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JP5333072B2 - Ion trap device - Google Patents
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JP5333072B2 - Ion trap device - Google Patents

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JP5333072B2 JP2009203477A JP2009203477A JP5333072B2 JP 5333072 B2 JP5333072 B2 JP 5333072B2 JP 2009203477 A JP2009203477 A JP 2009203477A JP 2009203477 A JP2009203477 A JP 2009203477A JP 5333072 B2 JP5333072 B2 JP 5333072B2
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To make it possible to adjust the number of ions after introduction of ions to an ion trap at neither the time of ion generation nor ion introduction into the ion trap, so as to reduce a space charging effect inside the ion trap and enhance an analyzing performance. <P>SOLUTION: After capturing ions inside an ion trap 2, an electric current is supplied to a solenoid coil 26 to form a direct current magnetic field B and moreover to release a capturing high-frequency electric field, and an opposite polar voltage is applied on end-cap electrodes 22, 24. Approximately a half of the captured ions advances toward the intake-side end-cap electrode 22 along a field line and disappear. The remaining half of the ions advance toward the exit side end-cap electrode 24 along the field line and is reflected by an electric field. The direct current magnetic field B is released and a capturing electric field is revived before the reflected ions reach the intake-side end-cap electrode 22, and the ions can be reduced to approximately a half. The number of ions can be reduced further by repetition of this operation. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、高周波電場の作用によってイオンを捕捉するイオントラップ装置に関する。   The present invention relates to an ion trap apparatus that traps ions by the action of a high-frequency electric field.

質量分析装置においてイオントラップは、高周波電場の作用によりイオンを捕捉して閉じ込めたり、特定の質量電荷比m/zを持つイオンを選別したり、さらにはそうして選別したイオンを開裂させたりするために用いられる(特許文献1など参照)。典型的なイオントラップは、内面が回転1葉双曲面形状である1個のリング電極と、リング電極を挟んで対向して配置された内面が回転2葉双曲面形状である一対のエンドキャップ電極とからなる3次元四重極型の構成である。これ以外に、平行配置された4本のロッド電極から成るリニア型のイオントラップも知られている。本明細書では、便宜上、「3次元四重極型」を例に挙げてイオントラップの説明を行う。   In a mass spectrometer, an ion trap captures and confines ions by the action of a high-frequency electric field, selects ions with a specific mass-to-charge ratio m / z, and cleaves the selected ions. (Refer to patent document 1 etc.). A typical ion trap has one ring electrode whose inner surface is a rotating one-leaf hyperboloid shape, and a pair of end cap electrodes whose inner surfaces are opposed to each other with the ring electrode in between. This is a three-dimensional quadrupole configuration consisting of In addition, a linear ion trap composed of four rod electrodes arranged in parallel is also known. In this specification, for the sake of convenience, the ion trap will be described by taking “three-dimensional quadrupole type” as an example.

従来の一般的なイオントラップでは、通常、リング電極に高周波高電圧を印加することで、リング電極及びエンドキャップ電極で囲まれる空間に高周波電場を形成し、この高周波電場によりイオンを振動させながら閉じ込める。その後に、例えば対向するエンドキャップ電極間に所定周波数の高周波低電圧を印加し、その周波数に応じた特定の質量電荷比を有するイオンを励振させてイオントラップから排出し、その外側に設置した検出器で検出する。エンドキャップ電極間に印加する高周波低電圧の周波数を所定のシーケンスに従って走査することにより、イオントラップから排出するイオンの質量電荷比を走査し、それに伴って得られる検出信号に基づいてマススペクトルを作成することができる。   In the conventional general ion trap, a high frequency electric voltage is usually applied to the ring electrode to form a high frequency electric field in a space surrounded by the ring electrode and the end cap electrode, and the high frequency electric field confines ions while vibrating. . After that, for example, a high frequency low voltage of a predetermined frequency is applied between the opposed end cap electrodes, ions having a specific mass-to-charge ratio corresponding to the frequency are excited and discharged from the ion trap, and the detection installed outside the ion trap Detect with instrument. By scanning the frequency of the high frequency and low voltage applied between the end cap electrodes according to a predetermined sequence, the mass-to-charge ratio of ions ejected from the ion trap is scanned, and a mass spectrum is created based on the detection signal obtained accordingly. can do.

或いは、上述したようにイオントラップ内にイオンを捕捉した後、エンドキャップ電極に所定の直流電圧を印加し、捕捉されているイオンに初期エネルギーを与えてイオントラップから一斉に排出する。そして、その外側に設置した飛行時間型質量分析器にイオンを導入し、該分析器中でイオンを質量電荷比に応じて分離した上で検出する。一般的に、このように飛行時間型質量分析器を用いた構成では、より高い分解能でマススペクトルを作成することができる。   Alternatively, after ions are trapped in the ion trap as described above, a predetermined DC voltage is applied to the end cap electrode, initial energy is given to the trapped ions, and the ions are discharged simultaneously from the ion trap. And ion is introduce | transduced into the time-of-flight mass spectrometer installed in the outer side, and it isolate | separates according to mass-to-charge ratio in this analyzer, and detects. In general, in such a configuration using a time-of-flight mass analyzer, a mass spectrum can be created with higher resolution.

上述したようなイオントラップを用いた質量分析装置の性能は、イオントラップ内に捕捉されたイオンの密度に大きく影響される。即ち、イオントラップ内のイオン密度が増大して或る閾値を超えると、質量分解能及び質量精度が低下する。これは、イオントラップに捕捉されるイオン自体が形成する空間電荷が、イオンの空間分布及び軌道に影響を与えるためである。したがって、質量分解能や質量精度を向上させるには、イオントラップ内に捕捉されるイオンの数を適当な値になるように定量的に調節することが好ましい。   The performance of the mass spectrometer using the ion trap as described above is greatly influenced by the density of ions trapped in the ion trap. That is, when the ion density in the ion trap increases and exceeds a certain threshold, the mass resolution and the mass accuracy decrease. This is because the space charge formed by the ions trapped in the ion trap affects the spatial distribution and orbit of the ions. Therefore, in order to improve mass resolution and mass accuracy, it is preferable to quantitatively adjust the number of ions trapped in the ion trap so as to be an appropriate value.

特許文献2に記載の、エレクトロスプレイイオン源を備えた質量分析装置では、試料のイオン化が連続的に行われる。そこで、イオントラップにイオンを導入する導入時間幅を制御することにより、導入されるイオンの数、つまりはイオントラップ内の電荷密度を調整するようにしている。しかしながら、イオン源を発したイオンがイオントラップのイオン導入口に到達するまでに質量電荷比の大きなイオンほど時間が掛かるため、こうして遅れるイオンは設定された導入時間内にイオントラップに到達せず、イオントラップ内に導入されない。その結果、イオントラップに捕捉されるイオンの質量範囲が狭くなってしまうという問題がある。   In the mass spectrometer provided with the electrospray ion source described in Patent Document 2, ionization of the sample is continuously performed. Therefore, the number of ions to be introduced, that is, the charge density in the ion trap is adjusted by controlling the introduction time width for introducing ions into the ion trap. However, it takes longer for the ions emitted from the ion source to reach the ion introduction port of the ion trap, so that the ions with a larger mass-to-charge ratio take longer, so the delayed ions do not reach the ion trap within the set introduction time, It is not introduced into the ion trap. As a result, there is a problem that the mass range of ions trapped in the ion trap is narrowed.

一方、MALDIイオン源を用いた質量分析装置では、試料に対しパルス的にレーザ光を照射することで間欠的にイオン化を行うため、照射するレーザ強度又は試料量の調整により発生するイオン量を調整してイオントラップに捕捉するイオンの数を調整することが考えられる。しかしながら、試料量の調整は非常に面倒で手間が掛かる作業である。また、一般に照射するレーザ強度とイオン発生量との関係にはばらつきが大きいため、レーザ強度を調整してもイオンの発生量を的確に調整することは困難である。   On the other hand, in a mass spectrometer using a MALDI ion source, ionization is intermittently performed by irradiating a sample with laser light in a pulsed manner. Therefore, the amount of ions generated can be adjusted by adjusting the intensity of the irradiated laser or the amount of the sample. It is conceivable to adjust the number of ions trapped in the ion trap. However, adjustment of the sample amount is a very troublesome and time-consuming operation. In general, since there is a large variation in the relationship between the laser intensity to be irradiated and the ion generation amount, it is difficult to accurately adjust the ion generation amount even if the laser intensity is adjusted.

米国特許第2939952号明細書U.S. Pat. No. 2,939,952 特表2005−500662号公報JP-T-2005-500662

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、イオントラップにイオンを導入した後にその数を適宜に減らして空間電荷効果を緩和し、ひいては質量分解能などの性能を改善することができるイオントラップ装置を提供することである。   The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and the object of the present invention is to reduce the number of the ions appropriately after introducing ions into the ion trap to alleviate the space charge effect, and thus mass resolution and the like. It is an object to provide an ion trap apparatus that can improve the performance.

上記課題を解決するために成された本発明は、複数の電極からなり、それら電極で囲まれる空間にイオンを捕捉するイオントラップ装置において、
a)イオントラップ内空間にイオン捕捉用の高周波電場を形成するべく、前記複数の電極の少なくとも1つに高周波電圧を印加する高周波電圧印加手段と、
b)イオントラップ内空間に直流磁場を形成する磁場形成手段と、
c)前記高周波電場の形成を停止又は該電場強度を弱めた状態とするとともに前記磁場形成手段により直流磁場を形成した状態で、該直流磁場の磁力線に交差する一対の電極の一方にイオンを反発させる電場を生成する電圧を印加し、一対の電極の他方にイオンを引きつける電場を生成する電圧を印加する補助電圧印加手段と、
を備えることを特徴としている。
The present invention made in order to solve the above-mentioned problem consists of a plurality of electrodes, and in an ion trap apparatus for trapping ions in a space surrounded by these electrodes,
a) high-frequency voltage applying means for applying a high-frequency voltage to at least one of the plurality of electrodes in order to form a high-frequency electric field for ion trapping in the space inside the ion trap;
b) magnetic field forming means for forming a DC magnetic field in the ion trap space;
c) In a state where the formation of the high-frequency electric field is stopped or the electric field intensity is reduced and a DC magnetic field is formed by the magnetic field forming means, ions are repelled on one of the pair of electrodes intersecting the magnetic field lines of the DC magnetic field. An auxiliary voltage applying means for applying a voltage for generating an electric field to be applied, and applying a voltage for generating an electric field for attracting ions to the other of the pair of electrodes;
It is characterized by having.

本発明に係るイオントラップ装置は、三次元四重極型イオントラップ、リニア型イオントラップのいずれにも適用可能である。リング電極と該リング電極を挟んで対向配置された一対のエンドキャップ電極とを有する三次元四重極型イオントラップである場合に、前記高周波電圧印加手段はリング電極に高周波電圧を印加し、前記補助電圧印加手段は一対のエンドキャップ電極にそれぞれ異なる電圧を印加するものとすることができる。   The ion trap apparatus according to the present invention can be applied to both a three-dimensional quadrupole ion trap and a linear ion trap. In the case of a three-dimensional quadrupole ion trap having a ring electrode and a pair of end cap electrodes disposed opposite to each other across the ring electrode, the high-frequency voltage application means applies a high-frequency voltage to the ring electrode, The auxiliary voltage applying means may apply different voltages to the pair of end cap electrodes.

イオントラップに捕捉されているイオンによる空間電荷が略0Vである場合には、補助電圧印加手段は、直流磁場の磁力線に交差する一対の電極の一方にイオンと同極性の電圧を印加し、他方にイオンと逆極性の電圧を印加することにより、上述のようにイオンを反発させる電場及びイオンを引きつける電場をそれぞれ生成することができる。   When the space charge due to the ions trapped in the ion trap is approximately 0 V, the auxiliary voltage applying means applies a voltage having the same polarity as the ions to one of the pair of electrodes intersecting the magnetic field lines of the DC magnetic field, By applying a voltage having a polarity opposite to that of ions, an electric field that repels ions and an electric field that attracts ions can be generated as described above.

本発明に係るイオントラップ装置では、まずイオンをイオントラップ内に導入して高周波電場の作用により捕捉する。そのあとに、高周波電場の形成を停止するか又は高周波電場の強度を弱めるとともに磁場形成手段により直流磁場を形成し、さらに、補助電圧印加手段により、直流磁場の磁力線に交差する一対の電極の一方(第1電極)にイオンを反発させるような電場を生成する電圧を印加し、他方(第2電極)にイオンを引きつけるような電場を生成する電圧を印加する。荷電粒子であるイオンは高周波電場中で所定の軌道で運動しているが、直流磁場が形成される一方、高周波電場が弱まる(又はなくなる)と、イオンに作用するローレンツ力によってイオンは磁力線に沿って移動する。磁力線に沿った移動の方向は直流磁場形成時にイオンが持つ初期エネルギーにより決まり、イオントラップ内空間でのイオンの分布が理想的であれば、捕捉されていたイオンのうちの略半分ずつが磁力線に沿って相対する方向に進む。   In the ion trap apparatus according to the present invention, ions are first introduced into the ion trap and captured by the action of a high-frequency electric field. Thereafter, the formation of the high-frequency electric field is stopped or the strength of the high-frequency electric field is reduced and a DC magnetic field is formed by the magnetic field forming means, and further, one of the pair of electrodes intersecting the magnetic field lines of the DC magnetic field by the auxiliary voltage applying means. A voltage that generates an electric field that repels ions is applied to the (first electrode), and a voltage that generates an electric field that attracts ions is applied to the other (second electrode). Ions, which are charged particles, move in a predetermined orbit in a high-frequency electric field, but when a high-frequency electric field is weakened (or disappears) while a DC magnetic field is formed, the ions follow magnetic field lines due to Lorentz force acting on the ions. Move. The direction of movement along the magnetic field lines is determined by the initial energy of the ions when the DC magnetic field is formed. If the distribution of ions in the ion trap space is ideal, approximately half of the trapped ions become magnetic field lines. Proceed in opposite directions along.

第1電極に向かったイオンは、第1電極の近傍で該電極に印加された電圧により生成される電場により反射される。これに対し、第2電極に向かったイオンは、第2電極との間での電荷の受け渡しにより中性粒子となる(つまりイオンは消滅する)。したがって、第1電極近傍で反射されたイオンが第2電極に到達して消滅するよりも前に高周波電場を元のイオン捕捉可能な状態に戻すことにより、イオントラップ内のイオンの数は第2電極にて消滅した分だけ減少することになる。これにより、イオントラップ内空間のイオンの数を減らし、空間電荷効果の影響を低減することができる。   Ions directed to the first electrode are reflected by an electric field generated by a voltage applied to the electrode in the vicinity of the first electrode. On the other hand, the ions directed to the second electrode become neutral particles (that is, the ions disappear) due to the transfer of charges with the second electrode. Therefore, by returning the high-frequency electric field to the original ion-capturing state before the ions reflected in the vicinity of the first electrode reach the second electrode and disappear, the number of ions in the ion trap becomes the second number. It will decrease by the amount that disappears at the electrode. Thereby, the number of ions in the space in the ion trap can be reduced, and the influence of the space charge effect can be reduced.

イオンの捕捉と上記のイオン数低減操作とを繰り返すことにより、イオントラップ内空間のイオンの数を段階的に減らすこともできる。   By repeating the ion trapping and the above-described ion number reduction operation, the number of ions in the ion trap space can be reduced stepwise.

本発明に係るイオントラップ装置によれば、イオンを発生させる時点やイオンをイオントラップに導入する時点ではなく、イオンを一旦イオントラップ内に導入した後に、その数を減らし、空間電荷効果の影響を低減することができる。それにより、質量分析における高い質量分解能、質量精度を確保することができる。また、イオントラップへのイオン導入時間幅の調整によるイオン数の調整ではないので、イオンの質量電荷比とは殆ど無関係にイオン数を減らすことができ、質量分析に供するイオンの質量範囲を広く確保することができる。さらにまた、イオン数の低減を確実に且つ高い再現性をもって行うことができるので、意図せずにイオン数が極端に減って感度が下がったり、逆にイオン数が意図したほど減らすに空間電荷効果が無視できなくなったりする、といった問題も起こりにくい。   The ion trap apparatus according to the present invention reduces the number of ions once introduced into the ion trap, rather than the time when ions are generated or the time when ions are introduced into the ion trap. Can be reduced. Thereby, high mass resolution and mass accuracy in mass spectrometry can be ensured. In addition, since the number of ions is not adjusted by adjusting the ion introduction time width to the ion trap, the number of ions can be reduced almost independently of the mass-to-charge ratio of the ions, and the mass range of ions used for mass analysis is secured. can do. Furthermore, since the number of ions can be reliably reduced with high reproducibility, the number of ions unintentionally decreases and sensitivity decreases, and conversely the space charge effect reduces the number of ions as intended. The problem that can't be ignored is unlikely to occur.

本発明の一実施例によるイオントラップ質量分析装置の要部の構成図。The block diagram of the principal part of the ion trap mass spectrometer by one Example of this invention. 本実施例のイオントラップ質量分析装置におけるイオン低減操作時の概略タイミング図。The schematic timing diagram at the time of ion reduction operation in the ion trap mass spectrometer of the present embodiment. 本実施例のイオントラップ質量分析装置におけるイオン低減操作の原理説明図。The principle explanatory drawing of ion reduction operation in the ion trap mass spectrometer of a present Example.

以下、本発明の一実施例であるイオントラップ質量分析装置について、添付図面を参照しつつ詳述する。
図1において、図示しない真空室の内部には、イオン化部1、イオントラップ2、及び検出部3が配設されている。イオン化部1はMALDIイオン源であり、レーザ照射部11からパルス状に出射されるレーザ光がサンプルプレート12上に載置されたサンプルSに照射される。サンプルSから発生したイオンは引き出し電極13により引き出され、イオン輸送光学系14を介しイオントラップ2に向けて送出される。
Hereinafter, an ion trap mass spectrometer according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
In FIG. 1, an ionization unit 1, an ion trap 2, and a detection unit 3 are disposed inside a vacuum chamber (not shown). The ionization unit 1 is a MALDI ion source, and a laser beam emitted in a pulse form from the laser irradiation unit 11 is irradiated to the sample S placed on the sample plate 12. Ions generated from the sample S are extracted by the extraction electrode 13 and sent toward the ion trap 2 through the ion transport optical system 14.

イオントラップ2は、1個の円環状のリング電極21と、それを挟むように対向して設けられた一対のエンドキャップ電極22、24とから成る3次元四重極型のイオントラップである。入口側エンドキャップ電極22のほぼ中央にはイオン入射口23が穿設され、出口側エンドキャップ電極24のほぼ中央にはイオン入射口23とほぼ一直線上にイオン出射口25が穿設されている。また、特徴的な構成として、リング電極21の内部にはソレノイドコイル26が埋設されており、励磁駆動部7からソレノイドコイル26に直流電流が供給されることで、イオントラップ2内空間に直流磁場が形成される。   The ion trap 2 is a three-dimensional quadrupole ion trap including one annular ring electrode 21 and a pair of end cap electrodes 22 and 24 provided so as to sandwich the electrode 21. An ion incident port 23 is formed at substantially the center of the inlet end cap electrode 22, and an ion emission port 25 is formed at substantially the center of the outlet end cap electrode 24 substantially in line with the ion incident port 23. . Further, as a characteristic configuration, a solenoid coil 26 is embedded in the ring electrode 21, and a direct current is supplied from the excitation drive unit 7 to the solenoid coil 26, so that a direct current magnetic field is generated in the internal space of the ion trap 2. Is formed.

検出部3はコンバージョンダイノード31と電子増倍管32とからなり、イオントラップ2のイオン出射口25を経て排出されたイオンを検出し、そのイオンの数に応じた検出信号を出力する。   The detector 3 includes a conversion dynode 31 and an electron multiplier 32, detects ions discharged through the ion emission port 25 of the ion trap 2, and outputs a detection signal corresponding to the number of ions.

イオントラップ2のリング電極21には主電源部5が接続され、エンドキャップ電極22、24には補助電源部6が接続されている。主電源部5は例えばLC共振回路を利用した高周波(RF)高電圧発生部を含む。補助電源部6は、直流電圧発生部、及び高周波低電圧発生部を含み、これらの電圧が切り替えられてエンドキャップ電極22、24に印加される。CPUを中心に構成される制御部8は、所定のシーケンスに従って、主電源部5、補助電源部6、励磁駆動部7、レーザ照射部11などの動作を制御する。   The main power supply unit 5 is connected to the ring electrode 21 of the ion trap 2, and the auxiliary power supply unit 6 is connected to the end cap electrodes 22 and 24. The main power supply unit 5 includes, for example, a high frequency (RF) high voltage generation unit using an LC resonance circuit. The auxiliary power supply unit 6 includes a DC voltage generation unit and a high frequency low voltage generation unit, and these voltages are switched and applied to the end cap electrodes 22 and 24. The control unit 8 mainly composed of the CPU controls operations of the main power supply unit 5, the auxiliary power supply unit 6, the excitation drive unit 7, the laser irradiation unit 11, and the like according to a predetermined sequence.

なお、図示しないが、イオントラップ2の内部にはヘリウム、アルゴン等のクーリングガスが適宜導入されるようになっており、イオントラップ2内に導入したイオンをクーリングガスに接触させることで、イオンが持つ運動エネルギーを奪う(つまりクーリングする)ことができるようになっている。   Although not shown, a cooling gas such as helium or argon is appropriately introduced into the ion trap 2, and the ions introduced into the ion trap 2 are brought into contact with the cooling gas, so that ions are generated. You can take away the kinetic energy you have (that is, cool).

本実施例のイオントラップ質量分析装置では、イオン化部1においてサンプルSにレーザ光を照射することにより発生させたイオンを、イオン入射口23を通してイオントラップ2内空間に導入する。導入されたイオンは、主電源部5からリング電極21に印加される高周波高電圧によりイオントラップ2内空間に形成される高周波電場の作用により捕捉される。こうした一旦捕捉したイオンを、エンドキャップ電極22、24に励振用の高周波低電圧を印加することで質量分離しつつイオントラップ2から排出し、これを検出部3で検出してデータ処理部4で処理することによりマススペクトルを作成する。   In the ion trap mass spectrometer of the present embodiment, ions generated by irradiating the sample S with laser light in the ionization unit 1 are introduced into the space inside the ion trap 2 through the ion incident port 23. The introduced ions are captured by the action of a high-frequency electric field formed in the space inside the ion trap 2 by a high-frequency high voltage applied to the ring electrode 21 from the main power supply unit 5. The ions once trapped are discharged from the ion trap 2 while being mass-separated by applying excitation high-frequency low voltage to the end cap electrodes 22 and 24, detected by the detection unit 3, and detected by the data processing unit 4. A mass spectrum is created by processing.

本実施例のイオントラップ質量分析装置では、イオンをイオントラップ2内空間に捕捉した状態でその一部を消滅させることにより、捕捉するイオンの数を減らすことが可能である。次に、このイオン数低減のための操作について詳細に説明する。図3は本実施例のイオントラップ質量分析装置におけるイオン低減操作の原理説明図、図2は本実施例のイオントラップ質量分析装置におけるイオン低減操作時の概略タイミング図である。   In the ion trap mass spectrometer of the present embodiment, it is possible to reduce the number of ions to be trapped by eliminating a part of the ions trapped in the internal space of the ion trap 2. Next, the operation for reducing the number of ions will be described in detail. FIG. 3 is a diagram for explaining the principle of ion reduction operation in the ion trap mass spectrometer of the present embodiment, and FIG. 2 is a schematic timing chart at the time of ion reduction operation in the ion trap mass spectrometer of the present embodiment.

いま、イオントラップ2内の電場及び磁場がゼロであるとみなせる状態で、ソレノイドコイル26に直流電流が供給され、それによって、イオントラップ2内に、図3に示す磁力線が描けるような一様の直流磁場Bが形成された場合を考える。イオンは荷電粒子であり、直流磁場Bによりローレンツ力が作用するから、直流磁場Bが発生する直前にイオントラップ2内に捕捉されているイオンは直流磁場Bの磁力線を中心とした旋回軌道を描く。その軌道半径rLは次の(1)式で表される。
L=(Mibi1/2/eqB …(1)
ここで、Miはイオンの質量、kbはボルツマン係数、Tiはイオンの温度、qはイオンの電荷数、を示している。
一方、イオンの平均速度vにあって直流磁場Bの磁力線方向の成分v’は次の(2)式で表される。
v’=(kbi/Mi1/2 …(2)
Now, in a state where the electric field and magnetic field in the ion trap 2 can be considered to be zero, a direct current is supplied to the solenoid coil 26, and thereby a uniform magnetic field line shown in FIG. 3 can be drawn in the ion trap 2. Consider a case where a DC magnetic field B is formed. Since ions are charged particles and a Lorentz force acts by the DC magnetic field B, the ions trapped in the ion trap 2 immediately before the DC magnetic field B is generated have a swirling trajectory centered on the magnetic field lines of the DC magnetic field B. . The orbit radius r L is expressed by the following equation (1).
r L = (M i k b T i) 1/2 / eqB ... (1)
Here, M i represents the mass of the ion, k b represents the Boltzmann coefficient, T i represents the temperature of the ion, and q represents the number of charges of the ion.
On the other hand, the component v ′ in the direction of the magnetic field of the DC magnetic field B at the average ion velocity v is expressed by the following equation (2).
v ′ = (k b T i / M i ) 1/2 (2)

本実施例におけるイオン数低減手法では、イオントラップ2内にイオンを導入・捕捉した後に、イオントラップ2内に直流磁場Bを形成する。そして、この直流磁場Bの磁力線と交差する一対の電極のうちの一方の電極近傍にイオンを反発させる、つまりイオンと同極性の電場を形成し、他方の電極近傍にはイオンを引きつける、つまりイオンとは逆極性の電場を形成する。このような電場をそれぞれ形成するために、例えばイオンが正イオンである場合に、出口側エンドキャップ電極24に正電圧VAを印加し、入口側エンドキャップ電極22に負電圧VBを印加する。 In the method of reducing the number of ions in the present embodiment, a DC magnetic field B is formed in the ion trap 2 after introducing and trapping ions in the ion trap 2. The ions are repelled in the vicinity of one of the pair of electrodes intersecting the magnetic field lines of the DC magnetic field B, that is, an electric field having the same polarity as the ions is formed, and the ions are attracted in the vicinity of the other electrode, that is, the ions Forms an electric field of the opposite polarity. In order to form such an electric field, for example, when the ions are positive ions, a positive voltage V A is applied to the outlet end cap electrode 24 and a negative voltage V B is applied to the inlet end cap electrode 22. .

イオントラップ2内で十分にクーリングされた状態にあるイオンの速度分布は、イオン入射口23とイオン出射口25を結ぶ線(中心軸)Cに沿ってマックスウェル分布に従うと考えることができる。イオンの速度分布がマックスウェル分布に従う場合、イオントラップ2の中心点を含み、上記中心軸Cに直交する面を境にして、入口側エンドキャップ電極22側と出口側エンドキャップ電極24側とに存在するイオンの数は同数であると考えることができる(図3(b)参照)。理論的には、上記中心軸Cに直交する面を境にして入口側エンドキャップ電極22側に存在するイオンは直流磁場Bにより入口側エンドキャップ電極22側に向かい、出口側エンドキャップ電極24側に存在するイオンは直流磁場Bにより出口側エンドキャップ電極24側に向かう。つまり、もともと捕捉されていたイオンのうちの50%が入口側エンドキャップ電極22に向かい、残りの50%が出口側エンドキャップ電極24に向かうことになる。   It can be considered that the velocity distribution of ions in a sufficiently cooled state in the ion trap 2 follows the Maxwell distribution along a line (center axis) C connecting the ion entrance port 23 and the ion exit port 25. When the ion velocity distribution follows the Maxwell distribution, the ion trap 2 includes the center point and is perpendicular to the central axis C, and is formed between the inlet end cap electrode 22 side and the outlet end cap electrode 24 side. It can be considered that the number of ions present is the same (see FIG. 3B). Theoretically, ions existing on the inlet side end cap electrode 22 side from the plane orthogonal to the central axis C are directed to the inlet side end cap electrode 22 side by the DC magnetic field B, and the outlet side end cap electrode 24 side. The ions present at the end are directed toward the outlet end cap electrode 24 by the DC magnetic field B. That is, 50% of the ions originally trapped go to the inlet end cap electrode 22 and the remaining 50% go to the outlet end cap electrode 24.

出口側エンドキャップ電極24に向かった同種イオンのうち、次の(3)式で与えられるRr[%]が、イオンと同極性の電場により反射されてイオントラップ2の中心方向に戻ると考えられる。一方、入口側エンドキャップ電極22に到達したイオンの大部分はその電極面との相互作用で(電極に接触して又は電極との間で電荷を授受して)中性粒子となる。中性粒子となることはイオンとしての消滅を意味する。
r=[1−exp(−2eqVA/kbi)]×100 …(3)
It is considered that R r [%] given by the following equation (3) among the same ions directed toward the exit-side end cap electrode 24 is reflected by the electric field having the same polarity as the ions and returns to the center direction of the ion trap 2. It is done. On the other hand, most of the ions that have reached the end cap electrode 22 on the inlet side become neutral particles by interaction with the electrode surface (contact with the electrode or transfer of charge to and from the electrode). Being neutral particles means annihilation as ions.
R r = [1-exp (−2 eqV A / k b T i )] × 100 (3)

エンドキャップ電極22、24間の最短距離をLtrapとすると、イオントラップ2に捕捉されていたイオンのうち、質量の最も小さなイオン(質量:Mlight)が出口側エンドキャップ電極24付近で反射してから入口側エンドキャップ電極22に到達するまでに少なくとも1.5×Ltrapの距離を飛行する。これに要する時間は、
light=1.5Ltrap/v’light …(4)
となる。この時間Tlight内に入口側エンドキャップ電極22付近で消滅したイオンの最大質量Mheavyは、(2)式及び(4)式より、
heavy=9×Mlight …(5)
と求まる。即ち、Rrがほぼ100%であれば、イオントラップ2に捕捉されていたイオンのうち、質量Mlightから9×Mlightまでの質量範囲に含まれるイオンの総数を約50%に減らすことができる。
Assuming that the shortest distance between the end cap electrodes 22 and 24 is L trap , among the ions trapped in the ion trap 2, the ion with the smallest mass (mass: M light ) is reflected near the exit end cap electrode 24. The distance flies at least 1.5 × L trap before reaching the inlet end cap electrode 22. The time required for this is
T light = 1.5L trap / v ' light … (4)
It becomes. The maximum mass M heavy of ions annihilated in the vicinity of the inlet end cap electrode 22 within this time T light is calculated from the equations (2) and (4):
M heavy = 9 × M light … (5)
It is obtained. That is, if R r is almost 100%, the total number of ions included in the mass range from the mass M light to 9 × M light among the ions trapped in the ion trap 2 can be reduced to about 50%. it can.

但し、上述のイオンの挙動は全てのイオンが直流磁場Bによる磁力線に沿って(磁力線を中心とする旋回軌道をとって)移動することが前提である。つまり、イオンがリング電極21に接触して消滅する可能性をできるだけ排除する必要がある。そのためには、イオントラップ2内に捕捉したいイオンの質量電荷比に対して、次の(6)式の条件が成り立つように、直流磁場Bの強度を設定することが必要である。
L<Rtrap
ここで、Rtrapはイオントラップ2の内接円半径である。
However, the behavior of the above-mentioned ions is based on the premise that all ions move along a magnetic field line caused by the DC magnetic field B (taken around a turning trajectory centered on the magnetic field line). That is, it is necessary to eliminate as much as possible the possibility that ions come into contact with the ring electrode 21 and disappear. For that purpose, it is necessary to set the intensity of the DC magnetic field B so that the condition of the following equation (6) is satisfied with respect to the mass-to-charge ratio of ions to be trapped in the ion trap 2.
r L <R trap
Here, R trap is an inscribed circle radius of the ion trap 2.

本実施例のイオントラップ質量分析装置において、上記のような原理に基づくイオン数低減操作を行う際の具体的な各部の制御について図2により説明する。
イオン入射口23を通してイオントラップ2内にイオンを導入する際には、補助電源部6より出口側エンドキャップ電極24に正の直流電圧を印加し、入口側エンドキャップ電極22に負の直流電圧を印加する。これにより、正イオンはイオン入射口23を円滑に通過するとともに、出口側エンドキャップ電極24近傍まで進むと、反射されてイオントラップ2中央側に戻るため、イオン出射口25を通してそのままイオンが排出されてしまうことを回避することができる。そうしてイオンをイオントラップ2内に導入した後に、主電源部5からリング電極21に高周波高電圧を印加し、イオンを捕捉する。この際に、上述したようにイオントラップ2内にクーリングガスを導入し、イオンのクーリングを行うことができる。
In the ion trap mass spectrometer of the present embodiment, specific control of each part when performing the ion number reduction operation based on the above principle will be described with reference to FIG.
When ions are introduced into the ion trap 2 through the ion entrance 23, a positive DC voltage is applied to the outlet end cap electrode 24 from the auxiliary power source 6, and a negative DC voltage is applied to the inlet end cap electrode 22. Apply. As a result, the positive ions pass smoothly through the ion entrance port 23 and are reflected to return to the center side of the ion trap 2 when traveling to the vicinity of the exit-side end cap electrode 24, so that the ions are directly discharged through the ion exit port 25. Can be avoided. After introducing ions into the ion trap 2 in this way, a high frequency high voltage is applied from the main power source 5 to the ring electrode 21 to trap the ions. At this time, as described above, a cooling gas can be introduced into the ion trap 2 to cool the ions.

その後、励磁駆動部7からソレノイドコイル26に電流を供給して直流磁場をイオントラップ2内に形成する。このとき、リング電極21への印加電圧はゼロとするか、或いは、イオンに対するクーロン障壁を小さくして移動を容易にするために高周波高電圧の周波数を高くする。また、出口側エンドキャップ電極24には正の直流電圧を印加し、入口側エンドキャップ電極22に負の直流電圧を印加した状態を維持する。これにより、上述したように、その直前に捕捉されていたイオンのうちの半分程度が消滅するから、その残りが消滅する前に直流磁場を消失させ、捕捉用の高周波電場を復活させることにより、残ったイオンを確実に捕捉する。   Thereafter, a current is supplied from the excitation drive unit 7 to the solenoid coil 26 to form a DC magnetic field in the ion trap 2. At this time, the voltage applied to the ring electrode 21 is set to zero, or the frequency of the high frequency high voltage is increased in order to reduce the Coulomb barrier against ions and facilitate movement. Further, a positive DC voltage is applied to the outlet end cap electrode 24 and a negative DC voltage is applied to the inlet end cap electrode 22. By this, as described above, about half of the ions that were captured immediately before disappeared, the DC magnetic field disappeared before the rest disappeared, and the high frequency electric field for capture was restored, Ensure that the remaining ions are captured.

例えば、イオントラップ2のサイズが、内接円半径:10mm、エンドキャップ電極22、24間最短距離Ltrap:10mmであり、イオントラップ2内に捕捉するイオンの質量電荷比の範囲を(5)式を満たす120−1000Daと想定する。この場合、(1)式及び(6)式から、直流磁場Bの磁束密度を500Gauss程度にする必要がある。また、(4)式から、図2中のイオン数低減操作の時間は100μsec程度になる。 For example, the size of the ion trap 2 is the inscribed circle radius: 10 mm, the shortest distance L trap between the end cap electrodes 22 and 24: 10 mm, and the range of the mass-to-charge ratio of ions trapped in the ion trap 2 is (5) Assume 120-1000 Da that satisfies the equation. In this case, from the equations (1) and (6), the magnetic flux density of the DC magnetic field B needs to be about 500 Gauss. Further, from the equation (4), the time for the ion number reducing operation in FIG. 2 is about 100 μsec.

なお、上記のようなイオン数低減操作を繰り返すことは可能であり、それによって捕捉されるイオン数をさらに減らすことができる。   In addition, it is possible to repeat the above ion number reduction operation, and can further reduce the number of ions trapped thereby.

また、上記実施例では、空間電位が0[V]であると仮定して、エンドキャップ電極22、24にイオンと逆極性の電圧及び同極性の電圧をそれぞれ印加することにより、電極22にイオンをひきつけ、電極24でイオンを反発させるようにした。一方、イオントラップ2内の空間電位が0[V]でなく+Vs[V]である場合には、エンドキャップ電極22、24に印加する電圧値からVsを差し引いた値を、イオンと逆極性の電圧及び同極性の電圧とすることにより、上記と同様に、イオンを引きつける電場及びイオンを反発させる電場をそれぞれ生成することができる。   In the above embodiment, assuming that the space potential is 0 [V], a voltage having a polarity opposite to that of the ions and a voltage having the same polarity are applied to the end cap electrodes 22 and 24, respectively. Then, the electrode 24 repels ions. On the other hand, when the space potential in the ion trap 2 is + Vs [V] instead of 0 [V], a value obtained by subtracting Vs from the voltage value applied to the end cap electrodes 22 and 24 is opposite in polarity to the ions. By setting the voltage and the voltage of the same polarity, an electric field that attracts ions and an electric field that repels ions can be generated, respectively.

上記実施例は本発明を三次元四重極型イオントラップに適用したものであるが、リニア型イオントラップでも同様の手法で捕捉するイオン数を減らすことができることは明白である。   In the above embodiment, the present invention is applied to a three-dimensional quadrupole ion trap, but it is obvious that the number of ions to be captured can be reduced by a similar method even in a linear ion trap.

また、上記実施例は本発明の一実施例であって、本発明の趣旨の範囲で適宜に修正、変更、追加などを行っても本願特許請求の範囲に包含されることも明らかである。例えば、イオン化部1や検出部3の構成は上記実施例のものに限定されず、イオントラップ2自体で質量分離を行うことなく外部に飛行時間型質量分析器などの質量分離部を設ける構成であってもよい。   Moreover, the said Example is one Example of this invention, and even if it corrects, changes, an addition etc. suitably in the range of the meaning of this invention, it is clear that it is included in the claim of this application. For example, the configurations of the ionization unit 1 and the detection unit 3 are not limited to those of the above-described embodiments, and a mass separation unit such as a time-of-flight mass analyzer is provided outside without performing mass separation by the ion trap 2 itself. There may be.

1…イオン化部
11…レーザ照射部
12…サンプルプレート
13…引き出し電極
14…イオン輸送光学系
2…イオントラップ
21…リング電極
22…入口側エンドキャップ電極
23…イオン入射口
24…出口側エンドキャップ電極
25…イオン出射口
26…ソレノイドコイル
3…検出部
31…コンバージョンダイノード
32…電子増倍管
4…データ処理部
5…主電源部
6…補助電源部
7…励磁駆動部
8…制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Ionization part 11 ... Laser irradiation part 12 ... Sample plate 13 ... Extraction electrode 14 ... Ion transport optical system 2 ... Ion trap 21 ... Ring electrode 22 ... Inlet end cap electrode 23 ... Ion entrance 24 ... Outlet end cap electrode 25 ... Ion exit 26 ... Solenoid coil 3 ... Detection unit 31 ... Conversion dynode 32 ... Electron multiplier 4 ... Data processing unit 5 ... Main power supply unit 6 ... Auxiliary power supply unit 7 ... Excitation drive unit 8 ... Control unit

Claims (2)

複数の電極からなり、それら電極で囲まれる空間にイオンを捕捉するイオントラップ装置において、
a)イオントラップ内空間にイオン捕捉用の高周波電場を形成するべく、前記複数の電極の少なくとも1つに高周波電圧を印加する高周波電圧印加手段と、
b)イオントラップ内空間に直流磁場を形成する磁場形成手段と、
c)前記高周波電場の形成を停止又は該電場強度を弱めた状態とするとともに前記磁場形成手段により直流磁場を形成した状態で、該直流磁場の磁力線に交差する一対の電極の一方にイオンを引きつける電場を生成する電圧を印加し、一対の電極の他方にイオンを反発させる電場を生成する電圧を印加する補助電圧印加手段と、
を備えることを特徴とするイオントラップ装置。
In an ion trap device that consists of a plurality of electrodes and traps ions in a space surrounded by the electrodes,
a) high-frequency voltage applying means for applying a high-frequency voltage to at least one of the plurality of electrodes in order to form a high-frequency electric field for ion trapping in the space inside the ion trap;
b) magnetic field forming means for forming a DC magnetic field in the ion trap space;
c) In the state where the formation of the high-frequency electric field is stopped or the electric field intensity is weakened and a DC magnetic field is formed by the magnetic field forming means, ions are attracted to one of a pair of electrodes intersecting the magnetic field lines of the DC magnetic field. An auxiliary voltage applying means for applying a voltage for generating an electric field and applying a voltage for generating an electric field for repelling ions to the other of the pair of electrodes;
An ion trap apparatus comprising:
請求項1に記載のイオントラップ装置であって、
リング電極と該リング電極を挟んで対向配置された一対のエンドキャップ電極とを有し、前記高周波電圧印加手段はリング電極に高周波電圧を印加し、前記補助電圧印加手段は一対のエンドキャップ電極にそれぞれ電圧を印加するものであることを特徴とするイオントラップ装置。
The ion trap apparatus according to claim 1,
A ring electrode and a pair of end cap electrodes disposed opposite to each other with the ring electrode interposed therebetween, wherein the high frequency voltage applying means applies a high frequency voltage to the ring electrode, and the auxiliary voltage applying means is applied to the pair of end cap electrodes. An ion trap device that applies voltage to each.
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