(57)【要約】  開示された装置は、一対のグリッド無しイオンミラー（１２）、ドリフト空間（１３）、直交イオン加速器（１４）、オプションの偏向器（１５）、イオン検出器（１６）、一組の周期的レンズ（１７）、及びエッジ偏向器（１８）を備えた多重反射型飛行時間質量分析計（ＭＲ‐ＴＯＦ  ＭＳ）（１１）を有する。ＭＲ‐ＴＯＦ  ＭＳにおける長い飛行によって決定される低い繰り返し速度でのイオン注入のデューティーサイクルを改善するために、多様な対策がとることができる。入射イオンビームと加速器をＭＲ‐ＴＯＦ内のイオン経路に対して実質的に直交する方向に向けることができ、イオンビームの初期速度は、加速器を傾けビームを同じ角度だけ旋回させることで補償される。任意の多重反射、又はマルチターン質量分析計のデューティーサイクルを更に改善するために、イオンガイドを用いて軸方向イオン速度を変調することによってビームを時間圧縮することができる。加速器内におけるイオンの滞留時間は、ビームを静電トラップ内に閉じ込めることによって改善できる。加速器内における滞留時間を長くした装置は、感度と分解能の両方を改善できる。【選択図】図１
2009512162.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンビームを発生するイオン源と、
イオンビームをイオンパケットに変換する直交加速器と、
前記イオン源と前記直交加速器との間でイオンを移送するインターフェースと、
のこ刃状軌道の平面内においてイオンパケットを多数回反射させる平面型多重反射分析計とを有し、
前記インターフェースを通過したイオンビームは、前記軌道平面を実質的に横切るように方向付けされる多重反射型飛行時間質量分析計（ＭＲ‐ＴＯＦ  ＭＳ）。
【請求項２】
イオンパケットを旋回させるイオン偏向器を更に有し、イオンビームの方向とエネルギー、及びそれに対応してイオン旋回の角度が、イオン旋回によって導入される時間歪みを補償するように調整される、請求項１に記載のＭＲ‐ＴＯＦ  ＭＳ。
【請求項３】
前記イオンビームと前記軌道平面に対する垂直軸との間の角度が１０度未満である、請求項１に記載のＭＲ‐ＴＯＦ  ＭＳ。
【請求項４】
前記イオンビームと前記軌道平面に対する垂直軸との間の角度が５度未満である、請求項１に記載のＭＲ‐ＴＯＦ  ＭＳ。
【請求項５】
前記イオンビームと前記軌道平面に対する垂直軸との間の角度が３度未満である、請求項１に記載のＭＲ‐ＴＯＦ  ＭＳ。
【請求項６】
前記平面型多重反射分析計は、グリッドの無い複数のイオンミラーを備え、それらの間には無電界空間が形成され、前記一組の周期的レンズが無電界空間に設けられている、請求項１に記載のＭＲ‐ＴＯＦ  ＭＳ。
【請求項７】
イオンビームを発生するイオン源と、
イオンビームをイオンパケットに変換する直交加速器と、
前記イオン源と前記直交加速器との間でイオンを移送するインターフェースと、
静電界内においてイオンパケットを多数回反射させる多重反射分析計とを有し、
前記インターフェースは気体を充填した高周波イオンガイドを備え、
前記イオンガイドが、軸方向の電界を周期的に変調する手段を備えている多重反射型飛行時間質量分析計（ＭＲ‐ＴＯＦ  ＭＳ）。
【請求項８】
前記イオンガイドと前記直交加速器との間に設けられた移送チャンネルを更に有し、この移送チャンネルは、５０μｓ未満の高速イオン移送のための加速電圧に接続されている、請求項７に記載のＭＲ‐ＴＯＦ  ＭＳ。
【請求項９】
イオンビームを発生するイオン源と、
イオンビームをイオンパケットに変換する直交加速器と、
前記イオン源と前記直交加速器との間でイオンを移送するインターフェースと、
静電界内においてイオンパケットを多数回反射させる多重反射分析計とを有し、
前記直交加速器が静電トラップを備えている多重反射型飛行時間質量分析計（ＭＲ‐ＴＯＦ  ＭＳ）。
【請求項１０】
前記静電トラップは、ドリフト空間によって分離された小型の多重反射グリッド無しイオンミラーと、ドリフト空間の一方の側のメッシュ又はスロットとを備え、これらの要素が、イオンビームが電気パルスによって前記メッシュ又はスロットを通して取り出される前に前記イオンミラーの間で多数回反射されるように配置されている、請求項９に記載のＭＲ‐ＴＯＦ  ＭＳ。
【請求項１１】
前記静電トラップは、直交加速ステージの周りに配置された一対の同軸のイオンミラーを備え、前記イオンインターフェースは、イオンビームの強度を変調する装置又はイオン蓄積装置を備えている、請求項９に記載のＭＲ‐ＴＯＦ  ＭＳ。
【請求項１２】
前記イオン源は、ＥＳＩ、ＡＰＰＩ、ＡＰＣＩ、ＩＣＰ、ＥＩ、ＣＩ、ＳＩＭＳ、真空ＭＡＬＤＩ、大気圧ＭＡＬＤＩ、中間ガス圧ＭＡＬＤＩ、タンデム質量分析計のフラグメンテーションセル、及びタンデム質量分析計のイオン反応セルの内の一つである、請求項１、７、又は９に記載のＭＲ‐ＴＯＦ  ＭＳ。
【請求項１３】
多重反射型飛行時間質量分析方法であって、
イオンビームを形成するステップと、
イオンビームに対して実質的に直交する方向にパルス電界を印加することによってイオンパケットを形成するステップと、
イオンパケットを、実質的に２次元の電界を形成しドリフト軸に沿って細長にされたイオンミラーの間の無電界空間に導入するステップと、
イオンパケットがドリフト方向への低速変位と組み合わされて多数回反射されて軌道平面内にのこ刃状のイオン経路を形成するようにパルス電界の向きをドリフト方向に対して実質的に直交するように決めるステップとを有し、前記イオンビームは、軌道平面に対して実質的に直交方向に進む方法。
【請求項１４】
イオンミラーでのイオン反射の間にドリフト方向にイオンパケットを周期的に収束させるステップを更に有する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
イオンミラーの電界は、イオンエネルギーと軌道平面を横切る方向の空間的及び角度的広がりとに関して高次（high order）の空間的及び飛行時間収束を提供するために配置されている、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
イオンパケット形成ステップの後にイオンパケットを旋回させるステップを更に有し、旋回ステップによって導入された時間歪みを補償するために直交パルス化電界が軌道平面に対して傾けられている、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記イオンビームは前記軌道平面に対しての垂直軸から１０度未満の角度で進む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記イオンビームは前記軌道平面に対しての垂直軸から５度未満の角度で進む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
前記イオンビームは前記軌道平面に対しての垂直軸から３度未満の角度で進む、請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
多重反射型飛行時間質量分析方法であって、
イオンビームを形成するステップと、
イオンパケット形成領域にビームを供給するステップと、
イオンビームに対して実質的に直交する方向にパルス電界を印加することによってイオンパケットを形成するステップと、
イオンパケットを多重反射型飛行時間分析計の静電界内に導入して、イオンパケットが多数回反射されるようにするステップとを有し、
前記イオンビームを供給するステップは、中間ガス圧でイオンガイド内の軸方向電界によってイオンビームの強度を時間変調するステップを含み、変調は直交電気パルスと同期されている方法。
【請求項２１】
前記変調されたイオンビームを直交パルス化電界に高速で移送するためのイオンビーム加速・減速ステップを更に有する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
多重反射型飛行時間質量分析方法であって、
イオンビームを形成するステップと、
イオンパケット形成領域にビームを供給するステップと、
イオンビームに対して実質的に直交する方向にパルス電界を静電トラップ内において印加することによってイオンパケットを形成するステップと、
イオンパケットを多重反射型飛行時間分析計の静電界内に導入して、イオンパケットが多数回反射されるようにするステップとを有し、
静電トラップのパルス化電界内にイオンビームを供給する前記ステップは、静電界にイオンを閉じ込めるステップを更に有し、閉じ込められたイオンの少なくとも一部はパルス状加速の領域に留まる方法。
【請求項２３】
静電トラップの閉じ込め静電界は平面であり、イオンはフィールド構造体の縁を通して注入される、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
静電トラップの閉じ込め静電界は同軸であり、イオンはパルス状の切り替えフィールド（pulsed switched field）を通して注入される、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
イオンビーム形成ステップの前に液相でサンプルを分離する追加のステップを更に有する、請求項１３、２０、又は２２に記載の方法。
【請求項２６】
イオンビーム形成ステップは、ＥＳＩ、ＡＰＰＩ、ＡＰＣＩ、ＩＣＰ、ＥＩ、ＣＩ、ＳＩＭＳ、真空ＭＡＬＤＩ、大気圧ＭＡＬＤＩ、及び中間ガス圧ＭＡＬＤＩの内の一つを用いて行われる、請求項１３、２０、又は２２に記載の方法。
【請求項２７】
分析方法が、イオンビーム形成ステップの後に、イオン質量分離及びフラグメンテーションを行う追加のステップを更に有する、請求項１３、２０、又は２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に質量分光分析の分野に関し、より詳細には、多重反射型飛行時間質量分析計（ＭＲ‐ＴＯＦ  ＭＳ）を含む装置及び方法、並びに低い繰り返し速度での直交注入のデューティーサイクルを改善する装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
飛行時間質量分析計（ＴＯＦ  ＭＳ）は、独立した装置として、或いは、Ｑ−ＴＯＦやＴＯＦ−ＴＯＦなどの質量分析タンデム装置の一部としてますます一般的になってきている。このような飛行時間質量分析計は、高い速度、感度、分解能力（分解能）、及び質量精度の独特な組み合わせを提供する。最近導入された多重反射型飛行時間（ＭＲ‐ＴＯＦ）質量分析計は、１０５を超える大幅な分解能の上昇を示した（J. Mass Spectrom. （38 (2003) pp. 1125 - 1142）において発表された、Michisato Toyoda、Daisuke Okumura、Morio Ishihara、及びItsu Katakuse による"Multi-Turn Time-of-Flight Mass Spectrometers with Electrostatic Sectors"と題された文献、及び２００５年にRussian Journal of Technical Physics (JTP) （vol. 50, No. 1, pp. 76-88）において発表されたVerentchikovらによる文献を参照）。
【０００３】
本発明者らによる共に係属中のＰＣＴ国際特許出願（ＷＯ２００５／００１８７８ Ａ２）（その開示全体を本明細書の一部を構成するものとして援用する）においては、平面形状と一組の周期的収束レンズとを備えたＭＲ-ＴＯＦが示唆されている。多重反射方式は飛行経路を大幅に伸ばして分解能を改善し、平面（実質的には２次元）形状は全質量範囲の維持を可能にする。ＭＲ-ＴＯＦの無電界空間に設けられた周期的レンズは、イオンの挙動を主たるのこ刃状（jig-saw）軌跡に沿って安定的に閉じ込めることを可能にする。ＭＲ-ＴＯＦを連続イオンビームに結合するために、ＭＲ-ＴＯＦのまばらなパルスの間にイオンを蓄積するための気体充填型高周波（ＲＦ）イオントラップが提案された。
【０００４】
しかし、ＡＳＭＳでの発表（B. N. KozlovらによるＡＳＭＳ２００５及びＡＳＭＳ２００６の抄録）において示されたように、イオントラップソースは、少なくとも２つの大きな問題、即ち、１）気体上でのイオンの拡散及び２）イオンビームパラメータに対する空間電荷の影響という問題を引き起こす。これらの要因は、イオンパルスに変換できるイオン電流を制限する。ＲＦイオンガイドの出口近傍でイオンを蓄えることについての実験は、蓄積されたイオンの数がＮ＝３０，０００を超えたときに、イオンによる空間電荷が放出されるイオンのパラメータに影響し始めること示している。同様の見積もりが、リニアイオントラップ及び３Ｄ（Paul）トラップについての論文においても得られている。気体の分散のために１ｍｔｏｒｒ未満のガス圧での動作が必要となり、Ｔ＝１０ｍｓ程度の減衰時間を必要とする。即ち、パルス繰り返し速度がＦ＝１００Ｈｚで制限されてしまう（B. N. KozlovらによるＡＳＭＳ２００５及びＡＳＭＳ２００６の抄録）。これらは、Ｎ＊Ｆ＝３，０００，０００ｉｏｎｓ／ｓ（電流Ｉ＝０．５ｐＡに対応）を超えるイオンフラックスが往復時間と放出されたイオンのエネルギーの広がりに影響を与えるであろうことを意味する。この電流は、ＥＳＩやＡＰＣＩなどの現代のイオン源の強度に比べ、少なくとも３０倍低い。もし対策を採らない場合、ＴＯＦ  ＭＳの分解能と質量精度はイオンビームの強度に依存し、従って、分析対象サンプルのパラメータに依存することになる。液体クロマトグラフィー質量分析計（ＬＣ−ＭＳ）や液体クロマトグラフィータンデム質量分析計（ＬＣ−ＭＳ−ＭＳ）等のクロマトグラフィーを備えたタンデムの場合、質量スケールは、クロマトグラフ的ピークの溶出時にシフトするであろう。ピーク強度を自動的に調整することで、質量スケールを安定化できるが、追加のイオン損失が生じ、トラップのデューティーサイクル（連続イオンビームを イオンパルスに変換する効率）が数パーセントに制限される。
【０００５】
３次元イオントラップの代わりにリニアイオントラップを使用することにより（J. Franzenによる米国特許第５７６３８７８号参照）、空間電荷の影響を減少できる。リニアイオントラップは、最大で束当たり１０６個のイオンを有する複数のイオン束を発生することが知られている（ＬＴＱ−ＦＴＭＳ）。この解決策は、気体上でのイオンの散乱、遅いパルシング、及びその結果としての、検出器やデータ獲得システムに対する大きな負荷に関連する問題を依然として有しており、現状では、ダイナミックレンジが制限されていることが知られている。
【０００６】
直交パルス加速の方法が飛行時間質量分析（ｏａ-ＴＯＦ  ＭＳ）において広く使用されている。これにより、非常に短い時間の広がり（最短で１ｎｓ）で、連続イオンビームをイオンパルスに変換することが可能となる。分散の少ないイオンビームで動作できるため、所謂往復時間が大幅に短くなる。パルスが高周波（１０ｋＨｚ）であり、イオンビームが細長にされているため、従来のｏａ-ＴＯＦにおける変換効率（所謂デューティーサイクル）は極めて好ましいものとなり、一方で空間電荷の問題を避けることができる。一回反射（singularly reflecting）ＴＯＦ（所謂「反射」）においては、直交加速器のデューティーサイクルは、スペクトルでのｍ／ｚが最も高いイオンについてＫ＝１０〜３０％程度であることが知られている（他のイオンについては、ｍ／ｚの平方根に比例して低下する）。
【０００７】
残念なことに、従来の直交加速方式は、次の２つの理由でＭＲ−ＴＯＦには上手く適用できない。
ａ）飛行時間がより長く（１ｍｓ）、繰り返し速度がより低くなるため、一桁以上デューティーサイクルが低下る。
ｂ）ドリフト方向におけるイオンパケット幅に対する分析計の許容範囲が小さくなるため、周期的収束レンズの口径で制限されるイオンパケットの長さを短くする必要があり（この長さは５〜７ｍｍ以下であると推定される）、この場合もデューティーサイクルが制限される。
【０００８】
従来の直交加速器を備えたＭＲ−ＴＯＦの予想される全体的なデューティーサイクルは１パーセント以下である。
【０００９】
直交加速器のデューティーサイクルは、質量範囲の減少と引き換えに、所謂「パルサー(pulsar)」方式（例えば、T. Dreschによる米国特許第６０２０５８６号に開示されている方式）で改善できる。この方式は、リニアイオンガイド内にイオンをトラップし、イオンを周期的に解放することを示唆している。直交加速器はパルスを放出するために同期される。この方式も、連続イオンビームの方向に大きなエネルギーの広がりを導入する。この方式の利点は、飛行時間が長い場合であっても、不十分なものである。
【００１０】
「パルサー」方式における質量範囲は、直交加速器の位置において異なる質量のイオンを束ねる、時間依存静電界を加えることによって広げることが出来る（例えば、米国特許出願公開ＵＳ２００４／０２３２３２７  Ａｌ参照)。しかしながら、この解決策は、ＭＲ−ＴＯＦ  ＭＳへのイオン注入には適していない。何故なら、束が作られる際に、異なる質量のイオンは異なるエネルギーを獲得し、連続イオンビームの方向に対して本質的に異なる角度で直交的に加速されるからである。そのような大きな角度の広がりは  ＭＲ−ＴＯＦ  ＭＳによって受け入れることができない。
【００１１】
要約すると、平面型多重反射分析計は、分解能を大幅に改善するとともに、全質量範囲を提供する。しかし、従来技術のイオン源は、数パーセントを超える十分なデューティーサイクルを提供できないか、或いは他の欠点が生じる。したがって、高い分解能とイオンフラックスのイオンパルスへの効率的な変換を同時に提供できる計測器に対するニーズがある。
【００１２】
【特許文献１】ＷＯ２００５／００１８７８ Ａ２
【特許文献２】米国特許第５７６３８７８号
【特許文献３】米国特許第６０２０５８６号
【特許文献４】米国特許出願公開ＵＳ２００４／０２３２３２７  Ａｌ
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の一様相によれば、イオンビームを発生するイオン源と、イオンビームをイオンパケットに変換する直交加速器と、イオンパケットをのこ刃状軌跡の平面内において多数回反射させる平面型多重反射分析計とを有し、イオンビームが実質的に軌道平面を横切るよう方向付けられている多重反射型飛行時間質量分析計（ＭＲ‐ＴＯＦ  ＭＳ）が提供される。
【００１４】
本発明の別の様相によれば、ＭＲ‐ＴＯＦ  ＭＳは、例えば、イオン源とＴＯＦ又は直交加速器との間に置かれる気体が充填された高周波イオンガイドを有し、このイオンガイドは、イオンの軸方向速度を周期的に変調して、直交加速のパルスと同期され適切に状態が整えられた準連続イオン流を得る手段を備えている。この時間変調に加え、イオンガイドから直交加速器へのイオン供給を早めるようにしても良い。これは、転送イオン光学系においてイオンを大幅に加速し、その後、直交加速器の直前又は直交加速器内において減速することで行われる。
【００１５】
本発明の別の様相によれば、多重反射型飛行時間質量分析計（ＭＲ‐ＴＯＦ  ＭＳ）は、イオンビームを発生するイオン源と、イオンビームをイオンパケットに変換する直交加速器と、イオン源と直交加速器との間でイオンを移送するためのインターフェースと、静電界内においてイオンパケットを多数回反射させる平面型多重反射分析計とを有し、直交加速器は静電トラップを備えている。
【００１６】
本発明の別の様相によれば、多重反射型飛行時間質量分析方法は、イオンビームを形成するステップと、イオンビームに対して実質的に直交する方向にパルス電界を印加することによってイオンパケットを形成するステップと、イオンパケットを、実質的に２次元の電界を形成しドリフト軸に沿って細長にされたイオンミラーの間の無電界空間に導入するステップと、イオンパケットがドリフト方向への低速変位と組み合わされて多数回反射されて軌道平面内にのこ刃状のイオン経路を形成するようにパルス電界の向きをドリフト方向に対して実質的に直交するように決めるステップとを有し、イオンビームは、軌道平面に対して実質的に直交方向に進む。
【００１７】
本発明の別の様相によれば、多重反射型飛行時間質量分析方法は、イオンビームを形成するステップと、イオンパケット形成領域にビームを供給するステップと、イオンビームに対して実質的に直交する方向にパルス電界を印加することによってイオンパケットを形成するステップと、イオンパケットを多重反射型飛行時間分析計の静電界内に導入して、イオンパケットが多数回反射されるようにするステップとを有し、イオンビームを供給するステップは、中間ガス圧でイオンガイド内の軸方向電界によってイオンビームの強度を時間変調するステップを含み、変調は直交電気パルスと同期される。
【００１８】
本発明の別の様相によれば、多重反射型飛行時間質量分析方法は、イオンビームを形成するステップと、イオンパケット形成領域にビームを供給するステップと、イオンビームに対して実質的に直交する方向にパルス電界を静電トラップ内において印加することによってイオンパケットを形成するステップと、イオンパケットを多重反射型飛行時間分析計の静電界内に導入して、イオンパケットが多数回反射されるようにするステップとを有し、静電トラップのパルス化電界内にイオンビームを供給するステップは、静電界にイオンを閉じ込めるステップを有し、閉じ込められたイオンの少なくとも一部は、パルス状加速領域に留まる。
【００１９】
本発明の以上その他の特徴、利点及び目的は、以下の明細書、特許請求の範囲及び添付図面を参照することにより当業者によって更に理解され評価されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明者らは、ＭＲ−ＴＯＦ  ＭＳ内への直交注入のデューティーサイクルを改善するための複数の関連する方法を見出した。一方法においては、連続イオンビームはのこ刃状折畳みイオン経路の面を実質的に横切る方向に向けられるが、これにより、直交加速器内でのイオンパケットの長さを延長できる。イオンビームは、垂直軸から若干傾斜しており、イオンパケットは折畳みイオン経路の対称面内に戻るように旋回され、傾斜及び旋回の時間歪みが互いに補償される（図１及び図２）。
【００２１】
本発明の第一の様相によれば、多重反射型飛行時間質量分析計（ＭＲ−ＴＯＦ  ＭＳ）は、イオンビームを発生するためのイオン源、前記イオンビームをイオンパケットに変換するための、イオン源に続く直交加速器（ＯＡ）、及び、重ならないのこ刃状経路を提供するために一方向（Ｚ）に実質的に延びた一組の平行な静電気ミラー（Ｘ軸に直交）を含み、前記イオンビーム及び前記加速器は、前記イオンパケットが前記のこ刃状軌道（Ｘ−Ｚ平面）を横切るように実質的にＹ方向に細長くなるように方向付けられている。
【００２２】
また、本発明者らは、直交加速器を備えた多重反射型或いはマルチターンＴＯＦのデューティーサイクルは、移送イオンガイドを通る準連続イオン流を形成しこのような流れの変調を直交加速機内のパルスと時間相関させることにより更に改善できることに気づいた。このような変調は、例えば、イオンガイドの少なくとも一部において緩やかな軸方向電界を変調することにより達成できる。
【００２３】
本発明の第二の様相によれば、ＭＲ−ＴＯＦ  ＭＳは、イオン源とＴＯＦ或いは直交加速器の間等に配置される高周波ガス充填イオンガイドを含み、該イオンガイドは、直交加速のパルスと同期された良好に状態の整えられた準連続イオン流れを達成するためにイオンの軸方向速度を周期的に変調するための手段を有する。時間変調に加えて、移送イオン光学系においてイオンを大幅に加速しそれに続いて直交加速器直前或いは直交加速器内で減速することによって、イオンガイドから直交加速器へのイオンの供給を速めることができる。
【００２４】
更に、本発明者らは、多重反射型或いはマルチターンＴＯＦの直交加速器のデューティーサイクルは、連続（又は準連続）イオンビームの伝播フェーズにおいて直交加速器内での多重イオン反射を用いることにより更に改善できることを実現した。
【００２５】
本発明の第三の様相によれば、ＭＲ−ＴＯＦは、直交加速器内の静電トラップを含む。例としては、静電トラップは、小型の平行な平面静電気ミラーにより形成され、ミラーは、トラップ軸に対して垂直にイオンを加速するための窓を備えたドリフト空間によって離間されている。この静電トラップは、電気パルスによってメッシュ／スリットを通してイオンを抽出する前に、イオンがミラー間で多重反射するのこ刃状運動を可能とする。これに替えて、静電気ミラー同士は、軸対称とし、直交抽出に先立つミラー間のイオン運動がシャトルタイプ運動となるように同軸に配置できる。
【００２６】
本発明は、同時係属出願中のＰＣＴ特許出願ＷＯ２００５/００１８７８  Ａ２に記載の平面ＭＲ−ＴＯＦ  ＭＳに特に良く適している。このＭＲ−ＴＯＦ  ＭＳにおいては、イオンミラーの電界は、好ましくは、イオンエネルギーと軌道面を横切る空間的及び角度的広がりとに関して高次の空間及び飛行時間収束を提供するように配置され、後者は、軌道面を横切って延びたイオンパケットの受入れを可能にする。ＭＲ−ＴＯＦ  ＭＳは、イオンを中央折畳み軌道に閉じ込めるために、ドリフト空間内に一組の周期的レンズを有することができる。ＭＲ−ＴＯＦ  ＭＳは、イオンをドリフト方向に反射して折畳みイオンの経路の長さを２倍にするための偏向器を有することができる。
【００２７】
本発明は、連続、準連続及びパルス化イオン源（真空イオン源及びガス充填イオン源を含む）を含む全ての公知のイオン源に適用可能である。ガス充填イオン源は、ガス充填ＲＦイオンガイドを介して直交加速器に結合できる。ＥＳＩ、ＡＰＣＩ、ＥＩ、ＩＣＰ等の連続イオン源を用いる場合、イオンガイドは、軸方向電界（本発明の第二の様相）を変調するための手段を有することができる（本発明の第二の様相）。ＵＶやＩＲ  ＭＡＬＤＩ等のパルス化イオン源を用いる場合、準連続イオンビームは、一定の軸方向電界を有するイオンガイドを用いて形成するのが普通である。この場合、イオン源のパルスは、イオン移送遅延を考慮して直交抽出パルスと同期させる。ＥＩ、ＣＩ、ＦＩ等のイオン源は、直接的に使用するか或いはイオンガイド内で変調された軸方向電界によってイオンの中間コンディショニングを行って使用できる。
【００２８】
本発明は、クロマトグラフィーや電気泳動法を有するＬＣ−ＴＯＦ、ＣＥ−ＴＯＦ、ＬＣ−ＭＳ−ＴＯＦＭＳ等のタンデム、及び少なくとも一段階において本発明のＭＲ−ＴＯＦ  ＭＳを含むＴＯＦ−ＴＯＦ、ＬＩＴ−ＴＯＦ、Ｑ−ＴＯＦ等の二重質量分析システム等の各種タンデムに適用可能である
【００２９】
図１を参照すると、直交イオン加速器を備えたＭＲ−ＴＯＦ  ＭＳ１１の第一の実施形態のＸ−Ｚ平面における上面図が示されている。図示のように、ＭＲ−ＴＯＦ  ＭＳは、一組のグリッド無しイオンミラー１２、ドリフト空間１３、直交イオン加速器１４、偏向器１５（任意）、イオン検出器１６、一組の周期的レンズ１７、及びエッジ偏向器１８を有する。各イオンミラー１２は、平面状且つ平行な電極１２Ｃ、１２Ｅ及び１２Ｌを有する。ドリフト空間１３は構成要素１４〜１８を収容する。更に、図１は、図の略Ｘ−Ｚ平面に沿って方向付けられた中央イオン軌道１９を示す。
【００３０】
更に、Ｘ−Ｙ平面における側面図２１を示す図２も参照すると、ＭＲ−ＴＯＦの第一の実施形態は、イオンビーム ２３を発生する一般的なイオン源２２を有する。更に図２はＸ軸２５及びＹ軸２６を規定しており、Ｙ軸はイオン軌道面に対して垂直である。更に図２は、２４で示す小さな角度αだけＹ軸に対して傾斜しているイオンビームを示す。角度αは、好ましくは１０度未満、より好ましくは５度未満、更に好ましくは３度未満である。換言すると、初期ビームは、イオン軌道面に対して略直角（即ち、垂直）にＭＲ−ＴＯＦ分析計に導入される。イオンビームの方向を以下詳細に検討する。
【００３１】
上のように平面グリッド無しイオンミラー１２を周期的レンズ１７と組み合わせると、同時係属出願中のＰＣＴ特許出願ＷＯ２００５/００１８７８  Ａ２に記載の多重反射型ＴＯＦ質量分析計が形成される。この特許出願の全体を、本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。この分析計は、イオンミラー１２によるイオンパケットの多重反射（ここではＸ軸方向）とゆっくりとしたドリフト（ここではＺ軸方向）とによって特徴付けられており、これらによりＸ−Ｚ平面に平行なのこ刃状のイオン軌道が形成される。中央軌道１９に沿ったイオンドリフト及び閉じ込めは、一組の周期的レンズ１７によって強制される。エッジ偏向器はイオン経路を２倍にできる。この分析計は、高次の空間及び飛行時間収束が可能であり、全質量範囲を維持しながら飛行経路を大幅に延ばす。ＭＲ−ＴＯＦ  ＭＳへのイオンの導入の細部は本発明の一主題である。
【００３２】
動作においては、イオン源２２は、連続、準連続又はパルス状のイオンビーム２３を形成する。イオンビームは、実質的にＹ軸に沿って、例えばＸ−Ｚ平面（軌道面ともいう）を実質的に横切って角度αで導入される。角度αは、１０度未満、好ましくは５度未満、より好ましくは３度未満である。イオンビームは、直交加速器１４において周期的電気パルスによってイオンパケット１９に変換され、直交加速器１４は実質的にＸ軸に沿ってイオンパケットを放出する。他の箇所に記載の直交加速器の動作原理によれば、形成されたイオンパケットは、Ｙ軸に沿って延びており、特定の実施形態によってはＹ軸に対して若干傾斜している。偏向器１５は、イオンをＸ−Ｚ平面に平行となるように旋回する。イオンは、Ｚ軸方向にゆっくりドリフトしながらＸ軸方向に多重反射し、Ｘ−Ｚ平面においてのこ刃状のイオン軌道を形成する。イオンパケットは、周期的レンズ１７によって収束され偏向器１８により偏向された後、飛行時間スペクトルを記録するための検出器１６に到達する。
【００３３】
従来技術の直交加速方法（他の箇所に記載）においては、イオンビームは、ドリフトＺ方向に位置合わせされるであろう。このような場合、直交する２つの運動は独立であるため（ガリレオの法則）、Ｚ方向のイオンビーム初速度はＸ軸方向の直交加速に関わらず一定である。イオンビームの初期運動はイオンパケットのゆっくりとしたドリフトに変化し、当然、ドリフト方向に変位が生じ、これにより軌道面が形成される。しかしながら、イオンビームのＺ軸に沿った通常の向きは、イオンパケットの長さとＭＲ−ＴＯＦ内での反射数を制限する。更に、Ｚ方向に細長いイオンパケットは、周期的レンズによって歪められ、検出器での時間信号をぼやかしてしまう。
【００３４】
本発明は、これに替わるイオンビームの向き、即ち軌道面を横切る（ここでは略Ｙ軸に沿った）向きを提案する。これは、ＭＲ−ＴＯＦ分析計と共に用いたとき、特に平面型ＭＲ−ＴＯＦ分析計と共に用いたときに幾つかの恩恵を提供すると考えられる。このような向きは、最も重要な飛行時間Ｘ方向において幅の狭い低発散性のイオンビームを提供するが、これは従来の直交加速方式の特性である。平面ＭＲ−ＴＯＦ分析計は、Ｙ方向（のこ刃状軌道面を横切る方向）において高い許容範囲を有しつつ、この方向の座標イオン広がり（coordinate ion spread）に関して高次の時間収束を提供する。従って、提案した直交加速器の方向は、（従来の方向に比べて）イオンパケットの長さを増加でき、デューティーサイクルを改善する。Ｚ方向の狭いビーム幅は、レンズ１７の非常に小さな周期とイオン経路の非常に密な折り畳みとを許容し、更に、イオン経路のゲインを改善する。狭いビーム幅及び反射当りの小さい前進（変位）は、ＭＲ−ＴＯＦ  ＭＳの周期的レンズ１７及び偏向器内での時間歪みを低減する。しかしながら、提案されたのこ刃状軌道面を横切るイオンビームの方向は問題を惹き起こす可能性がある。イオンビーム初速度には、Ｙ軸に沿ったイオンパケット速度成分が導入され、中央軌道面（ミラーの対称面）からの変位が生じる。このため、イオンパケットを軌道面内に戻すように旋回することが望ましい。しかしながら、これは、大きな時間歪みを生じさせる。
【００３５】
次に、図２を参照しつつ、大きな時間歪みを伴わずに長いイオンパケットを旋回するための技法を検討する。イオンビーム２３及び加速器１３はＹ軸に対し小さな角度α（２４）だけ傾斜させ、ＭＲ−ＴＯＦ  ＭＳにおける連続イオンビームにおけるイオンネルギーεｙ及び加速電圧Ｕａｃｃは、次の式を満たすように選択する。
【数１】
2009512162.tif 000003
【００３６】
図３を参照すると、傾斜した加速器３１を備えたＭＲ−ＴＯＦは、イオン源２２、イオンビームのための旋回装置３２（任意）、傾斜した加速器３３、及び偏向器３４を含むことができる。各部品は、図示のように、Ｘ軸（２５）及びＹ軸（２６）に対して向きが決められている。
【００３７】
動作においては、イオン源２２は、連続、準連続又はパルス状のイオンビーム２３を作成する。最終的なイオンビーム３５がＹ軸に対して角度αだけ傾くように、イオン源２２がＹ軸に対して角度αだけ角度が付けられているか（図示せず）、或いはビームが旋回装置３２で旋回される。直交加速器３３の各プレートをイオンビーム３５に対して平行に、即ち、同様にＹ軸に対して角度αだけ傾くように位置合わせする。これは、ビーム方向に対する垂直線３６がＸ軸に対して等しい角度αだけ傾斜していることも意味している。連続イオンビーム２３のエネルギーεy及び直交加速器の加速電位Ｕaccは等式（１）に従って選択される。この場合、放出されたイオンパケット３７は、垂直線３６に対して角度２αだけ傾斜し且つＸ軸に対して角度αだけ傾斜した軌道を進む。イオンパケット（等質量フロント（iso-mass fronts））は、３７Ｆで示すように直交加速器３３の各プレートに対して平行に、即ち、Ｙ軸に対して角度αだけ傾斜するように位置合せされる。旋回装置（ここでは、一組の偏向プレート３４として示す）の電位は、イオンがのこ刃状軌道に沿って直線的に進むように、ビームを角度αだけ旋回するように調節される。タイムフロントは、偏向器３４を通った後、のこ刃状軌道に対して正確に直交するように向きを変えられるが、これにより全体の時間歪みが抑えられる。尚、ビームの傾斜及びイオン旋回の個別の歪みは大きい。例えば、５ｋＶの加速でα＝２度の実施例の場合、イオンビームのエネルギーは２０ｅＶに設定しなければならない。１ｃｍ長のイオンパケットを用いる場合、個別の時間歪みは、ｍ／ｚ＝１０００のイオンでは１０ｎｓに達する。提案した方法は、傾斜及び旋回によって発生する時間歪みの相互補正する。プログラムＳＩＭＩＯＮ７.０の助けを借りたコンピュータシミュレーションは、全体の時間歪みを１ｎｓより低く低減できることを示している。
【００３８】
図４を参照すると、これに替わるイオンパケット旋回方法は、複数の小型偏向器内の偏向を利用している。この特定の実施形態のＭＲ−ＴＯＦは、図１及び図２に示したものと同様であるが、更に、イオン源２２、直交加速器４３、及び図４に示すような終端プレート４４（任意）を備えた一組の多重旋回プレート４５を含む。プレート４４及び４５は、イオン軌道面Ｘ−Ｚに対して正確に直角であるＹ軸に対して位置合せされている。イオンビーム２３は、旋回装置４２（任意）によってＹ軸に対して正確に平行となるように位置合せされる。イオンビームは、各加速器プレートに印加される電気パルスによってイオンパケット４７に変換される。次に、イオンパケットはＸ軸に対して２α（即ち、数値例としては４度）の傾斜角で飛行する。ビームを軌道に戻すため、ビームは多重偏向器４５内で旋回される。ｍ／ｚ＝１０００についてのイオンで時間歪みを１ｎｓより小さく低減するためには、周期＜０．５ｍｍの非常に密な偏向器の組が必要であろう。０．５ｍｍ長のビームを角度２α＝４度で旋回した後は、タイムフロントの３０μｍの歪みが現れるであろう。これは１ｎｓの時間広がりに相当する。
【００３９】
本発明の直交加速器は、メッシュ上でのイオン散乱を最小限に抑えるように配置されている。特定の一例（図３）においては、加速器４３の出口メッシュの代わりにアインツェルレンズを用い、このレンズは、イオンパケットの空間的発散を補償するように調整される。別の特定の例（図４）においては、出口メッシュを、軌道面に平行なワイヤで形成する。このようなワイヤの向きであれば、ドリフト方向であるＺ方向においてはイオンビームを狭く維持できる。
【００４０】
尚、軌道面を横切るビームの向きは、多重反射型ＴＯＦ、例えば本発明者らの各同時係属出願特許に記載の多重反射型ＴＯＦや、Toyoda M., Okumura D., Ishihara M., KatakuseI, J. Mass Spectrometry, vol. 38 (2003) pp. 1125-1142やT. Satoh, H. Tsuno, M. Iwanaga, Y. J. Kammei, Am. Soc. Mass Spectrometry, vol. 16 (2005) pp. 1969-1975に記載のマルチターンＴＯＦ等にとっては特に有利である。前者の場合、分析計の静電界はイオンミラーによって形成され、後者のマルチターンシステムの場合は、静電セクタによって形成される。しかしながら、単反射ＴＯＦ  ＭＳの場合も有利である。このようにイオンビームを向けることにより、長い加速器及び長い偏向器を使用でき、ＴＯＦ  ＭＳのデューティーサイクルが改善される。
【００４１】
多重反射型或いはマルチターンＴＯＦにおける直交加速器のデューティーサイクルを更に改善するため、イオンガイドを使用でき、ガイド内の軸方向イオン速度を変調できる。
【００４２】
図５を参照すると、ＭＲ−ＴＯＦの別の実施形態５１は、イオン源５２、一組の多極（multipole）ロッド５３、一組の補助電極５５、出口孔５７、及びＭＲ−ＴＯＦ  ＭＳの直交加速器６０内に素早くイオン移送するためのレンズ５９を有する。ＲＦ電界を発生させるため、多極ロッドは、ＲＦ信号発生器５４に接続される。パルス化軸方向電界を発生させるため、パルス化電源５６ａは最初の補助電極に接続され、ＤＣ電源５６ｃは最後の補助電極に接続され、信号は、分割抵抗器のチェーン５６ｂを介して他の補助電極間で分配される。最大で１００ｐＦの浮遊容量の存在下において短いパルス立ち上がり時間（１０μｓ未満）を維持するために、１０ｋΩ未満の抵抗器が選択される。
【００４３】
動作においては、補助電極５５の電界はイオンガイド５３の電極間の間隙を貫通し、弱い軸方向電界を発生させる。このような電界は、発生器５６ａがパルスを発生したときのみ形成される。パルスがない場合、一定の抽出電位で出口孔５７からイオンがサンプリングされる末端以外では、軸方向電界は消滅するか極めて弱くなる。連続又は準連続のイオンビームは、ここではエレクトロスプレーイオン源５２として示すイオン源５２から発せられる。イオンは、ガス圧Ｐ、長さＬのガス充填多極イオンガイドに入るが、ここでＰ＊Ｌ＞１０ｃｍ＊ｍｔｏｒであり、これにより、熱運動化、即ち、イオンが略完全に停止するまで減衰されることが保証される。遅いガス流及び自己空間電荷はイオンを緩やかな速度で駆動するが、その速度は約１０〜３０ｍ／ｓ（１〜３ｃｍ／ｍｓ）と他で測定されている。これに替えて、遅い伝播速度は、パルス間のフィリングタイムにおける弱い軸方向電界によって制御される。イオンガイドの第一部分はイオンを減衰させる。イオンガイドの第二部分には、軸方向電界を時間変調するために補助電極が備えられている。尚、この配置であれば、異なる電極の組に対してＲＦ信号とパルス化電位とを独立して印加することができる。
【００４４】
フィリング段階（fill stage）では、軸方向電界は遮断されるか低減される。完全に減衰したイオンビームはゆっくりと伝播し、イオンガイドの各パラメータは、ビームがガイドの全長を満たすように選択される。スイープ段階（sweep stage）では、補助電極に対してパルスが加えられ、補助電極は、イオン伝播を助ける弱い軸方向電界を発生するため、出口孔５７付近でイオンフラックスが一時的に増加する。準連続イオン流６１は、ＴＯＦ  ＭＳの直交加速器６０に導入される前に異なる質量のイオンの飛行時間分離を最小限に抑えるために、イオンレンズ５９により迅速に移送される。完全連続方式と比較すると、イオンフラックスの圧縮は少なくとも１０倍になる。この倍率は、スイープ段階及びフィリング段階における軸方向イオン速度の比によって規定される。準連続ビーム６１はレンズ５９内で加速された後、直交加速器６０の直前で減速され旋回される。レンズのイオン光学特性は、加速器内で略平行な準連続イオンビームを発生するように調節される。部分的な飛行時間分離がレンズ内及び直交加速器内で起こるが、移送時間（１０〜２０μｓ）は準連続イオンビーム６１の持続時間（５０〜１００μｓ）より短いため、このような部分的な分離が起こっても、異なる質量のビーム同士は重なり合ったままとなる。この重なりが、レンズ５９内のイオンビームの位置６２と直交加速器６０内のイオンビームの位置６３とに対応する異なる時間におけるイオンビームの輪郭で示されている。（スイープパルス５６ａに対して）若干遅延した同期電気パルスが、イオンビームが加速器を通過する時点で加速器６０の電極に印加される。準連続イオンビーム６３の一部は、ＭＲ−ＴＯＦに向かって進む短いイオンパケット６４に変換される。
【００４５】
実施例として、軸方向速度が変調されるＭＲ−ＴＯＦの各種パラメータを次のように選択する。即ち、ガス圧は２５ｍｔｏｒｒ、イオンガイドの長さは好ましくは１５ｃｍ、速度変調領域の長さは５ｃｍとする。ＨＲＴのパルス速度は１ｋＨｚ、軸方向電界電位の増幅は数ボルト（実際のパルス振幅は、電界貫通効率に依存する）とする。このようなパラメータは、イオンビームを完全に準連続ビームに変換するように選択される。
【００４６】
図６を参照すると、充填ガス圧２５ｍｔｏｒｒの１０ｃｍイオンガイドを用いたＳＩＭＩＯＮイオン光学シミュレーションの結果により、イオンフラックス圧縮の効果が確認できる。各シミュレーションは３次元の電界（補助電極のＲＦ電界及びＤＣ電界）を明らかにする。また、各シュミレーションは、イオンとガスの衝突、及び３０ｍ／ｓでのガス流の緩やかな風を明らかにする。軸方向電界強度は、イオンを約３００〜５００ｍ／ｓの速度で引くように選択される。図６５は、周期１２００μｓ、持続時間２００μｓで印加された軸方向電界パルス６８を示す。ｍ／ｚ＝１０００（図６６）及びｍ／ｚ＝１００（図６７）のイオンの時間信号は、大幅に圧縮され十分な時間重なりを有するイオンフラックス６９及び７０の時間依存性変調を示す。これは、両質量のイオンは加速器内の準連続流６３内に存在し、上述の圧縮方法の質量範囲は少なくとも一桁の範囲であると予想されることを意味している。準連続流の典型的な持続時間は約１００μｓである。この特定のシミュレーション例においては、イオンフラックスのゲインは１２倍に達している。また、各シミュレーションは、軸方向エネルギーはエレクロトンボルトの何分の１かに達するであろうが、半径方向のエネルギーは依然としてかなり減衰されることを示している。これは、ターンアラウンドタイムを低減し直交加速器６０の出口において短いイオンパケット６４を発生するのに重要なことである。
【００４７】
上のシミュレーションは、本明細書に記載の速度変調を用いた方法が、以前に提案された米国特許第５６８９１１１号に記載のイオントラップ及びイオンガイド内での開放を用いた方法に比較して有利であることを示している。この従来技術は、イオンガイドの出口孔５８の電位を変調することを提案している。この米国特許第５６８９１１１号特許に記載のプロセスは、ガイド内でのイオンの自由飛行と反発電位からの周期的な反射である。しかしながら、実際には、イオン空間電荷及びガス風がイオンをイオンガイドの出口端に向けて押す。その結果、イオンは出口付近に蓄えられてしまい、空間電荷が蓄積される。蓄積された空間電荷は、貯蔵時間が長い場合、放出イオンの各パラメータに影響する可能性がある。従って、言及したこの従来技術の方法は、飛行時間の長いＭＲ−ＴＯＦへの適合性は低い。イオンは略３次元の電界内で蓄えられるため、放出パルスを出口孔に印加すると、軸方向及び半径方向の両方向のイオンエネルギーに広がりが生じる。更に、出口付近でのイオンの蓄積は、イオンガイドの出口でイオンパルスの持続時間が短くなる原因にもなる。その結果、この従来技術の方法の質量範囲は２に達することは殆どない。一方、本発明においては、弱い軸方向電界（０.３〜０.５Ｖ／ｃｍ）が空間電荷を低減し、ＴＯＦ  ＭＳのための定常状態イオンガイドに用いられる最良のイオン環境に対応している。質量範囲は、各シミュレーションから分かるように少なくとも一桁の範囲に達すると予想される。
【００４８】
本発明の速度変調方法は、飛行時間の長い（１ｍｓ以上）多重反射型或いはマルチターンＴＯＦ  ＭＳに最も適しているが、従来の各種ＴＯＦ  ＭＳと一緒に用いることもできる。
【００４９】
当業者であれば、軸方向イオン速度に影響を及ぼす各種公知の方法を適用できるであろう。パルス化軸方向電界は、ＲＦ電圧が供給される短い多極組の間に配置されたリング電極の組に対して、分配された電気パルスを印加することにより形成できる。この構成は、リング開口が多極の間隙の大きさに略等しいときに特に良好に動作する。同様に、より大きな補助リング電極を、細長い多極の一組を囲むように配置できる。パルス化軸方向電界は、湾曲した楔の形状を有する補助電極に対し、貫通静電界が軸に沿って略直線的に変化するように電気パルスを印加することにより形成できる。この場合、補助電極の数を最も少なくすることができる。各種補助電極を備えた上述の構成では、異なる電極の組に対してパルス化電圧及びＲＦ電圧を印加できる。非共振ＲＦ回路を用いれば、同一の組の電極に対してパルスとＲＦ電圧を印加できるようになる。更に、パルス化電界は、傾斜ロッド或いは円錐状ロッド間に形成するか、或いは楔状開口を備えた分割（直線状）多極に形成できる。軸方向イオン速度は、パルス化ガス流により、或いは非均一なＲＦ電界或いは電界の軸方向伝播波により変調でき、電界は一組のリング内に形成される。
【００５０】
多重反射型又はマルチターンＴＯＦ  ＭＳのための直交加速器のデューティーサイクルを更に改善する別の追加的な方法は、加速器内でイオンビームの保持を延長するための静電トラップを使用することである。
【００５１】
図７を参照すると、静電トラップを備えた直交加速器の特定の例が示されている。この加速器は、ワイヤメッシュ７３を備えた上部電極７２、２個の平面静電反射器７４、７５、及び下部電極７６を有する。これら電極は、小型多重反射型システムを形成している。
【００５２】
動作においては、イオンビーム７７は、Ｙ軸に対して小さな角度で導入される。ミラー７４は、好ましくは、イオンビームを反射するためにＺ軸に沿ってシフトされる。電極の形状及び電位は、Ｘ方向の周期的な空間収束を提供するように選択される。イオンは、Ｚ方向にゆっくりドリフトしながらミラー間をＹ方向に跳ね返り、この通り道がのこ刃状イオン軌道７８を形成する。その結果、イオンが蓄積領域に滞在する時間が長くなり、滞在時間は跳ね返り回数に比例して増加する。任意ではあるが、ドリフト方向を逆転させるために偏向器を一端に取り付けることができ、これにより、加速器内の滞在時間が更に増加される。周期的に下部電極７６に電気パルスが印加され、イオンは、二方向（各方向は、パルス時のイオンの速度のＹ方向に対応している）に進むイオンパケット７９、８０を形成しながら、メッシュ７３から放出される。
【００５３】
尚、イオンビームの残りの半分（軌道７９）は各種の異なる方法で利用できる。軌道７９は、全体的なイオンビーム強度を監視するために追加の検出器に向けることができる。軌道７９は、例えば選択された狭い質量範囲の高分解能分析のため、異なるイオン経路を進むように異なる組のレンズを介してＭＲ−ＴＯＦに導入できる。これに替えて、両イオン軌道７９及び８０を、ＭＲ−ＴＯＦ  ＭＳにおける主たる解析のため、より精巧なレンズシステムによって合流させることができる。
【００５４】
加速器内滞在時間を延長する上で提案した方法は、各種タイプの静電トラップを用いることができる。例えば、
・イオンが周りを軌道運動する個別の或いは一組のワイヤ、
・電子ビーム、即ち、正イオンをトラップする場合は負イオンのビームの空間電荷によって形成されるトラップ、
・プレート、ロッド或いはワイヤによって形成される交流静電位を有するチャネル、が挙げられるが、これらに限定されるものではない。チャネルの場合は、非常に遅いイオンビームをチャネルに導入できる。これにより、イオンの加速器内滞在時間は増加し、加速器のデューティーサイクルが改善される。
【００５５】
直交加速器内で静電トラップを用いる他の方法は、予備的にイオン貯蔵するための線形イオントラップと静電トラップを組み合わせることである。図８を参照すると、連続イオン源８２（例えばＥＳＩやガスＭＡＬＤＩ）とＴＯＦ分析計の間のインターフェース８１は、線形イオントラップ８３、移送レンズ８５（任意）、及び直交加速器８６に組み込まれた静電トラップ８７を有する。静電トラップは２個のキャップ（キャップ１及び２）で形成され、これらは図８において８７Ａ、８７Ｂ及び８７Ｃで示す軸対称電極の組を同軸となるように配置したものである。任意ではあるが、各組の電極の１個（例えば８７Ｂ）は、トラップ内での周期的イオン収束のためのレンズを形成する。
【００５６】
動作においては、イオンは連続又は準連続イオン源８２で発生した後、線形イオントラップ８３内に導入される。線形イオントラップ８３は、ＲＦ多極イオンガイドで形成されており、ＲＦ多極イオンガイドは、好ましくは、線形トラップの出口付近において最小のＤＣ電位を有する。周期的に、線形トラップ８３は、スキマー８５の電位を下げることにより、緩やかなエネルギー、例えば１０〜３０ｅＶでイオンを放出する。次に、イオンパケットは静電トラップ８７に入るが、このトラップは、２個のキャップ（キャップ１及び２）と直交加速器（ＯＡ）８６の等電位間隙とによって形成されている。各キャップは、２〜３個の電極で形成されている。注入段階では、種々の質量電荷比ｍ／ｚのイオンパケットを移送するために少なくともキャップ１の外側電極８７Ａの電位が下げられる。目的の最も重い種がキャップ１のパルス化電極を通過すると、キャップ１は反射段階に導かれる。イオンは静電トラップ８７にトラップされる。両キャップは、多重反射型ＴＯＦと同様、レンズ電極８７Ｂにより弱い空間収束を行うイオン反射器として作用する。電界は、空間収束を伴うイオンの無限閉じ込めを提供するが、イオンエネルギーに関しての飛行時間収束を避けるように調整される。イオンパケットの長手方向の小さい速度広がりのために各質量電荷比のイオンがトラップに沿って分散するように、トラップ段階は十分長い時間（数百μｓ）継続される。
【００５７】
図９Ａを参照すると、小型静電トラップの特定の一例のイオン光学シミュレーションの例が示されている。この図には、トラップの寸法と電極に印加される電圧とが提示されている。曲線は、発散が１度で１０ｅＶのエネルギーで飛行するイオンのシミュレートされた等電位とイオン軌道を示す。複数の軌道が重なり、ビームのエンベロープを表す中実のバーを形成している。明らかに、イオンは、トラップの軸付近に閉じ込められたままである。キャップの内面の孔は、加速器内のイオンビームの空間位相を制限するように作用する。図９Ｂを参照すると、全ての質量のイオンがトラップに沿って広がった後、放出パルスが直交加速器の各電極に印加され、トラップされた全ての質量のイオンの一部は、加速器の窓から抽出される。加速器内の電界の歪みを低減するため、窓は、細いスリットとして形成してもよいし、メッシュによって覆ってもよい。図９Ｂに示すように、放出段階においては、下部プレートにプッシュパルスが印加され、上部プレートにプルパルスが印加される。イオンは、上部プレートの窓から放出され、飛行時間質量分析計、好ましくは多重反射型質量分析計かマルチパス（multi-pass）質量分析計に注入される。放出の直前、イオンは、トラップの軸に沿った両方向に進む。従って、直交加速後には、軌道角度が異なる２個の別個のパケットが形成される。このＴＯＦ分析計は、ストッパによって一方のパケットを除去することもできるし、異なる検出器に向けるか異なるレンズシステムを介する等により両ビームを用いることもできる。
【００５８】
本発明者らが自ら行ったシミュレーションは、このシステムにより提供される連続イオンビームからイオンパケットへの変換は次の特性を有することが期待されることを示唆している。
・少なくとも一桁の質量範囲
・その範囲において質量の差別的取り扱いが無い
・多重反射型飛行時間分析計に対して短い（６ｍｍ）のパッケージを用いた場合、デューティーサイクルが５％以上
・最も重要な点であるが、変換器によりＭＲ−ＴＯＦパルスの周期が制限されない
【００５９】
イオンの各初期パラメータは、小さな位相空間容積内で十分に制御されているように思われる。特定の一例においては、捕捉されたイオンは、トラップされたイオンのリボンの厚さが１ｍｍ未満であり、角度発散プロファイルの固有幅（characteristic width）は１度未満である。これにより、放出されたイオンパケットの時間及びエネルギーの広がりが著しく改善されると予想される。
【００６０】
多重反射型ＴＯＦ  ＭＳの直交加速器のデューティーサイクルを改善するための上述の各方法及び各装置は、理論的に接続され、多様な組合せを構成でき、互いに増強できる。
【００６１】
上の対策全てを組み合わせたものは、以下の通りである。
ａ）軌道面を横切るイオンビームの方向付け（これに加え、時間歪みを最小限に抑えながら幅広のイオンパケットを旋回する方法を行ってもよい）
ｂ）イオンガイド内の速度変調
ｃ）静電トラップ或いは高周波閉じ込めイオンガイドを用いた、加速器内滞在時間の延長、及び
ｄ）イオントラップやイオンガイドのマイクロマシーニング
これらは全て、広範囲のｍ／ｚのイオンに対して５０〜１００％に達する非常に高いデューティーサイクルと、ＭＲ−ＴＯＦのより大きな飛行経路と、より良いイオンパケットパラメータとを導き、ＭＲ−ＴＯＦの分解能を改善する。
【００６２】
上述の各方法及び各装置は、ＥＳＩ、ＡＰＰＩ、ＡＰＣＩ、ＩＣＰ、ＥＩ、ＣＩ、ＭＡＬＤＩ（真空及び中程度のガス圧）等のパルス化、準連続、或いは連続イオン源に良好に適合できる。本方法は改善された信号を提供し、これにより、より高速での意味あるデータの取得の加速を助ける。１ｋＨｚというＭＲ−ＴＯＦのパルス速度は、質量分析計をＬＣ、ＣＥ、ＧＣ等の高速分離技法やＬＣ−ＬＣ、ＬＣ−ＣＥ、ＧＣ−ＧＣ等の更に高速の二次元分離と組み合わせるための障害になるものではない。
【００６３】
上述の質量分析計は、各種ＭＳ−ＭＳタンデムにも適している。ＭＳ−ＭＳタンデムでは、第一分離装置が、四重極、イオン放出が半径方向又は軸方向の線形イオントラップ、或いはイオン移動度計等である。タンデムは、フラグメンテーションセル、イオン−分子、イオン−イオン又はイオン−電子反応器、光解離用セル等の各種反応セルを含むことができる。
【００６４】
上の説明は、単に、好ましい実施形態を説明したものである。当業者或いは本発明を実施或いは使用する者であれば本発明の変形を行えるであろう。従って、図に示し上に説明した各実施形態は単に例示を目的としたものであり、本発明の範囲を限定することを意図したものではないと理解される。本発明の範囲は、特許請求の範囲に規定されており、均等論を含む特許法の原則に従って解釈されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】直交加速器を備えたＭＲ−ＴＯＦ分析計の第一の実施形態の上面図である。
【図２】イオン軌道面に対して略横断方向にイオンを導入した第一の実施形態の側面図である。
【図３】ＭＲ−ＴＯＦ分析計の第一の実施形態における直交加速器及びイオン偏向器の概略図である。
【図４】直交加速器及びイオン偏向器の別の実施形態を示す。
【図５】ＭＲ−ＴＯＦ分析計の第一の実施形態におけるイオンガイド内のイオン変調の概略図である。
【図６】イオンガイド内のイオン変調の時間ダイアグラムである。
【図７】平面静電トラップ内にイオンを捕捉する直交加速器の概略図である。
【図８】軸対称静電トラップ内にイオンを捕捉する直交加速器の概略図である。
【図９】軸対称静電トラップ内のイオンエンベロープ及び等電位線の例を示す。
【符号の説明】
【００６６】
１１  多重反射型飛行時間質量分析計（ＭＲ‐ＴＯＦ  ＭＳ）
１２  イオンミラー
１３  ドリフト空間
１４  直交加速器
１５  偏向器
１６  イオン検出器
１７  周期的レンズ
１８  エッジ偏向器
２２  イオン源
【図１】
2009512162.tif 000004
【図２】
2009512162.tif 000005
【図３】
2009512162.tif 000006
【図４】
2009512162.tif 000007
【図５】
2009512162.tif 000008
【図６】
2009512162.tif 000009
【図７】
2009512162.tif 000010
【図８】
2009512162.tif 000011
【図９】
2009512162.tif 000012
【国際調査報告】
2009512162.tif 000013