JP4231775B2 - イオントラップ／飛行時間型質量分析計 - Google Patents

Description

本発明は、イオントラップ型と飛行時間型の二つの機能を備えた質量分析計に関する。

最近、質量分析法は、バイオ工学やバイオ化学分野において主要な分析手法として認知されるようになった。これは主として、バイオ分野向けのイオン化技術や質量分析計の開発，改良が相次いでなされたことによる。バイオ分野向けのイオン化技術としては、熱的に不安定で、高分子量のバイオ分子を直接、安定にイオン化できる２つのイオン化手法がある。一つのイオン化手法は、溶液中に溶け込んだバイオ分子を大気中に直接イオンとして取り出せるエレクトロスプレイイオン化（Electro spray ionization, ＥＳＩ）である。もう一つのイオン化手法は、試料分子にレーザー光を照射することにより試料分子をイオン化するマトリックス支援レーザー脱離イオン化法（Matrix-assisted laser
desorption ionization, ＭＡＬＤＩ）である。

これら２つのイオン化手法は、共にソフトなイオン化手法であるが、それぞれの手法で生成されるイオンビームの形態は全く異なっている。ＥＳＩでは連続したイオンビームが生成されるのに対して、ＭＡＬＤＩではパルス的にイオンが生成される。そのため、各々のイオン化手法に最適な質量分析計が用意されている。具体的には、ＥＳＩは四重極質量分析計（ＱＭＳ）やイオントラップ質量分析計に結合して使用されることが多く、MALDIは飛行時間質量分析計（Time-of-flight, ＴＯＦ）と結合して用いられることが多い。

また最近は、ＥＳＩ及びＭＡＬＤＩ共に結合できるタイプの質量分析計も検討されている。

上記のようなＥＳＩやＭＡＬＤＩなどのソフトなイオン化手法とＴＯＦの結合した質量分析計が、バイオ分野で急速に普及し始めた。その過程で種々の装置が提案されている。

例えば、特開平１１−１５４４８６号公報（特許文献１）やＵＳＰ6,331,702(特許文献２) に示されるようなＥＳＩイオン源或いはＭＡＬＤＩイオン源とＴＯＦの間に、２つの四重極ＭＳ（Quadrupole Mass Spectrometer, ＱＭＳ）を配置したＱ−ＴＯＦである。しかし、このＱ−ＴＯＦではＭＳ／ＭＳまで可能であるが、更なる構造情報を得るための
ＭＳ／ＭＳを繰り返すＭＳ³やＭＳ⁴は達成できない。

ＭＳ³やＭＳ⁴が可能な装置としては、リング電極と一対のエンドキャップ電極から構成されるイオントラップとＴＯＦが結合したイオントラップ／ＴＯＦであり、Journal of
Mass Spectrometry, 213(2002), 45-62(非特許文献１）や特開２００３−１２３６８５号公報（特許文献３）に開示されている。イオントラップ／ＴＯＦは、イオン源で生成したイオンを一旦イオントラップにトラップして、ＭＳ／ＭＳ等の工程を経て、生成されたイオンをＴＯＦに送り込み質量分析する。

特開平１１−１５４４８６号公報 ＵＳＰ6,331,702 特開２００３−１２３６８５号公報 Journal of Mass Spectrometry, 213(2002), 45-62

外部イオン源からイオントラップにイオンを導入する場合は、一つのエンドキャップ電極の中心に開けられた細孔からイオンを導入する。その間、リング電極とエンドキャップ電極間には１ＭＨｚ，１ｋＶ程度の高周波電圧が印加される。イオントラップ電極内に形成された四重極電界により導入されたイオンの多くはイオントラップ内にトラップされる。しかし、イオントラップ空間に捕捉されない低質量のイオンや、導入された時の高周波の位相や電位により安定にトラップされなかった高質量のイオンの一部は、エンドキャップ電極の細孔からイオントラップの外に放出される。放出されたイオンは、暫時、次段のＴＯＦに送り込まれ、ＴＯＦにより質量スペクトルを与えることになる。即ち、イオントラップで不要イオンとして排出されたはずのイオンが、質量スペクトル上に化学ノイズとして再び生き返ることになる。

また、イオントラップでＭＳ／ＭＳ又はＭＳⁿ を行う場合、トラップされた種々のイオンの中から先ず分析対象となる前駆イオンを単離する工程が行われる。この前駆イオンの単離方法は種々あるが、イオンの固有振動数（secular motion）との共鳴により排出する方法が広く用いられている。これは、ある周波数が欠如した（ノッチ）ホワイトノイズをエンドキャップに印加するものであり、これにより、ノッチの周波数に相当するイオンのみがイオントラップ内に残り、他のイオンはホワイトノイズとの共鳴によりイオントラップ外に排出される。この共鳴による排出のエネルギーは大きく、リング電極への最大印加電圧に相当するエネルギーのイオンがエンドキャップ電極の細孔から排出される。

このように、イオントラップへのイオントラップ導入，イオンの蓄積，ＭＳ／ＭＳの際に、エネルギー幅の広いイオンがランダムに放出される。放出されたイオンは、０〜１
ｋＶ程度まで広範なエネルギーの広がりを持っている。そのため、エンドキャップ電極に隣接した電極に数１００Ｖ程度印加しても、イオンを阻止することは出来ない。そのため、イオントラップの処理工程での不要イオンの放出は、ＴＯＦマススペクトルに化学ノイズを与え、ＴＯＦの高感度，高分解能などの特徴を損なうようになる。また、この化学ノイズは正常のイオンと区別がつかないために、誤った情報をユーザに与えるという問題が生じた。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、イオントラップ／ＴＯＦの持つ高い分解能と高感度の特性を維持しつつ、イオントラップから排出される不要イオンの影響を除去することのできるイオントラップ／飛行時間型質量分析計を提供することである。

上記目的を達成するための本発明の特徴は、試料をイオン化するイオン源と、リング電極と一対のエンドキャップ電極を備え、前記イオン源から排出されたイオンを蓄積するイオントラップと、複数の円柱状電極から成り、前記イオントラップから排出されたイオンが導入される多重極イオンガイドと、前記多重極イオンガイドから排出されたイオンが導入される飛行時間型質量分析計とで構成され、前記イオントラップと前記多重極イオンガイド間に、イオンが通過する細孔を備え、且つ電圧の印加によってイオンの通過を制御する第１のゲート電極を備え、前記多重極イオンガイドと前記飛行時間型質量分析計の間に、イオンが通過する細孔を備え、且つ電圧の印加によってイオンの通過を制御する第２のゲート電極を備え、前記多重極イオンガイド、及び前記第１及び第２のゲート電極に印加される電圧を制御して、イオンが前記多重極イオンガイドを通過できなくなる期間と前記多重極イオンガイドをイオンが通過可能な期間を選択的に設定することである。

また更には、上記イオントラップと飛行時間型質量分析計間に更にもう１つ多重極イオンガイドを追加して設置することである。

上記構成によれば、イオントラップから化学ノイズイオンが排出される期間において、化学ノイズイオンを多重極イオンガイド中で拡散排出させるようにし、質量分析測定の期間には、多重極イオンガイドを介してイオントラップから飛行時間型質量分析計へイオンを送り出すようにすることができる。これにより、イオントラップから排出される不所望なイオンが飛行時間型質量分析計に対して進入することを防ぐことが可能となり、取得される質量スペクトル中に化学ノイズイオンが混入することを防ぐことができる。

本発明によれば、イオントラップから排出される不要イオンの影響を除去することができ、これにより化学ノイズのない質量スペクトルを得ることができるため、精度が高く且つ容易な解析が可能になる。

以下に、本発明の実施例を示す。説明の簡素化のため、試料のイオンの極性は正として説明する。

本発明に関する装置は、ＥＳＩ等のソフトイオン化手段とそのイオン化手段で生成したイオンを大気圧から真空下のイオントラップにイオンを導く系，イオントラップ，イオントラップから分析のため排出されたイオンをＴＯＦのパルサー部に導く系、及びＴＯＦなどで構成される。

イオンをイオン源からイオントラップに、イオントラップからＴＯＦのパルサー部にイオンを移送する部分は多重極イオンガイドを用いる。多重極イオンガイドは、図１４の上段のように複数（４，６，８，…本の）の円柱を中心軸から等距離に平行に配置する。四重極イオンガイドの断面を図１４の下段に示す。４本の円柱が中心軸を中心とした内接円の上に等間隔に配置されている。この偶数の円柱（電極）を一つ置きに結線し、２組の間に高周波電圧を印加する。高周波電源４６からトランス４７を経て高周波電圧が電極に印加される。直流オフセット電圧４８がトランス４７の中点に供給される。これにより高周波電圧は高周波電源４６から、また直流オフセット電圧は直流電源４８から独立に制御可能になる。

図１５に、この多重極イオンガイドの前後に細孔付の平板電極６４，６６を各々配置した構成を示す。金属性のシールド筒２６で、電極６４，多重極イオンガイド６５，電極
６６を覆う。金属製のシールド筒２６内には、不活性ガスをガス導入系３１から導入する。電極６４，多重極イオンガイド６５，電極６６は直列に配置され、電極６４に直流電圧Ｖ１、多重極イオンガイド６５には高周波電圧Ｒｆと直流オフセット電圧Ｖ２、電極６６には直流電圧Ｖ３が印加される。各電極に電位を種々与えることにより、多重極イオンガイド６５は異なった種々の働きを果たせるようになる。

図１５下段に、各電極への電圧の印加方法と種々のイオンガイドの働きを示す。
（１）イオンガイド； イオンの移送
多重極イオンガイド６５の電極に高周波電圧Ｒｆを印加する。印加される直流電 圧がＶ１＞Ｖ２＞Ｖ３となるように設定する。このイオンガイドは左方向から入射 したイオンをイオンガイドの中心軸上に収束させながら、高い効率でイオンを右方 向に移送する事が出来る。Ｖ１より高い電圧で加速されたイオンは、電極６４の中 心に開けられた細孔を通り、多重極イオンガイド６５内に導入される。ここでイオ ンは高周波電界により加速減速され、多重極イオンガイド６５中の不活性ガスと衝 突を繰り返す。この衝突によりイオンは次第に運動エネルギーを失う（サーマライ ズ）。その結果、イオンガイドによりイオンは高い効率で移送され電極６６から外 部に放出される。
（２）リニアトラップ
多重極イオンガイド６５に高周波電圧Ｒｆが印加され、Ｖ１＝Ｖ３＞Ｖ２となる
ように直流電圧が印加されると多重極イオンガイド６５は、その中にイオンを一定
時間蓄える事の出来るリニアトラップとなる。電圧Ｖ１以上で加速されたイオンは
、電極６４を通過して多重極イオンガイド６５中に進入する。ここでイオンはサー
マライズされ、イオンの電位はＶ２となる。イオンは高周波電界により中心軸上に
収束され、軸上を進行方向に対して前後に拡散する。電極６６に到達したイオンは
Ｖ３＞Ｖ２の電位差により、多重極イオンガイド６５の中心方向に押し戻される。
一方、電極６４方向に拡散したイオンも同様にＶ１＞Ｖ２の電位差により多重極イ
オンガイド６５の中心方向に押し戻される。この結果、イオンは多重極イオンガイ
ド６５内に安定にトラップされるようになる。
（３）イオンシャッタ
多重極イオンガイド６５への高周波電圧Ｒｆを遮断するか、または遮断せずにそ
の高周波電圧Ｒｆを低く設定する。直流電圧はＶ１＞Ｖ２＜Ｖ３となるように印加
する。Ｖ１とＶ３の電圧は揃える必要はない。

電極６４を通過したイオンは、多重極イオンガイド６５中に進入する。しかし、
高周波電界が存在しないか、または存在しても非常に弱いため、イオンは収束され
ることはなく、逆に不活性ガスの中性ガス分子と衝突して急速に拡散する。イオン
は電極に衝突したり、電極の間から外部に拡散し、イオンの大半は失われる。また
、電極６６付近に到達したイオンも広く拡散しているため、電極６６の中心に開け
られた細孔を通り抜けることは出来ない。また、Ｖ３＞Ｖ２の電圧印加により、イ
オンは押し戻され、最終的に多重極イオンガイド６５内からイオンは消去される。
イオンを通過させない、即ち遮断の機能により、多重極イオンガイド６５は、イオ
ン通過のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うイオンシャッタとして機能することが出来る。

本発明は、多重極イオンガイド６５とそれに付随する電極を用いて、それらに印加される高周波電圧，直流電圧を制御して、ある期間毎に各イオンガイドの動作モードを切り替えて、全体として質量分析を達成している。

（実施例１）
本発明の第１の実施例を図１に示す。

液体クロマトグラフ（ＬＣ）１から送り出された試料溶液は、ＥＳＩイオン源の噴霧プローブ２に送り込まれ、正に帯電した微細な液滴として大気圧イオン化室４に噴霧され、イオン化される。

生成したイオンは、油回転ポンプ（ＲＰ）７で排気された中間圧力室６を経て、ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）３０によって真空排気された真空室９に導入される。イオン加速電極１０に印加された直流電圧により、イオンは加速され、真空室９内に配置された金属性のシールド筒２６の細孔からイオン移送空間２９内に導入される。金属製のシールド筒
２６内には第１の多重極イオンガイド１２，イオントラップ２０，第２の多重極イオンガイド２２が直列に配置されている。

ここで、第１の多重極イオンガイド１２は、図１５に示した（１）のイオンガイドの役割を果たすものである。即ち、それは大気圧イオン源で生成したイオンを高効率にイオントラップ２０に移送する。一方、第２のイオンガイド２２は、（３）のイオンシャッタと（１）のイオンガイドの役割を果たすものであり、イオントラップ２０の動作に同期して切り替えて動作している。

金属製のシールド筒２６内には、ガス導入系３１から、Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｘｅや窒素ガスなどの不活性ガスが、単独またはそれらの混合ガスとして配管３２を経て導入されている。イオン移送空間２９内の圧力は１０^-1〜１０^-3Torr（１００ｍTorr〜１ｍTorr）となるようにガス導入系３１からガスが供給される。イオン移送空間２９に導入されたイオンは、第１の多重極イオンガイド１２を経て、イオントラップ２０のエンドキャップ電極１４の中心に開けられた細孔１５からイオントラップ空間１７に高効率に導入される。

イオントラップ２０はドーナツ状のリング電極１６と２つのエンドキャップ電極１４，１９で構成される。リング電極１６と両エンドキャップ電極１４，１９間には主高周波電源４４から供給される主高周波電圧（〜１ＭＨｚ，数ｋＶ程度）が印加される。その結果、イオントラップ空間１７には四重極高周波電界が発生し、この電界によりイオントラップ空間１７に導入されたイオンは安定にトラップされる。

トラップされたイオンは、不要イオンの除去や、ＭＳ／ＭＳの処理の後、イオントラップ空間１７から細孔１８を経由して排出され、第２の多重極イオンガイド２２に入る。イオンはここで、導入された不活性ガスの分子と繰り返し衝突してその運動エネルギーを失い、熱運動エネルギーレベルまでその運動エネルギーが低下する。運動エネルギーを失ったイオンは、多重極イオンガイド２２に印加された高周波電圧の印加によって生成される高周波電界によりイオンガイドの中心軸上に収束される。サーマライズされたイオンは、イオンガイドの軸に沿って少しずつ拡散して金属製のシールド筒２６から外に放出される。

イオンは、次に、ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）３３により高真空排気されたＴＯＦ空間５３内に導入される。ＴＯＦ空間５３には、イオンパケット生成やイオンの加速を行うイオンパルサー部５９，リフレクタ５４，検出器５５が配置されている。イオンはパルサー部５９のイオン押し出し電極５０とイオン引き出し電極５１の間を進む。イオンはイオン押し出し電極５０とイオン引き出し電極５１に印加された正と負のパルス電圧により、イオンの進入方向に対して直角方向、即ちＴＯＦ飛行軸方向に偏向され、イオン加速電極
５２に入射、最終的にイオンは加速され、ＴＯＦ空間５３に放出される。イオンはＴＯＦ空間５３を飛行し、イオンリフレクタ５４を経て、検出器５５に到達し、イオンの到達時間に対応したイオン電流値が計測され、データ処理装置４０によりマススペクトルを与える。

図１６に、イオントラップから放出され、第２の多重極イオンガイド２２に導入された後、ＴＯＦで繰り返し質量スペクトルを取得したイオン計数値と時間経過のグラフを示す。図１６の例では、第２の多重極イオンガイド２２に導入する不活性ガスの量を調整して、ガス圧に対して、イオンがどのようにＴＯＦに供給されるかを調べた。ガス圧が５，
４０，１００ｍTorrに対し、イオンの継続時間（８０％以上のイオンが放出される時間）は７，１５，４０ｍsecであった。パルス的(〜μsec ）にイオントラップから一時に放出されたイオンが、第２の多重極イオンガイド２２を経由することにより擬似的な連続流になっている。ガス圧を１００ｍTorr以上に高めるとＴＯＦの真空が悪化し、全体でのイオンの透過効率が急速に低下する。また、イオン移送空間２９内でのグロー放電の危険も増加する。そのため、ガス圧は１００ｍTorr〜１ｍTorrまでの領域、好ましくは７０ｍTorr〜１０ｍTorr内に調整導入するのが良い。

本実施例の装置は、イオンを時間経過と共に以下の（１）から（５）のステップに従い処理を進めていく。
（１）イオントラップ２０へのイオンの導入と、イオントラップ空間１７におけるイオン
の蓄積
（２）ＭＳ／ＭＳ； 前駆イオンの単離（Isolation of Precursor Ion），前駆イオンの
励起，生成物イオン（Product Ion）の生成，蓄積
（３）イオントラップ２０内のイオンの排出、第２の多重極イオンガイド２２で排出され
たイオンのサーマライズ
（４）第２の多重極イオンガイド２２からイオンをＴＯＦに送り出し、イオンをイオン束
（パケット）化，マススペクトルの取得
（５）イオントラップ２０や第２の多重極イオンガイド２２内のイオンの消去

以下に、このステップを図２から図５の構成図と、イオントラップ２０とＴＯＦのパルサー部５９の動作シーケンスを示した図１１に従い、各部の動作状況を記述する。

（１） イオントラップ２０へのイオンの導入，蓄積
イオンの導入，蓄積の期間（図１１のｔ０〜ｔ１）における、イオン移送空間２９内に配置された複数の電極への電圧の印加の様子を図２に示す。

イオン源で生成したイオン１００は、中間圧力室６を経て真空室９に導入される。イオン加速電極１０には、イオン加速電源６０から−１００Ｖ程度の加速電圧が印加される。導入されたイオン１００は、加速され、イオン加速電極１０の中心に開けられた細孔を通過してイオン移送空間２９に導入される。イオンは第１の多重極イオンガイド１２に導入される。第１の多重極イオンガイド１２を構成する電極には、高周波電源４３から高周波電圧（１〜２ＭＨｚ，１〜２ｋＶ）が印加されている。イオン移送空間２９には、ガス導入系３１（図示せず）から不活性ガスが導入され、圧力は１０^-1から１０^-3Torr程度に保たれている。第１の多重極イオンガイド１２に導入されたイオン１００は、第１の多重極イオンガイド１２内でサーマライズされ、第１の多重極イオンガイド１２の中心軸に次第に収束する。運動エネルギーの大部分を失ったイオンは、イオンゲート電極１３に印加された−１００Ｖ程度のイオンゲート電圧により加速されてイオントラップ２０のエンドキャップ電極１４の中心部に開けられた細孔１５からイオントラップ空間１７に導入される。即ち、イオンゲートはＯｐｅｎ状態である。リング電極１６とエンドキャップ電極１４，１９間には主高周波電源４４から主高周波電圧が印加されている。この主高周波電圧によってイオントラップ空間１７に生成した四重極高周波電界により、イオンはイオントラップ空間１７にトラップされる。このような動作により、連続的に（ｔ０−ｔ１）期間に導入されたイオンは、イオントラップ空間１７内に蓄積される。

安定にトラップされたイオンの中に存在するバックグラウンドイオンやマトリックスイオンなどは、試料由来のイオンを抑制し、誤った情報をユーザに与える可能性があるため、事前にイオントラップ２０から排除することが好ましい。不要イオンの排除のために、不要イオンの固有振動数（secular motion）と同じ振動数の補助交流をエンドキャップ電極１４，１９間に印加する。不要イオンは補助交流電圧と共鳴しイオントラップ外に排除される。そのため、イオントラップ２０へのイオンの導入，蓄積の期間であっても、多くのイオン１０３がイオントラップの細孔１８から外部に絶えず排出されている。排出されたイオン１０３のエネルギー幅は０から数ｋＶ近くまで分布する。そのためイオンは
＋１００Ｖ程度の押し返し電圧が印加された電極２１を簡単に通過して、第２の多重極イオンガイド２２に進入してしまう。この期間中は、第２の多重極イオンガイド２２の電極に印加される高周波電圧は切断され、電極は接地電位になっている。そのため、第２の多重極イオンガイド２２に進入したイオン１０３は、高周波電圧による収束作用を受けずに第２の多重極イオンガイド２２中を急速に拡散して、多重極の電極の間から外部に排出されるか、多重極の電極に衝突し電荷を失うことになる。拡散しながら電極２３に達した一部のイオンは、その分布が電極２３の細孔より広いために大半のイオンは細孔を通過できない。第２の多重極イオンガイド２２の中心付近にわずかに存在するイオンも、電極２３に印加された押し戻し電圧（＋２０Ｖ）によりイオンガイド２２内に押し戻されて最終的に拡散して消滅する。

このように、イオン導入，蓄積期間の間に、イオントラップ２０から放出される不要イオンは、拡散，消滅し、第２の多重極イオンガイド２２中に残存することはない。この期間、第１の多重極イオンガイド１２は、イオンをイオン源からイオントラップに移送するイオンガイドの役割を果たしている。第２の多重極イオンガイド２２は、イオントラップからランダムに排出されるイオンをＴＯＦに移送されることのないように、またイオンが第２の多重極イオンガイド２２中に蓄積，残存しないようにするイオンシャッタの役割を果たしている。

（２） ＭＳ／ＭＳ
ＭＳ／ＭＳ工程（図１１のｔ１〜ｔ２，ｔ２〜ｔ３）における、イオン移送空間２９内に配置された複数の電極への電圧の印加の様子を図３に示す。

このＭＳ／ＭＳ工程は、イオントラップ２０内にトラップされたイオンのうち特定の質量を持つイオン（前駆イオン）を、既知の方法によりイオントラップ内で単離した後、前駆イオンを共鳴励起して前駆イオンを解離させるものである。このＭＳ／ＭＳ工程は、分析上必要ない場合は省略することもできる。その場合ステップ（１）からステップ（３）へ直接処理が進むことになる。

ＭＳ／ＭＳは、以下に示す（ａ）から（ｂ）の２つの工程に従い実行される。

（ａ）前駆イオンの単離
ＭＳ／ＭＳの期間，イオン加速電極１０やイオンゲート電極１３にイオンと同極性の電圧（＋１００Ｖ）を印加してイオンがイオン移送空間２９内に進入することを阻止する
（Close 状態）。前の工程でイオントラップ内にトラップされたイオンは、既知のＦＮＦ（Filtered Noise field）やＳＷＩＦＴ(Stored Waveform Inverse Fourier Transform)によるノッチ付の補助交流電圧をエンドキャップ電極１４，１９へ印加してイオンの励起する。ノッチに相当する特定の質量を有するイオン（前駆イオン）のみがイオントラップ空間１７内に残される。一方、他のイオンはイオントラップの細孔１８から外部に排出される。イオンの単離には、他に主高周波電圧を掃引する方式も知られている。この場合も、不要イオンの多くはエンドキャップ電極１９の細孔１８から外部に排出される。

（ｂ）前駆イオンの励起，ＣＩＤ
イオントラップ２０内に前駆イオンのみが残された後、前駆イオンの固有振動数と同じか、近傍の周波数の補助交流電圧を、補助交流電源４２からエンドキャップ電極１４，
１９に印加する。前駆イオンは、印加された補助交流電圧と共鳴して、振幅が大きくなる。イオンはイオントラップ空間１７内で、不活性ガスの分子と繰り返し衝突し、運動エネルギーの一部を内部エネルギーとして取り込むようになる。励起による内部エネルギーが分子の化学結合エネルギーを超えると、前駆イオンは解離する。これが衝突誘起解離
（Collision Induced Dissociation, ＣＩＤ）である。ＣＩＤで生成した生成物イオンが新たにイオントラップ空間内にトラップされる。このＣＩＤの際に、励起された前駆イオンの一部や質量の小さな生成物イオンなどが、細孔１８から外部に放出される。

このように、ＭＳ／ＭＳの際には、常にイオンが細孔１８から外部に放出される可能性がある。これらイオンはステップ（１）と同様に、第２の多重極イオンガイド２２に印加する高周波電圧を接地電位にすることと、電極２３にイオン押し戻し電圧を印加することにより、第２の多重極イオンガイド２２内から不要イオンの排除とＴＯＦへの導入を阻止できる。即ち、このＭＳ／ＭＳ期間において、第２の多重極イオンガイド２２はイオンの遮断，排除を行うイオンシャッタの役割を果たしている。

なお、ＭＳ／ＭＳ工程はＭＳ³，ＭＳ⁴，…へと繰り返し処理を進めることができる。その間、第２の多重極イオンガイド２２はイオンシャッタの役割を持続する。

（３） イオントラップからのイオンの放出とＴＯＦ測定
図１１のｔ３〜ｔ４の期間における、イオン移送空間２９内に配置された複数の電極への電圧の印加の様子を図４に示す。

このステップでは、まずイオントラップ２０内にトラップされているイオンをイオントラップ２０から放出する。

イオントラップからイオンを一挙に放出するために、まず、主高周波電源４４から供給される主高周波電圧は切断され、直流電圧＋１０Ｖに切り替わる。同時に第１のエンドキャップ電極１４には＋１００Ｖ、第２のエンドキャップ電極には−１００Ｖの直流電圧が印加される。これら電圧の印加は１ｍsec 程度のパルス的に印加しても、ｔ３からｔ４まで連続的に印加しても良い。これにより、イオントラップ空間１７内の電界は四重極高周波電界から直流電界に切り変わる。これによりイオントラップ空間１７の中心付近にあったイオン１０２は第２のエンドキャップ電極１９方向に加速され、細孔１８からイオントラップの外に放出される。放出されたイオンは電極２１で減速された後、第２の多重極イオンガイド２２に導入される。

多重極イオンガイド２２には高周波電源４５から供給される高周波電圧が印加されている。イオンは、多重極イオンガイド２２内でサーマライズされて、その結果多重極イオンガイド２２の中心軸付近に収束される。イオンはイオントラップ２０からパルス的に排出されるが、多重極イオンガイド２２により、イオンガイドの中心軸付近に広く分布滞在し、電極２１，２３の電位差により、次第にＴＯＦ方向に排出される。その結果、イオンは擬似的な連続流となりＴＯＦへ送り込まれる。

高真空排気されたＴＯＦ空間に導入されたイオンは、イオン押し出し電極５０とイオン引き出し電極５１間を直進する。ＴＯＦのイオン押し出し電極５０とイオン引き出し電極５１には、正と負の直流電圧がパルス的（〜ｎsec ）に電圧が印加され、イオンをイオンの侵入方向に対して直角方向に偏向する。これにより、イオンは擬似連続流からパルス的にサンプリングされ、即ち、イオンパケットとなりＴＯＦ測定がおこなわれる。直角方向に偏向されたイオンパケットはイオン加速電極５２に印加された加速電圧（〜４ｋＶ）により加速されＴＯＦ空間５３に放出される。イオンはリフレクタ５４で折り返し検出器
５５に到達して、イオン到達時間に相当するイオン電流値が検出される。ＴＯＦ測定はステップ（３）の期間内において繰り返し行われ、取得したデータは積算されマススペクトルを与える。

この期間、第２の多重極イオンガイド２２は、イオンをサーマライズして移送するイオンガイドの役割を果たしている。

（４） イオン消去期間（Quench）
図１１のｔ４〜ｔ５の期間における、イオン移送空間２９内に配置された複数の電極への電圧の印加の様子を図５に示す。

ステップ（２）のイオン排出ＴＯＦ測定の期間の後、第２の多重極イオンガイド２２やイオントラップ２０内にイオンが残存していると、次の周期においてこれら残存イオンがマススペクトル上に化学ノイズとして出現する可能性がある。この化学ノイズを無くすには、一度イオントラップやイオンガイドに残留するイオンを排除する過程が必要である。これには２つの多重極イオンガイドの電極やイオントラップ電極に印加される高周波電圧を一度接地電圧にして、短時間（１ｍsec程度）待てばよい。これにより、残留するイオンを拡散させて消滅することが出きる。

この消去期間を経て、測定の一周期が終了し、再びステップ（１）のイオンの導入蓄積に戻ることが出来る。ステップ（１）から（４）までの工程を繰り返し、イオン源で生成されたイオンの質量スペクトルを収集する。

なお、ステップ（３）のイオン排出、ＴＯＦ測定の時間を３０ｍsec 程度と充分に長くすれば、第２の多重極イオンガイド２２に残存するイオンはなくなり、ステップ（４）のイオン消去の工程を省略することができる。

上記各ステップ（１），（２），（４）の期間中、第２の多重極イオンガイド２２は、イオンを移送するイオンガイドの役割ではなく、イオンを遮断するイオンシャッタの役割を果たしている。本実施例によれば、ステップ（１），（２）の期間中にイオントラップ２０から排出される不所望なイオンを第２の多重極イオンガイド２２によって遮断することができるため、測定に必要なイオンのみをＴＯＦへ送ることができる。これにより、ノイズの少ない測定を行うことが可能となる。

また、第２の多重極イオンガイド２２におけるイオンの遮断としては、イオンガイドの電極に印加する高周波電圧を遮断し、接地電位とする他に、印加する高周波の電圧(振幅)を下げることにより、あらかじめ定められた質量以上のイオンの通過を阻止することもできる。通常印加される１ｋＶ〜数ｋＶから、１００Ｖ以下に高周波電圧を下げれば、イオンはイオンガイドを通過できなくなる。

（実施例２）
図６に本発明の第２の実施例を示す。

実施例１ではイオントラップ２０とＴＯＦの間に一つの多重極イオンガイドを配置し、この多重極イオンガイドに印加する高周波電圧を制御することで高エネルギーのイオンも遮断できることを示した。これに対し、本実施例では、２つの多重極イオンガイド５６，２２をイオントラップ２０とＴＯＦとの間に直列に配置する。第３の多重極イオンガイド５６には高周波電源５８が接続され、また、第２の多重極イオンガイド２２には高周波電源４５が接続され、各々の電源はデータ処理装置４０から信号線４１を経由して送られる信号により独立に制御される。

実施例１では、（１）イオンの導入，蓄積、（２）ＭＳ／ＭＳ、（３）イオン排出、
ＴＯＦ測定、（４）イオン消去が時分割，時系列的に行われる。本実施例２では、（１）イオンの導入，蓄積と、（２）ＭＳ／ＭＳ，ＴＯＦ測定とを並列的に行い、所謂Duty
Cycleの向上を図る方式を示す。

図７から図９に各ステップでのイオン移送部の電位設定を示す。また、図１２にイオントラップ２０とＴＯＦのイオンパルサー部５９の動作シーケンスを示した動作ダイアグラムを示す。以下、これらの図を用いて各ステップを説明する。

（１） イオン導入，蓄積／ＴＯＦ測定
図１２のｔ０〜ｔ１の期間における、イオン移送空間２９内に配置された複数の電極への電圧の印加の様子を図７に示す。

イオン源で生成したイオンは、中間圧力室を経てターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）３０で排気された真空室９に導入される。導入されたイオン１００は、イオン加速電極１０に印加された加速電圧−１００Ｖにより加速され、イオン移送空間２９に導入される。導入されたイオン１００は高周波電圧が印加された第１の多重極イオンガイド１２に導入され、サーマライズされてイオンガイドの中心軸上に収束される。収束したイオン１０１はイオンゲート電極１３に印加されたイオンゲート電圧−１００Ｖにより加速されて、イオントラップ２０のエンドキャップ電極の中心軸に開けられた細孔１５からイオントラップのイオントラップ空間１７に導入される。主高周波電源４４から供給される主高周波電圧により、イオントラップ空間１７には四重極高周波電界が生成される。この四重極高周波電界によりイオンは安定にイオントラップ空間１７内にトラップされる。

この期間、第３の多重極イオンガイド５６の電極は接地電位となり、電極２１に印加される電圧をＶ１、イオンガイドの直流オフセット電圧をＶ２、電極５７に印加される電圧をＶ３とすると、これら直流電圧はＶ１，Ｖ３＞Ｖ２となるように設定されている。イオン導入，イオン蓄積の際にイオントラップから放出されるイオンは、イオンガイド５６内で拡散し、また電極５７により押し返されて最終的に消滅する。即ち、第３の多重極イオンガイド５６がイオンを遮断し、第２の多重極イオンガイド２２に導入されないようにしている。この第３の多重極イオンガイド５６により、イオントラップ２０と第２の多重極イオンガイド２２は独立に動作が可能になる。

一方、前の周期で第２の多重極イオンガイド２２にトラップされたイオンは、（電極
５７の電圧）＞（第２の多重極イオンガイド２２のオフセット直流電圧）＞（電極２３の電極に印加される直流電圧）となるよう設定すると、第２の多重極イオンガイド２２内にトラップされたイオンはＴＯＦの方に移動し、擬似連続流となりＴＯＦのイオンパルサー部５９に導入される。ＴＯＦのイオンパルサー部５９のイオン押し出し電極５０，イオン引き出し電極５１に直流パルス電圧を印加してイオンパケットを生成する。その後イオンは加速され、質量スペクトルを与える。イオンパケット生成のための直流パルスは繰り返し印加され、マススペクトルを繰り返し取得する。

この期間、第１の多重極イオンガイド１２はイオンをイオントラップ２０に移送するイオンガイド、第２の多重極イオンガイド２２はイオンをＴＯＦに送り出すイオンガイド、第３の多重極イオンガイド５６はイオンシャッタの役割をそれぞれ果たしている。

（２） ＭＳ／ＭＳ工程
図１２のｔ１〜ｔ２，ｔ２〜ｔ３の期間における、イオン移送空間２９内に配置された複数の電極への電圧の印加の様子を図８に示す。

ステップ（１）の工程でイオントラップ２０に導入蓄積されたイオンは、次にＭＳ／
ＭＳ工程に移ることができる。ＭＳ／ＭＳでは、先ず前駆イオンの単離が行われる。この前駆イオンの単離は、エンドキャップ電極にノッチ付のホワイトノイズ(ＦＮＦやSWIFT)や、主高周波電圧を掃引する方法が知られている。既知の方法に従い単離された前駆イオンは、次に前駆イオンの固有振動数（secular motion）と同じ周波数の補助交流電圧をエンドキャップ電極に印加して励起される。励起された前駆イオンは繰り返し中性ガス分子と衝突し、最終的にイオンは解離して生成物イオンとなる。生成物イオン中から特定のイオンを選び、次の世代のＭＳ／ＭＳ、即ちＭＳ³ を行うことも出きる。イオントラップはこのＭＳⁿ が可能であることが特徴である。このＭＳ／ＭＳの期間、イオン源で生成されたイオンがイオントラップ２０に導入されることを阻止される。即ち、電極１０には
＋１００Ｖの電圧が印加されイオン１０６は押し戻される。また、(電極１０の印加電圧)＞（第１の多重極イオンガイド１２の直流オフセット電圧）＜（電極１３の印加電圧）の関係が保たれ、イオンは第１の多重極イオンガイド１２を通過してイオントラップ２０に導入されることはない。

また、ＭＳ／ＭＳの工程でイオントラップ２０からランダムに放出されるイオンは、第３の多重極イオンガイド５６を通過できないように（電極２１の印加電圧）＞（第３の多重極イオンガイド５６の直流オフセット電圧）＜（電極５７の印加電圧）の関係が保たれている。また、第２の多重極イオンガイド２２へ印加する高周波電圧を遮断することで
ＴＯＦへのイオンの導入の阻止と、第２の多重極イオンガイド２２のイオンの消去を可能にしている。

この期間、第１の多重極イオンガイド１２はイオンシャッタ、第２の多重極イオンガイド２２はイオンシャッタ、第３の多重極イオンガイド５６はイオンシャッタの役割をそれぞれ果たしている。

（３） イオントラップからのイオンの排出とマススペクトル測定
図１２のｔ３〜ｔ４の期間における、イオン移送空間２９内に配置された複数の電極への電圧の印加の様子を図９に示す。

本ステップは、ＭＳ／ＭＳで生成したイオンをイオントラップ２０から第２の多重極イオンガイド２２に移す工程である。同時にイオンを第２の多重極イオンガイド２２に移しながら、ＴＯＦ測定を続ける事が出来る。

エンドキャップ電極１４，１９に印加された補助交流電源４２を直流パルス電源４２１，４２２に切り替える。エンドキャップ電極１４に＋１００Ｖ、リング電極１６に＋３０Ｖ、エンドキャップ電極１９に−１００Ｖをパルス的に印加する。イオントラップ空間
１７の中央付近にトラップされていたイオン１０２は、イオントラップ空間１７内に出来た傾斜電界により加速され、細孔１８からイオントラップ２０の外に排出される。第３，第２の多重極イオンガイド５６，２２に高周波電圧が印加され、更に（電極２１の印加電圧）＞（第３の多重極イオンガイド５６の直流オフセット電圧）＞（電極５７に印加される電圧）＞（第２の多重極イオンガイド２２の直流オフセット電圧）＞（電極２３の印加電圧）となるよう設定されている。これによりイオンは多重極イオンガイド５６，２２を通過してＴＯＦに導入され、マススペクトルを与えることが出来る。このイオントラップ２０から第２の多重極イオンガイド２２へのイオンの排出は１ｍsec 程度で完了するため、第２の多重極イオンガイド２２内のイオンがＴＯＦに全て移送される前に（１）工程へ移行することにより、Duty Cycleを向上させることができる。

この期間、第１の多重極イオンガイド１２はイオンシャッタ、第２の多重極イオンガイド２２はイオンをＴＯＦに送り出すイオンガイド、第３の多重極イオンガイド５６はイオンをイオントラップから第２の多重極イオンガイド２２に移送するイオンガイドの役割をそれぞれ果たしている。

（実施例３）
実施例２ではイオントラップ２０とＴＯＦの間に２つの多重極イオンガイドを配置して、イオン導入蓄積，ＭＳ／ＭＳの工程とＴＯＦによるＭＳ測定の並列処理を可能にした例を示した。これに対して、この第３の実施例は、実施例２と同様の構成であるが、第２の多重極イオンガイド２２の役割をイオンガイドではなく、リニアトラップとイオンガイドの両方の役割を果たすようにした例である。

本実施例は、図７，図８，図１０及び図１３を用いて説明する。

（１） イオン導入，蓄積／ＴＯＦ測定
本期間は、図１３のｔ０〜ｔ１の期間であり、イオン移送空間２９内に配置された複数の電極への電圧の印加は、実施例２のステップ（１）と同じである。即ち、図７に示された印加を行い、第１の多重極イオンガイド１２はイオンをイオントラップ２０に移送するイオンガイド、第２の多重極イオンガイド２２はイオンをＴＯＦに送り出すイオンガイド、第３の多重極イオンガイド５６はイオンシャッタとして機能させる。

（２） ＭＳ／ＭＳ工程
本期間は、図１３のｔ１〜ｔ２，ｔ２〜ｔ３の期間であり、イオン移送空間２９内に配置された複数の電極への電圧の印加は、実施例２のステップ（２）と同じである。即ち、図８に示された印加を行い、第１の多重極イオンガイド１２はイオンシャッタ、第２の多重極イオンガイド２２はイオンシャッタ、第３の多重極イオンガイド５６はイオンシャッタとして機能させる。

もし、ステップ（１）のイオン導入，蓄積の時間がＴＯＦによるＭＳ測定より短い場合、図１２に示したようにｔ１〜ｔ２のＭＳ／ＭＳ期間もＭＳ測定を続けても良い。

（３） イオントラップからのイオンの排出と、第２の多重極イオンガイド２２でのイオンのトラップ
図１３のｔ３〜ｔ４の期間における、イオン移送空間２９内に配置された複数の電極への電圧の印加の様子を図１０に示す。

本ステップは、ＭＳ／ＭＳで生成したイオンをイオントラップ２０から第２の多重極イオンガイド２２に移してトラップする工程である。

エンドキャップ電極１４，１９に印加された補助交流電源４２を直流パルス電源４２１，４２２に切り替える。エンドキャップ電極１４に＋１００Ｖ、リング電極１６に＋３０Ｖ、エンドキャップ電極１９に−１００Ｖをパルス的に印加する。イオントラップ空間
１７の中央付近にトラップされていたイオン１０２はイオントラップ空間１７内にできた傾斜電界により加速され、細孔１８からイオントラップ２０の外に排出される。第３，第２の多重極イオンガイド５６，２２に高周波電圧が印加され、更に(電極２１の印加電圧)＞（第３の多重極イオンガイドの直流オフセット電圧）＞（電極５７に印加される電圧）＞（第２の多重極イオンガイド２２の直流オフセット電圧）、かつ(電極２３の印加電圧)＝（電極５７の印加電圧）となるよう設定されている。これによりイオンは、第３の多重極イオンガイド５６を通過して、第２の多重極イオンガイド２２に送られる。第２の多重極イオンガイド２２中のイオンはサーマライズされているため、電極５７と電極２３の電位の障壁を越えられず、第２の多重極イオンガイド２２中にトラップされる。このイオントラップから第２の多重極イオンガイド２２へのイオンの排出は１ｍsec 程度で完了するため、第２の多重極イオンガイド２２内のイオンがＴＯＦに全て移送される前にイオン導入，蓄積の工程へ移行することにより、Duty Cycleを向上させることができる。

この期間、第１の多重極イオンガイド１２はイオンシャッタ、第２の多重極イオンガイド２２はイオンをＴＯＦに送り出すイオンガイド、第３の多重極イオンガイド５６はリニアトラップの役割をそれぞれ果たしている。

（分析例）
図１７の上段（ａ）に、本発明を適用せずに、第２または第３の多重極イオンガイドを単なるイオンガイドとして使用した場合に得られた生成物イオンの質量スペクトルを示す。Ｎと記されたマスピークが化学ノイズに相当するイオンである。Ｐと記されたイオンが前駆イオンから生成した生成物イオンである。この化学ノイズは、微量成分の分析など、高感度測定をする際に顕著に出現する。化学ノイズは正常のイオンと識別が出来ず、マススペクトルの解析を著しく困難にする。

図１７の下段（ｂ）に、本実施例１，２，３で得られた生成物イオンの質量スペクトルを示す。上段（ａ）の質量スペクトルと比較すると、多くの化学ノイズイオンが消滅し、生成物イオン（Ｐ）が明瞭に出現していることが分かる。

本発明では、多重極イオンガイドに印加する高周波電圧やオフセット直流電圧をイオントラップの工程に従い、時分割に制御しているため、ノイズが少なく、高感度，高分解能の質量スペクトルを与えることができる。したがって、本発明によれば、Ｓ／Ｎ比が向上し、より精度の高い解析を行うことが可能となる。

本発明の第１の実施例を示す概略構成図である。 イオン導入，蓄積の工程時の説明図である。 ＭＳ／ＭＳ工程時の説明図である。 イオントラップからイオンの排出と質量スペクトル取得工程の説明図である。 イオン消去時の説明図である。 本発明の第２の実施例を示す概略構成図である。 イオン導入，蓄積と質量スペクトル取得の工程時の説明図である。 ＭＳ／ＭＳ工程時の説明図である。 イオントラップからイオンの排出と質量スペクトル取得工程の説明図である。 本発明の第３の実施例の説明図である。 本発明の第１の実施例の動作シーケンス図である。 本発明の第２の実施例の動作シーケンス図である。 本発明の第３の実施例の動作シーケンス図である。 本発明における多重極イオンガイドの動作説明図である。 多重極イオンガイドの説明図である。 多重極イオンガイドによるサーマライズの説明図である。 本発明を用いていない場合と用いた場合のマススペクトルである。

符号の説明

１…液体クロマトグラフ（ＬＣ）、２…噴霧プローブ、３…噴霧イオン流、４…大気圧イオン化室、６…中間圧力室、７…油回転ポンプ（ＲＰ）、９…真空室、１０，１３，
２１，２３，５７…電極、１２，２２，５６…多重極イオンガイド、１４，１９…エンドキャップ電極、１５，１８，２４，２５…細孔、１６…リング電極、１７…イオントラップ空間、２０…イオントラップ、２６…金属製のシールド筒、２９…イオン移送空間、
３０…ターボ分子ポンプ、３１…ガス導入系、４０…データ処理装置、４２…補助交流電源、４３，４５，４６…高周波電源、４４…主高周波電源、５０…イオン押し出し電極、５１…イオン引き出し電極、５２…イオン加速電極、５３…ＴＯＦ空間、５４…リフレクタ、５５…検出器、５９…パルサー部。

Claims (6)

1. 試料をイオン化するイオン源と、リング電極と一対のエンドキャップ電極を備え、前記イオン源から排出されたイオンを蓄積するイオントラップと、複数の円柱状電極から成り、前記イオントラップから排出されたイオンが導入される第１の多重極イオンガイドと、複数の円柱状電極から成り、前記第１の多重極イオンガイドから排出されたイオンが導入される第２の多重極イオンガイドと、前記第２の多重極イオンガイドから排出されたイオンが導入される飛行時間型質量分析計とで構成され、
   前記イオントラップと前記第１の多重極イオンガイド間に、イオンが通過する細孔を備え、且つ電圧の印加によってイオンの通過を制御する第１のゲート電極を備え、
   前記第１の多重極イオンガイドと前記第２の多重極イオンガイドの間に、イオンが通過する細孔を備え、且つ電圧の印加によってイオンの通過を制御する第２のゲート電極を備え、
   前記第２の多重極イオンガイドと前記飛行時間型質量分析計の間に、イオンが通過する細孔を備え、且つ電圧の印加によってイオンの通過を制御する第３のゲート電極を備え、
   前記多重極イオンガイド、及び前記第１，第２，第３のゲート電極に印加される電圧を制御して、イオンが前記第１の多重極イオンガイドを通過できなくなる期間と前記第１の多重極イオンガイドをイオンが通過可能な期間を選択的に設けるようにしたことを特徴とするイオントラップ／飛行時間型質量分析計。
2. 請求項１において、
   前記第１の多重極イオンガイドをイオンが通過できない期間は、前記第１の多重極イオンガイドは接地電位とし、前記第１，第２及び第３のゲート電極には電圧を印加することを特徴とするイオントラップ／飛行時間型質量分析計。
3. 請求項１において、
   前記第１の多重極イオンガイドをイオンが通過できる期間は、前記第１の多重極イオンガイドには高周波電圧が印加され、前記第１，第２及び第３のゲート電極にはイオンの進行方向に対して電圧勾配ができるような電圧を印加することを特徴とするイオントラップ／飛行時間型質量分析計。
4. 請求項１において、
   前記イオントラップは、（ａ）イオン導入・蓄積工程，（ｂ）ＭＳ／ＭＳ工程，（ｃ）イオン排出工程を繰り返し、
   前記（ａ）イオン導入・蓄積工程は、前記第１の多重極イオンガイドをイオンが通過できない期間とし、且つ前記第２の多重極イオンガイドに高周波電圧を印加し、
   前記（ｂ）ＭＳ／ＭＳ工程は、前記第１の多重極イオンガイドをイオンが通過できない期間とし、且つ前記第２の多重極イオンガイドを接地電位とし、
   前記（ｃ）イオン排出工程は、前記第１の多重極イオンガイドをイオンが通過できる期間とし、且つ前記第２の多重極イオンガイドに高周波電圧を印加したことを特徴とするイオントラップ／飛行時間型質量分析計。
5. 請求項１において、
   前記イオントラップ、前記第１及び第２の多重極イオンガイド、前記第１，第２及び第３のゲート電極は、真空容器内に設置された一つの筐体内に収納され、当該筐体内に不活性ガスを導入するガス導入系を備えていることを特徴とするイオントラップ／飛行時間型質量分析計。
6. 請求項１において、
   前記筐体内の圧力が１００ｍTorrから１ｍTorrの間になるように不活性ガスが導入されることを特徴とするイオントラップ／飛行時間型質量分析計。

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