(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に沿って延伸する四重極イオントラップ軸を取り囲んでいる主電極と、
前記軸方向における前記主電極の両側に取り付けられ、且つ、前記主電極と共にサンプルイオンをトラップするためのトラップ空間を画成する第１のエンドキャップ電極及び第２のエンドキャップ電極と、
前記主電極に電気的に接続されると共に、前記主電極にメイン無線周波数（ＲＦ）波形を生成するように構成されている位相制御波形合成器と、を具え、
前記メイン無線周波数波形は、それぞれ正弦波の一部である複数の正弦波形セグメントと、それぞれ非正弦波である複数の位相結合セグメントと、を有し、
前記トラップ空間内にトラップされたサンプルイオンのマイクロ運動の秩序化を実行するように、各前記正弦波形セグメントは、１つの前記位相結合セグメントを介して他の１つの前記正弦波形セグメントに橋絡し、
前記位相結合セグメントによって橋絡されているいずれか２つの前記正弦波形セグメントは、位相が連続するように構成され、それにより、各前記位相結合セグメントは電圧が一定であり、
前記位相結合セグメントは、前記トラップ空間内にトラップされたサンプルイオンが位相相関され且つ局所的なゼロ振幅付近で秩序化されるように、少なくとも１つの変調周期内に周期的に分布する、
四重極イオントラップ（ＱＩＴ）装置。
【請求項２】
前記少なくとも１つの変調周期は、前記メイン無線周波数波形の周波数がそれぞれ異なる少なくとも２つの変調周期を含み、
そして、１つの前記位相結合セグメントは、前記少なくとも２つの変調周期の１つにあるメイン無線周波数波形の一部と、前記少なくとも２つの変調周期の他の１つにあるメイン無線周波数波形の一部と、を橋絡する、
請求項１に記載の四重極イオントラップ装置。
【請求項３】
前記位相制御波形合成器は、前記第１のエンドキャップ電極又は前記第２のエンドキャップ電極の少なくとも１つに更に電気的に接続され、且つ、前記少なくとも１つの前記第１のエンドキャップ電極又は前記第２のエンドキャップ電極に補助波形を生成するように構成され、
前記補助波形は、前記トラップ空間内にトラップされたサンプルイオンを前記四重極イオントラップ装置の外への放出を補助するように、所定の周波数で配列された複数のパルスを有する、
請求項２に記載の四重極イオントラップ装置。
【請求項４】
前記位相制御波形合成器は、前記第１のエンドキャップ電極又は前記第２のエンドキャップ電極の少なくとも１つに更に電気的に接続され、且つ、前記少なくとも１つの前記第１のエンドキャップ電極又は前記第２のエンドキャップ電極に補助波形を生成するように構成され、
前記補助波形は、前記トラップ空間内にトラップされたサンプルイオンを前記四重極イオントラップ装置の外への放出を誘導するように、所定の周波数で配列された複数のパルスを有する、
請求項１に記載の四重極イオントラップ装置。
【請求項５】
前記位相制御波形合成器は、前記第１のエンドキャップ電極又は前記第２のエンドキャップ電極の少なくとも１つに更に電気的に接続され、且つ、前記少なくとも１つの前記第１のエンドキャップ電極及び前記第２のエンドキャップ電極に補助波形を生成するように構成され、
前記補助波形は、前記トラップ空間内にトラップされたサンプルイオンの永年運動の秩序化を実行するように、それぞれがメイン無線周波数波形の振幅がゼロである時の複数のパルスを有する、
請求項１に記載の四重極イオントラップ装置。
【請求項６】
バッファガスとの衝突によって、前記トラップ空間内にトラップされたサンプルイオンの運動を減速させるように、前記トラップ空間にバッファガスを導入して、前記軸方向に沿って流れる軸流ジェットを生成させるために前記トラップ空間と空間的に連通するガスノズルを更に具えている、
請求項１に記載の四重極イオントラップ装置。
【請求項７】
前記バッファガスは、サンプルイオンが前記トラップ空間に入る前に、前記トラップ空間に導入される、
請求項６に記載の四重極イオントラップ装置。
【請求項８】
前記ガスノズルは、ガス入口と、前記四重極イオントラップ軸を取り囲んでいると共に、内部にガス流路が形成されている管状体とを有し、前記ガス流路は、前記ガス入口と空間的に連通され、
前記管状体は、前記ガス流路と空間的に連通し、前記軸方向において前記トラップ空間に面し、前記四重極イオントラップ軸に対して前記管状体上に対称に配置されている複数の噴出口が更に形成され、
前記バッファガスは、前記ガス入口から前記ガスノズルに入り、且つ、前記噴出口を介して前記ガスノズルを出て、前記トラップ空間内に軸流ジェットを形成させる、
請求項６に記載の四重極イオントラップ装置。
【請求項９】
前記ガスノズルは、前記第１のエンドキャップ電極と前記主電極との間に挟まれている、
請求項６に記載の四重極イオントラップ装置。
【請求項１０】
少なくとも１つのサンプルトレイが形成されたトレイ部を有するサンプルプローブを更に具え、各前記少なくとも１つのサンプルトレイは、サンプルを置くように構成され、且つ、トレイ開口部を有し、
前記トレイ部は、前記トレイ開口部が前記トラップ空間に面するように、挿入方向に沿って前記主電極に挿入され、
そして、前記主電極は、前記トレイ部が前記主電極に挿入される際に前記少なくとも１つのサンプルトレイに位置が合うレーザ入口が形成され、よって前記レーザ入口を介してレーザパルスを前記四重極イオントラップ装置に導入することにより、サンプルイオンがサンプルから生成される、
請求項１に記載の四重極イオントラップ装置。
【請求項１１】
前記挿入方向に延伸している前記サンプルプローブは、前記挿入方向と平行している長手方向軸の周りに回動することができ、且つ、前記挿入方向に直線的に移動することができ、よって前記少なくとも１つのサンプルトレイは前記レーザ入口と位置が合うように調整されることができる、
請求項１０に記載の四重極イオントラップ装置。
【請求項１２】
前記主電極は、前記第１のエンドキャップ電極及び前記第２のエンドキャップ電極と共に前記トラップ空間を画成する内部電極表面を有し、
そして、前記サンプルプローブの前記トレイ部が前記主電極に挿入される際に、前記少なくとも１つのサンプルトレイと前記内部電極表面との間の距離が１ミリメートル以下である、
請求項１０に記載の四重極イオントラップ装置。
【請求項１３】
請求項１に記載の四重極イオントラップ装置と、
前記四重極イオントラップ装置の前記第２のエンドキャップ電極に取り付けられ、前記四重極イオントラップ装置から放出されたサンプルイオンの電荷を検出する電荷感知粒子検出器（ＣＳＰＤ）と、を具えている、
四重極イオントラップ（ＱＩＴ）質量分析計。
【請求項１４】
前記電荷感知粒子検出器は、
基板と、
前記基板の第１の面に設置されている電荷検出板と、
前記電荷検出板に電気的に接続されると共に、前記第１の面と非同一平面である前記基板の第２の面に設置されている集積回路ユニットと、
外側からのサンプルイオンが前記電荷検出板へ衝突することができるように、前記電荷検出板と前記集積回路ユニットとを実質的に取り囲む干渉遮蔽ユニットと、を具え、
前記第２の面に設置された前記集積回路ユニットは、前記第１の面に設置された前記電荷検出板と非同一平面にあることにより、前記サンプルイオンによる前記集積回路ユニットへの干渉が防止される、
請求項１３に記載の四重極イオントラップ質量分析計。
【請求項１５】
前記干渉遮蔽ユニットは、
前記基板の前記第１の面及び前記第２の面を実質的に覆い、且つ、前記電荷検出板と前記集積回路ユニットとをそれぞれ露出させるように、それぞれ前記電荷検出板と前記集積回路ユニットとに対応する２つの開口を有するファラデーケージを具えている、
請求項１４に記載の四重極イオントラップ質量分析計。
【請求項１６】
前記電荷検出板は、電荷増幅せずに作動する、
請求項１４に記載の四重極イオントラップ質量分析計。
【請求項１７】
前記電荷検出板は、前記電荷検出板から約１０ｍｍ〜５０ｍｍ離れた範囲内で、前記四重極イオントラップ装置からの入射イオンのイメージ電流を伝導することができる、
請求項１４に記載の四重極イオントラップ質量分析計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連する出願の相互参照）
本出願は、２０１７年５月９日に出願された米国仮特許出願第６２／５０３４４１号の優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は、質量分析（mass spectrometry、略称：ＭＳ）に関し、特に、四重極イオントラップ（quadrupole ion trap、略称：ＱＩＴ）質量分析計に関する。
【背景技術】
【０００３】
四重極イオントラップ質量分析計は、イオン化分子、高分子、生体分子の質量分析法の成功に中心的な役割を果たす。一般的に、従来の四重極イオントラップ質量分析計は、双曲線状のリング電極及び２つの双曲線状のエンドキャップ電極から構成されて、内部にイオン化粒子を閉じ込める四重極イオントラップ（quadrupole ion trap、略称：ＱＩＴ）を具える。リング電極にメイン無線周波数（radio frequency、略称：ＲＦ）波形が印加され、２つのエンドキャップ電極に補助波形が印加されることによって、イオン化分子をトラップする。
【０００４】
従来の質量分析方法において、無線周波数場が定周波数に保持され、且つ、四重極イオントラップの中央付近においてトラップされたイオン化粒子の運動は、径方向と軸方向との両方でマシュー方程式におよそ従う。実際には、より良い運動制御のために、バッファガスを使用してイオン化粒子の運動を減速させることがあるので、バッファガス冷却による減衰補正を方程式（１）に示されるようにマシュー方程式に加えられる。
【数１】
0006762418.tif 000002
上記に記載された記号は、以下のように定義される：
ｕ：ｒ又はｚ、前者と後者とはそれぞれ径方向及びｚ方向におけるサンプルイオンの運動の変位を示し、
ｒ０：四重極イオントラップの径方向の内径、
ｚ０：四重極イオントラップのｚ方向の内径、
２ξ：メイン無線周波数波形の位相、
ｅ：電気素量、
ｍ／ｚ：イオン化／荷電粒子の質量電荷比（ｍ：質量、ｚ：荷電）、
Ｖ：メイン無線周波数波形の振幅、
Ω：メイン無線周波数波形の周波数（角度）、
Ｕ：メイン無線周波数波形の直流オフセット、
β：ｑとａの関数であり、β／２がメイン無線周波数波形の周波数に対するイオン化／荷電粒子の永年運動の周波数の比率であることを記し、
γ：ガス衝撃による減衰定数、
κ：γに関する減衰係数、
【数２】
0006762418.tif 000003
：永年周波数（角度）、及び
【数３】
0006762418.tif 000004
式中、Ｃｎはイオン変位のｎ番目の成分を示す係数である。
【０００５】
閉軌道解（方程式（１．１））は、図１に示されるｑ−ａ図によって安定領域に示されるように多周期的（無線周波数場の周期及びイオンの永年運動の周期から構成される）である。ｑ値及びａ値が安定領域から外れるようにメイン無線周波数波形を印加すると、荷電粒子の運動が不安定になり、荷電粒子が四重極イオントラップから放出されることになり得る。安定した気体流及びゆっくりと傾斜する無線周波数波形の振幅を有する四重極イオントラップにおける少量（数百以下の数）の分子サンプルイオン（又は、数百以下の電気素量）は、解像度が１０００以上の高感度質量分析（mass spectrometry、略称：ＭＳ）を達成することができる。
【０００６】
分子サンプルイオンの数が数千に増加し（ＭＡＬＤＩサンプルイオンなど）、且つ、分子サンプルイオンの電荷が増加すると（ＬＩＡＤサンプルイオンなど）、サンプルイオン間相互作用が無視できなくなり、バッファガス冷却の動態に干渉し、ｑ−ａ図内の質量識別のための分光測定経路に更なるランダム性が付加されてしまう。したがって、スペクトル結果は、マシュー方程式に従って理想的に考えられたものから大きく離れて、散らばったものとなる上に、かなりの偏差を有するようになる。
【０００７】
質量スペクトルピークの理想的な位置からかなり偏差して散らばった質量スペクトル結果となることを避けるために、サンプルイオン間相互作用が、確率的なカットオフとして示されるように衝突減衰に再定式化されている。そして、トラップされたイオンの動的方程式は、独立変数としてメイン無線周波数場の一定の位相を使用し、固有の分散をはっきりと見分けることができる。したがって、一次のマシュー方程式の解釈を維持させるように、「イオン雲」分光分析のための高度な変調プロセス及び検出技術が開発された。
【０００８】
分子イオンが四重極イオントラップに注入される場合、或いは、四重極イオントラップ内で分子が直接的にイオン化される場合には、イオン運動の値であるｑ、ａ値から、分子イオンの不安定性が若干の無線周波数サイクル以内で見分けることができる。定周波数のトラッピングは、イオンの動態（即ち、動的方程式）をマシュー方程式と一致させ、線形質量分析のために、メイン無線周波数振幅における振幅ランピングを使用する。ガス衝突による効率的な冷却は、精度における動的偏差を校正又は無視することができるように、高分解能質量分析を実行することができる。しかしながら、メイン無線周波数波形の振幅に対する調整可能な拡幅は、物理的制限を有しているので、質量スキャンが比較的小さい範囲内に制限される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、本発明の目的は、従来技術における少なくとも１つの欠点を軽減することができる四重極イオントラップ装置及び四重極質量分析計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によると、四重極イオントラップ（quadrupole ion trap、略称：ＱＩＴ）装置は、軸方向に沿って延伸する四重極イオントラップ軸を取り囲んでいる主電極と、軸方向における主電極の両側に取り付けられ、且つ、主電極と共にサンプルイオンをトラップするためのトラップ空間を画成する第１のエンドキャップ電極及び第２のエンドキャップ電極と、主電極に電気的に接続されると共に、主電極にメイン無線周波数（ＲＦ）波形を生成するように構成されている位相制御波形合成器と、を具え、メイン無線周波数波形は、それぞれ正弦波の一部である複数の正弦波形セグメントと、それぞれ非正弦波である複数の位相結合セグメントと、を有し、トラップ空間内にトラップされたサンプルイオンのマイクロ運動の秩序化を実行するように、各正弦波形セグメントは、１つの位相結合セグメントを介して他の１つの正弦波形セグメントに橋絡する。
【００１１】
本発明によると、四重極イオントラップ質量分析計は、本発明の四重極イオントラップ装置と、電荷感知粒子検出器と、を具えている。電荷感知粒子検出器は、四重極イオントラップ装置の第２のエンドキャップ電極に取り付けられ、四重極イオントラップ装置から放出されたサンプルイオンの電荷を感知する。
【００１２】
本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照する以下の実施形態の詳細な説明において明白になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来の四重極イオントラップ質量分析計のｑ−ａ図を示すプロットである。
【図２】本発明に係る四重極イオントラップ質量分析計の実施形態の四重極イオントラップ装置アセンブリ及び電荷感知粒子検出器（charge-sensing particle detector、略称：ＣＳＰＤ）アセンブリを示す斜視図である。
【図３】本発明に係る四重極イオントラップ質量分析計の実施形態の四重極イオントラップ装置アセンブリ及び電荷感知粒子検出器（charge-sensing particle detector、略称：ＣＳＰＤ）アセンブリを示す分解斜視図である。
【図４】本発明に係る四重極イオントラップ質量分析計の実施形態の四重極イオントラップ装置アセンブリ及び電荷感知粒子検出器（charge-sensing particle detector、略称：ＣＳＰＤ）アセンブリを示す側面図である。
【図５】該実施形態を示す模式図である。
【図６】該実施形態に係るガスノズルを示す斜視図である。
【図７】該実施形態に係るサンプルプローブと主電極とのアセンブリを示す斜視図である。
【図８】図７に対応する断面斜視図である。
【図９】主電極に印加するメイン無線周波数波形を示すプロットである。
【図１０】イオンのマイクロ運動及び永年運動を示す側面図である。
【図１１】メイン無線周波数波形及び補助波形を示すプロットである。
【図１２】電荷感知粒子検出器アセンブリを示す斜視図である。
【図１３】電荷感知粒子検出器アセンブリを示す模式断面図である。
【図１４】電荷感知粒子検出器の集積回路ユニットの例示的実装形態を示す回路図である。
【図１５Ａ】電荷流入のイベント幅と、電荷感知粒子検出器によって生成されるピーク高さの入力電荷に対する比との間の関係を示すプロットである。
【図１５Ｂ】電荷流入のイベント幅と、電荷感知粒子検出器によって生成されるピーク高さの入力電荷に対する比との間の関係を示すプロットである。
【図１６】本発明に係る定位相結合を応用する場合、及び、応用しない場合に得られた質量スキャン結果の比較を示すプロットである。
【図１７】該実施形態を用いてデータが得られた公称質量と実験質量との関係を示すプロットである。
【図１８】メイン無線周波数波形及び補助波形の他の実施形態を示すプロットである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明をより詳細に説明する前に、適切と考えられる場合において、符号又は符号の末端部は、同様の特性を有し得る対応の又は類似の要素を示すために各図面間で繰り返し用いられることに留意されたい。
【００１５】
図２〜図５に示されるように、四重極イオントラップ質量分析計の実施形態は、四重極イオントラップ装置１と、電荷感知粒子検出器（charge-sensing particle detector、略称：ＣＳＰＤ）アセンブリ２と、を具えている。四重極イオントラップ装置１は、主電極１０と、第１のエンドキャップ電極１１と、第２のエンドキャップ電極１２と、ガスノズル１３と、ガス封入部１４と、サンプルプローブ１５と、位相制御波形合成器１６と、を具えている。
【００１６】
本実施形態では、主電極１０は、軸方向に沿って延伸する四重極イオントラップ軸（Ｉ）を取り囲んでいる双曲線状のリング電極であるが、本発明はそれに限定されない。主電極１０は、レーザ入口１０１（図７参照）と、互いに間隔をおいて配置された２つのプローブ入口１０２（図７参照）と、が形成された電極体を有している。１つのプローブ入口１０２は、レーザ入口１０１に近接して、他の１つのプローブ入口１０２は、レーザ入口１０１から遠位にある。
【００１７】
第１のエンドキャップ電極１１と第２のエンドキャップ電極１２とは、軸方向において、主電極の両側に取り付けられ、且つ、主電極１０の内表面と共に、サンプルイオンをトラップするためのトラップ空間を画成する。本実施形態では、第１のエンドキャップ電極１１と第２のエンドキャップ電極１２とは、双曲線状の電極であるが、本発明はそれに限定されない。ここで記載されたイオンは、高分子、生体分子、有機ポリマー、ナノ粒子、タンパク質、抗体、タンパク質複合体、タンパク質結合体、核酸、オリゴヌクレオチド、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）、リボ核酸（ＲＮＡ）、多糖類、ウイルス、細胞、生物学的オルガネラから選択される、イオン化分子、又は、大分子の断片、又は、構造の断片であることができる。
【００１８】
また、図６に示されるように、トラップ空間内にトラップされたサンプルイオンの運動エネルギーをバッファガスとの衝突によって弱め、サンプルイオンの運動を減速させて、サンプルイオンをトラップ空間の中心に集めるようにするために、ガスノズル１３は、トラップ空間にバッファガスを導入して、軸方向に沿って流れる軸流ジェットを生成させるようにトラップ空間と空間的に連通している。詳しく言うと、ガスノズル１３は、第１のエンドキャップ電極１１と主電極１０との間に挟まれており、且つ、ガス入口１３１と、四重極イオントラップ軸（Ｉ）（図３参照）を取り囲んでいる管状体１３２と、を有している。管状体１３２は、ガス入口１３１と空間的に連通する内部空間を有すると共に、管状体１３２の内部空間と空間的に連通する複数の噴出口１３３が形成されている。噴出口１３３は、軸方向においてトラップ空間に面し、且つ、四重極イオントラップ軸（Ｉ）に対して管状体１３２の上に対称に配置されている。バッファガスは、ガス入口１３１からガスノズル１３に入り、且つ、噴出口１３３を介してガスノズル１３を出て、トラップ空間内に軸流ジェットを形成させる。いくつかの実施形態では、バッファガスは、サンプルイオンがトラップ空間に入る前に、トラップ空間に導入される。
【００１９】
ガス封入部１４は、第２のエンドキャップ電極１２と主電極１０との間に挟まれて、ガスノズル１３と共に、主電極１０に対して略対称の構造が形成されている。
【００２０】
また、図７と図８に示されるように、サンプルプローブ１５は、サンプル（イオン源）を置くように構成される少なくとも１つのサンプルトレイが形成されたトレイ部を有する。本実施形態では、サンプルプローブ１５は、サンプルプローブ１５の長手方向に沿って配列された複数のサンプルトレイ１５１が形成された一次元のプローブであり、且つ、各サンプルプローブ１５は、トレイ開口部を有している。サンプルは、１つの一次元のプローブ入口１０２に挿入された一次元のサンプルプローブ１５のサンプルトレイ１５１に置かれ、且つ、マトリクス支援レーザ脱離／イオン化（matrix-assisted laser desorption/ionization、略称：ＭＡＬＤＩ）を用いてイオン化されている。一価又は二価に帯電されている数千以上のサンプルイオンが、トラップ空間に生成することができる。これらのサンプルイオンは、実際にはイオン雲の形に形成されており、同じ質量電荷比のイオンが四重極イオントラップから放出されると共に、電荷感知粒子検出器アセンブリ２によって検出される。トラップされたサンプルイオンは、互いに静電的に相関があるので、イオンの運動のすべての位相は、マイクロ運動／振動又は永年運動／振動であっても、一般的にランダムである（図１０参照）。
【００２１】
使用時に、サンプルプローブ１５のトレイ部は、１つのサンプルトレイ１５１のトレイ開口部がトラップ空間に面する方式で、１つのプローブ入口１０２を通して挿入方向（図７において上下方向）に沿って主電極１０に挿入される。詳しく言うと、サンプルプローブ１５は、挿入方向に延伸し、挿入方向と平行な長手方向軸の周りに回動することができ、且つ、挿入方向に直線的に移動させることができるので、前述した１つのサンプルトレイ１５１をサンプルプローブ１５の回転及び／又は直線運動によってレーザ入口１０１と位置合せして配置されるように調整することができ、且つ、レーザ入口１０１を介して四重極イオントラップ装置１に導入されたレーザパルスは、サンプルトレイ１５１にあるサンプルに完全にアクセスすることができる。したがって、サンプルトレイ１５１にあるサンプルは、レーザパルスによってイオン化され、そしてトラップ空間に入るサンプルイオンを生成する。なお、サンプルトレイ１５１が、第１のエンドキャップ電極１１及び第２のエンドキャップ電極１２と共にトラップ空間を画成している主電極１０の内部電極表面に近ければ、イオン化されたサンプルがトラップ空間に入るのがより容易となる。本実施形態では、サンプルプローブ１５のトレイ部が主電極１０内に挿入された際に、イオン化されるサンプルが置かれるサンプルトレイ１５１と主電極１０の内部電極表面との距離が１ミリメートル以下である。一実施形態では、サンプルプローブ１５は、レーザ入口１０１から遠位にあるプローブ入口１０２に挿入されるので、レーザパルスは、トラップ空間をまたいでレーザ入口１０１と位置合せして配置されているサンプルトレイ１５１でイオン化されるサンプルに直接当たる。一実施形態では、サンプルプローブ１５は、レーザ入口１０１に近接するプローブ入口１０２に挿入されるので、レーザ入口１０１と位置合せして配置されているサンプルトレイ１５１にあるサンプルをイオン化するようレーザパルスがサンプルプローブ１５に当たる。一実施形態では、サンプルプローブ１５は、透明であり、且つ、レーザ入口１０１に近接するプローブ入口１０２に挿入されるので、レーザパルスは、透明なサンプルプローブ１５を通過した後に、レーザ入口１０１と位置合せして配置されているサンプルトレイ１５１にあるサンプルに当たる。
【００２２】
位相制御波形合成器１６は、主電極１０と第１のエンドキャップ電極１１と第２のエンドキャップ電極１２とに電気的に接続されると共に、主電極１０に対するメイン無線周波数（radio frequency、略称：ＲＦ）波形と、第１のエンドキャップ電極１１又は第２のエンドキャップ電極１２のうちの少なくとも１つ（即ち、第１のエンドキャップ電極１１及び第２のエンドキャップ電極１２の一方、又は、両方）に対する補助波形と、を生成するようにプログラムされている。
【００２３】
なお、本明細書を通して用いられている「メイン無線周波数波形」は、主電極１０に印加される波形を指すものであり、特定の波形（形状）に限定されない。本実施形態では、本発明の所期の効果を達成するために、位相制御波形合成器１６は、メイン無線周波数波形が正弦波に近似するが、正規の正弦波とはならないようにプログラムされる。図９に示されるように、メイン無線周波数波形は、それぞれ正弦波の一部である複数の正弦波形セグメントと、それぞれ非正弦波（正弦波の一部ではない）である複数の位相結合セグメントと、を有し、トラップ空間内にトラップされたサンプルイオンのマイクロ運動（図１０参照）の秩序化を実行するように、各正弦波形セグメントは、１つの位相結合セグメントを介して他の１つの正弦波形セグメントに橋絡する。本実施形態に係るメイン無線周波数波形は、位相結合セグメントによって相互結合されている複数の正弦波形セグメントに分けられている正弦波としてみなされることができる。特に、各位相結合セグメントにおいて、メイン無線周波数波形の位相が位相結合セグメントの期間中一定であるため、メイン無線周波数波形の電圧は一定である。言い換えれば、位相結合セグメントによって橋絡されたいずれか２つの正弦波形セグメントは、連続相である。この技術は、ここで「定位相結合」と呼ばれている。
【００２４】
背景技術に記載されているように、従来、メイン無線周波数波形における緩やかで滑らかなランプは線形質量分析に使用されている。一方、メイン無線周波数波形において低速ホッピングをリニアスケール質量分析に用いることは、不規則な不安定性を引き起こす。周波数の「滑らかなホッピング」は、正確な質量スペクトルをもたらすとは限らない。「周波数スキャン」の傾度（即ち、周波数の変化率）は、イオンの運動に強く影響し、他の動的偏差を生じ、且つ、性能指数ヒストグラムの観点から見ると、このような「周波数スキャン」は、四重極イオントラップ質量分析における「振幅スキャン」のように簡単ではない。
【００２５】
基本的なマシュー方程式に示されているように、独立変数は「時間」ではなく、時間に依存する「メイン無線周波数位相」である。該基本的なマシュー方程式は、動的方程式として、１つの関数微分方程式に一般化され、すべてのより高次の無線周波数場修正と、周波数分散とガス衝突の特徴を示す明示的な減衰項と、を具えている（方程式（２））。
【数４】
0006762418.tif 000005
ここで、ｒはメイン無線周波数波形スキャンのモードの数（即ち、質量スキャンのための周波数ホッピングに使用されるメイン無線周波数波形の周波数の数）を示す。
【００２６】
したがって、トラップされたイオンの動態は、暗黙的に時間に依存する減衰式のヒル・マシュー方程式に従う。トラップされたイオンの運動が安定しているか否かにかかわらず、無線周波数波形の位相関数の合成を介して、主電極１０に印加されている無線周波数波形によって動態が完全に制御されることができる。
【００２７】
質量分析において同じマシュー安定性ｑ−ａ図上で質量電荷比と時間との線形関係を維持するために、メイン無線周波数位相の理想的な減衰のないＬＭＺ包絡線が閉形式（方程式（３））で導出することができる。
【数５】
0006762418.tif 000006
Ω１：メイン無線周波数波形の初期スキャン周波数、
Ω２：メイン無線周波数波形の最終スキャン周波数、
Ｔ：周波数スキャンのΩ１からΩ２が開始するまでの時間、
τ：周波数スキャンのΩ１からΩ２までの期間、
また、遮断イオン間相互作用を考慮に入れると、バッファガス衝突を確率的に中断するこれらのイオン間相互作用は、離散したバッファガス衝突の減衰級数に再定式化される（方程式（４）参照）。バッファガスによるほぼ連続的な冷却は、ガス衝突より強度がはるかに大きいこのようなイオン間相互作用によって突然終了する。
【数６】
0006762418.tif 000007
δ（ｔ、ｔ’）：デルタ関数、
ｔｉ：ガス衝突イベントのタイミング、
Ｒ：分子イオン（サンプルイオン）の半径、
η：バッファガスの粘度係数、
χｉｏｎ：イオン干渉率の期待値であるカットオフパラメータ（イオン間相互作用）。
その結果、イオン雲のための質量分析法の1つの定式ができ、そして、それは少数のトラップされたイオンのみの場合には、単純なマシュー方程式と全く異なる。
【００２８】
メイン無線周波数波形は、位相上ではすでに正弦又は余弦であるので、すべてのイオンがほぼ同じ位相で動くことができるか否かを確認するために、トラップされた各イオンの運動を周期的に摂動させる。このブレイクスルーは、メイン無線周波数波形及び／又は補助波形上の位相において微量の外部定位相変調に応用する（方程式（５）参照）：
【数７】
0006762418.tif 000008
式中、
Ｃｏｎｊ（ξ）：結合乗数、
ｔｊ：ガス衝突イベントのタイミング、
Ｏ：省略可能次数、
各応用定位相結合において、トラップされた各イオンは、運動の位置がほぼ摂動されないが、結合の無線周波数の位相位置に従って、イオン運動の速度を速やかに僅かに変調する（方程式（５．１））。
【００２９】
変調の基本原理は、ランダウ減衰と同様のメカニズムによって、すべてのイオンが高度に同期運動するように変調し続ける。マイクロ運動の変調においては、結合はメイン無線周波数波形の山と谷に対応する位相でメイン無線周波数波形に周期的に応用されるが、本発明はそれに限定されない。したがって、各イオンのマイクロ運動は、最大速度及びゼロ変位（即ち、平衡状態）になるように徐々に進められる。永年運動の変調においては、非共振の補助無線周波数パルスがメイン無線周波数波形のゼロ振幅（即ち、零相）の位相で導入され得る。変調後に、同じ質量電荷比のすべてのイオンは、可能な限り一致して次第に動くようになる。
【００３０】
質量分析法の減衰の態様において、定位相結合変調は２つの重要な意味を持っている。定位相結合変調は、ランダムなイオン間相互作用を、短期間の周期的規則性を伴う周期的なものにすることが着実にでき、そしてバッファガス減衰のカットオフパラメータは、時間が経つにつれ有限で且つ固定的になる。よって、各結合の直後に、バッファガス冷却は、有限の時間のみ有効になる。更に、定位相結合変調は、実際的に分散がないと共に、すべての中間イベント（質量分析の任意のプロセス）を１つのマルコフ連鎖として接続することができるため、メイン無線周波数波形は、各結合の直後に任意に、例えば「周波数ホップ」プロセスに接続でき、且つ分散的な結果を生ずることがない。
【００３１】
言い換えれば、位相結合によって、質量分析のための質量スキャンは、メイン無線周波数波形の振幅の従来のランピングに替えて、メイン無線周波数波形の周波数ランピング／ホッピングによって実行されることができ、実際に、周波数の調整可能な倍率は、振幅の調整可能な倍率より大いに高い。質量スキャン中に、メイン無線周波数波形の印加は、複数の変調周期に分けることができる。異なる変調周期において、メイン無線周波数波形は異なる周波数を有することができ、位相結合セグメントは、１つの変調周期にあるメイン無線周波数波形の一部と、メイン無線周波数波形の周波数が上記１つの変調周期と異なる他の変調周期にあるメイン無線周波数波形の一部とを橋絡するように使用されることができる。本実施形態では、同じ質量電荷比を有すると共にトラップ空間内にトラップされたサンプルイオンが位相相関して且つ局所的なゼロ振幅付近で秩序化されるように、各変調周期において、位相結合セグメントは、変調周期内に周期的に分布しているが、本発明はそれに限定されない。なお、１つの正弦波サイクルには、１つ又は複数の位相結合セグメントがあることができ、このサイクルは位相結合セグメントを無視する際には正弦波に相似する。一実施形態では、位相結合セグメントは、対応する正弦波の山と谷に配置されている。更に、イオンのマイクロ運動のより良好な秩序化のために、各位相結合セグメントの長さは、対応する正弦波の周期の５％より短くすることができるが、本発明の技術は、位相結合セグメントの長さが対応する正弦波の周期の５％より長い際にもまた実行することができるので、本発明はそれに限定されない。
【００３２】
定相結合変調の応用によって、本発明の四重極イオントラップ質量分析計に基づくイオンのトラップ及び冷却は、より効果的且つ効率的になり得ると共に、質量スキャンの範囲はより広くなりまたより良好な分光測定の直線性を有することができる。
【００３３】
図１１に示されるように、本実施形態において位相制御波形合成器１６は、補助波形が複数のパルスを含むように更にプログラムされている。補助波形は、その機能に基づいて２つの波形段階に分類することができる。第１の波形段階において、トラップ空間内にトラップされたサンプルイオンの永年運動の秩序化を実行するように、各パルスはメイン無線周波数波形の振幅がゼロである時に位置合せして配置する。第１の波形段階で印加される各パルスは、非共振の補助パルスと呼ばれる。なお、イオンの永年運動の変調とマイクロ運動の変調とは、同時に又は別々に応用されることができる。イオンの永年運動の変調とマイクロ運動の変調とが別々に実施される場合、図１８に示されるように、補助波形は、マイクロ運動の変調中に電圧が一定であることができ、且つ、メイン無線周波数波形は、イオンの永年運動の変調中に純正弦波であることができる。
【００３４】
補助波形の第２の波形段階において、パルスが所定の周波数に配列されることによって、サンプルイオンの共振を引き起こし、それによって、メイン無線周波数波形を誘導又は補助して、トラップ空間にトラップされたサンプルイオンの四重極イオントラップ装置１の外への放出を誘導する。
【００３５】
図２〜図４及び図１２に示されるように、電荷感知粒子検出器アセンブリ２は、電荷感知粒子検出器２１と、２つの金属シールド２２と、を具えている。電荷感知粒子検出器２１は、金属シールド２２を介して四重極イオントラップ装置１の第２のエンドキャップ電極１２に取り付けられ、四重極イオントラップ装置１から放出されたサンプルイオンの電荷を感知し、且つ、図１３に示されるように、基板２１１と、電荷検出板２１２と、集積回路ユニット２１３と、干渉遮蔽ユニット２１４と、を具えている。
【００３６】
電荷検出板２１２は、基板２１１の第１の面に設置されている。電荷検出板２１２は、金属などの導電材料により作成されることができる。いくつかの実施形態では、電荷検出板２１２は、銅製である。いくつかの実施形態では、電荷検出板２１２は、半径が約５ｍｍ〜１０ｍｍ、１０ｍｍ〜１５ｍｍ、又は、１５ｍｍ〜２０ｍｍである。いくつかの実施形態では、電荷検出板２１２は、半径が約５ｍｍである。いくつかの実施形態では、電荷検出板２１２は、電荷増幅せずに作動することができる。いくつかの実施形態では、電荷検出板２１２は、入射イオンのイメージ電流を伝導することによって、イオンを感知及び検出することに有用である。いくつかの実施形態では、電荷検出板２１２は、電荷検出板２１２から約１０ｍｍ〜２０ｍｍ、１０ｍｍ〜３０ｍｍ、１０ｍｍ〜４０ｍｍ、又は、１０ｍｍ〜５０ｍｍ離れた範囲内で四重極イオントラップ装置１からの入射イオンのイメージ電流を伝導することに利用される。
【００３７】
集積回路ユニット２１３は、電荷検出板２１２に電気的に接続されると共に、第１の面と非同一平面である基板２１１の第２の面に設置されている。第２の面に設置された集積回路ユニット２１３は、第１の面に設置された電荷検出板２１２と非同一平面にあることによって、サンプルイオンによる集積回路ユニット２３への干渉を防止する。
【００３８】
本実施形態では、集積回路ユニット２１３は、プラスチック回路基板上にプリントされ、且つ、２００以上の電荷を有する点様粒子用にその場で設計されている。集積回路ユニット２１３の第１のステージは、入ってくる（誘導された又は集められた）電荷を電圧に変換する。集積回路ユニット２１３はＣＲ−ＲＣ−ＣＲネットワーク（図１４参照）を含み、該ＣＲ−ＲＣ−ＣＲネットワークは、その伝達関数の漸近的に最速の極に近くに１つの単純零点を有するように設計されていて、これによりオーバーシュートが発生することなく、電荷流入のイベント（即ち、電荷検出板２１２へのイオンの衝突）を非線形に再形成させるようにする。図１５Ａ及び図１５Ｂに示されるように、１０μｓより短い電荷流入のイベント幅（イオン雲が電荷検出板２１２に衝突する時間の幅）は、鋭利及び極性的に顕著な反応を導く。
【００３９】
干渉遮蔽ユニット２１４は、干渉遮蔽ユニット２１４の外側にある四重極イオントラップ装置１からのサンプルイオンが電荷検出板２１２へ衝突することができるように、電荷検出板２１２と集積回路ユニット２１３とをほぼ取り囲む。詳細には、干渉遮蔽ユニット２１４は、基板２１１の第１の面及び第２の面をほぼ覆うファラデーケージ２１５を具えていて、ファラデーケージ２１５は、電荷検出板２１２と集積回路ユニット２１３とをそれぞれ露出させるようにそれぞれ電荷検出板２１２と集積回路ユニット２１３とに位置対応する２つの開口を有する。
【００４０】
高分解能質量分析は、主電極１０及び補助電極１１、１２上の位相連続無線周波数波形を区分的に変調することによって達成される。提案される手順は、これに限定されないが、３つのプロセスを含む。即ち、（１）イオンが四重極イオントラップ装置１に導入される間のイオンの効率的なバッファガス冷却、（２）位相変調中のトラップされたイオンの位相相関秩序化、（３）質量スキャンの各ステップにおけるトラップされたイオンに対するメイン無線周波数波形の減衰のない周波数遷移である。
【００４１】
四重極イオントラップ装置１内にある数千のイオンに対して、バッファガス冷却は、メイン無線周波数倍音の周波数におけるイオン間相互作用によって、強く干渉される。冷却の有効性及び効率は、冷却セッションにおける数回のメイン無線周波数サイクル内において安定的及び充分に衝突させるように、電荷感知粒子検出器２１への軸方向経路に沿って速いクヌーセン流を発生することによって達成されている。１つの効率的なバッファガス冷却は、零位相で定位相結合によって橋絡した多くの冷却セッションから構成される。
【００４２】
一実施形態では、冷却後、メイン無線周波数波形の山／谷における一連の結合点を使用して、イオンのマイクロ運動を変調し、マイクロ運動の種々の位相の数を２に減らす。次に、すべての永年自由度は、非共振の補助パルスによって同調する。そして、そのような位相相関秩序化は、質量スキャンにおける周波数遷移の以下のプロセスを進めるように、すべての冷却されたイオンをマイクロ運動及び永年運動の両方において同期化する。
【００４３】
冷却及び秩序化の直後に、質量スキャンにおけるすべてのイオンは、減衰が存在せず且つすべてのイオンがコヒーレンスにあるかのように、定位相結合によって橋絡された一連の周波数遷移を受ける。よって、不安定又は共振にかかわらず、放出されるすべてのイオンは、マシュー方程式に従う理想的な運動に同様にあり、イオンが集まって電荷感知粒子検出器２１に到達し、高度に集中した第1のステージ信号をもたらし、そして、非線形に高分解能パルスに形成される。
【００４４】
前述の３つのプロセスによって、電荷感知粒子検出器２１の分解能は、１０ｋ〜１００ｋＤａの質量範囲に渡って１０Ｄａの公称分解能を有する質量分析に対応する２０μｓの検出時間に対応することができる。いくつかの実施形態では、分析物の質量分解能は、５００〜５００ｋＤａの質量範囲内で５００〜１０００を超えるように増加されることができる。
【００４５】
図１６は、チトクロムＣの質量スキャンの結果を示し、上側の図は、定位相結合を応用しない場合に得られるものであり、下側の図は、定位相結合を応用する場合に得られるものである。定位相結合を応用しない場合には、ピークがずれ（公称値は１２３２７Ｄａ）、且つ、ピーク幅が比較的広い（即ち、分解能が低い）ことが分かる。定位相結合を応用すると、質量スキャンの結果がより正確になり、且つ、分解能がより高くなる。
【００４６】
図１７は、本発明の実施形態を用いて、データが得られる公称質量と実験質量との間の関係を示す。本発明の実施形態は、質量分析に高精度をもたらすことができることが分かる。
【００４７】
ここで、いくつかの実施形態では、四重極イオントラップ装置１の主電極１０及びエンドキャップ電極１１、１２は、約３μｍの標準偏差（standard deviation、略称：ＳＤ）で測定された精度と、１００ｎｍ以下の粗さ（Ｒａ）を有するように作成され、且つ、主電極１０及びエンドキャップ電極１１、１２は、前述の効果及び期待性能を達成させるように、５ｎｍ以下の組立偏差で四重極イオントラップ装置１内に組み立てられる。
【００４８】
いくつかの実施では、本発明に係る四重極イオントラップ質量分析計及び方法は、タンパク質、抗体、タンパク質複合体、タンパク質結合体、核酸、オリゴヌクレオチド、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）、リボ核酸（ＲＮＡ）、多糖類などの生体分子を検出して、分子量、タンパク質消化、プロテオミクス分析、メタボロミクス、ペプチド配列などの特性を明らかにすることになかんずく有用であり、高い検出効率及び分解能を有する。
【００４９】
いくつかの実施では、本発明に係る四重極イオントラップ質量分析計及び方法は、ナノ粒子、ウイルス、及び、最大約５０ナノメートル又はそれ以上の範囲のサイズを有する他の生体成分やオルガネラの質量スペクトルを得るように使用することができる。
【００５０】
いくつかの変形形態では、本発明に係る四重極イオントラップ質量分析計及び方法は、小分子イオンの質量スペクトルも提供することができる。
【００５１】
総括すると、本発明に係る四重極イオントラップ質量分析計は、実質的な偏差を伴わずに、非散乱スペクトルの結果をもたらすことができる。四重極イオントラップ質量分析計のスペクトルの結果は、分子、高分子、生体分子の質量分解能を増加させることができる。
【００５２】
上記においては、本発明の全体的な理解を促すべく、多くの具体的な詳細が示された。しかしながら、当業者であれば、一またはそれ以上の他の実施形態が具体的な詳細を示さなくとも実施され得ることが明らかである。また、本明細書における「一つの実施形態」、「一実施形態」を示す説明において、序数などの表示を伴う説明は全て、特定の態様、構造、特徴を有する本発明の具体的な実施に含まれ得るものであることと理解されたい。更に、本説明において、時には複数の変化例が一つの実施形態、図面、またはこれらの説明に組み込まれているが、これは本説明を合理化させるためのもので、また、本発明の多面性が理解されることを目的としたものである。
【００５３】
以上、本発明の好ましい実施形態及び変化例を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、最も広い解釈の精神および範囲内に含まれる様々な構成として、全ての修飾および均等な構成を包含するものとする。
【符号の説明】
【００５４】
１０  主電極、１０１  レーザ入口、１１  第１のエンドキャップ電極、１２  第２のエンドキャップ電極、１３  ガスノズル、１３１  ガス入口、１３２  管状体、１３３  噴出口、１５  サンプルプローブ、１５１  サンプルトレイ、１６  位相制御波形合成器、２  電荷感知粒子検出器、２１１  基板、２１２  電荷検出板、２１３  集積回路ユニット、２１４  干渉遮蔽ユニット、２１５  ファラデーケージ、Ｉ  四重極イオントラップ軸
【図１】
0006762418.tif 000009
【図２】
0006762418.tif 000010
【図３】
0006762418.tif 000011
【図４】
0006762418.tif 000012
【図５】
0006762418.tif 000013
【図６】
0006762418.tif 000014
【図７】
0006762418.tif 000015
【図８】
0006762418.tif 000016
【図９】
0006762418.tif 000017
【図１０】
0006762418.tif 000018
【図１１】
0006762418.tif 000019
【図１２】
0006762418.tif 000020
【図１３】
0006762418.tif 000021
【図１４】
0006762418.tif 000022
【図１５Ａ】
0006762418.tif 000023
【図１５Ｂ】
0006762418.tif 000024
【図１６】
0006762418.tif 000025
【図１７】
0006762418.tif 000026
【図１８】
0006762418.tif 000027