(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料からパルス状にイオンを生成するイオン源と、該イオン源で生成されたイオンを加速するイオン加速部と、加速されたイオンを収束させるイオン収束部と、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含み、その一対のエンドキャップ電極の一方にイオン導入穴が、他方にイオン導出穴が一直線上に位置するように形成されたイオントラップと、質量電荷比に応じてイオンを分離する空間を内部に形成するフライトチューブと、該フライトチューブ内空間を飛行して来たイオンを検出する第１検出部と、を具備し、
前記イオン源で生成され前記イオン加速部で加速されたイオンが前記第１検出部に到達するまでのイオンの飛行軌道が前記イオン導入穴及び前記イオン導出穴を貫通するように、前記イオントラップは前記イオン収束部と前記フライトチューブとの間に配設され、
前記イオントラップ内に高周波電場を形成しないことにより該イオントラップの内部空間を飛行空間の一部として、前記イオン加速部で加速されたイオンが飛行開始点である該イオン加速部を発してから、前記イオントラップの内部空間及び前記フライトチューブ内空間を含む飛行空間を飛行して前記第１検出部に到達するまで、の時間を計測する第１分析モードと、
前記イオン源で生成されたイオンを前記イオントラップ内に導入して高周波電場により一旦捕捉し、その捕捉したイオンに対する所定の操作を該イオントラップ内で行った後に、該イオントラップを飛行開始点として前記イオン導出穴を通してイオンを放出させて前記フライトチューブ内空間で質量分離を行い前記第１検出部で検出する、又は前記イオントラップ自体で質量分離を行いつつ前記イオン導出穴を通して出射させたイオンを前記第１検出部とは別の第２検出部により検出する第２分析モードと、を選択的に行うように各部を制御する制御手段、を備えることを特徴とする質量分析装置。
【請求項２】
請求項１に記載の質量分析装置であって、
前記フライトチューブは少なくとも直線状の飛行空間を形成し、前記第１検出部は直線的に飛行して来たイオンを検出するものであることを特徴とする質量分析装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の質量分析装置であって、
前記制御手段は、第１分析モードにおいて、前記イオン加速部で加速されたイオン流が前記イオン導入穴及び前記イオン導出穴を通過する位置でそれぞれの穴の開口径以下に絞られた状態となるように、前記イオン収束部に印加する収束用電圧を調整し、第２分析モードにおいて、前記イオン加速部により前記イオン源から引き出されたイオン流が前記イオン導入穴を通過する位置でその穴の開口径以下に絞られた状態となるように、前記イオン収束部に印加する収束用電圧を調整することを特徴とする質量分析装置。
【請求項４】
請求項３に記載の質量分析装置であって、
第１分析モードでは、前記イオン導出穴を通過した後方のイオン光軸上又は前記イオントラップの内部のイオン光軸上にイオン流の焦点を設定し、第２分析モードでは、前記イオン導入穴の手前のイオン光軸上にイオン流の焦点を設定することを特徴とする質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は質量分析装置に関し、さらに詳しくは、イオントラップと飛行時間型質量分析器とを備える質量分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
飛行時間型質量分析装置（以下「ＴＯＦＭＳ」と称す）では一般に、電場により一定の運動エネルギを付与することで加速したイオンを電場及び磁場を有さない飛行空間内に導入して自由飛行させる。自由飛行する際の各種イオンの飛行速度は質量電荷比（m/z）に応じて異なるため、検出器に到達するまでの間に質量電荷比の異なるイオンは時間的に分離され、各々の飛行時間からイオン種毎に質量電荷比を求めることができる。こうしたＴＯＦＭＳではイオンの飛行距離を長くすれば質量分解能を高めることができることから、イオンを直線的に飛行させるリニア型の構成のほかに、電場や磁場を利用してイオンを折返し飛行させるリフレクトロン型の構成や、イオンを略同一の閉じた軌道に沿って複数回周回させる周回型の構成も知られている。特にリニア型のＴＯＦＭＳは、質量電荷比が大きなイオンまで高い感度で測定が可能である、測定に要する時間が短くスループットが高い、といった特徴を有している。
【０００３】
例えばペプチドなどの生体由来の大きな分子の組成や構造を解析したい場合、特定の質量電荷比を有する分子イオンを開裂させ、それにより生成された各種プロダクトイオン（フラグメントイオン）の質量電荷比を調べる必要がある。こうした目的のために、非特許文献１の図９などに開示された質量分析装置（ＡＸＩＭＡ（株式会社島津製作所の登録商標）−ＴＯＦ２）が知られている。
【０００４】
上記質量分析装置は、ＭＡＬＤＩイオン源で生成され加速されたイオンの飛行軌道の途中に、特定の質量電荷比を有するイオンを選択的に通過させるイオンゲートと、該イオンゲートを通過したイオンを開裂させる高エネルギＣＩＤ（衝突誘起解離）部と、を備え、そのＣＩＤ部で生成された各種プロダクトイオンをＣＦＲ（Curved Field Reflectron）と名付けられたリフレクトロン型ＴＯＦで分離して検出器により検出する。この質量分析装置は、試料に対する１回のレーザ光照射により幅広い質量電荷比範囲のＭＳ／ＭＳスペクトルを取得することができる、という特徴をもつ。しかしながら、この構成ではＭＳ／ＭＳ分析は行えるものの、ｎが３以上のＭＳｎ分析を行うことはできない。このため、糖鎖や糖ペプチドなど、１回の開裂操作では十分に小さな断片に分裂しないような、複雑な構造をもつ物質の詳細な解析を行うことができないという制約がある。
【０００５】
これに対し、ＭＡＬＤＩイオン源及びリフレクトロン型ＴＯＦを備え、ＭＳｎ分析が可能な質量分析装置としては、非特許文献１の図２などに記載の質量分析装置（ＡＸＩＭＡ−ＱＩＴ）がある。この質量分析装置では、ＭＡＬＤＩイオン源で生成された各種イオンを３次元四重極型イオントラップの内部に一旦捕捉する。そして、イオントラップの内部にクーリングガスを導入し捕捉したイオンに対するクーリングを十分に行った後に、該イオンに運動エネルギを与えて一斉に該トラップから放出してリフレクトロン型ＴＯＦに導入し、各イオン種の飛行時間を計測する。３次元四重極型イオントラップでは、特定の質量電荷比を有するイオンの選択（プリカーサ選択）やＣＩＤによるイオンの開裂操作などを実施することができる。したがって、イオントラップ内部にイオンを捕捉した後に、プリカーサ選択、ＣＩＤによる開裂操作、クーリング、を複数回実行し、それにより得られた各種プロダクトイオンをトラップから放出してリフレクトロン型ＴＯＦに導入することにより、ＭＳｎスペクトルを取得することができる。
【０００６】
しかしながら、上記質量分析装置では、プリカーサ選択及びＣＩＤ操作を実施しない場合であっても、イオントラップ内部に一旦各種イオンを捕捉した後に所定時間のクーリングが必要になるため、イオントラップを用いない上記ＴＯＦＭＳに比べると分析に時間が掛かる。また、イオントラップには捕捉可能な質量電荷比範囲に原理的な制約があるため、１回の分析で得られるマススペクトル（ＭＳｎスペクトルを含む）の質量電荷比範囲は比較的狭い。そのため、幅広い質量電荷比範囲のマススペクトルを取得したい場合には、分析条件（具体的にはイオントラップに捕捉される質量電荷比範囲）を変えて複数回の分析を繰り返し実行する必要がある。このため、上記ＴＯＦＭＳ並みの質量電荷比範囲を達成しようとすると測定時間はかなり長くなり、スループットが低くなる。
【０００７】
また、上記のようにイオントラップとリフレクトロン型ＴＯＦとの組み合わせ以外に、共鳴励起排出によりイオントラップから放出するイオンの質量電荷比を順次走査し、その放出されたイオンを、イオントラップの外側に近接して設けた検出器で検出する質量分析装置も知られている。こうした質量分析装置では、クーリングのみならず共鳴励起排出による質量走査に時間が掛かるため（例えばm/z：５００〜２５００[Da]の質量走査で約１秒）、さらに測定時間が掛かることになる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】山崎、「ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦおよびＭＡＬＤＩ−ＱＩＴ−ＴＯＦＭＳによるタンパク質翻訳後修飾解析」、島津評論、島津評論編集部、２００６年９月２９日発行、第６３巻、第１・２号、ｐ.７３−８３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
分析現場では、分析の目的や分析対象である試料の種類などによって、分析のスループットや測定可能な質量電荷比範囲の広さなどを重視した単純な質量分析と、複雑な物質の構造解析のためのＭＳｎ分析とを選択的に行いたいようなことがよくある。しかしながら、上記のような制約や問題から、従来、１台の質量分析装置でそうした使い分けを行うことは難しかった。そのため、それぞれ適切な分析を行うためには専用の質量分析装置を別々に用意する必要があり、大きなコスト的負担をユーザに課すことになっていた。
【００１０】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、１台の質量分析装置を用いて、分析のスループットや質量電荷比範囲の広さなどを重視した単純な質量分析とｎが３以上のＭＳｎ分析との両方を実現することを主な目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するためになされた本発明に係る質量分析装置は、試料からパルス状にイオンを生成するイオン源と、該イオン源で生成されたイオンを加速するイオン加速部と、加速されたイオンを収束させるイオン収束部と、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含み、その一対のエンドキャップ電極の一方にイオン導入穴が、他方にイオン導出穴が一直線上に位置するように形成されたイオントラップと、質量電荷比に応じてイオンを分離する空間を内部に形成するフライトチューブと、該フライトチューブ内空間を飛行して来たイオンを検出する第１検出部と、を具備し、
前記イオン源で生成され前記イオン加速部で加速されたイオンが前記第１検出部に到達するまでのイオンの飛行軌道が前記イオン導入穴及び前記イオン導出穴を貫通するように、前記イオントラップは前記イオン収束部と前記フライトチューブとの間に配設され、
前記イオントラップ内に高周波電場を形成しないことにより該イオントラップの内部空間を飛行空間の一部として、前記イオン加速部で加速されたイオンが飛行開始点である該イオン加速部を発してから、前記イオントラップの内部空間及び前記フライトチューブ内空間を含む飛行空間を飛行して前記第１検出部に到達するまで、の時間を計測する第１分析モードと、
前記イオン源で生成されたイオンを前記イオントラップ内に導入して高周波電場により一旦捕捉し、その捕捉したイオンに対する所定の操作を該イオントラップ内で行った後に、該イオントラップを飛行開始点として前記イオン導出穴を通してイオンを放出させて前記フライトチューブ内空間で質量分離を行い前記第１検出部で検出する、又は前記イオントラップ自体で質量分離を行いつつ前記イオン導出穴を通して出射させたイオンを前記第１検出部とは別の第２検出部により検出する第２分析モードと、
を選択的に行うように各部を制御する制御手段、を備えることを特徴としている。
【００１２】
本発明に係る質量分析装置において、イオン源は、例えばＭＡＬＤＩイオン源のほか、レーザ脱離イオン源、脱離エレクトロスプレイイオン源、プラズマ脱離イオン源などが考えられる。
【００１３】
また、フライトチューブの内部に形成される飛行空間は、直線的にイオンを飛行させるリニア型、イオンを折返し飛行させるリフレクトロン型、のいずれでもよく、またリニアモードとリフレクトロンモードとが切り替え可能であるリニア／リフレクロトン型でもよい。周知のようにリニア／リフレクロトン型では直線飛行したイオンを検出する検出器と折返し飛行したイオンを検出する検出器とが独立に設けられるから、前記第１検出部は２個の検出器を含む。
【００１４】
本発明に係る質量分析装置では、好ましくは、少なくともリニア型の構成を含む（つまりリニア型又はリニア／リフレクロトン型のいずれか）ようにし、第１分析モードでは直線的に飛行させたイオンを第１検出部で検出するようにするとよい。一般にリニアモードではリフレクトロンモードよりも同一の測定時間で広い質量電荷比範囲の測定が可能であるから、第１分析モードの高スループットという利点が一層活かされることになる。
【００１５】
第２分析モードにおいて、イオンの質量分離はフライトチューブを利用して、つまりは飛行時間型質量分析器によって行ってもよいが、イオントラップ自体の質量分離機能を利用してもよい。後者の場合、イオントラップのイオン導出穴から放出されたイオンを速やかに検出する必要があるから、イオントラップとフライトチューブとの間に第２検出器が配置される。ただし、第１分析モード時のイオンの飛行軌道を遮ることがないように第２検出器を配置する必要がある。例えば、電場によってイオンを誘引するコンバージョンダイノードとイオンの入射に応じて該コンバージョンダイノードから放出された電子を検出する後段検出器（例えば２次電子増倍管など）との組み合わせであれば、所定の空間を挟んで両者を対向して配置することができ、該空間をイオンの飛行軌道が貫通するようにすればよい。
【００１６】
本発明に係る質量分析装置において、第１分析モードでは、イオン源で試料由来のイオンが生成されると、その後すぐに生成されたイオンがイオン加速部で加速され飛行を開始する。イオン加速部以降、第１検出器に至るまでの空間が、イオンを飛行速度に応じて（つまりは質量電荷比に応じて）分離するための飛行空間となる。即ち、フライトチューブ内の空間のみならず、イオンの飛行速度に影響を与えるような実質的な電場を有さないイオントラップの内部も飛行空間の一部になる。
【００１７】
この場合、一般に、イオンの飛行経路上でイオントラップのイオン導入穴及びイオン導出穴が最も狭い開口である。そこで、イオン加速部で加速されたイオン流がイオン導入穴及びイオン導出穴を通過する位置でそれぞれの穴の開口径以下に絞られた状態となるように、前記イオン収束部に形成する電場を調整する、即ち、イオン収束部に印加する収束用電圧を調整することが好ましい。これにより、イオン加速部で加速されたイオンがほぼ漏れなく第１検出器まで到達するので、高感度のイオン検出が行える。なお、このときイオントラップ内に高周波電場は形成されないが、イオンの飛行速度に影響を与えずにイオン流径の調整のみを行うために直流電場を形成するようにしてもよい。
【００１８】
一方、第２分析モードでは、イオン源で生成されたイオンをイオン加速部によりイオン源から引き出し、イオン導入穴を通してイオントラップ内に導入する。このとき、第１分析モードとは異なり、イオン加速部で大きな運動エネルギをイオンに付与する必要はなく、逆に、運動エネルギを小さくしておかないとイオンがイオントラップ内に捕捉されずに通り抜けてしまう。そのため、イオン加速部はイオンを加速するというよりも、むしろ、単にイオン源からイオンを引き出す機能を果たす。イオン加速部により引き出されたイオンはイオントラップのイオン導入穴を通過する必要があるから、イオン流がイオン導入穴を通過する位置でその穴の開口径以下に絞られた状態となるように、前記イオン収束部に形成する電場を調整することが好ましい。
【００１９】
第１分析モード及び第２分析モードにおいてそれぞれ上記のようにイオン流を収束させるために、第１分析モードでは、イオントラップのイオン導出穴を通過した後方のイオン光軸上又はイオントラップの内部のイオン光軸上にイオン流の焦点（光径が最小となる位置）を設定するとよい。また第２分析モードでは、イオントラップのイオン導入穴の手前のイオン光軸上にイオン流の焦点を設定するとよい。但し、第１分析モードでは、第１検出部にイオン流が到達した時点で、その検出面からイオン流の一部が外れるほど光径が拡がってしまうことは好ましくないから、それを避けるために、イオントラップとフライトチューブとの間に別のイオン収束部を設け、イオン導出穴を通過した後のイオン流を再度絞る構成としてもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る質量分析装置によれば、１台の質量分析装置で第１分析モード、第２分析モードの切り替えを行うことにより、短い測定時間で幅広い質量電荷比範囲のマススペクトルを取得可能な分析と、複雑な分子構造の解析に有用なＭＳｎスペクトルを取得可能な分析との両方を実施することができる。これにより、それぞれの分析に好適な質量分析装置を別々に用意する必要はなくなり、ユーザにとってはコスト負担が軽減される。
【００２１】
また、本発明に係る質量分析装置では、第１分析モードにおいてイオントラップの内部もイオンを分離するための飛行空間に充てられる。そのため、装置内の空間を有効に利用して実質的な飛行距離を延ばすことができ、それだけ質量分解能を向上させることができるという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１実施例による質量分析装置の全体構成図。
【図２】第１実施例の質量分析装置におけるパススルーＴＯＦモード時のイオン経路を示す概略図。
【図３】第１実施例の質量分析装置におけるイオントラップモード時のイオン経路を示す概略図であり、イオン捕捉の際の概略図（ａ）及び捕捉したイオンを質量分析する際の概略図（ｂ）。
【図４】本発明の第２実施例による質量分析装置の全体構成図。
【図５】第２実施例の質量分析装置におけるパススルーＴＯＦモード時のイオン経路を示す概略図。
【図６】第２実施例の質量分析装置におけるイオントラップモード時のイオン捕捉の際のイオン経路を示す概略図。
【図７】第２実施例の質量分析装置におけるイオントラップモード時の捕捉したイオンを質量分析する際のイオン経路を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
［第１実施例］
本発明の一実施例（第１実施例）による質量分析装置について図１〜図３を参照して詳細に説明する。図１は第１実施例による質量分析装置の概略構成図である。
第１実施例による質量分析装置は、図１に示すように、ＭＡＬＤＩ法を用いたイオン源を含むイオン導入部１０と、イオン捕捉部２０と、リニア型の飛行時間型質量分析部を含む分析・検出部３０と、を備える。
【００２４】
イオン導入部１０は、試料１２を保持する導電性の試料プレート１１と、レーザ光を発するレーザ照射部１５と、そのレーザ光を反射して試料１２表面に集光する反射鏡１６と、レーザ光照射により試料１２表面近傍で生成されたイオンを引き出すとともに加速する引出し電極１３と、引き出されたイオンをさらに加速するとともにイオン光軸Ｃ付近に収束させるイオン光学系１４と、を含む。試料１２は目的物質とマトリクスとが混合されたものである。試料プレート１１は図示しない試料ステージにより保持されている。この例では、イオン光学系１４はイオン光軸Ｃに沿って並ぶ３段の電極からなる静電レンズである。
【００２５】
イオン捕捉部２０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配置された一対のエンドキャップ電極２２、２３とからなる３次元四重極型のイオントラップを含む。入口側エンドキャップ電極２２のほぼ中央にはイオン導入穴２４が穿設され、その外側にはイオン導入穴２４付近の電場の乱れを補正するための入口側電場補正用電極２６が配設されている。一方、出口側エンドキャップ電極２３のほぼ中央には、イオン導入穴２４とほぼ一直線上にイオン導出穴２５が穿設されている。なお、図示しないが、イオン捕捉部２０には、必要に応じてイオントラップ内部に不活性なクーリングガスを導入したり衝突誘起解離（ＣＩＤ）のためのＣＩＤガスを導入したりするためのガス供給部が設けられている。
【００２６】
分析・検出部３０は、外部からの電場や磁場の影響を遮蔽し、内部に細長い飛行空間を有するフライトチューブ３４と、引出し電極１３により試料１２から引き出され加速されたイオンがほぼ直線的に飛行して最終的に到達する第１検出部３５と、イオン捕捉部２０とフライトチューブ３４との間に設置され、入射したイオンを電子に変換するコンバージョンダイノード３２、及び、変換された電子を増倍して検出する２次電子増倍管３３からなる第２検出部３１と、を含む。
【００２７】
試料１２から発したイオンが直線的に飛行して第１検出部３５に到達するまでの飛行軌道の中心が図１中に示したイオン光軸Ｃである。イオントラップは、イオン導入穴２４及びイオン導出穴２５の中心軸とイオン光軸Ｃとが略一致するように配設されている。また、第２検出部３１においてコンバージョンダイノード３２と２次電子増倍管３３とはイオン光軸Ｃを挟んで対向して離れて配置されており、これらはイオン光軸Ｃを遮らない。また、そのほかのイオン光学部材も同様にイオン光軸Ｃを遮らない。したがって、例えば試料１２上のレーザ光照射位置付近からイオン光軸Ｃに沿って第１検出部３５の方向を見たとき、イオン導入穴２４及びイオン導出穴２５を通して第１検出部３５を見通すことが可能である。
【００２８】
制御系としては、引出し電圧発生部４１、収束電圧発生部４２、トラップ電圧発生部４３、検出器電圧発生部４４、及び、これら各電圧発生部４１〜４４やレーザ照射部１５などを制御して後述の分析動作を実行する制御部４０、が設けられている。引出し電圧発生部４１は試料プレート１１と引出し電極１３とにそれぞれ所定の電圧を印加することにより、両者の間の空間に試料１２近傍からイオンを引き出して所定の運動エネルギを付与して加速する電場を形成する。収束電圧発生部４２はイオン光軸Ｃに沿って配列されたイオン光学系１４の少なくとも一段の電極に所定の電圧を印加し、イオン光軸Ｃ上の所定の焦点位置にイオンを収束させるための収束電場を形成する。トラップ電圧発生部４３はリング電極２１やエンドキャップ電極２２、２３に直流電圧、又は高周波電圧が重畳された直流電圧を印加し、それにより形成される電場によりイオンをイオントラップ内部に閉じ込めたり、特定のイオンを選択的に共鳴励振させたり、或いは、捕捉されているイオンに運動エネルギを付与してイオントラップ内部から吐き出させたりする。検出器電圧発生部４４は、第２検出部３１でイオンを検出する際にコンバージョンダイノード３２及び２次電子増倍管３３にそれぞれ所定の電圧を印加する。また、第１検出部３５及び第２検出部３１による検出信号はそれぞれ信号処理部４６に入力され、所定の信号処理が実行されて例えばマススペクトルが作成される。
【００２９】
第１実施例の質量分析装置では、操作部４７による操作に応じて、少なくとも、パススルーＴＯＦモード（本発明の第１分析モードに相当）とイオントラップモード（本発明の第２分析モードに相当）との２つの分析モードのいずれかの分析が選択的に行えるようになっている。この２つの分析モードにおける分析動作を説明する。
【００３０】
［１］パススルーＴＯＦモード
図２はパススルーＴＯＦモードにおけるイオン経路を示す概略図である。この分析モードは、短い測定時間で広い質量電荷比範囲に亘る通常の質量分析を実施するモードである。このモードでは、制御部４０の制御の下に、トラップ電圧発生部４３はイオントラップの内部に実質的な電場が生じないように、例えば電極２１、２２、２３に同一の所定電圧を印加するか、又は有意な電圧を印加しない状態とする。また、引出し電圧発生部４１から試料プレート１１及び引出し電極１３にそれぞれ印加される電圧、及び、収束電圧発生部４２からイオン光学系１４に印加される電圧により、試料プレート１１からイオン光学系１４にかけての空間には、試料１２表面付近で生成されたイオンに大きな運動エネルギを付与して飛行を開始させるような電場が形成される。即ち、この空間が後段の飛行空間においてイオンを質量電荷比に応じて分離するためにイオンを加速する加速領域である。また、収束電圧発生部４２からイオン光学系１４に印加される電圧により、イオン光学系１４付近には試料１２近傍から発して徐々に拡がりながら進むイオン流をイオン光軸Ｃ方向に収束させるような電場が形成される。この場合、イオン光学系１４を通り抜けたイオン流がイオントラップのイオン導入穴２４及びイオン導出穴２５を通過し得るように、つまりイオン流がイオン導入穴２４及びイオン導出穴２５をそれぞれ通過する時点でその光径が穴２４、２５の開口径以下となるように収束させるべく電場の強さ、つまりは印加電圧が調整される。
【００３１】
この例では、図２中に示すように、イオンがイオン導出穴２５を通り抜けた後のイオン光軸Ｃ上の位置Ｐ１付近にイオン流の焦点が来るように、つまりこの位置Ｐ１付近にイオン流が一旦収束するように調整されている。一般的に、イオン導入穴２４及びイオン導出穴２５をイオンが通過する時点でイオン流の光径が最小になるようにするには、イオントラップの内部のイオン光軸Ｃ上に焦点が来るようにするとよい。しかしながら、そうすると、第１検出部３５に到達する際のイオン軌道が拡がりすぎて検出面を外れてしまうおそれがある。これを避けるためにイオン流の焦点を位置Ｐ１に設定している。加速領域以降、つまり、イオン光学系１４の最後段の電極から第１検出部３５に至るまでの空間は同電位になっており、これがイオンの自由飛行領域である。
【００３２】
制御部４０の制御の下にレーザ照射部１５から短時間レーザ光が出射され、試料１２に照射される。レーザ光の照射により試料１２中のマトリクスは急速に加熱され、目的物質を伴って気化する。この際に目的物質は試料１２表面付近でイオン化される。発生したイオンは引出し電極１３と試料プレート１１との電位差により引出し電極１３に向かって引き出されて加速され、さらにイオン光学系１４に進むまでの間で加速される。また、このときイオン軌道は前述のように収束される。加速された各種イオンは、自由飛行領域に導入されると、電場の影響を受けずにその直前に各イオンがもつ速度でほぼ直線的に飛行する。イオン捕捉部２０及び第２検出部３１は自由飛行領域に含まれ、イオンはこれらを素通りする。上述したようにイオン軌道は収束されているので、イオンはイオントラップのイオン導入穴２４やイオン導出穴２５の周縁部に接触せずに高い確率で通り抜け、最終的に第１検出部３５に到達する。この自由飛行領域中を飛行する間に各イオンは質量電荷比に応じて時間的に分離され、質量電荷比が小さなものから順に第１検出部３５に到達して検出信号に反映される。
【００３３】
この分析モードでは、レーザ光照射により試料１２表面付近で生成されたイオンが速やかに加速されて自由飛行領域に導入されるので、広い質量電荷比範囲の分析を短時間で終了させることができる。例えば自由飛行距離が約１mである場合、５００−２５００[Da]の質量電荷比範囲の分析を３０μs以下で実行することができる。
【００３４】
［２］イオントラップモード
この分析モードは、典型的にはＭＳｎ分析を実施するモードである。この分析モードでは、飛行時間に応じたイオンの質量分離を行う代わりに、イオントラップの共鳴励起排出を利用してイオンを質量電荷比に応じて分離しつつ吐き出し、第２検出部３１でイオンを検出する。つまり、この分析モードでは、フライトチューブ３４及び第１検出部３５は使用されない。
【００３５】
図３はイオントラップモードにおけるイオン経路を示す概略図であり、（ａ）はイオン捕捉時、（ｂ）は質量分離・検出時の状態である。イオントラップモードでは、分析の第１段階として試料１２から発生させたイオンをイオントラップ内部に捕捉する。即ち、パススルーＴＯＦモード時と同様に、レーザ光照射を受けて試料１２中の目的物質が試料１２表面付近でイオン化される。この場合、イオンをイオントラップで効率良く捕捉するために、生成されたイオンには大きな運動エネルギが付与されず、適度な速度で試料１２近傍から引き出されてイオン捕捉部２０に送られる。そのため、試料プレート１１と引出し電極１３との間にはパススルーＴＯＦモード時と比べると格段に小さな電位差（数Ｖ〜十数Ｖ程度）が与えられ、イオンは試料１２表面付近から緩慢に引き出されイオン光学系１４で収束される。
【００３６】
このときにはイオントラップ内部にイオンを導入しさえすればよいから、イオン流がイオン導入穴２４を通過し得るようにイオン光学系１４における電場の強さが決められる。この例では、図３（ａ）中に示すように、イオンがイオン導入穴２４に入射する手前の位置Ｐ２でイオンが一旦イオン光軸Ｃ上に収束するように調整されている。トラップ電圧発生部４３はリング電極２１に所定の高周波電圧を印加するとともに、例えばエンドキャップ電極２２、２３にイオン入射のタイミングに合わせて適宜の直流電圧を印加し、イオン導入穴２４を通して導入されるイオンを内部に捕捉する。その後、例えばイオントラップ内にクーリングガスを導入して所定時間、イオンのクーリングを行った後、共鳴励起排出を利用した特定質量電荷比を有するイオンの選択（プリカーサ選択）、ＣＩＤガスの導入と共鳴励起によるＣＩＤ操作、を任意の回数（通常最大でも数回程度）繰り返し、ＣＩＤ操作により生成されたプロダクトイオンをイオントラップ内部に捕捉する。
【００３７】
なお、このようにイオントラップにイオンを捕捉する場合には、複数回の間欠的なレーザ光照射により試料１２から発生させたイオンを繰り返しイオントラップ内部に捕捉することにより、捕捉されるイオン量を増やすことが可能である。このようなイオンの蓄積は感度を向上させるのに有用である。
【００３８】
分析対象のプロダクトイオンをイオントラップ内部に捕捉したならば、トラップ電圧発生部４３により、リング電極２１に印加する高周波電圧の周波数又は振幅を時間経過に伴って変化させることで、共鳴励起排出によりイオン導出穴２５から吐き出すイオンの質量電荷比を走査する。これにより、図３（ｂ）に示すように、イオン導出穴２５を通してイオンが排出され、このイオンは検出器電圧発生部４４からコンバージョンダイノード３２へ印加されている電圧により形成される電場に誘引され、コンバージョンダイノード３２に接触して電子を叩き出す。この電子が２次電子増倍管３３に到達し、その管内で増倍されて検出信号として出力される。信号処理部４６は、イオン捕捉部２０での質量走査に応じて順次得られる検出信号に基づいてマススペクトル（ＭＳｎスペクトル）を作成する。
【００３９】
以上のようにして、本実施例の質量分析装置では、分析目的や試料の種類などによって、パススルーＴＯＦモード又はイオントラップモードのいずれかを選択して試料１２に対する分析を実行し、マススペクトル又はＭＳｎスペクトルを取得することができる。前述のように、パススルーＴＯＦモードでは幅広い質量電荷比範囲のマススペクトルを短時間で取得することができるので、例えば多数の試料を順次分析する等、高い測定スループットが要求される際に有利である。一方、イオントラップモードでは測定時間は或る程度長くなるものの、原理的にはｎに制約がないＭＳｎスペクトルを得ることができ、構造解析に有用な情報を提供することができる。
【００４０】
なお、上記説明では、イオントラップモードではイオントラップ自体の質量分離機能を利用して質量走査を実施していたが、フライトチューブ３４内の飛行空間を利用した飛行時間型の質量分離を実施してもよい。即ち、分析対象のプロダクトイオンをイオントラップ内部で十分にクーリングした後に、エンドキャップ電極２２、２３に所定の直流電圧を印加することによりイオンに運動エネルギを付与する。そして、イオン導出穴２５を通してイオントラップ内部から一斉にイオンを吐き出してフライトチューブ３４内の飛行空間に導入し、その空間を飛行する間に質量電荷比に応じてイオンを分離し、第１検出部３５で検出する。この場合、パススルーＴＯＦモードとは自由飛行距離が相違するから、飛行時間を質量電荷比に換算する際に注意を要する。
【００４１】
［第２実施例］
本発明の別の実施例（第２実施例）による質量分析装置について図４〜図７を参照して詳細に説明する。図４は第２実施例による質量分析装置の概略構成図である。この第２実施例と上記第１実施例との相違は、イオン捕捉部２０以降の部分、具体的には、イオンの質量分離及び検出に関わる構成である。第１実施例と共通の構成要素については同一符号を付して詳しい説明を省略する。
【００４２】
この第２実施例による質量分析装置は、第１実施例の質量分析装置における分析・検出部３０に代えて、リニア／リフレクトロンモード切替え式のＴＯＦを含む分析・検出部５０を備える。この分析・検出部５０は、内部に直線的な飛行空間と折り返す飛行空間とを形成するフライトチューブ５１と、複数段の電極からなる反射器５３と、フライトチューブ５１内の空間をイオンがほぼ直線的に飛行して最終的に到達するリニア用検出部５２と、フライトチューブ５１内の空間を折返し飛行したイオンが最終的に到達するリフレクトロン用検出部５４と、を含む。リニア用検出部５２は第１実施例の質量分析装置における第１検出部３５に相当するものである。また、リフレクトロン用検出部５４は第１実施例の質量分析装置における第２検出部３１に相当するものである。反射器５３を構成する各電極には、反射器電圧発生部４５から所定の電圧が印加される。
【００４３】
この第２実施例の質量分析装置においても第１実施例と同様に、操作部４７からの操作に応じて、パススルーＴＯＦモードとイオントラップモードとのいずれかの選択が可能である。図５はパススルーＴＯＦモードにおけるイオン経路を示す概略図である。パススルーＴＯＦモードでは、反射器５３の各電極は例えばフライトチューブ５１と同電位とされ、フライトチューブ５１内には実質的に電場が形成されない。したがって、フライトチューブ５１内は自由飛行領域の一部となり、第１実施例の質量分析装置におけるパススルーＴＯＦモードと全く同様の分析動作が実施される。イオン導入部１０及びイオン捕捉部２０内の各部の電圧設定も第１実施例の質量分析装置におけるパススルーＴＯＦモード時と同じである。
【００４４】
図６はイオントラップモードのイオン捕捉時におけるイオン経路を示す概略図である。図７はイオントラップモードの質量分離・検出時におけるイオン経路を示す概略図である。イオントラップモードのイオン捕捉時の動作は、第１実施例の質量分析装置におけるイオントラップモードのイオン捕捉時（図３（ａ）参照）と全く同様であり、イオントラップの内部に分析対象の各種プロダクトイオンが捕捉される。
【００４５】
その後、トラップ電圧発生部４３からエンドキャップ電極２２、２３に所定の直流電圧を印加することにより、捕捉していたイオンに運動エネルギを付与し、イオン導出穴２５を通してイオントラップ内部から一斉にイオンを吐き出してフライトチューブ５１内の飛行空間に導入する。このときには反射器電圧発生部４５から反射器５３の各電極にそれぞれ所定の直流電圧が印加され、反射器５３の内側にはイオンを反発させるような電場が形成される。図７に示すように、イオン光軸Ｃを中心にほぼ直線的に飛行したイオンは上記のような反射器５３による電場の作用で折り返され、最終的にリフレクトロン用検出部５４に到達する。このような折返し飛行軌道に沿ってイオンが飛行する間に、各イオンは質量電荷比に応じて分離され、異なる飛行時間をもってリフレクトロン用検出部５４に入射する。信号処理部４６はリフレクトロン用検出部５４による検出信号に基づいて飛行時間スペクトルを作成し、飛行時間を質量電荷比に換算してＭＳｎスペクトルを作成する。
【００４６】
イオントラップモードにおいてＴＯＦをリフレクトロンモードで使用するのは、主として、エネルギ収束性を高めることと飛行距離を延ばすことにより、質量分解能を高めるためである。ただ、ＴＯＦをリニアモードで使用する場合に比べて測定時間は長くなるため、スループットを重視するのであれば、イオントラップモードにおいてもＴＯＦをリニアモードで使用するとよい。また逆に、スループットを若干犠牲にしてもパススルーＴＯＦモードで質量分解能を改善したいのであれば、パススルーＴＯＦモードにおいてもＴＯＦをリフレクトロンモードで使用するとよい。
【００４７】
なお、上記実施例は本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜、変形、追加、修正を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。
【００４８】
例えば上記実施例ではイオン源はＭＡＬＤＩイオン源であるが、パルス状にイオンを発生することが可能なイオン源であればイオン化法の制約はない。例えば、マトリクスを用いずにレーザ光を直接試料に照射するレーザ脱離イオン源、帯電液滴を試料に吹き付ける脱離エレクトロスプレイイオン源、プラズマ流を試料に照射するプラズマ脱離イオン源などを利用することもできる。
【符号の説明】
【００４９】
１０…イオン導入部
１１…試料プレート
１２…試料
１３…引出し電極
１４…イオン光学系
１５…レーザ照射部
１６…反射鏡
２０…イオン捕捉部
２１…リング電極
２２…入口側エンドキャップ電極
２３…出口側エンドキャップ電極
２４…イオン導入穴
２５…イオン導出穴
２６…入口側電場補正用電極
３０、５０…分析・検出部
３１…第２検出部
３２…コンバージョンダイノード
３３…２次電子増倍管
３４、５１…フライトチューブ
３５…第１検出部
４０…制御部
４１…引出し電圧発生部
４２…収束電圧発生部
４３…トラップ電圧発生部
４４…検出器電圧発生部
４５…反射器電圧発生部
４６…信号処理部
４７…操作部
５２…リニア用検出部
５３…反射器
５４…リフレクトロン用検出部
Ｃ…イオン光軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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