疑似平面多重反射飛行時間型質量分析計
ドリフト方向（Ｚ）に延在されると共に平行電極で構成され、無電場領域によって分離された２個の疑似平面静電イオンミラーを含む多重反射飛行時間（ＭＲ−ＴＯＦ）質量分析計。ＭＲ−ＴＯＦは、ドリフト方向Ｚに垂直なＸ方向に対して小さな角度でイオンパケットを放出するパルス化イオン源を有する。イオンパケットは、イオンミラー間で反射され、ドリフト方向にドリフトする。ミラーは、レシーバ上でイオンパケットが飛行時間収束するように配置される。ＭＲ−ＴＯＦミラーは、ドリフト方向Ｚとイオン注入方向Ｘの両方に垂直なＹ方向での空間収束を提供する。好ましい実施形態では、少なくとも１個のミラーが、イオンパケットをドリフトＺ方向に周期的に空間収束する特徴部を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に質量分光分析に関し、より詳細には多重反射飛行時間型質量分析計（ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳ）を含む装置及びその使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
質量分析は、種々の化合物及びその混合物の識別及び定量分析に使用される周知の分析化学ツールである。そのような分析の感度と分解能は、実際の使用にとって重要な事柄である。飛行時間型質量分析計（ＴＯＦ ＭＳ）の分解能が飛行経路が長くなるほど改善することはよく知られている。適度な物理長を維持しながら飛行経路を長くするために多重反射飛行時間型質量分析計（ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳ）が提案された。ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳの使用は、飛行時間収束特性を有する静電イオンミラーの導入後に可能になった。特許文献１、特許文献２及び非特許文献１は、イオンエネルギーに対する飛行時間収束を改善するためのイオンミラーの使用を開示している。イオンミラーを使用すると、イオン飛行経路が自動的に１回折り返される。
【０００３】
Ｈ．Ｗｏｌｌｎｉｋは、多重反射ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳを実現するためのイオンミラーの可能性を現実のものにした。特許文献３は、多数のグリッドレスミラー間でイオン経路を折り返すことによって機器の全長を短くすることを提案している。各ミラーは、同軸電極で作成されている。２列のそのようなミラーは、同一平面内に整列されるか、２個の向かい合った平行な円上に配置される（図１を参照）。空間的イオン収束機能を有するグリッドレスイオンミラーの導入により、イオン損失が減少し、反射回数に関係なくイオンビームが閉じ込められたままになる（より詳細には特許文献４を参照）。また、特許文献３に開示されたグリッドレスミラーは、「イオンエネルギーからのイオン飛行時間の独立性」を提供する。次の２タイプのＭＲ−ＴＯＦ ＭＳが開示されている。
（Ａ）「折り返し経路」方式。Ｎ個の順次反射するＴＯＦ ＭＳを組み合わせることと同等。飛行経路は、ジグザグな軌道に沿って折り返される。（図１Ａ）
（Ｂ）「同軸反射」方式。パルス化イオンの捕捉と開放を使用することにより、軸方向に整合された２個のイオンミラー間の複数のイオン反射を使用する。（図１Ｂ）
【０００４】
「同軸反射」方式は、非特許文献２にも記載されており、非特許文献３で発表された研究で実施されている。中型（３０ｃｍ）のＴＯＦ ＭＳにおいて５０回折り返し後に分解能５０，０００が達成された。実際には、グリッドレス・空間収束イオンミラーは、対象とするイオンを保持するが（損失は２分の１未満であった）、質量範囲はサイクル数と比例して縮小する。
【０００５】
ＭＲ−ＴＯＦ質量分析計は、また、イオンミラーの代わりにセクタ電場を使用するように設計された（非特許文献４と非特許文献５）。しかしながら、これらの質量分析装置は、イオンミラーを利用するものと違って、飛行時間の一次エネルギー収束しか提供しない。
【０００６】
特許文献５は、二次元グリッドレスミラーを使用する高度な方式の折り返し経路ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳを紹介している。ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳは、棒でできた２枚の同一ミラーを有し、これらのミラーは、ミラー間の中間平面と折り返しイオン経路の平面に対して平行且つ対称的である（図２を参照）。ミラーの幾何学的形状と電位は、折り返しイオン経路の平面と交差するイオンビームを空間的に収束させ、イオンエネルギーに対する二次飛行時間収束を提供するように決められている。イオンは、平面ミラー間で多重反射され、同時にいわゆるシフト方向（図２ではＸ軸）に検出器の方にゆっくりとドリフトする。繰り返し回数と分解能は、イオン注入角度を変化させることによって調整される。この方式は、飛行経路を延長しながら全質量範囲の維持を可能にする。
【０００７】
しかしながら、Ｎａｚａｒｅｎｋｏによる平面質量分析計は、シフト方向のイオン収束を行わず、従って反射サイクル数が実質的に制限される。更に、試作品に使用されたイオンミラーは、折り返しイオン経路の平面と交差する空間的なイオン広がりに対して飛行時間収束を提供せず、従って、発散即ち幅広いビームの使用によって、実際に飛行時間分解能が低下し、飛行経路の延長が無意味になる。
【０００８】
特許文献６では、平面方式の多重反射質量分析計が、
ａ）高次の空間的及びエネルギー収差に対する等時性を維持しながら垂直方向の高次の空間的及びエネルギー収束における空間収束を提供するイオンミラーを導入すること、
ｂ）イオンパケットを主ジグザグイオン経路に沿って保持する１組の周期的レンズ（レンズシステム）を無電場領域に導入すること、及び
ｃ）ドリフト方向のイオン運動を逆転することによってイオン飛行経路の更なる延長を可能にするエンドデフレクタを導入すること
によって改善されている。
【０００９】
平面多重反射ＴＯＦ ＭＳの更なる改善は、本発明者らによる出願で行われた（特許文献７、特許文献８、特許文献９及び特許文献１０）。
【００１０】
これらの出願は、連続イオンビームの短いイオンパケットへの変換やイオン蓄積についての様々な方式を含め、多数のパルス化イオン源について述べている。特許文献７は、外部パルス化イオン源から分析装置にイオン注入するための湾曲等時性インタフェースを示唆している。このインタフェースは、分析装置のフリンジ電界の回避を可能にし、この方法は、装置の分解能を改善する。湾曲インタフェースは、トラップイオン源及び直交イオン加速に基づくパルス化コンバータと適合する。
【００１１】
特許文献８は、いわゆるＭＲ−ＴＯＦ内へのイオンの二重直交注入を示唆する。ＭＲ−ＴＯＦ分析装置は、イオンパケットの垂直方向（Ｙ方向）の広がりに対してはより許容範囲が大きいことを考慮し、連続イオンビームは、ＭＲ−ＴＯＦ内でジグザグイオン軌道の平面に対してほぼ垂直に向けられる。加速器は僅かに傾けられ、イオンパケットは加速後に向きを変えられ、傾斜と向きの変更が相互に補正される。
【００１２】
特許文献９と特許文献１０は、ＭＲ−ＴＯＦ分析装置を種々のタンデム型ＴＯＦ ＭＳに適用する。一方式は、第１のＭＲ−ＴＯＦ内の親イオンの低速分離と第２のショートＴＯＦ ＭＳ内のフラグメントイオンの高速分析を使用して、パルス化イオン源のワンショット内で多数の親イオンについていわゆる並行ＭＳ−ＭＳ分析を行う。
【００１３】
特許文献１１は、空間的及び飛行時間収束特性を有する平面グリッドレスミラーを備えた「折り返し経路」ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳを採用しているので、本発明の試作品と考えられる。
【００１４】
平面多重反射質量分析計を実現する際、発明者らは、周期的レンズシステムは、一般にイオン注入インタフェース及びパルス化イオン源と干渉することを発見した。また、そのレンズシステムは、分析装置のアクセプタンス（acceptance）に大きな制限を加える。本発明の目的は、多重反射質量分析計の感度と分解能を改善し、またそれらの製作の利便性を改善することである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】米国特許第４，０７２，８６２号
【特許文献２】ソビエト特許第ＳＵ１９８０３４号
【特許文献３】英国特許ＧＢ２０８００２１号
【特許文献４】米国特許第５，０１７，７８０号
【特許文献５】Ｎａｚａｒｅｎｋｏらによるソビエト特許１７２５２８９号（１９８９）
【特許文献６】２００５年１２月２０日に出願された「MULTI-REFLECTING TIME-OF-FLIGHT MASS SPECTROMETER AND METHOD OF USE」と題する米国出願番号１０／５６１，７７５号。
【特許文献７】ＷＯ２００６１０２４３０
【特許文献８】ＷＯ２００７０４４６９６
【特許文献９】ＷＯ２００３ＵＳ１３２６２
【特許文献１０】ＷＯ２００４００８４８１
【特許文献１１】ＷＯ２００４ＵＳ１９５９３
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】MamyrinらによるSov. J. Tech. Phys.41 (1971) 1498
【非特許文献２】H.WollnikらによるMass Spec. Rev., 1993,12, p.109
【非特許文献３】Int. J. Mass Spectrom. Ion Proc. 227 (2003) 217
【非特許文献４】ToyodaらのJ. Mass Spectrometry, 38 (2003), 1125
【非特許文献５】SatohらのJ. Am. Soc. Mass Spectrom., 16 (2005), 1969
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１７】
発明者らは、イオンミラーの静電場をドリフト方向に周期的に空間変調することによって、実質的に二次元の平面ミラーを有するＭＲ−ＴＯＦ ＭＳのアクセプタンスと分解能を更に改善できることに気づいた。イオンミラーの電場がほぼ平面のままなので、ミラー電場に小さな周期的変調を加えた分光計は、疑似平面と呼ばれる。
【００１８】
本発明の好ましい実施形態は、以下の特徴の内の一以上を有する多重反射飛行時間型質量分析計である。
・ドリフト方向（Ｚ）に拡張され平行電極で構成され、無電場領域によって分離された２個の疑似平面静電気イオンミラーと、
・ドリフト方向Ｚ方向と垂直なＸ方向に対して小さな角度でイオンパケットを放出し、その結果、イオンパケットが、イオンミラー間で反射されドリフト方向にドリフトするようにするパルス化イオン源と、
・イオンパケットを受け取るレシーバとを有し、
・前記ミラーが、レシーバ上での飛行時間収束を提供するように構成され、
・前記ミラーが、ドリフト方向Ｚ方向とイオン注入方向Ｘ方向に垂直なＹ方向に空間収束を提供するように配置され、少なくとも１個のミラーが、イオンパケットをＺ方向に周期的に空間収束させるためにドリフトＺ方向に沿って静電場を変調する周期的特徴を有する。
【００１９】
ＷＯ２００４ＵＳ１９５９３に発明者らによって述べられているように、イオンミラーは、好ましくは少なくとも４個の電極を有し、その少なくとも１個の電極は、飛行時間収束と前記空間的Ｙ方向収束を提供するために引き付け電位（attracting potential）を有する。装置は、必要に応じて、ＷＯ２００４ＵＳ１９５９３に前に記載されたような、
・無電場領域内の少なくとも２個のレンズと、
・イオン経路をドリフト方向に戻すためのエンドデフレクタと、
・前記パルス化イオン源と前記レシーバの間の少なくとも１個の等時性湾曲インタフェース等、平面多重反射質量分析計の特徴を含む。
【００２０】
イオンミラー内の静電場のＺ方向の周期的変調は、
・Ｚ方向の周期的幾何学構造を有する少なくとも１個の補助電極を少なくとも１個のミラー電極に組み込み、この電極又は１組の電極に調整可能な電位を印加しＺ方向の変調強度を調整し、
・ミラー電極の内の少なくとも１個のミラー電極に１組の周期的スロットを作成し、それらのスロットに入り込む電場を有する追加電極を加え、
・Ｚ方向周期的幾何学構造を有する少なくとも１個の補助電極をミラー電極間に挿入し、
・電極開口の高さ（Ｙ方向）が周期的（Ｚ方向）に変化するか、電極の幅（Ｘ方向）が周期的に変化するように、少なくとも１個のミラー電極の幾何学的形状を修正し、
・１組の周期的レンズを少なくとも１個のイオンミラーの内部電極内又はミラー電極間に組み込むことによって達成される。
・多数の他の電場変調方法が可能である。Ｚ方向周期的変調の強度が調整可能な解決策は、幾何学的変調が固定された解決策より好ましい。
【００２１】
分光計は、また、特許出願ＷＯ２００４ＵＳ１９５９３、ＷＯ２００６１０２４３０、ＷＯ２００７０４４６９６、ＷＯ２００３ＵＳ１３２６２及びＷＯ２００４００８４８１に先に記載された特徴を含むことが好ましく、これらの出願の開示は、本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。
【００２２】
本発明の好ましい飛行時間分析方法は、
・分析されるイオンのパケットを形成する段階と、
・イオンがジグザグイオン軌道に沿って動くようにＺ方向のイオンパケットの比較的小さい速度成分を維持しながら、ドリフトＺ方向に拡張された２個の平行な疑似平面イオンミラー間にイオンを通す段階と、
・レシーバでイオンを受け取る段階と、
・イオンが時間的に収束されると共に空間的にＹ方向に収束されるように前記イオンミラーによって静電場を形成し、この電場が、少なくとも１個のミラー内でＺ方向に周期的に空間変調されて、イオンパケットがＺ方向に空間収束される段階とを含む。
【００２３】
方法は、更に必要に応じて、ＷＯ２００４ＵＳ１９５９３に記載された段階、即ち、
・イオンミラー間のドリフト空間内で少なくとも２個のレンズによってイオンパケットを空間収束し、分析装置の縁でイオンドリフトの方向を戻す段階と、
・湾曲等時性インタフェースを介してイオン注入する段階とを含む。
【００２４】
少なくとも１個のイオンミラー内で静電場を周期的変調する段階が、
・少なくとも１個のミラー電極の形状を空間変調する段階と、
・補助電極を組み込むことによって周期的電場を導入する段階の内のいずれかを含み、周期的収束の強度が調整可能であることが好ましい。
【００２５】
前記変調の周期が、好ましくはＮ＊ΔＺ／２又はＮ＊ΔＺと等しく、ここで、Ｎは整数であり、ΔＺは、１個のミラーにおける反射１回当たりのドリフト方向のイオン軌道の前進量である。
【００２６】
本発明の一実施形態によれば、多重反射質量分析計（ＭＲ ＭＳ）の感度と分解能が改善される。
【００２７】
本発明の別の実施形態によれば、ＭＲ ＭＳの生産が容易になる。
【００２８】
本発明のこれら及び他の特徴、利点及び目的は、当業者であれば、以下の明細、特許請求の範囲及び添付図面を参照することにより更によく理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１Ａ】先行技術のＭＲ−ＴＯＦ ＭＳを示す図である。
【図１Ｂ】先行技術のＭＲ−ＴＯＦ ＭＳを示す図である。
【図２】先行技術の平面ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳを示す図である。
【図３】周期的レンズを有する先行技術の平面ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳの概略図である。
【図４Ａ】２個のミラー電極間に配置されたマスク電極によって空間電場変調を達成した疑似平面イオンミラーの好ましい実施形態の平面図である。
【図４Ｂ】図４Ａに示された補助電極の側面図である。
【図４Ｃ】２個のミラー電極間に配置されたマスク電極によって空間電場変調を達成した疑似平面イオンミラーの好ましい実施形態の斜視図である。
【図４Ｄ】エンドデフレクタによってイオンをＺ方向に戻すことにより狭いイオンビームを安定して閉じ込める疑似平面ＴＯＦ ＭＳの好ましい実施形態の上面図である。
【図５】異なる電位を有する幾つかの部分に分割されたマスク電極によって構成された偏向電場によってイオンをＺ方向に戻す疑似平面ＴＯＦ ＭＳの好ましい実施形態の上面図である。
【図６Ａ】１個のイオンミラーに埋め込まれた周期的マスク電極を利用してイオン束をＺ方向に収束する疑似平面ＴＯＦ ＭＳの別の好ましい実施形態において、直交加速器によって作成されＺ方向に拡張された初期平行イオンビームを示す平面図である。
【図６Ｂ】１個のイオンミラーに埋め込まれた周期的マスク電極を利用してイオン束をＺ方向に収束する疑似平面ＴＯＦ ＭＳにおいて、直交加速器によって作成され、Ｚ方向に拡張された現実的な角度及びエネルギーの広がりを有するイオンビームの移送を示す平面図である。
【図７Ａ】本発明の疑似平面ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳの一実施形態の概略図であり、レンズが、イオンミラー電極に組み込まれた追加電極によって構成され、イオンジグザグ運動の周期の半分の周期を有する。
【図７Ｂ】本発明の疑似平面ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳの一実施形態の概略図であり、レンズが、イオンミラー電極に組み込まれた追加電極によって構成され、イオンジグザグ運動の周期の４分の１の周期を有する。
【図８Ａ】ミラー電極間に配置された追加電極によって提供されるＺ方向のイオン収束を更に強化するために無電場領域内に１組の周期的レンズが追加された一実施形態の概略図である。
【図８Ｂ】ミラー電極に組み込まれた追加電極によって提供されるＺ方向のイオン収束を更に強化するために無電場領域内に１組の周期的レンズが追加された一実施形態の概略図である。
【図９Ａ】イオンミラーの変調静電場が少なくとも１個のミラー電極の幾何学的変調によって達成される一実施形態の概略図である。
【図９Ｂ】電極厚を周期的に変化させることによる電場の変調を示す概略図である。
【図９Ｃ】窓高さを周期的に変化させることによる電場の変調を示す概略図である。
【図１０】イオントラップで作成された外部イオン源と、第２のＴＯＦ質量分析装置の前段に設けられた外部衝突セルとを有するシステムを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明は、一般に、質量分光分析の分野に関し、より詳細には、多重反射飛行時間型質量分析計（ＭＲ ＴＯＦ ＭＳ）を含む装置に関する。具体的には、本発明は、ミラー静電場の僅かな周期的変調を取り入れることによって平面及びグリッドレスＭＲ−ＴＯＦ ＭＳの分解能及び感度を改善する。本発明のＭＲ−ＴＯＦ ＭＳは、空間及び時間収束が改善されるので、延長された折り返しイオン経路に沿ったイオンビームのアクセプタンスが広くなり且つ閉じ込めが確実になる。その結果、本発明のＭＲ−ＴＯＦ ＭＳは、イオン蓄積装置を介して連続的イオン源に効率的に結合でき、それにより、イオンサンプリングのデューティサイクルを節約できる。
【００３１】
図１Ａと図１Ｂは、Ｗｏｌｌｎｉｋらによる英国特許２０８００２１号（英国特許の図３と図４）による先行技術の多重反射飛行時間型質量分析計（ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳ）を示す。飛行時間型質量分析計では、様々な質量とエネルギーのイオンがソース１２によって放出される。コレクタ２０までのイオンの飛行経路は、ミラーＲ１，Ｒ２，・・・Ｒｎによってイオンを多重反射させることにより折り返される。ミラーは、イオン飛行時間がイオンエネルギーに依存しないようなものである。図１Ａと図１Ｂは、複数の軸方向に対称なイオンミラーの内の２個の幾何学的配置を示す。両方の配置において、イオンミラーは、２個の平行な平面Ｉ及びＩＩ内に配置され、イオン経路の面に沿って整合される。ある配置では、この面は平面であり（図１Ａ）、別の配列では、面は円筒２２である（図１Ｂ）。イオンがイオンミラーの光学軸に対して斜めに移動し、これにより追加の飛行時間収差が生じ、従って高解像度の達成がかなり複雑になることに注意されたい。
【００３２】
図２は、ソビエト特許１７２５２８９号に記載されたＮａｚａｒｅｎｋｏらによる試作品の「折り返し経路」ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳを示す。ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳは、２個のグリッドレス静電ミラーを有し、各ミラーは３個の電極から構成されている。即ち、一方のミラーは電極３、４及び５から構成されており、他方のミラーは電極６、７及び８から構成されている。各電極は、「中央」平面ＸＺに対して対称な１対の平行電極「ａ」及び「ｂ」からなる。前記イオンミラー間のドリフト空間内に、ソース１とレシーバ２が配置されている。ミラーは、多重イオン反射を提供する。反射数は、イオン源を検出器に対してＸ軸方向に移動することにより調整される。同特許は、Ｙ方向の空間イオン収束とイオンエネルギーに対する二次飛行時間収束とを達成する、全てのイオン折り返しで達成されるタイプのイオン収束について述べている。
【００３３】
図２の構造は、シフト方向（即ち、Ｚ軸）のイオン収束を提供せず、従って反射サイクル数を実質的に制限することに注意されたい。また、これは、Ｙ方向の空間的なイオン広がりに対して飛行時間収束を提供しない。従って、試作品のＭＲ−ＴＯＦ ＭＳは、分析装置の幅広いアクセプタンスを提供することができず、従って実際のイオン源と共に動作できない。
【００３４】
図３は、本発明者らによる先行技術の周期的レンズを備えた平面ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳの概略図である。分光計は、２枚の平行平面イオンミラーを有する。各ミラーは、実質的にドリフトＺ方向に延在された長方形フレームの形を有する４個の電極１１から構成される。ミラーのＺ方向の縁から遠くでは、電場は平面であり、即ちＸ及びＹに依存し、Ｚに依存しない。ミラーは、無電場領域１３によって分離されている。無電場領域内には１組の周期的レンズ１５が配置される。イオン源１からイオンパルスがＸ軸に対して小さな角度αで放出される。イオンパケットが、Ｚ方向にゆっくりドリフトしながらミラー間で反射される。角度は、反射１回当たりのＺ方向の前進量が、周期的レンズの周期と一致するように選択される。レンズは、ジグザグ軌道に沿ったイオン運動を強化する。エンドデフレクタ１７は、イオン運動を戻すことを可能にする。遠い側の端部のエンドデフレクタは、静止状態でセットされる。デフレクタを通過した後、イオンは、別のジグザグ軌道に沿って、イオンレシーバ２、一般に飛行時間検出器（マイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）や二次電子増倍管（ＳＥＭ）等）の方に導かれる。
【００３５】
図４は、本発明の疑似平面ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳの好ましい一実施形態を示す。この実施形態では、図４Ａ〜図４Ｃに示されたような２枚の隣り合ったミラー電極３２と３４の間に配置された周期的窓３１（ここでは、マスク窓とも呼ばれる）を有する補助電極３０によって、Ｚ方向の周期的電場構造が構成されている。マスク窓３１のＹ方向の高さは、ミラー電極のＹ方向の開口と等しいことが好ましい。マスク窓３１のＺ方向の間隔は、ミラー反射１回当たりのイオン前進量ΔＺと等しく、イオンミラーのＹ方向の開口と同等である。マスク電極に印加される電圧は、隣接した２個のミラー電極間の中間電位と僅かに異なり、その結果、弱い周期的収束電場がＺ方向で生じる。図４Ｃは、現実的な角度（０．４度）とエネルギー広がり（５％）を有するイオン軌道を示す。
【００３６】
動作において（図４Ｄ）、線形イオントラップ源又は二重直交射出装置のようなパルス化イオンコンバータによって、Ｚ方向の狭いイオン束（ion bunch）が形成される（ＷＯ２００７０４４６９６。この開示は本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する）。後者は、Ｙ方向に拡張されているがＺ方向に狭いイオンパケットを形成する。これらのイオン束は、１組のデフレクタ又はＷＯ２００６１０２４３０に開示されたような湾曲等時性インタフェースを利用して飛行時間分析器に注入される。ＷＯ２００６１０２４３０の開示は本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。パケットは、図面平面内で軸Ｘに対して小さな角度で射出され、その結果、ミラーでの反射１回当たりのイオン前進量ΔＺが、イオンミラー内の電場の空間変調の周期と一致する。分析装置内で、イオンは、時間収束並びにＹ方向の空間収束を提供するイオンミラー３４によって周期的に反射されるジグザグ軌道に沿って移動する。マスク電極３０を通過するとき、イオンは、Ｚ方向の周期的電場によって収束される。マスク電極レンズのＸ方向の望ましい焦点距離は、ジグザグ運動の半周期と等しい。イオンは、分析装置の端に達した後で、ＷＯ２００４ＵＳ１９５９３に開示されたようなデフレクタによって折り返されることが好ましい。ＷＯ２００４ＵＳ１９５９３の開示は本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。或いは、イオンパケットのドリフト方向は、後述するようなイオンミラーに組み込まれたデフレクタによって反転される。イオンは、分析装置を通過（Ｚ方向に往復）した後で、１組のデフレクタ又は湾曲等時性インタフェースを利用して検出器又は別のレシーバに射出される。
【００３７】
図５は、分析装置の遠い側の（Ｚ方向の）端部に達した後でイオンをＺ方向に反射させる代替方法を示す。図５の実施形態のイオンミラー構造は、一般に、以下に示した違いがあるが、図４Ａ〜図４Ｃの実施形態と類似している。反射は、２個の部分４１及び４２に分割されたエンドマスク窓４０によって生成された弱い偏向電場によって行なわれ、窓の端部分には異なる電位が印加されている。一般に、マスクを複数の部分に切断し、これらの部分に僅かに異なる電位を印加すると、分析装置内でドリフト角を徐々に変化させることができる。
【００３８】
図６Ａと図６Ｂは、分析装置がＺ方向に長いイオンパケットを許容する好ましい実施形態の別の選択肢を示す。この場合も、Ｚ方向のイオン収束は、周期的窓５１を有する補助電極５０によって行なわれる。しかしながら、この場合、マスク窓５１のサイズは、実質的にミラー電極のＹ方向の窓より大きい。ミラー間に位置決めされた直交加速器によって、Ｚ方向に拡張されたイオン束が形成される。加速後、イオンパケットは、ジグザグ経路に沿って移動する。図６に示されたように、マスクは、１個のミラー内だけに実装され、マスク窓のステップは、Ｚ方向のイオン運動の周期２ΔＺと等しいことが好ましい。或いは、マスクが、図４に示されたように両方のミラーに実装され、対向するミラーにおけるマスクの窓の位置が、Ｚ方向にΔＺだけずらされる。イオンは、分析装置を通過した後で検出器５４によって受け取られる。マスクの電圧は、何回かの反射後で、例えば図６Ａに示されたような飛行経路長の半分で、初期平行単エネルギーイオンビームを提供するように調整されることが好ましい。電位の最適な調整により、マスクによって生じる飛行時間収差の減少と、図６Ｂに示されたような全ての飛行経路に沿った現実的な角度及びエネルギー広がりでのイオンの閉じ込めを両立できる。
【００３９】
図７Ａは、本発明の疑似平面ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳの別の実施形態の概要を示し、周期的レンズ６０は、無電場領域の隣りのイオンミラー電極（ここでは、内部電極）に組み込まれた追加電極によって構成される。図７Ａのレンズ周期は、イオンジグザグ運動の半周期と同等である（反射１回につき１個のレンズ）。或いは、図７Ｂに示されたように、レンズ６２の周期は、イオンジグザグ運動の周期の４分の１であってもよい（反射１回につき２個のレンズ）。
【００４０】
図８は、図８Ａのようにミラー電極間に配置されるかまた図８Ｂのようにミラー電極７２内に実装された追加電極によって提供されるＺ方向のイオン収束を更に高めるために、無電場領域内に１組の周期的レンズ７０が追加された更に別の実施形態を示す。無電場空間内の１組の周期的レンズは、１組のビーム制限マスクによって置き換えることができ、この１組のビーム制限マスクは、疑似平面ミラーの周期的電場によって十分に収束されないか又は過度に収束され、従って異なる回数の反射の後で検出器に到達するイオンが検出器に当たるのを防ぐ。
【００４１】
図９Ａは、イオンミラーの静電場の変調が、少なくとも１個のミラー電極の幾何学的変調によって達成される更に別の実施形態を示す。図９Ｂは、電極厚さを周期的に変化させることによる電場の変調を示す。図９Ｃは、窓高さを周期的に変化させることによる電場の変調を示す。最良の飛行時間及び空間収束が提供されるように電極の電位が固定されているので、幾何学的変調は、選択された幾何学的変調によって決まる一定の強度のＺ方向のイオン収束を引き起こす。変調強度は、分析装置のアクセプタンスと分解能が両立するように選択されなければならない。
【００４２】
図１０は、イオントラップ８０で作成された外部イオン源と、外部衝突セルとを有し、外部衝突セルの後に第２のＴＯＦ質量分析装置９０を設けた構成を示す。外部装置は、湾曲等時性インタフェース８５を介してＭＲＴに結合されている。タンデムＴＯＦ装置のそのような構成は、特許出願ＷＯ２００３ＵＳ１３２６２及びＷＯ２００４００８４８１に記載されている。
【００４３】
図は、本発明者らによって先行出願に記載された幾つかの異なる構成を示す。シングルステージＴＯＦ ＭＳは、連続的イオン源から来るイオンの蓄積にイオントラップを使用する。湾曲電場インタフェース８５を介してイオンパケットが分析装置に注入される。イオンは、分析装置を２回通った（往復した）後で、等時性インタフェースの第２の通路を通り、共通ＴＯＦ検出器（図に示されていない）に当たる。
【００４４】
機器を高スループットのタンデム質量分析計として動作させる場合、検出器が、高速の第２のＴＯＦ分光計の前段にある高速衝突セルによって置き換えられる。親イオンがＭＲ−ＴＯＦ ＭＳ内で分離されている間に、フラグメントが高速に形成され、各イオン種が一度に分析される。これにより、通常は他のタイプのタンデム機器における走査と関連した追加のイオン損失を導入することなく、複数の親イオンに対していわゆる並行ＭＳ−ＭＳ分析を行うことができる。
【００４５】
機器を高解像度タンデムとして動作させる場合は、イオンが、軸トラップからＭＲＴ分析装置に周期的に注入される。単一イオン種が時間選択され、軸トラップに戻される。このとき、軸トラップは、フラグメンテーションセルとして働く。フラグメントは、そのガスセル内で衝突して減衰し、フラグメント質量の分析のために同じＭＲＴ分析装置内に戻される。
【００４６】
以上の説明は、単に好ましい実施形態のものと考えられる。当業者及び本発明を作成し又は使用する者であれば、本発明の変形例を思いつくであろう。従って、図面に示され以上述べた実施形態は、単に説明のためであり本発明の範囲を限定するものでなく、本発明の範囲は、均等論を含む特許法の原則に従って解釈される添付の特許請求の範囲によって定義されることを理解されたい。
【符号の説明】
【００４７】
１ イオン源
２ レシーバ
３〜８ 静電気イオンミラー
１３ 無電場領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に質量分光分析に関し、より詳細には多重反射飛行時間型質量分析計（ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳ）を含む装置及びその使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
質量分析は、種々の化合物及びその混合物の識別及び定量分析に使用される周知の分析化学ツールである。そのような分析の感度と分解能は、実際の使用にとって重要な事柄である。飛行時間型質量分析計（ＴＯＦ ＭＳ）の分解能が飛行経路が長くなるほど改善することはよく知られている。適度な物理長を維持しながら飛行経路を長くするために多重反射飛行時間型質量分析計（ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳ）が提案された。ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳの使用は、飛行時間収束特性を有する静電イオンミラーの導入後に可能になった。特許文献１、特許文献２及び非特許文献１は、イオンエネルギーに対する飛行時間収束を改善するためのイオンミラーの使用を開示している。イオンミラーを使用すると、イオン飛行経路が自動的に１回折り返される。
【０００３】
Ｈ．Ｗｏｌｌｎｉｋは、多重反射ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳを実現するためのイオンミラーの可能性を現実のものにした。特許文献３は、多数のグリッドレスミラー間でイオン経路を折り返すことによって機器の全長を短くすることを提案している。各ミラーは、同軸電極で作成されている。２列のそのようなミラーは、同一平面内に整列されるか、２個の向かい合った平行な円上に配置される（図１を参照）。空間的イオン収束機能を有するグリッドレスイオンミラーの導入により、イオン損失が減少し、反射回数に関係なくイオンビームが閉じ込められたままになる（より詳細には特許文献４を参照）。また、特許文献３に開示されたグリッドレスミラーは、「イオンエネルギーからのイオン飛行時間の独立性」を提供する。次の２タイプのＭＲ−ＴＯＦ ＭＳが開示されている。
（Ａ）「折り返し経路」方式。Ｎ個の順次反射するＴＯＦ ＭＳを組み合わせることと同等。飛行経路は、ジグザグな軌道に沿って折り返される。（図１Ａ）
（Ｂ）「同軸反射」方式。パルス化イオンの捕捉と開放を使用することにより、軸方向に整合された２個のイオンミラー間の複数のイオン反射を使用する。（図１Ｂ）
【０００４】
「同軸反射」方式は、非特許文献２にも記載されており、非特許文献３で発表された研究で実施されている。中型（３０ｃｍ）のＴＯＦ ＭＳにおいて５０回折り返し後に分解能５０，０００が達成された。実際には、グリッドレス・空間収束イオンミラーは、対象とするイオンを保持するが（損失は２分の１未満であった）、質量範囲はサイクル数と比例して縮小する。
【０００５】
ＭＲ−ＴＯＦ質量分析計は、また、イオンミラーの代わりにセクタ電場を使用するように設計された（非特許文献４と非特許文献５）。しかしながら、これらの質量分析装置は、イオンミラーを利用するものと違って、飛行時間の一次エネルギー収束しか提供しない。
【０００６】
特許文献５は、二次元グリッドレスミラーを使用する高度な方式の折り返し経路ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳを紹介している。ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳは、棒でできた２枚の同一ミラーを有し、これらのミラーは、ミラー間の中間平面と折り返しイオン経路の平面に対して平行且つ対称的である（図２を参照）。ミラーの幾何学的形状と電位は、折り返しイオン経路の平面と交差するイオンビームを空間的に収束させ、イオンエネルギーに対する二次飛行時間収束を提供するように決められている。イオンは、平面ミラー間で多重反射され、同時にいわゆるシフト方向（図２ではＸ軸）に検出器の方にゆっくりとドリフトする。繰り返し回数と分解能は、イオン注入角度を変化させることによって調整される。この方式は、飛行経路を延長しながら全質量範囲の維持を可能にする。
【０００７】
しかしながら、Ｎａｚａｒｅｎｋｏによる平面質量分析計は、シフト方向のイオン収束を行わず、従って反射サイクル数が実質的に制限される。更に、試作品に使用されたイオンミラーは、折り返しイオン経路の平面と交差する空間的なイオン広がりに対して飛行時間収束を提供せず、従って、発散即ち幅広いビームの使用によって、実際に飛行時間分解能が低下し、飛行経路の延長が無意味になる。
【０００８】
特許文献６では、平面方式の多重反射質量分析計が、
ａ）高次の空間的及びエネルギー収差に対する等時性を維持しながら垂直方向の高次の空間的及びエネルギー収束における空間収束を提供するイオンミラーを導入すること、
ｂ）イオンパケットを主ジグザグイオン経路に沿って保持する１組の周期的レンズ（レンズシステム）を無電場領域に導入すること、及び
ｃ）ドリフト方向のイオン運動を逆転することによってイオン飛行経路の更なる延長を可能にするエンドデフレクタを導入すること
によって改善されている。
【０００９】
平面多重反射ＴＯＦ ＭＳの更なる改善は、本発明者らによる出願で行われた（特許文献７、特許文献８、特許文献９及び特許文献１０）。
【００１０】
これらの出願は、連続イオンビームの短いイオンパケットへの変換やイオン蓄積についての様々な方式を含め、多数のパルス化イオン源について述べている。特許文献７は、外部パルス化イオン源から分析装置にイオン注入するための湾曲等時性インタフェースを示唆している。このインタフェースは、分析装置のフリンジ電界の回避を可能にし、この方法は、装置の分解能を改善する。湾曲インタフェースは、トラップイオン源及び直交イオン加速に基づくパルス化コンバータと適合する。
【００１１】
特許文献８は、いわゆるＭＲ−ＴＯＦ内へのイオンの二重直交注入を示唆する。ＭＲ−ＴＯＦ分析装置は、イオンパケットの垂直方向（Ｙ方向）の広がりに対してはより許容範囲が大きいことを考慮し、連続イオンビームは、ＭＲ−ＴＯＦ内でジグザグイオン軌道の平面に対してほぼ垂直に向けられる。加速器は僅かに傾けられ、イオンパケットは加速後に向きを変えられ、傾斜と向きの変更が相互に補正される。
【００１２】
特許文献９と特許文献１０は、ＭＲ−ＴＯＦ分析装置を種々のタンデム型ＴＯＦ ＭＳに適用する。一方式は、第１のＭＲ−ＴＯＦ内の親イオンの低速分離と第２のショートＴＯＦ ＭＳ内のフラグメントイオンの高速分析を使用して、パルス化イオン源のワンショット内で多数の親イオンについていわゆる並行ＭＳ−ＭＳ分析を行う。
【００１３】
特許文献１１は、空間的及び飛行時間収束特性を有する平面グリッドレスミラーを備えた「折り返し経路」ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳを採用しているので、本発明の試作品と考えられる。
【００１４】
平面多重反射質量分析計を実現する際、発明者らは、周期的レンズシステムは、一般にイオン注入インタフェース及びパルス化イオン源と干渉することを発見した。また、そのレンズシステムは、分析装置のアクセプタンス（acceptance）に大きな制限を加える。本発明の目的は、多重反射質量分析計の感度と分解能を改善し、またそれらの製作の利便性を改善することである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】米国特許第４，０７２，８６２号
【特許文献２】ソビエト特許第ＳＵ１９８０３４号
【特許文献３】英国特許ＧＢ２０８００２１号
【特許文献４】米国特許第５，０１７，７８０号
【特許文献５】Ｎａｚａｒｅｎｋｏらによるソビエト特許１７２５２８９号（１９８９）
【特許文献６】２００５年１２月２０日に出願された「MULTI-REFLECTING TIME-OF-FLIGHT MASS SPECTROMETER AND METHOD OF USE」と題する米国出願番号１０／５６１，７７５号。
【特許文献７】ＷＯ２００６１０２４３０
【特許文献８】ＷＯ２００７０４４６９６
【特許文献９】ＷＯ２００３ＵＳ１３２６２
【特許文献１０】ＷＯ２００４００８４８１
【特許文献１１】ＷＯ２００４ＵＳ１９５９３
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】MamyrinらによるSov. J. Tech. Phys.41 (1971) 1498
【非特許文献２】H.WollnikらによるMass Spec. Rev., 1993,12, p.109
【非特許文献３】Int. J. Mass Spectrom. Ion Proc. 227 (2003) 217
【非特許文献４】ToyodaらのJ. Mass Spectrometry, 38 (2003), 1125
【非特許文献５】SatohらのJ. Am. Soc. Mass Spectrom., 16 (2005), 1969
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１７】
発明者らは、イオンミラーの静電場をドリフト方向に周期的に空間変調することによって、実質的に二次元の平面ミラーを有するＭＲ−ＴＯＦ ＭＳのアクセプタンスと分解能を更に改善できることに気づいた。イオンミラーの電場がほぼ平面のままなので、ミラー電場に小さな周期的変調を加えた分光計は、疑似平面と呼ばれる。
【００１８】
本発明の好ましい実施形態は、以下の特徴の内の一以上を有する多重反射飛行時間型質量分析計である。
・ドリフト方向（Ｚ）に拡張され平行電極で構成され、無電場領域によって分離された２個の疑似平面静電気イオンミラーと、
・ドリフト方向Ｚ方向と垂直なＸ方向に対して小さな角度でイオンパケットを放出し、その結果、イオンパケットが、イオンミラー間で反射されドリフト方向にドリフトするようにするパルス化イオン源と、
・イオンパケットを受け取るレシーバとを有し、
・前記ミラーが、レシーバ上での飛行時間収束を提供するように構成され、
・前記ミラーが、ドリフト方向Ｚ方向とイオン注入方向Ｘ方向に垂直なＹ方向に空間収束を提供するように配置され、少なくとも１個のミラーが、イオンパケットをＺ方向に周期的に空間収束させるためにドリフトＺ方向に沿って静電場を変調する周期的特徴を有する。
【００１９】
ＷＯ２００４ＵＳ１９５９３に発明者らによって述べられているように、イオンミラーは、好ましくは少なくとも４個の電極を有し、その少なくとも１個の電極は、飛行時間収束と前記空間的Ｙ方向収束を提供するために引き付け電位（attracting potential）を有する。装置は、必要に応じて、ＷＯ２００４ＵＳ１９５９３に前に記載されたような、
・無電場領域内の少なくとも２個のレンズと、
・イオン経路をドリフト方向に戻すためのエンドデフレクタと、
・前記パルス化イオン源と前記レシーバの間の少なくとも１個の等時性湾曲インタフェース等、平面多重反射質量分析計の特徴を含む。
【００２０】
イオンミラー内の静電場のＺ方向の周期的変調は、
・Ｚ方向の周期的幾何学構造を有する少なくとも１個の補助電極を少なくとも１個のミラー電極に組み込み、この電極又は１組の電極に調整可能な電位を印加しＺ方向の変調強度を調整し、
・ミラー電極の内の少なくとも１個のミラー電極に１組の周期的スロットを作成し、それらのスロットに入り込む電場を有する追加電極を加え、
・Ｚ方向周期的幾何学構造を有する少なくとも１個の補助電極をミラー電極間に挿入し、
・電極開口の高さ（Ｙ方向）が周期的（Ｚ方向）に変化するか、電極の幅（Ｘ方向）が周期的に変化するように、少なくとも１個のミラー電極の幾何学的形状を修正し、
・１組の周期的レンズを少なくとも１個のイオンミラーの内部電極内又はミラー電極間に組み込むことによって達成される。
・多数の他の電場変調方法が可能である。Ｚ方向周期的変調の強度が調整可能な解決策は、幾何学的変調が固定された解決策より好ましい。
【００２１】
分光計は、また、特許出願ＷＯ２００４ＵＳ１９５９３、ＷＯ２００６１０２４３０、ＷＯ２００７０４４６９６、ＷＯ２００３ＵＳ１３２６２及びＷＯ２００４００８４８１に先に記載された特徴を含むことが好ましく、これらの出願の開示は、本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。
【００２２】
本発明の好ましい飛行時間分析方法は、
・分析されるイオンのパケットを形成する段階と、
・イオンがジグザグイオン軌道に沿って動くようにＺ方向のイオンパケットの比較的小さい速度成分を維持しながら、ドリフトＺ方向に拡張された２個の平行な疑似平面イオンミラー間にイオンを通す段階と、
・レシーバでイオンを受け取る段階と、
・イオンが時間的に収束されると共に空間的にＹ方向に収束されるように前記イオンミラーによって静電場を形成し、この電場が、少なくとも１個のミラー内でＺ方向に周期的に空間変調されて、イオンパケットがＺ方向に空間収束される段階とを含む。
【００２３】
方法は、更に必要に応じて、ＷＯ２００４ＵＳ１９５９３に記載された段階、即ち、
・イオンミラー間のドリフト空間内で少なくとも２個のレンズによってイオンパケットを空間収束し、分析装置の縁でイオンドリフトの方向を戻す段階と、
・湾曲等時性インタフェースを介してイオン注入する段階とを含む。
【００２４】
少なくとも１個のイオンミラー内で静電場を周期的変調する段階が、
・少なくとも１個のミラー電極の形状を空間変調する段階と、
・補助電極を組み込むことによって周期的電場を導入する段階の内のいずれかを含み、周期的収束の強度が調整可能であることが好ましい。
【００２５】
前記変調の周期が、好ましくはＮ＊ΔＺ／２又はＮ＊ΔＺと等しく、ここで、Ｎは整数であり、ΔＺは、１個のミラーにおける反射１回当たりのドリフト方向のイオン軌道の前進量である。
【００２６】
本発明の一実施形態によれば、多重反射質量分析計（ＭＲ ＭＳ）の感度と分解能が改善される。
【００２７】
本発明の別の実施形態によれば、ＭＲ ＭＳの生産が容易になる。
【００２８】
本発明のこれら及び他の特徴、利点及び目的は、当業者であれば、以下の明細、特許請求の範囲及び添付図面を参照することにより更によく理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１Ａ】先行技術のＭＲ−ＴＯＦ ＭＳを示す図である。
【図１Ｂ】先行技術のＭＲ−ＴＯＦ ＭＳを示す図である。
【図２】先行技術の平面ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳを示す図である。
【図３】周期的レンズを有する先行技術の平面ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳの概略図である。
【図４Ａ】２個のミラー電極間に配置されたマスク電極によって空間電場変調を達成した疑似平面イオンミラーの好ましい実施形態の平面図である。
【図４Ｂ】図４Ａに示された補助電極の側面図である。
【図４Ｃ】２個のミラー電極間に配置されたマスク電極によって空間電場変調を達成した疑似平面イオンミラーの好ましい実施形態の斜視図である。
【図４Ｄ】エンドデフレクタによってイオンをＺ方向に戻すことにより狭いイオンビームを安定して閉じ込める疑似平面ＴＯＦ ＭＳの好ましい実施形態の上面図である。
【図５】異なる電位を有する幾つかの部分に分割されたマスク電極によって構成された偏向電場によってイオンをＺ方向に戻す疑似平面ＴＯＦ ＭＳの好ましい実施形態の上面図である。
【図６Ａ】１個のイオンミラーに埋め込まれた周期的マスク電極を利用してイオン束をＺ方向に収束する疑似平面ＴＯＦ ＭＳの別の好ましい実施形態において、直交加速器によって作成されＺ方向に拡張された初期平行イオンビームを示す平面図である。
【図６Ｂ】１個のイオンミラーに埋め込まれた周期的マスク電極を利用してイオン束をＺ方向に収束する疑似平面ＴＯＦ ＭＳにおいて、直交加速器によって作成され、Ｚ方向に拡張された現実的な角度及びエネルギーの広がりを有するイオンビームの移送を示す平面図である。
【図７Ａ】本発明の疑似平面ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳの一実施形態の概略図であり、レンズが、イオンミラー電極に組み込まれた追加電極によって構成され、イオンジグザグ運動の周期の半分の周期を有する。
【図７Ｂ】本発明の疑似平面ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳの一実施形態の概略図であり、レンズが、イオンミラー電極に組み込まれた追加電極によって構成され、イオンジグザグ運動の周期の４分の１の周期を有する。
【図８Ａ】ミラー電極間に配置された追加電極によって提供されるＺ方向のイオン収束を更に強化するために無電場領域内に１組の周期的レンズが追加された一実施形態の概略図である。
【図８Ｂ】ミラー電極に組み込まれた追加電極によって提供されるＺ方向のイオン収束を更に強化するために無電場領域内に１組の周期的レンズが追加された一実施形態の概略図である。
【図９Ａ】イオンミラーの変調静電場が少なくとも１個のミラー電極の幾何学的変調によって達成される一実施形態の概略図である。
【図９Ｂ】電極厚を周期的に変化させることによる電場の変調を示す概略図である。
【図９Ｃ】窓高さを周期的に変化させることによる電場の変調を示す概略図である。
【図１０】イオントラップで作成された外部イオン源と、第２のＴＯＦ質量分析装置の前段に設けられた外部衝突セルとを有するシステムを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明は、一般に、質量分光分析の分野に関し、より詳細には、多重反射飛行時間型質量分析計（ＭＲ ＴＯＦ ＭＳ）を含む装置に関する。具体的には、本発明は、ミラー静電場の僅かな周期的変調を取り入れることによって平面及びグリッドレスＭＲ−ＴＯＦ ＭＳの分解能及び感度を改善する。本発明のＭＲ−ＴＯＦ ＭＳは、空間及び時間収束が改善されるので、延長された折り返しイオン経路に沿ったイオンビームのアクセプタンスが広くなり且つ閉じ込めが確実になる。その結果、本発明のＭＲ−ＴＯＦ ＭＳは、イオン蓄積装置を介して連続的イオン源に効率的に結合でき、それにより、イオンサンプリングのデューティサイクルを節約できる。
【００３１】
図１Ａと図１Ｂは、Ｗｏｌｌｎｉｋらによる英国特許２０８００２１号（英国特許の図３と図４）による先行技術の多重反射飛行時間型質量分析計（ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳ）を示す。飛行時間型質量分析計では、様々な質量とエネルギーのイオンがソース１２によって放出される。コレクタ２０までのイオンの飛行経路は、ミラーＲ１，Ｒ２，・・・Ｒｎによってイオンを多重反射させることにより折り返される。ミラーは、イオン飛行時間がイオンエネルギーに依存しないようなものである。図１Ａと図１Ｂは、複数の軸方向に対称なイオンミラーの内の２個の幾何学的配置を示す。両方の配置において、イオンミラーは、２個の平行な平面Ｉ及びＩＩ内に配置され、イオン経路の面に沿って整合される。ある配置では、この面は平面であり（図１Ａ）、別の配列では、面は円筒２２である（図１Ｂ）。イオンがイオンミラーの光学軸に対して斜めに移動し、これにより追加の飛行時間収差が生じ、従って高解像度の達成がかなり複雑になることに注意されたい。
【００３２】
図２は、ソビエト特許１７２５２８９号に記載されたＮａｚａｒｅｎｋｏらによる試作品の「折り返し経路」ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳを示す。ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳは、２個のグリッドレス静電ミラーを有し、各ミラーは３個の電極から構成されている。即ち、一方のミラーは電極３、４及び５から構成されており、他方のミラーは電極６、７及び８から構成されている。各電極は、「中央」平面ＸＺに対して対称な１対の平行電極「ａ」及び「ｂ」からなる。前記イオンミラー間のドリフト空間内に、ソース１とレシーバ２が配置されている。ミラーは、多重イオン反射を提供する。反射数は、イオン源を検出器に対してＸ軸方向に移動することにより調整される。同特許は、Ｙ方向の空間イオン収束とイオンエネルギーに対する二次飛行時間収束とを達成する、全てのイオン折り返しで達成されるタイプのイオン収束について述べている。
【００３３】
図２の構造は、シフト方向（即ち、Ｚ軸）のイオン収束を提供せず、従って反射サイクル数を実質的に制限することに注意されたい。また、これは、Ｙ方向の空間的なイオン広がりに対して飛行時間収束を提供しない。従って、試作品のＭＲ−ＴＯＦ ＭＳは、分析装置の幅広いアクセプタンスを提供することができず、従って実際のイオン源と共に動作できない。
【００３４】
図３は、本発明者らによる先行技術の周期的レンズを備えた平面ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳの概略図である。分光計は、２枚の平行平面イオンミラーを有する。各ミラーは、実質的にドリフトＺ方向に延在された長方形フレームの形を有する４個の電極１１から構成される。ミラーのＺ方向の縁から遠くでは、電場は平面であり、即ちＸ及びＹに依存し、Ｚに依存しない。ミラーは、無電場領域１３によって分離されている。無電場領域内には１組の周期的レンズ１５が配置される。イオン源１からイオンパルスがＸ軸に対して小さな角度αで放出される。イオンパケットが、Ｚ方向にゆっくりドリフトしながらミラー間で反射される。角度は、反射１回当たりのＺ方向の前進量が、周期的レンズの周期と一致するように選択される。レンズは、ジグザグ軌道に沿ったイオン運動を強化する。エンドデフレクタ１７は、イオン運動を戻すことを可能にする。遠い側の端部のエンドデフレクタは、静止状態でセットされる。デフレクタを通過した後、イオンは、別のジグザグ軌道に沿って、イオンレシーバ２、一般に飛行時間検出器（マイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）や二次電子増倍管（ＳＥＭ）等）の方に導かれる。
【００３５】
図４は、本発明の疑似平面ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳの好ましい一実施形態を示す。この実施形態では、図４Ａ〜図４Ｃに示されたような２枚の隣り合ったミラー電極３２と３４の間に配置された周期的窓３１（ここでは、マスク窓とも呼ばれる）を有する補助電極３０によって、Ｚ方向の周期的電場構造が構成されている。マスク窓３１のＹ方向の高さは、ミラー電極のＹ方向の開口と等しいことが好ましい。マスク窓３１のＺ方向の間隔は、ミラー反射１回当たりのイオン前進量ΔＺと等しく、イオンミラーのＹ方向の開口と同等である。マスク電極に印加される電圧は、隣接した２個のミラー電極間の中間電位と僅かに異なり、その結果、弱い周期的収束電場がＺ方向で生じる。図４Ｃは、現実的な角度（０．４度）とエネルギー広がり（５％）を有するイオン軌道を示す。
【００３６】
動作において（図４Ｄ）、線形イオントラップ源又は二重直交射出装置のようなパルス化イオンコンバータによって、Ｚ方向の狭いイオン束（ion bunch）が形成される（ＷＯ２００７０４４６９６。この開示は本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する）。後者は、Ｙ方向に拡張されているがＺ方向に狭いイオンパケットを形成する。これらのイオン束は、１組のデフレクタ又はＷＯ２００６１０２４３０に開示されたような湾曲等時性インタフェースを利用して飛行時間分析器に注入される。ＷＯ２００６１０２４３０の開示は本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。パケットは、図面平面内で軸Ｘに対して小さな角度で射出され、その結果、ミラーでの反射１回当たりのイオン前進量ΔＺが、イオンミラー内の電場の空間変調の周期と一致する。分析装置内で、イオンは、時間収束並びにＹ方向の空間収束を提供するイオンミラー３４によって周期的に反射されるジグザグ軌道に沿って移動する。マスク電極３０を通過するとき、イオンは、Ｚ方向の周期的電場によって収束される。マスク電極レンズのＸ方向の望ましい焦点距離は、ジグザグ運動の半周期と等しい。イオンは、分析装置の端に達した後で、ＷＯ２００４ＵＳ１９５９３に開示されたようなデフレクタによって折り返されることが好ましい。ＷＯ２００４ＵＳ１９５９３の開示は本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。或いは、イオンパケットのドリフト方向は、後述するようなイオンミラーに組み込まれたデフレクタによって反転される。イオンは、分析装置を通過（Ｚ方向に往復）した後で、１組のデフレクタ又は湾曲等時性インタフェースを利用して検出器又は別のレシーバに射出される。
【００３７】
図５は、分析装置の遠い側の（Ｚ方向の）端部に達した後でイオンをＺ方向に反射させる代替方法を示す。図５の実施形態のイオンミラー構造は、一般に、以下に示した違いがあるが、図４Ａ〜図４Ｃの実施形態と類似している。反射は、２個の部分４１及び４２に分割されたエンドマスク窓４０によって生成された弱い偏向電場によって行なわれ、窓の端部分には異なる電位が印加されている。一般に、マスクを複数の部分に切断し、これらの部分に僅かに異なる電位を印加すると、分析装置内でドリフト角を徐々に変化させることができる。
【００３８】
図６Ａと図６Ｂは、分析装置がＺ方向に長いイオンパケットを許容する好ましい実施形態の別の選択肢を示す。この場合も、Ｚ方向のイオン収束は、周期的窓５１を有する補助電極５０によって行なわれる。しかしながら、この場合、マスク窓５１のサイズは、実質的にミラー電極のＹ方向の窓より大きい。ミラー間に位置決めされた直交加速器によって、Ｚ方向に拡張されたイオン束が形成される。加速後、イオンパケットは、ジグザグ経路に沿って移動する。図６に示されたように、マスクは、１個のミラー内だけに実装され、マスク窓のステップは、Ｚ方向のイオン運動の周期２ΔＺと等しいことが好ましい。或いは、マスクが、図４に示されたように両方のミラーに実装され、対向するミラーにおけるマスクの窓の位置が、Ｚ方向にΔＺだけずらされる。イオンは、分析装置を通過した後で検出器５４によって受け取られる。マスクの電圧は、何回かの反射後で、例えば図６Ａに示されたような飛行経路長の半分で、初期平行単エネルギーイオンビームを提供するように調整されることが好ましい。電位の最適な調整により、マスクによって生じる飛行時間収差の減少と、図６Ｂに示されたような全ての飛行経路に沿った現実的な角度及びエネルギー広がりでのイオンの閉じ込めを両立できる。
【００３９】
図７Ａは、本発明の疑似平面ＭＲ−ＴＯＦ ＭＳの別の実施形態の概要を示し、周期的レンズ６０は、無電場領域の隣りのイオンミラー電極（ここでは、内部電極）に組み込まれた追加電極によって構成される。図７Ａのレンズ周期は、イオンジグザグ運動の半周期と同等である（反射１回につき１個のレンズ）。或いは、図７Ｂに示されたように、レンズ６２の周期は、イオンジグザグ運動の周期の４分の１であってもよい（反射１回につき２個のレンズ）。
【００４０】
図８は、図８Ａのようにミラー電極間に配置されるかまた図８Ｂのようにミラー電極７２内に実装された追加電極によって提供されるＺ方向のイオン収束を更に高めるために、無電場領域内に１組の周期的レンズ７０が追加された更に別の実施形態を示す。無電場空間内の１組の周期的レンズは、１組のビーム制限マスクによって置き換えることができ、この１組のビーム制限マスクは、疑似平面ミラーの周期的電場によって十分に収束されないか又は過度に収束され、従って異なる回数の反射の後で検出器に到達するイオンが検出器に当たるのを防ぐ。
【００４１】
図９Ａは、イオンミラーの静電場の変調が、少なくとも１個のミラー電極の幾何学的変調によって達成される更に別の実施形態を示す。図９Ｂは、電極厚さを周期的に変化させることによる電場の変調を示す。図９Ｃは、窓高さを周期的に変化させることによる電場の変調を示す。最良の飛行時間及び空間収束が提供されるように電極の電位が固定されているので、幾何学的変調は、選択された幾何学的変調によって決まる一定の強度のＺ方向のイオン収束を引き起こす。変調強度は、分析装置のアクセプタンスと分解能が両立するように選択されなければならない。
【００４２】
図１０は、イオントラップ８０で作成された外部イオン源と、外部衝突セルとを有し、外部衝突セルの後に第２のＴＯＦ質量分析装置９０を設けた構成を示す。外部装置は、湾曲等時性インタフェース８５を介してＭＲＴに結合されている。タンデムＴＯＦ装置のそのような構成は、特許出願ＷＯ２００３ＵＳ１３２６２及びＷＯ２００４００８４８１に記載されている。
【００４３】
図は、本発明者らによって先行出願に記載された幾つかの異なる構成を示す。シングルステージＴＯＦ ＭＳは、連続的イオン源から来るイオンの蓄積にイオントラップを使用する。湾曲電場インタフェース８５を介してイオンパケットが分析装置に注入される。イオンは、分析装置を２回通った（往復した）後で、等時性インタフェースの第２の通路を通り、共通ＴＯＦ検出器（図に示されていない）に当たる。
【００４４】
機器を高スループットのタンデム質量分析計として動作させる場合、検出器が、高速の第２のＴＯＦ分光計の前段にある高速衝突セルによって置き換えられる。親イオンがＭＲ−ＴＯＦ ＭＳ内で分離されている間に、フラグメントが高速に形成され、各イオン種が一度に分析される。これにより、通常は他のタイプのタンデム機器における走査と関連した追加のイオン損失を導入することなく、複数の親イオンに対していわゆる並行ＭＳ−ＭＳ分析を行うことができる。
【００４５】
機器を高解像度タンデムとして動作させる場合は、イオンが、軸トラップからＭＲＴ分析装置に周期的に注入される。単一イオン種が時間選択され、軸トラップに戻される。このとき、軸トラップは、フラグメンテーションセルとして働く。フラグメントは、そのガスセル内で衝突して減衰し、フラグメント質量の分析のために同じＭＲＴ分析装置内に戻される。
【００４６】
以上の説明は、単に好ましい実施形態のものと考えられる。当業者及び本発明を作成し又は使用する者であれば、本発明の変形例を思いつくであろう。従って、図面に示され以上述べた実施形態は、単に説明のためであり本発明の範囲を限定するものでなく、本発明の範囲は、均等論を含む特許法の原則に従って解釈される添付の特許請求の範囲によって定義されることを理解されたい。
【符号の説明】
【００４７】
１ イオン源
２ レシーバ
３〜８ 静電気イオンミラー
１３ 無電場領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多重反射飛行時間型質量分析計であって、
ドリフト方向（Ｚ）に延長されると共に平行電極で構成され、無電場領域によって分離された２個の疑似平面静電気イオンミラーと、
イオンパケットがイオンミラー間で反射されドリフト方向Ｚにドリフトするようにイオンパケットをドリフト方向Ｚに垂直なＸ方向に対して小さな角度で放出するパルス化イオン源と、
イオンパケットを受け取るレシーバとを有し、
前記ミラーが、前記レシーバ上での飛行時間収束を提供し、ドリフト方向Ｚとイオン注入方向Ｘの両方に垂直なＹ方向の空間収束を提供するように位置決めされ、
少なくとも１個のミラーが、イオンパケットをＺ方向に周期的に空間収束するためにドリフトＺ方向に沿って静電場を変調する周期的特徴を有する、多重反射飛行時間型質量分析計。
【請求項２】
イオン経路をドリフト方向と逆方向に戻すための少なくとも１個のエンドデフレクタを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記パルス化イオン源と前記レシーバとの間に設けられた少なくとも１個の等時性湾曲インタフェースを更に有する、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
無電場領域内に設けられた少なくとも２個のレンズを更に有する、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
少なくとも１個のミラーが、少なくとも４個の電極を有し、その少なくとも１個の電極に、前記飛行時間収束と前記Ｙ方向の空間収束を提供するための引き付け電位が印加される、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記周期的特徴が、高さ（Ｙ方向）が変化する開口を有する少なくとも１個のミラー電極を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記周期的特徴が、幅（Ｘ方向）が変化する少なくとも１個のミラー電極を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記周期的特徴が、少なくとも１個のイオンミラーの内部電極に組み込まれた１組の周期的レンズである、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記周期的特徴が、少なくとも１個のミラー電極に組み込まれた１組の補助電極を有し、補助電極の電位がＺ方向に周期的に変化する、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記周期的特徴が、Ｎ＊ΔＺ／２と等しい周期を有し、ここで、Ｎは整数であり、ΔＺは、反射１回当たりの前記イオンジグザグ軌道のドリフト方向の前進量である、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記周期的特徴が、前記ジグザグ軌道の周期の整数と等しい周期を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
飛行時間分析方法であって、
被分析イオンのパケットを形成する段階と、
イオンがジグザグイオン軌道に沿って動くようにイオンパケットのＺ方向の比較的小さな速度成分を保持しながら、ドリフトＺ方向に延在された２個の平行な疑似平面イオンミラー間にイオンを通す段階と、
イオンをレシーバで受け取る段階と、
前記イオンを時間的に収束すると共にＹ方向に空間的に収束させる段階と、
Ｚ方向に沿ってイオンパケットの空間収束を提供するために、少なくとも１個のミラー内の静電場を空間的且つ周期的に変調する段階とを含む方法。
【請求項１３】
分析装置の縁においてイオンドリフト方向を反転させる段階を更に含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
湾曲等時性インタフェースを介してイオンを注入する段階を更に含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
イオンミラー間のドリフト空間内で少なくとも２個のレンズによってイオンパケットを空間収束させる段階を更に含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
少なくとも１個のイオンミラー内で静電場を周期的に変調する前記段階が、少なくとも１個のミラー電極の形状を空間変調する段階を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
少なくとも１個のイオンミラー内で静電場を周期的に変調する前記段階が、補助電極の周期的電場を導入する段階を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記変調の周期がＮ＊ΔＺ／２と等しく、ここで、Ｎが、整数であり、ΔＺが、反射１回当たりの前記イオンジグザグ軌道のドリフト方向の前進量である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
前記イオンパケットを形成する段階が、連続的イオン源から来るイオンをイオン蓄積する段階を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
Ｚ方向の周期的収束の強度が調整可能である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１】
多重反射飛行時間型質量分析計であって、
ドリフト方向（Ｚ）に延長されると共に平行電極で構成され、無電場領域によって分離された２個の疑似平面静電気イオンミラーと、
イオンパケットがイオンミラー間で反射されドリフト方向Ｚにドリフトするようにイオンパケットをドリフト方向Ｚに垂直なＸ方向に対して小さな角度で放出するパルス化イオン源と、
イオンパケットを受け取るレシーバとを有し、
前記ミラーが、前記レシーバ上での飛行時間収束を提供し、ドリフト方向Ｚとイオン注入方向Ｘの両方に垂直なＹ方向の空間収束を提供するように位置決めされ、
少なくとも１個のミラーが、イオンパケットをＺ方向に周期的に空間収束するためにドリフトＺ方向に沿って静電場を変調する周期的特徴を有する、多重反射飛行時間型質量分析計。
【請求項２】
イオン経路をドリフト方向と逆方向に戻すための少なくとも１個のエンドデフレクタを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記パルス化イオン源と前記レシーバとの間に設けられた少なくとも１個の等時性湾曲インタフェースを更に有する、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
無電場領域内に設けられた少なくとも２個のレンズを更に有する、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
少なくとも１個のミラーが、少なくとも４個の電極を有し、その少なくとも１個の電極に、前記飛行時間収束と前記Ｙ方向の空間収束を提供するための引き付け電位が印加される、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記周期的特徴が、高さ（Ｙ方向）が変化する開口を有する少なくとも１個のミラー電極を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記周期的特徴が、幅（Ｘ方向）が変化する少なくとも１個のミラー電極を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記周期的特徴が、少なくとも１個のイオンミラーの内部電極に組み込まれた１組の周期的レンズである、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記周期的特徴が、少なくとも１個のミラー電極に組み込まれた１組の補助電極を有し、補助電極の電位がＺ方向に周期的に変化する、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記周期的特徴が、Ｎ＊ΔＺ／２と等しい周期を有し、ここで、Ｎは整数であり、ΔＺは、反射１回当たりの前記イオンジグザグ軌道のドリフト方向の前進量である、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記周期的特徴が、前記ジグザグ軌道の周期の整数と等しい周期を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
飛行時間分析方法であって、
被分析イオンのパケットを形成する段階と、
イオンがジグザグイオン軌道に沿って動くようにイオンパケットのＺ方向の比較的小さな速度成分を保持しながら、ドリフトＺ方向に延在された２個の平行な疑似平面イオンミラー間にイオンを通す段階と、
イオンをレシーバで受け取る段階と、
前記イオンを時間的に収束すると共にＹ方向に空間的に収束させる段階と、
Ｚ方向に沿ってイオンパケットの空間収束を提供するために、少なくとも１個のミラー内の静電場を空間的且つ周期的に変調する段階とを含む方法。
【請求項１３】
分析装置の縁においてイオンドリフト方向を反転させる段階を更に含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
湾曲等時性インタフェースを介してイオンを注入する段階を更に含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
イオンミラー間のドリフト空間内で少なくとも２個のレンズによってイオンパケットを空間収束させる段階を更に含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
少なくとも１個のイオンミラー内で静電場を周期的に変調する前記段階が、少なくとも１個のミラー電極の形状を空間変調する段階を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
少なくとも１個のイオンミラー内で静電場を周期的に変調する前記段階が、補助電極の周期的電場を導入する段階を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記変調の周期がＮ＊ΔＺ／２と等しく、ここで、Ｎが、整数であり、ΔＺが、反射１回当たりの前記イオンジグザグ軌道のドリフト方向の前進量である、請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
前記イオンパケットを形成する段階が、連続的イオン源から来るイオンをイオン蓄積する段階を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
Ｚ方向の周期的収束の強度が調整可能である、請求項１２に記載の方法。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図１０】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図１０】
【公表番号】特表２０１１−５２８４８７（Ｐ２０１１−５２８４８７Ａ）
【公表日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５１８６９４（Ｐ２０１１−５１８６９４）
【出願日】平成２０年７月１６日（２００８．７．１６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０７０１８１
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／００８３８６
【国際公開日】平成２２年１月２１日（２０１０．１．２１）
【出願人】（５９２０７１８５３）レコ コーポレイション (19)
【氏名又は名称原語表記】ＬＥＣＯ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月１６日（２００８．７．１６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０７０１８１
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／００８３８６
【国際公開日】平成２２年１月２１日（２０１０．１．２１）
【出願人】（５９２０７１８５３）レコ コーポレイション (19)
【氏名又は名称原語表記】ＬＥＣＯ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ
【Ｆターム（参考）】
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