(57)【要約】包括的な（すなわち、急速かつ感度の高い）ＭＳ−ＭＳ分析を提供するため、発明者は２つの飛行時間型（ＴＯＦ）質量分析計を使用するタイムネストされた分離を用いる。親イオンは、低いイオンエネルギ（１から１００ｅＶ）で動作する低速かつ長いＴＯＦ１で分離され、断片イオンははるかに高いｋｅＶエネルギで動作する高速かつ短いＴＯＦ２で質量分析される。ＴＯＦ１とＴＯＦ２との間の低エネルギの断片化セルは、主にセルを短くしかつ高いガス圧力を用いることによって断片化および減衰のステップを加速するように調節される。ＴＯＦ１での分離にはミリ秒かかり、ＴＯＦ２での質量分析にはマイクロ秒かかるため、この発明は単一のイオンパルス当たり複数の先駆物質イオンの包括的なＭＳ−ＭＳ分析を提供する。ＴＯＦ１での低速の分離は、新規のＴＯＦ１分析器の導入で可能になる。ＴＯＦ−ＴＯＦは、ここでスパイラトロンの例で説明される静的なＴＯＦ１、グリドル空間的集束イオンミラーを備えた平坦および円筒形のマルチパスセパレータを使用して実現される。無線周波数（ＲＦ）および２次のＤＣの場を組合せた新規のハイブリッドＴＯＦ１分析器の使用で高い性能が予想される。ＲＦ場はＴＯＦ１分析器内で低エネルギのイオンを保持し、２次のＤＣ場は大きな相対的なエネルギの拡散を補償することによって分解能を改善する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タンデム質量分析計であって、順番に接続されたパルスイオン供給源、親イオンセパレータ、断片化セル、第２の飛行時間型質量分析計（ＴＯＦ２）、および複数の親イオンに対して断片質量スペクトルを取得するタイムネストされたデータ取得システムとを含み、親イオンの分離の分解能を改善するため、前記親イオンセパレータは飛行時間型質量分析計であり、同じ質量対電荷比のイオンでは、前記ＴＯＦ１での飛行時間は前記断片化セルを通る通過時間および前記ＴＯＦ２での飛行時間の両方よりもはるかに長い、タンデム質量分析計。
【請求項２】
前記ＴＯＦ１での飛行時間は前記ＴＯＦ２での飛行時間よりも少なくとも１０倍大きい、請求項１に記載のタンデム質量分析計。
【請求項３】
前記ＴＯＦ１での平均イオンエネルギは前記ＴＯＦ２内より少なくとも１００倍小さい、請求項１に記載のタンデム質量分析計。
【請求項４】
前記パルスイオン供給源は０．１ｍｂａｒまでの真空からのガス圧力のＭＡＬＤＩイオン供給源である、請求項１に記載のタンデム質量分析計。
【請求項５】
前記パルスイオン供給源はパルス動作周波数（ＲＦ）蓄積装置、および以下のリスト、すなわち、エレクトロスプレー供給源、１０ｍｔｏｒｒから１ａｔｍの間のガス圧力のガスで満たされたＭＡＬＤＩイオン供給源、電子衝撃イオン供給源、化学的イオン化イオン供給源を備えた電子衝撃、または光イオン化イオン供給源でできた、連続イオン供給源を含み、イオンは前記イオン供給源のいずれかから連続的に供給されて蓄積され、前記蓄積装置からパルス排出される、請求項１に記載のタンデム質量分析計。
【請求項６】
前記蓄積装置は、非ゼロの軸方向の電場を作る少なくとも１つのＤＣ電極によって補われる少なくとも１つのＲＦのみの線形の多重極を含む、請求項５に記載のタンデム質量分析計。
【請求項７】
前記ＴＯＦ１は、軸方向の２次電場を備えた２つのパルスミラーによって囲まれるＲＦのみの線形の多重極を含む、請求項１に記載のタンデム質量分析計。
【請求項８】
前記ＴＯＦ１は、２次電場を備えた２次元のＤＣミラーによって囲まれる２次元のＲＦのみのイオントンネルを含む、請求項１に記載のタンデム質量分析計。
【請求項９】
前記ＴＯＦ１は、それらの間にＤＣ電圧が印加される同軸の電極の対を少なくとも含み、イオンはそれらの軸に対して或る角度で前記電極間で注入される、請求項１に記載のタンデム質量分析計。
【請求項１０】
イオンは、両面プリント回路板によって形成されるカットオフ領域を通じて前記電極間のギャップから出入りする、請求項９に記載のタンデム質量分析計。
【請求項１１】
前記ＴＯＦ１は、２次元の自由飛行チャネル、および集束および反射の電極を含む２つの平面の集束静電ミラーを含む平面のマルチパス静電ＴＯＦである、請求項１に記載のタンデム質量分析計。
【請求項１２】
前記ＴＯＦ１は、半径方向の偏向を備えた同軸の円筒の対、および同軸の円筒を含む２つの集束静電ミラーを少なくとも含む円筒形のマルチパス静電ＴＯＦである、請求項１に記載のタンデム質量分析計。
【請求項１３】
複数の狭い時間窓内でのみイオンを伝達することのできる前記ＴＯＦ１と前記断片化セルとの間の付加的な時限式ゲートをさらに含む、請求項１に記載のタンデム質量分析計。
【請求項１４】
前記断片化セルへのイオンの注入のエネルギは、前記ＴＯＦ１と前記断片化セルとの間の静電オフセットによって調節され、前記オフセットは、ＴＯＦ１の分離中に親の断片化に最適な５０Ｖ／ｋＤ前後の質量依存イオンエネルギを提供するように調節され得る、請求項１に記載のタンデム質量分析計。
【請求項１５】
前記断片化セルは、ガスで満たされかつ少なくとも１つのＤＣ電極によって補われる少なくとも１つのＲＦのみの多重極を含む衝突誘起解離（ＣＩＤ）セルである、請求項１に記載のタンデム質量分析計。
【請求項１６】
前記ＣＩＤセル内のイオンパケットの時間の拡散は、１ｃｍ未満の長さの短いセル、１００ｍｔｏｒｒを超える高いガス圧力を使用することによって低減される、請求項１３に記載のタンデム質量分析計。
【請求項１７】
時間の圧縮のため、衝突セルは、前記セル内で軸方向のＤＣ場の変調を使用して断片イオンを蓄積し、ＴＯＦ２のパルスと同期されたパルスビームを排出する、請求項１３に記載のタンデム質量分析計。
【請求項１８】
前記断片化セルは、パルスされた１次的なおよび空間的な集束のレンズ、およびフルオロハイドロカーボンの単一層によって被覆されたターゲットを含む、請求項１に記載のタンデム質量分析計。
【請求項１９】
前記ＴＯＦ２は直交する時間注入を用いたＴＯＦ  ＭＳ（ｏ−ＴＯＦ  ＭＳ）である、請求項１に記載のタンデム質量分析計。
【請求項２０】
前記ＴＯＦ２は高電流検出器および一時的な記録器を含む、請求項１に記載のタンデム質量分析計。
【請求項２１】
前記ＴＯＦ１での時間分離の分解能は、以下の手段のいずれかによって、すなわち、イオン経路に沿って２次の電位分布を形成するＴＯＦ１の任意の反射器、ＴＯＦ１内で多数の反射を使用すること、１ｍより長いＴＯＦ１を使用すること、複数の狭い時間窓を備えた前記時限式ゲートを使用することによって、向上される、請求項１に記載のタンデム質量分析計。
【請求項２２】
付加的なインライン検出器はＴＯＦ１の後のどこかに設置される、請求項１に記載のタンデム質量分析計。
【請求項２３】
以下のステップを含む包括的なＭＳ−ＭＳ分析の方法。
【請求項２４】
パルスイオン供給源からのさまざまな質量対電荷比（Ｍ／Ｚ）の複数の親イオンのパルス排出。
【請求項２５】
第１の時間セパレータ内の親イオンでの時間分離。
【請求項２６】
時間分離されたイオンの断片化。
【請求項２７】
第２の飛行時間型質量分析計（ＴＯＦ２）内での断片イオンの質量分析。
【請求項２８】
異なる親イオンの断片スペクトルを混合することなく、単一のイオンパルス当たり複数の親イオンに対応するタイムネストされた断片質量スペクトルの取得。
【請求項２９】
ＭＳ−ＭＳ分析の感度およびスループットの改善のため、前記時間分離は飛行時間型質量分析計（ＴＯＦ１）内で行なわれ、前記親イオンの分離の時間は前記断片化および前記断片質量分析の両方の時間を大きく超える。
【請求項３０】
前記ＴＯＦ１での前記飛行時間は前記ＴＯＦ２内より少なくとも１０倍大きい、包括的なＭＳ−ＭＳ分析の方法。
【請求項３１】
イオンパルスは１００ｍＴｏｒｒまでの真空からのガス圧力のＭＡＬＤＩイオン供給源で生成される、請求項２３に記載のＭＳ−ＭＳ分析の方法。
【請求項３２】
前記イオンパルスは蓄積四重極からのパルス排出によって形成され、イオンは、以下のリストの連続イオン供給源から、すなわち、エレクトロスプレー供給源、１０ｍｔｏｒｒから１ａｔｍの間のガス圧力のガスで満たされたＭＡＬＤＩイオン供給源、電子衝撃イオン供給源、化学的イオン化イオン供給源を備えた電子衝撃、または光イオン化イオン供給源でできた連続イオン供給源から、蓄積四重極に導入される、請求項２３に記載のＭＳ−ＭＳ分析の方法。
【請求項３３】
親イオンの前記時間分離は２次のＤＣ場で行なわれ、前記ＴＯＦ１でのイオンのエネルギは前記ＴＯＦ２内より少なくとも１００倍小さい、請求項２３に記載のＭＳ−ＭＳ分析の方法。
【請求項３４】
２次のＤＣ場での親イオンの前記時間分離は、ＤＣ場に直交する少なくとも１つの方向での無線周波数場の閉じ込めの助けを借りて実現される、請求項２６に記載のＭＳ−ＭＳ分析の方法。
【請求項３５】
ＲＦのみの場での前記イオンの閉じ込めは１つの軸に沿って実現され、イオンは前記ＲＦ場のゾーンの一端から注入され、パルス２次ＤＣ場での複数の反射の後に他端から開放される、請求項２７に記載のＭＳ−ＭＳ分析の方法。
【請求項３６】
ＲＦのみの場による親イオンの前記閉じ込めは２次元の平面に沿って実現され、イオンはＤＣ場の勾配に平行なＴＯＦ１の軸に対して小さな角度で注入され、イオンはＤＣ場で複数の反射を生じつつ、ＲＦ場の出口に向かって、直交する方向で低速で漂流する、請求項２７に記載のＭＳ−ＭＳ分析の方法。
【請求項３７】
親イオンの前記時間分離は静電場で行なわれ、第１の飛行時間型セパレータでの前記イオンのエネルギは前記第２の飛行時間型質量分析計内より少なくとも１０倍小さく、前記第１の飛行時間型セパレータでの前記有効な飛行経路は前記第２の飛行時間型質量分析計内よりも少なくとも３０倍大きい、請求項２３に記載のＭＳ−ＭＳ分析の方法。
【請求項３８】
親イオンの前記時間分離は、同軸の電極の対によって作られる静電場で行なわれ、イオンは電極の軸に対して或る角度で前記静電場に注入され、境界での前記静電場の外乱は両面プリント回路板によって低減される、請求項２３に記載のＭＳ−ＭＳ分析の方法。
【請求項３９】
親イオンの前記時間分離は、平面の自由飛行チャネルおよび平面の集束グリドルイオンミラーによって形成される平面の静電場で行なわれ、イオンはＴＯＦ１の軸に対して小さな角度で注入され、ミラー間で複数の跳ね返りを生じる、請求項２３に記載のＭＳ−ＭＳ
分析の方法。
【請求項４０】
親イオンの前記時間分離は、同軸の円筒の複数の対によって形成される円筒形の静電場で行なわれ、少なくとも１つの対で半径方向の場が適用され、円筒間の円筒形の場は請求項３２に記載の場に類似であり、イオンは、ＴＯＦ１の軸に対して小さな角度で注入され、ミラー間で複数の跳ね返りを生じる、請求項２３に記載のＭＳ−ＭＳ分析の方法。
【請求項４１】
ＴＯＦ１での時間分離の分解能は、イオンを前記断片化ステップに提示する前に複数の狭い時間窓をサンプリングすることによって向上される、請求項２３に記載のＭＳ−ＭＳ分析の方法。
【請求項４２】
前記断片化は、以下のプロセスの１つ、すなわち、ガスとのエネルギ衝突、表面との衝突、光によるものの１つで、実現される、請求項２３に記載のＭＳ−ＭＳ分析の方法。
【請求項４３】
分析は、ＴＯＦ１をパスモードで使用しつつＴＯＦ２で親の質量スペクトルを取得するステップ１と、有意の親イオンの到達に対応する衝突セルの前の狭い時間窓をサンプリングし、それら時間窓のみに対する断片スペクトルを取得するステップ２の、２つのステップで行なわれ、前記時間窓は、ステージ１の測定値からの親の質量に基づいてその場で選択される、請求項２３に記載のＭＳ−ＭＳ分析の方法。
【請求項４４】
「親スキャン」、すなわち、断片イオンの所定のセットを有する親イオンのスペクトルは、完全なＭＳ−ＭＳデータセットから再構築される、請求項２３に記載のＭＳ−ＭＳ分析の方法。
【請求項４５】
ＬＣ−ＭＳ−ＭＳ分析またはＬＣ−ＬＣ−ＭＳ−ＭＳ分析の方法であって、溶剤の流れがＬＣから請求項１に記載のタンデム質量分析計へと連続的に導入され、ＭＳ−ＭＳデータは請求項２１から３７に記載の方法を使用して取得される、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
この発明は質量分析の分野に関し、特に、２つの飛行時間型質量分析計を含む装置での高スループットの包括的なタンデム質量分析に関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
質量分析計は、試料を気化およびイオン化して、次に静的または動的な電場を使用して、形成されたイオンの質量対電荷比を測定する装置である。タンデム質量分析は、複雑な混合物内の化合物の構造解析および識別で使用される。すべての用途において、ＭＳ−ＭＳの手順は、同じ動作の順番を有する。
【０００３】
・単一の質量対電荷比（ｍ／ｚ）の親イオンの質量の選択
・それらのイオンの断片化
・断片の質量分析。
【０００４】
非常にさまざまなのタンデムＭＳ−ＭＳ機器があり、それら自身の強みおよび弱みがあるが、それらはすべて１つの共通の特徴、すなわち、それらはすべて一度に１つの親イオンを使用するという共通の特徴がある。イオン種の残りは１次イオンビームから除去され、失われる。
【０００５】
トリプル四重極機器は最も一般的なＭＳ−ＭＳ機器である。たとえば、エレクトロスプレー（ＥＳＩ）などの連続イオン供給源は、第１の四重極質量フィルタにイオンを導入し、これは対象のイオンのみが質量フィルタを通過するように調整される。１次ビームの構成要素の残りは拒否され失われる。選択されたイオンは、ｍＴｏｒｒの圧力のガスで満たされ、無線周波数（ＲＦ）四重極ガイドを備えた、いわゆる「衝突誘起解離」（ＣＩＤ）セルに伝達される。注入されたイオンの運動エネルギは質量フィルタの静電バイアスにより制御され、それはガスの衝突を介してイオンの断片化を誘発するよう調節される。断片イオンはＣＩＤセル内で衝突減衰され、次に質量分析のために第２の四重極に導入される。第２の四重極での質量の走査には時間がかかり、約１０００倍だけ付加的なイオンの損失を生じさせるため、トリプル四重極機器は、親および断片のイオンの質量が知られている既知の種の検出に対して主に使用される。
【０００６】
四重極飛行時間型タンデム質量分析計（Ｑ−ＴＯＦ）の導入は、ＭＳ−ＭＳ機器のスループットを大きく向上させた（モーリスらのRapid Commun. Mass Spectrom. v.10, pp.889-896, 1996を参照）。トリプル四重極は、第２の四重極質量フィルタが直交ＴＯＦ  ＭＳ（oa-ＴＯＦＭＳ）により置換されるように変形された。この代用により、一度にすべての断片イオンの並行分析の利点が得られ、したがって、第２のＭＳでの高い感度および高速の取得の利点が得られ、第２のＭＳの分解能および質量の精度が向上された。しかしながら、四重極は、１つ以外のすべてのイオン種の拒否を伴う親イオンの選択に対して依然として使用される。並行分析の考えは親イオンまでは拡張されていない。
【０００７】
もう１つの一般的なＭＳ−ＭＳ装置は、ポール（Paul）イオントラップ質量分析計（ＩＴＭＳ）であり、March, R.E., Hughes R.J. 四重極蓄積質量分析（Quatrupole Storage Mass Spectrometry）, Willey-Interscience, New York 1989で十分に説明されている。イオン供給源で生成されたイオンは定期的にＩＴＭＳに注入され、無線周波数（ＲＦ）場によりＩＴＭＳ内で捕捉される。「望まれない」種は、たとえば、広帯域の共振ＡＣ信号
を印加することにより除去され、対象のイオンのみがトラップ内に留まる。選択された親イオンは次に先駆物質の永年運動と共振する別のＡＣ場により励起される。親イオンは、緩衝ガスとのエネルギの衝突で運動エネルギを得て断片化する。断片は共振排出技術を使用して質量分析される。ＲＦ場の振幅は、イオンがそれらのｍ／ｚの値に従って順番にトラップを出るように傾斜される。
【０００８】
断片イオンのより正確な質量分析のために、３−ＤポールトラップをＴＯＦ分析器と結合することが知られている。Quin and D. Lubman, Rap. Comm. Mass. Spectrom. 10, 1079, 1996およびシマズによるＷＯ  ０９９／３９３６８を参照。D. Douglasによる米国特許第５，８４７，３８６号、Sciexによる米国特許第６，１１１，２５０号、Analyticaによる米国特許第６，０２０，５８６号、U of New HampshireによるＷＯ  ０１／１５２０１では、線形のイオントラップ（ＬＩＴ）がＴＯＦ分析器に結合されている。すべてのイオントラップタンデムは、複数ステージのＭＳ−ＭＳ分析に主に向けられている。親イオンは他のイオンの構成要素を失って選択される。
【０００９】
最近導入されたタンデム飛行時間型質量分析計（ＴＯＦ−ＴＯＦ）は、用いられるハードウェアが類似することにより、以下に説明されるこの発明に最も近い基本形である。ＴＯＦ−ＴＯＦの例は、Schlagらによる米国特許第５，０３２，７２２号、T.J. Kornichらによる米国特許第５，４６４，９８５号、T. Bergmannによる米国特許第５，８５４，４８５号、M.L. Vestalによる米国特許第ＷＯ９９／４０６１０、およびC. HopによるＷＯ９９／０１８８９に説明されている。すべてのＴＯＦ−ＴＯＦタンデムでは、パルスイオンビームが第１の高エネルギのＴＯＦで時間分離され、時限式のイオン選択器によりフィルタリングされ、対象のイオンのみがＣＩＤセルへと通過する。ＣＩＤセルは低いガス圧力（通常１ｍｔｏｒｒより低い）のガスで満たされて、イオンの断片化に十分な、緩衝ガスとのほぼ単一の高エネルギの衝突を導入するが、依然としてイオンパケットの短い持続時間を保持する。断片イオンのパルスビームは第２の高エネルギのＴＯＦで分析される。断片イオンの大きなエネルギの拡散に対処するため、第２のＴＯＦは２次の場の電位または付加的なパルス加速を用いる。
【００１０】
A. VerentchikovによるＷＯ  ００／７７８２３では、ＴＯＦ−ＴＯＦタンデムの変形例は、断片の衝突減衰を用いた親イオンのＣＩＤセルへの低速の注入、および後続の直交するＴＯＦへの注入を用いる。この機器は、用いられる構成要素を考慮すると、この発明の最も近い基本形である。断片化セルでの衝突減衰は、第２のＴＯＦの前でのイオンビームの特性を改善し、高い分解能および断片イオンの質量の正確な測定を可能にする。第１のＴＯＦは、１ｋＶのエネルギ、および短いタイムスケールで動作する。ＣＩＤセルの前のタイムゲートにより、一度に１つの親イオンの質量のみが入る。
【００１１】
説明されたすべてのタンデムでは、第１の質量分析器（四重極、イオントラップまたはＴＯＦ）は、一度に１つの親の質量を選択し、他のすべての構成要素を拒否する。薬物代謝の研究のような一部の用途では、対象の１つの化合物を追跡することが受容される。（ゲルからのタンパク質の特徴付けのような）複雑な混合物の場合、しかしながら、複数の親イオンを分析することが必要である。既知の技術を使用した、複数の先駆物質の連続的なＭＳ−ＭＳ分析は、冗長で感度が悪い。
【００１２】
最近導入されたタンデムＩＭＳ−ＣＩＤ−ＴＯＦは、イオンの損失なしに実現される可能性のあるタイムネストされた（time-nested）取得の原則を用いる、D.ClemmerによるＷＯ  ００／７０３３５。イオン可動性分析計（ＩＭＳ）での分離はミリ秒のタイムスケールで行なわれ、ＴＯＦ質量分析はマイクロ秒のスケールであるため、各イオンの可動性の破片に対して断片スペクトルを取得することが可能となる。この技術の欠点は、可動性の分解能がＲ＝５０を下回る貧弱なＩＭＳの分離であり、これは約１０の質量分解能に対応
する。ＩＭＳ−ＴＯＦタンデムは、タイムネストされた取得を用いた包括的なタンデム質量分析の原則を用いるため、この発明の基本形として選択される。
【００１３】
親イオンの損失のないＭＳ−ＭＳ分析の考えは、B. ReinholdおよびA. VerentchikovによるＷＯ  ０１／１５２０１でも使用される。イオンは共振励起により選択され、他のイオンの構成要素を拒否することなく、イオントラップ間で動かされる。この手順は冗長で時間がかかり、イオン供給源から来るイオンは失われる。いわゆる並行イオン処理は、KirchnerによるＷＯ９２／１４２５９で複数のイオントラップで用いられ、ビームは複数のトラップで分割される。感度を失うことにより時間が節約される。
【００１４】
イオン供給源から来るイオンを拒否することなく、並行して複数の親イオンに対する急速かつ感度のよいＭＳ−ＭＳ分析を提供する機器が依然として必要とされている。そのような機器は、ＭＳ−ＭＳ分析のスループットをさらに向上し、複雑な混合物の分析で望ましい。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１５】
発明の概要
この発明の発明者は、２つの飛行時間型（ＴＯＦ）質量分析計を使用して、すなわち、親イオンの分離のために低速なＴＯＦ１を、断片質量分析のために高速なＴＦＯ２を使用してネストされた時間分離の原則を実現できることに気付いた。したがって、この発明のタンデム質量分析の一般的な方法は、２つの飛行時間型の分離を用い、同じ質量対電荷比では、第１の分離のステップでの飛行時間は、第２の分離ステップでの飛行時間よりもはるかに長く、イオン供給源からの１回のイオンの注入当り、複数の親イオンが分離され、断片化され、質量分析される。
【００１６】
この発明のタンデム質量分析計は、パルスイオン供給源、親イオンの時間分離のための飛行時間型質量分析計（ＴＯＦ１）、断片化セル、断片イオンの質量分析のための第２の飛行時間型質量分析計（ＴＯＦ２）、およびデータ取得システムを含む。基本形のＴＯＦ−ＴＯＦシステムに対して、ＴＯＦ１での飛行時間は、断片化セルを通る通過時間およびＴＯＦ２での飛行時間の両方よりも実質的に長い。典型的にはミリ秒の範囲のＴＯＦ１での延長された分離は、典型的には約１から１００ｅＶ前後のはるかに低い運動エネルギでより長いＴＯＦ１を動作しつつ、３から１０ｋｅＶのエネルギでより短いＴＯＦ２を使用することにより実現され得る。隣接する親イオン種の到着間の時間は、断片化および断片を質量分析するのに十分になる。したがって、この発明により、親イオンを拒否することなく、リアルタイムの複数の親イオンの急速なＭＳ−ＭＳ分析が可能となる。ＭＳ−ＭＳの取得サイクルは、数ミリ秒続き、感度および信号の品質を改善するために複数回繰返し可能である。
【００１７】
イオンの損失を避けるため、イオン供給源は、ＭＳ−ＭＳサイクルのミリ秒の時間と互換性のある約１００Ｈｚ繰返し速度でパルスモードで動作される。マトリックス支援レーザ脱離／イオン化（ＭＡＬＤＩ）イオン供給源は、使用可能なパルスイオン供給源の一例である。この発明は、ＥＳＩ、ガス冷却を用いたＭＡＬＤＩ、化学的イオン化およびガスで満たされた光イオン化イオン供給源などのさまざまな連続イオン供給源とも互換性がある。イオンの流れは蓄積無線周波数（ＲＦ）装置内で連続して蓄積され、ＴＯＦ１へと定期的にパルス排出される。前記蓄積装置は、ポールトラップまたは蓄積多重極、好ましくは四重極であり得る。
【００１８】
著者の知る限りでは、新規のタイムネストされたＴＯＦ−ＴＯＦの方法は、性能をひどく犠牲にすることなしに既存のＴＯＦ−ＴＯＦ機器で実現することはできない。この発明
は、低いイオンエネルギ（１から１００ｅＶ）で動作して分離時間を拡張する、５つの新規のＴＯＦ１セパレータを開示する。
【００１９】
それら新規のＴＯＦ１分析器のうちの２つは、無線周波数（ＲＦ）の場の閉じ込めとＤＣの２次の場との組合せを用い、大きな相対的なエネルギの拡散を備えたイオンビームの一時的な集束を提供する。それら分析器は、１から１０ｅＶの特に低いイオンエネルギで動作することができる。好ましい一実施例では、新規のＴＯＦ１分析器は、ＤＣミラーによって囲まれた、線形の多重極イオンガイド、好ましくは四重極を含む。両端のＤＣミラーはオンおよびオフされて、ＴＯＦ１の一端からのイオンの注入、複数のイオンの反射、および他端からの後続のイオンの解放を実現する。別の好ましい実施例では、新規のＴＯＦ１分析器は、ＤＣ電極の２つの外部の行、およびＴＯＦ１の軸にわたって配向されるＲＦのみのロッドの２つの内部の行を含む。この構造は、ＴＯＦの軸に沿って２次の電位分布と組合された２次元のＲＦ−トンネルを形成する。イオンは軸に対して小さな角度でＴＯＦ１に注入され、軸に沿って複数の反射を生じ、軸にわたって低速で移動し、数回の反射の後にＴＯＦ１を出る。
【００２０】
別の３つの新規の分析器は、１００ｅＶ前後の中位のエネルギで動作する静電装置である。それらのうちの１つ、「スパイラトロン（spiratoron）」は同軸の円筒形の電極の対を含み、それらの間にＤＣ電圧が印加されている。イオンはそれらの軸に対して小さな角度で前記電極間で注入される。中位のエネルギ（１００ｅＶ）のイオンは中央の電極のまわりでターンしつつ、軸に沿って低速で漂流する。いくつかのターンの後、イオンは、ＤＣ場の外乱を避けるために両面プリント回路板により形成されたカットオフ領域を通ってＴＯＦ１を出る。他の２つの静電セパレータは平面および円筒形のマルチパス分析器であり、グリドル（griddles）ミラーを用い、同時にレンズのように作用する。有効な飛行経路はマルチパスモードの使用により延長され、高いエネルギにかかわらず、１０ｍｓのタイムスケールが実現される（ＲＦ支援ＴＯＦ１と比較して）。
【００２１】
この発明は、さまざまな断片化方法、たとえば、ガス衝突、表面との衝突および光によるものと互換性がある。断片化セルの設計は、伝達時間および時間の拡散を低減するように調整される。ＣＩＤセルは短く選択され（１ｃｍ前後）、比較的高圧（約０．１ｍＢａｒを越える）のガスで満たされ、伝達を加速しかつＴＯＦ２と同期してイオンビームを変調するために軸方向のＤＣ場により補われる。表面誘起解離（ＳＩＤ）セルは、パルスレンズを使用して一時的な集束（バンチング）とともに空間的な集束を提供する。イオンは、（タイムシフトを通じて）バンチングレンズおよびＴＯＦ２パルスと同期されるパルスプローブ電位によりＳＩＤセルから排出される。
【００２２】
第２の飛行時間型分析器の選択は重大ではないが、タンデムの例の大半において、直交イオン注入（ｏ−ｔｏｆ）を用いたＴＯＦがより好適である。直交注入の効率（いわゆる動作周期）を改善するため、直交注入パルスと同期してかつそのわずかに前に断片化セルからイオンを排出することが好ましい。
【００２３】
ＴＯＦ−ＴＯＦタンデムは、たとえば、１０ｕｓの、主に第２のＴＯＦ  ＭＳのスピードによって制限される、中位の分解能で親イオンを分離することが予想される。３００のオーダのＴＯＦ１の推定される分解能（詳細な説明を参照）は、親イオンの同位元素のグループを隔離するのに依然として十分であり、この発明の基本形であるイオン可動性分析計での親の分離の分解能よりもはるかに高い。分離のより高い分解能は、より長いＴＯＦ１内で、またはＣＩＤセルの前のタイムゲートによるイオンの定期的な選択により、実現され得る。
【００２４】
この発明はデータの取得の複数の戦略を可能にする。最も単純かつ頑強な方法では、Ｍ
Ｓ−ＭＳのデータは連続して取得され、複数の親イオンのＭＳ−ＭＳスペクトルは後に再構築される。しかし、ＭＳ−ＭＳ分析を２つのステージで行なうことが賢明である。第１の、ＭＳのみのステージでは、親イオンは親イオンの質量分析のために連続してＴＯＦ２に入れられる。親イオンの質量についての情報は第２のＭＳ−ＭＳのステージで使用される。タイムゲートは、親イオンの分離の分解能を向上しかつ化学的な背景からの信号を回避するために、対象の複数の親の到達時のみ開く。ＴＯＦ２の信号は、意味のないデータのフローを拒否するために選択された時間窓のみに対して取得される。親イオンについての類似の情報は、ＴＯＦ１の後のどこかにある任意のオンライン検出器を使用して獲得され得る。
【００２５】
高感度かつ急速なＭＳ−ＭＳ分析に加え、この発明は複数の種類のＭＳのみの分析を提供する。ＴＯＦ１単独では、ピークを時間で拡散するためにＭＳのみの分析で使用可能であり、検出器の飽和を回避し、費用がかからずかつ低速な一時的な記録器を使用する。パスモードでＴＯＦ１を使用しつつ、親イオンのよりよい品質のスペクトルをＴＯＦ２で取得することができる。いわゆる「親の走査」、すなわち、特定の断片のセットを有する親イオンのスペクトルは、複数の供給源の注入で平均化された、ＭＳ−ＭＳデータから再構築することができる。データは最終的には親の質量のみに対して蓄積され得る。
【００２６】
ＭＳ／ＭＳスペクトルは、単一のイオン注入で対象のすべての先駆物質イオンに対して取得されるため、この発明は、１秒で１０から３０のフルサイクルと推定される例外的なスピードのＭＳ／ＭＳ分析を提供する。ＭＳ−ＭＳ分析のスピードは、クロマトグラフ分離のタイムスケールと互換性があり、リアルタイムのＬＣ−ＭＳ−ＭＳ分析は、現在イオントラップおよびＱ−ＴＯＦで用いられている「データ依存取得」などの以前の制限なしに可能である。この発明のＭＳ−ＭＳタンデムの高い取得スピードおよび感度により、最新流行のネストされたＬＣ−ＬＣ分析のための機会も開かれる。
【００２７】
この発明は特許請求の範囲に詳しく説明される。この発明の上述の利点およびさらに別の利点は、添付の図面とともに以下の説明を参照することにより、よりよく理解することができるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
発明の詳細な説明
方法
この発明のタンデム質量分析の方法は、
１．異なる検体イオンの混合物を含むイオン供給源でイオンパルスを生成するステップと、
２．低エネルギで動作する第１の飛行時間型質量分析計内で検体イオンを時間で分離して、それらの質量の順番にイオンパケットの列を生成するステップと、
３．前記分離されたイオンパケットを混合することなく、検体イオンを順番に断片化するステップと、
４．第１の分離のステップのタイムスケールよりもずっと短いタイムスケールで第２の飛行時間型質量分析計内で断片イオンを急速に質量分析するステップと、
５．イオン供給源からの単一のイオンパルスで複数の検体イオンの質量対電荷比に対して断片質量スペクトルを取得するステップと、
６．任意で複数の供給源のパルスにわたって検体イオンの各々に対して断片スペクトルを合計するステップとを含む。
【００２９】
７．この方法の鍵は、同じ質量対電荷比に対する断片化時間および断片質量分析の時間よりもはるかに長い第１のＴＯＦでの分離時間を配置している点である。タイムスケールにおける実質的な差は、イオン供給源からの単一のイオン注入当り複数の親イオンに対し
て、分離し、断片化し、断片を質量分析するために使用される。タイムスケールにおける実質的な差は、第１のＴＯＦでより長い飛行経路、および／または低いイオンのエネルギを選択することにより実現される。
【００３０】
ブロック図
図１を参照すると、この方法が主なタンデムＭＳ−ＭＳの構成要素のブロック図により示される。タイムネストされた取得（１１）を用いた一般的なＴＯＦ−ＴＯＦ機器は、順番に通信するパルスイオン供給源（１２）、第１の飛行時間型質量分析計−ＴＯＦ１（１３）、断片化セル−ＣＩＤ／ＳＩＤ（１４）、第２の飛行時間型質量分析計ＴＯＦ２（１５）、およびタイムネストされた取得のためのデータシステム（１６）を含む。パルスイオン供給源は、ＴＯＦ１分析計と比較して電圧源（１７）により小さな電位差でバイアスされ、ＴＯＦ１は、ＣＩＤセルと比較して電圧源（１８）により電位差でバイアスされる。ＴＯＦ１の分離を向上するため、任意の時限式ゲート（１９）をＴＯＦ１（１３）とＣＩＤセル（１４）との間に挿入してもよい。
【００３１】
動作
簡単に言うと、動作において、パルスイオン供給源は検体（親）イオンのイオンパルスを生成し、電圧源（１７）により制御される、１から１０ｅＶの間の小さなエネルギでイオンをＴＯＦ１に注入する。これがこの発明と先行技術との鍵となる差である。ＴＯＦ分析計は通常３から３０ｋｅＶの間のエネルギで動作するためである。ＴＯＦ１での分離は数ミリ秒で行なわれる。案内となる例として、ＴＯＦ１＝８ｍの有効長、イオンエネルギＥ＝３ｅＶおよびイオン質量ｍ＝１０００ａ．ｕを考える。そのような例では、イオン速度はＶ＝８００ｍ／ｓであり、飛行時間は１０ｍｓである。時間分離された親イオンは、ＴＯＦ１とセルとの間のＤＣバイアスにより制御される、増加されたエネルギでＴＯＦ１からＣＩＤセルに順番に排出される。ガス分子とのエネルギ衝突が親イオンを断片に変える。後続のガス衝突により断片イオンの衝突減衰が生じる。断片はセルを通って急速に移動し、ＴＯＦ２分析計に注入される。ＴＯＦ２は、１０から１００ｕｓの間のはるかに短いタイムスケールで断片イオンを分離する。ＴＯＦ１とＴＯＦ２とのタイムスケールにおける劇的な差により、供給源パルス間の異なる親イオンに対応する複数の断片スペクトルのデータ取得が可能となる。特別なデータ取得システム（１６）は、タイムネストされた態様で複数の断片スペクトルを取得し、個々のスペクトルはともに混合されない。各親イオンに対する断片スペクトルはいくつかのイオン供給源パルスにわたって統合される。イオン供給源で生成されたイオンパルスは、すべてのステージでイオンを拒否することなく、複数の親に対するＭＳ−ＭＳデータの完全なセットを取得するために使用される。
【００３２】
時間図
図２を参照すると、典型的な時間図が、この発明の方法、個々の装置の同期、およびタイムネストされたデータ取得の原則を示す。上部のグラフ（２１）は取得サイクルを示し、イオンの注入は１０ｍｓごと、すなわち、１秒に１００回行なわれる。親イオンは１０ｍｓの時間内でＴＯＦ１で分離され、ＣＩＤセルは、親イオンの質量に従って整列されたイオンパケットの列を受取る、グラフ（２２）。親イオンはセル内で部分的に断片化され、セル内での短い伝達時間のため、断片はそれらの親とほぼ同時にＴＯＦ２に到達する、グラフ（２３）。イオンの各新しい系統（すなわち、親および娘）は、１０ｕｓごとに高エネルギのＴＯＦ２へと直交パルスされ、各親の質量に対するＴＯＦ２スペクトルを生成する、グラフ（２４）。各ＴＯＦ２スペクトルは、供給源パルスに関するＴＯＦ２のパルスのタイムタグ、すなわち、ＴＯＦ１タイムタグ獲得する。同じＴＯＦ１タイムタグを備えたスペクトルは、２つのＴＯＦ２スペクトルを同じＴＯＦ１タイムタグと接続する破線によって示されるように、複数のイオン供給源パルスにわたって合計される。
【００３３】
頑強モード
上述の動作モードでは、タイムネストされた取得は直接的に行なわれる。機器の動作パラメータは、イオン供給源からのイオンビームの構成にかかわらず同じであり、データはずっと取得される。親イオンスペクトルおよびさまざまな親に対する断片スペクトルのようなすべての情報は、後続のデータ分析で抽出される。
【００３４】
データ依存取得−ＤＤＡ
「データ依存取得」と呼ばれるべき別の動作モードでは、ＭＳ−ＭＳ分析は２つのステップで行なわれる。第１のステップでは、親の質量スペクトルがＴＯＦ２で取得され、ＴＯＦ１およびＣＩＤセルは、断片化なしに連続してイオンを通過させる。第２のステップでは、機器はＭＳ−ＭＳとして動作され、すなわち、ＴＯＦ１は親イオンを分離し、断片化セルは断片を形成し、ＴＯＦ２はタイムネストされたデータの態様で断片質量スペクトルを取得する。タイムネストされた取得は、親イオンの質量についての情報を利用し、かつ親イオンが来ない空白時間でのデータの取得を回避することにより向上される。任意の時限式ゲート（１９）を使用して、ＴＯＦ１の分離および化学的な雑音の抑制を向上してもよい。当然、ＴＯＦ１から来るイオンパケットは、ＣＩＤセルの出口の同じイオンパケットよりも短いことが予想される。時限式ゲートは、親イオンの到達に対応する複数の狭い時間窓でのみイオンを入れる。そのようなゲーティングは化学的な背景から来るイオン信号を抑圧し、検出の限界を改善する。ゲートの操作を使用して、感度を犠牲にすることにより近い質量の親イオンの対の分離を向上してもよい。ＭＳ−ＭＳデータのいくつかのセットが取得され、時限式ゲートは一度に対の１つの親の質量のみを入れる。
【００３５】
一般的な方法を説明したので、わかりやすくするために、詳細な実施例を、まず個々の構成要素のレベルで検討し、次に一体型のＴＯＦ−ＴＯＦ装置の例として示す。一部の用いられる構成要素は当該技術分野で周知であるが、それらの構成およびパラメータはこの発明の目的に適合するように変更される。選択された妥協案を理解するため、まずＴＯＦ−ＴＯＦの方法および装置における主な課題について検討する。
【００３６】
一般的な反論
この発明の方法は、それが複数の理由で実行できないと称されるため、非常に直感に反している。当業者は次のように反論を唱える。
【００３７】
１．ＴＯＦ１の分解能は、供給源でのイオンエネルギの拡散がＴＯＦ１でのイオンエネルギに匹敵するため、極度に低い。
【００３８】
２．ＴＯＦ１の分解能は、弱い加速場での所要時間（当初の速度拡散によって生じる時間拡散）のためにも損害を受ける。
【００３９】
３．ＴＯＦ１の予想される大きな長さ、およびＴＯＦ１での低速なイオンビームの高い分岐のため、ＴＯＦ１を通じたイオンの損失は破壊的なものと予想される。
【００４０】
４．ＴＯＦ１の真空ステージおよびガスで満たされたＣＩＤセルは小さな開口部により分離されるべきであるため、イオンの損失はより高くなると予想される。
【００４１】
５．１０から１００ｕｓのタイムスケールでのＣＩＤセルを通じた素早い伝達はあり得ないように思われる。大抵の既存のＣＩＤセルは２００から１０，０００ｕｓの時間の拡散を有する。
【００４２】
６．現在ＴＯＦ技術で用いられている商業的なデータ取得システムは、予想されるデータフロー速度を処理することができない。
【００４３】
上述の反論は主にＴＯＦ１に集中しており、高エネルギで動作する既存のＴＯＦ質量分析計についての知識からのものである。発明者は、ＴＯＦ１の複数の機構で中位の分解能での低速の分離が可能であることに気付いた。ＴＯＦ１の分解能の改善は、エネルギの拡散を補償するとして知られる２次の電位分布を備えたイオンミラーを用いることによって行なわれる。この現象は弾性振動に類似であり、周期は振動振幅に依存しない。２次の場はＴＯＦの技術分野で十分に研究されている。Int. J. of Mass Spectrom and Ion Process, v.146/147, 1995, pp.165-182のMakarovらを参照されたい。残念ながら、そのような分析器は大きなビームの分岐も導入する。発明者は、低エネルギのＴＯＦは、少なくとも一方向でイオンビームの無線周波数閉じ込めを導入することにより改善可能であることに気付いた。ＲＦ閉じ込めはイオンビームの分岐を排除し、低エネルギの装置に重大な表面の充電も排除する。ＲＦ閉じ込めを軸方向のＤＣ２次電位と組合せた、新規の種類のＴＯＦが見つかった。
【００４４】
インラインＴＯＦ
図３を参照すると、新規の低エネルギの飛行時間型セパレータ（３１）の好ましい実施例は、ＲＦのみの多重極（３２）、２つの静電ミラー（３３）およびパルス発生器（３４）を含む。ミラーは、分割抵抗器（３５）の鎖によって相互に接続される複数の電極で構成される。ミラー（３３）の外部電極はパルス発生器（３４）に接続され、ミラー（３３）の中間の電極は接地である。端部の場は開口部（３６）によって終了され、電位はパルス発生器（３４）の最大限の電位の一部分として調節される。
【００４５】
動作において、ＲＦ場は、図３の矢印（３７）により示される半径方向の閉じ込めを提供する。半径方向のＲＦ閉じ込めは、軸に沿ったイオンの動きに影響しない。軸方向の放物線状の電場は、多重極のロッド間の場の貫通によって形成される。放物線状の場は、大きくイオンのエネルギに大きく非依存で、イオンのｍ／ｚの平方根に比例する、周期での軸方向の反射を提供する。ミラー端部でのパルス電位は、ＴＯＦ１へのイオン注入、ＴＯＦ１内でのイオンの反射（３９）、およびＴＯＦ１の他端での後続のイオンの解放の間の切換を可能にする。有効な飛行経路ＬＥＦＦは、ＴＯＦ１の長さＬよりもＮ□＋１倍大きく、Ｎはフルターンの数である。全体として、ＲＦ閉じ込めおよび複数の反射は、イオンの損失のない延長された時間分離を可能にし、２次の電位はＴＯＦ１の分解能を向上し、高い相対的なエネルギの拡散を備えた低速のイオンビームの分離を可能にする。
【００４６】
理想的な２次の機構は、ＴＯＦ１からの、およびＴＯＦ１への進路での自由飛行セグメントの存在により変更される。Makarovらによる上述の出版物によると、実質的に場の自由飛行の場合でも、ここでは、約３０％のＬＥＥＦの場合、５０％までの相対的なエネルギの拡散のイオンパルスに対して２０００の質量分解能が実現可能である。自由飛行経路を０．３ＬＥＦＦ未満に保つために、この機構は２回のフルターンに対応する少なくとも５回の反射を必要とする。これはLeffを７．３Ｌに増加させるのに役立つが、親イオンの質量の範囲を係数２に低減し、すなわち、ＭＭＡＸ／ＭＭＩＮ＜２にする。
【００４７】
Ｗ−ＴＯＦ
図４を参照すると、新規の低エネルギの飛行時間型セパレータ（４１）の別の好ましい実施例は、静電電極（４３）のセットによって囲まれたＲＦチャネル（４２）、終端電極（４４）、およびデフレクタ（４５）を含む。ＲＦチャネルは、交互のＲＦの位相を備えＹ軸に沿って整列される複数のロッド（４６）によって形成される。静電ミラー（４３）の電極もＹ軸に沿って整列され、分割抵抗器（４７）の鎖を介して接続される。
【００４８】
動作において、交互のＲＦ電位を備えたロッド（４６）はＲＦトンネルを形成し、Ｚ方向でイオンを閉じ込める。電極（４３，４４）の電位は抵抗器の鎖によって分散され、ＴＯＦの中央面で最も小さいＸ軸に沿った２次の電位を形成する。外部のＤＣ電極の場はＲ
Ｆチャネルを貫通し、弱いが依然として２次の電位分布を提供する。フリンジ場を考慮しないと、Ｙ方向には場はない。イオンはＸ軸に対して小さな角度で注入され、偏向板（４５）によって偏向され、平均エネルギを備えたイオンに対する偏向角度を２倍にする。偏向は、Ｘ−エネルギの拡散により生じるＹ−空間的な拡散を低減する。イオンの動きは、Ｙ方向に沿った低速の漂流とＸ方向に沿った複数の反射との組合せである。全体として、イオンの軌道は波形を有し、ＲＦトンネルの境界で終了する。イオンはＴＯＦの出口でいくらかの空間的な拡散を得るが、これはイオンの後の加速およびレンズによる集束により部分的に補償される。
【００４９】
発明者によるＳＩＭＩＯＮのシミュレーションによると、５０％のエネルギの拡散でも、５０ｘ３０ｃｍの装置により、隣接するターンとイオンを混合することなく、Ｎ＝４から５の反射の対が可能となる。装置の有効な飛行経路はＬ*□*Ｎに等しく、ＬＥＦＦ＝７．５ｍに到達する。ＲＦ場はＴＯＦ１の分解能をＲ＝１０００までに制限しない。明らかに、ＲＦ閉じ込めＷ型ＴＯＦと呼ばれ得る第２の種類のＴＯＦ１は、より単純な動作およびＴＯＦ１でのより長い飛行経路を提供し、２つのＴＯＦ分析器間の飛行時間の比によって主に制限されるＴＯＦ１での分解能を改善する。ＴＯＦ１の複雑さは、プリント回路板（ＰＣＢ）アセンブリを使用することにより低減可能である。
【００５０】
反論への回答
両方の新規のＴＯＦ質量セパレータでは、各反射の周期はイオンのエネルギに大きく非依存であり、イオンのｍ／ｚの平方根に比例する。イオンはＲＦ場により閉じ込められ、イオンの損失は実質的に排除される。新規の低エネルギのＴＯＦ分析器の導入は、この発明を実用的なものとし、上述の反論を解決する。
【００５１】
１．高い相対的なエネルギの拡散は、ＤＣ電場の多重極ガイドまたはトンネルへの貫通により作られるイオンミラーの電位の２次の分布により補償される。
【００５２】
２．高い相対的なエネルギの拡散で動作するＴＯＦ１の能力により、従来のＴＯＦと比較して、それはより低いイオンエネルギかつはるかに長いタイムスケールで動作することができる。結果として、この装置はイオン供給源からのより長いイオンパルスを許容し、所要時間はもはや障害ではなくなる。
【００５３】
３．ＴＯＦ１およびＴＯＦ２のタイムスケールにおける劇的な差により、タイムネストされたデータ取得が可能となる。
【００５４】
４．イオンの損失は、無線周波数ガイドまたはトンネル内でイオンを案内することにより実質的に回避される。
【００５５】
５．ＲＦ場によるイオンの閉じ込め、およびＣＩＤセルの前での後の加速により、イオンビームのＣＩＤセルへの最大限の伝達が可能となる。
【００５６】
６．ＣＩＤセルでの時間の拡散は、付加的な軸方向のＤＣ場を備えた短い高圧力のセルを使用することにより低減される。
【００５７】
７．大きくかつ高速の平均のメモリを備えた一時的な記録器が現在ではスイスの企業Acquiris（www.acquiris.com）により導入されている。
【００５８】
詳細な説明を個々の構成要素のレベル、つまり、パルスイオン供給源、この発明の方法および装置の目的のために特別に作られた断片化セルおよびＴＯＦ２のレベルで続ける。時間の拡散の問題について特に注意を払う。
【００５９】
真空ＭＡＬＤＩ供給源
図５を参照すると、この発明のＴＯＦ−ＴＯＦの方法および装置は、供給源ハウジング（５２）、分析された試料（５４）を備えた試料プレート（５３）、パルスレーザ（５５）、低電圧電力源（５４）、および出口開口部（５６）を含むパルスＭＡＬＤＩイオン供給源（５１）を用いる。
【００６０】
動作において、分析のための試料は、当該技術分野で知られるマトリックス内で準備され、試料プレート（５３）上に堆積される。パルスレーザ（５５）は試料を照らし、検体イオンの短いパルスを生成する。イオンは３００から６００ｍ／ｓの速度で排出されることが知られており、これは１ｋＤのイオンに対する．５から１．５ｅＶの間の当初のイオンエネルギに対応する。イオンは数ボルトの電位バイアスによって加速される。１ｋＤのイオンは、数マイクロ秒の時間の拡散および１ｅＶ未満のエネルギの拡散でイオン供給源を出ると予想することができる。真空ＭＡＬＤＩイオン供給源の主な欠点は、従来の高エネルギのＭＡＬＤＩで十分に説明されている、イオンの一時的な不安定性である。この発明は、ソフトマトリックスまたは赤外線レーザを用いる、よりソフトなＭＡＬＤＩイオン供給源に適用可能である。イオンの一時的な安定性は、後に説明する衝突冷却により改善される。
【００６１】
ガスを満たされたパルスＭＡＬＤＩ
図６を参照すると、この発明のＴＯＦ−ＴＯＦの方法および装置は、ガスを満たされたパルスＭＡＬＤＩイオン供給源（６１）を用いる。供給源（６１）は、供給源ハウジング（６２）、分析された試料（６４）を備えた試料プレート（６３）、パルスレーザ（６５）、低電圧電源（６６）、および開口部（６７Ａ）などの真空ＭＡＬＤＩ供給源の特徴を含む。供給源（６１）は、ガスをハウジング（６２）に供給するガス入口（６８）、ＴＯＦ１のポンプへのガスの負荷を低減するために出口開口部（６７Ｂ）によって終了される付加的なポンプステージ（６９）も含む。
【００６２】
動作において、供給源ハウジング（６２）はガス入口（６７）を介して緩衝ガスで満たされる。供給源ハウジング内のガス圧力は、イオン衝突冷却（www. asms. org内のASMS会議のVerentchikovらを参照）を提供するように．０１から１Ｔｏｒｒの間に維持される。２つの１ｍｍの開口部（６７Ａ，Ｂ）および２つの従来の２５０ｌ／ｓのターボポンプ（１つはＴＯＦ１をポンプする）を備えた差動ポンプシステムは、ＴＯＦ１内の真空を１Ｅ−６ｔｏｒｒより良好に維持する。レーザパルスは試料からの急速な（１から３ｎｓ）のイオンの排出を生成する。レーザ（６５）はイオン生成を向上するために高エネルギのレーザである。緩衝ガスとの衝突はイオンの内部エネルギを緩和する。ガスとの衝突はイオンの運動エネルギをほぼ熱エネルギ、すなわち．０１から．１ｅＶに減衰するが、依然としてイオンビームのパルスの特性を保持する。イオンは、試料プレート上の約１Ｖ  ＤＣバイアスによって支援される開口部を通るガスの流れによってサンプリングされる。イオンは次に、開口部（６７Ａ，Ｂ）の間のＤＣバイアスによって制御されて運動エネルギまで加速され、イオン供給源を出る。内部的に冷たいイオンは安定しており、イオンの分解なしに長いＴＯＦ１内での分離に耐える。全体として、ＭＡＬＤＩ供給源でのガス減衰は、この発明のＴＯＦ−ＴＯＦの方法に利点を与えつつ、時間およびエネルギの拡散を、低速のＴＯＦ１の分離に実現可能な１０ｕｓおよび１ｅＶの境界内にする。
【００６３】
連続イオン供給源
図７を参照すると、この発明のＴＯＦ−ＴＯＦの方法および装置は、出口開口部（７３）を備えたソフトイオン化（７２）を用いた連続イオン供給源、および付加的なポンプステージ（７５）に包囲されたガスを満たされたＲＦ捕捉装置（７４）を含むパルスイオン供給源（７１）を用いる。連続イオン供給源は、以下のリストのものでできており、すな
わち、エレクトロスプレー（ＥＳＩ）、ＡＰＣＩ、ガスを満たされたＭＡＬＤＩ、ＰＩまたはＣＩでできている。捕捉装置は、以下のリストでできており、すなわち、３−Ｄポールトラップ、軸方向の排出を用いた線形のＲＦのみの多重極、半径方向の排出を用いた湾曲されたＲＦ多重極でできている。軸方向の排出を用いた線形の四重極イオントラップが好ましい。四重極（７４）はＤＣ電極（７６）および開口部（７３，７７）によって囲まれる。
【００６４】
動作において、四重極は１から１００ｍＴｏｒｒの圧力の緩衝ガスで満たされる。差動ポンプシステム（７５）はＴＯＦ１のポンプへのガスの負荷を低減する。イオンはイオン供給源（７２）で生成され、連続的にＲＦのみの四重極イオンガイド（７４）を満たす。ガスの衝突はイオンの運動エネルギを減衰し、四重極の軸、および電極（７６）ならびに開口部（７７）によって十分に作られたＤＣの底部でイオンを閉じ込める。定期的に、電極（７６）および出口開口部（７７）の電位は、蓄積されたイオンを軸方向でＴＯＦ１に排出するように調節される。イオンパルスは１ｅＶ未満のエネルギの拡散および１０ｕｓ未満の時間の拡散を有すると推定することができる。
【００６５】
すべての上述の例では、パルスイオン供給源は、１ｅＶ未満のエネルギの拡散および１０ｕｓ未満の時間の拡散でイオンパルスを生成することができる。同位元素のグループを分離するのに十分な、３００から５００の所望のＴＯＦ１の質量分解能は、６００から１０００の時間分解能を必要とする。１０ｕｓの当初の時間の拡散のため、１ｋＤのイオンに対する飛行時間は、数電子ボルトのイオンエネルギ、および５から１０ｍの有効飛行経路で到達可能な少なくとも１０ｍｓでなければならない。上述のマルチターンＴＯＦ１分析器は．５から１ｍの装置内で１０ｍの有効経路を提供する。次の必然的な質問は、１次の分離が破壊されないように１０ｕｓ内でイオンを断片化できるかということである。
【００６６】
ＣＩＤセル
図８を参照すると、ＴＯＦ−ＴＯＦの方法は、イオンの断片化のため、短く、高いガス圧のＣＩＤセル（８１）を用いる。ＣＩＤセル（８１）は、真空ハウジング（８２）、入口レンズ（８３）、ガス入口（８５）に接続されるＣＩＤチャンバ（８４）、ＣＩＤチャンバに包囲される任意のＤＣ電極（８７）を備えたＲＦ集束装置（８６）、および出口イオンレンズ（８８）を含む。ＣＩＤセルは任意の時限式イオン選択ゲート（８９）も含む。ガス入口は緩衝ガスをＣＩＤチャンバに供給する。ＣＩＤチャンバ（８３）は開口部（８３Ａ，Ｂ）を含む。真空ハウジング（８２）は開口部（８２Ａ，Ｂ）および真空ポンプ（８２Ｃ）を含む。ＲＦ集束装置は好ましくはＲＦのみの四重極である。
【００６７】
典型的には１０から２０ｃｍの長さの従来のＣＩＤセルは、約１０ｍＴｏｒｒのガス圧で動作する。急速なイオンの移動を実現するため、この発明で用いられるＣＩＤセルは、はるかに短く、典型的には５から１０ｍｍであり、３００ｍＴｏｒｒを越えるはるかに高いガス圧で動作する。高圧力領域はチャンバ８４に集中され、差動ポンプの付加的な層によって囲まれる。典型的には１．５ｍｍの直径の開口部８４Ａ、Ｂは、真空ハウジングへのガスの合計の流れを約０．１Ｔｏｒｒ*Ｌ／ｓに制限する。ポンプスピードが３００Ｌ／ｓのポンプ８２Ｃは真空ハウジングを約３Ｅ−４Ｔｏｒｒに排気する。開口部８２Ａ、Ｂは、典型的には１．５ｍｍの直径であり、ＴＯＦ１およびＴＯＦ２へのガスの流れをさらに低減し、３Ｅ−７Ｔｏｒｒより低いガス圧で動作する。ガスの放出を避けるため、ＲＦの振幅は３００Ｖ未満に低減され、これに１ＭＨｚを下回る周波数の低下が伴う。
【００６８】
動作において、イオンはセルの前で加速されて、イオンの断片化に十分なエネルギ、典型的には５０ｅＶ／ｋＤａに加速される。イオンパケットは開口部８２Ａおよび８４Ａを介してセルに入り、レンズ８３によって集束される。３００ｍＴｏｒｒのガス圧では、ガスの密度はｎ＝１Ｅ＋２２ｍ−３に等しく、□＝１００Ａの断面を備えた１ｋＤの質量の
イオンは平均自由行程□＝１／ｎ□＝０．１ｍｍを有する。Ｌ＝１ｃｍの典型的な四重極の長さでは、イオンは約１００の衝突を生じる。衝突の数は、イオン／ガスの質量比より３倍大きく、後続の減衰を用いた断片化を確保するのに十分である。第１のエネルギの衝突はイオンの運動エネルギをイオンの加熱に変換し、イオンの断片化を生じさせる。一旦イオンが運動エネルギを失うと、後続のガス衝突が断片イオンを安定させ、それらの運動エネルギをさらに減衰し、ＲＦ場の集束により軸にイオンを閉じ込める。ＣＩＤセルでの衝突減衰の現象は、Don Douglasによる米国特許？？？に十分に説明されている。
【００６９】
ＣＩＤセルでのイオンビームの時間の拡散は、この発明の主な関心事である。高圧力領域の前の移動時間はＴＯＦ１を調節するときに仮定され、それは時間の遅延のみを作り、時間の拡散は作らない。ガスの衝突は短いＣＩＤセルでも大きな時間の拡散を生じさせ得る。拡散を低減するため、セルを通るイオンの通過は、開口部８４Ａ、ＢのＤＣ電位によって作られる軸方向の静電場によって支援される。内接する直径Ｄ＝１ｃｍおよび長さＬ＝１ｃｍの典型的な四重極では、フリンジ場はＲＦ四重極を貫通し、２倍未満だけ抑制されている。２０Ｖの加速電位は約５００ｍ／ｓの速度でガスを通じてイオンのドラッグを提供することができ、最大限の通過時間を２０ｕｓ未満に、および時間の拡散を１０ｕｓ未満に制限する。通過時間を制御することは、ＴＯＦ２への注入の前にイオンを集めることに役立つ（すなわち、イオンパルスの持続時間を圧縮する）。ＣＩＤセルでの加速場は変調され、（タイムシフトとともに）ＴＯＦ２の注入パルスと同期される。
【００７０】
ＳＩＤセル
図９を参照すると、この発明のＴＯＦ−ＴＯＦの方法および装置は、イオンの断片化のために表面誘起解離（ＳＩＤ）を用いた断片化セル（９１）を用いる。ＳＩＤセル（９１）は、バンチング（一時的な集束）、空間的な集束およびステアリングのレンズ（９２）、フルオロカーボンの単一層で被覆されたプローブ（９３）、プローブに装着されたパルス発生器（９４）、接地シールド（９６）によって囲まれたＤＣ加速コラム（９５）を含む。ＤＣ加速コラムはパルス発生器（９８）に接続されたメッシュ（９７）を含む。
【００７１】
動作において、時間分離された親イオンのイオンパケットは約５０ｅＶ／ｋＤａの特定のエネルギにパルス加速され、レンズ（９２）によって集められる。磁石セクタ−ＴＯＦタンデムで以前に用いられていたバンチングは、イオンパケットの持続時間をｄＴ＜１ｕｓ未満に圧縮することが知られている。レンズ（９２）は親イオンパケット（９９）をプローブ（９３）の中心に集束しかつステアリングする。イオンビームは或る角度、たとえば４５度で表面に衝突する。フルオロカーボンの単一層の表面との中位のエネルギの衝突は、ペプチドおよび小さな分子イオンの断片化を誘発すると知られている。断片イオンは約５００から２０００ｍ／ｓの速度で表面から跳ね返り、１次イオンパケットの持続時間のｄＴ＜１ｕｓ内で２ｍｍ未満を移動する。衝突中、小さな減速電位がメッシュ９７に印加され、断片イオンがＴＯＦ２分析器に漏れるのを防止する。１次イオンパケット全体の衝突に対応する適切な遅延の後、パルス発生器９４および９８が作動され、電気パルスがプローブ９３およびメッシュ９７に印加される。断片イオンはＴＯＦ２分析器へとパルス加速される。
【００７２】
ＣＩＤセルと比較して、ＳＩＤセルは以下の利点を有する。
【００７３】
１．低圧力で動作し、したがって、ポンプシステムへの要件を低減する。
【００７４】
２．断片化のステップでの時間の拡散を除去する。
【００７５】
３．１次イオンのより幅の広いビームを受入れる。
【００７６】
４．ＳＩＤの欠点は次のようである。
【００７７】
５．中位の質量のイオンの、特徴に乏しい断片パターン。
【００７８】
６．ＴＯＦ２の分解能を低減する断片イオンのより高いエネルギの拡散。
【００７９】
７．ＴＯＦ２分析器での断片イオンの準安定の消滅。
【００８０】
ＣＩＤセルは、インラインＴＯＦ１により好適であり、ＳＩＤセルはＷ−ＴＯＦ１により好適である。
【００８１】
図１０を参照すると、この発明のＴＯＦ−ＴＯＦの方法および装置は、断片イオンの質量分析のために、好ましくはＣＯＤセルとともに従来の直交ＴＯＦ（１０１）を用いる。ｏ−ＴＯＦ（１０１）は、直交パルス加速（１０２）、イオンミラー（１０３）、浮遊自由飛行領域（１０４）、ＴＯＦ検出器（１０５）およびインライン検出器（１０６）を含む。両方の検出器は、高速の一時的な記録器（１０７）を含むデータ取得システムに接続される。ＴＯＦ分析器（１０１）は真空チャンバ（１０８）に包囲され、ポンプ（１０９）によって排気される。
【００８２】
ｏ−ＴＯＦの動作は当該技術分野で十分に説明されている。連続またはパルスのイオンビームは約１０ｅＶに加速され、加速領域に入る。定期的なパルスは直交して約３ｋｅＶにイオンを加速し、ＴＯＦ分析器にイオンを注入する。イオンはイオンミラーで反射され、ＴＯＦ検出器１０５に当る。当初のイオンビームの一部分はインライン検出器（１０６）で取得される。断片イオンの急速な分析に対応するため、ｏ−ＴＯＦのパラメータはわずかに変更される。分析器は小さく、Ｌ＝１０から２０ｃｍであり、約１００ＫＨｚの高い繰返し速度に対応するために高いＴＯＦエネルギ（５から１５ｋＶ）で動作する。小さなサイズの分析器によって、１Ｅ−５Ｔｏｒｒをわずかに下回るガス圧での動作が可能になる。従来のＴＯＦ分析器は、高電流２次電子倍増器（ＳＥＭ）またはハイブリッドＭＣＰ／ＰＥＭを検出器に使用し、かつ高速の平均の一時的な記録器をデータ取得システムに使用することによっても変形される。短い長さおよび短い飛行時間はＴＯＦ２の分解能に制限をもたらす。ＴＯＦ２の分解能を改善するため、以下のいずれかによりＴＯＦ２内の飛行時間を増加しつつ、入れられるイオンの時間窓を制限することができる。
【００８３】
１．ＩＭＳ走査間に挟み込まれた１０ｕｓのタイムゲート、およびＴＯＦ２の低速なパルス速度を使用する。
【００８４】
２．１００ＫＨｚの速度でＴＯＦ２をパルスさせ、ＴＯＦ２内のイオンをいくつかの検出器へとそらす。
【００８５】
３．１００ＫＨｚの速度でＴＯＦ２をパルスさせ、ＴＯＦ２で位置に感度のある検出器を使用する。
【００８６】
ＴＯＦ２には、ＴＯＦ１からイオンが来ない空白時間での信号の取得を避けるためにインライン検出器を備えてもよい。
【００８７】
従来のＴＯＦ２
図１１を参照すると、ＴＯＦ−ＴＯＦの方法は、断片イオンの質量分析のために、好ましくはＳＩＤセルとともに従来の反射ＴＯＦ（１１１）も用いる。ＴＯＦ（１１１）は、組込みのＳＩＤセル（９１）、電気的に浮遊した自由飛行領域（１１２）、検出器シールド（１１３）を備えた検出器（１１４）、イオンミラー（１１５）、真空ハウジング（１
１６）、ポンプ（１１７）、およびデータ取得のための一時的な記録器（１１８）を含む。
【００８８】
動作において、断片イオンのパルスはＳＩＤセル９１内で加速され、場のない領域１１２を通って飛行し、イオンミラー１１５で反射され、検出器１１４に当る。イオンの軌道は線１１９によって示される。検出器からの信号は一時的な記録器１１８で取得される。ここでも、急速なデータ取得のために、分析器は短く、Ｌ＝１０から２０ｃｍであり、１００ＫＨｚの高い繰返し速度に対応するために高い加速電位で動作する。
【００８９】
個々の構成要素を説明したので、一体化されたＴＯＦ−ＴＯＦの方法および装置の概念および特色を把握するのが容易になる。以下にこの発明のＴＯＦ−ＴＯＦタンデムの具体的な例を示すが、実現可能な複数の組合せを制限しない。
【００９０】
インラインＴＯＦ−ＣＩＤ−ｏ−ＴＯＦを備えたＭＳ−ＭＳ
図１２を参照すると、ＴＯＦ−ＴＯＦ機器（１２１）の好ましい実施例は、連続イオン供給源（７２）を備え順番に接続されたパルス供給源（７１）、蓄積四重極（７４）、電極（７６，７７）、２つのパルスイオンミラー（３３Ａ，Ｂ）に囲まれＲＦのみの四重極ガイド（３２）を備えたインライン飛行時間型質量分析計ＴＯＦ１（３１）、開口部（８４Ａ、Ｂ）に囲まれＲＦ四重極（８６）を備えた短くガスを満たされた衝突ＣＩＤセル（８１）、パルス加速器（１０２）を備えた第２の直交する飛行時間型質量分析計ｏ−ＴＯＦ２（１０１）を含み、アナログデータ取得システム（１０７）を備える。個々の構成要素は既に説明されており、図３、図７、図８、および図１０に示されており、それらの以前の番号は以下の説明でも保持される。
【００９１】
動作において、連続イオン供給源７１は親イオンを蓄積四重極７４に供給する。１０から２０ｍｓごとに一度、イオンはＤＣ電極７６および出口開口部７７のパルス電位によって蓄積四重極から排出される。複数のさまざまな親イオンを含む排出されたイオンパケットは、１０ｕｓ未満の長さであり、１ｅＶ未満のエネルギの拡散を有する。排出されたイオンパルスの平均エネルギは、電極７６および７７のパルス電位を選択することによって約２ｅＶに調節される。第１のミラー３３Ａの電位を低下させることにより、イオンはＴＯＦ１セパレータに入れられる。イオンは四重極のＲＦ場によって半径方向で捕捉されるが、四重極の軸に沿って自由に移動する。すべての質量（Ｍｍａｘ／Ｍｍｉｎ＝２の比に制限される）の親イオンが第１のミラーを通過すると、第１のミラー３３Ａはオンされる。第２のミラー３３Ｂは以前のサイクル内でオンにされている。イオンは、ＴＯＦ１の軸に沿った２次の電位分布を備えた２つのミラー間で複数の反射を生じ、好ましくは５回の反射を生じる。振動の周期はイオンのエネルギに大きく非依存であり、親イオンの質量の平方根に比例する。分析器の有効な飛行経路は、ＴＯＦ１の物理的な長さより２□＋１＝７．３倍まで長い。好ましくは５回の反射の後、イオンは、第２のミラー３３Ｂの電位を低下させることよりＴＯＦ１から解放される。時間分離されたイオンパケットの列はＣＩＤセルに入る。時間分離の典型的なタイムスケールは１０ｍｓであり、１ｋＤａのイオンの飛行時間として測定され、親イオンの質量に対応する各パケットの持続時間はほぼ１０ｕｓである。親イオンは、５００の質量分解能に対応する約１００の時間分解能で分離される。
【００９２】
ＴＯＦ１を出た後、各イオンパケットは、ガス衝突で断片化を誘起するのに十分な５０ｅＶ／ｋＤａの特定のエネルギに加速される。イオンはレンズシステムによって集束され、開口部８２Ａおよび８４Ａを介して高圧力のＣＩＤセルに注入される。イオンはセル内で断片化し、断片イオンは衝突減衰され、ＲＦ場によって閉じ込められる。セルは、ＴＯＦ２のパルスに関して同期されかつタイムシフトされる２つのＣＩＤの開口部８４Ａ、８４Ｂのパルス電位によって活発に空にされる。イオンは直交加速領域１０２に入り、ＴＯ
Ｆ２分析器に注入され、時間分離され、次にＴＯＦ２で質量分析される。ＴＯＦ２への同期された注入は、時間のギャップを排除し、すなわち、ＴＯＦ２のパルス間で断片はほぼ失われない。同期した注入はＴＯＦ２の動作周期も改善する。断片イオンの大半は、ＴＯＦ２のパルスの時間に加速領域１０２内に閉じ込められる。
【００９３】
ＴＯＦ２のスペクトルは、時間分離された親イオンの質量ごとに断片スペクトルを提示する。同じＴＯＦ１のタグを備えたスペクトル（すなわち、同じｍ／ｚの親イオンに対応する）は、複数の供給源の注入にわたって合計される。１秒の取得内では、データは１００の断片のスペクトルを含み、１００の供給源の注入にわたって平均される。
【００９４】
上述の装置では、３つのほぼ等しい（約１０ｕｓ）の時間の拡散の供給源があり、ＴＯＦ１の分離の分解能を低下させる。すなわち、イオン供給源で得られる時間の拡散、ＣＩＤセルでの時間の拡散およびＴＯＦ２のデジタル化（すなわち、不連続な時間でのスペクトルの取得）によるものである。それら３つの供給源の間に相互関係がないと仮定すると、全体的な時間の拡散は１７ｕｓ（各拡散よりも高い３つの平方根）であると推定される。ＴＯＦ１の分離の結果的な分解能は３００に等しくなり、これは親イオンの分離に依然として適切な分解能であると見なされる。比較して、商業用のＭＡＬＤＩ  ＴＯＦ−ＴＯＦでのＴＯＦ１の分解能は約１００であり、高感度モードでのＱ−ＴＯＦの四重極の分解能は約３００である。この発明のＴＯＦ１の分解能は、以下の手段のいずれかによって改善される得る。
【００９５】
ＴＯＦ１の長さを１ｍを越えるように増大する。
【００９６】
ＴＯＦ１内でイオンエネルギを最適化する。
【００９７】
走査の間に挟み込まれる複数の狭い出力窓を備えた時限式ゲートを適用する。
【００９８】
ＴＦＯ２をより速くパルスし、イオンをいくつかの検出器にそらせる。
【００９９】
ＴＯＦ２で位置に感度の高い検出器を使用する。
【０１００】
Ｗ−ＴＯＦ−ＳＩＤ−同軸ＴＯＦを備えたＭＳ−ＭＳ
図１３を参照すると、この発明のＴＯＦ−ＴＯＦ装置の別の好ましい実施例は、ガスを満たされたパルスＭＡＬＤＩイオン供給源（６１）、新規のＷ型ＴＯＦ１（４１）、ＳＩＤセル（９１）および同軸のＴＯＦ２（１１１）を含む。供給源６１は、ガスを満たされたチャンバ（６２）、試料プレート（６３）、レーザ（６５）、および試料プレート６３に接続された低電圧バイアス源（６６）を含む。ＴＯＦ１  ４１は、偏向プレート（４５）、終端プレート（４４）を備えた２つの静的な反射器（４３）、および２次元のＲＦトンネル（４２）を含む。静的な反射器（４３）は、ＲＦチャネル４２を囲んで２次の電位分布を形成する。ＳＩＤセル９１は、バンチングおよび集束のレンズ９２、ならびにフルオロカーボンの単一層で被覆されたプローブ（９３）を含む。ＴＯＦ１  １１１は、一時的な記録器（１１４）に接続される２次電子倍増器ＳＥＭ（１１３）を含む。供給源６１およびＳＩＤセル９１は、ＴＯＦ１  ４１内で複数のイオンの反射が可能になるようにオフラインにある。要素の上述の選択された組合せは、主に、以前のＴＯＦ−ＴＯＦの実施例には説明されていない要素間の相互反応を示すために選ばれている。
【０１０１】
動作において、レーザ６５のパルスは、５０から１００Ｈｚの繰返し速度で、試料プレート６３からの１次イオンの短いバーストを生じさせる。供給源チャンバ６２は、イオンの内部エネルギを緩和しかつイオンの分解を防止するためにガスで満たされる。イオンは電場およびガスの流れによって薄いガスの層を通じてサンプリングされ、イオンパケット
は１０ｕｓよりも短いままで、１ｅＶ未満のエネルギの拡散を有する。イオンパケットは、低電圧バイアス源６６による別の数ボルトの電位により加速され、Ｙ軸に対して小さな角度で複数反射のＴＯＦ１  ４１に注入される。ステアリングプレート４５は、角度を２倍にして、Ｙ軸のエネルギの拡散に関してＸ軸での空間的な拡散を低減する。ＴＯＦ１内でのイオンの動きは３つの独立する成分、すなわち、Ｚ方向でのＲＦ場の閉じ込めでの振動、ほぼイオンのエネルギに非依存の周期でのＹ軸に沿った複数の反射、および直交するＸ軸に沿った低速の漂流を有する。いくつかのＹの跳ね返りの後、イオンはＴＯＦ１を出て、ＳＩＤセル９１のバンチングレンズ９２に入り、それらのｍ／ｚ比に応じて整列されたイオンパケットの列へと時間分離される。小さなイオンエネルギでの複数の反射により、１０ｍｓのオーダの延長された時間分離が可能になる。ＴＯＦ１での２次のＤＣ場はイオンエネルギの拡散を補償するため、ＴＯＦ１での分離はイオンパケットの前記１０ｕｓの時間の拡散を増加させない。したがって、ＴＯＦ１を出た後、親イオンは約３００から５００の質量分解能で分離される。
【０１０２】
定期的に、たとえば、１０ｕｓに一度、イオンは約１ｕｓのパケットに時間で集められ（time bunched）、パルスレンズ９２により約１ｍｍに空間的に集束される。パルス集束されたイオンパケットは、フルオロカーボンの単一層で被覆されたＳＩＤプローブ９３の表面に当る。表面との衝突はイオンの断片化を誘発する。表面から低速で移動する断片は、１ｕｓの時間内で約１ｍｍだけ拡散する。プローブ９３に印加される遅延された電気パルスは断片イオンを加速し、それらを第２のＴＯＦ２  １１１分析器に注入する。断片イオンの当初のパラメータ（すなわち、プローブパルスの前のパラメータ）は、数千の分解能でＴＯＦ２内で質量分析を行なうのに十分良好である。信号は、高い動的な範囲でＳＥＭ１１４で検出される。信号は一時的な記録器１１３に渡され、データはタイムネストされた態様で取得される。さまざまな親イオンの断片スペクトルを表わすＴＯＦ２の過渡電流は、ともに混合されない。各断片質量スペクトルは、供給源パルスとバンチングレンズパルスとの間の時間として測定されるＴＯＦ１の分離のタイムタグを獲得する。ＴＯＦ１のタイムタグは親イオンのｍ／ｚ比についての情報を運ぶ。同じＴＯＦ１のタイムタグを備えたＴＯＦ２スペクトルは、信号対雑音比を改善するために複数のレーザパルスにわたって平均される。
【０１０３】
発明者は、この発明の包括的なＴＯＦ−ＴＯＦの方法は、単純な静的なＴＯＦ１を用いて実現可能である点を強調する。以下に静的なセパレータのいくつかの例を示す。静的な場でのイオンビームの保持は、１００ｅＶ前後の比較的高いエネルギでの動作を必要とする。ミリ秒の分離時間は、飛行経路を延長しかつ特別に設計された静電場の集束特性を使用することにより実現される。
【０１０４】
スパイラトロン
図１４を参照すると、低エネルギの飛行時間型セパレータ（１２１）の別の好ましい実施例は、静電レンズ（１２２）、デフレクタ（１２３）、および入口ユニット（１２４）、それらの間にＤＣ電圧が印加されている２つの同軸の電極（１２５）および（１２６）、ならびにデフレクタ（１２８）およびレンズ（１２９）が続く出口ユニット（１２７）からなる分析器を含む。上述の装置はスパイラトロンとして知られ、Bakker I.M.B., The
Spiratron-In: Adv. In Mass spectrom, London, 1971, V.5, pp.278-280で説明されている。この装置をタンデムＴＯＦシステムで低エネルギセパレータとして使用することにより新規性が導入される。
【０１０５】
動作において、パルスイオン供給源（７１）からのイオンビームは、レンズ（１２２）によって、比例して低い角度の拡散を備えた幅の広いビームに変形される（「準平行ビーム」）。このビームはデフレクタ（１２３）により偏向されて、電極（１２５）および（１２６）の軸に対して傾斜の制御された角度αを提供する。当業者には、たとえば、電極
（１２５）および（１２６）を固定された角度に位置付けることによって同じ効果が実現可能であることが明らかであろう。イオンビームは入口ユニット（１２４）の開口部を介して電極（１２５）および（１２６）の間の半径方向の静電場に入る。入口ユニット（１２４）の好ましい一実施例は、３つの両面プリント回路板（ＰＣＢ）からなる。これら回路板の外面はデフレクタ（１２３）に面し、等電位面を作るためにそれらの上に金属被覆を有する。これら回路板の内面は電極（１２５）および（１２６）の間のギャップに面し、金属被覆の帯のセットを含む。これら帯は、電極（１２５）および（１２６）の間の理想的な対数電圧分布に適合する電圧分布を提供する抵抗電圧分割器に接続され、イオンの軌道に沿ったこの場の摂動を最低限にする。出口ユニット（１２７）は類似の構造を有し得る。
【０１０６】
イオンが入口ユニット（１２４）を通って通過した後、それらは螺旋形の軌道に沿って動き始め、電極（１２５）のまわりに巻付き、それらの質量対電荷比に従って飛行時間で分離する。イオンビームのサイズを最小限にするため、この螺旋は円形である必要がある。これは電極（１２５）および（１２６）の間の電圧Ｕが以下のように平均イオンエネルギＶ１に対応するときに実現される。
【０１０７】
【数１】
2005538346.tif 000003
【０１０８】
ここで、ｒ１およびｒ２は電極（１２５）および（１２６）の半径である。いくつかの回転の後、イオンは軸に沿って距離Ｈだけ漂流した後、出口ユニット（１２７）を通って場を出る。出口ユニット（１２７）の構造は注入ユニット（１２４）のものと類似である。回転の最大数は、イオンビームの最大限の角度の拡散Δαによって主に制限され（Δα＜＜１）、これは当初のイオンビームの有効温度ｋＴによって制限される。
【０１０９】
【数２】
2005538346.tif 000004
【０１１０】
螺旋の平均半径ｒ０は、実際の制約、主に回路板１２４Ａ〜１２４Ｃ上の金属被覆の帯の周期ｄに基づいて選ばれ得る。たとえば、ｒ０＝８０ｍｍでは、螺旋の段は１５ｍｍである。ｄ＝３ｍｍの場合、ビームとプレート（１２４Ｃ）との間の結果的なギャップは、レンズ（１２２）の後の当初のビームサイズ３〜４ｍｍでもフリンジ場の十分な減衰を確保する（Ｍ＝５では、これは供給源（７１）からの出口での０．６〜０．８ｍｍのイオンビームの直径に対応する）。
【０１１１】
新規の静的な低エネルギのＴＯＦは、上述の断片化手段およびＴＯＦ２分析計または断片分析のいずれかと結合することができる。図１４を参照すると、ＴＯＦ１  １２１はＣＩＤセル８１および直交ＴＯＦ１０１に結合される。この組合せの主な課題は、１次ビームをＣＩＤセルの入口に集束することである。イオンビームは高い１００ｅＶのエネルギを有し、ビームは出口では幅広くなるが、ビームは大きく平行であり、従来のレンズによって小さな開口部へと十分に集束することができる。
【０１１２】
マルチパスＴＯＦ１
図１５を参照すると、さらに「静電マルチパスセパレータ」と呼ばれる、この発明の第１（すなわちＴＯ１）の飛行時間型セパレータ（１５１）の別の好ましい実施例は、自由飛行チャネル（１５２）、および集束電極（１５４）ならびに反射電極（１５５）を含む
２つの静電ミラー（１５３）を含む。自由飛行チャネル１５２は入口および出口の窓（１５６）を有する。すべての電極はＹ軸に沿って延在し、静電場はイオンの経路の区域で２次元である。パルスイオンビームは空間的な集束レンズ（１５７）およびステアリングプレート（１５８）のセットを介してマルチターン静電ＴＯＦ１５１に導入される。イオンのイオン経路は線（１５９）によって示される。典型的な軸方向の電位分布Ｕ（ｘ）はグラフ１６０によって示される。
【０１１３】
動作において、イオンパルスはレンズ１５８により平行なビームに集束され、プレート（１５９）によってステアリングされる。ビームはＸ軸に対して小さな角度で入口の窓１５６を介してセパレータ１５１に導入される。イオンはＸ軸に沿って複数の反射を生じつつ、Ｙ軸に沿って低速で漂流する。複数のフルターンの後（各フルターンは反射の対によって形成される）、イオンは出口の窓１５７を通ってセパレータを出て、それらのｍ／ｚ比に従って時間分離される。フルターンの数は注入角度によって異なり、両方ともステアリングプレートの電位によって調節可能である。
【０１１４】
静電ミラーは、当該技術分野で周知である、グリドルＴＯＦのミラーと同様に設計される。ミラー電極に印加される静電電位は、空間的な集束および飛行時間集束の条件を満たすように調節される。グラフ１６０は、それら要件を満たす軸方向の電位分布Ｕ（ｘ）の種類を示す。Ｚ方向に沿った空間的な集束を提供するため、静電ミラー１５３の各々は、自由飛行領域（破線によって示される）の中央面の近くにある焦点を備えたレンズを形成する。イオンビーム（線１５９）は入口の窓１５６で平行なビームとして開始する。右側のミラーでの第１の反射の後、ビームは中間面にある点に集束される。なお、すべてのイオンの集束は、軸に交差する単一のイオンの軌道によって図面では示される。左手のミラーでの反射の後、ビームは再び平行なビームに変換される。
【０１１５】
ＳＩＭＩＯＮプログラムを使用した発明者のイオン光学機器のシミュレーションによると、特定のＴＯＦ１  １５１での空間的な集束は、少なくとも１次での飛行時間集束と互換性があり、すなわち、当初のエネルギおよび直交する変位での飛行時間の第１の導関数はゼロに等しい。イオンビームは、当初の空間的な拡散がＴＯＦ１の幅の５％より少なく、かつ角度の拡散が２度より小さい場合のみ閉じ込められる。３％より下のエネルギの拡散では、ＴＯＦ１の飛行時間分解能は１０，０００を超える。そのような当初の条件は、線形の蓄積四重極からのパルス排出の後に約３０電子ボルトに加速されるイオンビームに対して現実的である。
【０１１６】
他の実施例と比較して比較的高いエネルギ（３０から１００ｅＶ）での動作は、ＴＯＦ１でのミリ秒のタイムスケールの分離を実現するためにＴＯＦ１での長いイオン経路（３０から１００ｍ）を必要とする。イオン経路は、ＴＯＦ１の設計の複雑さが少ないこと、およびその静的な動作のため、容易に延長可能である。約２０のフルイオンターンを用いた１ｍの長さの機器は、少なくとも５０ｍの有効な飛行経路に対応する。
【０１１７】
円筒形のマルチパスＴＯＦ１
図１６を参照すると、この発明の別の好ましい実施例は、２次元の場を円筒形の場へと折畳むことにより形成された、変形された静電マルチパスセパレータを示す。この実施例では、小型の設計のために円筒形のマルチパスセパレータ（１６１）と呼ばれ、各細長い電極は、同軸の円筒の対、すなわち、内部および外部の円筒の対に変換される。セパレータ１６１は、円筒（１６２，１６３）によって形成される自由飛行チャネル、および集束円筒（１６４）ならびに反射円筒（１６５）を含む２つの静電ミラーを含む。自由飛行チャネル１６２の外部の円筒は入口および出口の窓（１６６）を有し、ビームデフレクタ（１７０）を備える。パルスイオンビームは、空間的な集束レンズ（１６７）を介し、ステアリングプレート（１６８）の対を介し、入口の窓１６６およびデフレクタ１７０を通じ
て、セパレータ１６１に導入される。イオン経路は線（１６９）によって示される。
【０１１８】
動作において、円筒形のセパレータは上述の２次元の静電マルチパスセパレータに非常に類似している。イオンはミラー間で複数の跳ね返りを生じさせられつつ、レンズの電極によって空間的に集束される。イオンを同じ半径の軌道の近くに保持するため、付加的な電位が外部および内部の円筒１６２ならびに１６３の間に印加される。半径方向の偏向電位を電極１６４および１６５の外部および内部の円筒の間に印加してもよい。
【０１１９】
イオンの入口および出口は複数の態様で組織することができる。図１６Ｂは、Ｘ軸に沿ってイオンビームを整列する後続の水平な偏向を用いたスリット型の窓１６６Ｂを通じたイオンの導入の例を示す。フリンジ場を低減するため、デフレクタ１７０Ｂはメッシュによって囲まれる。図１６Ｃは、円筒形の分析器の全体のセグメントのカットアウトを通じたＸ軸に沿ったイオンの導入の例を示す。ビームはプレート１７０Ｃによる水平な偏向の後に分析器に注入される。場の歪みは、カットアウト内で両面ＰＣＢ、等電位を使用することにより最小化され、円筒形の分析器に向かって配向された側の分散された電位を備える。上述の低速の静電マルチパスセパレータは、上述のパルスイオン供給源、断片化セル、および高速の第２のＴＯＦとのさまざまな組合せでこの発明の包括的なタンデムＴＯＦ分析計で使用するために提案される。
【０１２０】
ＲＦの閉じ込めを用いたセパレータ、スパイラトロンおよび静的なマルチパスセパレータを含む、ＴＯＦ１セパレータの示された例は、延長された時間分離を提供しつつ、イオンビームを保持するＴＯＦ１のすべての可能性を示すわけではなく、むしろ、この発明の包括的なタンデムＴＯＦ質量分析法の一般的な方法の実現可能性を証明している。
【０１２１】
実現された効果
この発明の上述の包括的なタンデムＴＯＦ分析計は、既存のＴＯＦ−ＴＯＦ質量分析計と比較して、分析のスピードおよび感度を獲得している。改善は、初めてタンデムＴＯＦに適用されるタイムネストされた取得の原則を用いることによって実現される。イオン供給源からのイオンパルスが十分に利用され、複数の親イオンが単一の供給源パルス当り分析される。この発明は、これもタイムネストされた取得を用いる最も近い基本形のＩＭＳ−ＴＯＦと比較して、ＭＳ−ＭＳの情報の速度も改善する。改善は、親イオンの分離のステップでより高い分解能を得ることによって行なわれ、より複雑な混合物の分析が実現される。
【０１２２】
ＬＣ−ＬＣ−ＭＳ−ＭＳ
タンデムＭＳ−ＭＳ分析のはるかに高いスピードは、現実的なタイムスケールで複数ステップの液相分離をタンデムＭＳ分析と結合する機会を提供する。そのような分離技術は、結合性分離、液相クロマトグラフィ（ＬＣ）および毛細管電気泳動（ＣＥ）を含み得る。数分のタイムスケールでの高スピードのＬＣおよびＣＥの分離はＬＣ−ＭＳ分析で普通になる。しかしながら、ＬＣ−ＭＳ−ＭＳ分析はＭＳ−ＭＳステージの低スピードによって通常は低速化されるが、この発明の包括的なＴＯＦ−ＴＯＦの方法および装置を導入した後は当てはまらない。
【０１２３】
有用な要素を組合せの好ましい実施例およびいくつかの例を説明したので、当業者には、この概念を組込んだ他の実施例も使用され得ることが明らかであろう。したがって、これらの実施例は開示された実施例に制限されるべきではなく、請求項の精神および範囲によってのみ制限されるべきである。請求項では、イオン可動性直交ＴＯＦは最も近い基本形であると見なされる。
【図面の簡単な説明】
【０１２４】
【図１】この発明の方法を示すブロック図である。
【図２】タンデムＴＯＦ−ＴＯＦ質量分析計の動作のタイミング図である。
【図３】新規のインラインＴＯＦ１の概略図である。
【図４】新規のＷ型のＴＯＦ１の概略図である。
【図５】真空パルスＭＡＬＤＩイオン供給源の概略図である。
【図６】衝突減衰を用いたパルスＭＡＬＤＩイオン供給源の概略図である。
【図７】パルス蓄積四重極を備えた連続イオン供給源の概略図である。
【図８】ＣＩＤセルの概略図である。
【図９】ＳＩＤセルの概略図である。
【図１０】直交ＴＯＦ２の概略図である。
【図１１】同軸のＴＯＦ２の概略図である。
【図１２】インラインＴＯＦ１およびＣＩＤセルを備えたＴＯＦ−ＴＯＦの概略図である。
【図１３】Ｗ型のＴＯＦ１およびＳＩＤセルを備えたＴＯＦ−ＴＯＦの概略図である。
【図１４】静的な同軸のＴＯＦ１を備えたＴＯＦ−ＴＯＦの概略図である。
【図１５】平面の静電マルチパスＴＯＦ１の概略図である。
【図１６】円筒形の静電マルチパルスＴＯＦ１の概略図である。
【図１】
2005538346.tif 000005
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年2月13日(2004.2.13)
【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】
タンデム質量分析計であって、パルスイオン供給源、第１の飛行時間型質量分析計（ＴＯＦ１）の形の親イオンセパレータ、断片化セル、第２の飛行時間型質量分析計（ＴＯＦ２）、および複数の親イオンに対して断片質量スペクトルを取得するタイムネストされたデータ取得システムとを含み、同じ質量対電荷比のイオンでは、前記ＴＯＦ１での飛行時間は前記断片化セルを通る通過時間および前記ＴＯＦ２での飛行時間の和よりもはるかに大きい、タンデム質量分析計。
【請求項２】
前記ＴＯＦ１での前記飛行時間は前記ＴＯＦ２での前記飛行時間よりも少なくとも１０倍大きい、請求項１に記載のタンデム質量分析計。
【請求項３】
前記ＴＯＦ２内より少なくとも１００倍小さい前記ＴＯＦ１での平均イオンエネルギをさらに含む、請求項１に記載のタンデム質量分析計。
【請求項４】
前記パルスイオン供給源は約０．１ｍｂａｒの圧力を有するＭＡＬＤＩイオン供給源を含む、請求項１に記載のタンデム質量分析計。
【請求項５】
前記パルスイオン供給源は無線周波数（ＲＦ）蓄積装置、および、エレクトロスプレー供給源、ＭＡＬＤＩイオン供給源、電子衝撃イオン供給源、化学的イオン化イオン供給源ならびに光イオン化イオン供給源の１つを備えた電子衝撃、のグループから選択される連続イオン供給源を含み、イオンは前記イオン供給源のいずれかから連続的に供給されて蓄積され、前記蓄積装置からパルス排出される、請求項１に記載のタンデム質量分析計。
【請求項６】
前記蓄積装置は、非ゼロの軸方向の電場を作る少なくとも１つのＤＣ電極によって補われる少なくとも１つの線形の多重極を含む、請求項５に記載のタンデム質量分析計。
【請求項７】
前記ＴＯＦ１は、軸方向の２次電場を備えた複数のパルスミラーによって囲まれる
線形の多重極を含む、請求項１に記載のタンデム質量分析計。
【請求項８】
前記ＴＯＦ１は、２次電場を備えた複数の２次元のＤＣミラーによって囲まれる２次元のイオントンネルを含む、請求項１に記載のタンデム質量分析計。
【請求項９】
前記ＴＯＦ１は、それらの間にＤＣ電圧が印加される同軸の電極の対を少なくとも含み、イオンは或る角度で前記電極間で注入される、請求項１に記載のタンデム質量分析計。
【請求項１０】
イオンは、複数の両面プリント回路板によって形成されるカットオフ領域を通じて前記電極間のギャップから出入りする、請求項９に記載のタンデム質量分析計。
【請求項１１】
前記ＴＯＦ１は、２次元の自由飛行チャネル、および集束および反射の電極によって規定される複数の平面の集束静電ミラーを有する平面のマルチパス静電飛行時間型質量分析計を含む、請求項１に記載のタンデム質量分析計。
【請求項１２】
前記ＴＯＦ１は、半径方向の偏向を備えた同軸の円筒の対、および同軸の円筒によって形成される複数の集束静電ミラーを少なくとも有する円筒形のマルチパス静電静電飛行時間型質量分析計を含む、請求項１に記載のタンデム質量分析計。
【請求項１３】
少なくとも１つの時間窓内でイオンを伝達するように適合される前記ＴＯＦ１と前記断片化セルとの間の時限式ゲートをさらに含む、請求項１に記載のタンデム質量分析計。
【請求項１４】
前記断片化セル内のイオンは、前記ＴＯＦ１と前記断片化セルとの間の静電オフセットによって調節されるエネルギを含む、請求項１に記載のタンデム質量分析計。
【請求項１５】
前記断片化セルは、ガスで満たされた衝突誘起解離（ＣＩＤ）セルおよび少なくとも１つの電極によって補われる少なくとも１つの多重極を含む、請求項１に記載のタンデム質量分析計。
【請求項１６】
前記ＣＩＤセル内のイオンパケットは、１ｃｍ未満の長さのセル、および１００ｍｔｏｒｒ以上の圧力を使用することによって低減される時間の拡散を含む、請求項１３に記載のタンデム質量分析計。
【請求項１７】
前記断片化セルは、前記セル内で軸方向のＤＣ場の変調を使用して断片イオンを蓄積し、ＴＯＦ２のパルスと同期されたパルスビームを排出する、請求項１３に記載のタンデム質量分析計。
【請求項１８】
前記断片化セルは、パルスされた１次的なおよび空間的な集束のレンズ、およびフルオロハイドロカーボンの単一層で被覆されたターゲットを含む、請求項１に記載のタンデム質量分析計。
【請求項１９】
前記ＴＯＦ２は直交する時間注入を有するＴＯＦ  ＭＳ（ｏ−ＴＯＦ  ＭＳ）を含む、請求項１に記載のタンデム質量分析計。
【請求項２０】
前記ＴＯＦ２は高電流検出器および一時的な記録器を含む、請求項１に記載のタンデム質量分析計。
【請求項２１】
前記ＴＯＦ１は、複数の時間窓を備えた前記時限式ゲートを使用する、イオン経路
に沿って２次の電位の分布を形成しかつ１ｍより大きい長さを有する複数の反射器の１つを含む、請求項１に記載のタンデム質量分析計。
【請求項２２】
前記ＴＯＦ１に順番に接続されるインライン検出器をさらに含む、請求項１に記載のタンデム質量分析計。
【請求項２３】
包括的なタンデム質量分析法分析の方法であって、
（１）  パルスイオン供給源からさまざまな質量対電荷比を有する複数の親イオンを排出するステップと、
（２）  第１のイオンセパレータ内で時間の関数として前記親イオンを分離するステップと、
（３）  前記時間分離された親イオンを断片化するステップと、
（４）  第１の飛行時間型質量分析計内で前記断片化された親イオンを分析するステップと、
（５）  異なる親イオンの断片スペクトルを混合することなく、イオンパルス当たり複数の親イオンに対応する前記断片化された親イオンのスペクトルの取得をタイムネストするステップとを含み、
ＭＳ−ＭＳ分析の感度およびスループットを改善するため、時間分離するステップは第２の飛行時間型質量分析計内で行なわれ、前記親イオンの分離の時間は断片化および断片質量分析の両方の時間を大きく超える、包括的なタンデム質量分析法分析の方法。
【請求項２４】
前記第２の飛行時間型質量分析計での前記飛行時間は、前記第１の飛行時間型質量分析計内より少なくとも１０倍大きい、請求項２３に記載の包括的なＭＳ−ＭＳ分析の方法。
【請求項２５】
親イオンをパルス排出するステップは、約１００ｍｔｏｒｒの真空下でＭＡＬＤＩイオン供給源で行なわれる、請求項２３に記載の包括的なＭＳ−ＭＳ分析の方法。
【請求項２６】
親イオンをパルス排出するステップは、蓄積四重極からのパルス排出を含み、イオンは、エレクトロスプレー供給源、１０ｍｔｏｒｒから１ａｔｍの圧力を有するＭＡＬＤＩイオン供給源、電子衝撃イオン供給源、化学的イオン化イオン供給源および光イオン化イオン供給源の１つを有する電子衝撃、のグループから選択される連続イオン供給源から、前記蓄積四重極に導入される、請求項２３に記載のＭＳ−ＭＳ分析の方法。
【請求項２７】
親イオンを時間分離するステップは２次のＤＣ場で行なわれ、前記第２の飛行時間型質量分析計でのイオンのエネルギは前記第１の飛行時間型質量分析計内より少なくとも１００倍小さい、請求項２３に記載のＭＳ−ＭＳ分析の方法。
【請求項２８】
前記２次のＤＣ場で親イオンを時間分離するステップは、前記２次のＤＣ場に直交する少なくとも１つの方向でのＲＦ場の閉じ込めによって支援される、請求項２７に記載のＭＳ−ＭＳ分析の方法。
【請求項２９】
前記ＲＦ場での閉じ込めのステップは或る軸に沿って実現され、イオンは前記ＲＦ場のゾーンの一端から注入され、前記２次ＤＣ場での複数の反射の後に反対の端部から開放される、請求項２８に記載のＭＳ−ＭＳ分析の方法。
【請求項３０】
前記ＲＦ場での閉じ込めのステップは２次元の平面に沿って実現され、前記イオンは前記ＤＣ場の勾配に平行な前記第２の飛行時間型質量分析計の軸に対して鋭角で注入され、前記イオンは前記ＤＣ場で複数の反射を生じつつ、ＲＦ場の出口に向かって、直交する方向で漂流する、請求項２７に記載のＭＳ−ＭＳ分析の方法。
【請求項３１】
前記親イオンを時間分離するステップは静電場で行なわれ、前記第２の飛行時間型質量分析計での前記親イオンの前記エネルギは前記第１の飛行時間型質量分析計内より少なくとも１０倍小さく、第２のＴＯＦでの前記有効な飛行経路は前記第１内よりも少なくとも３０倍大きい、請求項２３に記載のＭＳ−ＭＳ分析の方法。
【請求項３２】
前記親イオンを時間分離するステップは、複数の同軸の電極によって作られる静電場で行なわれ、前記親イオンは電極の軸に対して或る角度で前記静電場に注入され、その境界での前記静電場の外乱は少なくとも１つの両面プリント回路板によって低減される、請求項２３に記載のＭＳ−ＭＳ分析の方法。
【請求項３３】
前記親イオンを時間分離するステップは、平面の自由飛行チャネルおよび複数の平面の集束イオンミラーによって形成される平面の静電場で行なわれ、前記親イオンは前記第２のＴＯＦの軸に対して鋭角で注入され、前記ミラー間で複数の跳ね返りを生じる、請求項２３に記載のＭＳ−ＭＳ分析の方法。
【請求項３４】
前記親イオンを時間分離するステップは、複数の同軸の円筒によって形成される円筒形の静電場で行なわれ、少なくとも１つの対で半径方向の場が適用され、前記親イオンは前記第２のＴＯＦの軸に対して或る角度で注入され、複数のイオンミラー間で複数の跳ね返りを生じる、請求項２３に記載のＭＳ−ＭＳ分析の方法。
【請求項３５】
イオンを前記断片化ステップに提示する前に複数の時間窓をサンプリングすることによって前記ＴＯＦ１でのイオンの時間分離を分解するステップをさらに含む、請求項２３に記載のＭＳ−ＭＳ分析の方法。
【請求項３６】
前記断片化のステップは、以下のプロセスの１つ、すなわち、ガスとのエネルギ衝突、表面との衝突、または光によるものの１つで、実現される、請求項２３に記載のＭＳ−ＭＳ分析の方法。
【請求項３７】
分析するステップは、ＴＯＦ１をパスモードで使用しつつＴＯＦ２で親の質量スペクトルを取得するステップと、有意の親イオンの到達に対応する衝突セルの前の時間窓をサンプリングすることによって、それら時間窓のみに対する断片スペクトルを取得するステップを含み、前記時間窓は、第１のステージの測定値からの親の質量に基づいてその場で選択される、請求項２３に記載のＭＳ−ＭＳ分析の方法。
【請求項３８】
完全なＭＳ−ＭＳデータセットを使用して、断片イオンの所定のセットを有する親イオンのスペクトルを再構築するステップをさらに含む、請求項２３に記載のＭＳ−ＭＳ分析の方法。
【請求項３９】
少なくとも１つの液体クロマトグラフ入力を有するＭＳ−ＭＳ分析の方法であって、前記少なくとも１つの液体クロマトグラフから溶剤の流れを、請求項２３から３８に記載される方法を使用して請求項１に記載のタンデム質量分析計に連続して導入するステップを含む、方法。
【手続補正書】
【提出日】平成17年3月25日(2005.3.25)
【手続補正１】
【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】
【技術分野】
【０００１】
優先権の主張
この出願は、２００２年７月１６日に出願された、英国特許出願番号ＧＢ０２１６４３８．２からの優先権を主張する。
【０００２】
発明の分野
この発明は質量分析の分野に関し、特に、２つの飛行時間型質量分析計を含む装置での高スループットの包括的なタンデム質量分析に関する。
【背景技術】
【０００３】
発明の背景
質量分析計は、試料を気化およびイオン化して、次に静的または動的な電場を使用して、形成されたイオンの質量対電荷比を測定する装置である。タンデム質量分析は、複雑な混合物内の化合物の構造解析および識別で最も頻繁に使用される。実質的にすべての用途において、ＭＳ−ＭＳの手順は、以下の動作の順番、すなわち、単一の質量対電荷比（ｍ／ｚ）の親イオンの質量の選択、それらのイオンの断片化、断片の質量分析、の順番に従う。非常にさまざまなのタンデムＭＳ−ＭＳ機器があり、それら自身の強みおよび弱みがあるが、それらはすべて１つの共通の特徴、すなわち、それらはすべて一度に１つの親イオンを使用するという共通の特徴がある。イオン種の残りは１次イオンビームから除去され、失われる。
【０００４】
トリプル四重極機器は最も一般的なＭＳ−ＭＳ機器である。たとえば、エレクトロスプレー（ＥＳＩ）などの連続イオン供給源は、第１の四重極質量フィルタにイオンを導入し、これは対象のイオンのみが質量フィルタを通過するように調整される。１次ビームの構成要素の残りは拒否され失われる。選択されたイオンは、数十ミリトールの圧力のガスで満たされ、無線周波数（ＲＦ）四重極ガイドを備えた、いわゆる「衝突誘起解離」（ＣＩＤ）セルに伝達される。注入されたイオンの運動エネルギは質量フィルタの静電バイアスにより制御され、ガスの衝突を介してイオンの断片化を誘発するよう調節される。断片イ
オンはＣＩＤセル内で衝突減衰され、次に質量分析のために第２の四重極に導入される。第２の四重極での質量の走査には時間がかかり、約１０００倍だけ付加的なイオンの損失を生じさせるため、トリプル四重極機器は、親および断片のイオンの質量が知られている既知の種の検出に対して主に使用される。
【０００５】
四重極飛行時間型タンデム質量分析計（Ｑ−ＴＯＦ）の導入は、ＭＳ−ＭＳ機器のスループットを大きく向上させた（モーリスらのRap. Comm. Mass Spectrom. v.10, pp.889-896, 1996を参照）。トリプル四重極は、第２の四重極質量フィルタが直交ＴＯＦ  ＭＳ（oa-ＴＯＦＭＳ）により置換されるように変形された。この代用により、一度にすべての断片イオンの並行分析の利点が得られ、したがって、第２のＭＳでの高い感度および高速の取得の利点が得られ、第２のＭＳの分解能および質量の精度が向上された。しかしながら、四重極は、１つ以外のすべてのイオン種の拒否を伴う親イオンの選択に対して依然として使用される。並行分析の考えは親イオンまでは拡張されていない。
【０００６】
もう１つの一般的なＭＳ−ＭＳ装置は、ポール（Paul）イオントラップ質量分析計（ＩＴＭＳ）であり、March, R.E., Hughes R.J. 四重極蓄積質量分析（Quatrupole Storage Mass Spectrometry）, Willey-Interscience, New York 1989で十分に説明されている。イオン供給源で生成されたイオンは定期的にＩＴＭＳに注入され、無線周波数（ＲＦ）場によりＩＴＭＳ内で捕捉される。「望まれない」種は、たとえば、広帯域の共振ＡＣ信号を印加することにより除去され、対象のイオンのみがトラップ内に留まる。選択された親イオンは次に先駆物質の永年運動と共振する別のＡＣ場により励起される。親イオンは、緩衝ガスとのエネルギの衝突で運動エネルギを得て断片化する。断片は共振排出技術を使用して質量分析される。ＲＦ場の振幅は、イオンがそれらのｍ／ｚの値に従って順番にトラップを出るように傾斜される。
【０００７】
断片イオンのより正確な質量分析のために、３−ＤポールトラップをＴＯＦ分析器と結合することが知られている。Quin and D. Lubman, Rap. Comm. Mass. Spectrom. 10, 1079, 1996およびシマズによるＷＯ  ０９９／３９３６８を参照されたい。D. Douglasによる米国特許第５，８４７，３８６号、B.A. ThomsonおよびL.L. Joliffeによる米国特許第６，１１１，２５０号、T. Dreschらによる米国特許第６，０２０，５８６号、B. ReinholdおよびA. VerentchikovによるＷＯ  ０１／１５２０１では、線形のイオントラップ（ＬＩＴ）がＴＯＦ分析器に結合されている。すべてのイオントラップタンデムは、複数ステージのＭＳ−ＭＳ分析に主に向けられている。親イオンは他のイオンの構成要素を失って選択される。
【０００８】
最近導入されたタンデム飛行時間型質量分析計（ＴＯＦ−ＴＯＦ）は、用いられるハードウェアが類似することにより、以下に説明されるこの発明に最も近い基本形である。ＴＯＦ−ＴＯＦの例は、Schlagらによる米国特許第５，０３２，７２２号、T.J. Kornichらによる米国特許第５，４６４，９８５号、T. Bergmannによる米国特許第５，８５４，４８５号、M.L. Vestalによる米国特許第ＷＯ９９／４０６１０、C. Kosterらによる米国特許第６，３００，６２７号、およびC. HopによるＷＯ９９／０１８８９に説明されている。すべてのＴＯＦ−ＴＯＦタンデムでは、パルスイオンビームが第１の高エネルギのＴＯＦで時間分離され、時限式のイオン選択器によりフィルタリングされ、対象のイオンのみがＣＩＤセルへと通過する。ＣＩＤセルは低いガス圧力（通常１ｍｔｏｒｒより低い）のガスで満たされて、イオンの断片化に十分な、緩衝ガスとの単一の高エネルギの衝突を導入するが、依然としてイオンパケットを維持するために短い持続時間を保持する。断片イオンのパルスビームは第２の高エネルギのＴＯＦで分析される。断片イオンの大きなエネルギの拡散に対処するため、第２のＴＯＦは２次の場の電位または付加的なパルス加速を用いる。
【０００９】
A. VerentchikovによるＷＯ  ００／７７８２３では、ＴＯＦ−ＴＯＦタンデムの変形例は、断片の衝突減衰を用いた親イオンのＣＩＤセルへの低速の注入、および後続の直交するＴＯＦへの注入を用いる。この機器は、用いられる構成要素を考慮すると、この発明の最も近い基本形である。断片化セルでの衝突減衰は、第２のＴＯＦの上流でのイオンビームの特性を改善し、高い分解能および断片イオンの質量の正確な測定を可能にする。第１のＴＯＦは、１ｋＶのエネルギ、および短いタイムスケールで動作する。ＣＩＤセルの前のタイムゲートにより、一度に１つの親イオンの質量のみが入る。
【００１０】
説明されたすべてのタンデムでは、第１の質量分析器（四重極、イオントラップまたはＴＯＦ）は、一度に１つの親イオンの質量を選択し、他のすべての構成要素を拒否する。薬物代謝の研究のような一部の用途では、対象の１つの化合物を追跡することが受容される。（ゲルからのタンパク質の特徴付けのような）複雑な混合物の場合、しかしながら、複数の親イオンを分析することが必要である。既知の技術を使用した、複数の先駆物質の連続的なＭＳ−ＭＳ分析は、冗長で感度が悪い。
【００１１】
最近導入されたタンデムＩＭＳ−ＣＩＤ−ＴＯＦ質量分析計は、イオンの損失なしに実現される可能性のあるタイムネストされた（time-nested）取得の原則を用いる。D.ClemmerによるＷＯ  ００／７０３３５を参照されたい。イオン可動性分析計（ＩＭＳ）での分離はミリ秒で行なわれ、ＴＯＦ質量分析はマイクロ秒であるため、各イオンの可動性の破片に対して断片スペクトルを取得することが可能である。この技術の欠点は、可動性の分解能がＲ＝５０を下回る貧弱なＩＭＳの分離であり、これは低い質量分解能に対応する。ＩＭＳ−ＴＯＦタンデムは、タイムネストされた取得を用いた包括的なタンデム質量分析の原則を用いるため、この発明の基本形として選択される。
【００１２】
親イオンの損失のないＭＳ−ＭＳ分析の考えは、B. ReinholdおよびA. VerentchikovによるＷＯ  ０１／１５２０１にも開示される。イオンは共振励起により選択され、他のイオンの構成要素を拒否することなく、イオントラップ間で動かされる。この手順は冗長で長く、イオン供給源からのイオンは失われる。いわゆる並行イオン処理は、KirchnerによるＷＯ９２／１４２５９で複数のイオントラップで用いられ、ビームは複数のトラップで分割される。感度を犠牲にすることにより時間が節約される。
【００１３】
イオン供給源から来るイオンを拒否することなく、並行して複数の親イオンに対する急速かつ感度のよいＭＳ−ＭＳ分析を提供する機器が依然として必要とされている。そのような機器は、ＭＳ−ＭＳ分析のスループットをさらに向上し、複雑な混合物の分析で望ましい。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１４】
発明の概要
この発明の発明者は、２つの飛行時間型（ＴＯＦ）質量分析計を使用して、すなわち、親イオンの分離のために低速なＴＯＦ１を、断片質量分析のために高速なＴＦＯ２を使用してネストされた時間分離の原則を実現できることに気付いた。したがって、この発明のタンデム質量分析は、２つの飛行時間型の分離を用い、同じ質量対電荷比では、第１の分離のステップでの飛行時間は、第２の分離ステップでの飛行時間よりもはるかに長く、イオン供給源からの１回のイオンの注入当り、複数の親イオンが分離され、断片化され、質量分析される。
【００１５】
この発明のタンデム質量分析計は、パルスイオン供給源、親イオンの時間分離のための飛行時間型質量分析計（ＴＯＦ１）、断片化セル、断片イオンの質量分析のための第２の飛行時間型質量分析計（ＴＯＦ２）、およびデータ取得システムを含む。以前のＴＯＦ−
ＴＯＦシステムに対して、ＴＯＦ１での飛行時間は、断片化セルを通る通過時間およびＴＯＦ２での飛行時間を組合わせたものよりも実質的に大きい。なお、そのような原則は飛行時間型システムで用いられることがあるが、たとえば、U. Giessmannらによる米国特許第５，２０２，５６１号、またはJ. MartensらによるRap. Comm. Mass Spectrom., 6(2),
1992, 147-157に説明されるようにイオンの検出に対してのみ使用される。イオンは固体表面に衝突し、好ましくは磁場を使用して結果的な２次イオンは近くのＴＯＦ検出器へと偏向される。短い飛行時間（典型的には１マイクロ秒未満のオーダ）のため、検出されたピークの分解は貧弱で、表面からの多くの汚染物質を含むため、１次イオンについての有用な構造情報は抽出されず、したがって、それらは断片質量スペクトルとみなすことはできない。この欠点は、この発明では、典型的にはミリ秒の範囲のＴＯＦ１での長い分離を用いつつ、ＴＯＦ２での分離は数十マイクロ秒のより伝統的なタイムスケールで行なわれることによって軽減される。ＴＯＦ１での延長された分離は、典型的には１から３００ｅＶ前後のはるかに低い運動エネルギでより長いかまたは複数反射のＴＯＦ１を動作しつつ、３から１０ｋｅＶのエネルギでより短いＴＯＦ２を使用することにより実現され得る。隣接する親イオン種の到着間の時間は、断片スペクトルの品質をひどく損なうことなく断片化および断片を質量分析するのに十分になる。したがって、この発明により、親イオンを拒否することなく、リアルタイムの複数の親イオンの急速なＭＳ−ＭＳ分析が可能となる。ＭＳ−ＭＳの取得サイクルは、数ミリ秒続き、感度および信号の品質を改善するために複数回繰返し可能である。
【００１６】
イオンの損失を避けるため、イオン供給源は、ＭＳ−ＭＳサイクルのミリ秒の時間と互換性のある約１００Ｈｚ繰返し速度でパルスモードで動作される。マトリックス支援レーザ脱離／イオン化（ＭＡＬＤＩ）イオン供給源は、使用可能なパルスイオン供給源の一例である。この発明は、ＥＳＩ、ガス冷却を用いたＭＡＬＤＩ、化学的イオン化およびガスで満たされた光イオン化イオン供給源などのさまざまな連続イオン供給源とも互換性がある。イオンの流れは蓄積無線周波数（ＲＦ）装置内で連続して蓄積され、ＴＯＦ１へと定期的にパルス排出される。前記蓄積装置は、ポールトラップまたは蓄積多重極、好ましくは四重極であり得る。
【００１７】
著者の知る限りでは、新規のタイムネストされたＴＯＦ−ＴＯＦの方法は、性能をひどく犠牲にすることなしに既存のＴＯＦ−ＴＯＦ機器で実現することはできない。この発明は、より低いイオンエネルギ（１から３００ｅＶ）で動作して分離時間を拡張する、いくつかの新規のＴＯＦ１セパレータを開示する。
【００１８】
それら新規のＴＯＦ１分析器のうちの２つは、無線周波数（ＲＦ）場の閉じ込めとＤＣの２次の場との組合せを用い、相対的な大きなエネルギの拡散を備えたイオンビームの一時的な集束を提供する。それら分析器は、１から１０ｅＶの特に低いイオンエネルギで動作することができる。好ましい一実施例では、新規のＴＯＦ１分析器は、ＤＣミラーによって囲まれた、線形の多重極イオンガイド、好ましくは四重極を含む。両端のＤＣミラーはオンおよびオフされて、ＴＯＦ１の一端からのイオンの注入、複数のイオンの反射、および他端からの後続のイオンの解放を実現する。別の好ましい実施例では、新規のＴＯＦ１分析器は、ＤＣ電極の２つの外部の行、およびＴＯＦ１の軸にわたって配向されるＲＦのみのロッドの２つの内部の行を含む。この構造は、ＴＯＦの軸に沿って２次の電位分布と組合された２次元のＲＦ−トンネルを形成する。イオンは軸に対して小さな角度でＴＯＦ１に注入され、軸に沿って複数の反射を生じ、軸にわたって低速で移動し、数回の反射の後にＴＯＦ１を出る。
【００１９】
別の３つの新規の分析器は、１００〜３００ｅＶ前後の中位のエネルギで動作する静電装置である。それらのうちの１つ、「スパイラトロン（spiratoron）」は同軸の円筒形の電極の対を含み、それらの間にＤＣ電圧が印加されている。イオンはそれらの軸に対して
小さな角度で上記電極間で注入される。中位のエネルギ（１００ｅＶ）のイオンは中央の電極のまわりでターンしつつ、軸に沿って低速で漂流する。いくつかのターンの後、イオンは、ＤＣ場の外乱を避けるために両面プリント回路板により形成されたカットオフ領域を通ってＴＯＦ１を出る。他の２つの静電セパレータは平面および円筒形のマルチパス分析器であり、グリッドレス（gridless）ミラーを用い、同時にレンズのように作用する。有効な飛行経路はマルチパスモードの使用により延長され、高いエネルギにかかわらず、１０ｍｓのタイムスケールが実現される（ＲＦ支援ＴＯＦ１と比較して）。
【００２０】
この発明は、ガス衝突、表面との衝突および光によるものを含むさまざまな断片化方法と互換性がある。断片化セルの設計は、伝達時間および時間の拡散を低減するように調整される。ＣＩＤセルは短く（１ｃｍ前後）、比較的高圧（約０．１ｍＢａｒを越える）のガスで満たされ、伝達を加速しかつＴＯＦ２と同期してイオンビームを変調するために軸方向のＤＣ場により補われる。表面誘起解離（ＳＩＤ）セルは、パルスレンズを使用して一時的な集束（バンチング）とともに空間的な集束を提供する。イオンは、（タイムシフトを通じて）バンチングレンズおよびＴＯＦ２パルスと同期されるパルスプローブ電位によりＳＩＤセルから排出される。
【００２１】
第２の飛行時間型分析器の選択は重大ではないが、タンデムの例の大半において、直交イオン注入（ｏ−ｔｏｆ）を用いたＴＯＦがより好適である。直交注入の効率（いわゆる動作周期）を改善するため、直交注入パルスと同期してかつそのわずかに前に断片化セルからイオンを排出することが好ましい。
【００２２】
この発明のＴＯＦ−ＴＯＦタンデムは、たとえば、１０ｕｓの、主に第２のＴＯＦ  ＭＳのスピードによって制限される、中位の分解能で親イオンを分離することが予想される。３００のオーダのＴＯＦ１の推定される分解能（詳細な説明を参照）は、親イオンの同位元素のグループを隔離するのに依然として十分であり、先行技術のイオン可動性分析計での親の分離の分解能よりもはるかに高い。分離のより高い分解能は、より長いＴＯＦ１内で、またはＣＩＤセルの前のタイムゲートによるイオンの定期的な選択により、実現され得る。
【００２３】
この発明はデータの取得の複数の戦略を可能にする。最も単純かつ頑強な方法では、ＭＳ−ＭＳのデータは連続して取得され、複数の親イオンのＭＳ−ＭＳスペクトルは後に再構築される。しかし、ＭＳ−ＭＳ分析を２つのステージで行なうことが賢明である。第１の、ＭＳのみのステージでは、親イオンは親イオンの質量分析のために連続してＴＯＦ２に入れられる。親イオンの質量についての情報は第２のＭＳ−ＭＳのステージで使用される。タイムゲートは、親イオンの分離の分解能を向上しかつ化学的な背景からの信号を回避するために、対象の複数の親の到達時のみ開く。ＴＯＦ２の信号は、意味のないデータのフローを拒否するために選択された時間窓のみに対して取得される。親イオンについての類似の情報は、ＴＯＦ１の後のどこかにある任意のオンライン検出器を使用して獲得され得る。この情報は、隣接する断片の系統の重なる一時的なプロファイルの後続のコンピュータのデコンヴォルーションに対しても使用され得る（クロマトグラフィおよびクロマトグラフィ／質量分析で一般的に用いられる方法に類似）。
【００２４】
高感度かつ急速なＭＳ−ＭＳ分析に加え、この発明は複数の種類のＭＳのみの分析を提供する。ＴＯＦ１単独では、ピークを時間で拡散するためにＭＳのみの分析で使用可能であり、検出器の飽和を回避し、費用がかからずかつ低速な一時的な記録器を使用する。パスモードでＴＯＦ１を使用しつつ、親イオンのよりよい品質のスペクトルをＴＯＦ２で取得することができる。いわゆる「親の走査」、すなわち、特定の断片のセットを有する親イオンのスペクトルは、複数の供給源の注入で平均化された、ＭＳ−ＭＳデータから再構築することができる。データは最終的には親の質量のみに対して蓄積され得る。
【００２５】
ＭＳ／ＭＳスペクトルは、単一のイオン注入で対象のすべての先駆物質イオンに対して取得されるため、この発明は、１秒で１０から３０のフルサイクルと推定される例外的なスピードのＭＳ／ＭＳ分析を提供する。ＭＳ−ＭＳ分析のスピードは、クロマトグラフ分離のタイムスケールと互換性があり、リアルタイムのＬＣ−ＭＳ−ＭＳ分析は、現在イオントラップおよびＱ−ＴＯＦで用いられている「データ依存取得」などの以前の制限なしに可能である。この発明のＭＳ−ＭＳタンデムの高い取得スピードおよび感度により、最新流行のネストされたＬＣ−ＬＣ分析のための機会も開かれる。
【００２６】
この発明は特許請求の範囲に詳しく説明される。この発明の上述の利点およびさらに別の利点は、添付の図面とともに以下の説明を参照することにより、よりよく理解することができるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
発明の詳細な説明
方法
この発明のタンデム質量分析の方法は、異なる検体イオンの混合物を含むイオン供給源でイオンパルスを生成するステップと、第１の飛行時間型質量分析計内で飛行時間に従って検体イオンを分離して、それらの質量の順番にイオンパケットの列を生成するステップと、分離されたイオンパケットを混合することなく、検体イオンを順番に断片化するステップと、第１の分離のステップのタイムスケールよりもずっと短いタイムスケールで第２の飛行時間型質量分析計内で断片化されたイオンを急速に質量分析するステップと、イオン供給源からの単一のイオンパルスで複数の検体イオンの質量対電荷比に対して断片質量スペクトルし、任意で複数の供給源のパルスにわたって検体イオンの各々に対して断片スペクトルを合計するステップとを含む。
【００２８】
この方法の基本は、同じ質量対電荷比に対する断片化時間および断片質量分析の時間よりもはるかに長い第１のＴＯＦでの分離時間を配置している点である。タイムスケールにおける実質的な差は、イオン供給源からの単一のイオン注入当り複数の親イオンに対して、分離し、断片化し、断片を質量分析するために使用される。タイムスケールにおける実質的な差は、第１のＴＯＦでより長い飛行経路、および／または低いイオンのエネルギを選択することにより実現される。
【００２９】
図１を参照すると、この方法が主なタンデムＭＳ−ＭＳの構成要素のブロック図により示される。タイムネストされた取得１１を用いた一般的なＴＯＦ−ＴＯＦ機器は、順番に通信するパルスイオン供給源１２、第１の飛行時間型質量分析計−ＴＯＦ１１３、断片化セル−ＣＩＤ／ＳＩＤ１４、第２の飛行時間型質量分析計ＴＯＦ２  １５、およびタイムネストされた取得のためのデータシステム１６を含む。パルスイオン供給源は、ＴＯＦ１分析計と比較して電圧源１７により小さな電位差でバイアスされ、ＴＯＦ１は、ＣＩＤセルと比較して電圧源１８により電位差でバイアスされる。ＴＯＦ１の分離を向上するため、任意の時限式ゲート１９をＴＯＦ１  １３とＣＩＤセル１４との間に挿入してもよい。
【００３０】
簡単に言うと、動作において、パルスイオン供給源は検体（親）イオンのイオンパルスを生成し、電圧源１７により制御される、典型的には１から＋３００ｅＶの間の低減されたエネルギでイオンをＴＯＦ１に注入する。これがこの発明と先行技術との重要な差である。ＴＯＦ分析計は通常３から３０ｋｅＶの間のエネルギで動作するためである。別の重要な差は、必要なイオンエネルギおよび飛行時間に応じた、好ましくは５〜５０ｍの長さまでのＴＯＦ１の飛行長の付随する延長である。ＴＯＦ１での分離は典型的には数ミリ秒で行なわれる。案内となる例として、ＴＯＦ１＝８ｍの有効長、平均イオンエネルギＥ＝３ｅＶおよびイオン質量ｍ＝１０００ａ．ｍ．ｕを考える。この例では、イオン速度はＶ
＝８００ｍ／ｓであり、飛行時間は１０ｍｓである。同じ飛行時間は、有効な飛行長Ｌ１＝４５ｍおよび平均イオンエネルギＥ１＝１００ｅＶで実現され得る。時間分離された親イオンは、ＴＯＦ１とセルとの間のＤＣバイアスにより制御されるエネルギレベルでＴＯＦ１からＣＩＤセルに順番に排出される。キャリアガス分子とのエネルギ衝突が親イオンを断片に変える。後続のガス衝突により断片イオンの衝突減衰が生じる。断片はセルを通って急速に移動し、ＴＯＦ２分析計に注入される。ＴＯＦ２は、１０から１００μｓの間のはるかに短いタイムスケールで断片イオンを分離する。これは、Ｌ２＝１ｍの有効な経路長および平均エネルギＥ２＝５〜１０ｋｅＶのシステムによって実現され得る。ＴＯＦ１とＴＯＦ２とのタイムスケールにおける劇的な差により、供給源パルス間の異なる親イオンに対応する複数の断片スペクトルのデータ取得が可能となる。特別なデータ取得システム１６は、タイムネストされた態様で複数の断片スペクトルを取得し、個々のスペクトルはともに混合されない。各親イオンに対する断片スペクトルはいくつかのイオン供給源パルスにわたって統合される。イオン供給源で生成されたイオンパルスは、すべてのステージでイオンを拒否することなく、複数の親に対するＭＳ−ＭＳデータの完全なセットを取得するために使用される。
【００３１】
図２を参照すると、典型的な時間図が、この発明の方法、個々の装置の同期、およびタイムネストされたデータ取得の原則を示す。上部のグラフ２１は取得サイクルを示し、イオンの注入は１０ｍｓごと、すなわち、１秒に１００回行なわれる。親イオンは１０ｍｓの時間内でＴＯＦ１で分離され、ＣＩＤセルは、親イオンの質量に従って整列されたイオンパケットの列を受取る、グラフ２２。親イオンはセル内で部分的に断片化され、セル内での短い伝達時間のため、断片はそれらの親とほぼ同時にＴＯＦ２に到達する、グラフ２３。イオンの各新しい系統（すなわち、親および娘）は、１０μｓごとに高エネルギのＴＯＦ２へと直交パルスされ、各親の質量に対するＴＯＦ２スペクトルを生成する、グラフ２４。各ＴＯＦ２スペクトルは、供給源パルスに関するＴＯＦ２のパルスのタイムタグ、すなわち、ＴＯＦ１タイムタグ獲得する。同じＴＯＦ１タイムタグを備えたスペクトルは、２つのＴＯＦ２スペクトルを同じＴＯＦ１タイムタグと接続する破線によって示されるように、複数のイオン供給源パルスにわたって合計される。
【００３２】
上述の動作モードでは、タイムネストされた取得は直接的に行なわれる。機器の動作パラメータは、イオン供給源からのイオンビームの構成にかかわらず同じであり、データはずっと取得される。親イオンスペクトルおよびさまざまな親に対する断片スペクトルのようなすべての情報は、後続のデータ分析で抽出される。
【００３３】
「データ依存取得」と呼ばれるべき別の動作モードでは、ＭＳ−ＭＳ分析は２つのステップで行なわれる。第１のステップでは、親の質量スペクトルがＴＯＦ２で取得され、ＴＯＦ１およびＣＩＤセルは、断片化なしに連続してイオンを通過させる。実施例によっては、イオンの損失を避け、分析を加速するためにＴＯＦ１をバイパスすることが可能である。第２のステップでは、機器はＭＳ−ＭＳとして動作され、すなわち、ＴＯＦ１は親イオンを分離し、断片化セルは断片を形成し、ＴＯＦ２はタイムネストされたデータの態様で断片質量スペクトルを取得する。タイムネストされた取得は、親イオンの質量についての情報を利用し、かつ親イオンが来ない空白時間でのデータの取得を回避することにより向上される。任意の時限式ゲート１９を使用して、ＴＯＦ１の分離および化学的な雑音の抑制を向上してもよい。当然、ＴＯＦ１から来るイオンパケットは、ＣＩＤセルの出口の同じイオンパケットよりも短いことが予想される。時限式ゲートは、親イオンの到達に対応する複数の狭い時間窓でのみイオンを入れる。そのようなゲーティングは化学的な背景から来るイオン信号を抑圧し、検出の限界を改善する。ゲートの操作を使用して、感度を犠牲にすることにより近い質量の親イオンの対の分離を向上してもよい。ＭＳ−ＭＳデータのいくつかのセットが取得され、時限式ゲートは一度に対の１つの親の質量のみを入れる。
【００３４】
わかりやすくするため一般的な方法を説明したので、詳細な実施例を、まず個々の構成要素のレベルで検討し、次に一体型のＴＯＦ−ＴＯＦ装置の例として示す。一部の用いられる構成要素は当該技術分野で周知であるが、それらの構成およびパラメータはこの発明の目的に適合するように変更される。選択された妥協案を理解するため、まずＴＯＦ−ＴＯＦの方法および装置における主な課題について検討する。
【００３５】
この発明の方法は、それが複数の理由で実行できないと称されるため、非常に直感に反している。当業者は、次のように反論を唱える：ＴＯＦ１の分解能は、供給源でのイオンエネルギの拡散がＴＯＦ１でのイオンエネルギに匹敵するため、極度に低い、ＴＯＦ１の分解能は、弱い加速場での所要時間（当初の速度拡散によって生じる時間拡散）のためにも損害を受ける、ＴＯＦ１の予想される大きな長さ、およびＴＯＦ１での低速なイオンビームの高い分岐のため、ＴＯＦ１を通じたイオンの損失は破壊的なものと予想される、ＴＯＦ１の真空ステージおよびガスで満たされたＣＩＤセルは小さな開口部により分離されるべきであるため、イオンの損失はより高くなると予想される、１０から１００μｓのタイムスケールでのＣＩＤセルを通じた素早い伝達はあり得ないように思われる。大抵の既存のＣＩＤセルは２００から１０，０００μｓの時間の拡散を有する。現在ＴＯＦ技術で用いられている利用可能なデータ取得システムは、予想されるデータフロー速度を処理することができない。
【００３６】
これらは主にＴＯＦ１に集中しており、高エネルギで動作する既存のＴＯＦ質量分析計についての知識からのものである。発明者は、ＴＯＦ１の複数の機構で中位の分解能での低速の分離が可能であることに気付いた。一部の実施例では、ＴＯＦ１の分解能の改善は、エネルギの拡散を補償するとして知られる２次の電位分布を備えたイオンミラーを用いることによって行なわれる。この現象は弾性振動に類似であり、周期は振動振幅に依存しない。２次の場はＴＯＦの技術分野で十分に研究されている。たとえば、Int. J. of Mass Spectrom and Ion Process, v.146/147, 1995, pp.165-182のMakarovらを参照されたい。残念ながら、そのような分析器は大きなビームの分岐も導入する。発明者は、低エネルギのＴＯＦは、少なくとも一方向でイオンビームの無線周波数閉じ込めを導入することにより改善可能であることに気付いた。ＲＦ閉じ込めはイオンビームの分岐を低減し、低エネルギの装置に重大な表面の充電も排除する。ＲＦ閉じ込めを軸方向のＤＣ２次電位と組合せた、新規の種類のＴＯＦが見つかった。
【００３７】
図３を参照すると、新規の低エネルギの飛行時間型セパレータ３１の好ましい実施例は、ＲＦのみの多重極３２、２つの静電ミラー３３およびパルス発生器３４を含む。ミラーは、分割抵抗器３５の鎖によって相互に接続される複数の電極で構成される。ミラー３３の外部電極はパルス発生器３４に接続され、ミラー３３の中間の電極は接地である。端部の場は開口部３６によって終了され、電位はパルス発生器３４の最大限の電位の一部分として調節される。
【００３８】
動作において、ＲＦ場は、図３の矢印３７により示される半径方向の閉じ込めを提供する。半径方向のＲＦ閉じ込めは、軸に沿ったイオンの動きに影響しない。軸方向の放物線状の電場は、多重極のロッド間の場の貫通によって形成される。放物線状の場は、大きくイオンのエネルギに大きく非依存で、イオンのｍ／ｚの平方根に比例する、周期での軸方向の反射を提供する。ミラー端部でのパルス電位は、ＴＯＦ１へのイオン注入、ＴＯＦ１内でのイオンの反射３９、およびＴＯＦ１の他端での後続のイオンの解放の間の切換を可能にする。有効な飛行経路Ｌ１ＥＦＦは、ＴＯＦ１の長さＬよりも約Ｎπ＋１倍大きく、Ｎはフルターンの数である。全体として、ＲＦ閉じ込めおよび複数の反射は、イオンの損失のない延長された時間分離を可能にし、２次の電位はＴＯＦ１の分解能を向上し、高い相対的なエネルギの拡散を備えた低速のイオンビームの分離を可能にする。
【００３９】
理想的な２次の機構は、ＴＯＦ１からの、およびＴＯＦ１への進路での自由飛行セグメントの存在により変更される。Makarovらによる上述の出版物によると、実質的に場の自由飛行の場合でも、ここでは、約３０％のＬＥＥＦの場合、５０％までの相対的なエネルギの拡散のイオンパルスに対して２０００の質量分解能が実現可能である。自由飛行経路を０．３ＬＥＥＦ未満に保つために、この機構は２回のフルターンに対応する少なくとも５回の反射を必要とする。これはＬ１ＥＦＦを７．３Ｌに増加させるのに役立つが、親イオンの質量の範囲を係数２に低減し、すなわち、ＭＭＡＸ／ＭＭＩＮ≦２にする。
【００４０】
図４を参照すると、新規の低エネルギの飛行時間型セパレータ４１の別の実行可能な実施例は、静電電極４３のセットによって囲まれたＲＦチャネル４２、終端電極４４、およびデフレクタ４５を含む。ＲＦチャネルは、交互のＲＦの位相を備えＹ軸に沿って整列される複数のロッド４６によって形成される。静電ミラー４３の電極もＹ軸に沿って整列され、分割抵抗器４７の鎖を介して接続される。
【００４１】
動作において、交互のＲＦ電位を備えたロッド４６はＲＦトンネルを形成し、Ｚ方向でイオンを閉じ込める。電極４３、４４の電位は抵抗器の鎖によって分散され、ＴＯＦの中央面で最も小さいＸ軸に沿った２次の電位を形成する。外部のＤＣ電極の場はＲＦチャネルを貫通し、弱いが依然として２次の電位分布を提供する。フリンジ場を考慮しないと、Ｙ方向には場はない。イオンはＸ軸に対して小さな角度で注入され、偏向板４５によって偏向され、平均エネルギを備えたイオンに対する偏向角度を２倍にする。偏向は、Ｘ−エネルギの拡散により生じるＹ−空間的な拡散を低減する。イオンの動きは、Ｙ方向に沿った低速の漂流とＸ方向に沿った複数の反射との組合せである。全体として、イオンの軌道は波形を有し、ＲＦトンネルの境界で終了する。イオンはＴＯＦの出口でいくらかの空間的な拡散を得るが、これはイオンの後の加速およびレンズによる集束により部分的に補償される。
【００４２】
発明者によるＳＩＭＩＯＮのシミュレーションによると、５０％のエネルギの拡散でも、５０ｘ３０ｃｍの装置により、隣接するターンとイオンを混合することなく、Ｎ＝４から５の反射の対が可能となる。装置の有効な飛行経路はＬ*π*Ｎに等しく、ＬＥＦＦ＝７．５ｍに到達する。ＲＦ場はＴＯＦ１の分解能をＲ＝１０００までに制限しない。明らかに、ＲＦ閉じ込めＷ型ＴＯＦと呼ばれ得る第２の種類のＴＯＦ１は、より単純な動作およびＴＯＦ１でのより長い飛行経路を提供し、２つのＴＯＦ分析器間の飛行時間の比によって主に制限されるＴＯＦ１での分解能を改善する。ＴＯＦ１の複雑さは、プリント回路板（ＰＣＢ）アセンブリを使用することにより低減可能である。
【００４３】
この概念を使用して、低エネルギのＴＯＦ１のさらに別の実施例を開発することができる。そのような実施例では（図示せず）、図４の平面構造は、Ｘに平行な長手軸のまわりで「折り曲げられ」、ロッド４３、４４、４６は２つの同軸の輪を形成する。湾曲されたＰＣＢアセンブリも場を規定するために使用することができる。イオン集束および飛行時間分離の原則は本質的に同じであるため、そのような実施例により同じ線上に入口および出口の開口部を置くことができる。このことにより、「データ依存取得」モードで親イオンの走査中にＴＯＦ１をバイパスすることが可能になる。
【００４４】
上述の両方のＴＯＦ質量セパレータでは、各反射の周期はイオンのエネルギに大きく非依存であり、イオンのｍ／ｚの平方根に比例する。イオンはＲＦ場により閉じ込められ、イオンの損失は実質的に排除される。新規の低エネルギのＴＯＦ分析器の導入は、この発明を実用的なものとし、上述の反論を解決する、ａ）高い相対的なエネルギの拡散は、ＤＣ電場の多重極ガイドまたはトンネルへの貫通により作られるイオンミラーの電位の２次の分布により補償される、ｂ）高い相対的なエネルギの拡散で動作するＴＯＦ１の能力に
より、従来のＴＯＦと比較して、それはより低いイオンエネルギかつはるかに長いタイムスケールで動作することができる。結果として、この装置はイオン供給源からのより長いイオンパルスを許容し、所要時間はもはや障害ではなくなる、ｃ）ＴＯＦ１およびＴＯＦ２のタイムスケールにおける劇的な差により、タイムネストされたデータ取得が可能となる、ｄ）イオンの損失は、無線周波数ガイドまたはトンネル内でイオンを案内することにより実質的に回避される、ｅ）ＲＦ場によるイオンの閉じ込め、およびＣＩＤセルの前での後の加速により、イオンビームのＣＩＤセルへの最大限の伝達が可能となる、ｆ）ＣＩＤセルでの時間の拡散は、付加的な軸方向のＤＣ場を備えた短い高圧力のセルを使用することにより低減される、ｇ）大きくかつ高速の平均のメモリを備えた一時的な記録器が現在ではスイスの企業Acquiris（www.acquiris.com）により導入されている。
【００４５】
詳細な説明を個々の構成要素のレベル、つまり、パルスイオン供給源、この発明の方法および装置の目的のために特別に作られた断片化セルおよびＴＯＦ２のレベルで続ける。時間の拡散の問題について特に注意を払う。
【００４６】
図５を参照すると、この発明のＴＯＦ−ＴＯＦの方法および装置は、供給源ハウジング５２、分析された試料５４を備えた試料プレート５３、パルスレーザ５５、低電圧電力源５４、および出口開口部５６を含むパルスＭＡＬＤＩイオン供給源５１を用いる。
【００４７】
動作において、分析のための試料は、当該技術分野で知られるマトリックス内で準備され、試料プレート５３上に堆積される。パルスレーザ５５は試料を照らし、検体イオンの短いパルスを生成する。イオンは３００から６００ｍ／ｓの速度で排出されることが知られており、これは１ｋＤのイオンに対する．５から１．５ｅＶの間の当初のイオンエネルギに対応する。イオンは数ボルトの電位バイアスによって加速される。１ｋＤのイオンは、数マイクロ秒の時間の拡散および１ｅＶ未満のエネルギの拡散でイオン供給源を出ると予想することができる。真空ＭＡＬＤＩイオン供給源の主な欠点は、従来の高エネルギのＭＡＬＤＩで十分に説明されている、イオンの一時的な不安定性である。この発明は、ソフトマトリックスまたは赤外線レーザを用いる、よりソフトなＭＡＬＤＩイオン供給源に適用可能である。イオンの一時的な安定性は、後に説明する衝突冷却により改善される。
【００４８】
図６を参照すると、この発明のＴＯＦ−ＴＯＦの方法および装置は、ガスを満たされたパルスＭＡＬＤＩイオン供給源６１を用いる。供給源６１は、供給源ハウジング６２、分析された試料６４を備えた試料プレート６３、パルスレーザ６５、低電圧電源６６、および開口部６７Ａなどの真空ＭＡＬＤＩ供給源の特徴を含む。供給源６１は、ガスをハウジング６２に供給するガス入口６８、ＴＯＦ１のポンプへのガスの負荷を低減するために出口開口部６７Ｂによって終了される付加的なポンプステージ６９も含む。
【００４９】
動作において、供給源ハウジング６２はガス入口６７を介して緩衝ガスで満たされる。供給源ハウジング内のガス圧力は、イオン衝突冷却（www. asms. org内のASMS会議のVerentchikovらを参照）を提供するように．０１から１ｔｏｒｒの間に維持される。２つの１ｍｍの開口部６７Ａ、Ｂおよび２つの従来の２５０ｌ／ｓのターボポンプ（１つはＴＯＦ１をポンプする）を備えた差動ポンプシステムは、ＴＯＦ１内の真空を１Ｅ−６ｔｏｒｒより良好に維持する。レーザパルスは試料からの急速な（１から３ｎｓ）のイオンの排出を生成する。レーザ６５はイオン生成を向上するために高エネルギのレーザである。緩衝ガスとの衝突はイオンの内部エネルギを緩和する。ガスとの衝突はイオンの運動エネルギをほぼ熱エネルギ、すなわち０．０１から０．１ｅＶに減衰するが、依然としてイオンビームのパルスの特性を保持する。イオンは、試料プレート上の約１Ｖ  ＤＣバイアスによって支援される開口部を通るガスの流れによってサンプリングされる。イオンは次に、開口部６７Ａ、Ｂの間のＤＣバイアスによって制御されて必要な運動エネルギまで加速され、イオン供給源を出る。内部的に冷たいイオンは安定しており、イオンの分解なしに長い
ＴＯＦ１内での分離に耐える。全体として、ＭＡＬＤＩ供給源でのガス減衰は、この発明のＴＯＦ−ＴＯＦの方法に利点を与えつつ、時間およびエネルギの拡散を、低速のＴＯＦ１の分離に実現可能な１０μｓおよび１ｅＶの境界内にする。
【００５０】
図７を参照すると、この発明のＴＯＦ−ＴＯＦの方法および装置は、出口開口部７３を備えたソフトイオン化７２を用いた連続イオン供給源、および付加的なポンプステージ７５に包囲されたガスを満たされたＲＦ捕捉装置７４を含むパルスイオン供給源７１を用いる。連続イオン供給源は、以下の１つ、すなわち、エレクトロスプレー（ＥＳＩ）、ＡＰＣＩ、ガスを満たされたＭＡＬＤＩ、ＰＩまたはＣＩの１つであり得る。捕捉装置は、以下の１つ、すなわち、３−Ｄポールトラップ、軸方向の排出を用いた線形のＲＦのみの多重極、半径方向の排出を用いた湾曲されたＲＦ多重極の１つであり得る。軸方向の排出を用いた線形の四重極イオントラップが好ましい。使用されるとき、四重極７４はＤＣ電極７６および開口部７３，７７によって囲まれる。
【００５１】
動作において、四重極は１から１００ｍｔｏｒｒの圧力の緩衝ガスで満たされる。差動ポンプシステム７５はＴＯＦ１のポンプへのガスの負荷を低減する。イオンはイオン供給源７２で生成され、連続的にＲＦのみの四重極イオンガイド７４を満たす。ガスの衝突はイオンの運動エネルギを減衰し、四重極の軸に沿って、および電極７６ならびに開口部７７によって十分に作られたＤＣの底部でイオンを閉じ込める。定期的に、電極７６および出口開口部７７の電位は、蓄積されたイオンを軸方向でＴＯＦ１に排出するように調節される。この構造は、１〜５ｅＶ未満のエネルギの拡散および１０〜５０μｓ未満の時間の拡散を有するイオンパルスを生成する。
【００５２】
同位元素のグループを分離するのに十分な、２００から５００の所望のＴＯＦ１の質量分解力は、４００から１０００の飛行時間分解力を必要とする。１０μｓの当初の時間の拡散および１０００の飛行時間分解力では、１ｋＤのイオンに対する飛行時間は、数電子ボルトのイオンエネルギ、および５から１０ｍの有効飛行経路で到達可能な少なくとも１０ｍｓでなければならない。上述のマルチターンＴＯＦ１分析器は．５から１ｍの装置内で１０ｍの有効経路を提供する。次の必然的な質問は、１次の分離が破壊されないように数十分の１マイクロ秒内でイオンを断片化できるかということである。
【００５３】
図８を参照すると、ＴＯＦ−ＴＯＦの方法は、イオンの断片化のため、短く、高いガス圧のＣＩＤセル８１を用いる。ＣＩＤセル８１は、真空ハウジング８２、入口レンズ８３、ガス入口８５に接続されるＣＩＤチャンバ８４、ＣＩＤチャンバに包囲される任意のＤＣ電極８７を備えたＲＦ集束装置８６、および出口イオンレンズ８８を含む。ＣＩＤセルは任意の時限式イオン選択ゲート８９も含む。ガス入口は緩衝ガスをＣＩＤチャンバに供給する。ＣＩＤチャンバ８３は開口部８３Ａ、Ｂを含む。真空ハウジング８２は開口部８２Ａ、Ｂおよび真空ポンプ８２Ｃを含む。ＲＦ集束装置は好ましくはＲＦのみの四重極である。
【００５４】
典型的には１０から２０ｃｍの長さの従来のＣＩＤセルは、約１０ｍＴｏｒｒのガス圧で動作する。急速なイオンの移動を実現するため、この発明で用いられるＣＩＤセルは、はるかに短く、典型的には５から１０ｍｍであり、３００ｍＴｏｒｒを越えるはるかに高いガス圧で動作する。高圧力領域はチャンバ８４に集中され、差動ポンプの付加的な層によって囲まれる。典型的には１．５ｍｍの直径の開口部８４Ａ、Ｂは、真空ハウジングへのガスの合計の流れを約０．１ｔｏｒｒ*Ｌ／ｓに制限する。ポンプスピードが３００Ｌ／ｓのポンプ８２Ｃは真空ハウジングを約３Ｅ−４Ｔｔｏｒｒに排気する。開口部８２Ａ、Ｂは、典型的には１．５ｍｍの直径であり、ＴＯＦ１およびＴＯＦ２へのガスの流れをさらに低減し、１Ｅ−６ｔｏｒｒより低いガス圧で動作する。ガスの放出を避けるため、ＲＦの振幅は、好ましくはピークからピークで３００Ｖ未満に低減され、好ましくはこれ
に１ＭＨｚを下回る周波数の低下が伴う。
【００５５】
動作において、イオンはセルの前で加速されて、イオンの断片化に十分なエネルギ、典型的には５０ｅＶ／ｋＤａに加速される。イオンパケットは開口部８２Ａおよび８４Ａを介してセルに入り、レンズ８３によって集束される。３００ｍｔｏｒｒのガス圧では、ガスの密度はｎ＝１Ｅ＋２２ｍ−３に等しく、σ＝１００Å２の断面を備えた１ｋＤの質量のイオンは平均自由行程λ＝１／ｎσ＝０．１ｍｍを有する。Ｌ＝１ｃｍの典型的な四重極の長さでは、イオンは約１００の衝突を生じる。衝突の数は、イオン／ガスの質量比より３倍大きく、後続の減衰を用いた断片化を確保するのに十分である。第１のエネルギの衝突はイオンの運動エネルギをイオンの加熱に変換し、イオンの断片化を生じさせる。一旦イオンが運動エネルギを失うと、後続のガス衝突が断片イオンを安定させ、それらの運動エネルギをさらに減衰し、ＲＦ場の集束により軸にイオンを閉じ込める。衝突減衰の現象は、Don DouglasおよびJ. Frenchによる米国特許第４，９６３，７３６号に十分に説明されている。
【００５６】
ＣＩＤセルでのイオンビームの時間の拡散は、この発明の重要な関心事である。高圧力領域の前の移動時間はＴＯＦ１を調節するときに仮定され、それは時間の遅延のみを作り、時間の拡散は作らない。ガスの衝突は短いＣＩＤセルでも大きな時間の拡散を生じさせ得る。拡散を低減するため、セルを通るイオンの通過は、開口部８４Ａ、ＢのＤＣ電位によって作られる軸方向の静電場によって支援される。内接する直径Ｄ＝１ｃｍおよび長さＬ＝１ｃｍの典型的な四重極では、フリンジ場はＲＦ四重極を貫通し、２倍未満だけ抑制されている。２０Ｖの加速電位は約５００ｍ／ｓの速度でガスを通じてイオンのドラッグを提供することができ、最大限の通過時間を２０μｓ未満に、および時間の拡散を１０μｓ未満に制限する。通過時間を制御することは、ＴＯＦ２への注入の前にイオンを集めることに役立つ（すなわち、イオンパルスの持続時間を圧縮する）。ＣＩＤセルでの加速場は変調され、（タイムシフトとともに）ＴＯＦ２の注入パルスと同期される。
【００５７】
図９を参照すると、この発明のＴＯＦ−ＴＯＦの方法および装置は、イオンの断片化のために表面誘起解離（ＳＩＤ）を用いた断片化セル９１を用いる。ＳＩＤセル９１は、バンチング（一時的な集束）、空間的な集束およびステアリングのレンズ９２、好ましくはフルオロカーボンの単一層で被覆されたプローブ９３、プローブに装着されたパルス発生器９４、接地シールド９６によって囲まれたＤＣ加速コラム９５を含む。ＤＣ加速コラムはパルス発生器９８に接続されたメッシュ９７を含む。
【００５８】
動作において、時間分離された親イオンのイオンパケットは約５０ｅＶ／ｋＤａの特定のエネルギにパルス加速され、レンズ９２によって集められる。磁石セクタ−ＴＯＦタンデムで以前に用いられていたバンチングは、イオンパケットの持続時間をｄＴ＜１μｓ未満に圧縮することが知られている。レンズ９２は親イオンパケット９９をプローブ９３の中心に集束しかつステアリングする。イオンビームは或る角度、たとえば４５度で表面に衝突する。フルオロカーボンの単一層の表面との中位のエネルギの衝突は、ペプチドおよび小さな分子イオンの断片化を誘発すると知られている。断片イオンは約５００から２０００ｍ／ｓの速度で表面から跳ね返り、１次イオンパケットの持続時間のｄＴ＜１μｓ内で２ｍｍ未満を移動する。衝突中、小さな減速電位がメッシュ９７に印加され、断片イオンがＴＯＦ２分析器に漏れるのを防止する。１次イオンパケット全体の衝突に対応する適切な遅延の後、パルス発生器９４および９８が作動され、電気パルスがプローブ９３およびメッシュ９７に印加される。断片イオンはＴＯＦ２分析器へとパルス加速される。
【００５９】
ＣＩＤセルと比較して、ＳＩＤセルは、以下の利点、すなわち、低圧力で動作し、したがって、ポンプシステムへの要件を低減する、断片化のステップでの時間の拡散を除去する、１次イオンのより幅の広いビームを受入れる、という利点を有する。
【００６０】
ＳＩＤの欠点は、中位の質量のイオンの、特徴に乏しい断片パターン、ＴＯＦ２の分解能を低減する断片イオンのより高いエネルギの拡散、ＴＯＦ２分析器での断片イオンの準安定の消滅、である。ＣＩＤセルは、インラインＴＯＦ１により好適であり、ＳＩＤセルはＷ−ＴＯＦ１により好適である。
【００６１】
図１０を参照すると、この発明のＴＯＦ−ＴＯＦの方法および装置は、断片イオンの質量分析のために、好ましくはＣＯＤセルとともに従来の直交ＴＯＦ１０１を用いる。ｏ−ＴＯＦ１０１は、直交パルス加速器１０２、イオンミラー１０３、浮遊自由飛行領域１０４、ＴＯＦ検出器１０５およびインライン検出器１０６を含む。両方の検出器は、高速の一時的な記録器１０７を含むデータ取得システムに接続される。ＴＯＦ分析器１０１は真空チャンバ１０８内に包囲され、ポンプ１０９によって排気される。
【００６２】
ｏ−ＴＯＦの動作は当該技術分野で十分に説明されている。連続またはパルスのイオンビームは約１０ｅＶに加速され、加速領域に入る。定期的なパルスは直交して約３ｋｅＶにイオンを加速し、ＴＯＦ分析器にそれらを注入する。イオンはイオンミラーで反射され、ＴＯＦ検出器１０５に当る。当初のイオンビームの一部分はインライン検出器１０６で取得される。断片イオンの急速な分析に対応するため、ｏ−ＴＯＦのパラメータはわずかに変更される。分析器は小さく、Ｌ＝１０から２０ｃｍであり、約１００ＫＨｚの高い繰返し速度に対応するために高いＴＯＦエネルギ（５から１５ｋＶ）で動作する。小さなサイズの分析器によって、１Ｅ−５Ｔｏｒｒをわずかに下回るガス圧での動作が可能になる。従来のＴＯＦ分析器は、高電流２次電子倍増器（ＳＥＭ）またはハイブリッドＭＣＰ／ＰＥＭを検出器に使用し、かつ高速の平均の一時的な記録器をデータ取得システムに使用することによっても変形される。短い長さおよび短い飛行時間はＴＯＦ２の分解能に制限をもたらす。ＴＯＦ２の分解能を改善するため、以下の１つ、すなわち、ＩＭＳ走査間に挟み込まれた１０μｓのタイムゲート、およびＴＯＦ２の低速なパルス速度を使用する、１００ＫＨｚの速度でＴＯＦ２をパルスさせ、ＴＯＦ２内のイオンをいくつかの検出器へとそらす、１００ＫＨｚの速度でＴＯＦ２をパルスさせ、ＴＯＦ２で位置に感度のある検出器を使用する、のいずれかによりＴＯＦ２内の飛行時間を増加しつつ、入れられるイオンの時間窓を制限することができる。ＴＯＦ２には、ＴＯＦ１からイオンが来ない空白時間での信号の取得を避けるためにインライン検出器を備えてもよい。
【００６３】
図１１を参照すると、ＴＯＦ−ＴＯＦの方法は、断片イオンの質量分析のために、好ましくはＳＩＤセルとともに従来の反射ＴＯＦ１１１も用いる。ＴＯＦ１１１は、組込みのＳＩＤセル９１、電気的に浮遊した自由飛行領域１１２、検出器シールド１１３を備えた検出器１１４、イオンミラー１１５、真空ハウジング１１６、ポンプ１１７、およびデータ取得のための一時的な記録器１１８を含む。
【００６４】
動作において、断片イオンのパルスはＳＩＤセル９１内で加速され、場のない領域１１２を通って飛行し、イオンミラー１１５で反射され、検出器１１４に当る。イオンの軌道は線１１９によって示される。検出器からの信号は一時的な記録器１１８で取得される。ここでも、急速なデータ取得のために、分析器は比較的短く、Ｌ＝１０から２０ｃｍであり、１００ＫＨｚの高い繰返し速度に対応するために高い加速電位で動作する。
【００６５】
個々の構成要素を説明したので、一体化されたＴＯＦ−ＴＯＦの方法および装置の概念および特色を把握するのが容易になる。以下にこの発明のＴＯＦ−ＴＯＦタンデムの具体的な例を示すが、実現可能な複数の組合せを制限しない。
【００６６】
図１２を参照すると、ＴＯＦ−ＴＯＦ機器１２１の好ましい実施例は、連続イオン供給源７２を備え順番に接続されたパルス供給源７１、蓄積四重極７４、電極７６，７７、２
つのパルスイオンミラー３３Ａ、Ｂに囲まれＲＦのみの四重極ガイド３２を備えたインライン飛行時間型質量分析計ＴＯＦ１  ３１、開口部８４Ａ、Ｂに囲まれＲＦ四重極８６を備えた短くガスを満たされた衝突ＣＩＤセル８１、パルス加速器１０２を備えた第２の直交する飛行時間型質量分析計ｏ−ＴＯＦ２  １０１を含み、アナログデータ取得システム１０７を備える。個々の構成要素は既に説明されており、図３、図７、図８、および図１０に示されており、それらの以前の番号は以下の説明でも保持される。
【００６７】
動作において、連続イオン供給源７１は親イオンを蓄積四重極７４に供給する。１０から２０ｍｓごとに一度、イオンはＤＣ電極７６および出口開口部７７のパルス電位によって蓄積四重極から排出される。複数の異なる親イオンを含む排出されたイオンパケットは、１０μｓ未満の長さであり、１ｅＶ未満のエネルギの拡散を有する。排出されたイオンパルスの平均エネルギは、電極７６および７７のパルス電位を選択することによって約２ｅＶに調節される。第１のミラー３３Ａの電位を低下させることにより、イオンはＴＯＦ１セパレータに入れられる。イオンは四重極のＲＦ場によって半径方向で捕捉されるが、四重極の軸に沿って自由に移動する。すべての質量（Ｍｍａｘ／Ｍｍｉｎ＝２の比に制限される）の親イオンが第１のミラーを通過すると、第１のミラー３３Ａはオンされる。第２のミラー３３Ｂは以前のサイクル内でオンにされている。イオンは、ＴＯＦ１の軸に沿った２次の電位分布を備えた２つのミラー間で複数の反射を生じ、好ましくは５回の反射を生じる。振動の周期はイオンのエネルギに大きく非依存であり、親イオンの質量の平方根に比例する。分析器の有効な飛行経路は、ＴＯＦ１の物理的な長さより２π＋１α＝７．３倍まで長い。好ましい数の反射の後、イオンは、第２のミラー３３Ｂの電位を低下させることよりＴＯＦ１から解放される。時間分離されたイオンパケットの列はＣＩＤセルに入る。時間分離の典型的なタイムスケールは１０ｍｓのオーダであり、１ｋＤａのイオンの飛行時間として測定され、親イオンの質量に対応する各パケットの持続時間はほぼ１０μｓである。親イオンは、５００の質量分解能に対応する約１００の時間分解能で分離される。
【００６８】
ＴＯＦ１を出た後、各イオンパケットは、ガス衝突で断片化を誘起するのに十分な５０ｅＶ／ｋＤａの特定のエネルギに加速される。イオンはレンズシステムによって集束され、開口部８２Ａおよび８４Ａを介して高圧力のＣＩＤセルに注入される。イオンはセル内で断片化し、断片イオンは衝突減衰され、ＲＦ場によって閉じ込められる。セルは、ＴＯＦ２のパルスに関して同期されかつタイムシフトされる２つのＣＩＤの開口部８４Ａ、８４Ｂのパルス電位によって活発に空にされる。イオンは直交加速領域１０２に入り、ＴＯＦ２分析器に注入され、時間分離され、次にＴＯＦ２で質量分析される。ＴＯＦ２への同期された注入は、時間のギャップを排除し、すなわち、ＴＯＦ２のパルス間で断片はほぼ失われない。同期した注入はＴＯＦ２の動作周期も改善する。断片イオンの大半は、ＴＯＦ２のパルスの時間に加速領域１０２内に閉じ込められる。
【００６９】
ＴＯＦ２のスペクトルは、時間分離された親イオンの質量ごとに断片スペクトルを提示する。同じＴＯＦ１のタグを備えたスペクトル（すなわち、同じｍ／ｚの親イオンに対応する）は、複数の供給源の注入にわたって合計される。１秒の取得内では、データは１００の断片のスペクトルを含み、１００の供給源の注入にわたって平均される。
【００７０】
上述の装置では、３つのほぼ等しい（約１０μｓ）の時間の拡散の供給源があり、ＴＯＦ１の分離の分解能を低下させる。すなわち、イオン供給源で得られる時間の拡散、ＣＩＤセルでの時間の拡散およびＴＯＦ２のデジタル化（すなわち、不連続な時間でのスペクトルの取得）によるものである。それら３つの供給源の間に相互関係がないと仮定すると、全体的な時間の拡散は１７μｓ（各拡散よりも高い３つの平方根）であると推定される。ＴＯＦ１の分離の結果的な分解能は３００に等しくなり、これは親イオンの分離に依然として適切な分解能であると見なされる。比較して、商業用のＭＡＬＤＩ  ＴＯＦ−ＴＯ
ＦでのＴＯＦ１の分解能は約１００であり、高感度モードでのＱ−ＴＯＦの四重極の分解能は約３００である。この発明のＴＯＦ１の分解能は、以下の手段のいずれか、すなわち、ＴＯＦ１の長さを１ｍを越えるように増大する、ＴＯＦ１内でイオンエネルギを最適化する、走査の間に挟み込まれる複数の狭い出力窓を備えた時限式ゲートを適用する、ＴＦＯ２をより速くパルスし、イオンをいくつかの検出器にそらせる、ＴＯＦ２で位置に感度の高い検出器を使用する、のいずれかによって改善され得る。
【００７１】
図１３を参照すると、この発明のＴＯＦ−ＴＯＦ装置の別の好ましい実施例は、ガスを満たされたパルスＭＡＬＤＩイオン供給源６１、Ｗ型ＴＯＦ１  ４１、ＳＩＤセル９１および同軸のＴＯＦ２  １１１を含む。供給源６１は、ガスを満たされたチャンバ６２、試料プレート６３、レーザ６５、および試料プレート６３に接続された低電圧バイアス源６６を含む。ＴＯＦ１  ４１は、偏向プレート４５、終端プレート４４を備えた２つの静的な反射器４３、および２次元のＲＦトンネル４２を含む。静的な反射器４３は、ＲＦチャネル４２を囲んで２次の電位分布を形成する。ＳＩＤセル９１は、バンチングおよび集束のレンズ９２、ならびにフルオロカーボンの単一層で被覆されたプローブ９３を含む。ＴＯＦ１  １１１は、一時的な記録器１１４に接続される２次電子倍増器ＳＥＭ１１３を含む。供給源６１およびＳＩＤセル９１は、ＴＯＦ１  ４１内で複数のイオンの反射が可能になるようにオフラインにある。要素の上述の選択された組合せは、主に、以前のＴＯＦ−ＴＯＦの実施例には説明されていない要素間の相互反応を示すために選ばれている。
【００７２】
動作において、レーザ６５のパルスは、５０から１００Ｈｚの繰返し速度で、試料プレート６３からの１次イオンの短いバーストを生じさせる。供給源チャンバ６２は、イオンの内部エネルギを緩和しかつイオンの分解を防止するためにガスで満たされる。イオンは電場およびガスの流れによって薄いガスの層を通じてサンプリングされ、各イオンパケットは１０μｓよりも短いままで、１ｅＶ未満のエネルギの拡散を有する。イオンパケットは、低電圧バイアス源６６によって提供される別の数ボルトの電位により、Ｙ軸に対して小さな角度で複数反射のＴＯＦ１  ４１へと加速される。ステアリングプレート４５は、角度を２倍にして、Ｙ軸のエネルギの拡散に関してＸ軸での空間的な拡散を低減する。ＴＯＦ１内でのイオンの動きは３つの独立する成分、すなわち、Ｚ方向でのＲＦ場の閉じ込めでの振動、ほぼイオンのエネルギに非依存の周期でのＹ軸に沿った複数の反射、および直交するＸ軸に沿った低速の漂流を有する。いくつかのＹの跳ね返りの後、イオンはＴＯＦ１を出て、ＳＩＤセル９１のバンチングレンズ９２に入り、イオンパケットの列へと時間分離され、それらのｍ／ｚ比に応じて整列される。小さなイオンエネルギでの複数の反射により、１０ｍｓのオーダの延長された時間分離が可能になる。ＴＯＦ１での２次のＤＣ場はイオンエネルギの拡散を補償するため、ＴＯＦ１での分離はイオンパケットの前記１０ｕｓの時間の拡散を増加させない。したがって、ＴＯＦ１を出た後、親イオンは約３００から５００の質量分解能で分離される。
【００７３】
定期的に、たとえば、１０μｓに一度、イオンは約１μｓのパケットに時間で集められ（time bunched）、パルスレンズ９２により約１ｍｍに空間的に集束される。パルス集束されたイオンパケットは、フルオロカーボンの単一層で被覆されたＳＩＤプローブ９３の表面に当る。表面との衝突はイオンの断片化を誘発する。表面から低速で移動する断片は、１μｓの時間内で約１ｍｍだけ拡散する。プローブ９３に印加される遅延された電気パルスは断片イオンを加速し、それらを第２のＴＯＦ２  １１１分析器に注入する。断片イオンの当初のパラメータ（すなわち、プローブパルスの前のパラメータ）は、数千の分解能でＴＯＦ２内で質量分析を行なうのに十分良好である。信号は、高い動的な範囲でＳＥＭ１１４で検出される。信号は一時的な記録器１１３に渡され、データはタイムネストされた態様で取得される。さまざまな親イオンの断片スペクトルを表わすＴＯＦ２の過渡電流は、ともに混合されない。各断片質量スペクトルは、供給源パルスとバンチングレンズパルスとの間の時間として測定されるＴＯＦ１の分離のタイムタグを獲得する。ＴＯＦ１
のタイムタグは親イオンのｍ／ｚ比についての情報を運ぶ。同じＴＯＦ１のタイムタグを備えたＴＯＦ２スペクトルは、信号対雑音比を改善するために複数のレーザパルスにわたって平均される。
【００７４】
この発明の包括的なＴＯＦ−ＴＯＦの方法は、単純な静的なＴＯＦ１を用いて実現可能である点が認識される。以下に静的なセパレータのいくつかの例を示す。静的な場でのイオンビームの保持は、１００〜２００ｅＶ前後の比較的高いエネルギでの動作を必要とする。ミリ秒の分離時間は、飛行経路を延長しかつ特別に設計された静電場の集束特性を使用することにより実現される。
【００７５】
図１４を参照すると、低エネルギの飛行時間型セパレータ１２１の別の実施例は、静電レンズ１２２、デフレクタ１２３、および入口ユニット１２４、それらの間にＤＣ電圧が印加されている２つの同軸の電極１２５および１２６、ならびにデフレクタ１２８およびレンズ１２９が続く出口ユニット１２７からなる分析器を含む。上述の装置は「スパイラトロン」として知られ、Bakker I.M.B., The Spiratron-In: Adv. In Mass spectrom, London, 1971, V.5, pp.278-280で説明されている。この装置をタンデムＴＯＦシステムで低エネルギセパレータとして使用することにより新規性が導入される。
【００７６】
動作において、パルスイオン供給源７１からのイオンビームは、レンズ１２２によって、比例して低い角度の拡散を備えた幅の広いビームに変形される（「準平行ビーム」）。このビームはデフレクタ１２３により偏向されて、電極１２５および１２６の軸に対して傾斜の制御された角度αを提供する。たとえば、電極１２５および１２６を固定された角度に位置付けることによって同じ効果が実現可能である。イオンビームは入口ユニット１２４の開口部を介して電極１２５および１２６の間の半径方向の静電場に入る。入口ユニット１２４の好ましい一実施例は、３つの両面プリント回路板（ＰＣＢ）を含む。これら回路板の外面はデフレクタ１２３に面し、等電位面を作るためにそれらの上に金属被覆を有する。これら回路板の反対の面は電極１２５および１２６の間のギャップに面し、金属被覆の帯のセットを含む。これら帯は、電極１２５および１２６の間の理想的な対数電圧分布に適合する電圧分布を提供する抵抗電圧分割器に接続され、イオンの軌道に沿ったこの場の摂動を最低限にする。出口ユニット１２７は類似の構造を有し得る。
【００７７】
イオンが入口ユニット１２４を通って通過した後、それらは螺旋形の軌道に沿って動き始め、電極１２５のまわりに巻付き、それらの質量対電荷比に従って飛行時間で分離する。イオンビームのサイズを最小限にするため、この螺旋は円形である必要がある。これは電極１２５および１２６の間の電圧Ｕが次の式によって規定されるように平均イオンエネルギＶ１に対応するときに実現される。
【００７８】
【数１】
2005538346.tif 000021
【００７９】
ここで、ｒ１およびｒ２は、それぞれ電極１２５および１２６の半径である。いくつかの回転の後、イオンは軸に沿って距離Ｈだけ漂流して、出口ユニット１２７を通って場を出る。出口ユニット１２７の構造は注入ユニット１２４のものと類似である。回転の最大数は、イオンビームの最大限の角度の拡散Δαによって主に制限され（Δα＜＜１）、これは次の式によって規定されるように当初のイオンビームの有効温度ｋＴによって制限される。
【００８０】
【数２】
2005538346.tif 000022
【００８１】
ここでＭはレンズ１２２の拡大であり、係数ｐは必要な信頼水準のレベルに依存する（９５％のイオンに対してはｐ~４、９９％のイオンに対してはｐ~５、９９．９％のイオンに対してはｐ~６．６）。スパイラトロンの分解力は、回転の最大数および５０〜７０のレベルのエネルギの拡散の両方によって制限される。
【００８２】
【数３】
2005538346.tif 000023
【００８３】
上述のＴＯＦ１分析計と比較して分解能は劣るが、スパイラトロン装置は、単純性、より高い動作エネルギの利点を有し、ＴＯＦ２の前のストロボ技術なしに働く。
【００８４】
新規の静的な低エネルギのＴＯＦは、上述の断片化システムおよびＴＯＦ２分析計または断片分析のいずれかと結合することができる。図１４を参照すると、ＴＯＦ１  １２１はＣＩＤセル８１および直交ＴＯＦ１０１に結合される。この組合せの主な課題は、１次ビームをＣＩＤセルの入口に集束することである。イオンビームは高い１００ｅＶのエネルギを有し、ビームは出口では幅広くなるが、ビームは大きく平行であり、従来のレンズによって小さな開口部へと十分に集束することができる。
【００８５】
図１５を参照すると、さらに「静電マルチパスセパレータ」としても知られる、この発明の第１（すなわちＴＯ１）の飛行時間型セパレータ１５１の別の実施例は、自由飛行チャネル１５２、および集束電極１５４ならびに反射電極１５５を含む線形１５３および２つの静電ミラーを含む。自由飛行チャネル１５２は入口および出口の窓１５６を有する。すべての電極はＹ軸に沿って延在し、静電場はイオンの経路の区域で２次元である。パルスイオンビームは空間的な集束レンズ１５７およびステアリングプレート１５８Ａ、Ｂのセットを介してマルチターン静電ＴＯＦ１５１に導入される。イオンのイオン経路は線１５９によって示される。典型的な軸方向の電位分布Ｕ（ｘ）はグラフ１６０によって示される。
【００８６】
動作において、イオンパルスはレンズ１５７により平行なビームに集束され、プレート１５８Ａ、Ｂによってステアリングされる。ビームはＸ軸に対して小さな角度で入口の窓１５６を介してセパレータ１５１に導入される。イオンはＸ軸に沿って複数の反射を生じつつ、Ｙ軸に沿って低速で漂流する。複数のフルターンの後（各フルターンは反射の対によって形成される）、イオンは出口の窓１５７を通ってセパレータ１５１を出て、それらのｍ／ｚ比に従って時間分離される。フルターンの数、したがって、飛行長は、ステアリングプレートの電位によって調節可能である注入角度によって異なる。
【００８７】
静電ミラーは、グリッドレスＴＯＦ装置のミラーと同様に設計される。ミラー電極に印加される静電電位は、空間的な集束および飛行時間集束の条件を満たすように調節される。グラフ１６０は、それら要件を満たす軸方向の電位分布Ｕ（ｘ）の種類を示す。Ｚ方向に沿った空間的な集束を提供するため、静電ミラー１５３の各々は、自由飛行領域（破線によって示される）の中央面の近くにある焦点を備えたレンズを形成する。イオンビーム（線１５９）は入口の窓１５６で平行なビームとして開始する。右側のミラーでの第１の反射の後、ビームは中間面にある点に集束される。なお、すべてのイオンの集束は、軸に交差する単一のイオンの軌道によって図面では示される。左手のミラーでの反射の後、ビームは再び平行なビームに変換される。
【００８８】
セパレータ１５１のサイズおよび偏向角度を低減するため、線形１５３の側壁、レンズ１５４およびミラー１５５は、図１４と同様に両面ＰＣＢによって形成することができる。これら回路版の外面は等電位面を作るために金属被覆される。これら回路版の反対の面は、成型された金属被覆の帯のセットを含む。これら帯は、これらギャップ内の２次元の電圧分布に適合する電圧分布を提供する抵抗電圧分割器に接続され、イオンの軌道に沿ったこの場の摂動を最小化する。
【００８９】
ＳＩＭＩＯＮプログラムを使用した発明者のイオン光学機器のシミュレーションによると、特定のＴＯＦ１  １５１での空間的な集束は、少なくとも１次での飛行時間集束と互換性があり、すなわち、当初のエネルギおよび直交する変位での飛行時間の第１の導関数はゼロに等しい。イオンビームは、当初の空間的な拡散がＴＯＦ１の幅の５％より少なく、かつ角度の拡散が２度より小さい場合のみ閉じ込められる。３％より下のエネルギの拡散では、ＴＯＦ１の飛行時間分解能は１０，０００を超える。そのような当初の条件は、線形の蓄積四重極からのパルス排出の後に約３０≧ｅＶに加速されるイオンビームに対して現実的である。
【００９０】
他の実施例と比較して比較的高いエネルギ（３０から１００ｅＶ）での動作は、ＴＯＦ１でのミリ秒のタイムスケールの分離を実現するためにＴＯＦ１での長いイオン経路（３０から１００ｍ）を必要とする。イオン経路は、ＴＯＦ１の設計の複雑さが少ないこと、およびその静的な動作のため、容易に延長可能である。約２０のフルイオンターンを用いた１ｍの長さの機器は、少なくとも５０ｍの有効な飛行経路に対応する。
【００９１】
「静電マルチパスセパレータ」を用いたこの発明の別の実施例は、セパレータ１５１の体積を２倍で使用する。これは、セパレータ１５１の遠い端部に位置付けられるデフレクタ１５８によってイオンの速度のＹ成分を回復することによって実現される。デフレクタ１５８の寸法は、セパレータ１５１を通る通路でのＹ方向の付加的な拡張を考慮してイオンビーム全体を受入れるように十分に大きく選ばれる。この機構では、セパレータ１５１へのイオンの軌道１５９の偏向、および衝突セル８１への真っ直ぐなパスに戻るその偏向はともに、同じデフレクタ１５８によって行なうことができる。このデフレクタの切換により、ＭＳのみのモードで親イオンのスキャン２のために使用され得るセパレータ１５１をバイパスすることが可能になる。
【００９２】
図１６を参照すると、この発明の別の実施例は、２次元の場を円筒形の場へと折畳むことにより形成された、変形された静電マルチパスセパレータを利用する。この実施例では、小型の設計のために円筒形のマルチパスセパレータ１６１と呼ばれ、各細長い電極は、同軸の円筒の対、すなわち、内部および外部の円筒の対に変換される。セパレータ１６１は、円筒１６２、１６３によって形成される自由飛行チャネル、および集束円筒１６４ならびに反射円筒１６５を含む２つの静電ミラーを含む。自由飛行チャネル１６２の外部の円筒は入口および出口の窓１６６を有し、ビームデフレクタ１７０を備える。パルスイオンビームは、空間的な集束レンズ１６７、ステアリングプレート１６８の対を介し、入口
の窓１６６およびデフレクタ１７０を通じて、セパレータ１６１に導入される。イオン経路は線１６９によって示される。
【００９３】
動作において、円筒形のセパレータは上述の２次元の静電マルチパスセパレータに非常に類似している。イオンはミラー間で複数の跳ね返りを生じさせられつつ、レンズの電極によって空間的に集束される。イオンを同じ半径の軌道の近くに保持するため、付加的な電位が外部および内部の円筒１６２ならびに１６３の間に印加される。半径方向の偏向電位を電極１６４および１６５の外部および内部の円筒の間に印加してもよい。
【００９４】
イオンの入口および出口は複数の態様で組織することができる。図１６は、Ｘ軸に沿ってイオンビームを整列する後続の水平な偏向を用いたスリット型の窓１６６Ｂを通じたイオンの導入の例を示す。フリンジ場を低減するため、デフレクタ１７０Ｂはメッシュによって囲まれる。図１６は、円筒形の分析器の全体のセグメントのカットアウトを通じたＸ軸に沿ったイオンの導入の例も示す。ビームはプレート１７０Ｃによる水平な偏向の後に分析器に注入される。場の歪みは、カットアウト内で両面ＰＣＢ、等電位を使用することにより最小化され、円筒形の分析器に向かって配向された側の分散された電位を備える。上述の静電マルチパスセパレータは、上述のパルスイオン供給源、断片化セル、および高速のＴＯＦ２とのさまざまな組合せでこの発明の包括的なタンデムＴＯＦ分析計で使用するために提案される。
【００９５】
図１６の実施例は、同軸の電極の外側または内側のセットに適用される付加的なＲＦとともに使用することも可能である。対数の場の不均一性のため、このことは内側の電極からイオンを離れさせる等電位を作る。外側の電極からの内向きのＤＣ場とともに、このことはよりよいイオンの閉じ込めのために十分な半径方向の電位を作り得る。
【００９６】
ＲＦの閉じ込めを用いたセパレータ、スパイラトロンおよび静的なマルチパスセパレータを含む、ＴＯＦ１セパレータの示された例は、延長された時間分離を提供しつつ、イオンビームを保持するＴＯＦ１のすべての可能性を示すわけではなく、むしろ、この発明の包括的なタンデムＴＯＦ質量分析法の一般的な方法の実現可能性を証明している。
【００９７】
ＴＯＦ１のバイパス
なお、図１２、１５、１６の機構により、複数の反射を回避し、イオンをＣＩＦセルに直接渡すことが可能になる。このことは、親イオンの走査の感度および加速を改善する。
【００９８】
上述のこの発明のタンデムＴＯＦ分析計は、既存のＴＯＦ−ＴＯＦ質量分析計と比較して、分析のスピードおよび感度を向上する。この改善は、初めてタンデムＴＯＦに適用されるタイムネストされた取得の原則を用いることによって実現される。イオン供給源からのイオンパルスが十分に利用され、複数の親イオンが単一の供給源パルス当り分析される。この発明は、これもタイムネストされた取得を用いる最も近い基本形のＩＭＳ−ＴＯＦと比較して、ＭＳ−ＭＳの情報の速度も改善する。改善は、親イオンの分離のステップでより高い分解能を得ることによって行なわれ、より複雑な混合物の分析が実現される。親イオンの分離は、イオンゲート１９および／またはクロマトグラフィで使用されるものに類似のデコンヴォルーション技術を使用することによって向上することができる。
【００９９】
タンデムＭＳ−ＭＳ分析によって提供される高いスピードは、現実的なタイムスケールで複数ステップの液相分離をタンデムＭＳ分析と結合する大きな機会を提供する。そのような分離技術は、イオン交換分離、結合性分離、液相クロマトグラフィ（ＬＣ）および毛細管電気泳動（ＣＥ）を含み得る。短いタイムスケールでの高スピードのＬＣおよびＣＥの分離はＬＣ−ＭＳ分析で普通になる。しかしながら、ＬＣ−ＭＳ−ＭＳ分析はＭＳ−ＭＳステージの低スピードによって通常は低速化されるが、この発明の包括的なＴＯＦ−Ｔ
ＯＦの方法および装置を導入した後は当てはまらない。
【０１００】
有用な要素を組合せのいくつかの例とともにこの発明のさまざまな実施例を説明したので、当業者には、この概念を組込んだ他の実施例も使用され得ることが明らかであろう。したがって、これらの実施例は開示された実施例に制限されるべきではなく、請求項の精神および範囲によってのみ制限されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】この発明の方法を示すブロック図である。
【図２】タンデムＴＯＦ−ＴＯＦ質量分析計の動作のタイミング図である。
【図３】新規のインラインＴＯＦ１の概略図である。
【図４】新規のＷ型のＴＯＦ１の概略図である。
【図５】真空パルスＭＡＬＤＩイオン供給源の概略図である。
【図６】衝突減衰を用いたパルスＭＡＬＤＩイオン供給源の概略図である。
【図７】パルス蓄積四重極を備えた連続イオン供給源の概略図である。
【図８】ＣＩＤセルの概略図である。
【図９】ＳＩＤセルの概略図である。
【図１０】直交ＴＯＦ２の概略図である。
【図１１】同軸のＴＯＦ２の概略図である。
【図１２】インラインＴＯＦ１およびＣＩＤセルを備えたＴＯＦ−ＴＯＦの概略図である。
【図１３】Ｗ型のＴＯＦ１およびＳＩＤセルを備えたＴＯＦ−ＴＯＦの概略図である。
【図１４】静的な同軸のＴＯＦ１を備えたＴＯＦ−ＴＯＦの概略図である。
【図１５】平面の静電マルチパスＴＯＦ１の概略図である。
【図１６】円筒形の静電マルチパルスＴＯＦ１の概略図である。
【国際調査報告】
2005538346.tif 000024
2005538346.tif 000025