質量分析計
【課題】１回の測定で広い質量数範囲を測定でき、ＭＳｎ（ｎ≧３）分析が可能な質量分
析計を提供する。
【解決手段】質量分析計は、イオンを生成するイオン源１、イオンを蓄積するイオントラ
ップ部と、飛行時間によりイオンの質量分析を行なう飛行時間型質量分析部と、イオント
ラップ部と飛行時間型質量分析部との間に配置される衝突ダンピング部とを有する。衝突
ダンピング部には、イオントラップ部から排出されたイオンの運動エネルギーを低減する
ためのガスが導入される。衝突ダンピング部の内部に多重極電場を生成する複数の電極２
０が配置されている。イオントラップから衝突ダンピング部へイオン入射可能、または入
射不可能とするイオン透過調整機構１４をイオントラップ部と衝突ダンピング部との間に
設ける。
析計を提供する。
【解決手段】質量分析計は、イオンを生成するイオン源１、イオンを蓄積するイオントラ
ップ部と、飛行時間によりイオンの質量分析を行なう飛行時間型質量分析部と、イオント
ラップ部と飛行時間型質量分析部との間に配置される衝突ダンピング部とを有する。衝突
ダンピング部には、イオントラップ部から排出されたイオンの運動エネルギーを低減する
ためのガスが導入される。衝突ダンピング部の内部に多重極電場を生成する複数の電極２
０が配置されている。イオントラップから衝突ダンピング部へイオン入射可能、または入
射不可能とするイオン透過調整機構１４をイオントラップ部と衝突ダンピング部との間に
設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、質量分析計に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロテオーム解析などに用いられる質量分析計において、高感度、高質量精度、ＭＳｎ
分析などが求められている。従来、これらの分析がどのように行なわれていたのかについ
て、以下に説明を行なう。
【０００３】
ＭＳｎ分析が可能な高感度質量分析計として、四重極イオントラップ質量分析計がある
。四重極型イオントラップ質量分析計の基本的な動作原理は周知である（例えば、特許文
献１参照（従来技術１））。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
ップ電極より構成される。リング電極に周波数１ＭＨｚ程度の高周波電圧を印加すること
により、イオントラップ内では、ある質量以上のイオンが安定条件となり蓄積することが
できる。
【０００４】
さらに、イオントラップにおけるＭＳｎ分析の方式に関する報告がある（特許文献２参
照（従来技術２））。この方式では、イオン源で生成したイオンをイオントラップ内に蓄
積し、所望の質量を有する前駆イオンを単離する。イオン単離の後、前駆イオンに共鳴す
る補助的な交流電圧をエンドキャップ電極間に印加する。これによりイオン軌道を拡大さ
せ、イオントラップに満たされた中性ガスと衝突させることによりイオンを解離し、解離
生成イオンを検出する。前駆イオンの分子構造の違いにより、解離生成イオンは特有なス
ペクトルパターンを示すため、試料分子のより詳細な構造情報を得ることができる。
【０００５】
高質量精度かつＭＳｎ分析を可能とする方式に関する報告がある（非特許文献１参照（
従来技術３）。この方式では、イオントラップ内部でイオン単離やイオン解離を繰り返す
ことができ、ＭＳｎ分析が可能である。イオントラップ中心に収束したイオンをイオント
ラップの各電極に直流電圧を印加して同軸上に加速を行なう。これにより、従来技術２よ
りも高質量数精度を達成可能となっている。
【０００６】
高質量精度かつＭＳｎ分析を可能とする方式に関する報告がある（特許文献３参照（従
来技術４）。この方式では、イオントラップ内部でイオン単離やイオン解離を繰り返すこ
とができ、ＭＳｎ分析が可能である。イオントラップから排出されたイオンがＴＯＦ部の
加速領域に導入されるのに同期して、イオンを直交方向へ加速する。イオン導入方向と加
速方向を直交配置することにより、従来技術３よりも高質量精度を達成可能となっている
。
【０００７】
ＴＯＦ部の加速部に広質量範囲のイオンを導入する方式に関する報告がある（非特許文
献２参照（従来技術５））。この方式では、リング電圧を印加しながらエンドキャップ電
極間で電位差を増加させて排出を行っている。このとき、高質量のイオンから順次排出が
行なわれるため、ＴＯＦの加速部に広質量範囲のイオンがほぼ同時に導入できるというも
のである。
【０００８】
広質量範囲のイオンの測定を試みる方式に関する報告がある（非特許文献３参照（従来
技術６））。この方式では、イオントラップからイオンがＴＯＦ部へ到達する時間を長く
しイオンビームを擬似的に連続化する一方、ＴＯＦの繰り返し回数を１０ｋＨｚほどに増
加させることにより、広質量範囲のイオンの測定を試みている。
【０００９】
なお、質量数範囲で高質量精度を達成する方式に関する報告がある（非特許文献４参照
（従来技術７））。この方式では、イオン源からＴＯＦ部へのイオン導入方向とＴＯＦ部
の加速方向を直交に配置することにより、広い質量領域において高質量精度を達成してい
る。また、イオン源とＴＯＦ部との間に１０Ｐａ程度の中間圧力チャンバーを設け、ここ
に多重極電極を配置することにより、衝突ダンピングを行なっている。これにより、イオ
ン源とＴＯＦ部との透過率を向上させている。
【００１０】
また、高質量精度かつＭＳ／ＭＳ分析を可能とする方式に関する報告がある（非特許文
献５参照（従来技術８））。この方式では、Ｑ−ＴＯＦ質量分析計を用いている。四重極
質量分析部で質量選択されたイオンを加速して衝突室に導入する。入射したイオンは衝突
室中のガスと衝突し、衝突室で解離する。衝突室は１０Ｐａ程度のガスが満たされ、ここ
に多重極電極を配置する。解離したイオンは多重極電界とガス衝突により中心軸方向へ収
束された後、ＴＯＦ部へと導入され検出される。これにより、ＭＳ／ＭＳ分析が可能とな
っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第２９３９９５２号明細書
【特許文献２】米国再発行特許発明第３４０００号明細書
【特許文献３】特開２００１−２９７７３０号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】S.M.Michael et al., Rev.Sci.Instrum., 1992, Vol.63(10), p.4277-4284.
【非特許文献２】C.Marinach et al., International Journal of Mass Spectrometry, 2002, Vol.213, p.45-62.
【非特許文献３】C.Marinach et al., Proceedings of the 49th ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics, 2001.
【非特許文献４】A.N.Krutchinsky et al., Proceedings of the 43rd ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics, 1995, p.126.
【非特許文献５】H.R.Morris,et al., Rapid Communication Mass Spectrometry, 1996, Vol.10, p.889.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従来技術１、２の方式では、イオン検出時のガスとの衝突に起因するケミカルマスシフ
ト、電荷量に起因するスペースチャージ等の原因により、質量精度は１００ｐｐｍ程度し
か得られず、高い質量精度が必要とされる分野には利用できないという課題がある。
【００１４】
従来技術３の同軸結合のイオントラップ／ＴＯＦでは、以下の課題がある。イオン加速
時のイオンとガスとの衝突により加速エネルギーに分布が生じるため、質量数精度は数10
ppm程度しか得られず、高い質量数精度が必要とされる分野には利用できないという課題
がある。
【００１５】
従来技術４の直交結合のイオントラップ／ＴＯＦでは、以下の課題がある。イオントラ
ップ部からＴＯＦ加速部の加速領域までのイオン到達時間はイオンの質量により異なる。
あるタイミングで加速を行なうと、加速領域部に到達していない高質量数イオンや加速領
域部を既に通過した低質量数イオンは、検出されない。このため、加速・検出できるイオ
ンの質量数範囲が限定されてしまう。典型的な例では、イオントラップからの一度の排出
で検出可能な最大質量数と最小質量数との比率（以下、マスウィンドウと言う）は２程度
である。マスウィンドウが２のとき、たとえば、１００ａｍｕ〜１００００ａｍｕの質量
領域をすべてカバーするには、７回以上の測定を並行して行なう必要があり、全質量数範
囲の実測定回数が低下し感度が低下する。
【００１６】
従来技術５の方式では、低質量（すなわち高ｑ値）イオンの運動エネルギーの広がりが
１ｋＶ近くにも達するため、イオントラップからＴＯＦ部への透過率が大幅に低下すると
いう課題がある。
【００１７】
従来技術６の方式では、イオントラップとＴＯＦ加速部との間で、低エネルギーで長距
離のイオン輸送が必要なことから、イオン透過率が低下し、感度が低下するなどの課題が
ある。
【００１８】
従来技術７の方式では、ＭＳ／ＭＳ分析は行なえないという課題がある。
【００１９】
従来技術８の方式では、ＭＳｎ（ｎ≧３）分析が不可能である。また、衝突室に入った
後、複数の解離が起きるため、解離生成イオンから元のイオン構造を予想するのが難しい
場合があるという課題がある。
【００２０】
以上のように従来技術では、１回の測定で広い質量数範囲を測定でき高感度かつ高質量
精度かつＭＳｎ分析が可能な質量分析計は不可能であった。
【００２１】
本発明の目的は、１回の測定で広い質量数範囲を測定でき高感度かつ高質量精度かつＭ
Ｓｎ分析が可能な質量分析計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明の質量分析計は、イオンを生成するイオン源と、イオンを蓄積するイオントラッ
プ部と、飛行時間によりイオンの質量分析を行なう飛行時間型質量分析部（ＴＯＦ部）と
を具備し、イオントラップ部から排出されたイオンの運動エネルギーを低減するためのガ
スが導入され、内部に多重極電場を生成する複数の電極が配置される衝突ダンピング領域
を、イオントラップ部と飛行時間型質量分析部との間に有し、イオントラップから衝突ダ
ンピング領域へイオン入射可能、または入射不可能とするイオン透過調整機構をイオント
ラップ部と衝突ダンピング領域と間に有する。
【００２３】
イオン源として、大気圧に配置される大気圧イオン源、レーザーイオン化イオン源、マ
トリックス支援レーザーイオン源を使用する。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、１回の測定で広い質量数範囲を測定でき高感度かつ高質量精度かつＭ
Ｓｎ分析が可能な質量分析計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施例１の大気圧イオン化四重極イオントラップ飛行時間型質量分析計の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例１の衝突ダンピング室の透過効率を示す図である。
【図３】本発明の実施例１の衝突ダンピング室を通過する際のイオン軌道のシミュレーションを示す図である。
【図４】本発明の実施例１において、シミュレーションにより得られた結果を示す図である。
【図５】本発明の実施例１において、衝突ダンピング室入口で測定した、イオントラップから排出された所定のイオンのイオン強度の実験結果を示す図である。
【図６】本発明の実施例１において、衝突ダンピング室出口で測定した、衝突ダンピング室から排出された所定のイオンのイオン強度の時間変化を示す図である。
【図７】本発明の実施例１において、ＭＳ／ＭＳ測定を行なう場合の測定シーケンスを示す図である。
【図８】本発明の実施例１の質量分析計により得られたレセルピン／メタノール溶液のＭＳ３測定結果を示す図である。
【図９】本発明の実施例１の質量分析計によりポリエチレングリコール／メタノール溶液を測定した質量スペクトルを示す図である。
【図１０】本発明の実施例２のマトリックス支援レーザーイオン化四重極イオントラップ飛行時間型質量分析計の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１の大気圧イオン化四重極イオントラップ飛行時間型質量分析計
の構成図である。
【００２７】
エレクトロスプレーイオン源、大気圧化学イオン源、大気圧光イオン源、大気圧マトリ
ックス支援レーザー脱離イオン源などの大気圧イオン源１で生成されたイオンは細孔２を
通り、ロータリーポンプ３で排気された第１差動排気部へと導入される。第１差動排気部
の圧力は１００Ｐａ〜５００Ｐａ程度である。
【００２８】
その後、イオンは、細孔４を通り、ターボ分子ポンプ５で排気された第２差動排気部へ
と導入される。第２差動排気部は０．３Ｐａ〜３Ｐａ程度の圧力に維持されており、オク
タポールやクアドロポールなどの多重極電極６が配置されている。この多重極電極６には
交互に位相を反転させた周波数１ＭＨｚ程度、電圧振幅数１００Ｖの高周波電圧が印加さ
れており、この中でイオンは軸中心付近へ収束されるため、高い透過効率でイオンを輸送
できる。
【００２９】
オクタポールなどの多重極電極６で収束したイオンは、細孔７を通過し、ターボ分子ポ
ンプ８で排気された第３差動排気部へと導入され、ゲート電極９、入口側エンドキャップ
電極１０ａの細孔１２ａを通り、入口側エンドキャップ電極１０ａ、出口側エンドキャッ
プ電極１０ｂ、およびリング電極１１により形成された３次元四重極イオントラップに導
入される。イオントラップは、絶縁スペーサー１３より外部と遮蔽される。
【００３０】
ボンベおよびフローコントローラーよりなるガス導入機構１９によりヘリウム（Ｈｅ）
やアルゴン（Ａｒ）などが供給され、イオントラップ内部の圧力は一定に保たれている（
Ｈｅの場合：０．６Ｐａ〜３Ｐａ、Ａｒの場合：０．１Ｐａ〜０．５Ｐａ）。イオントラ
ップ内部のガス圧力が高いほどイオンのトラッピング効率は高い。しかし、ガス圧力が高
くなりすぎると前駆イオン単離の際に質量分解能が低下する問題や、エンドキャップ電極
に印加する補助的な交流電圧が高電圧になることから、ＨｅやＡｒを用いた場合は、上記
の圧力がイオントラップ圧力として最適である。イオンはイオントラップにおいて、後述
する方式により、イオン単離、イオン解離等の諸操作が行なわれ、ＭＳｎ分析が可能であ
る。
【００３１】
イオントラップ内部でこれらの諸動作が行なわれた後、イオンは出口側エンドキャップ
電極１０ｂの細孔１２ｂ、イオンストップ電極１４の穴（３ｍｍφ程度）および衝突ダン
ピング室入口電極１５の細孔を通過し、衝突ダンピング室へと排出される。イオンストッ
プ電極１４（複数でも可）には、イオン排出時には排出されたイオンが衝突ダンピング室
入口電極１５の細孔（２ｍｍφ程度）に効率的に入射されるように電圧を印加する。また
、イオンストップ電極１４には、イオン排出時以外はイオントラップからイオンが衝突ダ
ンピング室に導入するのを防ぐため、数１００Ｖ〜数ｋＶの正電圧（正イオン測定時）が
印加される。
【００３２】
衝突ダンピング室には、長さ０．０２ｍ〜０．２ｍ程度のオクタポール、ヘキサポール
やクアドロポールなどの多重極電極２０が配置されている。衝突ダンピング室とＴＯＦ部
との間の隔壁の細孔３０は、ＴＯＦ部での真空度を維持するため、０．３ｍｍφ〜０．８
ｍｍφ程度の小孔が用いられる。多重極電極２０としては、低い振幅電圧でビーム幅を最
も小さく絞ることのできるクアドロポール電極が一番有利である。多重極電極２０を構成
する各ロッド電極に交互に高周波電圧が印加される。細孔３０が設けられた衝突ダンピン
グ室とＴＯＦ部との間の隔壁と、衝突ダンピング室入口電極１５との間に、スペーサー２
１が構成されている。
【００３３】
以下、衝突ダンピング室（衝突ダンピング部）の特徴について説明する。衝突ダンピン
グ室には、ボンベおよびフローコントローラーよりなるガス導入機構３９によりＨｅやＡ
ｒなどが供給され、衝突ダンピング室の圧力は一定に保たれている。
【００３４】
図２は、本発明の実施例１の衝突ダンピング室の透過効率を示す図であり、クアドロポ
ールを用いた場合の衝突ダンピング室の透過効率を示す。横軸はダンピングのパラメータ
として一般的に用いられる圧力と長さの積を示す。図２の縦軸は、衝突ダンピング室の圧
力を変化させ、衝突ダンピング室出口で測定した、衝突ダンピング室から排出された所定
のイオン（レセルピンイオン，ｍ／ｚ＝６０９）の相対信号強度、即ち、衝突ダンピング
室を透過した所定のイオンの相対強度を示す。このときの衝突ダンピング室のｚ方向（イ
オンの進行方向、図１参照）の長さは０．０８ｍ、衝突ダンピング室とＴＯＦ部との間の
細孔３０は０．４ｍｍφであった。
【００３５】
衝突ダンピング室の長さと圧力の積が、Ｈｅであれば０．２Ｐａ・ｍ〜５Ｐａ・ｍ、Ａ
ｒであれば０．０７Ｐａ・ｍ〜２Ｐａ・ｍが高透過率であることが、図２によりわかる。
より多くイオンを衝突ダンピング室を透過させるためには、衝突ダンピング室の長さと圧
力の積を、Ｈｅの場合、０．６Ｐａ・ｍ〜３Ｐａ・ｍ、Ａｒの場合、０．３Ｐａ・ｍ〜１
．３Ｐａ・ｍ、とするのが好ましい。
【００３６】
図３は、本発明の実施例１の衝突ダンピング室（Ｈｅ、１．３Ｐａ・ｍ）を通過する際
の所定のイオンの軌道（イオン軌道）のシミュレーション結果を示す図である。横軸に衝
突ダンピング室入口電極１５からのｚ方向（図１参照）の距離、縦軸にイオン軌道の多重
極中心からのｒ座標（図１参照）の距離を示す。ダンピングが進行し、イオン軌道が収束
している様子がわかる。
【００３７】
図４は、本発明の実施例１において、シミュレーションにより得られた結果を示す図で
ある。図４は、ガスとしてＨｅを使用した場合の衝突ダンピング室終端における、所定の
イオンの、（Ａ）ｒ方向のビーム幅（ＦＷＨＭ）、（Ｂ）ｒ方向（図１参照）の運動エネ
ルギーＥｒ、（Ｃ）ｚ方向（図１参照）の運動エネルギーＥｚを示す。シミュレーション
では、０．３Ｐａ・ｍを超えるとビーム幅が収束し、また運動エネルギーの室温化、すな
わちｋＴ＝０．２６ｅＶ（ｋ：ボルツマン定数、Ｔ＝３００Ｋのとき）に漸近する。これ
は図２においてイオン強度が急激に上昇した実験結果とほぼ一致する。ダンピングが小さ
すぎるとイオンは十分に減速されず、後部の細孔３０（０．４ｍｍφ）を通過できないこ
とから、感度が低下したものと考えられる。
【００３８】
また、ダンピングが大きすぎると衝突ダンピング室のイオン滞在時間が長くなり、そこ
での反応や散乱によりイオンの透過率は低下してしまう。上記の理由から、衝突ダンピン
グ室の長さと圧力の積が、Ｈｅであれば０．２Ｐａ・ｍ〜５Ｐａ・ｍ、Ａｒであれば０．
０７Ｐａ・ｍ〜２Ｐａ・ｍが高透過率であるといえる。
【００３９】
なお、上述した圧力最適化の実施例ではＨｅ、およびＡｒのみが試みられているが、ガ
ス衝突の効果はガスの平均分子量に依存するため、窒素Ｎ２（分子量３２）および空気Ａ
ｉｒ（平均分子量３２．８）の場合は、Ａｒ（分子量４０）にほぼ等しいと考えられる。
なお、これらの混合気体を用いることも可能である。導入ガスとしては、反応性が低いＨ
ｅ、Ａｒが適している。
【００４０】
図５は、本発明の実施例１において、衝突ダンピング室入口で測定した、イオントラッ
プから排出された所定のイオン（レセルピンイオン，ｍ／ｚ＝６０９）のイオン強度の実
験結果を示す図である。横軸はイオントラップからのイオン排出開始時点を０とする時間
軸、縦軸は所定のイオンの相対強度を示す。このとき、入口側エンドキャップ電極１０ａ
に＋５０Ｖ、リング電極１１に＋５０Ｖ、出口側エンドキャップ電極１０ｂに−３０Ｖ、
イオンストップ電極１４に−１００Ｖを印加している。イオントラップ中心部に存在した
イオンの大半は１０μｓ以内に衝突ダンピング室入口に到達していることが分かる。この
時間は質量の平方根にほぼ比例すると考えられる。
【００４１】
このため、仮に質量１，０００，０００のイオンまでを透過するには、４００μｓ程度
、イオンストップ電極１４の印加電圧を衝突ダンピング室にイオンが入射可能な設定にし
ておく必要がある。
【００４２】
図６は、本発明の実施例１において、衝突ダンピング室出口で測定した、衝突ダンピン
グ室（Ｈｅ、１．３Ｐａ・ｍ）から排出されたイオン強度の時間変化を示す図である。横
軸はイオントラップからのイオン排出開始時点を０とする時間軸、縦軸は所定のイオンの
相対強度を示す。０．５ｍｓ付近をピークとして、０．１ｍｓ〜数ｍｓまでイオンは排出
される。このような衝突ダンピング室を用いることから、イオンストップ電極１４には、
イオン排出時以外は正極性の数１００Ｖ〜数１０００Ｖの電圧（正イオン測定時）を印加
し、不要イオンが衝突ダンピング室に入るのを阻止する必要がある。
【００４３】
衝突ダンピング室から排出されたイオンは、デフレクター２２、収束レンズ２３などに
より、位置を偏向・収束させ、エネルギーを収束させ、押し出し電極２５および引き出し
電極２６よりなる加速部へ、イオン進行方向４０のように導入される。加速部に導入され
たイオンは、１０ｋＨｚ程度の周期で直交方向へ加速される。
【００４４】
イオンの加速部への入射エネルギーと加速によって得られるエネルギーにより、イオン
進行方向４１は元のイオン進行方向４０に対し、７０°〜９０°程度に設定される。加速
されたイオンはリフレクトロン２７で折り返された後、イオン進行方向４２のようにマル
チチャンネルプレート（ＭＣＰ）などからなる検出器２８に到達し検出される。イオンは
質量により飛行時間が異なるため、飛行時間と信号強度から質量スペクトルがコントロー
ラー３１に記録される。
【００４５】
図７は、本発明の実施例１において、ＭＳ／ＭＳ測定を行なう場合の測定シーケンスを
示す図である。本発明の実施例１の質量分析計の動作には、蓄積、単離、解離、排出の４
つのタイミングがある。リング電極１１のためのリング電圧供給電源３３、エンドキャッ
プ電極１０ａ、１０ｂのためのエンドキャップ電圧供給電源３２、押し出し電極２５のた
めの加速電圧供給電源３４は、コントローラー３１により制御される。ゲート電極９、イ
オンストップ電極１４に印加する電圧はコントローラー３１により制御する。また、検出
器２８により検出されるイオン強度がコントローラー３１に送られ質量スペクトルデータ
として記録される。
【００４６】
以下、正イオンの場合の電圧印加方法について説明する。なお、負イオンの場合は逆極
性の電圧を印加すれば良い。通常の質量スペクトル（ＭＳ１）を得るには、図７に示す測
定シーケンスの中でイオン取り込みからイオン排出を行なえばよい。ＭＳｎ（ｎ≧３）測
定の場合には単離、解離のプロセスをＭＳ／ＭＳ測定シーケンスの解離と排出の間に繰り
返せば良い。
【００４７】
イオン蓄積時にはリング電圧用電源３３により生成する交流電圧（周波数０．８ＭＨｚ
程度、振幅０〜１０ｋＶ）がリング電極１１に印加される。この間、イオン源で生成し各
部分を通過したイオンはイオントラップ内にため込まれていく。イオンと蓄積時間の典型
的な値は１ｍｓ〜１００ｍｓ程度である。蓄積時間が長すぎるとイオントラップ内でのイ
オンのスペースチャージと呼ばれる現象から電界が乱れるため、これに至る前に蓄積を終
了する。蓄積時、ゲート電極の負の電圧を印加し、イオンが通過可能な状態とする。一方
、イオンストップ電極には数１００Ｖ〜数１０００Ｖの正の電圧を印加してイオンが衝突
ダンピング室へ導入されないようにする。
【００４８】
次に、所望の前駆イオンの単離が行なわれる。例えば、エンドキャップ電極間に所望イ
オンの共鳴周波数を除いた高周波成分を重畳した電圧を印加することにより、それ以外の
イオンを外部に排出して特定のイオン質量範囲のイオンのみをトラップ内に残留させるこ
とができる。この外にもイオン単離の方式は様々であるが、ある質量範囲の前駆イオンの
みをイオントラップ内に残留させる目的においては同じである。イオン単離に要する典型
的な時間は１ｍｓ〜１０ｍｓ程度である。このとき、イオンストップ電極に数１００Ｖ〜
数１０００Ｖの正の電圧を印加してイオンが衝突ダンピング室へ導入されないようにする
。
【００４９】
次に、単離された前駆イオンの解離が行なわれる。前駆イオンに共鳴する補助交流電圧
をエンドキャップ電極間に印加することにより、前駆イオンの軌道が広がる。これにより
イオンの内部温度は上昇し、最終的に解離する。イオン解離に要する典型的な時間は１ｍ
ｓ〜３０ｍｓである。このとき、イオンストップ電極には数１００Ｖ〜数１０００Ｖの正
の電圧を印加してイオンが衝突ダンピング室へ導入されないようにする。
【００５０】
最後に、イオン排出が行なわれる。イオン排出はイオントラップ内でｚ方向に電界がか
かるように直流電圧を入口側エンドキャップ電極１０ａおよびリング電極１１、出口側エ
ンドキャップ電極１０ｂに印加する。上述したように、トラップからの排出に要する時間
は１ｍｓ以下である。
【００５１】
トラップ内から排出されたイオンは１ｍｓ以内にすべて衝突ダンピング室へ導入される
。衝突ダンピング室の後部では、数ｍｓの時間広がりを持ってイオンは排出される。イオ
ントラップは衝突ダンピング室からＴＯＦ部への排出の完了を待たずに次の蓄積を開始す
る。イオン排出に要する典型的な時間は０．１ｍｓ〜１ｍｓである。イオン排出時にはイ
オンストップ電極には、−３００〜０Ｖの電圧が印加され、イオンが衝突ダンピング室へ
導入されるようにする。
【００５２】
なお、イオン排出時以外にはイオンストップ電極１４には数１００Ｖ〜数１０００Ｖの
正の電圧を印加してイオンが衝突ダンピング室へ導入されないようにする。何故なら、そ
れを行なわない場合には、蓄積時、単離時、解離時などに排出される本来測定されるべき
でないノイズイオンが衝突ダンピング室に導入される。
【００５３】
それらのノイズイオンは、図６の測定結果と同様、数ｍｓ程度の間、衝突ダンピング室
に滞在すると考えられるため、測定されるべきイオンと測定されるべきでないイオンとが
混合してしまい、本来得られるべきでない質量スペクトルを結果として与えることとなる
。
【００５４】
これを避けるためには、排出前にノイズイオンが排出されるまでの待ち時間を設定する
必要がある。この待ち時間は単位時間あたりの測定繰り返し回数（Ｄｕｔｙ Ｃｙｃｌｅ
）を低下させ、ひいては感度を低下させる原因となる。本発明では、イオンストップ電極
を排出時間時にはイオンを通過する電圧に、それ以外ではイオンを通過しない電圧に設定
することにより、待ち時間の設定が不要になり、Ｄｕｔｙ Ｃｙｃｌｅの低下を防ぐこと
ができる。
【００５５】
衝突ダンピング室から排出されたイオンは、イオントラップの動作と同期しない１０ｋ
Ｈｚ程度で動作する加速部（押し出し電極２５及び引き出し電極２６よりなる）により加
速が行なわれ、検出器２８で検出される。検出された信号は、コントローラー３１に質量
スペクトルとして記録される。即ち、イオントラップの動作と飛行時間型質量分析部（Ｔ
ＯＦ部）の動作は、非同期である。イオンストップ電極１４の働きにより、検出されたイ
オンはすべて、上記ＭＳ／ＭＳの結果として生成したフラグメントイオンである。
【００５６】
図８は、本発明の実施例１の質量分析計により得られたレセルピン／メタノール溶液の
ＭＳ３測定結果を示す図である。横軸はｍ／ｚ（イオンの質量／イオンの荷電数：ｍ／ｚ
＝９９．０から１０００．０の範囲を示す）、縦軸は相対イオン強度示す。図８（Ａ）は
通常の質量スペクトル（ＭＳ１）である。レセルピンイオン（６０９ａｍｕ）の他、何本
かのノイズイオンのピークが確認できる。図８（Ｂ）はレセルピンイオン（６０９ａｍｕ
）を単離した後の質量スペクトルである。レセルピンイオン以外のイオンがイオントラッ
プから排出されている。図８（Ｃ）はレセルピンイオンから解離したイオンの質量スペク
トル（ＭＳ２）である。３９７ａｍｕおよび４４８ａｍｕのイオンの他いくつかの解離生
成イオンが検出されている。図８（Ｄ）はフラグメントイオンのうち４４８ａｍｕのイオ
ンを単離した後の質量スペクトルである。４４８ａｍｕのイオン以外はトラップから排出
されている。図８（Ｅ）は、４４８ａｍｕのイオンを解離した後の質量スペクトル（ＭＳ
３）である。フラグメントイオンである１９６ａｍｕおよび２３６ａｍｕのイオンが見ら
れる。図示しないが、これらのイオンを更に単離、分解することも可能である。
【００５７】
このような高度なＭＳｎ分析により、通常の質量分析やＭＳ／ＭＳ分析では得られなか
った試料イオンのより詳細な構造情報が得られ、高精度な分析が可能となる。なお、レセ
ルピンイオンに関して、質量分解能５０００以上、質量精度１０ｐｐｍ以下を達成した。
【００５８】
図９は、本発明の実施例１の質量分析計によりポリエチレングリコール（ＰＥＧ）／メ
タノール溶液を測定した質量スペクトルを示す図である。横軸はｍ／ｚ（イオンの質量／
イオンの荷電数：ｍ／ｚ＝９９．０から４０００．０の範囲を示す）、縦軸は相対イオン
強度示す。２００ａｍｕ付近から２６００ａｍｕ付近までの幅広い質量範囲のイオンが同
一測定により、検出されている。これらは、従来のイオントラップ直交ＴＯＦで不可能で
あった分析である。図９において、ＰＥＧ２０００＋はｍ＝２０００付近のＰＥＧの正１
価イオンを、ＰＥＧ１０００＋はｍ＝１０００付近のＰＥＧの正１価イオンを、ＰＥＧ２
０００＋２はｍ＝２０００付近のＰＥＧの正２価イオンを、ＰＥＧ２０００＋３はｍ＝２
０００付近のＰＥＧの正３価イオンを、ＰＥＧ２００＋はｍ＝２００付近のＰＥＧの正１
価イオンを、それぞれ示している。
（実施例２）
図１０は、本発明の実施例２のマトリックス支援レーザーイオン化四重極イオントラッ
プ飛行時間型質量分析計の構成図である。以下、実施例２の質量分析計の構成の相違点に
ついて説明する。サンプル溶液とマトリックス溶液とを混合させ滴下、乾燥させたサンプ
ルプレート５３に対し、窒素レーザーなどのイオン化用レーザー５１を照射する。照射位
置はＣＣＤカメラ５５で確認する。生成したイオンは多重極電極６によりイオントラップ
へ輸送される。イオン化室５０の圧力は０．１Ｐａ〜１０Ｐａ程度であり、ポンプ５によ
り排気される。その後の分析方法は実施例１と同様である。
【００５９】
また、ＳＥＬＤＩやＤＩＯＳなど他のレーザーイオン源を用いた場合でも本発明は同様
に適用できる。
【００６０】
本発明の質量分析計では、従来技術に比べ、定性能力および定量能力が大幅に向上でき
る。
【符号の説明】
【００６１】
１…大気圧イオン源、２…細孔、３…ロータリーポンプ、４…細孔、５…ターボ分子ポン
プ、６…多重極電極、７…細孔、８…ターボ分子ポンプ、９…ゲート電極、１０ａ…入口
側エンドキャップ電極、１０ｂ…出口側エンドキャップ電極、１１…リング電極、１２ａ
…入口側エンドキャップ電極の穴、１２ｂ…出口側エンドキャップ電極の穴、１３…絶縁
スペーサー、１４…イオンストップ電極、１５…衝突ダンピング室入口電極、１６ａ、１
６ｂ…四重極ロッド、１９…イオントラップ用ガス供給機構、２０…多重極電極、２１…
スペーサー、２２…デフレクター、２３…収束レンズ、２５…押し出し電極、２６…引き
出し電極、２７…リフレクトロン、２８…検出器、２９…ターボ分子ポンプ、３０…細孔
、３１…コントローラー、３２…エンドキャップ電圧供給電源、３３…リング電圧供給電
源、３４…加速電圧電源、３９…衝突ダンピング室用ガス供給機構、４０…イオン進行方
向、４１…イオン進行方向、４２…イオン進行方向、５０…マトリックス支援レーザーイ
オン源、５１…イオン化用レーザー、５２…ミラー、５３…サンプルプレート、５４…ミ
ラー、５５…ＣＣＤカメラ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、質量分析計に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロテオーム解析などに用いられる質量分析計において、高感度、高質量精度、ＭＳｎ
分析などが求められている。従来、これらの分析がどのように行なわれていたのかについ
て、以下に説明を行なう。
【０００３】
ＭＳｎ分析が可能な高感度質量分析計として、四重極イオントラップ質量分析計がある
。四重極型イオントラップ質量分析計の基本的な動作原理は周知である（例えば、特許文
献１参照（従来技術１））。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
ップ電極より構成される。リング電極に周波数１ＭＨｚ程度の高周波電圧を印加すること
により、イオントラップ内では、ある質量以上のイオンが安定条件となり蓄積することが
できる。
【０００４】
さらに、イオントラップにおけるＭＳｎ分析の方式に関する報告がある（特許文献２参
照（従来技術２））。この方式では、イオン源で生成したイオンをイオントラップ内に蓄
積し、所望の質量を有する前駆イオンを単離する。イオン単離の後、前駆イオンに共鳴す
る補助的な交流電圧をエンドキャップ電極間に印加する。これによりイオン軌道を拡大さ
せ、イオントラップに満たされた中性ガスと衝突させることによりイオンを解離し、解離
生成イオンを検出する。前駆イオンの分子構造の違いにより、解離生成イオンは特有なス
ペクトルパターンを示すため、試料分子のより詳細な構造情報を得ることができる。
【０００５】
高質量精度かつＭＳｎ分析を可能とする方式に関する報告がある（非特許文献１参照（
従来技術３）。この方式では、イオントラップ内部でイオン単離やイオン解離を繰り返す
ことができ、ＭＳｎ分析が可能である。イオントラップ中心に収束したイオンをイオント
ラップの各電極に直流電圧を印加して同軸上に加速を行なう。これにより、従来技術２よ
りも高質量数精度を達成可能となっている。
【０００６】
高質量精度かつＭＳｎ分析を可能とする方式に関する報告がある（特許文献３参照（従
来技術４）。この方式では、イオントラップ内部でイオン単離やイオン解離を繰り返すこ
とができ、ＭＳｎ分析が可能である。イオントラップから排出されたイオンがＴＯＦ部の
加速領域に導入されるのに同期して、イオンを直交方向へ加速する。イオン導入方向と加
速方向を直交配置することにより、従来技術３よりも高質量精度を達成可能となっている
。
【０００７】
ＴＯＦ部の加速部に広質量範囲のイオンを導入する方式に関する報告がある（非特許文
献２参照（従来技術５））。この方式では、リング電圧を印加しながらエンドキャップ電
極間で電位差を増加させて排出を行っている。このとき、高質量のイオンから順次排出が
行なわれるため、ＴＯＦの加速部に広質量範囲のイオンがほぼ同時に導入できるというも
のである。
【０００８】
広質量範囲のイオンの測定を試みる方式に関する報告がある（非特許文献３参照（従来
技術６））。この方式では、イオントラップからイオンがＴＯＦ部へ到達する時間を長く
しイオンビームを擬似的に連続化する一方、ＴＯＦの繰り返し回数を１０ｋＨｚほどに増
加させることにより、広質量範囲のイオンの測定を試みている。
【０００９】
なお、質量数範囲で高質量精度を達成する方式に関する報告がある（非特許文献４参照
（従来技術７））。この方式では、イオン源からＴＯＦ部へのイオン導入方向とＴＯＦ部
の加速方向を直交に配置することにより、広い質量領域において高質量精度を達成してい
る。また、イオン源とＴＯＦ部との間に１０Ｐａ程度の中間圧力チャンバーを設け、ここ
に多重極電極を配置することにより、衝突ダンピングを行なっている。これにより、イオ
ン源とＴＯＦ部との透過率を向上させている。
【００１０】
また、高質量精度かつＭＳ／ＭＳ分析を可能とする方式に関する報告がある（非特許文
献５参照（従来技術８））。この方式では、Ｑ−ＴＯＦ質量分析計を用いている。四重極
質量分析部で質量選択されたイオンを加速して衝突室に導入する。入射したイオンは衝突
室中のガスと衝突し、衝突室で解離する。衝突室は１０Ｐａ程度のガスが満たされ、ここ
に多重極電極を配置する。解離したイオンは多重極電界とガス衝突により中心軸方向へ収
束された後、ＴＯＦ部へと導入され検出される。これにより、ＭＳ／ＭＳ分析が可能とな
っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第２９３９９５２号明細書
【特許文献２】米国再発行特許発明第３４０００号明細書
【特許文献３】特開２００１−２９７７３０号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】S.M.Michael et al., Rev.Sci.Instrum., 1992, Vol.63(10), p.4277-4284.
【非特許文献２】C.Marinach et al., International Journal of Mass Spectrometry, 2002, Vol.213, p.45-62.
【非特許文献３】C.Marinach et al., Proceedings of the 49th ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics, 2001.
【非特許文献４】A.N.Krutchinsky et al., Proceedings of the 43rd ASMS Conference on Mass Spectrometry and Allied Topics, 1995, p.126.
【非特許文献５】H.R.Morris,et al., Rapid Communication Mass Spectrometry, 1996, Vol.10, p.889.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従来技術１、２の方式では、イオン検出時のガスとの衝突に起因するケミカルマスシフ
ト、電荷量に起因するスペースチャージ等の原因により、質量精度は１００ｐｐｍ程度し
か得られず、高い質量精度が必要とされる分野には利用できないという課題がある。
【００１４】
従来技術３の同軸結合のイオントラップ／ＴＯＦでは、以下の課題がある。イオン加速
時のイオンとガスとの衝突により加速エネルギーに分布が生じるため、質量数精度は数10
ppm程度しか得られず、高い質量数精度が必要とされる分野には利用できないという課題
がある。
【００１５】
従来技術４の直交結合のイオントラップ／ＴＯＦでは、以下の課題がある。イオントラ
ップ部からＴＯＦ加速部の加速領域までのイオン到達時間はイオンの質量により異なる。
あるタイミングで加速を行なうと、加速領域部に到達していない高質量数イオンや加速領
域部を既に通過した低質量数イオンは、検出されない。このため、加速・検出できるイオ
ンの質量数範囲が限定されてしまう。典型的な例では、イオントラップからの一度の排出
で検出可能な最大質量数と最小質量数との比率（以下、マスウィンドウと言う）は２程度
である。マスウィンドウが２のとき、たとえば、１００ａｍｕ〜１００００ａｍｕの質量
領域をすべてカバーするには、７回以上の測定を並行して行なう必要があり、全質量数範
囲の実測定回数が低下し感度が低下する。
【００１６】
従来技術５の方式では、低質量（すなわち高ｑ値）イオンの運動エネルギーの広がりが
１ｋＶ近くにも達するため、イオントラップからＴＯＦ部への透過率が大幅に低下すると
いう課題がある。
【００１７】
従来技術６の方式では、イオントラップとＴＯＦ加速部との間で、低エネルギーで長距
離のイオン輸送が必要なことから、イオン透過率が低下し、感度が低下するなどの課題が
ある。
【００１８】
従来技術７の方式では、ＭＳ／ＭＳ分析は行なえないという課題がある。
【００１９】
従来技術８の方式では、ＭＳｎ（ｎ≧３）分析が不可能である。また、衝突室に入った
後、複数の解離が起きるため、解離生成イオンから元のイオン構造を予想するのが難しい
場合があるという課題がある。
【００２０】
以上のように従来技術では、１回の測定で広い質量数範囲を測定でき高感度かつ高質量
精度かつＭＳｎ分析が可能な質量分析計は不可能であった。
【００２１】
本発明の目的は、１回の測定で広い質量数範囲を測定でき高感度かつ高質量精度かつＭ
Ｓｎ分析が可能な質量分析計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明の質量分析計は、イオンを生成するイオン源と、イオンを蓄積するイオントラッ
プ部と、飛行時間によりイオンの質量分析を行なう飛行時間型質量分析部（ＴＯＦ部）と
を具備し、イオントラップ部から排出されたイオンの運動エネルギーを低減するためのガ
スが導入され、内部に多重極電場を生成する複数の電極が配置される衝突ダンピング領域
を、イオントラップ部と飛行時間型質量分析部との間に有し、イオントラップから衝突ダ
ンピング領域へイオン入射可能、または入射不可能とするイオン透過調整機構をイオント
ラップ部と衝突ダンピング領域と間に有する。
【００２３】
イオン源として、大気圧に配置される大気圧イオン源、レーザーイオン化イオン源、マ
トリックス支援レーザーイオン源を使用する。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、１回の測定で広い質量数範囲を測定でき高感度かつ高質量精度かつＭ
Ｓｎ分析が可能な質量分析計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施例１の大気圧イオン化四重極イオントラップ飛行時間型質量分析計の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例１の衝突ダンピング室の透過効率を示す図である。
【図３】本発明の実施例１の衝突ダンピング室を通過する際のイオン軌道のシミュレーションを示す図である。
【図４】本発明の実施例１において、シミュレーションにより得られた結果を示す図である。
【図５】本発明の実施例１において、衝突ダンピング室入口で測定した、イオントラップから排出された所定のイオンのイオン強度の実験結果を示す図である。
【図６】本発明の実施例１において、衝突ダンピング室出口で測定した、衝突ダンピング室から排出された所定のイオンのイオン強度の時間変化を示す図である。
【図７】本発明の実施例１において、ＭＳ／ＭＳ測定を行なう場合の測定シーケンスを示す図である。
【図８】本発明の実施例１の質量分析計により得られたレセルピン／メタノール溶液のＭＳ３測定結果を示す図である。
【図９】本発明の実施例１の質量分析計によりポリエチレングリコール／メタノール溶液を測定した質量スペクトルを示す図である。
【図１０】本発明の実施例２のマトリックス支援レーザーイオン化四重極イオントラップ飛行時間型質量分析計の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１の大気圧イオン化四重極イオントラップ飛行時間型質量分析計
の構成図である。
【００２７】
エレクトロスプレーイオン源、大気圧化学イオン源、大気圧光イオン源、大気圧マトリ
ックス支援レーザー脱離イオン源などの大気圧イオン源１で生成されたイオンは細孔２を
通り、ロータリーポンプ３で排気された第１差動排気部へと導入される。第１差動排気部
の圧力は１００Ｐａ〜５００Ｐａ程度である。
【００２８】
その後、イオンは、細孔４を通り、ターボ分子ポンプ５で排気された第２差動排気部へ
と導入される。第２差動排気部は０．３Ｐａ〜３Ｐａ程度の圧力に維持されており、オク
タポールやクアドロポールなどの多重極電極６が配置されている。この多重極電極６には
交互に位相を反転させた周波数１ＭＨｚ程度、電圧振幅数１００Ｖの高周波電圧が印加さ
れており、この中でイオンは軸中心付近へ収束されるため、高い透過効率でイオンを輸送
できる。
【００２９】
オクタポールなどの多重極電極６で収束したイオンは、細孔７を通過し、ターボ分子ポ
ンプ８で排気された第３差動排気部へと導入され、ゲート電極９、入口側エンドキャップ
電極１０ａの細孔１２ａを通り、入口側エンドキャップ電極１０ａ、出口側エンドキャッ
プ電極１０ｂ、およびリング電極１１により形成された３次元四重極イオントラップに導
入される。イオントラップは、絶縁スペーサー１３より外部と遮蔽される。
【００３０】
ボンベおよびフローコントローラーよりなるガス導入機構１９によりヘリウム（Ｈｅ）
やアルゴン（Ａｒ）などが供給され、イオントラップ内部の圧力は一定に保たれている（
Ｈｅの場合：０．６Ｐａ〜３Ｐａ、Ａｒの場合：０．１Ｐａ〜０．５Ｐａ）。イオントラ
ップ内部のガス圧力が高いほどイオンのトラッピング効率は高い。しかし、ガス圧力が高
くなりすぎると前駆イオン単離の際に質量分解能が低下する問題や、エンドキャップ電極
に印加する補助的な交流電圧が高電圧になることから、ＨｅやＡｒを用いた場合は、上記
の圧力がイオントラップ圧力として最適である。イオンはイオントラップにおいて、後述
する方式により、イオン単離、イオン解離等の諸操作が行なわれ、ＭＳｎ分析が可能であ
る。
【００３１】
イオントラップ内部でこれらの諸動作が行なわれた後、イオンは出口側エンドキャップ
電極１０ｂの細孔１２ｂ、イオンストップ電極１４の穴（３ｍｍφ程度）および衝突ダン
ピング室入口電極１５の細孔を通過し、衝突ダンピング室へと排出される。イオンストッ
プ電極１４（複数でも可）には、イオン排出時には排出されたイオンが衝突ダンピング室
入口電極１５の細孔（２ｍｍφ程度）に効率的に入射されるように電圧を印加する。また
、イオンストップ電極１４には、イオン排出時以外はイオントラップからイオンが衝突ダ
ンピング室に導入するのを防ぐため、数１００Ｖ〜数ｋＶの正電圧（正イオン測定時）が
印加される。
【００３２】
衝突ダンピング室には、長さ０．０２ｍ〜０．２ｍ程度のオクタポール、ヘキサポール
やクアドロポールなどの多重極電極２０が配置されている。衝突ダンピング室とＴＯＦ部
との間の隔壁の細孔３０は、ＴＯＦ部での真空度を維持するため、０．３ｍｍφ〜０．８
ｍｍφ程度の小孔が用いられる。多重極電極２０としては、低い振幅電圧でビーム幅を最
も小さく絞ることのできるクアドロポール電極が一番有利である。多重極電極２０を構成
する各ロッド電極に交互に高周波電圧が印加される。細孔３０が設けられた衝突ダンピン
グ室とＴＯＦ部との間の隔壁と、衝突ダンピング室入口電極１５との間に、スペーサー２
１が構成されている。
【００３３】
以下、衝突ダンピング室（衝突ダンピング部）の特徴について説明する。衝突ダンピン
グ室には、ボンベおよびフローコントローラーよりなるガス導入機構３９によりＨｅやＡ
ｒなどが供給され、衝突ダンピング室の圧力は一定に保たれている。
【００３４】
図２は、本発明の実施例１の衝突ダンピング室の透過効率を示す図であり、クアドロポ
ールを用いた場合の衝突ダンピング室の透過効率を示す。横軸はダンピングのパラメータ
として一般的に用いられる圧力と長さの積を示す。図２の縦軸は、衝突ダンピング室の圧
力を変化させ、衝突ダンピング室出口で測定した、衝突ダンピング室から排出された所定
のイオン（レセルピンイオン，ｍ／ｚ＝６０９）の相対信号強度、即ち、衝突ダンピング
室を透過した所定のイオンの相対強度を示す。このときの衝突ダンピング室のｚ方向（イ
オンの進行方向、図１参照）の長さは０．０８ｍ、衝突ダンピング室とＴＯＦ部との間の
細孔３０は０．４ｍｍφであった。
【００３５】
衝突ダンピング室の長さと圧力の積が、Ｈｅであれば０．２Ｐａ・ｍ〜５Ｐａ・ｍ、Ａ
ｒであれば０．０７Ｐａ・ｍ〜２Ｐａ・ｍが高透過率であることが、図２によりわかる。
より多くイオンを衝突ダンピング室を透過させるためには、衝突ダンピング室の長さと圧
力の積を、Ｈｅの場合、０．６Ｐａ・ｍ〜３Ｐａ・ｍ、Ａｒの場合、０．３Ｐａ・ｍ〜１
．３Ｐａ・ｍ、とするのが好ましい。
【００３６】
図３は、本発明の実施例１の衝突ダンピング室（Ｈｅ、１．３Ｐａ・ｍ）を通過する際
の所定のイオンの軌道（イオン軌道）のシミュレーション結果を示す図である。横軸に衝
突ダンピング室入口電極１５からのｚ方向（図１参照）の距離、縦軸にイオン軌道の多重
極中心からのｒ座標（図１参照）の距離を示す。ダンピングが進行し、イオン軌道が収束
している様子がわかる。
【００３７】
図４は、本発明の実施例１において、シミュレーションにより得られた結果を示す図で
ある。図４は、ガスとしてＨｅを使用した場合の衝突ダンピング室終端における、所定の
イオンの、（Ａ）ｒ方向のビーム幅（ＦＷＨＭ）、（Ｂ）ｒ方向（図１参照）の運動エネ
ルギーＥｒ、（Ｃ）ｚ方向（図１参照）の運動エネルギーＥｚを示す。シミュレーション
では、０．３Ｐａ・ｍを超えるとビーム幅が収束し、また運動エネルギーの室温化、すな
わちｋＴ＝０．２６ｅＶ（ｋ：ボルツマン定数、Ｔ＝３００Ｋのとき）に漸近する。これ
は図２においてイオン強度が急激に上昇した実験結果とほぼ一致する。ダンピングが小さ
すぎるとイオンは十分に減速されず、後部の細孔３０（０．４ｍｍφ）を通過できないこ
とから、感度が低下したものと考えられる。
【００３８】
また、ダンピングが大きすぎると衝突ダンピング室のイオン滞在時間が長くなり、そこ
での反応や散乱によりイオンの透過率は低下してしまう。上記の理由から、衝突ダンピン
グ室の長さと圧力の積が、Ｈｅであれば０．２Ｐａ・ｍ〜５Ｐａ・ｍ、Ａｒであれば０．
０７Ｐａ・ｍ〜２Ｐａ・ｍが高透過率であるといえる。
【００３９】
なお、上述した圧力最適化の実施例ではＨｅ、およびＡｒのみが試みられているが、ガ
ス衝突の効果はガスの平均分子量に依存するため、窒素Ｎ２（分子量３２）および空気Ａ
ｉｒ（平均分子量３２．８）の場合は、Ａｒ（分子量４０）にほぼ等しいと考えられる。
なお、これらの混合気体を用いることも可能である。導入ガスとしては、反応性が低いＨ
ｅ、Ａｒが適している。
【００４０】
図５は、本発明の実施例１において、衝突ダンピング室入口で測定した、イオントラッ
プから排出された所定のイオン（レセルピンイオン，ｍ／ｚ＝６０９）のイオン強度の実
験結果を示す図である。横軸はイオントラップからのイオン排出開始時点を０とする時間
軸、縦軸は所定のイオンの相対強度を示す。このとき、入口側エンドキャップ電極１０ａ
に＋５０Ｖ、リング電極１１に＋５０Ｖ、出口側エンドキャップ電極１０ｂに−３０Ｖ、
イオンストップ電極１４に−１００Ｖを印加している。イオントラップ中心部に存在した
イオンの大半は１０μｓ以内に衝突ダンピング室入口に到達していることが分かる。この
時間は質量の平方根にほぼ比例すると考えられる。
【００４１】
このため、仮に質量１，０００，０００のイオンまでを透過するには、４００μｓ程度
、イオンストップ電極１４の印加電圧を衝突ダンピング室にイオンが入射可能な設定にし
ておく必要がある。
【００４２】
図６は、本発明の実施例１において、衝突ダンピング室出口で測定した、衝突ダンピン
グ室（Ｈｅ、１．３Ｐａ・ｍ）から排出されたイオン強度の時間変化を示す図である。横
軸はイオントラップからのイオン排出開始時点を０とする時間軸、縦軸は所定のイオンの
相対強度を示す。０．５ｍｓ付近をピークとして、０．１ｍｓ〜数ｍｓまでイオンは排出
される。このような衝突ダンピング室を用いることから、イオンストップ電極１４には、
イオン排出時以外は正極性の数１００Ｖ〜数１０００Ｖの電圧（正イオン測定時）を印加
し、不要イオンが衝突ダンピング室に入るのを阻止する必要がある。
【００４３】
衝突ダンピング室から排出されたイオンは、デフレクター２２、収束レンズ２３などに
より、位置を偏向・収束させ、エネルギーを収束させ、押し出し電極２５および引き出し
電極２６よりなる加速部へ、イオン進行方向４０のように導入される。加速部に導入され
たイオンは、１０ｋＨｚ程度の周期で直交方向へ加速される。
【００４４】
イオンの加速部への入射エネルギーと加速によって得られるエネルギーにより、イオン
進行方向４１は元のイオン進行方向４０に対し、７０°〜９０°程度に設定される。加速
されたイオンはリフレクトロン２７で折り返された後、イオン進行方向４２のようにマル
チチャンネルプレート（ＭＣＰ）などからなる検出器２８に到達し検出される。イオンは
質量により飛行時間が異なるため、飛行時間と信号強度から質量スペクトルがコントロー
ラー３１に記録される。
【００４５】
図７は、本発明の実施例１において、ＭＳ／ＭＳ測定を行なう場合の測定シーケンスを
示す図である。本発明の実施例１の質量分析計の動作には、蓄積、単離、解離、排出の４
つのタイミングがある。リング電極１１のためのリング電圧供給電源３３、エンドキャッ
プ電極１０ａ、１０ｂのためのエンドキャップ電圧供給電源３２、押し出し電極２５のた
めの加速電圧供給電源３４は、コントローラー３１により制御される。ゲート電極９、イ
オンストップ電極１４に印加する電圧はコントローラー３１により制御する。また、検出
器２８により検出されるイオン強度がコントローラー３１に送られ質量スペクトルデータ
として記録される。
【００４６】
以下、正イオンの場合の電圧印加方法について説明する。なお、負イオンの場合は逆極
性の電圧を印加すれば良い。通常の質量スペクトル（ＭＳ１）を得るには、図７に示す測
定シーケンスの中でイオン取り込みからイオン排出を行なえばよい。ＭＳｎ（ｎ≧３）測
定の場合には単離、解離のプロセスをＭＳ／ＭＳ測定シーケンスの解離と排出の間に繰り
返せば良い。
【００４７】
イオン蓄積時にはリング電圧用電源３３により生成する交流電圧（周波数０．８ＭＨｚ
程度、振幅０〜１０ｋＶ）がリング電極１１に印加される。この間、イオン源で生成し各
部分を通過したイオンはイオントラップ内にため込まれていく。イオンと蓄積時間の典型
的な値は１ｍｓ〜１００ｍｓ程度である。蓄積時間が長すぎるとイオントラップ内でのイ
オンのスペースチャージと呼ばれる現象から電界が乱れるため、これに至る前に蓄積を終
了する。蓄積時、ゲート電極の負の電圧を印加し、イオンが通過可能な状態とする。一方
、イオンストップ電極には数１００Ｖ〜数１０００Ｖの正の電圧を印加してイオンが衝突
ダンピング室へ導入されないようにする。
【００４８】
次に、所望の前駆イオンの単離が行なわれる。例えば、エンドキャップ電極間に所望イ
オンの共鳴周波数を除いた高周波成分を重畳した電圧を印加することにより、それ以外の
イオンを外部に排出して特定のイオン質量範囲のイオンのみをトラップ内に残留させるこ
とができる。この外にもイオン単離の方式は様々であるが、ある質量範囲の前駆イオンの
みをイオントラップ内に残留させる目的においては同じである。イオン単離に要する典型
的な時間は１ｍｓ〜１０ｍｓ程度である。このとき、イオンストップ電極に数１００Ｖ〜
数１０００Ｖの正の電圧を印加してイオンが衝突ダンピング室へ導入されないようにする
。
【００４９】
次に、単離された前駆イオンの解離が行なわれる。前駆イオンに共鳴する補助交流電圧
をエンドキャップ電極間に印加することにより、前駆イオンの軌道が広がる。これにより
イオンの内部温度は上昇し、最終的に解離する。イオン解離に要する典型的な時間は１ｍ
ｓ〜３０ｍｓである。このとき、イオンストップ電極には数１００Ｖ〜数１０００Ｖの正
の電圧を印加してイオンが衝突ダンピング室へ導入されないようにする。
【００５０】
最後に、イオン排出が行なわれる。イオン排出はイオントラップ内でｚ方向に電界がか
かるように直流電圧を入口側エンドキャップ電極１０ａおよびリング電極１１、出口側エ
ンドキャップ電極１０ｂに印加する。上述したように、トラップからの排出に要する時間
は１ｍｓ以下である。
【００５１】
トラップ内から排出されたイオンは１ｍｓ以内にすべて衝突ダンピング室へ導入される
。衝突ダンピング室の後部では、数ｍｓの時間広がりを持ってイオンは排出される。イオ
ントラップは衝突ダンピング室からＴＯＦ部への排出の完了を待たずに次の蓄積を開始す
る。イオン排出に要する典型的な時間は０．１ｍｓ〜１ｍｓである。イオン排出時にはイ
オンストップ電極には、−３００〜０Ｖの電圧が印加され、イオンが衝突ダンピング室へ
導入されるようにする。
【００５２】
なお、イオン排出時以外にはイオンストップ電極１４には数１００Ｖ〜数１０００Ｖの
正の電圧を印加してイオンが衝突ダンピング室へ導入されないようにする。何故なら、そ
れを行なわない場合には、蓄積時、単離時、解離時などに排出される本来測定されるべき
でないノイズイオンが衝突ダンピング室に導入される。
【００５３】
それらのノイズイオンは、図６の測定結果と同様、数ｍｓ程度の間、衝突ダンピング室
に滞在すると考えられるため、測定されるべきイオンと測定されるべきでないイオンとが
混合してしまい、本来得られるべきでない質量スペクトルを結果として与えることとなる
。
【００５４】
これを避けるためには、排出前にノイズイオンが排出されるまでの待ち時間を設定する
必要がある。この待ち時間は単位時間あたりの測定繰り返し回数（Ｄｕｔｙ Ｃｙｃｌｅ
）を低下させ、ひいては感度を低下させる原因となる。本発明では、イオンストップ電極
を排出時間時にはイオンを通過する電圧に、それ以外ではイオンを通過しない電圧に設定
することにより、待ち時間の設定が不要になり、Ｄｕｔｙ Ｃｙｃｌｅの低下を防ぐこと
ができる。
【００５５】
衝突ダンピング室から排出されたイオンは、イオントラップの動作と同期しない１０ｋ
Ｈｚ程度で動作する加速部（押し出し電極２５及び引き出し電極２６よりなる）により加
速が行なわれ、検出器２８で検出される。検出された信号は、コントローラー３１に質量
スペクトルとして記録される。即ち、イオントラップの動作と飛行時間型質量分析部（Ｔ
ＯＦ部）の動作は、非同期である。イオンストップ電極１４の働きにより、検出されたイ
オンはすべて、上記ＭＳ／ＭＳの結果として生成したフラグメントイオンである。
【００５６】
図８は、本発明の実施例１の質量分析計により得られたレセルピン／メタノール溶液の
ＭＳ３測定結果を示す図である。横軸はｍ／ｚ（イオンの質量／イオンの荷電数：ｍ／ｚ
＝９９．０から１０００．０の範囲を示す）、縦軸は相対イオン強度示す。図８（Ａ）は
通常の質量スペクトル（ＭＳ１）である。レセルピンイオン（６０９ａｍｕ）の他、何本
かのノイズイオンのピークが確認できる。図８（Ｂ）はレセルピンイオン（６０９ａｍｕ
）を単離した後の質量スペクトルである。レセルピンイオン以外のイオンがイオントラッ
プから排出されている。図８（Ｃ）はレセルピンイオンから解離したイオンの質量スペク
トル（ＭＳ２）である。３９７ａｍｕおよび４４８ａｍｕのイオンの他いくつかの解離生
成イオンが検出されている。図８（Ｄ）はフラグメントイオンのうち４４８ａｍｕのイオ
ンを単離した後の質量スペクトルである。４４８ａｍｕのイオン以外はトラップから排出
されている。図８（Ｅ）は、４４８ａｍｕのイオンを解離した後の質量スペクトル（ＭＳ
３）である。フラグメントイオンである１９６ａｍｕおよび２３６ａｍｕのイオンが見ら
れる。図示しないが、これらのイオンを更に単離、分解することも可能である。
【００５７】
このような高度なＭＳｎ分析により、通常の質量分析やＭＳ／ＭＳ分析では得られなか
った試料イオンのより詳細な構造情報が得られ、高精度な分析が可能となる。なお、レセ
ルピンイオンに関して、質量分解能５０００以上、質量精度１０ｐｐｍ以下を達成した。
【００５８】
図９は、本発明の実施例１の質量分析計によりポリエチレングリコール（ＰＥＧ）／メ
タノール溶液を測定した質量スペクトルを示す図である。横軸はｍ／ｚ（イオンの質量／
イオンの荷電数：ｍ／ｚ＝９９．０から４０００．０の範囲を示す）、縦軸は相対イオン
強度示す。２００ａｍｕ付近から２６００ａｍｕ付近までの幅広い質量範囲のイオンが同
一測定により、検出されている。これらは、従来のイオントラップ直交ＴＯＦで不可能で
あった分析である。図９において、ＰＥＧ２０００＋はｍ＝２０００付近のＰＥＧの正１
価イオンを、ＰＥＧ１０００＋はｍ＝１０００付近のＰＥＧの正１価イオンを、ＰＥＧ２
０００＋２はｍ＝２０００付近のＰＥＧの正２価イオンを、ＰＥＧ２０００＋３はｍ＝２
０００付近のＰＥＧの正３価イオンを、ＰＥＧ２００＋はｍ＝２００付近のＰＥＧの正１
価イオンを、それぞれ示している。
（実施例２）
図１０は、本発明の実施例２のマトリックス支援レーザーイオン化四重極イオントラッ
プ飛行時間型質量分析計の構成図である。以下、実施例２の質量分析計の構成の相違点に
ついて説明する。サンプル溶液とマトリックス溶液とを混合させ滴下、乾燥させたサンプ
ルプレート５３に対し、窒素レーザーなどのイオン化用レーザー５１を照射する。照射位
置はＣＣＤカメラ５５で確認する。生成したイオンは多重極電極６によりイオントラップ
へ輸送される。イオン化室５０の圧力は０．１Ｐａ〜１０Ｐａ程度であり、ポンプ５によ
り排気される。その後の分析方法は実施例１と同様である。
【００５９】
また、ＳＥＬＤＩやＤＩＯＳなど他のレーザーイオン源を用いた場合でも本発明は同様
に適用できる。
【００６０】
本発明の質量分析計では、従来技術に比べ、定性能力および定量能力が大幅に向上でき
る。
【符号の説明】
【００６１】
１…大気圧イオン源、２…細孔、３…ロータリーポンプ、４…細孔、５…ターボ分子ポン
プ、６…多重極電極、７…細孔、８…ターボ分子ポンプ、９…ゲート電極、１０ａ…入口
側エンドキャップ電極、１０ｂ…出口側エンドキャップ電極、１１…リング電極、１２ａ
…入口側エンドキャップ電極の穴、１２ｂ…出口側エンドキャップ電極の穴、１３…絶縁
スペーサー、１４…イオンストップ電極、１５…衝突ダンピング室入口電極、１６ａ、１
６ｂ…四重極ロッド、１９…イオントラップ用ガス供給機構、２０…多重極電極、２１…
スペーサー、２２…デフレクター、２３…収束レンズ、２５…押し出し電極、２６…引き
出し電極、２７…リフレクトロン、２８…検出器、２９…ターボ分子ポンプ、３０…細孔
、３１…コントローラー、３２…エンドキャップ電圧供給電源、３３…リング電圧供給電
源、３４…加速電圧電源、３９…衝突ダンピング室用ガス供給機構、４０…イオン進行方
向、４１…イオン進行方向、４２…イオン進行方向、５０…マトリックス支援レーザーイ
オン源、５１…イオン化用レーザー、５２…ミラー、５３…サンプルプレート、５４…ミ
ラー、５５…ＣＣＤカメラ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンを生成するイオン源と、
前記イオンを蓄積するイオントラップ部と、
飛行時間により前記イオンの質量分析を行なう飛行時間型質量分析部と、
前記イオントラップ部と前記飛行時間型質量分析部との間に配置され、内部に多重極電
場を生成する複数の電極を具備する衝突ダンピング部と、
前記イオントラップ部と前記衝突ダンピング部との間に前記イオントラップ部から前記
衝突ダンピング部へイオン入射可能又は入射不可能とするイオン透過調整機構とを有し、
前記イオン透過調整機構は、前記イオントラップ部からのイオン排出の間はイオンを通
過し、前記イオン排出の間以外はイオンを通過しないよう調整されていることを特徴とす
る質量分析計。
【請求項２】
請求項１に記載の質量分析計において、前記イオントラップから前記衝突ダンピング部
へのイオン入射可能な時間が1ms以下であることを特徴とする質量分析計。
【請求項３】
請求項１に記載の質量分析計において、前記イオントラップ部からのイオン排出の間隔
は、１０ms以上であることを特徴とする質量分析計。
【請求項４】
請求項２に記載の質量分析計において、前記衝突ダンピング部からのイオン排出が前記
飛行時間型質量分析計において２つ以上の加速パルスにより測定されることを特徴とする
質量分析計。
【請求項１】
イオンを生成するイオン源と、
前記イオンを蓄積するイオントラップ部と、
飛行時間により前記イオンの質量分析を行なう飛行時間型質量分析部と、
前記イオントラップ部と前記飛行時間型質量分析部との間に配置され、内部に多重極電
場を生成する複数の電極を具備する衝突ダンピング部と、
前記イオントラップ部と前記衝突ダンピング部との間に前記イオントラップ部から前記
衝突ダンピング部へイオン入射可能又は入射不可能とするイオン透過調整機構とを有し、
前記イオン透過調整機構は、前記イオントラップ部からのイオン排出の間はイオンを通
過し、前記イオン排出の間以外はイオンを通過しないよう調整されていることを特徴とす
る質量分析計。
【請求項２】
請求項１に記載の質量分析計において、前記イオントラップから前記衝突ダンピング部
へのイオン入射可能な時間が1ms以下であることを特徴とする質量分析計。
【請求項３】
請求項１に記載の質量分析計において、前記イオントラップ部からのイオン排出の間隔
は、１０ms以上であることを特徴とする質量分析計。
【請求項４】
請求項２に記載の質量分析計において、前記衝突ダンピング部からのイオン排出が前記
飛行時間型質量分析計において２つ以上の加速パルスにより測定されることを特徴とする
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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−１４６９０５（Ｐ２００９−１４６９０５Ａ）
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２３２８５（Ｐ２００９−２３２８５）
【出願日】平成２１年２月４日（２００９．２．４）
【分割の表示】特願２００４−５５７９８（Ｐ２００４−５５７９８）の分割
【原出願日】平成１６年３月１日（２００４．３．１）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【出願人】（５０２３４２０７１）アプレーラ コーポレイション (3)
【氏名又は名称原語表記】Ａｐｐｌｅｒａ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ
【住所又は居所原語表記】３５ Ｗｉｇｇｉｎｓ Ａｖｅｎｕｅ， Ｂｅｄｆｏｒｄ， Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ ０１７３０， Ｕ．Ｓ．Ａ．
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月４日（２００９．２．４）
【分割の表示】特願２００４−５５７９８（Ｐ２００４−５５７９８）の分割
【原出願日】平成１６年３月１日（２００４．３．１）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【出願人】（５０２３４２０７１）アプレーラ コーポレイション (3)
【氏名又は名称原語表記】Ａｐｐｌｅｒａ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ
【住所又は居所原語表記】３５ Ｗｉｇｇｉｎｓ Ａｖｅｎｕｅ， Ｂｅｄｆｏｒｄ， Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ ０１７３０， Ｕ．Ｓ．Ａ．
【Ｆターム（参考）】
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