(57)【要約】   複数の扇形電極（１１、１２、１３、１４）とイオン入射スリット（１５）、イオン出射スリット（１６）を含む、イオンの時間収束が保証された基本イオン光学系（２）は同一平面上に配置され、これが該平面に略直交する方向に互いに所定間隔離して配置され、下段の基本イオン光学系（２）のイオン出射スリット（１６）と１つ上の段の基本イオン光学系（２）のイオン入射スリット（１５）とは、イオンの時間収束が保証された別の基本イオン光学系（３）により接続される。これにより、全体でのイオンの時間収束を確保しながら飛行距離を長くすることができ、且つ、３次元空間を有効に利用してイオン光学系（１）をコンパクトに収めることができる。
2008142737.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定のエネルギーをイオンに付与して飛行空間内を飛行させ、その際に質量に応じてイオンを時間的に分離してイオン検出器により検出する飛行時間型の質量分析装置において、
イオン入射口と、イオン出射口と、前記イオン入射口から入射したイオンが前記イオン出射口で時間収束条件を満たすように複数の扇形電場を含む電場により形成される飛行軌道と、が１つの平面上に設けられた基本イオン光学系を複数有し、
１つの基本イオン光学系のイオン出射口と次段の基本イオン光学系のイオン入射口とを接続するように前記複数の基本イオン光学系を縦列的に接続し、且つそれら複数の基本イオン光学系を互いに異なる平面上に配置したことを特徴とする質量分析装置。
【請求項２】
前記基本イオン光学系は、イオン入射口でのイオン入射の向きとイオン出射口でのイオン出射の向きとが同方向である第１基本イオン光学系と、イオン入射口でのイオン入射の向きとイオン出射口でのイオン出射の向きとが反対方向である第２基本イオン光学系とを含み、
複数の第１基本イオン光学系をそれが載った平面が互いに平行で且つ平面に直交又は斜交する方向に離間するように配置し、隣接する第１基本イオン光学系の一方の第１基本イオン光学系のイオン出射口と他方の第１基本イオン光学系のイオン入射口との間を前記第２基本イオン光学系を介して接続したことを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
【請求項３】
縦列的に接続された前記複数の基本イオン光学系は、初段の基本イオン光学系のイオン入射口に外部からイオンを入射し、最後段の基本イオン光学系のイオン出射口からイオンを取り出して検出する非周回型軌道を形成するものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の質量分析装置。
【請求項４】
縦列的に接続された前記複数の基本イオン光学系は、初段の基本イオン光学系のイオン入射口と最後段の基本イオン光学系のイオン出射口とが接続された周回型軌道を形成するものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は飛行時間型質量分析装置に関し、さらに詳しくは、飛行時間型質量分析装置においてイオンを飛行させる飛行空間を形成するイオン光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に飛行時間型質量分析装置（ＴＯＦ−ＭＳ）では、一定のエネルギーで以て加速したイオンが質量に応じた飛行速度を持つことに基づき、一定距離を飛行するのに要する時間を計測することで、その飛行時間からイオンの質量を算出する。従って、質量分解能を向上させるためには、飛行距離を伸ばすことが特に有効である。しかしながら、単に直線的に飛行距離を伸ばそうとすると装置が大形化することが避けられず限界があるため、飛行距離を伸ばすために、従来より、イオン飛行空間を形成するイオン光学系として様々な構成が考えられている。【０００３】
そうしたイオン光学系として、複数の扇形電場を用いて略楕円形状或いは略８の字形状などの閉じた周回軌道を形成する多重周回型のものが知られている（例えば特許文献１など参照）。このような周回軌道に沿ってイオンを多数回繰り返し周回させることで飛行距離を長くすることができる。【０００４】
このような多重周回飛行時間型質量分析装置では、同一の質量電荷比を持つイオンが周回中に時間的及び空間的に広がることで感度や分解能が低下しないようにする必要がある。そのため、周回軌道を形成するイオン光学系（以下の説明では、周回軌道を形成するイオン光学系を単にイオン光学系という）に与えられる条件としては、単に幾何学構造的に閉軌道を有するということだけでは不十分であり、周回後の飛行時間ピーク幅が増大しないことや周回後のイオンビームが発散しないことが要求される。【０００５】
こうした要求に応えるため、例えば特許文献１に記載の多重周回飛行時間型質量分析装置では、時間収束条件として、周回後のイオンの飛行時間が周回開始時点でのイオンの初期位置、初期角度、及び初期エネルギーに依存しないようにする必要がある。こうした条件を満たす必要があるため、イオン光学系を構成する扇形電場の形状や配置には制約があり、その設計は必ずしも容易ではない。【０００６】
また、周回軌道上の周回数を多くすれば質量分解能は上がるものの、異なる質量のイオンが混在している場合には速度の早い低質量イオンが速度の遅い高質量イオンに追いつき、さらには追い越してしまう事態が生じ、イオンの識別に支障をきたすことになる。そこで、質量分解能を上げるには、異なる質量のイオンの追いつき、追い越しが生じないように、周回軌道の１周の距離をできるだけ長くすることが望ましい。１周の距離を伸ばすためには、イオン光学系を構成する扇形電場の数を増やしたり、その曲率を大きくしたり、或いは自由飛行空間の長さを伸ばしたりする必要があり、結局、イオン光学系の設置面積を大きくせざるを得ないという問題がある。【０００７】
一方、周回軌道上でのイオンの追いつき、追い越しを回避し、しかも設置面積を抑制できる手法として、螺旋状の飛行軌道を形成するものがある。例えば非特許文献１、２、３などに開示された装置では、平面上において安定且つイオンが持つ各種の広がり（ばらつき）を収束させ得るような周回軌道を、その平面に垂直な方向に少しずつ偏向させながら螺旋軌道を形成するようにしている。そのため、平面上の周回軌道としてはイオンの収束（特に時間収束）条件が満たされるとしても、螺旋軌道全体としてイオンの収束条件が満たされることは保証されておらず、特に飛行距離を伸ばすために旋回数を増やすとイオンの一部が発散して感度が低下する、或いは想定したほど質量精度や質量分解能が上がらない、といった問題が生じるおそれがある。【０００８】
【特許文献１】特開平１１−２９７２６７号公報
【非特許文献１】松田（H. Matsuda）、「インプルーブメント・オブ・ア・トフ・マス・スペクトロメーター・ウィズ・ヘリカル・イオン・トラジェクトリー（Improvement of a TOF Mass Spectrometer with Helical Ion Trajectory）」、ジャーナル・オブ・スペクトロメトリー・ソサイエティ・オブ・ジャパン（J. mass Spectrom. Jpn.）、49、pp.227(2001)
【非特許文献２】松田（H. Matsuda）、「スパイラル・オービット・タイム・オブ・フライト・マス・スペクトロメーター（Spiral Orbit Time of Flight Mass Spectrometer）」、ジャーナル・オブ・スペクトロメトリー・ソサイエティ・オブ・ジャパン（J. mass Spectrom. Jpn.）、48、pp.303(2000)
【非特許文献３】佐藤（T. Satoh）ほか３名、「ア・ニュー・スパイラル・タイム-オブ-フライト・マス・スペクトロメーター・フォー・ハイ・マス・アナリシス（A New Spiral Time-of-Flight Mass Spectrometer for High Mass Analysis）」、ジャーナル・オブ・スペクトロメトリー・ソサイエティ・オブ・ジャパン（J. mass Spectrom. Jpn.）、54、pp.11(2006)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その主な目的とすることろは、設計が容易であって、サイズをコンパクトに収めることができ、且つ長い飛行距離を確保して高い質量精度、質量分解能を達成することができる飛行時間型のイオン光学系を有する質量分析装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために成された本発明は、所定のエネルギーをイオンに付与して飛行空間内を飛行させ、その際に質量に応じてイオンを時間的に分離してイオン検出器により検出する飛行時間型の質量分析装置において、
イオン入射口と、イオン出射口と、前記イオン入射口から入射したイオンが前記イオン出射口で時間収束条件を満たすように複数の扇形電場を含む電場により形成される飛行軌道と、が１つの平面上に設けられた基本イオン光学系を複数有し、
１つの基本イオン光学系のイオン出射口と次段の基本イオン光学系のイオン入射口とを接続するように前記複数の基本イオン光学系を縦列的に接続し、且つそれら複数の基本イオン光学系を互いに異なる平面上に配置したことを特徴としている。【００１１】
ここで、時間収束条件が満たされている状態とは、イオンの飛行時間がそのイオンの初期位置、初期角度（方向）、及び初期エネルギーに依存しない、つまり、これらの条件がばらついてもイオンの質量（厳密には質量電荷比）が同一であれば同一の飛行時間となる状態である。【００１２】
即ち、本発明に係る質量分析装置では、少なくとも、イオン入射口に入射して来る同一質量であるイオンの速度、角度、及びエネルギーのばらつきについての時間的収束がイオン出射口において達成されているような基本イオン光学系を複数連ねることで飛行距離を伸ばす。また、その複数の基本イオン光学系の配置を３次元的に適切に組み立てることで、設置面積を広くとらずに済み、３次元的に占める空間としてもコンパクトに収めることが可能となる。【００１３】
本発明に係る質量分析装置の一実施形態として、前記基本イオン光学系は、イオン入射口でのイオン入射の向きとイオン出射口でのイオン出射の向きとが同方向である第１基本イオン光学系と、イオン入射口でのイオン入射の向きとイオン出射口でのイオン出射の向きとが反対方向である第２基本イオン光学系とを含み、
複数の第１基本イオン光学系をそれが載った平面が互いに平行で且つ平面に直交又は斜交する方向に離間するように配置し、隣接する第１基本イオン光学系の一方の第１基本イオン光学系のイオン出射口と他方の第１基本イオン光学系のイオン入射口との間を前記第２基本イオン光学系を介して接続した構成とすることができる。【００１４】
これによれば、第１基本イオン光学系を該光学系が載った平面に略直交する方向に所定間隔離して複数段に積み重ねる構成を採ることができ、３次元空間を有効に利用して、飛行距離を伸ばしながら全体をコンパクトに収めることができる。【００１５】
また本発明に係る質量分析装置の具体的な態様として、イオンが同一軌道を通らないように飛行する非周回型軌道と、イオンが同一軌道を繰り返して飛行可能な周回型軌道とが考えられる。前者とする場合、縦列的に接続された複数の基本イオン光学系は、初段の基本イオン光学系のイオン入射口に外部からイオンを入射し、最後段の基本イオン光学系のイオン出射口からイオンを取り出して検出するようにすればよい。他方、後者とする場合、縦列的に接続された複数の基本イオン光学系は、初段の基本イオン光学系のイオン入射口と最後段の基本イオン光学系のイオン出射口とが接続された構成とすればよい。【００１６】
なお、周回型軌道の場合には、外部から該軌道へのイオンの入射及び該軌道からのイオンの出射を行う必要があるため、該軌道上にイオン入射及びイオン出射用の偏向電極を設けたり、扇形電場を形成する扇形電極にイオン入出射用の開口を設ける等、別途、イオンの入出射のための手段を付加することを要する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る質量分析装置によれば、非周回型軌道、周回型軌道のいずれでも、イオンの時間収束条件を満たし、且つ長い飛行距離を確保できる飛行軌道をコンパクトな空間内に形成することができる。それにより、質量精度や質量分解能を向上させることができるとともに、装置を小型化することが容易になる。また、イオン光学系を設計する際に、平面上でイオンの時間収束が満たせるように扇形電場を形成する電極のサイズや形状、配置などの設計を行えばよいので、設計の自由度が比較的大きく、設計自体も比較的容易である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施例による飛行時間型質量分析装置のイオン光学系の概略斜視図。
【図２】本発明の別の実施例による飛行時間型質量分析装置のイオン光学系の概略斜視図。
【図３】従来の非周回型のイオン光学系の一例を示す平面図。
【図４】従来の周回型のイオン光学系の一例を示す平面図。
【符号の説明】
【００１９】
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３…基本イオン光学系平面
１１、１２、１３、１４、２１、２２、２３、２４、２５、２６…トロイダル扇形電極
１５…イオン入射スリット
１６…イオン入出射スリット
Ａ…非周回軌道
Ｂ…周回軌道
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の一実施例である飛行時間型質量分析装置について図１、図３、図４を参照して説明する。図１はこの質量分析装置においてイオンを質量分離するために飛行させるイオン光学系１の概略斜視図である。また、図３及び図４はそれぞれ従来の非周回型及び周回型のイオン光学系の平面図である。【００２１】
本実施例の質量分析装置におけるイオン光学系１は、それぞれ第１基本イオン光学系２が形成された、Ｘ軸−Ｙ軸平面上に広がる３枚の基本イオン光学系平面Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を互いにＺ軸方向に離して配置し、且つＺ軸方向に隣接する基本イオン光学系平面Ｐ１とＰ２、及びＰ２とＰ３上の軌道を第２基本イオン光学系３で接続したものである。【００２２】
第１基本イオン光学系２は、例えば文献（桜井（T. Sakurai）ほか２名、「イオン・オプティクス・フォー・タイム-オブ-フライト・マス・スペクトロメーターズ・ウィズ・マルチプル・シンメトリー（Ion Optics for Time-of-Flight Mass Spectrometers with Multiple Symmetry）」、ジャーナル・オブ・スペクトロメトリー・アンド・イオン・プロセス（J. mass Spectrom. and Ion Process）、63、pp.273-287(1985)など）に記載されているものの一例であり、図３に示すように、中心軌道（イオン光軸）の半径がＲ、偏向角度がθである、外側電極と内側電極とを１組とする４組のトロイダル扇形電極１１、１２、１３、１４と、イオン入射スリット１５と、イオン出射スリット１６、とを含む。イオン入射スリット１５のスリット開口は本発明におけるイオン入射口、イオン出射スリット１６のスリット開口は本発明におけるイオン出射口に相当し、イオン入射スリット１５を通したイオンの入射の向きとイオン出射スリット１６を通したイオンの出射の向きとは全く同方向（図３中では真右方向）である。また、イオン入射スリット１５において、この第１基本イオン光学系２の各構成要素や配置は、イオンが持つ速度、角度（方向）及びエネルギーのばらつきについて、イオン出射スリット１６において時間的に収束する（つまり同一質量のイオンであれば飛行時間が同一になる）ように設計されている。【００２３】
一方、第２基本イオン光学系３は、例えば特許文献１などに開示されている周回軌道の半周分を用いたものである。即ち、該文献に記載の装置では、図４に示すように、外側電極と内側電極とを１組とする６組のトロイダル扇形電場２１、２２、２３、２４、２５、２６により、略楕円状の周回軌道が形成され、イオン源３０から出射されたイオンは偏向電極２７及び入射電極２８を経て周回軌道Ｃに導入され、周回軌道Ｃに沿って飛行するイオンは出射電極２９により軌道を外れてイオン検出器３１に到達する。この構成では、ちょうど半周、つまり、３組のトロイダル扇形電場２１、２２、２３又は３組のトロイダル扇形電場２４、２５、２６をそれぞれ含む半周の軌道でイオンの時間収束が達成されるようになっており、本実施例の質量分析装置では、その１つ１つを第２基本イオン光学系３として利用する。【００２４】
なお、各トロイダル扇形電極には、図示しない電源から外側電極と内側電極との間にそれぞれ所定の直流電圧を印加することにより、両者で挟まれる空間に扇形電場を形成するものとする。【００２５】
上述のように第１及び第２基本イオン光学系２、３共にイオンの時間収束が担保されたイオン光学系である。従って、これを図１に示すように、従属的に複数（図１の例の場合には５個）接続して非周回型の飛行軌道Ａを形成した場合でも、基本イオン光学系平面Ｐ１上にある初段の第１基本イオン光学系２のイオン入射スリット１５から入射するイオンに対して、第３基本イオン光学系平面Ｐ３上にある最後段の第１基本イオン光学系２のイオン出射スリット１６における時間収束性が保証される。これにより、飛行距離を伸ばして質量分解能を向上させながら、高いイオン透過率をも達成して検出感度も十分に確保することができる。【００２６】
また、Ｚ軸方向に第１基本イオン光学系平面を積み重ねることにより、縦方向の空間の広がりを利用してイオン光学系１をコンパクトにすることができる。一般に、質量分析装置の場合、イオン光学要素が平面的に配設されることが多いために大きな設置面積を必要とする傾向にあるが、上記構成では設置面積を小さく抑えることができるため、従来にないコンパクトな質量分析装置を作ることができる。【００２７】
次に本発明の別の実施例である飛行時間型質量分析装置について図２を参照して説明する。図２はこの質量分析装置においてイオンを質量分離するために飛行させるイオン光学系１の概略斜視図である。上記実施例は第１基本イオン光学系２と第２基本イオン光学系３とを縦列的に接続して非周回型の飛行軌道を形成していたが、この実施例では、同じ第１基本イオン光学系２と第２基本イオン光学系３とを用いて周回型の飛行軌道Ｂを形成している。即ち、基本イオン光学系平面Ｐ１上のイオン入射スリット１５をスタート点と考えると、二段目の第１基本イオン光学系平面Ｐ２上のイオン出射スリット１６に接続された第２基本イオン光学系３の出口が上記基本イオン光学系平面Ｐ１上のイオン入射スリット１５に接続されており、これによってイオンの時間収束性が保証される周回型の飛行軌道Ｂが形成されている。【００２８】
但し、この飛行軌道Ｂは閉じているため、該軌道Ｂに外部からイオンを導入したり或いは該軌道Ｂに沿って飛行しているイオンを外部に取り出すためには、例えば図４に示した偏向電極などの電極を付加したり、或いはいずれかのトロイダル扇形電極に開口を設け、その扇形電極に電圧を印加しない状態でイオンの入出射を行う等、従来から知られているイオンの入出射方法を利用すればよい。【００２９】
なお、上記実施例は本発明の一例に過ぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正、追加を行っても本願請求の範囲に包含されることは当然である。例えば、上記で採用した基本イオン光学系はいずれも一例であり、適宜の構成をとることが可能である。また、複数の基本イオン光学平面は平行に配置される必要はなく、同一平面上でない限り、斜交、直交するような配置であってもよい。
【図１】
2008142737.tif 000003
【図２】
2008142737.tif 000004
【図３】
2008142737.tif 000005
【図４】
2008142737.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成21年8月13日(2009.8.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３…基本イオン光学系平面
１１、１２、１３、１４、２１、２２、２３、２４、２５、２６…トロイダル扇形電極
１５…イオン入射スリット
１６…イオン出射スリット
Ａ…非周回軌道
Ｂ…周回軌道
【国際調査報告】
2008142737.tif 000007
2008142737.tif 000008