(57)【要約】【課題】四重極イオントラップ内の電界歪み特性によって生み出される非線形の電界成分を効果的に補正するためのシステム及び方法。【解決手段】イオントラップにおいて非線形の電界成分を減少させ、最小の中心線高周波電位を生み出す幾何学的表面形状によって補正が行われる。イオントラップは、イオントラップの内部の捕捉容積部を長手方向に貫通する中心線と、中心線にほぼ平行である内部Ｙ電極表面を有する１対のＹ電極と、中心線にほぼ平行である内部Ｘ電極表面を有する１対のＸ電極とを含む。Ｘ電極は１又はそれ以上の放出スロットを有し、捕捉されたイオンが該放出スロットを通じて前記イオントラップから放出される。内部Ｙ電極表面は、各々がＹ曲率半径を有し、内部Ｘ電極表面は、各々がＸ曲率半径を有する。Ｘ曲率半径は、Ｙ曲率半径よりも小さくなるように選択される。イオントラップの中心線に平衡な中心線電位が与えられる。【選択図】図９
2009537952.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
四重極イオントラップ内の電界の歪み特性によって生み出される非線形の電界成分を補正するためのシステムであって、該補正は、四重極イオントラップ内で非線形の電界成分を減少させ、最小の中心線高周波電位を生み出す幾何学的表面形状によって行われ、前記システムは、
実質的にＺ軸に平行な中心線を有する捕捉容積部を形成するように配置された複数の電極を含む四重極イオントラップと、
１対のＹ電極と１対のＸ電極とを含む複数の電極と、
Ｙ軸に位置合わせされ、前記Ｚ軸と直交し、Ｙ幾何学的形状を有する内部Ｙ電極表面を有するＹ電極と、
前記Ｚ軸と直交する、前記Ｙ軸から約９０度回転したＸ軸に位置合わせされ、Ｘ幾何学的形状を有する内部Ｘ電極表面を有するＸ電極と、
前記Ｙ軸に沿う前記内部Ｙ電極表面間のＹ電極分離距離、及び該Ｙ電極分離距離とほぼ同じ距離である、前記Ｘ軸に沿う前記内部Ｘ電極表面間のＸ電極分離距離と、
前記イオントラップ内に、より線形でない、或いはよりマイナスの非線形の電界特性をもたらす、前記電極の少なくとも１つにおける１又はそれ以上の電界の歪み特性と、
前記電界の歪み特性がもたらす影響を補正するように選択された前記歪み特性を含む電極の幾何学的表面形状と、
を含み、前記中心線に、平衡な又はゼロに近い中心線高周波電位を生み出す、
ことを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記電界の歪み特性は、イオントラップ内に非線形の電界特性を生み出す１又はそれ以上の放出スロットを含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記１又はそれ以上の放出スロットを含む電極の幾何学的表面形状により、四重極イオントラップ内に存在する四重極の電位成分が最大化されるように補正が行われる、
ことを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記四重極イオントラップ内に存在する非線形の電界成分の合計が最小化される、
ことを特徴とする請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記Ｘ電極及びＹ電極は異なる幾何学的表面形状を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記１対のＸ電極の各々は異なる幾何学的表面形状の電極を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記１対のＹ電極の各々は異なる幾何学的表面形状の電極を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記幾何学的表面形状は曲率半径を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
Ｙ信号及びＸ信号をさらに含み、前記Ｙ信号は、前記Ｙ電極に結合されて前記イオントラップ内にイオンを捕捉すると共にＹ信号振幅を有し、前記Ｘ信号は前記Ｘ電極に結合されて前記イオントラップ内に前記イオンを捕捉すると共に、前記Ｙ信号振幅とほぼ等しいＸ信号振幅を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記中心線における前記平衡な又はゼロに近い中心線高周波電位はほぼゼロボルトに等しい、
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記Ｘ幾何学的形状が前記Ｙ幾何学的形状に一致する場合、前記中心線は非平衡な中心線電位を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記非平衡な中心線電位により、いくつかの高周波振幅における捕捉された注入イオンの質量識別が行われる、
ことを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記Ｘ電極及び前記Ｙ電極は双曲線の外形を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記内部Ｙ電極表面及び前記内部Ｘ電極表面は、各々半円の湾曲した表面又は区分的に線形な表面で代替的に実現される、
ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
四重極イオントラップ内の電界の歪み特性によって生み出される非線形の電界成分を補正する方法であって、該補正は、四重極イオントラップ内で非線形の電界成分を減少させ、最小の中心線高周波電位を生み出す幾何学的表面形状によって行われ、前記方法は、
前記イオントラップ内部の捕捉容積部を長手方向に貫通し、実質的にＺ軸に平行な中心線を定めるステップと、
前記イオントラップを貫く第１の長手方向平面において前記Ｚ軸と直交するＹ軸に位置合わせされると共に、前記中心線にほぼ平行でありかつＹ幾何学的形状を有する内部Ｙ電極表面を含むＹ電極を設けるステップと、
前記イオントラップを貫く第２の長手方向平面において前記Ｚ軸と直交し、前記Ｙ軸から約９０度回転したＸ軸に位置合わせされると共に、前記中心線にほぼ平行でありかつＸ幾何学的形状を有する内部Ｘ電極表面を含むＸ電極を設けるステップと、
前記Ｙ軸に沿う前記内部Ｙ電極表面間のＹ電極分離距離と、前記Ｙ電極分離距離とほぼ同じ距離である、前記Ｘ軸に沿う前記内部Ｘ電極表面間のＸ電極分離距離とを設けるステップと、
前記電極の少なくとも１つの中に電界の歪み特性を挿入し、該電界の歪み特性を含む前記電極の幾何学的形状を、前記電界の歪み特性により生み出される非線形の電界成分を補正するように選択するステップと、
前記中心線に、平衡な又はゼロに近い中心線高周波電位を生み出すステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
四重極イオントラップ内の電界の歪み特性によって生み出される非線形の電界成分を補正するためのシステムであって、該補正は、四重極イオントラップ内で非線形の電界成分を減少させ、最小の中心線高周波電位を生み出す幾何学的表面形状によって行われ、前記システムは、
前記イオントラップ内部の捕捉容積部を貫通する中心線と、
前記中心線にほぼ平行でありかつＹ幾何学的形状を有する内部Ｙ電極表面を含む１対のＹ電極と、
前記中心線にほぼ平行でありかつＸ幾何学的形状を有する内部Ｘ電極表面を含む１対のＸ電極と、
Ｘ電極分離距離とほぼ等しいＹ電極分離距離と、
前記イオントラップ内に、より線形でない、或いはよりマイナスの非線形の電界特性をもたらす、前記Ｘ電極の少なくとも１つにおける１又はそれ以上の電界の歪み特性と、
前記１又はそれ以上の電界の歪み特徴部によって生み出される非線形の電界成分を補正するために、前記Ｙ幾何学的形状とは異なるように選択される前記Ｘ幾何学的形状と、
を含み、前記中心線に、平衡な又はゼロに近い中心線高周波電位を生み出す、
ことを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示する本発明の実施形態は、一般に、イオントラップ装置を実現するための技術に関し、より具体的には、イオントラップ装置において平衡な高周波（ＲＦ）電解を実現するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
分析計測を実行する効果的な方法を開発することは、現代の電子分析機器の設計者及び製造者にとって重要な検討課題である。しかしながら、電子装置を用いて分析手順を効果的に行うことにより、システム設計者に対して多くの課題が生み出される可能性がある。例えば、装置の機能性及び性能の強化に対する要求が増加することにより、より多くのシステム機能が必要となり、追加の資源が必要となる可能性がある。機能性又はその他の要件の増加により、生産コスト及び経営の非効率性が増加した結果、これに対応する不利益な経済的影響がもたらされる可能性もある。
【０００３】
さらに、様々な強化された動作を行うためのシステム能力により、システムユーザに付加的な利益がもたらされる場合もあるが、様々な装置の構成要素の制御及び管理に関するさらなる要求が突きつけられる可能性もある。例えば、いくつかの実施形態では、イオントラップ装置を利用して、イオン化した試験サンプルに対して様々な分析手順を行うことができる。イオントラップの１又はそれ以上の放出スロットを通じ、質量選択方法で、イオントラップ内に捕捉された試験サンプルから得られるイオンを放出又は「スキャンアウト」することができ、この放出されたイオンを検出することにより、注入された試験サンプルに対応するマススペクトルを作り出すことができる。
【０００４】
このような放出スロットの利用により、イオントラップの電磁界特性がいくつかの望ましくない非線形特性を示すようになる場合がある。イオン化した試験サンプルの最適化された分析を行うために、イオントラップは、電界特性ができる限り線形の状態で理想的に作動すべきである。従って、いくつかの実施形態では、イオントラップの物理的特性の選択を、この放出スロットを補うように行うことができ、これによりイオントラップ内により線形の電界特性が得られるようになる。
【０００５】
イオントラップの物理的な容積を変更することにより非線形の電界特性を改善することができるが、これは同時にイオントラップに非平衡な中心線電位をもたらす可能性がある。このような非平衡な中心線電位は、イオントラップの作動中に様々な動作問題を引き起こす可能性がある。例えば、入ってくるイオンが非平衡な中心線電位に影響を受ける場合、イオントラップ内にイオン化した試験サンプルを挿入するイオン注入手順が悪影響を受ける可能性がある。この非平衡な中心線電位により、イオントラップ装置の捕捉効率において、低い注入効率又は深刻なマスバイアスがもたらされる可能性がある。
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６，７９７，９５０号公報
【特許文献２】米国特許第５，４２０，４２５号公報
【非特許文献１】Ｒａｙｍｏｎｄ  Ｅ．Ｍａｒｃｈ及びＪｏｈｎ  Ｆ．Ｊ．Ｔｏｄｄ編集、ＣＲＣシリーズ現代質量分析、「イオントラップ質量分析の基礎」、第１巻、「イオントラップ質量分析の実用面」第４（ＩＶ）章
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
システム資源に対する要求の増大及び分析要件の複雑性が増加することにより、関連する電子技術にとって分析計測を実行するための新しい技術の開発が懸案事項となることは明らかである。従って、全ての前述の理由から、分析計測を実行するための有効な技術の開発は、現代の分析機器の設計者、製造者及びユーザにとって依然として重要な検討課題のままとなっている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、四重極イオントラップにおける電界の歪み特性によって生み出される非線形の電界成分を効果的に補正するためのシステム及び方法が開示され、この補正は、イオントラップにおいて非線形の電界成分を減少させると共に、最小中心線の高周波電位を生み出す幾何学的表面形状により行われる。１つの実施形態では、このイオントラップは、以下に限定されるわけではないが、各々が中心線の周りに配置された１対のＹ電極及び１対のＸ電極と、イオントラップ内の捕捉容積部を長手方向に貫通するＺ軸とを含む。いくつかの実施形態では、これらの電極の少なくとも１つは、注入されたイオンをイオントラップからスキャンするための１又はそれ以上の放出スロットを含む。
【０００９】
中心線を通ってＹ電極間に延びるＹ軸に沿って、Ｙ電極の分離距離を定めることができる。同様に、中心線を通ってＸ電極間に延びるＸ軸に沿って、Ｘ電極の分離距離を定めることができる。本実施形態では、Ｙの分離距離とＸの分離距離とはほぼ同じ長さとなる。いくつかの実施形態では、イオントラップ内に注入されたイオンの捕捉に影響を与えるＹ高周波（ＲＦ）信号がＹ電極に印加される。同様に、イオントラップ内に注入されたイオンの捕捉に影響を与えるＸ高周波（ＲＦ）信号がＸ電極に印加される。しかしながら、これらの電圧及びこれらの効果は必ずしも排他的なものではない。ＹのＲＦ信号とＸのＲＦ信号とは通常同じ周波数であり、互いに位相が１８０度ずれている。さらに本実施形態では、ＹのＲＦ信号とＸのＲＦ信号とは通常ほぼ同じ電圧レベルとなる。
【００１０】
いくつかの実施形態では、放出スロットによって生じる非線形の電界特性を効果的に補正しながら、同時にイオントラップの中心線に平衡電位を与えるために、Ｘ電極の曲率半径がＹ電極の曲率半径に対して小さくなるようにＸ電極の形状を選択する。
【００１１】
いくつかの実施形態では、Ｙ電極及びＸ電極は、各々が中心線に面する双曲線の内部電極表面で実現される。しかしながら、他の任意の効果的な電極の幾何学的表面形状を代替として利用することもできる。本発明によれば、任意の適切な容積又は幾何学的表面形状を選択して、イオントラップの中心線において平衡の又は約ゼロボルトのＲＦ電位を生み出すことができる。電極形成の結果、イオントラップは大幅に改善された線形の電界特性を示し、非線形の電界成分は最小化される一方で、中心線に平衡の又は約ゼロボルトのＲＦ電位を生じるようにもなる。少なくとも前述の理由から、本発明は、イオントラップに平衡なＲＦ電界を効果的に実現するための改善されたシステム及び方法を提供する。
【００１２】
本発明の性質及び目的をより良く理解するために、添付の図面と併せて行う以下の詳細な説明を参照されたい。図面のいくつかの図を通じて、同様の参照番号は対応する部品を意味するものとする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は分析計測技術における改善に関する。当業者が本発明を作り、使用できるように、以下の説明及び説明図を示し、特許出願及びその要件との関連において提供する。当業者であれば、開示する実施形態に対する様々な変形が明らかとなるであろうし、本明細書における一般的な原理を他の実施形態に応用することもできる。従って、本発明は、図示の実施形態に限定されることは意図されておらず、本明細書で説明する原理及び特徴と一致する最も広い範囲を含むことになる。
【００１４】
まず図１を参照すると、本発明の１つの実施形態によるイオントラップ１１２の立面図が示されている。代替の実施形態では、図１〜図１２に示す実施形態と併せて説明する構成要素及び構成のいくつかに加えて、或いはそれらの代わりに、別の構成要素及び構成を使用して図１〜図１２の実施形態を実施することができる。例えば、図１の実施形態は３つに区切ったイオントラップ１１２を示しているが、本発明はこの特定の断面構成に限定されるものではない。また、図１〜図１２は、本発明のいくつかの原理を図示し、説明するために本明細書で提示する図面を示したものであり、従って、図１〜図１２は描く対象を絶対尺度で表した図面であると必ずしも解釈すべきではない。
【００１５】
図１の実施形態では、イオントラップ１１２は、以下に限定されるわけではないが、垂直なＹ軸に沿い向かい合って配列した１対のＹ電極１１６（ａ）及び１１６（ｂ）を含む。また、イオントラップ１１２は、水平なＸ軸に沿い向かい合って配列した１対のＸ電極１２０（ａ）及び１２０（ｂ）も含む。図１の実施形態では、上述の水平なＸ軸は、垂直なＹ軸から約９０度回転している。電極１１６（ａ）、１１６（ｂ）、１２０（ａ）及び１２０（ｂ）の各々は、イオントラップ１１２内の捕捉容積部を通って中心線を形成する長手方向のＺ軸にほぼ平行である。前述のＺ軸は、Ｘ軸及びＹ軸の両方に対してほぼ直角である。
【００１６】
作動中、イオントラップ１１２内に注入されたイオンを収容するために、様々な選択された捕捉電位が、Ｘ電極１２０（ａ）及び１２０（ｂ）、並びにＹ電極１１６（ａ）及び１１６（ｂ）に印加される。図１の実施形態では、上述の捕捉電位は、任意の有効な信号源から生じた適当な高周波（ＲＦ）信号を含むことができる。次に、イオン化した試験サンプルから得られるイオンを、イオントラップ１１２のイオン注入端部を通じて捕捉容積部に注入することができる。次に、イオントラップ１１２内のイオンを、Ｘ電極１２０（ａ）及び１２０（ｂ）の対向する放出スロット１２４を通じて、質量選択方法で半径方向に放出又はスキャンアウトすることができる。
【００１７】
いくつかの実施形態では、イオントラップ１１２は、異なる数の放出スロット１２４（例えば、単一の放出スロット１２４）を有することができる。放出されたイオンを検出することにより、注入された試験サンプルに対応するマススペクトルを生み出すことができるという利点が得られる。イオントラップの様々な実施形態に関するより詳細な説明は、２００４年９月２８日に発行された「質量分析計として作動する二次元四重極イオントラップ」と題する米国特許第６，７９７，９５０号、及び１９９５年５月３０日に発行された「イオントラップ質量分析計システム及び方法」と題する米国特許第５，４２０，４２５号において見い出すことができる。イオントラップ１１２の実施形態及び機能性について、図２〜図１１と併せて以下さらに説明する。
【００１８】
ここで図２を参照すると、図１のイオントラップ１１２の１つの基本的な実施形態の断面図が示されている。図２の実施形態は、Ｚ軸（図１を参照）に沿ってイオントラップ１１２の片側から見た形のイオントラップ１１２の断面を示したものである。図２の実施形態では、イオントラップ１１２は、以下に限定されるわけではないが、Ｙ電極１１６（ａ）、Ｙ電極１１６（ｂ）、Ｘ電極１２０（ａ）及びＸ電極１２０（ｂ）を含み、これらの各々は、Ｚ軸に沿ってイオントラップ１１２の捕捉容積部を長手方向に貫通する中心線２１４の周りに配置される。図２の実施形態では、Ｘ電極１２０（ａ）は、イオントラップ１１２からイオンをスキャンアウトするための放出スロット１２４（ａ）を含み、Ｘ電極１２０（ｂ）も同様に放出スロット１２４（ｂ）を含む。
【００１９】
図２の実施形態では、Ｙ軸は、Ｙ線分２１６（ａ）及びＹ線分２１６（ｂ）から形成されている。Ｙ線分２１６（ａ）は、中心線２１４からＹ電極１１６（ａ）までの距離であり、Ｙ線分２１６（ｂ）は、中心線２１４からＹ電極１１６（ｂ）までの距離である。図２の実施形態では、Ｙ線分２１６（ａ）及び線分２１６（ｂ）はほぼ同じ長さであり、すなわち実質的に同じものである。同様に、Ｘ軸は、Ｘ線分２２０（ａ）及びＸ線分２２０（ｂ）から形成されている。Ｘ線分２２０（ａ）は中心線２１４からＸ電極１２０（ａ）までの距離であり、Ｘ線分２２０（ｂ）は中心線２１４からＸ電極１２０（ｂ）までの距離である。図２の実施形態では、Ｘ線分２２０（ａ）及び線分２２０（ｂ）はほぼ同じ長さであり、すなわち実質的に同じものである。本発明の説明においては、電極の分離距離に関して実質的に同じということは、長さが互いに１〜３％の差異、すなわち、例えば３％より少ない差異、２％より少ない差異、又は１％より少ない差異の範囲内にあるということを意味する。
【００２０】
図２の実施形態では、イオントラップ１１２内に注入されたイオンの捕捉を行うＹ電極１１６（ａ）及び１１６（ｂ）に高周波（ＲＦ）信号Ｙ２１２（ａ）が印加される。同様に、イオントラップ１１２内に注入されたイオンの捕捉を行うＸ電極１２０（ａ）及び１２０（ｂ）に高周波（ＲＦ）信号Ｘ２１２（ｂ）が印加される。図２の実施形態では、ＲＦ信号Ｙ２１２（ａ）及びＲＦ信号Ｘ２１２（ｂ）は、通常ほぼ同じ周波数であり、互いに位相が約１８０度ずれている。図２のイオントラップ１１２の理想的なケースでは、中心線２１４は通常約ゼロボルトの電位を有する。図１のイオントラップ１１２で発生する電磁界に関する１つの問題について、図３と併せて以下さらに説明する。
【００２１】
ここで図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、図１のイオントラップ１１２の線形の電界強度特性及び非線形の電界強度特性を示すグラフが示されている。図３Ａのグラフでは、理想的なイオントラップ内における電界の強さを垂直軸３２０で示す一方、水平軸３１６は理想的なイオントラップ内における位置を示す。図３Ａのグラフは、理想的なイオントラップは、理論的には、イオントラップ捕捉容積部全体を通じて線形の電界強度特性を示すであろうということを示している。しかしながら、（図１のイオントラップ１１２を含む）いくつかのイオントラップは、Ｘ電極１２０（ａ）及び１２０（ｂ）を貫通する放出開口部、すなわちスロット１２４（ａ）及び１２４（ｂ）を有する。これらの放出スロット１２４（ａ）及び１２４（ｂ）によって、例えば、より非線形の電界成分が与えられることにより、及び典型的には四重極の電位成分が減少することにより、イオントラップ１１２内の電磁界特性が変化することになる。
【００２２】
図３Ｂのグラフは、図２のイオントラップ１１２が、放出スロット１２４（ａ）及び１２４（ｂ）を備えた結果として、非線形の電界強度特性、特に負の偏差を示すということを示している。イオン化した試験サンプルの最適化された分析を行うために、イオントラップ１１２は、理想的には線形の、或いはできるだけ負にならない電界特性で作動すべきである。例えば、これらの種類の電界は、不正確な質量数決定をもたらす化学的依存性の質量シフトが観測される原因となる可能性がある。これらの質量シフトは、Ｒａｙｍｏｎｄ  Ｅ．ＭａｒｃｈとＪｏｈｎ  Ｆ．Ｊ．Ｔｏｄｄによって編集されたＣＲＣシリーズ現代質量分析、「イオントラップ質量分析の基礎」、第１巻、「イオントラップ質量分析の実用面」の第４（ＩＶ）章でさらに詳しく説明されており、本文献は参照により本明細書に組み入れられる。図２のイオントラップ１１６の非線形の電界成分を最小化又は補正するための１つの実施形態について、図４と併せて以下さらに説明する。
【００２３】
図２の実施形態の場合とは異なり、図４の実施形態は、補正特性を組み入れたイオントラップ１１２を示しており、すなわち、このイオントラップは、Ｘ線分２２０（ａ）及び２２０（ｂ）の両方をＹ線分２１６（ａ）及び２１６（ｂ）よりも長くすることにより、Ｘ軸方向に「引き伸ばされて」いる。前述のＸ軸方向への引き伸ばし手順は、放出スロット１２４（ａ）及び１２４（ｂ）を補正するための有益な効果を有しており、イオントラップ１１２内により線形の電界特性を与える。
【００２４】
また、図４の実施形態では、ＲＦ信号Ｙ２１２（ａ）及びＲＦ信号Ｘ２１２（ｂ）は、通常時にはほぼ同じ電圧レベルである。例示のために、図４には、ＲＦ信号Ｙ２１２（ａ）を１００ボルトに等しいものとして示し、ＲＦ信号Ｘ２１２（ｂ）をＲＦ信号Ｙ２１２（ａ）に一致するが、位相が１８０度ずれたもの（マイナス１００ボルト）として示している。その他の任意の効果的かつ適当な一致する電圧レベルを利用することもできる。電圧の大きさを等しくした結果、電極の間隔は等しくないものの、この配置により実質的に０に等しくない実質的な中心線電位がもたらされる。図４のイオントラップ１１２の中心線２１４の非平衡な電位に関する１つの問題について、図５と併せて以下さらに説明する。
【００２５】
図５の略図は、Ｚ軸（図１を参照）に沿ってイオントラップ１１２の片側から見た形の図４のイオントラップ１１２の断面を示したものである。図５の実施形態では、イオントラップ１１２は、以下に限定されるわけではないが、Ｙ電極１１６（ａ）、Ｙ電極１１６（ｂ）、Ｘ電極１２０（ａ）及びＸ電極１２０（ｂ）を含み、これらの各々は、Ｚ軸に沿ってイオントラップ１１２の捕捉容積部を長手方向に貫通する中心線２１４の周りに配置される。図５の略図に示すように、イオントラップ１１２は補正特性を含み、このイオントラップは、図２〜図４と併せて上述したように、いくつかの電界の欠点を補正するためにＸ軸方向に「引き伸ばされて」いる。
【００２６】
図５の略図では、Ｘ電極が特定の量だけ間隔をあけて配置された場合に結果として得られる電位に相当する約２４．４ボルトの非平衡かつ非ゼロの電位を有する中心線２１４を示している。当然ながら、代替の実施形態では、イオントラップ１１２の特定の実施形態に従って、様々な他の非平衡な中心線電位を生み出すことができる。図５の実施形態では、Ｘ電極１２０（ａ）及び１２０（ｂ）は、Ｙ電極１１６（ａ）及び１１６（ｂ）よりもさらに中心線２１４から離して配置され、従って、図５のイオントラップ１１２の中心線電位に対する影響は少なくなる。
【００２７】
前述したように、Ｘ軸方向とＹ軸方向における電極配置の違いにより、非線形の電界特性が改善される（通常は最小化される）だけでなく、イオントラップ１１２に非平衡な中心線電位がもたらされる。このような非平衡な中心線電位は、イオントラップ１１２の作動中に様々な動作問題を引き起こす可能性がある。例えば、中心軸に沿ってイオンを注入する段階を含む、イオントラップ１１２内にイオン化した試験サンプルを挿入するイオン注入手順は、入ってくるイオンが非平衡な中心線電位にさらされた場合、中心線２１４に平衡なゼロボルト電位を有する場合に比べて悪影響を受ける可能性がある。これにより、捕捉効率において、低い注入効率又は深刻なマスバイアスがもたらされる可能性がある。また、いくつかの実施形態では、非平衡な中心線電位にさらされた結果、イオントラップ１１２からイオンを放出する際に様々な種類の問題が生じる可能性もある。イオンの放出は、質量分析中、イオン分離中、又は第２の分析機器内への軸方向放出中に発生する。非ゼロの中心線は、軸方向に放出されたイオンの運動エネルギの広がりを引き起こす可能性があり、これが第２の分析機器にとって問題となる場合がある。図５のイオントラップ１１２の非平衡な中心線電位を補正する１つの実施形態について、図６〜図８Ｄと併せて以下さらに説明する。
【００２８】
図６では、実施形態は図４に類似しているが、ＲＦ信号Ｙ２１２（ａ）及びＲＦ信号Ｘ２１２（ｂ）は、電圧レベルが一致しないように明確に選択される。図６の実施形態では、中心線２１４からＸ電極１２０（ａ）及び１２０（ｂ）が配置された長い方の距離を補正し、これにより中心線２１４に平衡な又はゼロに近い電位を与えるために、ＲＦ信号Ｘ２１２（ｂ）の振幅はＲＦ信号Ｙ２１２（ａ）の振幅よりも大きくなるように選択される。例示のために、図６は、ＲＦ信号Ｙ２１２（ａ）を１００ボルトに等しいものとして示し、ＲＦ信号Ｘ２１２（ｂ）をマイナス１４５ボルトに等しいものとして示している。この場合も、この電圧レベルは特定のＸ電極の位置ずれに対応するものであるが、他の任意の効果的かつ適当な一致しない電圧レベルを利用することもできる。例えば、いくつかの実施形態では、ＲＦ信号Ｘ２１２（ｂ）の振幅を、ＲＦ信号Ｙ２１２（ａ）の振幅に対して約４４パーセント増加させることができる。いくつかの実施形態では、（５パーセント、２パーセント又は１パーセントなどの）所定のパーセンテージのＹ信号の振幅よりも小さな中心線高周波電位を生み出すようにＸ信号の振幅を選択することができる。一致しないＲＦ信号を利用してイオントラップ１１２の平衡な中心線２１４の電位を実現させることについて、図８Ａ〜図８Ｄと併せて以下さらに説明する。
【００２９】
ここで図７Ａ、図７Ｂ及び図７Ｃを参照すると、図４のイオントラップ１１２の１つの実施形態の非平衡な中心線電位をさらに示す特定の時間依存した波形が示されている。図７Ａ、図７Ｂ及び図７Ｃのグラフでは、水平軸３２４上に時間を示し、垂直軸３１６上に振幅を示している。図７Ａのグラフでは、例示のために、ＲＦ信号Ｘ２１２（ｂ）はプラスマイナス１００ボルトの間で変化する。同様に、図７Ｂのグラフでは、ＲＦ信号Ｙ２１２（ａ）はプラスマイナス１００ボルトの間で変化するが、ＲＦ信号Ｘ２１２（ｂ）に対して位相が１８０度ずれている。図７Ｃのグラフでは、中心線近くのＸ方向とＹ方向との間の電位が平衡でないため、中心線２１４における電位は著しく非ゼロとなり、プラスマイナス２４．４ボルトの間で変化することが示されている。
【００３０】
これを、図６のイオントラップ１１２の１つの実施形態の平衡な中心線電位を表す波形を示す図８Ａ、図８Ｂ及び図８Ｃのグラフと対比することができる。図８Ａのグラフでは、例示のために、ＲＦ信号Ｘ２１２（ｂ）は、プラスマイナス１４５ボルトの間で変化する。これに対して、図８Ｂのグラフでは、ＲＦ信号Ｙ２１２（ａ）は、プラスマイナス１００ボルトの間で変化するが、ＲＦ信号Ｘ２１２（ｂ）に対して位相が１８０度ずれている。従って、ＲＦ信号Ｘ２１２（ｂ）の振幅は、ＲＦ信号Ｙ２１２（ａ）の振幅とは一致してはいないが、Ｘ電極とＹ電極の間隔が異なるため、中心線近くの電位は逆向きではあるがかなり等しくなる。これらの２つの平衡な電位の結果として、図８Ｃのグラフに示す中心線電位２１４はゼロボルトに近くなる。本発明の１つの態様では、平衡な中心線電位を実現できるだけでなく、適当な補正特性と組み合わせることにより、四重極イオントラップ内に存在する四重極電位の成分が最大化され、通常、（８重極及びそれよりも高次の多重極である）非線形の電界成分が最小化される。
【００３１】
ここで図８Ｄを参照すると、図６のイオントラップ１１２の１つの実施形態の平衡な中心線電位を示す図５と同様の略図が示されている。図６及び図７の場合と同様に、図８Ｄの実施形態では、ＲＦ信号Ｙ２１２（ａ）及びＲＦ信号Ｘ２１２（ｂ）は一致する同じ電圧レベルではない。図８Ｄの実施形態では、ＲＦ信号Ｘ２１２（ｂ）の振幅は、中心線２１４からＸ電極１２０（ａ）及び１２０（ｂ）が配置された長い方の距離を補正するために、ＲＦ信号Ｙ２１２（ａ）の振幅よりも大きくなるように選択される。例示のために、図８Ｄは、ＲＦ信号Ｙ２１２（ａ）を１００ボルトに等しいものとして示し、ＲＦ信号Ｘ２１２（ｂ）をマイナス１４５ボルトに等しいものとして示している。しかしながら、他の任意の効果的かつ適当な一致しない電圧レベルを選択し、利用することもできる。
【００３２】
図８Ｄの略図で示すように、Ｘ軸方向及びＹ軸方向において上述の一致しないＲＦ信号を利用することにより、中心線２１４に約ゼロボルトの平衡な中心線電位がもたらされるという利点が得られる。イオントラップ１１２の非平衡な中心線電位を補正する別の実施形態について、図９〜図１１と併せて以下さらに説明する。
【００３３】
ここで図９を参照すると、図１のイオントラップ１１２の別の実施形態に関する断面図が示されている。図９の実施形態は、Ｚ軸（図１を参照）に沿ってイオントラップ１１２の片側から見た形のイオントラップ１１２の断面を示したものである。図９の実施形態では、イオントラップ１１２は、以下に限定されるわけではないが、Ｙ電極１１６（ａ）、Ｙ電極１１６（ｂ）、Ｘ電極１２０（ａ）及びＸ電極１２０（ｂ）を含み、これらの各々は、Ｚ軸に沿ってイオントラップ１１２の捕捉容積部を長手方向に貫通する中心線２１４の周りに配置されている。図９の実施形態では、Ｘ電極１２０（ａ）は、イオントラップ１１２からイオンをスキャンアウトするための放出スロット１２４（ａ）を含み、Ｘ電極１２０（ｂ）も同様に放出スロット１２４（ｂ）を含む。
【００３４】
図９の実施形態では、Ｙ軸は線分２１６（ａ）及び線分２１６（ｂ）から形成されている。線分２１６（ａ）は中心線２１４からＹ電極１１６（ａ）までの距離であり、線分２１６（ｂ）は中心線２１４からＹ電極１１６（ｂ）までの距離である。図９の実施形態では、線分２１６（ａ）及び線分２１６（ｂ）はほぼ同じ長さである。同様に、Ｘ軸は線分２２０（ａ）及び線分２２０（ｂ）から形成されている。線分２２０（ａ）は中心線２１４からＸ電極１２０（ａ）までの距離であり、線分２２０（ｂ）は中心線２１４からＸ電極１２０（ｂ）までの距離である。図９の実施形態では、線分２２０（ａ）及び線分２２０（ｂ）はほぼ同じ長さである。
【００３５】
図９の実施形態では、イオントラップ１１２内に注入されたイオンを捕捉するために、Ｙ電極１１６（ａ）及び１１６（ｂ）に高周波（ＲＦ）信号Ｙ２１２（ａ）が印加される。同様に、イオントラップ１１２内に注入されたイオンを捕捉するために、Ｘ電極１２０（ａ）及び１２０（ｂ）に高周波（ＲＦ）信号Ｘ２１２（ｂ）が印加される。図９の実施形態では、ＲＦ信号Ｙ２１２（ａ）及びＲＦ信号Ｘ２１２（ｂ）は、通常ほぼ同じ周波数であり、互いに位相が約１８０度ずれている。
【００３６】
また、図９の実施形態では、ＲＦ信号Ｙ２１２（ａ）及びＲＦ信号Ｘ２１２（ｂ）は、通常ほぼ同じ電圧レベルである。例示のために、図９は、ＲＦ信号Ｙ２１２（ａ）を１００ボルトに等しいものとして示し、ＲＦ信号Ｘ２１２（ｂ）をＲＦ信号Ｙ２１２（ａ）に一致するが、位相が１８０度ずれたもの（マイナス１００ボルト）として示している。他の任意の効果的かつ適当な一致する電圧レベルを利用することもできる。また、いくつかの実施形態では、図６と併せて示し、説明したように、図９の実施形態は、ＲＦ信号Ｙ２１２（ａ）及びＲＦ信号Ｘ２１２（ｂ）に一致しない電圧レベルを利用することもできる。
【００３７】
図９の実施形態では、効率的に補正を行うために、すなわち四重極の電位成分を最大化し、及び／又は放出スロット１２４（ａ）及び１２４（ｂ）（図３Ａ及び図３Ｂを参照）によって生み出された非線形の電界成分を最小化するために、両Ｘ電極１２０（ａ）及び１２０（ｂ）の曲率半径を示すＸ電極の内部表面の幾何学的表面形状が、両Ｙ電極１１６（ａ）及び１１６（ｂ）の曲率半径を示すＹ電極の内部表面の幾何学的表面形状よりも小さくなるようにＸ電極１２０（ａ）及び１２０（ｂ）を選択する。例えば、図９の図面では、Ｙ電極１１６（ａ）及び１１６（ｂ）の曲率半径に一致する曲率半径を、Ｘ電極１２０（ａ）及び１２０（ｂ）の上に重ね合わせて破線１２０（ｃ）及び１２０（ｄ）で示している。図９に示すように、Ｘ電極１２０（ａ）及び１２０（ｂ）の寸法全体は、対応する曲率半径１２０（ｃ）及び１２０（ｄ）よりもＹ軸方向に短く、この結果Ｘ電極１２０（ａ）及び１２０（ｂ）の曲率半径はより小さなものとなる。
【００３８】
いくつかの実施形態では、各々が中心線２１４に面した双曲線の電極表面でＹ電極１１６（ａ）、Ｙ電極１１６（ｂ）、Ｘ電極１２０（ａ）及びＸ電極１２０（ｂ）が実現される。しかしながら、他の任意の効果的な電極表面形状を代替として利用することもできる。例えば、より複雑に湾曲した、区分的に線形な、或いは非曲線形状を利用することができる。表面形状には、（Ｖ形形状、断面形状、部分的円形状などの）１又はそれ以上の切り目、溝、凹部、突起、堀、又は同様に本発明の範囲内にあるようなその他の構成が含まれる。これらの表面形状は、通常、電極の全長に沿ってＺ軸方向に均一に伸びる。いくつかの単純な実施形態では、対応するＸ電極１２０（ａ）及び１２０（ｂ）の有効半径を小さくすることにより、イオントラップ１１２の電極表面を、前述の一致しない電極形成手順を施した半円の形で実現することができる。
【００３９】
いくつかの実施形態では、Ｙ電極１１６（ａ）及びＹ電極１１６（ｂ）の半径は約４ミリメートルであり、一方Ｘ電極１２０（ａ）及びＸ電極１２０（ｂ）の半径は約３．３５ミリメートルまで小さくなっている。別の実施形態では、他の任意の適当な寸法を選択して、中心線２１４に平衡なゼロボルト電位を生み出すことができる。また、いくつかの実施形態では、Ｘ電極１２０（ａ）及びＸ電極１２０（ｂ）の半径を小さくする代わりに、Ｙ電極１１６（ａ）及びＹ電極１１６（ｂ）の半径を大きくして同様の結果を得ることができる。電極を不一致なものにした結果、図９のイオントラップ１１２は、著しく改善された線形の電界特性を示すようになる。双曲線の電極表面に一致しない電極形成手順を施すための１つの技術について、図１０と併せて以下さらに説明する。
【００４０】
ここで図１０を参照すると、本発明による双曲線の曲率半径を定めるための技術を示す略図が示されている。
【００４１】
図１０の略図では、垂直なＹ軸１０２０と水平なＸ軸１０１６との交点に位置する（ｘｃ，ｙｃ）１０３２に面するＸ電極１２０（ａ）及び１２０（ｂ）の双曲線の電極表面を示している。第１の対角線軸１０２４と第２の対角線軸１０２８とは、オフセット１０３２で交差する。対角線軸１０２４及び対角線軸１０２８はまた、多角形１０４４の４つの頂点の位置も決定する。図１０の実施形態によれば、水平軸１０１６に沿ったＹ軸１０２０からＸ電極１２０（ｂ）までの距離としてｘ半径（ｒｘ）値１０３６を示している。また、水平軸から多角形１０４４のＹ頂点１０４８までの距離としてｙ半径値（ｒｙ）１０４０を示している。
【００４２】
同様の電極形成手順を利用することにより、イオントラップ１１２のその他の双曲線の電極表面の形状を定めることができる。例えば、約０．２５ミリメートルの高さに放出スロット１２４（ａ）及び１２４（ｂ）（図２）を有するいくつかの実施形態では、ほぼゼロに等しい変数ｘｃ及びｙｃと、ほぼ４ミリメートルに等しい変数ｒｘ及びｒｙとを用いて、Ｙ電極１１６（ａ）及び１１６（ｂ）を定めることができる。上述の実施例では、０．８ミリメートルにほぼ等しい変数ｘｃと、ほぼゼロに等しい変数ｙｃと、ほぼ３．２ミリメートルに等しい変数ｒｘ及びｒｙとを用いて、Ｘ電極１２０（ａ）及び１２０（ｂ）を定めることができる。上述の電極形成手順の１つの効果について、図１１と併せて以下さらに説明する。
【００４３】
ここで図１１を参照すると、図９のイオントラップ１１２の１つの実施形態の平衡な中心線電位を示す略図が示されている。図１１の略図は、Ｚ軸（図１を参照）に沿ってイオントラップ１１２の片側から見た形の図９のイオントラップ１１２の断面を示している。図１１の実施形態では、ＲＦ信号Ｙ２１２（ａ）及びＲＦ信号Ｘ２１２（ｂ）は、通常ほぼ同じ周波数であり、互いに位相が約１８０度ずれている。例示のために、図１１は、ＲＦ信号Ｙ２１２（ａ）を１００ボルトに等しいものとして示し、ＲＦ信号Ｘ２１２（ｂ）をマイナス１００ボルトに等しいものとして示している。しかしながら、他の任意の効果的かつ適当な電圧レベルを選択し、利用することもできる。図９の実施形態と併せて上述したように、Ｘ電極１２０（ａ）及び１２０（ｂ）の形状は、Ｙ電極１１６（ａ）及び１１６（ｂ）の曲率半径に対してＸ電極１２０（ａ）及び１２０（ｂ）の曲率半径が小さくなるように選択されている。このようにして、図１１の実施形態は、イオントラップ１１２に優れた比較的線形の電界特性を与える。従って、上述の全ての理由から、本発明は、イオントラップ１１２に平衡なＲＦ電界を効果的に実現するための改善されたシステム及び方法を提供することになる。
【００４４】
以上、いくつかの実施形態に関して本発明について説明してきた。当業者であれば、本開示に照らして他の実施形態が明らかとなるであろう。例えば、上記実施形態において説明した構成及び技術のうちのいくつかとは別の構成及び技術を使用して本発明を実施することができる。さらに、上記説明したシステム以外のシステムと組み合わせて、本発明を効果的に使用することができる。従って、説明した実施形態に関するこれらの及びその他の変更も本発明によって保護されることが意図されており、本発明は添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の１つの実施形態によるイオントラップの立面図である。
【図２】図１のイオントラップの１つの基本的な実施形態に関する断面図である。
【図３Ａ】イオントラップの線形電界の強度特性を示すグラフである。
【図３Ｂ】イオントラップの非線形電界の強度特性を示すグラフである。
【図４】図１のイオントラップの１つの実施形態に関する断面図である。
【図５】図４のイオントラップの１つの実施形態の非平衡な中心線電位を示す略図である。
【図６】本発明による図１のイオントラップの１つの実施形態に関する断面図である。
【図７Ａ】図４のイオントラップの１つの実施形態の非平衡な中心線電位を示す波形である。
【図７Ｂ】図４のイオントラップの１つの実施形態の非平衡な中心線電位を示す波形である。
【図７Ｃ】図４のイオントラップの１つの実施形態の非平衡な中心線電位を示す波形である。
【図８Ａ】図６のイオントラップの１つの実施形態の平衡な中心線電位を示す略図である。
【図８Ｂ】図６のイオントラップの１つの実施形態の平衡な中心線電位を示す略図である。
【図８Ｃ】図６のイオントラップの１つの実施形態の平衡な中心線電位を示す略図である。
【図８Ｄ】図６のイオントラップの１つの実施形態の平衡な中心線電位を示す略図である。
【図９】本発明による図１のイオントラップの１つの実施形態に関する断面図である。
【図１０】本発明による双曲線の曲率半径を形成するための技術を示す略図である。
【図１１】本発明の１つの実施形態による、図９のイオントラップの平衡な中心線電位を示す略図である。
【符号の説明】
【００４６】
１１６（ａ）  Ｙ電極
１１６（ｂ）  Ｙ電極
１２０（ａ）  Ｘ電極
１２０（ｂ）  Ｘ電極
２１２（ａ）  高周波（ＲＦ）信号Ｙ
２１２（ｂ）  高周波（ＲＦ）信号Ｘ
２１４  中心線
２１６（ａ）  線分
２１６（ｂ）  線分
２２０（ａ）  線分
２２０（ｂ）  線分
【図１】
2009537952.tif 000003
【図２】
2009537952.tif 000004
【図３Ａ】
2009537952.tif 000005
【図３Ｂ】
2009537952.tif 000006
【図４】
2009537952.tif 000007
【図５】
2009537952.tif 000008
【図６】
2009537952.tif 000009
【図７Ａ】
2009537952.tif 000010
【図７Ｂ】
2009537952.tif 000011
【図７Ｃ】
2009537952.tif 000012
【図８Ａ】
2009537952.tif 000013
【図８Ｂ】
2009537952.tif 000014
【図８Ｃ】
2009537952.tif 000015
【図８Ｄ】
2009537952.tif 000016
【図９】
2009537952.tif 000017
【図１０】
2009537952.tif 000018
【図１１】
2009537952.tif 000019
【国際調査報告】
2009537952.tif 000020
2009537952.tif 000021