(57)【要約】【課題】イオン供給源１０、一次飛行時間型手段２０、８０、フラグメントイオンを生成するための衝突セル４０及び二次飛行時間型分析計５０を包含する。タンデム質量分析装置の提供。【解決手段】二次飛行時間型分析計は、装置の光軸に沿って又はそれに対してある角度で二次場を生じるよう配列されるイオン鏡５１、５２を包含する。一次飛行時間型分析計は、トロイド状又は円筒状静電分析計７０の逐次Ｓ形立体配置を包含し、２つの静電レンズ８０及び９６をイオン鏡のどちらかの側に包含し、又は静電レンズ８０を包含し得る。時間的収束と共在する空間的収束は、高分解能を生じるために二次場鏡にとっては不可欠な要件である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン供給源、時間的収束とともに空間的収集を提供する特性を有する一次飛行時間型手段、上記一次飛行時間型手段からイオンを解離してフラグメントイオンを生成するための手段、及び二次飛行時間型手段を順次配列して含むタンデム質量分析装置であって、上記二次飛行時間型手段が、当該装置の光軸に沿って、反射し実質的二次的場を生じるよう配列されるイオン鏡を含み、上記一次飛行時間型手段が、前記イオン鏡の入口又は入口近くにイオンの、時間的収束とともに空間的収束を提供するための静電場手段を含み、そして上記二次飛行時間型手段の時間収束平面内に検出器が配置され、当該時間収束平面が当該装置の光軸に対して垂直である、前記装置。
【請求項２】
前記イオン鏡が、前記装置の光軸に沿って放物線場を生じるよう配列される、請求項１記載のタンデム質量分析装置。
【請求項３】
前記イオン供給源が、イオンのパルス化ビームを発射するよう配列される、請求項１又は２記載のタンデム質量分析装置。
【請求項４】
前記装置が、イオンをイオンのパルスに圧縮又は集束するための手段を含む、請求項１、２又は３記載のタンデム質量分析装置。
【請求項５】
前記イオン供給源及び／又は前記一次飛行時間型手段が、イオンをイオンのパルスに圧縮又は集束するための手段を含む、請求項４記載のタンデム質量分析装置。
【請求項６】
前記イオンをイオンのパルスに圧縮又は集束するための手段が、前記一次飛行時間型手段により選択されたイオンのパルスが集束器区域に入るところの入口、並びに前記パルスが集束器区域を出るところの出口を有する集束器区域を定め、前記集束器区域に入った時に静電加速又は減速力をパルス中のイオンに適用し、それにより前記集束器区域の出口からのそれらの分離に比例してより高又は低エネルギーに当該イオンを加速又は減速するよう操作されうる静電手段を含む、請求項４又は５記載のタンデム質量分析装置。
【請求項７】
前記イオンをイオンのパルスに圧縮又は集束するための手段の静電手段が、前記集束器区域への入口又はそこからの出口に、対応の電極プレートを含む、請求項６記載のタンデム質量分析装置。
【請求項８】
前記一次飛行時間型手段が、前記装置の光軸に対して垂直な拡散、前記装置の光軸に沿った拡散、パケット内のイオンのエネルギーの拡散、及び時間的収束に関して、等圧イオンパケットの収束を提供するよう配列される、請求項１〜７のいずれか１項に記載のタンデム質量分析装置。
【請求項９】
前記一次飛行時間型手段が、複数のトロイド状又は円筒状静電装置の逐次Ｓ形立体配置を含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載のタンデム質量分析装置。
【請求項１０】
前記一次飛行時間型手段が、２、３又は４つの前記静電装置を含む、請求項９記載のタンデム質量分析装置。
【請求項１１】
前記一次飛行時間型手段が、静電レンズを含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載のタンデム質量分析装置。
【請求項１２】
前記イオン源が、イオンを前記静電レンズ内に加速するための静電手段を含む、請求項１１記載のタンデム質量分析装置。
【請求項１３】
前記静電レンズが、地面に対して上昇したポテンシャルで軸対称体を含む、請求項１１又は１２記載のタンデム質量分析装置。
【請求項１４】
前記一次飛行時間型手段が、前記静電レンズの後に一次飛行時間型イオン鏡をさらに含む、請求項１１、１２又は１３記載のタンデム質量分析装置。
【請求項１５】
前記一次飛行時間型手段が、前記一次飛行時間型イオン鏡の後に二次静電レンズをさらに含む、請求項１４記載のタンデム質量分析装置。
【請求項１６】
前記一次飛行時間型イオン鏡が、光学強度が実質的に０である平面鏡である、請求項１４又は１５記載のタンデム質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タンデム質量分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオテクノロジー及び生物科学の領域の拡大により、質量分析からの、特に複合体混合物及び微量の、言わばピコモル以下で用いられる小及び中型の大きさの生物分子（100 〜100000 Da ）の構造分析に関して、感度に対する要求が増大した。構造情報に関する同一の要求は、合成ポリマーに関しても生じている。
【０００３】
このような生物分子及び高分子の伝統的質量分析は、双子型セクター、双子型重極子又はいくつかのハイブリッド組合せ、例えばセクター＋四極子から成るタンデム計器により実施された。このような系では、分子は、例えば高速電子衝突（ＦＡＢ）のようないくつかの技法によりイオン化され、一次質量分析計（ＭＳ１）により質量／エネルギー選択され、次いで選択されたイオンはいくつかの中性ガスを含有するセルを通過することにより衝突活性化を受ける。このようにして得られたフラグメントイオンは次に、二次質量分析計（ＭＳ２）で分析される。
【発明の開示】
【０００４】
本発明によれば、イオン源、一次飛行時間型分析計、一次分析計からイオンを解離してフラグメントイオンを発生させるための手段、及び二次飛行時間型分析計の順次配列を包含するタンデム質量分析装置が提供される。二次飛行時間型分析計は、二次場を適切に反射するよう配列されるイオン鏡から成り、一次飛行時間型分析計は二次場イオン鏡の入口又は入口近くにイオンの空間的集束を提供する静電場手段を包含する。
【０００５】
本発明者は、タンデム飛行時間型質量分析装置が特異性及び感度の重要な増大を提供すると認識した。にもかかわらず、慣用的飛行時間型分析計はイオンの空間的拡張を生じ、したがって２つのこのような分析計を直列に使用することは、構造決定に必要な分解能レベルについては実際的でない。二次場（装置の光軸に沿って又はそれと同一角度で）を生じるように配列されるイオン鏡を包含する二次飛行時間型分析計、及びイオン鏡の入口又は入口近くにイオンの空間的集束を提供するための静電場手段を包含する一次飛行時間型分析計の使用により、感度の直接的増大だけでなく高レベルの分解能を提供する有効なイオンタンデム飛行時間型質量分析装置が提供される。
【０００６】
イオン鏡は適切な形態をとり、装置の光軸に沿って放物線状の場を生じるよう配列される。イオン鏡は二次場に近似し、入口、出口及び他の場所で場を縁取る作用を容認する。
【０００７】
イオン源は、イオンのパルス化ビーム又は連続ビームを提供する。パルス化は、エレクトロスプレーのような連続供給源をパルス化するか、又はマトリックス関連レーザー脱着／イオン化（ＭＡＬＤＩ）のような固有パルス化法を用いて、例えば質量範囲100 〜100000 Da で分子の無傷分子イオンを提供することにより達成し得る。イオンのパルスにイオンを圧縮又は集束するための手段が提供される。集束手段はイオンのパルスをより短い持続時間のイオンパルスに圧縮するか、又は連続ビームをパルス化ビームに変換する。集束は、一次質量分析計の前、一次質量分析計の後、又は両方で起こる。
【０００８】
イオン「集束器」と組合せて用いられるこの種のイオン鏡は、飛行時間型を基礎にした公知のタンデム質量分析系によって得られるものと比較して、質量分解能を大きく改良させる。イオン鏡を使用すれば、いかなる逆戻りも必要とせずに、質量スペクトルを検出できるし、、質量スペクトルを絶対精度で容易に校正し得る。
【０００９】
イオン鏡を通したイオンの飛行時間はその質量対電荷比に依っており、そのエネルギーとは完全に無関係であるため、イオンに及ぼすイオン「集束器」の作用による、そしてフラグメンテーションの一部としてのエネルギーの分配によるそのエネルギーの非常に実質的な拡散を蒙る場合でさえ、高度の質量分析が得られる。
【００１０】
イオン「集束器」は、「集束器」区域を限定する静電手段を包含し、それにより一次質量分析計によって選択されたイオンのパルスを「集束器」区域に入れる入口と、それによりパルスを「集束器」区域に出す出口を有する。静電手段は、「集束器」区域に入ったパルス中のイオンに静電加速力を適用するよう作用し、それにより、「集束器」区域の出口からのそれらの距離に比例して、イオンを高エネルギーに加速する。
【００１１】
好ましくは、一次質量分析計は、光軸に対して直角な拡散、機械の光軸に沿った拡散、パケット内のイオンのエネルギーの拡散及び時間の収束に関して等圧イオンパケットの収束を提供し得る飛行時間型（ＴＯＦ）分析手段を包含する。
【００１２】
好ましくは、一次分析計は、逐次Ｓ形立体配置の複数のトロイド状又は円筒状静電分析計を包含する。この装置は、解離セルに収束した空間のある点で異なる質量のイオンの場合とはやがては離れる特定の点に収束等圧イオンパケットを提供する。さらにそれは、三重等時性収束という利点を有する。
【００１３】
別の実施態様において、一次飛行時間型手段は、静電レンズの後にイオン鏡を包含する。好ましくは、一次飛行時間型手段はイオン鏡の後に二次静電レンズをさらに包含する。イオン鏡は実質的光学強度が０であるグリッド付きでない平面鏡である。さらに別の実施態様では、一次飛行時間型手段は、静電レンズを包含する。その時、イオン源は静電レンズにイオンを加速するための静電手段を含有する。この配列は少数の成分しか含まず、設定するのが相対的に簡単である。静電レンズは、ポテンシャル上昇時に軸方向対称体を包含し得る。一次飛行時間型手段に関して記載された構造は、分解能の有意の改良を生じる空間的収束を可能にする。空間的収束の概念は、この分野においては有意の進歩である。
【００１４】
本発明の３つの実施態様を、実施例により添付の図面を参照しながら、ここに説明する。
【００１５】
図１を参照すると、タンデム質量分析系は、「集束器」１０、飛行時間型分析計２０、イオンレンズＬ及びそらせ板Ｄ1 、イオン「集束器」３０、イオンが解離するセル４０、そらせ板Ｄ2 並びにＴＯＦ（飛行時間型）分析のための二次場イオン鏡を装備したパルス化イオン源又は連続供給源の連続配列を包含する。
【００１６】
イオン源１０により生成されるイオンは、短パルスで、典型的には300 〜500 ns未満の持続時間で質量分析計２０に入れられる。
【００１７】
検査中の標本は、どちらもパルス化モードで発生させ得るレーザービーム又はイオンビームを用いてイオン化し得る。イオン化ビームを生成するパルスは、相対的に短い持続時間を有し、その結果生じるイオンは、静電抽出場を用いて飛行時間型分析計２０に入れるために、供給源から抽出される。あるいは、より長いイオン化パルスを用い得るが、この場合、抽出場がパルス化される。分析計２０は、選定された質量対電荷比を有するイオンだけを選択するように向けられる。
【００１８】
レーザーパルスの例では、パルスは標的物質をイオン化し、揮発させて、一次飛行時間型ステージ２０に対する測時を開始する。一次飛行時間型質量分析計２０は、図２に示すような波状経路で次へと供給する「Ｓ」形立体配置の４つのトロイド状静電分析計を包含する。そらせ板Ｄ1 は一次検出器、即ち一次質量分析計の末端及び衝突セル４０の前のイオン増倍器でビームを再収束する。次に、予備飛行時間型スペクトルを記録する。この予備実験からの測時は、所望の質量のイオンパケットを解離セル４０に入らせるそらせ板Ｄ1 の脱活性化を測時するために用いられる。あるいは、全質量の全イオンを解離セルに入らせる。衝突活性化後、フラグメントイオンを二次飛行時間型質量分析器５０に進めた後、チャンネルプレート又は他の検出器集成装置で質量分離及び検出を実施する。
【００１９】
２組の静電そらせ板Ｄ1 及びＤ2 を用いて、イオン鏡５０の入口での入射の角度を制御して、感度を最適化する。
【００２０】
ＴＯＦ質量分析計の最適質量分解能Ｒがイオンパルスの持続時間又は時間幅ΔＴに並びに分析計を通過するイオンの飛行時間Ｔに関係することは公知であり、それらは以下のように表される：
【数１】
2006134893.tif 000003
【００２１】
したがって、質量分解能Ｒは、イオンパルスの時間幅ΔＴができるだけ短い場合に改良される。例えば、ＴＯＦ質量分析計５０の飛行経路に入っているイオンは、典型的には、10 keVのオーダーのエネルギーを有し、飛行経路が１m である場合には、質量5000で5000の分解能は、パルス幅ΔＴが14 ns 又はそれ未満のオーダーを有する場合にのみ達成される。
【００２２】
イオン集束器を初期段階で用いる場合には、質量選択イオンパケットは、予備的飛行時間型スペクトルを用いて圧縮されて、解離セル４０内の焦点で空間的又は時間的に拡散したイオンを圧縮する作用を有する集束器１０を横切る勾配を成したパルスを測時する。
【００２３】
あるいは、全（親及び生成物質）イオンの飛行時間を供給源から測時し得る。この場合、そらせ板Ｄ1 を用いない。満足すべきスペクトルが得られた後、親イオンに付与される運動エネルギーは、別の飛行時間型実験のために少量ずつ変えられる。この二次実験では、親イオン飛行時間はエネルギーシフトに関連した時間だけ変えられるが、しかしフラグメントイオンの飛行時間は、そのそれぞれの親イオンとの関係で固定されたままである。これは、個々の親イオンに関連した各組のフラグメントが識別可能であるため、全親イオンフラグメンテーションを同時に分析可能にする。
【００２４】
イオン集束器３０は、供給源１０により生成されたイオンパルスをもっと短い持続時間のパルスに圧縮するために、イオンレンズＬとＴＯＦ質量分析計５０との間に提供される。
【００２５】
図３に示すように、イオン「集束器」３０は、通常は基底ポテンシャルで保持される１対の電極Ｐ1 、Ｐ2 を包含する。質量選択親イオンのパルスをもっと短いパルスに圧縮するために、パルスが電極間の「集束器」区域Ｓ1 内に完全に位置する場合には、電極Ｐ1 即ち質量分析計２０に近いほうの電極を迅速に正電圧Ｖ1 （正イオンに対して）に上り勾配にする。
【００２６】
この電圧はパルス中の各イオンにイオン鏡５０の方向の静電加速力を施し、基底化電極Ｐ1 からのその分離に比例する量だけ高エネルギーにイオンを加速する。集束器区域に先ず入り、そして電極Ｐ1 により近く存在するパルス中のイオンは、加速場では、後に「集束器」区域に入ったイオンよりも費やす時間が少ない。したがって、「後期イオン」は「初期イオン」を捕まえる傾向がある。パルス中のイオンがすべて実質的に同時にＴＯＦ質量分析計の入口に到達するように、２つの電極プレートを分離する距離ｓ、下流プレートとＴＯＦ質量分析計５０とを分離する距離ｄ、及び電極プレートＰ1 に適用される電圧Ｖ1 を選択する。
【００２７】
各パルス中の質量選択イオンに加速電圧Ｖ1 を施すことの有意の結果は、それらのエネルギーの有意の拡散を導入することである。例えば、イオン源１０により生成されたイオンパルスが、イオン集束器の電極Ｐ1 、Ｐ2 に及ぶように50mmに亘区域に拡散される場合、イオン鏡５０に到達しつつある親イオンのエネルギーは10 keV（これが加速場からのエネルギーを全く受け取らないパルス中の先頭イオンのエネルギーである場合）〜14 keV（加速場から４ keVの最大エネルギーを受け取るパルス中の後尾イオンのエネルギー）の範囲である。
【００２８】
圧縮イオンパルス（典型的には10 ns 又はそれ未満の時間幅を有する）は、ＴＯＦ質量分析計５０の入口に位置するセル４０を通過する。１つの可能性は、ガス衝突によりイオンを分解することである。別の可能性は、レーザーパルスを用いて圧縮化パルスを構成する質量選択親イオンを解離することである。圧縮化イオンパルスは時間及び空間ともに十分に限定されているため、レーザーパルスは時間焦点での各イオンパルスの到着に一致するよう同時性を持たせ得る。
【００２９】
質量選択親イオンの解離により生成されるフラグメントイオンは親イオンと同じ軌道上にあり、したがってイオン鏡５０を入れる前に導入される時間拡散はほとんどない。イオン鏡５０に導入される未解離前駆体イオン及びフラグメントイオンは２つの理由により、実質的エネルギー拡散を示す。同一質量のイオンは前期のようにイオン集束器の作用により、大きなエネルギー拡散を示す。異なる質量のイオンは異なるエネルギーを有する（質量ＭF の各フラグメントイオンは、それが得られる前駆体イオン（質量ＭP ）のエネルギーの分画ＭP ／ＭF を有する）。
【００３０】
イオン鏡５０の二次場Ｅは、分析計の飛行経路に導入されるイオンが異なるエネルギーを有する場合でも、高質量分解能が得られるようにする。場領域へのイオンの浸透の深さの一関数として線状に増大する静電反射力Ｆにイオンをさらす。この力はＸ方向に作用し（図４）、Ｚ軸からのイオンの分離ｘに直接比例する大きさを有する。
【００３１】
静電反射力Ｆは以下のように表される：
【数２】
2006134893.tif 000004
（式中、ｋは定数であり、ｑは電荷である）。
【００３２】
場領域におけるイオンの動きの等式は、単純な調和運動の減衰に関連したものと類似しており、イオン質量ｍが入口の点１から反射の点２まで移動する間の時間間隔ｔは以下の式で示される：
【数３】
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【００３３】
したがって、イオンは次式により示される総時間間隔ｔ’に関する場領域を占める：
【数４】
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【００３４】
この結果が示すように、イオンは、その質量対電荷比（ｍ／ｑ）にのみ依っている時間間隔に関する場領域Ｅを占め、これにより、本例と同様に、それらが異なるエネルギーを有する場合でさえ、その質量対電荷比の一関数としてイオンが互いに識別される。
【００３５】
イオン鏡を通過するイオンの飛行時間がＹＺ面における平面検出器により測定した場合に相対的に大きな角度範囲に及ぶＸ−Ｙ面での角度偏差とは無関係であるということが判明した。
【００３６】
以下、図４のシステムにおける飛行経路について考察する。その後、非解離前駆体イオン〔ＩP 〕、並びに、それぞれ、質量〔ＭD （１），ＭD （２）、ここで、ＭD （１）＞ＭD （２）である。〕を有する２つの娘イオン〔ＩD （１），ＩD （２）〕についても考察する。この例においては、上記イオンは全て同一の電荷をもつと仮定する。
【００３７】
最も重い非解離前駆体イオンＩP は場領域を通過する最長飛行時間を有し、それらは最外側経路に沿って移動するが、一方軽い娘イオンＩD （２）は最短飛行時間を有し、それらは低エネルギーを有するために最内側経路を取る。
【００３８】
異なる質量を有するイオンは、異なる位置で場領域に存在する。イオンは、例えば時間−焦点面に取り付けられるマルチチャンネル板検出器を用いて検出し得る。
【００３９】
前述のように、２組のそらせ板Ｄ1 、Ｄ2 を用いて、ＴＯＦ質量分析計に入るイオンの入射角∝を制御し得る。第二の組のそらせ板Ｄ2 の特別な機能は、検出器でのイオンの空間的拡散を低減することであり、これにより全イオンが検出される。その終わりまで、そらせ板Ｄ2 は全イオンを検出器で受理される静電偏向イオンに当てる。原則として、全質量スペクトルを構成する全非解離前駆体イオン及びフラグメントイオンを収集することができる。
【００４０】
この形態のエネルギー非依存性イオン鏡の特徴は、解離セル４０を基底ポテンシャルに保持し得ることであり、イオンビームの遅滞及びその後の空間的脱収束の必要がないようにし、あらゆるエネルギー依存性抽出光学の必要がないようにする。
【００４１】
さらに別の実施態様では、二次場は軸、例えばＸ軸について回転対称を有する。このような場は、円錐電極面を有する１つの電極と、円錐電極面に面した双曲線又は球面電極面を有する第二電極から成る電極構造により生成される。第二電極は第一電極に関して遅延ポテンシャルで保持される。
【００４２】
上記のようなタンデム質量分析系は、大型分子、例えば生物学的及びポリマー標本の構造分析に特別な用途を見出す。イオン鏡を徹イオンの飛行時間がその質量対電荷比に依っており、そしてそれらのエネルギーとは全く無関係であるため、イオンが前駆体対イオンに及ぼすイオン集束器の作用によるそのエネルギーの実質的拡散を受ける場合でさえ、高度質量分解が得られる。
【００４３】
本発明の第二の実施態様をここに記載するが、これは第一の実施態様と似ている。第一の実施態様との差異のみを記載し、等価の特徴に関しては同一参考文献番号を用いる。
【００４４】
第二の実施態様は、一次飛行時間型分析計がさらに異なる形態を取ることを除いて第一の実施態様と同一である。等価の特徴に関しては同一参考文献番号を用いる。第二の実施態様の一次飛行時間型質量分析計の最初の部分は、静電レンズ８０を包含し、この後に平面イオン鏡が提供され、これは光学強度０を示す。これは２つの平行な平面荷電グリッド９２の形態をとり、一方が他方の上に提供される。各グリッドの要素９４は、静電レンズ８０からのイオンの光学経路に垂直に小さい角度で提供される。イオンは鏡９３に反射されて、一次静電レンズ８０と同一であるさらに別の静電レンズ９６を通り抜ける。次にイオンは解離セル４０に向かう。静電レンズ８０及び９６は必要な空間的収束を達成するのに役立つ。
【００４５】
第三の実施態様は第一の実施態様と同様であるが、但し、一次タンデム質量分析計２０は４つのトロイド状静電分析計の形態を取らず、その代わりに単一静電レンズ８０を包含する。レンズは円筒管の形態で、これは数kVの上昇ポテンシャルで存在し、地面に接続される周囲管状囲い又は遮蔽８２を有する。使用に際しては、およそ短い持続時間のレーザーパルスをレンズ８６を通して収束させ、標的物質８８に向ける。表面の標的物質８８の一部を揮発させる。標的物質８８上のレーザー収束点に隣接した２つの近い間隔で開口したプレート９０は、標的物質イオンの発射「雲」が静電レンズ８０及び装置の残りの部分に向けられるように順次反らされるポテンシャルで標的物質と一緒にホモジネートされる。
【００４６】
各々の実施態様における一次飛行時間型質量分析計は、二次質量分析計５０の入口で、又は入口近くで空間的収束が可能である。時間収束も提供され、これらの特徴により３つの実施態様の装置は既存の装置より優れた分解能の有意の改良を提供し得る。
【００４７】
時間収束と共在する空間的収束は、高分解能を示すためには二次場鏡にとって不可欠な要件である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図１は、本発明の第一の実施態様によるタンデム質量分析装置の図である。
【図２】図２は、図１の実施態様の一次質量分析計の横断面の平面図である。
【図３】図３は、図１のタンデム質量分析装置に用いられるイオン「集束器」の略図である。
【図４】図４は、２次元二次場を有するイオン鏡の１型のそれぞれ横断の横断面図及び透視図を示す。
【図５】図５は、本発明の第二の実施態様によるタンデム質量分析装置の図である。
【図６】図６は、本発明の第三の実施態様によるタンデム質量分析装置の図である。
【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６】
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