JPWO2015019460A1

JPWO2015019460A1 - 飛行時間型質量分析装置

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Publication number: JPWO2015019460A1
Application number: JP2015530617A
Authority: JP
Inventors: 大輔奥村
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2013-08-08
Filing date: 2013-08-08
Publication date: 2017-03-02
Anticipated expiration: 2033-08-08
Also published as: WO2015019460A1; JP6044715B2

Abstract

直交加速部にイオンを送り込むビーム形状調整用イオン光学系（３）は、直交加速部での加速方向（Ｚ軸方向）に幅が狭いスリット開口（３１ａ〜３１ｃ、３２ａ〜３２ｃ）を複数設けたスリット板（３１、３２）、スリット板（３１）の後段に配置された仕切壁部（３３）と電極（３５）からなる偏向電極、及び、仕切壁部（３４）と電極（３６）からなる偏向電極、を備える。高感度モードでは、偏向電極に電圧を印加せず、スリット開口（３１ａ、３２ａ）及びスリット開口（３１ｃ、３２ｃ）を通過したイオンを出射させる。これにより、Ｚ軸方向にイオンの拡がりは大きくなり質量分解能は下がるものの、多量のイオンを質量分析に供し、高感度測定が可能となる。高分解能モードでは、偏向電極に電圧を印加し、スリット開口（３１ａ、３１ｃ）を通過したイオンを偏向させて遮断する。これにより、感度は下がるもののＺ軸方向のイオンの拡がりを抑え、高い質量分解能を実現できる。

Description

本発明は飛行時間型質量分析装置（Time-of-Flight Mass Spectrometer、以下「ＴＯＦＭＳ」と略す）に関し、さらに詳しくは、直交加速方式のＴＯＦＭＳに関する。

ＴＯＦＭＳでは、試料成分由来のイオンに一定の運動エネルギを付与して一定距離の空間を飛行させ、その飛行に要する時間を計測して該飛行時間からイオンの質量電荷比を求める。そのため、イオンを加速して飛行を開始させる際に、イオンの位置やイオンが持つ初期エネルギにばらつきがあると、同一質量電荷比を持つイオンの飛行時間にばらつきが生じ質量分解能や質量精度の低下に繋がる。こうした課題を解決する手法の一つとして、イオンビームの入射方向と直交する方向にイオンを加速して飛行空間に送り込む直交加速（「垂直加速」や「直交引出し」とも呼ばれる）方式のＴＯＦＭＳが知られている。

直交加速方式ＴＯＦＭＳでは、直交加速部におけるイオンの加速方向（直交加速部へのイオンの入射方向に略直交する方向）に、入射してくるイオンの角度拡がりがあると、これが初期エネルギのばらつきとなり、質量分解能を低下させる一因となる。そのため、従来の一般的な直交加速方式ＴＯＦＭＳでは、直交加速部へ入射するイオンの角度拡がりを抑えるために、所定間隔離して配置された２枚又はそれ以上の枚数のスリットからなる入射ビーム制限機構が使用されている。

図５はこうした入射ビーム制限機構を用いた直交加速方式ＴＯＦＭＳの直交加速部付近の概略構成図である（非特許文献１など参照）。
図５において、直交加速部４は平板電極４１とイオンが通過可能な多数の開口が形成されたメッシュ状電極４２とを含み、この直交加速部４の前段には、所定間隔Ｌだけ離して略平行に配置された２枚のスリット板３０１、３０２を含む入射ビーム制限機構３００が配置されている。この図において、平板電極４１とメッシュ状電極４２とで挟まれた加速領域に入射してくるイオンビームの初期ビーム方向はＸ軸方向、加速方向つまり飛行時間分析方向はＸ軸に直交するＺ軸方向である。

入射ビーム制限機構３００から直交加速部４にイオンが入射されるとき、電極４１、４２は同電位（例えば接地電位）であり、加速領域に電場は存在しない。十分な量のイオンが入射した時点で平板電極４１にイオンと同極性の高電圧パルスが印加されると、加速領域には加速電場が形成され、イオンは大きな運動エネルギを付与されてメッシュ状電極４２の開口を通過して飛行を開始する。

直交加速部４において、イオンが持つ飛行時間分析方向（Ｚ軸方向）の初期エネルギＥzは、Ｅz＝Ｅsin²αで与えられる。ここで、Ｅ及びαは加速領域に入射してくるイオンビームのエネルギ及びＸ軸となす角度である。初期エネルギＥzが大きいほど、ターンアラウンドタイム（飛行時間分析方向に対し逆方向に速度成分を有するイオンが出発点を発してから該出発点にまで戻って来るまでに要する時間）に起因する飛行時間拡がりは大きくなる。初期エネルギＥzを小さくするためには、エネルギＥ及び角度αを小さくする必要がある。入射ビーム制限機構３００は角度αを小さく制限するためのものであり、図５の構成では、２枚のスリット板３０１、３０２の間隔Ｌ及びスリット板３０２の開口幅Ｈに対しビームの角度拡がりαはtan^-1（Ｈ／Ｌ）で与えられる。したがって、間隔Ｌ、開口幅Ｈを適切に設定することでイオンビームの角度αを抑え、イオンが持つ初期エネルギのばらつきを許容範囲内に収めることができる。

しかしながら、上記のような従来の入射ビーム制限機構では、質量分解能を上げるために間隔Ｌを大きくしたり開口幅Ｈを狭くしたりすると、入射ビーム制限機構３００を通過するイオンの量が減少し、測定感度が低下することになる。これに対し、非特許文献１には、２枚のスリット板の間の空間にイオンレンズを配置し、該イオンレンズによるイオンの収束作用を利用して、イオンの透過率が劣るために感度はそれほど高くないもののイオンビームの平行度が高い高分解能モードと、イオンビームの平行度が相対的に劣るために質量分解能はそれほど高くないもののイオンの透過率が良好である高感度モードと、を切替え可能としたビーム形状調整用のイオン光学系が開示されている。

ウガロフ（Michael Ugarov）、ほか１名、「ニュー・メソッド・オブ・イオン・ビーム・フォーメイション・フォー・インクリーズド・センシティビティ・アンド・パフォーマンス・スタビリティ・オブ・トフ・エムエス（New method of ion beam formation for increased sensitivity and performance stability of TOF MS）」、アジレント・テクノロジー（Agilent Technologies）、59th ASMS(2011年)、ポスター発表MP 097、（インターネット＜URL: http://www.chem.agilent.com/Library/posters/Public/ASMS_2011_MP_97.pdf＞）

しかしながら、上述した従来のビーム形状調整用イオン光学系では、高感度モードと高分解能モードとの感度の差はそれほど大きくなく、高感度モードにおけるイオン透過率は高分解能モードのイオン透過率の１．５倍〜２倍程度にすぎない。通常、高分解能モードは定性分析に利用され、高感度モードは定量分析に利用されるが、この程度の感度差であると、例えば含有量が微量であるために高分解能モードでは十分に観測できない成分を、高感度モードに切り替えて観測しようとしても、十分な感度で観測できないといったことがしばしば起こることになる。

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、分析目的等に応じて質量分解能を重視した高分解能モードと測定感度を重視した高感度モードとを切り替え可能とした直交加速方式の飛行時間型質量分析装置において、十分に高い感度での分析と十分に高い質量分解能での分析を行うことをその目的としている。

上記課題を解決するために成された本発明は、入射されたイオンをその入射軸と直交する方向に加速する直交加速部と、該直交加速部へイオンを送り込むイオン光学系と、を具備する直交加速方式の飛行時間型質量分析装置であって、
前記イオン光学系は、
a)イオン光軸方向に所定間隔離して二つ以上配置された、前記直交加速部における加速方向にイオンビームの幅を規制するスリットが該加速方向に複数設けられてなる入射ビーム規制部と、
b)前記二つ以上の入射ビーム規制部のうちの隣接する二つの入射ビーム規制部の間に配置され、その前段の入射ビーム規制部に複数設けられたスリットの少なくとも一つを通過してきたイオンビームが後段の入射ビーム規制部に設けられたスリットに達しないように該イオンビームを偏向させるビーム偏向部と、
を備えることを特徴としている。

本発明に係る直交加速方式の飛行時間型質量分析装置では、ビーム偏向部によりイオンビームが偏向されない場合、例えば図５に示したような複数のスリット板を用いた従来の入射ビーム規制機構と同様に、イオン光軸方向に離して複数配置された入射ビーム規制部により平行度が高められたイオンビームがイオン光学系から出射され、直交加速部へと導入される。このとき、イオン光学系では、入射ビーム規制部に設けられた複数のスリットを通してそれぞれイオンビームが出射されるので、ビーム断面積（ビーム径）は大きく、イオン量も多い。即ち、多量のイオンが質量分析に供されることになるので、測定感度が高くなる。

一方、ビーム偏向部によりイオンビームが偏向されると、前段の入射ビーム規制部に設けられた複数のスリットの少なくとも一つを通過してきたイオンビームは後段の入射ビーム規制部に設けられたスリットを通過し得なくなる。加速方向に複数配置されたスリットのうち、端部側に位置するスリットにおいてこうしたビーム偏向によるビーム遮断が行われると、その分だけビーム断面積が小さくなる。即ち、加速方向のイオンビームの幅が狭くなるので、加速の際のイオンの初期位置のばらつきが抑えられ、同一イオン種の飛行時間の拡がりが抑えられるために質量分解能が向上する。

このようにして、本発明に係る飛行時間型質量分析装置では、ビーム偏向部による偏向の有無によって、高感度の測定と高分解能の測定とを切り替えることができる。特に、複数のスリットを設け、高感度測定ではそれらスリットを全て使用し、高分解能測定ではそれらスリットの一部を実質的に使用しない（イオンを通過させない）ようにしたので、質量分析に供するイオンの量を大幅に変化させることができ、感度差を十分に確保することが可能となる。

本発明に係る飛行時間型質量分析装置では、イオンビームを偏向させるために磁場を利用することも可能ではあるが、一般的には、電場を利用したほうが構成が簡易であり制御も容易である。
即ち、本発明の好ましい一態様として、上記ビーム偏向部は、二つの入射ビーム規制部の間に配置された偏向電極と、該偏向電極に偏向電圧を印加する偏向電圧発生部と、を含む構成とするとよい。

また、この態様においては、質量分解能を優先させる高分解能モードと感度を優先させる高感度モードとを切り替え可能であり、高分解能モードが指定されたときに上記偏向電極に偏向電圧を印加し、高感度モードが指定されたときには上記偏向電極への偏向電圧の印加を停止するように上記偏向電圧発生部を制御する制御部をさらに備える構成とするとよい。

この構成によれば、制御部による制御によって、高感度モードと高分解能モードとの切替えを短時間で行うことができるので、例えば液体クロマトグラフで成分分離された特定の成分が導入されている比較的短い時間中に、高分解能測定と高感度測定とを切り替えて、それぞれの測定に対する結果（マススペクトル）を得ることも可能である。

本発明に係る飛行時間型質量分析装置によれば、例えば微量成分の定量分析など、測定感度を重視した高感度測定を行いたい場合に、質量分解能は低いものの、質量分解能を重視した高分解能測定に比べて十分に高い感度で測定を行うことができる。一方、比較的含有量が多い成分の定性分析など、質量分解能を重視した高分解能測定を行いたい場合には、感度は低いものの、高感度測定に比べて十分に高い質量分解能で測定を行うことができる。このように、感度重視又は質量分解能重視の明確な測定の切り替えが可能であるので、分析目的に応じた的確な結果を得ることができる。

本発明の一実施例である直交加速方式ＴＯＦＭＳの全体構成図。図１中のビーム形状調整用イオン光学系の概略構成図。図１中のビーム形状調整用イオン光学系のイオン入射部分の概略斜視図。図１中のビーム形状調整用イオン光学系におけるイオン軌道をシミュレーションした結果を示す図。従来の直交加速方式ＴＯＦＭＳの直交加速部及びその前段の入射ビーム制限機構の概略構成図。

本発明の一実施例である直交加速方式ＴＯＦＭＳについて、添付図面を参照して説明する。図１は本実施例の直交加速方式ＴＯＦＭＳの全体構成図である。図１において、すでに説明した図５中の構成要素と同一の構成要素には同じ符号を付している。

本実施例の直交加速方式ＴＯＦＭＳは、目的試料をイオン化するイオン源１と、反射器５１を備えるＴＯＦ分析器５と、イオンを加速してＴＯＦ分析器５に送り込む直交加速部４と、イオン源１から出射されたイオンを案内するイオンガイド２と、イオンガイド２によって案内されたイオンビームの断面内のサイズを調整して直交加速部４へ送り込むビーム形状調整用イオン光学系３と、ＴＯＦ分析器５の飛行空間を飛行して来たイオンを検出する検出器６と、該検出器６で得られたデータを処理して例えばマススペクトル等を作成するデータ処理部１６と、ビーム形状調整用イオン光学系３に含まれる電極に所定の電圧を印加する偏向電圧発生部１２と、直交加速部４に含まれる電極４１、４２に所定の電圧を印加する直交加速電源部１３と、反射器５１に所定の電圧を印加する反射器電源部１４と、各部の動作を制御する制御部１０と、分析条件などをユーザが指定するための入力部１５と、を備える。また、制御部１０は、機能ブロックとして分析モード切替部１１を含む。

イオン源１におけるイオン化法は特に限定されず、例えば、試料が液体状である場合にはエレクトロスプレイイオン化（ＥＳＩ）法や大気圧化学イオン化（ＡＰＣＩ）法などの大気圧イオン化法が用いられ、また試料が固体状である場合にはマトリクス支援レーザ脱離イオン化（ＭＡＬＤＩ）法などが用いられる。

本実施例の直交加速方式ＴＯＦＭＳにおける基本的な分析動作は次の通りである。
例えばＥＳＩ法によるイオン源１において生成された各種イオンはイオンガイド２を通してビーム形状調整用イオン光学系３に導入され、ビーム形状調整用イオン光学系３を通してほぼＸ軸方向に直交加速部４に導入される。イオンが直交加速部４に導入される際には該直交加速部４には加速電場は形成されておらず、十分な量のイオンが直交加速部４に導入された時点で、直交加速電源部１３から平板電極４１及びメッシュ状電極４２に所定電圧が印加されることで加速電場が形成される。この加速電場の作用によってイオンはＺ軸方向に運動エネルギを付与され、ＴＯＦ分析器５の飛行空間へ送り込まれる。

図１中に２点鎖線で示すように、直交加速部４の加速領域から飛行を開始したイオンは反射器電源部１４から反射器５１に印加される電圧により形成される電場によって折り返され、最終的に検出器６に到達する。検出器６は到達したイオンの量に応じた検出信号を時間経過に伴い順次生成する。データ処理部１６はこの検出信号から飛行時間スペクトルを求め、さらに飛行時間を質量電荷比m/zに換算することでマススペクトルを求める。

図２は、イオンガイド２と直交加速部４との間に配置されているビーム形状調整用イオン光学系３の概略構成図である。図２（ａ）には高感度モードのときのイオン軌道を、図２（ｂ）には高分解能モードのときのイオン軌道を、それぞれ概略的に示している。また、図３はこのビーム形状調整用イオン光学系３のイオン入射部分の概略斜視図である。なお、このイオン入射部分の右側はＸ軸、Ｚ軸を含む平面で切断した断面で示している。

このビーム形状調整用イオン光学系３は、イオン光軸方向であるＸ軸方向に所定間隔離して平行に配置された２枚のスリット板３１、３２を含む。前段のスリット板３１には、直交加速部４におけるイオンの加速方向であるＺ軸方向に狭い幅であって、Ｚ軸に直交するＹ軸方向に延伸する、三つのスリット開口３１ａ、３１ｂ、３１ｃが、Ｚ軸方向に沿って設けられている。後段のスリット板３２にも同様に、三つのスリット開口３２ａ、３２ｂ、３２ｃが、Ｚ軸方向に沿って設けられている。

スリット開口３１ａ、３２ａとスリット開口３１ｂ、３２ｂとの間、及び、スリット開口３１ｂ、３２ｂとスリット開口３１ｃ、３２ｃとの間には、それぞれ、前後のスリット板３１、３２の間を繋ぐ導電体である仕切壁３３、３４が設けられている。また、前段のスリット板３１のスリット開口３１ａ上縁部の後方には、仕切壁３３を挟んで対向するように平板状の電極３５が配置され、同じく前段のスリット板３１のスリット開口３１ｃ下縁部の後方には、仕切壁３４を挟んで対向するように平板状の電極３６が配置されている。

ここでは、仕切壁３３と電極３５とが一対の偏向電極を構成し、仕切壁３４と電極３６とが他の一対の偏向電極を構成している。例えば、仕切壁３３及び仕切壁３４は接地され、電極３５及び電極３６に偏向電圧発生部１２から所定の直流偏向電圧が印加される。

本実施例のＴＯＦＭＳでは、分析モードとして、高感度モードと高分解能モードとが用意されており、例えば入力部１５を介した分析者の指示により、いずれかの分析モードでの測定が可能となっている。また、予め分析条件を設定したメソッドファイルに従って自動的に分析を遂行させる場合には、高感度モードと高分解能モードとを自動的に切り替えながら測定を行うこともできるようになっている。いずれにしても、制御部１０において分析モード切替部１１が偏向電圧発生部１２に分析モードを指示し、高感度モードでは偏向電圧発生部１２は偏向電圧を生成せず、高分解能モードでは偏向電圧発生部１２は所定の偏向電圧を生成する。

高感度モードでは、２対の偏向電極に偏向電圧が印加されないので、仕切壁３３と電極３５との間及び仕切壁３４と電極３６との間のいずれにも偏向電場は形成されない。図２（ａ）及び図３に示したように、スリット板３１のスリット開口３１ａ〜３１ｃ全体をほぼカバーするように、前段からイオンは入射してくる。前段のスリット板３１の面上でスリット開口３１ａ〜３１ｃ部分に到達したイオンは該スリット開口３１ａ〜３１ｃを通過し、そのまま直進する。そして、後段のスリット板３２のスリット開口３２ａ〜３２ｃをそれぞれ通過して出てゆく。
図２（ａ）では、Ｘ軸に平行な軌道を有するイオンしか描いていないが、Ｘ軸に対し所定以上の角度を有して入射してくるイオンはスリット開口３１ａ〜３１ｃを通過したとしてもスリット開口３２ａ〜３２ｃを通過しない（途中で仕切壁３３、３４やスリット板３２に接触し消滅する）ため、スリット開口３２ａ〜３２ｃからは或る程度の平行度を有したイオンビームが出射する。

この場合、三つのスリット開口３２ａ〜３２ｃの全てからイオンが出射するため、直交加速部４へ導入されるイオンビームはＺ軸方向に広いものとなる。そのため、直交加速部４でイオンが加速される際の初期位置のばらつきは大きく、それが質量分解能を下げる要因となるために、質量分解能はあまり高くない。その反面、ビーム形状調整用イオン光学系３で遮断されるイオン量は少なく、それだけ多くの量のイオンが直交加速部４へ導入されて質量分析に供されるので、高い感度が実現できる。

一方、高分解能モードでは、２対の偏向電極に偏向電圧が印加され、仕切壁３３と電極３５との間及び仕切壁３４と電極３６との間にそれぞれ偏向電場が形成される。高感度モード時と同様に、スリット板３１のスリット開口３１ａ〜３１ｃ全体をほぼカバーするように入射してきたイオンのうち、前段のスリット板３１の面上でスリット開口３１ａ〜３１ｃ部分に到達したイオンは該スリット開口３１ａ〜３１ｃを通過する。スリット開口３１ｂを通過したイオンは偏向電場の影響を受けずにそのまま直進し、後段のスリット板３２のスリット開口３２ｂを通過して出てゆく。これに対し、上下の二つのスリット開口３１ａ、３１ｃを通過したイオンはその直後に偏向電場によるＺ軸方向の力を受け、図２（ｂ）に示すように、その軌道を曲げる。その結果、それらイオンは後段のスリット板３２のスリット開口３２ａ、３２ｃには到達せず、それらスリット開口３２ａ、３２ｃからはイオンは出射しない。

この場合、三つのスリット開口３２ａ〜３２ｃのうち中央のスリット開口３２ｂのみからイオンが出射するため、直交加速部４へ導入されるイオンビームはＺ軸方向に狭いものとなる。そのため、直交加速部４でイオンが加速される際の初期位置のばらつきは小さくなり、高い質量分解能を達成できる。その反面、ビーム形状調整用イオン光学系３で遮断されるイオン量が多いため、直交加速部４へ導入されて質量分析に供されるイオンの量は少なくなり、感度は低くなる。

図４はビーム形状調整用イオン光学系３におけるイオン軌道をシミュレーションした結果を示す図である。図４（ｂ）によると、高分解能モードでは前段のスリット板３１を通過したイオンの一部の軌道が大きく曲げられ、後段のスリット板３２で遮断されていることが確認できる。各分析モードでのイオン透過率を計算したところ、高感度モードにおけるイオン透過率は高分解能モードの約３．４倍である。これは、ほぼそのまま感度の差になる。このことから、本実施例の直交加速方式ＴＯＦＭＳでは、従来のビーム形状調整用イオン光学系を用いた場合に比べて、高感度モードと高分解能モードとの感度差を十分に大きくできることが確認できた。

なお、上記実施例は本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜変更、修正、追加などを行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。
例えば、スリット板の枚数や１枚のスリット板に形成するスリット開口の数、或いはスリット開口の形状などは適宜定めることができる。また、偏向電極の位置や形状なども適宜変更することができる。また、偏向電場ではなく磁場によってイオンを偏向させるようにすることもできる。

１…イオン源
２…イオンガイド
３…ビーム形状調整用イオン光学系
４…直交加速部
４１…平板電極
４２…メッシュ状電極
５…ＴＯＦ分析器
５１…反射器
６…検出器
１０…制御部
１１…分析モード切替部
１２…偏向電圧発生部
１３…直交加速電源部
１４…反射器電源部
１５…入力部
１６…データ処理部
３１、３２…スリット板
３１ａ〜３１ｃ、３２ａ〜３２ｃ…スリット開口
３３、３４…仕切壁（偏向電極）
３５、３６…電極（偏向電極）

Claims

入射されたイオンをその入射軸と直交する方向に加速する直交加速部と、該直交加速部へイオンを送り込むイオン光学系と、を具備する直交加速方式の飛行時間型質量分析装置であって、
前記イオン光学系は、
a)イオン光軸方向に所定間隔離して二つ以上配置された、前記直交加速部における加速方向にイオンビームの幅を規制するスリットが該加速方向に複数設けられてなる入射ビーム規制部と、
b)前記二つ以上の入射ビーム規制部のうちの隣接する二つの入射ビーム規制部の間に配置され、その前段の入射ビーム規制部に複数設けられたスリットの少なくとも一つを通過してきたイオンビームが後段の入射ビーム規制部に設けられたスリットに達しないように該イオンビームを偏向させるビーム偏向部と、
を備えることを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
請求項１に記載の飛行時間型質量分析装置であって、
前記ビーム偏向部は、二つの入射ビーム規制部の間に配置された偏向電極と、該偏向電極に偏向電圧を印加する偏向電圧発生部と、を含むことを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
請求項２に記載の飛行時間型質量分析装置であって、
質量分解能を優先させる高分解能モードと感度を優先させる高感度モードとを切り替え可能であり、高分解能モードが指定されたときに前記偏向電極に偏向電圧を印加し、高感度モードが指定されたときには前記偏向電極への偏向電圧の印加を停止するように前記偏向電圧発生部を制御する制御部をさらに備えることを特徴とする飛行時間型質量分析装置。