(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学分析用質量分析計のイオントラップであって、
ａ）開口部を有する中央電極
ｂ）各々開口部を有する１組の絶縁体
ｃ）各々開口部を有する１組のエンドキャップ電極
ｄ）前記中央電極に接続された第一の電子信号源
ｅ）前記エンドキャップ電極に接続された第二の電子信号源
から構成され、
ｆ）前記中央電極、絶縁体、そしてエンドキャップ電極は、それぞれの開口部が同軸上に並んで一つの軸について対称であって、前記中央電極の開口部の半径としての有効半径ｒ0と、前記エンドキャップ電極の対向する内面間の距離としての有効長２ｚ0を有する部分的に囲まれたキャビティを形成する、サンドイッチ構造に結合され、少なくともｒ0とｚ0のうちの一つは１．０ｍｍ未満であり、比ｚ0／ｒ0は０．８３を超える
ことを特徴とするイオントラップ。
【請求項２】
前記中央電極が輪状であることを特徴とする請求項１記載のイオントラップ。
【請求項３】
前記キャビティの形状が円筒状であることを特徴とする請求項1記載のイオントラップ。
【請求項４】
ｒ0とｚ0の両方が１．０ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１記載のイオントラップ。
【請求項５】
イオン化源がレーザービーム源から構成されたことを特徴とする請求項１記載のイオントラップ。
【請求項６】
イオン化源が電子衝撃（ＥＩ）イオン化源から構成されたことを特徴とする請求項１記載のイオントラップ。
【請求項７】
前記中央電極がドープされた半導体材料を用いて製造されたことを特徴とする請求項１記載のイオントラップ。
【請求項８】
前記エンドキャップ電極がドープされた半導体材料を用いて製造されたことを特徴とする請求項1記載のイオントラップ。
【請求項９】
前記絶縁体がプラスチック、セラミック、ガラスのうちの一つの薄膜を用いて製造されたことを特徴とする請求項１記載のイオントラップ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［発明の背景］
［技術分野］
この発明は質量分析計に関し、特に、質量分光化学分析用のミリメートル未満のイオントラップに関する。
【０００２】
［関連技術の説明］
液相分析用に微細加工された装置は、小量のサンプルと試薬を処理可能であること、測定速度と再現性、およびモノリシック基質に対する様々な分析操作を統合可能であることから、多くの関心を引いている。微細加工された装置の気相分析への応用は２０年前に最初に実証されたが、主として物質移動問題による貧弱な能力のために、この装置のさらに進んだ応用は豊富ではなかった。しかしながら、質量分析のような低圧分析技術は、微細加工された計測器によって可能になるはずである。微細加工された質量分析用のエレクトロスプレーイオン源に関する最近の報告は、小型のイオントラップ分光計の可能性を特に魅力的にしている。
【０００３】
ミリメートルサイズのイオントラップ、及びさらに小さいイオントラップは、質量分析用ではなく、光学分光学用のイオンの格納や分離用に用いられている。イオントラップの構成に主に必要なものは、無線周波数(RF)電場の四極子コンポーネントの存在である。従来のイオントラップ電極の構成は、双曲線の電極、平面の電極のサンドイッチ、及び単一の輪電極を含んでいる。イオントラップ質量分析に関する情報として、レイモンド  イー．  マーチ(Raymond E. March)らによる「イオントラップ質量分析の実際の様相」(Practical Aspects of Ion Trap Mass Spectrometry)と題された３冊の論文を考慮することができ、それは参照としてここに組み込まれている。
【０００４】
Int. J. of Mass Spectrometry Ion Processes 106, 79 (1997)においてアール．イー．カイザー(R. E. Kaiser)らによって報告されているように、 質量分析や狭い質量範囲のイオンの分離用に評価された最小の既知の四極子イオントラップは、2.5mmのr0値を備えた双曲線のトラップであった。質量分析で使用されるこのトラップ及び他の小規模なイオントラップにおける1つの問題は、制限されたスペクトルの分解能である。例えば、典型的な既存の小規模なイオントラップは、有用な1.0-2.0AMU(原子質量単位)より小さいスペクトルの分解能を備えていない。さらに、もっと小さなイオントラップ(すなわち、r0及び／又はz0の値が1.0mmより小さい)は現在の質量スペクトルの分解能を悪化させるが、このサイズのイオントラップでさえ質量分析用に需要がある。
【０００５】
したがって、質量分析を行うにあたって、改善されたスペクトルの分解能を備えたミリメートル未満のイオントラップが要求されていた。
【０００６】
［発明の要約］
本発明は、質量分光化学分析用のミリメートル未満のイオントラップに関する。好ましい実施例では、イオントラップは、１) 1.0mm未満のz0を備えた有効長２z0；２) 1.0mm未満の有効半径r0；そして３)0.83を超えるz0/r0比：のキャビティを有するミリメートル未満のトラップである。この範囲でのz0/r0比が質量分光の分解能を以前の限界の約1.0-2.0AMUから0.2AMUまで改善し、より小さなイオントラップでの結果は質量分析の分解能を改善したことを、試験は示している。質量分光の分解能を犠牲にしないより小さなイオントラップを使用することによって、質量分光化学分析の種々様々の新しい適用法が開かれる。
【０００７】
イオントラップは、開口部を有する中央電極；各々開口部を有する１組の絶縁体；各々開口部を有する１組のエンドキャップ電極；中央電極に接続された第一の電子信号源；そしてエンドキャップ電極に接続された第二の電子信号源：から構成される。好ましい実施例では、中央電極、絶縁体、そしてエンドキャップ電極は、それぞれの開口部が同軸上に並んで一つの軸について対象であって、部分的に囲まれた有効半径r0と有効長２z0を有するキャビティを形成する、サンドイッチ構造に結合される。さらに、r0および／またはz0は1.0mm未満であり、また、z0/r0比は0.83を超える。
【０００８】
［発明の詳細な説明］
図１は、本発明に従って製造されたイオントラップ10を示す。イオントラップ10は円筒型構造のトラップとして示されている一方、本発明は他の既知のイオントラップ構造へ組込まれてもよい。
【０００９】
輪電極12は、ステンレス鋼プレートにおいて、中心に位置する適切な直径の穴を形成することによって形成される。ここで、穴の半径r0は0.5mmであり、したがって、輪電極12に空けられた穴の直径は、1.0mmである。輪電極12の厚さは約0.9mmである。
【００１０】
平面状のエンドキャップ14及び16は、ステンレス鋼のシート又はメッシュのいずれかで構成される。エンドキャップ14及び16は、中央に位置する直径約1.0ｍｍの凹部を有し、この凹部の底面には、直径約0.45mmの穴を有している。エンドキャップ14及び16は、絶縁体18及び20によって輪電極12から切り離されており、各絶縁体18，20は中央に位置する直径1.0mmの穴を有している。絶縁体18及び20は、対向する粘着性の表面を有するテフロン（登録商標）テープから構成してもよい。
【００１１】
輪電極12、エンドキャップ14及び16、そして絶縁体18及び20の穴は、従来の機械加工技術を使用して形成される。しかしながら、ウエットケミカルエッチング、プラズマエッチング、又はレーザー機械加工のような他の方法を使用して、その穴を形成することができる。さらに、輪電極12、そしてエンドキャップ14及び16に用いられる導電性の材料は、上記以外のものでもよい。例えば、使用される導電性の材料は、様々な他の金属、あるいはドープされた半導体材料でもよい。同様に、テフロン（登録商標）テープは、絶縁体18及び20用に選ばれた材料である必要はない。絶縁体18及び20は、他のプラスチック、セラミックス、あるいはガラス、導電材料上のこのような材料の薄膜、から形成してもよい。
【００１２】
輪電極12、エンドキャップ14及び16、そして絶縁体18及び20の中心に位置した穴は、好ましくは、同軸上に縦軸（図示せず）に対称に並んでおり、レーザーのアクセス及びイオンの放出を可能にしている。サンドイッチ構造へ組み立てられたとき、イオントラップ10の内表面は、概して管形状を形成し、部分的に囲まれたキャビティに、対応する円筒形状の境界をつける。
【００１３】
上方のエンドキャップ14の下面22と、下方のエンドキャップ16の上面24の間の距離は２z0であり、ここでz0は0.5mmである。前述したように、r0は約0.5mmである。したがって、比率z0/r0は1.0であり、それは、質量分光分析中のイオントラップ10の改善された質量分光の分解能を結実するための望ましい範囲内に入る。技術に関する著しい改良を達成して、それが0.2AMUまでの質量分光の分解能を与え、技術に関する著しい改良を達成することを試験が示すように、0.83を超えるz0/r0比の範囲が望ましい。
【００１４】
好ましい実施例では、イオントラップ10は、１) 1.0mm未満のz0を備えた有効長２z0；２) 1.0mm未満の有効半径r0；そして３)0.83を超えるz0/r0比：のキャビティを有するミリメートル未満のトラップである。しかしながら、当業者であれば、1.0mm以上のz0及び／又はr0が、 z0/r0比を0.83より大きく維持するときに使用されてもよいことを、認識するであろう。同様に、当業者であれば、輪電極12及びエンドキャップ14と16に異なる導電性材料を代用するような、種々多様の変更をイオントラップ10に行ってもよいことを、認識するであろう。加えて、イオントラップ10のキャビティは、必ずしも中央に位置する必要はない。
【００１５】
図２は、質量分析を実行するための、イオントラップ10を備えたシステム26を示している。イオントラップ10は、スターブリッジ、マサチューセッツ(Sturbridge, MA)のガリレオ社(Galileo Corp.)製のチャンネルトロン(Channeltron)電子増倍管検知器34を備えた真空室28内に、従来通りにマウントされる。検知器34は、イオントラップ10の中心軸の近くに位置し、生成されたイオンを検知する。Nd:YAGレーザー源30は、真空室28内のウインドウを通して250mmのレンズ32によって焦点を合わせたパルスの266nm高調波(〜1mJ/パルス、〜5nsの持続、10Hzの反復率)ビームを生じさせ、イオントラップ10内でイオンを生成させる。レーザー源30は、マウンテンビュー、カリフォルニア(Mountain View, CA)のクオンタレイ社(Quanta Ray Corp.)製のDCRレーザーである。銅管製のビームストップ（図示せず）は、検知器34の近くに置かれ、トラップ10自体の外部のイオン生成と光電子放射を最小限にするために、イオントラップ10から発生するレーザー光を遮断する。公称10-3Torrのヘリウムの緩衝ガスと、サンプルの蒸気は、ニードル弁(図示せず)を通して真空室28内へ導入されてもよい。イオントラップ10は、放出プロセスの共振強化用の補足的な双極子フィールドを備えているか、あるいは備えていない、質量選択的な不安定なモードで操作される。
【００１６】
輪電極12に無線周波数(RF)信号を与えるために、従来のコンピューター36は、振幅変調器38、サニーヴェール、カリフォルニア(Sunnyvale CA)のスタンフォードリサーチシステムズ(Stanford Research Systems)製のDC345装置、にコントロール信号を与える。スタンフォードリサーチシステムズ製のDC345装置に導入された従来の周波数ジェネレーター40は、振幅変調器38から信号を受け取り、望ましいトラッピング電圧を出力し、質量スキャニングの姿勢をとる。その後、周波数ジェネレーター40からの出力信号は150Wのパワーアンプ42、ソーダートン、ペンシルバニア(Souderton, PA)のアンプリファイアーリサーチ(Amplifier Research)製の150A100Aアンプによって増幅され、輪電極12へ加えられる。
【００１７】
軸の調整が望まれる場合、周波数ジェネレーター44、スタンフォードリサーチシステムズ製のDC345装置、からの補足的な電圧を、エンドキャップ14及び16に印加してもよい。周波数ジェネレーター44の出力は、エンドキャップ14及び16へ供給される前に、従来のRFアンプ位相反転器46へ供給される。二者択一的に、エンドキャップ14及び16は接地される。チャンネルトロン検知器の最大1700Vのバイアス電圧は、直流電源48、フラッシング、ニューヨーク(Flushing, NY)のケプコ社(Kepco Corp.)製のBHK-2000-0 1MGによって供給される。検知器のプリアンプの過負荷を回避するために、レーザーパルス中に検知器のバイアス電圧を減少するように直流電源48を調整してもよい。
【００１８】
検知器34からの出力は、電流から電圧へのプリアンプ52、スタンフォードリサーチシステムズ製のSR570、によって、50-200nAV-1の利得で増幅され、ディジタルオシロスコープ50、ウィルソンヴィル、オレゴン(Willsonville, OR)のテクトロニクス社(Tektronix Corp.)製のTDS 420Aに保存される。
【００１９】
上述したイオントラップ10は、従来の材料と方法を用いて機械加工されたが、任意の適切な材料と製造方法で製造してもよい。さらに、当業者は、イオントラップ10を他の微小規模の計測器に一体化できように作り替えたものへ加工してもよいことを理解する。
【００２０】
上述したように、イオンはレーザーイオン化源30の使用によりイオントラップ10で生成される；しかしながら、その代わりとして、電子衝撃(EI)イオン化を用いてもよい。EI源は、レーザーパルスでイオン化することが困難な原子種や分子種からイオンを生成することができる。
【００２１】
EI源を使用する場合、それは好ましくは、イオントラップ10を収容する真空室28内に置かれている。これは、EI源、イオントラップ10及び検知器34を内蔵することを可能にし、それゆえ、外付けのパルスレーザー30を使用する場合よりも全体的なサイズが非常に小さい。この内蔵型の配置を採用することで、質量分析計のサイズが最小限になる。イオントラップ10と、関連するサンプリング用と検知用の構成部品のサイズは、精密機械加工能力に対応している。
【００２２】
さらに、当業者は、実験機器で行うどのようなイオン生成法であっても、イオントラップ10とともに使用することができることを理解する。例えば、特に、生体分子のような大きな分子には、エレクトロスプレーイオン化やマトリックス支援レーザーイオン化(MALDI)を用いることができる。化学的なイオン化や他の電荷交換の方式もまた、サンプルのイオン化に適切な方法である。
【００２３】
さらに、イオントラップ10の内面は、概して管形状であって、部分的に囲まれたキャビティに、対応する円筒形状の境界をつけることを説明した。しかしながら、当業者は、ミリメートル未満のイオントラップ、すなわち、既述したように、0.83を超えるz0/r0比のものを維持する一方、他の従来のイオントラップの構造を用いることができることを理解する。円筒状の構造がイオントラップ10に用いられる以外の場合では、z0/r0決定のために、平均の有効なr0を用いることができる。同様に、様々な他のイオントラップ構造については、比率決定のために平均の有効な長さ2z0を用いることができる。
【００２４】
前述の明細書が本発明の好ましい実施例を示し記述する一方、本発明はここに開示された全く同一の構成に制限されないことが理解されるべきである。本発明はその精神又は本質的な特性から外れずに、他の具体的な形で実施することができる。したがって、本発明の範囲に示すものとして、前述の明細書ではなく請求項が参照されるべきである。
【００２５】
【図面の簡単な説明】
図面には、現在の好ましい実施例が現に示されているが、本発明は、示されている正確な配置や組立てに限定されないことが理解されるだろう。ここで：
【図１】  図１は、本発明のイオントラップの分解斜視図である。
【図２】  図２は、質量分光化学分析を行うために図１のイオントラップを使用する系統図である。
【図１】
0003704705.tif 000002
【図２】
0003704705.tif 000003