(57)【要約】  装置サイズの対応する増加を強制することのない、向上した質量分解能を有する飛行時間質量分析装置について開示している。分析装置は、分析されるべきイオンを発生するイオナイザを有する。それらのイオン背恩飛行経路に導かれ、それらのイオンの少なくとも一部は直線状の軸に方向合わせされる。直線状の軸と方向合わせされたイオン経路の一部は、その直線状の軸の周りの非直線状の等電位電界線を有する実質的に静電界を有する領域を有する。イオンは、直線状の軸に沿って方向付けられた速度成分を有する実質的な静電界に入るか又は、一旦、イオンがその実質的な静電界にトラップされると、イオンに与えられるそのような速度成分を有するかのどちらかである。直線状の速度成分及び非直線状の電界の組み合わされた効果の結果として、イオンは、直線状の軸の方向に同時に移動するため、直線状の軸の周りを多重に周るようになる。従って、イオンがその軸に沿って直線状にのみ移動する飛行経路に比べて、非常に長い飛行経路に沿って移動する。一実施形態においては、直線状の軸の周りの等電位の電界線に沿って及び直線状の軸の方向へのイオンの同時の動きは、実質的に螺旋状のイオンの軌跡を規定する。これは、略同じであるが異なるｍ／ｚを有するイオンが同時に分離される長い距離を与え、それにより、高分解能を有する装置を提供することができる。
2007509356.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
飛行時間型質量分析装置であって：
分析されるサンプル物質のイオンを供給するように適合されたイオナイザ；
前記イオナイザから供給されるイオンを受け入れるフライトチューブであって、一般静電界を用いて実質的に螺旋状のイオン飛行経路に前記イオンを制限するように適合されている、フライトチューブ；
前記フライトチューブを出るイオンを検出するように備えられているイオン検出器；及び
少なくとも前記実質的に螺旋状イオン経路を有するイオン経路に沿って前記イオンの前記飛行時間を決定するように適合されている少なくとも１つのタイマー；
を有することを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
【請求項２】
請求項１に記載の飛行時間型質量分析装置であって、前記イオナイザは前記フライトチューブと統合されている、ことを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
【請求項３】
請求項１に記載の飛行時間型質量分析装置であって、前記実質的に螺旋状イオン経路は直線状の軸により規定され、前記イオンは前記直線状の軸の方向に速度成分を有して前記フライトチューブに供給される、ことを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
【請求項４】
請求項１に記載の飛行時間型質量分析装置であって、前記実質的に螺旋状イオン経路は直線状の軸により規定され、前記イオンは前記直線状の軸の方向に無視できる速度成分を有して前記フライトチューブに供給され、前記イオンは初期的に、前記フライトチューブの入力部に近接する領域において回転運動をし続ける、ことを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
【請求項５】
請求項４に記載の飛行時間型質量分析装置であって：
前記イオンに前記直線状の軸に沿った方向に速度成分を与える電界を発生させ、それにより、前記イオンは前記フライトチューブの入力部に近接する前記領域から遠ざかるように移動するために用いられるように備えられている電極；
を更に有する、ことを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
【請求項６】
請求項１に記載の飛行時間型質量分析装置であって、前記フライトチューブは：
イオン入口を有する入口部であって、実質的に電界が存在しない、入口部；及び
実質的な静電界を有するイオン偏向部であって、前記実質的に螺旋状のイオン飛行経路に沿って前記入口部から受け入れられるイオンを方向付けるように適合されている、イオン偏向部；
を更に有する、ことを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
【請求項７】
請求項６に記載の飛行時間型質量分析装置であって：
前記イオン偏向部において第１一般静電界を発生させるように前記フライトチューブに接続されている少なくとも１つの電源であって、前記電源は更に、前記入口部に実質的に電界が存在しない少なくとも第１状態と、第２一般静電界が前記入口部に発生している第２状態との間で交互に動作する、電源；
を更に有することを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
【請求項８】
請求項７に記載の飛行時間型質量分析装置であって、前記第１及び第２一般静電界は実質的に同じ大きさを有する、ことを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
【請求項９】
請求項１に記載の飛行時間型質量分析装置であって、前記フライトチューブは：
内側部分に面する一般円筒状電極面を有する第１電極であって、側面を貫通して備えられているイオン入口を更に有する、第１電極
外側部分に面する一般円筒状電極面を有する第２電極であって、前記第２電極は前記第１電極と同心円状に備えられ、前記第２電極は、イオン入口を構成する領域において前記電極面のアーチ状部分に沿った開口を更に有する、第２電極；及び
外側部分に面するアーチ状電極面を有する第３電極であって、前記第２円筒状電極の前記アーチ状開口において備えられている、第３電極；
を更に有することを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の飛行時間型質量分析装置であって：
前記第１、第２及び第３電極に接続されている少なくとも１つの電源であって、前記電源は、前記第１及び第２電極間に第１一般静電界を発生させるように動作し、前記電源は更に、前記イオン入口に近接する前記第１及び第３電極間の領域に一般に電界が存在しない少なくとも第１状態と、第２一般静電界が前記第１電極と前記第２及び第３電極との間の領域において発生した第２状態との間で交互に動作する、電源；
を更に有する、ことを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の飛行時間型質量分析装置であって、前記第１及び第２一般静電界は実質的に同じ大きさを有する、ことを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
【請求項１２】
請求項１０に記載の飛行時間型質量分析装置であって、前記イオンは所定の運動エネルギーで前記フライトチューブに供給される、ことを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の飛行時間型質量分析装置であって、前記第１一般静電界の大きさは、前記実質的に螺旋状のイオン飛行経路に沿った安定な軌跡に前記イオンを案内するように前記所定の運動エネルギーに基づいて選択される、ことを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の飛行時間型質量分析装置であって、前記第１及び第２一般静電界は実質的に同じ大きさを有する、ことを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
【請求項１５】
飛行時間型質量分析装置で用いられるフライトチューブ構成であって：
内側部分に面する一般円筒状電極面を有する第１電極であって、側面を貫通して備えられているイオン入口を更に有する、第１電極
外側部分に面する一般円筒状電極面を有する第２電極であって、前記第２電極は前記第１電極と同心円状に備えられ、前記第２電極は、少なくとも前記イオン入口に近接する領域において前記電極面のアーチ状部分を貫通した開口を更に有する、第２電極； 
外側部分に面するアーチ状電極面を有する第３電極であって、前記第２円筒状電極の前記アーチ状開口において備えられている、第３電極；及び
前記第１、第２及び第３電極に接続されている少なくとも１つの電源であって、前記電源は、前記第１及び第２電極間に第１一般静電界を発生させるように動作し、前記電源は更に、前記イオン入口に近接する前記第１及び第３電極間の領域に一般に電界が存在しない少なくとも第１状態と、一般静電界が前記第１電極と前記第２及び第３電極との間の領域において発生した第２状態との間で交互に動作する、電源；
を有することを特徴とするフライトチューブ構成。
【請求項１６】
飛行時間型質量分析装置で用いられるフライトチューブであって：
実質的に電界が存在しない領域に受け入れられるイオンを導くように備えられている入口部；及び
実質的な静電界を有するイオン検出部であって、前記イオン検出部は、前記実質的な静電界により規定される一般螺旋状イオン飛行経路に沿って前記入口部から受け入れられるイオンを導くように備えられている、イオン検出部；
を有することを特徴とするフライトチューブ構成。
【請求項１７】
飛行時間型質量分析装置においてイオンの経路を決める方法であって：
イオン飛行経路に前記イオンを導く段階であって、前記イオン飛行経路の少なくとも一部は直線状の軸により規定されている、段階；
実質的な静電界を有する前記イオン飛行経路の領域に前記イオン飛行経路に導かれたイオンを方向付ける段階であって、前記実質的な静電界は前記直線状の軸を取り囲む非直線状等電位電界線を有する、段階；及び
前記直線状の軸に沿った速度成分を有する前記イオンを供給する段階であって、前記イオンは、前記イオンが前記直線状の軸の方向に更に進むとき、前記非直線状等電位電界線により規定される経路に沿って多重周囲飛行する、段階；
を有することを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の方法であって、前記イオンは、前記直線状の軸に沿った前記速度成分を与えられるとき、実質的螺旋状イオン飛行経路に沿って進む、ことを特徴とする方法。
【請求項１９】
飛行時間型質量分析装置であって：
分析されるサンプル物質のイオンを生成するように適合されているイオナイザ；
直線状の軸により規定される少なくとも１つの直線状部分を有するフライトチューブであって、前記フライトチューブは更に、前記イオナイザにより生成されるイオンを受け入れる入力領域を有し、前記フライトチューブは、前記直線状の軸を取り囲む非直線状等電位電界線を有する実質的な静電界内に前記イオンを制限するように適合されている、フライトチューブ；
前記実質的な静電界の前記等電位電界線に対する接線方向の角度に前記フライトチューブの前記入力領域に供給される前記イオンであって、それにより、前記フライトチューブの前記入力領域内に前記イオンを初期的にトラップされる、前記イオン；
前記イオンに前記直線状の軸に沿った速度成分を与える電界の発生で用いるように備えられている電極であって、それにより、前記イオンは前記フライトチューブの前記入力領域から遠ざかる方に移動する、電極；
前記フライトチューブを出るイオンを検出するように備えられているイオン検出器；及び
少なくとも前記フライトチューブを有するイオン経路に沿って前記イオンの飛行時間を決定するように備えられている少なくとも１つのタイマー；
を有することを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
【請求項２０】
請求項１９に記載の飛行時間型質量分析装置であって、前記イオナイザは前記フライトチューブと統合されている、ことを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
【請求項２１】
請求項１９に記載の飛行時間型質量分析装置であって、前記イオンは、前記イオンが前記直線状の軸の方向に更に進むとき、前記非直線状等電位電界線により規定される経路に沿って多重周囲飛行する、ことを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
【請求項２２】
請求項２１に記載の飛行時間型質量分析装置であって、前記イオンは実質的に螺旋状のイオン飛行経路に沿って進む、ことを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、質量分析に関する。本発明は、特に、改善された質量分解能を有する飛行時間型質量分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
質量分析方法の特徴は、種々の分析方法の中で質量分析方法を傑出した位置に引き上げた。その質量分析方法は優れた感度及び検出限界を有し、広範なアプリケーション、例えば、原子物理学、反応物理学、反応動力学、地球年代学、生物医学、イオン−分子反応及び熱力学パラメータ（ΔＧ°ｆ、Ｋａ等）の決定等において用いられる。質量分析技術は、それ故、その有用性が益々広く認識されるようになってきたため、非常に速く進展し始めている。この質量分析方法は全く新しい装置及び用途の開発に結び付いている。
【０００３】
種々の種類の質量分析装置が種々の要求に適合することが認識されてきていて、各々の種類の質量分析装置はそれぞれ特有の長所及び短所を有する。既存の及び新しく開拓されたアプリケーションの広い範囲に亘って有用であることが認識されてきた質量分析装置の１つは飛行時間型質量分析装置である。飛行時間型（ＴＯＦ）質量分析方法は、ＤＮＡ及びタンパク質分析を含む種々の研究分野において、高分子量化合物の分析のために日常的に使用されている。飛行時間型装置は、通常、その技術の性質のために、大きく、高価であるが、結果を得るためにｍ／ｚ領域を通して走査する必要がないため、分析時間は、典型的には短い。複数のアナライトが、典型的には、同時に分析され、それらアナライトの速度により区別され、その速度は検出器までの飛行時間を決定する。
【０００４】
図１は、飛行時間型質量分析装置２０の基本的な構成要素を示している。作動中、飛行時間型質量分析装置２０は、イオンがイオン飛行経路に沿って距離Ｌを移動するのに要する時間を測定することにより機能する。典型的には、この距離は、イオン源５近傍の位置からイオン検出器３０間でイオンが移動する飛行経路の長さに対応する。全てのイオンは、同じ電界で加速され、それ故、初期速度は、それらのイオンの質量／電荷比（ｍ／ｚ）に正比例する。小さいｍ／ｚ値を有するイオンは、大きいｍ／ｚ値を有するイオンより大きい速度を有し、より速く検出器３０に到達する。次式はこの関係を表し、簡単な時間−距離の関係を表し、
（式１）ｔｏｆ＝Ｌ／ｖａ＝Ｌ／［２ｚＱＶ／ｍ］１／２
ここで、ｔｏｆは飛行時間、Ｌはイオン飛行経路においてイオンが移動する測定距離、ｖａは加速後のイオンの速度、ｍは質量、ｚは分子の電荷の数、Ｑは電荷の大きさ及びＶは加速電位である。
【０００５】
特に、飛行時間型質量分析装置は、測定される飛行時間値が意味を有する必要がある場合にイオンは長い飛行経路を有する必要があるため、非常に大きいものとなる。ｍ／ｚの僅かな差のイオンの分解能を有することを確実にするには、１乃至２ｍのオーダーの飛行経路の長さが必要である。１０００ｍ／ｚの範囲内にあるイオンについての典型的な条件下での飛行時間は約７０ｍｓｅｃであり、最大分解能における飛行時間差はナノ秒のオーダーである。
【０００６】
飛行時間に影響を与える幾つかの因子には、イオンのｍ／ｚはもとより、初期のイオン化条件及び加速条件がある。大きいエネルギーが用いられる場合又は大きい加速が適用される場合、飛行時間は短く、同じようなｍ／ｚのイオン間の飛行時間における差は僅かである。しかしながら、イオンにそのような高レベルのエネルギーを与える負の効果にも拘わらず、同じイオンの初期状態（即ち、運動エネルギーの広がり）における差が最小であるように、高加速電位（〜３０ｋＶ以下）を分析される必要があるイオンを与えることがしばしば必要である。再び、図１を参照するに、一部の飛行時間質量分析装置は、同じｍ／ｚを有するイオンの初期の運動エネルギーにおけるそのような偏差を補償するために反射部３５を備えることが可能である。
【０００７】
飛行時間質量分析装置の使用が増加するにつれて、それ故、それらの装置に質量感度及び分解能の向上を課す要求が更に大きくなる。特に、妥当なサイズの装置を用いる場合の飛行経路に沿ったイオンの飛行時間は短いため、同じようなｍ／ｚの成分を区別することは困難であり、従って、それらの装置には、たった数百のオーダーの比較的小さい分解能が一般的である。分解能は飛行経路Ｌを長くすることにより向上され、それ故、僅かに異なる速度において移動する同じようなサイズの分子が分離される。飛行経路Ｌを長くすることは、しかしながら、従来、分析装置２０の寸法Ｄを増加させることにより達成され、それにより、実質的に大きい装置に繋がっている。それ故、飛行時間質量分析装置に対する開発の傾向は、非常に特定の構成要素を必要とする大きく、非常に複雑なデザイン及び厳しい製造の許容範囲の方向に向けられてきた。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
装置サイズの対応する増加を強制することのない、改善された質量分解能を有する飛行時間質量分析装置について開示している。分析装置は、分析されるべきイオンを発生するイオナイザを有する。それらのイオンはイオン飛行経路に導かれ、それらのイオンの少なくとも一部は直線状の軸に方向合わせされる。直線状の軸と方向合わせされたイオン経路の一部は、その直線状の軸の周りの非直線状の等電位電界線を有する実質的に静電界を有する領域を有する。イオンは、直線状の軸に沿って方向付けられた速度成分を有する実質的な静電界に入るか又は、一旦、イオンがその実質的な静電界にトラップされると、イオンに与えられるそのような速度成分を有するかのどちらかである。直線状の速度成分及び非直線状の電界の組み合わされた効果の結果として、イオンは、直線状の軸の方向に同時に移動するため、直線状の軸の周りを多重に周るようになる。従って、イオンがその軸に沿って直線状にのみ移動する飛行経路に比べて、非常に長い飛行経路に沿って移動する。一実施形態においては、直線状の軸の周りの等電位の電界線に沿って及び直線状の軸の方向へのイオンの同時の動きは、実質的に螺旋状のイオンの軌跡を規定する。これは、略同じであるが異なるｍ／ｚを有するイオンが同時に分離される長い距離を与え、それにより、高分解能を有する装置を提供することができる。
【０００９】
分析装置の一実施形態に従って、イオン飛行経路の直線状の部分は、フライトチューブであって、実質的に電界がない領域にそれを通って受け入れられるイオンを方向付けるように適合された導入孔部を有する、フライトチューブと、上記のような実質的な静電界を有するイオン偏向部とを有する。イオン偏向部は、実質的な静電界の等電位電界線により、少なくとも一部で、規定される一般に螺旋状のイオン飛行経路に沿って導入孔部から受け入れられるイオンを方向付けるように適合されている。
【００１０】
フライトチューブは、特異な関係を有する、第１電極、第２電極及び第３電極を有することが可能である。第１電極は、フライトチューブの内側部分に面している一般に円筒形の電極面と、側面を貫通して配置されているイオン状の電極面を有する。好適には、第２電極は、第１電極と同心円状に配置されている。更に、第２電極は、その電極面に沿ってアーチ状の開口を有する。そのアーチ状の開口は、少なくともイオン導入孔近傍の領域に位置している。最後に、第３電極は、フライトチューブの外側部分に面しているアーチ状の電極面を有する。第３電極は、第２の円筒状電極のアーチ状開口内に配置されている。
【００１１】
少なくとも１つの電源が、第１、第２及び第３電極に接続されている。その電源は、第１及び第２電極間の第１一般静電界を発生させるように動作し、イオン導入孔近傍の第１及び第３電極間の領域は一般に電界が存在しない少なくとも第１状態と、第２一般静電界は第１電極、第２電極及び第３電極の間の領域において発生される第２状態との間で交互に動作する。好適には、第１及び第２一般静電界は実質的に同じ大きさを有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の一実施形態に従って構成された飛行時間型質量分析装置の基本的な構成要素が、ブロック図の形で図２に示している。その図に示しているように、分析装置５０は、サンプル源ユニット５５と、イオナイザ／イオン注入器６０と、イオンフライトチューブ６５を有するイオン飛行経路と、イオン検出器７０とを有する。用語“チューブ”は模式的なブロック６５との関連において用いているが、その用語は、簡単化のために用いているものであり、特定の形状に対応する構造を有することを意図しているものではない。むしろ、その用語は、下で説明する種類の飛行経路にイオンを含むように用いられる種々の要素の形状の全てを包含するように意図されている。
【００１３】
質量分析装置５０の構成要素は、１つ又はそれ以上のプログラマブル制御システム７５により自動化されることが可能である。このために、プログラマブル制御システム７５は、１つ又はそれ以上の次の自動化タスクを実行するために用いられることが可能である。
ａ）イオナイザ／イオン注入器６０の構成要素の１つ又はそれ以上のイオン化及びイオン注入パラメータ（即ち、イオンビームフォーカシング、イオンフライトチューブ６５に対するイオンビーム入射角度、イオン注入のタイミング、イオン化エネルギー、イオン出射速度等）の制御。
ｂ）イオンフライトチューブ６５に含まれるイオン飛行経路における電界パラメータの制御。
ｃ）イオンフライトチューブ６０を通るイオンの飛行時間の測定。
ｄ）ユーザへの提示並びに／若しくは続くデータ処理及び／又は分析のための質量分析器５０から受け取られるデータの分析。
【００１４】
上記の自動化タスクの１つ又はそれ以上を実行するために用いられるパラメータを、例えば、ユーザインターフェース８０を介して人間のオペレータが制御システム７５に入力することが可能である。更に、ユーザインターフェース８０は、システムをモニタリングする目的で又は他の目的で人間のオペレータに対して情報を表示するように使用されることが可能である。従って、ユーザインターフェース８０は、キーボード、ディスプレイ、スイッチ、ランプ、タッチディスプレイ、プリンタ又は何れのそれらのアイテムの組み合わせを有することが可能である。
【００１５】
図２を参照するに、分析されるべき材料が、サンプル源ユニット５５により分析器５０に供給される。サンプル源ユニット５５は、単一のサンプル出口又は複数のサンプル出口を有する（単一のサンプル出口を実施形態の図に示している）ことが可能である。更に、サンプル源ユニット５５は、単一の材料の種類又は複数の連続的な材料の種類を供給するように構成されることが可能である。
【００１６】
サンプル源ユニット５５からのサンプル材料はイオナイザ／イオン注入器６０の入口に供給される。サンプル源ユニット５５は、幾つかの方法でイオナイザ／イオン注入器６０にサンプル材料（アナライトを含む）を導くことができ、最も一般的には、直接挿入プローブを用いる又はキャピラリカラムによる導入による。イオナイザ／イオン注入器６０は、それ故、サンプルがサンプル源ユニット５５の出口においてどのような形を取ろうが、直接に接続されるように適合されることが可能である。例えば、イオナイザ／イオン注入器６０は、ガスクロマトグラフ装置の出力、液体クロマトグラフ装置及び／又はキャピラリ電気泳動装置と直接、接続するように適合される。サンプル源ユニット５５がサンプル材料をイオナイザ／イオン注入器６０に供給する時点に先立つ何れのサンプル材料の処理は、特定の分析要求に依存することは理解されるであろう。
【００１７】
サンプル源５５からサンプルを受け入れるとき、イオナイザ／イオン注入器６０は、受け入れるサンプルに含まれるアナライトの分子をイオン化するように及びイオンフライトチューブ６５に直接的に又は間接的にイオン化アナライト分子を注入するように機能する。短く、正確に規定されたイオン化時間及び狭いイオン化範囲を与えるパルス化されたイオン化技術が好ましいが、そのイオン化及び注入は多くの技術の何れを用いて達成される。例えば、凝縮相から気相へのサンプル材料の変換及びイオン化を可能にする一方法は、マトリクス支援レーザ脱離／イオン化（ＭＡＬＤＩ）として知られている。他の技術は、高速原子／イオン衝撃法（ＦＡＢ）であり、サンプル源ユニット５５から受け入れられるサンプル及びマトリクスをスパッタリングするように、Ｘｅ原子、Ｃｓ＋イオン又は大きいグリセロール−ＮＨ４クラスタの高エネルギービームを用いる。そのマトリクスは、典型的には、サンプルが溶解する不揮発性溶剤である。イオナイザ／イオン注入器６０を、図２に模式的に１つのブロックで示しているが、それは、１つのユニット、統合されたユニット又は２つ又はそれ以上の別個のユニットにより実行されることが可能である。
【００１８】
イオナイザ／イオン注入器６０により実行される他の技術はエレクトロスプレーイオン化法である。その技術は、典型的には、連続的なイオンの発生により支援されるが、離散的なイオンパケットをイオンフライトチューブに与えることにより修正される必要がある。それを行う一方法について図３に示す。その図に示すように、エレクトロスプレー発生器８５からのイオンは、低電位レンズ９５によりイオントラッピング装置９０に運ばれ、減速電界によりそこに蓄積される。それらのイオンは、次いで、トラッピング装置９０から排出され、イオンフライトチューブ６５に入れられる。例えば、これは、トラッピング装置９０の出口に配置された電極に１ｋＨｚ程度の高さの周波数で繰り返される１μｓｅｃのパルスを適用することにより行われる。
【００１９】
イオンフライトチューブ６５に対する入口は、一般に、トラッピング装置９０を出る異音ビームの方向に対して垂直である又はそれに対して僅かな角度を有する。このような方向付けは、フライトチューブの入口の方向における運動エネルギーの分散を低減するように支援する。下で更に詳細に説明するように、イオンフライトチューブ６５自体は、検出器７０の方にトラップ領域からイオンの遅延引き出しを容易にするイオントラップとして機能するようにする。この後者の構成は、別個のトラップ装置９０の必要性をなくし、並びに／若しくは、そのようなトラップの機能を補完する。
【００２０】
図３は又、質量分析器５０の幾つかの他の要素を示している。特に、図３は、制御システム７５の一実施例を詳細に示している。この実施形態においては、種々のシステムの機能及び構成要素の全ては、好適には、コンピュータ９７により制御される又はコンピュータ内で実行される。一般的に言って、イオナイザ／イオン注入器６０を制御する要素は、レンズ制御回路１００と、インパルス発生器１０５と、クロック回路１１０とを有する。レンズ制御回路１００及びインパルス発生器１０５は、イオンフライトチューブ６５へのイオンの注入に関連するパラメータを制御する。レンズ制御回路１００及びインパルス発生器１０５は、クロック１１０により与えられルタイミング信号に応じて電界を発生させる。更に、開始信号が、イオンのパケットがイオン飛行経路中に注入されたことを示すように、インパルス発生器１０５により生成されることが可能である。開始信号１１５は、検出器７０のイオン飛行経路に沿って移動するようにイオンのパケットのために要する時間が決定される測定シーケンスを開始するように用いられる。検出器７０は、イオン衝撃に感応し、イオンがフライトチューブ６５の出口端を出たことを示す、対応する停止信号１２０を供給するように用いられる。開始信号１１５及び停止信号１２０の両者が、イオン飛行経路を通ってイオンの飛行時間を真に示すそれらの信号を支持して、不所望の信号をマスキングするように支援する判別器及びインパルス計数回路１２５に供給される。
【００２１】
図３に示すように、イオン飛行経路の少なくとも一部は直線状の軸１３０と方向合わせされる。図示している実施形態においては、その軸はイオンフライトチューブ６５の長手方向に沿って延びている。イオンフライトチューブ６５においては、実質的に静電界を有する領域が存在する。その実質的な静電界は、直線状の軸１３０を取り囲む非直線状の等電位電界線を有する。それらの非直線状の等電位電界線は、一般に、参照番号１３５で示され、図３に示すフライトチューブ６５の二次元表現内に及びそれから効果的に延びている。直線状の軸１３０の周りのイオンの動きは、一般に、非直線状の等電位線１３５に沿った静電界により制限される。
【００２２】
イオンフライトチューブ６５を機能させる第１方法に従って、イオンは、直線状の軸１３０に沿った方向に無視できない速度成分を伴って、イオナイザ／イオン注入器６０からの実質的な静電界に入ることが仮定される。一般に、イオンフライトチューブ６５を通るイオンの経路は、それ故、軸１３０の周りの等電位電界線の分布（形状及び強度）と軸１３０に沿ったイオンの速度成分とにより決定される。それらのパラメータは、イオンが直線状の軸１３０に沿った方向にイオンフライトチューブ６５を通って進む一方、イオンがフライトチューブの入口からフライトチューブの出口に進むにつれて、軸１３０の周りを多重に回るようにするために静電界により同時に制限されるように、選択される。軸１３０の周りを多重に回るようにすることにより、イオンはその軸に沿った方向に同時に移動するため、イオンは、フライトチューブ６５を通って単に直線状に進む移動を有する飛行経路に比べて、非常に長い飛行経路を通って進む。
【００２３】
イオンフライトチューブ６５はその境界内に、イオン飛行経路全部を含むことが可能であり、又、代替として、全部のイオン飛行経路の一部のみを有することが可能である。例えば、図３のイオンフライトチューブ６５は、イオナイザ／イオン注入器６０から出射されたイオンによりとられるイオン飛行経路全部を実質的に有することが可能である。代替として、上記のイオンフライトチューブのようなイオンフライトチューブは、図１に示すイオン飛行経路のようなイオン飛行経路の一部のみに沿って位置付けられることが可能である。従って、イオンの飛行時間を測定するために用いられるイオン飛行経路は、イオンがイオンフライトチューブ６５を通ってとる経路より長い又は短いことが可能である。各々の例においては、しかしながら、上記の方式で構成されるフライトチューブ６５は、飛行経路成分の長さにおける対応する増加を必要とすることなく、イオン飛行経路の全体の長さを実質的に増加させることができる。そのようなイオン飛行経路の全体の長さの増加は、質量分析装置の分解能の向上をもたらし、それにより、より小さい寸法のパッケージにおける高品質の装置のデザインを可能にする。
【００２４】
上記の方式で機能するように適合されたイオンフライトチューブ６５の一実施形態について、図４及び５に示している。一般に、イオンフライトチューブ６５は、入口部１４２とイオン偏向部１４４とを有する。イオン入口部１４２は、それ故、実質的に電界が存在しない領域に受け入れられるイオンを方向付けるように適合されている。それとは対照的に、イオン偏向部１４４は、イオン入口部１４２からイオンを受け入れ、実質的な静電界を有する領域にイオンを方向付ける。イオン偏向部１４４内では、イオンは、上記のように軸１３０に沿った方向に同時に移動するとき、その軸１３０の周りを多重に回って進むようになる。
【００２５】
図４及び５に特定の実施形態においては、イオンフライトチューブ６５は、第１電極１４５、第２電極１５０及び第３電極１５５を有する。第１電極１４５は、イオンフライトチューブの内側部分を向いた一般に円筒状の電極面と、側面を貫通するように配置されたイオン導入孔１６０とを有する。
【００２６】
第２電極１５０は、第１電極１４５と第２電極１５０との間の領域１５３において電界が発生するように、第１電極１４５の内側にそれと同心円状に配置され、一般に、イオンフライトチューブの外側部分を向いた円筒状電極面を有する。第２電極１５０は、更に、その電極面のアーク状部分を貫通する開口１６５を有する。デザインの要求に従って、アーク状の開口１６５は、イオン導入孔１６０近傍領域のみに限定されることが可能である、又は、第２電極１５０の長さ方向の一部に実質的に沿って延びていることが可能である。
【００２７】
第３電極１５５は、第２電極１５０のアーチ状の開口１６５内に備えられている。第３電極１５５は、第３電極１５５及び第１電極１４５の間の隙間領域１５７における電界の選択的発生を可能にするように備えられている、外側部分に向いたアーチ状の電極面を有する。好適には、第３電極１５５は、第２電極１５０を有する一般に連続的な円筒状電極を構成するように成形されている。そのような連続性は、第１電極１４５と、第２電極１５０及び第３電極１５５の組み合わされた構造との間の隙間領域全体における実質的に均一な電界の選択的生成を容易にする。
【００２８】
第１、第２及び第３電極は種々の方式で構成されることが可能である。例えば、それらの電極は、単一の導電材料又は異なる導電材料の複数層から形成される純粋に導電性部材として構成されることが可能である。それらは又、誘電体の面に挟まれた導電材料、誘電体の面に亘って備えられた導電材料等から構成されることが可能である。何れのそのようなデザインの主な目的は、隙間領域における所望の電界を生成する必要があることである。それ故、本発明の目的のために、電極“面”は、質量分析器２０のデザイン基準に従って、露出される又は覆われる。
【００２９】
少なくとも１つの電源が、フライトチューブ６５の動作のために必要な電界を発生させるために必要な電力を供給するように、第１電極１４５，第２電極１５０及び第３電極１５５に接続される。ここで示す特定の実施形態に関しては、電源回路１７０は、第１及び第２電極間に一般静電界を発生させるように動作される一方、イオンが直線状の軸１３０の方向に及びその軸の周りの隙間領域１５３内を移動する。電源回路１７０は又、第１電極と第３電極との間の隙間領域１５７に一般に電界が存在しない少なくとも第１状態と、第１電極と第３電極との間の隙間領域１５７に一般に静電界が発生されている第２状態との間で切り換えられる。
【００３０】
フライトチューブ６５の動作については、図６乃至１０を参照して理解することができる。図６に示すように、イオンは、所定の角度θでイオン導入孔１６０を通して供給される。この実施形態の角度θはｘｚ面内にあるように示されていて、ｘ軸に対して測定されている。それ故、イオン導入孔１６０に入るイオンはｚ方向に速度成分を有し、そのｚ方向は直線状の軸１３０の方向と一致している。
【００３１】
図７乃至１０は、イオナイザ／イオン注入器６０からのイオンがどのようにフライトチューブ６５に挿入され且つ安定な軌跡を得るかについて示している。このために、第１電極１４５は、イオナイザ／イオン注入器６０からのイオンがフライトチューブ６５の内部の電界により最初に影響されないように、接地電位に保たれ、シールドとして機能する。負のＤＣ電圧が電源１７０により生成され、隙間領域１５３において一般静電界を発生させるように第２電極に印加される。
【００３２】
イオンは、第１電極１４５と第２電極１５０との間の領域１５３の略中間にある電界の中央に位置付けられる必要がある、又は、イオンは電極壁に衝突する。このようにイオンを方向付けるために、第３電極１５５は、イオン導入孔１６０近傍の領域１５７における電界を制御するように、電源１７０から電力を選択的に供給される。特に、第３電極１５５は、イオンフライトチューブ６５へのイオンの初期導入の間、第１電極１４５と同じ電位に維持される。フライトチューブ６５へ導入されるイオンは、それ故、第１電極１４５と第３電極１５５との電位差はこの時点で存在しないため、領域１５７の電界の存在しないゾーンを最初に移動する。従って、イオンは、それらの最初の直線状の経路からそれていない。この直線状の経路にあるとき、イオンは、第１電極１４５と第２電極１５０との中間の領域に導かれる。第１電極１４５と第２電極１５０との間に発生した電界の等電位電界線及び領域１５７に存在する電界の存在しないゾーンについて、図８に示している。
【００３３】
イオンがフライトチューブ６５中を更に進むにつれて、それらのイオンは、第１電極１４５と第２電極１５０との間に発生した電界中に入っていく。好適には、イオンは、図８に示す電界等電位線に対して無視できる角度（即ち、０°）で挿入され、領域１５７におけるそれらのイオンの挿入時点でのフリンジフィールドにより影響されない。領域１５３の電界への導入後、イオンは、それ故、図６の参照番号１７５で示して飛行パターンのような螺旋状パターンで飛行するように、軸１３０の方向への且つその軸の周りにおける安定な軌跡を得る。このような螺旋状軌跡に沿ったイオンの最大の安定性を確保するために、電源１７０は、イオンが軸１３０の周りの全周囲飛行サイクルを完了し、再び領域１５７に達する前に、第３電極１５５の電位を第２電極１５０と同じ電位にする。これについては図９に示され、図９は、領域１５３及び１５７の間でイオンは安定状態にあることを示している。このように、イオンは、フライトチューブ６５を通るそれらの飛行の残りの部分の間に、実質的に静電界且つ一様な電界に従って移動する。フライトチューブ６５の第２状態にある電界により生成される等電位電界線について図９に示す。
【００３４】
イオンをそのような螺旋状軌跡にあるようにすることにより、非常に長い飛行距離が適度のサイズの装置により達成される。例えば、図４乃至１０の同心円状電極において、長さ約１００ｍｍ及び直径約２０ｍｍのフライトチューブを用いることにより、約７ｍの飛行距離が現実に得られる。これは、従来の飛行時間型装置に比べて、非常に空間の節約ができることを示している。この特定の構成を用いることにより、飛行距離は、軸１３０の周りの軌道数を２倍にする毎に、２倍になる。
【００３５】
入射角度θは、軌道数を、そして最終的には、フライトチューブを通る飛行時間を決定する。この関係は次式のように表され、
（式２）ｔｏｆ＝Ｌ／［ｖａｓｉｎθ］＝Ｌ／［（２ｚＱＶ／ｍ）１／２ｓｉｎθ］
ここで、ｔｏｆは飛行時間、Ｌはフライトチューブの長さ、ｖａは加速後の速度、ｍは質量、ｚは分子の電荷の数、Ｑは電荷の大きさ、Ｖは加速電位及びθはイオン入射角度である。上記のように、角度θはｘｚ平面におけるｘ軸に関するものである。
【００３６】
式２から理解できるように、飛行時間はフライチューブの長さに比例し、入射角度θに反比例する。長い飛行時間は、それ故、非常に小さい空間を用いて達成される。これは、同じようなｍ／ｚの種の間の時間分離が飛行経路の長さと共に向上するため、類似し、関連する種の異なるｍ／ｚの測定において正確度の向上をもたらす。このような構成は又、イオン飛行経路の距離がフライトチューブ６５の電極間の隙間領域の直径に依存しないようにする。より大きい直径のフライトチューブ６５においては、イオン周囲飛行軸１３０は、より小さいフライトチューブにおけるより時間が短くなるが、実際の移動距離は等しい。
【００３７】
フライトチューブ６５の動作の代替のモードにおいては、イオンは最初に導入され、入射角度はθ＝０°である。それ故、イオンは、直線状の軸１３０に沿った無視できる速度成分を有するイオン導入孔１６０に近接する実質的な静電界においてトラップされる。イオンは、所定の基準に、例えば、所定時間の期間の経過に適合されるまで、この領域で円運動するように維持されることが可能である。一旦、所定の基準に適合すると、直線状の軸１３０に沿った速度成分は、上記の対応する方法と同じ多重の周囲飛行を行っている間に直線状の軸に沿ってイオンが移動するように、イオンに対して与えられることが可能である。この速度成分は、直線状の軸１３０の方向に沿って隙間領域１５３において電界を生成するように備えられている第４電極（図示せず）を使用することにより与えられる。
【００３８】
図４乃至１０のイオンフライトチューブを有する飛行時間質量分析器の実施形態の動作パラメータは、装置の既知のパラメータに基づいて決定される。決定される必要がある最も重要な動作パラメータの１つは、電極間の隙間領域又は“ギャップ”における安定な軌跡にイオンを案内するように、（システムのデザインに基づく既知の寸法の）電極に印加されるべき電圧の大きさである。このために、幾つかの動作パラメータの量が既知であり、それらの幾つかは計算される必要がある。そのような分析器における既知のパラメータの例としては、以下のものがある。
イオン質量：ｍ＝１０００ａ．ｍ．ｕ＝１．６６ｘ１０−２７ｋｇ／ａ．ｍ．ｕ＝１．６６ｘ１０−２４ｋｇ
電荷の大きさ：Ｑ＝１．６ｘ１０−１９クーロン／電荷
電荷数：ｚ＝１
イオン運動エネルギー：２３．２電子ボルト（ｅＶ）
イオン入射速度：ｖａ＝２．１１５ｘ１０３ｍ／ｓｅｃ（加速後）
装置寸法：長さ  １００ｍｍ＝０．１ｍ
外径  １８．５ｍｍ
内径  ３１．２ｍｍ
ギャップ中心の直径  １５．２ｍｍ
電極間ギャップ  ２ｍｍ
安定軌道の半径＝ｒ＝７．６ｍｍ＝７．６ｘ１０−３ｍ（電極間のギャップの中間点の半径）
未知のパラメータは、電極間の安定な螺旋状軌跡にイオンを案内するために必要な加速度と、この加速度を得るために必要な電極電圧とを有する。
【００３９】
先ず、安定な螺旋状軌跡にイオンを案内するために必要な加速度が決定される。このために、ｘ軸に沿った半径ｒにおけるギャップ内のイオンの位置ｘが次式により与えられ、
（式３）  ｘ＝ｒｓｉｎ（θ）
ここで、θはそのギャップの周線における角度位置である。この角度は、イオンの角速度とωとギャップへの入射後の時間ｔとの積としてラジアンで表される。
【００４０】
（式４）  ｘ＝ｒｓｉｎ（ωｔ）
同様に、ｙ軸に沿ったイオンの位置ｙは次式で与えられる。
【００４１】
（式５）  ｙ＝ｒｃｏｓ（ωｔ）
ｘ軸方向及びｙ軸方向の速度は、位置の式の微分をとることにより求められる。ｘ軸方向の速度についての式は、次のようになり、
（式６）  ｖｘ＝［ｖａ／ｒ］［ｒｃｏｓ（ωｔ）］＝ｖａｃｏｓ（ωｔ）
ここで、ｖａは、イオンが装置に入射して加速後のイオンの速度である。同様に、ｙ軸方向の速度は次式で与えられる。
【００４２】
（式７）  ｖｙ＝［−ｖａ／ｒ］［ｒｓｉｎ（ωｔ）］＝−ｖａｓｉｎ（ωｔ）
ｘ軸方向及びｙ軸方向の速度についての式の微分をとると、ｘ軸及びｙ軸方向の加速度についての式が得られる。ｘ軸方向の加速度についての式は、それ故、次式のようになる一方、
（式８）  ａｘ＝［ｖ／ｒ］［ｖ（−ｓｉｎ（ωｔ））］＝（−ｖａ２／ｒ）ｓｉｎ（ωｔ）
ｙ軸方向の加速度についての式は次式のようになる
（式９）  ａｙ＝［ｖ／ｒ］［−ｖ（ｃｏｓ（ωｔ））］＝（−ｖａ２／ｒ）ｃｏｓ（ωｔ）
合成加速度ａｃ（ｘ及びｙ方向の加速度）ついての式を求めるために、個々の加速度についての式はそれらそれぞれの方向のベクトルとして加算される必要がある。これは、次のように導き出される。
【００４３】
（式１０）  ａｃ２＝ａｘ２＋ａｙ２  又は
（式１１）  ａｃ＝（ａｘ２＋ａｙ２）１／２＝［（（−ｖａ２／ｒ）ｓｉｎ（ωｔ））２＋（（−ｖａ２／ｒ）ｃｏｓ（ωｔ））２］１／２  又は
（式１２）  ａｃ＝［（ｖａ４／ｒ２）ｓｉｎ２（ωｔ））２＋（ｖａ４／ｒ２）ｃｏｓ２（ωｔ）］１／２  又は
（式１３）  ａｃ＝［（ｖａ４／ｒ２）（ｓｉｎ２（ωｔ）＋ｃｏｓ２（ωｔ））］１／２
ｓｉｎ２（ωｔ）＋ｃｏｓ２（ωｔ）が１である場合、上記式１３は次式のようになる。
【００４４】
（式１４）  ａｃ＝（ｖａ４／ｒ２）１／２  又は
（式１５）  ａｃ＝ｖａ２／ｒ
式１５は、それ故、フライトチューブ６５内の安定な軌跡にイオンを導くために必要な加速度を求めるために用いられる。式１５で計算して、加速度を得るために必要な電界強度Ｅを求めるために、次の一般的な電界強度の式から始めることが可能である。
【００４５】
（式１６）  Ｆ＝ｍａ
電気的な力の項に関して、式１６は次式のように変換され、
（式１７）  ＱＥ＝ｍａ  又は
（式１８）  Ｅ＝ｍａ／Ｑ
ここで、Ｅは電界強度であり、その単位はＶ／ｍである。上記の例示としての既知のパラメータにおいて特定の質量、加速度及び電荷についての値を代入することにより、電界強度の大きさＥについての解が求められる。式１５の加速度についての式を用い、例示としてのパラメータを代入することにより、ａｃの値を、次のように計算することができる。
【００４６】
（式１９）  ａｃ＝ｖａ２／ｒ＝（２．１１５ｘ１０３）２／（７．６ｘ１０−３）＝４．４７３ｘ１０６／７．６ｘ１０−３＝５．８８６ｘ１０８
この実施例において、電極間のギャップが２ｍｍである場合、所望の電界強度の大きさＥを得るために必要な電極電圧Ｖｅは次式により計算される。
【００４７】
（式２１）  Ｖｅ＝（２ｍｍ）（６．１０７Ｖ／ｍｍ）＝１２．２１４Ｖ
幾つかの興味深い観測が、上記式に関連してなされることが可能である。例えば、安定な軌跡にイオンをするために必要な加速度はリングの半径に反比例することは明らかである。電極間ギャップが一定である場合、リングの直径の増加は必要な加速度を減少させ、それ故、電極において必要な電圧を減少させる。例えば、リングの半径が１５．２ｍｍに倍加される場合、次のパラメータが得られる。
【００４８】
（式２２）  ａｃ＝ｖａ２／ｒ＝（２．１１５ｘ１０３）２／（１．５２ｘ１０−２）＝（４．４７３ｘ１０６）／（１．５２ｘ１０−２）＝２．９４３ｘ１０８
即ち、加速度は、半径を２倍にする毎に半分になる。同様に、電界強度は半分になり、又、必要な電界を構築するために必要な電圧も半分になる。従って、オリジナルの実施例の半径の２倍のリングにおいては、２３．２ｅＶの運動エネルギーを有するｍ／ｚ  １０００のイオンは、６．１０７Ｖの電圧を用いて安定な軌跡を得ることができる。
【００４９】
図１１及び１２は、図２の飛行時間型質量分析装置で用いるために適切なフライトチューブ６５の他の実施形態を示している。この実施形態においては、イオナイザ／イオン注入器６０はフライトチューブ６５と統合されている。このために、サンプルのイオン化はフライトチューブ６５の入口部１４２内で起こる。従って、イオンは、先ず電界の存在しない領域を通って進むことなく、電極１４５及び１５０間の隙間領域１５３の電界に直接、進むことができる。
【００５０】
種々のイオン化技術が、フライトチューブ６５と統合されることが可能である。図１１及び１２の実施形態においては、ＭＡＬＤＩ技術が用いられている。この実施例においては、参照番号２００で一般に示されているレーザ発生器が、サンプルプレート２１０におけるフライトチューブ６５に導かれたアナライトをイオン化するように内側電極１５０の開口２０５を通ってレーザビーム２０３を方向付けるように備えられている。サンプルプレート２１０から取り出されるアナライトのイオンは、次いで、好適には、参照番号２１５で一般に示されているイオンビームフォーカシング装置を通過する。フォーカシングされたイオンビームは、イオンが上記の方式でフライトチューブ６５を通過する隙間領域１５３の電界にイオンを直接、供給する。
【００５１】
ＭＡＬＤＩイオン化技術を実行するために用いられる構成要素が、フライトチューブ６５の異なる領域に示されているが、代替の配置が又、可能である。例えば、レーザ発生器２００及びサンプルプレート２１０の両者は、入口部１４２近傍の隙間領域１５３に備えられることが可能である。上記の説明においては、フライトチューブ６５及びイオナイザ／イオン注入器６０の特定の統合は、主にデザインの要求に基づいている。
【００５２】
多くの修正が、本発明の基本的な教示から逸脱することなく、上記のシステムに実行されることが可能である。本発明について、１つ又はそれ以上の特定の実施形態に関して詳述したが、当業者は、同時提出の特許請求の範囲に記載した本発明の範囲及び主旨から逸脱することなく、種々の変形が実行されることが可能であることが理解できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】従来技術の教示に従った飛行時間型質量分析装置を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に従った飛行時間型質量分析装置の一実施形態の模式的    なブロック図である。
【図３】図２に示す分析装置で使用される幾つかの構成要素の一実施形態の模式的な    ブロック図である。
【図４】図２に示す飛行時間型質量分析装置での使用に適するフライトチューブの一    実施形態の構成及び動作を示す図である。
【図５】図２に示す飛行時間型質量分析装置での使用に適するフライトチューブの一    実施形態の構成及び動作を示す図である。
【図６】図２に示す飛行時間型質量分析装置での使用に適するフライトチューブの一    実施形態の構成及び動作を示す図である。
【図７】図２に示す飛行時間型質量分析装置での使用に適するフライトチューブの一    実施形態の構成及び動作を示す図である。
【図８】図２に示す飛行時間型質量分析装置での使用に適するフライトチューブの一    実施形態の構成及び動作を示す図である。
【図９】図２に示す飛行時間型質量分析装置での使用に適するフライトチューブの一    実施形態の構成及び動作を示す図である。
【図１０】図２に示す飛行時間型質量分析装置での使用に適するフライトチューブの    一実施形態の構成及び動作を示す図である。
【図１１】図２に示す飛行時間型質量分析装置での使用に適するフライトチューブの    他の実施形態の構成及び動作を示す図である。
【図１２】図２に示す飛行時間型質量分析装置での使用に適するフライトチューブの    他の実施形態の構成及び動作を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【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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【国際調査報告】
2007509356.tif 000015
2007509356.tif 000016
2007509356.tif 000017