質量分析計用衝突セル
質量分析計のための新規湾曲型衝突セルが記載される。衝突セルは、直線区間に進入する前駆体イオンの所望の量の運動エネルギーを損失させるように選択される長さを有する直線区間を含み、前駆体イオンが衝突セルの湾曲区間に進入すると、前駆体イオンは、衝突セルから抜け出すことも、そこに接触することもなく、それによって、湾曲部分内のその通過の間存続する傾向を有する。一実施形態において、衝突セルは、四重極セットを備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、米国仮特許出願第６０／９７３，５４７号（２００７年９月１９日出願）の利益を主張し、その内容は参照により本明細書に援用される。
【０００２】
セクションの表題は構成に資するためであり、本教示の主題を限定するものではない。
【０００３】
（技術分野）
本明細書の教示は、概して、質量分析法と、質量分析計用新規衝突セルに関する。
【背景技術】
【０００４】
質量分析法では、衝突セルによって分離される、２つの質量分析器が、直列に使用され得る。衝突セル内では、前駆体イオンは、衝突誘起解離によって分裂され、いくつかの生成イオンを発生させる。代替として、前駆体イオンは、衝突ガス内で反応し、付加体または他の反応生成物を形成し得る。用語「生成イオン」とは、衝突セル内の前駆体イオンとガス分子との間の衝突によるイオン生成物の任意のものを意味すると意図される。次いで、衝突セルからの生成イオン（および残留前駆体イオン）は、第２の質量分析器内に進行し、通常、生成イオンの質量スペクトルを発生させるように走査される。直線型衝突セルの例示的実施形態は、Ｄｏｕｇｌａｓらの特許文献１において見られ、その内容は、参照することによって、本明細書に組み込まれる。
【０００５】
湾曲型衝突セルの例示的実施形態は、例えば、非特許文献１において見られ、参照することによって、本明細書に組み込まれる。湾曲型衝突セルの使用理由は、質量分析計内のイオン経路の全長を減少させることである。湾曲型衝突セルの実施例は、Ｖａｒｉａｎ， Ｉｎｃ．（３１２０ Ｈａｎｓｅｎ Ｗａｙ， Ｐａｌｏ Ａｌｔｏ， ＣＡ ９４３０４− １０３０ ＵＳＡ）製１２００Ｌ Ｑｕａｄｒｏｐｏｌｅ ＬＣ／ＭＳである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５，２４８，８７５号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｓｙｋａ， Ｓｃｈｏｅｎ ａｎｄ Ｃｅｊａ， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ Ｏｆ ｔｈｅ ３４ｔｈ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ （”ＡＳＭＳ”） Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍ． Ａｌｌｉｅｄ Ｔｏｐ．， Ｃｉｎｃｉｎｎａｔｉ， ＯＨ， １９８６， ｐ． ７１８−７１９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
イオンの径方向閉じ込めのための湾曲四重極を組み込む、ガス充填衝突セルに進入するイオンは、典型的には、イオンが四重極の径方向トラッピングポテンシャル内に閉じ込められたままであることが可能な運動エネルギーで進入しなければならない。四重極の軸方向軸に垂直のイオンの運動エネルギーが、擬ポテンシャル井戸深度よりも高い場合、イオンは、四重極電極上で損失される可能性がある。当業者は、イオンの損失が、質量分析の際、低感度および他の不利益をもたらし得ることを理解するであろう。したがって、そのような損失を低減および／または実質的に排除することが所望され得る。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
種々の側面では、本出願人の教示は、質量分析計用衝突セルを提供し、衝突セルは、直線および湾曲区間の両方を備える。
【００１０】
さらなる側面では、本出願人の教示は、そのような衝突セルを備える、質量分析計を提供する。
【００１１】
種々の実施形態では、例えば、本出願人の教示による衝突セルは、前駆体イオンを受け入れるための入口を有する直線区間であって、前駆体イオンに十分な運動エネルギーを損失させ、直線区間の通過に伴って、衝突セルから抜け出すことも、衝突セルと衝突することもなく、前駆体イオンに湾曲区間を進行させるように選択される長さである、直線区間を備える。
【００１２】
さらなる側面では、本出願人の教示は、そのような衝突セルおよび質量分析計を設計、製作、および操作する方法と、そのような衝突セルを使用して、イオンの質量分析を行なう方法とを備える。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
当業者は、後述の図面が、例証目的のためだけのものであることを理解するであろう。図面は、本出願人の教示の範囲をいかようにも限定することを意図するものではない。
【図１】図１は、本出願人の教示の実施形態による、質量分析計の概略図である。
【図２】図２は、図１の衝突セル領域Ｑ２をさらに詳細に示す。
【図３】図３は、従来の衝突セル領域Ｑ２ＰＡを示す。
【図４】図４は、従来の衝突セル領域Ｑ２ＰＡの一部をさらに詳細に示す。
【図５】図５は、単純エネルギー損失モデルを使用する、距離および圧力に応じた、イオン運動エネルギーのグラフである。
【図６】図６は、Ｑ３質量に応じた、Ｑ２トラッピングポテンシャルのグラフである。
【図７】図７は、「ウェッジ」の実施例の図である。
【図８】図８は、領域Ｑ２ＰＡ上で行なわれるあるシミュレーションの結果を示すグラフである。
【図９】図９は、領域Ｑ２上で行なわれるあるシミュレーションの結果を示すグラフである。
【図１０】図１０は、領域Ｑ２および領域Ｑ２ＰＡ上で行なわれるある実験の結果を示すグラフである。
【図１１】図１１は、領域Ｑ２および領域Ｑ２ＰＡ上で行なわれるシミュレーションに及ぼす異なる駆動周波数の影響を示すグラフである。
【図１２】図１２は、直線型衝突セルを有する質量分析器の概略図である。
【図１３】図１３−１８は、本出願人の教示による、湾曲型衝突セルを有する質量分析器の概略図である。
【図１４】図１３−１８は、本出願人の教示による、湾曲型衝突セルを有する質量分析器の概略図である。
【図１５】図１３−１８は、本出願人の教示による、湾曲型衝突セルを有する質量分析器の概略図である。
【図１６】図１３−１８は、本出願人の教示による、湾曲型衝突セルを有する質量分析器の概略図である。
【図１７ａ】図１３−１８は、本出願人の教示による、湾曲型衝突セルを有する質量分析器の概略図である。
【図１７ｂ】図１３−１８は、本出願人の教示による、湾曲型衝突セルを有する質量分析器の概略図である。
【図１８】図１３−１８は、本出願人の教示による、湾曲型衝突セルを有する質量分析器の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
種々の要素を参照して、本教示と関連して使用される語句「ａ」または「ａｎ」は、別途明示的に指示されない限り、「１つ以上」または「少なくとも１つ」を包含するものと理解されたい。
【００１５】
図１を参照すると、本出願人の教示による質量分析計（「ＭＳ」）は、概して、２０として示される。例証される実施形態では、ＭＳ２０は、イオン源２８から試料前駆体イオンを受け入れるように動作可能な開口部２４を含む、四重極領域ＱＪｅｔ（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｂｉｏｓｙｓｔｅｍｓ／ＭＤＳ Ｓｃｉｅｘの商標）を備える。例証される実施形態では、開口部２４は、カーテン板３２およびオリフィス板３６を特徴とする。本実施形態では、領域ＱＪｅｔは、約２乃至約４トールの圧力で動作する。
【００１６】
また、図１に示される実施形態では、ＭＳ２０は、領域ＱＪｅｔに隣接して、衝突集束イオンガイド領域Ｑ０を備え、領域ＱＪｅｔから、開口ＩＱ０を介して、前駆体イオンを受け入れ、開口ＩＱ１を介して、それらのイオンを放出する。本実施形態では、領域Ｑ０は、約５ミリトール乃至約１０ミリトールの圧力で動作する。
【００１７】
また、図１に示される実施形態では、ＭＳ２０は、Ｂｒｕｂａｋｅｒレンズとして機能する、第１の短太体ＲＦのみのイオンガイドＳＴ１と、第１のイオンガイド領域Ｑ１と、第２の短太体ＳＴ２とを備える。第１の短太体ＳＴ１は、開口ＩＱ１に隣接して、領域Ｑ０から出る前駆体イオンを受け入れる。順に、第１の短太体ＳＴ１内の前駆体イオンは、第１の短太体ＳＴ１、第１のイオンガイド領域Ｑ１、および第２の短太体ＳＴ２を進行する。
【００１８】
また、示される実施形態では、ＭＳ２０は、Ｊ字型湾曲型衝突セルＱ２を備える。湾曲型衝突セルＱ２は、直線区間または部分４０と、湾曲区間または部分４と、第２の短太体ＳＴ２から前駆体イオンを受け入れるための入口開口ＩＱ２と、領域Ｑ２のその通過の間、前駆体イオンから発生される生成イオンを含む、イオンを解放するための出口開口ＩＱ３とを備える。第２のイオンガイド領域Ｑ２は、以下に詳述される。
【００１９】
また、示される実施形態では、ＭＳ２０は、第３の短太体ＳＴ２と、第３のイオンガイド領域Ｑ３と、出口レンズ３２と、検出器３６とを備える。第３の短太体ＳＴ３は、開口ＩＱ３に隣接して、領域Ｑ２からのイオンを受け入れる。順に、第３の短太体ＳＴ３内のイオンは、第３の領域Ｑ３を通って、レンズ３２を介して、検出器３６内に進行する。
【００２０】
当業者には、領域Ｑ２以外のＭＳ２０の部分の好適な構造および操作方法が公知であって、その正確な構成が、特に限定されていないことを理解するであろう。故に、それらの部分および操作のさらなる議論は、領域Ｑ２に関する議論に対応するものに限定される。当業者は、本明細書の教示に従って、湾曲型衝突セルと使用するために好適な質量分析計の多くの種類および構成が利用可能であって、恐らく、今後も開発されるであろうことをさらに理解するであろう。本教示におけるイオンガイド領域Ｑ０、Ｑ１、Ｑ２、およびＱ３と、短太体ＳＴ１、ＳＴ２、およびＳＴ３とから成る、典型的イオンガイドは、当該分野において公知のように、概して、構造的支持のために必要とされる補助的構成要素に加えて、少なくとも１つの電極を含み得る。種々の実施形態では、例えば、電極は、４（四重極）、６（六重極）、８（八重極）以上の複数のロッドのロッドセットとして、または複数のリングのセットとして、構成可能であって、衝突セルは、衝突ガスの収容を補助する外筒またはシェルとともに構成され得る。
【００２１】
次に、図２を参照すると、湾曲型衝突セルＱ２が、さらに詳細に示される。領域Ｑ２は、略線形、すなわち、直線区間４０と、湾曲区間４４とを備える。図２に示されるように、線形区間４０は、ＡおよびＢとして示される線の間にある一方、湾曲区間４４は、ＢおよびＣとして示される線の間にある。操作時、多くの状況下、領域Ｑ２全体に分散され得る２８Ｄａの特定の質量を有する衝突ガス、例えば、窒素を領域Ｑ２内に提供することは有益である。質量分析計内の衝突ガスの使用、その使用が有益である条件、および種々の種類の衝突ガスは、当業者によって十分理解されている。
【００２２】
本実施形態では、直線区間４０の所望の長さＡ−Ｂは、以下のパラメータを使用して決定可能である。
ａ）開口ＩＱ２を介した領域Ｑ２への進入に伴う前駆体イオンの運動エネルギー
ｂ）領域Ｑ２内の温度および圧力
ｃ）領域Ｑ２内の衝突ガスの特定の質量および他の特性
ｄ）所望の前駆体イオンが分裂するために必要とされる内部エネルギー量
ｅ）領域Ｑ２内のイオンガイドに印加される電圧の高周波（「ＲＦ」）振幅
比較のため、第２のイオンガイド領域Ｑ２ＰＡと称される、従来のＵ字型衝突セルの図が、図３に示される。イオンガイド領域Ｑ２ＰＡは、イオンガイド領域Ｑ２の構造の大部分を共有し、したがって、イオンガイド領域Ｑ２内の要素に対応するイオンガイド領域Ｑ２ＰＡ内の要素は、「従来技術」を表す添え字「ＰＡ」が続くことを除き、同一参照文字を伴う。したがって、当業者は、イオンガイド領域Ｑ２ＰＡがイオンガイド領域Ｑ２内の線形区間４０に対応する任意の直線区間を含まないことを除き、イオンガイド領域Ｑ２ＰＡが、イオンガイド領域Ｑ２と実質的に同一であることを認識するであろう。イオンガイド領域Ｑ２ＰＡの代表的実施例は、Ｖａｒｉａｎ， Ｉｎｃ．（Ｐａｌｏ Ａｌｔｏ， Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）から市販の１２００Ｌ Ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ ＬＣ／ＭＳシステム内に組み込まれる。
【００２３】
本発明者らは、線形区間４０が、従来未知かつ予想外の改良点を当該技術にもたらすことを見出した。その際、本発明者らは、湾曲型衝突セル内の軸方向距離および圧力に応じて、イオンが有する運動エネルギー量を計算するために使用可能なモデルを適用した。Ｃｏｖｅｙ ａｎｄ Ｄｏｕｇｌａｓ（ＪＡＳＭＳ １９９３，４，６１６−６２３）のエネルギー損失モデルは、前駆体イオンの運動エネルギーを記述するために使用可能な関係の実施例である。本モデルでは、イオンの運動エネルギーＥは、式１を使用して求められ得る。
【００２４】
【化１】
式１中、
ｎは、衝突ガス密度
ｌは、経路長
σは、衝突断面積
ｍ１は、イオンの質量
ｍ２は、衝突ガス（典型的には、窒素、２８Ｄａ）の質量
Ｅ０は、イオンの初期運動エネルギー
イオンが領域Ｑ２、Ｑ２ＰＡ内に閉じ込められるためには、イオンガイド軸に垂直のイオンの運動エネルギーは、擬ポテンシャル井戸深度未満であることが必要である。
【００２５】
擬ポテンシャル井戸深度は、領域Ｑ２、Ｑ２ＰＡ内のイオンガイドのＲＦ径方向閉じ込め場の時間平均ポテンシャルである。擬ポテンシャル井戸深度は、例えば、式２（Ｈ．Ｇ． Ｄｅｈｒｎｅｌｔ， Ａｄｖ． Ａｔｏｍ． Ｍｏｌ． Ｐｈｙｓ． ３， ５３−７２ （１９６７）参照）を使用して計算され得る。
【００２６】
【化２】
式中、Ｖｒｆは、ＲＦ電圧振幅（ゼロからピーク値、極から接地）であって、ｑｕは、式３によって定義されるＭａｔｈｉｅｕパラメータである。
【００２７】
【化３】
式中、ｒ０は、湾曲型衝突セルＱ２、Ｑ２ＰＡ内のイオン経路４６、１２０の平均半径であって、Ωは、ＲＦ電圧周波数である。
着目パラメータは、イオンガイドの軸に垂直のイオンの運動エネルギーＥである。三連四重極ＡＰＩ４０００ＬＣ／ＭＳ／ＭＳ Ｓｙｓｔｅｍ（ＡＰＩ４０００は、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｂｉｏｓｙｓｔｅｍｓ／ＭＤＳ Ｓｃｉｅｘの商標である）等の多重イオンガイド質量分析計に一般的に適用される形状、操作条件、および分析に関して、Ｑ２、Ｑ２ＰＡ等の湾曲型衝突セルにおいて問題となり得る点は、図４に表されており、湾曲区間４４のイオン経路が、長さ約１５ｃｍであって、領域Ｑ２、Ｑ２ＰＡが、約９０°の湾曲を有する。（図４は、縮尺通りではないことに留意されたい）。図４を参照すると、図４に示される湾曲区間への距離Ｚｍｍでは、イオンガイド縦軸１２０に垂直の運動エネルギー量（Ｅ┴）が、イオンガイドのトラッピングポテンシャルを克服するために十分である場合、イオンは、外側ロッド４８と衝突するであろう。
【００２８】
１８０°および長さ約１５センチメートル（ｃｍ）のＱ２区間湾曲の場合、ｒ＝４７．７４６ミリメートル（ｍｍ）およびｒ’＝５１．９１７ｍｍである図４に示される形状に対して、ｚ＝２０．４ｍｍ（およびθ＝２３．１°）となる。したがって、Ｚは、湾曲区間４４ＰＡの開始点であるイオンガイド縦軸４６、１２０から開始するイオンが、電極と衝突するまで、直線に進行可能である距離である。本距離および角度では、Ｅ┴＝０．３９２＊Ｅ（すなわち、Ｅ┴＝ｓｉｎ（θ）＊Ｅ）となる。
【００２９】
実施例として、領域Ｑ２、Ｑ２ＰＡのｑｕ＝０．２８２４（ｍ／ｚ（Ｑ３）＝６０９．２、比率ｑｕ（Ｑ２ＰＡ）＝０４ｑｕ（Ｑ３）に対応する）、Ｆ＝８１６ｋＨｚ、ｒ０＝４．１７１ｍｍ、およびＶｒｆ＝２０３．８Ｖ時のイオンレセルピンのトラッピングポテンシャル（質量／電荷（ｍ／ｚ）＝６０９．２、σ＝２８０Å２）は、１４．４ｅＶである。前駆体イオンは、前駆体イオンの電極への衝突またはそこからの抜け出しを防止するために、Ｅ┴が約１４．４ｅＶ未満となるように、十分な運動エネルギーを損失しなければならないであろう。
【００３０】
図５は、３つの異なる圧力における窒素への距離に応じた、６０９．２の質量電荷比（ｍ／ｚ）を有するイオン、例えば、レセルピンイオンの運動エネルギーを示す。イオンが、直線に進行し、径方向閉じ込め障壁を通過するために十分な運動エネルギーを有する場合、湾曲の入口から約２０．４ｍｍの最小距離で、イオンガイド電極、または衝突セルの他の補助的構成要素と衝突するであろう。
【００３１】
障壁を通過するためには、イオンは、Ｚ方向に、Ｅ┴＝１４．４ｅＶに対応する約３６．７ｅＶを超える運動エネルギーを必要とするであろう。図５は、約５０ｅＶの運動エネルギーで領域Ｑ２内に注入されたレセルピンイオンが、十分なエネルギーを損失し、約５．０および約１０．０ｍトールの窒素では、イオンガイドロッドと衝突しない（すなわち、「トラッピングされる」）ことを示す。しかしながら、約１．０ｍトールでは、イオンは、径方向閉じ込め障壁を克服するために十分なエネルギーを有し、イオンガイド電極、または衝突セルの他の補助的構成要素と衝突する。
【００３２】
また、ＭＳ／ＭＳ実験の間、領域Ｑ２、Ｑ２ＰＡのイオンガイドのトラッピングポテンシャルは、領域Ｑ３質量分解能構成に応じて変動することに留意されたい。これは、従来の三連四重極質量分析計（すなわち、領域Ｑ２ＰＡが、領域Ｑ２の代わりに、ＭＳ２０内で使用される）では、ＲＦ振幅は、Ｑ３質量分析四重極から導出されるためである。上述が、ＡＰＩ４０００（領域Ｑ２が全体的に線形衝突セルから成ることを除き、ＭＳ２０と類似構造を有する、公知の従来の三連四重極質量分析計（以下、Ｑ２ＰＡＬ））で行なわれる時、ｑｕ（Ｑ２ＰＡＬ）／ｑｕ（Ｑ３）の比率は、約０．４である。例えば、Ｑ１が質量分析モードで動作していて、６０９ｍ／ｚのみの前駆体イオンを通過させる場合、前駆体イオンは、５０ｅＶの平均運動エネルギーでＱ２ＰＡＬに進入可能である。Ｑ２ＰＡＬでは、前駆体イオンは、衝突ガスと衝突することが予想され得、例えば、４４８ｍ／ｚ、３９７ｍ／ｚ、１９５ｍ／ｚ等のＱ３を通過する生成イオンを発生するように分裂し得る。Ｑ３が質量分析モードで動作するとき、低質量から高質量（例えば、１５０−６５０ｍ／ｚ）にかけて走査し得る。実質的に、Ｑ２ＰＡＬセル内で発生される６０９ｍ／ｚの全分裂片は、ＲＦ振幅および分解直流（ＤＣ）電圧の特定の組み合わせによって決定される質量のみ伝達させる（すなわち、通過させる）、Ｑ３分析四重極内に通過することが予想され得る。Ｑ２ＰＡＬ区間は、Ｑ２に印加される電圧のＲＦ振幅がＱ３に印加されるものに追従するように、Ｑ３に容量的に結合され得る。ＡＰＩ４０００システムで行なわれる時、ｑｕ（Ｑ２ＰＡＬ）／ｑｕ（Ｑ３）の比率は、約０．４である。
【００３３】
しかしながら、ＭＳ２０が図１に示されるように構成される本実施形態では、ｑｕ（Ｑ２）／ｑｕ（Ｑ３）は、有利に、約０．６まで増加した。また、領域Ｑ３質量分析四重極は、質量によって走査されるが、Ｑ１質量分析四重極は、前駆体イオン質量に固定されたままであることを認識されたい。これは、領域Ｑ２のＲＦ振幅が、領域Ｑ１ＲＦ振幅の一定の比率ではなく、領域Ｑ２内の前駆体イオンのトラッピングポテンシャルが、Ｑ３質量分解能設定に応じて変動する、すなわち、Ｑ３上に存在するＲＦ振幅に応じて変動することを意味する。
【００３４】
図６は、ｑｕ（Ｑ２）≒０．４ｑｕ（Ｑ３）およびｑｕ（Ｑ２）≒０．６ｑｕ（Ｑ３）の両方の場合の前駆体イオンレセルピン（ｍ／ｚ＝６０９．２）を示す。径方向トラッピングポテンシャルは、Ｑ３質量の増加に伴って、Ｑ３ＲＦ振幅の２乗に比例して増加する。当業者には公知のように、四重極質量分析器では、伝達質量は、４つのロッド電極（それぞれ、２つのロッドの２極）に印加されるＲＦおよびＤＣポテンシャルに応じる。ＲＦおよびＤＣポテンシャルを適切に増減することによって、より大きな質量のイオンを伝達させることが可能となる。
【００３５】
上述の計算は、イオンが湾曲型衝突セル（領域Ｑ２ＰＡ、または領域Ｑ２の湾曲区間４４等）内へのイオン注入の間存続すべき場合、イオンは大きすぎる運動エネルギーを有してはならず、または衝突セル圧力が低過ぎてもならないことを示す。衝突セル圧力を増加させることは、イオンの運動エネルギーを許容可能レベルに低減する方法の１つである。しかしながら、高活性エネルギーを伴うイオンは、セル圧力の大幅な増加を必要とする場合があり、質量分析四重極内に悪影響をもたらし得る。例示的悪影響の１つは、質量分析真空室内の圧力における上昇である。これは、最適条件を満たさないイオン検出器の動作をもたらし得る。他の悪影響として、特に、より軽いイオンに関して、イオン散乱による感度の損失が挙げられ得る。故に、衝突ガスが使用される場合、相応じて、その圧力が調節され得る。
【００３６】
領域Ｑ２における湾曲区間４４への直線区間４０の提供によって、湾曲区間４４への遭遇に先立って、イオンのある程度の運動エネルギーを消散させ、それによって、湾曲区間４４内のイオン存続の可能性を向上させる。
【００３７】
湾曲型衝突セル内に印加されるポテンシャル場の不連続または他の不規則性を回避するためには、種々の図に示されるような直線および湾曲区間が、一体型電極から一体的に形成される、そのようなセルを提供することは有益であり得る。
【００３８】
イオン軌道シミュレータを使用して、シミュレーションを行なった。シミュレータは、３次元空間における例示的電極をモデル化した。タウロコール酸イオンのイオン質量（ｍ／ｚ＝５１４）の軌道を実施した。シミュレーションは、領域Ｑ２ＰＡの形態で構築された領域と、領域Ｑ２の形態で構築された領域とに対して行なった。
【００３９】
領域Ｑ２に対して、直線区間４０は、長さ約４ｃｍであった。領域Ｑ２およびＱ２ＰＡに対して、湾曲区間４４および４４ＰＡの曲率半径は、約４５ｍｍであった。領域Ｑ２およびＱ２ＰＡはそれぞれ、Ａ極およびＢ極を備え、それぞれが２つの電極を有し、合計４つのロッド（四重極）であった。ＲＦ信号は、Ａ極とＢ極間で１８０度位相がずれていた。シミュレーションは、２つの異なるＲＦ周波数８１６および９４０ｋＨｚで行なった。初期イオンエネルギーは、１００ｅＶに設定され、圧力は、窒素１０ｍトールとし、衝突断面積は、２２５Å２であった。タウロコール酸は、約２８０Å２の測定衝突断面積を有するレセルピンの構造と類似する。タウロコール酸は、若干小さく、したがって、本イオンの合理的衝突断面積は、約２００Å２−２５０Å２であると予想されるであろう。無作為に選択されるＲＦ位相および位置の初期開始条件を伴うイオンに対して、１０軌道が実行された。また、１０Ｖ／ｍのドリフト電場を印加し、軸方向勾配の影響をシミュレートした。衝突セルの湾曲区間は、図７に示されるように、電極の半径３度以内に画定される電極の一区間、すなわち、「ウェッジ」またはスライスを使用することによって生成された。３度区間からの出るイオンの最終条件は、図７に示されるように、次の３度区間の初期開始条件として使用した。シミュレーションは、イオンが湾曲区間から出（すなわち、衝突セルから抜け出す）、軌道が電極上で終端（すなわち、イオンが電極と衝突）するか、または少数の例ではあるが、イオンが十分な運動エネルギーを損失し、衝突ガスとの衝突がウェッジの入口で出し尽くされたため、イオン軌道が停止するまで継続された。後者の条件は、単に、シミュレータのアーチファクトであって、イオン運動エネルギーが十分低く、電極と衝突しないことを暗示する。この場合、イオンは、湾曲区間の伝達の間存続したとして扱われ得る。
【００４０】
図８は、シミュレーションで使用される、領域Ｑ２ＰＡの図を示し、図９は、領域Ｑ２の図を示す。ＲＦ周波数は、図８および９に示される両シミュレーションの結果に対して、９４０ｋＨｚであった。Ｑ２およびＱ２ＰＡのＲＦ振幅は、Ｑ３に印加されるものの５５％であった。これは、実際のＲＦ振幅比をシミュレートする。これは、イオンがＱ２またはＱ２ＰＡに進入する時、ｑｕ＝０．３８８で５１４ｍ／ｚとなり、Ｑ３は、５１４ｍ／ｚを伝達するように設定された。Ｑ３が質量を分析する場合、イオンは、ｑｕ＝０．７０６で伝達されることに留意されたい。Ｑ３が８０ｍ／ｚを伝達させるように設定された場合、衝突セルのｑｕ値は、５１４ｍ／ｚに対して０．０６０であるのに対して、８０ｍ／ｚの場合、ｑｕ値は、０．３８８となるであろう。
【００４１】
図８では、イオンは、１００ｅＶの運動エネルギーおよび窒素１０ｍトールで、領域Ｑ２ＰＡ内に注入された。結果は、開始時、５１４ｍ／ｚの１０イオン中１０イオンが、セルの伝達の間存続したことを示す。対照的に、分裂片８０ｍ／ｚに対応するＲＦ振幅では、５１４ｍ／ｚの軌道はすべて、領域Ｑ２ＰＡの入口近傍の電極で終端または「衝突」した。領域Ｑ２ＰＡの入口は、グラフの上半分である。
【００４２】
図９は、湾曲区間４４に加えて、４ｃｍの直線区間４０を備える、Ｑ２区間のシミュレーションの結果を示す。あらゆる他の初期条件は、図８と同一とした。結果は、ＲＦ振幅がより低い質量分裂片に対して設定される時、領域Ｑ２の伝達の間存続する５１４ｍ／ｚイオンの数が増加することを示す。これは、ＲＦ振幅が、領域Ｑ２ＰＡ内の正常な伝達に対して低過ぎるレベルまで低下した場合、区間Ｑ２の直線区間４０が、セルの伝達の間存続するために、十分な運動エネルギーを５１４ｍ／ｚのイオンが損失することを可能にしたことを意味する。
【００４３】
タウロコール酸分子の実験を行なった。本分子は、質量５１４ｍ／ｚのマイナスイオンを形成する。タウロコール酸の主要分裂は、８０ｍ／ｚで生じる。上述のように、タウロコール酸は、約２８０Å２の測定衝突断面積を有するレセルピンの構造と類似する。タウロコール酸は、レセルピンよりも若干小さく、したがって、本イオンの合理的衝突断面積は、約２００Å２乃至約２５０Å２であるだろう。また、タウロコール酸のイオンは、分裂が困難であって、効率的分裂のためには、９０ｅＶを超える衝突エネルギーを必要とする。本イオンの小サイズおよび靭性は、領域Ｑ２ＰＡの代わりに、領域Ｑ２の利点を実証するために理想的である。Ｑ２衝突セルのＲＦ振幅の比は、Ｑ３質量分析四重極に印加されるものの５５％であった。これは、Ｑ３が８０ｍ／ｚを分析するように設定される時、Ｑ２のｑｕ値は、５１４ｍ／ｚの場合、０．０６０であって、８０ｍ／ｚの場合、０．３８８であることを意味する。また、本実験では、領域Ｑ２の湾曲区間４４は、セルの縦軸において５０ｍｍの半径を有する一方、直線区間４０は、長さ２５ｍｍであったことに留意されたい。
【００４４】
図１０に示されるデータは、２つの異なる計器上で取得された。領域Ｑ２ＰＡ（すなわち、湾曲区間４４ＰＡのみを伴う）は、８１６ｋＨｚで動作した。対照的に、領域Ｑ２は、２５ｍｍの長さを伴う直線区間４０を含み、９４０ｋＨｚの周波数で動作した。Ｑ３に対する衝突セルのＲＦ振幅の比は、両システムに対して５５％であった。直線区間と湾曲型衝突セルのデータから、タウロコール酸を分裂させ、８０ｍ／ｚ分裂片を伝達させる際、はるかに効率的であることが明らかである。周波数の影響は、式２および３を検討することによって理解され得る。擬ポテンシャル井戸深度は、同一ｑｕ値における９４０ｋＨｚ計器（すなわち、Ｑ２）と比較して、８１６ｋＨｚ計器（すなわち、Ｑ２ＰＡ）の場合、０．７５４倍、（８１６ｋＨｚ／９４０ｋＨＺ）２となるであろう。
【００４５】
図１０は、５１４ｍ／ｚ乃至８０ｍ／ｚの分裂の％分裂を示す。％分裂は、イオンエネルギー２０ｅＶ時、衝突セル内に衝突ガスを伴わない、５１４ｍ／ｚの強度によって除される、衝突エネルギー１００ｅＶ時の８０ｍ／ｚ分裂の強度として定義される。領域Ｑ２ＰＡ（すなわち、衝突セルの前に直線区間４０を伴わない）では、分裂効率は、ガスセル内の窒素３４ｍトールで最大化する。領域Ｑ２（すなわち、２．５ｃｍの直線区間４０を伴う）では、最大分裂効率は、約９．５ｍトールの圧力で生じる。領域Ｑ２内の直線区間４０の利益は、効率的分裂のために必要とされる衝突セル圧力の低下である。このように実現される利点の中でも、イオンの散乱等の結果として生じる減少とともに、Ｑ１、Ｑ３、および検出器内に維持される高真空領域のためのポンピング要件の低減が挙げられる。最大衝突セル圧力制限が１０ｍトールに設定される場合、分裂効率の利得は、図１０のデータでは、８．５倍となるであろう。
【００４６】
８１６から９４０ｋＨｚへの駆動周波数の増加は、イオンの閉じ込めのために有益であるが、軽度の影響とみなされ得る。これは、例えば、８１６および９４０ｋＨｚの駆動周波数がＱ２ＰＡおよびＱ２の両方に使用された図１１のシミュレーション結果によって示される。図１１は、駆動周波数の差異が、衝突セルの前の直線区間４０の追加と比較して、軽度の影響であることを示す。また、駆動周波数の大幅な増加（例えば、２倍以上）は、前駆体イオンを衝突セル内に径方向に閉じ込めたままにするために十分な擬ポテンシャル井戸深度をもたらすことが予想される。しかしながら、ある状況における可能性のある不利点は、式３によって決定される起こり得る質量範囲の関連減少であろう。最大質量範囲は、イオンガイド電源から利用可能な電圧によって決定され得る。また、電圧制限は、放電、トラッキング、および／または絶縁破壊が生じ得る電圧によって決定される。ある時点では、より高い電圧は、異なる種類の電気フィードスルーを必要とし、フィードスルーは、最大電圧制限によって設計および定格されるため、より高い電圧の使用は、より高い定格電気フィードスルーの使用を必要とする可能性があり、価格の割増しに関連し得る。結果として、イオンガイドへの室壁のより高い電圧の通過は、市販の計器のコストを増加し得る。周波数を単に２倍にすることは、擬ポテンシャル井戸深度を４倍増加させる一方、質量範囲もまた、４分の１に減少し、必ずしもではないが、潜在的に、市販の計器において、望ましくない影響となり得る。
【００４７】
本出願人の教示は、直線前区間および可変半径の湾曲区間を有する湾曲型衝突セルをさらに含む。
【００４８】
本明細書の教示による前直線区間を有する湾曲型衝突セルの設計に伴って、大幅な数の変数が存在する。これらは、衝突セル圧力、初期イオン運動エネルギー、着目イオンの衝突断面積、中性衝突相手（例えば、衝突ガス）の質量、および着目イオンが電極と衝突する（または衝突セルから抜け出す）のを防止するために必要とされる擬ポテンシャル井戸深度を含むが、それらに限定されない。さらに、擬ポテンシャル井戸深度は、衝突セルの場半径、衝突セルの駆動周波数、および着目イオンの質量を含む、因子に依存する。加えて、イオンガイド電極または他の衝突セル構成要素のサイズ、印加されるポテンシャル、および電極間の空間のため、物理的制限が存在する。
【００４９】
解離（すなわち、分裂）を生じさせるために小運動エネルギーのみを必要とする脆弱なイオンは、Ｑ２衝突セルへの短距離内で完全に解離（すなわち、分裂）され得、したがって、直線区間において、最小限の運動エネルギー減少のみを必要とする。故に、可変有効長の直線区間が企図される。例えば、本開示に精通した当業者によって理解されるように、所望の地点で運動エネルギーを減少するために必要とされるものよりも長い直線区間４０が提供される場合、所望の運動エネルギーを維持するために、そのような直線（および／または湾曲）区間において、ＲＦおよび／またはＤＣ場が使用され得る。これは、例えば、可変物理長の直線区間４０を使用する必要性をなくし得る。
【００５０】
分裂がより困難なイオンは、より高い衝突エネルギーを必要とする場合があり、したがって、他のパラメータは同等に保持されたまま、より長い直線区間４０を伴う構成を使用することによって、利点をもたらし得る。故に、本出願人は、パラメータの均衡を選択するための考慮によって、分裂効率および衝突セルＱ２の生成物および前駆体イオンの伝達の両方を向上させることが可能であると認識する。例えば、種々の実施形態では、ＳＴ２とＩＱ２との間のＤＣ場の加速等の適切な手段によって、前駆体イオンに十分な運動エネルギーを印加することによって、衝突セルＱ２の直線区間４０内の分裂が困難な前駆体イオンの解離を生じさせることが可能である。結果として得られる生成イオンおよび任意の残留前駆体イオンは、直線区間４０内にある間、継続して高レベルの運動エネルギーを有することが可能である。結果として、直線区間４０に十分な長さを提供することによって、これらのイオンは、湾曲区間４４の伝達の間存続するために、十分な運動エネルギーを損失可能である。前駆体イオン（または生成イオン）のさらなる解離は、伝達の間、湾曲区間４４内で生じ得る。
【００５１】
本教示は、衝突セルの直線または湾曲区間内の前駆体イオンの分裂を記載するが、種々の実施形態では、当業者によって理解されるように、解離せずに、イオンまたは複数のイオンが衝突セルに入りおよびそこから出ることを可能にすることが有益である状況が生じ得る。概して、前駆体イオン、前駆体イオンの以前の解離に付随する生成イオン、またはそれらの組み合わせと称されるかにかかわらず、イオンは、直線区間４０に進入し、直線区間４０の長さを横断する間、所望の量の運動エネルギーを損失する。衝突解離がない場合、イオンは、衝突セルからの抜け出しまたはそこに接触せずに、湾曲部分内およびそこを通る通過の間存続可能である。上述のように、衝突解離がある場合は、イオンは、衝突セルからの抜け出しまたはそこに接触せずに、湾曲部分内の通過の間存続可能であって、生成イオンを発生させる分裂を生じる。
【００５２】
湾曲区間４４の実際の物理的寸法は、特定のイオンの最適分析のための対応する直線区間４０の必要長を決定し得る。また、湾曲区間４４の湾曲度は、区間４０の長さの計算に影響を及ぼすであろう。例えば、１８０度湾曲区間４４に進入するイオンは、より小さい全曲率の湾曲区間４４を有する衝突セルに進入する同等イオンよりも短い距離で、外側電極に遭遇するであろう。
【００５３】
また、他の考慮も、湾曲型衝突セルの設計選択に影響を及ぼし得る。衝突セルを湾曲させる目的の１つは、所望のイオン経路長に対応する計器の全体的物理長の減少である。したがって、質量分析計器の全体的物理長を最小限にする観点から、イオン経路の全長が直線イオン経路の全長を超える点まで、直線区間４０の長さを増加させることは、Ｑ２衝突セルを湾曲させる目的に反する傾向になり得る。
【００５４】
長さＬのイオン経路を提供する四重極分析器は、１８０度湾曲された場合、衝突セルの最長寸法に対して、約０．６８Ｌの物理長を節約する、半径Ｌ／πの分析器を形成するであろう。９０度衝突セルを湾曲させることは、半径２Ｌ／πの衝突セルに、最長寸法に対して、約０．３６Ｌの結果として得られる節約を提供するであろう。直線イオン経路と比較した湾曲イオン経路の全長に対して、衝突セルに続く光学（すなわち、Ｑ３四重極、検出器等）の長さがさらに節約される。図１２は、直線型衝突セル（Ｑ２）を利用する典型的三連四重極を示す。距離ＸＬは、衝突セルと、衝突セルの下流に続く光学との長さである。
【００５５】
図１３から１５は、衝突セルの湾曲区間４４の前（すなわち、上流）に直線区間４０を有する、湾曲型衝突セルのいくつかの変形例を示す。衝突セルを湾曲させることによって、長さＸＬを図１３−１５に示される長さＸＢ、ＸＣ、ＸＤに減少させ、計器内に提供されるイオン経路の対応する部分と比較して、より短い全長をもたらす。図１３では、湾曲は、９０度未満であって、所与の直線軸方向線に沿って、イオン経路の全長に比較的小さい減少をもたらす。図１４では、湾曲部分４４は、９０度の曲りを備え、図１３の低湾曲部分によって提供されるものよりも短い全長と、同一総イオン経路長を有する図１２の計器のものよりも大幅に短い全長を提供する。１８０度の曲りの湾曲区間４４を備える、図１５に示される衝突セルは、さらに短い全長である。図１３−１５のそれぞれでは、衝突セル内に提供されるイオン経路は、例えば、一般的な現在の用途における約１ミリメートルからＸＬ−Ｘ’ｕの最大値の範囲であり得る短直線区間を含む（式中、Ｘ’ｕ（Ｕ＝Ａ、Ｂ、またはＣ）は、長さゼロの直線区間の場合によって決定される）。図１６では、直線区間は、その最大値と等しく、図１２に示される直線イオン経路の長さと等しい湾曲イオン経路をもたらす。図１６は、直線区間４０の最大長を示す。
【００５６】
１８０度の湾曲型衝突セルの場合、最小半径は、分析四重極（例えば、Ｑ１、Ｑ３）の物理長によって制限され得る。例えば、図１７ａは、半径「ｒ」の平均半径（すなわち、衝突セルの中心軸４６までの半径）を有する湾曲区間４４を伴う、湾曲型衝突セルを示す。それぞれの分析四重極Ｑ１、Ｑ３の各電極９８は、対応する支持カラー９９内に含まれ得る。支持カラー９９は、四重極の整列を保持および維持し、電極９８への電気接続を容易にするための構造を提供可能である。場半径ｒ０（図１７ｂに示される分析四重極によって範囲指定される内接円の半径として定義される）を含む、四重極の寸法と、実践的機械的理由とに応じて、支持カラーの内外半径は、最小値に制約され得る。図１７ａに示される構成では、分析四重極Ｑ１は、分析四重極Ｑ３に本質的に隣接および平行して位置付けられるように想定され得、この近接近では、組み合わされた支持カラーの外半径は、平均半径「ｒ」を決定するための制限因子となり得る。例示的実施形態では、各支持カラーの外径は、約９．５ｒ０、およびｒ０＝４．１７ｍｍであり得る。故に、Ｑ１およびＱ３支持カラーが、互いに略接触するように整列され得る場合、平均半径「ｒ」の最小値は、約１９．８ｍｍであり得る。したがって、湾曲型衝突セルの軸長は、πｒ、すなわち、６２．２ｍｍと等しい。
【００５７】
上述のように、４５ｍｍと等しい半径ｒ、すなわち、４５／４．１７＝１０．７９ｒ０の湾曲型衝突セルの場合、湾曲軸、すなわち、平均イオン経路４６の長さは、１４１．４ｍｍである。
【００５８】
上述のように、湾曲区間は、直線区間に嵌合または物理的に結合されるが、しかしながら、また、本出願人の教示は、直線前区間を伴う湾曲型衝突セルが、例えば、図１８に示されるように、モジュール式の２つ以上の中間部分または区間を備える実施形態も提供する。そこでは、直線区間Ｑ２Ａは、湾曲区間Ｑ２Ｂおよびイオンガイド領域Ｑ１からモジュール化されていることが分かる。これは、異なる実施形態における可変分析ニーズに対応するために、例えば、それぞれの直線および／またはそれぞれの湾曲区間４０、４４（それぞれ、Ｑ２ＡおよびＱ２Ｂとして図１８に示す）を交換する可能性を提供する。
【００５９】
本出願人の教示は、種々の実施形態に関連して記述されるが、本出願人の教示が、そのような実施形態に限定されることを意図するものではない。反対に、本出願人の教示は、当業者によって理解されるように、広範な代替例、修正例、および同等物を包含する。
【技術分野】
【０００１】
本出願は、米国仮特許出願第６０／９７３，５４７号（２００７年９月１９日出願）の利益を主張し、その内容は参照により本明細書に援用される。
【０００２】
セクションの表題は構成に資するためであり、本教示の主題を限定するものではない。
【０００３】
（技術分野）
本明細書の教示は、概して、質量分析法と、質量分析計用新規衝突セルに関する。
【背景技術】
【０００４】
質量分析法では、衝突セルによって分離される、２つの質量分析器が、直列に使用され得る。衝突セル内では、前駆体イオンは、衝突誘起解離によって分裂され、いくつかの生成イオンを発生させる。代替として、前駆体イオンは、衝突ガス内で反応し、付加体または他の反応生成物を形成し得る。用語「生成イオン」とは、衝突セル内の前駆体イオンとガス分子との間の衝突によるイオン生成物の任意のものを意味すると意図される。次いで、衝突セルからの生成イオン（および残留前駆体イオン）は、第２の質量分析器内に進行し、通常、生成イオンの質量スペクトルを発生させるように走査される。直線型衝突セルの例示的実施形態は、Ｄｏｕｇｌａｓらの特許文献１において見られ、その内容は、参照することによって、本明細書に組み込まれる。
【０００５】
湾曲型衝突セルの例示的実施形態は、例えば、非特許文献１において見られ、参照することによって、本明細書に組み込まれる。湾曲型衝突セルの使用理由は、質量分析計内のイオン経路の全長を減少させることである。湾曲型衝突セルの実施例は、Ｖａｒｉａｎ， Ｉｎｃ．（３１２０ Ｈａｎｓｅｎ Ｗａｙ， Ｐａｌｏ Ａｌｔｏ， ＣＡ ９４３０４− １０３０ ＵＳＡ）製１２００Ｌ Ｑｕａｄｒｏｐｏｌｅ ＬＣ／ＭＳである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５，２４８，８７５号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｓｙｋａ， Ｓｃｈｏｅｎ ａｎｄ Ｃｅｊａ， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ Ｏｆ ｔｈｅ ３４ｔｈ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ （”ＡＳＭＳ”） Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍ． Ａｌｌｉｅｄ Ｔｏｐ．， Ｃｉｎｃｉｎｎａｔｉ， ＯＨ， １９８６， ｐ． ７１８−７１９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
イオンの径方向閉じ込めのための湾曲四重極を組み込む、ガス充填衝突セルに進入するイオンは、典型的には、イオンが四重極の径方向トラッピングポテンシャル内に閉じ込められたままであることが可能な運動エネルギーで進入しなければならない。四重極の軸方向軸に垂直のイオンの運動エネルギーが、擬ポテンシャル井戸深度よりも高い場合、イオンは、四重極電極上で損失される可能性がある。当業者は、イオンの損失が、質量分析の際、低感度および他の不利益をもたらし得ることを理解するであろう。したがって、そのような損失を低減および／または実質的に排除することが所望され得る。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
種々の側面では、本出願人の教示は、質量分析計用衝突セルを提供し、衝突セルは、直線および湾曲区間の両方を備える。
【００１０】
さらなる側面では、本出願人の教示は、そのような衝突セルを備える、質量分析計を提供する。
【００１１】
種々の実施形態では、例えば、本出願人の教示による衝突セルは、前駆体イオンを受け入れるための入口を有する直線区間であって、前駆体イオンに十分な運動エネルギーを損失させ、直線区間の通過に伴って、衝突セルから抜け出すことも、衝突セルと衝突することもなく、前駆体イオンに湾曲区間を進行させるように選択される長さである、直線区間を備える。
【００１２】
さらなる側面では、本出願人の教示は、そのような衝突セルおよび質量分析計を設計、製作、および操作する方法と、そのような衝突セルを使用して、イオンの質量分析を行なう方法とを備える。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
当業者は、後述の図面が、例証目的のためだけのものであることを理解するであろう。図面は、本出願人の教示の範囲をいかようにも限定することを意図するものではない。
【図１】図１は、本出願人の教示の実施形態による、質量分析計の概略図である。
【図２】図２は、図１の衝突セル領域Ｑ２をさらに詳細に示す。
【図３】図３は、従来の衝突セル領域Ｑ２ＰＡを示す。
【図４】図４は、従来の衝突セル領域Ｑ２ＰＡの一部をさらに詳細に示す。
【図５】図５は、単純エネルギー損失モデルを使用する、距離および圧力に応じた、イオン運動エネルギーのグラフである。
【図６】図６は、Ｑ３質量に応じた、Ｑ２トラッピングポテンシャルのグラフである。
【図７】図７は、「ウェッジ」の実施例の図である。
【図８】図８は、領域Ｑ２ＰＡ上で行なわれるあるシミュレーションの結果を示すグラフである。
【図９】図９は、領域Ｑ２上で行なわれるあるシミュレーションの結果を示すグラフである。
【図１０】図１０は、領域Ｑ２および領域Ｑ２ＰＡ上で行なわれるある実験の結果を示すグラフである。
【図１１】図１１は、領域Ｑ２および領域Ｑ２ＰＡ上で行なわれるシミュレーションに及ぼす異なる駆動周波数の影響を示すグラフである。
【図１２】図１２は、直線型衝突セルを有する質量分析器の概略図である。
【図１３】図１３−１８は、本出願人の教示による、湾曲型衝突セルを有する質量分析器の概略図である。
【図１４】図１３−１８は、本出願人の教示による、湾曲型衝突セルを有する質量分析器の概略図である。
【図１５】図１３−１８は、本出願人の教示による、湾曲型衝突セルを有する質量分析器の概略図である。
【図１６】図１３−１８は、本出願人の教示による、湾曲型衝突セルを有する質量分析器の概略図である。
【図１７ａ】図１３−１８は、本出願人の教示による、湾曲型衝突セルを有する質量分析器の概略図である。
【図１７ｂ】図１３−１８は、本出願人の教示による、湾曲型衝突セルを有する質量分析器の概略図である。
【図１８】図１３−１８は、本出願人の教示による、湾曲型衝突セルを有する質量分析器の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
種々の要素を参照して、本教示と関連して使用される語句「ａ」または「ａｎ」は、別途明示的に指示されない限り、「１つ以上」または「少なくとも１つ」を包含するものと理解されたい。
【００１５】
図１を参照すると、本出願人の教示による質量分析計（「ＭＳ」）は、概して、２０として示される。例証される実施形態では、ＭＳ２０は、イオン源２８から試料前駆体イオンを受け入れるように動作可能な開口部２４を含む、四重極領域ＱＪｅｔ（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｂｉｏｓｙｓｔｅｍｓ／ＭＤＳ Ｓｃｉｅｘの商標）を備える。例証される実施形態では、開口部２４は、カーテン板３２およびオリフィス板３６を特徴とする。本実施形態では、領域ＱＪｅｔは、約２乃至約４トールの圧力で動作する。
【００１６】
また、図１に示される実施形態では、ＭＳ２０は、領域ＱＪｅｔに隣接して、衝突集束イオンガイド領域Ｑ０を備え、領域ＱＪｅｔから、開口ＩＱ０を介して、前駆体イオンを受け入れ、開口ＩＱ１を介して、それらのイオンを放出する。本実施形態では、領域Ｑ０は、約５ミリトール乃至約１０ミリトールの圧力で動作する。
【００１７】
また、図１に示される実施形態では、ＭＳ２０は、Ｂｒｕｂａｋｅｒレンズとして機能する、第１の短太体ＲＦのみのイオンガイドＳＴ１と、第１のイオンガイド領域Ｑ１と、第２の短太体ＳＴ２とを備える。第１の短太体ＳＴ１は、開口ＩＱ１に隣接して、領域Ｑ０から出る前駆体イオンを受け入れる。順に、第１の短太体ＳＴ１内の前駆体イオンは、第１の短太体ＳＴ１、第１のイオンガイド領域Ｑ１、および第２の短太体ＳＴ２を進行する。
【００１８】
また、示される実施形態では、ＭＳ２０は、Ｊ字型湾曲型衝突セルＱ２を備える。湾曲型衝突セルＱ２は、直線区間または部分４０と、湾曲区間または部分４と、第２の短太体ＳＴ２から前駆体イオンを受け入れるための入口開口ＩＱ２と、領域Ｑ２のその通過の間、前駆体イオンから発生される生成イオンを含む、イオンを解放するための出口開口ＩＱ３とを備える。第２のイオンガイド領域Ｑ２は、以下に詳述される。
【００１９】
また、示される実施形態では、ＭＳ２０は、第３の短太体ＳＴ２と、第３のイオンガイド領域Ｑ３と、出口レンズ３２と、検出器３６とを備える。第３の短太体ＳＴ３は、開口ＩＱ３に隣接して、領域Ｑ２からのイオンを受け入れる。順に、第３の短太体ＳＴ３内のイオンは、第３の領域Ｑ３を通って、レンズ３２を介して、検出器３６内に進行する。
【００２０】
当業者には、領域Ｑ２以外のＭＳ２０の部分の好適な構造および操作方法が公知であって、その正確な構成が、特に限定されていないことを理解するであろう。故に、それらの部分および操作のさらなる議論は、領域Ｑ２に関する議論に対応するものに限定される。当業者は、本明細書の教示に従って、湾曲型衝突セルと使用するために好適な質量分析計の多くの種類および構成が利用可能であって、恐らく、今後も開発されるであろうことをさらに理解するであろう。本教示におけるイオンガイド領域Ｑ０、Ｑ１、Ｑ２、およびＱ３と、短太体ＳＴ１、ＳＴ２、およびＳＴ３とから成る、典型的イオンガイドは、当該分野において公知のように、概して、構造的支持のために必要とされる補助的構成要素に加えて、少なくとも１つの電極を含み得る。種々の実施形態では、例えば、電極は、４（四重極）、６（六重極）、８（八重極）以上の複数のロッドのロッドセットとして、または複数のリングのセットとして、構成可能であって、衝突セルは、衝突ガスの収容を補助する外筒またはシェルとともに構成され得る。
【００２１】
次に、図２を参照すると、湾曲型衝突セルＱ２が、さらに詳細に示される。領域Ｑ２は、略線形、すなわち、直線区間４０と、湾曲区間４４とを備える。図２に示されるように、線形区間４０は、ＡおよびＢとして示される線の間にある一方、湾曲区間４４は、ＢおよびＣとして示される線の間にある。操作時、多くの状況下、領域Ｑ２全体に分散され得る２８Ｄａの特定の質量を有する衝突ガス、例えば、窒素を領域Ｑ２内に提供することは有益である。質量分析計内の衝突ガスの使用、その使用が有益である条件、および種々の種類の衝突ガスは、当業者によって十分理解されている。
【００２２】
本実施形態では、直線区間４０の所望の長さＡ−Ｂは、以下のパラメータを使用して決定可能である。
ａ）開口ＩＱ２を介した領域Ｑ２への進入に伴う前駆体イオンの運動エネルギー
ｂ）領域Ｑ２内の温度および圧力
ｃ）領域Ｑ２内の衝突ガスの特定の質量および他の特性
ｄ）所望の前駆体イオンが分裂するために必要とされる内部エネルギー量
ｅ）領域Ｑ２内のイオンガイドに印加される電圧の高周波（「ＲＦ」）振幅
比較のため、第２のイオンガイド領域Ｑ２ＰＡと称される、従来のＵ字型衝突セルの図が、図３に示される。イオンガイド領域Ｑ２ＰＡは、イオンガイド領域Ｑ２の構造の大部分を共有し、したがって、イオンガイド領域Ｑ２内の要素に対応するイオンガイド領域Ｑ２ＰＡ内の要素は、「従来技術」を表す添え字「ＰＡ」が続くことを除き、同一参照文字を伴う。したがって、当業者は、イオンガイド領域Ｑ２ＰＡがイオンガイド領域Ｑ２内の線形区間４０に対応する任意の直線区間を含まないことを除き、イオンガイド領域Ｑ２ＰＡが、イオンガイド領域Ｑ２と実質的に同一であることを認識するであろう。イオンガイド領域Ｑ２ＰＡの代表的実施例は、Ｖａｒｉａｎ， Ｉｎｃ．（Ｐａｌｏ Ａｌｔｏ， Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）から市販の１２００Ｌ Ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ ＬＣ／ＭＳシステム内に組み込まれる。
【００２３】
本発明者らは、線形区間４０が、従来未知かつ予想外の改良点を当該技術にもたらすことを見出した。その際、本発明者らは、湾曲型衝突セル内の軸方向距離および圧力に応じて、イオンが有する運動エネルギー量を計算するために使用可能なモデルを適用した。Ｃｏｖｅｙ ａｎｄ Ｄｏｕｇｌａｓ（ＪＡＳＭＳ １９９３，４，６１６−６２３）のエネルギー損失モデルは、前駆体イオンの運動エネルギーを記述するために使用可能な関係の実施例である。本モデルでは、イオンの運動エネルギーＥは、式１を使用して求められ得る。
【００２４】
【化１】
式１中、
ｎは、衝突ガス密度
ｌは、経路長
σは、衝突断面積
ｍ１は、イオンの質量
ｍ２は、衝突ガス（典型的には、窒素、２８Ｄａ）の質量
Ｅ０は、イオンの初期運動エネルギー
イオンが領域Ｑ２、Ｑ２ＰＡ内に閉じ込められるためには、イオンガイド軸に垂直のイオンの運動エネルギーは、擬ポテンシャル井戸深度未満であることが必要である。
【００２５】
擬ポテンシャル井戸深度は、領域Ｑ２、Ｑ２ＰＡ内のイオンガイドのＲＦ径方向閉じ込め場の時間平均ポテンシャルである。擬ポテンシャル井戸深度は、例えば、式２（Ｈ．Ｇ． Ｄｅｈｒｎｅｌｔ， Ａｄｖ． Ａｔｏｍ． Ｍｏｌ． Ｐｈｙｓ． ３， ５３−７２ （１９６７）参照）を使用して計算され得る。
【００２６】
【化２】
式中、Ｖｒｆは、ＲＦ電圧振幅（ゼロからピーク値、極から接地）であって、ｑｕは、式３によって定義されるＭａｔｈｉｅｕパラメータである。
【００２７】
【化３】
式中、ｒ０は、湾曲型衝突セルＱ２、Ｑ２ＰＡ内のイオン経路４６、１２０の平均半径であって、Ωは、ＲＦ電圧周波数である。
着目パラメータは、イオンガイドの軸に垂直のイオンの運動エネルギーＥである。三連四重極ＡＰＩ４０００ＬＣ／ＭＳ／ＭＳ Ｓｙｓｔｅｍ（ＡＰＩ４０００は、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｂｉｏｓｙｓｔｅｍｓ／ＭＤＳ Ｓｃｉｅｘの商標である）等の多重イオンガイド質量分析計に一般的に適用される形状、操作条件、および分析に関して、Ｑ２、Ｑ２ＰＡ等の湾曲型衝突セルにおいて問題となり得る点は、図４に表されており、湾曲区間４４のイオン経路が、長さ約１５ｃｍであって、領域Ｑ２、Ｑ２ＰＡが、約９０°の湾曲を有する。（図４は、縮尺通りではないことに留意されたい）。図４を参照すると、図４に示される湾曲区間への距離Ｚｍｍでは、イオンガイド縦軸１２０に垂直の運動エネルギー量（Ｅ┴）が、イオンガイドのトラッピングポテンシャルを克服するために十分である場合、イオンは、外側ロッド４８と衝突するであろう。
【００２８】
１８０°および長さ約１５センチメートル（ｃｍ）のＱ２区間湾曲の場合、ｒ＝４７．７４６ミリメートル（ｍｍ）およびｒ’＝５１．９１７ｍｍである図４に示される形状に対して、ｚ＝２０．４ｍｍ（およびθ＝２３．１°）となる。したがって、Ｚは、湾曲区間４４ＰＡの開始点であるイオンガイド縦軸４６、１２０から開始するイオンが、電極と衝突するまで、直線に進行可能である距離である。本距離および角度では、Ｅ┴＝０．３９２＊Ｅ（すなわち、Ｅ┴＝ｓｉｎ（θ）＊Ｅ）となる。
【００２９】
実施例として、領域Ｑ２、Ｑ２ＰＡのｑｕ＝０．２８２４（ｍ／ｚ（Ｑ３）＝６０９．２、比率ｑｕ（Ｑ２ＰＡ）＝０４ｑｕ（Ｑ３）に対応する）、Ｆ＝８１６ｋＨｚ、ｒ０＝４．１７１ｍｍ、およびＶｒｆ＝２０３．８Ｖ時のイオンレセルピンのトラッピングポテンシャル（質量／電荷（ｍ／ｚ）＝６０９．２、σ＝２８０Å２）は、１４．４ｅＶである。前駆体イオンは、前駆体イオンの電極への衝突またはそこからの抜け出しを防止するために、Ｅ┴が約１４．４ｅＶ未満となるように、十分な運動エネルギーを損失しなければならないであろう。
【００３０】
図５は、３つの異なる圧力における窒素への距離に応じた、６０９．２の質量電荷比（ｍ／ｚ）を有するイオン、例えば、レセルピンイオンの運動エネルギーを示す。イオンが、直線に進行し、径方向閉じ込め障壁を通過するために十分な運動エネルギーを有する場合、湾曲の入口から約２０．４ｍｍの最小距離で、イオンガイド電極、または衝突セルの他の補助的構成要素と衝突するであろう。
【００３１】
障壁を通過するためには、イオンは、Ｚ方向に、Ｅ┴＝１４．４ｅＶに対応する約３６．７ｅＶを超える運動エネルギーを必要とするであろう。図５は、約５０ｅＶの運動エネルギーで領域Ｑ２内に注入されたレセルピンイオンが、十分なエネルギーを損失し、約５．０および約１０．０ｍトールの窒素では、イオンガイドロッドと衝突しない（すなわち、「トラッピングされる」）ことを示す。しかしながら、約１．０ｍトールでは、イオンは、径方向閉じ込め障壁を克服するために十分なエネルギーを有し、イオンガイド電極、または衝突セルの他の補助的構成要素と衝突する。
【００３２】
また、ＭＳ／ＭＳ実験の間、領域Ｑ２、Ｑ２ＰＡのイオンガイドのトラッピングポテンシャルは、領域Ｑ３質量分解能構成に応じて変動することに留意されたい。これは、従来の三連四重極質量分析計（すなわち、領域Ｑ２ＰＡが、領域Ｑ２の代わりに、ＭＳ２０内で使用される）では、ＲＦ振幅は、Ｑ３質量分析四重極から導出されるためである。上述が、ＡＰＩ４０００（領域Ｑ２が全体的に線形衝突セルから成ることを除き、ＭＳ２０と類似構造を有する、公知の従来の三連四重極質量分析計（以下、Ｑ２ＰＡＬ））で行なわれる時、ｑｕ（Ｑ２ＰＡＬ）／ｑｕ（Ｑ３）の比率は、約０．４である。例えば、Ｑ１が質量分析モードで動作していて、６０９ｍ／ｚのみの前駆体イオンを通過させる場合、前駆体イオンは、５０ｅＶの平均運動エネルギーでＱ２ＰＡＬに進入可能である。Ｑ２ＰＡＬでは、前駆体イオンは、衝突ガスと衝突することが予想され得、例えば、４４８ｍ／ｚ、３９７ｍ／ｚ、１９５ｍ／ｚ等のＱ３を通過する生成イオンを発生するように分裂し得る。Ｑ３が質量分析モードで動作するとき、低質量から高質量（例えば、１５０−６５０ｍ／ｚ）にかけて走査し得る。実質的に、Ｑ２ＰＡＬセル内で発生される６０９ｍ／ｚの全分裂片は、ＲＦ振幅および分解直流（ＤＣ）電圧の特定の組み合わせによって決定される質量のみ伝達させる（すなわち、通過させる）、Ｑ３分析四重極内に通過することが予想され得る。Ｑ２ＰＡＬ区間は、Ｑ２に印加される電圧のＲＦ振幅がＱ３に印加されるものに追従するように、Ｑ３に容量的に結合され得る。ＡＰＩ４０００システムで行なわれる時、ｑｕ（Ｑ２ＰＡＬ）／ｑｕ（Ｑ３）の比率は、約０．４である。
【００３３】
しかしながら、ＭＳ２０が図１に示されるように構成される本実施形態では、ｑｕ（Ｑ２）／ｑｕ（Ｑ３）は、有利に、約０．６まで増加した。また、領域Ｑ３質量分析四重極は、質量によって走査されるが、Ｑ１質量分析四重極は、前駆体イオン質量に固定されたままであることを認識されたい。これは、領域Ｑ２のＲＦ振幅が、領域Ｑ１ＲＦ振幅の一定の比率ではなく、領域Ｑ２内の前駆体イオンのトラッピングポテンシャルが、Ｑ３質量分解能設定に応じて変動する、すなわち、Ｑ３上に存在するＲＦ振幅に応じて変動することを意味する。
【００３４】
図６は、ｑｕ（Ｑ２）≒０．４ｑｕ（Ｑ３）およびｑｕ（Ｑ２）≒０．６ｑｕ（Ｑ３）の両方の場合の前駆体イオンレセルピン（ｍ／ｚ＝６０９．２）を示す。径方向トラッピングポテンシャルは、Ｑ３質量の増加に伴って、Ｑ３ＲＦ振幅の２乗に比例して増加する。当業者には公知のように、四重極質量分析器では、伝達質量は、４つのロッド電極（それぞれ、２つのロッドの２極）に印加されるＲＦおよびＤＣポテンシャルに応じる。ＲＦおよびＤＣポテンシャルを適切に増減することによって、より大きな質量のイオンを伝達させることが可能となる。
【００３５】
上述の計算は、イオンが湾曲型衝突セル（領域Ｑ２ＰＡ、または領域Ｑ２の湾曲区間４４等）内へのイオン注入の間存続すべき場合、イオンは大きすぎる運動エネルギーを有してはならず、または衝突セル圧力が低過ぎてもならないことを示す。衝突セル圧力を増加させることは、イオンの運動エネルギーを許容可能レベルに低減する方法の１つである。しかしながら、高活性エネルギーを伴うイオンは、セル圧力の大幅な増加を必要とする場合があり、質量分析四重極内に悪影響をもたらし得る。例示的悪影響の１つは、質量分析真空室内の圧力における上昇である。これは、最適条件を満たさないイオン検出器の動作をもたらし得る。他の悪影響として、特に、より軽いイオンに関して、イオン散乱による感度の損失が挙げられ得る。故に、衝突ガスが使用される場合、相応じて、その圧力が調節され得る。
【００３６】
領域Ｑ２における湾曲区間４４への直線区間４０の提供によって、湾曲区間４４への遭遇に先立って、イオンのある程度の運動エネルギーを消散させ、それによって、湾曲区間４４内のイオン存続の可能性を向上させる。
【００３７】
湾曲型衝突セル内に印加されるポテンシャル場の不連続または他の不規則性を回避するためには、種々の図に示されるような直線および湾曲区間が、一体型電極から一体的に形成される、そのようなセルを提供することは有益であり得る。
【００３８】
イオン軌道シミュレータを使用して、シミュレーションを行なった。シミュレータは、３次元空間における例示的電極をモデル化した。タウロコール酸イオンのイオン質量（ｍ／ｚ＝５１４）の軌道を実施した。シミュレーションは、領域Ｑ２ＰＡの形態で構築された領域と、領域Ｑ２の形態で構築された領域とに対して行なった。
【００３９】
領域Ｑ２に対して、直線区間４０は、長さ約４ｃｍであった。領域Ｑ２およびＱ２ＰＡに対して、湾曲区間４４および４４ＰＡの曲率半径は、約４５ｍｍであった。領域Ｑ２およびＱ２ＰＡはそれぞれ、Ａ極およびＢ極を備え、それぞれが２つの電極を有し、合計４つのロッド（四重極）であった。ＲＦ信号は、Ａ極とＢ極間で１８０度位相がずれていた。シミュレーションは、２つの異なるＲＦ周波数８１６および９４０ｋＨｚで行なった。初期イオンエネルギーは、１００ｅＶに設定され、圧力は、窒素１０ｍトールとし、衝突断面積は、２２５Å２であった。タウロコール酸は、約２８０Å２の測定衝突断面積を有するレセルピンの構造と類似する。タウロコール酸は、若干小さく、したがって、本イオンの合理的衝突断面積は、約２００Å２−２５０Å２であると予想されるであろう。無作為に選択されるＲＦ位相および位置の初期開始条件を伴うイオンに対して、１０軌道が実行された。また、１０Ｖ／ｍのドリフト電場を印加し、軸方向勾配の影響をシミュレートした。衝突セルの湾曲区間は、図７に示されるように、電極の半径３度以内に画定される電極の一区間、すなわち、「ウェッジ」またはスライスを使用することによって生成された。３度区間からの出るイオンの最終条件は、図７に示されるように、次の３度区間の初期開始条件として使用した。シミュレーションは、イオンが湾曲区間から出（すなわち、衝突セルから抜け出す）、軌道が電極上で終端（すなわち、イオンが電極と衝突）するか、または少数の例ではあるが、イオンが十分な運動エネルギーを損失し、衝突ガスとの衝突がウェッジの入口で出し尽くされたため、イオン軌道が停止するまで継続された。後者の条件は、単に、シミュレータのアーチファクトであって、イオン運動エネルギーが十分低く、電極と衝突しないことを暗示する。この場合、イオンは、湾曲区間の伝達の間存続したとして扱われ得る。
【００４０】
図８は、シミュレーションで使用される、領域Ｑ２ＰＡの図を示し、図９は、領域Ｑ２の図を示す。ＲＦ周波数は、図８および９に示される両シミュレーションの結果に対して、９４０ｋＨｚであった。Ｑ２およびＱ２ＰＡのＲＦ振幅は、Ｑ３に印加されるものの５５％であった。これは、実際のＲＦ振幅比をシミュレートする。これは、イオンがＱ２またはＱ２ＰＡに進入する時、ｑｕ＝０．３８８で５１４ｍ／ｚとなり、Ｑ３は、５１４ｍ／ｚを伝達するように設定された。Ｑ３が質量を分析する場合、イオンは、ｑｕ＝０．７０６で伝達されることに留意されたい。Ｑ３が８０ｍ／ｚを伝達させるように設定された場合、衝突セルのｑｕ値は、５１４ｍ／ｚに対して０．０６０であるのに対して、８０ｍ／ｚの場合、ｑｕ値は、０．３８８となるであろう。
【００４１】
図８では、イオンは、１００ｅＶの運動エネルギーおよび窒素１０ｍトールで、領域Ｑ２ＰＡ内に注入された。結果は、開始時、５１４ｍ／ｚの１０イオン中１０イオンが、セルの伝達の間存続したことを示す。対照的に、分裂片８０ｍ／ｚに対応するＲＦ振幅では、５１４ｍ／ｚの軌道はすべて、領域Ｑ２ＰＡの入口近傍の電極で終端または「衝突」した。領域Ｑ２ＰＡの入口は、グラフの上半分である。
【００４２】
図９は、湾曲区間４４に加えて、４ｃｍの直線区間４０を備える、Ｑ２区間のシミュレーションの結果を示す。あらゆる他の初期条件は、図８と同一とした。結果は、ＲＦ振幅がより低い質量分裂片に対して設定される時、領域Ｑ２の伝達の間存続する５１４ｍ／ｚイオンの数が増加することを示す。これは、ＲＦ振幅が、領域Ｑ２ＰＡ内の正常な伝達に対して低過ぎるレベルまで低下した場合、区間Ｑ２の直線区間４０が、セルの伝達の間存続するために、十分な運動エネルギーを５１４ｍ／ｚのイオンが損失することを可能にしたことを意味する。
【００４３】
タウロコール酸分子の実験を行なった。本分子は、質量５１４ｍ／ｚのマイナスイオンを形成する。タウロコール酸の主要分裂は、８０ｍ／ｚで生じる。上述のように、タウロコール酸は、約２８０Å２の測定衝突断面積を有するレセルピンの構造と類似する。タウロコール酸は、レセルピンよりも若干小さく、したがって、本イオンの合理的衝突断面積は、約２００Å２乃至約２５０Å２であるだろう。また、タウロコール酸のイオンは、分裂が困難であって、効率的分裂のためには、９０ｅＶを超える衝突エネルギーを必要とする。本イオンの小サイズおよび靭性は、領域Ｑ２ＰＡの代わりに、領域Ｑ２の利点を実証するために理想的である。Ｑ２衝突セルのＲＦ振幅の比は、Ｑ３質量分析四重極に印加されるものの５５％であった。これは、Ｑ３が８０ｍ／ｚを分析するように設定される時、Ｑ２のｑｕ値は、５１４ｍ／ｚの場合、０．０６０であって、８０ｍ／ｚの場合、０．３８８であることを意味する。また、本実験では、領域Ｑ２の湾曲区間４４は、セルの縦軸において５０ｍｍの半径を有する一方、直線区間４０は、長さ２５ｍｍであったことに留意されたい。
【００４４】
図１０に示されるデータは、２つの異なる計器上で取得された。領域Ｑ２ＰＡ（すなわち、湾曲区間４４ＰＡのみを伴う）は、８１６ｋＨｚで動作した。対照的に、領域Ｑ２は、２５ｍｍの長さを伴う直線区間４０を含み、９４０ｋＨｚの周波数で動作した。Ｑ３に対する衝突セルのＲＦ振幅の比は、両システムに対して５５％であった。直線区間と湾曲型衝突セルのデータから、タウロコール酸を分裂させ、８０ｍ／ｚ分裂片を伝達させる際、はるかに効率的であることが明らかである。周波数の影響は、式２および３を検討することによって理解され得る。擬ポテンシャル井戸深度は、同一ｑｕ値における９４０ｋＨｚ計器（すなわち、Ｑ２）と比較して、８１６ｋＨｚ計器（すなわち、Ｑ２ＰＡ）の場合、０．７５４倍、（８１６ｋＨｚ／９４０ｋＨＺ）２となるであろう。
【００４５】
図１０は、５１４ｍ／ｚ乃至８０ｍ／ｚの分裂の％分裂を示す。％分裂は、イオンエネルギー２０ｅＶ時、衝突セル内に衝突ガスを伴わない、５１４ｍ／ｚの強度によって除される、衝突エネルギー１００ｅＶ時の８０ｍ／ｚ分裂の強度として定義される。領域Ｑ２ＰＡ（すなわち、衝突セルの前に直線区間４０を伴わない）では、分裂効率は、ガスセル内の窒素３４ｍトールで最大化する。領域Ｑ２（すなわち、２．５ｃｍの直線区間４０を伴う）では、最大分裂効率は、約９．５ｍトールの圧力で生じる。領域Ｑ２内の直線区間４０の利益は、効率的分裂のために必要とされる衝突セル圧力の低下である。このように実現される利点の中でも、イオンの散乱等の結果として生じる減少とともに、Ｑ１、Ｑ３、および検出器内に維持される高真空領域のためのポンピング要件の低減が挙げられる。最大衝突セル圧力制限が１０ｍトールに設定される場合、分裂効率の利得は、図１０のデータでは、８．５倍となるであろう。
【００４６】
８１６から９４０ｋＨｚへの駆動周波数の増加は、イオンの閉じ込めのために有益であるが、軽度の影響とみなされ得る。これは、例えば、８１６および９４０ｋＨｚの駆動周波数がＱ２ＰＡおよびＱ２の両方に使用された図１１のシミュレーション結果によって示される。図１１は、駆動周波数の差異が、衝突セルの前の直線区間４０の追加と比較して、軽度の影響であることを示す。また、駆動周波数の大幅な増加（例えば、２倍以上）は、前駆体イオンを衝突セル内に径方向に閉じ込めたままにするために十分な擬ポテンシャル井戸深度をもたらすことが予想される。しかしながら、ある状況における可能性のある不利点は、式３によって決定される起こり得る質量範囲の関連減少であろう。最大質量範囲は、イオンガイド電源から利用可能な電圧によって決定され得る。また、電圧制限は、放電、トラッキング、および／または絶縁破壊が生じ得る電圧によって決定される。ある時点では、より高い電圧は、異なる種類の電気フィードスルーを必要とし、フィードスルーは、最大電圧制限によって設計および定格されるため、より高い電圧の使用は、より高い定格電気フィードスルーの使用を必要とする可能性があり、価格の割増しに関連し得る。結果として、イオンガイドへの室壁のより高い電圧の通過は、市販の計器のコストを増加し得る。周波数を単に２倍にすることは、擬ポテンシャル井戸深度を４倍増加させる一方、質量範囲もまた、４分の１に減少し、必ずしもではないが、潜在的に、市販の計器において、望ましくない影響となり得る。
【００４７】
本出願人の教示は、直線前区間および可変半径の湾曲区間を有する湾曲型衝突セルをさらに含む。
【００４８】
本明細書の教示による前直線区間を有する湾曲型衝突セルの設計に伴って、大幅な数の変数が存在する。これらは、衝突セル圧力、初期イオン運動エネルギー、着目イオンの衝突断面積、中性衝突相手（例えば、衝突ガス）の質量、および着目イオンが電極と衝突する（または衝突セルから抜け出す）のを防止するために必要とされる擬ポテンシャル井戸深度を含むが、それらに限定されない。さらに、擬ポテンシャル井戸深度は、衝突セルの場半径、衝突セルの駆動周波数、および着目イオンの質量を含む、因子に依存する。加えて、イオンガイド電極または他の衝突セル構成要素のサイズ、印加されるポテンシャル、および電極間の空間のため、物理的制限が存在する。
【００４９】
解離（すなわち、分裂）を生じさせるために小運動エネルギーのみを必要とする脆弱なイオンは、Ｑ２衝突セルへの短距離内で完全に解離（すなわち、分裂）され得、したがって、直線区間において、最小限の運動エネルギー減少のみを必要とする。故に、可変有効長の直線区間が企図される。例えば、本開示に精通した当業者によって理解されるように、所望の地点で運動エネルギーを減少するために必要とされるものよりも長い直線区間４０が提供される場合、所望の運動エネルギーを維持するために、そのような直線（および／または湾曲）区間において、ＲＦおよび／またはＤＣ場が使用され得る。これは、例えば、可変物理長の直線区間４０を使用する必要性をなくし得る。
【００５０】
分裂がより困難なイオンは、より高い衝突エネルギーを必要とする場合があり、したがって、他のパラメータは同等に保持されたまま、より長い直線区間４０を伴う構成を使用することによって、利点をもたらし得る。故に、本出願人は、パラメータの均衡を選択するための考慮によって、分裂効率および衝突セルＱ２の生成物および前駆体イオンの伝達の両方を向上させることが可能であると認識する。例えば、種々の実施形態では、ＳＴ２とＩＱ２との間のＤＣ場の加速等の適切な手段によって、前駆体イオンに十分な運動エネルギーを印加することによって、衝突セルＱ２の直線区間４０内の分裂が困難な前駆体イオンの解離を生じさせることが可能である。結果として得られる生成イオンおよび任意の残留前駆体イオンは、直線区間４０内にある間、継続して高レベルの運動エネルギーを有することが可能である。結果として、直線区間４０に十分な長さを提供することによって、これらのイオンは、湾曲区間４４の伝達の間存続するために、十分な運動エネルギーを損失可能である。前駆体イオン（または生成イオン）のさらなる解離は、伝達の間、湾曲区間４４内で生じ得る。
【００５１】
本教示は、衝突セルの直線または湾曲区間内の前駆体イオンの分裂を記載するが、種々の実施形態では、当業者によって理解されるように、解離せずに、イオンまたは複数のイオンが衝突セルに入りおよびそこから出ることを可能にすることが有益である状況が生じ得る。概して、前駆体イオン、前駆体イオンの以前の解離に付随する生成イオン、またはそれらの組み合わせと称されるかにかかわらず、イオンは、直線区間４０に進入し、直線区間４０の長さを横断する間、所望の量の運動エネルギーを損失する。衝突解離がない場合、イオンは、衝突セルからの抜け出しまたはそこに接触せずに、湾曲部分内およびそこを通る通過の間存続可能である。上述のように、衝突解離がある場合は、イオンは、衝突セルからの抜け出しまたはそこに接触せずに、湾曲部分内の通過の間存続可能であって、生成イオンを発生させる分裂を生じる。
【００５２】
湾曲区間４４の実際の物理的寸法は、特定のイオンの最適分析のための対応する直線区間４０の必要長を決定し得る。また、湾曲区間４４の湾曲度は、区間４０の長さの計算に影響を及ぼすであろう。例えば、１８０度湾曲区間４４に進入するイオンは、より小さい全曲率の湾曲区間４４を有する衝突セルに進入する同等イオンよりも短い距離で、外側電極に遭遇するであろう。
【００５３】
また、他の考慮も、湾曲型衝突セルの設計選択に影響を及ぼし得る。衝突セルを湾曲させる目的の１つは、所望のイオン経路長に対応する計器の全体的物理長の減少である。したがって、質量分析計器の全体的物理長を最小限にする観点から、イオン経路の全長が直線イオン経路の全長を超える点まで、直線区間４０の長さを増加させることは、Ｑ２衝突セルを湾曲させる目的に反する傾向になり得る。
【００５４】
長さＬのイオン経路を提供する四重極分析器は、１８０度湾曲された場合、衝突セルの最長寸法に対して、約０．６８Ｌの物理長を節約する、半径Ｌ／πの分析器を形成するであろう。９０度衝突セルを湾曲させることは、半径２Ｌ／πの衝突セルに、最長寸法に対して、約０．３６Ｌの結果として得られる節約を提供するであろう。直線イオン経路と比較した湾曲イオン経路の全長に対して、衝突セルに続く光学（すなわち、Ｑ３四重極、検出器等）の長さがさらに節約される。図１２は、直線型衝突セル（Ｑ２）を利用する典型的三連四重極を示す。距離ＸＬは、衝突セルと、衝突セルの下流に続く光学との長さである。
【００５５】
図１３から１５は、衝突セルの湾曲区間４４の前（すなわち、上流）に直線区間４０を有する、湾曲型衝突セルのいくつかの変形例を示す。衝突セルを湾曲させることによって、長さＸＬを図１３−１５に示される長さＸＢ、ＸＣ、ＸＤに減少させ、計器内に提供されるイオン経路の対応する部分と比較して、より短い全長をもたらす。図１３では、湾曲は、９０度未満であって、所与の直線軸方向線に沿って、イオン経路の全長に比較的小さい減少をもたらす。図１４では、湾曲部分４４は、９０度の曲りを備え、図１３の低湾曲部分によって提供されるものよりも短い全長と、同一総イオン経路長を有する図１２の計器のものよりも大幅に短い全長を提供する。１８０度の曲りの湾曲区間４４を備える、図１５に示される衝突セルは、さらに短い全長である。図１３−１５のそれぞれでは、衝突セル内に提供されるイオン経路は、例えば、一般的な現在の用途における約１ミリメートルからＸＬ−Ｘ’ｕの最大値の範囲であり得る短直線区間を含む（式中、Ｘ’ｕ（Ｕ＝Ａ、Ｂ、またはＣ）は、長さゼロの直線区間の場合によって決定される）。図１６では、直線区間は、その最大値と等しく、図１２に示される直線イオン経路の長さと等しい湾曲イオン経路をもたらす。図１６は、直線区間４０の最大長を示す。
【００５６】
１８０度の湾曲型衝突セルの場合、最小半径は、分析四重極（例えば、Ｑ１、Ｑ３）の物理長によって制限され得る。例えば、図１７ａは、半径「ｒ」の平均半径（すなわち、衝突セルの中心軸４６までの半径）を有する湾曲区間４４を伴う、湾曲型衝突セルを示す。それぞれの分析四重極Ｑ１、Ｑ３の各電極９８は、対応する支持カラー９９内に含まれ得る。支持カラー９９は、四重極の整列を保持および維持し、電極９８への電気接続を容易にするための構造を提供可能である。場半径ｒ０（図１７ｂに示される分析四重極によって範囲指定される内接円の半径として定義される）を含む、四重極の寸法と、実践的機械的理由とに応じて、支持カラーの内外半径は、最小値に制約され得る。図１７ａに示される構成では、分析四重極Ｑ１は、分析四重極Ｑ３に本質的に隣接および平行して位置付けられるように想定され得、この近接近では、組み合わされた支持カラーの外半径は、平均半径「ｒ」を決定するための制限因子となり得る。例示的実施形態では、各支持カラーの外径は、約９．５ｒ０、およびｒ０＝４．１７ｍｍであり得る。故に、Ｑ１およびＱ３支持カラーが、互いに略接触するように整列され得る場合、平均半径「ｒ」の最小値は、約１９．８ｍｍであり得る。したがって、湾曲型衝突セルの軸長は、πｒ、すなわち、６２．２ｍｍと等しい。
【００５７】
上述のように、４５ｍｍと等しい半径ｒ、すなわち、４５／４．１７＝１０．７９ｒ０の湾曲型衝突セルの場合、湾曲軸、すなわち、平均イオン経路４６の長さは、１４１．４ｍｍである。
【００５８】
上述のように、湾曲区間は、直線区間に嵌合または物理的に結合されるが、しかしながら、また、本出願人の教示は、直線前区間を伴う湾曲型衝突セルが、例えば、図１８に示されるように、モジュール式の２つ以上の中間部分または区間を備える実施形態も提供する。そこでは、直線区間Ｑ２Ａは、湾曲区間Ｑ２Ｂおよびイオンガイド領域Ｑ１からモジュール化されていることが分かる。これは、異なる実施形態における可変分析ニーズに対応するために、例えば、それぞれの直線および／またはそれぞれの湾曲区間４０、４４（それぞれ、Ｑ２ＡおよびＱ２Ｂとして図１８に示す）を交換する可能性を提供する。
【００５９】
本出願人の教示は、種々の実施形態に関連して記述されるが、本出願人の教示が、そのような実施形態に限定されることを意図するものではない。反対に、本出願人の教示は、当業者によって理解されるように、広範な代替例、修正例、および同等物を包含する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの電極を含む衝突セルであって、
第１の端部で前駆体イオンを受け入れるための入口を有する直線区間であって、該前駆体イオンを分裂させ、生成イオンを発生させること、第１の端部から第２の端部への該直線区間の通過に伴って、該前駆体イオンの運動エネルギーを損失させること、および該第１の端部から該第２の端部への該直線区間の通過に伴って、該生成イオンの運動エネルギーを損失させること、のうちの少なくとも１つを行なうように構成される、直線区間と、
該直線区間の該第２の端部下流の湾曲区間であって、該前駆体イオンを分裂させ、そこから生成イオンを発生させるように構成される、湾曲区間と
を備える、衝突セル。
【請求項２】
前記衝突セルは、四重極セットを備える、請求項１に記載の衝突セル。
【請求項３】
前記直線区間および前記湾曲区間は、嵌合される、請求項１に記載の衝突セル。
【請求項４】
中間区間が、前記直線区間と前記湾曲区間との間に配置される、請求項１に記載の衝突セル。
【請求項５】
前記直線区間は、長さ約２５ミリメートル乃至４センチメートルであって、前記湾曲区間は、その縦軸に沿って、約４５ミリメートル乃至約５０ミリメートルの湾曲の平均半径を有する、請求項１に記載の衝突セル。
【請求項６】
衝突セルを製作するための方法であって、
前駆体イオンを選択するステップと、
該前駆体イオンから生成イオンを発生させるための、所望の半径、軸方向距離、電極の数および構成、動作圧力、ならびに動作周波数を含む、該衝突セルの湾曲区間のパラメータを決定するステップと、
第１のレベルの運動エネルギーを決定するステップであって、該前駆体イオンが該第１のレベルで該衝突セル内に導入されると、該第１のレベルの運動エネルギーは、該前駆体イオンを該電極のうちの１つにクラッシュさせる、ステップと、
第２のレベルの運動エネルギーを決定するステップであって、該前駆体イオンが該第２のレベルで該衝突セル内に導入されると、該前駆体イオンに該湾曲区間の通過の間存続させる、ステップと、
該湾曲区間に接続される該衝突セルの直線区間の長さを選択するステップであって、
該長さは、スパンに基づき、該スパンは、該前駆体イオンが、該スパンに沿って進行する間に、第３のレベルの運動エネルギーを損失させるために必要とされ、該第３のレベルの運動エネルギーは、該第１のレベルと該第２のレベルとの間の差と略等しい、ステップと
を包含する、方法。
【請求項７】
前記電極の数および構成は、少なくとも１つの四重極セット備える衝突セルを提供するように選択される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記衝突セルを構築するステップをさらに包含し、
該ステップは、
前記直線区間が、前記長さと前記前駆体イオンを受け入れるための入口とを有するステップであって、該直線区間は、前記前駆体イオンが該直線区間の通過に伴って運動エネルギーを損失することを可能にする、ステップと、
湾曲区間が、その第１の端部で、前記直線部分および前記入口と反対の該直線区間の一端と融合するステップであって、該湾曲区間は、該前駆体イオンの衝突がそこから前記生成イオンを発生させることを可能とする、ステップと
を有する、
請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記直線区間は、長さ約２５ミリメートル乃至約４センチメートルであって、前記湾曲部分は、その縦軸に沿って、約４５ミリメートル乃至約５０ミリメートルの湾曲の平均半径を有する、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１のレベルの運動エネルギーを決定するステップは、前記軸方向距離および前記圧力に応じて、前記前駆体イオンの運動エネルギー量を計算するためのモデルに基づく、請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
前記第２のレベルを決定するステップは、前記湾曲区間内に前記前駆体イオンを閉じ込めるために必要とされるエネルギー量を決定するステップに基づき、該湾曲区間の軸に垂直の前記前駆体イオンの運動エネルギーは、前記電極の擬ポテンシャル井戸深度未満である、請求項６に記載の方法。
【請求項１２】
湾曲区間および該湾曲部分の入口で結合される直線区間を備え、該直線区間は、該直線区間に進入するイオンの所望の量の運動エネルギーを損失させるように選択される長さを有し、該イオンが該湾曲区間に進入すると、該イオンは、前記衝突セルから抜け出すことも、そこに接触することもなく、それによって、該湾曲部分内の通過の間存続する、
質量分析計用衝突セル。
【請求項１３】
衝突セルによって相互接続される四重極領域のうちの少なくとも２つを備え、
該衝突セルは、
湾曲区間および該湾曲区間の入口で接続される直線区間を含み、該直線区間は、該直線区間に進入するイオンの所望の量の運動エネルギーを損失させるように選択される長さを有し、該イオンが該湾曲区間に進入すると、該イオンは、該衝突セルから抜け出すことも、そこに接触することもなく、それによって、該湾曲部分内の通過の間存続する、
質量分析計。
【請求項１】
少なくとも１つの電極を含む衝突セルであって、
第１の端部で前駆体イオンを受け入れるための入口を有する直線区間であって、該前駆体イオンを分裂させ、生成イオンを発生させること、第１の端部から第２の端部への該直線区間の通過に伴って、該前駆体イオンの運動エネルギーを損失させること、および該第１の端部から該第２の端部への該直線区間の通過に伴って、該生成イオンの運動エネルギーを損失させること、のうちの少なくとも１つを行なうように構成される、直線区間と、
該直線区間の該第２の端部下流の湾曲区間であって、該前駆体イオンを分裂させ、そこから生成イオンを発生させるように構成される、湾曲区間と
を備える、衝突セル。
【請求項２】
前記衝突セルは、四重極セットを備える、請求項１に記載の衝突セル。
【請求項３】
前記直線区間および前記湾曲区間は、嵌合される、請求項１に記載の衝突セル。
【請求項４】
中間区間が、前記直線区間と前記湾曲区間との間に配置される、請求項１に記載の衝突セル。
【請求項５】
前記直線区間は、長さ約２５ミリメートル乃至４センチメートルであって、前記湾曲区間は、その縦軸に沿って、約４５ミリメートル乃至約５０ミリメートルの湾曲の平均半径を有する、請求項１に記載の衝突セル。
【請求項６】
衝突セルを製作するための方法であって、
前駆体イオンを選択するステップと、
該前駆体イオンから生成イオンを発生させるための、所望の半径、軸方向距離、電極の数および構成、動作圧力、ならびに動作周波数を含む、該衝突セルの湾曲区間のパラメータを決定するステップと、
第１のレベルの運動エネルギーを決定するステップであって、該前駆体イオンが該第１のレベルで該衝突セル内に導入されると、該第１のレベルの運動エネルギーは、該前駆体イオンを該電極のうちの１つにクラッシュさせる、ステップと、
第２のレベルの運動エネルギーを決定するステップであって、該前駆体イオンが該第２のレベルで該衝突セル内に導入されると、該前駆体イオンに該湾曲区間の通過の間存続させる、ステップと、
該湾曲区間に接続される該衝突セルの直線区間の長さを選択するステップであって、
該長さは、スパンに基づき、該スパンは、該前駆体イオンが、該スパンに沿って進行する間に、第３のレベルの運動エネルギーを損失させるために必要とされ、該第３のレベルの運動エネルギーは、該第１のレベルと該第２のレベルとの間の差と略等しい、ステップと
を包含する、方法。
【請求項７】
前記電極の数および構成は、少なくとも１つの四重極セット備える衝突セルを提供するように選択される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記衝突セルを構築するステップをさらに包含し、
該ステップは、
前記直線区間が、前記長さと前記前駆体イオンを受け入れるための入口とを有するステップであって、該直線区間は、前記前駆体イオンが該直線区間の通過に伴って運動エネルギーを損失することを可能にする、ステップと、
湾曲区間が、その第１の端部で、前記直線部分および前記入口と反対の該直線区間の一端と融合するステップであって、該湾曲区間は、該前駆体イオンの衝突がそこから前記生成イオンを発生させることを可能とする、ステップと
を有する、
請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記直線区間は、長さ約２５ミリメートル乃至約４センチメートルであって、前記湾曲部分は、その縦軸に沿って、約４５ミリメートル乃至約５０ミリメートルの湾曲の平均半径を有する、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１のレベルの運動エネルギーを決定するステップは、前記軸方向距離および前記圧力に応じて、前記前駆体イオンの運動エネルギー量を計算するためのモデルに基づく、請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
前記第２のレベルを決定するステップは、前記湾曲区間内に前記前駆体イオンを閉じ込めるために必要とされるエネルギー量を決定するステップに基づき、該湾曲区間の軸に垂直の前記前駆体イオンの運動エネルギーは、前記電極の擬ポテンシャル井戸深度未満である、請求項６に記載の方法。
【請求項１２】
湾曲区間および該湾曲部分の入口で結合される直線区間を備え、該直線区間は、該直線区間に進入するイオンの所望の量の運動エネルギーを損失させるように選択される長さを有し、該イオンが該湾曲区間に進入すると、該イオンは、前記衝突セルから抜け出すことも、そこに接触することもなく、それによって、該湾曲部分内の通過の間存続する、
質量分析計用衝突セル。
【請求項１３】
衝突セルによって相互接続される四重極領域のうちの少なくとも２つを備え、
該衝突セルは、
湾曲区間および該湾曲区間の入口で接続される直線区間を含み、該直線区間は、該直線区間に進入するイオンの所望の量の運動エネルギーを損失させるように選択される長さを有し、該イオンが該湾曲区間に進入すると、該イオンは、該衝突セルから抜け出すことも、そこに接触することもなく、それによって、該湾曲部分内の通過の間存続する、
質量分析計。
【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１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７ａ】
【図１７ｂ】
【図１８】
【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１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７ａ】
【図１７ｂ】
【図１８】
【公表番号】特表２０１０−５３９６５８（Ｐ２０１０−５３９６５８Ａ）
【公表日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５２５１７３（Ｐ２０１０−５２５１７３）
【出願日】平成２０年９月１９日（２００８．９．１９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＣＡ２００８／００１６５４
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０３６５６９
【国際公開日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【出願人】（５１００７５４５７）ディーエイチ テクノロジーズ デベロップメント プライベート リミテッド (35)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年１２月１６日（２０１０．１２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月１９日（２００８．９．１９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＣＡ２００８／００１６５４
【国際公開番号】ＷＯ２００９／０３６５６９
【国際公開日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【出願人】（５１００７５４５７）ディーエイチ テクノロジーズ デベロップメント プライベート リミテッド (35)
【Ｆターム（参考）】
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