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、イオンを捕捉する際にリング電極に印加する矩形波電圧のデューティ比を５０％近傍に保つことで高m/z範囲の検出感度を改善する。
【解決手段】リング電極３１に印加される矩形波電圧の正極側部分と負極側部分とを整流回路５７、５８で別々に抽出し、積分回路５９、６０でそれぞれ平滑化する。これにより、矩形波電圧の正極側部分の面積値と負極側部分の面積値はそれぞれ直流信号の波高値ｈ１、ｈ２に置き換えられる。比較回路６１は両波高値の差を誤差信号Δとして出力し、この誤差信号Δが０になるように可変遅延回路５１、５２において制御信号の遅延量を調整する。これによって、スイッチ５３、５４をオン・オフ駆動する正極側制御信号と負極側制御信号との相対的位相関係が変化し、矩形波電圧のデューティ比が５０％に近づくように変化する。
【解決手段】リング電極３１に印加される矩形波電圧の正極側部分と負極側部分とを整流回路５７、５８で別々に抽出し、積分回路５９、６０でそれぞれ平滑化する。これにより、矩形波電圧の正極側部分の面積値と負極側部分の面積値はそれぞれ直流信号の波高値ｈ１、ｈ２に置き換えられる。比較回路６１は両波高値の差を誤差信号Δとして出力し、この誤差信号Δが０になるように可変遅延回路５１、５２において制御信号の遅延量を調整する。これによって、スイッチ５３、５４をオン・オフ駆動する正極側制御信号と負極側制御信号との相対的位相関係が変化し、矩形波電圧のデューティ比が５０％に近づくように変化する。
【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、アナログ駆動方式のイオントラップでは、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、デジタル駆動方式イオントラップ或いは単に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】
図７は従来のＤＩＴ駆動部の概略構成図、図８はこのＤＩＴ駆動部のタイミング図である。図７に示すように、イオントラップ３は１個のリング電極３１と一対のエンドキャップ電極３２、３４とから成り、リング電極３１には、正極側スイッチ５３、負極側スイッチ５４を介して正極側高電圧直流電源５５、負極側高電圧直流電源５６が接続されている。スイッチ５３、５４は電力用ＭＯＳＦＥＴなどの高耐圧スイッチング素子である。正極側スイッチ５３及び負極側スイッチ５４は、図示しない制御部から供給される正極側及び負極側制御信号（図８（ａ）、（ｂ）参照）によりオン／オフ制御される。両スイッチ５３、５４が同時にオンすると短絡が生じるため、これを避けるべく、正極側制御信号がオンである期間と負極側制御信号がオンである期間との間には、両制御信号がいずれもオフである空白期間が設けてある。このような制御信号により、リング電極３１に印加される矩形波電圧は図８（ｃ）に示すように、正電圧Ｖdd、負電圧−Ｖdd、及び０電圧の３値波形となるように想像されるが、実際には両スイッチ５３、５４がオフの状態ではリング電極３１に貯まった電荷の逃げ場がなくなるために電圧変化は殆ど発生せず、図８（ｄ）に示すようになる。
【０００５】
図８から分かるように、リング電極３１へ印加される矩形波電圧は、正極側制御信号がオンになった時点から負極側制御信号がオンになる時点までの期間ＴAが正電圧Ｖddを示し、負極側制御信号がオンになった時点から正極側制御信号がオンになる時点までの期間ＴBが負電圧−Ｖddを示す。したがって、期間ＴAと期間ＴBとが等しければ、矩形波電圧のデューティ比は５０％になる。しかしながら、両制御信号のタイミングにずれが生じて期間ＴAと期間ＴBとが等しくなくなったり、或いは期間ＴAと期間ＴBが等しくても両スイッチ５３、５４のスイッチング特性（応答時間など）にばらつきが生じたりすると、矩形波電圧のデューティ比が５０％からずれることになる。
【０００６】
ＤＩＴにおいてリング電極３１に印加される矩形波電圧のデューティ比が５０％からずれると次のような不具合がある。
（１）矩形波電圧のデューティ比が変化すると、矩形波電圧の周波数等に変化がなくても、マシュー(Mathieu）方程式の安定解の条件に基づいて描かれるイオン捕捉のための安定領域図上の安定領域の形状が変化する（非特許文献２のFig.2参照）。それによって、高い質量電荷比を有するイオンが安定領域から逸脱し易くなり、イオントラップ内に捕捉できない状態になる。図９はＤＩＴを用いた質量分析装置によるマススペクトルの実測例であり、（ｂ）は矩形波電圧のデューティ比が５０％である場合、（ａ）はデューティ比が５０％からずれた場合である。（ａ）では明らかにm/z600程度以上のイオンが検出されていないことが分かる。
【０００７】
（２）非特許文献２のFig.2に示されているように安定領域図上の安定領域の形状が変形すると、イオントラップにおける重要なパラメータであるｑ値とβ値との関係が変化する。その結果、イオントラップにおいて捕捉対象であるイオンの理論的な質量電荷比と実際に捕捉される質量電荷比とのずれが大きくなり、このずれの補正（マスキャリブレーション）が理論計算から外れてしまうことになる。
【０００８】
図１０は矩形波電圧のデューティ比を５０％から０．３％だけずらした場合におけるｑ値の補正量（変動量）を求めた結果である。もともとｑ値が大きい場合には補正量は小さく質量依存性も小さいが、ｑ値が小さくなるに伴い補正量は大きくなり質量依存性も大きくなることが分かる。このずれが大きくなると、特に質量依存性が大きくなると、イオントラップ内に捕捉したい質量電荷比をもつイオンを正確に捕捉することが難しくなり、特にプリカーサイオンの選択性の低下などを引き起こすことになる。
【０００９】
上記図１０を求める際に想定した０．３％のデューティ比ずれは、矩形波電圧の１周期の時間が６００nsec（周波数では１．６７MHz）である場合、時間にして僅か１．８nsecのずれにすぎない。この程度の僅かな時間のずれは、スイッチ５３、５４を動作させる制御信号を供給するための伝送線路に使用するドライバやバッファなどのＩＣやスイッチ自体の特性の温度変化などによって容易に発生し得る。即ち、上述したようなマスキャリブレーションの問題はごく一般的に起こり得る問題であるといえる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特表２００７−５２７００２号公報
【特許文献２】特開２００８−２８２５９４号公報
【非特許文献】
【００１１】
【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
【非特許文献２】リー（Won-Wook Lee）、ほか６名、「スタビリティ・オブ・イオン・モーション・イン・ザ・クゥアドルポール・イオン・トラップ・ドリブン・バイ・レクタンギュラー・ウェイブフォーム・ボルテージズ（Stability of ion motion in the quadrupole ion trap driven by rectangular waveform voltages）」、インターナショナル・ジャーナル・オブ・マス・スペクトロメトリー（International Journal of Mass Spectrometry）、230、2003年、p.65-70
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
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、リング電極等に印加される矩形波電圧のデューティ比が５０％からずれることを防止することで高質量電荷比のイオンもイオントラップ内に確実に捕捉して、マススペクトル上での高質量電荷比ピークの消失を回避することを主たる目的としている。また、本発明の他の目的は、イオントラップのマスキャリブレーションの理論値からのずれを抑えることで質量選択性を向上させることができるイオントラップ質量分析装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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、前記３つ以上の電極のうちの少なくとも１つの電極にイオン捕捉用の矩形波電圧を印加するために、正電圧直流電源、負電圧直流電源、前記正電圧直流電源から出力される正電圧をオン・オフする正極側スイッチ、及び、前記負電圧直流電源から出力される負電圧をオン・オフする負極側スイッチ、を含み、前記正極側スイッチ及び前記負極側スイッチのオン時に各スイッチを経た正電圧及び負電圧を前記矩形波電圧として出力する矩形波電圧生成手段を具備するイオントラップ質量分析装置において、
a)前記少なくとも１つの電極に印加される矩形波電圧の正極側部分の面積を求める正極側波形面積算出手段と、
b)前記少なくとも１つの電極に印加される矩形波電圧の負極側部分の面積を求める負極側波形面積算出手段と、
c)前記正極側波形面積算出手段による面積と前記負極側波形面積算出手段による面積との差がゼロになるように、前記正極側スイッチ及び前記負極側スイッチをそれぞれオン・オフ駆動する制御信号の少なくともいずれか一方の信号変化のタイミングを調整するフィードバック調整手段と、
を備えることを特徴としている。
【００１４】
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、前記少なくとも１つの電極はリング電極である。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３次元四重極型イオントラップにおけるリング電極に相当し、別の２本のロッド電極が一対のエンドキャップ電極に相当する。
【００１５】
本発明に係るイオントラップ質量分析装置において、正極側波形面積算出手段及び負極側波形面積算出手段はそれぞれ、正負両極性の矩形状波形から正極側のみ又は負極側のみの波形を抽出する整流手段と、抽出された正極側のみ又は負極側のみの矩形状波形を積分する（平滑化する）積分手段とを含む構成とすることができる。
【００１６】
また、正極側スイッチをオン・オフ駆動する矩形状の制御信号（正極側制御信号）の立ち上がり（又は立ち下がり）から負極側スイッチをオン・オフ駆動する矩形状の制御信号（負極側制御信号）の立ち上がり（又は立ち下がり）までの期間が矩形波電圧の正極側部分であり、負極側制御信号の立ち上がり（又は立ち下がり）から正極側制御信号の立ち上がり（又は立ち下がり）までの期間が矩形波電圧の負極側部分である場合、フィードバック調整手段は、正極側制御信号又は負極側制御信号の一方を他方に対して遅延させる遅延量を、正極側波形面積算出手段による面積と負極側波形面積算出手段による面積との差に応じて調整する構成とすることができる。
【００１７】
本発明に係るイオントラップ質量分析装置では、周囲温度変化などの要因により例えば正極側スイッチと負極側スイッチのスイッチング特性に差が生じて矩形波電圧のデューティ比が５０％である状態からずれると、正極側波形面積算出手段による面積と負極側波形面積算出手段による面積との差がゼロでなくなる。すると、フィードバック調整手段は、両面積の差がゼロになるように、つまり矩形波電圧の正極側部分の面積と負極側部分の面積とが等しくなるように、正極側制御信号又は負極側制御信号の少なくともいずれか一方の信号変化のタイミングを調整し、矩形波電圧のデューティ比が５０％に戻るように変化させる。即ち、フィードバックループにより矩形波電圧のデューティ比を制御する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るイオントラップ質量分析装置によれば、例えば３次元四重極型イオントラップのリング電極に印加する矩形波電圧のデューティ比を５０％近傍に維持することができるので、マシュー方程式の安定解の条件に基づく安定領域図の変形を抑制し、高い質量電荷比をもつイオンもイオントラップ内に捕捉することができる。それにより、イオントラップ内に捕捉したイオンを質量分析することで得られたマススペクトル上で、高質量電荷比のイオンピークの消失を回避することができ、高質量電荷比範囲の検出感度を向上させることができる。
【００１９】
なお、一般に矩形波信号におけるデューティ比のずれを、遙かに高い周波数の矩形波信号を用いた計数、つまりは時間計測によって検出する方法が知られている。しかしながら、本発明のような装置では、デューティ比のずれに相当する時間は数nsec程度であり、これを時間計測により検出するためにはGHzレベル以上の動作クロック周波数を持つ検出回路が必要となり、実用的ではない。これに対し、本発明に係るイオントラップ質量分析装置では、矩形波電圧の正極側部分及び負極側部分の面積を求めてこれを比較しさえすればよいので、ハードウエア構成も簡単でありコストの点でも有利である。
【００２０】
一方、正電圧直流電源の出力電圧と負電圧直流電源の出力電圧との波高値（電圧値の絶対値）に差がある場合には、矩形波電圧の正極側部分の面積と負極側部分の面積とが等しくなるようにデューティ比が調整されるから、デューティ比は５０％からずれることになる。換言すれば、デューティ比が５０％から若干ずれることを許容すれば、矩形波電圧の正極側部分と負極側部分との波高値の若干の差があっても、安定領域の変形を或る程度回避して、高質量電荷比範囲の検出感度を高い状態に維持することができる。
【００２１】
ただし、矩形波電圧の正極側部分の波高値と負極側部分の波高値の差が大きくなると、マシュー方程式の安定解の条件に基づく安定領域内での動作点の変化が無視できなくなり、マスキャリブレーションがずれる現象は回避できなくなる。そこで、本発明に係るイオントラップ質量分析装置の好ましい一態様として、前記矩形波電圧の正極側部分の波高値及び負極側部分の波高値がそれぞれ所定値になるように、前記正電圧直流電源及び前記負電圧直流電源から出力される電圧をフィードバック調整する波高値フィードバック調整手段をさらに備える構成とするとよい。
【００２２】
この構成によれば、波高値フィードバック調整手段の機能により矩形波電圧の正極側部分と負極側部分との波高値が同一になり、且つフィードバック調整手段の機能により、矩形波電圧のデューティ比が５０％になるように調整される。これにより、マシュー方程式の安定解の条件に基づく安定領域図の変形が抑制されるとともに、その安定領域の中で捕捉の動作点の変化も抑制されるので、高質量電荷比のイオンの検出感度を高くしながら、イオントラップのマスキャリブレーションの理論値からのずれも抑えることができる。それにより、例えば特定の質量電荷比を持つイオンをプリカーサイオン等としてイオントラップ内に捕捉する際に、その質量選択性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係るイオントラップ質量分析装置の第１実施例であるＤＩＴ−ＴＯＦＭＳの概略構成図。
【図２】第１実施例のＤＩＴ−ＴＯＦＭＳにおけるイオントラップ駆動部の動作タイミング図。
【図３】第１実施例のＤＩＴ−ＴＯＦＭＳにおけるイオントラップ駆動部のブロック構成図。
【図４】本発明の第２実施例であるＤＩＴ−ＴＯＦＭＳにおけるイオントラップ駆動部のブロック構成図。
【図５】第２実施例のＤＩＴ−ＴＯＦＭＳにおけるイオントラップ駆動部の動作タイミング図。
【図６】第１実施例のＤＩＴ−ＴＯＦＭＳにおける高質量電荷比範囲の感度改善効果を示す実測のマススペクトル。
【図７】従来のＤＩＴ駆動部の概略構成図。
【図８】図６に示したＤＩＴ駆動部の動作タイミング図。
【図９】従来の質量分析装置において矩形波電圧のデューティ比が５０％からずれた場合の不具合を示すマススペクトルの実測例。
【図１０】従来の質量分析装置において矩形波電圧のデューティ比を５０％から０．３％ずらした場合におけるｑ値の補正量を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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−ＴＯＦＭＳについて、添付図面を参照して説明する。図１は第１実施例のＤＩＴ−ＴＯＦＭＳの概略構成図である。
【００２５】
第１実施例によるＤＩＴ−ＴＯＦＭＳは、目的試料をイオン化するイオン源２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３と、イオントラップ３から排出されたイオンを質量分離して検出する飛行時間型質量分析計４と、を備える。
【００２６】
イオン源２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。
【００２７】
イオントラップ３は、上述した通り、１個のリング電極３１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３２及び出口側エンドキャップ電極３４と、からなり、これら３個の電極３１、３２、３４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３２の略中央にはイオン入射孔３３が穿設され、イオン源２から出射したイオンはイオン入射孔３３を通過してイオントラップ３内に導入される。一方、出口側エンドキャップ電極３４の略中央にはイオン出射孔３５が穿設され、イオン出射孔３５を通ってイオントラップ３内から排出されたイオンが飛行時間型質量分析計４に導入される。
【００２８】
飛行時間型質量分析計４は、静電場によりイオンを反射させるリフレクトロン４２が配置された飛行空間４１と、該飛行空間４１中を飛行して来たイオンを検出する検出器４３とを含む。なお、イオントラップ３はそれ自体で質量分離の機能を持つから、イオントラップ３で質量分離したイオンをイオン出射孔３５から排出し、直接、検出器で検出する構成としてもよい。
【００２９】
イオントラップ駆動部５は、制御部１の制御の下にイオントラップ３を駆動するためにリング電極３１に後述する矩形波電圧を印加するものである。なお、イオントラップ３内でイオンを共鳴励振させたりイオンをイオントラップ３内から吐き出したりするためには、エンドキャップ電極３２、３４にも電圧を印加するが、それについては本発明の趣旨ではないので記載を省略している。
【００３０】
図３は第１実施例のＤＩＴ−ＴＯＦＭＳにおけるイオントラップ駆動部５のブロック構成図、図２はそのイオントラップ駆動部５の要部の動作タイミング図である。
例えばイオン源２からイオントラップ３内に導入されたイオンを捕捉する際には、ＣＰＵ等を含む制御部１からイオントラップ駆動部５へ正極側制御信号及び負極側制御信号が供給され、これら制御信号に応じて生成された矩形波電圧がリング電極３１に印加される。イオントラップ駆動部５は、正極側スイッチ５３、負極側スイッチ５４、正極側高電圧直流電源５５、負極側高電圧直流電源５６のほかに、２系統の可変遅延回路５１、５２、正極側整流回路５７、負極側整流回路５８、２系統の積分回路５９、６０、比較回路６１、を備える。
【００３１】
正極側制御信号及び負極側制御信号は図８（ａ）、（ｂ）に示される従来と同様の矩形波信号であり、これら各制御信号に可変遅延回路５１、５２でそれぞれ一定の遅延が加えられる。標準的には両制御信号に対する遅延量はゼロ又は同一であるが、後述するフィードバック制御によって正極側可変遅延回路５１又は負極側可変遅延回路５２のいずれかにおいて遅延量が変化する。可変遅延回路５１、５２を経た両制御信号は正極側スイッチ５３、負極側スイッチ５４に与えられ、それらスイッチ５３、５４をオン又はオフさせる。正極側スイッチ５３がオンすると、正極側高電圧直流電源５５から出力される電圧値がＶddである正極側直流電圧がリング電極３１に印加され、負極側スイッチ５４がオンすると、負極側高電圧直流電源５６から出力される電圧値が−Ｖddである負極側直流電圧がリング電極３１に印加される。即ち、正極側部分の波高値がＶdd、負極側部分の波高値が−Ｖddである矩形波電圧がリング電極３１に印加される（図２（ａ）参照）。
【００３２】
上記矩形波電圧は正極側整流回路５７及び負極側整流回路５８にも並行して入力され、矩形波電圧の正極側部分と負極側部分とが別々に検出される（図２（ｂ）、（ｄ）参照）。正極側部分が抽出された信号は正極側積分回路５９に入力され、平滑化されて図２（ｃ）に示すような時間的な変化が非常に緩慢である正の直流信号となる。この直流信号の大きさ（電圧値）ｈ１が矩形波電圧の正極側部分の面積値に相当する。他方、負極側部分が抽出された信号は負極側積分回路６０に入力され、平滑化されて図２（ｅ）に示すような時間的な変化が非常に緩慢である負の直流信号となる。この直流信号の大きさ（電圧値）ｈ２が矩形波電圧の負極側部分の面積値に相当する。
【００３３】
積分回路５９、６０で得られる正負２つの直流信号は比較回路６１に入力され、その大きさが比較されて大きさの差分に応じた信号、つまり誤差信号Δが出力される（図２（ｆ）参照）。矩形波電圧の正極側部分の面積値と負極側部分の面積値とが等しければ、つまり矩形波電圧のデューティ比が５０％であれば、誤差信号Δは０である。逆に、誤差信号Δが０でないことは矩形波電圧のデューティ比が５０％からずれていることを意味しており、誤差信号Δの大きさはデューティ比のずれ量を反映し、誤差信号Δの極性はデューティ比のずれの方向（５０％を基準にプラス方向であるかマイナス方向であるか）を反映している。そこで、この誤差信号Δが可変遅延回路５１、５２へとフィードバックされ、可変遅延回路５１、５２はフィードバックされた誤差信号Δの大きさ及び極性に応じて遅延量を調整する。
【００３４】
定性的に言うと、矩形波電圧の正極側部分の面積が負極側部分の面積に比べて大きく誤差信号Δが正である場合には、正極側可変遅延回路５１の遅延量を増加させるか、負極側可変遅延回路５２の遅延量を減少させる。これにより、スイッチ５３、５４の入力段階では、図８におけるＴA期間は短く、その分だけＴB期間が長くなるから、矩形波電圧の負極側部分が拡大するようにデューティ比が変化する。逆に、矩形波電圧の負極側部分の面積が正極側部分の面積に比べて大きく誤差信号Δが負である場合には、負極側可変遅延回路５２の遅延量を増加させるか、正極側可変遅延回路５１の遅延量を減少させる。これにより、スイッチ５３、５４の入力段階では、図８におけるＴA期間は長く、その分だけＴB期間が短くなるから、矩形波電圧の正極側部分が拡大するようにデューティ比が変化する。
【００３５】
比較回路６１から可変遅延回路５１、５２へのフィードバックはデジタル的に行ってもよいしアナログ的に行ってもよい。デジタル的又はアナログ的のいずれにおいても、比較回路６１で求まる誤差信号Δの大きさに応じて遅延量を変えるようにすることができる。このときの誤差信号Δと適切な遅延量との関係は予め実験的に決めておくことができるから、本装置を出荷する段階で製造メーカーが適切な関係を示すデータをメモリに格納しておけばよい。また、誤差信号Δと適切な遅延量との関係をキャリブレーションによって求めることができるようにしてもよい。
【００３６】
また、矩形波電圧のデューティ比が５０％からずれる要因は周囲温度などの環境変化であることが多いため、一般的には、短時間の間に急激にデューティ比が５０％から大きくずれることは考えにくい。即ち、多くの場合、デューティ比のずれは時間的に緩慢である。そのため、比較回路６１で求まる誤差信号Δの大きさに応じた遅延量を与えるのではなく、誤差信号Δが所定の閾値以上である場合に遅延量を或る決まった量だけ増加又は減少させるようなフィードバック制御を行ってもよい。このような制御によれば、初期的に矩形波電圧のデューティ比のずれが大きい場合でも、フィードバック制御の繰り返しにより徐々に最適な状態に近づけることができる。
【００３７】
なお、図３に示した構成では、正極側可変遅延回路５１、負極側可変遅延回路５２の両方へ誤差信号Δをフィードバックさせているが、一方の遅延回路５１又は５２の遅延量を固定にして（或いは遅延回路を設けずに）、他方の遅延回路５２又は５１の遅延量のみを変化させる構成としてもよい。即ち、両制御信号の相対的な位相関係を変えることができさえすればよい。こうした目的から、制御信号自体の遅延量を変えるのではなく、制御信号の立ち上がり位置のみをずらすようにしてもよいが、通常、回路的には上記実施例で示した構成のほうが簡便である。
【００３８】
次に、本発明の第２実施例であるＤＩＴ−ＴＯＦＭＳにおけるイオントラップ駆動部の構成と動作について、図４、図５を参照して説明する。図４は本実施例のＤＩＴ−ＴＯＦＭＳにおけるイオントラップ駆動部のブロック構成図であり、図３に示したブロック構成と同一の構成要素には同一符号を付してある。また、図５は第２実施例のＤＩＴ−ＴＯＦＭＳにおけるイオントラップ駆動部の要部の動作タイミング図である。
【００３９】
このイオントラップ駆動部５の構成上特徴的であるのは、上記第１実施例において、予め決められた直流電圧を出力していた正極側高電圧直流電源５５及び負極側高電圧直流電源５６に代えて、正極側可変高電圧直流電源６２及び負極側可変高電圧直流電源６３が設けられている点、及び、これら可変高電圧直流電源６２、６３からの出力電圧の電圧値（波高値）をフィードバック制御するための回路が追加されている点である。
【００４０】
即ち、リング電極３１に印加される矩形波電圧は、立ち上がり検出回路６４、立ち下がり検出回路６５及び２系統のサンプル／ホールド（Ｓ／Ｈ）回路６８、６９にも入力されている。立ち上がり検出回路６４は、矩形波電圧の立ち上がりエッジを検出してパルス信号を生成し、正極側遅延回路６６はそのパルス信号を一定量ｄだけ遅延させる（図５（ｂ）、（ｃ）参照）。他方、立ち下がり検出回路６５は、矩形波電圧の立ち下がりエッジを検出してパルス信号を生成し、負極側遅延回路６７はそのパルス信号を一定量ｄだけ遅延させる（図５（ｄ）、（ｅ）参照）。この遅延量ｄは矩形波電圧の１／４周期程度の時間に予め設定されている。
【００４１】
正極側Ｓ／Ｈ回路６８は、正極側遅延回路６６から出力されたパルス信号で矩形波電圧をサンプリングし、その値を次のサンプリング時点までホールドする。したがって、矩形波電圧の正極側部分の電圧値が確実にホールドされる。同様に負極側Ｓ／Ｈ回路６９は、負極側遅延回路６７から出力されたパルス信号で矩形波電圧をサンプリングし、その値を次のサンプリング時点までホールドする。したがって、矩形波電圧の負極側部分の電圧値が確実にホールドされる。正極側Ｓ／Ｈ回路６８の出力は比較回路７０で波高設定値と比較され、その差分に応じた誤差信号が正極側可変高電圧直流電源６２にフィードバックされる。また、負極側Ｓ／Ｈ回路６９の出力は比較回路７１で波高設定値と比較され、その差分に応じた誤差信号が負極側可変高電圧直流電源６３にフィードバックされる。波高設定値は例えば制御部１から設定されるが、例えばＶdd、−Ｖddのように、典型的には絶対値が同一で極性のみが異なる波高設定値が比較回路７０、７１に与えられる。
【００４２】
これにより、正極側可変高電圧直流電源６２及び負極側可変高電圧直流電源６３の出力電圧は設定された波高設定値になるようにフィードバック制御される。そして、正極側可変高電圧直流電源６２及び負極側可変高電圧直流電源６３の出力電圧の絶対値が同一である条件の下で上述したように矩形波電圧の正極側部分の面積と負極側部分の面積とが等しくなるようにデューティ比が制御されるので、デューティ比はほぼ５０％に維持されることになる。以上のように、この第２実施例の構成によれば、リング電極に印加する矩形波電圧の正極側部分の波高値と負極側の波高値とを等しくした状態で、そのデューティ比を５０％にすることができる。それによって、高質量電荷比範囲の検出感度向上とマスキャリブレーションの理論値からのずれの抑制とを共に達成することができる。
【００４３】
上述したように、従来のＤＩＴを用いた質量分析装置では、矩形波電圧のデューティ比を５０％から０．３％程度ずらしただけでも高質量電荷比範囲のイオンが検出できなくなる。これに対し、矩形波電圧の正極側部分の面積値と負極側部分の面積値とが等しくなるように一方の波高値を調整してマススペクトルを取得すると、マススペクトルは図６（ａ）から図６（ｂ）に示すように変化する。この例では、m/z1000以上の範囲で検出感度が向上していることが分かる。この例はデューティ比を５０％にしたものではないが、上記実施例で説明したように矩形波電圧の正極側部分の面積値と負極側部分の面積値とを等しくしており、デューティ比を５０％にすることで矩形波電圧の正極側部分の面積値と負極側部分の面積値とを等しくしても同様に、高質量電荷比範囲の検出感度が改善されると考えられる。また、この例では、矩形波電圧の正極側部分の波高値と負極側部分の波高値とは若干相違しているが、このように両波高値が完全には一致しない場合であっても、矩形波電圧の正極側部分の面積値と負極側部分の面積値とが等しければ高質量電荷比範囲の検出感度の改善が可能であることが分かる。
【００４４】
なお、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】
【００４５】
１…制御部
２…イオン源
３…イオントラップ
３…リング電極
３１…リング電極
３２…入口側エンドキャップ電極
３３…イオン入射孔
３４…出口側エンドキャップ電極
３５…イオン出射孔
４…飛行時間型質量分析計
４１…飛行空間
４２…リフレクトロン
４３…検出器
５…イオントラップ駆動部
５１、５２…可変遅延回路
５３、５４…スイッチ
５５…正極側高電圧直流電源
５６…負極側高電圧直流電源
５７、５８…整流回路
５９、６０…積分回路
６１…比較回路
６２…正極側可変高電圧直流電源
６３…負極側可変高電圧直流電源
６４…立ち上がり検出回路
６５…立ち下がり検出回路
６６、６７…遅延回路
６８、６９…サンプル／ホールド（Ｓ／Ｈ）回路
７０、７１…比較回路
【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、アナログ駆動方式のイオントラップでは、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、デジタル駆動方式イオントラップ或いは単に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】
図７は従来のＤＩＴ駆動部の概略構成図、図８はこのＤＩＴ駆動部のタイミング図である。図７に示すように、イオントラップ３は１個のリング電極３１と一対のエンドキャップ電極３２、３４とから成り、リング電極３１には、正極側スイッチ５３、負極側スイッチ５４を介して正極側高電圧直流電源５５、負極側高電圧直流電源５６が接続されている。スイッチ５３、５４は電力用ＭＯＳＦＥＴなどの高耐圧スイッチング素子である。正極側スイッチ５３及び負極側スイッチ５４は、図示しない制御部から供給される正極側及び負極側制御信号（図８（ａ）、（ｂ）参照）によりオン／オフ制御される。両スイッチ５３、５４が同時にオンすると短絡が生じるため、これを避けるべく、正極側制御信号がオンである期間と負極側制御信号がオンである期間との間には、両制御信号がいずれもオフである空白期間が設けてある。このような制御信号により、リング電極３１に印加される矩形波電圧は図８（ｃ）に示すように、正電圧Ｖdd、負電圧−Ｖdd、及び０電圧の３値波形となるように想像されるが、実際には両スイッチ５３、５４がオフの状態ではリング電極３１に貯まった電荷の逃げ場がなくなるために電圧変化は殆ど発生せず、図８（ｄ）に示すようになる。
【０００５】
図８から分かるように、リング電極３１へ印加される矩形波電圧は、正極側制御信号がオンになった時点から負極側制御信号がオンになる時点までの期間ＴAが正電圧Ｖddを示し、負極側制御信号がオンになった時点から正極側制御信号がオンになる時点までの期間ＴBが負電圧−Ｖddを示す。したがって、期間ＴAと期間ＴBとが等しければ、矩形波電圧のデューティ比は５０％になる。しかしながら、両制御信号のタイミングにずれが生じて期間ＴAと期間ＴBとが等しくなくなったり、或いは期間ＴAと期間ＴBが等しくても両スイッチ５３、５４のスイッチング特性（応答時間など）にばらつきが生じたりすると、矩形波電圧のデューティ比が５０％からずれることになる。
【０００６】
ＤＩＴにおいてリング電極３１に印加される矩形波電圧のデューティ比が５０％からずれると次のような不具合がある。
（１）矩形波電圧のデューティ比が変化すると、矩形波電圧の周波数等に変化がなくても、マシュー(Mathieu）方程式の安定解の条件に基づいて描かれるイオン捕捉のための安定領域図上の安定領域の形状が変化する（非特許文献２のFig.2参照）。それによって、高い質量電荷比を有するイオンが安定領域から逸脱し易くなり、イオントラップ内に捕捉できない状態になる。図９はＤＩＴを用いた質量分析装置によるマススペクトルの実測例であり、（ｂ）は矩形波電圧のデューティ比が５０％である場合、（ａ）はデューティ比が５０％からずれた場合である。（ａ）では明らかにm/z600程度以上のイオンが検出されていないことが分かる。
【０００７】
（２）非特許文献２のFig.2に示されているように安定領域図上の安定領域の形状が変形すると、イオントラップにおける重要なパラメータであるｑ値とβ値との関係が変化する。その結果、イオントラップにおいて捕捉対象であるイオンの理論的な質量電荷比と実際に捕捉される質量電荷比とのずれが大きくなり、このずれの補正（マスキャリブレーション）が理論計算から外れてしまうことになる。
【０００８】
図１０は矩形波電圧のデューティ比を５０％から０．３％だけずらした場合におけるｑ値の補正量（変動量）を求めた結果である。もともとｑ値が大きい場合には補正量は小さく質量依存性も小さいが、ｑ値が小さくなるに伴い補正量は大きくなり質量依存性も大きくなることが分かる。このずれが大きくなると、特に質量依存性が大きくなると、イオントラップ内に捕捉したい質量電荷比をもつイオンを正確に捕捉することが難しくなり、特にプリカーサイオンの選択性の低下などを引き起こすことになる。
【０００９】
上記図１０を求める際に想定した０．３％のデューティ比ずれは、矩形波電圧の１周期の時間が６００nsec（周波数では１．６７MHz）である場合、時間にして僅か１．８nsecのずれにすぎない。この程度の僅かな時間のずれは、スイッチ５３、５４を動作させる制御信号を供給するための伝送線路に使用するドライバやバッファなどのＩＣやスイッチ自体の特性の温度変化などによって容易に発生し得る。即ち、上述したようなマスキャリブレーションの問題はごく一般的に起こり得る問題であるといえる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特表２００７−５２７００２号公報
【特許文献２】特開２００８−２８２５９４号公報
【非特許文献】
【００１１】
【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
【非特許文献２】リー（Won-Wook Lee）、ほか６名、「スタビリティ・オブ・イオン・モーション・イン・ザ・クゥアドルポール・イオン・トラップ・ドリブン・バイ・レクタンギュラー・ウェイブフォーム・ボルテージズ（Stability of ion motion in the quadrupole ion trap driven by rectangular waveform voltages）」、インターナショナル・ジャーナル・オブ・マス・スペクトロメトリー（International Journal of Mass Spectrometry）、230、2003年、p.65-70
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
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、リング電極等に印加される矩形波電圧のデューティ比が５０％からずれることを防止することで高質量電荷比のイオンもイオントラップ内に確実に捕捉して、マススペクトル上での高質量電荷比ピークの消失を回避することを主たる目的としている。また、本発明の他の目的は、イオントラップのマスキャリブレーションの理論値からのずれを抑えることで質量選択性を向上させることができるイオントラップ質量分析装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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、前記３つ以上の電極のうちの少なくとも１つの電極にイオン捕捉用の矩形波電圧を印加するために、正電圧直流電源、負電圧直流電源、前記正電圧直流電源から出力される正電圧をオン・オフする正極側スイッチ、及び、前記負電圧直流電源から出力される負電圧をオン・オフする負極側スイッチ、を含み、前記正極側スイッチ及び前記負極側スイッチのオン時に各スイッチを経た正電圧及び負電圧を前記矩形波電圧として出力する矩形波電圧生成手段を具備するイオントラップ質量分析装置において、
a)前記少なくとも１つの電極に印加される矩形波電圧の正極側部分の面積を求める正極側波形面積算出手段と、
b)前記少なくとも１つの電極に印加される矩形波電圧の負極側部分の面積を求める負極側波形面積算出手段と、
c)前記正極側波形面積算出手段による面積と前記負極側波形面積算出手段による面積との差がゼロになるように、前記正極側スイッチ及び前記負極側スイッチをそれぞれオン・オフ駆動する制御信号の少なくともいずれか一方の信号変化のタイミングを調整するフィードバック調整手段と、
を備えることを特徴としている。
【００１４】
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、前記少なくとも１つの電極はリング電極である。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３次元四重極型イオントラップにおけるリング電極に相当し、別の２本のロッド電極が一対のエンドキャップ電極に相当する。
【００１５】
本発明に係るイオントラップ質量分析装置において、正極側波形面積算出手段及び負極側波形面積算出手段はそれぞれ、正負両極性の矩形状波形から正極側のみ又は負極側のみの波形を抽出する整流手段と、抽出された正極側のみ又は負極側のみの矩形状波形を積分する（平滑化する）積分手段とを含む構成とすることができる。
【００１６】
また、正極側スイッチをオン・オフ駆動する矩形状の制御信号（正極側制御信号）の立ち上がり（又は立ち下がり）から負極側スイッチをオン・オフ駆動する矩形状の制御信号（負極側制御信号）の立ち上がり（又は立ち下がり）までの期間が矩形波電圧の正極側部分であり、負極側制御信号の立ち上がり（又は立ち下がり）から正極側制御信号の立ち上がり（又は立ち下がり）までの期間が矩形波電圧の負極側部分である場合、フィードバック調整手段は、正極側制御信号又は負極側制御信号の一方を他方に対して遅延させる遅延量を、正極側波形面積算出手段による面積と負極側波形面積算出手段による面積との差に応じて調整する構成とすることができる。
【００１７】
本発明に係るイオントラップ質量分析装置では、周囲温度変化などの要因により例えば正極側スイッチと負極側スイッチのスイッチング特性に差が生じて矩形波電圧のデューティ比が５０％である状態からずれると、正極側波形面積算出手段による面積と負極側波形面積算出手段による面積との差がゼロでなくなる。すると、フィードバック調整手段は、両面積の差がゼロになるように、つまり矩形波電圧の正極側部分の面積と負極側部分の面積とが等しくなるように、正極側制御信号又は負極側制御信号の少なくともいずれか一方の信号変化のタイミングを調整し、矩形波電圧のデューティ比が５０％に戻るように変化させる。即ち、フィードバックループにより矩形波電圧のデューティ比を制御する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るイオントラップ質量分析装置によれば、例えば３次元四重極型イオントラップのリング電極に印加する矩形波電圧のデューティ比を５０％近傍に維持することができるので、マシュー方程式の安定解の条件に基づく安定領域図の変形を抑制し、高い質量電荷比をもつイオンもイオントラップ内に捕捉することができる。それにより、イオントラップ内に捕捉したイオンを質量分析することで得られたマススペクトル上で、高質量電荷比のイオンピークの消失を回避することができ、高質量電荷比範囲の検出感度を向上させることができる。
【００１９】
なお、一般に矩形波信号におけるデューティ比のずれを、遙かに高い周波数の矩形波信号を用いた計数、つまりは時間計測によって検出する方法が知られている。しかしながら、本発明のような装置では、デューティ比のずれに相当する時間は数nsec程度であり、これを時間計測により検出するためにはGHzレベル以上の動作クロック周波数を持つ検出回路が必要となり、実用的ではない。これに対し、本発明に係るイオントラップ質量分析装置では、矩形波電圧の正極側部分及び負極側部分の面積を求めてこれを比較しさえすればよいので、ハードウエア構成も簡単でありコストの点でも有利である。
【００２０】
一方、正電圧直流電源の出力電圧と負電圧直流電源の出力電圧との波高値（電圧値の絶対値）に差がある場合には、矩形波電圧の正極側部分の面積と負極側部分の面積とが等しくなるようにデューティ比が調整されるから、デューティ比は５０％からずれることになる。換言すれば、デューティ比が５０％から若干ずれることを許容すれば、矩形波電圧の正極側部分と負極側部分との波高値の若干の差があっても、安定領域の変形を或る程度回避して、高質量電荷比範囲の検出感度を高い状態に維持することができる。
【００２１】
ただし、矩形波電圧の正極側部分の波高値と負極側部分の波高値の差が大きくなると、マシュー方程式の安定解の条件に基づく安定領域内での動作点の変化が無視できなくなり、マスキャリブレーションがずれる現象は回避できなくなる。そこで、本発明に係るイオントラップ質量分析装置の好ましい一態様として、前記矩形波電圧の正極側部分の波高値及び負極側部分の波高値がそれぞれ所定値になるように、前記正電圧直流電源及び前記負電圧直流電源から出力される電圧をフィードバック調整する波高値フィードバック調整手段をさらに備える構成とするとよい。
【００２２】
この構成によれば、波高値フィードバック調整手段の機能により矩形波電圧の正極側部分と負極側部分との波高値が同一になり、且つフィードバック調整手段の機能により、矩形波電圧のデューティ比が５０％になるように調整される。これにより、マシュー方程式の安定解の条件に基づく安定領域図の変形が抑制されるとともに、その安定領域の中で捕捉の動作点の変化も抑制されるので、高質量電荷比のイオンの検出感度を高くしながら、イオントラップのマスキャリブレーションの理論値からのずれも抑えることができる。それにより、例えば特定の質量電荷比を持つイオンをプリカーサイオン等としてイオントラップ内に捕捉する際に、その質量選択性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係るイオントラップ質量分析装置の第１実施例であるＤＩＴ−ＴＯＦＭＳの概略構成図。
【図２】第１実施例のＤＩＴ−ＴＯＦＭＳにおけるイオントラップ駆動部の動作タイミング図。
【図３】第１実施例のＤＩＴ−ＴＯＦＭＳにおけるイオントラップ駆動部のブロック構成図。
【図４】本発明の第２実施例であるＤＩＴ−ＴＯＦＭＳにおけるイオントラップ駆動部のブロック構成図。
【図５】第２実施例のＤＩＴ−ＴＯＦＭＳにおけるイオントラップ駆動部の動作タイミング図。
【図６】第１実施例のＤＩＴ−ＴＯＦＭＳにおける高質量電荷比範囲の感度改善効果を示す実測のマススペクトル。
【図７】従来のＤＩＴ駆動部の概略構成図。
【図８】図６に示したＤＩＴ駆動部の動作タイミング図。
【図９】従来の質量分析装置において矩形波電圧のデューティ比が５０％からずれた場合の不具合を示すマススペクトルの実測例。
【図１０】従来の質量分析装置において矩形波電圧のデューティ比を５０％から０．３％ずらした場合におけるｑ値の補正量を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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−ＴＯＦＭＳについて、添付図面を参照して説明する。図１は第１実施例のＤＩＴ−ＴＯＦＭＳの概略構成図である。
【００２５】
第１実施例によるＤＩＴ−ＴＯＦＭＳは、目的試料をイオン化するイオン源２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３と、イオントラップ３から排出されたイオンを質量分離して検出する飛行時間型質量分析計４と、を備える。
【００２６】
イオン源２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。
【００２７】
イオントラップ３は、上述した通り、１個のリング電極３１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３２及び出口側エンドキャップ電極３４と、からなり、これら３個の電極３１、３２、３４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３２の略中央にはイオン入射孔３３が穿設され、イオン源２から出射したイオンはイオン入射孔３３を通過してイオントラップ３内に導入される。一方、出口側エンドキャップ電極３４の略中央にはイオン出射孔３５が穿設され、イオン出射孔３５を通ってイオントラップ３内から排出されたイオンが飛行時間型質量分析計４に導入される。
【００２８】
飛行時間型質量分析計４は、静電場によりイオンを反射させるリフレクトロン４２が配置された飛行空間４１と、該飛行空間４１中を飛行して来たイオンを検出する検出器４３とを含む。なお、イオントラップ３はそれ自体で質量分離の機能を持つから、イオントラップ３で質量分離したイオンをイオン出射孔３５から排出し、直接、検出器で検出する構成としてもよい。
【００２９】
イオントラップ駆動部５は、制御部１の制御の下にイオントラップ３を駆動するためにリング電極３１に後述する矩形波電圧を印加するものである。なお、イオントラップ３内でイオンを共鳴励振させたりイオンをイオントラップ３内から吐き出したりするためには、エンドキャップ電極３２、３４にも電圧を印加するが、それについては本発明の趣旨ではないので記載を省略している。
【００３０】
図３は第１実施例のＤＩＴ−ＴＯＦＭＳにおけるイオントラップ駆動部５のブロック構成図、図２はそのイオントラップ駆動部５の要部の動作タイミング図である。
例えばイオン源２からイオントラップ３内に導入されたイオンを捕捉する際には、ＣＰＵ等を含む制御部１からイオントラップ駆動部５へ正極側制御信号及び負極側制御信号が供給され、これら制御信号に応じて生成された矩形波電圧がリング電極３１に印加される。イオントラップ駆動部５は、正極側スイッチ５３、負極側スイッチ５４、正極側高電圧直流電源５５、負極側高電圧直流電源５６のほかに、２系統の可変遅延回路５１、５２、正極側整流回路５７、負極側整流回路５８、２系統の積分回路５９、６０、比較回路６１、を備える。
【００３１】
正極側制御信号及び負極側制御信号は図８（ａ）、（ｂ）に示される従来と同様の矩形波信号であり、これら各制御信号に可変遅延回路５１、５２でそれぞれ一定の遅延が加えられる。標準的には両制御信号に対する遅延量はゼロ又は同一であるが、後述するフィードバック制御によって正極側可変遅延回路５１又は負極側可変遅延回路５２のいずれかにおいて遅延量が変化する。可変遅延回路５１、５２を経た両制御信号は正極側スイッチ５３、負極側スイッチ５４に与えられ、それらスイッチ５３、５４をオン又はオフさせる。正極側スイッチ５３がオンすると、正極側高電圧直流電源５５から出力される電圧値がＶddである正極側直流電圧がリング電極３１に印加され、負極側スイッチ５４がオンすると、負極側高電圧直流電源５６から出力される電圧値が−Ｖddである負極側直流電圧がリング電極３１に印加される。即ち、正極側部分の波高値がＶdd、負極側部分の波高値が−Ｖddである矩形波電圧がリング電極３１に印加される（図２（ａ）参照）。
【００３２】
上記矩形波電圧は正極側整流回路５７及び負極側整流回路５８にも並行して入力され、矩形波電圧の正極側部分と負極側部分とが別々に検出される（図２（ｂ）、（ｄ）参照）。正極側部分が抽出された信号は正極側積分回路５９に入力され、平滑化されて図２（ｃ）に示すような時間的な変化が非常に緩慢である正の直流信号となる。この直流信号の大きさ（電圧値）ｈ１が矩形波電圧の正極側部分の面積値に相当する。他方、負極側部分が抽出された信号は負極側積分回路６０に入力され、平滑化されて図２（ｅ）に示すような時間的な変化が非常に緩慢である負の直流信号となる。この直流信号の大きさ（電圧値）ｈ２が矩形波電圧の負極側部分の面積値に相当する。
【００３３】
積分回路５９、６０で得られる正負２つの直流信号は比較回路６１に入力され、その大きさが比較されて大きさの差分に応じた信号、つまり誤差信号Δが出力される（図２（ｆ）参照）。矩形波電圧の正極側部分の面積値と負極側部分の面積値とが等しければ、つまり矩形波電圧のデューティ比が５０％であれば、誤差信号Δは０である。逆に、誤差信号Δが０でないことは矩形波電圧のデューティ比が５０％からずれていることを意味しており、誤差信号Δの大きさはデューティ比のずれ量を反映し、誤差信号Δの極性はデューティ比のずれの方向（５０％を基準にプラス方向であるかマイナス方向であるか）を反映している。そこで、この誤差信号Δが可変遅延回路５１、５２へとフィードバックされ、可変遅延回路５１、５２はフィードバックされた誤差信号Δの大きさ及び極性に応じて遅延量を調整する。
【００３４】
定性的に言うと、矩形波電圧の正極側部分の面積が負極側部分の面積に比べて大きく誤差信号Δが正である場合には、正極側可変遅延回路５１の遅延量を増加させるか、負極側可変遅延回路５２の遅延量を減少させる。これにより、スイッチ５３、５４の入力段階では、図８におけるＴA期間は短く、その分だけＴB期間が長くなるから、矩形波電圧の負極側部分が拡大するようにデューティ比が変化する。逆に、矩形波電圧の負極側部分の面積が正極側部分の面積に比べて大きく誤差信号Δが負である場合には、負極側可変遅延回路５２の遅延量を増加させるか、正極側可変遅延回路５１の遅延量を減少させる。これにより、スイッチ５３、５４の入力段階では、図８におけるＴA期間は長く、その分だけＴB期間が短くなるから、矩形波電圧の正極側部分が拡大するようにデューティ比が変化する。
【００３５】
比較回路６１から可変遅延回路５１、５２へのフィードバックはデジタル的に行ってもよいしアナログ的に行ってもよい。デジタル的又はアナログ的のいずれにおいても、比較回路６１で求まる誤差信号Δの大きさに応じて遅延量を変えるようにすることができる。このときの誤差信号Δと適切な遅延量との関係は予め実験的に決めておくことができるから、本装置を出荷する段階で製造メーカーが適切な関係を示すデータをメモリに格納しておけばよい。また、誤差信号Δと適切な遅延量との関係をキャリブレーションによって求めることができるようにしてもよい。
【００３６】
また、矩形波電圧のデューティ比が５０％からずれる要因は周囲温度などの環境変化であることが多いため、一般的には、短時間の間に急激にデューティ比が５０％から大きくずれることは考えにくい。即ち、多くの場合、デューティ比のずれは時間的に緩慢である。そのため、比較回路６１で求まる誤差信号Δの大きさに応じた遅延量を与えるのではなく、誤差信号Δが所定の閾値以上である場合に遅延量を或る決まった量だけ増加又は減少させるようなフィードバック制御を行ってもよい。このような制御によれば、初期的に矩形波電圧のデューティ比のずれが大きい場合でも、フィードバック制御の繰り返しにより徐々に最適な状態に近づけることができる。
【００３７】
なお、図３に示した構成では、正極側可変遅延回路５１、負極側可変遅延回路５２の両方へ誤差信号Δをフィードバックさせているが、一方の遅延回路５１又は５２の遅延量を固定にして（或いは遅延回路を設けずに）、他方の遅延回路５２又は５１の遅延量のみを変化させる構成としてもよい。即ち、両制御信号の相対的な位相関係を変えることができさえすればよい。こうした目的から、制御信号自体の遅延量を変えるのではなく、制御信号の立ち上がり位置のみをずらすようにしてもよいが、通常、回路的には上記実施例で示した構成のほうが簡便である。
【００３８】
次に、本発明の第２実施例であるＤＩＴ−ＴＯＦＭＳにおけるイオントラップ駆動部の構成と動作について、図４、図５を参照して説明する。図４は本実施例のＤＩＴ−ＴＯＦＭＳにおけるイオントラップ駆動部のブロック構成図であり、図３に示したブロック構成と同一の構成要素には同一符号を付してある。また、図５は第２実施例のＤＩＴ−ＴＯＦＭＳにおけるイオントラップ駆動部の要部の動作タイミング図である。
【００３９】
このイオントラップ駆動部５の構成上特徴的であるのは、上記第１実施例において、予め決められた直流電圧を出力していた正極側高電圧直流電源５５及び負極側高電圧直流電源５６に代えて、正極側可変高電圧直流電源６２及び負極側可変高電圧直流電源６３が設けられている点、及び、これら可変高電圧直流電源６２、６３からの出力電圧の電圧値（波高値）をフィードバック制御するための回路が追加されている点である。
【００４０】
即ち、リング電極３１に印加される矩形波電圧は、立ち上がり検出回路６４、立ち下がり検出回路６５及び２系統のサンプル／ホールド（Ｓ／Ｈ）回路６８、６９にも入力されている。立ち上がり検出回路６４は、矩形波電圧の立ち上がりエッジを検出してパルス信号を生成し、正極側遅延回路６６はそのパルス信号を一定量ｄだけ遅延させる（図５（ｂ）、（ｃ）参照）。他方、立ち下がり検出回路６５は、矩形波電圧の立ち下がりエッジを検出してパルス信号を生成し、負極側遅延回路６７はそのパルス信号を一定量ｄだけ遅延させる（図５（ｄ）、（ｅ）参照）。この遅延量ｄは矩形波電圧の１／４周期程度の時間に予め設定されている。
【００４１】
正極側Ｓ／Ｈ回路６８は、正極側遅延回路６６から出力されたパルス信号で矩形波電圧をサンプリングし、その値を次のサンプリング時点までホールドする。したがって、矩形波電圧の正極側部分の電圧値が確実にホールドされる。同様に負極側Ｓ／Ｈ回路６９は、負極側遅延回路６７から出力されたパルス信号で矩形波電圧をサンプリングし、その値を次のサンプリング時点までホールドする。したがって、矩形波電圧の負極側部分の電圧値が確実にホールドされる。正極側Ｓ／Ｈ回路６８の出力は比較回路７０で波高設定値と比較され、その差分に応じた誤差信号が正極側可変高電圧直流電源６２にフィードバックされる。また、負極側Ｓ／Ｈ回路６９の出力は比較回路７１で波高設定値と比較され、その差分に応じた誤差信号が負極側可変高電圧直流電源６３にフィードバックされる。波高設定値は例えば制御部１から設定されるが、例えばＶdd、−Ｖddのように、典型的には絶対値が同一で極性のみが異なる波高設定値が比較回路７０、７１に与えられる。
【００４２】
これにより、正極側可変高電圧直流電源６２及び負極側可変高電圧直流電源６３の出力電圧は設定された波高設定値になるようにフィードバック制御される。そして、正極側可変高電圧直流電源６２及び負極側可変高電圧直流電源６３の出力電圧の絶対値が同一である条件の下で上述したように矩形波電圧の正極側部分の面積と負極側部分の面積とが等しくなるようにデューティ比が制御されるので、デューティ比はほぼ５０％に維持されることになる。以上のように、この第２実施例の構成によれば、リング電極に印加する矩形波電圧の正極側部分の波高値と負極側の波高値とを等しくした状態で、そのデューティ比を５０％にすることができる。それによって、高質量電荷比範囲の検出感度向上とマスキャリブレーションの理論値からのずれの抑制とを共に達成することができる。
【００４３】
上述したように、従来のＤＩＴを用いた質量分析装置では、矩形波電圧のデューティ比を５０％から０．３％程度ずらしただけでも高質量電荷比範囲のイオンが検出できなくなる。これに対し、矩形波電圧の正極側部分の面積値と負極側部分の面積値とが等しくなるように一方の波高値を調整してマススペクトルを取得すると、マススペクトルは図６（ａ）から図６（ｂ）に示すように変化する。この例では、m/z1000以上の範囲で検出感度が向上していることが分かる。この例はデューティ比を５０％にしたものではないが、上記実施例で説明したように矩形波電圧の正極側部分の面積値と負極側部分の面積値とを等しくしており、デューティ比を５０％にすることで矩形波電圧の正極側部分の面積値と負極側部分の面積値とを等しくしても同様に、高質量電荷比範囲の検出感度が改善されると考えられる。また、この例では、矩形波電圧の正極側部分の波高値と負極側部分の波高値とは若干相違しているが、このように両波高値が完全には一致しない場合であっても、矩形波電圧の正極側部分の面積値と負極側部分の面積値とが等しければ高質量電荷比範囲の検出感度の改善が可能であることが分かる。
【００４４】
なお、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】
【００４５】
１…制御部
２…イオン源
３…イオントラップ
３…リング電極
３１…リング電極
３２…入口側エンドキャップ電極
３３…イオン入射孔
３４…出口側エンドキャップ電極
３５…イオン出射孔
４…飛行時間型質量分析計
４１…飛行空間
４２…リフレクトロン
４３…検出器
５…イオントラップ駆動部
５１、５２…可変遅延回路
５３、５４…スイッチ
５５…正極側高電圧直流電源
５６…負極側高電圧直流電源
５７、５８…整流回路
５９、６０…積分回路
６１…比較回路
６２…正極側可変高電圧直流電源
６３…負極側可変高電圧直流電源
６４…立ち上がり検出回路
６５…立ち下がり検出回路
６６、６７…遅延回路
６８、６９…サンプル／ホールド（Ｓ／Ｈ）回路
７０、７１…比較回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、前記３つ以上の電極のうちの少なくとも１つの電極にイオン捕捉用の矩形波電圧を印加するために、正電圧直流電源、負電圧直流電源、前記正電圧直流電源から出力される正電圧をオン・オフする正極側スイッチ、及び、前記負電圧直流電源から出力される負電圧をオン・オフする負極側スイッチ、を含み、前記正極側スイッチ及び前記負極側スイッチのオン時に各スイッチを経た正電圧及び負電圧を前記矩形波電圧として出力する矩形波電圧生成手段を具備するイオントラップ質量分析装置において、
a)前記少なくとも１つの電極に印加される矩形波電圧の正極側部分の面積を求める正極側波形面積算出手段と、
b)前記少なくとも１つの電極に印加される矩形波電圧の負極側部分の面積を求める負極側波形面積算出手段と、
c)前記正極側波形面積算出手段による面積と前記負極側波形面積算出手段による面積との差がゼロになるように、前記正極側スイッチ及び前記負極側スイッチをそれぞれオン・オフ駆動する制御信号の少なくともいずれか一方の信号変化のタイミングを調整するフィードバック調整手段と、
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、
前記矩形波電圧の正極側部分の波高値及び負極側部分の波高値がそれぞれ所定値になるように、前記正電圧直流電源及び前記負電圧直流電源から出力される電圧をフィードバック調整する波高値フィードバック調整手段をさらに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３】
請求項１又は２に記載のイオントラップ質量分析装置であって、
前記正極側波形面積算出手段及び負極側波形面積算出手段はそれぞれ、正負両極性の矩形状波形から正極側のみ又は負極側のみの波形を抽出する整流手段と、抽出された正極側のみ又は負極側のみの矩形状波形を積分する積分手段とを含み、前記フィードバック調整手段は、前記２つの積分手段の出力の差がゼロになるように、前記正極側スイッチ及び前記負極側スイッチをそれぞれオン・オフ駆動する制御信号の少なくともいずれか一方の信号変化のタイミングを調整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】
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、前記３つ以上の電極のうちの少なくとも１つの電極にイオン捕捉用の矩形波電圧を印加するために、正電圧直流電源、負電圧直流電源、前記正電圧直流電源から出力される正電圧をオン・オフする正極側スイッチ、及び、前記負電圧直流電源から出力される負電圧をオン・オフする負極側スイッチ、を含み、前記正極側スイッチ及び前記負極側スイッチのオン時に各スイッチを経た正電圧及び負電圧を前記矩形波電圧として出力する矩形波電圧生成手段を具備するイオントラップ質量分析装置において、
a)前記少なくとも１つの電極に印加される矩形波電圧の正極側部分の面積を求める正極側波形面積算出手段と、
b)前記少なくとも１つの電極に印加される矩形波電圧の負極側部分の面積を求める負極側波形面積算出手段と、
c)前記正極側波形面積算出手段による面積と前記負極側波形面積算出手段による面積との差がゼロになるように、前記正極側スイッチ及び前記負極側スイッチをそれぞれオン・オフ駆動する制御信号の少なくともいずれか一方の信号変化のタイミングを調整するフィードバック調整手段と、
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、
前記矩形波電圧の正極側部分の波高値及び負極側部分の波高値がそれぞれ所定値になるように、前記正電圧直流電源及び前記負電圧直流電源から出力される電圧をフィードバック調整する波高値フィードバック調整手段をさらに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３】
請求項１又は２に記載のイオントラップ質量分析装置であって、
前記正極側波形面積算出手段及び負極側波形面積算出手段はそれぞれ、正負両極性の矩形状波形から正極側のみ又は負極側のみの波形を抽出する整流手段と、抽出された正極側のみ又は負極側のみの矩形状波形を積分する積分手段とを含み、前記フィードバック調整手段は、前記２つの積分手段の出力の差がゼロになるように、前記正極側スイッチ及び前記負極側スイッチをそれぞれオン・オフ駆動する制御信号の少なくともいずれか一方の信号変化のタイミングを調整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３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−７３９１０（Ｐ２０１３−７３９１０Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１４３３９（Ｐ２０１１−２１４３３９）
【出願日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【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２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【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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