JP7192736B2

JP7192736B2 - リニアイオントラップ及びその操作方法

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Publication number: JP7192736B2
Application number: JP2019182973A
Authority: JP
Inventors: 慶小寺
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2019-10-03
Filing date: 2019-10-03
Publication date: 2022-12-20
Anticipated expiration: 2039-10-03
Also published as: JP2021061108A

Description

本発明は、リニアイオントラップ及びその操作方法に関する。

質量分析装置の一つとして、電場の作用によりイオンを保持するイオントラップを利用した質量分析装置が知られている。質量分析装置に用いられるイオントラップには大別して、三次元四重極型イオントラップとリニアイオントラップがある。イオントラップは、いずれもイオンが捕捉される空間を包囲する複数の電極を有している。一般的にリニアイオントラップは三次元四重極型イオントラップに比べてイオンが捕捉される空間を大きくすることができる。

リニアイオントラップは、イオンが捕捉される空間を取り囲むように互いに略平行に配置された四本のロッド状電極と、それらロッド状電極の両端面の外側にそれぞれ配置された一対の端部電極（エンドキャップ電極）と、を含む（特許文献１、２参照）。通常、四本のロッド状電極のうちの二本は、捕捉空間の中心軸を挟んで所定の方向（Ｘ軸方向）に対向配置され、残り二本のロッド状電極は中心軸を挟んで前記Ｘ軸方向と直交する方向（Ｙ軸方向）に対向配置される。二組のうちの一方の組のロッド状電極にイオン排出口が形成され、一対の端部電極の一方又は両方にイオン導入口が形成されている。

リニアイオントラップにおいてその内部空間にイオンを捕捉する場合、一対の端部電極にはイオンと同極性の直流電圧が印加され、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に対向配置された二組のロッド状電極には、それぞれ１８０度位相がずれた高周波電圧が印加される。一方又は両方の端部電極に形成されているイオン導入口を通して四本のロッド状電極で囲まれる空間に導入されたイオンは、これら電圧の作用により該空間内に捕捉される。

内部空間に捕捉されているイオンを質量電荷比に応じて分離しつつ検出する際には、二組のロッド状電極に印加されている高周波電圧の周波数又は振幅を制御すると共に一方の組のロッド状電極に印加される高周波電圧に励起用電圧を重畳させ、特定の質量電荷比を有するイオンを共鳴励起させる。共鳴励起されたイオンは、リニアイオントラップの中心軸に略直交する両方向に大きく励振し、ロッド状電極に形成されているイオン排出口を通して外部へと排出される。イオン排出口の外側にはイオン検出器が配置されており、該イオン検出器は到達したイオンの数に応じた検出信号を生成する。

米国特許第６７９７９５０号明細書特開２０１２－１８４９７５号公報

このように、従来のリニアイオントラップでは、イオンを捕捉するために、位相が１８０°ずれた高周波電圧を二組のロッド状電極に印加し、イオンを励振させるために、二組のロッド状電極の一方に印加される高周波電圧に共鳴励起用の電圧を重畳させており、複雑な電源回路が必要であった。

本発明の目的は、リニアイオントラップの電源回路を簡略化することである。

本発明の第１態様は、
中心軸を挟んで対向配置された、それぞれが開口を有する２本の第１ロッド状電極と、
前記中心軸を挟んで、前記２本の第１ロッド状電極が対向する方向とは別の方向に対向配置された２本の第２ロッド状電極と、
前記２本の第１ロッド状電極及び前記２本の第２ロッド状電極の両端面の外側にそれぞれ配置された、一対の端部電極と、
前記２本の第２ロッド状電極のそれぞれにイオン捕捉用の高周波電圧を印加する高周波電圧印加部と、
前記２本の第１ロッド状電極に共鳴励起用電圧を印加する励起用電圧印加部と、
前記高周波電圧印加部及び前記励起用電圧印加部を制御する制御部と
を有するリニアイオントラップである。

本発明の第２態様は、中心軸を挟んで対向配置された、それぞれが開口を有する２本の第１ロッド状電極と、前記中心軸を挟んで、前記２本の第１ロッド状電極が対向する方向とは別の方向に対向配置された２本の第２ロッド状電極と、前記２本の第１ロッド状電極及び前記２本の第２ロッド状電極の両端面の外側にそれぞれ配置された、一対の端部電極とを有するリニアイオントラップを操作する方法であって、
前記リニアイオントラップの内部空間にイオンを捕捉するときは、前記２本の第２ロッド状電極のそれぞれに、捕捉対象のイオンの質量電荷比に対応する所定の周波数の高周波電圧を印加し、
前記リニアイオントラップの内部空間に捕捉されたイオンを排出するときは、前記２本の第２ロッド状電極のそれぞれに前記高周波電圧を印加しつつ、前記２本の第１ロッド状電極に共鳴励起用電圧を印加する、リニアイオントラップの操作方法である。

本発明の第１態様のリニアイオントラップは、２本の第１ロッド状電極のそれぞれに開口が形成されており、これら２個の開口のうちの一方がイオンの導入口となり、一方又は両方が排出口となる。一対の端部電極にはイオンを導入するための開口が形成されていない。

リニアイオントラップの内部空間にイオンを捕捉する際は、高周波電圧印加部により２本の第２ロッド状電極にイオン捕捉用の高周波電圧が印加される。また、内部空間に捕捉されたイオンを排出する際は、高周波電圧印加部により２本の第２ロッド状電極にイオン捕捉用の高周波電圧を印加しつつ、励起用電圧印加部により２本の第１ロッド状電極に共鳴励起用電圧を印加する。これにより、高周波電圧の周波数に対応する質量電荷比を有するイオンが中心軸と直交する方向に励振され、２本の第１ロッド状電極の一方又は両方の開口から排出される。このように、第１態様のリニアイオントラップでは、イオン捕捉用の高周波電圧が印加されるロッド状電極と共鳴励起用電圧が印加されるロッド状電極を異ならせたため、電源回路を簡単な構成にすることができる。

本発明の一実施形態であるリニアイオントラップ型質量分析装置の概略構成図。図１中のリニアイオントラップの概略構成図。リニアイオントラップの電源回路図。イオン導入時及びイオン捕捉時に各電極に印加される電圧を示す図。イオン排出時に各電極に印加される電圧を示す図。イオン導入時及びイオン捕捉時に各電極に印加される電圧の他の例を示す図。変形例のリニアイオントラップ型質量分析装置の概略構成図。

本発明の一実施形態のリニアイオントラップを備えたイオントラップ型質量分析装置について図面を参照して説明する。
図１は本実施形態のイオントラップ型質量分析装置の概略的の構成図、図２は図１中のリニアイオントラップの概略的な構成図である。本実施形態のイオントラップ型質量分析装置は、目的試料をイオン化するイオン化部１と、イオンを質量電荷比m/zに応じて分離するリニアイオントラップ２と、イオン検出部３と、主電源部４と、補助電源部５と、タイミング信号発生部６と、制御部７と、データ処理部８と、を備える。

イオン化部１はマトリクス支援レーザ脱離イオン化法（ＭＡＬＤＩ）を用いたものであり、パルス状のレーザ光を出射するレーザ照射部１１と、目的試料成分を含むサンプルＳが付着されたサンプルプレート１２と、レーザ光の照射によってサンプルＳから放出されたイオンを引き出すとともに、所定の方向に案内するイオン輸送系１３、等を含む。以下、イオン輸送系１３がイオンを案内する方向をＸ軸方向と呼び、Ｘ軸方向と直交する方向をそれぞれＹ軸方向、Ｚ軸方向（Ｚ軸方向は図１において紙面に直交する方向）と呼ぶこととする。なお、イオン輸送系１３には、例えばアインツェルンレンズを用いることができるが、これ以外の構成でも構わない。また、ＭＡＬＤＩ以外のイオン化法でも構わない。

リニアイオントラップ２は、Ｚ軸方向に延伸する中心軸Ｃの周りに互いに平行に配置された、内面が断面双曲線状である４本のロッド状電極２１、２２、２３、２４を含む。４本のロッド状電極２１、２２、２３、２４のうち２本のロッド状電極２１、２２は中心軸Ｃを挟んでＸ軸方向に対向し、２本のロッド状電極２３、２４は中心軸Ｃを挟んでＹ軸方向に対向する。図１ではリニアイオントラップ２を、ロッド状電極２１、２２、２３、２４を中心軸Ｃに直交する平面（Ｘ－Ｙ平面）で切断した断面図で示している。

２本のロッド状電極２１、２２には、それぞれＺ軸方向に延伸する細長い開口から成る導入口２１ａ及び排出口２２ａが形成されている。従って、ロッド状電極２１、２２が本発明の第１ロッド状電極に相当し、ロッド状電極２３、２４が第２ロッド状電極に相当する。また、ロッド状電極２１、２２、２３、２４の両方の端部外側には、それらロッド状電極２１、２２、２３、２４を両側から挟み込むように略円形状の端部電極２５、２６が配置されている。これらの端部電極２５、２６には開口が形成されていない。

イオン検出部３は、イオンを電子に変換するコンバージョンダイノード３１と、コンバージョンダイノード３１から到来する電子を増倍して検出する二次電子増倍管３２とから成り、入射したイオンの量に応じた検出信号をデータ処理部８に送る。データ処理部８は、リニアイオントラップ２において出量分離されつつ順次排出されるイオンに対してイオン検出部３で得られた検出信号に基づいて、マススペクトルを作成する機能を有する。

主電源部４は本発明の高周波電圧印加部に相当し、リニアイオントラップ２のロッド状電極２３、２４にイオン捕捉用の矩形波高電圧を印加する。図３に示すように、主電源部４は第１電圧Ｖ_Ｈを発生する第１電圧源４１と、第２電圧Ｖ_Ｌ（Ｖ_Ｌ＜Ｖ_Ｈ）を発生する第２電圧源４２と、第１電圧源４１の出力端と第２電圧源４２の出力端の間に直列に接続された第１スイッチング素子４３及び第２スイッチング素子４４とを含む。

タイミング信号発生部６は、第１スイッチング素子４３及び第２スイッチング素子４４のオン・オフを制御するための駆動パルスを生成して主電源部４に与える。これにより、第１スイッチング素子４３及び第２スイッチング素子４４は交互にオンするように駆動される。第１スイッチング素子４３がオンするときは第１電圧Ｖ_Ｈが出力され、第２スイッチング素子４４がオンするときは第２電圧Ｖ_Ｌが出力されるため、出力電圧Ｖoutは理想的にはハイレベルがＶ_Ｈ、ローレベルがＶ_Ｌである所定周波数ｆ（周期ｆ）の矩形波電圧となる。通常、Ｖ_ＨとＶ_Ｌは絶対値が同じで極性が逆の高電圧であり、例えばその絶対値は数百Ｖ～１ｋＶ程度である。また周波数ｆは通常数十ｋＨｚ～数ＭＨｚ程度の範囲である。タイミング信号発生部６によりスイッチング素子４３、４４を駆動するパルスの周波数が変更されると、振幅（電圧レベル）が一定に維持されたまま矩形波電圧の周波数が変化する。

また、タイミング信号発生部６は、主電源部４に供給する駆動パルスを適宜の比で分周したパルス信号を補助電源部５に与える。補助電源部５は、タイミング信号発生部６から与えられる信号に基づき、周波数がｆ／ｎ（分周比を１／ｎとする）であって、ローレベルが０Ｖ、ハイレベルが＋Ｖ_１、パルス幅がｄである矩形波低電圧と、これと逆極性の矩形波低電圧とが生成される。生成された矩形波低電圧はリニアイオントラップ２のロッド状電極２１、２３に印加される。通常、矩形波低電圧の電圧値Ｖ_１は矩形波高電圧の電圧値Ｖ_Ｈ、Ｖ_Ｌに比べると非常に低い値であり、例えば数Ｖ程度である。補助電源部５は本発明の励起用電圧印加部に相当し、該補助電源部５で生成された矩形波低電圧は共鳴励振用電圧に相当する。

制御部７はパーソナルコンピュータを中心に構成され、該パーソナルコンピュータに予めインストールされた制御／処理プログラムを実行することにより、その機能が達成される。

次に、図４Ａ～４Ｃを参照しつつ、本実施形態の質量分析装置における質量分析動作を説明する。
イオン化部１において、レーザ照射部１１からレーザ光が出射され、サンプルＳに照射される。レーザ光の照射によりサンプルＳのマトリックスは急速に加熱され、目的成分を伴って気化し、イオン化される。発生したイオンはイオン輸送系１３に含まれるイオンレンズにより形成される静電場によって集束され、導入口２１ａを経てロッド状電極２１、２２、２３、２４で囲まれる内部空間に導入される。このとき、ロッド状電極２１及びロッド状電極２２には互いに逆極性の直流電圧が印加され、ロッド状電極２３、２４には電圧が印加されていない。また、端部電極２５、２６は接地電位に維持されている（図４Ａ参照）。

リニアイオントラップ２内にイオンが導入されて所定時間（ｔ１）が経過すると、タイミング信号発生部６は制御部７からの指示に従って所定周波数の駆動パルスをスイッチング素子４３、４４に供給する。すると、これに応じた周波数の矩形波高電圧が主電源部４で生成されてロッド状電極２３、２４に印加される。これにより、内部空間には高周波電場が形成され、該高周波電場の作用により所定の質量電荷比範囲のイオンがリニアイオントラップ２内に捕捉される。また、イオン導入に先立って内部空間に導入しておいたクーリングガスにイオンを接触させることでクーリングを行う。

さらに、リニアイオントラップ２内へのイオン導入が開始されてから所定時間（ｔ２）が経過すると、制御部７からの指示に従って補助電源部５からのロッド状電極２１、２２に対する直流電圧の印加が停止され、リニアイオントラップ２内にイオンが安定的に捕捉される。

イオンのクーリングを実施した後、リニアイオントラップ２内に捕捉されているイオンを検出する際は、図４Ｂに示すように、タイミング発生回路６からスイッチング素子４３、４４に供給する駆動パルスの周波数を連続的に変化させる。これにより、主電源部４からロッド状電極２３、２４に印加される矩形波高電圧の周波数が走査される（図４Ｂの時点ｔ３以降）。また、補助電源部５からロッド状電極２１、２２に共鳴励起用の矩形波低電圧を印加する。このときの周波数は、図４Ｂに示すようにロッド状電極２３、２４に印加される矩形波高電圧の周波数の周波数に応じて走査される。また、ロッド状電極２２には、ロッド状電極２１に印加される矩形波低電圧と180°位相がずれた矩形波低電圧が印加される。

この結果、共鳴励起により特定の質量電荷比を有するイオンが選択的に振動し、排出口２２ａを通して排出され、検出部３によって検出される。

なお、本発明は上記実施形態に限らず適宜の変形が可能である。
例えば、上記の実施形態では、リニアイオントラップ２内にイオンが導入されて所定時間ｔ１が経過した時点で、所定周波数の矩形波高電圧をロッド状電極２３、２４に印加したが、図４Ｃに示すように、予め所定周波数の矩形波高電圧をロッド状電極２３、２４に印加しておき、時間ｔ１が経過した時点で、ロッド状電極２３、２４に印加する矩形波高電圧の電圧値を低下させても良い。このようにすることで、リニアイオントラップ２の内部空間にイオンが導入されやすくなる。

また、例えば、図５に示すように、第１ロッド状電極２１のイオン化部１側の面にＦＡＥ電極２７を配置してもよい。ＦＡＥ電極２７には、図示しない電圧印加部により、イオンの捕捉を開始するタイミングで、イオンを内部空間に引き込むような電圧が印加され、イオンを排出するタイミングでは、該内部空間からイオンを押し出すような電圧が印加される。

本発明のリニアイオントラップは、一対の端部電極に開口が形成されていないが、これはイオン導入口としての開口、或いはイオン排出口としての開口が形成されていないことを意味し、例えば、複数のリニアイオントラップが中心軸方向に並べて配置されている構成において、隣接するリニアイオントラップの内部空間同士を連結するために端部電極に開口が形成されることを排除するものではない。

［種々の態様］
上述した例示的な実施形態が以下の態様の具体例であることは、当業者には明らかである。

（第１項）第１項のリニアイオントラップは、
中心軸を挟んで対向配置された、それぞれが開口を有する２本の第１ロッド状電極と、
前記中心軸を挟んで、前記２本の第１ロッド状電極が対向する方向とは別の方向に対向配置された２本の第２ロッド状電極と、
前記２本の第１ロッド状電極及び前記２本の第２ロッド状電極の両端面の外側にそれぞれ配置された、一対の端部電極と、
前記２本の第２ロッド状電極のそれぞれにイオン捕捉用の高周波電圧を印加する高周波電圧印加部と、
前記２本の第１ロッド状電極に共鳴励起用電圧を印加する励起用電圧印加部と、
前記高周波電圧印加部及び前記励起用電圧印加部を制御する制御部と
を有する。

第１項のリニアイオントラップでは、イオンを捕捉するために、位相を１８０°ずらした高周波電圧を電極に印加する必要がない。また、イオン捕捉用の高周波電圧が印加されるロッド状電極と共鳴励起用電圧が印加されるロッド状電極が異なり、従来のリニアイオントラップのように、共鳴励起用電圧をイオン捕捉用の高周波電圧に重畳させる必要がない。従って、簡単な構成の電源回路でリニアイオントラップを動作させることができる。

（第２項）第１項に記載のリニアイオントラップにおいて、
前記制御部は、
前記２本の第１ロッド状電極と、前記２本の第２ロッド状電極と、前記一対の端部電極とで囲まれた空間に所定の質量電荷比を有するイオンを捕捉するときは、そのイオンの質量電荷比に応じた周波数を有する高周波電圧が前記２本の第２ロッド状電極のそれぞれに印加されるように前記高周波電圧印加部を制御し、
前記空間に捕捉されているイオンを排出するときは、前記高周波電圧印加部による前記２本の第２ロッド状電極に対する高周波電圧の印加動作を継続しつつ、共鳴励起用電圧が前記２本の第１ロッド状電極に印加されるように前記励起用電圧印加部を制御する。

第２項のリニアイオントラップでは、２本の第１ロッド状電極の一方の開口から内部空間にイオンが導入された後、高周波電圧印加部により２本の第２ロッド状電極にイオン捕捉用の高周波電圧が印加される。これにより、内部空間にイオンを捕捉することができる。この状態で高周波電圧印加部により２本の第２ロッド状電極にイオン捕捉用の高周波電圧を印加しつつ、励起用電圧印加部により２本の第１ロッド状電極に共鳴励起用電圧を印加する。これにより、高周波電圧の周波数に対応する質量電荷比を有するイオンが中心軸と直交する方向に励振され、２本の第１ロッド状電極の一方又は両方の開口からイオンを排出することができる。

（第３項）第１項又は第２項に記載のリニアイオントラップにおいて、
前記イオン捕捉用の高周波電圧が矩形波電圧であり、
前記共鳴励起用電圧が、前記イオン捕捉用の高周波電圧を所定の分周比で分周した該高周波電圧よりも低電圧である矩形波電圧である。

第３項のリニアイオントラップでは、デジタル駆動方式で各電極を動作させるため、第１ロッド状電極や第２ロッド状電極に印加する矩形波電圧の周波数やデューティ比を容易に変更することができる。

（第４項）第３項に記載のリニアイオントラップにおいて、
前記高周波電圧印加部が、直流電圧を発生する第１電圧源と、該第１電圧源とは異なる直流電圧を発生する第２電圧源と、前記第１電圧源から出力される直流電圧をオン・オフする第１スイッチング部と、前記第２電圧源から出力される直流電圧をオン・オフする第２スイッチング部とを含み、前記第１スイッチング部及び前記第２スイッチング部を交互にオン・オフすることによって矩形波電圧を生成するものである。

第４項のリニアイオントラップでは、スイッチング素子のオン・オフの切り替え周波数を変更することで、イオン捕捉要の高周波電圧の周波数を容易に切り替えることができ、スイッチング素子の切り替え周波数を一定にしたまま切り替えるタイミングを変更することでデューティ比も容易に切り替えることができる。

（第５項）第５項のリニアイオントラップの操作方法は、
中心軸を挟んで対向配置された、それぞれが開口を有する２本の第１ロッド状電極と、前記中心軸を挟んで、前記２本の第１ロッド状電極が対向する方向とは別の方向に対向配置された２本の第２ロッド状電極と、前記２本の第１ロッド状電極及び前記２本の第２ロッド状電極の両端面の外側にそれぞれ配置された、一対の端部電極とを有するリニアイオントラップを操作する方法であって、
前記リニアイオントラップの内部空間にイオンを捕捉するときは、前記２本の第２ロッド状電極のそれぞれに、捕捉対象のイオンの質量電荷比に対応する所定の周波数の高周波電圧を印加し、
前記リニアイオントラップの内部空間に捕捉されたイオンを排出するときは、前記２本の第２ロッド状電極のそれぞれに前記高周波電圧を印加しつつ、前記２本の第１ロッド状電極に共鳴励起用電圧を印加する。

１…イオン化部
１１…レーザ照射部
１２…サンプルプレート
１３…イオン輸送系
２…リニアイオントラップ
２１…ロッド状電極
２１ａ…導入口
２２…ロッド状電極
２２ａ…排出口
２３…ロッド状電極
２４…ロッド状電極
２５…端部電極
３…イオン検出部
３１…コンバージョンダイノード
３２…二次電子増倍管
４…主電源部
４１…第１電圧源
４２…第２電圧源
４３…第１スイッチング素子
４４…第２スイッチング素子
５…補助電源部
６…タイミング信号発生部
７…制御部
８…データ処理部

Claims

中心軸を挟んで対向配置された、それぞれが開口を有する２本の第１ロッド状電極と、
前記中心軸を挟んで、前記２本の第１ロッド状電極が対向する方向とは別の方向に対向配置された２本の第２ロッド状電極と、
前記２本の第１ロッド状電極及び前記２本の第２ロッド状電極の両端面の外側にそれぞれ配置された、一対の端部電極と、
前記２本の第２ロッド状電極のそれぞれにイオン捕捉用の高周波電圧を印加する高周波電圧印加部と、
前記２本の第１ロッド状電極に共鳴励起用電圧を印加する励起用電圧印加部と、
前記高周波電圧印加部及び前記励起用電圧印加部を制御する制御部と
を有するリニアイオントラップ。
前記制御部は、
前記２本の第１ロッド状電極と、前記２本の第２ロッド状電極と、前記一対の端部電極とで囲まれた空間に所定の質量電荷比を有するイオンを捕捉するときは、そのイオンの質量電荷比に応じた周波数を有する高周波電圧が前記２本の第２ロッド状電極のそれぞれに印加されるように前記高周波電圧印加部を制御し、
前記空間に捕捉されているイオンを排出するときは、前記高周波電圧印加部による前記２本の第２ロッド状電極に対する高周波電圧の印加動作を継続しつつ、共鳴励起用電圧が前記２本の第１ロッド状電極に印加されるように前記励起用電圧印加部を制御する、請求項１に記載のリニアイオントラップ。
前記イオン捕捉用の高周波電圧が矩形波電圧であり、
前記共鳴励起用電圧が、前記イオン捕捉用の高周波電圧を所定の分周比で分周した該高周波電圧よりも低電圧である矩形波電圧である、請求項１又は２に記載のリニアイオントラップ。
前記高周波電圧印加部が、直流電圧を発生する第１電圧源と、該第１電圧源とは異なる直流電圧を発生する第２電圧源と、前記第１電圧源から出力される直流電圧をオン・オフする第１スイッチング部と、前記第２電圧源から出力される直流電圧をオン・オフする第２スイッチング部とを含み、前記第１スイッチング部及び前記第２スイッチング部を交互にオン・オフすることによって矩形波電圧を生成するものである、請求項３に記載のリニアイオントラップ。
中心軸を挟んで対向配置された、それぞれが開口を有する２本の第１ロッド状電極と、前記中心軸を挟んで、前記２本の第１ロッド状電極が対向する方向とは別の方向に対向配置された２本の第２ロッド状電極と、前記２本の第１ロッド状電極及び前記２本の第２ロッド状電極の両端面の外側にそれぞれ配置された、一対の端部電極とを有するリニアイオントラップを操作する方法であって、
前記リニアイオントラップの内部空間にイオンを捕捉するときは、前記２本の第２ロッド状電極のそれぞれに、捕捉対象のイオンの質量電荷比に対応する所定の周波数の高周波電圧を印加し、
前記リニアイオントラップの内部空間に捕捉されたイオンを排出するときは、前記２本の第２ロッド状電極のそれぞれに前記高周波電圧を印加しつつ、前記２本の第１ロッド状電極に共鳴励起用電圧を印加する、リニアイオントラップの操作方法。