(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一の直線状に延長されている四重極イオントラップのアレイであって、各トラップが、
Ｚ方向に延長されていて、少なくともＺ軸に沿った向きにある中心線領域に四重極場を形成する少なくとも４つの主電極であって、前記Ｚ軸は真っ直ぐか又は前記主電極間距離に比べ大きい半径で湾曲しているかの何れかである、少なくとも４つの主電極と、
前記主電極の少なくとも１つの電極のイオン射出スリットであって、前記Ｚ方向に整列しているスリットと、
前記四重極イオントラップのＺエッジに配置されていて、前記Ｚエッジに静電イオンプラグを形成するＺエッジ電極であって、主電極又は環状電極の一区分であるＺエッジ電極と、
少なくとも前記主電極の中心線領域に四重極ＲＦ場を形成するようにＲＦ信号を提供するＲＦ生成器であって、１つの位相（＋ＲＦ）が前記主電極の１つの対へ印加され、反対の位相（−ＲＦ）が前記主電極の他の対へ印加される、ＲＦ生成器と、
少なくとも前記主電極の中心線領域により弱い二重極ＤＣ場を有する四重極ＤＣ場を形成するように前記主電極の少なくとも２つへＤＣ信号を提供する可変ＤＣ供給と、
軸方向Ｚトラッピングを提供するように前記Ｚエッジ電極へ接続されているＤＣ、ＲＦ、又はＡＣ供給と、
１ｍＴｏｒから１００ｍＴｏｒの範囲のガス圧を提供するためのガス供給又はポンピング手段と、を備えているアレイにおいて、前記可変ＤＣ供給は、前記四重極場を傾斜化し、而して前記スリットを介してのイオンｍ／ｚと逆の関係の順次イオン射出を生じさせるための手段を有しており、各トラップは、更に、前記四重極イオントラップのスリットを過ぎてのイオンの捕集、移動、及び空間的閉じ込めのためのＤＣ勾配を有するＲＦチャネルを備えており、前記ＲＦチャネルの寸法は、トラップのサイズとトポロジー及びガス圧によって画定され、前記ＲＦチャネルは射出されたイオンを捕集する、減衰させる、及び空間的に閉じ込めるための十分に広い入口口径を有し、
前記個々のトラップは、前記広口径ＲＦチャネルでのより効率的なイオン捕集及びイオン移動のために平面状イオン放射面を形成するために整列されている、トラップアレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本開示は、質量分光分析、多重反射質量分析計、イオントラップ、及び包括的全質量ＭＳ−ＭＳ分析のためのタンデム質量分析計の分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
頻回パルシングを有するＭＲ−ＴＯＦ
[0002]ここに参考文献として援用する米国特許第５０１７７８０号は、折り返されたイオン経路を有する多重反射飛行時間型質量分析計（ＭＲ−ＴＯＦ）を開示している。イオン閉じ込めは周期レンズのセットで改善される。ＭＲ−ＴＯＦは１００，０００の範囲の分解度に達する。直交加速器（ＯＡ）と組み合わされた場合、ＭＲ−ＴＯＦは低いデューティサイクルを有し、大抵は１％を下る。トラップ変換器と組み合わされた場合、ショット毎のパケット当たりイオン数が１Ｅ＋３イオンより上ではイオンパケットの空間電荷がＭＲ−ＴＯＦの分解度に影響を及ぼす。ＭＲ−ＴＯＦでの１ｍｓ飛行時間を勘案すると、これは毎秒ピーク当たり１Ｅ＋６未満の略極大信号に相当する。
【０００３】
[0003]デューティサイクルと空間電荷スループットの両方を改善するために、ここに参考文献として援用する国際公開第２０１１１０７８３６号は、もはやイオンパケットをドリフト方向に閉じ込めることはせず何れの質量種もイオン反射数のスパンに対応する複数の信号によって提示されるようにした開放式トラップ静電分析部を開示している。当該方法は、ＯＡデューティサイクルの問題とＭＲ−ＴＯＦ分析部内の空間電荷制限の問題を解決する。但し、毎秒１Ｅ＋８イオンより上のイオン流束ではスペクトルの復号がうまくいかない。
【０００４】
[0004]ここに参考文献として援用する国際公開第２０１１１３５４７７号は、同じ問題を全体としてより制御された方式で解決し且つ任意の前段分離の１０μｓ時間分解度にまで下げた極めて高速なプロファイル記録取りを可能にする符号化頻回パルシング（ＥＦＰ：encoded frequent pulsing）の方法を開示している。スペクトル復号段階は、スペクトル密集が０．１％未満であるので、タンデムＭＳでのフラグメントスペクトルの記録取りに十分適う。しかしながら、ＥＦＰ  ＭＲ−ＴＯＦが単一の質量分析計として適用されたとき、実際にスペクトルの復号は稠密な化学的バックグラウンドのせいでダイナミックレンジを１Ｅ＋４未満に制限する。
【０００５】
[0005]最新のイオン源は、１Ｅ＋１０イオン／秒（１．６ｎＡ）までを質量分析計の中へ送達する能力がある。１Ｅ＋５のダイナミックレンジの信号を勘案すれば、任意の復号段階前のスペクトル密集は３０−５０％に迫る。先行技術のＥＦＰ法は巨大イオン流束をフルダイナミックレンジで捕捉するには向かない。
【０００６】
[0006]本開示は、（ａ）前段の損失無しで粗い時間的質量分離の使用、質量分離されたイオン流れのガス減衰化、射出パルス間隔をＭＲ−ＴＯＦでの最も重いイオンの飛行時間よりはるかに短くしての直交加速器の頻回パルシング、１Ｅ＋１０イオン／秒に上るイオン流束を取り扱うように拡張されたダイナミックレンジと寿命を有する検出器の使用、によるＥＦＰ−ＭＲ−ＴＯＦの改善を提案している。損失無しの第１カスケードの分離部は、広口径イオン移動チャネルを従えたトラップアレイであってもよいし、１０−２０ｅＶ未満の低衝突エネルギーで動作するソフト減衰化セル、主として表面誘起解離（ＳＩＤ）セル、を従えた広く開放された粗いＴＯＦ分離部を有するトラップアレイパルス式変換器であってもよい。
【０００７】
包括的ＭＳ−ＭＳ（Ｃ−ＭＳ−ＭＳ）
[0007]高信頼特異的検体同定のために、タンデム質量分析計は次の様に動作し、即ち、親イオンが第１の質量分析計の中で選別され、衝突誘起解離（ＣＩＤ）セルの様な断片化セルの中で断片化されると、次いでフラグメントイオンスペクトルが第２の質量分析計の中で記録される。四重極ＴＯＦ（Ｑ−ＴＯＦ）の様な従来式タンデム機器は、狭い質量範囲をフィルタに通す一方で他全てを拒絶する。複合的な混合物を分析する場合、複数のｍ／ｚ範囲の順次分離が捕捉を緩慢にさせ感度に影響を及ぼす。ＭＳ−ＭＳ分析の速さ及び感度を上げるために、所謂、「包括的」、「並列」、又は「全質量」のタンデム型、即ち、米国特許第６５０４１４８号及び国際公開第０１／１５２０１号にはトラップＴＯＦ、国際公開第２００４００８４８１号にはＴＯＦ−ＴＯＦ、及び米国特許第７５０７９５３号にはＬＴ−ＴＯＦが記載されており、それら全てをここに参考文献として援用する。
【０００８】
[0008]しかしながら、先行技術の包括的ＭＳ−ＭＳはどれもフィルタ処理式タンデムに比べタンデムＭＳ改善という責務を解決できず、並列ＭＳ−ＭＳの目的を頓挫させる。複数の制限が、１Ｅ＋１０イオン／秒に上る全イオン流れがイオン源から入ってくる状態で動作することを許容しない。而して、第１のＭＳでの並列分析の利得は、ＭＳ１進入時点のイオン損失で打ち消され、全体としての感度及び速さ（主として微量成分の信号強度によって制限される）は従来のフィルタ処理式Ｑ−ＴＯＦの感度及び速さを超越しない。
【０００９】
[0009]この陳述を支持するための簡単な推定を提供する。Ｑ−ＴＯＦでは、ＭＳ１のデューティサイクルは１％であって親質量選別の標準分解度Ｒ１＝１００を提供する。ＴＯＦのデューティサイクルは、Ｒ２〜５０，０００の分解度で約１０−２０％程度である。ＭＳ−ＭＳ分析での最近の傾向は、その様なレベルのＲ２がＭＳ−ＭＳデータ信頼度での実質的優位を与えることを実証しており、即ちより低いＲ２はＴＯＦ期間の下限を３００ｕｓと設定するＭＳ−ＭＳ向けには考慮されないはずである。而して、比較のための全体としての真価は、１Ｅ＋１０イオン／秒の入来イオン流れでＤＣ＝０．１％及びＲ＝５０，００である。米国特許第７５０７９５３号に説明されている例示としてのＭＳ−ＭＳでは、単一親イオン留分のフラグメントスペクトルを記録するのに要する時間は少なくとも１ｍｓ（親質量留分当たり３ＴＯＦスペクトル）である。Ｒ１＝１００の親質量分離を提供するには、走査時間は１００ｍｓを下らない。単一直線状イオントラップの空間電荷容量Ｎ＝３Ｅ＋５イオン／サイクルを勘案すると、全体としての電荷スループットは３Ｅ＋６イオン／秒である。１Ｅ＋１０イオン／秒の入来流れを勘案すると、米国特許第７５０７９５３号のＬＴ−ＴＯＦの全体デューティサイクルは０．０３％に等しく、それは以上に推定されたＱ−ＴＯＦタンデムに比べて低い。米国特許第７５０７９５３号のタンデムは、新規性のある構成要素である直線状トラップを過ぎてのイオンを捕集するためのＲＦチャネルを提供してはいるものの、並列ＭＳ−ＭＳの目的及び責務が解決されていないことから、先行の既知の解決法、即ち、空間電荷容量を拡げるためのＬＴ、トラップを過ぎてのイオン流れを移動させるためのＲＦチャネル、全質量の並列記録取りのためのＴＯＦ、及び並列動作のためのトラップとＴＯＦとのタンデム、の組合せ以上のものにはなっていない。
【００１０】
[0010]本開示は、Ｑ−ＴＯＦの様なフィルタ処理式タンデムの１つをはるかに超える効率性を有する包括的ＭＳ−ＭＳ分析の責務への解決法を提案している。以上に提案されている同じタンデム（損失無し質量分離部及びＥＦＰ  ＭＲ−ＴＯＦ）は更に質量分光学的カスケードの中間に断片化セルを備えている。トラップアレイの場合には、広口径減衰移動チャネルの次にイオン漏斗の様なＲＦ収束チャネルが続いており、イオンは、例えば急速イオン移動のための抵抗性多重極で作られているＣＩＤセルの中へ導入される。粗ＴＯＦ分離部の場合には、ＳＩＤセルは遅延パルス式抽出と共に採用されている。
【００１１】
[0011]提案されているＭＳ−ＥＦＰ−ＭＲＴＯＦ及びＭＳ−ＣＩＤ／ＳＩＤ−ＥＦＰ−
ＭＲＴＯＦタンデムは、タンデム構成要素の何れかが、分離時には１Ｅ＋１０イオン／秒より上、検出時には１Ｅ＋９イオン／秒より上のイオン流束の取り扱いにしくじったなら、（目的を頓挫させるという）同じ問題に苦しむことになってしまう。先行技術のトラップ質量分析計も、粗ＴＯＦ分離部も、ＴＯＦ検出器及びデータシステムも、どれもが１Ｅ＋９乃至１Ｅ＋１０イオン／秒のイオン流束を取り扱えないことは明らかである。新規性のある機器は、本発明の複数の新規性のある構成要素の導入を以てしか実用化されない。
【００１２】
並列質量分離部
[0012]分析的四重極質量分析部（Ｑ−ＭＳ）は、１つのｍ／ｚ種を通過させ他の種全てを除外する質量フィルタとして動作する。デューティサイクルを改善するために、イオントラップ質量分析計（ＩＴＭＳ）はサイクルで動作しており、即ち、全ｍ／ｚのイオンがトラップの中へ射入され、次いで質量的に順次放出される。質量依存イオン射出は、ＲＦ振幅の傾斜化によって、また特定の種の射出をそれらの永続運動の共鳴励起によって促す補助的なＡＣ信号の支援を受けて、実現されている。ＩＴＭＳの不都合は、遅い走査速度（走査当たり１００−１０００ｍｓ）と、小さい空間電荷容量―３Ｄトラップでは３Ｅ＋３未満、直線状イオントラップでは３Ｅ＋５未満―と、にある。走査当たり０．１−１秒を勘案すると、最大スループットは３Ｅ＋６イオン／秒未満に制限される。
【００１３】
[0013]Ｑ−トラップ質量分析計は、反発トラップエッジを介した質量選択的射出で以て動作する。エッジバリアを越えてイオンを射出するために、直線状四重極内で特定のｍ／ｚイオンの半径方向永続運動が選択的に励起される。遅い走査（走査当たり０．３−１秒）のせいで、Ｑ−トラップのスループットは３Ｅ＋６イオン／秒未満である。ＭＳＡＥトラップは、１Ｅ−５Ｔｏｒ真空で動作しており、それが下流のイオン捕集及びイオン減衰化を複雑にする。
【００１４】
[0014]本開示は、１０ｍＴｏｒから１００ｍＴｏｒの高められたガス圧のヘリウムで動作し、大凡１ｍｓ時間内に広い面積（例えば１０ｃｍ×１０ｃｍ）からの放射イオンを捕集するようにした無線周波数トラップのアレイ（ＴＡ）を備える新規性のある質量分析部を提案している。１つの実施形態では、個々のトラップは、四重極ＤＣ場による半径方向イオン射出を有する四重極無線周波数（ＲＦ）トラップを備えた新規な型式の質量分析部である。或る実施形態では、アレイはイオンが円筒内方へ射出されるように円筒中心線上に配列されているのが望ましい。代わりに、イオン放射面は平面状か又は部分的に円筒状又は球状の何れかであってもよい。
【００１５】
[0015]別の実施形態では、ＴＡは共鳴半径方向イオン射出を有する直線状イオントラップのアレイを備えている。アレイは、一方のやり方として、円筒中心線上に配列されていて、射出されるイオンは広口径円筒状ガス減衰化セル内で半径方向にトラップされ軸方向に駆り立てられるのが望ましい。代わりのやり方では、アレイは平面内に配列されていて、射出されるイオンは広口径イオン漏斗又はイオントンネルによって捕集される。トラップアレイは、１０−３０ｍＴｏｒのガス圧のヘリウムを充填されているのが望ましい。
【００１６】
[0016]実施形態の或る群では、ＣＩＤセルの様な断片化セルが、前記トラップアレイと包括的全質量ＭＳ−ＭＳ分析のためのＥＦＰ−ＭＲ−ＴＯＦの間に提案されている。
[0017]長さ１０ｃｍのチャネル大凡１００個を有するトラップアレイは、サイクル当たり１Ｅ＋８イオンを取り扱う能力がある。ＥＦＰ法は、１０ｕｓ時間分解度での入来イオン流れの高速時間プロファイリングを可能にさせ、翻せばＴＡサイクル時間を１０ｍｓまで引き下げることが可能になり、こうしてトラップアレイスループットを１Ｅ＋１０イオン／秒まで持ってゆく。
【００１７】
抵抗性イオンガイド
[0018]高速イオン移動は、重畳された軸方向ＤＣ勾配を有するＲＦイオンガイド内に有効に整備される。先行技術の抵抗性イオンガイドは、薄い抵抗性膜の不安定性又はバルクフェライト内のＲＦ抑制の様な実用上の制限に苦しんでいる。本発明は、ＳｉＣ材料又はＢ４Ｃ材料のバルク炭素充填抵抗器を採用している改善された抵抗性イオンガイド、二次ＲＦコイルの中央タップを介したＤＣ供給を有する標準的ＲＦ回路を使用しながらのＤＣ絶縁導電性トラックとの改善されたＲＦ結合、を提案している。
【００１８】
ＴＯＦ検出器
[0019]二重マイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）及び二次電子増倍管（ＳＥＭ）の様な現在の飛行時間検出器の大半は、１クーロンの出力電荷を数える寿命を有している。１Ｅ＋６の検出器利得を勘案すると、検出器は１Ｅ＋１０イオン流束では１０００秒も働かない可能性がある。ダリ検出器が長らく知られており、そこではイオンは金属製変換器に当たり、二次電子が静電場によってシンチレータ上へ捕集され、次に光電子増倍管（ＰＭＴ）が続いている。封止されたＰＭＴの寿命は３００Ｃほどに高くなるかもしれない。しかしながら、検出器は、相当な時間的広がり（数十ナノ秒）を持ち込み、負の二次イオン形成のせいで偽りの信号を持ち込む。
【００１９】
[0020]代わりのハイブリッドＴＯＦ検出器は、マイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）とシンチレータとＰＭＴを順次に接続して備えている。しかしながらＭＣＰとシンチレータはどちらも１Ｃに満たずに機能しなくなる。シンチレータは、サブミクロンの金属被覆の破壊に因り劣化する。単段ＭＣＰの低い利得（１Ｅ＋３）を勘案すると、寿命は１Ｅ＋１０イオン／秒流束で１Ｅ＋６秒（１月）まで延びる。
【００２０】
[0021]先行技術の制限を打開するために、本開示は、改善されたシンチレータを有する等時性ダリ検出器を提案している。二次電子は、磁場によって操舵されシンチレータ上へ導かれる。シンチレータは確実に電荷が除去されるように金属メッシュによって覆われている。２つの光電子増倍管が二次光子を異なった立体角で捕集し、而して検出器のダイナミックレンジを改善する。少なくとも１つの高利得ＰＭＴは、電子雪崩電流を制限するための従来式回路構成を有している。新規性のある検出器の寿命は１Ｅ＋１０イオン／秒の流束で１Ｅ＋７秒（１年）を上回ると推定され、而して上述のタンデムを実用化させる。
【００２１】
データシステム
[0022]従来式ＴＯＦ  ＭＳは、信号がＴＯＦスタートパルスと同期された複数の波形に亘って積算される積算式ＡＤＣを採用している。データ流束は、ＰＣへの信号転送バスの速さに整合させるべくスペクトル当たり波形数に比例して減らされる。その様なデータシステムは、弱いイオン信号は微量な種を検出するのに波形積算を要することから、自ずとＴＯＦ  ＭＳの要件に整合する。
【００２２】
[0023]ＥＦＰ−ＭＲＴＯＦでは、タンデムサイクルの間に急速に変化する波形の時間推移情報を保留すること及び（１００ｍｓに上る）長い波形を記録することが必要になる。長い波形は、クロマトグラフィー分離時間に比較してもなお短い積算時間中に合算されることになろう。１秒ピークのガスクロマトグラフィー（ＧＣ）を使用している場合、積算時間は目立って短く例えば０．１−０．３秒となるはずである。而して、制限された波形数（３−３０）しか積算できなくなってしまう。バス経由のデータフローを減らすためには、信号がゼロフィルタ処理されるのが望ましい。代わりに、ゼロフィルタ処理された信号が、非ゼロデータストリングが実験室時間スタンプと併せて記録される所謂データロギングモードのＰＣへ転送されてもよい。信号は、オンザフライ分析され、マルチコアＰＣか又はビデオカードの様なマルチコアプロセッサの何れかで圧縮されるのが望ましい。
【００２３】
結論
[0024]提案されている解決法のセットは、１Ｅ＋１０イオン／秒イオン流束についてＭＲ−ＴＯＦの高Ｒ２＝１００，０００分解度及び高（〜１０％）デューティサイクルのＭＳ単独及びＣ−ＭＳ−ＭＳを提供し、而して、様々な質量分光学的デバイスを先行技術に比べ実質的に改善するものと期待される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２４】
【特許文献１】米国特許第５０１７７８０号
【特許文献２】国際公開第２０１１１０７８３６号
【特許文献３】国際公開第２０１１１３５４７７号
【特許文献４】米国特許第６５０４１４８号
【特許文献５】国際公開第０１／１５２０１号
【特許文献６】国際公開第２００４００８４８１号
【特許文献７】米国特許第７５０７９５３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
[0025]提案されている方法及び装置は、先行技術の質量分析計及び包括的タンデムＭＳの電荷スループット制限を打開し、尚且つ、１Ｅ＋１０イオン／秒に上るイオン流束を有効に利用でき、クロマトグラフィー時間尺度０．１−１秒に匹敵する時間分解度を有する質量スペクトル分析の高分解度（Ｒ＞１００，０００）を叶えるように設計されている。新規性のある方法及び装置が、同じ目標を達成するための複数の改善された構成要素と共に提案されている。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
[0026]１つの実施形態では、高電荷スループット質量スペクトル分析の方法において、（ａ）イオン源で広いｍ／ｚ範囲のイオンを生成する段階と、（ｂ）第１の質量分離部内でイオン流れをイオンｍ／ｚに従って時間的に粗く１０から１００の間の分解度で分離する段階と、（ｃ）第１の分離部での時間的分離に因るより狭いｍ／ｚウインドーのイオン射入時の個々のスタートによって発生する信号間のスペクトルの重なり合いを最小限にする又は回避するように、飛行時間型質量分析部での、当該飛行時間型分離部のイオン飛行時間に比べはるかに短い期間でトリガされる高分解度Ｒ２＞５０，０００質量スペクトル分析の段階と、を備えている方法が提供されている。
【００２７】
[0027]好適には、方法は、更に、当該質量分離の段と当該質量分析の段の間にイオン断片化の段階を備え、当該飛行時間型質量分析部のトリガリングパルスは飛行時間期間内の任意対のトリガリングパルスの間の固有時間間隔について時間符号化されるようになっていてもよい。好適には、前記粗質量分離の段階は、多重チャネルイオントラップ内での時間分離又は多重チャネルトラップパルス変換器に先行される広口径空間集束飛行時間型分離部内での時間分離を備えていてもよい。好適には、方法は、最も豊富なイオン種を当該ＴＯＦ分析部の空間電荷を飽和させること無く分析するために又は検出器の飽和を回避するために、当該第１の分離部を一部の時間に亘って迂回する段階と、当該イオン源からのイオン流れの一部を当該高分解度質量分析部へ入射させる段階と、更に備えていてもよい。
【００２８】
[0028]別の実施形態では、高電荷スループット質量スペクトル分析のより詳細な方法において、次の段階、即ち、（ａ）クロマトグラフィー分離された検体流れについて、イオン源で、広いイオンｍ／ｚ範囲の複数のイオンを生成し、１Ｅ＋１０イオン／秒に上るイオン流れを中ガス圧の無線周波数イオンガイドの中へ通す段階と、（ｂ）当該イオン流れを無線周波数閉じ込めイオンバッファの複数のチャネルの間で割る段階と、（ｃ）当該流
れを当該イオンバッファに蓄積させ、蓄積されたイオン集団の少なくとも一部を周期的に多重チャネルトラップの中へ射出する段階と、（ｄ）当該多重チャネルトラップの中のイオンを多重ＲＦ及びＤＣトラッピングチャネルで１０ｍＴｏｒから１００ｍＴｏｒの間のガス圧のヘリウムガスとの衝突で減衰させる段階であって、当該トラッピングチャネルの数Ｎ＞１０及び個々のチャネルの長さＬは積Ｌ＊Ｎ＞１ｍとなるように選定されている、イオンを減衰させる段階と、（ｅ）順次式に、イオンを当該多重チャネルトラップからイオンｍ／ｚに従って直接か又は逆の何れかの順で漸進的に射出して、異なるｍ／ｚのイオンが１０から１００の間の分解度Ｒ１で時間的に分離されてゆくようにする段階と、（ｆ）当該多重チャネルトラップからの射出され時間分離されたイオン流れを広く開放されたＲＦイオンチャネルの中へ受け入れ、０．１−１ｍｓより小さい時間的広がりの高速移動を目指したＤＣ勾配でイオンを駆り立てる段階と、（ｇ）先に実現された０．１−１ｍｓより小さい時間的広がりの時間分離を維持しながらに当該イオン流れをＲＦ場によって空間的に閉じ込める段階と、（ｈ）１０ｅＶから１００ｅＶの間のイオンエネルギーと、３ｍｍより小さいビーム直径と、直交加速器進入時の３度より小さい角度発散と、を有する細いイオンビームを形成する段階と、（ｉ）均一なパルス期間又はパルス間の固有時間間隔を形成するように符号化されているパルス期間を有する１０ｋＨｚから１００ｋＨｚの間の周波数の当該直交加速器でイオンパケットを形成する段階であって、段階（ｅ）での粗分離に因り、当該パケットは当該イオン源で生成された初期ｍ／ｚ範囲に比べ少なくとも１０倍狭い質量範囲のイオンを含んでいる、イオンパケットを形成する段階と、（ｊ）当該の瞬時的に狭いｍ／ｚ範囲を有するイオンパケットのイオン飛行時間を、１０００Ｔｈイオンについて少なくとも３００ｕｓのイオン飛行時間及び５０，０００より上の質量分解度を有する多重反射飛行時間型質量分析部の多重反射静電場で分析する段階と、（ｋ）飛行時間分離を過ぎての信号を、検出器進入０．０００１クーロン超を受容するのに十分な寿命を有する検出器によって記録する段階と、を備えている方法が提供されている。
【００２９】
[0029]好適には、方法は、更に、当該質量順次射出の段階と当該高分解度飛行時間型質量分析の段階の間にイオン断片化の段階を備えていてもよい。好適には、ダイナミックレンジを拡げることを目的として及び主要検体種を分析するために、方法は、更に、当該高分解度ＴＯＦ  ＭＳに関わって、広いｍ／ｚ範囲の原イオン流れの少なくとも一部を入射させ分析する段階を備えていてもよい。好適には、当該トラップアレイでの粗質量分離の段階は、一覧、即ち、（ｉ）直線状延長ＲＦ四重極アレイからの四重極ＤＣ場によるイオン半径方向射出、（ｉｉ）直線状延長ＲＦ四重極アレイからの共鳴イオン半径方向射出、（ｉｉｉ）ＲＦ四重極アレイからの質量選択的軸方向イオン射出、（ｉｖ）何れも複数の環状電極間にＤＣ電圧、ＲＦ振幅、及びＲＦ位相を分配することによって形成されている半径方向ＲＦ閉じ込め、軸方向ＲＦバリア、及びイオン推進のための軸方向ＤＣ勾配、を有するＲＦチャネルのアレイ内での質量選択的軸方向移動、（ｖ）直交ＲＦチャネルを通るイオンによって送給される複数の四重極トラップからのＤＣ場によるイオン射出、のうちの１つの段階を備えている。好適には、当該質量分離部アレイは、平面状の面か又は少なくとも部分的に円筒状又は球状の面の何れかに配列されていてもよく、当該分離部は、整合するトポロジーのイオンバッファ及びイオン捕集チャネルと幾何学的に整合されていてもよい。好適には、当該粗質量分離の段階は、粗質量分離の段階を過ぎてのイオン捕集及びイオン移動を加速するために１０ｍＴｏｒから１００ｍＴｏｒのガス圧のヘリウム中に配列されていてもよい。好適には、方法は、更に、当該順次イオン射出の段階と当該多重反射分析部の中へのイオン直交加速の段階の間に追加の質量分離の段階を備えており、当該追加の質量分離の段階は、一覧、即ち、（ｉ）イオントラップ又はトラップアレイからの質量依存順次イオン射出、（ｉｉ）質量分析計部での質量フィルタ処理であって、当該第１の質量依存射出と質量同期されている質量フィルタ処理、のうちの１つの段階を備えている。
【００３０】
[0030]更に別の実施形態では、タンデム質量分析計装置において、（ａ）Ｔ１＝１ｍｓ
から１００ｍｓの時間内に１０から１００の間の分解度Ｒ１でイオンをそれらのｍ／ｚに従って順次に射出するための包括的多重チャネルトラップアレイと、（ｂ）当該射出されたイオンの大半を捕集する、減衰させる、及び空間的に閉じ込めるための十分に広い入口口径を有する１０ｍＴｏｒから１００ｍＴｏｒのガス圧のＲＦイオンチャネルであって、第１の包括的質量分離部の時間分解度を存続させるように十分に短い時間的広がりΔＴ＜Ｔ１／Ｒ１を目指した軸方向ＤＣ勾配を有するＲＦイオンチャネルと、（ｃ）多重反射飛行時間型（ＭＲ−ＴＯＦ）質量分析部と、（ｄ）当該多重チャネルトラップと当該ＭＲ−ＴＯＦ分析部の間に設置されている頻回符号化パルス式加速を有する直交加速器と、（ｅ）当該直交加速器のためのスタートパルスを生成するためのクロック生成器であって、当該パルス間の期間は、当該ＭＲ−ＴＯＦ分析部での最も重いｍ／ｚイオンの飛行時間に比べ少なくとも１０倍短く、当該パルス間の時間間隔は等しいか又は飛行時間期間内の任意対のパルス間の固有間隔について符号化されているかの何れかである、クロック生成器と、（ｆ）進入イオン流れの０．０００１クーロンを超える寿命を有する飛行時間検出器と、を備えている装置が提供されている。
【００３１】
[0031]好適には、当該装置は、更に、当該多重チャネルトラップアレイと当該直交加速器の間に断片化セルを備えていてもよい。好適には、当該多重チャネルトラップアレイは、（ｉ）半径方向イオン射出のための四重極ＤＣ場を有する直線状延長ＲＦ四重極、（ｉｉ）共鳴イオン半径方向射出のための直線状延長ＲＦ四重極、（ｉｉｉ）質量選択的軸方向イオン射出のためのＤＣ軸方向プラグを有するＲＦ四重極、（ｉｖ）環状電極であって、半径方向ＲＦ閉じ込めと、軸方向ＲＦバリアと、イオン推進のための軸方向ＤＣ勾配と、を有するＲＦチャネルを形成するように、ＤＣ電圧、ＲＦ振幅、及びＲＦ位相が電極間に分配されている環状電極、及び（ｖ）ＤＣ場によるＲＦバリアを通ってのイオン射出のために直交ＲＦチャネルを通るイオンによって送給される四重極直線状トラップ、の群のうちの複数のトラップを備えている。好適には、当該質量分離部アレイは、平面状の面又は少なくとも部分的に円筒状又は球状の面の何れかに配列され、当該分離部は、整合するトポロジーのイオンバッファ及びイオン捕集チャネルと幾何学的に整合されていてもよい。
【００３２】
[0032]別の実施形態では、同一の直線状に延長されている四重極イオントラップのアレイであって、各トラップが、（ａ）１つのＺ方向に延長されていて、少なくともＺ軸に沿った向きにある中心線領域に四重極場を形成する少なくとも４つの主電極と、（ｂ）当該Ｚ軸が真っ直ぐか又は当該電極間距離に比べはるかに大きい半径で湾曲しているかの何れかであることと、（ｃ）当該主電極の少なくとも１つの電極のイオン射出スリットであって、当該Ｚ方向に整列しているスリットと、（ｄ）当該四重極トラップのＺエッジに配置されていて、当該Ｚエッジに静電イオンプラギングを形成するＺエッジ電極であって、主電極又は環状電極の一区分であるＺエッジ電極と、（ｅ）少なくとも主電極の中心線領域に四重極ＲＦ場を形成するように逆位相のＲＦ信号を提供するＲＦ生成器と、（ｆ）少なくとも主電極の中心線領域により弱い二重極ＤＣ場を有する四重極ＤＣ場を形成するように少なくとも２つのロッドへＤＣ信号を提供する可変ＤＣ供給と、（ｇ）軸方向Ｚトラッピングを提供するように当該Ｚエッジ電極へ接続されているＤＣ、ＲＦ、又はＡＣ供給と、（ｈ）１ｍＴｏｒから１００ｍＴｏｒの範囲のガス圧を提供するためのガス供給又はポンピング手段と、を備えているアレイにおいて、（ｉ）当該可変ＤＣ供給は、当該四重極電位を傾斜化し、而して当該スリットを介してのイオンｍ／ｚと逆の関係の順次イオン射出を生じさせるための手段を有しており、（ｊ）当該トラップアレイは、更に、四重極トラップの当該スリットを過ぎてのイオンの捕集、移動、及び空間的閉じ込めのためのＤＣ勾配を有する広口径ＲＦチャネルを備えており、当該ＲＦチャネルの寸法は、トラップのサイズとトポロジー及びガス圧によって画定されている、トラップのアレイが提供されている。
【００３３】
[0033]好適には、当該個々のトラップは、当該広口径ＲＦチャネルでのより効率的なイオン捕集及びイオン移動のために平面状か又は少なくとも部分的に円筒状又は部分的に球状の何れかであるイオン放射面を形成するように整列されていてもよい。
【００３４】
[0034]別の実施形態では、イオンガイドにおいて、（ａ）１つのＺ方向に延長されている電極であって、当該Ｚ軸は真っ直ぐか又は当該電極間距離に比べはるかに大きい半径で湾曲している、電極と、（ｂ）当該電極が、１Ｏｈｍ＊ｃｍから１０００Ｏｈｍ＊ｃｍの間の固有抵抗を有するバルク抵抗を形成するように炭素充填セラミック抵抗器か又は炭化ケイ素か又は炭化ホウ素の何れかで作られていることと、（ｃ）各電極上の導電性Ｚエッジと、（ｄ）各ロッドの一方の面の絶縁被覆であって、当該電極によって囲まれているガイド内側の領域から離れる向きにある絶縁被覆と、（ｅ）当該絶縁被覆の上へ付着されている電極当たり少なくとも１つの導電性トラックであって、１つの導電性電極エッジへ接続されている導電性トラックと、（ｆ）少なくとも２セットの二次コイルを、当該二次コイルセットの中央タップへ接続されているＤＣ供給と共に有しているＲＦ生成器であって、而して少なくとも４つの区別できる信号ＤＣ１＋ｓｉｎ（ｗｔ）、ＤＣ２＋ｓｉｎ（ｗｔ）、ＤＣ１−ｓｉｎ（ｗｉｔ）、及びＤＣ２−ｓｉｎ（ｗｔ）を提供し、当該信号は隣接する電極間の交番ＲＦ位相及び電極に沿った軸方向ＤＣ勾配を作成するように電極端へ接続されている、ＲＦ生成器と、を備えているイオンガイドが提案されている。
【００３５】
[0035]好適には、当該ＤＣ電圧は、当該ＲＦ信号の期間に匹敵するか又はそれより長い時定数でパルス発振されるか又は高速調節されていてもよい。好適には、前記電極は、円形ロッド又はプレートの何れかかである。
【００３６】
[0036]別の実施形態では、長寿命飛行時間検出器において、（ａ）検出されるイオンパケットのタイムフロントに平行に露出していて二次電子を生成する導電性変換器面と、（ｂ）側方窓を有する少なくとも１つの電極と、（ｃ）当該変換器が周囲の電極に比べ１００Ｖから１０，０００Ｖの間の電圧差で負に浮動されていることと、（ｄ）電子軌道を曲げるための１０ガウスから１０００ガウスの間の磁場強度を有する少なくとも２つの磁石と、（ｅ）当該変換器面に比べ１ｋＶ乃至２０ｋＶだけ正に浮動されていて、当該電極窓を過ぎて当該変換器に対して４５度乃至１８０度に配置されているシンチレータと、（ｆ）シンチレータを過ぎての封止された光電子増倍管と、を備えている長寿命飛行時間検出器が提供されている。
【００３７】
[0037]好適には、当該シンチレータは帯電防止材料で作られているか、又は当該シンチレータは電荷をシンチレータ面から除去するためにメッシュによって覆われている。
[0038]本発明の上記態様全ては、目標とする性能を危うくすること無く一般的で詳細な方法及び装置を提供するのに必要であると思える。
【００３８】
[0039]これより、本発明の様々な実施形態を、例示のみを目的に与えられている配列と併せて、単に一例として、添付図面を参照しながら説明してゆく。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】[0040]最も一般的な形態の好適な実施形態の概略線図であり、本発明の２つの一般的方法―二重カスケードＭＳ及び包括的ＭＳ−ＭＳの方法―を説明するのにも使用される概略線図である。
【図２】[0041]トラップアレイ分離部及び符号化頻回パルス（ＥＦＰ）で動作する多重反射ＴＯＦ（ＭＲ−ＴＯＦ）質量分析計を有する好適な実施形態のためのスキームであり、トラップアレイの平面状配列及び円筒状配列を有する２つの具体的な実施形態を示している。
【図３】[0042]ＤＣ四重極場による順次イオン射出を有する新規性のある四重極トラップのスキームである。
【図４Ａ】[0043]図３のトラップの動作方法を説明するための四重極トラップの安定性の線図である。
【図４Ｂ】[0044]高められたガス圧の四重極場によるイオン射出での、図３に示されているトラップのイオン光学シミュレーションの結果を提示している。
【図４Ｃ】[0045]高められたガス圧の共鳴イオン射出での、図３に示されているトラップのイオン光学シミュレーションの結果を提示している。
【図５】[0046]ＲＦ場及びＤＣ場の軸方向分布も伴った、軸方向ＲＦバリアを有するトラップ分離部のためのスキームである。
【図６】[0047]ＲＦチャネルを介した側方イオン供給を有する新規性のある直線状ＲＦトラップのスキームである。
【図７】[0048]同期質量分離部を随意に従えた、同期二重トラップアレイのためのスキームである。
【図８】[0049]円筒状トラップアレイの或る例示としての機械的設計である。
【図９】[0050]図８の円筒状トラップアレイを囲む構成要素のための或る例示としての設計である。
【図１０】[0051]改善された抵抗性イオンガイドのための電気回路図である。
【図１１】[0052]延長された寿命を有する新規性のあるＴＯＦ検出器の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
[0053]様々な図面中の同様の符号は同様の要素を表す。
一般化された方法及び実施形態
[0054]図１をブロック線図のレベルで参照して、本発明の質量分析計１１は、イオン源１２と、高スループットの粗く包括的な質量分離部１３と、時間分離部流れの調整部１４と、頻回符号化パルス（ＥＦＰ）を有するパルス式加速器１６と、多重反射飛行時間型（ＭＲ−ＴＯＦ）質量分析計部１７と、延長寿命を有するイオン検出器１８と、を備えている。ＣＩＤセル又はＳＩＤセルの様な断片化セル１５が当該調整部１４と当該パルス式加速器１６の間に挿入されるのは随意である。質量分析計１１は、更に、差動ポンピングのための真空室とポンプと壁、段間結合のためのＲＦガイド、ＤＣ、ＲＦパワー供給、パルス生成器、などの様な、複数の示されていない標準的な構成要素を備えている。質量分析計は、同様に示されていないがそれぞれの実施形態に特定の構成要素も備えている。
【００４１】
[0055]本発明の高スループット質量分析計は、主として、液体クロマトグラフィー（ＬＣ）、キャピラリー電気泳動（ＣＥ）、単段又は二段ガスクロマトグラフィー（ＧＣ及びＧＣ×ＧＣ）、の様な前段のクロマトグラフィー分離との組合せ向けに設計されているものと理解している。更に、電気スプレー（ＥＳＩ）、大気圧化学イオン化（ＡＰＣＩ）、大気圧及び中圧光化学イオン化（ＡＰＰＩ）、マトリックス支援レーザー脱離（ＭＡＬＤＩ）、電子衝撃（ＥＩ）、化学イオン化（ＣＩ）、又は国際公開第２０１２０２４５７０に記載されている条件付けられたグロー放電イオン源の様な、種々のイオン源が使用できるものと理解している。
【００４２】
[0056]ここで「二重カスケードＭＳ」と呼ばれている１つの好適な方法では、イオン源１２は、広いｍ／ｚ範囲内の複数種の分析対象化合物を備えるイオン流れを生成しており、ということは主要種に比べ１Ｅ−３乃至１Ｅ−５のレベルの何千もの種を形成する濃厚な化学的バックグラウンドも生じる。ｍ／ｚの多様性は、源ボックス１２の下に示されているｍ１、ｍ２、ｍ３によって描かれている。典型的な１−２ｎＡ（即ち、１Ｅ＋１０イオン／秒）イオン流は、１０−１０００ｍＴｏｒｒの空気又はヘリウム（ＧＣ分離の場合）の中ガス圧の無線周波数（ＲＦ）イオンガイドの中へ送達される。連続イオン流れは粗い包括的な分離部１３の中へ入射され、イオン流れ全体がイオンｍ／ｚと整列した時間分
離シーケンスへ変換される。「包括的」とは、ｍ／ｚ種の殆どが拒絶されるのではなしにボックス１４下の記号アイコン上に示されている様に１ｍｓから１００ｍｓの時間スパン内で時間的に分離されることを意味する。様々なトラップアレイ分離部の様な具体的な包括的分離部（Ｃ−ＭＳ）は以下に記載されているが、具体的なＴＯＦ分離部は別個の同時係属出願の中に記載されることになっている。好適には、空間電荷制限を軽減するために、Ｃ−ＭＳ分離部は、ボックス１２、ボックス１３、及びボックス１４につながる複数の矢印によって示されている複数のチャネルを備えている。時間分離された流れは、ボックス１４の三角で記号化されている調整部１４に入り、調整部１４がイオン流れを低速化しその位相空間を小さくさせる。調整部は、時間分離への極僅か乃至は無視できるほどの影響しか与えないように設計されている。収束ＲＦチャネルが後に控える広口径ＲＦチャネルの様な様々な調整部が以下に説明されている。パルス式加速器１６は、ボックス１６の下のアイコンに示されている様に約１００ｋＨｚの高い周波数で、随意的には符号化されたパルス間隔で以て、動作する。加速器１６は頻繁にイオンパケットをＭＲ−ＴＯＦ分析部１７の中へ射入する。瞬時的イオン流れはＭＲ−ＴＯＦの狭い飛行時間間隔に対応する比較的狭いｍ／ｚ範囲によって提示されるので、頻回イオン射入は、信号パネル１９に示されている様にＭＲ−ＴＯＦ検出器１８上のスペクトルの重なり合い無しに整備することができる。加速器の高速動作はどちらであってもよく、つまりは周期的であってもよいし、又は好適には、例えば加速器からのピックアップ信号に関わる系統的な信号の重なり合いを回避するために、ＥＦＰ符号化されていてもよい。分離部１３の直接的射出シーケンス（重いイオンは後に来る）が好適であり、というのは極大限の分離速さでも重なり合いが回避されるからである。分離部の速さを圧迫するのでなければ、逆射出シーケンス（重いｍ／ｚが最初に来る）も実現可能である。
【００４３】
[0057]第１のＭＳカスケードの粗い時間分離に因り、第２のカスケードであるＭＲ−ＴＯＦは、高い周波数（〜１００ｋＨｚ）及び高いデューティサイクル（２０−３０％）で、ＭＲ−ＴＯＦ分析部の空間電荷容量に負荷を掛けすぎること無く、検出器を飽和させること無く、動作させることができる。而して、説明されている二段ＭＳ、即ち粗分離部１３と高分解度ＭＲ−ＴＯＦ１７とのタンデムは、質量分析を、高い全体デューティサイクル（数十パーセント）で、ＭＲ−ＴＯＦの高い分解度（５０，０００−１００，０００）で、ＭＲ−ＴＯＦの拡がった空間電荷スループットで、しかも検出器１８のダイナミックレンジの要件にストレスを掛けること無しに、提供する。
【００４４】
[0058]１つの数値例では、第１の質量分析計部１３はイオン流れを分解度Ｒ１＝１００で１０ｍｓ時間内に分離し、即ち、単一のｍ／ｚ留分は１００ｕｓの間に加速器１６へ到達することになり、ＭＲ−ＴＯＦでの最も重いｍ／ｚの飛行時間は１ｍｓであり、加速器は１０ｕｓパルス期間で動作している。そうすると、単一のｍ／ｚ留分は１０パルス加速に相当することになり、各パルスは５ｕｓ信号ストリングに相当する信号を生成することになる。隣接するパルス同士（大凡１０ｕｓで広がる）からの信号は検出器１８上で重なり合わないのは明らかである。１Ｅ＋１０イオン／秒のイオン流れは毎秒１Ｅ＋５パルスの間で分配され、加速器（以下に説明）の現実的な効率を勘案するとパルス当たり１Ｅ＋４に上るイオンをＭＲ−ＴＯＦの中へ提供する。高速パルシングは、分析部の空間電荷制限を低め、検出器ダイナミックレンジの飽和を回避する。第１のカスケードの走査速度は、１ｍｓまで加速させることができ（例えばＴＯＦ分離部使用時）、又は１００ｍｓまで低速化でき（例えば二段トラップ分離部実装向け）、しかもなお記載の原理に影響を及ぼすことはないが、但し第１の分離部が１Ｅ＋１０イオン／秒の所望の電荷流れを取り扱うのに十分な走査期間当たり空間電荷容量を有している場合は別であり、それについては以下の具体的な分離部実施形態の説明の中で分析されることになっている。
【００４５】
[0059]二段ＭＳ１１のダイナミックレンジは、二重ＭＳモードと単一ＭＳモードの間で交番させれば更に改善することができる。主要イオン成分の信号を記録するために、一部
の時間は原イオン流れの少なくとも一部をＥＦＰか又は標準的な加速器レジームのどちらかで動作するＭＲ−ＴＯＦ分析部の中へ直接射入させ、デューティサイクルは低くなるがそれでも主要成分についての十分に強い信号が提供されるようにしてもよい。
【００４６】
[0060]別の好適な方法では、粗Ｃ−ＭＳ分離部１３は、イオンｍ／ｚと整列して時間分離されたイオン流れを生成する。流れは、直接に又は調整部１４を介して断片化セル１５の中へ導かれる。セル１５は、比較的狭い瞬時ｍ／ｚウインドー内の親イオンのイオン断片化を誘導する。フラグメントイオンの流れは、好適には、流れ位相空間が小さくなるように調整され、次いでＭＲ−ＴＯＦ１７の中へ１００ｋＨｚの高速平均速度で動作する加速器１６によってパルス射入される。加速器１６のパルス間隔は任意対のパルスの間の固有時間間隔を形成するように符号化されているのが望ましい。一例として、現在のｊ番目のパルスの時間は、Ｔ（ｊ）＝ｊ＊Ｔ１＋ｊ（ｊ−ｌ）＊Ｔ２と定義され、ここに、Ｔ１は１０ｕｓ、Ｔ２は５ｎｓとしてもよい。符号化頻回パルシング（ＥＦＰ）の方法は、ここに参考文献として援用する国際公開第２０１１１３５４７７号に記載されている。フラグメントイオンが広いｍ／ｚ範囲内で形成されるので、ＭＲ−ＴＯＦ検出器上の信号は実際にスペクトルの重なり合いを有する。検出器信号の例示的な区分がパネル２０に示されており、そこには信号の２つの連なりが異なるｍ／ｚのイオンフラグメントについて示され、Ｆ１及びＦ２と注記されている。しかしながら、瞬時的スペクトル密集は標準的なＥＦＰ−ＭＲ−ＴＯＦに比べ実質的に低減されているので効率の良いスペクトル復号が期待される。
【００４７】
[0061]親質量分解度は、所謂時間デコンボリューション手続きによって更に増加させることができることに注目されたい。現に、極めて高速なＯＡパルシング及び分離部１３のサイクル時間に整合する持続時間を有する長いスペクトルの記録取りは、１０ｕｓ時間分解度を有する個々の質量成分の時間プロファイルを再構築することを実際に可能にする。次いで、フラグメントピーク及び親ピークを時間的に相関させれば、隣接するフラグメント質量スペクトルを、分離部１３を過ぎての親イオン射出プロファイルの時間幅より低い時間分解度で分離できるようになる。デコンボリューションの原理はＧＣ−ＭＳのために６０年代末期にクラウス・ビーマン（Klaus Bieman）によって開発された。
【００４８】
[0062]或る数値例では、第１の分離部は、分解度Ｒ１＝１００及び１０−１００ｍｓ持続時間の時間分離されたｍ／ｚシーケンスを形成し、１ｍｓ飛行時間を有するＭＲ−ＴＯＦは１００ｋＨｚ平均繰り返し率のＥＦＰパルシングで動作し、長いスペクトルは、全体ＭＳ−ＭＳサイクルに相当して捕捉され、クロマトグラフィーのタイミングが許せば数サイクルについて合算されてもよい。親イオンの１つのｍ／ｚ留分当たりフラグメントスペクトルは、０．１−１ｍｓの間続き、加速器の１０−１００パルスに相当し、スペクトル復号には十分なはずである。方法は、複数の微量検体成分の分析には十分適している。しかしながら、主要検体成分については、瞬時流束は１００倍にも濃縮されることがある。しかも複数のフラグメントピークの間の信号分割を勘案すれば、ショット当たり瞬時極大イオン数は検出器上で１Ｅ＋４乃至１Ｅ＋５イオンほどに高くなり、ＭＲ−ＴＯＦ分析部の空間電荷容量及び検出器ダイナミックレンジの両方を超えてしまう。ダイナミックレンジを増加させるため、Ｃ−ＭＳ−ＭＳタンデム１１を、一部の時間の間は信号強度が抑制されるか又は時間的に広がるという交番モードで動作させてもよい。代わりに、強いイオンパケットが空間的に広がり、低い透過速度で移送されてゆくような空間電荷の自動抑制がＭＲ−ＴＯＦ分析部内に整備されてもよい。タンデム１１の電荷スループット及び速さの真価は以下の説明に支えられている。
【００４９】
方法の主な効果
[0063]１．二重カスケードＭＳ法では、前段の粗い質量分離は、ＭＲ−ＴＯＦを高い繰り返し率でパルス発振することをスペクトル重なり合い形成無しに可能にさせ、而して、
１Ｅ＋１０イオン／秒に上る大きいイオン流れを、高いデューティサイクル（２０−３０％）で、Ｒ２＝１００，０００の高い全体分解度で、しかも機器の空間電荷限界及び検出器限界にストレスを掛けること無く取り扱えるようになる。明解さを期し、この動作法を「二重ＭＳ」と呼ぶことにする。
【００５０】
[0064]２．包括的ＭＳ−ＭＳ（Ｃ−ＭＳ−ＭＳ）法では、タンデム質量スペクトルが、１Ｅ＋１０イオン／秒に上るイオン流れでの全ての親イオンについて、大凡１０％のデューティサイクルで、親イオン分解度Ｒ１＝１００及びフラグメントスペクトル分解度Ｒ２＝１００，０００で、しかもＭＲ−ＴＯＦ分析部の空間電荷限界にストレスを掛けること無く、検出器ダイナミックレンジにストレスを掛けること無く捕捉される。
【００５１】
[0065]３．Ｃ−ＭＳ−ＭＳのモードでは、親質量選別の分解度は、ＧＣ−ＭＳでのデコンボリューションに似たフラグメントスペクトルの時間デコンボリューションによって更に改善することができる。二次元デコンボリューションならクロマトグラフィー分離プロファイルも勘案することになろう。
【００５２】
[0066]４．二重ＭＳとＣ−ＭＳ−ＭＳの両方法は、断片化セルの入口でイオンエネルギーを調節さえすれば、また或いは加速器動作の低デューティサイクルレジームと高デューティサイクルレジームの間で切り替えさえすれば、同じ装置１１内に実装させることができる。
【００５３】
[0067]５．タンデム動作及びＥＦＰ法は、複数の微量検体成分をクロマトグラフィー時間尺度で検出するという目標を持って採用されている。一部の時間について同じ装置を主要成分の信号捕捉のための従来式動作方法で使用すれば、ダイナミックレンジは更に向上する。
【００５４】
トラップアレイに係る実施形態
[0068]図２をブロック線図のレベルで参照して、本発明の質量分析計２１は、イオン源２２と、蓄積式多重チャネルイオンバッファ２３と、並列イオントラップのアレイ２４と、広口径減衰ＲＦイオンチャネル２５と、ＲＦイオンガイド２６と、頻回符号化パルス（ＥＦＰ）を有する直交加速器２７と、多重反射質量分析計部２８と、延長された寿命を有するイオン検出器２９と、を備えている。随意的にイオンガイド２５がＣＩＤセルの様な断片化セルとしての機能を果たしていてもよい。質量分析計２１は、更に、差動ポンピングのための真空室とポンプと壁、段間結合のためのＲＦガイド、ＤＣ、ＲＦパワー供給、パルス生成器、など、の様な複数の示されていない標準的な構成要素を備えている。
【００５５】
[0069]バッファ及びトラップアレイのトポロジーを異ならせた、即ち平面状２３、２４の配列と円筒状２３Ｃ、２４Ｃの配列に対応している、２つの実施形態２１及び２１Ｃが示されている。トラップアレイ２４の平面状放射面を湾曲させて円筒状面又は球状面の一部分を形成させることもできる。円筒状配列２１Ｃでは、トラップ２４Ｃはイオンを内方へ射出し、円筒の内側部分は、イオン移動を軸方向ＤＣ場によって加速させるために抵抗性ＲＦロッドを並ばせた広口径イオンチャネルとして働く。それ以外は実施形態２１と実施形態２１Ｃはどちらも同様に動作する。
【００５６】
[0070]動作時、大抵は適したクロマトグラフィー分離部によって先行されるイオン源２２でイオンが形成される。連続的にゆっくりと変化する（時定数はＧＣについては１秒、ＬＣについては３−１０秒である）イオン流れは、複数種の分析対象成分を備えており、ということは主要種に比べ１Ｅ−３乃至１Ｅ−５のレベルの何千もの種を形成する濃厚な化学的バックグラウンドも備えていることになる。典型的な１−２ｎＡ（即ち、１Ｅ＋１０イオン／秒）イオン流は、１０−１００ｍＴｏｒｒの中ガス圧の空気又はヘリウム（Ｇ
Ｃの場合）の無線周波数イオンガイドの中へ送達される。
【００５７】
[0071]連続的なイオン流れは、１０ｍＴｏｒから１００Ｔｏｒの中ガス圧で動作する無線周波数イオン閉じ込めを有するイオンバッファ２３の複数のチャネル間に分配される。質量射出段階のより高いイオンエネルギーに耐えるようにヘリウムガスが使用されるのが望ましい。バッファ２３は、イオンを連続的に蓄積し、周期的（１０−１００ｍｓ毎）にイオン分の大半をトラップアレイ２４の中へ移動させる。イオンバッファ２３は、ＲＦ単独多重極、イオンチャネル、又はイオン漏斗、などの様な、様々なＲＦデバイスを備えることができる。１Ｅ＋１０イオン／秒イオン流束を支援するには、バッファは毎１００ｍｓ、１Ｅ＋９イオンまでを保持しなければならない。一例として、長さ１００ｍｍの単一ＲＦ四重極は、一度に１Ｅ＋７乃至１Ｅ＋８イオンまでを保持することができる。而して、イオンバッファは個々の四重極イオンガイドを１０個乃至は数十個有していなくてはならない。四重極ロッドは２つの同軸中心線面上に整列しているのが望ましい。四重極ロッドは、軸方向ＤＣ場による制御されたイオン射出を可能にさせるように抵抗性であるのが望ましい。同軸イオンチャネル、イオントンネル、又はイオン漏斗を採用するのがより実用的であろう。その様なデバイスは、制御されたイオン射出のための軸方向ＤＣ場を提供するための手段を備えているのが望ましい。改善された抵抗性多重極が以下に説明されている。
【００５８】
[0072]トラップアレイ２４は周期的にイオンをイオンバッファ２３から入射させる。イオンは、複数のチャネルの間にチャネルに沿って自身の電荷により１−１０ｍｓ時間内に分配されるものと予想される。トラップアレイ２４が充填された後、トラップ電位は、質量依存イオン射出を整備するように傾斜化され、而してイオンがそれらのｍ／ｚ比に従って順次的に射出されるイオン流れが形成される。１つの実施形態では、トラップチャネルは円筒中心線上に整列している。イオンは、ＲＦイオン閉じ込め並びに０．１−１ｍｓの時間尺度での急速イオン排出のための軸方向ＤＣ場を有する広口径チャネル２５の中へと円筒内方に射出される。ＲＦチャネル２５は収束部分を有している。トラップアレイ２４及びＲＦチャネル２５の複数の実施形態が以下に説明されている。セット全体の動作原理を論じるに当たり、トラップアレイは１０−１００ｍｓサイクル内で質量分解度１００のイオン流れ時間分離を提供している、即ち分離された各留分は０．１−１ｍｓ時間の持続期間を有しているものと仮定しよう。
【００５９】
[0073]ＲＦチャネル２５の収束部分から、イオンは、普通は差動ポンプされている室にセットアップされていて１−２０ｍＴｏｒのガス圧で動作しているイオンガイド２６の中へ入る。イオンガイド２６は、抵抗性の四重極又は多重極を備えているのが望ましい。例示としてのイオンガイドが以下に説明されている。ガイドは連続的にイオンを大凡０．１−２ｍｓの時間遅延及び実質的に０．１ｍｓ未満の時間的広がりで移動させる。一例として、５Ｖ  ＤＣを用い１０ｍＴｏｒのヘリウムで動作している１０ｃｍの多重極ガイドは、イオンを大凡１ｍｓで移動させるはずであり、それでもなお断片化を引き起こさない。狭いｍ／ｚ範囲のイオンについての時間的広がりは１０−２０ｕｓになるものと予想される。ガイドの後には標準的（ＭＲ−ＴＯＦの場合）イオン光学器（図示せず）が続いており、当該光学器がガス圧を下げさせ３０ｅＶから１００ｅＶのイオンエネルギー（ＭＲ−ＴＯＦ設計に依存）の実質的に平行なイオンビームを形成させる。平行なイオンビームは直交加速器２７に入る。
【００６０】
[0074]加速器２７は、好適には、ここに参考文献として援用する米国特許第２００７０１７６０９０号に記載されている、より長いＯＡの使用を可能にさせるＭＲ−ＴＯＦ２８のイオン経路の平面に実質的に直交の向きにある直交加速器（ＯＡ）である。ＭＲ−ＴＯＦ分析部は、好適には、国際公開第２００５００１８７８号に記載されている、周期レンズのセットを有する平面状多重反射飛行時間型質量分析計である。典型的なＯＡ長さ６−
９ｍｍ（ＭＲ−ＴＯＦミラー設計に依存）及び典型的なイオンエネルギー５０ｅＶで、ｍ／ｚ＝１０００のイオンは、３ｍｍ／ｕｓの速度を有し、ＯＡを２-３マイクロ秒で通る
。現在の技術では、高電圧パルス生成器を１００ｋＨｚ（パルス期間１０ｕｓ）もの高速でパルス発振させ、ＯＡのデューティサイクルを２０−３０％へ持ってゆくことができる。トラップアレイ２４でのイオン分離を除外したなら、飛行時間スペクトルは激しく重なり合うことになろう。トラップ分離を勘案することで、入来するイオンビームは、狭い質量留分、即ち１０００ａｍｕから１０１０ａｍｕを有する。ＭＲ−ＴＯＦ２８での典型的な飛行時間は１ｍｓであり、よって各個々のＯＡパルスは１ｍｓから１．００５ｍｓの間の信号を生成することになるはずである。而して、ＯＡはイオンスペクトルの重なり合いを形成させること無しに１０ｕｓ期間でパルス発振される。従って、第１のＭＳカスケードでの前段質量分離は、スペクトルの重なり合いを形成させること無しに高い繰り返し率でＭＲ−ＴＯＦをパルス発振することを可能にさせ、尚且つＯＡの２０−３０％のデューティサイクル及びＯＡ前の２−３倍のビーム平行化損失を勘案して、大凡１０％の全体デューティサイクルが提供される。そうすると機器は、１Ｅ＋１０イオン／秒の入来流束及びＭＲ−ＴＯＦ検出器２９上の１Ｅ＋９イオン／秒イオン流束のスペクトルを１０％の全体デューティサイクル及びＲ２＝１００，０００の分解度で記録し、クロマトグラフィー時間での微量検体成分の検出を手助けする。
【００６１】
[0075]機器２２の高い（１０％）デューティサイクルは、実際に、ダイナミックレンジの上限にストレスを掛ける。二重カスケードＭＳモードでは、最も強いイオンパケット（高濃度単一検体を仮定）は、分離部２２での１０倍の時間濃縮、１００ｋＨｚのＯＡ周波数、及び１０％のＯＡ動作効率を勘案すると、ショット当たり１Ｅ＋６イオンにも達し得る。その様なパケットは間違いなくＭＲ−ＴＯＦ空間電荷容量及びＭＲ−ＴＯＦ検出器のダイナミックレンジに過大な負荷を掛けることになるはずである。本発明は、或る解決法、即ち、機器２２が２つのモード―弱い検体成分を記録するための二重カスケードＭＳモード及び例えばトラップ２４の装入時でのイオン流れがイオンバッファ２３からＲＦチャネル２５の中へ直接射入される標準動作モード―を支援する、という解決法を提案している。標準動作モードでは、極大イオンパケットは大凡１Ｅ＋４イオン、即ちＭＲ−ＴＯＦ空間電荷容量の極限、を有しているはずである。完全に安全な動作のためには、検出器は例えば最も後のＰＭＴ段の回路を制限することによる過負荷保護を有していなくてはならない。分析部の周期レンズの強度によって制御されるＭＲ−ＴＯＦ分析部２８の空間電荷反発による追加の保護層が整備されているのが望ましい。
【００６２】
[0076]再び図２を参照して、当該同じタンデム２１は、例えばイオンを十分に高い（２０−５０ｅＶ）イオンエネルギーで抵抗性イオンガイド２６の中へ誘導することによってイオン断片化を始動させる場合の包括的ＭＳ−ＭＳとして動作させることができ、この様にすれば有効にＣＩＤセルへ転換させることができる。動作時、狭いｍ／ｚ範囲の時間分離された親イオン流れ（例えば正味５００ａｍｕにつき５ａｍｕ及び正味１０００ａｍｕにつき１０ａｍｕ）は、大凡０．１−１ｍｓの時間内にＣＩＤセル２６に入る。質量ウインドーは、同位体群の幅より僅かに広い。群は断片化セルに入り、例えば衝突解離によってフラグメントイオンを形成する。フラグメントは連続的にＯＡ２６に入る。ＯＡは、国際公開第２０１１１３５４７７号に記載のＥＦＰモードで動作されている。かいつまめば、パルス間隔は、非均一時間シーケンスで符号化されており、例えば、Ｔ１＝１０ｕｓ及びＴ２＝１０ｎｓを典型としてＴｉ＝ｉ＊Ｔ１＋ｉ（ｉ＋ｌ）／２＊Ｔ２の様に符号化されている。フラグメントスペクトルは重なり合うが、任意の特定の対のピーク同士の重なり合いは系統的に繰り返されない。普通の型式のＴＯＦスペクトルが、スペクトル復号段階で、パルス間隔を勘案しピークの連なり同士の間の重なり合いを分析しながら回復される。フラグメントスペクトルについてスペクトル密集性が制限されているために、ＥＦＰスペクトル復号は有効なものになる。結果として、フラグメントスペクトルは、全ての親種について、親分解能Ｒ１〜１００、フラグメント分解能Ｒ２〜１００，０００、大凡１
０％の全体デューティサイクルで、しかも１Ｅ＋１０イオン／秒に上るイオン流束を取り扱いながらに、記録される。
【００６３】
[0077]Ｃ−ＭＳ２法のダイナミックレンジを推定してみよう。１Ｅ＋１０イオン／秒の総イオン流束、主要検体成分での１０％以下の信号分（主要成分を見るならＣ−ＭＳ−ＭＳの必要性はない）、分離部２３での１００倍の時間圧縮、ＯＡ２７の１０％の全体デューティサイクル（ＯＡ前の空間イオン損失も勘案）、及びＯＡの１００ｋＨｚのパルス繰り返し数を勘案すると、極大イオンパケットは１Ｅ＋４イオンまでを含んでいよう。その様な強いイオンパケットは、ＭＲ−ＴＯＦではより低い分解度で記録されることになろう。しかしながら、ＭＲ−ＴＯＦの質量精度は、パケット当たり１Ｅ＋４イオンまでは持ち堪えることが知られている。ＭＲ−ＴＯＦ分析部内での自己空間電荷反発による強信号の自動抑制のために周囲レンズ電圧を下げることによって追加の保護が設定されてもよい。強信号を捕まえるには、第１の分離部２３の分解度（ひいては信号の時間的濃縮）が周期的に下げられてもよい。そうすると１Ｅ＋９イオン／秒の入来イオン流束に相当する化合物についての極大信号を記録することができる。最小信号を推定するに当たり、総フラグメントイオン信号が検出器で親当たり１Ｅ＋３より上の場合、匹敵するＱ−ＴＯＦ機器は情報性のあるＭＳ−ＭＳスペクトルを得るものと勘案する。そうすると１秒当たりのダイナミックレンジは、秒当たり主要捕捉信号１Ｅ＋８と微量記録スペクトル１Ｅ＋３イオンの比であるＤＲ＝１Ｅ＋５と推定される。総体的なダイナミックレンジ、即ち最も小さい同定種当たりの総信号の比は、Ｉｎｔ−ＤＲ＝秒当たり１Ｅ＋６であり、一度に一親イオンの選別によって追加のオン損失が引き起こされるＱ−ＴＯＦの様なフィルタ処理式タンデムに比べ約２桁高い。
【００６４】
[0078]以上の説明は、１Ｅ＋１０イオン／秒の流束を取り扱うトラップアレイの能力を仮定している。既存のイオントラップは、１Ｅ＋６乃至１Ｅ＋７イオン／秒より上のイオン流束を取り扱えない。大凡１００分解度を存続させながらもイオン流束を増加させるために、本発明は、幾つかの新規性のあるトラップ解決法を提案しており、それらを説明した上でトラップアレイを考察する。
【００６５】
四重極ＤＣ射出を有するＲＦトラップ
[0079]図３を参照して、四重極ＤＣ射出を有する新規性のあるトラップ３１が分解度Ｒ１〜１００での粗い質量分離向けに提案されている。トラップは、Ｚ方向に引き伸ばされた平行な電極３２、３３、３４、３５を有する直線状四重極、並びにＺ方向の静電イオントラッピングのためのエンドプラグ３７、３８を備えている。電極３２は、トラップ軸Ｚと整列しているスリット３６を有している。エンドプラグ３７、３８は、アイコン３９の軸方向ＤＣ分布によって示されている様に数ボルトＤＣによってバイアスの掛けられている電極３２−３５の区分であるのが望ましい。代わりのやり方ではエンドプラグはＤＣバイアスの掛けられた環状電極である。トラップは１０ｍＴｏｒｒから１００ｍＴｏｒｒの間の圧力のヘリウムを充填されている。
【００６６】
[0080]ＲＦ信号及びＤＣ信号の両方がアイコン４０に示されている様に印加されて、四重極ＲＦ場及びＤＣ場を形成させており、即ち１つの位相（＋ＲＦ）及び＋ＤＣが電極３３と電極３５から成る１つの対へ印加され、反対の位相（−ＲＦ）及び−ＤＣが電極３２と電極３４から成るもう１つの対へ印加されている。二重極電圧バイアスＶＢが１つの対になった電極間即ち電極３２と電極３４の間に印加されるのは随意である。電極対の間にＲＦ及びＤＣ差を作り出すために信号の各型式が別々に印加されることもあり得るものと理解している。一例として、ＲＦ信号がＤＣ＝０で電極３３及び電極３５に印加され、その一方で−ＤＣ信号を対である３２及び３４へ印加することもできる。
【００６７】
[0081]１つの実施形態では電極は放物線状である。別の実施形態では、電極は丸いロッ
ドであって、その半径Ｒは内接するトラップ半径Ｒ０に対してＲ／Ｒ０＝１．１６の関係にある。代わりの実施形態では、比Ｒ／Ｒ０は１．０から１．３の間で変わっている。その様な比はＲＦ場とＤＣ場の両方での弱い八重極成分を提供する。更に別の実施形態では、トラップは１つの方向に伸ばされており、即ち弱い二重極及び六重極場成分を導入するためにＸ方向のロッドとＹ方向のロッドの間の距離が異なっている。
【００６８】
[0082]トラップ３１装置の電極配列は、例えばここに参考文献として援用する米国特許第５４２０４２５号に記載されている共鳴射出（ＬＴＭＳ）を有する従来式直線状トラップ質量分析計を思い起こさせる。それら装置の相違は、主としてイオン射出のための四重極ＤＣ場の使用にあり、パラメータの差―長さ（１００−２００ｍｍ対ＬＴＭＳでの１０ｍｍ）、例外的に高いヘリウム圧力１０ｍＴｏｒｒ乃至１００ｍＴｏｒ対ＬＴＭＳでの１ｍＴｏｒ―における分解度に対するより低い要件（Ｒ＝１００対ＬＴＭＳでの１０００−１０，０００）が理由である。本方法は、採用されているイオン射出メカニズムにより、走査方向により、及び動作レジームにより異なる。ＬＴＭＳはＲＦ振幅を走査し永続運動の励起のためにＡＣ電圧を印加しているが、新規性のあるトラップ２１は質量依存半径方向ＲＦ閉じ込めとは相反する四重極ＤＣ場による質量依存射出を提供している。或る意味では、動作レジームは四重極質量分析計の動作と似ており、透過質量ウインドーの上側の質量境界はＤＣ四重極場とＲＦ有効電位の間のバランスによって画定される。但し、四重極は極度の真空で動作し、それらは通過してゆくイオン流れを分離し、動作は永続運動不安定性を発現させることに基づいている。対照的に、新規性のあるトラップ２１は、トラップされたイオンに関して動作し、ＲＦ微動を抑制するように十分に小さいが永続運動を部分的に減衰させるには十分に大きい而して共鳴効果を抑制するには十分に大きい高められたガス圧で動作する。高められた圧力は、主として、トラップの中への入射時のイオン減衰化を加速させ、ひいては射出されたイオンの捕集、減衰、及び移動を加速させるように選定されている。
【００６９】
[0083]図４Ａを参照して、四重極及び様々なトラップの動作レジームが、軸ＵＤＣ及び軸ＶＲＦで示されている従来の安定性線図４１に示されており、ここにＵＤＣは電極対間ＤＣ電位であり、ＶＲＦはＲＦ信号のピークツーピーク振幅である。イオン安定性領域４２、４３、及び４４は、３通りのイオンｍ／ｚ、即ち、極小ｍ／ｚ集団Ｍｍｉｎ、例示としての中間ｍ／ｚであるＭ、極大ｍ／ｚの集団Ｍｍａｘ、について示されている。作用線４５は四重極フィルタの動作に対応している。線は、安定性線図４２−４４の先端を突っ切っており、而して単一のｍ／ｚ種の透過及び他のｍ／ｚ種の排除を提供している。線４６は、特定の固定ｑ＝４Ｖｚｅ／ω２Ｒ０２ＭでのＡＣ励起によるイオンの永続運動の共鳴励起を勘案した上でのＬＴＭＳの動作に対応している。励起ｑ値は、ＲＦ周波数とＡＣ周波数の比によって定義される。ＲＦ信号の線形立ち上げの結果としてトラップは小さいイオンを先に、より重いイオンを次に射出し、これは「直接走査」と呼ばれている。
【００７０】
[0084]四重極場の有効電位井戸は、Ｄ＝Ｖｑ／４＝０．９ＶＲＦＭ０／４Ｍであることが知られており、ここにＭ０はｑ〜０．９での最も低い安定質量である。方程式は、有効なバリアが質量依存であり質量に反比例して降下することを示している。而して、小さいＵＤＣでは、より重いイオンは四重極ＤＣ場によって射出され、一方、小さいイオンは停留することになる。ＤＣ電位を立ち上げてゆくと、イオンは、より重いイオンが先に離れてゆく所謂逆走査式に順次射出されることになる。トラップ動作の原理は、ＤＣバリア及びＲＦバリアから構成される総バリアＤをＤ＝０．９ＶＲＦＭ０／４Ｍ−ＵＤＣと考えると理解することができ、何れかの所与のＵＤＣで、Ｍ＜Ｍ＊＝４ＵＤＣ／（０．９ＶＲＦＭ０）を有するイオンについては正であり、Ｍ＞Ｍ＊については負となる。四重極では、ＲＦ場成分及びＤＣ場成分はどちらも、半径に比例して上昇し、而して安定している（より低い質量の）トラップイオンと不安定な（より高い質量の）トラップイオンの間の境界は当該同じＭ＊に留まる。質量留分当たり０．１ｍｓに対応する例示としての走査速度で
は、安定イオンは全体バリアＤ＞１０ｋＴｅ〜０．２５Ｖでは射出されないはずであり、というのはイオン射出の速度が大体（１／Ｆ）＊ｅｘｐ（−Ｄｅ／２ｋＴ）であるからであり、ここにＦはＲＦ場周波数、ｋＴは熱エネルギー、ｅは電子の電荷である。方程式はＲＦ場のイオン運動エネルギーが静電場に比べ２倍であると勘案している。而して、トラップ分解度はボルトで表すことができる。２５ＶのＤＣバリアについては、推定分解度はＲ１＝１００である。同時に、ＤＣバリアを通り越すイオンの運動エネルギーはＤＣバリアの高さに匹敵する。イオン断片化を回避するために、トラップはヘリウムガスで動作しており、質量エネルギーの中心はＭＨｅ／低Ｍの因数である。モデルは空間電荷効果の単純推定を可能にさせる。トラップ分解度は、熱エネルギーの空間電荷電位に対する比２ｋＴ／ＵＳＣに比例して降下すると予想される。大空間電荷での有効トラップ分解度はＲ〜ＵＤＣ／（ＵＳＣ＋２ｋＴ／ｅ）として推定することができる。
【００７１】
[0085]説明の最後の部分は、イオン光学シミュレーションの結果を提示しており、ＤＣ電圧を１Ｖ／ｍｓ乃至５Ｖ／ｍｓの速度で傾斜化させたとき、ｍ／ｚ＝１００を有するイオンとｍ／ｚ＝９８を有するイオンについての時間プロファイルは２０ＶのＤＣ電圧で十分に分離される。ＨＷＦＭ分解度は１００程度であり、非常に単純な分離モデルであることを裏付ける。
【００７２】
[0086]図４Ａを参照して、新規性のあるトラップ４１は、走査線４７、又は走査線４８、又は走査線４９に沿って動作する。最も単純な（但し光学的ではない）走査４９では、ＲＦ信号は固定され（定ＶＲＦ）、一方、ＤＣ信号は立ち上げられる。ＲＦ振幅は、最も低い質量がＲＦ場の断熱イオン運動について０．３−０．５を下回るｑを有するように選定される。イオン射出時のあまりに高いエネルギー及びイオン断片化を回避するためには、走査線４９によって示されている様に定ＵＤＣでＲＦ振幅を下げるのが望ましい。最も高い質量分解度については、ＲＦ信号及びＤＣ信号共に線４８に沿って走査されるべきである。その様な走査は、タンデムをＣ−ＭＳ−ＭＳモードで使用する場合に選定され、イオン断片化は何れにせよ所望される。
【００７３】
[0087]図４Ｂを参照して、イオン光学シミュレーションの結果を説明すると、６ｍｍの内接直径を有する四重極トラップは、次のパラメータ、即ち、ＵＤＣ［Ｖ］＝０．０２５＊ｔ［ｕｓ］、ＶＲＦ（０−Ｐ）［Ｖ］＝１２００−１＊ｔ［ｕｓ］、二重極電圧＋０．２Ｖ及び−０．２Ｖ、に沿って動作される。ヘリウムの動作ガス圧は０ｍＴｏｒから２５ｍＴｏｒまでで変えられている。
【００７４】
[0088]上列は、ｍ／ｚ＝１０００及び９５０を有するイオンについての時間プロファイル（左）、及びｍ／ｚ＝１００及び９５を有するイオンについての時間プロファイル（右）を示している。典型的なプロファイル幅は０．２−０．３ｍｓであり、２０ｍｓ走査で得ることができる。２０という質量分解度は総飛行時間の１／４０を有する質量範囲の選択に対応している。イオン射出の効率は１に近い。イオンは、５度から２０度までで変わる質量依存角度スパン内で射出される（中列のグラフ）。運動エネルギーは、１０００ａｍｕイオンについては６０ｅＶまで、１００ａｍｕイオンについては３０ｅＶまでとなろう。その様なエネルギーは、ヘリウム内のソフトイオン移動にとってなお安全である。
【００７５】
[0089]当該同じトラップはＬＴＭＳと同様の共鳴イオン射出のレジームで動作させることもできるが、但し、トラップアレイを使用していること、はるかに高い空間電荷負荷で動作すること、はるかに大きいガス圧（ＬＴＭＳでの０．５−１ｍＴｏヘリウムに比べ１０−１００ｍＴｏｒ）で動作すること、より小さい質量分解度ではあるがより高速に稼働すること、が標準的なＬＴＭＳとは異なる。
【００７６】
[0090]図４Ｃを参照して、イオン光学シミュレーションの結果を説明すると、直線状ト
ラップは、僅かに伸ばされた幾何学形状を採用しており、１つの電極対間距離は６．９ｍｍ、他の電極対間距離は５．１ｍｍであり、大凡１０％八重極場に相当する。印加信号は図面中に注記されており、即ち、（ａ）１ＭＨｚ及び４５０Ｖ０−ｐＲＦ信号が垂直方向に離間されているロッドへ適用され、ＲＦ振幅は１０Ｖ／ｍｓの速度で走査されてゆき、（ｂ）二重極ＤＣ信号＋１ＶＤＣ及び−１ＶＤＣが水平方向に離間されている電極間に印加され、（ｃ）７０ｋＨｚ周波数と１Ｖ振幅を有する二重極ＡＣ信号が水平方向に離間されているロッド間へ印加されている。上側のグラフは、１０００ａｍｕを有するイオンと１０１０ａｍｕを有するイオンの共鳴射出での２つの時間プロファイルを示している。逆質量走査は大凡３００質量分解度に対応するが、総ＲＦ立ち下げ時間は大凡３０−４０ｍｓである。下側のグラフから分かる様に、イオンは２０度以内の角度で射出され、それらの運動エネルギーは０ｅＶから３０ｅＶの間で広がり、なおヘリウムガスでのソフトイオン捕集を可能にさせる。
【００７７】
軸方向ＲＦバリアを有するトラップ
[0091]図５を参照して、軸方向ＲＦバリアを有するトラップ５１は、開口又はスリット５３の整列された複数のセットを有するプレート５２のセットと、ｋ＊ＲＦと注記されている位相及び振幅を有する二次ＲＦコイルからの複数の中間出力を有するＲＦ供給５４と、幾つかの調節可能な出力Ｕ１．．．Ｕｎを有するＤＣ供給５５と、抵抗性分割器５６と、を備えている。アイコン５７での例示としてのプレート上ＲＦ分布によって示されている有効な軸方向ＲＦトラップを形成しながら急勾配の半径方向ＲＦバリアを形成するために、隣接するプレート５２の間に交番振幅又は交番位相を形成するように、二次コイルの中間点と終点から取られた両位相のＲＦ信号がプレート５２へ印加される。トラップは入口バリア及び出口バリアによって囲まれており、入口ＲＦバリア５８は出口バリア５９より低くなっている。抵抗性分割器からのＤＣ電位は、軸方向駆り立てＤＣ勾配と二次に近い軸方向ＤＣ場の組合せをＲＦトラップ５７の領域中に作り出すように、メガオーム範囲の抵抗器を介してプレート５２へ接続されている。而して、軸方向のＲＦバリア及びＤＣバリアは四重極に形成されるものに似ており、少なくとも原点近くではそうである。トラップは、１０−１００ｍＴｏｒのガス圧範囲のガスを充填されている。
【００７８】
[0092]動作時、ＲＦ位相が交番され軸方向駆り立てＤＣ電圧がプレート５２へ印加されている状態のＲＦチャネルに沿ってイオン流れがやって来る。トラップを充填するためにＤＣ電圧５４ａは下げられる。次いで電位５４ａが電位５４ｃより上に上昇されてトラップ領域５７内に軽い二重極場を作り出す。次に、電位５４ｂが立ち上げられて軸方向への順次的質量射出を誘導する。点５４ａと点５４ｂと点５４ｃ間の抵抗分割器の部分は二次に近い電位分布を形成するように選択されている。こうして質量依存イオン射出は図４の四重極トラップについて説明されているのと類似のメカニズムによって起こる。
【００７９】
[0093]次の同様のトラップが、下流のＲＦチャネルの十分なガス減衰化区分後に配列されている。複数のトラップがＲＦチャネルに沿って順次に配列されていてもよい。複数の順次的なトラップは空間電荷効果を低減させるものと期待される。実際に、より狭いｍ／ｚ範囲のフィルタ処理後、次のトラップはより小さい空間電荷負荷で動作することになるはずであり、而してトラップ分解度が改善されることになる。広範な時間分布を有する複数の収着事象が狭い相対時間広がりｄＴ／Ｔを有する時間プロファイルを確かに形成しているガスクロマトグラフィーでのピーク形状先鋭化と同様に、トラップ分解度の「先鋭化」のために複数のトラップを配列させることもできる。
【００８０】
側方イオン供給を有するハイブリッドトラップ
[0094]図６を参照して、中ガス圧１０−１００ｍＴｏｒでの近四重極ＲＦ及びＤＣ場の平衡対立という同じ原理を使用した更に別の新規性のあるトラップ即ちハイブリッドトラップ６１が提案されている。トラップ６１は、ＲＦチャネル６２と、四重極ロッド６３−
６５と、射出スリット６６を有するロッド６５と、を備えている。ＲＦチャネル６２はロッドセット６３−６５に直交の向きにあり、当該ＲＦチャネルはアレイ端への交番ＲＦ信号（０及び＋ＲＦ）及び静電電位Ｕ１及び静電電位Ｕ２を供給される抵抗性ロッドで形成されている。チャネルの軸での有効ＲＦはＲＦ／２である。ＲＦ信号はロッド６３及びロッド６４へも印加される。調節可能なＤＣバイアスＵ３が、イオン射出、ラッピング、及びスリット６６を介しての質量依存射出の制御のためにロッド６２へ提供される。
【００８１】
[0095]動作時、イオン流れはＲＦチャネル６２を通ってやって来る。チャネルは、交番ＲＦに因りイオン流れを放射状に保留する。チャネルが軸方向ＤＣ勾配Ｕ１−Ｕ２による制御された軸方向運動のために抵抗性ロッドで形成されるのは随意である。チャネル６２は、ロッド６３―６４及び４番目の「開放ロッド」の役を務めるチャネルによって形成されているトラッピング領域６７と連通している。チャネル６２の軸上の正味ＲＦはＲＦ／２である。ロッド６５上のＲＦ信号はゼロであり、ＲＦはロッド６３及びロッド６４へ印加されているので、ＲＦトラップが原点付近に出現しており、当該トラップは一方の側である入口（チャネル６２へ接続されている）側で歪みが激しいが、とはいえトラップ原点付近にはなお近四重極場を存続させている。Ｕ３を十分に高く調節することによってトラッピングＤＣ場を整備することによりイオンはトラップ６１の中へ射入される。ガス衝突でのイオン減衰（１０ｍｔｏｒヘリウムで大凡１−１０ｍｓかかる）の後、ＤＣバリアは、入口側で高く即ちＵ２＞Ｕ３となり出口側で小さくなるように調節される。次いでロッド６３及びロッド６４のＵ２＋Ｕ３で構成されている四重極ＤＣ電位は、イオンを出口に向けて押し出す二重極ＤＣ勾配を作り出すように立ち上げられる。ＲＦバリアは、より小さいイオンにとってはより広いので、より重いイオンが最初にトラップを離れることになり、而して逆順にイオンｍ／ｚと整列して時間分離された流れを形成させる。ＲＦ／ＤＣトラップ３１及び５１に比べ、トラップ６１はトラップの充填がより速いという利点を有するが、四重極場の歪みがより大きいためにトラップ６１の分解度は若干低くなるものと予想しておいたほうがよい。
【００８２】
トラップの空間電荷容量及びスループット
[0096]長さＬ及び半径ｒを有するイオンの円筒を密集電荷濃度ｎで閉じ込めるトラップを仮定してみよう。空間電荷場ＥＳＣは、円筒内で、ＥＳＣ＝ｎｒ／２ε０で増大し、而してイオン円筒面上にＵＳＣ＝ｑ／４πε０Ｌに等しい空間電荷電位を形成する。トラップ分解度に及ぼす空間電荷の影響を最小限にするには、空間電荷電位ＵＳＣは２ｋＴ／ｅより下でなくてはならない。そうするとイオンリボン長さＬはＬ＞Ｎ／（８πε０ＫＴ）でなくてはならず、ここにＮは保存素電荷の数である。トラップの中央値走査時間を１０ｍｓと仮定して、１Ｅ＋１０イオン／秒のスループットを存続させるには、トラップは、Ｎ＝１Ｅ＋８に上る電荷を保持しなくてはならず、イオンリボン長さはＬ＞３ｍでなくてはならない。提案されている１つの解決法は並列動作トラップアレイを配列することである。提案されている別の解決法は、多段（少なくとも二段）トラップを配列することであり、第１のトラップを総電荷に関し低い分解度で動作させ、相対的に狭い質量範囲を第２段のトラップへ回すようにすれば、第２段のトラップは僅かな空間電荷で動作して順次的質量射出の分解度をより高めるはずである。
【００８３】
二段トラップ
[0097]図７を参照して、二段トラップアレイ７１は、順次的に連通しているイオンバッファ７２と、第１のトラップアレイ７３と、イオンエネルギー減衰化のためのガスＲＦガイド７４と、第２のトラップアレイ７５と、空間的閉じ込めＲＦチャネル７６と、なおいっそう狭い質量範囲の同期通過のための随意的な質量フィルタ７７と、を備えている。
【００８４】
[0098]動作時、瞬時的に選別される質量範囲が線図７８に示されている。イオンバッファは、広いｍ／ｚ範囲のイオンを連続式又はパルス式の何れかのモードで射入する。トラ
ップ７３とトラップ７５はどちらも、イオン流れが直接か又は逆の何れかのｍ／ｚシーケンスに整列して時間的に分離されるような同期化された質量依存イオン射出を目指して配列されている。第１のトラップ７３は、主としてイオン分のより高い空間電荷によって生じる、質量選択的射出のより低い分解度で動作する。トラップサイクルは、１０ｍｓから１００ｍｓの間で調節される。イオン源（図示せず）からの１Ｅ＋１０イオン／秒にも上るイオン流れを勘案すると、第１のトラップアレイ７３は大凡１Ｅ＋８乃至１Ｅ＋９のイオンを充填される。全体トラップ電気容量を減らすために、トラップは長さ１００ｍｍのチャネルを大凡１０個有している。より悪い場合の空間電荷電位は１ｍの全体イオンリボン当たり１Ｅ＋９イオンに対応する１Ｅ＋１０イオン／秒での１００ｍｓサイクルについて１．５Ｖと推定される。１５−５０ＶのＤＣバリアについては、第１のトラップの分解度は１０から３０の間と予想される。結果として、トラップ７３は３０−１００ａｍｕのｍ／ｚウインドーのイオンを射出してゆくはずである。射出されたイオンはガス衝突で減衰され、次いで追加のより細かな分離のための第２のトラップアレイ７５の中へ射入されることになる。第２のトラップの空間電荷は１０−３０倍低いと予想される。空間電荷電位は、０．０５Ｖ乃至０．１５Ｖになるはずであり、即ち大凡１００というより高い分解度での質量射出を可能にさせる。二重トラップ配列はトラップの全体電気容量を抑えるのに助けとなり、というのも同じ効果が、単段トラップの場合には１００個のチャネルを要し容量をより大きくしてしまうのに比較して個々のトラップチャネル２０個で達成されるからである。イオンが閉じ込めＲＦチャネル７６に閉じ込められその中で減衰されたら、分析四重極の様な随意的質量フィルタ７５が第２のトラップアレイに加えて又はその代わりに使用されてもよい。質量フィルタ７７の移動質量範囲は、上流のトラップ又は二重トラップによって透過される質量範囲に同期される。
【００８５】
[0099]二重トラップ配列にあってさえ、１Ｅ＋１０イオン／秒に上る高い電荷スループットは複数のチャネルを形成するトラップアレイでしか実現させることはできない。
トラップアレイ
[0100]電荷スループットを改善するために、トラップアレイの複数の実施形態が提案されている。実施形態は、次の主な事項、即ち、製造の簡便性、個々のトラップチャネルの間の達成可能な精度及び再現性、トラップ全体電気容量の歯止め、イオン射入及び射出の簡便性及び速さ、イオン移動デバイスへのトラップ結合の効率性、差動ポンピングシステムの制限、を考慮して設計されている。
【００８６】
[0101]トラップアレイは、図３−図７に説明されている新規性のあるトラップで構成されていてもよいし、同様に、Ｓｙｋａらにより米国特許第５４２０４２５号に記載されている共鳴イオン射出を有するＬＴＭＳの様な順次イオン射出を有する従来式イオントラップ、米国特許第６５０４１４８号のＨａｇｅｒらによって記載されている共鳴半径方向イオン励起による軸方向イオン射出を有するトラップ、で構成されていてもよい。従来式トラップは、より高い〜１０ｍＴｏｒガス圧で但しそれらの分解能を或る程度落として動作するように修正されることになろう。
【００８７】
[0102]トラップアレイを過ぎてのイオンの効率の良い高速なイオン捕集のために、数通りの幾何学構成が提案されている。
[0103]出口ポートを平面上か又は緩く曲がった円筒状又は球状の面に配置させた軸方向射出イオントラップの平面状アレイであり、平面状アレイには、広口径ＲＦイオンチャネルが続き、次にＲＦイオン漏斗が続いており、トラップアレイを過ぎてのイオン移動を加速するようにＤＣ勾配がＲＦチャネル及びＲＦ漏斗へ印加される。
【００８８】
[0104]出口スリットを平面上か又は緩く曲がった円筒状又は球状の面に配列させた半径方向射出トラップの平面状アレイ。平面状アレイには、広口径ＲＦイオンチャネルが続き、次にＲＦイオン漏斗が続いており、トラップアレイを過ぎてのイオン移動を加速するよ
うにＤＣ勾配がＲＦチャネル及びＲＦ漏斗へ印加される。
【００８９】
[0105]円筒内方を臨む射出スリットを有する円筒面上に配置されている平面状アレイ。イオンは広口径円筒状チャネル内で捕集され、減衰され、及び移動される。
新規性のある構成要素の機械的設計
[0106]図８を参照して、例示としてのトラップアレイ８１（図２に２４Ｃとして示されてもいる）は、円筒中心線上に整列している複数の同一の直線状四重極トラップによって形成されている。電極の形状は、単一工作物から、放電機械加工によって、埋め込み型曲線電極８２Ｃを有する外側円筒８２、複数の内側電極８３、及び複数の埋め込み型曲線電極８４Ｃを有する内側円筒８４を形成することによって実現されている。組立体は、セラミックの管形状又はロッド形状のスペーサ８５を介して一体に保持されている。埋め込み型電極８２Ｃ及び８４Ｃは、放物線、円、又は三角形の形状であってもよい。内側円筒８４は、幾つかの機械加工溝８６を全長ＥＤＭ製法によるスリット８７と整合させて作られている、構造的リッジ８６Ｒと交互配置の複数のスリット８６を有している。特徴的なサイズは、内接半径３ｍｍ、２４個のトラップ即ち１５度毎に１トラップを形成する場合の中心直径１２０ｍｍ、及び長さ１００ｍｍ、である。内側領域は、１０−１００ｍＴｏｒの範囲にあるヘリウムのガス圧に依存して数ボルトから数十ボルトまでの全体電位降下の伴う軸方向ＤＣ場を有する多重極を形成するように抵抗性ロッド８８が並べられている。
【００９０】
[0107]図９を参照して、例示としての組立体９１が、更に、円筒状トラップ８１を取り囲むモジュール向けに提示されている。完全組立体の図は組立体の詳細を示すアイコンを贈呈されている。イオン源（図示せず）は、多重極９２ｍか又は入口ポート９２ｐを通っている加熱されたキャピラリー９２ｃの何れかを介して組立体９１と連通している。イオン入口ポート９２ｐは、イオンを封止されたイオンチャネル９３の中へ射入するようにトラップ軸に直交に設置されていてもよい。ガスは、イオンチャネル９３とリペラ電極９４の間のギャップ９４ｇを通してポンプされていてもよい。チャネル９３は交番ＲＦ信号及び多段イオン漏斗９５の中へのイオン移動のためのＤＣ電圧分割器を供給されており、当該多段イオン漏斗９５は薄いプレートで個々の開口をプレート間で可変にして作られており、而して、円錐状に拡がる部分９５ｅ、次の随意的な円筒状部分９５ｃ、そして更にトラップ８１のチャネルと整列する複数の円状チャネル９５ｒへと発散しているイオンチャネルが形成されている。多段イオン漏斗９５は更に軸方向中心ＲＦチャネル９５ａを有しているのが望ましい。イオン漏斗９５の内側軸方向部分９５ａを支持するために接続リッジが使用されていてもよい。複数の開口を有する最後のリング９６は、イオン通門のための調節可能なＤＣ電圧が供給されていてもよい。イオン漏斗の円状チャネル９５ｒは、整列していて、上述されているトラップ８１の個々のチャネルと連通している。イオン捕集チャネル９７は、ＲＦ信号及び軸方向ＤＣ信号の両方を供給されている抵抗性ロッド８８と、静電リペラプレート９７ｐと、で形成されている。抵抗性ロッド８８は無機接着剤によってセラミック製支持部８８ｃへ接着されていてもよい。イオンは、抵抗性ロッド８８を過ぎて閉じ込めイオン漏斗９８によって捕集され、抵抗性多重極９９の中へ通される。随意的に、イオン漏斗９８は、ＤＣ勾配と組み合わされた半径方向ＲＦ閉じ込めのための収束抵抗性ロッドのセットで置き換えられてもよい。提示されている設計は通常の機械加工を使用してトラップアレイを構築する１つの実施可能な手法を示している。・・・ものと理解している。
【００９１】
[0108]図１０を参照して、例示としての抵抗性多重極イオンガイド１０１（図２に２６又は図８に８８として示されてもいる）は、抵抗性ロッド１０６と、二次コイル１０３及び１０４の中央タップ１０２を介して接続されているＤＣを有するＲＦ供給と、を備えている。随意的に、ＤＣ信号は、示されている様に、平滑化ＲＣ回路を有するスイッチ１０５によってパルス発振されていてもよい。ロッド１０６は、導電性エッジ端子１０７を備えている。ロッド１０６の外側の（イオンに曝されない）面（aide）は、ＲＦ結合の改善
のために上に導電性トラック１０９を有する絶縁被覆１０８を備えているのが望ましい。ロッドは、隣接するロッド間の交番ＲＦ位相供給に因る多重極を形成するように設置されている。等しくエネルギー供給されるロッドの群が２つあるので、図１０の電気回路図は２つの極のみを示している。
【００９２】
[0109]ロッド１０６は、ＵＳ  ｒｅｓｉｓｔｏｒｓ  Ｉｎｃ．社又はＨＶＰ  Ｒｅｓｉｓｔｏｒｓ  Ｉｎｃ．社から市販されている炭素充填バルクセラミック抵抗器又はクレイ抵抗器で作られているのが望ましい。代わりのやり方では、ロッドは、焼結方法に依存して１−１００Ｏｈｍ＊ｃｍの抵抗範囲を提供することが知られている炭化ケイ素又は炭化ホウ素で作られている。直径３ｍｍから６ｍｍで長さ１００ｍの個々のロッドの電気抵抗は、１００Ｏｈｍから１０００Ｏｈｍの間で、（ａ）大凡１０ＶのＤＣ降下でのパワー放散と（ｂ）大凡５−１０ｋＯｈｍである反応抵抗Ｒｃ〜１／ωＣに相当する１０−２０ｐＦ範囲のロッド当たり浮遊容量に因るＲＦ信号サギングの間の最適折衷に適うように選定される。より高いロッドインピーダンスを使用するために、ＲＦ結合は、電極１０６の外側（イオンに曝されない）面のＤＣ絶縁厚肉金属化トラック１０９を１つの（任意の）エッジ端子１０７へ結合しロッド１０６から絶縁層１０８によって絶縁させることによって改善することもできる。その様な導電性トラック及び絶縁体は、例えば、一例としてＡｒｅｍｃｏ  Ｃｏ．社から市販されている絶縁性及び導電性の無機接着剤又は糊を用いて作ることができる。抵抗性ロッドは、長く知られているＲＦ回路を使用してＲＦ信号及びＤＣ信号を供給されており、ＤＣ電圧は複数の二次ＲＦコイル１０３及び１０４の中央タップ１０２を介して供給される。トラップ８１のイオンライナーとして抵抗性ロッド８８を使用する場合、イオンガイドの全体容量（０．５−１ｎＦ）はＲＦドライバ構築での懸案事項となる。共鳴ＲＦ回路は、ＩＣＰ分光法の場合と同じくパワーのあるＲＦ増幅器或いは真空管さえ採用することができる。
【００９３】
[0110]先行技術の抵抗性ガイドである、イギリス特許第２４１２４９３号、米国特許第７０６４３２２号、米国特許第７１６４１２５号、米国特許第８１９３４８９号は、ロッドに沿ったＲＦ信号を抑制し貧弱な抵抗直線性及び再現性を有するバルクフェライトか又は中ガス圧での大きいＲＦ信号時の偶発的放電によって破壊されかねない薄い抵抗性膜の何れかを採用している。本発明は、再現性のある丈夫で均一な抵抗性イオンガイドであって、その上広い温度範囲でも安定しているイオンガイドを提案している。
【００９４】
[0111]ガイド１０１の機械的設計は、接地又はＥＤＭ機械加工ロッドの精密整列のために、また熱膨張衝突を回避するために、金属のエッジクランプを使用していてもよい。代わりに、ロッド８８は図８に示されている様に無機糊によってセラミック製ホルダ８８ｃへ接着されていてもよく、その場合、１つのホルダは固定され、もう１つのホルダは軸方向に整列しているが、熱膨張衝突を回避するように直線的に浮動されている。好適には、ロッドは、直径３ｍｍまでの誤差の少ないロッド作製を可能にさせる精密整列のためにセンターレス研削されているのが望ましい。
【００９５】
[0112]図８から図１０の組立体の説明されている設計は、個々のチャネルのアレイと連通する平面状、曲線状、円錐状、又は円筒状のイオンチャネルを有するハイブリッド型イオンチャネル及びガイドを形成している記載の要素の複数の他の特定の構成及び組合せを形成することを可能にさせるものと理解している。それら特定の構成は、個々のデバイスの所望パラメータ、例えば、空間電荷容量、イオン移動速度、組立体の精度、絶縁の安定性、電極の電気容量、など、に基づいて最適化されるものと考えている。
【００９６】
長寿命ＴＯＦ検出器
[0113]既存のＴＯＦ検出器は、出力電荷１クーロンと測定される寿命によって特徴付けられている。１Ｅ＋６の典型的な利得を勘案すると、これは進入１Ｅ−６Ｃに相当する。
而して、検出器寿命は、１Ｅ＋９イオン／秒のイオン流束ではたった１０００秒（１５分）である。前の単段ＭＣＰにシンチレータが続き次いでＰＭＴが続いて成るハイブリッド検出器は市販されている。自身の実験では当該検出器は約１０倍長く働き、ということはなお十分ではない。ハイブリッド検出器はシンチレータの上の１ミクロンの金属被覆の破壊が理由で劣化する。本発明は、検出器寿命の改善を、
（ａ）シンチレータを、静電電荷を表面から除去するための導電性メッシュによって覆うこと、
（ｂ）金属製変換器を高イオンエネルギー（大凡１０ｋＥＶ）で二次電子の磁気的操舵と組み合わせて使用すること、及び（ｃ）信号をイオンチャネルの中へ捕集するための異なる立体角を有する二重ＰＭＴを使用するとともに下流の拡大段での能動的信号カットオフのための回路をＰＭＴ内に設定すること、によって実現させて提供している。
【００９７】
[0114]図１１を参照して、２種類の改善されたＴＯＦ検出器１１１及び１１２は複数の共通の構成要素を共用している。両検出器１１１と１１２は、シンチレータ１１８と、シンチレータを被覆しているメッシュ１１７と、反射性被覆を有する光子透過性パッド１１９と、好適には大気側に配置されている少なくとも１つの光電子増倍管１２０と、を備えている。異なる立体角で光子を捕集するように２つの光電子増倍管１２０が採用されているのが望ましい。実施形態１１１及び１１２は、電子変換へのイオンの種類によって異なり、即ち、検出器１１１は、３０ガウスから３００ガウスの間の磁場及び表面に沿って向きのある磁力線を有する磁石１１４Ｍを備えた金属製変換器表面１１４を採用している。検出器１１２は単段マイクロチャネルプレート１１５を採用している。
【００９８】
[0115]動作時、４−８ｋｅＶエネルギーのイオンのパケット１１３が検出器１１１に近づいてゆく。イオンビームは、例えば示されている単純な３電極システム内の、ＵＤ電位とそれより負のＵＣ電位の間の数キロボルトの差によって加速される。大凡１０ｋｅＶエネルギーのイオンが金属製変換面１１４に当たり、二次電子を主に運動的放射によって生成する。高エネルギーのイオン射突が何らかの表面汚染を引き起こすことは殆どない。特別設計の変換面とは違って平板金属面（ステンレス、銅、ベリリウム銅、など）は劣化することがない。二次電子は、より負のＵＣ電位によって加速され、磁石１１４Ｍの３０ガウスから３００ガウスの間（好適には５０−１００ガウス）の磁場によって操舵されてゆく。二次電子は、軌道１１６に沿って窓の中へ導かれ、シンチレータに当たる。
【００９９】
[0116]シンチレータ１１８は、Ｓｔ．  Ｇｏｂａｉｎ（scintillators＠Saint-Gobain.com）によるＢＣ４１８シンチレータ、ＢＣ４２０シンチレータ、又はＢＣ４２２Ｑシン
チレータ、又はＺｎＯ／Ｇａ（http://scintillator.lbl.gov/Ｅ．Ｄ．Ｂｏｕｒｒｅｔ−Ｃｏｕｒｃｈｅｓｎｅ，Ｓ．Ｅ．Ｄｅｒｅｎｚｏ，ａｎｄ  Ｍ．Ｊ．Ｗｅｖｅｒ．超高速シンチレータとしてのＺｎＯ：Ｇａの開発、の様な、１−２ｎｓの応答時間を有する高速シンチレータであるのが望ましい。物理学研究における原子力機器及び方法、セクションａ―加速器、分光計、検出器、及び関連機材、６０１：３５８−３６３、２００９年（Nuclear Instrument & Method in Physics Research Section a-Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment, 601: 358-363, 2009））。静電帯電を回避す
るために、シンチレータ１１８は導電性メッシュ１１７によって覆われている。シンチレータの前面は、パス中の如何なる低速電子も回避されるように及び電子対光子利得が改善されるように、大凡＋３ｋＶから＋５ｋＶの正電荷に保持されているのが望ましい。典型的なシンチレータ利得は、１ｋＶ電子エネルギー当たり１０光子であり、即ち、１０ｋＶ電子が大凡１００の光子を生成するものと予想されている。光子は等方的に放射されるので、それら光子の３０−５０％のみが下流の増倍管に到達することになり、ということは典型的な３８０−４００ｍｍ光子波長で大凡３０％の量子効率を有することになると予想される。結果として、単一の二次電子がＰＭＴ光電陰極に大凡１０の電子を生成するものと予想される。ＰＭＴ利得は個々のイオンの検出について大凡１Ｅ＋５へ引き下げること
ができる。ハママツによるＲ９８８０の様な封止されたＰＭＴは、ＭＲ−ＴＯＦ分析部の技術的真空で動作するＴＯＦ検出器に比べ、出口で約３００Ｃ程度のはるかに長い寿命を有しながらも１−２ｎｓの高速応答時間を提供することが可能である。総利得１Ｅ＋６での出力電荷３００Ｃはイオン電荷０．０００３Ｃに相当する。検出器の寿命は、更に、（ａ）ＰＭＴの小さい容量に因り実施可能となることとして１−１０ｋＯｈｍ範囲のより大きい抵抗器で動作しながらより小さいＰＭＴ利得、例えば１Ｅ＋４、を使用すること、及び（ｂ）二次電子１１６当たり１０ＰＭＴ電子までは標準的なＴＯＦ検出器に比べはるかに（２−３倍）狭い信号高さ分布を提供するので、なおいっそう小さい利得で動作すること、によって改善することができる。検出器進入総電荷として測定される検出器１１１の寿命は、０．０００３クーロンから０．００１クーロンの間と推定される。
【０１００】
[0117]検出器のダイナミックレンジ、また同様に検出器の寿命を延ばすためには、２つのＰＭＴチャネルを採用して、光子捕集の立体角によって制御されたＰＭＴ１とＰＭＴ２の間の１０−１００倍の感度差で信号を検出させるようにするのが望ましい。低感度（例えばＰＭＴ２）チャネルは、極めて強い信号（３−５ｎｓの持続時間のイオンパケット当たり１Ｅ＋２乃至１Ｅ＋４イオン）を検出するのに使用することができる。短いイオンパケットのなおいっそう高い強度は、ＭＲ−ＴＯＦ分析部での強いイオンパケットの自身の空間電荷の空間的広がりによって防止されることになる。高感度チャネル（例えばＰＭＴ１）の飽和を回避するために、ＰＭＴ−１はダイノード段当たり電荷パルスの自動的歯止めのための能動的保護回路を備えているのが望ましい。代わりのやり方では、長い伝搬時間及び狭い時間的広がりを有するＰＭＴが使用され（ハママツによるＲ６３５０−１０同様）、上流のダイノードで電荷を感知する能動抑制回路を使用できるようにしている。ダイナミックレンジの改善は１０倍と推定され、寿命の改善は、能動的抑制回路の効率に依存して１０倍から１００倍である。
【０１０１】
[0118]再び図１１を参照して、実施形態１１２は実施形態１１１に比べ若干劣っておりより複雑であるが、二次電子経路中の追加の時間的広がりを回避し、シンチレータの低速蛍光の抑制効果を可能にさせる。動作時、イオンパケット１１３は、１００−１０００利得で動作するマイクロチャネルプレート１１５に当たる。二次電子１１６は、静電帯電を除去するためのメッシュ１１７によって覆われたシンチレータ１１８上へ導かれる。前ＭＣＰ面をＭＲ−ＴＯＦの加速電位（−４ｋＶ乃至−８ｋＶ）に保ったまま、０ｋＶから＋５ｋＶの電位ＵＳＣをメッシュ１１７へ印加することによって、電子は５−１０ｋｅＶエネルギーへ加速されるのが望ましい。結果として、単一のイオンがＰＭＴ光電陰極上に１０００乃至１０，０００の電子を現出させるはずである。高速蛍光の強い信号とは対照的に、低速蛍光はＰＭＴ光電陰極上に単電子を現出させてゆくはずであり、その様な低速信号は抑制され得る。それ以外は検出器１１２は以上に説明されている検出器１１１と同様に動作する。検出器１１２の寿命を推定するために、ＭＣＰ利得＝１００と仮定しよう。そうするとＭＣＰ出力総電荷は１Ｅ−６Ｃより下であり、入力総電荷は０．００１クーロンを下回る。
【０１０２】
[0119]新規性のある両検出器は、入力電荷０．００１クーロンに達する長寿を提供する。ＭＲ−ＴＯＦ検出器への１Ｅ＋９イオン／秒（１．６Ｅ−１０Ａ）に上る極大イオン流束を勘案すると、新規性のある検出器の寿命は、６Ｅ＋６秒、即ち２０００時間、即ち稼働時間１年を上回る。検出器は、更に、大気側での軽費用ＰＭＴの高速置き換えを可能にさせる。而して、新規性のある検出器は、ＴＯＦＭＳの高いイオン流速向けの類を見ない新規なタンデムを動作させることを可能にする。
【０１０３】
[0120]本明細書は多くの詳細を含んでいるが、これらは本開示の範囲又は特許請求されるものの範囲への限定ではなく、むしろ本開示の特定の実施形に固有の特徴の記述であるものと解釈されたい。本明細書中に別々の実施形に照らして記載されている一部の特定の
特徴は、更に、組み合わせて単一の実施形に実装することもできる。逆に、単一の実施形に照らして記載されている様々な特徴は、同様に、複数の実施形に別々に又は何らかの適した部分的組合せで実装することもできる。また、特徴は特定の組合せで作用するものとして以上に記載されているかもしれないし、更にはそういうものとして冒頭に特許請求されているかもしれないが、特許請求されている組合せからの１つ又はそれ以上の特徴は、場合によっては、当該組合せから削除されることもあり得るし、また特許請求されている組合せは、部分的組合せ又は部分的組合せの変型へ向けられてもよい。
【０１０４】
[0121]同様に、動作は図面では特定の順序に描かれているが、このことは、その様な動作が示されている特定の順序で又は連続した順序で遂行されること、又は所望の結果を実現するのに例示されている動作全てが遂行されること、を要求しているものと理解されてはならない。一部の特定の状況では、マルチタスク処理及び並列処理が有利であるかもしれない。また、上述の実施形態の様々なシステム構成要素の分離は、その様な分離が全ての実施形態で要求されているものと理解されてはならず、また、記載のプログラム構成要素及びシステムは、概して、一体に単一のソフトウェア製品に統合することもできるし、又は複数のソフトウェア製品へパッケージ化することもできるものと理解されたい。
【０１０５】
[0122]以上、数多くの実施形を説明してきた。とはいえ、本開示の精神及び範囲から逸脱することなく様々な修正がなされる余地のあることが理解されるであろう。従って、他の実施形は、付随の特許請求の範囲による範囲内にある。例えば、特許請求の範囲に列挙されている行為は、異なった順序で遂行され、なおも所望の結果を実現させることができる。
【符号の説明】
【０１０６】
１１  質量分析計
１２  イオン源
１３  高スループットの粗く包括的な質量分離部
１４  調整部
１５  断片化セル
１６  頻回符号化パルス（ＥＦＰ）を有するパルス式加速器
１７  多重反射飛行時間型（ＭＲ−ＴＯＦ）質量分析計部
１８  イオン検出器
１９、２０  信号を表すパネル
２１  質量分析計（平面型）
２１Ｃ  質量分析計（円筒型）
２２  イオン源
２３  蓄積式多重チャネルイオンバッファ（平面型）
２３Ｃ  イオンバッファ（円筒型）
２４  トラップアレイ（平面型）
２４Ｃ  トラップアレイ（円筒型）
２５  広口径減衰ＲＦイオンチャネル
２６  ＲＦイオンガイド
２７  頻回符号化パルス（ＥＦＰ）を有する直交加速器
２８  多重反射質量分析計部
２９  イオン検出器
３１  四重極ＤＣ射出を有するトラップ
３２、３３、３４、３５  電極
３６  スリット
３７、３８  エンドプラグ
３９  軸方向ＤＣ分布を表すアイコン
４０  四重極の位相を表すアイコン
４１  安定性線図
４２、４３、４４  イオン安定性領域
４５  四重極フィルタの動作に対応する作用線
４６  ＬＴＭＳの動作に対応する線
４７、４８、４９  トラップの動作に対応する走査線
５１  軸方向ＲＦバリアを有するトラップ
５２  プレート
５３  開口又はスリット
５４  ＲＦ供給
５５  ＤＣ供給
５６  抵抗性分割器
５７  プレート上ＲＦ分布を表すアイコン
５８  入口ＲＦバリア
５９  出口バリア
６１  ハイブリッドトラップ
６２  ＲＦチャネル
６３、６４、６５  四重極ロッド
６６  射出スリット
６７  トラッピング領域
７１  二段トラップアレイ
７２  イオンバッファ
７３  第１のトラップアレイ
７４  ガスＲＦガイド
７５  第２のトラップアレイ
７６  空間的閉じ込めＲＦチャネル
７７  質量フィルタ
７８  質量範囲の線図
８１  トラップアレイ（円筒状トラップ）
８２  外側円筒
８２Ｃ  埋め込み型曲線電極
８３  内側電極
８４  内側円筒
８４Ｃ  埋め込み型曲線電極
８５  スペーサ
８６  スリット
８６Ｒ  構造的リッジ
８７  スリット
８８  抵抗性ロッド
８８ｃ  セラミック製支持部
９１  組立体
９２ｃ  キャピラリー
９２ｍ  多重極
９２ｐ  入口ポート
９３  イオンチャネル
９４  リペラ電極
９４ｇ  イオンチャネルとリペラ電極の間のギャップ
９５  多段イオン漏斗
９５ａ  イオン漏斗の軸方向中心ＲＦチャネル
９５ｃ  円筒状部分
９５ｅ  円錐状部分
９５ｒ  円状チャネル
９６  最後のリング
９７  イオン捕集チャネル
９７ｐ  静電リペラプレート
９８  閉じ込めイオン漏斗
９９  抵抗性多重極
１０１  抵抗性多重極イオンガイド
１０２  中央タップ
１０３、１０４  二次コイル
１０５  スイッチ
１０６  抵抗性ロッド
１０７  導電性エッジ端子
１０８  絶縁被覆
１０９  導電性トラック
１１１、１１２  ＴＯＦ検出器
１１３  イオンパケット
１１４  金属製変換器面
１１４Ｍ  磁石
１１５  単段マイクロチャネルプレート
１１６  二次電子の軌道
１１７  メッシュ
１１８  シンチレータ
１１９  光子透過性パッド
１２０  光電子増倍管
【図１】
0006538805.tif 000002
【図２】
0006538805.tif 000003
【図３】
0006538805.tif 000004
【図４Ａ】
0006538805.tif 000005
【図４Ｂ】
0006538805.tif 000006
【図４Ｃ】
0006538805.tif 000007
【図５】
0006538805.tif 000008
【図６】
0006538805.tif 000009
【図７】
0006538805.tif 000010
【図８】
0006538805.tif 000011
【図９】
0006538805.tif 000012
【図１０】
0006538805.tif 000013
【図１１】
0006538805.tif 000014