JP4444788B2 - イオントラップ飛行時間型質量分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、イオントラップ飛行時間型質量分析装置に関する。

イオントラップ飛行時間型質量分析装置は、イオントラップ部と飛行時間型質量分析装置とが結合された質量分析装置であり、例えば、特許文献１に記載されている。

イオントラップ飛行時間型装置の動作原理について以下に簡単に説明する。
まず、イオントラップ部ではエンドキャップ電極を接地し、リング電極に主高周波電圧を印加して、イオントラップ内部に主高周波電界をつくる。この電界内にイオンを導入すると、質量数に対応する固有の周波数にてイオンが振動し、イオントラップ内で安定した軌道を描く。これをイオン閉じ込めと呼ぶ。

次に、閉じ込めたイオンの中から構造解析を行う目的のイオンを選択して閉じ込める。これをイオン選択機能と呼ぶ。不要イオンの振動周波数に共振させるための補助高周波電圧をエンドキャップ電極に印加すると、イオントラップ内に補助電界が形成し、その不要イオンが共鳴する。共鳴したイオンの振幅は増大し、イオンがイオントラップ内から排出される。

排出するすべてのイオンに対して、それぞれ対応する振動周波数を含む合成波をエンドキャップ電極に印加すれば、目的のイオンのみをイオントラップ内に閉じ込めることが可能となる。

次に、目的のイオンの振動周波数と共振させるための補助高周波電圧をエンドキャップ電極に印加する。このとき、電圧はイオンが排出しない程度に調整する。

この電圧によって、目的のイオンの振幅が増大し、運動エネルギーが増大することとなる。

そして、イオントラップ内部の中性分子とイオンとが衝突を繰り返し、開裂反応が起こる。イオントラップ部にはイオン軌道を収束するために、ガスが導入される。

目的試料質量数は、イオントラップ部の後段に設置した飛行時間型質量分析装置で測定する。この飛行時間型質量分析装置はイオントラップから排出されたイオンビームを直交方向に打ち出すことから直交型飛行時間質量分析装置と呼ばれる。

ここで、高分解能を得るため、直交型飛行時間質量分析装置の前段に、マルチポールイオンレンズを配置し、そこにガスを導入する。

マルチポールイオンレンズが配置されたマルチポール部に導入されたガスとイオンとの衝突によりイオンビームの運動エネルギーを低下させ、イオンレンズの中心軸付近へ収束させる。

飛行時間型質量分析装置に導入されたイオンを、導入方向と直交方向に加速することにより、加速方向の初期位置広がりが小さくなり、さらに導入方向の初期エネルギーが一定となることで飛行時間型質量分析装置での質量数分解能が向上する。

イオントラップ飛行時間型質量分析装置ではなく、イオントラップ部の後段にマルチポール部が設けられていない例であるが、イオン源へのガス噴霧と、イオントラップ部へのダンピングガス供給とを、一つのガス供給源で行う技術が、特許文献２に記載されている。

特許文献２記載の技術は、イオン源へのガス噴霧と、イオントラップ部へのダンピングガス供給とを、それぞれ互いに独立して圧力制御を行うことにより、適切なガス噴霧、適切なダンピングガス供給を行っている。

特開２００３−１２３６８５号公報 特開平９−１８９６８１号公報

ところで、イオントラップ部内のイオンを捕捉する効率は、イオントラップ部内へのガス導入量によって変化する。さらに、イオン選択性能もガス流量によって変化する。

一般的には、ガス流量を大きくし、イオントラップ部内の圧力を上げるとイオンを捕捉する効率は上がる。

一方、イオントラップ部へのガス流量を減らして、圧力を下げると、イオン選択性能が向上するという関係がある。

すなわち、イオン捕捉効率とイオン選択性能は互いにバータの関係にあり、イオントラップ部内に最適な量のガスを導入する必要がある。

このため、質量分析の目的に応じて、つまり、イオン捕捉効率とイオン選択性能とのいずれを優先するかに応じて、イオントラップ部へのガスの導入量を調整すれば、目的に応じた最適な質量分析が可能である。

しかし、イオントラップ飛行時間型質量分析装置においては、イオントラップ部の後段にマルチポール部があり、イオントラップ部内に導入したガスが後段のマルチポール部に微量に流入する。

このため、イオントラップ部へのガス導入量、導入速度によっては、マルチポール部内のガス圧力が変動し、最適ガス圧力を維持することができず、質量分析感度が低下することとなる。

本発明の目的は、質量分析の目的に応じて、イオントラップ部へのガス導入量（供給量）及びマルチポール部へのガス導入量（供給量）を適切な値に制御でき、高感度なマススペクトルを得ることが可能なイオントラップ飛行時間型質量分析装置を実現することである。

上記目的を達成するため、本発明は次のように構成される。
（１）本発明によるイオントラップ飛行時間型質量分析装置は、大気圧で動作するイオン源と、このイオン源で生成されたイオンを真空室内に導入し、この真空室内に導入されたイオンを収束するイオン光学系と、ヘリウムガスが導入され、真空室内でイオンを捕捉するイオントラップ部と、ヘリウムガスが導入され、上記イオントラップから排出されたイオンの運動エネルギーを収束させるマルチポール部と、このマルチポール部から排出されたイオンを測定する飛行時間型質量分析手段とを有する。

本発明によるイオントラップ飛行時間型質量分析装置は、上記イオントラップ部に導入されるヘリウムガスの導入量を制御するイオントラップガス導入量制御部と、上記マルチポール部に導入されるヘリウムガスの導入量を制御するマルチポールガス導入量制御部とを備え、上記イオントラップ部におけるイオン選択性能と感度の関係でイオン選択性能を重視して質量分析する第１の動作モードと、イオン選択性能と感度の関係で感度を重視して質量分析する第２の動作モードと、イオン光学系からのイオンを上記イオントラップ部を通過させる第３の動作モードとの、各動作モードに応じて上記イオントラップ部と上記マルチポール部に導入されるヘリウムガスの導入量を変化させて制御する。

（２）好ましくは、上記（１）において、上記マルチポールガス導入量制御部は、上記イオントラップ部に導入されるヘリウムガスの導入量に応じて、上記マルチポール部に導入されるヘリウムガスの導入量を変化させて制御する。

本発明によれば、質量分析の目的（動作モード毎）に応じて、イオントラップ部へのガス供給量及びマルチポール部へのガス供給量（ガス圧力）を適切な値に制御でき、高感度なマススペクトルを得ることが可能なイオントラップ飛行時間型質量分析装置を実現することができる。

イオントラップ部からマルチポール部に流入するガス流量を、動作モード毎に、つまり、イオントラップ部へのガス流入量に応じて、予め、算出しておく。

そして、予測される、上記イオントラップ部からマルチポール部への流入ガス流量に従って、マルチポール部へのガス導入量を制御すれば、動作モードに関係なく、マルチポール部の内部圧力を適正値に維持制御することができ、高感度なマススペクトルを得ることができる。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態であるイオントラップ飛行時間型質量分析装置の概略構成図である。

まず、イオントラップ飛行時間型質量分析装置の基本動作を説明する。
図１において、液体クロマトグラフシステム８により分離された試料は、エレクトロスプレーイオン源９にて脱溶媒・イオン化され、高真空におかれた装置内部（真空室内）に導入される。

そして、導入されたイオンは、イオン光学系１０で収束され、効率よくイオントラップ部１２に導入される。

イオントラップ部１２では、エンドキャップ電極１１、リング電極１３により内部に形成された高周波電界で、イオンを閉じ込め、目的のイオンを選択し、開裂を行う。

開裂、生成したイオンをマルチポール部１４でイオンの運動エネルギーを低下させマルチポール部１４の中心軸付近へ収束させる。開裂、生成したイオンを後段の飛行時間型質量分析装置部１５にて検出することで、質量分析を行う。

イオントラップ部１２には、Ｈｅガス（ヘリウムガス）ポート６、Ｈｅガスレギュレータ７、トラップマスフローコントローラ４を介してヘリウムガスが供給される。

また、マルチポール部１４には、Ｈｅガスポート６、Ｈｅガスレギュレータ７、マルチポールマスフローコントローラ５を介してヘリウムガスが供給される。

トラップマスフローコントローラ４、マルチポールマスフローコントローラ５は、Ａ／Ｄ変換器２、Ｄ／Ａ変換器３を介してＣＰＵ１からの指令にしたがって、ヘリウムガスの供給量を制御する。

本発明の一実施形態では、イオントラップ部１２とマルチポール部１４のＨｅガスの導入量をそれぞれ適切に制御することによって、３つの質量分析モードを実行する。以下に３つの質量分析モードについて説明する。

まず、イオン選択性能と感度の関係において、イオン選択性能を重視して質量分析するモード（ＭＳ／ＭＳモード（第１の動作モード））の制御動作について説明する。

図２は、イオントラップ部１２におけるイオン選択性能（ａｍｕ）とＨｅ導入量（ｍｌ／ｍｉｎ）との関係を示す図、図３はマルチポール部１４のＨｅ導入量が３（ｍｌ／ｍｉｎ）のときのイオントラップ部１２に導入するＨｅガス量（ｍｌ／ｍｉｎ）と相対強度（％）との関係を示す図である。

図２において、イオントラップ部１２のＨｅ導入量に関し、イオン選択性能を重視するならばＨｅ導入量は少ない程良い。しかし、イオントラップ部１２のＨｅ導入量が少なくなれば、図３に示すように、相対強度が低下するため、感度が下がることがわかる。

つまり、イオントラップ部１２におけるイオン選択性能と感度との関係はバータの関係にある。

そこで、本発明の一実施形態においては、図２、図３に示された結果から、例えば、イオン選択性能が、３ａｍｕ以下、相対強度が４０％以上となるようにイオントラップ部１２に、２ｍｌ／ｍｉｎ程度のＨｅガスを導入する。

以下の説明では、２ｍｌ／ｍｉｎ程度のＨｅガスをイオントラップ部１２に導入する場合を示す。

ここで、イオン選択性能が、３ａｍｕ以下であることを図４の概念図を用いて説明する。

図４において、イオン選択性能が３ａｍｕ以下とは、例えば目的のイオンをレセルピン６０９ａｍｕとするならば、６０９ａｍｕから±１．５ａｍｕの範囲のイオンをイオントラップ部１２に捕捉し、それ以外のイオンはエンドキャップ電極１１に加える補助高周波電圧の周波数で共鳴させることによりイオントラップ部１２から排出されることを表す。

図４の概念図では、６０９ａｍｕのイオンと６１０ａｍｕのイオンがイオントラップ部１２の中に捕捉され、それ以外の質量数のイオンがイオントラップ部１２から排出されることを示している。

次に、上述のようにして適切なイオン選択を行った後、後段のマルチポール部１４でイオンの運動エネルギーを収束させる。その際に、イオントラップ部１２へのＨｅ導入量が、２ｍｌ／ｍｉｎのとき、マルチポール部１４の圧力を最適化するために、マルチポール部１４のＨｅガス導入量を最適値となるように制御する。

ここで、イオントラップ部１２のＨｅ導入量を、２ｍｌ／ｍｉｎとしたときのマルチポール部１４に導入するＨｅガスと相対強度（％）との関係を図５に示している。

本発明の一実施形態では、図５に示す結果から、相対強度が８０％以上となるように、マルチポール部１４に導入するＨｅガス導入量は、３〜５ｍｌ／ｍｉｎ程度となるように制御する。

ここで、ＭＳ／ＭＳモードにおける、イオントラップ部１２とマルチポール部１４へのガス導入量の制御方法を説明する。
図１において、ＣＰＵ１からメモリ１６にアクセスし、動作モードであるＭＳ／ＭＳモードで制御するコマンド、Ｈｅガス導入量を読み込み、ＤＡ変換器３にアクセスする。ＣＰＵ１はＤＡ変換器３を介してトラップマスフローコントローラ４を制御し、イオントラップ部１２にＨｅガスを導入する。

同時に、ＣＰＵ１は、ＡＤ変換器２を介してイオントラップ部１２のＨｅガス流入量を、トラップマスコントローラ４の制御弁等（図示せず）への指令値を読み込むことでモニタする。そして、ＣＰＵ１は、イオントラップ部１２が、先にメモリ１６から読み込んだ最適圧力となるように、ＤＡ変換器３を介してトラップマスコントローラ４を制御する。

次に、イオントラップ部１２からマルチポール部１４に流入する微量なＨｅガスの量に応じてマルチポール部１４へ導入するガス量を、マルチポールマスフローコントローラ５の制御弁等（図示せず）への指令値を読み込むことでモニタする。

そして、ＣＰＵ１は、マルチポール部１４が、先にメモリ１６から読み込んだ最適流量となるように、ＤＡ変換器３を介してマルチポールマスフローコントローラ５を制御する。

ここで、先にメモリ１６から読み込んだ最適流量とは、動作モードに応じて、イオントラップ部１２からマルチポール部１４に流入するＨｅガスの量の予測値（予め実験等により求めることができる）に基づいて、マルチポール部１４内が最適圧力となるためのガス流量である。

次に、イオン選択性能と感度との関係において、感度を重視するモード（高感度モード（第２の動作モード））の制御方法について説明する。

液体クロマトグラフ−質量分析装置では、測定試料は液体クロマトグラフシステム８で分離されるため、ＭＳ／ＭＳする際に必要なイオン選択性能は、一般的に４〜８ａｍｕあれば問題ない。

そのため、高感度モードでは、イオン選択性能が４〜８ａｍｕの範囲になるようにイオントラップ部１２にＨｅガスを導入する。本発明の一実施形態では、イオントラップ部１２に７ｍｌ／ｍｉｎ程度のＨｅガスを導入した。

次に、上述のようにして適切なイオン選択を行った後、後段のマルチポール部１４でイオンの運動エネルギーを収束させる。

ここで、イオントラップ部１２へのＨｅ導入量が７ｍｌ／ｍｉｎのときのマルチポール部１４に導入するＨｅガスと相対強度（％）との関係を図６に示す。

マルチポール部１４には、図６の関係に基づき、３ｍｌ／ｍｉｎ程度でＨｅガスを導入する。実用的には、相対強度が８０％以上であれば良いため、マルチポール部１４へのＨｅガス導入量は、図６から、２．５〜３．５ｍｌ／ｍｉｎの範囲であれば良い。

ここで、高感度モードにおける、イオントラップ部１２とマルチポール部１４のガス制御の方法を説明する。

ＣＰＵ１からメモリ１６にアクセスし、高感度モードで制御するコマンド、Ｈｅガス導入量を読み込みを、ＤＡ変換器３にアクセスする。ＤＡ変換器３がトラップマスフローコントローラ４を制御し、イオントラップ部１２にＨｅガスを導入する。

同時に、ＣＰＵ１は、ＡＤ変換器２を介してイオントラップ部１２のＨｅガス導入量を、モニタし、イオントラップ部１２が、先にメモリ１６から読み込んだ最適圧力となるように、ＤＡ変換器３を介してトラップマスコントローラ４を制御する。

次に、イオントラップ部１２からマルチポール部１４に流入する微量なＨｅガスの量に応じて、マルチポール部１４へ導入するガス量を、マルチポールマスフローコントローラ５の制御弁等（図示せず）への指令値を読み込むことでモニタする。

そして、ＣＰＵ１は、マルチポール部１４が、先にメモリ１６から読み込んだ最適流量となるように、ＤＡ変換器３を介してマルチポールマスフローコントローラ５を制御する。

次に、目的イオンがイオントラップ部１２を通過するモード（ＴＯＦモード（第３の動作モード））の制御方法について説明する。

このＴＯＦモードでは、イオントラップ部１２のＨｅ導入量を、ＭＳ／ＭＳモード、高感度モードと比べて減少させ、エンドキャップ電極１１にＤＣ電圧を印加する。

つまり、ＴＯＦモードではイオントラップ部１２でイオン選択を行わず、イオンを通過させる。なお、本発明の一実施形態では、イオントラップ部１２のＨｅ導入量は０ｍｌ／ｍｉｎとした。

次に、イオントラップ部１２を通過したイオンは、後段のマルチポール部１４で運動エネルギーを収束させる。

ここで、イオントラップ部１２のＨｅ導入量が、０ｍｌ／ｍｉｎのときのマルチポール部１４に導入するＨｅガスと相対強度（％）との関係を、図７にグラフで示す。

図７に示した関係に基づき、マルチポール部１４への、Ｈｅガス導入量を制御する。実用的には、相対強度が８０％以上であれば良いため、図７に示すように、マルチポール部１４へのＨｅガス導入量は、３〜５ｍｌ／ｍｉｎの範囲であれば良い。

ここで、ＴＯＦモードにおける、イオントラップ部１２とマルチポール部１４のガス導入量の制御方法を説明する。

図１において、ＣＰＵ１からメモリ１６にアクセスし、ＴＯＦモードで制御するコマンド、Ｈｅガス導入量を読み込み、ＤＡ変換器３にアクセスする。ＤＡ変換器３がトラップマスフローコントローラ４を制御し、イオントラップ部１２にＨｅガスを導入する。

同時に、ＣＰＵ１は、ＡＤ変換器２を介してイオントラップ部１２のＨｅガス導入量をモニタし、イオントラップ部１２が、先にメモリ１６から読み込んだ最適圧力となるように、ＤＡ変換器３を介してトラップマスコントローラ４を制御する。

次に、イオントラップ部１２からマルチポール部１４に流入する微量なＨｅガスの量に応じてマルチポール部１４へ導入するガス量を、マルチポールマスフローコントローラ５の制御弁等（図示せず）への指令値を読み込むことでモニタする。

そして、ＣＰＵ１は、マルチポール部１４が、先にメモリ１６から読み込んだ最適流量となるように、ＤＡ変換器３を介してマルチポールマスフローコントローラ５を制御する。

本発明の一実施形態であるイオントラップ飛行時間型質量分析装置の概略構成図である。 イオントラップ部におけるイオン選択性能とＨｅ導入量との関係を示すグラフである。 マルチポール部のＨｅ導入量を３ｍｌ／ｍｉｎとしたときのイオントラップ部に導入するＨｅガスと相対強度（％）との関係を示すグラフである。 目的イオン６０９ａｍｕにおけるイオン選択性能が３ａｍｕを示す概念図である。 ＭＳ／ＭＳモードでのイオントラップ部のＨｅ導入量が２ｍｌ／ｍｉｎのときのマルチポール部に導入するＨｅガスと相対強度（％）の関係を示すグラフである。 高感度モードでのイオントラップ部のＨｅ導入量が７ｍｌ／ｍｉｎのときのマルチポール部に導入するＨｅガスと相対強度（％）との関係を示すグラフである。 ＴＯＦモードでのイオントラップ部のＨｅ導入量が０ｍｌ／ｍｉｎのときのマルチポール部に導入するＨｅガスと相対強度（％）との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ ＣＰＵ
２ ＡＤ変換器
３ ＤＡ変換器
４ トラップマスフローコントローラ
５ マルチポールマスフローコントローラ
６ Ｈｅガスポート
７ Ｈｅガスレギュレータ
８ 液体クロマトグラフシステム
９ エレクトロスプレーイオン源
１０ イオン光学系
１１ エンドキャップ電極
１２ イオントラップ部
１３ リング電極
１４ マルチポール部
１５ 飛行時間型質量分析装置部
１６ メモリ

Claims (2)

1. 大気圧で動作するイオン源と、このイオン源で生成されたイオンを真空室内に導入し、この真空室内に導入されたイオンを収束するイオン光学系と、ヘリウムガスが導入され、真空室内でイオンを捕捉するイオントラップ部と、ヘリウムガスが導入され、上記イオントラップから排出されたイオンの運動エネルギーを収束させるマルチポール部と、このマルチポール部から排出されたイオンを測定する飛行時間型質量分析手段とを有するイオントラップ飛行時間型質量分析装置において、
   上記イオントラップ部に導入されるヘリウムガスの導入量を制御するイオントラップガス導入量制御部と、
   上記マルチポール部に導入されるヘリウムガスの導入量を制御するマルチポールガス導入量制御部と、
   を備え、上記イオントラップ部におけるイオン選択性能と感度の関係でイオン選択性能を重視して質量分析する第１の動作モードと、イオン選択性能と感度の関係で感度を重視して質量分析する第２の動作モードと、イオン光学系からのイオンを上記イオントラップ部を通過させる第３の動作モードとの、各動作モードに応じて上記イオントラップ部と上記マルチポール部に導入されるヘリウムガスの導入量を変化させて制御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装置。
2. 請求項１記載のイオントラップ飛行時間型質量分析装置において、上記マルチポールガス導入量制御部は、上記イオントラップ部に導入されるヘリウムガスの導入量に応じて、上記マルチポール部に導入されるヘリウムガスの導入量を変化させて制御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装置。

Images