(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手方向軸線を有し、第１の環状イオンガイド部および第２の環状イオンガイド部を含む環状イオンガイド、
前記第１の環状イオンガイド部にイオンを入射し、前記イオンが前記第１の環状イオンガイド部内で、前記長手方向軸線の回りに実質的に安定な円軌道を形成するように配置され、適合された第１の装置、
前記第１の環状イオンガイド部からのイオンを前記第２の環状イオンガイド部へ直交加速するように配置され、適合された第２の装置、
前記環状イオンガイド内に配置され、実質的に前記長手方向軸線に垂直な面内に配置されたイオン検出面を有するイオン検出器、
を含む飛行時間型質量分析器。
【請求項２】
直交加速される前記イオンが、前記長手方向軸線に実質的に垂直の等飛行時間面に空間的に収束するように配置される請求項１に記載の飛行時間型質量分析器。
【請求項３】
前記イオン検出器のイオン検出面が、実質的に前記等飛行時間面に配置される請求項２に記載の飛行時間型質量分析器。
【請求項４】
前記第２の装置が、軸方向パルス電場を印加するように配置され、適合される請求項１、２または３に記載の飛行時間型質量分析器。
【請求項５】
前記第２の装置が、前記軸方向パルス電場と実質的に同じ時間に半径方向パルス電場を印加するようにさらに配置され、適合される請求項４に記載の飛行時間型質量分析器。
【請求項６】
前記第２の装置が、前記軸方向パルス電場と実質的に同じ時間に半径方向パルス電場を印加し、それにより、前記イオンが前記長手方向軸線に垂直な面内で非円形または楕円形の軌道を取るように配置され、適合される請求項５に記載の飛行時間型質量分析器。
【請求項７】
前記第２の装置が、前記第２の環状イオンガイド部へ前記イオンを直交加速し、それにより、それらの質量対電荷比に応じて前記イオンを時間的に分離するように配置され、適合される請求項１〜６のいずれか１項に記載の飛行時間型質量分析器。
【請求項８】
前記第２の装置が、前記イオンを直交加速し、それにより、長手方向にのみ飛行時間分散が発生するように配置され、適合される請求項１〜７のいずれか１項に記載の飛行時間型質量分析器。
【請求項９】
前記イオン検出器が、環状、部分的環状または分割型環状イオン検出面を有する請求項１〜８のいずれか１項に記載の飛行時間型質量分析器。
【請求項１０】
前記イオンが、前記環状イオンガイドまたは前記第２の環状イオンガイド部を軸方向に１回通過した後で検出するように、前記イオン検出器が配置され、適合される請求項１〜９のいずれか１項に記載の飛行時間型質量分析器。
【請求項１１】
前記イオンが、前記環状イオンガイドまたは前記第２の環状イオンガイド部を軸方向に多数回通過した後で検出するように、前記イオン検出器が配置され、適合される請求項１〜９のいずれか１項に記載の飛行時間型質量分析器。
【請求項１２】
前記イオンが、前記環状イオンガイドまたは前記第２の環状イオンガイド部を第１の軸方向に１回または複数回通過し、さらに、前記環状イオンガイドまたは前記第２の環状イオンガイド部を前記第１の軸方向とは逆の第２の軸方向に１回または複数回通過した後で検出するように、前記イオン検出器が配置され、適合される請求項１１に記載の飛行時間型質量分析器。
【請求項１３】
前記イオン検出器が、（ｉ）前記環状イオンガイドまたは前記第２の環状イオンガイド部の実質的に中心部、（ｉｉ）前記環状イオンガイドまたは前記第２の環状イオンガイド部の実質的に端部、（ｉｉｉ）フィールドフリー領域の端部、（ｉｖ）前記第１の環状イオンガイド部の隣接部、または（ｖ）前記第１の環状イオンガイド部の遠位、のいずれかに配置される請求項１〜１２のいずれか１項に記載の飛行時間型質量分析器。
【請求項１４】
前記環状イオンガイドが、内側円筒形電極配置を含む請求項１〜１３のいずれか１項に記載の飛行時間型質量分析器。
【請求項１５】
前記内側円筒形電極配置が、軸方向に分割され、複数の第１の電極を含む請求項１４に記載の飛行時間型質量分析器。
【請求項１６】
前記環状イオンガイドが、外側円筒形電極配置を含む請求項１４または１５に記載の飛行時間型質量分析器。
【請求項１７】
前記外側円筒形電極配置が、軸方向に分割され、複数の第２の電極を含む請求項１６に記載の飛行時間型質量分析器。
【請求項１８】
環状飛行時間イオンガイド領域が、前記内側円筒形電極配置と前記外側円筒形電極配置との間に形成される請求項１６または１７に記載の飛行時間型質量分析器。
【請求項１９】
ＤＣ電位を前記内側円筒形電極配置および／または前記外側円筒形電極配置に印加し、前記環状イオンガイド内でイオンを半径方向に閉じ込める作用をする半径方向ＤＣ電位を維持するように配置され、適合された装置をさらに含む請求項１６〜１８のいずれか１項に記載の飛行時間型質量分析器。
【請求項２０】
（ｉ）１種または複数種の第１の電圧を１個または複数個の前記第１の電極および／または前記第２の電極に印加し、それにより、前記第１の環状イオンガイド部中に位置するイオンが前記内側円筒形電極配置の周りの軌道を前進または移動し、その後、
（ｉｉ）１種または複数種の第２の電圧を１個または複数個の前記第１の電極および／または前記第２の電極に印加し、それにより、イオンが前記第２の環状イオンガイド部へ直交加速され、イオンが前記第２の環状イオンガイド部を通って渦巻き状経路に沿って第１の軸方向に通過し、
（ｉｖ）前記環状イオンガイドまたは前記第２の環状イオンガイド部を通過するイオンの飛行時間を測定する、
ように配置され、適合される制御システムをさらに含む請求項１５を引用する請求項１７に記載の飛行時間型質量分析器。
【請求項２１】
前記第２の装置が、前記第１の環状イオンガイド部の両端に電位差を印加し、それにより、イオンが前記第１の環状イオンガイド部から直交加速され、前記第２の環状イオンガイド部へ入るように配置され、適合される請求項１〜２０のいずれか１項に記載の飛行時間型質量分析器。
【請求項２２】
イオンが、前記第２の環状イオンガイド部を通過する際に実質的に渦巻き状経路を取る請求項１〜２１のいずれか１項に記載の飛行時間型質量分析器。
【請求項２３】
前記渦巻き状経路が、前記環状イオンガイドまたは前記第２の環状イオンガイド部の少なくとも一部に沿って非らせん状であり、それにより、前記渦巻き状経路のねじれに対する湾曲の比率が変化するか、または一定でない請求項２２に記載の飛行時間型質量分析器。
【請求項２４】
イオンを反射するために、前記環状イオンガイドまたは前記第２の環状イオンガイド部の一部に沿って１種または複数種の半放物線型またはその他のＤＣ電位を維持するように配置され、適合された装置をさらに含む請求項１〜２３のいずれか１項に記載の飛行時間型質量分析器。
【請求項２５】
前記環状イオンガイドまたは前記第２の環状イオンガイド部の一部に沿って１種または複数種の放物線型ＤＣ電位を維持し、それにより、イオンが単振動するように配置され、適合された装置をさらに含む請求項１〜２４のいずれか１項に記載の飛行時間型質量分析器。
【請求項２６】
逆軸方向にイオンを反射するために、前記環状イオンガイドまたは前記第２の環状イオンガイド部が、１個または複数個のリフレクトロンを含む請求項１〜２５のいずれか１項に記載の飛行時間型質量分析器。
【請求項２７】
前記第２の装置が、時間Ｔ１でイオンを直交加速するように配置され、前記イオンがそれに続く時間Ｔ２で前記イオン検出器によって検出され、さらに、１００未満、１００〜２００、２００〜３００、３００〜４００、４００〜５００、５００〜６００、６００〜７００、７００〜８００、８００〜９００または９００〜１０００の範囲の質量対電荷比を有するイオンが、前記環状イオンガイドまたは前記第２の環状イオンガイド部を通って、（ｉ）５０μｓ未満、（ｉｉ）５０〜１００μｓ、（ｉｉｉ）１００〜１５０μｓ、（ｉｖ）１５０〜２００μｓ、（ｖ）２００〜２５０μｓ、（ｖｉ）２５０〜３００μｓ、（ｖｉｉ）３００〜３５０μｓ、（ｖｉｉｉ）３５０〜４００μｓ、（ｉｘ）４００〜４５０μｓ、（ｘ）４５０〜５００μｓ、および（ｘｉ）５００μｓ超、からなる群より選択される合計飛行時間Ｔ２−Ｔ１を有するように配置される請求項１〜２６のいずれか１項に記載の飛行時間型質量分析器。
【請求項２８】
異なる質量対電荷比を有するイオンが、前記環状イオンガイドまたは前記第２の環状イオンガイド部を通る実質的に異なる渦巻き状経路を取る請求項１〜２７のいずれか１項に記載の飛行時間型質量分析器。
【請求項２９】
前記第１の環状イオンガイド部の電極が、分割され、それにより、使用時に、少なくとも、第１の電場セクターおよび第２の電場セクターが形成される請求項１〜２８のいずれか１項に記載の飛行時間型質量分析器。
【請求項３０】
第１の時間Ｔ１に前記第１の電場セクター中へイオンを実質的に接線方向に入射し、その間、前記第１の電場セクター内を実質的にゼロ半径方向電場に維持し、それにより、前記第１の環状イオンガイド部へ入射する間に前記イオンが実質的にフィールドフリー領域に存在するように配置され、適合された制御システムをさらに含む請求項２９に記載の飛行時間型質量分析器。
【請求項３１】
前記制御システムが、前記第２の電場セクター中で半径方向電場を維持し、それにより、第２のその後の時間Ｔ２でイオンが前記第１の電場セクターから前記第２の電場セクター中へ入り、半径方向に閉じ込められるようにさらに配置され、適合される請求項３０に記載の飛行時間型質量分析器。
【請求項３２】
前記制御システムが、Ｔ３＞Ｔ１である第３の時間Ｔ３に、半径方向電場を前記第１の電場セクター内で維持可能とし、それにより、イオンが前記第２の電場セクターから前記第１の電場セクターに入る際に、前記イオンが半径方向に閉じ込められ続け、前記第１の環状イオンガイド部内に実質的に安定な円軌道を形成するようにさらに配置され、適合される請求項３１に記載の飛行時間型質量分析器。
【請求項３３】
前記第２の装置が、Ｔ４＞Ｔ３である第４の時間Ｔ４に、前記第１の環状イオンガイド部から前記第２の環状イオンガイド部へイオンを直交加速するように配置され、適合される請求項３２に記載の飛行時間型質量分析器。
【請求項３４】
前記第１の環状イオンガイド部から前記第２の環状イオンガイド部へ直交加速される前記イオンの飛行時間を測定するように配置され、適合された制御システムをさらに含む請求項１〜３３のいずれか１項に記載の飛行時間型質量分析器。
【請求項３５】
前記イオン検出器が、前記イオン検出器のイオン検出面に衝撃を与えるか、または衝突するイオンを検出するように配置され、適合される請求項１〜３４のいずれか１項に記載の飛行時間型質量分析器。
【請求項３６】
請求項１〜３５のいずれか１項に記載の飛行時間型質量分析器を含む質量分析計。
【請求項３７】
長手方向軸線を有し、第１の環状イオンガイド部および第２の環状イオンガイド部を含む環状イオンガイドを用意すること、
前記第１の環状イオンガイド部へイオンを入射し、それにより、前記イオンが、前記第１の環状イオンガイド部内で前記長手方向軸線の回りに実質的に安定な円軌道を形成すること、
前記第１の環状イオンガイド部から前記第２の環状イオンガイド部へイオンを直交加速すること、および
前記環状イオンガイド内に配置され、実質的に前記長手方向軸線に垂直な面内に配置されたイオン検出面を有するイオン検出器を使って前記イオンを検出すること、
を含むイオンの質量分析方法。
【請求項３８】
請求項３７に記載のイオンを質量分析する方法を含む質量分析方法。
【請求項３９】
長手方向軸線を有する環状イオンガイド、および
前記環状イオンガイド中へイオンを直交加速し、それにより、前記イオンが時間的に分離され、飛行時間分散が長手方向のみに発生するように配置され、適合された装置、
を含む飛行時間型質量分析器。
【請求項４０】
長手方向軸線を有する環状イオンガイドを用意すること、および
前記環状イオンガイド中へイオンを直交加速し、それにより、前記イオンが時間的に分離され、飛行時間分散が長手方向にのみ発生すること、
を含むイオンの質量分析方法。
【請求項４１】
長手方向軸線を有する環状イオンガイド、および
前記環状イオンガイド中へイオンを直交加速し、前記イオンが前記長手方向軸線に実質的に垂直の等飛行時間面に空間的に収束するように配置され、適合された装置、
を含む飛行時間型質量分析器。
【請求項４２】
長手方向軸線を有する環状イオンガイドを用意すること、および
前記環状イオンガイド中へイオンを直交加速し、前記長手方向軸線に実質的に垂直の等飛行時間面に前記イオンを空間的に収束させること、
を含むイオンの質量分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１２年５月２２日出願の米国特許仮出願第６１／６５０，００８号、２０１２年５月２１日出願の欧州特許出願第１２１６８６１２．５号、２０１２年５月１８日出願の英国特許出願第１２０８８４７．２号、２０１２年９月１４日出願の英国特許出願第１２１６４８９．３号、２０１２年９月１４日出願の英国特許出願第１２１６４８８．５号および２０１２年９月１４日出願の英国特許出願第１２１６４８６．９号の優先権および利益を主張する。これらの出願の全内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、飛行時間型質量分析器、質量分析計、イオンの質量分析法、および質量分析法に関する。
【０００３】
二段階抽出飛行時間型質量分析計を特徴付ける基本方程式について述べている文献のＷ．Ｃ．Ｗｉｌｅｙ，Ｉ．Ｈ．ＭｃＬａｒｅｎ，「Ｔｉｍｅ−ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ  ｗｉｔｈ  Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ」、Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ２６，１１５０（１９５５）、をする。この原理は、連続軸方向抽出飛行時間型質量分析器，直交加速飛行時間型質量分析器およびタイムラグフォーカシング装置にも等しく当てはまる。
【０００４】
図１は、空間（ｓｐａｔｉａｌ）（または空間（ｓｐａｃｅ））収束の原理を示し、この場合、初期空間分布を備えたイオンが検出器面に合焦し、それにより装置の解像度が改善される。
【０００５】
イオン速度と位置分布は、図２に示されるように、装置を通過する際のイオンビームの状態を記述する位相空間楕円として表現される。位相空間およびリュービルの定理の性質に関する知識があれば、本発明の好ましい実施形態の態様の理解に役立つ。
【０００６】
イオン光学における基本定理は、リュービルの定理であり、この定理は、「移動粒子雲に対する位相空間中の粒子密度ρ（ｘ，ｐｘ，ｙ，ｐｙ，ｚ，ｐｚ）は、不変である」ことを述べている。ここで、ｐｘ，ｐｙ，ｐｚは、デカルト座標の３方向の運動量である。「Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ  Ｃｈａｒｇｅｄ−Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｏｐｔｉｃｓ」，Ｈａｒａｌｄ  Ｈ．Ｒｏｓｅ，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ  Ｓｅｒｉｅｓ  ｉｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｃｉｅｎｃｅｓ  １４２、を参照されたい。
【０００７】
リュービルの定理によると、位相空間中の特定の体積を満たす時間ｔ１の粒子雲は、後の時間ｔｎにその形状を変化させることができるが、その体積の大きさを変えることはできない。電磁場を使ってこの体積を減らそうとする試みは失敗するが、もちろん、後に続く操作の前に、ビームの絞りを開く（焦点の合わないイオンを拒絶する）ことにより、位相空間の所望の領域を標本抽出することは可能である。一次近似により、リュービルの定理は、３つの独立した空間座標ｘ、ｙおよびｚに分割される。その結果、イオンビームは、イオン光学系を通ってイオンビームが進むに伴い変化する形状を、それ自体の全体領域ではなく、３つの独立した位相空間領域に換算して記述できる。この概念を図３に示す。この図は、Ｎ個の光学要素を含み、それぞれの要素が面積を変えずに位相空間の形状を変化させる光学系を示す。
【０００８】
緩衝ガスを含む高周波イオンガイドから出でくるイオン分布は、通常、楕円形状の位相空間分布で記述できる。このようなＲＦガイドは、飛行時間型質量分析器質量分析計に対するエレクトロスプレーイオン化などの連続イオンビーム源を接続するためによく使われる。従って、空間収束の概念を利用して位相空間楕円で表される大きな空間分布を有する最初のイオンビームを検出器面で小さい分布を有する空間分布に変換することが飛行時間型質量分析器設計者の目標である。長い飛行時間に加えて検出器面での小さい空間分布が、高解像度飛行時間型質量分析器分光計を生み出す。いずれの個別の質量対電荷比に対しても検出器面が等飛行時間であることが望ましい。通常、飛行時間型質量分析器装置は、飛行時間の二乗に比例して質量対電荷比スペクトルに分光する（すなわち、質量対電荷比の平方根が時間に比例する）。しかし、どの一般的静電光学要素系によって加速されても、全てのイオン（質量対電荷比に関係なく）が同じ軌道を取ることになるのは事実である。そのため、実質的に静電素子から構成されると見なせる直交加速飛行時間型質量分析器であれば、異なる質量対電荷比のイオンを、分光計中の同じ位置で、異なる時間に空間収束させるであろう。
【０００９】
等飛行時間面は、固有の質量対電荷比のイオンが、初期の位相空間分布とは実質的に無関係な同じ飛行時間を有する分光計の面として定義できる。また、等飛行時間面は、最高解像度を得るためにイオン検出器が配置される面である。プッシャーの有限の立ち上がり時間、ＲＦ装置から出てくるイオンの質量依存位相空間特性、およびパルス状イオンパケットとパルス電場の相対的タイミングなどの、静電系に無関係な理想的質量対電荷比から飛行時間型質量分析器を逸脱させると考えられる副次的効果が存在する。これらの効果および理想的静電系からのずれは、本発明に関連する場面で説明および考察する。
【００１０】
楕円の傾斜角度は、位置／速度分布の相関を表す。大きな空間的広がりおよび緩やかな傾斜を有する楕円は、直交飛行時間型質量分析器の輸送光学系を通ってプッシャー（加速）領域へと加速されてＲＦガイドから出てくるイオンビームにより生成され得る。楕円が垂直配向（背が高くて幅が狭い）の場合、イオン検出器を配置可能な場所はどこでも等飛行時間面である。イオンビームが装置を通過する際に分光計中の異なる位置にある楕円の形状は、後で記載される本発明を説明する図で提示される。楕円の速度または位置軸に目盛りは付与されておらず、それらは本発明の操作の基礎となる原理を理解するための例示の目的のみで示されていることを理解されたい。
【００１１】
図１に示す単純な二段階ワイリー・マクラーレン飛行時間型質量分析器は、四つの主面Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４が境界となる３つの別々の領域を画定することにより作られる。異なる電界領域は、通常、それぞれ静的でもパルス状でもよい印加電位（電圧）を有する一連のグリッドワイヤまたはメッシュ（以降はグリッドとする）を主面の位置に配置することにより形成される。加速および減速領域は、イオンが摩擦なしにそれに沿って転がると考えることができる傾斜面または曲線により可視化される。イオンが静電場中でそれらの電荷に比例した力を受け、従って、類似の電荷であるが異なる質量のイオンは、それらの質量に逆比例する速度で加速される（一方、重力下では、力は質量に比例し、従って、全ての粒子は、質量に関係なく同じ速度で加速される）という点で、この重力との類似性は、完全には正しくないことに留意されたい。
【００１２】
イオンビームは、グリッドを通過する毎に、グリッドワイヤとの衝突により失われ、また、境界に極めて隣接して存在する電場の２つの隣接する領域の間での異なる電界強度に起因する変動により偏向される（散乱として知られる）。従って、ビームが分光計を通過する際に、これらの損失により強度が低下し、また、初期速度の広がりによりイオンビームの脱焦（発散）が起こる。
【００１３】
Ｐ１の位置のプッシャープレートにパルス電圧Ｖｐを印加し、直交加速場を形成し、一部のビームを飛行時間型質量分析器中に引き出す。飛行時間型質量分析器の開始時刻として機能するのは、このパルス電圧の印加のタイミングである。全ての対象イオン（異なる質量対電荷比の）は、プッシャーが再度起動される前に、検出器に向かって飛行できる。入射イオンビームをサンプリングするデューティサイクルは、通常、ひずみのないビームが取り出されるようにするために約２０％であり、この数値は、質量の平方根に逆比例して低下する。得られるイオンの飛行経路が２つの速度間のベクトル、すなわち、入射ビームの速度および分光計の場により与えられる速度のベクトルで形成される飛行管に対する角度となるようにイオンの初期の（プッシュ前）速度を保持すると有利である。この得られるベクトル軌道により、イオン検出器のプッシャー領域に対するオフセットの配置が可能となり、これは、構築を簡単にするために有利である。この点は、後でさらに詳細に説明される。１メートルまでの飛行長のこのタイプの構造を採用した最先端の装置で約５０００の解像度が達成できる。
【００１４】
より高い解像度は、リフレクトロンを使ってイオンビームそれ自体に重なるように反射することにより直交加速飛行時間型質量分析計で実現できる。このような装置は、コンパクトな装置構造を維持する一方でフィールドフリー領域（「ＦＦＲ」）で等飛行時間面を与えるように調節できる。慎重な電圧の調節により、このプロセスを複数回繰り返して、等飛行時間面をフィールドフリー領域中に存在させながら装置の有効飛行長（および、その結果のイオンの飛行時間）を増やすことができる。
【００１５】
図４は、イオンが、面Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３により画定される二段階加速領域で加速され、フィールドフリー領域（Ｐ３〜Ｐ４）に入る配置を示す。その後、フィールドフリー領域を通って面Ｐ３、Ｐ７により画定される小さいミラーに戻る前に、イオンは、面Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６により画定されるリフレクトロンを通過する。イオンビームは、主リフレクトロンに戻され、その後、フィールドフリー領域を通って送り返される。フィールドフリー領域端部の等飛行時間面、すなわち、Ｐ３の位置に検出器が配置されている。
【００１６】
ベクトル軌道がビームに運動の初期方向成分を保持させることにより、イオン検出器をプッシャー領域に隣接して配置することが可能となる。このような配置を使って５０，０００〜１００，０００もの高い解像度が達成可能であるが、この性能は、感度（イオン伝送率）の犠牲の下に成り立っている。この場合、イオンビームは、グリッドを１２回通過し、通過毎にビームが減衰する。
【００１７】
この損失に加えて、イオンビームは、初期速度の広がりによる発散、およびグリッドに近接する電場による散乱があり、従って、その断面積は、検出器面で劇的に増加してしまう。装置の有限デューティサイクルと併せてこれらの因子全てが因子として機能する場合、伝送は、初期ビーム強度の１％の低さになる可能性があり、従って、装置の感度を低下させる。
【００１８】
国際公開第ＷＯ２００５／０４０７８５号（Ｆａｒｎｓｗｏｒｔｈ）は、図５に示す第３のセクター電極１５５に印加されたパルス電場を使ってイオンが分析器に導入される改良スパイラトロン（Ｓｐｉｒａｔｒｏｎ）配置を開示している。イオンパケットは、図６に示すように角度θで一対の同軸円筒に送られ、ここで、ガイドの外側に配置されている（イオン検出器７０が飛行管の外側に配置されて示されている図３の装置で明らかなように）イオン検出器へ放出されるまでらせん状軌道１７５を移動する。イオンは、第３の電極にパルス電圧が印加されているために安定な軌道が得られる。イオンが検出器末端の飛行管中にある場合に、装置からイオンを取得する方法が開示されていない。
【００１９】
９ページ、９〜１０行は、５００の最大到達可能解像度が得られる１０００のＴ／ΔＴ（１μｓ入射パルスで１ｋＨｚ繰り返し率）を意味することに留意されたい。低解像度は、開示配置が一次エネルギー（または空間）収束特性のみを半径方向イオンパケットに与えるという事実による。
【００２０】
９ページ、１１〜１８行は、上流トラップ９０が装備されない連続エレクトロスプレーイオン源を使った配置を意図していることに留意されたい。この配置では、イオンは、θ＝０ｏで入射する可能性があり、軸方向ドリフト速度をイオンに与えるパルス電圧の印加が遅れることが示唆される。また、この配置は、１５ページ、５〜１５行にも記載されている。
【００２１】
イオンビームが国際公開第ＷＯ２００５／０４０７８５号で開示の配置中にθ＝０ｏで入射する場合、その特許で開示の改善スパイラトロン配置においては、イオンは、軸方向電場が印加される前に、完全回転を行わないように制限される必要があり得ることは、当業者には理解されよう。重要なのは、国際公開第ＷＯ２００５／０４０７８５号で開示の環状領域中へ入射するイオンは、それらの質量対電荷比に応じた異なる回転位置を仮定しているということである。従って、相対的低い質量対電荷比を有するイオンは、軸方向電場が印加される時間までに、ほぼ１回転する恐れがあるが、一方、比較的高質量対電荷比を有するイオンは、軸方向電場が印加される時間までに１回転の一部のみの回転を行うであろう。
【００２２】
従って、イオン入射と直交加速との間の遅延を許容すると、質量依存開始位置を有するイオンを生じることになり、その結果、質量分析器の解像度は、さらに低下するであろう。
【００２３】
国際公開第ＷＯ２００５／０４０７８５号の図３を参照すると、環状領域とイオン検出器７０との間にポートが設けられ、イオン検出器で検出されるためにはイオンがそこを通過する必要があることは明らかである。イオンは、軸方向電場が印加される時間には質量依存である出発位置を有すると思われるから、異なる質量を有するイオンは、環状領域中の異なるらせん状経路を取るであろう。結果として、一部のイオンは、引き出しポートを見失い、従って、イオン検出器により検出されない恐れがあるらせん状軌道を取ることになる。
【００２４】
従って、国際公開第ＷＯ２００５／０４０７８５号で開示の改良スパイラトロン配置は、厳密な質量範囲の制限も要するであろう。
【００２５】
英国特許第ＧＢ−２３９０９３５号（Ｖｅｒｅｎｔｃｈｉｋｏｖ）は、図１４に示すような２つの飛行時間型質量分析計を含む配置を開示している。親イオンは、第１の遅い（かつ長時間）飛行時間型質量分析計（ＴＯＦ１）で分離される。この分析計は、低イオンエネルギー（１〜１００ｅＶ）で動作し、フラグメントイオンは、その後、第２の早くて短い時間の飛行時間型質量分析計（ＴＯＦ２）で、はるかに高いｋｅＶエネルギーで質量分析される。イオンは、らせん状経路を取るように、２つの電極の軸に対する傾斜角度で第１の飛行時間型質量分析計ＴＯＦ１に入射する。イオンは、環状イオンガイド領域中へ直交加速されないことを当業者なら分かるであろう。また、図１４で開示の配置の解像度は非常に低い（Ｒは約７５）ことも明らかである。
【００２６】
コンパクトな大きさの高解像度、高伝送性直交加速飛行時間型質量分析器を提供することが望まれる。
【発明の概要】
【００２７】
本発明の態様では、下記を含む飛行時間型質量分析器が提供される：
長手方向軸線を有し、第１の環状イオンガイド部および第２の環状イオンガイド部を含む環状イオンガイド、
イオンが第１の環状イオンガイド部にイオンを導入され、第１の環状イオンガイド部内で長手方向軸線の周りに実質的に安定な円軌道を形成するように配置され、適合された第１の装置、
第１の環状イオンガイド部から第２の環状イオンガイド部へイオンを直交加速するように配置され、適合された第２の装置、および
環状イオンガイド内に配置され、長手方向軸線に対し実質的に垂直に配置されたイオン検出面を有するイオン検出器。
【００２８】
国際公開第ＷＯ２００５／０４０７８５号（Ｆａｒｎｓｗｏｒｔｈ）で開示の配置は、イオンがらせん状軌道を取る改良スパイラトロン配置を含む。
【００２９】
国際公開第ＷＯ２００５／０４０７８５号は、イオンに、直交加速される前に環状イオンガイド部内で長手方向軸線の回りに実質的に安定な円軌道を形成させることを開示していない。
【００３０】
さらに、国際公開第ＷＯ２００５／０４０７８５号は、環状イオンガイド内に配置され、長手方向軸線に対し実質的に垂直である面内に配置されたイオン検出面を有するイオン検出器を開示していない。
【００３１】
国際公開第ＷＯ２００５／０４０７８５号の図３を参照すると、イオン検出器が環状イオンガイド内に配置されず、さらに、イオン検出器７０のイオン検出面が、本発明と同じ長手方向軸線に対して実質的に垂直ではなく、長手方向軸線に対し平行な面内に配置されていることが明らかである。
【００３２】
従って、国際公開第ＷＯ２００５／０４０７８５号で開示の改良スパイラトロン配置は、本発明とは基本的に異なる方式で動作することが理解されよう。
【００３３】
国際公開第ＷＯ２００５／０４０７８５号で開示の配置では、イオンは、飛行管中で加速され、らせん方向への飛行時間分散を受け、すなわち、飛行時間分散が長手方向および回転方向の両方向になる。
【００３４】
対照的に、本発明では、飛行時間分散は、長手方向にのみ発生する。
【００３５】
直交加速されるイオンは、実質的に長手方向軸線に垂直の等飛行時間面に空間的に収束するように配置される。
【００３６】
これは、国際公開第ＷＯ２００５／０４０７８５号で開示の等飛行時間面が長手方向軸線に対し平行な改良スパイラトロン配置とは対照的である。
【００３７】
イオン検出器のイオン検出面は、等飛行時間面に実質的に配置されるのが好ましい。
【００３８】
第２の装置は、軸方向パルス電場を印加されるように配置され、適合されるのが好ましい。
【００３９】
第２の装置は、軸方向パルス電場と実質的に同じ時間に半径方向パルス電場が印加されるように配置され、適合されるのが好ましい。第２の装置は、軸方向パルス電場と実質的に同じ半径方向パルス電場が印加され、それにより、イオンが長手方向軸線に垂直な面内に非円形または楕円形の軌道を取るように配置され、適合されるのが好ましい。
【００４０】
国際公開第ＷＯ２００５／０４０７８５号は、環状イオンガイド領域長をのぞき込んだ場合に、イオンが円形経路ではなく楕円形経路を取るように軸方向パルス電場の印加と同時に半径方向パルス電場を印加することを教示または示唆していない。
【００４１】
第２の装置は、イオンが第２の環状イオンガイド部で直交加速され、それにより、質量対電荷比に応じて時間的に分離するように配置され、適合されるのが好ましい。
【００４２】
第２の装置は、イオンを直交加速し、それにより、飛行時間分散が長手方向のみで発生するように配置され、適合される。
【００４３】
長手方向のみの飛行時間分散は、飛行時間分散がらせん方向である国際公開第ＷＯ２００５／０４０７８５号で開示の配置などの既知のスパイラトロン配置に対する本発明の大きな特異点である。
【００４４】
さらに、本発明では、イオン検出器の検出面は、長手方向軸線に対し直交するか、または垂直である面内に配置される。これは、本発明によるイオンの等飛行時間面が、国際公開第ＷＯ２００５／０４０７８５号で開示の配置中のイオンの等飛行時間面に対し実質的に垂直であるという理由による。
【００４５】
イオン検出器は、環状、部分的環状または分割型環状イオン検出面を有するのが好ましい。
【００４６】
このような配置は、国際公開第ＷＯ２００５／０４０７８５号では開示されていない。
【００４７】
イオン検出器の実施形態では、イオンが環状イオンガイドまたは第２の環状イオンガイド部を軸方向に１回通過した後で、イオンを検出するように配置され、適合される。
【００４８】
別の実施形態では、イオン検出器は、イオンが環状イオンガイドまたは第２の環状イオンガイド部を軸方向に複数回通過した後で、イオンを検出するように配置され、適合される。
【００４９】
このような配置は、国際公開第ＷＯ２００５／０４０７８５号には開示されていない。
【００５０】
イオン検出器は、イオンが、環状イオンガイドまたは第２の環状イオンガイド部を第１の軸方向に１回または複数回通過し、さらに、環状イオンガイドまたは第２の環状イオンガイド部を、第１の軸方向とは逆の第２の軸方向に１回または複数回通過するように配置され、適合されるのが好ましい。
【００５１】
このような配置は、国際公開第ＷＯ２００５／０４０７８５号には開示されていない。
【００５２】
好ましい実施形態では、イオン検出器は、（ｉ）環状イオンガイドまたは第２の環状イオンガイド部の実質的に中心に、（ｉｉ）環状イオンガイドまたは第２の環状イオンガイド部の実質的に端部に、（ｉｉｉ）フィールドフリー領域の端部に、（ｉｖ）第１の環状イオンガイド部に隣接して、または（ｖ）第１の環状イオンガイド部の遠位に、配置される。
【００５３】
環状イオンガイドは、内側円筒形電極配置を含むのが好ましい。
【００５４】
内側円筒形電極配置は、好ましくは、軸方向分割型であり、複数の第１の電極を含む。
【００５５】
環状イオンガイドは、外側円筒形電極配置を含むのが好ましい。
【００５６】
外側円筒形電極配置は、好ましくは、軸方向分割型であり、複数の第２の電極を含む。
【００５７】
好ましい実施形態では、環状飛行時間イオンガイド領域は、内側円筒形電極配置と外側円筒形電極配置との間に形成される。
【００５８】
飛行時間型質量分析器は、内側円筒形電極配置および／または外側円筒形電極配置にＤＣ電位を印加して、イオンを環状イオンガイド内で半径方向に制限するように作用する半径方向ＤＣ電位を維持するように配置され、適合された装置をさらに含むのが好ましい。
【００５９】
飛行時間型質量分析器は、
（ｉ）１個または複数個の第１の電極および／または第２の電極に１種または複数種の第１の電圧を印加し、それにより、第１の環状イオンガイド部内に位置するイオンが内側円筒形電極配置の周りの軌道を前進または移動し、その後、
（ｉｉ）１種または複数種の第２の電圧を１個または複数個の第１の電極および／または第２の電極に印加し、それにより、イオンが第２の環状イオンガイド部に向け直交加速され、イオンが渦巻き状経路に沿って第２の環状イオンガイド部を第１の軸方向へ通過し、
（ｉｉｉ）任意選択で、１種または複数種の第３の電圧を１個または複数個の第１の電極および／または第２の電極に印加し、それにより、イオンが第１の軸方向とは逆の第２の軸方向に反射して戻され、さらに、
（ｉｖ）環状イオンガイドまたは第２の環状イオンガイド部を通過するイオンの飛行時間を測定する、
ように配置され、適合された制御システムをさらに含むのが好ましい。
【００６０】
第２の装置は、第１の環状イオンガイド部両端に電位差を印加し、それにより、イオンが第１の環状イオンガイド部から出て直交加速され、第２の環状イオンガイド部に入るように配置され、適合されるのが好ましい。
【００６１】
イオンは、第２の環状イオンガイド部を通過する際に実質的に渦巻き状経路を取るのが好ましい。渦巻き状経路は、環状イオンガイドまたは第２の環状イオンガイド部の少なくとも一部に沿って非らせん状であり、それにより、渦巻き状経路のねじれに対する湾曲の比率が変化するか、または一定ではないのが好ましい。
【００６２】
これは、イオン経路のねじれに対する湾曲の比率が一定のまま維持されるようにイオンがらせん状経路を取る国際公開第ＷＯ２００５／０４０７８５号で開示の改良スパイラトロン配置とは対照的である。
【００６３】
飛行時間型質量分析器は、環状イオンガイドまたは第２の環状イオンガイド部の一部に沿って１種または複数種の半放物線型またはその他のＤＣ電位を維持してイオンを反射するように配置され、適合された装置をさらに含むのが好ましい。
【００６４】
このような配置は、国際公開第ＷＯ２００５／０４０７８５号には開示されていない。
【００６５】
飛行時間型質量分析器は、環状イオンガイドまたは第２の環状イオンガイド部の一部に沿って１種または複数種の放物線型ＤＣ電位を維持し、それにより、イオンが単振動を受けるように配置され、適合された装置をさらに含むのが好ましい。
【００６６】
このような配置は、国際公開第ＷＯ２００５／０４０７８５号には開示されていない。
【００６７】
環状イオンガイドまたは第２の環状イオンガイド部は、逆軸方向にイオンを反射するための１個または複数個のリフレクトロンを含むのが好ましい。
【００６８】
このような配置は、国際公開第ＷＯ２００５／０４０７８５号には開示されていない。
【００６９】
第２の装置は、好ましくは、時間Ｔ１でイオンを直交加速するように配置され、イオンは、その後に続く時間Ｔ２にイオン検出器により検出され、１００未満、１００〜２００、２００〜３００、３００〜４００、４００〜５００、５００〜６００、６００〜７００、７００〜８００、８００〜９００または９００〜１０００の範囲の質量対電荷比を有するイオンが、環状イオンガイドまたは第２の環状イオンガイド部を通って、（ｉ）５０μｓ未満、（ｉｉ）５０〜１００μｓ、（ｉｉｉ）１００〜１５０μｓ、（ｉｖ）１５０〜２００μｓ、（ｖ）２００〜２５０μｓ、（ｖｉ）２５０〜３００μｓ、（ｖｉｉ）３００〜３５０μｓ、（ｖｉｉｉ）３５０〜４００μｓ、（ｉｘ）４００〜４５０μｓ、（ｘ）４５０〜５００μｓ、および（ｘｉ）５００μｓ超、からなる群より選択される合計飛行時間Ｔ２−Ｔ１を有するように配置される。
【００７０】
異なる質量対電荷比を有するイオンは、環状イオンガイドまたは第２の環状イオンガイド部を通って実質的に異なる渦巻き状経路を取る。
【００７１】
これは、イオンがらせん方向に飛行時間分散を受けるために、異なる質量対電荷比を有するイオンが実質的に同じらせん状経路を取る、例えば、国際公開第ＷＯ２００５／０４０７８５号で開示されたスパイラトロン配置とは対照的である。
【００７２】
好ましい実施形態では、使用時に、少なくとも、第１の電場セクターおよび第２の電場セクターが形成されるように、第１の環状イオンガイド部中の電極は分割型である。
【００７３】
飛行時間型質量分析器は、第１の電場セクター中の半径方向電場を実質的にゼロに維持している間に、第１の時間Ｔ１に、第１の電場セクターに向け実質的に接線方向にイオンが入射し、それにより、イオンが第１の環状イオンガイド部に入射している間、実質的にフィールドフリー領域中にあるように配置され、適合された制御システムをさらに含むのが好ましい。
【００７４】
制御システムは、第２の電場セクター中で半径方向電場を維持し、それにより、第２の後の時間Ｔ２に、イオンが第１の電場セクターから第２の電場セクターに入り、半径方向に閉じ込められるようにさらに配置され、適合されるのが好ましい。
【００７５】
制御システムは、Ｔ３＞Ｔ１である第３の時間Ｔ３で、第１の電場セクター内に半径方向電場の維持を可能とし、それにより、第２の電場セクターから第１の電場セクターに入る際に、イオンが半径方向に閉じ込められ続け、第１の環状イオンガイド部内で実質的に安定な円軌道を形成するようにさらに配置され、適合されるのが好ましい。
【００７６】
第２の装置は、Ｔ４＞Ｔ３である第４の時間Ｔ４で、第１の環状イオンガイド部から第２の環状イオンガイド部へ向けてイオンを直交加速するように配置され、適合されるのが好ましい。
【００７７】
飛行時間型質量分析器は、第１の環状イオンガイド部から第２の環状イオンガイド部に向けて直交加速されたイオンの飛行時間を測定するように配置され、適合された制御システムを含む。
【００７８】
イオン検出器は、イオン検出器のイオン検出面に衝撃を与えるまたは衝突するイオンを検出するように配置され、適合されるのが好ましい。
【００７９】
本発明の一態様では、上述の飛行時間型質量分析器を含む質量分析計が提供される。
【００８０】
本発明の一態様では、
長手方向軸線を含み、第１の環状イオンガイド部および第２の環状イオンガイド部を含む環状イオンガイドを用意すること、
イオンを第１の環状イオンガイド部に導入し、それにより、イオンが、第１の環状イオンガイド部内で、長手方向軸線の回りに実質的に安定な円軌道を形成すること、
第１の環状イオンガイド部から第２の環状イオンガイド部へイオンを直交加速すること、および
環状イオンガイド内に配置され、長手方向軸線に実質的に垂直の面内に配置されたイオン検出面を有するイオン検出器を使ってイオンを検出すること、
を含むイオンの質量分析方法が提供される。
【００８１】
本発明の一態様では、上述のイオンの質量分析方法を含む質量分析方法が提供される。
【００８２】
本発明の一態様では、
長手方向軸線を有する環状イオンガイド、および
環状イオンガイド中へイオンを直交加速し、それにより、イオンが時間的に分離され、飛行時間分散が長手方向のみに発生するように配置され、適合された装置、
を含む飛行時間型質量分析器が提供される。
【００８３】
このような配置は、国際公開第ＷＯ２００５／０４０７８５号には開示されていない。国際公開第ＷＯ２００５／０４０７８５号で開示の配置では、飛行時間分散は、らせん方向内で発生し、すなわち、飛行時間分散は、長手方向のみに、またはその方向単独では発生しない。
【００８４】
本発明の一態様では、
長手方向軸線を有する環状イオンガイドを用意すること、および
イオンを環状イオンガイド中へ直交加速し、それにより、イオンが時間的に分離され、飛行時間分散が長手方向のみに発生すること、
を含むイオンの質量分析方法が提供される。
【００８５】
このような配置は、国際公開第ＷＯ２００５／０４０７８５号には開示されていない。国際公開第ＷＯ２００５／０４０７８５号で開示の配置では、飛行時間分散は、らせん方向内で発生し、すなわち、飛行時間分散は、長手方向のみに、またはその方向単独では発生しない。
【００８６】
本発明の一態様では、
長手方向軸線を有する環状イオンガイド、および
イオンを環状イオンガイド中へ直交加速するように配置され、適合された装置であって、イオンを、長手方向軸線に対し実質的に垂直な等飛行時間面で空間的に収束させる装置、
を含む飛行時間型質量分析器が提供される。
【００８７】
これは、等飛行時間面が長手方向軸線に平行である国際公開第ＷＯ２００５／０４０７８５号で開示の配置とは対照的である。
【００８８】
本発明の一態様では、
長手方向軸線を有する環状イオンガイドを用意すること、および
イオンを環状イオンガイド中に直交加速し、イオンを長手方向軸線に対し実質的に垂直の等飛行時間面で空間的に収束させること、
を含むイオンの質量分析方法が提供される。
【００８９】
これは、等飛行時間面が長手方向軸線に平行である国際公開第ＷＯ２００５／０４０７８５号で開示の配置とは対照的である。
【００９０】
本発明の一態様では、
環状イオンガイド領域、および
イオンを環状イオンガイド領域中へ直交加速するように配置され、適合された第１の装置、
を含む飛行時間型質量分析器が提供される。
【００９１】
当業者なら、既知のスパイラトロン配置では、イオンがらせん状経路を取ることを理解するであろう。このような既知の配置とは対照的に、好ましい実施形態によるイオンの取る経路は、実質的にらせん状ではない。ねじれに対する湾曲の比率が一定の場合、およびその場合のみ、曲線は一般らせんと呼ばれることは理解されよう。好ましい実施形態では、イオンは、軸方向に沿って一様回転を行わない。
【００９２】
飛行時間型質量分析器は、第１の円筒型電極配置をさらに含むのが好ましい。
【００９３】
第１の円筒型電極配置は、好ましくは、軸方向分割型であり、複数の第１の電極を含む。
【００９４】
飛行時間型質量分析器は、第２の円筒型電極配置をさらに含むのが好ましい。
【００９５】
第２の円筒型電極配置は、好ましくは、軸方向分割型であり、複数の第２の電極を含む。
【００９６】
環状イオンガイド領域は、第１の円筒型電極配置と第２の円筒型電極配置との間に形成されるのが好ましい。
【００９７】
第１の操作モードでは、イオンは、環状イオンガイド領域の第１の部分内の軌道中を前進または移動するのが好ましい。
【００９８】
第１の装置は、環状イオンガイド領域の第１の部分の両端に電位差を印加し、それにより、イオンが直交加速されて環状イオンガイド領域の第１の部分から出て、環状イオンガイド領域の第２の部分中へ入るように配置され、適合されるのが好ましい。
【００９９】
イオンは、環状イオンガイド領域の第２の部分を通過する際に、１種または複数種の軌道を取る、および／またはらせん状経路を取るのが好ましい。
【０１００】
飛行時間型質量分析器は、イオン検出器をさらに含むのが好ましい。
【０１０１】
イオン検出器は、環状イオンガイド領域内、またはそれに隣接して配置されるのが好ましい。
【０１０２】
イオン検出器は、環状イオン検出面を有するのが好ましい。
【０１０３】
イオン検出器は、環状イオンガイド領域の中心に配置されるのが好ましい。
【０１０４】
イオン検出器は、フィールドフリー領域の端部、および／または、環状イオンガイド領域の端部に配置されるのが好ましい。
【０１０５】
イオン検出器は、環状イオンガイド領域の第１の部分に隣接して配置されるが好ましい。
【０１０６】
イオン検出器は、環状イオンガイド領域の第１の部分の遠位に配置されるが好ましい。
【０１０７】
飛行時間型質量分析器は、環状イオンガイド領域の一部に沿って１種または複数種の半放物線型またはその他の電位を維持し、イオンを反射するように配置され、適合された装置をさらに含むのが好ましい。
【０１０８】
飛行時間型質量分析器は、環状イオンガイド領域の一部に沿って１種または複数種の放物線型電位を維持し、イオンを単振動させるように配置され、適合された装置をさらに含むのが好ましい。
【０１０９】
環状イオンガイド領域は、逆軸方向にイオンを反射するための１個または複数個のリフレクトロンを含むのが好ましい。
【０１１０】
イオンは、好ましくは、時間Ｔ１に直交加速され、時間Ｔ２に検出され、さらに、１００未満、１００〜２００、２００〜３００、３００〜４００、４００〜５００、５００〜６００、６００〜７００、７００〜８００、８００〜９００または９００〜１０００の範囲の質量対電荷比を有するイオンが、環状イオンガイド領域を通って、（ｉ）５０μｓ未満、（ｉｉ）５０〜１００μｓ、（ｉｉｉ）１００〜１５０μｓ、（ｉｖ）１５０〜２００μｓ、（ｖ）２００〜２５０μｓ、（ｖｉ）２５０〜３００μｓ、（ｖｉｉ）３００〜３５０μｓ、（ｖｉｉｉ）３５０〜４００μｓ、（ｉｘ）４００〜４５０μｓ、（ｘ）４５０〜５００μｓ、および（ｘｉ）５００μｓ超、からなる群より選択される合計飛行時間Ｔ２−Ｔ１を有するように設定される。
【０１１１】
本発明の一態様では、上述の飛行時間型質量分析器を含む質量分析計が提供される。
【０１１２】
本発明の一態様では、
イオンを環状イオンガイド領域中へ直交加速すること、および
イオンの飛行時間を測定すること、
を含むイオンの質量分析方法が提供される。
【０１１３】
本発明の一態様では、上述のイオンの質量分析方法を含む質量分析方法が提供される。
【０１１４】
本発明の一態様では、
複数の第１の電極を含む内側円筒形電極配置、および複数の第２の電極を含む外側円筒形電極配置であって、外側円筒形配置は、内側円筒形電極の回りに配置され、使用時に、内側電極と外側電極との間で環状イオンガイド領域を形成する内側電極と外側電極配置、
環状イオンガイド領域内、またはその端部に配置されたイオン検出器、および
（ｉ）１種または複数種の第１の電圧を１個または複数個の第１の電極および／または第２の電極に印加し、それにより、イオンが環状イオンガイド領域の第１の領域に配置され、内側円筒形電極配置の周りの軌道中をイオンが前進または移動し、および、その後、
（ｉｉ）１種または複数種の第２の電圧を１個または複数個の第１の電極および／または第２の電極に印加し、それにより、環状イオンガイド領域の第２の領域中へイオンが直交加速され、イオンが、らせん状または渦巻き状経路に沿って環状イオンガイド領域の第２の領域を通って第１の軸方向に通過し、
（ｉｉｉ）１種または複数種の第３の電圧を１個または複数個の第１の電極および／または第２の電極に印加し、それにより、イオンが第１の軸方向とは逆の第２の軸方向に反射されて戻り、さらに、
（ｉｖ）環状イオンガイド領域を通過するイオンの飛行時間を測定する、
ように配置され、適合された制御システム、
を含む飛行時間型質量分析器が提供される。
【０１１５】
本発明の一態様では、
イオンを環状イオンガイド領域の第１の領域に配置させることであって、内側円筒形電極配置の周りで軌道中をイオンが前進または移動する配置させること、および、その後、
イオンを環状イオンガイド領域の第２の領域中へ直交加速し、それにより、イオンがらせん状または渦巻き状経路に沿って環状イオンガイド領域の第２の領域を第１の軸方向へ通過すること、
イオンを反射して、第１の軸方向とは逆の第２の軸方向に戻すこと、および
環状イオンガイド領域を通過するイオンの飛行時間を測定すること、
を含むイオンの質量分析方法が提供される。
【０１１６】
既知の直交加速飛行時間型質量分析器の欠点は、それらが、長い飛行経路の装置中でのイオンビームの発散による伝送損失を受け、利用可能な検出器領域が過剰充填を生ずることである。発散は、初期イオンビーム条件から、またはグリッド境界での散乱から生ずる可能性がある。
【０１１７】
本発明の好ましい実施形態は、イオンを飛行時間分散の方向に垂直の、安定な半径方向軌道内に閉じ込めることによりこの制限を克服しようとするものである。
【０１１８】
本発明の好ましい実施形態は、従来の配置に対し多くの利点を有する。例えば、好ましい実施形態は、単回パス装置に比べて高い解像度を有する。
【０１１９】
また、好ましい飛行時間型質量分析器の実施形態では、グリッドレス飛行経路反復要素の構築により多重パスモードで高伝送率を有する。
【０１２０】
好ましい実施形態の別の利点は、（発散による）検出器の過充填を防止する安定な半径方向閉じ込めに起因する高伝送率を有することである。
【０１２１】
また、好ましい実施形態は、装置に入射するイオンパケットの高デューティサイクルを有する。
【０１２２】
好ましい実施形態の利点は、イオンを装置の光学軸と整合させるための外部イオン検出器を使わないことである。このような検出器は、収差と構造の複雑さを持ち込む。
【０１２３】
好ましい実施形態のさらなる利点は、増加した入射エネルギーおよびその結果としての上流部品の表面帯電に対する耐性の増加である。
【０１２４】
一実施形態では、質量分析計は、
（ａ）（ｉ）エレクトロスプレーイオン化（「ＥＳＩ」）イオン源、（ｉｉ）大気圧光イオン化（「ＡＰＰＩ」）イオン源、（ｉｉｉ）大気圧化学イオン化（「ＡＰＣＩ」）イオン源、（ｉｖ）マトリックス支援レーザー脱離イオン化（「ＭＡＬＤＩ」）イオン源、（ｖ）レーザー脱離イオン化（「ＬＤＩ」）イオン源、（ｖｉ）大気圧イオン化（「ＡＰＩ」）イオン源、（ｖｉｉ）ポーラスシリコンを用いたレーザー脱離イオン化（「ＤＩＯＳ」）イオン源、（ｖｉｉｉ）電子衝撃イオン化（「ＥＩ」）イオン源、（ｉｘ）化学イオン化（「ＣＩ」）イオン源、（ｘ）電界イオン化（「ＦＩ」）イオン源、（ｘｉ）電界脱離イオン化（「ＦＤ」）イオン源、（ｘｉｉ）誘導結合プラズマ（「ＩＣＰ」）イオン源、（ｘｉｉｉ）高速原子衝撃（「ＦＡＢ」）イオン源、（ｘｉｖ）液体二次イオン質量分析（「ＬＳＩＭＳ」）イオン源、（ｘｖ）脱離エレクトロスプレーイオン化（「ＤＥＳＩ」）イオン源、（ｘｖｉ）ニッケル−６３放射性イオン源、（ｘｖｉｉ）大気圧マトリックス支援レーザー脱離イオン化イオン源、（ｘｖｉｉｉ）熱スプレーイオン源、（ｘｉｘ）大気サンプリンググロー放電イオン化（「ＡＳＧＤＩ」）イオン源、（ｘｘ）グロー放電（「ＧＤ」）イオン源、（ｘｘｉ）インパクターイオン源、（ｘｘｉｉ）リアルタイム直接分析（ＤＡＲＴ」）イオン源、（ｘｘｉｉｉ）レーザースプレイイオン化（「ＬＳＩ」）イオン源、（ｘｘｉｖ）ソニックスプレーイオン化（「ＳＳＩ」）イオン源、（ｘｘｖ）マトリックス支援インレットイオン化（Ｍａｔｒｉｘ  Ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｉｎｌｅｔ  Ｉｏｎｉｓａｔｉｏｎ）（「ＭＡＩＩ」）イオン源、および、（ｘｘｖｉ）溶媒支援インレットイオン化（Ｓｏｌｖｅｎｔ  Ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｉｎｌｅｔ  Ｉｏｎｉｓａｔｉｏｎ）（「ＳＡＩＩ」）イオン源、からなる群より選択されるイオン源、および／または、
（ｂ）１つまたは複数の連続またはパルス状イオン源、および／または、
（ｃ）１つまたは複数のイオンガイド、および／または、
（ｄ）１つまたは複数のイオン移動度分離装置、および／または１つまたは複数の電界非対称イオン移動度分光装置、および／または、
（ｅ）１つまたは複数のイオントラップまたは１つまたは複数のイオントラッピング領域、および／または、
（ｆ）（ｉ）衝突誘導解離（「ＣＩＤ」）フラグメント化装置、（ｉｉ）表面誘起解離（「ＳＩＤ」）フラグメント化装置、（ｉｉｉ）電子移動解離（「ＥＴＤ」）フラグメント化装置、（ｉｖ）電子捕獲解離（「ＥＣＤ」）フラグメント化装置、（ｖ）電子衝突または衝撃解離フラグメント化装置、（ｖｉ）光誘起解離（「ＰＩＤ」）フラグメント化装置、（ｖｉｉ）レーザー誘起解離フラグメント化装置、（ｖｉｉｉ）赤外線照射誘発解離装置、（ｉｘ）紫外線照射誘発解離装置、（ｘ）ノズル−スキマーインターフェースフラグメント化装置、（ｘｉ）インソースフラグメント化装置、（ｘｉｉ）インソース衝突誘起解離フラグメント化装置、（ｘｉｉｉ）熱または温度源フラグメント化装置、（ｘｉｖ）電場誘起フラグメント化装置、（ｘｖ）磁場誘起されたフラグメント化装置、（ｘｖｉ）酵素消化または酵素分解フラグメント化装置、（ｘｖｉｉ）イオン−イオン反応フラグメント化装置、（ｘｖｉｉｉ）イオン−分子反応フラグメント化装置、（ｘｉｘ）イオン−原子反応フラグメント化装置、（ｘｘ）イオン−準安定性イオン反応フラグメント化装置、（ｘｘｉ）イオン−準安定性分子反応フラグメント化装置、（ｘｘｉｉ）イオン−準安定性原子反応フラグメント化装置、（ｘｘｉｉｉ）イオンを反応させて付加または生成イオンを形成させるためのイオン−イオン反応装置、（ｘｘｉｖ）イオンを反応させて付加または生成イオンを形成させるためのイオン−分子反応装置、（ｘｘｖ）イオンを反応させて付加または生成イオンを形成させるためのイオン−原子反応装置、（ｘｘｖｉ）イオンを反応させて付加または生成イオンを形成させるためのイオン−準安定性イオン反応装置、（ｘｘｖｉｉ）イオンを反応させて付加または生成イオンを形成させるためのイオン−準安定性分子反応装置、（ｘｘｖｉｉｉ）イオンを反応させて付加または生成イオンを形成させるためのイオン−準安定性原子反応装置、および（ｘｘｉｘ）電子イオン化解離（「ＥＩＤ」）フラグメント化装置、からなる群より選択される１つまたは複数の衝突、フラグメント化または反応セル、および／または、
（ｇ）１つまたは複数のエネルギー分析器または静電エネルギー分析器、および／または、
（ｉ）１つまたは複数のイオン検出器、および／または、
（ｊ）（ｉ）四重極マスフィルタ、（ｉｉ）２次元又はリニア四重極イオントラップ、
（ｉｉｉ）ポール（Ｐａｕｌ）または３次元四重極イオントラップ、（ｉｖ）ペニング（Ｐｅｎｎｉｎｇ）イオントラップ、（ｖ）イオントラップ、（ｖｉ）磁気セクター型マスフィルタ、（ｖｉｉ）飛行時間型マスフィルタ、および（ｖｉｉｉ）ウィーンフィルタからなる群より選択される１つまたは複数のマスフィルタ、および／または、
（ｋ）イオンをパルス状にする装置またはイオンゲート、および／または、
（ｌ）実質的に連続的なイオンビームをパルス状イオンビームに変換する装置、
をさらに含んでもよい。
【０１２５】
質量分析計は、使用時にイオンを送出する開口部を各々有する複数の電極を備える積層リング型イオンガイドをさらに含み、電極間の間隔がイオン通路の長さ方向に沿って増大し、イオンガイドの上流部分に配置される電極の開口部が第１の直径を有し、イオンガイドの下流部分に配置される電極の開口部が第１の直径よりも小さい第２の直径を有し、使用時に、次に配列される電極に、逆相のＡＣ又はＲＦ電圧を印加してもよい。
【０１２６】
以降で、付随する図を参照しながら種々の本発明の実施形態が例示のみの目的で説明される。
【図面の簡単な説明】
【０１２７】
【図１】空間収束の原理を示す図である。
【図２】イオン速度と位相空間楕円を示す図である。
【図３】リュービルの定理を示す図である。
【図４】従来の飛行時間型質量分析器におけるＷ形状飛行時間領域を示す図である。
【図５】本発明の好ましい実施形態による飛行時間型質量分析器の端面図である。
【図６Ａ】安定な軌道中に閉じ込められたイオンを示す図である。
【図６Ｂ】２つの円筒の間の分析器の内側に配置されたグリッドに印加されているパルス電圧を示す図である。
【図７Ａ】本発明の一実施形態を示す図である。
【図７Ｂ】本発明の別の実施形態を示す図である。
【図８Ａ】イオンが初期に閉じ込められた実施形態の図である。
【図８Ｂ】イオン経路の一方側に印加された放物線型電位を示す図である。
【図８Ｃ】放物線型電位に沿って振動するイオンを示す図である。
【図８Ｄ】イオン検出器に送られるイオンを示す図である。
【図９Ａ】初期に閉じ込められているイオンを示す図である。
【図９Ｂ】直交加速されているイオンを示す図である。
【図９Ｃ】フィールドフリー領域の出口に配置されたイオン検出器により検出されているイオンを示す図である。
【図９Ｄ】イオンが放物線型電位を受ける実施形態を示す図である。
【図９Ｅ】イオンが放物線型電位内で振動する実施形態を示す図である。
【図９Ｆ】イオンがフィールドフリー領域の出口に配置されたイオン検出器に送られる実施形態を示す図である。
【図１０】プッシュ前状態におけるビームストップによる位相空間の変化を示す図である。
【図１１】パルス電圧を有するグリッドレス配置を含む本発明のさらなる実施形態を点線で示す図である。
【図１２】モデル化された飛行時間型質量分析器の配置の模式図である。
【図１３】モデル化された飛行時間型質量分析器の同軸配置の図である。
【図１４】解析システムと本発明の一実施形態による飛行時間型質量分析器とのイオンピークの比較を示す図である。
【図１５】解析システムと本発明の一実施形態による飛行時間型質量分析器による飛行時間ピークの比較を示す図である。
【図１６Ａ】内部電場の走査なしに環状イオンガイド領域中に入射したイオンの軌道を示す図である。
【図１６Ｂ】同様に内部電場の走査なしに、より高いエネルギーを有する環状イオンガイド領域中に入射したイオンの軌道を示す図である。
【図１７Ａ】入射領域を第１と第２セクターに分割し、イオンが第１のセクターに入射する場合にイオンが最初にフィールドフリー領域に入ることを確実にすることによる、イオンを環状イオンガイド領域に入射する好ましい方法を示す図である。
【図１７Ｂ】イオンが第１セクターから第２セクターへ移動し、第１セクターで半径方向電場が復帰された後で得られるイオン軌道を示す図である。
【図１８Ａ】質量分析器に入射し、回転するに従い分離するイオンを示す図である。
【図１８Ｂ】しばらく経った後の、質量分析器に入射し、回転するに従い分離するイオンを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０１２８】
以降で、図５を参照しながら、好ましい本発明の実施形態が説明される。図５は、本発明の好ましい実施形態が示され、そこでは、２つの同軸円筒型電極を含み、それらの間に環状イオンガイド空間を備える飛行時間型質量分析器が提供される。
【０１２９】
好ましい実施形態では、イオンは、異なる電位ＶｏｕｔｅｒとＶｉｎｎｅｒで保持された２つの同軸円筒の間で半径方向に閉じ込められる。イオンビーム（分析される異なる質量対電荷比化学種を含むイオンパケットであるのが好ましい）は、外側円筒に侵入するために接近するが、このましくは、イオンビームが通過可能な開口またはすき間が設けられているのが好ましい。
【０１３０】
ビームの装置への侵入時に内側と外側円筒間で電場を高めることにより、環状イオンガイド空間に入るイオンが安定な円軌道を形成するのが好ましい。円筒内に何ら電場がない場合には、イオンが軌道内に残るのが好ましいが、それらの初期の軸方向速度に応じて軸方向に分散することになる。この状態は、図６Ａに示されている。
【０１３１】
次に、図６Ｂを参照する。イオンが安定な軌道中に閉じ込められると、グリッドにパルス電圧を印加できる。このグリッドは、分析器内側の２つの円筒間に配置されるのが好ましい。空間収束の達成に必要な電場関数を生成するために、内側と外側円筒は、分割型であるのが好ましく、また、内側と外側の分割電極のそれぞれに異なる電圧が印加されるのが好ましい。
【０１３２】
図６Ａは、どのようにして内側と外側円筒型電極を実施形態に従って軸方向に分割できるかを示す。内側と外側円筒形電極は、好ましい実施形態に従って下記の実施形態の全てで軸方向に分割できるが、図示を簡略化する目的のみのために、その後の図の内のいくつかでは軸方向分割を省略している場合がある。
【０１３３】
再度図６Ｂを参照する。イオンは、中心電極セットの周りで回転し続けるのが好ましいが、これと同時に、飛行時間型質量分析器の軸に沿って実質的にらせん状に移動を開始するのが好ましい。
【０１３４】
飛行時間分散は、軸方向のみに発生し、イオンは伝送損失を防ぐために半径方向に閉じ込められることを理解されたい。結果として、好ましい円筒装置中の２つの座標の挙動は切り離される。
【０１３５】
図６Ｂは、４個の主面Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４を備えた単純な実施形態を示し、これは、図１のワイリー・マクラーレン飛行時間型質量分析器の主面に極めて類似している。空間収束は、同じ原理で達成される。しかし、図６Ｂの好ましい実施形態の配置では、安定な半径方向軌道により、グリッド境界でのビーム発散およびグリッド散乱に起因する損失が防止される。
【０１３６】
好ましい実施形態の配置によるさらなる利点は、分光計に入射するイオンのパルス状パケットと結合された場合、全体のイオンパケットを安定な軌道中に捕捉して、利用できることである。分光計の取得周期（プッシュ）の間にイオンが上流ＲＦ装置中に貯蔵される場合は、好ましい配置により実質的に１００％のデューティサイクルが実現できる可能性がある。
【０１３７】
図６Ａと６Ｂの実施形態では、イオンは、依然として、グリッド電極との衝突で失われる可能性があるが、好都合にも、好ましい実施形態は、従来の配置より高い伝送率を有する。
【０１３８】
また、グリッド電極を使用せず、従って、従来の配置に比べてさらに都合がよい他の実施形態も検討されており、以下に記載される。
【０１３９】
安定な半径方向軌道を取る直交加速電場またはパルス電場の印加が実現されることは、他の既知の形態の質量分析器に比べて重要な特徴であることに留意されたい。
【０１４０】
特に、分光計の軸に対するビームの方向を変える偏向装置を使って、装置の外側からのイオンパケットが質量分析器中にパルス出力されるオービトラップ型（ＲＴＭ）質量分析器が知られている。このような偏向装置は、飛行時間の収差および等飛行時間面の歪みを生じる。これらの収差は、前記装置の解像度を制限し、その結果、高解像度を達成するには、非常に長い飛行時間が必要となる。
【０１４１】
好ましい実施形態の特有の利点は、安定軌道に沿った加速電場の印加の実現により、偏向装置の必要性をなくし、従来の直交加速飛行時間型質量分析器と類似の時間尺度で解像度性能を実現可能とすることである。
【０１４２】
ビーム発散損失により損失することなく長い飛行経路が可能であることは、本発明の実施形態による半径方向閉じ込め方式同軸円筒飛行時間型質量分析器の利点である。従って、好ましい実施形態は、多重パス飛行時間型質量分析器配置に理想的に適合する。
【０１４３】
好ましい実施形態に従って、主面の損失を減らすために最小数のグリッドを含む種々の多重パス配置が検討されている。図７Ａと７Ｂに、理想的な理論的配置を示す。この実施形態では、飛行時間型質量分析器の長さに沿って放物線型電位が印加される前に、軸方向対称性装置の一方側にイオンが入射し、そこで安定化される。放物線型電位は、イオンを分光計の中心に向かって加速する作用をする。放物線型電位井戸の形状は、イオンが前後に振動して、単振動を可能とするのが好ましい。検出前のイオンの通過回数が多いほど、装置の解像度が高くなる。
【０１４４】
好都合にも、上流のイオントラップにイオンを貯蔵できる。イオントラップから質量選択的に排出して、既知の質量範囲のイオンを分析器に順次放出し、その間に他のものを母集団中に貯蔵してもよい。このようにして、より狭い取得質量範囲部分から、全質量範囲を含む高解像度質量スペクトルをまとめることができる。
【０１４５】
図７Ｂの位相空間の変化は、等飛行時間面が実質的に電位井戸の底の装置の中心で認められることを示す。実際には、そこから小さいずれがあり、これは初期の位相空間楕円の傾斜の関数であるが、この影響は小さい。
【０１４６】
他の実施形態では、イオン検出器は、軸方向電場が存在しない装置の領域に配置されても、または位置してもよい。
【０１４７】
一実施形態では、イオン検出器は、次に考察される図８Ａ〜８Ｄのように、装置の軸方向フィールドフリー領域中に配置されてもよい。図８Ａ〜８Ｄは、ワイリー・マクラーレンおよび放物線型電位井戸部の組み合わせを実装した実施形態を示す。図８Ａ〜８Ｄのそれぞれは、装置の取得周期の異なる時間を示す。
【０１４８】
イオンは、好ましくは、本発明の実施形態による、２電場ワイリー・マクラーレン型イオン源を組み込んだ同軸配置飛行時間型質量分析器から抽出される。イオンは、フィールドフリー領域中へ直交加速され、フィールドフリー領域に沿って飛行する。その後、図８Ａ〜８Ｂに示すように、イオンは放物線型電位勾配（井戸の半分）中を通過する。
【０１４９】
図８Ｂに示すように、イオンが放物線部内にある間、好ましくは、図８Ｃに示すように、井戸の残りの半分のスイッチを入れ、および、好ましくは、イオンを設計回数振動させて、装置の有効飛行経路を増やし、その後、図８Ｄに示すように、イオン検出器に向けて放出する。
【０１５０】
図８Ｄから、等飛行時間面は、もはや電位井戸の基底にはないことが分かるであろう。これは、イオンビームを等飛行時間空間収束させるのに必要なフィールドフリー領域の大きさ（この場合、正確にＰ３と検出器との間の距離である）が原因である。放物線型電位井戸の右側半分への外向き飛行では、フィールドフリー領域の半分のみが利用されている。この半分のスイッチを切断すると、対象イオンは、残りの必要なフィールドフリー領域を飛行し、等飛行時間面に空間的に収束する。放物線型電位井戸と組み合わせてフィールドフリー領域の一部をこのような多重パス装置を可能とする単振動を起こさせることができるのは、配置の組み合わせによるものである。このようなフィールドフリー領域がなければ、電場の歪みなしに検出器を配置できる場所はどこにもないであろう。
【０１５１】
より高度の空間収束が必要な場合は、放物線型パルス電位井戸を、リフレクトロン飛行時間型質量分析器のフィールドフリー領域に含めることができる。以降で、図９Ａ〜９Ｆを参照しながら、このさらなる実施形態に関し記載する。
【０１５２】
この実施形態による操作の原理は、図８Ａ〜８Ｄを参照して上記で記載の内容と類似であるが、図９Ａ〜９Ｃに示すように単回パスモードも含まれる。このモードは、放物線型電位井戸のパルス出力を含まない。このような操作モードは、低解像度でのより高速の取得が必要な場合に、特に有用である。より高度の空間収束は、電位井戸の最小パス数に対し実現される到達可能な最高の解像度を可能とする。
【０１５３】
当業者なら分かるように、飛行時間型質量分析器の質量範囲は、調和ポテンシャル井戸により形成される往復回数と共に減少する。分析器をＮ回横切る場合、利用できる質量範囲は、下記式に従い、Ｎの値と共に減少する。
ｍｍａｘ／ｍｍｉｎ＝（Ｎ／（Ｎ−１））２        （１）

【０１５４】
これは欠点に見えるが、加速の前に分析器に入るビームの位相空間条件を最適化することにより、減少した質量範囲を生かすことができる。通常、イオンビームは、リングスタック、四重極またはより高次の多重極などのＲＦ収束素子ならびにレンズおよびグリッドなどの静電素子の組み合わせにより条件付けられている。初期条件の最適化は、ビームを厳密に光学軸に閉じ込めることを含む。ＲＦのみの四重極を使用することによりビームを光学軸に厳密に閉じ込めることがよく行われるが、この装置は、収束作用に強い質量依存性がある。これは、特定の質量のイオンは、光学軸に効率的に詰め込まれるが、一方で、より高い質量のイオンは、あまり強力でない状態で閉じ込められ、また、より小さい質量のイオンが、装置中で不安定であるか、またはＲＦ場から過剰なエネルギーを取得する場合があることを意味する。
【０１５５】
従って、往復回数により決まる限られた質量範囲を分析器へ伝送することにより、最良の装置解像度のための、狭くなった質量範囲内に含まれる質量に対する位相空間特性の可能な最良の最適化ができる。
【０１５６】
国際公開第ＷＯ２０１１／１５４７３１号（Ｍｉｃｒｏｍａｓｓ）は、どのようにしてイオンビームを拡大して、従来の二段ワイリー・マクラーレン装置の位相空間条件を最適するかを記載している。国際公開第ＷＯ２０１１／１５４７３１号は、領域中の電場ではなくビームから認められる加速電位差で適正に拡大されたビーム尺度の往復所要時間収差をどのようにして制限するかを開示している。
【０１５７】
本発明の好ましい実施形態は、分析器に入射したイオンパケットを、直交加速の前に中心電極の回りで所望の長さ回転させることにより、完全な無収差ビーム拡大を可能とする。分析器は、加速パルス印加の前には、軸方向に完全にフィールドフリーである。これは、イオンの初期速度に起因して、自由拡大を可能とする。プロセスは、基本的に、輸送光学系から飛行時間型質量分析器まで可変飛行距離を有するのと類似である。イオンが回転し、拡大するに伴い、位相空間楕円は、さらに伸長し、電位が印加されると、ビームはより多くの加速電位を獲得する。分析器が十分良好な空間収束特性を有する限り、ビームの拡大が可能になるに伴い、解像度が改善される。飛行時間型質量分析器の加速領域内に、窓板（または、ビームストップ）を慎重に配置することにより、ビームが軸方向拡大できる最大寸法を分析器の空間収束特性に制限することができる。ビームストップの位置にまで到達すると、イオンは、加速の前にさらに回転可能となり、位相空間は、回転時間が長くなるほど、速度方向が次第に短くなった切り詰められた楕円形状を取る。これは図１０に示されている。
【０１５８】
遅延時間を変えることにより、いくつかのイオンの損失を犠牲にしてより高い解像度を実現できる。これは、ＭＡＬＤＩ装置の遅延抽出の技術に類似であると考えることができ、それにより、分析器中に抽出する前に、イオンは、標的板を離れ、イオン源の初期速度と相関する位置を採用できる。イオン速度と位置の関係は、面により規定される脱離イベントのために極めて高い。本発明の実施形態による遅延抽出は、このような完全な位置／速度の相関を持たないが、それにもかかわらず、高度のイオン収束が達成でき、分析器に入射する対象の質量範囲に対しさらに最適化でき、すなわち、遅延時間は、抽出が生じる前に、入射範囲の中心質量がビームストップの位置に丁度到着する（すなわち、空間収束が解像度を低下させる前のレベルまで満たす）ことを可能とするように設定可能である。
【０１５９】
米国特許出願第５４６４９５号（Ｃｏｒｎｉｓｈ）は、ポストソース分解（「ＰＳＤ」）により生成された広い運動エネルギー差異のイオンをＭＡＬＤＩ飛行時間型質量分析器装置に導入するためのカーブドフィールドリフレクトロンの使用について開示している。本発明の実施形態では、このような配置を利用して、イオン検出器の適切な位置設定に必要な良好な空間収束およびフィールドフリー領域を有する第１の加速段階を与えることができる。
【０１６０】
上述のように、グリッド電極が使われないさらなる本発明の実施形態が検討されている。安定な軌道により得られる半径方向の閉じ込めは、イオンが狭い範囲の半径方向位置を取ることを意味する。これは、完全なシステムをグリッドレスにし、それでも、これらの因子が持ち込む軸方向電場中の攪乱とイオン損失を避けながら、良好な空間収束を維持することが可能であることを意味する。本発明の半径方向安定性を備えていないグリッドレス飛行時間型質量分析器は、イオン光学要素の過剰充填により生じる電場の脱焦の影響を受け、最終的には装置の感度および解像度が制限される。
【０１６１】
本発明の実施形態によるグリッドレス電極配置の一例は、図１１に示されている。この場合は、パルス出力される電位が点線で示されているが、パルス出力および位相空間の変化の順序と性質は、図８Ａ〜８Ｄに関して記載されたものと類似である。２個の同心分割型円筒の間の内部空間中で外側および内側アセンブリと接触する共通の機械部品（グリッド）を持つのではなく、別々に組み上げられた２個の同心分割型円筒から装置が構成でき、構築法が単純化される点で、グリッドの除去はさらなる利点を有する。
【０１６２】
本発明の実施形態による同軸飛行時間型質量分析器のモデル化を行った。解析システムからの結果を、好ましい実施形態による同軸飛行時間型質量分析器配置に対するＳＩＭＩＯＮ（ＲＴＭ）計算結果と比較した。
【０１６３】
図１２は、モデル化に使った飛行時間型質量分析器配置を示し、平均イオン出発面は、長さＬ１＝４０ｍｍのプッシャー領域の中心にある。電圧Ｖ１は、１０００Ｖである。
【０１６４】
加速領域Ｌ２を５０ｍｍに設定し、電圧Ｖ２を５０００Ｖに設定した。種々の領域をグリッドで画定したが、放物線型領域はグリッドで画定しなかった。距離Ｌｐを９９ｍｍとしてモデル化し、Ｖｐを１０，０００Ｖに設定した。イオンが右手の放物線（ＲＨＰ）内に入った後で、左手の放物線（ＬＨＰ）を上昇させる必要があり、また、所望の回数の通過が発生後、イオンがＬＨＰにある間にＲＨＰを下降させる必要がある。
【０１６５】
パイソンモデルでは、全フィールドフリー距離は、解くことができる変数であり、一方、ＳＩＭＩＯＮ（ＲＴＭ）シミュレーションでは、イオンは、固定検出器面距離で記録される。これらのイオンは、次にパイソンモデルにインポートされ、変数フィールドフリー領域に関し解くことができ、従って、両方の手法が明確にされる。
【０１６６】
図１３は、ＳＩＭＩＯＮ（ＲＴＭ）モデル化で使われる同軸配置を示す。内側円筒の半径Ｒｉｎを１０ｍｍに設定し、外側円筒の内径Ｒｏｕｔを２０ｍｍに設定した。従って、Ｒｇａｐは１０ｍｍである。
【０１６７】
軸方向電極セグメントを１ｍｍ幅、それらの間のすき間を１ｍｍとした。グリッドをセグメント間に配置されるとしてモデル化し、電圧を、最初の２つの領域を横切って線形電圧低下を与え、放物線型領域に二次電位を与えるように印加されるものとしてモデル化した。
【０１６８】
電位差を、内側円筒と外側円筒との間に半径方向閉じ込めを与えるように印加した。示した結果では、＋６５０Ｖを外側円筒に印加し、内側円筒は、グリッドと同じ電位である。
【０１６９】
５００の質量対電荷比を有する単電荷イオンに対し、５００ｅＶの半径方向ＫＥおよび＋６５０Ｖの外側円筒印加により、良好な半径方向閉じ込めが得られる。半径方向発散を与える放物線型領域内での閉じ込めを保持するためには、大きな半径方向ＫＥが必要である。
【０１７０】
最初のシステムに対して、初期のイオン条件は、１ｍｍのポジションデルタ（ｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｄｅｌｔａ）（＋／−０．５ｍｍ）、ガウシアン速度分布の広がり：５ｍ／ｓ標準偏差、初期イオンドリフトなし、放物線型領域を通る８パス（単一放物線を通過する往と復で１パスである）および放物線領域への１０ｋＶ印加、とした。結果を図１４に示す。
【０１７１】
解析システムに対して、合計ＦＦＲは１２０３ｍｍ、７０．７１２μｓドリフト時間である。飛行時間型質量分析器に対しては、好ましい実施形態では、ＦＦＲは１６１９ｍｍ、７９．６１７μｓドリフト時間である。本発明の実施形態による飛行時間型質量分析器の解像度特性は、解析システムと同等である。
【０１７２】
初期位相空間がより小さく設定され、放物線を通るより多くのパスが可能な場合、好ましい実施形態により解像度が改善される。このシステムでは、初期イオン条件は、０．２ｍｍのポジションデルタ（＋／−０．１ｍｍ）、ガウス速度分布の広がり：１ｍ／ｓ標準偏差、初期イオンドリフトなし、放物線型領域を通る３２パス（単一放物線を通過する往と復で１パスである）および放物線領域への１０ｋＶの印加とした。
【０１７３】
解析システムは、１２０３ｍｍのＦＦＲであり、一方、好ましいシステムによるＦＦＲは、１６３０ｍｍであった。好ましい実施形態によるシステムの１７０，０００解像度に比較して、解析システムの解像度は、１８９，０００であった。
【０１７４】
１７０，０００の潜在的解像度を有する飛行時間型質量分析器は、現状技術の市販飛行時間型質量分析器と比較して、極めて大きな性能上の進歩を示すことは理解されよう。
【０１７５】
解析およびＳＩＭＩＯＮ（ＲＴＭ）システムは、正確に一致しないが、好ましい実施形態は、解析システムの解像度の約９０％を達成できることは明らかである。図１５に示すように、解析システムによる飛行時間は、１９１μｓであり、一方、好ましい実施形態による飛行時間は、２００μｓであった。両方の場合とも、飛行時間は、過度に長くはない（１２ＧＨｚ  ＴＤＣ検出器）。
【０１７６】
同軸円筒ＴＯＦへのイオン入射方法
図５を参照しながら、安定な軌道を実現する分光計へのイオン入射するためのあまり好ましくない方法が上記で示され、説明されてきた。このあまり好ましくない実施形態では、安定な軌道は、イオンが装置に入る際に、外側電極に対して内側電極の電圧を下げることにより実現できる。この手法には、装置中へパルス出力される限定された時間分布のイオンパケットが必要である。この方式で入射するイオンは、わずかに質量依存性の半径方向位置の範囲を取る。可能な最高解像度を得るために、飛行時間型質量分析器を横切る際に、全てのイオンが全体として同じ軸方向電場を受ける必要があるので、これは理想的とは言えない。
【０１７７】
内部電場を操作することなしに、小さい開口を経由して一対の同軸円筒中にイオンを単純に入射する場合には、安定な軌道は実現されず、入射したイオンは、常に、最終的に同心円筒間の空間の外側に行き着く軌道を描くことになる。このような軌道の２つの例を図１６Ａと１６Ｂに示す。
【０１７８】
図１６Ａでは、イオンがこのような位置および両方の円筒に対し完全に接線方向の速度成分で瞬時に生成されるとすると、イオンは、内側と外側円筒との間の途中の円形軌道を描くようなエネルギーで入射する。このイオンは完全に不安定で、約４分の１回転しただけですぐに内側円筒に衝突することが分かる。
【０１７９】
図１６Ｂでは、イオンは高エネルギーで入射し、まだ不安定であるが、外側円筒に衝突するまで１回転半ほど生存する。
【０１８０】
従って、イオンが安定軌道に一旦入れば、充填因子が最小化され、質量の装置内の半径方向位置に対する依存性が僅かか、または全くないように、装置中へイオンを入射する方法を見つけるのが望ましい。
【０１８１】
好ましい実施形態に従って利用される分割型同軸円筒配置は、必要に応じ、異なるセグメントおよびそのセグメントの異なる部分に対し別々の電圧の印加を可能とする。好ましい実施形態では、飛行時間型分析器の加速領域は、２つのセクターに分割される。これにより、半径方向閉じ込め電場のセクター角度と時間に対する制御が可能となる。内側または外側円筒の角度部分へのパルス電圧の印加により、半径方向閉じ込め電場のパルス出力をＯＮまたはＯＦＦできる。
【０１８２】
図１７Ａは、好ましい実施形態では、どのようにして装置を２つの領域またはセクターに分割するかを示す。時計の文字盤に例えて記述すると、第１の領域またはセクター（１２：００時から約３：００時の間の領域）が電極の残りの部分（３：００時から時計回りに約１２：００時の間の領域）から分離される。
【０１８３】
図１７Ａは、等電位線を示し、また、反時計回りの方向に主半径方向セクター中へ偏向される前に、どのようにして右側から装置の頂上に入射したイオンが第１のセクター中で実質的にフィールドフリー飛行をするかを示す。この時点では、電場は実質的に静的であるので、単一エネルギーで異なる質量のイオンは、同じ軌道を取る。このことは静電気学の基本原理であるので、当業者なら理解するであろう。
【０１８４】
イオンが主セクターの周辺を通る間に、小さいセクターは、主セクターと同じ電圧に切り替えられ、それにより、イオンが回路を完成する時間までに半径方向連続トラッピング電場が形成できる（図１７Ｂ参照）。このようなスキームは、比較的長い時間のイオンパケットが装置に入射するのを可能とし、飛行時間型質量分析器に運転の高デューティサイクルを与える。
【０１８５】
従って、好ましい実施形態は、イオンが安定軌道にあれば、充填因子が最小化され、事実上、質量の装置内の半径方向位置に対する依存性がないように、装置にイオンを入射できるという点で特に有利である。
【０１８６】
既知の多重パス飛行時間型質量分析器の問題の一つは、検出時に、特定のイオンの化学種が通過したパスの回数を測定するのが困難であるという点である。限定された質量範囲を質量分析器に入射させて、このような折り返し雑音発生が起きないようにすることによりこの問題に対処しようとしていることは知れられている。より短い時間のイオンパケットが分析器に入射する場合は、イオンパケットの角度位置を保持することにより、検出器に衝突するときに質量を特定することが可能である。
【０１８７】
図１８Ａ〜Ｂを参照する。３種のイオン、Ｍ１、Ｍ２、およびＭ３（この場合、Ｍ１＞Ｍ２＞Ｍ３である）は、短い時間のパケットとして質量分析器に入射する。図１８Ａで入射直後、回転により異なる質量が分離し始めたことがわかる。イオンのそれぞれが分析器を通過するに伴い、角度情報を保持する検出器を使って、角度φの変化を予測することが可能である。飛行時間および角度位置の組み合わせにより、特定のケースで、十分明確に質量対電荷（従って、分析器の往復回数）を決定できる。この追加の角度情報により、より大きな質量範囲を分析器に一度に入射可能となり、その結果、全質量範囲をカバーするために一緒に寄せ集めるべき異なるスペクトルの数を減らすことができる。
【０１８８】
好ましい実施形態に基づいて本発明を説明してきたが、当業者なら、付随する請求項で定められる本発明の範囲を逸脱することなく、形態と詳細における種々の変更を行えることを理解するであろう。
【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６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７ａ】
0005900770.tif 000009
【図７ｂ】
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【図８ａ】
0005900770.tif 000011
【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図８ｄ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図９ｃ】
0005900770.tif 000017
【図９ｄ】
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【図９ｅ】
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【図９ｆ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８ａ】
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【図１８ｂ】
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