(57)【要約】  パルス状に供給されるイオンをイオン入射孔（１５）を通してイオントラップ（１０）内に導入する際には、捕捉電圧発生部（３２）からリング電極（１１）に、最良の捕捉が行える周波数よりも高い周波数の矩形波電圧を印加しておく。これにより、イオントラップ１０内には径方向に仮想的イオンポテンシャルの井戸が形成されるので、先行して導入される低m/zのイオンの拡がりが抑制される。イオンの一部がイオントラップ（１０）に導入された後に、リング電極（１１）へ印加される矩形波電圧の周波数は段階的に、最良の捕捉が行える周波数まで下げられる。それによって、既に導入されている低m/zのイオンは効率よく捕捉され、遅れてイオントラップ（１０）に到達する高m/zのイオンの導入も妨げられずにすむ。その結果、広いm/z範囲のイオンを高い効率でイオントラップ（１０）内に捕捉することができる。
2010116396.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス状にイオンを供給するイオン供給源と、複数の電極で囲まれる空間に形成する電場により、前記イオン供給源から供給されたイオンを捕捉するイオントラップと、を具備するイオントラップ装置において、
a)前記イオントラップを構成する複数の電極の少なくとも１つに、該イオントラップ内にイオンを捕捉するための交流電圧を印加する電圧印加手段と、
b)複数の電極の１つに所定の第１周波数を有する交流電圧を印加した状態で前記イオン供給源からパルス状に供給されたイオンを前記イオントラップ内に導入し、その導入の直後に前記交流電圧の周波数を第１周波数よりも低い第２周波数まで所定時間内に変化させるように前記電圧印加手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とするイオントラップ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のイオントラップ装置であって、
前記制御手段は、前記交流電圧の周波数を所定の時点で第１周波数から第２周波数に切り替えるべく前記電圧印加手段を制御することを特徴とするイオントラップ装置。
【請求項３】
請求項１に記載のイオントラップ装置であって、
前記制御手段は、前記交流電圧の振幅を一定として第１周波数から第２周波数まで１乃至複数周期毎に周波数を段階的に下げるように前記電圧印加手段を制御することを特徴とするイオントラップ装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のイオントラップ装置であって、
前記交流電圧の周波数を第１周波数から第２周波数まで変化させるための前記所定時間が１００μ秒以内であることを特徴とするイオントラップ装置。
【請求項５】
請求項４に記載のイオントラップ装置であって、
前記交流電圧の周波数を第１周波数から第２周波数まで変化させるための前記所定時間が５０μ秒以内であることを特徴とするイオントラップ装置。
【請求項６】
請求項１〜３のいずれかに記載のイオントラップ装置であって、
前記イオントラップは、リング電極と、該リング電極を挟むように配設される一対のエンドキャップ電極と、から成る３次元四重極イオントラップであり、前記電圧印加手段は前記リング電極に交流電圧を印加することを特徴とするイオントラップ装置。
【請求項７】
請求項６に記載のイオントラップ装置であって、
前記交流電圧は矩形波電圧であることを特徴とするイオントラップ装置。
【請求項８】
請求項６に記載のイオントラップ装置であって、
イオン入射孔が形成されたエンドキャンプ電極の外側に、イオンが通過する開口が穿設され、直流電圧が印加される電場補正電極を配設したことを特徴とするイオントラップ装置。
【請求項９】
請求項７に記載のイオントラップ装置であって、
前記制御手段は、イオンを前記イオントラップに導入した直後に前記交流電圧の周波数を切り替える際に、その切替え時の交流電圧の位相を、分析対象が正イオンである場合には３π／２、分析対象が負イオンである場合にはπ／２、からずらした位相に設定し、
それによって、特定の質量電荷比を有するイオンを前記イオントラップに効率良く捕捉するようにしたことを特徴とするイオントラップ装置。
【請求項１０】
請求項８に記載のイオントラップ装置であって、
前記電場補正電極に印加する直流電圧を調整する補正電圧調整手段をさらに備え、
該補正電圧調整手段は、入口側エンドキャップ電極に印加される直流電圧との電位差を大きくするように前記電場補正電極に印加する直流電圧を変化させ、それによって、特定の質量電荷比を有するイオンを前記イオントラップに効率良く捕捉するようにしたことを特徴とするイオントラップ装置。
【請求項１１】
パルス状にイオンを供給するイオン供給源と、複数の電極で囲まれる空間に形成する電場により、前記イオン供給源から供給されたイオンを捕捉するイオントラップと、を具備するイオントラップ装置において、
a)前記イオントラップを構成する複数の電極の少なくとも１つに、該イオントラップ内にイオンを捕捉するための交流電圧を印加する電圧印加手段と、
b)複数の電極の１つに所定の第１振幅をもつ交流電圧を印加した状態で前記イオン供給源からパルス状に供給されたイオンを前記イオントラップ内に導入し、その導入の直後に前記交流電圧の振幅を第１振幅よりも大きな第２振幅まで所定時間内に変化させるように前記電圧印加手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とするイオントラップ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオントラップ質量分析装置やイオントラップ飛行時間型質量分析装置などに用いられる、交流電場によってイオンを閉じ込めるイオントラップを具備するイオントラップ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
質量分析装置において、交流電場によりイオンを捕捉する（閉じ込める）イオントラップを利用した装置が従来から知られている。典型的なイオントラップは、略円環状のリング電極と、このリング電極を挟むように配設される一対のエンドキャップ電極と、から成る、いわゆる３次元四重極イオントラップである。従来、こうしたイオントラップでは、リング電極に正弦波状の高周波電圧を印加することで、電極で囲まれる空間に捕捉電場を形成し、この捕捉電場によりイオンを振動させつつ閉じ込めるようにしている。また、最近では、正弦波電圧の代わりに矩形波電圧をリング電極に印加することでイオンの閉じ込めを行うデジタル駆動方式のイオントラップ、いわゆるデジタルイオントラップ（Digital Ion Trap：ＤＩＴ）も開発されている（特許文献１、２、非特許文献１など参照）。【０００３】
上記のようなイオントラップは、例えば、イオン源で生成された各種イオンを一旦蓄積し、それらイオンに運動エネルギーを付与し一斉に放出して飛行時間型質量分析器などへ導入するために利用される。また、イオントラップ内にアルゴンなどの衝突誘起解離ガスを導入し、イオントラップに捕捉したイオンを衝突誘起解離ガスに衝突させることで開裂を促進し、プロダクトイオンを生成させるために利用されることも多い。また、イオントラップ内に蓄積した各種イオンについて所定の質量電荷比を持つイオンをイオントラップから放出して外部の検出器で検出する、質量分析器として用いられることもある。【０００４】
いずれの場合にも、イオントラップの内部で試料分子をイオン化する場合を除けば、外部のイオン源で生成されたイオンをイオントラップ内に導入し、イオントラップ内にそれらイオンを一旦捕捉する必要がある。通常、外部からイオントラップ内へのイオンの導入は、入口側エンドキャンプ電極の略中央に穿設されたイオン導入孔を通して行われる。【０００５】
イオントラップを利用した質量分析装置において分析感度や分析精度を向上させるには、外部のイオン源で生成されたイオンをイオントラップに導入する際のイオントラップ内でのイオンの捕捉効率を上げることが重要である。イオントラップ内にイオンを閉じ込めておくためには、リング電圧に適宜の高周波電圧（上記デジタルイオントラップの場合には矩形波状の高周波電圧）を印加する必要があるが、リング電圧に印加される高周波電圧により形成される高周波電場は外部からイオントラップ内に入射しようとするイオンにとっては障害となる。高周波電場の状態は高周波電圧の１周期内で変化するから、イオンの捕捉効率はイオンがイオントラップに入射するときの高周波電圧の位相に依存し、且つ、その入射イオンの質量電荷比にも依存する。【０００６】
例えば特許文献３に記載の従来の質量分析装置では、特定の質量電荷比範囲のイオンを低質量電荷比側から又は高質量電荷比側から順に（つまり質量電荷比を走査して）イオントラップに入射させるようにし、且つ、イオントラップに入射しようとするイオンの質量電荷比に応じてリング電極に印加する高周波電圧の振幅又は周波数を適当に変化させることで、幅広い質量電荷比範囲に含まれるイオンの捕捉効率を向上させるようにしている。しかしながら、イオントラップへのイオン入射時にイオンの捕捉に最適な条件となる高周波電圧がリング電極に印加されるということは、イオンがイオントラップ内に導入されにくくなることを意味しており、結果として、イオン捕捉効率の改善が却って難しくなるというジレンマがある。【０００７】
一方、特許文献２や特許文献４に記載の質量分析装置では、イオンがイオントラップに入射する時点ではリング電極への高周波電圧の印加を一時的に停止しておき、イオンがイオントラップ内に入射した後に速やかにリング電極への高周波電圧の印加を開始するようにしている。この方法では、イオントラップへのイオン入射が高周波電場によって妨げられることがなく、イオンの導入効率を高くすることができる。そのため、導入されたイオンの運動エネルギーを十分に小さく抑えることが可能であれば、効率良くイオンを捕捉することが可能であり、イオン捕捉効率の向上も可能である。【０００８】
この場合、上記特許文献３に記載の装置のように、イオントラップに入射させるイオンの質量電荷比を走査する必要はなく、幅広い質量電荷比をもつ各種イオンをまとめてイオントラップに導入することが可能である。そのため、相対的に短い時間で、幅広い質量電荷比をもつ各種イオンをイオントラップ内に捕捉することが可能である。しかしながら、こうした方法でも、特に質量電荷比が小さいイオンの捕捉効率は低くなる傾向にあり、より広い質量電荷比範囲のイオンを高い効率で捕捉するような手法が強く要望されている。【０００９】
【特許文献１】特表２００３−５１２７０２号公報
【特許文献２】特開２００８−２８２５９４号公報
【特許文献３】特開平１１−１２０９５６号公報
【特許文献４】特表２００２−５０２０９７号公報
【非特許文献１】古橋、竹下、小河、岩本、「デジタルイオントラップ質量分析装置の開発」、島津評論、島津評論編集部、２００６年年３月３１日、第６２巻、第３・４号、ｐｐ.１４１−１５１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その主な目的は、幅広い質量電荷比範囲のイオンを高い捕捉効率で捕捉することができるイオントラップ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために成された本発明に係るイオントラップ装置は、パルス状にイオンを供給するイオン供給源と、複数の電極で囲まれる空間に形成する電場により、前記イオン供給源から供給されたイオンを捕捉するイオントラップと、を具備するイオントラップ装置において、
a)前記イオントラップを構成する複数の電極の少なくとも１つに、該イオントラップ内にイオンを捕捉するための交流電圧を印加する電圧印加手段と、
b)複数の電極の１つに所定の第１周波数を有する交流電圧を印加した状態で前記イオン供給源からパルス状に供給されたイオンを前記イオントラップ内に導入し、その導入の直後に前記交流電圧の周波数を第１周波数よりも低い第２周波数まで所定時間内に変化させるように前記電圧印加手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴としている。【００１２】
ここで、上記の「その導入の直後」とは、イオン供給源からパルス状に供給された全てのイオンがイオントラップ内に導入された直後、を意味するものではなく、イオン供給源からパルス状に供給されたイオンの中で少なくとも先行してイオントラップに到達するイオンがイオントラップ内に導入された直後のことである。【００１３】
本発明に係るイオントラップ装置において、典型的なイオントラップは、リング電極と、該リング電極を挟むように配設される一対のエンドキャップ電極と、から成る３次元四重極イオントラップである。この場合、電圧印加手段はリング電極に交流電圧を印加し、これによりイオントラップ内空間に形成される電場によってイオンを捕捉することができる。【００１４】
また、リング電極などの電極に印加される前記交流電圧は、正弦波状の高周波電圧、又は、矩形波、三角波、のこぎり波などのパルス波形状の電圧のいずれでもよい。特に矩形波電圧は低電圧及び高電圧の２種類の電圧値をスイッチング素子で切り替えることにより生成することが可能であり、そのスイッチング素子の切替え周波数を変更することで矩形波電圧の周波数も容易に切り替えることができる。したがって、本発明に係るイオントラップ装置のように交流電圧の周波数を変化させる制御のためには、矩形波電圧が好適である。【００１５】
本発明の第１の態様としてのイオントラップ装置では、前記制御手段は、前記交流電圧の周波数を所定の時点で第１周波数から第２周波数に切り替えるべく前記電圧印加手段を制御する構成とする。即ち、この構成では、交流電圧の周波数は第１周波数から第２周波数に即座に変更されるから、上記所定時間は実質的に（つまり切替えに要する時間を除けば）ゼロである。【００１６】
また本発明の第２の態様としてのイオントラップ装置では、前記制御手段は、前記交流電圧の振幅を一定として第１周波数から第２周波数まで１乃至複数周期毎に周波数を段階的に下げるように前記電圧印加手段を制御する構成とする。即ち、この構成では、上記第１の態様とは異なり、第１周波数と第２周波数との間に１乃至複数の中間周波数が設けられ、上記所定時間内で段階的に周波数が引き下げられる。【００１７】
いずれにしても本発明に係るイオントラップ装置では、イオン供給源から供給されるイオンが例えば入口側エンドキャップ電極に穿設されているイオン入射孔を通してイオントラップ内に導入される際にもリング電極に第１周波数を有する交流電圧が印加されており、これによる交流電場がイオントラップ内に形成されている。通常、上記第２周波数は、イオントラップ内でイオンの捕捉が最良又はそれに近い状態となるように設定される。一方、第１周波数は第２周波数よりも高く設定されるため、第１周波数を有する交流電圧がリング電極に印加されている状態は少なくとも第２周波数を有する交流電圧がリング電極に印加されている状態よりも、仮想ポテンシャル井戸が浅くなる。そのため、イオントラップ内でのイオンの捕捉性能は劣る。【００１８】
一方、第１周波数を有する交流電圧がリング電極に印加されている状態ではクーロン障壁は低くなるため、イオントラップへイオンが入射し易くなる。つまり、交流電圧をリング電極に印加した状態でイオンをイオントラップ内に入射しても、その交流電圧の周波数が高ければ、それにより形成される電場はイオン入射に殆ど悪影響を与えず、リング電極への交流電圧の印加を一時的に停止したときと同程度のイオン導入効率を実現できる。イオンがイオントラップに入射したときに、イオントラップ内にはリング電極に印加される交流電圧に起因する仮想ポテンシャルの井戸が径方向に形成されている。質量電荷比が小さいイオンほど仮想ポテンシャルの影響を受け易く、この仮想ポテンシャルの作用により、イオントラップ内に入射した質量電荷比が小さなイオンの拡がりが抑制される。これにより、捕捉が良好に行われるように交流電圧の周波数が下げられたときに、従来は捕捉が困難であったような質量電荷比の小さなイオンも確実に捕捉できるようになり、結果的に、低質量電荷比領域のイオンの捕捉効率を向上させることができる。【００１９】
なお、第２周波数を有する交流電圧はもちろんのこと、第１周波数を有する交流電圧についても、後述するマシューダイヤグラムにおける安定領域内に収まるようなマシューパラメータを満たすものとすることが好ましい。リング電極に印加する交流電圧の周波数を第１周波数から第２周波数に下げることは、マシューダイヤグラム上でマシューパラメータの１つであるｑ値を増加させることを意味する。【００２０】
また上記第２の態様では、低質量電荷比領域のみならず、高質量電荷比領域においてもイオン捕捉効率を改善することが可能である。これは、イオン供給源からイオンをパルス状に供給する場合でも、イオントラップのイオン入射孔に到達する時点では質量電荷比の大きなイオンは質量電荷比の小さなイオンに比べて時間的に遅れており、交流電圧の周波数を段階的に下げることによって、こうして遅れて到達するイオンも相対的に高いイオン導入効率でイオントラップに入射させることが可能となるためである。【００２１】
但し、先行するイオンがイオントラップ内に入射してから交流電圧の周波数が第２周波数に設定されるまでの時間が長過ぎると、イオントラップに入射したイオンの拡がりが大きくなり、結果的にイオン捕捉効率が下がることになる。こうしたことから、交流電圧の周波数を第１周波数から第２周波数まで変化させるための前記所定時間は適切に定める必要がある。この時間はイオン供給源からイオントラップまでの空間的な距離、イオンに付与される運動エネルギー（換言すればイオンの飛行速度）などにも依存するが、一般的には、１００μ秒以内、好ましくは５０μ秒以内とするとよい。第１の態様では、この所定時間の下限値は０であり、第２の態様では、この所定時間の下限値は中間周波数の値と段数とに依るが、数μ秒程度である。【００２２】
また、イオントラップとして３次元四重極型イオントラップを使用する場合、リング電極に交流電圧を印加すると、直流電圧が印加されているエンドキャップ電極に交流ノイズが生起され、このノイズ電圧によりイオン入射孔付近に形成される交流電場がイオンの入射の妨げとなる。そこで、このノイズ電圧による交流電場の影響を軽減するために、本発明に係るイオントラップ装置では、イオン入射孔が形成されたエンドキャンプ電極の外側に、イオンが通過する開口が穿設され、直流電圧が印加される電場補正電極を配設した構成とするとよい。【００２３】
直流電圧が印加される電場補正電極により、上述したようなノイズ電圧による交流電場の影響を遮断することができるので、質量電荷比に拘わらずイオン導入効率は良好になり、高いイオン捕捉効率を達成することができる。【００２４】
本発明に係るイオントラップ装置では、一般的には、できるだけ広い質量電荷比範囲のイオンを高い効率で捕捉するようにイオントラップを駆動するが、特定の駆動条件の下ではイオン捕捉効率が大きな質量電荷比依存性を有することを利用して、選択的なイオン捕捉を行うことも可能である。【００２５】
例えば本発明に係るイオントラップ装置の一態様として、前記制御手段は、イオンを前記イオントラップに導入した直後に前記交流電圧の周波数を切り替える際に、その切替え時の交流電圧の位相を、分析対象が正イオンである場合には３π／２、分析対象が負イオンである場合にはπ／２、からずらした位相に設定し、それによって、特定の質量電荷比を有するイオンを前記イオントラップに効率良く捕捉するようにした構成とすることができる。【００２６】
通常、分析対象が正イオンである場合には３π／２、分析対象が負イオンである場合にはπ／２、の位相で交流電圧の周波数を切り替えると、イオンの捕捉効率は最良となり、捕捉効率の質量電荷比依存性も比較的小さくなる。これに対し、例えば、位相がπであるときに交流電圧の周波数を切り替えると、イオンの捕捉効率の質量電荷依存性は大きくなり、特定の幾つかの質量電荷比で或る程度高い捕捉効率を示し、それ以外の質量電荷比では捕捉効率が大きく下がる。これを利用すれば、イオントラップにイオンを捕捉する段階で粗いイオン選択を行うことができ、例えば引き続いてイオントラップ内でプリカーサイオンの選択を行うような場合に、その選択性を高めることができる。【００２７】
また上記のように入口側エンドキャップ電極の外側に電場補正電極を設ける場合には、前記電場補正電極に印加する直流電圧を調整する補正電圧調整手段をさらに備え、該補正電圧調整手段は、入口側エンドキャップ電極に印加される直流電圧との電位差を大きくするように前記電場補正電極に印加する直流電圧を変化させ、それによって、特定の質量電荷比を有するイオンを前記イオントラップに効率良く捕捉するようにすることができる。【００２８】
電場補正電極に印加される直流電圧と入口側エンドキャップ電極に印加される直流電圧との電位差が大きくなると、イオンが十分に減速されずにエンドキャップ電極を通過する。その場合、イオンはリング電極に印加される交流電圧によってエンドキャップ電極に誘起される高周波のノイズ電圧の影響を受け易くなり、イオンが入射するタイミングによって捕捉効率が大きく変動する。その結果、イオン捕捉効率の質量電荷比依存性は大きくなり、特定の幾つかの質量電荷比で或る程度高い捕捉効率を示し、それ以外の質量電荷比では捕捉効率が大きく下がる。これを利用すれば、イオントラップにイオンを捕捉する段階で粗いイオン選択を行うことができる。【００２９】
上記第１発明に係るイオントラップ装置では、イオンを捕捉するための交流電圧の周波数を変化させることでイオントラップへの入射前後のイオンの挙動を制御するようにしていたが、交流電圧の振幅を変化させることでも同様の制御が可能である。即ち、上記課題を解決するためになされた第２発明に係るイオントラップ装置は、パルス状にイオンを供給するイオン供給源と、複数の電極で囲まれる空間に形成する電場により、前記イオン供給源から供給されたイオンを捕捉するイオントラップと、を具備するイオントラップ装置において、
a)前記イオントラップを構成する複数の電極の少なくとも１つに、該イオントラップ内にイオンを捕捉するための交流電圧を印加する電圧印加手段と、
b)複数の電極の１つに所定の第１振幅をもつ交流電圧を印加した状態で前記イオン供給源からパルス状に供給されたイオンを前記イオントラップ内に導入し、その導入の直後に前記交流電圧の振幅を第１振幅よりも大きな第２振幅まで所定時間内に変化させるように前記電圧印加手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴としている。【００３０】
もちろん、この第２発明に係るイオントラップ装置においても、第１発明に係るイオントラップ装置と同様に、交流電圧の振幅を第１振幅から第２振幅に切り替えてもよいし、好ましくは、第１振幅と第２振幅との間に１乃至複数の中間の振幅を設け、段階的に振幅を切り替えるとよい。もちろん、交流電圧として正弦波状の電圧を用いるアナログ駆動方式の場合には、第１振幅から第２振幅まで連続的に振幅を増加させることも可能である。
【発明の効果】
【００３１】
本発明に係るイオントラップ装置によれば、高い効率でもってイオントラップ内に捕捉することができるイオンの質量電荷比の範囲を、従来よりも広げることができる。それによって、このイオントラップ装置を利用した質量分析において、取得可能なマススペクトルの質量電荷比を拡大することができる。また、従来は十分な精度や感度で質量分析することができなかった物質についても質量分析を行うことが可能となる。さらにまた本発明に係るイオントラップ装置によれば、特定の質量電荷比を有するイオンを選択的に効率よく捕捉することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施例によるＭＡＬＤＩ−ＤＩＴ−ＭＳの全体構成図。
【図２】３次元四重極イオントラップの基本的な構成を示す図。
【図３】リング電極に印加される矩形波電圧を示す図。
【図４】本発明に係るイオントラップ装置において、イオントラップにイオンを導入する前後にリング電極に印加される矩形波電圧の周波数を切り替える際の電圧波形の一例を示す図。
【図５】マシュー方程式の解の安定条件を説明するためのマシューダイヤグラムを示す図。
【図６】イオントラップにイオンを入射したときのイオンの拡がりをシミュレーションした結果を示す図。
【図７】本発明に係るイオントラップ装置において、イオントラップにイオンを導入する前後にリング電極に印加される矩形波電圧の周波数を切り替える際の電圧波形の他の例を示す図。
【図８】矩形波波形と正弦波波形の位相との関係を示す図。
【図９】本発明で用いられるイオン導入時ＲＦ印加法と従来のイオン導入時ＲＦ非印加法とのイオン捕捉効率をシミュレーションした結果を示す図。
【図１０】本発明で用いられるイオン導入時ＲＦ印加法においてＲＦ電圧の周波数を切り替える位相の相違によるイオン捕捉効率の相違をシミュレーションした結果を示す図。
【図１１】リング電極に矩形波のＲＦ電圧を印加したときのエンドキャップ電極に発生するノイズ電圧の観察波形を示す図。
【図１２】エンドキャップ電極にノイズ電圧が発生した状態での電場補正電極がない場合のイオンの捕捉効率をシミュレーションした結果を示す図。
【図１３】本発明に係るイオントラップ装置において、イオントラップにイオンを導入する前後にリング電極に印加される矩形波電圧の振幅を切り替える際の電圧波形の一例を示す図。
【図１４】ＰＭＭＡ６００に対するイオン導入時ＲＦ非印加法とイオン導入時ＲＦ印加法とによる実測マススペクトル。
【図１５】ＰＭＭＡ４２００に対するイオン導入時ＲＦ非印加法とイオン導入時ＲＦ印加法とによる実測マススペクトル。
【図１６】イオン導入時ＲＦ印加法でＲＦ電圧の周波数を段階的に切り替える際の同一周波数の繰り返し周期を２０周期に変更したときの実測マススペクトル。
【符号の説明】
【００３３】
１…サンプルプレート
２…サンプル
３…レーザ照射部
４…反射鏡
５…アパーチャ
６…アインツェルレンズ
１０…イオントラップ
１１…リング電極
１２…入口側エンドキャップ電極
１３…出口側エンドキャップ電極
１４…捕捉領域
１５…イオン入射孔
１６…イオン出射孔
１７…電場補正電極
１８…引き出し電極
１９…クーリングガス供給部
２０…イオン検出器
２１…コンバージョンダイノード
２２…二次電子増倍管
３０…制御部
３２…捕捉電圧発生部
３３…補助電圧発生部
３４…データ処理部
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
まず、本発明に係るイオントラップ装置において用いられる特徴的なイオン導入時のイオントラップ駆動方法（後述するように、この方法を「イオン導入時ＲＦ印加法」と称す）について説明する。【００３５】
図２に示すように、円筒座標系（ｒ，Ｚ）において典型的な３次元四重極イオントラップを考える。このイオントラップ１０は、内周面が回転１葉双曲面形状を有する１個の円環状のリング電極１１と、それを挟むように対向して設けられた、内周面が回転２葉双曲面形状を有する一対のエンドキャップ電極１２、１３とから成り、電極１１、１２、１３で囲まれた空間が捕捉領域１４となる。入口側エンドキャップ電極１２の中央にイオン入射孔１５が穿設され、イオン入射孔１５の直線上において出口側エンドキャップ電極１３にイオン出射孔１６が穿設されている。外部で生成されたイオンはイオン入射孔１５を通してイオントラップ１０の内部空間に導入される。まず、図示するように、リング電極１１に捕捉用電圧として正弦波形状の高周波電圧（以下単に「ＲＦ電圧」という）Ｕ−Ｖ・cosΩｔが印加される場合を考える。これは、いわゆるアナログ駆動方式のイオントラップである。【００３６】
上記ＲＦ電圧が印加されているときに捕捉領域１４に形成される四重極電場における各種イオンの運動は、Ｚ方向、ｒ方向について次の（１）及び（２）式で示す独立の運動方程式で記述することができる。
ｄ２ｒ／ｄｔ２＋（Ｑ／ｍｒ０２）（Ｕ−Ｖ・cosΩｔ）ｒ＝０      …（１）
ｄ２Ｚ／ｄｔ２＋（２Ｑ／ｍｒ0２）（Ｕ−Ｖ・cosΩｔ）Ｚ＝０      …（２）
ここで、ｍはイオンの質量、Ｑはイオンの電荷、ｒ０はリング電極１１の内接半径である。いま、ａｚ，ａｒ，ｑｚ，ｑｒを（３）及び（４）式のように定義すると、
ａｚ＝−２ａｒ＝−８Ｕ／［（ｍ／Ｑ）ｒ０２ Ω２］      …（３）
ｑｚ＝−２ｑｒ＝４Ｖ／［（ｍ／Ｑ）ｒ０２ Ω２］      …（４）
上記運動方程式（１）及び（２）式は、次の（５）及び（６）式のマシュー（Mathieu）方程式の形で表すことができる。
ｄ２ｒ／ｄζ２＋（ａｒ−２ｑｒ・cos２ζ）ｒ＝０      …（５）
ｄ２Ｚ／ｄζ２＋（ａｚ−２ｑｚ・cos２ζ）Ｚ＝０      …（６）
但し、ζ＝Ωｔ／２、である。
上記マシュー方程式の解の性質は、マシューパラメータａｚ，ｑｒを用いて表すことができる。（１）、（２）式において安定な解が得られる（ａｚ，ｑｚ）の領域は安定領域と呼ばれる。【００３７】
デジタルイオントラップの場合には、正弦波状ＲＦ電圧の代わりに矩形波電圧をＲＦ電圧としてリング電極１１に印加するわけであるが、基本的に上記の関係がそのまま利用できることはよく知られている（例えば上記非特許文献１など参照）。いま、Ｖ、Ｕを次の（７）、（８）式で定義する。
Ｖ＝２（Ｖ１−Ｖ２）（１−ｄ）ｄ      …（７）
Ｕ＝ｄＶ１＋（１−ｄ）Ｖ２      …（８）
マシューパラメータ（ｑ，ａ）は次の（９）、（１０）式で表される。
ｑ＝４ＱＶ／（ｒ02 Ω2）＝ＱＶＴ２／（π2 ｍｒ０２）    …（９）
ａ＝８ＱＵ／（ｒ02 Ω2）＝２ＱＵＴ２／（π2 ｍｒ０２）    …（１０）
ここで、Ｖ１、Ｖ２、ｄ、Ｔは図３で示すように矩形波電圧を定義するパラメータであり、特にＴは矩形波電圧の周期を表す。【００３８】
図５はこのマシュー方程式の解の安定条件を説明するためのマシューダイヤグラムである。図５に示すａ−ｑ面において実線で囲まれた領域が運動方程式の安定解となる安定領域である。即ち、上記マシューパラメータａ、ｑはイオンの質量電荷比m/zによって定まり、これらの値の組（ａ，ｑ）が安定領域に存在する場合に、このイオンは特定の周波数（永年周波数）で振動を繰り返し捕捉領域１４に閉じ込められる。【００３９】
しかしながら、実際には、安定領域にありさえすればどの条件のイオンでも捕捉できるというわけではなく、ＲＦ電圧によって形成される仮想ポテンシャルの井戸の深さよりも小さな運動エネルギーを持つイオンのみが捕捉され得る。ＲＦ電圧として矩形波電圧を用いる場合には、対称軸方向ｚに対する仮想ポテンシャルの深さＤｚは次の（１１）式で表される。
Ｄｚ＝（π２／４８）ｑＶ      …（１１）
この仮想ポテンシャルの井戸が深いほど、より高い運動エネルギーを持つイオンを捕捉可能であり、イオンの捕捉は容易になるといえる。【００４０】
（１１）式から分かるように仮想ポテンシャルの深さＤｚはｑの値に比例するため、イオントラップ１０内に存在する或るイオンのマシューパラメータ（ａ，ｑ）が安定領域に含まれている条件の下でも、ｑの値が大きなほうがイオンの捕捉が容易になる。しかしながら、ｑが大きい場合にはＲＦ電圧により形成されるクーロン障壁が高くなるため、外部からイオントラップ１０内へのイオンの入射は難しくなる。これに対し、同じように（ａ，ｑ）が安定領域に含まれている条件の下でもｑの値が小さい場合には、イオンの捕捉は相対的に難しくなる反面、イオントラップ１０内へのイオンの入射は容易になる。つまり、外部からイオントラップ１０内へのイオンの導入のし易さとイオントラップ１０内でのイオンの捕捉のし易さとは相反する関係にあると言える。【００４１】
そこで、本発明に係るイオントラップ装置では、矩形波信号では周波数を瞬時に変化させることが容易であることを利用して、イオントラップにイオンを導入する際と導入したイオンをイオントラップ内に捕捉する際とでＲＦ電圧の周波数を適宜に変えることで、イオンを導入する効率の改善と導入されたイオンを捕捉する効率の改善とを共に達成するようにしている。具体的には、図４に示すように、イオン入射孔１５を通してイオンをイオントラップ１０内に導入する際にはＲＦ電圧の周波数を高い値ｆ１に設定しておくことでｑの値を十分に小さく（例えば導入する全てのイオンに対してｑが０．１以下）しておき、イオンがイオントラップ１０内に導入された直後にＲＦ電圧の周波数を低い値ｆ２に切り替えることでｑの値を大きくして（捕捉したいイオンの中で質量電荷比が最小であるイオンのｑを安定領域のＬＭＣＯ（Low Mass Cut Off）であるｑ＝０．７１２５に近づけて）イオンを閉じ込める。このときのマシューダイヤグラム上におけるイオンの（ａ，ｑ）の変化は、図５中に示すようにＰからＰ’への移動となり、あくまでも安定領域内での移動である。【００４２】
従来技術である、イオン導入時にリング電極１１へのＲＦ電圧の印加を停止しておき、イオンが導入された後に捕捉電圧としてのＲＦ電圧をリング電極１１に印加する方法（以下「イオン導入時ＲＦ非印加法」と呼ぶ）と、上述した本発明で用いられる、イオンが導入される時点で相対的に高い周波数のＲＦ電圧をリング電極１１に印加しておき、イオンが導入された後にそのＲＦ電圧の周波数を相対的に低い値に下げる方法（前記「イオン導入時ＲＦ印加法」）との性能の比較を主としてシミュレーションにて行った結果を説明する。【００４３】
図６は、初速が６００[m/s]であるイオンをリング電極１１の対称軸に対して１５°と３０°の傾きを有してイオントラップ１０に入射させた場合における、イオントラップ１０内でのイオンの拡がりをシミュレーションした結果を示している。この図は、イオンがイオントラップ１０に入射した時点をｔ＝０として、ｔ＝０〜１０[μs]の間にリング電極１１に周波数：２[MHz]、電圧振幅：１[kV]の矩形波状のＲＦ電圧を印加した場合と印加しない場合とで、イオンの軌道（対称軸からの距離）の変化を調べた結果を表している。図６（ａ）はイオンの質量電荷比m/zが６００の場合であり、リング電極１１にＲＦ電圧を印加した場合にはＲＦ電圧を印加しない場合に比べて、入射角１５°、３０°のいずれの場合でも対称軸からの距離の変化が抑えられていることが分かる。一方、図６（ｂ）はイオンの質量電荷比m/zが３０００の場合であって、このときにはイオンの拡がりに対するＲＦ電圧の印加の有無の影響が殆どないことが分かる。【００４４】
このようなことから、イオン導入時にＲＦ電圧をリング電極１１に印加しておくと、特に質量電荷比が小さなイオンについて径方向の拡散が抑えられることが分かる。イオン導入時においてもリング電極１１にＲＦ電圧が印加されていると、イオントラップ１０内でイオンを落とし込む仮想ポテンシャルが径方向に発生している。イオンの質量電荷比が小さいほど仮想ポテンシャルの影響が大きいから、特に質量電荷比が小さいイオンにおいて径方向への拡散抑制効果が顕著に現れる。その結果として、イオン導入時ＲＦ印加法ではイオン導入時ＲＦ非印加法に比べて、低質量電荷比領域でのイオン捕捉効率の向上が可能となるものと考えられる。【００４５】
一方、高質量電荷比領域においてはイオン導入時のＲＦ電圧はイオンの軌道に殆ど影響を与えない。したがって、高周波数ｆ１から低周波数ｆ２への切替えを図４に示すように中間状態を設けることなく瞬時に行う場合には、イオン導入時ＲＦ非印加時とほぼ同等のイオン捕捉効率となる。これに対し、図７に示すように中間状態（周波数がｆ１とｆ２との間の状態）を１以上（図７の例では[１]、[２]の２つ）設けてＲＦ電圧の周波数を段階的に変化させる場合には、高質量電荷比側の捕捉効率も向上させることが可能であり、同時に捕捉可能な質量電荷比範囲を広げることができる。【００４６】
これは、直流電場の作用によってイオンをイオントラップ１０内に導入する場合、イオンの質量電荷比が大きくなるほど飛行時間が長くなることによる。即ち、イオン供給源からパルス状に（つまりほぼ一斉に）各種イオンを出射させた場合でも、質量電荷比の小さなイオンは先行してイオントラップ１０に導入され、質量電荷比が大きなイオンは遅れるため、ＲＦ電圧の周波数切替え開始時にはイオントラップ１０に未だ入射していない高質量電荷比のイオンが存在する。このようなイオンは、図４に示したように周波数切替えの際に中間状態を設けない場合や従来のイオン導入時ＲＦ非印加の場合、イオンの捕捉を開始した後ではＲＦ電圧の影響でイオントラップ内に殆ど入ることができなくなり、それ故にイオントラップ内に捕捉することもできない。一方、図７に示すようにＲＦ電圧の周波数を段階的に低くする場合には、ＲＦ電圧の周波数の切替え開始時には高質量電荷比のイオンに対してはＲＦ電圧の影響は小さく、遅れてイオントラップ１０に到達する高質量電荷比のイオンもイオントラップ１０内に入射させることが可能であり、それらイオンの入射後にさらにＲＦ電圧の周波数が低くなることで効率的な捕捉も実行される。【００４７】
図９は、５００[Da]から８０００[Da]まで５０[Da]おきの質量電荷比について、それぞれ１００個の初期条件をランダムに与えたイオンの軌道をシミュレーション計算により調べ、その捕捉効率をプロットした図である。イオン導入時ＲＦ印加法において中間状態を設けない（１段階切替）場合には、イオン導入時におけるＲＦ電圧の周波数ｆ１を２[MHz]、イオン捕捉時におけるＲＦ電圧の周波数ｆ２を５００[kHz]に設定した。イオン導入時ＲＦ印加法において中間状態を設ける（３段階切替）場合には、中間状態では同じ周波数を５周期繰り返しつつｆ１からｆ２まで、２[MHz]→１[MHz]→６６７[kHz]→５００[kHz]と３段階で周波数を下げる条件を設定した。なお、ＲＦ電圧の振幅はいずれも１[kV]一定とした。例えば周波数が５００[kHz]であるときのＬＭＣＯは５４８．８[Da]となっている。【００４８】
図９で明らかなように、６００〜１０００[Da]の低質量電荷比領域では、イオン導入時ＲＦ印加法はイオン導入時ＲＦ非印加法よりもイオン捕捉効率がかなり高くなっている。また、同じイオン導入時ＲＦ印加法においても段階的に周波数を変化させる方法では、おおよそ５５００〜６５００[Da]の高質量電荷比領域で、瞬時に周波数を切り替える方法と比べてイオン捕捉効率が高くなっている。このような結果から、本発明で採用しているイオン導入時ＲＦ印加法が従来のイオン導入時ＲＦ非印加法に対して、質量電荷比範囲を広げる上で優位であることがシミュレーションにより確認できる。【００４９】
図８に示すように矩形波（この場合にはデューティ比が５０％）の位相を正弦波波形と同様に定義する場合、周波数を切り替えるときのＲＦ電圧の位相を変化させると、質量電荷比によってイオン捕捉効率が変化する。正イオンを捕捉する場合、イオン捕捉効率が最も良くなる位相である３π／２においてＲＦ電圧の周波数を切り替えるのが一般的である。できるだけ広い質量電荷比範囲のイオンを満遍なく高い効率で捕捉したい場合には、ＲＦ電圧切替えを行う位相を３π／２（負イオンではπ／２）に設定すればよい。これに対し、ＲＦ電圧の切替えを行う位相を意図的に３π／２（負イオンではπ／２）からずらすことで、捕捉可能な質量電荷比範囲を狭くしたり特定の質量電荷比を有するイオンを選択的に捕捉したりすることも可能である。【００５０】
図１０は、ＲＦ電圧の周波数を切り替える位相を３π／２とπとした場合のイオン捕捉効率を５００[Da]から６０００[Da]まで５０[Da]おきの質量電荷比についてシミュレーション計算した結果を示している。図１０で明らかなように、位相：πで周波数を切り替えた場合には位相：３π／２で切り替えた場合に比べて、捕捉可能な質量電荷比範囲が半分程度に狭くなっている。また、その質量電荷比範囲内にあってもイオン捕捉効率は大きく変動している。このような捕捉効率の変動を利用し、特定の質量電荷比で捕捉効率が高くなるようにＲＦ電圧の周波数切替えを行う位相を適宜に調整し、特定のイオンを選択的に捕捉するといったことも可能になる。【００５１】
ところで、非特許文献１にも記載されているように、デジタルイオントラップでは、入口側エンドキャップ電極１２の外側に電場補正電極を配置し、該電極に直流電圧を印加してイオン入射孔１５付近の電場を補正している（図１参照）。本発明で採用するイオン導入時ＲＦ印加法においても、電場補正電極が無い場合には、最も効率よくイオンを捕捉することが可能な位相でＲＦ電圧の周波数を切り替えたとしてもイオンの質量電荷比によって捕捉効率が大きく変化してしまう。これはリング電極１１に印加したＲＦ電圧によってエンドキャップ電極１２、１３に発生するノイズ電圧によって引き起こされる。【００５２】
図１１は、リング電極１１に２[MHz]、１[kV]の矩形波電圧をＲＦ電圧として印加した場合にエンドキャップ電極１２に発生するノイズ電圧をオシロスコープで測定した波形である。分析対象が正イオンである場合、イオン導入時には入口側エンドキャップ電極１２に−１０[Ｖ]の直流電圧を印加している。このため、リング電極１１にＲＦ電圧を印加しない場合、エンドキャップ電極１２の電圧はほぼ−１０[Ｖ]で安定している。それに対して上記ＲＦ電圧を印加した場合、エンドキャップ電極に約４５[Ｖ]の振幅を持つノイズ電圧が発生している。また、このときリング電極１１に印加される矩形波電圧の周期は短いため、ノイズ電圧が減衰するよりも速く次のノイズ電圧が発生しており、結果として、エンドキャップ電極１２には正弦波に近い波形形状のＲＦ電圧が印加されたのとほぼ同じ状態になっている。【００５３】
このような状態において電場補正電極がない場合には、前段のイオン輸送光学系で数keV以上に加速されたイオンが入口側エンドキャップ電極１２に到達すると、イオンの速度が速すぎるために入口側エンドキャップ電極１２を通過するタイミングによって（つまり、イオンが通過する際のノイズ電圧の位相によって）通過後のイオンの運動エネルギーが大きく変化してしまう。その結果、大きな運動エネルギーを持ったままイオントラップ１０に入射することになったイオンは、イオントラップ１０内に捕捉されにくくなる。【００５４】
図１２は、エンドキャップ電極１２に振幅５０[Ｖ]のノイズ電圧が発生した状態で電場補正電極がない場合のイオンの捕捉効率を、シミュレーションによって計算した結果を示している。なお、上記の図９、図１０などのシミュレーション結果は、全て適切な直流電圧が印加された電場補正電極を配置した場合の計算結果である。イオン導入時ＲＦ非印加法についてもイオン入射孔１５付近の電場が変化しているため、電場補正電極がある場合に比べれば捕捉効率は低下する。一方、イオン導入時ＲＦ印加法では、上記のようなノイズ電圧のためにイオン入射孔１５付近の電場の変動は激しくなるため、捕捉効率の変化も激しい。特に低質量電荷比側のイオンでの影響が大きく、２００[Da]程度の差で捕捉効率が０〜１００％の間を大きく変動している。この結果と上述した結果との比較から、電場補正電極を入口側エンドキャップ電極１２の外側に配置し、この電場補正電極に直流電圧を印加することによって、ＲＦ電圧に起因するノイズ電圧の影響が緩和され、上記のようにイオン捕捉効率が良好になることが分かる。【００５５】
また、電場補正電極を設置する場合でも、入口側エンドキャップ電極１２に印加する直流電圧と電場補正電極に印加する直流電圧との電圧差を大きくする（換言すると、前段のイオン輸送光学系と電場補正電極との電位差を小さくする）ことで、イオンの減速を十分に行わないまま入口側エンドキャップ電極１２を通過させてノイズ電圧の影響を増加させることができる。その結果、電場補正電極がない場合と同様の効果が生まれ、図１２に示したように、質量電荷比によってイオン捕捉効率を大きく変化させることができる。この効果を利用することで、例えば上述したようなＲＦ電圧の周波数切替え位相を利用した特定質量電荷比のイオンの選択的捕捉を、さらに細かく制御することが可能となる。即ち、ＲＦ電圧の周波数を切り替える位相の調整と、電場補正電極へ印加される直流電圧の調整（上記の電圧差の調整）とを併用することで、特定の１つの質量電荷比を有するイオンのみを高い選択性をもって捕捉することも可能となる。【００５６】
なお、上記説明はデジタルイオントラップにおいて矩形波電圧をＲＦ電圧とするものであったが、ＲＦ電圧の周波数の急速な切替えが実現可能であれば、ＲＦ電圧の波形はどのような形状でもよく、例えば三角波、のこぎり波などであってもよい。【００５７】
また、上記例はＲＦ電圧の振幅を一定にした状態で周波数を変化させるものであったが、ＲＦ電圧の振幅を低電圧から高電圧へと急峻に変化させることが可能である場合には、周波数によるイオン挙動の制御に代えて振幅によっても同様の制御を行うことができる。【００５８】
図１３は、矩形波電圧の振幅の変化によってイオン導入とイオン捕捉とを良好に行う場合の波形の一例を示す図である。図１３（ａ）に示すように、イオントラップにイオンを導入する際には所定の低電圧のＲＦ電圧をリング電極に印加しておくことでイオンを効率良くイオントラップ内に導入し、イオンがイオントラップに導入された直後に、ＲＦ電圧を高電圧に切り替えることで、導入されたイオンを効率良く捕捉することができる。また、図１３（ｂ）に示すように、複数段階に振幅を増加させるように矩形波電圧を変化させることで、高質量電荷比領域のイオンについても捕捉効率を改善することができる。なお、ここでは矩形波電圧で示しているが、このような振幅変化による制御は、デジタルイオントラップではなくアナログイオントラップのほうが容易である。
【実施例】
【００５９】
次に、上記のイオン導入方法を利用した本発明に係るイオントラップ装置の一実施例であるマトリックス支援レーザ脱離イオン化デジタルイオントラップ型質量分析装置（ＭＡＬＤＩ−ＤＩＴ−ＭＳ）について、構成と動作とを詳細に説明する。図１は本実施例によるＭＡＬＤＩ−ＤＩＴ−ＭＳの全体構成図である。【００６０】
イオントラップ１０は上述した３次元四重極型のイオントラップであって、１個の円環状のリング電極１１と、それを挟むように（図１では上下に）対向して設けられた一対のエンドキャップ電極１２、１３とから成る。入口側エンドキャップ電極１２のほぼ中央にはイオン入射孔１５が穿設され、その外側にはイオン入射孔１５付近の電場の乱れを補正するための電場補正電極１７が配設されている。一方、出口側エンドキャップ電極１３のほぼ中央にはイオン入射孔１５とほぼ一直線上にイオン出射孔１６が穿設され、その外側には後述のイオン検出器２０に向けてイオンを引き出すための引き出し電極１８が配設されている。また、イオントラップ１０内でイオンをクーリングするためのクーリングガス（一般的には不活性ガス）を供給するクーリングガス供給部１９が設けられている。【００６１】
イオンを生成するためのＭＡＬＤＩイオン源（本発明におけるイオン供給源に相当）は、金属製のサンプルプレート１上に用意されたサンプル２に照射するレーザ光を発するレーザ照射部３と、該レーザ光を反射しつつサンプル２に集光する反射鏡４と、を含む。サンプルプレート１とイオントラップ１０との間には、拡散するイオンを遮蔽するアパーチャ５と、イオンをイオントラップ１０まで輸送するためのイオン輸送光学系としてのアインツェルレンズ６が配設されている。もちろん、アインツェルレンズ６以外の各種の構成のイオン輸送光学系、特に静電レンズ光学系を用いることができる。【００６２】
一方、イオン出射孔１６の外側には、イオンを電子に変換するコンバージョンダイノード２１と変換された電子を増倍して検出する二次電子増倍管２２とを含むイオン検出器２０が配設されている。このイオン検出器２０により正イオン、負イオンの両方の検出が可能となっており、イオン検出器２０による検出信号はデータ処理部３４に入力されてデジタル値に変換された上でデータ処理が実行される。【００６３】
イオントラップ１０のリング電極１１には捕捉電圧発生部（本発明における電圧印加手段に相当）３２から所定周波数の矩形波電圧が印加され、一対のエンドキャップ電極１２、１３にはそれぞれ補助電圧発生部３３より所定の電圧（直流電圧又は高周波電圧）が印加される。捕捉電圧発生部３２は、後述するように矩形波電圧を発生するために、例えば、所定の正の電圧を発生する正電圧発生部と、所定の負の電圧を発生する負電圧発生部と、正電圧と負電圧とを高速に切り替えることにより矩形波電圧を発生するスイッチング部と、を含む構成とすることができる。ＣＰＵ等を含んで構成される制御部（本発明における制御手段に相当）３０は、捕捉電圧発生部３２、補助電圧発生部３３及びレーザ照射部３の動作を制御する。【００６４】
本実施例によるＭＡＬＤＩ−ＤＩＴ−ＭＳの基本的な測定動作は次の通りである。
制御部３０の制御の下にレーザ照射部３から短時間レーザ光を出射し、サンプル２に照射する。レーザ光の照射によってサンプル２中のマトリックスは急速に加熱され、目的成分を伴って気化する。この際に目的成分はイオン化される。発生したイオンはアパーチャ５を通過し、アインツェルレンズ６により形成される静電場によって収束されつつイオントラップ１０に向かって送られ、イオン入射孔１５を経てイオントラップ１０内に導入される。レーザ光の照射時間はごく短時間であるためイオンの生成時間も短い。そのため、パルス状に各種イオンが出射されるものとみなすことができ、各種イオンは或る程度かたまってイオン入射孔１５に到達する。【００６５】
レーザ照射部３からのレーザ照射時点又はそれよりも前の時点から所定時間ｔ１が経過するまでの期間には、捕捉電圧発生部３２はリング電極１１に周波数がｆ１で電圧振幅がＶである矩形波電圧をＲＦ電圧として印加する。そして、所定時間ｔ１が経過した時点から、３段階で所定周期数毎にＲＦ電圧の周波数を下げ（周期を長くし）、最終的には周波数がｆ２で電圧振幅がＶである矩形波電圧を印加する。また、イオンをイオントラップ１０に入射する際には、補助電圧発生部３３は入口側エンドキャップ電極１２へ分析対象のイオンと逆極性の所定の直流電圧（又はゼロ電圧）を印加し、出口側エンドキャップ電極１３には分析対象のイオンと同極性の適宜の直流電圧を印加する。【００６６】
上記所定時間ｔ１は、レーザ照射によりサンプル２から出射したイオンの中の少なくとも一部がイオン入射孔１５を通過してイオントラップ１０内に導入された直後になるように決められる。レーザ照射の時点からイオンがイオントラップ１０に到達するまでの所要時間はイオンの飛行距離、飛行速度などに依存するから一意に決めることはできず、シミュレーション計算又は実験的に求める必要がある。ここでは一例としてｔ１は１５[μs]に設定されている。また、ここでは、イオン導入時のＲＦ電圧の周波数ｆ１は２[MHz]であり、イオン捕捉時の最終的なＲＦ電圧の周波数ｆ２は例えば５００[kHz]である。但し、ｆ２は分析対象のイオンの質量電荷比に応じて変えることが望ましい。ＲＦ電圧の振幅Ｖは１[kV]一定とする。イオントラップ１０に導入された幅広い質量電荷比範囲のイオンが良好に捕捉されるようにするためには、ＲＦ電圧の周波数をｆ１からｆ２にするまでの時間を所定時間以内に抑える必要があり、その時間によって段階的に周波数を下げる際の１周波数当たりの繰り返し周期数が決まる。これについては後述する。【００６７】
イオン導入に先立って、イオントラップ１０の内部にはクーリングガス供給部１９によりヘリウム等のクーリングガスが導入される。上述したように各電極１１、１２、１３へ電圧が印加されている条件の下でイオン入射孔１５を経てイオントラップ１０内に入射したイオンは、イオン出射孔１６付近まで進むと、出口側エンドキャップ電極１３に印加されている直流電圧により形成される電場により跳ね返されて捕捉領域１４の方向に戻る。前述のようにイオンがイオントラップ１０の内部に導入される際にはＲＦ電圧の周波数は高く（ｑ値が小さく）、導入の直後からリング電極１１に印加されるＲＦ電圧の周波数は段階的に低下される（ｑ値が増加される）ので、前述したように、低質量電荷比側のイオン、高質量電荷比側のイオンともに高い効率でイオントラップ１０に導入され捕捉される。また、導入されたイオンは当初、比較的大きな運動エネルギーを持つが、イオントラップ１０内に存在するクーリングガスに衝突して運動エネルギーは次第に奪われ（つまりクーリングが行われ）、捕捉電場に捕捉され易くなる。【００６８】
適宜の時間（例えば１００[ms]程度）、クーリングを行って捕捉領域１４にイオンを安定的に捕捉した後に、上記矩形波電圧をリング電極１１に印加したまま補助電圧発生部３３により所定周波数の高周波信号をエンドキャップ電極１２、１３に印加することで、特定の質量電荷比を有するイオンを共鳴励起（励振）させる。高周波信号として例えばリング電極１１に印加している矩形波電圧の分周信号を用いることができる。励振された特定質量電荷比を持つイオンはイオン出射孔１６から吐き出され、イオン検出器２０に導入されて検出される。これによりイオンの質量分離及び検出が行われる。リング電極１１に印加する矩形波電圧の周波数及びエンドキャップ電極１２、１３に印加する高周波信号の周波数を適宜走査することで、イオン出射孔１６を通してイオントラップ１０から吐き出すイオンの質量電荷比を走査し、これを順番にイオン検出器２０で検出することにより、データ処理部３４でマススペクトルを作成することができる。【００６９】
上記のようなＭＡＬＤＩ−ＤＩＴ−ＭＳを用いたマススペクトルの実測例を説明する。
図１４は、試料として標準試料であるＰＭＭＡ６００を用いた場合における、イオン導入時ＲＦ非印加法（従来方法）とイオン導入時ＲＦ印加法（本発明）とによる実測マススペクトルである。即ち、これは分析対象イオンの質量電荷比が低い場合の実測例である。いずれの場合もイオン捕捉時のＲＦ電圧の周波数ｆ２は５２４[kHz]（ＬＭＣＯ：５００）であり、イオン導入時ＲＦ印加法では２[MHz]（ｆ１）→１[MHz]→６６７[kHz]→５２４[kHz]（ｆ２）と３段階で１０周期毎に周波数を切り替えている。したがって、ＲＦ電圧の周波数がｆ１からｆ２に切り替わるまでの時間は２５[μs]である。このときＲＦ電圧の振幅は１[kV]一定に維持される。また、サンプルプレート１、入口側エンドキャップ電極１２、出口側エンドキャップ電極１３に印加される直流電圧は、イオン導入時ＲＦ非印加法では５[Ｖ]、−５[Ｖ]、２０[Ｖ]であり、イオン導入時ＲＦ印加法では８[Ｖ]、−１０[Ｖ]、２５[Ｖ]である。【００７０】
ＰＭＭＡ６００の理想的な測定結果では、６００[Da]を中心に信号強度が正規分布を呈する１００[Da]おきのピークが検出される。しかしながら、図１４（ａ）では８００[Da]付近のピークが最も強度が強くなっており、これよりも低い６００[Da]や７００[Da]のイオンの捕捉効率が低下しているのが分かる。それに対して、図１４（ｂ）では７００[Da]の信号強度が最も強くなっており、６００[Da]のピークも図１４（ａ）に比較して２倍以上強度が増している。また、わずかながら５００[Da]のイオンのものと思われるピークも検出されている。以上のことから、イオン導入時ＲＦ印加法によって、ＬＭＣＯに近い低質量電荷比範囲でイオンの捕捉効率が向上していることが実測結果からも確認できる。【００７１】
図１５は試料として標準試料であるＰＭＭＡ４２００を用いた場合における、イオン導入時ＲＦ非印加法（従来方法）とイオン導入時ＲＦ印加法（本発明）とによる実測マススペクトルである。即ち、これは分析対象イオンの質量電荷比が高い場合の実測例である。この測定ではイオン捕捉時のＲＦ電圧の周波数ｆ２は３８０[kHz]（ＬＭＣＯ：９５０）であり、イオン導入時ＲＦ印加法では２[MHz]（ｆ１）→１[MHz]→６６７[kHz]→３８０[kHz]（ｆ２）と３段階で１０周期毎に周波数を切り替えている。したがって、ＲＦ電圧の周波数がｆ１からｆ２に切り替わるまでの時間は上記のＰＭＭＡ６００の場合と同じ２５[μs]である。また、ＲＦ電圧の振幅、サンプルプレート１、エンドキャップ電極１２、１３へ印加する直流電圧も、ＰＭＭＡ６００の場合と同じである。【００７２】
図１５に示している質量範囲は４６００[Da]以上であってＰＭＭＡ４２００の分布の上端部に当たるため、信号強度が弱くＳＮ比も悪いが、図１５（ｂ）に示すイオン導入時ＲＦ印加法のほうが、図１５（ａ）に示すイオン導入時ＲＦ非印加法に比べて、いずれのピークも信号強度が強くなっていることが分かる。これにより、低質量電荷比のイオンだけでなく、高質量電荷比のイオンの捕捉効率も、周波数の切替えに中間段階を設けたイオン導入時ＲＦ印加法によって向上していることが、実験結果から確認できる。【００７３】
図１６はイオン導入時ＲＦ印加法でＲＦ電圧の周波数をｆ１からｆ２に変化させる際の同一周波数の繰り返し周期を１０周期から２倍の２０周期に変更したときの実測マススペクトルである。即ち、ＲＦ電圧の周波数がｆ１からｆ２に切り替わるまでの時間が５０[μs]に延びている。図１６（ａ）及び（ｂ）と、図１４（ｂ）及び図１５（ｂ）とをそれぞれ比較すると、ほぼ遜色ないマススペクトルが得られていることが分かる。これにより、イオントラップ１０へのイオン導入後のＲＦ電圧の周波数の切替えに要する時間を５０[μs]程度まで延ばしても、低質量電荷比領域及び高質量電荷比領域での捕捉効率に関して、従来のイオン導入方法に対して十分な優位性をもつことが分かる。【００７４】
本願発明者の実験によれば、イオントラップ１０へのイオン導入後のＲＦ電圧の周波数の切替えに要する時間を１００[μs]程度にまで延ばしても、従来のイオン導入時ＲＦ非印加法に比べて、高質量電荷比領域における捕捉効率改善の効果を得ることができると言える。【００７５】
なお、上記実施例は本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜、変形、追加、修正を行っても本願請求の範囲に包含されることは当然である。
【図１】
2010116396.tif 000003
【図２】
2010116396.tif 000004
【図３】
2010116396.tif 000005
【図４】
2010116396.tif 000006
【図５】
2010116396.tif 000007
【図６】
2010116396.tif 000008
【図７】
2010116396.tif 000009
【図８】
2010116396.tif 000010
【図９】
2010116396.tif 000011
【図１０】
2010116396.tif 000012
【図１１】
2010116396.tif 000013
【図１２】
2010116396.tif 000014
【図１３】
2010116396.tif 000015
【図１４】
2010116396.tif 000016
【図１５】
2010116396.tif 000017
【図１６】
2010116396.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成23年9月28日(2011.9.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス状にイオンを供給するイオン供給源と、複数の電極で囲まれる空間に形成する電場により、前記イオン供給源から供給されたイオンを捕捉するイオントラップと、を具備するイオントラップ装置において、
a)前記イオントラップを構成する複数の電極の少なくとも１つに、該イオントラップ内にイオンを捕捉するための交流電圧を印加する電圧印加手段と、
b)複数の電極の１つに所定の第１周波数を有する交流電圧を印加した状態で前記イオン供給源からパルス状に供給されたイオンを前記イオントラップ内に導入し、その導入の直後に前記交流電圧の周波数を第１周波数よりも低い第２周波数まで所定時間内に変化させるものであって、前記交流電圧の振幅を一定として第１周波数から第２周波数まで１周期毎又は複数周期毎に周波数を段階的に下げるように前記電圧印加手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とするイオントラップ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のイオントラップ装置であって、
前記イオントラップは、リング電極と、該リング電極を挟むように配設される一対のエンドキャップ電極と、から成る３次元四重極イオントラップであり、前記電圧印加手段は前記リング電極に交流電圧を印加することを特徴とするイオントラップ装置。
【請求項３】
請求項２に記載のイオントラップ装置であって、
前記交流電圧は矩形波電圧であることを特徴とするイオントラップ装置。
【請求項４】
請求項２に記載のイオントラップ装置であって、
イオン入射孔が形成されたエンドキャンプ電極の外側に、イオンが通過する開口が穿設され、直流電圧が印加される電場補正電極を配設したことを特徴とするイオントラップ装置。
【請求項５】
請求項２に記載のイオントラップ装置であって、
前記制御手段は、イオンを前記イオントラップに導入した直後に前記交流電圧の周波数を切り替える際に、その切替え時の交流電圧の位相を、分析対象が正イオンである場合には３π／２、分析対象が負イオンである場合にはπ／２、からずらした位相に設定し、
それによって、特定の質量電荷比を有するイオンを前記イオントラップに効率良く捕捉するようにしたことを特徴とするイオントラップ装置。
【請求項６】
請求項４に記載のイオントラップ装置であって、
前記電場補正電極に印加する直流電圧を調整する補正電圧調整手段をさらに備え、
該補正電圧調整手段は、入口側エンドキャップ電極に印加される直流電圧との電位差を大きくするように前記電場補正電極に印加する直流電圧を変化させ、それによって、特定の質量電荷比を有するイオンを前記イオントラップに効率良く捕捉するようにしたことを特徴とするイオントラップ装置。
【請求項７】
パルス状にイオンを供給するイオン供給源と、複数の電極で囲まれる空間に形成する電場により、前記イオン供給源から供給されたイオンを捕捉するイオントラップと、を具備するイオントラップ装置において、
a)前記イオントラップを構成する複数の電極の少なくとも１つに、該イオントラップ内にイオンを捕捉するための交流電圧を印加する電圧印加手段と、
b)複数の電極の１つに所定の第１振幅をもつ交流電圧を印加した状態で前記イオン供給源からパルス状に供給されたイオンを前記イオントラップ内に導入し、その導入の直後に前記交流電圧の振幅を第１振幅よりも大きな第２振幅まで所定時間内に変化させるものであって、第１振幅から第２振幅まで振幅を複数段、段階的に増加させるように前記電圧印加手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とするイオントラップ装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
上記課題を解決するために成された本発明に係るイオントラップ装置は、パルス状にイオンを供給するイオン供給源と、複数の電極で囲まれる空間に形成する電場により、前記イオン供給源から供給されたイオンを捕捉するイオントラップと、を具備するイオントラップ装置において、
a)前記イオントラップを構成する複数の電極の少なくとも１つに、該イオントラップ内にイオンを捕捉するための交流電圧を印加する電圧印加手段と、
b)複数の電極の１つに所定の第１周波数を有する交流電圧を印加した状態で前記イオン供給源からパルス状に供給されたイオンを前記イオントラップ内に導入し、その導入の直後に前記交流電圧の周波数を第１周波数よりも低い第２周波数まで所定時間内に変化させるものであって、前記交流電圧の振幅を一定として第１周波数から第２周波数まで１周期毎又は複数周期毎に周波数を段階的に下げるように前記電圧印加手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴としている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
本発明に係るイオントラップ装置では、第１周波数と第２周波数との間に１又は複数の中間周波数が設けられ、上記所定時間内で段階的に周波数が引き下げられる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
本発明に係るイオントラップ装置では、イオン供給源から供給されるイオンが例えば入口側エンドキャップ電極に穿設されているイオン入射孔を通してイオントラップ内に導入される際にもリング電極に第１周波数を有する交流電圧が印加されており、これによる交流電場がイオントラップ内に形成されている。通常、上記第２周波数は、イオントラップ内でイオンの捕捉が最良又はそれに近い状態となるように設定される。一方、第１周波数は第２周波数よりも高く設定されるため、第１周波数を有する交流電圧がリング電極に印加されている状態は少なくとも第２周波数を有する交流電圧がリング電極に印加されている状態よりも、仮想ポテンシャル井戸が浅くなる。そのため、イオントラップ内でのイオンの捕捉性能は劣る。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
また本発明に係るイオントラップ装置では、低質量電荷比領域のみならず、高質量電荷比領域においてもイオン捕捉効率を改善することが可能である。これは、イオン供給源からイオンをパルス状に供給する場合でも、イオントラップのイオン入射孔に到達する時点では質量電荷比の大きなイオンは質量電荷比の小さなイオンに比べて時間的に遅れており、交流電圧の周波数を段階的に下げることによって、こうして遅れて到達するイオンも相対的に高いイオン導入効率でイオントラップに入射させることが可能となるためである。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
但し、先行するイオンがイオントラップ内に入射してから交流電圧の周波数が第２周波数に設定されるまでの時間が長過ぎると、イオントラップに入射したイオンの拡がりが大きくなり、結果的にイオン捕捉効率が下がることになる。こうしたことから、交流電圧の周波数を第１周波数から第２周波数まで変化させるための前記所定時間は適切に定める必要がある。この時間はイオン供給源からイオントラップまでの空間的な距離、イオンに付与される運動エネルギー（換言すればイオンの飛行速度）などにも依存するが、一般的には、１００μ秒以内、好ましくは５０μ秒以内とするとよい。この所定時間の下限値は中間周波数の値と段数とに依るが、数μ秒程度である。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
通常、分析対象が正イオンである場合には３π／２、分析対象が負イオンである場合にはπ／２、の位相で交流電圧の周波数を切り替えると、イオンの捕捉効率は最良となり、捕捉効率の質量電荷比依存性も比較的小さくなる。これに対し、例えば、位相がπであるときに交流電圧の周波数を切り替えると、イオンの捕捉効率の質量電荷比依存性は大きくなり、特定の幾つかの質量電荷比で或る程度高い捕捉効率を示し、それ以外の質量電荷比では捕捉効率が大きく下がる。これを利用すれば、イオントラップにイオンを捕捉する段階で粗いイオン選択を行うことができ、例えば引き続いてイオントラップ内でプリカーサイオンの選択を行うような場合に、その選択性を高めることができる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
上記第１発明に係るイオントラップ装置では、イオンを捕捉するための交流電圧の周波数を変化させることでイオントラップへの入射前後のイオンの挙動を制御するようにしていたが、交流電圧の振幅を変化させることでも同様の制御が可能である。即ち、上記課題を解決するためになされた第２発明に係るイオントラップ装置は、パルス状にイオンを供給するイオン供給源と、複数の電極で囲まれる空間に形成する電場により、前記イオン供給源から供給されたイオンを捕捉するイオントラップと、を具備するイオントラップ装置において、
a)前記イオントラップを構成する複数の電極の少なくとも１つに、該イオントラップ内にイオンを捕捉するための交流電圧を印加する電圧印加手段と、
b)複数の電極の１つに所定の第１振幅をもつ交流電圧を印加した状態で前記イオン供給源からパルス状に供給されたイオンを前記イオントラップ内に導入し、その導入の直後に前記交流電圧の振幅を第１振幅よりも大きな第２振幅まで所定時間内に変化させるものであって、第１振幅から第２振幅まで振幅を複数段、段階的に増加させるように前記電圧印加手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴としている。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】削除
【補正の内容】
【国際調査報告】
2010116396.tif 000019
2010116396.tif 000020
2010116396.tif 000021
2010116396.tif 000022
2010116396.tif 000023
2010116396.tif 000024