(57)【要約】  リニアイオントラップは、イオンを処理するための少なくとも２つの離散的なトラップ領域と、ＲＦ電位生成器と、多出力ＤＣ電位生成器と、制御装置とを含む。ＲＦ電位生成器は、２つのＲＦ波形であって、イオンを半径方向にトラップするＲＦトラップ場成分を形成する、リニアイオントラップのポール電極の対にそれぞれ印加される、２つのＲＦ波形を生成する。多出力ＤＣ電位生成器は、イオンを軸方向に制御するために、ＲＦ場成分に重ね合わされ、且つリニアイオントラップの長さにわたって分布される複数のＤＣ場成分を生成する。制御装置は、イオンで埋められた第１のトラップ領域を集合的に形成しているＤＣ電位及び対応するＤＣ場成分を切り換えて、イオン電位エネルギを第１のレベルから第２のレベルに変化させ、且つ第１及び第２のレベルの少なくとも一方において第１のイオン処理ステップを可能にする。【選択図】図２
2019505966.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リニアイオントラップであって、
イオンを処理するための少なくとも２つの離散的なトラップ領域と、
２つのＲＦ波形を生成するためのＲＦ電位生成器であって、イオンを半径方向にトラップするＲＦトラップ場成分を形成する、前記リニアイオントラップのポール電極の対にそれぞれを印加するように構成されたＲＦ電位生成器と、
イオンを軸方向に制御するために、前記ＲＦ場成分に重ね合わされ、且つ前記リニアイオントラップの長さにわたって分布される複数のＤＣ場成分を生成するための多出力ＤＣ電位生成器と、
前記少なくとも２つの離散的なトラップ領域のうちのイオンで埋められている第１のトラップ領域を集合的に形成しているＤＣ電位及び対応するＤＣ場成分を切り換えて、イオン電位エネルギを第１のレベルから第２のレベルに変化させ、且つ前記第１及び第２のレベルの少なくとも一方において第１のイオン処理ステップを可能にするように構成された制御装置と
を含むリニアイオントラップにおいて、
前記制御装置は、前記第１のトラップ領域の一方の側における／一方の側の前記第２のレベルのＤＣ電位を、前記第１のトラップ領域の最小ＤＣ電位を下回る値に切り換え、それにより、前記第１のトラップ領域から離れるように加速させることにより、前記リニアイオントラップの軸に沿った移動のための、前記第１のトラップ領域に閉じ込められたイオンのリリースを可能にするように構成されていることを特徴とするリニアイオントラップ。
【請求項２】
請求項１に記載のリニアイオントラップにおいて、前記制御装置は、前記複数のＤＣ場成分のうちの、前記第１のトラップ領域を集合的に形成している少なくとも１つのＤＣ場成分を３つの異なるＤＣ電位レベル間で切り換えるように更に構成されていることを特徴とするリニアイオントラップ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のリニアイオントラップにおいて、前記制御装置は、第２の処理ステップを可能にするために、イオンを前記第１のトラップ領域から前記少なくとも２つの離散的なトラップ領域の第２のトラップ領域に移動させるように前記複数のＤＣ場成分の少なくとも１つのＤＣ場成分を切り換えるように更に構成されていることを特徴とするリニアイオントラップ。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１項に記載のリニアイオントラップにおいて、前記制御装置は、前記複数のＤＣ場成分の中からの、前記少なくとも２つの離散的なトラップ領域の第２のトラップ領域を集合的に形成する複数の前記ＤＣ場成分を切り換えて、前記第２のトラップ領域に貯蔵されているイオンの電位エネルギを前記第１のレベルから前記第２のレベルに変化させるように更に構成されていることを特徴とするリニアイオントラップ。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか１項に記載のリニアイオントラップにおいて、前記制御装置は、前記複数のＤＣ場成分のうちの、前記第２のトラップ領域を集合的に形成している少なくとも１つのＤＣ場成分を３つの異なるＤＣ電位レベル間で切り換えるように更に構成されていることを特徴とするリニアイオントラップ。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか１項に記載のリニアイオントラップにおいて、前記ＲＦ波形は、ほぼ矩形の電圧パルストレインを含むことを特徴とするリニアイオントラップ。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れか１項に記載のリニアイオントラップにおいて、第１の電位エネルギレベルのイオンで埋められた前記２つの離散的なトラップ領域の少なくとも一方を通して注入される粒子のビームを受けるように構成されたポール電極の対を更に含むことを特徴とするリニアイオントラップ。
【請求項８】
請求項７に記載のリニアイオントラップにおいて、前記粒子は、前記２つの離散的なトラップ領域の前記少なくとも一方内に衝突ガスがない場合に注入されることを特徴とするリニアイオントラップ。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れか１項に記載のリニアイオントラップにおいて、前記制御装置は、衝突誘起解離を実施するために、イオンを前記第１のトラップ領域から第２のトラップ領域に向けて十分な運動エネルギでリリースするように前記複数のＤＣ場成分のうちの複数を切り換えるように更に構成されていることを特徴とするリニアイオントラップ。
【請求項１０】
請求項１乃至９の何れか１項に記載のリニアイオントラップにおいて、前記制御装置は、処理されたイオンを、質量対電荷比を測定するために質量分析器に向けて排出するように前記ＤＣ場成分の少なくとも１つを切り換えるように更に構成されていることを特徴とするリニアイオントラップ。
【請求項１１】
リニアイオントラップにおいてイオンを処理する方法において、
所与の時点において、ほぼ均一な圧力を有するトラップ場を画定するリニアイオントラップを提供するステップと、
イオンを、前記イオンを半径方向に閉じ込めるためのＲＦトラップ場成分と、前記イオンを軸方向に制御するための複数のＤＣ場成分とを重ね合わせることによって生成される前記トラップ場においてトラップするステップと、
少なくとも２つの離散的なトラップ領域を形成するために、前記ＤＣ場成分を前記リニアイオントラップの軸に沿って空間的に分布させるステップと、
前記少なくとも２つの離散的なトラップ領域のうちの第１の電位エネルギレベルの第１のトラップ領域におけるイオンを第１の処理ステップに供するステップと、
前記第１の離散的なトラップ領域を集合的に形成している前記ＤＣ場成分を適時に切り換えて、前記イオンの電位エネルギを第１のレベルから第２のレベルに変化させるステップと、
前記第１の離散的なトラップ領域の一方の側における／一方の側の前記第２のレベルのＤＣ電位を、前記第１の離散的なトラップ領域の最小ＤＣ電位を下回る値に切り換え、それにより、前記第１の離散的なトラップ領域から離れるように加速させることにより、前記リニアイオントラップの前記軸に沿った移動のための、前記第１の離散的なトラップ領域に閉じ込められたイオンのリリースを可能にするステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法において、前記第１のトラップ領域の前記複数のＤＣ場成分の少なくとも１つは、第１の電位エネルギレベルにおける第２のトラップ領域へのイオン移動を促進するために３つの異なるレベル間で切り換えられることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１１又は１２に記載の方法において、前記第２のトラップ領域における前記イオンの前記電位エネルギは、第１の電位エネルギレベルから第２の電位エネルギレベルに変化され、及びイオンは、前記レベルの少なくとも一方において処理されることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１１乃至１３の何れか１項に記載の方法において、前記イオンは、前記第１の離散的なトラップ領域の前記第２の電位エネルギレベルにおいて第２の処理ステップに供されることを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１１乃至１４の何れか１項に記載の方法において、前記イオンは、前記第１の電位レベルにおいて又は前記第２の離散的なトラップ領域の第２の電位エネルギレベルにおいて追加の処理ステップに供されることを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１１乃至１５の何れか１項に記載の方法において、前記ＲＦトラップ場成分は、ほぼ矩形の電圧パルストレインを含む２つの逆相のＲＦ波形によって生成されることを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１１乃至１６の何れか１項に記載の方法において、前記イオンは、前記第１の離散的なトラップ領域の前記第２の電位エネルギレベルにおいて第２の処理ステップに供され、前記第１及び第２の処理ステップの少なくとも一方は、イオンを活性化させるために前記第１の離散的なトラップ領域を通って注入される粒子のビームを伴うことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の技術分野は、質量分析法を使用するイオン分析に関し、特に、トラップ領域のＲＦ及びＤＣ電位を制御することにより、シーケンシャルに適用され且つ促進されるイオン処理技術の範囲を拡大することを可能にするセグメント化リニアイオントラップの開発に関し、具体的には、イオントラップのための電子回路及び関連する新技術の開発に関する。
【背景技術】
【０００２】
リニアイオントラップは、非常に強力且つ多用途な分析装置へと進化しており、現代の質量分析法において重要且つ不可欠な計測セクションを構成する。スタンドアロンの質量分析器として配備されるか又はハイブリッド質量分析計として一体化される、気相イオンを操作するために利用可能なツール及び方法の範囲は非常に広い。リニアイオントラップは、パフォーマンスケイパビリティを強化し、多用性を更に広げる新規な設計を開発及びテストするための理想的なプラットフォームである。リニアイオントラップ計測に関するレビューは、２次元ＲＦトラップ場、及び半径方向イオン閉じ込めの特性、質量分析器との結合の手法を含むイオン運動の軸方向制御に関係する［Ｄｏｕｇｌａｓ  ｅｔ  ａｌ，Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍ  Ｒｅｖ  ２４，１，２００５］。
【０００３】
標準的な３Ｄ四重極イオントラップと比較した場合のリニアイオントラップの主要な２つの有利点として、イオン貯蔵量の増大により空間電荷作用が小さくなることと、トラップ効率が高いことにより外部から注入されるイオンに対する感度が高くなることとが挙げられる［Ｓｃｈｗａｒｔｚ  ｅｔ  ａｌ，Ｊ  Ａｍ  Ｓｏｃ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍ  １３，６５９，２００２］。イオンの選択及びフラグメンテーションのプロセスが独立に最適化されるデュアル圧力リニアイオントラップにおいてパフォーマンスの向上が実証されている［Ｓｅｃｏｎｄ  ｅｔ  ａｌ，Ａｎａｌ  Ｃｈｅｍ  ８１，７７５７  ２００９］。より複雑な構成として、質量選択的軸方向排出手法があり、これは、半径方向イオン励起を軸方向運動に変換するフリンジ効果に基づくか［Ｌｏｎｄｒｙ＆Ｈａｇｅｒ，Ｊ  Ａｍ  Ｓｏｃ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍ  １４，１１３０，２００３］、又はＲＦ極−電極間に挿入され、軸方向ＡＣ励起波形を供給される羽根レンズを使用することによって［Ｈａｓｈｉｍｏｔｏ  ｅｔ  ａｌ，Ｊ  Ａｍ  Ｓｏｃ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍ  １７，６８５，２００６］行われる。利用可能な活性化解離方法は、衝突誘起解離（ＣＩＤ）及び電子移動解離（ＥＴＤ）に限られており、これまでのところ、わずか２つの活性化方法が同じリニアイオントラップにおいてタンデムで実施され得る。従って、広範囲の最先端の活性化解離のツール及び方法をサポートすることが可能である新規な多用途設計を開発すること、並びにこれらをシーケンシャルに実施する機能が必須であり、特に高度に複雑な生物試料及びタンパク質の分析において必須である。
【０００４】
イオンの貯蔵及び処理を行うための複数の電位領域を有する衝突セルの概念設計は、米国特許第７３１２４４２Ｂ２号明細書に開示されている。様々な手法を用いてイオンをシーケンシャルに活性化解離させる、提案されている機能は、非常に望ましいが、その方法は、解離相互作用のための荷電粒子ビームの注入を伴わず、また、活性化解離プロセスを最適化するための相互作用エネルギの厳密な制御を大幅に促進する、ＤＣ電位を調節し、結果としてイオンの電位エネルギを複数のレベル間で調整することにも関連していない。更に、厳密な運動エネルギを有するイオンをリニアイオントラップで受け、且つリニアイオントラップからリリースすることを含む、トラップ領域間の効率的なイオン移動のために、ＤＣ電位及びまたイオンの電位エネルギの高度な制御が不可欠である。これらの新しい態様は、新規なＤＣ切り換え技術と、本発明に開示の方法とを必要とする。
【０００５】
イオントラップに貯蔵されているイオンと外部から注入された電子との間の相互作用エネルギを制御する技術は、米国特許第７７５５０３４Ｂ２号明細書に開示されている。リニアイオントラップにおいて相互作用のエネルギを制御するために３状態デジタル波形が使用され、中間電圧状態中に電子が注入される。イオントラップに正常に貯蔵されるイオンの質量範囲が３状態ＲＦトラップによって制限されることに加えて、中間状態中にアクセス可能な電圧振幅もＲＦ波形の２つの極値間に制限され、相互作用中に利用できるアクセス可能なエネルギ範囲もそのように制限される。この開示されているリニアイオントラップを動作させる方法の別の不利点は、相互作用が発生するための時間窓が狭いことであり、時間窓は波形期間の１／３未満に制限されている。米国特許第６９９５３６６Ｂ２号明細書に開示されている方法に関連する不利点として、この方法の結果として、電子の散乱のために又は電子放射面の仕事関数の修正のために解離に利用可能な電子の数が少なくなることが挙げられる。セグメント化リニアイオントラップのトラップ領域において、イオンを活性化解離させる方法が欧州特許第１７０６８９０Ｂ１号明細書に開示されているが、これらは、イオンの電位エネルギを制御し、且つイオンをリリースするか又は受け取るために用いられる方法という観点で限定的である。
【０００６】
全般的には、リニアイオントラップと、様々な手法を用いて効率よく実施される、単一装置においてイオンをシーケンシャルに活性化解離させる方法とを改良することが依然として必要とされている。
【発明の概要】
【０００７】
本発明の方法及び装置は、これらの問題の軽減を、例えば、ＲＦトラップ波形の特性を電子源の電位から切り離すことによって行うことが可能であり、これは、ＤＣ場成分を重ね合わせることにより、イオンの電位エネルギを個別に且つ（例えば、任意の）所望の最適なレベル（例えば、エネルギレベル）まで制御することによって行われる。質量範囲は、エネルギ範囲（例えば、無限のエネルギ範囲）にわたって影響を受けないままであり得、相互作用の時間は最長化され得る。本発明では、イオントラップ領域への電子注入は、例えば、トラップされたイオンによる解離プロセスを実施するために行われ得、これは、衝突ガスが実質的／実効的に存在しない無衝突環境で実施されることが好ましいであろう。イオントラップにおける電子注入中に衝突ガスが存在しないことにより、既存の方法に伴う不利点が回避される。既存の方法では、結果として解離に利用可能な電子の数が少なくなる。これは、電子が分散するため又は電子放射面の仕事関数が改変されるためである。本発明は、イオンクラウドを軸方向に圧縮することが可能であり、これは、トラップされたイオンと電子との重なりを改善又は最大化することによって活性化プロセスを加速させるために行われることが好ましいであろう。これは、本発明が好ましく提供し得る利点である。
【０００８】
本発明は、好ましい一態様では、リニアイオントラップ機構を提供し得、これは、メインのＲＦ電場成分に複数のＤＣ電場成分を重ね合わせることによって形成される少なくとも２つのトラップ領域を提供する複数のセグメントによって構成される。この少なくとも２つのセグメントは、少なくとも２つの別個の且つ隔てられたトラップ領域を与える単一且つ離散的な装置を集合的に形成し得る。リニアイオントラップは、好ましくは、複数のセグメントの連続するセグメント間に（例えば、アパーチャを有する）レンズ電極又は（例えば、アパーチャを有する）端部キャップ電極が配列されていない、ポール電極の一連の複数のセグメントの形態であり得、それにより、リニアイオントラップの、複数のセグメントによって形成された少なくとも２つの別個のトラップ領域間の領域にそのようなレンズ電極又は端部キャップ電極が存在しない。アパーチャを有するレンズ電極によって隔てられたセグメントを含むトラップ領域は、イオンクラウドの位置が、レンズに印加される相対電位に依存することから問題となり得る。結果として、イオンクラウドの位置は、幾何学的構造及び関連付けられた非線形場が非対称であることから明確に画定されない。本発明の好ましい実施形態の装置では、イオンは、好ましくは、この装置によって形成可能な電位井戸の中心に貯蔵され得る。これは、空間的／軸方向に対称な電位井戸を作成することにより達成可能である。これは、トラップ領域の側部セグメントに均等なＤＣ場成分を印加することにより促進される。対称形の電位井戸又は軸方向に対称なトラップ領域は、イオンが井戸の中心に厳密に配置されることを可能にする。これにより、イオンと、外部で生成された荷電粒子又は試薬種との間の重なりが強化／最大化される。それらの荷電粒子又は試薬種は、ポール電極の中心に位置するアパーチャ（例えば、トラップの対向するポール電極の対向するスルーアパーチャ）を通して注入され得る。このようにして、２つの離散的な軸方向に並べられた／隣接したトラップ装置が並置される場合と異なり、少なくとも２つのトラップ領域を与えるように構成された１つの離散的な装置により、単一且つ離散的なリニアイオントラップ機構が与えられ得る。
【０００９】
好ましくは、トラップ領域が少なくとも３つのセグメントからなり、好ましくは、これらは、中央セグメントと、２つの側部セグメント又はガードセグメントとを含み得、各セグメントは、４つのポール電極を含み、四重極構成を形成し得る。別の実施形態では、そうすることが望ましい場合、トラップ領域はまた、セグメントと端部キャップ電極とからなり得る。使用時、（例えば、少なくとも２つのトラップ領域を含む）トラップ空間全体にわたって分布するＲＦ電場成分を生成してイオンを半径方向に閉じ込めるために、逆相のＲＦ波形がポール電極の対に印加される。切り換え可能なＤＣ電位をポール電極又はポール電極間に挿入された独立の無ＲＦ電極に印加して、トラップ領域（例えば、離散的な／個別のトラップ領域）を生成して軸方向制御を促進し、また、そのトラップ領域に貯蔵されるイオンの電位エネルギを画定することにより、複数のＤＣ電場成分が形成される。トラップ領域の形成は、トラップ領域内のＤＣ場成分の１つ（以上）のＤＣ場成分（例えば、中央成分）のＤＣ電位を、近接するＤＣ電場成分より下げて電位井戸を生成することにより行われ得る。「ＲＦ電場」及び「ＲＦ場」という用語は、本明細書で区別なく使用する。「ＤＣ電場」及び「ＤＣ場」という用語も、本明細書で区別なく使用する。
【００１０】
望ましくは、本明細書のリニアイオントラップは、好ましい態様では、トラップ領域を形成するＤＣ場成分を生成するために印加されるＤＣ電位の変更及び／又は切り換えを更に行う。この切り換え／変更は、複数のそのようなＤＣ電位にまとめて適用され得る。トラップ領域のＤＣ場成分は、第１のＤＣ電位レベルと少なくとも第２のＤＣ電位レベルとの間で切り換えられ得る。トラップ領域の電位レベルは、電位井戸の底を画定するために印加されるＤＣ電位によって決定され得る。これは、セグメントのうちの中央セグメント又は端部／ガードセグメントと境界を接する１つ以上のセグメントに印加され得る。ガードセグメントの対に印加される電位レベルは、正イオンをトラップする井戸（例えば、井戸の底）の電位レベルより高いことが好ましい。負イオンをトラップする場合には逆が適用される。このようにして、トラップ領域のガードセグメント／電極に印加される電位（例えば、ＤＣ電位）は、イオンを井戸に閉じ込めるために使用される電位井戸の壁を画定することが可能であり、必要に応じて（例えば、井戸領域のその部分のＤＣ電位を変化させることにより）イオンを制御可能にリリースすることが可能である。ＤＣ電位の切り換え及び対応するトラップ領域の変更は、３つ以上のＤＣ電位レベル間で行われ得る。好ましくは、トラップ領域の異なるＤＣ電位の変更又は切り換えは同時に行われる。トラップ領域が対称形であれば、均等に別のレベルに上げるか又は下げることが可能であることが好ましい。従って、トラップされたイオンは、ＤＣ電位の遷移中、それらの軸方向位置（例えば、井戸の中央）にとどまることが可能である。
【００１１】
ＤＣ電位と、トラップ領域を形成している対応するＤＣ場成分との切り換えは、当然のことながら、必要に応じてイオンが存在しない場合に実施され得る。これは、イオンを受け取る電位井戸又は電位プロファイルをあらかじめ用意するためであり得る。２つのレベル間でのＤＣ場成分の切り換えは、トラップ領域からのイオンのリリース又はトラップ領域でのイオンの受け取りのために実施され得る。イオンの電位井戸からのリリースは、（例えば、ガードセグメントにおける）井戸の壁部分の電位レベルを、トラップ領域のその部分を画定するガードセグメント間に位置するセグメントによって印加された（例えば、中央セグメントに印加された）井戸の底の電位より下げることにより行われ得る。好ましくは、ＤＣ場成分の（例えば、第３の状態への）切り換えは、トラップ領域を形成しているＤＣ場成分の（例えば、まとめての）変更後に実施され、例えば、イオンをトラップ領域からリリースするために第１の状態と第２の状態との間での切り換えが実施され得る。ＤＣ電位と、トラップ領域を形成している対応するＤＣ場成分との切り換えは、好ましくは、イオンを受け取るために実施され得、これは、例えば、ガードセグメントに印加される電位レベルを下げ、それにより、与えられている井戸の壁を下げるか又は除去してイオンを井戸に入れることによって行われる。
【００１２】
ＤＣ電位と、トラップ領域を形成している対応するＤＣ場成分とを制御することの直接の結果として、トラップ領域に貯蔵されるイオンの電位エネルギの同時の変更又は切り換えが行われる。従って、本発明のリニアイオントラップは、イオン電位エネルギを第１の電位エネルギレベルと少なくとも第２の電位エネルギレベルとの間で変化させることが更に必要であり、これは、トラップ領域を形成するＤＣ場成分を生成するために印加されるＤＣ電位のレベルを上げるか又は下げ、上昇させるか又は下降させ、それらのエネルギレベルの少なくとも１つにおいてイオンをそれぞれ更に処理することによって行われる。ガードセグメントに印加されるＤＣ電位を、（例えば、中央セグメントによって）井戸の底に印加されるＤＣ電位を下回るレベルに切り換える処理ステップが完了すると、その効果として、イオンがトラップ領域から離れるようにアクティブに加速され得る。このようにして処理されたイオンに印加される加速度の大きさは、（例えば、中央セグメントのそばの）井戸の床と、そのようなイオンリリース中に（例えば、ガードセグメントのそばの）そのように下げられた井戸の壁との間で確定された電位レベル差によって決定される。
【００１３】
従って、一態様では、本発明は、リニアイオントラップの軸に沿ってイオンを移動させる方法（及び移動させるように構成された装置）を提供し、これは、イオントラップのトラップ領域内にイオンを軸に対して半径方向に閉じ込めるためのＲＦ電位を生成するステップと、トラップ領域内にイオンを軸方向に閉じ込めるためのトラップ領域を画定する複数のＤＣ電位を生成するステップであって、それにより、ＲＦ電位及びＤＣ電位が集合的にトラップ領域内にイオンをトラップする、ステップと、トラップ領域のＤＣ電位を第１のレベルと第２のレベルとの間で同時に変化させるステップと、トラップ領域の一方の側において、第２のレベルのＤＣ電位を、トラップ領域の最小ＤＣ電位を超えない値に変化させ、それにより、軸に沿った移動のために、トラップ領域に閉じ込められているイオンのリリースを可能にするステップとを含む。好ましくは、トラップ領域の一方の側で第２のレベルのＤＣ電位を変化させることは、その電位を、トラップ領域の最小ＤＣ電位を下回る値に変化させ、それにより、軸に沿った方向付けられた移動のために、トラップ領域に閉じ込められているイオンの方向付けられたリリースを可能にすることを含む。井戸の床と、トラップ領域の側部（これまでは井戸の壁）において下げられた電位との間の電位差により、リリースされたイオンにとって利用可能になるエネルギは、トラップ領域のその側部においてトラップ領域から離れる方向にリリースされたイオンを加速させる。これにより、制御可能な速度／エネルギで勢い付けられた、イオンのアクティブ且つ選択可能に方向付けられたリリースが行われる。これにより、イオンは、トラップ領域から離れるように加速され得る。これにより、イオンのトラップ領域からのリリースの選択された方向及びリリース中のイオンに印加される加速度／速度のレベルは、ユーザが制御できるようになり、これは、イオンの移動（例えば、１つのトラップ領域から別のトラップ領域への移動、又は質量分析器若しくはイオンモビリティ分析計への排出）を正確に制御することにおいて大きい応用自在性をもたらす。例えば、井戸の壁を、井戸の床を下回る適切なレベル／量まで適切な電位量だけ下げることによって適切な加速度が印加され得、これにより、リリースされたイオンに対する所望の／適切な加速が得られる。適切な加速度は、必要に応じて選択され得、例えば、トラバースされる軸に沿う移動距離、及び／又はリリースされたイオンが運ばれる第２のトラップ領域の電位井戸の深さに応じて選択され得る（例えば、加速度が適度であれば第２の井戸／トラップ領域での「オーバシュート」が避けられる）。イオンの移動の応用自在且つ厳密な制御が可能になれば、イオンをトラップから除去することを必要とせずに、リニアイオントラップの様々な部分に沿ってイオンに複数のプロセスを適用することが促進される。
【００１４】
更なる態様では、本発明は、リニアイオントラップを提供し得、これは、イオンを処理するための少なくとも２つの離散的なトラップ領域と、２つのＲＦ波形であって、イオンを半径方向にトラップするＲＦトラップ場成分を形成する、リニアイオントラップのポール電極の対にそれぞれ印加される、２つのＲＦ波形を生成するためのＲＦ電位生成器と、イオンを軸方向に制御するために、ＲＦ場成分に重ね合わされ、且つリニアイオントラップの長さにわたって分布される複数のＤＣ場成分を生成する多出力ＤＣ電位生成器と、少なくとも２つの離散的なトラップ領域のうちのイオンで埋められている第１のトラップ領域を集合的に形成しているＤＣ電位及び対応するＤＣ場成分を切り換えて、イオン電位エネルギを第１のレベルから第２のレベルに変化させ、且つ第１及び第２のレベルの少なくとも一方において第１のイオン処理ステップを可能にするように構成された制御装置とを含む。好ましくは、制御装置は、第１のトラップ領域の一方の側における第２のレベルのＤＣ電位を、第１のトラップ領域の最小ＤＣ電位を下回る値に切り換え、それにより、第１のトラップ領域から離れるように加速させることにより、リニアイオントラップの軸に沿った移動のための、第１のトラップ領域に閉じ込められたイオンのリリースを可能にするように構成されている。これにより、イオンの移動は、所望の方向の移動であり得る。所望の方向は、例えば、少なくとも２つの離散的なトラップ領域のうちの（例えば、第２の処理ステップをそこで実施するための）第２のトラップ領域に向かう方向であり得、リニアイオントラップの入口／出口の部分／端部に向かう方向であり得る。リニアイオントラップの、イオントラップからのイオンを受ける出口／出力部に更なる機器が配列／結合され得、それらは、例えば、別のイオントラップ（例えば、オービトラップ、又は別のトラップ（例えば、その別のトラップにイオンが入力される場合））、質量分析器（例えば、その分析器にイオンが入力される場合）、イオンモビリティ分析計（例えば、その分析計にイオンが入力される場合）などである。
【００１５】
制御装置は、複数のＤＣ場成分のうちの、第１のトラップ領域を集合的に形成している少なくとも１つのＤＣ場成分を３つの異なるＤＣ電位レベル間で切り換えるように更に構成され得る。例えば、電位井戸の壁を与えるＤＣ成分は、このように切り換えられ得る。その成分は、第１の電位レベルから、第１の電位レベルより高い第２の電位レベルに切り換えられ得、一方で電位井戸の壁を引き続き提供し得、その後、第２の電位レベルから、電位井戸の底ほどに低いか又は底より低い第３の電位レベルに切り換えられ得、これによりイオンの電位井戸からの（例えば、加速された）リリースが可能になる。
【００１６】
制御装置は、第２の処理ステップを可能にするために、イオンを第１のトラップ領域から少なくとも２つの離散的なトラップ領域の第２のトラップ領域に移動させるように複数のＤＣ場成分の少なくとも１つのＤＣ場成分を切り換えるように更に構成され得る。従って、イオンの第１のトラップ領域からの移動は、イオンが（例えば、第２の処理ステップをそこで実施するために）少なくとも２つの離散的なトラップ領域の第２のトラップ領域に向けて所望の方向に移動することによって可能にされ得る。
【００１７】
制御装置は、複数のＤＣ場成分の中からの、少なくとも２つの離散的なトラップ領域の第２のトラップ領域を集合的に形成する複数のＤＣ場成分を切り換えて、第２のトラップ領域に貯蔵されているイオンの電位エネルギを第１のレベルから第２のレベルに変化させるように更に構成され得る。
【００１８】
制御装置は、複数のＤＣ場成分のうちの、第２のトラップ領域を集合的に形成している少なくとも１つのＤＣ場成分を３つの異なるＤＣ電位レベル間で切り換えるように更に構成され得る。
【００１９】
ＲＦ波形は、ほぼ矩形の電圧パルストレインを含み得る。
【００２０】
リニアイオントラップは、第１の電位エネルギレベルのイオンで埋められた２つの離散的なトラップ領域の少なくとも一方を通して（例えば、通り抜けて）注入される粒子（例えば、荷電粒子）のビームを受けるように構成されたポール電極の対を更に含み得る。
【００２１】
粒子は、２つの離散的なトラップ領域の少なくとも一方内に衝突ガスがない場合に注入され得る。リニアイオントラップは、２つの離散的なトラップ領域の小さい方のトラップ領域に粒子が注入される前にそのトラップ領域内から衝突ガスを除去するように構成されたガスポンプ装置を含み得る。
【００２２】
制御装置は、衝突誘起解離を実施するために、イオンを第１のトラップ領域から第２のトラップ領域に向けて十分な運動エネルギでリリースするように複数のＤＣ場成分のうちの複数を切り換えるように更に構成され得る。
【００２３】
制御装置は、処理されたイオンを、質量対電荷比を測定するために質量分析器に向けて排出するようにＤＣ場成分の少なくとも１つを切り換えるように更に構成され得る。
【００２４】
別の態様では、本発明は、リニアイオントラップにおいてイオンを処理する方法を提供し得、この方法は、所与の時点において、ほぼ均一な圧力を有するトラップ場を画定するリニアイオントラップを提供するステップと、イオンを、そのイオンを半径方向に閉じ込めるためのＲＦトラップ場成分と、そのイオンを軸方向に制御するための複数のＤＣ場成分とを重ね合わせることによって生成されるトラップ場においてトラップするステップと、少なくとも２つの離散的なトラップ領域を形成するためにＤＣ場成分をリニアイオントラップの軸に沿って空間的に分布させるステップと、少なくとも２つの離散的なトラップ領域のうちの第１の電位エネルギレベルの第１のトラップ領域におけるイオンを第１の処理ステップに供するステップと、第１の離散的なトラップ領域を集合的に形成しているＤＣ場成分を適時に切り換えて、イオンの電位エネルギを第１のレベルから第２のレベルに変化させるステップとを含む。好ましくは、本方法は、第１のトラップ領域の一方の側における第２のレベルのＤＣ電位を、第１のトラップ領域の最小ＤＣ電位を下回る値に切り換え、それにより、少なくとも２つの離散的なトラップ領域の第１のトラップ領域から離れて第２のトラップ領域に向けて加速させることにより、軸に沿った移動のための、第１のトラップ領域に閉じ込められたイオンのリリースを可能にするステップを含む。
【００２５】
任意選択で、第１のトラップ領域の複数のＤＣ場成分の少なくとも１つは、第１の電位エネルギレベルにおける第２のトラップ領域へのイオン移動を促進するために３つの異なるレベル間で切り換えられる。
【００２６】
任意選択で、第２のトラップ領域におけるイオンの電位エネルギは、第１の電位エネルギレベルから第２の電位エネルギレベルに変化され、及びイオンは、これらのレベルの少なくとも一方において処理される。
【００２７】
任意選択で、イオンは、第１の離散的なトラップ領域の第２の電位エネルギレベルにおいて第２の処理ステップに供される。
【００２８】
任意選択で、イオンは、第１の電位レベルにおいて又は第２の離散的なトラップ領域の第２の電位エネルギレベルにおいて追加の処理ステップに供される。
【００２９】
ＲＦトラップ場成分は、ほぼ矩形の電圧パルストレインを含む２つの逆相のＲＦ波形によって生成され得る。
【００３０】
任意選択で、イオンは、第１の離散的なトラップ領域の第２の電位エネルギレベルにおいて第２の処理ステップに供され、第１及び第２の処理ステップの少なくとも一方は、イオンを活性化させるために第１の離散的なトラップ領域を通って（例えば、通り抜けて）注入される粒子（例えば、荷電粒子）のビームを伴う。
【００３１】
別の態様では、本発明は、リニアイオントラップにおいてイオンを処理する方法を提供し得、この方法は、所与の時点において、ほぼ均一な圧力を有するトラップ場を画定するリニアイオントラップを提供するステップと、イオンを、そのイオンを半径方向に閉じ込めるためのＲＦトラップ場成分と、そのイオンを軸方向に制御するための複数のＤＣ場成分とを重ね合わせることによって生成されるトラップ場においてトラップするステップと、リニアイオントラップの軸に沿って少なくとも２つの離散的なトラップ領域を形成するためにＤＣ場成分を空間的に分布させるステップと、第１の電位エネルギレベルの第１のトラップ領域におけるイオンを第１の処理ステップに供するステップと、第２の電位エネルギレベルの第２のトラップ領域におけるイオンを第２の処理ステップに供するステップと、第１及び第２のトラップ領域のそれぞれを集合的に形成している複数のＤＣ場成分のうちの複数を切り換えて、それらに貯蔵されるイオンの電位エネルギを変化させることにより、処理されたイオンを第１のトラップ領域と第２のトラップ領域との間で移動させるステップと、少なくとも１つのＤＣ場成分を３つの異なるＤＣ電位レベル間で切り換えるステップとを含む。トラップされたイオンを移動させるステップは、方向付けられたイオンリリースに関連して上述されたように実施され得る。
【００３２】
更に別の態様では、本発明は、リニアイオントラップにおいてイオンを処理する方法を提供し得、この方法は、所与の時点において、ほぼ均一な圧力を有するトラップ場を画定するリニアイオントラップを提供するステップと、イオンを、そのイオンを半径方向に閉じ込めるためのＲＦトラップ場成分と、そのイオンを軸方向に制御するための複数のＤＣ場成分とを重ね合わせることによって生成されるトラップ場においてトラップするステップと、少なくとも３つの離散的なトラップ領域をリニアイオントラップ内に形成するためにＤＣ場成分を空間的に分布させるステップと、少なくとも３つの離散的なトラップ領域のうちの第１の電位エネルギレベルの第１のトラップ領域におけるイオンを第１の処理ステップに供するステップと、少なくとも３つの離散的なトラップ領域のうちの第２の電位エネルギレベルの第２のトラップ領域におけるイオンを第２の処理ステップに供するステップと、少なくとも３つの離散的なトラップ領域のうちの第３の電位エネルギレベルの第３のトラップ領域におけるイオンを第３の処理ステップに供するステップと、第１、第２、及び第３のトラップ領域のそれぞれを集合的に形成している複数のＤＣ場成分のうちの複数を切り換えて、それらに貯蔵されるイオンの電位エネルギを変化させることにより、処理されたイオンを第１、第２、及び第３のトラップ領域間で移動させるステップと、少なくとも１つのＤＣ場成分を３つの異なるＤＣ電位レベル間で切り換えるステップとを含む。トラップされたイオンを移動させるステップは、方向付けられたイオンリリースに関連して上述されたように実施され得る。
【００３３】
更なる態様では、本発明は、リニアイオントラップにおいてイオンを処理する方法を提供し得、この方法は、イオンを半径方向に閉じ込めるためのＲＦトラップ場成分と、イオンを軸方向に制御するための複数のＤＣ場成分とを重ね合わせることによって生成されるトラップ場をリニアイオントラップが画定するステップと、少なくとも２つの離散的なトラップ領域をリニアイオントラップの軸に沿って形成するためにＤＣ場成分を空間的に分布させるステップと、少なくとも２つの離散的なトラップ領域のうちの第１の電位エネルギレベルの第１のトラップ領域におけるイオンを第１の処理ステップに供するステップと、イオンの電位エネルギを変化させるステップと、イオンを第１のトラップ領域からリリースするために少なくとも１つのＤＣ場成分を３つの異なるＤＣ電位レベル間で切り換えるステップとを含む。トラップされたイオンを移動させるステップは、方向付けられたイオンリリースに関連して上述されたように実施され得る。トラップされたイオンを移動させるステップは、方向付けられたイオンリリースに関連して上述されたように実施され得る。
【００３４】
本発明のリニアイオントラップのトラップ領域における処理としては、外部から注入される粒子（例えば、試薬イオン又は前駆イオンと一緒にトラップされた試薬イオン）によるイオンの活性化、（例えば、外部から注入される）電子との相互作用、好ましくは（例えば、高速電子を含むエネルギ荷電粒子を使用する）電子脱離によるイオンの質量対電荷比の操作、プロトン付着又は電荷低減の処理、地絡状態又は励起状態でのイオンと（例えば、外部から注入された）中性分子との間の相互作用、光子との相互作用、補助ＡＣ波形、又はＲＦトラップ波形のデューティサイクル変化によるイオン運動の励起、ＡＣ波形又はデューティサイクル制御によるイオン隔離、衝突活性化解離、イオンの蓄積及び移動などがあり得る。好ましくは、処理ステップは順次実施される。処理は、上述の機能の１つ以上が同時に又は順次実施されることを必要とする場合がある。
【００３５】
リニアイオントラップの少なくとも１つのトラップ領域を埋めているイオンと、外部から注入される荷電粒子（例えば、イオン及び／又は電子）との間の相互作用のエネルギを制御することが望ましい。また、トラップ領域に荷電粒子を注入することにより、第１の電位エネルギレベルで貯蔵されているイオンを活性化（例えば、且つ／又は解離）させ、その後、第２の処理ステップを実施するために、処理されたイオンの電位エネルギを第２の電位エネルギレベルに変更又は調節することが望ましい。本発明の態様のリニアイオントラップでは、ガードセグメントの対に印加されるＤＣ電位は、トラップ領域を画定する電位井戸の中央にイオンを閉じ込めるために大きさが等しいことができる。これは、（例えば、ポール電極の中心に位置するアパーチャを通して）リニアイオントラップに注入され得る、外部で生成された荷電粒子又は試薬種との重なりを改善／最大化するための手段としての役割を果たす。ポール上のアパーチャと、トラップされたイオンの場所との間の空間配列精度は、０．２ｍｍ未満のオーダーであることが好ましい。トラップ領域によって画定された電位井戸が対称形でない場合、その中でトラップされているイオンが井戸の中央に位置しない傾向であることが分かっている。従って、そのような非対称な電位井戸内において、トラップ領域のポール電極の中央に位置するスルーアパーチャは、トラップされたイオンの位置とずれる可能性がある。従って、好ましくは、電位井戸を画定するイオントラップのポール電極の側部／ガードセグメントは、ほぼ等しい長さであり得、又は（長さを含めて）ほぼ同じ構造であることにより、電位井戸を全体として画定しているポール電極によって画定される電位井戸に対称性を与え得る。
【００３６】
同様に、好ましくは、それらに印加されるＤＣ電位は、そのような対称性を可能にするために大きさ／振幅がほぼ等しいことができる。第２の電位エネルギレベルは、第１のトラップ領域から第２のトラップ領域へのイオンの移動又は質量分析器への排出を促進することも可能である。第２の処理ステップは、活性化解離実験のために電子及び／又は試薬イオンを外部から注入することを必要とすることもあり、任意選択で、トラップ領域に印加されるＤＣ電位を第３のレベル（例えば、より高いレベルであり、これは井戸の底を持ち上げる）に遷移させて、リリース又は移動を促進することを含むこともある。第１の電位エネルギレベルで実施される処理ステップは、第１のトラップ領域の第２の電位エネルギレベルで実施される処理ステップと異なり得る。トラップ領域における順次処理ステップは、電子を注入することによって実施可能である。これは、イオンの電位エネルギの変更又は調節が行われている間、様々なイオン−電子相互作用エネルギにおいて成立する様々な活性化解離機構にアクセスするために行われ得る。様々な活性化解離機構が、様々なエネルギレベルでの順次相互作用中にイオンの電位エネルギを調節することによって与えられ得る。イオンの電位エネルギは、第１及び第２のレベルのそれぞれにおいて処理をそれぞれ最適化するように調節され得る。処理サイクル中、複数の電位エネルギレベルにおける処理ステップが実施され得る。各処理ステップを個別に最適化するようにイオンの電位エネルギが厳密に調節され得る。
【００３７】
一例では、電子捕獲解離（ＥＣＤ）に必要なイオンの電位エネルギは、電子源の電位エネルギに対して１０ｅＶ未満であり、好ましくは２ｅＶ未満であり、一方、逓倍荷電ラジカルイオンを形成する質量対電荷比を低減する電子脱離に必要な電位エネルギは１０ｅＶ超であり、好ましくは３０ｅＶ超である。電子振動励起による電子誘起解離（ＥＩＤ）には、イオンで埋められたトラップ領域に注入されるための更に高い運動エネルギを有する電子と、相互作用期間を延ばすこととが必要である。イオンの電位エネルギを複数のエネルギレベル間で制御することにより、これらの全ての様々な活性化解離方法が順次実施されることが可能になる。これらの手法を本発明において開示されるように組み合わせることにより、新たな解離経路がアクセス可能になる。
【００３８】
本発明のリニアイオントラップは、荷電粒子を厳密な運動エネルギでトラップ領域に注入することを可能にするために、波形期間の少なくとも一部中にほぼ一定の場を生成するＲＦトラップ波形を印加することを更に必要とする。荷電粒子は、電子源で生成される電子又はイオン化源で生成される試薬イオンである。荷電粒子は、周期的又は連続的に注入され得る。イオントラップにおける荷電粒子の周期的注入は、トラップ波形と同期したデフレクタによって制御、即ち変調され得る。好ましくは、試薬イオンを生成するイオン化源は、パルス化モードで運転され得、例えば、放出イオン化源又は高温キャビティに入る試薬ガスをパルス化して、イオンのパルス、準安定種又は中性ラジカルのパルスを形成することによって運転され得る。別の好ましい実施形態では、励起状態の中性子のパルス化ビームのみがポール電極上のアパーチャを通ってトラップ領域に導入されることを可能にするために、高温面上で生成されたイオンが偏向され得る。
【００３９】
本発明の好ましい一例示的実施形態では、リニアイオントラップは、イオンを処理するための少なくとも２つのトラップ領域を含む。第１の処理ステップは、イオンが排他的でなく活性化又は解離することが好ましい第１の電位エネルギレベルにおいてトラップを行うことと、その後、第１のトラップ領域におけるイオンの電位エネルギを第１のレベルから第２のレベルに引き上げることとを含む。イオンを新たな電位エネルギレベルにおける更なる処理のために第２のトラップ領域に移動させるか、又はイオンを質量分析器若しくはイオンモビリティ分析計に向けて排出するための、第１のトラップ領域を形成しているＤＣ場成分の１つのＤＣレベルを切り換えることが適用される。移動中の衝突活性化を抑えるために、第１のトラップ領域の第２の電位エネルギレベルが第２のトラップ領域の電位エネルギレベルに対して調節されることが好ましい。異なる電位エネルギレベルで第１及び第２のトラップ領域におけるイオンをそれぞれ処理し、異なる処理ステップを適用することも望ましい。
【００４０】
２つのトラップ領域間でイオンを往復させるために、（例えば、それらのトラップ領域のそれぞれにおいて）イオンの電位エネルギを上げること及び／又は下げることが行われ得る。上述の方法は、（例えば、トラップされたイオンの方向付けられたリリースに関連して）本装置によって実施され得る。例えば、第１のトラップ領域の第２の電位エネルギレベルにおいて第２の処理ステップが実施され得る。イオンを第２のトラップ領域に向けてリリース又は排出するために、第１のトラップ領域に貯蔵されているイオンの電位エネルギを第３のレベルに調節することと、１つのＤＣ場成分を切り換えることとが実施され得る。第２のトラップ領域において、様々な電位エネルギレベルで連続する処理ステップが実施され得る。プロダクトが第１のトラップ領域に戻されるか又は質量分析器に向けて排出され得、これは、第２のトラップ領域を形成しているＤＣ電位のレベルを同期的に制御することと、その後のイオンリリースのために１つのＤＣ場成分を切り換えることとによって行われる。処理サイクル中、それらのＤＣ場成分の少なくとも１つは、少なくとも３つの異なるＤＣレベル間で切り換えられる。
【００４１】
イオンの電位エネルギを制御するためにＤＣ電位及び対応するＤＣ場成分を異なるレベル間で変化させるか又は調節することが可能であることにより、リニアイオントラップの異なるトラップ領域において、特定の処理を最適化するように調整されたエネルギレベルで複数の処理ステップを実施することが大幅に容易になる。外部から注入される荷電粒子との相互作用のエネルギを制御することによって活性化解離実験を最適化し、且つ隣接トラップ領域のイオンを別のＤＣ電位レベルでの更なる処理のために移動させるために電位エネルギを変化させることが不可欠である。本発明のリニアイオントラップの強化された機能性は、イオンの電位エネルギを制御するための選択されたＤＣ電位の高速遷移によって実現されている。更に、イオン化源電位をリニアイオントラップの動作から切り離すために、イオンの電位エネルギレベルを調節することが高度に効率的な方法である。質量分析器又はイオンモビリティ分析器に向けたイオンの排出は、別々に最適化されることも可能である。
【００４２】
リニアイオントラップの様々なトラップ領域でのイオンの電位エネルギを変更又は調節するための、複数のＤＣ電位の高度な制御を通して可能になる実験の多様性は、実質的に無制限である。例えば、イオンは、第１のトラップ領域において第１の電位エネルギレベルで処理され得る。電位エネルギを上げること及び第１のトラップ領域の１つのＤＣ場成分を切り換えることは、リニアイオントラップ内で衝突活性化解離が起こるのに十分な運動エネルギまでイオンを加速させるように適用され得る。第１のトラップ領域のＤＣ場成分が元のレベルまで緩和されている間、イオンが第２のトラップ領域に移動及び貯蔵され得る。第２のトラップ領域において１つのＤＣ場成分を切り換えることは、第２のトラップ領域でイオンを効率的に受け取って貯蔵するために適用されることが好ましい。解離の効率を高めるために再加速が行われ、これは、第２のトラップ領域の電位エネルギを引き上げ、同じＤＣ場成分を切り換えてイオンをリリースして第１の領域に戻して活性化期間を延ばすことによって行われる。トラップ領域間でのイオンの振動は、単独で又は順次実施される更なる処理ステップと組み合わせて実施され得る。均一ＲＦ場の内側でエネルギイオンを減速させることを、端部キャップ電極にストップ電位を印加することによらずに行うことが望ましい。ストップ電位の印加は、高質量のイオンの大幅な消失に関連するフリンジ場が存在するために、イオンを反射させることに適さない。本発明のこの引き上げ切り換え動作モードでは、バックグラウンドガス分子との衝突時にイオンに与えられるエネルギを変化させて、解離の効率を大幅に高めることが可能であり、これは、特に従来の低速加熱ＣＩＤ方法で分析が困難な高質量イオンに関して可能である。
【００４３】
本発明の更に別の好ましい例示的実施形態では、リニアイオントラップは、イオンを処理するための少なくとも３つのトラップ領域を含む。最も好ましくは、それらのトラップ領域のそれぞれは、固有且つ独立の処理機能性（例えば、これらの少なくとも２つ）をサポート（例えば、それぞれがサポート）するように設計されている。例えば、３つのトラップ領域の第１のトラップ領域での第１の処理ステップは、ダイポールモードで印加されるＡＣ波形によるイオン隔離又は分解ＤＣの印加を含み得、一方、第２の処理ステップは、ＡＣ励起波形による低速加熱ＣＩＤを含み得る。第２のトラップ領域における第１の処理ステップは、一方のポール電極上のアパーチャを通る電子の外部注入を含み得、一方、第２の処理ステップは、反対側のポール電極からのラジカル種の外部注入を含み得る。最後に、第３のトラップ領域における第１の処理ステップは、イオンの蓄積を含み得、一方、第２の処理ステップは、光子によるイオンの照射を含み得る。ＤＣ電位及びリニアイオントラップにわたって分布する対応するＤＣ場成分の制御により、イオンの電位エネルギを引き上げ、引き下げ、且つ調節する機能は、（例えば、タンデムで実施される）活性化解離実験及び他の任意の順次又は同時に実施される処理ステップを最適化するために不可欠である。イオンの受け取り及び排出によりトラップ領域間の輸送を促進するために、（例えば、単一セグメントに印加される）ＤＣ電位を少なくとも３つの電位レベル間で切り換えることが望ましい。
【００４４】
少なくとも３つのトラップ領域によりアクセス可能な実験の多様性は、その中の圧力の動的制御を実施することから大きい恩恵を得られることが分かっている。これにより、本発明のリニアイオントラップが強力な分析ツールとして確立される。例えば、ＡＣ補助波形を使用して隔離又は励起を行うことにより、イオンの活性化が第１のトラップ領域で行われ得、且つ／又は外部から注入荷電粒子によるイオンの活性化が第２のトラップ領域で行われ得、更なる活性化ステップ、又は信号対ノイズ比を強化するためのプロダクト種の貯蔵及び蓄積が第３のトラップ領域で行われ得る。これは、好ましくは、これらのステップのそれぞれを様々な圧力レベルで別々に実施することによって全て最適化され得る。そのような多様な機能群の圧力需要の差は、パルス弁技術を使用する高速ガスパルスによって最も効果的に満たされることが可能である。従って、当然のことながら、本発明のリニアイオントラップにおいて利用可能な様々な機能を最適化するために、ガスを連続的に導入することを避けて複数のパルス弁を使用することが望ましい。
【００４５】
（例えば、トラップ領域に入る）ガスをパルス化することにより、隣接する真空コンパートメントに対するガス負荷を最小限に抑えながら、圧力上昇を短期間で行うことが望ましい。衝突誘起解離（ＣＩＤ）を強化すること、又は処理中に衝突によってイオンを冷却すること、又はトラップ領域間の移動を行うことには、ガス圧力を上昇させることが必須である。パルスガスはまた、好ましくは無衝突環境において、低圧でのイオン隔離中にリニアイオントラップを動作させることを可能にする。好ましくは、注入及び移動を最適化するガスパルスの継続時間は２０ミリ秒未満であり、いかなる時点でも圧力はリニアイオントラップにわたってほぼ均一である。ＣＩＤを最適化するためのガスパルスの継続時間は、より長い時間に延長されるように構成され得る。様々なガスを送達するために、リニアイオントラップに複数のパルス弁が接続され得る。最も好ましくは、リニアイオントラップは差動ポンピングされる。また、電子の注入は無衝突条件下で行うことが望ましい。連続的に存在する衝突ガスがなくなると、電子の分散が起こらなくなり、これにより、活性化解離に利用可能なビーム流が減少し、イオン−電子相互作用中のエネルギ拡散が増加する。トラップ領域での衝突ガスイオンの望ましくない形成も避けられる。差動ポンピングされるリニアイオントラップのトラップ空間に入るガスをパルス化することにより、フィラメントの高温面との相互作用が実質的に阻止されて電子放射電流が安定する。
【００４６】
本発明の態様のＤＣ電位制御及びその結果としての電位エネルギ調節の機能性は、少なくとも１つのＤＣ場成分を３つの異なるＤＣレベル間で切り換えることを用い得る。少なくとも２つのトラップ領域を有するように設計されたリニアイオントラップにおいて、最も好ましくは、少なくとも３つのトラップ領域を有するように設計されたリニアイオントラップにおいて、イオン電位エネルギ制御に関連する利点を最大限に活用するために、セグメントに印加されるＤＣ電位又はＤＣ電圧を３つ以上のＤＣレベル間で切り換えることが好ましい。３つ以上のレベル間で切り換えることにより、トラップ領域からのイオンのリリース又はトラップ領域におけるイオンの受け取りが促進される。従って、本発明のリニアイオントラップは、複数の状態の高電圧を切り換える技術を使用することが更に必要である。好ましい一回路設計では、ＤＣ電位の少なくとも３つのレベル間のＤＣ切り換えを可能にするために、高電圧ＭＯＳＦＥＴトランジスタが直列に接続されている。別の好ましい回路設計では、直列に接続されたアナログマルチプレクサが使用され、各マルチプレクサは、リニアイオントラップにわたって分布するＤＣ場成分を生成するために印加されるＤＣ電位のそれぞれの複数の出力レベルを提供する。直列に接続されている個々のアナログマルチプレクサ又はトランジスタは、イオン運動の軸方向制御のためのＤＣ場成分を生成するために個々のセグメントに接続され得る。最も好ましくは、それぞれが複数のＤＣレベルを出力するために使用される一連の高電圧演算増幅器を駆動するために、出力信号の数がセグメントの数に等しい単一のマルチチャネルＤＡＣが使用される。或いは、軸方向閉じ込めのためのトラップ領域を生成し、且つリニアイオントラップの端から端までイオンを移動させるために、ＲＦ場に浸漬された無ＲＦ電位がＤＣバイアスされ得る。
【００４７】
本発明の目的は、少なくとも２つの異なる活性化解離手法、好ましくは少なくとも３つの異なる活性化解離手法をサポートすることが可能なリニアイオントラップを提供することであり、これらの手法は、イオン電位エネルギの高レベル制御を可能にするために順次的に又は並列に実施され、ＤＣ電位及び対応するＤＣ場成分の複数の遷移によって可能になる。これらの遷移は、新規なリニアイオントラップ構成を駆動する電子回路設計の進歩によってサポートされる。
【００４８】
より具体的には、イオンを処理するための少なくとも２つの離散的なトラップ領域と、少なくとも２つのＲＦ波形であって、イオンを半径方向にトラップするＲＦトラップ場成分を形成する、（リニアイオントラップ）のポール電極の対にそれぞれ印加される、少なくとも２つのＲＦ波形を生成するためのＲＦ生成器と、イオンを軸方向に制御するために、ＲＦ場成分に重ね合わされ、且つリニアイオントラップの長さにわたって分布されるＤＣ場成分を生成する、ＤＣ電位を生成するための多出力ＤＣ電圧生成器と、前記少なくとも２つのトラップ領域の第１のトラップ領域を形成しているＤＣ電位のそれぞれを第１のレベルから第２のレベルにそれぞれ切り換える制御装置とを含むリニアイオントラップが提供される。トラップ領域に直列されるイオンの電位エネルギを第１のレベルと第２のレベルとの間でそれぞれ変更又は調節するために、トラップ領域のＤＣ電位を第１のレベルと第２のレベルとの間で切り換えることが行われる。第１のトラップ領域において電位エネルギレベルの少なくとも１つでイオンを処理することが行われる。第１のトラップ領域における電位エネルギレベルの１つは、第１のイオン処理ステップを促進し、一方、第２の電位エネルギレベルは、第２の処理ステップを促進し、これは、所望のエネルギを有するイオンを第２のトラップ領域に移動させることを含み得る。
【００４９】
多出力ＤＣ電圧生成器は、リニアイオントラップに印加される複数のＤＣ電位を生成し、１つのトラップ領域を集合的に形成するＤＣ場成分を生成するために（例えば、それらのＤＣ場成分を生成する等しい数のセグメントに）少なくとも３つのＤＣ電位が印加され、それらのＤＣ電位の少なくとも１つ（例えば、１つのセグメントに印加されるＤＣ電位）が（例えば、実験の過程中に）３つの異なるＤＣレベル間で切り換えられる。第２の処理ステップを実施するためにイオンを第１のトラップ領域から第２のトラップ領域に移動させる切り換えが行われる。また、第２のトラップ領域に貯蔵されているイオンの電位エネルギレベルを第１の電位エネルギレベルから第２の電位エネルギレベルに変化される切り換えも行われる。第２のトラップ領域において、電位エネルギレベルの少なくとも１つでイオンを処理することが行われる。第２のトラップ領域において、それらのＤＣ電位の１つを３つの異なるＤＣレベル間で切り換えることも行われる。
【００５０】
イオンは、衝突誘起解離を実施するのに十分な運動エネルギで第１のトラップ領域から（例えば、最初はより低い電位エネルギレベルに設定されている）第２のトラップ領域に向けてリリースされ得る。イオンは、第２のトラップ領域において偏向又はトラップされ得、これは、好ましくは、（例えば、イオン電位エネルギを引き上げ、少なくとも１つのＤＣ電位を切り換えることから）イオンをリリースして第１のトラップ領域に戻す前に行われる。これにより、イオンがバックグラウンドガス分子とエネルギ衝突する期間が長くなり得る。第１のトラップ領域と第２のトラップ領域との間に分布するＤＣ電位の引き上げ及び切り換えを同時に行うことがイオン移動機構として適用され得、又は２つのトラップ領域間を移動中にイオンがバックグラウンドガス分子とエネルギ衝突する期間を長くするために適用され得る。好ましくは、ＤＣ電位エネルギレベルの切り換えは、効率的な解離を起こすためにガスをパルス化して必要な高圧にアクセスすることによって引き起こされる１００ミリ秒未満のオーダーの高速圧力過渡中に行われる。
【００５１】
リニアイオントラップは、ＲＦ生成器を更に含み、このＲＦ生成器は、ほぼ矩形又は大径の電圧パルストレインからなる波形を生成することにより、波形期間の有効部分中にほぼ一定のままであるＲＦトラップ場成分を生成する。リニアイオントラップは、第１の電位エネルギレベル、又は第２の電位エネルギレベル、又は複数の電位エネルギレベルのイオンを収容する第１のトラップ領域を通って（例えば、通り抜けて）注入される荷電粒子のビームを形成する荷電粒子源及び光学系も含む。
【００５２】
リニアイオントラップは、イオン化源からイオンを受け取って第１の電位エネルギレベルで熱化し、イオンを第２及び第３の電位エネルギレベルで処理し、且つ最後に、第４の電位エネルギレベルで熱化されたイオンを、質量対電荷比を測定するために質量分析器に向けて又は質量分析器と結合された排出器に向けて（若しくは質量分析器と結合され得る排出器と結合された貯蔵領域に向けて）排出するように構成される。リニアイオントラップのトラップ領域から質量分析器への直接排出も行われる。
【００５３】
リニアイオントラップが提供され、これは、イオンを処理するための少なくとも２つの離散的なトラップ領域と、２つのＲＦ波形であって、イオンを半径方向にトラップするＲＦトラップ場成分を形成する、リニアイオントラップのポール電極の対にそれぞれ印加される、２つのＲＦ波形を生成するためのＲＦ電位生成器と、イオンを軸方向に制御するために、ＲＦ場成分に重ね合わされ、且つリニアイオントラップの長さにわたって分布される複数のＤＣ場成分を生成するための多出力ＤＣ電位生成器と、イオンで埋められた第１のトラップ領域を集合的に形成しているＤＣ電位及び対応するＤＣ場成分を切り換えて、イオン電位エネルギを第１のレベルから第２のレベルに変化させ、且つそれらのレベルの少なくとも一方において第１のイオン処理ステップを実施するように構成された制御装置とを含む。
【００５４】
制御装置は、第１のトラップ領域を集合的に形成しているＤＣ場成分の少なくとも１つのＤＣ場成分を３つの異なるＤＣ電位レベル間で切り換えるように構成されている。制御装置は、第２の処理ステップを実施するためにイオンを第１のトラップ領域から第２のトラップ領域に移動させるように少なくとも１つのＤＣ場成分を切り換えるように構成されている。制御装置は、第２のトラップ領域に貯蔵されているイオンの電位エネルギを第１のレベルから第２のレベルに変化させるために、第２のトラップ領域を集合的に形成しているＤＣ場成分を切り換えるように構成されている。制御装置は、第２のトラップ領域を集合的に形成しているＤＣ場成分の少なくとも１つのＤＣ場成分を３つ以上の異なるＤＣ電位レベル間で切り換えるように構成されている。
【００５５】
ＲＦ波形は、ほぼ矩形の電圧パルストレインを含む。ポール電極の対は、第１の電位エネルギレベルのイオンで埋められた第１のトラップ領域を通して（例えば、通り抜けて）注入された荷電粒子のビームを受けるように構成されている。トラップ領域を通る注入は、様々な解離経路を可能にするために第１の電位レベルで行われ得、且つまた第２の電位レベルで行われ得る。好ましくは、制御装置はまた、荷電粒子ビームをＲＦ波形の所望の位相でのみ且つ所定の期間にわたってトラップ内に伝送するように、荷電粒子ビーム光学系に印加される電位を変調するように構成されている。
【００５６】
制御装置は、衝突誘起解離を実施するために、イオンを第１のトラップ領域から第２のトラップ領域に向けて十分な運動エネルギでリリースするように複数のＤＣ場成分を切り換えるように構成されている。制御装置は、質量対電荷比を測定するために、処理されたイオンを質量分析器に向けて排出するように少なくとも１つのＤＣ場成分を切り換えるように構成されている。
【００５７】
リニアイオントラップにおいてイオンを処理する方法も開示される。一例示的実施形態では、本方法は、所与の時点において、ほぼ均一な圧力を有するトラップ場を画定するリニアイオントラップを提供するステップと、イオンを、そのイオンを半径方向に閉じ込めるためのＲＦトラップ場成分と、そのイオンを軸方向に制御するための複数のＤＣ場成分とを重ね合わせることによって生成されるトラップ場においてトラップするステップと、少なくとも２つの離散的なトラップ領域を形成するためにＤＣ場成分をリニアイオントラップの軸に沿って空間的に分布させるステップと、第１の電位エネルギレベルの第１のトラップ領域におけるイオンを第１の処理ステップに供するステップと、第１の離散的なトラップ領域を集合的に形成しているＤＣ場成分を適時に切り換えて、イオンの電位エネルギを第１のレベルから第２のレベルに変化させるステップとを含む。
【００５８】
本方法は、第２のトラップ領域へのイオン移動を促進するために、第１のトラップ領域の少なくとも１つのＤＣ場成分を３つの異なるレベル間で切り換えるステップを更に含む。本方法は、第２のトラップ領域におけるイオンの電位エネルギを第１の電位エネルギレベルから第２の電位エネルギレベルに変化させ、それらのレベルの少なくとも一方でイオンを処理するステップを更に含む。本方法は、第１の離散的なトラップ領域の第２の電位エネルギレベルでイオンを第２の処理ステップに供するステップを更に含む。本方法は、第２の離散的なトラップ領域の第１又は第２の電位エネルギレベルでイオンを第３の処理ステップに供するステップを更に含む。本方法は、ほぼ矩形の電圧パルストレインを含む２つの逆相のＲＦ波形により、ＲＦトラップ場成分を生成するステップを更に含む。本方法は、第１、第２、及び第３の処理ステップの少なくとも１つにおいてイオンを活性化するために、粒子（例えば、荷電粒子）のビームをトラップ領域に注入するステップを更に含む。
【００５９】
別の例示的実施形態では、リニアイオントラップにおいてイオンを処理する方法は、所与の時点において、ほぼ均一な圧力を有するトラップ場を画定するリニアイオントラップを提供するステップと、イオンを、そのイオンを半径方向に閉じ込めるためのＲＦトラップ場成分と、そのイオンを軸方向に制御するための複数のＤＣ場成分とを重ね合わせることによって生成されるトラップ場においてトラップするステップと、リニアイオントラップの軸に沿って少なくとも２つの離散的なトラップ領域を形成するためにＤＣ場成分を空間的に分布させるステップと、第１の電位エネルギレベルの第１のトラップ領域におけるイオンを第１の処理ステップに供するステップと、第２の電位エネルギレベルの第２のトラップ領域におけるイオンを第２の処理ステップに供するステップと、トラップ領域を集合的に形成しているＤＣ場成分を切り換えて、その中に貯蔵されているイオンの電位エネルギを変化させることにより、処理されたイオンをトラップ領域間で移動させるステップと、少なくとも１つのＤＣ場成分を３つの異なるＤＣ電位レベル間で切り換えるステップとを含む。
【００６０】
更に別の例示的実施形態では、リニアイオントラップにおいてイオンを処理する方法は、所与の時点において、ほぼ均一な圧力を有するトラップ場を画定するリニアイオントラップを提供するステップと、イオンを、そのイオンを半径方向に閉じ込めるためのＲＦトラップ場成分と、そのイオンを軸方向に制御するための複数のＤＣ場成分とを重ね合わせることによって生成されるトラップ場においてトラップするステップと、前記リニアイオントラップに少なくとも３つの離散的なトラップ領域を形成するためにＤＣ場成分を空間的に分布させるステップと、第１の電位エネルギレベルの第１のトラップ領域におけるイオンを第１の処理ステップに供するステップと、第２の電位エネルギレベルの第２のトラップ領域におけるイオンを第２の処理ステップに供するステップと、第３の電位エネルギレベルの第３のトラップ領域におけるイオンを第３の処理ステップに供するステップと、トラップ領域を集合的に形成しているＤＣ場成分を切り換えて、その中に貯蔵されているイオンの電位エネルギを変化させることにより、処理されたイオンをトラップ領域間で移動させるステップと、少なくとも１つのＤＣ場成分を３つの異なるＤＣ電位レベル間で切り換えるステップとを含む。
【００６１】
別の例示的実施形態によるリニアイオントラップにおいてイオンを処理する方法は、イオンを半径方向に閉じ込めるためのＲＦトラップ場成分と、イオンを軸方向に制御するための複数のＤＣ場成分とを重ね合わせることによって生成されるトラップ場をリニアイオントラップが画定するステップと、少なくとも２つの離散的なトラップ領域をリニアイオントラップの軸に沿って形成するためにＤＣ場成分を空間的に分布させるステップと、第１の電位エネルギレベルの第１のトラップ領域におけるイオンを第１の処理ステップに供するステップと、イオンの電位エネルギを変化させるステップと、イオンを第１のトラップ領域からリリースするために少なくとも１つのＤＣ場成分を３つの異なるＤＣ電位レベル間で切り換えるステップとを含む。
【００６２】
別の例示的実施形態では、本発明は、リニアイオントラップの軸に沿ってイオンを移動させる方法も提供する。この方法は、イオントラップのトラップ領域内にイオンを軸に対して半径方向に閉じ込めるためのＲＦ電位を生成するステップと、トラップ領域内にイオンを軸方向に閉じ込めるためのトラップ領域を画定する複数のＤＣ電位を生成するステップであって、それにより、ＲＦ電位及びＤＣ電位が集合的にトラップ領域内にイオンをトラップする、ステップと、第１のトラップ領域のＤＣ電位を第１のレベルと第２のレベルとの間で同時に変化させるステップと、トラップ領域の一方の側において、第２のレベルのＤＣ電位を、トラップ領域の最小ＤＣ電位を超えない値に変化させ、それにより、軸に沿った移動のための、トラップ領域に閉じ込められているイオンのリリースを可能にするステップとを含む。
【００６３】
上述の例示的実施形態では、イオントラップは、ＤＣ電場の空間プロファイルを生成及び整形するために、軸に平行に延びるアレイに順次配列された複数のセグメントを含み得る。本方法は、各ＤＣ電場を生成し、ＤＣ電圧のそれぞれの１つをイオントラップの複数のセグメントのそれぞれの１つに印加するために、有限の数のそれぞれ異なるほぼ一定のＤＣ電圧を提供することを更に含む。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１Ａ】図１Ａは、リニアイオントラップシステムの概略図であり、このシステムは、ＲＦ生成器及びＤＣ生成器と、ＲＦ電位及びＤＣ電位並びにイオン電位エネルギを制御する制御装置とを含む。
【図１Ｂ】図１Ｂは、セグメント化リニアイオントラップの斜視図であり、このリニアイオントラップは、１つのトラップ領域と、関連付けられたＤＣ電位の遷移とを有して、イオン電位エネルギを制御するように構成されている。
【図２】図２は、セグメント化リニアイオントラップの斜視図であり、このリニアイオントラップは、２つのトラップ領域と、関連付けられたＤＣ電位の遷移とを有して、イオン電位エネルギを制御するように構成されている。
【図３Ａ】図３Ａは、ＤＣ場成分を複数のレベル間で制御する切り換え電子回路の回路図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、ＤＣ場成分を複数のレベル間で制御する切り換え電子回路の回路図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、ＤＣ場成分を複数のレベル間で制御する切り換え電子回路の回路図である。
【図４】図４は、イオン電位エネルギを制御するためのＤＣ電位プロファイルの遷移を含むセグメント化リニアイオントラップにより構成された質量分析計の概略図である。
【図５】図５は、イオン電位エネルギを制御するためのＤＣ電位プロファイルの遷移を含むセグメント化リニアイオントラップにより構成された質量分析計の概略図である。
【図６】図６は、イオン電位エネルギを制御するためのＤＣ電位プロファイルの遷移を含むセグメント化リニアイオントラップにより構成された質量分析計の概略図である。
【図７】図７は、図６に示された質量分析計の場合のイオン電位エネルギを制御するためのＤＣ電位プロファイルの遷移を示す。
【図８】図８は、図６に示された質量分析計の場合のイオン電位エネルギを制御するためのＤＣ電位プロファイルの遷移を示す。
【発明を実施するための形態】
【００６５】
図１Ａを参照して、本発明のリニア四重極イオントラップについて一般的に説明する。リニアイオントラップ１００は、２つのＲＦ波形であって、イオンを半径方向にトラップするＲＦトラップ場成分を形成する、リニアイオントラップのポール電極の対にそれぞれ印加される、２つのＲＦ波形を発生させるＲＦ発生器１０２に接続されている。リニアイオントラップ１００はまた、多出力ＤＣ発生器１０３につながっており、多出力ＤＣ発生器１０３は、イオンを軸方向に制御するために、ＲＦ場成分に重ね合わされ、且つイオントラップの長さにわたって分布される複数のＤＣ場成分１０５を形成する複数のＤＣ電位を発生させる。ＲＦ波形の特性と、また様々なレベル間のＤＣ電位のタイミング及び切り換えとを規定するために、制御装置１０４（例えば、後に図３Ｃを参照して詳述されるＦＰＧＡ制御装置３４６）が使用される。リニアイオントラップは、その中でイオンを処理する２つの別個のトラップ領域１０１で構成されることが好ましい。離散的なトラップ領域を形成するＤＣ場成分のレベルは、イオンを軸方向に閉じ込める電位井戸１０６を形成するように定められ、制御装置は、電位井戸のレベルの調整又は変更を適時にまとめて行うように構成されている。制御装置１０４はまた、ＤＣ場成分を３つの異なるレベル１０７間で切り換えるように構成されている。
【００６６】
図１Ｂを参照して、リニア四重極イオントラップについて説明する。リニア四重極イオントラップ１１０は、３つのセグメント１１１、１１２、及び１１３を含み、各セグメントは、ポール電極の２つの対によって形成され、各対には、イオンを半径方向にトラップするためのＲＦ場成分を形成する、位相が反対のＲＦ波形が与えられる。全てのセグメントが共通軸１１４を共有しており、イオンを処理するトラップ領域を共同で画定している。イオンの軸方向制御のために、３つのＤＣ場成分を形成するそれぞれのセグメントに別々のＤＣ電位が印加される。電位井戸を形成し、イオンを軸方向に閉じ込めるために、中央セグメント１１２に印加されるＤＣ場成分の大きさは、隣接するＤＣ場成分に比べて小さい。中央セグメントはまた、外部の荷電粒子源１１６で発生させた荷電粒子を受け入れる入口アパーチャ１１５をポール電極上に有するように設計される。ポール上のアパーチャ１１５を通る荷電粒子の注入は、集束レンズ系１１７により促進される。
【００６７】
本発明のリニアイオントラップの軸に沿うＤＣ電位又は電位エネルギ面の遷移も１１８に示されている。イオンの処理及び／又は活性化は、所望の運動エネルギを有する荷電粒子を注入することにより行われ、所望の運動エネルギは、第１のＤＣ電位レベル１１９に対して相対的な荷電粒子源のＤＣ電位レベル１２０によって決まる。イオンの電位エネルギは、その後、第２のエネルギレベル１２２まで上げられ１２１、そのレベルで第２の活性化処理ステップが実施可能である。この基本的な構成では、イオンの移動又は排出を促進するために、セグメント１１３に印加されるＤＣ場成分を３つの異なるＤＣレベル又はＤＣ電位１２４、１２５、及び１２６間で切り換えること１２３が必須である。第１のＤＣ電位１２６は、イオンを軸方向に閉じ込めるために、中央セグメント１２２に印加される電位より高いレベルに調節され、第２の電位１２４は、第２のＤＣ電位レベル１２２でのイオン処理を促進するために電位井戸のレベルを変化させること１２１の結果であり、一方、第３のＤＣ電位レベル１２５は、イオンを中央セグメント１１２からリリースするために印加される。イオンの運動エネルギを制御する、例えば、電位井戸に貯蔵されているイオンの排出中に質量分析器の受け入れエネルギをマッチングさせるか、又は移動時のバッファ気体分子とのバイナリ衝突のエネルギを制御するために、ＤＣ電位を３つの異なるレベル間で切り換えることが必要である。
【００６８】
ＤＣ電位制御機能１２１は、イオンの電位エネルギを、様々な運動エネルギを有する荷電粒子の注入に最適なレベルに調節することにより、複数の処理ステップが達成されることを大幅に促進する。各活性化解離ステップでは、相互作用のエネルギは、イオンが中央セグメント１１２に貯蔵されている際の相対ＤＣ電位レベルと、荷電粒子源１１６のＤＣ電位レベルとによって決まる。例えば、荷電状態操作のための電子捕獲解離、電子誘起解離、及び電子脱離は、イオンがトラップに貯蔵されている際のＤＣ電位を３つの異なるレベル間で簡単に調節することにより、同じトラップ領域で全て実施可能である。
【００６９】
図２を参照して、本発明の好ましい一例示的実施形態を説明する。リニア四重極イオントラップ２００は、セグメント２０２及び２０７に形成された２つのトラップ領域と、入口端部ガードセグメント２０１及び出口端部ガードセグメント２０８と、中間ガードセグメント２０３〜２０６とで構成され、これらは共通軸２０９を有し、イオンを処理するトラップ空間を共同で画定する。真の四重極場を生成するために、双曲線ポール電極構造を用いることが好ましい。セグメント２０２に形成されるトラップ領域は、対のポール電極上に入口アパーチャ２１０を有するように設計される。集束レンズ２１２を通して荷電粒子を注入する荷電粒子源２１１がリニアイオントラップ２００に外部接続されている。衝突活性化又は衝突解離のためのイオン隔離及びイオン運動の励起を実施するために、セグメント２０７の第２のトラップ領域にＡＣ補助波形が供給されることが好ましい。
【００７０】
セグメント化リニアイオントラップ２００の電位エネルギ面の遷移も２１３に示されている。処理サイクルには、第１のＤＣ電位レベル２１４において、リニアイオントラップのセグメント２０２の第１のトラップ領域にイオンを移動させることが含まれ得る。リニアイオントラップに導入されるイオンは、四重極質量フィルタを使用して事前選択され得る。粒子源２１１で発生して外部から注入される荷電粒子を使用する活性化解離を含むイオン処理は、（例えば、解離の）プロセスの効率の最適化に必要な第１の電位レベル２１４又は他の任意のレベル若しくは複数のレベルで実施される。その後、ガードセグメント２０３に印加されるＤＣ電位がレベル２１５とレベル２１６との間で切り換えられて２１７、イオンが、別のＤＣ電位レベル２１９でのその後の処理のためにセグメント２０７の第２のトラップ領域に移動する。
【００７１】
バックグラウンド気体分子とのエネルギ衝突を最小化するために、トラップ領域間に弱いＤＣ勾配２１８を発生させ得る。イオン移動は、一定のバックグラウンド圧力において又は気体パルスがある間に行われ得る。従って、これは、（例えば、少なくとも１つのパルス弁を使用して）気体をパルス化することによって発生した一時的な圧力上昇中に行われ得る。また、好ましくは、少なくとも１つのパルス弁を使用して気体をパルス化することによって発生した一時的な圧力上昇中に熱化が行われ得る。その実験の残りの部分では、イオンが無衝突環境のトラップ領域に貯蔵される。衝突による高速イオン熱化は、気体パルスがある間に行われ得る。代替実施形態では、必要に応じて、衝突による高速イオン熱化は、一定の圧力上昇時に行われ得る。代替実施形態では、必要に応じて、低圧でのイオン熱化は、イオンがトラップ領域間で振動する長期間にわたって行われる。イオンがイオントラップ２００の第２のトラップ領域から外に漏れるのを防ぐために、出口端部ガード電極２０８に印加されるＤＣ電位２２０を高いレベルに切り換えることが必要である。
【００７２】
セグメント２０７の第２のトラップ領域での処理は、ＡＣ補助波形を使用して実施される何れの処理ステップも含み得、例えば、衝突活性化のためのイオン隔離又はイオン運動の励起を実施するステップを含み得る。ＡＣ補助波形を使用して選択されたイオン、又はセグメント２０７若しくは２０２で生成されたプロダクトイオンの電位エネルギは、その後の質量分析器へのリリースのために新たなレベル２２２まで上げられ得る２２１。排出プロセスでは、セグメント２０８に印加されるＤＣ電位をレベル２２４とレベル２２５との間で更に切り換えること２２３が必要である。或いは、セグメント２０２の第１のトラップ領域に効率よく戻すために、選択されたイオン又はプロダクトイオンの電位エネルギが高いレベル２２６に上げられる。移動には、セグメント２０６に印加されるＤＣ電位をレベル２２８とレベル２２９との間で更に切り換えること２２７が必要である。同様に、イオンがセグメント２０７とセグメント２０２との間を移動する間、弱いＤＣ勾配２３０を発生させることが好ましい。イオンは、新たなＤＣ電位レベル２３１においてトラップされ、更に処理される。第１のトラップ領域におけるＤＣ場成分を新たなレベルに切り換えること２３２により、別のレベルでの処理が行われ得る。第２のトラップ領域へのイオン移動を最適化するために、第１のトラップ領域においてイオンの電位エネルギを元のレベル２１４まで緩めるか又は上げることが必要である。ここで説明した処理サイクルは、同じ処理ステップで繰り返され得、又は新たな（例えば、追加の）処理ステップが導入され得る。
【００７３】
図２を参照して説明した１つの実験サイクル中に電場成分のＤＣ切り換えを複数のレベル間で行うことによって可能になるイオン電位エネルギ制御機能の重要な利点は、空間的且つ時間的に多段又はタンデムである綿密な活性化解離実験が効率的に行われることを可能にすることである。より重要なことに、イオン電位エネルギ制御機能は、実験サイクルの各ステップで適用される様々な活性化解離のツール及び方法を選択する際に荷電粒子とイオンとの間の相互作用のエネルギに制限を課せられず、又は質量分析器及びイオンモビリティ分析計への排出を含む、近接するイオン光学要素によって課せられるエネルギ受け入れ要件に関する他のあらゆる制限も課せられないというユニークな利点を有する。
【００７４】
図２を参照すると、第１のトラップ領域において複数の処理ステップが実施され得、これらは、同時又はシーケンシャルに同じＤＣ電位レベル又は異なるＤＣ電位レベルでパルス状又は連続的に動作する１つの又は異なる荷電粒子ビームを使用して実施され得る。トラップ領域に荷電粒子をパルス状に注入するには、ゲーティングを適用する必要がある。ゲーティングは、トラップ波形の位相と同期させることが好ましい。１つのトラップ領域で２つの処理ステップが同時に実施され得、例えば、イオン運動の励起のためのＡＣ補助波形の適用と、イオンの活性化解離のための電子の注入とが同時に行われ得る。選択されたイオンのイオン運動を電子照射中に励起させることにより、活性化速度論を制御すること又はイオンの電荷減少及び中和を最小化することが可能である。電子捕獲解離と衝突誘起解離との組み合わせを適用することにより、解離効率、特に高質量イオンの場合の解離効率を強化することが可能である。リニアイオントラップの様々なトラップ領域に荷電粒子源又は分子−原子粒子源が追加で結合され得る。同じグループ又は別のグループのイオンを使用して、異なるトラップ領域での処理を同時又はシーケンシャルに実施することが可能である。同時処理は、イオンのグループを２つのトラップ領域に分けることによって達成可能である。これは、複数のセグメントにわたって印加される最初は均一なＤＣ場成分によって形成される拡張トラップ領域における中央ＤＣ電位を上げることによって達成可能である。
【００７５】
図２を参照して開示された例では、ＤＣ場成分を形成するＤＣ電位は、抵抗及びコンデンサを介してセグメントに直接印加される。また、リニアイオントラップにわたってＲＦ場成分の上にＤＣ場成分を重ね合わせるために、ＤＣバイアスに依存しない電極をＲＦポール電極間に挿入することも望ましい。
【００７６】
ＤＣ電位の複数の状態の切り換えを可能にし、イオン電位エネルギ制御機能を促進するための本発明の回路図を図３Ａ、３Ｂ、及び３Ｃに示す。図３Ａは、本発明の切り換え設計３００の回路図を示す。この例では、簡潔さのためにリニアイオントラップの２つのセグメント３０３及び３０４のみが図示されており、これらは切り換え基板３０２に接続されており、切り換え基板３０２は第２のリフト基板３０１の上にフロートされている。リフト基板は、各セグメントに印加されるＤＣ電位又はＤＣ電圧を、独立した２つの電源装置Ｖ１及びＶ２の電圧出力によってそれぞれ決定される２つの異なるレベル間で切り換えるように設計されている。リフト電圧は、スイッチＳＷ１及びＳＷ２と各電源の電圧出力とによって決定される。リフト基板の出力は、第３の電源装置Ｖ３と、更なる一連の直列なスイッチＳＷ３Ａ及びＳＷ３Ｂとに接続されており、最終的に第１のセグメント３０３に接続されている。同様に、第４の電源装置Ｖ４並びにスイッチＳＷ４Ａ及びＳＷ４Ｂもリフト基板と直列に接続されており、第２のセグメント３０４に印加される電圧を決定する。表３０５は、第１及び第２のセグメントのそれぞれに印加可能なＤＣ電位又はＤＣ電圧出力レベルとして可能なものの一覧である。
【００７７】
フロート基板３０２は、リニアイオントラップの更なるセグメント又は独立ＤＣ電極に接続される、スイッチと電源装置との更なる対を収容することが可能である。フロート基板は、同じリフト基板又は別のリフト基板に直列に接続され得る。リニアイオントラップの端から端まで設けられたトラップ領域のそれぞれにおいてＤＣ場成分の高速且つ独立な切り替えを促進するために、特定のフロート基板を、個々のセグメントに接続された２つ以上のリフト基板と直列にグループ化することが望ましいであろう。リフト基板及びフロート基板の両方における電源装置の極性は、適宜変更され得る。
【００７８】
図３Ｂは、４つのスイッチと対応する電源装置からなる別の可能な機構を示し、これは、１つのセグメントに印加される電圧を４つの異なるレベル間で高速で切り換えるために使用され得る。この切り替え機構は、独立したリフト基板の上にフロートされ得る。
【００７９】
多段シーケンシャル活性化解離を促進ために４つ以上のＤＣ電位、ＤＣ電圧、又はＤＣ場成分が必要である処理サイクルは、トラップ領域間で効率的なイオン移動を達成し、且つイオンを受け取り、プロダクトを適切な運動エネルギで質量分析器に移動させる。より重要なことに、複数のＤＣ状態を切り換えることにより、ＤＣ電位及び対応するＤＣ場成分の調節をセグメント間で同期的に行うことでイオンの電位エネルギを厳密に制御することが可能になる。
【００８０】
図３Ｃは、処理サイクルの過程中にＬＱＩＴの１つのセグメントに異なる８つのＤＣ電圧レベルを印加するように設計された好ましい電子回路の回路図３４０を示す。基板３４１では、ＤＡＣ  ３４２がアナログマルチプレクサ（ＭＵＸ）３４３を駆動しており、８つの出力ＤＣ状態が演算増幅器３４４につながっており、演算増幅器３４４は、リード線及び真空フィードスルー３４５を介して１つのセグメントにつながっている。正電位と負電位との両方が生成可能であり、これらは、典型的に演算増幅器のモデルによって±２２５Ｖに制限される。ＤＣ状態の数は、典型的にＰＣ装置３４７によって制御され、ＰＣ装置３４７は、ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）制御装置３４６につながっている。ＦＰＧＡ制御装置３４６は、マルチプレクサに制御信号を送り、また、ＤＡＣが適切なＤＣ電圧レベルを生成するための情報をマイクロコントローラ装置３４８に転送する。第２のセグメントを駆動するために、同じＭＣＵ  ３４８につながっており、ＦＰＧＡ制御装置３４６によって同期的に制御される、基板３４１と同一の第２の基板が必要である。マルチプレクサと２方向スイッチとの組み合わせは、複雑な切り替えと高度なイオン電位エネルギ制御とを促進する上でも有利である。ＦＰＧＡ制御装置は、ほぼ矩形の逆位相ＲＦ波形の特性（ＲＦの振幅、周波数、及びデューティサイクルを含む）を制御するように更に構成されている。ＦＰＧＡ制御装置はまた、ダイポールモードで印加されることが好ましい補助ＡＣ波形の特性を制御するように構成されている。別の好ましい構成では、全ての高電圧演算増幅器３４４を駆動するために、図３ＣのＭＵＸ  ３４３が除去されて、出力信号の数がセグメントの数と等しい、１つの多チャネルＤＡＣが使用され得る。ＦＰＧＡ制御装置３４６は、ＭＣＵ  ３４８を駆動するために使用される。この構成では、処理サイクル中に印加される、各セグメントの全てのＤＣ状態に対するＤＣ電位に対応するＤＡＣ値の多次元アレイがＰＣ装置３４７からＦＰＧＡ  ３４６を通してＭＣＵ  ３４８に送られる。処理サイクル中、ＦＰＧＡにおいて生成される、多次元アレイの行数を示してＭＣＵをトリガする信号により、ＤＣ電位レベルの遷移が開始される。ＭＣＵは、選択された状態値をＤＡＣに書き込み、これらの値は、その後、トリガ信号によって演算増幅器３４４に出力される。図４を参照して、本発明の一例示的実施形態を説明する。機器の概略図４００に示すように、セグメント化リニア四重極イオントラップ（ＬＱＩＴ）が大気圧インタフェースにつながっており、そこでは、イオンは、中間圧力のガスで動的に最適化されたイオン光学系により、ＲＦイオンガイドを通って、本発明の好ましい実施形態を組み込んだ次の真空領域に移動する。ｏＴＯＦ質量分析器を使用してイオンの質量対電荷比が測定される。
【００８１】
イオンは、エレクトロスプレーイオン化４０１によって生成され、毛細管入口４０２を通って採取され、空気レンズ４０４を収容する第１の真空コンパートメント４０３に入れられる。空気レンズの機能及び特性については、国際公開第２０１４００１８２７号パンフレット及び欧州特許出願公開第２８６４９９８Ａ２号明細書に記載されており、これらの開示は、参照によって全内容が本明細書に組み込まれる。手短に言うと、超音速ジェット４０５が空気レンズのボア内に放出され、このボアは、ガスの半径方向の拡大を抑えて、荷電クラスタ及びイオンを一緒に運ぶ層状の亜音速ガス流を形成するように寸法決定されている。第１の真空コンパートメント４０３内の圧力は、機械式ポンプ４０６を使用して入口系を大きくし、イオン化源からの採取効率を高めることにより、＞１ｍｂａｒに維持され、好ましくは＞１０ｍｂａｒに維持される。イオンは、レンズ系４０７を通ってＲＦ八重極４０８に入れられる。ＲＦ八重極については、全開示内容が本明細書に組み込まれる米国特許第９１２３５１７（Ｂ２）号明細書に記載されている。ＲＦ八重極は、イオンガイドの入口でイオンを捕獲する八重極場分布４０９と、イオンを半径方向に圧縮して、差動アパーチャ４１１を通る伝送量を最大化する四重極場分布４１０とを結合する。ＲＦ八重極４０８を収容している真空コンパートメント４１３にターボ分子ポンプ４１２をつなぐことにより、圧力を１０−３〜１０−２ｍｂａｒの範囲にすることが達成されている。イオンは、ＲＦ八重極において動力学的に熱化され、差動アパーチャ４１１内を伝送され、本発明のリニアイオントラップ４１４に入れられて処理される。イオンは、処理後、ＬＱＩＴから、次の真空コンパートメント４３３に配置されているＲＦ六重極イオンガイド４３１を通ってリリースされ、真空コンパートメント４３３は、ターボ分子ポンプ４３２によって排気されて、直交するＴＯＦ質量分析器４３７につながり、ＴＯＦ質量分析器４３７は、ターボ分子ポンプ４３８によって制御されて高真空で動作する。この好ましい実施形態では、イオンは、六重極４３１から一連の差動アパーチャ４３３を通って高真空レンズ４３４、スライサ４３５に入り、最後に、高電圧抽出パルスが垂直ゲート４３６の電極に印加されることによって垂直方向に加速される。
【００８２】
図４に示した実施形態では、ＬＱＩＴは、双曲線ポール電極４１５とともに構成されている。１８０度の位相シフト４１６を有するほぼ矩形のトラップ波形は、対向するポール電極に印加される。トラップされたイオンと外部で生成されたイオン及び電子との間の相互作用が効率的であるために、波形期間の一部において、矩形又は他のタイプのトラップ波形がほぼ一定のＲＦトラップ場成分を形成することが必要である。ＬＱＩＴは、ターボ分子ポンプ４２７につながっている差動排気領域４２８に封入されることが好ましい。トラップ領域内の圧力を動的に制御する少なくとも１つのパルス弁４４６（及び任意選択で、バックグラウンド圧力を制御するリーク弁）がＬＱＩＴにつながっている。最も好ましくは、少なくとも１つのパルス弁がトラップ領域間の移動中のイオン熱化に使用され、少なくとも１つのパルス弁が衝突誘起解離実験に使用される。ＬＱＩＴは、好ましくは、ＲＦ六重極４３１を収容する真空コンパートメント４３０に配置され、低圧（例えば、１０−４ｍｂａｒ未満の圧力）で動作する。従って、ＬＱＩＴからの排出中のイオンの散乱が最小化され、軸方向の運動エネルギの広がりも最小化される。
【００８３】
ＬＱＩＴは、９個のセグメント４１７〜４２５を有するように設計されており、各セグメントに切り換え可能なＤＣ電位が供給されて、セグメント４１８、４２１、及び４２５にトラップ領域が形成される。セグメント４１８の第１のトラップ領域での処理は、イオンの収集及び貯蔵、イオンの蓄積、１つの質量対電荷比又は複数の前駆イオンの隔離のためのイオン運動の励起、ダイポール励起による低速加熱衝突誘起解離、広帯域励起法又はＤＣダイポール励起法、イオンを解離まで駆動しない活性化、及びこれらの組み合わせを含む。セグメント４２５の第３のトラップ領域は、下流の光学系及び質量分析器から課せられている要求を満たす適切なエネルギでｏＴＯＦパルサ４３６に向けて排出される前のプロダクトイオンを貯蔵及び蓄積するように設計されている。シンプルな動作モードでは、トラップ領域間のイオンの移動を効率よく行うために、セグメント４２１に貯蔵されているイオンの電位エネルギを、セグメント４２５に印加されている電位より高くし、その後、適切なＤＣ場成分を切り換えることが実施される。
【００８４】
イオンを半径方向に閉じ込めるほぼ矩形のＲＦ波形によって生成されるＲＦ電場に、ダイポールモードで印加されることが好ましいがこれに限定されない補助ＡＣ波形を重ね合わせることにより、且つデューティサイクルを０．５以外の値に調節することにより、ＣＩＤの効率が高められる。非対称且つほぼ矩形の波形を生成して、非対称イオン運動を生成することにより、イオントラップ内のイオン運動の特性を細かく制御するために、ＲＦ駆動のデューティサイクルを変化させることが行われる。最も好ましくは、不要な排出を引き起こすことなくイオントラップ内のイオン振動の運動エネルギを最大化するために、ＲＦ波形のデューティサイクルを変化させて生成される非対称イオン運動の方向がダイポール励起の方向に対して位置合わせされる。そのようなトラップ条件下では、緩衝ガスの存在においてイオンに堆積するエネルギが強化され、フラグメンテーションの効率も高まる。
【００８５】
別の好ましい実施形態では、ポール電極の第１の対に第１の対称ＲＦ波形が印加され、ポール電極の第２の対に第２の非対称波形が印加され、第２の非対称波形にＡＣ補助波形が更に組み合わされて、イオン運動が励起されてＣＩＤの効率が高まる。第１の対称ＲＦ波形及び第２の逆位相非対称ＲＦ波形をイオントラップの所与のセグメントのポール電極の第１及び第２の対にそれぞれ印加することにより、イオン運動の第２の基本永年周波数が生成され、不要な排出を引き起こすことなく、より大きい振幅の励起波形が印加されることが可能になる。ＣＩＤの効率が高まるように、ＲＦ波形間のデューティサイクルオフセット、励起の周波数及び振幅、及びまた安定線図上のイオンのｑパラメータを調整することが可能である。
【００８６】
ＬＱＩＴに注入された電子及び試薬イオンを使用する活性化がセグメント４２１の第２のトラップ領域で行われる。外部で生成された荷電粒子ビームを使用するイオン活性化の例として、ＥＣＤ、ＥＩＤ、逓倍荷電ラジカルイオンを生成する前駆種のｍ／ｚ比を低減する電子脱離、及び他のタイプのイオンと電子の相互作用がある。イオン−イオン衝突活性化及びイオン−イオン反応のために試薬イオンを外部から注入することも行われ得る。フォトフラグメンテーション実験に加えて付加種及び付加フラグメントを形成するイオン−分子反応がセグメント４２１で実施され得る。衝突ガスがない場合、イオン−電子相互作用が行われることが好ましい。
【００８７】
トラップされたイオンと電子との間の相互作用が考えられる場合、第２のトラップ領域を形成する第１のＤＣ場成分を、電子を脱離させ、逓倍荷電ラジカル種を生成し、前駆イオンのｍ／ｚ比を低減することに十分なエネルギ相互作用を引き起こすように電子が生成される際の電位エネルギレベルに比べて十分低いレベルに調節することが望ましい。その後の処理ステップで実施される活性化解離実権を強化するために、逓倍荷電ラジカルイオンを効率的に生成することが望ましい。例えば、新たな解離経路を開き、現時点で既存の活性化解離のツール及び方法によって得られる分析情報を強化するために、逓倍荷電ラジカルイオンをＣＩＤ及びＥＣＤの実験にかけることが考えられる。実験の過程でのイオンの電位エネルギを制御することは、様々な活性化ツールがシーケンシャルに使用されることを可能にする最も重要な側面である。
【００８８】
ＥＩＤ実験を、前駆イオンにエネルギ電子を照射する期間を延長することによって行うことも好適である。ＣＩＤタイプのイオンを生成して、（例えば、高質量イオンの）シーケンスカバレッジを強化するための一代替方法として、電子エネルギを振動エネルギに変質させる方法がある。逓倍荷電前駆イオンに低速電子を照射することによる電荷低減実験を行うことも可能である。これらの機能及び関連付けられた解離経路は、イオンを処理するためのトラップ領域を形成するＲＦトラップ場に重ね合わされるＤＣ電位及び対応するＤＣ場成分を変化させることによってイオンの電位エネルギレベルを調節することにより、容易にアクセス可能になる。
【００８９】
エネルギ電子を使用して前駆イオンから逓倍荷電ラジカルイオンを生成すること又は荷電状態低減実験を実施することは、両方とも（例えば、前駆）イオンの荷電状態分布を制御する上で有効である。このタイプの実験では、その後の活性化ステップを実施するためにＲＦトラップ波形の周波数ジャンプが必要である。例えば、電子を第１のＤＣ電位レベルの第２のトラップ領域に注入することにより、ｍ／ｚ比が低減された逓倍荷電ラジカルイオンを生成することが可能である。その後、プロダクトイオンの電位エネルギをＥＣＤの実施に十分なレベルまで下げることが可能である。第１の処理ステップで生成され、その後、ＥＣＤが行われた逓倍荷電ラジカル種のｍ／ｚ比をＥＣＤプロダクトのｍ／ｚ比に合わせることにより、トラップに正常に貯蔵されるｍ／ｚ比の範囲を最も広くカバーすることが可能である。この方法により、１つの実験の過程で抽出可能な分析情報が強化される。
【００９０】
図４に示す本発明の別の動作モードでは、イオン−イオン活性化のために且つ／又はイオン−イオン反応実験を実施するために、放電イオン化源において生成される試薬イオン若しくはエレクトロスプレーイオン化（ＥＳＩ）、又は当業者に周知の他のＥＳＩ変種によって生成される試薬イオンは、（例えば、セグメント４２１のトラップ領域のポール電極上に作られた一連のレンズ４２６及びアパーチャを通って）ＬＱＩＴに注入される。同様に、プロダクトイオン形成を最適化するために、試薬イオンと前駆イオンとの間の相互作用のエネルギを制御することが望ましく、セグメント４２１のイオンの電位エネルギを調節することによって相互作用のエネルギをスキャンすることが最も好ましい。第２のトラップ領域のＤＣ場成分を調節して、活性化解離の検討のための最適条件を識別する方法は、試薬イオンの可視光線の全体に沿って印加される電位を調節する方法よりも直接的なアプローチである。
【００９１】
波形期間の一部にわたって一定のＲＦトラップ場成分を示すトラップ波形を印加することにより、外部からＬＱＩＴへのイオン及び電子の注入が大幅に促進される。試薬イオン及び電子を厳密な運動エネルギでトラップ領域に注入することにより、活性化解離実験を最適化することが可能である。セグメント４２１の第２のトラップ領域に貯蔵されるイオンの電位エネルギを非常に広い範囲にわたって調節すること又は異なるレベル間で調節することによって活性化解離のエネルギを調整することは、本発明の範囲である。多段活性化解離実権の過程で抽出される分析情報を強化するためにイオン活性化実験を同時且つシーケンシャルに実施する新しいツール及び方法を提供することも本発明の範囲である。最も重要なことに、外部から注入される荷電粒子ビームとの相互作用を含む様々な活性化手法を個別に最適化することが可能であり、イオンの電位エネルギを変化させることによって新たな解離経路が利用可能になる。
【００９２】
様々な活性化処理（例えば、イオンに光子及び電子を照射すること又は試薬分子の存在下でイオンに光子を照射すること）を同時に実施することも望ましい。試薬分子は、パルス弁を使用してＬＱＩＴに導入されることが好ましく、試薬分子の滞留時間は１０〜１００ｍｓのオーダーである。
【００９３】
別の好ましい動作モードでは、イオンは、２状態のほぼ矩形のトラップ波形を使用して貯蔵され、波形期間の前半に試薬イオン又は電子を照射され、後半に電子を照射されることにより、２つの異なるタイプのフラグメントイオンが同時に生成される。イオン及びプロダクトの電位エネルギは、一定に保たれ得、又はイオン−イオン相互作用及びイオン−電子相互作用のエネルギを個別に調節するために第１のレベルから第２のレベルに切り換えられ得る。
【００９４】
セグメント４２１の第２のトラップ領域のＬＱＩＴに貯蔵されているイオンと、外部で生成された荷電粒子及び光子との相互作用は、セグメント４２１の対向する２つのポール電極上のアパーチャによって促進される。好ましくは、実験の過程において、電子源又は試薬イオン源の光学系が固定電位で動作し、レンズ系４２６を通り、反対側のポール電極上の出口アパーチャを通る伝送量が最大になるように最適化されることにより、表面の汚染及び帯電が最小化される。アパーチャを通るイオン及び電子を集束させることは、部分的には、集束レンズ４２６に印加される電圧を適切に選択することによって達成される。
【００９５】
様々な活性化解離手順、特に外部から注入される荷電粒子ビームを利用し、標準的なフラグメンテーション手法と組み合わされる活性化解離手順が明確になるのは、相互作用のエネルギ及びまたイオン移動を効率よく微調整するためのＤＣ電位の切り換え及び制御、並びに結果として、ＬＱＩＴの様々なトラップ領域においてイオンの電位エネルギの様々なレベル間での切り換え及び制御が可能かどうかが分かってからに限られる。これらの新しい方法は、全て本発明の図３Ａ、３Ｂ、及び３Ｃで開示されたような電子技術の進歩によって促進される。
【００９６】
図４では、実験の過程において少なくとも１つのセグメントを３つの異なるＤＣレベル間で切り換える場合のＬＱＩＴにわたるＤＣプロファイルの切り換えシーケンス４３９の一例を示す。セグメント４１８のＤＣ電位４４０を、隣接セグメントに印加されたＤＣ電位より低くすることにより、第１のトラップ領域においてイオンの移動及び蓄積が行われる。ポール電極の１つの対にダイポールモードで印加されたＡＣ補助波形を使用してイオンの質量選択が行われる。第１の処理ステップの完了後、ＬＱＩＴの最初の３つのセグメント４１７、４１８、及び４１９にまたがってＤＣ場成分４４１を切り換えることにより、前駆イオンがセグメント４２１の第２のトラップ領域に移動する。電位井戸４４２に貯蔵されているイオンは、エネルギ電子を外部から注入して逓倍荷電ラジカルイオンを形成する第２の処理ステップに供される。これは、電子源が接地電位に保たれている間にイオンの電位エネルギを上げること４４３によって達成される。第３の処理ステップは、プロダクトイオンの電位エネルギをＥＣＤに適するレベルまで下げること４４３によって行われる。この例では、逓倍荷電ラジカルイオンを形成する電子脱離が約４５ｅＶの電子によって行われ、ＥＣＤが約１ｅＶの電子によって行われる。最後に、イオンを同じエネルギレベルまで上げて、セグメント４２２〜４２５に印加されるＤＣ電位を切り換えることを適用してイオンを最終セグメント４２５に移動させること４４４により、ｏＴＯＦ質量分析器への排出４４５が最適化される。
【００９７】
同じ切り換えシーケンスに基づく様々な実験が行われ得、例えば、イオンが電位井戸４４０で受け取られてから、エネルギ電子の事前照射を行わずにＥＣＤが行われ得る。セグメント４２１に貯蔵されているイオンの電位エネルギがＥＣＤを行うのに適していない場合、電子がトラップに入らないようにするために、デフレクタをＤＣプロファイルの遷移に同期させる。その後、ＥＣＤプロダクトイオンは、ＤＣ電位の高度な制御と、本発明において開示されている切り換え方法とにより、新たな前駆種の隔離選択と低速加熱ＣＩＤとを可能にするためにセグメント４１８に移動され得る。
【００９８】
埋まっているトラップ領域においてＤＣ電位を制御することにより、外部で生成された電子との相互作用中にイオンに与えられるエネルギと、トラップを出入りするイオンの移動及び排出に対して課せられる要件とが切り離される。各セグメントに印加される電位は、１つの実験中に任意のレベル又は複数のレベルに自由に調節され得、これは、電子技術の進歩と、本発明において開示されている回路とによって可能になる。
【００９９】
本発明の別の例示的実施形態を図５に示す。機器の概略図５００に示すように、オービトラップ質量分析器５１０を組み込んだ質量分析プラットフォーム５０２にセグメント化ＬＱＩＴ  ５０１がつながっている。典型的には、イオンは、四重極質量フィルタ（ＱＭＦ）５０３において質量選択され、差動アパーチャ５０４、５０６、及び六重極イオンガイド５０５を通り抜け、排出トラップ５０７に達する。イオンは、その後、質量分析のためにデフレクタレンズ５０９を通ってオービトラップ５１０に注入されるか、衝突活性化解離のために軸方向にＲＦ六重極５１１に移動する。より包括的な活性化解離分析のためにイオンをセグメント化ＬＱＩＴ  ５０１に移動させ得、これは、差動アパーチャレンズ５１２に印加される電位を下げることによって行われる。ＬＱＩＴは差動ポンピングされることが好ましく、ガスは、ポール電極と、ＬＱＩＴ  ５１２及び５２２の何れかの端部に配置された２つの端部電極とにおけるアパーチャを通ってのみ外に出ることが可能である。ＬＱＩＴは、第２のターボポンプによって排気された別個の外部真空コンパートメントに完全に浸漬され得る。ＬＱＩＴには、圧力の（例えば、動的な）制御及び監視のために、パルス弁（及び任意選択のリーク弁）及び圧力ゲージがそれぞれつながっていることが好ましい。
【０１００】
この例示的実施形態のセグメント化ＬＱＩＴは、全部で９個のセグメント５１３〜５２１を有し、３つのトラップ領域がセグメント５１４、５１７、及び５２０が形成されるように設計されている。各活性セグメントの長さは、特定の機能を効率よく実施するように最適化されている。セグメント５１４に集中している第１のトラップ領域は、１つ又は複数の前駆イオンを隔離するための共鳴励起を実施するためにより多くの電荷を収容し、空間電荷効果及び関連する周波数シフトを最小化するように長さ方向に伸びている。セグメント５１４はまた、パルスガス導入中に（又は代替実施形態では静的バックグラウンド圧力下で）１つ又は複数の前駆イオンの低速加熱ＣＩＤを実施するように設計されている。ＣＩＤ励起は、１つ又は複数の励起周波数を有するように設計された波形で実施され得る。ＦＮＦ、ＳＷＥＥＰ、又はＳＷＩＦＴの波形がセグメント５１４に印加される他の典型的な実験として、貯蔵イオンの永年周波数範囲にわたって１つ又は複数のノッチを有するように設計された波形による複数の前駆選択、複数の前駆励起、及びイオン排出があり得る。分解ＤＣの印加は、トラップされたイオンによる高速且つ単純な隔離ステップとして実施され得る。
【０１０１】
セグメント５１７の第２のトラップ領域は、外部で生成されたイオン、電子、光子、及びラジカルが注入されて、セグメント５１４で（又はＱＭＦ  ５０３を使用して）あらかじめ選択されたイオンと反応することを可能にするための入口アパーチャを少なくとも２つのポール電極上に有するように設計されている。好ましくは、トラップ波形は、イオン又は電子を厳密な運動エネルギで注入するために、波形期間の半分中に一定のトラップ場を生成するようにほぼ正方形である。荷電種を可変エネルギで外部から注入することを促進するために、３つの電圧状態を有するように設計された他のトラップ波形が使用され得る。選択されたイオンを活性化、イオン化、反応、及び解離させるために、入口アパーチャを通して、正イオン及び負イオン又は電子を同時に、シーケンシャルに、又は別々に注入し得る。セグメント５１７は、長さがセグメント５１４より短くなっており、これは、電荷密度を増やし、外部から注入される種との相互作用を最大化するために軸方向の圧縮を大きくすることを可能にするためである。低エネルギ電子の排出がイオン運動の励起と同時に行われることが好ましい。
【０１０２】
セグメント５２１の第３のトラップ領域は、ＬＱＩＴ  ５０１で実施された連続する処理ステップで得られたプロダクトイオンを貯蔵及び蓄積するように設計されている。このセグメントでは、真空コンパートメントにつながった窓ポートから外に出ているイオントラップ軸を通って垂直に方向付けられる光子を使用して更なる活性化が行われ得る。蓄積されたイオンは、その後、オービトラップ５１０を使用する分析に備えて、セグメント５２１からリリースされて排出トラップ５０７に戻る。
【０１０３】
図５には、処理サイクルの一例５２３中のＤＣ電位プロファイルの切り換えシーケンスが示されており、ここで、排出トラップ５０７からリリースされたイオン５２７又はＱＭＦ  ５０３において選択されたイオン５２７が六重極イオンガイド５１１を通ってＬＱＩＴ  ５０１内に移動し、セグメント５１７に貯蔵される。ＬＱＩＴへの注入中に遠端のセグメントにおいてイオントラップ５２４の両端のＤＣ電位が上げられることにより、軸方向の運動エネルギが上昇したイオンの効率的な捕獲が促進される。圧力過渡時にセグメント５１７においてイオン５２８を動力学的に熱化するために、ＬＱＩＴにおけるイオンの到達タイミングをガスパルスと同期させることが好ましい。その後、外部から注入されるイオン及び電子との相互作用の運動エネルギを調節するために、イオン５２８の電位エネルギを上げるようにＤＣ電位が切り換えられる５２５。イオンの軸方向の運動エネルギを最適化し、排出トラップ５０７における捕獲効率を最大化するために、ＤＣ電位を切り換えること５２６により、プロダクト及び残りの前駆イオンは、オービトラップ分析器５１０を使用する検出のために戻される。
【０１０４】
この処理サイクルの例５２３では、イオンの電位エネルギは、セグメント５１７において３つの異なるレベル間で切り換えられる。ＬＱＩＴ  ５０１への注入中に印加されるＤＣ電位は、排出トラップ５０７に印加されるＤＣ電位と一致するように構成されており、これは、軸方向のイオンエネルギを１０ｅＶ未満に保つことにより、六重極５１１での衝突活性化を避けるためである。イオン−イオン又はイオン−電子活性化解離実験において相互作用エネルギを制御するために、セグメント５１７に印加されるＤＣ電位を到来するイオン又は電子の運動エネルギに対して調節することが必要である。最後に、オービトラップ５１０を使用してプロダクト種を検出するために、イオンを新たなＤＣ電位レベルからリリースして、排出トラップ５０７でのトラップを効率よく行うことが必要である。
【０１０５】
本発明の更に別の例示的実施形態を図６に示す。機器の概略図６００に示すように、オービトラップ質量分析器５１０を組み込んだ質量分析プラットフォーム５０２にセグメント化ＬＱＩＴ  ５０１がつながっている。オービトラップに対するガス負荷を減らすための追加ポンピング領域を提供するために、ＬＱＩＴと元々のイオンガイド５１１との間に追加のブリッジ六重極イオンガイド６２３とＤＣレンズ電極６２４とが配置されている。ＬＱＩＴは、差動ポンピングされ、より重いガス負荷に対応することが可能である。水素分子又は水素ラジカルのような軽いガスがより高密度でＬＱＩＴに入れられ得る。
【０１０６】
図６には、処理サイクルの一例６２５と、ＤＣ電位プロファイルの対応する切り換えシーケンスも示されており、ここで、排出トラップ５０７からリリースされたイオン又はＱＭＦ  ５０３において選択されたイオンがイオンガイド５１１及びブリッジ六重極６２３を通ってＬＱＩＴ  ５０１内に移動し、セグメント５１７に貯蔵される。イオンと外部から注入される電子との間の相互作用のエネルギの制御は、トラップ領域のＤＣ電位を１つ又は複数のレベルに調節することによって行われる。この例では、イオンの貯蔵及び蓄積のためにセグメント５１９、５２０、及び５２１におけるＤＣ場成分を調節することにより、第３のトラップ領域が形成される。セグメント５１７の第２のトラップ領域で実施される活性化解離ステップ６２６後、イオンの電位エネルギがセグメント５２０のＤＣ電位レベルよりわずかに高く上げられる。セグメント５１６、５１７、及び５１８に印加されるＤＣ電位をステップ６２７に示されるように切り換えることにより、プロダクト及び残りの前駆イオンが最小限の運動エネルギで移動する。好ましくは、セグメント５１９、５２０、及び５２１に印加される電位は固定され、残りのセグメントのＤＣ電位プロファイルは、第２のイオンパルスを受け取るために元の設定６２８に調節される。ステップ６２６、６２７、及び６２８は、低確率又は低効率の解離経路の信号対ノイズ比を改善するのに十分な数のプロダクトイオンが生成されるまで繰り返され得る。この例では、ステップ６２７に示される第３のトラップ領域へのイオンの移動後に２つの可能な選択肢がある。第１の選択肢は、ステップ６２９に示されるように、オービトラップを使用する質量分析のためにプロダクトイオンを排出トラップに戻すようにＤＣ電位を切り換えることである。第２の選択肢は、ステップ６３０に示されるように、第１のトラップ領域におけるイオンをイオン隔離及び低速加熱ＣＩＤのために移動することである。最後に、ステップ６３１に示されるように、セグメント５１３及びレンズ電極６２４に印加されるＤＣ電位を切り換えることにより、イオンをリリースして排出トラップ５０７に戻す。
【０１０７】
図７には、図６のＬＱＩＴプラットフォームで実施される多段活性化解離実験の別のＤＣ電位プロファイルシーケンス７２５を示す。セグメント７２６に最初に印加されるＤＣ電位は、イオン隔離及び低速加熱ＣＩＤのためにセグメント５１４の第１のトラップ領域にイオンを移動させるように設定されている。また、セグメント５１４において第２の隔離ステップを実施することにより、１つのｍ／ｚ比又は複数のｍ／ｚ比のＣＩＤプロダクトイオンを選択することも望ましい。
【０１０８】
その後、セグメント５１５〜５１８は、選択されたＣＩＤプロダクトをセグメント５１７の第２のトラップ領域に移動させるように切り換えられ７２７、そこで、外部から注入された電子を使用してイオンを活性化解離させるように、本発明に開示の方法に基づくイオン電位エネルギの制御が行われる。第２世代プロダクトは、セグメント５２０の第３のトラップ領域にとどめられることが好ましく、これは、ステップ７２８に示されるように、電位井戸のＤＣ電位のレベルを調節し、セグメント５１８、５１９に印加されるＤＣ場成分を切り換えることによって行われる。新たなイオンパルスを受け取って処理サイクルを繰り返すことにより、第２世代プロダクトを蓄積し、質量分析中の信号対ノイズ比を改善するために、ステップ７２９に示されるように、ＤＣプロファイルを最初の設定まで緩め得る。ステップ７３０に示されるように、イオンを第３のトラップ領域から第１のトラップ領域まで移動させることにより、第３世代プロダクトが生成可能である。最後に、ＤＣ電位を切り換えて、イオンの運動エネルギを５ｅＶ未満に保つ弱いＤＣ勾配を発生させることにより、第３世代プロダクトが排出トラップに戻される。
【０１０９】
処理ステップ７２７では、第２のトラップ領域がイオンで埋められ、ＤＣ場成分を様々なレベルに調節することによってもイオンの電位エネルギが変更される。例えば、処理ステップ７３０に示されるように、イオンが存在しない領域でＤＣ電位プロファイルの遷移が行われ得、この場合、弱いＤＣ勾配の影響下でイオンがトラップ領域間を移動するように、第２のトラップ領域のエネルギレベルが上げられる。別の好ましい動作モードでは、第３のトラップ領域に蓄積されているイオンの電位エネルギを第２のトラップ領域の電位レベル近くまで下げることによっても効率的な移動が可能である。図３に開示された本発明の高度にフレキシブルな電子回路によって可能な同じ処理ステップを実施するために、ＬＱＩＴのＤＣ場成分の様々な遷移が実施され得る。
【０１１０】
図８には、図６のＬＱＩＴプラットフォームで実施され、イオンの電位エネルギ制御によって支援される多段活性化解離実験の更に別の処理サイクル８２５を示す。セグメント８２６に最初に印加されるＤＣ電位は、外部から注入される電子を使用するイオン活性化のためにセグメント５１７の第２のトラップ領域にイオンを移動させるように設定されている。プロダクトイオンの電位エネルギを下げてから、電位を移動のために切り換えることが好ましい。第２の処理ステップ８２７は、電位エネルギを上げることと、同時にイオンを隣接トラップ領域に移動させることとを含む。この上げて移動させる方法により、バックグラウンドガス分子との衝突でイオンに与えられるエネルギが最小化され、次の処理ステップが適用される前のイオンの冷却に必要な時間も最短化される。従って、処理ステップ間のより迅速な移行が達成されて、処理サイクルの全体時間が短縮される。この処理サイクルの例では、セグメント５１４の第１のトラップ領域に貯蔵されている第１世代プロダクトイオンは、隔離波形及び選択されたｍ／ｚ比を使用して処理され、リリースされて排出トラップ８２８に戻される。ＲＦイオンガイド５１１及び６２３に印加されるＤＣ電位が下げられて、排出トラップから軸方向にリリースされるイオンがバックグラウンドガス分子とエネルギ衝突させられることにより、第２世代高エネルギＣＩＤプロダクトが形成され、これは、ＲＦトラップ場と、ステップ８２９に示されるようにＤＣ場成分を調節することによって生成される反射ＤＣ場とが存在するＬＱＩＴにおいて減速される。セグメント５１３に印加されるＤＣ電位を切り換えることにより、エネルギイオンがＬＱＩＴから出ていかなくなり、イオンが第１のトラップ領域で熱化される。イオンの電位エネルギが再度上げられ８３０、ＤＣ電位が切り換えられる８３１ことにより、イオンが質量分析のための排出トラップに移動する。
【０１１１】
上述の議論では、本発明の例示的な方法、電子回路、及び実施形態を開示し、説明している。当業者によって理解されるように、本発明は、本発明の趣旨又は不可欠な特性から逸脱しない限り、他の特定の形態で実施され得る。
【０１１２】
例えば、本発明のリニアイオントラップは、リニアイオントラップの遠端部に位置し、一部がトラップ領域のＲＦトラップ場に浸漬されている端部キャップ電極に向けて十分高い運動エネルギで分子イオンを加速させることにより、表面誘起解離実験に対応するように構成され得る。近接セグメントにフラグメントイオンを貯蔵するために、近接セグメントのＤＣ場成分を同時に切り換えることを適用することが好ましい。端部キャップ電極又はトラップセグメントに高電圧ＤＣ切り換えを適用することにより、高い運動エネルギへの加速が達成される。表面誘起解離手法は、本発明において開示された他の処理手法とは別に適用され得、順次的に適用され得る。
【０１１３】
別の例では、リニアイオントラップのトラップ領域に貯蔵されたイオンは、断面及び荷電状態に基づく分離のために、イオンモビリティ分析計内へ排出される。モビリティ分離されたイオンは、ゲートを使用して選択され、更なる処理のためにリニアイオントラップに戻され得る。イオンをリニアイオントラップに移動させるために、イオンモビリティ分析計のトラップ領域の両端のＤＣ電位を上げることと、トラップ領域を形成している１つ以上のＤＣ場成分を、イオンを後方にリリースするように切り換えることとが必要であり、これらは、本発明において開示された方法と同様である。この方法はまた、トラップ領域内でのイオンの半径方向閉じ込めのためにＲＦ場成分を印加することと、またイオンモビリティ分析計にわたるＤＣ勾配を反転することとが必要である。
【０１１４】
従って、本発明の本開示は、本発明の範囲に関して限定的ではなく説明的であるものとし、本発明の範囲は以下の請求項において明記される。
【図１Ａ−１Ｂ】
2019505966.tif 000003
【図２】
2019505966.tif 000004
【図３Ａ−３Ｃ】
2019505966.tif 000005
【図４】
2019505966.tif 000006
【図５】
2019505966.tif 000007
【図６】
2019505966.tif 000008
【図７】
2019505966.tif 000009
【図８】
2019505966.tif 000010
【国際調査報告】
2019505966.tif 000011
2019505966.tif 000012
2019505966.tif 000013
2019505966.tif 000014