生成される。衝突セルの長手方向軸における各ベーンの電場の透過は、典型的には、わずか約２％であり、その結果、３０Ｖがベーンに印加された場合、０．６Ｖのみが軸における電場に寄与する。

出口開口１１７を画定するプレート（または出口開口部品）１１３は、電極として、特に、イオンをトラップおよび解放するために使用できるＤＣ出口電極として機能することができ、したがって、衝突セルをイオントラップとして使用することができる。第１の期間の注入イベント中にイオンをトラップすることができ、第２の期間の解放イベント中にイオンを解放またはパージすることができる。本発明は、分析物イオンなどの所望のイオンのみをトラップし、続いて解放することを可能にする。

衝突セルは、ガス流速が約１５ｍｌ／分よりも小さい低粘度領域において、または、ガス流速が約１５ｍｌ／分以上である高粘度領域において動作させることができる。

低粘度領域における注入イベント中、減速軸方向電場勾配は比較的浅く、場合によってはゼロになることさえある。しかしながら、減速軸方向電場勾配のゼロ以外の値が好ましい。入来するイオンは、出口開口電位をより高い正のレベル（例えば、＋１０Ｖ～＋３０Ｖ）に増加させながら、すべての四重極ロッド１１２を同じ負の電圧（例えば、入来するイオンが正の場合、－１０Ｖ～－１Ｖ）にバイアスすることによって、出口開口１１７のすぐ近くにトラップされ得る。軸方向勾配を生成するベーン１１４の第１の電極または入口電極（例えば、入口開口１１６に最も近い端部にある）は、優先的には四重極ロッドバイアスよりも低い、負の電圧（例えば、－３５Ｖ～－１０Ｖ）にバイアスされ得る。ベーン１１４の第２の電極または出口電極（例えば、出口開口１１７に最も近い端部にある）は、第１の電極または入口電極よりも高い電圧を有し、四重極バイアスに短絡することができる。この四重極バイアスは、例えば、－１０Ｖ～－１Ｖの範囲内の電圧であり得る。

低粘度領域における解放イベント中に、減速軸方向電場勾配が急速に増大し得る。さらに、四重極バイアス（四重極ロッドバイアスとも呼ばれ得る）は、出口開口電位よりも高いレベルまで増大させることができる。四重極ロッドバイアス（ベーンの第２の電極または出口電極の電圧と同一であり得る）は、例えば、正のレベル（例えば、＋２Ｖ～＋７Ｖ）に増加され得、一方、出口開口電位は、負のレベル（例えば、－１００Ｖ～－３０Ｖ）に低減され得る。ベーンの第１の電極の電圧は変化しないままであり得る。その結果、イオンがトラップされている第１の期間中よりも、トラップされたイオンが衝突セルから解放される第２の期間中に、入来するイオンがトラップに入るのを防ぐために、より強い軸方向減速場が生成される。これにより、イオンがトラップに入り、前の注入イベント中にすでに蓄積されたイオンと混ざり合うことが防止される。ロッドと出口開口との間の強い正の軸方向勾配に起因して、トラップされたイオンは、約０．１秒の比較的短い期間内にトラップからパージされ得る。典型的なイオン注入イベントの持続時間を２～３ｍｓとすると、イオンのトラップおよび解放は、９５％を超えるデューティサイクルで実行される。イオンがトラップされている第１の期間中、減速軸方向電場勾配は浅くなり得、いくつかの実施形態ではゼロになることさえあり得る。しかしながら、第１の期間中の減速軸方向電場勾配のゼロ以外の値が好ましい。

より高い粘度領域（ガス流速が１５ｍｌ／分を超える）では、加速場勾配が、場合によっては、入来するイオンビームに関して衝突セル軸に沿って適用され得る。この場合、静電場力が、ガス流によってイオン種に加えられる抗力に逆らって作用する。イベントのタイミング、ならびに、四重極ロッドおよび出口開口に印加される電位は、上記のものと同様である。差は、加速軸方向電場の方向および大きさにある。粘性ガス流を通る、断面積がより小さいイオンを支援するために、注入イベント中により強い軸方向勾配を適用することができる。例えば、四重極ロッドバイアスが－１０Ｖ～－１Ｖであるとすると、例えば、＋５Ｖ～＋２０Ｖの範囲内の電位を、ベーン１１４の第１の電極または入口電極（勾配入口点）に印加することができる。解放イベント中、四重極ロッドバイアス（ベーン１１４の第２の電極または出口電極の電圧と同じであり得る）は、例えば、＋３Ｖ～７Ｖに増加し得、その結果、軸方向電場が弱くなり、これは、すべての種への抗力を克服するには不十分になる。これにより、入来するイオンがトラップ領域に入り、蓄積された種と混合するのを防ぐ。

したがって、本発明では、衝突セル内のトラップまたは解放ＤＣ電場は、ガス向流、および、場合によっては加速軸方向電場と交互になり得る減速軸方向電場と組み合わされる。この組み合わせにより、所望のイオンをトラップし、干渉イオンを拒絶することが可能になり、したがって、干渉抑制が可能になる。ガス流および電場は、所望のイオンのイオン集団の少なくとも大部分がトラップされ得、解放され得、次いで分析に供され得、一方、望ましくないイオンの干渉（ｍ／ｚドメイン内で）イオン集団の少なくとも大部分が、ガス流と静電軸方向電場との組み合わせにより、セル内でさらに進むのを遮断するように、構成されている。

出口開口の近くにおけるイオントラップまたは蓄積により、衝突セルからイオンを迅速にパージすることを可能にし、衝突セル動作のより高いデューティサイクルを維持することができる。これは、ガス入口ポートと出口開口との間のトラップ領域における順方向のガス流によって増強することができる。解放イベント中に（入来するイオンに対して）より高い負の（減速）軸方向電場勾配が与えられると、そのような勾配はまた、逆（上流）方向において勾配出口点の上流に位置付けられる衝突セルからのイオンのパージを引き起こし得る。本方法の感受性に悪影響を与え得るこの影響は、入口ポートと出口開口との間のトラップ領域における順方向のガス流によって軽減することができる。

図２Ａ～図２Ｄの実施形態において、四重極ロッド１１２およびベーン１１４は、ハウジング１１５の長手方向に配置され、四重極ロッドは、ＲＦ軸方向電極として機能し、ベーンは、ＤＣ軸方向電極として機能する。いくつかの実施形態において、ロッドは、ＤＣ軸方向電極としても機能することができ、その場合、ベーンは省略され得る。すなわち、いくつかの実施形態において、ＲＦ軸方向電極およびＤＣ軸方向電極は、同じ電極によって構成することができ、これはこのとき、軸方向電極と呼ばれ得る。これらの軸方向電極は、これらの実施形態において、ＤＣおよびＡＣ（交流、ここではＲＦ）電場分布の両方を生成するために使用される。

ＲＦおよびＤＣ軸方向電極は、以下のようなさまざまな方法で提供することができる。
（１）ロッドの広い端部が衝突セルへの入口にあり、狭い端部が衝突セルからの出口にあるように、またはその逆になるように、軸方向に沿って先細りになっているロッドを有する四重極ロッドセット。
（２）傾斜しているが直径が均一なロッドを有する四重極であって、すなわち、一方の対のロッドの端部は、セルの一方の端部における中心軸の近くに位置し、他方の対のロッドの端部は、セルの他方の端部における中心軸の近くに位置する四重極。（１）および（２）のロッド構成にＤＣ電位が印加される結果として、両方の場合に、中心軸に沿って軸方向の電位が発生し、（１）および（２）の場合、軸方向場およびＲＦ電極は同じ電極である。
（３）絶縁リングによって分離されたセグメントに分割されている、円筒形シェルによって囲まれたロッドを有する四重極であって、異なるセグメントに異なる電圧を印加することによって軸方向場が生成される、四重極。
（４）軸方向場電極として機能するように、四重極ロッド間に配置された４つの補助ロッドを有する四重極アセンブリであって、軸方向場は、補助電極の長さにわたって平行に電圧勾配を印加することによって生成される、四重極アセンブリ。
（５）ＤＣ電圧が印加されたときにロッドに沿って軸方向場が生成されるように、四重極内のロッドに不均一な抵抗性コーティングを適用する。
（６）電圧がロッドに印加されたときに場を生成するように、それらの長さに沿って非対称に、抵抗性材料から作製されたロッドを有する。
（７）ロッドを絶縁リングによってセグメントに分割し、セグメントに異なるＤＣ電圧を印加する。
（８）抵抗性材料によって接続された、それらの端部に導電性金属バンドを有する絶縁材料からのロッドを有する。および／または
（９）ロッドを低抵抗材料によってコーティングし、ロッドの２つの端部に異なる電圧を印加する。

例示的な軸方向電場電極には、ＵＳ７，６７５，０３１に開示されているものが含まれ、電極のアセンブリは、薄い基板（例えば、ＰＣＢ）上に配置され、かつイオントラップの四重極ロッドの間に配設されるフィンガ電極として提供される。電極アセンブリの長さに沿って漸進的な範囲の電圧を印加することにより、軸方向場がアセンブリに沿って生成される。

ＲＦ軸方向電極は、好ましくは、衝突セルの入口開口と出口開口との間の距離の大部分にわたって、例えば、衝突セルの入口開口と出口開口との間の距離の少なくとも６０％、少なくとも７０％、少なくとも８０％、または少なくとも９０％にわたって延在する。同様に、ＤＣ軸方向電極は、好ましくは、衝突セルの入口開口と出口開口との間の距離の大部分にわたって、例えば、衝突セルの入口開口と出口開口との間の距離の少なくとも６０％、少なくとも７０％、少なくとも８０％、または少なくとも９０％にわたって延在する。

本発明による衝突セルの例示的な実施形態が、図２Ｅに概略的に示されている。図２Ｅの概略的に示されている衝突セル１０は、図２Ｄの衝突セル１０と同様であってもよい。図面を単純にするために、四重極ロッド（図２Ｄの１１２）などのいくつかの部品は図２Ｅには示されていない。

図２Ｅの衝突セル１０は、ベーン１１４が収容されている本体１１５を備えるように示されている。入口開口電極１１１は、入口開口１１６を有するプレートによって構成されており、一方、出口開口電極１１３は、出口開口１１７を有するプレートによって構成されている。ガス入口ポート１１９が、衝突セル１０のほぼ中央に位置するように示されている。ガス入口ポート１１９は、適切なガス供給源に接続することができる。

イオン軌道ＩＴは、衝突セル１０の長手方向ＬＤと実質的に一致するように示されている。イオンは、入口開口１１６を通って衝突セル１０に入り、出口開口１１７を通って出る。衝突セルに入るガス流は、実質的に２つの部分流、すなわち、ガスポート１１９から入口開口１１６（図２Ｅの左側）に流れる第１の部分ガス流Ｇ１と、ガスポート１１９から出口開口１１７（図２Ｅの右側）に流れる第２の部分ガス流Ｇ２に分かるように示されている。したがって、第１の部分ガス流Ｇ１とイオン流とは反対方向になる。結果として、第１の部分ガス流Ｇ１は、衝突セルに入るイオンの運動エネルギーを低減する。他方、第２の部分ガス流Ｇ２は、イオン流と同じ方向を有し、したがって、イオンの運動エネルギーを増加させる。

入口開口および出口開口を通るガス流を制限し、衝突セル内に所望の圧力を維持するために、入口開口および出口開口が小さいことに留意されたい。例示的な実施形態において、入口開口１１６は３ｍｍの直径を有し、一方、出口開口１１７は２ｍｍの直径を有する。本発明はこれらの直径に限定されず、入口開口１１６は、例えば、約１．５～６ｍｍ、または約２～４ｍｍの範囲内の直径を有してもよいことが理解されよう。同様に、出口開口１１７は、例えば、約１～４ｍｍの範囲内の直径を有してもよい。第１の部分ガス流Ｇ１の少なくとも一部は、入口開口を通って流れ、衝突セルを出る。いくつかの実施形態において、第１の部分ガス流Ｇ１の１００％が入口開口１１６を通って流れてもよく、他の実施形態においては、他の開口が入口電極内またはその近くに存在する場合、１００％未満、例えば９０％または６０％が流れてもよい。

図２Ｆには、第１の期間内にベーン（図２Ｅの１１４）および出口電極（図２Ｅの１１３）によって生成される電場分布が概略的に示されている。入口電極（図２Ｅの１１１）によって生成される任意の電場分布は図２Ｆには示されていないが、この電場は、陽イオンを引き付けるために低い値または負の値でさえある場合がある。軸方向ＤＣ電場Ｅ_AX1は、イオン軌道ＩＴの方向に増加し、したがって陽イオンの運動エネルギーを低減するように示されている。出口電極（図２Ｅの１１３）に最も近いベーンの端部において、電場Ｅ_AX1は値Ｅ₁に達する。出口電極は、出口開口（図２Ｅの１１７）の近くでイオンをトラップするように、Ｅ₁よりも大きい値Ｅ₂を有するＤＣ電場Ｅ_EX1を生成する。

図２Ｇには、第２の期間内にベーン（図２Ｅの１１４）および出口電極（図２Ｅの１１３）によって生成される電場分布が概略的に示されている。入口電極（図２Ｅの１１１）によって生成される任意の電場分布は図２Ｇには示されていない。軸方向ＤＣ電場Ｅ_AX2は、イオン軌道ＩＴの方向に増加し、したがって陽イオンの運動エネルギーを低減するように示されている。出口電極（図２Ｅの１１３）に最も近いベーンの端部において、電場Ｅ_AX2は、図２Ｆにおける場Ｅ_AX1が達する最大値Ｅ₂よりも大きい値Ｅ₃に達する。より大きい電場勾配をもたらすこのより大きい値Ｅ₃は、トラップされたイオンがパージされている間、入来するイオンの数を減らす役割を果たす。このパージは、出口電極によって生成される電場を低い（またはさらには負の）値Ｅ₄に低下させることによって達成される。

干渉の除去は、抗力および軸方向場勾配力が、関心のある分析物イオンを干渉イオンから分離するために最適化されるように、連続するイオン注入（トラップ）イベントにおける衝突セル内の軸方向場勾配の大きさを調整することによって調節可能であり得る。したがって、トラップ期間中の衝突セル内の軸方向場勾配の大きさは、衝突セルの下流で分析されているイオンのｍ／ｚに応じて調整することができる。

動作中はいつでも、衝突セルを一定期間にわたって、従来の通過モード、すなわち、注入（トラップ）および解放イベントのないモードに切り替えることができる。例えば、干渉している可能性のあるイオンがないｍ／ｚスペクトルの領域を分析する場合、イオンをトラップするための第１のＤＣ電場分布は、オフに切り替えることができ、したがって、トラップされたイオンを解放するための第２のＤＣ電場分布が後続する必要もない。通過モード中は、ＤＣ電場分布がなくてもよい。いくつかの実施形態において、通過モードにおいては、（順方向に）加速するＤＣ軸方向場勾配を衝突セルに適用することができる。例えば、質量分析器が質量スペクトルを提供するためにｍ／ｚ領域全体を走査する、四重極質量分析器１６を有する、図１に示される実施形態などの、衝突セルの下流に質量分析器を備える実施形態において、衝突セルモード（トラップ／解放モードまたは通過モード）は、その時点で分析されているｍ／ｚに応じて切り替えることができる。

図３は、これらの研究でも採用されたハイブリッドＩＣＰ－Ｏｒｂｉｔｒａｐ（商標）質量分析計（Ｔｈｅｒｍｏ Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ製、ブレーメン、ドイツ）の例示的な実施形態を概略的に示している。この機器は二重検出システムを有しており、その結果、信号が二次電子増倍管（ＳＥＭ）または（フーリエ変換質量分析計側の）鏡像電荷検出回路を用いて独立して取得される。示されているように、ＩＣＰインターフェースはバックフランジを通じてＱＥｘａｃｔｉｖｅ（商標）Ｐｌｕｓ Ｏｒｂｉｔｒａｐ（商標）質量分析計に結合されており、その結果、ＩＣＰによって生成されたイオンは、図２Ａおよび図２Ｂに示されているように、高エネルギー衝突解離（ＨＣＤ）セルを介してＯｒｂｉｔｒａｐ（商標）質量分析計に導入されている。ＨＣＤセルはトラップモードで動作しており、独立して制御される軸方向場を有していた。

図３の質量分析計１００’は、図１の質量分析計１００のように、ＩＣＰイオン源１、サンプリングコーン２、スキマーコーン３、イオン抽出光学系４、角度偏向アセンブリ５、事前選択四重極焦点レンズ７、事前選択四重極入口開口８、事前選択四重極９を備える。図３の質量分析計１００’は、Ｏｒｂｉｔｒａｐ（商標）分析器へのイオン透過またはＳＥＭ（二次電子増倍管）検出器３２へのイオン反射のいずれかを可能にするリバウンドレンズ３１をさらに備える。ＨＣＤ（高エネルギー衝突解離）セル１０および３４は、図１の実施形態の衝突セル１０と同一であり得る。本発明によれば、ＨＣＤセル１０は、質量流コントローラおよび異なる衝突ガスを備えたＣＲＣとして使用することができる。移動八重極３３は、Ｏｒｂｉｔｒａｐ（商標）分析器３７に関連するさらなるＨＣＤセル３４にイオンを移動させることができる。ＨＣＤセル３４から、イオンは、Ｃトラップ３５に移動させることができ、イオンはそこから吐出され、質量分析のためにＺレンズ３６を介してＯｒｂｉｔｒａｐ（商標）分析器３７へと進む。ＩＣＰイオン源を用いた実験では、分析物をＯｒｂｉｔｒａｐ（商標）分析器３７のＨＣＤセル３４に注入してトラップし、Ｃトラップ３５に移動させ、次いで、信号分析および検出のために、静電レンズ（Ｚレンズ）アセンブリ３６を介してＯｒｂｉｔｒａｐ（商標）分析器３７へとさらにパージした。

エレクトロスプレーイオン化（ＥＳＩ）源４７、加熱キャピラリー４６、Ｓレンズ４５、注入フラタポール４４、屈曲フラタポール４３、さらなる分析四重極４２、および移動八重極４１が、例えば、生体分子種を分析するために提供される。移動八重極４１はＣトラップ３５に結合され、その結果、ＨＣＤセル３４、Ｚレンズ３６、およびＯｒｂｉｔｒａｐ（商標）分析器３７は、ＥＳＩによって生成されるイオンおよびＩＣＰによって生成されるイオンによって共有され得る。

図４Ａは、衝突セルにガスが導入されていない場合に、トリプル四重極ＭＳ機器の標準構成を使用して得られる典型的なＩＣＰ－ＭＳスペクトルを示している。「強度較正済み（ｃｐｓ）（１０⁶）」とラベル付けされた縦軸は、カウント／秒（ｃｐｓ）単位で測定されたスペクトルの（較正済み）強度を示し、「質量（ｕ）」とラベル付けされた横軸は、統一原子質量単位またはダルトン単位の質量を示す。図４Ａに見られるように、ＣｌＯ（左上）、ＡｒＯ⁺（中央上）、およびＡｒ₂ ⁺（左下）としてラベル付けされているピークは、０．５％ＨＣｌを有する２％ ＨＮＯ₃ ＩＣＰ－ＭＳチューニング溶液中で検出されている、それぞれＣｌＯ⁺、ＡｒＯ⁺、およびＡｒ₂ ⁺の最も顕著な干渉に起因するさらに、⁵⁹Ｃｏ、¹¹⁵Ｉｎ、および²⁰⁹Ｂｉの信号が示されている。示されている分析物は、１±０．０５μｇ／ｌ、または１ｐｐｂの濃度でチューニング溶液に存在していた。

図４Ｂは、ＣｌＯ⁺／Ｃｏ⁺（下）、Ａｒ₂ ⁺／Ｃｏ⁺（中央）、およびＡｒＯ⁺／Ｃｏ⁺（上）の比の時間領域信号トレースを示している。縦軸は強度（ｃｐｓ）を示し、一方、横軸は時間を千秒（すなわち、キロ秒）単位で表す。平均して、これらの強度比はそれぞれ１０、４０、および７５である。

図５Ａは、本発明の干渉抑制条件下における図４Ａと同じ成分のＩＣＰ－ＭＳ信号を示している。ＣＲＣは１２ｍｌ／分の流速においてヘリウムで充填され、トラップモードで動作した。衝突セルの長さに沿って、約０．２Ｖ／ｍｍの軸方向場勾配が導入された。各トラップイベントには、２ｍｓの注入時間および後続する０．１ｍｓのパージ（解放）時間が含まれていた。トラップ波形は、５００Ｈｚの繰り返し率で四重極動作と非同期に実行された。

図５Ｂは、干渉抑制モードにおけるマトリックスイオンとＣｏ⁺との信号比の時間領域表現を示している。図４Ｂと同じマトリックス種を分析に選択した。ヘリウムガスが１２ｍｌ／分の流速でＣＲＣに充填され、０．２Ｖ／ｍｍの電場がＣＲＣ軸に沿って印加される。図５Ｂに示すように、平均して、干渉対Ｃｏ⁺の比は、ＣｌＯ⁺、Ａｒ₂ ⁺、ＡｒＯ⁺についてそれぞれ０．０４、０．０８、１．８に大幅に低減している。上記のように、これらの比はそれぞれ１０、４０、７５であった。これは、それぞれ２５０、５００、４０倍の干渉抑制を構成する。

干渉抑制モードでは、分析信号は様々な傾向を示す。例えば、Ｃｏ⁺信号は４０～５０％低減し、一方、Ｂｉ⁺信号は２５０％増加する。同時に、ＣｌＯ⁺、Ａｒ₂ ⁺、およびＡｒＯ⁺干渉信号は、１００倍超で低減する。言い換えると、干渉抑制に起因して分析信号が増減する場合があるが、干渉信号は、いずれの分析信号よりもはるかに大きく低減する。

図６Ａおよび図６Ｂは、マトリックス信号（図６Ａ）と分析物信号（図６Ｂ）の両方の、軸方向勾配への依存性を示している。より詳細には、それらは、ガス流がある場合とない場合の２つの実験において、ボルト単位で表される勾配入口電位（横軸）の関数として、カウント（縦軸）で表される検出信号強度を示す。勾配入口または勾配入口電圧は、ベーンの第１の電極または入口電極の電圧である。衝突セル（ここではＨＣＤと呼ばれる）のロッドまたはＲＦ軸電極は、両方の実験において注入イベント（第１の期間）中に－１０Ｖ、パージまたは解放イベント（第２の期間）中に＋５Ｖのバイアスを有していた。図６Ｂの結果は、１２ｍｌ／分のヘリウムガス流を使用して得られた。図６Ａにおいて、縦（信号強度）軸上のスケールは、０～８．０×１０⁵であり、一方、図６Ｂにおいて、スケールは０～３．０×１０⁵である。

結果は、マトリックス信号抑制が負の軸方向勾配の増加で２～３桁の効果を呈する一方で、分析物信号は３０～５０％しか低減しないことを示している。分析物信号対マトリックス信号の比のこの向上は、関心のある種の衝突断面積に比例する抗力効果に起因する。マトリックス種の衝突断面積が、同じまたは類似のｍ／ｚの対応する分析物の衝突断面積よりも高いことに起因して、マトリックスイオンは、ガス導入ポートの上流に位置するＣＲＣ区画において、より顕著な減速を経験する。その結果、マトリックスイオンはトラップモードで動作するＣＲＣセルの下流区画に効率的に蓄積されなくなり、標準の透過モードと比較して多原子干渉が大幅に低減することが証明されている。

図７Ａおよび図７Ｂは、高分解能質量スペクトルの２つの領域を示しており、縦軸にイオンの相対存在量、横軸にｍ／ｚ（質量対電荷）比を示している。質量スペクトルは、３ｐｐｂ～３０ｐｐｂの範囲の濃度で２５個の元素を含むセットアップ２％ＨＮＯ₃溶液を使用しながら、図３に示すタイプのＩＣＰ－Ｏｒｂｉｔｒａｐ（商標）質量分析計を用いて得た。Ｏｒｂｉｔｒａｐ（商標）分析器への注入に先立って、ＩＣＰによって生成されたイオンは、窒素（Ｎ₂）が充填された高エネルギー衝突セル（ＨＣＤ）にトラップされ、その後、Ｏｒｂｉｔｒａｐ（商標）質量分析器への注入のためにＣトラップに解放された。ＨＣＤは、０．５Ｖ／ｍｍの線形場勾配で操作された。スペクトルはＡｒＯ⁺およびＡｒ₂ ⁺マトリックスイオンの完全な抑制を明らかにしている。高エネルギー（例えば、１～５ｋＶ、または約３～４ｋＶ）におけるＣトラップからＯｒｂｉｔｒａｐ（商標）質量分析器へのイオンの吐出は、分子干渉イオンの除去に追加の増強効果を有する場合がある。したがって、本発明の別の態様は、本明細書に記載の衝突セルを介するか否かにかかわらず、ＩＣＰイオン源からイオントラップ（例えば、Ｃトラップなどの線形イオントラップ）にイオンを移動させることと、例えば、１～１０ｋＶ、または１～５ｋＶ、または約３もしくは４ｋＶの吐出エネルギーによって、トラップされたイオンをイオントラップから質量分析器へと吐出することとを含む。

図７Ａおよび図７Ｂの測定データを以下の表に示す。

本発明による衝突セルを動作させる方法の例示的な実施形態が、図８に概略的に示されている。方法２００は、方法が開始されるステップ２０１において開始する。ステップ２０２において、例えば１対以上のＲＦ軸方向電極を使用することによって、イオンを拘束するために軸方向ＲＦ場が生成される。

ステップ２０３において、イオンの運動エネルギーを低減し、それによってイオンを減速させるように構成されたＤＣ電場分布が生成される。減速ＤＣ電場分布は、少なくとも１つのＤＣ軸方向電極を使用することによって生成され得るが、好ましくは、いくつか、例えば、２つ、４つ、６つ、または８つのＤＣ軸方向電極が使用される。
ステップ２０４において、ガス流が、衝突セルを通して生成され、ガス流は、衝突セルの長さの少なくとも一部、例えば、衝突セルの長さの約半分にわたる向流である。

ステップ２０５において、イオンが順方向において衝突セルに供給され、ガス向流は逆方向である。すなわち、イオンが衝突セルに供給される順方向とガス向流方向は反対方向である。

ステップ２０６において、衝突セル内にイオンをトラップするように、第１のＤＣ電場分布が生成される。ステップ２０７において、トラップされたイオンを衝突セルから順方向に解放するように、第２のＤＣ電場分布が生成される。方法は、ステップ２０６に戻ることができ、そこでトラップ場が生成される。すなわち、トラップステップ２０６および解放ステップ２０７は、より長い期間にわたって繰り返され得る。

一部のステップは同時に実行されてもよく、少なくとも部分的に時間的に重複してもよく（例えば、ステップ２０２、２０３、２０４、２０５、および２０６または２０７）、または記載されている以外の順序で実行されてもよいため、方法請求項におけるステップのリストは、時系列を意味する必要がないことに留意されたい。例えば、ＲＦフィールド生成ステップ２０２、ガス生成ステップ２０４、およびイオン供給ステップ２０５は、異なる順序で、または実質的に同時に実行されてもよい。イオン供給ステップ２０５は、トラップ場生成ステップ２０６が開始された後にのみ実行され得る。ＲＦ場生成ステップ２０２、ガス生成ステップ２０４、およびイオン供給ステップ２０５を連続的に実行することができる一方で、トラップステップ２０６および解放ステップ２０７を交互に実行することができる。

ガス流は、イオンと非反応性であるガスを含み得る。いくつかの実施形態において、ガス流は、イオンと非反応性であるガスから全体的に構成され得るが、他の実施形態において、ガス流は、非反応性であってもなくてもよい少なくとも１つの他のガスを含み得る。イオンと非反応性のガスは、ヘリウムなどの不活性ガスであり得る。

本発明は、特に単一原子分析物（すなわち、元素イオン）に、特に誘導結合プラズマ質量分析（ＩＣＰ－ＭＳ）用途に適用可能であることに留意されたい。本発明は、単一原子分析物の存在下における多原子干渉の抑制に最も効果的であるが、これに限定されない。したがって、本発明の方法では、衝突セルによって受け取られるイオンは、プラズマ源に由来し得、原子イオンおよび多原子イオンを含み得る。本発明による方法およびデバイスによって抑制され得る多原子干渉は、典型的にはプラズマイオン源および／または一般的なサンプルマトリックスに由来する多原子イオンＡｒ₂ ⁺、ＡｒＯ⁺、ＡｒＨ⁺、ＣｌＯ⁺のうちの１つ以上を含み得る。

本発明の特定の実施形態は、以下の節に要約することができる。
１．質量分析計において衝突セルを動作させる方法であって、衝突セルが、入口開口、出口開口、少なくとも１つのＤＣ出口電極および少なくとも１対のＲＦ軸方向電極を備え、方法が、
前方軸方向において入口開口を通じて衝突セル内にイオンを供給することと、
少なくとも１対のＲＦ軸方向電極を使用して、イオンを半径方向に閉じ込めるためのＲＦ電場分布を生成することと、
第１の期間中に、少なくとも１つのＤＣ出口電極を使用して、衝突セル内にイオンをトラップするための第１のＤＣ電場分布を生成することと、
第２の期間中に、少なくとも１つのＤＣ出口電極を使用して、トラップされたイオンを前方軸方向において出口開口に向かって解放するための第２のＤＣ電場分布を生成することと、
衝突断面積に応じてイオンを分離するように、衝突セル内で、少なくとも入口開口の近くで、前方軸方向とは反対のガス流を生成することとを含む、方法。

２．衝突セルが少なくとも１つのＤＣ軸方向電極をさらに備え、方法が、
少なくとも１つのＤＣ軸方向電極を使用して、入口開口を通って衝突セルに入るイオンの運動エネルギーを変調するための軸方向場勾配を有するさらなるＤＣ電場分布を生成することをさらに含む、節１に記載の方法。

３．軸方向場勾配が、衝突セルに入るイオンの運動エネルギーを低減するように構成されている、節２に記載の方法。

４．軸方向電場勾配が、第１の期間中よりも第２の期間中により大きい、節３に記載の方法。

５．ガス流が、閾値よりも低い流速を有する場合にのみ、さらなるＤＣ電場分布が生成され、閾値が、好ましくは８ｍｌ／分～１２ｍｌ／分、より好ましくは約１０ｍｌ／分である、節３または４に記載の方法。

６．軸方向場勾配が、衝突セルに入るイオンの運動エネルギーを増大させるように構成されている、節２に記載の方法。

７．軸方向電場勾配が、第１の期間中よりも第２の期間中により小さい、節６に記載の方法。

８．ガス流が、閾値よりも高い流速を有する場合にのみ、さらなるＤＣ電場分布が生成され、閾値が、好ましくは８ｍｌ／分～１２ｍｌ／分、より好ましくは約１０ｍｌ／分である、節６または７に記載の方法。

９．入口開口におけるガス流が、５ｍｌ／分～４０ｍｌ／分の流速を有する、節１～８のいずれか一節に記載の方法。

１０．流速が、１０ｍｌ／分～１５ｍｌ／分、好ましくは約１２ｍｌ／分である、節９に記載の方法。

１１．衝突セル内のガス圧が、０．００１ｍｂａｒ～０．１ｍｂａｒ、好ましくは約０．０１ｍｂａｒである、節１～１０のいずれか一節に記載の方法。

１２．ガス流が、入口開口と出口開口との間の距離の約４分の１～約４分の３に位置する少なくとも１つの入口ポートから、好ましくは入口開口と出口開口との間のほぼ中間から、イオンの前方軸方向と反対に流れる、節１～１１のいずれか一節に記載の方法。

１３．ガス流が、イオンの前方軸方向と反対に、ほぼ出口開口に位置する少なくとも１つの入口ポートから流れる、節１～１１のいずれか一節に記載の方法。

１４．ガス流が、イオンと非反応性であるガス、好ましくはヘリウムなどの不活性ガスを含む、節１～１３のいずれか一節に記載の方法。

１５．第１の期間が、第２の期間より２倍～３０倍、好ましくは約２０倍長い、節１～１４のいずれか一節に記載の方法。

１６．第１の期間が、約２ｍｓの持続時間を有し、第２の期間が、約０．１ｍｓの持続時間を有する、節１５に記載の方法。

１７．衝突セルが、四重極構成を構成する２対のＲＦ軸方向電極を備え、方法が、四重極構成を使用して、イオンを半径方向に閉じ込めるためのＲＦ電場分布を生成することを含む、節１～１６のいずれか一節に記載の方法。

１８．衝突セルが、六重極、八重極、またはより高次の構成を構成する３対以上のＲＦ軸方向電極を備え、方法が、六重極、八重極、またはより高次の構成を使用して、イオンを半径方向に閉じ込めるためのＲＦ電場分布を生成することを含む、節１～１７のいずれか一節に記載の方法。

１９．イオンが、プラズマ源に由来し、原子イオンおよび多原子イオンを含む、節１～１８のいずれか一節に記載の方法。

２０．質量分析方法であって、
プラズマイオン源においてイオンを生成することと、
イオンを衝突セルに輸送することと、
節１～１９のいずれか一節に記載の方法に従って衝突セルを動作させることと、を含み、
第２のＤＣ電場分布を生成することにより、イオンが衝突セルから吐出され、方法が、
吐出されたイオンを質量分析器に輸送することと、
質量分析器においてイオンを質量分析することと、をさらに含む、質量分析方法。

２１．質量分析計において使用するための衝突セルであって、
前方軸方向においてイオンを受け入れるための入口開口と、
前方軸方向においてイオンを放出するための出口開口と、
第１の期間中に、イオンをトラップするための第１のＤＣ電場分布を生成し、第２の期間中に、出口開口に向かって前方軸方向に、トラップされたイオンを解放するための第２のＤＣ電場分布を生成するための少なくとも１つのＤＣ出口電極と、
イオンを半径方向に閉じ込めるためのＲＦ電場分布を生成するための少なくとも１対のＲＦ軸方向電極と、
衝突断面積に応じてイオンを分離するように、少なくとも入口開口の近くで、前方軸方向とは反対のガス流を受け入れるための少なくとも１つのガス入口ポートとを備える、衝突セル。

２２．入口開口を通って衝突セルに入るイオンの運動エネルギーを変調するための軸方向場勾配を有するさらなるＤＣ電場分布を生成するための少なくとも１つのＤＣ軸方向電極をさらに備える、節２１に記載の衝突セル。

２３．少なくとも１つの軸方向電極が、抵抗勾配を有し、抵抗勾配が、好ましくは抵抗器の直列構成を含む、節２２に記載の衝突セル。

２４．軸方向場勾配が、衝突セルに入るイオンの運動エネルギーを低減するように構成されている、節２２または２３に記載の衝突セル。

２５．第１の期間中よりも第２の期間中により大きい軸方向電場勾配を生成するように構成されている、節２４に記載の衝突セル。

２６．ガス流が閾値よりも低い流速を有する場合にのみ、さらなるＤＣ電場分布を生成するように構成されており、閾値が好ましくは８ｍｌ／分～１２ｍｌ／分、より好ましくは約１０ｍｌ／分である、節２４または２５に記載の衝突セル。

２７．軸方向場勾配が、衝突セルに入るイオンの運動エネルギーを増大させるように構成されている、節２１に記載の衝突セル。

２８．第１の期間中よりも第２の期間中により小さい軸方向電場勾配を生成するように構成されている、節２７に記載の衝突セル。

２９．ガス流が閾値よりも高い流速を有する場合にのみ、加速軸方向場勾配を有する電場を生成するように構成されており、閾値が好ましくは８ｍｌ／分～１２ｍｌ／分、より好ましくは約１０ｍｌ／分である、節２７または２８に記載の方法。

３０．５ｍｌ／分～４０ｍｌ／分の、入口開口におけるガス流の流速を提供するための少なくとも１つのガス源をさらに備える、節２１～２９のいずれか一節に記載の衝突セル。

３１．流速が、１０ｍｌ／分～１５ｍｌ／分、好ましくは約１２ｍｌ／分である、節３０に記載の衝突セル。

３２．ガス圧を０．００１ｍｂａｒ～０．１ｍｂａｒ、好ましくは約０．０１ｍｂａｒに維持するように構成されている、節２１～３１のいずれか一節に記載の衝突セル。

３３．少なくとも１つのガス入口ポートが、入口開口と出口開口との間の距離の約４分の１～約４分の３、好ましくは入口開口と出口開口との間のほぼ中間から配置されている、節２１～３２のいずれか一節に記載の衝突セル。

３４．少なくとも１つのガス入口ポートが、ほぼ出口開口に配置されている、節２１～３３のいずれか一節に記載の衝突セル。

３５．ガス流が、イオンと非反応性であるガス、好ましくはヘリウムなどの不活性ガスを含む、節２１～３４のいずれか一節に記載の衝突セル。

３６．少なくとも１つのＤＣ出口電極が、出口開口付近に配置されている、節２１～３５のいずれか一節に記載の衝突セル。

３７．少なくとも１つのＤＣ出口電極が、出口開口付近を画定する、節２１～３５のいずれか一節に記載の衝突セル。

３８．ＤＣ電極およびＲＦ電極への電圧を生成する電場分布を供給するための少なくとも１つの電圧源をさらに備える、節２１～３７のいずれか一節に記載の衝突セル。

３９．節２１～３８のいずれか一節に記載の少なくとも１つの衝突セルを備える、質量分析計。

４０．プラズマイオン源などの少なくとも１つのイオン源と、少なくとも１つの質量分析器と、イオンを検出するための少なくとも１つの検出器とをさらに備える、節３９に記載の質量分析計。

４１．質量分析計を提供するための部品キットであって、
少なくとも１つのイオン源、
少なくとも１つの質量分析器、
イオンを検出するための少なくとも１つの検出器、および
節２１～３８のいずれか一節に記載の少なくとも１つの衝突セルと、を備える、部品キット。

本発明が上述されている実施形態に限定されないこと、ならびに、添付の特許請求の範囲に規定されている本発明の範囲から逸脱することなく、多くの追加および修正を行うことができることが、当業者には理解されよう。

Claims (32)

1. 質量分析計（１００、１００’）において衝突セル（１０）を動作させる方法であって、前記衝突セルが、入口開口（１１６）、出口開口（１１７）、少なくとも１つのＤＣ出口電極（１１３）、少なくとも１対のＲＦ軸方向電極（１１２）および少なくとも１つのＤＣ軸方向電極（１１４）を備え、前記方法が、
   前方軸方向（ＬＤ）において前記入口開口（１１６）を通じて前記衝突セル内にイオンを供給することと、
   前記少なくとも１対のＲＦ軸方向電極（１１２）を使用して、前記イオンを半径方向に閉じ込めるためのＲＦ電場分布を生成することと、
   第１の期間中に、前記少なくとも１つのＤＣ出口電極（１１３）を使用して、前記衝突セル内にイオンをトラップするための第１のＤＣ電場分布を生成することと、
   第２の期間中に、前記少なくとも１つのＤＣ出口電極（１１３）を使用して、トラップされたイオンを前記前方軸方向において前記出口開口に向かって解放するための第２のＤＣ電場分布を生成することと、
   衝突断面積に応じてイオンを分離するように、前記衝突セル内で、少なくとも前記入口開口（１１６）の近くで、前記前方軸方向（ＬＤ）とは反対のガス流（Ｇ１）を生成することと、
   前記少なくとも１つのＤＣ軸方向電極（１１４）を使用して、前記入口開口を通って前記衝突セルに入るイオンの運動エネルギーを変調するための軸方向場勾配を有するさらなるＤＣ電場分布を生成することと、を含み、
   前記軸方向場勾配は、前記衝突セルに入る前記イオンの運動エネルギーを低減するように構成されている、方法。
2. 前記軸方向電場勾配が、前記第１の期間中よりも前記第２の期間中により大きい、請求項１に記載の方法。
3. 前記衝突セル（１０）内のガス圧が、０．００１ｍｂａｒ～０．１ｍｂａｒである、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記衝突セル（１０）内のガス圧が、０．００５ｍｂａｒ～０．０２ｍｂａｒ、好ましくは約０．０１ｍｂａｒである、請求項３に記載の方法。
5. 前記入口開口（１１６）における前記ガス流が、５ｍｌ／分～４０ｍｌ／分の流速を有する、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記入口開口（１１６）における前記流速が、１０ｍｌ／分～１５ｍｌ／分、好ましくは約１２ｍｌ／分である、請求項５に記載の方法。
7. 前記ガス流が、閾値よりも低い流速を有する場合にのみ、前記さらなるＤＣ電場分布が生成され、前記閾値が、好ましくは８ｍｌ／分～１２ｍｌ／分、より好ましくは約１０ｍｌ／分である、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記ガス流が、前記入口開口（１１６）と前記出口開口（１１７）との間の距離の約４分の１～約４分の３に位置する少なくとも１つの入口ポート（１１９）から、好ましくは前記入口開口と前記出口開口との間のほぼ中間から、前記イオンの前記前方軸方向と反対に流れる、請求項１～７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記ガス流が、前記イオンの前記前方軸方向と反対に、ほぼ前記出口開口に位置する少なくとも１つの入口ポート（１１９）から流れる、請求項１～７のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記ガス流が、前記イオンと非反応性であるガス、好ましくはヘリウムなどの不活性ガスを含む、請求項１～９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記第１の期間が、前記第２の期間より２倍～３０倍、好ましくは約２０倍長い、請求項１～１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記第１の期間が、約２ｍｓの持続時間を有し、前記第２の期間が、約０．１ｍｓの持続時間を有する、請求項１１に記載の方法。
13. 前記衝突セル（１０）が、四重極構成を構成する２対のＲＦ軸方向電極（１１２）を備え、前記方法が、前記四重極構成を使用して、前記イオンを半径方向に閉じ込めるための前記ＲＦ電場分布を生成することを含む、請求項１～１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記衝突セル（１０）が、六重極、八重極、またはより高次の構成を構成する３対以上のＲＦ軸方向電極（１１２）を備え、前記方法が、前記六重極、八重極、またはより高次の構成を使用して、前記イオンを半径方向に閉じ込めるための前記ＲＦ電場分布を生成することを含む、請求項１～１２のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記イオンが、プラズマ源（１）に由来し、原子イオンおよび多原子イオンを含む、請求項１～１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 質量分析方法であって、
    プラズマイオン源（１）においてイオンを生成することと、
    前記イオンを衝突セル（１０）に輸送することと、
    請求項１～１５のいずれか一項に記載の方法に従って前記衝突セルを動作させることと、を含み、
    第２のＤＣ電場分布を生成することにより、イオンが前記衝突セルから吐出され、前記方法が、
    吐出された前記イオンを質量分析器（１６）に輸送することと、
    前記質量分析器において前記イオンを質量分析することと、をさらに含む、質量分析方法。
17. 質量分析計（１００、１００’）において使用するための衝突セル（１０）であって、
    前方軸方向（ＬＤ）においてイオンを受け入れるための入口開口（１１６）と、
    前記前方軸方向においてイオンを放出するための出口開口（１１７）と、
    第１の期間中に、イオンをトラップするための第１のＤＣ電場分布を生成し、第２の期間中に、前記出口開口（１１７）に向かって前記前方軸方向に、トラップされたイオンを解放するための第２のＤＣ電場分布を生成するための少なくとも１つのＤＣ出口電極（１３、１１３）と、
    イオンを半径方向に閉じ込めるためのＲＦ電場分布を生成するための少なくとも１対のＲＦ軸方向電極（１１２）と、
    衝突断面積に応じてイオンを分離するように、少なくとも前記入口開口（１１６）の近くで、前記前方軸方向とは反対のガス流を受け入れるための少なくとも１つのガス入口ポート（１１９）と、
    前記衝突セルに入るイオンの運動エネルギーを低減するように、前記入口開口を通って前記衝突セルに入る前記イオンの運動エネルギーを変調するための軸方向場勾配を有するさらなるＤＣ電場分布を生成するための少なくとも１つのＤＣ軸方向電極（１１４）と、を備える、衝突セル。
18. 前記少なくとも１つのＤＣ軸方向電極（１１４）が、抵抗勾配を有し、前記抵抗勾配が、好ましくは抵抗器の直列構成を含む、請求項１７に記載の衝突セル。
19. 前記第１の期間中よりも前記第２の期間中により大きい軸方向電場勾配を生成するように構成されている、請求項１７又は１８に記載の衝突セル。
20. ガス圧を０．００１ｍｂａｒ～０．１ｍｂａｒ、好ましくは約０．０１ｍｂａｒに維持するように構成されている、請求項１７～１９のいずれか一項に記載の衝突セル。
21. ５ｍｌ／分～４０ｍｌ／分の、前記入口開口における前記ガス流の流速を提供するための少なくとも１つのガス源をさらに備える、請求項１７～２０のいずれか一項に記載の衝突セル。
22. 前記入口開口における前記流速が、１０ｍｌ／分～１５ｍｌ／分、好ましくは約１２ｍｌ／分である、請求項２１に記載の衝突セル。
23. 前記ガス流が閾値よりも低い流速を有する場合にのみ、前記さらなるＤＣ電場分布を生成するように構成されており、前記閾値が好ましくは８ｍｌ／分～１２ｍｌ／分、より好ましくは約１０ｍｌ／分である、請求項１７～２２のいずれか一項に記載の衝突セル。
24. 前記少なくとも１つのガス入口ポート（１１９）が、前記入口開口（１１６）と前記出口開口（１１７）との間の距離の約４分の１～約４分の３、好ましくは前記入口開口と前記出口開口との間のほぼ中間から配置されている、請求項１７～２３のいずれか一項に記載の衝突セル。
25. 前記少なくとも１つのガス入口ポート（１１９）が、ほぼ前記出口開口（１１７）に配置されている、請求項１７～２３のいずれか一項に記載の衝突セル。
26. 前記ガス流が、前記イオンと非反応性であるガス、好ましくはヘリウムなどの不活性ガスを含む、請求項１７～２５のいずれか一項に記載の衝突セル。
27. 前記少なくとも１つのＤＣ出口電極（１３、１１３）が、前記出口開口（１１７）付近に配置されている、請求項１７～２６のいずれか一項に記載の衝突セル。
28. 前記少なくとも１つのＤＣ出口電極（１１３）が、前記出口開口（１１７）を画定する、請求項１７～２７のいずれか一項に記載の衝突セル。
29. 前記ＤＣ電極および前記ＲＦ電極への電圧を生成する電場分布を供給するための少なくとも１つの電圧源をさらに備える、請求項１７～２８のいずれか一項に記載の衝突セル。
30. 請求項１７～２９のいずれか一項に記載の少なくとも１つの衝突セル（１０）を備える、質量分析計（１００、１００’）。
31. プラズマイオン源などの少なくとも１つのイオン源（１）と、少なくとも１つの質量分析器（９、１６）と、イオンを検出するための少なくとも１つの検出器（２０）とをさらに備える、請求項３０に記載の質量分析計。
32. 質量分析計（１００、１００’）を提供するための部品キットであって、
    少なくとも１つのイオン源（１）と、
    少なくとも１つの質量分析器（９、１６）と、
    イオンを検出するための少なくとも１つの検出器（２０）と、
    請求項１７～２９のいずれか一項に記載の少なくとも１つの衝突セル（１０）と、を備える、部品キット。

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