質量分析装置
【課題】 従来技術では衝突減衰器の排出時間を短くまたは長くと、測定条件にあわせて最適に調整することが困難であった。
【解決手段】 線形多重極電極と、線形多重極電極の中心軸上に直流電位を印加するための補助電極と、補助電極のための直流電源を備えた構成で、多重極の中心軸上に直流電位勾配を形成し、その電位勾配を測定条件に合わせて変化させる。測定条件に適した電位勾配に調整することで、イオンの排出時間を短くも長く最適に調整可能である。イオンの排出時間を短くすることでスペクトル上のイオン情報の混同を避けることができ、またイオンの排出時間を長くすることで検出限界を回避し効率的にイオンを測定することが可能になり、常に高効率な測定が可能となる。
【解決手段】 線形多重極電極と、線形多重極電極の中心軸上に直流電位を印加するための補助電極と、補助電極のための直流電源を備えた構成で、多重極の中心軸上に直流電位勾配を形成し、その電位勾配を測定条件に合わせて変化させる。測定条件に適した電位勾配に調整することで、イオンの排出時間を短くも長く最適に調整可能である。イオンの排出時間を短くすることでスペクトル上のイオン情報の混同を避けることができ、またイオンの排出時間を長くすることで検出限界を回避し効率的にイオンを測定することが可能になり、常に高効率な測定が可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、質量分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
質量分析法では、試料分子をイオン化して真空中に導入し、または真空中でイオン化した後、電磁場中におけるそのイオンの運動を測定することにより、対象とする分子イオンの質量電荷比m/z(m：質量、z：荷電数)が測定される。得られる情報が質量電荷比m/zであるため、内部構造情報まで得ることが難しく、そのためタンデム質量分析法と呼ばれる方法が用いられる。タンデム質量分析法は、１回目の質量分析操作で試料分子イオンを特定する、もしくは、選択する。このイオンをプリカーサーイオンと呼ぶ。続いて、２回目の質量分析操作でこのプリカーサーイオンを何らかの手法で解離する。解離したイオンをフラグメントイオンと呼ぶ。そのフラグメントイオンをさらに質量分析することにより、フラグメントイオンの生成パターンの情報を得る。解離パターンにより、プリカーサーイオンの配列構造を推察することが可能となる。タンデム質量分析法はイオントラップ型、イオントラップ飛行時間型、トリプル四重極型、四重極飛行時間型等の質量分析計に広く用いられている。特にイオントラップ型、イオントラップ飛行時間型は複数回のタンデム質量分析が可能な質量分析法であり、効率的な構造解析が可能である。
【０００３】
タンデム質量分析が可能な質量分析法として、四重極イオントラップ質量分析計がある。四重極イオントラップは、リング電極および1対のエンドキャップ電極からなるポールトラップや、4本の円柱電極からなる四重極リニアイオントラップがある。リング電極または円柱電極に周波数１ＭＨz程度の高周波電圧を印加することで、四重極イオントラップ内において、ある質量以上のイオンが安定条件となり、イオンの蓄積が可能となる。
【０００４】
トリプル四重極型、四重極飛行時間型質量分析計は、共にイオン解離部の前段に四重極質量フィルターを備えている。四重極質量フィルターは特定の質量対電荷比のイオンのみを通過させ、それ以外のイオンを排除する役割を果たしている。また通過させる質量対電荷比を走査することで、イオンを特定したり選択することが可能となる。
【０００５】
特許文献１にはトリプル四重極型および四重極飛行時間型において、イオンの排出時間を短くする方式に関する記載がある。イオン解離部などに設置された多重極ロッド電極を傾ける、または多重極ロッド電極の間に傾斜電極を挿入する構成で、多重極の中心軸上に出口方向への直流電界を生成することで、イオンの排出時間を短くしている。
【０００６】
特許文献２にはイオントラップと飛行時間型質量分析計を接続するために、四重極にHeなどのガス導入した構成の衝突ダンピング部（以下、衝突減衰器）についての記載がある。これにより広い質量数範囲を測定でき高感度かつ高質量精度かつタンデム質量分析可能な質量分析計となる。
【０００７】
【特許文献１】米国特許US5847386
【特許文献２】特開2005-44594
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
イオントラップから排出されたイオンは、時間的に非常に短時間にまとまったパルス状に排出されるため、飛行時間型等の質量分析計で計測する際にイオンの利用効率が悪い。そのため、特許文献２には衝突減衰器（衝突ダンピング部）により、短時間にまとまっていたイオンの時間分布を広げ、飛行時間型質量分析計にイオンを連続的に送り込むことで高効率に測定可能であることが記載されている。しかし特許文献２の技術では、イオンの利用効率を十分に向上させるには至らない。イオントラップから排出された同じ質量対電荷比のイオンの中においても、排出時間が短いイオンと長いイオンが存在するため、イオンの排出時間を適切に制御できない問題がある。排出時間を変化させるためには、ガスの導入流量を変えることや各電極電圧を調整する必要があるが、感度や分解能が低下する問題がある。
【０００９】
さらに衝突減衰器等に用いられる四重極ポール電極の幾何学的な電極形状や組み上げの誤差、四重極への高周波電圧値の理想からの誤差、試料イオン等が四重極電極や端電極に付着すること、等により四重極の中心軸上の直流電位が乱された場合、イオンの排出時間が変化する問題がある。
【００１０】
衝突減衰器において、イオンの排出時間が長いまたは短い場合には、以下の問題点がある。
【００１１】
衝突減衰器にイオンが留まり続けなかなか排出されない、つまりイオンの排出時間または滞在時間が長いことにより、別々の情報を持つ混ざるべきでないイオンが衝突減衰器内で混同してしまうこと、つまりスペクトル情報が重複してしまう問題が生じる。
【００１２】
また衝突減衰器からイオンが直ちに排出される、つまりイオンの排出時間または滞在時間が短いことにより、その後の質量分析部でイオンの利用効率の低下と、ダイナミックレンジの低下という問題が生じる。イオントラップに蓄積されたイオン量は排出時間によらず一定であるので、排出時間が短く短時間にまとまったパルス状にイオンが排出されると、単位時間あたりの排出イオン量は多くなるため、後段の質量分析部の検出器においてイオンをすべて検出できない問題（検出器の飽和）が生じる。例えば、飛行時間型質量分析計において、time-to-digital converter （TDC）を用いている場合には顕著であり、TDCの場合は、MCP等の検出器からの信号を検出し、その信号がある閾値を超えるか越えないかを判定するため、１つのイオンでも同時に複数個のイオンが入射した時でも、出力として1を出す。従って、高濃度試料では、質量スペクトルのイオン強度は飽和し、定量性がなくなる、つまりダイナミックレンジの低下を招く。同様な問題は、analogue-to-digital converter （ADC）においても起こる。
【００１３】
イオンの排出時間を短くする手法が特許文献１に記載されている。前段が四重極フィルターまたはイオンガイドであり、連続的にイオンが入射してくる。排出時間が長いと別々の情報を持つイオンどうしが混ざるため、排出時間を短くすることが課題である。
【００１４】
しかし本開示の課題は、同時に存在する排出時間が短いイオンと長いイオンを制御することである。つまり前段がイオントラップやマトリックス支援レーザー脱離イオン源の場合に特有である、短時間にパルス的に排出されたイオンの排出時間を長くし、検出限界を超えないようにする課題と、衝突減衰器において、排出時間が長く次の測定シーケンスに混ざってしまうイオンの排出時間を短くする課題である。さらに測定条件や環境条件によって変化しうるイオンの排出時間を、短くまたは長く適切に制御することも本開示の課題である。
【００１５】
以上のように、従来技術では衝突減衰器の排出時間を短くまたは長く調整を同時に測定条件にあわせて最適に調整することは困難である。
【００１６】
本開示では、衝突減衰器等の線形多重極電極内における、イオンの排出時間を短くまたは長くすることを同時に調整し、イオンをできるだけ時間的に均等に排出することを特徴とする質量分析計装置と操作方法を開示する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本開示の質量分析装置は、線形多重極電極と、線形多重極電極の中心軸上に沿って電位勾配を形成する手段と、それらのための高周波電圧と直流電源を備え、線形多重極の中心軸上に直流電位を印加し、形成された電位勾配を変化させることで、イオンの排出時間または滞在時間を長くまたは短く制御し、イオンを時間的に均等に排出することを特徴とする。補助電極は多重極の中心軸上に電位勾配を作ることが可能な構成をしており、補助電極に直流電圧を印加し、中心軸上に勾配を持つ直流電位を形成し、その勾配を変化させることでイオンの速度を制御し、イオンの排出時間を制御する。その電位勾配を時間的に変化させることでイオンを時間的に均等に排出させることが特徴である。
【００１８】
次に、衝突減衰器等の多重極電極内とその前段にイオントラップが配置されている構成における、イオン排出時間やイオン量のモニター方法を説明する。まずイオントラップから1回だけ排出されたイオンを衝突減衰器内に導入する。それ以後モニターを終了するまでイオントラップから衝突減衰器にイオンは導入しない。衝突減衰器に1回だけ導入したイオンについて、衝突減衰器から排出されるイオン量を排出時間毎に測定する。この時、排出時間は100usから数ms程度の間隔毎に、イオン量を検出器で測定する。このようにイオンの排出時間が計測されたら、補助電極の電圧を変更し、再び排出時間を計測する。これを繰り返し、最終的に排出時間が前段イオントラップの周期と同程度または少し短くなるところが最適な排出時間であり、かつ検出限界を超えないようにすることが最適な条件となる。
【００１９】
イオンの排出時間をモニターし、排出時間が長い場合は、排出時間を短くするために、多重極の中心軸上に急な下り坂になるような勾配の直流電位を形成し、イオンを衝突減衰器から押し出すように排出する。またイオンの排出時間をモニターし、排出時間が短い場合は、排出時間を長くするために、多重極の中心軸上に緩やかな下り坂になるような勾配の直流電位または、非常に緩やかな上り坂になるような勾配の直流電位を形成して、緩やかにイオンを排出する。この電位勾配をイオンの排出中もリアルタイムに変化させて、制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本開示は、線形多重極において測定条件や環境条件により変化しうるイオンの排出時間または滞在時間を制御することが目的である。イオン排出時間を調整することで、排出時間が長いときに問題となるスペクトル上のイオン情報の混同を避けることができ、排出時間を短い時に問題となる検出限界を超えてイオン損失を避けることができる。本開示ではこれらを同時に回避することが可能となり、常に高効率な測定が可能となる。
【実施例１】
【００２１】
図１は高周波電圧を印加可能な線形四重極電極と、線形四重極電極の間に直流電圧を印加できる補助電極を挿入した構成の衝突減衰器108を用いて、排出時間を制御する質量分析計装置の実施例を説明する図である。なお、ここでは線形四重極を開示しているが、多重極が４本、６本、８本など複数のロッド電極からなり、各ロッド電極に交互に高周波電圧を印加するようにすればよい。
【００２２】
図1では本開示の衝突減衰器108の前段には四重極線形イオントラップ部105を、後段には飛行時間型質量分析部111-113を配置している。なお、ここでは飛行時間型質量分析計を開示しているが、衝突減衰器から排出されたイオンを検出する検出器であればよい。
【００２３】
本実施例の質量分析装置の分析全体の流れを説明する。分析対象の試料は、液体クロマトグラフなどで分離された試料が、イオン源101においてイオン化される。イオン化された試料は、真空装置内部の線形四重極イオンガイド部102〜104を通過して、線形イオントラップ部105に導入される。線形イオントラップ部105にはヘリウムやアルゴンガスなどが導入され、試料イオンはガスとの衝突により冷却され、トラップされる。線形イオントラップ部105ではイオンの蓄積、分離、排出を行う。排出されたイオンはヘリウムやアルゴンガスなどを導入した本発明で開示する衝突減衰器108に入射し軌道収束と連続化され、飛行時間型質量分析部111-113で質量電荷比m/zが計測される。またデータ蓄積・制御部115により、イオンの排出時間をモニターし、その結果に応じて直直流電圧電源116を制御する。
【００２４】
図2は図1の衝突減衰器108の詳細図である。図２上の図は装置の外観図、図２下側はそれぞれの断面の図である。衝突減衰器108は線形四重極電極201〜204、端電極205〜206、線形四重極電極の高周波電圧電源109、線形四重極電極の間に設けられた４つの曲線状の補助電極207、４つの補助電極用の直流電圧電源116、ガス導入口208、を有する。衝突減衰器108はイオンを連続的に排出させるためにヘリウムガス等を意図的に導入しているため、ガス導入口208と端電極205〜206のイオンの出入り口以外は、できるだけ外とは隔離されるような構造になっている。ここでは、４つの補助電極について、１つの直流電圧電源116を用い、同じ電圧を印加している。
【００２５】
衝突減衰器108からのイオン排出時間の制御は、４つの補助電極207とその補助電極用の直流電圧電源116を使用し、補助電極207の直流電圧を変更することで制御する。ここでは、図２の左側から正イオンがイオン軌道を表す矢印209のように入射してくる場合の、正イオンに対しての排出時間制御方法について説明する。負イオンの場合も電圧の正負を逆にすれば同様に制御が可能である。
【００２６】
図２のような曲線形状の補助電極207に直流電圧電源116を用いて電圧を印加すると、衝突減衰器108の線形四重極の中心軸上に電位勾配が形成される。曲線形状の補助電極により、直流電圧電源116に正の電圧を印加すると、中心軸上には図３(A)のような右下がりの傾斜の電位勾配ができ、正イオンは正電圧の電極に押し出されるように、図３の右方向に力を受け、結果として排出時間が短くなる。直流電圧電源116の電圧値を調整することで、電位勾配の傾きを調整できるので、その結果イオンの速度を制御でき、つまり排出時間を制御できる。また直流電圧電源116に負の電圧を印加すると、図３(B)のような右上がりの傾斜の電位勾配ができ、正イオンは負電圧の電極にひきつけられるように、図３の左方向に力を受け、排出時間が長くなる。ただし、右上がりの電位勾配の場合は、勾配の大きさによりイオンがUターンし、図２の左方向へ戻っていってしまう可能性があり、イオンの損失になる。そのため、直流電圧電源116の微調整が必要である。
【００２７】
図４は、補助電極207に印加する直流電圧電源116の電圧の時間シーケンスについて説明する図である。直流電圧電源116の電圧は前段のイオントラップと同期させて電圧制御する。前段のイオントラップのイオン排出のタイミングから、遅延時間を設け、補助電極207に電圧を印加する。この遅延時間は、イオンの損失を防ぐことが目的であり、イオンが入りきったところで電圧を印加するためである。図４では、定常状態として負の電圧を印加しておき、イオントラップ排出のタイミングから遅延時間を設けた後、継続時間1の間だけ直線的に電圧を増加させて印加し、その後に継続時間2 の間だけ正の定電圧を印加する例である。継続時間１と２の合計時間は、前段のイオントラップの周期と同じであり、継続時間１が短ければ、イオンの排出時間を短くする効果がある。最初に負の電圧を印加しておくことにより、イオンを衝突減衰器108から直ちに排出されずに、留めておく効果がある。その後徐々に電圧を大きくすることでイオンが排出されやすくなる。遅延時間は０でもよく、また継続時間１，２のどちらかは０でもよい。図４は、初期電圧値が負電圧で、直線的に正電圧まで印加しているが、周辺の電極のバイアス電圧により変わり、正電圧から正電圧、負電圧から負電圧に変化させる場合もある。これらの操作は正イオンに対しての排出時間制御方法であり、負イオンの場合も電圧の正負を逆にすれば同様に制御が可能である。
【００２８】
図５は従来技術と本開示の効果を示す図である。図５（A）は、衝突減衰器108へ入射するイオンの時間分布を示している。このように、イオントラップから排出されたイオンは、パルス状に非常に短い時間の範囲に分布をしている。このためイオントラップから排出されたイオンを直接検出器で検出すると、検出限界により多くのイオンが検出できない問題が起こる。図５（B）は、従来技術である特許文献２の衝突減衰器（衝突ダンピング部）から出射するイオンの時間分布を示している。この衝突減衰器（衝突ダンピング部）により、イオンは時間的にすこし広がった分布をする。しかし、検出限界を超えて検出できないイオンが存在し、またイオントラップの周期よりも排出時間の長いイオンが存在するために次に排出されるイオンと混ざってしまう問題がある。図５（C）は、本開示の衝突減衰器108から出射するイオンの時間分布を示している。本開示の衝突減衰器108によりイオンの排出時間を制御することで、検出限界を超えず、また次に排出されるイオンと混ざらないように調整可能になる。
【００２９】
本開示はイオンの排出時間を制御するため、図５のようなイオン量と排出時間を計測する必要がある。その計測結果を補助電極207の直流電圧電源116へフィードバック制御させて、排出時間を最適化する。イオン量と排出時間の計測は衝突減衰器108後のMCP等の検出器113〜114で行い、イオントラップ部105から1回だけイオンを排出し、衝突減衰器108に入射させる。排出時間計測中はイオントラップ部105からイオンを排出しないようにする。計測は100us-10ms程度の時間毎にイオン量と排出時間を測定し、パソコンなどのデータ蓄積・制御部115にデータとして蓄積する。その計測結果をもとに、直流電圧電源116の電圧を変更する。イオンの排出時間の最適条件は、図５(C）のようにイオントラップの周期と同程度にイオン時間分布を広げ、次に排出されるイオンに混ざらないこと、かつ検出限界を超えないことである。計測や電圧制御はパソコン等を用いることで、排出時間の自動計測、電圧の自動最適化を行うことも可能である。
【００３０】
図６は、補助電極207に印加する直流電圧電源116の電圧の時間シーケンスについて、別の例を説明する図である。図5(A）は定常状態として負の電圧を印加しておき、イオンの排出のタイミングから遅延時間を設けた後、曲線的に継続時間1の間電圧を印加し、その後に正の定電圧を継続時間2 の間印加する例である。図６(B）は定常状態として負の電圧を印加しておき、イオンの排出のタイミングから遅延時間を設けた後、直線的に継続時間1の間電圧を印加し、その後、曲線的に継続時間2の間電圧を印加し、最後に正の定電圧を継続時間3 の間印加する例である。これらの遅延時間は０でもよく、また継続時間のどちらかは０でもよい。図６は、初期電圧値が負電圧で、直線的に正電圧まで印加しているが、周辺の電極のバイアス電圧により変わり、正電圧から正電圧、負電圧から負電圧に変化させる場合もある。曲線的に変化させることで、まとめてイオンが排出されるのを防ぎ、徐々にイオンを排出する効果があり、より図５(C）のように排出させることが可能である。
【００３１】
図７は、補助電極207に印加する直流電圧電源116と端電極206の電圧の時間シーケンスについての例を説明する図である。図７(A）は図４と同様の直流電圧電源116の電圧の時間シーケンスであり、図７(B）は端電極206の電圧シーケンス図である。端電極206を制御する目的は、衝突減衰器108からのイオンの排出を防ぐことが目的である。図７(B）のように端電極206には、イオントラップの排出のタイミングから、継続時間1の間だけ正の電圧を印加し、イオンが端電極206の周辺で跳ね返って排出されにくい電圧にすることで、最初にまとめて排出されるのを防ぐことができる。その後、継続時間2の間、徐々に電圧を下げて行くことで、イオンを少しずつ排出していき、イオンを時間的に分散させることで効率よく測定することが可能となる。これらの遅延時間は０でもよく、また継続時間のどちらかは０でもよい。
【００３２】
図８は、補助電極702の形状を図２とは逆にした、別の形態の衝突減衰器701の詳細図である。効果は図2の例と同じである。本例では、正イオンに対しては、直流電圧電源116によって補助電極702に負電圧を印加すると、イオンの排出時間が短くなり、正電圧を印加することで、イオンの排出時間が長くなる。そのため最初は正電圧を印加し、徐々に負電圧を印加するような、図3、図5、図6とは正負逆になるような電圧を印加する。また、時間的に電圧を変化させなくても、常時同一な正の電圧を印加して、排出時間を適切にすることも可能である。
【００３３】
図１、図２、図８の実施例はガス導入口208からガスを意図的に導入している衝突減衰器108の例であるが、ガスを導入しなくても良く、また端電極205〜206はなくてもよい。ガス導入の目的は、残留ガスによりイオンを冷却させることである。そのため、ガスを意図的に導入しなくてもイオンを冷却が起きる場合、すなわち真空度が悪く残留ガスが十分にある場合には、ガス導入の必要ない。またこの残留ガス量の調整は、真空ポンプや端電極205〜206の穴径により調整することも可能である。またガスは複数の混合気体であっても冷却効果を果たすため、混合気体でも可能である。すなわち線形多重極電極201〜204と補助電極207があれば排出時間の制御は実施できる。補助電極207も線形四重極電極において、4つある必要はなく、1枚以上あれば良い。線形多重極においても同様に、多重極電極の間にすべて補助電極を挿入する必要はなく、１枚以上あればよい。また図２では１つの直流電圧電源116を用いて、４つの補助電極に同一の電圧を印加しているが、４つそれぞれ独立の電源にし、電圧は同一でなくても良い。また衝突減衰器108の前段は四重極イオントラップであるが、多重極のイオントラップでも良く、またマトリックス支援レーザー脱離イオン源などのイオンを短期間にパルス的に排出する手段でもよい。また衝突減衰器108の後段は、飛行時間型質量分析計の例であるが、フーリエ変換型でもイオントラップ型でも四重極型でも質量分析する検出部であれば良い。
【実施例２】
【００３４】
図９は別の形態の衝突減衰器901の詳細図である。図９上側の図は装置の外観図、図９下側は断面図である。本実施例の衝突減衰器901の補助電極902は２つの部品からなる。１つは電場を印加する機能を果たす金属の導体からなる金属電極903、もう１つは抵抗または電気的に抵抗のような役割を果たす電気導電性の低い抵抗部品904である。金属電極903は四重極の中心軸上に直流電位勾配を形成するための電極である。導電性の低い抵抗部品904は補助電極902の両端に電位差をつけるためものであり、抵抗や少し導電性のあるゴム、絶縁体に金属メッキしたもの等を用いる。これら２つの部品を交互に接続し、補助電極902が構成される。補助電極902は、直流電圧電源905〜906を用い、直流電圧電源905と直流電圧電源906に電圧差をつけることで、線形四重極の中心軸上に電位勾配を形成する。例えば、右下がりの電位勾配をつけ、イオンの排出時間を短くしたい場合は、直流電圧電源905の電圧を直流電圧電源906の電圧よりも大きくすれば良い。その他の構成は図2と同じであり、また同じ効果が得られる。
【００３５】
図１０は、図９に示した直流電圧電源905〜906の電圧シーケンスの例を示す。図１０(A）(B）は図４と同形状の電圧シーケンスである。図１０(A）に対し、図１０(B）の方が、継続時間2の電圧値が小さいことが特徴であり、この直流電圧電源905と906の電位差により、右下がりの電位勾配をつけ、イオンの排出時間を短くする。また逆にイオンの排出時間を遅くする場合は、逆に図１０(B）の電圧値を高くすれば良い。金属電極903と抵抗部品904についてそれぞれ同じ物を交互に接続すれば、中心軸上には直線的な電位勾配が形成される。また抵抗部品904の抵抗を徐々に大きくしていくまたは、金属電極903を徐々に太くしていくことで、曲線的な電位勾配の形成が可能となり、イオンの排出時間の細かい制御が可能となる。
【００３６】
図１０（C）（D）は、また別の電圧シーケンスの例である。図１０（D）のようにイオントラップ排出のタイミングから正の電圧を印加し、直流電圧電源905より直流電圧電源906の電圧を高くしておくことで、衝突減衰器901からイオンが直ちに排出されるのを防ぎ、留めておく効果がある。これは図７で説明した、端電極206を用いる方法と同じ手法である。
【００３７】
図９に示す直流電圧電源905〜906は図3の電圧シーケンスの形状と同様であるが、図5のように曲線形状のシーケンスで印加しても良い。また図１０（A）(B)はさらに端電極206のシーケンスと組み合わせることで、図７と同様の制御が可能となる。図１０の例においても、遅延時間は０でもよく、また継続時間のどちらかは０でもよい。また初期電圧値が負電圧を印加しているが、周辺の電極のバイアス電圧により、正電圧でもよい。
その他、イオンの排出時間の計測方法、補助電極へ電圧フィードバックの方法、質量分析装置の例については実施例１と同様である。
【実施例３】
【００３８】
図１１は別の形態の衝突減衰器1101の詳細図である。図１１上側の図は装置の外観図、図１１下側はそれぞれ断面図である。本実施例の衝突減衰器1101の構成は、補助電極1102以外は、図４と同じである。補助電極1102は導体と絶縁体の中間にあたる抵抗体や誘導体のような電気性質をもち、導体にくらべ電気伝導性の低い物質からなる電極である。この補助電極1102を用いて両端の電位が数mV〜数Vにすることが目的であり、これにより実施例１，２と同じ効果が得られる。また絶縁体に抵抗体をメッキした、または導体を薄くメッキした電極でも同じ効果が期待できる。直流電圧電源905〜906の電圧シーケンスは、実施例2に記載した図１０と同様である。
【００３９】
その他、イオンの排出時間の計測方法、補助電極へ電圧フィードバックの方法、質量分析装置の例については実施例１と同様である。
【実施例４】
【００４０】
図12は別の形態の衝突減衰器1201の詳細図である。図12上側の図は装置の外観図、図12下側は電圧印加の詳細図である。本例は四重極電極が複数連なる例である。尚、ここでは６つを例として挙げている。6組の四重極電極1202には高周波電圧以外に、直流電圧電源905〜906からの電圧を抵抗1203により図12下側図のように分割した直流電圧を印加する。その結果、線形四重極の中心軸上に階段状の傾斜のある直流電位が形成される。直流電圧電源905〜906による電圧印加は、抵抗分割ではなく６つの異なる電源を用いて、独立に制御しても良い。直流電圧電源905〜906の電圧シーケンスは、実施例2に記載した図１０と同様である。この構成では、抵抗1203を変えることにより、電位勾配を自由に調整が可能である。
その他、イオンの排出時間の計測方法、補助電極へ電圧フィードバックの方法、質量分析装置の例については実施例１と同様である。
【実施例５】
【００４１】
図1３別の形態の衝突減衰器1301の詳細図である。図1３の図は装置の外観図、図1３下側は電圧印加の詳細図である。本例は四重極を金属のような導体ではなく、電気伝導性の低い物質からなる、前記実施例4と同様な導体と絶縁体の中間にあたる抵抗体のような電気性質をもつ電極である。これにより両端の電位差が数mV〜数Vにすることが目的である。そのため、電気伝導性の低い四重極電極1302〜1305の右端と左端には、直流電圧電源905〜906によって異なる電圧を印加可能となる。その結果、線形四重極の中心軸上に傾斜のある直流電位が形成される。直流電圧電源905〜906の電圧シーケンスは、実施例2に記載した図１０と同様である。この場合、高周波電圧による電場はできるだけ均一にするために、複数箇所に高周波電圧を印加させることが望ましい。
【００４２】
その他、イオンの排出時間の計測方法、補助電極へ電圧フィードバックの方法、質量分析装置の例については実施例１と同様である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】高周波電圧を印加可能な線形四重極と、線形四重極電極の間に直流電圧を印加できる補助電極を挿入した構成の衝突減衰器を用いて、排出時間を制御する質量分析装置の実施例を説明する図。
【図２】衝突減衰器の詳細図。
【図３】衝突減衰器中心軸上の電位勾配の図。
【図４】補助電極に印加する直流電圧電源の電圧の時間シーケンス図。
【図５】従来技術と本発明の効果を示す図。
【図６】補助電極に印加する電流電圧電源の電圧時間シーケンス図。
【図７】補助電極に印加する直流電圧電源と端電極の電圧の時間シーケンス図。
【図８】衝突減衰器の詳細図。
【図９】衝突減衰器の詳細図。
【図１０】直流電圧電源の電圧シーケンス。
【図１１】衝突減衰器の詳細図。
【図１２】衝突減衰器の詳細図。
【図１３】衝突減衰器の詳細図。
【符号の説明】
【００４４】
１０１…イオン源、１０２…端電極、１０３…線形四重極電極、１０４…端電極、１０５…線形四重極イオントラップ部、１０６…線形四重極電極、１０７…端電極、１０８…衝突減衰器、１０９…高周波電圧電源、１１０…レンズ電極、１１１…加速部、１１２…リフレクタ電極、１１３〜１１４…検出器、１１５…データ蓄積・制御部、１１６…直流電圧電源、
２０１〜２０４…四重極電極、２０５〜２０６…端電極、２０７…補助電極、２０８…ガス導入口、２０９…イオン軌道を表す矢印、
８０１…衝突減衰器、８０２…補助電極、
９０１…衝突減衰器、９０２…補助電極、９０３…金属電極、９０４…電気導電性の低い抵抗部品、９０５〜９０６…直流電圧電源
１１０１…衝突減衰器、１１０２…電気導電性の低い補助電極、
１２０１…衝突減衰器、１２０２…複数の四重極電極、１２０３…抵抗
１３０１…衝突減衰器、１３０２〜１３０５…電気導電性の低い四重極電極。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、質量分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
質量分析法では、試料分子をイオン化して真空中に導入し、または真空中でイオン化した後、電磁場中におけるそのイオンの運動を測定することにより、対象とする分子イオンの質量電荷比m/z(m：質量、z：荷電数)が測定される。得られる情報が質量電荷比m/zであるため、内部構造情報まで得ることが難しく、そのためタンデム質量分析法と呼ばれる方法が用いられる。タンデム質量分析法は、１回目の質量分析操作で試料分子イオンを特定する、もしくは、選択する。このイオンをプリカーサーイオンと呼ぶ。続いて、２回目の質量分析操作でこのプリカーサーイオンを何らかの手法で解離する。解離したイオンをフラグメントイオンと呼ぶ。そのフラグメントイオンをさらに質量分析することにより、フラグメントイオンの生成パターンの情報を得る。解離パターンにより、プリカーサーイオンの配列構造を推察することが可能となる。タンデム質量分析法はイオントラップ型、イオントラップ飛行時間型、トリプル四重極型、四重極飛行時間型等の質量分析計に広く用いられている。特にイオントラップ型、イオントラップ飛行時間型は複数回のタンデム質量分析が可能な質量分析法であり、効率的な構造解析が可能である。
【０００３】
タンデム質量分析が可能な質量分析法として、四重極イオントラップ質量分析計がある。四重極イオントラップは、リング電極および1対のエンドキャップ電極からなるポールトラップや、4本の円柱電極からなる四重極リニアイオントラップがある。リング電極または円柱電極に周波数１ＭＨz程度の高周波電圧を印加することで、四重極イオントラップ内において、ある質量以上のイオンが安定条件となり、イオンの蓄積が可能となる。
【０００４】
トリプル四重極型、四重極飛行時間型質量分析計は、共にイオン解離部の前段に四重極質量フィルターを備えている。四重極質量フィルターは特定の質量対電荷比のイオンのみを通過させ、それ以外のイオンを排除する役割を果たしている。また通過させる質量対電荷比を走査することで、イオンを特定したり選択することが可能となる。
【０００５】
特許文献１にはトリプル四重極型および四重極飛行時間型において、イオンの排出時間を短くする方式に関する記載がある。イオン解離部などに設置された多重極ロッド電極を傾ける、または多重極ロッド電極の間に傾斜電極を挿入する構成で、多重極の中心軸上に出口方向への直流電界を生成することで、イオンの排出時間を短くしている。
【０００６】
特許文献２にはイオントラップと飛行時間型質量分析計を接続するために、四重極にHeなどのガス導入した構成の衝突ダンピング部（以下、衝突減衰器）についての記載がある。これにより広い質量数範囲を測定でき高感度かつ高質量精度かつタンデム質量分析可能な質量分析計となる。
【０００７】
【特許文献１】米国特許US5847386
【特許文献２】特開2005-44594
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
イオントラップから排出されたイオンは、時間的に非常に短時間にまとまったパルス状に排出されるため、飛行時間型等の質量分析計で計測する際にイオンの利用効率が悪い。そのため、特許文献２には衝突減衰器（衝突ダンピング部）により、短時間にまとまっていたイオンの時間分布を広げ、飛行時間型質量分析計にイオンを連続的に送り込むことで高効率に測定可能であることが記載されている。しかし特許文献２の技術では、イオンの利用効率を十分に向上させるには至らない。イオントラップから排出された同じ質量対電荷比のイオンの中においても、排出時間が短いイオンと長いイオンが存在するため、イオンの排出時間を適切に制御できない問題がある。排出時間を変化させるためには、ガスの導入流量を変えることや各電極電圧を調整する必要があるが、感度や分解能が低下する問題がある。
【０００９】
さらに衝突減衰器等に用いられる四重極ポール電極の幾何学的な電極形状や組み上げの誤差、四重極への高周波電圧値の理想からの誤差、試料イオン等が四重極電極や端電極に付着すること、等により四重極の中心軸上の直流電位が乱された場合、イオンの排出時間が変化する問題がある。
【００１０】
衝突減衰器において、イオンの排出時間が長いまたは短い場合には、以下の問題点がある。
【００１１】
衝突減衰器にイオンが留まり続けなかなか排出されない、つまりイオンの排出時間または滞在時間が長いことにより、別々の情報を持つ混ざるべきでないイオンが衝突減衰器内で混同してしまうこと、つまりスペクトル情報が重複してしまう問題が生じる。
【００１２】
また衝突減衰器からイオンが直ちに排出される、つまりイオンの排出時間または滞在時間が短いことにより、その後の質量分析部でイオンの利用効率の低下と、ダイナミックレンジの低下という問題が生じる。イオントラップに蓄積されたイオン量は排出時間によらず一定であるので、排出時間が短く短時間にまとまったパルス状にイオンが排出されると、単位時間あたりの排出イオン量は多くなるため、後段の質量分析部の検出器においてイオンをすべて検出できない問題（検出器の飽和）が生じる。例えば、飛行時間型質量分析計において、time-to-digital converter （TDC）を用いている場合には顕著であり、TDCの場合は、MCP等の検出器からの信号を検出し、その信号がある閾値を超えるか越えないかを判定するため、１つのイオンでも同時に複数個のイオンが入射した時でも、出力として1を出す。従って、高濃度試料では、質量スペクトルのイオン強度は飽和し、定量性がなくなる、つまりダイナミックレンジの低下を招く。同様な問題は、analogue-to-digital converter （ADC）においても起こる。
【００１３】
イオンの排出時間を短くする手法が特許文献１に記載されている。前段が四重極フィルターまたはイオンガイドであり、連続的にイオンが入射してくる。排出時間が長いと別々の情報を持つイオンどうしが混ざるため、排出時間を短くすることが課題である。
【００１４】
しかし本開示の課題は、同時に存在する排出時間が短いイオンと長いイオンを制御することである。つまり前段がイオントラップやマトリックス支援レーザー脱離イオン源の場合に特有である、短時間にパルス的に排出されたイオンの排出時間を長くし、検出限界を超えないようにする課題と、衝突減衰器において、排出時間が長く次の測定シーケンスに混ざってしまうイオンの排出時間を短くする課題である。さらに測定条件や環境条件によって変化しうるイオンの排出時間を、短くまたは長く適切に制御することも本開示の課題である。
【００１５】
以上のように、従来技術では衝突減衰器の排出時間を短くまたは長く調整を同時に測定条件にあわせて最適に調整することは困難である。
【００１６】
本開示では、衝突減衰器等の線形多重極電極内における、イオンの排出時間を短くまたは長くすることを同時に調整し、イオンをできるだけ時間的に均等に排出することを特徴とする質量分析計装置と操作方法を開示する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本開示の質量分析装置は、線形多重極電極と、線形多重極電極の中心軸上に沿って電位勾配を形成する手段と、それらのための高周波電圧と直流電源を備え、線形多重極の中心軸上に直流電位を印加し、形成された電位勾配を変化させることで、イオンの排出時間または滞在時間を長くまたは短く制御し、イオンを時間的に均等に排出することを特徴とする。補助電極は多重極の中心軸上に電位勾配を作ることが可能な構成をしており、補助電極に直流電圧を印加し、中心軸上に勾配を持つ直流電位を形成し、その勾配を変化させることでイオンの速度を制御し、イオンの排出時間を制御する。その電位勾配を時間的に変化させることでイオンを時間的に均等に排出させることが特徴である。
【００１８】
次に、衝突減衰器等の多重極電極内とその前段にイオントラップが配置されている構成における、イオン排出時間やイオン量のモニター方法を説明する。まずイオントラップから1回だけ排出されたイオンを衝突減衰器内に導入する。それ以後モニターを終了するまでイオントラップから衝突減衰器にイオンは導入しない。衝突減衰器に1回だけ導入したイオンについて、衝突減衰器から排出されるイオン量を排出時間毎に測定する。この時、排出時間は100usから数ms程度の間隔毎に、イオン量を検出器で測定する。このようにイオンの排出時間が計測されたら、補助電極の電圧を変更し、再び排出時間を計測する。これを繰り返し、最終的に排出時間が前段イオントラップの周期と同程度または少し短くなるところが最適な排出時間であり、かつ検出限界を超えないようにすることが最適な条件となる。
【００１９】
イオンの排出時間をモニターし、排出時間が長い場合は、排出時間を短くするために、多重極の中心軸上に急な下り坂になるような勾配の直流電位を形成し、イオンを衝突減衰器から押し出すように排出する。またイオンの排出時間をモニターし、排出時間が短い場合は、排出時間を長くするために、多重極の中心軸上に緩やかな下り坂になるような勾配の直流電位または、非常に緩やかな上り坂になるような勾配の直流電位を形成して、緩やかにイオンを排出する。この電位勾配をイオンの排出中もリアルタイムに変化させて、制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本開示は、線形多重極において測定条件や環境条件により変化しうるイオンの排出時間または滞在時間を制御することが目的である。イオン排出時間を調整することで、排出時間が長いときに問題となるスペクトル上のイオン情報の混同を避けることができ、排出時間を短い時に問題となる検出限界を超えてイオン損失を避けることができる。本開示ではこれらを同時に回避することが可能となり、常に高効率な測定が可能となる。
【実施例１】
【００２１】
図１は高周波電圧を印加可能な線形四重極電極と、線形四重極電極の間に直流電圧を印加できる補助電極を挿入した構成の衝突減衰器108を用いて、排出時間を制御する質量分析計装置の実施例を説明する図である。なお、ここでは線形四重極を開示しているが、多重極が４本、６本、８本など複数のロッド電極からなり、各ロッド電極に交互に高周波電圧を印加するようにすればよい。
【００２２】
図1では本開示の衝突減衰器108の前段には四重極線形イオントラップ部105を、後段には飛行時間型質量分析部111-113を配置している。なお、ここでは飛行時間型質量分析計を開示しているが、衝突減衰器から排出されたイオンを検出する検出器であればよい。
【００２３】
本実施例の質量分析装置の分析全体の流れを説明する。分析対象の試料は、液体クロマトグラフなどで分離された試料が、イオン源101においてイオン化される。イオン化された試料は、真空装置内部の線形四重極イオンガイド部102〜104を通過して、線形イオントラップ部105に導入される。線形イオントラップ部105にはヘリウムやアルゴンガスなどが導入され、試料イオンはガスとの衝突により冷却され、トラップされる。線形イオントラップ部105ではイオンの蓄積、分離、排出を行う。排出されたイオンはヘリウムやアルゴンガスなどを導入した本発明で開示する衝突減衰器108に入射し軌道収束と連続化され、飛行時間型質量分析部111-113で質量電荷比m/zが計測される。またデータ蓄積・制御部115により、イオンの排出時間をモニターし、その結果に応じて直直流電圧電源116を制御する。
【００２４】
図2は図1の衝突減衰器108の詳細図である。図２上の図は装置の外観図、図２下側はそれぞれの断面の図である。衝突減衰器108は線形四重極電極201〜204、端電極205〜206、線形四重極電極の高周波電圧電源109、線形四重極電極の間に設けられた４つの曲線状の補助電極207、４つの補助電極用の直流電圧電源116、ガス導入口208、を有する。衝突減衰器108はイオンを連続的に排出させるためにヘリウムガス等を意図的に導入しているため、ガス導入口208と端電極205〜206のイオンの出入り口以外は、できるだけ外とは隔離されるような構造になっている。ここでは、４つの補助電極について、１つの直流電圧電源116を用い、同じ電圧を印加している。
【００２５】
衝突減衰器108からのイオン排出時間の制御は、４つの補助電極207とその補助電極用の直流電圧電源116を使用し、補助電極207の直流電圧を変更することで制御する。ここでは、図２の左側から正イオンがイオン軌道を表す矢印209のように入射してくる場合の、正イオンに対しての排出時間制御方法について説明する。負イオンの場合も電圧の正負を逆にすれば同様に制御が可能である。
【００２６】
図２のような曲線形状の補助電極207に直流電圧電源116を用いて電圧を印加すると、衝突減衰器108の線形四重極の中心軸上に電位勾配が形成される。曲線形状の補助電極により、直流電圧電源116に正の電圧を印加すると、中心軸上には図３(A)のような右下がりの傾斜の電位勾配ができ、正イオンは正電圧の電極に押し出されるように、図３の右方向に力を受け、結果として排出時間が短くなる。直流電圧電源116の電圧値を調整することで、電位勾配の傾きを調整できるので、その結果イオンの速度を制御でき、つまり排出時間を制御できる。また直流電圧電源116に負の電圧を印加すると、図３(B)のような右上がりの傾斜の電位勾配ができ、正イオンは負電圧の電極にひきつけられるように、図３の左方向に力を受け、排出時間が長くなる。ただし、右上がりの電位勾配の場合は、勾配の大きさによりイオンがUターンし、図２の左方向へ戻っていってしまう可能性があり、イオンの損失になる。そのため、直流電圧電源116の微調整が必要である。
【００２７】
図４は、補助電極207に印加する直流電圧電源116の電圧の時間シーケンスについて説明する図である。直流電圧電源116の電圧は前段のイオントラップと同期させて電圧制御する。前段のイオントラップのイオン排出のタイミングから、遅延時間を設け、補助電極207に電圧を印加する。この遅延時間は、イオンの損失を防ぐことが目的であり、イオンが入りきったところで電圧を印加するためである。図４では、定常状態として負の電圧を印加しておき、イオントラップ排出のタイミングから遅延時間を設けた後、継続時間1の間だけ直線的に電圧を増加させて印加し、その後に継続時間2 の間だけ正の定電圧を印加する例である。継続時間１と２の合計時間は、前段のイオントラップの周期と同じであり、継続時間１が短ければ、イオンの排出時間を短くする効果がある。最初に負の電圧を印加しておくことにより、イオンを衝突減衰器108から直ちに排出されずに、留めておく効果がある。その後徐々に電圧を大きくすることでイオンが排出されやすくなる。遅延時間は０でもよく、また継続時間１，２のどちらかは０でもよい。図４は、初期電圧値が負電圧で、直線的に正電圧まで印加しているが、周辺の電極のバイアス電圧により変わり、正電圧から正電圧、負電圧から負電圧に変化させる場合もある。これらの操作は正イオンに対しての排出時間制御方法であり、負イオンの場合も電圧の正負を逆にすれば同様に制御が可能である。
【００２８】
図５は従来技術と本開示の効果を示す図である。図５（A）は、衝突減衰器108へ入射するイオンの時間分布を示している。このように、イオントラップから排出されたイオンは、パルス状に非常に短い時間の範囲に分布をしている。このためイオントラップから排出されたイオンを直接検出器で検出すると、検出限界により多くのイオンが検出できない問題が起こる。図５（B）は、従来技術である特許文献２の衝突減衰器（衝突ダンピング部）から出射するイオンの時間分布を示している。この衝突減衰器（衝突ダンピング部）により、イオンは時間的にすこし広がった分布をする。しかし、検出限界を超えて検出できないイオンが存在し、またイオントラップの周期よりも排出時間の長いイオンが存在するために次に排出されるイオンと混ざってしまう問題がある。図５（C）は、本開示の衝突減衰器108から出射するイオンの時間分布を示している。本開示の衝突減衰器108によりイオンの排出時間を制御することで、検出限界を超えず、また次に排出されるイオンと混ざらないように調整可能になる。
【００２９】
本開示はイオンの排出時間を制御するため、図５のようなイオン量と排出時間を計測する必要がある。その計測結果を補助電極207の直流電圧電源116へフィードバック制御させて、排出時間を最適化する。イオン量と排出時間の計測は衝突減衰器108後のMCP等の検出器113〜114で行い、イオントラップ部105から1回だけイオンを排出し、衝突減衰器108に入射させる。排出時間計測中はイオントラップ部105からイオンを排出しないようにする。計測は100us-10ms程度の時間毎にイオン量と排出時間を測定し、パソコンなどのデータ蓄積・制御部115にデータとして蓄積する。その計測結果をもとに、直流電圧電源116の電圧を変更する。イオンの排出時間の最適条件は、図５(C）のようにイオントラップの周期と同程度にイオン時間分布を広げ、次に排出されるイオンに混ざらないこと、かつ検出限界を超えないことである。計測や電圧制御はパソコン等を用いることで、排出時間の自動計測、電圧の自動最適化を行うことも可能である。
【００３０】
図６は、補助電極207に印加する直流電圧電源116の電圧の時間シーケンスについて、別の例を説明する図である。図5(A）は定常状態として負の電圧を印加しておき、イオンの排出のタイミングから遅延時間を設けた後、曲線的に継続時間1の間電圧を印加し、その後に正の定電圧を継続時間2 の間印加する例である。図６(B）は定常状態として負の電圧を印加しておき、イオンの排出のタイミングから遅延時間を設けた後、直線的に継続時間1の間電圧を印加し、その後、曲線的に継続時間2の間電圧を印加し、最後に正の定電圧を継続時間3 の間印加する例である。これらの遅延時間は０でもよく、また継続時間のどちらかは０でもよい。図６は、初期電圧値が負電圧で、直線的に正電圧まで印加しているが、周辺の電極のバイアス電圧により変わり、正電圧から正電圧、負電圧から負電圧に変化させる場合もある。曲線的に変化させることで、まとめてイオンが排出されるのを防ぎ、徐々にイオンを排出する効果があり、より図５(C）のように排出させることが可能である。
【００３１】
図７は、補助電極207に印加する直流電圧電源116と端電極206の電圧の時間シーケンスについての例を説明する図である。図７(A）は図４と同様の直流電圧電源116の電圧の時間シーケンスであり、図７(B）は端電極206の電圧シーケンス図である。端電極206を制御する目的は、衝突減衰器108からのイオンの排出を防ぐことが目的である。図７(B）のように端電極206には、イオントラップの排出のタイミングから、継続時間1の間だけ正の電圧を印加し、イオンが端電極206の周辺で跳ね返って排出されにくい電圧にすることで、最初にまとめて排出されるのを防ぐことができる。その後、継続時間2の間、徐々に電圧を下げて行くことで、イオンを少しずつ排出していき、イオンを時間的に分散させることで効率よく測定することが可能となる。これらの遅延時間は０でもよく、また継続時間のどちらかは０でもよい。
【００３２】
図８は、補助電極702の形状を図２とは逆にした、別の形態の衝突減衰器701の詳細図である。効果は図2の例と同じである。本例では、正イオンに対しては、直流電圧電源116によって補助電極702に負電圧を印加すると、イオンの排出時間が短くなり、正電圧を印加することで、イオンの排出時間が長くなる。そのため最初は正電圧を印加し、徐々に負電圧を印加するような、図3、図5、図6とは正負逆になるような電圧を印加する。また、時間的に電圧を変化させなくても、常時同一な正の電圧を印加して、排出時間を適切にすることも可能である。
【００３３】
図１、図２、図８の実施例はガス導入口208からガスを意図的に導入している衝突減衰器108の例であるが、ガスを導入しなくても良く、また端電極205〜206はなくてもよい。ガス導入の目的は、残留ガスによりイオンを冷却させることである。そのため、ガスを意図的に導入しなくてもイオンを冷却が起きる場合、すなわち真空度が悪く残留ガスが十分にある場合には、ガス導入の必要ない。またこの残留ガス量の調整は、真空ポンプや端電極205〜206の穴径により調整することも可能である。またガスは複数の混合気体であっても冷却効果を果たすため、混合気体でも可能である。すなわち線形多重極電極201〜204と補助電極207があれば排出時間の制御は実施できる。補助電極207も線形四重極電極において、4つある必要はなく、1枚以上あれば良い。線形多重極においても同様に、多重極電極の間にすべて補助電極を挿入する必要はなく、１枚以上あればよい。また図２では１つの直流電圧電源116を用いて、４つの補助電極に同一の電圧を印加しているが、４つそれぞれ独立の電源にし、電圧は同一でなくても良い。また衝突減衰器108の前段は四重極イオントラップであるが、多重極のイオントラップでも良く、またマトリックス支援レーザー脱離イオン源などのイオンを短期間にパルス的に排出する手段でもよい。また衝突減衰器108の後段は、飛行時間型質量分析計の例であるが、フーリエ変換型でもイオントラップ型でも四重極型でも質量分析する検出部であれば良い。
【実施例２】
【００３４】
図９は別の形態の衝突減衰器901の詳細図である。図９上側の図は装置の外観図、図９下側は断面図である。本実施例の衝突減衰器901の補助電極902は２つの部品からなる。１つは電場を印加する機能を果たす金属の導体からなる金属電極903、もう１つは抵抗または電気的に抵抗のような役割を果たす電気導電性の低い抵抗部品904である。金属電極903は四重極の中心軸上に直流電位勾配を形成するための電極である。導電性の低い抵抗部品904は補助電極902の両端に電位差をつけるためものであり、抵抗や少し導電性のあるゴム、絶縁体に金属メッキしたもの等を用いる。これら２つの部品を交互に接続し、補助電極902が構成される。補助電極902は、直流電圧電源905〜906を用い、直流電圧電源905と直流電圧電源906に電圧差をつけることで、線形四重極の中心軸上に電位勾配を形成する。例えば、右下がりの電位勾配をつけ、イオンの排出時間を短くしたい場合は、直流電圧電源905の電圧を直流電圧電源906の電圧よりも大きくすれば良い。その他の構成は図2と同じであり、また同じ効果が得られる。
【００３５】
図１０は、図９に示した直流電圧電源905〜906の電圧シーケンスの例を示す。図１０(A）(B）は図４と同形状の電圧シーケンスである。図１０(A）に対し、図１０(B）の方が、継続時間2の電圧値が小さいことが特徴であり、この直流電圧電源905と906の電位差により、右下がりの電位勾配をつけ、イオンの排出時間を短くする。また逆にイオンの排出時間を遅くする場合は、逆に図１０(B）の電圧値を高くすれば良い。金属電極903と抵抗部品904についてそれぞれ同じ物を交互に接続すれば、中心軸上には直線的な電位勾配が形成される。また抵抗部品904の抵抗を徐々に大きくしていくまたは、金属電極903を徐々に太くしていくことで、曲線的な電位勾配の形成が可能となり、イオンの排出時間の細かい制御が可能となる。
【００３６】
図１０（C）（D）は、また別の電圧シーケンスの例である。図１０（D）のようにイオントラップ排出のタイミングから正の電圧を印加し、直流電圧電源905より直流電圧電源906の電圧を高くしておくことで、衝突減衰器901からイオンが直ちに排出されるのを防ぎ、留めておく効果がある。これは図７で説明した、端電極206を用いる方法と同じ手法である。
【００３７】
図９に示す直流電圧電源905〜906は図3の電圧シーケンスの形状と同様であるが、図5のように曲線形状のシーケンスで印加しても良い。また図１０（A）(B)はさらに端電極206のシーケンスと組み合わせることで、図７と同様の制御が可能となる。図１０の例においても、遅延時間は０でもよく、また継続時間のどちらかは０でもよい。また初期電圧値が負電圧を印加しているが、周辺の電極のバイアス電圧により、正電圧でもよい。
その他、イオンの排出時間の計測方法、補助電極へ電圧フィードバックの方法、質量分析装置の例については実施例１と同様である。
【実施例３】
【００３８】
図１１は別の形態の衝突減衰器1101の詳細図である。図１１上側の図は装置の外観図、図１１下側はそれぞれ断面図である。本実施例の衝突減衰器1101の構成は、補助電極1102以外は、図４と同じである。補助電極1102は導体と絶縁体の中間にあたる抵抗体や誘導体のような電気性質をもち、導体にくらべ電気伝導性の低い物質からなる電極である。この補助電極1102を用いて両端の電位が数mV〜数Vにすることが目的であり、これにより実施例１，２と同じ効果が得られる。また絶縁体に抵抗体をメッキした、または導体を薄くメッキした電極でも同じ効果が期待できる。直流電圧電源905〜906の電圧シーケンスは、実施例2に記載した図１０と同様である。
【００３９】
その他、イオンの排出時間の計測方法、補助電極へ電圧フィードバックの方法、質量分析装置の例については実施例１と同様である。
【実施例４】
【００４０】
図12は別の形態の衝突減衰器1201の詳細図である。図12上側の図は装置の外観図、図12下側は電圧印加の詳細図である。本例は四重極電極が複数連なる例である。尚、ここでは６つを例として挙げている。6組の四重極電極1202には高周波電圧以外に、直流電圧電源905〜906からの電圧を抵抗1203により図12下側図のように分割した直流電圧を印加する。その結果、線形四重極の中心軸上に階段状の傾斜のある直流電位が形成される。直流電圧電源905〜906による電圧印加は、抵抗分割ではなく６つの異なる電源を用いて、独立に制御しても良い。直流電圧電源905〜906の電圧シーケンスは、実施例2に記載した図１０と同様である。この構成では、抵抗1203を変えることにより、電位勾配を自由に調整が可能である。
その他、イオンの排出時間の計測方法、補助電極へ電圧フィードバックの方法、質量分析装置の例については実施例１と同様である。
【実施例５】
【００４１】
図1３別の形態の衝突減衰器1301の詳細図である。図1３の図は装置の外観図、図1３下側は電圧印加の詳細図である。本例は四重極を金属のような導体ではなく、電気伝導性の低い物質からなる、前記実施例4と同様な導体と絶縁体の中間にあたる抵抗体のような電気性質をもつ電極である。これにより両端の電位差が数mV〜数Vにすることが目的である。そのため、電気伝導性の低い四重極電極1302〜1305の右端と左端には、直流電圧電源905〜906によって異なる電圧を印加可能となる。その結果、線形四重極の中心軸上に傾斜のある直流電位が形成される。直流電圧電源905〜906の電圧シーケンスは、実施例2に記載した図１０と同様である。この場合、高周波電圧による電場はできるだけ均一にするために、複数箇所に高周波電圧を印加させることが望ましい。
【００４２】
その他、イオンの排出時間の計測方法、補助電極へ電圧フィードバックの方法、質量分析装置の例については実施例１と同様である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】高周波電圧を印加可能な線形四重極と、線形四重極電極の間に直流電圧を印加できる補助電極を挿入した構成の衝突減衰器を用いて、排出時間を制御する質量分析装置の実施例を説明する図。
【図２】衝突減衰器の詳細図。
【図３】衝突減衰器中心軸上の電位勾配の図。
【図４】補助電極に印加する直流電圧電源の電圧の時間シーケンス図。
【図５】従来技術と本発明の効果を示す図。
【図６】補助電極に印加する電流電圧電源の電圧時間シーケンス図。
【図７】補助電極に印加する直流電圧電源と端電極の電圧の時間シーケンス図。
【図８】衝突減衰器の詳細図。
【図９】衝突減衰器の詳細図。
【図１０】直流電圧電源の電圧シーケンス。
【図１１】衝突減衰器の詳細図。
【図１２】衝突減衰器の詳細図。
【図１３】衝突減衰器の詳細図。
【符号の説明】
【００４４】
１０１…イオン源、１０２…端電極、１０３…線形四重極電極、１０４…端電極、１０５…線形四重極イオントラップ部、１０６…線形四重極電極、１０７…端電極、１０８…衝突減衰器、１０９…高周波電圧電源、１１０…レンズ電極、１１１…加速部、１１２…リフレクタ電極、１１３〜１１４…検出器、１１５…データ蓄積・制御部、１１６…直流電圧電源、
２０１〜２０４…四重極電極、２０５〜２０６…端電極、２０７…補助電極、２０８…ガス導入口、２０９…イオン軌道を表す矢印、
８０１…衝突減衰器、８０２…補助電極、
９０１…衝突減衰器、９０２…補助電極、９０３…金属電極、９０４…電気導電性の低い抵抗部品、９０５〜９０６…直流電圧電源
１１０１…衝突減衰器、１１０２…電気導電性の低い補助電極、
１２０１…衝突減衰器、１２０２…複数の四重極電極、１２０３…抵抗
１３０１…衝突減衰器、１３０２〜１３０５…電気導電性の低い四重極電極。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンをパルス状に放出するイオン放出手段と、
線形多重極電極と、前記線形多重極電極の中心軸上に沿って電位勾配を形成する手段とを有する線形多重極部と、
前記線形多重極電極に高周波電圧及び直流電圧を印加する第１の電源と、前記電位勾配を形成する手段に直流電圧を印加する第２の電源とを有する電源系と、
前記第２の電源の制御によって前記線形多重極電極の中心軸上の電流電位を制御する制御手段と、
前記線形多重極電極部から排出されたイオンを検出する検出部とを有し、
前記制御部の制御により、前記線形多重極部から排出されるイオンの排出時間を調整することを特徴とする質量分析装置。
【請求項２】
請求項１に記載の質量分析装置において、前記電位勾配を形成する手段は、前記線形多重極電極の間に設けられた補助電極であることを特徴とする質量分析装置。
【請求項３】
請求項１に記載の質量分析装置において、前記電位勾配を形成する手段は、前記線形多重極電極の間に設けられた補助電極と、前記線形多重極電極のイオン排出側に設けられた端電極であることを特徴とする質量分析装置。
【請求項４】
請求項２に記載の質量分析装置において、前記補助電極の形状は、前記線形多重極電極の両端側のいずれか一方の幅が他方の幅よりも狭くなるような形状をしていることを特徴とする質量分析装置。
【請求項５】
請求項２に記載の質量分析装置において、前記補助電極は、電気伝導性の異なる部材を交互に形成したものであることを特徴とする質量分析装置。
【請求項６】
請求項２に記載の質量分析装置において、前記補助電極は、抵抗体又は誘導体であることを特徴とする質量分析装置。
【請求項７】
請求項１に記載の質量分析装置において、前記電位勾配を形成する手段は、前記多重極電極が軸方向に複数連なることにより形成され、前記第２の電源は、複数の多重極電極の間に抵抗を設けることにより、分割した直流電圧を印加することを特徴とする質量分析装置。
【請求項８】
請求項１に記載の質量分析装置において、前記電位勾配を形成する手段は、前記多重極電極であって、前記多重極電極の両端に電位差を有する抵抗体であることを特徴とする質量分析装置。
【請求項９】
請求項１に記載の質量分析装置において、前記制御部は、前記第２の電源の直流電圧を上昇させることにより、前記イオンの排出時間を調整することを特徴とする質量分析装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の質量分析装置において、前記制御部は、直線的に直流電圧を上昇させることを特徴とする質量分析装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の質量分析装置において、前記制御部は、曲線的に直流電圧を上昇させることを特徴とする質量分析装置。
【請求項１２】
請求項９に記載の質量分析装置において、前記第２の電源の直流電圧を上昇させる制御の前後少なくとも一方に、電圧が一定の期間を有するように制御することを特徴とする質量分析装置。
【請求項１３】
請求項１に記載の質量分析装置において、前記線形多重極部の後段に定期的にイオンの排出時間をモニターする手段を有することを特徴とする質量分析装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の質量分析装置において、前記モニターする手段のモニターの結果を前記補助電極の電圧にフィードバックする手段を有することを特徴とする質量分析装置。
【請求項１５】
請求項１に記載の質量分析装置において、線形多重極部が4本または6本または8本のロッド電極からなり、前記各ロッド電極に交互に高周波電圧を印加することを特徴とする質量分析装置。
【請求項１６】
請求項１に記載の質量分析装置において、線形多重極部に端電極を有することを特徴とする質量分析装置。
【請求項１７】
請求項１に記載の質量分析装置において、線形多重極部にヘリウム、空気、窒素、アルゴン、またはそれらの混合気体を導入することを特徴とする質量分析装置。
【請求項１８】
請求項１に記載の装置において、イオンを短時間にパルス状に放出する手段が、イオントラップまたはマトリックス支援レーザー脱離イオン源であることを特徴とする質量分析装置。
【請求項１９】
請求項１に記載の質量分析装置において、前記線形多重極部がイオントラップと飛行時間型質量分析計の間にあることを特徴とする質量分析装置。
【請求項１】
イオンをパルス状に放出するイオン放出手段と、
線形多重極電極と、前記線形多重極電極の中心軸上に沿って電位勾配を形成する手段とを有する線形多重極部と、
前記線形多重極電極に高周波電圧及び直流電圧を印加する第１の電源と、前記電位勾配を形成する手段に直流電圧を印加する第２の電源とを有する電源系と、
前記第２の電源の制御によって前記線形多重極電極の中心軸上の電流電位を制御する制御手段と、
前記線形多重極電極部から排出されたイオンを検出する検出部とを有し、
前記制御部の制御により、前記線形多重極部から排出されるイオンの排出時間を調整することを特徴とする質量分析装置。
【請求項２】
請求項１に記載の質量分析装置において、前記電位勾配を形成する手段は、前記線形多重極電極の間に設けられた補助電極であることを特徴とする質量分析装置。
【請求項３】
請求項１に記載の質量分析装置において、前記電位勾配を形成する手段は、前記線形多重極電極の間に設けられた補助電極と、前記線形多重極電極のイオン排出側に設けられた端電極であることを特徴とする質量分析装置。
【請求項４】
請求項２に記載の質量分析装置において、前記補助電極の形状は、前記線形多重極電極の両端側のいずれか一方の幅が他方の幅よりも狭くなるような形状をしていることを特徴とする質量分析装置。
【請求項５】
請求項２に記載の質量分析装置において、前記補助電極は、電気伝導性の異なる部材を交互に形成したものであることを特徴とする質量分析装置。
【請求項６】
請求項２に記載の質量分析装置において、前記補助電極は、抵抗体又は誘導体であることを特徴とする質量分析装置。
【請求項７】
請求項１に記載の質量分析装置において、前記電位勾配を形成する手段は、前記多重極電極が軸方向に複数連なることにより形成され、前記第２の電源は、複数の多重極電極の間に抵抗を設けることにより、分割した直流電圧を印加することを特徴とする質量分析装置。
【請求項８】
請求項１に記載の質量分析装置において、前記電位勾配を形成する手段は、前記多重極電極であって、前記多重極電極の両端に電位差を有する抵抗体であることを特徴とする質量分析装置。
【請求項９】
請求項１に記載の質量分析装置において、前記制御部は、前記第２の電源の直流電圧を上昇させることにより、前記イオンの排出時間を調整することを特徴とする質量分析装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の質量分析装置において、前記制御部は、直線的に直流電圧を上昇させることを特徴とする質量分析装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の質量分析装置において、前記制御部は、曲線的に直流電圧を上昇させることを特徴とする質量分析装置。
【請求項１２】
請求項９に記載の質量分析装置において、前記第２の電源の直流電圧を上昇させる制御の前後少なくとも一方に、電圧が一定の期間を有するように制御することを特徴とする質量分析装置。
【請求項１３】
請求項１に記載の質量分析装置において、前記線形多重極部の後段に定期的にイオンの排出時間をモニターする手段を有することを特徴とする質量分析装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の質量分析装置において、前記モニターする手段のモニターの結果を前記補助電極の電圧にフィードバックする手段を有することを特徴とする質量分析装置。
【請求項１５】
請求項１に記載の質量分析装置において、線形多重極部が4本または6本または8本のロッド電極からなり、前記各ロッド電極に交互に高周波電圧を印加することを特徴とする質量分析装置。
【請求項１６】
請求項１に記載の質量分析装置において、線形多重極部に端電極を有することを特徴とする質量分析装置。
【請求項１７】
請求項１に記載の質量分析装置において、線形多重極部にヘリウム、空気、窒素、アルゴン、またはそれらの混合気体を導入することを特徴とする質量分析装置。
【請求項１８】
請求項１に記載の装置において、イオンを短時間にパルス状に放出する手段が、イオントラップまたはマトリックス支援レーザー脱離イオン源であることを特徴とする質量分析装置。
【請求項１９】
請求項１に記載の質量分析装置において、前記線形多重極部がイオントラップと飛行時間型質量分析計の間にあることを特徴とする質量分析装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００９−２６４６５（Ｐ２００９−２６４６５Ａ）
【公開日】平成２１年２月５日（２００９．２．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１８５２１４（Ｐ２００７−１８５２１４）
【出願日】平成１９年７月１７日（２００７．７．１７）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年２月５日（２００９．２．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月１７日（２００７．７．１７）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
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