(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）ほぼ大気圧で作動し、試料からイオンを生成するイオン源と、
（ｂ）それぞれが部分的に真空状態を生成するためのガスを排出する手段を有し、第１真空ポンプ段は前記イオン源と連絡しており、複数の前記イオンは前記イオン源から前記第１真空ポンプ段に流入でき、また、真空ポンプ段はお互いに連絡しており、複数の前記イオンは、前記第１真空ポンプ段から連続する前記真空ポンプ段を通って流入できる、複数の真空ポンプ段と、
（ｃ）前記真空ポンプ段の少なくとも１つに配置された質量分析計および検出器と、
（ｄ）前記真空ポンプ段のうちの１つから始まり、連続する前記真空ポンプ段のうちの少なくとも１つの次に続く真空ポンプ段に延び、複数の前記真空ポンプ段を通って延設される多重極イオンガイドと、
（ｅ）前記多重極イオンガイドに電圧を印加するための電圧印加手段とを備えることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記イオン源は、エレクトロスプレーイオン源であることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記イオン源は、大気圧化学イオン化源であることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項４】
請求項１において、
前記イオン源は、誘導結合プラズマイオン源であることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項５】
請求項１において、
前記多重極イオンガイドは、６重極であることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項６】
請求項１において、
前記多重極イオンガイドは、４重極であることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項７】
請求項１において、
前記多重極イオンガイドは、複数の極を有することを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項８】
請求項１において、
前記質量分析計は、４重極マスフィルタであることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項９】
請求項１において、
前記質量分析計は、磁場型質量分析計であることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項１０】
請求項１において、
前記質量分析計は、飛行時間型質量分析計であることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項１１】
請求項１において、
前記質量分析計は、垂直パルス飛行時間型質量分析計であることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項１２】
請求項１において、
前記質量分析計は、ハイブリッドイオントラップ飛行時間型質量分析計であることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項１３】
請求項１において、
前記質量分析計は、イオントラップ型質量分析計であることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項１４】
請求項１において、
前記質量分析器は、フーリエ変換型質量分析計であることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項１５】
請求項１において、
前記真空ポンプ段を、３つ備えることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項１６】
請求項１において、
前記真空ポンプ段を、４つ備えることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項１７】
請求項１において、
前記多重極イオンガイドは、２つの前記真空ポンプ段を連続して通って延びることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項１８】
請求項１７において、
前記多重極イオンガイドは、前記第１真空ポンプ段から始まり、連続して第２真空ポンプ段へと延びることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項１９】
請求項１７において、
前記多重極イオンガイドは、前記第２真空ポンプ段から始まり、連続して第３真空ポンプ段へと延びることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項２０】
請求項１において、
前記多重極イオンガイドは、３つの前記真空ポンプ段を連続して通って延びることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項２１】
請求項１において、
前記多重極イオンガイドは、前記第１真空ポンプ段から始まることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項２２】
請求項１において、
前記多重極イオンガイドは、第２真空ポンプ段から始まることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項２３】
請求項１において、
前記多重極イオンガイドは、１つの前記真空ポンプ段から始まり、次に続く複数の前記真空ポンプ段を連続して通って延びることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項２４】
請求項１において、
前記多重極イオンガイドは、ＡＣ及びＤＣ電圧を前記多重極イオンガイドへ印加するための手段を有すことを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項２５】
請求項２４において、
前記多重極イオンガイドへ印加される前記ＡＣ及びＤＣ電圧とＡＣ周波数とを調整できることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項２６】
請求項２５において、
前記ＡＣ周波数は一定で、前記ＡＣ電圧の振幅および前記ＤＣ電圧を調整できることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項２７】
請求項２５において、
前記ＡＣ周波数および前記ＡＣ及びＤＣ電圧は、前記多重極イオンガイドを搬送されるイオンの質量電荷比の範囲を制限するように設定することを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項２８】
請求項２７において、
前記ＡＣ周波数は一定であり、前記ＡＣ電圧の振幅および前記ＤＣ電圧は、前記多重極イオンガイドを搬送されるイオンの質量電荷比の範囲を制限するように調整されることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項２９】
請求項１において、
前記多重極イオンガイドの一部が配置された少なくとも１つの前記真空ポンプ段のバックグラウンドガス圧が、イオンの運動エネルギーを低減するのに十分高いことを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項３０】
（ａ）ほぼ大気圧で作動し、試料からイオンを生成するイオン源と、
（ｂ）それぞれが部分的に真空状態を生成するためのガスを排出する手段を有し、第１真空ポンプ段は前記イオン源と連絡しており、複数の前記イオンは前記イオン源から前記第１真空ポンプ段に流入でき、また、真空ポンプ段はお互いに連絡しており、複数の前記イオンは、前記第１真空ポンプ段から連絡する前記真空ポンプ段を通って流入できる、複数の真空ポンプ段と、
（ｃ）イオンのパルス領域および飛行管を有し、前記イオンのパルス領域および前記飛行管が少なくとも前記真空ポンプ段の１つにそれぞれ設置された、飛行時間型質量分析計および検出器と、
（ｄ）少なくとも１つの前記真空ポンプ段に設置された少なくとも１つの多重極イオンガイドと、
（ｅ）前記多重極イオンガイドに電圧を印加するための電圧印加手段とを備えることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項３１】
請求項３０において、
前記イオン源は、エレクトロスプレーイオン源であることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項３２】
請求項３０において、
前記イオン源は、大気圧化学イオン化源であることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項３３】
請求項３０において、
前記イオン源は、誘導結合プラズマイオン源であることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項３４】
請求項３０において、
前記多重極イオンガイドは、６重極であることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項３５】
請求項３０において、
前記多重極イオンガイドは、４重極であることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項３６】
請求項３０において、
前記飛行時間型質量分析計は、前記イオンのパルス領域から前記飛行管に前記イオンを垂直パルス化する手段を備えたことを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項３７】
請求項３０において、
前記飛行時間型質量分析計は、前記イオンのパルス領域から前記飛行管に前記イオンを直列パルス化する手段を備えたことを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項３８】
請求項３０において、
前記飛行時間型質量分析計は、前記イオンのパルス領域から前記飛行管に前記イオンをパルス化するイオントラップを備えたことを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項３９】
請求項３０において、
少なくとも１つの前記多重極イオンガイドは、前記真空ポンプ段の１つに設置され、前記多重極イオンガイドは、同じ前記真空ポンプ段から始まり終わることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項４０】
請求項３９において、
前記質量分析計のそれぞれの前記多重極イオンガイドは、それぞれの真空ポンプ段から始まり終わることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項４１】
請求項３０において、
少なくとも１つの前記多重極イオンガイドは、前記真空ポンプ段の１つから始まり、少なくとも１つの連続する真空ポンプ段へ延びることを特徴とする化学種分析の方法。
【請求項４２】
請求項３０において、
少なくとも１つの前記多重極イオンガイドが設置された少なくとも１つの前記真空ポンプ段のバックグラウンドガス圧が、イオンの運動エネルギーを低減するのに十分高いことを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項４３】
請求項３０において、
前記イオンガイドは、前記飛行時間型質量分析計に導入される前記イオンのエネルギーを選択する手段として、ＡＣ及びＤＣ電圧を印加されることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項４４】
請求項４３において、
前記多重極イオンガイドに印加される前記ＡＣ及びＤＣ電圧は、前記多重極イオンガイドを搬送されるイオンの質量電荷比の範囲を制限できるように設定できることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項４５】
請求項４４において、
前記多重極イオンガイドに印加される前記ＡＣ及びＤＣ電圧は、前記飛行時間型質量分析計のデューティーサイクルを増加させるように設定できることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項４６】
請求項４４において、
前記多重極イオンガイドに印加される前記ＡＣ及びＤＣ電圧は、前記飛行時間型質量分析計の検出器の休止時間を減少させるように設定できることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項４７】
（ａ）試料からイオンを生成するイオン源と、
（ｂ）それぞれが部分的に真空状態を生成するためのガスを排出する手段を有し、第１真空ポンプ段は前記イオン源と連絡しており、複数の前記イオンは前記イオン源から前記第１真空ポンプ段に流入でき、また、真空ポンプ段はお互いに連絡しており、複数の前記イオンは、前記第１真空ポンプ段から連絡する前記真空ポンプ段を通って流入できる、複数の真空ポンプ段と、
（ｃ）前記真空ポンプ段のうちの１つから始まり、連続する前記真空ポンプ段のうちの少なくとも１つの次に続く真空ポンプ段に延び、複数の前記真空ポンプ段を通って延設される多重極イオンガイドと、
（ｄ）前記真空ポンプ段の少なくとも１つに設置されたイオン分析のための質量分析計と、
（ｅ）前記多重極イオンガイドに電圧を印加するための電圧印加手段とを備えることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項４８】
請求項４７において、
前記イオン源は、エレクトロスプレーイオン源であることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項４９】
請求項４７において、
前記イオン源は、大気圧化学イオン化源であることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項５０】
請求項４７において、
前記イオン源は、誘導結合プラズマイオン源であることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項５１】
請求項４７において、
前記多重極イオンガイドは、６重極であることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項５２】
請求項４７において、
前記多重極イオンガイドは、４重極であることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項５３】
請求項４７において、
前記多重極イオンガイドは、複数の極を有することを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項５４】
請求項４７において、
前記質量分析計は、４重極マスフィルタであることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項５５】
請求項４７において、
前記質量分析計は、磁場型質量分析計であることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項５６】
請求項４７において、
前記質量分析計は、飛行時間型質量分析計であることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項５７】
請求項４７において、
前記質量分析計は、垂直パルス飛行時間型質量分析計であることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項５８】
請求項４７において、
前記質量分析計は、ハイブリッドイオントラップ飛行時間型質量分析計であることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項５９】
請求項４７において、
前記質量分析計は、イオントラップ型質量分析計であることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項６０】
請求項４７において、
前記質量分析計は、フーリエ変換型質量分析計であることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項６１】
（ａ）ほぼ大気圧で作動し、試料からイオンを生成するイオン源と、
（ｂ）それぞれが部分的に真空状態を生成するためのガスを排出する手段を有し、第１真空ポンプ段は前記イオン源と連絡しており、複数の前記イオンは前記イオン源から前記第１真空ポンプ段に流入でき、また、真空ポンプ段はお互いに連絡しており、複数の前記イオンは、前記第１真空ポンプ段から連絡する前記真空ポンプ段を通って流入できる、複数の真空ポンプ段と、
（ｃ）前記真空ポンプ段のうちの１つから始まり、連続する前記真空ポンプ段のうちの少なくとも１つの連続する真空ポンプ段に延び、複数の前記真空ポンプ段を通って延設される多重極イオンガイドと、
（ｄ）イオンのパルス領域および飛行管を有し、前記イオンのパルス領域および前記飛行管が少なくとも前記真空ポンプ段の１つにそれぞれ設置された、垂直パルス飛行時間型質量分析計および検出器と、
（ｅ）前記多重極イオンガイドに電圧を印加するための電圧印加手段とを備えることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項６２】
請求項６１において、
前記イオン源は、エレクトロスプレーイオン源であることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項６３】
請求項６１において、
前記イオン源は、大気圧化学イオン化源であることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項６４】
請求項６１において、
前記イオン源は、誘導結合プラズマイオン源であることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項６５】
請求項６１において、
前記多重極イオンガイドは、６重極であることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項６６】
請求項６１において、
前記多重極イオンガイドは、４重極であることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項６７】
請求項６１において、
前記多重極イオンガイドは、複数の極を有することを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項６８】
請求項６１において、
少なくとも１つの前記多重極イオンガイドが配置された少なくとも１つの前記真空ポンプ段中のバックグラウンドガス圧をイオンの運動エネルギーを低減するのに十分高くし、前記多重極イオンガイドを搬送される所定の質量電荷比の前記イオンのエネルギー幅を減少させることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項６９】
請求項６１において、
前記イオンガイドは、前記飛行時間型質量分析計に導入される前記イオンのエネルギーを選択する手段として、ＡＣ及びＤＣ電圧を印加されることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項７０】
請求項６９において、
前記多重極イオンガイドに印加される前記ＡＣ及びＤＣ電圧は、前記多重極イオンガイドを搬送されるイオンの質量電荷比の範囲を制限できるように設定できることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項７１】
請求項７０において、
前記多重極イオンガイドに印加される前記ＡＣ及びＤＣ電圧は、前記飛行時間型質量分析計のデューティーサイクルを増大させるように設定できることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項７２】
請求項７０において、
前記多重極イオンガイドに印加されるＡＣ及びＤＣ電圧は、前記飛行時間型質量分析計の検出器の休止時間を減少させるように設定できることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項７３】
（ａ）試料からイオンを生成するイオン源と、
（ｂ）それぞれが部分的に真空状態を生成するためのガスを排出する手段を有し、第１真空ポンプ段は前記イオン源と連絡しており、複数の前記イオンは前記イオン源から前記第１真空ポンプ段に流入でき、また、真空ポンプ段はお互いに連絡しており、複数の前記イオンは、前記第１真空ポンプ段から連絡する前記真空ポンプ段を通って流入できる、複数の真空ポンプ段と、
（ｃ）複数の前記真空ポンプ段を通って、前記真空ポンプ段のうちの１つから始まり、連続する前記真空ポンプ段のうちの少なくとも１つの次に続く真空ポンプ段に延び、複数の前記真空ポンプ段のうち少なくとも１つがバックグラウンドガス圧を複数の前記イオンとの衝突を促進するのに十分高く維持されて設置される多重極イオンガイドと、
（ｄ）前記真空ポンプ段の少なくとも１つに設置された前記イオンの分析のための質量分析計と、
（ｅ）前記多重極イオンガイドに電圧を印加するための電圧印加手段とを備えることを特徴とする化学種分析のための装置。
【請求項７４】
（ａ）試料からイオン源へ導入されるイオンを生成することと、
（ｂ）複数の前記イオンを第１真空ポンプ段および次に続く多重極イオンガイドへ導入することと、
（ｃ）複数の前記イオンを前記多重極イオンガイドを通して輸送し、質量分析計へ導入して、化学種を分析するため、前記多重極イオンガイドのロッドへＡＣ及びＤＣ電圧を印加することとを備えることを特徴とする、イオン源と、複数の真空ポンプ段を有する真空システムと、質量分析計と、前記真空ポンプ段のうち少なくとも１つ以上の真空ポンプ段を通って延設される多重極イオンガイドと、前記多重極イオンガイドに電圧を印加する電圧印加手段とを利用する化学種分析のための方法。
【請求項７５】
請求項７４において、
前記イオン生成の過程は、ほぼ大気圧で行われることを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項７６】
請求項７５において、
前記イオン源へ導入される前記試料は、溶液であることを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項７７】
請求項７４において、
さらに、前記多重極イオンガイドの少なくとも一部の圧力を、前記イオンガイド中の前記イオンの、中性ガス分子との衝突により運動エネルギーを低減させるように十分高く保つことを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項７８】
請求項７４において、
さらに、ＤＣ電圧は、前記イオンガイドから搬送される前記イオンのエネルギーが安定するように設定されるレベルに、前記イオンガイドのロッドへ印加される過程を含むことを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項７９】
請求項７４において、
前記イオンガイドのロッドへ印加される前記ＡＣ及びＤＣ電圧は、前記イオンガイドを通過する前記イオンのｍ/ｚの範囲を制限するように設定されていることを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項８０】
請求項７９において、
前記イオンガイドの前記ＡＣ及びＤＣ電圧は、イオントラップ型質量分析計の分析能力を向上するために、前記イオンガイドを通過する前記イオンのｍ/ｚの範囲を制限するように設定されていることを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項８１】
請求項７９において、
前記イオンガイドの前記ＡＣ及びＤＣ電圧は、フーリエ変換型質量分析計の分析能力を向上するために、前記イオンガイドを通過する前記イオンのｍ/ｚの範囲を制限するように設定されていることを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項８２】
請求項７９において、
前記イオンガイドの前記ＡＣ及びＤＣ電圧は、飛行時間型質量分析計の分析能力を向上するために、前記イオンガイドを通過する前記イオンのｍ/ｚの範囲を制限するように設定されていることを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項８３】
請求項７９において、
前記イオンガイドの前記ＡＣ及びＤＣ電圧は、飛行時間型質量分析計の検出器の応答を向上するために、前記イオンガイドを通過する前記イオンのｍ/ｚの範囲を制限するように設定されていることを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項８４】
請求項７４において、
前記分析は、４重極型質量分析計で行われることを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項８５】
請求項７４において、
前記分析は、磁場型質量分析計で行われることを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項８６】
請求項７４において、
前記分析は、飛行時間型質量分析計で行われることを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項８７】
請求項７４において、
前記分析は、イオントラップ型質量分析計で行われることを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項８８】
請求項７４において、
前記分析は、フーリエ変換型質量分析計で行われることを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項８９】
（ａ）試料からイオン源へ導入されるイオンを生成することと、
（ｂ）複数の前記イオンを第１真空ポンプ段および次に続く多重極イオンガイドへ導入することと、
（ｃ）複数の前記イオンを前記多重極イオンガイドを通して搬送し、質量分析計へ導入して、化学種を分析するために、前記多重極イオンガイドのロッドへＡＣ及びＤＣ電圧を印加することとを備えることを特徴とする、ほぼ大気圧で作動するイオン源と、複数の真空ポンプ段を有する真空システムと、質量分析計と、前記真空ポンプ段のうち少なくとも１つを通って延設される多重極イオンガイドと、前記多重極イオンガイドに電圧を印加する電圧印加手段とを利用する化学種分析のための方法。
【請求項９０】
請求項８９において、
前記イオンの生成過程は、エレクトロスプレーイオン化を使って行われることを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項９１】
請求項８９において、
前記イオンの生成過程は、噴霧器を用いたエレクトロスプレーイオン化を使って行われることを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項９２】
請求項８９において、
前記イオンの生成過程は、大気圧化学イオン化を使って行われることを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項９３】
請求項８９において、
前記イオンの生成過程は、誘導結合プラズマイオン化を使って行われることを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項９４】
請求項８９において、
さらに、イオンガイド長の一部の圧力を前記イオンガイド中の前記イオンの中性ガス分子との衝突により、前記イオンの運動エネルギーを低減させるように十分高く保つことを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項９５】
請求項８９において、
ＤＣ電圧は、前記イオンガイドから搬送される前記イオンのエネルギーが安定するように設定されるレベルに、前記イオンガイドのロッドへ印加される過程を含むことを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項９６】
請求項８９において、
前記イオンガイドのロッドへ印加される前記ＡＣ及びＤＣ電圧は、前記イオンガイドを通過する前記イオンのｍ/ｚの範囲を制限するように設定されていることを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項９７】
請求項８９において、
前記イオンガイドの前記ＡＣ及びＤＣ電圧は、イオントラップ型質量分析計の分析能力を向上するために、前記イオンガイドを通過する前記イオンのｍ/ｚの範囲を制限するように設定されていることを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項９８】
請求項８９において、
前記イオンガイドの前記ＡＣ及びＤＣ電圧は、フーリエ変換型質量分析計の分析能力を向上するために、前記イオンガイドを通過する前記イオンのｍ/ｚの範囲を制限するように設定されていることを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項９９】
請求項８９において、
前記イオンガイドのＡＣ及びＤＣ電圧は、飛行時間型質量分析計の分析能力を向上するために、前記イオンガイドを通過する前記イオンのｍ/ｚの範囲を制限するように設定されていることを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項１００】
請求項８９において、
前記分析は、４重極型質量分析計で行われることを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項１０１】
請求項８９において、
前記分析は、磁場型質量分析計で行われることを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項１０２】
請求項８９において、
前記分析は、飛行時間型質量分析計で行われることを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項１０３】
請求項８９において、
前記分析は、イオントラップ型質量分析計で行われることを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項１０４】
請求項８９において、
前記分析は、フーリエ変換型質量分析計で行われることを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項１０５】
（ａ）試料からイオン源へ導入されるイオンを生成することと、
（ｂ）複数の前記イオンを第１真空ポンプ段および次に続く多重極イオンガイドへ導入することと、
（ｃ）複数の前記イオンを前記多重極イオンガイドを通して搬送し、前記質量分析計の前記パルス領域へ導入されるように、前記多重極イオンガイドのロッドへＡＣ／ＤＣ電圧を印加することと、
（ｄ）複数のイオンを前記飛行管内に加速させて、前記試料のイオンを分析するため、前記飛行時間型質量分析計の前記パルス化領域内のレンズエレメントにパルス化電圧を印加することとを備えることを特徴とする、ほぼ大気圧で作動するイオン源と、複数の真空ポンプ段を有する真空システムと、少なくとも１つの前記真空ポンプ段に設置された少なくとも１つの多重極イオンガイドと、飛行時間型質量分析計および検出器と、前記多重極イオンガイドに電圧を印加する電圧印加手段とを利用する化学種分析のための方法。
【請求項１０６】
請求項１０５において、
前記イオンは、エレクトロスプレーイオン化により生成されることを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項１０７】
請求項１０５において、
前記イオンは、噴霧器を用いたエレクトロスプレーイオン化により生成されることを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項１０８】
請求項１０５において、
前記イオンは、大気圧化学イオン化により生成されることを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項１０９】
請求項１０５において、
前記イオンは、誘導結合プラズマイオン化により生成されることを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項１１０】
請求項１０５において、
前記イオンは、前記飛行管軸とほぼ直行した軌道で前記パルス領域に導入されることを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項１１１】
請求項１０５において、
前記イオンは、前記飛行管軸とほぼ一致した軌道で、前記パルス領域に導入されることを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項１１２】
請求項１０５において、
イオンガイド長の一部の圧力を、前記イオンガイド中の前記イオンの、中性ガス分子との衝突により前記イオンの運動エネルギーを低減させるように十分高く保つことを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項１１３】
請求項１０５において、
ＤＣ電圧は、前記イオンガイドから搬送される前記イオンのエネルギーが安定するように設定されるレベルに、前記イオンガイドのロッドへ印加される過程を含むことを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項１１４】
請求項１０５において、
前記イオンガイドロッドへ印加される前記ＡＣ及びＤＣ電圧は、前記イオンガイドを通過する前記イオンのｍ/ｚの範囲を制限するように設定されていることことを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項１１５】
請求項１０５において、
前記イオンガイドの前記ＡＣ及びＤＣ電圧は、飛行時間型質量分析計の分析能力を向上するために、前記イオンガイドを通過する前記イオンのｍ/ｚの範囲を制限するように設定されていることを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項１１６】
請求項１０５において、
前記イオンガイドのＡＣ及びＤＣ電圧は、飛行時間型質量分析計の検出器の応答を向上するために、前記イオンガイドを通過する前記イオンのｍ/ｚの範囲を制限するように設定されていることを特徴とする化学種分析のための方法。
【請求項１１７】
（ａ）試料からイオン源へ導入されるイオンを生成することと、
（ｂ）少なくとも１つの真空ポンプ段がバックグラウンドガス圧を複数の前記イオンとの衝突を促進するのに十分高く維持されて設置される多重極イオンガイドへ、複数の前記イオンを導入することと、
（ｃ）複数の前記イオンを前記イオンの分析のために少なくとも１つの前記真空ポンプ段に配置された飛行時間型質量分析計と検出器へ導入することとを備えることを特徴とする、ほぼ大気圧で作動するイオン源と、複数の真空ポンプ段を有する真空システムと、飛行時間型質量分析計および検出器と、少なくとも１つの前記真空ポンプ段に配置された少なくとも１つの前記多重極イオンガイドと、前記多重極イオンガイドに電圧を印加する電圧印加手段とを利用する化学種分析のための方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、大気圧イオン源から真空中へ導入されるイオンを、質量分析計へ輸送し収束する多重極イオンガイドの構成、及びその使用方法に関する。多重極イオンガイドは、１つの真空ポンプ段から始まり、１つ以上の連続する真空ポンプ段へと延びて構成される。このような多重極イオンガイドによれば、イオンを１つ以上の真空ポンプ段へと効果的に輸送可能としながら、中性バックグラウンドガスをポンプにて排出することができる。また、多重極イオンガイドの複数極には、ＡＣ周波数、ＡＣ及びＤＣ電圧が印加されるが、これらの値は、多重極イオンガイドが所定の選択された範囲内の質量電荷比のイオンを通過させるように設定することができる。そして、こういった多重極イオンガイドにおけるイオン搬送性は、大気圧イオン源に臨む特定の質量分析計の性能を向上させるのに用いることができる。
【０００２】
（背景技術）
大気圧イオン源（ＡＰＩ）は、質量分析用のイオン生成手段として益々重要になってきている。具体的には、エレクトロスプレー、即ち噴霧器を用いたエレクトロスプレー（ＥＳ）や、大気圧化学イオン化（ＡＰＣＩ）や、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）イオン源は、ほぼ大気圧と等しい圧力領域にて分析試料種からイオンを生成するものである。そして、生成されたイオンは、質量分析のために真空室へと輸送される。ＡＰＩ供給源にて形成されたイオンの一部は、ＡＰＩ供給源チャンバー内のガスに取り込まれ、該ガスやキャリアガスとともに、オリフィスを通して真空室内へ押し流される。一般に、質量分析計（ＭＳ）は、質量分析計のタイプにより１０-4から１０-10Ｔｏｒｒの範囲に圧力を一定化した高真空室内で動作させるものである。ＡＰＩ供給源から真空室へ導入されるガス化イオンは、バックグラウンド用キャリアガスと分離され、単一又は多重段の真空システムを通して質量分析計へ輸送され収束される。そして、ＡＰＩ／ＭＳシステムでは、真空システムやそれに関連する静電圧レンズの構造として多様なバリエーションがある。具体的には、多重ポンプ段が採用される場合、静電レンズ部材は、イオンを加速させたり、イオンを質量分析計へ収束させるだけでなく、複数の真空ポンプ段間にオリフィス（すき間）を規制する機能を果たすように構成される。そして、静電レンズが一方のポンプ段から他方のポンプ段への中性ガスの搬送を限定するように働く場合に、動作の交換が起こることがある。例えば、一方のポンプ段と他方のポンプ段との間に配されたスキマーは、中性ガスのガス流を限定するが、オリフィスが比較的小さな寸法のため、同様にイオンの通過も制限してしまう。そこで、２種類のイオンレンズが真空室内へイオンを輸送し収束させるのに用いられている。ここで、特に、イオンは大気圧から自由噴射の拡張により内へ導入される。第１のレンズは、静電圧レンズであり、第２のレンズは、動的電界イオンガイドである。ＡＰＩ／ＭＳシステム用の最も効果的なレンズ構成は、静電界及び動電界が印加される両レンズ部材を上手に組み合わせて採用することである。
【０００３】
詳しくは、第１のイオンレンズのタイプは、静電レンズであり、このレンズには、イオンがレンズの電場内を移動している間に一定のＤＣ静電圧が印加される。図１に、静電圧が印加される静電レンズを有する４重真空ポンプ段のＡＰＩ／ＭＳシステムを模式的に示す。図１に示すように、キャピラリー口８から噴射されたガスは、真空室に向かって超音速自由噴射体として拡張し、ガスの一部が第１のスキマー１０及び第２のスキマー１４を通過する。一般に、ポンプ段同士の間に位置するスキマーは、そのオリフィスが小さく、中性ガスが下流側の真空ポンプ段へ流れるのを規制する。ＤＣ電圧は、キャピラリー口９、スキマー１４、及び他の静電レンズ１５，１６，１７に印加され、これら電圧値は、質量分析計１８へのイオンの搬送量を最大とするように設定される。拡張するガスに取り込まれたイオンは、静電的及び動的ガス力の組み合わせにより導かれる軌道を追従する。特に、図１に示す構成では、ガスの動的流れが第２のスキマー１３まで又はそれを超えて強力に影響を及ぼしうる。また、静電圧レンズを介したイオン搬送効率は、イオン軌道に沿って生じるイオンとバックグラウンドガス間の衝突によるイオン損失を分散することで低下してしまう。質量電荷比（ｍ／ｚ）の異なるイオンでは、衝突断面が異なり、そのため、真空室を輸送される間に生じるバックグラウンドガスとの衝突回数も異なってくる。よって、上述した静電レンズの電圧設定の場合では、質量分析計へのイオン搬送効率が、ｍ／ｚや衝突断面により変りうる。すなわち、あるイオン種の搬送を最適化すべくレンズの電圧値を設定しても、他のイオン種にとって搬送効率を最適化するとはいえないのである。そのため、ＡＰＩ／ＭＳシステムへの応用に静電圧レンズ構成を用いると、分子量の大きい成分と同様な効率で分子量の小さな成分を搬送することはできないことになる。分子量の小さいイオンほど、分子量の大きな成分よりもバックグラウンドガスとの衝突により分散される搬送損失が大きくなる。そこで、多層静電圧レンズを通したイオン搬送の効率を向上させるためには、ｍ／ｚの小さなイオンがバックグラウンドガスを通っても確実に搬送されるよう、静電エネルギーが十分高くなければならない。また、静電圧レンズ構造では、異なるエネルギーを有するイオンを異なる収束点にて収束させることもできる。ＡＰＩ供給源から真空室へ搬送されるイオンは、存在するイオンの種類ごとにそれぞれ異なるイオンエネルギーを有するイオンビームを生成する。仮に、所定のイオンの収束点が質量分析計の計測口に位置しなかった場合、搬送損失が生じることになる。そこで、質量分析計の問題点、すなわち質量／電荷比による搬送効率の違いや静電圧レンズによるイオン搬送の非効率性を解消すべく、多重極イオンガイドにおいて動的電界が、真空ポンプ段を介してＡＰＩ／ＭＳシステムの真空領域へイオンを輸送するのに用いられている。多重極イオンガイド内の動電界及び静電界は、イオンとの衝突を分散させるバックグラウンドガスを制御でき、また多重極イオンガイド長をイオンが通過する間にイオンを効果的に“トラップ”（閉じ込め）することができる。
【０００４】
このような多重極イオンガイドは、真空中における効果的なイオン搬送手段として知られている。Ｏｌｉｖｅｒｓ  ｅｔ．ａｌ．（Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．Ｖｏｌ．５９，ｐ．１２３０−１２３２，１９８７）や、Ｓｍｉｔｈ  ｅｔ．ａｌ．（Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．Ｖｏｌ．６０，ｐ．４３６−４４１，１９８８）や、米国特許第４，９６３，７３６号では、ＡＣオンリーモードで動作する４重極イオンガイドを用いて、ＡＰＩ供給源からのイオンを４重極型質量分析計へ輸送する方法を報告している。米国特許第４，９６３，７３６号は、多重極イオンガイドを、３段真空ポンプのうちの２段真空ポンプに用いた場合、または２段真空ポンプのうちの１番目の真空ポンプに用いた場合を開示している。この特許によれば、イオンガイドの位置する真空ポンプ段内のバックグラウンドガス圧を１０ｍＴｏｒｒまで増加すると、イオン搬送効率を向上することができるとともに、搬送イオンのイオンエネルギー幅を減少することができることをも報告している。ここで開示された４重極型質量分析計の構造では、イオン信号強度が、バックグラウンドガス圧を６ｍＴｏｒｒ以上とすることで減少する。なお、カナダのＳｃｉｅｘ社製の市販のＡＰＩ／ＭＳ装置は、単一の真空ポンプ段システム中の４重極マスフィルターよりも前の位置に、ＡＣオンリーモードに作動する４重極イオンガイドを配置して組み込んでいる。そして、ＡＰＩ装置のオリフィスを通って真空中に流れるイオン及び中性ガスが、４重極ＡＣオンリーイオンガイドに進入するようになされる。イオンは、ＡＣ４重極領域によりラジアル方向に拡散するのをトラップされ、中性ガスがロッドスペースを通してポンプにより吸引排出されるのに従って、４重極イオンガイドロッド長に沿って搬送される。そして、この４重極イオンガイドに存在するイオンが、同じ真空チャンバーに位置する４重極マスフィルター内へ収束される。このとき、中性ガスは、高容量ポンプにより汲み出される。多重４極イオンガイドは、ＡＰＩ供給源からのイオンを多重の真空ポンプ段を通して、フーリエ変換イオンサイクロントロン共鳴型質量分析計へと輸送するのに用いられている。Ｂｅｕ  ｅｔ．ａｌ．（Ｊ．Ａｍ．Ｓｃｏ．Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍ  ｖｏｌ．４．５４６−５５６，１９９３）は、５つの真空ポンプ段のうちの連続する３真空ポンプ段に位置する、ＡＣオンリーモード作動の３重真空ポンプ段の４重極イオンガイドを用いたエレクトロスプレーフーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴（ＦＴ−ＩＣＲ）型質量分析計を報告している。多重真空ポンプ段は、質量分析計の作動圧力を２×１０-9Ｔｏｒｒ以下に実現することが求められる。各真空ポンプ段の間には、中性ガスが一方の真空ポンプ段から隣の他方の真空ポンプ段へと伝導するのを規制する仕切りがあり、この仕切りに形成されたオリフィスが、連続する４重極イオンガイド間に位置していた。
【０００５】
ここ数年に亘り、ＡＰＩ／ＭＳシステム設計が開発されるにつれ、より高性能で且つ低価格なシステムが、多重真空ポンプ段の採用により実現されつつある。この多重真空ポンプ段は、バックグラウンドガスを排出しながら、各真空ポンプ段にあるイオンレンズシステムが、大気圧から質量分析計に向かって真空中を進入するイオンを加速し収束させるものである。ＡＰＩ供給源の接続される質量分析計の各種タイプは、大気圧と質量分析計との間のイオン輸送領域に位置するイオン輸送レンズの構成や真空条件についてそれぞれ独自の条件がある。各タイプの質量分析計は、許容可能なイオンエネルギー、イオンエネルギー幅、及び上流側のイオン輸送レンズシステムがイオンを質量分析計の入口に搬送する際に満足しなければならない入射角開きなどの条件がある。例えば、４重極型質量分析計は、一般に、４０電子ボルト以下の軸並進エネルギーを持つイオンを受け取るが、その一方、磁場型質量分析計は、何千もの電子ボルトの軸並進エネルギーを持つイオンを要する。
【０００６】
本発明では、ＡＰＩ／ＭＳシステムの総合的感度を向上するとともに、装置コストを低減し装置の複雑な構造を簡略化可能とするように、多重極イオンガイドが構成される。本発明の実施形態では、ＡＰＩ供給源から真空内に進入するイオンを飛行時間（ＴＯＦ）イオントラップ及びＦＴ−ＩＣＲ型質量分析計へ輸送するのに、多重極イオンガイドが用いられる。そして、イオンガイド動作安定領域に位置し多重極イオンガイドを通って効果的に搬送されるイオンの質量電荷比（ｍ／ｚ）の範囲が設定され、これらｍ／ｚのものを通過させる。詳しくは、所定の質量電荷比を有するイオンが、多重極イオンガイドの動作安定領域内にある場合、そのイオンが軸方向から離れて遠くまで移動するのを効果的なトラップにより防ぎ、イオンがイオンガイド軸方向に自在に移動可能とする。一方、イオンのｍ／ｚが安定領域外である場合、イオンは、安定した軌道を持たず、出口まで到達しない。多重極イオンガイドの組立体では、イオンとバックグラウンドガスとの間の衝突は、イオンが多重極イオンガイドを通過する際のイオンの搬送軌道やイオン運動エネルギーに影響しうる。仮に、バックグラウンドガスが十分高圧であれば、衝突を通して、イオンが多重極イオンガイドを通過していく際のイオンの動きを、イオンの運動及び熱エネルギーを低減しながら弱めることができる。これにより、特定のイオン種のエネルギー幅を減衰させた状態で多重極イオンガイドから放出するイオンビームを形成することできる。また、所定のバックグラウンドガス圧下で多重極イオンガイドを通って搬送されるイオンのｍ／ｚの安定領域や範囲は、隣接するイオンガイドロッドが交互の極性となるように印加されたＡＣ周波数、ＡＣ及び／又はＤＣ電圧を調整することで可変される。多重極レンズのオフセット電位、すなわちＡＣロッド電位及びそれと反対極性のＤＣロッド電位が浮動して基準とされる、全ロッドに均一に印加されたＤＣ電圧は、多重極イオンガイドを通って搬送されるイオンエネルギーを設定するのに用いられる変数である。本発明は、幅広い範囲の真空（減圧）下にてイオンを効果的に輸送可能とする多重極イオンガイドを構成するものである。また、多重極イオンガイドは、低エネルギー幅のイオンビームを質量分析計へ搬送し、エネルギー平均値及びｍ／ｚを個別に調整可能とするものであり、この多重極イオンガイドにより、ＡＰＩ／飛行時間（ＴＯＦ）型質量分析システムや、ＡＰＩ／イオントラップ型質量分析システムや、ＡＰＩ／ＦＴ−ＩＣＲ型質量分析システムの性能を向上することができる。
【０００７】
本発明の他の実施形態は、ＡＰＩ／ＭＳシステム内に多重真空ポンプ段の多重極イオンガイドを組み入れたものである。この多重真空ポンプ段の多重極イオンガイドとは、多重真空ポンプシステムにおいて、１つのポンプ段から始まり、連続して１つ以上の追加真空ポンプ段を通って延設される多重極イオンガイドである。仮に、多重ポンプ段システムの１つの真空ポンプ段だけに位置する多重極イオンガイドでは、そのイオンガイド内に存在するイオンを、あるポンプ段と次のポンプ段を分割する穴を通して運ばなければならない。そのため、バックグラウンドガス圧が多重極イオンガイドの出口からイオンを分散させるほど高圧であったり、次のポンプ段の穴がイオンビームの断面よりも径が小さい場合には、イオン搬送に損失が生じることになる。また、ＡＰＩ／ＭＳシステム内の最初の数個のポンプ段において、個別に多重極イオンガイドが累進的に配置されている場合、各ポンプ段間でイオンを搬送する際に、イオン搬送損失が生じうる。さらに、ポンプ段間のイオン搬送損失を抑えるべく、使用するポンプ段の数をより少なくした場合、真空室に移送される全ガス流および全イオン数が、それなりの量になってしまう。よって、連続する複数の真空ポンプ段を亘って延設するよう構成された多重極イオンガイドを用いた多重真空ポンプ段によって、９５％以上のイオン搬送効率を実現することができる。ここで、多重真空ポンプ段の多重極イオンガイドは、あるポンプ段から次のポンプ段へと流れる中性ガス流を最小限とするのに十分なほどの小さい中央開口部を有するイオンガイドとして機能しなければならない。Ｘｕ  ａｔ．ｅｌ．（Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｉｎｓｔｒ．ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｉｎ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｖｏｌ．３３３，ｐ２７４，１９９３）は、２つの真空ポンプ段を通って延びる６重極レンズを開発し、７５〜１５０Ｔｏｒｒの真空（減圧）に維持されたチャンバー内で作動するヘリウム放電源から発生されたイオンを輸送する技術を開示している。この開示内容では、ヘリウム放電源で形成されたイオンの一部が、オリフィスを通して次の真空段へと押し出されていた。そして、これらイオンが、ＲＦオンリーモードに作動する６重極イオンガイドにより２つの追加真空ポンプ段を通って搬送された。このように、イオンガイドによりトラップされたイオンは、放電源真空チャンバーの下流側の２つの真空ポンプ段を通って効果的に輸送された。放電源真空チャンバーの下流側の真空ポンプ段では、バックグラウンドガス圧が６００ｍＴｏｒｒであり、その後に９８ｍＴｏｒｒのバックグラウンドガス圧の真空ポンプ段が続くよう構成された。そして、１つの真空ポンプ段から始まり途切れなく２つの真空ポンプ段へと延びる６重極イオンガイドを通るイオン搬送効率は、Ｏ2+イオンの場合で９０％であったと報告されている。Ｘｕ  ａｔ．ｅｌ．で開示された装置では、質量分析計が用いられていないが、装置内のヘリウム放電イオン源バックグラウンド圧力が、大気圧以下の５〜１０倍であり、ヘリウムがバックグラウンドガスとして使用されていた。大気圧イオン源質量分析システムに組み込まれた多重ポンプ段の多重極イオンガイド（ＡＰＩ／ＭＳ）には、様々な構成や性��基準があり、これらはＸｕらにより開示されたイオンガイドの応用に必要であった。ＡＰＩ／ＭＳシステムに取り込まれる多重極イオンガイドは、幅広い範囲の質量電荷比に対して多様な帯電状態のイオンを効果的に搬送できなければならない。一般に、ＡＰＩ供給源には、ヘリウムではなく窒素がキャリアガスとして用いられる。また、ＡＰＩ／ＭＳ多重真空ポンプ段システムのバックグラウンドガス圧は、Ｘｕらの報告したイオンガイド装置の圧力とはしばしば非常に異なった値である。Ｘｕ  ｅｔ．ａｌにより実施された非ＡＰＩ／ＭＳシステムにはないＡＰＩ／ＭＳシステムに課された追加的制約としては、最初の２真空ポンプ段のガス拡張領域で衝突誘起解離（ＣＩＤ）により分子イオンを分解可能とすることである。これにより、重要な構造に関する情報は、ＥＳやＡＰＣＩ源で生成された分子イオンのＣＩＤから得ることができる。ＣＩＤ条件は、静電圧レンズ間の相対電位、更にはＡＰＩ供給源の最初の２真空ポンプ段に配された多重極イオンガイドの各ＤＣオフセット電位を調整することで設定することができる。
【０００８】
本発明では、多重ポンプ段の多重極イオンガイドが、ＡＰＩ／ＭＳシステムの性能を最大限向上させるとともに、システム内の真空ポンプのコストを低減するよう構成されている。すなわち、ＡＰＩ供給源から質量分析計へのイオン搬送効率を最大限としながら、中性ガスの搬送量を最小限とすることで、信号感度の向上及び真空ポンプのコストダウンを実現している。本発明は、１つの真空ポンプ段から始まり、途切れなく１つ以上の連続する真空ポンプ段を通って延設される多重真空ポンプ段の多重極イオンガイドに関する。ここで、多重極イオンガイド組立体のロッド径やロッドスペースは、中性ガスがイオンガイドを通って下流側の真空ポンプ段へと搬送されるのを最小限とするよう十分小さな大きさとした。また、各真空ポンプ段の適度な真空圧力は、通常の容量真空ポンプにて実現できた。このような小さな内径を有するイオンガイドは、ロッドやポール間のスペースを通過する中性ガスの伝達を十分可能とするように構成し、中性ガスを各ポンプ段で効果的に汲み出した。また、イオンガイドを介した効果的なイオントラップやイオン輸送が、幅広いバックグラウンドガス圧に対してイオンガイド長に沿って実現可能であった。本発明は、上述の文献で報告されているＡＰＩ／ＭＳイオンガイドよりも高圧なバックグラウンドガス圧で効果的に作動するイオンガイドに関する。本発明の実施形態に示すように、多重極イオンガイドは内径が小さく、これに比例して小さな断面を有するイオンビームを生成できた。そして、質量分析計に収束されるイオンビームの断面が小さいほど、イオン搬送効率を下げることなく、質量分析計の入口を小さくすることができた。このような多重真空ポンプ段の多重極イオンガイドを用いることにより、効果的なイオン輸送、イオンエネルギーの制御、エネルギー幅の低減、及び小径なイオンビームを実現できる。
【０００９】
（発明の概要）
本発明では、エレクトロスプレー、即ち噴霧器を用いたエレクトロスプレー（ＥＳ）や、大気圧化学イオン化（ＡＰＣＩ）や、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）イオン源などの質量分析計に接続される大気圧イオン源（ＡＰＩ）が、多重極イオンガイドを、ＡＰＩ供給源と質量分析計との間の真空ポンプ領域に組み込んで構成されている。
【００１０】
本発明の実施形態では、ＡＰＩ／ＭＳシステムは、多重真空ポンプ段と、１つの真空ポンプ段から始まり２つ以上の真空ポンプ段を通って途切れなく延設された多重極イオンガイドとを備える。多重極イオンガイドの内径は、真空ポンプ段間の中性ガスの伝達を最小限に抑えつつ、多重極イオンガイド長に沿ってイオンを効果的に輸送すべく、小さく抑えられている。多重真空ポンプ段の多重極イオンガイドの少なくとも一部は、高圧なバックグラウンドガス圧を受けることになる。このバックグラウンドガス圧は、イオンガイド長に沿って移動するイオンが中性バックグラウンドガス分子との多数の衝突を受けるほど高圧となされている。このような多重極イオンガイド組立体を通過するイオン搬送効率は、所定の真空ポンプ段のバックグラウンドガス圧が数百ｍＴｏｒｒであっても、９５％を超えることができる。また、多重極イオンガイドにおけるイオンとバックグラウンド中性ガスとの衝突により、イオンの運動エネルギーが低減され、イオンのエネルギー幅を狭めることになる。多重極イオンガイドのＡＣ領域は、径断面内にてイオンをトラップし、イオンがイオンガイド長に沿って移動する際にバックグラウンドガスとの衝突によりイオンの分散損失が生じるのを防ぐことができる。質量分析計の入口の電位に対して、多重極イオンガイドを出るイオンのエネルギーは、多重極イオンガイドのＤＣオフセット電位を変化させることで設定できる。そして、イオンガイド内でイオンの運動エネルギーを十分低減することで、イオンエネルギーを、所定のｍ／ｚのイオンエネルギー幅に対応させて幅広い範囲で変化を少なく調整することができる。数電子ボルト又はそれ以下の平均エネルギーを有するイオンは、多重真空ポンプ段の多重極イオンガイドを用いて、質量分析計の入口穴へ搬送される。４重極型質量分析計に搬送される狭いエネルギー幅の低エネルギーイオンは、高エネルギーイオンよりも、所定の感度に対してより高度な分解能が実現されることになる。こういった感度や分解能の向上は、４重極型質量分析計、飛行時間型質量分析計、イオントラップ型質量分析計、ＦＴ−ＩＣＲ型質量分析計、及び磁場型質量分析計において、真空システムのコスト減を図った本発明の多重真空ポンプ段の多重極イオンガイドを用いて実現することができる。
【００１１】
ＡＣオンリーモードにおいて、又はポールにＡＣ及びＤＣ（周波数、電圧）を印加した状態で、多重極イオンガイドを駆動する際に、その周波数や電圧のレベルは、幅広いｍ／ｚのイオンが多重極イオンガイドを搬送されるように設定することができる。また、ＡＣ周波数、ＡＣ及びＤＣ電圧は、所定のバックグラウンドガス圧下にて多重極イオンガイドを通って搬送されるｍ／ｚの範囲を限定するように設定することもできる。具体的には、ＡＰＩ／ＴＯＦ型質量分析計のデューティーサイクルや感度を向上させるのに、ＴＯＦ型質量分析装置の分析計に搬送されるイオンのｍ／ｚの範囲を限定する方法が用いられる。また、ＦＴ−ＩＣＲ型質量分析装置のイオントラップや分析計セル内に搬送されるイオンのｍ／ｚの範囲を限定することで、質量分析中でのトラップやＦＴ−ＩＣＲセル内の空間帯電効果を低減することができる。これにより、質量分析精度、及び質量分析計の分解能や動的範囲を向上することができる。
【００１２】
（発明の詳細な説明）
試料溶液は、ＥＳ、ＡＰＣＩ、ＩＣＰイオン源などの大気圧イオン化源に導入され、ガス化イオンが溶液内の分析試料から生成される。ＡＰＩ／ＭＳシステムは、１から５以上の真空ポンプ段を備えるものがある。図１に示すように、エレクトロスプレーイオン化源が、４重極型質量分析計に接続される。図示するシステムでは、４つの真空ポンプ段と静電圧レンズ構造とを備え、最初の３段の真空ポンプ段を通してイオンを輸送し、４重極型質量分析計１８の入口にイオンを収束する。この構成では、試料溶液がニードル１中に導入され、チャンバー２のバスガス中にエレクトロスプレーされる。液滴はチャンバー２中で蒸発したり、またはキャピラリー３を通して真空室へ掃き出されて、蒸発する液滴からイオンが放たれる。帯電した液滴は、対向流の乾燥ガス２３及び／又は加熱キャピラリー３によって乾燥することができる。エレクトロスプレーチャンバー（室）２で形成されたイオンや帯電した液滴は、バックグラウンドガスの一部と共にキャピラリーの入口４に入り、キャピラリー環５を通して真空室へ送り出される。なお、この代わりに、真空室へのキャピラリーのオリフィス（隙間）を、最適な隙間寸法を有するノズルで代用しても良い。バス内ガス、即ちキャリアガスと、それに取り込まれたイオンは、キャピラリーを通って押し出され、キャピラリーの出口８を通って第１の真空ポンプ段７へと進入する。一般に、真空ポンプ段７内の圧力は、０．４から２０Ｔｏｒｒに維持され、キャピラリー内にあるガスは、超音速自由噴射にて拡散する。この超音速自由噴射に取り込まれたイオンは、拡散するバックグラウンドガスとの衝突により加速される。ここで、用いられるバックグラウンドガスは、たいてい窒素であるが、二酸化炭素、酸素、ヘリウム、または分析条件やイオン源のタイプに適合する他の任意の種類のガスであっても良い。静電界は、キャピラリー出口８、リングレンズ９、及び第１のスキマー１０の間に印加され、これにより、イオンをスキマー１０のオリフィス１１を介して第２の真空ポンプ段１２へと静電的に加速し収束する。真空ポンプ段１２は、通常、ポンプスピードやスキマーオリフィス１１の寸法により１〜２００ｍＴｏｒｒの範囲の圧力下で動作する。静電ポテンシャルは、スキマー１０と１３との間で維持され、スキマー１０を通過するイオンの一部を、スキマー１３のオリフィス２２を通して第３の真空ポンプ段２０へと収束させる。真空ポンプ段２０の圧力は、通常、１×１０-3〜８×１０-5Ｔｏｒｒの範囲で維持される。また、電位が静電レンズ部材１４，１５，１６上で設定され、イオンを穴１７を通して収束し、第４の真空ポンプ段２４に位置する４重極マスフィルタ１８へ通過させる。
【００１３】
図１に示す静電圧レンズシステムは、イオンを真空ポンプ段を通して質量分析計へ輸送及び収束しつつ、バックグラウンドガスを排出可能とするものである。ここで、４重極マスフィルタのオフセット電圧に対するイオンエネルギーは、拡張するキャリアガスにより付与される加速エネルギーと、印加される静電ポテンシャルとの組み合わせで設定される。リング電極９及びスキマー電極１０に対するキャピラリー出口８の電位は、衝突誘起解離（ＣＩＤ）を引き起こすのに十分な高い値に設定することができる。このＣＩＤは、親イオン及びフラグメントイオンのエネルギー及びエネルギー幅に影響しうる。また、バックグラウンドガス圧からの分散や、真空ポンプ段のスキマーオリフィス１１，２２や４重極入口１７を通して全てのイオンを静電的に収束できないことによって、各真空ポンプ段でイオン搬送損失が生じうる。そのため、各真空ポンプ段につき望ましい真空（減圧）圧を実現すべく、真空ポンプスピードを各真空ポンプ段につき８００Ｌ／Ｓｅｃ以下として、真空ポンプのコスト及びサイズを低減する。ここで、この構成におけるスキマーオリフィス１１は、通常直径０．８ｍｍ〜１．５ｍｍとし、スキマーオリフィス２２を直径０．８ｍｍ〜３．０ｍｍとする。そして、質量分析計の圧力条件に応じて（例えば、４重極型質量分析計では１０-6Ｔｏｒｒ、磁場型分析計では１０-7Ｔｏｒｒ）、最適なスキマー寸法を選択し、可能なポンプスピードの規制内で真空条件を満足させる。スキマーのオリフィス寸法が小さいほど、この静電圧レンズ構造を通過しうるイオン数が少なくなる。また、所定のｍ／ｚのイオンのエネルギー幅が高く、且つ異なるｍ／ｚのイオン間のエネルギー差が大きいほど、質量分析計及び質量分析に効果的に収束されるイオン数が少なくなる。図示した静電圧レンズ構造では、分析作動中に維持される真空圧力によって、異なるｍ／ｚに対して異なる搬送効率を示すことが有り得る。また、この静電圧レンズシステムでは、イオンエネルギーが１０電子ボルト以下となると、すぐにイオン搬送効率が低下する。
【００１４】
そこで、中性ガスをコスト的に効率良く排除できるという多重ポンプ段の利点を維持しつつ、イオン搬送効率を向上するために、複数の静電圧レンズの一部を取り替えた多重極イオンガイドが用いられる。図２に、真空ポンプ段４１に始まり、途切れなく真空ポンプ段４２へ延びる多重極イオンガイド組立体４０を示す。この組立体４０では、個々のロッド、即ちポール４５は、真空ポンプ段４１及び４２間の仕切りから絶縁体４３により電気的に分離されて所定位置に保持される。６重極イオンガイドの断面図を図１２に示す。絶縁体１５６は、６本のロッド即ちポール１６０を所定箇所に保持する目的と、中性ガスを流しイオンを一方の真空ポンプ段から次の真空ポンプ段へと搬送するロッド組立体径内の有効開口領域を最小化する目的の２つの目的を担う。多重極イオンガイド組立体４０は、平行な電極４５からなる。また、図１２では、イオンガイド組立体が、中心線から同径で等間隔に配された円形ロッド１６０からなる。８重極イオンガイドであれば、等間隔に配された８本のロッドからなり、４重極イオンガイドであれば、等間隔に配された４本のロッド即ちポールからなる。このような多重極イオンガイド４０がＡＣオンリーモードで動作する場合、１つおきにロッドが、同じＡＣ周波数、電圧、位相となり、隣同士のロッドが、印加されるＡＣ周波数及び電圧は同じだが、位相が１８０度異なるようになる。例えば、６重極イオンガイドについては、３ロッド即ちポール（ロッド１，３，５）は、同じＡＣ周波数、電圧、位相にて動作するが、残りの３ロッド（ロッド２，４，６）には、同じＡＣ周波数及び電圧だが１８０度異なる位相が印加される。ＤＣオフセット電圧は、多重極イオンガイド４０の全てのロッド４５に印加され、イオンエネルギーの形成に大きな役割を果たす。スキマー４７の電位は、イオンをスキマー４７のオリフィス４８を通して多重極イオンガイド４０へと効果的に搬送することができるように、多重極イオンガイドのＤＣオフセット電位に対して設定される。多重極イオンガイド４０に進入するイオンの運動エネルギーは、イオンが多重極イオンガイド４０に入る際の外辺領域からのＡＣ電圧成分と同様に、キャピラリー出口５０に入る拡散ガスによる速度や、キャピラリー出口５０、リングレンズ５１及びスキマー４７に印加される相対的静電ＤＣ電位や、多重極イオンガイド４０のＤＣオフセット電位からの寄与を内包する。静電圧レンズ部材５３は、多重極イオンガイドの出口端部５２に追加され、イオンを質量分析口４７へと収束するようにしても良い。レンズ５３は、多重極イオンガイド４０の出口５２に位置し、出てくるイオンを多重極イオンガイドのＡＣ電圧外辺領域からシールドし、イオンを質量分析計の入口穴４７に収束させる。これら２つの真空ポンプ段の多重極イオンガイド４０を通るイオンの搬送効率は、幅広い範囲のｍ／ｚのイオンに対して９５％以上である。ここで、イオン搬送効率は、スキマーオリフィス４８を通過した全イオン電流を測り、さらに、エレクトロスプレーイオン化源の同じ動作条件で多重極イオンガイド４０に存在する全イオン電流を測ることにより特定した。
【００１５】
図２に模式的に示した４重極型質量分析計は、イオントラップ型質量分析計、ＴＯＦ型質量分析計、ＦＴ−ＩＣＲ型質量分析計、磁場型質量分析計などの他の質量分析計によって置き換えられても良い。例えば、磁場型質量分析計などの数キロボルトのイオンエネルギーを必要とする質量分析計では、イオンガイドＲＦ及びＤＣ電位が、キロボルトのイオン加速電位上で浮動しうる。そして、セクタ型質量分析計において、相対的なイオンガイドのＡＣ及びＤＣ、スキマー４７、及び出口レンズ５３の各電位は、キロボルトのイオン加速電位と照合されるが、飛行管がイオン加速電位で作動するような状態で、４重極、イオンガイド、ＦＴ−ＩＣＲ、ＴＯＦなどの低エネルギー質量分析計の構成に用いられる対応する各電位と、近い値となされても良い。ここで、図２に示した２重真空ポンプ段の多重極イオンガイド４０の性能を一例として用いてきたが、多重ポンプ段の多重極イオンガイドは多様な変形が可能である。６重極イオンガイドとしては、ロッドが真空ポンプ段４１で始まり、図２中で示した４つの段システムのうちの真空ポンプ段４２へ連続して延設されたロッドを備えた構成とした。使用試験を目的として、バックグラウンド圧力を第１及び第２ポンプ段５３，４１において変化させた。そして、多重極イオンガイド４０をＡＣオンリーモードで動作するようにし、ＡＣ周波数、振幅、及びＤＣオフセット電位を変化させて、所定のバックグラウンド圧範囲に亘って性能をマッピングした。
【００１６】
なお、図２に示した４真空ポンプ段のＡＰＩ／ＭＳシステムにおいては、２真空ポンプ段の６重極イオンガイドを、４重極イオンガイドや８重極イオンガイドよりも優先して選んだ。というのも、６重極イオンガイドの構成は、イオントラップ効率や、ロッドスペースを介した真空ポンプの空気流伝導や、幅広いｍ／ｚ及びバックグラウンド圧の所定範囲における安定領域同士の重複などの関係から最も好ましい構成であるためである。２つの非寸法係数an及びqnは、運動のラプラス方程式を解くことにより多重極イオンガイドやマスフィルタでのイオン軌道をマッピングする際に一般に用いられるものである。これら２つの係数は、次式にて定義される。
ａn＝ｎ3Ｕ／２（ｍ／ｚ）ｗ2ｒ02    ｑn＝ｎ3Ｖ／４（ｍ／ｚ）ｗ2ｒ02
ここで、ｎは、ロッドペアの数（例えば、６重極イオンガイドの場合はｎ＝３）であり、Ｕは、ロッドに印加されたＤＣ電位であり、ロッドは１つおきに反対極性を有している。また、ｍ／ｚは、多重極イオンガイドを移動するイオンの質量対電荷比であり、ｗは、印加される周波数であり、Ｖは、ロッドに印加される０からピーク間のＡＣ電位であり、ロッドは１つおきに位相が１８０度ズレている。また、ｒ0は、組立体の中央線からの半径を示している。多重極イオンガイドがＡＣオンリーモードで動作する場合、Ｕは、ゼロに設定され、ａnは動作方程式から外れる。全ロッドに等しく印加されるＤＣロッドオフセット電位は、多重極イオンガイド４０に出入りするイオンの軌道にだけ影響する。ただし、このオフセット電位は、一端イオンがイオンガイド内を通過してロッド内にトラップされた後は、イオン自身の初期の入口軌道及び速度に影響すること以外では、イオン軌道の安定性に影響すべきではない。図２に示す構成では、ロッド組立体内のバックグラウンドガス圧が多重極イオンガイド長に沿って変化し、イオンガイドを通るイオン軌道に影響する傾向がある。多重極イオンガイドを通るイオン軌道上でバックグラウンド中性ガスが衝突する作用を理論上模式化するには、イオンの断面が分からなければならない。ＡＰＩ供給源により発生されたイオンの衝突断面、特に、エレクトロスプレーイオン化源により生成された多重帯電イオンの断面は、必ずしも分からない。そのため、本発明に開示の多重極イオンガイドの構成としては、多重極イオンレンズを介する効果的なイオン搬送を実現する係数ａn及びｑnの値を、イオンのｍ／ｚ及びバックグラウンドガス圧の組み合わせ範囲を超えて実験的に特定した。
【００１７】
ａn＝０のとき、ロッドのＡＣ電圧を、図２に示した多重極イオンガイドを使用して、異なる電波周波数（ＲＦ）値に応じて勾配を持たせ、４重極型質量分析計の範囲内にある全ｍ／ｚの安定領域値ｑnをマッピングした。また、バックグラウンドガス圧の勾配を各イオン搬送の試験において一定に保ち、２重真空ポンプ段の多重極イオンガイド４０を通過する安定且つ効果的なイオン軌道を実現可能とする係数ｑnの値を確定した。イオンがロッド長を移動する際に生じるイオンと中性ガスとの衝突数は、ロッド長及びバックグラウンド圧に依存する。すなわち、ロッドが長ければ長いほど、イオンが所定バックグラウンドガス圧下でロッドを移動する際に生じる衝突数を増やすことができる。実際に、多重極イオンガイド組立体４０では、有効内径を２．５ｍｍ以下として構成することで、真空ポンプ段４１，４２間の中性ガスの流動を最小限にすることができた。また、真空ポンプ段４１におけるロッド長を２．９ｃｍ、真空ポンプ段４２におけるロッド長を、３．０ｃｍとした。このような多重極イオンガイド構成及びバックグラウンド圧の勾配を試験した場合、印加するＡＣ電圧は、ロッド間で絶縁破壊が生じる値以下で維持した。所定のｍ／ｚ及び帯電状態のイオンの安定的軌道が得られるｑn値を特定するには、１〜１０ＭＨｚの範囲の設定周波数に対して、多重極ＲＦ振幅に勾配を持たせた。
【００１８】
図３ａ，３ｂ，３ｃは、一連の試験例を示しており、ここではバックグラウンドガス圧を次のようにした。ポンプ段５３を２Ｔｏｒｒとし、ポンプ段４１を１５０ｍＴｏｒｒとし、ポンプ段４２を４×１０-4Ｔｏｒｒとし、ポンプ段５４を６×１０-6Ｔｏｒｒとした。図３ａのデータでは、４重極マスフィルタをｍ／ｚ１０９．６〜１１０．６の範囲でスキャンさせた。イオン信号は、ＲＦ振幅を変化させながらＲＦ周波数を１ＭＨｚづつ変えて測定し、最大信号を見つけた。各ＲＦ周波数において、ＲＦ振幅を最小値から最大値へと勾配を持たせて変化させ、その後また最小値に戻すように勾配を持たせた。図３ａ中の点６１では、２重真空ポンプ段の多重極イオンガイドがＡＣオンリーモードで動作しており、ＲＦ周波数が３ＭＨｚに設定され、ＲＦ振幅が低い値に設定されている。ＲＦ振幅は、点６２で最大値をとるように勾配を持ち、ｍ／ｚが１１０であるイオンのイオン搬送効率は、上記周波数で点６３にて最大値（ピーク）に到達する。振幅は点６２から元の低い値に向かって下がって勾配を持ち、点６４では、イオンの搬送は、ほぼ又は全く観察されない。点６５で観察される信号最大値は、点６３と点６５で同じ値のｑ3が生じていることから予想されるように、点６３とほぼ同じＲＦ振幅を有する。ＲＦ周波数が５ＭＨｚに設定された場合、ＲＦ振幅は点６６で最小値をとってから、点６７で最大値をとり、再び点６８で最小値へと戻るように勾配を持つ。点７８及び６７間に生じるイオン信号の比較的平坦な上部形状は、ｍ／ｚ１１０における効果的なイオン搬送が、ＲＦ振幅即ちｑ3の範囲を超えて生じていることを示している。図３ｂは、図３ａ及び図３ｃのデータと同時に得られた、ｍ／ｚ８７２のイオンにおけるイオン搬送効率を示している。４重極マスフィルタをｍ／ｚ８７１．７〜８７２．７までスキャンしつつ、図３ａのｍ／ｚ１１０の場合と同様なＲＦ周波数及び振幅をかけた。ここで、ＲＦ振幅は、１ＭＨｚの下で点６９にて小さな値に設定した。ＲＦ振幅は、点６９で最小値をとってから点７１で最大値をとるまで増加され、イオン搬送効率は点７０で最大となった。また、予想されるように、ＲＦ振幅を点７１での最大値から勾配を持たせて変化させ、点７２の最小値に戻す時に、同じｑ3値でイオン搬送効率が最大となる。そして、周波数を増やして３ＭＨｚとし、ＲＦ振幅を点７３の最小値から点７４の最大値へと勾配を持たせ、さらに点７５で最小値に戻すと、ＲＦ振幅、即ちｑ3の幅広い範囲を超えて、効果的なイオン搬送が実現できる。図３ｃは、図３ａに示したｍ／ｚ１１０に用いられた範囲と同じＲＦ周波数及び振幅範囲に亘って、ｍ／ｚ１７４３のイオン（１７４２．５〜１７４３．５の範囲をスキャンした）におけるイオン搬送効率を示す。図３に示されるように、所定のバックグラウンド圧力下で、多重極イオンガイドを超えて磁場のオーダーを変化させた場合に、ＡＣオンリーモードで作動するイオンガイドを通過するイオン搬送効率を、幅広いｍ／ｚの範囲に対して効果的に実現することができる。
【００１９】
例えば、イオン搬送効率を図３に試したｍ／ｚの全範囲に亘って最大値とすることを希望した場合、ＲＦ周波数を４ＭＨｚに設定し、ＲＦ振幅を点７６で示される、おおよそｑ3値となるようにすれば良い。搬送効率が計測されたこの一定ｑ3値及びバックグラウンド圧値では、ｍ／ｚが１１０以下や１７４３以上のイオンに対して、多重極イオンガイドを通して効果的なイオン搬送が行えると考えられる。図４に、イオンガイドのｑ3値を図３の点７６で設定した場合のグルカゴンのマススペクトルを示す。メタノール：水が１：１の溶媒中に濃度２ｐｍｏｌμ／ｌのグルカゴンを含む溶液を、図２で示したＡＰＩ／ＭＳ装置に連続注入試料導入法を用いてエレクトロスプレーし、４重極型質量分析計にてｍ／ｚ２０〜１９００の範囲をスキャンした。（Ｍ＋４Ｈ）+4，（Ｍ＋３Ｈ）+3，（Ｍ＋２Ｈ）+2のグルカゴンのピークを、それぞれ図中記号８０、８１及び８２で示す。このように、自由噴射から放出されたイオンを質量分析計へ搬送し収束する多重ポンプ段の多重極イオンガイドを用いることで、感度を妥協せずに、ＡＰＩ／ＭＳ装置の真空システム及びイオン光学システムの構成に自由度を持たせることができる。多重ポンプ段が小さいほど、性能を妥協することなく、装置コストを最小限とするように真空ポンプを選択して、ＡＰＩ／ＭＳ装置を構成することができる。このように、多重ポンプ段の多重極イオンガイドは、幅広い圧力勾配の範囲に亘り、効果的なイオン搬送及びイオン収束を可能とするように構成し動作させることが可能である。図２に示した構成では、第２真空ポンプ段１２のバックグラウンド圧は、２００ｍＴｏｒｒ以上や数ｍＴｏｒｒ以下の範囲に亘る異なる数値に設定しても、イオン搬送効率にはほとんど変化はなかった。よって、本発明により動作圧力が幅広い範囲で可能となったため、ここで示した多重極イオンガイドとしては、動作圧力の状況が多様な多種類の質量分析計に対して、異なる実施形態を構成することができる。例えば、４重極型質量分析計では、１×１０-5Ｔｏｒｒかそれ以下の真空圧下で効果的に動作可能であり、その一方、ＴＯＦ型質量分析計では、イオンの飛行時間中にイオンとバックグラウンドガスとの多数の衝突を避けるために、バックグラウンド圧が、１０-7Ｔｏｒｒ範囲かそれ以下であることが求められる。このような幅広い単一の圧力範囲を有する多重真空ポンプ段のＡＰＩ／ＭＳ装置や、多重ポンプ段の多重極イオンガイドは、ポンプコストを最小限に抑えながら、イオン搬送及びイオン収束を最大限効果的にするように構成することができる。
【００２０】
図３に示されるように、ａnやｑn値は、イオン搬送において低い又は高いｍ／ｚ比のイオンを遮断（カットオフ）するように設定することができる。例えば、ａn＝０の場合、ＲＦ周波数が３ＭＨｚであり、ＲＦ振幅が点７９から点６２の間の何れでも動作するように設定されたら、ｍ／ｚが１１０又はそれ以下のイオンは、多重極イオンガイドを通って質量分析計に搬送されない。同様に、ＲＦ周波数が７ＭＨｚであり、ＲＦ振幅が点７７の値に設定されたら、ｍ／ｚの高いイオンは、多重極イオンガイドを通って質量分析計に搬送されるのを遮断される。図５ａは、幅広いｍ／ｚの範囲内のイオンを通過させるようにｑn値を設定した場合の多重極イオンガイド４０の動作を示す。図５ｂは、低いｍ／ｚのイオン搬送を遮断するようにｑn値を設定した場合の多重極イオンガイド４０の動作を示す。図５ａは、多重極イオンガイド４０を幅広いｍ／ｚの範囲内のイオンを通過させるようにｑ3値に設定した場合に、メタノール：水が１：１の溶媒中に濃度２ｐｍｏｌμ／ｌのアルギニンを含む溶液を、連続注入法を用いてエレクトロスプレーした際のマススペクトルを示している。溶液中に存在するカチオン不純物のナトリウム８５（ｍ／ｚ２３）及びカリウム８６（ｍ／ｚ３９）が、マススペクトル中に見られる。また同様に、プロトン化したメタノールモノマー８７（ｍ／ｚ３３）やメタノールダイマー（二量体）８８（ｍ／ｚ６５）、及びｍ／ｚ１７５の試料アルギニンのプロトン化したピーク９０が見られる。図５ｂは、同一のスプレー条件にて同様な溶液をエレクトロスプレーした際のマススペクトルであるが、６重極イオンガイドのｑ3値を低いｍ／ｚのイオンを遮断するように設定した。１００〜１２０ｍ／ｚのイオン搬送は、アルギニン９１又はそれ以上の高いｍ／ｚのイオンのイオン搬送効率を低減することなく、効果的に遮断されている。その他の実施例として、図６ａ及び図６ｂに示したものがある。これらは、図２に示したＡＰＩ／ＭＳ装置を用いて、メタノール：水が１：１の溶媒中に濃度２ｐｍｏｌμ／ｌのグラミシジンＳを含む溶液を、連続注入法でエレクトロスプレーした際の実施例を示している。図６ａでは、６重極イオンガイド４０のｑ3値を幅広いｍ／ｚの範囲内のイオンを通過するように設定し、不純物カリウムピーク９２及びプロトン化して２価に帯電されたグラミシジンＳのピーク９３（Ｍ＋２Ｈ）+2が、マススペクトル中に見られる。図６ｂは、図６ａと同一のスプレー条件での同様なグラミシジンＳ溶液のマススペクトルであるが、６重極イオンガイドのｑ3値を低いｍ／ｚのイオンを遮断するように設定した。カリウムイオンは、もはや質量分析計に搬送されていないが、ピーク９４で示される２価のグラミシジンＳのイオン搬送効率は維持されている。ここで、ｑn値は、図７ａ及び７ｂに示すように、高いｍ／ｚのイオン搬送の遮断を起こすよう選択される。図７ａ及び７ｂでは、図２に示したＡＰＩ／ＭＳ装置を用いて、メタノール：水が１：１の溶媒中にアルギニン、ロイシンエンケファリン、グラミシジンＳを各濃度２ｐｍｏｌ／μｌとした溶液をエレクトロスプレーした実施例を示している。図７ａは、多重極イオンガイド４０のｑ3値を、幅広いｍ／ｚの範囲内のイオンを通��させるように設定したマススペクトルを示している。このマススペクトルには、ｍ／ｚの低いイオンピーク９８と同様に、アルギニン（Ｍ＋Ｈ）+ピーク９５、ロイシンエンケファロン（Ｍ＋Ｈ）+ピーク９６、及び２価のグラミシジンＳ（Ｍ＋２Ｈ）+2ピーク９７が示されている。図３ｂは、同一のスプレー条件で同様な溶液をエレクトロスプレーしたマススペクトルである。但し、イオンガイド４０のａn値及びｑ3値は、ｍ／ｚの低いイオンがピーク９９で示されるように通過するが、ｍ／ｚの高いイオンが多重極イオンガイド４０を通過しないように設定される。
【００２１】
高圧のバックグラウンドガス下で動作する際の多重極イオンガイドの重要な特徴は、イオンガイド長に沿って移動するイオンがバックグラウンドガスと多数の衝突を起こすことで、イオン運動エネルギーを低減することである。イオンが多重極イオンガイドに進入しその中を通過する時に、ＲＦ電場、またはＲＦ−ＤＣ電場が、衝突によりイオンがラジアル方向に分散するのを抑えてトラップする。このとき、バックグラウンドガスは、ガスの動力によりイオンを部分的に軸方向に移動させることができる。また、バックグラウンドガスとの衝突によるイオン運動エネルギーの低減によって、多重極ロッドを出るイオンのエネルギー幅を狭めることになる。イオンがイオンガイド長を移動する間に生じる衝突数は、ロッド長、ロッド組立体内のバックグラウンド圧、及び多様な電場によるイオン軌道の状態のいかんによる。具体的には、イオンガイド組立体の一部に沿ったバックグラウンド圧が十分高圧であると、多くのイオンが中性分子と衝突することになり、イオンガイドのＤＣオフセット電位が、イオンガイドを出るイオンの平均エネルギーを設定するのに用いることができる。また、多重極イオンガイドの一部をイオン衝突による低減効果を生じさせる高圧領域として該イオンガイドを駆動させることで、結果的に得られる搬送イオンの狭いエネルギー幅は、イオンガイドのＤＣオフセット電位を調整した際に平均イオンエネルギーが変化しても、その変化とは独立して維持される。図２に示す装置では、第２真空ポンプ段１２のバックグラウンド圧を１５０ｍＴｏｒｒに維持した状態で、スキマー４７の電位を、イオンガイド４０のＤＣオフセット電位に対して所定の電圧幅に亘って調整することができ、イオンガイドから放出されるイオンの平均イオンエネルギーやエネルギー幅にはほとんど変化が見られなかった。
【００２２】
イオンガイド４０の電極に印加される電場は、イオンガイド長の大部分に沿って移動するイオン運動に支配的に影響する力であるが、イオンガイド長の一部に亘って該イオンガイド内に生じるガスの動力は、イオンエネルギーやエネルギー幅を決定するのに重要な役割を果たす。イオンガイド４０口に近い箇所で高圧なほど、イオンガイドに進入するイオンのトラップ効果を向上すると考えられる。
【００２３】
そこで、図２に示すイオンガイド内でのガス動力の効果を例証するために、図２中のレンズ５３の電圧に勾配を持たせ、質量分析計のイオン信号をモニターすることにより、２価のグラミシジンＳ（Ｍ＋２Ｈ）+2イオン（ｍ／ｚ５７１）のエネルギー幅を測定した。この技術は、イオンエネルギーの正確なプロファイルをつかむことにはならない。なぜならば、レンズ５３は、阻止電位を印加できるというだけでなく、収束部材でもあるからである。しかしながら、たとえレンズ５３の電圧に勾配を持たせて変化させて収束性が変化しても、所定のｍ／ｚのイオンエネルギーの境界を得ることは可能である。具体的には、図２の構成の多重極イオンガイドを使用し、バックグラウンド圧を真空ポンプ段５３で２Ｔｏｒｒとし、真空ポンプ段４１で１５０ｍＴｏｒｒとし、真空ポンプ段４２で４×１０-4Ｔｏｒｒとし、真空ポンプ段５４で６×１０-6Ｔｏｒｒとし、４重極型質量分析計の入口４７の接地電位に対して６重極イオンガイドのＤＣオフセット電位を調整することで、イオンエネルギーを変化させた。図８ａ、図８ｂ及び図８ｃは、６重極イオンガイド４０の３つの異なるＤＣオフセット電位で、グラミシジンＳの２価陽イオンピーク（Ｍ＋２Ｈ）+2のイオン信号を示したものである。図８ａでは、ＤＣオフセット電位を４重極型質量分析計の入口４７に対して０．１ボルトに設定した状態で、６重極イオンガイド４０をＡＣオンリーモードで駆動した。図８ａは、レンズ５３の２ボルト〜８．２ボルト間の３連続勾配電圧における、ｍ／ｚが５７１．６のイオン信号レベル１００を示している。ｍ／ｚが５７１．６のイオンの９０％以上が、１つのイオンエネルギーの電圧窓に収まっている。図８ｂは、６重極イオンガイド４０のＤＣオフセット電位を１５．３ボルトとした状態で、レンズ５３の１９ボルト〜２１．２ボルト間の３連続勾配電圧における、ｍ／ｚが５７１．６のイオン信号１０１を示している。検出されたｍ／ｚが５７１．６のイオンの９０％以上が、１つの電圧窓に収まるエネルギーを有している。同様に、図８ｃは、６重極イオンガイド４０のＤＣオフセット電位を２５．１ボルトとした状態で、レンズ５３の２９ボルト〜３５ボルト間の３連続勾配電圧における、ｍ／ｚが５７１．６のイオン信号１０２を示している。同じく、６重極イオンガイド４０内に存在するｍ／ｚが５７１．６のイオンの９０％以上が、１つの電圧エネルギー窓に収まっている。平均イオンエネルギーは、図８ａ、図８ｂ及び図８ｃの６重極イオンガイド４０で設定されたＤＣオフセット電位よりも高く、約３〜５．２ボルトの範囲内にある。ここで、真空ポンプ段５１の自由噴射による拡散ガスがもたらすイオン加速が、グラミシジンＳイオンの場合、この２．６〜３ボルトの追加的イオンエネルギーの理由となっている可能性がある。ただし、多重極イオンガイドのＤＣオフセット電位が高められたときに３ボルトを超え１〜２ボルト分のエネルギーがどこに付加されるかは、未だ明白ではない。多重極イオンガイド４０のＤＣオフセット電位を調整することにより、低いエネルギー幅を有しつつ、所定のｍ／ｚの平均イオンエネルギーを制御できる性能を兼ねて効果的にイオン輸送することができ、これにより、多様な質量分析計において高分解能での高感度を実現できる。
【００２４】
ＡＰＩ／ＭＳシステムは、ガイド長の一部が真空（減圧）下で動作する多重極イオンガイドを組み込んでおり、この真空圧（減圧）が、イオンのロッド長移動時の衝突による低減効果をもたらすのに十分な高圧となされている。そして、このようなＡＰＩ／ＭＳシステムは、次のような３つの重要な動作特徴を有する。まず第１に、十分なバックグラウンド衝突が存在する中で動作するイオンガイドが、最適なａn及びｑnを設定した際にイオン搬送効率を低減することなく、イオンエネルギー幅を低減することができる点である。第２に、所定のｍ／ｚのイオンにおける平均イオンエネルギーが、イオンエネルギー幅を大幅に変化させることなく、多重極イオンガイドのＤＣオフセット電位を変化させて調整できる点である。第３に、イオンエネルギーが、多重極イオンガイドを通るイオン搬送効率を低減することなく、イオンガイドのＤＣオフセット電位を変化させることにより調整できる点である。これら特徴を示す例として、図９に、部分的に分割された同位体ピークを有した、２価陽イオンのグラミシジンＳ（Ｍ＋２Ｈ）+2ピークのマススペクトル１０３を示す。このスペクトルは、図２の構成を持つＡＰＩ４重極型質量分析システムを用いて、メタノール：水を１：１とした溶媒中に濃度２ｐｍｏｌ／μｌのグラミシジンＳ試料を含む溶液をエレクトロスプレーして得られた結果である。このとき、６重極イオンガイド４０のＤＣオフセット電位を、４重極型質量分析計の入口４７の接地電位に対して０．１ボルトに設定した。特に、低いイオンエネルギーの場合に、多重極イオンガイド４０及び４重極マスフィルタ５７の外辺領域が存在する状況で、多重極イオンガイド出口５２と４重極マスフィルタ５７間には、静電レンズ５３，４７の収束及び搬送性能の程度次第でイオン搬送損失が生じる可能性がある。このとき、性能は、より高分解能な設定でスキャンする際にはより低いエネルギーのイオンを優先しながら、イオンエネルギー、４重極マスフィルタ５７の分解能及び信号レベルの間でトレードオフする。図１に示した静電圧レンズシステムを用いると、図９に示すような分解能及び感度は得られない。また、適当なａn及びｑn値で動作する多重極イオンガイドを、バックグラウンド圧がイオンガイド長を移動するイオンの衝突低減効果を生じるのに十分な高圧となされている領域で用いることにより、静的レンズ構成を用いた場合と比較してＡＰＩ／ＭＳシステムの性能を向上することができる。
【００２５】
このように、イオン運動エネルギーの低減効果を発生するバックグラウンド圧領域で駆動する多重極イオンガイドの性能は、多種多様な質量分析計の性能を向上するのに用いることが可能である。なお、多重真空ポンプ段の多重極イオンガイドを４重極型質量分析計と接続させて使用することでイオン搬送効率を向上できるという利点は、上述した実施例で説明した。ｍ／ｚ当りの狭いエネルギー幅を変化させずに多重極ＤＣオフセット電位を調整することにより平均エネルギーを設定できる点は、分析計が４重極型、磁場型、ＴＯＦ型、イオントラップ型、又はＦＴ−ＩＣＲ型質量分析計であるＡＰＩ／ＭＳ装置の分解能及び感度を向上するために利用できる。そして、２つ以上の真空ポンプ段を通って延びる多重極イオンガイドを質量分析計より前の初期真空ポンプ段にて用いた際に、ＡＰＩ／ＭＳシステムの感度や分解能をより高度に向上することができ、しかもポンプコストを最小限とすることができる。また、所定のｍ／ｚのイオン搬送の遮断が設定されたモードで多重極イオンガイドを駆動することができる点は、該イオンガイドを磁場型や４重極マスフィルタなどのスキャン質量分析計において利用しても動作上の利点とならない。これらのスキャン質量分析計は、任意の所定時に狭いｍ／ｚの範囲内のイオンだけを検出器へ搬送するからである。しかしながら、ＴＯＦ型、イオントラップ型、ＦＴ−ＩＣＲ型などのトラップ及び／又は非スキャン技術を用いる質量分析計にとっては、質量分析計に搬送されるｍ／ｚの範囲を限定できるという多重極イオンガイドの特徴は、システムの性能を高めるものである。図１０は、リフレクトロン型飛行時間質量分析計を有する４真空ポンプ段の垂直パルスＡＰＩ／ＭＳシステムを示す図である。便宜上、エレクトロスプレーイオン化源をＡＰＩ源として示したが、この代わりにＡＰＣＩやＩＣＰ源であっても良い。試料溶液は、エレクトロスプレーニードル１１０を通して導入され、チャンバー１１１に向けてエレクトロスプレー、即ち噴霧器によりエレクトロスプレーされ、１１２にてニードルから放出する。そして、生成された帯電液滴は蒸発し、ガス化イオンがチャンバー１１１内と、環を通して真空中へ吐き出される時にキャピラリー１１３内との両方で離脱する。キャピラリー出口１１４を通って第１の真空ポンプ段１３３に進入したイオンの一部は、レンズ１１５や、キャピラリー出口１１４に印加された電位によって、スキマー１１６のオリフィス１３６を通して収束される。スキマーオリフィス１３６を通過したイオンは、多重極イオンガイド１１８に進入する。ここで、多重極イオンガイド１１８は、真空ポンプ段１１７から始まり、途切れなく真空ポンプ段１１９へと延設されている。このとき、所定のｍ／ｚの範囲にあるイオンを通過するように、多重極イオンガイドのＡＣ及びＤＣ電圧を設定すると、多重極イオンガイドに進入した当該範囲内のイオンが１２１から放たれ、レンズ１２０を出てＴＯＦ分析計入口のオリフィス１２２を通るように収束される。初期のイオンビーム１３４は、第４の真空ポンプ段１２６に位置する静電レンズ１２３及び１２４の間を通過する。レンズ１２３，１２４，１２５における相対電圧はパルス化され、レンズ１２３と１２４間に入り込んだイオンビーム１３４の一部が格子レンズ１２５を通して束で放出され、飛行管１２７を下りながら加速される。イオンは、飛行管１２７を下り続けながら、図中１２８に示されるＸ及びＹレンズにより所定方向に向かって進む。図示した構成では、イオン束は、反射鏡つまりイオンミラー１３０を通して反射され、検出器１３１で検出される。パルス化されたイオン束は、飛行管１２７を下って進みながら、異なるｍ／ｚのイオンは、それらの速度が互いに異なることから、空間内で分離され、異なる時間に検出器へ到着する。このように、ＡＰＩ／ＴＯＦシステムで垂直パルスを用いることにより、初期イオン束のイオンエネルギー幅を狭めて、より高度な分解能及び感度を実現することができる。
【００２６】
質量分析計の穴１２２を通過する所定の初期イオンビーム電流では、イオンエネルギーが低いほど、パルス毎のパルス領域に存在するイオンの数は増える。これは、パルス毎に得られるイオン信号応答に直接影響する。また、初期イオンビームの静電エネルギーが低いほど、パルス領域１３５で生じるイオン濃度対ｍ／ｚの区分がなくなっていく。この区別が生じるのは、静電的に加速された低いｍ／ｚのイオンは、高いｍ／ｚのイオンよりも速く移動し、その結果、パルス領域での類似イオン電流のｍ／ｚあたりの相対濃度が低濃度となるためである。静電的に加速されたイオンと、自由噴射でガス動力により加速されたイオンとの間でも、分離がなされる。高分子量の場合には若干のズレもあるが、自由噴射で真空中に拡散する中性ガスだけで加速されるイオンは、単一エネルギーよりむしろ単一速度に近いイオンビームを形成する。バックグラウンドガスとの衝突のない状態での静電加速は、単一エネルギーに近いイオンビームを作り出す傾向にある。パルス領域１３５に進入する単一速度イオンビームは、所定のイオン流において、イオン濃度対ｍ／ｚの誤差を低減することになり、結果的に相対的ピーク高さが当初のイオンビーム１３４の相対的ｍ／ｚの強度をより強調して表すマススペクトルを生じることができる。
【００２７】
初期イオンビーム１３４内のイオンの並進エネルギーは、拡散ガスと静電加速により離脱されたエネルギーの合計である。そして、一部が高真空圧領域で動作する多重極イオンガイド１１８は、イオンビームの分岐を最小限にして、低並進エネルギーを有するイオンビームを、質量分析計のオリフィス１２２を通して移送することができる。仮に、静電レンズシステムが用いられると、一般に、イオンビームエネルギーが低くなり、ビーム分岐を増大させる結果となる。ビーム分岐は、開口１２２に進入するイオンビームの強度を低減するだけでなく、パルス領域１３５においてイオンビーム断面を増大させてしまう。そして、初期イオンビームの分岐により垂直パルスＴＯＦ構造の分解能を低減させる結果となる。よって、イオンをパルス領域に搬送する際に、多重極イオンガイド１１８を使用することによって、低イオンビームエネルギーにおけるイオンビーム分岐の程度を低減することができる。こうして、最終的な結果として、感度や分解能が向上する。
【００２８】
多重極イオンガイド１１８の有効内径を小さくすることにより、イオン搬送効率を妥協せずに、真空ポンプ段１１７及び１１９間の中性ガス伝達を最小限とすることができる。多重極イオンガイド１１８の有効内径は、一般に２．５ｍｍ以下である。イオンガイドの形状自体は、出口１２１を出るイオンビームの断面に上限を設けるものである。多重極イオンガイド１１８を出るイオンビームの直径を２ｍｍ以下に限定することにより、開口１２２は２ｍｍに抑えられ、パルス領域１３５へのイオン搬送効率にほとんど又は全く損失がない。開口１２２の寸法が小さいほど、真空ポンプ段１２６へ入る中性ガス量は少なくなり、真空ポンプスピードに求められる条件が減り、装置コストも低減される。また、パルス領域１２４に入る初期イオンビーム１３４が小さいほど、イオンが領域１３５から飛行管１２７へとパルス化される前に生じる、空間内のイオン拡散が減る。このように、垂直パルス構造では、イオンビーム１３４の幅を小さくすることにより、パルス化されたイオン束幅や、イオンの空間拡散や、イオンのエネルギー幅を低減することができ、潜在的にＴＯＦの感度や分解能の向上につながる。
【００２９】
垂直パルスＴＯＦでは、狭いイオンエネルギー幅が望ましい。なぜならば、初期イオンビームエネルギーであるイオンエネルギーの垂直成分は、イオンが飛行管を移動する時に横方向の移動に変るためである。そのため、初期イオンビームでのイオンエネルギー幅が狭いほど、初期ｍ／ｚイオン束が飛行管１２７を通過する際にラジアル方向に密集して保持されることとなり、結果的に検出器１３１の表面により多くのイオンが収束されるようになる。図８に示すように、イオン運動エネルギーの低減効果を発生させる真空圧領域で多重極イオンガイドを動作させることにより、イオンエネルギー幅を狭めることとなり、またイオン搬送効率を低減したりイオンエネルギー幅を増幅させることなく、イオンエネルギーを低減することができる。低いイオンエネルギー幅を維持しつつ、イオンエネルギーを低減可能とすることで、ＴＯＦ型質量分析計のデューティサイクルや感度を向上させることができる。ところで、所定のｍ／ｚ及びエネルギーのイオンは、パルスが発生してからレンズ１２３，１２４間のギャップを満たすのに時間がかかる。仮に、ギャップ長が約２ｃｍであれば、ｍ／ｚ１０００でエネルギー２０ボルトのイオンは、その２ｃｍを走行しパルススペースを充填するのに１０．２μ秒かかる。また、エネルギーが３ボルトの同じイオンでは、２ｃｍを走行しギャップをイオンで満たすのに約２６．３μ秒かかる。なお、パルス化されずに飛行管に向かうイオンは、パルス領域１３４の壁面に衝突し無効となるため消失する。また、イオン束が１秒につき１００００回、即ち１００分につき１回の割合でパルス化されると、３ボルトの初期イオンビーム１３４をパルス化することで、２０ボルトの並進エネルギーを持つ初期イオンビーム１３４をパルス化するのと比べて、デューティサイクル及び感度を２．６倍向上することができる。断面が小さく、平均エネルギーが低減されたイオンビーム１３５搬送用の多重極イオンガイドを用いることで、ＡＰＩ／ＴＯＦシステムの性能を、単なる静電圧レンズを用いた場合よりも遥かに向上することができる。
【００３０】
多重極イオンガイドの特徴のうち、所定範囲のｍ／ｚのイオンを選択的に通過させ、範囲外のｍ／ｚのイオンの搬送を遮断する点は、ＡＰＩ／ＴＯＦシステムでのデューティサイクル及び検出器の感度を向上させるのに利用される。デューティサイクルは、パルス領域１３５に進入するｍ／ｚの範囲を狭めることで、ＴＯＦシステムにおいて向上される。図５，６，７を参照すると、多重極イオンガイドａn及びｑn値は、イオンガイドがｍ／ｚの搬送遮断点を持つローパスフィルタやハイパスフィルタとして動作するように設定することができる。また、各隣接するポールが逆ＤＣ極性を有するようなポールにＤＣ電位が印加されると、ａn及びｑn値は、多重極イオンガイドがより幅狭いｍ／ｚの範囲内のイオンを通過させるように設定することができる。通常、４重極イオンガイドは、このモードで、２×１０-5Ｔｏｒｒ以下に維持された真空圧領域において、マスフィルタとして利用される。なお、この真空圧領域は、バックグラウンドガスとのイオン衝突による影響を無視できるレベルである。また、＋又は−ＤＣ電位を適当なバックグラウンド圧の下で多重極ロッドに印加したとき、各種多重極イオンガイドやマスフィルタ組立体の搬送特性を試験して特定しなければならない。ａn及びｑn値のイオン搬送マッピングは、異なる数のポールや異なるバックグラウンド圧で動作する多重極イオンガイド間では同じ結果でないかもしれない。特に、ＴＯＦ装置のデューティサイクルに影響する変数としては、イオンが飛行管内をパルス化され、加速され検出される繰り返し数がある。仮に、パルス領域１３５がパルス間を埋めることができる場合、すなわち初期イオンビーム１３４エネルギーがこの基準を満足するように設定される場合、パルスの繰り返し数は、連続するイオン束が飛行管１２７を通って検出器へと移動する際における、最低のｍ／ｚを有するイオンの最も速い飛行時間と、最高のｍ／ｚを有するイオンの最も遅い飛行時間とで限定される。あるパルス化されたイオン束から次のイオン束へとイオンが重なり合っていると、結果として得られるマススペクトルを解読するのがより困難となる。そのため、低い、又は高いｍ／ｚのイオンが所定の分析にて対象となっていない場合、多重極ロッド１１８の動作に対して適当なａn及びｑn値を選択することによって、これらイオンがパルス領域に入っているのを回避することができる。また、イオン束が飛行管を下っていく際のイオン束の到着時間幅を狭めることによって、パルス間の時間を減らすことができ、結果的にデューティサイクルを増加することとなる。
【００３１】
例えば、図１０に示すＡＰＩ／ＭＳシステムでは、有効イオン飛行距離が２．５ｍであり、飛行管イオン加速エネルギーが１５００電子ボルト（ｅｖ）である。近接するイオンｍ／ｚ間のＴＯＦ検出器への到着時間差が、大きいほど、理論上、得られる分解能が高度であるといえる。しかしながら、ＡＰＩ源からの連続イオンビームの場合、イオン束の到着時間幅を増加させることにより分解能を向上する方法は、却ってデューティサイクルを低減しうる。具体的には、イオン加速エネルギーが１５００ｅｖでの２．５ｍのＴＯＦ飛行管内の相対飛行時間は、ｍ／ｚの値によって次のようになる。
ｍ／ｚ                      飛行時間（μ秒）
１                              ４．６
１９                            ２０．３
１００                          ４６．５
５００                          １０３．９
１０００                        １４６．９
２０００                        ２０７．８
３０００                        ２５４．５
５０００                        ３２８．６
１００００                      ４６４．７
【００３２】
パルス化されたイオン束内のイオンの最速の飛行時間から最遅の飛行時間を差し引くことにより、追跡パルス側のｍ／ｚの低いイオンが、引率パルス側のｍ／ｚの高いイオンに追いつくのを回避すべく、連続するパルス間に必要とされる最小時間を決定する。例えば、プロトン化した水（ｍ／ｚ１９）からｍ／ｚ３０００の範囲のｍ／ｚを有するイオンがパルスイオン束に存在する場合、２５５μ秒の遅延時間が連続するパルス間で維持されねばならず、これにより１秒間に約３９２１パルスが可能となる。ｍ／ｚが３０００以下で、並進エネルギーが３ボルトのイオンを有する初期イオンビーム１３４は、４５μ秒以下で２ｃｍのパルスギャップ１３５を埋める。飛行管に入るイオンのパルス間の遅延時間が長いほど、デューティサイクルは低下し、所定の初期イオンビーム強度に対する感度が低下する。仮に、所定の分析において対象とするイオンが、より幅狭いｍ／ｚ窓、例えばｍ／ｚが１０００以下の範囲に属するものである場合、多重極イオンガイドのａn及びｑn値を、ｍ／ｚが１０００以下のイオンだけを通過させるように設定すれば良い。このとき、パルス間の最小遅延時間が、１４７μ秒に低減されると、デューティサイクル及び電位的感度を１．７倍効果的に向上させることができる。その逆に、対象とする質量範囲がｍ／ｚ５００以上で、初期イオンビームに存在するイオンのｍ／ｚが２０００ｍ／ｚ以下である場合、多重極イオンガイド１１８の動作用ａn及びｑn値は、５００ｍ／ｚ以下のイオンを排除するように設定すれば良い。また、イオン束のパルス周波数は、１秒あたり９５００パルスを超えるように設定されると、パルス領域１３５に進入する全てのｍ／ｚ値に対するデューティが増加する。
【００３３】
積層型マルチチャネルプレート（ＭＣＰ）電子増倍部は、しばしばＴＯＦ型質量分析計における検出器として用いられる。ＭＣＰチャネルの個別チャネルリカバリー時間は、イオンがヒットし電子カスケードを生じた後、１ミリ秒ほどが良い。イオンが回復する前にチャネルへヒットすると、ほとんど又は全く電子カスケードは生じず、イオンは検出されないままである。所定のパルス化されたイオン束で最初に検出器に到着した低いｍ／ｚのイオンは、後に続く重いｍ／ｚのイオンのチャネルを弱めうる。また、イオン束パルス数が、１０００ヘルツを超えると、即ちＭＣＰチャンネルリカバリー時間よりもパルス間の時間が短いと、これにより、信号強度を低減することになる。というのも、先行するパルスからのイオンは多くのチャネルを弱めるため、検出器に到着したイオンが二次的な電子カスケード強度を減じるからである。さらに、所定の質量分析で対象とするイオンが限られたｍ／ｚの範囲内にある場合、不要なｍ／ｚのイオンが検出器に到着するのを防ぐことにより、対象とするイオンに対する検出器の応答を向上させることができる。多重極イオンガイド１１８のｍ／ｚ搬送窓は、パルス領域１３５に入ってくる不要なｍ／ｚ値のイオン数を最小限とし、且つ検出器に到達する不要なｍ／ｚ値のイオン数を減らすように選択することが可能である。
【００３４】
イオンを選択的に検出器に到達しないようにするには、イオン束の一部が検出器に到達する前にＴＯＦ飛行管を移動する間に、これを偏向させることによっても実現できる。イオン偏向用のイオンレンズを、図１０中記号１３２で示す。ＴＯＦのパルス領域に進入するイオンのｍ／ｚを限定するために多重極レンズを使用する技術は、飛行管での偏光部材の使用を補足する技術である。但し、偏光レンズは、これらがｍ／ｚ分離能の低いイオンフライト経路中の早い段階で用いられない限り、デューティサイクルを増加する手助けにはならない。Ｂｏｙｌｅ，Ｗｈｉｔｅｈｏｕｓｅ  ａｎｄ  Ｆｅｎｎ（Ｒａｐｉｄ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  ｉｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｕｍ．Ｖｏｌ．５，４００−４０５，１９９１）の報告によれば、線形パルスのＡＰＩ／ＭＳシステムは、垂直パルスＴＯＦ構造と同様に、上流側の真空ポンプ段に多重極イオンガイドを組み込むことで、感度やデューティーサークルを向上することができる。
【００３５】
ＡＰＩ源がイオントラップ型やＦＴ−ＩＣＲ型質量分析計に接続される場合に、真空ポンプイオン搬送光学系に多重極イオンガイドを利用すると、質量分析計のトラップ領域へのイオン搬送効率を向上させ、イオンエネルギー幅を低くし、所定幅のｍ／ｚイオンを選択的に搬送することで所望のｍ／ｚの範囲に対する空間電荷制限を縮小することにより、性能を向上することができる。また、ｍ／ｚの範囲のイオンに亘ってイオンエネルギー及びエネルギー幅を低くすることで、イオントラップ型やＦＴ−ＩＣＲ型質量分析計でのトラップ効率を向上する手助けとなる。イオントラップ型質量分析計と接続して用いた多重ポンプ段の多重極イオンガイドの一実施形態は、図２に示した４重極型質量分析計をイオントラップで置き換えることで構成できる。つぎに、本発明の他の実施形態を図１１に示す。図１１は、３重真空ポンプ段のＡＰＩ／イオントラップシステムを示しており、これは多重極イオンガイドが真空ポンプ段１４８から始まり、連続して３つの真空ポンプ段を通って延設された構造である。エレクトロスプレー、即ち噴霧器を有するエレクトロスプレーは、図示するように、イオントラップ型質量分析計１５４に接続される。試料溶液は、エレクトロスプレーニードル口１４０に導入されて、エレクトロスプレーされ、即ち噴霧器により電気的噴霧されて、エレクトロスプレーニードル先端１４１から放出される。エレクトロスプレーチャンバー１４２で生成された帯電液滴は、逆流乾燥ガス１６４のガス流に抗してキャピラリー口１４４に向かって吹き流される。イオンは、蒸発する帯電液滴から生成され、キャピラリー１４５を通して真空中へと流される。このキャピラリーは、キャピラリーを通って真空中へ広がるガスを加熱するキャピラリーヒーター１４６により過熱されても良い。キャピラリーの出口部１４７から出てきたイオンは、中性ガスの自由噴霧により第１の真空ポンプ段１４８中へ加速される。キャピラリーに存在したイオンの大部分は、多重極イオンガイド１６５に入って、ガイドの全長に沿って効果的にトラップされ輸送される。そして、イオンは第３真空ポンプ段１５１の多重極イオンガイド１６５から出て、レンズ１６２によりエンドプレート１５５を通ってイオントラップ１５４へと収束される。このとき、イオントラップをある角度に向けることで、イオンをエンドキャップとＲＦ電極との間の隙間を通してイオントラップ中へ導入することもできる。真空ポンプ段１４８の圧力は、キャピラリー１４５の内径や長さ、また真空ポンプ段の寸法やキャピラリーヒーターが作動する温度に応じて、０．１〜２Ｔｏｒｒの範囲とすることができる。第３の真空ポンプ段１５１は、電子増倍検出器１５２を適切に機能させるために、たいてい５×１０-5Ｔｏｒｒ以下の圧力に保たれるが、内部のトラップ圧は、トラップ１５４中にヘリウムガスを直接導入することでポンプ段１５１におけるバックグラウンド圧よりも高圧に設定されることがある。ポンプ段１５７の圧力は、通常、１５０ｍＴｏｒｒ以下に保たれている。
【００３６】
多重極イオンガイド１６５は、ロッド、即ちポール１５０から構成されており、ポンプ段１４８から始まり、途切れなくポンプ段１５７を通ってポンプ段１５１へと延びている。絶縁性の搭載ブラケット１５６，１５８は、多重極ロッド組立体を支持する目的と、バックグラウンドガスが下流側のポンプ段へと流れるのを最小限とすべく真空チャンバーを仕切る目的との２つの目的を果たすものである。図１２に、絶縁体１５６からなる６重極イオンガイド組立体の断面図を示す。６つのロッド１６０が、等間隔で且つ中心線から等しいラジアル距離の位置に、絶縁体１５６に取り付け保持されている。絶縁体は、動作中に６重極ロッドにより多重極ロッド組立体の断面領域１６１内に生じる静電場を乱すことなく、内部穴の有効断面領域を最小限とするように構成される。具体的には、ロッドの直径を約０．５ｍｍとし、ロッド内側のスペース１６６を２ｍｍとして、中性ガスが下流側の真空ポンプ段へ流れるのを最小限に抑え、必要な真空ポンプのサイズ及びコストを低減するようにした。また、絶縁体１５６，１５８の軸方向の長さを延ばすことで、中性ガスが一方の真空ポンプ段から次の真空ポンプ段へ移るのを抑えるようにしている。イオンガイド組立体では、内側断面領域１６１が小さいほど、それに比例してロッド１６０径も小さくなり、多重極イオンガイドを出るイオンビームの断面も小さくなる。したがって、多重極イオンガイド１６５を通って搬送されレンズ１６２から出てくるイオンビームの断面が小さければ小さいほど、イオントラップ端板１５５に求められる有効開口サイズも小さくなる。
【００３７】
多重極イオンガイド１６５は、バックグラウンドガス圧の勾配を通してイオンを効果的に輸送することができる。図８ａ，ｂ，ｃに示したように、イオンのエネルギー幅は、イオンがバックグラウンドガスとの衝突で生じる低減効果により低減される。そして、エネルギー幅が狭く且つ平均エネルギーが低いイオンがイオントラップ１５４に入ると、より高度なトラップ効果が実現できる。さらに、このトラップ効果の向上により、イオントラップ１５４に入る所定イオン電流に対して高度な感度が得られる。このように、所定のｍ／ｚの範囲のイオンの搬送を多重極イオンガイド１６５を通して選択的に遮断することで、イオントラップ型質量分析計における感度や信号動的領域を向上させることができる。イオントラップは、まず最初にイオンをトラップしてから、トラップされたイオン束に対して質量分析を行うようにしなければならない。イオントラップによれば、測定したｍ／ｚをシフトさせたり、分解能を低下させるといった空間帯電効果を受けないように、特定の限られた数のイオンだけを保持することができる。所定の質量分析をするに際し、多重極イオンガイドのａn及びｑn値は、出口レンズ１６２及びイオントラップ端板１５５を通ってイオントラップ１５４に搬送されるイオンのｍ／ｚの範囲を狭めるように設定することができる。これにより、所定の質量分析において対象としないｍ／ｚのイオンから空間帯電効果を低減することによって、対象とするｍ／ｚのイオンに対する信号応答の動的範囲を広げる。例えば、図５ａのスペクトルに見られる不純物ピーク８５，８６及び溶媒関連ピーク８７，８８は、帯電イオンでトラップを満たし、アルギニンピーク９０がイオントラップ中に見られる信号強度範囲を狭めるようにしている。なぜならば、低いｍ／ｚピークは、イオントラップ内に到達される空間帯電に限界をもたらす大きな要因である。図５ｂのスペクトルに示されるように、多重極イオンガイドのａn及びｑn値が低いｍ／ｚのイオンを遮断するように設定されると、アルギニンピーク９１は、トラップに進入する最初のイオン源となり、その結果、Ｓ／Ｎ比がより高い動的範囲を有してもむしろ空間帯電効果は見られない。このように、スペクトル内の動的範囲が増加することは、微量分析や正確な相対ピーク高さが溶液中の相対濃度を図るのに必要となる分析では、特に重要である。
【００３８】
ＦＴ−ＩＣＲ型質量分析計もまた、イオンをトラップし、イオン束に対して質量分析を行う。イオントラップ型質量分析計と同様に、ＡＰＩ／ＦＴ−ＩＣＲ  ＭＳ装置の性能は、イオン運動エネルギーの低減が生じる真空圧下で多重極イオンガイドを動作させ、所定のｍ／ｚのイオンエネルギー幅を狭めることにより、向上することができる。ここでは、所定の質量分析にて対象としたｍ／ｚ値のＦＴ−ＩＣＲ  ＭＳにおける動的範囲を効果的に増加するというよりも、むしろＦＴ−ＩＣＲ  ＭＳトラップセルにおける空間帯電限界による効果を、上述したイオントラップ型質量分析計と同様にして低減することができる。これらのイオンガイドの有効内径が小さいほど、小さな断面のイオンビームが発生するため、開口サイズの低減が可能となり、より小さなオリフィスを通過してもイオン搬送効率に大幅な減少のないＦＴ−ＩＣＲ型質量分析計とすることができる。
【００３９】
様々な構成のハイブリッドＡＰＩ質量分析計が報告されており、これら装置の性能が真空イオン輸送領域に多重極イオンガイドを組み込むことで向上することが知られている。Ｃｈｉｅｎ，Ｍｉｃｈａｅｌ  ａｎｄ  Ｌｕｄｍａｎ（Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．，ｖｏｌ．６５，１９１６−１９２４，１９９３）らは、ＡＰＩ源からのイオンをトラップし、これらをＴＯＦ型質量分析計飛行管内へパルス化して輸送すべく、イオントラップを用いている。特に、多重極イオンガイドは、イオンを高圧真空領域からＡＰＩ／イオントラップ／ＴＯＦ装置内のイオントラップへと輸送するのに、特に上流側の真空ポンプ段で用いるのが効果的で良い。
【００４０】
何れの質量分析計も、それ自身のイオンエネルギー、イオン入射光学系、及び真空について各条件がある。多重極イオンガイド、中でも特に２つ以上の真空ポンプ段を通って延びる多重極イオンガイドの構成は、それらを組み込む装置の性能を最大限高めるように、形状上及び使用上の観点から調整できる。但し、装置形状によっては、単一ポンプ段の多重極イオンガイドを用いても良いものもある。例えば、ＡＰＩ／ＭＳ  ＴＯＦシステム及びイオントラップシステムにおいて多重極イオンガイドを構成するには、図１３及び図１４に示すような２つのバリエーションがある。図１３は、３重真空ポンプ段ＡＰＩ／イオントラップ型質量分析計システムを示す図であり、多重極イオンガイド１７０が真空ポンプ段１７２内に位置し、真空ポンプ段１７１からスキマーオリフィス１７６を通過するイオンが、軸から遠く離れてラジアル方向に移動するのをトラップにより防ぎ、イオンガイド１７０を通過して搬送される。イオンガイド１７０を出たイオンは、出口レンズ１７５によりエンドプレート１７４を介してイオントラップ１７７内へ収束される。このとき、イオントラップ・エンドプレートの開口１７８は、第３の真空ポンプ段１７３へのオリフィスとしても機能する。イオンは、イオントラップ電極の異なるギャップや開口を通ってイオントラップへと注入されるが、この構成は一例にすぎない。真空ポンプ段１７２の真空圧及び多重極イオンガイド１７０長は、イオンのバックグラウンド中性ガスとの衝突による低減効果を十分生じるように設定することができ、その結果、所定のｍ／ｚのイオンエネルギー幅を狭めることとなる。なお、単一真空ポンプ段に多重極イオンガイドを用いる場合は、連続真空ポンプ段に多重極イオンガイドを用いる場合に可能であった性能向上と真空ポンプのコストダウンとの最適な機能交換をすることはできないが、静電圧レンズ構造を用いた場合と比較すると、実現可能な性能上の利点がある。
【００４１】
多重極イオンガイド使用の他の実施形態としては、２つ以上のイオンガイドを連続する真空ポンプ段に組み込むという構成がある。これは、異なるａn及びｑn値をイオンガイド毎に設定することができるが、結果的にシステムを複雑としコスト高となる。図１４は、４重真空ポンプ段のＡＰＩ／ＴＯＦ型質量分析計システムを示す図であり、真空ポンプ段１８４，１８５の各々に配された単一真空ポンプ段用の多重極イオンガイド１８０，１８１を備えている。真空ポンプ段１８３内のイオンは、スキマー１９０を通ってイオンガイド１８０に進入する。イオンガイド１８０によって真空ポンプ段１８４を通って輸送されるイオンは、多重極イオンガイド１８０の出口側のレンズ１８７により開口１９４を通して収束される。次いで、イオンは、真空ポンプ段１８５の第２イオンガイド１８１内に進入し、多重極イオンガイド１８１を出た後、開口１８９を通してレンズ１８８により収束される。開口１８９を通って真空ポンプ段１８６へ入ったイオンは、レンズ１９１により垂直方向にパルス化されてＴＯＦ型質量分析計１９２に向かう。ここで、多重極イオンガイドは、ＴＯＦ装置のデューティサイクル及び感度を最適化するように設定された別個のａn及びｑn値に基づいて駆動される。なお、連続多重真空ポンプ段の多重極イオンガイドの構成と同様に、図１４に示したようなデュアル型多重極イオンガイドは、イオンエネルギー幅を低減でき、低いエネルギーイオンを質量分析計へ移送することができる。但し、デュアル型多重極イオンガイドの構成では、２重極組立体１８０，１８１間の静電圧レンズ１８７，１９５の領域で、イオン搬送効率の損失が生じる可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】静電レンズ構造を真空ポンプ段１〜３に組み込んだ構成とした４重真空ポンプ段のＥＳ／ＭＳ４重極装置を示す図である。
【図２】多重極イオンガイドを第２真空ポンプ段から連続して第３真空ポンプ段へと延設させた構成とした４重真空ポンプ段のＥＳ／ＭＳ４重極装置を示す図である。
【図３ａ】ｍ／ｚが１１０のイオンが所定範囲内のｑn値にて２重真空ポンプ段の多重極イオンガイドを通過する際のイオン搬送効率を示す図である。
【図３ｂ】ｍ／ｚが８７２のイオンが所定範囲内のｑn値にて２重真空ポンプ段の多重極イオンガイドを通過する際のイオン搬送効率を示す図である。
【図３ｃ】ｍ／ｚが１７４３のイオンが所定範囲内のｑn値にて２重真空ポンプ段の多重極イオンガイドを通過する際のイオン搬送効率を示す図である。
【図４】２重真空ポンプ段の多重極イオンガイドのｑn値を幅広いｍ／ｚの範囲内のイオンを通過させるように設定した場合のグルカゴンのマススペクトルである。
【図５ａ】多重極イオンガイドのｑn値を幅広いｍ／ｚの範囲内のイオンを通過させるように設定した場合のアルギニンのエレクトロスプレーマススペクトルである。
【図５ｂ】多重極イオンガイドのｑn値をｍ／ｚの低いイオンの搬送を遮断するように設定した場合のアルギニンのマススペクトルである。
【図６ａ】多重極イオンガイドのｑn値を幅広いｍ／ｚの範囲内のイオンを通過させるように設定した場合のグラミシジンＳのエレクトロスプレーマススペクトルである。
【図６ｂ】多重極イオンガイドのｑn値をｍ／ｚの低いイオンの搬送を遮断するように設定した場合のグラミシジンＳのマススペクトルである。
【図７ａ】多重極イオンガイドのｑn値を幅広いｍ／ｚの範囲内のイオンを通過させるように設定した場合のアルギニン、ロイシンエンケファリン、及びグラミシジンＳの混合物のエレクトロスプレーマススペクトルである。
【図７ｂ】多重極イオンガイドのｑn値をｍ／ｚの高いイオンの搬送を遮断するように設定した場合のアルギニン、ロイシンエンケファリン、及びグラミシジンＳの混合物のマススペクトルである。
【図８ａ】多重極イオンガイドのＤＣオフセット電位を０．１ボルトに設定した場合のｍ／ｚ５７１のイオン信号対多重極イオンガイド出口側レンズ電位の関係を示す曲線である。
【図８ｂ】多重極イオンガイドのＤＣオフセット電位を１５．３ボルトに設定した場合のｍ／ｚ５７１のイオン信号対多重極イオンガイド出口側レンズ電位の関係を示す曲線である。
【図８ｃ】多重極イオンガイドのＤＣオフセット電位を２５．１ボルトに設定した場合のｍ／ｚ５７１のイオン信号対多重極イオンガイド出口側レンズ電位の関係を示す曲線である。
【図９】多重極イオンガイドのＤＣオフセット電位を０．１ボルトに設定した条件でスキャンした場合の２価のグラミシジンＳイオンのピークを示すスペクトルである。
【図１０】第２真空ポンプ段から第３真空ポンプ段へと延びる多重極イオンガイドを備え、垂直パルスを用いる４重真空ポンプ段のＥＳ／ＭＳ飛行時間型質量分析装置を示す図である。
【図１１】第１真空ポンプ段から第２真空ポンプ段を通り第３真空ポンプ段へと延びる多重極イオンガイドを備える３重真空ポンプ段のＥＳ／ＭＳイオントラップ型質量分析装置を示す図である。
【図１２】電気的絶縁性の搭載ブラケットを備える６重極イオンガイドの断面図である。
【図１３】第２真空ポンプ段に配された単一真空ポンプ段の多重極イオンガイドを備える３重真空ポンプ段ＡＰＩ／ＭＳイオントラップ型質量分析装置を示す図である。
【図１４】第２及び第３真空ポンプ段の各々に配した単一真空ポンプ段多重極イオンガイドを備える４重真空ポンプ段ＡＰＩ／垂直パルスＴＯＦ型質量分析装置を示す図である。
【符号の説明】
７，１２，２０，２４  真空ポンプ段
１８  マスフィルタ
４０  多重極イオンガイド
４１，４２，５３，５４  真空ポンプ段
５７  マスフィルタ
１１７，１１９，１２６，１３３  真空ポンプ段
１１８  多重極イオンガイド
１４８，１５１，１５７  真空ポンプ段
１６５  多重極イオンガイド
１７０  多重極イオンガイド
１７１，１７２，１７３  真空ポンプ段
１８０，１８１  多重極イオンガイド
１８４，１８５，１８６  真空ポンプ段
【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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