JP7284341B2 - 質量分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、質量分析装置に関する。

質量分析装置とは、試料をイオン化し、イオンを質量電荷比に応じて分析する装置のことである。一般的に、質量分析装置は、試料をイオン化するイオン源、イオンを質量電荷比に応じて分離する質量分析部、質量分析部を通過したイオンの量を検出する検出部から成る。

イオンと気流を分離するイオンガイドに関する技術として、米国特許第８５８１１８２号明細書（特許文献１）がある。この公報には、イオンが第１と第２のイオンガイド間の擬ポテンシャル障壁をＤＣポテンシャルにより乗り越えることで第１から第２のイオンガイドへ移動することによりイオンと気流を分離するイオンガイドが記載されている。

また、国際公開第２０１６／１３５８１０号パンフレット（特許文献２）がある。この公報には、２つのロッド電極セットが長手方向に重なり合っている領域で２つのロッド電極セットが単一の多重極イオンガイドを形成しており、前記の重なり合っている領域における第１と第２のロッド電極セット間のＤＣポテンシャル差によってイオンが第１から第２のロッド電極セットに移動することでイオンと気流を分離するイオンガイドについて記載されている。

米国特許第８５８１１８２号明細書 国際公開第２０１６／１３５８１０号パンフレット

しかしながら、従来の技術では、イオンの透過効率に限界があるという課題があった。

従来技術における具体的構成例の１つとして、特許文献１には、第１のイオンガイドの中心軸上に排気口を配置して第１のイオンガイドを通過した気流を排気する形態の例が記載されている。しかし、排気口の位置が制限されているため、排気口の径が制限される。排気口の径が小さいと排気効率が低くなり、イオンガイドが設置されている空間の真空度が低くなる。真空度が低いとイオンの平均自由行程が小さくなり、イオンの透過効率が低くなる。

また、従来技術における別の具体的構成例が特許文献２に記載されているが、特許文献２にはイオンと気流を分離した後の気流の制御に関する記述がない。特許文献２の構成ではイオンガイドを設置している真空室の壁面に気流が衝突することにより乱流が発生し、イオンと気流が混合することでイオンの透過効率が低下するという問題がある。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、イオンの透過効率をより高くする質量分析装置を提供する。

本発明に係る質量分析装置の一例において、イオンを含む気流は、第１真空室内のイオンガイドにより気流とイオン流とに分離され、第１真空室は、分離された気流とイオン流との混合を低減する整流部材を備える。
本明細書は本願の優先権の基礎となる日本国特許出願番号2020-038168号の開示内容を包含する。

本発明に係る質量分析装置によれば、イオンの透過効率がより高くなる。

本発明の実施例１に係る質量分析装置の構成例である。 イオン流と気流を分離するイオンガイドの構成例である。 イオンガイドの擬ポテンシャルを表す図である。 イオンガイドの領域２におけるＤＣポテンシャルを表す図である。 イオンガイドの領域２における擬ポテンシャルとＤＣポテンシャルの合成ポテンシャルを表す図である。 比較例として、整流板がない場合の、イオンガイドを通過するイオン流と気流の様子を表す図である。 第１真空室に入射するイオン流と気流の様子を表す図である。 整流板がある場合の、イオンガイドを通過するイオン流と気流の様子を表す図である。 本発明の実施例２に係る整流板の構成例である。 本発明の実施例３に係る整流板の構成例である。 本発明の実施例４に係る整流板の構成例である。 本発明の実施例５に係る、イオン流と気流を分離するイオンガイドの構成例である。 本発明の実施例６に係る、イオン流と気流を分離するイオンガイドの構成例である。 本発明の実施例７に係る、イオン流と気流を分離するイオンガイドの構成例である。 本発明の実施例８に係る、イオン流と気流を分離するイオンガイドの構成例である。 本発明の実施例９に係る、イオン流と気流を分離するイオンガイドの構成例である。

以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。

本実施例では、比較的簡単な実施の形態を説明する。

図１は、本実施例に係る質量分析装置の構成例を示す図である。質量分析装置は、以下の構成を備える。
‐測定試料をイオン化するイオン源１０１
‐前記イオン源１０１で生成されたイオンが通過する細孔１０２
‐前記細孔１０２を通過したイオンが通過するイオンガイド１０３
‐前記イオンガイド１０３を通過したイオンが通過する細孔１０４
‐前記細孔１０４を通過したイオンが分析される質量分析部１０５
‐前記質量分析部１０５で分析されたイオンが検出される検出器１０６（検出部）
‐前記イオンガイド１０３が配置されており、前記細孔１０２および前記細孔１０４を有する第１真空室１０７
‐前記質量分析部１０５が配置されており、前記細孔１０４を有する第２真空室１０８
‐前記第１真空室１０７内の空気を排気する真空ポンプ１０９
‐前記第１真空室１０７および前記真空ポンプ１０９を接続する排気口１１１
‐前記第２真空室１０８内の空気を排気する真空ポンプ１１０
‐前記第２真空室１０８と前記真空ポンプ１１０とを接続する排気口１１２
‐前記第１真空室１０７内に配置された整流板１１３（整流部材）

イオン源１０１では、エレクトロスプレーイオン化法、大気圧化学イオン化法、大気圧光イオン化法、マトリックス支援レーザー脱離イオン化法などの手法によって、測定試料がイオン化される。

イオン源１０１で生成されたイオンは、細孔１０２を介して第１真空室１０７に侵入する。ただし、細孔１０２の具体的構造は任意に設計可能であり、たとえば薄い壁面に小さな穴が開いたものであってもよく、厚い壁面に小さな穴が開いている細管のようなものであってもよい。

第１真空室１０７の前に、イオンが通過する電極や真空室があっても良い。

第１真空室１０７には、イオンとともに中性分子、空気、微小水滴なども細孔１０２を介して侵入する。区別のために、細孔１０４に到達するイオンの流れをイオン流７０３、それ以外のものの流れを気流７０４と定義する。気流７０４には前述の中性分子、空気、微小水滴だけでなく細孔１０４に到達できないイオンの一部も含まれる。

第１真空室１０７には、イオン流７０３と気流７０４を分離する機能を有するイオンガイド１０３が配置されている。また、第１真空室１０７は整流板１１３を備える。イオン流７０３と気流７０４とを分離する機構および整流板１１３の作用については後述する。イオンガイド１０３により気流７０４と分離されたイオン流７０３は細孔１０４に到達し、第２真空室１０８に侵入する。

細孔１０４に到達したイオン流７０３は第２真空室１０８に侵入する。第２真空室１０８は質量分析部１０５を有している。質量分析部１０５では、イオンが電気的および／または磁気的な作用によって質量電荷比に応じて分離される。例えば、磁場によってイオンの軌道を曲げる磁場型や、断面が双極面である電極に高周波電圧（ＲＦ電圧）や直流電圧（ＤＣ電圧）を印加することでイオンを分離する四重極型、飛行時間の違いによりイオンを検出する飛行時間型などがある。

質量分析部１０５で分析されたイオンは検出器１０６により検出される。検出器１０６では、例えば光電子増倍管や電子増倍管を利用してイオン信号を電気信号に変換することでイオンを検出する。

このように、質量分析装置は、イオン源１０１で発生したイオンを、第１真空室１０７および第２真空室１０８を通過させて、検出器１０６へ向けて移送する。

第１真空室１０７は真空ポンプ１０９によって、第２真空室１０８は真空ポンプ１１０によって、それぞれ室内の空気が排気される。第１真空室１０７と第２真空室１０８とは細孔１０４により連通しているが、細孔１０４の径は限られているため第１真空室１０７および第２真空室１０８は各室内の圧力が異なる。

第１真空室１０７は、大気圧下であるイオン源１０１に近く、第２真空室１０８より圧力が高い。真空ポンプ１０９および真空ポンプ１１０は同一のものであっても良い。また、真空ポンプ１０９および真空ポンプ１１０はそれぞれ、単一のポンプであっても、例えばターボ分子ポンプとドライポンプを併用するというように複数種類のポンプを組み合わせたシステムであっても良い。

第１真空室１０７と真空ポンプ１０９とは排気口１１１で接続され、第２真空室１０８と真空ポンプ１１０とは排気口１１２で接続されている。排気口１１１および排気口１１２は、径が大きいほど、曲線が少ないほど、真空ポンプ１０９または真空ポンプ１１０までの長さが短いほど、排気効率が高く、第１真空室１０７や第２真空室１０８の圧力が低くなる。第１真空室１０７および第２真空室１０８の圧力が低いと、イオンの平均自由行程が大きくなるためイオン流７０３の透過効率が高くなる。

イオンガイド１０３の模式図を図２に示す。イオンガイド１０３は少なくとも２つの電極セットを備えており、イオン源１０１から第１真空室１０７に導入されたイオンを含む気流を、イオン流７０３と気流７０４とに分離する機能を持つ。

以下、イオンガイド１０３の構成例について説明するが、イオンガイド１０３の構成はこれに限らず、公知技術に基づいて任意に設計または変更可能である。たとえば、特許文献１または２に記載された構成の一部を適用してもよい。また、イオンガイド１０３の詳細に関して本明細書で記載を省略した部分については、特許文献１または２またはその他の公知技術に関する記載を援用することが可能である。

２つの電極セットとして、Ｘ軸方向においてイオン流７０３および気流７０４が入射する側に第１の電極セット２０１が配置され、イオン流７０３が出射する側に第２の電極セット２０２が配置される。

図２および他の図において、Ｘ座標、Ｙ座標およびＺ座標からなる直交３次元座標系を用いて説明する。Ｘ軸方向は、第１の電極セット２０１および第２の電極セット２０２の長手方向である。また、Ｘ軸方向は、イオンガイドの各電極セットにおいてイオンが大まかに移送される方向に対応する。Ｚ軸方向は、イオン流７０３が第１の電極セット２０１から第２の電極セット２０２へと移動する際の移動方向に対応する。

図２では、イオンガイド１０３について、Ｘ軸方向に区分される３つの領域を図示している。イオンガイド１０３は、領域１、領域２および領域３を有する。領域２は、第１の電極セット２０１と第２の電極セット２０２とが、Ｘ軸方向に重なり合う領域である。領域１および３は、第１の電極セット２０１と第２の電極セット２０２とが、Ｘ軸方向に重ならない領域である。

図２は、イオン流７０３と気流７０４とを分離することができるイオンガイド１０３の構成例である。図２（ａ）はＸＺ平面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）中のＸ軸方向位置Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３における、Ｘ軸と直交する平面による断面図である。図２（ｃ）は、図２（ａ）中のＺ軸方向位置Ｚ１，Ｚ２における、Ｚ軸と直交する平面による断面図である。

図２に示すイオンガイド１０３は、第１の電極セット２０１と第２の電極セット２０２を備え、ロッド電極から成る多重極で構成されている。第１の電極セット２０１は、領域１においてロッド電極による四重極を形成し、第２の電極セット２０２は、領域３においてロッド電極による四重極を形成する。これらのロッド電極は、たとえば、ＹＺ平面においてほぼ正方形の頂点付近の位置に配置されている。

図２の例では、領域２では第１の電極セット２０１の中で第２の電極セット２０２に隣接しているロッド２０１ａおよび２０１ｄと、第２の電極セット２０２の中で第１の電極セット２０１と隣接しているロッド２０２ｂおよび２０２ｃとの計４本が、Ｙ軸方向位置Ｙ１に対してほぼ対称に広がるように、Ｙ軸方向に曲がることで単一の八重極イオンガイドを形成する。八重極のロッド電極は、たとえばＹＺ平面においてほぼ正八角形の頂点付近の位置に配置されている。これら以外のロッド、すなわちロッド２０１ｂ、２０１ｃ、２０２ａ、２０２ｄは、たとえば直線状に形成される。

なお、イオンガイドにおけるロッド電極の構成はこれに限らず任意に設計可能であり、領域１～３それぞれにおいて偶数本のロッド電極から形成することができる。

第１の電極セット２０１および第２の電極セット２０２には、ＲＦ電圧とオフセットＤＣ電圧とが印加され、これによってイオン流７０３と気流７０４とが分離される。

図２（ｂ）に示す「＋」と「－」の符号は各ロッド電極に印加するＲＦ電圧の位相を示している。同じ符号のロッドには、同周波数、同振幅、同位相のＲＦ電圧を印加する。符号が異なるロッド電極には、同周波数、同振幅、逆位相のＲＦ電圧を印加する。

図２（ｂ）の例では、ロッド２０１ｄとロッド２０２ｃとは領域２において隣接するロッド電極になるため、互いに逆位相のＲＦ電圧が印加される。同様に、ロッド２０１ａと２０２ｂとは領域２において隣接するロッド電極になるため、互いに逆位相のＲＦ電圧が印加される。

図３は、任意のＲＦ電圧の印加によって生成される擬ポテンシャルを示す図である。擬ポテンシャルとは、イオンの運動が十分に追随できない速度で変動する電場が印加されている場合に、イオンに時間平均で作用する力を与えるポテンシャルのことである。

図３（ａ）は、位置（Ｘ１，Ｙ１）における擬ポテンシャルの高さを示す。図３（ｂ）は位置（Ｘ２，Ｙ１）における擬ポテンシャルの高さを示す（なお本実施例では電極構成は図２に示す通りであり、擬ポテンシャルの高さは実線で示される）。図３（ｃ）は位置（Ｘ３，Ｙ１）における擬ポテンシャルの高さを示している。

図２の構成のイオンガイド１０３では、ＹＺ平面上に擬ポテンシャルの極小点が存在し、イオンは基本的にはこの極小点上に収束されて電極内を進行する。以後、擬ポテンシャルの極小点を電極の中心と定義する。電極の中心は、たとえばＸ軸方向に延びる直線として定義され、軸（中心軸）を構成する。

領域１では、第１の電極セット２０１が配置された部分に特定の質量電荷比の範囲内のイオンが入射すると、イオンは第１の電極セット２０１の中心に向かって収束されて進行する。収束される質量電荷比の範囲は、印加するＲＦ電圧の周波数および振幅に依存して決まる。したがって、細孔１０４まで到達させたい質量電荷比によって、ＲＦ電圧の周波数および振幅を調整する必要がある。

領域２では、第１の電極セット２０１と第２の電極セット２０２の間に擬ポテンシャルの障壁がない。すなわち、イオンガイド１０３は、領域２において単一のイオンガイドを形成する。このため、イオンは第１の電極セット２０１と第２の電極セット２０２の間を自由に行き来することができる。また、イオンにポテンシャル障壁を乗り越える強いエネルギーを与える必要がないので、第２の電極セット２０２の中心軸を通過して反対側に飛び出してしまうイオンの量を低減することができる。

領域３では、領域１と同様に、第２の電極セット２０２が配置された部分に特定の質量電荷比の範囲内のイオンが入射すると、イオンは第２の電極セット２０２の中心に向かって収束されながら進行する。

また、第１の電極セット２０１と第２の電極セット２０２とには、互いに異なる電位のオフセットＤＣ電圧を印加する。この時、ポジティブイオンを細孔１０４まで通過させたい場合は第２の電極セット２０２には第２の電極セット２０２より低い電圧を印加し、ネガティブイオンを細孔１０４まで通過させたい場合は第２の電極セット２０２には第２の電極セット２０２より高い電圧を印加する。

なお、以下では、電気的ポテンシャルの高低関係はポジティブイオンを分離する場合に限定して説明する場合があるが、電気的ポテンシャルの高低関係を逆にすればネガティブイオンを分離する場合に適用可能である。

図４は、オフセットＤＣ電圧の印加によって生成される、位置（Ｘ２，Ｙ１）におけるＤＣポテンシャルの高さを示している。Ｚ座標が大きいほどポテンシャルが低くなっており、すなわち、第２の電極セット２０２の側に向かってポテンシャルが低くなる。各ロッドに印加されるオフセットＤＣ電圧は、ＤＣポテンシャル曲線が単調減少となる限り任意に設計可能である。

各電極に印加するオフセットＤＣ電圧を変更してＤＣポテンシャル勾配を変更するとイオン流７０３の透過効率が変化する。これは、例えばＤＣポテンシャル勾配が大きい場合にイオンの運動エネルギーが大きくなり第２の電極セット２０２においてイオン流７０３の収束効率が低下することが原因で発生する。したがって、ＲＦ電圧と同様に、細孔１０４まで透過させたい質量電荷比によってＤＣポテンシャル勾配を調整する必要がある。

図５は、位置（Ｘ２，Ｙ１）における擬ポテンシャルとＤＣポテンシャルとを合成したポテンシャル（合成ポテンシャル）の高さを示している。ＲＦ電圧とオフセットＤＣ電圧とを組み合わせることにより、イオンは第１の電極セット２０１の中心から第２の電極セット２０２の中心に向かって不可逆的に移動する。このように、イオンガイド１０３は、第１の電極セット２０１に入射したイオンを、領域２において、第１の電極セット２０１から第２の電極セット２０２に移動させる電気的なポテンシャルを生成する。

第１の電極セット２０１のイオン入射点が細孔１０２から数ｍｍの範囲内にあるとイオンを収束する効率が高くなるので好適である。ここで、「イオン入射点」とは、たとえば、第１の電極セット２０１のＸ軸方向入射側端における第１の電極セット２０１の中心をいう。イオン入射点の細孔１０２からの距離（３次元空間における距離）は、たとえば５ｍｍ、１ｃｍ、２ｃｍ、等とすることができる。

また、第２の電極セット２０２の中心は、少なくとも第２の電極セット２０２のＸ軸方向出射側端において、細孔１０４と整合する位置に（たとえばほぼ同軸になるように）配置すると好適である。また、第２の電極セット２０２のイオン出射点が細孔１０４から数ｍｍの範囲内にあるとイオンを収束する効率が高くなるので好適である。ここで、「イオン出射点」とは、たとえば、第２の電極セット２０２のＸ軸方向出射側端における第２の電極セット２０２の中心をいう。イオン出射点の細孔１０４からの距離（３次元空間における距離）は、たとえば５ｍｍ、１ｃｍ、２ｃｍ、等とすることができる。

ここで、本発明の作用を説明するための比較例として、図２のイオンガイド１０３を使用した際の第１真空室１０７内のイオン流７０３と気流７０４の動きを図６に示す。また、細孔１０２付近の詳細な様子を図７に示す（この図は本発明の実施例１にも比較例にも同様に当てはまる）。

細孔１０２前後には圧力差があるためバレルショック７０１やマッハディスク７０２が形成される。この衝撃によりイオン流７０３や気流７０４は細孔１０２を通過した直後はマッハディスク７０２とほぼ同じ径で第１真空室１０７内を進行する。マッハディスク７０２の径は細孔１０２の径と細孔１０２前後の圧力に依存して決まる。

細孔１０２への侵入の際に拡散したイオン流７０３は、前述したＲＦ電圧による作用で第１の電極セット２０１の中心に収束され、第１の電極セット２０１内を進行する。イオン流７０３が領域２に到達すると、前述したオフセットＤＣ電圧の作用により第１の電極セット２０１の中心付近から第２の電極セット２０２の中心に移動し、そのまま第２の電極セット２０２の中心付近を細孔１０４に向かって進行する。

一方、気流７０４は中性分子など電気的な作用を受けにくい物質が多く混入しているため、マッハディスク７０２とほぼ同じ直径で第１の電極セット２０１付近を通過する。しかし、イオン流７０３とは異なり、第２の電極セット２０２の方へはほとんど移動しない。このような機構によって、イオン流７０３と気流７０４はイオンガイド１０３において分離される。

図６の比較例では、実施例１に係る整流板１１３が存在しないので、気流７０４は第１真空室１０７と第２真空室１０８を隔てる壁面に衝突し、気流７０４の乱流が発生する。この乱流がイオン流７０３と混合し、イオンの平均自由行程が小さくなるので、イオン流７０３の細孔１０４の透過効率が低下し、またイオン信号が不安定となる。

本発明の実施例１に係る整流板１１３の形態の例と、整流板１１３を利用した際のイオン流７０３と気流７０４の動きの様子とを、図８に示す。図８（ａ）はＸＺ平面図であり、図８（ｂ）は細孔１０４からイオンガイド１０３を見たＹＺ平面図である。

整流板１１３の形状は任意であるが、本実施例では直方体で、Ｚ軸方向の長さ（厚さ）は小さく、ＸＹ平面の面積が大きい板状の形状である。このような形状とすると製造が容易である。整流板１１３の厚さは、たとえば３ｍｍとすることができる。整流板１１３のＸ軸方向の長さは、たとえば、領域２においてイオン流７０３と気流７０４が分離する点から、細孔１０４までの長さとすることができる。領域２においてイオン流７０３と気流７０４が分離する点は、たとえば当業者が実験等によって決定することができる。

別の例として、整流板１１３のＸ軸方向の長さは、整流板１１３が領域２を覆わず、領域３のみを覆うような長さとしてもよい。また、整流板１１３は全体が平面状である必要はなく、一部または全体が湾曲していてもよい。

なお、図８の例では、整流板１１３は第１真空室１０７の出射側端の壁面に接触している。このようにするとイオン流７０３と気流７０４との分離効率が高くなる点で好適であるが、整流板１１３が壁面に接触しない構成とすることも可能である。

整流板１１３のＹ軸方向の長さは当業者が適宜設計可能であるが、図８の例では第２の電極セット２０２の四重極の径と同じまたはほぼ同じである。変形例として、整流板１１３のＹ軸方向の長さは、領域２で形成される八重極の径と同じ長さとしても良いし、それより大きい長さとしてもよい。

イオンガイド１０３の各電極からの放電を防止するために、整流板１１３は絶縁材からなるようにすると好適である。例えばＰＥＥＫなどの樹脂材やアルミナなどのセラミック材を用いることができる。

整流板１１３のうち少なくとも一部は、Ｚ座標において第１の電極セット２０１の中心軸と第２の電極セット２０２の中心軸との間に（たとえば各中心軸と平行になるように）配置される。このようにすると、イオン流７０３と気流７０４とを効率よく分離することができる。

整流板１１３において、最も面積の大きい面はＸＹ平面と平行になるように配置してもよい。Ｚ軸方向における整流板１１３の位置は、第２の電極セット２０２に近いほどイオン流７０３と気流７０４との分離効率が高くなる点で好適であり、たとえば図８に示すように第２の電極セット２０２に接触するようにしてもよい。

Ｘ軸方向においては、整流板１１３の長さに応じて様々な場所に配置することが可能である。例えば、図８の例ではイオン流７０３と気流７０４が分離した後の領域において、第２の電極セット２０２に沿うように配置されている。他にも、例えばイオン流７０３と気流７０４が分離した後の領域において、細孔１０４までを覆うように配置しても良い。この時、整流板１１３は、細孔１０４が形成される壁面（すなわち第１真空室１０７と第２真空室１０８とを隔てる壁面）に接触していても良い（図８に示す）し、そうでなくともよい。

整流板１１３は、Ｙ軸方向においては、図８（ｂ）の例ではＹ軸方向位置Ｙ１に対して対称となるように配置されている。

整流板１１３は、分離された気流７０４とイオン流７０３との混合を低減する。たとえば、図８のように整流板１１３を配置すると、気流７０４が第１真空室１０７と第２真空室１０８を隔てる壁面に衝突しても、イオン流７０３との混合を低減することができる。したがってイオン流７０３の平均自由行程が大きくなり、イオン流７０３が細孔１０４を透過する効率が高くなる。さらにイオン信号もより安定となる。

また、排気口１１１を、Ｚ軸方向位置において第２の電極セット２０２に対して第１の電極セット２０１側となるように配置すると、より効率良く気流７０４を排除することができ、得られる効果が大きくなる。ただし、排気口１１１の位置は厳密に配置する必要はないため、自由に設計することができる。

以上のように、本実施例では、各ロッドおよび整流板１１３の構成が比較的簡素であり、したがってたとえば容易に製造することができるが、以下の各実施例のように変形することも可能である。

本実施例では、実施例１と異なる形態の整流板１１３の例について説明する。

図９は実施例２に係る整流板１１３の構成例を示す。これは、実施例１と同様の形状の整流板１１３を実施例１と異なる配置で使用した例である。

整流板１１３の形状や素材は、実施例１と同様とすることができる。図９の例では、Ｘ軸方向およびＹ軸方向における整流板１１３の位置は、図８と同様である。

整流板１１３の入射側端（すなわち、Ｘ軸方向において領域１側となる端）のＺ軸方向位置は、第１の電極セット２０１の中心軸と第２の電極セット２０２の中心軸との間であり、整流板１１３の出射側端（すなわち、Ｘ軸方向において細孔１０４側となる端）のＺ軸方向位置は、入射側端よりもＺ軸マイナス側、すなわち排気口１１１側である。したがって、図９の例では整流板１１３の面積が最も大きい面はＸＹ平面に対して傾きを持っている。

このように傾けて配置すると、気流７０４が整流板１１３に衝突する。衝突後の気流７０４は、図９では排気口１１１の方に進行するためより効率良く気流７０４を排気することができる。

本実施例では、実施例１、実施例２と異なる形態の整流板１１３の例について説明する。

図１０は実施例３に係る整流板１１３の構成例を示す。図１０の例では、整流板１１３はＸ軸方向に延びる筒状であり、その両端は開口している。整流板１１３の素材はこれまでの実施例と同様である。この筒状の整流板１１３のＸ軸方向位置は、図８及び図９と同様とすることができる。

整流板１１３の断面形状は、閉じた図形であれば任意に設計することができるが、たとえば円（この場合には整流板１１３は円筒状となる）、楕円または多角形であり、少なくとも筒の空洞部分の径が第２の電極セット２０２の径より大きければ良い。

この筒状の整流板１１３は、イオン流７０３と気流７０４が分離した後の領域において、第２の電極セット２０２を覆うように配置することができる。細孔１０４に接触させても良いし、第２の電極セット２０２と接触させても良い。

このように、筒状の整流板１１３を使用すると、第２の電極セット２０２の領域３がＹＺ平面において３６０°保護されるため、気流７０４により発生した乱流とイオン流７０３の混合をさらに低減することができる。

本実施例では、実施例１、実施例２、実施例３と異なる形態の整流板１１３の例について説明する。

図１１は実施例４に係る整流板１１３の構成例を示す。図１１は、曲面のある整流板１１３の例を示している。この形状は、図１０の整流板１１３から筒の一部を取り除いた形状であり、素材はこれまでの実施例と同様とすることができる。整流板１１３の形状は、多面体の一部の面がない形状としても良い。

配置する位置は図１０の整流板１１３と同様であるが、第１の電極セット２０１の中心軸と第２の電極セット２０２の中心軸の間に面があるように配置する。

実施例４において、整流板１１３は、第２の電極セット２０２の中心軸と直交する平面による断面（たとえば図１１（ｂ）に示す断面）において、両端が気流７０４に対しイオン流７０３の側に延びているということができる。なお、図１１（ｂ）の例では、整流板１１３の一部は平面をなしており、すなわち断面の一部が直線状であるが、整流板１１３の全体が湾曲していてもよく、すなわち断面全体が曲線状であってもよい。

本実施例によれば、イオン流７０３と気流７０４の混合度合いは、実施例１や実施例２より低くなり、実施例３より高くなる。なお、実施例３より混合度合いは高くなるものの、整流板１１３を製造するための素材の消費量が少ない。したがって、装置の製造コストと得られる効果のバランスを選ぶことができる。

本実施例では、実施例１と異なる形態のイオンガイド１０３を使用した例について説明する。

図１２は実施例５に係るイオンガイド１０３の構成例を示す。イオンガイド１０３は、第１の電極セット２０１および第２の電極セット２０２を備える。第１の電極セット２０１および第２の電極セット２０２は、実施例１と同様に、それぞれロッド電極による四重極を形成している。

これらのロッド電極の一部の断面が半円である点が実施例１と異なる。半円である電極は、第１の電極セット２０１については第２の電極セット２０２に近いロッド２０１ａおよび２０１ｄの２本であり、第２の電極セット２０２については第１の電極セット２０１に近いロッド２０２ｂおよび２０２ｃの２本である。これら以外のロッドは断面が円形である。

領域２において、ロッド２０１ｄおよび２０２ｃが近接し、円を近似するような断面図を構成するようにする。同様に、ロッド２０１ａおよび２０２ｂが近接し、円を近似するような断面図を構成するようにする。ロッド２０１ｄおよび２０２ｃの間隔は、０．１ｍｍ～２ｍｍの範囲内または０．１ｍｍ～２ｍｍ程度とすることができる。ロッド２０１ａおよび２０２ｂの間隔についても同様である。

このように配置することで、ロッド２０１ｄおよび２０２ｃからなるロッド組は、領域２において１つのロッド電極とみなすことができる。ロッド２０１ａおよび２０２ｂからなるロッド組についても同様である。

したがって、イオンガイド１０３は、領域２ではロッド２０１ｂと、ロッド２０１ｃと、ロッド２０２ａと、ロッド２０２ｂと、ロッド２０１ｄおよび２０２ｃからなるロッド組と、ロッド２０１ａおよび２０２ｂからなるロッド組と、の計６つの電極による六重極の構成となる。

図１２の例では、領域２において六重極がほぼ正六角形の頂点の上に配置されるように、ロッド２０１ｄおよび２０２ｃ、ロッド２０１ａおよび２０２ｂの計４本が、Ｙ軸方向位置Ｙ１に対してほぼ対称に広がるように、Ｙ軸方向に曲がっている。これら以外のロッド、すなわちロッド２０１ｂ、２０１ｃ、２０２ａ、２０２ｄは、たとえば直線状に形成される。

実施例１と同様に、第１の電極セット２０１におけるロッド電極の数、第２の電極セット２０２におけるロッド電極の数、領域２において第１の電極セット２０１と第２の電極セット２０２とが組み合わさって形成される電極におけるロッド電極の数は、いずれも偶数本のロッド電極から形成されている多重極であれば本数は問わない。

電極に印加するＲＦ電圧とＤＣ電圧は実施例１と同様であるが、ロッド２０１ｄおよび２０２ｃは領域２においてそれぞれ１つの極とみなされるため、これらのロッドには同位相、同周波数、同振幅のＲＦ電圧を印加する。ただしＤＣ電圧については、これらのロッドで等しくする必要はない。ロッド２０１ａおよび２０２ｂについても同様である。

イオンガイド１０３がイオン流７０３と気流７０４とを分離させる原理は、実施例１と同様である。

本実施例では、実施例１、実施例５と異なる形態のイオンガイド１０３を使用した例について説明する。

図１３は実施例６に係るイオンガイド１０３の構成例を示す。イオンガイド１０３は、第１の電極セット２０１および第２の電極セット２０２を備える。図１３の例では、第１の電極セット２０１と第２の電極セット２０２は、それぞれロッド電極による八重極を形成している。

領域２では、ロッド２０１ａ、２０１ｈ、２０２ｄ、２０２ｅの計４本が、Ｙ軸方向位置Ｙ１に対してほぼ対称に広がるように、Ｙ軸方向に曲がっている。本実施例における領域２の断面図は、大まかに、「くびれ」のある楕円のような形状となっている。これら以外のロッド、すなわちロッド２０１ｂ～２０１ｇ、２０２ａ～２０２ｃ、２０２ｆ～２０２ｈは、たとえば直線状に形成される。

第１の電極セット２０１におけるロッド電極の数、第２の電極セット２０２におけるロッド電極の数、領域２で第１の電極セット２０１および第２の電極セット２０２が組み合わさって形成される「くびれ」のある部分におけるロッド電極の数は、いずれも偶数本のロッド電極から形成されている多重極であれば本数は問わない。

各ロッドに印加する電圧は、実施例１または実施例５と同様とすることができる。ただし、領域２においては前述の「くびれ」があるため擬ポテンシャルの様子が実施例１や実施例５と異なる。本実施例における擬ポテンシャルの例を図３に示す。

図３（ｂ）において、破線で示した部分が本実施例に対応する部分であり、実施例１および実施例５と異なっている。本実施例（図１３の配置）では、イオンガイド１０３は、領域２において、第１の電極セット２０１と第２の電極セット２０２との間に擬ポテンシャルのポテンシャル障壁を有する。

イオンは、第１の電極セット２０１と第２の電極セット２０２の間のＤＣポテンシャル差を大きくすることでこの擬ポテンシャル障壁を乗り越えることができる。擬ポテンシャル障壁があることにより、イオン流７０３は第２の電極セット２０２に移動した後、より強力に第２の電極セット２０２内に収束されるため、イオン流７０３の細孔１０４の透過効率が高くなる。

本実施例では、実施例１、実施例５、実施例６と異なる形態のイオンガイド１０３を使用した例について説明する。

図１４は実施例７に係るイオンガイド１０３の構成例を示す。イオンガイド１０３は、第１の電極セット２０１および第２の電極セット２０２を備える。本実施例では、イオンガイド１０３はリングスタック電極で構成されている。たとえば、第１の電極セット２０１と第２の電極セット２０２は、領域１または領域３ではリング状の電極を重ねることで形成されるリングスタック電極である。

Ｘ軸方向で隣り合う電極には逆位相のＲＦ電圧を印加し、Ｘ軸方向位置が同じリングには同位相のＲＦ電圧を印加する。オフセットＤＣ電圧はこれまでの実施例と同様である。

第１の電極セット２０１のリング電極の径と、第２の電極セット２０２のリング電極の径とは、同じでも異なっていても良い。ただし、第１の電極セット２０１のリング電極の径よりも第２の電極セット２０２の径を小さくすると、イオン流７０３が領域３でより強く収束されて細孔１０４の透過効率が高くなるので好適である。

領域２におけるイオンガイド１０３の形状は、図１４（ｂ）のように第１の電極セット２０１と第２の電極セット２０２の間にくびれがあり擬ポテンシャルの障壁ができる形状でも良いし、図１４（ｃ）のように擬ポテンシャルの障壁が生成されない形状であっても良い。

本実施例では、実施例１、実施例５、実施例６、実施例７と異なる形態のイオンガイド１０３を使用した例について説明する。

図１５は実施例８に係るイオンガイド１０３の構成例を示す。イオンガイド１０３は、領域１または領域３を有しない点において、これまでの実施例と異なる。

図１５（ａ）は、領域１を備えないイオンガイド１０３の構成例である。このような変形は、これまでの実施例で説明した全ての形態のイオンガイド１０３に適用することが可能である。イオンガイド１０３がイオン流７０３と気流７０４とを分離させる原理も、これまでの実施例と同様である。領域１がないので、イオンガイド１０３のＸ軸方向の長さを短縮することができる。

図１５（ｂ）は、領域３を備えないイオンガイド１０３の構成例である。このような変形は、領域２において第１の電極セット２０１と第２の電極セット２０２の間に擬ポテンシャル障壁があるイオンガイド１０３に適用することができる。

なお、領域３だけでなく、さらに領域１も省略することが可能である。そのような構成では、図１５（ａ）の構成よりさらにイオンガイド１０３を短縮することができる。

図１５のイオンガイド１０３と整流板１１３を組み合わせることにより、小型かつイオン流７０３の透過効率が良く、イオン信号が安定している質量分析装置を提供することができる。

本実施例では、実施例１、実施例５、実施例６、実施例７、実施例８と異なる形態のイオンガイド１０３を使用した例について説明する。

図１６は実施例９に係るイオンガイド１０３の構成例を示す。イオンガイド１０３において、第１の電極セット２０１または第２の電極セット２０２が、Ｘ軸方向において複数のセグメントに分割されている。とくに、図１６の例では、第１の電極セット２０１および第２の電極セット２０２はそれぞれ３つのセグメントに分割されている。

各セグメント間は電気的に絶縁されている。各セグメントは、隙間を空けることにより絶縁しても良いし、各セグメント間を絶縁材で埋めて接続することにより絶縁しても良い。

同一の電極セット内において、各セグメント間で印加するＲＦ電圧の周波数、振幅および位相は同一であるが、印加するオフセットＤＣ電圧を変化させる。オフセットＤＣ電圧は、たとえば、Ｘ軸方向において単調に変化し、かつＺ軸方向においても単調に変化するように、各ロッドに印加される。

例えば、領域２において第１の電極セット２０１と第２の電極セット２０２との間に生じるＤＣポテンシャルの勾配を、Ｘ軸方向位置に応じて変化させることで、より効率良くイオン流７０３と気流７０４を分離することができる。

また、第２の電極セット２０２において、セグメント１のＤＣポテンシャルを高く、セグメント３のＤＣポテンシャルを低くしたＤＣポテンシャル勾配を作ることで、イオン流７０３を細孔１０４までより効率良く運搬することができる。

［その他の実施例］
本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

１０１…イオン源
１０２…細孔
１０３…イオンガイド
１０４…細孔
１０５…質量分析部
１０６…検出器（検出部）
１０７…第１真空室
１０８…第２真空室
１０９，１１０…真空ポンプ
１１１，１１２…排気口
１１３…整流板（整流部材）
２０１…第１の電極セット
２０２…第２の電極セット
２０１ａ～２０１ｈ，２０２ａ～２０２ｈ…ロッド
７０１…バレルショック
７０２…マッハディスク
７０３…イオン流
７０４…気流
本明細書で引用した全ての刊行物、特許および特許出願はそのまま引用により本明細書に組み入れられるものとする。

Claims (12)

1. イオン源で発生したイオンを、電極を備えた真空室を通過させて検出部へ向けて移送する、質量分析装置であって、
   前記真空室は、細孔で連通した第１真空室と第２真空室とを含み、
   前記イオン源から前記第１真空室に導入されたイオンを含む気流は、前記第１真空室内のイオンガイドにより気流とイオン流とに分離される、
   質量分析装置において、
   前記第１真空室は、分離された前記気流と前記イオン流との混合を低減する整流部材を備え、
   前記整流部材は絶縁材からなることを特徴とする、質量分析装置。
2. 請求項１に記載の質量分析装置において、
   前記イオンガイドは、第１の電極セットおよび第２の電極セットを備え、
   前記イオンガイドは、前記第１の電極セットおよび前記第２の電極セットが長手方向に重なり合う領域を有し、
   前記イオンガイドは、前記第１の電極セットに入射したイオンを、前記重なり合う領域において、前記第１の電極セットから前記第２の電極セットに移動させる電気的なポテンシャルを生成する、
   ことを特徴とする、質量分析装置。
3. 請求項２に記載の質量分析装置において、前記整流部材の少なくとも一部が前記第１の電極セットの中心軸と前記第２の電極セットの中心軸との間に配置されていることを特徴とする、質量分析装置。
4. 請求項３に記載の質量分析装置において、前記整流部材は、前記第１真空室の出射側端の壁面に接触していることを特徴とする、質量分析装置。
5. 請求項３に記載の質量分析装置において、前記整流部材は、前記第２の電極セットに接触していることを特徴とする、質量分析装置。
6. 請求項３に記載の質量分析装置において、前記整流部材は板状であることを特徴とする、質量分析装置。
7. 請求項３に記載の質量分析装置において、前記整流部材は筒状であることを特徴とする、質量分析装置。
8. 請求項３に記載の質量分析装置において、前記整流部材は、前記第２の電極セットの中心軸と直交する平面による断面において、両端が前記気流に対し前記イオン流の側に延びていることを特徴とする、質量分析装置。
9. 請求項２に記載の質量分析装置において、前記イオンガイドは、前記重なり合う領域において単一のイオンガイドを形成することを特徴とする、質量分析装置。
10. 請求項２に記載の質量分析装置において、前記イオンガイドは、前記重なり合う領域において、前記第１の電極セットと前記第２の電極セットとの間にポテンシャル障壁を有することを特徴とする、質量分析装置。
11. 請求項２に記載の質量分析装置において、前記イオンガイドは、ロッド電極から成る多重極で構成されていることを特徴とする、質量分析装置。
12. 請求項２に記載の質量分析装置において、前記イオンガイドは、リングスタック電極で構成されていることを特徴とする、質量分析装置。

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