(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電極で囲まれる空間に形成される電場によりイオンを捕捉するイオントラップを有する質量分析装置において、イオントラップにイオンを保持した後に特定のイオンを開裂させ、それにより生成されたイオンを質量分析する質量分析方法であって、
a)前記イオントラップ内に捕捉されている各種イオンの中で、目的イオンの質量電荷比範囲を含む所定の質量電荷比範囲のイオンをプリカーサイオンとしてイオントラップ内に選択的に残すプリカーサイオン選択ステップと、
b)前記目的イオンを所定の第１のｑ値で以て捕捉するように、イオントラップを構成する前記複数の電極のうちの少なくとも１つの電極に印加する捕捉用高周波電圧の周波数を調整する高ｑ値設定ステップと、
c)前記目的イオンを共鳴励振させる励振用高周波電圧を、イオントラップを構成する前記複数の電極のうち前記捕捉用高周波電圧が印加される電極を除く少なくとも１つの電極に印加してイオントラップ内で目的イオンの衝突誘起解離を促進させ、それにより生成されたプロダクトイオンの少なくとも一部がイオントラップ内に残留している期間中に前記励振用高周波電圧の印加を停止する開裂実行ステップと、
d)前記励振用高周波電圧の印加停止と同時又は電圧印加停止時点から前記開裂により生成されたプロダクトイオンの少なくとも一部がイオントラップ内に残留している期間内の時間遅延の後に、プロダクトイオンを前記第１のｑ値よりも低い第２のｑ値で以て捕捉するように前記捕捉用高周波電圧の周波数を変更してプロダクトイオンを捕捉するプロダクトイオン捕捉ステップと、
を実行することを特徴とする質量分析方法。
【請求項２】
少なくとも前記捕捉用高周波電圧として、直流電圧をスイッチングすることにより生成した高周波電圧を用いることを特徴とする請求項１に記載の質量分析方法。
【請求項３】
前記イオントラップは、環状のリング電極と、該リング電極を挟んで対向して配置される一対のエンドキャップ電極から成るものであることを特徴とする請求項１に記載の質量分析方法。
【請求項４】
前記第１のｑ値は０．５≦ｑ＜１．０の範囲の値であることを特徴とする請求項１に記載の質量分析方法。
【請求項５】
前記第２のｑ値は０＜ｑ≦０．４の範囲の値であることを特徴とする請求項４に記載の質量分析方法。
【請求項６】
前記衝突誘起解離のための励振用高周波電圧の印加時間は１ｍｓ以下であることを特徴とする請求項１に記載の質量分析方法。
【請求項７】
前記衝突誘起解離のための励振用高周波電圧印加終了後に前記捕捉用高周波電圧の周波数を変更するまでの遅延時間は０以上１ｍｓ以下であることを特徴とする請求項６に記載の質量分析方法。
【請求項８】
前記捕捉用高周波電圧の周波数を変更する際の位相を調整する位相制御を行うことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の質量分析方法。
【請求項９】
複数の電極を含み、それら電極で囲まれる空間に形成される電場によりイオンを捕捉するイオントラップと、前記複数の電極にそれぞれ高周波電圧を印加する電圧印加手段と、前記イオントラップ内に衝突誘起解離（ＣＩＤ）ガスを導入するガス導入手段と、前記電圧印加手段及びガス導入手段を制御する制御手段と、を具備し、イオントラップにイオンを保持した後に特定のイオンをＣＩＤガスとの衝突によって開裂させ、それにより生成されたイオンを質量分析する質量分析装置において、前記制御手段は、
前記イオントラップ内に捕捉されている各種イオンの中で、目的イオンの質量電荷比範囲を含む所定の質量電荷比範囲のイオンをプリカーサイオンとしてイオントラップ内に選択的に残すようにそれ以外のイオンを発散させる高周波電圧を前記電圧印加手段により発生させ、
その後、前記目的イオンを所定の第１のｑ値で以て捕捉するように、イオントラップを構成する前記複数の電極のうちの少なくとも１つの電極に印加する捕捉用高周波電圧の周波数を設定し、
前記ガス導入手段により前記イオントラップ内にＣＩＤガスを導入し、前記目的イオンを共鳴励振させる励振用高周波電圧を、イオントラップを構成する前記複数の電極のうち前記捕捉用高周波電圧が印加される電極を除く少なくとも１つの電極に印加してイオントラップ内で目的イオンのＣＩＤを促進させ、それにより生成されたプロダクトイオンの少なくとも一部がイオントラップ内に残留している期間中に前記励振用高周波電圧の印加を停止し、
該励振用高周波電圧の印加停止と同時又は電圧印加停止時点から前記開裂により生成されたプロダクトイオンの少なくとも一部がイオントラップ内に残留している期間内の時間遅延の後に、プロダクトイオンを前記第１のｑ値よりも低い第２のｑ値で以て捕捉するように前記捕捉用高周波電圧の周波数を変更するように前記電圧印加手段を制御する、ことを特徴とする質量分析装置。
【請求項１０】
少なくとも前記捕捉用高周波電圧を印加する前記電圧印加手段は、直流電圧をスイッチングすることにより高周波電圧を生成するものであることを特徴とする請求項９に記載の質量分析装置。
【請求項１１】
前記イオントラップは、環状のリング電極と、該リング電極を挟んで対向して配置される一対のエンドキャップ電極から成るものであることを特徴とする請求項９に記載の質量分析装置。
【請求項１２】
前記第１のｑ値は０．５≦ｑ＜１．０の範囲の値であることを特徴とする請求項９に記載の質量分析装置。
【請求項１３】
前記第２のｑ値は０＜ｑ≦０．４の範囲の値であることを特徴とする請求項１２に記載の質量分析装置。
【請求項１４】
前記衝突誘起解離のための励振用高周波電圧の印加時間は１ｍｓ以下であることを特徴とする請求項９に記載の質量分析装置。
【請求項１５】
前記衝突誘起解離のための励振用高周波電圧印加終了後に前記捕捉用高周波電圧の周波数を変更するまでの遅延時間は０以上１ｍｓ以下であることを特徴とする請求項１４に記載の質量分析装置。
【請求項１６】
前記制御手段は捕捉用高周波電圧の周波数を変更する際の位相を調整する位相制御を行うことを特徴とする請求項９〜１５のいずれかに記載の質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、電場によってイオンを閉じ込めるためのイオントラップを利用して分析対象のイオンを衝突誘起解離させる質量分析方法及び質量分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
質量分析においてはＭＳ／ＭＳ分析（タンデム分析）という手法が広く知られている。一般にＭＳ／ＭＳ分析では、まず分析対象物から生成した様々なイオン種の中から目的とする特定質量電荷比を有するイオンをプリカーサイオンとして選別し、その選別したプリカーサイオンを例えば衝突誘起解離（以下、ＣＩＤ＝Collision Induced Dissociationという）によって開裂させ、プロダクトイオンを生成する。その後、開裂によって生成したプロダクトイオンを質量分析することによって、目的イオンの分子構造についての情報を取得する。イオントラップ型質量分析装置では、イオンを閉じ込める機能を有するイオントラップの内部でＣＩＤを起こさせることができる。
【０００３】  このイオントラップ質量分析装置におけるイオン選別の原理を説明する。いま、図２に示すように円筒座標系(ｒ，Ｚ)において典型的な３次元四重極型イオントラップを考える。即ち、イオントラップ１は、内周面が回転１葉双曲面形状を有する１個の円環状のリング電極２と、それを挟むように対向して設けられた、内周面が回転２葉双曲面形状を有する一対のエンドキャップ電極３，４とから成り、電極２、３、４で囲まれた空間がイオントラップ領域５となる。図示するように、リング電極２に捕捉用の高周波（ＲＦ）電圧（以下単に「捕捉電圧」という）としてＵ−ＶcosΩｔなる電圧が印加されている場合を考える。【０００４】  上記電圧が印加されているときにイオントラップ領域５に形成される四重極電場における各種イオンの運動は、Ｚ方向、ｒ方向について次の(1)、(2)式で示す独立の運動方程式で記述することができる。    ｄ2ｒ/ｄｔ2＋(ｚ/ｍｒ02)(Ｕ−ＶcosΩｔ)ｒ＝０      …(1)    ｄ2Ｚ/ｄｔ2＋(２ｚ/ｍｒ02)(Ｕ−ＶcosΩｔ)Ｚ＝０      …(2) なお、ｍはイオンの質量、ｚはイオンの電荷、ｒ0はリング電極２の内接半径である。いま、ａz，ａr，ｑz，ｑrを(3)、(4)式のように定義すると、    ａz＝−２ａr＝−８Ｕ/[(ｍ/z)ｒ02 Ω2]      …(3)    ｑz＝−２ｑr＝４Ｖ/[(ｍ/z)ｒ02 Ω2]      …(4)上記運動方程式(1)、(2)は次の(5)、(6)式のマチウ(Mathieu)方程式の形で表すことができる。    ｄ2ｒ/ｄζ2＋(ａr−２ｑr・cos２ζ)ｒ＝０      …(5)    ｄ2Ｚ/ｄζ2＋(ａz−２ｑz・cos２ζ)Ｚ＝０      …(6)      但し、ζ＝(Ωｔ)/２【０００５】
このマチウ方程式の解の性質は、ａz，ｑzを用いて表すことができる。図３はこのマチウ方程式の解の安定条件を説明するための図であり、縦軸がａz、横軸がｑzである。図３に示すａz−ｑz面において実線で囲まれた領域Ｓが上記方程式の安定解となる。即ち、上記パラメータａz，ｑzはイオンの質量電荷比ｍ／ｚによって定まり、これらの値の組（ａz，ｑz）が特定の範囲に存在する場合に、このイオンは特定の周波数で振動を繰り返しイオントラップ領域５に捕捉される。具体的には、図３中で実線で囲まれた安定領域Ｓがイオンがイオントラップ領域５に安定して存在できる範囲であり、その外側がイオンが発散してしまう不安定領域である。
【０００６】
捕捉電圧の直流成分Ｕが０である場合、図３のａz−ｑz面ではａz＝０となり、図３にＱで示すｑz軸上のみの条件となる。正弦波形状の高周波電圧を捕捉電圧として用いる、従来知られているアナログ方式のイオントラップ（以下、ＡＩＴと略す）の場合、ｑz＝０．９０８が安定領域Ｓの境界（ｑz軸上では点Ｐ）であるため、ｑz＝０．９０８以上となる質量電荷比を持つイオンについてはトラップ条件から外れて捕捉されない。(4)式では分母に質量電荷比ｍ／ｚが含まれているため、特定質量電荷比、即ち下限質量（ＬＭＣ:Low Mass Cutoff）以下のイオンはトラップされないことになる。理論的にはＬＭＣの値は捕捉電圧の高周波成分の振幅値Ｖ或いは周波数Ωを変えることで調整できるが、ＡＩＴでは周波数Ωを変化させるのは困難であるため振幅値Ｖを変化させることにより対応する。
【０００７】  一方、矩形波状の高周波電圧を捕捉電圧としてリング電極２に印加するデジタル方式イオントラップ（ＤＩＴ）の場合には安定領域Ｓの境界のｑzの値がやや低くなる（０．７１２５）が、それ以外はＡＩＴと同様の理論が成り立つことが知られている（非特許文献１など参照）。この場合には、ＬＭＣ値は捕捉電圧の周波数Ωを変えることで任意に調整可能である。【０００８】
上記のような条件の下にイオントラップ領域５内にトラップされている特定質量電荷比を持つ目的イオンをＣＩＤにより開裂させるためには、目的イオンの永年振動数Ωsと共鳴する次の(7)式で表される振動数Ωexの高周波電圧をエンドキャップ電極３、４に印加する。
Ωex＝Ωs＝（１／２）βzΩ      …(7)
ここでβzは図３中にも記載したようにイオンのＺ方向の振動を表すパラメータであり、０＜βz＜１の領域内でイオンは安定である。上記高周波電圧によりトラップ領域５内に形成される電場により共鳴励振されたイオンは、希ガスと衝突することでＣＩＤにより開裂し、目的イオンよりも質量電荷比の小さな種々のプロダクトイオン（フラグメントイオン）が生成される。
【０００９】
さて、前述のようにイオントラップ領域５にトラップされているイオンが感知する、捕捉電圧により形成されるポテンシャル井戸の深さＤzはｑzの値（以下、ｑ値という）に依存する。ｑ値が大きいほどポテンシャル井戸は深くなり、共鳴励振によって、より大きな運動エネルギーを持つ状態まで加速できるので開裂効率は向上することが知られている（非特許文献２など参照）。換言すれば、開裂効率を高めるためには、目的イオンをできるだけ高いｑ値でトラップすればよいことになる。但し、ｑ値を高くする場合にはＬＭＣ値も高くなるため、開裂により生じる、ＬＭＣ値よりも低い質量電荷比を持つプロダクトイオンはトラップされにくくなる。
【００１０】
一方、ＭＳ／ＭＳ（又はＭＳn）分析によりタンパク質のアミノ酸配列を決めるためには低い質量電荷比のプロダクトイオンの情報も重要であり、ＬＭＣ値を低くして低い質量電荷比範囲も分析する必要がある。このように低い質量電荷比のプロダクトイオンを分析したい場合には、開裂効率を或る程度犠牲にしても、できるかぎり低いｑ値で目的イオンをトラップせざるをえない。即ち、開裂効率を高めることと分析対象の質量電荷比範囲の下限を下げることとはｑ値の設定において相容れない要求であり、従来、開裂操作のためのｑ値の設定は開裂効率と質量電荷比範囲の下限とのトレードオフを考慮して決められていた。
【００１１】
【非特許文献１】L. Ding et.al, "A digital ion trap mass spectrometer coupled with atmospheric pressure ion sources", J. Mass Spectrom. 39(2004), pp.471-484
【非特許文献２】V.M. Doroshenko et.al. "Pulsed gas introduction for increasing peptide CID efficiency in a MALDI/quadrupole ion trap mass spectrometer", Anal. Chem. 68(1996), pp.463-472
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、イオントラップにおいてイオンの開裂操作を行う場合に、分析対象の質量電荷比範囲の下限を低い状態に維持しながら高い開裂効率を達成する、つまり広い質量電荷比範囲と高い開裂効率とを両立させることができる質量分析方法及び質量分析装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために成された第１発明は、複数の電極で囲まれる空間に形成される電場によりイオンを捕捉するイオントラップを有する質量分析装置において、イオントラップにイオンを保持した後に特定のイオンを開裂させ、それにより生成されたイオンを質量分析する質量分析方法であって、
a)前記イオントラップ内に捕捉されている各種イオンの中で、目的イオンの質量電荷比範囲を含む所定の質量電荷比範囲のイオンをプリカーサイオンとしてイオントラップ内に選択的に残すプリカーサイオン選択ステップと、
b)前記目的イオンを所定の第１のｑ値で以て捕捉するように少なくとも１つの電極に印加する捕捉用高周波電圧の周波数を調整する高ｑ値設定ステップと、
c)前記目的イオンを共鳴励振させる励振用高周波電圧を少なくとも１つの電極に印加してイオントラップ内で目的イオンの衝突誘起解離を促進させ、それにより生成されたプロダクトイオンの少なくとも一部がイオントラップ内に残留している期間中に前記励振用高周波電圧の印加を停止する開裂実行ステップと、
d)前記励振用高周波電圧の印加停止と同時又は電圧印加停止時点から前記開裂により生成されたプロダクトイオンの少なくとも一部がイオントラップ内に残留している期間内の時間遅延の後に、プロダクトイオンを前記第１のｑ値よりも低い第２のｑ値で以て捕捉するように前記捕捉用高周波電圧の周波数を変更してプロダクトイオンを捕捉するプロダクトイオン捕捉ステップと、
を実行することを特徴としている。
【００１４】
また第２発明は、上記第１発明に係る質量分析方法を具体的に実施するための質量分析装置であって、複数の電極を含み、それら電極で囲まれる空間に形成される電場によりイオンを捕捉するイオントラップと、前記複数の電極にそれぞれ高周波電圧を印加する電圧印加手段と、前記イオントラップ内に衝突誘起解離（ＣＩＤ）ガスを導入するガス導入手段と、前記電圧印加手段及びガス導入手段を制御する制御手段と、を具備し、イオントラップにイオンを保持した後に特定のイオンをＣＩＤガスとの衝突によって開裂させ、それにより生成されたイオンを質量分析する質量分析装置において、前記制御手段は、
前記イオントラップ内に捕捉されている各種イオンの中で、目的イオンの質量範囲を含む所定の質量範囲のイオンをプリカーサイオンとしてイオントラップ内に選択的に残すようにそれ以外のイオンを発散させる高周波電圧を前記電圧印加手段により発生させ、
その後、前記目的イオンを所定の第１のｑ値で以て捕捉するように少なくとも１つの電極に印加する捕捉用高周波電圧の周波数を設定し、
前記ガス導入手段により前記イオントラップ内にＣＩＤガスを導入し、前記目的イオンを共鳴励振させる励振用高周波電圧を少なくとも１つの電極に印加してイオントラップ内で目的イオンのＣＩＤを促進させ、それにより生成されたプロダクトイオンの少なくとも一部がイオントラップ内に残留している期間中に前記励振用高周波電圧の印加を停止し、
該励振用高周波電圧の印加停止と同時又は電圧印加停止時点から前記開裂により生成されたプロダクトイオンの少なくとも一部がイオントラップ内に残留している期間内の時間遅延の後に、プロダクトイオンを前記第１のｑ値よりも低い第２のｑ値で以て捕捉するように前記捕捉用高周波電圧の周波数を変更するように前記電圧印加手段を制御する、ことを特徴としている。
【００１５】
第１発明に係る質量分析方法及び第２発明に係る質量分析装置によれば、ＣＩＤにより開裂させたい目的イオンが第２のｑ値よりも高い第１のｑ値で以てトラップされているときにＣＩＤガスが導入され該目的イオンが共鳴励振されて開裂が促進される。開裂の開始時点及びその直後には高いｑ値で目的イオンがトラップされているため、目的イオンの開裂効率を高くすることができる。但し、高いｑ値を保ったままであるとＬＭＣ値も高いため、開裂により生成される各種プロダクトイオンのうちＬＭＣ値よりも低い質量電荷比を持つイオンが捕捉されずに消散してしまう。そこで、こうした質量電荷比の小さなプロダクトイオンがイオントラップ内から消散しない間に励振用高周波電圧を停止させることにより開裂操作を中止し、それと同時又は時間遅延があったとしても上記プロダクトイオンがイオントラップ内に残っている間に、ｑ値を下げるように捕捉用高周波電圧の周波数を変更する。
【００１６】
この周波数の変更により、イオントラップのｑ値が小さくなってＬＭＣ値も低くなる。即ち、質量電荷比の小さなイオンも捕捉され易くなり、イオントラップ内に残留していたプロダクトイオン（及び目的イオン）のうちの質量電荷比の大きなイオンはもちろん、質量電荷比の小さなイオンについてもイオントラップ内に確実に捕捉される。そうしてプロダクトイオンを確実に捕捉した後に、イオントラップ内で或いはイオントラップの外部に設けた別の質量分析器により目的イオンやプロダクトイオンを質量分離して検出する。これにより、イオントラップ内で開裂により生じさせたプロダクトイオンについての分析可能な質量電荷比範囲の下限を低くし、小さな質量電荷比のプロダクトイオンも分析可能となる。
【００１７】
また、イオントラップのｑ値を変更する際に捕捉用高周波電圧の周波数を変更しており、該電圧の振幅は変更する必要がない。捕捉用高周波電圧の振幅を変えることでｑ値を変更する場合、高いｑ値に対しては振幅を大きくする必要がある。特に分析対象の質量電荷比範囲が比較的高い場合であってｑ値を高くしようとすると、電圧の振幅をかなり大きくしなければならず、イオントラップ内部で不所望の放電が起こるおそれがある。これに対し、周波数を変更することによりｑ値を変更する方法では、放電が生じるおそれがなく任意にｑ値の設定を行うことができる。
【００１８】  上記第１び第２発明において、好ましくは、直流電圧をスイッチングすることにより生成した高周波電圧をイオントラップを構成する各電極に印加する構成とするとよい。即ち、イオントラップがＡＩＴではなくＤＩＴである場合に特に有効である。【００１９】  一般にＡＩＴでは高周波電圧の周波数を変更することでｑ値の変更に対応することが難しい。即ち、一般にＡＩＴでは、電源回路などの制約から、イオントラップ及び周辺回路を含む共振回路系のＱ値を大きくして、励起電圧が低くても強い電場を発生できるようにした構成が採られる。しかしながら、効率を上げるためにＱ値を大きくすればするほどＱ値の周波数依存性が大きくなり時間応答性も悪くなる。このように時間応答性の悪い回路系で電圧の周波数を高速に切り替えることは困難である。これに対し、一定電圧値の直流電圧をスイッチングして高周波電圧を得るＤＩＴであれば、周波数の変更は容易であって、その切替えも非常に高速に行うことができる。【００２０】  またイオントラップの形態としては、例えば、環状のリング電極と、該リング電極を挟んで対向して配置される一対のエンドキャップ電極から成る、いわゆる３次元四重極型の構成とすることができる。この場合、リング電極に捕捉用高周波電圧を印加し、エンドキャップ電極に励振用高周波電圧を印加すればよい。【００２１】
また第１及び第２発明において、具体的に、第１のｑ値は０．５≦ｑ＜１．０の範囲の値とし、一方、第２のｑ値は０＜ｑ≦０．４の範囲の値とすることができる。これによれば、ＣＩＤ実行時の開裂効率を十分に高くしつつ、開裂により生成された小さな質量電荷比を持つイオンも十分に捕捉することができる。
【００２２】  また、ＣＩＤにより生成されたプロダクトイオンがイオントラップ内で消散しない間にＣＩＤ動作を終了させるには、ＣＩＤのためのイオン共鳴励振電圧の印加時間を１ｍｓ以下の適宜の時間に設定するとよい。従来の一般的なＣＩＤの場合、イオン共鳴励振電圧の印加時間が３０ｍｓ乃至数十ｍｓ程度であるから、これに比べると本発明における印加時間はかなり短い。【００２３】  さらにまた、ＣＩＤの終了時点でイオントラップ内に残留しているプロダクトイオンが完全に消散する前に捕捉するために、イオン共鳴励振電圧印加終了後の遅延時間は０以上１ｍｓ以下とすることが好ましい。【００２４】  なお、ｑ値を小さくするために捕捉用高周波電圧の周波数を変更するが、その切替え時の電圧の位相はイオンの捕捉効率に影響を与える。そこで、イオンの捕捉効率をできるだけ高くするため捕捉用高周波電圧の周波数を変更する際の位相を調整する位相制御を行うことが好ましい。【００２５】  具体的には、イオントラップ内では捕捉用高周波電圧の印加により形成される電場の影響を受けてイオンは振動しているが、その電場の影響ができるだけ小さい、即ち、３次元四重極型イオントラップであればリング電極からできるだけ離れた位置にイオンが存在するときにｑ値を変更するべく周波数を切り替えるとよい。イオンが正イオンである場合、リング電極に負の電圧が印加されているときに期間の中間点（つまりは位相が２７０°付近であるとき）においてイオンはリング電極から最も離れた位置にあってその移動方向が反転すると考えられるから、位相２７０°付近で周波数を切り替え、その切替え前後の位相が連続するようにするとよい。このようなイオンの挙動はイオンの極性や励振用高周波電圧による電場の影響などにより変わるから、イオン捕捉効率が最良となる位相は必ずしも確定的ではないが、いずれにしても周波数切替え時の位相を適切に設定するように制御を行うことが望ましい。なお、ＤＩＴであれば、このような位相の調整は比較的簡単に行うことができる。
【発明の効果】
【００２６】
第１発明に係る質量分析方法及び第２発明に係る質量分析装置によれば、ＣＩＤ実行時に高い開裂効率を確保しながら、それによって発生したプロダクトイオンについて小さな質量電荷比を有するものも消失させることなくイオントラップ内に捕捉して保持することができる。したがって、分析可能なプロダクトイオンの質量電荷比範囲の下限を下げ、小さな質量電荷比のプロダクトイオンも高い感度で検出することができる。その結果、マススペクトルにおいて目的イオンや各種プロダクトイオンのピークが明確に出現し、目的物質の同定や構造解析をより正確に行えるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施例によるイオントラップ型質量分析装置の全体構成図。
【図２】本発明による質量分析装置の原理を説明するための円筒座標系(ｒ，Ｚ)におけるイオントラップの構成図。
【図３】イオントラップにおけるイオンの捕捉動作の安定性を説明するための図。
【図４】本実施例によるイオントラップ型質量分析装置におけるＭＳ／ＭＳ分析動作を説明するための概略タイミング図。
【図５】本実施例によるイオントラップ型質量分析装置におけるＭＳ／ＭＳ分析動作実行時のイオン捕捉の安定性を説明するための図。
【図６】イオントラップ内でのイオンの挙動を説明するための図。
【図７】ｑ値を変更する際の捕捉電圧の周波数変更を説明するための図。
【図８】本発明の他の実施例によるイオントラップの構成図。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】  以下、第１発明に係る質量分析方法を実施するための第２発明の一実施例であるイオントラップ型質量分析装置（ＩＴ−ＭＳ）について、構成と動作とを詳細に説明する。図１は本実施例のＩＴ−ＭＳの全体構成図である。イオントラップの構成については既に説明した図２と同一の符号を付している。【００２９】
前述のように、イオントラップ１はリング電極２とエンドキャップ電極３、４とを含み、リング電極２には捕捉電圧発生部１３が接続され、エンドキャップ電極３、４には励振電圧発生部１４が接続されている。入口側エンドキャップ電極３のほぼ中央に穿孔された入射口６の外側にはイオン源８が配設されており、イオン源８において生成された分子イオンが入射口６を通過してイオントラップ領域５に導入される。一方、出口側エンドキャップ電極４にあって入射口６とほぼ一直線上に設けられた出射口７の外側にはイオン検出器１０が配設されており、出射口７を通してイオントラップ領域５から放出されたイオンを検出し、そのイオン量に応じた検出信号をデータ処理部１２へと送出する。この構成では、イオンの質量弁別はイオントラップ１内部で行って質量電荷比毎に分離されたイオンをはき出してイオン検出器１０に導入して検出するが、出射口７とイオン検出器１０との間に飛行時間型質量分析器（或いは四重極質量フィルタのような他の質量分析器）を配置したＩＴ−ＴＯＦの構成とし、そこで質量弁別を行うようにしてもよい。また、ＣＩＤガス供給部１１はイオントラップ１内でＣＩＤを起こすために、制御部１５の制御の下にアルゴン（Ａｒ）、ヘリウム（Ｈｅ）等の希ガスをイオントラップ１内に供給する。
【００３０】  なお、イオントラップ１の外部で生成したイオンをイオントラップ１内に導入するのではなく、イオントラップ１内に試料分子を導入し、例えばこれに熱電子を照射することでイオン化するようにしてもよい。【００３１】  捕捉電圧発生部１３及び励振電圧発生部１４は制御部１５から与えられる制御信号により、それぞれ所定周波数及び所定振幅の高周波（交流）電圧を発生するように制御される。また、必要に応じて、それら高周波電圧には所定の電圧値の直流電圧が加算される。本実施例におけるイオントラップ１はいわゆるデジタル方式イオントラップ（ＤＩＴ）であり、捕捉電圧発生部１３の高周波電圧発生回路は、所定の電圧値の直流電圧をスイッチングすることで矩形波状の高周波電圧を発生する回路であって、そのスイッチングの周波数が制御部１５により制御される。一方、励振電圧発生部１４は捕捉電圧発生部１３と同様に矩形波状の高周波電圧を発生する高周波電圧発生回路を有する構成でもよいが、通常の正弦波状の高周波電圧を発生する回路でもよい。【００３２】  制御部１５はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを含んで構成されており、入力部１６から設定された条件に基づいて上記各部に制御信号を送る。また、制御部１５はデータ処理部１２で処理されたデータを受け取って、例えばマススペクトル等の分析結果を表示部１７に表示させる。【００３３】
本実施例によるＩＴ−ＭＳにおいて、或る特定の質量電荷比を有するイオンをＭＳ／ＭＳモードで分析したい場合の動作の一例について図４〜図７を参照しつつ説明する。いまここでは、薬剤の一種であるレセルピン（質量電荷比ｍ／ｚ＝６０９）の構造を解析するためにレセルピンを開裂させて質量分析する場合を例に挙げて説明する。
【００３４】
イオントラップ１内に導入された分析対象である分子イオンは捕捉電圧発生部１３からリング電極２に印加される捕捉電圧によってイオントラップ領域５に形成される電場の作用により、イオントラップ領域５に捕捉される（図４中の[Ａ]）。この段階では、広い質量電荷比範囲を観測したいので、ｑ値を低くして（ここではｑ値は０．２）ＬＭＣが例えば２００程度になるように捕捉用高周波電圧の周波数を設定する。これにより、質量電荷比２００以上のイオンがイオントラップ領域５に捕捉される。したがって、レセルピンの分子由来以外の各種のイオンもイオントラップ領域５に存在し得る。このときの状態を示すのが図５（ｂ）であり、目的イオンは安定領域Ｓの境界から遠い位置に存在している。また、質量電荷比が２００〜６０９の間であるイオンも安定領域Ｓ内に存在するから、これらもイオントラップ領域５に安定的に保持される。
【００３５】
次いで、分析対象であるレセルピン分子のイオンのみが選択的にイオントラップ領域５内に残るようにプリカーサイオンの選択操作を実行する（図４中の[Ｂ]）。プリカーサイオンの選択方法は従来知られているＳＷＩＦＴ法、ＦＮＦ法などを利用することができる。例えばＦＮＦ法では、プリカーサイオンの質量電荷比に対応した周波数にノッチを有する広帯域の励振電圧を生成して、これを両エンドキャップ電極３、４間に印加する。すると、そのノッチに対応した質量電荷比を持つイオン以外のイオンが共鳴励振され、イオントラップ１から吐き出されたり電極２、３、４に衝突したりして消失する。そして、結果的に、共鳴励振されなかった選択対象のプリカーサイオンのみがイオントラップ領域５に残留する。
【００３６】
続いてＣＩＤによる開裂操作を行うが、そのためにまずＣＩＤガス供給部１１より希ガスであるＣＩＤガスをイオントラップ１内部に導入する。それから、目的とするレセルピンの分子イオンが高ｑ値（ここではｑ値は０．７）で捕捉されるように、ＬＭＣ値がその分子イオンの質量電荷比よりも小さい範囲でできるだけ高く、例えば６００程度になるように捕捉用高周波電圧の周波数を変更する。このときの状態を示すのが図５（ａ）であり、目的イオンとＬＭＣとは非常に近い位置に存在している。このように高ｑ値で目的イオンを捕捉した状態でＣＩＤを起こさせる理由は、ｑ値が高いほど開裂効率が高いからである。この状態で、質量電荷比６０９を持つイオンが永年振動数に共鳴する、単一又は複数の周波数成分から成る励振電圧をエンドキャップ電極３、４に印加することでＣＩＤ動作を開始させる（図４中の[Ｃ])。この励振電圧の印加によりイオントラップ領域５に形成される電場によって質量電荷比６０９のイオンが大きく振動し、或る程度の運動エネルギーを持ってＣＩＤガスに衝突し易くなるから、このイオンの少なくとも一部はＣＩＤにより開裂する。
【００３７】
開裂の態様は分子イオンの構造に依存するが、この場合には質量電荷比が６００未満のプロダクトイオンが多く生成される。前述のようにｑ値が高いため開裂効率は高く、プロダクトイオンは相対的に多量に発生する。一方で、上述したようにｑ値が高い状態ではＬＭＣは約６００であるため、開裂により生成される質量電荷比６００未満のプロダクトイオンは図５（ａ）に示す安定領域Ｓから外れ不安定領域に入る。そのため、プロダクトイオンはイオントラップ領域５に捕捉されずに排出されたり電極２、３、４に衝突したりして徐々に消滅してしまうことになる。一般的には、ＣＩＤが開始されてすぐに多量のプロダクトイオンが生成され始め、時間経過とともにその生成量は減少してゆく。一方、プロダクトイオンの消失量は時間が経過するほど増加してゆく。通常、ＣＩＤの開始から数百μｓ程度経過した時点までは、それ以前に多量に生成されたプロダクトイオンの大部分は未だ消失せずにイオントラップ領域５に存在するから、その時点で励振電圧をオフすることでＣＩＤ動作を終了し、同時に又は短時間の遅延の後にｑ値が低くなる（ここではｑ値は０．２）ように捕捉高周波電圧の周波数を切り替える。
【００３８】  図４に示す励振電圧を印加している時間（ＣＩＤ実行時間）ｔ１は例えば１００〜５００μｓ程度であり、励振電圧の印加停止（ＣＩＤ動作の終了）からｑ値を下げるように切り替えるまでの時間ｔ２は例えば０〜１００μｓ程度とするとよい。一般に、イオントラップを利用したＣＩＤでは励振電圧を印加している時間は３０ｍｓ程度とかなり長いのに対し、本実施例では前述のようにこれに比べて格段に短い。そのため、励振電圧を通常のＣＩＤの際の振幅（１Ｖ程度）よりも大きな振幅（例えば２０Ｖ程度）とすることで、目的イオンに与える運動エネルギーを大きくするとよい。【００３９】
ＣＩＤ終了後にｑ値を下げたときのＬＭＣ値は例えば１５０程度である。このときの状態は再び図５（ｂ）に示すようになり、目的イオンは安定領域Ｓ内でＬＭＣから離れた位置に存在する。また、質量電荷比が１５０〜６０９の範囲にある各種イオンも安定領域Ｓ内にあり、これらイオンも安定的にイオントラップ領域５に存在し得る。これにより、そのｑ値の切替えの直前にイオントラップ領域５に残留していた質量電荷比１５０以上のプロダクトイオン及び元のプリカーサイオンの大部分は安定的にイオントラップ領域５に捕捉されて保持される（図４中の[Ｄ])。そして、その後に、出射孔７から出射されるイオンの質量電荷比が順次走査されるようにエンドキャップ電極３、４に印加する励振電圧を走査することにより質量弁別を実行し、出射孔７を通して出射されたイオンを検出器１０により順次検出する。
【００４０】
イオン検出器１０では、質量電荷比が６０９である目的イオンとこれからＣＩＤにより生成された小さな質量電荷比のプロダクトイオンとが高い感度で検出されるから、データ処理部１２で作成されるマススペクトル上にはこうした各種イオンに対応するピークが明確に出現し、これに基づいた構造解析を容易に行うことができる。
【００４１】
本実施例のＩＴ−ＭＳでは、前述のように捕捉高周波電圧の周波数を切り替えることでイオントラップ１のｑ値を変更するが、イオンの捕捉効率を高めるには特にＣＩＤ実行後にｑ値を下げるように高周波電圧の周波数を切り替える際の、その高周波電圧の位相を考慮することが重要である。即ち、ｑ値の変更に伴いイオンを捕捉するポテンシャルが急激に変化するため、イオンがどのような状態にあるときにその変化が生じたのかによって捕捉効率が影響を受ける。いま、イオントラップ領域５に捕捉されているイオンの挙動をみると、図６に示すように、非常に長い、質量電荷比に依存する永年振動の周期を持つ波形と、周期が遙かに短い捕捉電場による振動波形とが重畳されたような状態にある。図６において縦軸はＺ方向の位置を示すから、上の位置するほどリング電極２から離れた位置にあるとみることができる。リング電極２から離れた位置であるほどイオンに対する捕捉電場の影響は小さい筈であるから、そうした状態であるときに捕捉電圧の周波数を変えればそれだけイオンの挙動を乱しにくい。
【００４２】  捕捉電場による振動をみると、正のピークの位置はイオンがイオントラップ領域５の中心点から遠ざかろうとする方向から近づこうとする方向に反転する位置である。いまイオンが正極性である場合、理想的には、リング電極２に負の電圧が掛かっていてその負の電圧の印加期間の中で時間的にその中間点（つまり位相が２７０°であるとき）においてイオンの移動方向は上述のように反転する。そこで、この瞬間にｑ値を切り替えれば、つまり周波数を切り替えればイオンに与える影響を最小限にとどめ、比較的安定に捕捉状態の遷移が行える。【００４３】  ＡＩＴと異なりＤＩＴの場合には、直流電圧をスイッチングするタイミングを変えるだけで位相を容易に合わせることができる。そこで、上述のように周波数を切り替える際には、図７に示すように、矩形状の捕捉用高周波電圧の１周期中で位相が２７０°のときに周波数を切り替え、さらに切替え前後の位相を連続させる。即ち、切替え後の高周波電圧の波形は位相２７０°の位置から始まる。【００４４】  但し、イオンの極性やその直前の励振電場の影響、或いはそれ以外の種々の要素によって捕捉用高周波電圧の位相とイオンの挙動との関係にはずれが生じる。したがって、捕捉効率をできるだけ高くするために周波数切り替え時の位相の調整を試みて最適なタイミングを見い出すようにするのが望ましい。【００４５】
もちろん、上記実施例は一例にすぎないから、上記記載の数値は本発明の趣旨の範囲で適宜に変更可能である。即ち、目的イオンの質量電荷比に応じてＣＩＤを実行する際のＬＭＣとその前後のＬＭＣとは適宜に設定すればよい。また、それ以外の点についても、適宜、変更や修正、追加を行えることは明らかである。
【００４６】  こうした変形の一例として、イオントラップ１の構成自体を変形することも可能である。図８はこうした別の構成によるイオントラップ１の一例を示す図である。このイオントラップ１は、互いに平行で所定の円に内接するように配置された、上記リング電極２に代わる４本の双曲面内面を持つロッド電極２１、２２、２３、２４と、そのロッド電極２１、２２、２３、２４で囲まれる長軸方向の空間の両端を閉塞するように対向して配置された２枚の円盤形状のエンドキャップ電極２５、２６とから成る。対向する２本のロッド電極２１、２３と、２２と２４とは互いに接続され、円周方向に隣接するロッド電極には位相が反転した高周波電圧が印加され、さらにそれに同一の直流電圧が重畳される。【００４７】  ４本のロッド電極２１、２２、２３、２４で囲まれる空間にイオンを導入すると、径方向には高周波電場により閉じ込め作用が働き、軸方向には直流電場による閉じ込め作用が働き、イオンはその空間に捕捉される。この空間内にＣＩＤガスを導入して、軸方向の振動周波数に共鳴する励振電圧をエンドキャップ電極２５、２６に印加することにより、上記３次元四重極の構成と同様に、ＣＩＤによりイオンを開裂させることができ、上記実施例と同様の手法が適用できる。
【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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