【手続補正書】
【提出日】平成19年2月26日(2007.2.26)
【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】
イオンをその質量対電荷比に基づいてろ過するためのイオン選択室であって、入口面に在るイオン入口と出口面に在るイオン出口とを有しているイオン選択室と；
前記イオン選択室の前記イオン入口と前記イオン出口の間に配置されている複数の電極と；
前記イオン選択室内に回転せず振動する電界を作るために、前記複数の電極に接続されているＲＦ信号発生器と；
イオンを前記イオン選択室内へ前記入口面に対して相当な（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌ）角度で注入するように、前記イオン選択室の前記イオン入口に連結されているイオン注入器と、
を備えている質量分析器。
【請求項２】
前記イオン注入器はエレクトロスプレー装置を備えている、請求項１に記載の質量分析器。
【請求項３】
前記複数の電極は；
平坦な面を有する第１電極と；
前記第１電極の平坦な面に相対し概ねそれと平行になっている平坦な面を有する第２電極と、
からなっている、請求項１に記載の質量分析器。
【請求項４】
前記イオン注入器は、イオンを前記イオン選択室内へ前記入口面に対して少なくとも６０°の角度で注入するように前記イオン選択室の前記入口に連結されている、請求項１に記載の質量分析器。
【請求項５】
前記イオン注入器は、イオンを前記イオン選択室内へ前記入口面に対して少なくとも４０°の角度で注入するように前記イオン選択室の前記入口に連結されている、請求項１に記載の質量分析器。
【請求項６】
更に、前記イオン選択室の前記イオン出口に近接したイオン検出面を備えており、前記イオン検出面は、前記出口面に対して実質的に所定の流出角度で出てくるイオンを主に検出し、別の流出角度を有するイオンは概ね検出しないように配置されている、請求項１に記載の質量分析器。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【発明の名称】改良型質量フィルターとイオン検出装置を有する質量分析器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概括的には質量分析器に関する。より具体的には、本発明は、改良型質量フィルター及び／又はイオン検出装置を有する質量分析器に関する。
【背景技術】
【０００２】
質量分析法の特性は、様々な分析法の中で質量分析法を突出した地位にまで引き上げた。質量分析法は、優れた感度と検出限界を有しており、原子物理学、反応物理学、反応速度論、地質年代学、生体臨床医学、イオン分子反応、及び熱力学パラメーター（ΔＧ°f、Ｋａなど）の決定の様な幅広い用途に使用することができる。このようにして、質量分析技術は、その使用が広く認識されるようになるにつれ、非常に急激に進化し始めてきた。このことが、全く新しい機器及び用途の開発に繋がった。しかしながら、開発の傾向は、高度に特殊化された構成要素と狭い製作公差を要求するような、益々複雑な質量分析器の設計の方向に行ってしまった。更に、質量分析器の構成要素の小型化に向けた重要な前進は、実際に実現されてはいない。
【０００３】
既存の質量分析器を改良する１つの試みが、１９９８年３月１０日にスミス他宛に発行された米国特許第５，７２６，４４８号に示されている。この´４４８号特許は、その称するところでは、イオンサンプルの分離のために回転するＲＦ電界を利用した質量フィルター室を有する質量分析器について記載している。電界の回転は、向かい合う平行な対で作動する少なくとも４つの電極を使用して実現される。第１のＲＦ信号が第１の平行な電極対に加えられると同時に、第２のＲＦ信号が第２の平行な電極対に加えられる。第１及び第２のＲＦ信号は、位相がπ／２だけ異なっており、それによって所望の電界回転が生成される。
【０００４】
２つの質量分析器の実施形態が、´４４８号特許で特定されている。第１の実施形態では、質量フィルター室が用いられており、その中には第１及び第２電極対の両方が質量フィルター室に沿ってずれることなく配列されている。第２の実施形態では、第２電極対が、質量フィルター室に沿って長さ方向に第１電極対からずれて配列されている。各実施形態では、少なくとも２つの相異なる電界がイオンに作用するように、第２電極対で作られた電界は、第１電極対で作られた電界からπ／２だけ位相がずれている。上記のように、各実施形態を作動させるために、少なくとも２つの直交する電界が必須とされている。
【０００５】
イオンは質量フィルター室の出口端部に達する過程で、所与の質量対電荷比ｍ／Ｑを有するイオンの各組毎に円を形成する。サンプルの特性を求めるために分析するのは、この円形パターンである。従って、´４４８号特許に記載されているイオン検出器は、各衝突するイオン毎に必ず（選択の余地無く）２つの座標値を有して処理する二次元デバイスアレイとして構成されている。´４４８号特許の図６に示されているように、イオン検出器は、イオンのｍ／Ｑ値に関係なく、質量フィルター室から出てくる実質的に全てのイオンを確実に検出できるようにするため、質量フィルター室のイオン出口端に直接隣接し、これと同じ広がりを持つようにして配置されている。
【０００６】
本発明人は、既存の質量分光測定装置を様々な方法で改良できるものと認識した。例えば、１つ以上の構成要素の複雑さの低減は、例えば、質量フィルターに単一の回転しないＲＦ電界を使用することによって、実現することができる。或いは、以上のことに代えて、又は以上のことに加えて、選択されたｍ／Ｑ値を有するイオンの質量フィルターからの所定のイオン流出角度を利用する独自のイオン検出装置を開発することによって、改良を実現することができる。そのような改良は、製造、質量分解能、及び／又は質量感度の目標を維持するか又はそれを超えながら、実現することができる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
改良型の質量分析器について説明する。１つの実施形態に基づくと、本質量分析器は、独自の質量フィルター設計を採用している。この質量フィルターは、分析するために、サンプルのイオンに電界が掛けられるイオン選択室を備えている。少なくとも一対の電極が、イオン選択室内に配置されている。電極対の各電極は、例えば平坦な面を有している。電極は、又、イオン選択室内で、それらの平坦な面が、中心軸回りに互いに平行に且つ対向するように配置されている。ＲＦ信号発生器は、イオン選択室内に電界を作るため、電極対に接続されている。具体的には、電極とＲＦ信号発生器は、協働して、フリンジング効果を無視すれば主として単一の座標面（即ち、ｙ−ｚ面）内で振動する、回転せず振動する電界を室内に発生させる。
【０００８】
イオン化装置／イオン注入器を使って、被分析試料のサンプルをイオン化し、そのイオンをイオン選択室に注入することができる。イオン注入器は、イオンを、電極対の一方又は両方の電極の平坦な面に向かわせるのが望ましい。イオン注入器は、イオン選択室のイオン入口で、別の座標面（即ち、ｘ−ｙ面）に対して相当な角度でイオンを注入するようになっているのが更に望ましい。角度は少なくとも４０°であるのが望ましく、少なくとも６０°であれば更に望ましい。
【０００９】
別の実施形態に基づくと、質量分析器は、イオン化装置／イオン注入器、質量フィルター及びイオン検出器を備えている。質量フィルターは、イオン化装置／イオン注入器からサンプルイオンを受け取るように構成されており、イオン入口とイオン出口を有している。質量フィルターのイオン入口は、イオン化装置／イオン注入器に近接して配置されており、イオン出口は、特定のｍ／Ｑを有するイオンが通過する開口部となっている。イオン検出器は、質量フィルターのイオン出口に近接して配置されており、主として、実質的に所定の流出角度θｅで質量フィルターのイオン出口から流出するイオンを検出し、別の流出角度を有するイオンは概ね排除するように配置されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の１つの実施形態に従って構成された質量分析器の基本構成要素を、図１にブロック図型式で示す。図示のように、分析器２０は、サンプル供給源２５、イオン化装置／イオン注入器３０、質量フィルター３５及びイオン検出器４０を備えている。この質量分析器２０の構成要素は、１以上のプログラム可能な制御システム４５によって自動化することもできる。例えば、制御システム４５は、下記の自動化作業のうちの１つ以上を実行するのに用いることができる：
ａ）イオン化及びイオン注入パラメーター（即ち、イオンビームの焦点合わせ、質量フィルター３５へのイオンビームの流入角度、イオン注入のタイミング、イオン化エネルギー、イオンの流出速度など）の制御；
ｂ）検出を目的とするｍ／Ｑ範囲のイオンだけを選択するための、質量フィルター３５内の電界パラメーターの制御；
ｃ）所定の流出角度θｅで質量フィルター３５を出るイオンを検出し易くし、他の流出角度を有するイオンを概ね排除するための、質量フィルター３５のイオンの出口に対するイオン検出器４０のイオン検出部分の位置の制御；
ｄ）質量分析器２０から受け取ったデータの、ユーザーへの提示、又は後のデータ処理のための分析。
【００１１】
以上の自動化作業の内の１つ以上を実行するのに用いられるパラメーターは、人間のオペレーターによって、例えばユーザーインターフェース５０を使って制御システム４５に入力される。また、ユーザーインターフェース５０は、システムの監視または同様の目的で人間のオペレーターに情報を表示するのに使用することもできる。そのようなものとして、ユーザーインターフェース５０には、キーボード、ディスプレイ、スイッチ、ランプ、タッチディスプレイ又はそれらのもののどのような組み合わせが含まれてもよい。
【００１２】
分析対象の材料は、サンプル供給源ユニット２５を通して分析器２０に供給される。サンプル供給源ユニット２５は、サンプル材料（分析対象を含む）を幾つかの方法で導入することができ、最も一般的なのは、直接挿入探針によるか、又は毛管カラムを介して注入するかである。従って分析器２０のイオン化装置／イオン注入器３０は、サンプル供給源ユニット２５の出力におけるサンプルの形態がどの様なものであっても、それと直接インタフェースを取るようになっている。例えば、それは、気体クロマトグラフィー装置、液体クロマトグラフィー装置及び毛管電気泳動装置の出力と直接インターフェースを取るようにすることができる。当然、サンプル供給源ユニット２５がイオン化装置／イオン注入器３０に連結されている点までのサンプル材料のどのような処置も、特定の分析要件次第である。
【００１３】
イオン化装置／イオン注入器ユニット３０は、受け取ったサンプル内に含まれている分析対象の分子をイオン化し、イオン化された分析対象の分子を、収束ビームとして質量フィルター３５に注入するように作動する。イオン化と注入は、数多くの技法の内のどれを使って実現してもよい。例えば、サンプル材料のイオン化と、凝縮相から気体相への移行を可能にさせる１つの方法は、マトリックス支援レーザー脱離イオン化（ＭＡＬＤＩ）として知られている。もう一つの技法は、高速原子／イオン衝撃（ＦＡＢ）として知られており、Ｘｅ原子Ｃｓ＋イオンの高エネルギービーム、又は多価のグリセリンＮＨ４クラスターを使用して、サンプル供給源ユニット２５から受け取ったサンプルとマトリックスをスパッタする。マトリックスは、通常は、中にサンプルが溶解している不揮発性溶剤である。図示の実施形態のイオン化及びイオン注入の過程は、単一のユニットで起こるように示しているが、当然、これらの過程は、２つ以上の別々のユニットで実行することもできる。
【００１４】
分析対象を質量フィルター３５に導入するためにイオン化装置／イオン注入器ユニット３０によって実施される更に別の技法は、エレクトロスプレーイオン化である。基本的なエレクトロスプレーイオン化装置／イオン注入器ユニット３０の１つの実施形態を、図２に示している。図示のように、イオン化装置／イオン注入器ユニット３０は、イオン化されて質量フィルター３５に注入されるサンプルの液体６０が通る導電性の毛管チップ５５を有する毛管を備えている。サンプルの液体６０は、通常、或る量のサンプル分析対象が入っている溶媒から成っている。毛管チップ５５に相対して対向電極６５が配置されており、電源装置７０によって両者の間に電界が作られる。
【００１５】
作動時には、導電性の毛管チップ先端５５は、溶媒とサンプルの分析対象を酸化させ、その結果、対向電極６５に向かって引っ張られる液体のメニスカスができる。液体の小滴は、メニスカスの先端から現れて、対向電極６５に向かって移動する。液滴が、電界の影響を受けて対向電極６５へ前進するにつれて、溶媒が蒸発して、イオン化された検体から成っている帯電した気体イオン７５だけを残す傾向となる。これらの多数の帯電した気体イオン７５は、対向電極６５の開口部８０を通って加速され、そこでは収束レンズ８５がそれらのイオンを細いイオンビーム９０に整列させる。細いイオンビーム９０は、イオンをそのｍ／Ｑ値に基づいて分けるために質量フィルターユニット３５の入口に送られる。
【００１６】
質量フィルターユニット３５は、電界内の帯電粒子の運動の原理に基づくイオンフィルターとして作動する。本例の帯電粒子は、イオン化装置／イオン注入ユニット３５から受け取った１以上の正味電荷を有するイオン化分子である。イオンの電荷は、正でも負でもよい。装置に入るイオンは、そのｍ／Ｑ値に従ってろ過される。適切な、調整することのできる計器パラメーターが、イオンが質量フィルター３５を通過してイオン検出器４０のイオン検出部分と衝突するように設定されている場合は、特定のｍ／Ｑを有するイオンを検出することができる。
【００１７】
本発明の１つの態様に従って構成された質量フィルターユニット３５の実施形態を、図３に示す。分かり易くするために、図４に示す直交するｘ、ｙ、ｚ座標系を使用する。このため、第３の座標軸方向の位置に関係なく特定の座標面に言及する場合、その用語は、第３座標軸の値が異なる複数の面を含んでいるものとする。
【００１８】
再度図３を参照すると、この実施形態の質量フィルターユニット３５は、全体を９５で示し、第１の面１０２に在るイオン入口１００と、第２の面１０７に在るイオン出口１０５とを有するイオン選択室を含んでいる。具体的には、イオン入口１００とイオン出口１０５は、それぞれｚ軸方向の異なる位置のｘ−ｙ面にある。複数の電極が、ｚ軸に沿ってイオン選択室９５の中心部を通って伸張する中心軸１１０の回りに配置されている。図示の実施形態では２つの電極１１５と１２０が用いられており、それぞれ他方の電極の相当する平坦な面に向かい合う平坦な面を有している。図示のように、電極１１５と１２０は、一対の相対する導電性平行プレートの形態であってもよい。寸法ｄは、電極１１５と１２０の間の距離であり、例えばｙ軸に沿っていてもよい。
【００１９】
イオン化装置／イオン注入器３０は、イオンビーム９０を、イオン入口１００の面１０２に対して所定の角度θｉｎｉｔで供給してもよい。その場合、イオンビーム９０は、電極１１５の平坦な面に向かって効果的に方向付けられ（イオンビーム９０は、電極１２０の平坦な面に向かって同様に方向付けられてもよいのであるが）、主にｙ−ｚ面内の運動成分を有する。角度θｉｎｉｔの実質的な値は、質量分析器２０が高いｍ／Ｑ分解能を持つことを確実にする値であることが望ましい。例えば、流入角度θｉｎｉｔの値は、少なくとも４０°、より望ましくは少なくとも６０°であってもよい。
【００２０】
電極１１５と１２０は、それぞれＲＦ信号生成器１２５の様な電源装置の互いに反対の極に接続されている。ＲＦ信号生成器は、時間に依存した電圧を供給し、電極１１５と１２０の間の間隙領域に、概ね対称的な変動電界を作る。同一且つ逆極性の電荷を有する電極１１５と１２０の間の電界の強さＥは、
Ｅ＝Ｖ／ｄ        （式１）
で表すことができ、ここで、ＶはＲＦ信号生成器１２５が印可する電圧の振幅、ｄは電極１１５と１２０の間のｙ軸方向の距離である。ＲＦ信号生成器１２５が供給する様な時間依存性電圧源の場合、与えられた任意の時刻ｔにおける電界内のイオンに作用する電界は、
Ｅ＝（Ｖ／ｄ）ｃｏｓ（ωｔ−α）        （式２）
で表すことができ、ここで、ＶはＲＦ電圧の振幅、ωはＲＦ周波数の２π倍に等しい角周波数、−αはイオンが電界に入るときのＲＦ電圧の位相である。電極１１５と１２０の形状とそれらの相対配向によって、イオン選択室９５内に、回転せずに振動する電界が生じる。図示の実施形態では、電界は、主にｙ−ｚ面内で振動するので、イオン選択室９５に入るイオンは、単一の座標面内で振動する単一の電界を受けるのみである。
【００２１】
式２を質量フィルターユニット３５の形状に当てはめると、イオンがｚ軸の方向に動くときのｙ軸方向の電界は、
Ｅｙ＝−（Ｖ／ｄ）ｃｏｓ（ωｔ−α）        （式３）
によって与えられる。負の記号は、電圧Ｖが上部電極１１５に任意に与えられているという事実を説明している。このとき、電界Ｅｙは、負のｙ方向にある。
【００２２】
フリンジング効果を無視すると、図示の実施形態は、ｘ軸又はｚ軸の何れに沿う電界も付与しない。従って、Ｅｙ電界だけが、イオン選択室９５内のイオンの軌跡に影響を与える。特定のイオンのｙ軸に対する位置を求めるには、
Ｆ＝ｍａ  又は  ａ＝Ｆ／ｍ            （式４）
が用いられ、ここで、Ｆはイオンに作用する力、ｍはイオンの質量、ａはイオンの加速度である。具体的には、電界内でイオンに作用する力は、
Ｆ＝ＱＥ                          （式５）
と表すことができ、ここで、Ｑはイオンの電荷、Ｅは電界の強さである。上記の式を当てはめると、イオンの加速度を表す式は、
ａ＝ｄ２ｙ／ｄｔ２＝−ＱＥｙ／ｍ＝−（ＱＶ／ｍｄ）ｃｏｓ（ωｔ−α）  （式６）
となる。
【００２３】
式６を積分すると、イオンのｙ軸に沿う速度を表す式
ｖｙ＝ｄｙ／ｄｔ＝−（ＱＶ／ｄｍω）ｓｉｎ（ωｔ−α）＋Ｃ１      （式７）
となり、ここで、Ｃ１は積分から生じる定数である。順に、式７に記載されている速度の式を積分すると、イオンのイオン選択室９５の電界内の時刻ｔにおけるｙ方向の位置が、
ｙ＝（ＱＶ／ｄｍω２）ｃｏｓ（ωｔ−α）＋Ｃ１ｔ＋Ｃ２        （式８）
で与えられ、ここで、Ｃ２は積分から生じるもう１つの定数である。ｔ＝０とすると、Ｃ１とＣ２の解が与えられる。ｔ＝０におけるｙ方向の速度は、
ｖｙ０＝ｖ0ｓｉｎ（θｉｎｉｔ）＝−（ＱＶ／ｄｍω）ｓｉｎ（−α）＋Ｃ１
＝（ＱＶ／ｄｍω）ｓｉｎ（α）＋Ｃ1                      （式９）
と表される。
従って、
Ｃ１＝ｖ0ｓｉｎ（θｉｎｉｔ）−（ＱＶ／ｄｍω）ｓｉｎ（α）    （式１０）
であり、ここで、ｖ０は、イオンがイオン化装置／イオン注入器３０によって加速された後で、イオン選択室９５に入るときのイオンの初期速度である。上記ｖｙ０項は、その初期速度のｙ成分である。
【００２４】
Ｃ２について解くと、時刻ｔ＝０におけるｙ方向の位置が、
ｙ０＝０＝（ＱＶ／ｄｍω２）ｃｏｓ（−α）＋Ｃ２
＝ＱＶ／ｄｍω２）ｃｏｓ（α）＋Ｃ２    （式１１）
で表される。
従って、
Ｃ２＝−（ＱＶ／ｄｍω２）ｃｏｓ（α）            （式１２）
となる。
イオンが、電極１１５と１２０の間のｚ軸の方向に移動するときのイオンのｙ方向の位置を表す単一の式を導き出すために上記の値を使えば、
ｙ＝（ＱＶ／ｄｍω２）ｃｏｓ（ωｔ−α）＋[ｖ0ｓｉｎ（θｉｎｉｔ）
−（ＱＶ／ｄｍω）ｓｉｎ（α）]ｔ
−（ＱＶ／ｄｍω２）ｃｏｓ（α）            （式１３）
となる。
【００２５】
特定のイオンの時刻ｔにおけるｚ軸に沿う位置は、イオンの初期速度ｖ０のｚ成分ｖｚ０を使用し、時間対距離の式を使用することによって求めることができる。時刻ｔ＝０におけるｚ方向の速度は、
ｖｚ０＝ｖ０ｃｏｓ（θｉｎｉｔ）                （式１４）  
で表され、時間対距離の式によれば、
ｚ＝ｖｚ０ｔ                                （式１５）
であるので、
ｚ＝ｖ０ｔｃｏｓ（θｉｎｉｔ）                （式１６）
であり、ここで、ｚは、イオンが時間ｔ内にｚ方向に移動した距離である。フリンジング効果を無視すると、速度のｚ成分は、概ねｙ方向の力によって影響されることはない。従って、電極１１５と１２０の間に生成される電界は、イオンがイオン選択室９５を通って移動する時間に、概ね何の影響も与えない。更に、イオンの運動は、実質的にｙ−ｚ面に限られるので、ｙとｚの値が分かれば、イオンがイオン選択室９５を通って移動しているときの任意の時刻のイオンの位置を作図することができる。式１６からわかるように、所与の初期速度ｖ０では、流入角度θｉｎｉｔの値が大きいほど、イオンの、イオン選択室９５を通る移動時間が長くなる。従って、イオンは、所与の周波数では、より多くのＲＦサイクルを受け、それによって質量フィルター３５の分解能が上がることになる。
【００２６】
分析器２０全体としてのもう１つの特徴は、イオン検出器４０とイオン選択室９５の出口１０５の間の関係である。具体的には、イオン検出器４０は、出口１０５の面（ここではｘ−ｙ面）に対して実質的に所定の流出角度θｅで流出するイオンを主に検出し、流出角度が異なるイオンを概ね排除するように配置されているイオン検出面１３０を有することができる。このために、イオン検出面１３０は、出口１０５の開口部の面積よりも小さい表面積を有している。更に、イオン検出面１３０は、長手方向軸１１０から±ｙ方向に、及び／又は、イオン出口１０５からｚ方向に距離Ｓだけ離して、配置されている。距離Ｓは、値が大きくなるほど値が小さい場合よりもｍ／Ｑ分解能が大きくなるので、大きい方が望ましい。しかしながら、距離Ｓの最大値は、具体的な設計条件の中で分析器２０に課される全体的寸法制約によって決まる。
【００２７】
図示の実施形態で用いられている電界は本質的にｙ−ｚ座標面内に在るので、イオン検出面１３０のｘ軸方向の位置は、入ってくるイオンビーム９０のｘ方向の位置と実質的に同じである。しかしながら、別の電界形状を使用し、それによって別な流出角度の向きを利用するときは、イオン検出面１３０は、ｘ軸方向にずらして配置される。
【００２８】
イオン検出面１３０の位置は、イオン出口１０５に対して固定してもよいが、図示の実施形態では、イオン検出面１３０の位置を変えられるようになっている。このために、イオン検出器４０は、イオン検出面１３０をｘ、ｙ又はｚ軸の内の１つ以上の方向に動かすためにイオン検出面１３０に接続されている１つ以上の自動化されたアクチュエータ１３５を含んでいる。これによって、分析器２０のイオン検出感度とｍ／Ｑ分解能を微調整することができる。更に、イオン検出面１３０の位置を調整することにより、分析器２０が、試験基準の異なる広範囲の分析処理を実施できるようになる。アクチュエータ１３５は、イオン検出面１３０を所望の位置に置くように、制御システム４５によって駆動することができる。制御システム４５に用いられる具体的な位置パラメーターは、ユーザーインターフェース５０を介して位置の座標値を表現するように入力してもよいし、替わりに、システムプログラミングを通して別の分析パラメーターから間接的に導き出してもよい。
【００２９】
所与の試験要件下におけるイオン検出面１３０の適切な位置は、実験データから導き出してもよいし、流出角度θｅを直接計算して導き出してもよい。流出角度θｅは、イオンの初期速度ｖ０、イオンが出口面１０７を通ってイオン出口１０５を出る時間、及び流出時のイオンの速度のｚ及びｙ成分（ｖｚとｖｙ）を知ることによって求めることができる。イオンが電界内に滞在する時間は、式：
ｔｅ＝Ｌ／[ｖ０ｃｏｓ（θｉｎｉｔ）]              （式１７）
を解くことによって求められ、ここで、ｔｅはイオンがイオン選択室９５内で費やす時間、Ｌはイオン選択室９５の長さ、ｖ０はイオン入口１００におけるイオンの初期速度である。式の分母は、初期速度ｖ０のｚ成分ｖｚ０を示している。
【００３０】
イオンがイオン選択室９５を通過する間に、イオンに対してｚ方向に作用する実質的な力は無いので、速度のｚ成分ｖｚ０は、図示の実施形態では一定である。しかしながら、速度ｖｙのｙ成分は変化し、所与の時刻と位置におけるイオン選択室９５内の電界の強さに依存する。時刻ｔｅにおけるこれの値は、
ｖｙｅ＝ｖｙ０−[ＱＶ／ｄｍω][ｃｏｓ（ωｔｅ−α）−ｃｏｓ（α）]  （式１８）
と表され、ここで、ｖｙｅは、イオンがイオン選択室９５を出てイオン出口１０５の出口面１０７を通過する際の速度のｙ成分である。
【００３１】
式１７と１８を組み合わせると、流出角度θｅに関する以下の式、
ｔａｎ（θｅ）＝ｖｙｅ／ｖｚ、又は、θｅ＝arctanｖｙｅ／ｖｚ  （式１９）
を導き出すことができ、従って、
θｅ＝arctan（[ｖ０ｓｉｎ（θｉｎｉｔ）−[ＱＶ／ｄｍω]
・[ｃｏｓ（ωｔｅ−α）−ｃｏｓ（α）]] ／ｖ０ｃｏｓ（θｉｎｉｔ））  （式２０）
である。
【００３２】
これは、イオン入口１００における電界の位相がα＝０のときに、イオンをイオン選択室９５に導入することによって単純化することができる。そのような場合には、式２０は以下のように単純化されて、
θｅ＝arctan（[ｖ０ｓｉｎ（θｉｎｉｔ）−[ＱＶ／ｄｍω]
・[ｃｏｓ（ωｔｅ）−１]]／ｖ０ｃｏｓ（θｉｎｉｔ））      （式２１）
となる。
【００３３】
所与の分析条件（即ち、Ｖ、ω、α、Ｌ，ｄ、Ｓ等の分析パラメーターが一定の条件）の下での分析器２０の作動を、図５から図９に示している。どの場合にも、イオン選択室９５の変動する電界に流入するイオンは、イオンがイオン入口１００の入口面１０２を通過するときの電界の方向によって、電極１１５又は電極１２０のどちらか一方に向かって加速される。所与の周波数ωで、イオン選択室９５に流入するイオンは、図５から図９に示す３つの条件の内の１つを経験する。イオンが何れの条件を経験するかは、その質量、電荷及び速度によって決まる。
【００３４】
図５を参照すると、選択されたｍ／Ｑ（即ち、検出するために分析器２０の様々なパラメーターが設定されているｍ／Ｑ値）と速度を有するイオンは、イオン選択室９５を通る軌跡が安定している。そのような選択されたイオンは、最終的に、イオン出口１０５の出口面１０７を所定の流出角度θｅで通過し、イオン検出面１３０に衝突する。イオン検出面１３０は、他のシステム設計基準（即ち、分解能、感度等）と同様に、所定の流出角度θｅにも基づいて、イオン出口１０５に対して所定の位置に正確に配置されている。図示の実施形態では、所定の流出角度はθｅ＝０°であり、イオン検出面１３０は、イオン出口１０５のｘ−ｙ面から距離Ｓだけ離して配置されている。更に、イオン検出面１３０は、検出面の一部分が電極１２０より上の領域に露出し、検出面の別の部分が電極１２０より下の領域に露出するように、中心軸１１０からｙ軸方向の負の方向にずらして配置されていることが分かる。この特定の構成の場合、イオンは、電界によってｙ軸方向に与えられる加速度が、初期速度ｖｙ０のｙ成分を実質的に相殺するときには常に、安定した軌跡に沿って移動し、検出面１３０に衝突する。そのような条件の下では、イオンは、電界が強さと方向を変えるにつれて、電極１１５と１２０に向かう方向及びそこから離れる方向に交互に加速される。イオンの速度のｚ成分ｖｚは、イオンを検出器４０に向かって運ぶ。図示の実施形態では、選択されたイオンは、図５に示す軌跡を辿り、電極１１５と１２０に実質的に平行なｚ軸方向の経路と平行には振動せずに移動しながら、ｙ−ｚ面内で振動する。
【００３５】
図６は、選択されたｍ／Ｑを大幅に上回るｍ／Ｑを有するイオンの軌跡を示しており、一方、図７は、選択されたｍ／Ｑを大幅に下回るｍ／Ｑを有するイオンの軌跡を示している。どちらの場合も、イオンは、不安定な軌跡を有しており、電極１１５と１２０の内の１つに接触する前にイオン選択室９５を通過することはできない。図示の通り、そのようなイオンは、ｚ軸と電極１１５及び１２０に対して相当に傾斜した軌跡の輪郭を有している。
【００３６】
図８は、選択されたｍ／Ｑをごく僅かに上回るｍ／Ｑを有するイオンの軌跡を示しており、図９は、選択されたｍ／Ｑをごく僅かに下回るｍ／Ｑを有するイオンの軌跡を示している。図示の通り、その様なイオンでもイオン選択室９５を通過することができるが、選択されたイオンとは僅かに異なる軌跡を辿り、イオン出口１０５の出口面１０７を所定の流出角度θｅとは異なるそれぞれ角度θａｂｏｖｅと角度θｂｅｌｏｗで通過するので、イオン検出面１３０に当たらない。図示の実施形態のイオン検出装置は、イオン運動のこの特性を巧みに利用し、分析器２０の分解能を著しく増大させる。このために、分析器２０の分解能は、検出面１３０の面積に間接的に比例し、距離Ｓに直接的に比例することがわかる。
【００３７】
実際には、ＲＦ電圧Ｖは一定に保持されており、サンプルの質量スペクトルは、ＲＦ信号生成器１２５を使用して、一連の所定の周波数ωで走査することによって取得する。概説するならば、数百キロヘルツの範囲の周波数を、使用可能な数百ボルトの範囲の電圧で、使用することができる。周波数走査は、制御システム４５の制御下に置かれてもよい。各周波数ωにおいて、選択されたｍ／Ｑ範囲内のイオンだけが、図５に示している安定した軌跡を辿る。分析器２０のパラメーターは、軌跡が安定しているイオンが、イオン検出器４０に向け移動する際に電極１１５と１２０にできるだけ接近するように調整されなければならない。その結果、所定の周波数で選択されなかったｍ／Ｑ値を有するイオンは、イオン選択室９５を通る移動を完了する前に電極１１５と１２０の内の一方に衝突するか、或いは、その代わりに、検出器４０のイオン検出面１３０を外してしまう。この観点で調整できるパラメーターの１つは、流入角度θｉｎｉｔｉａｌである。このために、大きな流入角度θｉｎｉｔｉａｌが、小さい流入角度よりも望ましく、少なくとも４０°の角度が望ましく、少なくとも６０°以上の角度にすれば、ｍ／Ｑの選択性と分解能が一層高まる。同様に、装置のアスペクト比を上げると分解能が高くなる。
【００３８】
上記システムには、その基本的な教示から逸脱することなく数多くの変更を加えることができる。本発明を、１つ以上の特定の実施形態に関連付けて十分詳細に説明してきたが、当業者には分かるとおり、特許請求の範囲に記載している本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、変更を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態に基づいて構成された質量分析システムのブロック図である。
【図２】図１に示す質量分析システムで使用するのに適したエレクトロスプレーイオン化装置の一実施形態の説明図である。
【図３】図１の質量分析器の一実施形態の選択された部分の側面図である。
【図４】図３に示す実施形態の構成要素の配置と、それらの対応する作動を説明するのに用いられる直交座標系の斜視図である。
【図５】選択されたｍ／Ｑを有するイオンが、イオン選択室を通ってイオン検出面と接触する際の、イオンの軌跡を示している。
【図６】選択されたｍ／Ｑを実質的に上回るｍ／Ｑを有しているイオンの軌跡を示している。
【図７】選択されたｍ／Ｑを実質的に下回るｍ／Ｑを有しているイオンの軌跡を示している。
【図８】選択されたｍ／Ｑをごく僅かに上回るｍ／Ｑを有しているイオンの軌跡を示している。
【図９】選択されたｍ／Ｑをごく僅かに下回るｍ／Ｑを有しているイオンの軌跡を示している。