JPS62276739A - ４重極イオントラツプ質量分析計のダイナミツクレンジと感度とを増大させる方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ３、発明の詳細な説明 （技術分野） 本発明は４型棒イオントラップ質量分析計のダイナミッ
クレンジと感度とを増大させる方法に関する。

イオントラップ質量分析計について、ボール外（Ｐａｕ
ｌ　ｅｔ　ａｌ）の１９６０年６月７日付は米国特許第
２，９３９，９５２号に記載がなされている。実際には
、これは広義には４電極イオンストアと称されている。

一般に、双曲線形電場は、同等の双曲線形トラップ電場
を生成させる双曲線形電極構造又は球形電極構造を用い
てイオン蓄積領域を提供ず′る。イオントラップ質量分
析計について、ドーソン外（Ｄａｗｓｏｎ　ｅｔ　ａｔ
）の特許第３，５２７，９３９号、マツキーパ（ＭｃＩ
ｖｅｒ　）の特許第３，７４２，２１２号、マツキーパ
−外（Ｍｃｌｖｅｒ　ｅｔ　ａｌ）の特許第４，１０４
，９１７号及びスタッフオード外（５Ｌａｆｆｏｒｄ　
ａｔ　ａｌ）の特許第４，５４０，８８４号にも記載が
なされている。

このような質量分析計においては、成る範囲の比電荷を
持つイオンが同装置に安定的に捕えられるように、ＲＦ
　　電圧■、周波数ｆ　、　ｄ、ｃ、電圧Ｕ、ラメータ
は走査パラメータと称され、捕えられる質量に対して一
定の関係を持っている。安定なイオンについては、比電
荷の各々の値について独特の長年周波数（ｓｅｃｕｌａ
ｒ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）が存在する・イオンを検出す
るため、イオンの振動に接続する周波数同調回路によっ
てその周波数を決定することができ、次に解析技術を用
いて比電荷を決定することができる。

他の操作モード、すなわちイオン貯蔵モードはむしろ典
型的なＭＳ技術に関連し、この技術では、マシュー曲線
において、指定された正規走査線が一時に唯一の質量の
イオンを選択する。すなわち、他のイオンは不安定であ
り、捕獲することができないのである。次に、端部キャ
ップ間に電圧パルスをかけ、捕獲されていた安定なイオ
ンを貯蔵領域から検出器へ放逐する。与えられた比電荷
を選択するために、適当な電圧■、Ｕ及び周波数（ｆ）
をかけなければならない。

特許第４，５４０，８８４号には、試料の成分を示すイ
オンを形成するために試料をイオン化する工程から成る
試料の質量分析を行なう方法が記載されている。興味の
ある質量範囲のイオンが、イオン貯蔵装置内に実質上双
曲線形の電場を生成させる電極に適当なｄ、ｃ、及びＲ
Ｆ雷電圧かけることによって同イオン貯蔵装置に一時的
に捕獲される。かける電圧を所定範囲内で変化させる。

特定の比電荷のイオンが順次に選択的に不安定となって
イオントラップから出て行く。不安定なイオンは、その
イオントラップから出て行く際に検出され、同イ′オン
が不安定となる走査パラメータにより同定される。

ガスクロマトグラフと関連させて質量分析計を操作する
時は、イオントラップに入ってイオン化され解析される
試料の濃度は一様でない。従来技術では、イオン化時間
は比較的に一定していた。

従って、試料濃度が高い場合には、飽和及び空間電荷効
果が現われて、質量分解能及び感度が損なわれ、質量指
定に誤差が生じる結果となる。

（発明の摘要） 本発明の目的は、４電極イオントラップ質量分析計を操
作する改良された方法を提供することである。

本発明の他の目的は、広いｔｆｆｉ範囲にわたってイオ
ンを検出するため広いダイナミックレンジと高い感度と
を有す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。

本発明の更に他の目的は、イオン化時間を調節して形成
されるイオンの数を調節して飽和と空間電荷蓄積とを防
止し、その結果として広い動的試料濃度又は圧力範囲に
わたって高い分解能及び感度を達成するイオントラップ
質量分析計を提供することである。

上記の目的に従って、イオントラップにおいて形成され
る試料イオンの数を調節して飽和及び空間電荷を防ぐ、
４電極イオントラップ質量分析計で試料の質量分析を行
なう方法が提供される。

上記目的及びその他の目的は、以下の説明及び添付図面
から一層明瞭に理解されよう。

（実施例） 先ず第１図を参照すると、３次元イオントラップが１０
で指示されている。このイオントラップはリング電極１
１と、互いに対向する２つの端部キャップ１２．１３と
を含む。無線周波数（ＲＦ）電圧発生器１４はリング電
極１１に接続され、接地された端部キャップとリング電
極との間に無線周波数（ＲＦ）電圧Ｖｓｉｎ　ｗｔを供
給する。この電圧は、イオン貯蔵領域又は容積１６の中
にイオンを捕獲するための４電極電場を生成させる。こ
の貯蔵領域は垂直寸法ｚ０及び半径ｒ０を有する。

イオントラップ１０内の対称電場は、第３図に示す安定
性線図に帰着する。捕獲することのできるイオン質量は
走査パラメータの数値に依存する。

捕獲されたイオンの比電荷に対する走査パラメータの関
係は、第３図においてパラメータａ及びｑによって記さ
れている。

これらのパラメータは次のように定義される。

−８ｅＵ ｒｅＶ ■＝無線周波数（ＲＦ）電圧の振幅 Ｕ＝かけられた直流（ｄ、ｃ、）電圧の大きさｅ＝帯電
粒子の電荷 ｍ＝帯電粒子の質量 ｒ０＝３次元４重極電極構造対称軸の中心からリング電
極までの距離 ｚｏ＝ｒｏ／Ｊ−− ｗ　　＝２πｆ ｆ　　＝ＲＦ電圧の周波数 である。

第３図は、イオントラップ装置の４電極場の中にイオン
を捕獲しようとする場合には、そのａ及びｑの値が安定
性包絡線の中に存在しなければならないことを示す。

荷電粒子が３次元４重極電場内で描く軌道の形は、その
粒子の比電荷ｍ／ｅと、電場のパラメータＵ、Ｖ、ｒ０
及びＷとが結合してどのように安定性線図にプロットさ
れるかによる。これらの走査パラメータが結合して安定
性包絡線の内側にプロットされるならば、その粒子は画
定された電場内で安定した軌道を持つ。３次元４重種型
場内で安定した軌道を有する荷電粒子は、電場の中心の
周囲の非周期的軌道に束縛される。そのような粒子は電
場に捕獲されたものとみなすことができる。

若し成る粒子についてｍ／ｅ、Ｕ、Ｖ、ｒｏ　及びＷが
結合して安定性線図で安定性包絡線外にプロットされた
ならば、その粒子は、画定された電場′内で不安定な軌
道を有する。３次元４重種型場内で不安定な軌道を有す
る粒子は、電場の中心から次第に無限遠に変位して行く
。そのような粒子は電場から脱出して行くものとみなす
ことができ、従って捕獲不可能とみなされる。Ｕ、Ｖ、
ｒｏ及びＷで定義される３次元４重極電場について、全
ての可能な比電荷の軌跡を安定性線図にプロットすると
、−２Ｕ／Ｖに等しい傾きをもって原点を通る単一の直
線となる。この軌跡は走査線とも称される。安定領域中
にプロットされる全ての可能な比電荷の軌跡の部分は、
電場中に捕獲されるべき粒子の持ち得る比電荷の範囲を
画定する。Ｕ及び■の大きさを適当に選択することによ
って、捕獲可能な粒子の比質量の範囲を選択することが
できる。若しＶに対するＵの比を、可能な分子量の軌跡
（直線ａ）が安定領域の頂点を通ってプロットされるよ
うに選択すれば、非常に狭い範囲の分子量を持つ粒子の
みが安定な軌道を持つことになろう。しかし、■に対す
るＵの比を、可能な分子量の軌跡（直線ｂ）が安定領域
の中央を通ってプロットされるように選べば、広範囲の
分子量を持つ粒子が安定な軌道を持つこととなろう。

この質量分析計は、Ｐａｕｌの共鳴技術における質量選
択検出や質量選択貯蔵原理より、むしろ質量選択的不安
定性原理に基づいている。その方法の概要は次の通りで
ある。すなわち、当該電極によって生成された電場内に
興味のある分子量の全範囲にわたるイオンが同時に捕獲
されるようにＤＣ及びＲＦ電圧（Ｕ及びＶｃｏｓ　ｗｔ
）を３次元電極構造にかける。次に、多様な周知技術の
うちのいずれかにより、その４電極電場中にイオンを生
成させ又は導入する。この貯蔵期間後、ＤＣ電圧Ｕ。

ＲＦ電圧■及びＲＦ周波数Ｗをそれぞれ単独に、又は組
み合わせて、変化させ、捕えられていた連続的な分子量
のイオンが順次に不安定となる。捕えられていた各々の
イオン種が不安定となるとき、そのような全てのイオン
は、トラップ電場の境界を越える軌道を展開させる。こ
れらのイオンは、電場を生成させている電極構造の孔を
通ってトラップ電場外に出て、電子増倍管２４又はファ
ラデ′−集電器等の検出器に衝突する。時間の関数とし
ての検出されたイオン電流信号強度は、初めに捕えられ
たイオンの質量スペクトルに対応する。第１図に戻る。

イオン貯蔵領域１６に導入された試料分子をイオン化す
るイオン化電子ビームを供給するため、レニウムから成
ることのできるフィラメント１７が設けられており、こ
れはフィラメン）’ｆｆ源１Ｂから給電される。このフ
ィラメンＩ・は常にイオン状態である。フィラメント・
レンズ制御装置２１により、円筒状ゲート電極レンズ１
９に給電される。このゲート電極は、希望通りに電子ビ
ームを制御しオン、オフする。端部キャップ１２は、電
子ビームを通過させる電子ビーム・アパーチャ２２を含
む。相対する端部キャップ１３は参照符２３で示すよう
に穿孔されており、イオントラップの電場内で不安定な
イオンが外へ出て電子増倍管２４により検出されること
を可能にしており、この管２４はイオン信号をライン２
６に発生させる。ライン２６上の信号は、電位差計２７
により電流から電圧に変換される。アナログ−ディジタ
ル変換器２８はディジタル信号を走査・捕捉プロセッサ
２９に供給する。走査・捕捉プロセッサ２９はＲＦ発生
器１４に接続され、ＲＦ雷電圧振幅又は周波、数の変化
を可能にする。この事は、以下に説明するように、質量
選択に備えるものである。走査・捕捉プロセッサ２９は
、ゲート制御電極１９に電圧を供給するフィラメント・
レンズ制？ＩＩ装置２１をゲート制御して、イオン化電
子ビームが走査区間以外の時にのみトラップに入ること
を可能にする。

フィラメント電源１８の供給するフィラメント・バイア
ス電圧が、フィラメントから放出される電子が材料をイ
オン化するために充分なエネルギ　　□−（すなわち材
料のイオン化電位以上のエネルギー。メタンについての
１２．６ボルトからヘリウムについての２４．５ボルト
まで。）を持つような値であれば、イオン化パルス期間
中にトラップ内でイオン化が行なわれるが、トラップ外
では常時イオン化が行なわれる。トラップ外で生じたイ
オンは電子増倍管２４にたどり着いて、望ましくない′
信号すなわちノイズを発生させる。

しかし、電子のエネルギーが約１２．５ボルト程度のメ
タンのイオン化電位以下に下がると、原子又は分子のイ
オン化はトラップ外では起きない。

しかし、加速されてトラップに入った電子は、制御電極
１９の加速パルス電圧及びＲＦ電場の双方からエネルギ
ーを獲得して、トラップ内の材料をイオン化するのに充
分な程度のエネルギーを持つ。

イオントラップ、フィラメント、電子増倍管及び制御電
極は真空中で運用される。運用に最も適した圧力範囲は
、貯蔵領域中では適当なガスの約Ｉ　Ｘ　１０−’ｔｏ
ｒｒ、その外側は約Ｉ　Ｘ　１０−’ｔａｒｔである。

イオントラップの３電極構造は、全イオンのトラップを
一掃するために先ずゼロ又は極めて低いＲＦ雷電圧運用
され、次に捕獲ＲＦ雷電圧かけられ、電場が生成すると
ゲート電極がオンにされて電子がトラップに入り試料材
料をイオン化し、それらはここでＲＦ電場からエネルギ
ーを吸収する。安定性線図で約０．９１以下のｑ値を有
する全てのイオンが貯蔵される。次いで、ＲＦ電場は走
査開始電圧へ傾斜させられる。この傾斜率が次に変更さ
れ、捕えられたイオンは、増大してゆくＲＦ雷電圧よっ
て順次に追い出される。以上のような順序の作用が第２
図に示されている。

電子はトラップ電場領域に存在する中性分子に衝突し、
これをイオン化する。成る時間の経過後、電子ビームは
オフにされ、トラップ電場内でのイオン化は止む。トラ
ップ電場で生成された、そのトラップ電場についてのカ
ットオフ分子量より小さい分子量を持ったイオン種は極
めて速やかに（数百電場サイクル以内に）電場生成電極
に衝突するか又はトラップ電場領域から離れる。トラッ
プ電場で生成されたイオンのうち、カットオフ分子量以
上の分子量を有するが、電場生成電極に衝突するか又は
電場領域から離れて行くほど軌道が大きいイオンは、典
型的には数百電場サイクル以内にそのように運動する。

従って、イオン化の停止後、数百電場サイクルが経過す
ると、トラップ電場を出て下側端部キャップ１３の背後
の検出器２４に衝突する安定な又は不安定なイオンは殆
ん′どなくなる。しかし、トラップ電場内にはまだ相当
の数のイオンが含まれている。

イオン化期間の後、トラップ電場電位が傾斜させられる
。かけられているＲＦ電圧■が高まるに従って、貯蔵さ
れていたイオンが分子量の小さいものから順次に不安定
になってゆく。この電圧の変化の際に順次に不安定とな
るイオンは、主として運動の軸方向に不安定となる。こ
の事は、捕えられていたイオンがトラップ電場強度の変
化に起因して不安定となるとき当該イオンが一方又は他
方の端部キャップ電極の方向にトラップ電場領域から速
やかに離れることを意味する。第１図に示された装置の
下側端部キャップ電極は穿孔されているので、不安定な
イオンのうちの相当の部分がこの電極をくぐり抜けて検
出器２４に衝突する。

不安定なイオンがトラップ電場領域から出てゆく速度よ
り速い速度で連続する分子量のイオンが不安定にされな
いようにＲＦ電圧の掃引速度が選ばれていれば、電子増
倍管で検出される信号の時間強度プロフィールは、トラ
ップ電場に本来貯蔵されていたイオンの質量スペクトル
に対応することとなろう。

試料の濃度又は圧力が高いときは、イオン化は飽和又は
空間電荷を引き起こす０本発明によると、飽和と空間電
荷とを最小にするために、形成されるイオンの数を調節
する。形成されるイオンの数は、イオン化時間を調節す
るか、イオン化電流を調節するか、又はイオントラップ
電場を調節することによって、調節することができる。

好ましい実施例においては、試料４度が高くなるに従っ
てイオン化時間を減少させる。例を示すと、試料の濃度
が高くなるに従ってイオン化時間を切替えて広範囲にわ
たってイオン化時間を短縮し、形成されるイオンの数を
調節した。その結果、感度が最適となり、質量分解能の
低下及び質量指定誤差の原因となる飽和及び空間電荷効
果が防止された。

１マイクロリツトルあたり５００ｎｇの濃度のベンゾフ
ェノン、メチルステアレート及びピレンを含む試験混合
物について実験がなされた。この溶液を１マイクロリツ
トルあたり１１００ｐまでヘキサ′ンで連続的に希釈し
た。最終カラム温度で僅かに正の吐出流があるように調
整されたオープンスプリッタを持った１５メートル幅ボ
アＤＢ−５クロマトグラフカラムを用いて分析した。ガ
スクロマトグラフ条件は下記の通りである。

注入器　　　　　−２７０℃ カラム：初期温度　　　　＝７５℃ 初期時間　　　　＝１　分 傾斜率　　　　　＝３０℃／分 最終温度　　　　＝２８０℃ 最終時間　　　　＝３　分 全′ｍ続時間　　　＝１０分 移送ライン温度　＝２６０℃ Ｇｒｏｂ　（スプリント無し） 注入時間　　　　＝１　分 注入器スブリフトフト　　−３０ｍｊ’／分線速度　　
　　　＝２２０／秒 比較を行なうため、同時出願中の出願第４５４．５５１
号に記載されているように４セグメント走査で標準イオ
ン時間と放出電流を用いてベースライン分析を行なった
。

３種類の化合物のベースライン性能データ曲線を第４図
ないし第６図に示す。２５０ｐｇから２５０ｎｇの濃度
がＸ軸上に示されており、対応する質量ピークの面積が
ｙ軸に任意単位でプロットされている。これらの曲線は
２５ｎｇの濃度から平らになり始める。メチルステアレ
ートは最悪の性能であり、最も低い濃度で平らになる。

各々の化合物のスペクトルは、２５ｎｇ以上で飽和する
という証拠を示すものと考えることができる。ピレンの
スペクトルは５０ｎｇレベルまでは殆んど変化を示さず
、このレベルでイオントラップの飽和に起因して質量指
定誤差が起き、質量２０２が質量２０４となって現れる
。従って、ピレンのダイナミックレンジは１００より小
さい。メチルステアレートは濃度が変化するに従って最
も著しいスペクトル変化を示す。２９９のＭ＋１イオン
は２５ｎｇでのスペクトルを支配し、その付近の質量は
５０ｎｇ以上で飽和効果を示す。質量３００のみが質量
指定誤差に起因して現われる。これらの曲線は、イオン
濃度が飽和及び空間電荷限界に近づくにつれてダイナミ
ックレンジ及び感度が減少することを明らかに示してい
る。

可変イオン化時間データについては、イオン化時間は手
操作でセットされ、各々４倍ずつ離れた５つの値で測定
された。単セグメント走査技術が用いられ、フィラメン
トは５ｕａの放出電流で操作された。トータルレンジ２
５６に相当する５つの異なるイオン時間、すなわぢ０．
１　ｍｓ、　　０．４　ｍｓ。

１、６ｍｓ、　　６．４ｍｓ、　　２５．６ｍｓでデー
タが得られた。

第７図ないし第９図に、その５つのイオン化時間設定で
得られたビークデータを示す。このデータは、各化合物
について端と端とをつなげてプロットされている。デー
タはダイナミックレンジの直線部分で得られた。データ
は、全データを比較可能な基礎に置く面積ファクターで
乗ぜられている。第７図から第９図の曲線は、１０４に
及ぶダイナミックレンジが得られたことを示す。最長イ
オン時間を用いることにより検出限界がベースライン性
能上に２倍だけ高められた。

走査を行なう直前にイオントラップの全イオン含有量を
急速に測定することによって、イオン化時間を自動的に
制御することができる。この測定は、走査前に約１００
マイクロ秒程度の短い時間イオン化を行ない、全イオン
含有量をプロセッサ２９で積分することによって達成す
ることができる。このコンピュータは、全イオン含有量
が入力されると、データ獲得の際に各走査サイクル前に
適当なイオン化時間を選択するアルゴリズムでプログラ
ムされる。

上記の例では、３次元イオントラップ電極は純粋にＲＦ
雷電圧駆動され、この電圧の振幅が変えられた。しかし
、特許請求の範囲に記載された基本技術は、リング電極
と端部キャンプ電極との間にＲＦ雷電圧以外にｄ、ｃ、
電圧Ｕをかける場合にも同様に適用可能である。そのよ
うな操作は、与えられた実験において質量分析され得る
分子量の範′囲の上限を定める。ＲＦ及びｄ、ｃ、電圧
（Ｕ及び■）の比を一定に保つと、その電圧の大きさが
検出されるイオンの分子量と直線的に関連することとな
るので、好都合ではあるが、この事はこの技術の本来的
要素ではない。質量順にイオンを不安定化するために、
かけられるｄ、ｃ、及びＲＦ雷電圧一方又は両方を変化
させることは容易であるが、同様のことを行なうために
、かけられるＲＦｔｉｌｉ獲電圧の周波電圧又はｗ、Ｕ
、Ｖの何らかの組み合わせを手操作で変化させてはなら
ないという理論的理由はない。イオンを分子量選択的に
軸方向に不安定化させることがイオン収集及び検出の見
地からは好都合であるが、分子量選択されたイオンが半
径方向の不安定軌道を溝き、リング電極を通過して検出
器に到達するように、上記原理に従って作用する３電極
トラツプを操作することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、付属する電気回路のブロック図を含む、本発
明を具現した４型棒イオントラップ質量分析計の略図で
ある。 第２図は走査型質量分析計としてのイオントラップの作
用を図解するタイミング図である。 第３図は、第１図に示したタイプの４１極イオントラッ
プについての安定性包絡線を示すグラフ。 第４図ないし第６図は、選択された試料について従来技
術に従って操作されたイオントラップ走査型質量分析計
のダイナミックレンジと感度とを示すグラフ。 第７図ないし第９図は、同じ試料について本発明に従っ
て操作されたイオントラップ質量分析計のダイナミック
レンジと感度とを示すグラフ。 図中符号 １０・・・・・・イオントラップ、 １１・・・・・・リング電極、 １２．１３・・・・・・端部キャンプ（電極）、１４・
・・・・・無線周波数（ＲＦ）電圧発生器、１６・・・
・・・イオン貯蔵領域、 １７・・・・・・フィラメント、 １８・・・・・・フィラメント電源、 １９・・・・・・ゲート電極レンズ、 ２１・・・・・・フィラメント・レンズ制御装置、２２
・・・・・・電子ビーム・アパーチャ、２４・・・・・
・電子増倍管、 ２８・・・・・・アナログ−ディジタル変換器、２９・
・・・・・走査・捕捉プロセッサ。 手続補正帯（方式） １．事件の表示　　　昭和６２年特許願第５１８２６号
３、補正をする者 事件との関係　　出願人 名称　　　　フィニガン　コーポレーション４、代゛理
人

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 試料が導入されこの試料のイオン化が行われる３次元４
   重極電場を画定するステップを有し、これにより興味の
   ある範囲のイオンを形成すると同時にトラップし、３次
   元トラップ電場を変化させて、連続する分子量のイオン
   が順次に不安定となりトラップ電場を去って検出されて
   、捕獲されたイオンの質量の指標を与えるようになって
   いる試料の質量分析を行なう方法であって、イオントラ
   ップ中に含まれている試料イオンの数を制御して飽和と
   空間電荷とを最少にすることを特徴とする方法。