JPH05121042A - 高分解能モードのイオントラツプ質量分析計の操作方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】高分解能質量分析計としてのイオントラップ質
量分析計の操作方法を提供すること。 【構成】リング電極１１と、互いに向き合った２つの端
部キャップ１２及び１３とを有する３次元イオントラッ
プが構成される。ｒ. ｆ．発振器１４はリング電極１１
に接続されて、ｒ. ｆ．電圧sin ωt(基本電圧) を端部
キャップとリング電極の間に供給する。この端部キャッ
プとリング電極とはイオンストレージ領域すなわちイオ
ントラップボリューム１６内にイオンをトラップするた
めの実質的な４重極電界を与える。トラップに必要な電
界は、リング電極１１と端部キャップ１２及び１３との
間のｒ. ｆ．電圧を与えることによって形成される。追
加電界の適度な振動数と振幅を用いることに加え、スキ
ャン速度の変化割合を減少させることによって共鳴放出
を伴う質量選択不安定化モードにおいて操作されたイオ
ントラップ質量分析計の分解能が増大する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、広質量範囲かつ高分解
能モードのイオントラップ質量分析計を操作する方法に
関する。

【０００２】

【発明の背景技術】イオントラップ質量分析計または、
４重極イオンストアは従来から知られており何人もの著
者のよって記述されている。これらのものは、イオンが
たとえば、ｒ. ｆ．, ＤＣまたはこれらの組み合わせに
かかる静フィールドによって形成され、そして、物理的
構造内に含まれるようする装置である。一般に、４重極
フィールドは、等価の４重極トラップフィールドを与え
る双曲線電極構造または球面電極構造を使用することに
よってイオンストレージ領域を与える。

【０００３】イオントラップにおけるイオンのストレー
ジは有限範囲の質量対電荷比を有するイオンが装置内に
安定的にトラップされるようにｒ. ｆ．電圧Ｖとこれと
協働する振動数ｆ、ＤＣ電圧Ｕ、装置サイズｒ₀,ｚ₀ の
値で操作することによって達成される。前述のパラメー
タは、場合によって、トラッピングパラメータとして参
照され、これらから、安定な軌道とイオンのトラップと
を与える質量対電荷比の範囲を決定することができる。
安定的にトラップされたイオンに対し、そのトラップの
軸に沿ったイオンの動きの成分は、無数の振動数成分を
含む振動として記述することができ、最初の成分（すな
わち、永年振動数）は最も重要で、かつ最も低い振動数
である。より高い振動数成分はその前のものよりもの影
響はすくない。所定のトラップパラメータに対し、特定
の質量対電荷比のトラップイオンは計算によってトラッ
プパラメータから決定することができるはっきりした永
年振動数で振動する。トラップされたイオンを検出する
ための初期の方法においては、これらの永年振動数はト
ラップ内のイオン振動動作に結合され、トラップパラメ
ータ、振動数及びｍ／ｚの間の既知の関係からトラップ
されたイオンの質量対電荷比、及び信号の大きさから相
対イオン発生量を決定すること許容された振動数チュー
ニング回路で決定されていた。

【０００４】４重極イオントラップは最初は、３年以上
前には、質量分析計として使用されていたが、その装置
は、最近まで、広く使用されるようにはならなかった。
というのは、初期の質量解析の方法は、不十分で実施が
困難であり、質量分解能が悪く、質量範囲が限られたも
のであったからである。イオントラップ操作の新しい方
法、すなわち、米国特許第４，５４０，８８４号に記載
された“質量選択不安定モード”はイオントラップに関
し最初の実用的な方法を与えるものであって、広く採用
され、日常的な化学分析のためにイオントラップ質量分
析計を一般的に使用することを可能にした。この操作方
法は、最初に市販されたイオントラップ質量分析計に使
用されたものであって、質量スペクトルは、リング電極
に印加されるｒ. ｆ．電圧でスキャンされることよって
記録される。これによって、連続的に増加するｍ／ｚの
イオンは不安定な軌道をとり、イオントラップから排出
させられ、外部に取付けられた検出装置によって検出さ
れる。また、約１×１０^-3トールの圧力のヘリウムのよ
うな軽量バッファガスの存在させることによって、この
操作モードの感度及び分解能を改善できることが判明し
た。

【０００５】質量選択不安定モード操作は極めてすぐれ
ているが、さらに、あらたな操作方法、米国特許第４，
７３６，１０１号に記載された、“共鳴放出にかかる質
量選択不安定モード”はより広い範囲のトラップイオン
の量の含む質量スペクトルを記録するような能力を有す
るというような一定の利点をもっていることが証明され
た。この操作方法では、追加のフィールドが端部キャッ
プ電極にわたって印加され、ｒ. ｆ．フィールドの大き
さがスキャンされて連続的に増加するｍ／ｚのイオンを
追加フィールドと共鳴させる。これによって、イオンが
放出されて検出され、質量スペクトルを与える。この操
作モードに基づく市販ように製造されたイオントラップ
質量分析計は最近入手可能になったものであって、これ
らの装置は、従来のものにくらべて化学分析におけるよ
り広い問題に対して有効に適用されるようになってい
る。

【０００６】上記の質量選択不安定操作モードの開発以
来４重極イオントラップの適応性は拡大しつづけてい
る。これらの比較的簡単な質量分析計の汎用性は、電子
的及び化学的イオン化における高感度性能及び気相イオ
ン／分子リアクターとしての利用性によって証明されて
きている。外部発生イオンをこれらの装置へ有効に導入
することは、例えば、レーザー脱着、セシウム脱着及び
電子スプレーイオン化にような技術を用いるバイオモレ
キュルの研究さえ可能にしている。４重極イオントラッ
プのイオンストレージ能力によって有効なイオンストレ
ージの分離も用いて質量分析の多くの段階に関係するタ
ンデム質量スペクトル（ＭＳ／ＭＳ）（米国特許第４，
７３６，１０１号）が可能となった。親のＭＳ／ＭＳス
キャンでさえ報告されている。これらの質量分析計の使
用可能な質量範囲は、（単一の荷電イオンに対し）４
５，０００ダルトン（dalton) またはこれ以上のものに
まで広がった。

【０００７】

【解決しようすする問題点】この能力に関わらず、セク
ター（３−または４−セクターを含む）装置あるいは、
フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴装置のような他
の形式の装置に比較してイオントラップ質量分析計の限
界は常に比較的低い分解能において運転せざるを得ない
という制約がある。

【０００８】本発明の目的は、高分解能質量分析計とし
てのイオントラップ質量分析計の操作方法を提供するこ
とである。本発明の他の目的は、共鳴放出を用いて高分
解能質量選択不安定化モードにおけるイオントラップ質
量分析計の操作方法を提供することである。本発明の他
の目的は、追加のＡＣフィールドが分解能を最適化する
ように適正に選択される共鳴放出を用いた質量選択不安
定化モードにおけるイオントラップ質量分析計の操作方
法を提供することを目的とする。

【０００９】本発明の他の目的は、共鳴放出を用いて高
分解能質量選択不安定化モードが使用される４重極イオ
ントラップ質量分析計にストアされたイオン荷電状態を
決定する方法を提供することである。本発明の上記の及
び他の目的は、所定範囲の質量対電荷比を有するイオン
をトラップする３次元の実質的に４重極フィールドを有
するトラップボリュームを設定し、前記トラップボリュ
ーム内に前記所定の質量対電荷比のイオンがトラップさ
れるようにトラップボリューム内にイオンを形成するか
放出し、前記３次元４重極フィールド上に重ねて追加の
ＡＣフィールドを印加して結合フィールドを形成し、検
出のために前記結合フィールドをスキャンして前記トラ
ップボリュームから連続的な質量対電荷比のイオンを放
出させる工程を含む、サンプルを質量分析する方法であ
って、前記追加のフィールドが前記イオンを丁度放出す
るのに十分な大きさを有し、追加のフィールドが０．８
９１より低いベータ値を有し、前記結合フィールドが、
追加のｒ. ｆ．フィールドの２００サイクルあるいはそ
れ以上のサイクルに対応する時間の長さが質量対電荷比
ユニット当たり経過するような速度でスキャンされるこ
とを特徴とする方法によって達成することができる。

【００１０】本発明の上記及びその他の目的を達成する
ためのイオントラップ操作は以下の記述を添付の図面を
参照しながら読むことによって明確に理解できるであろ
う。

【００１１】

【実施例】図１から図１４には、リング電極１１と、互
いに向き合った２つの端部キャップ１２及び１３とを有
する３次元イオントラップが示されている。ｒ. ｆ．発
振器１４はリング電極１１に接続されて、ｒ. ｆ．電圧
sin ωt(基本電圧) を端部キャップとリング電極の間に
供給する。この端部キャップとリング電極とはイオンス
トレージ領域すなわちイオントラップボリューム１６内
にイオンをトラップするための実質的な４重極フィール
ドを与える。トラップに必要なフィールドは、リング電
極１１と端部キャップ１２及び１３との間のｒ. ｆ．電
圧を与えることによって形成され、これは、図示のよう
に変圧器３２の接続を介して接地される共通モードであ
る。追加のフィールドを発生する補助ｒ. ｆ．発振器３
５は端部キャップ１２及び１３に接続され、端部キャッ
プの間にｒ. ｆ．電圧Ｖ₂sinω ₂tを供給する。フィラメ
ント電力供給１８によって電力供給されるフィラメント
１７が設けられ、該フィラメント１７は、イオンストレ
ージ領域１６に導入されるサンプル分子をイオン化する
イオン化電子ビームを与える。円筒状ゲートレンズ１９
は、フィラメントレンズコントローラ２１によって電力
を供給される。このレンズは、電子ビームを必要に応じ
てオン、オフする。端部キャップ１２は電子ビームを放
出する開口を備えている。

【００１２】電子ビームを用いてトラップ領域１６内に
サンプルをイオン化することによってイオンを形成する
こと以外に、イオンをトラップの外部において形成し
て、電子を放出するのに用いられるのと同様な機構によ
ってトラップ内に放出することができる。したがって、
図１において、この場合には、フィラメント１７に変え
て、イオンの外部ソースを用い、電子の代わりにイオン
をゲートレンズ１９によってトラップボリューム１６に
導入する。外部イオン化ソースとしては、例えば、電子
イオン化、化学イオン化、セシウムイオン脱着、レーザ
ー脱着、電子スプレー、サーモスプレーイオン化、粒子
ビーム、及び任意の形式のイオンソースを用いることが
できる。本実施例に係る装置では、外部イオン化ソース
領域は、トラップ領域に関して区別して注入される。

【００１３】反対の端部キャップ１３は、穿孔２３を有
しており、イオントラップフィールドの不安定のイオン
を放出させ、該イオンは、電子倍増管２４によって検出
され、この電子倍増管２４は、ライン２６上にイオン信
号を発生する。この信号は、ユニット２８で収集され、
ストアされ、ユニット２９で処理される。コントローラ
３１は、基本ｒ. ｆ．発振器１４に接続されており、基
本ｒ. ｆ．電圧の大きさと振動数をスキャンして連続的
なイオンを質量選択を与えるために端部キャップをよこ
ぎる追加のフィールドと共鳴させる。コントローラ３１
は、さらに補助ｒ. ｆ．発振器３５に接続されており、
追加ｒ. ｆ．電圧の大きさと振動数を制御する。ライン
３２上のコントローラは、フィラメントレンズコントロ
ーラ２１に接続されており、トラップのなかにイオン化
電子ビームすなわち外部形成イオンビームを、スキャン
インターバル以外の期間においてのみ、導入する。イオ
ントラップの機械的な詳細は、たとえば、米国特許第
２，９３９，９５２号及び最近では、米国特許第４，５
４０，８８４号に示されており、これらは本件の譲受け
人に譲り受けられている。

【００１４】イオントラップ１０における対象フィール
ドは図２に示される公知の安定ダイアグラムになる。図
２のパラメータａとｑは以下のように定義される。 ａ＝−８ｅＵ／ｍｒ₀ ²ω² ｑ＝−８ｅＶ／ｍｒ₀ ²ω² ここで、ｅ及びｍはそれぞれ帯電粒子上の電荷及び質量
である。任意の特定のイオンに対し、ａとｑの値は、イ
オントラップ装置の４重極フィールド内にトラップされ
る場合には、安定包絡線内になければならない。この図
は、また、イソ−ベータライン（β）を示しており、こ
の場合、β＝２ω₀ ／ωとω₀ はトラップフィールド内
のイオン動作の永年振動数である。共鳴放出を用いる質
量選択不安定化モードにおいて、典型的には、リング電
極に付加されるｒ. ｆ．電圧Ｖをスキャンし、一方、β
_z-eject 及び振幅によって記載された特定の振動数の追
加電圧Ｖ₂ が端部キャップ電極の間に印加される。イオ
ンは、これによって、連続的に共鳴させられ、大きくな
った振幅でトラップの軸に沿って振動し、端部キャップ
電極における穿孔を介して放出させられ、外部のイオン
検出装置によって検出される。これらのｍ／ｚ値に従う
連続イオン放出によってイオンのｍ／ｚの決定が可能と
なる。

【００１５】しかし、フィールドを印加し、適用フィー
ルドをスキャンする他の多くの方法があり、これらの方
法では、共鳴放出を用いて質量選択不安定化をさせるこ
とを用いて質量解析を同様に行うことができる。たとえ
ば、追加電圧Ｖ₂ はいずれか１つの端部キャップに印加
してもよい。また、ｒ. ｆ．電圧Ｖを二つの端部キャッ
プに印加し、追加電圧Ｖ₂ をリング電極１１に印加して
もよい。リング電極に印加されるＤＣ電圧成分の使用に
よって、イオンの放出がａ_z ＝０の軸以外の安定化ダイ
ヤグラムにおける幾つかのポイントにおいて発生する。
このように、質量解析中にｒ. ｆ．電圧が一定に保持さ
れ、一方、ＤＣ電圧が増大（減少）して連続的にイオン
を共鳴させる。最後に、追加電圧の振動数がスキャンさ
れて、連続的にイオンが共鳴させられる。さらに精密な
計画においては、すべてのものが、放出、イオン検出、
及びイオンのｍ／ｚ値の決定を行うために共鳴点にむけ
て連続的にイオンのｍ／ｚを増大（減少）させる特徴を
有している。本書に記載のイオントラップ質量分析計に
おける分解能を増大させる方法は、共鳴放出を用いる質
量選択不安定化の組み合わせとして参照される全てのス
キャンに適用される。

【００１６】伝統的に、質量分析計の分解能は等式Ｒ＝
ｍ／Δｍで定義されており、ここで、ｍは当該質量、Δ
ｍは幾つかの特定のピーク高さにおける質量単位におけ
るピーク巾である。一般に、分解能はある装置がある質
量をそれに近い質量からどれだけよく区別できるかにつ
いての手段を与えるものである。セクター（磁気的及び
電気的）系質量分析計はこれらの質量範囲とその限界の
全体にわたって一定の分解能の品質を有する。セクター
系質量分析計と異なり、４重極フィールド系質量分析
計、たとえば、線型４重極質量解析系及び４重極イオン
トラップは、その質量範囲にわたって一定のピーク巾
（Δ（ｍ／ｚ））を生じる。したがって、ｍ／ｚ値とと
もに増加する分解能を示す。この結果、後述するよう
に、“ピーク巾”及び“分解能”の両方の言葉が用いら
れているが、この両者に関して装置の区別及び特性を認
識する必要がある。

【００１７】全ての質量分析計は磁界または電界または
その両者によって引き起こされるイオンの加速に依存し
ており、イオン軌道の違いに基づいてその質量を決定す
るものである。電界または磁界によって誘導される加速
の量は質量対電荷比（単に質量のみではなく）の関数で
あって、全ての質量分析計は直接質量対電荷比を測定す
るものであって、直接質量を測定するものではない。分
解能のさらに正確な定義はＲ＝（ｍ／ｚ）／（Δ（ｍ／
ｚ））である。

【００１８】質量分析計の分解能の定義についてｍ／Δ
ｍを共通して使用することは、それがあたかも質量であ
るかのように測定量ｍ／ｚを書いたり、話したりする質
量分析の研究者の長い習慣のほんの１例である。質量分
析計という、装置の認められた名前でさえ、不正確であ
る。この分野の開発の初期において、イオン化の一般的
な方法では単一帯電イオンのみが発生し多重帯電イオン
にはほとんど出会うことはなかった。したがって、スペ
クトルの全てのピークは単一帯電からくるものであっ
て、２重または多重帯電イオンはまれに不規則に生じる
ものであったことを理解されたい。質量スペクトルはｍ
／ｚに対して量をプロットすることによって表現される
が、質量対電荷比対する単位はないので、特定イオンの
ｍ／ｚ値しばしば（特に口頭表現では）ダルトンで与え
られる。実際、多くの質量分析学者が、ｍ／ｚの次元は
質量であり、ｍはダルトンで与えられ、ｚは無次元の電
荷の数であると主張している。他のものは、ｍ／ｚの次
元は、質量／電荷の次元であると主張している。

【００１９】しかし、測定された量（ｍ／ｚ）と算出さ
れた量（質量）に対し、ダルトンという同じ言葉を使用
することは、多重帯電イオンに関するスペクトルを議論
する場合、あるいは、質量スペクトルの装置について議
論する場合には、混乱を招く可能性がある。この混乱を
さけるため、クック（Ｃｏｏｋｓ）とロックウッド（Ｒ
ｏｃｋｗｏｏｄ）は最近、トムソン（ｔｈｏｍｓｏｎ）
という新しい単位の採用を提唱した（ラピッド コミュ
ニケーション イン マススペクトロメトリ（Ｒａｐｉ
ｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ Ｍａｓｓ Ｓ
ｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）ｖｏｌ．５，ｎｏ．２，ｐ．
９３，１９９１；ロックウッド，質量分析と関連事項に
関する第３９回ＡＳＭＳ会議の会報、１９９１年５月１
９−２４日、ｐ．１７７０−１７７１）。トムソンは、
１．０３６４２７２×１０^-8ｋｇ／クーロンとして定義
される。この単位が選ばれた結果、質量スペクトルの軸
がｍ／ｚとつけられるかもしれないし、その言葉と確立
されたシンボルｍ／ｚが他の目的に使用されるかもしれ
ないが、その量は“ｍ／ｚ単位”（依然として使用され
てもよい）または“ダルトン”（使われるべきでない）
以外の“トムソン”として参照される。したがって、た
とえば、窒素の質量スペクトルにおいて、ピークがＮ₂
⁺ に対して２８トムソンにおいて存在し、Ｎ₂ ^{+ +} に対
して１４トムソンにおいて存在する。この単位は、まだ
広く採用されてはいないけれども、本発明者らは本書で
使用する。というのは、特に、質量スペクトルの装置の
操作を論じるときには、その意味が正確だからである。

【００２０】（共鳴放出を伴うまたは伴わない）質量選
択不安定化モードにおいて操作される４重極イオントラ
ップはしたがって、（従来の線型４重極質量分析計のよ
うな）いわゆる“ユニット”またはユニット分解能に近
いものを達成するものとはかけ離れたものである。この
ことばは分解能のあたえられた定義をやや混乱させるも
のであるが、装置の通常の質量範囲（トムソン範囲）に
わたってピーク巾が１トムソン巾（ベースラインの大き
さにおいて）、または最大値の半分における全巾（ＦＷ
ＨＭ）において０．５トムソンであることを示す。この
分解能は、公称１ダルトンだけ離れた連続的質量の単一
帯電イオンを区別するのに十分なものである。線型４重
極分析装置は代表的には、一定の（トムソン）ピーク巾
を与えるように操作されるが、分解能の高い操作をおこ
なうと信号が使用に耐えないほどレベル低下する。

【００２１】質量スペクトルについて適用する多くの場
合には、ユニット分解能以上のものが必要となる場合は
ないが、より高度な分解能が必要となる場合には、従来
のものでは、複雑かつ高価なセクターあるいはイオンサ
イクロトロン共鳴質量分析計を使用する必要があった。
以前は、最も重要な高分解能質量スペクトルの適用例は
同じ公称質量（０．５ｕ以内）のイオンの区別及び同定
であって、基本的な組成の違いのために極めて僅かにし
か質量が違わないものの区別及び同定を行うことであっ
た。（たとえば、同重元素のような対のイオンのような
ものである。）最近、多重帯電イオンの区別及び質量解
析が電子スプレーイオンソースの発明によって重要にな
ってきている。この装置は、液体クロマトグラフヤフィ
ーと質量分析計とを結びつけることを可能にしたもので
あるが、代表的には、単一帯電がより一般的な旧式のイ
オン化方法にくらべて、単一帯電以上のものを有するイ
オン作りだすものである。これらの多重帯電イオンは、
ｍ／ｚ比が電荷に逆比例するので、単一帯電イオンに対
応するのに必要な質量範囲（トムソン範囲）よりもすく
ない装置を用いて質量解析することができる。たんぱく
質でさえ電荷が多いために１０００以下のｍ／ｚのイオ
ンを生成する。

【００２２】しかし、電荷の数が変化するので、質量の
決定ためには測定されたイオンのトムソンと測定された
イオン上の電荷の数との両方を決定することが必要とな
る。そのような複合イオンが一体になった質量の値によ
って分離された同位体ピークとともにイオンの数として
存在するので、各イオンの電荷の数は連続的な質量ピー
クの間のトムソンを測定することによって決定すること
ができる。２重イオンは１／２トムソンごとにピークを
もち、３重イオンは１／３トムソン毎にピークを持つと
いった具合である。必要な分解能が同重体の分離に必要
なものほど一般には大きくないが、従来の線型４重極装
置ない程度の分解能が、一般に必要となる。本書に記載
される発明は（狭いピーク巾の）高分解能を共鳴放出を
用いて質量選択不安定化モードにおいて操作される４重
極イオンにおいて達成するものである。上記２つの適用
例について説明する。

【００２３】最近まで、イオントムソン質量分析計の通
常の操作方法は質量選択不安定化モードであって、リン
グ電極におけるｒ. ｆ．電圧がスキャンされ、連続的な
トムソンのイオンがａ_z ＝０とｑ_z ＝０の座標において
安定ダイヤグラムの境界線を横切るときに不安定にな
る。市販の装置においては、ｒ. ｆ．電圧は約６４００
０ボルト／秒（ピーク）でスキャンされる。あまりスキ
ャン速度を速くすると分解能は減少する。しかし、スキ
ャン速度を遅くしても分解能を大幅に改善することはで
きない。図４は１／１６のスキャン速度で得られたキセ
ノンのスペクトルを示す。分解能は本質的に通常のスキ
ャン速度で得られるものと同じである。スキャン速度が
１６分の１だけ増加すると、分解能はユニット分解能よ
り僅かに低下する。一般に使用されるスキャン速度は比
較的速くユニット分解能を与えるように選択される。

【００２４】以前の研究者は、トラップパラメータ（た
とえばトラップディメンションｒ０）を変更する場合に
は、トムソン／秒によって表現し、ユニット分解能を回
復するつもりで市販の装置の標準の操作モードで使用さ
れる値（５０００トムソン／秒）に近い値に“スキャン
速度”を戻すようにしていた。このことは共鳴放出を用
いる質量選択不安定化モードにおける初期の作業におい
ても当てはまるものであって、この場合には、有効スキ
ャン速度は実質的に１より小さいβ値における放出によ
って増大している。しかし、スキャンを遅くしても、質
量選択不安定化モードの操作の場合と同様に、実質的に
分解能を大幅には改善しないものと考えられていた。

【００２５】予期しない発見であって本書で記載する発
明の本質的な特徴を成しているのは共鳴放出を用いる質
量選択不安定化モードを用いるスキャン速度実質的に遅
くすると、質量選択不安定化モードを用いて（または、
質量選択不安定化モードで一般に用いるスキャン速度に
匹敵するスキャン速度を用いて共鳴放出を行う質量選択
不安定化モードを用いて）得られるものよりも良好な分
解能が得られるということである。図５は、この方法を
用いて得られたキセノンのスペクトルを示す。この場合
スキャン速度４０００ボルト／秒（図４に示すように）
であるが、スペクトルは共鳴放出（β＝０．８９）を伴
ってえられる。図４と比べると、分解能がユニット分解
能よりも著しく改善されている。共鳴放出と非共鳴放出
における挙動の違いは、明らかに放出に近いイオンとし
ての軌道における成長の性質による。安定境界線の縁に
おいて、イオンはその縁においてのみ不安定になるしか
して共鳴フィールドの存在下では、その軌道は、共鳴が
実際に起こる前に十分に成長する。共鳴放出に関して
は、類似したトムソン値の２つのイオンのトムソン値を
区別するという問題は、本質的に二つの類似した永年振
動数を区別するという問題である。したがって、追加フ
ィールド期間の数と秒当たりのトムソンの放出の割合と
の比が増大するような割合で質量スペクトルのピーク
が、発生する場合には、分解能は改善される。特に、本
発明者らは、トムソン当たり２００追加フィールドサイ
クルより少ない割合の場合には、極めて有効にスペクト
ルの分解能を改善できる（放出のβは大き過ぎないこ
と）ことを発見した。

【００２６】適当な条件下で、共鳴放出を伴う質量選択
不安定化モードの操作を用いる場合には、分解能と追加
フィールドによるイオンの相互作用時間との間に一定の
関係が存在する。すなわち、イオンが放出される前にイ
オンが追加フィールドによって相互作用する時間が長い
ほど、その分解能は向上する。このモード操作を使用す
ることによって、追加フィールドの振幅とスキャン速度
（この場合主ｒ. ｆ．フィールド振幅における電荷の割
合）の両者が相互作用時間、従って分解能に影響を及ぼ
す。

【００２７】追加フィールドの振幅は高分解能を得よう
とする場合には、重要である。その理由は追加フィール
ドの振幅が低くなると、イオン軌道の振幅が大きくなる
のが遅くなり、したがって、その放出の前に相互作用時
間が最大になるからである。図１２は、β_z-eject ＝
０．７８１８１８（４３０ｋＨｚ）に対する追加フィー
ルド振幅と通常Ｒｆ振幅スキャン速度の１／１６のスキ
ャン速度との関数として（トムソンの）ピーク巾を代表
的にプロットしたものである。このデータはピーク巾は
振幅が減少するのにともなって減少するという現象を実
験的に示すものである。しかし、分解能を改善する追加
フィールドの振幅の能力は、スキャン速度という第１の
パラメータによって制約される。すなわち、高分解能
は、最終的に適当な振動数における追加フィールドの振
幅を適度に低くすることと関連してスキャン速度比較的
低くすることによって得られる。特定の実験に必要な振
幅というのは、放出されるイオンの質量だけでなくイオ
ンの数に依存するために複雑である。一般に、図面に示
される全てのスペクトルに対し追加フィールドの振幅
は、最小レベルに維持されているが、これは依然として
イオンの放出に有効であり好ましいものである。この最
小レベルは図１３に示すようにスキャン速度が減少する
のに応じて減少する傾向がある。

【００２８】追加フィールドの振動数も最適の分解能を
達成するためには重要なパラメータである。追加フィー
ルドの振動数を選択することによって、図２のダイヤグ
ラムにおけるβラインの１つが選択され、これによって
β_z-eject を決定する。既述のように、ｒ. ｆ．電圧が
増大すると、連続的に増大するｍ／ｚを有するイオンは
そのβ_z-eject に近づき、共鳴させられる。これによっ
て、振幅動作は増大し、これらはイオントラップから放
出される。追加ｒ. ｆ．フィールドの選択された振動数
が減少すると低いβラインが選択されると、β＝０に近
づく。低いβラインが選択されるほど、要求されるｒ.
ｆ．電圧は小さくなり、これによって所定のｍ／ｚのイ
オンを共鳴に導く。一般に、スキャンできるトムソン範
囲は、印加できるｒ. ｆ．電圧の最大値で決まる。した
がって、低いβ値での共鳴励起によって、装置のトムソ
ン範囲は増大する。所定の固定ｒ. ｆ．振幅（またはそ
の他の場）のスキャン速度を与えることによって、追加
フィールド振動数は装置のトムソン／秒のユニットにお
けるスキャン速度に影響を及ぼす。ｒ. ｆ．振幅の変更
を固定した割合にすると、β_z-eject を低くするほど、
トムソン範囲は向上し、トムソン／秒によるスキャン速
度は高くなる。

【００２９】これらの研究において、０．０７１０と
０．８９１の間のβ_z-eject 値をもちいたとき、ピーク
巾の著しい減少（分解能の増大）が得られた。例示した
最も小さいピーク巾は０．０７１０と０．８９１の間の
β_z-eject 値において得られた。β_z-eject が０．７１
０よりも小さくなったときトムソン巾の拡がりが認めら
れたので、より大きいβ_z-eject を用いたときトムソン
／秒による低いスキャン速度を達成することができるよ
うになったということが認められる。このことによっ
て、ある意味で、上記のことを説明できる。この場合、
トムソン範囲の増大と分解能とは引換となるが、分解能
は部分的には、場を適度に遅くスキャンすることによっ
て回復することができる。β＝１．０００（５５０ｋＨ
ｚ，ｑ＝０．９０８）の安定限界近くでの共鳴放出に伴
う場合には、標準スキャン速度より著しく低いスキャン
速度へ減少させても、分解能を実質的に改善することに
はならない。図１０は、上記の議論の記述を支持する実
験データを示すものであって、スキャン速度（ｒ. ｆ．
電圧／秒の対数）とβ_z-eject （追加フィールド振動
数）の関数としてキセノンのｍ／ｚ１２９の（トムソ
ン）ピーク巾を３次元的にプロットしたものである。図
示のように、適度な追加フィールド振動数を用いること
によってスキャン速度が減少するのに応じてピーク巾は
減少し続ける。このプロットの各データポイントは最も
狭いピーク巾を発生する追加フィールド振幅を用いて得
られた。

【００３０】以下の結果は、適度な追加フィールド振幅
及び振動数を使用し、スキャン速度を十分に遅くするこ
とによって高分解能が得られるという本発明者らの発見
を証明するイオントラップの操作を示す。外部電子イオ
ン化ソースがイオン化に使用され、イオンは連続的にト
ラップ内に放出される。ヘリウムの約１×１０^-3トール
のバッァ圧力が本書に記載したすべての実験に使用され
た。全ての同位体を伴うキセノンのスペクトルが通常の
操作条件下で得られた。この条件には、６４０００ボル
ト／秒（０からピークボルトとして表現されるボルト）
のスキャン速度、約６５０トムソンのトムソン範囲、
６．０ボルト振幅有する０．９４５４５４（５２０００
Ｈｚ）のβ_z-eject での共鳴放出が含まれる。この結果
は、図４に示されている。これらの条件のもとでは、Ｆ
ＷＨＭにおいて０．３３トムソンの代表的なピーク巾を
生じる。したがって、ｍ／ｚ１３２において約４００の
分解能を有する。図５は、通常スキャン速度の２０分の
１のスキャン速度での、すなわち、３２１０ボルト／秒
において、０．７３３（４０３０１７Ｈｚ）のβ_z-ej
ect における共鳴放出と４．５ボルトの（端部キャップ
をよこぎるピークからピークへの）振幅を用いたばあい
のキセノンの全部の同位体の集団を示す。ＦＷＨＭにけ
るｍ／ｚ１３２のピーク巾は約０．０７３トムソンに減
少する。したがって、約１８００の分解能が得られる。

【００３１】図６は、０．６６１（３６３５４３Ｈｚ）
のβ_z-ejectにおける共鳴振動数と４．６ボルトの振幅
を用い、１／１００スキャン速度（６４０ボルト／秒）
の条件下でｍ／ｚ１３１と１３２の多数の同位体を含む
キセノン同位体スペクトルの一部を示す。ＦＷＨＭでの
ｍ／ｚ１３２ピークのピーク巾は、約０．０３５で示さ
れ、このｍ／ｚにおいて約３８００の分解能を与える。

【００３２】イオントムソン質量分析計を用いて、いち
じるしく高い分解能を達成したことを示す結果が図７乃
至図９に示されている。この図には、外部電子イオン化
ソースを用いてイオンされたパーフルオロブチルアミン
（ＦＣ−４３）の質量スペクトルのさらに高いｍ／ｚ５
０２及び５０３ピークのデータが示されている。図７
は、６４０００ボルト／秒の通常のスキャン速度を用
い、０．９４５４５４（５２００００Ｈｚ）のβ
_z-eject で共鳴放出及び６．０ボルトの振幅によって、
得られた質量スペクトルを示しており、標準操作条件の
もとでの代表的ピーク巾と分解能（１７００）を表して
いる。図８は、６４０ボルト／秒のスキャン速度、０．
８５２０４２（４６８６２３Ｈｚ）のβ_z-eject におけ
る追加フィールド振動数及び１．１ボルトの振幅での同
じ質量スペクトルを示す。挿入部分はゲインと平均のス
キャンの数を増大することによって、ｍ／ｚ５０４が得
られることを示している。ｍ／ｚ５０２のピーク巾は約
０．０３０トムソン（ＦＷＨＭ）であり、したがって、
分解能は約１７０００である。このピーク巾は図６に示
すピーク巾に匹敵するものであって、トムソン範囲にわ
たるイオントラップによって生成された一定のトムソン
ピーク巾を示すものでる。したがって、ｍ／ｚを増大さ
せることによって分解能を増大させることができる。図
９において、０．９４５４５４（５２００００Ｈｚ）の
β_z-eject での追加フィールド振動数、及び０．５８ボ
ルトの振幅で、スキャン速度は、２００から３２０ボル
ト／秒分の１まで減少させられた。ｍ／ｚ５０２のＦＷ
ＨＭでのピーク巾は約０．０１５トムソンで、したがっ
て、分解能は３３０００である。

【００３３】図１４は、本書に記載した方法で得られる
分解能を増大させたものを用いて同重体の分離を行った
例を示す。このスキャン速度は、０．７０９０９１（３
９００００Ｈｚ）のβ_z-eject 及び２．２ボルトの振幅
で、５００から１２８ボルト／秒分の１まで遅くされ
た。このスロットルは、パーフルオロブチルアミン化合
物の部分イオン（Ｃ₃ Ｆ₅ ）から区別された１３１キセ
ノン同位体を示し、この場合両者公称１３１のｍ／ｚ値
を有する。¹³¹ Ｘｅの原子量は、１３０．９０５１ダル
トンであり、¹²Ｃ₃ Ｆ₅ の分子量は、１３０．９９２０
ダルトンである。したがって、完全に分解するために
は、それぞれのピークに対し、約０．０８６９トムソン
の半分以下のピーク巾が必要とする。測定されたピーク
巾は、ＦＷＨＭで約０．０４５トムソンである。また、
ｍ／ｚ１３２でのキセノンのつぎの同位体が示されてお
り、（¹³Ｃ₃ ¹² Ｆ₅ ）含むＣ１３が認められる。

【００３４】その他の多くの適用例の中で、バイオケミ
カルに適用する質量スペクトル分析はイオントムソンの
高分解能によってとくに効果があるべきものである。既
述したように、電子スプレーイオン化が最近イオントラ
ップと結びつけられるようになってきている。高分解能
娘イオン質量スペクトルを得ることによって、ペプチド
とたんぱく質の連続データの解釈を容易にすることが可
能になった。このことは潜在的に、４セクター磁気ある
いはフーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴装置によっ
て得られるものよりも高い分解能を与えることがあるか
らである。これらの分野における適用例を示す幾つかの
基本的な結果が以下の図に示されている。ペプチドホー
スアンギオテンシンＩの電子スプレーイオン化質量スペ
クトルが図１５に示されている。このスペクトルは、
０．２１８０６５（１１９９３６Ｈｚ、ｑ_z-eject ＝
０．３０３）のβ_z-eject で共鳴放出用い、１９５０の
トムソン範囲で、６４０００ボルト／秒の標準スキャン
速度を用いて得られた。単一、２重、３重及び４重に陽
イオン化されたものが示されている。３１４０ボルト／
秒のスキャン速度を用い、０．８４４３１１（４６４３
７１Ｈｚ）のβ_z-eject での共鳴放出ともなうようにス
キャンをさらに遅くして多重イオンを横切ることによっ
て、挿入窓に示されるような種類の同位体の分離を行う
ことができる。このスキャン速度によって（約０．０８
７トムソンＦＷＨＭ）のピーク巾が発生しこの結果、こ
れらの擬分子イオンの帯電状態を同定することが容易に
なった。ｍ／ｚ４３３において、通常スキャン速度６４
０００ボルト／秒を用いた〔Ｍ＋３Ｈ〕³⁺イオンの電子
スプレーイオン化ＭＳ／ＭＳ娘イオン質量スペクトルが
図１６に示されている。ペプチドのフラグメントイオン
はどのアミノ酸において断片化が生じるか及びどのアミ
ノ酸の結合において断片化が生じるか及びペプチドのど
の側に電荷が残っているかを特定する確立された命名法
を用いて表記される。図１７乃至１９は、図１６に示し
たドータースペクトルのさらに細かい部分を示すもので
あって、３１４０ボルト／秒のスキャン速度及び０．８
４４３１１（４６４３７１Ｈｚ）のβ_z-eject を用いて
得られる。なお、容易に得られる分解能によって、同位
体の質量分離を用いることによってこれらの娘イオンの
帯電状態を同定することが可能になっており、したがっ
て、娘イオン質量スペクトルにおける連続イオンの割当
を簡単に行うことができる。

【００３５】

【発明の効果】このように、追加フィールドの適度な振
動数と振幅を用いることに加え、スキャン速度の変化割
合を減少させることによって共鳴放出を伴う質量選択不
安定化モードにおいて操作されたイオントラップ質量分
析計の分解能を増大する方法が開示されている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従う質量分析計を操作するために使用
される電気回路のブロックダイアグラムとともに４重極
イオントラップ質量分析計の概略である。

【図２】図１に示される質量分析計のイオントラップの
ための安定化包絡線である。

【図３】ｒ. ｆ．電圧（４０００ボルト／秒、０−ピー
ク、または１／１６通常割合）のための低速スキャン速
度を用い、（ａ）質量選択不安定化操作モードを及び
（ｂ）共鳴放出（４００ＫＨｚ）を用いた質量選択不安
定化操作モードを用いて得られたキセノンのスペクトル
である。

【図４】６４０００ボルト／秒のピークｒ. ｆ．電圧に
対し通常のスキャン速度を用いたキセノンスペクトルで
ある。

【図５】３２００ボルト／秒のスキャン速度を用いたキ
セノンスペクトルである。

【図６】６４０ボルト／秒でスキャンされたｍ／ｚ１３
１及び１３２を用いたキセノンスペクトルである。

【図７】６４０００ボルト／秒のピークｒ. ｆ．電圧に
対し通常のスキャン速度を用いたペルフルオロトリブチ
ルアミン（ＦＣ−４３）のｍ／ｚ５０２のスペクトルで
ある。

【図８】６４０ボルト／秒のスキャン速度を用いたペル
フルオロトリブチルアミン（ＦＣ−４３）のｍ／ｚ５０
２のスペクトルである。

【図９】３２０ボルト／秒でスキャンされたペルフルオ
ロトリブチルアミン（ＦＣ−４３）のｍ／ｚ５０２のス
ペクトルである。

【図１０】端部キャップに印加される追加ｒ. ｆ．フィ
ールドによって決定されるスキャン速度とβ_z-eject の
関数としてのピーク巾を示す３次元プロットである。

【図１１】０．７２７２７３（４００ｋＨｚ）のβ
_z-eject における追加の振動数に対してｒ. ｆ．スキャ
ン速度の関数として（秒で）ピーク巾を示している。

【図１２】０．７８１８１８（４３０ｋＨｚ）のβ
_z-eject における追加フィールド振幅の関数として（秒
で）ピーク巾を示している。

【図１３】スキャン速度とβ_z-eject の関数として最高
分解能に対する最適電圧を示している。

【図１４】公称ｍ／ｚ１３１における¹³¹ Ｘｅ及び¹²Ｃ
₃ Ｆ₅ 及び公称ｍ／ｚ１３２における¹³² Ｘｅ及び¹³Ｃ
₃ Ｆ₅ の等圧体の分離を示している。

【図１５】異なるスキャン速度と条件に対する多様に帯
電した馬のアンジオテンシンＩの静電スプレーイオント
ラップデータを示しており、（ａ）は静電スプレー質量
スペクトルである。

【図１６】異なるスキャン速度と条件に対する多様に帯
電した馬のアンジオテンシンＩの静電スプレーイオント
ラップデータを示しており、（ｂ）はｍ／ｚ４３３にお
ける（Ｍ＋３Ｈ）³⁺のドータースペクトルである。

【図１７】異なるスキャン速度と条件に対する多様に帯
電した馬のアンジオテンシンＩの静電スプレーイオント
ラップデータを示しており、（ｃ）は３１４０ボルト／
秒のスキャン速度を用いた（ｂ）の領域１である。

【図１８】図１７に示したドータースペクトルのさらに
細かい部分を示したものである。

【図１９】異なるスキャン速度と条件に対する多様に帯
電した馬のアンジオテンシンＩの静電スプレーイオント
ラップデータを示しており、（ｄ）は３１４０ボルト／
秒のスキャン速度を用いた（ｂ）の領域２である。

【図２０】図１９に示したドータースペクトルのさらに
細かい部分を示したものである。

【図２１】異なるスキャン速度と条件に対する多様に帯
電した馬のアンジオテンシンＩの静電スプレーイオント
ラップデータを示しており、（ｅ）は３１４０ボルト／
秒のスキャン速度を用いた（ｂ）の領域３である。

【図２２】図２０に示したドータースペクトルのさらに
細かい部分を示したものである。

【符号の説明】

１１ リング電極、 １２、１３ 端部キャップ １４、３５ ｒ. ｆ．発振器 １６ イオントラップボリューム １７ フィラメント １８ フィラメント電力供給 １９ 円筒状ゲートレンズ ２１ フィラメントレンズコントローラ ２４ 電子倍増管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジヨン エドワード フイリツプ サイカ アメリカ合衆国 カリフオルニア州 94098 サニーヴエイル ロートレツク テラス 1107 (72)発明者 ジヨン ネイサン ローリス アメリカ合衆国 カリフオルニア州 95050 サンタ クララ 1311 モンロー ストリート 2200

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定範囲内にある質量対電荷比を有する
   イオンをトラップする実質的に３次元４重極フィールド
   を有するトラップボリュームを設定し、前記トラップ容
   積内にイオンを形成しあるいは放出して前記所定の質量
   対電荷比を有するイオンをトラップし、前記３次元４重
   極フィールドに追加のＡＣフィールドを印加して結合フ
   ィールドを形成し、前記結合フィールドをスキャンして
   検出のために前記トラップボリュームから連続的な質量
   対電荷比を有するイオンを共鳴によって放出させる工程
   を有する高分解能モードのイオントラップ質量分析計の
   操作方法であって、前記追加のフィールドは前記イオン
   を丁度放出させるのに十分な大きさを有し、前記結合フ
   ィールドは前記追加のｒ. ｆ．フィールドの２００サイ
   クル以上に対応する時間が連続的なトムソン当たりに生
   じるような速度でスキャンされることを特徴とする高分
   解能モードのイオントラップ質量分析計の操作方法。
2. 【請求項２】 振動数ｆのｒ. ｆ．電圧ＶとＤＣ電圧Ｕ
   とをイオントラップに印加して所定範囲の質量対電荷比
   内のイオンうトラップするための３次元の実質的に４重
   極フィールドを有するトラップボリュームを設定し、該
   トラップボリューム内に所定の質量対電荷比の範囲のイ
   オンがトラップされるように前記トラップボリューム内
   にイオンを形成しあるいは放出し、前記３次元４重極フ
   ィールド上に重ねて追加のＡＣフィールドを印加して結
   合フィールドを形成し、前記結合フィールドをスキャン
   して検出のために前記トラップボリュームから連続的な
   質量対電荷比を有するイオンを共鳴によって放出させる
   工程を有する高分解能モードのイオントラップ質量分析
   計の操作方法であって、前記追加のフィールドは前記イ
   オンを丁度放出させるのに十分な大きさを有し、前記結
   合フィールドは前記追加のｒ. ｆ．フィールドの２００
   サイクル以上に対応する時間が連続的なトムソン当たり
   に生じるような速度でスキャンされることを特徴とする
   高分解能モードのイオントラップ質量分析計の操作方
   法。