イオントラップ質量分析装置
【課題】デジタルイオントラップにおいて、ｑ値を略一定に保ちつつ任意のm/zのプリカーサ分離を短時間で行う。
【解決手段】ノッチのあるＦＮＦ信号をデジタル化したデータをＦＮＦ波形記憶部１５に記憶しておき、プリカーサ分離の際に主電圧タイミング制御部７及び主電圧発生部９は基準クロック信号ＣＫに基づき矩形波電圧を発生し、補助信号生成部１４はＦＮＦ波形記憶部１５から読み出したデータを基準クロック信号ＣＫに同期したクロック信号によりＤ／Ａ変換してＦＮＦ信号を生成する。基準クロック発生部６は制御部３０の制御の下に、目的イオンのm/zに応じた周波数の基準クロック信号ＣＫを生成するため、目的イオンのm/zが変わると基準クロック信号ＣＫの周波数が変化し、同じ比率で矩形波電圧の周波数、ＦＮＦ信号のノッチの中心周波数も変化する。
【解決手段】ノッチのあるＦＮＦ信号をデジタル化したデータをＦＮＦ波形記憶部１５に記憶しておき、プリカーサ分離の際に主電圧タイミング制御部７及び主電圧発生部９は基準クロック信号ＣＫに基づき矩形波電圧を発生し、補助信号生成部１４はＦＮＦ波形記憶部１５から読み出したデータを基準クロック信号ＣＫに同期したクロック信号によりＤ／Ａ変換してＦＮＦ信号を生成する。基準クロック発生部６は制御部３０の制御の下に、目的イオンのm/zに応じた周波数の基準クロック信号ＣＫを生成するため、目的イオンのm/zが変わると基準クロック信号ＣＫの周波数が変化し、同じ比率で矩形波電圧の周波数、ＦＮＦ信号のノッチの中心周波数も変化する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波電場の作用によってイオンを捕捉するイオントラップを備えるイオントラップ質量分析装置に関し、さらに詳しくは、デジタル駆動方式のイオントラップを用いたイオントラップ質量分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
質量分析装置においてイオントラップは、高周波電場の作用によりイオンを捕捉して閉じ込めたり、特定の質量電荷比（m/z）を持つイオンを選別したり、さらにはそうして選別したイオンを解離させたりするために用いられる。典型的なイオントラップは、内面が回転１葉双曲面形状である１個のリング電極と、このリング電極を挟んで対向して配置された内面が回転２葉双曲面形状である一対のエンドキャップ電極とからなる３次元四重極型の構成であるが、これ以外に、平行配置された４本のロッド電極から成るリニア型の構成も知られている。本明細書では、便宜上「３次元四重極型」を例に挙げて説明を進める。
【０００３】
従来の一般的なイオントラップ、即ち、後述のアナログ駆動方式のイオントラップでは、通常、正弦波状の高周波電圧をリング電極に印加することで、リング電極及びエンドキャップ電極で囲まれる空間にイオン捕捉用の高周波電場を形成し、この高周波電場の作用によりイオンを振動させつつ該空間に閉じ込める。これに対し、近年、正弦波状の高周波電圧の代わりに矩形波電圧をリング電極に印加することでイオンの閉じ込めを行うイオントラップが開発されている（特許文献１、特許文献２、非特許文献１など参照）。この種のイオントラップは、通常、ハイ、ローの二値の電圧レベルを有する矩形波電圧が使用されることから、デジタルイオントラップ（Digital Ion Trap、以下「ＤＩＴ」略す）と呼ばれる。
【０００４】
ＤＩＴを利用したイオントラップ質量分析装置（以下「ＤＩＴ−ＭＳ」と略す）においてＭＳ／ＭＳ分析を行う場合、所定の質量電荷比範囲のイオンをイオントラップ内空間に捕捉した後に、或る特定の質量電荷比を有するイオンのみを残し他の不要なイオンをイオントラップ内から排除するプリカーサ分離（選択）操作を行う必要がある。非特許文献１に記載のように、ＤＩＴ−ＭＳにおけるプリカーサ分離には、ラフアイソレーションと呼ばれる高速プリカーサ分離手法と、ラフアイソレーションを行った後にさらに共鳴励起排出を利用する高分解能プリカーサ分離手法とがある。
【０００５】
正弦波状の高周波電圧を用いたアナログ駆動方式のイオントラップ（以下「ＡＩＴ」と略す）に対するＤＩＴの優位な点の１つは、共鳴励起排出による質量分離性能が高いことである。通常、ＤＩＴにおいて共鳴励起排出を行う場合には、リング電極に印加する矩形波電圧の周波数Ωと同期した（典型的には該矩形波電圧を分周した）単一周波数の矩形波信号を一対のエンドキャップ電極に印加する。その状態で、リング電極に印加している矩形波電圧の周波数Ωを下げる方向に走査すると、イオントラップ内に捕捉されているイオンの中で、質量電荷比が大きくなる順にイオンが選択的に共鳴励起されてイオントラップ外部に排出される（フォワードスキャン：即ち、質量電荷比の小さなイオンほど早く排出される）。逆に、リング電極に印加している矩形波電圧の周波数Ωを上げる方向に走査すると、イオントラップ内に捕捉されているイオンの中で、質量電荷比が小さくなる順にイオンが選択的に共鳴励起されてイオントラップ外部に排出される（リバーススキャン：即ち、質量電荷比が大きいイオンほど早く排出される）。そこで、目的の質量電荷比を持つイオンのみがイオントラップ内に残るように、上記のフォワードスキャンとリバーススキャンとを連続的に行うことにより、高いプリカーサ分離能を実現することができる。
【０００６】
しかしながら、上記方法で不要な質量電荷比を持つイオンを漏れなく除去するには、当該イオンがイオントラップ内から排出される時間だけ周波数Ωを保持しなければならないため、周波数Ωを走査する速度を一定以下に抑える必要がある。このため、十分な質量分離能を実現するには、プリカーサ分離だけで数百msec以上もの時間を要してしまう。例えば、（Ａ）イオントラップに所定の質量電荷比の範囲内のイオンをトラップ・クーリングし、（Ｂ）望ましくないイオンを共鳴排出してプリカーサイオンのみを保持し（上記のプリカーサ分離）、（Ｃ）プリカーサイオンに衝突解離を誘発させ、（Ｄ）衝突解離させたイオンを共鳴排出させてマススペクトルを取得する、という手順で実施されるＭＳ／ＭＳ分析においては、上記（Ａ）、（Ｃ）、（Ｄ）の各行程にそれぞれ数十msec程度の時間を要するから、（Ｂ）の行程だけで数百msecもの時間が掛かるとなると、これは分析のスループットを低下させる大きな要因となる。近年の質量分析では、分析のスループットの向上が非常に重要であるため、ＤＩＴにおけるプリカーサ分離の時間短縮化は避けられない大きな課題である。
【０００７】
また、上述した周波数走査によるイオン排除の手法では、イオントラップ内から排出するために共鳴励起されたイオンの一部は衝突誘起解離を生じて、質量電荷比がより小さなフラグメントイオンが発生することがある。また多重電離イオンでは、まれではあるものの電荷移動と解離とにより質量電荷比がより大きなイオンになってしまうこともある。したがって、或るイオンの質量電荷比に対する周波数走査によるイオン排除が終わった後にフラグメントイオン等が発生してしまうと、このイオンが周波数走査では除去されずにイオントラップ内空間に残ってしまうという問題もあった。
【０００８】
ところで、ＡＩＴでは、イオンの振動周波数がリング電極に印加される高周波電圧の振幅に依存して変化するという関係を利用し、目的とするイオン（プリカーサイオン）の振動周波数にノッチ（抜け）がある広帯域の周波数スペクトルを有する信号をエンドキャップ電極に印加することにより、目的イオン以外の不要な質量電荷比を持つ様々なイオンを同時に排除するプリカーサ分離手法が知られている（特許文献３、４など参照）。このような広帯域信号として、特許文献５に記載のＦＮＦ（＝Filtered Noise Field）信号がよく用いられるが、そのほかに特許文献６に記載のＳＷＩＦＴ（＝Stored Wave Inverse Fourier Transform）信号なども知られている。
【０００９】
高い質量分離能を得るにはできるだけ高いｑ値（イオンの安定捕捉条件を示すパラメータの一つ）でプリカーサ分離を行うことが必要であり、通常、ＡＩＴではｑ値は０．８程度に設定される。ｑ値を固定すると共鳴周波数に関連したパラメータであるβ値が固定され、ＦＮＦ信号のノッチ周波数は一義的に決まることになる。このノッチ周波数を中心としてノッチ幅の相違するＦＮＦ信号波形を十数個程度予め作成してメモリに格納しておき、いずれか適切なＦＮＦ信号波形を選択してプリカーサ分離に利用することにより、指定された質量幅のプリカーサ分離を容易に実現することができる。
【００１０】
ＤＩＴの場合でもＡＩＴと同様に、ＦＮＦ信号等の広帯域信号を用いてプリカーサ分離を行うことが考えられる。ただし、ＡＩＴとは異なりＤＩＴの場合には、リング電極に印加される高周波の矩形波電圧の振幅は基本的に一定であり、その周波数を変化させることでイオンの振動周波数を変える制御が行われる。そこで、任意の質量電荷比を持つイオンを選択するために、ＡＩＴと同様にＤＩＴの場合においてもエンドキャップ電極に印加するＦＮＦ信号のノッチ周波数を固定しておき、目的イオンの振動周波数がノッチ周波数に対応するようにリング電極に印加する矩形波電圧の周波数を変化させる、という手法を採り得る。ところが、そうした制御を行うと、プリカーサ分離の際のｑ値が目的イオンの質量電荷比によって変化してしまう。何故なら、後述するように、ｑ値はリング電極に印加される矩形波電圧の周波数の逆２乗に比例する関数だからである。そのため、ｑ値が小さくなる条件の下では十分な質量分離能を確保することができなくなる。
【００１１】
こうした事態を避けるにはプリカーサ分離の際にｑ値をできるだけ一定に保つ必要があり、そのためには、目的イオンの質量電荷比を変更する際に、リング電極に印加される矩形波電圧の周波数を変更するとともに、これに応じてエンドキャップ電極に供給されるＦＮＦ信号のノッチ周波数も変更する必要がある。一般に、多数の周波数成分を持つＦＮＦ信号波形をコンピュータで生成するには或る程度の時間が掛かるため、分析を実行しながら必要なＦＮＦ信号波形をコンピュータ上で生成するのは現実的ではない。そのため、ＡＩＴにおいては、ＦＮＦ信号波形を用いる場合、必要となると予想されるＦＮＦ信号波形をコンピュータ上で予め作成してその波形を表すデータをメモリに格納しておき、分析時には、メモリから読み出したデータをデジタル／アナログ変換してＦＮＦ信号波形を生成するようにしている。
【００１２】
一方、ＤＩＴの場合には、上述したようにノッチ周波数が相違する様々なＦＮＦ信号波形が必要になり、それらに対応したＦＮＦ信号波形データを用意してメモリに格納しておく必要がある。例えばm/z５０〜３０００の質量電荷比範囲において０．１単位でノッチ周波数を選択できるようにするためには、約３００００種類のＦＮＦ信号波形データを用意する必要がある。また、様々な分離質量幅に対応するには、同一のノッチ周波数に対してさらに数十個の異なる波形を用意する必要があるので、必要となるＦＮＦ信号波形データの総数は非常に膨大なものとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特表２００７−５２７００２号公報
【特許文献２】特開２００８−２８２５９４号公報
【特許文献３】特開２００１−２１０２６８号公報
【特許文献４】米国特許第５１３４２８６号明細書
【特許文献５】米国特許第５７０３３５８号明細書
【特許文献６】米国特許第４７６１５４５号明細書
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】古橋、ほか６名、「デジタルイオントラップ質量分析装置の開発」、島津評論、島津評論編集部、２００６年３月３１日、第６２巻、第３・４号、ｐｐ.１４１−１５１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、ＤＩＴを用いたイオントラップ質量分析装置において、ＦＮＦ信号などの広帯域信号波形データを記憶しておくメモリの記憶容量を抑えつつ、高いプリカーサ分離能を確保しながらプリカーサ分離に要する時間を短縮することを主な目的としている。また、本発明は、ＤＩＴを用いたイオントラップ質量分析装置において、プリカーサ分離のために不要なイオンを排除する過程で発生するより小さな質量電荷比のイオン等が排除されずにイオントラップ内に残留することを防止することを他の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために成された本発明は、３以上の電極で囲まれる空間にイオンを捕捉するイオントラップを有し、少なくとも１つの第１電極にイオン捕捉用の矩形波電圧を印加しつつ、該第１電極とは異なる対向配置された一対の第２及び第３電極にそれぞれイオン共鳴励起用の信号を印加することにより、捕捉されているイオンのうちの不要なイオンをイオントラップ内から共鳴励起排出するイオントラップ質量分析装置において、
a)所定の周波数又は周波数範囲にノッチを有する周波数スペクトルを示す広帯域信号をデジタル化した波形データを記憶しておくデータ記憶手段と、
b)特定の質量電荷比又は質量電荷比範囲のイオンを選択的にイオントラップ内に残すイオン選択行程時に、その特定の質量電荷比又は質量電荷比範囲に応じた周波数に設定したイオン捕捉用の矩形波電圧を生成して前記第１電極に印加する矩形波電圧生成手段と、
c)前記イオン選択行程時に前記矩形波電圧生成手段により生成される矩形波電圧の周波数に同期したタイミングで前記データ記憶手段に記憶されている波形データを順次取得してアナログ化することにより、少なくとも前記特定の質量電荷比又は質量電荷比範囲を除くイオンを共鳴励起させる広帯域信号を生成して前記第２及び第３電極に印加する広帯域信号生成手段と、
を備えることを特徴としている。
【００１７】
本発明に係るイオントラップ質量分析装置におけるイオントラップは、３次元四重極型イオントラップ又はリニア型イオントラップである。３次元四重極型イオントラップの場合、前記第１電極はリング電極であり、該リング電極を挟んで対向配置された一対のエンドキャップ電極が前記第２及び第３電極である。一方、リニア型イオントラップの場合、イオントラップは中心軸を取り囲むように互いに平行に配置された４本のロッド電極からなり、中心軸を挟んで対向する２本のロッド電極が前記第１電極に相当し、別の２本のロッド電極がそれぞれ第２電極及び第３電極に相当する。
【００１８】
上記「所定の周波数又は周波数範囲にノッチを有する周波数スペクトルを示す広帯域信号」とは、典型的には上述した周知のＦＮＦ信号であるが、周波数スペクトル上で特定の周波数又は周波数範囲にノッチを有し多数の周波数成分を含む広帯域信号であれば、ＦＮＦ信号に限るものではない。もちろん、データ記憶手段に記憶する前の段階におけるＦＮＦ信号を一例とするノッチ付き広帯域信号波形の生成方法も特に限定されず、既存の様々な方法（アルゴリズム）を用いることができる。
【００１９】
本発明に係るイオントラップ質量分析装置では、矩形波電圧生成手段が、イオン選択行程に際しイオントラップ内に残すイオンの質量電荷比又は質量電荷比範囲を変更するべく第１電極に印加する矩形波電圧の周波数を変化させると、広帯域信号生成手段において生成される広帯域信号のノッチ周波数（中心周波数）も同様の比率で変化する。したがって、イオントラップの安定領域の包絡線β＝０、β＝１を境界として定義されるβ値を略一定とした条件の下で、共鳴励起排出されない、つまりはイオントラップ内に選択的に残すイオンの質量電荷比を変化させることができる。即ち、データ記憶手段に記憶してある１種類の波形データを用いて、β値つまりはｑ値を略一定に保ちつつイオントラップ内に残す目的イオンの質量電荷比を所定範囲で任意に定めることができる。
【００２０】
ただし、広帯域信号の波形データを１種類だけとした場合には、選択されるイオンの分離質量幅が質量電荷比に対して一義的に決まってしまい、任意の分離質量幅を設定することができない。したがって、１つの質量電荷比に対して複数の異なる分離質量幅を選択的に設定したい場合には、その分離質量幅に対応したノッチ幅のノッチを形成した広帯域信号をデジタル化した波形データをそれぞれ用意しておく。そして、イオン選択行程時に、目的イオンの質量電荷比と要求される分離質量幅に応じて適切な波形データを選択し、該波形データをアナログ化した信号を生成して第２及び第３電極に印加すればよい。
【００２１】
本発明に係るイオントラップ質量分析装置の一実施態様は、イオン選択行程時にイオントラップ内に残すイオンの質量電荷比又は質量電荷比範囲に応じた周波数の基準クロック信号を生成する基準クロック信号生成手段をさらに備え、前記矩形波電圧生成手段は前記基準クロック信号に基づいて矩形波電圧を生成するとともに、前記広帯域信号生成手段は前記基準クロック信号又は該信号と同期関係にあるクロック信号に従って前記データ記憶手段から読み出した波形データをアナログ化することにより広帯域信号を生成する構成とすることができる。
【００２２】
この構成によれば、基準クロック信号発生手段で生成されるクロック信号又はこれを分周した別のクロック信号などの、或る１つのクロック信号の周波数を目的イオンの質量電荷比に応じて変更することによって、第１電極に印加される矩形波電圧の周波数と第２及び第３電極に印加される広帯域信号のノッチ周波数とが共に適切に設定される。例えば、基準クロック信号発生手段としてダイレクトデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）などの周波数可変型信号発生素子を用いれば、目的イオンの質量電荷比を任意に且つ容易に定めることができる。
【００２３】
なお、本発明に係るイオントラップ質量分析装置におけるイオントラップ駆動制御は、プリカーサ分離等のイオン選択行程時のみならず、そのほかのイオン共鳴励起を利用したイオン操作の際の駆動制御に用いることができる。例えば、１乃至複数の特定の質量電荷比を有するイオンを選択的に共鳴励起させ、衝突誘起解離によりプロダクトイオンを発生させたい場合に、「所定の周波数又は周波数範囲にノッチを有する周波数スペクトルを示す広帯域信号」に代えて、所定の周波数又は周波数範囲のみにピークを有する周波数スペクトルを示す信号を用いればよい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係るイオントラップ質量分析装置によれば、プリカーサ分離等のイオン選択行程時に、質量電荷比が異なる多数の不要なイオンが同時に共鳴励起されてイオントラップ内から排除される。したがって、共鳴励起排出のために周波数走査を行う場合のようにイオン選択に時間が掛からず、短時間で不要なイオンを排除して衝突誘起解離などの次行程を実行することができる。それにより、例えばＭＳ／ＭＳ分析等におけるスループットを向上させることができる。具体的には例えば、高分解能が必要な場合においても、数十msec程度になることが期待できる。また、イオン選択対象の目的イオンの質量電荷比を変化させる場合でもイオントラップのｑ値を一定に維持することができ、目的イオンの質量電荷比に依存する分離能の低下などの問題がない。加えて、本発明は、プリカーサ分離のために不要なイオンを排除する過程を所定の質量電荷比の範囲で同時に行うことができるので、不要なイオン等が排除されずにイオントラップ内に残留することを防止することができる。さらにまた、広い質量電荷比範囲の目的イオンに対して用意しておくべき波形データの種類は少なくて済むので、波形データを記憶しておくメモリの記憶容量を節約でき、さらに波形データの生成に要する時間も短くて済む。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施例であるＤＩＴ−ＭＳの要部の構成図。
【図２】ＦＮＦ信号の周波数スペクトルの概略図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明に係るイオントラップ質量分析装置の一実施例であるＤＩＴ−ＭＳについて、添付図面を参照して説明する。図１は本実施例のＤＩＴ−ＭＳイオントラップの要部の構成図である。
【００２７】
本実施例によるＤＩＴ−ＭＳは、目的試料をイオン化するイオン源１と、イオンを一時的に保持して質量分離、衝突誘起解離などのイオンに対する各種操作を実施する３次元四重極型のイオントラップ２と、イオンを検出する検出器３と、該検出器３で得られたデータを処理して例えばマススペクトル等を作成するデータ処理部４と、を備える。
【００２８】
イオン源１におけるイオン化法は特に限定されず、試料が液体状である場合にはエレクロトスプレイイオン化（ＥＳＩ）法や大気圧化学イオン化（ＡＰＣＩ）法などの大気圧イオン化法が用いられ、試料が固体状である場合にはマトリクス支援レーザ脱離イオン化法（ＭＡＬＤＩ）などが用いられる。
【００２９】
イオントラップ２は、１個のリング電極２１と、これを挟むように対向して配置された、入口側エンドキャップ電極２２及び出口側エンドキャップ電極２４と、からなり、これら３個の電極２１、２２、２４で囲まれた空間がイオン捕捉領域となる。入口側エンドキャップ電極２２の略中央にはイオン入射口２３が穿設され、イオン源１から出射したイオンはイオン入射口２３を通過してイオントラップ２内に導入される。一方、出口側エンドキャップ電極２４の略中央にはイオン出射口２５が穿設され、イオン出射口２５を通ってイオントラップ２内から排出されたイオンは検出器３に到達して検出される。
【００３０】
検出器３は例えば、入射したイオンを電子に変換するコンバージョンダイノードと、その変換された電子を増倍して検出する二次電子増倍管とからなるものとすることができる。また、検出器３に代えて例えば飛行時間型質量分析器を設け、イオントラップ２に蓄積した各種イオンを一斉にイオン出射口２５を通して吐き出して飛行時間型質量分析器に導入し、そこでイオンを質量電荷比に応じて高い分離能で以て分離して検出する構成としてもよい。
【００３１】
イオントラップ２を駆動するためのトラップ駆動部５は、基準クロック発生部６、主電圧タイミング制御部７、主電圧発生部９、補助信号生成部１４、などを含む。リング電極２１にイオン捕捉用の矩形波電圧を印加するための主電圧発生部９は、第１電圧ＶHを発生する第１電圧源１０と、第２電圧ＶL（ＶL＜ＶH）を発生する第２電圧源１１と、第１電圧源１０の出力端と第２電圧源１１の出力端との間に直列に接続された第１スイッチ１２及び第２スイッチ１３と、を含む。スイッチ１２、１３は電力用ＭＯＳＦＥＴ等の高速動作可能な電力用スイッチング素子である。
【００３２】
主電圧タイミング制御部７はＲＦ電圧波形記憶部８を含み、ＲＦ電圧波形記憶部８に記憶されているＲＦ電圧波形データを読み出し、該データに基づく例えば相補的な２系統の駆動パルスを生成してスイッチ１２、１３に供給する。第１スイッチ１２がオンし第２スイッチ１３がオフするとき第１電圧ＶHが出力され、逆に第２スイッチ１３がオンし第１スイッチ１２がオフするとき第２電圧ＶLが出力されるから、主電圧発生部９からの出力電圧ＶOUTは理想的には、ハイレベルがＶH、ローレベルがＶLである所定周波数ｆの矩形波電圧となる。通常、ＶHとＶLとは絶対値が同じで極性が逆の高電圧であり、例えば、その絶対値は数百Ｖ〜１ｋＶ程度である。また、周波数ｆは通常数十ｋＨｚ〜数ＭＨｚ程度の範囲である。なお、通常、リング電極２１に印加される矩形波電圧は所定周波数の繰り返し波形であるため単純であるが、ＲＦ電圧波形記憶部８に記憶しておいたＲＦ電圧波形データを用いることにより、デューティ比を任意に決めたり、２系統の駆動パルスが同時にオンしないように微妙にタイミングを調整したりすることが容易になる。
【００３３】
一方、補助信号生成部１４はＦＮＦ波形記憶部１５のほか、図示しないＤ／Ａ変換器などを含む。ＦＮＦ波形記憶部１５には、図２に示すように、中心周波数がｆｎで周波数幅がΔｆｎであるノッチが形成され、それ以外に多数の周波数成分を含む周波数スペクトルを示すＦＮＦ信号をデジタル化した波形データが格納されている。ただし、ここでいうｆｎ、ΔｆｎはアナログＦＮＦ信号生成時の周波数及び周波数幅であり、このアナログＦＮＦ信号をＡ／Ｄ変換する際のサンプリング周波数と同じ周波数でＤ／Ａ変換が行われたときに、ノッチの中心周波数はｆｎ、周波数幅はΔｆｎとなる。また、アナログＦＮＦ信号をＡ／Ｄ変換する際のサンプリング周波数の１／２の周波数でＤ／Ａ変換が行われた場合には、ノッチの中心周波数はｆｎ／２となる。
【００３４】
即ち、ＦＮＦ信号のノッチの中心周波数はＦＮＦ波形記憶部１５から読み出された波形データをＤ／Ａ変換する際のクロック信号の周波数に依存する。一方、ＦＮＦ信号のノッチの周波数幅はＤ／Ａ変換する際のクロック信号の周波数に依存しない。ノッチの周波数幅はイオンの分離質量幅に対応するから、ノッチの中心周波数が変化したときに周波数幅が不変であると、目的イオンの質量電荷比が変化したときに分離質量幅も同時に変化してしまう。そのため、分離質量幅を一定に維持したまま目的イオンの質量電荷比を変化させたい場合には、ノッチの中心周波数が同一で周波数幅が相違する複数種類のＦＮＦ信号波形データを予め用意しておく必要がある。そして、要求される分離質量幅に応じて、ＦＮＦ信号生成時に用いる波形データを適宜選択する。
【００３５】
補助信号生成部１４において生成されたＦＮＦ信号は、ドライブ回路１６を通して入口側エンドキャップ電極２２に供給されると共に、反転回路１７で正負極性が反転されドライブ回路１８を通して出口側エンドキャップ電極２４に供給される。
【００３６】
基準クロック発生部６は例えばＤＤＳ（ダイレクトデジタルシンセサイザ）を用いたクロック発生回路であり、その周波数が連続的に可変である基準クロック信号ＣＫを生成する。この基準クロック信号ＣＫが主電圧タイミング制御部７と補助信号生成部１４とに入力され、主電圧タイミング制御部７及び補助信号生成部１４は基準クロック信号ＣＫに同期したタイミングで矩形波電圧生成及びＦＮＦ信号生成の処理を行う。ただし、主電圧タイミング制御部７と補助信号生成部１４とに供給されるクロック信号は必ずしも同一周波数、同一位相である必要はなく、両クロック信号の周波数が一定の比率を有して同期していさえすればよい。したがって、例えば、一方を基準クロック信号ＣＫとし、他方を基準クロック信号ＣＫを所定の分周比で分周して得たクロック信号としてもよい。
【００３７】
基準クロック発生部６における基準クロック信号ＣＫの周波数、主電圧タイミング制御部７において利用されるＲＦ電圧波形データの選択、補助信号生成部１４において利用されるＦＮＦ波形データの選択などは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを含んで構成される制御部３０により制御される。さらに、制御部３０には分析条件などを設定するための入力部３１が接続されている。
【００３８】
本実施例のＤＩＴ−ＭＳにおけるＭＳ／ＭＳ分析動作を説明する。イオン源１で生成された各種イオンはイオン入射口２３を経てイオントラップ２内に導入される。このとき、主電圧発生部９から所定周波数の矩形波電圧がリング電極２１に印加される一方、エンドキャップ電極２２、２４は一定電位に維持され、それによりイオントラップ２内に形成される捕捉電場によって各種イオンは捕捉される。次に、入力部３１により設定された目的とするプリカーサイオンの質量電荷比や分離質量幅に従って、制御部３０は基準クロック発生部６で生成する基準クロック信号ＣＫを所定周波数に設定する。また、指定された質量電荷比及び質量幅に応じて、主電圧タイミング制御部７はＲＦ電圧波形記憶部８から所定のＲＦ電圧波形データを読み出し、補助信号生成部１４は所定のＦＮＦ信号波形データを読み出す。
【００３９】
そして、主電圧タイミング制御部７は上述したように基準クロック信号ＣＫに基づいてＲＦ電圧波形データを順次繰り返し送出することにより主電圧発生部９に駆動パルスを供給し、主電圧発生部９はリング電極２１に矩形波電圧を印加する。一方、補助信号生成部１４は基準クロック信号ＣＫに同期したクロック信号によりＦＮＦ信号波形データをＤ／Ａ変換して生成したＦＮＦ信号をエンドキャップ電極２２、２４に供給する。
【００４０】
一例を挙げると、基準クロック信号ＣＫの周波数を１００ＭＨｚとした場合、主電圧タイミング制御部７ではこの基準クロック信号ＣＫを元にして２ＭＨｚの周波数を持つ駆動パルスを生成する。主電圧発生部９で発生する矩形波電圧の周波数も２ＭＨｚとなる。一方、補助信号生成部１４では、基準クロック信号ＣＫの周波数が１００ＭＨｚであるときに、ＦＮＦ信号波形データに基づいて５００ｋＨｚを中心周波数とする所定幅のノッチを持つＦＮＦ信号が生成されるものとする。ここでは、５００ｋＨｚのノッチ周波数はβ値では０．５、またｑ値でも０．５となる。このため、イオントラップ２が内接半径ｒ0＝１０ｍｍの大きさであるとすると、おおよそm/z５０のイオンを中心としたプリカーサ分離が行われる。即ち、m/z５０付近のイオンのみが共鳴励起されずにイオントラップ２内に残り、他の質量電荷比を持つイオンは共鳴励起排出によりイオントラップ２内から排除される。
【００４１】
これに対し、基準クロック発生部６において基準クロック信号ＣＫの周波数が１００ＭＨｚの√（１／６０）＝約１／７．７倍に下げられ、約１３ＭＨｚとなった場合を考える。このとき、主電圧発生部９で発生する矩形波電圧の周波数、補助信号生成部１４で生成されるＦＮＦ信号のノッチ周波数はいずれも同じ比率で変化するから、約１／７．７倍に下がる。そのため、リング電極２１に印加される矩形波電圧の周波数は約２６０ｋＨｚ、ＦＮＦ信号のノッチ周波数は約６５ｋＨｚとなるが、イオントラップのβ値、ｑ値は約０．５に維持される。このときには、約m/z３０００のイオンのみが共鳴励起されずにイオントラップ２内に残り、他の質量電比を持つイオンは共鳴励起排出によりイオントラップ２内から排除される。ただし、上述したように同じＦＮＦ信号波形データを用いた場合、ノッチ周波数が下がってもノッチ周波数幅は変わらず、質量分離幅は実質的に狭くなってしまう。したがって、目的イオンの質量電荷比をm/z５０→m/z３０００に変更したときに分離質量幅を同一に維持したければ、ＦＮＦ波形記憶部１５から読み出すＦＮＦ信号波形データをノッチ周波数幅が相違するものに変更する必要がある。
【００４２】
以上のように、基準クロック発生部６において発生させる基準クロック信号ＣＫの周波数を１００ＭＨｚ〜１３ＭＨｚの範囲で任意に設定することにより、m/z５０〜m/z３０００の質量電荷比囲で上記周波数に応じた質量電荷比のイオンをプリカーサイオンとして選択することが可能となる。このときにイオン選択する質量電荷比の設定分解能は基準クロック発生部６の周波数分解能に依存する。したがって、基準クロック信号ＣＫの周波数が連続的に可変であれば、m/z５０〜m/z３０００の質量電荷比範囲内で実質的に任意の質量電荷比を目的イオンとして設定することができる。
【００４３】
上述したように目的イオンをプリカーサイオンとして残すようにプリカーサ分離を実行した後には、従来と同様に、イオントラップ２内にＣＩＤガスを導入し、残留しているイオンを共鳴励起させるような信号をエンドキャップ電極２２、２４に印加してプリカーサイオンを解離させる。その後に、解離により生成したプロダクトイオンを質量電荷比に応じて共鳴励起排出して検出器３で検出する。
【００４４】
なお、イオン選択を行う目的イオンの質量電荷比m/zと矩形波電圧の周波数Ωとの関係は、イオントラップのｑ値を一定とすると、m/z∝１／Ω2である。したがって、この関係を用いて選択される質量電荷比の較正を行うようにすればよい。
【００４５】
実際には、イオントラップ２を構成する各電極２１、２２、２４の機械的寸法誤差やＲＦ波形精度などの影響で、上記のような理論的な関係からのずれが生じることも想定される。このため、例えば、目的イオンの質量電荷比m/zと矩形波電圧の周波数Ωとの関係を、
m/z＝１／（αΩ2＋βΩ＋γ）
などの多項式で表現し、複数の較正点（既知の質量電荷比m/zと周波数Ωとの関係）から、α、β、γの各係数値を求め、この係数値を用いて較正を行うようにするとよい。
【００４６】
また、以上の説明では、共鳴励起用の信号波形としてＦＮＦ信号を用いていたが、特定の周波数範囲にノッチを有し、そのほかに多数の周波数成分を含む信号波形であればＦＮＦ信号に限らない。また、ＦＮＦ波形記憶部１５に格納されるデータを作成する際のノッチ付き広帯域信号をコンピュータ上で生成する方法も、既存の各種方法を用いればよいことは当然である。
【００４７】
また上記実施例ではイオントラップとして３次元四重極型イオントラップを用いたが、同様の原理でイオンの捕捉や共鳴励起排出を実行可能なリニアイオントラップを用いたイオントラップ型質量分析装置にも本発明を適用でき、上述した効果を奏することは明らかである。
【符号の説明】
【００４８】
１…イオン源
２…イオントラップ
２１…リング電極
２２…入口側エンドキャップ電極
２３…イオン入射口
２４…出口側エンドキャップ電極
２５…イオン出射口
３…検出器
４…データ処理部
５…トラップ駆動部
６…基準クロック発生部
７…主電圧タイミング制御部
８…ＲＦ電圧波形記憶部
９…主電圧発生部
１０…第１電圧源
１１…第２電圧源
１２…第１スイッチ
１３…第２スイッチ
１４…補助信号生成部
１５…ＦＮＦ波形記憶部
１６、１８…ドライブ回路
１７…反転回路
３０…制御部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波電場の作用によってイオンを捕捉するイオントラップを備えるイオントラップ質量分析装置に関し、さらに詳しくは、デジタル駆動方式のイオントラップを用いたイオントラップ質量分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
質量分析装置においてイオントラップは、高周波電場の作用によりイオンを捕捉して閉じ込めたり、特定の質量電荷比（m/z）を持つイオンを選別したり、さらにはそうして選別したイオンを解離させたりするために用いられる。典型的なイオントラップは、内面が回転１葉双曲面形状である１個のリング電極と、このリング電極を挟んで対向して配置された内面が回転２葉双曲面形状である一対のエンドキャップ電極とからなる３次元四重極型の構成であるが、これ以外に、平行配置された４本のロッド電極から成るリニア型の構成も知られている。本明細書では、便宜上「３次元四重極型」を例に挙げて説明を進める。
【０００３】
従来の一般的なイオントラップ、即ち、後述のアナログ駆動方式のイオントラップでは、通常、正弦波状の高周波電圧をリング電極に印加することで、リング電極及びエンドキャップ電極で囲まれる空間にイオン捕捉用の高周波電場を形成し、この高周波電場の作用によりイオンを振動させつつ該空間に閉じ込める。これに対し、近年、正弦波状の高周波電圧の代わりに矩形波電圧をリング電極に印加することでイオンの閉じ込めを行うイオントラップが開発されている（特許文献１、特許文献２、非特許文献１など参照）。この種のイオントラップは、通常、ハイ、ローの二値の電圧レベルを有する矩形波電圧が使用されることから、デジタルイオントラップ（Digital Ion Trap、以下「ＤＩＴ」略す）と呼ばれる。
【０００４】
ＤＩＴを利用したイオントラップ質量分析装置（以下「ＤＩＴ−ＭＳ」と略す）においてＭＳ／ＭＳ分析を行う場合、所定の質量電荷比範囲のイオンをイオントラップ内空間に捕捉した後に、或る特定の質量電荷比を有するイオンのみを残し他の不要なイオンをイオントラップ内から排除するプリカーサ分離（選択）操作を行う必要がある。非特許文献１に記載のように、ＤＩＴ−ＭＳにおけるプリカーサ分離には、ラフアイソレーションと呼ばれる高速プリカーサ分離手法と、ラフアイソレーションを行った後にさらに共鳴励起排出を利用する高分解能プリカーサ分離手法とがある。
【０００５】
正弦波状の高周波電圧を用いたアナログ駆動方式のイオントラップ（以下「ＡＩＴ」と略す）に対するＤＩＴの優位な点の１つは、共鳴励起排出による質量分離性能が高いことである。通常、ＤＩＴにおいて共鳴励起排出を行う場合には、リング電極に印加する矩形波電圧の周波数Ωと同期した（典型的には該矩形波電圧を分周した）単一周波数の矩形波信号を一対のエンドキャップ電極に印加する。その状態で、リング電極に印加している矩形波電圧の周波数Ωを下げる方向に走査すると、イオントラップ内に捕捉されているイオンの中で、質量電荷比が大きくなる順にイオンが選択的に共鳴励起されてイオントラップ外部に排出される（フォワードスキャン：即ち、質量電荷比の小さなイオンほど早く排出される）。逆に、リング電極に印加している矩形波電圧の周波数Ωを上げる方向に走査すると、イオントラップ内に捕捉されているイオンの中で、質量電荷比が小さくなる順にイオンが選択的に共鳴励起されてイオントラップ外部に排出される（リバーススキャン：即ち、質量電荷比が大きいイオンほど早く排出される）。そこで、目的の質量電荷比を持つイオンのみがイオントラップ内に残るように、上記のフォワードスキャンとリバーススキャンとを連続的に行うことにより、高いプリカーサ分離能を実現することができる。
【０００６】
しかしながら、上記方法で不要な質量電荷比を持つイオンを漏れなく除去するには、当該イオンがイオントラップ内から排出される時間だけ周波数Ωを保持しなければならないため、周波数Ωを走査する速度を一定以下に抑える必要がある。このため、十分な質量分離能を実現するには、プリカーサ分離だけで数百msec以上もの時間を要してしまう。例えば、（Ａ）イオントラップに所定の質量電荷比の範囲内のイオンをトラップ・クーリングし、（Ｂ）望ましくないイオンを共鳴排出してプリカーサイオンのみを保持し（上記のプリカーサ分離）、（Ｃ）プリカーサイオンに衝突解離を誘発させ、（Ｄ）衝突解離させたイオンを共鳴排出させてマススペクトルを取得する、という手順で実施されるＭＳ／ＭＳ分析においては、上記（Ａ）、（Ｃ）、（Ｄ）の各行程にそれぞれ数十msec程度の時間を要するから、（Ｂ）の行程だけで数百msecもの時間が掛かるとなると、これは分析のスループットを低下させる大きな要因となる。近年の質量分析では、分析のスループットの向上が非常に重要であるため、ＤＩＴにおけるプリカーサ分離の時間短縮化は避けられない大きな課題である。
【０００７】
また、上述した周波数走査によるイオン排除の手法では、イオントラップ内から排出するために共鳴励起されたイオンの一部は衝突誘起解離を生じて、質量電荷比がより小さなフラグメントイオンが発生することがある。また多重電離イオンでは、まれではあるものの電荷移動と解離とにより質量電荷比がより大きなイオンになってしまうこともある。したがって、或るイオンの質量電荷比に対する周波数走査によるイオン排除が終わった後にフラグメントイオン等が発生してしまうと、このイオンが周波数走査では除去されずにイオントラップ内空間に残ってしまうという問題もあった。
【０００８】
ところで、ＡＩＴでは、イオンの振動周波数がリング電極に印加される高周波電圧の振幅に依存して変化するという関係を利用し、目的とするイオン（プリカーサイオン）の振動周波数にノッチ（抜け）がある広帯域の周波数スペクトルを有する信号をエンドキャップ電極に印加することにより、目的イオン以外の不要な質量電荷比を持つ様々なイオンを同時に排除するプリカーサ分離手法が知られている（特許文献３、４など参照）。このような広帯域信号として、特許文献５に記載のＦＮＦ（＝Filtered Noise Field）信号がよく用いられるが、そのほかに特許文献６に記載のＳＷＩＦＴ（＝Stored Wave Inverse Fourier Transform）信号なども知られている。
【０００９】
高い質量分離能を得るにはできるだけ高いｑ値（イオンの安定捕捉条件を示すパラメータの一つ）でプリカーサ分離を行うことが必要であり、通常、ＡＩＴではｑ値は０．８程度に設定される。ｑ値を固定すると共鳴周波数に関連したパラメータであるβ値が固定され、ＦＮＦ信号のノッチ周波数は一義的に決まることになる。このノッチ周波数を中心としてノッチ幅の相違するＦＮＦ信号波形を十数個程度予め作成してメモリに格納しておき、いずれか適切なＦＮＦ信号波形を選択してプリカーサ分離に利用することにより、指定された質量幅のプリカーサ分離を容易に実現することができる。
【００１０】
ＤＩＴの場合でもＡＩＴと同様に、ＦＮＦ信号等の広帯域信号を用いてプリカーサ分離を行うことが考えられる。ただし、ＡＩＴとは異なりＤＩＴの場合には、リング電極に印加される高周波の矩形波電圧の振幅は基本的に一定であり、その周波数を変化させることでイオンの振動周波数を変える制御が行われる。そこで、任意の質量電荷比を持つイオンを選択するために、ＡＩＴと同様にＤＩＴの場合においてもエンドキャップ電極に印加するＦＮＦ信号のノッチ周波数を固定しておき、目的イオンの振動周波数がノッチ周波数に対応するようにリング電極に印加する矩形波電圧の周波数を変化させる、という手法を採り得る。ところが、そうした制御を行うと、プリカーサ分離の際のｑ値が目的イオンの質量電荷比によって変化してしまう。何故なら、後述するように、ｑ値はリング電極に印加される矩形波電圧の周波数の逆２乗に比例する関数だからである。そのため、ｑ値が小さくなる条件の下では十分な質量分離能を確保することができなくなる。
【００１１】
こうした事態を避けるにはプリカーサ分離の際にｑ値をできるだけ一定に保つ必要があり、そのためには、目的イオンの質量電荷比を変更する際に、リング電極に印加される矩形波電圧の周波数を変更するとともに、これに応じてエンドキャップ電極に供給されるＦＮＦ信号のノッチ周波数も変更する必要がある。一般に、多数の周波数成分を持つＦＮＦ信号波形をコンピュータで生成するには或る程度の時間が掛かるため、分析を実行しながら必要なＦＮＦ信号波形をコンピュータ上で生成するのは現実的ではない。そのため、ＡＩＴにおいては、ＦＮＦ信号波形を用いる場合、必要となると予想されるＦＮＦ信号波形をコンピュータ上で予め作成してその波形を表すデータをメモリに格納しておき、分析時には、メモリから読み出したデータをデジタル／アナログ変換してＦＮＦ信号波形を生成するようにしている。
【００１２】
一方、ＤＩＴの場合には、上述したようにノッチ周波数が相違する様々なＦＮＦ信号波形が必要になり、それらに対応したＦＮＦ信号波形データを用意してメモリに格納しておく必要がある。例えばm/z５０〜３０００の質量電荷比範囲において０．１単位でノッチ周波数を選択できるようにするためには、約３００００種類のＦＮＦ信号波形データを用意する必要がある。また、様々な分離質量幅に対応するには、同一のノッチ周波数に対してさらに数十個の異なる波形を用意する必要があるので、必要となるＦＮＦ信号波形データの総数は非常に膨大なものとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特表２００７−５２７００２号公報
【特許文献２】特開２００８−２８２５９４号公報
【特許文献３】特開２００１−２１０２６８号公報
【特許文献４】米国特許第５１３４２８６号明細書
【特許文献５】米国特許第５７０３３５８号明細書
【特許文献６】米国特許第４７６１５４５号明細書
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】古橋、ほか６名、「デジタルイオントラップ質量分析装置の開発」、島津評論、島津評論編集部、２００６年３月３１日、第６２巻、第３・４号、ｐｐ.１４１−１５１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、ＤＩＴを用いたイオントラップ質量分析装置において、ＦＮＦ信号などの広帯域信号波形データを記憶しておくメモリの記憶容量を抑えつつ、高いプリカーサ分離能を確保しながらプリカーサ分離に要する時間を短縮することを主な目的としている。また、本発明は、ＤＩＴを用いたイオントラップ質量分析装置において、プリカーサ分離のために不要なイオンを排除する過程で発生するより小さな質量電荷比のイオン等が排除されずにイオントラップ内に残留することを防止することを他の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために成された本発明は、３以上の電極で囲まれる空間にイオンを捕捉するイオントラップを有し、少なくとも１つの第１電極にイオン捕捉用の矩形波電圧を印加しつつ、該第１電極とは異なる対向配置された一対の第２及び第３電極にそれぞれイオン共鳴励起用の信号を印加することにより、捕捉されているイオンのうちの不要なイオンをイオントラップ内から共鳴励起排出するイオントラップ質量分析装置において、
a)所定の周波数又は周波数範囲にノッチを有する周波数スペクトルを示す広帯域信号をデジタル化した波形データを記憶しておくデータ記憶手段と、
b)特定の質量電荷比又は質量電荷比範囲のイオンを選択的にイオントラップ内に残すイオン選択行程時に、その特定の質量電荷比又は質量電荷比範囲に応じた周波数に設定したイオン捕捉用の矩形波電圧を生成して前記第１電極に印加する矩形波電圧生成手段と、
c)前記イオン選択行程時に前記矩形波電圧生成手段により生成される矩形波電圧の周波数に同期したタイミングで前記データ記憶手段に記憶されている波形データを順次取得してアナログ化することにより、少なくとも前記特定の質量電荷比又は質量電荷比範囲を除くイオンを共鳴励起させる広帯域信号を生成して前記第２及び第３電極に印加する広帯域信号生成手段と、
を備えることを特徴としている。
【００１７】
本発明に係るイオントラップ質量分析装置におけるイオントラップは、３次元四重極型イオントラップ又はリニア型イオントラップである。３次元四重極型イオントラップの場合、前記第１電極はリング電極であり、該リング電極を挟んで対向配置された一対のエンドキャップ電極が前記第２及び第３電極である。一方、リニア型イオントラップの場合、イオントラップは中心軸を取り囲むように互いに平行に配置された４本のロッド電極からなり、中心軸を挟んで対向する２本のロッド電極が前記第１電極に相当し、別の２本のロッド電極がそれぞれ第２電極及び第３電極に相当する。
【００１８】
上記「所定の周波数又は周波数範囲にノッチを有する周波数スペクトルを示す広帯域信号」とは、典型的には上述した周知のＦＮＦ信号であるが、周波数スペクトル上で特定の周波数又は周波数範囲にノッチを有し多数の周波数成分を含む広帯域信号であれば、ＦＮＦ信号に限るものではない。もちろん、データ記憶手段に記憶する前の段階におけるＦＮＦ信号を一例とするノッチ付き広帯域信号波形の生成方法も特に限定されず、既存の様々な方法（アルゴリズム）を用いることができる。
【００１９】
本発明に係るイオントラップ質量分析装置では、矩形波電圧生成手段が、イオン選択行程に際しイオントラップ内に残すイオンの質量電荷比又は質量電荷比範囲を変更するべく第１電極に印加する矩形波電圧の周波数を変化させると、広帯域信号生成手段において生成される広帯域信号のノッチ周波数（中心周波数）も同様の比率で変化する。したがって、イオントラップの安定領域の包絡線β＝０、β＝１を境界として定義されるβ値を略一定とした条件の下で、共鳴励起排出されない、つまりはイオントラップ内に選択的に残すイオンの質量電荷比を変化させることができる。即ち、データ記憶手段に記憶してある１種類の波形データを用いて、β値つまりはｑ値を略一定に保ちつつイオントラップ内に残す目的イオンの質量電荷比を所定範囲で任意に定めることができる。
【００２０】
ただし、広帯域信号の波形データを１種類だけとした場合には、選択されるイオンの分離質量幅が質量電荷比に対して一義的に決まってしまい、任意の分離質量幅を設定することができない。したがって、１つの質量電荷比に対して複数の異なる分離質量幅を選択的に設定したい場合には、その分離質量幅に対応したノッチ幅のノッチを形成した広帯域信号をデジタル化した波形データをそれぞれ用意しておく。そして、イオン選択行程時に、目的イオンの質量電荷比と要求される分離質量幅に応じて適切な波形データを選択し、該波形データをアナログ化した信号を生成して第２及び第３電極に印加すればよい。
【００２１】
本発明に係るイオントラップ質量分析装置の一実施態様は、イオン選択行程時にイオントラップ内に残すイオンの質量電荷比又は質量電荷比範囲に応じた周波数の基準クロック信号を生成する基準クロック信号生成手段をさらに備え、前記矩形波電圧生成手段は前記基準クロック信号に基づいて矩形波電圧を生成するとともに、前記広帯域信号生成手段は前記基準クロック信号又は該信号と同期関係にあるクロック信号に従って前記データ記憶手段から読み出した波形データをアナログ化することにより広帯域信号を生成する構成とすることができる。
【００２２】
この構成によれば、基準クロック信号発生手段で生成されるクロック信号又はこれを分周した別のクロック信号などの、或る１つのクロック信号の周波数を目的イオンの質量電荷比に応じて変更することによって、第１電極に印加される矩形波電圧の周波数と第２及び第３電極に印加される広帯域信号のノッチ周波数とが共に適切に設定される。例えば、基準クロック信号発生手段としてダイレクトデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）などの周波数可変型信号発生素子を用いれば、目的イオンの質量電荷比を任意に且つ容易に定めることができる。
【００２３】
なお、本発明に係るイオントラップ質量分析装置におけるイオントラップ駆動制御は、プリカーサ分離等のイオン選択行程時のみならず、そのほかのイオン共鳴励起を利用したイオン操作の際の駆動制御に用いることができる。例えば、１乃至複数の特定の質量電荷比を有するイオンを選択的に共鳴励起させ、衝突誘起解離によりプロダクトイオンを発生させたい場合に、「所定の周波数又は周波数範囲にノッチを有する周波数スペクトルを示す広帯域信号」に代えて、所定の周波数又は周波数範囲のみにピークを有する周波数スペクトルを示す信号を用いればよい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係るイオントラップ質量分析装置によれば、プリカーサ分離等のイオン選択行程時に、質量電荷比が異なる多数の不要なイオンが同時に共鳴励起されてイオントラップ内から排除される。したがって、共鳴励起排出のために周波数走査を行う場合のようにイオン選択に時間が掛からず、短時間で不要なイオンを排除して衝突誘起解離などの次行程を実行することができる。それにより、例えばＭＳ／ＭＳ分析等におけるスループットを向上させることができる。具体的には例えば、高分解能が必要な場合においても、数十msec程度になることが期待できる。また、イオン選択対象の目的イオンの質量電荷比を変化させる場合でもイオントラップのｑ値を一定に維持することができ、目的イオンの質量電荷比に依存する分離能の低下などの問題がない。加えて、本発明は、プリカーサ分離のために不要なイオンを排除する過程を所定の質量電荷比の範囲で同時に行うことができるので、不要なイオン等が排除されずにイオントラップ内に残留することを防止することができる。さらにまた、広い質量電荷比範囲の目的イオンに対して用意しておくべき波形データの種類は少なくて済むので、波形データを記憶しておくメモリの記憶容量を節約でき、さらに波形データの生成に要する時間も短くて済む。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施例であるＤＩＴ−ＭＳの要部の構成図。
【図２】ＦＮＦ信号の周波数スペクトルの概略図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明に係るイオントラップ質量分析装置の一実施例であるＤＩＴ−ＭＳについて、添付図面を参照して説明する。図１は本実施例のＤＩＴ−ＭＳイオントラップの要部の構成図である。
【００２７】
本実施例によるＤＩＴ−ＭＳは、目的試料をイオン化するイオン源１と、イオンを一時的に保持して質量分離、衝突誘起解離などのイオンに対する各種操作を実施する３次元四重極型のイオントラップ２と、イオンを検出する検出器３と、該検出器３で得られたデータを処理して例えばマススペクトル等を作成するデータ処理部４と、を備える。
【００２８】
イオン源１におけるイオン化法は特に限定されず、試料が液体状である場合にはエレクロトスプレイイオン化（ＥＳＩ）法や大気圧化学イオン化（ＡＰＣＩ）法などの大気圧イオン化法が用いられ、試料が固体状である場合にはマトリクス支援レーザ脱離イオン化法（ＭＡＬＤＩ）などが用いられる。
【００２９】
イオントラップ２は、１個のリング電極２１と、これを挟むように対向して配置された、入口側エンドキャップ電極２２及び出口側エンドキャップ電極２４と、からなり、これら３個の電極２１、２２、２４で囲まれた空間がイオン捕捉領域となる。入口側エンドキャップ電極２２の略中央にはイオン入射口２３が穿設され、イオン源１から出射したイオンはイオン入射口２３を通過してイオントラップ２内に導入される。一方、出口側エンドキャップ電極２４の略中央にはイオン出射口２５が穿設され、イオン出射口２５を通ってイオントラップ２内から排出されたイオンは検出器３に到達して検出される。
【００３０】
検出器３は例えば、入射したイオンを電子に変換するコンバージョンダイノードと、その変換された電子を増倍して検出する二次電子増倍管とからなるものとすることができる。また、検出器３に代えて例えば飛行時間型質量分析器を設け、イオントラップ２に蓄積した各種イオンを一斉にイオン出射口２５を通して吐き出して飛行時間型質量分析器に導入し、そこでイオンを質量電荷比に応じて高い分離能で以て分離して検出する構成としてもよい。
【００３１】
イオントラップ２を駆動するためのトラップ駆動部５は、基準クロック発生部６、主電圧タイミング制御部７、主電圧発生部９、補助信号生成部１４、などを含む。リング電極２１にイオン捕捉用の矩形波電圧を印加するための主電圧発生部９は、第１電圧ＶHを発生する第１電圧源１０と、第２電圧ＶL（ＶL＜ＶH）を発生する第２電圧源１１と、第１電圧源１０の出力端と第２電圧源１１の出力端との間に直列に接続された第１スイッチ１２及び第２スイッチ１３と、を含む。スイッチ１２、１３は電力用ＭＯＳＦＥＴ等の高速動作可能な電力用スイッチング素子である。
【００３２】
主電圧タイミング制御部７はＲＦ電圧波形記憶部８を含み、ＲＦ電圧波形記憶部８に記憶されているＲＦ電圧波形データを読み出し、該データに基づく例えば相補的な２系統の駆動パルスを生成してスイッチ１２、１３に供給する。第１スイッチ１２がオンし第２スイッチ１３がオフするとき第１電圧ＶHが出力され、逆に第２スイッチ１３がオンし第１スイッチ１２がオフするとき第２電圧ＶLが出力されるから、主電圧発生部９からの出力電圧ＶOUTは理想的には、ハイレベルがＶH、ローレベルがＶLである所定周波数ｆの矩形波電圧となる。通常、ＶHとＶLとは絶対値が同じで極性が逆の高電圧であり、例えば、その絶対値は数百Ｖ〜１ｋＶ程度である。また、周波数ｆは通常数十ｋＨｚ〜数ＭＨｚ程度の範囲である。なお、通常、リング電極２１に印加される矩形波電圧は所定周波数の繰り返し波形であるため単純であるが、ＲＦ電圧波形記憶部８に記憶しておいたＲＦ電圧波形データを用いることにより、デューティ比を任意に決めたり、２系統の駆動パルスが同時にオンしないように微妙にタイミングを調整したりすることが容易になる。
【００３３】
一方、補助信号生成部１４はＦＮＦ波形記憶部１５のほか、図示しないＤ／Ａ変換器などを含む。ＦＮＦ波形記憶部１５には、図２に示すように、中心周波数がｆｎで周波数幅がΔｆｎであるノッチが形成され、それ以外に多数の周波数成分を含む周波数スペクトルを示すＦＮＦ信号をデジタル化した波形データが格納されている。ただし、ここでいうｆｎ、ΔｆｎはアナログＦＮＦ信号生成時の周波数及び周波数幅であり、このアナログＦＮＦ信号をＡ／Ｄ変換する際のサンプリング周波数と同じ周波数でＤ／Ａ変換が行われたときに、ノッチの中心周波数はｆｎ、周波数幅はΔｆｎとなる。また、アナログＦＮＦ信号をＡ／Ｄ変換する際のサンプリング周波数の１／２の周波数でＤ／Ａ変換が行われた場合には、ノッチの中心周波数はｆｎ／２となる。
【００３４】
即ち、ＦＮＦ信号のノッチの中心周波数はＦＮＦ波形記憶部１５から読み出された波形データをＤ／Ａ変換する際のクロック信号の周波数に依存する。一方、ＦＮＦ信号のノッチの周波数幅はＤ／Ａ変換する際のクロック信号の周波数に依存しない。ノッチの周波数幅はイオンの分離質量幅に対応するから、ノッチの中心周波数が変化したときに周波数幅が不変であると、目的イオンの質量電荷比が変化したときに分離質量幅も同時に変化してしまう。そのため、分離質量幅を一定に維持したまま目的イオンの質量電荷比を変化させたい場合には、ノッチの中心周波数が同一で周波数幅が相違する複数種類のＦＮＦ信号波形データを予め用意しておく必要がある。そして、要求される分離質量幅に応じて、ＦＮＦ信号生成時に用いる波形データを適宜選択する。
【００３５】
補助信号生成部１４において生成されたＦＮＦ信号は、ドライブ回路１６を通して入口側エンドキャップ電極２２に供給されると共に、反転回路１７で正負極性が反転されドライブ回路１８を通して出口側エンドキャップ電極２４に供給される。
【００３６】
基準クロック発生部６は例えばＤＤＳ（ダイレクトデジタルシンセサイザ）を用いたクロック発生回路であり、その周波数が連続的に可変である基準クロック信号ＣＫを生成する。この基準クロック信号ＣＫが主電圧タイミング制御部７と補助信号生成部１４とに入力され、主電圧タイミング制御部７及び補助信号生成部１４は基準クロック信号ＣＫに同期したタイミングで矩形波電圧生成及びＦＮＦ信号生成の処理を行う。ただし、主電圧タイミング制御部７と補助信号生成部１４とに供給されるクロック信号は必ずしも同一周波数、同一位相である必要はなく、両クロック信号の周波数が一定の比率を有して同期していさえすればよい。したがって、例えば、一方を基準クロック信号ＣＫとし、他方を基準クロック信号ＣＫを所定の分周比で分周して得たクロック信号としてもよい。
【００３７】
基準クロック発生部６における基準クロック信号ＣＫの周波数、主電圧タイミング制御部７において利用されるＲＦ電圧波形データの選択、補助信号生成部１４において利用されるＦＮＦ波形データの選択などは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを含んで構成される制御部３０により制御される。さらに、制御部３０には分析条件などを設定するための入力部３１が接続されている。
【００３８】
本実施例のＤＩＴ−ＭＳにおけるＭＳ／ＭＳ分析動作を説明する。イオン源１で生成された各種イオンはイオン入射口２３を経てイオントラップ２内に導入される。このとき、主電圧発生部９から所定周波数の矩形波電圧がリング電極２１に印加される一方、エンドキャップ電極２２、２４は一定電位に維持され、それによりイオントラップ２内に形成される捕捉電場によって各種イオンは捕捉される。次に、入力部３１により設定された目的とするプリカーサイオンの質量電荷比や分離質量幅に従って、制御部３０は基準クロック発生部６で生成する基準クロック信号ＣＫを所定周波数に設定する。また、指定された質量電荷比及び質量幅に応じて、主電圧タイミング制御部７はＲＦ電圧波形記憶部８から所定のＲＦ電圧波形データを読み出し、補助信号生成部１４は所定のＦＮＦ信号波形データを読み出す。
【００３９】
そして、主電圧タイミング制御部７は上述したように基準クロック信号ＣＫに基づいてＲＦ電圧波形データを順次繰り返し送出することにより主電圧発生部９に駆動パルスを供給し、主電圧発生部９はリング電極２１に矩形波電圧を印加する。一方、補助信号生成部１４は基準クロック信号ＣＫに同期したクロック信号によりＦＮＦ信号波形データをＤ／Ａ変換して生成したＦＮＦ信号をエンドキャップ電極２２、２４に供給する。
【００４０】
一例を挙げると、基準クロック信号ＣＫの周波数を１００ＭＨｚとした場合、主電圧タイミング制御部７ではこの基準クロック信号ＣＫを元にして２ＭＨｚの周波数を持つ駆動パルスを生成する。主電圧発生部９で発生する矩形波電圧の周波数も２ＭＨｚとなる。一方、補助信号生成部１４では、基準クロック信号ＣＫの周波数が１００ＭＨｚであるときに、ＦＮＦ信号波形データに基づいて５００ｋＨｚを中心周波数とする所定幅のノッチを持つＦＮＦ信号が生成されるものとする。ここでは、５００ｋＨｚのノッチ周波数はβ値では０．５、またｑ値でも０．５となる。このため、イオントラップ２が内接半径ｒ0＝１０ｍｍの大きさであるとすると、おおよそm/z５０のイオンを中心としたプリカーサ分離が行われる。即ち、m/z５０付近のイオンのみが共鳴励起されずにイオントラップ２内に残り、他の質量電荷比を持つイオンは共鳴励起排出によりイオントラップ２内から排除される。
【００４１】
これに対し、基準クロック発生部６において基準クロック信号ＣＫの周波数が１００ＭＨｚの√（１／６０）＝約１／７．７倍に下げられ、約１３ＭＨｚとなった場合を考える。このとき、主電圧発生部９で発生する矩形波電圧の周波数、補助信号生成部１４で生成されるＦＮＦ信号のノッチ周波数はいずれも同じ比率で変化するから、約１／７．７倍に下がる。そのため、リング電極２１に印加される矩形波電圧の周波数は約２６０ｋＨｚ、ＦＮＦ信号のノッチ周波数は約６５ｋＨｚとなるが、イオントラップのβ値、ｑ値は約０．５に維持される。このときには、約m/z３０００のイオンのみが共鳴励起されずにイオントラップ２内に残り、他の質量電比を持つイオンは共鳴励起排出によりイオントラップ２内から排除される。ただし、上述したように同じＦＮＦ信号波形データを用いた場合、ノッチ周波数が下がってもノッチ周波数幅は変わらず、質量分離幅は実質的に狭くなってしまう。したがって、目的イオンの質量電荷比をm/z５０→m/z３０００に変更したときに分離質量幅を同一に維持したければ、ＦＮＦ波形記憶部１５から読み出すＦＮＦ信号波形データをノッチ周波数幅が相違するものに変更する必要がある。
【００４２】
以上のように、基準クロック発生部６において発生させる基準クロック信号ＣＫの周波数を１００ＭＨｚ〜１３ＭＨｚの範囲で任意に設定することにより、m/z５０〜m/z３０００の質量電荷比囲で上記周波数に応じた質量電荷比のイオンをプリカーサイオンとして選択することが可能となる。このときにイオン選択する質量電荷比の設定分解能は基準クロック発生部６の周波数分解能に依存する。したがって、基準クロック信号ＣＫの周波数が連続的に可変であれば、m/z５０〜m/z３０００の質量電荷比範囲内で実質的に任意の質量電荷比を目的イオンとして設定することができる。
【００４３】
上述したように目的イオンをプリカーサイオンとして残すようにプリカーサ分離を実行した後には、従来と同様に、イオントラップ２内にＣＩＤガスを導入し、残留しているイオンを共鳴励起させるような信号をエンドキャップ電極２２、２４に印加してプリカーサイオンを解離させる。その後に、解離により生成したプロダクトイオンを質量電荷比に応じて共鳴励起排出して検出器３で検出する。
【００４４】
なお、イオン選択を行う目的イオンの質量電荷比m/zと矩形波電圧の周波数Ωとの関係は、イオントラップのｑ値を一定とすると、m/z∝１／Ω2である。したがって、この関係を用いて選択される質量電荷比の較正を行うようにすればよい。
【００４５】
実際には、イオントラップ２を構成する各電極２１、２２、２４の機械的寸法誤差やＲＦ波形精度などの影響で、上記のような理論的な関係からのずれが生じることも想定される。このため、例えば、目的イオンの質量電荷比m/zと矩形波電圧の周波数Ωとの関係を、
m/z＝１／（αΩ2＋βΩ＋γ）
などの多項式で表現し、複数の較正点（既知の質量電荷比m/zと周波数Ωとの関係）から、α、β、γの各係数値を求め、この係数値を用いて較正を行うようにするとよい。
【００４６】
また、以上の説明では、共鳴励起用の信号波形としてＦＮＦ信号を用いていたが、特定の周波数範囲にノッチを有し、そのほかに多数の周波数成分を含む信号波形であればＦＮＦ信号に限らない。また、ＦＮＦ波形記憶部１５に格納されるデータを作成する際のノッチ付き広帯域信号をコンピュータ上で生成する方法も、既存の各種方法を用いればよいことは当然である。
【００４７】
また上記実施例ではイオントラップとして３次元四重極型イオントラップを用いたが、同様の原理でイオンの捕捉や共鳴励起排出を実行可能なリニアイオントラップを用いたイオントラップ型質量分析装置にも本発明を適用でき、上述した効果を奏することは明らかである。
【符号の説明】
【００４８】
１…イオン源
２…イオントラップ
２１…リング電極
２２…入口側エンドキャップ電極
２３…イオン入射口
２４…出口側エンドキャップ電極
２５…イオン出射口
３…検出器
４…データ処理部
５…トラップ駆動部
６…基準クロック発生部
７…主電圧タイミング制御部
８…ＲＦ電圧波形記憶部
９…主電圧発生部
１０…第１電圧源
１１…第２電圧源
１２…第１スイッチ
１３…第２スイッチ
１４…補助信号生成部
１５…ＦＮＦ波形記憶部
１６、１８…ドライブ回路
１７…反転回路
３０…制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上記課題を解決するために成された本発明は、３以上の電極で囲まれる空間にイオンを捕捉するイオントラップを有し、少なくとも１つの第１電極にイオン捕捉用の矩形波電圧を印加しつつ、該第１電極とは異なる対向配置された一対の第２及び第３電極にそれぞれイオン共鳴励起用の信号を印加することにより、捕捉されているイオンのうちの不要なイオンをイオントラップ内から共鳴励起排出するイオントラップ質量分析装置において、
a)所定の周波数又は周波数範囲にノッチを有する周波数スペクトルを示す広帯域信号をデジタル化した波形データを記憶しておくデータ記憶手段と、
b)特定の質量電荷比又は質量電荷比範囲のイオンを選択的にイオントラップ内に残すイオン選択行程時に、その特定の質量電荷比又は質量電荷比範囲に応じた周波数に設定したイオン捕捉用の矩形波電圧を生成して前記第１電極に印加する矩形波電圧生成手段と、
c)前記イオン選択行程時に前記矩形波電圧生成手段により生成される矩形波電圧の周波数に同期したタイミングで前記データ記憶手段に記憶されている波形データを順次取得してアナログ化することにより、少なくとも前記特定の質量電荷比又は質量電荷比範囲を除くイオンを共鳴励起させる広帯域信号を生成して前記第２及び第３電極に印加する広帯域信号生成手段と、
を備えることを特徴とするイオントラップ質量分析装置。
【請求項２】
請求項１に記載のイオントラップ質量分析装置であって、
イオン選択行程時にイオントラップ内に残すイオンの質量電荷比又は質量電荷比範囲に応じた周波数の基準クロック信号を生成する基準クロック信号生成手段をさらに備え、
前記矩形波電圧生成手段は前記基準クロック信号に基づいて矩形波電圧を生成するとともに、前記広帯域信号生成手段は前記基準クロック信号又は該信号と同期関係にあるクロック信号に従って前記データ記憶手段から読み出した波形データをアナログ化することにより広帯域信号を生成することを特徴とするイオントラップ質量分析装置。
【請求項１】
上記課題を解決するために成された本発明は、３以上の電極で囲まれる空間にイオンを捕捉するイオントラップを有し、少なくとも１つの第１電極にイオン捕捉用の矩形波電圧を印加しつつ、該第１電極とは異なる対向配置された一対の第２及び第３電極にそれぞれイオン共鳴励起用の信号を印加することにより、捕捉されているイオンのうちの不要なイオンをイオントラップ内から共鳴励起排出するイオントラップ質量分析装置において、
a)所定の周波数又は周波数範囲にノッチを有する周波数スペクトルを示す広帯域信号をデジタル化した波形データを記憶しておくデータ記憶手段と、
b)特定の質量電荷比又は質量電荷比範囲のイオンを選択的にイオントラップ内に残すイオン選択行程時に、その特定の質量電荷比又は質量電荷比範囲に応じた周波数に設定したイオン捕捉用の矩形波電圧を生成して前記第１電極に印加する矩形波電圧生成手段と、
c)前記イオン選択行程時に前記矩形波電圧生成手段により生成される矩形波電圧の周波数に同期したタイミングで前記データ記憶手段に記憶されている波形データを順次取得してアナログ化することにより、少なくとも前記特定の質量電荷比又は質量電荷比範囲を除くイオンを共鳴励起させる広帯域信号を生成して前記第２及び第３電極に印加する広帯域信号生成手段と、
を備えることを特徴とするイオントラップ質量分析装置。
【請求項２】
請求項１に記載のイオントラップ質量分析装置であって、
イオン選択行程時にイオントラップ内に残すイオンの質量電荷比又は質量電荷比範囲に応じた周波数の基準クロック信号を生成する基準クロック信号生成手段をさらに備え、
前記矩形波電圧生成手段は前記基準クロック信号に基づいて矩形波電圧を生成するとともに、前記広帯域信号生成手段は前記基準クロック信号又は該信号と同期関係にあるクロック信号に従って前記データ記憶手段から読み出した波形データをアナログ化することにより広帯域信号を生成することを特徴とするイオントラップ質量分析装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−４９０５６（Ｐ２０１２−４９０５６Ａ）
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９１７３０（Ｐ２０１０−１９１７３０）
【出願日】平成２２年８月３０日（２０１０．８．３０）
【出願人】（０００００１９９３）株式会社島津製作所 (3,708)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月３０日（２０１０．８．３０）
【出願人】（０００００１９９３）株式会社島津製作所 (3,708)
【Ｆターム（参考）】
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