イオンを解離するための化学構造に敏感ではない方法および装置
【課題】イオンを解離するための、化学構造に敏感ではない方法および装置を提供する。
【解決手段】イオントラップにて前駆イオンを励起する方法において、四重極場と多重極場とを含む非線形トラップ場にてイオンが捕捉される。四重極場は、トラップ振幅およびトラップ周波数にて高周波（ＲＦ）トラップ電圧をイオントラップに加えることによって生成される。補足振幅および補足周波数にて補足の交流（ＡＣ）電圧がイオントラップに加えられる。補足振幅は十分低いのでイオントラップからのイオンの排出を防ぎ、補足周波数はオフセット量だけイオンの永年周波数とは異なる。イオンが、補足の場と共鳴することなく衝突誘起解離（ＣＩＤ）を受けるのに十分なエネルギーを補足の電場から吸収するように、イオントラップの１つ以上の操作パラメータを調整する。
【解決手段】イオントラップにて前駆イオンを励起する方法において、四重極場と多重極場とを含む非線形トラップ場にてイオンが捕捉される。四重極場は、トラップ振幅およびトラップ周波数にて高周波（ＲＦ）トラップ電圧をイオントラップに加えることによって生成される。補足振幅および補足周波数にて補足の交流（ＡＣ）電圧がイオントラップに加えられる。補足振幅は十分低いのでイオントラップからのイオンの排出を防ぎ、補足周波数はオフセット量だけイオンの永年周波数とは異なる。イオンが、補足の場と共鳴することなく衝突誘起解離（ＣＩＤ）を受けるのに十分なエネルギーを補足の電場から吸収するように、イオントラップの１つ以上の操作パラメータを調整する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、通常イオントラップとして利用される電極配置におけるイオンの操作または処理に関する。さらに具体的には、本発明は、オフ共鳴励起および非線形トラップ場の条件下で電極構造において１種以上のイオンを励起するための方法および装置に関する。これらの方法および装置は、例えば、直列多段質量分光分析（ＭＳ／ＭＳおよびＭＳｎ）を含む質量分光分析に関連する操作と併せて実施されてもよい。イオンの励起は、例えば、衝突誘起解離（ＣＩＤ）に用いられてもよい。
【背景技術】
【０００２】
イオントラップとして作動するイオン処理装置は、質量分光分析、および調査中の試料物質のイオン、特にイオン化された種の操作および制御を必要とするその他の用途に有用である。そのようなイオン処理装置は、電極の三次元（３−Ｄ）または二次元（２−Ｄもしくは「線形」）の配置によって形成されてもよい。３−Ｄイオントラップの場合、電極セットは通常、中心（ｚ）軸に沿って互いに間隔を空けた２つの対向する端部キャップ（エンドキャップ）と、これらの端部キャップの間に対称に位置するリング電極とを含む。リング電極は、ｚ軸に直交する放射（ｒ）軸（径方向軸）上にて径方向に間隔をあけてｚ軸について環状に通過する断面を有する。２−Ｄのイオントラップの場合、電極セットは通常、中心（ｚ）軸について同軸に配置され、ｚ軸の方向に引き延ばされた４つの電極を含む。通常、２−Ｄイオントラップの引き延ばされた各電極は、中心ｚ軸から径方向間隔（ｘまたはｙ）をあけて中心ｚ軸に直交するｘ−ｙ面に位置づけられ、通常、同一セットの他の電極と平行に走る。３−Ｄおよび２−Ｄの双方の場合において、電極の内側表面は通常双曲線状であり、３−Ｄの中心または２−Ｄの中心軸に向かって内側に向いた頂部を伴って、純粋な四重極の電場を形成する。しかしながら、２−Ｄの場合、引き延ばされた電極は、理想的な双曲線の輪郭に近似する円筒状の棒（ロッド）であってもよい。３−Ｄおよび２−Ｄの双方の場合において、電極の得られた配置は、一般に電極の内側表面によって境界付けられる内部空間を規定する。２−Ｄの場合、ｚ軸に沿って電極の寸法を引き延ばした結果、内部空間は、同じ軸に沿って軸方向に引き延ばされたものとなる。
【０００３】
操作において、イオントラップの内部空間に、イオンが導入され、捕捉され、保存され、単離され、断片化され、種々の反応に供されてもよく、検出のために内部空間から排出されてもよい。３−Ｄの場合、３−空間（例えば、円筒座標ｒおよびｚによって分解される）におけるイオンの可動域は、イオントラップの電極構造に３−ＤのＡＣトラップ場電位を加えることによって制御されてもよい。トラップ電圧の駆動周波数は高周波（ＲＦ）のスペクトルに関連する範囲内に入る。２−Ｄの場合、ｘ−ｙ面に沿ったイオンの放射状可動域は、対向する電極の対の間で２−ＤのＡＣ（ＲＦ）トラップ場電位を加えることによって制御されてもよい。さらに、２−Ｄの場合、イオンの軸方向の可動域または中心ｚ軸に沿ったイオンの動きは、電極の軸方向の末端間に軸方向のＤＣバリア電位を加えることによって制御されてもよい。イオントラップの適当な電極間へのＲＦトラップ電圧の印加は、３−Ｄイオントラップの中心または２−Ｄイオントラップの中心軸について対称である四重極電場を生成する。ＲＦトラップ電圧の振幅および周波数は、質量／電荷数（ｍ／ｚ）の比の所望の範囲が３−Ｄの中心または２−Ｄの中心軸のまわりに集中される軌道に制約されるように設定されてもよい。
【０００４】
ＲＦトラップ場に加えて、補助的なまたは補足のＡＣ（ＲＦであってもよい）双極または四重極の励起場が、３−Ｄまたは２−Ｄのイオントラップのいずれかでの対向する少なくとも１対の電極間に加えられて、その電極対の軸に沿って選択されたｍ／ｚ比のイオンの振動の振幅を大きくしてもよい。補足のＡＣ場を加えて、イオンの排出、および衝突活性化解離（ＣＡＤ）とも呼ばれる衝突が誘起する解離（ＣＩＤ）を含む種々の目的のため、イオンの運動エネルギーを高めてもよい。補足のＡＣ場は通常、所与のｍ／ｚ比のイオンが補足のＡＣ場から効率よくエネルギーを吸収するイオントラップ内の共鳴状態を創るように加えられる。共鳴状態は、軸（それに沿って補足のＡＣ電圧が加えられる）の方向でイオンの振動の永年周波数が、加えられた補足のＡＣ電圧の周波数と一致する場合に生じる。補足のＡＣ電圧の周波数は通常、ＲＦトラップ電圧の周波数の約半分以下に設定され、補足のＡＣ電圧の振幅は通常、ＲＦトラップ電圧のわずかな比率に設定される。所与のｍ／ｚ比のイオンの永年周波数はＲＦトラップ電圧の振幅および周波数に依存するので、ＲＦトラップ電圧は、そのイオンを補足のＡＣ場との共鳴に至らせるように調整されてもよい。一例として、駆動周波数１．０５ＭＨｚでＲＦトラップ電圧を３００Ｖに設定してもよく、４８５ｋＨｚの共鳴周波数で補足のＡＣ電圧を３．０Ｖに設定してもよい。次いでＲＦトラップ電圧を走査して、連続するｍ／ｚ比のイオンの各永年周波数を、補足のＡＣ電圧の４８５ｋＨｚの周波数と同等にシフトさせてもよく、それによって質量という点での連続性において異なったイオンが共鳴して励起するようになる。あるいは、イオンの永年周波数を走査して、固定した周波数の補足のＡＣ電圧とうまく調和させる代わりに、ＲＦトラップ電圧を一定に保つ一方で補足のＡＣ電圧の周波数を、共鳴条件が満たされる点にスイープ（掃引）させる。したがって、ＲＦトラップ電圧の振幅もしくは周波数または補足のＡＣ電圧の周波数に傾斜をつける（または走査する）ことによって異なるｍ／ｚ比のイオンが連続して共鳴してもよい。
【０００５】
一般に、より小さい補足のＡＣ電圧の振幅を利用して、ＣＩＤのためにイオンを励起し、それによってイオンの振動の振幅が十分に大きくなってバックグラウンドの気体分子との衝突を引き起こし、その結果イオンをさらに小さい質量種に断片化するまたは解離するが、ＲＦトラップ場によって付与された復元力にイオンが打ち勝って失われる（例えば、電極に衝突するまたはイオントラップから排出することによって）には十分ではない。さらに大きな振幅（しかし、依然としてＲＦトラップ電圧の振幅のわずかな比率）の補足のＡＣ電圧を利用して、イオントラップから共鳴して排出するのに十分なほどイオンを励起する。したがって、高い効率のＣＩＤを達成することは従来、前駆イオンの内部エネルギーが十分に蓄積して解離を起こす一方で前駆イオンの排出および断片化イオンが回避されるように、イオンの運動エネルギーの取り込みの慎重なバランスを必要としていた。
【０００６】
電極セットの内部空間に存在するイオンは、内部空間の中で有効な電場すべてに反応し、それらの動きはその電場すべてによって影響される。これらの電場には、上記のＡＣ（および任意でＤＣ）の場の場合のような電気的手段で意図的に加えられた場、および電極セットの物理的（幾何学的）特徴のために生成される機械的（物理的）な場が含まれる。機械的に生成される場は意図的であってもよく、意図的でなくてもよく、イオントラップの操作様式によって望ましくてもよく、もしくは最適であってもよく、またはそうでなくてもよい。加えられた場および機械的に生成された場の双方は、内部空間にさらされた電極の内部表面の構成（輪郭、形状、特徴など）によって支配される。中心軸に最も近い内部表面上の点、例えば、双曲線状の端部キャップ電極の頂部（３−Ｄの場合）、または双曲線状のリング電極（３−Ｄの場合）もしくは引き延ばされた電極（２−Ｄの場合）の先端の線は、ＲＦトラップ場に対して最大の影響を有するので、ＲＦトラップ場によってイオントラップの内部の３−Ｄの中心または２−Ｄの中心軸の回りの容積に制約されるイオンに対して最大の影響を有する。
【０００７】
理想的な場合では、３−Ｄまたは２−ＤのＲＦトラップ場は純粋に四重極である。純粋な四重極のＲＦトラップ場では、高次の多重極電場は存在せず、所与の座標方向でのイオンの振動の永年周波数は、直交する座標方向での振動の永年周波数とは独立している。イオンの永年周波数はまた、イオンの振動の振幅とも独立している。さらに、理想的な四重極場の強度は、ｘ軸またはｙ軸のいずれかに沿って３−Ｄイオントラップの中心から、または２−Ｄイオントラップの中心軸から離れるとともに線形に増大する。できるだけ理想的な場合に近づくようにアプローチし、多極モーメントによって引き起こされる四重極電場の歪みをできるだけ小さくできるように、多数の従来のイオントラップの電極は双曲線状の形状をとり、互いに間隔を空けられている。純粋な四重極トラップ場の使用は、イオントラップからのイオンの排出を簡略化する。これは、対称性を有する四重極の場合、一成分方向におけるイオンの動きを増やすことが直交する方向におけるイオンの動きに影響しないからである。したがって、補足のＡＣの双極を利用して、３−Ｄ電極構造の対向する端部キャップの軸に沿ったイオンのみ、または２−Ｄ電極構造の対向する１対の引き延ばされた電極の間の軸に沿ったイオンのみを排出してもよい。
【０００８】
他方、多重極場の重ね合わせによって歪められている四重極場から成るトラップ場では、一方向におけるイオンの動きが直交する方向でのイオンの動きに連結されてもよい。さらに、四重極成分およびより高次の多重極成分から成る組み合わせた場におけるイオンの永年周波数は、イオントラップにおけるイオンの位置の関数になる。補足のＡＣ場によって促進された共鳴状態に応答してイオンの振動の振幅が増大するので、高次の多重極の存在は、イオンを共鳴の外にシフトさせ、それによって共鳴励起法の使用を複雑にする。したがって、幾つかの最近開発された技法は、多重極によって可能にされた非線形の共鳴状態を慎重に利用するが、トラップ場における有意な多重極は通常回避される。本開示の譲受人に通例譲渡される、例えば、下記特許文献１を参照のこと。
【０００９】
ＣＩＤを実施するための既知の方法では、ＲＦトラップ電圧が、３−Ｄイオントラップに加えられて、安定なイオンを捕捉する。次いで、単離法を実施することによって、所望の質量以外または質量範囲外のイオンをすべて電極構造から追い出す。次いで選択されたｍ／ｚ比を有する単離されたイオン（前駆イオンまたは親イオン）を分離する。例えば、ｚ軸、すなわち、それに沿って端部キャップが位置し、双極がかけられる軸に沿ったイオンの動きに相当する当該のイオン質量の永年周波数に一致する補足の周波数にて端部キャップに補足のＡＣ双極電圧が加えられてもよい。補足の励起の周波数と永年周波数との一致は、共鳴状態を創り、それによって、当該イオンはエネルギーを効率よく受け取り、バックグラウンドの気体分子と衝突し、それによって生成物イオン（例えば、娘イオン）に断片化される。ＲＦトラップ電圧の操作パラメータは、生成物イオンがイオントラップに保持されるように選択される。次いでＲＦトラップ電圧の振幅が走査され（傾斜がつけられ）、端部キャップの軸（例えば、ｚ軸）に沿ってイオントラップから質量という点で連続的に生成物イオンを排出する。排出された生成物イオンの検出によって質量スペクトルの生成が可能になる。この技法の例は下記特許文献２に記載されている。
【００１０】
この技法での問題の１つは、所与の当該イオンの永年周波数が前もって正確に測定できないことである。したがって、この技法は一貫したＣＩＤ性能を送達することができない。さらに、ＣＩＤに必要とされるエネルギーは断片化される特定の化合物（化学構造）に依存しているので、補足のＡＣ電圧は異なった当該イオンについて個々に最適化される必要がある。
【００１１】
ＣＩＤを実施するための別の方法は、本開示の譲受人に通例譲渡された、下記特許文献３（「‘８２６特許」）に記載されている。‘８２６特許に教示されているように、対象の前駆（親）イオンを単離した後、ＣＩＤ段階の間、低周波数（例えば、５００Ｈｚ）の信号と組み合わせて補足のＡＣ励起電圧を加える。低周波数の信号は、加えられたＲＦトラップ電圧の振幅を変調する。その結果、イオンの永年周波数が、補足の励起周波数と周期的に調和する。この方法で、ＣＩＤに必要とされる正確な補足励起の周波数は分からなくてもよい。しかしながら、補足励起の電圧の振幅は、対象の個々イオンについて最適化される必要がある。
【００１２】
下記特許文献４に記載された、共鳴励起を介してＣＩＤを実施するための別の方法では、イオントラップに加えられる励起電圧の振幅は、特定のイオントラップ機器について断片化されるイオンのｍ／ｚ比に線形の関係を有する。較正工程を採用して、機器ベース当たりで線形の関係を較正する。しかしながら、化学構造が、較正用化合物に基づいて較正を行った際の当該化合物のイオンの化学構造と異なっているのであれば、補足励起の電圧の振幅は依然として対象の個々イオンについて最適化される必要がある。
【００１３】
下記特許文献５に記載された、共鳴励起を介してＣＩＤを実施するための別の方法は、複数の別々の周波数の混合から成る補足の広帯域の波形の振幅に傾斜を付けることによって、特定の実験に必要とされるＣＩＤのエネルギーの化合物依存性に対処する。この方法は、異なった化合物について加えられた波形の振幅の最適化を必要としない。しかしながら、広帯域の波形は、その質量が前駆（親）イオンに近い生成物（娘）イオンを破壊するか、または排出し、結果的に情報を失う。さらに、ＣＩＤの時間は波形の反復サイクルの整数倍であることに制約される。
【００１４】
別の方法は、下記非特許文献１における赤方偏移シフトオフ共鳴大振幅励起（ＲＳＯＲＬＡＥ）と呼ばれる。前駆イオンを単離した後、加えられたＲＦトラップ場の振幅を低レベルから高レベルに１０ｍｓの間にわたって高める「ジャンプ走査」を行う。次いで、前駆イオンの励起に備えてＲＦトラップ場の振幅を突然低レベルに落とす。励起期間の間、前駆イオンは共鳴して励起するのではない。それどころか、大きな振幅（２１Ｖｐ−ｐ）にて、約５％赤方偏移した周波数、すなわち、共鳴周波数の赤方偏移した周波数でＡＣ励起場が加えられる。しかしながら、この方法は、ペプチドイオンについて有望な結果が得られる一方で、広い範囲の異なった化合物および化学構造には好適ではない。
【００１５】
下記特許文献６は、共鳴周波数の代わりに、オフ共鳴周波数を有する補足のＡＣ場を採用することによって、イオントラップからイオンを排出する方法を記載している。オフ共鳴周波数は、共鳴周波数をほぼ一致させることとして述べられる。補足のＡＣ場の振幅を十分に大きい値に設定して、共鳴励起を受けずにイオントラップからイオンを排出させる。しかしながら、この特許は、ＣＩＤを上手く達成するのにオフ共鳴波形をどのように採用すればいいのか教示していないし、またはそれを可能にしていない。さらに、この特許は、どの目的または利点で四重極場と組み合わせた多重極場およびオフ共鳴波形を使用するかを教示していないし、十分に認識させるものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】米国特許第７，０３４，２９３号明細書
【特許文献２】米国特許第４，７３６，１０１号明細書
【特許文献３】米国特許第５，３０２，８２６号明細書
【特許文献４】米国特許第６，１２４，５９１号明細書
【特許文献５】米国特許第６，４１０，９１３号明細書
【特許文献６】米国特許第５，４５１，７８２号明細書
【特許文献７】米国特許第５，２９１，０１７号明細書
【特許文献８】米国特許第５，７１４，７５５号明細書
【特許文献９】米国特許第５，１９８，６６５号明細書
【特許文献１０】米国特許第５，３００，７７２号明細書
【特許文献１１】米国特許第５，５２１，３８０号明細書
【特許文献１２】米国特許第５，７９３，０３８号明細書
【特許文献１３】米国特許第６，７１０，３３６号明細書
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】Quin外、”Matrix-Assisted Laser Desorption Ion Trap Mass Spectrometry: Efficient Isolation and Effective Fragmentation of Peptide Ions, “、Anal. Chem.、１９９６年、６８巻、２１０８〜２１１２ページ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
したがって、イオントラップでイオンを励起する、特にＣＩＤを達成するための改善された方法および装置を提供する必要がある。化学構造にかかわりなく多種多様なイオンについて一貫した反復可能な方法で実施されてもよいＣＩＤ技法を提供することも必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
前述の問題に対処するために、当業者に認識されているかもしれない全部もしくは一部および／または他の問題において、本開示は、以下に述べられる実施態様における実施例として記載されるような方法、プロセス、システム、装置、機器および／またはデバイス（道具）を提供する。
実施態様の１つによれば、イオントラップにおいて前駆イオンを励起するための方法が提供される。前駆イオンは、四重極および多重極の場を含む非線形のトラップ場に捕捉される。高周波（ＲＦ）トラップ電圧を、ＲＦトラップ振幅およびＲＦトラップ周波数で、イオントラップの電極構造に加えることによって四重極場が生成される。補足交流（ＡＣ）電圧は、補足ＡＣ振幅および補足ＡＣ周波数で電極構造に加えられる。補足ＡＣの周波数は、オフセット量だけ前駆イオンの永年周波数とは異なる。イオントラップの複数の操作パラメータの少なくとも１つが、前駆イオンが、補足ＡＣ電圧と共鳴することなく補足ＡＣ電圧から十分なエネルギーを吸収して衝突誘起解離（ＣＩＤ）するように調整される。操作パラメータには、ＲＦトラップ振幅、ＲＦトラップ周波数、補足ＡＣ振幅および補足ＡＣ周波数が挙げられてもよい。
【００２０】
別の実施態様によれば、前駆イオンについて衝突誘起解離（ＣＩＤ）を行うためのイオントラップが提供される。イオントラップは内部空間を規定する複数の電極を含む。イオントラップはさらに、高周波（ＲＦ）トラップの電圧を、ＲＦトラップ振幅およびＲＦトラップ周波数で、電極構造に加えて、四重極トラップ場を生成するように構成された第１の回路と、非線形のトラップ場を生成するために、四重極トラップ場に多重極場を重ね合わせる装置と、補足交流（ＡＣ）の電圧を、補足ＡＣ振幅および補足ＡＣ周波数で、電極構造に加えるように構成された第２の回路と、イオントラップの複数の操作パラメータの少なくとも１つを調整するように構成された第３の回路とを含む。補足ＡＣ周波数は、オフセット量だけ前駆イオンの永年周波数とは異なる。操作パラメータの少なくとも１つを調整する際、イオンが、補足ＡＣ電圧と共鳴することなく補足ＡＣ電圧から十分なエネルギーを吸収してＣＩＤを受ける。操作パラメータには、ＲＦトラップ振幅、ＲＦトラップ周波数、補足ＡＣ振幅および補足ＡＣ周波数が挙げられてもよい。
【００２１】
本発明のその他のデバイス、装置、システム、方法、特徴および利点は、以下の図面および詳細な説明の審査の際、当業者に明らかである、または明らかになるであろう。そのような追加のシステム、方法、特徴および利点はすべて本説明の中に含められ、本発明の範囲内であり、添付の特許請求の範囲によって保護されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明が実施される操作環境の実施例である質量分光分析システムの実施例の模式図である。
【図２】本発明が実施されるイオントラップに提供されてもよい三次元（３−Ｄ）構造の電極構造の実施例の断面図である。
【図３】本発明が実施されるイオントラップに提供されてもよい二次元（２−Ｄ）構造の電極構造の実施例の断面図である。
【図４】本開示で記載される実施態様に従って加えられてもよい信号の時間系列の実施例を説明する信号の説明図である。
【図５】本開示で記載される実施態様に係る方法を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図面を参照して本発明をさらに良好に理解することができる。図中の構成要件は必ずしも共通の尺度を持つわけではなく、代わりに本発明の原理を説明する際、強調されている。図中、同様の参照符号は、異なった図を通して相当する部分を示す。
本開示で提供される主題は一般に、イオンを操作する、処理する、または制御するために採用される装置に提供される種類の電極および電極の配置に関する。電極の配置を利用して種々の機能を実施してもよい。非限定例として、中性分子をイオン化するためのチャンバー；イオンの焦点合わせ、ゲートおよび／または輸送のためのレンズまたはイオンガイド；イオンを冷却するまたは温めるための装置；イオンのトラップ、保存および／または排出のための装置；所望ではないイオンから所望のイオンを単離する装置；質量分析機またはソーター；質量フィルタ；直列または複数の質量分光分析（ＭＳ／ＭＳまたはＭＳｎ）を行うためのステージ；前駆イオンを断片化または解離するための衝突セル；連続ビーム、順次アナライザ、パルスまたは時系列ベースのいずれかでのイオンを処理するためのステージ；イオンサイクロトロンセルならびに異なった極性のイオンを分離するための装置として、電極の配置を利用してもよい。しかしながら、本開示で記載される電極および電極の配置の種々の適用は、これらの種類の手順、装置およびシステムに限定されない。電極および電極の配置の実施例と装置および方法における関連する実施態様とは、図１〜図５を参照して以下でさらに詳細に説明する。
【００２４】
図１は、イオントラップに基づいた質量分光分析（ＭＳ）システム１００の実施例の高度に一般化し、簡略化した模式図である。図１で説明されるＭＳシステム１００は、本開示で記載される実施態様が適用可能である操作環境の一実施例にすぎない。本開示で記載される実施態様における利用から離れて、図１に描かれた種々の構成要件または機能は一般に既知なので、手短な要約しか必要としない。
【００２５】
ＭＳシステム１００は、一般に上述され、図２および図３を参照して以下でさらに説明される三次元（３−Ｄ）または二次元（２−Ｄまたは「線形」）のいずれかの配置で構成される複数の電極構造を含んでもよいイオントラップ１０２のような処理装置を含む。種々のＤＣおよびＡＣの電圧源は、本開示のどこかに記載されるようにイオントラップ１０２の種々の導電性の構成要素と動作可能に接続してもよい。これらの電圧源は、ＤＣ信号発生器１１２、ＲＦトラップ場信号発生器１１４および補足ＡＣ場信号発生器１１６を含んでもよい。補足ＡＣ場発生器１１６を利用して、例えば、以下に記載されるように、オフ共鳴の補足波形信号を加えてもよい。１以上の種類の電圧源または単一の発生器が必要に応じて提供されて、所望の方法でイオントラップ１０２を操作してもよい。例えば、補足ＡＣ場発生器１１６は、単一周波数の補足ＡＣ信号を、イオントラップ１０２に加える固定周波数発生器を表してもよく、さらに、広帯域の波形または周波数の集合を有する補足ＡＣ信号をイオントラップ１０２に加える別個の複数周波数発生器を表すものであってもよい。例えば、単離波形、ＣＩＤの波形および／または排出波形を加えるような種々の目的で任意の波形発生器を採用してもよい。１つ以上の補足ＡＣ場発生器１１６が必要に応じて提供されて、例えば、単離、ＣＩＤ、分析走査および多重極の生成のような種々の機能を実行してもよい。さらに一般に１つ以上の信号「源」または「発生器」が、その機能を実行するために必要に応じて、ハードウエア、ファームウエア、アナログおよび／もしくはデジタルの回路、ならびに／またはソフトウエアを含んでもよい。さらに、ライブラリに保存されてもよい予備計算した信号を提供するための適当なメモリおよびその他の回路および構成要素で、１つ以上の信号「源」または「発生器」が置き換えられてもよい。特にイオントラップ１０２がイオントラップ１０２のｑ軸（ａ＝０）に沿って操作するように構成される場合、ＤＣ信号発生器１１２は必要とされないことが多いことがさらに理解されるであろう。
【００２６】
試料またはイオン源１２２がイオントラップ１０２と相互作用して、内部イオン化または外部イオン化のいずれかによってイオントラップ１０２内にイオンを提供する。例えば、内部イオン化の場合、試料またはイオン源１２２は、イオン化されるべき試料材料をイオントラップ１０２に導入し、イオントラップ１０２で試料材料をイオン化するために好適なイオン化法（例えば、ＥＩ、ＣＩ、ＡＰＩなど）を実施する１つ以上の装置を表すものであってもよい。あるいは、外部イオン化の場合、試料またはイオン源１２２は、試料材料をイオン化し、得られたイオンをイオントラップ１０２に導入する１つ以上の装置を表すものであってもよい。１つ以上の気体源（図示せず）は、必要に応じて不活性のバックグランド気体または活性のある試薬気体を導入するためにイオントラップ１０２と連通していてもよい。イオントラップ１０２は、質量分析のために排出したイオンを検出するための１つ以上の検出器１３２と連通していてもよい。イオン検出器１３２は、イオン検出器１３２からの出力信号を受け取るための検出後信号プロセッサ１３４と連通していてもよい。検出後信号プロセッサ１３４は、必要に応じて出力データを取得し、質量スペクトルを生成するための信号処理機能、例えば、増幅、加算、保存などを実行するための種々の回路および構成要素を表すものであってもよい。
【００２７】
図１にて信号のラインで説明されるように、ＭＳシステム１００の種々の構成要素および機能的実体は、好適な電子コントローラ１４２と通信し、それによって制御されている。電子コントローラ１４２は、１つ以上のコンピュータの装置または電子処理装置を表していてもよく、その機能を実行するために必要に応じてハードウエア、ファームウエア、アナログおよび／もしくはデジタルの回路、ならびに／またはソフトウエアの属性を含んでもよい。実施例として、電子コントローラ１４２は、ＤＣ信号発生器１１２、ＲＦトラップ場信号発生器１１４および補足ＡＣ信号発生器１１６によって、操作パラメータとイオントラップ１０２に供給される信号のタイミングとを制御してもよい。さらに、電子コントローラ１４２は、本開示に記載される方法の１つ以上の工程を全体的にまたは部分的に実行してもよく、または制御してもよい。
【００２８】
図２は、図１で説明されたイオントラップ１０２のような、イオンを操作するまたは処理するのに利用されてもよい３−Ｄ構造の電極構造（またはセット、配置、システム、装置または組立品）２００の実施例を説明する。参照の目的で、図２はｒ−ｚ面における電極構造２００の断面を示す。３−Ｄ構造の場合、説明の目的で、ｚ軸に沿った方向または向きを軸方向であると言い、直交するｒ軸に沿った方向または向きを径方向または横軸であると言う。
【００２９】
３−Ｄの電極構造２００は、複数の電極、すなわち、環状のリング電極２０４および２つの端部キャップ電極２０８および２１２を含む。図２で説明される実施例は、改変されて以下に記載されるような多重極を創る場合を除いて、その他の四重極イオン処理装置と同様に３−Ｄイオントラップ用の典型的な四重極電極配置である。電極２０４、２０８および２１２は、その形状がｚ軸について掃引されるという理解とともに断面で示されている。電極構造２００の中で所望の電場を生成するために必要とされるとき、各電極２０４、２０８および２１２は、１つ以上のその他の電極２０４、２０８および２１２と電気的に相互に相互接続されている。電極２０４、２０８および２１２は、一般に電極構造２００の機械的なまたは幾何的な中心２２８に向いた各内側表面２１６、２２０および２２４を含む。電極構造２００は、電極２０４、２０８および２１２の間で一般に規定される内側空間またはチャンバー２３２を有する。電極２０４、２０８および２１２の各内側表面２１６、２２０および２２４は一般に内側空間２３２に向くので、実際には、内側空間２３２に存在するイオンにさらされている。
【００３０】
電極２０４、２０８および２１２は、電極構造２００の中心２２８からｒ−ｚ面にて特定されたある距離で位置決めされる。具体的には、リング電極２０８は中心２２８から放射状の距離ｒ０に位置し、端部キャップ電極２０８および２１２は、それぞれ中心２２８から軸方向の距離ｚ０に位置する。通例採用されるトラップの構造では、ｒ０＝（２１／２）ｚ０またはｒ０２＝２ｚ０２である。他の実施態様では、端部キャップ電極２０８および２１２の軸方向位置ｚ０は、互いに故意に異なるようにされており（例えば、電極２０８または２１２の一方が電極２１２または２０８の他方よりも中心からはるか遠くに位置する）、および／または特定の種類の電場効果を導入する、もしくは他の望ましくない場の効果を補正するような目的でｒ０２＝２ｚ０２を逸脱するようにされている（例えば、「引き離し」構成）。例えば、電極２０４、２０８および２１２の配置は、引き離されてもよく、またはさもなければ、改変されて、電極２０４、２０８および２１２によって生成される四重極トラップ場により高次の多重極場を重ね合わせてもよい。
【００３１】
各電極２０４、２０８および２１２は、外側表面を有し、外側表面の少なくとも一部分がカーブしている。本実施例では、各電極２０４、２０８および２１２のｒ−ｚ面での断面の輪郭、または内部表面２１６、２２０および２２４の少なくとも形状がカーブしている。一部の実施態様では、ｒ−ｚ面での各断面の輪郭は、一般に双曲線状で、四重極イオントラップ場の利用を円滑にする。なぜなら、双曲線の輪郭は、おおよそ、四重極場に情報を与える等電位線の輪郭に整合するからである。双曲線の輪郭は完全な双曲線に合ってもよいし、完全な双曲線から幾分逸脱してもよい。他の実施態様では、電極２０４、２０８および２１２の各断面の輪郭は、非理想的な双曲線形状、例えば、大体双曲線形状または円形形状であってもよい。用語「一般に双曲線状」および「カーブしている」は、そのような実施態様すべてを包含することを意図している。一部の実施態様では、理想的な双曲線からの逸脱を行って所望の方法で場の効果を改変し、例えば、上記で言及したように四重極トラップ場に、より高次の多重極場を重ね合わせる。
【００３２】
例えば、試料またはイオンの注入、気体の注入、軸方向のイオンの排出などのような機能を容易にするために、１つ以上の開口部を１つ以上の電極２０４、２０８および２１２に形成してもよい。図２で説明される具体的な実施例では、各開口部２４２および２４６が端部キャップ２０８および２１２に形成されて、好適な不安定さに基づく排出法または共鳴に基づく排出法の適用に応答したｚ軸に沿った方向での排出を容易にする。例えば、補足のＡＣの双極場は、端部キャップ２０８および２１２の間に生成されて、開口部２４２および２４６の方向でイオンを排出させてもよい。実際に、好適なイオン検出器（図示せず）を、開口部２４２および２４６の少なくとも１つと整列するように配置して、排出されたイオンの流れを測定する。内部空間２３２において生成される電場の対称の所望の程度を維持するために、たった１つのイオン検出器しか提供されないとしても、たった１つの開口部の代わりに２つの対向する開口部２４２および２４６が設けられることが所望されるかもしれない。同様に、開口部は、電極２０４、２０８および２１２のすべてに形成されていてもよい。一部の実施態様では、例えば、それぞれ、本開示の譲受人に通例譲渡された、上記特許文献７、上記特許文献８および上記特許文献１に記載されるように、電圧信号の適当な重ね合わせおよびその他の操作条件を提供することによって、イオンは、単一の開口部を通って単一の方向で優先的に排出されてもよい。
【００３３】
図３に、図１で説明されたイオントラップ１０２のような、イオンを操作するまたは処理するのに利用されてもよい２−Ｄ構造の電極構造（またはセット、配置、システム、装置または組立品）３００の実施例を示す。図３はまた、図３がｘ−ｙ面内の電極構造３００の断面を示すように参照目的でデカルト（ｘ、ｙ、ｚ）座標を含む。２−Ｄ構造の場合、記述上、ｚ軸に沿った方向または向きを軸方向であると言い、直交するｘ軸およびｙ軸に沿った方向または向きを径方向または横軸であると言う。
【００３４】
２−Ｄの電極構造３００は、複数の電極３０２、３０４、３０６および３０８を含む。２−Ｄの配置の場合、電極３０２、３０４、３０６および３０８は、ｚ軸に沿って引き伸ばされた４つの別々の電極を表現する。すなわち、電極３０２、３０４、３０６および３０８のそれぞれは、ｚ方向と一般に平行な方向に延びる優勢な細長い寸法（例えば、長さ）を有する。別の実施態様では、４つの電極３０２、３０４、３０６および３０８以外の電極が提供されてもよい。図３で説明される実施例は、改変されて以下に記載されるような多重極を創る場合を除いて、その他の四重極イオン処理装置と同様に２−Ｄイオントラップ用の典型的な四重極電極配置である。各電極３０２、３０４、３０６および３０８は、電極構造３００の中で所望の電場を生成するために必要とされる１つ以上の他の電極３０２、３０４、３０６および３０８と互いに電気的に相互接続されている。電極３０２、３０４、３０６および３０８は、電極構造３００の中心ｚ軸に一般に向いた各内部表面３１２、３１４、３１６および３１８を含む。電極構造３００は、一般に電極３０２、３０４、３０６および３０８の間で規定される内部空間またはチャンバー３３２を有する。２−Ｄ配置の場合、ｚ軸に沿って電極３０２、３０４、３０６および３０８が引き伸ばされた結果として、内部空間３３２は、当該軸に沿って引き伸ばされたものとなる。電極３０２、３０４、３０６および３０８の内部表面３１２、３１４、３１６および３１８は、一般に内部空間３３２を向くので、実際は内部空間３３２に存在するイオンにさらされる。
【００３５】
電極３０２、３０４、３０６および３０８は、電極構造３００またはその内部空間３３２の中心長手軸３２８まわりに同軸的に位置する。多数の実施態様において、中心軸３２８は、電極構造３００の幾何的中心に一致し、本実施例では、ｚ軸であるとみなされる。各電極３０２、３０４、３０６および３０８は、中心軸３２８からｘ−ｙ面内で径方向のある距離ｒ０に位置する。一部の実施態様では、中心軸３２８に対する電極３０２、３０４、３０６および３０８の各径方向位置は等しい。他の実施態様では、１つ以上の電極３０２、３０４、３０６および３０８の径方向位置は、特定の種類の電場効果を導入する、例えば、上述のように四重極トラップ場の上に高次の多重極場を重ね合わせる、または他の望ましくない電場効果を補正するような目的で、他の電極３０２、３０４、３０６および３０８の径方向位置とは意図的に異なるようにされている。
【００３６】
各電極３０２、３０４、３０６および３０８のｘ−ｙ面における断面の輪郭、または内部表面３１２、３１４、３１６および３１８の少なくとも形状は、カーブしている、または一般に、上述の３−Ｄの場合のように双曲線状である。上記で言及したように、完全な双曲線からの逸脱を意図的に行って、所望の方法で場の効果を改変し、例えば、四重極トラップ場の上に高次の多重極場を重ね合わせてもよい。一部の実施態様では、電極３０２、３０４、３０６および３０８の断面の輪郭は、幾分非理想的な双曲線形状、例えば、円であってもよく、その場合、電極３０２、３０４、３０６および３０８は、円筒状の棒として特徴づけられてもよい。さらに他の実施態様では、電極３０２、３０４、３０６および３０８の断面の輪郭は、さらに直線的（直線で囲まれたようなもの）であってもよく、その場合、電極３０２、３０４、３０６および３０８は、カーブした板として特徴づけられてもよい。そのような実施態様のすべてにおいて、各電極３０２、３０４、３０６および３０８は、電極構造３００の内部空間３３２を向いた各頂部３４２、３４４、３４６および３４８を有するものとして特徴づけられてもよい。
【００３７】
例えば、試料またはイオンの注入、気体の注入、径方向のイオンの排出などのような機能を容易にするために、上述の３−Ｄの場合のように、１つ以上の開口部３５２を１つ以上の電極３０２、３０４、３０６および３０８に形成してもよい。開口部３５２はｚ軸に沿って引き延ばされたものであってもよく、その場合、開口部３５２は、電極構造３００の引き延ばされた内部空間３３２内に生成され引き延ばされたイオン占有空間のためのスロットまたはスリットして特徴づけられてもよい。一部の実施態様では、上述のように、電圧信号の適当な重ね合わせおよびその他の操作条件を提供することによって、イオンは、単一の開口部を通って単一の方向に優先的に排出されてもよい。あるいは、既知の技法によって、２−Ｄ電極構造３００の端部の一方から、イオンが軸方向に排出されてもよい。
【００３８】
別の実施態様では、２−Ｄ電極構造３００は、上述のように２−Ｄまたは「直線」的な電極の配置を有するが、カーブする。すなわち、中心軸３２８と電極３０２、３０４、３０６および３０８とがカーブする。図３の断面図は同様にこの実施態様を表す。
便宜上、以下の説明は、特定されない限り、説明が同様に図３に示される２−Ｄの電極構造３００に同様に加えられるという理解と共に、図２に示される３−Ｄの電極構造２００を主として参照する。
【００３９】
一般に、電極構造２００は、外部イオン化の場合、イオンを受け取って、または内部イオン化もしくはトラップ時イオン化の場合、イオン化される中性の分子または原子を受け取って、好適な方法でかつ好適な入口位置を介して内部空間２３２に入れることが可能である。外部イオン化による内部空間２３２へのイオンの導入、および内部イオン化による内部空間２３２でのイオンの生成は、一般に内部空間２３２にイオンを「提供する」と言う。イオンを「提供すること」はまた、断片化または解離の過程での前駆イオンからの生成物イオンのトラップ時生成と言う。
【００４０】
電極構造２００の操作において、種々の電圧信号が１つ以上の電極２０４、２０８および２１２に加えられて、イオンの処理および操作に関連する異なった目的で、内部空間２３２にて種々の軸方向に、および／または径方向に向いた電場を生成する。この電場は、種々の機能、例えば、内部空間２３２にイオンを注入すること、内部空間２３２にてイオンを捕捉し、ある時間イオンを保存すること、内部空間２３２から質量選択的にイオンを排出して質量スペクトル情報を生成すること、不所望のイオンを内部空間２３２から排出することによって内部空間２３２にて選択されたイオンを単離すること、直列質量分光分析の一部として内部空間２３２でのイオンの解離を促進することなどに役立つ。
【００４１】
適当な振幅および周波数のＲＦ電圧信号を電極２０４、２０８および２１２に加えて主要なＲＦ四重極トラップ場を生成し、中心軸または機械的中心に対して放射状の方向（径方向）に沿って質量対電荷数の比（ｍ／ｚ比、または単に「質量」）の範囲の安定な（捕捉可能な）イオンの動きを制約する。トラップ場の電位φ０は、一般式φ０＝Ｕ−Ｖｃｏｓ（Ωｔ）で表されてもよく、式中、Ｕは任意の直流（ＤＣ）電圧であり、Ｖは周期的電圧の振幅であり、Ωは周期的電圧のｒａｄ／ｓにおける周波数である。角周波数Ωは関係Ω＝２πｆに従ってＨｚにおける周波数ｆに変換できる。例えば、３−Ｄ構造の場合（図２）、３−Ｄ（ｒ−ｚ）のＲＦ四重極トラップ場は、ＲＦトラップ場の電位φ０をリング電極２０４に加えることによって生成されてもよい。電位φ０をリング電極２０４に加える一方で、電位φ０を端部キャップ２０８および２１２に加えてもよく、端部キャップ２０８および２１２はアース（接地）されてもよい。あるいは、ＲＦ成分Ｖｃｏｓ（Ωｔ）をリング電極２０４に加え、ＤＣ成分Ｕを端部キャップ２０８および２１２双方に加える。２−Ｄの構造（図３）の場合、２−Ｄ（ｘ−ｙ）のＲＦ四重極トラップ場は、同じ一般式Ｖ（ｔ）＝±（Ｕ−Ｖｃｏｓ（Ωｔ））のＲＦ信号を対向する一対のｙ−電極３０２および３０４に加え、同時に第１のＲＦ信号と同じ振幅および周波数であるが、第１のＲＦ信号と１８０°位相が異なるＲＦ信号を対向する一対のｘ−電極３０６および３０８に加えることによって生成されてもよい。２−Ｄの場合、２−ＤのＲＦ四重極トラップ場とＤＣの軸方向（ｚ）のバリア場との組み合わせが、電極構造３００において基本的な線形のイオントラップを形成する。
【００４２】
ＲＦ四重極トラップ場におけるイオンの動きは、マシューの方程式によって記載されてもよく、それは周知の二次線形微分方程式である。マシューの方程式に対する解ａおよびｑは、イオントラップのイオンの操作点または作動点として知られる。３−Ｄおよび２−Ｄの双方の構造について、および方向ｕ（ｘ，ｙもしくはｚ，またはｒもしくはｚ）について一般化されて、解ａおよびｑは、以下のように表されてもよい。
【００４３】
【数１】
【００４４】
および
【００４５】
【数２】
【００４６】
式中、Ｕは、加えられた直流（ＤＣ）の電圧（もしも存在するのであれば）の大きさであり、Ｖは、加えられたＲＦ電圧の振幅であり、Ωは、ＲＦ電圧の角周波数であり、ｅ（またはｚ）は、イオンの電荷であり、ｍはイオンの質量であり、ｒ０、ＫａおよびＫｑは装置に依存した定数である。ＤＣ電圧が加えられない実施態様では、ａｕ＝０である。ａおよびｑに対する方程式の特定の形態は、例えば、対象の方向（ｘ，ｙ，ｚ，ｒ）、イオントラップ（３−Ｄまたは２−Ｄ）の構造、対向する電極表面間の間隔、トラップ電圧が加えられる電極などのような因子に依存する。特定の形態は当業者に既知であるので、本開示では繰り返さない。本開示で一般に関心があるのは、イオンについてのｑｕの値が、イオンのｍ／ｚ（またはｍ／ｅ）比、加えられたＲＦトラップ場の振幅Ｖおよび加えられたＲＦトラップ場の周波数Ωの関数であるという事実である。イオンの操作点（ａ，ｑ）は、所与のイオントラップについて、（横ｑ軸および縦ａ軸を有する）安定性ダイアグラム上に位置して、イオンが安定な領域内にあってその動きが安定であるかどうか（すなわち、その軌道が電極に達していない）を決定することができる。
【００４７】
ＲＦ四重極トラップ場によって付与される力の成分は、典型的には、電極構造２００の内部空間２３２の幾何学中心２２８で最小なので（電気的四重極は幾何学中心２２８を対称の中心に置くと想定して）、四重極の操作パラメータの範囲内で安定であるｍ／ｚ比を有するイオンはすべて、イオンが占有する空間内またはイオンの位置が一般に中心２２８の周りに（または２−Ｄの場合、中心軸３２８に沿って）分布するクラウドの範囲内の動きに制約される。したがって、このイオンが占有する空間は、内部空間２３２の全容積よりもはるかに小さくてもよく、２−Ｄの場合、構造は中心軸３２８に沿って引き延ばされていてもよい。多数の実施態様において、望ましくない電場不良の影響を低減すること、質量の分解能および感度を改善することなどのような目的で、イオンを冷却するまたは熱化する周知の方法によって、さらにイオンが占有する空間のサイズを小さくしてもよい。イオンを冷却する方法は、好適な不活性のバックグランド気体（制動気体、冷却気体または緩衝気体とも呼ばれる）を内部空間２０２に導入することを必要とする。イオンと気体分子との衝突によってイオンに運動エネルギーを放棄させるので、それらの暴走を制動する。好適なバックグランド気体の例として、水素、ヘリウム、窒素、キセノンおよびアルゴンが挙げられるが、これらに限定されない。電極構造２００の好適な開口部または電極構造２００のエンクロージャに連通する好適な気体源がこの目的で提供されてもよい。例えば、気体源３６２は図３に示されるように位置してもよい。
【００４８】
ＤＣ（もしも存在するのであれば）および主要なＲＦトラップ信号に加えて、適当な振幅および周波数（従来の実施態様では双方とも、通常、主要なＲＦトラップ信号より小さい）の追加のＡＣ電圧信号を、対向する端部キャップ電極２０８および２１２（または２−Ｄの場合、電極対３０２／３０４または３０６／３０８）に加えて、補足のＡＣ双極励起場を生成してもよく、その周波数はＲＦスペクトルの範囲内に入ってもよい。補足のＡＣ場を加えてもよい一方で、主要なＲＦトラップ場を加え、得られる場の重ね合わせは、組み合わせ場または複合場として特徴付けられる。あるいは、補足のＡＣ四重極励起場は、当業者によって十分に理解されているように加えられてもよい。
【００４９】
従来、補足のＡＣ場を利用して、選択されたｍ／ｚ比の捕捉されたイオンを共鳴して励起している。通常、補足のＡＣ電圧の周波数は、ＲＦトラップ電圧の周波数（通常１．０５ＭＨｚ程度）の半分より小さく設定される。捕捉された各イオンは、その質量（ｍ／ｚ比）、電極構造２００または３００の物理的特徴（通常固定されている）、ならびにＲＦトラップ電圧の振幅および周波数（その値は電子機器によって変化させることができる）に依存する振動の永年周波数を有する。イオンの基本的な永年周波数ωｓｅｃは、周知の関係ωｓｅｃ＝１／２βｕΩに従ってＲＦトラップ電圧の周波数Ωの関数であり、その際、βｕは言い換えれば、対象の方向ｕ（ｘ，ｙ，ｚまたはｒ）についてのマシューの操作パラメータａおよびｑの関数である。βに関する種々の方程式および近似式が文献に存在するが、以下は、ａ＜＜ｑかつｑ＜０．４のとき適度に正確である。
【００５０】
【数３】
【００５１】
イオンの永年周波数が補足のＡＣ電圧の周波数と一致すると、イオンは補足のＡＣ電場から効率的にエネルギーを吸収し、その結果、その永年周波数と関連する成分の方向でイオンの振動の振幅が大きくなる。したがって、捕捉されたイオンの共鳴励起を用いて衝突誘起解離（ＣＩＤ）または試薬気体とのイオン分子のその他の相互作用または反応を促進してもよく、または容易にしてもよい。さらに、励起場の成分の強度（振幅）は、イオン振動の増大率を決定し、選択された質量のイオンがＲＦトラップ場によって付与される復元力に打ち勝つのを可能にするように、ならびに排除、イオン単離、または質量選択性の走査および検出のために、電極構造２００から排出されるのを可能にするように、当該強度は十分に高く調整されてもよい。したがって、一部の実施態様では、中心２２８に直交する方向に沿って、例えば、ｚ軸の方向（それに沿って端部キャップ電極２０８および２１２が配置される）で内部空間２３２からイオンが排出されてもよい。上述のように、排出されたイオンは１つ以上の開口部２４２および２４６を通過し、適宜配置されたイオン検出器に到達し、排出されたイオンの流れを測定する。同様に、２−Ｄの電極構造３００の場合、補足のＡＣ双極が加えられるｙ−電極３０２／３０４またはｘ−電極３０６／３０８の対向する対の方向でイオンが排出されてもよい。
【００５２】
当業者によって十分に理解されているように、イオンの永年周波数はそのｍ／ｚ比に依存し、ＲＦトラップ電圧の振幅または周波数を変える（走査するまたは傾斜をつける）ことによって変化させてもよいので、ＲＦトラップ電圧を制御して質量が連続するように、すなわち、質量選択性の方法で、異なったｍ／ｚ比のイオンを共鳴して励起してもよい。例えば、ＲＦトラップ電圧の振幅を大きくすることは、所与のｍ／ｚ比のイオンの永年周波数を増やす。ＲＦトラップ電圧は傾斜をつけられるので、異なったｍ／ｚ比のイオンが連続的に、加えられた補足のＡＣ励起場との共鳴に至る。したがって、例えば、補足のＡＣ励起場を固定した周波数に維持する一方で、ＲＦトラップ電圧の振幅に傾斜をつけることによって、質量選択性を基にして共鳴励起によるイオンの排出を実行してもよい。あるいは、ＲＦトラップ電圧の周波数またはＡＣ励起電圧の周波数に傾斜をつけて、質量という点での共鳴励起を達成してもよい。
【００５３】
さらに、ＣＩＤプロセスを含む特定の実験は、選択されたｍ／ｚ比（単数）または比（複数）の所望のイオンが、さらなる試験または手順のために電極構造２００に保持され、他のｍ／ｚ比を有する残りの不所望のイオンが、電極構造２００から除かれることを必要としてもよい。所望のイオンを所望でないイオンから単離する好適な技法が実施されてもよい。特に、共鳴励起による排出は、イオンの単離を実行するのにも有用である。例えば、補足のＡＣ励起信号を対向する電極２０８および２１２の対に加え、電極２０８および２１２の軸に沿った共鳴励起によって、選択されたｍ／ｚ比の不所望のイオンをトラップ場から排出してもよい。イオンの単離に採用される技法の例には、単一周波数信号の使用（走査されたＲＦトラップ信号と組み合わせて）、誂えた励起波形の使用、ノッチでフィルタをかけたノイズ波形の使用、広帯域波形の使用、個々の周波数の集まり、多重周波数照射（ＭＦＩ）、および当業者に既知のその他のものが挙げられるが、これらに限定されない。その他の例は、それぞれ、本開示の譲受人に共通に譲渡された上記特許文献９〜１３に記載されている。
【００５４】
上記のような従来の共鳴励起法および特にＣＩＤ法とは対照的に、本発明は、以下に記載するように、オフ共鳴ＣＩＤ補足ＡＣ波形信号により前駆（または親）イオンを励起することによってＣＩＤを達成する。さらに、四重極場に１つ以上の高次の多重極場を故意に重ね合わせることによって確立した非線形のトラップ場にオフ共鳴波形を加える。制動気体の存在下、補足のＡＣ場を加える前に、四重極トラップ場に安定して捕捉されたイオンについては、イオンを振動させる運動エネルギーが、ゼロと、イオンの平均運動エネルギーが同様に時間と共に低下するように時間と共に低下する最大値との間で変化する。補足のＡＣ場を加えると、イオンの振動（加えられた補足のＡＣ場の軸に沿うもの）の振幅が、したがって、イオンの運動エネルギーが時間と共に増大する。ＡＣ信号からのエネルギーが、制動気体との熱を生じる衝突によるイオンの並進運動エネルギーおよび内部エネルギーの低下よりも大きい比率で加えられるほどＡＣ信号の振幅が十分大きいなら、補足のＡＣ場の適用は、結果として断片化や排出を生じる。以下で明らかになるであろうように、さらに長い時間イオンを励起でき、それによって排出または損失よりもイオンの断片化を促進するだけでなく、化学構造に大きく存在しない非共鳴の体制で断片化を可能にする方法にて、非線形のトラップ場におけるオフ共鳴ＣＩＤ補足ＡＣ場の適用は、イオンの挙動を修正する。
【００５５】
純粋な（または理想的なまたは「線形の」）トラップ場では、四重極だけが存在し、すなわち、他に有意な多極モーメントは存在せず、復元力は四重極場の中心からのイオンの変位の線形の関数である。すなわち、ＲＦ場の強度は中心から距離が離れると共に線形に増大する。さらに、純粋なトラップ場におけるイオンの永年周波数は、中心に対するイオンの位置に存在しない。ここで、純粋なトラップ場を記載するのに使用される用語「線形」は、２−Ｄのイオントラップ構造を記載するのに使用される用語「線形（直線的）」と混同すべきではないことに留意されたい。本発明の実施態様は、非線形のトラップ場の「線形」のイオントラップ、すなわち、２−Ｄ構造を有するイオントラップへの適用を含む。
【００５６】
純粋な四重極トラップ場とは対照的に、本発明で採用される非線形のトラップ場では、１つ以上の高次の多重極場が四重極場に加えられる。非線形のトラップ場では、復元力とイオンの位置との関係は線形ではなく、イオンの永年周波数は、トラップパラメータがすべて一定に保持されるなら、その位置の関数である。一般に、本発明によれば、多重極場、または四重極場に重ねあわされた場の種類は限定されない。多重極場は、例えば六重極場または十重極場のような奇数次の場（奇数の極対を有する）であってもよく、それが、四重極場に非対称の歪みを生じる。あるいは、多重極場は、例えば八重極場または十二重極場のような偶数次の場（偶数の極対を有する）であってもよく、それが、四重極場に対称の歪みを生じる。
【００５７】
イオンの永年周波数とその位置との特定の関係は、多重極の符号および大きさ（強度）を含む、存在する多重極場の種類に依存する。例えば、四重極トラップ場と同じ符号の六重極場または八重極場を四重極トラップ場に加えると、イオンの振動の振幅が大きくなるにつれてイオンの永年周波数は増加する。イオンの動きの振幅が大きくなると共に永年周波数が低下するように、多重極場の他の種類または向きが選択されてもよい。
【００５８】
多重極場または本発明の実施態様で生成した場を、好適な機械的または電気的な手段によって四重極場に重ね合わせてもよい。多重極場を機械的に創るための技法の一部の実施例には、上述したもののようなイオントラップの理想的な電極構造に対する物理的な（幾何学的な、空間的な等）改変が挙げられる。電極の形状もしくは大きさおよび／または他の電極に対するその位置を改変してもよい。例えば、１つ以上の電極を、理想的な双曲線の輪郭から逸脱する様式で形作り、四重極場に六重極および／または八重極を加えてもよい。例えば、電極の形状は、理想的な双曲線または双曲面と比較してさらに「鈍く」ても、または「鋭く」てもよい。さらに、電極の形状は、電極の断面をイオントラップの座標軸に対して非対称にするように改変してもよい。例えば、図２における上の端部キャップ電極２０８の断面形状が、ｚ軸について回転対称であり、すなわち、ｚ軸の左側で電極２０８の半分がｚ軸の右側での別の半分の鏡像に見える。同様に、図３における上のｙ−電極３０２の断面形状がｙ軸について対称である。所望の「鈍い」または「鋭い」変更を行った後でさえ、この対称は保持されているかもしれない。他方、多重極の歪みは、断面の半分が断面の他方の半分と比べて異なって成形されて、その各軸に対して非対称に成形される電極２０８および３０２のような電極によっても形成されてもよい。
【００５９】
あるいは、電極の形状における逸脱は、局限されてもよく、さもなければ、電極の残りの部分に関して特有なものであってもよい。例えば、隆起または膨らみが１つ以上の電極の表面から突き出してもよい。そのような隆起または膨らみは、１つ以上の電極の頂部領域で提供されてもよく、電極の開口部に近接していてもよい。機械的に多重極を創作する別の実施例では、対向する対の電極または端部キャップ電極の位置が、上述のような理想的な間隔から引き離されて、四重極場に八重極成分を加えてもよい。３−Ｄの中心または２−Ｄの中心軸からの電極の距離の「引き離し」は対称であっても、非対称であってもよい。すなわち、各対向する電極を理想的な間隔から同じ距離だけ引き離しさせてもよく、または対向する対の電極の一方の電極を他方の電極よりも中心または中心軸から遠くに動かし、非対称の歪みを生じてもよい。別の実施例として、対向する対の電極の一方を他方の電極より大きいサイズに作製し、四重極場に八重極成分を加えてもよい。別の実施例として、対向する対の電極の一方を回転し（トラップ構造の幾何学的中心に対して）、または別の電極に向けて移動させて、四重極場に六重極成分を加えてもよい。
【００６０】
電気的手段を利用して多重極場を重ね合わせる実施例として、ＲＦトラップ電位と同じ周波数および位相にて、補助的双極電位を、対向する一対の電極に加えてもよい。この補助的双極電位は、所望の強度（例えば、３０％の補助的双極電位）の六重極成分を四重極場に加え、詳細は、上記で引用した特許文献１に記載されており、その内容全体を本開示に組み込むものとする。一方の電極のＲＦ電圧の振幅を、対向する電極での振幅とは異なるものとすることによって奇数次の多重極場を生成してもよい。
【００６１】
２つ以上の前述の機械的技法と電気的技法との組み合わせを実施してもよい。各場合において、有意な六重極および／または八重極を加えてもよい。六重極および八重極より高次でかつ種々の強度の１つ以上の多重極成分が、結果として加えられるようにしてもよい。
本発明で採用される非線形のトラップ場は、故意に加えられた多重極成分の結果であることに留意されたい。これら多重極成分、特に六重極および八重極の成分の場の強度は、例えば、加えられる四重極ＲＦトラップ場の強度の約１％またはそれ以上大きくてもよい。他の実施例では、これら多重極成分の場の強度は、加えられる四重極ＲＦトラップ場の強度の約１％〜約１０％の範囲であってもよい。他の実施例では、多重極がＲＦトラップ場の意図された操作を妨害しない限り、多重極の場の強度は、加えられる四重極ＲＦトラップ場の強度の１０％より大きくてもよい。したがって、本発明で利用される故意に加えられた多重極成分は、機械加工および組立の不完全さから生じる典型的には弱い、意図的ではない場の不良および歪みから、電極における開口部の使用から、必然的に有限の電極のサイズ（すなわち、実際の電極は先端を切り取られ；その表面は、純粋に四重極場を結果として生じる完全な双曲線構造の非対称ラインに向かって無限に延びることはない）から、空間−電荷効果などから区別されるべきである。
【００６２】
本発明の実施態様において、ＣＩＤの開始時に、ＲＦトラップ電圧で、１種以上の前駆イオンが保存される。そのＲＦトラップ電圧のもとでは、前駆イオンの永年周波数が、加えられるオフ共鳴ＡＣ波形の周波数とはオフセット量だけ異なる。別の方法で述べると、ＣＩＤに利用される補足ＡＣ励起場の周波数は、前駆イオンの永年周波数または周波数とは意図的に異なるように設定される。例えば、補足ＡＣ励起場の周波数は、約２ｋＨｚだけ永年周波数からオフセットされても（ずらされても）よい。別の実施例では、約３ｋＨｚのオフセットがＣＩＤについてよく機能することが見い出されている。別の実施例では、補足ＡＣ励起場の周波数は、０ｋＨｚより大きく（例えば、約０．５ｋＨｚ）、約５ｋＨｚまでの範囲の値だけ、永年周波数からオフセットされる。前駆イオンについての操作ｑ（またはβ）の値に対するＲＦトラップ電圧の振幅は、既知の手段によって較正されてもよいので、約数百Ｈｚの精度で親イオンの永年周波数を推定してもよい。補足ＡＣ励起電圧の振幅は、オフ共鳴補足ＡＣ励起の周波数にて、対象イオンのＣＩＤを達成するように十分大きく設定される。一実施例として、ＡＣ励起電圧の振幅は、ＲＦトラップ電圧の約０．０１％〜約１％の範囲であってもよく、別の実施例では、この範囲は約０．０２％〜約０．５％である。他の実施態様では、ＡＣ励起の振幅は前述の範囲外でもよい。さらに一般的には、ＡＣ励起の振幅の設定は、例えば、トラップ構造、ｑ値およびＣＩＤ期間の持続時間、ＲＦトラップの周波数などのような因子に基づいてもよい。ＡＣ励起の振幅は、以下に記載されるように経験的に決定されてもよい。ＣＩＤの間、ＡＣ励起の振幅を固定しても（一定に保っても）よい一方で、ＲＦトラップ電圧に傾斜をつける（以下参照）または傾斜をつけてもよい。
【００６３】
その後、ＲＦトラップ電圧の振幅（または周波数）を増加もしくは低減するように傾斜させ、またはオフ共鳴ＡＣ周波数を高い側もしくは低い側にスイープして前駆イオン（単一種または複数種）の断片化を生じる。以下でさらに説明されるように、本発明は、個々のイオンについてＡＣ励起場の振幅を最適化す必要がなく、化学構造の異なるイオンが最適な断片化のための正確なエネルギーを確実に受け取れるようにする。したがって、本発明は、前駆イオンの化学構造または特定の前駆イオンを断片化するのに必要とされたＡＣ励起場の振幅の事前の知識なしで、最適にイオンを断片化することができる。
【００６４】
実施態様の１つでは、ＣＩＤの開始時に、前駆イオンの永年周波数が、加えられるオフ共鳴ＡＣ波形の周波数より高いＲＦトラップ電圧にて、前駆イオン（単一種または複数種）が保存される。すなわち、オフ共鳴ＡＣ励起電圧の周波数は、例えば、約２ｋＨｚのオフセット値だけ永年周波数よりも低く設定される。オフ共鳴ＡＣの波形を加える一方で、ＲＦトラップ電圧の振幅に下り（小さくなる）傾斜をつける。ＲＦトラップ電圧に下り傾斜をつけるので、前駆イオンの永年周波数とオフ共鳴ＡＣ波形の周波数との間の差異は徐々に減る。これによって前駆イオンはオフ共鳴ＡＣ場からさらなるエネルギーを徐々に吸収することが可能になる。このオフ共鳴ＣＩＤ励起場による前駆イオンの励起は、前駆イオンの振動の振幅を増大させる。吸収されたエネルギーが断片化の閾値に達したとき、前駆イオンは断片化して生成物イオンを形成する。さらに安定な親イオンについては、断片化にはさらなるエネルギーを必要とする。したがって、さらに安定な親イオンは安定性の低い（または不安定な）イオンより後で断片化する。
【００６５】
しかしながら、上記で言及したように、本発明で利用されるトラップ場は、イオン振動の振幅の増大がイオンの永年周波数に影響を及ぼすように、四重極場と少なくとも１つの高次多重極場とが複合したものである。したがって、適当な符号の六重極または八重極が四重極場に重ね合わされる実施例では、オフ共鳴ＣＩＤ場からのエネルギーの取り込みによる前駆イオンの振動の増大は、そのイオンの永年周波数の増大を引き起こす。この場合、ＲＦトラップ電圧の下り走査がイオンの永年周波数の低下を生じ、イオンの振動の結果的な増大がイオンの永年周波数の増大を生じる。励起された前駆イオンは、イオントラップに存在するバックグランド衝突気体の分子と衝突する。不安定なイオンについては、衝突エネルギーは十分高いのでイオンを壊す（断片化する）。安定なイオンについては、衝突はそれらの振動の振幅の低下を生じるので、それらの永年周波数の低下を生じる。これらのイオンの振動の振幅の低下のために、また、ＲＦトラップ電圧の振幅のレベル低下のために、これらイオンの永年周波数は加えられたオフ共鳴ＣＩＤ電圧の周波数に再び近づき、その結果、これらのイオンはオフ共鳴ＣＩＤ励起場で再び励起される。これらのイオンがバックグランド衝突気体と衝突すると、それらは、今回は、さらなる運動エネルギーおよび内部エネルギーを得るので断片化される。
【００６６】
上述のプロセスはＣＩＤ期間の終了まで複数回繰り返されてもよい。不安定なイオンはＣＩＤ期間の相対的に早い部分で断片化し、安定なイオンは、ＣＩＤ期間の相対的に遅い部分で断片化する。この方法は、補足ＣＩＤの励起場の振幅を変える必要がなく、異なったイオンが最適な断片化のために正確なエネルギーを受け取れるようにするので、異なった親イオン構造についてＣＩＤ衝突エネルギーを最適化する必要性を排除する（例えば、補足ＡＣ場の振幅を調整する必要があることによって）。
【００６７】
ＣＩＤプロセスの間、前駆イオンは非共鳴状態で励起されることに留意されたい。相対的に安定なイオン、すなわち、ＣＩＤ期間の早期に断片化されないそれらのイオンは、その位置におけるその永年周波数の依存性、言い換えれば、非線形のトラップ場のために、その永年周波数が補足ＣＩＤ励起場のオフ共鳴周波数へ向かっておよびそれから離れてシフトするので、周期的にまたはオン／オフ方式で励起される。さらに本発明のＣＩＤ励起法は、ＣＩＤ段階の間、前駆イオンをイオントラップから排出させることはない。
【００６８】
別の実施態様では、ＣＩＤの開始時に、前駆イオンの永年周波数が、加えられるオフ共鳴ＡＣ波形の周波数よりも、例えば、２ｋＨｚまたは他の適当なオフセット値だけ低いＲＦトラップ電圧にて、前駆イオンが保存される。この実施態様では、前駆イオンを保存し、オフ共鳴ＡＣ波形を加えた後、ＲＦトラップ電圧の振幅を下りに傾斜させる代わりに上り傾斜させる。この実施態様では、四重極トラップ場に重ね合わせる高次多重極場は、イオンの振動の振幅の増大と共にイオンの永年周波数が低下するように選択されてもよい。
【００６９】
別の実施態様では、ＣＩＤ期間の間、ＲＦトラップ電圧を一定に保持し、周波数スイープの波形を加える。すなわち、非線形のトラップ場の特徴に依存して補足のオフ共鳴ＡＣの周波数を変化させる（高くなるようにまたは低くなるようにスイープする）。
補足のＣＩＤ励起電圧の振幅は、例えば、ＣＩＤが、約０．３のマシューのｑ値と共に約１５ｍｓ実行される場合、選択された操作パラメータ下で経験的に決定されてもよい。例えば、補足のＣＩＤ励起電圧の振幅が以下のカーブによって境界を設けられた領域にあるならば、前駆イオンは適度の収率で断片化されることが見い出されている。
【００７０】
振幅補足ＣＩＤ＝０．００７０×質量親イオン＋０．０２１０、および
振幅補足ＣＩＤ＝０．０００５×質量親イオン＋０．３６１９
式中、振幅補足ＣＩＤについての値はボルト（Ｖ）で与えられ、質量親イオンについての値はダルトン（Ｄａ）で与えられる。
しかしながら、振幅補足ＣＩＤが２つのカーブの範囲内に入る限り、振幅補足ＣＩＤの質量親イオンに対する関係は、線形であることが要求されないことに留意されたい。異なるように大きさを決めたイオントラップ、または、異なったトラップ電圧パラメータ、または異なったＣＩＤ電圧パラメータについては、補足ＣＩＤの励起電圧（振幅補足ＣＩＤ）の振幅が適宜調整される必要があってもよい。
【００７１】
図４は、本発明の実施態様の実施例に従って利用される種々の波形（電圧信号）のタイミングの順序の図示である。具体的には、図４（ａ）は、イオントラップに加えられるＲＦトラップ電圧の時間の関数としての振幅を示している。図４（ｂ）は、ＣＩＤ励起に利用される補足ＡＣ電圧の適用のタイミングを示している。図４（ｃ）は、イオントラップにおける前駆イオン、例えば、親イオン、またはＣＩＤの追加の繰り返しにおける、娘イオン、孫娘イオンなどを単離するために利用される補足ＡＣ電圧の適用のタイミングを示している。図４（ｃ）はまた、ＣＩＤ段階から生じる生成物イオン（娘イオン、孫娘イオンなど）の分析的走査を行うために利用される補足ＡＣ電圧の適用のタイミングを示している。前に言及したように、特に異なった時間に加えられるという事実を考慮して、１つ以上の電圧源（発生器、合成機など）を用いて種々の補足ＡＣ電圧を加えてもよい。図４には示していないが、追加の補足ＡＣ電圧を加えて、上述のように電気的手段によって多重極場を重ね合わせてもよい。図４に描かれた操作は、４つの主な段階または工程：イオン化（および保存）Ａ、イオンの単離Ｂ、ＣＩＤ Ｃ、および分析的走査Ｄにわたる。
【００７２】
図４におけるイオン化段階の存在は、イオントラップが内部イオン化のために構成されているまたは操作されることが前提である。イオン化段階の間、分析される試料材料がイオントラップに導入され、上述のような好適なイオン化装置によってイオン化される。イオン化の間、図４で区分Ａに相当する、ＲＦトラップ電圧の振幅は、質量ｍ（ｐ）の所望の前駆（または親）イオンを含む所望の範囲内の質量（ｍ／ｚ比）を有する試料イオンをすべて捕捉するのに好適である値Ｖ１に設定される。所望の範囲の外の質量を有するイオンはイオントラップから排除されるので保存されない。外部イオン化の場合、好適なイオン化装置が試料材料をイオン化し、得られたイオンをイオントラップに導入し、そこで同様の方法にてＲＦトラップ電圧によってイオンが保存される。外部イオン化の場合、図４に示されるイオン化段階は、導入および保存の段階と考えてもよい。
【００７３】
所望の範囲のイオンを保存した後、ＲＦトラップ場をＶ１から、図４の区分Ｂに相当するＶ２に至るように傾斜させる。開示の前半で参照したもののような好適な単離法が採用されてもよい。一実施例において、ＲＦトラップ場をＶ２で保持する一方で、好適な補足ＡＣ単離波形を適用させる（図４（ｃ））。この場合、補足ＡＣの単離波形は、様々な周波数を混合したものから成る複合波形または広帯域波形である。そのような広帯域波形は、補足ＡＣの単離波形によって前駆イオンが励起されて排出を促されないように、単離されるべき前駆イオンの永年周波数に相当する周波数に中心を持つノッチまたはウインドウを有する。補足ＡＣ電圧の周波数は共鳴状態下でイオントラップから望ましくないイオンを排出するために設定されてもよく、あるいは、補足ＡＣ電圧の振幅は、十分に高く設定されて、本開示の教示に従ってオフ共鳴状態下で排出を生じるようにしてもよい。別の実施例では、ＲＦトラップ場をＶ１からＶ２に至るように傾斜させる間でさえ、補足ＡＣの単離波形を有効にしてもよい。他の実施例では、ＲＦトラップ場の振幅が一定に保持される一方で、組み合わせた場の周波数が走査される。
【００７４】
図４で具体的に説明される実施例では、ＲＦトラップ場をＶ２に傾斜させた後、固定周波数の補足ＡＣ単離波形を有効にし、次いでＲＦトラップ場をＶ３に至るように傾斜させる。ＲＦトラップ場のＶ２からＶ３への傾斜は、ｍ（ｐ）−１以下の質量を有するイオンすべての排出を引き起こす。次いでＲＦトラップ場は、補足ＡＣ電圧信号の組成に依存してＶ３からＶ４に落とされ、あるいは、Ｖ３からＶ４に至るように下り傾斜がつくようにさせる。この時間の間、補足ＡＣ電圧が加えられて、ｍ（ｐ）＋１以上の質量を有するイオンすべてを排出する。この目的で、Ｖ３からＶ４の間の間隔に相当する図４（ｃ）に示される補足ＡＣ電圧信号の一部は、ｍ（ｐ）＋１以上の質量を有するイオンの永年周波数に等しいまたは近い周波数を含む、広帯域波形または周波数の集合を含む波形であってもよい。
【００７５】
単離段階の最後で、質量ｍ（ｐ）の前駆イオンがイオントラップに単離され、ＲＦトラップ場はＶ５に下げられ、その振幅は前駆イオンを保存するのに十分である。次いでＣＩＤ段階が開始され、上述の実施態様に従って前駆イオンを生成物イオンに断片化する。ＣＩＤ段階の間、ＲＦトラップ場は、Ｖ５から、図４の区分Ｃに相当するＶ６に至るように傾斜させる一方で、補足ＣＩＤ励起波形が加えられる（図４（ｂ））。実施例として、補足ＣＩＤ励起波形の周波数は、好適なオフセット量（上述のような）によって前駆体の永年周波数より低い値に設定され、ＲＦトラップ場は、Ｖ５からＶ６に下げられる。一般に、Ｖ６の振幅は、生成物イオンを保存するのに十分な値である。
【００７６】
ＣＩＤ段階の最後で、生成物イオンは、好適な技法によってイオントラップから分析的に走査され、検出され、処理されて生成物イオンの質量スペクトルを生じる。説明された実施例では、分析的走査段階の間、ＲＦトラップ場は、Ｖ６から、図４の区分Ｄに相当するＶ７に至るように傾斜させる一方で、補足ＡＣ分析的走査波形が加えられる（図４（ｃ））。この段階の間、補足ＡＣ電圧の周波数は、共鳴状態下でイオントラップから生成物イオンを排出するように設定されてもよく、あるいは、補足ＡＣ電圧の振幅が十分高く設定されて本開示の教示に従ってオフ共鳴状態下で質量選択性の排出を生じてもよい。別の実施例では、組み合わせた場の周波数が走査される一方で、分析的走査段階の間、ＲＦトラップ場の振幅は一定に保持される。
【００７７】
一般に、図４で説明されるプロセスは、所望の回数繰り返されて生成物イオンを連続的に生成し、それを分析する。例えば、次の反復では、前の反復で生じた娘イオンが親イオンとして単離され、ＣＩＤにより孫娘イオンを生じてもよい。次いで、孫娘イオンは分析的に走査されてもよく、あるいは、親イオンとして単離され、ＣＩＤにより曾孫娘イオンを生じてもよい。
【００７８】
図５は、オフ共鳴状態下でイオンを励起する方法の実施例を説明するフローチャート５００である。この方法は、トラップ場および補足場を、３−Ｄまたは２−Ｄの構造のいずれかの電極構造、例えば、上述の電極構造２００および３００のいずれかに加えることを必要としてもよい。フローチャート５００はまた、この方法を実行することが可能である装置またはシステムを表すものであってもよい。装置またはシステムには、素子（デバイス）、回路、およびその他のハードウエアや、ソフトウエアが含まれてもよい。
【００７９】
この方法は５０２で始まり、そこでは、好適な予備工程、例えば、電極構造にイオンを提供するために必要に応じて外部イオン化または内部イオン化を行うこと、衝突冷却および／またはＣＩＤのために気体（単一種または複数種）を導入すること、分析する価値がないイオンを排除すること、予備走査、較正を行うことなどが行われる。ブロック５０６では、選択された質量範囲の当該イオンが電極構造にて捕捉される。例えば、ＲＦ電圧を、必要に応じて、電極構造の１つ以上の電極に加えて、所望の空間形態および機能を有する四重極（またはさもなければ対称もしくは近対称）ＲＦトラップ場を生成してもよい。上述のように、トラップ場はまた、四重極成分と組み合わせて１つ以上の高次多重極成分を含む。高次多重極成分（単数または複数）は機械的に生成されてもよく、および／または電気的に生成されてもよい。ブロック５１０では、好適な技法によって、対象の質量または質量範囲の１種以上の前駆（例えば、親）イオン（またはそれに続く反復の場合、娘イオン、孫娘イオンなどのような生成物イオン）が単離される。例えば、単離のために選択される技法は、ＲＦトラップ場の１つ以上のパラメータを変更すること、ＲＦトラップ場を補足する追加の場を課すこと、追加の信号を電極構造に加えることなどを必要としてもよい。ブロック５１４では、いったん対象のイオン（単一種または複数種）が電極構造にて単離されたら、非線形のトラップ場と組み合わせてオフ共鳴ＡＣ波形の使用を必要とする上記方法の１つを用いてＣＩＤプロセスを実行する。ＣＩＤプロセスは、前駆イオン（単一種または複数種）の１種以上の生成物イオンへの解離または断片化を生じる。ＣＩＤ段階の完了の際、プロセスは５２４で終了してもよく、そこでは、例えば、質量走査、質量スペクトルの生成などのような好適な次の工程が必要とされてもよい。
【００８０】
任意で、ブロック５１８で示されるように、電極構造からの生成物イオンを排出するまたは走査するための好適な技法を実行することによって、プロセスが継続してもよい。実施例として、質量不安定法または共鳴励起法を介して生成物イオンが排出されてもよい。さらなる実施例として、生成物イオンは、オフ共鳴法を介して排出されてもよい。
別の選択肢として、決定ブロック５２０で示されるように、上記プロセスの１つ以上の工程が所望に応じて反復され、解離および質量分析の連続的反復がなされてもよい。例えば、電極構造の操作パラメータは、対象の生成物イオン（単一種または複数種）を捕捉し、単離し、次いでそれが解離されて次の世代の生成物イオンを生じるように設定されてもよい。本発明のオフ共鳴ＣＩＤ法は、所望に応じて、ＣＩＤの各反復に採用されてもよい。したがって、図５で説明される方法は、所望に応じて反復されてｎ番目世代の生成物イオンを生じるように設定されてもよい。各反復については、ブロック５２０でなされる決定の結果に応じて、プロセスはブロック５０６（またはブロック５１０）に戻るか、または５２４で終了し、その際、質量走査、質量スペクトルの生成などのような好適な次の工程が行われてもよい。
【００８１】
上記で言及したように、図５は、説明された方法を実行するための装置、デバイス、機器またはシステム５００の実施例を表すものであってもよい。従って、ブロック５０６〜５１８は、これらのブロック５０６〜５１８に相当する、上述された機能または工程を実行するための１つ以上の手段または構造を描いているとみなされてもよい。これらの機能を実施することが可能である装置、デバイス、機器およびシステムの実施例は、図１〜４と併せて上述されている。
【００８２】
本開示に記載された方法および装置は、一般に上述された、かつ例として図１で説明されたＭＳシステム１００において実施されてもよいことが理解されるであろう。しかしながら、本主題は、図１で説明された特定のＭＳシステム１００または図１で説明された回路および構成要件の特定の配置に限定されない。さらに、本主題はＭＳに基づいた適用に限定されない。
【００８３】
本開示で記載された主題は、イオンを捕捉するための磁場およびイオンをトラップ（またはイオンサイクロトロンセル）から排出するための電場を採用するフーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴（ＦＴ−ＩＣＲ）に基づいて操作するイオントラップへの適用も見い出してもよい。主題はまた、静電気トラップへの適用も見い出してもよい。これらのイオン捕捉および質量分光分析法を実施するための装置および方法は、当業者に周知なので、本明細書ではさらに詳細に記載しない。
【００８４】
本発明の範囲から逸脱することなく本発明の種々の局面または詳細を変更してもよいことがさらに理解されるであろう。さらに、前述の記載は説明のみを目的とし、限定目的ではなく、本発明は特許請求の範囲によって定義される。
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、通常イオントラップとして利用される電極配置におけるイオンの操作または処理に関する。さらに具体的には、本発明は、オフ共鳴励起および非線形トラップ場の条件下で電極構造において１種以上のイオンを励起するための方法および装置に関する。これらの方法および装置は、例えば、直列多段質量分光分析（ＭＳ／ＭＳおよびＭＳｎ）を含む質量分光分析に関連する操作と併せて実施されてもよい。イオンの励起は、例えば、衝突誘起解離（ＣＩＤ）に用いられてもよい。
【背景技術】
【０００２】
イオントラップとして作動するイオン処理装置は、質量分光分析、および調査中の試料物質のイオン、特にイオン化された種の操作および制御を必要とするその他の用途に有用である。そのようなイオン処理装置は、電極の三次元（３−Ｄ）または二次元（２−Ｄもしくは「線形」）の配置によって形成されてもよい。３−Ｄイオントラップの場合、電極セットは通常、中心（ｚ）軸に沿って互いに間隔を空けた２つの対向する端部キャップ（エンドキャップ）と、これらの端部キャップの間に対称に位置するリング電極とを含む。リング電極は、ｚ軸に直交する放射（ｒ）軸（径方向軸）上にて径方向に間隔をあけてｚ軸について環状に通過する断面を有する。２−Ｄのイオントラップの場合、電極セットは通常、中心（ｚ）軸について同軸に配置され、ｚ軸の方向に引き延ばされた４つの電極を含む。通常、２−Ｄイオントラップの引き延ばされた各電極は、中心ｚ軸から径方向間隔（ｘまたはｙ）をあけて中心ｚ軸に直交するｘ−ｙ面に位置づけられ、通常、同一セットの他の電極と平行に走る。３−Ｄおよび２−Ｄの双方の場合において、電極の内側表面は通常双曲線状であり、３−Ｄの中心または２−Ｄの中心軸に向かって内側に向いた頂部を伴って、純粋な四重極の電場を形成する。しかしながら、２−Ｄの場合、引き延ばされた電極は、理想的な双曲線の輪郭に近似する円筒状の棒（ロッド）であってもよい。３−Ｄおよび２−Ｄの双方の場合において、電極の得られた配置は、一般に電極の内側表面によって境界付けられる内部空間を規定する。２−Ｄの場合、ｚ軸に沿って電極の寸法を引き延ばした結果、内部空間は、同じ軸に沿って軸方向に引き延ばされたものとなる。
【０００３】
操作において、イオントラップの内部空間に、イオンが導入され、捕捉され、保存され、単離され、断片化され、種々の反応に供されてもよく、検出のために内部空間から排出されてもよい。３−Ｄの場合、３−空間（例えば、円筒座標ｒおよびｚによって分解される）におけるイオンの可動域は、イオントラップの電極構造に３−ＤのＡＣトラップ場電位を加えることによって制御されてもよい。トラップ電圧の駆動周波数は高周波（ＲＦ）のスペクトルに関連する範囲内に入る。２−Ｄの場合、ｘ−ｙ面に沿ったイオンの放射状可動域は、対向する電極の対の間で２−ＤのＡＣ（ＲＦ）トラップ場電位を加えることによって制御されてもよい。さらに、２−Ｄの場合、イオンの軸方向の可動域または中心ｚ軸に沿ったイオンの動きは、電極の軸方向の末端間に軸方向のＤＣバリア電位を加えることによって制御されてもよい。イオントラップの適当な電極間へのＲＦトラップ電圧の印加は、３−Ｄイオントラップの中心または２−Ｄイオントラップの中心軸について対称である四重極電場を生成する。ＲＦトラップ電圧の振幅および周波数は、質量／電荷数（ｍ／ｚ）の比の所望の範囲が３−Ｄの中心または２−Ｄの中心軸のまわりに集中される軌道に制約されるように設定されてもよい。
【０００４】
ＲＦトラップ場に加えて、補助的なまたは補足のＡＣ（ＲＦであってもよい）双極または四重極の励起場が、３−Ｄまたは２−Ｄのイオントラップのいずれかでの対向する少なくとも１対の電極間に加えられて、その電極対の軸に沿って選択されたｍ／ｚ比のイオンの振動の振幅を大きくしてもよい。補足のＡＣ場を加えて、イオンの排出、および衝突活性化解離（ＣＡＤ）とも呼ばれる衝突が誘起する解離（ＣＩＤ）を含む種々の目的のため、イオンの運動エネルギーを高めてもよい。補足のＡＣ場は通常、所与のｍ／ｚ比のイオンが補足のＡＣ場から効率よくエネルギーを吸収するイオントラップ内の共鳴状態を創るように加えられる。共鳴状態は、軸（それに沿って補足のＡＣ電圧が加えられる）の方向でイオンの振動の永年周波数が、加えられた補足のＡＣ電圧の周波数と一致する場合に生じる。補足のＡＣ電圧の周波数は通常、ＲＦトラップ電圧の周波数の約半分以下に設定され、補足のＡＣ電圧の振幅は通常、ＲＦトラップ電圧のわずかな比率に設定される。所与のｍ／ｚ比のイオンの永年周波数はＲＦトラップ電圧の振幅および周波数に依存するので、ＲＦトラップ電圧は、そのイオンを補足のＡＣ場との共鳴に至らせるように調整されてもよい。一例として、駆動周波数１．０５ＭＨｚでＲＦトラップ電圧を３００Ｖに設定してもよく、４８５ｋＨｚの共鳴周波数で補足のＡＣ電圧を３．０Ｖに設定してもよい。次いでＲＦトラップ電圧を走査して、連続するｍ／ｚ比のイオンの各永年周波数を、補足のＡＣ電圧の４８５ｋＨｚの周波数と同等にシフトさせてもよく、それによって質量という点での連続性において異なったイオンが共鳴して励起するようになる。あるいは、イオンの永年周波数を走査して、固定した周波数の補足のＡＣ電圧とうまく調和させる代わりに、ＲＦトラップ電圧を一定に保つ一方で補足のＡＣ電圧の周波数を、共鳴条件が満たされる点にスイープ（掃引）させる。したがって、ＲＦトラップ電圧の振幅もしくは周波数または補足のＡＣ電圧の周波数に傾斜をつける（または走査する）ことによって異なるｍ／ｚ比のイオンが連続して共鳴してもよい。
【０００５】
一般に、より小さい補足のＡＣ電圧の振幅を利用して、ＣＩＤのためにイオンを励起し、それによってイオンの振動の振幅が十分に大きくなってバックグラウンドの気体分子との衝突を引き起こし、その結果イオンをさらに小さい質量種に断片化するまたは解離するが、ＲＦトラップ場によって付与された復元力にイオンが打ち勝って失われる（例えば、電極に衝突するまたはイオントラップから排出することによって）には十分ではない。さらに大きな振幅（しかし、依然としてＲＦトラップ電圧の振幅のわずかな比率）の補足のＡＣ電圧を利用して、イオントラップから共鳴して排出するのに十分なほどイオンを励起する。したがって、高い効率のＣＩＤを達成することは従来、前駆イオンの内部エネルギーが十分に蓄積して解離を起こす一方で前駆イオンの排出および断片化イオンが回避されるように、イオンの運動エネルギーの取り込みの慎重なバランスを必要としていた。
【０００６】
電極セットの内部空間に存在するイオンは、内部空間の中で有効な電場すべてに反応し、それらの動きはその電場すべてによって影響される。これらの電場には、上記のＡＣ（および任意でＤＣ）の場の場合のような電気的手段で意図的に加えられた場、および電極セットの物理的（幾何学的）特徴のために生成される機械的（物理的）な場が含まれる。機械的に生成される場は意図的であってもよく、意図的でなくてもよく、イオントラップの操作様式によって望ましくてもよく、もしくは最適であってもよく、またはそうでなくてもよい。加えられた場および機械的に生成された場の双方は、内部空間にさらされた電極の内部表面の構成（輪郭、形状、特徴など）によって支配される。中心軸に最も近い内部表面上の点、例えば、双曲線状の端部キャップ電極の頂部（３−Ｄの場合）、または双曲線状のリング電極（３−Ｄの場合）もしくは引き延ばされた電極（２−Ｄの場合）の先端の線は、ＲＦトラップ場に対して最大の影響を有するので、ＲＦトラップ場によってイオントラップの内部の３−Ｄの中心または２−Ｄの中心軸の回りの容積に制約されるイオンに対して最大の影響を有する。
【０００７】
理想的な場合では、３−Ｄまたは２−ＤのＲＦトラップ場は純粋に四重極である。純粋な四重極のＲＦトラップ場では、高次の多重極電場は存在せず、所与の座標方向でのイオンの振動の永年周波数は、直交する座標方向での振動の永年周波数とは独立している。イオンの永年周波数はまた、イオンの振動の振幅とも独立している。さらに、理想的な四重極場の強度は、ｘ軸またはｙ軸のいずれかに沿って３−Ｄイオントラップの中心から、または２−Ｄイオントラップの中心軸から離れるとともに線形に増大する。できるだけ理想的な場合に近づくようにアプローチし、多極モーメントによって引き起こされる四重極電場の歪みをできるだけ小さくできるように、多数の従来のイオントラップの電極は双曲線状の形状をとり、互いに間隔を空けられている。純粋な四重極トラップ場の使用は、イオントラップからのイオンの排出を簡略化する。これは、対称性を有する四重極の場合、一成分方向におけるイオンの動きを増やすことが直交する方向におけるイオンの動きに影響しないからである。したがって、補足のＡＣの双極を利用して、３−Ｄ電極構造の対向する端部キャップの軸に沿ったイオンのみ、または２−Ｄ電極構造の対向する１対の引き延ばされた電極の間の軸に沿ったイオンのみを排出してもよい。
【０００８】
他方、多重極場の重ね合わせによって歪められている四重極場から成るトラップ場では、一方向におけるイオンの動きが直交する方向でのイオンの動きに連結されてもよい。さらに、四重極成分およびより高次の多重極成分から成る組み合わせた場におけるイオンの永年周波数は、イオントラップにおけるイオンの位置の関数になる。補足のＡＣ場によって促進された共鳴状態に応答してイオンの振動の振幅が増大するので、高次の多重極の存在は、イオンを共鳴の外にシフトさせ、それによって共鳴励起法の使用を複雑にする。したがって、幾つかの最近開発された技法は、多重極によって可能にされた非線形の共鳴状態を慎重に利用するが、トラップ場における有意な多重極は通常回避される。本開示の譲受人に通例譲渡される、例えば、下記特許文献１を参照のこと。
【０００９】
ＣＩＤを実施するための既知の方法では、ＲＦトラップ電圧が、３−Ｄイオントラップに加えられて、安定なイオンを捕捉する。次いで、単離法を実施することによって、所望の質量以外または質量範囲外のイオンをすべて電極構造から追い出す。次いで選択されたｍ／ｚ比を有する単離されたイオン（前駆イオンまたは親イオン）を分離する。例えば、ｚ軸、すなわち、それに沿って端部キャップが位置し、双極がかけられる軸に沿ったイオンの動きに相当する当該のイオン質量の永年周波数に一致する補足の周波数にて端部キャップに補足のＡＣ双極電圧が加えられてもよい。補足の励起の周波数と永年周波数との一致は、共鳴状態を創り、それによって、当該イオンはエネルギーを効率よく受け取り、バックグラウンドの気体分子と衝突し、それによって生成物イオン（例えば、娘イオン）に断片化される。ＲＦトラップ電圧の操作パラメータは、生成物イオンがイオントラップに保持されるように選択される。次いでＲＦトラップ電圧の振幅が走査され（傾斜がつけられ）、端部キャップの軸（例えば、ｚ軸）に沿ってイオントラップから質量という点で連続的に生成物イオンを排出する。排出された生成物イオンの検出によって質量スペクトルの生成が可能になる。この技法の例は下記特許文献２に記載されている。
【００１０】
この技法での問題の１つは、所与の当該イオンの永年周波数が前もって正確に測定できないことである。したがって、この技法は一貫したＣＩＤ性能を送達することができない。さらに、ＣＩＤに必要とされるエネルギーは断片化される特定の化合物（化学構造）に依存しているので、補足のＡＣ電圧は異なった当該イオンについて個々に最適化される必要がある。
【００１１】
ＣＩＤを実施するための別の方法は、本開示の譲受人に通例譲渡された、下記特許文献３（「‘８２６特許」）に記載されている。‘８２６特許に教示されているように、対象の前駆（親）イオンを単離した後、ＣＩＤ段階の間、低周波数（例えば、５００Ｈｚ）の信号と組み合わせて補足のＡＣ励起電圧を加える。低周波数の信号は、加えられたＲＦトラップ電圧の振幅を変調する。その結果、イオンの永年周波数が、補足の励起周波数と周期的に調和する。この方法で、ＣＩＤに必要とされる正確な補足励起の周波数は分からなくてもよい。しかしながら、補足励起の電圧の振幅は、対象の個々イオンについて最適化される必要がある。
【００１２】
下記特許文献４に記載された、共鳴励起を介してＣＩＤを実施するための別の方法では、イオントラップに加えられる励起電圧の振幅は、特定のイオントラップ機器について断片化されるイオンのｍ／ｚ比に線形の関係を有する。較正工程を採用して、機器ベース当たりで線形の関係を較正する。しかしながら、化学構造が、較正用化合物に基づいて較正を行った際の当該化合物のイオンの化学構造と異なっているのであれば、補足励起の電圧の振幅は依然として対象の個々イオンについて最適化される必要がある。
【００１３】
下記特許文献５に記載された、共鳴励起を介してＣＩＤを実施するための別の方法は、複数の別々の周波数の混合から成る補足の広帯域の波形の振幅に傾斜を付けることによって、特定の実験に必要とされるＣＩＤのエネルギーの化合物依存性に対処する。この方法は、異なった化合物について加えられた波形の振幅の最適化を必要としない。しかしながら、広帯域の波形は、その質量が前駆（親）イオンに近い生成物（娘）イオンを破壊するか、または排出し、結果的に情報を失う。さらに、ＣＩＤの時間は波形の反復サイクルの整数倍であることに制約される。
【００１４】
別の方法は、下記非特許文献１における赤方偏移シフトオフ共鳴大振幅励起（ＲＳＯＲＬＡＥ）と呼ばれる。前駆イオンを単離した後、加えられたＲＦトラップ場の振幅を低レベルから高レベルに１０ｍｓの間にわたって高める「ジャンプ走査」を行う。次いで、前駆イオンの励起に備えてＲＦトラップ場の振幅を突然低レベルに落とす。励起期間の間、前駆イオンは共鳴して励起するのではない。それどころか、大きな振幅（２１Ｖｐ−ｐ）にて、約５％赤方偏移した周波数、すなわち、共鳴周波数の赤方偏移した周波数でＡＣ励起場が加えられる。しかしながら、この方法は、ペプチドイオンについて有望な結果が得られる一方で、広い範囲の異なった化合物および化学構造には好適ではない。
【００１５】
下記特許文献６は、共鳴周波数の代わりに、オフ共鳴周波数を有する補足のＡＣ場を採用することによって、イオントラップからイオンを排出する方法を記載している。オフ共鳴周波数は、共鳴周波数をほぼ一致させることとして述べられる。補足のＡＣ場の振幅を十分に大きい値に設定して、共鳴励起を受けずにイオントラップからイオンを排出させる。しかしながら、この特許は、ＣＩＤを上手く達成するのにオフ共鳴波形をどのように採用すればいいのか教示していないし、またはそれを可能にしていない。さらに、この特許は、どの目的または利点で四重極場と組み合わせた多重極場およびオフ共鳴波形を使用するかを教示していないし、十分に認識させるものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】米国特許第７，０３４，２９３号明細書
【特許文献２】米国特許第４，７３６，１０１号明細書
【特許文献３】米国特許第５，３０２，８２６号明細書
【特許文献４】米国特許第６，１２４，５９１号明細書
【特許文献５】米国特許第６，４１０，９１３号明細書
【特許文献６】米国特許第５，４５１，７８２号明細書
【特許文献７】米国特許第５，２９１，０１７号明細書
【特許文献８】米国特許第５，７１４，７５５号明細書
【特許文献９】米国特許第５，１９８，６６５号明細書
【特許文献１０】米国特許第５，３００，７７２号明細書
【特許文献１１】米国特許第５，５２１，３８０号明細書
【特許文献１２】米国特許第５，７９３，０３８号明細書
【特許文献１３】米国特許第６，７１０，３３６号明細書
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】Quin外、”Matrix-Assisted Laser Desorption Ion Trap Mass Spectrometry: Efficient Isolation and Effective Fragmentation of Peptide Ions, “、Anal. Chem.、１９９６年、６８巻、２１０８〜２１１２ページ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
したがって、イオントラップでイオンを励起する、特にＣＩＤを達成するための改善された方法および装置を提供する必要がある。化学構造にかかわりなく多種多様なイオンについて一貫した反復可能な方法で実施されてもよいＣＩＤ技法を提供することも必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
前述の問題に対処するために、当業者に認識されているかもしれない全部もしくは一部および／または他の問題において、本開示は、以下に述べられる実施態様における実施例として記載されるような方法、プロセス、システム、装置、機器および／またはデバイス（道具）を提供する。
実施態様の１つによれば、イオントラップにおいて前駆イオンを励起するための方法が提供される。前駆イオンは、四重極および多重極の場を含む非線形のトラップ場に捕捉される。高周波（ＲＦ）トラップ電圧を、ＲＦトラップ振幅およびＲＦトラップ周波数で、イオントラップの電極構造に加えることによって四重極場が生成される。補足交流（ＡＣ）電圧は、補足ＡＣ振幅および補足ＡＣ周波数で電極構造に加えられる。補足ＡＣの周波数は、オフセット量だけ前駆イオンの永年周波数とは異なる。イオントラップの複数の操作パラメータの少なくとも１つが、前駆イオンが、補足ＡＣ電圧と共鳴することなく補足ＡＣ電圧から十分なエネルギーを吸収して衝突誘起解離（ＣＩＤ）するように調整される。操作パラメータには、ＲＦトラップ振幅、ＲＦトラップ周波数、補足ＡＣ振幅および補足ＡＣ周波数が挙げられてもよい。
【００２０】
別の実施態様によれば、前駆イオンについて衝突誘起解離（ＣＩＤ）を行うためのイオントラップが提供される。イオントラップは内部空間を規定する複数の電極を含む。イオントラップはさらに、高周波（ＲＦ）トラップの電圧を、ＲＦトラップ振幅およびＲＦトラップ周波数で、電極構造に加えて、四重極トラップ場を生成するように構成された第１の回路と、非線形のトラップ場を生成するために、四重極トラップ場に多重極場を重ね合わせる装置と、補足交流（ＡＣ）の電圧を、補足ＡＣ振幅および補足ＡＣ周波数で、電極構造に加えるように構成された第２の回路と、イオントラップの複数の操作パラメータの少なくとも１つを調整するように構成された第３の回路とを含む。補足ＡＣ周波数は、オフセット量だけ前駆イオンの永年周波数とは異なる。操作パラメータの少なくとも１つを調整する際、イオンが、補足ＡＣ電圧と共鳴することなく補足ＡＣ電圧から十分なエネルギーを吸収してＣＩＤを受ける。操作パラメータには、ＲＦトラップ振幅、ＲＦトラップ周波数、補足ＡＣ振幅および補足ＡＣ周波数が挙げられてもよい。
【００２１】
本発明のその他のデバイス、装置、システム、方法、特徴および利点は、以下の図面および詳細な説明の審査の際、当業者に明らかである、または明らかになるであろう。そのような追加のシステム、方法、特徴および利点はすべて本説明の中に含められ、本発明の範囲内であり、添付の特許請求の範囲によって保護されることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明が実施される操作環境の実施例である質量分光分析システムの実施例の模式図である。
【図２】本発明が実施されるイオントラップに提供されてもよい三次元（３−Ｄ）構造の電極構造の実施例の断面図である。
【図３】本発明が実施されるイオントラップに提供されてもよい二次元（２−Ｄ）構造の電極構造の実施例の断面図である。
【図４】本開示で記載される実施態様に従って加えられてもよい信号の時間系列の実施例を説明する信号の説明図である。
【図５】本開示で記載される実施態様に係る方法を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図面を参照して本発明をさらに良好に理解することができる。図中の構成要件は必ずしも共通の尺度を持つわけではなく、代わりに本発明の原理を説明する際、強調されている。図中、同様の参照符号は、異なった図を通して相当する部分を示す。
本開示で提供される主題は一般に、イオンを操作する、処理する、または制御するために採用される装置に提供される種類の電極および電極の配置に関する。電極の配置を利用して種々の機能を実施してもよい。非限定例として、中性分子をイオン化するためのチャンバー；イオンの焦点合わせ、ゲートおよび／または輸送のためのレンズまたはイオンガイド；イオンを冷却するまたは温めるための装置；イオンのトラップ、保存および／または排出のための装置；所望ではないイオンから所望のイオンを単離する装置；質量分析機またはソーター；質量フィルタ；直列または複数の質量分光分析（ＭＳ／ＭＳまたはＭＳｎ）を行うためのステージ；前駆イオンを断片化または解離するための衝突セル；連続ビーム、順次アナライザ、パルスまたは時系列ベースのいずれかでのイオンを処理するためのステージ；イオンサイクロトロンセルならびに異なった極性のイオンを分離するための装置として、電極の配置を利用してもよい。しかしながら、本開示で記載される電極および電極の配置の種々の適用は、これらの種類の手順、装置およびシステムに限定されない。電極および電極の配置の実施例と装置および方法における関連する実施態様とは、図１〜図５を参照して以下でさらに詳細に説明する。
【００２４】
図１は、イオントラップに基づいた質量分光分析（ＭＳ）システム１００の実施例の高度に一般化し、簡略化した模式図である。図１で説明されるＭＳシステム１００は、本開示で記載される実施態様が適用可能である操作環境の一実施例にすぎない。本開示で記載される実施態様における利用から離れて、図１に描かれた種々の構成要件または機能は一般に既知なので、手短な要約しか必要としない。
【００２５】
ＭＳシステム１００は、一般に上述され、図２および図３を参照して以下でさらに説明される三次元（３−Ｄ）または二次元（２−Ｄまたは「線形」）のいずれかの配置で構成される複数の電極構造を含んでもよいイオントラップ１０２のような処理装置を含む。種々のＤＣおよびＡＣの電圧源は、本開示のどこかに記載されるようにイオントラップ１０２の種々の導電性の構成要素と動作可能に接続してもよい。これらの電圧源は、ＤＣ信号発生器１１２、ＲＦトラップ場信号発生器１１４および補足ＡＣ場信号発生器１１６を含んでもよい。補足ＡＣ場発生器１１６を利用して、例えば、以下に記載されるように、オフ共鳴の補足波形信号を加えてもよい。１以上の種類の電圧源または単一の発生器が必要に応じて提供されて、所望の方法でイオントラップ１０２を操作してもよい。例えば、補足ＡＣ場発生器１１６は、単一周波数の補足ＡＣ信号を、イオントラップ１０２に加える固定周波数発生器を表してもよく、さらに、広帯域の波形または周波数の集合を有する補足ＡＣ信号をイオントラップ１０２に加える別個の複数周波数発生器を表すものであってもよい。例えば、単離波形、ＣＩＤの波形および／または排出波形を加えるような種々の目的で任意の波形発生器を採用してもよい。１つ以上の補足ＡＣ場発生器１１６が必要に応じて提供されて、例えば、単離、ＣＩＤ、分析走査および多重極の生成のような種々の機能を実行してもよい。さらに一般に１つ以上の信号「源」または「発生器」が、その機能を実行するために必要に応じて、ハードウエア、ファームウエア、アナログおよび／もしくはデジタルの回路、ならびに／またはソフトウエアを含んでもよい。さらに、ライブラリに保存されてもよい予備計算した信号を提供するための適当なメモリおよびその他の回路および構成要素で、１つ以上の信号「源」または「発生器」が置き換えられてもよい。特にイオントラップ１０２がイオントラップ１０２のｑ軸（ａ＝０）に沿って操作するように構成される場合、ＤＣ信号発生器１１２は必要とされないことが多いことがさらに理解されるであろう。
【００２６】
試料またはイオン源１２２がイオントラップ１０２と相互作用して、内部イオン化または外部イオン化のいずれかによってイオントラップ１０２内にイオンを提供する。例えば、内部イオン化の場合、試料またはイオン源１２２は、イオン化されるべき試料材料をイオントラップ１０２に導入し、イオントラップ１０２で試料材料をイオン化するために好適なイオン化法（例えば、ＥＩ、ＣＩ、ＡＰＩなど）を実施する１つ以上の装置を表すものであってもよい。あるいは、外部イオン化の場合、試料またはイオン源１２２は、試料材料をイオン化し、得られたイオンをイオントラップ１０２に導入する１つ以上の装置を表すものであってもよい。１つ以上の気体源（図示せず）は、必要に応じて不活性のバックグランド気体または活性のある試薬気体を導入するためにイオントラップ１０２と連通していてもよい。イオントラップ１０２は、質量分析のために排出したイオンを検出するための１つ以上の検出器１３２と連通していてもよい。イオン検出器１３２は、イオン検出器１３２からの出力信号を受け取るための検出後信号プロセッサ１３４と連通していてもよい。検出後信号プロセッサ１３４は、必要に応じて出力データを取得し、質量スペクトルを生成するための信号処理機能、例えば、増幅、加算、保存などを実行するための種々の回路および構成要素を表すものであってもよい。
【００２７】
図１にて信号のラインで説明されるように、ＭＳシステム１００の種々の構成要素および機能的実体は、好適な電子コントローラ１４２と通信し、それによって制御されている。電子コントローラ１４２は、１つ以上のコンピュータの装置または電子処理装置を表していてもよく、その機能を実行するために必要に応じてハードウエア、ファームウエア、アナログおよび／もしくはデジタルの回路、ならびに／またはソフトウエアの属性を含んでもよい。実施例として、電子コントローラ１４２は、ＤＣ信号発生器１１２、ＲＦトラップ場信号発生器１１４および補足ＡＣ信号発生器１１６によって、操作パラメータとイオントラップ１０２に供給される信号のタイミングとを制御してもよい。さらに、電子コントローラ１４２は、本開示に記載される方法の１つ以上の工程を全体的にまたは部分的に実行してもよく、または制御してもよい。
【００２８】
図２は、図１で説明されたイオントラップ１０２のような、イオンを操作するまたは処理するのに利用されてもよい３−Ｄ構造の電極構造（またはセット、配置、システム、装置または組立品）２００の実施例を説明する。参照の目的で、図２はｒ−ｚ面における電極構造２００の断面を示す。３−Ｄ構造の場合、説明の目的で、ｚ軸に沿った方向または向きを軸方向であると言い、直交するｒ軸に沿った方向または向きを径方向または横軸であると言う。
【００２９】
３−Ｄの電極構造２００は、複数の電極、すなわち、環状のリング電極２０４および２つの端部キャップ電極２０８および２１２を含む。図２で説明される実施例は、改変されて以下に記載されるような多重極を創る場合を除いて、その他の四重極イオン処理装置と同様に３−Ｄイオントラップ用の典型的な四重極電極配置である。電極２０４、２０８および２１２は、その形状がｚ軸について掃引されるという理解とともに断面で示されている。電極構造２００の中で所望の電場を生成するために必要とされるとき、各電極２０４、２０８および２１２は、１つ以上のその他の電極２０４、２０８および２１２と電気的に相互に相互接続されている。電極２０４、２０８および２１２は、一般に電極構造２００の機械的なまたは幾何的な中心２２８に向いた各内側表面２１６、２２０および２２４を含む。電極構造２００は、電極２０４、２０８および２１２の間で一般に規定される内側空間またはチャンバー２３２を有する。電極２０４、２０８および２１２の各内側表面２１６、２２０および２２４は一般に内側空間２３２に向くので、実際には、内側空間２３２に存在するイオンにさらされている。
【００３０】
電極２０４、２０８および２１２は、電極構造２００の中心２２８からｒ−ｚ面にて特定されたある距離で位置決めされる。具体的には、リング電極２０８は中心２２８から放射状の距離ｒ０に位置し、端部キャップ電極２０８および２１２は、それぞれ中心２２８から軸方向の距離ｚ０に位置する。通例採用されるトラップの構造では、ｒ０＝（２１／２）ｚ０またはｒ０２＝２ｚ０２である。他の実施態様では、端部キャップ電極２０８および２１２の軸方向位置ｚ０は、互いに故意に異なるようにされており（例えば、電極２０８または２１２の一方が電極２１２または２０８の他方よりも中心からはるか遠くに位置する）、および／または特定の種類の電場効果を導入する、もしくは他の望ましくない場の効果を補正するような目的でｒ０２＝２ｚ０２を逸脱するようにされている（例えば、「引き離し」構成）。例えば、電極２０４、２０８および２１２の配置は、引き離されてもよく、またはさもなければ、改変されて、電極２０４、２０８および２１２によって生成される四重極トラップ場により高次の多重極場を重ね合わせてもよい。
【００３１】
各電極２０４、２０８および２１２は、外側表面を有し、外側表面の少なくとも一部分がカーブしている。本実施例では、各電極２０４、２０８および２１２のｒ−ｚ面での断面の輪郭、または内部表面２１６、２２０および２２４の少なくとも形状がカーブしている。一部の実施態様では、ｒ−ｚ面での各断面の輪郭は、一般に双曲線状で、四重極イオントラップ場の利用を円滑にする。なぜなら、双曲線の輪郭は、おおよそ、四重極場に情報を与える等電位線の輪郭に整合するからである。双曲線の輪郭は完全な双曲線に合ってもよいし、完全な双曲線から幾分逸脱してもよい。他の実施態様では、電極２０４、２０８および２１２の各断面の輪郭は、非理想的な双曲線形状、例えば、大体双曲線形状または円形形状であってもよい。用語「一般に双曲線状」および「カーブしている」は、そのような実施態様すべてを包含することを意図している。一部の実施態様では、理想的な双曲線からの逸脱を行って所望の方法で場の効果を改変し、例えば、上記で言及したように四重極トラップ場に、より高次の多重極場を重ね合わせる。
【００３２】
例えば、試料またはイオンの注入、気体の注入、軸方向のイオンの排出などのような機能を容易にするために、１つ以上の開口部を１つ以上の電極２０４、２０８および２１２に形成してもよい。図２で説明される具体的な実施例では、各開口部２４２および２４６が端部キャップ２０８および２１２に形成されて、好適な不安定さに基づく排出法または共鳴に基づく排出法の適用に応答したｚ軸に沿った方向での排出を容易にする。例えば、補足のＡＣの双極場は、端部キャップ２０８および２１２の間に生成されて、開口部２４２および２４６の方向でイオンを排出させてもよい。実際に、好適なイオン検出器（図示せず）を、開口部２４２および２４６の少なくとも１つと整列するように配置して、排出されたイオンの流れを測定する。内部空間２３２において生成される電場の対称の所望の程度を維持するために、たった１つのイオン検出器しか提供されないとしても、たった１つの開口部の代わりに２つの対向する開口部２４２および２４６が設けられることが所望されるかもしれない。同様に、開口部は、電極２０４、２０８および２１２のすべてに形成されていてもよい。一部の実施態様では、例えば、それぞれ、本開示の譲受人に通例譲渡された、上記特許文献７、上記特許文献８および上記特許文献１に記載されるように、電圧信号の適当な重ね合わせおよびその他の操作条件を提供することによって、イオンは、単一の開口部を通って単一の方向で優先的に排出されてもよい。
【００３３】
図３に、図１で説明されたイオントラップ１０２のような、イオンを操作するまたは処理するのに利用されてもよい２−Ｄ構造の電極構造（またはセット、配置、システム、装置または組立品）３００の実施例を示す。図３はまた、図３がｘ−ｙ面内の電極構造３００の断面を示すように参照目的でデカルト（ｘ、ｙ、ｚ）座標を含む。２−Ｄ構造の場合、記述上、ｚ軸に沿った方向または向きを軸方向であると言い、直交するｘ軸およびｙ軸に沿った方向または向きを径方向または横軸であると言う。
【００３４】
２−Ｄの電極構造３００は、複数の電極３０２、３０４、３０６および３０８を含む。２−Ｄの配置の場合、電極３０２、３０４、３０６および３０８は、ｚ軸に沿って引き伸ばされた４つの別々の電極を表現する。すなわち、電極３０２、３０４、３０６および３０８のそれぞれは、ｚ方向と一般に平行な方向に延びる優勢な細長い寸法（例えば、長さ）を有する。別の実施態様では、４つの電極３０２、３０４、３０６および３０８以外の電極が提供されてもよい。図３で説明される実施例は、改変されて以下に記載されるような多重極を創る場合を除いて、その他の四重極イオン処理装置と同様に２−Ｄイオントラップ用の典型的な四重極電極配置である。各電極３０２、３０４、３０６および３０８は、電極構造３００の中で所望の電場を生成するために必要とされる１つ以上の他の電極３０２、３０４、３０６および３０８と互いに電気的に相互接続されている。電極３０２、３０４、３０６および３０８は、電極構造３００の中心ｚ軸に一般に向いた各内部表面３１２、３１４、３１６および３１８を含む。電極構造３００は、一般に電極３０２、３０４、３０６および３０８の間で規定される内部空間またはチャンバー３３２を有する。２−Ｄ配置の場合、ｚ軸に沿って電極３０２、３０４、３０６および３０８が引き伸ばされた結果として、内部空間３３２は、当該軸に沿って引き伸ばされたものとなる。電極３０２、３０４、３０６および３０８の内部表面３１２、３１４、３１６および３１８は、一般に内部空間３３２を向くので、実際は内部空間３３２に存在するイオンにさらされる。
【００３５】
電極３０２、３０４、３０６および３０８は、電極構造３００またはその内部空間３３２の中心長手軸３２８まわりに同軸的に位置する。多数の実施態様において、中心軸３２８は、電極構造３００の幾何的中心に一致し、本実施例では、ｚ軸であるとみなされる。各電極３０２、３０４、３０６および３０８は、中心軸３２８からｘ−ｙ面内で径方向のある距離ｒ０に位置する。一部の実施態様では、中心軸３２８に対する電極３０２、３０４、３０６および３０８の各径方向位置は等しい。他の実施態様では、１つ以上の電極３０２、３０４、３０６および３０８の径方向位置は、特定の種類の電場効果を導入する、例えば、上述のように四重極トラップ場の上に高次の多重極場を重ね合わせる、または他の望ましくない電場効果を補正するような目的で、他の電極３０２、３０４、３０６および３０８の径方向位置とは意図的に異なるようにされている。
【００３６】
各電極３０２、３０４、３０６および３０８のｘ−ｙ面における断面の輪郭、または内部表面３１２、３１４、３１６および３１８の少なくとも形状は、カーブしている、または一般に、上述の３−Ｄの場合のように双曲線状である。上記で言及したように、完全な双曲線からの逸脱を意図的に行って、所望の方法で場の効果を改変し、例えば、四重極トラップ場の上に高次の多重極場を重ね合わせてもよい。一部の実施態様では、電極３０２、３０４、３０６および３０８の断面の輪郭は、幾分非理想的な双曲線形状、例えば、円であってもよく、その場合、電極３０２、３０４、３０６および３０８は、円筒状の棒として特徴づけられてもよい。さらに他の実施態様では、電極３０２、３０４、３０６および３０８の断面の輪郭は、さらに直線的（直線で囲まれたようなもの）であってもよく、その場合、電極３０２、３０４、３０６および３０８は、カーブした板として特徴づけられてもよい。そのような実施態様のすべてにおいて、各電極３０２、３０４、３０６および３０８は、電極構造３００の内部空間３３２を向いた各頂部３４２、３４４、３４６および３４８を有するものとして特徴づけられてもよい。
【００３７】
例えば、試料またはイオンの注入、気体の注入、径方向のイオンの排出などのような機能を容易にするために、上述の３−Ｄの場合のように、１つ以上の開口部３５２を１つ以上の電極３０２、３０４、３０６および３０８に形成してもよい。開口部３５２はｚ軸に沿って引き延ばされたものであってもよく、その場合、開口部３５２は、電極構造３００の引き延ばされた内部空間３３２内に生成され引き延ばされたイオン占有空間のためのスロットまたはスリットして特徴づけられてもよい。一部の実施態様では、上述のように、電圧信号の適当な重ね合わせおよびその他の操作条件を提供することによって、イオンは、単一の開口部を通って単一の方向に優先的に排出されてもよい。あるいは、既知の技法によって、２−Ｄ電極構造３００の端部の一方から、イオンが軸方向に排出されてもよい。
【００３８】
別の実施態様では、２−Ｄ電極構造３００は、上述のように２−Ｄまたは「直線」的な電極の配置を有するが、カーブする。すなわち、中心軸３２８と電極３０２、３０４、３０６および３０８とがカーブする。図３の断面図は同様にこの実施態様を表す。
便宜上、以下の説明は、特定されない限り、説明が同様に図３に示される２−Ｄの電極構造３００に同様に加えられるという理解と共に、図２に示される３−Ｄの電極構造２００を主として参照する。
【００３９】
一般に、電極構造２００は、外部イオン化の場合、イオンを受け取って、または内部イオン化もしくはトラップ時イオン化の場合、イオン化される中性の分子または原子を受け取って、好適な方法でかつ好適な入口位置を介して内部空間２３２に入れることが可能である。外部イオン化による内部空間２３２へのイオンの導入、および内部イオン化による内部空間２３２でのイオンの生成は、一般に内部空間２３２にイオンを「提供する」と言う。イオンを「提供すること」はまた、断片化または解離の過程での前駆イオンからの生成物イオンのトラップ時生成と言う。
【００４０】
電極構造２００の操作において、種々の電圧信号が１つ以上の電極２０４、２０８および２１２に加えられて、イオンの処理および操作に関連する異なった目的で、内部空間２３２にて種々の軸方向に、および／または径方向に向いた電場を生成する。この電場は、種々の機能、例えば、内部空間２３２にイオンを注入すること、内部空間２３２にてイオンを捕捉し、ある時間イオンを保存すること、内部空間２３２から質量選択的にイオンを排出して質量スペクトル情報を生成すること、不所望のイオンを内部空間２３２から排出することによって内部空間２３２にて選択されたイオンを単離すること、直列質量分光分析の一部として内部空間２３２でのイオンの解離を促進することなどに役立つ。
【００４１】
適当な振幅および周波数のＲＦ電圧信号を電極２０４、２０８および２１２に加えて主要なＲＦ四重極トラップ場を生成し、中心軸または機械的中心に対して放射状の方向（径方向）に沿って質量対電荷数の比（ｍ／ｚ比、または単に「質量」）の範囲の安定な（捕捉可能な）イオンの動きを制約する。トラップ場の電位φ０は、一般式φ０＝Ｕ−Ｖｃｏｓ（Ωｔ）で表されてもよく、式中、Ｕは任意の直流（ＤＣ）電圧であり、Ｖは周期的電圧の振幅であり、Ωは周期的電圧のｒａｄ／ｓにおける周波数である。角周波数Ωは関係Ω＝２πｆに従ってＨｚにおける周波数ｆに変換できる。例えば、３−Ｄ構造の場合（図２）、３−Ｄ（ｒ−ｚ）のＲＦ四重極トラップ場は、ＲＦトラップ場の電位φ０をリング電極２０４に加えることによって生成されてもよい。電位φ０をリング電極２０４に加える一方で、電位φ０を端部キャップ２０８および２１２に加えてもよく、端部キャップ２０８および２１２はアース（接地）されてもよい。あるいは、ＲＦ成分Ｖｃｏｓ（Ωｔ）をリング電極２０４に加え、ＤＣ成分Ｕを端部キャップ２０８および２１２双方に加える。２−Ｄの構造（図３）の場合、２−Ｄ（ｘ−ｙ）のＲＦ四重極トラップ場は、同じ一般式Ｖ（ｔ）＝±（Ｕ−Ｖｃｏｓ（Ωｔ））のＲＦ信号を対向する一対のｙ−電極３０２および３０４に加え、同時に第１のＲＦ信号と同じ振幅および周波数であるが、第１のＲＦ信号と１８０°位相が異なるＲＦ信号を対向する一対のｘ−電極３０６および３０８に加えることによって生成されてもよい。２−Ｄの場合、２−ＤのＲＦ四重極トラップ場とＤＣの軸方向（ｚ）のバリア場との組み合わせが、電極構造３００において基本的な線形のイオントラップを形成する。
【００４２】
ＲＦ四重極トラップ場におけるイオンの動きは、マシューの方程式によって記載されてもよく、それは周知の二次線形微分方程式である。マシューの方程式に対する解ａおよびｑは、イオントラップのイオンの操作点または作動点として知られる。３−Ｄおよび２−Ｄの双方の構造について、および方向ｕ（ｘ，ｙもしくはｚ，またはｒもしくはｚ）について一般化されて、解ａおよびｑは、以下のように表されてもよい。
【００４３】
【数１】
【００４４】
および
【００４５】
【数２】
【００４６】
式中、Ｕは、加えられた直流（ＤＣ）の電圧（もしも存在するのであれば）の大きさであり、Ｖは、加えられたＲＦ電圧の振幅であり、Ωは、ＲＦ電圧の角周波数であり、ｅ（またはｚ）は、イオンの電荷であり、ｍはイオンの質量であり、ｒ０、ＫａおよびＫｑは装置に依存した定数である。ＤＣ電圧が加えられない実施態様では、ａｕ＝０である。ａおよびｑに対する方程式の特定の形態は、例えば、対象の方向（ｘ，ｙ，ｚ，ｒ）、イオントラップ（３−Ｄまたは２−Ｄ）の構造、対向する電極表面間の間隔、トラップ電圧が加えられる電極などのような因子に依存する。特定の形態は当業者に既知であるので、本開示では繰り返さない。本開示で一般に関心があるのは、イオンについてのｑｕの値が、イオンのｍ／ｚ（またはｍ／ｅ）比、加えられたＲＦトラップ場の振幅Ｖおよび加えられたＲＦトラップ場の周波数Ωの関数であるという事実である。イオンの操作点（ａ，ｑ）は、所与のイオントラップについて、（横ｑ軸および縦ａ軸を有する）安定性ダイアグラム上に位置して、イオンが安定な領域内にあってその動きが安定であるかどうか（すなわち、その軌道が電極に達していない）を決定することができる。
【００４７】
ＲＦ四重極トラップ場によって付与される力の成分は、典型的には、電極構造２００の内部空間２３２の幾何学中心２２８で最小なので（電気的四重極は幾何学中心２２８を対称の中心に置くと想定して）、四重極の操作パラメータの範囲内で安定であるｍ／ｚ比を有するイオンはすべて、イオンが占有する空間内またはイオンの位置が一般に中心２２８の周りに（または２−Ｄの場合、中心軸３２８に沿って）分布するクラウドの範囲内の動きに制約される。したがって、このイオンが占有する空間は、内部空間２３２の全容積よりもはるかに小さくてもよく、２−Ｄの場合、構造は中心軸３２８に沿って引き延ばされていてもよい。多数の実施態様において、望ましくない電場不良の影響を低減すること、質量の分解能および感度を改善することなどのような目的で、イオンを冷却するまたは熱化する周知の方法によって、さらにイオンが占有する空間のサイズを小さくしてもよい。イオンを冷却する方法は、好適な不活性のバックグランド気体（制動気体、冷却気体または緩衝気体とも呼ばれる）を内部空間２０２に導入することを必要とする。イオンと気体分子との衝突によってイオンに運動エネルギーを放棄させるので、それらの暴走を制動する。好適なバックグランド気体の例として、水素、ヘリウム、窒素、キセノンおよびアルゴンが挙げられるが、これらに限定されない。電極構造２００の好適な開口部または電極構造２００のエンクロージャに連通する好適な気体源がこの目的で提供されてもよい。例えば、気体源３６２は図３に示されるように位置してもよい。
【００４８】
ＤＣ（もしも存在するのであれば）および主要なＲＦトラップ信号に加えて、適当な振幅および周波数（従来の実施態様では双方とも、通常、主要なＲＦトラップ信号より小さい）の追加のＡＣ電圧信号を、対向する端部キャップ電極２０８および２１２（または２−Ｄの場合、電極対３０２／３０４または３０６／３０８）に加えて、補足のＡＣ双極励起場を生成してもよく、その周波数はＲＦスペクトルの範囲内に入ってもよい。補足のＡＣ場を加えてもよい一方で、主要なＲＦトラップ場を加え、得られる場の重ね合わせは、組み合わせ場または複合場として特徴付けられる。あるいは、補足のＡＣ四重極励起場は、当業者によって十分に理解されているように加えられてもよい。
【００４９】
従来、補足のＡＣ場を利用して、選択されたｍ／ｚ比の捕捉されたイオンを共鳴して励起している。通常、補足のＡＣ電圧の周波数は、ＲＦトラップ電圧の周波数（通常１．０５ＭＨｚ程度）の半分より小さく設定される。捕捉された各イオンは、その質量（ｍ／ｚ比）、電極構造２００または３００の物理的特徴（通常固定されている）、ならびにＲＦトラップ電圧の振幅および周波数（その値は電子機器によって変化させることができる）に依存する振動の永年周波数を有する。イオンの基本的な永年周波数ωｓｅｃは、周知の関係ωｓｅｃ＝１／２βｕΩに従ってＲＦトラップ電圧の周波数Ωの関数であり、その際、βｕは言い換えれば、対象の方向ｕ（ｘ，ｙ，ｚまたはｒ）についてのマシューの操作パラメータａおよびｑの関数である。βに関する種々の方程式および近似式が文献に存在するが、以下は、ａ＜＜ｑかつｑ＜０．４のとき適度に正確である。
【００５０】
【数３】
【００５１】
イオンの永年周波数が補足のＡＣ電圧の周波数と一致すると、イオンは補足のＡＣ電場から効率的にエネルギーを吸収し、その結果、その永年周波数と関連する成分の方向でイオンの振動の振幅が大きくなる。したがって、捕捉されたイオンの共鳴励起を用いて衝突誘起解離（ＣＩＤ）または試薬気体とのイオン分子のその他の相互作用または反応を促進してもよく、または容易にしてもよい。さらに、励起場の成分の強度（振幅）は、イオン振動の増大率を決定し、選択された質量のイオンがＲＦトラップ場によって付与される復元力に打ち勝つのを可能にするように、ならびに排除、イオン単離、または質量選択性の走査および検出のために、電極構造２００から排出されるのを可能にするように、当該強度は十分に高く調整されてもよい。したがって、一部の実施態様では、中心２２８に直交する方向に沿って、例えば、ｚ軸の方向（それに沿って端部キャップ電極２０８および２１２が配置される）で内部空間２３２からイオンが排出されてもよい。上述のように、排出されたイオンは１つ以上の開口部２４２および２４６を通過し、適宜配置されたイオン検出器に到達し、排出されたイオンの流れを測定する。同様に、２−Ｄの電極構造３００の場合、補足のＡＣ双極が加えられるｙ−電極３０２／３０４またはｘ−電極３０６／３０８の対向する対の方向でイオンが排出されてもよい。
【００５２】
当業者によって十分に理解されているように、イオンの永年周波数はそのｍ／ｚ比に依存し、ＲＦトラップ電圧の振幅または周波数を変える（走査するまたは傾斜をつける）ことによって変化させてもよいので、ＲＦトラップ電圧を制御して質量が連続するように、すなわち、質量選択性の方法で、異なったｍ／ｚ比のイオンを共鳴して励起してもよい。例えば、ＲＦトラップ電圧の振幅を大きくすることは、所与のｍ／ｚ比のイオンの永年周波数を増やす。ＲＦトラップ電圧は傾斜をつけられるので、異なったｍ／ｚ比のイオンが連続的に、加えられた補足のＡＣ励起場との共鳴に至る。したがって、例えば、補足のＡＣ励起場を固定した周波数に維持する一方で、ＲＦトラップ電圧の振幅に傾斜をつけることによって、質量選択性を基にして共鳴励起によるイオンの排出を実行してもよい。あるいは、ＲＦトラップ電圧の周波数またはＡＣ励起電圧の周波数に傾斜をつけて、質量という点での共鳴励起を達成してもよい。
【００５３】
さらに、ＣＩＤプロセスを含む特定の実験は、選択されたｍ／ｚ比（単数）または比（複数）の所望のイオンが、さらなる試験または手順のために電極構造２００に保持され、他のｍ／ｚ比を有する残りの不所望のイオンが、電極構造２００から除かれることを必要としてもよい。所望のイオンを所望でないイオンから単離する好適な技法が実施されてもよい。特に、共鳴励起による排出は、イオンの単離を実行するのにも有用である。例えば、補足のＡＣ励起信号を対向する電極２０８および２１２の対に加え、電極２０８および２１２の軸に沿った共鳴励起によって、選択されたｍ／ｚ比の不所望のイオンをトラップ場から排出してもよい。イオンの単離に採用される技法の例には、単一周波数信号の使用（走査されたＲＦトラップ信号と組み合わせて）、誂えた励起波形の使用、ノッチでフィルタをかけたノイズ波形の使用、広帯域波形の使用、個々の周波数の集まり、多重周波数照射（ＭＦＩ）、および当業者に既知のその他のものが挙げられるが、これらに限定されない。その他の例は、それぞれ、本開示の譲受人に共通に譲渡された上記特許文献９〜１３に記載されている。
【００５４】
上記のような従来の共鳴励起法および特にＣＩＤ法とは対照的に、本発明は、以下に記載するように、オフ共鳴ＣＩＤ補足ＡＣ波形信号により前駆（または親）イオンを励起することによってＣＩＤを達成する。さらに、四重極場に１つ以上の高次の多重極場を故意に重ね合わせることによって確立した非線形のトラップ場にオフ共鳴波形を加える。制動気体の存在下、補足のＡＣ場を加える前に、四重極トラップ場に安定して捕捉されたイオンについては、イオンを振動させる運動エネルギーが、ゼロと、イオンの平均運動エネルギーが同様に時間と共に低下するように時間と共に低下する最大値との間で変化する。補足のＡＣ場を加えると、イオンの振動（加えられた補足のＡＣ場の軸に沿うもの）の振幅が、したがって、イオンの運動エネルギーが時間と共に増大する。ＡＣ信号からのエネルギーが、制動気体との熱を生じる衝突によるイオンの並進運動エネルギーおよび内部エネルギーの低下よりも大きい比率で加えられるほどＡＣ信号の振幅が十分大きいなら、補足のＡＣ場の適用は、結果として断片化や排出を生じる。以下で明らかになるであろうように、さらに長い時間イオンを励起でき、それによって排出または損失よりもイオンの断片化を促進するだけでなく、化学構造に大きく存在しない非共鳴の体制で断片化を可能にする方法にて、非線形のトラップ場におけるオフ共鳴ＣＩＤ補足ＡＣ場の適用は、イオンの挙動を修正する。
【００５５】
純粋な（または理想的なまたは「線形の」）トラップ場では、四重極だけが存在し、すなわち、他に有意な多極モーメントは存在せず、復元力は四重極場の中心からのイオンの変位の線形の関数である。すなわち、ＲＦ場の強度は中心から距離が離れると共に線形に増大する。さらに、純粋なトラップ場におけるイオンの永年周波数は、中心に対するイオンの位置に存在しない。ここで、純粋なトラップ場を記載するのに使用される用語「線形」は、２−Ｄのイオントラップ構造を記載するのに使用される用語「線形（直線的）」と混同すべきではないことに留意されたい。本発明の実施態様は、非線形のトラップ場の「線形」のイオントラップ、すなわち、２−Ｄ構造を有するイオントラップへの適用を含む。
【００５６】
純粋な四重極トラップ場とは対照的に、本発明で採用される非線形のトラップ場では、１つ以上の高次の多重極場が四重極場に加えられる。非線形のトラップ場では、復元力とイオンの位置との関係は線形ではなく、イオンの永年周波数は、トラップパラメータがすべて一定に保持されるなら、その位置の関数である。一般に、本発明によれば、多重極場、または四重極場に重ねあわされた場の種類は限定されない。多重極場は、例えば六重極場または十重極場のような奇数次の場（奇数の極対を有する）であってもよく、それが、四重極場に非対称の歪みを生じる。あるいは、多重極場は、例えば八重極場または十二重極場のような偶数次の場（偶数の極対を有する）であってもよく、それが、四重極場に対称の歪みを生じる。
【００５７】
イオンの永年周波数とその位置との特定の関係は、多重極の符号および大きさ（強度）を含む、存在する多重極場の種類に依存する。例えば、四重極トラップ場と同じ符号の六重極場または八重極場を四重極トラップ場に加えると、イオンの振動の振幅が大きくなるにつれてイオンの永年周波数は増加する。イオンの動きの振幅が大きくなると共に永年周波数が低下するように、多重極場の他の種類または向きが選択されてもよい。
【００５８】
多重極場または本発明の実施態様で生成した場を、好適な機械的または電気的な手段によって四重極場に重ね合わせてもよい。多重極場を機械的に創るための技法の一部の実施例には、上述したもののようなイオントラップの理想的な電極構造に対する物理的な（幾何学的な、空間的な等）改変が挙げられる。電極の形状もしくは大きさおよび／または他の電極に対するその位置を改変してもよい。例えば、１つ以上の電極を、理想的な双曲線の輪郭から逸脱する様式で形作り、四重極場に六重極および／または八重極を加えてもよい。例えば、電極の形状は、理想的な双曲線または双曲面と比較してさらに「鈍く」ても、または「鋭く」てもよい。さらに、電極の形状は、電極の断面をイオントラップの座標軸に対して非対称にするように改変してもよい。例えば、図２における上の端部キャップ電極２０８の断面形状が、ｚ軸について回転対称であり、すなわち、ｚ軸の左側で電極２０８の半分がｚ軸の右側での別の半分の鏡像に見える。同様に、図３における上のｙ−電極３０２の断面形状がｙ軸について対称である。所望の「鈍い」または「鋭い」変更を行った後でさえ、この対称は保持されているかもしれない。他方、多重極の歪みは、断面の半分が断面の他方の半分と比べて異なって成形されて、その各軸に対して非対称に成形される電極２０８および３０２のような電極によっても形成されてもよい。
【００５９】
あるいは、電極の形状における逸脱は、局限されてもよく、さもなければ、電極の残りの部分に関して特有なものであってもよい。例えば、隆起または膨らみが１つ以上の電極の表面から突き出してもよい。そのような隆起または膨らみは、１つ以上の電極の頂部領域で提供されてもよく、電極の開口部に近接していてもよい。機械的に多重極を創作する別の実施例では、対向する対の電極または端部キャップ電極の位置が、上述のような理想的な間隔から引き離されて、四重極場に八重極成分を加えてもよい。３−Ｄの中心または２−Ｄの中心軸からの電極の距離の「引き離し」は対称であっても、非対称であってもよい。すなわち、各対向する電極を理想的な間隔から同じ距離だけ引き離しさせてもよく、または対向する対の電極の一方の電極を他方の電極よりも中心または中心軸から遠くに動かし、非対称の歪みを生じてもよい。別の実施例として、対向する対の電極の一方を他方の電極より大きいサイズに作製し、四重極場に八重極成分を加えてもよい。別の実施例として、対向する対の電極の一方を回転し（トラップ構造の幾何学的中心に対して）、または別の電極に向けて移動させて、四重極場に六重極成分を加えてもよい。
【００６０】
電気的手段を利用して多重極場を重ね合わせる実施例として、ＲＦトラップ電位と同じ周波数および位相にて、補助的双極電位を、対向する一対の電極に加えてもよい。この補助的双極電位は、所望の強度（例えば、３０％の補助的双極電位）の六重極成分を四重極場に加え、詳細は、上記で引用した特許文献１に記載されており、その内容全体を本開示に組み込むものとする。一方の電極のＲＦ電圧の振幅を、対向する電極での振幅とは異なるものとすることによって奇数次の多重極場を生成してもよい。
【００６１】
２つ以上の前述の機械的技法と電気的技法との組み合わせを実施してもよい。各場合において、有意な六重極および／または八重極を加えてもよい。六重極および八重極より高次でかつ種々の強度の１つ以上の多重極成分が、結果として加えられるようにしてもよい。
本発明で採用される非線形のトラップ場は、故意に加えられた多重極成分の結果であることに留意されたい。これら多重極成分、特に六重極および八重極の成分の場の強度は、例えば、加えられる四重極ＲＦトラップ場の強度の約１％またはそれ以上大きくてもよい。他の実施例では、これら多重極成分の場の強度は、加えられる四重極ＲＦトラップ場の強度の約１％〜約１０％の範囲であってもよい。他の実施例では、多重極がＲＦトラップ場の意図された操作を妨害しない限り、多重極の場の強度は、加えられる四重極ＲＦトラップ場の強度の１０％より大きくてもよい。したがって、本発明で利用される故意に加えられた多重極成分は、機械加工および組立の不完全さから生じる典型的には弱い、意図的ではない場の不良および歪みから、電極における開口部の使用から、必然的に有限の電極のサイズ（すなわち、実際の電極は先端を切り取られ；その表面は、純粋に四重極場を結果として生じる完全な双曲線構造の非対称ラインに向かって無限に延びることはない）から、空間−電荷効果などから区別されるべきである。
【００６２】
本発明の実施態様において、ＣＩＤの開始時に、ＲＦトラップ電圧で、１種以上の前駆イオンが保存される。そのＲＦトラップ電圧のもとでは、前駆イオンの永年周波数が、加えられるオフ共鳴ＡＣ波形の周波数とはオフセット量だけ異なる。別の方法で述べると、ＣＩＤに利用される補足ＡＣ励起場の周波数は、前駆イオンの永年周波数または周波数とは意図的に異なるように設定される。例えば、補足ＡＣ励起場の周波数は、約２ｋＨｚだけ永年周波数からオフセットされても（ずらされても）よい。別の実施例では、約３ｋＨｚのオフセットがＣＩＤについてよく機能することが見い出されている。別の実施例では、補足ＡＣ励起場の周波数は、０ｋＨｚより大きく（例えば、約０．５ｋＨｚ）、約５ｋＨｚまでの範囲の値だけ、永年周波数からオフセットされる。前駆イオンについての操作ｑ（またはβ）の値に対するＲＦトラップ電圧の振幅は、既知の手段によって較正されてもよいので、約数百Ｈｚの精度で親イオンの永年周波数を推定してもよい。補足ＡＣ励起電圧の振幅は、オフ共鳴補足ＡＣ励起の周波数にて、対象イオンのＣＩＤを達成するように十分大きく設定される。一実施例として、ＡＣ励起電圧の振幅は、ＲＦトラップ電圧の約０．０１％〜約１％の範囲であってもよく、別の実施例では、この範囲は約０．０２％〜約０．５％である。他の実施態様では、ＡＣ励起の振幅は前述の範囲外でもよい。さらに一般的には、ＡＣ励起の振幅の設定は、例えば、トラップ構造、ｑ値およびＣＩＤ期間の持続時間、ＲＦトラップの周波数などのような因子に基づいてもよい。ＡＣ励起の振幅は、以下に記載されるように経験的に決定されてもよい。ＣＩＤの間、ＡＣ励起の振幅を固定しても（一定に保っても）よい一方で、ＲＦトラップ電圧に傾斜をつける（以下参照）または傾斜をつけてもよい。
【００６３】
その後、ＲＦトラップ電圧の振幅（または周波数）を増加もしくは低減するように傾斜させ、またはオフ共鳴ＡＣ周波数を高い側もしくは低い側にスイープして前駆イオン（単一種または複数種）の断片化を生じる。以下でさらに説明されるように、本発明は、個々のイオンについてＡＣ励起場の振幅を最適化す必要がなく、化学構造の異なるイオンが最適な断片化のための正確なエネルギーを確実に受け取れるようにする。したがって、本発明は、前駆イオンの化学構造または特定の前駆イオンを断片化するのに必要とされたＡＣ励起場の振幅の事前の知識なしで、最適にイオンを断片化することができる。
【００６４】
実施態様の１つでは、ＣＩＤの開始時に、前駆イオンの永年周波数が、加えられるオフ共鳴ＡＣ波形の周波数より高いＲＦトラップ電圧にて、前駆イオン（単一種または複数種）が保存される。すなわち、オフ共鳴ＡＣ励起電圧の周波数は、例えば、約２ｋＨｚのオフセット値だけ永年周波数よりも低く設定される。オフ共鳴ＡＣの波形を加える一方で、ＲＦトラップ電圧の振幅に下り（小さくなる）傾斜をつける。ＲＦトラップ電圧に下り傾斜をつけるので、前駆イオンの永年周波数とオフ共鳴ＡＣ波形の周波数との間の差異は徐々に減る。これによって前駆イオンはオフ共鳴ＡＣ場からさらなるエネルギーを徐々に吸収することが可能になる。このオフ共鳴ＣＩＤ励起場による前駆イオンの励起は、前駆イオンの振動の振幅を増大させる。吸収されたエネルギーが断片化の閾値に達したとき、前駆イオンは断片化して生成物イオンを形成する。さらに安定な親イオンについては、断片化にはさらなるエネルギーを必要とする。したがって、さらに安定な親イオンは安定性の低い（または不安定な）イオンより後で断片化する。
【００６５】
しかしながら、上記で言及したように、本発明で利用されるトラップ場は、イオン振動の振幅の増大がイオンの永年周波数に影響を及ぼすように、四重極場と少なくとも１つの高次多重極場とが複合したものである。したがって、適当な符号の六重極または八重極が四重極場に重ね合わされる実施例では、オフ共鳴ＣＩＤ場からのエネルギーの取り込みによる前駆イオンの振動の増大は、そのイオンの永年周波数の増大を引き起こす。この場合、ＲＦトラップ電圧の下り走査がイオンの永年周波数の低下を生じ、イオンの振動の結果的な増大がイオンの永年周波数の増大を生じる。励起された前駆イオンは、イオントラップに存在するバックグランド衝突気体の分子と衝突する。不安定なイオンについては、衝突エネルギーは十分高いのでイオンを壊す（断片化する）。安定なイオンについては、衝突はそれらの振動の振幅の低下を生じるので、それらの永年周波数の低下を生じる。これらのイオンの振動の振幅の低下のために、また、ＲＦトラップ電圧の振幅のレベル低下のために、これらイオンの永年周波数は加えられたオフ共鳴ＣＩＤ電圧の周波数に再び近づき、その結果、これらのイオンはオフ共鳴ＣＩＤ励起場で再び励起される。これらのイオンがバックグランド衝突気体と衝突すると、それらは、今回は、さらなる運動エネルギーおよび内部エネルギーを得るので断片化される。
【００６６】
上述のプロセスはＣＩＤ期間の終了まで複数回繰り返されてもよい。不安定なイオンはＣＩＤ期間の相対的に早い部分で断片化し、安定なイオンは、ＣＩＤ期間の相対的に遅い部分で断片化する。この方法は、補足ＣＩＤの励起場の振幅を変える必要がなく、異なったイオンが最適な断片化のために正確なエネルギーを受け取れるようにするので、異なった親イオン構造についてＣＩＤ衝突エネルギーを最適化する必要性を排除する（例えば、補足ＡＣ場の振幅を調整する必要があることによって）。
【００６７】
ＣＩＤプロセスの間、前駆イオンは非共鳴状態で励起されることに留意されたい。相対的に安定なイオン、すなわち、ＣＩＤ期間の早期に断片化されないそれらのイオンは、その位置におけるその永年周波数の依存性、言い換えれば、非線形のトラップ場のために、その永年周波数が補足ＣＩＤ励起場のオフ共鳴周波数へ向かっておよびそれから離れてシフトするので、周期的にまたはオン／オフ方式で励起される。さらに本発明のＣＩＤ励起法は、ＣＩＤ段階の間、前駆イオンをイオントラップから排出させることはない。
【００６８】
別の実施態様では、ＣＩＤの開始時に、前駆イオンの永年周波数が、加えられるオフ共鳴ＡＣ波形の周波数よりも、例えば、２ｋＨｚまたは他の適当なオフセット値だけ低いＲＦトラップ電圧にて、前駆イオンが保存される。この実施態様では、前駆イオンを保存し、オフ共鳴ＡＣ波形を加えた後、ＲＦトラップ電圧の振幅を下りに傾斜させる代わりに上り傾斜させる。この実施態様では、四重極トラップ場に重ね合わせる高次多重極場は、イオンの振動の振幅の増大と共にイオンの永年周波数が低下するように選択されてもよい。
【００６９】
別の実施態様では、ＣＩＤ期間の間、ＲＦトラップ電圧を一定に保持し、周波数スイープの波形を加える。すなわち、非線形のトラップ場の特徴に依存して補足のオフ共鳴ＡＣの周波数を変化させる（高くなるようにまたは低くなるようにスイープする）。
補足のＣＩＤ励起電圧の振幅は、例えば、ＣＩＤが、約０．３のマシューのｑ値と共に約１５ｍｓ実行される場合、選択された操作パラメータ下で経験的に決定されてもよい。例えば、補足のＣＩＤ励起電圧の振幅が以下のカーブによって境界を設けられた領域にあるならば、前駆イオンは適度の収率で断片化されることが見い出されている。
【００７０】
振幅補足ＣＩＤ＝０．００７０×質量親イオン＋０．０２１０、および
振幅補足ＣＩＤ＝０．０００５×質量親イオン＋０．３６１９
式中、振幅補足ＣＩＤについての値はボルト（Ｖ）で与えられ、質量親イオンについての値はダルトン（Ｄａ）で与えられる。
しかしながら、振幅補足ＣＩＤが２つのカーブの範囲内に入る限り、振幅補足ＣＩＤの質量親イオンに対する関係は、線形であることが要求されないことに留意されたい。異なるように大きさを決めたイオントラップ、または、異なったトラップ電圧パラメータ、または異なったＣＩＤ電圧パラメータについては、補足ＣＩＤの励起電圧（振幅補足ＣＩＤ）の振幅が適宜調整される必要があってもよい。
【００７１】
図４は、本発明の実施態様の実施例に従って利用される種々の波形（電圧信号）のタイミングの順序の図示である。具体的には、図４（ａ）は、イオントラップに加えられるＲＦトラップ電圧の時間の関数としての振幅を示している。図４（ｂ）は、ＣＩＤ励起に利用される補足ＡＣ電圧の適用のタイミングを示している。図４（ｃ）は、イオントラップにおける前駆イオン、例えば、親イオン、またはＣＩＤの追加の繰り返しにおける、娘イオン、孫娘イオンなどを単離するために利用される補足ＡＣ電圧の適用のタイミングを示している。図４（ｃ）はまた、ＣＩＤ段階から生じる生成物イオン（娘イオン、孫娘イオンなど）の分析的走査を行うために利用される補足ＡＣ電圧の適用のタイミングを示している。前に言及したように、特に異なった時間に加えられるという事実を考慮して、１つ以上の電圧源（発生器、合成機など）を用いて種々の補足ＡＣ電圧を加えてもよい。図４には示していないが、追加の補足ＡＣ電圧を加えて、上述のように電気的手段によって多重極場を重ね合わせてもよい。図４に描かれた操作は、４つの主な段階または工程：イオン化（および保存）Ａ、イオンの単離Ｂ、ＣＩＤ Ｃ、および分析的走査Ｄにわたる。
【００７２】
図４におけるイオン化段階の存在は、イオントラップが内部イオン化のために構成されているまたは操作されることが前提である。イオン化段階の間、分析される試料材料がイオントラップに導入され、上述のような好適なイオン化装置によってイオン化される。イオン化の間、図４で区分Ａに相当する、ＲＦトラップ電圧の振幅は、質量ｍ（ｐ）の所望の前駆（または親）イオンを含む所望の範囲内の質量（ｍ／ｚ比）を有する試料イオンをすべて捕捉するのに好適である値Ｖ１に設定される。所望の範囲の外の質量を有するイオンはイオントラップから排除されるので保存されない。外部イオン化の場合、好適なイオン化装置が試料材料をイオン化し、得られたイオンをイオントラップに導入し、そこで同様の方法にてＲＦトラップ電圧によってイオンが保存される。外部イオン化の場合、図４に示されるイオン化段階は、導入および保存の段階と考えてもよい。
【００７３】
所望の範囲のイオンを保存した後、ＲＦトラップ場をＶ１から、図４の区分Ｂに相当するＶ２に至るように傾斜させる。開示の前半で参照したもののような好適な単離法が採用されてもよい。一実施例において、ＲＦトラップ場をＶ２で保持する一方で、好適な補足ＡＣ単離波形を適用させる（図４（ｃ））。この場合、補足ＡＣの単離波形は、様々な周波数を混合したものから成る複合波形または広帯域波形である。そのような広帯域波形は、補足ＡＣの単離波形によって前駆イオンが励起されて排出を促されないように、単離されるべき前駆イオンの永年周波数に相当する周波数に中心を持つノッチまたはウインドウを有する。補足ＡＣ電圧の周波数は共鳴状態下でイオントラップから望ましくないイオンを排出するために設定されてもよく、あるいは、補足ＡＣ電圧の振幅は、十分に高く設定されて、本開示の教示に従ってオフ共鳴状態下で排出を生じるようにしてもよい。別の実施例では、ＲＦトラップ場をＶ１からＶ２に至るように傾斜させる間でさえ、補足ＡＣの単離波形を有効にしてもよい。他の実施例では、ＲＦトラップ場の振幅が一定に保持される一方で、組み合わせた場の周波数が走査される。
【００７４】
図４で具体的に説明される実施例では、ＲＦトラップ場をＶ２に傾斜させた後、固定周波数の補足ＡＣ単離波形を有効にし、次いでＲＦトラップ場をＶ３に至るように傾斜させる。ＲＦトラップ場のＶ２からＶ３への傾斜は、ｍ（ｐ）−１以下の質量を有するイオンすべての排出を引き起こす。次いでＲＦトラップ場は、補足ＡＣ電圧信号の組成に依存してＶ３からＶ４に落とされ、あるいは、Ｖ３からＶ４に至るように下り傾斜がつくようにさせる。この時間の間、補足ＡＣ電圧が加えられて、ｍ（ｐ）＋１以上の質量を有するイオンすべてを排出する。この目的で、Ｖ３からＶ４の間の間隔に相当する図４（ｃ）に示される補足ＡＣ電圧信号の一部は、ｍ（ｐ）＋１以上の質量を有するイオンの永年周波数に等しいまたは近い周波数を含む、広帯域波形または周波数の集合を含む波形であってもよい。
【００７５】
単離段階の最後で、質量ｍ（ｐ）の前駆イオンがイオントラップに単離され、ＲＦトラップ場はＶ５に下げられ、その振幅は前駆イオンを保存するのに十分である。次いでＣＩＤ段階が開始され、上述の実施態様に従って前駆イオンを生成物イオンに断片化する。ＣＩＤ段階の間、ＲＦトラップ場は、Ｖ５から、図４の区分Ｃに相当するＶ６に至るように傾斜させる一方で、補足ＣＩＤ励起波形が加えられる（図４（ｂ））。実施例として、補足ＣＩＤ励起波形の周波数は、好適なオフセット量（上述のような）によって前駆体の永年周波数より低い値に設定され、ＲＦトラップ場は、Ｖ５からＶ６に下げられる。一般に、Ｖ６の振幅は、生成物イオンを保存するのに十分な値である。
【００７６】
ＣＩＤ段階の最後で、生成物イオンは、好適な技法によってイオントラップから分析的に走査され、検出され、処理されて生成物イオンの質量スペクトルを生じる。説明された実施例では、分析的走査段階の間、ＲＦトラップ場は、Ｖ６から、図４の区分Ｄに相当するＶ７に至るように傾斜させる一方で、補足ＡＣ分析的走査波形が加えられる（図４（ｃ））。この段階の間、補足ＡＣ電圧の周波数は、共鳴状態下でイオントラップから生成物イオンを排出するように設定されてもよく、あるいは、補足ＡＣ電圧の振幅が十分高く設定されて本開示の教示に従ってオフ共鳴状態下で質量選択性の排出を生じてもよい。別の実施例では、組み合わせた場の周波数が走査される一方で、分析的走査段階の間、ＲＦトラップ場の振幅は一定に保持される。
【００７７】
一般に、図４で説明されるプロセスは、所望の回数繰り返されて生成物イオンを連続的に生成し、それを分析する。例えば、次の反復では、前の反復で生じた娘イオンが親イオンとして単離され、ＣＩＤにより孫娘イオンを生じてもよい。次いで、孫娘イオンは分析的に走査されてもよく、あるいは、親イオンとして単離され、ＣＩＤにより曾孫娘イオンを生じてもよい。
【００７８】
図５は、オフ共鳴状態下でイオンを励起する方法の実施例を説明するフローチャート５００である。この方法は、トラップ場および補足場を、３−Ｄまたは２−Ｄの構造のいずれかの電極構造、例えば、上述の電極構造２００および３００のいずれかに加えることを必要としてもよい。フローチャート５００はまた、この方法を実行することが可能である装置またはシステムを表すものであってもよい。装置またはシステムには、素子（デバイス）、回路、およびその他のハードウエアや、ソフトウエアが含まれてもよい。
【００７９】
この方法は５０２で始まり、そこでは、好適な予備工程、例えば、電極構造にイオンを提供するために必要に応じて外部イオン化または内部イオン化を行うこと、衝突冷却および／またはＣＩＤのために気体（単一種または複数種）を導入すること、分析する価値がないイオンを排除すること、予備走査、較正を行うことなどが行われる。ブロック５０６では、選択された質量範囲の当該イオンが電極構造にて捕捉される。例えば、ＲＦ電圧を、必要に応じて、電極構造の１つ以上の電極に加えて、所望の空間形態および機能を有する四重極（またはさもなければ対称もしくは近対称）ＲＦトラップ場を生成してもよい。上述のように、トラップ場はまた、四重極成分と組み合わせて１つ以上の高次多重極成分を含む。高次多重極成分（単数または複数）は機械的に生成されてもよく、および／または電気的に生成されてもよい。ブロック５１０では、好適な技法によって、対象の質量または質量範囲の１種以上の前駆（例えば、親）イオン（またはそれに続く反復の場合、娘イオン、孫娘イオンなどのような生成物イオン）が単離される。例えば、単離のために選択される技法は、ＲＦトラップ場の１つ以上のパラメータを変更すること、ＲＦトラップ場を補足する追加の場を課すこと、追加の信号を電極構造に加えることなどを必要としてもよい。ブロック５１４では、いったん対象のイオン（単一種または複数種）が電極構造にて単離されたら、非線形のトラップ場と組み合わせてオフ共鳴ＡＣ波形の使用を必要とする上記方法の１つを用いてＣＩＤプロセスを実行する。ＣＩＤプロセスは、前駆イオン（単一種または複数種）の１種以上の生成物イオンへの解離または断片化を生じる。ＣＩＤ段階の完了の際、プロセスは５２４で終了してもよく、そこでは、例えば、質量走査、質量スペクトルの生成などのような好適な次の工程が必要とされてもよい。
【００８０】
任意で、ブロック５１８で示されるように、電極構造からの生成物イオンを排出するまたは走査するための好適な技法を実行することによって、プロセスが継続してもよい。実施例として、質量不安定法または共鳴励起法を介して生成物イオンが排出されてもよい。さらなる実施例として、生成物イオンは、オフ共鳴法を介して排出されてもよい。
別の選択肢として、決定ブロック５２０で示されるように、上記プロセスの１つ以上の工程が所望に応じて反復され、解離および質量分析の連続的反復がなされてもよい。例えば、電極構造の操作パラメータは、対象の生成物イオン（単一種または複数種）を捕捉し、単離し、次いでそれが解離されて次の世代の生成物イオンを生じるように設定されてもよい。本発明のオフ共鳴ＣＩＤ法は、所望に応じて、ＣＩＤの各反復に採用されてもよい。したがって、図５で説明される方法は、所望に応じて反復されてｎ番目世代の生成物イオンを生じるように設定されてもよい。各反復については、ブロック５２０でなされる決定の結果に応じて、プロセスはブロック５０６（またはブロック５１０）に戻るか、または５２４で終了し、その際、質量走査、質量スペクトルの生成などのような好適な次の工程が行われてもよい。
【００８１】
上記で言及したように、図５は、説明された方法を実行するための装置、デバイス、機器またはシステム５００の実施例を表すものであってもよい。従って、ブロック５０６〜５１８は、これらのブロック５０６〜５１８に相当する、上述された機能または工程を実行するための１つ以上の手段または構造を描いているとみなされてもよい。これらの機能を実施することが可能である装置、デバイス、機器およびシステムの実施例は、図１〜４と併せて上述されている。
【００８２】
本開示に記載された方法および装置は、一般に上述された、かつ例として図１で説明されたＭＳシステム１００において実施されてもよいことが理解されるであろう。しかしながら、本主題は、図１で説明された特定のＭＳシステム１００または図１で説明された回路および構成要件の特定の配置に限定されない。さらに、本主題はＭＳに基づいた適用に限定されない。
【００８３】
本開示で記載された主題は、イオンを捕捉するための磁場およびイオンをトラップ（またはイオンサイクロトロンセル）から排出するための電場を採用するフーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴（ＦＴ−ＩＣＲ）に基づいて操作するイオントラップへの適用も見い出してもよい。主題はまた、静電気トラップへの適用も見い出してもよい。これらのイオン捕捉および質量分光分析法を実施するための装置および方法は、当業者に周知なので、本明細書ではさらに詳細に記載しない。
【００８４】
本発明の範囲から逸脱することなく本発明の種々の局面または詳細を変更してもよいことがさらに理解されるであろう。さらに、前述の記載は説明のみを目的とし、限定目的ではなく、本発明は特許請求の範囲によって定義される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオントラップにおいて前駆イオンを励起する方法であって、
四重極場および多重極場を含む非線形トラップ場に前駆イオンを捕捉することであって、前記四重極場は、前記イオントラップの電極構造に、高周波（ＲＦ）トラップ電圧を、ＲＦトラップ振幅およびＲＦトラップ周波数で加えることによって生成されるものであることと、
前記電極構造に、補足交流（ＡＣ）電圧を、補足ＡＣ振幅および補足ＡＣ周波数で加えることであって、前記補足ＡＣ周波数はオフセット量だけ前記前駆イオンの永年周波数とは異なるものであることと、
前記イオントラップの複数の操作パラメータの少なくとも１つを調整し、前記操作パラメータは、前記ＲＦトラップ振幅、前記ＲＦトラップ周波数、前記補足ＡＣ振幅および前記補足ＡＣ周波数を含み、それによって前記前駆イオンが、前記補足ＡＣ電圧と共鳴することなく衝突誘起解離（ＣＩＤ）するのに十分なエネルギーを前記補足ＡＣ電圧から吸収することとを含む方法。
【請求項２】
前記補足ＡＣ電圧が、三次元構造の前記電極構造に加えられる、請求項１の方法。
【請求項３】
前記補足ＡＣ電圧が、二次元構造の前記電極構造に加えられる、請求項１の方法。
【請求項４】
理想的な四重極配置から逸脱している前記電極構造に、前記ＲＦトラップ電圧を加えることによって、前記四重極場に前記多重極場を重ね合わせることを含む、請求項１の方法。
【請求項５】
前記補足ＡＣ電圧に加えて、補助電圧を、前記電極構造に加えることによって、前記四重極場に前記多重極場を重ね合わせることを含む、請求項１の方法。
【請求項６】
前記多重極場が、前記四重極場の１％以上の強度を有する多重極場成分を含む、請求項１の方法。
【請求項７】
前記非線形トラップ場の中心からの前記前駆イオンの距離が増大すると共に増大する前記前駆イオンの前記永年周波数を、前記多重極場が生じる、請求項１の方法。
【請求項８】
前記非線形トラップ場の中心からの前記前駆イオンの距離が増大すると共に低下する前記前駆イオンの前記永年周波数を、前記多重極場が生じる、請求項１の方法。
【請求項９】
前記補足ＡＣ振幅が、前記ＲＦトラップ振幅の０．０１％〜１％の範囲である、請求項１の方法。
【請求項１０】
前記オフセット量が０．５ｋＨｚ〜５ｋＨｚの範囲である、請求項１の方法。
【請求項１１】
前記補足ＡＣ周波数が、前記永年周波数よりも小さく、かつ調整することが、前記ＲＦトラップ振幅を下り傾斜がつくようにすることを含む、請求項１の方法。
【請求項１２】
前記補足ＡＣ周波数が、前記永年周波数よりも大きく、かつ調整することが、前記ＲＦトラップ振幅を上り傾斜がつくようにすることを含む、請求項１の方法。
【請求項１３】
調整することが、前記補足ＡＣ周波数をスイープすることを含む、請求項１の方法。
【請求項１４】
調整することが、前記ＲＦトラップ周波数をスイープすることを含む、請求項１の方法。
【請求項１５】
調整することが、前記前駆イオンを生成物イオンに断片化させるものであり、当該方法が前記イオントラップの外で当該生成物イオンを分析的に走査することをさらに含む、請求項１の方法。
【請求項１６】
前記前駆イオンの解離から生成された生成物イオンについて、前記非線形トラップ場に捕捉する工程と、前記補足ＡＣ電圧を加える工程と、前記操作パラメータの少なくとも１つを調整する工程とを反復することをさらに含む、請求項１の方法。
【請求項１７】
前駆イオンについて衝突誘起解離（ＣＩＤ）を実行するためのイオントラップであって、
電極構造を形成する複数の電極であって、その中で内部空間を規定する複数の電極と、
前記電極構造に、高周波（ＲＦ）トラップ電圧を、ＲＦトラップ振幅およびＲＦトラップ周波数で加えて、四重極トラップ場を生成するように構成された第１の回路と、
前記四重極トラップ場に多重極場を重ね合わせて非線形トラップ場を生成するための手段と、
前記電極構造に、補足交流（ＡＣ）電圧を、補足ＡＣ振幅および補足ＡＣ周波数で加えるように構成された第２回路であって、前記補足ＡＣ周波数がオフセット量だけ前記前駆イオンの永年周波数とは異なる第２の回路と、
前記前駆イオンが、前記補足ＡＣ電圧と共鳴することなく衝突誘起解離（ＣＩＤ）するのに十分なエネルギーを、前記補足ＡＣ電圧から吸収するように、前記イオントラップの複数の操作パラメータの少なくとも１つを調整するように構成された第３の回路であって、前記操作パラメータは、前記ＲＦトラップ振幅、前記ＲＦトラップ周波数、前記補足ＡＣ振幅および前記補足ＡＣ周波数を含む第３の回路とを含む、イオントラップ。
【請求項１８】
前記多重極場を重ね合わせるための手段が、理想的な四重極配置から逸脱している前記電極構造の複数の電極を含む、請求項１７のイオントラップ。
【請求項１９】
前記多重極場を重ね合わせるための手段が、前記補足ＡＣ電圧に加えて、補助電圧を前記電極構造に加えるように構成された第４の回路を含む、請求項１７のイオントラップ。
【請求項２０】
前記多重極場を重ね合わせるための手段が、前記四重極場の約１％以上の強度を有する多重極場成分を重ね合わせるための手段を含み、前記オフセット量が０．５ｋＨｚ〜５ｋＨｚの範囲である、請求項１７のイオントラップ。
【請求項１】
イオントラップにおいて前駆イオンを励起する方法であって、
四重極場および多重極場を含む非線形トラップ場に前駆イオンを捕捉することであって、前記四重極場は、前記イオントラップの電極構造に、高周波（ＲＦ）トラップ電圧を、ＲＦトラップ振幅およびＲＦトラップ周波数で加えることによって生成されるものであることと、
前記電極構造に、補足交流（ＡＣ）電圧を、補足ＡＣ振幅および補足ＡＣ周波数で加えることであって、前記補足ＡＣ周波数はオフセット量だけ前記前駆イオンの永年周波数とは異なるものであることと、
前記イオントラップの複数の操作パラメータの少なくとも１つを調整し、前記操作パラメータは、前記ＲＦトラップ振幅、前記ＲＦトラップ周波数、前記補足ＡＣ振幅および前記補足ＡＣ周波数を含み、それによって前記前駆イオンが、前記補足ＡＣ電圧と共鳴することなく衝突誘起解離（ＣＩＤ）するのに十分なエネルギーを前記補足ＡＣ電圧から吸収することとを含む方法。
【請求項２】
前記補足ＡＣ電圧が、三次元構造の前記電極構造に加えられる、請求項１の方法。
【請求項３】
前記補足ＡＣ電圧が、二次元構造の前記電極構造に加えられる、請求項１の方法。
【請求項４】
理想的な四重極配置から逸脱している前記電極構造に、前記ＲＦトラップ電圧を加えることによって、前記四重極場に前記多重極場を重ね合わせることを含む、請求項１の方法。
【請求項５】
前記補足ＡＣ電圧に加えて、補助電圧を、前記電極構造に加えることによって、前記四重極場に前記多重極場を重ね合わせることを含む、請求項１の方法。
【請求項６】
前記多重極場が、前記四重極場の１％以上の強度を有する多重極場成分を含む、請求項１の方法。
【請求項７】
前記非線形トラップ場の中心からの前記前駆イオンの距離が増大すると共に増大する前記前駆イオンの前記永年周波数を、前記多重極場が生じる、請求項１の方法。
【請求項８】
前記非線形トラップ場の中心からの前記前駆イオンの距離が増大すると共に低下する前記前駆イオンの前記永年周波数を、前記多重極場が生じる、請求項１の方法。
【請求項９】
前記補足ＡＣ振幅が、前記ＲＦトラップ振幅の０．０１％〜１％の範囲である、請求項１の方法。
【請求項１０】
前記オフセット量が０．５ｋＨｚ〜５ｋＨｚの範囲である、請求項１の方法。
【請求項１１】
前記補足ＡＣ周波数が、前記永年周波数よりも小さく、かつ調整することが、前記ＲＦトラップ振幅を下り傾斜がつくようにすることを含む、請求項１の方法。
【請求項１２】
前記補足ＡＣ周波数が、前記永年周波数よりも大きく、かつ調整することが、前記ＲＦトラップ振幅を上り傾斜がつくようにすることを含む、請求項１の方法。
【請求項１３】
調整することが、前記補足ＡＣ周波数をスイープすることを含む、請求項１の方法。
【請求項１４】
調整することが、前記ＲＦトラップ周波数をスイープすることを含む、請求項１の方法。
【請求項１５】
調整することが、前記前駆イオンを生成物イオンに断片化させるものであり、当該方法が前記イオントラップの外で当該生成物イオンを分析的に走査することをさらに含む、請求項１の方法。
【請求項１６】
前記前駆イオンの解離から生成された生成物イオンについて、前記非線形トラップ場に捕捉する工程と、前記補足ＡＣ電圧を加える工程と、前記操作パラメータの少なくとも１つを調整する工程とを反復することをさらに含む、請求項１の方法。
【請求項１７】
前駆イオンについて衝突誘起解離（ＣＩＤ）を実行するためのイオントラップであって、
電極構造を形成する複数の電極であって、その中で内部空間を規定する複数の電極と、
前記電極構造に、高周波（ＲＦ）トラップ電圧を、ＲＦトラップ振幅およびＲＦトラップ周波数で加えて、四重極トラップ場を生成するように構成された第１の回路と、
前記四重極トラップ場に多重極場を重ね合わせて非線形トラップ場を生成するための手段と、
前記電極構造に、補足交流（ＡＣ）電圧を、補足ＡＣ振幅および補足ＡＣ周波数で加えるように構成された第２回路であって、前記補足ＡＣ周波数がオフセット量だけ前記前駆イオンの永年周波数とは異なる第２の回路と、
前記前駆イオンが、前記補足ＡＣ電圧と共鳴することなく衝突誘起解離（ＣＩＤ）するのに十分なエネルギーを、前記補足ＡＣ電圧から吸収するように、前記イオントラップの複数の操作パラメータの少なくとも１つを調整するように構成された第３の回路であって、前記操作パラメータは、前記ＲＦトラップ振幅、前記ＲＦトラップ周波数、前記補足ＡＣ振幅および前記補足ＡＣ周波数を含む第３の回路とを含む、イオントラップ。
【請求項１８】
前記多重極場を重ね合わせるための手段が、理想的な四重極配置から逸脱している前記電極構造の複数の電極を含む、請求項１７のイオントラップ。
【請求項１９】
前記多重極場を重ね合わせるための手段が、前記補足ＡＣ電圧に加えて、補助電圧を前記電極構造に加えるように構成された第４の回路を含む、請求項１７のイオントラップ。
【請求項２０】
前記多重極場を重ね合わせるための手段が、前記四重極場の約１％以上の強度を有する多重極場成分を重ね合わせるための手段を含み、前記オフセット量が０．５ｋＨｚ〜５ｋＨｚの範囲である、請求項１７のイオントラップ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公表番号】特表２０１０−５２０６０５（Ｐ２０１０−５２０６０５Ａ）
【公表日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５５２７４０（Ｐ２００９−５５２７４０）
【出願日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／００３０３１
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１０９１３７
【国際公開日】平成２０年９月１２日（２００８．９．１２）
【出願人】（５９９０６０９２８）バリアン・インコーポレイテッド (81)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年６月１０日（２０１０．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／００３０３１
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１０９１３７
【国際公開日】平成２０年９月１２日（２００８．９．１２）
【出願人】（５９９０６０９２８）バリアン・インコーポレイテッド (81)
【Ｆターム（参考）】
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