JPH0746597B2 - 空間的に分離された源および検出器を有するフ−リエ変換イオンサイクロトロン共鳴質量分析計 - Google Patents
空間的に分離された源および検出器を有するフ−リエ変換イオンサイクロトロン共鳴質量分析計Info
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- JPH0746597B2 JPH0746597B2 JP60289560A JP28956085A JPH0746597B2 JP H0746597 B2 JPH0746597 B2 JP H0746597B2 JP 60289560 A JP60289560 A JP 60289560A JP 28956085 A JP28956085 A JP 28956085A JP H0746597 B2 JPH0746597 B2 JP H0746597B2
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N24/00—Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects
- G01N24/14—Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects by using cyclotron resonance
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
- H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
- H01J49/34—Dynamic spectrometers
- H01J49/36—Radio frequency spectrometers, e.g. Bennett-type spectrometers, Redhead-type spectrometers
- H01J49/38—Omegatrons ; using ion cyclotron resonance
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- Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 本発明は、一般に質量分光学に関し、さらに詳しくはイ
オンサイクロトロン共鳴分光学を実施するための改良さ
れた方法および装置に関する。
オンサイクロトロン共鳴分光学を実施するための改良さ
れた方法および装置に関する。
高い分解能の質量分析（mass spectrometry）（MS）
は、分子の構造の解明および多数の化学的および物理的
方法の研究のために化学において広く使用されている。
未知の分子についての精確な質量測定の知識により、化
学者は可能な構造の数を短いリストに減少させることが
できる。最も強力な商業的高分解能の分光計を用いて達
成できる分解能および質量の精度は、ある化合物につい
ての可能な構造に到達するとき化学者がスペクトルを判
読しかつ直覚的推論をなす必要性を完全にはまだ排除し
ていない。適度に大きい分子についてさえ明確な構造は
めったに到達されず、そして得られる情報を補足するた
めに他の型の分光学が通常必要とされる。伝統的な走査
磁気セクター（sector）質量分析計の発展速度は磁石の
安定性および光学スリットにおける技術的制限のため遅
くなり、そして分解能および質量の精度の劇的な改良は
予測可能な将来においてなされないように思われる。ま
た、クロマトグラフィー技術の最近の改良は、有効時間
内にスペクトル（すなわち、クロマトグラフィーのピー
ク幅）を得るための走査磁気セクター計器の能力を超越
した。
は、分子の構造の解明および多数の化学的および物理的
方法の研究のために化学において広く使用されている。
未知の分子についての精確な質量測定の知識により、化
学者は可能な構造の数を短いリストに減少させることが
できる。最も強力な商業的高分解能の分光計を用いて達
成できる分解能および質量の精度は、ある化合物につい
ての可能な構造に到達するとき化学者がスペクトルを判
読しかつ直覚的推論をなす必要性を完全にはまだ排除し
ていない。適度に大きい分子についてさえ明確な構造は
めったに到達されず、そして得られる情報を補足するた
めに他の型の分光学が通常必要とされる。伝統的な走査
磁気セクター（sector）質量分析計の発展速度は磁石の
安定性および光学スリットにおける技術的制限のため遅
くなり、そして分解能および質量の精度の劇的な改良は
予測可能な将来においてなされないように思われる。ま
た、クロマトグラフィー技術の最近の改良は、有効時間
内にスペクトル（すなわち、クロマトグラフィーのピー
ク幅）を得るための走査磁気セクター計器の能力を超越
した。
イオンサイクロトロン共鳴（ICR）は高分解能の質量分
析の分野における主要な進歩の最も大きい機会を提供す
ることが確認された。これはC.L.ウイルキンス（Wilkin
s）およびM.L.グロス（Gross），アナリティカル・ケミ
ストリー（Analyl.Chem.）53,1661−1668（1981）に論
じられている。例えば、磁気セクター計器は日常実験に
おいて10,000の分解能および10〜15ppmの質量精度を達
成するが、ICR分析計は通常100万を越える分解能および
1ppm以下の質量精度を達成する。この性能の水準では、
完全に明確な構造の決定（異性体の型を排除する）は非
常の大きい分子についてのみ可能である。ICRの実験に
おいて、イオンは加えられる電界により捕獲され、そし
て強い均一な磁界の存在下に特性周波数において軌道
（サイクロトロンおよびマグネトロン）運動を行なうよ
うにさせられる。
析の分野における主要な進歩の最も大きい機会を提供す
ることが確認された。これはC.L.ウイルキンス（Wilkin
s）およびM.L.グロス（Gross），アナリティカル・ケミ
ストリー（Analyl.Chem.）53,1661−1668（1981）に論
じられている。例えば、磁気セクター計器は日常実験に
おいて10,000の分解能および10〜15ppmの質量精度を達
成するが、ICR分析計は通常100万を越える分解能および
1ppm以下の質量精度を達成する。この性能の水準では、
完全に明確な構造の決定（異性体の型を排除する）は非
常の大きい分子についてのみ可能である。ICRの実験に
おいて、イオンは加えられる電界により捕獲され、そし
て強い均一な磁界の存在下に特性周波数において軌道
（サイクロトロンおよびマグネトロン）運動を行なうよ
うにさせられる。
単一質量の捕獲されたイオンの全体の運動から生ずる観
測可能な電気信号は指数関数液に減衰するサイン波であ
ろう（減衰速度はイオン性分子と中性分子との間の衝突
の頻度により決定される）。いく種類かの異るイオンの
質量について、イオンの運動は周波数および相が異る干
渉性サイン波から構成された複雑な変動する信号に反映
される。この時間領域の一時的信号は、「干渉写真（in
terferogram）」または単に「過渡的な（transient）」
としばしば呼ばれる。干渉写真の個々の周波数成分はフ
ーリエ変換により観測可能とされ、これは干渉写真のデ
ィジタル化およびディジタル・コンピューターのメモリ
ーにおける記憶により促進され、このディジタル・コン
ピューターにおいてそれは数値的に処理されることがで
きる。
測可能な電気信号は指数関数液に減衰するサイン波であ
ろう（減衰速度はイオン性分子と中性分子との間の衝突
の頻度により決定される）。いく種類かの異るイオンの
質量について、イオンの運動は周波数および相が異る干
渉性サイン波から構成された複雑な変動する信号に反映
される。この時間領域の一時的信号は、「干渉写真（in
terferogram）」または単に「過渡的な（transient）」
としばしば呼ばれる。干渉写真の個々の周波数成分はフ
ーリエ変換により観測可能とされ、これは干渉写真のデ
ィジタル化およびディジタル・コンピューターのメモリ
ーにおける記憶により促進され、このディジタル・コン
ピューターにおいてそれは数値的に処理されることがで
きる。
所定の質量観測範囲について、ICR実験において得るこ
とのできる分解能および精度は、試料の性質に依存す
る、異る因子により制限される。低い蒸気圧の固体試料
を用いる実験において、質量の分解能は干渉写真の記憶
に有効なディジタル・メモリーの大きさにより制限さ
れ、これに対して、クロマトグラフィー源では、分解能
は質量分析器において達成可能な真空の品質により制限
される。いずれの場合においても、測定される質量は較
性曲線の精度により制限される。
とのできる分解能および精度は、試料の性質に依存す
る、異る因子により制限される。低い蒸気圧の固体試料
を用いる実験において、質量の分解能は干渉写真の記憶
に有効なディジタル・メモリーの大きさにより制限さ
れ、これに対して、クロマトグラフィー源では、分解能
は質量分析器において達成可能な真空の品質により制限
される。いずれの場合においても、測定される質量は較
性曲線の精度により制限される。
現在商業的に入手可能な２種類のICR質量分析計はいく
つかの制限を有する。気液クロマトグラフィーの界面の
日常の使用および種々の現代的イオン化技術は、商用IC
R計器の能力を越えている。これらの分析計において、
イオンは物理的空間の同一領域−−約16.4cc（１立方イ
ンチ）の体積の捕獲セル19の内部−−で形成されかつ質
量分析される。ICRの実験における質量分解能は圧力が
減少するとともに増加し、そして性能の有意な利得は10
-8トル以下の使用圧力においてのみ達成される。先行技
術の計器は基本的な制限をもって設計され、そのためそ
れらはクロマトグラフィー源を用いる使用に不適当であ
った：液体または気体の流れを大気圧力付近でICRセル
に注入すること、および高い分解能の質量測定のために
満足すべき操作圧力を維持することは不可能である。結
局、これらの計器の応用はこれまで固体のプローブの実
験にその範囲が制限されてきた。
つかの制限を有する。気液クロマトグラフィーの界面の
日常の使用および種々の現代的イオン化技術は、商用IC
R計器の能力を越えている。これらの分析計において、
イオンは物理的空間の同一領域−−約16.4cc（１立方イ
ンチ）の体積の捕獲セル19の内部−−で形成されかつ質
量分析される。ICRの実験における質量分解能は圧力が
減少するとともに増加し、そして性能の有意な利得は10
-8トル以下の使用圧力においてのみ達成される。先行技
術の計器は基本的な制限をもって設計され、そのためそ
れらはクロマトグラフィー源を用いる使用に不適当であ
った：液体または気体の流れを大気圧力付近でICRセル
に注入すること、および高い分解能の質量測定のために
満足すべき操作圧力を維持することは不可能である。結
局、これらの計器の応用はこれまで固体のプローブの実
験にその範囲が制限されてきた。
クロマトグラフィー源を収容するためには、イオン源お
よび検出区域は空間的に分離されかつ差動排気して（di
fferentially pump）分析器区域において必要な超高真
空を達成しなくてはならないことが明らかである。満足
すべき差動排気を達成できる場合、この問題はICR質量
分析器セルへイオンを輸送し、そしてイオンをその中に
捕獲（trap）するという１つに減少される。
よび検出区域は空間的に分離されかつ差動排気して（di
fferentially pump）分析器区域において必要な超高真
空を達成しなくてはならないことが明らかである。満足
すべき差動排気を達成できる場合、この問題はICR質量
分析器セルへイオンを輸送し、そしてイオンをその中に
捕獲（trap）するという１つに減少される。
本発明の方法および装置は、試料の導入およびイオン化
の工程を質量分析工程と空間的に分離し、これにより気
体および液体のクロマトグラフィー試料源のインターフ
ェイシング（interfacing）およびいくつかの現代のイ
オン化技術の実施を促進する機械的手段および電子的手
段を提供し、そしてイオンの質量測定の力学的範囲、分
解能、精度および速度を改良する電子手段を含む。先行
技術の質量分析計よりの主要な改良は、イオンを試料注
入／イオン源区域からの輸送のための静電レンズ（elec
rtrostatic lens）使用および質量分析器の使用におい
て生ずる。
の工程を質量分析工程と空間的に分離し、これにより気
体および液体のクロマトグラフィー試料源のインターフ
ェイシング（interfacing）およびいくつかの現代のイ
オン化技術の実施を促進する機械的手段および電子的手
段を提供し、そしてイオンの質量測定の力学的範囲、分
解能、精度および速度を改良する電子手段を含む。先行
技術の質量分析計よりの主要な改良は、イオンを試料注
入／イオン源区域からの輸送のための静電レンズ（elec
rtrostatic lens）使用および質量分析器の使用におい
て生ずる。
ICR質量分析計におけるイオン源および質量分析器を分
離するための別の手段は、他の研究者らにより論じられ
た。とくに、スミス（Smith）およびフトレル（Futrel
l），インターナショナル・ジャーナル・オグ・マス・
スペクトロメトリー・アンド・イオン・フィジックス
（Int.J.Mass.Spectrom.Ion.Phsics）14,［11−18］（1
984）は180度の磁気セクターを使用してイオンを源から
ICR分析器へ案内した。彼らの装置は低い磁界の電気磁
石の極キャップ（polecap）の間の配置したが、磁気セ
クターの形状寸法は高い磁界の超伝導ソレノイド磁石と
ともに使用するめには不適当である。低温磁石につい
て、マクイバー（McIver）らは、質量分析および同系の
トピックスについての第32回年次会議［32nd Annual Co
nference on Mass Spectrometry and Allied Topics,Sa
n Antonio,Texas（1984）］において、イオンをイオン
源から分析器区域へ案内するために無線周波数（RF）の
四重極の電界を提案した。これは極めて長い四重極棒
（約1mの長さ）を必要とした。
離するための別の手段は、他の研究者らにより論じられ
た。とくに、スミス（Smith）およびフトレル（Futrel
l），インターナショナル・ジャーナル・オグ・マス・
スペクトロメトリー・アンド・イオン・フィジックス
（Int.J.Mass.Spectrom.Ion.Phsics）14,［11−18］（1
984）は180度の磁気セクターを使用してイオンを源から
ICR分析器へ案内した。彼らの装置は低い磁界の電気磁
石の極キャップ（polecap）の間の配置したが、磁気セ
クターの形状寸法は高い磁界の超伝導ソレノイド磁石と
ともに使用するめには不適当である。低温磁石につい
て、マクイバー（McIver）らは、質量分析および同系の
トピックスについての第32回年次会議［32nd Annual Co
nference on Mass Spectrometry and Allied Topics,Sa
n Antonio,Texas（1984）］において、イオンをイオン
源から分析器区域へ案内するために無線周波数（RF）の
四重極の電界を提案した。これは極めて長い四重極棒
（約1mの長さ）を必要とした。
静電レンズがなぜ好ましいか、および四重極棒（quadru
polar rod）の使用が不必要な制限を分析計の性能にな
ぜ付与するかについて、いくつかの基本的理由が存在す
る。ここに記載する静電レンズのシステムは、磁界の主
軸に沿って集束された厳密に平行にされたイオンビーム
を生成し、これは最も直接の軌道を提供する。RF四重極
場内のイオンの軌道は回り道であり、そしてより長い通
路長さは反応的衝突の可能性を増加する。四重極棒を去
るイオンは高い速度および広く発散する軌道を有し、IC
Rセルにおける捕獲を最もよくても困難とする。四重極
棒による高い質量の伝送は非効率的であり、そして磁界
に対して垂直の速度成分の導入はイオンが棒に衝突する
可能性および磁気反射の可能性を増加する。長い四重極
棒は劣ったポンピング伝導を示し、そして棒からのRFの
漏れはICR影像電流の検出を妨害する。また、長い四重
極棒は製造が困難でありかつ経費を必要とする。
polar rod）の使用が不必要な制限を分析計の性能にな
ぜ付与するかについて、いくつかの基本的理由が存在す
る。ここに記載する静電レンズのシステムは、磁界の主
軸に沿って集束された厳密に平行にされたイオンビーム
を生成し、これは最も直接の軌道を提供する。RF四重極
場内のイオンの軌道は回り道であり、そしてより長い通
路長さは反応的衝突の可能性を増加する。四重極棒を去
るイオンは高い速度および広く発散する軌道を有し、IC
Rセルにおける捕獲を最もよくても困難とする。四重極
棒による高い質量の伝送は非効率的であり、そして磁界
に対して垂直の速度成分の導入はイオンが棒に衝突する
可能性および磁気反射の可能性を増加する。長い四重極
棒は劣ったポンピング伝導を示し、そして棒からのRFの
漏れはICR影像電流の検出を妨害する。また、長い四重
極棒は製造が困難でありかつ経費を必要とする。
本発明においては、３つの差動排気される区域からなる
真空室を使用して多目的な入口システムおよびイオン
源、イオンを分析器区域へ輸送するためのイオン・オプ
チクス、およびICR超高分析能質量分析器を含有させ
る。ICRセルは大きいボア（bore）の低温超伝導磁石の
均質な磁界中に位置する。低温磁石の高い磁界の望まし
い。なぜなら、磁界の強さの増加とともに分解能が改良
されかつ質量の上限が拡張されるからである。試料を＜
10-3トルの圧力の第１真空室内のイオン源の中に導入
し、ここで試料はいくつかの方法の１つにより蒸発しか
つイオン化される：電子衝撃（electron impact）（E
I）、化学的イオン化（chemical ionization）（CI）、
高速原子衝撃（fast atom bombardment）（FAB）または
レーザーイオン化（laser ionization）（LI）。低温磁
石のソレノイドの形状寸法のため、イオン源はICRセル
からほぼ1.5mのところに位置しなくてはならず、そして
静電レンズのシステムを使用してイオンをこの距離にわ
たって輸送する。
真空室を使用して多目的な入口システムおよびイオン
源、イオンを分析器区域へ輸送するためのイオン・オプ
チクス、およびICR超高分析能質量分析器を含有させ
る。ICRセルは大きいボア（bore）の低温超伝導磁石の
均質な磁界中に位置する。低温磁石の高い磁界の望まし
い。なぜなら、磁界の強さの増加とともに分解能が改良
されかつ質量の上限が拡張されるからである。試料を＜
10-3トルの圧力の第１真空室内のイオン源の中に導入
し、ここで試料はいくつかの方法の１つにより蒸発しか
つイオン化される：電子衝撃（electron impact）（E
I）、化学的イオン化（chemical ionization）（CI）、
高速原子衝撃（fast atom bombardment）（FAB）または
レーザーイオン化（laser ionization）（LI）。低温磁
石のソレノイドの形状寸法のため、イオン源はICRセル
からほぼ1.5mのところに位置しなくてはならず、そして
静電レンズのシステムを使用してイオンをこの距離にわ
たって輸送する。
イオンは源から静電レンズにより抽出され、そして＜10
-6トルの差動排気される室へ動かされ、ここでイオンは
低分解能質量フィルター（通常「RFのみ」のモードで操
作される短いRF四重極、ここでそれは高い通過質量フィ
ルターとして作用する）に入って、不必要な低い質量の
イオン（例えば、試薬またはキャリヤー気体のイオン）
に対して識別し、かつ単一のイオン監視能力を提供す
る。この質量フィルターは、伝送効率を低下させない
で、ある実験において電子的に無力化させることができ
る。質量フィルターを去るイオンは加速されかつ厳密に
平行なビームに集束され、このビームは静電転向板によ
り第２および第３の真空室の間のオリフィスを通して導
かれる。イオンは＜10-9トルの第３真空区域へ入り、静
電リターデイションレンズ（retardation lens）により
再集束され、ここでイオンはICRセルへ入る前にほとん
ど熱的速度（thermal velocity）に減速される。この方
式は磁石のＺ軸に近接して動く厳密に平行にされたイオ
ンビームを生成してイオンに作用するローレンツ力（速
度Ｖと磁界Ｂとの間のベクトルのクロス乗積）を最小に
する。
-6トルの差動排気される室へ動かされ、ここでイオンは
低分解能質量フィルター（通常「RFのみ」のモードで操
作される短いRF四重極、ここでそれは高い通過質量フィ
ルターとして作用する）に入って、不必要な低い質量の
イオン（例えば、試薬またはキャリヤー気体のイオン）
に対して識別し、かつ単一のイオン監視能力を提供す
る。この質量フィルターは、伝送効率を低下させない
で、ある実験において電子的に無力化させることができ
る。質量フィルターを去るイオンは加速されかつ厳密に
平行なビームに集束され、このビームは静電転向板によ
り第２および第３の真空室の間のオリフィスを通して導
かれる。イオンは＜10-9トルの第３真空区域へ入り、静
電リターデイションレンズ（retardation lens）により
再集束され、ここでイオンはICRセルへ入る前にほとん
ど熱的速度（thermal velocity）に減速される。この方
式は磁石のＺ軸に近接して動く厳密に平行にされたイオ
ンビームを生成してイオンに作用するローレンツ力（速
度Ｖと磁界Ｂとの間のベクトルのクロス乗積）を最小に
する。
不均質磁界中のイオンの初期の加速および均質磁界中の
最後の減速を使用して、磁界の勾配中を動く帯電粒子に
関連する反射の現象を克服する［下に引用するジャクソ
ン（Jackson）の文献を参照］。速度の平行成分に対し
て垂直の比が限界値を越えるとき、磁気反射は起こる。
速度の垂直成分（ＸおよびＹ）はイオンの熱エネルギー
により決定されるので、磁気反射は単に速度のＺ成分を
十分に大きくすることによって克服することができる。
しかしながら、高い速度のイオンはICR内に容易に捕獲
されず、そしてイオンが磁界の均質区域に入るとき、リ
ターデイションレンズを設けてイオンを減速しなくては
ならない。
最後の減速を使用して、磁界の勾配中を動く帯電粒子に
関連する反射の現象を克服する［下に引用するジャクソ
ン（Jackson）の文献を参照］。速度の平行成分に対し
て垂直の比が限界値を越えるとき、磁気反射は起こる。
速度の垂直成分（ＸおよびＹ）はイオンの熱エネルギー
により決定されるので、磁気反射は単に速度のＺ成分を
十分に大きくすることによって克服することができる。
しかしながら、高い速度のイオンはICR内に容易に捕獲
されず、そしてイオンが磁界の均質区域に入るとき、リ
ターデイションレンズを設けてイオンを減速しなくては
ならない。
電位差（捕獲電圧）をICRセルの側面および端の板に加
えるとき、イオンのパケット（packet）をセルの体積内
に限定することができる。10-9トルより低い圧力におい
て、イオンはICRセルの側板の中に誘導される影像電流
を観測することにより検出される。この電流を増幅し、
ディジタル化し、そしてディジタル・コンピューターの
メモリー中に記憶させる。後補足フーリエ変換（Post−
acquisition Fourier transformation）は、多くの異る
のイオンについて、周波数、それゆえ精確な質量、を同
時に測定可能とする。
えるとき、イオンのパケット（packet）をセルの体積内
に限定することができる。10-9トルより低い圧力におい
て、イオンはICRセルの側板の中に誘導される影像電流
を観測することにより検出される。この電流を増幅し、
ディジタル化し、そしてディジタル・コンピューターの
メモリー中に記憶させる。後補足フーリエ変換（Post−
acquisition Fourier transformation）は、多くの異る
のイオンについて、周波数、それゆえ精確な質量、を同
時に測定可能とする。
フーリエ変換の実験において、測定された信号の明確な
ディジタル表示を発生させる必要性は、ダイナミックレ
ンジ（dynamic range）（数値的に表示することのでき
る最大信号対最小信号の比）、分解能、および質量の精
度を制限させる。クロマトグラフィー源を使用するICR
実験において、必要なダイナミックレンジは100万を越
える。十分な速度の入手可能なアナログ−ディジタル変
換器はダイナミックレンジを数1000に限定する。したが
って、電子回路を考案してこの制限を克服しかつイオン
捕獲の物理学により付与される自然の限界にダイナミッ
クレンジを拡張した。ICR信号の明確な表示は、所定の
質量に対応する周波数が２つのデータ点の間に入ること
があるので、精確な質量の測定を困難とさせる。この問
題は非常に大きいディタル・メモリーおよび補間のアル
ゴリズムを使用して精確な質量を計算できるようにする
ことによって最小とすることができる。通常固体素子の
メモリーは大きい表の中への高速獲得が遅過ぎる。特別
の超高速分割可能な（partitionable）バッファー・メ
モリー（200MB/秒のバースト速度、4MBの容量）をこの
装置に組込んだ。バッファー・メモリー中の算術論理回
路の設置は、雑音を減少するための信号の平均化を可能
とした。
ディジタル表示を発生させる必要性は、ダイナミックレ
ンジ（dynamic range）（数値的に表示することのでき
る最大信号対最小信号の比）、分解能、および質量の精
度を制限させる。クロマトグラフィー源を使用するICR
実験において、必要なダイナミックレンジは100万を越
える。十分な速度の入手可能なアナログ−ディジタル変
換器はダイナミックレンジを数1000に限定する。したが
って、電子回路を考案してこの制限を克服しかつイオン
捕獲の物理学により付与される自然の限界にダイナミッ
クレンジを拡張した。ICR信号の明確な表示は、所定の
質量に対応する周波数が２つのデータ点の間に入ること
があるので、精確な質量の測定を困難とさせる。この問
題は非常に大きいディタル・メモリーおよび補間のアル
ゴリズムを使用して精確な質量を計算できるようにする
ことによって最小とすることができる。通常固体素子の
メモリーは大きい表の中への高速獲得が遅過ぎる。特別
の超高速分割可能な（partitionable）バッファー・メ
モリー（200MB/秒のバースト速度、4MBの容量）をこの
装置に組込んだ。バッファー・メモリー中の算術論理回
路の設置は、雑音を減少するための信号の平均化を可能
とした。
ここに記載するフーリエ変換ICR分析計の例示する実施
態様は、固体のプローブ（solid probe）ならびに気液
クロマトグラフィーの入口の利益を提供し、同時に質量
分析のICR法のみを用いて可能なきわめて高い分解能お
よび質量の精度を提供する。さらに、いくつかの蒸発お
よびイオン化法（EI、CI、FABおよびLI）、およびディ
ジタル分解能を改良するための新規な電子手段を含める
と、本発明は質量分析の技術ならびにイオンサイクロト
ロン共鳴分光学における進歩を構成し、そしてこの分野
に存在する要求を満足する。
態様は、固体のプローブ（solid probe）ならびに気液
クロマトグラフィーの入口の利益を提供し、同時に質量
分析のICR法のみを用いて可能なきわめて高い分解能お
よび質量の精度を提供する。さらに、いくつかの蒸発お
よびイオン化法（EI、CI、FABおよびLI）、およびディ
ジタル分解能を改良するための新規な電子手段を含める
と、本発明は質量分析の技術ならびにイオンサイクロト
ロン共鳴分光学における進歩を構成し、そしてこの分野
に存在する要求を満足する。
ICR捕獲セルの例示は第１図に示されている。６枚の板1
1〜16は、対は配置されていて、捕獲セル19からなる立
方体の空間を形成することが図解されている。電位を板
の対を横切って印加し、そして磁界Ｂを矢印18の方向に
与える。セルの壁に印加される静止電位は加えられた磁
界と組み合って力を発生し、これらの力はイオンの運動
をセルの内部に制限する。イオンの軌道運動は、無線周
波数の振動する電界によって、より大きい半径に加速さ
れ、そしてこれらの運動はセルの壁の中に誘導される電
流（「影像電流（image current）」）を観測すること
により検出することができる。質量ｍおよび電荷ｑのイ
オンについて、このイオンが立方体の空間にスクリーン
20を通して入り、そして磁界Ｂ内を動くとき、サイクロ
トロン運動はサンプルの式：ω＝qB/mにより概算される
角振動数で起こる（より高い次数の項を含有するいっそ
う精確な関係が存在し、それは捕獲の場および空間の帯
電効果の存在から生ずることに注意されたい）。こうし
て、イオノの質量はサイクロトロンの周波数を測定する
ことにより推定することができる。さらに、多くの異る
質量をフーリエ変換技術により同時に測定することがで
きる。
1〜16は、対は配置されていて、捕獲セル19からなる立
方体の空間を形成することが図解されている。電位を板
の対を横切って印加し、そして磁界Ｂを矢印18の方向に
与える。セルの壁に印加される静止電位は加えられた磁
界と組み合って力を発生し、これらの力はイオンの運動
をセルの内部に制限する。イオンの軌道運動は、無線周
波数の振動する電界によって、より大きい半径に加速さ
れ、そしてこれらの運動はセルの壁の中に誘導される電
流（「影像電流（image current）」）を観測すること
により検出することができる。質量ｍおよび電荷ｑのイ
オンについて、このイオンが立方体の空間にスクリーン
20を通して入り、そして磁界Ｂ内を動くとき、サイクロ
トロン運動はサンプルの式：ω＝qB/mにより概算される
角振動数で起こる（より高い次数の項を含有するいっそ
う精確な関係が存在し、それは捕獲の場および空間の帯
電効果の存在から生ずることに注意されたい）。こうし
て、イオノの質量はサイクロトロンの周波数を測定する
ことにより推定することができる。さらに、多くの異る
質量をフーリエ変換技術により同時に測定することがで
きる。
静電レンズのこれらの利点を明らかにするために、イオ
ンの軌道のコンピューターのシムレーションを第２図お
よび第３図に表わす。第２図は、棒25〜28により７テス
ラの超伝導磁石の中心から1mの距離で発生した無線周波
数の四重極電界の中に注入されたイオンの軌道を示す。
磁界の主軸は基準系のＺ方向に沿って存在し、そして磁
界に強さは位置（0,0,0）において最大である。イオン
の初期の位置はＸ＝０、Ｙ＝0.001、Ｚ＝−1mであり、
そしてイオンは正のＺ方向に動く。四重極棒の端はＺ＝
０に存在する。図解のスケールは十分な細部を示すため
に歪められている。この初期の位置において、磁界は弱
く、そしてイオンは変動する電界との相互作用のために
複雑な振動運動をさせられる。イオンがより強い磁界強
度へ向かって動くとき、イオンの動きは電気の相互作用
を越える磁気の相互作用の支配のために軌道的となる。
電界の周波数がイオンのサイクロトロン周波数の調和に
近い場合、イオンは加速されてより大きい軌道になり、
そして四重極棒と衝突するか、あるいは磁石から離れる
方向に反射されうる。イオンの初期速度、その質量／電
荷の比、四重極棒上のピーク対ピーク電圧、および磁界
内のその位置は、すべてイオンの軌道に影響を及ぼす。
ンの軌道のコンピューターのシムレーションを第２図お
よび第３図に表わす。第２図は、棒25〜28により７テス
ラの超伝導磁石の中心から1mの距離で発生した無線周波
数の四重極電界の中に注入されたイオンの軌道を示す。
磁界の主軸は基準系のＺ方向に沿って存在し、そして磁
界に強さは位置（0,0,0）において最大である。イオン
の初期の位置はＸ＝０、Ｙ＝0.001、Ｚ＝−1mであり、
そしてイオンは正のＺ方向に動く。四重極棒の端はＺ＝
０に存在する。図解のスケールは十分な細部を示すため
に歪められている。この初期の位置において、磁界は弱
く、そしてイオンは変動する電界との相互作用のために
複雑な振動運動をさせられる。イオンがより強い磁界強
度へ向かって動くとき、イオンの動きは電気の相互作用
を越える磁気の相互作用の支配のために軌道的となる。
電界の周波数がイオンのサイクロトロン周波数の調和に
近い場合、イオンは加速されてより大きい軌道になり、
そして四重極棒と衝突するか、あるいは磁石から離れる
方向に反射されうる。イオンの初期速度、その質量／電
荷の比、四重極棒上のピーク対ピーク電圧、および磁界
内のその位置は、すべてイオンの軌道に影響を及ぼす。
第３図は、四重極の電界のスイッチが切られている、静
止磁界に主軸に対して平行に動く同一イオン（同一の初
期速度および位置）の軌道のコンピューターのシムレー
ションを示す。第２図と比較して示す四重極棒は不作動
である。磁界の主軸は基準系のＺ軸に沿って存在し、そ
して磁界の強さは位置（0,0,0）において最大である。
イオンの初期の位置はＸ＝０、Ｙ＝0.001、Ｚ＝−1mで
あり、そしてイオンは正のＺ方向に動く。図解のスケー
ルは十分な細部を示すために歪められている。明らかな
ように、磁界の主軸に沿って加速される平行にされたイ
オンビームの発生は、質量分析器へのより直接的な制御
可能な通路を提供する。これらのシムレーションにおい
て、磁界はビオットーサバート（Biot−Savart）の方程
式［J.D.ジャクソン（Jackson），クラシカル・エレク
トロダイナミックス（Classical Electrodynammics）,J
ohn Wiley＆Sons,Inc.,NY,1975］の数値積分により概算
し、そして四重極の電界は精確に計算された。
止磁界に主軸に対して平行に動く同一イオン（同一の初
期速度および位置）の軌道のコンピューターのシムレー
ションを示す。第２図と比較して示す四重極棒は不作動
である。磁界の主軸は基準系のＺ軸に沿って存在し、そ
して磁界の強さは位置（0,0,0）において最大である。
イオンの初期の位置はＸ＝０、Ｙ＝0.001、Ｚ＝−1mで
あり、そしてイオンは正のＺ方向に動く。図解のスケー
ルは十分な細部を示すために歪められている。明らかな
ように、磁界の主軸に沿って加速される平行にされたイ
オンビームの発生は、質量分析器へのより直接的な制御
可能な通路を提供する。これらのシムレーションにおい
て、磁界はビオットーサバート（Biot−Savart）の方程
式［J.D.ジャクソン（Jackson），クラシカル・エレク
トロダイナミックス（Classical Electrodynammics）,J
ohn Wiley＆Sons,Inc.,NY,1975］の数値積分により概算
し、そして四重極の電界は精確に計算された。
静電レンズの例は第４図のＡおよびＢに示されており、
ここでディスク30〜32で構成された３構成要素の開口
（aperture）（ディスク）レンズおよび３構成要素のシ
リンダー（cylunder）レンズが図解されている。より複
雑なレンズを追加の構成要素を用いて構成することがで
きる。調節可能な電位V1、V2およびV3を個々の構成要素
に印加して光学的特性を決定する。レンズの構成要素の
物理的形状寸法および各構成要素に印加される電位の値
に存在して、静電レンズのV1、V2およびV3は発散するビ
ームを集束するそれらの能力において種々の光学レンズ
を模倣するであろう。外側の構成要素、例えば、30およ
び31または35および37への電位が等しくかつ中央の構成
要素が異る電位に保持されている特別の場合は、「エイ
ンゼル（einzel）」レンズと呼ばれる。静電レンズの設
計は、E.ハーティング（Harting）およびF.H.リード（R
ead），静電レンズ（Electrostatic Lenses），エルセ
ビーア・サイアンティフィック・パブリッシング・カン
パニー（Elsevier Scientific Publishing Company）、
ニューヨーク,1976年に詳述されているが、磁界の存在
は考察されていない。本発明の研究において、３構成要
素のエインゼル・シリンダーレンズの光学的性質は静電
境界値の問題の数値解により計算し、ここで電界は計算
された電位の微分により得られ、そして磁界は前述のよ
うにして計算する。
ここでディスク30〜32で構成された３構成要素の開口
（aperture）（ディスク）レンズおよび３構成要素のシ
リンダー（cylunder）レンズが図解されている。より複
雑なレンズを追加の構成要素を用いて構成することがで
きる。調節可能な電位V1、V2およびV3を個々の構成要素
に印加して光学的特性を決定する。レンズの構成要素の
物理的形状寸法および各構成要素に印加される電位の値
に存在して、静電レンズのV1、V2およびV3は発散するビ
ームを集束するそれらの能力において種々の光学レンズ
を模倣するであろう。外側の構成要素、例えば、30およ
び31または35および37への電位が等しくかつ中央の構成
要素が異る電位に保持されている特別の場合は、「エイ
ンゼル（einzel）」レンズと呼ばれる。静電レンズの設
計は、E.ハーティング（Harting）およびF.H.リード（R
ead），静電レンズ（Electrostatic Lenses），エルセ
ビーア・サイアンティフィック・パブリッシング・カン
パニー（Elsevier Scientific Publishing Company）、
ニューヨーク,1976年に詳述されているが、磁界の存在
は考察されていない。本発明の研究において、３構成要
素のエインゼル・シリンダーレンズの光学的性質は静電
境界値の問題の数値解により計算し、ここで電界は計算
された電位の微分により得られ、そして磁界は前述のよ
うにして計算する。
エインゼル・レンズ39を通るイオンビームの軌道を、第
５図および第６図に示すように、静止磁界を存在させる
ことにより変更させる。それぞれ磁界の不存在および存
在においてコンピューターでシムレーションした軌道を
合計のエネルギー40eVをもつ質量100のイオンについて
計算する。レンズの外側の構成要素はビームの電位に保
持し（V1＝V3＝40V）そして中央の構成要素の電位V2は
−84Vである。スケールは十分な細部を示すために歪め
られていることに注意されたい：シリンダーは長さ1m×
直径3.8cmであり、そしてシリンダー間のギャップは3.8
mmである。イオンビームの初期の位置および軌道は「出
発点」と標識付けされた矢印により示されている。第５
図において、イオンビームは始めに速度の大きい半径成
分を有し、この成分はレンズ内の不均質電界との相互作
用により除去される。
５図および第６図に示すように、静止磁界を存在させる
ことにより変更させる。それぞれ磁界の不存在および存
在においてコンピューターでシムレーションした軌道を
合計のエネルギー40eVをもつ質量100のイオンについて
計算する。レンズの外側の構成要素はビームの電位に保
持し（V1＝V3＝40V）そして中央の構成要素の電位V2は
−84Vである。スケールは十分な細部を示すために歪め
られていることに注意されたい：シリンダーは長さ1m×
直径3.8cmであり、そしてシリンダー間のギャップは3.8
mmである。イオンビームの初期の位置および軌道は「出
発点」と標識付けされた矢印により示されている。第５
図において、イオンビームは始めに速度の大きい半径成
分を有し、この成分はレンズ内の不均質電界との相互作
用により除去される。
第６図において、磁界を加えると、入るイオンビームは
実質的な半径方向の速度を有するが、静電レンズは、小
さいサイクロトロンの運動が存在してさえ、Ｚ方向に対
して平行に動く出るある線を生ずる。これらのシムレー
ションが示すように、イオンはなお小さい半径のまわり
のサイクロトロン運動をするが、満足すべき光学的性質
は強い軸方向の磁界の勾配が存在してさえなお達成され
うる。第２図に示すRF四重極の場におけるイオンの挙動
と対照的に、イオンは大きいサイクロトロンの軌道に静
電レンズにより加速されない。
実質的な半径方向の速度を有するが、静電レンズは、小
さいサイクロトロンの運動が存在してさえ、Ｚ方向に対
して平行に動く出るある線を生ずる。これらのシムレー
ションが示すように、イオンはなお小さい半径のまわり
のサイクロトロン運動をするが、満足すべき光学的性質
は強い軸方向の磁界の勾配が存在してさえなお達成され
うる。第２図に示すRF四重極の場におけるイオンの挙動
と対照的に、イオンは大きいサイクロトロンの軌道に静
電レンズにより加速されない。
機械的構成 本発明のフーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴質量分
析計は、第７図に示すように、３段階の差別的にポンピ
ングされる真空室内に収容されている。真空ハウジング
の構成成分の大部分は、NOR−CALプロダクツ・インコー
ポレーテッド（Products Inc.）により供給された。ス
テンレス鋼の真空ハウジング51は、３つの六万管状交差
部（six−way tubular crsses）53を使用して組立て
た。前記交差部53は高真空フランジおよびクラッシュド
・メタル（crushed−metal）のシールを備え、そして直
径20.32cm（８インチ）の管状区画により分離されてい
る。真空ハウジンングの長い管状区画［直径12.7cm（５
インチ）］を低温超伝導磁石の直径15.24cm（６イン
チ）のボアの中に挿入する［オックスフォード・インス
ツルメンツ・インコーポレーテッド（Oxford Instrumen
ts Inc.）の300/150水平磁石，低温シム・コイルの完全
なセットを備える］。前記超伝導磁石は７テスラの磁界
強度で作動する（しかし、他の磁界強度を使用すること
もできる）。真空室の３つの区域Ａ、ＢおよびＣは、３
台の低温真空ポンプ63［CTIクリオゲニクス（Cryogenic
s）のCT−型］により差動排気される。低温ポンプを選
択した理由は次の通りである。すなわち、このポンプは
磁界内で作動することができ［ターボ・モレキュラー
（turbo−molecular）ポンプと異る］、ポンプの油のよ
うな汚染物質が完全に存在せず、そしてクロマトグラフ
ィーの気体および溶媒に対処することができる。ベンチ
ュリ・ポンプおよび収着ポンプからなるラウフィング・
ポンプ（roughing−pump）システムは第７図に示されて
いない。３台の真空ポンプの各々は、真空ハウジンング
51から、関連するゲート弁64［VATインコーポレーテッ
ド（Inc.）、超高真空弁系列10、200mm］により隔離す
ることができる。また、超高真空室、区域Ｃ、はこのシ
ステムの残部からゲート弁64aにより隔離することがで
きる。
析計は、第７図に示すように、３段階の差別的にポンピ
ングされる真空室内に収容されている。真空ハウジング
の構成成分の大部分は、NOR−CALプロダクツ・インコー
ポレーテッド（Products Inc.）により供給された。ス
テンレス鋼の真空ハウジング51は、３つの六万管状交差
部（six−way tubular crsses）53を使用して組立て
た。前記交差部53は高真空フランジおよびクラッシュド
・メタル（crushed−metal）のシールを備え、そして直
径20.32cm（８インチ）の管状区画により分離されてい
る。真空ハウジンングの長い管状区画［直径12.7cm（５
インチ）］を低温超伝導磁石の直径15.24cm（６イン
チ）のボアの中に挿入する［オックスフォード・インス
ツルメンツ・インコーポレーテッド（Oxford Instrumen
ts Inc.）の300/150水平磁石，低温シム・コイルの完全
なセットを備える］。前記超伝導磁石は７テスラの磁界
強度で作動する（しかし、他の磁界強度を使用すること
もできる）。真空室の３つの区域Ａ、ＢおよびＣは、３
台の低温真空ポンプ63［CTIクリオゲニクス（Cryogenic
s）のCT−型］により差動排気される。低温ポンプを選
択した理由は次の通りである。すなわち、このポンプは
磁界内で作動することができ［ターボ・モレキュラー
（turbo−molecular）ポンプと異る］、ポンプの油のよ
うな汚染物質が完全に存在せず、そしてクロマトグラフ
ィーの気体および溶媒に対処することができる。ベンチ
ュリ・ポンプおよび収着ポンプからなるラウフィング・
ポンプ（roughing−pump）システムは第７図に示されて
いない。３台の真空ポンプの各々は、真空ハウジンング
51から、関連するゲート弁64［VATインコーポレーテッ
ド（Inc.）、超高真空弁系列10、200mm］により隔離す
ることができる。また、超高真空室、区域Ｃ、はこのシ
ステムの残部からゲート弁64aにより隔離することがで
きる。
固体プローブおよびクロマトグラフィーの界面の試料入
口（第７図に示されていない）は蒸発した中性分子をイ
オン源65へ供給し、ここで第８図のスケッチにより示さ
れるように、分子はフィラメント67（EI）からの電子ビ
ームにより直接イオン化されるか、あるいは入口71を通
して供給された試薬−気体イオンを使用する化学的イオ
ン化（CI）により、あるいはレーザー73からのレーザー
ビーム（LI）により、あるいは入口71を通る高速原子の
衝撃（FAB）により間接的にイオン化される。別の交換
可能なイオン源は、これらのイオン化の方式の各々につ
いて構成するか、あるいは購入した。例えば、組み合わ
されたQEI/CIイオン源はエキストラ・ニュークリア・ラ
ボラトリーズ（Extranuclear Laboratories）のE2−100
0型イオン源を変更することにより構成し、こで半径方
向の電子ビームはフィラメントおよびリペラー板の再配
置により軸方向のビームに変え、そして開口を除去可能
なイオン−体積カップ中に形成して軸方向のビームが入
ることができるようにした。示される構成成分のすべて
は同時に分析計において接続または使用されないことに
注意されたい。交換可能なイオン源は、試料の導入およ
びイオン化において融通性を提供するために使用され
た。
口（第７図に示されていない）は蒸発した中性分子をイ
オン源65へ供給し、ここで第８図のスケッチにより示さ
れるように、分子はフィラメント67（EI）からの電子ビ
ームにより直接イオン化されるか、あるいは入口71を通
して供給された試薬−気体イオンを使用する化学的イオ
ン化（CI）により、あるいはレーザー73からのレーザー
ビーム（LI）により、あるいは入口71を通る高速原子の
衝撃（FAB）により間接的にイオン化される。別の交換
可能なイオン源は、これらのイオン化の方式の各々につ
いて構成するか、あるいは購入した。例えば、組み合わ
されたQEI/CIイオン源はエキストラ・ニュークリア・ラ
ボラトリーズ（Extranuclear Laboratories）のE2−100
0型イオン源を変更することにより構成し、こで半径方
向の電子ビームはフィラメントおよびリペラー板の再配
置により軸方向のビームに変え、そして開口を除去可能
なイオン−体積カップ中に形成して軸方向のビームが入
ることができるようにした。示される構成成分のすべて
は同時に分析計において接続または使用されないことに
注意されたい。交換可能なイオン源は、試料の導入およ
びイオン化において融通性を提供するために使用され
た。
第７図を参照すると、イオン抽出レンズ66はイオンを第
１真空室から第２真空室へ輸送し、ここでイオンは低分
解能質量フィルター68（短いRF四重極）に入り、不必要
な低い質量のイオン、例えば、クロマトグラフからのキ
ャリヤーガスおよび溶媒のイオン、または化学的イオン
化試薬の気体が除去される。これらの低い質量の存在は
ICR質量分析器における空間の電荷を増加し、これは分
解能を低下させ、そして測定されるサイクロトロンの周
波数をシフトさせるであろう。エキストラ・ニュークリ
ア・ラボラトリーズ（Extranuclear Laboratories）の
７−162−８四重極棒は両端にELFSを備える［ELFS＝エ
キストラ・ニュークリア・ラボラトリーズのフィールド
・セパレーター（Field Separator）、漏れ誘電装置、
この装置は棒の端付近でRF電界を徐々に減衰させかつDC
電界を完全に遮断し、これにより出るイオンを平行にす
る］。四重極フィルターは通常RFのみのモードで作動さ
せ、ここでそれは高い帯域を通過させるフィルターとし
て作用するが、RF/DC帯域通過モードはいくつかの選択
的イオンの伝送に必要な場合有効であろう。四重極は、
また、ある用途に対して電子的に無力化することができ
る。四重極フィルターは弱い区域（＜0.001テスラ）の
磁界中に位置すること、そしてイオンの軌道はこのよう
な弱い磁界により事実上影響を受ないことは注目するに
値する。
１真空室から第２真空室へ輸送し、ここでイオンは低分
解能質量フィルター68（短いRF四重極）に入り、不必要
な低い質量のイオン、例えば、クロマトグラフからのキ
ャリヤーガスおよび溶媒のイオン、または化学的イオン
化試薬の気体が除去される。これらの低い質量の存在は
ICR質量分析器における空間の電荷を増加し、これは分
解能を低下させ、そして測定されるサイクロトロンの周
波数をシフトさせるであろう。エキストラ・ニュークリ
ア・ラボラトリーズ（Extranuclear Laboratories）の
７−162−８四重極棒は両端にELFSを備える［ELFS＝エ
キストラ・ニュークリア・ラボラトリーズのフィールド
・セパレーター（Field Separator）、漏れ誘電装置、
この装置は棒の端付近でRF電界を徐々に減衰させかつDC
電界を完全に遮断し、これにより出るイオンを平行にす
る］。四重極フィルターは通常RFのみのモードで作動さ
せ、ここでそれは高い帯域を通過させるフィルターとし
て作用するが、RF/DC帯域通過モードはいくつかの選択
的イオンの伝送に必要な場合有効であろう。四重極は、
また、ある用途に対して電子的に無力化することができ
る。四重極フィルターは弱い区域（＜0.001テスラ）の
磁界中に位置すること、そしてイオンの軌道はこのよう
な弱い磁界により事実上影響を受ないことは注目するに
値する。
抽出レンズ66とフィルター68との間の小さいオリフィス
75は、室ＡおよびＢの間の差圧を支持する。静電３構成
要素のシリンダーレンズ69は、四重極棒から出るイオン
ビームの集束させる。静電ステアリング（steering）板
80および81は、それぞれビームの水平および垂直の転向
を提供して、ビームの位置を磁界の主軸に近接させて維
持しかつビームを第２オリフィス77を通して向ける。オ
リフィス77は第２および第３の真空室ＢおよびＣの間の
差圧を支持する。
75は、室ＡおよびＢの間の差圧を支持する。静電３構成
要素のシリンダーレンズ69は、四重極棒から出るイオン
ビームの集束させる。静電ステアリング（steering）板
80および81は、それぞれビームの水平および垂直の転向
を提供して、ビームの位置を磁界の主軸に近接させて維
持しかつビームを第２オリフィス77を通して向ける。オ
リフィス77は第２および第３の真空室ＢおよびＣの間の
差圧を支持する。
グリッド管82はイオンビームの等電位のフライト通路
（flight path）を提供する。その機能は標遊電界、例
えば、接地電位における真空ハウジングから生ずる電界
の影響からビームを遮断し、そして充実管を用いて達成
されうるよりもポンピングに対する制限を低下させる。
第２等電位グリッド管84における共通の構成要素を共有
する１対の静電３構成要素のシリンダーレンズ83および
85は、イオンビームの追加の加速および集束を提供し
て、大きい磁界の勾配に抗して、真空区域Ｃにおいて1m
の距離にわたってイオンを輸送する。３構成要素の開口
減速レンズ86は、イオンの捕獲セル87に入る前に、ビー
ムをほとんど熱的速度に遅くする。イオンICRセル87は
箱を形成する６枚の電気的に隔離された金属板からな
り、調節可能なDC電圧を前記板に供給しかつ励起信号お
よび応答信号を伝送するための配線を取り付けて有す
る。（第１図参照）質量分析計への種々の電気的接続
は、セラミックの高真空貫通接続（feedthrough）［セ
ラマシール・インコーポレーテッド（Ceramaseal In
c.）により供給される］により真空ハウジンングの中に
入れられる。
（flight path）を提供する。その機能は標遊電界、例
えば、接地電位における真空ハウジングから生ずる電界
の影響からビームを遮断し、そして充実管を用いて達成
されうるよりもポンピングに対する制限を低下させる。
第２等電位グリッド管84における共通の構成要素を共有
する１対の静電３構成要素のシリンダーレンズ83および
85は、イオンビームの追加の加速および集束を提供し
て、大きい磁界の勾配に抗して、真空区域Ｃにおいて1m
の距離にわたってイオンを輸送する。３構成要素の開口
減速レンズ86は、イオンの捕獲セル87に入る前に、ビー
ムをほとんど熱的速度に遅くする。イオンICRセル87は
箱を形成する６枚の電気的に隔離された金属板からな
り、調節可能なDC電圧を前記板に供給しかつ励起信号お
よび応答信号を伝送するための配線を取り付けて有す
る。（第１図参照）質量分析計への種々の電気的接続
は、セラミックの高真空貫通接続（feedthrough）［セ
ラマシール・インコーポレーテッド（Ceramaseal In
c.）により供給される］により真空ハウジンングの中に
入れられる。
イオンがICRセル87中に存在するとき、端板15および16
上の電圧を約１ボルトに増加させて、Ｚ方向におけるイ
オンの逃散を防止する。磁界および電界はサイクロトロ
ン運動およびマグネトロン運動を誘導し、これらの運動
はＸ−Ｙ面におけるイオンの損失を防止する。こうし
て、イオンはICRセル87の体積内に効果的に捕獲され、
ここでイオンは比較的長い時間期間にわたって観測する
ことができう。ICRセルに正または負のイオンを補足す
るために正および負の方向（DC）電圧、およびイオンを
励起するためのパルス化された交流電圧を、必要に応じ
て印加する。いわゆる「チャープ（CHIRP）」励起は無
線周波数のパルスであり、ここで周波数は問題の質量範
囲を励起させるために十分な範囲にわたってパルスの間
に急速に掃引される。励起はイオンの運動のより大きい
半径への加速に相当する。チャープ・パルスの振幅およ
び期間は「パーキング軌道（parking orbit）」、すな
わち、コーヒーレントなイオンの運動が観測される軌
道、の半径を決定する。イオンの運動は微細な変動電流
を誘導して（「影像電流」、上のウイルキンスらおよび
スミスらの文献を参照）セルの対向する側面の板の間お
よび電流が増幅されかつ検出される外部の電子回路を通
して流す。増幅された影像電流はディジタル化され、そ
してディジタル・コンピューターのメモリー中に記憶さ
れ、ここで時間領域の一時的な信号はフーリエ変換され
て、サイクロトロンの特性周波数およびイオンの精確な
質量を明らかにする。
上の電圧を約１ボルトに増加させて、Ｚ方向におけるイ
オンの逃散を防止する。磁界および電界はサイクロトロ
ン運動およびマグネトロン運動を誘導し、これらの運動
はＸ−Ｙ面におけるイオンの損失を防止する。こうし
て、イオンはICRセル87の体積内に効果的に捕獲され、
ここでイオンは比較的長い時間期間にわたって観測する
ことができう。ICRセルに正または負のイオンを補足す
るために正および負の方向（DC）電圧、およびイオンを
励起するためのパルス化された交流電圧を、必要に応じ
て印加する。いわゆる「チャープ（CHIRP）」励起は無
線周波数のパルスであり、ここで周波数は問題の質量範
囲を励起させるために十分な範囲にわたってパルスの間
に急速に掃引される。励起はイオンの運動のより大きい
半径への加速に相当する。チャープ・パルスの振幅およ
び期間は「パーキング軌道（parking orbit）」、すな
わち、コーヒーレントなイオンの運動が観測される軌
道、の半径を決定する。イオンの運動は微細な変動電流
を誘導して（「影像電流」、上のウイルキンスらおよび
スミスらの文献を参照）セルの対向する側面の板の間お
よび電流が増幅されかつ検出される外部の電子回路を通
して流す。増幅された影像電流はディジタル化され、そ
してディジタル・コンピューターのメモリー中に記憶さ
れ、ここで時間領域の一時的な信号はフーリエ変換され
て、サイクロトロンの特性周波数およびイオンの精確な
質量を明らかにする。
電子回路 分析計中の電子回路は、イオン・オプチクスおよびクロ
マトグラフ制御器、励起回路、検出回路、およびディジ
タル処理装置のカテゴリーに細分することができる。ア
ナログおよびディジタル回路の有機化は、第９図にブロ
ック図で示されている。イオン源制御器はエキストラ・
ニュークリア・ラボラトリーズのC50−IC型イオナイザ
ー・コントローラーであり、そして四重極質量フィルタ
ーは同一会社から供給されるC50−MS型マス・コマンド
・エレクトロニクスにより調節される。イオン・オプチ
クス制御器は高度の安定なプログラミング可能なDC電力
供給装置であり、前記供給装置は電圧を種々の静電レン
ズの個々の構成要素に、そしてICRセル87へ供給する。
これらの電圧はホストコンピューター92により32の12ビ
ットのディジタル−アナログ変換器94［マイクロ・ネッ
トワークス・インコポーレーテッド（Micro Networks I
nc.）のDAC−HK2型］の配列を通して制御される。DAC94
は高電圧操作増幅器［アペックス・マイクロテクノロジ
ー（Apex Microtechnology）のPA08型］により増幅され
て、−140および＋140ボルトの範囲のプログラミング可
能な電圧を供給する。個々のレンズの電圧は、ディジタ
ルシャフト・エコーダー［リットン・インダストリーズ
（Litton Industries）の81 BI−256−５−１型］の回
転により手動的に（イオンの伝送を最適化するため
に）、あるいはホストコンピューター92の制御の下に複
雑な最適化プログラムを使用して調節することができ
る。
マトグラフ制御器、励起回路、検出回路、およびディジ
タル処理装置のカテゴリーに細分することができる。ア
ナログおよびディジタル回路の有機化は、第９図にブロ
ック図で示されている。イオン源制御器はエキストラ・
ニュークリア・ラボラトリーズのC50−IC型イオナイザ
ー・コントローラーであり、そして四重極質量フィルタ
ーは同一会社から供給されるC50−MS型マス・コマンド
・エレクトロニクスにより調節される。イオン・オプチ
クス制御器は高度の安定なプログラミング可能なDC電力
供給装置であり、前記供給装置は電圧を種々の静電レン
ズの個々の構成要素に、そしてICRセル87へ供給する。
これらの電圧はホストコンピューター92により32の12ビ
ットのディジタル−アナログ変換器94［マイクロ・ネッ
トワークス・インコポーレーテッド（Micro Networks I
nc.）のDAC−HK2型］の配列を通して制御される。DAC94
は高電圧操作増幅器［アペックス・マイクロテクノロジ
ー（Apex Microtechnology）のPA08型］により増幅され
て、−140および＋140ボルトの範囲のプログラミング可
能な電圧を供給する。個々のレンズの電圧は、ディジタ
ルシャフト・エコーダー［リットン・インダストリーズ
（Litton Industries）の81 BI−256−５−１型］の回
転により手動的に（イオンの伝送を最適化するため
に）、あるいはホストコンピューター92の制御の下に複
雑な最適化プログラムを使用して調節することができ
る。
図解する実施態様において、ホストコンピューター92は
モトロラ・ベンチマーク（MOTOROLA BENCHMARK）−20
の32ビットのデスク・トップ（desk top）コンピュータ
ーはであり、これはMC68020 マイクロプロセッサーお
よびモトロラVERSAbus ディジタル母線プロトコール
（protocol）である。分析計制御のソフトウェアはパス
カル（PASCAL）およびモトロラ68020アセンブリー語
に、VERSAdos 実時間ディスク操作システムを使用して
書かれた。
モトロラ・ベンチマーク（MOTOROLA BENCHMARK）−20
の32ビットのデスク・トップ（desk top）コンピュータ
ーはであり、これはMC68020 マイクロプロセッサーお
よびモトロラVERSAbus ディジタル母線プロトコール
（protocol）である。分析計制御のソフトウェアはパス
カル（PASCAL）およびモトロラ68020アセンブリー語
に、VERSAdos 実時間ディスク操作システムを使用して
書かれた。
分析計における種々の事象のタイミング（timing）はプ
ログラミング可能なパルス発生器96により決定され、標
準の大規模集積回路上で利用可能なタイマーおよびカウ
ンターを使用して構成された。パルス・プログラマーは
ホストコンピューター92中のソフトウェアにより開始さ
れ、その注意してタイミングされた出力パルスを使用し
て、いくつかの他の電子モジュールにトリアガーをかけ
る。典型的なFT−ICR実験のためのタイミング線図は第1
0図に示されている。チャープ励起パルスはディジタル
周波数シンセサイザー98［ロックラインド（Rockland）
5100型］において発生し、前記シンセサイザー98は精確
に知られた周波数の限界の間の前もって決定した速度で
スイーピングされ、そして振幅がシンセサイザーのプロ
グラマー100［SPG｝によりプログラミングされる。シン
セサイザーのプログラマー100は、標準の集積回路がら
製作され、ホストコンピューター92により制御される。
ホストコンピューター92は実験のための操作パラメータ
ーを設定し、そしてパルス・プログラマー96によりトリ
ガーをかけられる。チャープ・パルスは作動RFトランス
ミッター102へ供給される。トランスミッター102はICR
セル87の２枚の対向する側板へ接続されている。チャー
プ電圧により生成される振動する電界は、所定の質量の
イオンをコーヒーレントな軌道運動に加速し、この運動
はセルの側板の中に誘導される影像電流により検出する
ことができる。
ログラミング可能なパルス発生器96により決定され、標
準の大規模集積回路上で利用可能なタイマーおよびカウ
ンターを使用して構成された。パルス・プログラマーは
ホストコンピューター92中のソフトウェアにより開始さ
れ、その注意してタイミングされた出力パルスを使用し
て、いくつかの他の電子モジュールにトリアガーをかけ
る。典型的なFT−ICR実験のためのタイミング線図は第1
0図に示されている。チャープ励起パルスはディジタル
周波数シンセサイザー98［ロックラインド（Rockland）
5100型］において発生し、前記シンセサイザー98は精確
に知られた周波数の限界の間の前もって決定した速度で
スイーピングされ、そして振幅がシンセサイザーのプロ
グラマー100［SPG｝によりプログラミングされる。シン
セサイザーのプログラマー100は、標準の集積回路がら
製作され、ホストコンピューター92により制御される。
ホストコンピューター92は実験のための操作パラメータ
ーを設定し、そしてパルス・プログラマー96によりトリ
ガーをかけられる。チャープ・パルスは作動RFトランス
ミッター102へ供給される。トランスミッター102はICR
セル87の２枚の対向する側板へ接続されている。チャー
プ電圧により生成される振動する電界は、所定の質量の
イオンをコーヒーレントな軌道運動に加速し、この運動
はセルの側板の中に誘導される影像電流により検出する
ことができる。
測定すべき影像電流は非常に小さく、典型的には10-12
アンペアであり、そして検出回路は影像電流が流れる抵
抗器Ｒを含む。ICRセル87は高いインピーダンスのほと
んどの容量的信号源を表わすのでの、抵抗器Ｒの値は非
常に大きく（108Mオーム）て源の負荷を避けなくてはな
らない。ICRセルのキャパシタンスＣは小さく（典型的
には0.2〜0.5pF）そしてこのRC回路の遮断周波数は十分
に低くて、問題の質量範囲に相当する周波数を通過させ
なくてはならない。負荷抵抗器Ｒを横切って発生した小
さい電圧（典型的には10-4ボルト）は、作動プリアンプ
104により増幅され、そして前記プリアンプ104はきわめ
て大きい入力インピーダンス、低い入力のキャパシタン
ス、低い雑音指数および広い帯域幅をもたなくてはなら
ない。適当な電界効果トランジスターのプリアンプは、
300の利得、1kHz〜5kHzの帯域幅、0.25pFの入力キャパ
シタンス、および108オームのインピーダンスを使用し
て構成した。それ以上の増幅は、後述するように、引続
く利得段階において実施される。
アンペアであり、そして検出回路は影像電流が流れる抵
抗器Ｒを含む。ICRセル87は高いインピーダンスのほと
んどの容量的信号源を表わすのでの、抵抗器Ｒの値は非
常に大きく（108Mオーム）て源の負荷を避けなくてはな
らない。ICRセルのキャパシタンスＣは小さく（典型的
には0.2〜0.5pF）そしてこのRC回路の遮断周波数は十分
に低くて、問題の質量範囲に相当する周波数を通過させ
なくてはならない。負荷抵抗器Ｒを横切って発生した小
さい電圧（典型的には10-4ボルト）は、作動プリアンプ
104により増幅され、そして前記プリアンプ104はきわめ
て大きい入力インピーダンス、低い入力のキャパシタン
ス、低い雑音指数および広い帯域幅をもたなくてはなら
ない。適当な電界効果トランジスターのプリアンプは、
300の利得、1kHz〜5kHzの帯域幅、0.25pFの入力キャパ
シタンス、および108オームのインピーダンスを使用し
て構成した。それ以上の増幅は、後述するように、引続
く利得段階において実施される。
典型的な質量スペクトルは大きい範囲のピーク振幅を含
有し、そしてクロマトグラフィー源は広く変化する試料
の大きさをイオン源へ供給する。こうして、所定のイオ
ンについてのICR信号強さは100万倍程度に多く変化しう
る。これは主信号ディジタル化装置106に過度に大きい
ダイナミックレンジの要件を付与する。5MHzの要求する
ディジタル化速度において、現在入手可能な高速ディジ
タル化装置は大部分が12ビットの分解能に制限され、こ
れはわずかに4096:1のダイナミックレンジに相当する。
結局、増幅鎖における制御された信号の圧縮の準備はデ
ィジタル化プロセスの有効ダイナミックレンジを増加さ
せるために必要である。本発明の装置において、信号の
圧縮は自動利得制御増幅器108のための新規な回路によ
り達成され、これは主ディジタル化装置106へ供給され
る信号がICR捕獲セル内のイオンの数および種類に無関
係に明白に一定なピーク振幅を有すること（ある実際的
限界内で）、およびディジタル化プロセスのダイナミッ
クレンジを最大にすることを保証する。このプロセスを
代数的に公式化するために、タイミング変化ICR信号を
Ｖ（ｔ）と表示し、そしてその初期のピーク対ピークの
振幅がVppである場合、一定のピークの振幅VkはＶ
（ｔ）にファクターFs＝VK/Vppを掛けることによって得
られる。こうして、1/Vppの測定を必要とする。
有し、そしてクロマトグラフィー源は広く変化する試料
の大きさをイオン源へ供給する。こうして、所定のイオ
ンについてのICR信号強さは100万倍程度に多く変化しう
る。これは主信号ディジタル化装置106に過度に大きい
ダイナミックレンジの要件を付与する。5MHzの要求する
ディジタル化速度において、現在入手可能な高速ディジ
タル化装置は大部分が12ビットの分解能に制限され、こ
れはわずかに4096:1のダイナミックレンジに相当する。
結局、増幅鎖における制御された信号の圧縮の準備はデ
ィジタル化プロセスの有効ダイナミックレンジを増加さ
せるために必要である。本発明の装置において、信号の
圧縮は自動利得制御増幅器108のための新規な回路によ
り達成され、これは主ディジタル化装置106へ供給され
る信号がICR捕獲セル内のイオンの数および種類に無関
係に明白に一定なピーク振幅を有すること（ある実際的
限界内で）、およびディジタル化プロセスのダイナミッ
クレンジを最大にすることを保証する。このプロセスを
代数的に公式化するために、タイミング変化ICR信号を
Ｖ（ｔ）と表示し、そしてその初期のピーク対ピークの
振幅がVppである場合、一定のピークの振幅VkはＶ
（ｔ）にファクターFs＝VK/Vppを掛けることによって得
られる。こうして、1/Vppの測定を必要とする。
例示する実施態様において、ディジタル利得制御要素を
組込んだ革新的な自動利得制御回路108を設計し、そし
て構成した。このモジュールは第11図に機能的ブロック
線図として示されている。この回路は作動入力および出
力をもつ20dBの信号増幅器110を含有する。一方の出力
は電圧制御の増幅器112へ導かれ、そして他方は高速ゲ
ート・ピーク検出114へ導かれる。他の回路の構成要素
は、12ビットのアナログ−ディジタル変換器116、12ビ
ットのディジタル−アナログ変換器118、TTLタイミング
論理120。および信号出力増幅器122を含む。VCA112の利
得は、少なくとも1000の範囲にわたってDC制御電圧の印
加により調節可能でなくてはならない。その上、VCA112
の利得は印加される制御電圧に範囲にわたって高度に線
形でなくてはならず、これは無線周波数の回路において
普通に使用されている一体的AGC増幅器の大きい部類に
当てはならない。結局、真に４つの四分円乗算器（quad
rant multiplier）［モトロラ（MOTOROLA）集積回路MC1
594］をVCA機能のために選択し、約80dBの線形利得範囲
を得た。高速ゲート・ピーク検出器114は、また、一体
的集積回路［二極信号のために構成されたプリーシジョ
ン・モノリシックス・インコーポレーテッド（Precisio
n Monolithics Inc.）のPKD−01］に基づく。この回路
はDC出力電圧の交番入力信号のピーク対ピークの振幅に
等しいDC出力電圧を生成する。小さいDCオフセット（約
100mV）を入力に加えて、内部のダイオードが常に伝導
性とするかぎり、このピーク検出器はRF信号の要求する
範囲にわたって適切な線形性を有する。
組込んだ革新的な自動利得制御回路108を設計し、そし
て構成した。このモジュールは第11図に機能的ブロック
線図として示されている。この回路は作動入力および出
力をもつ20dBの信号増幅器110を含有する。一方の出力
は電圧制御の増幅器112へ導かれ、そして他方は高速ゲ
ート・ピーク検出114へ導かれる。他の回路の構成要素
は、12ビットのアナログ−ディジタル変換器116、12ビ
ットのディジタル−アナログ変換器118、TTLタイミング
論理120。および信号出力増幅器122を含む。VCA112の利
得は、少なくとも1000の範囲にわたってDC制御電圧の印
加により調節可能でなくてはならない。その上、VCA112
の利得は印加される制御電圧に範囲にわたって高度に線
形でなくてはならず、これは無線周波数の回路において
普通に使用されている一体的AGC増幅器の大きい部類に
当てはならない。結局、真に４つの四分円乗算器（quad
rant multiplier）［モトロラ（MOTOROLA）集積回路MC1
594］をVCA機能のために選択し、約80dBの線形利得範囲
を得た。高速ゲート・ピーク検出器114は、また、一体
的集積回路［二極信号のために構成されたプリーシジョ
ン・モノリシックス・インコーポレーテッド（Precisio
n Monolithics Inc.）のPKD−01］に基づく。この回路
はDC出力電圧の交番入力信号のピーク対ピークの振幅に
等しいDC出力電圧を生成する。小さいDCオフセット（約
100mV）を入力に加えて、内部のダイオードが常に伝導
性とするかぎり、このピーク検出器はRF信号の要求する
範囲にわたって適切な線形性を有する。
AGC操作において、ピーク検出器114は200マイクロセカ
ンドについて、チャープ励起パルスが終った直後に、タ
イミング論理120によりゲートで制御される。このサン
プリング期間の間、一時的ICR信号の初期のピーク対ピ
ークの振幅を第10図にタイミング線図で示すように測定
する。ピーク検出の比例的DC出力電圧はVCA112の設定に
直接使用することができない。なぜなら、それは小さい
が有意のトリフトをデータ獲得期間の間に有するからで
ある。また、要求されるDC制御電圧はピークの振幅に逆
比例し、そしてデバイダー回路をゲート・ピーク検出器
とVCA112との間に挿入しなくてはならない。原理的に
は、これはアナログ回路素子を使用して実施できるであ
ろうが、ディジタル回路を使用することはいっそう便利
でありかつ精確である。ゲート・ピーク検出器114のDC
出力を約25マイクロセカンド以内にアナログ−ディジタ
ル変換器116（マイクロ・ネットワーク・インコーポレ
ーテッドの集積回路ADC−80）によりディジタル化し、
そしてピークの振幅の12ビットの２進表示を処理のため
ホストコンピューター92へ移送する。数値スケール・フ
ァクターFsを、コンピューターにより評価し、12ビット
のディジタル−アナログ変換器（マイクロ・ネットワー
ク・インコーポレーテッドの集積回路DAC−HK）に供給
する。DAC118により発生されたアナログ電圧は、範囲０
〜1Vに電位差計によりスケーリングされ、そしてVCA112
として使用したような４つの四分円乗算器のＸ入力に供
給される。作動増幅器のICR信号を、10の全体の利得に
ついて構成された乗算器のＹ入力へ加える。乗算器（VC
A112）からの一定のピーク振幅信号を出力増幅器122
（利得100）へ加え、この増幅器122はその出力を引続く
回路への伝送のため50オームの線形ディバイダー123へ
加える。信号スケール・ファクターFsは、ホストコンピ
ューター中にあるいは磁気ディスク上に各一時的ICR信
号と一緒に記憶されて、真の信号振幅を後獲得処理の間
に再記憶させることができる。こうして、精確なイオン
クロマトグラフをなお発生させることができる。
ンドについて、チャープ励起パルスが終った直後に、タ
イミング論理120によりゲートで制御される。このサン
プリング期間の間、一時的ICR信号の初期のピーク対ピ
ークの振幅を第10図にタイミング線図で示すように測定
する。ピーク検出の比例的DC出力電圧はVCA112の設定に
直接使用することができない。なぜなら、それは小さい
が有意のトリフトをデータ獲得期間の間に有するからで
ある。また、要求されるDC制御電圧はピークの振幅に逆
比例し、そしてデバイダー回路をゲート・ピーク検出器
とVCA112との間に挿入しなくてはならない。原理的に
は、これはアナログ回路素子を使用して実施できるであ
ろうが、ディジタル回路を使用することはいっそう便利
でありかつ精確である。ゲート・ピーク検出器114のDC
出力を約25マイクロセカンド以内にアナログ−ディジタ
ル変換器116（マイクロ・ネットワーク・インコーポレ
ーテッドの集積回路ADC−80）によりディジタル化し、
そしてピークの振幅の12ビットの２進表示を処理のため
ホストコンピューター92へ移送する。数値スケール・フ
ァクターFsを、コンピューターにより評価し、12ビット
のディジタル−アナログ変換器（マイクロ・ネットワー
ク・インコーポレーテッドの集積回路DAC−HK）に供給
する。DAC118により発生されたアナログ電圧は、範囲０
〜1Vに電位差計によりスケーリングされ、そしてVCA112
として使用したような４つの四分円乗算器のＸ入力に供
給される。作動増幅器のICR信号を、10の全体の利得に
ついて構成された乗算器のＹ入力へ加える。乗算器（VC
A112）からの一定のピーク振幅信号を出力増幅器122
（利得100）へ加え、この増幅器122はその出力を引続く
回路への伝送のため50オームの線形ディバイダー123へ
加える。信号スケール・ファクターFsは、ホストコンピ
ューター中にあるいは磁気ディスク上に各一時的ICR信
号と一緒に記憶されて、真の信号振幅を後獲得処理の間
に再記憶させることができる。こうして、精確なイオン
クロマトグラフをなお発生させることができる。
AGC操作のためのタイミングは、双対ワン・ショット・
マルチバイブレーター124（74LS221）、Ｄ型フリップ・
フロップ127およびインバーター129からなる内部のTTL
論理回路により制御される。第９図のパルス・プログラ
マー96により提供される正のへりの論理トランジション
（positive−edge logic transition）は、ワン・ショ
ット125のライン126上の200マイクロセカンドの期間の
出力を開始する。この期間の終りにおいて、ライン128
上の100ナノセカンドのトリガー・パルスが発生して、
アナログ−ディジタル変換器116を始動させる。ADC116
からの変換終りのパルス（EOC）は使用されてデータの
ホストコンピューター92へのデータ移送を開始し、そし
て次の一時的信号のための準備においてピーク検出114
をリセットする。ホストコンピューター92からの論理パ
ルスはディジタル−アナログ変換器118をラッチ（latc
h）する。チャープ・パルスの終りと主信号獲得の開始
との間の臨界的時間間隔は、パルス・プログラマー96の
制御下にとどまってコーヒーレントな信号の平均化を保
証する。
マルチバイブレーター124（74LS221）、Ｄ型フリップ・
フロップ127およびインバーター129からなる内部のTTL
論理回路により制御される。第９図のパルス・プログラ
マー96により提供される正のへりの論理トランジション
（positive−edge logic transition）は、ワン・ショ
ット125のライン126上の200マイクロセカンドの期間の
出力を開始する。この期間の終りにおいて、ライン128
上の100ナノセカンドのトリガー・パルスが発生して、
アナログ−ディジタル変換器116を始動させる。ADC116
からの変換終りのパルス（EOC）は使用されてデータの
ホストコンピューター92へのデータ移送を開始し、そし
て次の一時的信号のための準備においてピーク検出114
をリセットする。ホストコンピューター92からの論理パ
ルスはディジタル−アナログ変換器118をラッチ（latc
h）する。チャープ・パルスの終りと主信号獲得の開始
との間の臨界的時間間隔は、パルス・プログラマー96の
制御下にとどまってコーヒーレントな信号の平均化を保
証する。
ディジタル−アナログ変換器AGC回路の他の利点は明ら
かである。例えば、上に定義した簡単なスケール・ファ
クターFsを使用する代わりに、較正多項式関数またはル
ック・アップ・テーブルを使用してアナログ回路の非線
形性を補正することができる。また、増幅器の利得は本
来コンピューターの制御下にあるので、一時的信号の自
動アポダイゼーションを実時間に実施することができ
る。
かである。例えば、上に定義した簡単なスケール・ファ
クターFsを使用する代わりに、較正多項式関数またはル
ック・アップ・テーブルを使用してアナログ回路の非線
形性を補正することができる。また、増幅器の利得は本
来コンピューターの制御下にあるので、一時的信号の自
動アポダイゼーションを実時間に実施することができ
る。
オートレンジング（autoranging）自動利得制御増幅器1
08と主信号ディジタル化装置との間に、第９図に示すよ
うに、２つの追加の回路を挿入する。これらの回路は二
重平行ミクサー132（これはスイッチ133により信号通路
の中へ入れ、あるいはそこから外に出すことができる）
と、プログラミング可能な低減通過フィルター134であ
る。一緒に、これらはヘテロダインまたは狭い帯域のモ
ードで分析計の操作を提供する。ICR信号は局部発振器1
35からの参照信号と混合（ヘテロダイン化）されて、観
測される周波数の帯域幅を狭くし、それゆえ実験の質量
分解能を増加させる。ヘテロダイン化は和および異る周
波数の双方を生成し、そして和成分は低域通過フィルタ
ー134により大きく除去される。フィルターを、また、
ミクサーに対して独立に使用してICR信号から高い周波
数の雑音成分を除去することができる。
08と主信号ディジタル化装置との間に、第９図に示すよ
うに、２つの追加の回路を挿入する。これらの回路は二
重平行ミクサー132（これはスイッチ133により信号通路
の中へ入れ、あるいはそこから外に出すことができる）
と、プログラミング可能な低減通過フィルター134であ
る。一緒に、これらはヘテロダインまたは狭い帯域のモ
ードで分析計の操作を提供する。ICR信号は局部発振器1
35からの参照信号と混合（ヘテロダイン化）されて、観
測される周波数の帯域幅を狭くし、それゆえ実験の質量
分解能を増加させる。ヘテロダイン化は和および異る周
波数の双方を生成し、そして和成分は低域通過フィルタ
ー134により大きく除去される。フィルターを、また、
ミクサーに対して独立に使用してICR信号から高い周波
数の雑音成分を除去することができる。
前述のように、ICR装置は5MHzまでの周波数で作動する1
2ビットのアナログ−ディジタル変換器106［アナログ・
ディバイシズ・インコーポレーテッド（Analog Devices
Inc.）のMOD−1205］を利用する。従来の実験室のコン
ピューター92はこの高い速度で獲得される情報を受取る
ことはできず、また同様に多数の制御を実施することお
よび分析計において関数を処理することができない。結
局、加算／減算の算術能力をもつ高速（200MB/秒のバー
スト速度）の分割可能なバッファー・メモリー136（算
術論理装置138により提供される、［ALU］）を使用し
て、ディジタル化された干渉写真を受取り、そして信号
平均化能力を提供する。この高速平均値算出装置は、ダ
タラムインコーポレーテッド（DATARAM Inc.）製のワイ
ドワード（WideWord バルク・メモリー・モジュールの
変更により構成した。分析ICR実験のための十分なディ
ジタル分解能を提供するためには、少なくとも１メガ語
の32ビットのメモリーを必要とする。１メガ語のメモリ
ーは、2MHzの周波数におけるデータ獲得で、質量100〜6
00ドルトンの広い範囲のスペクトルにおいて21,000に質
量分解能を制限するであろう。これより高い分解能を達
成するためには、ヘテロダイン（ミクサー）モードの操
作を必要とするであろう。
2ビットのアナログ−ディジタル変換器106［アナログ・
ディバイシズ・インコーポレーテッド（Analog Devices
Inc.）のMOD−1205］を利用する。従来の実験室のコン
ピューター92はこの高い速度で獲得される情報を受取る
ことはできず、また同様に多数の制御を実施することお
よび分析計において関数を処理することができない。結
局、加算／減算の算術能力をもつ高速（200MB/秒のバー
スト速度）の分割可能なバッファー・メモリー136（算
術論理装置138により提供される、［ALU］）を使用し
て、ディジタル化された干渉写真を受取り、そして信号
平均化能力を提供する。この高速平均値算出装置は、ダ
タラムインコーポレーテッド（DATARAM Inc.）製のワイ
ドワード（WideWord バルク・メモリー・モジュールの
変更により構成した。分析ICR実験のための十分なディ
ジタル分解能を提供するためには、少なくとも１メガ語
の32ビットのメモリーを必要とする。１メガ語のメモリ
ーは、2MHzの周波数におけるデータ獲得で、質量100〜6
00ドルトンの広い範囲のスペクトルにおいて21,000に質
量分解能を制限するであろう。これより高い分解能を達
成するためには、ヘテロダイン（ミクサー）モードの操
作を必要とするであろう。
実験の厳格なデータ処理の要件は、ディジタル・コンピ
ューター92の性能にきびしい要求を付与する。大きいデ
ータ配列は１秒程度の時間内にフーリエ変換されなけれ
ばならず、これはホストコンピューターの能力を越えて
いる。この短い処理時間は、つかの間のクロマトグラフ
ィーの試料からの情報の損失を回避するために必要とさ
れる（毛管GCおよび微小孔LCのピークはわずかに数秒の
半幅を有する）。結局、パイプライン化（pipelined）
ベクトル算術プロセッサーは、配列プロセッサーとも呼
ばれる、190を使用した要求される処理時間を達成しな
くてはならない。本発明の例示する実施態様において、
ホストコンピューター92、バッファー・メモリー136、
および配列プロセッサー92（SKYコンピューターズ・イ
ンコーポレーテッドにより供給される高速ベクトル算術
プロセッサー）は共通の母線142（モトロラのVERSbus
のプロトコールに基づく）を有してデータの処理速度を
最大にする。
ューター92の性能にきびしい要求を付与する。大きいデ
ータ配列は１秒程度の時間内にフーリエ変換されなけれ
ばならず、これはホストコンピューターの能力を越えて
いる。この短い処理時間は、つかの間のクロマトグラフ
ィーの試料からの情報の損失を回避するために必要とさ
れる（毛管GCおよび微小孔LCのピークはわずかに数秒の
半幅を有する）。結局、パイプライン化（pipelined）
ベクトル算術プロセッサーは、配列プロセッサーとも呼
ばれる、190を使用した要求される処理時間を達成しな
くてはならない。本発明の例示する実施態様において、
ホストコンピューター92、バッファー・メモリー136、
および配列プロセッサー92（SKYコンピューターズ・イ
ンコーポレーテッドにより供給される高速ベクトル算術
プロセッサー）は共通の母線142（モトロラのVERSbus
のプロトコールに基づく）を有してデータの処理速度を
最大にする。
これらの実験において要求される大きいデータ配列は、
大きいマス・メディアの記憶を必要とする。例えば、未
処理のICR干渉写真の記憶に使用される500メガバイトの
磁気ディスク144は単一のクロマトグラフィーの実験に
おいて完全に充填することができる。小さい磁気ディス
ク146は周波数領域スペクトルのための記憶を提供す
る。なぜなら、イオンの質量および振幅についての情報
を貯蔵することだけが必要であるからである。流れる磁
気テープ148をスペクトルの獲得に使用する。
大きいマス・メディアの記憶を必要とする。例えば、未
処理のICR干渉写真の記憶に使用される500メガバイトの
磁気ディスク144は単一のクロマトグラフィーの実験に
おいて完全に充填することができる。小さい磁気ディス
ク146は周波数領域スペクトルのための記憶を提供す
る。なぜなら、イオンの質量および振幅についての情報
を貯蔵することだけが必要であるからである。流れる磁
気テープ148をスペクトルの獲得に使用する。
イオン分子の反応はICRセルにおいて衝突気体のパルス
を注入することにより研究することができる。例示する
装置において、これはソレノイドのパルス化気体弁150
［マクステック・インコーポレーテッド（Maxtec In
c.）のMV−112型］を使用して達成し、この弁はパルス
・プログラマー96の制御下に作動される。この弁150は
試薬の気体の瞬間的に高い圧力（約10-3トル）を提供
し、その間イオン分子の反応が起こる。この弁は0.001
秒程度に短い時間で開くことができ、そして高い真空は
低温ポンプにより生成物のイオンのICR信号の低圧観測
のために急速に回復される。
を注入することにより研究することができる。例示する
装置において、これはソレノイドのパルス化気体弁150
［マクステック・インコーポレーテッド（Maxtec In
c.）のMV−112型］を使用して達成し、この弁はパルス
・プログラマー96の制御下に作動される。この弁150は
試薬の気体の瞬間的に高い圧力（約10-3トル）を提供
し、その間イオン分子の反応が起こる。この弁は0.001
秒程度に短い時間で開くことができ、そして高い真空は
低温ポンプにより生成物のイオンのICR信号の低圧観測
のために急速に回復される。
第９図に示す他のモジュールは、考察を必要としない：
コンピューターのキーボード152、プリンター154、ラス
ター操作グラフィック表示オッシログラフ156、および
ディジタル・プロッター158はすべて普通の応用におい
て使用される標準の商品である。
コンピューターのキーボード152、プリンター154、ラス
ター操作グラフィック表示オッシログラフ156、および
ディジタル・プロッター158はすべて普通の応用におい
て使用される標準の商品である。
第１図は、イオンサイクロトロン共鳴（ICR）検出セル
の略図である。 第２図は、無線周波数の四重極の電界により７テスラの
超伝導ソレノイド磁石のボアの中に案内される質量100a
muのイオンの軌道のコンピューターのシミューションを
三次元の図面で示す。 第３図は、７テスラの超伝導ソレノイド磁石のボアの中
へ動く質量100amvのイオンの軌道のコンピューターのシ
ミュレーションである。 第４図は、静電レンズ:A）３構成要素の開口レンズ；お
よびＢ）３構成要素のシリンダーレンズの典型的な構成
を示す。 第５図は、３構成要素のシリンダーレンズを磁界の不存
在下に通るイオンの軌道のコンピューターのシミュレー
ションを三次元の切欠き図面で示す。 第６図は、３構成要素のシリンダーレンズをＺ方向に増
加する磁界の勾配の存在下に通るイオンの軌道のコンピ
ューターのシミュレーションを三次元の切欠き図面で示
す。 第７図は、フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴質量
分析計の１つの実施態様の略断面図である。 第８図は、試料の入口およびイン化システムの略図であ
る。 第９図は、本発明の装置の図解した実施態様の必須電子
成分の相互の接続のブロック線図である。 第10図は、典型的なフーリエ変換イオンサイクロトロン
共鳴の実験のイオン捕獲、励起および補足の順序におけ
る種々の事象のタイミングを示す線図である。事象の各
々につての代表的期間は右欄に記載されている。 第11図は、ディジタル利得制御要素を有する自動的利得
制御（AGC）増幅器のブロック線図である。 Ａ……真空室の区域 Ｂ……磁界 Ｂ……真空室の区域 Ｃ……真空室の区域 11……板 12……板 13……板 14……板 15……板 16……板 18……磁界の方向 19……補足セル 20……スクリーン 25……棒 26……棒 27……棒 28……棒 30……ディスク 31……ディスク 32……ディスク 39……エインゼル・レンズ 51……真空ハウジング 53……六方管状交差部 63……低温真空ポンプ 64……ゲート弁 64a……ゲート弁 65……イオン源 66……イオン抽出レンズ 67……フィラメント 68……低分解能質量フィルター 69……３構成要素のシリンダーレンズ 71……入口 73……レーザー 76……小さいオリフィス 77……第２オリフィス 80……静電ステアリング板 81……静電ステアリング板 82……グリッド管 83……静電３構成要素のシリンダーレンズ 84……第２等電位グリッド管 85……静電３構成要素のシリンダーレンズ 86……３構成要素の開口減速レンズ 87……イオン捕獲セル 91……イオン・オプチクス制御器 92……ホストコンピューター 94……ディジタル−アナログ変換器 96……プログラミング可能なパルス発生器 98……ディジタル周波数シンセサイザー 100……シンセサイザーのプログラマー 102……差動RFトランスミッター 104……差動プリアンプ 106……主信号ディジタル化装置 108……自動利得制御増幅器 110……信号増幅器 112……電圧制御の増幅器 114……高速ゲート・ピーク検出器 116……アナログ−ディジタル変換器 118……ディジタル−アナログ変換器 120……TTLタイミング論理 122……信号出力増幅器 123……線形デバイダー 125……双対ワン・ショット・マルチバイブレーター 126……ライン 127……フリップ・フロップ 128……ライン 129……インバーター 132……二重平衡ミクサー 133……スイッチ 134……プログラム可能の低域通過フィルター 135……局部発振器 136……分割可能なバッファー・メモリー 138……算術論理装置 140……配列 142……共通の母線 144……磁気ディスク 146……磁気ディスク 148……磁気テープ 150……弁 152……コンピューターのキーボード 154……プリンター 156……ラスター操作グラフィック表示オッシログラフ 158……ディジタル・プロッター
の略図である。 第２図は、無線周波数の四重極の電界により７テスラの
超伝導ソレノイド磁石のボアの中に案内される質量100a
muのイオンの軌道のコンピューターのシミューションを
三次元の図面で示す。 第３図は、７テスラの超伝導ソレノイド磁石のボアの中
へ動く質量100amvのイオンの軌道のコンピューターのシ
ミュレーションである。 第４図は、静電レンズ:A）３構成要素の開口レンズ；お
よびＢ）３構成要素のシリンダーレンズの典型的な構成
を示す。 第５図は、３構成要素のシリンダーレンズを磁界の不存
在下に通るイオンの軌道のコンピューターのシミュレー
ションを三次元の切欠き図面で示す。 第６図は、３構成要素のシリンダーレンズをＺ方向に増
加する磁界の勾配の存在下に通るイオンの軌道のコンピ
ューターのシミュレーションを三次元の切欠き図面で示
す。 第７図は、フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴質量
分析計の１つの実施態様の略断面図である。 第８図は、試料の入口およびイン化システムの略図であ
る。 第９図は、本発明の装置の図解した実施態様の必須電子
成分の相互の接続のブロック線図である。 第10図は、典型的なフーリエ変換イオンサイクロトロン
共鳴の実験のイオン捕獲、励起および補足の順序におけ
る種々の事象のタイミングを示す線図である。事象の各
々につての代表的期間は右欄に記載されている。 第11図は、ディジタル利得制御要素を有する自動的利得
制御（AGC）増幅器のブロック線図である。 Ａ……真空室の区域 Ｂ……磁界 Ｂ……真空室の区域 Ｃ……真空室の区域 11……板 12……板 13……板 14……板 15……板 16……板 18……磁界の方向 19……補足セル 20……スクリーン 25……棒 26……棒 27……棒 28……棒 30……ディスク 31……ディスク 32……ディスク 39……エインゼル・レンズ 51……真空ハウジング 53……六方管状交差部 63……低温真空ポンプ 64……ゲート弁 64a……ゲート弁 65……イオン源 66……イオン抽出レンズ 67……フィラメント 68……低分解能質量フィルター 69……３構成要素のシリンダーレンズ 71……入口 73……レーザー 76……小さいオリフィス 77……第２オリフィス 80……静電ステアリング板 81……静電ステアリング板 82……グリッド管 83……静電３構成要素のシリンダーレンズ 84……第２等電位グリッド管 85……静電３構成要素のシリンダーレンズ 86……３構成要素の開口減速レンズ 87……イオン捕獲セル 91……イオン・オプチクス制御器 92……ホストコンピューター 94……ディジタル−アナログ変換器 96……プログラミング可能なパルス発生器 98……ディジタル周波数シンセサイザー 100……シンセサイザーのプログラマー 102……差動RFトランスミッター 104……差動プリアンプ 106……主信号ディジタル化装置 108……自動利得制御増幅器 110……信号増幅器 112……電圧制御の増幅器 114……高速ゲート・ピーク検出器 116……アナログ−ディジタル変換器 118……ディジタル−アナログ変換器 120……TTLタイミング論理 122……信号出力増幅器 123……線形デバイダー 125……双対ワン・ショット・マルチバイブレーター 126……ライン 127……フリップ・フロップ 128……ライン 129……インバーター 132……二重平衡ミクサー 133……スイッチ 134……プログラム可能の低域通過フィルター 135……局部発振器 136……分割可能なバッファー・メモリー 138……算術論理装置 140……配列 142……共通の母線 144……磁気ディスク 146……磁気ディスク 148……磁気テープ 150……弁 152……コンピューターのキーボード 154……プリンター 156……ラスター操作グラフィック表示オッシログラフ 158……ディジタル・プロッター
Claims (16)
- 【請求項１】蒸発した化学試料から正および負にイオン
化された分子の精確な質量を測定するフーリエ変換イオ
ンサイクロトロン共鳴質量分析計であって、 ａ）内圧が減少する順序で、開口により分離された、第
１、第２および第３の差動排気される真空区域に分割さ
れた真空ハウジング； ｂ）前記真空ハウジングの前記第１区域に化学物質を導
入し、蒸発させかつイオン化させる導入手段； ｃ）前記真空ハウジングの前記第１区域から第２区域へ
イオンを輸送する手段； ｄ）強い均質な磁界を生成する手段であって前記磁界は
前記真空ハウジングの前記第３区域内に横たわる主軸を
有しかつ前記第２区域の中に伸込む不均質区域を有す
る、強い均質な磁界を生成する手段； ｅ）前記磁界の前記主軸に沿って、前記磁界の不均質な
周辺区域においてかつ前記真空ハウジングの前記第２お
よび第３の区域を分離する開口を通して、イオンを集束
し、加速しかつ案内する静電シリンダーレンズ； ｆ）前記磁界の均質区域においてイオンを熱的速度付近
に減速する手段； ｇ）前記真空ハウジングの第３超高真空室区域におい
て、前記強い磁界の均質部分に位置し、限られた体積の
空間内にイオンを捕獲するイオンサイクロトロン共鳴質
量分析器のセル； ｈ）パルス化された試薬の気体を前記セルに導入した反
応的衝突を誘導する手段； ｉ）振動する電界を形成して捕獲されたイオンをより大
きい軌道半径に加速し、これによりイオンの観測可能な
コーヒレントな動きをつくる手段；および ｊ）捕獲されたイオンの軌道運動の特性周波数を観測可
能とし、これにより精確なイオンの質量を計算できるよ
うにする手段； を特徴とするフーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴質
量分析計。 - 【請求項２】不必要なイオンをイオン化された試料から
除去する手段をさらに含み；そしてヘテロダインまたは
狭い帯域のモードで作動して質量の分解能を改良する手
段をさらに含む特許請求の範囲第１項記載の分析計。 - 【請求項３】前記真空ハウジングは３つの六万フランジ
付き管状交差部と、第１、第２および第３の低温高真空
ポンプにより特徴づけられ、前記交差部は管状区画によ
り相互に接続されかつ小さいオリフイスにより前記第
１、第２および第３の区域に分離されており、そして前
記ポンプは前記第１、第２および第３の区域をポンピン
グし；前記導入手段は固体の化学試料を導入しかつ蒸発
させる蒸発部を含み；前記導入手段はクロマトグラフイ
ーのセパレーターにおいて生ずる気体および液体の担体
中に溶解した化学試料を導入する導入部、および前記試
料分子をイオン化する手段を含み；前記輸送手段は前記
導入手段からイオンを抽出して導入し、蒸発させかつイ
オン化する３構成要素の静電開口レンズからなり；前記
除去手段は低分解能質量フイルターからなり、前記フイ
ルターは両端に漏れ誘電場セパレーターを備える短い電
気四重極棒を含み、不必要な低い質量のイオンを除去し
かつ単一のイオンを選択的に伝送し；前記集束、加速お
よび案内手段は静電３構成要素のシリンダーレンズおよ
び２対の静電転向板からなり、前記シリンダーレンズは
前記四重極棒から出るイオンのビームを集束し、そして
前記転向板を水平および垂直に配向していてイオンのビ
ームを前記真空ハウジングの前記第２区域と第３区域と
の間の開口を通して案内する特許請求の範囲第１項記載
の分析計。 - 【請求項４】前記集束、加速および案内手段は１対の３
構成要素の静電シリンダーレンズをさらに含み、前記レ
ンズは前記第２区域と第３区域との間の開口から出るイ
オンを加速および集束して厳格に平行にされたビームに
して前記真空ハウジングの第３区域を通してイオンを輸
送し、前記第３区域においてイオンは磁界の勾配に沿っ
たイオンの動きから生ずる力を克服するために十分な速
度を磁界の主軸に沿って獲得し；前記減速手段は静電３
構成要素の開口リターデイシヨンレンズからなり、前記
リターデイシヨンレンズは前記セルの前に位置してイオ
ンを前記セルへ入る前に熱的速度に減速し、これにより
効率よりイオンの捕獲を促進し；前記イオンサイクロト
ロン共鳴質量分析器のセルは箱を形成する６つの電気的
に隔離された金属板からなり、そして装置の前記第３超
高真空室区域に位置し、そして前記強い磁界の均質部分
の中に挿入されており、電界および磁界において生ずる
力により、イオンを前記セルの範囲内に捕獲し、これに
より捕獲されたイオンの存在、存在量および質量を決定
することができ；そして観測可能とする前記手段はICR
影像回路の検出のためのデイジタル利得制御要素を有す
る可変利得電子増幅回路を含み、前記回路は信号の増幅
の自動調節を提供し、前記回路は信号増幅が短い時間間
隔で最初に測定されそして増幅器の利得が比例的に設定
されかつより長い信号獲得期間の間に一定に保持される
ように作動し、その結果前記回路の出力信号は前記セル
中に捕獲されたイオンの存在量に無関係に明白に同一の
振幅を有する特許請求の範囲第３項記載の装置。 - 【請求項５】局部発振器およびICR信号を前記局部発振
器が供給する交流電圧と混合する手段をさらに含み、こ
れにより観測される分子量範囲を狭くしかつ改良された
分解能および分子量の精度を提供する特許請求の範囲第
４項記載の装置。 - 【請求項６】前記ICR信号をデイジタル化する手段を有
し、そして前記デイジタル化ICR質量スペクトル信号を
例外的に大きいデータ配列で記憶しかつ数値信号を平均
化する手段をさらに含み、前記手段は分割可能な超高速
バツフアー・メモリーおよび算術論理回路を含み、これ
により質量スペクトルの測定において得られる分解能お
よび質量の精度は増加される特許請求の範囲第４項記載
の装置。 - 【請求項７】デイジタル・ベクトル算術プロセツサーを
さらに含み、前記プロセツサーは超高速フーリエ変換お
よび他の数学的演算を提供するようにプログラミングさ
れており、これにより例外的に大きいデータ配列はつか
の間のクロマトグラフイーの試料源および高速蒸発方向
挿入プローブと適合する時間期間において獲得および処
理されることができる特許請求の範囲第６項記載の装
置。 - 【請求項８】蒸発した化学試料から正および負にイオン
化された分子の精確な質量を測定するフーリエ変換イオ
ンサイクロトロン共鳴質量分析計であって、 ａ）内圧が減少する順序で、開口により分離された、第
１、第２および第３の差動排気される真空区域に分割さ
れた真空ハウジング； ｂ）前記真空ハウジングの前記第１区域に化学物質を導
入し、蒸発させかつイオン化させる手段； ｃ）イオンを前記第１区域から抽出しかつ前記第２区域
へイオンを輸送する３構成要素の静電開口レンズ；およ
び ｄ）強い均質な磁界を生成する手段を具備し、前記磁界
は前記真空ハウジングの前記第３区域内に横たわる主軸
を有しかつ前記第２区域の中に伸込む不均質区域を有
し； ｅ）イオンを集束する静電３構成要素のシリンダーレン
ズ、および２対の静電転向板を具備し、前記転向板は水
平にかつ垂直に配向されていて前記真空ハウジングの前
記第２区域と前記第３区域との間の開口を通してイオン
を集束し、加速しかつ案内し；更に１対の３構成要素の
静電シリンダーレンズを具備し、これらのレンズは前記
第２区域と前記第３区域との間の開口から出るイオンを
加速しかつ集束して厳密に平行なビームにし、かつイオ
ンを前記真空ハウジングの第３区域を通して輸送し、イ
オンは磁界の勾配に沿ったイオンの動きから生ずる力を
克服するために十分な速度を磁界の主軸に沿って獲得
し； ｆ）更に、イオンを前記磁界の均質区域において熱的速
度に減速する、静電３構成要素の開口リターデイシヨン
レンズ； ｇ）前記真空ハウジングの第３超高真空室区域におい
て、前記強い磁界の均質部分に位置し、限られた体積の
空間内にイオンを捕獲するイオンサイクロトロン共鳴質
量分析器のセル； ｈ）パルス化された試薬の気体を前記セルに導入して反
応的衝突を誘導する手段； ｉ）振動する電界を形成して捕獲されたイオンをより大
きい軌道半径に加速し、これによりイオンの観測可能な
コーヒレントな動きをつくる手段；および ｊ）捕獲されたイオンの軌道運動の特性周波数を観測可
能とし、これにより精確なイオンの質量を計算できるよ
うにする手段； を具備することを特徴とするフーリエ変換イオンサイク
ロトロン共鳴質量分析計。 - 【請求項９】不必要なイオンをイオン化された試料から
除去する手段をさらに含む特許請求の範囲第８項記載の
分析計。 - 【請求項１０】前記除去手段は低分解能質量フイルター
からなり、前記フイルターは両端に漏れ誘電場セパレー
ターを備える短い電気四重極棒を含み、不必要な低い質
量のイオンを除去しかつ単一のイオンを選択的に伝送
し；前記イオンサイクロトロン共鳴質量分析器のセルは
箱を形成する６つの電気的に隔離された金属板空なり、
そして装置の前記第３超高真空室区域に位置し、そして
前記強い磁界の均質部分の中に挿入されており、電界お
よび磁界において生ずる力により、イオンを前記セルの
範囲内に捕獲し、これにより捕獲されたイオンの存在、
存在量および質量を決定することができ；そして観測可
能とする前記手段はICR影像回路の検出のためのデイジ
タル利得制御要素を有する可変利得電子増幅回路を含
み、前記回路は信号の増幅の自動調節を提供し、前記回
路は信号増幅が短い時間間隔で最初に測定されそして増
幅器の利得が比例的に設定されかつより長い信号獲得期
間の間に一定に保持されるように作動し、その結果前記
回路の出力信号は前記セル中に捕獲されたイオンの存在
量に無関係に明白に同一の振幅を有する特許請求の範囲
第９項記載の装置。 - 【請求項１１】フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴
質量分析により化学試料を分析する方法であって、 ａ）第１区域に試料を導入しかつ蒸発させ； ｂ）試料をイオン化し； ｃ）イオンを平行にされたビームでイオンサイクロトロ
ン共鳴質量分析器のセルへ輸送し、ここでイオンは加え
られた電界および磁界により捕獲されることができ； ｄ）捕獲されたイオンを、無線周波数の振動する電界を
加えることによって、より大きい軌道に加速し；そして ｅ）イオンサイクロトロンの共鳴周波数の観測により精
確なイオンの質量を測定し、イオンの運動によりICRセ
ル壁の中に誘導された交番電流で表わし、そして前記電
流のフーリエ変換をデイジタル化することにより観測可
能とする； ことを特徴とするフーリエ交換イオンサイクロトロン共
鳴質量分析により化学試料を分析する方法。 - 【請求項１２】ICR信号を局部発振器により供給される
交流電圧と混合することにより、狭いイオン帯域幅のモ
ードで操作することをさらに含み、これにより観測され
る質量範囲を狭くしかつ分解能および精度を改良し；そ
れぞれ分割可能な超高速バツフアー・メモリーおよび算
術論理回路において、デイジタル化されたICR質量スペ
クトル信号を例外的に大きいデータ配列で記憶しかつ数
値信号の平均化を実施することをさらに含み、これによ
り質量スペクトルの測定において得られる分解能および
質量の精度を増加し；そしてデイジタル・ベクトル算術
プロセツサーを使用して超高速フーリエ変換および他の
数学的演算を提供することをさらに含み、これによりつ
かの間のクロマトグラフイーの試料源および高速蒸発方
向挿入プローブと適合する時間期間において、例外的に
大きいデータ配列を獲得しかつ処理することができる特
許請求の範囲第11項記載の方法。 - 【請求項１３】試料を導入し、イオン化し、イオンを捕
獲セルへ輸送し、そこで質量分析を実施する、蒸発した
化学試料から正および負にイオン化された分子の精確な
質量を測定するフーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴
質量分析計において、捕獲されたイオンの軌道運動の特
性周波数を観測可能として、ICR信号を提供する装置で
あって、捕獲されたイオンの影像電流を検出するための
デイジタル利得制御要素を有する可変利得電子増幅回
路、前記回路は前記信号の振幅の自動調節を提供する手
段を含む、および前記信号の振幅が最初に短い時間間隔
で測定されそして増幅器の利得が比例的に設定されかつ
より長い信号獲得期間の間に一定に保持されるように前
記回路を作動させるタイミング手段、その結果前記回路
の出力信号はセル内に捕獲されたイオンの存在量に無関
係に明白に同一の振幅を有することを特徴とする装置。 - 【請求項１４】前記可変利得回路の出力をデイジタル化
する手段をさらに含み；局部発振器および前記可変利得
回路の出力を前記局部発振器が供給する交流電圧と混合
する手段をさらに含み、これにより観測される質量範囲
を狭くしかつ改良された分解能および質量の精度を提供
し；デイジタル化されたICR質量スペクトル信号を記憶
しかつ数値的信号を平均化する手段をさらに含み、前記
手段は分割可能な超高速バツフアー・メモリーおよび算
術論理回路を含み、これにより質量測定において得られ
る分解能および質量の精度は増加され；そしてデイジタ
ル・ベクトル算術プロセツサーをさらに含み、前記プロ
セツサーは超高速フーリエ変換および他の数学的演算を
提供し、これによりつかの間のクロマトグラフイーの試
料源および高速蒸発方向挿入プローブと適合する時間期
間において、例外的に大きいデータ配列を獲得しかつ処
理することができる特許請求の範囲第13項記載の装置。 - 【請求項１５】前記可変利得回路は、 ａ）電圧制御の増幅器； ｂ）ICR信号を前記電圧制御の増幅器と結合する差動増
幅器； ｃ）前記差動増幅器から出力を受取るゲート・ピーク検
出器； ｄ）その出力を利得制御入力として前記電圧制御の増幅
器へ提供する、前記ゲート・ピーク検出器の出力をスケ
イリングする手段； を特徴とする特許請求の範囲第13項記載の装置。 - 【請求項１６】前記スケイリング手段は、 ａ）前記ピーク検出器の出力をデイジタル信号に変換す
るアナログ−デイジタル変換器； ｂ）前記デイジタル信号を受取りかつスケイリングされ
たデイジタル出力を提供するようにプログラミングされ
たデイジタル・コンピユーター；および ｃ）前記スケイリングされたデイジタル出力を入力とし
て有しかつその出力を前記電圧制御の増幅器へ供給する
デイジタル−アナログ変換器； を特徴とする特許請求の範囲第15項記載の装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US06/685,811 US4686365A (en) | 1984-12-24 | 1984-12-24 | Fourier transform ion cyclothon resonance mass spectrometer with spatially separated sources and detector |
| US685811 | 1984-12-24 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61203554A JPS61203554A (ja) | 1986-09-09 |
| JPH0746597B2 true JPH0746597B2 (ja) | 1995-05-17 |
Family
ID=24753764
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60289560A Expired - Lifetime JPH0746597B2 (ja) | 1984-12-24 | 1985-12-24 | 空間的に分離された源および検出器を有するフ−リエ変換イオンサイクロトロン共鳴質量分析計 |
Country Status (7)
| Country | Link |
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