(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を収容する試料ホルダーと、
試料をイオン化してイオンを生成するイオナイザーと、
試料ホルダーの下流に該ホルダーと間隔をあけて存在する第１要素と、
第１要素の下流に該要素と間隔をあけて存在する第２要素と、
第２要素の下流にあるドリフト領域と、
試料をイオン化した後、イオンを引き出すために、試料ホルダーと第１要素の間に第１電場を生成する手段と、
第１要素と第２要素の間に、時間依存性を有する第２電場を生成する手段と、
イオンを検出する手段と、を具えており、
イオンは、質量順に第１要素と第２要素の間にある領域に入り、相対的に大きな質量のイオンに影響を与える第２電場の大きさは、相対的に小さな質量のイオンに影響を与える第２電場の大きさよりも小さい飛行時間型質量分析計。
【請求項２】
イオンは、第１質量及び第１速度を有する第１イオンと、第１質量及び第２速度を有する第２イオンとを含み、第１速度は第２速度とは異なっており、第２電場を生成する手段は、第１速度と第２速度の差を補正する請求項１に記載の質量分析計。
【請求項３】
イオンは、第１質量よりも大きい第２質量を有する第３イオンをさらに含んでおり、第２電場を生成する手段は、第２質量が所定の質量以上であるとき、第３イオンに対する補正を行わない請求項２に記載の質量分析計。
【請求項４】
イオナイザーは、持続時間が所定の質量分解能に対応する時間よりも実質的に長いパルスのエネルギーを生成するレーザである請求項１乃至３の何れかに記載の質量分析計。
【請求項５】
第１要素はグリッドを具えている請求項１乃至４の何れかに記載の質量分析計。
【請求項６】
第２要素はグリッドを具えている請求項１乃至５の何れかに記載の質量分析計。
【請求項７】
第１要素は静電レンズを具えている請求項１乃至６の何れかに記載の質量分析計。
【請求項８】
第２要素は静電レンズを具えている請求項１乃至７の何れかに記載の質量分析計。
【請求項９】
イオンは、第１質量及び第１速度を有する第１イオンと、第１質量及び第２速度を有する第２イオンと、第２質量及び第３速度を有する第３イオンと、第２質量及び第４速度を有する第４イオンとを含んでおり、第１速度と第２速度は異なり、第３速度と第４速度は異なり、第１質量は第２質量よりも小さく、第１速度及び第２速度は、第３速度及び第４速度よりも大きくなっており、第２電場を生成する手段は、第１速度と第２速度の差、及び第３速度と第４速度の差を補正する請求項１に記載の質量分析計。
【請求項１０】
試料を収容する試料ホルダーと、
試料をイオン化してイオンを生成するイオナイザーと、
試料ホルダーの下流に該ホルダーと間隔をあけて存在する第１要素と、
第１要素の下流に該要素と間隔をあけて存在する第２要素と、
第２要素の下流にあるドリフト領域と、
第１要素に電気的に接続され、第１要素に一定の第１電圧を印加する電源と、
試料ホルダーに電気的に接続され、試料ホルダーに第２電圧を印加すると共に、試料をイオン化した後、イオンを引き出すために、第２電圧を変化させる第１電圧印加手段と、
第２要素に電気的に接続され、時間依存性を有する第３電圧を印加する第２電圧印加手段と、
イオンを検出する手段と、を具えており、
イオンは、質量順に第１要素と第２要素の間にある補正領域に入り、相対的に大きな質量のイオンに影響を与える第３電圧の大きさは、相対的に小さな質量のイオンに影響を与える第３電圧の大きさよりも小さい飛行時間型質量分析計。
【請求項１１】
第１電圧印加手段は、正方向に立ち上がるパルスを試料ホルダーに印加する請求項１０に記載の質量分析計。
【請求項１２】
第１電圧印加手段は、試料をイオン化した後の第１の時間にて、第２電圧を初期値からステップ状に変化させる請求項１０又は１１に記載の質量分析計。
【請求項１３】
第２電圧印加手段は、第１の時間後の第２の時間にて、第３電圧を初期値から時間的に変化させることを開始する請求項１２に記載の質量分析計。
【請求項１４】
第２電圧印加手段は、第２の時間にて、第３電圧をランプ状に変化させることを開始する請求項１３に記載の質量分析計。
【請求項１５】
第３電圧の初期値は、約−３.２ｋＶである請求項１３又は１４に記載の質量分析計。
【請求項１６】
第３電圧は初期値から約０Ｖまで変化する請求項１３乃至１５の何れかに記載の質量分析計。
【請求項１７】
第１電圧印加手段は、約１８.７ｋＶから約２０.０ｋＶに第２電圧を変化させる請求項１０乃至１６の何れかに記載の質量分析計。
【請求項１８】
第１要素に電気的に接続された電源は、約１８.７ｋＶの第１電圧を印加する請求項１７に記載の質量分析計。
【請求項１９】
イオナイザーは、持続時間が所定の質量分解能に対応する時間よりも実質的に長いパルスのエネルギーを生成するレーザである請求項１０乃至１８の何れかに記載の質量分析計。
【請求項２０】
第１要素はグリッドを具えている請求項１０乃至１９の何れかに記載の質量分析計。
【請求項２１】
第２要素はグリッドを具えている請求項１０乃至２０の何れかに記載の質量分析計。
【請求項２２】
第１要素は静電レンズを具えている請求項１０乃至２１の何れかに記載の質量分析計。
【請求項２３】
第２要素は静電レンズを具えている請求項１０乃至２２の何れかに記載の質量分析計。
【請求項２４】
試料を収容する試料ホルダーと、
試料をイオン化してイオンを生成するイオナイザーと、
試料ホルダーに電気的に接続された引出しプレートと、
引出しプレートの下流に該プレートと間隔をあけて存在し、引出しプレートとの間で引出しセクションを構成する第１要素と、
第１要素の下流に該要素と間隔をあけて存在し、第１要素との間で加速セクションを構成する第２要素と、
第２要素の下流にあるドリフト領域と、
第１要素に電気的に接続され、第１要素に一定の第１電圧を印加する電源と、
引出しプレートに電気的に接続され、試料をイオン化した後に引出しプレートに第１電圧を印加すると共に、第１電圧を印加した後にイオンを引き出すために、第１電圧と異なる第２電圧を印加する手段と、
第２要素に電気的に接続され、時間依存性を有する第３電圧を印加する手段と、
イオンを検出する手段と、を具えており、
イオンは、質量順に第１要素と第２要素の間にある領域に入り、相対的に大きな質量のイオンに影響を与える第３電圧の大きさは、相対的に小さな質量のイオンに影響を与える第３電圧の大きさよりも小さい飛行時間型質量分析計。
【請求項２５】
加速セクションは、複数のサブセクションに分割する分離プレートを少なくとも１つ含むと共に、直列接続された抵抗器をさらに含んでおり、サブセクション間で第３電圧を分割するために、抵抗器のうち最初の抵抗器は第１要素と少なくとも１つの分離プレートとの間で電気的に接続されており、抵抗器のうち最後の抵抗器は第２要素と少なくとも１つの分離プレートとの間で電気的に接続されている請求項２４に記載の質量分析計。
【請求項２６】
質量分析計はリフレクトロンである請求項２４又は２５に記載の質量分析計。
【請求項２７】
飛行時間型質量分析計におけるイオンの引出しを質量相関する方法であって、
試料をイオン化してイオンを生成し、
試料に隣接する引出しプレートを使用し、
引出しプレートの下流に該プレートと間隔をあけて存在する第１要素を使用し、
第１要素の下流に該第１要素と間隔をあけて存在する第２要素を使用し、
第２要素の下流に存在するドリフト領域を使用し、
試料をイオン化した後、引出しプレートと第１要素の間に第１電場を生成し、
イオンを引出しし、
第１要素と第２要素の間に、時間依存性を有しており、質量と相関する第２電場を生成し、
イオンを検出し、
イオンは、質量順に第１要素と第２要素の間にある領域に入り、相対的に大きな質量のイオンに影響を与える第２電場の大きさは、相対的に小さな質量のイオンに影響を与える第２電場の大きさよりも小さい方法。
【請求項２８】
イオンとして、第１質量及び第１速度を有する第１イオンと、第１質量及び第１速度とは異なる第２速度を有する第２イオンを使用し、
第２電場を使用して、第１速度と第２速度の差を補正する請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
イオンとして、第１質量よりも大きい第２質量を有する第３イオンを使用し、
第２質量が所定の質量以上であるとき、第３イオンに対する補正を行わない請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
イオンとして、第１質量及び第１速度を有する第１イオンと、第１質量及び第２速度を有する第２イオンと、第２質量及び第３速度を有する第３イオンと、第２質量及び第４速度を有する第４イオンを使用し、ここで、第１速度と第２速度は異なり、第３速度と第４速度は異なり、第１質量は第２質量よりも小さく、第１速度及び第２速度は、第３速度及び第４速度よりも大きく、
第２電場を使用し、第１速度と第２速度の差、及び第３速度と第４速度の差を補正する請求項２７に記載の方法。
【請求項３１】
試料を収容する試料ホルダーと、試料をイオン化してイオンを生成するイオナイザーと、試料ホルダーの下流に設けられた第１グリッドと、第１グリッドの下流に設けられた第２グリッドと、第２グリッドの下流にあるドリフト領域と、イオンを引き出す第１電場を生成する第１手段と、イオンを加速する第２電場を生成する第２手段と、加速されたイオンを検出する検出手段とを具えた飛行時間型質量分析計において、
第１グリッドの電位は一定であり、
試料をイオン化した後に、所定の第１遅延時間が経過すると、第１手段は、試料ホルダーの電位を、第１グリッドの電位の値からステップ状に変化させ、
試料をイオン化した後に、第１遅延時間よりも長い所定の第２遅延時間が経過すると、第２手段は、第１グリッドと第２グリッドの電位差が小さくなるように第２グリッドの電位をランプ状に変化させることを開始し、
試料をイオン化した後に、第２遅延時間よりも長い所定の第３遅延時間が経過すると、第２手段は、第２グリッドの電位を一定に維持することを特徴とする飛行時間型質量分析計。
【請求項３２】
イオンは、質量順に第１グリッドと第２グリッドの間にある領域に入り、相対的に大きな質量のイオンに影響を与える第２電場の大きさは、相対的に小さな質量のイオンに影響を与える第２電場の大きさよりも小さい、請求項３１に記載の質量分析計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
この出願は、１９９９年６月１１日に出願された米国仮特許出願第６０／１３８７１１号の利益を享受するものである。
【発明の背景】
発明の分野
この発明は飛行時間型(time-of flight; ＴＯＦ)の質量分析計に関し、特に、ＴＯＦ質量分析計で得られる質量スペクトルの質を向上させる機構に関する。本発明はまた、イオンの初期速度分布が、質量分解能を低下させる時空間分布などの他のメカニズムを支配するようなＴＯＦ装置の質量分解能を向上させる方法に関する。
【０００２】
背景情報
気体、液体又は固体の試料中の構成物質を同定及び定量するのに、質量分析計が古くから使用されている。質量分析計又は質量フィルターは、一般的には、イオンの分析及び分離を行なうのに、電荷に対するイオンの質量の比ｍ/ｚを使用する。イオン質量ｍは一般的には原子質量単位つまりダルトン(Ｄａ)で表され、イオン電荷ｚは、電荷ｅの数に対するイオンの電荷である。
【０００３】
近年、ＴＯＦ質量分析計を使用する上で、またその性能を向上させる上で、マトリックス支援レーザ脱離イオン化法(Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization; ＭＡＬＤＩ)として知られる質量分析計に対するイオン化技術の開発に大きな関心が寄せられている。ＭＡＬＤＩは、大きな生物学的分子(例えば、ペプチド、タンパク質、炭水化物及びオリゴヌクレオチド)やその他種類のポリマーをイオン化するのに特に効果的である。
【０００４】
ＴＯＦ質量分析計は、ＭＡＬＤＩ分析に対して、広い質量範囲に亘ってイオンを同時に記録することにより、いわゆる多チャンネルと呼ばれる利点をもたらす。同時に、ＴＯＦ質量分析計において質量分解能を向上させる方法(時間差収束)を利用することが一般的になってきているが、質量依存性であるため、多チャンネルの利点が損なわれる。すなわち、一次オーダ(first-order)の速度で収束(focusing)させるのに、イオン化とイオン引出しとの間の時間遅れの大きさを利用しており、これは質量に依存するため、一次オーダの収束ができるのは、質量スペクトルのうち一部分だけにすぎない。
【０００５】
質量分析計は、完全分子(intact molecules)及び構造特異的フラグメントの質量を測定することにより化学構造を決定する分析器具である。質量分析計は分子をイオン化する機構(イオン源)から構成され、分子の分析は、検出器に達する前に、静的又は動的電場及び磁界の組合せ(質量分析計)を移動、操作又は選択することにより行われる。一般的に知られたイオン源として、電子イオン化(ＥＩ)、化学イオン化(ＣＩ)、高速原子衝撃(ＦＡＢ)、エレクトロスプレイイオン化(ＥＳＩ)及びマトリックス支援レーザ脱離イオン化(ＭＡＬＤＩ)を挙げることができる。質量分析計として、磁気セクタ(Ｂ)、四重極(Ｑ)、四重極イオントラップ(ＱＩＴ)、フーリエ変換質量分析計(ＦＴＭＳ)及び飛行時間(ＴＯＦ)のような型式のものを挙げることができる。
【０００６】
最も簡単な飛行時間型質量分析計は、長さｓ(図１参照)の短イオン源領域と、これより長いドリフト領域Ｄとから構成される。イオン源で生成されたイオンは、イオン源の前部(グリッド)と後部(バックプレート)の電位差Ｖによって規定される高電場Ｅによって加速される。次に、イオンは長いドリフト領域Ｄ(又は飛行管)へ進入する。このときの運動エネルギーｅＶは１/２ｍＶ2であり、速度ｖは(２ｅＶ/ｍ)1/2であり、これらは質量ｍによって異なる。得られた質量スペクトル(図２参照)は、検出器に達するイオンの飛行時間を記録することによって得られ、時間ｔは、数１によって近似される。
【数１】
0004558250.tif 000002
【０００７】
最も古くから知られている飛行時間型質量分析計［例えば、Stephens, W.E., Phys. Rev., vol. 69, p.691, 1946; U.S. Patent No.2,612,607; Keller, R., Helv. Phys. Acta., vol.22, p.386, 1949を参照］は、質量分解能(略同じ質量を有するイオンを異なる飛行時間で識別する能力)が不十分であった。この理由は、イオンの実際の飛行時間ｔは数２で示されるように、イオン生成時間ｔ0、加速前のイオンの初期位置ｓ及び運動エネルギーＵ0の不確かさを反映しているからである。
【数２】
0004558250.tif 000003
【０００８】
その後、時空間及び運動エネルギー(又は速度)の初期分布の影響を取り扱った装置が現れ、これにより質量分解能はかなり向上した［Wiley, W.C., et al., Rev. Sci. Instrumen., vol. 26, pp. 1150-57, 1955を参照］。この装置では、イオン引出しパルスの立上り時間の高速化により、時間分布が最小にされ、また、検出器が距離ｄ離れた位置にあるとき、２段階イオン源により一次オーダの空間収束が行われた。ｄは数３で表され、数３中、σ＝ｓ0＋(Ｅ1/Ｅ0)ｓ1、Ｅ0及びＥ1は、夫々、２段階イオン源の２つの領域ｓ0及びｓ1における電場である。
【数３】
0004558250.tif 000004
【０００９】
いわゆる空間収束平面(ｄ)は質量から独立している。すなわち、全質量のイオンは、Ｅ0、Ｅ1、ｓ0及びｓ1の値で定まる位置にて第１オーダの収束を達成することができる。また、Ｅ0、Ｅ1、ｓ0及びｓ1の具体的値を利用して、二次オーダの質量独立性収束を達成することもできる。一次オーダの運動エネルギー(速度)の収束は、イオン化パルスと引出しパルスとの間での時間遅れ、つまり時間差収束(time-lag focusing)として知られるスキームを用いて達成される。これについては、米国特許第２６８５０３５号を参照することができる。
【００１０】
時間差収束は質量依存性であり、速度収束のための最適時間遅れは質量によって異なる。それゆえ、質量スペクトルを得るのに用いられる方法では、連続的な飛行時間記録サイクルにおいて時間的ずれがスキャンされるボックスカー法を利用する。この装置の構造に基づく飛行時間型(ＴＯＦ)装置は文献［Wiley, W.C., et al., Science, vol. 124, pp. 817-20, 1956］に開示されている。
【００１１】
より最近では、高速パルスレーザ及びイオンビームを用いて表面から直接イオンを生成する方法が開発され、この方法により、イオン生成に伴う時間分布及び空間分布は両方とも小さくなり、パルスイオンを引き出す必要がなくなった。これらの静的ＴＯＦ装置では、簡単で質量から独立したエネルギー収束方法として、イオンリフレクトロン［Mamyrin, B.A., et al., Sov. Phys JETP, vol. 37, p.45, 1973を参照］が用いられる。
【００１２】
しかしながら、パルスイオン引出しは、イオン化の方法として、赤外線レーザ脱離［Van Breeman, R.B., et al., Int. J. Mass Spectrom. Ion Phys., vol. 49, pp. 35-50, 1983, and Cotter, R.J., Biomed. Environ. Mass Spectrom., vol. 18, pp. 513 -32, 1989を参照］、パルスイオンビーム［Olthoff, J.K., et al., Anal. Chem., vol. 59, pp. 999-1002, 1987を参照］、及びマトリックス支援レーザ脱離［Spengler, B., Anal. Chem., vol. 67 pp. 793-96, 1990を参照］を用いた装置において用いられてきた。
【００１３】
米国特許第２６８５０３５号の装置と同様な操作が可能な時間遅れ収束スキームを用いて、比較的広いイオン化パルスの補正を行なうこと、及び／又は長い期間に亘って断片化(fragmenting)するイオンを観察できるようにすることは知られている［Cotter, R.J., Biomed. Environ. Mass Spectromを参照］。
【００１４】
その後にも、パルスイオン引出しを用いて、ＭＡＬＤＩ質量スペクトルが著しく向上することが報告されている［Whittal, R.M., et al, Anal. Chem., vol. 67, pp. 1950-54, 1995; Brown, R.S., et al., Anal Chem., vol. 67, pp. 1998-2003, 1995; and Vestal , M.L., et al., Rapid Commun. Mass Spectrom., vol. 9, pp. 1022-50, 1995を参照］。この方法では、時間差収束、時間遅れ引出し及び遅れ引出しが用いられている。これらは、近年のＭＡＬＤＩ飛行時間型質量分析計にて用いられている。米国特許第２６８５０３５号の装置と同様、新しい装置でも、２段階引出し源が用いられている。この源では、源要素がパルス化される点で違いはあるが、第１引出し電場がパルス化される。
【００１５】
図４に示されるように、米国特許第２６８５０３５号の装置は、中間グリッドで、接地されたイオン源プレート(Ｕｅ＝０Ｖ)と、負方向に進む(negative-pulse)電圧パルスを使用している。
【００１６】
図５を参照すると、米国特許第５６２５１８４号及び第５６２７３６９号並びに文献［Edmondson, R.D., et al., J. Am. Soc. Mass Spectrom.,vol. 7, pp. 995-1001, 1996を参照］に開示された装置が示されており、該装置は、高電圧源を用いており、適当な遅れ後におけるイオン源プレート(Ｕｅ＝１８ｋＶ乃至２０ｋＶ)ではパルスが正方向に進み(positive-going)、中間グリッドでの電圧は一定(Ｕａ＝１８ｋＶ)である。
【００１７】
図６を参照すると、米国特許第５７３９５２９号に開示された他の装置が示されており、この装置は、高電圧源(Ｕｅ＝２０ｋＶ)を用いており、適当な遅れ後における中間グリッド(Ｕｅは２０ｋＶ以下)ではパルスが負方向に進む。
【００１８】
ＭＡＬＤＩ装置における質量分解能の向上の大部分は、空間分布が存在しないためであるが［Colby, S.M., et al., Rapid Commun. Mass Spectrom., vl. 8, p. 865, 1994を参照］、時間遅れ引出しを用いたエネルギー(速度)収束は、質量依存性のままであり、それゆえさらなる改善の余地がある。
【００１９】
単一イオン引出し段階を用いた質量相関法は文献［Kovtoun, S.V., Rapid Commun. Mass Spectrom., vol. 11, pp. 433-36, 1997］に開示されている。
【００２０】
その他にも、速度(エネルギー)収束の動的方法があり、これは、矩形波パルス(電場が２つの別個の値の間に挟まれている)を用いる技術と、各々の等質量イオンパケットが電場を通過するときに電荷を連続的に変化させる方法に分けることができる。矩形波のパルスを用いる方法として、(１)前述した従来の時間差又は時間遅れ引出し法、(２)インパルス−電場の収束［Marable, N.L., et al., Int. J. Mass Spectrom. Ion Phys., vol. 13, pp. 185-94, 1974を参照］、及び(３)ポストソース(post-source)の加速［Kinsel, G.R., et al., Int. J. Mass Spectrom. Ion Phys., vol. 91, pp. 157-76, 1989; Kinsel, G.R., et al., Int. J. Mass Spectrom. Ion Phys., vol. 104, pp. 35-44,1991; Kinsel, G.R., et al., j. Am. Soc. Mass Spectrom. Ion Phys., vol. 4, pp. 2-10, 1993; Grundwuermer, J.M., et al., Int. J. Mass Spectrom. Ion Phys., vol. 131, pp. 139-48, 1994; 及び Amft, M., et al., Rapid Commun. Mass Spectrom., vol. 12, pp. 1879-88, 1998を参照］を挙げることができる。
【００２１】
時間差収束において、イオン源の引出し領域の電場は最初はゼロであるが、イオン化に続く所定の遅れの後、ターンオンされる。この補正機構の原理は、引出しパルスが印加されるとき、リーディングイオン(leading ions)の初期速度が大きく、遅い等質量イオンよりも深く引出し領域に進入し、得られる電位エネルギーが少ないという仮定に基づいている。時間遅れにより、初期速度の小さいイオンは、検出器面に達するときにリーディングイオンに追いつくことができるが、質量依存性である。この方法は、質量スペクトルの狭い部分以外は全て、質量分解能が損なわれるため、大きな欠点がある。
【００２２】
インパルス電場(impulse-field)の収束は、技術的には、従来の時間差収束と同様であり、２つの電場イオン源を用いている。しかしながら、電場はターンオンしてゼロから最終値となるのではなく、初期(高)値Ｅτから最終(低)値Ｅsとなる。第１段階は、ドローアウト電場(draw-out field)で増加するという考え方であり、イオンのターンアラウンド時間を短縮させる。次に、遅れτの後、電場Ｅsは、米国特許第２６８５０３５号に開示された収束の代表的な値をとる。分解される質量範囲が著しく拡大し、例えば、９８ｃｍドリフト領域に対して、最大収束質量ｍ/ｚの計算値は２２０Ｄａから２２５０Ｄａに増加する。同じように、１６７ｃｍドリフト領域の場合、質量ｍ/ｚは３６０Ｄａから４３００Ｄａに増加する。τと共に増加は大きくなる。しかしながら、この方法も、質量がＥsに依存するため、質量依存性である。
【００２３】
ポストソースパルス収束(post-source pulse focusing：ＰＳＰＦ)又はポストソース加速もまた、等質量パケットにおける初期速度及び時間分布を部分的に補正することができる。補正の原理は、次のモデルに基づいている。初期速度の大きさは等しいが方向が反対(＋ｖ及び−ｖ)のイオンは、同じ速度＋ｖでドリフト管に進入し、空間内で、ターンアラウンド時間に関係する距離だけ分離される。同じ空間分離は、異なる時間にイオン源で形成されたイオンに対しても起こる。静的電場のＴＯＦ質量分析計とは異なり、イオンは、ドリフト領域の前に、初期電場フリーの短いパルス収束領域に入る。関連する全ての等イオンパケットがこの領域に達した後、電圧パルスが印加される。その後、米国特許第２６８５０３５号と同様な機構を用いて実行され、パルス電圧電場がオンのとき、トレーリングイオン(trailing ions)が獲得するエネルギーは、リーディングイオンよりも大きい。
【００２４】
文献［Kinsel, G.R., et al., J. Am. Soc. Mass Spectrom.］に記載されているように、この方法は、質量スペクトルの全部ではないが、大部分に対して収束を行なうものである。この部分は、約８０％以上であるかもしれない。この質量範囲を増加するには、パルス電圧領域と収束パルス電圧領域を長くする必要がある。例えば、アンジオテンシンII(ＭＷ１０４６Ｄａ)のＭＡＬＤＩスペクトルの質量分解能は、ＰＳＰＦ技術を用いることにより、５０から２７５０へ向上したことが観察されている。このＰＳＰＦ技術は、２ｍ線形ＴＯＦ質量分析計を用いており、イオン源に隣接して１０ｃｍＰＳＰＦ領域を内蔵しており［Amft, M., et al., Rapid Commun. Mass Spectrom.を参照］、ＭＡＬＤＩで生成されたイオンの質量分解能の結果は約７０００である。ＰＳＰＦパラメータの個々の設定により、質量範囲約２０００Ｄａの高分解能での記録が可能である。
【００２５】
単調に時間変動する電場を用いる方法は、時間差を用いない方法と、時間差を用いる方法の２つに分けられる。米国特許第４４５８１４９号に開示された速度圧縮(velocity compaction)や文献［Yefchak, G.E., et al., Int J. Mass Spectrom. Ion Phys., vol. 87, pp. 313-30, 1989］における動的な電場収束の方法は、第１のカテゴリーに当てはまる。
【００２６】
速度圧縮法は、低速で移動するイオンの加速が、高速で移動するイオンの加速よりも大きくなるように調節された補正電場(correction field)を単調に変化させることを用いる。このため、等質量イオンは速度方向に圧縮される。また、初期速度分布が他の分布を支配するとき、一般的には、イオンパケットのトレーリングエッジが低速の初期速度に対応するので、その場合には、空間方向の圧縮も同時に行われる。このモデルは、変動する加速領域へ、速度は異なるが同時に入るイオンを取り扱っている。変動する加速領域へ進入すると、それらのイオンは時間の変動と共に増加する電場に曝されるため、その領域に同時に進入する所定質量の全てのイオンは、この領域を出ていくときに、同じ速度に達する。
【００２７】
速度圧縮は速度収束と同じではない。これは、速度収束では速度が同じでなくてもよく、むしろ、等質量パケットの高速イオンの方が、正確に検出器面の位置で低速イオンに追いつくことができるからである。速度圧縮は、変動する加速領域へ進入する前に、イオンパケットの時間的広がりの原因ではない。また、イオンが速度圧縮されるとき、イオンパケットの空間的広がりが起こるので、速度と空間の圧縮は同時に行なう必要がある。両方とも圧縮が行われるので、焦点位置については、僅かに質量依存性がある。
【００２８】
動的電場収束(dynamic-field focusing：ＤＦＦ)を特徴づける速度調節収束理論はまた、各質量のイオンを個々に収束させる加速機能の設計に依存している。この目的のため、従来のドリフト領域は、ＤＦＦ領域が位置する２つの領域に分離されている。従来のものは、後で到着するイオンの方が、リーディングイオンよりも加速が大きい。加速の印加は、トレーリングイオンが検出器面でリーディングイオンに追いつくことができるように行われる。この方法では、ドリフト領域の中にセクションを追加挿入する必要性がある。それは、第１ドリフト領域がそれらの速度に関する等質量イオンを初期分離するのに供されるためである。
【００２９】
時間差収束に関して時間遅れ領域を利用する方法の中で、ＭＡＬＤＩ条件に最も適しているのは、関数波(functional wave)の時間差収束方法［Whittal, R.M., et al, Anal. Chem., vol. 69, pp. 2147-53, 1997、及び、U.S.Patent No.5,777,325］と、スポット収束又は広範囲収束方法［Franzen, J., Int. J. Mass Spectrom. Ion Phys., vol. 164, pp. 19-34, 1997、及び、U.S.Patent No.5,969,348］である。これらの方法は、両方とも、時間変動するインソース電場を用いている。
【００３０】
関数波時間差収束方法は、質量精度を向上させる問題を取り扱っており、電圧パルス形状は、イオン源を出ていく全てのイオンについて、全体運動エネルギーが一定に維持できるように導かれる。実験では、質量精度だけでなく、質量分解能についても改善されることが示されている。前述したように、等イオン速度又は(等価的に)等運動エネルギーを達成するには、速度(エネルギー)収束と相関関係を有するが、必ずしも必須条件ではない。
【００３１】
【発明の要旨】
特定の引出しパルスの振幅及び／又は遅れ時間では、狭い範囲の質量だけが収束される結果となる。それゆえ、ＴＯＦ質量分析計の多チャンネル記録の利点を完全に実現するために、イオンの全てについて同時に収束させる必要がある。広範囲に亘る収束方法をこの明細書の中で開示するが、これは質量分解能の向上を企図するものである。インソース(in-source)の時間変動引出しパルスは適当に整形され、該パルスによる広範囲収束は、ＭＡＬＤＩイオンに対する適当な空間速度相関を考慮する必要がある。本発明は、質量に依存することなく質量分解能を向上させることができ、記録された質量範囲全体に亘って、同じ一次オーダの収束条件でのパルス引出し方法を提供するものである。ＴＯＦ質量分析計の多チャンネル記録の利点を完全に適用するために、質量と相関関係を有する時間依存関数を用いることにより、イオンの全てに対して同時に収束が行われる。
【００３２】
本発明に係る飛行時間型質量分析計は、試料を収容する試料ホルダーと、試料をイオン化してイオンを生成するイオナイザーと、試料ホルダーの下流に該ホルダーと間隔をあけて配備された第１要素と、第１要素の下流に該要素と間隔をあけて配備された第２要素と、試料をイオン化した後、イオンを引き出すために引き続いて、試料ホルダーと第１要素との間に電場を生成する手段と、(ａ)第１要素と第２要素の間、及び／又は、(ｂ)試料ホルダーと第１要素の間に、時間依存性及び質量相関を有する電場を生成する手段と、イオンを検出する手段とを具えている。
【００３３】
本発明に係る他の飛行時間型質量分析計は、試料を収容する試料ホルダーと、試料をイオン化してイオンを生成するイオナイザーと、試料ホルダーの下流に該ホルダーと間隔をあけて配備された第１要素と、第１要素の下流に第要素と間隔をあけて配備された第２要素と、第２要素の下流にあるドリフト領域と、第１要素に電気的に接続され、第１要素に一定の第１電圧を印加する電源と、試料ホルダーに電気的に接続され、試料をイオン化した後、続いて試料ホルダーに第１電圧を印加すると共に、第１電圧を印加した後イオンを引き出すために、第１電圧と異なる第２電圧を印加する手段と、第２要素に電気的に接続され、時間依存性及び質量相関を有する電圧を印加する手段と、イオンを検出する手段とを具えている。
【００３４】
本発明に係る更に他の飛行時間型質量分析計は、試料を収容する試料ホルダーと、試料をイオン化してイオンを生成するイオナイザーと、試料ホルダーに電気的に接続された引出しプレートと、引出しプレートの下流に該プレートと間隔をあけて配備され、引出しプレートとの間で引出しセクションを構成する第１要素と、第１要素の下流に該要素と間隔をあけて配備され、第１要素との間で加速セクションを構成する第２要素と、第２要素の下流にあるドリフト領域と、第１要素に電気的に接続され、第１要素に一定の第１電圧を印加する電源と、引出しプレートに電気的に接続され、試料をイオン化した後、続いて試料ホルダーに第１電圧を印加すると共に、第１電圧を印加した後イオンを引き出すために、第１電圧と異なる第２電圧を印加する手段と、第２要素に電気的に接続され、時間依存性及び質量相関を有する電圧を印加する手段と、イオンを検出する手段とを具えている。
【００３５】
また、飛行時間型質量分析計におけるイオンの引出しを質量相関させる本発明の方法は、試料をイオン化してイオンを生成し、試料に隣接する引出しプレートを使用し、引出しプレートの下流に該プレートと間隔をあけて配備された第１要素を使用し、第１要素の下流に該要素と間隔をあけて配備された第２要素を使用し、第２要素の下流に存在するドリフト領域を使用し、試料をイオン化した後、続いて、引出しプレートと第１要素の間に電場を生成し、イオンを引き出し、(ａ)第１要素と第２要素の間、及び／又は、(ｂ)引出しホルダーと第１要素の間に、時間依存性及び質量相関を有する電場を生成し、イオンを検出すること、を含んでいる。
【００３６】
【好ましい実施例の説明】
本明細書で使用される際、「イオン」なる用語は、帯電した粒子を含むが、これらに限定されない。 該粒子は、電子、陽子又は他の荷電粒子の抜取り又は付着によって、原子又は分子から構成される。
幾つかの種類の電圧波形(例えば、線形、放物線状、指数関数状)は、ワイドレンジ収束の数学的解析でシミュレーションされる。加速場の波形の好ましい関数形（すなわち、正方向に進行するパルスに限定されない）により、本明細書で開示される、ワイドレンジ速度収束方法を与える収束特性を得ることができる。
【００３７】
図７を参照すると、本発明は、時間に依存する（及び質量相関関係のある）関数を、第１引出し領域がパルス化される２段階イオン引出し源の第２引出し領域に適用する。この方法は、ＴＯＦ質量分析計に広く使用でき、イオンの初速度(エネルギー)分布と比較して無視できる、時間的及び空間的初期イオン分布を有するイオン源を含む。これは、試料の表面でイオンを生成するパルス化方法の多くを含む（例えば、生体分子の解析に特に用いられる、イオン照射、レーザーデポジッション、ＭＡＬＤＩ）。
図７に示すように、イオンを引出すために、試料をイオン化した後の適当な遅れの後に、イオン源に例えば正方向に進行するパルスが印加される（Ｕｅ＝１８.７ｋＶから２０.０ｋＶ）。定電圧（Ｕａ=１８.７ｋＶ）が中間のグリッドに印加される。時間に依存する（及び質量相関関係のある）関数が、第２引出し領域に適用される（Ｕｆ＝−３.２ｋＶから約０Ｖ）。
【００３８】
再び図３を参照すると、ＴＯＦ質量分析計に用いられる、通常の線形の２段階イオン源が示されている。与えられた質量Ｍについて、最適な遅れＴは、未知の（代理の）パラメータｘについて、非線形方程式である方程式１を解くことによって得られる。
【数４】
0004558250.tif 000005
ここで、
【数５】
0004558250.tif 000006
ｄeは、引出し領域の幾何学的長さである。
ｄaは、加速領域の幾何学的長さである。
Ｌは、ドリフトチューブの幾何学的長さである。
Ｔは、イオン生成と引出しの間の一時的遅れ時間である
Ｕeは、引出し電圧である。
Ｕaは、加速電圧である。
【００３９】
上述のパラメータは、数百ダルトン（Ｄａ）から数ＭＤａまで質量が変化するイオンに適している。
考えている実施例では約２％にも達しない、僅かな精度の損失のみで、方程式１の時間遅れＴは、以下の方程式２から得られる。
【数６】
0004558250.tif 000007
【００４０】
方程式２の時間遅れＴは、最終速度項ＶM0と、ＶM0で割られた速度パラメータβから生じる質量依存性がある（すなわち、取扱うイオンの集まりを別なものにスイッチする間に、遅れを調節する必要がある）。また、ＭＡＬＤＩでは、より大きいイオンの質量ほど、脱離するイオン（パラメータβ）のゼロでない平均速度によってもたらされる遅れ時間への寄与は、さらに大きくなる。平均初速度Ｖ0の値は、最終側ＶM0が質量の平方に反比例する間は、近似的に質量に依存しない。小さい質量のイオンは、より短い遅れ時間しか要さない。その一方、大きい質量のイオンはより長い遅れ時間を要する。また、与えられた質量Ｍ0と最適な遅れ時間ＴM0（方程式２の結果）について、相対的に小さい質量（ｍ＜Ｍ0）のイオンが、検出器平面の前で収束されるならば、基準の質量Ｍ0よりも大きい質量Ｍのイオンは、検出器平面の後ろで収束される。このことは、検出器平面を横切って、収束点の質量に依存する広がりがあり、一方で、検出器位置への正確な収束は、基準質量Ｍ0のイオンのみについて行われることを意味する。
【００４１】
それゆえ、ＭＡＬＤＩに適用される一般的な時間差収束技術は、初速度Ｖ0の実際の値が分からないと仮定して、遅れ時間は、Ｖ0のラフな見積りに基いて計算され、最終的な遅れ時間（又は引出し電圧）の調整は、得られた最も良い質量分解能に基いて実験的になされる。
【００４２】
本明細書で開示されたような全体の質量範囲に亘って速度収束する方法の考えは、最適化されていない遅れ時間を有する記録された質量範囲に、それらのイオンについて速度分布を補正する機構を与える。この補正は、存在する静的な場に時間変化する付加的なポテンシャルを導入することによって、対象であるスペクトル内の全てのイオンについて、連続したステップで行われる。これは、同じ空間位置(すなわち検出器平面)で最初のより速いイオンに追いつくために最初のより遅いイオンに十分な付加エネルギーを供給することによって、個々の質量パケットのそれぞれについて及びパケット間で、細かなエネルギ調節を与える。これは、対象である質量範囲全体に沿った１次の速度収束条件を満足するように対応している。
【００４３】
記録されるべき質量範囲が、小さい値ｍ0から大きい値Ｍ0まで及ぶ場合は、補正の手段は、２つの基本的なカテゴリにさらに分類される数々の方法で実施される。最初に、イオンの速度（又は運動エネルギー）の補正が、イオンが補正ポテンシャルの領域を離れた際に同じ質量のパケットのそれぞれをトレースしつつ、小さい質量のイオンパケットから大きい質量のイオンパケットへ連続的に行われる。ここで、静的な場における形状と静的電圧の最適化によって、基準質量として示される最も小さい質量ｍ0のイオンについてのみ、検出器平面における１次の収束が与えられる。このイオンとこれより小さい質量のイオンは、補正を受けない。観測される形状において、これは、スペクトル内の最も小さい質量ｍ0のイオンが引出し領域に留まる瞬間から、補正ポテンシャルを引出し電極に直接適用することによって達成される。
【００４４】
または、異なる質量のイオンが補正ポテンシャルの領域に入っている間に（小質量のイオンが最初に入る）、補正が適用される。この領域は、静的及び時間変化する電場を有してよい。この場合、第１の選択とは反対に、静的な場の配置は、大きい質量限界Ｍ0（この場合は基準質量）のイオンについてのみ、１次の収束を与える。一方で、他のイオンは、補正ポテンシャルの影響を受ける。イオンの質量が基準質量から外れるほど、より大きな補正が要求される。補正ポテンシャルは質量Ｍ0（又はこれより大きい質量）のイオンが補正領域に入った瞬間に消滅する。この選択は、より柔軟性があり、様々な方法で実施できる。例えば、補正領域は、イオン源の第２ステージにあってもよい。又、付加的なセクションがイオン源の後ろに直接導入されてもよく、可変ポテンシャルが、ドリフトチューブに適用されてもよい。それゆえ、質量Ｍ0の又はこれより大きい質量のイオンについてのみ、この領域を実際に「場から自由」にする。
【００４５】
より大きい柔軟性があるだけでなく、初速度に対するイオンの飛行時間の２階微分の質量依存項において、質量の影響が顕著ではないから、第２の選択が望まれる。
全飛行時間についての２次の補正項、Δｔ2の主成分における質量依存性の見積りは、方程式３として示す形で換算される。
【数７】
0004558250.tif 000008
ここで、Γ(ｚ，ｄe，ｄa，Ｌ0)は、形状とｚの双方に依存する関数である。そして、ＶMは質量Ｍのイオンの速度である。
ゆえに、この項Δｔ2の効果は、対象となる質量範囲のイオンが基準質量よりも小さいＭ＜Ｍ0の場合（第２グループ）では、Ｍ＞ｍ0である反対の場合（第１グループ）と比較して、顕著に減少する。
【００４６】
次に、補正されるポテンシャル場を導くのに適したアルゴリズムを開示する。該ポテンシャル場は、一般的な２段階イオン源ＴＯＦ質量分析器に適用される。線形ＴＯＦ質量分析計の構成は、２段階イオン源を含み、ｄeは引出し領域の長さであり、ｄaは加速領域の長さであり、Ｌはイオン検出器につながれたドリフトチューブ領域の長さである。時間変化する電場は、静的な場に加えて、イオン源の第２領域に適用され、それゆえ、小さい質量ｍ0から大きい質量Ｍ0まで及ぶイオンの質量の範囲における１次の収束条件を与える。第１（引出し）領域において、レ−ザーショットの後の遅れ時間Ｔの間、電場は、最初はゼロに等しい。時間Ｔでは、引出し電極の電圧は初期値Ｕaからイオン源の全電圧Ｕ0まで急激にスイッチする。
まとめると、
ΔＵ＝Ｕ0−Ｕa=ｚＵ0は、遅れＴの後に引出し領域に渡って与えられる電圧であり、Ｕa＝Ｕ0（１−ｚ）である。ｚは、イオンが引出し領域で取得するエネルギーの全エネルギーに対する比である。
【００４７】
全てのイオンの飛行時間の開始時間は、レーザーショットの後の間隔Ｔに続いて引出しパルスが印可される瞬間として定義される。（時間軸上の如何なる点Ａにおいても）引出し領域を出る質量ｍのイオンの速度は、方程式４から導かれる方程式５で示される。
【数８】
0004558250.tif 000009
この領域を通過する移動時間ｔAは、
【数９】
0004558250.tif 000010
【００４８】
方程式４−６では、スペクトル内で最も大きい質量Ｍ0のイオンが基準とされる。静的及び変化する場が与えられた加速領域では、イオンの動きは、方程式７で記述される。
【数１０】
0004558250.tif 000011
ここで、Ｕ（ｔ）＝Ｕ0・ｕ（ｔ）は、静的な一方の電圧、Ｕ0（１−ｚ）に亘って、加速領域に与えられる変化する補正電圧である。最後の方程式(7)の積分は、ある加速領域内を移動する間、ある瞬間ξにおいて質量ｍのイオンが有する速度を与える。
【００４９】
静的及び変化する電場が与えられるこの領域では、如何なる瞬間ξにおける速度は、方程式８で与えられる。
【数１１】
0004558250.tif 000012
方程式９は、方程式８を積分して得られる。
【数１２】
0004558250.tif 000013
方程式９の積分結果は、方程式１０の形式に変形される。
【数１３】
0004558250.tif 000014
ここで、
【数１４】
0004558250.tif 000015
【００５０】
イオン源を離れる状態の質量ｍのイオンの速度は（如何なる点Ｂにおいても）方程式１１で示される。
【数１５】
0004558250.tif 000016
長さＬの場のない領域を通るドリフト時間を含む、全飛行時間Ｔtof及びその比率で示された値
【数１６】
0004558250.tif 000017
は、それぞれ方程式１２と方程式１３で定義される。
【数１７】
0004558250.tif 000018
【００５１】
１次の速度収束条件は。初速度（又は速度パラメータβ）についての全Ｔtofの１階微分し、これをゼロとして与えられる。質量範囲に速度収束を与えるために、その結果は、対象の質量範囲において小さい質量ｍ0から大きい質量Ｍ0までに及ぶ全ての質量のイオンに対して正しい必要がある。速度パラメータβについて方程式１０及び１３を微分した場合（双方とも左辺はゼロに等しい）、及びこれらの方程式において未定の微分ｄｔB/ｄβが等しい場合、各質量のイオン（質量はパラメータＸに隠れている）が加速領域に入る（時間軸の時間Ａ）又は加速領域を離れる（時間軸の時間Ｂ）時間に関係する方程式が得られる。これらの時間の間の補正波形の対応部分は、方程式１４で示される。
【数１８】
0004558250.tif 000019
ここで
【数１９】
0004558250.tif 000020
【００５２】
補正波形の計算は、基準質量Ｍ0とその質量Ｍ0に対応する値ＸM0（方程式６の変形された質量パラメータを参照）から始まる。定義によれば、時間遅れは、このイオンのグループに対して正しい１次の収束条件を正確に与えるように選ばれる。これは、補正電圧は、質量Ｍ0のイオンが加速領域に入る瞬間に消えることを意味する（すなわち、ｔ≧ｔA(Ｍ0)）。目的は、過去の期間における補正ポテンシャルの固有の時間依存性を導出することである。
【００５３】
ｔ＝ｔA(Ｍ0)において
【数２０】
0004558250.tif 000021
であること、及び引き続く全ての瞬間（すなわち、ｔA(Ｍ0)の後に補正はない）から、以下の式が導かれる。
【数２１】
0004558250.tif 000022
小さい質量ｍ＝Ｍ0−δＭのイオンについて、イオンが加速領域に入る時間は、質量Ｍ０のイオンの時間よりも先である。すなわち、
【数２２】
0004558250.tif 000023
【００５４】
Ｍ０付近の質量がｍ＝Ｍ0−δＭであるこれらのイオンについて、方程式１５と１０の積分は、それぞれ方程式１７と１８で置き換えられる。
【数２３】
0004558250.tif 000024
方程式１７及び１８に右辺を、それぞれ方程式１０及び１４に代入すると、２つの非線形代数方程式からなる系が得られ、好ましくは、質量の各増分において１０-6の精度が達成されるまで、これらの方程式は数値的に解かれる。質量ｍ0からＭ0までの全質量領域が覆われるように、増加される質量のそれぞれが考慮される。
【００５５】
リフレクトロンタイプのＴＯＦ分析計（図１５を参照）の場合、解析手法の僅かな変更のみがなされる。その分析計では、分析計のリフレクター部にイオンが広がる時間を説明する以下の項が、
【数２４】
0004558250.tif 000025
方程式１２の右辺の和に加えられる。ここで、ＵRは、長さｄRのリフレクターに亘って与えられた電圧であり、ｚは、ＵRの全電圧Ｕ0に対する比である。そして、
【数２５】
0004558250.tif 000026
である。形式的に、
【外１】
0004558250.tif 000027
は、方程式１４において、
【数２６】
0004558250.tif 000028
で置き換えされる。他の点では前述の解析がなされる。典型的なリフレクトロンが開示されているが、適切な如何なるタイプ（シングル、２段階、グリッドレス、同軸、非線形）のものを用いてもよい。
【００５６】
図８−１０は、種々の実験条件下について計算された、時間に対する補正電圧の依存関係ｕ(ｔ)＝Ｕ(ｔ)/Ｕ0を示す。図８では、他の典型的なパラメータが固定され、引出し領域の長さｄｅが変化する。図９では、加速領域の長さｄaが変化する。図１０では、唯一変化するパラメータは、近似的に知られた、照射後にイオンが脱離する初速度Ｖ0である。ｍ0に対するＭ0の比は、約１０とされている（すなわち、４５０Ｄａから４５５１Ｄａまでの質量範囲）。
【００５７】
形状因子の選択は、それぞれ利益と不利益を併せ持つ。短い引出し領域を選択するほど(図８を参照)より線形な、しかしより急な補正電圧のロールオフ(roll-off)を与える。最大値は、ｄeの値が小さくなると増加する。より短い引出し領域の長さｄeを用いると、空間収束の条件がより厳しくなる。空間の不規則性からのエネルギーの広がりへの影響は、大まかに、δＵ＝ΔＵ＊Δｘ/ｄeとして見積もられるからである。なお、ここでΔｘは、不規則性の形状因子である。
ｄeの典型的な長さは、３.６ｍｍに等しく、他の適切な選択があっても、特に限定されない妥協的値として用いられてよい。
【００５８】
パラメータｄa（図９を参照）については、最大パルス振幅と所望のパルス形状を実施する実現可能性との間で選択される。質量範囲に速度収束を与えるため、ｍ０からＭ０までの（４５０から４５４１Ｄａ）全ての質量範囲を覆うように、好ましい選択は、ｄa＝４.５ｃｍに対応する上方の（実線の）曲線である。ｄaが小さくなると、電圧は低くなる。しかし、より狭い質量範囲でしか収束を与えない（例えば、ｄa＝１.５ｃｍの場合、これは、大体１４００から４５４１Ｄａに及ぶ。ｄa＝３.０ｃｍの場合、これは、６００から４５４１Ｄａに及ぶ）。広い質量範囲が望まれる場合は、ｄa＝４.５ｃｍが用いられる。
【００５９】
図１０は、最も重要な源のあいまいさを表している。これは、与えられたマトリックスのイオンが脱離する、不完全に知られたイオンの平均速度Ｖ0に関係している。Ｖ0の値が変化すると、補正場のターンオフ(turn-off)の時間とｕ(ｔ)ロールオフの率が変化する。これは、一般的に、通常の時間差収束方法における最適な時間遅れの検討と同じ問題である。Ｖ0の未知の値は、計算された遅れ時間に影響する。この手法を実行するため、Ｖ0の役に立つ値が用いられるか、質量Ｍ0のイオンが加速領域に入る時間が定められる。後の方の選択は、質量の分解能が悪化し始めるまで、小さい遅れ時間から大きい遅れ時間まで、引出しパルスと補正パルスの間の遅れを細かくチューニングすることによって達成される。例えば、Ｖ0＝４５０ｍ/ｓの値が用いられる。
【００６０】
図１１を参照すると、例えば、ＴＯＦ質量分析計(100)は、２段階イオン源(102)、場のないドリフト領域(104)、及び後加速(post-acceleration)領域(106)を含んでいる。イオン源(102)は、引出しセクション(108)及び加速セクション(110)を含んでいる。引出しセクション(108)及び加速セクション(110)の長さは、例えばそれぞれ０.３６４ｃｍ及び４.４６ｃｍである。比較的長い加速領域を通じて一様な場の分布を生じさせるために、加速セクション(110)は、３つの同一のサブセクション(110A,110B,110C)に分割される。セクション(108,110)は、引出しプレート(121)、グリッド(122)、分離しているプレート(123,124)、及びグリッド(125)で構成される。加速セクション(110)は、それぞれのサブセクション(110A,110B,110C)について、３連でつながった低インダクタンス抵抗器(R3,R4,R5)の電圧分配器を用いている。引出しプレート(121)、グリッド(122,125)、及び分離プレート(123,124)の大きさは、例えば５.８０ｃｍ×５.８０ｃｍである。
【００６１】
グリッド(122,125)及びプレート(123,124)のメッシュホルダ（図示せず）の厚さは、例えば０.６０ｍｍである。第１グリッド(122)は、インチ当たり１１７本のワイヤーを有する電気メッキされたＮｉメッシュであり、加速領域(110)から引出し領域(108)を分離する。そのメッシュは、グリッド(122)の加速領域側に装着される。このグリッド(122)は、例えば１６.５ｍｍ×４.０ｍｍのスロット孔(122)を有するので、メッシュを張り伸ばしつつプローブチップ(118)に配置される試料にレーザーを照射することができる。（グリッド(125)について）同じタイプのメッシュが用いられ、ドリフトチューブ空間(104)から加速領域(110)を空間的に分離できる。中心の孔(114)により、サブセクション電極(123,124)、及びイオン源(102)のメッシュが張り付けられた(mesh-affixed)最終電極(125)にイオンを送ることができ、その直径は、例えば１２.７ｍｍである。
【００６２】
試料ホルダ又はプローブは、分離しているＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン(polyetheretherketon)）アイソレータ(117)と、試料（図示せず）が装填されるステンレススチールチップ(118)とを有するステンレススチールロッド(116)である。チップ(118)の位置は、引出しプレート(121)の表面に平行な平らな表面にそろえられ、引出し領域(108)の一様な電場を生成できるのが好ましい。
【００６３】
ドリフトチューブ領域(104)の長さは、例えば１０２.０５ｃｍである。孔が空けられたチューブ(119)（例えば、直径３８.６ｍｍ）を接地させる又は電気的に浮かせることができ、該チューブ(119)は、ＥＭＩ/ＲＦ及び静電場の侵入から内側のドリフトチューブ空間を保護する。孔孔が空けられたチューブの外側のセクションは、グリッド(125)が取り付けられる支持プレートの狭いスリットに入れられても、又は該スリットから出されてもよい。ドリフトチューブの両端の支持プレートに厳密な平行性を与えるために、頑丈なフレームが使用され、該フレームは、例えば１０.２ｍｍの厚さの２つの支持プレート(120,126)を含む。これらプレート(120,126)は、正確に長さが合わされた、直径９.５４ｍｍの４本のステンレススチールロッド(128)によって共に保持されている。ドリフトチューブ(119)の検出器側に（下流側に）突き通されたチューブセクション(129)は、常時、プレート(126)に保持される。ドリフトチューブ(119)の反対側（上流のイオン源側）の支持プレート(120)は、ドリフトチューブ空間から絶縁される。これは、フレームロッド(128)と支持プレート(120)の間にセラミックスペーサ(130)を挿入することによって、及び、突き通されたチューブ(119)のスライディングセグメントとこのプレート(120)の間に狭い隙間（例えば、約１ｍｍ又はこれより小さい）を設けることによってなされる。
【００６４】
イオンの後加速をするために、グリッド(131)が加えられる。検出器(132)の前プレートのポテンシャルが一定に維持される間、ドリフトチューブ(119）は電気的に浮いている。このグリッド(131)は、１インチ当たり１１７本のワイヤーのあるメッシュを有しており、例えば２５.４４ｍｍの開口(133)を有している。検出器(132)は、グリッド(131)の後ろに配置され、セラミックスペーサ(134)によって電気的に絶縁される。後加速領域(106)を構成するグリッド(131)と検出器平面の間の距離は、例えば２.０ｍｍの長さである。真空チャンバー（図示せず）は、適当なターボポンプ（図示せず）によって排気され、ＴＯＦ質量分析計(100)の圧力は、５×１０-7Ｔｏｒｒ以下であるのが好ましい。
【００６５】
適当なパルス式窒素レーザ(135)（例えば、試料に対し、７５ｋＷのピークパワーにおいて、３００μｊのエネルギーで４ｎｓより小さい幅のパルスを供給する能力を有する）がイオナイザーとして用いられる。レーザー(135)は、エネルギーのパルスを生成し、パルスの継続時間は、要求される質量分解能に対応する時間よりも充分に長い。ビームは、平面鏡(136)、可変光学密度フィルタ(137)、及びアイリス絞り(138)を通過して、試料に送られる。ビームは、真空チャンバー（図示せず）内に配置された、適当なＵＶレンズ(139)（例えば、７５ｍｍの焦点距離を有する）によってターゲット上で収束される。照射において、イオン検出のしきい値、又はこれより１０−１５％程度のみ大きい値の近くでスペクトルが記録される。  入射角は、試料表面の法線方向に対して約６０度である。照射領域は、約０.０６ｍｍ2であり、熱感紙に描かれている。
【００６６】
適当なパルス生成器(140)が、レーザー(135)を外部からトリガーする。レーザー(135)が光ると、適当な短いジッタ（例えば、＜１ｎｓ、１σ、一般的には＜５００ｐｓ）の出力からのトリガー信号(141)が、他の適当なパルス生成器(142)に供給される。この４チャンネル生成器(142)は、質量スペクトル測定のタイミング制御をする。ジッタが短く維持されている間は、レーサー出力と出力信号(141)の間の遅れは、例えば＜５０ｎsである。生成器(142)（出力への外部トリガー）の伝達遅れは、例えば８５ｎsであり、ジッタは、＜６０ｎsである。短いジッタは、ＭＡＬＤＩ ＴＯＦ質量分析計で有益に用いられる。また、パルス生成器(142)は、同期パルス(143)（例えば、３ｎsの立上がり時間）を供給し、オシロスコープ(144)、高速高電圧（ＨＶ）スイッチ(145)、補正パルス生成器(146)をトリガーする。
【００６７】
開示を明確にするために、本明細書において、質量スペクトル情報を表示する典型的なオシロスコープ(144)について言及された一方で、このような情報は、記録され、ハードコピーに印刷され、コンピュータで修正され、又は他のデータと結合されてよいことは理解されるであろう。全てのこのような処理は、本明細書で用いられる「表示」又は「表示する」なる用語の範囲に入ると考えられる。
【００６８】
グリッド(122)は、最初、ＨＶ電源(147)によって１８.７０ｋＶでバイアスされており、抵抗(R2)を通じて引出しプレート(121)に同じ電圧が印可されている。典型的に、引出しプレート(121)は、選択された基準質量Ｍ０（質量範囲の大きい方の端）について最適な計算された時間遅れの後に、高速ＨＶスイッチ（パルス増幅器）(145)（例えば、２０ｎｓより短い立ち上がり時間）によって、１８.７０ｋＶから２０ｋＶまでパルス化される。ＨＶスイッチ(145)の出力は、低インダクタンス結合キャパシタ(C1)と抵抗器（Ｒ１）の直列結合を通って、真空フィードスルーを通じて引出しプレート（電極）(121)に繋がっている。典型的なプレート(121)へ印加されたパルス電圧の補正は、約３％の大きさであり、結合キャパシタ(C1)に渡る電圧損失を考慮して行われる。引出し電極(121)に印加されるパルス電圧と、後には補正電圧パルスとに起因する、グリッド(122)のフライバック電圧スパイクを防止するために、低インダクタンスセラミックキャパシタ(C2)が、このグリッド(122)を分流させるために用いられる。
【００６９】
補正パルス生成器(146)の電気回路が図１２に示されている。擬似ランプ波形の補正パルスを与えるために、高速ＨＶスイッチ(151)はバイポーラモードで動作し、２つの典型的な電圧レベルの間で切り替わる。これらの電圧レベルは、（１）ＨＶ電圧(148)によって、最初に約−３３５０Ｖにバイアスされる低いレベル（開始）、及び（２）ＨＶ電圧(149)によって供給される、約＋８０００Ｖに等しい高いレベル（最終）である。
【００７０】
カットオフのため、正極性のウェーブをクランプする６つの高速回復ダイオード(D1-D6)は、それぞれ対応する抵抗器(R7-R12)によって分流され、（図１１においてグリッド(125)と地面の間にある）負荷に対して並列につながれている。キャパシタ(C6)、（大まかな調整のための）可変キャパシタ(C7)、（正確な調整のための）可変キャパシタ(C8)、グリッドの内部容量(C(int))、及び図１１のキャパシタ(C3-C5)の等価容量は、２つの重要な因子を決定する。つまり、（１）負荷の全容量と、（２）図１１に示された加速領域(110)の隣合うサブセクション(110A,110B,110C)の間の電圧配分である。最初の因子は、正しいパルス波形を実行するために重要であり、その一方で２番目の因子は、補正場の一様な空間分布を与えることに寄与する。補正パルス生成器(146)のＨＶスイッチの制御信号(150)は、図１１のパルス生成器(142)による出力である。
【００７１】
図１２の直列共振回路の補正パルス形状は、全容量、高周波高電流インダクタのインダクタンス、及び可変抵抗器(R13)の値で決定される。パルス形状の正確な調整は、可変ＨＶキャパシタ(C7,C8)の容量、及び抵抗器(R13)の抵抗を調整して行われる。また、選択的に、ＨＶ電源(149)によってＨＶスイッチ(151)に供給される第２正レベルの値が調整される。
【００７２】
図１１を再度参照すると、適当な２重マイクロチャンネルプレート検出器(132)が用いられている。該検出器(132)は、円錐形のアノード(152)と外側のＲＦ/ＥＭＩスクリーン(図示せず)とを有する。デジタルオシロスコープ(144)は、検出器(132)からのイオン信号を記録する。スペクトルの再現性を良くするために、特定の上限値以上の入力はカットオフすることによって、振幅感度限界(discrimination)モードが使用されるのが好ましい。下限は、例えば約１０−４０ｍＶに設定され、ノイズレベルに依存する。その一方で、典型的な高い方の感度限界レベルは、約１００−２００ｍＶであり、イオン信号のサチュレーション(saturation)の短いものに合わせて設定される。パーソナルコンピュータ(PC)（図示せず）への伝送は、適当な市販のソフトウェアパッケージ（例えば、ＩＩｙｓ Ｓｏｆｔｗａｒｅによって販売されているＴＯＦＷＡＲＥ）によって行われる。例えば、単一のスポットに送られた、３０から１２０の個別のレーザーショットからのイオン信号が平均化される。ＰＣについて言及されているが、他のプロセッサ、例えば、マイクロコンピュータ、マイクロプロセッサ、ワークステーション、ミニコンピュータ、又はメインフレームコンピュータが使用されてよいことは理解されるであろう。
【００７３】
時間依存性（及び質量相関）関数が、図７の第２引出し領域（Ｕf＝−３２ｋＶから約０Ｖ）に適用されるが、グリッド(125)（Ｕｆ＝０Ｖ）を接地し、イオン源或いは引出しプレート(121)（例えば、Ｕｅ＝２１.９ｋＶ乃至２３．２ｋＶから２０ｋＶ）、及び中間のグリッド或いはグリッド(122)（例えば、Ｕａ＝２１.９ｋＶから約１８.７ｋＶ）の双方に、時間依存性（及び質量相関）関数を適用することによって、図１１の引出し領域(108)及び加速領域(110)に等価な電場が与えられてもよいことは理解されるであろう。
【００７４】
ＴＯＦ分析計が図１５に示されている。線形デザインと比較して、相対的に短いイオン源の第２領域が用いられている（例えば、４.４６ｃｍの代わりに３.１０ｃｍ）。アインツウェルレンズアセンブリが加えられ、イオン源の出口に配置される。典型的なリフレクトロンセクションは、２９.１ｃｍであって、短くされたドリフトチューブの端部に装着される。典型的な構成における全イオンドリフトパスは、１２０.２ｃｍである。６ｍｍの中心孔を有する典型的な同軸型のハママツ(Hamamatsu)ＭＣＰ検出器（モデルＦ４２９４−０９）がイオン検出器として用いられる。リフレクトロンアセンブリは、例えば７.０×７.０ｃｍの長方形のプレートの束を含む。該プレートは、４０ｍｍの中心孔を有し、それぞれ６.４３ｍｍの長さのセラミックスペーサで隔てられている。リフレクターの全長さは、例えば２９.１ｃｍである。
【００７５】
図１３を参照すると、Ｖ0＝４５０ｍ/ｓが脱離するイオンの平均速度と仮定した線形装置について、理論的な波形(破線)が示されている。レーザーパルスと引出パルスとの間の時間遅れは５５０ｎｓに設定され、先に開示された実験パラメータについて、大きい質量端で、ＭＨ+＝４５４２Ｄａのイオンの収束に対応している。時間ｔ＝０に、加速が開始する。補正電圧が切られた以降の、約４７０から８８０ｎｓの時間フレーム内の電圧関数の重要部分は、減少する線形関数に良く当てはまる。補正電圧の線形部分は、１２００から４５４２Ｄａまでの質量の帯内のイオンが加速領域に入る期間に対応する。そして、一定及び時間依存する電場の重ね合わせの効果を受ける。軽いイオンＭＨ+＜１２００Ｄａの補正の部分である、電圧関数の最初の部分は、さらに複雑な形をしている。
【００７６】
図１３は、典型的な補正パルス生成器によって生成された実験波形（実線）を示している。パルス極性は、第２加速グリッドに適用される場合には負となる。計算された電圧と実験電圧は、良く合っており、これらの電圧の差は波形の真ん中部分で３％に達せず、これらの曲線は、最初の部分ｔ＜３６０ｎｓ、及び後ろの部分８８０ｎｓ＞ｔ＞７６０ｎｓにおいて非常に接近している。それにも関わらず、補正電圧がゼロに落ちた後に、注目すべき揺れ(ringing)が存在する。これは、特に、大きい質量端に近い重いイオンについて、もしかすると質量分解能に影響を与えるかも知れない。
【００７７】
実験によるテストの前に、方法における選択の確定を得ることが、また、簡単に行える異なるタイプの波形の妥当性を検討することが強く望まれる。時間依存する補正電圧関数が含まれる実験機構のシミュレーションモデルは、ＳＩＭＯＮ  ３Ｄ  ｖ.６ソフトウェア（Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｓｙｓｔｅｍ，Ｉｎｃ．，Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ，ＮＪ  ０８５４３）を使用してテストされる。静的及び時間変化する場の両方の条件をモデル化するために、アルゴリズムが作られた。例えば、あるケースは、線形電圧関数を含み、該電圧関数は、加速領域の第２グリッドに印加され、―５.２８ｋＶ/μｓの時間レートを有し、ｔ＝８８０ｎｓで終わる。レーザーパルスとイオン引出しの間の時間遅れは、５５５ｎｓに設定される。シミュレーションで用いる静電圧と形状因子は、実験機構のものと同じである。脱離するイオンの初速度分布はかなり不明であるため、各同一質量パケットについて１５０乃至７５０ｍ/sの範囲とする。シミュレーションでは、５７４乃至４５４２Ｄａの広い質量範囲が含められる。
【００７８】
表１は、異なる質量のイオンについて、通常のパルス引出しを用いる線形ＴＯＦ質量分析計の計算された飛行時間と、補正される場合の飛行時間との比較である。表１では、計算された飛行時間の値が示されており、また、到着時間の分散は時間広がりとして示されている。両方のデータセットは、補正電圧が印加されるモード、及び通常のパルス引出しモード(補正なし)を伴い、モデル化される。質量分解能への補正の効果は、同一質量パケット内のイオンの時間広がりを比較することによって明らかに見られる。質量が４５４２と４１８３Ｄａのイオンパケットについては、モード間の違いは全く小さい。しかし、質量分解能は確かに特定される。パルス引出し方法自体が、狭いエネルギー範囲で良好なエネルギー収束を与えるからである。
【００７９】
ＭＨ+＝３８２０Ｄａから小さい質量では、補正の効果が非常に明らかである。５７４Ｄａ（小さい質量端）に向かっていくと、同一質量パケット内の時間広がりは、補正モードにおいて３ｎｓを越えない。一方、通常モードでは、質量が変化すると、ほとんど単調に８から２１ｎｓまで増加する。最小の質量ＭＨ+＝５７４Ｄａのイオンの収束は、単純な線形Ｕ(ｔ)依存性から具体的に導かれる補正パルス波形を用いる。それにも関わらず、簡単な線形波形を用いる補正は、まだかなり適切である。
【００８０】
線形ＴＯＦ分析計における本方法の実験による検証結果は、図１４Ａ−図１４Ｒに示されている。ＳＩＭＯＮによるシミュレーションと良く合っており、大きい質量端の４５４２Ｄａから４１８３Ｄａの質量範囲のイオンについて、補正及び通常モードの両方とも、ほぼ一致するピーク形状を与える。補正電圧が印加されると、より小さいイオンＭＨ＋≦３８２０Ｄａの質量分解能にかなりの改善が見られ、同じ質量スペクトルが得られる。
【００８１】
表３は、２つの動作モード、すなわちパルス補正モードと一般的なパルス引出しモードとにおいて、個々のペプチドについて質量分解能の実験値の比較を示している。表３では、「−」は、特有の同位体パターンのないスペクトルを指している。小さい質量のイオンについて、同位体パターンは、通常の引出しモードではほとんど見られない。一方、補正があると、表３にまとめたように、全てのピークは高質量分解能で同位的に決定される。９０１から４５４２Ｄａのイオン質量の全範囲を通じて、ＦＷＨＭ基準（最大値の半分で全幅）で決定された質量分解能は、４５００から４１８３Ｄａの範囲の値である。通常モードでは、特有の同位パターンは、２つの大きいイオン質量、４５４２と４１８３Ｄａについてのみ観測され、パルス引出し理論と完全に一致する。その後は、小さい質量のイオンの未定ピークが続く。
【００８２】
特有の同位パターンは、補正パルスが生成されたならば小さい質量限界（約４５０Ｄａ）を越えても測定される。これは、質量［２Ｍ＋Ｈ］+＝３７９Ｄａと［２Ｍ＋Ｈ−４４］+のマトリックス二量体(dimer)イオンのピーク近くの質量範囲による。最後のピークの同位体パターンに加えて、局所的なスペクトルについて幾つかの寄与が生じる。一方、通常モードでは、この情報は隠されてしまう。これは、線形ＴＯＦ装置に適用される質量相関パルス引出しモードで、ユニット質量分解能よりも良好な分解能が、３３５から４５４２Ｄａの全質量範囲に効果的に及ぶことを証明している。
【００８３】
また、補正オプションを含んだＴＯＦ装置のリフレクトロンモードが、実験でテストされる。リフレクトロン分析計の計算された電圧関数は、線形波形と大きく異なっている。その形状は、非対称なベルの形をしている。
実験による質量スペクトル（リフレクトロンモード）又は表２の９つのペプチドの混合物（補正なし及び補正あり）が図１６Ａ−１６Ｒに示されている。質量相関パルス引出し方法は、大きい質量端からわずか２０％の低下した、ＭＨ+＝４５４２Ｄａにおいて、すでに通常モードよりも優れている。小さいイオン質量では、効果はさらに明確になる。
【００８４】
質量相関パルス引出しの利点は、広い質量範囲に渡って、質量分解能の非常に均一な分布を示すことである。その方法のパフォーマンスの更なる改善には、異なる質量のイオンの初速度の分布についてのより詳細な情報が用いられる。、振動を排除し、理論的な波形により近づく回路設計は、より高い質量分解能の達成を促進する。
例えば図１１の(122,125)のようなグリッドが本明細書に開示されたが、本発明は、例えば電気レンズのような等価な構造に適用できる。
【００８５】
【表１】
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【表２】
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【表３】
0004558250.tif 000031
【００８６】
現在において好ましい実施例についてのみに関して本発明を詳細に説明したが、当該分野の専門家であれば、請求項に記載された本発明から逸脱することなく種々の変形を成し得ることは理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
添付されている以下の図面に関連づけて読むと、発明の完全な理解がなされる。
【図１】  図１は、短いイオン源領域と長いドリフト領域とを有する飛行時間型質量分析計の簡単化されたブロック図である。
【図２】  図２は、飛行時間型質量分析計の質量スペクトルのプロットである。
【図３】  図３は、飛行時間型質量分析計の、線形２段階イオン源のブロック図である。
【図４】  図４は、飛行時間型質量分析計に用いられる電圧のプロットである。
【図５】  図５は、飛行時間型質量分析計に用いられる電圧のプロットである。
【図６】  図６は、飛行時間型質量分析計に用いられる電圧のプロットである。
【図７】  図７は、本発明に係る飛行時間型質量分析計に用いられる電圧のプロットである。
【図８】  図８は、引出し領域の長さが変化する場合の、時間に対する本発明に係る補正電圧のプロットである。
【図９】  図９は、加速領域の長さが変化する場合の、時間に対する本発明に係る補正電圧をプロットしたものである。
【図１０】  図１０は、近似的に求めた照射後の脱離イオンの初速度が変化する場合の、時間に対する本発明の補正電圧のプロットである。
【図１１】  図１１は、本発明に係る質量分析計のブロック図である。
【図１２】  図１２は、図１１の質量分析計の補正パルス生成器の概略ブロック図である。
【図１３】  図１３、本発明に係る理論及び実験のパルス波形のプロットである。
【図１４】  図１４Ａ−１４Ｌは、質量相関引出しがされる場合及びされない場合の、種々のペプチドに関する質量スペクトルである。
【図１５】  図１５は、リフレクトロンＴＯＦ分析部の概略のブロック図である。
【図１６】  図１６Ａ−１６Ｒは、図１５のリフレクトロンＴＯＦ分析部を用いた質量相関引出しにより得られる、種々のペプチドの混合物についての質量スペクトルを示すプロットである。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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