(57)【要約】  第１のイオントラップに蓄積されたイオンを加速して飛行管に導入し飛行時間を測定することによって前記イオンの質量を測定する飛行時間測定式質量測定装置であって、測定対象イオンを蓄積し前記第１のイオントラップに導入可能な第２のイオントラップと、参照用イオンを蓄積し前記第１のイオントラップに導入可能な第３のイオントラップと、を備える。（１）前記第２のイオントラップから前記第１のイオントラップへの前記測定対象イオンの導入および前記測定対象イオンの飛行時間測定と、（２）前記第３のイオントラップから前記第１のイオントラップへの前記参照用イオンの導入および前記参照用イオンの飛行時間測定と、を所定のパターン（例えば１回ずつ）で交互に行う制御手段をさらに備えることが好ましい。
2017150528.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のイオントラップに蓄積されたイオンを加速して飛行管に導入し飛行時間を測定することによって前記イオンの質量を測定する飛行時間測定式質量測定装置であって、
測定対象イオンの供給源から供給された測定対象イオンを蓄積し、前記第１のイオントラップに前記測定対象イオンを導入可能な第２のイオントラップと、
参照用イオンの供給源から供給された参照用イオンを蓄積し、前記第１のイオントラップに前記参照用イオンを導入可能な第３のイオントラップと、
を備える、飛行時間測定式質量測定装置。
【請求項２】
（１）前記第２のイオントラップから前記第１のイオントラップへの前記測定対象イオンの導入および前記測定対象イオンの飛行時間測定と、（２）前記第３のイオントラップから前記第１のイオントラップへの前記参照用イオンの導入および前記参照用イオンの飛行時間測定と、を所定のパターンで交互に行う制御手段をさらに備える、
請求項１に記載の飛行時間測定式質量測定装置。
【請求項３】
前記制御手段は、（１）前記第２のイオントラップから前記第１のイオントラップへの前記測定対象イオンの導入および前記測定対象イオンの飛行時間測定と、（２）前記第３のイオントラップから前記第１のイオントラップへの前記参照用イオンの導入および前記参照用イオンの飛行時間測定と、を１回ずつ交互に行う、
請求項２に記載の飛行時間測定式質量測定装置。
【請求項４】
前記第２のイオントラップは、前記参照用イオンの飛行時間測定中も前記測定対象イオンの供給源から前記測定対象イオンの供給を受ける、
請求項１〜３のいずれか１項記載の飛行時間測定式質量測定装置。
【請求項５】
前記第２のイオントラップから前記第１のイオントラップへのイオンの導入方向と前記第３のイオントラップから前記第１のイオントラップへのイオンの導入方向は、前記第１のイオントラップから前記飛行管へのイオンの導入方向と垂直である、
請求項１から４のいずれか１項に記載の飛行時間測定式質量測定装置。
【請求項６】
前記測定対象イオンの飛行時間を、当該飛行時間の測定時を含む所定期間内の参照用イオンの飛行時間の測定結果に基づいて補正する補正手段をさらに備える、
請求項１から５のいずれか１項に記載の飛行時間測定式質量測定装置。
【請求項７】
前記飛行管に設けられたイオンミラーの電位を、第１の電位と第２の電位の間で切り替えるための高電圧スイッチをさらに備え、
前記高電圧スイッチは、
前記イオンミラーの電位を指示する制御信号を入力する入力部と、
前記制御信号の立ち上がり時に発光する第１の発光素子と、
前記制御信号がオンの間に発光する第２の発光素子と、
前記第１または第２の発光素子からの発光を検出しているときに前記第１の電圧を前記イオンミラーに印加するように制御する第１のフォトダイオードスイッチ素子と、
前記制御信号の立ち下がり時に発光する第３の発光素子と、
前記制御信号がオフの間に発光する第４の発光素子と、
前記第３または第４の発光素子からの発光を検出しているときに前記第２の電圧を前記イオンミラーに印加するように制御する第２のフォトダイオードスイッチ素子と、
を有する、
請求項１から６のいずれか１項に記載の飛行時間測定式質量測定装置。
【請求項８】
前記第１の発光素子は、ワンショットマルチバイブレータを介した前記制御信号によって発光が制御され、
前記第２の発光素子は、前記制御信号によって発光が制御され、
前記第３の発光素子は、ワンショットマルチバイブレータを介した前記制御信号の反転信号によって発光が制御され、前記第４の発光素子は、前記制御信号の反転信号によって発光が制御される、
請求項７に記載の飛行時間測定式質量測定装置。
【請求項９】
第１のイオントラップに蓄積されたイオンを加速して飛行管に導入し飛行時間を測定することによって前記イオンの質量を測定する飛行時間測定式質量測定装置を用いた、飛行時間測定式質量測定方法であって、
測定対象イオンの供給源から供給された測定対象イオンを第２のイオントラップに蓄積するステップと、
参照用イオンの供給源から供給された参照用イオンを第３のイオントラップに蓄積するステップと、
（１）前記第２のイオントラップから前記第１のイオントラップへの前記測定対象イオンの導入および前記測定対象イオンの飛行時間測定と、（２）前記第３のイオントラップから前記第１のイオントラップへの前記参照用イオンの導入および前記参照用イオンの飛行時間測定と、を所定のパターンで交互に行うステップと、
を含む、飛行時間測定式質量測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、飛行時間測定式質量分析法（Time-of-Flight Mass Spectrometry）に関し、特に、飛行時間測定式質量分析法を用いた長時間の測定であっても効率を損なうことなく高確度な測定を行う手法に関連する。
【背景技術】
【０００２】
飛行時間型質量分析の一つとして多重反射型飛行時間測定式質量分析（Multi-Reflection Time-of-Flight Mass Spectrometry: MRTOFMS）が知られている（非特許文献１、特許文献１）。多重反射型飛行時間測定式質量分析では、試料イオンを飛行管に打ち出して試料イオンを飛行管両端のイオンミラー間で複数回往復させ、適当な時間の経過後に飛行管出口を開けて、打ち出しから検出までの飛行時間を測定する。飛行時間は試料イオンの質量の１／２乗に比例するので、質量が既知の参照イオンの飛行時間と比較することで、試料イオンの質量を測定できる。【０００３】
飛行時間測定式質量分析においては、上記のように質量が既知でかつ定常的に測定できる参照イオンの飛行時間の測定が必要である。なお、飛行時間測定方式では、イオンの打ち出し時刻の不定性により２種類の参照イオンの測定が必要であるが、非特許文献２に示されるように、多重反射型飛行時間測定式質量分析では、１種類の参照イオンのみを用いて試料イオンの質量を決定可能である。【０００４】
多重時間型飛行時間測定式質量分析では、非特許文献２のように、試料イオンの測定と参照イオンの測定を、別々に交互に行うことが一般的であった。このように交互に測定を行うことで、参照イオンの飛行時間から測定装置のドリフトを補償できる。なお、稀に、たまたま試料イオンと参照イオンが混在し同時に測定できる場合には、その参照イオンの飛行時間を用いて測定装置のドリフトを補償することが可能であるが、一般的ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５７−４４９５３号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】H. Wollnik et al, Int. J. Mass Spectrometry and Ion Processes, 96 (1990) 267.
【非特許文献２】Y. Ito et al, Phys, Rev. C 88 (2013) 011306(R).
【非特許文献３】Y. Ito et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 317 (2013) 544.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の交互測定方式には次のような問題がある。第一に、参照イオンの測定時には試料イオン（測定対象イオン）の測定が行えず、その分だけ測定の効率が低下する。例えば、試料イオンの測定を２０分間行い、参照イオンの測定を５分間行うというサイクルを繰り返した場合、少なくとも測定期間の２０％において試料イオンの測定が行えない。【０００８】
第二に、測定装置のドリフトは様々な原因および異なる時定数を持っていることが一般的である。したがって、試料イオンの測定時と参照イオンの測定時の測定条件の同一性を担保することができず、ドリフトの影響を完全に補償することは困難であった。【０００９】
このような問題を考慮して、本発明は、飛行時間測定式質量分析において、従来よりも測定効率が高く、かつ、高精度・高確度な測定を可能とする手法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第一の態様は、第１のイオントラップに蓄積されたイオンをパルス的に加速して飛行管に導入し飛行時間を測定することによって前記イオンの質量を測定する飛行時間測定式質量分析装置であって、以下の構成を有することを特徴とする。【００１１】
すなわち、本態様に係る飛行時間測定式質量測定装置は、測定対象イオンの供給源から供給された測定対象イオンを蓄積し、前記第１のイオントラップに前記測定対象イオンを導入可能な第２のイオントラップと、参照用イオンの供給源から供給された参照用イオンを蓄積し、前記第１のイオントラップに前記参照用イオンを導入可能な第３のイオントラップと、備える。本態様において、第１のイオントラップは、第２のイオントラップからの測定対象イオンの導入と、第３のイオントラップからの参照イオンの導入が行えるように構成される。【００１２】
このように、第１のイオントラップに対して、第２および第３のイオントラップからイオンを導入可能としたことで、本態様の飛行時間測定式質量測定装置は、制御手段によって、（１）前記第２のイオントラップから前記第１のイオントラップへの前記測定対象イオンの導入および前記測定対象イオンの飛行時間測定と、（２）前記第３のイオントラップから前記第１のイオントラップへの前記参照用イオンの導入および前記参照用イオンの飛行時間測定と、を所定のパターンで交互に行うように構成できる。ここで、所定のパターンは、任意のパターンであって構わないが、上記（１）と（２）の動作を１回ずつ交互に行うパターンであることが好適である。【００１３】
従来技術では数分から数時間単位のマクロな時間構造において交互に測定を行っているが、本態様では１回の打ち出しおよび飛行時間の測定という１０ミリ秒オーダーの時間構造において交互に測定を行う。測定対象イオンと参照イオンの蓄積用に第２のイオントラップと第３のイオントラップがそれぞれ用意されているので、試料イオンと参照イオンのうち、一方のイオンの飛行時間測定中に、他方のイオンのイオントラップへの蓄積が可能である。具体的には、参照イオンの打ち出しから飛行時間の測定を行っている期間のあいだ、測定対象イオンをその供給源から第２のイオントラップに供給して蓄積を継続できる。同様に、測定対象イオンの打ち出しから飛行時間の測定を行っている期間のあいだ、参照イオンをその供給源から第３のイオントラップに供給して蓄積を継続できる。したがって、測定効率を損なうことなく、測定対象イオンと参照イオンの測定を同時に行うことができる。【００１４】
本態様の飛行時間測定式質量測定装置は、前記測定対象イオンの飛行時間を、当該飛行時間の測定時を含む所定期間内の参照用イオンの飛行時間の測定結果に基づいて補正する補正手段をさらに備える、ことも好適である。参照イオンの発生頻度は調整可能であるため、参照イオンの測定は毎回行うようにできる。したがって、参照イオンの飛行時間は短い時間でも十分に統計的に意味のある測定（飛行時間分布の取得）が行える。これを利用すると、短い時間幅において参照イオンの飛行時間を用いて装置のドリフトを追尾することが可能となり、非常に長い時間かかる測定であっても、測定の確度と精度を保つことが可能である。【００１５】
本発明は、上記の工程を含む飛行時間測定式質量測定方法として捉えることもできる。すなわち、本発明の第二の態様は、第１のイオントラップに蓄積されたイオンをパルス的に加速して飛行管に導入し飛行時間を測定することによって前記イオンの質量を測定する飛行時間測定式質量測定装置を用いた、飛行時間測定式質量測定方法であって、
測定対象イオンの供給源から供給された測定対象イオンを第２のイオントラップに蓄積するステップと、
参照用イオンの供給源から供給された参照用イオンを第３のイオントラップに蓄積するステップと、
（１）前記第２のイオントラップから前記第１のイオントラップへの前記測定対象イオンの導入および前記測定対象イオンの飛行時間測定と、（２）前記第３のイオントラップから前記第１のイオントラップへの前記参照用イオンの導入および前記参照用イオンの飛行時間測定と、を所定のパターンで交互に行うステップと、
を含む、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、飛行時間測定式質量分析において、従来よりも測定効率が高く、かつ、高確度な測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態に係る多重反射型飛行時間測定式質量測定装置（ＭＲＴＯＦ質量測定装置）の構成を示す図。
【図２】飛行時間測定における飛行管内のポテンシャル制御を説明する図。
【図３】実施形態におけるイオントラップの構成を示す図。
【図４】高電圧スイッチの構成を示す図。
【図５】実施形態における飛行時間測定の制御シーケンスを示す図。
【図６】各期間における蓄積用イオントラップおよび射出用イオントラップにおけるポテンシャルを説明する図。
【図７】実施形態における質量決定処理（ドリフト補正処理）を説明するフローチャート。
【図８】実施形態に係るＭＲＴＯＦ質量測定装置を用いた実験例を示す図。
【図９】実施形態に係るＭＲＴＯＦ質量測定装置を用いた実験例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
［測定原理］
以下、本発明の実施形態に係る多重反射型飛行時間測定式質量測定装置（以下、ＭＲＴＯＦ質量測定装置とも称する）について説明する。本実施形態に係るＭＲＴＯＦ質量測定装置は、非特許文献２のように単一の参照イオンを用いて測定を行うので、単一の参照イオンのみによって試料イオン（測定対象イオン）の質量測定が行えることを簡単に説明する。
【００１９】
イオンの飛行時間は、次式のようにイオンの質量の１／２乗に比例する。
【数１】
2017150528.tif 000003
ここで、ＴｏＦが飛行時間、ｍが質量、Ｌが飛行長、Ｋが運動エネルギーである。
【００２０】
したがって、試料イオンの質量ｍｘは、その飛行時間ｔｘと、質量が既知の参照イオンの質量ｍｒおよびその飛行時間ｔｒを用いて求めることができる。
【数２】
2017150528.tif 000004
ここで、ｔ０は飛行時間の時間原点と実際のイオンの射出時刻との差である。一般に、イオン射出時刻を厳密に決定することはできないので、試料イオンの質量決定のためには２種類の試料イオンの飛行時間を測定する必要がある。
【００２１】
しかしながら、ＭＲＴＯＦ質量測定装置では飛行長Ｌが長く、また、試料イオンと参照イオンの質量がほぼ等しいことから、ｔｘ〜ｔｒ＞＞ｔ０が成立する。したがって、下記の近似が十分高い精度で成立し、単一の参照イオンのみを用いて試料イオンの質量を決定できる。
【数３】
2017150528.tif 000005
【００２２】
［装置構成］
図１は、本実施形態に係るＭＲＴＯＦ質量測定装置１０の構成を示す図である。ＭＲＴＯＦ質量測定装置１０は、飛行管１１、検出器１２、飛行管１１への射出用イオントラップ１３、試料イオンの蓄積用イオントラップ１４、参照イオンの蓄積用イオントラップ１５、ロジックシーケンサー１６、アナログマルチプレクサ１７、高電圧スイッチ１８、高圧安定化電源１９、解析装置２０を備える。
【００２３】
飛行管１１は、入射側のイオンミラー１１ａ、射出側のイオンミラー１１ｂを含む。イオンミラー１１ａには射出用イオントラップ１３から飛行管１１にイオンを導入するための入射口１１ｃ、イオンミラー１１ｂには飛行管１１から検出器１２に射出するための射出口１１ｄが設けられる。イオンミラー１１ａ、１１ｂ内のポテンシャル分布の制御は、高電圧スイッチ１８がロジックシーケンサー１６からの指示に従って高圧安定化電源１９からの電圧を制御することによって行われる。
【００２４】
イオンミラー１１ａ、１１ｂ内のポテンシャル分布の制御について図２（Ａ）〜図２（Ｃ）を参照して説明する。図２（Ａ）〜図２（Ｃ）は、飛行管１１内のポテンシャル分布を模式的に示す図である。
【００２５】
射出用イオントラップ１３からイオンを引き出して飛行管１１に導入する際には、図２（Ａ）に示すように、入射側のイオンミラー１１ａのポテンシャルを下げてイオンミラーを空けておく。図２（Ａ）においては、入射時のイオンミラー１１ａのポテンシャルは符号１１１によって示される。このポテンシャル１１１は、イオンミラー１１ａの閉鎖時のポテンシャル１１２によりも低く、導入されたイオンが通過できる程度の大きさである。なお、イオンミラー１１ｂは閉じており、ポテンシャル１１３を有する。
【００２６】
そして、入射されたイオンが入射側のイオンミラー１１ａに戻る前までに、図２（Ｂ）に示すように、イオンミラー１１ａのポテンシャルを上げてイオンミラーを閉じる。イオンミラー１１ａのポテンシャル１１２はイオンが乗り越えられない程度の大きさである。これにより、飛行管１１内のイオンは、イオンミラー１１ａとイオンミラー１１ｂのあいだを往復する。
【００２７】
イオンが所定回数（例えば百回程度）往復するタイミングで、図２（Ｃ）に示すように、イオンミラー１１ｂのポテンシャルを下げてイオンミラーを開放する。図２（Ｃ）においては、出射時のイオンミラー１１ｂのポテンシャルは符号１１４によって示される。このポテンシャル１１４は、イオンミラー１１ｂの閉鎖時のポテンシャル１１３によりも低く、イオンが通過できる程度の大きさである。これにより、イオンは飛行管１１から飛び出し、検出器１２によって検出される。
【００２８】
なお、飛行管１１に導入されるイオンの運動エネルギーは一定とは限らない。そこで、運動エネルギーに応じて異なる距離をイオンが飛行するようなポテンシャルとし、イオンミラー間の往復に要する飛行時間がイオンの質量のみに依存するようにすることが好ましい。
【００２９】
検出器１２は、飛行管１１から飛び出すイオンを検出する。検出器１２として、マイクロチャンネルプレート、連続ダイノード二次電子増倍管、非連続ダイノード二次電子増倍管など既存の部品を採用できる。検出器１２によってイオンが検出された時刻は、解析装置２０に送られる。
【００３０】
図３（Ａ）、３（Ｂ）は、射出用イオントラップ１３、試料イオン蓄積用イオントラップ１４、および参照イオン蓄積用イオントラップ１５の構成を示す図である。試料イオン蓄積用イオントラップ１４および参照イオン蓄積用イオントラップ１５は、一般的に線型高周波四重極イオントラップを用いることができる。連続的に入射されるイオンビームを少量のガスに満ちたイオントラップで減速冷却して、軸方向に生成した直流ポテンシャルの底に蓄積する。軸方向の直流ポテンシャルはアナログマルチプレクサ１７によって供給され、そのタイミングはロジックシーケンサー１６で制御される。蓄積されたイオンは所定のタイミングで隣の射出用イオントラップ１３に輸送することができる。
【００３１】
射出用イオントラップ１３は、蓄積用イオントラップ１４，１５から輸送されたイオンを冷却した後、所定のタイミングで直交方向にパルス的に打ち出す装置である。様々な構造を取りうるが、実施形態では、図３（Ｂ）に示すような、平行平板型の電極に、高周波電位を与えるストライプ２１と軸方向に分割した直流電位を与える中心のストライプ２２からなる構造の線型高周波イオントラップを用いた。中心のストライプ２２の中央電極の中心に射出口２３が設けられており、射出用イオントラップ１３から、平行平板と直交する方向にイオンを射出できる。中心のストライプ状の電極に与える電位を制御することによって、上方からの入射、下方からの入射、中心から直角方向へのパルス的射出を所定のタイミングで行うことができる（非特許文献３参照）。
【００３２】
試料イオンの蓄積用イオントラップ１４（第２のイオントラップ）には、試料イオンの供給源において発生させたイオンビームが減速・冷却された後に導入される。イオントラップ１４には、試料イオンが蓄積され冷却される。アナログマルチプレクサ１７が、ロジックシーケンサー１６からの指示に従ってイオントラップ１３とイオントラップ１４のあいだのポテンシャルを制御することで、イオントラップ１４に蓄積された試料イオンが、イオントラップ１３に移動させられる。
【００３３】
参照イオンの蓄積用イオントラップ１５（第３のイオントラップ）の構成は、試料イオン用のイオントラップ１４と同様である。蓄積用イオントラップ１５には、参照イオンが蓄積される。参照イオンは、試料イオンとほぼ同一の質量を有し、定常的に利用可能なイオンを選択する。参照イオンの供給源から蓄積用イオントラップ１５への供給頻度は、後述するイオンの射出サイクルごとに１つのイオンが供給されるように調整しておくことが好ましい。
【００３４】
射出用イオントラップ１３（第１のイオントラップ）は、蓄積用イオントラップ１４から試料イオンの供給が可能であり、蓄積用イオントラップ１５から参照イオンの供給が可能である。また、射出用イオントラップ１３は、蓄積されたイオンを冷却し、ロジックシーケンサー１６から指示されたタイミングで蓄積されたイオンをパルス的に加速して飛行管１１に射出可能である。本実施形態においては、射出用イオントラップ１３は平板形状であり、面内方向の互いに対向する２方向から試料イオンと参照イオンの供給を受け、垂直方向に対してイオンを射出する構成である。射出用イオントラップ１３から飛行管１１へのイオンの射出は、ロジックシーケンサー１６からの指示に従って高電圧スイッチ１８が制御することによって行われる。
【００３５】
高電圧スイッチ１８は、射出用イオントラップ１３から飛行管１１へのイオン射出、イオンミラー１１ａのポテンシャル制御、イオンミラー１１ｂのポテンシャル制御を行う。高電圧スイッチ１８は、既存の高電圧ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）を用いて構成することができる。しかしながら、イオンミラー１１ａ、１１ｂのポテンシャルが揺らぐとイオンの飛行時間にばらつきが生じるため、イオンミラー１１ａ、１１ｂのポテンシャル制御には高い安定度が求められる。そこで、本実施形態では、イオンミラー１１ａ、１１ｂを制御するための高電圧スイッチを、フォトダイオードスイッチを用いて構成する。
【００３６】
図４は、イオンミラー１１ａ、１１ｂを制御する高電圧スイッチ１８１の回路図である。図示した回路によって１つのイオンミラーを制御でき、イオンミラー１１ａ、１１ｂにそれぞれに１つの高電圧スイッチ１８１が用いられる。高電圧スイッチ１８１は、ロジックシーケンサー１６からの入力信号にしたがって、正極側の高電圧フォトダイオードスイッチ素子１３６をオンにして高電位側の高電圧を出力するか、負極側の高電圧フォトダイオードスイッチ素子１４６をオンにして低電位側の正電圧を出力するかを切り替える。
【００３７】
入力端子１２１には、イオンミラー１１のポテンシャルを制御するための制御信号が、ロジックシーケンサー１６から入力される。ここでは、制御信号がオンのときにイオンミラーのポテンシャルが高電位（図２のポテンシャル１１２または１１３）をとり、オフの時に低電位（図２のポテンシャル１１１または１１４）をとるように制御されるものとする。
【００３８】
緩衝器１２２は、入力された制御信号を、非反転の信号と反転の信号に分離する。非反転信号は、ワンショットマルチバイブレータ１３１に入力される。ワンショットマルチバイブレータ１３１は、入力信号の立ち上がり時に短いパルス信号を出力する回路である。このパルス信号は増幅された後に、発光ダイオード１３３を駆動するためのドライブ回路１３２に入力される。また、緩衝器１２２から出力された非反転信号は、発光ダイオード１３５を駆動するためのドライブ回路１３４に入力される。
【００３９】
ドライブ回路１３２、１３４は、信号入力があると発光ダイオード１３３、１３５に電力を供給して、発光ダイオード１３３、１３５の発光を制御する。フォトダイオードスイッチ素子１３６は、発光ダイオード１３３および１３５が発する光を受光可能に配置されており、発光ダイオード１３３または１３５からの光を受光しているときに、高電位側の高電圧を出力端子１４８からイオンミラー１１に出力する。
【００４０】
発光ダイオード１３３は、制御信号の立ち上がり時の短期間、すなわち発光ダイオードの光り始めの輝度を増強するために用いられる。発光ダイオード１３３と発光ダイオード１３５の発光輝度は同じであってもよいし異なっていてもよい。いずれか一方の発光ダイオードの発光輝度を大きくするためには、供給電流を強くしてもよいし、発光ダイオードの数を多くしてもよい。
【００４１】
このような構成により、イオンミラー１１のポテンシャルを高電位に制御する制御信号が入力されると、制御信号の立ち上がり時には発光ダイオード１３３と発光ダイオード１３５を合わせた高輝度な光によってフォトダイオードスイッチ素子１３６が駆動され、定常時は発光ダイオード１３５からの光によってフォトダイオードスイッチ素子１３６が駆動される。これにより、制御信号の立ち上がり時には十分急峻にイオンミラー１１のポテンシャルが立ち上がり、定常時には安定な高圧電位が保たれる。
【００４２】
また、低電位側の構成、すなわち、ワンショットマルチバイブレータ１４１、ドライブ回路１４２、発光ダイオード１４３、ドライブ回路１４４、発光ダイオード１４５、フォトダイオードスイッチ素子１４６は、高電位側の構成と同様である。異なる点は、緩衝器１２２から反転信号が供給される点と、フォトダイオードスイッチ素子１４６が低電位側の高電圧を出力する点である。
【００４３】
このような構成により、イオンミラー１１のポテンシャルを低電位に制御する制御信号が入力されると、制御信号の立ち下がり時には発光ダイオード１４３と発光ダイオード１４５を合わせた高輝度な光によってフォトダイオードスイッチ素子１４６が駆動され、定常時は発光ダイオード１４５からの光によってフォトダイオードスイッチ素子１４６が駆動される。これにより、制御信号の立ち下がり時には十分急峻にイオンミラー１１のポテンシャルが立ち下がり、定常時には安定な低電位側の高圧電位が保たれる。
【００４４】
ロジックシーケンサー１６から高電圧スイッチ１８１に入力される制御信号について簡単に説明する。本実施形態では、制御信号がオンの場合にイオンミラー１１のポテンシャルが高電位になり、制御信号がオフの場合にイオンミラー１１のポテンシャルが低電位となる。したがって、通常時には高電圧スイッチ１８１にはオン信号が供給される。図２（Ａ）に示すようにイオンミラー１１ａのポテンシャルを下げるには、イオンミラー１１ａを制御する高電圧スイッチ１８１へオフ信号が供給される。同様に、図２（Ｃ）に示すようにイオンミラー１１ｂのポテンシャルを下げる期間には、イオンミラー１１ｂを制御する高電圧スイッチ１８１へオフ信号が供給される。
【００４５】
解析装置２０は、ＣＰＵなどの演算装置、主記憶装置、補助記憶装置、入力装置、出力装置などを備えるコンピュータ（情報処理装置）と、飛行時間を測定するＴＤＣ(時間ディジタルコンバータ)からなり、ＣＰＵがプログラムを実行することにより、検出器１２によって測定された試料イオンおよび参照イオンの飛行時間データを記憶装置に蓄積し、その値から、試料イオンの質量の決定を行う。
【００４６】
［測定シーケンス］
次に、本実施形態におけるイオンの蓄積や射出に関する制御について説明する。本実施形態では、飛行管１１に射出されたイオンを約１００回往復させた後に、検出器１２により検出する。上記の往復に必要な時間は２乃至８ミリ秒程度であるが、その前後に必要な時間を考慮に入れると１回の射出について１０ミリ秒程度の時間がかかる。従来技術では、試料イオンに飛行時間測定を例えば２０分間繰り返して行い、参照イオンの飛行時間を５分間繰り返して行い、これらの２５分間からなる測定サイクルを繰り返し実行している。これに対して、本実施形態では、１０ミリ秒オーダーのミクロな測定サイクルにおいて試料イオンと参照イオンの測定を交互に行う。
【００４７】
図５は、ロジックシーケンサー１６による試料イオンおよび参照イオンのイオントラップへの蓄積や飛行管１１への射出、飛行時間の測定等の制御に関するシーケンスを表す図である。図中の最上段は試料イオンの蓄積用イオントラップ１４でのイオン蓄積および射出用イオントラップ１３への試料イオンの供給のタイミングを表す。２段目は、射出用イオントラップ１３におけるイオンの蓄積および飛行管１１の射出へのタイミングを表す。３段目は、飛行管１１内にイオンを飛行させ検出器１２によってイオンを検出する飛行時間測定のタイミングを表す。最下段は、参照イオンの蓄積用イオントラップ１５でのイオン蓄積および射出用イオントラップ１３への参照イオンの供給のタイミングを表す。
【００４８】
図５には、試料イオンの飛行時間測定と参照イオンの飛行時間測定からなる１測定サイクルのシーケンスが示されている。期間２０１において、ロジックシーケンサー１６からの制御指令に基づいてアナログマルチプレクサ１７がイオントラップ１３，１４間のポテンシャルを制御して、イオントラップ１４に蓄積された試料イオンを射出用イオントラップ１３に導入する。イオントラップ間のイオンの移動は短時間（＜１ミリ秒）で行われる。なお、蓄積された試料イオンの移動が完了した直後から、イオントラップ１４には供給源から供給される試料イオンの蓄積が開始する（期間２０６）。
【００４９】
期間２０２において、試料イオンは射出用イオントラップ１３に蓄積され、冷却される。図６（Ａ）は、試料イオンを射出用イオントラップ１３において冷却している際の、イオントラップ１３〜１５におけるポテンシャル分布および各イオントラップに蓄積されているイオンを示す図である。図６（Ａ）に示すように、イオントラップ１３と１４のあいだ、およびイオントラップ１３および１５のあいだにポテンシャル障壁が設けられ、イオントラップ間でのイオンの移動は生じない。また、この時点では射出用イオントラップ１３に蓄積されているイオンは試料イオンであり、イオントラップ１４には供給源から試料イオンが導入されており、イオントラップ１５には供給源から参照イオンが導入されている。
【００５０】
射出用イオントラップ１３における冷却期間２０２が終了すると、ロジックシーケンサー１６からの制御指令に基づいて、イオントラップ１３の垂直方向に電圧を掛けて試料イオンを飛行管１１に向けてパルス的に加速させる。また、ロジックシーケンサー１６は同時に、入射側のイオンミラー１１ａのポテンシャルを下げて、入射口１１ｃからの試料イオンの入射を可能とする。
【００５１】
期間２０３は、飛行管１１内で試料イオンを飛行させた後に検出器１２によって試料イオンを検出する飛行時間測定期間である。飛行管１１に試料イオンを導入した後、入射側のイオンミラー１１ａのポテンシャルを上げ、イオンミラーを閉じる。これにより、飛行管１１内の試料イオンは、イオンミラー１１ａとイオンミラー１１ｂのあいだを往復する。イオンが所定回数往復するタイミングで射出側イオンミラー１１ｂを開放して、試料イオンは飛行管１１から飛び出し検出器１２によって検出される。
【００５２】
試料イオンの飛行時間測定期間２０３が完了する前に、期間２０３において、イオントラップ１５に蓄積された参照イオンが射出用イオントラップ１３に導入される。具体的な動作は、期間２０１の場合と同様である。また、イオントラップ１５から射出用イオントラップ１３への参照イオンの移動が完了した後、イオントラップ１５には供給源からの参照イオンの蓄積が開始する。
【００５３】
図６（Ｂ）は、参照イオンを参照イオン蓄積用イオントラップ１５から射出用イオントラップ１３に移動させる際の、イオントラップ１３〜１５におけるポテンシャル分布および各イオントラップに蓄積されているイオンを示す図である。図に示すように、イオントラップ１３および１５のあいだのポテンシャル障壁が取り除かれ、イオントラップ１５に蓄積された参照イオンが、より低ポテンシャルの射出用イオントラップ１３に移動する。
【００５４】
期間２０４において、参照イオンは射出用イオントラップ１３に蓄積され、冷却される。図６（Ｃ）は、参照イオンを射出用イオントラップ１３において冷却している際の、イオントラップ１３〜１５におけるポテンシャル分布および各イオントラップに蓄積されているイオンを示す図である。ポテンシャル分布は図６（Ａ）の場合と同様であるが、射出用イオントラップ１３に蓄積・冷却されているイオンが、参照イオンである点が異なる。図６（Ａ）に示すように、イオントラップ１３と１４のあいだ、およびイオントラップ１３および１５のあいだにポテンシャル障壁が設けられ、イオントラップ間でのイオンの移動は生じない。また、この時点では射出用イオントラップ１３に蓄積されているイオンは参照イオンであり、イオントラップ１４には供給源から試料イオンが導入されており、イオントラップ１５には供給源から参照イオンが導入されている。この冷却期間２０４のあいだに、試料イオンの測定期間２０３を終了させ、次の飛行時間の測定開始を可能とする。
【００５５】
射出用イオントラップ１３における参照イオンの冷却期間２０４が終了すると、ロジックシーケンサー１６からの制御指令に基づいて、射出用イオントラップ１３から参照イオンを飛行管１１に射出して飛行時間測定を開始する。具体的な動作は、試料イオンの測定（期間２０３）と同様である。
【００５６】
以上で１サイクルが完了し、期間２０７以降は上記の処理が繰り返される。
【００５７】
本手法によれば、一飛行ごとに試料イオンと参照イオンの測定を切り替えて行っているので、測定条件の同一性を担保できる。また、蓄積用イオントラップを試料イオンと参照イオンそれぞれに対して用意し、蓄積・冷却を試料イオンと参照イオンで独立して行えるようにしている。これにより、参照イオンの飛行時間測定中（期間２０５等）において、試料イオンの蓄積用イオントラップ１４への蓄積が可能となり、試料イオンの飛行時間測定中（期間２０３等）において、参照イオンの蓄積用イオントラップ１５への蓄積が可能となる。このように他方のイオンの飛行時間中に、もう一方のイオンの蓄積を継続できるため、損失なしに２つの測定を同時に進行させることができる。
【００５８】
［質量決定処理］
解析装置２０における、質量決定処理について説明する。ＭＲＴＯＦ質量測定装置では、試料イオンおよび参照イオンの飛行時間の分布（飛行時間スペクトル）に基づいて飛行時間と統計誤差を得て、試料イオンの質量を決定する。ここで、測定期間中に測定装置のドリフト（高圧電源の変動や、装置の機械的伸縮など）が発生すると分布が拡がったり移動したりするため、統計誤差、系統誤差がともに大きくなり測定精度・確度が悪化する。
【００５９】
しかしながら、本実施形態の測定手法では、試料イオンと参照イオンの飛行時間測定をほぼ同時期に行っているため、測定装置のドリフトの影響は試料イオンの飛行時間分布と参照イオンの飛行時間分布に等しく影響し、系統誤差も等しい影響を受ける。したがって、測定期間中に大きなドリフトが生じたとしても、測定の精度が悪化するだけであり、測定の確度を高く保つことができる。
【００６０】
以上のように、ドリフトの影響を考慮した補正処理を施さなくても高確度な測定が可能である。本実施形態では、ドリフトの影響を補正することによって確度とともに精度も維持した測定を可能とする。具体的には、参照イオンはほぼ毎飛行ごとにイオンが入るように調整可能であるため、短い時間でも十分に統計的に有意な飛行時間分布を得ることができる。これを利用して、短い時間ごとに参照イオンの飛行時間を用いて、ドリフトの影響を評価および補正することが可能となる。以下、図７を参照しながら詳細な手順を説明する。
【００６１】
図７は、本実施形態における質量決定処理を説明するフローチャートである。ステップＳ４０１において、解析装置２０が、測定時刻ｔを選択する。測定開始時刻から測定終了時刻までのあいだの時刻を、適当なタイムステップごとに選択すれば良い。
【００６２】
ステップＳ４０２において、解析装置２０が、時刻ｔ−α／２から時刻ｔ＋α／２までの参照イオンの飛行時間分布からドリフトの影響を評価する。ここで、時間αは、その期間内の参照イオンの飛行時間の測定結果から、統計的に有意な飛行時間が得られるようなイベント数が得られる時間である。例えば、α＝１０秒とすることができる。ドリフトの飛行時間への影響は、当該期間内の飛行時間分布に基づいて参照イオンの飛行時間を求め、これと予め設定した参照イオンの飛行時間の差から決定することができる。
【００６３】
ステップＳ４０３において、解析装置２０は、時刻ｔにおける試料イオンの飛行時間と参照イオンの飛行時間について、ステップＳ４０２で求めたドリフトの影響を補正する。なお、ステップＳ４０１におけるタイムステップをΔｔとした場合、時刻ｔ−Δｔ／２からｔ＋Δｔ／２のあいだに測定された飛行時間を同様に補正すればよい。
【００６４】
ステップＳ４０４において、全ての測定期間について上記の処理を行ったか判断し、完了していない場合にはステップＳ４０１に戻って次のタイムステップについて同様の処理を繰り返す。全期間の処理が終了したら、処理はステップＳ４０５に進む。
【００６５】
ステップＳ４０５において、解析装置２０は、上記のように補正した試料イオンおよび参照イオンの飛行時間からなる飛行時間分布に基づいて、試料イオンの質量を決定する。
【００６６】
このようにして試料イオンの質量を決定すれば、各時刻におけるドリフトの影響を補正することができるので、非常に長い時間（例えば、数日程度）がかかる測定であっても、精度と確度の両方を高く維持した測定が可能となる。
【００６７】
［実験例］
以下、本実施形態に係るＭＲＴＯＦ質量測定装置を用いて行った測定について説明する。ここでは、便宜上１３８Ｂａ＋を試料イオンとし１３３Ｃｓ＋を参照イオンとして、１３８Ｂａ＋の質量測定試験を行った。ドリフト現象を象徴的に観測するために、MRTOFMS装置の真空槽をヒータで加熱し、ゆっくり10℃ほど変化させて測定した。
【００６８】
図８（Ａ−１）は、測定時刻ごとの参照イオン１３３Ｃｓ＋の飛行時間測定結果を示す。横軸が測定時刻を表し、縦軸が飛行時間を表す。縦軸は7,924,706.5ナノ秒を原点としてナノ秒単位である。図から読み取れるように、１０８０秒間の測定において５７ｐｐｍの飛行時間ドリフトが発生していることが分かる。図８（Ａ−２）は、同じく試料イオン１３８Ｂａ＋の飛行時間の時間変化を示しており、同様の時間依存性をもっていることがわかる。
【００６９】
図８（Ｂ−１，Ｂ−２）は、測定時間ごとの参照イオン１３３Ｃｓ＋と試料イオン１３８Ｂａ＋の検出数を示す。横軸が測定時刻を表し、縦軸が２０，０００サイクル（＝４００秒）あたりの検出数を表す。検出数の変化はイオンビーム強度の変化によって生じるものであり、図から測定期間中にイオンビーム強度が変化していることが読み取れる。
【００７０】
図８（Ｃ−１，Ｃ−２，Ｄ−１，Ｄ−２）はそれぞれのイオンの飛行時間分布を示す。図８（Ｃ−１，Ｄ−１）は参照イオン１３３Ｃｓ＋の飛行時間分布（補正処理無し、および有り）、図８（Ｃ−２，Ｄ−２）は試料イオン１３８Ｂａ＋の飛行時間分布（補正処理無し、および有り）横軸は飛行時間を基準時間（それぞれ7,925,260ナノ秒および8,072,953ナノ秒）を基準とするナノ秒単位で示し、縦軸はイオンの単位時間（ここでは3.2ナノ秒）あたりの検出数を示す。
【００７１】
測定期間中に図８（Ａ−１，Ａ−２）で示されるようなドリフトが発生しているため、図８（Ｃ−１，Ｃ−２）の補正処理無しのデータでは、大きく広がり、非対称な飛行時間分布となっている。しかし、参照イオンと試料イオンともに同様にドリフトしているため、求めた飛行時間比1.0186368(±3ppm)は、真の値1.018635944(±0.001 ppm)（１３８Ｂａも１３３Ｃｓも安定同位体なので精密に質量がわかっている）と統計誤差の範囲でよく一致している。このような大きなドリフトが生じても高確度な測定ができていることを示している。
【００７２】
また、図８（Ｄ−１，Ｄ−２）には図７に示す方法でドリフト補正した後の飛行時間分布も示されている。この結果、飛行時間の広がりはほぼ半分に狭くなり、飛行時間測定精度が向上している。その結果、飛行時間比は1.0186357（±0.5ppm）となり、飛行時間測定の精度（即ち質量測定精度）が向上していることが分かる。
【００７３】
図９（Ａ）〜図９（Ｅ）は、異なる条件ではあるが、上記と同様の測定を、高圧電源の安定化機構とその温度の安定化機構をオフにして行った結果である。図９（Ａ）は、測定時刻ごとの参照イオン１３３Ｃｓ＋の飛行時間測定結果を示す。測定開始直後に安定化機構をオフにしたことから、飛行時間の測定結果にジャンプが発生し、その後も大きく変動が生じている。具体的には１時間の測定において２５ｐｐｍの飛行時間ドリフトが発生している。
【００７４】
図９（Ｂ），９（Ｃ）は、補正処理を施す前の試料イオン１３８Ｂａ＋と参照イオン１３３Ｃｓ＋の飛行時間分布をそれぞれ示す。図から分かるように、分布が非常に広がるとともに、２つのピークが見られる。
【００７５】
図９（Ｄ）、９（Ｅ）は、補正処理を施した後の試料イオン１３８Ｂａ＋と参照イオン１３３Ｃｓ＋の飛行時間分布をそれぞれ示す。補正処理により、ドリフトの影響を補正して比較的急峻なピークを持つ飛行時間分布が得られる。このように、本実施形態に係る測定手法によれば、補正処理を加えることで、大きなドリフトが生じた場合であっても高精度な測定が可能となる。
【００７６】
［本実施形態の有利な効果］
本実施形態に係る飛行時間測定式質量分析装置は、射出用イオントラップに対して、試料イオン用と参照イオン用の２つのイオントラップからイオンの導入を可能とした。これにより、試料イオンと参照イオンの飛行を１回ずつ交互に行うことが可能となる。さらに、一方の飛行時間測定中に、もう一方のイオンの蓄積が可能となる。したがって、測定の効率が向上する。
【００７７】
なお、従来の飛行時間測定式質量分析装置では、射出用イオントラップに対して１つの蓄積用イオントラップのみがイオンを導入可能な構成なので、試料イオンと参照イオンの測定を切り替えるためには、蓄積用イオントラップに接続するビームラインを切り替える必要があった。したがって、本実施形態のように、試料と参照イオンの飛行時間測定とイオン蓄積とをオーバーラップさせた態様で効率よく測定を行うことはできなかった。
【００７８】
また、本実施形態においては、比較的短い期間において得られる参照イオンの飛行時間分布を用いてドリフトの影響を評価し、ドリフトの影響を補正している。これにより測定の精度も向上する。
【００７９】
また、本実施形態においては、高電圧スイッチ１８１はフォトダイオードスイッチを用いて構成されているため、スイッチングの際に発生するノイズを抑制でき、スイッチ後のイオンミラーの電圧波形を安定に保つことができる。電圧波形の安定によって、高精度な質量測定が可能となる。なお、高電圧ＦＥＴを用いて高電圧スイッチを構成した場合、高速なスイッチ（０．１マイクロ秒程度）が可能であるが、リンギングによってスイッチ後の電圧波形が安定しない。フォトダイオードスイッチを用いるとスイッチ速度は数マイクロ秒程度となるが、飛行管１１内をイオンが一往復するのにかかる時間は典型的な条件で２０〜８０マイクロ秒程度である。したがって、本実施形態の高電圧スイッチ１８１は十分に高速であり、かつ安定性にも優れている。
【００８０】
さらに、本実施形態の高電圧スイッチ１８１は、論理回路から発光ダイオードまでを接地電位に配置し、静電的に完全に独立して高電圧フォトダイオードスイッチを配置できる。したがって、短時間放電のような事象が発生しても回路が破壊されることはなく、長期間安定して高電圧スイッチを使用できる。高電圧ＦＥＴを用いた場合には、サージ発生時に素子が頻繁に故障し交換が必要となるが、本実施形態の高電圧スイッチを用いることでそのような故障発生を避けられる。
【００８１】
［変形例］
上記の実施形態は、本発明を実現するための一例に過ぎず、本発明をその開示内容のみに限定するものではない。本発明はその技術的思想の範囲内で、当業者が取り得る変形を適宜加えて実施することができる。
【００８２】
例えば、上記の説明では、試料イオンと参照イオンを１回ずつ交互に射出して飛行時間を測定しているが、一方のイオンの飛行時間を測定しているあいだに、他方のイオンを蓄積・冷却可能とすれば、かならずしも交互に射出しなくても測定精度や測定能率の向上という結果が得られるケースもある。例えば、試料イオンが非常に希少だが寿命は十分に長いケースを考える。これは、長寿命の不安定原子核や環境トレース物質の測定の場合が相当する。この場合は、試料イオンを蓄積用イオントラップに数秒程度の長い期間溜め込み１回飛行させる間に、参照イオンを５０回程度飛行させると良い。こうする事によって、試料イオン測定の効率を落とすことなく、参照イオンを短い時間で十分統計誤差が少なくなるように測定できる。これはより短い時間頻度でドリフトの補正を可能にするのでより広い条件下で高確度の測定を可能にする。逆の例として、極短寿命（数ミリ秒）の希少不安定原子核の測定を考える。この場合、試料蓄積用イオントラップに長時間蓄積しても効果がないため、できるだけ高い頻度で試料イオンの飛行を繰り返すほうが効率が上がる。一方、参照イオンの測定も必要なので、例えば目的の希少原子核を検出した次の飛行を参照イオンの飛行に割り当てるという特別の時間構造をとって効率と精度・確度を保つ方法が有力である。
【００８３】
また、上記の説明では、多重反射（閉路）型の飛行時間測定法式の質量測定法において、単一の参照イオンを用いる手法を例に説明しているが、多重反射も単一参照イオンも必須な構成ではない。複数の参照イオンを用いる場合にも、本発明を適用することができる。この場合には、射出用イオントラップに対して、試料イオンと２種類（以上）の参照イオンを供給可能に構成し、これらのイオンを交互に射出して飛行時間を測定するとよい。また、本発明は、飛行時間測定方式であれば、閉路の多重反射型に限られず、開路の多重反射型、リニア型、リフレクタ（単一反射）型、開路および閉路のトラック型などいずれにも適用可能である。
【００８４】
ただし、上記で説明した実施形態は、希少粒子の質量測定という点で好適な実施形態である。希少粒子は発生頻度が少ないため、できるだけ効率を落とさずに測定したいという要望がある。上記の実施形態では、希少粒子の発生を無駄にすることなくその飛行時間を測定できる。また、希少粒子はほとんどの回の射出において目的とする希少粒子が射出されないため長時間の測定が必要となり、測定がドリフトの影響を受けるのを避けがたい。したがって、高確度に測定ができ、さらにドリフト補正処理によって高精度な測定が可能となる上記の実施形態は、希少粒子の質量測定に有用である。また、上記の実施形態は、数ミリ秒程度で飛行時間を測定できるので、寿命が０．１秒以下の短寿命原子核や非常に重い原子核の測定が可能であり、かつこのような希少粒子を高い効率で測定できるため、特にこのような粒子の質量測定に有用である。
【００８５】
もちろん、本発明は、短寿命な粒子の測定のみに限定されず、任意の荷電粒子の測定に適用できる。例えば、分子の組成分析やトレース物質の分析などにも好ましく適用できる。そのような応用で想定される過酷な測定環境において、装置や高圧電源の安定度を保つことが困難な場合においても、高精度・高確度を保つことができる。
【符号の説明】
【００８６】
１１：飛行管    １２：検出器    １３：射出用イオントラップ    １４：試料イオン蓄積用イオントラップ    １５：参照イオン蓄積用イオントラップ
【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】
2017150528.tif 000014
【国際調査報告】
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