JP5697259B2 - イオンを冷却するためのイオントラップ - Google Patents

Description

本発明は、好ましくはイオンを冷却するためにイオンの運動エネルギーを変えるためのイオントラップ、およびイオントラップ内でイオンの運動エネルギーを変える方法に関する。

高い分解能の質量分析計では、分析するイオンのエミッタンスが低いことが望ましい。なぜなら、低いエミッタンスが分解能および感度を改良するからである。イオンビームのエミッタンスは、１つにはイオンビームの温度によって決定される。従来、イオンは、ガスとの衝突によって冷却される。しかし、質量分析器は高真空で動作するので、質量分析器の外部でイオンを冷却することが望ましい。

既存の解決策は、２つの発散ストラテジに従っている。第１のストラテジは、例えば米国特許第６，６７４，０７１号明細書に示されているように、質量分析器の外部で、イオンを冷却するのに適したガスを含むトラップ内でイオンを冷却することである。しかし、そのようなデバイスでは、イオンはガスの温度までしか冷却することができない。このガスは、それを捕捉する材料と熱平衡状態にあるときにトラップ内に効果的に保持されるので、トラップのイオン光学系のガスに限定される。これは、冷却されるイオンビームの実現可能な最小のエミッタンスに制限を課す。

さらに、このトラップを使用して、冷却されたイオンを質量分析計に注入するとき、さらなる問題が生じる。ガスによってイオンを加速すると、イオンの断片化が生じることがあり、イオンを放出する前にガスを除去すると、動作速度がかなり制限される。典型的に行われているように、電場を使用してイオンを加速する場合、すべてのイオンが一定のエネルギーまで加速されるが、イオンの速度はそれらの質量に依存する。したがって、そのような場合には、トラップから分析器への経路長を最短にして、分析器の外部での飛行時間質量分離を低減しなければならない。このとき、分析器内へのガスキャリーオーバーの防止が重大な問題となる。この問題は、典型的には、コストおよび複雑さの増加ならびに性能の低下という犠牲を払って、トラップと分析器の見通し線をなくし、かつ小さな開口を使用することによって軽減される。しかしまた、これにより経路長がさらに長くなり、したがって外部質量分離の問題を悪化させる。

このストラテジの一実装形態では、ガスをパルスとして導入することが知られている。これは、イオン冷却後に、分析中のガス負荷を低減する一助となる。これに関するより以前の例として、以下のものが挙げられる。Ｊ．ＣａｒｌｉｎおよびＢ．Ｓ．Ｆｒｅｉｓｅｒ，Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．５５（１９８３），５７１；Ｂ．Ｅｍａｒｙ、Ｒ．Ｅ．Ｋａｉｓｅｒ、Ｈ．Ｉ．Ｋｅｎｔｔａｍａａ、およびＲ．Ｇ．Ｃｏｏｋｓ，Ｊ．Ａｍ．Ｓｏｃ．Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍ．１（１９９０）３０８；ならびにＲ．Ｃ．ＢｅａｖｉｓおよびＢ．Ｔ．ｈａｉｔ，Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．１８１（１９９１）４７９。

この技法のより最近の例としては、以下のものが挙げられる。英国特許第２４３９１０７号明細書；ならびにＤ．Ｐａｐａｎａｓｔａｓｉｏｕ、Ｏ．Ｂｅｌｇａｃｅｍ、Ｍ．Ｓｕｄａｋｏｖ、およびＥ．Ｒａｐｔａｋｉｓ，Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．７９（２００８）０５５１０３。しかし、この技法と静的動作の間に根本的な差はない。どちらの技法においても、ガスは、非常に拡散されてイオントラップに入る。

第２のストラテジは、ガスジェットを通してイオンビームを指向するものである。例えば、米国特許第５，３７３，１５６号明細書は、生成中に断熱的に冷却されてジェットとして指向される水素またはヘリウムなどの軽量ガスを使用して、非常に重いイオン（３００，０００〜２，０００，０００Ｄａ）を冷却するための方法を記載している。また、ガスジェットは、質量分析器のすぐ上流でイオンを減速させ、それにより、起こり得る断片化または質量分離の問題をなくす。しかし、そのようなデバイスは、冷却されたイオンを質量分析器に即座に注入させるように設計されているので、捕捉との適合性がない。さらに、ガスキャリーオーバーが、そのようなデバイスに伴う問題として残っている。

ガスジェットは、イオンの衝突誘起解離（ＣＩＤ）のために使用されている。米国特許第４，３２８，４２０号明細書には、イオンビームに直交して交差するガスジェットを用いた衝突セルとして作用する中央区域を有する３つの四重極区域を有する質量分析計が開示されている。衝突セルに入り、イオン経路に直交して交差するガスジェットを用いたＣＩＤに関する同様の構成が、米国特許出願公開第２００４／０１１９０１５号明細書および米国特許出願公開第２００７／００８５０００号明細書に開示されており、イオントラップを有する構成を含む。そのようなイオントラップは、イオンの貯蔵用のトラップ内でかなりの圧力の浴ガスをさらに採用し、したがってシステムのガス負荷をかなり追加する。

こうした背景において、本発明は、イオンの運動エネルギーを変える方法であって、イオントラップの捕捉領域にイオンを捕捉するステップと、捕捉領域を通してガスビームを指向するステップとを含み、それにより捕捉されたイオンの運動エネルギーを変える方法を提供する。

本発明は、別の態様では、イオンを分離する方法であって、イオンがイオントラップの捕捉領域の第１の軸に沿って捕捉領域に入るようにするステップと、第１の軸に沿ってガスビームを指向するステップと、第１の軸の方向で電位を印加するステップとを含み、イオン移動度に基づいてイオンの分離を引き起こす方法を提供する。

好ましくは、ガスは冷却ガスであり、それにより、捕捉されたイオンが冷却される。好ましくは、この方法は、トラップからイオンを放出することが望まれるまでの期間にわたって、捕捉領域内にイオンを貯蔵するステップを含む。より好ましくは、捕捉されたイオンは、ガスビームによって実質的に解離されない。すなわち、例えば意図せずに少数のイオンがビームによって解離されることがあるが、イオンの大部分はビームによって解離されない。最も好ましくは、捕捉されたイオンは、ガスビームによって冷却はされるが実質的に解離されない。

それにより、トラップ内に貯蔵されたイオンを低温に冷却し、トラップから質量分析器に、または質量分析の前の別のデバイスに放出することができる。これは、大きな自由度をもたらす。なぜなら、それにより、例えばパルス質量分析器を含めた様々なタイプの質量分析器にそのようなイオンを最適化することができるからである。ガスジェット冷却の従来技術における方法とは対照的に、この方法は、機器に導入されるときのイオンビームだけでなく、機器の真空環境内で処理を受けたイオンビームと共に使用することができる。

ガスビームの粒子はすべて、全粒子に共通の主要成分をもつ運動ベクトルを有すると考えることができ、したがってガス粒子の発散は小さい。その結果、トラップ体積内部でのガスの分布は不均一である。有利には、本発明は、通常よりもはるかに低い浴ガス圧力を用いて、イオントラップ内でのイオンの効率的な捕捉および貯蔵を可能にする。なぜなら、指向されたガスビームを使用することで、ビームの領域内でのガスとイオンの十分な衝突により、優れたイオン貯蔵および冷却能力が得られることが判明しているからである。このようにして、本発明のイオントラップは、高い圧力の浴ガスを使用する必要があるイオントラップにおいて通常採用されるよりも低い圧力（すなわちガスビームなしでの圧力）で動作することができる。したがって、本発明により、質量分析計システムの残りの部分に対するガス負荷をそれに対応して減少させることができるようになる。したがって、好ましくは、本発明は、それ自体ではトラップ内にイオンを貯蔵する、特にイオンを捕捉、貯蔵、および冷却することができないほど低いイオントラップ内の圧力（すなわちビームなしでの圧力）を用いて動作される。例えば、浴ガスを使用するイオントラップの典型的な圧力は約１×１０^-3ｍｂａｒとなることがあるのに対し、本発明によるイオントラップの圧力は１×１０^-4ｍｂａｒ未満でよい。好ましくは、イオントラップ内の圧力は、約１×１０^-4ｍｂａｒ以下、より好ましくは１×１０^-4未満、さらに好ましくは約５×１０^-5ｍｂａｒ以下、例えば１×１０^-5ｍｂａｒの範囲である。好ましい実施形態では、この方法は、トラップでイオンを受け取るステップをさらに含む。

好ましくは、捕捉領域が第１の軸を備える。第１の軸は、好ましくは捕捉領域の長手軸であり、すなわち、捕捉領域の長さまたは最長寸法の方向での軸である。好ましくは、捕捉されたイオンは、第１の軸に沿って捕捉領域を繰り返し横切る。第１の軸は、直線でも、曲線でも、または直線部分と曲線部分の組合せでもよい。したがって、好ましくは、イオントラップは第１の軸に沿って細長い（すなわち細長方向で、それに直交する方向よりも長い）。すなわち、好ましくは、トラップは、ビームの方向とほぼ同一直線上に配置された長手軸を有する細長いトラップである。そのような実施形態では、好ましくは、トラップからのイオンの放出は別の方向であり、すなわちガスビーム方向に対してある角度（好ましくは直交）である。より好ましくは、ガスビームは、実質的に第１の軸に沿って指向される。これは、好ましくは、ビームの少なくとも一部が第１の軸の少なくとも一部を包むようなビームの発散であることを意味する。したがって、ガス粒子の運動ベクトルの主要成分が、第１の軸に沿って指向される。最も好ましくは、イオントラップは、第１の軸に沿って細長い直線状のイオントラップである。それにより、捕捉されたイオンは、かなりの相互作用長さにわたってガスビームと相互作用する。さらに好ましくは、捕捉領域内に捕捉すべきイオンは、実質的に第１の軸に沿ってトラップ内に注入される。１つの好ましい実施形態タイプでは、ガスビームは、実質的に第１の軸に沿って指向されるが、実質的に第１の軸に沿ってトラップ内に注入されるイオンとは逆向きである。別の好ましい実施形態タイプでは、ガスビームは、実質的に第１の軸に沿ってトラップ内にイオンが注入されるのと同じ方向に、実質的に第１の軸に沿って指向される。好ましくは、捕捉されたイオンは、第２の軸に沿ってイオントラップから放出され、第２の軸は第１の軸とは異なる。したがって、好ましい実施形態では、イオンを、それらがトラップに入るときに沿った軸とは異なる軸に沿ってイオントラップから放出させることができる。このようにして、有利には、ガスを通るイオンの加速によるイオンの断片化の危険が軽減される。ガスが第１の軸に沿って指向されるので、イオンを第２の軸に沿って放出することによって、イオンはガスビームに沿っては加速されず、ガスビーム外で加速される。より好ましくは、第２の軸は第１の軸に実質的に直交し、イオンが加速されるときにガスビーム内を進む経路長を最短にする。好ましくは、第２の軸の方向に進むガスビームの割合は、第１の軸の方向に進むガスビームの割合よりもかなり小さい。有利には、第２の軸に沿ったガスの流量は、実質的にゼロである。したがって、トラップは、好ましくは低圧トラップである。より好ましくは、トラップは、イオンの運動エネルギーを変えるためのガス、すなわち浴ガスによって不均一に加圧される。

好ましい実施形態では、ガスビームを指向するステップが、ガスジェットを生成することを含む。ガスジェットは、周囲の媒体に投射されるただ１つの好ましい運動方向を有するガスのストリームである。好ましくは、この方法はまた、ガス入口またはノズルでガスを受け取るステップも含む。この場合、イオントラップ内部の圧力は、ガス入口の外部の圧力よりも大幅に低くすることができる。これにより、ガスは、超音速膨張によりイオントラップに入るときに断熱的に冷却される。任意選択で、イオントラップ内部のガスの温度は、受け取られるイオンの温度よりもかなり低い。任意選択で、イオントラップ内部のガスの温度は、イオントラップの温度よりもかなり低い。イオンが捕捉領域内に捕捉または貯蔵される一方で、捕捉領域を通して連続的にガスビームを指向することができ、あるいは、例えばガスビームをパルス化することによって捕捉領域を通して断続的にガスビームを指向することができる。ガスビームは、イオンが捕捉領域内に捕捉または貯蔵される時間全体にわたって、または時間全体よりも短い時間にわたって、捕捉領域を通して指向することができる。

好ましい実施形態では、捕捉領域に入るガスビームの一部が、壁に衝突する前にイオントラップから出る。任意選択で、ガスビームのこの部分は、少なくとも１０％であるが、より好ましくなっていく順で、少なくとも２０％、少なくとも３０％、少なくとも５０％、少なくとも７５％、または少なくとも９０％とすることができる。

任意選択で、イオントラップは、第１の軸に沿って配置された差動排気口を備える。このとき、この方法は、差動排気口の前記ガスに近い方の側で第１の圧力の領域を生成するステップと、差動排気口の他方の側で第２の圧力の領域を生成するステップとをさらに含み、第２の圧力が第１の圧力よりも低い。

好ましくは、差動排気口が、スキマーコーンを使用して形成される。有利には、スキマーコーンが、ガス入口と、ガス入口を通って流れるガスのマッハディスクに対して識別される位置との間に位置される。すなわち、スキマーコーンは、ガス入口を通って流れるガスがフリージェット条件下でサンプリングされるように位置される。有利には、導入口は、イオンのイオン移動度分離を引き起こすために電位を受け取るように配置される。有益には、イオントラップは、このイオン移動度分離がイオントラップの第１の軸に沿って生じるように配置される。より一般には、様々な実施形態において、本発明の方法は、好ましくは、イオンの移動度に基づいてイオンの分離を引き起こすために捕捉領域にわたって電位勾配を印加するステップを含む。より好ましくは、そのような実施形態では、この方法は、第１の軸に沿ってガスビームを指向するステップと、第１の軸の方向で電位勾配を印加するステップとを含み、それにより、イオン移動度に基づくイオンの分離を第１の軸に沿って引き起こす。有益には、イオントラップは、イオンのイオン移動度分離がイオントラップの第１の軸に沿って生じるように、すなわち空間分離がこの軸に沿って生じるように配置される。好ましくは、分離されたイオンは、第１の軸とは異なる、より好ましくは第１の軸と同一直線上でない第２の軸に沿ってトラップから放出され、例えば第２の軸は第１の軸と直交する。好ましくは、第１の軸の方向で電位勾配が印加されて、ガスビームからの力と打ち消し合う電気的な力を生成し、それにより、特定のイオン移動度のイオンが、この電位勾配上の特定の点、すなわちこれらの２つの力が互いに打消し合う点で平衡し、すなわちそれにより空間内でのイオン移動度分離を行うことができる。電位勾配が変更または走査される場合、イオンのイオン移動度依存抽出（走査）を実施することができる。軸方向電場を有するイオントラップが米国特許第５，８４７，３８６号明細書によって教示されているが、トラップを通して指向されるガスビームの使用は、そこでは開示されていない。

イオンは、いくつかの異なる構成で捕捉することができる。１つの好ましい実施形態では、受け取られたイオンを捕捉するステップが、１組の四重極ロッドを使用する。別の方法として、受け取られたイオンをイオントラップ内で捕捉するステップは、巡回経路に沿って進むようにイオンを指向するステップを含み、巡回経路は第１の軸を含む。例えば、電極のレーストラック構成が、回路を提供するために使用されることがある。

本発明の第２の態様では、イオンの運動エネルギーを変えるためのイオントラップが提供される。イオントラップは、電極構成と、ポンピング構成と、制御装置とを備え、制御装置が、受け取られたイオンを捕捉領域内に捕捉するために前記電極構成を制御するように構成され、かつ前記捕捉領域を通してガスビームを指向するためにポンピング構成を制御するように構成され、それにより捕捉されたイオンの運動エネルギーを変える。好ましくは、ガスは冷却ガスであり、イオンを冷却するように構成される。

好ましくは、捕捉領域が第１の軸を備える。好ましくは、制御装置は、捕捉されたイオンをイオントラップから第２の軸に沿って放出するために電極構成を制御するようにさらに構成される。任意選択で、第２の軸は第１の軸に直交する。

好ましい実施形態では、制御装置は、ガスジェットを生成するためにポンピング構成を制御するようにさらに構成される。任意選択で、制御装置は、イオントラップ内部の圧力がガス入口のイオントラップとは反対の側での圧力よりもかなり低くなるようにポンピング構成を制御するようにさらに構成される。

いくつかの実施形態では、イオントラップはまた、第１の軸に沿って配置された差動排気口を備えることもできる。この場合、制御装置は、差動排気口のガス入口に近い方の側で第１の圧力の領域を生成し、差動排気口の他方の側で第２の圧力の領域を生成するために前記ポンピング構成を制御するようにさらに構成することができる。有利には、第２の圧力は第１の圧力よりも低い。

任意選択で、差動排気口は、スキマーコーンを使用して形成される。好ましくは、スキマーコーンが、ガス入口と、ガス入口を通って流れるガスのマッハディスクに対して識別される位置との間に位置される。すなわち、スキマーコーンは、ガス入口を通って流れるガスがフリージェット条件下でサンプリングされるように位置される。有利には、この方法は、イオンを、捕捉される前に導入口を通してイオントラップに入れるステップと、イオンのイオン移動度分離を引き起こすように導入口に電位を印加するステップとをさらに含む。有益には、このイオン移動度分離は、イオントラップの第１の軸に沿って行われる。

一実施形態では、電極構成は、１組の四重極ロッドを備える。代替実施形態では、電極構成は、第１の軸を含む巡回経路内に構成され、制御装置は、イオンが巡回経路に沿って進むように指向されるように電極構成を制御するようにさらに構成される。

本発明のさらなる態様では、イオンの運動エネルギーを変えるためのイオントラップであって、受け取られたイオンをイオントラップの捕捉領域内で捕捉するための手段と、捕捉領域を通してガスビームを指向するための手段とを備えて、それにより捕捉されたイオンを冷却する。好ましくは、ガスは冷却ガスであり、イオンを冷却するように構成される。

本発明のさらなる態様では、前述したようなイオントラップと、冷却されたイオンをイオントラップから受け取るように構成された質量分析器とを備える質量分析計が提供される。好ましくは、質量分析計は、イオンを発生するように構成されたイオン源も備える。任意選択で、イオントラップは第１のイオントラップでよく、第２のトラップを提供することもでき、イオン源と第１のイオントラップの間に位置される。この場合、有利には、第２のイオントラップはガスで充填される。好ましい実施形態では、質量分析器は、Ｏｒｂｉｔｒａｐタイプの質量分析器、飛行時間質量分析器、または多重巻構成もしくは多重反射構成の少なくとも一方を備える飛行時間質量分析器のうちの１つを備える。

本発明のさらなる別の態様では、第１の軸を備える捕捉領域を有するイオントラップと、第１の軸に沿って捕捉領域を通してガスビームを指向するための手段と、第１の軸の方向で電場を印加するための手段とを備えるイオン移動度分離装置が提供される。好ましくは、装置は、イオンが第１の軸に沿って、より好ましくはガスビームと逆向きで捕捉領域に入るようにするための手段をさらに備える。

好ましい実施形態では、イオントラップは、捕捉すべきイオンを発生させるためのイオン源と、捕捉領域を通してガスビームを指向するための手段との中間に位置され、イオントラップと、イオン源と、捕捉領域を通してガスビームを指向するための手段とが、ほぼ直線状の構成（すなわち直線構成）で配置される。そのような実施形態でさらに好ましくは、イオン源と、捕捉領域を通してガスビームを指向するための手段とが、捕捉領域の第１の軸上に実質的に位置する。

いくつかの実施形態では、この方法は、ガスビームまたはジェットを変調するステップをさらに含むことができる。好ましくは、ガスビームの密度が時間変調される。有利には、イオンは、捕捉領域内のガスビームの密度が所定の最高レベルよりも低くなるときに放出される。

そのような変調は、好ましくはパルス弁によって行われ、捕捉領域を通って進む一連のガスプラグを生成する。例えば、これは、ガスプラグが伝達されるときにイオンを冷却でき、プラグ間のギャップ時間中にイオンを抽出できるようにすることがある。さらに、これは、抽出プロセス中のイオンとガスの相互作用を減少させることができる。一実施形態では、抽出されたイオンが沿って進む経路内にさらなる弁が位置される。この弁は、イオンが分析器に向かって進むことができるようにする目的でのみ開かれる。これは、捕捉領域および分析器外部の他の領域からの分析器に対するガス負荷を減少させ、差動排気を使用しなくてよく、複雑さを減らし、コストを節約する。パルス弁は、例えば圧電式または電磁式の構成を備えることがあり、パルスでまたは調和振動して動作することがあり、捕捉領域から分析器内へのイオンの注入に同期される。

本発明は様々な様式で実施することができるが、以下、それらのいくつかを、単に例として添付図面を参照しながら説明する。

本発明による方法および質量分析計の第１の好ましい実施形態を示す図である。 本発明による方法および質量分析器の第２の実施形態を示す図である。 本発明による方法および質量分析計の第３の実施形態を示す図である。

まず図１を参照すると、本発明による質量分析計の第１の実施形態が示されている。イオンが、イオン源１０から第１の開口２０を通してイオントラップ２５内に導入され、イオントラップ２５は、好ましくは四重極であるロッド３０の拡張された組によって画定される。ロッド３０は、第１の開口２０と第２の開口４０によって境界を画される長手方向軸３５を定義する。質量分析器５０が、長手方向軸に垂直な方向でイオントラップに隣接して提供される。外部ガスライン９５がノズル９０に結合され、ノズルに隣接するスキマーコーン８０が差動排気口を画定する。

ＲＦ電位がイオントラップ２５のロッド３０に印加され、それによりイオンは、イオントラップの長手方向軸３５に沿って指向される。イオンは、第１の開口２０と第２の開口４０に印加される電圧によって軸方向で閉じ込められる。ガスが、外部ガスライン９５からノズル９０を通って第１のポンピング領域８５内に進み、質量分析計に入る。それにより、外部ガスライン９５からポンピング領域８５内に受け取られるガスの超音速膨張によって、ガスがガスジェット７０を生成する。スキマーコーン８０は、ガスジェット７０の小さい発散を保証するために、ノズル９０から十分に離して位置される。次いで、ガスジェット７０は、第２のポンピング領域７５を通して長手方向軸３５に沿って指向される。

それにより、ガスジェットは、イオンとの相互作用によって、イオントラップ２５内に捕捉されているイオンを冷却する。イオンは、冷却された後、放出軸６０に沿って直交方向に、分析用の質量分析器５０内に放出することができる。質量分析器５０は、Ｏｒｂｉｔｒａｐ（商標）である。

ガス圧、温度、ポンピング、およびノズル９０とスキマーコーン８０の幾何的パラメータは、スキマーの先端がマッハディスクを通ってフリージェット内に入るように選択される（例えば、Ｂｅｉｊｅｒｉｎｃｋ他、Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．９６（１９８５）１５３〜１７３およびその参考文献参照）。例えば、大気条件での窒素またはアルゴンを使用することができ、直径５０ミクロンのノズルを通して、２００Ｌ／ｓターボ分子ポンプによって排気された領域８５内に入れて膨張させる。ガスジェットマッハディスクは、ノズル９０から約２４ｍｍの位置に配置され、このときスキマー８０は、ノズル９０から約１２〜１５ｍｍの位置に配置することができる。

スキマーコーン８０のサイズおよび形状は、スキマーコーン８０を通る流れを減少させることがある離脱衝撃波の発生を最小限に抑えるように選択されることが好ましい。例えば、内径１ｍｍであり、縁部が鋭利であり、７０度（内側）および９０度（外側）の拡がり角をもつスキマーコーン８０が好ましい。イオントラップは、スキマーに近接して、例えばスキマーから１０〜２０ｍｍ離して位置される。トラップ内で必要なガス流は、従来の衝突冷却に関する既知のガス厚さを使用して概算することができる（約（１．．．３）＊１０¹⁹ｍｏｌ／ｍ²）。これらの条件で、数ミリ秒間、冷却が行われる。ガス密度を増加させることによって冷却を加速することができ、ガス密度の増加は、外部ガスライン９５にガスを供給するガスリザーバ内の圧力の増加によって実現される。

従来のイオントラップとは異なり、局所的に高い圧力を生成するためにトラップを取り囲む必要はない。逆に、より「開かれた」ロッド構成により、トラップ２５から質量分析器５０へのイオン抽出中の衝突を最小限に抑えることができる。

上述した実施形態に対する代替形態および改良形態が可能である。受け取られたイオンの深冷を実現するために、低温のガスジェット分子を使用することができる。深冷は、イオンがジェットとほぼ同じ速度で移動し、同時にＲＦ場によって閉じ込められる場合に実現される。

この原理の実装形態が図２に示されている。図２には、本発明による質量分析計の第２の実施形態が示されている。図１と同じ機能を図示する場合、同一の参照番号を使用する。イオントラップ１００は、レーストラック形状で形成され、第１の区域１１０、第２の区域１２０、第３の区域１３０、および第４の区域１４０を備える。

イオン源１０内で発生されたイオンが、イオントラップ１００に向けて指向される。イオントラップ１００の区域１２０に印加される電位は、イオンが到達できるように、例えば数十マイクロ秒間、オフに切り替えられる。注入されたイオンは、イオントラップ１００の周回に沿って移動する。ガスジェット７０が、ノズル９０およびスキマーコーン８０を通して発生され、それにより区域１１０に向けて指向される。イオントラップ１００内に捕捉されているイオンは、ガスジェット７０を周期的に通過し、速度と温度の両面でガス分子とより一層平衡される。本明細書で言及するとき、捕捉領域を通るビームの指向とは、捕捉領域の少なくとも一部を通るビームの指向を意味することを理解されたい。例えば、図２では、ガスジェットは、捕捉領域の一部分、すなわち区域１１０を通して指向される。

イオンは、複数回の巡回の後に平衡状態に達し、抽出の準備が整う。次いで、イオントラップ１００の区域１４０がオフに切り替えられて、イオンがパルス発生器１５０内に進むことができるようにする。イオンは、パルス発生器１５０から質量分析器５０に注入される。異なるｍ／ｚのイオンが実質的に同じ速度を有するので、イオントラップ１００からパルス発生器１５０への移送中の質量差別は最小限に抑えられる。

デューティサイクルを増加させるために代替構成を採用することができ、これも図２に示されている。イオンが区域１３０内に達した後に区域１４０および区域１２０に反射電位を印加し、次いで先の区域１３０での電圧を徐々に減少させて、区域１３０内でイオンを断熱捕捉することによって、イオンがレーストラックを移動する間にイオンを区域１３０内で停止させることができる。区域１３０内の圧力が非常に低いので、内部イオン温度は擾乱を受けない。

この圧搾プロセスの終了時、区域１２０から反射電位を除去することによって、イオンは別のパルス発生器１５１内に解放される。次いで、イオンは、別の質量分析器５１に放出される。しかし、この構成では、圧搾によりエネルギー幅が増大する。

図３を参照すると、本発明による第３の実施形態が示される。図１および図２と同じ機能を図示する場合、同一の参照番号を使用する。例えば国際公開第２００８／０８１３３４号パンフレットに説明されているようなＣ字形トラップ形状のイオントラップ２００が提供され、このイオントラップ２００は複数の細長い電極２３０によって画定され、そのうちの少なくともいくつかは、それらの長手軸に沿って湾曲している。細長い電極２３０は捕捉領域の長手軸２３５を定義し、したがって長手軸２３５はわずかに湾曲している。質量分析器５０が、捕捉領域の長手軸２３５に直交する方向でＣ字形トラップ２００に隣接して提供される。Ｃ字形トラップ２００は、図１のイオントラップ２５と同様に、その周囲に開いている。これは、イオントラップにおいて典型的なことではなく、イオントラップは通常、それらの周囲に比べて高い圧力で動作され、その高い圧力は、衝突ガスの閉じ込めおよび供給によって維持される。Ｃ字形トラップ２００は、そうではなく、典型的には約１×１０^-4ｍｂａｒ以下の低いトラップ内圧で動作され、この内圧は、イオントラップにおいて通常見られる圧力よりも低い。トラップのすぐ周囲の圧力は、典型的には約１×１０^-5〜１×１０^-6ｍｂａｒである。

イオンは、イオン源１０から八重極ガイド２８０および第１の開口２２０を通って、実質的に長手軸２３５に沿ってイオントラップ２００内に導入される。イオンがイオントラップの長手軸２３５に沿って指向されるように、イオントラップ２００の電極２３０にＲＦ電位が印加される。イオンは、第１の開口２２０と第２の開口２４０に印加される電圧によって軸方向で閉じ込められる。

Ｃ字形トラップ２００と連絡する衝突セル２９０は、トラップ２００に比べて高い圧力で動作される。囲壁内での衝突セル２９０の圧力は、１×１０^-2ｍｂａｒ〜１×１０^-3ｍｂａｒの範囲である。この例での衝突セル２９０とＣ字形トラップ２００の圧力差は約１００倍である。衝突セル２９０からのガスは、衝突セルの開口（図示せず）を通り、開口２４０を通ってＣ字形トラップ２００に入る。衝突セル２９０の形状および構成（例えば、衝突セルの囲壁の形状や、衝突セル内部のロッドまたは積層プレートの配置）が、ガスビーム２７０の発生を促し、このビーム２７０は、超音速ガスジェットよりも大きい発散ではあるが、小さい発散で実質的に長手軸２３５に沿って進む。したがって、捕捉領域の長手軸２３５のわずかに湾曲した性質は、ガスビーム２７０のわずかな発散によって相殺される。ガスビーム２７０は、イオンとの相互作用によって、Ｃ字形トラップ２００内に捕捉されているイオンを冷却する。イオンは、冷却された後、放出軸２６０に沿って直交方向に、分析用の質量分析器５０内に放出することができる。質量分析器５０は、Ｏｒｂｉｔｒａｐ（商標）である。

イオン注入、捕捉領域の長手軸、およびガスビームの方向は、ほぼ同一直線上にあり（すなわち小さな角度公差の範囲内にあり）、また、Ｃ字形トラップからの放出は長手軸に対してある角度であることが分かる。

ビーム２７０からのガス負荷は、イオン導入口２２０およびＣ字形トラップ２００の上下を通して逃がされる。

代替または追加の動作モードでは、イオンは、Ｃ字形トラップ２００に入り（任意選択で、Ｃ字形トラップ内で中間貯蔵され）、Ｃ字形トラップから長手軸２３５に沿って衝突セル２９０に放出され、衝突セル２９０内で断片化され、および／または反応を受け、次いで衝突セル２９０からガスビーム２７０と共にＣ字形トラップ２００内に再び注入される。

いくつかの具体的な実施形態を説明してきたが、当業者は、様々な修正形態および置換形態を企図することができる。イオントラップを制御するために、例えばトラップのロッドでの電位およびポンピング構成を制御するために、制御装置を提供することができる。例えば、直線状のロッド３０を有する四重極イオントラップ２５を考察したが、別の方法として、ロッドが湾曲し、長手方向軸も同様に湾曲していてもよい。また、上では四重極ロッドを使用したが、当業者には理解されるように、別の方法として、これらは六重極、八重極、または任意の他の拡張されたロッド、またはプレート形状でもよい。同様に、質量分析器５０はＯｒｂｉｔｒａｐ（商標）であるが、当業者は、捕捉質量分析器など同様のタイプ、または飛行時間タイプの質量分析器を理解されよう。飛行時間タイプの質量分析器は、多重反射分析器、および追加または代替として多重巻分析器を含むことがある。これらのタイプの分析器は残留ガス圧の影響を特に受けやすいので、提案した解決策は、これらの分析器に特に有益である。これは特に、質量が比較的大きいイオンに関して当てはまる。さらに、イオンの初期エネルギー幅が減少されるとき、これらの分析器の分解能が高まる。

衝撃波を発生させずにジェット膨張が行われる場合、ガス分子を、速度の幅を狭くして１０Ｋ〜３０Ｋまで冷却することができる。イオンの捕捉中、この冷却がイオンに影響を及ぼし、（特にイオン数が少なく、したがって空間電荷効果を無視できるときに）イオンの運動エネルギーおよび内部エネルギーを大幅に減少させる。これは、分解能、質量精度、伝達率など、上述した分析器の分析パラメータを改良する。高分子イオン（タンパク質やＤＮＡなど）に関しては、内部エネルギーの減少は、質量分析器内での飛行中の準安定崩壊が減少するという追加の利点をもたらす。

当業者は、ガスジェット７０を得るために多くの異なる方法があることを理解されよう。本明細書では外部ガスライン９５を説明したが、そうではなく、これは単に大気でもよい。別の方法として、スキマーコーン８０が開口４０の働きをすることもある。ガスジェットの発生に関してターボ分子ポンプを上述したが、当業者は、別の方法として回転式ポンプを使用することもできることを理解されよう。

第１の実施形態の好ましい実装形態では、イオントラップ２５は、イオン源１０とイオントラップ２５の間に位置された従来のガス充填イオントラップと組み合わせることができる。これは、イオンの事前冷却（すなわち内部運動エネルギーの大部分の除去）のために使用することができる。このために、この追加のトラップを、ガスジェットがイオントラップ２５を通過した後のガスジェット用のシンクとして使用し、次いでポンピングの送達率を＜１Ｌ／ｓに制限すれば十分である。当然、ガスを専用のガスラインまたは先のポンピング領域８５から送達することもできる。

静的ガスジェットを上述してきたが、他の形態のガスジェットも可能である。さらなる実施形態では、ガスジェットはパルス弁によって変調され、パルス弁は、ノズル９０の近くに位置されて、捕捉領域を通って飛行する一連のガスプラグを生成する。これにより、例えば、上述したようにこれらのガスプラグによってイオンを冷却することができるが、プラグ間のギャップ時間中にイオンを抽出することができ、したがって抽出プロセス中のイオンとガスの相互作用を減少させる。別の弁を抽出経路に位置させることができ、この弁は、分析器に向けたイオン抽出および輸送の時間中にのみ開き、したがって差動排気の使用を減らす、または完全になくす。パルス弁は、圧電式または電磁式のものでよく、パルスでまたは調和振動して動作することができる。弁の切替え時間または振動期間は、数百〜数千マイクロ秒の範囲であることが好ましい。

ジェット膨張が安定に保たれており、好ましくはガス分子およびイオンの低い温度によって達成されている場合、イオンは膨張方向に沿って一定の力を受ける。この力は、イオンのガスダイナミック断面積および荷電状態、すなわちイオン移動度に比例する。開口２０に電圧を印加することによって電位勾配が生成されて、打ち消し合う電気的な力を生成する場合、特定のイオン移動度のイオンが、この電位勾配上で、これら２つの力が互いに打ち消し合う一点で平衡し、すなわち空間内でのイオン移動度分離を行うことができる。開口２０での電圧が変更または走査される場合、イオンの移動度依存抽出（走査）を実施することができる。これは、検出用の質量分析計を使用して、または使用せずに、さらなる次元のイオン分離のための基礎として使用することができる。例えば、この分離は、多価イオンから１価イオンを分離するために使用することができる。

Claims (18)

1. イオンの運動エネルギーを変える方法であって、
   イオントラップの捕捉領域内にイオンを捕捉するステップと、
   前記捕捉領域を通してガスビームを指向するステップとを含み、前記ガスビームはガスジェットを含み、それにより前記捕捉されたイオンの運動エネルギーを変え、前記捕捉されたイオンを実質的に解離させない方法。
2. 前記ガスビームが、実質的に一方向に沿って伝播する請求項１に記載の方法。
3. 前記捕捉領域が第１の軸を定義し、前記ガスビームが前記第１の軸に沿って指向され、前記方法が、
   捕捉されたイオンを前記イオントラップから第２の軸に沿って放出するステップ
   をさらに含み、前記第２の軸が前記第１の軸とは異なる請求項１または２に記載の方法。
4. 前記第２の軸が前記第１の軸に直交する請求項３に記載の方法。
5. 前記トラップが、前記第１の軸に沿って細長く、前記第１の軸が、前記捕捉領域を通るガスビームの方向とほぼ同一直線上に位置される請求項３または４に記載の方法。
6. イオンを実質的に前記第１の軸に沿って前記トラップ内に注入するステップを含む請求項４または５に記載の方法。
7. イオンを貯蔵および冷却する方法である請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. ガスをガス入口で受け取るステップをさらに含み、
   前記イオントラップ内部の圧力が、前記ガス入口の前記イオントラップとは反対の側での圧力よりもかなり低く、
   前記イオントラップが、前記第１の軸に沿って配置された差動排気口を備え、前記方法が、
   前記差動排気口の前記ガス入口近い方の側で第１の圧力の領域を生成するステップと、 前記差動排気口の他方の側で第２の圧力の領域を生成するステップと
   をさらに含み、前記第２の圧力が前記第１の圧力よりも低い請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記差動排気口が、スキマーコーンを使用して形成され、
   前記スキマーコーンが、前記ガス入口と、前記ガス入口を通って流れるガスのマッハディスクに対して識別される位置との間に位置される請求項８に記載の方法。
10. 前記ビームなしでの前記イオントラップの圧力自体が、前記トラップ内にイオンを貯蔵できないほど低い請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記ビームなしでの前記イオントラップ内の圧力が、約１×１０^-4ｍｂａｒ以下である請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
12. イオンの移動度に基づいて前記イオンの分離を引き起こすように前記捕捉領域にわたって電位勾配が印加される請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記イオンを、捕捉される前に導入口を通して前記イオントラップに入れるステップと、
    イオンの移動度に基づいてイオンの分離を引き起こすように導入口に電位を印加するステップと
    をさらに含む請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記捕捉領域が巡回経路を備え、前記巡回経路が第１の軸を含む請求項３〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. イオンの運動エネルギーを変えるためのイオントラップであって、
    電極構成と、
    ポンピング構成と、
    制御装置とを備え、前記制御装置が、受け取られたイオンを捕捉領域内に捕捉するために前記電極構成を制御するように構成され、かつ前記捕捉領域を通してガスビームを指向するために前記ポンピング構成を制御するように構成され、前記ガスビームはガスジェットを含み、それにより前記捕捉されたイオンの運動エネルギーを変え、前記捕捉されたイオンを実質的に解離させないイオントラップ。
16. 前記捕捉領域が第１の軸を備え、前記制御装置が、捕捉されたイオンを前記イオントラップから第２の軸に沿って放出するために前記電極構成を制御するようにさらに構成され、前記第２の軸が前記第１の軸とは異なり、
    前記第２の軸が前記第１の軸に直交する請求項１５記載のイオントラップ。
17. 前記制御装置が、前記イオントラップ内部の圧力がガス入口の外部の圧力よりもかなり低くなるように前記ポンピング構成を制御するようにさらに構成され、
    前記第１の軸に沿って配置された差動排気口をさらに備え、
    前記制御装置が、前記差動排気口の前記ガス入口に近い方の側で第１の圧力の領域を生成し、前記差動排気口の他方の側で第２の圧力の領域を生成するために前記ポンピング構成を制御するようにさらに構成され、前記第２の圧力が前記第１の圧力よりも低い請求項１５または１６に記載のイオントラップ。
18. 前記制御装置が、前記ビームなしでの前記イオントラップ内部の圧力自体が前記トラップ内にイオンを貯蔵できないほど低くなるように前記ポンピング構成を制御するようにさらに構成される請求項１５〜１７のいずれか一項に記載のイオントラップ。

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