(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料物質の分析用の装置において、
ａ．試料物質からイオンを発生させるためのイオン源と、
ｂ．隔壁によって互いから分離されるとともに、前記イオンが前記隔壁を通じて移動することが可能であるように互いに連通している、２つ以上の真空領域であって、異なるバックグラウンド気体圧力を有するように前記装置によって動作させられる２つ以上の真空領域と、
ｃ．前記真空領域のうちの１つ以上に配置された質量分析計であって、進入軸を有し、前記イオン前記進入軸に沿って前記質量分析計へ進入する、質量分析計と、
ｄ．検出器領域に配置された質量分析計検出器と、
ｅ．入口端と出口端とを備える１つ以上のＲＦ多重極イオンガイドであって、直線的な第１の軸部を含み、前記第１の軸部は該第１の軸部に沿って延びる第１の直線的なイオンガイド軸を含み、前記第１の軸部は、前記第１の軸部の第１の部分が前記真空領域のうちの第１の真空領域に位置し、前記第１の軸部の第２の部分が前記真空領域のうちの第２の真空領域に位置するように、前記第１の真空領域から前記隔壁のうちの第１の隔壁を通じて少なくとも前記第２の真空領域へと連続的に延びており、前記第１の真空領域のバックグラウンド気体圧力は、前記第１の部分において前記イオンとバックグラウンド気体の分子との衝突が起きるのに十分なだけ高く、前記２の真空領域のバックグラウンド気体圧力は、前記第２の部分及び前記第２の部分から前記ＲＦ多重極イオンガイドの出口端までにおいて前記イオンとバックグラウンド気体の分子との衝突が起きないのに十分なだけ低い、ＲＦ多重極イオンガイドと、
ｆ．前記イオン源から前記ＲＦ多重極イオンガイドの入口端へ前記イオン源の軸に沿って前記イオンを移動させるための手段と、
ｇ．前記第１の直線的なイオンガイド軸と前記イオン源の軸との間の第１の傾斜部であって、前記第１の直線的なイオンガイド軸と前記イオン源の軸とは、前記イオン源において生成したバックグラウンド粒子が前記検出器または前記検出器領域に対する見通し線を有しない第１の傾斜角をなすように、第１の点において交差する、第１の傾斜部と、
ｈ．前記第１の直線的なイオンガイド軸と前記質量分析計の進入軸との間の第２の傾斜部であって、前記第１の直線的なイオンガイド軸と前記質量分析計の進入軸とは、前記イ
オン源または前記第１の真空領域において生成したバックグラウンド粒子が前記検出器または前記検出器領域に対する見通し線を有しないのに十分なだけ大きな第２の傾斜角をなすように、第２の点において交差しており、前記イオン源の軸が前記質量分析計の進入軸にほぼ平行であり、かつ前記質量分析計の進入軸から離れて配置されるように、前記第１の傾斜角及び前記第２の傾斜角の大きさは等しく、前記第１の傾斜角及び前記第２の傾斜角の向きは反対である、第２の傾斜部と、
ｉ．前記第１の点の近傍に位置し、前記第１の直線的なイオンガイド軸に沿ってイオンを案内するための第１の案内手段と、
ｊ．前記第２の点の近傍に位置し、前記質量分析計の進入軸に沿って移動するように前記第１の直線的なイオンガイド軸に沿ってイオンを案内するための第２の案内手段と、を備える装置。
【請求項２】
前記ＲＦ多重極イオンガイドは２つ以上のＲＦ多重極イオンガイドセグメントを備える請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記２つ以上の真空領域は３つ以上の真空領域である請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記イオン源は、大気圧で動作する請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記イオン源は、エレクトロスプレーイオン源、大気圧マトリックス支援レーザ脱離イオン源、またはレーザアブレーションイオン源である請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記イオン源は大気圧未満で動作する請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記イオン源は、グロー放電イオン源、中間圧力マトリックス支援レーザ脱離イオン源、レーザアブレーションイオン源、電子イオン化イオン源、または化学イオン化イオン源である請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記質量分析計は、四重極マスフィルタ、三次元イオントラップ、扇形磁場型質量分析計、軸方向パルスを伴う飛行時間型質量分析計、直交方向パルスを伴う飛行時間型質量分析計、または軸共鳴放出を伴う二次元イオントラップである請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記ＲＦ多重極イオンガイドは、４つの極、６つの極、８つの極、または８より多くの極を備える請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記極は丸棒または平板である請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記ＲＦ多重極イオンガイドは、積み重ねられた環イオンガイドを含む複数の環を備える請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記２つ以上の真空領域は、異なる２つ以上の真空ポンピングステージである請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は質量分析に関する。詳細には、本発明は、バックグラウンド粒子ノイズの低減された複数の真空ポンピングステージを通じて多重極イオンガイドによりイオンを運ぶための装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
質量分析計は、イオン源において試料から発生したイオンの質量対電荷比（ｍ／ｚ）を測定することによって、固体、液体、および気体の試料を分析するために用いられる。多くの種類のイオン源は、比較的高い圧力、すなわち、質量分析計および／または検出器が必要とする真空圧力よりも高い圧力で動作する。例えば、エレクトロスプレー（ＥＳ）、大気圧化学イオン化（ＡＰＣＩ）、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）、および大気圧（ＡＰ−）ＭＡＬＤＩ、ならびにレーザアブレーションのイオン源など、一部の種類のイオン源は、大気圧または大気圧近くで動作する。グロー放電、中間圧力（ＩＰ−）ＭＡＬＤＩ、およびレーザアブレーションのイオン源など、他の種類のイオン源は、中間の真空圧力で動作する。イオン源の動作中に真空圧力が上昇する真空領域においては、電子イオン化および化学イオン化のイオン源など、さらに他の種類のイオン源が構成されている。
【０００３】
より高い圧力で動作するイオン源は、通常、より高い圧力の上流ステージから質量分析計および検出器を隔離する１つ以上の示差的なポンピング真空ステージを介して、質量分析計の真空領域へイオンを送達するように構成されている。そのような構成では、イオン光学的構成は、イオン源から複数の真空ポンピングステージを通じて質量分析計の入口へイオンを移動させるために、イオン源と質量分析計の入口との間に構成されており、同時に、バックグラウンド気体が質量分析計領域へ流れ込むことが制限されている。
【０００４】
イオン源から質量分析計へ効率的にイオンを移動させるとともに、そのようなイオン光学的構成は、多くの場合、イオン源から生じるバックグラウンド粒子が質量分析計の検出器へ到達することを妨げるようにも構成されている（バックグラウンド粒子が質量分析計の検出器へ到達すると、質量スペクトルにバックグラウンドノイズが発生する）。イオン源の種類によって、そのような粒子は、光子、脱溶媒和されていないクラスタイオンおよび中性粒子、電子、ならびに荷電エアロゾル粒子および非荷電エアロゾル粒子を含む場合がある。そのような粒子が、質量分析計によって少しでも有効に除去されない場合、記録される質量スペクトルにバックグラウンドノイズが発生することによって、達成可能な信号対雑音比が制限される。このため、用いられるイオン源の種類および機器の構成に応じて、そのようなバックグラウンド粒子が質量分析計の検出器へ到達することを妨げるための様々な手法が考案されている。
【０００５】
現在一般に行われている１つの手法は、イオン源からの視界の外に検出器を配置することである。これについては、例えば、非特許文献１に記載されている。これらのいわゆる「軸外（ｏｆｆ−ａｘｉｓ）」検出器構成では、イオン源から放出される大部分の光子および中性粒子は検出器を外れる飛行経路を辿り、質量の分析される関心のイオンは電場によって偏向され、検出器と交差する。これらの構成の大部分は、単に検出器を質量分析計の出口に整合させないことからなり、場合によっては、検出器へイオンを導くための何らかの静電型偏向器と組み合わされている。しかしながら、そのような構成の比較的複雑な変形形態も提案されている。これについては、例えば、ブルベイカー（Ｂｒｕｂａｋｅｒ）による特許文献１に記載されており、この文献では、湾曲したイオンガイドは、質量の分析されたイオンを四重極質量分析計の出口から検出器へ運ぶように構成されている。
【０００６】
しかしながら、通常、より有利なのは、質量分析計へ進入する前に望ましくない粒子をイオンの経路から除去することである。この１つの理由は、質量分析計中の表面にそのような粒子が衝突すると、表面を汚染する電気絶縁性の層が形成され、電場を歪めて性能を低下させる電荷が蓄積される場合があるためである。別の理由は、表面にそのような粒子が衝突すると二次的な粒子が生成し、この二次的な粒子が質量分析計検出器への進路を見出して、ノイズを生成する場合があるためである。このため、例えば、ブルベイカーは、特許文献２においてさらに複数の構成について記載しており、この文献では、湾曲したイオンガイドが四重極マスフィルタの入口の前に配置、構成されることによって、関心のイオンはマスフィルタ入口へ案内され、光子および中性粒子は偏向されずに進行するのでマスフィルタへ進入しない。
【０００７】
複数の代替構成が、以来、光子、中性粒子、荷電液滴など、イオン源から生じるバックグラウンド粒子が質量分析計の検出器へ到達するのを妨げるという１つ以上の目的により開発されている。例えば、Ｍｙｌｃｈｒｅｅｓｔらは、特許文献３に、キャピラリオリフィスから真空へ放出される高速な液滴または粒子が大気圧イオン（ＡＰＩ）源から質量分析計の入口のレンズ領域へ進行するのを妨げるための装置および方法について記載している。本質的には、Ｍｙｌｃｈｒｅｅｓｔらは、質量分析計の入口レンズの真空領域からキャピラリ出口の真空領域を分離するスキマーオリフィスまたはアパーチャからキャピラリの軸が離間されるようにキャピラリを配向することについて記載している。したがって、キャピラリの軸に沿って移動する高速な液滴および粒子が質量分析計の領域へ進行することが阻止されるとともに、関心のイオンは軸から逸れて、キャピラリ出口からのその自由噴流膨張によってオリフィスまたはアパーチャを通じて移動する。しかしながら、そのような構成ではオリフィスまたはアパーチャ上に汚染物が蓄積し、静電的な帯電による不安定な動作が生じる。また、イオンの伝達効率は、この比較的高い圧力領域におけるバックグラウンド気体分子に由来する、逸れた飛行経路外へのイオンの散乱のために低下する。
【０００８】
タカダ（Ｔａｋａｄａ）らは、特許文献４において、ＡＰＩ源と質量分析計への入口との間に配置された静電式レンズを組み込むことについて記載している。質量分析計の軸とイオン源およびインタフェースオプティクスの軸とは、液滴および中性粒子が質量分析計の入口アパーチャを越えて進行することを妨げるように離間されており、静電式レンズは、イオン源およびインタフェースオプティクスの軸から質量分析計の入口アパーチャへ関心のイオンを再配向するように構成されている。そのような構成に伴う１つの難点は、そのようなＡＰ／真空インタフェースを介して真空へ進入するイオンは、通常、その質量とは幾分関係なく同様の速度分布を示すということである。これによって、イオンの質量に強く依存するイオン運動エネルギーが生じ、真空における静電式レンズの集束作用はイオンの運動エネルギーおよびイオンの電荷にのみ依存し、イオンの質量には依存しないので、そのような構成では相当な同位体差別効果が導かれる。
【０００９】
モルデハイ（Ｍｏｒｄｅｈａｉ）らは特許文献５乃至７において、イオン源と質量分析計への入口との間に多重極ＲＦイオンガイドが配置された構成について記載している。イオンは、イオンガイドの軸に対して一定の角度にある軸に沿って、イオン源からイオンガイドの入力端へ運ばれる。イオンはイオンガイドの入力端に進入し、イオン源から、またはキャピラリなどのイオン輸送デバイスから放出される空気力学的な噴射とともに運ばれる。イオンガイドの入力領域に進入するイオンは、イオンガイドにおけるＲＦ場の作用によってイオンガイドの軸に沿って移動するように再び方向付けられ、イオンガイドによって質量分析計の入口まで運ばれる。中性粒子およびエネルギー荷電粒子は、幾らかはその本来の軌跡に沿って移動を継続し、周囲の表面から失われる。しかしながら、上記の特許文献４に記載のタカダらによる装置および方法を用いると、空気力学的な噴射とともに運ばれるイオンは、イオンの質量に依存するイオン運動エネルギーを有する。したがって、
イオンガイドにおけるＲＦ場によって良好な効率でイオンを再び方向付けるには、バックグラウンド気体分子イオンとの衝突によってイオンが速やかに衝突冷却されることが必要である。これは、イオンの質量が、したがってイオンのエネルギーが大きくなるほど、次第に重要となる。したがって、モルデハイらは、この目的で余分な「バッファ」（または衝突）気体を導入するため、別の気体入口を提供している。イオンガイドが完全に単一の真空ステージ内に配置されているので、この気体の圧力はイオンガイドの一端から他端まで実質的に変わらない。したがって、イオンがイオンガイドを出るときにイオンとバックグラウンド気体分子との間に衝突が起きる確率は、モルデハイらの装置においては有意であり、この領域における輸送効率は低下する。そのような散乱が、この領域のＲＦフリンジ場において散乱したイオンが加速することや、そのような加速したイオンが電荷を交換して中性化してエネルギー中性粒子を生成することにより、検出器におけるバックグラウンドノイズを増加させることも知られている（後述）。
【００１０】
ウェルズ（Ｗｅｌｌｓ）は特許文献８において、異なるセグメントが非依存的な電圧で動作させられる複数のセグメントにより構成された、多重極イオンガイドについて記載している。これによって、イオンガイドを通じて移動するイオンを、イオンガイド内の互いに離間された異なる光学軸に沿って１つのセグメントから次のセグメントへ案内することが可能となる。ウェルズの記載によるそうしたイオンガイド構成では、イオンおよび中性粒子が進入軸に沿ってイオンガイドへ進入すると、イオンは進入軸から離間した出口軸に沿ってイオンガイドを出るように案内される。中性粒子は進入軸方向に沿って進行するので、イオンガイド出口を越えて進行することは妨げられる。この場合も、イオン移動の効率は、エネルギーイオンがイオンガイドへ進入するときに衝突によって冷却されることに依存する。例えば、ウェルズは、一実施形態のコンピュータシミュレーションによって、イオンガイドにおける気体圧力が、平均自由行程１ｍｍに対応する圧力から平均自由行程１０ｍｍに対応する圧力まで減少されると、さらに多くのイオンがイオンガイド電極から失われることを示している。したがって、モルデハイらの記載した装置および方法を用いた場合、上述のように、イオンがイオンガイドを出る領域に有意なバックグラウンド気体圧力が存在すると予想され、この領域においてイオンとバックグラウンド気体分子との間に衝突が起き、最終的には下流の検出器におけるバックグラウンドノイズを増大させることになる。
【００１１】
特許文献９では、サイカ（Ｓｙｋａ）は、タンデム型四重極質量分析計構成について記載している。この構成の一部には、最終の四重極質量分析計および検出器の直前に配置された、屈曲または傾斜した四重極イオンガイドが含まれる。この屈曲または傾斜した四重極イオンガイドは、イオン源の見通し線（ｌｉｎｅ−ｏｆ−ｓｉｇｈｔ）から検出器を除去するため、励起された高速の中性粒子およびイオン源から放出される高速のイオンが検出器へ到達するのを妨げることによって、ノイズを減少させると記載されている。そのような屈曲した四重極イオンガイドの入口端および出口端は同じ真空ステージに存在し、屈曲した四重極イオンガイド内のイオンは単一の真空ステージポンピング速度によって制約された単一のバックグラウンド圧力領域を通じて移動するように制限されている。
【００１２】
カリニチェンコ（Ｋａｌｉｎｉｔｃｈｅｎｋｏ）は、特許文献１０において、ＩＣＰイオン源と四重極質量分析計との間に静電型ミラーを組み込んだＩＣＰ／ＭＳ機器の構成について記載している。このミラーは、イオン源からイオンを逸らす（例えば、９０度だけ）フォーカス静電場を提供し、四重極質量分析計の入口のアパーチャを通じてイオンを集束させる。そのような構成では、イオン源から検出器への見通し線が存在することが回避されることによって、光子およびエネルギー中性粒子などイオン源から生じるバックグラウンド粒子が検出器へ到達することが妨げられる。カリニチェンコは、分析物のｐｐｍ当たりのカウント／秒として測定した感度が従来技術に対し有意に増大したと報告している。しかしながら、この増大は「バックグラウンドノイズにおける随伴する増大なしで」達
成されたものであり、反射ミラーであるにもかかわらず、従来の構成におけるように、有意なバックグラウンドノイズが残存していたものと示唆される。
【００１３】
上述の従来技術は全て、イオン源から放出される望ましくない粒子によって主としてもたらされるバックグラウンドノイズを低減または除去する装置および方法について記載したものである。しかしながら、バックグラウンド粒子ノイズはイオン源以外の源からも生じることがあると認識されている。例えば、上述の特許文献１０に記載のカリニチェンコの反射ミラー構成では、イオン源と検出器との間に見通し線が提供されることはないが、それにもかかわらず以前に観察された有意なバックグラウンドノイズが残存しており、そのようなバックグラウンド粒子ノイズが実際にはイオン源自体とは別の過程から生じていることを示している。観察された非イオン源関連のバックグラウンドノイズは、カリニチェンコによる特許文献１１に続いて記載されているように、四重極質量分析計の入口と四重極入口アパーチャとの間に１組の湾曲または傾斜した「フリンジ」電極を組み込むことによって有意に減少される。カリニチェンコは、イオンが装置の残留気体によって加速されるときにエネルギー中性粒子が発生することを示唆している。すなわち、一部のイオンが、例えば、共鳴電荷交換過程によってバックグラウンド気体分子と相互作用し、加速したイオンがエネルギー中性粒子へ変換されることは不可避である。これとは別に、そのような加速によって、ある程度のイオンのフラグメント（断片）化が起こり、質量分析計の検出器へ到達する好ましい飛跡上にあるエネルギー中性フラグメントを生じるという説明も可能である。
【００１４】
カリニチェンコはさらに、そのような衝突は反射ミラー領域においてなど、イオンの軸運動方向に沿ったイオンの加速中のみならず、例えば、ＲＦ多重極イオンガイドの端部と端部に近いアパーチャとの間のフリンジ場においてなど、イオンの軸方向に直交する方向に沿っても起きると記載している。したがって、カリニチェンコによって特許文献１１に記載されている湾曲または傾斜した「フリンジ」電極では、静電型ミラー真空領域において、また、入口アパーチャの領域および「フリンジ」電極構造の上流部分において生成されるエネルギー中性粒子が検出器へ到達することが妨げられた。
【００１５】
一方、イオンとバックグラウンド気体分子との間の相互作用には、イオンの中性化のみならずビーム経路外へのイオンの散乱も含まれ、さらなるイオンの損失を生じていることは周知である。イオンの損失は、ＲＦ多重極イオンガイドの入口または出口の近くのフリンジ場を振動させることによる散乱によっても生じる。いずれの場合にも、カリニチェンコによる特許文献１１に記載された装置および方法におけるイオン伝達効率は、バックグラウンド気体分子が、真空インタフェースアパーチャを通じて、反射ミラーのバックグラウンド圧力が比較的高い真空領域から移動し、インタフェースアパーチャとＲＦ「フリンジ」場電極との間の領域を通じて移動するときのバックグラウンド気体分子による散乱によって失われるイオンのために、低下する。
【００１６】
バックグラウンド気体圧力のより高い真空領域におけるバックグラウンド気体分子による散乱によるイオンの損失は、多くの場合、ＲＦ多重極イオンガイド内のそのような領域を通じてイオンを運ぶことによって最小化される。そのようなイオンガイド内のＲＦ場は、イオンビーム方向に対し直角に配向された（すなわち、イオンガイド軸に対し直交した）有効な反発力を発生させ、ビーム経路外のそのような分散を打ち消す。さらに、そのような衝突はイオンの運動エネルギーを弱めるように働き、イオンがイオンガイド軸のより近くに位置するようになることによって輸送効率が改良される。しかしながら、それにもかかわらず、イオンがバックグラウンド気体分子との衝突が起こりそうな領域においてイオンガイドを出る場合、有意な散乱損失が生じる。これは、静電場真空隔壁によって異なる真空ステージが分離されている従来の多真空ステージ真空系では、通常生じる問題である。比較的真空圧力の高い１つの真空ステージを通じてイオンガイド内を移動するイオン
は、イオンガイドを出て、真空隔壁に設けられるアパーチャを通じて移動し、そのような従来の真空ステージ構成では、より低い気体圧力を有する次の真空ステージへと移動する。イオンは、イオンガイドを出ると、バックグラウンド気体分子との衝突による散乱のために失われる。また、イオンは、アパーチャと上流の真空ステージのイオンガイド出口との間、またはアパーチャと下流の真空ステージのイオンガイド入口との間のフリンジ場による散乱のためにも失われる。次の真空ステージの気体圧力が十分に低い場合でも、平均的にはイオンと気体分子との間のそのような衝突はまれであるが、それにもかかわらず、イオンは、インタフェースアパーチャの近傍において、バックグラウンド気体圧力のより高い上流の真空ステージから圧力のより低い下流の真空ステージへと流れる気体分子との衝突を頻繁に経験する場合がある。
【００１７】
真空ステージ間を移動中のイオン損失の問題は、ホワイトハウス（Ｗｈｉｔｅｈｏｕｓｅ）らによる特許文献１２乃至１５において有効に対処されている。これらの文献には、２つ以上の真空ステージ間の真空隔壁を通じてＲＦ多重極イオンガイドを延ばすことについて記載されている。本質的には、これらの文献は、バックグラウンド気体圧力の高い真空ステージおよびバックグラウンド気体圧力の低い真空ステージを通じて、それらのステージの間で有効にイオンを運び、真空隔壁のアパーチャまたはオリフィスと同様、真空ステージ間の気体フローを有効に制限するように働くべく断面積を十分に小さく構成された、ＲＦ多重極イオンガイドについて記載されたものである。ホワイトハウスらは、さらに、これらの文献において、ＡＰＩ源と質量分析計との間の複数の真空ポンピングステージを通じて延びている多重極イオンガイドを組み込むことについて記載している。
【００１８】
これと同じ状況は、気体圧力の十分に高い領域に多重極イオンガイドが配置されているためにイオンがイオンガイドを横断するときにバックグラウンド気体分子と衝突する、従来の衝突セルの入口および出口にも存在する。イオンは、イオンガイドのＲＦ場によってイオンガイドの横断中にビーム経路外へ散乱することを妨げられているが、通常、衝突セル内の領域と衝突セル外の真空領域との間の圧力差の維持を補助する衝突セルの端部のアパーチャを介してイオンガイドの出入りを行う。したがって、イオンが衝突セルの出入りを行うとき、イオンは衝突気体分子との衝突によって散乱され、イオン損失が生じる。さらにまた、衝突によるフラグメント化を誘導するためにイオンが衝突セルへと加速されている結果、エネルギー中性粒子の形態のバックグラウンド粒子が生成する場合がある。これらのエネルギー中性粒子の一部は、衝突セルの出口を通じ、下流に配置された質量分析計および検出器へと移動を続けることによって、バックグラウンド粒子ノイズを生成する場合がある。さらに、衝突セルを出るイオンは、イオンガイド出口端と衝突セルの出口アパーチャとの間のＲＦフリンジ場を通過する必要がある。これは、イオンと気体分子との間の衝突が起き、イオンの散乱損失やイオンの中性化（例えば、電荷交換による）が生じる領域でもある。上述のように、そのようなＲＦフリンジ場においてイオンがより高いエネルギーまで加速される場合があり、エネルギーイオンの中性化によってエネルギー中性粒子が生成されると、このエネルギー中性粒子は下流に移動を続け、質量分析計および検出器においてバックグラウンドノイズを生じることは知られている。
【００１９】
従来の衝突セルの内外へのイオンの移動中のイオン損失の問題も、ホワイトハウスらによる特許文献１６において対処されている。この文献では、衝突セルの内部から外部まで連続的に延びる多重極イオンガイドを含む構成について記載されており、多重極イオンガイドの終端は、イオンとバックグラウンド気体分子との間の衝突がほぼ起こらない、バックグラウンド圧力の十分低い領域にある。そのような構成では、イオンは、バックグラウンド気体分子との衝突がほぼ発生しないバックグラウンド気体圧力の十分に低い真空領域に至るまで、ＲＦフリンジ場を経験しない。それにもかかわらず、イオンが衝突セルへと加速されるときにイオンと衝突気体分子との間の衝突によって生成されるエネルギー中性粒子は、衝突セルの下流に配置された質量分析計の検出器におけるバックグラウンド粒子
ノイズの潜在源として残っている。
【００２０】
ホワイトハウスにより特許文献１２乃至１６に記載されている構成では全て、多重極イオンガイドは、イオン源と質量分析計の入口との間で軸整合するように構成されていた。換言すると、イオン源から放出される、もしくはビーム経路に沿って生成されるバックグラウンド粒子がバックグラウンド気体分子と衝突すること、質量分析計へ進入すること、または質量分析計の検出器へ到達することを妨げるためには、何も与えられていない。したがって、バックグラウンド気体圧力がより高い領域（イオンとバックグラウンド気体分子との間で衝突が起きる）と、バックグラウンド気体圧力がより低い領域（そのような衝突がほぼ起こらない）との間でイオンを効率的に運びつつ、イオン源から生じるおよび／または移動中のイオンとバックグラウンド気体分子との間の衝突により生じるバックグラウンド粒子が質量分析計の検出器へ到達すること、またそれによって質量スペクトルにバックグラウンドノイズを生じることを妨げるという問題に対する解決策は得られていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】米国特許第３，４１０，９９７号明細書
【特許文献２】米国特許第３，４７３，０２０号明細書
【特許文献３】米国特許第５，１７１，９９０号明細書
【特許文献４】米国特許第５，４８１，１０７号明細書
【特許文献５】米国特許第５，６７２，８６８号明細書
【特許文献６】米国特許第５，８１８，０４１号明細書
【特許文献７】米国特許第６，０６９，３５５号明細書
【特許文献８】米国特許第６，７３０，９０４号明細書
【特許文献９】欧州特許第０２３７２５９Ａ２号明細書
【特許文献１０】米国特許第６，６１４，０２１号明細書
【特許文献１１】米国特許第６，７６２，４０７号明細書
【特許文献１２】米国特許第５，６５２，５２７号明細書
【特許文献１３】米国特許第５，９６２，８５１号明細書
【特許文献１４】米国特許第６，１８８，０６６号明細書
【特許文献１５】米国特許第６，４０３，９５３号明細書
【特許文献１６】米国特許第７，０３４，２９２号明細書
【非特許文献】
【００２２】
【非特許文献１】Ｄａｗｓｏｎ、「四重極質量分析法およびその応用（Ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ  ａｎｄ  ｉｔｓ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）」、ｐ．３４〜３５、１３８〜１３９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
したがって、本発明の１つの目的は、イオン源から放出され、質量分析計の検出器へ到達するバックグラウンド粒子の数を減少させつつ、質量分析計に対するイオンの伝達効率を改良することである。
【００２４】
本発明の別の目的は、イオンとバックグラウンド気体分子との間の衝突から生じ、質量分析計の検出器へ到達するバックグラウンド粒子の数を減少させつつ、質量分析計に対するイオンの伝達効率を改良することである。
【００２５】
本発明の別の目的は、イオンとバックグラウンド気体分子との間の衝突と、イオン源か
ら放出されるバックグラウンド粒子との両方から生じ、質量分析計の検出器へ到達するバックグラウンド粒子の数を減少させつつ、質量分析計に対するイオンの伝達効率を改良することである。
【００２６】
本発明のさらに別の目的は、イオン源から放出されるのと、イオンとバックグラウンド気体分子との間の衝突によって生じるのとの両方の、質量分析計へ進入し得るバックグラウンド粒子の数を減少させつつ、質量分析計に対するイオンの伝達効率を改良することである。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
これらの目的および他の目的は、多真空ポンピングステージ真空系において、気体圧力のより高い上流領域（質量分析計の検出器からより遠い）と気体圧力のより低い下流領域との間の１つ以上の真空隔壁を通じて連続的に延びる、ＲＦ多重極イオンガイドを提供することによって達成される。このイオンガイドは、質量分析計への進入に続くイオンビームの方向に対して傾斜、屈曲、または湾曲した軸を有するとともに、上流のイオン源領域や、イオンとバックグラウンド気体分子との間の衝突が起こる圧力のより高い任意のまたは全ての領域と、質量分析計の検出器との間に見通し線が存在することを妨げるべく、構成されている。詳細には、本開示の発明では、ＲＦ多重極イオンガイドが延びており、イオンとバックグラウンド気体分子との間の衝突が起こるバックグラウンド気体圧力のより高い上流領域と、そのような衝突が有意に起こらないバックグラウンド気体圧力のより低い続く下流の真空領域とを分離する、真空隔壁の近傍に形成される質量分析計の検出器へバックグラウンド粒子が到達することが妨げられる。したがって、この真空隔壁を本明細書では「高圧真空隔壁」と呼ぶ。本発明の一部の実施形態では、質量分析計の検出器に加え、バックグラウンド粒子が生成する任意のそのような領域と、質量分析計の入口との間の見通し線も除去される。
【００２８】
したがって、本発明の実施形態では、真空ポンピングステージを通じて真空ポンピングステージの間でイオンが効率的に運ばれるとともに、イオン源から放出されるバックグラウンド粒子や、イオン輸送中にイオンとバックグラウンド気体分子との間の衝突により生じるバックグラウンド粒子から生じるバックグラウンドノイズが除去される。この結果、本発明では、従来技術に比べ、信号が改良され、バックグラウンド粒子ノイズが減少されるとともに、費用および複雑さの低減された装置および方法が提供される。
【００２９】
４つのカテゴリのバックグラウンドノイズ粒子を本明細書では区別する：（１）荷電液滴および非荷電液滴ならびにエネルギー中性粒子およびイオンなど、イオン源から直接放出され、検出器に直接衝突することによってバックグラウンドノイズを生じるバックグラウンド粒子；（２）イオン源から直接放出され、質量分析計内または検出器近くの表面に衝突することによって、続いて検出器に衝突してバックグラウンドノイズを生じる二次粒子を生じるバックグラウンド粒子；（３）エネルギー中性粒子およびイオン粒子など、質量分析計の入口へ向かっての移動中にイオンがバックグラウンド気体分子と衝突するときに生成され、検出器に直接衝突することによってバックグラウンドノイズを生じるバックグラウンド粒子；（４）イオンが移動中にバックグラウンド気体分子と衝突するときに生成され、質量分析計内または検出器近くの表面に衝突することによって、続いて検出器に衝突してバックグラウンドノイズを生じる二次粒子を生じるバックグラウンド粒子。対象となる発明の全ての実施形態では、カテゴリ（１）および（３）の粒子からのバックグラウンドノイズを妨げる、すなわち、質量分析計の外を起源とするバックグラウンド粒子が質量分析計の検出器へ直接到達することを妨げる。対象となる発明の一部の実施形態では、カテゴリ（２）および（４）の粒子からのバックグラウンドノイズも妨げる、すなわち、任意の起源のバックグラウンド粒子が質量分析計の入口を通過することも妨げる。さらに他の実施形態では、「高圧真空隔壁」の上流で生成されるバックグラウンド粒子が、こ
の真空隔壁を越えて下流の低圧真空領域へ移ることを妨げる。
【００３０】
幾つかの実施形態では、直線的な多重極イオンガイドが、２つの真空ポンピングステージの間に、真空隔壁（すなわち「高圧真空隔壁」）を通じて、上流の真空ポンピングステージから下流の真空ポンピングステージへ連続的に延びるように構成されており、イオンガイドの中心軸は下流に配置された質量分析計の進入軸に対して傾斜した配向角を有するように構成される。イオンガイド出口の配置された真空ポンピングステージのバックグラウンド気体圧力は十分に低く、イオンは、バックグラウンド気体分子と衝突することなく、イオンガイドの出口から質量分析計の入口まで移動することが可能である。しかしながら、直前の真空ポンピングステージのバックグラウンド気体圧力は、そのような衝突が有意な頻度で起こるのに十分なほど高くてよい。イオンガイドは、ホワイトハウスらにより特許文献１２乃至１５に記載されているように、多重極イオンガイドのロッド（棒）または極を支持するマウント用構造が、イオンガイドの出口の配置されている真空ステージと、直前の真空ステージとの間の真空隔壁の延長部分として一体化されるように構成されているので、イオンガイドはそれらの真空ポンピングステージの間の気体の流れを有効に制限するように働く。この隔壁は、本発明の実施形態では、この隔壁の近傍においてイオンとバックグラウンド気体分子との間の衝突によって生じ得るバックグラウンド粒子には、イオンガイド軸と質量分析計の入口の軸との間の傾斜角により、質量分析計の検出器への見通し飛跡が存在しないことを保証するのに十分なだけ質量分析計の入口から離れた距離に構成される。
【００３１】
そのような構成では、この真空隔壁の上流の任意の領域と質量分析計の検出器との間に見通し線が存在しないことも保証されるので、上流のイオン源もしくは衝突セルなど圧力のより高い領域またはイオンガイドの入口領域から生じる任意のバックグラウンド粒子には質量分析計の検出器に対する見通し線が存在しないことも保証される。したがって、そのような多重極イオンガイド構成の組み込まれた本明細書に開示の実施形態では、カテゴリ（１）および（３）の粒子からのバックグラウンドノイズが質量分析計の検出器へ到達することが妨げられる。
【００３２】
幾つかの実施形態では、イオンガイド出口は質量分析計の入口近くに配置されているので、イオンはイオンガイドを出た直後に質量分析計へ向けられる（場合によってはイオンガイド出口に配置された静電型の操縦または偏向電極に補助を受けて）。しかしながら、イオンガイド出口が質量分析計入口からいくらか距離を離して配置されてもよく、その場合、イオンガイド出口から質量分析計入口まで効率的にイオンを運ぶために、静電式レンズおよび／または偏向デバイスなど１つ以上の追加のイオン輸送デバイス、および／または１つ以上の追加の多重極イオンガイド（いずれも当技術分野においてはよく知られている）が用いられてよい。イオンガイドの出口と質量分析計の入口との間の距離間隔に応じて、直線的なイオンガイド軸と質量分析計入口の軸との間の傾斜角を、イオンガイド出口と質量分析計入口との間の間隔と組み合わせることで、バックグラウンド粒子が質量分析計入口を通過することも妨げられ、それによって、カテゴリ（１）および（３）と同様にカテゴリ（２）および（４）のバックグラウンド粒子も除去することによりバックグラウンド粒子ノイズからのさらなる保護が提供される。
【００３３】
開示の本発明の他の実施形態では、「高圧真空隔壁」を通じて連続的に延びる多重極イオンガイドは、真空隔壁の下流に配置された屈曲部または湾曲部によって構成されており、その出口端におけるイオンガイドの軸が質量分析計入口と共軸となる。質量分析計入口の軸は、先に記載した実施形態におけるように、イオンガイドが「高圧真空隔壁」を通じて延びる点におけるイオンガイドの軸に対する接線に対し、一定の角度に配向される。しかしながら、これらの他の実施形態では、イオンガイドにおける屈曲または湾曲のため、イオンは、質量分析計の進入軸に沿って移動するように再配向されても依然として多重極
イオンガイド内に存在するので、先に記載した実施形態のように、イオンが質量分析計入口の軸に再配向される前に多重極イオンガイドを出る必要はない。この代替の構成は、先に記載した傾斜した直線的なイオンガイドの構成に比べ、質量分析計入口へのイオン輸送効率は良好であり、複雑さおよび費用も減少される。
【００３４】
さらに、一部の実施形態では、「高圧真空隔壁」を通過する点におけるイオンガイドの中心軸と、イオンビームがイオンガイドへ進入するときのイオンビームの軸との間に傾斜した配向角も組み込まれる。そのような構成では、イオン源または衝突セルなど圧力のより高い領域からなど、イオンガイドの上流から生じるバックグラウンド粒子や、イオンガイド入口領域にて生成されるバックグラウンド粒子までもが、真空隔壁を越えて動くことが妨げられ、したがって、そのような粒子が質量分析計の検出器にてノイズを生じることが不可能となることがさらに保証される。この場合にも、傾斜した直線的な多重極イオンガイドの組み込まれた実施形態については、イオンガイド入口端への最大のイオン輸送効率を保証するために、追加の静電型イオンガイドデバイスおよび／またはＲＦイオンガイドが随意で用いられてよい。または、これに代えて、イオンガイドのこの上流部分を通じたイオン輸送効率を最適化するために、上述の下流の屈曲部または湾曲部と同様に、真空隔壁の上流のイオンガイド軸に屈曲部または湾曲部が組み込まれてもよい。
【００３５】
バックグラウンドノイズを最も減少させるために、この「上流傾斜角」（イオンガイドが「高圧真空隔壁」を通過する点におけるイオンガイドの中心軸と、イオンビームがイオンガイドへ進入するときのイオンビームの軸との間の角度）の向きや大きさと、「下流傾斜角」（イオンガイドが「高圧真空隔壁」を通過する点におけるイオンガイドの軸と質量分析計の進入軸とによって定義される）との間に特定の関係が存在する必要はない。しかしながら、通常は、「下流傾斜角」に対し「上流傾斜角」の大きさを等しく、かつ、向きを反対に構成することが、より簡単であり、したがって、より複雑でなく高価でないことが分かる。この特別な場合では、イオンガイド入口の上流およびイオンガイド出口の下流におけるイオンビーム方向は平行となるが、側方（軸ビーム方向に対して直角）では位置を異にしている。そのような位置構成では、機器の設計および組立が容易となる。
【００３６】
本発明の別の特別な実施形態では、「高圧真空隔壁」を通じて連続的に延びる多重極イオンガイドが組み込まれ、多重極イオンガイドは連続的に湾曲する軸を有するように、例えば、イオンガイド軸は９０度の円弧を通じて延びるように、構造化される。そのような一実施形態では、イオンガイドが真空隔壁を通じて延びているときに、軸が湾曲する。
【００３７】
本発明のさらなる実施形態では、「高圧真空隔壁」の下流に「Ｓ」字形の湾曲部が組み込まれる。例えば、イオンガイド入口はイオンビーム経路の上流部分と共軸であり、「高圧真空隔壁」を通じて真っ直ぐ延びる。「高圧真空隔壁」の下流のイオンガイド軸における「Ｓ」字形の湾曲部は、次いで、イオンガイドの出口でのイオンガイドの軸が、その入口でのイオンガイド軸と平行であるが側方に動かされたように、イオンガイド軸を平行移動させる。したがって、イオンビームは湾曲を通じてイオンガイド出口へ、続いて下流に配置された質量分析計へと案内されるが、「圧力真空隔壁」の近傍（および上流）で生成したバックグラウンド粒子は全て、イオンガイド軸における湾曲を通り抜けないので、質量分析計へ進入することができない。
【００３８】
これに加えて、全ての場合において、汚染および結果として生じる静電的な帯電効果を最小化するには、多重極イオンガイドのロッド（すなわち、極）を、上流の源からのバックグラウンド粒子が、極に衝突するのではなく、極間の間隙を通過する可能性が高くなるように配向させるほうが、通常、有利である。
【００３９】
さらにまた、用いられる質量分析計および／または検出器の真空要件に応じて、質量分
析計および／または検出器の空間内の圧力をさらに低くするには、イオンガイド出口と質量分析計入口との間に１つ以上の追加の真空隔壁を提供すること、すなわち、多重極イオンガイドの出口端が配置されているまたは位置する真空ポンピングステージの下流の真空ポンピングステージに質量分析計および検出器を配置することが有利な場合がある。そのような場合、そのような追加の真空隔壁を通じて多重極イオンガイドが連続的に延ばされ、隔壁を通じてイオン輸送を行ってもよく、代わりに、追加の真空隔壁を通じて連続的に延びる別個のイオンガイドが用いられてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施形態を示す概略図。最適なイオン輸送を提供するために、ＥＳＩイオン源からのイオンが誘電性キャピラリを介して真空へ運ばれ、スキマーを通過し、次いで、真空隔壁を通じて延びる多重極イオンガイドによって四重極質量分析計へ運ばれる。多重極イオンガイドは、バックグラウンド粒子が質量分析計の検出器へ到達することを妨げるためにマスフィルタの進入軸に対して一定の角度に傾斜している。キャピラリ軸に対するイオンガイドの傾斜によってもバックグラウンド粒子が減少される。
【図２】本発明の一実施形態を示す概略図。四重極質量分析計にイオンを運ぶために、ＥＳＩイオン源からのイオンが誘電性キャピラリを介して真空へ運ばれ、アパーチャレンズを通過し、次いで、２つの真空隔壁を通じて連続的に延びる多重極イオンガイドへ直接入る。このイオンガイドは、バックグラウンド粒子が質量分析計の検出器へ到達することを妨げるためにマスフィルタの進入軸に対して一定の角度に傾斜している。
【図２Ａ】本発明の一実施形態を示す概略図。四重極質量分析計にイオンを運ぶために、ＥＳＩイオン源からのイオンが誘電性キャピラリを介して真空へ運ばれ、アパーチャレンズを通過し、次いで、３つの真空隔壁を通じて連続的に延びる多重極イオンガイドへ直接入る。このイオンガイドは、バックグラウンド粒子が質量分析計の検出器へ到達することを妨げるためにマスフィルタの進入軸に対して一定の角度に傾斜しており、また、イオンガイドに屈曲部を含む。
【図３】本発明の一実施形態を示す概略図。ＥＳＩイオン源からのイオンが誘電性キャピラリを介して真空へ運ばれ、アパーチャレンズを通過し、次いで、１つの真空隔壁を通じて連続的に延びる多重極イオンガイドセグメントへ直接入る。第２のセグメントは、次いで、第２の真空隔壁を通じて四重極質量分析計へイオンを運ぶ。２つのセグメントは共軸であり、バックグラウンド粒子が質量分析計の検出器へ到達することを妨げるためにマスフィルタの進入軸に対して一定の角度に傾斜している。
【図４】本発明の一実施形態を示す概略図。ＥＳＩイオン源からのイオンが誘電性キャピラリを介して真空へ運ばれ、アパーチャレンズを通過し、次いで、２つの真空隔壁を通じて連続的に延びる第１の多重極イオンガイドセグメントへ直接入る。第２のセグメントは、次いで、第２の真空隔壁を通じて四重極質量分析計へイオンを運ぶ。第１のセグメントはキャピラリ軸と共軸であるが、第２のセグメントは、バックグラウンド粒子が質量分析計の検出器へ到達することを妨げるためにマスフィルタの進入軸に対して一定の角度に傾斜している。
【図５】本発明の一実施形態を示す概略図。最適なイオン輸送を提供するために、ＥＳＩイオン源からのイオンが誘電性キャピラリを介して真空へ運ばれ、スキマーを通過し、次いで、３つの真空隔壁を通じて延びる多重極イオンガイドによって四重極質量分析計へ運ばれる。イオンガイドは、その長さに沿って２つの屈曲部を含んでいる。イオンガイドの入口部分はキャピラリ軸と共軸であり、中央部分は第１の部分に対して一定の角度にあり、出口部分はマスフィルタの進入軸と共軸である。これによって、バックグラウンド粒子が質量分析計の検出器へ到達することが妨げられる。
【図５Ａ】本発明の一実施形態を示す概略図。四重極質量分析計に対する最適なイオン輸送を行うために、ＥＳＩイオン源からのイオンが誘電性キャピラリを介して真空へ運ばれ、アパーチャレンズを通過し、次いで、４つの真空隔壁を通じて連続的に延びる多重極イオンガイドへ直接入る。イオンガイドは、その長さに沿って２つの屈曲部を含んでいる。イオンガイドの入口部分はキャピラリ軸と共軸であり、中央部分は第１の部分に対して一定の角度にあり、出口部分はマスフィルタの進入軸と共軸である。これによって、バックグラウンド粒子が質量分析計の検出器へ到達することが妨げられる。
【図６】本発明の一実施形態を示す概略図。四重極質量分析計に対する最適なイオン輸送を行うために、ＥＳＩイオン源からのイオンが誘電性キャピラリを介して真空へ運ばれ、スキマーを通過し、次いで、１つの真空隔壁を通じて連続的に延びる多重極イオンガイドへ入る。イオンガイドは、その長さに沿って２つの屈曲部を含んでいる。イオンガイドの入口部分はキャピラリ軸と共軸であり、中央部分は第１の部分に対して一定の角度にあり、出口部分はマスフィルタの進入軸と共軸である。これによって、バックグラウンド粒子が質量分析計の検出器へ到達することが妨げられる。
【図７】本発明の一実施形態を示す概略図。四重極質量分析計に対する最適なイオン輸送を行うために、ＥＳＩイオン源からのイオンが誘電性キャピラリを介して真空へ運ばれ、スキマーを通過し、次いで、１つの真空隔壁を通じて連続的に延びる多重極イオンガイドへ入る。イオンガイドは、その長さに沿って連続的な湾曲を有するように構成されている。イオンガイドの入口部分はキャピラリ軸と共軸であり、出口部分はマスフィルタの進入軸と共軸であり、キャピラリの軸に対して９０度の角度にある。これによって、バックグラウンド粒子が質量分析計の検出器へ到達することが妨げられる。
【図７Ａ】本発明の一実施形態を示す概略図。四重極質量分析計に対する最適なイオン輸送を行うために、ＥＳＩイオン源からのイオンが誘電性キャピラリを介して真空へ運ばれ、スキマーを通過し、次いで、２つの真空隔壁を通じて連続的に延びる多重極イオンガイドへ入る。イオンガイドは、その長さに沿って連続的な湾曲を有するように構成されている。イオンガイドの入口部分はキャピラリ軸と共軸であり、出口部分はマスフィルタの進入軸と共軸であり、キャピラリの軸に対して９０度の角度にある。これによって、バックグラウンド粒子が質量分析計の検出器へ到達することが妨げられる。
【図８】「三段四重極」構成における本発明の一実施形態を示す概略図。最適なイオン輸送を提供するために、ＥＳＩイオン源からのイオンが誘電性キャピラリを介して真空へ運ばれ、スキマーを通過し、次いで、真空隔壁を通じて延びる多重極イオンガイドによって第１の四重極質量分析計へ運ばれる。この多重極イオンガイドは、バックグラウンド粒子が第１の質量分析計の下流の衝突セルへ進行することを妨げるために、マスフィルタの進入軸に対して一定の角度に傾斜している。衝突セルは、その長さに沿って連続的な湾曲を有するイオンガイドによって構成されている。イオンガイドの入口部分は第１の四重極マスフィルタと共軸であり、出口部分は第２の四重極マスフィルタの進入軸と共軸であり、第１の四重極マスフィルタの軸に対して９０度の角度にある。これによって、衝突セルから（または衝突セルの上流から）のバックグラウンド粒子が第２の四重極マスフィルタの下流に配置された検出器へ到達することが妨げられる。
【図９】「三段四重極」構成における本発明の一実施形態を示す概略図。最適なイオン輸送を提供するために、ＥＳＩイオン源からのイオンが誘電性キャピラリを介して真空へ運ばれ、スキマーを通過し、次いで、真空隔壁を通じて延びる多重極イオンガイドによって第１の四重極質量分析計へ運ばれる。この多重極イオンガイドは、バックグラウンド粒子が第１の質量分析計の下流の衝突セルへ進行することを妨げるために、マスフィルタの進入軸に対して一定の角度に傾斜している。衝突セルは、その長さに沿って連続的な湾曲を有するイオンガイドによって構成されている。イオンガイドの入口部分は第１の四重極マスフィルタと共軸であり、出口部分は第２の四重極マスフィルタの進入軸と共軸であり、第１の四重極マスフィルタの軸に対して９０度の角度にある。これによって、衝突セルから（または衝突セルの上流から）のバックグラウンド粒子が第２の四重極マスフィルタの下流に配置された検出器へ到達することが妨げられる。衝突セルの出口隔壁を通じて最適なイオン輸送を提供するために、衝突セルのイオンガイドの出口部分は衝突セルの出口隔壁を通じて連続的に延びている。
【図１０】「三段四重極」構成における本発明の一実施形態を示す概略図。最適なイオン輸送を提供するために、ＥＳＩイオン源からのイオンが誘電性キャピラリを介して真空へ運ばれ、スキマーを通過し、次いで、真空隔壁を通じて延びる多重極イオンガイドによって第１の四重極質量分析計へ運ばれる。この多重極イオンガイドは、バックグラウンド粒子が第１の質量分析計の下流の衝突セルへ進行することを妨げるために、マスフィルタの進入軸に対して一定の角度に傾斜している。衝突セルは、連続的な湾曲に沿った２つのイオンガイドセグメントによって構成されている。第１のイオンガイドセグメントの入口部分は第１の四重極マスフィルタと共軸であり、第２のセグメントの出口部分は第２の四重極マスフィルタの進入軸と共軸であり、第１の四重極マスフィルタの軸に対して９０度の角度にある。これによって、衝突セルから（または衝突セルの上流から）のバックグラウンド粒子が第２の四重極マスフィルタの下流に配置された検出器へ到達することが妨げられる。衝突セルの出口隔壁を通じて最適なイオン輸送を提供するために、第２の衝突セルのイオンガイドセグメントの出口部分は衝突セルの出口隔壁を通じて連続的に延びている。セグメント化された衝突セルイオンガイドでは、ＭＳ／ＭＳｎの機能など、さらなる分析機能が提供される。
【図１１】本発明による様々な可能なイオンガイド構成を示す概略的な断面図。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
本発明の好適な実施形態を図１に示す。この実施形態は、ほぼ大気圧で動作し、４つの真空ポンピングステージ２、３、４、５を備える真空系に取り付けられている、空気霧化支援部（ｐｎｅｕｍａｔｉｃ  ｎｅｂｕｌｉｚａｔｉｏｎ  ａｓｓｉｓｔ）を備える従来のエレクトロスプレーイオン化（ＥＳＩ）イオン源１によって構成されている。イオン源１は、本質的には、液体試料送達チューブを備える空気霧化支援エレクトロスプレープローブ６を備える。この液体試料送達チューブは、液体試料７をチューブ端８へ送達する。チューブ端８とキャピラリ真空インタフェース１０の入口端９との間の電圧差は、高電圧ＤＣ電源（図示せず）によって与えられる。試料送達チューブ端８の近傍の得られる静電場によって、試料送達チューブ端８から生じる試料液体７からのエレクトロスプレープルーム１１が形成される。霧化およびイオン化の効率を高めるため、噴霧化気体１２が、液体試料送達チューブ出口端８に近い（理想的には共軸である）出口開口部を備える噴霧化気体チューブを通じて送達されてよい。カウンタ電流乾燥気体１３は乾燥気体ヒータ１４により加熱され、加熱されたカウンタ電流乾燥気体１５としてキャピラリ真空インタフェース１０の入口端９を越えて流れ、エレクトロスプレープルーム１１の液滴の蒸発を支援する。試料イオンはプルーム１１内の荷電液滴を蒸発させることによって放出され、このイオンが、任意の残存する荷電および非荷電液滴ならびにエアロゾル粒子とともに、バックグラウンド気体とともに運ばれ、キャピラリ真空オリフィス１６へ流れ込む。このイオン、液滴およびエアロゾル粒子は気体とともにキャピラリ１０のボア１７を通じてキャピラリ出口端１８まで運ばれ、キャピラリ１０の出口オリフィス１９を通過して第１の真空ポンピングステージ２へ入る。通常、この気体はキャピラリ出口オリフィス１９を出ると超音波膨張を受け、イオン、液滴およびエアロゾル粒子は、通常、膨張する気体における気体分子と同様の速度分布を獲得する。したがって、任意のそのような粒子の獲得した運動エネルギーは、その粒子の質量に幾らかは比例する。この結果、液滴およびエアロゾル粒子が、関心のイオンより大きな運動エネルギーを獲得する場合がある。
【００４２】
このイオン、液滴およびエアロゾル粒子は、絶縁体２２により取り付けられているスキマー２１のオリフィス２０を通過し、スキマーの下流のポンピングステージ３へ荷電粒子を集束させるべくスキマーに電圧が印加される。スキマー２１のオリフィス２０を通過するイオン、液滴およびエアロゾル粒子は、スキマー２１のオリフィス２０のものと同様、ほぼキャピラリ１０のボア１７の軸であるイオンビーム軸３６に沿って、直線的な多重極イオンガイド２４の入口端２３へ進行する、直線的な多重極イオンガイド２４は、共通の軸２６に対して対称的に構成された６つのロッド２５を備える六重極イオンガイドである。４つ、８つ、または８以上のそのようなロッドを備える多重極イオンガイドも同様に用いられてよい。図１に示す本発明の実施形態では、直線的な多重極イオンガイド２４の軸
２６および軸３６は互いに対し、ある角度３７で配向されている。しかしながら、本発明の他の実施形態では、直線的な多重極イオンガイド軸２６は、キャピラリ１０のボア１７およびスキマー２１のアパーチャ２０の軸３６と共軸であってもよい。
【００４３】
多重極イオンガイド２４のロッド２５は絶縁体２７および真空隔壁２８を介して支持されており、そのような構成では、本質的には、真空ステージ３，４の間のガスフロー用の唯一の導管は、ロッド２５内およびロッド２５間の空間である。一部の構成では、気体はロッド２５の近くまたは外側寄りの空間を流れてもよい。したがって、多重極イオンガイド２４は、真空ポンピングステージ３，４の間に連続的に延びるとともに、真空ポンピングステージ３，４の間の気体の流れを制限するように構成される。入口端２３にて多重極イオンガイド２４へ進入するイオンは、多重極イオンガイド２４のロッド２５に印加されたＲＦ電圧を切り替えることにより発生したＲＦ電場を振動させることによって、多重極イオンガイド２４の軸２６に沿って案内される。イオンガイド２４内のＲＦ場は、イオンがイオンガイド２４の軸２６に対し直交する方向にロッド２５を越えて動くのを妨げ、イオンはイオンガイド軸２６に対しほぼ平行にイオンガイド出口端２９まで移動する。
【００４４】
イオンは出口端２９を通じて多重極イオンガイド２４を出て、真空隔壁３１においてアパーチャ３０を通じて配向される。次いで、イオンは四重極マスフィルタ３３の入口３２へ進行する。イオンは、その質量対電荷の値に従って四重極マスフィルタ３３によりふるい分けられ、四重極マスフィルタ３３の横断に成功したイオンは、次いで、四重極マスフィルタ３３の出口アパーチャ３４を通過する。これらのイオンは、次いで、検出器３５へ配向されることによって、または衝突変換ダイノード３６へ配向されることによって検出される。衝突変換ダイノード３６は二次的な荷電粒子を生成し、この二次的な荷電粒子が検出のために検出器３５へ配向される。
【００４５】
図１に示す実施形態では、イオン源１および／またはキャピラリ１０のボア１７において、および／またはキャピラリ１０の出口１８とスキマー２１のアパーチャ２０との間、および／またはスキマー２１のアパーチャ２０とイオンガイド入口２３との間の領域において生じ得る、荷電および非荷電液滴、ならびにエアロゾル粒子、エネルギーイオンおよび中性粒子など、大多数のバックグラウンド粒子は、イオンガイド２４におけるＲＦ場に反応せず（または、十分には反応せず）、幾らかはイオンガイド２４の入口２３を越えて自身の軌跡に沿って進行し、四重極マスフィルタ３３の四重極入口３２へ到達する前に表面に衝突する。そのような表面には、イオンガイド２４のロッド２５、真空隔壁２８、絶縁体２７、および真空隔壁３１の表面が含まれる。
【００４６】
同時に、イオンガイド２４内のＲＦ場へ適切に反応するイオンは、イオンガイド軸２６に沿って案内される。真空ポンピングステージ３へ延びるイオンガイド２４の部分内のバックグラウンド気体圧力は、イオンとバックグラウンド気体分子との間に衝突を起こし、イオンがイオンガイド２４を横断するときにイオンの運動エネルギーを減少させるのに十分なほど高い。一般に、イオンガイド３３のこの部分内の平均バックグラウンド気体圧力は、少なくとも、イオンとバックグラウンド気体分子との間の衝突と衝突との間の平均自由行程が、ほぼイオンガイド２４の入口端２３とイオンガイド２４が真空隔壁２８を通過する場所近くの位置４０との間をイオンが横断する距離よりも大きくなるのに十分なほど高い。したがって、イオンガイド２４の軸２６に沿って案内され、そうした衝突のために運動エネルギーを失うイオンは、イオンガイド２４内のＲＦ場によってイオンガイド２４の軸２６に沿って形成されるウェル、すなわち、周知のいわゆる「擬似ポテンシャル」ウェルの働きのため、その運動エネルギーが減少するにつれ、軸２６のより近くに存在することになる。
【００４７】
イオンがイオンガイド２４を通じて真空ポンピングステージ４へ移動すると、バックグ
ラウンド気体圧力はより低く、イオンとバックグラウンド気体分子との間の衝突がほぼ起こらないので、イオンは、バックグラウンド気体分子と有意な衝突を起こさずに、真空隔壁２８の近傍からイオンガイド２４の出口端２９まで移動する。したがって、図１に示す装置においてイオンとバックグラウンド気体分子との間の衝突によってバックグラウンド粒子が生成され得る最後の位置は、真空隔壁２８の下流およびその近くのイオンガイド２４内の位置４０である。
【００４８】
イオンはイオンガイド２４の出口端２９へ到達するとき、真空隔壁３１のアパーチャ３０を通じて配向され、次いで、四重極マスフィルタ入口３２を通じて四重極マスフィルタ３３へ移動する。このとき、イオンビーム方向はイオンガイド２４の軸２６からマスフィルタ３３の軸３７までの角度３９を通じて変化する。位置４０にて生成された任意のバックグラウンド粒子、または位置４０の上流にて生じ得る任意のバックグラウンド粒子には、四重極入口３２を通じる見通し線飛跡が存在し得るが、イオンガイド２４の軸２６と質量分析計３３の軸３７との間の角度３９と、質量分析計３３の入口３２と位置４０との間の距離との組み合わせのために、アパーチャ３４を越えて検出器３５または検出器３５の領域における任意の表面に至る見通し線飛跡は存在しない。したがって、そのようなバックグラウンド粒子が、検出器３５または変換ダイノード３６に衝突すること、または検出器３５および変換ダイノード３６の領域の表面を包囲することによって、バックグラウンド粒子ノイズを生じることが妨げられる。
【００４９】
そのようなバックグラウンド粒子には、例えば、キャピラリ１０の出口オリフィス１９を通じて生じる任意のバックグラウンド粒子、またはキャピラリ１０の出口オリフィス１９とイオンガイド２４の入口２３との間で生成されるバックグラウンド粒子が含まれる。これらの粒子は、その一部にはイオンガイド２４の入口２３の上流の領域から質量分析計３３の入口３２を通じる見通し線が存在するように、キャピラリ１０のボア１７の軸１６に対して傾いた軌跡を有する場合がある。これに代えて、本発明の他の実施形態は、０に等しい角度３８によって構成される場合があり、その場合、それらのバックグラウンド粒子のうちのさらに多くが質量分析計３３の入口３２を通過することが予想される。いずれの構成においても、イオンガイド２４の軸２６と質量分析計３３の軸３７との間の角度３９と、質量分析計３３の入口３２とそのようなバックグラウンド粒子が生じ得るイオンガイド２４の入口２３の上流の位置との間の距離との組み合わせによって、アパーチャ３４のから検出器３５または検出器３５の領域の任意の表面までそのような粒子が通過することが妨げられる。
【００５０】
本発明において、検出器３５または周囲の表面への到達を妨げられる他のバックグラウンド粒子には、イオンとイオンガイド２４の部分内のバックグラウンド気体分子との間の衝突によって生成され得るエネルギー中性粒子が含まれる。このイオンガイド２４は、そのような衝突が起こるガス圧力のより高い領域に配置されている。本発明では、真空ポンピングステージ３などの領域、および真空隔壁２８近くから位置４０までの領域におけるそうしたバックグラウンド粒子の生成は、イオンガイド２４の軸２６と質量分析計３３の軸３７との間の角度３９と、質量分析計３３の入口３２とそのようなバックグラウンド粒子が生じ得る位置４０の上流のイオンガイド２４内の位置との間の距離との組み合わせによって、その生成点から検出器３５にまたは検出器３５を包囲する領域に至るまでの見通し線飛跡経路を存在させないことにより妨げられる。この結果、本発明では、そのようなバックグラウンド粒子が、検出器３５もしくは変換ダイノード３６または検出器３５および変換ダイノード３６の領域の周囲の表面に衝突することによってバックグラウンド粒子ノイズを生じることも妨げられる。
【００５１】
したがって、図１に示す本発明の実施形態では、直線的な多重極イオンガイドは、真空隔壁を通じて改良されたイオン輸送を行うように構成されるとともに、イオンとバックグ
ラウンド気体分子との間の衝突により発生するバックグラウンド粒子や、イオン源から発生するバックグラウンド粒子によって生じるバックグラウンド粒子ノイズを減少させる。
【００５２】
本発明の代替の一実施形態を図２に示す。図１の同じ機能要素に対応する要素には同じ符号を付ける。図２には、本発明の一実施形態を示す。この実施形態では、直線的な多重極イオンガイド２４は、キャピラリ１０の出口オリフィス１９が配置された第１の真空ステージ２から、第２の真空ポンピングステージ３を通じて、第３の真空ポンピングステージ４まで、２つの真空隔壁４２、２８を通じて連続的に延びている。この実施形態では、図１のスキマー２１は除去されており、キャピラリ１０の出口オリフィス１９とイオンガイド２４の入口２３との間に、アパーチャ４３を備えた平坦レンズ電極４１が配置されている。主として、図２の構成では図１の構成よりもキャピラリ１０の出口オリフィス１９とイオンガイド２４の入口２３との間がより近づくことにより、この構成では、キャピラリ１０の出口オリフィス１９とイオンガイド２４の入口２３との間に図１の構成と比べて改良されたイオン輸送効率が可能となる。イオンは、イオンガイド２４の入口２３へ進入すると、イオンガイド２４内のＲＦ場によって、キャピラリ１０の軸３６ではなくイオンガイド２４の軸２６に沿って移動するように再配向される。この場合にも、位置４０の上流において生じるバックグラウンド粒子は、イオンガイド２４の軸２６と質量分析計３３の軸３７との間の角度３９と、質量分析計３３の入口３２とバックグラウンド粒子が生じ得る位置４０の上流の位置との間の距離との組み合わせによって、その生成点から検出器３５にまたは検出器３５を包囲する領域に至るまでの見通し線飛跡経路を存在させないことにより妨げられる。この結果、バックグラウンド粒子が検出器３５もしくは変換ダイノード３６または検出器３５および変換ダイノード３６の領域の周囲の表面に衝突することが妨げられることによって、本発明のこの実施形態では、バックグラウンド粒子ノイズの生成が妨げられる。
【００５３】
本発明の代替の実施形態には、３より多くの真空ポンピングステージへ連続的に延びるイオンガイドや、イオンガイド軸に沿って屈曲部または湾曲部の組み込まれたイオンガイドを含む追加の特徴が組み込まれてよい。そのような特徴を、図２Ａに示す本発明の実施形態により示す。図２Ａには、４ステージ真空ポンプ装置を示す。ここでは、図２の構成と同様に、多重極イオンガイド２４の入口２３は第１の真空ポンピングステージ２から始まる。キャピラリ１０の出口オリフィス１９から流れるイオンは、レンズ電極４１のアパーチャ４３を通過して、多重極イオンガイド２４の入口２３へ移動する。イオンは、イオンガイド２４の入口２３へ進入すると、イオンガイド２４内のＲＦ場によって、キャピラリ１０の軸３６ではなくイオンガイド２４の軸２６に沿って移動するように再配向される。図２の実施形態におけるように、イオンガイド２４は第１の真空ポンピングステージ２から、真空隔壁４２、第２の真空ポンピングステージ３、および真空隔壁２８を通じて、連続的に延びるように構成されている。しかしながら、図２Ａに示す構成では、イオンガイド２４は、第３の真空ポンピングステージ４を通じ、真空隔壁４５を通じて、質量分析計３３および検出器３５の配置された真空ポンピングステージ５へ連続的に延びている。イオンガイド２４が真空ポンピングステージ５まで延びているとき、イオンガイド２４はイオンガイド軸２６に屈曲部４４を備えるように構成される。この屈曲は、屈曲部４４の下流のイオンガイド２４の部分のイオンガイド軸２６が質量分析計軸３７と共軸であるように、屈曲部４４の上流のイオンガイド２４の部分に沿ったイオンガイド２４の軸２６と、質量分析計軸３７との間の角度３９に等しい屈曲角度を有するように構成される。したがって、イオンが屈曲部４４の上流のイオンガイド２４の軸２６に沿った方向および質量分析計軸３７からの角度３９によって再配向されるとき、イオンガイド２４における屈曲部４４は、図２に示す構成に比べ、より良好にイオンを運ぶことができる。この場合にも、位置４０の上流において生じるバックグラウンド粒子は、イオンガイド２４の軸２６と質量分析計３３の軸３７との間の角度３９と、質量分析計３３の入口３２とバックグラウンド粒子が生じ得る位置４０の上流の位置との間の距離との組み合わせによって、その生
成点から検出器３５にまたは検出器３５を包囲する領域に至るまでの見通し線飛跡経路を存在させないことにより妨げられる。この結果、バックグラウンド粒子が検出器３５もしくは変換ダイノード３６または検出器３５および変換ダイノード３６の領域の周囲の表面に衝突することが妨げられることによって、本発明のこの実施形態では、バックグラウンド粒子ノイズの生成が妨げられる。
【００５４】
図２の実施形態の代替の一変更形態を図３に示す。図３には、この発明が図２の実施形態と同様に構成されることを示す。主な違いは、傾斜した直線的な多重極イオンガイドが、共通の傾斜したイオンガイド軸２６に沿った２つの別個の独立したイオンガイドへと区分されていることである。第１のイオンガイドセグメント４８は、イオンガイドロッド４９を備えて構成され、第１のポンピングステージ２のイオンガイド入口２３から、真空隔壁４２を通じて、真空ポンピングステージ３へ連続的に延びている。第１のイオンガイドセグメントは、イオンガイドセグメント４８の出口端５０にて終わる。小さい間隙５１の後、第２のイオンガイドセグメント５２は、真空ステージ３のイオンガイドセグメント５２の入口端５４から、真空隔壁２８を通じて、真空ポンピングステージ４へ連続的に延びている。
【００５５】
キャピラリ１０の出口オリフィス１９を出るイオンは、イオンガイドセグメント４９の入口端２３へ移動し、イオンガイドセグメント４９内のＲＦ場によって、真空隔壁４２を通じてイオンガイドセグメント４９の出口端５０まで案内される。イオンガイドセグメント４９の出口端５０から、イオンは、間隙５１を通じてイオンガイドセグメント５２の入口端５４へ配向される。イオンガイドセグメント５２内のＲＦ場は、イオンガイドセグメント５２の出口端２９までイオンを案内するように働く。イオンは、次いで、質量分析および検出器３５による検出のため、オリフィス３０を通じて質量分析計入口３２へ向けられる。
【００５６】
イオンガイドセグメント４８、５２は独立に動作するので、異なるＲＦおよびＤＣ電圧が印加されることができる。特に、それらに対し印加されるＲＦ電圧は同じであるが、印可されるＤＣオフセット電圧が各々に対して異なる場合、イオンガイドセグメント４９の出口端５０から、間隙５１を通じて、イオンガイドセグメント５２の入口端まで、イオンが加速される。間隙５１の配置された真空ステージ３は、イオンとバックグラウンド気体分子との間で衝突が起こるのに十分なほど高いバックグラウンド気体圧力を有する。間隙５１を通じたイオンの加速が十分に大きいと、イオンとバックグラウンド気体分子との間の衝突によって、フラグメントイオンおよび中性粒子へのイオンの衝突誘起解離（ＣＩＤ）が生じる。フラグメントイオン（および任意の残存する「親」イオン）はイオンガイド５２を通じて案内され、その運動エネルギーは、間隙５１を通じた加速の結果、増大している場合があるが、イオンが間隙５１と位置４０との間で移動するにつれ、続くバックグラウンド気体分子との衝突によって弱められた後、バックグラウンド気体圧力がイオンとバックグラウンド気体分子との間の衝突が起こらないのに十分なほど低くなる。この場合にも、位置４０の上流において生じるバックグラウンド粒子（この場合には、特に、ＣＩＤ衝突の結果として生じるエネルギー中性粒子）は、イオンガイド２４の軸２６と質量分析計３３の軸３７との間の角度３９と、質量分析計３３の入口３２とバックグラウンド粒子が生じ得る位置４０の上流の位置との間の距離との組み合わせによって、その生成点から検出器３５にまたは検出器３５を包囲する領域に至るまでの見通し線飛跡経路を存在させないことにより妨げられる。この結果、バックグラウンド粒子が検出器３５もしくは変換ダイノード３６または検出器３５および変換ダイノード３６の領域の周囲の表面に衝突することが妨げられることによって、本発明では、バックグラウンド粒子ノイズの生成が妨げられる。
【００５７】
図４には、図３の一修飾形態を示す。ここでは、図３の第１のイオンガイドセグメント
４８はキャピラリ１０の軸３６と共軸に配向され、真空隔壁４２を通じて第１の真空ポンピングステージ２と第２の真空ポンピングステージ３との間にしか延びていないが、追加（図３の実施形態との比較）の真空隔壁５６を通じても延びている。この追加の真空隔壁５６は、図３の真空ポンピングステージ３を、図４に真空ポンピングステージ５５として示す追加の真空ポンピングステージへと分割する。イオンガイドセグメント５８の出口端５９は、図４の第３の真空ポンピングステージ５５に配置されている。第２のイオンガイドセグメント５２は、軸３６に対して一定の角度３８で配向されており、この実施形態の構成は図３の間隙５１の下流と同じである。
【００５８】
図３の実施形態に対する図４に示す実施形態の利点は、軸３６に沿って第１のイオンガイドセグメント５８へ進入するイオンがイオンガイドセグメント５８に沿って進行するので、そのビーム方向がキャピラリ１０の軸３６からイオンガイドセグメント５２の軸２６へ再配向される前に、イオン運動エネルギーの衝突冷却を受けられることである。イオンを案内または再配向するための特定のＲＦ場の強さの有効性は、イオンの運動エネルギーが増大するにつれて減少するので、イオンの運動エネルギーの冷却によってイオンガイド内のＲＦ場がイオンのビーム経路を再配向できることにより、効率が改良される。したがって、図４の真空ステージ３におけるバックグラウンド気体分子との衝突によりイオンの運動エネルギーを弱めることによって、例えば、図３のイオンガイドセグメント４８に比べ、図４のイオンガイドセグメント５８による捕捉および再配向の効率が向上することが保証される。これは、質量対電荷比のより高いイオンの場合、それらのイオンは、膨張する気体の速度分布と同様の速度分布を有してキャピラリ１０の出口オリフィス１９を出るので、その質量にほぼ比例した運動エネルギーを有するため、特に重要となる。また、図３の実施形態におけるように、イオンガイドセグメント５８、５２に対し印加されるＲＦおよびＤＣ電圧は異なっていてもよく、ＣＩＤが上述の図３の実施形態と同様に行われることが可能となる。
【００５９】
本発明の別の代替の実施形態を図５に示す。この実施形態は、イオンガイド２４の軸２６に２つの屈曲部６０、４４を有し、イオンガイド２４の入口端２３にてイオンガイド２４の軸２６がキャピラリ１０の軸３６と共軸であるように、また、イオンガイド２４の出口端２９にてイオンガイド２４の軸２６が質量分析計３３の軸３７と共軸であるように構成されたイオンガイド２４により、構成されている。したがって、イオンビーム方向は、イオンガイド２４の入口端２３においてキャピラリ１０の軸３６からイオンガイド２４の軸２６へと、また、イオンガイド２４の出口端２９においてイオンガイド２４の軸２６から質量分析計３３の軸３７へと変えられる。このとき、イオンがイオンガイド２４の案内ＲＦ場内に留まることによって、そうしたビーム方向の変化のあいだの効率的なイオン輸送が保証される。また、イオンガイド入口２３と屈曲部６０（キャピラリ１０の軸３６と共軸である）との間のイオンガイド２４の部分によって、ビームが屈曲部４４に再配向される前にイオン運動エネルギーが冷却されることが可能となり、これによって、質量のより高いイオンについても、屈曲部４４を通じた効率的なイオン輸送が保証される。上述のように、そのような質量のより高いイオンは、キャピラリ１０の出口オリフィス１９を通じて出ると、より高い運動エネルギーを有するようになるので、その運動エネルギーの衝突冷却前にＲＦ場によって再配向することがより困難となる。
【００６０】
この場合にも、位置４０の上流において生じるバックグラウンド粒子は、イオンガイド屈曲部４４，６０の間のイオンガイド２４の軸２６と質量分析計３３の軸３７との間の角度３９と、質量分析計３３の入口３２とバックグラウンド粒子が生じ得る位置４０の上流の位置との間の距離との組み合わせによって、その生成点から検出器３５にまたは検出器３５を包囲する領域に至るまでの見通し線飛跡経路を存在させないことにより妨げられる。この結果、バックグラウンド粒子が検出器３５もしくは変換ダイノード３６または検出器３５および変換ダイノード３６の領域の周囲の表面に衝突することが妨げられることに
よって、本発明のこの実施形態では、バックグラウンド粒子ノイズの生成が妨げられる。
【００６１】
より低い製造コストおよびより簡単な機器設計のために、角度３８、３９の方向がほぼ等しくなるように、またはほぼ反対となるように構成することによって、キャピラリ１０の軸１９を質量分析計３３の軸３７に平行となるように構成することもできる。また、図５示した実施形態は、真空隔壁３１のアパーチャ３０によって提供されるガスフロー制限に加えて、イオンガイド２４の出口端２９を支持し、真空ポンピングステージ４、５の間のガスフロー制限を増大する絶縁体６５を有するように構成されている。
【００６２】
図５に示した本発明の実施形態の別の修飾形態も組み込まれる。例えば、図５Ａに示す本発明の実施形態には、図５におけるように２つの屈曲部６０、４４を有するように構成されたイオンガイドが示されているが、スキマー２１は除去され、イオンガイド２４の延びる真空隔壁４２に置き換えられている。イオンガイド２４の入口２３は第１の真空ポンピングステージ２に配置され、イオンガイド２４は、イオンガイド２４の絶縁体２２とともに、真空ポンピングステージ２、３の間のガスフローの制限された導管を形成している。また、キャピラリ１０の出口オリフィス１９とイオンガイド２４の入口２３との間に、アパーチャ４３を備えた平坦レンズ電極４１が配置されている。主として、図５Ａの構成では図５の構成よりもキャピラリ１０の出口オリフィス１９とイオンガイド２４の入口２３との間がより近づくことにより、この構成では、キャピラリ１０の出口オリフィス１９とイオンガイド２４の入口２３との間に図５のスキマー２１の構成と比べて改良されたイオン輸送効率が可能となる。さらに、図５の実施形態の絶縁体支持部６５と、アパーチャ３０を備えた真空隔壁３１とは、図５Ａでは真空隔壁６６および絶縁体６７として再構成されている。絶縁体６７は、イオンガイド出口端２９近くのイオンガイド２４を支持し、イオンガイド２４と共に、真空ポンピングステージ４、５の間のガスフロー制限部を形成する。
【００６３】
この場合にも、位置４０の上流において生じるバックグラウンド粒子は、イオンガイド屈曲部４４，６０の間のイオンガイド２４の軸２６と質量分析計３３の軸３７との間の角度３９と、質量分析計３３の入口３２とバックグラウンド粒子が生じ得る位置４０の上流の位置との間の距離との組み合わせによって、その生成点から検出器３５にまたは検出器３５を包囲する領域に至るまでの見通し線飛跡経路を存在させないことにより妨げられる。この結果、バックグラウンド粒子が検出器３５もしくは変換ダイノード３６または検出器３５および変換ダイノード３６の領域の周囲の表面に衝突することが妨げられることによって、本発明のこの実施形態では、バックグラウンド粒子ノイズの生成が妨げられる。
【００６４】
本発明の追加の一実施形態を図６に示す。図６には、ほぼ図１に示した構成を示すが、イオンガイド２４は、図５および図５Ａのイオンガイド２４における屈曲部４４、６０と同様に、２つの屈曲部４４、６０が組み込まれたものに置き換えられている。図６のイオンガイド２４は１つの真空隔壁２８を通じてのみ延びているので、この実施形態の構成は、図５および図５Ａに示した実施形態より高価でなく、製造および組立がより簡単である。しかしながら、質量分析計が配置される真空ステージ５のバックグラウンド気体圧力は、図５および図５Ａの実施形態ほど低くない場合がある。
【００６５】
上述の本発明の実施形態には全て、イオンガイドの１つ以上の部分が直線的なイオンガイド部分として構成されているイオンガイドが組み込まれている。これに代えて、本発明では、イオンガイド全体が完全に湾曲して構成されていてもよい。例えば、図７には、９０度の円弧の経路を辿るとともに真空隔壁２８を通じて延びている中心軸２６を有する多重極イオンガイド２４の組み込まれた、本発明の別の実施形態を示す。キャピラリ１０のオリフィス１９を出るイオンは、スキマー２１のアパーチャ２０を通過し、湾曲したイオンガイド２４の入口２３へ移動する。湾曲したイオンガイド２４の軸は、湾曲したイオン
ガイド２４の入口２３にてキャピラリ１０の軸３６と共軸となるように構成されている。真空ステージ２のバックグラウンド気体圧力は、イオンがこの真空ステージ内でイオンガイドを横断するときに、イオンとバックグラウンド気体分子との間の衝突が起こるのに十分なほど高い。しかしながら、真空ステージ４内のバックグラウンド気体圧力は、少なくとも位置４０の下流において、イオンが真空ステージ４内でイオンガイド２４を横断するときに、イオンとバックグラウンド気体分子との間の衝突がほぼ起こらないのに十分なほど低い。図７の構成では、位置４０の上流において生じるバックグラウンド粒子には、絶縁体６９とともに真空隔壁６８の部分を形成するレンズ７０のアパーチャ３０を通過することを可能とする見通し線の軌跡は存在しない。この結果、バックグラウンド粒子が検出器３５もしくは変換ダイノード３６または検出器３５および変換ダイノード３６の領域の周囲の表面に衝突することが妨げられることによって、この本発明の実施形態では、バックグラウンド粒子ノイズの生成が妨げられる。
【００６６】
図７に示した実施形態に対する代替の一構成を図７Ａに示す。図７と図７Ａとの実施形態の間の差は、図７のレンズ７０が除去されており、湾曲したイオンガイド２４が真空隔壁６８を通じて連続的に延びており、絶縁体６９が真空隔壁の部分を形成するばかりでなく、ロッド２５を支持していることである。したがって、図７においてレンズ７０のアパーチャ３０によって提供されていたガスフローに対する伝搬の制限は、図７Ａでは、イオンガイド２４のロッド２５内の、間の、およびその他イオンガイド２４のロッド２５近くの限られた空いた空間によって提供される。この構成では、アパーチャ３０が除去されているために、イオンガイド２４の出口２９から質量分析計３３の入口３２へのよりよいイオン伝達が提供される。
【００６７】
本発明の別の代替の実施形態を図８に示す。図８には、いわゆる「三段四重極」構成による本発明の一実施形態を示す。ここでは、イオン源１からのイオンは、傾斜したイオンガイド２４を介して真空ポンピングステージ５の四重極マスフィルタ３３まで運ばれる。「娘」イオンを発生させるために続いてフラグメント化される「親」イオンは、四重極マスフィルタ３３において選択され、レンズ７１を通じて集束され、加速される。図８には、レンズ７１を、四重極マスフィルタ軸７２に沿って衝突セル７３への３要素レンズとして示す。加速された親イオンは、親イオンが娘イオンフラグメントおよび中性フラグメントへと断片化するのに十分な運動エネルギーを有し、衝突セル７３の衝突気体分子と衝突する。衝突セル７３は、筐体８４内の湾曲した四重極イオンガイド７７を備えるとともに、調節弁７５および気体送達チューブ７４を介して衝突気体７６を有する筐体８４内に備えられている。これに代えて、６つ、８つ、または８つより多くのロッドにより、湾曲したイオンガイド７７が構成されてもよい。フラグメントイオンおよび任意の残存する親イオンは、湾曲したイオンガイド７７によって衝突セルの出口アパーチャ８５まで案内され、そこでイオンが３要素中心レンズ８０を通じて真空ポンピングステージ６の四重極マスフィルタ８１へ集束され、次いで、質量の分析されたイオンが検出器３５により検出される。
【００６８】
図８に示した実施形態の構成は、イオン源から四重極マスフィルタ３３を通じる図１の構成とほぼ同じように示されている。したがって、上述において図１の実施形態に関連して記載したように、傾斜角３９（また、この場合には傾斜角３８も）のため、イオンガイド２４における位置４０の上流で生じたバックグラウンド粒子に四重極マスフィルタ３３の出口端のレンズ７１のアパーチャを越える見通し線が存在することは妨げられる。この結果、そのようなバックグラウンド粒子が衝突セル７３に進入することが妨げられる。エネルギーが高いためおよび／または電荷の欠如のために四重極マスフィルタ３３によっては十分にふるい分けられないエネルギーバックグラウンド粒子は、衝突セル７３に進入することが可能であった場合、衝突気体分子と衝突し、バックグラウンド粒子からバックグラウンドフラグメントイオンを発生させる。そのようなバックグラウンドフラグメントイ
オンは、四重極マスフィルタ８１によって得られるフラグメントイオン質量スペクトルに現れ、分析が複雑となる。
【００６９】
さらに、本発明のこの実施形態では、湾曲した衝突セルによって、衝突セル７３内の軸７２に沿ったすべての場所から分析装置の検出器３５または出口レンズ８８の下流の検出器３５近くの表面までの見通し線が妨げられる。したがって、本発明のこの実施形態では、衝突セル７３におけるイオンと衝突気体分子との間の衝突の結果として生じる任意のエネルギーフラグメントイオンまたは中性フラグメントには、検出器３５までの見通し線が存在しないため、バックグラウンド粒子ノイズが生じることが妨げられる。これに加えて、真空ステージ５と真空ステージ６との間のイオンの移動は、衝突セル７３を真空ステージ５、６の間に連続的に延びるように構成することによって改良される。
【００７０】
図９に示す本発明の実施形態は、湾曲したイオンガイド７７の湾曲したロッド７８が、衝突セル７３の筐体８４の延長部分を形成する絶縁体７９を介して取り付けられる点を除き、図８の実施形態とほぼ同一である。この構成では、図９に示すように、湾曲した衝突セルイオンガイド７７が衝突セルの内部から衝突セルの外部まで連続的に延びることが可能となる。そのような構成によって、本発明では、図８に示したような衝突セル筐体８４への延長部分を形成する出口アパーチャ８５の従来の構成と比較して、衝突セルを出るイオンによりよいイオン輸送効率が与えられるとともに、バックグラウンド粒子ノイズが小さくなる。図９のよりよいイオン輸送効率の理由は、図８の実施形態では、イオンは、湾曲したイオンガイド７７の湾曲したロッド７８に対し印加されるＲＦ電圧のため、出口アパーチャ８５におけるＲＦフリンジ場によって散乱され得るからである。イオンは、図８の実施形態では、図８の実施形態における湾曲したイオンガイド７７内の案内ＲＦ場を出て出口アパーチャ８５を通じて移動するとき、出口アパーチャ８５近くの領域の衝突気体分子との衝突によっても散乱され、イオン損失や、そのような衝突から生じるバックグラウンド粒子の発生が起きる。対照的に、図９の実施形態では、イオンは、湾曲したイオンガイド７７内のＲＦ場によって、図９の湾曲した衝突セル８４の出口８７を通じて案内され、案内ＲＦ場の外へ、真空ステージ６内（すなわち、イオンとバックグラウンド気体分子との間の衝突がほぼ起こらないのに十分なほど低いバックグラウンド圧力内）の出口アパーチャ８５を通じて移動するのみであり、よりよいイオン輸送効率が得られるとともに、イオンがアパーチャ８５近くのＲＦフリンジ場を通過するときのバックグラウンド粒子の生成が回避される。
【００７１】
さらに、図９の構成では、イオンが衝突気体分子と衝突し得る最後の位置は衝突セル出口８７のすぐ下流の位置８６（図９）でもあるため、図８の構成と比べて低いバックグラウンド粒子ノイズが得られる。位置８６は、イオンガイド７７において出口アパーチャ８５の幾らか上流に離れた場所に、すなわち、湾曲したイオンガイド７７が依然として曲がっている場所にある。この構成のため、位置８６におけるイオンと衝突気体分子との間の衝突により生じるバックグラウンド粒子には、検出器３５、または四重極出口レンズ８８の下流の検出器３５の領域の表面までの見通し線は存在しない。したがって、図９の本発明の実施形態では、マウント用絶縁体７９を介し衝突セル隔壁８４を通じて連続的に延びるイオンガイド７７の延長部分によって、衝突セル７３から続く四重極マスフィルタ８１への改良されたイオン輸送が提供されるとともに、イオンと衝突気体分子との間の衝突から生じるバックグラウンド粒子が検出器３５においてバックグラウンド粒子ノイズを生成することが妨げられる。
【００７２】
図１０には、図１０の実施形態では図９の衝突セル７３のイオンガイド７７が３つの別個の独立したイオンガイドセグメント９０、９１、９２へと区分されているという点を除き、図９の実施形態とほぼ同じである、本発明の一実施形態を示す。任意のまたは全てのイオンガイドセグメント９０、９１、９２に別個のＤＣおよびＲＦ電圧が印可されてもよ
い。衝突セル７３においてセグメント９０、９１、９２へのイオンガイドを構成することによって、図９の実施形態に対する追加の機能が可能となる。例えば、四重極マスフィルタ３３からイオンガイドセグメント９０へ親イオンを加速することによって、ＣＩＤによりフラグメントイオンを発生させることもできる。同時に、ＲＦ電圧がイオンガイドセグメント９０のロッドに対し印加されることによって、選択したｍ／ｚ値を有するフラグメントイオン以外の全てのイオンの共鳴周波数励起ラジアル放出を起こすことも可能である。これらのｍ／ｚの選択されたフラグメントイオンは、次いで、イオンガイドセグメント９０、９１の間のＤＣオフセット電圧差によって軸方向に加速され、選択されたフラグメントイオンのＣＩＤを生じてもよい。得られた二次生成フラグメントイオンは、次いで、イオンガイドセグメント９２を通じて、質量分析計８１および検出器３５へ配向されることによって、ｍ／ｚが分析されてもよい。
【００７３】
上述の本発明の実施形態のうちのいずれにおいても、イオンガイドまたはイオンガイドセグメントは、図１１Ａの断面に示すように、中心軸について対称に配置された四重極（４つの極を有する）イオンガイドまたはロッドとして構成されてよいことが理解される。これに代えて、より多くのロッド（または極）が、先に記載したいずれのＲＦイオンガイドまたはイオンガイドセグメントにおいて用いられてもよい。例えば、図１１Ｄに示すように、６つのロッドまたは極が組み込まれてもよく、図１１Ｃに示すような、８つの極またはロッド、または８より多くのロッドまたは極が、本明細書に記載のイオンガイドまたはイオンガイドセグメントにおいて用いられてもよい。また、本明細書に記載のイオンガイドまたはイオンガイドセグメントは、断面が円形でない極を有するように構成されてもよいことが理解される。例えば、図１１Ｂの四重極構成に示すように、平板も本発明の範囲内にある。さらに、いわゆる「スタック環」ＲＦイオンガイドが本発明の実施形態におけるイオンの輸送用のイオンガイドとして組み込まれることも、本発明の範囲内にある。
【００７４】
本明細書に記載の実施形態にはイオン源としてＥＳＩイオン源が組み込まれているが、本発明の範囲内において、これに代えて任意の実施形態において任意のイオン源が代わりに用いられてよいことが理解される。特に、大気圧化学イオン化（ＡＰＣＩ）、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）、および大気圧（ＡＰ−）ＭＡＬＤＩ、ならびにレーザアブレーションのイオン源など、大気圧または大気圧近くで動作する他のイオン源が本発明の範囲内において組み込まれる。グロー放電、中間圧力（ＩＰ−）ＭＡＬＤＩ、およびレーザアブレーションのイオン源など、中間の真空圧力で動作する他の種類のイオン源、または電子イオン化および化学イオン化のイオン源など、イオン源の動作中に真空圧力が有意に上昇する真空領域において構成される他の種類のイオン源も、本発明の範囲内で用いられる。
【００７５】
加えて、イオン源から第１のイオンガイドの入口までイオンを運ぶために用いられる方法および／または装置は、上述の実施形態に記載されているような誘電性キャピラリインタフェースには制限されず、本発明の範囲内で、対象のイオン源および真空条件に適切であるように、金属キャピラリ、ノズルもしくはオリフィス、オリフィスのアレイ、またはこの目的に用いることのできる他の導管も含まれることが、さらに理解される。
【００７６】
さらに、本明細書に記載の実施形態では四重極マスフィルタが構成されているが、三次元イオントラップ、扇形磁場型質量分析計、軸方向パルスまたは直交方向パルスのいずれかを用いる飛行時間型質量分析計、軸共鳴放出を用いる二次元イオントラップなど、他の種類の質量分析計も本発明の範囲に含まれることが理解される。
【００７７】
示した実施形態により本発明について記載したが、それらの実施形態に対する変形形態が可能であり、如何なる変形形態も本発明の精神および範囲の内にあることが当業者には容易に認められる。
【００７８】
本発明の原理と、それによって様々な実施形態および想定される特定の使用に適するような様々な修飾形態において当業者が本発明を実施することが可能であるような実際の適用とを最もよく示すように、好適な実施形態について記載したことが理解される。そのような修飾形態および変形形態は全て、法律上公正にかつ公平に権利の付与される幅にしたがって解釈されたときに添付の特許請求の範囲によって決定される本発明の範囲内にある。
【図１】
0005512512.tif 000002
【図２】
0005512512.tif 000003
【図２Ａ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図５Ａ】
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【図６】
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【図７】
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【図７Ａ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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