(57)【要約】  質量走査の走査速度を大きくすると、或るイオンが四重極質量フィルタに入射するときと出射するときとでの印加電圧の変化量が大きくなり、イオンの通過条件が変化することでイオン量が減少して検出感度が低下する。本発明はこれを回避するために、質量走査の際にロッド電極に印加する直流電圧Ｕと高周波電圧の振幅Ｖとの電圧比Ｕ／Ｖを、走査速度が大きいほど小さくするように、各電圧Ｕ、Ｖの値をそれぞれ決める。これにより、マチウ方程式に基づく安定領域図において、質量走査の際の印加電圧変化を示す線Ｌの傾きが緩くなり、特に高い質量において四重極質量フィルタを通過するイオンの量が増加する。
2009141852.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料分子をイオン化するイオン源と、該イオン源で発生したイオンのうち特定の質量を有するイオンを選択的に通過させる四重極質量フィルタと、該四重極質量フィルタを通過したイオンを検出する検出器と、を具備する四重極型質量分析装置において、
a)前記四重極質量フィルタを構成する各電極に、直流電圧と高周波電圧とを加算した電圧を印加する四重極駆動手段と、
b)前記四重極質量フィルタを通過するイオンの質量が順次変化するように質量走査を行う際に、前記直流電圧及び前記高周波電圧の振幅を質量に応じて順次変化させるとともに、その直流電圧と高周波電圧の振幅との比を走査速度に応じて変えるように、前記四重極駆動手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする四重極型質量分析装置。
【請求項２】
請求項１に記載の四重極型質量分析装置であって、前記制御手段は、相対的に大きな走査速度に対して直流電圧Ｕと高周波電圧の振幅Ｖとの比Ｕ／Ｖを相対的に小さくすることを特徴とする四重極型質量分析装置。
【請求項３】
試料分子をイオン化するイオン源と、該イオン源で発生したイオンのうち特定の質量を有するイオンを選択的に通過させる四重極質量フィルタと、該四重極質量フィルタを通過したイオンを検出する検出器と、を具備する四重極型質量分析装置において、
a)前記四重極質量フィルタを構成する各電極に、直流電圧と高周波電圧とを加算した電圧を印加する四重極駆動手段と、
b)前記四重極質量フィルタを通過するイオンの質量が順次変化するように質量走査を行う際に、前記直流電圧及び前記高周波電圧の振幅を質量に応じて順変化させるとともに、その直流電圧のオフセットを走査速度に応じて変えるように、前記四重極駆動手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする四重極型質量分析装置。
【請求項４】
請求項３に記載の四重極型質量分析装置であって、前記制御手段は、相対的に大きな走査速度に対して直流電圧のオフセットを相対的に小さくすることを特徴とする四重極型質量分析装置。
【請求項５】
試料分子をイオン化するイオン源と、該イオン源で発生したイオンのうち特定の質量を有するイオンを選択的に通過させる四重極質量フィルタと、該四重極質量フィルタを通過したイオンを検出する検出器と、を具備する四重極型質量分析装置において、
a)前記四重極質量フィルタを構成する各電極に、直流電圧と高周波電圧とを加算した電圧を印加する四重極駆動手段と、
b)前記四重極質量フィルタを通過するイオンの質量が順次変化するように質量走査を行う際に、前記直流電圧及び前記高周波電圧の振幅を質量に応じて順次変化させるとともに、その直流電圧と高周波電圧の振幅との比も質量に応じて変化させるように、前記四重極駆動手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする四重極型質量分析装置。
【請求項６】
請求項５に記載の四重極型質量分析装置であって、前記制御手段は、相対的に大きな質量に対して直流電圧Ｕと高周波電圧の振幅Ｖとの比Ｕ／Ｖを相対的に小さくすることを特徴とする四重極型質量分析装置。
【請求項７】
試料分子をイオン化するイオン源と、該イオン源で発生したイオンのうち特定の質量を有するイオンを選択的に通過させる四重極質量フィルタと、該四重極質量フィルタを通過したイオンを検出する検出器と、を具備する四重極型質量分析装置において、
a)前記四重極質量フィルタを構成する各電極に、直流電圧と高周波電圧とを加算した電圧を印加する四重極駆動手段と、
b)前記四重極質量フィルタを通過するイオンの質量が順次変化するように質量走査を行う際に、前記直流電圧及び前記高周波電圧の振幅を質量に応じて順変化させるとともに、その直流電圧のオフセットも質量に応じて変化させるように、前記四重極駆動手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする四重極型質量分析装置。
【請求項８】
請求項７に記載の四重極型質量分析装置であって、前記制御手段は、相対的に大きな質量に対して直流電圧のオフセットを相対的に小さくすることを特徴とする四重極型質量分析装置。
【請求項９】
請求項１〜４のいずれか記載の四重極型質量分析装置であって、前記四重極質量フィルタに導入されるイオンの運動エネルギを決める加速電圧を、走査速度に応じて変化させることを特徴とする四重極型質量分析装置。
【請求項１０】
請求項５〜８のいずれかに記載の四重極型質量分析装置であって、前記四重極質量フィルタに導入されるイオンの運動エネルギを決める加速電圧を、質量走査の際のイオンの質量の変化に応じて変化させることを特徴とする四重極型質量分析装置。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載の四重極型質量分析装置であって、前記イオン源と前記四重極質量フィルタとの間に、イオンを輸送するためのイオン輸送光学系を備え、前記加速電圧は前記イオン輸送光学系と前記四重極質量フィルタとの間の直流的な電位差であることを特徴とする四重極型質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオンを質量（厳密にはm/z）に応じて分離する質量分析器として四重極質量フィルタを用いた四重極型質量分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
質量分析装置の１つとして、イオンを質量に応じて分離する質量分析器に四重極質量フィルタを用いた四重極型質量分析装置が知られている。図６は一般的な四重極型質量分析装置のイオン光学系を中心とする概略構成図である。【０００３】
イオン源１において試料分子はイオン化され、発生したイオンはイオンレンズ等のイオン輸送光学系２により収束され（場合によっては加速もされ）、四重極質量フィルタ３の長軸方向の空間に導入される。四重極質量フィルタ３は、イオン光軸Ｃの周りに平行に配置された４本（図６では２本のみが描かれている）のロッド電極から成る。各ロッド電極には、それぞれ直流電圧±Ｕと高周波電圧±Ｖ・cosωｔとが加算された電圧が印加され、その印加電圧に応じて特定の質量を有するイオンのみが長軸方向の空間を選択的に通り抜け、それ以外のイオンは途中で発散する。検出器４は四重極質量フィルタ３を通り抜けてきたイオンの量に応じた電気信号を出力する。【０００４】
前述のように、四重極質量フィルタ３を通過するイオンの質量はロッド電極への印加電圧に応じて変化するから、この印加電圧を走査することにより、検出器４に到達するイオンの質量を所定質量範囲に亘って走査することができる。これが、四重極型質量分析装置におけるスキャン測定である。例えば、ガスクロマトグラフ質量分析装置（ＧＣ／ＭＳ）や液体クロマトグラフ質量分析装置（ＬＣ／ＭＳ）などのように、質量分析装置に導入される試料成分が時間経過に伴って変化する場合には、上記スキャン測定を繰り返すことにより、順次出現する各種成分をほぼ連続的に検出することができる。図７は、スキャン測定を繰り返す際に、検出器４に到達するイオンの質量変化を概略的に示す図である。【０００５】
こうしたスキャン測定においては、走査速度、つまり単位時間当たりの質量の変化量を大きくするほど、１回の質量走査に要する時間が短くなる。これは、繰り返しスキャン測定においては、或る所定時間内で実行されるスキャン測定の回数を増やせることを意味する。したがって、ＧＣ／ＭＳやＬＣ／ＭＳでは、走査速度を大きくするほど時間分解能が向上し、短時間だけ現れる成分の検出見逃しを回避することができる。また、近年、分析のスループットを向上させるために、例えばＬＣにおける成分分離の高速化が図られているが、そうした際には質量分析の時間分解能を向上させることが重要である。そのため、走査速度を大きくする必要性が一層増大している。【０００６】
しかしながら、走査速度を上げると次のような問題がある。いま、四重極質量フィルタ３の長軸方向の空間を或るイオンが通り抜けるための所要時間がｔであるとする。この所要時間ｔはイオンが四重極質量フィルタ３の入口に到達した時点で各イオンが持つ運動エネルギに依存する。図８は時間と四重極質量フィルタ３への印加電圧との関係を示す図である。スキャン測定時には四重極質量フィルタ３への印加電圧は連続的に変化するように走査されるため、図８に示すように、或るイオンが長軸方向の空間を通り抜ける期間中にも印加電圧は変化する。走査速度が大きいほど、時間ｔ内における印加電圧の変化量ΔＶは大きくなる。【０００７】
上記のような印加電圧の変化は、或るイオンが四重極質量フィルタ３を通り抜ける間に、その通過条件（通過可能なイオンの質量）が変化することを意味する。走査速度が十分に遅く、電圧変化量ΔＶが無視できる程度に小さい場合には、実質的に上記問題は発現しない。ところが、走査速度を大きくすることで、電圧変化量ΔＶが無視できない程度に大きくなると、目的とするイオンの一部が四重極質量フィルタ３を通り抜けられなくなるおそれがある。そうなると、検出器４に到達するイオン量が少なくなり、検出感度が低下してしまう。【０００８】
図９は、従来の四重極型質量分析装置で採取されたマススペクトルを示す図である。上段は走査速度が１２５[Da/sec]、下段は走査速度が７５００[Da/sec]であり、上下段とも左端から順にm/z１６８．１０、２５６．１５、３４４．２０、５２０．３５、７４０．４５、８７２．５５、１０４８．６５，１２６８．７５の各質量におけるピークである。走査速度が大きいほうがピーク幅が狭く質量分解能が高いことが分かる。一方で、走査速度が大きいほうがピーク高さは低く、検出感度が低いことが分かる。この現象は特に質量が高いほど顕著である。【０００９】
上記問題に対し、特許文献１に記載の質量分析装置では、イオン選別用の印加電圧とは別に四重極質量フィルタ３の各ロッド電極に印加されるバイアス電圧を変化させることで、四重極質量フィルタ３をイオンが通過する際の走査電圧の変化の影響を軽減するようにしている。上記バイアス電圧を変えると、四重極質量フィルタ３に導入されるイオンが持つ運動エネルギが変化する。そこで、走査速度が大きい場合には、四重極質量フィルタ３に導入されるイオンが持つ運動エネルギが大きくなるようにバイアス電圧を変化させる。これにより、走査速度が大きい場合には、イオンの通過時間ｔが相対的に短くなり、電圧変化量ΔＶが相対的に小さくなるため、検出感度の低下を回避できる。【００１０】
【特許文献１】特開２００２−２５４９８号公報
【特許文献２】特開平８−１０２２８３号公報
【特許文献３】特開２００５−２５９６１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１に記載の従来の手法は有効な方法であるものの、最近、これまで以上に走査速度を上げることが要求されるようになってきており、上記手法だけでは十分に対応できないことがある。本発明はこうした課題に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、走査速度を大きくした場合でも検出感度が低下することを防止し、高い分析感度、分析精度を達成することができる四重極型質量分析装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
四重極型質量分析装置において質量走査（スキャン測定）を行う場合、従来一般的に、四重極質量フィルタを構成する各電極に印加する直流電圧Ｕと高周波電圧Ｖ・cosωｔの振幅Ｖ（以下、「電圧Ｖ」又は「高周波電圧Ｖ」と称す）との電圧比Ｕ／Ｖを一定に保ちつつ電圧Ｕ、Ｖをそれぞれ変化させるようにしており、その電圧比は走査速度に拘わらず決まった値とされていた。四重極電場におけるイオンの挙動を説明するためによく利用される、マチウ（Mathieu：マシューと呼ばれることもある）方程式の解の安定条件に基づく安定領域図で説明する（特許文献２、３参照）。四重極電場においてイオンが安定的に存在し得る（つまり発散しない）安定領域は、図２（ａ）に示すように、略三角形状となる。質量走査の際に質量がＭ１、Ｍ２、Ｍ３と変化するに伴い安定領域は図２（ａ）に示すように移動する。したがって、電圧Ｕ、Ｖを図中の線Ｌで示すように変化させることで、四重極質量フィルタを通過するイオンの質量が走査される。電圧比Ｕ／Ｖが一定に維持されるため、線Ｌは直線になる。また、走査速度に依らず電圧比Ｕ／Ｖの値、つまり線Ｌの傾きや位置は一定であった。【００１３】
電圧Ｕ、Ｖの組み合わせが安定領域内にあるときにイオンは四重極場を安定に通過する。また、質量走査の際に、或る質量を有するイオンの通過量は、その質量に対応した安定領域内で線Ｌから上の範囲（図２（ａ）中で斜線で示す範囲）の面積に相当する。したがって、イオンの通過量を増加させて検出感度を上げるには、図２（ａ）中の斜線で示す面積が大きくなるようにすればよい。そこで、本発明に係る四重極型質量分析装置では、質量走査を行う際の、安定領域図上での線Ｌの傾きを走査速度によって変えることにより、又は線Ｌの上下方向の位置を走査速度によって変えることにより、特に相対的に高い質量において安定領域を横切る線Ｌの長さを長くして上記面積を拡げるようにしている。前者、つまり線Ｌの傾きを変えることは、直流電圧Ｕと高周波電圧Ｖとの電圧比Ｕ／Ｖを変えることで実現される。後者、つまり線Ｌの上下方向の位置を変えることは、直流電圧Ｕ（又は高周波電圧の振幅Ｖ）のオフセット量を変えることで実現される。【００１４】
即ち、上記課題を解決するために成された第１発明は、試料分子をイオン化するイオン源と、該イオン源で発生したイオンのうち特定の質量を有するイオンを選択的に通過させる四重極質量フィルタと、該四重極質量フィルタを通過したイオンを検出する検出器と、を具備する四重極型質量分析装置において、
a)前記四重極質量フィルタを構成する各電極に、直流電圧と高周波電圧とを加算した電圧を印加する四重極駆動手段と、
b)前記四重極質量フィルタを通過するイオンの質量が順次変化するように質量走査を行う際に、前記直流電圧及び前記高周波電圧の振幅を質量に応じて順次変化させるとともに、その直流電圧と高周波電圧の振幅との比を走査速度に応じて変えるように、前記四重極駆動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。【００１５】
第１発明に係る四重極型質量分析装置において、制御手段は、相対的に大きな走査速度に対して直流電圧Ｕと高周波電圧Ｖとの電圧比Ｕ／Ｖを相対的に小さくする。これにより、質量走査の際に安定領域図上に描かれる線Ｌは、図２（ｂ）に示したように、その傾きが緩くなる。その結果、質量走査範囲の中で特に高い質量において、安定領域を横切る線Ｌの長さが長くなり、この線Ｌと安定領域の境界線とで囲まれる面積が拡がる。即ち、イオンの通過量が増加する。【００１６】
また上記課題を解決するために成された第２発明は、試料分子をイオン化するイオン源と、該イオン源で発生したイオンのうち特定の質量を有するイオンを選択的に通過させる四重極質量フィルタと、該四重極質量フィルタを通過したイオンを検出する検出器と、を具備する四重極型質量分析装置において、
a)前記四重極質量フィルタを構成する各電極に、直流電圧と高周波電圧とを加算した電圧を印加する四重極駆動手段と、
b)前記四重極質量フィルタを通過するイオンの質量が順次変化するように質量走査を行う際に、前記直流電圧及び前記高周波電圧の振幅を質量に応じて順変化させるとともに、その直流電圧のオフセットを走査速度に応じて変えるように、前記四重極駆動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。【００１７】
第２発明に係る四重極型質量分析装置において、制御手段は、相対的に大きな走査速度に対して直流電圧Ｕのオフセットを相対的に小さくする。これにより、質量走査の際に安定領域図上に描かれる線Ｌは、図２（ｃ）に示したように、その傾き全体が下方向に平行移動する。その結果、質量走査範囲全体に亘り、安定領域を横切る線Ｌの長さが長くなり、この線Ｌと安定領域の境界線とで囲まれる面積が拡がる。即ち、イオンの通過量が増加する。【００１８】
なお、第１発明に特徴的な制御と第２発明に特徴的な制御とは、いずれか一方のみを実施するようにしてもよいが、両方を併用することもできる。【００１９】
上記第１発明及び第２発明では、所定質量範囲に亘る質量走査を実行している期間中、直流電圧Ｕと高周波電圧Ｖとの電圧比は一定であって途中で変化しない。したがって、安定領域図上の線Ｌは直線であり、指定された走査速度に応じてその直線の傾きや位置が変化するだけである。これに対し、相対的に高い質量の領域においてイオン通過量をより増やすようにするために、１回の質量走査の間で、直流電圧と高周波電圧との電圧比又は直流電圧のオフセット量を変化させるようにしてもよい。【００２０】
即ち、上記課題を解決するために成された第３発明は、試料分子をイオン化するイオン源と、該イオン源で発生したイオンのうち特定の質量を有するイオンを選択的に通過させる四重極質量フィルタと、該四重極質量フィルタを通過したイオンを検出する検出器と、を具備する四重極型質量分析装置において、
a)前記四重極質量フィルタを構成する各電極に、直流電圧と高周波電圧とを加算した電圧を印加する四重極駆動手段と、
b)前記四重極質量フィルタを通過するイオンの質量が順次変化するように質量走査を行う際に、前記直流電圧及び前記高周波電圧の振幅を質量に応じて順次変化させるとともに、その直流電圧と高周波電圧の振幅との比も質量に応じて変化させるように、前記四重極駆動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。【００２１】
この第３発明に係る四重極型質量分析装置において、制御手段は、相対的に大きな質量に対して直流電圧Ｕと高周波電圧Ｖとの電圧比Ｕ／Ｖを相対的に小さくする。これにより、質量走査の際に安定領域図上に描かれる線Ｌは直線ではなく、図５に示したように、その傾きが高質量領域において、より緩やかな曲線状となる。その結果、質量走査範囲の中で特に高い質量領域において、安定領域を横切る線Ｌの長さが長くなり、この線Ｌと安定領域の境界線とで囲まれる面積が拡がる。即ち、イオンの通過量が増加する。【００２２】
また上記課題を解決するために成された第４発明は、試料分子をイオン化するイオン源と、該イオン源で発生したイオンのうち特定の質量を有するイオンを選択的に通過させる四重極質量フィルタと、該四重極質量フィルタを通過したイオンを検出する検出器と、を具備する四重極型質量分析装置において、
a)前記四重極質量フィルタを構成する各電極に、直流電圧と高周波電圧とを加算した電圧を印加する四重極駆動手段と、
b)前記四重極質量フィルタを通過するイオンの質量が順次変化するように質量走査を行う際に、前記直流電圧及び前記高周波電圧の振幅を質量に応じて順変化させるとともに、その直流電圧のオフセットを質量に応じて変化させるように、前記四重極駆動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。【００２３】
この第４発明に係る四重極型質量分析装置において、制御手段は、相対的に大きな質量に対して直流電圧のオフセットを相対的に小さくする。これによっても、第３発明と同様に、質量走査の際に安定領域図上に描かれる線Ｌは、図５に示したように、その傾きが高質量範囲において緩やかな曲線状となる。【００２４】
なお、第３発明及び第４発明では、走査速度が小さく、或るイオンが四重極質量フィルタを通過する間の印加電圧の変化量の影響が実質的に問題とならない場合には、１回の質量走査における電圧比Ｕ／Ｖや電圧Ｕのオフセットを一定にしてもよい。【００２５】
第１発明又は第２発明に係る四重極型質量分析装置では、上述のような印加電圧の制御に加えて、さらに、前記四重極質量フィルタに導入されるイオンの運動エネルギを決める加速電圧を、走査速度に応じて変化させる構成としてもよい。【００２６】
同様に、第３発明又は第４発明に係る四重極型質量分析装置では、上述のような印加電圧の制御に加えて、さらに、前記四重極質量フィルタに導入されるイオンの運動エネルギを決める加速電圧を、質量走査の際のイオンの質量の変化に応じて変化させる構成としてもよい。【００２７】
イオン源と四重極質量フィルタとの間に、イオンを輸送するためのイオンレンズなどのイオン輸送光学系を備えた構成では、上記加速電圧はイオン輸送光学系と四重極質量フィルタとの間の直流的な電位差に相当する。即ち、この電位差が大きいほど四重極質量フィルタに導入されるイオンの運動エネルギは大きくなり、四重極質量フィルタを通過する時間が短くなる。したがって、印加電圧の変化の影響が相対的に軽減され、より一層、目的とするイオンが通過し易くなる。
【発明の効果】
【００２８】
第１乃至第４発明に係る四重極型質量分析装置によれば、走査速度を大きくした場合であっても、目的とするイオン、特に高い質量の目的イオンが四重極質量フィルタを通り抜けて検出器まで到達する確率が高くなる。これにより、従来よりも検出感度を向上させることができる。さらにまた、直流電圧Ｕと高周波電圧Ｖとの電圧比Ｕ／Ｖや直流電圧Ｕのオフセットを適宜に調整することにより、走査速度に依らず、又は質量走査時の質量に依らず、検出感度を略一定に保つこともできる。これにより、分析の定量性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施例である四重極型質量分析装置の要部の構成図。
【図２】質量走査の際の印加電圧の変化の態様を説明するための安定領域図。
【図３】質量走査時の電圧制御動作を説明するための図。
【図４】四重極質量フィルタのイオン通過効率を比較するための実測結果を示す図。
【図５】本発明の別の実施例における質量走査の際の印加電圧の変化の態様を説明するための安定領域図。
【図６】一般的な四重極型質量分析装置のイオン光学系を中心とする概略構成図。
【図７】繰り返しスキャン測定において検出器に到達するイオンの質量変化を概略的に示す図。
【図８】時間と四重極質量フィルタへの印加電圧との関係を示す図。
【図９】従来の四重極型質量分析装置で採取されたマススペクトルを示す図。
【符号の説明】
【００３０】
１…イオン源
２…イオン輸送光学系
３…四重極質量フィルタ
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ…ロッド電極
４…検出器
Ｃ…イオン光軸
１０…制御部
１１…入力部
１２…電圧制御データ記憶部
１３…イオン選択用電圧発生部
１５…高周波（ＲＦ）電圧発生部
１６…直流（ＤＣ）電圧発生部
１７…高周波／直流（ＲＦ／ＤＣ）加算部
１８…バイアス電圧発生部
１９、２０…バイアス加算部
２１…イオン光学系電圧発生部
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明の一実施例である四重極型質量分析装置について、添付図面を参照して説明する。図１は本実施例による四重極型質量分析装置の要部の構成図である。既に説明した図６と同じ構成要素には同じ符号を付している。この実施例による四重極型質量分析装置は、気体状の試料をイオン源１に導入するものであり、質量分析装置の前段にガスクロマトグラフを接続することができる。液体状の試料を分析する構成とする場合には、イオン源１としてエレクトロスプレイイオン源などの大気圧イオン源を用い、このイオン源１を略大気圧雰囲気とし、四重極質量フィルタ３や検出器４を高真空雰囲気中に配置するために多段差動排気系の構成とすればよい。その場合には、質量分析装置の前段に液体クロマトグラフを接続することができる。【００３２】
本実施例の四重極型質量分析装置において、図示しない真空室の内部には、既に述べたように、イオン源１、イオン輸送光学系２、四重極質量フィルタ３、及び検出器４が配設されている。四重極質量フィルタ３は、イオン光軸Ｃを中心とする所定半径の円筒に内接するように配置された４本のロッド電極３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを備える。この４本のロッド電極３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄのうち、イオン光軸Ｃを挟んで対向する２本のロッド電極、つまりロッド電極３ａと３ｃ、ロッド電極３ｂと３ｄがそれぞれ接続されている。この４本のロッド電極３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄに電圧を印加する手段としての四重極駆動手段が、イオン選択用電圧発生部１３、バイアス電圧発生部１８、バイアス加算部１９、２０である。イオン選択用電圧発生部１３は、直流（ＤＣ）電圧発生部１６、高周波（ＲＦ）電圧発生部１５、高周波／直流（ＲＦ／ＤＣ）加算部１７を含む。【００３３】
イオン光学系電圧発生部２１は、四重極質量フィルタ３の前段のイオン輸送光学系２に直流電圧Ｖdc1を印加する。制御部１０は、イオン光学系電圧発生部２１、イオン選択用電圧発生部１３、バイアス電圧発生部１８などの動作を制御するものであり、この制御を行うために電圧制御データ記憶部１２が接続されている。また、制御部１０にはオペレータが操作する入力部１１も接続されている。なお、制御部１０は、ＣＰＵ、メモリなどを含んで構成されるコンピュータを中心にその機能が実現される。【００３４】
イオン選択用電圧発生部１３にあって、直流電圧発生部１６は、制御部１０による制御の下に、互いに極性の異なる±Ｕなる直流電圧を発生する。高周波電圧発生部１５は、同様に制御部１０の制御の下に、互いに位相が１８０°異なる±Ｖ・cosωｔなる高周波電圧を発生する。高周波／直流加算部１７は直流電圧±Ｕと高周波電圧±Ｖ・cosωｔとを加算し、Ｕ＋Ｖ・cosωｔ、及び、−（Ｕ＋Ｖ・cosωｔ）なる２系統の電圧を発生する。これが、通過するイオンの質量（厳密にはm/z）を左右するイオン選択用電圧である。【００３５】
バイアス電圧発生部１８は、四重極質量フィルタ３の長軸方向の空間に効率良くイオンが導入されるような直流電場を、四重極質量フィルタ３の手前に形成するために、イオン輸送光学系２に印加される直流電圧Ｖdc1との間の電圧差が適切になるように各ロッド電極３ａ〜３ｄに印加すべき共通の直流バイアス電圧Ｖdc2を生成する。バイアス加算部１９はイオン選択用電圧Ｕ＋Ｖ・cosωｔと直流バイアス電圧Ｖdc2とを加算してＶdc2＋Ｕ＋Ｖ・cosωｔなる電圧をロッド電極３ａ、３ｃに印加し、バイアス加算部２０はイオン選択用電圧−（Ｕ＋Ｖ・cosωｔ）と直流バイアス電圧Ｖdc2とを加算し、Ｖdc2−（Ｕ＋Ｖ・cosωｔ）なる電圧をロッド電極３ｂ、３ｄに印加する。【００３６】
上記のような電圧が四重極質量フィルタ３の各ロッド電極３ａ〜３ｄに印加されたとき、その長軸空間に存在するイオンの挙動は、前述したように、マチウ方程式の解の安定条件に基づく安定領域図で表すことができる。この安定領域図は、厳密には、次式で求まるｑを横軸に、ａを縦軸にとったものであるが、ｑは高周波電圧の振幅Ｖに比例し、ａは直流電圧Ｕに比例するから、図２では簡略化して横軸をＶ、縦軸をＵで示している。
ｑ＝（４ｅ／ｍｒ2ω2）Ｖ
ａ＝（８ｅ／ｍｒ2ω2）Ｕ
但し、ｍはイオンの質量（ここでは厳密な質量でありm/ｚではない）、ｒは各ロッド電極３ａ〜３ｄの内接円の半径である。【００３７】
この安定領域図において、或る質量を持つイオンが安定的に振動する領域が略三角形状の安定領域であり、この安定領域の外側はイオンが発散してしまう不安定領域である。【００３８】
スキャン測定時には図７に示すように、所定の質量範囲を所定の走査速度で繰り返し走査する。質量範囲や走査速度は分析条件の１つであり、分析に先立ってオペレータにより入力部１１から設定される。走査速度を大きくすれば、所定時間当たりの走査の繰り返し回数が多くなるため、時間分解能は高くなる。それにより、短時間だけイオン源１に導入される成分を見逃すおそれが小さくなる。また、時間分解能を上げることにより、この質量分析装置に前段に接続されるガスクロマトグラフ（又は液体クロマトグラフ）の分離速度を上げて、スループットを向上させることができる。そこで、分析目的や分析対象の試料の種類などによって適切な走査速度を設定することが好ましい。そのために、本実施例の四重極型質量分析装置では、予め用意された複数の走査速度の中から１つを、入力部１１により選択できるようになっている。【００３９】
従来の四重極型質量分析装置では、質量走査時の直流電圧Ｕと高周波電圧の振幅Ｖとの電圧比Ｕ／Ｖが一定に保たれる条件の下で、各質量に対して適切な電圧Ｕ、Ｖの値がそれぞれ予め決められ、この電圧をデジタル化した制御データが電圧制御データ記憶部１２に格納されていた。走査速度によって、単位時間ステップ幅に対する電圧Ｕ、Ｖの変化量は相違するものの、電圧比Ｕ／Ｖは常に同一値であるように、電圧Ｕ、Ｖそれぞれの値が定められていた。これに対し、この実施例の四重極型質量分析装置では、走査速度に応じてそれぞれ異なる電圧比Ｕ／Ｖが予め決められている。そして、或る走査速度でもって質量走査を繰り返すスキャン測定では、その走査速度に対応して定められている電圧比Ｕ／Ｖを維持しつつ、各電圧Ｕ、Ｖがそれぞれ質量に応じて変化する。【００４０】
走査速度と電圧比Ｕ／Ｖとの関係は例えば図３（ａ）に示すように決められる。即ち、走査速度が大きくなるほど電圧比Ｕ／Ｖの値は小さくなるように決められる。安定領域図では、図２（ｂ）に示すように、走査速度が大きくなるほど、質量走査の際の電圧Ｕ、Ｖの変化を示す線Ｌの傾きが緩やかである。安定領域図上の１つの質量に対応した略三角形状の安定領域において、図２（ｂ）中に斜線で示す範囲のイオンが理論的には四重極質量フィルタ３を通過し得る。したがって、上述のように線Ｌの傾きを緩くすることで、高い質量において、四重極質量フィルタ３を通り抜けるイオンの量がより多くなる。それにより、走査速度が大きい場合でも、高い検出感度を確保することができる。【００４１】
具体的には、上述のように、走査速度に対応した電圧比Ｕ／Ｖの値を一定に保つ条件の下での各質量に対する電圧Ｕ及びＶの制御データが、電圧制御データ記憶部１２に格納されている。この制御データは本装置の製造メーカーが工場出荷前の調整段階で調べて記憶部１２に記憶させておくようにすることができる。分析実行時には、制御部１０が入力部１１で設定された走査速度に応じた電圧比Ｕ／Ｖの値を保つ制御データを質量変化に対応して読み出し、高周波電圧発生部１５、直流電圧発生部１６へと送る。高周波電圧発生部１５及び直流電圧発生部１６はそれぞれ制御データをアナログ電圧に変換するＤ／Ａ変換部を備え、それにより±Ｖ・cosωｔ、±Ｕを生成し、四重極質量フィルタ３の各ロッド電極３ａ〜３ｄに印加する電圧を走査する。【００４２】
さらに、本実施例の四重極型質量分析装置では、走査速度が大きい場合においてイオンが四重極質量フィルタ３を通り抜ける間の印加電圧の変化量を小さくするために、走査速度が大きいほどイオンが四重極質量フィルタ３に導入される際の運動エネルギが大きくなるようにしている。イオンが持つこの運動エネルギは、イオン源１、イオン輸送光学系２、四重極質量フィルタ３の直流バイアス電圧の関係で決まる。いま、ここではイオン源１の直流電圧、イオン輸送光学系２へ印加される直流電圧Ｖdc1が一定であるとする。その場合、イオンが持つ運動エネルギは、バイアス電圧発生部１８で発生する直流バイアス電圧Ｖdc2に応じたものとなる。【００４３】
そこで、電圧制御データ記憶部１２に、走査速度が大きいほど、前段のイオン輸送光学系２へ印加される電圧Ｖdc1との電圧差｜Ｖdc2−Ｖdc1｜が大きくなるような制御データを予め設定しておく。分析実行時に、制御部１０は、入力部１１より設定された走査速度に応じた制御データを記憶部１２から読み出し、バイアス電圧発生部１８へ送る。バイアス電圧発生部１８はこの制御データをアナログ電圧値に変換し、バイアス電圧Ｖdc2として出力する。これにより、走査速度が大きいほど、イオンが四重極質量フィルタ３に導入される前にイオンに付与される運動エネルギが大きくなる。四重極質量フィルタ３の入口でイオンが有する運動エネルギが大きいほど飛行速度は大きいから、長軸方向の空間を通り抜けるに要する時間が短くなる。その結果、ロッド電極３ａ〜３ｄへ印加される直流電圧Ｖ、高周波電圧の振幅Ｖの変化量が相対的に縮小し、イオンの通過効率が向上する。【００４４】
上記実施例では、四重極質量フィルタ３のロッド電極３ａ〜３ｄに印加する直流電圧Ｕと高周波電圧Ｖとの電圧比Ｕ／Ｖ、つまり安定領域図上の線Ｌの傾きを走査速度に応じて変え、質量の変化に従って電圧Ｕ、Ｖを変化させるようにしていたが、安定領域図上の線Ｌの傾きを変えずに走査速度に応じて上下方向（直流電圧Ｕの変化方向）に線Ｌを移動させる、つまり線Ｌのオフセットを小さくするようにしてもよい。具体的には、図２（ｃ）に示すように、走査速度が大きいほど、安定領域図上で線Ｌを下方向に移動させればよい。走査速度とオフセットとの関係は、例えば図３（ｂ）に示すように決められる。この場合にも、上記実施例と同様に、走査速度に応じて決められた直流電圧Ｕのオフセットを持つ電圧比Ｕ／Ｖを一定に保つ条件の下での質量に対する電圧Ｕ及びＶの制御データを電圧制御データ記憶部１２に格納しておくことで、四重極質量フィルタ３に印加する電圧を所望の通り制御することができる。【００４５】
また、質量走査の際には、質量が大きくなるほど、イオンが四重極質量フィルタ３を通過する間の印加電圧の変化量の影響が大きくなる（後述する図４（ｂ）参照）。そこで、走査速度に応じて電圧比Ｕ／Ｖの値や直流電圧Ｕのオフセットを変えるのではなく、質量走査の際に質量が大きくなるに従って電圧比Ｕ／Ｖを小さくする又は直流電圧Ｕのオフセットを小さくするようにしてもよい。この場合、安定領域図上での線Ｌは図５に示すように直線ではなく曲線となる。つまり、１回の質量走査の間に電圧比Ｕ／Ｖが一定になるように電圧Ｕ、Ｖをそれぞれ変化させるのではなく、１回の質量走査の間に電圧比Ｕ／Ｖを変化させつつ電圧Ｕ、Ｖをそれぞれ変化させることになる。このように印加電圧を変化させるための制御は、上記実施例と同様に実施できることは明らかである。【００４６】
本発明に係る四重極型質量分析装置における検出感度改善の効果を、実験結果により説明する。図４（ａ）は本発明の四重極型質量分析装置における走査速度とピーク相対強度との関係を示す図、図４（ｂ）は従来の四重極型質量分析装置における走査速度とピーク相対強度との関係を示す図である。図４（ａ）の結果は、電圧比Ｕ／Ｖと直流電圧Ｕのオフセットとの両方を図３に示したように走査速度に応じて変化させた場合のものであり、イオン加速電圧は一定としている。【００４７】
図４（ｂ）より、従来の四重極型質量分析装置では、走査速度が大きくなるに従い、ピーク相対強度、つまり検出感度が大きく低下していることが分かる。また、その低下の度合は質量が大きいほど顕著である。これに対し、本発明の四重極型質量分析装置では、図４（ａ）に示すように、走査速度が大きくなった場合でも、ピーク相対強度の低下の度合は格段に小さくて済み、高い検出感度が達成されることが分かる。これにより、走査速度に依らず検出感度をほぼ一定に維持することができる。【００４８】
なお、上記実施例は本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜に変形、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明らかである。
【図１】
2009141852.tif 000003
【図２】
2009141852.tif 000004
【図３】
2009141852.tif 000005
【図４】
2009141852.tif 000006
【図５】
2009141852.tif 000007
【図６】
2009141852.tif 000008
【図７】
2009141852.tif 000009
【図８】
2009141852.tif 000010
【図９】
2009141852.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成22年7月27日(2010.7.27)
【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】
試料分子をイオン化するイオン源と、該イオン源で発生したイオンのうち特定の質量を有するイオンを選択的に通過させる四重極質量フィルタと、該四重極質量フィルタを通過したイオンを検出する検出器と、を具備する四重極型質量分析装置において、
a)前記四重極質量フィルタを構成する各電極に、直流電圧と高周波電圧とを加算した電圧を印加する四重極駆動手段と、
b)前記四重極質量フィルタを通過するイオンの質量が順次変化するように質量走査を行う際に、前記直流電圧及び前記高周波電圧の振幅を質量に応じて順次変化させるとともに、相対的に大きな走査速度に対して直流電圧Ｕと高周波電圧の振幅Ｖとの比Ｕ／Ｖが相対的に小さくなるように該比Ｕ／Ｖを走査速度に応じて変えるべく、前記四重極駆動手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする四重極型質量分析装置。
【請求項２】
試料分子をイオン化するイオン源と、該イオン源で発生したイオンのうち特定の質量を有するイオンを選択的に通過させる四重極質量フィルタと、該四重極質量フィルタを通過したイオンを検出する検出器と、を具備する四重極型質量分析装置において、
a)前記四重極質量フィルタを構成する各電極に、直流電圧と高周波電圧とを加算した電圧を印加する四重極駆動手段と、
b)前記四重極質量フィルタを通過するイオンの質量が順次変化するように質量走査を行う際に、前記直流電圧及び前記高周波電圧の振幅を質量に応じて順次変化させるとともに、相対的に大きな走査速度に対して直流電圧のオフセットが相対的に小さくなるように該オフセットを走査速度に応じて変えるべく、前記四重極駆動手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする四重極型質量分析装置。
【請求項３】
試料分子をイオン化するイオン源と、該イオン源で発生したイオンのうち特定の質量を有するイオンを選択的に通過させる四重極質量フィルタと、該四重極質量フィルタを通過したイオンを検出する検出器と、を具備する四重極型質量分析装置において、
a)前記四重極質量フィルタを構成する各電極に、直流電圧と高周波電圧とを加算した電圧を印加する四重極駆動手段と、
b)前記四重極質量フィルタを通過するイオンの質量が順次変化するように質量走査を行う際に、前記直流電圧及び前記高周波電圧の振幅を質量に応じて順次変化させると同時に、その直流電圧と高周波電圧の振幅との比を質量に応じて変化させるように、前記四重極駆動手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする四重極型質量分析装置。
【請求項４】
請求項３に記載の四重極型質量分析装置であって、前記制御手段は、相対的に大きな質量に対して直流電圧Ｕと高周波電圧の振幅Ｖとの比Ｕ／Ｖを相対的に小さくすることを特徴とする四重極型質量分析装置。
【請求項５】
試料分子をイオン化するイオン源と、該イオン源で発生したイオンのうち特定の質量を有するイオンを選択的に通過させる四重極質量フィルタと、該四重極質量フィルタを通過したイオンを検出する検出器と、を具備する四重極型質量分析装置において、
a)前記四重極質量フィルタを構成する各電極に、直流電圧と高周波電圧とを加算した電圧を印加する四重極駆動手段と、
b)前記四重極質量フィルタを通過するイオンの質量が順次変化するように質量走査を行う際に、前記直流電圧及び前記高周波電圧の振幅を質量に応じて順次変化させると同時に、その直流電圧のオフセットも質量に応じて変化させるように、前記四重極駆動手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする四重極型質量分析装置。
【請求項６】
請求項５に記載の四重極型質量分析装置であって、前記制御手段は、相対的に大きな質量に対して直流電圧のオフセットを相対的に小さくすることを特徴とする四重極型質量分析装置。
【請求項７】
請求項１又は２に記載の四重極型質量分析装置であって、前記四重極質量フィルタに導入されるイオンの運動エネルギを決める加速電圧を、走査速度に応じて変化させることを特徴とする四重極型質量分析装置。
【請求項８】
請求項３〜６のいずれかに記載の四重極型質量分析装置であって、前記四重極質量フィルタに導入されるイオンの運動エネルギを決める加速電圧を、質量走査の際のイオンの質量の変化に応じて変化させることを特徴とする四重極型質量分析装置。
【請求項９】
請求項７又は８に記載の四重極型質量分析装置であって、前記イオン源と前記四重極質量フィルタとの間に、イオンを輸送するためのイオン輸送光学系を備え、前記加速電圧は前記イオン輸送光学系と前記四重極質量フィルタとの間の直流的な電位差であることを特徴とする四重極型質量分析装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
即ち、上記課題を解決するために成された第１発明は、試料分子をイオン化するイオン源と、該イオン源で発生したイオンのうち特定の質量を有するイオンを選択的に通過させる四重極質量フィルタと、該四重極質量フィルタを通過したイオンを検出する検出器と、を具備する四重極型質量分析装置において、
a)前記四重極質量フィルタを構成する各電極に、直流電圧と高周波電圧とを加算した電圧を印加する四重極駆動手段と、
b)前記四重極質量フィルタを通過するイオンの質量が順次変化するように質量走査を行う際に、前記直流電圧及び前記高周波電圧の振幅を質量に応じて順次変化させるとともに、相対的に大きな走査速度に対して直流電圧Ｕと高周波電圧の振幅Ｖとの比Ｕ／Ｖが相対的に小さくなるように該比Ｕ／Ｖを走査速度に応じて変えるべく、前記四重極駆動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】変更
【補正の内容】
【００１５】
第１発明に係る四重極型質量分析装置において、質量走査の際に安定領域図上に描かれる線Ｌは、図２（ｂ）に示したように、その傾きが緩くなる。その結果、質量走査範囲の中で特に高い質量において、安定領域を横切る線Ｌの長さが長くなり、この線Ｌと安定領域の境界線とで囲まれる面積が拡がる。即ち、イオンの通過量が増加する。
【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】
また上記課題を解決するために成された第２発明は、試料分子をイオン化するイオン源と、該イオン源で発生したイオンのうち特定の質量を有するイオンを選択的に通過させる四重極質量フィルタと、該四重極質量フィルタを通過したイオンを検出する検出器と、を具備する四重極型質量分析装置において、
a)前記四重極質量フィルタを構成する各電極に、直流電圧と高周波電圧とを加算した電圧を印加する四重極駆動手段と、
b)前記四重極質量フィルタを通過するイオンの質量が順次変化するように質量走査を行う際に、前記直流電圧及び前記高周波電圧の振幅を質量に応じて順次変化させるとともに、相対的に大きな走査速度に対して直流電圧のオフセットが相対的に小さくなるように該オフセットを走査速度に応じて変えるべく、前記四重極駆動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】
第２発明に係る四重極型質量分析装置において、質量走査の際に安定領域図上に描かれる線Ｌは、図２（ｃ）に示したように、その傾き全体が下方向に平行移動する。その結果、質量走査範囲全体に亘り、安定領域を横切る線Ｌの長さが長くなり、この線Ｌと安定領域の境界線とで囲まれる面積が拡がる。即ち、イオンの通過量が増加する。
【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】
即ち、上記課題を解決するために成された第３発明は、試料分子をイオン化するイオン源と、該イオン源で発生したイオンのうち特定の質量を有するイオンを選択的に通過させる四重極質量フィルタと、該四重極質量フィルタを通過したイオンを検出する検出器と、を具備する四重極型質量分析装置において、
a)前記四重極質量フィルタを構成する各電極に、直流電圧と高周波電圧とを加算した電圧を印加する四重極駆動手段と、
b)前記四重極質量フィルタを通過するイオンの質量が順次変化するように質量走査を行う際に、前記直流電圧及び前記高周波電圧の振幅を質量に応じて順次変化させると同時に、その直流電圧と高周波電圧の振幅との比も質量に応じて変化させるように、前記四重極駆動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７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
また上記課題を解決するために成された第４発明は、試料分子をイオン化するイオン源と、該イオン源で発生したイオンのうち特定の質量を有するイオンを選択的に通過させる四重極質量フィルタと、該四重極質量フィルタを通過したイオンを検出する検出器と、を具備する四重極型質量分析装置において、
a)前記四重極質量フィルタを構成する各電極に、直流電圧と高周波電圧とを加算した電圧を印加する四重極駆動手段と、
b)前記四重極質量フィルタを通過するイオンの質量が順次変化するように質量走査を行う際に、前記直流電圧及び前記高周波電圧の振幅を質量に応じて順次変化させると同時に、その直流電圧のオフセットを質量に応じて変化させるように、前記四重極駆動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８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
スキャン測定時には図７に示すように、所定の質量範囲を所定の走査速度で繰り返し走査する。質量範囲や走査速度は分析条件の１つであり、分析に先立ってオペレータにより入力部１１から設定される。走査速度を大きくすれば、所定時間当たりの走査の繰り返し回数が多くなるため、時間分解能は高くなる。それにより、短時間だけイオン源１に導入される成分を見逃すおそれが小さくなる。また、時間分解能を上げることにより、この質量分析装置の前段に接続されるガスクロマトグラフ（又は液体クロマトグラフ）の分離速度を上げて、スループットを向上させることができる。そこで、分析目的や分析対象の試料の種類などによって適切な走査速度を設定することが好ましい。そのために、本実施例の四重極型質量分析装置では、予め用意された複数の走査速度の中から１つを、入力部１１により選択できるようになっている。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
そこで、電圧制御データ記憶部１２に、走査速度が大きいほど、前段のイオン輸送光学系２へ印加される電圧Ｖdc1との電圧差｜Ｖdc2−Ｖdc1｜が大きくなるような制御データを予め設定しておく。分析実行時に、制御部１０は、入力部１１より設定された走査速度に応じた制御データを記憶部１２から読み出し、バイアス電圧発生部１８へ送る。バイアス電圧発生部１８はこの制御データをアナログ電圧値に変換し、バイアス電圧Ｖdc2として出力する。これにより、走査速度が大きいほど、イオンが四重極質量フィルタ３に導入される前にイオンに付与される運動エネルギが大きくなる。四重極質量フィルタ３の入口でイオンが有する運動エネルギが大きいほど飛行速度は大きいから、長軸方向の空間を通り抜けるに要する時間が短くなる。その結果、ロッド電極３ａ〜３ｄへ印加される直流電圧Ｕ、高周波電圧の振幅Ｖの変化量が相対的に縮小し、イオンの通過効率が向上する。
【国際調査報告】
2009141852.tif 000012
2009141852.tif 000013
2009141852.tif 000014
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