(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量分析計システムにおいて：
試料イオン及び中性粒子を含むイオン流を生成するためのイオン源；
イオンインターフェース；
前記イオンインターフェースから受け入れた前記試料イオンを処理するための反応／衝突セル区画であって、前記イオンインターフェースは前記イオン流について前記イオン源と該反応／衝突セル区画との間のインターフェースを提供するものである反応／衝突セル区画；及び
前記イオンインターフェースと前記反応／衝突セル区画との間に設けられた、イオン−中性粒子分離装置であって、前記反応／衝突セル区画が当該イオン−中性粒子分離装置から前記試料イオンだけを直接受けるように前記試料イオンと前記中性粒子との間の実質的分離を提供するためのもの；
を備えることを特徴とする質量分析計システム。
【請求項２】
前記イオン−中性粒子分離装置が：アパーチャをもち、前記アパーチャが中性ガス粒子の直進通過を妨げるために互いにオフセットされている、１枚のプレートまたは複数枚のプレート；イオンの通過のためのスロットを備え、中性ガス粒子の通過を妨げるようにオフセットされた、複数対のロッド；静電型四重極子９０°偏向器；静電型扇形偏向器；磁気型扇形偏向器；前記イオンインターフェースから前記反応／衝突セル区画への中性ガス粒子の直進流を妨げる障害物；及び、オフセットされたアパーチャをもち、前記イオンインターフェースと前記反応／衝突セル区画との間に中間圧チャンバを定める１枚のプレート；の内の１つを備えることを特徴とする請求項１に記載の質量分析計システム。
【請求項３】
イオン光学系区画室を備え、前記イオン−中性粒子分離装置が前記イオン光学系区画室に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の質量分析計システム。
【請求項４】
前記反応／衝突セル区画が、衝突ガスが供給される衝突セルを備えることを特徴とする請求項３に記載の質量分析計システム。
【請求項５】
前記衝突セルから下流に、前記衝突セルにおける衝突及び／または反応後のイオンを分析するための質量分析器を備えることを特徴とする請求項４に記載の質量分析計システム。
【請求項６】
イオンが生成されて処理される、質量分析計システムの動作方法において、前記方法が：
(i)  試料をイオン源に供給し、試料イオン及び不要な中性粒子を含む、イオン流を生成するステップ；
(ii)  前記イオン流から前記不要な中性粒子を、イオン−中性粒子分離装置を使って分離するステップ；
(iii)  前記イオン−中性粒子分離装置から出力された前記試料イオンを直接反応／衝突セル区画に送り込むステップ；
を含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
前記ステップ(ii)が、前記試料イオンを偏向させて、前記試料イオンの偏向を利用し、一方前記不要な中性粒子は偏向されないままにしておくステップを含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
請求項６に記載の方法において：
前記イオン流に複数枚のプレートの一連のアパーチャを通過させるステップであって、前記アパーチャはオフセットされているステップ；及び
前記試料イオンを駆動して前記オフセットされたアパーチャを通過させるための静電場を与えるステップであって、前記オフセットされたアパーチャは前記不要な中性粒子が前記オフセットされたアパーチャを通過する流れを妨げるはたらきをするステップ；
をさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
大気圧においてイオン流を生成するステップ及び前記イオン流にアパーチャを通過させて実質的に大気圧以下に維持されたイオン光学系区画室に入れ、よって膨張する超音速ジェットを生成するステップを含む、請求項６に記載の方法において、前記工程(ii)が、前記反応／衝突セル区画への中性粒子の進入を妨げるように前記超音速ジェットを遮るステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
前記試料イオンが、前記反応／衝突セルから出た後、引き続いて質量分析にかけられるステップをさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】発明の分野
本発明は、質量分析により注目するイオンを検出するための装置及びその方法に関し、注目するイオンまたは不要な妨害イオンはイオン源から検出器への輸送中の衝突または反応により修飾されている。さらに詳しくは、本発明は、ｍ/ｚシフトをおこさせるため、同重体の検体イオンと妨害イオンとを互いに分離するため、及び検体イオンに対するより高い分解能を得るために、検体イオンまたは妨害種を修飾するイオン−分子反応の使用に関する。
【０００２】発明の背景
高周波誘導結合プラズマ質量分析(ＩＣＰ−ＭＳ)においては、試料が高周波誘導結合により励起状態すなわち高エネルギー状態に維持されたプラズマに送り込まれる。一般に、プラズマガスはアルゴンである。プラズマは一般に、通常は金属であり、通常はイオン化されている検体及び、それらの全てが普通には中性であろうが、ある程度(約０.１％)はイオン化され得る、アルゴン、酸素、水素、さらには水蒸気のようなその他の様々な成分を含む。一般に用いられる湿性プラズマにおいては、Ｈ，Ｏ及びこれらの様々な多原子結合体のような反応性中性粒子成分含有率が高く、１７％にもなる。これらのイオン及び中性粒子を含むプラズマが、ほぼ４Ｔｏｒｒ(約５.３×１０２Ｐａ)に維持されるチャンバに通される。このチャンバから、プラズマはスキマーを通過してほぼ１０−３Ｔｏｒｒ(約０.１３Ｐａ)の低圧に維持されるチャンバに入る。このチャンバから、イオンが反応／衝突セルに進入するようにされている。反応／衝突セルは通常、多重極子ロッドセットを有し、様々な圧力に維持することができる。例えば、反応が必要ではないときには反応／衝突セルを１０−５Ｔｏｒｒ(約１.３×１０−３Ｐａ）に維持することができ、一方、反応または衝突誘起解離（ＣＡＤ）が必要であるときには、反応／衝突ガスにより５×１０−３Ｔｏｒｒ(約０.６７Ｐａ)から１０−２Ｔｏｒｒ(約１.３Ｐａ)の圧力が与えられる。イオン−分子反応またはＣＡＤを促進することが望ましい場合には、より高い圧力が反応セルに維持される。そのような場合、簡単な解析によれば、反応セル内のより高い圧力のため中性粒子の反応セルへの進入が防止され、計測器全体にわたる電位勾配により駆動されるイオンだけが圧力差に打ち勝って反応セル内に進むことが示されるであろう。しかし、この解析では、超音速膨張ジェットをつくる、大気圧から４Ｔｏｒｒの領域へのプラズマの膨張により生じる相当な速度が見落とされている。したがって、スキマーを通過して１０-３Ｔｏｒｒの領域に入った後の、超音速膨張ジェット内の個々のイオン及び中性粒子は、高い側の反応／衝突セル内圧力と低い側の１０-３Ｔｏｒｒ領域圧力との間の圧力差に打ち勝つに十分な運動エネルギーを有し、反応／衝突セルに進入することができる。さらに明確には、以下に詳述するように、本発明の発明者等は中性粒子の反応／衝突セルへの進入が可能であることを今では認識している。
【０００３】  イオン−分子反応セルは、ＩＣＰ−ＭＳで広く用いられている。イオン−分子反応セルをうまくはたらかせることができるか否かは、反応ガスの純度がどれだけ高いかにかかっている。高周波誘導結合プラズマは、プラズマを構成しているガスの９９．９％がイオン化されていないから、中性粒子源である。通常では、０．１〜０．４ｓｃｃ/秒(ｓｃｃ：標準状態における気体のｃｍ３を単位とする体積)に相当する、約４×１０１８〜２×１０１９分子/秒の中性プラズマ粒子流が、質量分析計に進入する。これらの中性ガス粒子が反応セル内への流れに流入すれば、反応はもはや制御されない。反応セルに意識的に導入される高純度ガスの代わりに、この場合には、反応ガスの流入プラズマガスとの混合気が反応セルに導入されるガスであり、これらのプラズマガスには１７％までの、Ｈ，Ｏ及びこれらの様々な多原子結合体である、反応性中性粒子が含まれる。昇圧セル内の圧力は(一般的流量の０．０３〜０．３ｓｃｃ/秒では)セルが配置されている真空区画室の背圧より高くなり得るという事実にもかかわらず、上述したように、プラズマガスはプラズマ−真空界面で超音速膨張を受け、膨張後に粒子は一般に約２３００ｍ/秒の終端速度で進むから、プラズマからのガスはやはりセルに進入することができる。そのような高速ガス粒子の衝突圧はセル内の反応ガスの圧力より十分に高くなり得るから、プラズマからの中性ガス粒子は反応セル内に流入するであろう。
【０００４】  イオン源の圧力が衝突／反応セルの圧力より十分に高い、その他のどのような質量分析器においても、同様の過程がおこっている。今では様々な計測器が、衝突冷却、衝突集束または衝突誘起解離のための衝突装置を備えている。例えば、電子スプレーイオン化質量分析では、イオン源は通常大気圧で動作し、イオン化された粒子及び中性粒子が超音速膨張によってイオン源からより低圧の衝突セル内に運ばれる。上述したように、膨張するイオン源ガスの衝突圧は衝突セル圧力より高くなり得るから、イオン源からの中性ガス粒子が衝突セルに流入し、衝突ガスの組成を変えることになろう。この結果、組成が変化した衝突ガスとの、予測されず、制御されない、解離性及び反応性衝突が、質量分析により検出されるべきイオンに望ましくない修飾を生じさせ得る。
【０００５】  昇圧型質量分析及びイオン通過装置における様々なイオン−分子反応が、反応セルの使用による同重妨害種からの検体イオンの化学的分離のためにＩＣＰ質量分析で成功裏に用いられている。ダグラス(Douglas)が、反応ガスによる酸化の特異性を利用した希土類元素及び希土類元素酸化物間の弁別に関して最初に報告した[Ｄ．Ｊ．ダグラス，Canad. J. Spectrosc.,１９８９年，第３４巻，ｐ．３８]。Ｔｂ＋がＣｅＯ＋よりも容易にＯ２で酸化されることが示された。検体イオン(１５９Ｔｂ＋)がより大きなｍ/ｚにシフトされた結果、ＴｂＯ＋として測定することができた。妨害イオン(１４２Ｃｅ１７Ｏ＋)は同程度にはシフトされず、よって試料にＣｅが存在するなかでＴｂＯとして測定されるＴｂ信号の信号対雑音比の向上を達成するという、分析上の利点になり得る結果が得られた。その後間もなく、ローワン(Rowan)及びホウク(Houk)が、注目する検体イオンのＣＨ４のような反応ガスに対する低反応性による、注目する検体イオンのｍ/ｚからの妨害アルギド(argide)イオンの除去に関して報告した[Ｊ．Ｔ．ローワン；Ｒ．Ｓ．ホウク，Applied Spectrosc.，１９８９年，第４６巻，ｐ．９７６]。
【０００６】  検体一妨害種間化学的分離の特異性は、一般に及び上述の場合のいずれにおいても、反応ガスの特性に依存する。妨害種が検体イオンのｍ/ｚから離れたｍ/ｚにシフトされなければならない場合は、反応ガスの反応性が検体イオンに対しては低く、妨害種に対しては高いことが望ましい。他方で、検体イオンが多原子イオンへの転化により検体イオンのｍ/ｚからシフトされなければならない場合は、好ましくは、反応ガスの検体イオンに対する反応性が高くあるべきであり、同時に妨害種に対しては低くあるべきである。検体イオンが検体イオンのｍ/ｚからシフトされなければならない場合、好ましくは、検体イオン電流すなわち信号が多くの生成物イオン電流に分散せず、検出能力が低下しないように、検体イオンを転化する反応経路は１つまたは少数に限られるべきである。この場合、少なくとも検体生成物イオンのｍ/ｚと同じｍ/ｚにある妨害生成物イオンを生成し得るいかなる反応経路に対しても、妨害種に対する反応性は低くあるべきである。すなわち、いかなる妨害生成物も検体生成物イオンと同重にならないことが望ましい。
【０００７】  発明者等は、ＩＣＰ−ＭＳにおける反応性同重妨害種の除去の最高有効度が、昇圧型装置内での平均イオン−分子衝突回数が十分に大きいときに限り、達成され得ることを最近示した。ＮＨ３との反応による有効度が１０９のＡｒ＋信号抑制が＞２０の平均衝突回数により実証された。上記の高効率の妨害種反応除去は、セル内に多数の新しい種を生成する順次化学反応過程の促進により達成されることが示された。
【０００８】  本発明の発明者等は、上記の順次化学反応過程を制御し得ること及び望ましくない妨害種の排除に用い得ることも認識した。これは、譲受人によりダイナミック反応セルと称される、技法により実施される。簡単に言えば、この技法には、反応セルの四重極子ロッドセットに、帯域通過を提供し、よってセットの通過帯域の外側のイオンを排除するための、電圧を与えることが必要である。この技法は、本発明の譲受人への、国際公開第９８/５６０３０号パンフレットでより詳細に説明されている。
【０００９】  反応セルに供給される反応ガスの純度が昇圧型反応器内の化学反応過程の有効な制御にとって決定的であることが、当業者には理解されるであろう。研究室級高純度(９９.９９９％)ガスが好ましい。しかし、上に示したように、本発明の発明者等は反応ガスのあり得る最大の汚染源が質量分析システム自体にあることを認識した。プラズマ−真空界面は必然的に、イオン源から大量の中性ガス分子及び原子(Ａｒ，Ｏ，Ｏ２，Ｈ，Ｈ２，Ｈ２Ｏ)ガスを真空チャンバに進入させる。ＩＣＰにおけるプラズマ維持ガスのイオン化の度合は低く(０.０４〜０.１％)、よってプラズマ種の大多数は中性であることは、周知の事実である。そのようなある程度イオン化したプラズマーガス混合気は、スキマー界面の背後に形成される超音速膨張の終端速度に相当する、高速でチャンバに進入する。この速度が、ある程度イオン化したガスの真空システム内における伝搬の少なくとも初期段階の間の、中性成分及びイオン化成分のいずれの軌跡も決定する。したがって、イオン化成分及び中性成分は結合している(それらの軌跡が同じ要因によりともに定められる)と言うことができる。高速中性ガス粒子は、反応チャンバが高速中性ガス粒子の軌跡に一致して配置されていれば、反応チャンバに進入することができる。
【００１０】  出願人及び譲受人の知る範囲では、反応セルを備えるＩＣＰ−ＭＳの他の多くの使用者の目的は、検体に影響を与えることなく、反応セルに不要な妨害種を除去させることである。通常、検体は金属であり、この金属は直接、すなわち金属の何らかの化合物への前反応無しに、検出されるべきであると考えられている。したがって、金属と反応する反応ガス中の汚染種の問題が、通常の検体は大多数の汚染種と容易に反応し得るから；例えば、多くの金属は水と相当に反応して酸化物を形成し、よって金属の検出能力が低下するから、関心事となっている。
【００１１】  他方で、本発明の譲受人は、検出への酸化物の使用の促進を最近始めた。この目的のため、Ｎ２Ｏまたはその他の適当な反応ガスが反応セルに与えられて、検体金属イオンの酸化物への転化を促進する。上述したように、例えばＴｂについては、上記の技法により改善された結果を得ることができ、同重妨害種による問題を排除できる。しかし、この技法にともなう潜在的難点は、酸化物がプラズマガス流から導入される汚染種とより容易に反応しうることである。例えば、水蒸気は酸化物を水酸化物に転化させ得る。
【００１２】  例えばＲｂとＳｒにはｍ/ｚが同じく８７の同位体がある。ＲｂとＳｒの比は地質年代学において岩石試料の年代測定に広く用いられている。ＩＣＰ−ＭＳでＲｂとＳｒを弁別するため、Ｓｒ＋をＮ２Ｏとの反応で酸化して、ｍ/ｚ＝１０３の８７ＳｒＯ＋を得る。Ｎ２ＯはＲｂ＋に対して非反応性であり、よって８７Ｒｂ＋は容易には酸化されず、ｍ/ｚ＝８７のままである。Ｓｒには他に、ｍ/ｚ＝８６及び８８の同位体もある。ＳｒＯ＋は水と反応してｍ/ｚ＝１０３の８６ＳｒＯＨ＋を形成する。上述した過程により水が少しでも反応ガスに流入すれば、８７ＳｒＯ＋としての８７Ｓｒ＋の検出が８６ＳｒＯＨ＋からの妨害により危うくなる。
【００１３】  したがって、本発明の目的は、イオン−分子反応器内の所望の化学反応過程の予測可能性及び特異性がプラズマまたはプラズマ−真空界面から発生するガス粒子またはその他の中性粒子による反応ガスの制御されない希釈によって弱められないことを保証するであろう、ＩＣＰ質量分析における制御されたイオン−分子反応のための装置及び方法を提供することにある。ほとんどイオン−分子反応器及びＩＣＰプラズマとの使用について説明されるが、本発明は、この特定の構成に限定されず、中性粒子が昇圧型ＣＡＤまたは反応チャンバに進入し、望ましくない中性粒子とのイオンの反応または衝突を促進できる、いかなる装置にも使用できる。
【００１４】  市場にはプラズマから伝搬する中性粒子の直進方向に反応／衝突セルを有するＩＣＰ−ＭＳ装置がある(マイクロマスプラットフォーム(Micromass Platform)及びＶＧエクセル(VG ExCell))。ＨｅまたはＨｅ−Ｈ２混合気で昇圧されたＶＧエクセル衝突セルでの酸化反応の促進が、Ｊ．ゴドフレイ(Godfrey)，Ｉ．Ｂ．ブレナー(Brenner)，Ｐ．シグスワース(Sigsworth)及びＪ．ベイシー(Bathey)による、衝突ガスがＨｅ及びＨ２種以外の、おそらくプラズマガスから流入したと思われる、ガス種も含有していることを示す、発表において示された[論文番号Ｆ７，２０００年冬季プラズマ分光化学講演会，フロリダ州フォートローダーデール(Fort Lauderdale)，２０００年１月１０〜１５日]。
【００１５】  特許にも市販装置にも、イオン光学系及び／または検出器に向かう直進経路からプラズマ粒子及び光子を除去することにより通常のＩＣＰ−ＭＳの安定性を向上させ、バックグラウンドカウント率を下げる、様々な既知の提案がある。これらには：光子ストップ及びシャドウストップ(米国特許第４，７４６，７９４号)、(エイジレント・テクノロジーズ社(Agilent Technologies Inc.)技報第５９６８−８８１３Ｅ号(１９９９年１２月)に示されるような、エイジレントＨＰ７５００シリーズＩＣＰ−ＭＳの)オメガレンズまたは(第２６回分析化学学会及び分析学会連合年次講演会，バンクーバー(Vancouver)，１９９９年１０月２５日における発表番号５５，「四重極子ＩＣＰ−ＭＳへの衝突セル技術の導入」において、ＶＧエレメンタル(VG Elemental)のジョナサン・ベイティー(Jonathan Batey)により説明されたような、ＶＧエクセルの)シケーンレンズ、(２０００年冬季プラズマ分光化学講演会，フロリダ州フォートローダーデール，２０００年１月１０〜１５日における発表番号ＦＰ３４，「プラズマイオン源を備えるイオントラップ型質量分析計の開発」において、(株)日立のタカヤス・ナベシマ等により説明されたような、日立ＩＣＰ−ＩＴＭＳの)９０°扇形イオン偏向器、及び(Ａ．モンテイサー(Montaser)編集，「高周波誘導結合プラズマ質量分析法」，ワイリー(Wiley)−ＶＣＨ，１９９８年，ｐ．４２８に示されるような、セイコー・インスツルメンツ(Seiko Instruments)ＳＰＱ９０００の)オフアクシス転送光学系がある。これらは全て、安定性及びバックグラウンドの改善のために、検出器及び／またはイオン光学素子への光子及び中性プラズマ粒子の到達を阻止するために用いられている。
【００１６】  最も重要なことには、これらの既知の提案のいずれもが、プラズマ中性粒子の反応／衝突セルへの進入を防止するためには用いられていない。１つの例外は、本発明の譲受人によるＩＣＰ−ＭＳダイナミック反応セル(ＤＲＣ)である。この計測器は、(ＭＤＳに譲渡された米国特許第４，７４６，７９４号の明細書に開示されるように)中性プラズマ粒子によるイオン光学素子の汚染を阻止するため、及び光子ストップとしても役立たせるために、“シャドウストップ”を用いている。しかし、このシャドウストップの中性プラズマガスへの効果は認識されていなかった。上述した理由のため、シャドウストップは、光子の検出器への到達の防止、及び完全には分解されていない試料から発生する大きな金属粒子による下流のイオン光学部品の汚染の防止に必要なだけであると以前は考えられていた。市販のＩＣＰ−ＭＳにおいては、中性ガス粒子のイオン光学系への侵入があってもそれほどの困難は生じない。さらに、プラズマガスを含む、中性ガス粒子は、これらの粒子は荷電しておらず、これらの粒子をさらに質量分析計内に追い込むポテンシャルはないはずであるから、重大な問題になり得るとは認識されていなかった。この分析的検討は、重大であると今では認識されている超音速膨張ジェットの効果を見落としている。すなわち、上記ストップが、プラズマガスのセルへの流入を阻止する目的にも役立つことが今では認識されている。
【００１７】  上記の効果はこれまでは認識されていなかった。実際、譲受入により製造された計測器が他の製造業者による計測器ほどには酸化物の不要な形成を促進しないことが最近になって明らかになった。しかし、この理由はわかっていなかった。上記の“シャドウストップ”がプラズマガスの衝突セルへの進入を防止すると、今では考えられている。対照的に、他の製造業者による計測器ではそれらの計測器の“阻止”装置は反応セルの(前方とは逆側の)背後に配置され、よって、それらの計測器については反応セルが高速プラズマ中性粒子の直進経路上にあるから、プラズマガスによる反応ガスの汚染が酸化物の反応を促進すると考えられる。
【００１８】発明の概要
本発明の第１の態様にしたがえば：
試料イオンを生成するためのイオン源；
イオンインターフェース；
反応／衝突セル区画であって、イオンインターフェースはイオンにイオン源と反応衝突セル区画との間のインターフェースを提供するものである反応／衝突セル区画；及び
イオンだけが反応／衝突セル区画に進むように、イオンと中性粒子との間の実質的な分離を提供するための、イオンインターフェースと反応／衝突セル区画との間に設けられたイオン−中性粒子分離装置；
を備える質量分析計が提供される。
【００１９】  本発明の別の態様にしたがえば、イオンが生成され、質量分析にかけられる、質量分析計システムの動作方法が提供され、本方法は：
(i)  イオン源に試料を供給し、試料イオン及び不要な中性粒子を含むイオン流を生成するステップ；
(ii)  イオン流から中性粒子を分離するステップ；
(iii)  分析のためにイオン流を反応／衝突セル区画に送り込むステップ；
を含む。
【００２０】好ましい実施形態の説明
本発明のより良い理解のため及び本発明がどのように実施され得るかをより明確に示すため、例として、本発明の好ましい実施形態を示す添付図面を、ここで参照する。
【００２１】  全体として参照数字１０で示される質量分析計を示す図１を初めに参照する。質量分析計１０は、既知の適当ないずれかの試料導入システムとすることができる、試料導入システム１２を備える。試料導入システム１２はイオン源１４に接続される。適当な既知のいずれかの、試料導入システム１２及びイオン源１４を用いることができる。例えば、これらの２つの要素１２，１４は、溶液に溶解された試料検体からイオンを生成するための、電子スプレイ源を備えることができる。霧化器／スプレイチャンバ／ＩＣＰは、試料導入システム１２及びイオン源１４の構成の別の例である。しかし、適当ないかなる試料導入システム及びイオン源も用いることができる。
【００２２】  図１では本質的に、イオン源１４がイオン光学系区画室１８より高圧であると想定されている。イオン源１４からのイオンは差動排気インターフェース１６に送られる。通常、大気圧イオン源に対し、インターフェース１６は約４Ｔｏｒｒで動作する中間圧チャンバとなろう。
【００２３】  排気インターフェース１６から、イオンはイオン光学系区画室１８として定められる区画室に送り込まれる。イオン光学系区画室１８は低圧、一般には１０-３Ｔｏｒｒに維持されるであろう。イオン光学系区画室１８を差動排気インターフェース１６から隔てる壁体２０は、スキマーコーン等を備えることができる。上述したように、イオン源１４と差動排気インターフェース１６との間の圧力差により、イオン光学系区画室１８に進入する、参照数字２２で示される、高速の超音速ジェットが生じる。この超音速ジェットは上で概説した組成、すなわち、一般には試料粒子、ほとんどが中性のアルゴン原子及びかなりの量の、例えば、ほとんどが中性の酸素、水素及びこれらの様々な多原子結合体を有するであろう。
【００２４】  ここで、本発明にしたがえば、超音速ジェット２２はイオン−中性粒子分離装置２４に直接送り込まれる。分離装置２４が、イオン流２６及び中性ガス流２８に、超音速ジェットを偏向すなわち分離する。図１では、中性ガス流２８が偏向され、イオン流２６が直進通過するとして示されているが、これらの流れは逆に、イオン流２６が偏向され、中性ガス流２８がイオン光学系区画室１８を通って直進するようにすることもできるであろう；このような様々な構成は以下で詳述される。
【００２５】  反応セルすなわち衝突装置３０が設けられる。上で詳述したように、反応セルは一般に、反応ガスが存在するときは１０-３Ｔｏｒｒ〜１０−２Ｔｏｒｒの範囲、反応がおこらない場合には１０−５Ｔｏｒｒの低圧の、異なる圧力範囲で動作する。イオン光学系区画室１８とのインターフェースを形成する一端とイオン光学系区画室１８の外側の他端とを有することが示される。いくつかの用途に対しては、イオン流が衝突装置３０を通過する前及び後のいずれにおいてもイオン光学系区画室１８の圧力を受けるように、反応すなわち衝突セル装置３０の全体をイオン光学系区画室１８内に配置することができよう。
【００２６】  衝突装置３０から流出する、参照数字３２で示される、イオン流は、次いで、参照数字３４で示される質量分析計に送られる。
【００２７】  図１は本発明の基本要素を示す。当該技術にしたがえば、数多くの様々な変形が可能であることが認められるであろう。すなわち、いくつかの用途については、衝突装置３０における衝突の後にさらに衝突ステップを実施することが望ましい場合がある；これは何らかの質量フィルタリングステップの後に実施することができよう。いずれにせよ、米国特許第４，７４６，７９４号明細書、同第５，３８１，００８号明細書及び同第５，５６５，６７９号明細書に開示され、国際公開第９８/５６０３０号パンフレットにも開示される質量分析器の構成の全てについて本発明を使用できると考えられる。上記３つの特許明細書及び出願公開パンフレットの内容は本明細書に参照として含まれる。
【００２８】  図２〜９はイオン−中性子分離装置２４の様々な異形を示す。これらの図においては質量分析計の他の要素も示され、簡単のために、これらの図における同様の要素には図１と同じ参照数字が付されている。これらの要素を繰り返して説明することはない。
【００２９】  初めに、図２〜９については、試料導入システム１２，イオン源１４及び差動排気インターフェース１６が単一の要素として簡略に示され、‘イオン源’と表示されて参照数字４０で識別されていることに注意されたい。このイオン源４０は超音速ガス流内のイオン及び中性粒子流を生成するに必要なコンポーネントを全て備えていることは理解されるであろう。図２〜９では、衝突／反応セル３０もイオン光学系区画室１８内に示される。
【００３０】  まず図２を参照すれば、それぞれがそれぞれのアパーチャ４２，４４をもつ、一対のオフセットプレート４１，４３を備える構成が示される。アパーチャ４４はアパーチャ４２に対してオフセットされ、よってアパーチャ４２を通って衝突／反応セル３０に向かう直進経路はない。図に示されるように、アパーチャ４４は、反応セル３０について参照数字４６で示される、入口アパーチャと揃えられている。
【００３１】  イオンは‘＋’を囲む○で表され、参照数字４８で示される。一方中性粒子は参照数字４９で示されるただの○で表される。中性粒子４９及びイオン４８は、イオン源４０における超音速膨張で獲得した高速度を有する。図に示されるように、中性粒子４９はアパーチャ４２を直進通過して、第２のプレート４３に突き当たる。他方で、イオン４８は静電的に偏向されて、アパーチャ４４、続いてアパーチャ４６を通過し、衝突セル３０に入る。別の配置では、アパーチャ４４が衝突／反応セル３０の実際上の入口アパーチャ４６となり、プレート４３がセル３０の入口壁となるようにして、アパーチャ４４及び４６を同じとすることができる。プレート４１及び４３は、それぞれが分離した半プレート４１ａ，４１ｂ及び４３ａ，４３ｂからなり、よって、イオンを偏向するために半プレートに相異なる電位を印加できるように構成することができる(イオン４８及び中性粒子４９をそれぞれ‘＋’を囲む○及びただの○で表す方式は残りの図３〜９の異形に対しても用いられる)。
【００３２】  ここで、質量分析計装置またはデバイスの全体の様々な区画には、既知の態様で、所望の圧力を維持するための適切なポンプが備えられるであろうことに注意されたい。さらに、これらのポンプは、既知の態様で、縦続接続することができる。例えば、数Ｔｏｒｒ程度の圧力を維持する荒引きポンプを、イオン光学系区画室におけるミリＴｏｒｒ程度ないしそれより低い圧力を維持する、より高性能のポンプをバックアップするために用いることもできる。図２において、及び図３〜９においても、そのようなポンプへの接続のための開口が、参照数字４９で示される。
【００３３】  次に図３を参照すれば、図３は、図２と同様であるが、参照数字５０，５２及び５４で示され、それぞれアパーチャ５１，５３及び５５をもつ、３枚のプレートを備える構成を示す。ここではアパーチャ５１及び５５が衝突／反応セル３０の入口アパーチャ４６と揃えられているが、反応セル３０に向かう直進経路はない。これは、アパーチャ５３が‘シケーン’効果をつくるためにオフセットされている、中間プレート５２の存在による。このことから、図３に示されているように、イオン４８が反応セル３０に送り込まれるためには、イオン４８はまず上方に偏向され、次いで下方に偏向されなければならない。図２と同様に、プレート５０，５２及び５４はそれぞれ、イオンを偏向させるための適切な電位の印加を可能にするために、分離された半プレート５０ａ，５０ｂ，５２ａ，５２ｂ，及び５４ａ，５４ｂから構成することができる。したがって、イオン源４０からの中性ガス粒子はプレート５２に突き当たり、反応セル３０には進まない。反応セルアパーチャ４６に関わる軸に沿う超音速流成分が乱され、よって衝突圧は超音速流からの中性粒子が反応セル３０に流入するに十分なほど高くはならない。
【００３４】  図４を参照すれば、図４は第１のロッド６２の対及び下流の第２のロッド６４の対を備えるイオン−中性粒子分離装置６０を示す。ロッド６２はスリット６３を形成し、イオン及び中性ガス粒子はスリット６３を通過することができる。ロッド６４は同様のスリット６５を提供するが、スリット６５はオフセットされており、よってイオン源４０から衝突／反応セル３０に入る直進経路はやはり存在しない。したがって、図示されるように、中性粒子４９はロッド６４の内の１本に突き当たることになり、一方イオン４８はスリット６５を通過して衝突／反応セル３０に流入する。
【００３５】  次に図５を参照すれば、参照数字７０で表される分離装置の第４の実施形態すなわち異形は、四重極子静電型偏向器を備える。この偏向器は４本のロッド７２を有するが、これらは正確な双曲面を提供する４つの素子からなり得ることが当業者には当然であろう。ロッド７２には、技術上既知のように、所望の静電場を確立するため、ＤＣ電位が与えられることになろう。
【００３６】  この図５の実施形態は、図２，３及び４の実施形態とは異なり、イオン源４０からのイオンが、参照数字７４で示されるように、この場合には元のイオン流に直交して配置されている、衝突／反応セルに向かって偏向される点で、図１に示される方式にはしたがっていない。他方で、中性ガス粒子は等しく静電場に影響されず、参照数字７６で示されるように、分離装置７０を直進通過し、開口４９を通ってポンプに流出する。
【００３７】  図６は、イオンビームが偏向される、別の構成を示す。この場合は、参照数字８０で示される静電型扇形偏向器が、ここでは参照数字８２で示されるイオンビームを偏向して、同じく元のイオンビームに直交して配置されている衝突／反応セル３０に入れる。図６の、また他の図の、９０°配置が好ましいが肝要ではないことは当然であり、中性ビームの衝突圧が反応セル内部の圧力をこえることを防止するいかなる角度も偏向器の適切な構成に適する。
【００３８】  図７は、衝突セル３０が、図示されるこの特定の例では、イオン源４０の軸に対して同じく９０°の角度に配置された第３の構成を示す。ここでは、磁気型扇形偏向器８６が備えられる。イオンビームは参照数字８７、中性粒子ビームは参照数字８８で示され、これらのビーム８７，８８は先の実施形態についてと同様の経路にしたがう。同じく、９０°配置は肝要ではなく、イオンビームと中性ガス粒子ビームすなわち中性ガス粒子流との間の十分な分離を保証する、いかなる適当な角度も用いることができる。
【００３９】  図８は図２及び３の変形と見なすことができる構成を示す。ここでは、イオン源４０と反応セル３０との間のいかなる直進経路も妨げる、単板プレートすなわち障害板９０が設けられる。これにより、イオンは参照数字９２で示されるように偏向される。この場合も、中性粒子９４は、存在するいかなる電位勾配にも影響されず、障害板９０に単に突き当たるだけである。障害板９０が超音速流を乱し、よって中性粒子は実質的に反応セル３０に流入せず、一方下流の静電場または電位勾配がイオンを反応セル３０内への参照数字９２で示される経路にしたがわせる。図８に示される実施形態は、参照数字９０の障害物の様々な構成を説明している、米国特許第５，３８１，００８号明細書または同第５，５６５，６７９号明細書にしたがうことができる。
【００４０】  図９は、先行の米国特許第５，３８１，００８号明細書に示される方式と同様の方式を示す。この場合は、イオン源４０とイオン光学系区画室１８との間に中間チャンバ１００が設けられる。これは、開口１０４をもつ壁体１０２により達成される。
【００４１】  上記先行米国特許明細書に示されるように、開口１０４がオフセットされ、よって超音速流は壁体１０２に突き当たり、中性粒子９４及びイオンが蓄積して、参照数字１０８で示される、圧力上昇領域を形成する。中性ガスは再膨張し、領域１０８から開口１０４を通って区画室１８に入るが、開口１０４にかかる、イオン源における元の圧力差より小さい圧力差により、中性粒子及びイオンは元の超音速流速度より小さい再膨張速度を獲得する。この結果、反応セル３０の入口アパーチャ４６における中性ガスの衝突圧は低くなり、膨張ガスからの中性ガス粒子はセル３０に流入しない。同じく、静電場または電位勾配により、イオンは反応セル３０内に進むことになる。
【００４２】  次に、イオン源１１０及び入口アパーチャ１１２及びスキマー１１４を示す、図１０を参照する。中間圧チャンバ１１６が形成される。
【００４３】  ここでは、計測器またはシステムの第１のチャンバに、第１の四重極子ロッドセットＱ１が備えられる。Ｑ１は注目する親イオンを選択し、参照数字１２０で示される衝突セルに向けて通過させるための、分解質量分析計として動作する。既知の態様で、衝突セル１２０には第２の四重極子(または他の多重極子)ロッドセットＱ２が備えられ、ガス供給源１２２から衝突ガスが供給される。
【００４４】  本発明にしたがえば、イオンを中性粒子及びガスから分離するための何らかの形態の装置が、図１２４で示されるように、スキマー１１４と四重極子ロッドセットＱ１との間に設けられる。この装置１２４は図２〜９に示される装置のいずれか１つとすることができる。
【００４５】  すなわち、使用においては、親イオンがＱ１で選択され、衝突ガスによるフラグメント化のためにＱ２に送り込まれる。
【００４６】  得られるフラグメントイオンはＱ２から、参照数字１２６で示される、通常の飛行時間(ＴＯＦ)型質量分析計内に進む。ＴＯＦ１２６は飛行チューブ１２８を有する。検出器１３０がコンピュータ１３２に接続される。
【００４７】  先行の国際公開第９８/５６０３０号パンフレットに詳述されるように、ＴＯＦ型質量分析計の限界は、最も遅いイオンが飛行チューブを通過して検出器１３０に到達するに十分な時間が与えられなければならないから、デューティーサイクルが制限されることである。これは、高質量範囲のイオンを制限するため、高質量カットオフをもつ帯域通過をＱ２に施すことにより克服できる。この結果、ＴＯＦ１２６のデューティーサイクルを改善できるが、高質量カットオフ特性は肝要ではなく、Ｑ２を様々なモードで動作させることができる。
【００４８】  本発明にしたがえば、プラズマガス等による衝突セル１２０の汚染を防止するために、装置１２４が備えられる。
【００４９】  図１１を次に参照すれば、図１１は、国際公開第９８/５６０３０号パンフレットからとられた、別の分析計構成を示す。ここでは、イオン源１４０は、同じく、一般には通常の高周波誘導結合プラズマ源、グロー放電イオン源またはその他のタイプの周知のイオン源であろう。イオン源１４０は、イオン及び中性粒子流を、サンプラープレートのオリフィス１４２を通して、メカニカルポンプ１４６により、例えば３〜４Ｔｏｒｒ(約４．０〜５．３×１０２Ｐａ)の圧力まで排気された、第１の中間圧真空チャンバ１４４に送り込む。
【００５０】  イオン及び中性粒子は、続いて、スキマーコーン１５０のオリフィス１４８を通り、ターボポンプ１５６により例えば１ミリＴｏｒｒ(約０.１３Ｐａ)まで排気された、第１の、主チャンバ１５４の、参照数字１５２で示されるイオン光学系を通過する。
【００５１】  イオンは次いで、衝突セル１６０内に収められた、多重極子装置１５８に流入する。多重極子装置１５８は四重極子とすることができるが、八重極子または六重極子あるいは技術上既知のその他いずれかの多重極子であってもよい。反応性衝突ガスが供給源１６２から衝突セル１６０の内部に供給される。本実施形態において、供給ガスは、第１の導管１６４を通って環状開口１６６に、また第２の導管１６８を通って衝突セル１６０への入口の直前の位置に、送られるように示される。
【００５２】  ＲＦ及びＤＣ電源が参照数字１７０で示される。濾波雑音場(ＦＮＦ)電源１７２も示される。
【００５３】  衝突セル１６０からのイオンは、多重極子装置１５８からオリフィス１７４を通過して、高真空ターボポンプ１７８で排気された、第２の主真空チャンバ１７６に入る。既知の態様で、ポンプ１５６，１７８はメカニカルポンプ１８０によりバックアップすることができる。
【００５４】  第２の主真空チャンバ１７６において、イオンはプレフィルタ１８２(一般には短いＲＦ専用四重極子ロッドセット)を通って質量分析器１８４内に進むことが好ましい。図示されるように、質量分析器１８４とロッドセット１８２とはコンデンサ接続とすることができる。質量分析計１８４は、同じく、四重極子質量分析計であることが好ましい。ＲＦ及びＤＣ電源１８６が四重極子ロッドセットすなわち質量分析計１８４のために備えられる。
【００５５】  質量分析計１８４から、イオンはインターフェースプレート１９０のオリフィス１８８を通って検出器１９２内に進む。検出器１９２はイオン信号を記録するためのコンピュータ１９４に接続される。
【００５６】  第１の主真空チャンバ１５４において、シャドウストップ１９６がイオン光学系１５２の軸上に配置され、シャドウストップ１９６は、超音速中性ガス流を乱して、衝突セル１６０の入口での衝突圧の増大を防止し、よって圧力は、イオン源１４０で発生する中性ガス粒子を供給源１６２からの反応性衝突ガスで昇圧された衝突セル１６０に押し入れるに十分なほどまで高くはならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明にしたがう質量分析計の略図である
【図２】  図１のイオン−中性粒子分離装置の第１の異形を示す
【図３】  図１のイオン−中性粒子分離装置の第２の異形を示す
【図４】  図１のイオン−中性粒子分離装置の第３の異形を示す
【図５】  図１のイオン−中性粒子分離装置の第４の異形を示す
【図６】  図１のイオン−中性粒子分離装置の第５の異形を示す
【図７】  図１のイオン−中性粒子分離装置の第６の異形を示す
【図８】  図１のイオン−中性粒子分離装置の第７の異形を示す
【図９】  図１のイオン−中性粒子分離装置の第８の異形を示す
【図１０】  本発明を組み入れた例示的な質量分析計の構成を示す
【図１１】  本発明を組み入れた例示的な質量分析計の構成を示す
【符号の説明】  １０    質量分析計
１２    試料導入システム
１４    イオン源
１６    差動排気インターフェース
１８    イオン光学系区画室
２０    壁体
２２    超音速ジェット
２４    イオン−中性粒子分離装置
２６，３２    イオン流
２８    中性ガス流
３０    反応／衝突装置
３４    質量分析計
【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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