JPWO2016027833A1 - 飛行時間型質量分析装置 - Google Patents

Abstract

コリジョンセル（１３）内に一旦保持されたあと該コリジョンセル（１３）から略一斉に吐き出されたイオンは、イオン輸送光学系（１６）を経て直交加速部（１７）に到達する。直交加速部（１７）へのイオン入射時に、入口側電極（１７１）と出口側補助電極（１７４）とには所定の電位差を有する電圧が印加され、それによって直交加速部（１７）には軸Ｃに沿って上りポテンシャル勾配を示す電場が形成される。先行した入射する低m/zのイオンほど減速度合いが大きいため、m/zに応じてＸ軸方向に広がったイオンは直交加速部（１７）に入射したあとＸ軸方向に圧縮される。これにより、直交加速部（１７）で加速されるイオンの質量電荷比範囲が広がり、幅広い質量電荷比範囲のマススペクトルを得ることができる。

Description

本発明は飛行時間型質量分析装置（Time-of-Flight Mass Spectrometer、以下、適宜「ＴＯＦＭＳ」と略す）に関し、さらに詳しくは、直交加速方式のＴＯＦＭＳ、及びイオントラップにイオンを一時的に保持し、該イオントラップからイオンを射出して飛行空間に導入するイオントラップＴＯＦＭＳに関する。

一般に、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算出する。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。

一方、分子量が大きな物質や化学構造が複雑な物質の同定や構造解析を行うために、近年、特定の質量電荷比を有するイオンを衝突誘起解離などの手法により１乃至複数段階に解離させ、それによって生成されたプロダクトイオンを質量分析する、ＭＳⁿ分析（タンデム分析などとも呼ばれる）が広く利用されている。ＭＳⁿ分析が可能である質量分析装置としては、四重極型（又はそれ以外の多重極型）のイオンガイドが内装されたイオンを解離させるコリジョンセルを挟んでその前後に四重極マスフィルタが配置された三連四重極型質量分析装置や、イオンを質量電荷比に応じて分離する機能とイオンに対する解離操作を行う機能とを有するイオントラップを用いたイオントラップ質量分析装置、或いは、そうしたイオントラップとＴＯＦＭＳとを組み合わせたイオントラップ飛行時間型質量分析装置、などがよく知られている。

また、上述した直交加速方式ＴＯＦＭＳの性能の良さを活かすために、コリジョンセルを挟んで前段に四重極マスフィルタ、後段に直交加速方式ＴＯＦＭＳを配置した四重極-飛行時間型質量分析装置（以下、慣用に従って「Ｑ−ＴＯＦＭＳ」と称す）も知られている。

図６（ａ）は特許文献１に記載のＱ−ＴＯＦＭＳにおけるコリジョンセル及び直交加速部の概略構成図、図６（ｂ）は図６（ａ）中の軸（この場合にはイオン光軸）Ｃ上のポテンシャル分布を示す図、図６（ｃ）は図６（ａ）中の出口側ゲート電極への印加電圧及び直交加速電圧のタイミング図である。

図６（ａ）に示すように、このＱ−ＴＯＦＭＳでは、イオンを解離させるコリジョンセル５０の内部にリニアイオントラップ（又はイオンガイド）５１を備えており、図示しない四重極マスフィルタにおいて選択された特定の質量電荷比を有するプリカーサイオンをコリジョンセル５０内で解離させ、それによって生成されたプロダクトイオン（及び解離されなかったプリカーサイオン）をリニアイオントラップ５１により一時的に保持する。そのあと、コリジョンセル５０の出口側端面にある出口側ゲート電極５２に印加する電圧を一時的に下げることにより、その直前まで保持していたイオンを所定のタイミングでリニアイオントラップ５１から放出する。放出されたイオンは、グリッド電極５３及びスキマー５４を経て直交加速方式ＴＯＦＭＳの直交加速部５５にＸ軸方向に沿って導入され、所定のタイミングで直交加速部５５に加速電圧が印加されると、イオンはＺ軸方向に加速されて図示しない飛行空間に導入される。

図６（ｂ）において実線はイオンをリニアイオントラップ５１に保持しているときのポテンシャル分布である。このとき、出口側ゲート電極５２のポテンシャルはリニアイオントラップ（ロッド電極）５１のポテンシャルよりも高いため、出口側ゲート電極５２に向かって進むイオンは押し戻され、コリジョンセル５０内に保持される。図６（ｂ）において点線は出口側ゲート電極５２への印加電圧が下げられたときのポテンシャル分布である。このとき、リニアイオントラップ５１の出口側端部から直交加速部５５に向かってポテンシャルは下り傾斜となるため、その直前までリニアイオントラップ５１に保持されていたイオンは直交加速部５５に向かって加速される。

リニアイオントラップ５１に保持されている様々な質量電荷比を持つイオンは、該リニアイオントラップ５１からほぼ一斉に放出されるものの、直交加速部５５に到達するまでにイオン進行方向（つまりＸ軸方向）にばらつきが生じる。即ち、各イオンに付与される加速エネルギは略同一であるため、質量電荷比が小さいイオンほど速度は大きい。そのため、質量電荷比が小さなイオンは先行して直交加速部５５に達し、質量電荷比が大きくなる順に時間的に遅れて直交加速部５５に到達する。

直交加速部５５では所定のタイミングで加速電圧（特許文献１における「push-pull voltage」）が印加されるため、その加速電圧の印加時に直交加速部５５を通過しているイオンのみが飛行空間に向けて加速され、それ以外のイオンは無駄になる。このイオンの利用効率はデューティサイクル（Duty Cycle）と呼ばれ、次の式で定義される（特許文献２等参照）。
Duty Cycle［％］＝｛（測定に利用したイオン量）／（直交加速部へ到達したイオン量）｝×１００

コリジョンセル５０内でのイオンの解離によって様々な質量電荷比のイオンが生成されるが、特許文献１に記載のＱ−ＴＯＦＭＳでは、着目している質量電荷比を有するイオンのデューティサイクルを改善するために、リニアイオントラップ５１からイオンを放出するためのパルス電圧の印加時点ｔ₁から直交加速部５５における加速電圧の印加時点ｔ₂までの遅延時間ｔ_Dを、目的イオンの質量電荷比に応じて調整するようにしている（図６（ｃ）参照）。これにより、分析者が着目しているイオンが直交加速部５５を通過するタイミングで加速電圧が印加されるため、該イオンに対するデューティサイクルは改善され、該イオンの検出感度が向上することになる。この場合、分析者が着目しているイオン以外のイオンについてはデューティサイクルは低くなる（或いは、イオンは実質的に殆ど検出されない）。

例えばＭＲＭ（多重反応イオンモニタリング）測定やプリカーサイオンスキャン測定のように観測したいプロダクトイオンの質量電荷比が決まっている場合には、該プロダクトイオンを高感度で検出できるため、上記Ｑ−ＴＯＦＭＳは有用である。しかしながら、このＱ−ＴＯＦＭＳでは、プロダクトイオンスキャン測定のように或る程度広い質量電荷比範囲に亘るイオンを高い感度で検出することはできない。即ち、幅広い質量電荷比に亘るイオンについてデューティサイクルを高くすることはできないという問題がある。

また、上述したようなＱ−ＴＯＦＭＳではなく、３次元四重極型イオントラップに一旦捕捉したイオンを該イオントラップから一斉に射出して質量分析するイオントラップＴＯＦＭＳにおいても同様の問題がある。即ち、こうした質量分析装置では、イオンがその進行方向に広がってイオントラップのイオン入射口に到達した場合、イオントラップ内に捕捉されるのは到達したイオンのうちの所定の時間範囲内に到達したものだけであり、それ以外のイオンはイオン入射口で跳ね返されたり或いはイオントラップを通り抜けてしまったりして測定には利用されない。そのため、イオンが質量電荷比に応じて時間的にずれてイオントラップのイオン入射口に到達すると、一部の質量電荷比範囲のイオンしかイオントラップに捕捉されず、広い質量電荷比範囲に亘るイオンを高い感度で測定することができなくなる。

米国特許第6285027号明細書 特開2010-170848号公報 特開2002-184349号公報

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、直交加速方式ＴＯＦＭＳ又はイオントラップＴＯＦＭＳにおいて、ＴＯＦＭＳでの測定に利用されるイオンの質量電荷比範囲を広げるとともにそのイオンの損失を抑えることにより、広い質量電荷比範囲に亘るイオンを高い感度で測定する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の第１の態様は、入射し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、加速されたイオンを質量電荷比に応じて分離して検出する分離検出部と、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、
a)測定対象であるイオンを一時的に保持するイオン保持部と、
b)前記イオン保持部と前記直交加速部との間に配設され、前記イオン保持部から出射されたイオンを前記直交加速部まで案内するイオン輸送光学系と、
c)前記イオン輸送光学系から前記直交加速部にイオンが入射するときに、該直交加速部においてイオンが直交方向に加速される空間に、そのイオンの入射軸に沿ってイオンに対し上り電位勾配となる電場を形成するイオン進行調整部と、
を備えることを特徴としている。

上記課題を解決するために成された本発明の第２の態様は、入射し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、加速されたイオンを質量電荷比に応じて分離して検出する分離検出部と、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、
a)測定対象であるイオンを一時的に保持するイオン保持部と、
b)前記イオン保持部と前記直交加速部との間に配設され、前記イオン保持部から出射されたイオンを前記直交加速部まで案内するイオン輸送光学系と、
c)前記イオン保持部からイオンを出射する際に、該イオン保持部の出口端と前記イオン輸送光学系の入口端との間の第１領域にイオンを加速する加速電場を形成し、該イオン輸送光学系の出口端と前記直交加速部の入口端との間の第２領域に、前記第１領域中のポテンシャル差よりも小さなポテンシャル差を有するイオンを減速する減速電場を形成するように、前記イオン保持部、前記イオン輸送光学系、及び前記直交加速部にそれぞれ含まれる構成部材に電圧を印加する電圧印加部と、
を備えることを特徴としている。

また上記課題を解決するために成された本発明の第３の態様は、入射したイオンを電場の作用により捕捉したあとに所定のタイミングでイオンに加速エネルギを付与して略一斉にイオンを射出するイオントラップ部と、該イオントラップ部から射出されたイオンを質量電荷比に応じて分離して検出する分離検出部と、を具備する飛行時間型質量分析装置であって、
a)イオンを一時的に保持するイオン保持部と、
b)前記イオン保持部と前記イオントラップ部との間に配設され、前記イオン保持部から出射されたイオンを前記イオントラップ部まで案内するイオン輸送光学系と、
c)前記イオン保持部からイオンを出射する際に、該イオン保持部の出口端と前記イオン輸送光学系の入口端との間の第１領域にイオンを加速する加速電場を形成し、該イオン輸送光学系の出口端と前記イオントラップ部の入口端との間の第２領域に、前記第１領域中のポテンシャル差よりも小さなポテンシャル差を有するイオンを減速する減速電場を形成するように、前記イオン保持部、前記イオン輸送光学系、及び前記イオントラップ部にそれぞれ含まれる構成部材に電圧を印加する電圧印加部と、
を備えることを特徴としている。

本発明に係る第１乃至第３の態様による飛行時間型質量分析装置において、前記イオン保持部は、イオンを解離させるコリジョンセル内に配置されたリニアイオントラップである構成とすることができる。

リニアイオントラップは、典型的には、中心軸の周りに互いに平行に配置された４本の円柱状ロッド電極と、該４本のロッド電極を挟んで中心軸に直交するように配置された入口側ゲート電極及び出口側ゲート電極と、を含む。そして、４本のロッド電極で囲まれる空間にイオンを収束させるような高周波電場を形成するべく該ロッド電極に高周波電圧を印加するとともに、入口側ゲート電極及び出口側ゲート電極にイオンと同極性の直流電圧を印加してイオンを両ゲート電極間に閉じ込める。

そうしてイオンを閉じ込めたあと、出口側ゲート電極への印加電圧を少なくともロッド電極の直流電位よりも下げることで、保持していたイオンを出射させることができるが、その際に、イオンができるだけかたまった状態で（つまりパケット状となって）出射するようにするには、イオンを保持しているときにロッド電極の出口側端部付近にイオンが集積していることが望ましい。このようにロッド電極の出口側端部付近にイオンを集積させるためには、例えば特許文献３に記載の構成を利用することで、軸方向のポテンシャル勾配を形成するとよい。

本発明に係る第１の態様の飛行時間型質量分析装置では、イオン保持部に保持されていたイオンはほぼ一斉につまりパケット状に出射されるものの、イオン輸送光学系を経てイオンが直交加速部の入口に到達する間に、イオンはその質量電荷比に応じてイオン進行方向に或る程度広がるおそれがある。この場合、質量電荷比が相対的に小さいイオンが先行して直交加速部に入射し、質量電荷比が相対的に大きいイオンは時間的に遅れて直交加速部に入射する。イオンが入射する際に、直交加速部においてイオンが加速される空間には、イオン進行調整部によって、入射軸に沿ってイオンに対して上り電位となる電場が形成されている。そのため、先行して直交加速部に入射したイオンはその上り電位勾配を上らなければならず減速される。この減速の度合いは時間的に先行して入射したイオンほど大きいから、イオン進行方向に広がって入射したイオンは直交加速部に入射したあと、そのイオン進行方向に圧縮される。そうしてイオンが進行方向に圧縮された状態でその入射軸と直交する方向にイオンを加速することで、従来よりも広い質量電荷比範囲のイオンを加速して飛行空間へ送り出すことができる。

本発明に係る第１の態様の飛行時間型質量分析装置において、上記イオン進行調整部は例えば、前記直交加速部にあってイオン入口側に設置されている電極とイオンの入射軸に沿ってイオン進行前方に設置されている電極とにそれぞれ印加される電圧によって、その入射軸に沿ってイオンに対し上り電位勾配となる電場を形成する構成とすることができる。

また本発明に係る第１の態様の飛行時間型質量分析装置では好ましくは、前記イオン保持部からイオンを出射する際に、該イオン保持部の出口端と前記イオン輸送光学系の入口端との間の第１領域にイオンを加速する加速電場を形成し、該イオン輸送光学系の出口端と前記直交加速部の入口端との間の第２領域に、前記第１領域中のポテンシャル差よりも小さなポテンシャル差を有するイオンを減速する減速電場を形成するように、前記イオン保持部、前記イオン輸送光学系、及び前記直交加速部にそれぞれ含まれる構成部材に電圧を印加する電圧印加部をさらに備える構成とするとよい。

この構成では、イオン保持部に保持していたイオンを該イオン保持部から出射する際に、電圧印加部からイオン保持部及びイオン輸送光学系の構成部材にそれぞれ所定の電圧を印加することで、イオン保持部の出口端とイオン輸送光学系の入口端との間の第１領域に加速電場を形成する。イオン保持部から出射したイオンはこの加速電場により加速されてイオン輸送光学系に導入される。この加速電場におけるポテンシャル差を大きくしておくと、それだけ大きな加速エネルギがイオンに付与され、各イオンの速度がそれだけ大きくなる。

イオン輸送光学系を通過するときのイオンの速度は質量電荷比に依存するが、上記加速エネルギが大きいほど質量電荷比差に起因する、或る地点に到達する時間差は小さくなる。そこで、後述するように加速電場におけるポテンシャル差を十分に大きくしておく。質量電荷比差に起因するイオンの時間差が小さいため、イオンがイオン輸送光学系を通過した時点で質量電荷比差によるイオン進行方向のイオンの位置の広がりは小さい。

一方、イオンがイオン輸送光学系を通過したあとの第２領域では、減速電場によってイオンが持つエネルギは減衰される。そして、エネルギが減衰した状態で各イオンは直交加速部に導入される。上述したように、イオン進行方向にあまり広がらない状態で減速電場に達したイオンは第２領域で減速され、その直後に直交加速部に入る。そのため、減速されることによるイオン進行方向のイオンの広がりはかなり抑えられる。その結果、イオン保持部においてイオンを出射した時点から直交加速部において加速電圧を印加する時点までの遅延時間を一定とした場合に、幅広い質量電荷比範囲に亘るイオンを無駄にすることなく加速して飛行空間へと送り出すことができる。

また、直交加速部に導入されたイオンが過大なエネルギを有していると、加速電圧による加速方向が入射軸に直交する方向とならず、斜め方向に飛び出すために飛行距離が理想状態からずれることになる。そうなると、飛行時間にもずれが生じ質量精度が低下する。それに対し、上記構成では、イオンが直交加速部に入射する直前に該イオンが持つエネルギが減じられるので、直交加速部におけるイオンの飛び出し方向のずれは小さくて済み、その結果、高い質量精度を確保することができる。

本発明に係る第２態様による飛行時間型質量分析装置においては、上記第１の態様による飛行時間型質量分析装置の好ましい構成と同様に、イオン保持部に保持していたイオンを該イオン保持部から出射する際に、電圧印加部からイオン保持部及びイオン輸送光学系の構成部材にそれぞれ所定の電圧を印加することで、イオン保持部の出口端とイオン輸送光学系の入口端との間の第１領域に加速電場を形成する。このとき、加速電場におけるポテンシャル差を十分に大きくしておくことで、イオンがイオン輸送光学系を通過した時点で質量電荷比差によるイオン進行方向のイオンの位置の広がりを小さくすることができる。

一方、イオンがイオン輸送光学系を通過したあとの第２領域では、減速電場によってイオンが持つエネルギは減衰され、エネルギが減衰した状態で各イオンは直交加速部に導入される。上述したように、イオン進行方向にあまり広がらない状態で減速電場に達したイオンは第２領域で減速され、その直後に直交加速部に入る。そのため、減速されることによるイオン進行方向のイオンの広がりは実質的に問題とならない程度に抑えられる。その結果、直交加速部を通過する際のイオン進行方向のイオンの広がりは、特許文献１に記載の装置に比べて小さくなり、イオン保持部においてイオンを出射した時点から直交加速部において加速電圧を印加する時点までの遅延時間を一定とした場合に、幅広い質量電荷比範囲に亘るイオンを無駄にすることなく加速して飛行空間へと送り出すことができる。

また本発明に係る第３態様による飛行時間型質量分析装置においては、上述したように、第２領域で減速されたイオンが、その直後にイオントラップ部に入る。このときのイオン進行方向のイオンの広がりは小さいので、幅広い質量電荷比範囲に亘るイオンを無駄にすることなくイオントラップ部に捕捉することができる。また、イオントラップ部に導入されたイオンが過大なエネルギを有していると、イオンが高周波電場によっても捕捉されずにイオントラップ部を通り抜けてしまったり該イオントラップ部を構成する電極内面に接触して消失してしまったりする。それに対し、この第３の態様による飛行時間型質量分析装置では、イオンがイオントラップ部に入射する直前に該イオンが持つエネルギが減じられるので、イオンがイオントラップ部に捕捉され易くなる。

上述したように、コリジョンセル内に配置されたリニアイオントラップをイオン保持部とする場合、該コリジョンセルが配設された真空室内の真空度は、外部からコリジョンセルに供給されるコリジョンガスの影響で低下し易い。そこで、本発明に係る第１又は第２の態様の飛行時間型質量分析装置では、前記イオン保持部と、前記直交加速部及び前記分離検出部とは隔壁で隔たれた異なる真空室内に配置され、前記イオン輸送光学系は、前記隔壁に設けられたイオン通過口を挟んで両真空室に跨って配置されている構成とするとよい。

この構成では、イオン輸送光学系は例えば、中央開口を有する電極板をイオン光軸に沿って配列させた構成などとすればよい。この場合、隔壁に設けられたイオン通過口を挟んで両真空室内にそれぞれ上記電極板を配置することで、両真空室に跨ったイオン輸送光学系を実現することができる。

また、イオン輸送光学系としてこうした構成を採る場合、複数の電極板の中央開口を順次通過するイオンを収束するレンズ作用を生じさせる電場を形成するように、各電極板にそれぞれ所定の電圧を印加すればよい。この場合、イオン輸送光学系の初段の電極板から最終段の電極板までの間のイオン輸送光学系全体として、イオンに対して付与される平均的なエネルギがほぼゼロになるようにすることで、この領域を通過するイオンが実質的に加速も減速もされないようにすることができる。

この構成では、イオン輸送光学系は例えば、中央開口を有する電極板をイオン光軸に沿って配列させた構成などとすればよい。この場合、隔壁に設けられたイオン通過口を挟んで両真空室内にそれぞれ上記電極板を配置することで、両真空室に跨ったイオン輸送光学系を実現することができる。

本発明に係る第１、第２の態様による飛行時間型質量分析装置によれば、従来の装置に比べて、より幅広い質量電荷比範囲のイオンを無駄にすることなく直交加速部で加速して質量分析に供することができる。即ち、幅広い質量電荷比のイオンに対してデューティサイクルを改善することができるから、広い質量電荷比範囲に亘る高感度なマススペクトルを１回の測定によって得ることができる。また、特に、衝突誘起解離等により生成されたプロダクトイオンをイオン保持部に保持する構成とすることによって、プロダクトイオンスキャン測定やニュートラルロススキャン測定において良好なスペクトルを得ることができる。

また本発明に係る第３の態様による飛行時間型質量分析装置によれば、幅広い質量電荷比範囲のイオンを無駄にすることなくイオントラップ部に捕捉して質量分析に供することができる。したがって、本発明の第１、第２の態様による飛行時間型質量分析装置と同様に、広い質量電荷比範囲に亘る高感度なマススペクトルを１回の測定によって得ることができる。

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中のコリジョンセル及び直交加速部の詳細構成図（ａ）、軸Ｃ上の概略ポテンシャル分布図（ｂ）、及び、コリジョンセルと直交加速部との間の空間におけるイオンの挙動を示す図（ｃ）。 図１中の直交加速部の詳細構成図（ａ）、軸Ｃ上の概略ポテンシャル分布図（ｂ）、イオンの挙動の説明図（ｃ）及び（ｄ）。 本発明の他の実施例である直交加速方式ＴＯＦＭＳの直交加速部の詳細構成図。 本発明の他の実施例である直交加速方式ＴＯＦＭＳの直交加速部の詳細構成図。 従来のＱ−ＴＯＦＭＳにおけるコリジョンセル及び直交加速部の詳細構成図（ａ）、軸Ｃ上のポテンシャル分布図（ｂ）、及び、出口側ゲート電極への印加電圧及び直交加速電圧のタイミング図（ｃ）。

以下、本発明の一実施例であるＱ−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Ｑ−ＴＯＦＭＳの全体構成図である。
本実施例のＱ−ＴＯＦＭＳは、多段差動排気系の構成を有しており、略大気圧雰囲気であるイオン化室２と最も真空度の高い高真空室６との間に、第１乃至第３なる三つの中間真空室３、４、５がチャンバ１内に配設されている。

イオン化室２には、エレクトロスプレイイオン化（ＥＳＩ）を行うためのＥＳＩスプレー７が設けられ、目的化合物を含む試料液がＥＳＩスプレー７に供給されると、該スプレー７先端で片寄った電荷を付与されて噴霧された液滴から目的化合物由来のイオンが生成される。なお、イオン化法はこれに限るものではなく、例えば、試料が液体である場合には、ＥＳＩ以外のＡＰＣＩ、ＰＥＳＩなどの大気圧イオン化法が使用可能であり、また試料が固体状である場合にはＭＡＬＤＩ法などが使用可能であり、試料が気体状である場合にはＥＩ法などが使用可能である。

生成された各種イオンは加熱キャピラリ８を通して第１中間真空室３へ送られ、イオンガイド９により収束されてスキマー１０を通して第２中間真空室４へ送られる。さらに、イオンはオクタポール型のイオンガイド１１により収束されて第３中間真空室５へ送られる。第３中間真空室５内には、四重極マスフィルタ１２と、リニアイオントラップとして機能する四重極型のイオンガイド１４が内部に設けられたコリジョンセル１３とが設置されている。試料由来の各種イオンは四重極マスフィルタ１２に導入され、四重極マスフィルタ１２に印加されている電圧に応じた特定の質量電荷比を有するイオンのみが該四重極マスフィルタ１２を通り抜ける。このイオンはプリカーサイオンとしてコリジョンセル１３に導入され、コリジョンセル１３内に外部から供給されるＣＩＤガスとの接触によってプリカーサイオンは解離し、各種のプロダクトイオンが生成される。

イオンガイド１４はリニアイオントラップとして機能し、生成されたプロダクトイオンは一時的に保持される。そして、保持されていたイオンは所定のタイミングでコリジョンセル１３から放出され、イオン輸送光学系１６により案内されつつイオン通過口１５を経て高真空室６内に導入される。イオン輸送光学系１６は、イオン通過口１５を挟んで第３中間真空室５と高真空室６とに跨って配置されている。

高真空室６内には、イオン射出源である直交加速部１７と、反射器２１及びバックプレート２２を備えた飛行空間２０と、イオン検出器２３とが設けられており、直交加速部１７にＸ軸方向に導入されたイオンは所定のタイミングでＺ軸方向に加速されることで飛行を開始する。イオンはまず自由飛行したあと反射器２１及びバックプレート２２により形成される反射電場で折り返され、再び自由飛行してイオン検出器２３に到達する。イオンが直交加速部１７を出発した時点からイオン検出器２３に到達するまでの飛行時間はイオンの質量電荷比に依存する。したがって、イオン検出器２３による検出信号を受けた図示しないデータ処理部は、各イオンの飛行時間に基づいて質量電荷比を算出し、例えばマススペクトルを作成する。

図２（ａ）は図１中のコリジョンセル１３と直交加速部１７の間の詳細構成図、図２（ｂ）は軸（この場合にはイオン光軸）Ｃ上の概略ポテンシャル分布図、図２（ｃ）はコリジョンセル１３と直交加速部１７との間の空間におけるイオンの挙動を示す図である。図３（ａ）は図１中の直交加速部の詳細構成図、図３（ｂ）は軸Ｃ上の概略ポテンシャル分布図、図３（ｃ）及び（ｄ）は直交加速部１７におけるイオンの挙動の説明図である。

図２（ａ）に示すように、コリジョンセル１３の前端面及び後端面はそれぞれ入口側ゲート電極１３１、出口側ゲート電極１３２となっており、これら入口側ゲート電極１３１及び出口側ゲート電極１３２とイオンガイド１４とが実質的にリニアイオントラップとして機能する。イオン輸送光学系１６は、中央に円形開口を有する円盤状の電極板が軸Ｃに沿って多数（この例では８枚）配列された構成である。直交加速部１７は、円環状の入口側電極１７１、平板状の押出し電極１７２、グリッド状の引出し電極１７３、及び円環状の出口側補助電極１７４を含む。

制御部３０の制御の下に、出口側ゲート電極電圧発生部３１は出口側ゲート電極１３２に所定の電圧を印加し、イオン輸送光学系電圧発生部３２はイオン輸送光学系１６に含まれる各電極板にそれぞれ所定の電圧を印加し、直交加速部電圧発生部３３は入口側電極１７１、押出し電極１７２、引出し電極１７３、及び出口側補助電極１７４にそれぞれ所定の電圧を印加する。
なお、図２では、特徴的な動作の説明に必要な構成要素のみを記載しており、図示しないものの、イオンガイド１４や入口側ゲート電極１３１などにも適宜の電圧が印加される。

図２（ｂ）中に示す一点鎖線Ｕ1は、イオンをリニアイオントラップ（コリジョンセル１３内）に保持しているときの概略ポテンシャル分布である。このとき、出口側ゲート電極電圧発生部３１は出口側ゲート電極１３２に対しイオンガイド１４よりも高い所定の電圧を印加する。これにより、図２（ｂ）中に一点鎖線Ｕ1で示すように、出口側ゲート電極１３２のポテンシャルはイオンガイド１４のポテンシャルＥ₁よりも高いＥ₂となっており、これによってイオンはおおむねイオンガイド１４の内部に保持される。これは、図３（ｂ）を用いて説明した従来装置の場合と同様である。

このとき、直交加速部電圧発生部３３から入口側電極１７１に印加される電圧により、入口側電極１７１のポテンシャルはイオンガイド１４のポテンシャルＥ₁よりも低いＥ₄となっている。また、イオン輸送光学系電圧発生部３２からイオン輸送光学系１６に含まれる各電極板に印加される電圧により、イオン輸送光学系１６全体の平均的なポテンシャルは入口側電極１７１のポテンシャルと同程度となっている。なお、イオン輸送光学系１６における各電極板の設置位置のポテンシャルは同一ではないが、平均的にみれば一定であるとみなし得るので、図２（ｂ）では点線でポテンシャル分布を示している。

図２（ｂ）中に示す実線Ｕ3は、リニアイオントラップに保持していたイオンを放出する際の概略ポテンシャル分布である。このとき、出口側ゲート電極電圧発生部３１は出口側ゲート電極１３２に印加する電圧を大きく引き下げる。また、イオン輸送光学系電圧発生部３２は出口側ゲート電極１３２への印加電圧が下がった分だけ、イオン輸送光学系１６に含まれる各電極板に印加する電圧を大きく引き下げる。ただし、イオン輸送光学系１６を構成する各電極板の間の電位差は、それら電極板の中央開口を通過しようとするイオンを収束させるレンズ作用を示す電場が形成されるように保たれる。そのため、このときにもイオン輸送光学系１６における各電極板の設置位置のポテンシャルは同一ではないが、平均的にみれば一定であるとみなし得るので、図２（ｂ）では点線でポテンシャル分布を示している。

これにより、イオン輸送光学系１６全体の平均的なポテンシャルは入口側電極１７１のポテンシャルＥ₄よりも遙かに低いＥ₃になる。また、出口側ゲート電極１３２におけるポテンシャル障壁もなくなる。そして、イオンガイド１４の出口側端部からイオン輸送光学系１６の入口側端面（初段の電極板）に向かって、急な下り傾斜のポテンシャル勾配を示す加速電場が形成される。その直前までイオンガイド１４の内部空間に保持されていたイオンは、この加速電場によって加速される。

図２（ｂ）中に示す細い一点鎖線Ｕ2は、特許文献１に記載の装置に基づくイオン放出時のポテンシャル分布である。この場合にも、イオンガイド１４に保持されていたイオンは加速電場によって加速されることになるが、その加速電場におけるポテンシャル勾配の傾斜は緩く、イオンに付与される加速エネルギは小さいことが分かる。本実施例のＱ−ＴＯＦＭＳでは、図２（ｂ）に示すように、イオンガイド１４の出口側端部とイオン輸送光学系１６の入口側端面とのポテンシャルの差を大きくすることで、加速電場におけるポテンシャル勾配の傾斜を大きくし、この電場を通過する各イオンに対して大きな加速エネルギを与える。質量電荷比に依らずイオンが受ける加速エネルギは同一であるので、各イオンは質量電荷比に応じた速度を持つ。

加速エネルギが大きいとその分だけ各イオンの速度は大きくなるが、速度が全般的に大きいほど、速度差による単位距離を進むときの時間差が生じにくい。即ち、速度が全般的に大きいほど、相対的に大きな速度を持つ質量電荷比が小さなイオンと相対的に小さな速度を持つ質量電荷比が大きなイオンとの距離差が生じにくい。そのため、異なる質量電荷比を有するイオンは、質量電荷比に応じた位置の差がそれほどつかずに、つまりイオン進行方向にそれほど広がらずにイオン輸送光学系１６を通過する。上述したようにイオン輸送光学系１６では、各電極板への印加電圧が調整されることで、イオンに対するレンズ作用が生じるようになっている。そのため、イオンは軸Ｃの径方向に大きく拡がることなく、効率良くイオン輸送光学系１６を通過する。

なお、イオンガイド１４は軸Ｃ方向に長い内部空間を有しており、該内部空間にイオンを保持している際にイオンが軸方向に大きくばらついていると、イオンガイド１４からイオンを放出する際に加速電場に到達するまでの時間差によって軸方向のイオンの広がりが生じ易くなる。そこで、イオンガイド１４の内部空間にイオンを保持する際に（又は少なくともイオンを放出する直前に）、イオンガイド１４の出口側端部に近い位置にイオンが集積している状態となっていることが好ましい。そのためには、特許文献３に記載の構成を利用し、軸方向のポテンシャル勾配を形成するとよい。

イオン輸送光学系１６全体の平均的なポテンシャルが入口側電極１７１のポテンシャルＥ₄よりも低いＥ₃になったことで、イオン輸送光学系１６の出口側端面（最終段の電極板）と入口側電極１７１との間には、急な上り傾斜のポテンシャル勾配を示す減速電場が形成される。したがって、イオン輸送光学系１６を通過したイオンは減速電場に突入し、イオンのエネルギは減衰する。即ち、本実施例のＱ−ＴＯＦＭＳでは、イオンガイド１４の出口側端部とイオン輸送光学系１６の入口側端面との間に形成される加速電場においてイオンは加速され、そのあと、イオン輸送光学系１６の出口側端面と入口側電極１７１との間に形成される減速電場においてイオンは減速される。ただし、減速電場におけるポテンシャル差（Ｅ₄−Ｅ₃ ）は加速電場におけるポテンシャル差（Ｅ₁−Ｅ₃）よりも小さいので、減速電場で減速されたイオンは適度な速度で直交加速部１７に導入される。減速されることで、イオン進行方向のイオンの広がりは減速前よりも大きくなるものの、減速の直後に直交加速部１７に入るため、質量電荷比に応じたＸ軸方向のイオンの広がりは抑えられる。

出口側ゲート電極１３２及びイオン輸送光学系１６に印加される電圧がパルス的に下げられることでイオンガイド１４からイオンが放出された時点から、所定の遅延時間が経過するまでの期間、直交加速部電圧発生部３３は、入口側電極１７１への印加電圧Ｖaよりも少し高い電圧Ｖbを出口側補助電極１７４に印加する。このとき、押出し電極１７２には電圧を印加しないか、或いはＶa〜Ｖbの間の適宜の電圧を印加すればよい。これによって、入口側電極１７１と出口側補助電極１７４との間の空間には、軸Ｃに沿って、図３（ｂ）に示すようにイオンにとって上りのポテンシャル勾配を有する直流電場が形成される。

入口側電極１７１を通過したイオンはこの上り勾配を上るように進行するため、ここでも緩やかではあるがイオンは減速される。先行して入射した質量電荷比が相対的に小さなイオンほど減速の度合いが大きく、遅れて入射した質量電荷比が相対的に小さなイオンはあまり減速されない。その結果、図３（ｃ）に示したように、Ｘ軸方向（軸Ｃの方向）に広がりつつ入射したイオンは直交加速部１７に入射したあとに、図３（ｄ）に示したようにＸ軸方向に圧縮されることになる。即ち、直交加速部１７に入射したあと、質量電荷比に応じたＸ軸方向のイオンの広がりは一層軽減される。

出口側ゲート電極１３２及びイオン輸送光学系１６に印加される電圧がパルス的に下げられることでイオンガイド１４からイオンが放出された時点から、所定の遅延時間だけ遅れたタイミングで、直交加速部電圧発生部３３は、押出し電極１７２及び引出し電極１７３にそれぞれ所定の加速電圧を印加する。これによって、直交加速部１７をＸ軸方向に進行していたイオンはＺ軸方向に加速される。このとき、Ｘ軸方向に所定の長さ（図２（ａ）中の加速領域の長さＰ）のイオンが加速されるが、上述したように質量電荷比に応じたＸ軸方向のイオンの広がりは抑えられているために、遅延時間を適切に定めることで、幅広い質量電荷比のイオンが上記長さＰに存在しているときにイオンを加速することができる。即ち、幅広い質量電荷比を持つイオンを無駄なく飛行空間２０に送り出すことができ、幅広い質量電荷比に亘るマススペクトルを得ることができる。

また、減速前に各イオンは大きなエネルギを有しているが、減速電場を通過することで、各イオンが持つエネルギは大きく減衰する。イオンが大きなエネルギを持ったまま直交加速部１７に導入されると、Ｚ軸方向に加速されたときに、イオンはＸ軸方向に大きな速度成分を有したまま飛び出すことになるため、飛行軌道がＺ軸方向から大きくずれてしまう。これに対し、本実施例のＱ−ＴＯＦＭＳでは、各イオンのエネルギが十分に減衰した状態で直交加速部１７に入るため、イオンの飛行軌道のＺ軸方向からのずれを抑えることができる。これによって、飛行距離の変化は小さくて済み、飛行時間から算出される質量電荷比の精度を高めることができる。

以上のように、本実施例のＱ−ＴＯＦＭＳでは、１回の測定によって幅広い質量電荷比範囲のマススペクトル（プロダクトイオンスペクトル）を高い感度で、且つ高い精度で得ることができる。

なお、直交加速部１７に導入される際の質量電荷比に応じたイオン進行方向のイオンの広がりの程度を変えると、１回の測定によって得られるマススペクトルデータの質量電荷比範囲が変化する。上記イオンの広がりの程度は、主として、加速電場においてイオンに付与される加速エネルギの大きさ（つまりは加速電場におけるポテンシャル差）、イオン輸送光学系１６の軸Ｃ方向の長さ、直交加速部１７における加速領域の長さＰ、及び直交加速部１７へのイオン入射時の入口側電極１７１への印加電圧Ｖaと出口側補助電極１７４への印加電圧Ｖbの差、などによって決まる。したがって、これらの関係を予め求めておき、例えば、求めたい質量電荷比範囲に応じて、加速エネルギの大きさや直交加速部１７での減速の度合いを調整する等の制御を行うようにしてもよい。

直交加速部１７にイオンが入射する際に上述したような上りポテンシャル勾配の電場を形成するために、上記以外の構成を採ることもできる。図４、図５はそうした変形例を示す図である。
これらはいずれも加速のための押出し電極自体の構成を変更するものであり、図４の例では、押出し電極１７５を抵抗体とするか、或いは導電体の表面に抵抗層を形成したものとし、その両端に印加する電圧の差によって、上述したような電場を形成している。イオンを直交方向に加速する際には、押出し電極１７５の両端に同一の電圧を印加すればよい。一方、図５の例では、軸Ｃ方向に複数に分割した電極を所定間隙離して配置することで押出し電極１７６を構成し、分割された各電極にそれぞれ異なる電圧（階段状の電圧）を印加することで、上述したような電場を形成している。イオンを直交方向に加速する際には、押出し電極１７６を構成する全ての分割電極に同一の電圧を印加すればよい。

また上記実施例は、本発明を直交加速方式ＴＯＦＭＳを用いたＱ−ＴＯＦＭＳに適用したものであるが、本発明は、３次元四重極型イオントラップをイオン射出源としたリニアＴＯＦＭＳ又はリフレクトロンＴＯＦＭＳにも適用することができる。その場合、上記実施例の構成における直交加速部１７を３次元四重極型イオントラップに置き換えればよい。即ち、イオン輸送光学系１６を通過し、減速電場を経たイオンが、３次元四重極型イオントラップのイオン入射口から該イオントラップの内部に導入される構成とすればよい。この場合、イオン入射口を経てイオンが３次元四重極型イオントラップの内部に導入される時間を或る程度の範囲に限定する必要があるが、上記実施例の構成を用いることで、より広い質量電荷比範囲のイオンをイオントラップ内に導入することができる。それによって、イオントラップに捕捉したイオンを質量分析することによって得られるマススペクトルの質量電荷比範囲を広げることができる。

また、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請求の範囲に包含されることは明らかである。

１…チャンバ
２…イオン化室
３、４、５…中間真空室
６…高真空室
７…ＥＳＩスプレー
８…加熱キャピラリ
９…イオンガイド
１０…スキマー
１１…イオンガイド
１２…四重極マスフィルタ
１３…コリジョンセル
１３１…入口側ゲート電極
１３２…出口側ゲート電極
１４…イオンガイド
１５…イオン通過口
１６…イオン輸送光学系
１７…直交加速部
１７１…入口側電極
１７２、１７５、１７６…押出し電極
１７３…引出し電極
１７４…出口側補助電極
２０…飛行空間
２１…反射器
２２…バックプレート
２３…イオン検出器
３０…制御部
３１…出口側ゲート電極電圧発生部
３２…イオン輸送光学系電圧発生部
３３…直交加速部電圧発生部
Ｃ…軸

Claims (5)

1. 入射し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、加速されたイオンを質量電荷比に応じて分離して検出する分離検出部と、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、
   a)測定対象であるイオンを一時的に保持するイオン保持部と、
   b)前記イオン保持部と前記直交加速部との間に配設され、前記イオン保持部から出射されたイオンを前記直交加速部まで案内するイオン輸送光学系と、
   c)前記イオン輸送光学系から前記直交加速部にイオンが入射するときに、該直交加速部においてイオンが直交方向に加速される空間に、そのイオンの入射軸に沿ってイオンに対し上り勾配となる電場を形成するイオン進行調整部と、
   を備えることを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
2. 請求項１に記載の飛行時間型質量分析装置であって、
   前記イオン進行調整部は、前記直交加速部にあってイオン入口側に設置されている電極とイオンの入射軸に沿ってイオン進行前方に設置されている電極とにそれぞれ印加される電圧によって、その入射軸に沿ってイオンに対し上り勾配となる電場を形成するものであることを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
3. 請求項１又は２に記載の飛行時間型質量分析装置であって、
   前記イオン保持部からイオンを出射する際に、該イオン保持部の出口端と前記イオン輸送光学系の入口端との間の第１領域にイオンを加速する加速電場を形成し、該イオン輸送光学系の出口端と前記直交加速部の入口端との間の第２領域に、前記第１領域中のポテンシャル差よりも小さなポテンシャル差を有するイオンを減速する減速電場を形成するように、前記イオン保持部、前記イオン輸送光学系、及び前記直交加速部にそれぞれ含まれる構成部材に電圧を印加する電圧印加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。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の飛行時間型質量分析装置であって、
   前記イオン保持部は、イオンを解離させるコリジョンセル内に配置されたリニアイオントラップであることを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の飛行時間型質量分析装置であって、
   前記イオン保持部と、前記直交加速部及び前記分離検出部、とは隔壁で隔たれた異なる真空室内に配置され、前記イオン輸送光学系は、前記隔壁に設けられたイオン通過口を挟んで両真空室に跨って配置されていることを特徴とする飛行時間型質量分析装置。

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