JP5600430B2 - 質量分析装置及び質量分析方法 - Google Patents

Description

本発明は、質量分析計に関する。

質量分析装置において高感度な特性を有するリニアイオントラップは広く用いられている。このうち、４本のロッド電極よりなるリニアイオントラップは、一度に内部にトラップできるイオン量（トラップ容量）が従来の３次元トラップに比べて大きいことから、高感度分析が可能であり、広く用いられている。

特許文献１には、リニアイオントラップにイオンを蓄積した後、ロッド電極に設置したスリット型細孔より、イオンをロッド電極と垂直方向へ質量選択的に排出する方法が記載されている。また、リニアイオントラップ内部に電子を入射し、イオンをリニアイオントラップ内部で生成する方法についても記載されている。更に、トロイダル型のリニアイオントラップについても開示されている。

特許文献２には、リニアイオントラップにイオンを蓄積、アイソレーション、解離などの操作を行なった後、端電極とロッド電極間で生じるフリンジングフィールドを用いることでイオンをロッド軸方向へ質量選択的に排出する方法が記載されている。

特許文献３には、リニアイオントラップにイオンを蓄積、アイソレーション、解離などの操作を行なった後、ワイヤ電極間で生じる引き出し直流電場を用いることでイオンをロッド軸方向へ質量選択的に排出する方法が記載されている。

特許文献４には、平行平板でリニアイオントラップのロッド電極を構成する方法が記載されている。更に、径方向から電子を入射して内部でイオンを生成し、その後、径方向に質量選択的に排出する方法などが記載されている。

特許文献５には、リニアイオントラップ内に電子を入射して内部のイオンと反応させることで電子捕獲解離反応を行なった後、径方向に質量選択的に排出する方法などが記載されている。

米国特許第5,420,425号 米国特許第6,177,668号 米国特許公報第2007/0181804号 米国特許第6,838,666号 米国特許第6,995,366号

特許文献１〜５では、イオン源などで生成する電子やサンプル中に含まれる中性分子がリニアイオントラップのロッド電極に付着することで起こる電界の乱れが問題となる。具体的には、長時間測定を行なうと電極表面に汚れが付着し、分解能の劣化が見られる。また、特許文献１，４，５では電子源から発生する光が検出器に入ることで、ノイズを発生するという課題がある。

上記課題を解決するために、質量分析装置として、電子又はイオンを通過させる細孔を有するロッド電極を含む多重極ロッド電極を有するリニアイオントラップ部と、リニアイオントラップ部内のイオンを多重極ロッド電極の軸方向に移動させる機構と、リニアイオントラップ部から質量選択的に排出されるイオンを検出する検出器とを有することを特徴とする。

また、質量分析方法として、電子又はイオンを、リニアイオントラップ部を構成するロッド電極に設けられた細孔を通過させる工程と、リニアイオントラップ部に軸方向電界を生成し、イオントラップ部内のイオンを軸方向に移動させてトラップする工程と、リニアイオントラップ部から、イオンを質量選択的に排出する工程と、排出されたイオンを検出する工程とを有することを特徴とする。

本発明の効果は、小型・簡便な構成で耐久性と分解能が両立する。

本方式の実施例１ 本方式の実施例１の測定シーケンス 本方式の実施例１の測定シーケンス 本方式の実施例２ 本方式の実施例３ 本方式の実施例４ 本方式の実施例５ 本方式の実施例６ 本方式の実施例7 配置の仕方の例

図１は、本方式を適用したリニアイオントラップの構成図である。電圧の制御やデータ収集として、制御部及びデータ収集部105を備える。ガスサンプリング部70によりガス化されたサンプルが、加熱されたキャピラリー1を通って、インキャップ電極3、ロッド電極7、エンドキャンプ電極10よりなるリニアイオントラップ内部に細孔2を介して導入される。なお、キャピラリー部はガスクロマトグラム用のキャピラリーを用いてもよい。この場合にはキャピラリーの温度をコントロールすることで分離を行なうことができる。このガス化したサンプルをイオン化するため、電子源30より、電子がリニアイオントラップに導入方向51で示されるように導入される。電子源30はタングステンワイヤなどのフィラメント31、電極32、レンズ33より構成される（図１A）。フィラメント31の電位をリニアイオントラップに対し−20〜−100V程度に調整することで、電子はロッド電極に設置された細孔11を通過し、リニアイオントラップ内部へと導入される。導入方向51のように導入された電子は、キャピラリー１より導入された試料ガスと反応し、イオン化領域59でイオンを生成する。このようなイオンを電子イオン化（Electron Impact Ionization）と呼ぶ。なお、電子源30からは電子以外の中性ガス、フィラメントから発生した光なども細孔11を通して導入されるが、これらは進行方向52で示すように直進性の性質を持つ。一方、イオン化に寄与しなかった電子はトラップ内でのRF電界により拡散する。中性ガスや拡散した電子は電極に付着することで電極の汚れを引き起こし、このままの場所でイオン化すると、分解能の劣化の原因になることが知られている。また、光が検出器に入ることでノイズの原因となることも知られている。

一方、生成したイオンはロッド電極7に1〜4MHz、最大振幅1kV程度のトラップRF電圧21を印加することで径方向に生成される四重極電界により径方向へトラップされる。本実施例ではロッド電極7は軸方向に中心軸からの最近接距離が異なるロッド電極7を用いる。例えば、インキャップ電極側よりもエンドキャップ電極側の方が中心軸から離れるようにする。これにより、インキャップ電極側からエンドキャップ電極側へと軸方向に電位勾配が生成する。この軸上電界により生成したイオンは進行方向53で示すように移動し、イオントラップ領域60に移動する。イオントラップ領域60に移動したイオンはトラップRF電圧21や補助AC電圧20を印加することで特定質量数のイオンを選択的に径方向54に排出することができる。質量選択的に排出されたイオンはスリット形状の細孔12を通り、電子増倍管などの検出器25により検出される。検出器25より得られた信号は、検出信号のデータ収集部24へと送られる。インキャップ電極、エンドキャップ電極には直流電圧を印加してイオンを軸上にトラップする。

リニアイオントラップ部は図１A、図１Bのようにリニアイオントラップを絶縁物のカバー18を用いることでガス圧力を外部より高くコントロールすることも可能である。リニアイオントラップ内部の圧力は10^-2Pa〜1Pa程度に維持される。ガスの種類としては、エアー、窒素、Ar、ヘリウムなどあるが、分子量の小さいヘリウムを用いると高い分解能が得られる。

次に、図１のリニアイオントラップにおいてMS/MS測定を行なった場合の測定シーケンスを、図２を用いて説明する。MS/MSの測定シーケンスは電子入射によりイオンをイオン化・蓄積するイオン化・蓄積ステップ、補助AC電圧20として1-500kHz程度のRF電圧の重畳成分であるFNF波形（最大振幅15V程度）を対向するロッド電極間（7a,7c間）に印加することで特定質量のイオン以外をトラップ外部へと排出するアイソレーションステップ、補助AC電圧20として、周波数70kHz、最大振幅5V程度のRF電圧を対向するロッド電極間（7a,7c間）に印加することで、トラップ内に残留したイオンを解離する解離ステップと、トラップRF電圧21および周波数300kHz程度の補助AC電圧20の振幅をスイープすることで、質量数の低いイオンから高いイオンへと順次質量選択的に排出・検出する質量スキャンステップとの４ステップにて構成される。これにより、特定質量の親イオンから生成するフラグメントイオンのプロダクトスペクトルを得ることができる。電子入射はイオン化・蓄積シーケンスで行い、質量スキャン時では行なわないことにより、イオン源で生成する光などに起因するノイズが低減できるメリットがある。また、本シーケンスのアイソレーションステップ、解離ステップを省くことで、MS１スペクトルが、またそれらをもう一度繰り返すことでMS3スペクトルを取得することも可能である。

また、リニアイオントラップのMS/MS測定を行なった場合の他の測定シーケンスを、図３を用いて説明する。本測定シーケンスは図２の測定シーケンスと異なりRF電圧の振幅を一定に保てるため、RF電界生成に使用される最大消費電力を抑えられ、小型装置に好適な構成である。一方で分解能良く一度にスキャンできる質量範囲を確保するためにはトラップRF電圧の周波数として、2MHz以上の高い値を使用する（3MHz〜4MHzが好適）。本シーケンスも４つのシーケンスよりなるが、トラップRF振幅が一定であることと、質量スキャンステップにおいて、補助AC電圧の周波数をスイープするのが大きな相違点である。スキャンステップでは、補助AC電圧の周波数を1MHz程度の高周波数から50kHz程度の低周波数へと周波数を順次スイープさせることにより、質量数の低いイオンから高いイオンへと順次質量選択的に排出・検出することができる。

図１のような装置用いることで、従来知られていた装置構成よりも下記のようなメリットがある。従来は電子入射部にイオンが蓄積し、その場でイオンの排出が行なわれたため、電子や中性ガスに起因した汚れにより質量分離に用いる四重極電界が歪み、長時間の測定と共に分解能が劣化する問題があった。一方、本実施例では、イオンのみが進行方向53へと軸方向に移動する一方、電子や中性ガスは進行方向51、52のような経路を辿り、イオントラップ領域60の周辺には達しないため、多数回の測定においても、このような分解能劣化を引き起こさない。また、光は進行方向52のように入射されるため、検出器25に到るには更に２度の偏向が必要であるため、ノイズとして検出されにくいという特徴がある。更に、同一のロッド電極7cを加工することで、イオン源30および検出器25がリニアイオントラップ対し同一方向に配置される。この結果、装置全体がコンパクトに構成可能、配線が容易などの付随的な利点も得られる。

図4は、本方式を適用した第２の実施例のリニアイオントラップの構成図である。試料導入方式、電子入射方式、測定シーケンスなどは実施例１と同様であるが、本実施例では丸型のロッドでなく角型のロッド8を使用している。角型ロッド8においても軸方向により中心軸からロッドまでの最近接距離を変化させることで軸上にポテンシャルを形成することが可能である。本実施例は、実施例１に比べ角柱ロッドを用いることでよりロッド電極の製作および組み立てが容易になるというメリットがある。一方で、丸型ロッドの方が角柱ロッドよりも分解能は高い。

図５は、本方式を適用した第３の実施例のリニアイオントラップの構成図である。試料導入方式、電子入射方式、測定シーケンスなどは実施例１と同様である。本実施例では軸方向の電場の形成のためにロッド中心軸上に挿入した押し出し電極4を設置する。スキャンステップにおいて、押し出し電極4に数10V〜数100Vの電圧を印加することでイオンは軸上にエンドキャンプ電極側に押し出される。

これ以外にも軸上に電界を発生させる方法としては、例えば、リング状の電極をリニアトラップ外周に配置したり、ロッド間に電極を挿入したりして電圧を印加するなど様々な方法がある。尚、実施例１では、ロッド電極は軸方向に中心軸からの最近接距離が異なる電極を用いた例を示したが、ここでは中心軸の距離が一定のロッド電極を用いてもよい。いずれの方法でも、軸上にイオンをエンドキャンプ側に移動する機構を設ければ本発明の効果は得ることができる。

図６は、本方式を適用した第４の実施例のリニアイオントラップの構成図である。試料導入方式、電子入射方式、測定シーケンスなどは実施例１と同様であるが、実施例４では、イオンを径方向でなく、軸方向に排出している。このため、エンドキャンプ電極10には細孔54を設置する。なお、細孔にメッシュを設置する（図示せず）ことで検出器に印加する高電圧がリニアイオントラップ内部の電界を乱すことを抑えることが出来る。イオン排出の時には、エンドキャップ電極54の電圧を数V〜数10Vに設定する。補助AC電圧で励起されたイオンはエンドキャップ電極付近のロッド電極とエンドキャップ電極との間に構成されるフリンジングフィールドにより軸方向に引き出され、検出器に25で検出される。また、これとは別の方式として、ロッド電極間に２本のワイヤ電極間に直流引き出し電場を形成することで、質量選択的に軸方向に排出する方法などもある。この軸方向排出の場合においても本発明の効果である分解能の維持については同様に得られる。

図7は、本方式を適用した第5の実施例のリニアイオントラップの構成図である。測定シーケンス、ロッド電極、検出器の配置などは実施例１と同様であるが、実施例5では、リニアイオントラップには電子でなくイオンを入射している。ガスサンプリング部70によりガス化されたサンプルが、キャピラリー1を通って細孔72からイオン源71に導入される。イオン源71はタングステンワイヤなどのフィラメント31、電極32、レンズ33より構成され、イオン源内部で生成したイオンはロッド電極に設置された細孔11を通過し、リニアイオントラップ内部へと導入される。導入方向55のように導入されたイオンは、四重極電界でトラップされた後、軸方向の電場により進行方向53の方向へと移送され、イオントラップ領域60に蓄積される。その後の検出方法は実施例１と同様である。本実施例においても直進性の中性ノイズは進行方向52のようにイオン源付近のロッド電極を汚染するため、本発明を採用した場合の効果は大きい。なお、図７ではEIイオン源の例を示すが、真空中での、化学イオン化、光イオン化、プラズマイオン化などのイオン源も全く同様に適用することが出来る。

図8は、本方式を適用した第6の実施例のリニアイオントラップの構成図である。測定シーケンス、ロッド電極、検出器の配置などは実施例5と同様であるが、実施例6では、イオン源71を軸方向に配置している。実施例5の構成ではイオン源からリニアイオントラップに到るまでにRF電界の障壁を越える必要があり、導入効率が10％程度であるのに対し、実施例6の構成では、イオン源71からリニアイオントラップまではDC電界のみで形成されているため、導入効率が100％近い値を得ることも可能である。本実施例においても直進性の中性ノイズは進行方向52のようにイオン源付近のロッド電極を汚染するため、本発明を採用した場合の効果は大きい。

図9は、本方式を適用した第7の実施例のリニアイオントラップの構成図である。測定シーケンス、ロッド電極、検出器の配置などは実施例5と同様であるが、実施例7では、イオン源71として大気圧イオン源を用いる。本構成をとることで、エレクトロスプレーイオン源、大気圧化学イオン源など多種多様な大気圧イオン源を使用することが可能となる。大気圧イオン源とリニアイオントラップの間には真空を維持するためキャピラリー27が配置される。本実施例においても直進性の中性ノイズは進行方向52のようにイオン源付近のロッド電極を汚染するため、本発明を採用した場合の効果は大きい。また、本実施例以外にも大気圧下のイオンをリニアイオントラップに導入する方式として様々な方法が存在するがそれらの場合においても本発明は有効に適用可能である。

なお、以上の実施例に共通することとして、汚れの付着を防ぐために従来から行なわれている金メッキなどをロッド電極表面に施すことも耐久性をより改善する効果がある。

なお、実施例1、２、３では、トラップRF電圧を一対のロッド電極（7b,7d）のみに印加する構成が示されている。これらは電子、およびイオンを径方向から入射する実施例１、２、３、４、５では電子の効率が高まるため、好適である。一方、位相の反転したトラップRF電圧をもう一対のロッド電極（7a,7c）に印加することも可能である。この電圧印加構成は、軸上からイオンを入射する実施例6、7ではイオンの導入効率が高まるため好適である。

また、実施例1、2、3、5では、イオン源および検出器がリニアトラップに対し同方向に配置される。これによる利点を図10を用いて説明する。制御部及びデータ収集部１０５の制御部により出力される制御電圧109は、コネクタ部１０４を介して、イオン源101、リニアトラップ部102、検出器103に印加される。また、検出器103より発生した信号110は、コネクタ部104を介して制御部及びデータ収集部105のデータ収集部へと送られる。図10のようにイオン源101、検出器103をリニアトラップ部102に対し片側に配置することで全体の容積をコンパクト化することが可能である。また、これにより、コネクタ部を片側に配置しても配線が複雑化しないなどのメリットがある。

１…キャピラリー、２…細孔、３…インキャップ電極、４…押し出し電極、７…ロッド電極、８…ロッド電極、９…ロッド電極、１０…エンドキャップ電極、１１…導入細孔、１２…排出細孔、１８…カバー、２０…補助AC電圧、２１…トラップRF電圧、２４…データ収集部、２７…キャピラリー、３０…電子源、３１…フィラメント、３２…電極、３３…レンズ、５１…電子の進行方向、５２…直進成分の進行方向、５３…イオンの進行方向、５４…イオンの排出方向、５５…イオンの排出方向、５９…イオン化領域、６０…イオントラップ領域、７０…サンプリング部、７1…イオン源、７２…細孔、７４…イオン源、１０１…イオン源、１０２…リニアトラップ部、１０３…検出器、１０４…電源コネクタ部、１０５…制御部およびデータ収集部、１０６…制御電圧、１０７…制御電圧、１０８…制御電圧、１０９…制御電圧、１０８…信号、１０９…信号。

Claims (20)

1. 電子又はイオンを通過させる細孔を有するロッド電極を含む四重極ロッド電極を有するリニアイオントラップ部と、
   前記リニアイオントラップ部内のイオンを前記四重極ロッド電極の軸方向に移動させる機構と、
   前記リニアイオントラップ部から質量選択的に排出されるイオンを検出する検出器とを有し、
   前記イオン移動機構は、前記四重極ロッド電極が軸方向に単一のロッド電極により構成され、前記四重極ロッド電極の中心軸からの最近接距離がイオン導入部よりもイオン排出部の方が長いことにより前記イオン導入部から前記イオン排出部に対して生成される軸方向電場であることを特徴とする質量分析装置。
2. 請求項１記載の質量分析装置であって、さらに、前記リニアイオントラップ部に導入する電子を生成する電子源を有し、前記細孔は、前記電子源からの電子を導入することを特徴とする質量分析装置。
3. 請求項１記載の質量分析装置であって、さらに、前記リニアイオントラップ部に導入するイオンを生成するイオン源を有し、前記細孔は、前記イオン源からのイオンを導入することを特徴とする質量分析装置。
4. 前記細孔は、前記リニアイオントラップ部からイオンを質量選択的に排出することを特徴とする請求項１記載の質量分析装置。
5. 請求項４記載の質量分析装置であって、さらに、前記リニアイオントラップ部の端部より導入するイオンを生成するイオン源を有することを特徴とする質量分析装置。
6. 請求項４記載の質量分析装置であって、さらに、前記リニアイオントラップ部に導入するイオンを生成するイオン源と、前記イオン源と前記イオントラップ部との間に設けられたキャピラリーとを有することを特徴とする質量分析装置。
7. 前記ロッド電極は、イオン又は電子を導入する第１の細孔と、イオンを質量選択的に排出する第２の細孔とを有することを特徴とする請求項１記載の質量分析装置。
8. 前記第１の細孔と前記第２の細孔とは、同一のロッド電極に設けられていることを特徴とする請求項７に記載の質量分析装置。
9. 請求項８に記載の質量分析装置であって、さらに、制御部及びデータ収集と、前記制御部及びデータ収集と前記リニアトラップ部又は前記検出部との間の入出力を制御するコネクタとを備え、前記イオン又は電子を導入するためのイオン源又は電子源、前記検出器、前記コネクタ、前記データ収集部及び制御部とが、前記リニアトラップ部に対して同じ側に設けられていることを特徴とする質量分析装置。
10. 前記四重極ロッド電極は、丸型のロッド電極からなることを特徴とする請求項１記載の質量分析装置。
11. 前記四重極ロッド電極は、角柱型のロッド電極からなることを特徴とする請求項１記載の質量分析装置。
12. 前記リニアイオントラップ部は、周囲を絶縁物で覆われていることを特徴とする請求項１記載の質量分析装置。
13. 前記リニアイオントラップ部の端部からイオンを排出させるための細孔を備えたエンドキャップ電極を有し、前記細孔は、メッシュを備えていることを特徴とする請求項１記載の質量分析装置。
14. 電子又はイオンを、リニアイオントラップ部を構成する四重極ロッド電極のいずれかに設けられた細孔を通過させる工程と、
    前記四重極ロッド電極が軸方向に単一のロッド電極により構成されており、前記四重極ロッド電極の中心軸からの最近接距離をイオン導入部よりもイオン排出部の方が長いことにより前記イオン導入部から前記イオン排出部に対して生成される軸方向電場を生成し、前記イオントラップ部内のイオンを軸方向に移動させてトラップする工程と、
    前記リニアイオントラップ部から、イオンを質量選択的に排出する工程と、
    排出されたイオンを検出する工程とを有する質量分析方法。
15. 請求項１４に記載の質量分析方法であって、前記細孔を通過させる工程は、電子を導入する工程であって、前記リニアイオントラップ部の端部から導入される試料ガスを、前記リニアイオントラップ部内でイオン化する工程を有することを特徴とする質量分析方法。
16. 請求項１４に記載の質量分析方法であって、前記細孔を通過させる工程は、イオンを導入する工程であることを特徴とする質量分析方法。
17. 請求項１４に記載の質量分析方法であって、前記細孔を通過させる工程は、前記イオンを質量選択的に排出する工程であることを特徴とする質量分析方法。
18. 請求項１４に記載の質量分析方法であって、さらに、
    前記リニアイオントラップ部内にトラップされたイオンを単離する工程と、
    前記単離されたイオンを解離させる工程とを有し、
    解離されたイオンを質量選択的に排出することを特徴とする質量分析方法。
19. 請求項１５に記載の質量分析方法であって、前記電子を導入する工程を止めて、前記リニアイオントラップ部のロッド電極に印加するトラップＲＦ電圧及び補助ＡＣの振幅をスイープすることにより、前記リニアイオントラップ部からイオンを質量選択的に排出することを特徴とする質量分析方法。
20. 請求項１５に記載の質量分析方法であって、前記電子を導入する工程を止めて、前記リニアイオントラップ部のロッド電極に印加するトラップＲＦ電圧の振幅を一定に保ったまま、補助ＡＣの周波数をスイープすることにより、前記リニアイオントラップ部からイオンを質量選択的に排出することを特徴とする質量分析方法。

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