(57)【要約】  本発明は一般に多重反射静電システムに関し、より詳しくは、オービトラップ静電イオントラップにおける、またこれに関する改良に関する。単一の電極を模倣した動作が可能な電極アレイを有する静電イオン捕捉装置を操作する方法が提案され、この方法は、３つまたはそれ以上の電圧であって複数の電極の各電極に印加された場合に、単一の電極に電圧を印加することによって発生する電場に近似した静電捕捉電場を発生させる３つまたはそれ以上の電圧を決定するステップと、決定された３つまたはそれ以上の異なる電圧を各電極に印加するステップとを含む。さらなる改良点は、１つまたは複数の収集された質量スペクトルの強度の異なるピークから複数の特徴を測定して特質を導き出し、測定された特質を使って複数の電極に印加されるべき電圧を改善することにある。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量分析計の捕捉容量内に捕捉されたイオンを分析する方法であって、
（ａ）複数の電極に電圧を印加し、これによって、前記捕捉容量内にイオンのテストセットを捕捉し当該捕捉されたイオンが振動運動をするように捕捉電場を発生させるステップと、
（ｂ）前記捕捉されたイオンから１つまたは複数の質量スペクトルを収集し、前記１つまたは複数の質量スペクトルの強度の異なるピークから複数の特徴を測定して、１つまたは複数の特質を導き出すステップと、
（ｃ）前記１つまたは複数の測定された特質を１つまたは複数の誤差値と比較するステップと、
を含み、
（ｄ）前記１つまたは複数の測定された特質が前記１つまたは複数の誤差値に適合する場合、前記複数の電極に前記電圧を印加して、前記捕捉容量内に被分析イオンのセットを捕捉し、前記捕捉されたイオンが振動運動を起こすようにするステップと、
（ｅ）前記捕捉容量内に捕捉された前記被分析イオンから１つまたは複数の質量スペクトルを収集するステップと、
をさらに含むか、または、
（ｆ）前記１つまたは複数の測定された特質が前記１つまたは複数の誤差値に適合しない場合、前記１つまたは複数の測定された特質を使って、前記複数の電極に印加されるべき前記電圧を改善するステップと、
（ｇ）前記ステップ（ａ）ないし（ｃ）を繰り返すステップと、
をさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
ステップ（ｃ）は、前記強度の異なるピークの１つまたは複数の対応する測定された特質を、１つまたは複数の誤差値と比較して、前記測定された特質の間の広がりが誤差範囲内に入るようにするステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の方法であって、
強度が２，５，１０，２０，１００または５００を超える係数で異なる２つのピークの特徴を測定するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の方法であって、
ステップ（ｂ）は、前記特徴の等時性（isochronicity）を測定するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の方法であって、
ステップ（ｂ）は、ピーク位置、ピーク振幅、ピーク幅、ピーク形状、ピーク解像度、信号対ノイズ、質量精度またはドリフトのうちの２つまたはそれ以上を測定するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項４または５に記載の方法であって、
前記１つまたは複数の特質は、前記１つまたは複数の質量スペクトルの忠実度（fidelity）に関することを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の方法であって、
ステップ（ｆ）を実行して、進化的アルゴリズムにしたがって前記電圧を改善するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の方法であって、
前記複数の電極の少なくとも１つは平板電極のアレイを含み、
前記方法は、前記平板電極アレイに前記電圧を印加するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法であって、
前記平板電極の各々に印加されるべき前記電圧を改善するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１ないし８のいずれかに記載の方法であって、
前記振動する捕捉されたイオンのコヒーレンスの維持を改善する捕捉電場を発生させるように前記電圧を改善するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の方法であって、
前記質量スペクトルは、検出時間中に収集され、
前記方法は、コヒーレンスの損失に伴う位相のドリフトが前記検出時間中に２π未満となるように前記電圧を改善するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載の方法であって、
前記捕捉容量には長さ方向の軸があり、
前記方法は、前記捕捉されたイオンの振動の軸方向成分のコヒーレンスの維持を最適化するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法であって、
前記捕捉容量は、内側電極と、前記内側電極を実質的に取り囲む外側電極との間で画定され、
前記方法は、前記内側および外側の電極に前記電圧を印加するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法であって、
前記内側および外側の電極に前記電圧を印加することにより、超対数的捕捉電場を発生させることを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法であって、
前記内側電極および／または前記外側電極は、前記捕捉容量と接する表面が超対数的電場の等電位面に追従するような形状であり、
前記方法は、前記形状をした内側または外側の電極に電圧を印加し、所望の等電位を発生させるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１４または１５に記載の方法であって、
前記内側電極および／または前記外側電極は、前記捕捉容量の長さ方向の軸に沿って離間した配置で広がった平板電極のアレイを含み、
前記方法は、前記平板電極アレイに前記電圧を印加するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の方法であって、
捕捉容量は表面が超対数的電場に少なくとも略追従するものであり、
前記方法は、
前記平板電極に共通の電圧を印加するステップと、
前記特質を使って各平板電極に印加されるべき前記電圧を改善するステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１６に記載の方法であって、
前記平板電極の縁部は、前記内側または外側の電極の、前記捕捉容量と接する表面を画定し、
前記方法は、電極縁部の地点で前記所望の超対数的電場の電位に一致するように、前記平板電極に前記電圧を印加するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１４ないし１８のいずれかに記載の方法であって、
前記超対数的捕捉電場は、前記捕捉容量の中心に関して対称であることを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１６ないし１８のいずれかに従属する請求項１９に記載の方法であって、
前記平板電極アレイは、前記捕捉容量の中心に関して対称であり、
前記方法は、対称的に配置された平板電極のペアに共通の電圧を印加するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の方法であって、
各リング電極に印加される前記共通の電圧を改善し、対称に配置された平板電極のペアの各々に対して改善された電圧を生成するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２２】
単一の電極を模倣した動作が可能な電極アレイを有する静電イオン捕捉装置を操作する方法であって、
３つまたはそれ以上の異なる電圧であって、複数の電極の各電極に印加された場合に、前記単一の電極に電圧を印加することによって発生する電場に近似した静電捕捉電場を発生させる３つまたはそれ以上の異なる電圧を決定するステップと、
前記決定された３つまたはそれ以上の電圧を前記各電極に印加するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の方法であって、
前記電圧を前記各電極に印加することにより、超対数的捕捉電場を近似することを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項２３に記載の方法であって、
前記電極アレイは、前記イオン捕捉装置の捕捉容量と接する表面が前記超対数的電場の等電位面に追従し、
前記方法は、前記各電極に前記３つまたはそれ以上の電圧を印加して所望の等電位を生成するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２５】
請求項２４に記載の方法であって、
前記電極アレイの前記表面は湾曲して前記超対数的電場の前記等電位面に追従することを特徴とする方法。
【請求項２６】
請求項２４に記載の方法であって、
前記電極アレイの前記表面には段差がつけられて前記超対数的電場の前記等電位面に追従することを特徴とする方法。
【請求項２７】
請求項２３に記載の方法であって、
前記電極アレイは円筒の内側または外側の表面に近似し、
前記方法は、前記各電極に前記３つまたはそれ以上の電圧を印加して、各電極の前記縁部の地点で、前記所望の超対数的電場の前記電位と一致するようにするステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２８】
請求項２４ないし２７のいずれかに記載の方法であって、
前記電極アレイは平板電極を含むことを特徴とする方法。
【請求項２９】
請求項２３ないし２８のいずれかに記載の方法であって、
前記超対数的捕捉電場は、前記イオン捕捉装置の捕捉容量の中心に関して対称であることを特徴とする方法。
【請求項３０】
請求項２９に記載の方法であって、
前記電極アレイは前記捕捉容量の中心に関して対称であり、
前記方法は、対称に配置された電極ペアに共通の電圧を印加するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項３１】
請求項２２ないし３０のいずれかに記載の方法であって、
前記３つまたはそれ以上の電圧を決定する前記ステップは、
（ａ）前記３つまたはそれ以上の電圧の第１のセットを前記各電極に印加し、これによって、前記捕捉容量内にイオンのテストセットを捕捉し当該捕捉されたイオンが振動運動をするように捕捉電場を発生させるステップと、
（ｂ）前記捕捉されたイオンから１つまたは複数の質量スペクトルを収集し、前記１つまたは複数の質量スペクトルの複数の特徴を測定して、１つまたは複数の特質を導き出すステップと、
（ｃ）前記１つまたは複数の測定された特質を１つまたは複数の誤差値と比較するステップと、
を含み、前記３つまたはそれ以上の電圧を決定する前記ステップは、
（ｄ）前記１つまたは複数の測定された特質が前記１つまたは複数の誤差値に適合する場合、前記３つまたはそれ以上の電圧の前記第１のセットを前記決定された前記３つまたはそれ以上の電圧として使用するステップ、
をさらに含むか、または、
（ｅ）前記１つまたは複数の測定された特質が前記１つまたは複数の誤差値に適合しない場合、前記１つまたはそれ以上の測定された特質を使用して、前記各電極に印加されるべき前記電圧を改善するステップと、
（ｆ）前記ステップ（ａ）ないし（ｃ）を繰り返すステップと、
をさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項３２】
請求項３１に記載の方法であって、
ステップ（ｂ）は、強度の異なるピークから前記複数の特徴を測定するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項３３】
請求項３２に記載の方法であって、
強度が２，５，１０，２０，１００または５００を超える係数で異なる２つのピークの特徴を測定するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項３４】
請求項３１ないし３３のいずれかに記載の方法であって、
ステップ（ｃ）は、前記強度の異なるピークの１つまたは複数の対応する測定された特質を、前記１つまたは複数の誤差値と比較して、前記測定された特質の間の広がりが誤差範囲内に入るようにするステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項３５】
請求項３１ないし３４のいずれかに記載の方法であって、
ステップ（ｂ）は、ピーク位置、ピーク振幅、ピーク幅、ピーク形状、ピーク解像度、信号対ノイズ、質量精度またはドリフトのうちの２つまたはそれ以上を測定するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項３６】
請求項３４または３５に記載の方法であって、
前記１つまたは複数の特質は、前記１つまたは複数の質量スペクトルの忠実度（fidelity）に関することを特徴とする方法。
【請求項３７】
請求項３４ないし３６のいずれかに記載の方法であって、
ステップ（ｅ）を実行して、進化的アルゴリズムにしたがって前記電圧を改善するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項３８】
請求項３１ないし３７のいずれかに記載の方法であって、
前記振動する捕捉されたイオンの等時性（isochronicity）の維持を改善する捕捉電場を発生させるように前記電圧を比較するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項３９】
請求項３１ないし３８のいずれかに記載の方法であって、
前記振動する捕捉されたイオンのコヒーレンスの維持を改善する捕捉電場を発生させるように前記電圧を改善するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項４０】
請求項３９に記載の方法であって、
前記質量スペクトルは、検出時間について収集され、
前記方法は、コヒーレンスの損失に伴う位相のドリフトが前記検出時間中に２π未満となるように前記電圧を改善するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項４１】
請求項３９または４０に記載の方法であって、
前記捕捉容量には長さ方向の軸があり、
前記方法は、前記捕捉されたイオンの振動の軸方向成分のコヒーレンスの維持を最適化するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項４２】
請求項３１ないし４１のいずれかに記載の方法であって、
前記捕捉装置の捕捉容量は、内側電極と、前記内側電極を実質的に取り囲む外側電極との間で画定され、
前記電極アレイは前記内側電極および／または前記外側電極を形成することを特徴とする方法。
【請求項４３】
請求項３０に従属する請求項３１ないし４２のいずれかに記載の方法であって、
各リング電極に印加される前記共通の電圧を改善し、対称に配置された平板電極のペアの各々に対して改善された電圧を生成するステップを含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、多重反射静電システムに関し、より詳しくは、オービトラップ（Orbitrap）静電イオントラップにおける、またこれに関わる改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
質量分析計は、質量分析中またはその直前にイオンを収容するイオントラップを備える。どのイオン捕捉型質量分析計についても、実現可能な範囲での高性能さは、最も重要な要素として、イオントラップに使用される電磁界の質、たとえば高次の非線形成分に依存していることが分かっている。この質とその再現性を決定するのは、イオントラップの製造中の不完全性と、捕捉電場を発生させるためにイオントラップ内の電極に信号を供給する電源供給とをどれだけ制御できるかである。複雑なアセンブリになると、誤差やエラーの広がりや蓄積が大きくなり、また捕捉電場の調整の煩雑さが増すことから、求められる性能レベルを実現するのがさらに困難となることが知られている。
【０００３】
この問題は、米国特許第５，８８６，３４６号に記載されているようなオービトラップ質量分析器で例証される。このオービトラップ質量分析器において、イオンはリニアトラップ（ＬＴ）等の外部発生源から、内側の紡錘型電極（spindle-like  electrode）と外側の樽型電極（barrel-shaped  electrode）との間に画定される容量（volume）の中に、パルス的に注入される。これらの電極の形状には特に注意を払い、これらの形状が共同して、捕捉容量内に、できるだけ理想的ないわゆる「超対数的（hyper-logarithmic）」静電電位を発生させる必要がある。
【０００４】
超対数的電界は次の数式１で表される。ただし、ｒとｚは円筒座標、Ｃは定数、ｋは電場曲率、Ｒｍは固有半径である。捕捉容量の中心はｚ＝０と定義され、捕捉電場はこの中心に関して対称である。
【０００５】
【数１】
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【０００６】
イオンは、さまざまな方法で（半径方向または軸方向に）オービトラップに注入される。国際特許出願公開第０２／０７８，０４６号は、イオンが、ある質量電荷比ｍ／ｚの小さなバンチ（bunch）として、オービトラップ質量分析器のエネルギー受容窓内に適合するのに適したエネルギーで、捕捉容量内に入るようにするための、いくつかの望ましいイオン注入パラメータについて述べている。イオンは、いったん注入されると、中央電極の周辺を周回し、電極上の静電圧を使って、捕捉容量内で軸方向および半径方向の捕捉が行われる。
【０００７】
外側電極は一般に、略その中央（ｚ＝０）で分割されており、イオンパケットによって外側電極内に誘発されるイメージ電流が差動増幅器を通じて検出される。その結果として得られる信号は時間領域の「過渡信号」であり、これがデジタル化、高速フーリエ変換されて、最終的に、捕捉容量内にあるイオンの質量スペクトルが得られる。
【０００８】
外側電極を分割するギャップは、イオンを捕捉容量内に導入するために使用してもよい。この場合、イオンは励起されて、周回のほかに軸方向の振動も起こす。あるいは、イオンを軸上のｚ＝０から離れた場所で導入することもでき、この場合、イオンは自動的に周回運動に加えて軸振動を起こす。
【０００９】
電極の正確な形状とその結果得られる静電場によって、軸振動を中央電極周辺の回転と複合させたイオンの運動が実現する。理想的なトラップの場合、超対数的電場にはｒとｚにおける交差項が含まれないため、ｚ方向の電位は純粋に２次式となる。その結果、ｚ軸に沿ったイオン振動が発生し、これは調和振動と呼ばれ、イオンの（ｘ，ｙ）運動に無関係である。この場合、軸振動の周波数は次の数式２のように、イオンの質量電荷比（ｍ／ｚ）にのみ関係する。ただし、ωは振動の周波数、ｋは定数である。
【００１０】
【数２】
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【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
高い性能と分解能が求められることから、捕捉容量内に発生させる電場の質に対する要求も高い。そのため、電極形状を完全なものにすることが強く要求される。理想的な電極形状から少しでも逸脱すれば、非線形性が生じることがわかる。この非線形性により、軸振動の周波数は、純粋にイオンの質量電荷比だけでなく、それ以外の要因にも依存するようになる。その結果、質量精度（ピーク位置）、分解能、ピーク強度（イオン存在量に関係する）等が、容認不能な程度にまで損なわれることがある。したがって、このような厳格な電極形状の大量生産は難しい。
【００１２】
なお、オービトラップ質量分析計は、たとえば以下に非限定的に挙げた文献例に記載されている実質的な静電場多重反射システムのより一般的な種類の具体例である。米国特許第６０１３９１３号、米国特許第６８８８１３０号、米国特許公開第２００５−０１５１０７６号、米国特許公開第２００５−００７７４６２号、国際特許公開第０５／００１８７８号、米国特許公開第２００５／０１０３９９２号、米国特許第６３００６２５号、国際特許公開第０２／１０３７４７号または英国特許公開第２，０８０，０２１号。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
以上の背景から、第１の態様において、本発明は、単一の電極を模倣した動作が可能な電極アレイを有する静電イオン捕捉装置を操作する方法であって、３つまたはそれ以上の異なる電圧であって、複数の電極の各電極に印加された場合に、前記単一の電極に電圧を印加することによって発生する電場に近似した静電捕捉電場を発生させる３つまたはそれ以上の異なる電圧を決定するステップと、決定された３つまたはそれ以上の電圧を各電極に印加するステップとを含む方法が提案される。
【００１４】
これにより、単一の電極における不完全性は、電極アレイを使用することと、捕捉電場の質を高めるように電極への印加電圧を決定することによって是正される。電極の形状または位置についての電極の不完全性は捕捉電場の不完全性につながり、次にこれが捕捉電場内に捕捉されたイオンから得られる質量スペクトルに現れる。
【００１５】
オプションとして、本方法は超対数的捕捉電場を近似するように各電極に電圧を印加するステップを含む。これは、オービトラップ分析器のような静電質量分析器において特に有益である。電極アレイは、イオン捕捉装置の捕捉容量と接する表面が超対数的電場の等電位面に追従する形状に形成することができ、本方法は、所望の等電位を発生させるように各電極に３つまたはそれ以上の電極を印加するステップを含む。言い換えれば、捕捉容量と接する表面には、捕捉容量内に発生した捕捉電場の等電位面が生じる。
【００１６】
電極アレイの表面は、超対数的電場の等電位面に追従するように湾曲させてもよいし、または、電極アレイの表面に、超対数的電場の等電位面に追従するように段差をつけてもよい。さらに別の構成として、電極アレイを円筒の内側電極または外側表面に近似させることもでき、その例において本方法は、各電極の端部の地点で所望の超対数的電場の電位と一致するように、各電極に３つまたはそれ以上の電圧を印加するステップを含む。
【００１７】
オプションとして、電極を捕捉容量の長さ方向の軸に沿って間隔を空けて配列された平板電極アレイとすることができ、本方法は平板電極アレイに電圧を印加するステップを含むことができる。他の実施形態において、平板電極の縁部は、内側または外側の電極の捕捉容量と接する表面を画定し、本方法は、電極縁部の地点で所望の超対数的電場の電位と一致するように、平板電極に電圧を印加するステップを含む。これにより、平板電極は、電極の地点での捕捉電場の境界状態と一致する電位を設定するために使用される。このような方法を用いると、等電位面に追従しない表面も使用可能となる。たとえば、リング電極アレイを使い、円筒電極を画定してもよい。
【００１８】
超対数的捕捉電場は、捕捉装置の捕捉容量の中心に関して対称とすることができ、電極アレイもまた捕捉容量の中心に関して対称に配置できる。これは、対称に配置された電極対に共通の電圧を印加できる点で有利である。
【００１９】
好ましくは、各電極に印加される３つまたはそれ以上の電圧を決定するステップは、（ａ）３つまたはそれ以上の電圧の第１のセットを各電極に印加し、それによって捕捉容量内にイオンのテストセットを捕捉し当該捕捉されたイオンが振動運動をするように捕捉電場を発生させるステップと、（ｂ）捕捉されたイオンから１つまたは複数の質量スペクトルを収集し、１つまたは複数の質量スペクトルの複数の特徴を測定して１つまたは複数の特質を導き出すステップと、（ｃ）１つまたは複数の測定された特質を１つまたは複数の誤差値と比較するステップを含む。１つまたは複数の測定された特質が１つまたは複数の誤差値に適合する場合、コントローラは、（ｄ）３つまたはそれ以上の電圧の第１のセットを、決定された３つまたはそれ以上の電圧として使用する。１つまたは複数の測定された特質が１つまたは複数の誤差値に適合しない場合、コントローラは、（ｅ）１つまたは複数の測定された特質を使用して各電極への印加電圧を改善し、（ｆ）上記（ａ）ないし（ｃ）のステップを繰り返す。
【００２０】
質量スペクトルのピーク形状等のイオンの特質を測定し、その特質を既知の数値と比較することにより、よりよい捕捉電場が発生するように電極への印加電圧を改善することができる。
【００２１】
好ましくは、ステップ（ｂ）は、強度の異なるピークから複数の特徴を測定するステップを含む。ピークは同じ質量スペクトルからのものであってもよい。さらに、ステップ（ｃ）は、強度の異なるピークの１つまたは複数の対応する測定された特質を１つまたは複数の誤差値と比較して、測定された特質の間の拡散が誤差範囲に含まれるようにするステップを含むことができる。
【００２２】
イオンの測定されたパラメータは、実際には、静電トラップの強度の違うピークについて、たとえｍ／ｚが同じであっても異なることが観察されている。その根底にある物理的原因は、特定の質量ピークにおけるイオン数である。イオンの数が増えると、空間電荷と静電場との複雑な相互作用が起こり始める。これらの相互作用は、イオンの力学、ひいては静電トラップの分析パラメータ、特に非線形電場についての静電トラップの分析パラメータを完全に変えてしまうことがある。
【００２３】
静電トラップの正確な調整には、先行技術とは異なる方法で、システムの複数のパラメータの最適化が必要となることがわかっている。つまり、ある強度の質量ピークに関する分析パラメータを最適化するには、別の強度の質量ピークに関する分析パラメータの継続的な監視を伴う必要があり、後者が前者とは異なる（大きく異なる）ことが好ましい。現実的には、質量ピークの強度は２倍から１０００倍の範囲で異なることが好ましい。
【００２４】
この具体的な文脈の中で、「強度」とは、対応する質量ピークを発生させるイオンの数を反映する、発現した特質として定義される。こうした新たな調整方法が必要となるのは、磁場型、四重極型、飛行時間型の質量分析計等のようなビーム実験装置とは異なり、静電トラップの調整条件はピーク強度の違いによって異なるからである。そのため、たとえば、たとえ狭い質量範囲内であっても、単一ピーク（質量分析計では一般的）だけでなく、同じピークの同位体等、別の強度のピークについても、分解能等を最適化することが重要である。
【００２５】
一般に、「適正な」調整とは、幅広い質量範囲にわたってすべてのピーク強度について同様の改善を加えるものであるべきであり、重要な点として、異なる強度（ただし同じｍ／ｚ）のピークの「測定された特質」の広がりをなるべく小さくするべきである。このような調整は、検索空間の高次元性によって例外的に有効なアルゴリズムが必要となる多電極静電トラップにおいて特に重要である。本発明は、このような調整のための一般的および具体的なアプローチを、まず上述の選択基準から、最も適切な電極形状まで提案するものである。
【００２６】
電極に印加される電圧を改善する特質を導き出すために使用する特徴はいくつでもよい。たとえば、ある特徴は、ピーク位置、ピーク振幅、ピーク幅、ピーク形状、ピーク分解能、信号対ノイズ、質量精度またはドリフトに対応するかもしれない。好ましくは、複数のｍ／ｚのピークを使用する。また、たとえば、あるピークの別のピークとの相対的な振幅、あるピークの別のピークとの相対的な幅、等の相対的数値を用いてもよい。１つまたは複数の特質は質量スペクトルの忠実性（fidelity）に関係しているが、電圧分布の単調性または平滑性、質量校正方程式のパラメータ、注入効率、または制御パラメータの摂動に対する調整の安定性等の他の特質も、追加としてまたは代わりとして使用できる。
【００２７】
本方法は、電極に印加される電圧を改善するステップを含む。これらの改善を反復的に行って、電圧に少しずつ調整を行い、最適な捕捉電場を徐々に得ることもできる。たとえば、これにより、最初に電圧の改善方法を推測し、この変化に対して測定された特質の反応を測定し、その後、これに応じて電圧の改善方法をよりよく推測することができる。オプションとして、反復方法は、シンプレックス法（simplex  method）、進化的アルゴリズム（evolutionary  algorithm）、遺伝的アルゴリズム（genetic  algorithm）、またはその他の適当な最適化法として実行される。
【００２８】
現実の試料の分析中に発生するすべての可能性を網羅するために、イオンのテストセットはできるだけその後の被分析イオンを代表するものとすることが好ましい。つまり、１つまたは複数の特質を、１つのｍ／ｚだけ（たとえば、ロック質量補正（lock-mass  correction）の場合等）ではなく、複数のｍ／ｚから導き出すことが望ましい。また、１つまたは複数の特質は、イオンの総数と特定のピークの総数との両方について、異なる強度で測定することが好ましく、これにより空間電荷効果を考慮に入れることができる。現在では、イオン全体の強度はＦＴ  ＩＣＲ質量分析計を使用して測定され、空間電荷に関係する質量シフトを補正することが多い。
【００２９】
ピーク形状の明らかな改善は、ピーク形状の本当の改善というより、セルフバンチング（self-bunching）のアーチファクト（artefact）である（たとえば、英国特許第０５１１３７５．８号参照）。前述のように、同じまたは異なるスペクトルにおける、かなり低い強度のピークについてもピーク形状の改善をチェックすることが有利である。このように、１つまたは複数の特質を複数のパラメータで測定することにより、最適な改善を実現できる。
【００３０】
好ましくは、本方法は、振動する捕捉されたイオンの等時性（isochronicity）またはコヒーレンス（coherence）の維持を改善する捕捉電場を発生するように電圧を改善するステップを含むことができる。周回中のイオンのコヒーレンスが失われると、しはしば質量スペクトルの劣化を招くが、これは特に、イメージ電流の測定を使用する場合にあてはまる。したがって、捕捉電場の最適化は周回中のイオンのコヒーレンスの維持に役立ち、改善された質量スペクトルを生成する。検出時間に質量スペクトルを得る場合、コヒーレンスの損失に伴う位相ドリフトが検出時間中に２π未満となるように電圧が改善される。
【００３１】
たとえばオービトラップ質量分析器のように、質量分析器の中には、質量スペクトルが、振動の軸方向成分の周波数を測定することによって収集されるものがあり、この場合、捕捉されたイオンの振動の軸方向成分のコヒーレンスの維持を最適化することが望ましい。
【００３２】
１つの意図される実施形態において、電極アレイの縁部は、内側または外側の電極の捕捉容量と接する表面を画定し、その表面は、超対数的電場の等電位面に少なくとも略追従し、本方法は、平板電極に共通の電圧を印加するステップと、特質を使って、各平板電極に印加されるべき改善された電圧を決定するステップとを含む。基本的にこの方法は、各電極に同じ電圧が印加されるように、平板電極がすべて完璧に形成され、完全に位置ぎめされていることを前提としている。現実においては、完璧を実現することはできないが、測定された特質を使用することにより、各平板電極に改善された電圧を印加して、不完全性を補償することは可能である。
【００３３】
第２の態様において、本発明は、質量分析計の捕捉容量内に捕捉されたイオンを分析する方法であって、（ａ）複数の電極に電圧を印加し、これによって、捕捉容量内にイオンのテストセットを捕捉し当該捕捉されたイオンが振動運動をするように捕捉電場を発生させるステップと、（ｂ）捕捉されたイオンから１つまたは複数の質量スペクトルを収集し、１つまたは複数の質量スペクトルの異なる強度のピークから複数の特徴を測定して、１つまたは複数の特質を導き出すステップと、（ｃ）１つまたは複数の測定された特質を１つは複数の誤差値と比較するステップとを含む方法にある。１つまたは複数の測定された特質が１つまたは複数の誤差値に適合する場合、この方法はさらに、（ｄ）複数の電極に電圧を印加して、捕捉容量内に被分析イオンのセットを捕捉し、捕捉されたイオンが振動運動を起こすようにするステップと、（ｅ）捕捉容量内に捕捉された被分析イオンから１つまたは複数の質量スペクトルを収集するステップとを含む。１つまたは複数の測定された特質が１つまたは複数の誤差値に適合しない場合、この方法はさらに、（ｆ）１つまたは複数の測定された特質を使って、複数の電極に印加される電圧を改善するステップと、（ｇ）上記（ａ）ないし（ｃ）のステップを繰り返すステップとを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
本発明をより理解しやすくするために、あくまでも例として、図面を参照する。
【００３５】
本発明に係るオービトラップ質量分析器等の静電質量分析器２２を使用できる質量分析計２０の例を図１に示す。図の質量分析計２０は単なる一例にすぎず、他の構成も可能である。
【００３６】
質量分析計２０は一般に線形の構成であり、イオンはイオン源２４とイオンが捕捉される中間イオン収容手段または中間イオンストア手段２６との間を通過する。イオンは、中間イオン収容手段２６からオービトラップ質量分析器２２へ、軸に対して垂直に、パルス的に取り出される。オプションとして、イオンを中間イオン収容手段２６から反応セル２８に軸方向に注入してから中間イオン収容手段２６に戻し、オービトラップ質量分析器２２に垂直に注入することもできる。
【００３７】
より詳しくは、質量分析計２０の前端には被分析イオンを供給するイオン源２４が設置されている。イオン光学系（ion  optics）３０がイオン源２４に隣接して設置され、これに捕捉または伝送モードのいずれかで動作するリニアイオントラップ３２が続く。さらに別のイオン光学系３４がイオントラップ３２を超えて設置され、これに中間イオン収容手段２６となる湾曲した四重極リニアイオントラップが続く。中間イオン収容手段２６の端部にゲート電極３６，３８が設置されている。イオン光学系４０が下流側のゲート３８に隣接して設置され、イオンを反応セル２８に、また反応セル２８から誘導する。
【００３８】
イオンはまた、中間イオン収容手段２６から、電極４４に設けられたスリット４２を通じて、オービトラップ質量分析器２２の入口４６の方向に向かって垂直に発射される。別のイオン光学系４８が中間イオン収容手段２６とオービトラップ質量分析器２２の間にあり、出現したパルスイオンビームを集束させるのを助ける。中間イオン収容手段２６の湾曲した形状もまた、イオンの集束に役立つことがわかるであろう。さらに、いったんイオンが中間イオン収容手段２６の中に捕捉されると、電位がゲート３６，３８に発生し、イオンを中間イオン収容手段２６の中心にバンチ（bunch）させ、これも集束に役立つ。
【００３９】
前述のように、オービトラップ質量分析器２２は、内側の紡錘型電極５２と外側の樽型電極５４によって画定される捕捉容量（または捕捉空間）（trapping  volume）５０を有する。図１は、捕捉容量５０とこれに関連する電極５２，５４の、その中心（ｚ＝０）における断面を示している。図２は、先行技術によるオービトラップ質量分析器２２の電極５２，５４の斜視図である。捕捉容量５０は、ｚ軸を画定する長さ方向の軸５６を有し、捕捉容量５０の中心はｚ＝０である。内側および外側の電極５２，５４は長く伸びており、ｚ軸と同軸的に配置されている。両方の電極５２，５４は、各々の開放端５８で終結する。
【００４０】
内側電極５２は一体構造で、その外側表面６０は必要な超対数的形状をできるだけ正確に確定するよう機械加工されている。このように、内側電極５２には電圧を印加可能であり、外側表面６０は、捕捉容量５０の中に発生する超対数的電場に必要な等電位になる。
【００４１】
外側電極５４は中空で、一般に断面が環状である。その中央に画定される空間が内側電極５２を受け、内側電極５２と外側電極５４との間に捕捉容量５０が画定される。外側電極５２の内側表面６２もまた、必要な超対数的形状を持つように慎重に機械加工される。したがって、外側電極５４に電位が印加されると、その内側表面６２は捕捉容量５０内に発生されるべき超対数的電場に必要な等電位になる。このように、超対数的電場が発生し、電極５２，５４の相対する外側表面６０と内側表面６２との等電位面の間に延びる。
【００４２】
外側電極５４は、ｚ＝０の位置において２つに分割され、２つの同等の半分部分５４ａ，５４ｂを形成する。外側電極５４はまた、検出電極として機能し、２つに分割されることにより、周回するイオンパケットによって誘発されるミラー電流を収集できる。外側電極５４の２つの半分部分から差分信号が得られ、該信号はイオンの調和軸振動に対応する過渡信号となる。
【００４３】
外側電極５４の２つの半分部分の間のギャップは、捕捉容量５０内に接線方向に注入されるイオンパケットのための入口として使用できる。イオンをｚ＝０で接線方向に注入することにより、イオンは周回動作だけしか示さない。イオンの軸振動を起こさせるためには、励起電場の追加または捕捉電場の変更が必要となる。
【００４４】
あるいは、符号６４で示されるように、イオンパケットの注入のために、ｚ軸に沿って移動した位置に別の開口部を設けることができ、この場合、イオンは符号６６で示されるように自動的に軸振動を起こす。内側および外側の電極５２，５４に印加される電圧は、必要なｍ／ｚ範囲のイオンを捕捉するための安定した捕捉電場を発生するように選ばれる。これにより、イオンパケットは内側電極５２の周辺を周回的に、またｚ＝０を中心として軸方向に同位相で（coherent）運動する。イオンパケットは、捕捉容量５０に導入されると、外側電極５４の付近（つまり、より大きな半径距離）で螺旋経路をとり、比較的大きな軸方向振動を示す。内側および外側の電極５２，５４から等しい距離にあるイオンの経路は、両方の電極５２，５４に関する誤差要求を小さくするために好ましい。これを実現するために、イオンパケットが捕捉容量５０内に導入されるときに電極５２，５４への電圧をランプ（ramp）状に上昇させ、その軌道が、半径方向および軸方向の両方について内側に動くようにする。
【００４５】
前述のように、電極５２，５４の形状を作るときの必要な誤差を実現するのは困難である。電極の形状の不可避的な不完全性を原因とする、理想的な超対数的捕捉電場からの逸脱は、イオンが空間コヒーレンスを失うために分解能の損失につながる。
【００４６】
図３は、本発明の第１の実施形態に係るオービトラップ質量分析器２２の電極５２，５４，６８のｚ軸に沿った断面図であり、図４は内側および外側の電極５２，５４の斜視図である。図２と異なり、外側電極５４は円筒形である。捕捉容量５０の端部は、端電極６８（図３にのみ示されている）により閉じられ、図２のようには開放していない。内側電極５２も円筒形である。内側および外側の電極５２，５４は、ｚ軸に対して同軸のままである。
【００４７】
図３および図４の静電質量分析器２２は、まったく異なる方法で所望の超対数的電場を発生させる。図２の内側および外側の電極５２，５４は、各々の外側および内側の表面６０，６２が等電位（等電位面または等電位点）に追従するように形状が作られており、これによって内側電極５２と外側電極５４との各々に略同じ電圧を印加することができる。図３および図４においては、このような電極形状を完全なものにするための好ましい方法はとられず、外側電極５４の内側表面６２と内側電極５２の外側表面６０とは等電位に追従するようには形成されておらず、単に平坦な円筒表面を画定している。したがって、理想的な超対数的電場の概念上の等電位面は、内側および外側の電極５２，５４の長さに沿った一連の点において、内側および外側の電極５２，５４と一致する。
【００４８】
求められる超対数的電場を発生させるために、内側および外側の電極５２，５４は、さまざまな等電位面が交わって調和した電位を有するように動作する。これは、内側電極５２と外側電極５４を、軸方向に配列された一連のリング電極５２1〜５２n，５４1〜５４nに分割することによって実現される。リング電極５２1・・・n，５４1・・・nは、ｚ＝０に関して対称となるよう配置される。この対称性は、等電位面もまたｚ＝０に関して対称であり、リング電極５２1・・・n，５４１・・・nが５２1と５２n、５２2と５２n-1のようにペアとして扱われるため、有益である。
【００４９】
内側電極５２と外側電極５４の両方における各リング電極５２１・・・n，５４１・・・nの間には、小さなギャップがある。これらのギャップは好ましくは、検出中に周回する最も近いイオンまでの距離より少なくとも２倍ないし３倍小さい。電場の画定を助けるために、端電極６８が設置される。これらの端電極６８の各々は、内側電極５２と外側電極５４の各端部の間に設けられた、一連の半径方向に延びる同心的リング電極６８1〜６８mを含む。
【００５０】
内側電極５２と外側電極５４の両方のリング電極５２１・・・n，５４１・・・nに必要な電圧を供給するために、この実施形態では抵抗ネットワーク（resistive  network）７０が使用されている。リング電極５２１・・・n，５４１・・・nの対称性は、各電極５２，５４について、単一の抵抗ネットワーク７０を設置して必要な電圧を供給してもよいことを意味する。この構成において、各電圧が、リング電極（たとえば５２1，５２2等）と、各電極５２または５４のもう一方の対称の半分部分における対応する２つ（たとえば、５２n-1，５２n等）とに印加される。しかしながら、より精度を高めるために、内側電極５２と外側電極５４の各々に、対応するが別々の抵抗ネットワーク７０1〜７０4を使用することが好ましい。さらに、抵抗ネットワーク７０5，７０6が端電極６８の各々に設置される。
【００５１】
図５は、図３の電極構成に、リング電極５２１・・・n，５４１・・・n，６８１・・・mに適正な電圧を供給する抵抗ネットワーク７０1〜７０6が追加されたものを示す。２つのネットワーク７０1，７０2は、内側電極５２の対称の半分部分の各々に電圧を供給する。同様に、２つのネットワーク７０3，７０4は、外側電極５４の対称の半分部分の各々に電圧を供給する。前述のように、ネットワーク７０2，７０4は省いてもよく、ネットワーク７０1，７０3が対称のリング電極５２１・・・n，５４１・・・nの対応する各ペアに適合電圧を供給してもよい。
【００５２】
抵抗ネットワーク７０の使用に伴う問題は、抵抗器の公称値が不正確になることである（抵抗器を０．１％より高い精度で製造することは困難である）。さらに、従来の高電圧抵抗器の温度ドリフトは大きい（数十ｐｐｍ／℃）。これらの問題は、捕捉電場について得られる精度に現れる。超対数的電場が必要な具体例においては、さまざまな抵抗器が必要となる。その結果、電場の定義は、質量分析計２０における分解能が限定されることにつながる傾向がある。
【００５３】
これらの問題には、コンピュータ制御による抵抗ネットワーク７０を使って対処することができる。これらの抵抗ネットワーク７０は、フィードバックループにおける適合アルゴリズムを使って、隣接するリング電極５２１・・・n，５４１・・・n，６８１・・・mの間の電圧差を調整するのに使用され、これについて詳しく後述する。
【００５４】
図６は、コンピュータ制御による抵抗ネットワーク７０の１つの実施形態を示す。抵抗ネットワーク７０は、低電圧高精度の（たとえば、温度自動調節環境において１ＭΩ、３ｐｐｍ／℃）抵抗器の多くの集合を含む。リング電極５２１・・・n，５４１・・・n，６８１・・・mよりも多くの抵抗器が用いられる。抵抗ネットワーク７０のコンピュータ制御は、低速マルチプレクサ７２をガルバニック絶縁で切り換えることによって行われる。各マルチプレクサ７２は、特定のリング電極５２１・・・n，５４１・・・n，６８１・・・mに印加される電圧値範囲にわたる抵抗器のローカルネットワーク７４をカバーする。抵抗器の精度における劇的な改善は、入れ子型（nested）ネットワークを使って実現される。単調な電場、たとえば、ここでは超対数的電場の場合、このような電圧範囲は隣接するリング電極５２１・・・n，５４１・・・n，６８１・・・mについて重複せず、ローカルネットワーク７２は逐次的に接続され、１つの電源によって電源供給される。たとえば、ＤＩＰスイッチを使ったマニュアル操作も可能である。
【００５５】
図７は、コンピュータ制御による抵抗ネットワーク７０の別の実施形態である。ここで、隣接するリング電極の間の電圧降下は従来の抵抗ネットワーク７０でも生じるが、各リング電極５２１・・・n，５４１・・・n，６８１・・・mの電圧の微調節は浮動低電圧高精度電源／レギュレータ７６によって行われる。好ましくは、各レギュレータ７６はコンピュータ制御部にフォトカプラ接続されている。非常に低い電流しか必要でないので、この構成によればレギュレータ７６のための系統をより単純化できる。
【００５６】
電圧供給ネットワークはまったく抵抗性がなくてもよく、特にデジタル電圧レギュレータと比較して、抵抗器のコストと安定性の面での利点が低くなる場合にあてはまる。
【００５７】
本発明の利点は、電極形状の複雑さを軽減し、これにより電極を製造しやすくし、同時に、電極５２，５４に印加される電圧を適合的手法で最適化することによって、相互の位置関係がより不確実となるのを補償することである。この最適化は、これらの電極５２，５４を利用し、校正用混合物（calibration  mixture）からのイオンを分析することで、質量分析計２０によって得られる１つまたは複数の質量スペクトルに基づいて行うことができる。たとえば、広いｍ／ｚ範囲からのイオンについて、ピーク高さの５０％，１０％，１％におけるピーク形状またはピーク幅を、主ピークとその同位体ピークの両方について使用できる（セルフバンチング効果を選別するためであり、英国特許出願第０５１１３７５．８参照）。好ましくは、質量スペクトルは、電極５２，５４の一方を使用したイメージ電流検出を使って取得できる。あるいは、米国特許第５，８８６，３４６号またはＡ．マカロフのAnal.Chem.V.72, 2000,1156-1162に記載されているように、二次電子倍増管への共鳴射出スキャン（resonance  ejection  scan）または質量選択不安定法スキャン（mass-selective  instability  scan）を使用できる。
【００５８】
イメージ電流検出（好ましい検出方法）について、過渡信号の減衰が最小化される、つまり位相の相違（divergence）によるコヒーレンスの損失が最小化されると、分解能と感度が最大化される。位相拡散（phase  spread）がπに到達するとコヒーレンスが完全に失われるため、良好なパラメータには必然的に、位相拡散が２πよりはるかに小さいままでいること、またはもう少し緩和すれば、取得時間全体について２πよりはるかに小さいことが必要となる。このように、この条件もまた、電極５２，５４の電圧を調整するための基準として使用できる。
【００５９】
図５または図６のいずれの実施形態においても、コンピュータ制御は遺伝的または進化的アルゴリズムを使って行われるのが好ましい。つまり、いくつかの初期設定がランダムに生成され（たとえば、各マルチプレミサ７２に関する設定）、これらの設定を、変異（mutation）、交差（cross-over）、適者選択（selection  of  the  fittest）、ランダムイントロダクション（random  introduction）等の遺伝的規則に応じて変更する。新たな設定の試験と更新を繰り返し行い、最終的に大域的最適解（global  optimum）に到達する。
【００６０】
リング電極の電圧の最適化は、コンピュータ制御の下で、好ましくは進化的アルゴリズム（ＥＡ）（コーン（Corne）他（eds）（1989），New  ideas  in  Optimisation，McGraw-Hill；Ｈ．Ｐ．シュウェフェル（H.P.Schwefel）（1995），Evolution  and  Optimum  Seeking，Wiley：NY）を使って行われる。ＥＡは、生物学的進化からのいくつかの類似点に基づく大域的最適化手法である。
【００６１】
１つの類似点は、適者である個体が、子孫を産み遺伝情報を後続の世代に伝える可能性が高くなるという育種集団（breeding  population）の概念である。本発明においては、リング電極５２１・・・n，５４１・・・n，６８１・・・mの電圧（または抵抗器の数値）のセットが個体にあたり、その一方で、適合度の基準は主として（これだけではないが）測定時間でのイオンデフェイジング（de-phasing）の最小値（好ましくは、ｍ／ｚと強度が異なるイオンについて測定）となる。
【００６２】
他の類似点は、子孫の遺伝物質がその両親の混合であるという交差の概念である。本発明において、これは異なるセットの間で電圧（または抵抗器）の値を部分的に交換することを意味する。
【００６３】
また別の類似点は、遺伝材料が時々破損し、集合内での遺伝的多様性を特定のレベルに保つという変異の概念である。たとえば、いくつかの電圧（または抵抗）値はランダムに変化しうる。
【００６４】
非常に大きな検索空間も、有効なＥＡ探索の障壁とはならないことがわかっており、各世代の生成には数秒しかかからない。ＥＡの例には、メメティックアルゴリズム（memetic  algorithms）、粒子群アルゴリズム（particle  swarm  algorithms）、微分進化（differential  evolution）等がある。
【００６５】
アルゴリズムの第１のステップで、電圧／抵抗値のランダムなセットが選択されるが、この段階においてさえも、単調な電圧分布だけの選択に限定することも可能である。広い質量範囲について異なるｍ／ｚと同位体ピークとに関する質量スペクトルを測定することにより、複合的な適合度の数値が各セットに割り当てられる。次に、選択が行われる。つまり、最適なセットだけが生存でき、他はすべて捨てられる。生存したセットと、変異と交差によって生成された子孫とから、同じ大きさの次の世代を作り出す。その後、次の進化サイクルが起こる。進化の速度と成功率は、変異と交差と生存率とのバランスをとることによって改善される。
【００６６】
次に、図３および図４のオービトラップ質量分析器２２の操作方法を説明する。イオンパルスが、軸方向または半径方向のいずれかで、捕捉容量５０内に注入される。軸方向（「螺旋状」）の注入の場合、捕捉容量５０の対称な半分部分の一方における電圧分布は、たとえば図５に示すスイッチ７８を使って適当な抵抗ネットワーク７０1，７０3を短絡させることにより、オフに切り換えられる。イオンは一定の半径の螺旋に沿って移動する。半径方向の電位の分布は依然としてネットワーク７０5によって提供される。
【００６７】
次に、イオンパケットが端電極６８のリング電極６８１・・・mの間に接線方向に注入され、イオンの速度のｚ軸方向の成分は小さくなる。残留する電場により、イオンは内側電極５２の周辺を一定の半径で螺旋運動し、最終的に捕捉容量５０の中心に到達し、抵抗ネットワーク７０2，７０4により作り出される軸方向の抑制電場（retarding  field）に入る。その時点で、抵抗ネットワーク７０1，７０3は再びオンに切り換えられ、イオンは２つの軸方向の抑制電場の間に拘束される。別の方法として、イオンが中心に向かって螺旋運動する際に、抵抗ネットワーク７０1，７０3をゆっくりと傾斜状に（ramp）大きくすることもできる。
【００６８】
半径方向の（「圧搾（squeezing）」）イオンの注入の場合、イオンは外側電極５４のリング電極５４１・・・nの間に（ｚ＝０の地点またはそれからずれた地点において）接線方向に注入される。内側電極５２と外側電極５４との間の電圧差は、イオン注入中に、たとえば高電圧スイッチを使って電圧をオンに切り換えることにより、急速に傾斜状（ramp）に増大する。傾斜増大の時定数は、抵抗ネットワーク７０の抵抗とリング電極５２１・・・n，５４１・・・n間の総キャパシタンスとによって決まる。これにより、徐々に回転半径を収縮させ、前述のように、イオンを捕捉容量の中央に向かって圧搾する（圧縮する）。
【００６９】
別の方法として、捕捉電場を完全にオフに切り換えた状態で、イオンが（半径方向または軸方向のいずれかで）捕捉容量５０の中に注入される。分析対象のｍ／ｚ範囲のイオンがいったん捕捉容量５０の中に入ると、抵抗ネットワーク７０はオンに切り換えられ、半径および軸方向のポテンシャル井戸を作る。この方法は、狭い質量範囲を分析対象とする場合（たとえば、後のＭＳ／ＭＳでの前駆イオン選択のため）に特に有益である。
【００７０】
イオンパケットが捕捉容量５０に捕捉された状態で、イオンの励起が行われる。これは必ずしも必要というわけではなく、たとえば、イオンがｚ＝０からずれて導入され、イオンが自動的に軸振動を行うようにされた場合は不要である。しかしながら、イメージ電流の検出または特定のｍ／範囲の選択のために、イオンの励起は好ましいであろう。この励起は、イオントラップについて周知の技術、たとえばリング電極のペア５４4，５４n-3（図５に示す）またはリング電極のセット５２１・・・n，５４１・・・nに対して、ある周波数範囲内のＲＦ電圧を使用することによって実行される。半径方向、軸方向または混合の電場を使用できる。抵抗ネットワーク７０の存在により、励起を直接、リング電極５２１・・・n，５４１・・・nに容量的に結合してもよい（たとえば、グロスハンズ（Grosshans）他のInt．J．Mass  Spectrom．Ion  Proc．139，1994，169-189）。あるいは、静電圧をゆっくりと上昇させ、その後急激に上昇することによって、励起してもよい。
【００７１】
イオンの検出は、外側電極５４のリング電極のペアまたはセット５４１・・・nにおけるイメージ電流を測定することによって行うことができる。図５に、イメージ電流の検出に使用中の対称リング電極のペア５４3，５４n-2を示す。イメージ電流の検出とともに、増幅器８０の第１段階が、対応する電圧で浮遊され、一方、差動増幅器８２の後の段階は容量的デカップリング８４の後に行われる（図５参照）。好ましくは、検出電極５４3，５４n-2は仮想接地に保たれる（すると、陽イオンについて、内側電極５２に印加される電圧は負となり、外側電極５４に印加される電圧は正となる）。電極５４3，５４n-2の一対だけを使用するのではなく、複数のペアを使用して軸振動のより高次の高調波を検出し、一定の取得期間に関する分解能を高めてもよい。
【００７２】
イメージ電流を使って検出する代わりに、イオンを二次電子倍増管に軸方向に注入してもよい。この場合、イオンはＲＦ電場（たとえば、内側電極５２に印加されるか、または一連のリング電極に沿って分散される）を使っても捕捉可能である。さらに、ガスの存在を利用して、数ｍＴｏｒｒまでの圧力でイオン捕捉を支援できる。ネットワーク７０は、この注入のために軸方向の電場に適当な非線形性を持たせるよう調整でき、適当な非線形性はイオン注入の改善、ひいては質量分解能と質量精度の改善に有益である。
【００７３】
図３および図４は、本発明に係る質量分析器２２の単なる一実施形態を示している。図８〜図１１に他の実施形態を示す。
【００７４】
図８は、本発明の第２の実施形態に係るオービトラップ質量分析器２２の電極構造を示す。この実施形態においては、端電極６８がなく、捕捉容量５０は各端部５８で開放されている。内側および外側の電極５２，５４は、この例においてもリング電極のセット５２１・・・n，５４１・・・nを含むが、それらの外側および内側の表面６０，６２はそれぞれ、円筒状の縁部を画定するような同じ高さ（レベル）にはなっていない。その代わりに、各々の外側および内側の表面６０，６２には段差がつき、所望の超対数的電場の等電位面に略追従する。
【００７５】
コンピュータ制御によってリング電極５２１・・・n，５４１・・・nに電圧が印加される。リング電極５２１・・・n，５４１・・・nは等電位面に略追従するため、各リング電極５２１・・・n，５４１・・・nに印加される個々の電圧は略等しい。したがって、抵抗ネットワーク７０にはより小さな電圧を発生させ、より正確で低電圧の抵抗器を使用することができる。コンピュータ制御は、最適な電場を得るように、ほとんど同じである電圧にわずかな補正を加えるために使用される。この構成により、前置増幅器を複数のリング電極５２１・・・n，５４１・・・nに連結することが容易になるが、これは、前置増幅器がはるかに低い電圧で浮遊するからである。
【００７６】
外側および内側の表面６０，６２を画定するリング電極５２１・・・n，５４１・・・nの縁部は軸方向に延びる平坦な上部を有しているが、縁部を傾けて等電位面に追従するようにしてもよいし、または湾曲させて等電位面に追従するようにしてもよい。
【００７７】
図９は、本発明に係る質量分析器２２の電極構成の第３の実施形態を示す。この実施形態は大きくは図３および図４の実施形態に対応するが、図９では内側電極５２が図２の先行技術のそれに似た一体構造の電極によって形成されている。製造の面から言えば、一体構造の内側電極５２を使用することは有利である。なぜなら、この内側電極５２を一体として研磨または旋盤等で回転形成させるほうがずっと容易であるからである。外側電極５４と端電極６８のために多数のリング電極５４１・・・n，６８１・・・mを設置することは、コンピュータ制御の使用により、内側電極５２の形状の不正確さを補正することを含めて、捕捉電場を最適化することができることを意味する。
【００７８】
図１０は、電極配置の第４の実施形態を示す。外側電極５４は、図３および図４から変更されている。具体的には、図３の各端部５４1，５４2，５４n-1，５４nにおける外側の２つのリング電極が、捕捉容量５０の端部５８にテーパ部を画定するように形成されている単一の電極５４1，５４nに置き換えられている。この構成により、端電極６８と、これに関する抵抗ネットワーク７０5，７０6とを省略できる。形作られた電極５４1，５４nは、検出中にイオンパケットが周回する場所から離れて配置され、好ましくは内側および外側の電極５２，５４間の距離の２倍以上離れた配置されるため、その形状の精度は、リング電極の位置決めに対して、または先行技術に関して説明した一体構造電極の形状に対して求められる精度よりずっと低くてもよい（一般に、１０分の１のオーダー）。
【００７９】
図３および図４ならびに図８〜図１０の実施形態はすべて、一連のリング電極５４1，５４2に分割された内側および外側の電極５２，５４を使用している。リング電極５４1，５４2の大きさは、イオン軌道に関連して選択される。リング電極構造の空間的周期がｈであると、イオンは電極５２，５４からｈの少なくとも２倍または３倍離れて周回するよう制限される。ｈの５倍またはそれ以上離れていることが好ましい。理想的には、内側または外側の電極５２，５４のいずれにおけるリング電極５４1，５４2の数は、少なくとも１０個とすべきであり、２０個以上であることがより良い。図には、任意の数の電極だけが示されている。さらに、図では、内側および外側の電極５２，５４の両方ともリング電極５２１・・・n，５４１・・・nの数ｎは同じであるが、異なる数のリング電極５２１・・・a，５４１・・・b（ただし、ａ≠ｂ）を選択してもよい。内側および外側の電極５２，５４の長さは、内側および外側の電極５２，５４間の分離距離より大きくあるべきであり、分離距離より少なくとも３倍長いことが好ましい。内側電極５２の外径と外側電極５４の内径はそれぞれ一般的に、たとえば＞８ｍｍ（８ｍｍより大きい）と＜５０ｍｍ（５０ｍｍより小さい）である。
【００８０】
リング電極５２１・・・n，５４１・・・nの厚さは０．２５ｍｍから４ｍｍとすることができ、電解エッチング、レーザ切断、ワイヤ浸食（wire-erosion）または電子ビーム切断によって形成できる。リング電極５２１・・・n，５４１・・・n，６８１・・・mは、インバー（invar）（登録商標）、ステンレススチール、ニッケル、チタンまたはその他の電極用として一般的な金属から形成できる。リング電極アレイ５２１・・・n，５４１・・・n，６８１・・・mの間隔を正確に空けるために、リング電極を、精密に研磨された誘電体のスペーサまたはボールによって分離されるように組み立ててもよい。誘電体として使用するのに最も適した材料の例としては、セラミック、ガラス、石英がある。リング電極５２１・・・n，５４１・・・n，６８１・・・mとスペーサとは、精密に研磨されたセラミックのロッドまたはチューブの上に装着または圧入することができる。また、リング電極５２１・・・n，５４１・・・n，６８１・・・mは、誘電体のチューブまたはロッドに金属被膜を堆積させることによっても形成できる。電極の成形の一部を、電極とアイソレータとが組み立てられた後に行ってもよい。
【００８１】
上記の実施形態は、本発明の実現方法を示すために選択された数例にすぎない。当業者にとっては、付属の特許請求範囲により定義される本発明の範囲から逸脱することなく、上記の実施形態に変更を加えることができることは明らかであろう。
【００８２】
たとえば、上記のすべての実施形態では内側および外側の電極５２，５４の断面は略円形であるが、円形でなくてもよい。図１１に示す楕円や双曲線等、他の断面のものも使用できる。唯一の制約は、外側電極５４が内側電極５２を略取り囲むことと、電極５２，５４とが以下の数式３で記述される電位分布に近似することができるべきであるという点である。
【００８３】
【数３】
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【００８４】
ただし、ｋは定数（陽イオンの場合、ｋ＞０）であり、次の数式４を満たす。
【００８５】
【数４】
2008544472.tif 000006
【００８６】
Ｕ（ｘ，ｙ）はたとえば次の数式５で与えられる。
【００８７】
【数５】
2008544472.tif 000007
【００８８】
ただし、
【００８９】
【数６】
2008544472.tif 000008
【００９０】
であり、α、β、γ、ａ，ｂ，Ａ，Ｂ，Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇ，Ｈは任意の定数（Ｄ＞０）であり、ｎは整数である。
【００９１】
捕捉容量５０に１０-10〜１０-8ｍｂａｒの圧力までガス充填し、ＭＳ／ＭＳ実験のための衝突誘起解離（collision-induced dissociation：ＣＩＤ）を行いやすくしてもよい。その後の断片の検出には、周波数掃引、または内側および外側のリング電極５２１・・・n，５４１・・・nのうちの少なくともいくつかに結合したその他の波形を使って、軸振動の励起が必要となる（当業界において周知であり、たとえば、Ｐ．Ｂ．グロスハンズ（P．B．Grosshans）、Ｒ．チェン（R．Chen）、Ｐ．Ａ．リムバッハ（P．A．Limbach）、Ａ．Ｇ．マーシャル（A．G．Marshall）、Int，J．Mass  Spectrom．Ion  Proc．139，1994，169-189参照）。
【００９２】
また、数ｍＴｏｒｒを上限として、より高い圧力で質量分析器２２を動作させ、好ましくは適当な非線形性を提供できるような形状の電場において、共鳴射出（resonance  ejection）または質量選択不安定法（mass-selective  instability）を使って二次電子倍増管へイオンを射出することも可能である。この場合、イオンは衝突によって冷却され、その捕捉は、静電気と遠心力とのバランスによってではなく、内側および外側のリング電極５２１・・・n，５４１・・・nに結合した捕捉用高電圧ＲＦによって形成される擬似電位によって行われる。この場合、上記の電位分布は有効なままであるが、ＲＦの周波数と位相で変調される。また、端電極６８は、捕捉容量５０が特に長い場合にＲＦがなくても動作することが好ましい。このように動作できなければ、ＲＦの半径依存分を端電極６８の各々に印加すべきである。ガス充填ＲＦイオントップの周知のＭＳ／ＭＳ能力もこのようなトラップに取り入れることができる。
【００９３】
すべての実施形態において、リング電極５２１・・・n，５４１・・・nまたは６８１・・・mの間のギャップも、ＭＳ／ＭＳ実験のためのフラグメンテーション（fragmentation）を容易にするために使用できる。たとえば、ギャップにレーザ光を通過させ、光子励起解離（photon  induced  dissociation：ＰＩＤ）を可能にすることができる。１つまたは複数のギャップを使うことにより、さらなる収容または分析のために、イオンを外側に向けて発射することもできる。
【００９４】
本願と同時係属中の英国特許出願第０５１１３７５．８号に記載されているように、電極の電圧の小さな制御された摂動を利用して、小さな非線形電場を適量で導入することができる。
【００９５】
本発明において、「捕捉」とは、広い意味、つまり少なくとも一方向に沿ったイオンの運動の規制として解釈されることに注意すべきである。したがって、この用語は、（オービトラップ質量分析器のように）３方向すべてについての捕捉だけでなく、たとえば英国特許出願公開第２，０８０，０２１号の多重反射システムに代表されるような、イオンが別の方向に沿って拡散する捕捉も含む。そこで、本願で説明した静電トラップの調整および操作の方法は、上記の実施形態だけでなく、静電場を実施的に含むあらゆる種類の多重反射装置にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明の実施形態に係るオービトラップ質量分析器を含む質量分析計の概略図である。
【図２】図１のオービトラップ質量分析器の電極の切断斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係るオービトラップ質量分析器における電極の断面図である。
【図４】図３の電極の切断斜視図である。
【図５】図３に対応し、電極に電圧を供給するための電源供給ネットワークを示す図である。
【図６】電極に電圧をかけるために使用される入れ子型抵抗ネットワークを示す図である。
【図７】電極に電圧をかけるために使用されるレギュレータ型抵抗ネットワークを示す図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係るオービトラップ質量分析器の電極の断面図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係るオービトラップ質量分析器の電極の断面図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係るオービトラップ質量分析器の電極の断面図である。
【図１１】本発明の第５の実施形態に係るオービトラップ質量分析器の電極の切断斜視図である。
【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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【国際調査報告】
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