(57)【要約】  多段差動排気系の質量分析装置において、第２中間真空室（３）と第３中間真空室（４）を隔てる隔壁に設けられたイオンレンズ（１３）の開口の周縁部が、前段の第２イオンガイド（１２）の後縁端の内接円と後段の第３イオンガイド（１４）の前縁端の内接円とを最短で接続する仮想的な筒状体の周面の外側に位置するように、各イオンガイド（１２、１４）の内接円半径とイオンレンズ（１３）の開口のサイズが定められている。それによって、イオンレンズ（１３）が間に配置されているものの、第２イオンガイド（１２）による高周波電場と第３イオンガイド（１４）による高周波電場とはイオンレンズ（１３）の開口を通して実質的に繋がり、第２イオンガイド（１２）から第３イオンガイド（１４）へと効率よく、つまり少ない損失でイオンが輸送され、より多くのイオンを質量分析に供することができる。その結果、検出感度を向上させることができる。
2013057822.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンが通過する開口を有するイオンレンズ又はアパーチャ板を挟んでその前段と後段とにそれぞれ多重極型のイオンガイドが配置されてなるイオン輸送光学系を具備する質量分析装置であって、
前記イオンレンズ又はアパーチャ板の開口の周縁部が、前記前段のイオンガイドの後縁端の内接円と前記後段のイオンガイドの前縁端の内接円とを最短で接続する仮想的な筒状体の周面に接する又は該周面の外側に位置するように、前記各イオンガイドの内接円半径と前記イオンレンズ又はアパーチャ板の開口のサイズとの関係が定められていることを特徴とする質量分析装置。
【請求項２】
請求項１に記載の質量分析装置であって、
前記前段のイオンガイド及び前記後段のイオンガイドはそれぞれ、同一直線上に位置する直線状のイオン光軸に沿って配置された、該イオン光軸に平行な複数のロッド状電極からなり、該２つのイオンガイドの内接円半径が等しいことを特徴とする質量分析装置。
【請求項３】
請求項２に記載の質量分析装置であって、
前記イオンレンズ又はアパーチャ板は前記前段及び後段のイオンガイドとイオン光軸が一直線上であり、該イオンレンズ又はアパーチャ板の円形状である開口の半径は前記２つのイオンガイドの内接円半径と等しいことを特徴とする質量分析装置。
【請求項４】
請求項１に記載の質量分析装置であって、
前記前段のイオンガイド及び前記後段のイオンガイドはそれぞれ、同一直線上に位置する直線状のイオン光軸に沿って配置された、該イオン光軸に平行な複数のロッド状電極からなり、一方のイオンガイドの内接円半径が他方のイオンガイドの内接円半径よりも小さいことを特徴とする質量分析装置。
【請求項５】
請求項１に記載の質量分析装置であって、
前記前段のイオンガイド及び前記後段のイオンガイドはそれぞれ、同一直線上に位置する直線状のイオン光軸に沿って配置された複数のロッド状電極からなり、少なくともいずれか一方のイオンガイドのロッド状電極は前記イオンレンズ又はアパーチャ板に近い側から遠ざかるに従い内接円半径が大きくなるように配置されていることを特徴とする質量分析装置。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の質量分析装置であって、
前記イオンレンズ又はアパーチャ板は前記２つのイオンガイドとイオン光軸が一直線上であり、該イオンレンズ又はアパーチャ板の円形状である開口の半径は、前記前段のイオンガイドの後縁端の内接円半径と前記後段のイオンガイドの前縁端の内接円半径のうちの小さいほうよりも大きく、他方の内接円半径よりも小さいことを特徴とする質量分析装置。
【請求項７】
請求項１に記載の質量分析装置であって、
前記前段のイオンガイド及び前記後段のイオンガイドはそれぞれ、直線状のイオン光軸に沿って配置された複数のロッド状電極からなり、それら２つのイオンガイドのイオン光軸は互いに平行で同一直線上に位置しないことを特徴とする質量分析装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の質量分析装置であって、
前記前段のイオンガイドの後縁端と前記イオンレンズ又はアパーチャ板との間の距離、及び、前記後段のイオンガイドの前縁端と前記イオンレンズ又はアパーチャ板との間の距離、は、各イオンガイドにより形成される高周波電場が前記イオンレンズ又はアパーチャ板の開口中に浸透するような距離であることを特徴とする質量分析装置。
【請求項９】
請求項８に記載の質量分析装置であって、
前記距離はイオンガイドの内接円半径及び前記開口の半径の１倍以内であることを特徴とする質量分析装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の質量分析装置であって、
前記イオンレンズ又はアパーチャ板は、異なる真空雰囲気である２つの空間を隔てる隔壁を兼ねる又は該隔壁に設置されていることを特徴とする質量分析装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載の質量分析装置であって、
前記後段のイオンガイドは、イオンを質量電荷比に応じて分離する四重極マスフィルタ又は主四重極マスフィルタの前段に配置されるプレフィルタとして機能することを特徴とする質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は質量分析装置に関し、さらに詳しくは、質量分析装置においてイオンを後段へと輸送するイオン輸送光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
質量分析装置では、前段から送られて来るイオンを収束して後段の、例えば四重極マスフィルタ等の質量分析器に送り込むために、イオンガイドと呼ばれるイオン光学素子が用いられる。イオンガイドの一般的な構成は、４本、６本又は８本の円柱（又は円筒）状ロッド電極をイオン光軸を取り囲むように互いに平行に配置した多重極型の構成である。通常、これら多重極型のイオンガイドでは、イオン光軸を挟んで対向する一対のロッド電極に同一の高周波電圧が印加され、これと周方向に隣接する他のロッド電極には先の高周波電圧と振幅が同一で逆位相の高周波電圧が印加される。このような高周波電圧を印加することによってロッド電極で囲まれる略円柱状の空間には多重極の高周波電場が形成され、イオンはこの高周波電場中で振動しながら輸送される。【０００３】
特許文献１に記載のイオンガイドでは、ロッド電極の代わりに、イオン光軸方向に並べられた複数枚の電極板からなる仮想ロッド電極が用いられている。この構成では、イオン光軸方向に電位勾配を有する直流電場を形成することにより、イオンの収束性が良好であるという多重極型イオンガイドの利点を生かしつつ、イオンを加速したり逆に減速させたりすることも可能である。本明細書における多重極型のイオンガイドは、こうした仮想ロッド電極を利用した仮想的な多重極型イオンガイドも包含するものとする。【０００４】
ところで、液体クロマトグラフ質量分析装置（ＬＣ／ＭＳ）のように、エレクトロスプレイイオン源などの大気圧イオン源を利用した質量分析装置では、質量分析器やイオン検出器が配設された分析室内の真空度を高い状態に維持するために、通常、多段差動排気系の構成が採られる。【０００５】
例えば特許文献２に記載の質量分析装置では、略大気圧雰囲気であるイオン化室と高真空雰囲気である分析室との間に、３段の中間真空室が設けられ、イオン化室から分析室に向かって各室毎に真空度が高くなっている。こうした多段差動排気系の構成においてイオンを効率よく輸送するために、第２段、第３段の中間真空室内にはそれぞれ多重極型のイオンガイドが配置されている。また、第２段中間真空室と第３段中間真空室とを隔てる隔壁には、収束されたイオンが通過するための小径の開口を有するイオンレンズが設けられている。【０００６】
このイオンレンズは直流電場によるレンズ効果によってイオンを収束する作用を有するものの、前段のイオンガイドによる高周波電場とイオンレンズによる直流電場との境界付近、及び該イオンレンズによる直流電場と前段のイオンガイドによる高周波電場との境界付近においてそれぞれイオンの損失が生じ、イオンの透過率が下がってしまう。これは、直流電場と高周波電場との境界付近において電場の乱れが生じるためであると考えられる。【０００７】
一方、特許文献３に記載の質量分析装置では、多段差動排気系の構成において隣接する複数の中間真空室を跨ぐように、連続したイオンガイドが配設されている。この構成では複数の中間真空室において高周波電場が連続しているため、上記特許文献２に記載の構成のようなイオンの損失は生じず、イオン透過率を高めることができる。ところが、このように複数の中間真空室に跨って、つまりは隣接する中間真空室同士を隔てる隔壁を貫通するようにイオンガイドが配設されている場合、イオンガイドを洗浄したり交換したりする際に取り外しにくく、メンテナンス性が悪いという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０００−１４９８６５号公報
【特許文献２】米国再発行特許第０４０６３２号
【特許文献３】米国特許第７１８９９６７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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、多段差動排気系の質量分析装置において、高いメンテナンス性を確保しつつ、隣接する真空室の間でのイオン透過率を向上させることで検出感度を向上させることを主な目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために成された本発明は、イオンが通過する開口を有するイオンレンズ又はアパーチャ板を挟んでその前段と後段とにそれぞれ多重極型のイオンガイドが配置されてなるイオン輸送光学系を具備する質量分析装置であって、
前記イオンレンズ又はアパーチャ板の開口の周縁部が、前記前段のイオンガイドの後縁端の内接円と前記後段のイオンガイドの前縁端の内接円とを最短で接続する仮想的な筒状体の周面に接する又は該周面の外側に位置するように、前記各イオンガイドの内接円半径と前記イオンレンズ又はアパーチャ板の開口のサイズとの関係が定められていることを特徴としている。【００１１】
本発明に係る質量分析装置において、イオンレンズは直流電場によるイオンの収束作用を有するもの、アパーチャ板はイオンの収束作用を有さず単にイオンが通過可能な開口を有するものをいう。また、イオンガイドは典型的には、四重極、又は八重極のロッド状電極から成るものであり、イオン光軸を挟んで対向する一対の電極には同一の高周波電圧が印加され、イオン光軸の周りの周方向に隣接する電極には上記高周波電圧と振幅が同一で逆位相の高周波電圧が印加されることによって、多重極の高周波電場が形成される。【００１２】
本発明に係る質量分析装置では、イオンレンズ又はアパーチャ板の開口の周縁部が、前段のイオンガイドの後縁端の内接円と後段のイオンガイドの前縁端の内接円とを最短で接続する仮想的な筒状体の周面内側に突出していないので、前段イオンガイド及び後段イオンガイドでそれぞれ形成される高周波電場がイオンレンズ又はアパーチャ板の開口の中に入り込み易く、両高周波電場が実質的に連続する。そのため、前段イオンガイドにより形成される高周波電場の作用で閉じ込められつつ振動しながら進行するイオンが、円滑に後段イオンガイドにより形成される高周波電場中に移行する。それにより、イオンレンズやアパーチャ板を経る場合におけるイオンの損失が抑えられ、イオン透過率を高めることができる。【００１３】
本発明に係る質量分析装置の一態様として、前記前段のイオンガイド及び前記後段のイオンガイドはそれぞれ、同一直線上に位置する直線状のイオン光軸に沿って配置された、該イオン光軸に平行な複数のロッド状電極からなり、該２つのイオンガイドの内接円半径が等しい構成とすることができる。この構成では、前段イオンガイドと後段イオンガイドとの構成・構造を同一にすることができるので、コストを抑制するのに有利である。【００１４】
またこの場合、イオンレンズ又はアパーチャ板は前段及び後段のイオンガイドとイオン光軸が一直線上であり、該イオンレンズ又はアパーチャ板の円形状である開口の半径は２つのイオンガイドの内接円半径と等しい構成とすることができる。この構成では、イオンレンズ又はアパーチャ板の開口サイズはイオンの透過率を落とさない範囲で最小になるので、該開口を通したガス（例えば大気）の流通量は少なくて済み、後段イオンガイドが配置されている室内の真空度を維持し易い。【００１５】
また本発明に係る質量分析装置の別の態様として、前段のイオンガイド及び後段のイオンガイドはそれぞれ、同一直線上に位置する直線状のイオン光軸に沿って配置された、該イオン光軸に平行な複数のロッド状電極からなり、一方のイオンガイドの内接円半径が他方のイオンガイドの内接円半径よりも小さい構成とすることができる。例えば後段イオンガイドの内接円半径を前段イオンガイドの内接円半径よりも小さくすることにより、イオンをイオン光軸付近により集中させた状態で後段へと送ることができる。【００１６】
また本発明に係る質量分析装置の別の態様として、前段のイオンガイド及び後段のイオンガイドはそれぞれ、同一直線上に位置する直線状のイオン光軸に沿って配置された複数のロッド状電極からなり、少なくともいずれか一方のイオンガイドのロッド状電極は前記イオンレンズ又はアパーチャ板に近い側から遠ざかるに従い内接円半径が大きくなるように配置されている構成としてもよい。例えば前段イオンガイドのロッド状電極をイオンレンズ又はアパーチャ板に近い側から遠ざかるに従い内接円半径が大きくなるように配置することにより、前段イオンガイドにおいては広い範囲に広がっているイオンを集めて徐々にイオン光軸付近に収束させて小径に絞って後段イオンガイドへと送り込むことができる。【００１７】
なお、イオンレンズ又はアパーチャ板は２つのイオンガイドとイオン光軸が一直線上であって、前段イオンガイドの後縁端の内接円半径と後段イオンガイドの前縁端の内接円半径とが相違する場合に、イオンレンズ又はアパーチャ板の円形状である開口の半径は、前段イオンガイドの後縁端の内接円半径と後段イオンガイドの前縁端の内接円半径のうちの小さいほうよりも大きく、他方の内接円半径よりも小さくしておくとよい。これにより、イオンレンズ又はアパーチャ板の開口のサイズをイオンの透過率を落とさない範囲で小さくし、該開口を通したガスの流通量を少なくすることができる。【００１８】
また本発明に係る質量分析装置では、前段イオンガイドと後段イオンガイドとはイオン光軸が一直線上に位置している必要はなく、イオン光軸をずらした、いわゆる軸外しイオン光学系の構成であってもよい。即ち、本発明に係る質量分析装置の他の態様として、前段イオンガイド及び後段イオンガイドはそれぞれ、直線状のイオン光軸に沿って配置された複数のロッド状電極からなり、それら２つのイオンガイドのイオン光軸は互いに平行で同一直線上に位置しない構成であってもよい。【００１９】
また本発明に係る質量分析装置では、前段のイオンガイドの後縁端とイオンレンズ又はアパーチャ板との間の距離、及び、後段のイオンガイドの前縁端とイオンレンズ又はアパーチャ板との間の距離、は、各イオンガイドにより形成される高周波電場がイオンレンズ又はアパーチャ板の開口中に浸透するような距離であることが好ましい。具体的には、その離間距離をイオンガイドの内接円半径及び開口半径の１倍以内にするとよい。これにより、前段イオンガイドによる高周波電場と後段イオンガイドによる高周波電場との連続性が高まり、イオンの損失を抑えるのに有効である。【００２０】
なお、イオンレンズ又はアパーチャ板は、例えば多段差動排気系の構成等において、異なる真空雰囲気である２つの空間を隔てる隔壁を兼ねるもの又は該隔壁に設置されているものであってもよいが、それに限るものではない。また、イオンレンズ又はアパーチャ板はイオンの通過方向に１枚の構成であるとは限らず、複数枚の組み合わせであってもよい。【００２１】
また、後段のイオンガイドは、イオンを後段に輸送することのみを目的とした狭義のイオンガイドにとどまらず、イオンを質量電荷比に応じて分離する四重極マスフィルタ又は主四重極マスフィルタの前段に配置されるプレフィルタとして機能するものであってもよい。
【発明の効果】
【００２２】
発明に係る質量分析装置によれば、前段イオンガイドと後段イオンガイドとでそれぞれ形成される高周波電場のイオン閉じ込め作用がイオンレンズやアパーチャ板の開口によっても途切れず、イオンの透過率が向上する。それにより、従来よりも多くのイオンを質量分析に供することが可能となり、検出感度の向上を図ることができる。また、イオンガイド自体は物理的にはイオンレンズやアパーチャ板を挟んで独立しているので、イオンガイドの清掃や交換などのメンテナンス性も良好である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施例による質量分析装置の概略構成図。
【図２】第１実施例におけるイオン輸送光学系の構成図。
【図３】第２実施例におけるイオン輸送光学系の構成図。
【図４】第３実施例におけるイオン輸送光学系の構成図。
【図５】第４実施例におけるイオン輸送光学系の構成図。
【図６】第５実施例におけるイオン輸送光学系の構成図。
【図７】異なる内接円半径のイオンガイドを用いた場合の高周波電圧とイオン強度との関係の実測結果を示す図。
【図８】質量電荷比m/z＝１６８における擬似ポテンシャルの計算結果を示す図。
【図９】異なる内接円半径のイオンガイドを用いた場合のイオン強度の実測値（相対値）を示す図。
【図１０】イオンレンズの開口径が異なる場合におけるイオン光軸に直交する開口面上での電位分布の計算結果を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の一実施例である質量分析装置について、添付図面を参照して説明する。
【００２５】
［第１実施例］
図１は第１実施例による質量分析装置の概略構成図、図２は第１実施例の質量分析装置における特徴的なイオンガイド及びイオンレンズを含むイオン輸送光学系の概略構成図である。
【００２６】
本実施例の大気圧イオン化質量分析装置は、略大気圧雰囲気に維持されるイオン化室１と、図示しないターボ分子ポンプ等の真空ポンプによる真空排気によって高真空雰囲気に維持される分析室５と、それぞれ真空ポンプによる真空排気によってイオン化室１内のガス圧と分析室５内のガス圧との中間のガス圧に維持される第１中間真空室２、第２中間真空室３、第３中間真空室４とを備える。即ち、この大気圧イオン化質量分析装置では、イオン化室１から分析室５に向かって各室毎にガス圧が低くなる（真空度が上がる）多段差動排気系の構成が採られている。
【００２７】
イオン化室１には、図示しないＬＣのカラム出口端に接続されたイオン化プローブ６が配設され、分析室５には四重極マスフィルタ１５及びイオン検出器１６が配設されている。また、第１乃至第３中間真空室２、３、４にはイオンを後段へ輸送するための第１乃至第３イオンガイド１０、１２、１４が配設されている。イオン化室１と第１中間真空室２との間は細径の脱溶媒管９を介して連通しており、また第１中間真空室２と第２中間真空室３との間は、スキマー１１の頂部に形成された微小径の開口を通して連通し、第２中間真空室３と第３中間真空室４との間は、隔壁に設けられたイオンレンズ１３の円形状開口１３ａを通して連通している。
【００２８】
イオン化プローブ６のノズル７の先端には図示しない直流高圧電源より数kV程度の高電圧が印加される。イオン化プローブ６に導入された液体試料がノズル７の先端に達すると、片寄った電荷を付与されてイオン化室１内に噴霧される。噴霧流中の微小液滴は大気ガスに接触して微細化され、さらに移動相や溶媒が揮発することでさらに微細化が進む。この過程で液滴に含まれる試料成分（分子又は原子）は電荷を持って液滴から飛び出し、気体イオンとなる。発生したイオンはイオン化室１内と第１中間真空室２内との差圧によって脱溶媒管９へと吸い込まれ、第１中間真空室２内へと送られる。
【００２９】
第１イオンガイド１０から第３イオンガイド１４までの間のイオン輸送光学系は、イオンを分析室５内の四重極マスフィルタ１５までできるだけ低損失で輸送する機能を有する。図１には、これらイオン輸送光学系の各イオン光学素子に電圧を印加する制御系ブロックも記載している。即ち、第１直流交流電圧源２１、第２直流交流電圧源２３、第３直流交流電圧源２５はそれぞれ、制御部２０の制御の下に、第１、第２、第３イオンガイド１０、１２、１４に直流電圧と交流電圧（高周波電圧）とを重畳した電圧を印加する。また、第１直流電圧源２２、第２直流電圧源２４はそれぞれ、同じく制御部２０の制御の下に、スキマー１１及びイオンレンズ１３に直流電圧を印加する。なお、第１、第２、第３イオンガイド１０、１２、１４に印加される直流電圧はイオン光軸Ｃ方向における直流電位を決めるバイアス電圧である。
【００３０】
上記イオン輸送光学系によりイオンは四重極マスフィルタ１５に送り込まれる。四重極マスフィルタ１５を構成するロッド電極には、図示しない電圧源より、分析対象であるイオンの質量電荷比に応じた直流電圧と高周波電圧とを重畳した電圧が印加され、該電圧に対応した質量電荷比を持つイオンのみが該フィルタ１５の長軸方向の空間を通り抜ける。イオン検出器１６は到達したイオンの量に応じた検出信号を出力し、図示しないデータ処理部はこの検出信号に基づいて例えばマススペクトルを作成する。
【００３１】
上述したように、イオン輸送光学系はイオン化室１内で生成されたイオンを効率よく四重極マスフィルタ１５まで輸送する重要な機能を有する。そのために、本実施例の質量分析装置では、イオン輸送光学系の構成を図２に示したように特徴的なものとしている。以下、このイオン輸送光学系、特に、イオンレンズ１３と、該イオンレンズ１３により隔てられた第２中間真空室３及び第３中間真空室４に配置された第２イオンガイド１２及び第３イオンガイド１４の構成と動作について詳しく説明する。
【００３２】
ここでは、第２イオンガイド１２及び第３イオンガイド１４はいずれも、直線状のイオン光軸の周りに対称に且つ平行に配置された４本のロッド電極からなる四重極構成である。両イオンガイド１２、１３のイオン光軸は図１、図２にＣで示す一直線上に位置しており、間に挟まれるイオンレンズ１３のイオン光軸も同じ直線上に位置している。第２イオンガイド１２と第３イオンガイド１４の内接円半径は等しく、イオンレンズ１３の円形状である開口１３ａの半径はそれらイオンガイド１２、１４の内接円半径よりも大きい。即ち、イオンレンズ１３の開口１３ａの周縁部１３ｂは、第２イオンガイド１２の後縁端の内接円と第３イオンガイド１４の前縁端の内接円とを最短で接続する仮想的な筒状体１３ｃの周面の外側に位置している。これにより、第２イオンガイド１２のロッド電極で囲まれる略円柱形状の空間と第３イオンガイド１４のロッド電極で囲まれる略円柱形状の空間とは仮想的な円筒体１３ｃを介して円滑に、つまり途中に何らの障害物なく接続されている。
【００３３】
第２直流交流電圧源２３から第２イオンガイド１２の各ロッド電極に印加される高周波電圧によって、ロッド電極で囲まれる空間には四重極高周波電場が形成され、この電場の作用によりイオンは閉じ込められる。一方、第３直流交流電圧源２５から第３イオンガイド１４の各ロッド電極に印加される高周波電圧によって、ロッド電極で囲まれる空間には四重極高周波電場が形成され、この電場の作用によりイオンは閉じ込められる。第２イオンガイド１２により形成される高周波電場は該イオンガイド１２の後縁端の内接円から後方にも広がり、一方、第３イオンガイド１４により形成される高周波電場は該イオンガイド１４の前縁端の内接円から前方にも広がる。上述したように、両イオンガイド１２、１４はそれぞれ別の中間真空室３、４内に配置されているものの、両イオンガイド１２、１４の間の空間には高周波電場の拡がりを遮る障害物が存在しないため、両高周波電場は実質的に繋がる。そのため、第２イオンガイド１２において高周波電場により閉じ込められつつ進むイオンは両イオンガイド１２、１４の間の空間、つまりはイオンレンズ１３の開口１３ａを通過する際にも広がらず、ほぼ閉じ込められた状態のままで第３イオンガイド１４に導入される。これにより、第２イオンガイド１２から第３イオンガイド１４へ輸送される際のイオンの損失は少なくて済み、高いイオン透過率を達成することができる。
【００３４】
なお、上述のように、両イオンガイド１２、１４の間の空間で高周波電場の実質的な連続性を保つには、第２イオンガイド１２により形成される高周波電場と第３イオンガイド１４により形成される高周波電場の位相が合っている必要がある。したがって、第２イオンガイド１２に印加される高周波電圧と第３イオンガイド１４に印加される高周波電圧とは周波数が同一であって位相も同一とするか、又は周波数が同一であって位相が所定の許容ずれの範囲内に収まっているようにするとよい。
【００３５】
また、イオンレンズ１３の開口１３ａの半径はイオンガイド１２、１４の内接円半径以上であればよいが、開口１３ａを大きくしすぎると第３中間真空室４から第２中間真空室３へのガスの流通量が多くなり、第３中間真空室４の真空度を確保することが難しくなる、又は第３中間真空室４内を真空排気するポンプの能力を上げる必要が生じる。そこで、イオンレンズ１３の開口１３ａの半径はイオンガイド１２、１４の内接円半径と同じか又は若干大きい程度にしておくとよい。
【００３６】
次に、上記実施例におけるイオン輸送光学系の効果を実証するために行った実験内容とその結果について説明する。
実験のためのイオン輸送光学系の構成は、図２に示すように、前段の第２イオンガイド１２の内接円半径と後段の第３イオンガイド１４の内接円半径とを同一のＲとし、間に挟まれるイオンレンズ１３の開口１３ａの直径をφ４mm（半径２mm）に固定した。
【００３７】
（１）高周波電圧特性
第２イオンガイド１２及び第３イオンガイド１４の内接円半径Ｒを２．８mm、２．０mm、１．５mmに変えたときの適切な動作高周波電圧をそれぞれ決めるため、イオンガイド１２、１４に印加する高周波電圧（RF Voltage）を走査しながら標準試料に対するイオン強度を実測した。図７はその測定結果を示す図である。なお、Ｒ＝２．８mmである場合にはＲ＞２mmであって従来構成に相当し、Ｒ＝２．０mm、１．５mmである場合にはＲ≦２mmであるので本発明で規定している条件を満たす。
【００３８】
（２）擬似ポテンシャル
図７の結果から、Ｒ＝２．８mm、２．０mm、１．５mmに対する適切な動作高周波電圧をそれぞれ、１００Ｖ、５０Ｖ、２７Ｖと定め、各動作高周波電圧におけるイオンガイド１２、１４の擬似ポテンシャル（イオンの収束力を表す）を、次の(1)式により計算した。
Ｖ＊ (ｒ)＝（４ｑＶ2／ｍΩ2ｒ04）ｒ2        …(1)
ここで、Ｖは動作高周波電圧の電圧値、ｒ0はイオンガイドの内接円半径、ｒはイオンガイドの中心からの距離（０≦ｒ≦ｒ0）である。図８は質量電荷比m/z＝１６８における擬似ポテンシャルの計算結果である。図８の結果から、１．５〜２．８mm程度の範囲の内接円半径を有するイオンガイドにおいて擬似ポテンシャル形状はほぼ等しく、イオンガイド自体のイオン収束作用は同等であると判断することができる。
【００３９】
（３）イオン強度
図９はＲ＝２．８mm、２．０mm、１．５mmである場合のイオン強度測定値を、Ｒ＝２．８mmの結果を１として相対化して示した図である。図９から、Ｒ＝２．０mm、１．５mmである場合にはＲ＝２．８mmである場合に比べてイオン強度が高くなっている。上述したように、質量電荷比m/z＝１６８におけるイオンガイドのイオン収束作用はそれぞれのイオンガイドで同等であるとみなせる。したがって、図９に示されたイオン強度の相違はイオンレンズ１３の開口１３ａの径とイオンガイド１２、１４の内接円半径との関係が支配的であるといえる。これにより、イオンガイド１２、１４の内接円半径がイオンレンズ１３の開口径以下である場合には、イオン強度が向上していると結論付けることができる。
【００４０】
また、イオンレンズ１３の開口１３ａの径とイオンガイド１２、１４の内接円半径との関係の相違が、イオンレンズ１３の開口１３ａ付近での高周波電場に与える影響を調べるため、シミュレーション計算を行った。このシミュレーションでは、第２イオンガイド１２と第３イオンガイド１４の内接円半径をいずれも２．０mmに固定し、間に挟まれるイオンレンズ１３の開口１３ａの直径をφ３mm、φ４mm、φ５mmの３種類に変えた。そして、イオン光軸Ｃに直交するイオンレンズ１３の開口面Ａ上の四重極高周波電場による電位分布（等電位線）を求めた。また、イオン光軸Ｃ方向のイオンレンズ１３と第３イオンガイド１４との離間距離Ｂの影響も調べるべく、Ｂ＝０．５mm、１．５mmの２種類について計算を行った。このとき、イオンガイド１２、１４に印加する高周波電圧は同一であるから、イオンガイドでのイオンの収束力は同等であるとみなせる。
【００４１】
図１０に計算により求めた電位分布を示す。イオンレンズ１３の開口１３ａの径によって、四重極高周波電場による電位分布に大きな差異が見られることが分かる。即ち、イオンガイド自体の収束力は同じであっても、イオンレンズ１３の開口１３ａの径を大きくすることで、高周波電場をイオンレンズ１３の開口１３ａの内部にまで充分に浸透させることが可能であることが分かる。
【００４２】
以上の結果から、図９で示したような、イオンレンズ１３の開口１３ａの半径がイオンガイド１２、１４の内接円半径以上であるときのイオン検出感度の向上は、イオンレンズ１３の開口１３ａを通した高周波電場の相互の浸透による該空間でのイオンの収束力の強化によるものと推定できる。また、当然のことながら、イオンレンズ１３からイオンガイド１２、１４を離すと高周波電場の浸透度合いは弱まるが、イオンレンズ１３の開口１３ａを大きくしておけばイオン収束力を充分に維持できることも分かる。
【００４３】
［変形例］
上記第１実施例の質量分析装置におけるイオン輸送光学系の構成は様々な形態に変形することができる。具体的な変形例を図２〜図６に示す。
図３に示した第２実施例の構成は、第２イオンガイド１２の内接円半径よりも第３イオンガイド１４の内接円半径を小さくした例である。この場合、第２イオンガイド１２の後案端の内接円と第３イオンガイド１４の前縁端の内接円とを最短で接続する仮想的な筒状体１３ｃは裁頭円錐形状となるが、このときにも、イオンレンズ１３の開口１３ａの周縁部が筒状体１３ｃの周面に接しているかその外側に位置していれば、高周波電場は円滑に繋がる。なお、図３の例とは逆に、第３イオンガイド１４の内接円半径よりも第２イオンガイド１２の内接円半径が小さくても同様である。
【００４４】
図４に示した第３実施例の構成は、上記第２実施例の構成において、第３イオンガイド１４のロッド電極がイオン光軸Ｃに平行な配置ではなく、その内接円半径がイオンが進行する方向に向かって徐々に大きくなる構成となっている例である。この場合でも、第２イオンガイド１２の後案端の内接円と第３イオンガイド１４の前縁端の内接円とを最短で接続する仮想的な筒状体１３ｃが裁頭円錐形状となり、イオンレンズ１３の開口１３ａの周縁部が筒状体１３ｃの周面に接しているかその外側に位置していればよいことは第２実施例と同じである。なお、図４の例とは逆に、第２イオンガイド１２の内接円半径がイオンの進行方向とは逆方向に向かって徐々に大きくなる構成であっても同様である。
【００４５】
図２〜図４に示した構成はいずれもイオンレンズ１３が１枚の板状部材からなるものであったが、図５に示した第４実施例の構成は、イオンレンズ１３をイオン光軸Ｃ方向に並ぶ複数の板状部材から構成した例である。この場合にも、イオンレンズ１３をなす全ての部材の開口の周縁部が筒状体１３ｃの周面に接しているかその外側に位置していればよい。
【００４６】
図２〜図５に示した構成はいずれも、イオンガイド１２、１４とイオンレンズ１３のイオン光軸が全て一直線上に位置していたが、第２イオンガイド１２のイオン光軸と第３イオンガイド１４のイオン光軸とが一直線上にない、いわゆる軸外し光学系でもよい。図６は第２イオンガイド１２のイオン光軸Ｃ１と第３イオンガイド１４のイオン光軸Ｃ２とが平行で且つ一直線上ではない場合の構成例である。この場合でも、第２イオンガイド１２の後案端の内接円と第３イオンガイド１４の前縁端の内接円とを最短で接続する仮想的な筒状体１３ｃの周面に、イオンレンズ１３の開口１３ａの周縁部が接しているかその外側に位置していれば、高周波電場の実施的な連続性が確保できることは上記各実施例と同じである。
【００４７】
また、上記実施例はいずれも一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正、追加を行っても、本願請求の範囲に包含されることは明らかである。
【００４８】
例えば、上記実施例に示したイオンガイドは四重極型であるが、八重極等、他の多重極構成であってもよい。また、イオンレンズを挟んだ前段のイオンガイドと後段のイオンガイドとの極子数が同一である必要はない。また、上記実施例では、第３イオンガイドは単に高周波電場によってイオンを輸送するイオン光学素子であるが、第３イオンガイド自体が質量電荷比によってイオンを分離する四重極マスフィルタであったり或いは主四重極マスフィルタの前段に設置されたプレフィルタであったりしてもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１…イオン化室
２…第１中間真空室
３…第２中間真空室
４…第３中間真空室
５…分析室
６…イオン化プローブ
７…ノズル
９…脱溶媒管
１０…第１イオンガイド
１１…スキマー
１２…第２イオンガイド
１３…イオンレンズ
１３ａ…開口
１３ｂ…開口周縁部
１３ｃ…筒状体
１４…第３イオンガイド
１５…四重極マスフィルタ
１６…イオン検出器
２０…制御部
２１…第１直流交流電圧源
２２…第１直流電圧源
２３…第２直流交流電圧源
２４…第２直流電圧源
２５…第３直流交流電圧源
Ｃ、Ｃ１、Ｃ２…イオン光軸
【図１】
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【図２】
2013057822.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年10月25日(2013.10.25)
【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】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
イオンが通過する開口を有するイオンレンズ又はアパーチャ板を挟んでその前段と後段とにそれぞれ多重極型のイオンガイドが配置されてなるイオン輸送光学系を具備する質量分析装置であって、
前記前段のイオンガイドと前記後段のイオンガイドとに対し、周波数が同一で位相も同一である高周波電圧、又は、周波数が同一で位相が所定の許容ずれの範囲内に収まる高周波電圧をそれぞれ印加する電圧源を備えるとともに、
前記イオンレンズ又は前記アパーチャ板の開口の周縁部が、前記前段のイオンガイドの後縁端の内接円と前記後段のイオンガイドの前縁端の内接円とを最短で接続する仮想的な筒状体の周面に接する又は該周面の外側に位置するように、前記各イオンガイドの内接円半径と前記イオンレンズ又はアパーチャ板の開口のサイズとの関係が定められていることを特徴とする質量分析装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
上記課題を解決するために成された本発明は、イオンが通過する開口を有するイオンレンズ又はアパーチャ板を挟んでその前段と後段とにそれぞれ多重極型のイオンガイドが配置されてなるイオン輸送光学系を具備する質量分析装置であって、
前記前段のイオンガイドと前記後段のイオンガイドとに対し、周波数が同一で位相も同一である高周波電圧、又は、周波数が同一で位相が所定の許容ずれの範囲内に収まる高周波電圧をそれぞれ印加する電圧源を備えるとともに、
前記イオンレンズ又は前記アパーチャ板の開口の周縁部が、前記前段のイオンガイドの後縁端の内接円と前記後段のイオンガイドの前縁端の内接円とを最短で接続する仮想的な筒状体の周面に接する又は該周面の外側に位置するように、前記各イオンガイドの内接円半径と前記イオンレンズ又はアパーチャ板の開口のサイズとの関係が定められてい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】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
なお、上述のように、両イオンガイド１２、１４の間の空間で高周波電場の実質的な連続性を保つには、第２イオンガイド１２により形成される高周波電場と第３イオンガイド１４により形成される高周波電場の位相が合っている必要がある。したがって、第２イオンガイド１２に印加される高周波電圧と第３イオンガイド１４に印加される高周波電圧とは周波数が同一であって位相も同一とするか、又は周波数が同一であって位相が所定の許容ずれの範囲内に収まっているようにする。
【手続補正書】
【提出日】平成26年11月11日(2014.11.11)
【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】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
イオンが通過する開口を有するイオンレンズ又はアパーチャ板を挟んでその前段と後段とにそれぞれ多重極型のイオンガイドが配置されてなるイオン輸送光学系を具備する質量分析装置であって、
前記前段のイオンガイドと前記後段のイオンガイドとに対し、周波数が同一で位相も同一である高周波電圧、又は、周波数が同一で位相が、両イオンガイドの間の空間で高周波電場が実質的に連続性を保っているとみなせるような所定の許容ずれの範囲内に収まる高周波電圧をそれぞれ印加する電圧源を備えるとともに、
前記イオンレンズ又は前記アパーチャ板の開口の周縁部が、前記前段のイオンガイドの後縁端の内接円と前記後段のイオンガイドの前縁端の内接円とを最短で接続する仮想的な筒状体の周面に接する又は該周面の外側に位置するように、前記各イオンガイドの内接円半径と前記イオンレンズ又はアパーチャ板の開口のサイズとの関係が定められていることを特徴とする質量分析装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
上記課題を解決するために成された本発明は、イオンが通過する開口を有するイオンレンズ又はアパーチャ板を挟んでその前段と後段とにそれぞれ多重極型のイオンガイドが配置されてなるイオン輸送光学系を具備する質量分析装置であって、
前記前段のイオンガイドと前記後段のイオンガイドとに対し、周波数が同一で位相も同一である高周波電圧、又は、周波数が同一で位相が、両イオンガイドの間の空間で高周波電場が実質的に連続性を保っているとみなせるような所定の許容ずれの範囲内に収まる高周波電圧をそれぞれ印加する電圧源を備えるとともに、
前記イオンレンズ又は前記アパーチャ板の開口の周縁部が、前記前段のイオンガイドの後縁端の内接円と前記後段のイオンガイドの前縁端の内接円とを最短で接続する仮想的な筒状体の周面に接する又は該周面の外側に位置するように、前記各イオンガイドの内接円半径と前記イオンレンズ又はアパーチャ板の開口のサイズとの関係が定められていることを特徴としている。
【国際調査報告】
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