WO2010032276A1 - 飛行時間型質量分析装置 - Google Patents

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    • H01J49/408—Time-of-flight spectrometers with multiple changes of direction, e.g. by using electric or magnetic sectors, closed-loop time-of-flight

Definitions

  • the present invention relates to a time-of-flight mass spectrometer.
  • a time-of-flight mass spectrometer measures the time required to fly a certain distance based on the fact that ions accelerated with a constant energy have a flight speed corresponding to the mass. Calculate the mass of the ion (strictly, m / z value) from the time of flight. Therefore, it is particularly effective to increase the flight distance in order to improve the mass resolution. However, when the flight distance is extended linearly, it is inevitable that the apparatus is increased in size.
  • a mass spectrometer called a multi-turn time-of-flight mass spectrometer
  • a multi-turn time-of-flight mass spectrometer two or four (or more) fan-shaped electric fields are used to form a closed orbit having a shape such as an 8-shape or a substantially circular shape.
  • the flight distance is effectively increased by revolving the ions many times along. According to such a configuration, the flight distance is not limited by the apparatus size, and the mass resolution can be improved by increasing the number of laps.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and its object is to separate different kinds of ions with high mass resolution and also to separate different kinds of ions that cannot be separated at an m / z value. Then, it is providing the time-of-flight mass spectrometer which can collect detailed information conventionally.
  • the present invention provides a time-of-flight mass spectrometer that performs mass spectrometry by applying predetermined kinetic energy to ions and flying in flight space.
  • gas introduction means for introducing a predetermined gas into at least part of the flight path of ions;
  • mass analysis for each sample, perform mass analysis in a state where no gas is introduced by the gas introduction means and mass analysis in a state where the gas is introduced, and obtain an analysis of time-of-flight spectrum by each analysis.
  • Control means By comparing at least one of the position, shape or intensity of peaks appearing in two time-of-flight spectra obtained under the control of the analysis execution control means, different types having the same m / z value Ion identifying means for identifying ions of It is characterized by having.
  • the time-of-flight mass spectrometer In the time-of-flight mass spectrometer according to the present invention, when ions pass through the region where the gas is introduced by the gas introduction means, the ions collide with the gas with a predetermined probability and a part of the kinetic energy possessed is lost. The flight speed decreases.
  • the probability of collision between ions and gas depends on the size of the ions, and the larger the size of the ions, the greater the number of collisions with the gas and the greater the loss of kinetic energy. Therefore, even if the m / z value of a different kind of ion is the same, the size, structure (shape), molecular class (classification of molecules such as lipids and peptides), valence, etc. Any difference will result in a difference in flight time.
  • the analysis execution control means executes mass analysis in a state where a predetermined gas is not introduced (generally in a high vacuum atmosphere) and mass analysis in a state where the predetermined gas is introduced, for the same sample.
  • Get time-of-flight spectrum In the time-of-flight spectrum obtained by mass spectrometry in a high vacuum atmosphere, even different ions appear as one peak if they have the same m / z value.
  • the time-of-flight spectrum obtained by mass spectrometry with the gas introduced even if they have the same m / z value, they are different ions, that is, the size and structure of the ions, etc.
  • the ion discriminating means determines whether or not different types of ions having the same m / z value exist by comparing the positions, shapes, or intensities of corresponding peaks on the two time-of-flight spectra.
  • the peak appearing in the time-of-flight spectrum at the time of gas introduction represents the intensity of each ion and can be quantified.
  • a preferred embodiment of the time-of-flight mass spectrometer according to the present invention is a multi-round time-of-flight mass spectrometer that repeatedly flies over the same flight trajectory.
  • the time-of-flight mass spectrometer it is desirable to execute mass analysis in a state where gas is introduced under a condition in which cleavage does not occur as much as possible.
  • One effective method for this is to use as light a gas as the predetermined gas.
  • helium which is the lightest inert gas, may be used.
  • Using such a light gas not only makes it difficult for ions to be cleaved, but also makes it difficult for ions to deviate from the flight trajectory in the event of collision with the gas, and is effective in suppressing the disappearance of ions during flight.
  • the amount of gas to be introduced may be reduced (that is, the gas pressure is lowered).
  • the amount of gas is small, the effect of causing a difference in flight time according to the size of ions is reduced, and therefore it is desirable to adopt a multi-round flight time type configuration.
  • the initial kinetic energy given to the ions when they are introduced into the flight space is reduced, it is effective to avoid ion cleavage due to collision-induced dissociation.
  • the initial kinetic energy is made too small, ions that have gradually lost kinetic energy on the way cannot reach the detector, so the length of the flight path (for example, in the case of a multi-turn time-of-flight mass spectrometer) It is necessary to give the ions some initial kinetic energy based on the number of revolutions) and the gas pressure.
  • the time-of-flight mass spectrometer according to the present invention can measure m / z values of ions derived from components in a sample with high mass resolution by ordinary mass spectrometry, and the m / z values are the same ( If there are different types of ions that differ in ion size, structure, molecular class, etc., at least information about the presence can be provided.
  • separation / detection of ions according to the difference in m / z values and the same m / z according to the size, structure, molecular class, etc. of the ions Since ions having values can be separated and detected with the same apparatus and with a simple operation, it is possible to efficiently collect information useful for elucidating the molecular structure of ions.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a multi-turn time-of-flight mass spectrometer according to an embodiment of the present invention. Explanatory drawing of the analysis operation
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a multi-turn time-of-flight mass spectrometer of the present embodiment.
  • An ion source 1, an orbiting flight chamber 4, and a detector 5 are disposed in a vacuum chamber 6 that is evacuated by a vacuum pump (not shown), and an orbit 2 is formed in the orbiting flight chamber 4.
  • a plurality of fan-shaped electrode pairs 3 are arranged.
  • the orbiting flight chamber 4 is supplied with a predetermined gas at a predetermined pressure from the gas source 7 when the valve 8 is opened.
  • a voltage application unit 9 that applies a predetermined voltage to the ion source 1, the valve 8, and the sector electrode pair 3 is controlled by a control unit 10.
  • the detection signal from the detector 5 is converted into digital data at a predetermined sampling time interval by the A / D converter 11, and the data is processed by the data processing unit 12.
  • the data processing unit 12 includes a spectrum storage unit 13 and a spectrum comparison unit 14 as functional blocks characteristic to the present embodiment, and the processing result is output from the output unit 15.
  • the predetermined gas prepared in the gas source 7 is preferably a light inert gas for the reason described later, and here, helium gas is used.
  • sample molecules are ionized, and the generated various ions are given predetermined initial energy to start flying.
  • the ion source 1 temporarily holds various externally generated ions, such as a three-dimensional quadrupole ion trap, and applies energy to these ions at a predetermined timing for flight. It can be started.
  • Ions that have started flying from the ion source 1 enter the orbiting flight chamber 4 and are placed on the orbit 2 formed by the action of a plurality of electric sector fields respectively formed between the plurality of fan-shaped electrode pairs 3. .
  • the shape of the orbit 2 is not limited to that shown in FIG. 1, and various shapes such as a substantially elliptical shape and an 8-shaped shape can be realized.
  • the ions circulate around the orbit 1 or more and then leave the orbit 2 and exit the orbital flight chamber 4 and reach the detector 5 provided outside thereof to be detected. Since various ions are given the same kinetic energy and start flying, ions with smaller m / z values have higher flight speeds. For this reason, ions having a small m / z value reach the detector 5 first, and arrive later with an increase in the m / z value.
  • the control unit 10 performs the first mass analysis on the sample with the valve 8 closed as described above, and acquires a time-of-flight spectrum in the data processing unit 12.
  • a single peak as shown in FIG. 2A is obtained on the time-of-flight spectrum. Since the flight time can be uniquely converted to an m / z value, when the mass spectrum is obtained from the flight time spectrum shown in FIG. 2A, one peak appears on the mass spectrum. This is a peak due to an ion packet having an m / z value that can be regarded as the same within an error range of mass resolution.
  • the analysis is completed so far, and the analysis processing of the obtained mass spectrum is executed thereafter.
  • the time-of-flight spectrum acquired in the first mass analysis is stored in the spectrum storage unit 13, and subsequently the control unit 10 turns on the valve 8.
  • Helium gas is introduced into the orbiting flight chamber 4 to keep the inside of the orbiting flight chamber 4 at a predetermined gas pressure.
  • the second mass analysis is performed on the same sample as that in the first analysis, and the time-of-flight spectrum is acquired again in the data processing unit 12.
  • the analysis conditions are the same as the first analysis except that helium gas is introduced into the orbiting flight chamber 4 and maintained at a predetermined gas pressure.
  • a divalent nitrogen molecular ion ( 14 N 2 2+ ) and a monovalent nitrogen atom ion ( 14 N + ) are different types of ions but have the same m / z value. Therefore, it becomes one peak on the time-of-flight spectrum obtained by the first analysis, and it is apparent that it is a peak derived from a plurality of types of ions.
  • the second mass analysis performed with helium gas introduced into the orbiting flight chamber 4 at an appropriate gas pressure even if the ions have the same m / z value, the size of the ions is small. If they are different, there will be a difference in flight time.
  • FIG. 3A consider a case where two types of ions having the same m / z value and different sizes are simultaneously given the same kinetic energy and introduced into the flight space.
  • the flight speed of ions depends on the m / z value, so there is no difference in flight time (see FIG. 3B), and at the same time the detector To reach.
  • the ions collide with the gas in the flight space, thereby gradually losing kinetic energy. Therefore, the flight speed decreases, that is, decelerates. Larger size ions have more chances of collision with the gas, so the degree of deceleration is also greater. Therefore, as shown in FIG. 3 (c), the time of flight varies depending on the size of the ions, and the time difference is detected. Reach the vessel.
  • the collision between the ions and the gas can be regarded as a collision between the spheres of the ion having the radius R A and the gas having the radius R B , and in this case, FIG. ) Can be modeled further as shown in FIG. That is, the ion is a point having an infinitely small radius, and this point is considered to be a collision between the ion and the gas when passing through a circular region having a radius of R A + R B.
  • the cross-sectional area of this circular region is the collision cross-sectional area and is ⁇ (R A + R B ) 2 .
  • the collision cross section can be thought of as the apparent size of the gas as seen from the ions, and the collision cross section is actually the size of the ions as well as the molecular structure (shape), valence, It also depends on the type of functional group added to the ion.
  • the spectrum comparison unit 14 compares the time-of-flight spectrum obtained by the first mass analysis stored in the spectrum storage unit 13 with the time-of-flight spectrum obtained by the second mass analysis, and appears in both. Compare the peak position, shape, intensity, etc.
  • the spectrum comparison unit 14 by analyzing the intensity and time difference of the peaks separated by the spectrum comparison unit 14, it is possible to obtain information on the quantification and molecular structure of a plurality of components. By using this information and the mass spectrum obtained by normal (that is, the first) mass analysis, it is possible to analyze various substances contained in the sample more precisely and accurately.
  • the ions when flying ions collide with the gas, the ions may be cleaved by collision-induced dissociation depending on conditions. When cleavage occurs, it becomes difficult to distinguish different types of ions having the same m / z value. In the second mass analysis, it is preferable that the conditions are such that cleavage does not occur as much as possible.
  • helium gas which is a light inert gas
  • a heavy gas such as xenon
  • the ions collide with the gas the ion flight trajectory may change greatly due to the impact even if the ion does not cleave, and may deviate from the orbit 2. Get higher.
  • a light gas there is an advantage that colliding ions do not deviate from the orbit 2 and the loss of ions during the flight can be reduced.
  • the gas pressure in the orbital flight chamber 4 is experimentally obtained in advance so that changes in the positions and shapes of peaks derived from ions having different sizes, that is, appropriate, appear clearly and cleavage does not become a problem.
  • the gas supply amount may be controlled so that the actual gas pressure in the orbiting flight chamber 4 becomes the calculated gas pressure.
  • the helium gas is introduced into the entire orbit 2, but in principle, the gas may be introduced into a part of the ion flight path.
  • the gas may be introduced into a part of the ion flight path.
  • a sufficient deceleration effect can be exhibited even when the amount of the gas is small, and the peak position and shape change as shown in FIG. Can be revealed.
  • the time-of-flight mass spectrometer according to the present invention is not limited to the multi-round flight time type as in the above-described embodiment, but also to a time-of-flight mass spectrometer having various flight paths such as a linear type and a reflectron type. Applicable. However, as is clear from the above description, the flight path through which the gas is introduced should be as long as possible. Therefore, the multi-round flight time type configuration is preferable in this respect.
  • the “multiple orbit flight time type” mentioned here does not repeatedly fly in a closed orbit, but also includes those that reciprocate in a straight or curved orbit.

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Abstract

　本発明の飛行時間型質量分析装置は周回飛行室（４）にバルブ（８）からガスを導入する機能を備え、同一試料に対して２回の分析を実行する。１回目はガスを導入しない状態で、２回目はＨｅを導入して、飛行時間スペクトルを取得する。同一のm/z値を持つ異種のイオンは、１回目の分析では１つのピークとして検出されるが、２回目の分析ではＨｅとの衝突のため異なる大きさのイオンの飛行時間に差が生じるので、検出されるピークの位置や形状に違いが生じる。スペクトル比較部（１４）は１回目と２回目の飛行時間スペクルのピークの位置や形状の変化を解析し、出力部（１５）から結果を出力する。これにより、分子構造、価数、分子クラスなど、イオンの大きさの相違に関連した情報を得ることが可能になる。

Description

飛行時間型質量分析装置
　本発明は飛行時間型質量分析装置に関する。
　一般に飛行時間型質量分析装置（ＴＯＦＭＳ）では、一定のエネルギーで以て加速したイオンが質量に応じた飛行速度を持つことに基づき、一定距離を飛行するのに要する時間を計測することで、その飛行時間からイオンの質量（厳密にはm/z値）を算出する。したがって、質量分解能を向上させるためには、飛行距離を伸ばすことが特に有効である。しかしながら、直線的に飛行距離を伸ばそうとすると装置が大形化することが避けられず実用的でない。
　そこで、飛行距離を伸ばすために、多重周回飛行時間型質量分析装置と呼ばれる質量分析装置が開発されている（例えば特許文献１、２など参照）。多重周回飛行時間型質量分析装置では、２乃至４個（又はそれ以上の個数）の扇形電場を用いて８の字状や略円状などの形状の閉じた周回軌道を形成し、この周回軌道に沿ってイオンを多数回繰り返し周回させることで飛行距離を実効的に長くしている。こうした構成によれば、飛行距離は装置サイズの制約を受けず、周回数を増やすことで質量分解能を向上させることができる。
　また、こうした多重周回飛行時間型質量分析装置では、リフレクトロン型ＴＯＦＭＳと同様に、扇形電場を形成する電極の曲率、形状などを工夫することにより、大きなエネルギーを持つイオンほど中心軌道よりも外側の、つまり距離の長い軌道を飛行させることで、イオンが持つエネルギーの拡がり（ばらつき）による飛行時間の拡がりを抑制することができる。これにより、イオンが加速される際の初期エネルギーのばらつきの影響を軽減し、質量分解能を一層向上させることができる。
特開平１１－１９５３９８号公報 特開２００５－７９０３７号公報
　しかしながら、従来の飛行時間型質量分析装置はイオンをm/z値に応じて分離するものであるため、例えば２価の窒素分子イオン（14Ｎ2 2+）と１価の窒素原子イオン（14Ｎ+）とを分離することはできない。
　本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、高い質量分解能でもって異種のイオンを分離し、且つ、m/z値では分離できない異種のイオンも分離することで、従来よりも、子細な情報を収集することができる飛行時間型質量分析装置を提供することである。
　上記課題を解決するために成された本発明は、イオンに所定の運動エネルギーを付与して飛行空間を飛行させることにより質量分析を行う飛行時間型質量分析装置において、
　a)イオンの飛行経路の少なくとも一部に所定のガスを導入するガス導入手段と、
　b)同一試料に対し、前記ガス導入手段によりガスが導入されない状態での質量分析とガスが導入された状態での質量分析とをそれぞれ実行し、各分析によりそれぞれ飛行時間スペクトルを取得する分析実行制御手段と、
　c)前記分析実行制御手段の制御の下で得られた２つの飛行時間スペクトルに出現しているピークの位置、形状又は強度の少なくとも１つを比較することで、同一m/z値を持つ異種のイオンを識別するイオン識別手段と、
　を備えることを特徴としている。
　本発明に係る飛行時間型質量分析装置において、ガス導入手段によりガスが導入された領域をイオンが通過すると、イオンは所定の確率でガスと衝突し、持っている運動エネルギーの一部が失われて飛行速度が低下する。一般に、イオンとガスとの衝突確率はイオンの大きさに依存し、大きなサイズのイオンほどガスと衝突する回数が多くなり、運動エネルギーの損失は大きい。したがって、仮に或る異種のイオンのm/z値が同一であっても、その異種のイオンに、大きさや構造（形状）、分子クラス（脂質やペプチドなどの分子の分類）、価数などの相違があれば飛行時間に差に生じる。
　そこで、分析実行制御手段は、同一試料に対し、所定のガスが導入されない状態（一般に高真空雰囲気中）での質量分析と、所定のガスが導入された状態での質量分析とをそれぞれ実行し、飛行時間スペクトルを取得する。高真空雰囲気中での質量分析により得られた飛行時間スペクトルでは、異種イオンであっても同一m/z値を持てば１つのピークとして現れる。これに対し、ガスが導入された状態での質量分析により得られた飛行時間スペクトルでは、同一m/z値を持つものであっても異種のイオンであれば、即ち、イオンの大きさや構造などが相違すれば、飛行時間に差が生じるためにピークが２つに分離するか、明確なピーク分離まで至らなくてもピーク形状が変形するか、或いは、ピーク強度が変化する。イオン識別手段は２つの飛行時間スペクトル上の対応するピークの位置、形状又は強度を比較することで、同一m/z値を持つ異種のイオンが存在するか否かを判定する。
　例えば、ガスが導入された状態における飛行時間スペクトル上で２つのピークに分離する場合、飛行時間が長いほうが大きなイオンであると判断することができる。また、ガスとの衝突によりイオンの損失がなければ（或いは無視できる程度であれば）、ガス導入時の飛行時間スペクトルに現れるピークはそれぞれのイオンの強度を表すから定量も可能である。
　本発明に係る飛行時間型質量分析装置の好ましい一態様は、同一の飛行軌道を繰り返し飛行させる多重周回飛行時間型の質量分析装置である。
　多重周回飛行時間型質量分析装置では、イオンはガスが導入された同一領域を繰り返し通過するため、飛行経路に導入されるガスの量が比較的少なく１回のイオンの通過では十分な飛行時間差が生じない場合でも、最終的に大きな飛行時間差を生じさせることができる。これにより、飛行時間スペクトル上でのピークの位置やピーク形状の変化などが顕著に現れ、異種のイオンが存在しているか否かの判断が容易に行え、その正確性も向上する。
　一般に、運動エネルギーを持って飛行しているイオンがガスに衝突すると、衝突誘起解離によってイオンの開裂が生じ易い。そこで、本発明に係る飛行時間型質量分析装置では、できるだけ開裂が生じにくい条件の下でガスを導入した状態の質量分析を実行することが望ましい。そのために有効な方法の１つは、所定のガスとしてできるだけ軽いガスを用いることである。好適な一例として、最も軽い不活性ガスであるヘリウムを用いるとよい。
　こうした軽いガスを用いるとイオンの開裂が生じにくいのみならず、ガスとの衝突の際にもイオンが飛行軌道を外れにくく、飛行途中でのイオンの消失を抑えるのにも有効である。もちろん、イオンの開裂を生じにくくするために、導入するガスの量を少なくする（つまりガス圧を低い状態とする）ようにしてもよい。但し、上述したようにガスの量が少ないとイオンの大きさに応じて飛行時間に差を生じさせる効果も小さくなるため、多重周回飛行時間型の構成にすることが望ましい。
　さらにまた、イオンを飛行空間へ導入する際にイオンに与える初期的な運動エネルギーを小さくしても、衝突誘起解離によるイオンの開裂を回避するのに有効である。但し、初期運動エネルギーを小さくし過ぎると、途中で運動エネルギーを徐々に失ったイオンが検出器まで到達し得なくなるから、飛行経路の長さ（例えば多重周回飛行時間型質量分析装置の場合には周回数）とガス圧などに基づいて、或る程度以上の初期的な運動エネルギーをイオンに与えることが必要である。
　本発明に係る飛行時間型質量分析装置によれば、通常の質量分析により高い質量分解能で試料中の成分由来のイオンのm/z値を測定することができるとともに、m/z値が同一（又はほぼ同一）でイオンの大きさ、構造、分子クラスなどが相違する異種のイオンが存在している場合に、少なくともそうした存在に関する情報を提供することができる。また、本発明に係る飛行時間型質量分析装置によれば、m/z値の相違に応じたイオンの分離・検出と、イオンの大きさ、構造、分子クラスなどに応じた同一のm/z値を持つイオンの分離・検出が同一の装置で且つ簡単な操作でもって行えるので、イオンの分子構造の解明などに有用な情報を効率よく収集することが可能となる。
本発明の一実施例による多重周回飛行時間型質量分析装置の概略構成図。 本実施例の多重周回飛行時間型質量分析装置における分析動作の説明図。 本実施例の多重周回飛行時間型質量分析装置における分析動作の説明図。 イオンとガスとの衝突によるエネルギー減衰の概略説明図。
符号の説明
１…イオン源
２…周回軌道
３…扇形電極対
４…周回飛行室
５…検出器
６…真空室
７…ガス源
８…バルブ
９…電圧印加部
１０…制御部
１１…Ａ／Ｄ変換器
１２…データ処理部
１３…スペクトル記憶部
１４…スペクトル比較部
１５…出力部
　本発明の一実施例である多重周回飛行時間型質量分析装置について、添付図面を参照して説明する。図１は本実施例の多重周回飛行時間型質量分析装置の概略構成図である。
　図示しない真空ポンプにより真空排気される真空室６内には、イオン源１、周回飛行室４、検出器５が配設され、周回飛行室４の内部には、周回軌道２を形成するための複数の扇形電極対３が配置されている。周回飛行室４には、バルブ８の開放時にガス源７から所定圧で所定のガスが供給される。イオン源１、バルブ８、及び、扇形電極対３に所定の電圧を印加する電圧印加部９は制御部１０により制御される。検出器５による検出信号はＡ／Ｄ変換器１１で所定のサンプリング時間間隔でデジタルデータに変換され、そのデータはデータ処理部１２で処理される。データ処理部１２は本実施例に特徴的な機能ブロックとしてスペクトル記憶部１３とスペクトル比較部１４とを含み、処理結果は出力部１５より出力される。ガス源７に用意される所定のガスとしては、後述する理由により、軽い不活性ガスが好ましく、ここではヘリウムガスを用いるものとする。
　イオン源１では試料分子がイオン化され、生成された各種イオンは所定の初期エネルギーを付与されて飛行を開始する。なお、イオン源１は例えば３次元四重極型イオントラップなどのように、外部で生成された各種イオンを一時的に保持し、それらイオンに所定のタイミングで一斉にエネルギーを付与して飛行を開始させるものでもよい。
　イオン源１を出発点として飛行を開始したイオンは、周回飛行室４に入って複数の扇形電極対３の間にそれぞれ形成される複数の扇形電場の作用により形成される周回軌道２に乗せられる。周回軌道２の形状は図１に記載のものに限らず、略楕円形状、８の字形状など、様々な形状が実現可能である。イオンは周回軌道２を１乃至複数回周回した後に周回軌道２から離脱され、周回飛行室４を出てその外側に設けられた検出器５に到達して検出される。各種イオンは同一の運動エネルギーが付与されて飛行を開始するので、m/z値が小さなイオンほど飛行速度が大きくなる。そのため、m/z値が小さなイオンが先に検出器５に到達し、m/z値が増加するに従い遅れて到達する。
　バルブ８を閉鎖して周回飛行室４にヘリウムガスを導入しない状態では、従来知られている多重周回飛行時間型質量分析装置と同様の分析動作が実行される。即ち、周回軌道２上の周回数をｎとし、周回軌道の１周の長さをＬとし、さらに図１中に記載のように入射軌道の長さをＬin、出射軌道の長さをＬoutとしたとき、或るイオンがイオン源１を出発してから検出器５に到達するまでの飛行距離Ｌtolは、
　　Ｌtol＝ｎ・Ｌ＋Ｌin＋Ｌout
である。この飛行距離が長いほど、つまり周回周ｎが多いほど、質量分解能は向上する。
　次に、本実施例の多重周回飛行時間型質量分析装置の特徴的な分析動作について、図２、図３を参照して説明する。
　制御部１０は、上記のようにバルブ８を閉鎖した状態で試料に対する１回目の質量分析を行い、データ処理部１２において飛行時間スペクトルを取得する。いま、ここでは説明を簡単にするために、図２（ａ）に示すような単一ピークが飛行時間スペクトル上に得られる場合を考える。飛行時間はm/z値に一義的に換算可能であるから、図２（ａ）に示した飛行時間スペクトルからマススペクトルを求めると、マススペクトル上でも１つのピークが現れる。これは、質量分解能の誤差の範囲で同一とみなせるm/z値を持つイオンパケットによるピークである。従来の多重周回飛行時間型質量分析装置では、ここまでで分析は終了であり、後は得られたマススペクトルの解析処理を実行することになる。
　これに対し、本実施例の多重周回飛行時間型質量分析装置では、上記１回目の質量分析で取得された飛行時間スペクトルをスペクトル記憶部１３に格納し、引き続いて制御部１０は、バルブ８を開放して周回飛行室４にヘリウムガスを導入して周回飛行室４内を所定ガス圧に保つ。その状態で１回目の分析時と同一の試料に対する２回目の質量分析を行い、データ処理部１２において再び飛行時間スペクトルを取得する。周回飛行室４内にヘリウムガスを導入して所定ガス圧に維持する以外は、分析条件は１回目の分析と同じにする。
　例えば２価の窒素分子イオン（14Ｎ2 2+）と１価の窒素原子イオン（14Ｎ+）とは異なる種類のイオンであるが、同一のm/z値を持つ。そのため、上記１回目の分析で得られる飛行時間スペクトル上では１つのピークとなり、みかけ上、複数種のイオン由来のピークであることは分からない。これに対し、周回飛行室４内に適度のガス圧でヘリウムガスを導入した状態で実行された２回目の質量分析では、同一m/z値を持つイオンであっても、イオンの大きさが相違すれば飛行時間に差が生じる。
　いま、図３（ａ）に示すように、同一m/z値を有し大きさの相違する２種のイオンが同時に、同一の運動エネルギーを付与されて飛行空間に導入された場合を考える。飛行空間内にガスが存在しない（つまり真空雰囲気）場合には、イオンの飛行速度はm/z値に依存するから飛行時間に差は生じず（図３（ｂ）参照）、同時に検出器に到達する筈である。一方、飛行空間内にヘリウムガスが存在すると、イオンは飛行空間内でガスに衝突し、それによって徐々に運動エネルギーを失う。そのため、飛行速度が落ち、つまり減速する。大きなサイズのイオンほどガスとの衝突の機会は多いため、減速の程度も大きく、そのため、図３（ｃ）に示すように、イオンの大きさに応じて飛行時間に差がつき、時間差をもって検出器に到達する。
　イオンとガスとの衝突は、図４（ａ）に示すように、半径ＲAのイオンと半径ＲBのガスとの球体同士の衝突であるとみなすことができ、この場合、図４（ｂ）に示すようにさらにモデル化して考えることができる。即ち、イオンは半径が無限に小さい点であり、この点が、半径がＲA＋ＲBである円形領域を通過したときがイオンとガスとの衝突であると考える。この円形領域の断面積が衝突断面積であり、π（ＲA＋ＲB）2である。点であるイオンがこの領域を通過すると、イオンはガスとの相互作用（引力や斥力など）によりエネルギーの一部を失う。これに対し、イオンがこの領域の外側を通過する場合には、イオンはガスとの相互作用を受けず、エネルギーはそのまま維持される。衝突断面積はイオンから見たガスの見かけ上の大きさであると考えることができ、その衝突断面積は実際には、イオンの大きさのほか、イオンの分子構造（形状）、価数、イオンに付加されている官能基の種類、などにも依存する。
　上述のようにm/z値が同一であっても大きさ（或いは衝突断面積に影響する上記のような各種要因）が相違する異種のイオンは異なる飛行時間を持つため、２回目の質量分析により取得される飛行時間スペクトル上には、図２（ｂ）に示すように同一m/z値に由来する２本のピークが分離して現れる。時間的に先に現れる成分Ａは遅れて現れる成分Ｂよりも例えばイオンの大きさが小さいものであると推測できる。そこで、スペクトル比較部１４は、スペクトル記憶部１３に保存されている１回目の質量分析で得られた飛行時間スペクトルと２回目の質量分析で得られた飛行時間スペクトルとを比較し、両者に現れているピークの位置、形状、強度などを比較する。この例では、１本のピークが２本のピークに分離されたことが直ぐに分かるので、少なくとも試料中に同一m/z値を持ち、イオンの大きさ、イオンの分子構造、価数、或いは分子クラスなどが相違する２種のイオンが存在すると判断でき、その結果が出力部１５より出力される。
　さらにスペクトル比較部１４で分離されたピークの強度や時間差などを解析することにより、複数の成分の定量や分子構造に関する情報を得ることができる。この情報と通常の（つまり１回目の）質量分析で得られたマススペクトルとを利用することにより、試料中に含まれる各種物質の解析を、より子細に且つ精度よく行うことが可能である。
　なお、飛行するイオンがガスに衝突した場合、条件によっては衝突誘起解離によりイオンが開裂してしまうことがある。開裂が生じると同一m/z値を持つ異なる種類のイオンの識別が困難になるから、２回目の質量分析では、できるだけ開裂が生じない条件とすることが好ましい。
　一般に、運動エネルギーを持ったイオンがガスに衝突して衝突誘起解離を起こす場合、重いガスであるほど衝突誘起解離を起こし易い。そこで、上記実施例では、これを避けるために軽い不活性ガスであるヘリウムガスを用いている。さらに、例えばキセノンのように重いガスを周回飛行室４内に導入した場合、イオンがガスに衝突すると開裂を生じなくても衝撃によりイオンの飛行軌道が大きく変化し、周回軌道２から外れるおそれが高くなる。これに対し、軽いガスを用いることにより、衝突したイオンが周回軌道２を外れることがなくなり、飛行途中でのイオンの損失を軽減できるという利点もある。
　また、衝突誘起解離を起こしにくくするには、周回飛行室４内に導入するガスの量を少なくすることが考えられる。但し、上述したようなイオンの大きさに応じて飛行時間に差を生じさせるためには、或る程度の量のガスを周回飛行室４内に導入する必要がある。そこで、例えば、適切な、つまり大きさの相違するイオン由来のピークの位置や形状の変化が明確に現れ且つ開裂が問題にならないような、周回飛行室４内のガス圧を予め実験的に求めておき、周回飛行室４内の実際のガス圧が求めておいたガス圧になるようにガスの供給量を制御するとよい。
　さらにまた、イオン源１から発したイオンに付与する初期運動エネルギーを小さくすることで、イオンがガスに衝突する際の衝突エネルギーを抑え、衝突誘起解離を起こしにくくすることも考えられる。但し、初期運動エネルギーを極端に小さくすると、飛行途中でのイオンの損失が多くなり、また飛行時間が全体的に長くなって分析時間が長引く。また、周回数を増やすと、途中で飛行できなくなるイオンが発生するおそれもある。したがって、この場合にも、予め実験的に適切な初期運動エネルギーを求めておくようにするとよい。
　上記実施例では、周回軌道２全体にヘリウムガスを導入する構成としていたが、原理的には、イオンの飛行経路の一部にガスを導入する構成とすればよい。但し、できるだけ長い飛行経路にガスを導入することより、そのガスの量が少ない場合でも十分な減速効果を発揮させることができ、図２（ｂ）に示したようなピークの位置や形状の変化を顕在化させることができる。
　また、本発明に係る飛行時間型質量分析装置は、上記実施例のような多重周回飛行時間型のみならず、リニア型やリフレクトロン型など、様々な飛行経路を持つ飛行時間型質量分析装置に適用が可能である。但し、上記説明でも明らかなように、ガスが導入される飛行経路はできるだけ長いほうがよいから、その点で、多重周回飛行時間型の構成は好適である。なお、ここで言う「多重周回飛行時間型」とは閉じた軌道を繰り返し飛行するものではなく、直線状や曲線状の軌道を繰り返し往復するものも含むものとする。
　また、それ以外の点についても、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正、追加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。

Claims (3)

  1. 　イオンに所定の運動エネルギーを付与して飛行空間を飛行させることにより質量分析を行う飛行時間型質量分析装置において、
    　a)イオンの飛行経路の少なくとも一部に所定のガスを導入するガス導入手段と、
    　b)同一試料に対し、前記ガス導入手段によりガスが導入されない状態での質量分析とガスが導入された状態での質量分析とをそれぞれ実行し、各分析によりそれぞれ飛行時間スペクトルを取得する分析実行制御手段と、
    　c)前記分析実行制御手段の制御の下で得られた２つの飛行時間スペクトルに出現しているピークの位置、形状又は強度の少なくとも１つを比較することで、同一m/z値を持つ異種のイオンを識別するイオン識別手段と、
    　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、
    　同一の飛行軌道を繰り返し飛行させる多重周回飛行時間型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、
    　前記所定のガスはヘリウムであることを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
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