(57)【要約】      （修正有）【課題】高分解能フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴質量分析器（ＦＴ−ＩＣＲＭＳ）の分析トラップにかけられる電圧を測定段階に応じて変化させて信号を向上させる方法、さらに詳しくは、イオンが活性化された後、トラップ電極の中央部分に追加された電極にトラップ電極とは異なる独立した電圧をかけ、これを一回の測定サイクルが終わるまで維持する方法を提供する。【解決手段】この方法を適用すると、トラップ内に閉じ込められたイオンの安定性が高くなって測定される時間領域信号が長くなる。長くなった時間領域信号は、周波数または重量対電荷比の領域信号の分解能と感度を高める結果を奏する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴（ＦＴ−ＩＣＲ）質量分析器の信号を改善するための方法において、
前面及び背面に離間して配置される２以上のトラップ電極と、
前記トラップ電極の一部分であって、電気的に独立した１以上の追加電極と、
前記前面及び背面のトラップ電極のそれぞれを挟んで配置されることにより、ＩＣＲトラップを形成する測定及び活性化電極と、を備えるＩＣＲトラップを用い、
ＩＣＲ測定サイクルは、
前記イオンを前記ＩＣＲトラップに伝える段階と、
前記イオンを活性化させる段階と、
前記イオンの測定段階と、を含む方法であって、
前記追加電極に前記トラップ電極の電圧とは異なる電圧をかけることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記イオンを活性化させる段階後に、前記追加電極に前記トラップ電極の電圧とは異なる電圧をかけ、これを一回の測定サイクルが終わるまで維持することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ＩＣＲトラップの形状は、円筒状及び四角柱状のいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記追加電極は、前記ＩＣＲトラップの中央のイオン取込部を備え、１以上の部分に分けられており、前記追加電極の形状は、円形、円筒状及び四角柱状のいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項５】
前記追加電極に直流電圧または交流電圧がかけられることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴質量分析器の信号を改善するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴（Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance；ＦＴ−ＩＣＲ）質量分析器は、分子イオンとフラグメントイオンの質量を測定することにより分子の構造を調べる装備である。ＦＴ−ＩＣＲ質量分析器は、高解像度の広帯域質量分析の基本的な標準となってきている。
【０００３】
図１に示すように、既存のＦＴ−ＩＣＲ質量分析器において用いられるトラップは、通常、トラップ電極１０、１３、トラップ電極１０、１３の中央部を含む独立した追加電極１１、測定及び活性化電極１２により構成されている。これらのうち、トラップ電極の中央部を含む独立した追加電極１１は、イオンの保存効率を高めるために用いられてきている。通常、イオン活性化段階後に、独立した追加電極１１には、トラップ電極１０、１３と同じ電圧がかけられていた（図２参照）。
【０００４】
ＦＴ−ＩＣＲ質量分析器の分解能は、時間領域ＩＣＲ信号の持続時間により制限される。このため、イオン動作をより理解し易くし、且つ、ＩＣＲイオントラップにおけるイオン安定性を高めるために、トラップ設計を改善しようとする研究がなされてきている。例えば、ペニングトラップは、空間的に均一な静的磁場及び３次元軸四重極の静電場の組み合わせによりイオンを閉じ込めて保存する。正確な四重極の静電場は、イオンサイクロトロン周波数がトラップ内のイオン位置に依存しないようにする。
【０００５】
トラップ内のイオンは、３通りの周期的な動作（サイクロトロン回転、マグネトロン回転、及び軸方向トラッピング振動）を示す。イオンの安定性は、このような動作に起因する。サイクロトロン回転は、静的磁場Ｂ０において動く質量ｍ、電荷ｑのイオンに対するローレンツの力に起因し、イオンがＢ０に垂直な方向に離脱することを防ぐ。イオンサイクロトロン回転の各周波数ｗｃは、下記式（１）の通りである。
【０００６】
【数１】
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【０００７】
一方、四重極トラッピング電圧は、下記のように、３通りの効果がある。第一に、トラッピング振動周波数ｗｚにおいてＢ０に沿ってリニア振動を引き起こすことにより、イオンがＢ０方向に沿うところから離脱することを防ぐ。第二に、サイクロトロン周波数値は、ｗＣからｗ＋へと下がる。最後に、マグネトロン周波数ｗ−には、Ｂ０に垂直な新たなマグネトロン回転がある。ここで、ｗｚ、ｗ＋、及びｗ−はそれぞれ下記式（２）、（３）、（４）から得られる。
【０００８】
【数２】
2008117738.tif 000004
【０００９】
【数３】
2008117738.tif 000005
【００１０】
【数４】
2008117738.tif 000006
【００１１】
ここで、αはトラップ長を示し、これは、トラップ構造に依存する。マグネトロン動作は、静電気トラッピング電圧により生成される放射状の電場勾配から得られる。
【００１２】
通常の密閉された円筒状のＩＣＲトラップにおいて、放射状の電場は、活性化及び測定電極に（トラップの内部から外部へ）向かう。結果として現れる外部方向への放射状の力は、イオンを不安定化させ、イオン−中性分子またはイオン−イオンの衝突でイオンがエネルギーを損失することによりイオンマグネトロン半径が増大するため、究極的には、放射状の排出を引き起こすことがあり、イオンがトラップ内に維持可能な時間に影響する。
【００１３】
前記式（２）、（３）、（４）は、完全な四重極静電気トラッピング電圧に対してのみ適用可能である。このような仮定は、イオンがトラップ中心寄りにあり、他のイオンがない場合に有効である。これらの条件の下において、上述の３通りのイオン動作は事実的に独立しており、イオンは大きな損失無しに長い時間中に閉じ込められる。
【００１４】
しかしながら、中性分子との衝突、不完全なトラップ電極による四重極静電気トラッピング電圧からのずれとクーロン電荷間の相互作用は、イオンを軸または放射状に不安定化させ、時間領域ＩＣＲ信号の減少を引き起こす。この場合、上述の３通りのイオン動作は、それ以上独立的なものではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
ＦＴ−ＩＣＲ質量分析器は、高分解能を持った分析装備である。高分解能スペクトルを得るためには、イオンを分析トラップにできる限り長時間滞留させて測定することが重要である。
【００１６】
本発明においては、トラップにかける電圧を実験段階に合わせて最適化させてトラップ内に閉じ込められたイオンの安定性を高めようとする。安定したイオンの運動は、結局、測定される時間領域信号を延長させ、これは、周波数または重量対電荷比の領域信号の分解能と感度を高める結果を奏する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するために、本発明によるフーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴（ＦＴ−ＩＣＲ）質量分析器の信号を改善するための方法は、前面及び背面に離間して配置される２以上のトラップ電極と、上記トラップ電極の一部分であって、電気的に独立した１以上の追加電極と、上記前面及び背面のトラップ電極のそれぞれを挟んで配置されることにより、ＩＣＲトラップを形成する測定及び活性化電極と、を備えるＩＣＲトラップを用い、ＩＣＲ測定サイクルは、上記イオンを上記ＩＣＲトラップに伝える段階と、上記イオンを活性化させる段階と、上記イオンの測定段階と、を含み、上記追加電極に上記トラップ電極の電圧とは異なる電圧をかけることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
ＩＣＲ測定中に追加電極にトラップ電極の電圧とは異なる電圧をかけることが、ＦＴ−ＩＣＲ質量スペクトルの信号対雑音比または質量分解能をかなり高めることができるということが判明された。
【００１９】
本発明のこのような構成によれば、トラップ内に閉じ込められたイオンの安定性が高くなり、測定される時間領域信号が長くなる。長くなった時間領域信号は、周波数または重量対電荷比の領域信号の分解能と感度を高める結果を奏する。
【００２０】
本発明が適用可能なＩＣＲトラップの構成において、変形は、トラップの一方の末端においてなされている。しかしながら、トラップの両方の末端における対称的なトラッピングフィールドの変形を通じてなされてもよい。また、類似するトラッピングフィールドの変形が他のＩＣＲイオントラップの構造にも適用可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、添付した図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。
【００２２】
本発明の具体的な構成を説明すると、先ず、フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴（Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance；ＦＴ−ＩＣＲ）質量分析器の信号改善のための方法において、前面及び背面に離間して配置される２以上のトラップ電極、トラップ電極の一部分であって、電気的に独立した１以上の追加電極、及び前面及び背面トラップ電極のそれぞれを挟んで配置されることにより、ＩＣＲトラップを形成する測定及び活性化電極を備えるＩＣＲトラップを用いる。
【００２３】
また、ＩＣＲ測定サイクルは、イオンを前記ＩＣＲトラップに伝える段階、イオンを活性化させる段階、及びイオンの測定段階を含み、ＩＣＲトラップの追加電極にトラップ電極の電圧とは異なる電圧をかけ、これを一回の測定サイクルが終わるまで維持する。
【００２４】
本発明による方法は、図１に示す通常のトラップだけではなく、種々の形状のトラップに対しても適用可能である。すなわち、上述の如き構成のＩＣＲトラップは、円筒状、四角柱状などの種々の形状を有することができる。
【００２５】
また、ＩＣＲトラップにおいてトラップ電極の一部分を構成する追加電極は、ＩＣＲトラップの中央のイオン取込部の穴を備え、ＩＣＲトラップと同一またはＩＣＲトラップよりも小さなサイズを有し、且つ、ＩＣＲトラップの形状に類似する円筒状、四角柱状などの形状を有する。
【００２６】
このような追加電極には、トラップ電極の電圧とは異なる電圧がかけられるが、これは、直流電圧であってもよく、交流電圧であってもよい。
【００２７】
以下、トラッピングフィールドの変形がＦＴ−ＩＣＲ質量分析器の分解能をかなり改善可能であることについて実験的に記述する。このような変形は、単にイオン活性化後にトラップ電極の中央部分に追加された電極にトラップ電圧とは異なる電圧をかけることにより達成される。
【００２８】
一連の各実験段階は、図２に示してある。簡略に述べると、試料がイオン化された後、イオンは０．１〜１秒間六重極衝突管に滞留する。イオンは、１．６〜２．０ｍｓの伝達時間の間にＩＣＲトラップに伝わり、前面トラップ電極の電圧を背面トラップ電極の電圧以下に下げてから、さらに背面トラップ電極の電圧まで上げることにより、ＩＣＲトラップ内に閉じ込められる。
【００２９】
従来の動作においては、独立した追加電極がトラップ電極と同じ電圧に維持される。イオンがＩＣＲトラップに取り込まれてから直ちに（２．０ｍｓ）、イオンをＩＣＲトラップに滞留させるために、トラッピング電圧が４Ｖに上がる。イオンは、広帯域の周波数走査双極子の活性化（走査速度１００〜２５０Ｈｚ／μｓ、走査範囲２５〜５３９ｋＨｚ）によりトラップ径の３０〜５０％まで活性化される。
【００３０】
時間領域信号を得るために、イメージ電流の測定が直接モードにて行われる。時間領域信号（５１２ｋ〜８Ｍデータポイント）は合わされて信号対雑音比を高め、次いで、高速なフーリエ変換が行われる。周波数は、質量値が知られている物質のＩＣＲ周波数を用いて補正した後、質量対電荷比に変換される。
【００３１】
＜ＩＣＲ信号測定中に追加電極の電圧に正の電圧と負の電圧がかけられる場合の比較＞
追加電極は、イオンを中心軸からずらすことにより、イオントラッピング効率を高め、これにより、入射するイオンは、背面トラップ電極からの反射後に前面トラップ間隙を介して戻ることができなくなる。
【００３２】
しかしながら、ずれたイオンはかなりのマグネトロン半径を得、マグネトロン放射状の拡張により一層速くトラップから損失される。このため、通常、出入りを統制するトラッピングを採択することにより、追加電極が前面トラップ電極と同じ電圧を維持することになる。
【００３３】
図２に示すように、本発明の一実施の形態に従い活性化後に独立した追加電極の電圧を変更することにより、時間領域ＩＣＲ信号の持続時間がかなり延長可能であることを見出した。
【００３４】
本発明の一実施の形態に従い独立した追加電極の電圧値により得られた時間領域ＩＣＲ信号が図３Ａ及び図３Ｂに示してある。他の実験条件は、いずれも同じである。測定されたイメージ電流スケールも両グラフにおいて同じである。
【００３５】
図３Ａに示すように、測定中にトラップ電極の電圧と追加電極の電圧が同じ場合において、時間領域ＩＣＲ信号は相対的に小サイズを有し、数百ミリ秒間だけ持続される。
【００３６】
しかしながら、図３Ｂに示すように、トラップ電極の電圧と追加電極の電圧を異ならせることにより、時間領域ＩＣＲ信号のサイズ及び持続時間（２秒以上）を両方とも増大させる。
【００３７】
同じ信号対雑音比を有しながら、分解能の差を示すために、トラップ電極の電圧と同じ追加電極の電圧にて得られた時間領域信号は、初期の半分の時間の間の信号のみをフーリエ変換した。
【００３８】
また、質量スペクトル分解能ｍ／Δｍ５０％（ｍ／Δｍ５０％、Δｍ５０％は、信号の半分の高さにおける全体幅）は、４０,０００において１３０,０００であって、３倍以上向上されている。負の電圧（−２Ｖまで）（図示せず）の適用は、イオントラッピング効率を落さない。
【００３９】
図４Ａ及び図４Ｂにおいては、本発明の一実施の形態に従い時間領域信号の持続時間を１．５秒から７秒へと増大させ、これにより、ＦＴ−ＩＣＲ質量スペクトル信号対雑音比が高くなり、分解能が５倍向上されることを示す。これは、独立した電極を追加的に設けることにより、電圧の有益な効果がヒト成長ホルモンたんぱく質（単一同位元素質量＝約２２,０００Ｄａ）などの巨大分子にも拡張可能であることを示している。
【００４０】
＜静電気電圧のＳＩＭＩＯＮシミュレーション＞
図6Ａ及び図6Ｂにおいて、活性化後の通常のイオンサイクロトロン半径（トラップ半径の３３％、図5Ａ及び図5Ｂの経路Ｂ）における静電気電圧及び放射状の電場が軸位置ｚの関数として示してある。
【００４１】
図6Ａに示すように、負の電圧を追加電極にかけることは、追加電極からの放射状の距離及び前面トラップ電極の物理的な直径（６０ｍｍ）よりも小さな直径（６ｍｍ）により、静電気電圧を僅かに変化させる。
【００４２】
図6Ｂに示すように、＋１Ｖまたは−１Ｖの追加電極の電圧による放射状の電圧勾配の変化は一層大である。完全な四重極静電気トラッピング電圧において、放射状の電場は、ｒの増大に伴い線形的に増加されるが、ｚに対しては独立している。
【００４３】
図5Ａ及び図5Ｂの実際のトラップにおいて、追加電極に＋１Ｖをかけることは、２つの電圧の谷を有する放射状の電場をｚの関数として生成させるのに対し、−１Ｖを追加電極にかけることは、２つの電圧の谷のうちいずれかの最底部を約２５％程度増大させ、これにより、放射状の電場はトラップ中心面寄り及びトラップ半径の３３％においてｚに対して本質的に独立的になる（図6Ｂ参照）。
【００４４】
これと関連して、追加電極にかけられる負の電圧は、軸電圧を効果的に均一にし、これにより、ｚの関数として平面的な放射状の電場を引き起こす。換言すると、追加電極の負の電圧の影響を受けるイオンは、トラップ半径の３３％及びトラップ中心面寄りにおいて、四重極に密接に近づく静電気トラッピング電圧に出会うことになる。
【００４５】
周波数ｗ＋ないしｗ−におけるサイドバンドは、マグネトロン及びサイクロトロンが非線形的に結合されていることを示し、イオン振動モード間におけるエネルギー交換の原因となる。例えば、マグネトロン回転半径の増加は、ＩＣＲトラップからのイオンの放射状の損失の原因となりうる。
【００４６】
追加電極に負の電圧をかけることは、非線形性を低減させ、これにより、ＩＣＲトラップにおけるイオン安定性の増加に寄与することもできる。
【００４７】
追加電極の負の電圧による他の結果は、図6Ｂに示すように、前面トラップ電極寄りにおける反転された電圧の谷の生成である。このように反転された領域において、イオンは完全な四重極電圧において放射状に外部へ向かう力よりは、内部へ向かう力の影響を受け、これにより、放射状のマグネトロン損失に抗してイオンを潜在的に安定化させる。
【００４８】
要するに、追加電極に負の電圧をかけることは、信号対雑音比または質量分解能を高めるために、静電気トラッピングフィールドを変形させる新たな方法を提供する。
【００４９】
以上説明した本発明は、上述の実施の形態及び添付図面により限定されるものではなく、本発明の技術的な思想を逸脱しない範囲内において種々の置換、変形及び変更が可能であることが本発明が属する技術分野において通常の知識を持った者にとって明らかであると言える。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴質量分析器の信号を改善可能なものとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】トラップ電極の中央部分に電気的に独立した追加電極が設けられたトラップの構造を示す概略図。
【図２】本発明の一実施の形態に従いトラップ電極及び独立した追加電極に電圧をかける実験の各段階を示す図。
【図３Ａ】Ａは、本発明の一実施の形態に従い独立した追加電極の電圧がトラップ電極の電圧と同じ場合のＩＣＲ信号を時間領域及び周波数領域に示す図。
【図３Ｂ】Ｂは、本発明の一実施の形態に従い独立した追加電極の電圧がトラップ電極の電圧よりも低い場合のＩＣＲ信号を時間領域及び周波数領域に示す図。
【図４Ａ】Ａは、本発明の一実施の形態に従い独立した追加電極の電圧がトラップ電極の電圧と同じ場合のＩＣＲ信号を時間領域及び周波数領域に示す図。
【図４Ｂ】Ｂは、図4Ａにおいて、時間領域ＩＣＲ信号の持続時間を延長したことを示す図。
【図５Ａ】Ａは、イオンサイクロトロン共鳴（ＩＣＲ）トラップに直流電圧を接続した状態において理論的に計算された等電圧線を２次元形状に示す図。
【図５Ｂ】Ｂは、イオンサイクロトロン共鳴（ＩＣＲ）トラップに直流電圧を接続した状態において理論的に計算された等電圧線を３次元形状に示す図。
【図６Ａ】Ａは、本発明の一実施の形態に従い独立した追加電極の各電圧に対するＩＣＲトラップ内部の電圧を示す図。
【図６Ｂ】Ｂは、本発明の一実施の形態に従い独立した追加電極の各電圧に対するＩＣＲトラップ内部の放射状電場を示す図。
【符号の説明】
【００５２】
１０、２０：前面トラップ電極
１１、２１：独立した追加電極
１２、２２：活性化及び測定電極
１３、２３：背面トラップ電極
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
2008117738.tif 000010
【図４Ａ】
2008117738.tif 000011
【図４Ｂ】
2008117738.tif 000012
【図５Ａ】
2008117738.tif 000013
【図５Ｂ】
2008117738.tif 000014
【図６Ａ】
2008117738.tif 000015
【図６Ｂ】
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