JP5603246B2 - 質量分析装置 - Google Patents

Description

本発明は質量分析装置および質量分析方法に関する。

質量分析装置は、試料分子に電荷を付加してイオン化を行い、生成したイオンを電場または磁場により質量電荷比に分離し、その量を検出器にて電流値として計測する機器である。質量分析装置は高感度であり、また、従来の分析装置に比べ、定量性および同定能力に優れている。近年、ライフサイエンス分野ではゲノム解析に代わるペプチド解析や代謝物解析が注目され、高感度で同定・定量能力の優れた質量分析装置の有効性が再評価されてきた。

上記質量分析装置における四重極質量フィルターはよく知られている質量分析法であり、その操作の簡便性から広く用いられている。四重極質量フィルターの例として特許文献１が記載されている。四重極質量フィルターでは四重極高周波(ＲＦ)電場と四重極静電場をそれぞれ適当な強さで組み合わせて、特定の質量電荷比(ｍ／ｚ)のイオンのみ選択的に通過できるようにしている。四重極質量フィルターの入口端及び、出口端には四重極ＲＦ電場と静電場の相互作用によって、干渉場（fringing field）が発生する。とくにイオンが入射する四重極質量フィルターの入口端にfringing fieldが発生すると、四重極質量フィルターのイオン透過率が大きく減少する。特許文献２に四重極質量フィルターの前に、四重極RF電圧のみが印加された短い四重極電極（ブルベーカーレンズ）を挿入することで、fringing fieldの影響を回避し、イオン透過率を向上させる方法が記載されている。

四重極質量フィルターや四重極イオンガイドでは軸方向にはイオンを加速する力が働かないため、高い圧力下では中性分子との衝突によりイオンの軸方向の運動エネルギーが冷却され内部にイオンが停留する。このため５ｍＴｏｒｒ程度の圧力で、四重極イオンガイドをイオンが透過するのには数―数十ｍｓ程度かかる。四重極静電場が印加された領域に長時間イオンが停留すると、本来四重極質量フィルターを透過できるｍ／ｚのイオンでも排除されるためイオン透過率が低下する。

四重極イオンガイドの中心軸上に電界勾配を形成し、高い圧力下でもイオンの停留を防ぐ方法について特許文献３に記載されている。電界勾配を形成する具体的な方法として、抵抗体のロッド電極を使用する、ロッド電極の間隙に電極を挿入する、ロッド電極を傾ける、などが記載されている。また、特許文献４に抵抗体でできた四重極ロッド電極を用いることで四重極質量フィルターの中心軸上に電界勾配を形成する方法について記載されている。

ところで、質量分析装置は、その原理から幾つかの種類が挙げられるが、現在主に使用される質量分析装置として、四重極形質量分析計（ＱＭＳ：Quadrupole Mass Spectrometer）と飛行形質量分析計（ＴＯＦＭＳ：Time Of Flight Mass Spectrometer）が挙げられる。

四重極形質量分析計は、４本の円柱または双曲面をもったポールを電極とし、高周波電圧および直流電圧を印加することによって質量分離を行う質量分析装置である。高周波交流電圧を印加することにより、電極間に四重極電界を形成することで、擬似的な井戸型ポテンシャルを作り、イオンを電極間に収束させる。このとき、直流電圧を重畳すれば、特定の質量電荷比のイオンを透過することができ、検出器に輸送することでそのイオンの量を測定することができる。この直流電圧と交流電圧を、特定のイオンのみが透過する電圧比にて電圧掃引すれば、低い質量電荷比のイオンから順に検出器に到達し、マススペクトルを得ることができる。四重極形質量分析計は、シーケンシャルな測定が可能であり、かつ検出器のダイナミックレンジが広いため、定量性能が高い特徴を持つ。

飛行形質量分析計は、イオンを電界により加速し、検出器に到達する時間を計測することで質量分離を行う。電界によりイオンに与えられる加速エネルギーは一定のため、検出器に到達する時間は質量電荷比によって異なる。これにより、低い質量電荷比のイオンは早く、高い質量電荷比のイオンは遅く、検出器に到達する。この到達時間に対し、検出器から出力される電流値をグラフ化すれば、マススペクトルを得ることができる。飛行形質量分析計は、質量分解能が高く、かつ質量精度が高いため、定性性能が高い特徴を持つ。

上記二例の質量分析装置にて得られるマススペクトルは、測定する試料の質量によって異なり、そのマススペクトルから試料の成分や量の情報を得ることができる。しかし、試料中の構成成分が複雑であったり、得られたマススペクトルが成分の特定に不十分な情報である場合がある。特に質量分析装置では質量電荷比により分子イオンを同定するため、異なる構造であったとしても質量電荷比が同一の場合や質量分析計の分解能が悪い場合、分子イオンを区別することが困難になる。また、質量電荷比が４００以下のマススペクトルにおいて、溶媒中や環境中由来の夾雑物が多く存在するため、目的成分と夾雑物とを区別できない。そこで、本課題を解決するため、ＭＳⁿ分析が考案された。

ＭＳⁿ分析とは分子イオンを質量分析装置に取り込み、特定質量電荷比の分子イオンを選択し、選択した分子イオンと中性分子との衝突を起こすことにより、分子イオンの一部の結合を破壊し、結合の切れたイオンを測定する方法である。この中性分子と衝突させ分子イオンの結合を切ることを衝突誘起解離（ＣＩＤ：Collision Induced Dissociation）と呼び、イオン選択，衝突誘起解離の一連の操作の繰返し回数によってＭＳ²やＭＳ³などと呼ぶ。分子中の原子間の結合はその構造や結合の種類によって結合エネルギーが異なるため、結合エネルギーが低い箇所ほど衝突誘起解離によって切断される。分子イオンと中性分子との衝突時に、結合を切断するのに十分な運動エネルギーを分子イオンに与えることにより、分子特有のフラグメントイオンが生成し、分子イオンの構造を知ることができる。さらに、イオンを選択して開裂することから、開裂後のイオンの質量電荷比領域におけるノイズが小さく、信号強度とノイズとの比（Ｓ／Ｎ比）が向上する。

イオン選択および衝突誘起解離を１回以上行った後、質量分離を行う質量分析装置を、一般的にタンデムＭＳと言う。イオン選択および衝突誘起解離を１回行うことが可能な装置として、四重極−飛行形質量分析計（Ｑ−ＴＯＦ）および三連四重極形質量分析計（Triple ＱＭＳ）が挙げられる。

四重極−飛行形質量分析計は、四重極質量分析計と飛行型質量分析計を結合した装置であり、その中間に衝突室を設けることで、ＭＳ／ＭＳ（又はＭＳ²とも称する。）を行う。衝突室は、内部にヘリウムや窒素等の中性分子を導入し、内圧を高くすることで、イオンと中性分子の衝突確率を高くし、衝突誘起解離を行う部屋である。試料の中からＭＳ／ＭＳを行う目的のイオンを四重極質量分析計にて選択後、衝突室に導入するエネルギーによりイオンの開裂が起こる。この開裂したイオンを、後段に供える飛行形質量分析計にて質量分離を行えば、ＭＳ／ＭＳのマススペクトルを得ることができる。質量分離部に飛行形質量分析計を使用するため、高分解能かつ高質量精度のＭＳ／ＭＳスペクトルが取得可能であり、信頼性の高い結果を得ることができる。そのため、蛋白解析等の同定分析に使用されることが多い装置である。

三連四重極形質量分析計は、３台の四重極形質量分析計を結合した装置であり、中間の四重極分析計が衝突室である。衝突室の構成および衝突誘起解離の原理は前述の四重極−飛行形質量分析計と同一であり、１段目の四重極形質量分析計でイオンを選択し、２段目でイオンの開裂、３段目で質量分離を行う。三連四重極形質量分析計は、四重極−飛行形質量分析計とは質量分離部が異なり、四重極形質量分析計であるため、定量性が高い結果を得ることができる。そのため、薬物動態分析等の定量分析に使用されることが多い装置である。関連する先行技術文献として、例えば、特許文献５がある。

米国特許２９５０３８９号明細書 米国特許３１２９３２７号明細書 米国特許５８４７３８６号明細書 米国特許７１６４１２５号明細書 特開２００５−３５３３０４号公報 特開２００７−９５７０２号公報

本発明の第１の課題は、安価に製造することができ、かつ高圧力下(０．５ｍＴｏｒｒ以上)でも透過率が高い四重極質量フィルターを提供することである。

上記特許文献２にはイオンの停留を防ぐ方法に関する記述はない。また、四重極質量フィルターの四重極ロッドとは別にブルベーカーレンズとして用いる四重極ロッドが必要となるため、製造コストが高くなるという欠点があった。

上記特許文献３には、四重極静電場が印加されていないイオンガイドの中心軸上に電界勾配を形成する方法のみが記載されており、四重極静電場が印加されている四重極質量フィルターの中心軸上に電界勾配を形成する方法についての記述はない。

上記特許文献４には、四重極ロッド電極を抵抗体で形成することで四重極質量フィルターの中心軸上に電界を形成する方法のみが記載されており、ロッド間に電極を挿入するなど、他の方法で中心軸上に電界を形成する方法に関する記述はない。高精度な四重極ロッド電極を抵抗体で形成するのは、技術的に困難で金属の四重極ロッド電極を使用する場合と比較してコストが高くなるという欠点があった。

また特許文献１，２，４のいずれの方法において四重極ロッド電極に四重極ＲＦ電圧と四重極静電電圧の両方を印加する必要があり、電源が複雑になるという問題があった。

また、本発明の第２の課題は、上述したようにタンデムＭＳは優位性を持つが、衝突誘起解離時にクロストークと呼ばれる課題である。クロストークは、衝突時の運動エネルギーの減少により、イオン速度の減少かつ速度分布の広がりが生じるため、複種の試料（イオン）を測定すると、後の結果に前の結果が残ってしまうことである。これにより、不要な構造情報の表示や定量正確さの低下を生じる。

本課題を解決するために、軸電界を有する分析計（例えば、特許文献６参照。）が開示
されている。本分析計は軸方向に直流電圧電界を形成することで、イオンの加速を行う方法である。しかし、軸方向に対する電位差は小さく、質量数が高くなるほど効果が小さくなる課題を持つ。

そこで、本発明の第１の目的は、安価に製造することができ、かつ高圧力下(０．５ｍＴｏｒｒ以上)でも透過率が高い四重極質量フィルターを提供することである。

また、本発明の第２の目的は、広質量範囲においてクロストークを低減する質量分析装置または質量分析方法を提供することである。

本発明の一つの特徴は、質量分析装置において、イオン分離部が、四重極高周波電場を形成する四重極ロッド電極と、四重極ロッド電極間に挿入された四重極静電電場を形成する電極と、少なくとも四重極静電電場を形成する電極の電圧を制御する電圧制御部を有することを特徴とする。ここで、四重極静電電場を形成する電極により、四重極ロッド電極の中心軸上に電界勾配が形成されるようにする。また、その強度は、イオンの入口側で小さく、出口側で大きいことを特徴とする。四重極静電電場を形成する電極は、例えば、四重極ロッド電極の隣り合う電極間に挿入された板状電極又は棒状電極である。

さらに、本発明の別の一つの特徴は、試料をイオン化するイオン源部と、イオン源にて生成されたイオンを、四重極電界等の目的のイオンのみを選択的に透過または蓄積排出する第一の質量分離部と、目的イオンを中性分子と衝突させて目的イオンの衝突誘起解離を行う衝突室と、イオンの質量電荷比によって分離可能な第二の質量分離部と、到達したイオンの量を電流値に変換する検出部とで構成される質量分析装置において、衝突室内に、イオンを軸方向に単振動させるポテンシャルを形成し、共鳴励起により軸方向へエネルギーを与えることである。

さらに本発明の他の特徴は、共鳴励起するための補助的な交流電圧の振幅を、共鳴するイオンの周波数において任意変更することにより、広い質量電荷比範囲にて適正な軸方向エネルギーを与えることである。

本発明の上記特徴及び上記以外の特徴は、以下の記載によりさらに説明される。

本発明によれば、高圧力下でもイオン透過率が高く、安価に製造できる四重極質量フィルターが実現する。

また、さらに本発明の一つの態様によれば、広質量範囲においてクロストークを低減する質量分析装置または質量分析方法を提供することができる。

本発明の他の態様によれば、共鳴励起による軸方向イオン加速、および高質量に相当する周波数の電圧を選択的に大きくすることで、広い質量電荷比範囲のイオンが衝突室に滞在する時間が短くなり、クロストークを低減することができる。

本方式の実施例１を示す図。 実施例１の軸方向断面図。 実施例１の径方向断面図。 実施例１の径方向断面図。 本方式の効果の説明図１。 本方式の効果の説明図２。 本方式の効果の説明図３。 電圧制御図。 本方式の効果の説明図。 本方式の実施例２を示す図。 本方式の実施例３を示す図。 実施例３のシーケンス図。 実施例３の説明図。 本方式の実施例４を示す図。 実施例４の径方向断面図１。 実施例４の径方向断面図２。 電源説明図。 本方式の実施例５を示す図。 実施例５の説明図。 本方式の実施例６を示す図。 四重極静電電極のその他の例を示す図。 本発明実施例における三連四重極形質量分析計の概略構成図。 本発明実施例における電界形成のための電源とそれにより形成されるｚ軸方向静電界の一例を示す説明図。 本発明実施例における質量電荷比に対するイオンの振動周波数の一例を示す説明図。 本発明実施例における補助高周波電圧周波数と電圧の一例を示す説明図。 本発明実施例における四重極−飛行形質量分析計の概略構成図。

以下、本発明の第一の実施形態について添付する図面を参照して説明する。

図１は、本方式の質量分析装置の構成図である。図１（Ａ）は装置全体図、図１（Ｂ）は四重極質量フィルター部７の軸方向断面図、図１(Ｃ)（Ｄ）は径方向装置断面図である。

エレクトロスプレーイオン源、大気圧化学イオン源、大気圧光イオン源、大気圧マトリックス支援レーザー脱離イオン源、マトリックス支援レーザー脱離イオン源などのイオン源１で生成されたイオンは細孔２を通過して差動排気部５に導入される。差動排気部はポンプ２０で排気される。差動排気部５からイオンは細孔３を通過して分析部６へと導入される。分析部はポンプ２１で排気され、１０^−１Ｔｏｒｒ以下（１．３Ｐａ以下）に維持される。イオンは四重極質量フィルター部７へと導入される。四重極質量フィルター部７は四重極ロッド電極(１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ)と四重極静電電極(１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ)により構成されている。
ここで、四重極静電電極は、ロッド軸中心上に静電電場を形成させる電極である。図１にはその例が記載されている。板状の四重極静電電極(１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ)が、隣接した四重極ロッド電極１０の間隙の中心部に挿入される。四重極静電電極１１は四重極ロッド電極１０の入口端側では四重極静電電極１１と四重極の中心軸１５の距離ｒ_ａが長く、出口端側ではｒ_ａが短くなる形状にしている。板状の四重極静電電極を用いる代わりに、図１（Ｄ）に示すような棒状の電極を挿入してもよい。棒状の電極を挿入するほうが安価であるが、板状の電極よりも四重極ＲＦ電場を乱す影響が大きくなる。

質量分析部は、四重極質量フィルター部７を構成する電極の電圧を制御する電圧制御部１９を有する。四重極質量フィルター部７から排出されたイオンは、検出器８により検出される。検出器としては、電子増倍管やシンチレーターと光電子増倍管との組み合わせたタイプのものなどが一般に用いられる。

四重極ロッド電極１０のオフセット電位には、前後の電極電圧により＋−数１０Ｖが印加されることもあるが、以下四重極ロッド電極１０の各部電極の電圧を記述するときには、四重極ロッド電極１０のオフセット電位を０としたときの値と定義する。四重極ロッド電極１０に振幅１００Ｖ〜５０００Ｖ、周波数５００ｋＨｚ−２ＭＨｚ程度の高周波電圧（四重極ＲＦ電圧）を印加する。このとき対向した四重極ロッド電極（図中（１０ａ、１０ｃ）および（１０ｂ、１０ｄ）：以下この定義に従う）は同位相の四重極ＲＦ電圧を印加し、一方、隣接した四重極ロッド電極（図中（１０ａ、１０ｂ）、（１０ｂ、１０ｃ）、（１０ｃ、１０ｄ）および（１０ｄ、１０ａ）：以下この定義に従う）には逆位相の四重極ＲＦ電圧が印加される。

四重極静電電極１１には四重極静電電圧として四重極静電極１１のうち対向する一対（１１ａ、１１ｃまたは１１ｂ、１１ｄ）に正極性の静電電圧を印加し、他の一対（１１ｂ、１１ｄまたは１１ａ、１１ｃ）にそれと同じ振幅の負極性の静電電圧を印加する。このときの静電電圧の振幅を四重極静電電圧の振幅と定義する。また、四重極静電電極１１には四重極静電電圧と重畳してオフセット電圧として、全ての四重極静電電極に同極性、同じ振幅の静電電圧が印加される。

四重極質量フィルターの動作について説明する。四重極質量フィルターでは図２（Ｂ）（Ｃ）の安定領域６０の内側に存在するイオンのみが、四重極質量フィルターを透過することができる。イオンのｍ／ｚごとに安定領域は異なり、ｍ／ｚの小さいイオンから大きいイオンまで図２（Ａ）に示した関係で並んでいる。電圧制御部により、或るｍ／ｚの安定領域の頂点近傍に四重極ＲＦ電圧と四重極静電圧を選んで制御すれば、そのｍ／ｚのイオンのみを透過させることが可能である。また図２（Ａ）中に示したスキャンライン７３のように各ｍ／ｚのイオンの安定領域（６１、６２、６３）の頂点近傍を通るように、四重極ＲＦ電圧と四重極静電圧の関係を維持しながら、四重極ＲＦ電圧をスキャンすれば質量スペクトルを得ることができる。このときの測定シークエンスを図３に示す。四重極静電極11への印加電圧に関しては正の四重極静電電圧が印加されている電極と負の四重極静電電圧が印加されている電極に分けてそれぞれ図３中に示した。正イオンを測定する場合、四重極静電電極１１に四重極ロッド電極のオフセット電位に対して−１〜−１００Ｖ程度のオフセット電圧７２を印加する。さらにオフセット電圧に重畳して、四重極静電電圧７１を印加する。四重極静電電圧７１の振幅は、四重極ＲＦ電圧の振幅に応じて図２（Ａ）中のスキャンライン７３の関係を満たすように制御する。このときオフセット電圧を差し引いた四重極静電圧の成分については、正極性の電圧と負極性の電圧の振幅は常に同じになる。また、負イオンを測定する場合には図３の測定シークエンスのオフセット電圧の極性のみを反転すればよい。

図２（Ｂ）を用いてfringing fieldの影響を説明する。四重極質量フィルターに入射する直前のイオンには四重極ＲＦ電界も四重極静電界も印加されていないので原点０に位置する。四重極質量フィルターの内部では四重極ＲＦ電界と四重極静電界が印加され、イオンは安定領域の頂点付近点Ａに位置する。したがって、Fringing fieldを越えて四重極質量フィルターに入射するイオンは安定領域の外側を遷移することになり、イオンの損失が発生する。このときのイオンの遷移６４を図２（Ｂ）に中に示す。一方、特許文献２のようなブルベーカーレンズを用いる場合は一旦四重極ＲＦ電界のみが印加された点Ｂを通るため、イオンは常に安定領域内を遷移することになり、fringing fieldによるイオンの損失をさけることができる。このときのイオンの遷移６５を図２（Ｂ）中に示す。

次に図２（Ｃ）を用いて本方式の効果を説明する。四重極質量分析部の入口側では四重極静電電極１１が中心軸１５から遠いため、中心軸上に印加される四重極静電電圧は小さくなる。したがって入射するイオンは安定領域内の点Ｂを経由して安定領域内を遷移する。このため、ブルベーカーレンズと同様の効果でイオンが四重極質量フィルターに入射する際のfringing fieldによるイオンの損失を低減することができる。このときのイオンの遷移６６を図２（Ｃ）中に示す。

イオンが中心軸上を出口端の方向に進むにしたがって、四重極静電電極１１と中心軸１５の距離が近くなる。このためイオンの感じる四重極静電電圧は大きくなる。イオンは図２（Ｃ）の安定領域内を上に進み、最終的に最も四重極静電電圧が大きい出口端に対応する点Ｃに到達する。四重極質量フィルター部７の質量分解能は出口端近傍でイオンが感じる四重極静電電圧の大きさに依存する。

四重極静電電極１１に対し、透過させるイオンと逆極性のオフセット電圧を印加することで、中心軸上に電界勾配を形成しイオンを四重極質量フィルターの出口端方向に加速することができる。電界勾配の傾きは、四重極静電電極１１の形状に依存する。四重極静電電極１１と中心軸１５の距離ｒ_ａが、四重極質量フィルターの出口からの距離の二乗で増加する形状の四重極静電電極１１を用いれば、中心軸上の電界勾配の傾きが中心軸上の位置によらず一定となり、イオンを一定の加速度で加速することができる。四枚の四重極静電電極１１の形状が中心軸１５に対して対称である場合、四重極静電圧によって作られる電位は中心軸上で常に０になるので、中心軸上ではオフセット電圧の分の電位のみを考慮すればよい。また、２枚の四重極静電電極(１１ａ、１１ｃあるいは１１ｂ、１１ｄ)のみにオフセット電位を印加しても、中心軸上に電界勾配を形成することができる。

四重極静電電極１１に四重極静電電圧を印加することで質量分離が可能であることを確認するため、四重極静電電極１１に四重極静電電圧のみを印加して測定を行った。結果を図４に示す。試料として１００ｐｐｍのレセルピン/メタノール溶液を用い、エレクトロスプレーイオン化した。また、四重極質量フィルター内部の圧力は３．３ｍＴｏｒｒに設定した。ｍ／ｚ ６０９、 ｍ／ｚ １９７、 ｍ／ｚ ４２２にレセルピンとそのフラグメントイオンのピークが観測された。このときのｍ／ｚ ６０９のイオン透過率は２５％であった。以上の結果から、本方式四重極質量フィルターで質量分離が可能なことが示された。

実施例１ではブルベーカーレンズを用いる場合のように、四重極ロッドを複数組用いる必要はない。このため、構造を単純化することが可能である。また、四重極ロッド電極には四重極ＲＦ電圧のみを印加するので電源が単純になるという利点がある。また本方式では中心軸上に電界勾配が形成できるため、イオンの停留が起こらず高圧力下（０．５ｍＴｏｒｒ以上）でも高い透過率が実現できる。

実施例２では四重極静電電極１１の両端が四重極ロッド電極１０の両端より内側に存在する構成について説明する。

図５（Ａ）は、本方式を実施した質量分析装置の軸方向の断面図である。また、図５（Ｂ）に図５（Ａ）に記載した矢印の方向から見た径方向の断面図を記載した。また図５（Ｂ）に四重極静電電極１１への電圧印加の様子を示した。四重極質量フィルター部７に到るまでの装置構成および四重極質量フィルター部７以降の装置構成については、実施例１と同様であり、省略する。

四重極質量フィルター部７は入口側収束部４０、質量分離部４１、 出口側収束部４２で構成されるように、四重極静電電極が、四重極ロッドの内側に配置されている。四重極ロッドの四重極ＲＦ電圧振幅と、四重極静電電極の振幅を実施例１に示したのと同様の方法で制御することで、特定のｍ／ｚ範囲のイオンのみを透過させることができる。

入口側収束部４０には四重極静電電圧が印加されない。そのため、ブルベーカーレンズと同様の効果により、fringing fieldによるイオンの損失を低減することができる。また、出口側収束部４２により出口端に形成されるfringing fieldによるイオンの損失も避けることができる。質量分離部４１から排出されたイオンは径方向の分布が広がった状態にあるが、出口側収束部４２を通過している間に中性ガスとの衝突により運動エネルギーが冷却され、径方向のイオンの分布が収束される。

四重極静電電極１１にイオンと同極性のオフセット電圧を印加することで、一旦質量分離部４１を通過したイオンが、再び質量分離部４１に戻るのを防ぐことができる。四重極質量フィルターの入口付近では中性ガスとの衝突による冷却の効果が小さいため、イオンは初期運動エネルギーで質量分離部４１を通過することができる。質量分離部４１を通過したイオンは出口側収束部４２に導入される。出口側収束部４２には四重極静電界が印加されていないため、イオンが停留しても損失を少なく抑えることができる。出口側収束部４２に停留したイオンは新たに四重極静電電圧が印加されている領域から供給されるイオンとの反発により押し出され、四重極質量フィルターから排出される。

（実施例２）では（実施例１）と比較して、中心軸上に電界勾配が存在しないためイオンの透過率ではおとる。一方、四重極静電電極の加工はより単純で（実施例１）より安価に製作することができる。また出口側収束部でイオンの運動エネルギーが収束されるため、タンデム質量分析の際に後段の質量分析部へのイオンの導入効率は実施例１より高くなる。

実施例３では本方式を、リニアイオントラップに組み込んだ構成について説明する。リニアイオントラップ部の構造を図６に示す。リニアイオントラップ部は入口端電極２７、四重極ロッド電極１０、出口端電極２８、四重極静電電極１１、トラップワイヤ電極２４、引き出しワイヤ電極２５により構成される。リニアイオントラップ部にはバッファーガスが導入され１０^−４Ｔｏｒｒ〜１０^−２Ｔｏｒｒ（１．３×１０^−２Ｐａ〜１．３Ｐａ）程度に維持されている。

図７にリニアイオントラップ部の測定シークエンスを示す。測定はトラップ、質量スキャン、排除の３つのシーケンスで行われる。トラップ時間には入口端電極２７とトラップワイヤ電極２４に測定するイオンと同極性の電圧が印加される。このためリニアイオントラップ部に導入されたイオンは、入口端電極２７、四重極ロッド電極１０、トラップワイヤ電極２４、に挟まれた領域１００にトラップされる。トラップ時間の四重極静電電極１１への印加電圧とその効果については後述する。質量スキャン時間には対向する一対の四重極静電電極１１(ａ,ｂ)の間に補助交流電圧（振幅０．１Ｖ〜１００Ｖ、周波数１０ｋＨｚ−５００ｋＨｚ）を印加しながら、四重極ＲＦ電圧振幅を変化させることでイオンを質量選択的に排出する。正イオンを測定する場合、入口端電極２７を１０Ｖから１００Ｖ程度、出口端電極２８を０から−５０Ｖ程度、トラップワイヤ電極２４を５から３０Ｖ程度、引き出しワイヤ電極２５を０から−５０Ｖ程度に設定する。補助交流電圧に共鳴するｍ／ｚのイオンは径方向に振動励起され、図６に示した軌道９９のようにトラップワイヤ電極２４のポテンシャル障壁を越えて軸方向に排出される。一方、補助交流電圧に共鳴しないｍ／ｚのイオンは入口端電極２７、四重極ロッド電極１０、トラップワイヤ電極２４、に挟まれた領域１００に留まる。質量スキャン時間には四重極静電電界の強度を０に設定すれば、四重極ＲＦ電界のひずみを緩和してリニアイオントラップの質量分解能を向上させることができる。最後に、排除時間では四重極ＲＦ電圧の電圧振幅を0にして、トラップ外へとすべてのイオンを排出する。

以下に、トラップ時間の四重極静電電極への印加電圧の効果について説明する。図２の四重極質量フィルター中のイオンの安定領域を、下記の式で定義されるａ値、ｑ値を用いて書き直すと全てのｍ／ｚのイオンについて図８のように表すことができる。

このときｒ_０は、ロッド電極１０と四重極中心の距離、ｍはイオンのｍ／ｚ、Wは四重極ＲＦ電圧の角周波数、Ｕは四重極静電電圧の強度、Ｖは四重極ＲＦ電圧の振幅を示す。

四重極静電電極１１に四重極静電電圧を印加しない場合には図８に示した範囲８０のｑ値(０〜０．９０３)を満たす全てのｍ／ｚのイオンがトラップされる。一方、四重極静電電極１１にa値がa1になるような四重極静電電圧を印加すると、安定領域に存在するｑ値が図に示した範囲８１に制限される。このため安定領域内に存在するq値に対応するｍ／ｚのイオンのみがトラップされ、それ以外のｍ／ｚのイオンは排除される。トラップするイオンのｍ／ｚの範囲を絞ることで、リニアイオントラップのスペースチャージを抑制することができる。トラップするイオンのｍ／ｚの範囲は四重極静電電圧の強度を変えることで調整することができる。図のように四重極静電電圧をより高くすれば、トラップされるイオンのｍ／ｚの範囲はより狭くなる。トラップされるイオンの質量範囲は狭いほどスペースチャージを抑制する効果は高くなる。一方、一回のトラップ動作で分析できる質量範囲が狭くなるため、イオン利用効率は低下する。ここでイオン利用効率は分析部に導入されたイオンの内、質量選択的に排出されたイオンの割合を示す。

実施例４では本方式を用いて高圧下でも動作可能で安価に製造できる三連四重極質量分析計の実現する方法について述べる。図９（Ａ）は、本方式を実施した質量分析装置の構成図である。また、図９（Ｂ）、図９（Ｃ）に断面図を記載した。また図１０に四重極静電電極１１、解離電極５１、羽根電極５２への電圧印加の様子を示した。

三連四重極部５０に到るまでの装置構成および質量分析部以降の装置構成は、実施例１の四重極質量フィルター部を三連四重極部５０に入れ替えた構成である。三連四重極部５０は四重極ロッド電極１０と４枚の四重極静電電極１１、２枚の衝突解離電極５１、２枚の羽根電極５２から構成される。四重極静電電極１１、衝突解離電極５１、羽根電極５２へ印加するオフセット電圧は、四重極静電電極、衝突解離電極、羽根電極の順に静電ポテンシャルが低くなるように設定する。四重極質量フィルター部７の動作については（実施例１）と同様であり省略する。

四重極質量フィルター部７を透過したイオンは解離部５４に導入される。解離部５４では衝突解離電極５１に解離対象のイオンが共鳴する周波数の補助交流電圧（振幅０．０１Ｖ〜１００Ｖ、周波数１０ｋＨｚ−５００ｋＨｚ）を印加することで、解離対象のｍ／ｚのイオンを衝突解離電極５４の方向に振動励起する。振動励起されたイオンは中性分子との衝突によりフラグメントイオンに解離する。解離部５４で生成したフラグメントイオンは質量分析部５５に導入される。

正イオンを測定する場合、出口端電極５３に０．１−１００Ｖ程度の電圧を印加してポテンシャル障壁を形成する。羽根電極５２に補助交流電圧（振幅０．０１Ｖ〜１００Ｖ、周波数１０ｋＨｚ−５００ｋＨｚ）を印加すると、補助交流電圧の周波数に共鳴するｍ／ｚのイオンが羽根電極５２の方向に励起される。励起されたイオンはFringing fieldにより軸方向のエネルギーが増大するため、ポテンシャル障壁を越えて出口端電極５３から排出される。共鳴励起されないイオンは出口端電極５３のポテンシャル障壁を越えることが出来ないので質量分析部５５の内部に留まる。

羽根電圧５２に印加する補助交流電圧の周波数を掃引すれば、フラグメントイオンの質量スペクトルを得ることもできる。解離部５４と質量分析部５５の間に隔壁を設けるなどして、解離部５４に比べて質量分析部５５の圧力を低くすることで質量分析部でのフラグメントイオンの追分解を防ぐことができる。また、質量分析部５５での質量分解能と感度が向上する。衝突解離電極５４で励起される方向と、羽根電圧５２で励起される方向を直交に設定することにより、Ｓ／Ｎ比を上げることができる。

一般的な三連四重極質量分析装置と異なり、ロッドを分割する必要がないので構成が単純で安価になるという利点がある。また、一般的な四重極質量フィルターに比べて高い圧力（１ｍＴｏｒｒ(１．３−１Ｐａ)程度）でも動作が可能である。そのためポンプなどの容量も小さくても済む。

本方式四重極質量フィルターとイオントラップを直列に接続して質量分析を行う構成について図１１を用いて説明する。イオン源１で生成されたイオンは細孔２を通過して差動排気部５に導入される。差動排気部５はポンプ２０で排気され１０^−１Ｔｏｒｒ以下（１３Ｐａ以下）程度に維持される。差動排気部５に導入されたイオンは四重極質量フィルター部7で質量分離され、四重極質量フィルター部7を透過した特定の質量範囲のイオンが細孔３を通過して分析部６へと導入される。分析部６はポンプ２１で排気され、１０^−４Ｔｏｒｒ以下（１．３−２Ｐａ以下）に維持される。分析部６に導入されたイオンはイオントラップ部９で質量分離された後、検出器８で検出される。

四重極質量フィルター部７の構造、電圧制御は実施例２と同様であり、省略する。

イオントラップ部９は一定の質量範囲のイオンをトラップして、質量選択的に排出できるものであればよい。イオントラップ部の動作は実施例３に示したようにトラップ、質量スキャン、排出の動作を繰り替えしてもよいし、イオントラップにイオンを導入しながら質量スキャンを行ってもよい。

また、四重極質量フィルター部７を、実施例３の場合と同じようにイオントラップ部９から排出されるイオンの質量範囲にあわせて、四重極質量フィルター部７から排出されるイオンの質量範囲を制御することでイオントラップのスペースチャージを抑制することができる。四重極質量フィルター部７を透過するイオンの質量範囲を狭くすれば、イオントラップ部９に導入されるイオン量が減少するため、リニアイオントラップ部のスペースチャージを抑制する効果はより高くなる。一方、イオン利用効率は低下する。

イオントラップ部９にイオンを導入しながら質量スキャンを行う場合には、四重極質量フィルター部７を透過するイオンの質量範囲とイオントラップ部から排出されるイオンの質量範囲を連動して制御してもよい。

図１２に時間を横軸にとり、ｍ／ｚを縦軸にとって四重極質量フィルター部を通過するイオンの質量範囲９０を示した。イオントラップ部から排出されるイオンのｍ／ｚ９１も同じ図中を示した。四重極質量フィルター部を通過するイオンのｍ／ｚの範囲と、イオントラップ部から排出されるイオンのｍ／ｚを同じ速度でスキャンする。このとき、四重極質量フィルター部から排出されるイオンのｍ／ｚの範囲はイオントラップ部から排出されるイオンのｍ／ｚより大きくなるように設定する。このとき或るｍ／ｚのイオンがイオントラップ部に蓄積される時間９３は四重極質量フィルター部を通過するイオンのｍ／ｚの範囲とスキャン速度で決る。導入されるイオンの量、スキャン速度に応じて四重極質量フィルター部から排出されるイオンのｍ／ｚの範囲を調節することでスペースチャージを抑制しつつ、高いイオン利用効率を実現できる。

次に四重極質量フィルター部とイオントラップ部を異なる圧力の真空室中に置く利点について説明する。差動排気部は圧力が高いためイオンの冷却効率が高く、四重極質量フィルターの四重極静電電界で広がったイオンのエネルギー分布を効率よく収束させることができる。このため、後段の質量分析部にエネルギー分布が収束したイオンを効率よく導入することができる。一方、イオントラップ部を圧力が低い分析部に置くことでのイオントラップ部内部の圧力を低く設定することができ、イオントラップ部内部の圧力が高い条件と比較しての質量分解能と排出効率が向上する。

本方式四重極質量フィルターとその後側にRF only四重極質量フィルターを直列に接続して質量分析を行う構成について説明する。四重極質量フィルター部とRF only四重極質量フィルター部以外の装置構成は実施例５と同様であり省略する。

四重極質量フィルター部７の構造、電圧制御は実施例１等と同様である。図１３（Ａ）は、RF only四重極質量フィルター部の軸方向の断面図である。また、図１３（Ｂ）に図１３（Ａ）に記載した矢印の方向から見た径方向の断面図を記載した。RF only四重極質量フィルターは四重極ロッド電極と出口端電極で構成されている。正イオンを測定する場合、出口端電極５３に０．１−１００Ｖ程度の電圧を印加してポテンシャル障壁を形成する。安定領域の境界に位置するイオンは径方向の半径が大きくなり、Fringing fieldにより軸方向のエネルギーが増大するため、ポテンシャル障壁を越えて出口端電極５３から排出される。四重極ＲＦ電圧を掃引すれば、質量スペクトルを得ることができる。

特定のｍ／ｚのイオンのみを連続で通す場合、安定領域の境界に位置するｍ／ｚのイオンのみが排出されるため、他のｍ／ｚのイオンは四重極質量フィルター部内部に停留する。第一の四重極質量フィルター部から排出されるイオンの質量を境界条件付近に設定することで、四重極質量フィルター部内部に停留するイオンの量を減らし、スペースチャージの影響を抑えることができる。実施例５でイオントラップ部９にイオンを導入しながら質量スキャンを行う場合と同様に、前段の四重極質量フィルター部と、後段の四重極質量フィルター部を連動制御することで、スペースチャージを抑制しつつ、高いイオン利用効率を実現することもできる。

また、RF only四重極質量フィルターは入射させるイオンのエネルギー分布が広がるほど分解能が低下するが、本実施例では圧力が高い四重極質量フィルター部でイオンの軸方向エネルギー分布を収束させることができる。

尚、実施例１にも共通するが、四重極静電電極１１の形状、材質は、四重極静電電極１１の入口側の四重極静電電極の強度とオフセット電圧によるポテンシャルが、四重極静電電極の出口側に比べて低くなるよう設定できればよい。例えば、四重極静電電極１１を抵抗体で形成して、四重極静電電極１１の入口側端と出口側端に異なる強度の四重極静電電圧とオフセット電圧を印加する、或いは四重極静電電極１１を軸方向に２つ以上に分割し、そのそれぞれの電極に異なる強度の四重極静電電圧とオフセット電圧を印加してもよい。四重極静電電極１１を抵抗体で形成した例の軸方向の断面図を図１４（Ａ）に、四重極静電電極１１を分割した例の断面図を図１４（Ｂ）に示す。

以下、本発明の第二の実施形態について添付する図面を参照して説明する。

始めに、本実施形態の構成について説明する。

図１５に、本発明を三連四重極形質量分析計に採用した場合の実施例の装置概略構成図を示す。さらに、図１６に、電界形成のための電源とそれにより形成されるｚ軸方向静電界を示す。

イオン源１０１は、直流電源より数ｋＶの電圧を印加することで試料をイオン化する。正または負に帯電したイオンは、直径０.２〜０.８mm程度の細孔１０２を通り、真空内部に導入される。後段に控える１段目クワドロポール１０３は線形四重極電界を作成するクワドロポールであり、１段目クワドロポール用直流／交流電源２０１からの供給により、直流電圧に交流電圧を重畳し印加する。交流電圧と直流電圧の比を一定とし電圧操作を行うことで、特定の質量電荷比のイオンのみを透過させることができる。この特定の質量電荷比を、構造解析する目的のイオンの質量電荷比とする。この目的のイオンは衝突誘起解離を行うイオンであり、目的イオンとする。目的イオンは、その後段に備える入口細孔１０４を通り、衝突室１０５に導入される。衝突室１０５内部はアルゴンや窒素等の中性分子を導入することで数ミリＴｏｒｒ程度の圧力を維持する。その内部には、本発明の構成部品である２段目クワドロポール１０６および１段目羽電極対１０７，２段目羽電極対１０８，３段目羽電極対１０９が配置される。ただし、羽電極の段数は３段に限定されず、２段目クワドロポール１０６の長さ方向に対し一端から他端まで到達する段数とする。１段目羽電極対１０７は前羽電極１０７ａと後羽電極１０７ｂとで構成され、互いに鏡面対称とする。図１５では１段目のみ符号を付しているが、２段目羽電極対１０８および３段目羽電極対１０９も同様に前羽電極と後羽電極とで構成される。２段目クワドロポール１０６には、２段目クワドロポール用直流／交流電源２０２からの供給により、高周波電圧および直流電圧を印加する。高周波電圧でｘｙ平面での井戸型ポテンシャルを形成し、ｘｙ方向でイオンを捕捉する。さらに、直流電圧はイオンを捕捉および開裂するための電圧を印加する。１段目羽電極対１０７，２段目羽電極対１０８，３段目羽電極対１０９は、それぞれ、その内部に調和ポテンシャルを形成する電極であり、１段目羽電極対用直流電源２０３，２段目羽電極対用直流電源２０４，３段目羽電極対用直流電源２０５より直流電圧を印加することでｚ軸方向の調和ポテンシャルを作成し、ｚ軸方向でのイオンの捕捉を行う。直流電圧は３段の羽電極対それぞれに対し変更可能とするため、羽電極対各々に直流電源（１段目羽電極対用直流電源２０３，２段目羽電極対用直流電源２０４，３段目羽電極対用直流電源２０５）を備え、さらに、複数の周波数の交流電圧を重畳するため、周波数合成可能な羽電極対用交流電源２０６を備える。これにより、イオンを共鳴励起し、エネルギーを与える。ｚ軸方向の細孔１１０は衝突室１０５と質量分離部（四重極形質量分析計）１１１とを区分ける真空隔壁であり、直流電圧を印加することで電極として作用する。衝突室１０５から排出されたイオンは細孔１１０を通り、質量分離部（四重極形質量分析計）１１１に導入される。質量分離部（四重極形質量分析計）１１１は３段目クワドロポール１１２と検出器１１３とを具備する。３段目クワドロポール用直流／交流電源２０７からの供給により、直流電圧に交流電圧を重畳し印加することで、イオンを３段目クワドロポール１１２で質量分離し、検出器１１３で検出する。これらの構成により、ｚ軸上には図１６に示す静電界が形成される。

次に、本発明実施例において、上記イオンを加速する方法について説明する。衝突室に導入された目的イオンは、１段目クワドロポール１０３の１段目クワドロポール直流電圧電位２１０と衝突室１０５の２段目クワドロポール１０６の２段目クワドロポール直流電圧電位２１１との電位差である衝突誘起解離のための電位差２１２により、運動エネルギーを得、中性分子と衝突することで、イオンの開裂が起こる。イオンの開裂部位はランダムのため、広い質量電荷比範囲のフラグメントイオンが生成される。フラグメントイオンは１段目羽電極対１０７を構成する前羽電極１０７ａおよび後羽電極１０７ｂにて形成された調和ポテンシャルである１段目羽電極対により形成される調和ポテンシャル２１３により、その内部に捕捉され、ｚ軸方向に質量電荷比固有の周波数にて単振動する。次に、測定質量電荷比範囲に相当するイオンの振動周波数と同じ周波数の羽電極対用交流電圧２０６を、前羽電極１０７ａおよび後羽電極１０７ｂに印加する。この交流電圧を補助高周波電圧とする。補助高周波電圧は前羽電極１０７ａおよび後羽電極１０７ｂで逆位相とする。ただし、補助高周波電圧を印加する電極は、前羽電極１０７ａおよび後羽電極１０７ｂの片方のみでも良い。さらに、羽電極対に印加する直流電圧を１段目羽電極対１０７，２段目羽電極対１０８，３段目羽電極対１０９の順で電界傾斜を掛けるように印加する。イオンが正イオンの場合、その直流電圧は３段目よりも１段目が高くなるようにする。また、イオンが負イオンの場合は低くするようにする。この補助高周波電圧と直流電圧により、フラグメントイオンはｘ軸方向へ共鳴励起し、エネルギーを得、調和ポテンシャルを越えるポテンシャルを得ることで２段目羽電極対１０８側に出射される。そして、フラグメントイオンは２段目羽電極対１０８に捕捉され、１段目羽電極対１０７と同様に電圧操作を行い、３段目羽電極対１０９方向へ共鳴出射される。これを順次繰り返すことでフラグメントイオンは３段目クワドロポール１１２方向へのエネルギーを得ることができる。そして、フラグメントを衝突室１０５と３段目クワドロポール１１２との隔壁電極である細孔１１０を通し、３段目クワドロポール１１２で質量分離を行えば、フラグメントイオンの信号を測定することができる。

次に、調和ポテンシャル内部での操作であるイオンの捕捉および共鳴励起について説明する。前羽電極１０７ａおよび後羽電極１０７ｂに直流電圧を印加することで、クワドロポールの中心ｚ軸上にｚ軸方向ポテンシャルＤ（ｚ）を作成する。ｚ軸方向ポテンシャルＤ（ｚ）は、前羽電極１０７ａと後羽電極１０７ｂ間の中心からの距離ｚにより、数３で表される。

式中、Ｄ₀は調和ポテンシャル深さであり、Ｌは前羽電極１０７ａと後羽電極１０７ｂ間の中心から羽電極の端点までの距離である。このｚ軸方向ポテンシャルにより、イオンが調和ポテンシャル内部に導入されると、前羽電極１０７ａと後羽電極１０７ｂ間の中心に向かう力を得ることで、ｚ軸方向に単振動を行い、捕捉される。その周波数ｆは、数４で表され、質量電荷比の平方根に反比例する。式中、ｅは電子素量であり、ｎはイオンの電荷数、ｍはイオンの質量である。

共鳴励起させるイオンに対し、その質量電荷比に相当する周波数の補助高周波電圧を羽電極に印加すれば、イオンはｚ軸方向に共鳴励起し、ｚ軸方向への運動エネルギーを得ることができる。このとき、交流電圧は２枚の羽電極に対し逆位相で印加するか、または片方のみに印加する。さらに、本発明では調和ポテンシャルに捕捉された全てのイオンを共鳴励起するため、補助高周波電圧の周波数を数４におけるｍ／ｎである質量電荷比より算出し重畳して印加する。この際、高質量電荷比のイオンを効率よく排出するため、高質量電荷比が共鳴する周波数の振幅を低質量電荷比に対して高くする。

例として、Ｌが２５ｍｍ、クワドロポールの直流電圧が２Ｖ、１，２，３段目の羽電極対の直流電圧が１１Ｖ，９Ｖ，７Ｖとした場合を示す。各羽電極対の調和ポテンシャル深さＤ₀は羽電極対の直流電圧とクワドロポールの直流電圧との差から概算できるため、各羽電極対の調和ポテンシャル深さは、約９Ｖ，７Ｖ，５Ｖとなる。

図１７に、数４より算出した質量電荷比に対するイオンの振動周波数の関係を示す。振動周波数は質量電荷比に対し反比例の関係となり、質量電荷比が低いほど振動周波数は高く、質量電荷比が高いほど振動周波数は低くなる。また、振動周波数は、調和ポテンシャル深さに比例する。例えば、質量電荷比がｍ／ｚ５００のとき、調和ポテンシャル深さ９Ｖにおいて、その振動周波数は約１３ｋＨｚである。この周波数の補助高周波電圧を羽電極対に印加すれば、イオンは共鳴励起しｚ軸方向へ運動エネルギーを得ることになる。本実施例では、質量電荷比がｍ／ｚ５０〜２０００の範囲のイオンを共鳴励起するために４〜３８ｋＨｚの周波数を合成した補助高周波電圧を印加する。これにより、ｍ／ｚ５０〜２０００の範囲のイオンが共鳴励起され、ｚ軸方向へエネルギーを得ることができる。

また、本補助高周波電圧は各周波数に対し任意に変更可能であるため、質量電荷比に対し任意に与えるエネルギーを変えることができる。つまり、クロストークするイオンそれぞれに対し、クロストークが小さくなるように補助高周波電圧の電圧を調整し、与えるエネルギーを調整すれば、広い質量範囲においてクロストークを低減することができる。補助高周波電圧の電圧の調整はクロストークしたマススペクトルのイオン強度からその強度が小さくなるように合わせればよい。例えば、高質量電荷比のイオンにおいてクロストークが大きい場合、図１８に示すように、補助高周波電圧を周波数に対し傾きをつければ、振動周波数の低い高質量電荷比のイオンは低質量電荷比のイオンに対し大きなエネルギーを与えられ、結果として質量電荷比に依存することなく広い範囲のイオンのクロストークを低減することができる。

四重極−飛行時間形質量分析計にて本発明を実施する実施形態について説明する。

図１９に、本実施例の四重極−飛行時間形質量分析計の概略構成図を示す。図１５で示したイオン源から細孔までの範囲５０１は、先に示した実施例１と同一構成であり、後段に備える質量分離部（飛行時間形質量分析計）５０２が、飛行時間形質量分析計である。質量分離部（飛行時間形質量分析計）５０２はイオンを加速する加速電極５０３と、運動エネルギーを均一にさせる反射電極５０４，イオンを検出し電流値に変換する検出器５０５とを具備する。本実施例では直行加速反射形飛行時間形質量分析計を例とするが、ｚ軸方向に加速する方法や反射電極を用いずイオンの進行方向に検出器を配置する方法においても実施可能である。図１５で示したイオン源から細孔までの範囲５０１の構成および電圧によりフラグメントイオンを生成し、飛行時間形質量分析計５０２に輸送する。飛行時間形質量分析計５０２では加速電極５０３に過渡信号の高電圧を印加することにより、イオンは運動エネルギーを得、反射電極５０４で運動エネルギーを均一化した後、検出器５０５に到達する時間を計測する。この時間を質量電荷比に変換し、その検出器からの電流値を強度とすることで、フラグメントイオンのマススペクトルを得ることができる。

さらに、質量分離部（飛行時間形質量分析計）５０２の構成を、その他、イオンサイクロトン型質量分析計（ＦＴ−ＩＣＲ）などの他の質量分離計に変更することで、測定目的，測定試料に合わせた質量分析計において本発明を実施することが可能となる。

以上の述べたように、三連四重極形質量分析計（Triple Ｑ）や四重極−飛行時間形質量分析計（Ｑ−ＴＯＦ）などのタンデム質量分析計は、ＭＳ／ＭＳを可能とする質量分析計であり、構造解析や定量分析が優れる特徴をもっている。タンデム質量分析計の中間にはコリジョンセルが配置され、衝突誘起解離（ＣＩＤ：Collision Induced Dissociation）が行われる。ＣＩＤはイオンを中性分子と衝突させ、分子間結合を切断することである。これにより、構造情報の取得や感度の高い定量が可能となる。しかし、衝突時の運動エネルギーの減少により、イオン速度の減少かつ速度分布の広がりが起こるため、複種の試料（イオン）を測定すると、後の結果に前の結果が残ってしまう。これを一般的にクロストークと呼び、不要な構造情報の表示や定量正確さの低下を生じる。さらに、イオンの質量電荷比が高くなるほど、そのクロストークによる課題は大きくなる。以上の課題に対して、コリジョンセルにおいて、複数段の調和ポテンシャルを作成する羽電極を配置する。衝突誘起解離にて生成したフラグメントイオンを、１段目の調和ポテンシャル内部に捕捉する。捕捉されたイオンは質量に依存した周波数にて軸方向へ単振動するため、この周波数に相当する交流電圧を羽電極に印加すればイオンは軸方向に共鳴励起し、検出器方向へ移動する運動エネルギーを得ることができる。本エネルギーにより、コリジョンセル内に滞在する時間を短くすることができ、クロストークを低減することができる。また、相対的に移動速度の小さい高質量のイオンに対しても、高質量に相当する周波数の電圧を選択的に大きくすることで、全質量域に渡ってイオンの速度を上げることができる。すなわち、共鳴励起による軸方向イオン加速、および高質量に相当する周波数の電圧を選択的に大きくすることで、広い質量電荷比範囲のイオンが衝突室に滞在する時間が短くなり、クロストークを低減することができる。

また、本明細書には、例えば、次の特徴が記載される。

１．試料をイオン化するイオン源部と、当該イオン源にて生成されたイオンの中から目的のイオンを選択する第１の質量分離部と、選択されたイオンについて衝突誘起解離を行う衝突室と、衝突誘起解離により生成したフラグメントイオンを再度質量分離する第２の質量分離部と、イオンを検出する検出器を備える質量分析装置において、衝突室内部に調和ポテンシャルを形成し、その衝突室内部において衝突誘起解離で生成したフラグメントイオンを共鳴励起し、前記イオンへ軸方向にエネルギーを与えること。

２．上記１．において、前記衝突室は、クワドロポールやオクタポール等のマルチポールに高周波電圧を印加することにより、イオンの進行方向に対し直交方向に擬似的な井戸型ポテンシャルを形成することで、イオンを捕捉すること。

３．上記１．において、前記衝突室内部に形成する調和ポテンシャルは、平面板状の電極を配置し、直流電圧を印加することで軸方向に形成すること。

４．上記１．において、調和ポテンシャルに交流電圧を重畳することでイオンを共鳴励起させること。

５．上記４．において、共鳴励起させるための交流電圧を、イオンが共鳴する複数の周波数の電圧を重畳することで全質量電荷比のイオンを励起すること。

６．上記５．において、共鳴励起させるための交流電圧を、各周波数単位にその振幅を変更可能とし、各質量電荷比のイオンに与えるエネルギーを個別に設定可能とすること。

７．上記６において、第１の質量電荷比のイオンが、前記第１の質量電荷比より低い質量電荷比のイオンの速度と同等になるように周波数別に振幅を制御すること。

８．試料をイオン化し、当該生成されたイオンの中から目的のイオンを選択し、選択されたイオンについて衝突誘起解離を行し、衝突誘起解離により生成したフラグメントイオンを再度質量分離し、イオンを検出する質量分析方法において、前記生成したフラグメントイオンを調和ポテンシャルにより共鳴励起し、イオンへ軸方向にエネルギーを与えること。

９．上記８．において、前記選択されたイオンについて衝突誘起解離を行う場合、高周波電圧をマルチポールに印加することにより、イオンの進行方向に対し直交方向に擬似的な井戸型ポテンシャルを形成することで、イオンを捕捉すること。

１０．上記８．において、前記調和ポテンシャルは、直流電圧を平面板状の電極へ印加することで軸方向に形成すること。

１１．上記８．において、前記調和ポテンシャルに交流電圧を重畳することでイオンを共鳴励起させること。

１２．上記１１．において、共鳴励起させるための前記交流電圧を、イオンが共鳴する複数の周波数の電圧を重畳することで全質量電荷比のイオンを励起すること。

１３．上記１１．において、共鳴励起させるための前記交流電圧を、各周波数単位にその振幅を変更可能とし、各質量電荷比のイオンに与えるエネルギーを個別に設定可能とすること。

１４．上記１３．において、第１の質量電荷比のイオンが、前記第１の質量電荷比より低い質量電荷比のイオンの速度と同等になるように周波数別に振幅を制御すること。

１…イオン源、２…細孔、３…細孔、５…差動排気部、６…分析部、７…四重極質量フィルター部、８…検出器、９…イオントラップ部、１０…四重極ロッド電極、１１…四重極静電電極、１１…四重極質量フィルターの中心軸、２３…羽根電極、２４…トラップワイヤ電極、２５…引き出しワイヤ電極、２７…入口端電極、２８…出口端電極、３０…オフセット電圧電源、３１…四重極静電電圧電源、３２…補助交流電圧電源、５０…三連四重極部、５１…衝突解離電極、５２…羽根電極、５３…出口端電極、６０…安定領域、６１…ｍ／ｚが小さいイオンの安定領域、６２…ｍ／ｚが中程度のイオンの安定領域、６３…ｍ／ｚが大きいイオンの安定領域、６４…四重極質量フィルターにイオンが入射する際の遷移、６５…ブルベーカーレンズを有する四重極質量フィルターにイオンが入射する際の遷移、６６…四重極質量フィルターにイオンが入射する際の遷移、７１…四重極静電電圧、７２…オフセット電圧、７３…四重極ＲＦ電圧と四重極静電電圧のスキャンライン、８０…四重極静電電圧が０の時に安定領域にあるイオンのｑ値の範囲、８０…ａ値がａ１のときに安定領域にあるイオンのｑ値の範囲、９０…四重極質量フィルター部から排出されるイオンの質量範囲、９１…ある時間に四重極質量フィルター部から排出されるイオンの質量範囲、９２…イオントラップ部から排出されるイオンのｍ／ｚ、９３…質量ｍ１のイオンがトラップに蓄積される時間、９９…排出されるイオンの軌道、１００…イオンがトラップされる領域、
１０１…イオン源、１０２，１１０…細孔、１０３…１段目クワドロポール、１０４…入口細孔、１０５…衝突室、１０６…２段目クワドロポール、１０７…１段目羽電極対、１０７ａ…前羽電極、１０７ｂ…後羽電極、１０８…２段目羽電極対、１０９…３段目羽電極対、１１１…質量分離部（四重極形質量分析計）、１１２…３段目クワドロポール、１１３，５０５…検出器、２０１…１段目クワドロポール用直流／交流電源、２０２…２段目クワドロポール用直流／交流電源、２０３…１段目羽電極対用直流電源、２０４…２段目羽電極対用直流電源、２０５…３段目羽電極対用直流電源、２０６…羽電極対用交流電源、２０７…３段目クワドロポール用直流／交流電源、２１０…１段目クワドロポール直流電圧電位、２１１…２段目クワドロポール直流電圧電位、２１２…衝突誘起解離のための電位差、２１３…１段目羽電極対により形成される調和ポテンシャル、５０１…図１５で示したイオン源から細孔までの範囲、５０２…質量分離部（飛行時間形質量分析計）、５０３…加速電極、５０４…反射電極。

Claims (18)

1. イオンを生成するイオン源と、
   イオンを輸送するイオン輸送部と、
   特定の質量範囲のイオンを分離するイオン分離部と、
   前記イオン分離部で分離されたイオンを検出する検出部からなる質量分析装置であって、
   前記イオン分離部が、四重極高周波電場を形成する四重極ロッド電極と、前記四重極ロッド電極間に挿入される四重極静電電場を形成する電極と、少なくとも前記四重極静電電場を形成する電極の電圧を制御させる電圧制御部を有し、前記四重極静電電場を形成する電極のうち少なくとも一つに対し、他の四重極静電電場を形成する電極に印加されている電圧と異なる電圧が印加されることを特徴とする質量分析装置。
2. 請求項１に記載の質量分析装置において、前記四重極静電電場を形成する電極により、
   前記四重極ロッド電極の中心軸上に電界勾配が形成されることを特徴とする質量分析装置。
3. 請求項１に記載の質量分析装置において、前記電圧制御部により印加される四重極静電電場の強度が、質量分析装置の入口側で小さく、出口側で大きいことを特徴とする質量分析装置。
4. 請求項１に記載の質量分析装置において、イオンを前記イオン分離部の径方向に振動させる電極及び電源を持つことを特徴とする質量分析装置。
5. 請求項１に記載の質量分析装置において、前記四重極静電電場を形成する電極は、前記四重極ロッド電極間に挿入された板状電極又は棒状の電極であることを特徴とする質量分析装置。
6. 請求項５に記載の質量分析装置において、前記四重極静電電場を形成する電極とロッド軸中心との間の距離は、イオンの入口側の方が出口側よりも大きいことを特徴とする質量分析装置。
7. 請求項６に記載の質量分析装置において、前記四重極静電電場を形成する電極は、前記イオン分離部のイオンの出口からの距離の２乗で四重極中心からの距離が増加する形状を有していることを特徴とする質量分析装置。
8. 請求項１に記載の質量分析装置において、前記四重極静電電場を形成する電極には、前記電圧制御部により、対向する電極は同極性の静電電圧が印加され、隣接する電極は逆極性の静電電圧が印加されることを特徴とする質量分析装置。
9. 請求項５に記載の質量分析装置において、前記四重極静電電場を形成する電極には、前記電圧制御部により、前記イオン分離部に導入されているイオンと逆極性のオフセット電圧が印加されることを特徴とする質量分析装置。
10. 請求項１に記載の質量分析装置において、前記四重極ロッド電極の端よりも内側に、前記四重極静電電場を形成する電極が形成されていることを特徴とする質量分析装置。
11. 請求項１０に記載の質量分析装置において、前記四重極静電電場を形成する電極には、前記電圧制御部により、前記イオン分離部に導入されているイオンと同極性のオフセット電圧が印加されることを特徴とする質量分析装置。
12. 請求項１に記載の質量分析装置において、前記イオン分離部は、前記四重極ロッド電極の外側にはイオンを前記イオン分離部内にトラップするイオントラップ電極を備え、トラップされたイオンに対し、前記電圧制御部は前記四重極静電電場を形成する電極に特定質量範囲のイオンのみ安定化させる振幅を有する電圧を印加することを特徴とする質量分析装置。
13. 請求項１に記載の質量分析装置において、さらに、イオンを解離するイオン解離部と、
    前記イオン分離部とは異なる第２のイオン分離部を有することを特徴とする質量分析装置。
14. 請求項１３に記載の質量分析装置において、前記イオン分離部、前記イオン解離部、前記第２のイオン分離部は、共通の四重極ロッド電極上で、静電ポテンシャルがイオンの進行にしたがって低くなるように順にそれぞれ形成されていることを特徴とする質量分析装置。
15. 請求項１に記載の質量分析装置において、前記イオン分離部と前記検出部との間に、前記イオン分離部とは異なる第２のイオン分離部を有することを特徴とする質量分析装置。
16. 請求項１５に記載の質量分析装置において、前記第２のイオン分離部は、四重極ロッド電極と出口側端電極を備えた分離部であることを特徴とする質量分析装置。
17. 請求項１に記載の質量分析装置において、前記四重極静電電場を形成する電極は、抵抗体で形成したものであることを特徴とする質量分析装置。
18. 請求項１に記載の質量分析装置において、前記四重極静電電場を形成する電極は、軸方向に分割された電極であることを特徴とする質量分析装置。

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