JP2002373617A - イオントラップ型質量分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 外部からイオントラップ内へ導入されたイオ
ンの捕捉効率を改善する。 【解決手段】 入口側エンドキャップ電極３の中央の開
口５からイオントラップ空間１にイオンを導入する際に
は、入射したイオンを包み込むような凹形状の等電位面
を有する静電場をイオントラップ空間１に発生させるべ
く、リング電極２、並びに入口側及び出口側エンドキャ
ップ電極３，４に所定の直流電圧を印加する。これによ
り、軸Ｃに沿って入射するイオンのみならず斜めに入射
するイオンをも効果的に減速し、イオンを長い時間イオ
ントラップ空間１に留めることができる。その結果、リ
ング電極２に急峻にＲＦ主電圧を印加した際に形成され
る四重極電場に捕捉される確率が高まる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はイオントラップ型質
量分析装置に関し、更に詳しくは、イオントラップの外
部で発生させたイオンをイオントラップに導入して捕捉
するイオントラップ型質量分析装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図３は一般的なイオントラップ型質量分
析装置の要部の構成図である。イオントラップは、内面
が回転１葉双曲面形状を有する１個の環状のリング電極
２と、該リング電極２を挟むように対向して設けられ
た、内面が回転２葉双曲面形状を有する入口側エンドキ
ャップ電極３、及び出口側エンドキャップ電極４とを含
んで構成される。入口側エンドキャップ電極３のほぼ中
央には熱電子又はイオン入射用の入口側開口５が穿孔さ
れており、一方、出口側エンドキャップ電極４には上記
開口５とほぼ一直線上にイオン放出用の出口側開口６が
穿孔され、その外側には検出器９が設けられる。

【０００３】イオントラップの内部空間（以下「イオン
トラップ空間」という）１でイオンを発生させる場合に
は、入口側開口５の外側に設けられた熱電子生成部７か
ら放出された電子を該開口５を通過してイオントラップ
空間１に導入し、外部より試料導入部８を介してイオン
トラップ空間１に導入した試料分子をイオン化する。リ
ング電極２及びエンドキャップ電極３，４にそれぞれ適
当な電圧を印加すると、イオントラップ空間１に四重極
電場が形成されイオンをそこに閉じ込めておくことがで
きる。こうしたイオン捕捉時には、通常、リング電極２
には１ＭＨｚ程度の周波数の高周波交流（ＲＦ）電圧が
印加され、エンドキャップ電極３，４はほぼゼロ電位に
保たれる。このようにしてイオントラップ空間１にイオ
ンを捕捉した後にリング電極２に印加している高周波交
流電圧を適宜に走査すると、その電圧に応じた質量数を
有するイオンが出口側開口６から順次放出されるので、
このイオンを検出器９で検出しその検出信号を演算処理
することによって質量スペクトルを作成することができ
る。或いは、イオントラップ空間１から排出されたイオ
ンを別の質量分析装置（例えば、飛行時間型質量分析装
置＝ＴＯＦ）に導入して、更に質量分解能の高い測定を
行う場合もある。

【０００４】ところで、例えば液体クロマトグラフの検
出器としてこの質量分析装置を用いる場合、試料液を気
化させたり溶媒を除去したりするために特殊なインター
フェイスを必要とするため、上述したようにイオントラ
ップ空間１でイオン化を行うのではなく、外部のイオン
源で発生させたイオンを入口側開口５を通してイオント
ラップ空間１に導入することが行われる。

【０００５】従来知られているイオントラップ型質量分
析装置（例えばＷＯ９９/３９３７０公報など）では、
イオントラップ空間１に外部から正イオンを導入する際
には、入口側エンドキャップ電極３及びリング電極２を
接地電位（通常ゼロ電位）にし、出口側エンドキャップ
電極４にイオンと同極性である正の電圧を印加すること
によって減速用の静電場を形成するようにしている。

【０００６】図４はこのような印加電圧によってイオン
トラップ空間１に形成される静電場の等電位面の模式図
である。この図４は計算機シミュレーションにより静電
場の等電位面を描出したものである。図示しない外部の
イオン源から放出された各種のイオンのうち、相対的に
低質量数のイオンは先行して入口側開口５からイオント
ラップ空間１に入射するが、図示するような静電場によ
って減速され、更には跳ね返されることにより出口側エ
ンドキャップ電極４への衝突が回避される。その間に、
高質量数のイオンが遅れて入口側開口５に到着しイオン
トラップ空間１へと導入される。こうした所望の高質量
数イオンが完全に導入された時点で、出口側エンドキャ
ップ電極４への印加電圧を接地電位とし、これと相前後
してリング電極２へ印加すべきＲＦ電圧を急峻に立ち上
げる。これにより、イオントラップ空間１に存在するイ
オンを確実に捕捉するようにしている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに出口側エンドキャップ電極４に電圧を印加して減速
用の静電場を形成する方法では次のような問題がある。
すなわち、図４に描いたように、静電場は入射して来る
イオンに向かって凸形状の等電位面を有している。その
ため、入口側開口５を通してイオントラップ空間１に導
入されるイオンのうち、軸Ｃにほぼ沿って入射するイオ
ンは等電位面にほぼ直交するように当たり適切に減速さ
れるが、入口側開口５に斜めに入射したイオンは等電位
面に対して大きな入射角度を持って当たることになるた
め、反射時の速度が充分に小さくならず、出口側エンド
キャップ電極４への印加電圧を接地電位に切り替える際
のエネルギの除去が充分に行われない。また、イオンが
リング電極２の方向へと進行し、高質量数のイオンが導
入される前にリング電極２に衝突してしまう可能性が高
く、捕捉し得るイオンの質量範囲を広くすることが困難
である。

【０００８】すなわち、このような従来の方法では、イ
オンの捕捉効率、特に、先行してイオントラップ空間１
に入る比較的低質量数のイオンの捕捉効率は必ずしも高
くない。本発明はこのような課題を解決するために成さ
れたものであり、その目的とするところは、外部からイ
オントラップ空間にイオンを導入する場合に効率良くイ
オンを捕捉することができ、ひいては分析感度を改善す
ることができるイオントラップ型質量分析装置を提供す
ることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段、及び発明の実施の形態】
上記課題を解決するために、本発明に係るイオントラッ
プ型質量分析装置では、外部からイオンを導入する際
に、イオントラップ空間に、図２に示すように入口側開
口５側が凹となる形状に湾曲した等電位面を有する静電
場を形成しておく。これにより、イオントラップ空間に
斜めに入射して来るイオンに於いても、そのイオンの軌
道に対して等電位面が垂直に近い角度となるため、イオ
ンを効果的に減速させて、遅れて入口側開口５に到達す
るイオンがイオントラップ空間に確実に入射するまでの
時間を充分に確保することができるようになる。

【００１０】このような電場を形成するために、本発明
の一実施形態によるイオントラップ型質量分析装置で
は、リング電極、入口側エンドキャップ電極、及び出口
側エンドキャップ電極にそれぞれ所定の電圧を印加する
電圧制御手段を備え、該電圧制御手段は、前記リング電
極及び出口側エンドキャップ電極へ略同一の直流電圧を
印加するとともに、前記入口側エンドキャップ電極へ
は、イオンの極性が正である場合には前記略同一の直流
電圧よりも低く、イオンの極性が負である場合には該略
同一の直流電圧よりも高い直流電圧を印加することによ
り、前記静電場を形成する構成とすることができる。

【００１１】更にまた、前記電圧制御手段は、前記イオ
ン導入時に入口側エンドキャップ電極へ前記直流電圧を
印加した後、所定のタイミングで該電圧をゼロ又はその
近傍へ戻す構成とするとよい。ここで言う「所定のタイ
ミング」とは例えば所望の高質量数のイオンがイオント
ラップ空間に導入されたタイミングであり、これは分析
対象の質量範囲などに依存するものである。このように
入口側エンドキャップ電極を上述したような電圧からゼ
ロ又はその近傍へ戻せば、イオントラップ空間に存在し
ているイオンのエネルギを除去することができるので、
その時点でイオントラップ空間に存在している低質量数
から高質量数までのイオンをより確実に捕捉することが
できる。

【００１２】

【発明の効果】この発明に係るイオントラップ型質量分
析装置によれば、外部で生成したイオンをイオントラッ
プ空間に導入して捕捉する際に導入されたイオンを無駄
にすることなく、より確実に捕捉することができるので
捕捉効率が大きく向上する。したがって、一旦捕捉した
イオンをイオントラップ空間から排出して検出する際の
イオン量が増加するので、分析感度や分析精度を向上さ
せることができる。また、低質量数のイオンよりも遅れ
て到着する高質量数のイオンがイオントラップ空間に確
実に導入されるまで待って捕捉動作を行うことができる
ので、分析対象のイオンの質量範囲を広げるのにも有利
である。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例によるイオントラッ
プ型質量分析装置について説明する。図１は本実施例に
よるイオントラップ型質量分析装置の要部の構成図であ
る。なお、図３と同一又は相当する構成要素には同一符
号を付して詳細な説明を省く。

【００１４】イオン源２１はイオントラップ空間１の外
部において試料分子をイオン化するものであって、例え
ば液体試料を大気圧雰囲気中に噴霧してイオン化する大
気圧化学イオン化法などによるイオン源である。このイ
オン源２１で発生されたイオンはイオンガイド（イオン
レンズ）２２を通して輸送され、入口側エンドキャップ
電極３の入口側開口５に向けて送り出される。なお、イ
オンガイド２２の形状は、円環形状体を複数並置した構
成等、種々の構成とすることができる。リング電極２に
は交流電圧又は直流電圧を印加するためにＲＦ主電圧発
生部１１が接続され、エンドキャップ電極３，４にもそ
れぞれ異なる電圧を印加できるように第１，第２なる２
つの補助電圧発生部１２，１３がそれぞれ接続されてお
り、これら補助電圧発生部１２，１３とＲＦ主電圧発生
部１１とは電圧制御部１４により制御される。

【００１５】この質量分析装置では、イオン源２１で生
成されたイオンをイオントラップ空間１に入射（導入）
して一旦捕捉し、その後の期間に出口側開口６から排出
させ、そのイオンの質量数を分析する。質量分析には、
イオンを順次放出させることによる方法や、出口側開口
６の外側に接続した飛行時間型質量分析計で質量分離を
行う方法など、様々な方法がある。

【００１６】次に、イオンをイオントラップ空間１に導
入する際の電圧制御について説明する。正イオンを導入
する際に、電圧制御部１４は、リング電極２及び出口側
エンドキャップ電極４への印加電圧Ｖ1，Ｖ3を共に０
(Ｖ)とし、入口側エンドキャップ電極３にはそれよりも
４(Ｖ)低い直流電圧Ｖ２＝−４(Ｖ)を印加するように、
ＲＦ主電圧発生部１１及び第１、第２補助電圧発生部１
２，１３を制御する。このような電圧が各電極２，３，
４に印加されると、リング電極２と出口側エンドキャッ
プ電極４とはその表面の電位が同じであるため、その両
電極２，４で挟まれる空間には電界は存在せず、イオン
トラップ空間１には、図２に示すように等電位面が入射
したイオンを包み込むように凹形状になった減速用の静
電場が形成される。なお、図２に示す等電位面は、図４
と同様に計算機シミュレーションによって描出したもの
である。もちろん、上記のような形状の電場を形成でき
さえすれば、各電極２，３，４への印加電圧は上記記載
の値に限定されるものでないことは当然である。

【００１７】この静電場は、入口側開口５を通って入射
して来たイオンを減速させ、更には反射させる役目を有
している。このような正電場に於いては、軸Ｃにほぼ沿
って入口側開口５を入射して来るイオンは等電位面にほ
ぼ直交するよう貫通しつつ適切に減速されイオントラッ
プ空間１に滞留する。一方、図２に示すように入口側開
口５を斜めに入射したイオンに対しても、等電位面は垂
直に比較的近い角度となる。そのため、電場による減速
効果が荷電粒子であるイオンに対して効果的に作用し、
入口側エンドキャップ電極３への印加電圧Ｖ2を−４
(Ｖ)→０(Ｖ)に切り替える際のエネルギ除去が効率よく
行われる。また、等電位面でイオンが反射されたとして
もリング電極２に衝突するまでの時間が延びるため、高
質量数のイオンがイオントラップ空間１に到着するまで
の時間に余裕ができ、捕捉可能なイオンの質量範囲を拡
大することができる。

【００１８】すなわち、イオン源２１で発生した各種イ
オン（様々な質量数を有するイオン）のうち、質量数が
小さないわば軽いイオンは重いイオンよりも先行してイ
オントラップ空間１内に入り、上記のような静電場の影
響を受ける。軽いイオンが上述したように減速され更に
跳ね返されることによってイオントラップ空間１に滞留
している間に、高質量数の重いイオンが遅れて入口側開
口５に到達してイオントラップ空間１へと入る。上述し
たように斜め入射のイオンに対しても減速を適切に行う
ことによって、高質量数のイオンが入射するまでの時間
的余裕を稼ぐことができる。そして、所望の上限質量数
のイオンがイオントラップ空間１に入射したと見込まれ
るタイミングで、リング電極２にはＶ0・cosωｔなるＲ
Ｆ主電圧が印加される。この電圧によって、イオントラ
ップ空間１にはイオンを捕捉するための四重極電場が発
生する。したがって、その時点でイオントラップ空間１
に存在しているイオンは四重極電場に捕捉されて外部へ
は発散しない。また、このＲＦ主電圧の印加と相前後し
て、入口側エンドキャップ電極３への印加電圧Ｖ2を接
地電位に切り替えてイオンのエネルギを除去することに
より、イオンの捕捉効率は一層増加する。このようにし
て、本装置ではイオントラップ空間１に導入されたイオ
ンを確実に捕捉し、質量分離やそのほかの分析に利用す
ることができる。

【００１９】なお、上記説明はイオントラップ空間１に
正イオンを導入する場合の例であるが、負イオンを導入
する場合であっても同様の方法をとることができること
は容易に推測し得る。また、上記記載の装置は単に一例
であって、本発明の趣旨の範囲で適宜変更や修正を行え
ることは明らかである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例によるイオントラップ型質
量分析装置の要部の構成図。

【図２】 本実施例のイオントラップ型質量分析装置に
於けるイオン導入時のイオントラップ空間内の静電場の
状態図。

【図３】 一般のイオントラップ型質量分析装置の要部
の構成図。

【図４】 従来のイオントラップ型質量分析装置に於け
るイオン導入時のイオントラップ空間内の静電場の状態
図。

【符号の説明】

１…イオントラップ空間 ２…リング電極 ３…入口側エンドキャップ電極 ４…出口側エンドキャップ電極 ５…入口側開口 ６…出口側開口 １１…ＲＦ主電圧発生部 １２，１３…補助電圧発生部 １４…電圧制御部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 環状のリング電極と、該リング電極を挟
   むように配設された一対の入口側及び出口側エンドキャ
   ップ電極とでイオントラップを形成し、外部で発生した
   イオンを前記入口側エンドキャップ電極に設けた入射開
   口を通して前記イオントラップに導入するイオントラッ
   プ型質量分析装置に於いて、 イオンを前記イオントラップに導入する際に、該イオン
   トラップの内部空間に、前記入射開口側が凹となる形状
   に湾曲した等電位面を有する静電場を形成するように、
   前記リング電極、並びに、前記入口側及び出口側エンド
   キャップ電極にそれぞれ所定の電圧を印加する電圧制御
   手段を備えることを特徴とするイオントラップ型質量分
   析装置。
2. 【請求項２】 前記電圧制御手段は、前記リング電極及
   び出口側エンドキャップ電極へ略同一の直流電圧を印加
   するとともに、前記入口側エンドキャップ電極へは、イ
   オンの極性が正である場合には前記略同一の直流電圧よ
   りも低く、イオンの極性が負である場合には該略同一の
   直流電圧よりも高い直流電圧を印加することにより、前
   記静電場を形成することを特徴とする請求項１に記載の
   イオントラップ型質量分析装置。
3. 【請求項３】 前記電圧制御手段は、前記イオン導入時
   に入口側エンドキャップ電極へ前記直流電圧を印加した
   後、所定のタイミングで該電圧をゼロ又はその近傍へ戻
   すことを特徴とする請求項１又は２に記載のイオントラ
   ップ型質量分析装置。