(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料イオンを供給するイオン源と、
前記イオン源によって供給された試料イオンを受容する、長手軸を有し複数のセグメントに分割された線形イオン蓄積デバイスであって、その少なくとも一つのセグメントが、該デバイスの引出領域を定める分割線形イオン蓄積デバイスと、
前記デバイスに、
(i)多重極捕捉場を生成するのに有効な高周波捕捉電圧と、
(ii)前記デバイスの前記引出領域において試料イオン又は試料イオンに由来するイオンを、冷却ガスの助力を受けることで捕捉し、イオン雲を形成することができる直流捕捉電圧と、
(iii)前記デバイスの前記長手軸に直交する引出方向に、前記引出領域から前記イオン雲を排出させる引出電圧と、
を供給する電圧供給手段と、
前記引出領域から排出されたイオンの質量分析を行う飛行時間型質量分析器と、
を備え、
前記イオン蓄積デバイスの隣接するセグメントは異なる径方向寸法を有し、前記高周波捕捉電圧は、前記隣接するセグメントに沿って且つ前記隣接するセグメント間で実質的に一様な多重極捕捉場を生成するものであることを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
【請求項２】
前記隣接するセグメントは平板電極を備えることを特徴とする請求項１に記載の飛行時間型質量分析装置。
【請求項３】
試料イオンを供給するイオン源と、
前記イオン源によって供給された試料イオンを受容する、長手軸を有し複数のセグメントに分割された線形イオン蓄積デバイスであって、その少なくとも一つのセグメントが、第一電極手段と第二電極手段とを含む該デバイスの引出領域を定める分割線形イオン蓄積デバイスと、
前記引出領域において試料イオン又は該試料イオンに由来するイオンを捕捉し、イオン雲を形成することができる捕捉電圧を前記イオン蓄積デバイスに供給するとともに、前記引出領域から前記長手軸に直交する引出方向に前記イオン雲を排出させる引出電圧を、前記イオン蓄積デバイスに供給する電圧供給手段と、
前記引出領域から排出されたイオンの質量分析を行う飛行時間型質量分析器と、
を備え、
前記捕捉電圧は、
使用時に、前記第一電極手段に供給され、冷却ガスの助力を受けることで、実質的に一次元の軸方向に伸張するイオン雲を形成することができる第一高周波捕捉電圧と、
使用時に、前記第二電極手段に供給され、前記実質的に一次元の軸方向に伸張するイオン雲を、前記引出方向に直交し且つ前記長手軸を含む面上に広がる実質的に二次元のイオン雲に変形させることができる第二高周波捕捉電圧である
ことを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
【請求項４】
前記実質的に二次元のイオン雲はトロイダル形状イオン雲であることを特徴とする請求項３に記載の飛行時間型質量分析装置。
【請求項５】
前記第二高周波捕捉電圧が印加される前及び／又は後に、並びに前記引出電圧が印加される前に、前記長手軸を横断する方向において前記イオン雲の物理サイズ及び／又は前記イオン雲内のイオンの速度広がりを減少させるイオン雲処理手段を備えることを特徴とする請求項３又は４に記載の飛行時間型質量分析装置。
【請求項６】
前記第一電極手段及び前記第二電極手段は平板電極を備えることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の分析装置。
【請求項７】
試料イオンを供給するイオン源と、
前記イオン源によって供給された試料イオンを受容する、長手軸を有し複数のセグメントに分割された線形イオン蓄積デバイスであって、その少なくとも一つのセグメントが、該デバイスの引出領域を定める分割線形イオン蓄積デバイスと、
前記デバイスに、
(i)前記デバイスの隣接するセグメントに沿って且つ前記デバイスの隣接するセグメント間で実質的に一様な多重極捕捉場を生成することができる高周波捕捉電圧と、
(ii)前記デバイスの前記引出領域において試料イオン又は試料イオンに由来するイオンを、冷却ガスの助力を受けることで捕捉し、イオン雲を形成させることができる直流捕捉電圧と、
(iii)前記引出領域から前記デバイスの前記長手軸に直交する引出方向に、前記イオン雲を排出させる引出電圧と、
を供給する電圧供給手段と、
前記引出領域から排出されたイオンの質量分析を行う飛行時間型質量分析器と、
前記引出電圧が印加される前に、前記長手軸を横断する方向において前記イオン雲の物理サイズ及び／又は前記イオン雲内のイオンの速度広がりを減少させるイオン雲処理手段と、
を備えた飛行時間型質量分析装置。
【請求項８】
前記イオン雲処理手段は、前記高周波捕捉電圧の振幅及び周波数を同時に大きくすることによって、前記引出電圧が印加される前に、前記長手軸の近くに前記イオン雲を圧縮するのを促進することができるものであることを特徴とする請求項７に記載の飛行時間型質量分析装置。
【請求項９】
前記イオン雲処理手段は、前記デバイスの前記引出領域に印加される前記高周波捕捉電圧を停止させ、前記高周波捕捉電圧の停止と前記引出電圧の印加との間に所定の遅延を与えるように構成されていることを特徴とする請求項７又は８に記載の飛行時間型質量分析装置。
【請求項１０】
前記電圧供給手段は、前記遅延の間に前記引出領域に中間電圧を印加することを特徴とする請求項９に記載の飛行時間型質量分析装置。
【請求項１１】
前記分割線形イオン蓄積デバイスの前記複数のセグメントのうち、少なくとも一つのセグメントが前記引出領域から分離された分離領域を定め、前記分離領域を定める前記セグメント又は各セグメントは、理想的な四重極配置に従った場形成電極を備え、
前記電圧供給手段はさらに、
前記分離領域において、選択された質量電荷比を有する試料イオン又は試料イオンに由来するイオンを分離することができる分離電圧と、
質量選択によって分離されたイオンを断片化することができる断片化電圧と、
を前記イオン蓄積デバイスに供給することを特徴とする請求項３又は７に記載の飛行時間型質量分析装置。
【請求項１２】
前記分離電圧は、前記選択された質量電荷比のいずれかの側へとイオンを排出するために順方向及び逆方向の周波数スキャンを行うことができるものであることを特徴とする請求項１１に記載の飛行時間型質量分析装置。
【請求項１３】
前記断片化電圧は、前記分離領域及び前記引出領域から分離された断片化領域を定める、前記デバイスの１又は複数のセグメントに印加されることを特徴とする請求項１１又は１２に記載の飛行時間型質量分析装置。
【請求項１４】
前記断片化電圧は、前記デバイスの一又は複数のセグメントから、軸方向直流ポテンシャルがより低い、前記デバイスの一又は複数の隣接するセグメントまでイオンを加速することにより衝突誘起解離（CID=Collision Induced Dissociation）を生じさせることができる双極子励起電圧であることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれかに記載の飛行時間型質量分析装置。
【請求項１５】
前記分離電圧は、イオンの質量電荷比フィルタリングによりイオンを分離することができ、それによって、前記デバイスに印加された分離電圧及び断片化電圧は、MSn（例えば、MS3）機能を提供するために、断片化されたイオンが前記引出領域において捕捉される前に、イオンを、二者択一的に及び繰り返し質量電荷比フィルタリングしさらに断片化することができることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれかに記載の飛行時間型質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、飛行時間（time-of-flight:ToF）型質量分析装置および飛行時間型質量分析装置におけるイオン分析方法に関する。とりわけ、本発明は分割線形イオン蓄積器を有する飛行時間型質量分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
四重極質量フィルタ飛行時間型質量分析装置や四重極イオントラップ飛行時間型を含む飛行時間型質量分析装置は、今では質量分析分野において広く採用されている。市販されている飛行時間型装置は、最高20kの分解能及び最高3〜5ppmの質量精度を有している。ちなみに、FTICR（Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance：フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴）装置では、少なくとも100kという、更に高い分解能を得ることができる。このように分解能が高いことの主な利点は質量測定の精度がより高くなるという点にあるが、これは分析される化合物を確実に同定するうえで必要である。
【０００３】
とはいえ、非常に高い分解能を有するにもかかわらず、FTICR装置はTOF装置と比較すると多くの不利な面がある。まず、一秒間に記録できるスペクトルの数が少ない。次いで、適度な強度のスペクトルピークを記録するためには、少なくとも100個のイオンが必要である。これら二つの欠点があることは、検出限界の妥協を意味する。FTICR装置の三番目の欠点は、超電導磁石が必要になることである。従って装置が大きくなり、これとともに高い購入コストと高いランニングコストがかかる。よって、ToF型質量分析装置がもたらす分解能を高めたいという強い動機がある。
【０００４】
プリカーサイオンの分離において、高分解能であることは、同位体的に純粋なMS/MS娘イオンスペクトルの生成のため及び同重体干渉イオンを排除するために重要である。検出限界が低いことは、例えばプロテオミクスの分野において、より多くのタンパク質が存在している時に弱く発現する一又は複数のタンパク質を検知することや、多くの他の応用分野において低濃度の試料を検知することを可能にするために重要である。
【０００５】
個々に分離された化合物が一気に又は数秒しか持続しない一群として質量分析装置に導入される液体クロマトグラフィ（ＬＣ）から試料が供給される際には、一秒当たりに多くのスペクトルを生成する能力が必要となる。ＬＣカラムから溶出する各化合物について最大の情報を取得するためには、高品質のスペクトルを高速で生成しなければならない。試料がクロマトグラフによる分離無しで直接的に注入される場合に多くのスペクトルを生成する能力が備わっていることは全体の分析時間を短縮し、生産性をより高める点でも有用である。
【０００６】
取得した各スペクトルにおいて高ダイナミックレンジを得ることが望ましい。それにより、スペクトルが忠実度の高いデータ（良好な統計値及び高いSN比）を示すことになり、結果として同じスペクトルを大量に蓄積する必要が無くなる。このような蓄積の必要性を無くすことは実効的な繰り返し速度を高めることに等しく、さらに、生産性を高めるものとなる。
【０００７】
質量範囲（検知可能な最大質量と最小質量の比）が広いこともまた、次に挙げる理由のために有利である。
【０００８】
最高の質量精度を得るためには、スペクトルに少なくとも一つの内部較正ピークが含まれている必要がある。質量範囲が広いということには、各検体に専用のキャリブラントを用意する必要なく、対応するより広い質量範囲内に未知のピークが位置することができるという利点がある。
【０００９】
「単発」の広い質量範囲能力の第二の利点は、ペプチドをMS/MS分析する場合にある。ペプチドイオンは、ペプチド鎖において隣接するアミノ酸間の結合のみで切れるように開裂する。ペプチドのアミノ酸配列を同定可能にする一連のピークが生成される。これらのピークはm/z値の分布が広いことがあり、そしてタンパク質を一意に同定する確率は検出されたピークの数に依存するため、有効な質量範囲が広いことには利点がある。
【００１０】
イオントラップにおけるイオンの基本的挙動はマシューパラメータa及びqによって表現できる。もしマシューパラメータqが<0.4であれば、イオン運動は、深さが捕捉波形の振幅とマシューパラメータqの積に比例する調和「擬ポテンシャル井戸」内での永年運動と見ることができる。もしイオントラップ内に緩衝ガスが存在しているならば、短時間の冷却期間後に、捕捉されたイオンは運動エネルギーを緩衝ガスによって失い、その「擬ポテンシャル井戸」の中心（ポテンシャルが最も低い領域）に存在するようになる。
【００１１】
冷却によるこの局在化の結果、「速度−位置」位相空間においてイオン雲の占める範囲が縮小する。より詳細には、そのイオン雲は物理サイズが縮小し、イオントラップの長手軸に直交する方向への速度広がりが小さくなる。従って、イオン雲は、イオントラップより排出されるとエミッタンスが小さくなり、これによって付置されるToF型分析器の性能向上が可能となる。特に、質量Ｍのイオンから成る平衡イオン雲の二乗平均平方根速度（root mean squared velocity：RMSV）vth(M)は次式によって与えられる。
【数１】
0005541374.tif 000002
ここに、Kbはボルツマン定数、moは単位質量であり、イオン雲の温度Tは緩衝ガスの温度によって決定される。そして、イオントラップから排出されたイオンの「転回時間」ΔTturn aroundは次式によってRMSVと関連付けられる。
【数２】
0005541374.tif 000003
このとき、γは単位変化値に対する単位質量の比であって、9.97997x107である。
【００１２】
二乗平均平方根速度が減少したイオン雲はΔTturn aroundも減少し、このことによって分解能が向上する。なぜならば、ΔTturn_aroundが大部分のToF型分析器の分解能の限界を定めるからである。
【００１３】
より詳細には、ToF型分析器の分解能は次式によって与えられる。
【数３】
0005541374.tif 000004
ここで、Tfは飛行時間であり、ΔTはToFスペクトルの単一の質量電荷比に関連したピークの半値全幅（full width at half maximum height：FWHM）である。
【００１４】
次式によれば、ΔTturn_aroundは、ΔTの全体の値に寄与する。
【数４】
0005541374.tif 000005
【００１５】
一般的に、ΔTturn_aroundは、ΔTdetector、ΔTt_jitter、ΔTchro_ab、及びΔTsph_abと同様の値を有している。そのため、RMSVが減少することによるΔTturn_aroundの減少が非常に僅かであったとしても、分解能にいくらかの改善がもたらされる。
【００１６】
また、イオン雲は横引出方向において物理サイズが減少しているため、引出電圧が印加されることでイオントラップから排出される際に、イオンはエネルギー広がりが（同じくΔTchro_abも）減少する。これもまた分解能の改善をもたらす。
【００１７】
一般に、高いQ共鳴LC回路によって生成された場合、捕捉場を終了させるのは困難である。結果として、引き出し場が印加される迄に、イオン雲には拡大に供される時間を過度に与えられる。これらの問題を解決するある方法がWO2005/083742に記載された。これによれば、多数の高速電気スイッチを用いることにより捕捉場を提供し、従って、捕捉波形の位相に応じて高精度で捕捉場を終了させることが可能である。そして、わずかな所定の遅延の後、全てのイオンがイオントラップから飛行時間型質量分析装置の方へ移動する状態へ切り替える。
【００１８】
従来の三次元イオントラップに関連した一つの問題は、電荷容量が小さいことである。これは、三次元イオントラップに関連する四重極場がイオンを空間内の一点に向けて押し込むため、イオン雲がこの点を中心とした小体積を占めるからである。電荷容量がこのように小さいことで「ダイナミックレンジ」及び装置のイオンスループットが低下する。ダイナミックレンジが低い場合、各マススペクトルのイオンの数が制限され、そのため、十分な忠実度を達成するために多くの個別のスペクトルを長時間に亘って蓄積せねばならないおそれがある。この蓄積処理によって、高速クロマトグラフィについてゆく能力が制限されるだけでなく、分析時間も長くなる。
【００１９】
ダイナミックレンジが低いことの更なる不利な点は、ToF型分析器によって得られる質量精度が低下する可能性があるということである。最高の質量精度を得るために、各マススペクトルには内部較正ピークが含まれているべきである。m/z値が既知のこれらのピークは、例えば、短期ドリフトや電源の不安定さによる質量軸におけるわずかなずれを補正するのに用いることができる。この較正方法が良好な成果を生むのは、単一のスペクトル内のピークがピーク位置を正確に定めるのに十分な強度を有している場合のみである。
【００２０】
特定の場の構成がもたらすイオントラップの電荷容量を考慮すると、「臨界電荷」の概念が有効である。伝統的な三次元イオントラップの臨界電荷は次のように表現できる。
【数５】
0005541374.tif 000006
【００２１】
Ｋはボルツマン定数、Ｔは温度、ε0は誘電率、ｑは単位電荷である。σzの項はｚ次元におけるイオン雲の半径の度合いを与える。これは径次元の雲の半径であるσrの半分の値である。Qcrit_3dは空間電荷効果が始まるまでにイオントラップ内に積載可能な電荷の量を表す。積載された電荷Qが臨界電荷Qcrit_3dを超えると、イオンは、印加された四重極場に加え、イオン雲に他のイオンが存在していること（空間電荷効果）により、相互作用ポテンシャルを受け始める。イオントラップが前記臨界電荷密度を上回って動作する場合、平衡イオン雲のサイズは、イオン雲の温度よりもむしろ空間電荷の影響を受ける。加えて、臨界電荷はイオン成層現象の開始を示すものとなる。
【００２２】
臨界電荷は装置の最大蓄積電荷容量よりもずっと低いことに注意すべきである。伝統的な三次元イオントラップの場合、Qcrit_3dはqによって決定されるイオン雲のサイズｄに依存する。IT-ToF型装置では、ToF型分析器に到達するためにイオン雲が通過しなければならない出射孔のサイズによって規定されるある限界内に、関心のある全てのm/z値が収まる必要がある。採用されねばならない捕捉条件は、質量スペクトル内で観測したい最大のm/z値によって定められる。
【００２３】
二次元四重極場に対応する臨界電荷は次のように与えられる。
【数６】
0005541374.tif 000007
【００２４】
Qcrit_3dとは異なり、Qcrit_2dは雲サイズパラメータであるσxやσyからは独立しており、従って、イオンのm/z値から独立している。
【００２５】
別の相違点は、z方向のイオン雲の長さ(L)を大きくすることによってQcrit_2dを増加可能であるということである。しかしながら、実際にはLは、ToF型分析器によって受容可能なZ軸方向のエミッタンスによって制限され、この受容性は「アクセプタンス」として知られる。実用限界はL≒10mmである。この場合、臨界電荷は、上記方程式を用いると、（出射孔と捕捉条件が同様であると仮定した）二次元四重極場の場合は〜25倍となる。従って、二次元四重極場は三次元四重極場と比較して、ダイナミックレンジ及びイオンスループットが大幅に増加する可能性をもたらす。
【００２６】
二次元四重極場には、三次元四重極場と比較して、ToF用のイオン源として幾つかの他の利点がある。イオンは広い質量範囲に亘って、三次元四重極場と比較すると遙かに高い効率で以て二次元四重極捕捉場に導入されることが可能である。イオンは擬ポテンシャル井戸の最小値と一致する軸に沿って効率的に導入される。しかしながら、二次元四重極場内で冷却される、軸方向に伸張するイオン雲から得られるエミッタンスは、幾つかの種類のToF型分析器によって受容されるものよりも大きい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２７】
既知のLIT-ToF（リニアイオントラップ−飛行時間）型システムはイオン導入中のイオン損失用の機構を備える（例えばUS5763878を参照）。かなりの数のイオンが二次元四重極場と、先行する及び続くイオン光学輸送装置／要素との間の末端場域（フリンジングフィールド）で失われる可能性がある。イオンをその装置に輸送する効率は末端場の形状及び分析されるイオンの質量範囲に依存する。
【００２８】
三次元イオントラップ-ToF装置は、MSモードで一秒間に〜10スペクトル、MS/MSモードで一秒間に〜5スペクトルの最大取得速度を有する。ちなみに、US5763878に開示されるLIT-ToF装置は、一秒間に10000スペクトルの取得速度が可能であることを示唆している。しかしながら、そのような速度では捕捉されたイオンに十分な冷却時間が与えられないため、線形イオントラップを用いることによって得られる利点を実現することができない。加えて、捕捉されたイオンもまた、高い割合で失われる。更に、大部分の用途においてそのような高い取得速度は不要であり、示唆されているイオンスループットは、殆どのイオン源が実際に提供可能なものよりも高い。LITにおける長さが10mmのイオン雲は〜105個のイオンをToF型分析器に供給する。104スペクトル／秒の取得速度では、総流で109個のイオン／秒がToF型分析器に輸送されるが、この大きな流れは160pAmpsの直流と等しく、エレクトロスプレイイオン源によって供給可能な飽和電流に相当する。ToF型分析器から最適な性能を得られることを確保するためにイオンを十分に冷却するためには、最大一秒あたり100スペクトルの分析速度がより適当であり、これは大部分の用途に対して十分である。
【００２９】
三次元イオントラップ内でMS/MS分析を実行する場合、MS分析の各段が連続して実行される。これは「時間タンデム」分析として知られている。MS/MS分析の各段において、次のステップを実行することが必要である。冷却、分離、冷却、励起、冷却。この過程は時間がかかる。全体所用時間は分離ステップにおいて要求される分解能に依存するが、典型的には総合サイクル時間は〜200msである。このことは、一秒間に〜5MS2のスペクトル又は一秒間に2MS3のスペクトルの制限を課す。この低取得速度は、三次元イオントラップの電荷容量の制限によってさらに悪くなる。三次元イオントラップの分離限界は〜100000イオンであり、イオンがm/zにおいてどのように分布しているかに依存する。しかしながら、分離ステップの後に残留する、関心のあるイオンは通常、当初の数字の〜5%となる可能性がある。それ故、典型的なMS2実験においてイオンスループットは通常、一秒間あたり2500イオンであり、典型的なMS3実験においてイオンスループットは、一秒間あたり50イオンという低さとなる。従って、イオントラップToF装置については、改良されたイオンスループット速度及びスペクトル取得速度を、特にMS2及びMS3分析モードにおいて有したいという要求がある。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
本発明は、
試料イオンを供給するイオン源と、
前記イオン源によって供給された試料イオンを受容する、長手軸を有する分割線形イオン蓄積デバイスと、
前記デバイスに、
(i)該デバイスの二以上の互いに隣接したセグメントグループの捕捉領域から成る軸方向伸張領域において試料イオン又は該試料イオンに由来するイオンを、冷却ガスの助力を受けることで捕捉し、次いで、前記軸方向伸張領域に捕捉されたイオンを該軸方向伸張領域の該軸方向伸張領域よりも短い引出領域に捕捉させてイオン雲を形成させるのに有効な捕捉電圧と、
(ii)前記引出領域から、前記デバイスの前記長手軸に直交する引出方向に該イオン雲が排出されるようにする引出電圧と、
を供給する電圧供給手段と、
該引出領域より排出されたイオンの質量分析を行う飛行時間型質量分析器と、
を備えた飛行時間型質量分析装置を提供する。
【００３１】
本発明の好ましい実施形態においては、前記引出領域は前記セグメントグループの単一セグメントの捕捉領域から成る。
【００３２】
好ましくは、前記電圧供給手段は、イオンが実質的に損なわれずに隣接するセグメント間を通過できるように、前記デバイスの隣接するセグメントに沿って及び隣接するセグメント間で実質的に一様な四重極捕捉場を生成するべく前記デバイスに高周波捕捉電圧を供給するように構成される。
【００３３】
さらに好ましくは、前記分割デバイスの隣接するセグメントは実質的に等しい径方向寸法を有する。
【００３４】
好ましい実施形態においては、該分析装置は、前記引出電圧が印加される前に前記長手軸を横断する方向に前記イオン雲の物理サイズ及び／又はイオン雲内のイオンの速度広がりを減少させるイオン雲処理手段を有する。これは、イオン雲が引出領域から排出された時にそのイオン雲のエミッタンスを減少させる効果がある。イオン雲処理手段は、引出セグメントに印加される捕捉電圧を増加（いわゆるバースト圧縮）させ、及び／又は前記捕捉電圧の停止と前記引出電圧の印加との間に遅延を課すように構成され得る。
【００３５】
好ましい実施形形態においては、前記デバイスの更なるセグメントが蓄積セグメント及び／又は断片化セグメント及び／又はフィルタリングセグメントとして機能する。
【００３６】
本発明はさらに、
飛行時間型質量分析装置を用いたイオン分析方法であって、
長手軸を有する分割線形イオン蓄積デバイスに分析対象である試料イオンを受容し、
該デバイスの二以上の互いに隣接したセグメントグループの捕捉領域から成る軸方向伸張領域において試料イオン又は試料イオンに由来するイオンを、冷却ガスの助力を受けることで捕捉し、次いで、前記領域に捕捉されたイオンを該軸方向伸張領域の該軸方向伸張領域よりも短い引出領域に捕捉させてイオン雲を形成させるのに有効な捕捉電圧を前記デバイスに印加し、
前記引出領域から、前記デバイスの前記長手軸に直交する引出方向に、該イオン雲が排出されるようにするために引出電圧を該デバイスに印加し、
該排出されたイオンを飛行時間型質量分析器を用いて分析する
ステップから成るイオン分析方法を提供する。
【００３７】
好ましい実施形態において、本方法は、実質的に損なわれずにイオンが隣接するセグメント間を通過できるように、前記デバイスの隣接するセグメントに沿って及び隣接するセグメント間で実質的に一様な四重極捕捉場を生成するべく前記デバイスに高周波捕捉電圧を供給するステップを含む。好ましくは、前記四重極捕捉場はデバイスの全長に亘って実質的に一様である。
【００３８】
更に、本発明は、
試料イオンを供給するイオン源と、
前記イオン源によって供給された試料イオンを受容する、長手軸を有する分割線形多重極イオンデバイスと、
前記デバイスに、
(i)イオンが実質的に損なわれずに隣接するセグメント間を通過できるように、前記デバイスの隣接するセグメントに沿って及び隣接するセグメント間で実質的に一様な多重極捕捉場を生成するための高周波捕捉電圧と、
(ii)前記デバイスの引出領域において試料イオン又は試料イオンに由来するイオンを、冷却ガスの助力を受けることで捕捉し、イオン雲を形成させるのに有効な直流捕捉電圧と、
(iii)前記デバイスの前記長手軸に直交する引出方向に、前記引出領域から前記イオン雲を排出させる引出電圧と、
を供給する電圧供給手段と、
前記引出領域から排出されたイオンの質量分析を行う飛行時間型質量分析器と、
を備えた飛行時間型質量分析装置を提供する。
【００３９】
本発明は、更にまた、
長手軸を有する分割線形多重極イオン蓄積デバイスに試料イオンを受容し、
イオンが実質的に損なわれずに隣接するセグメント間を通過できるように、前記デバイスの隣接するセグメントに沿って及び隣接するセグメント間で実質的に一様な多重極捕捉場を生成するために有効な高周波捕捉電圧を印加し、
前記デバイスの引出領域において試料イオン又は試料イオンに由来するイオンを、冷却ガスの助力を受けることで捕捉し、イオン雲を形成させるのに有効な直流捕捉電圧を印加し、
前記デバイスの前記長手軸に直交する引出方向に、前記引出領域から前記イオン雲を排出させる引出電圧を印加し、
飛行時間型質量分析器を用いて排出されたイオンを分析する
ステップから成る飛行時間型質量分析装置の操作方法を提供する。
【００４０】
本発明は更に、
試料イオンを供給するイオン源と、
前記イオン源によって供給された試料イオンを受容する、長手軸を有する分割線形イオン蓄積デバイスと、
前記デバイスに高周波多重極捕捉電圧を供給し、
イオンが選択的にMS処理を受ける前記デバイスの異なる軸方向伸張領域の間で試料イオン又は試料イオンに由来するイオンを動かすように該デバイスのセグメントに直流電圧を選択的に供給し、
処理されたイオンが該デバイスの引出セグメントの捕捉領域内に捕捉されるようにし、
該デバイスの前記長手軸に直交する引出方向に捕捉イオンを排出させるために前記引出セグメントに引出電圧を供給する
電圧供給手段と、
前記引出セグメントから排出されたイオンの質量分析を実行する飛行時間型質量分析器と、
を備えた飛行時間型質量分析装置を提供する。
【００４１】
これより、発明の実施形態を単なる実施例として説明する。説明は以下の添付図面を参照して行う。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の好適な実施形態のToF型質量分析装置の断面図。
【図２】本発明の一実施形態における分割線形イオン蓄積デバイスの断面図。
【図３】本発明のほかの実施形態における分割線形イオン蓄積デバイスの断面図。
【図４】分析装置の第一運転モードにおけるMS実験の全サイクルの各ステージ間に図２の分割デバイスの各セグメントに供給される直流バイアス電圧。
【図５】前記分割デバイスに捕捉波形を印加する二組のデジタル制御スイッチを用いた構成。
【図６】単一の組のスイッチを用いた他のスイッチング構成。
【図７】コンデンサを介して分割デバイスに接続された二組のスイッチを用いた他のスイッチング構成。
【図８】分割デバイスに印加される典型的な高周波捕捉波形。
【図９】XロッドとYロッドの間に印加される直流電圧を有する典型的な高周波捕捉波形。
【図１０】引出セグメントからイオンを排出させるために、分割デバイスの引出セグメントのXロッド及びYロッドに印加される電圧。
【図１１】前記分割デバイスの引出セグメントに引出電圧を印加するためのスイッチング構成。
【図１２】前記分割デバイスの引出セグメントに引出電圧を印加するための別のスイッチング構成。
【図１３】本装置の第二運転モードにおけるMS実験の全サイクルの各ステージ間に図２の分割デバイスの各セグメントに供給される直流バイアス電圧。
【図１４】本装置の第三運転モードにおけるMS実験の全サイクルの各ステージ間に図２の分割デバイスの各セグメントに供給される直流バイアス電圧。
【図１５】a-q図。境界内の非斜線領域は、分離対象となる、選択されたm/z比のイオンに対応する。
【図１６】図１５の非斜線領域のイオンを分離するのに必要な広帯域信号の周波数スペクトルの図。
【図１７】前記セグメント内でイオンの所望のq値における共鳴励起を生じさせるための、本デバイスのセグメントに印加される関連双極子信号を伴った概略捕捉波形。
【図１８】関連双極子信号を伴った捕捉波形を印加するためのスイッチング構成。
【図１９】本デバイスのセグメントに印加されるような高周波捕捉波形に重畳された単一周波数双極子。
【図２０】単一周波数双極子励起プロセスを説明するために用いられる更なるa-q図。
【図２１】(a)バースト圧縮プロセスの間に引出セグメントに印加されるような捕捉波形、(b)、(c)バースト圧縮プロセスの間に、時間を関数とした引出セグメントのそれぞれXロッド及びYロッドに印加される電圧。
【図２２】本装置の第四運転モードにおけるMS/MS実験の全サイクルの各ステージ間に図２の分割デバイスの各セグメントに供給される直流バイアス電圧。
【図２３】本装置の第五運転モードにおけるMS/MS実験の全サイクルの各ステージ間に図２の分割デバイスの各セグメントに供給される直流バイアス電圧。
【図２４】セグメント内でイオンの分離／フィルタリングを可能にするXロッド及びYロッドの間に印加される、直流オフセットを伴う高周波捕捉波形。
【図２５】イオンの質量選択フィルタリングを説明するために用いられる更なるa-q安定線図。
【図２６】Xロッド及びYロッドの間に有効な直流オフセットを導入する、修正負荷サイクルを伴う捕捉波形。
【図２７】図２６の直流オフセットを反映した、ずれた境界を有するa-q安定線図。
【図２８】高周波波形の周波数がスキャンされる際のセグメントのXロッド及びYロッドに印加される波形。
【図２９】本装置の第六運転モードにおけるMS/MS実験の全サイクルの各ステージ間に図３の分割デバイスの各セグメントに供給される直流バイアス電圧。
【図３０】本装置の第七運転モードにおけるMS3実験の全サイクルの各ステージ間に図３の分割デバイスの各セグメントに供給される直流バイアス電圧。
【図３１】双曲形状ロッドを有する分割デバイスのセグメントの図。
【図３２】(a)、(b)平板電極を用いて形成された分割デバイスのセグメント。
【図３３】引出スロットを備えた下部電極を有する円形平板電極の形状を成すイオントラップ。
【図３４】直線状及び円状の形態の重なり電極と、直線運転モードにおいて電極を作動させる関連スイッチとを有するPCB（Printed Circuit board）平板電極。
【図３５】直線状及び円状の形態の重なり電極と、円モードにおける作動のための関連スイッチとを有するPCB平板電極。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下、図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の一実施形態に係るToF型質量分析装置の概略図である。
【００４４】
本分析装置１は、イオン源２と、このイオン源２から供給されたイオンを需要するための入射端Ｉ及び出射端Ｏを有する分割線形イオン蓄積デバイス１０と、出射端Ｏから出射するイオンを検出する、出射端Ｏに隣接して配置された検出器２０と、検出器４１及びイオン収束要素３０を有するToF型質量分析器４０と、を備える。
【００４５】
この分析装置はまた、イオン蓄積デバイス１０のセグメントに電圧を供給する電圧供給部５０と、この電圧供給部を制御する制御部６０を含む。本実施形態では、ToF型質量分析器４０はリフレクトロンを有する。しかし、他のどのようなToF型分析器の形態を替わりに用いることもできる。例えば、マルチパス構成を有する分析器を用いてもよい。
【００４６】
図２及び図３は分割線形イオン蓄積デバイス１０の別の実施形態の長手方向断面図である。図２に示されるデバイスは九つの個別のセグメント１１〜１９を有しており、一方、図３に示されるデバイスは十三の個別のセグメントを有しており、セグメント１２及び１３の間の三つの増設されたセグメント１２ａ、１２ｂ、１２ｃと、セグメント１８及び１９の間の増設されたセグメント１８ａとを含んでいる。
【００４７】
好適な実施形態においては、デバイス１０は四重極デバイスである。または、好ましさの点では劣るが、例えば六重極デバイス又は八重極デバイスといった、異なる多重極デバイスを用いることも可能である。以下の実施形態では、デバイス１０は四重極デバイスであると仮定する。四重極デバイスの場合、各セグメントは、共通の長手軸の周囲に対称に配置される四つの極（例えばロッド）から成る。ただし、一連の平板電極で形成される構成を替わりに用いることもできるが、さらなる詳細は以下に説明する。
【００４８】
動作時には、電圧供給部５０は、セグメントの捕捉領域内に二次元四重極捕捉場を生成するためにセグメントに高周波捕捉電圧を供給する。実際には、捕捉場は擬ポテンシャル井戸を生成し、この井戸の底が長手軸の中心に位置する。このようにして、前述のマシューパラメータa及びqによって表されるような、捕捉電圧の特性によって決定される、所定の範囲の質量電荷比を有するイオンが径方向に捕捉される。捕捉場はポテンシャル井戸の底における長手軸上又は付近にイオンが蓄積するよう強制する傾向にある。
【００４９】
電圧供給部５０はまた、デバイスのセグメントに直流バイアス電圧を選択的に供給するように構成される。以下において更に詳細に説明される通り、セグメントに選択的に供給される直流電圧は要求される運転モードに応じて異なる運転機能を果たす。
【００５０】
例えば、セグメントに供給される直流電圧は、デバイスに沿って直流ポテンシャル勾配を生成し、イオンがそのポテンシャル勾配を移動しつつセグメント間を通過するように用いることができる。セグメントに供給される直流電圧はまた、単一セグメントの捕捉領域内で、又は二以上の互いに隣接するセグメントグループの捕捉領域内で、直流ポテンシャル井戸を生成するのに用いることができる。
【００５１】
好適な実施形態においては、デバイス１０のセグメントに供給される直流電圧は、二以上の互いに隣接するセグメントグループの捕捉領域内に比較的広い直流ポテンシャル井戸を生成する。この直流ポテンシャル井戸は、グループの他のセグメントの捕捉領域内よりもグループの一つの（場合によっては二以上）のセグメントの捕捉領域内において、より深いように構成される。まず、イオンはセグメントの全グループの捕捉領域によって決定されるデバイス１０の比較的広い軸方向伸張領域内に捕捉される。次いで、冷却ガスとの衝突によって運動エネルギーを失うと、捕捉されたイオンは徐々にポテンシャル井戸の底に沈み、これによってデバイスの比較的狭い領域内で軸方向に閉じ込められ、そこでイオン雲を形成する。
【００５２】
特に好ましい実施形態においては、イオン雲はこのようにしてデバイスの引出セグメント（図１のセグメント１７）の捕捉領域内で形成され、次いでそのセグメントに引出電圧が印加されることにより、長手軸に直交する引出方向へそのセグメントから排出される。その後、排出されたイオンはToF型分析器４０を用いて分析される。
【００５３】
このようにして、広い（例えば、最大及び最小質量間比が約10倍程度の）質量範囲を有するイオンがデバイス１０内で冷却されてイオン雲を形成する効率が向上し、イオンのスループットが向上するとともに感度とダイナミックレンジが改善される。
【００５４】
広い質量範囲にあるイオンを実質的に損失なくセグメント間を通過させ、さらにダイナミックレンジを改良し、イオンスループットを高めるためには、四重極捕捉場をデバイス１０の隣接するセグメントに沿って、そして隣接するセグメント間で実質的に一様に構成するのが効果的であることがわかっている。
【００５５】
制御部６０の制御のもとで電圧供給部５０によって供給される電圧は、デバイス１０のセグメント又はセグメントグループに、分析装置１の特定の運転モードによる要求に応じて、イオンの捕捉、蓄積、分離、断片化、フィルタリング、引出を含む一連の種々の運転機能の一つ又は複数を選択的に実行させてもよい。
【００５６】
直流電圧を適切に選ぶことで、イオンをデバイス１０の種々の運転機能が実行される異なる領域間で軸方向に動かすことができる。そして、同一セグメント又は同一セグメントグループが運転の異なるステージにおいて様々な運転機能を実行し、また、同一セグメント又は同一セグメントグループが同時に様々な運転機能を実行することが可能である。
【００５７】
分割デバイス１０は、異なるセグメント又は異なるセグメントグループが、異なる圧力に維持され、セグメント間の隙間内に配置される開口プレートによって分離される別の真空チャンバ内に配置されるように構成されてもよい。各セグメントと関連する開口には個別の電圧供給部が設けられる。
【００５８】
分割デバイス１０は、全てのセグメントが同一周波数、電圧、位相で動作するように操作されても良い。または、少なくとも一つのセグメントは異なる周波数、電圧、位相で動作するが、他のセグメントと同一の条件で動作するようにいつでも切り替えられるようにしてもよい。
【００５９】
制御部６０が、分析装置が単一の運転モードを有するように構成されていると好ましい。もしくは、分析装置は多数の異なる運転モードのいずれか一つで選択的に動作してもよい。
【００６０】
これより、好適な運転モードの実施例を説明する。
【００６１】
本装置の第一運転モードについて、これから図４を参照しつつ説明する。この運転モードでは分析装置は、可変の負荷サイクルでMSスペクトルを生成することができる。例えば、連続ビームの形態でセグメント１１（入射セグメント）に供給されたイオンを用いて、単一のToFスペクトルを生成することができる。
【００６２】
図４に示されているように、ステップ１０１において、適切な一組の直流捕捉電圧及び高周波捕捉電圧がデバイス１０の全てのセグメントに印加される。正確にどのように電圧がセグメントに印加されるかについて、図５〜９を参照しつつ以下に説明する。印加される電圧は、セグメント１１を通って入射するイオンを、デバイスの全長に亘って（全てのセグメント１１〜１９を通って）通過させ、セグメント１９を出てイオン検出器２０によって検出させるようなものである。これは、電圧供給部５０によってセグメントに供給される直流電圧がデバイス１０の軸方向長さに沿って次第に減少し、これによってイオンをこのように生成されたポテンシャル勾配を移動しながらセグメント間を通過させるからである。所定の継続時間に亘って検出器２０で検出されたイオン流は制御部６０に蓄積されて保存される。
【００６３】
次のステップは、適切な固定継続時間の後に生じるステップ１０２である。このステップでは、高周波捕捉電圧はステップ１０１から変わらないが、イオンがデバイス１０に入射してセグメント１５〜１８内で生成されたポテンシャル井戸内で最初に捕捉されるように直流電圧が調節される。冷却緩衝ガス（例えばヘリウムのような希ガス）がデバイス１０の全てのセグメント内に供給される。セグメント１５〜１８に捕捉されたイオンがこの緩衝ガスと衝突すると運動エネルギーを失い、これによってこの捕捉されたイオンが最終的に軸方向直流ポテンシャルが最も低い個所、この場合は引出セグメント１７に蓄積する。
【００６４】
ステップ１０１において測定された、蓄積したイオン流に照らして決定された継続時間の後、ステップ１０３に示される直流電圧がデバイス１０に印加される。セグメント１１の電圧は他の全ての残りのセグメントの電圧よりもかなり高く、これによって、更なるイオンがセグメント１１を通ってデバイス１０に入るのが防止される。セグメント１５〜１８ですでに蓄積されたイオンには、緩衝ガスと衝突するために付加的な時間が与えられ、これによって最大数のイオンが引出セグメント１７内に閉じ込められることが確保される。数ミリ秒の後、引出セグメント１７内のイオンは、緩衝ガスとの熱平衡に達する。
【００６５】
ステップ１０４では、セグメントの軸方向の中央部内で、セグメント１７にイオン雲を閉じ込めるように直流電圧が調整される。これによって、引出セグメントから排出される時の、セグメント内のイオン雲のエミッタンスが減少する。
【００６６】
ステップ１０４の後、分割デバイス１０の長手軸に直交する引出方向にセグメント１７からイオンを引き出し、ToF型分析器によって分析を行うために、引出電圧（図示せず）がセグメント１７に印加される。さらに、この引出電圧の正確な印加について、図１０〜１２を参照しつつ手短に説明する。ToF型分析器による分析のためにセグメント１７から更にイオンが引き出されるのを防止するため、ステップ１０１〜１０４はそれから再度繰り返すことができる。
【００６７】
この特定の運転モードは、到来するイオンビーム流を検出部２０で測定し、このイオン流の測定をデバイス１０の負荷サイクルの調整に用いることによって分割デバイス１０に電荷過負荷（charge overloading)が生じることを防止する。もしデバイス１０に電荷過負荷が生じるならば、より高いm/z比のイオンは優先的に弁別され、または完全に失われる可能性さえあるため、この方法は望ましい。この方法を用いて達成可能な負荷サイクルは、全体サイクル時間と比較したステップ１０２の継続時間に依存する。
【００６８】
この運転モードでは、イオンビーム流が大きい時、負荷サイクルはそれに対応して減少する。
【００６９】
図５〜７は分割デバイスに高周波捕捉波形を印加するのに用いられる別のスイッチング構成を示している。
【００７０】
図５では、捕捉波形はデバイス１０の四重極セグメントのX極５３及びY極５４にそれぞれ接続された、二組のデジタル制御されるスイッチ５１、５２を用いて印加される。これによってセグメント内に高周波捕捉波形が生成される。又は、高周波捕捉波形は、Y極５４に接続された単一の組のスイッチ５１を有する図６の構成を用いて生成することもできる。X極は接地される。
【００７１】
図５に示されるスイッチング構成によって生じる典型的な高周波波形が図８に示されている。これは50％の負荷サイクルの矩形波である。波形の振幅及び期間TRFはセグメント内で捕捉されるイオンのm/z範囲に従って選択される。図からわかるように、図８の高周波捕捉波形はグラウンド（接地）に関連した直流成分がない。
【００７２】
高周波捕捉波形を生成するためのデジタル制御されたスイッチの使用についての更なる詳細はWO 01/29875 (Ding)に記載されている。
【００７３】
図７はデバイス１０のセグメント間に、又はデバイス１０の一つのセグメント内のXロッド及びYロッド間に直流オフセットを導入するために使うことが可能なスイッチング構成を示す。
【００７４】
この場合、スイッチ５１、５２はコンデンサ５６を介してXロッド５３及びYロッド５４に接続される。この回路はまたセグメント間に直流オフセットを導入する、又はデバイス１０の一つのセグメント内のXロッド５３及びYロッド５４間に直流オフセットを導入するための要素５５を含んでいる。
【００７５】
図９は直流オフセット電圧を印加した結果としての高周波捕捉波形を示す。この例では、XロッドとYロッドには同一の電圧が印加される。直流オフセットはデバイス１０の各セグメントに関して同一であっても異なっていてもよい。そして、例えば軸方向にセグメントグループ内でイオン雲を捕捉するように、又は、グループの一つのセグメント内でイオン雲を捕捉するように、又は、イオンがデバイス１０の入射セグメント１１から出射セグメント１９へ進むように軸方向場を導入するように設定される。
【００７６】
分割デバイス１０への引出電圧の印加について、図１０〜１２を参照しつつ、これより説明する。
【００７７】
図１０は引出ステップの間に引出セグメント１７のXロッド及びYロッドに印加される電圧を示す。
【００７８】
t=0とt=Tdelay-1の間で、イオンは引出セグメント１７のXロッド及びYロッドに印加される捕捉波形によってセグメント１７に閉じ込められる。（高周波サイクルの特に好適な位相に対応する）時間t=Tdelay-1において捕捉電圧は終了する。Xロッドの電圧はゼロに設定され、Yロッドの電圧はV=Vy-delayに設定される。時間t=Tdelay-1及びt=Tdelay-2の間、ロッドはこれらの電圧に維持される。
【００７９】
t=Tdelay-2において、Yロッドの電圧は、別の直流電圧であるV=Vy-extractに設定される。同時に、引出電圧+Vx-extract及び-Vx-extractがそれぞれX1ロッド及びX2ロッドに印加される。これによって、全てのイオンがX2ロッドを通って引出セグメント１７から排出される。t=Toffにおいて、全てのロッドの電圧がゼロに設定され、引出が停止する。
【００８０】
t=Tdelay-1及びt=Tdelay-2の間に導入される遅延により、引出電圧が印加される前に、長手軸を横断する方向への速度広がりが減少する。この場合、「速度−位置」位相空間におけるイオン雲によって占められる面積は実質的に変化しない。すなわち、イオン雲はもはや高周波場によって拘束されないためにイオン雲の物理サイズは引出方向で増加し、相対的により弱い定常四重極場の中で膨張する。これに対応して、イオン雲の初期の位相空間楕円は、最初に直立した楕円から延びて傾斜した楕円へと変形し、イオンの位置及び速度は相互に関連する。位相空間楕円の面積がイオン雲が膨張するあいだ一定であるために、X方向の速度広がりはそれに対応して減少しなければならない。
【００８１】
遅延期間の間にXロッド及びYロッドに中間電圧を印加することで、イオン雲を引出セグメント１７内で操作し、更にX方向の速度広がりを減少させることもできる。速度広がりをこのようにして減少させることで、分析装置の総合の分解能が改善可能である。または、遅延期間の間に別の電圧を印加し、ToF型分析器に送られるために引き出されたイオンビームを空間的に収束させることもできる。
【００８２】
典型的には、約50nsの立ち上がり時間を有する引出電圧は、少なくとも5kVである。
【００８３】
図１１は、図１０に関連して説明された引出電圧を印加することができる回路を示す。図５〜７に関連して説明されたように、スイッチ５１及び５２はそれぞれXロッド５３及びYロッド５４に高周波捕捉波形を印加する。スイッチ６１及び６２は遅延及び引出電圧を印加し、スイッチ６３及び６４はロッドX2及びX1にそれぞれ引出電圧を印加する。
【００８４】
図１２は引出セグメント１７へ引出電圧を印加する別の回路を示す。この回路では、引出電圧を供給するために、広帯域昇圧器６６へ接続された低圧スイッチ６５を用いる。昇圧器６６の二次巻線は、二本巻きされるのが好ましい。
【００８５】
上述した第一の方法に適用するのと同様に、捕捉／直流電圧、及び引出電圧を印加するこれらの方法は、以下に説明する更なる運転モードにも適用することができる。
【００８６】
図１３はデバイス１０の第二運転モードを示している。この方法は100%の負荷サイクルを達成し得る。
【００８７】
ステップ２０１において、適切な一組の直流捕捉電圧及び高周波捕捉電圧がデバイス１０の全てのセグメントに印加される。これらの電圧によって、イオンは入射セグメント１１を通ってデバイス１０に入射し、最初はセグメント１２〜１８内で生成される広い直流ポテンシャル井戸内に閉じ込められる。セグメント１２〜１８内で捕捉されたイオンは緩衝ガスと衝突すると運動エネルギーを失い、これによって直流ポテンシャル井戸の底、この場合はセグメント１２に蓄積する。
【００８８】
ステップ２０２では、印加される直流電圧及び高周波電圧が調整される。電圧の調整は、ステップ２０１でセグメント１２に捕捉されたイオンがセグメント１５〜１８に移動するように行われる。即ち、試料イオンが入射セグメント１１を通ってデバイス１０に入射することがまだ可能な間に、イオンは調整された電圧によって生成されるポテンシャル勾配を移動する。
【００８９】
ステップ２０３で、調整された電圧は再度調整される。印加される電圧によって、ステップ２０２でセグメント１５〜１８に移動したイオンは、これらのセグメント内で最初に捕捉される。ステップ２０１と同様に、捕捉されたイオンは緩衝ガスと衝突して運動エネルギーを失い、結果として直流ポテンシャルが最も低いセグメント、この場合は引出セグメント１７に行き着き、そこで最終的に緩衝ガスとの熱平衡に達する。これらのイオンがセグメント１５〜１８及び最終的にはセグメント１７に捕捉されている間、さらなる試料イオンが入射セグメント１１を通ってデバイス１０に入射し、セグメント１２で捕捉される。
【００９０】
ステップ２０４は図４のステップ１０４と類似している。このステップでは、電圧は引出セグメント１７内で、セグメント１７の中央部内の軸方向にイオン雲を閉じ込めるように調整される。このステップによって、引出セグメントから排出される際、セグメント１７内のイオン雲のエミッタンスが減少する。
【００９１】
ステップ２０４の後、（上述したような）引出電圧が引出セグメント１７に印加される。ステップ２０１〜２０４及び引出ステップが連続的に繰り返される。
【００９２】
この運転方法は特に、入射イオンビーム流が大きい時に好都合である。なぜならば、この場合、サイクルを完了してマススペクトルを得るための総合時間と比較して、デバイス１０を満たすのに必要な時間は短い可能性があるからである。
【００９３】
しかしながら、もし入来するイオンビーム流がデバイス１０の最大電荷スループット能力を超えていたならば、デバイス１０の電荷容量を超え、電荷過負荷による悪い影響が生じる。
【００９４】
図１４はデバイス１０の第三運転モードを示す。この運転方法では、高効率とともに高分解能を提供するために、プリカーサイオン分離ステップを用いる。
【００９５】
ステップ３０１では、デバイス１０の全てのセグメントに適切な組の直流捕捉電圧及び高周波捕捉電圧が印加される。これらの電圧により、イオンは入射セグメントを介して入射し、セグメント１２〜１８において最初に捕捉されることが可能となる。
【００９６】
ステップ３０２において、セグメント１２〜１８に最初に捕捉されたイオンが緩衝ガスと衝突して緩衝ガスに対して運動エネルギーを失わせつつ、これ以上イオンがデバイス１０に入射することを防止するような電圧が印加される。上述した方法のように、この運動エネルギーの損失によって捕捉されたイオンが直流ポテンシャルが最も低い個所、この場合はセグメント１５に蓄積する。最終的に、セグメント１５に捕捉されたイオンは同セグメント内で緩衝ガスとの熱平衡に達する。
【００９７】
ステップ３０３において印加される電圧は、不所望のイオンを排出することによりセグメント１５において所望のm/z範囲のプリカーサイオンを分離するのに有効である。この分離は広帯域双極子励起を用いて行っても良い。これについては以下、図１５及び１６を参照しつつさらに詳細に説明する。
【００９８】
ステップ３０４において印加される電圧は、セグメント１５でステップ３０３において選択された（又は分離された）プリカーサイオンを捕捉するのに有効である。さらに、プリカーサイオンは緩衝ガスと衝突して運動エネルギーを失い、セグメント１５内の直流ポテンシャルが最も低い個所に蓄積する。ステップ３０２と同様に、緩衝ガスとプリカーサイオンは最終的に熱平衡に達する。
【００９９】
ステップ３０５において印加される電圧は、セグメント１５において冷却されたプリカーサイオンを、同セグメントに単一周波数双極子励起を印加することによって断片化させるのに有効であり、共鳴衝突誘起解離（CID=Collision Induced Dissociation）を生じさせるのに有効である。以下、このような断片化を生じさせるのに必要な電圧について図１７〜２０を参照しつつ詳細に説明する。
【０１００】
ステップ３０６において印加される電圧は、セグメント１５に捕捉された断片化したイオンにセグメント１５〜１７の間を移動させ、これらのセグメント内で捕捉されるようにするのに有効である。他のステップに関して説明したように、捕捉されたイオンは緩衝ガスと衝突する。これらのイオンは運動エネルギーを失い、最終的に軸方向直流ポテンシャルが最も低い個所に蓄積する。この場合には、引出セグメントであるセグメント１７に蓄積する。
【０１０１】
ステップ３０７は図１３のステップ２０４及び図１のステップ１０４に類似しており、印加される電圧は引出セグメント１７においてイオンを軸方向に閉じ込める。これによって、セグメント１７におけるイオン雲のエミッタンスが減少する。
【０１０２】
ステップ３０８において印加される電圧は、イオントラップの長手軸の横断方向の「速度−位置」位相空間においてイオン雲がより小さな領域を占めるように、引出セグメント１７においてイオン雲を圧縮するのに有効である。この「バースト圧縮」と呼ばれるプロセスについて、図２１(a)〜２１(c)を参照しつつ更に詳細を以下に説明する。
【０１０３】
ステップ３０９では引出電圧が引出セグメント１７に印加される。
【０１０４】
ステップ３０２〜３０９の全てのステップで入射セグメント１１に印加される電圧は、これらのステップが実行されている間にデバイス１０へ更なる試料イオンが入射することを阻むようなものである。ステップ３０１〜３０９は連続的に繰り返すことができる。
【０１０５】
この「時間タンデム」分析方法は高効率で高い分解能を提供する。しかし、これは比較的遅い方法であり、一秒あたり約5-10のMS2スペクトルに限られる。
【０１０６】
先に述べたように、広帯域双極子励起について以下に簡単に説明する。
【０１０７】
図１５はa-q安定線図である。本技術分野においてよく知られたものである。広帯域励起を用いることで、図中の斜線領域内の全てのイオンを排出し、非斜線領域内の特定のm/z非のイオンを分離することができる。この非斜線領域は安定バンドであって、所望のプリカーサイオンを含んでいる。
【０１０８】
図１６は所望のプリカーサイオンを分離するためにデバイス１０のセグメント１５に印加される広帯域信号の周波数スペクトルである。セグメント１５に印加される実際の信号は周波数スペクトルの逆フーリエ変換によって得ることができる。典型的にはこの広帯域信号は数ミリ秒の間印加され、セグメントから不所望のイオンを排出し、セグメント内で所望のプリカーサイオンを分離するのに有効である。
【０１０９】
図１７〜２０は共鳴衝突誘起解離（CID=Collision Induced Dissociation）を生じさせるために使われる単一周波数双極子励起を説明するために用いられる。単一周波数双極子励起は特定のm/z範囲のイオンを励起する（又は排出する）ためにデバイス１０の一又は複数のセグメントに印加される。
【０１１０】
図１７はデバイス１０の一又は複数のセグメントに印加されるような、高周波捕捉波形（TRF）及び双極子波形を別々に示している。双極子波形の効果は、その波形が印加されるセグメント内で特定のm/z比のイオンを励起及び／又は排出することである。好ましくは、双極子波形の周期は高周波捕捉波形の四分の一周期の整数倍となるように選択される。このことは図１７に示されており、ここでは二つの波形が2.75の周波数比を有しており、高周波捕捉波形は丁度１１サイクルした後、双極子波形は４サイクルした後で、波形が同位相に戻る。
【０１１１】
図１８はどのように高周波波形及び双極子波形がデバイス１０の一又は複数のセグメントに供給されるかを説明するための好ましいデジタルスイッチング構成を示す。この例では、（正弦波生成部７０によって生成される）双極子波形と捕捉波形とが重畳されてセグメントのXロッド５３に印加される。典型的には、これは二本巻構成の二次巻線を有する絶縁変圧器を用いて実行される。
【０１１２】
図１９は重畳される電圧（捕捉波形及び双極子波形）が図１８のスイッチング構成を用いてセグメントのXロッド５３に印加される際の実際の形状を示す。
【０１１３】
高周波波形の周波数と双極子波形の周波数との比によって次式によるβ値が決定される。β値ではイオンが印加される電圧に応じて共振する。
【数７】
0005541374.tif 000008
ここにおいて、fは高周波波形の周波数であり、wsは双極子波形の周波数である。これら二つの波形の周波数は、イオンが励起されるm/z値をスキャンするために、β値が一定値に保持されるようにスキャンされ得る。これによって特定のm/z範囲にあるイオンが励起される。第三運転モードでは、これはデバイス１０のセグメント１５に既に含まれているプリカーサイオンのm/z範囲になる。
【０１１４】
図２０は（点線の中に含まれる）安定領域がβ=0.25、0.5、0.75という三つの異なるβの線によって交差される第二のa-q図である。これらの線がq軸と交わるのは、それぞれ0.2692、0.5、0.65677の値においてである。βが（上述したように）一定値に維持されるとき、所望のm/z範囲の全てのイオンは同一のqの値において排出される。
【０１１５】
例えば、図１７に示されるような波形を用いると周波数比は2.75であり、周波数がスキャンされると、増加するm/z値のイオンは0.64639のq値で排出／励起される。
【０１１６】
印加される双極子励起によって、信号が印加されるセグメント内のプリカーサイオンが振動する。印加される双極子の振幅、圧力、継続時間を制御することで、イオンをそのセグメントから排出せずに衝突誘起解離させることができる。
【０１１７】
「バースト」圧縮を生じさせるためのセグメント１７に印加される電圧について、図２１(a)〜２１(c)を参照しつつ以下に説明する。
【０１１８】
これらの図に示されているように、デジタル捕捉波形電圧の振幅Vは時々刻々と増加し、これにより捕捉波形によって生成された擬ポテンシャル井戸が深くなる。これには、引出方向を含む、長手軸を横断する方向におけるイオン雲の物理サイズを減少する効果がある。より具体的には、イオン雲の物理サイズは次式によって与えられる標準偏差として表現できる。
【数８】
0005541374.tif 000009
ここで、Tはイオン雲の温度、roはセグメントの放射方向寸法、Dは次式で与えられる有効捕捉ポテンシャルの振幅である。
【数９】
0005541374.tif 000010
ここにおいて、qoは単位電荷、qはマシューパラメータ、Vは50%の負荷サイクルの矩形波形を有すると仮定される捕捉電圧の振幅である。従って、振幅Vを増加させることでσmは減少することが理解出来る。このσmの減少によって引出セグメントに引出電圧が印加された際にイオン雲内のイオンのエネルギーの広がりが減少し、そしてΔTが減少し、従って分解能が改善される。
【０１１９】
次式が成り立つため、
【数１０】
0005541374.tif 000011
捕捉周波数Ωはイオン引出セグメント１７のイオンの質量電荷比の所定の範囲を維持するためにV1/2に比例して増加しなければならない。
【０１２０】
図に示されているように、捕捉電圧の大きさは一連のステップにおいて徐々に増加する。これによって、すでに冷却されたイオン雲にエネルギーが再導入されることが防止される。既に説明したように、qが変化しないことを確実にするために、周波数と電圧は共に増加すべきである（図２１(a)におけるΔV及び対応するT1〜T4を参照）。例えば、もし電圧が同じ大きさの一連のステップで増加したとすると、周波数は電圧の増加の平方根に従って増加するべきである。デジタル波形を用いることにより、中間のステップがない、一つの急激なステップにおいて捕捉波形の大きさを増加させることができる。しかしながら、この方法は、特にm/z範囲内の最高／最小値におけるイオンロスを招きかねない。従って、上述した段階的方法が好ましい。既に述べたように、バースト圧縮技術には、デバイス１０の引出セグメントから排出される際にイオン雲のエミッタンスを減少させ、ToF型分析装置の全体的性能を高めるという有益な効果がある。
【０１２１】
図２２は本装置の第四運転モードを示している。この運転モードは図１４について説明した第三運転モードに似たMS/MSモードであるが、このモードではイオンがセグメント１５〜１８において蓄積及び／又は処理されている間にセグメント１２及び１３においてイオンが蓄積されることが可能である。
【０１２２】
ステップ４０１において印加される直流電圧は、図１３のステップ２０１において印加される電圧に類似しており、イオンを最初はセグメント１２〜１６に閉じ込め、次いで、緩衝ガスとの衝突による運動エネルギーの損失によって、イオンを直流ポテンシャルが最も低いセグメント内に蓄積させる。このステップでは軸方向ポテンシャルが最も低いセグメントはセグメント１２である。
【０１２３】
ステップ４０２で印加される直流電圧は図１３のステップ２０２で印加される電圧に類似している。印加される電圧は、ステップ４０１の間にセグメント１２に蓄積されたイオンをセグメント１３〜１８に移動することを可能にするが、その間、新しい試料イオンがデバイス１０に入射してセグメント１２に捕捉され続けることを許可する。セグメント１３〜１８においてイオンは緩衝ガスと衝突することで運動エネルギーを失い、最終的に軸方向ポテンシャルが最も低いセグメントであるセグメント１５に捕捉される。
【０１２４】
ステップ４０３では、印加される電圧はセグメント１２及び１３（これらのセグメントは軸方向ポテンシャルが同一のため）でデバイス１０に入射してくるイオンを捕捉し続けるが、一方でセグメント１５のイオンを同セグメントの中央部において軸方向に閉じ込める。最終的に、セグメント１５において軸方向に閉じ込められたイオンは緩衝ガスとの熱平衡に到達する。
【０１２５】
ステップ４０４では、印加される電圧はイオンをデバイス１０に入射させ続け、セグメント１２及び１３に蓄積させ続けるのに有効である。一方で、所望のm/z範囲のプリカーサイオンを分離するために、セグメント１５のイオンを広帯域分離させる。このプリカーサ分離プロセスは図１５及び図１６を参照して上述した。
【０１２６】
ステップ４０５において印加される電圧は、セグメント１５で分離されたプリカーサイオンを冷却しつつ、試料イオンをデバイス１０に入射させ続け、セグメント１２及び１３に蓄積され続けるようにするのに有効である。最終的にプリカーサイオンは（衝突によって）十分に冷却され、衝突ガスと熱平衡状態になる。
【０１２７】
ステップ４０６で電圧は、イオンをデバイス１０に入射させ続け、セグメント１２及び１３に捕捉され続けるようにする。セグメント１５に印加される電圧は（上記のように）単一周波数双極子励起を含んでいる。これによってプリカーサイオンは衝突誘起解離を起こす振幅で、また衝突誘起解離を起こす継続時間の間、振動する。この解離によって断片化されたイオンはその後、セグメント１５に捕捉される。
【０１２８】
このステージでは、MSn機能を提供するためにステップ４０３〜４０６を（一回以上）繰り返してもよい。
【０１２９】
ステップ４０７において、セグメント１１、１２、１３の電圧はイオンをデバイスに入射させ続け、セグメント１２及び１３に捕捉され続けるようにする。残りのセグメントの電圧はイオンをセグメント１５からセグメント１５〜１７に移動させる。セグメント１５〜１７のイオンは緩衝ガスとの衝突によって運動エネルギーを失い、最終的に直流ポテンシャルが最も低い領域、ここではセグメント１７に蓄積する。
【０１３０】
ステップ４０８では、印加された電圧はイオンをデバイス１０に入射させ続け、セグメント１２及び１３に捕捉され続けるようにするが、その間、セグメント１７のイオンがセグメント１７の中央部に軸方向に閉じ込められるようにする。最終的に軸方向に閉じ込められたイオンは緩衝ガスとの熱平衡に達する。このステップはステップ４０３と非常に類似しており、唯一の相違点は分析対象となるイオンが蓄積されるセグメントにある。
【０１３１】
ステップ４０９で印加される電圧は、イオンをデバイス１０に入射させ続け、セグメント１２及び１３に捕捉され続けるようにする。印加される電圧はまた、上述したようにバースト圧縮を利用して引出方向にセグメント１７の断片化したイオンを圧縮するのに有効である。
【０１３２】
ステップ４１０において印加される電圧は、イオンをデバイス１０に入射させ続け、セグメント１２及び１３に捕捉され続けるようにする。また、セグメント１７における冷却されたイオンが飛行時間型分析器において分析されるように引き出されるようにする。
【０１３３】
図２３は本装置の第五運転モードを示す。
【０１３４】
この運転モードでは、100%の負荷サイクルでプリカーサイオンが分離するようにし、高効率とともに高い分解能を提供する。しかしながら、これは比較的低速で、一秒間あたり5〜10MSに限定される。
【０１３５】
ステップ５０１、５０２、５０３では、印加される電圧は上述した図２２のステップ４０１、４０２、４０３で印加される電圧にそれぞれ対応する。
【０１３６】
ステップ５０４で印加される電圧は、試料イオンをデバイス１０に入射させ続け、セグメント１２及び１３に蓄積させ続けるのに有効である。一方、セグメント１５において特定のm/z範囲のイオンを分離するのに有効な電圧をセグメント１５に供給する。この分離電圧については図２４〜２６を参照しつつ更なる詳細を以下に説明する。この分離電圧は、セグメント１５において所望のm/z比のプリカーサイオンを分離し、同時に他の全てのイオンをセグメント１５から排出させるのに有効である。
【０１３７】
ステップ５０５で印加される電圧は上述した図２２のステップ４０５で印加される電圧に対応する。
【０１３８】
ステップ５０６で印加される電圧は試料イオンをデバイス１０に入射させ続け、セグメント１２及び１３に蓄積され続けるようにするのに有効である。同時に、単一周波数双極子励起の周波数スキャンを行い、選択された領域の下限値で所望のm/z値までスキャンする（この値を下回るイオンを排出する）ためにセグメント１５に捕捉電圧を印加する。次いで、所望のm/z範囲を上回るイオンを排出するために逆方向にスキャンを行い、こうして所望のm/z範囲においてプリカーサ分離を行う。この周波数スキャンの手順について、以下、図２３を参照しつつさらに詳細に説明する。
【０１３９】
ステップ５０７〜５１２で印加される電圧はそれぞれ、上述した図２２のステップ４０５〜４１０において印加される電圧に対応しており、また同一の効果をもたらす。
【０１４０】
図２４は上述した第五運転モードのステップ５０４において、特定のm/z比内の試料イオンを分離するため、デバイス１０のセグメント１５のXロッド及びYロッドに印加される可能性のある典型的な波形を示す。図９に示される波形のように、直流オフセット電圧が高周波捕捉波形とともに印加される。しかしながら、この場合は、印加される直流オフセットはXロッドにおいてプラスであり、Yロッドにおいてマイナスである。一方、図９ではプラスの直流オフセットがXロッド及びYロッドに印加されていた。典型的には、図２４の直流オフセット波形が図７に示されるようなスイッチング回路を利用して印加される。ただし、波形を供給するために他の種類のスイッチング構成を使用しても勿論構わない。
【０１４１】
図２４の波形を用いて、特定のm/z範囲のイオンがセグメント１５内に分離される。これがどのように達成されるかが図２５を参照して説明される。印加される直流オフセット電圧の大きさが走査線の傾斜を決定し、従ってa-q図の境界線の交点が決定される。a/q=0.41及びa/q=0.28の走査線が図２５の例に示されている。印加される直流電圧（従ってa/qの値）の大きさを選択することでセグメントの分解能の決定が可能になる。
【０１４２】
所望のm/z範囲内のセグメント１５のイオンは次の二つの方法で直流オフセット電圧を用いて分離することができる。第一に、印加される直流電圧が、所望のm/z範囲のイオンをa-q安定線図の先端（すなわち、安定境界によって境界され、かつa/q=0.41の線より上の範囲）へ移動させるようなものである。全ての他の不所望のイオンは安定領域の外にあり、例えば排出又はロッドとの衝突によってセグメント１５から失われる。
【０１４３】
もう一つの方法としては、印加される直流電圧が、安定境界によって境界され且つa/q=0.28の線より上のa-q図の範囲へイオンを移動させる。その結果、高周波捕捉波形は所望のm/z範囲のイオンを分離するために低周波数から高周波数へとスキャン可能である。
【０１４４】
図２４の波形は、イオンがデバイス１０のセグメントに未だ捕捉されていないがデバイスの特定のセグメント中を移動している場合、イオンの質量フィルタリングにも使用することができる。この波形がフィルタリングを実現するために印加されると、a-q安定線図の先端にあるイオンのみが当該セグメントを通過する。残りのイオンは不安定で、隣接するセグメントに入らない。フィルタリングセグメントから排出可能なイオンのm/z範囲はa-q図の走査線の傾斜によって決定される。従来の四重極質量フィルタとは異なり、印加される直流電圧の値は所望のm/z範囲から独立している。所望のm/z範囲は所定の高周波の振幅の周波数に従って選択される。
【０１４５】
図２３のステップ５０４では、直流オフセット波形を用いてセグメント１５で分離されるイオンはセグメント１５内に保持される。これは、セグメント１５の両端にあるセグメント１４及び１６に印加される電圧がより高く（図２３参照）、従って分離されたイオンが、隣接するセグメントよりも軸方向ポテンシャルが低いセグメント１５に留まるためである。当然ながら、もし隣接するセグメントに印加される直流電圧が分離／フィルタリングが生じたセグメントの電圧よりも低いならば、分離されたイオンはその分離が行われたセグメントから隣接するセグメントへと移動することができる。さらに、印加される電圧がイオンが軸方向ポテンシャルが最も低いセグメントへ移動しやすくするようなものであれば、イオンはより遠くの隣接するセグメントにも入射することができる。
【０１４６】
直流オフセットを導入するために、先に検討したような別個の直流電源を用いるのではない、別の方法もある。この代わりの方法では、Xロッド及びYロッドの間に有効直流オフセットを導入するために、負荷サイクルを改良する。このような改良された負荷サイクルによる波形が図２６に示される。高周波成分Veff及び直流成分Ueffの実効値はそれぞれ次の式で与えられる。
【数１１】
0005541374.tif 000012
【数１２】
0005541374.tif 000013
【数１３】
0005541374.tif 000014
【０１４７】
もしこの負荷サイクル方法がイオンの分離／フィルタリングのために用いられるならば、これはa-q安定線図に付加的作用を及ぼす。このことが図２７に示される。この図が示すように、周期的な捕捉波形の負荷サイクルが変更されると、安定領域の境界がずれる。この負荷サイクル改良方法は実行が比較的簡単であるが、安定境界のずれによって生じる付加的な作用を考慮しなければならない。
【０１４８】
図２８は上述したステップ５０６（前後への周波数スキャンによる分離）の間にセグメント１５のXロッド及びYロッドへ印加される波形を示している。図に示されているように、高周波捕捉波形の周波数が、初期の期間Tstart-RFから、一定の回数のRFサイクルNwaveの後、一定量ΔTRFずつ増加し、最終期間Tend-RFに到達するまでスキャンされる。図２８において、Tstart-RFは1.29μ秒であり、Tend-RFは1.82μ秒である。この場合、波形はNwave=23を用いて５ステップに関して計算された。もし波形の振幅が500Vであれば、500トンプソン（Th）から1000トンプソンのm/z範囲がスキャンされる。
【０１４９】
前後m/zスキャンは例えば0.1トンプソンのような狭いm/z範囲においてイオンを分離するために、この種類の波形を用いて実行することができる。
【０１５０】
図２９は、デバイス１０の第六運転モードを示す。この運転モードでは１３個のセグメントを有する、図３に示されるデバイス１０の実施形態を用いる。このモードは、イオンがデバイス１０に入射しつつイオンの質量選択フィルタリングを行い、次いでデバイスの更なるセグメントにおいてフィルタ処理されたイオンの（CIDによる）断片化を行うのに有効である。この方法は空間タンデム分析を提供し、一秒間に多数のMS/MSスペクトルを得ることを可能にする。典型的には一秒当たりに50〜100のスペクトルが可能である。この方法はまた、自動電荷制御を可能にする。（これは図４に示されたような第一モードに関連した説明と類似している。）
【０１５１】
ステップ６０１では、印加された電圧はイオンをデバイス１０に入射させる。イオンはセグメント１２でフィルタ処理（上述したようなフィルタリング）され、事前に選択されたm/z範囲内のプリカーサイオンのみがセグメント１２から排出され、軸方向ポテンシャルがより低いセグメント１２ｂへと加速される。セグメント１２ｂの電圧はプリカーサイオンが緩衝ガスと衝突し、上述したCID処理を受けるようにするのに有効である。断片イオンが、そのCID処理の結果として生成される。セグメント１２ｃ〜１９に印加される電圧は、セグメント１２ｃ〜１９の全てにわたって軸方向ポテンシャルを逓減させる。これによって、セグメント１２ｂに存在している断片イオンがセグメント１２ｃ〜１９を通過して、セグメント１９を出射した後にデバイス２０によって検出されることが可能となる。
【０１５２】
ステップ６０２でセグメント１１及び１２に印加される電圧は、イオンのデバイス１０への入射を許容し、セグメント１２のイオンをフィルタリングするのに有効である。予め選択されたm/z範囲内のイオンのみがセグメント１２から、軸方向ポテンシャルがより低いセグメント１２内に進む。また、セグメント１２ｂの電圧はセグメント１２ｂにおける予め選択されてフィルタ処理されたイオンにCIDを生じさせるのに有効である。セグメント１３〜１８の電圧は、イオンにセグメント１２ｂを離れさせ、セグメント１３〜１９に捕捉させるようなものである。ステップ６０２の正確な継続時間はステップ６０１において検出器２０によって検出されたイオン流に従って決定される。（これは第一運転モードの、ステップ１０２〜１０３を参照して説明したプロセスと類似している。）
【０１５３】
ステップ６０３で印加される電圧は、これ以上試料イオンがデバイス１０に入射することを防止し、セグメント１３〜１８ａの断片イオンにこれらのセグメントにおいて緩衝ガスと衝突させて運動エネルギーを失わせ、最終的に軸方向直流ポテンシャルが最も低いセグメント、この場合はセグメント１７内に蓄積させるのに有効である。最終的に、セグメント１７に捕捉されたイオンは緩衝ガスとの熱平衡に到達する。
【０１５４】
ステップ６０４において印加される電圧は、セグメント１７における断片イオンをセグメント１７の中央部内に軸方向に閉じ込めつつ、更なる試料イオンがデバイス１０に入射することを防止するのに有効である。
【０１５５】
ステップ６０５において印加される電圧は、セグメント１７の断片イオンを上述したバースト圧縮を利用して引出方向に圧縮させつつ、更なる試料イオンがデバイス１０に入射することを防止するのに有効である。
【０１５６】
ステップ６０６において印加される電圧は、更なる試料イオンがデバイス１０に入射することを防止し、セグメント１７における冷却されたイオンがセグメント１７から飛行時間型質量分析器における分析のために引き出されるようにする。
【０１５７】
図３０はデバイス１０の第七動作モードを示す。先に述べた第六モードと同様に、このモードも図３に示されるような１３個のセグメントデバイスを使用する。このモードは、各フィルタリングステップの後のCID断片化と同様に二つのプリカーサイオン選択ステップを有することでMS3分析を提供する。これもまた「空間タンデム」分析方法であり、一秒あたり50〜100スペクトルのMS3分析を可能にする。これは走査速度の減少を何ら必要としない。第六のモードと同様に、本モードは自動電荷制御を可能にする。
【０１５８】
ステップ７０１で印加される電圧は、イオンをデバイス１０に入射させ、セグメント１１からセグメント１９へ移動させる（それぞれのセグメントは前のセグメントよりも軸方向ポテンシャルが低いため）のに有効である。セグメント１９に存在するイオンはデバイス１０の端部の検出器２０によって検出される。
【０１５９】
ステップ７０２でセグメント１１及び１２に印加される電圧は、イオンをデバイス１０に入射させ、セグメント１２に入ることが許可されたイオンをフィルタリングするのに有効である。予め選択されたm/z範囲内のイオンのみがセグメント１２を出て、軸方向ポテンシャルがより低いセグメント１２ｂに入る。セグメント１２ｂの電圧はセグメント１２ｂのイオンのCIDを生じさせ、MS2イオンを生成させるのに有効である。印加される電圧は断片（MS2）イオンをセグメント１２ｂから出しセグメント１３に入らせる。セグメント１３の電圧はこのセグメントに入射するイオンをフィルタリングするのに有効である。予め選択されたm/z範囲のイオンのみがセグメント１３から出る。フィルタ処理されたイオンはセグメント１３を出て、軸方向ポテンシャルがより低いセグメント１５に入る。セグメント１５の電圧はこのセグメントに入射するイオンのCIDを生じさせ、結果としてMS3イオンを形成するのに有効である。このようにして形成されたMS3イオンは次いでセグメント１５〜１８ａにおいて捕捉される。
【０１６０】
ステップ７０３では、印加される電荷は更なるイオンがデバイス１０に入射することを防止し、セグメント１３〜１８ａのMS3イオンをこれらのセグメント内において緩衝ガスと衝突させ、運動エネルギーを失わせ、最終的に軸方向直流ポテンシャルが最も低いセグメント内に蓄積させる。この場合はセグメント１７内である。最終的に、セグメント１７に捕捉されるMS3イオンは緩衝ガスとの熱平衡に達する。
【０１６１】
ステップ７０４〜７０６において印加される電圧はそれぞれ、図２８に示されており上述した第六のモードのステップ６０４〜６０６において印加される電圧に対応しており、また同一の効果をもたらす。
【０１６２】
上述した七つの運転モード全てにおいて、分割デバイス１０は好適には四重極デバイスである。このような、双曲形状ロッドを持つセグメントが図３１に示される。このセグメントは双曲形状Xロッド５３及びYロッド５４を有する。このXロッド及びYロッドは電極であって、典型的には例えば精密研削による導電体によって成る。又は、この電極はセラミックやガラス、好適には表面に導電性コーティングを有する膨張しないガラスのような電気的に絶縁された材料で形成することも可能である。セグメントに要求される精密な配置を達成するためには、セグメントの製作が比較的高価になる。
【０１６３】
双曲形状電極は次の方程式の正負の根によって記載される表面を有する。
【数１４】
0005541374.tif 000015
【数１５】
0005541374.tif 000016
ここにおいて、roはセグメントの放射方向寸法である。
よって、このセグメント内の四重極ポテンシャルは次の式で与えられる。
【数１６】
0005541374.tif 000017
【０１６４】
上述したモードの処理の通常の過程では、イオンは何度も隣接するセグメント間を通過することがあるが、イオンがセグメント間を通過する際に生じるいかなるイオンのポテンシャル損失も最小化することが望ましい。隣接するセグメント間及び隣接するセグメントに亘って場が一様でないならば、イオンはセグメント間を通過する際に末端の場（隣接するセグメント間の隙間の場）の付近で恐らく失われる。これは、もし末端場がセグメント内の四重極場と異なっているならば、イオンにセグメント間を移動させるために供給される軸方向運動エネルギーはイオンの放射方向運動エネルギーに変えられ、イオンの損失をもたらすからである。イオンの損失を防止するためには、ある方法でデバイス１０を構成することが好ましい。デバイス１０の全てが図３１に示されるようなセグメントで構成されている場合、各セグメントのroが実質的に同一であるならば、全体のデバイスに沿った四重極場は実質的に一様となる（及び末端場が最小化される）。また、もしroが同一でないならば、各セグメントの電圧は隣接するセグメント間及び隣接するセグメントにわたる場が実質的に均一であるように調節することができる。また、これによってイオンがセグメント間を移動する際のイオン損失が最小化される。
【０１６５】
当然ながら、正確な構成が要求されるため、この種類のデバイスを製造することには比較的費用がかかる。代わりに、平板電極を用いてデバイス１０の一以上のセグメントを構築することが可能である。
【０１６６】
このようなセグメントは、隣接するセグメントの一つ又は両方が平板電極によって構成される場合に、セグメント内の場が実質的に四重極場であって、隣接するセグメント間で場が実質的に一様であるように設計され、操作されることができる。
【０１６７】
Ding et al（WO 2005/119737）は、正方形として配置される四つの導電面の構成について開示している。これは、その正方形内で実質的に四重極場を提供するように操作可能である。
【０１６８】
双曲形状電極を製造することと比較して精密な平坦基板を製造することはより容易で安価であるため、平板電極を用いることが好ましい。絶縁基板は精密セラミック又はガラス上に形成された、好ましくは熱膨張率が低く、その表面の下に電気的接続が配線されることで各電極がこのように「印刷」された金属コーティングを行うことが可能なプリント回路基板でよい。
【０１６９】
例として、図３２(a)及び(b)は平板７１及び７２を用いて形成されたそのようなセグメントを示す。各平板は幅が10mmの5つの電極７３〜７７を有する。典型的には、ro=5mmによって図３１のように構成されたセグメントによって生成される四重極場を実質的に再生するためには、平板間の距離は10mmでなければならない。図３１のセグメント内と同一の場の強度を達成するためには、最大印加電圧は図３１のセグメントに印加される電圧よりも5.6倍大きい。平板７１及び７２内の実際のポテンシャルは、四重極成分と同様に、他の（より高次の及び／又はより低次の）成分を含む。しかしながら、平板電極７３〜７７に印加される電圧は四重極ではない成分を最小化させるために制御することが可能であり、このようにして平板内の場は実質的に四重極であって隣接するセグメントの場に十分に一致し、イオンが隣接するセグメント間を通過する際のイオン損失が最小化される。
【０１７０】
図３２(b)では、平板７１の最も上の電極７５にスリット８０がある。これは、電極７１及び７２がデバイス１０の引出セグメント１７として用いられる場合のための引出スリットである。
【０１７１】
直流波形及び高周波捕捉波形を供給するための平板電極７３〜７７の制御回路は電極７３〜７７と同一の基板に位置してもよい。基板のこの部分は伝統的なプリント回路基板の方法によって形成することができる。また、電極が配置される真空領域の外に、例えば真空に適合するエポキシ樹脂を用いて基板の周囲に形成された真空包装とともに配置しても良い。または、制御回路は別途設けられ、周囲に真空包装が形成された弾力性のあるPCBを用いた平板電極に接続されてもよい。
【０１７２】
デバイス１０のセグメントに平板を用いることには、複雑な電極パターンを平板上で容易に形成できるという更なる利点がある。例えば、図３３は電極が平板上で一連の同心円として形成されている一組の円の平板７１及び７２を示している。下方平板７２には引出スロット８０があり、これを通ってイオンが質量分析のためにセグメントから引出可能である。
【０１７３】
この電極の構成は、トロイド形状のセグメント内でイオン雲を形成するために用いることができる。イオン雲をトロイドに形成することで、イオン雲のエミッタンスは一般的に減少する。従って、この種の電極構成はToF型分析器にイオンを供給するイオントラップのようなセグメントの作用において役に立つ。しかしながら、この種の電極構成を利用することには欠点がある。その欠点とは、イオンを、この電極構成を有するセグメントに外部のイオン源から効率的に導入できないことである。この欠点は、図３４に示されるような電極構成を持つ平板を用いることで克服できる。
【０１７４】
本実施形態では、PCB平板は、トロイダル捕捉を可能にする電極だけでなく、線形捕捉を可能にする電極も有する。電極７３〜７９は線形電極であり、電極８１〜８３は円形電極である。この図には、線形モードで動作させるためのスイッチ９１及び９２の電極への種々の接続も描かれている。図３５に示されているように、トロイダルモードにおける操作用スイッチはスイッチ９３及び９４である。図３４及び３５のトロイダル／線形モード間の高速切替はDing et al（WO 01/29875）に記載されている方法を用いることで達成できる。
【０１７５】
イオンは平板７１及び７２から形成されるセグメントに入ることが許可され、そして、線形電極の電圧を制御することで、イオン雲が（実質的に一次元イオン雲として）セグメントの長手軸に沿って集められる。上述したように、イオンはこの電極構成によって外部のイオン源からセグメントへ能率的に導入され得る。次いで線形電極７３〜７９はスイッチが切られ、円形電極８１〜８３はスイッチが入れられる。これによって、イオン雲は実質的に一次元軸方向伸張雲から実質的に二次元イオン雲へと変形させられる。この特定の場合において、円形電極８１〜８３はトロイダル形状の二次元イオン雲を形成する。当然ながら、電極８１〜８３は別の二次元形状のイオン雲を生成するための別の二次元構成で形成できる。
【０１７６】
トロイダル形状のイオン雲は長手方向イオン雲と同一の電荷容量を有しているが、長手方向イオン雲の約１／π倍の領域を占める。これによって、イオン雲のエミッタンスが減少する。
【０１７７】
円形電極８１〜８３の直径により、生成されるトロイダルイオン雲の直径が決定される。例えば、直径が5mmのトロイダル形状のイオン雲を生成するためには、円形電極の幅は約2.5mm、平板７１及び７２間の距離は約2.5mmでなければならない。トロイダル形状の雲が形成された後に、引出電圧を、分析のために出口スロット８０を介してイオンを引き出す用に印加することができる。上述した「遅延」及び／又は「バースト圧縮」技術は、引出電圧が印加される前に、そして二次元イオン雲が形成される前に及び／又は後で用いることができる。
【０１７８】
この特定の平板／電極構成を有するセグメントに印加される引出電圧は双曲電極で形成されるセグメントに印加されねばならない引出電圧よりも4倍小さく、ro=5mmである。これは明らかに望ましい減少であり、従って、引出セグメント１７として平板７１及び７２から形成されるセグメントを使用することが望ましい。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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