(57)【要約】細長いロッドのセットを有する質量分析計及び質量分析計の動作方法。ロッドセットは入射端、射出端及び軸線を有する。イオンはロッドセットの入射端に入射される。ロッドセットの射出端に隣接する射出部材に障壁電場をつくり、ロッドセットの少なくとも射出端に隣接するロッドセットのロッド間にＲＦ電場をつくることにより、イオンの内の少なくともいくつかがロッドセット内にトラップされる。ロッドセットの射出端に隣接する引出し領域においてＲＦ電場と障壁電場が相互作用してフリンジ電場をつくる。引出し領域内のイオンがエネルギーを得て、選択された質量対電荷比をもつ少なくともいくつかのイオンが障壁電場を通過して、ロッドセットから軸方向に質量選択的に射出する。ＲＦ電場は、振幅がＡ２の四重極高調波成分、振幅がＡ４の八重極高調波成分、及び振幅がＡ８の十六重極高調波成分を有する、２次元の実質的な四重極電場である。Ａ８はＡ４より小さく、Ａ４はＡ２の０.１％より大きい。
2006524413.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
細長いロッドのセットを有し、前記ロッドセットが入射端及び射出端及び軸線を有する質量分析計の動作方法において、
（ａ）前記ロッドセットの前記入射端にイオンを入射させる工程、
（ｂ）前記ロッドセットの前記射出端に隣接する射出部材に障壁電場をつくり、前記ロッドセットの少なくとも前記射出端に隣接する前記ロッドセットの前記ロッドの間にＲＦ電場をつくることにより、前記イオンの内の少なくともいくつかを前記ロッドセット内にトラップする工程、
（ｃ）前記ロッドセットの前記射出端に隣接する引出し領域において前記ＲＦ電場と前記障壁電場が相互作用してフリンジ電場をつくる工程、及び
（ｄ）前記引出し領域においてイオンにエネルギーを与えて、選択された質量対電荷比をもつ少なくともいくつかのイオンを前記障壁電場を通過させて前記ロッドセットから軸方向に質量選択的に射出する工程、
を有してなり、
前記ＲＦ電場が、振幅がＡ２の四重極高調波成分、振幅がＡ４の八重極高調波成分及び振幅がＡ８の十六重極高調波成分を有する、２次元の実質的な四重極電場であり、Ａ８はＡ４より小さく、Ａ４はＡ２の０.１％より大きいことを特徴とする方法。
【請求項２】
Ａ４がＡ２の１％より大きく、Ａ４がＡ２の６％より小さいことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記軸方向に射出されたイオンの内の少なくともいくつかを検出する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ロッドセットが、
（ｉ）中心軸、
（ii）各ロッドが前記中心軸から間隔をあけて配置され、前記中心軸に沿って延びている、第１のロッド対、及び
（iii）各ロッドが前記中心軸から間隔をあけて配置され、前記中心軸に沿って延びている、第２のロッド対、
を有し、前記第１のロッド対及び前記第２のロッド対が、前記中心線に沿ういかなる点においても、
前記中心線に直交する関係平面が前記中心軸と交差し、対応する第１の断面対において前記第１のロッド対と交差し対応する第２の断面対において前記第２のロッド対と交差し、
前記対応する第１の断面対が、前記中心軸についてほぼ対称に配置され、前記中心軸に直交して前記第１のロッド対の各ロッドの中心を通る第１の軸によって二等分され、
前記対応する第２の断面対が、前記中心軸についてほぼ対称に配置され、前記中心軸に直交して前記第２のロッド対の各ロッドの中心を通る第２の軸によって二等分され、
前記対応する第１の断面対と前記対応する第２の断面対が前記中心軸に関する９０°回転の下で実質的に非対称であり、及び
前記第１の軸と前記第２の軸が実質的に直交し前記中心軸において交差する、
ように配位されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第１のロッド対の各ロッドが前記中心軸に実質的に平行であり、横断寸法Ｄ１を有し、
前記第２のロッド対の各ロッドが前記中心軸に実質的に平行であり、Ｄ１より小さい横断寸法Ｄ２を有し、
Ｄ１/Ｄ２は、Ａ４がＡ２の０.１％より大きくなるように選ばれる、
ことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
複数の動作モードを有し、各動作モードが、複数のトラップ電圧サブモードから選ばれるトラップ電圧サブモード、複数のＤＣ電圧サブモードから選ばれるＤＣ電圧サブモード、及び複数の励起サブモードから選ばれる励起サブモードを含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項７】
工程（ｂ）が、前記第１のロッド対に第１のＲＦ電圧を印加し、前記第２のロッド対に第２のＲＦ電圧を印加することにより、前記ロッドセットの前記ロッド間にＲＦ電場をつくる工程を含み、
前記複数のトラップ電圧サブモードが、（ｉ）前記第１のＲＦ電圧の振幅が前記第２のＲＦ電圧の振幅に等しい平衡ＲＦサブモード、（ii）前記第１のＲＦ電圧の前記振幅が前記第２のＲＦ電圧の前記振幅より大きい第１の不平衡ＲＦサブモード、及び（iii）前記第１のＲＦ電圧の前記振幅が前記第２のＲＦ電圧の前記振幅より小さい第２の不平衡ＲＦサブモードからなる群から選ばれる、
ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記複数のＤＣ電圧サブモードが、（ｉ）前記第２のロッド対に対して正の第１のＤＣ電圧が前記第１のロッド対に印加される第１のＤＣ電圧サブモード、（ii）前記第１のロッド対に対して正の第２のＤＣ電圧が前記第２のロッド対に印加される第２のＤＣ電圧サブモード、及び（iii）前記第１のロッド対と前記第２のロッド対の間にゼロＤＣ電圧が印加されるゼロＤＣ電圧サブモードからなる群から選ばれることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記複数の励起サブモードが、（ｉ）前記射出部材への射出補助ＡＣ電圧の供給を含む第１の励起サブモード、（ii）前記第１のロッド対間への第１の双極子励起ＡＣ電圧の供給を含む第２の励起サブモード、（iii）前記第２のロッド対間への第２の双極子励起ＡＣ電圧の供給を含む第３の励起サブモード、（iv）前記第１のロッド対と前記第２のロッド対の間への四重極励起電圧の供給を含む第４の励起サブモード、（ｖ）前記射出部材への射出補助ＡＣ電圧の供給及び前記第１のロッド対間への前記第１の双極子励起ＡＣ電圧の供給を含む第５の励起サブモード、（vi）前記射出部材への前記射出補助ＡＣ電圧の供給及び前記第２のロッド対間への前記第２の双極子励起ＡＣ電圧の供給を含む第６の励起サブモード、（vii）前記射出部材への前記射出補助ＡＣ電圧の供給及び前記第１のロッド対と前記第２のロッド対の間への補助四重極励起ＡＣ電圧の供給を含む第７の励起サブモード、（viii）前記第１のロッド対間への前記第１の双極子励起ＡＣ電圧の供給及び前記第２のロッド対間への前記第２の双極子励起ＡＣ電圧の供給を含む第８の励起サブモード、及び（ix）前記射出部材への前記射出補助ＡＣ電圧の供給、前記第１のロッド対間への前記第１の双極子励起ＡＣ電圧の供給及び前記第２のロッド対間への前記第２の双極子励起ＡＣ電圧の供給を含む第９の励起サブモードからなる群の内の１つまたはそれより多くであるように選ばれることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
工程（ｄ）が、前記少なくともいくつかのイオンを前記複数の励起サブモードから選ばれた前記励起サブモードによってつくられる少なくとも１つの励起電場と共鳴させるように前記ＲＦ電場の前記振幅をスキャンする工程を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
質量分析計システムにおいて、
（ａ）イオン源、
（ｂ）ロッドセットであって、前記イオン源からのイオンを入射させるための入射端及び前記ロッドセットの軸線を進行するイオンを射出するための射出端を有する、主ロッドセット、
（ｃ）前記主ロッドセットの前記射出端に隣接する射出部材、
（ｄ）前記主ロッドセットのロッド間にＲＦ電場をつくり、前記射出端に障壁電場をつくるために、前記主ロッドセット及び前記射出部材に接続され、使用において、（ｉ）前記主ロッドセットに通された前記イオンの内の少なくともいくつかが前記ロッド間にトラップされ、（ii）前記ＲＦ電場と前記障壁電場の相互作用が前記射出端に隣接するフリンジ電場をつくる、電源手段、及び
（ｅ）ＡＣ電源であって、前記主ロッドセットの前記ロッド及び前記射出部材の内の１つに接続され、前記ＡＣ電源及び前記電源手段の内の少なくとも１つが前記射出端から前記フリンジ電場の近傍にトラップされたイオンを質量に依存して軸方向に射出する、ＡＣ電源、
を備え、
前記ＲＦ電場が、振幅がＡ２の四重極高調波成分、振幅がＡ４の八重極高調波成分及び振幅がＡ８の十六重極高調波成分を有する、２次元の実質的な四重極電場であり、Ａ８はＡ４より小さく、Ａ４はＡ２の０.１％より大きい、
ことを特徴とする質量分析計システム。
【請求項１２】
Ａ４がＡ２の１％より大きく、Ａ４がＡ２の６％より小さいことを特徴とする請求項１１に記載の質量分析計システム。
【請求項１３】
前記軸方向に射出されるイオンの内の少なくともいくつかを検出するための検出器をさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の質量分析計システム。
【請求項１４】
前記ロッドセットが、
（ａ）中心軸、
（ｂ）各ロッドが前記中心軸から間隔をあけて配置され、前記中心軸に沿って延びている、第１のロッド対、及び
（ｃ）各ロッドが前記中心軸から間隔をあけて配置され、前記中心軸に沿って延びている第２のロッド対、
を有し、前記第１のロッド対及び前記第２のロッド対が、前記中心線に沿ういかなる点においても、
前記中心線に直交する関係平面が前記中心軸と交差し、対応する第１の断面対において前記第１のロッド対と交差し、対応する第２の断面対において前記第２のロッド対と交差する、
前記対応する第１の断面対が、前記中心軸についてほぼ対称に配置され、前記中心軸に直交して前記第１のロッド対のそれぞれの中心を通る第１の軸によって二等分される、
前記対応する第２の断面対が、前記中心軸についてほぼ対称に配置され、前記中心軸に直交して前記第２のロッド対のそれぞれの中心を通る第２の軸によって二等分される、
前記対応する第１の断面対と前記対応する第２の断面対が前記中心軸に関する９０°回転の下で実質的に非対称である、及び
前記第１の軸と前記第２の軸が実質的に直交し前記中心軸において交差する、
ように配位されることを特徴とする請求項１１に記載の質量分析計システム。
【請求項１５】
前記第１のロッド対の各ロッドが前記中心軸に実質的に平行であり、横断寸法Ｄ１を有し、
前記第２のロッド対の各ロッドが前記中心軸に実質的に平行であり、Ｄ１より小さい横断寸法Ｄ２を有し、
Ｄ１/Ｄ２は、Ａ４がＡ２の０.１％より大きくなるように選ばれる、
ことを特徴とする請求項１４に記載の質量分析計システム。
【請求項１６】
前記ロッド間に前記ＲＦ電場をつくるための前記電源手段が、前記第１のロッド対に第１のＲＦ電圧を供給するための第１のＲＦ電源手段及び前記第２のロッド対に第２のＲＦ電圧を供給するための第２のＲＦ電源手段を含むことを特徴とする請求項１４に記載の質量分析計システム。
【請求項１７】
複数の動作モードから選択された動作モードを選択するためのモード選択手段をさらに備え、各動作モードが、複数のトラップ電圧サブモードから選ばれる選択されたトラップ電圧サブモード、複数のＤＣ電圧サブモードから選ばれる選択されたＤＣ電圧サブモード、及び複数の励起サブモードから選ばれる選択された励起サブモードを含むことを特徴とする請求項１４に記載の質量分析計システム。
【請求項１８】
前記モード選択手段が、前記複数のトラップ電圧サブモードから前記選択されたトラップ電圧サブモードを選択するためのトラップ電圧サブモード選択手段を含み、
前記複数のトラップ電圧サブモードが、（ｉ）前記第１のＲＦ電圧の振幅が前記第２のＲＦ電圧の振幅に等しい平衡ＲＦサブモード、（ii）前記第１のＲＦ電圧の前記振幅が前記第２のＲＦ電圧の前記振幅より大きい第１の不平衡ＲＦサブモード、及び（iii）前記第１のＲＦ電圧の前記振幅が前記第２のＲＦ電圧の前記振幅より小さい第２の不平衡ＲＦサブモードからなる群から選ばれる、
ことを特徴とする請求項１７に記載の質量分析計システム。
【請求項１９】
前記モード選択手段が、前記複数のＤＣ電圧サブモードから前記選択されたＤＣ電圧サブモードを選択するためのＤＣ電圧サブモード選択手段を含み、
前記複数のＤＣ電圧サブモードが、（ｉ）前記第２のロッド対に対して正の第１のＤＣ電圧が前記第１のロッド対に印加される第１のＤＣ電圧サブモード、（ii）前記第１のロッド対に対して正の第２のＤＣ電圧が前記第２のロッド対に印加される第２のＤＣ電圧サブモード、及び（iii）前記第１のロッド対と前記第２のロッド対の間にゼロＤＣ電圧が印加されるゼロＤＣ電圧サブモードからなる群から選ばれることを特徴とする請求項１７に記載の質量分析計システム。
【請求項２０】
前記モード選択手段が、前記複数の励起サブモードから前記選択された励起サブモードを選択するための励起サブモード選択手段を含み、
前記複数の励起サブモードが、（ｉ）前記射出部材への射出補助ＡＣ電圧の供給を含む第１の励起サブモード、（ii）前記第１のロッド対間への第１の双極子励起ＡＣ電圧の供給を含む第２の励起サブモード、（iii）前記第２のロッド対間への第２の双極子励起ＡＣ電圧の供給を含む第３の励起サブモード、（iv）前記第１のロッド対と前記第２のロッド対の間への四重極励起電圧の供給を含む第４の励起サブモード、（ｖ）前記射出部材への射出補助ＡＣ電圧の供給及び前記第１のロッド対間への前記第１の双極子励起ＡＣ電圧の供給を含む第５の励起サブモード、（vi）前記射出部材への前記射出補助ＡＣ電圧の供給及び前記第２のロッド対間への前記第２の双極子励起ＡＣ電圧の供給を含む第６の励起サブモード、（vii）前記射出部材への前記射出補助ＡＣ電圧の供給及び前記第１のロッド対と前記第２のロッド対の間への補助四重極励起ＡＣ電圧の供給を含む第７の励起サブモード、（viii）前記第１のロッド対間への前記第１の双極子励起ＡＣ電圧の供給及び前記第２のロッド対間への前記第２の双極子励起ＡＣ電圧の供給を含む第８の励起サブモード、及び（ix）前記射出部材への前記射出補助ＡＣ電圧の供給、前記第１のロッド対間への前記第１の双極子励起ＡＣ電圧の供給及び前記第２のロッド対間への前記第２の双極子励起ＡＣ電圧の供給を含む第９の励起サブモードからなる群の内の１つまたはそれより多くであるように選ばれることを特徴とする請求項１７に記載の質量分析計システム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、２００２年８月５日に出願された米国特許出願第１０/２１１２３８号の一部継続出願である。
【技術分野】
【０００２】
本発明は全般的には四重極電場に関し、特に、質量分析器に使用するための改善された四重極電場を発生するための四重極電極系に関する。
【背景技術】
【０００３】
質量分析計で四重極電極系を使用することは周知である。例えば、特許文献１には、４本のロッドが中心軸を囲み、中心軸に平行に延びる四重極電極系が記載されている。対向するロッドが結合され、２つの共通端子の内の一方に接続される。次いで、電位Ｖ（ｔ）＝＋（Ｕ−ＶｃｏｓΩｔ）が一方の端子と接地の間に印加され、電位Ｖ（ｔ）＝−（Ｕ−ＶｃｏｓΩｔ）が他方の端子と接地の間に印加されるというのが最も一般的である。これらの式
中、Ｕは極と接地の間のＤＣ電圧であり、Ｖは極と接地の間のゼロ−ピーク無線周波数（ＲＦ）電圧である。
【０００４】
線型四重極の構成において、電場は理想的四重極場ではないから歪む可能性がある。例えば、完全な四重極場を作るのに必要な理想的双曲線形ロッドを近似するために円形ロッドが多く用いられる。円形ロッドをもつ四重極電極系における電位の計算は等価電荷法によって行うことができる。例えば、非特許文献１を参照されたい。一連の高調波成分振幅をＡ０,Ａ１,Ａ２,...,Ａｎとして表せば、線型四重極の電位は式（１）：
【数１】
2006524413.tif 000003
【０００５】
と表すことができる。
【０００６】
Ｘ及びＹ方向での電位の変化を表す電場高調波成分φｎは、式（２）：
【数２】
2006524413.tif 000004
【０００７】
と表すことができ、ここでReal[（ｆ（ｘ+ｉｙ）]は複素関数ｆ（ｘ+ｉｙ）の実数部である。例えば、
式（３）：
【数３】
2006524413.tif 000005
【０００８】
式（４）：
【数４】
2006524413.tif 000006
【０００９】
式（５）：
【数５】
2006524413.tif 000007
【００１０】
式（５.１）：
【数６】
2006524413.tif 000008
【００１１】
式（５.２）：
【数７】
2006524413.tif 000009
【００１２】
である。上記の定義において、Ｘ方向は、Ｖ（ｔ）が正の場合に、四重極電位Ａ２がゼロから正方向に大きくなる、電極に向かう方向に対応する。
【００１３】
一連の高調波成分振幅において、振幅Ａ１,Ａ３,Ａ５,...を有する奇数次電場高調波成分のそれぞれが、印加電位及び電極の対称性によって（計装及び測定誤差による奇数次高調波成分からの極めて小さい寄与を除いて）ゼロである場合をここで考察する。したがって、振幅Ａ０,Ａ２,Ａ４,...を有する偶数次電場高調波成分が残る。上に示したように、Ａ０は定（すなわちＸ及びＹに関係しない）電位であり、Ａ２は電場の四重極成分であり、Ａ４は電場の八重極成分であって、さらに高次の電場成分がまだ存在するが、実際の四重極においてそのようなさらに高次の成分の振幅は一般に四重極項成分に比較して小さい。
【００１４】
四重極マスフィルタにおいて、イオンは四重極の軸に沿って電場内に注入される。一般に、電場はこれらのイオンに複雑な軌道を与え、軌道は安定または不安定と表すことができる。安定となる軌道に対し、四重極の軸に垂直な面内におけるイオン運動の振幅強度は軸からロッドまでの距離（ｒ０）より小さいままでなければならない。安定軌道をもつイオンは四重極電極系の軸に沿って進行することになり、四重極から別の処理段または検出装置に送られ得る。不安定軌道をもつイオンは四重極電極系のロッドと衝突し、四重極電極系を通過しない。
【００１５】
特定のイオンの運動は質量分析器のマシューパラメータａ及びｑによって制御される。正イオンに対し、これらのパラメータは接地に対して端子から印加される電位の特性に式（６）：
【数８】
2006524413.tif 000010
【００１６】
のように関係付けられ、ここで、ｅはイオンの電荷、ｍイオンはイオン質量、Ω＝２πｆ、ｆはＲＦ周波数、Ｕは極と接地の間のＤＣ電圧、Ｖはそれぞれの極と接地の間のゼロ−ピークＲＦ電圧である。電位が異なる極対−接地間電圧によって印加される場合、Ｕ及びＶはそれぞれ、ロッド対間のＤＣ電位及びゼロ−ピークＡＣ電位の１/２である。ｘ及びｙ方向のいずれにも安定なイオン運動を与えるａ及びｑの組合せは通常、安定図上に示される。
【００１７】
マスフィルタとしての動作では、四重極内の圧力は、バックグラウンドガスによる散乱によるイオンの損失を防止するため、比較的低く保たれる。一般に圧力は５×１０−４Ｔｏｒｒ（６.６６６×１０−２Ｐａ）より低く、５×１０−５Ｔｏｒｒ（６.６６６×１０−３Ｐａ）より低いことが好ましい。さらに一般的には、四重極マスフィルタは通常、１×１０−６Ｔｏｒｒ（１.３３３×１０−４Ｐａ）から５×１０−４Ｔｏｒｒの圧力範囲で動作させる。さらに低い圧力を用いることができるが、１×１０−６Ｔｏｒｒより圧力を低くしても散乱損失は通常、極めて僅かしか低減されない。
【００１８】
同様に、線型四重極をマスフィルタとして動作させる場合、ＤＣ及びＡＣ（Ｕ及びＶ）は特定の１つの質量対電荷比をもつイオンが、上述したように、ちょうど安定領域の頂点域内に入るように調節される。通常、イオンは連続して四重極の入射端に導入され、連続して射出端で検出される。通常、入射端及び射出端における阻止電位によってイオンが四重極内に閉じ込められることはない。これに対する例外が非特許文献２及び非特許文献３に示されている。これらの文献には、分解能を改善するために四重極内にマルチパスを与えるため、四重極の入射端及び射出端においてイオンが電極から反射される実験を記載している。やはり、四重極を低圧で動作させ、第１安定領域の頂点域に注目するイオンを入れるためにＤＣ及びＡＣ電圧が調節されているが、これらの文献にはその圧力が述べられていない。
【００１９】
対照的に、線型四重極をイオントラップとして動作させる場合、ＤＣ及びＡＣ電圧は通常、広い質量対電荷比範囲のイオンが閉じ込められるように調節される。イオンは連続的に導入され、引き出されることはない。あるいは初めにイオンがトラップに注入される（あるいは、以下で説明されるように、別のイオンのフラグメント化または中生種のイオン化によって、トラップ内でつくられる）。イオンは次いでトラップ内で処理され、続いて質量選択スキャンによってトラップから取り出されるか、または、説明されるように、さらなる処理または質量分析のためにトラップから出される。イオントラップは四重極マスフィルタよりかなり高い圧力、例えば３×１０−３Ｔｏｒｒ（０.４Ｐａ）のヘリウム（非特許文献４）あるいは７×１０−３Ｔｏｒｒ（０.９３３Ｐａ）までの窒素（非特許文献５及び非特許文献６）で動作させることができる。一般に、イオントラップは、１０−１Ｔｏｒｒ（１３.３３Ｐａ）ないしさらに低い圧力、好ましくは１０−５〜１０−２Ｔｏｒｒ（１.３３３×１０−３〜１.３３３Ｐａ）の範囲で動作する。さらに好ましくは、イオントラップは１０−４〜１０−２Ｔｏｒｒ（１.３３３×１０−２〜１.３３３Ｐａ）の範囲で動作する。しかし、イオントラップは特殊用途のためにかなり低い圧力（例えば１０−９ミリバール（１０−７Ｐａ）（非特許文献７））でも動作させることができる。高圧力における動作の場合は、ガスを高圧源領域からトラップに流し込むことができ、あるいは独立ガス源及び流入口によってトラップに加えることができる。
【００２０】
近年、２次元四重極イオントラップの安定境界におけるイオンの射出による質量選択スキャンの実施が注目されている（例えば、特許文献２及び非特許文献４を参照されたい）。２次元イオントラップにおいて、イオンは２次元四重極場によって径方向に閉じ込められ、トラップの端にある電極に印加される阻止電位によって軸方向に閉じ込められる。イオンは、イオンがそれぞれの安定限界に達し、射出されて質量スペクトルを生じるように、ＲＦ電圧を高めていくことによって、ロッドセットの１本または複数本のロッドの、１つまたは複数のアパーチャを通して外部検出器に射出される。
【００２１】
イオンは、以下で説明されるように、ロッドに補助または補足励起電圧を印加してイオンの運動周波数においてイオンを共鳴励起することによって、１本または複数本のロッドの、１つまたは複数のアパーチャを通して射出することもできる。これは、特定のｑ値、例えばｑ＝０.８でイオンを射出するために用いることができる。トラップＲＦ電圧を調節することにより、様々な質量対電荷比をもつイオンが励起電圧によって共鳴状態に入れられ、射出されて質量スペクトルを生じる。あるいは、様々な質量をもつイオンを射出するために励起周波数を変えることができる。最も一般的には、ロッドを通してイオンを射出して質量スペクトルを生じさせるために、励起及びトラップ電圧の周波数、振幅及び波形を制御することができる。
【００２２】
質量分析に用いられるマスフィルタの効率は、所望の質量対電荷比をもつイオンを保持することができ、残りのイオンを廃棄することができる能力にある程度依存する。このことは、続いて、（１）選択されたイオンに安定軌道を確実に与え、また（２）選択されないイオンに不安定軌道を確実に与える、四重極電極系に依存する。これらの要因はいずれも、質量スキャンにおいてイオンが安定限界に近づくときにイオンが射出される速度を制御することによって改善され得る。
【００２３】
質量分析（ＭＳ）の多くはイオンのフラグメント化及びその後のフラグメントの質量分析を含むであろう（縦連質量分析法）。衝突ガスによる衝突誘起解離（ＣＩＤ）またはその他の手段（例えば、表面との衝突またはレーザによる光解離）によっておこるイオンフラグメント化の前に特定の１つまたは複数の質量対電荷比をもつイオンの選択が用いられることが多い。フラグメントイオンは特定の前駆体イオンのフラグメント化からつくられているから、これにより、得られたフラグメントイオンの同定が容易になる。３連四重極質量分析計システムにおいて、イオンは四重極マスフィルタによって質量選択され、イオンガイド内でガスと衝突し、得られたフラグメントイオンの質量分析が別の四重極マスフィルタにおいて行われる。イオンガイドは通常、広い範囲の質量対電荷比をもつイオンをイオンガイドの軸を通過する方向に閉じ込めて、下流の四重極質量分析器にイオンを送るために、無線周波数電圧だけを電極間に印加して動作させる。３次元イオントラップ質量分析計において、イオンは３次元四重極場によって閉じ込められ、前駆体イオンが他の全てのイオンを共鳴射出することによるかまたはその他の手段によって単離され、前駆体イオンが衝突ガスの存在の下で共鳴または別の手段によって励起され、トラップ内で形成されたフラグメントイオンは引き続いて射出されてフラグメントイオンの質量スペクトルを生じる。線型四重極イオントラップにイオンを閉じ込めることにより縦連質量分析法を実施することもできる。広い範囲の質量対電荷比のイオンを閉じ込めるために無線周波数電圧を電極間に印加して四重極を動作させる。次いで、不要なイオンの共鳴射出またはその他の手段によって前駆体イオンを単離することができる。次いで前駆体イオンが衝突ガスの存在の下で共鳴励起されるかまたはその他の手段によって励起され、次いでフラグメントイオンが質量分析される。質量分析は、イオンが線型イオントラップを出て飛行時間型質量分析器のような別の質量分析器に入ることを可能にする（非特許文献５及び非特許文献６）ことによって、またはイオンを１本または複数本のロッドの１つまたは複数のアパーチャを通して外部のイオン検出器に射出する（特許文献２及び非特許文献４）ことによって、行うことができる。あるいは、フラグメントイオンを質量選択態様で軸方向に射出（非特許文献８及び特許文献３）できる。ＭＳｎは、質量選択段階にイオンフラグメント化段階が続き、さらにイオン選択、イオンフラグメント化及び質量分析段階が続く、合計してｎ段の質量分析段階を意味する。
【００２４】
質量分析と同様に、ＣＩＤは、イオンを２次元または３次元に閉じ込める、無線周波数電場を通してイオンを運動させることによって補助される。しかし、選択された質量対電荷比をもつイオンに安定軌道を与え、選択されない質量対電荷比をもつイオンに不安定軌道を与えるために電場を用いる線型四重極マスフィルタにおける通常の質量分析とは異なり、ＣＩＤとともに用いられる四重極電場は、広い範囲の質量対電荷比のイオンに安定であるが振動する軌道を与えるようにはたらく。２次元イオントラップにおいて、この運動の共鳴励起は振動するイオンをフラグメント化するために用いることができる。しかし、イオンに与えられる振動軌道にはトレードオフがある。振幅が非常に小さい運動がイオンに与えられる場合には、フラグメント化は僅かしかおこらないであろう。しかし、与えられる振動の振幅が大きくなるほど、おこるフラグメント化は多くなるが、振動振幅が十分に大きければ、イオンの内のいくつかは不安定軌道を有し、失われるであろう。イオンフラグメント化とイオン射出の間には競合関係がある。したがって、フラグメント化を誘起するに十分なエネルギーをイオンに与えるが、イオンを失うほど大きなエネルギーは与えないためには、トラップ電場及び励起電場の両方を慎重に選択する必要がある。
【００２５】
したがって、イオン選択及びイオンフラグメント化のいずれに関しても、マスフィルタ及びイオントラップに対して２次元四重極電場を改善することが継続的に必要とされている。特に、線型イオントラップにおけるイオンフラグメント化に対して、フラグメント化を誘起するに十分にエネルギーが高いがイオン射出を防止するに十分に安定な振動運動を与える電場を提供する四重極電極系が望ましい。マスフィルタまたはイオントラップにおいて安定境界における射出によるかまたは共鳴励起によるイオン選択に対しても、イオンをより迅速に射出させ、よってより高速なスキャン速度及びより高い質量分解能を可能にする電場を提供する、四重極電極系が望ましい。
【特許文献１】米国特許第２９３９９５２号明細書
【特許文献２】米国特許第５４２０４２５号明細書
【特許文献３】米国特許第６１７７６６８号明細書
【非特許文献１】ダグラス（Douglas）等，Russian Journal of Technical Physics，１９９９年，第６９巻，ｐ.９６〜１０１
【非特許文献２】マーン・エイチ・アマド（Ma'an H. Amad）及びアール・エス・ホウク（R. S. Houk），「マルチパス四重極質量分析器による高分解能質量分析法（High Resolution Mass Spectrometry With a Multiple Pass Quadrupole Mass Analyzer）」，Analytical Chemistry，１９９８年，第７０巻，ｐ.４８８５〜４８８９
【非特許文献３】マーン・エイチ・アマド及びアール・エス・ホウク，「マルチパス四重極質量分析器による１１,０００から２２,０００の質量分解能（Mass Resolution of 11,000 to 22,000 With a Multiple Pass Quadrupole Mass Analyzer）」，Journal of the American Society for Mass Spectrometry，２０００年，第１１巻，ｐ.４０７〜４１５
【非特許文献４】ジェイ・シー・シュワルツ（J. C. Schwartz），エム・ダブリュー・センコ（M. W. Senko），ジェイ・イー・ピー・サイカ（J. E. P. Syka），「２次元四重極イオントラップ質量分析計（A Two-Dimensional Quadrupole Ion Trap Mass Spectrometer）」，Journal of the American Society for Mass Spectrometry，２００２年，第１３巻，ｐ.６５９〜６６９；２００２年４月２６日，エルスビア・サイエンス社（Elsevier Science Inc.）よりオンライン出版
【非特許文献５】ジェニファー・キャンベル（Jennifer Campbell），ビー・エイ・コリングス（B. A. Collings）及びディー・ジェイ・ダグラス（D. J. Douglas），「縦連質量分析能力をもつ新しい線型イオントラップ飛行時間システム（A New Linear Ion Trap Time of Flight System With Tandem Mass Spectrometry Capabilities）」，Rapid Communications in Mass Spectrometry，１９９８年，第１２巻，ｐ.１４６３〜１４７４
【非特許文献６】ビー・エイ・コリングス，ジェイ・エム・キャンベル（J. M. Campbell），ダンミン・マオ（Dunmin Mao）及びディー・ジェイ・ダグラス，「改善された性能及びＭＳｎ能力をもつ結合線型イオントラップ飛行時間システム（A Combined Linear Ion Trap Time of Flight System With Improvrd Performance and MSn Capabilities）」，Rapid Communications in Mass Spectrometry，２００１年，第１５巻，ｐ.１７７７〜１７９５
【非特許文献７】エム・エイ・エヌ・ラズヴィ（M. A. N. Razvi），エックス・ワイ・チュー（X. Y. Chu），アール・アルハイト（R. Alheit），ジー・ワース（G. Werth）及びアル・ブラメル（R. Blumel），「ポールトラップ内のイオン雲の分数周波数集団パラメトリック共鳴（Fractional Frequency Collective Parametric Resonances of an Ion Cloud in a Paul Trap）」，Physical Review A，１９９８年，第５８巻，ｐ.Ｒ３４〜Ｒ３７
【非特許文献８】ジェイ・ヘイガー（J. Hager），「新しい線型イオントラップ質量分析計（A New Linear Ion Trap Mass Spectrometer）」，Rapid Communications in Mass Spectrometry，２００２年，第１６巻，ｐ.５１２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
本発明の課題は、線型イオントラップにおけるイオンフラグメント化に対して、フラグメント化を誘起するに十分にエネルギーが高いがイオン射出を防止するに十分に安定な振動運動を与える電場を与え、マスフィルタまたはイオントラップにおいて安定境界における射出によるかまたは共鳴励起によるイオン選択に対しても、イオンをより迅速に射出させ、よってより高速なスキャン速度及びより高い質量分解能を可能にする電場を与えるための手段を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
本発明の第１の態様の目的は改善された質量分析計動作方法を提供することである。
【００２８】
本発明のこの第１の態様にしたがえば、細長いロッドのセットを有し、ロッドセットが入射端及び射出端及び軸線を有する質量分析計の動作方法が提供される。。本方法は、（ａ）イオンをロッドセットの入射端に通す工程、（ｂ）ロッドセットの射出端に隣接する射出部材に障壁電場をつくることにより、及びロッドセットの少なくとも射出端に隣接するロッドセットのロッド間にＲＦ電場をつくることにより、イオンの内の少なくともいくつかをロッドセット内にトラップする工程、（ｃ）ロッドセットの射出端に隣接する引出し領域においてＲＦ電場と障壁電場が相互作用してフリンジ電場をつくる工程及び（ｄ）引出し領域においてイオンのエネルギーを高めて、選択された質量対電荷比をもつ少なくともいくつかのイオンをロッドセットから障壁電場を通して軸方向に質量選択的に射出する工程を含む。ＲＦ電場は、振幅がＡ２の四重極高調波成分、振幅がＡ４の八重極高調波成分及び振幅がＡ８の十六重極高調波成分を有する２次元の実質的な四重極電場であり、Ａ８はＡ４より小さく、Ａ４はＡ２の０.１％より大きい。
【００２９】
本発明の第２の態様の目的は改善された質量分析計システムを提供することである。
【００３０】
本発明のこの第２の態様にしたがえば、（ａ）イオン源、（ｂ）ロッドセットであって、イオン源からのイオンを入射させるための入射端及びロッドセットの軸線を通過するイオンを射出するための射出端を有する主ロッドセット、（ｃ）主ロッドセットの射出端に隣接する射出部材、（ｄ）使用時に、（ｉ）主ロッドセットに通されたイオンの内の少なくともいくつかがロッドセット内にトラップされ、（ii）ＲＦ電場及び障壁電場の相互作用が射出端に隣接するフリンジ電場をつくるように、主ロッドセットのロッド間にＲＦ電場をつくり、射出端に障壁電場をつくるために主ロッドセット及び射出部材に接続される電源手段、及び（ｅ）ＡＣ電圧がフリンジ電場の近傍にトラップされているイオンを射出端から質量に依存して軸方向に射出するように、主ロッドセットのロッド及び射出部材の内の１つに接続されるＡＣ電圧源を備える質量分析計システムが提供される。ＲＦ電場は、振幅がＡ２の四重極高調波成分、振幅がＡ４の八重極高調波成分及び振幅がＡ８の十六重極高調波成分を有する２次元の実質的な四重極電場であり、Ａ８はＡ４より小さく、Ａ４はＡ２の０.１％より大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
ここで、添付図面を参照しながら、好ましい実施形態を詳細に説明する。
【００３２】
図１を参照すれば、従来技術にしたがう四重極ロッドセット１０が示されている。四重極ロッドセット１０はロッド１２，１４，１６及び１８からなる。ロッド１２，１４，１６及び１８は、半径がｒ０の円Ｃにロッドが内接するように、軸２０の周りに対称に配置される。理想的四重極電場をつくるために、ロッド１２，１４，１６及び１８の断面は双曲線形であって、無限長を有することが理想的であるが、一般には円断面のロッドが用いられる。通常そうであるように、対向するロッド１２及び１４が結合されて端子２２に接続され、対向するロッド１６及び１８が結合されて端子２４に接続される。端子２２と接地の間に電位Ｖ（ｔ）＝＋（Ｕ−ＶｃｏｓΩｔ）が印加され、端子２４と接地の間に電位Ｖ（ｔ）＝−（Ｕ−ＶｃｏｓΩｔ）が印加される。通常通りマスフィルタとして動作させる場合、以下で説明されるように、質量分解能のため、印加電場はＤＣ成分及びＡＣ成分のいずれをも有する。マスフィルタまたはイオントラップとしての動作に対し、印加電場は少なくともある程度はＡＣ成分を有する。すなわち、ＡＣ電位は必ず印加されるであろうが、ＤＣ電位は印加されることが多いとはいえ、印加されるとは限らないであろう。ＡＣ成分は通常ＲＦ範囲にあり、一般には約１ＭＨｚであろう。周知の通り、ＲＦ電圧だけが印加される場合もある。正ＤＣ電位が印加されるロッドセットは正ロッドと称することができ、負ＤＣ電位が印加されるロッドセットは負ロッドと称することができる。
【００３３】
上述したように、特定のイオンの運動は質量分析器のマシューパラメータａ及びｑによって制御される。これらのパラメータは接地に対して端子２２及び２４から印加される電位の特性に式（６）：
【数９】
2006524413.tif 000011
【００３４】
のように関係付けられ、ここで、ｅはイオンの電荷、ｍイオンはイオン質量、Ω＝２πｆ、ｆはＲＦ周波数、Ｕは極と接地の間のＤＣ電圧、Ｖはそれぞれの極と接地の間のゼロ−ピークＲＦ電圧である。Ｘ及びＹ方向のいずれにおいても安定なイオン運動を与えるａとｑの組合せが図２の安定度図に示される。安定領域に対する図２の表示は、ピー・エイチ・ドーソン（P. H. Dawson）編，「四重極質量分析法及びその応用（Quadrupole Mass Spectrometry and its Application）」，American Vacuum Society Classics，（アムステルダム），エルスビア（Elsevier），１９７６年，ｐ.１９〜２３及び７０からとられた。「第１」安定領域は（ａ,ｑ）＝（０.２,０.７）近傍の領域を指し、「第２」安定領域は（ａ,ｑ）＝（０.０２,７.５５）近傍の領域を指し、「第３」安定領域は（ａ,ｑ）＝（３,３）近傍の領域を指す。多くの（実際には無限の数の）安定領域があることに注意することが重要である。所望の安定領域の選択及び選択される頂点域またはそれぞれの領域における動作点は目的とする用途に依存するであろう。
【００３５】
四重極電場における方向ｕのイオン運動は式（７）：
【数１０】
2006524413.tif 000012
【００３６】
で表すことができ、ここで、ξ＝Ωｔ/２であり、ｔは時間であって、Ｃ２ｎはａ及びｑの値に依存し、Ａ及びＢはイオンの初期の位置及び速度に依存する（例えば、アール・イー・マーチ（R. E. March）及びアール・ジェイ・ヒューズ（R. J. Hughes）著，「四重極蓄積質量分析法（Quadrupole Storage Mass Spectrometry）」，（トロント），ジョン・ワイリー・アンド・サンズ（John Wiley and Sons），１９８９年，ｐ.４１を参照されたい）。βの値がイオン振動の周波数を決定し、βはａ及びｑの関数である（ピー・エイチ・ドーソン編，「四重極質量分析法及びその応用」，American Vacuum Society Classics，（アムステルダム），エルスビア，１９７６年，ｐ.７０）。式（７）から、２次元四重極四電場におけるＸ方向のイオン運動の角周波数（ωｘ）及びＹ方向のイオン運動の角周波数（ωｙ）は式（８）：
【数１１】
2006524413.tif 000013
【００３７】
及び式（９）
【数１２】
2006524413.tif 000014
【００３８】
で与えられ、ここで、ｎ＝０,±１,±２,±３,...，０≦βｘ≦１，０≦βｙ≦１であり、βｘ及びβｙはそれぞれｘ方向及びｙ方向の運動に対するマシューパラメータａ及びｑ（式（６））によって決定される。
【００３９】
線型四重極にさらに高次の電場高調波成分が存在する場合、いわゆる非線形共鳴がおこり得る。例えば、ドーソン及びウェットン（ピー・エイチ・ドーソン及びエヌ・アール・ウェットン（N. R. Whetton），「不完全電場による四重極質量分析計における非線形共鳴（Non-Linear Resonance in Quadrupole Mass Spectrometers Due to Imperfect Fields）」，International Journal of Mass Spectrometry and Ion Physics，１９６９年，第３巻，ｐ.１〜１２）によって示されるように、非線形共鳴は式（１０）： 
【数１３】
2006524413.tif 000015
【００４０】
が成立するときにおこり、ここで、Ｎは電場高調波成分の次数であり、Ｋは整数であって値Ｎ,Ｎ−２,Ｎ−４,...をとることができる。非線形共鳴を生じるβｘとβｙの組合せは安定度図上で線で表される。非線形共鳴がおこる場合、そうでなければ安定運動を行うであろうイオンが不安定運動を行い、四重極電場から失われる場合がある。これらの効果は、線型四重極がマスフィルタとして用いられる場合に比較して線型四重極がイオントラップとして用いられる場合にさらに強くなると考えられる。線型四重極がイオントラップとして用いられる場合、非線形共鳴が強くなるにかかる時間が長くなる。したがって、以前は、２次元四重極電場に存在する八重極及びその他のさらに高次の多重極の成分のレベルは可能な限り小さくあるべきであると考えられていた。
【００４１】
発明者等は、以下に説明されるように、電場に八重極成分を付加することによって、イオン選択及びイオンフラグメント化のいずれに関しても、質量分析計に用いられる２次元四重極電場を改善できることを確認した。付加される八重極成分は計装または測定誤差から生じる八重極成分よりはるかに大きい。詳しくは、これらの誤差から生じる八重極成分は一般に０.１％よりかなり小さい。対照的に、本発明による八重極成分Ａ４は一般にＡ２の１から４％の範囲にあり、Ａ２の６％もの大きさに、あるいはさらに大きくさえ、なり得る。したがって、主トラップ四重極電場への八重極成分の導入による利点を実現するためには、主トラップ四重極電場にあるレベルの八重極電場不完全性が意図的に導入されるが、他の電場不完全性の導入は制限される、電極系を構成することが望ましい。八重極電場は、Ｘ方向及びＹ方向で異なる、電極系を構成することによって付加することができる。
【００４２】
線型四重極に実質的な八重極成分を意図的に導入し、同時にその他のさらに高次の高調波成分からの寄与は最小限に抑える方法は示されたことがない。「四重極マスフィルタの光学特性（Optical Properties of Quadrupole Mass Filters）」，Advances in Electronics and Electron Physics，１９８０年，第５３巻，ｐ.１５３〜２０８のｐ.１９５で、ピー・エイチ・ドーソンは対向するロッドを互いに外向きに移動させると電場に八重極成分が付加されるであろうことを示した。しかし、発明者等はこれにより電位に八重極項と同様の大きさの十二重極項（Ａ６）及び十六重極（Ａ８）項も付加されることを計算で得た。発明者等は電位に八重極項を、他の高調波成分はかなり小さく保ちながら、付加するための方法を見いだした。本発明の様々な実施形態にしたがう四重極電極系が以下に説明される。図３を参照すれば、四重極ロッドセットが断面図で示されている。本四重極ロッドセットはＸロッド１１２及び１１４，Ｙロッド１１６及び１１８、並びに四重極軸１２０を有する。図３には本発明の以下の実施形態のいずれの説明にも用いられる表記が導入されている。詳しくは、ＶｙはＹロッド１１６及び１１８に与えられる電圧であり、ＲｙはこれらのＹロッド１１６及び１１８の半径であって、ｒｙは四重極軸１２０からのＹロッド１１６及び１１８の径方向距離である。
【００４３】
同様に、ＶｘはＸロッド１１２及び１１４に与えられる電圧であり、ＲｘはこれらのＸロッド１１２，１１４の半径であって、ｒｙは四重極軸１２０からのＸロッド１１２及び１１４の径方向距離である。図３においてはＲｙがＲｘより小さいように示されているが、その必要はないことが当業者には明らかであろう。詳しくは、これらの項は四重極電極系に幾何学的変形をどのように導入すれば発生する電場に所望の効果を有し得るかを示すために導入されているに過ぎない。
【００４４】
発明者等は、Ｙロッドの直径をＸロッドの直径と実質的に異ならせることによって四重極電場に八重極成分を付加し得ることを確認した。そのような系における電場を調べるため、ｒｙ＝Ｒｘ＝ｒｘとする。次いでＹロッド半径（Ｒｙ）を変えた。この場合の、計算された電場高調波成分振幅が図４に示される。この計算では、ロッドは半径Ｒｇ＝８ｒｘの関係にある。
【００４５】
図４の電場高調波成分振幅で表される電位計算により、八重極成分が実質的に付加された四重極電場をつくるために本方法が有用であることが示される。Ｙロッド１１６及び１１８がＸロッド１１２及び１１４より大きな直径を有するときに、八重極電場が存在し、その他のさらに高次の高調波成分は比較的小さな振幅を有する。四重極成分はほとんど変わらないままである（四重極成分に対するデータは示されていない）。
【００４６】
上述したように、Ｙロッドの直径をＸロッドの直径に比較して大きくすることによるだけで実効的四重極電極系を構成することができる。しかし、本方法では実質的な定電位がつくられる。その値Ａ０は八重極電場の振幅Ａ４にほとんど等しい。実効的四重極電極系が電場に実質的な定電位を発生させ得る以上、好ましくは、定電位は可能な限り小さく保たれるべきである。この場合、大径ロッドは、小径ロッドと同じ距離に配置された場合に軸電位に影響を及ぼすため、定電位が生じる。軸電位は２つの異なる方法、（１）中心軸１２０から大径ロッドまでの距離を大きくする方法、及び（２）Ｘロッド及びＹロッドの間に電圧不平衡を生じさせる方法（通常、Ｙロッドの電圧はＸロッドの電圧に等しいが、符号は逆である）で除去できる。これらの２つの方法を以下で論じる。
【００４７】
１．中心軸１２０からＹロッド１１６及び１１８までの距離を大きくする
計算においては先と同じくＲｘ＝ｒｘとする。次いでｒｘより大きないずれかのＲｙの値をとり、ゼロ定電位を与える値ｒｙの値を見いだす。この値は、中心軸からの「ゼロ」Ｙ距離ｒｙ０と呼ばれる。ｒｙ０対Ｒｙのグラフが図５に示される。これがなされると、さらに高次の高調波成分振幅が若干変化し、もはや図４では与えられない。ロッドが動かされた場合に対する、さらに高次の高調波成分振幅が図６に示される。Ａ２項は図５に示されている。
【００４８】
計算は、定電位がゼロであり、与えられた比率で八重極電場が四重極電場に対して存在し、その他のさらに高次の電場高調波成分は比較的小さな値を有する、幾何学的電極構造を構成することが可能であることを示す。Ａ０＝０とするためにロッドが中心軸から不等の距離にある場合、この問題に対する最良の解はＡ６＝０となる点（図６参照）である。これは「最適」幾何学的電極構造と呼ばれる。この点でのＲｙの値Ｒｙ,最適はほぼ１.４３・ｒｘである。この場合について計算された高調波成分振幅が表１に示される。等電位線が図７に示される。
【表１】
2006524413.tif 000016
【００４９】
２．ＸロッドとＹロッドの間の電圧平衡ずれ
ｒｘ＝Ｒｘ＝ｒｙを維持し、電圧不平衡を加えることにより、ゼロの軸電位を達成することができる。通常は、Ｙロッド電圧がＸロッド電圧に等しいが、符号は反対の、Ｖｙ＝−Ｖｘであるように、電圧が印加される。これは４本の等直径ロッドからなる系でゼロの軸電位を与える。Ｙロッド１１６及び１１８がＸロッド１１２及び１１４より大きい直径を有する場合、軸電位はＹロッド電位の影響を受けるであろう。これは非ゼロ軸電位を与える。この効果は電圧不平衡によって除去することができる。Ｘロッド及びＹロッド上の電圧の総和が主トラップ電圧の２倍に等しい、すなわち、式（１１）：
【数１４】
2006524413.tif 000017
【００５０】
とする。
【００５１】
ゼロ軸電位を達成するため、大径ロッド対の電圧が若干低められ、小径ロッド対の電圧が若干高められるであろう。大径ロッド対を第１ロッド対と呼び、小径ロッド対を第２ロッド対と呼ぶ。したがって、第１ロッド対の電圧が若干低められて、｜Ｖ１/Ｖ（ｔ）｜＝（１―ε）とされ、第２ロッド対の電圧が高められて、｜Ｖ２/Ｖ（ｔ）｜＝１＋εとされるであろう。εの値は式（１２）：
【数１５】
2006524413.tif 000018
【００５２】
で与えられる。
【００５３】
ここでＡ０は図４に与えられる数値である。自由空間内の４ロッド系については、これは正確な結果である。図４に示される計算に用いたような、半径Ｒｇ＝８ｒｘの四重極の場合、これは真の値に極めて近い。電場計算の例が表２に示される。
【表２】
2006524413.tif 000019
【００５４】
前述は、４本の平行な円柱の系においてある値の八重極高調波成分をもつ２次元四重極電場をどのようにつくるかを説明するものである。Ａ６及びＡ８はゼロであるかまたは可能な限り０に近いことが好ましい。
【００５５】
（ほぼ３％の）八重極電場が付加された四重極電場をつくるためには、表１に示される幾何学的寸法をもつ電極を構成することが有用である。さらに大きいかまたは小さい八重極電場については、図４〜６から幾何学的寸法を決定することができる。
【００５６】
イオンフラグメント化
２次元四重極電場に八重極成分を付加することにより、電場から射出せずにより長い時間にわたってイオンを励起することが可能になる。一般に、イオン射出とイオンフラグメント化の間の競合において、このことはイオンフラグメント化に有利である。
【００５７】
イオンが双極子場で励起される場合、励起電圧には式（８）または（９）で与えられる周波数が必要である。エム・シュダコフ（M. Sudakov），エヌ・コネンコフ（N. Konenkov），ディー・ジェイ・ダグラス及びティー・グレボヴァ（T. Glebova），「四重極電場に閉じ込められたイオンの四重極励起による励起周波数（Excitation Frequencies of Ions Confined in a Quadrupole Field With Quadrupole Excitation）」，Journal of the American Society for Mass Spectrometry，２０００年，第１１巻，ｐ.１０〜１８に示されるように、イオンが四重極電場で励起される場合、励起角周波数は式（１３）：
【数１６】
2006524413.tif 000020
【００５８】
で与えられ、ここで、Ｋ＝１,２,３,...及びｍ＝０,±１,±２,±３,...である。四重極電場にさらに高次の電場高調波成分の小さな寄与が付加された場合、双極子または四重極の、励起電場もさらに高次の高調波成分からの小さな寄与を含み得ることはもちろんである。
【００５９】
図８Ａを参照すれば、ｒ０の分率としてのイオンの計算された変位がＲＦ周期単位の時間に対して示されている。総時間長は５０００周期である。この場合、四重極ロッドに直流電圧は印加されず（Ｕ＝０）、Ｖ＝１２４.２９ボルトの無線周波数電圧が印加されている。マシューパラメータａ及びｑはそれぞれ０.０００００及び０.２１０３００であり、これらは第１安定領域にある。イオン運動は線形減衰している（すなわち、イオン速度に一次比例する、ガスによるイオンへの抗力がある）。無線周波数は７６８ｋＨｚであり、ｒ０は４.０ｍｍに等しい。イオンの質量及び電荷はそれぞれ６１２及び１である。衝突ガスの質量は２８（窒素）であり、温度は３００ケルビンである。イオンとガスの間の衝突断面積は２００.０Å２であり、ガスの圧力は１.７５ｍＴｏｒｒ（０.２３３Ｐａ）である。Ｘ方向でのイオンの初期変位は０.１ｒ０である。Ｙ方向でのイオンの初期変位は０.１ｒ０である。Ｘ方向及びＹ方向のイオンの初期速度はゼロである。軌道計算は八重極成分が付加されていない理想的四重極電場について行っている。図８Ａに示される軌道においてイオン運動の励起はない。
【００６０】
図８Ａから、いかなる高次項もない、単純な四重極電場が電極系によってつくられ、イオン運動の励起がない場合に、イオンが一般に減退する運動エネルギー量を有することが明らかである。イオンは２次元四重極電場を通って運動し、例えば、ディー・ジェイ・ダグラス及びジェイ・ビー・フレンチ（J. B. French），「無線周波数四重極における衝突収束効果（Collisional Focusing Effects in Radio Frequency Quadrupoles）」，Journal of the American Society for Mass Spectrometry，１９９２年，第３巻，ｐ.３９８〜４０８に論じられているように、径方向及び軸方向でエネルギーを失う。この結果、イオンは閉じ込められ、四重極の中心線に向かって動き、フラグメント化は最小である。図８Ｂを参照すれば、イオンの電子ボルト（ｅＶ）単位の運動エネルギーは極めて小さい。実際、運動エネルギーは極めて小さいため、図８Ｂではほとんどゼロであるように見える。イオンが電場内で振動すると、運動エネルギーはゼロと時間とともに小さくなる最大値の間で変化する。図８Ｃを参照すれば、Ｘ方向のイオンの変位に対するＹ方向のイオンの変位がグラフにプロットされている。図８Ｃから、イオンの運動が、この軌道については、Ｘ変位とＹ変位が実質的に等しい非常に小さな領域内に強く制限されることがわかる。これは、この単純な軌道に対する初期条件の結果である。
【００６１】
図９Ａを参照すれば、ｒ０の分率としてのイオンの変位が、四重極ＲＦ電場の周期を単位とする時間に対してプロットされている。図９Ａのイオンには第２の電場がかかっている。この第２の電場の発生において、Ｘロッド１１２と１１４の間に双極子励起電圧が印加されているが、Ｙロッド１１６及び１１８の間には双極子励起電圧が印加されていない。この双極子励起電圧の振幅は０.３０Ｖであり、周波数は５７.６ｋＨｚであって、これは式（８）においてｎ＝０に対応する。その他のパラメータはすべて図８Ａと同じままである。
【００６２】
図８Ａの軌道とは異なり、Ｘ方向の変位の振幅はかなり大きくなっている。Ｘ方向のイオン変位振幅が大きくなるにつれて、イオンの運動エネルギーも大きくなる。しかし、振幅が大きくなりすぎ、イオンにあまりのも多くの運動エネルギーが与えられるので、イオンはＸロッドに衝突し、２１０周期後に失われる。このことは、図９Ａのイオンに与えられる電子ボルト（ｅＶ）単位の運動エネルギーが四重極ＲＦ電場の周期単位の時間に対してプロットされた、図９Ｂにも見ることができる。図示されるように、イオン運動のそれぞれの周期にわたって平均された運動エネルギーは、２１０周期まで、時間の経過に伴って大きくなり、２１０周期でイオンは失われる。図９Ｃを参照すれば、イオンの励起がＸ方向に強く局限されることがわかる。Ｙ方向の振動の振幅は、Ｘ方向の運動だけが励起されるから、小さいままである。
【００６３】
図１０Ａを参照すれば、ｒ０の分率としてのイオンの変位が、四重極ＲＦ電場の周期を単位とする時間に対して同じくプロットされている。四重極電場に２％の八重極電場が付加されたことを除いて、パラメータの全てが図９Ａと同じである。図１０Ａに示されるように、Ｘ方向のイオンの変位の振幅が初めに比較的高いｒ０分率（約０.８）まで大きくなり、次いで小振幅（約０.４）まで減衰する。このパターンは、八重極成分またはＮ≧３のその他の多重極成分が存在するときの、変位の振幅に依存するイオンの共鳴周波数の結果である。イオンの変位振幅が大きくなるにつれて、イオンの共鳴周波数は励起周波数に比例してシフトする（非調和振動子について、このシフトは、エル・ランダウ（L. Landau）及びイー・エム・リフシッツ（E. M. Lifshitz）著，「力学（Mechanics）」，（オクスフォード），第３版，パーガモント・プレス（Pergamont Press），１９６６年，ｐ.８４〜８７に説明されている）。イオン運動は励起周波数と位相がずれるようになり、したがって電場によりイオンに与えられるエネルギーが減少し、よってイオン運動の振幅が小さくなる。運動の振幅が小さくなると、イオンの共鳴周波数が再び励起電場の周波数と一致し、よってエネルギーが再びイオンに与えられ、イオン運動の振幅が再び大きくなる。図１０Ｂを参照すれば、イオンに与えられる、イオン運動のそれぞれの周期にわたって平均された運動エネルギーが時間の経過に伴って、最終的に安定状態に達するまで、漸次増加し、減少していることに、上記の関係を見ることができる。図１０Ｃを参照すれば、図９Ｃと同様に、双極子励起電圧がＸロッド１１２及び１１４だけに印加されるので、イオン運動はＸ方向に強く局限されていることがわかる。図９Ａと比較すると、図１０Ａの軌道で示されるように、八重極電場を付加することによって、イオンを電場から射出することなく、より長い時間にわたってイオンを励起することが可能になる。励起中、イオンはバックグラウンドガスとの強力な衝突によって内部エネルギーを蓄積し、最終的には、十分な内部エネルギーを得たときにフラグメント化する。すなわち、フラグメント化を誘起するためには、イオンを電場から射出することなく長時間にわたってイオンを励起できることが有利である。もちろん、八重極電場を電場の四重極成分に対して大きくしすぎてはならないことが当業者には理解されるであろう。
【００６４】
図１１Ａを参照すれば、四重極励起電場を受けるイオンの変位が四重極ＲＦ電場に周期を単位とする時間に対してプロットされている。Ｘロッド及びＹロッドの両者に印加される励起電圧の振幅はいずれも０.５Ｖであり、励起周波数は１１５ｋＨｚであって、これは式（１３）のｍ＝０及びＫ＝１に対応する。四重極電場に八重極成分は付加されていない。その他のパラメータは全て図８〜１０についてのパラメータと同じである。
【００６５】
図１１Ａに示されるように、イオン振動の振幅は３５０周期まで時間の経過に伴って徐々に大きくなり、３５０周期でイオンはＹロッドに衝突して失われる。図１１Ｂを参照すれば、イオンが受け取る、イオン運動のそれぞれの周期にわたって平均された運動エネルギーは３５０周期が経過するまで漸次増加し、３５０周期でイオンは失われる。図１１Ｃには、Ｙ方向のイオンの変位に対するＸ方向のイオンの変位がプロットされている。図８〜１０とは異なり、図１１Ｃのイオンは、失われる前に、四重極のＸＹ平面全体にわたって運動する。
【００６６】
図１２Ａを参照すれば、ｒ０の関数としてのイオンの変位が四重極ＲＦ電場の周期を単位とする時間に対してプロットされている。イオンは、八重極成分で補助されることを除き、全ての点において図１１Ａの電場と同様の電場を受ける。八重極成分は主四重極電場の２％である。その他の全てのパラメータは図１１のパラメータと同じままである。
【００６７】
図１０Ａと同様に、図１２Ａに示されるイオンの変位は、ほぼ０.８ｒ０の最大値に達するまで、従四重極励起により時間の経過に伴って漸次大きくなる。この点でイオンの共鳴周波数がシフトし、イオン運動は四重極励起電場の周波数と位相がずれる。したがって、変位が小さくなって、イオン運動は再び四重極励起電場の周波数と徐々に位相が合いはじめ、位相が合うとイオン変位の振幅が再び大きくなる。図１２Ｂを参照すれば、イオンの振動の一周期にわたって平均された運動エネルギーは約３５０周期に等しい時間まで増大し、約３５０周期で運動エネルギーは減少するが、イオン運動が再び四重極励起電場と位相が合うと、運動エネルギーは再び増大する。図１２Ｃを参照すれば、Ｙ方向のイオンの変位がＸ方向のイオンの変位に対してプロットされている。図１１Ｃと同様に、やはり、イオンが四重極のＸＹ平面全体にわたって運動することがわかる。すなわち、四重極励起では、双極子励起と同様に、電場への少量の八重極成分の付加により、イオンをかなり長い時間にわたって励起して、フラグメント化を誘起するためにイオンに与えることができる内部エネルギーを増大させることが可能になる。
【００６８】
四重極電場への八重極成分の付加により、トラップされたイオンの２次元四重極電場からの射出において可能なスキャン速度及び分解能を改善することもできる。射出は質量選択不安定性スキャンで、または共鳴射出により、行うことができ、これらはいずれも特許文献２に記載されている。これらの２つの場合を個別に考察する。
【００６９】
トラップされたイオンの安定境界における射出による質量分析
２次元イオントラップにおいて、イオンは２次元四重極場によって径方向に閉じ込められる。トラップされたイオンは、イオンが（第１安定領域に対してはｑ＝０.９０８にある）安定領域の境界に達し、射出されるように、ＲＦ電圧を高めることによって１本または複数本のロッドの１つまたは複数のアパーチャを通して外部検出器に射出することができる。３次元トラップとは異なり、四重極ＲＦ電場によるｚ方向でのイオンの閉じ込めはない。エム・シュダコフ，「非線型イオントラップにおける第１安定領域の境界近傍の実効電位及びイオン軸方向ビート運動（Effective Potential and the Ion Axial Beat Motion Near the Boundary of the First Stable Region in a Non-Linear Ion Trap）」，International Journal of Mass Spectrometry，２００１年，第２０６巻，ｐ.２７〜４３に示されるように、イオン射出方向に電場の正八重極成分がある場合、イオンは安定境界においてより迅速に射出され、したがって、質量選択安定度スキャンにおいて八重極成分がない場合よりも高い分解能及びスキャン速度が可能である。ここで「正」八重極成分は、電位及び電場の強度が中心からの距離とともに、純四重極場に対する場合におこるであろうより、急速に増加することを意味する。
【００７０】
発生する電場は小径ロッドの方向に最も強くなるであろう。したがって、正八重極成分は小径ロッドの方向に発生するであろう。よって、検出器は小径ロッドの外側に配置するべきである。
【００７１】
トラップされたイオンの共鳴射出による質量分析
八重極成分が存在する場合にも、イオンを共鳴励起によって線型四重極トラップから射出することができるが、より高い励起電圧が必要である。双極子励起では、射出に対する明確な閾電圧が生じる。したがって、イオンが共鳴励起で射出される場合、イオンは、トラップＲＦ電圧またはその他のパラメータが射出のためにイオンを共鳴させるように調節されると、安定状態から不安定状態に一層迅速に移行する。このことは、スキャン速度が高められ、共鳴励起によりスキャンの質量分解能が高められ得ることを意味する。
【００７２】
四重極励起では、２つの閾値を区別する必要がある。ビー・エイ・コリングス及びディー・ジェイ・ダグラス，「線型イオントラップにおける高次四重極励起周波数の観察（Observation of Higher Order Quadrupole Excitation Frequencies in a Linear Ion Trap）」，Journal of the American Society of Mass Spectrometry，２０００年，第１１巻，ｐ.１０１６〜１０２２及びエル・ランダウ及びイー・エム・リフシッツ著，「力学（Mechanics）」，（オクスフォード），第３版，パーガモント・プレス（Pergamont Press），１９６６年，ｐ.８０〜８７に論じられているように、イオンの運動が衝突によって減衰される場合、励起に対して閾電圧が存在する。これは本明細書で「減衰閾値」と称される。励起電圧が印加されている場合であっても、励起電圧が減衰閾値より低ければ、（図８Ａの軌道とある程度同様に）イオン運動の振幅は時間とともに指数関数的に小さくなる。励起強度が減衰閾値より高ければ、図１１Ａに見られるように、イオン運動の振幅は時間とともに指数関数的に大きくなり、イオンは射出され得る。八重極成分が存在し、減衰閾値より高い強度で励起されると、イオンは励起されるが、図１２Ａに示されるように、まだ電場によって閉じ込められている。しかし、四重極励起強度が高められると、イオンは射出され得る。すなわち、第２の閾値−イオン射出閾値−が存在する。このことは、双極子励起と同様に、共鳴射出により質量分析のスキャン速度及び分解能を高め得ることを意味する。
【００７３】
発生する電場は小径ロッドの方向に最も強くなるであろう。したがって、正八重極成分は小径ロッドの方向に発生するであろう。よって、検出器は小径ロッドの外側に配置するべきである。
【００７４】
マスフィルタとしての動作
上述した有意の八重極成分を有する四重極電場は、四重極マスフィルタとして有用であり得る。本明細書において「四重極マスフィルタ」は、例えば、ピー・エイチ・ドーソン編，「四重極質量分析法及びその応用」，（アムステルダム），エルスビア，１９７６年，ｐ.１９〜２２に述べられているような、質量スキャンを生じさせるように通常通りに動作させる線型四重極を意味して用いられる。電圧Ｕ及びＶは、選択された質量対電荷比をもつイオンが図２に示される第１領域のような安定領域の頂点の頂点域内で頂点に接するように調節される。質量がより大きいイオンはより小さいａ，ｑ値を有し、安定領域の外側にある。質量がより小さいイオンはより大きいａ，ｑ値を有し、同じく安定領域の外側にある。したがって、選択された質量対電荷比をもつイオンは四重極を通して四重極の出口にある検出器に送られる。電圧Ｕ及びＶは次いで、異なる質量対電荷比をもつイオンを入射させるために変えられる。次いで質量スペクトルを生じさせることができる。あるいは、よく周知の通り、異なる質量対電荷比の間で「ホップ」させるために四重極を用いることができる。ロッドに印加されるＤＣ電圧対ＲＦ電圧比（Ｕ/Ｖ）を変えることによって分解能を調節することができる。
【００７５】
マスフィルタとしての動作に対しては、線型四重極内の電位を可能な限り純四重極電場に近づけるべきであると考えられていた。電位への高次多重極項の付加によって数学的に表される、電場歪は一般に望ましくないと考えられていた（例えば、ピー・エイチ・ドーソン及びエヌ・アール・ウェットン，「不完全電場による四重極質量分析計における非線形共鳴」，International Journal of Mass Spectrometry and Ion Physics，１９６９年，第３巻，ｐ.１〜１２、及びピー・エイチ・ドーソン，「四重極マスフィルタのイオン光学特性（Ion Optical Properties of Quadrupole Mass Filters）」，Advances in Electronics and Electron Optics，１９８０年，第５３巻，ｐ.１５３〜２０８を参照されたい）。経験的に、理想的な双曲線形ロッドを近似するために円形ロッドを用いる製造業者は、少量の十二重極及び二十重極電位を付加する幾何学的構成が、十二重極電位を最小化する幾何学的構成の四重極より、高い分解能を与え、テーリングが小さいピークを与えることに気付いていた。これは、最適化された幾何学的構成による十二重極項及び二十重極項からの不要な効果の偶然の相殺によることが示された。しかし、付加される高次多重極項の大きさはそれでも四重極項に比較して非常に小さい（約１０−３）（ディー・ジェイ・ダグラス及びエヌ・ブイ・コネンコフ，「円形ロッドをもつ四重極マスフィルタのピーク形状への６次及び１０次空間高調波成分の影響（Influence of the 6th and 10th Spatial Harmonics on the Peak Shape of a Quadrupole Mass Filter with Round Rods）」，Rapid Communications in Mass Spectrometry，２００２年，第１６巻，ｐ.１４２５〜１４３１）。
【００７６】
発明者等は、実質的な（一般にＡ２の２〜３％の）八重極成分をもつ、上述したような、ロッドセットを構成した。電場不完全性に関する従前の文献の全てからすれば、これらのロッドセットで従来態様での質量分析が可能ではあるとは考えられないであろう。しかし、発明者等は、四重極電源の極性が正しく設定され、四重極のロッドオフセットが正しく設定されれば、そのようなロッドセットが実際上通常のロッドセットと分解能が同等の質量分析を与え得ることを見いだした。逆に、極性が正しく設定されていなければ、分解能が極めて低くなる。
【００７７】
ロッド極性効果
図１３〜１６は八重極成分Ａ４＝０.０２６（Ｒｙ＝１.３０Ｒｘ）；（Ｒｘ＝ｒｘ＝ｒｙ）をもつ四重極電場を用いる質量分析計でつくられた質量スペクトルである。その他の高調波成分の振幅は図４のグラフから決定することができる。全ての場合において、四重極周波数は１.２０ＭＨｚ、四重極長は２０ｃｍ、中心軸からのロッドの距離は４.５ｍｍとした。スキャンは、質量対電荷比を示す、横軸に沿って個々の０.１ｍイオン/ｅ区間について行った。それぞれの区間について、イオンを１０ミリ秒間カウントし、０.０５ミリ秒の休止後、次のｍイオン/ｅ値に移るスキャンを行った。全範囲を５０回スキャンし、次いでそれぞれの区間についてカウントされたイオン数をこの５０回のスキャン全部にわたって足し合せた。マルチチャネルスケーラとしてはたらくコンピュータ及びソフトウエアをスキャンに用いた。全てのグラフの縦軸は最高ピークを１００％として規格化されたイオンカウント率を示す。
【００７８】
図１３は、四重極電源の正ＤＣ電圧が大径ロッド対に接続され、負ＤＣ電圧が小径ロッド対に接続されたときの、質量対電荷比ｍイオン/ｅ＝６０９（プロトン化レセルピン）の正イオンで得られた分解能を示す。半値における分解能がＲ１/２＝１３５の幅広いピークが形成された。ロッドオフセット、ＲＦ電圧対ＤＣ電圧のバランスすなわち比を変えて信号強度を変えることはできるが、分解能が実質的に高くなることはない。図１４は、正出力が小径ロッド対に接続され、負出力が大径ロッド対に接続されたときの、同じイオンに対する分解能を示す。分解能は劇的にＲ１/２＝１５９０まで改善され、ＲＦ電圧対ＤＣ電圧比を変えることによって調節することができる。このようにして、Ｒ１/２＝５６００までの分解能がこの質量対電荷比において得られた。
【００７９】
図１５は、負ＤＣ電圧出力が大径ロッドに接続され、正ＤＣ電圧が小径ロッドに接続されたときに得られる、負レセルピンイオンの質量スペクトルを示す。半値における分解能はＲ１/２＝１３５であり、ロッドオフセット、ＲＦ電圧対ＤＣ電圧のバランスすなわち比の設定を変えて信号強度を変えることはできるが、分解能を有意に改善することはできない。図１６は、同じイオンによるが、正ＤＣ電圧出力が大径ロッドに接続され、負ＤＣ電圧出力が小径ロッドに接続されたときに得られる分解能を示す。半値における分解能はＲ１/２＝１０１５まで改善され、ロッドに印加されるＲＦ電圧対ＤＣ電圧比によって調節することができる。これらの結果は、高分解能を得るためには、正イオンに対しては四重極電源の正出力を小径ロッドに接続する必要があり、負イオンに対しては負出力を小径ロッドに接続する必要があることを示す。
【００８０】
簡単にいえば、高分解能を得るためには、質量分析されるべきイオンと同じ極性が小径ロッドに与えられるべきである。
【００８１】
正イオンが分析される場合、四重極電源の負出力が大径ロッドに接続されることが好ましい。平衡ＤＣ電位がロッドに印加される場合には、大径ロッドに印加されるＤＣ電圧の内の少しが軸電位として現れるから、負のＤＣ軸電位が存在するであろう。この電位の絶対値は（イオンの質量が大きくなるほど高いＤＣ電位が必要であるから）四重極スキャンが大質量側に向かうにつれて大きくなるであろう。（良好な分解能を維持するために）四重極内で同じイオンエネルギーを維持するためには、マスフィルタスキャンが大質量側に向かうにつれてロッドオフセットを大きくすることが必要であろう。同様に、負イオンのスキャン中に質量に合せてロッドオフセットを調節することが必要であろう。この場合、平衡ＤＣにより生じる軸電位は質量が大きくなるほどより正に（負で小さく）なり、四重極スキャンが大質量側に向かうにつれてロッドオフセットをより負にすることが必要であろう。したがって、一般に、直径の異なるロッド対をもつロッドセットに平衡ＤＣ電位Ｕが印加される場合、良好な性能を維持するためには、異なるｍイオン/ｅ値をもつイオンに対してロッドオフセット電位を調節する必要があるであろう。
【００８２】
軸電位をゼロにするために不平衡ＤＣがロッドに印加される場合には、質量スキャンとともにロッドオフセットを調節する必要はないであろう。実験は、ロッド間ＲＦ/ＤＣ比が適切に調節されれば、平衡ＲＦによる動作と不平衡ＲＦによる動作の間で分解能は変わらないことを示す。
【００８３】
本発明の別の好ましい実施形態にしたがえば、２００１年１月２３日にエム・ディー・エス社（MDS Inc.）に発行された、本明細書に参照として含まれる、米国特許第６１７７６６８号の明細書に説明されるように、質量分析計に与えられる２次元の実質的四重極電場に八重極成分が含められる。すなわち、本発明の態様は軸方向射出を利用する質量分析計に有用に適用することができる。
【００８４】
図１７を参照すれば、軸方向射出を可能にするように構成された、質量分析計システム２１０が示されている。システム２１０は試料をイオン源２１４に供給する試料源２１２（通常は液体クロマトグラフィのような液体試料源）を備える。イオン源２１４は、エレクトロスプレイ、イオンスプレイ、またはコロナ放電装置、またはその他のいずれかのイオン源とすることができる。１９８９年８月２９日にコーネル・リサーチ・ファウンデーション社（Cornell Research Foundation Inc.）に発行された米国特許第４８６１９８８号の明細書に示される種類のイオンスプレイ装置が適している。
【００８５】
イオン源２１４からのイオンはアパーチャプレート２１８のアパーチャ２１６を通して誘導される。プレート２１８は、カーテンガス源２２０からカーテンガスが供給されるガスカーテンチャンバ２１９の壁の１つを形成する。カーテンガスは、アルゴン、窒素、またはその他の不活性ガスとすることができる。イオンは次いでオリフィスプレート２２４のオリフィス２２２を通過して、ポンプ２２８によって圧力約１Ｔｏｒｒ（１.３３３×１０２Ｐａ）まで排気される第１段真空チャンバ２２６に入る。
【００８６】
イオンは次いで、スキマープレート２３２にとりつけられた、スキマーのスキマーオリフィス２３０を通過して、ポンプ２３６によって圧力約２ｍＴｏｒｒ（０.２６６６Ｐａ）まで排気される主真空チャンバ２３４に入る。
【００８７】
主真空チャンバ２３４は４本の線型四重極ロッド２３８のセットを収める（もちろん、四重極ロッド及び四重極ロッドセットの中心軸が湾曲していてもさしつかえないことが当業者には理解されるであろう）。上述したように、ロッド２３８は２本のＸロッド及び２本のＹロッドからなる。四重極軸からのＹロッドの径方向距離はｒｙであり、Ｙロッドの半径はＲｙである。同様に、四重極軸からのＸロッドの径方向距離はｒｘであり、Ｘロッドの半径はＲｘである。上述したように、Ｒｘは一般にＲｙとは等しくないであろう。これらの寸法は、四重極電場に所望の八重極成分を付与するように選ばれる。
【００８８】
ロッド２３８の射出端２４０を過ぎて約２ｍｍに射出レンズ２４２が配置される。レンズ２４２はアパーチャ２４４をもつ単なるプレートであり、（例えば、質量分析計で通常使用される種類のチャネル型電子増倍管とすることができる）通常の検出器２４６に向かってイオンにアパーチャ２４４を通過させることができる。
【００８９】
ロッド２３８はロッド間にＲＦ電圧を印加する主電源２５０に接続される。電源２５０及びイオン源２１４のための電源、アパーチャプレート２１８及びオリフィスプレート２２４，スキマープレート２３２，及び射出レンズ２１８は、共通の基準接地に接続される（接続は図示されていない）。
【００９０】
例として、正イオンに対し、イオン源２１４は一般に＋５０００Ｖにあり、アパーチャプレート２１８は＋１０００Ｖとすることができ、オリフィスプレート２２４は＋２５０Ｖにすることができ、スキマープレート２３２は接地（０Ｖ）とすることができる。ロッド２３８に印加されるＤＣオフセットは−５Ｖとすることができる。装置の軸は参照数字２５２で示される。
【００９１】
すなわち、イオン源２１４からデバイスに通された、注目するイオンは電位井戸を下り、ロッド２３８に通される。ロッド２３８に印加された印加主ＲＦ電場内で安定なイオンはバックグラウンドガスとの数多くの運動量散逸衝突を受けながらデバイス長を進行する。しかし、一般には−２ＶＤＣのトラップＤＣ電圧が射出レンズ２４２に印加されている。通常、スキマー２３２と射出レンズ２４２の間のイオン通過効率は非常に高く、１００％達し得る。主真空チャンバ２３４に入り、射出レンズ２４２に向かって進行するイオンは、バックグラウンドガスとの数多くの衝突によって熱化され、軸２５２の方向での正味の速度はほとんどもたない。イオンは、イオンを径方向に閉じ込める、主ＲＦ電場からの力も受ける。印加されるＲＦ電圧は一般に、（質量スキャンされていなければ）ロッド対間ピーク−ピーク値で、約４５０Ｖ程度であり、周波数は約８１６ｋＨｚ程度である。ロッド２３８には分解電場は印加されない。
【００９２】
ロッド２３８に印加されるＤＣ電圧より高いＤＣオフセットを印加することによって射出レンズ２４２にＤＣトラップ電場がつくられると、ロッド２３８に印加されるＲＦ電場内で安定なイオンは有効にトラップされる。
【００９３】
しかし、射出レンズ２４２近傍の領域２５４にあるイオンは、射出レンズ近くにおける主ＲＦ電場及びＤＣ電場の終端の性質によりかなり歪められた電場を受けるであろう。フリンジ電場と通常称される、そのような電場は、トラップされたイオンの径方向及び軸方向の自由度を結合する傾向を有するであろう。このことは、相互に独立ではないイオン運動の軸方向成分及び径方向成分があるであろうことを意味する。これは、イオン運動の軸方向及び径方向の成分が結合されていないかまたは最小限度に結合されている、射出レンズ及びフリンジ電場から離れたロッド構造２３８の中心における状況と異なっている。
【００９４】
トラップされたイオンの径方向と軸方向の自由度をフリンジ電場が結合するから、適切な周波数の低電圧補助ＡＣ電場の射出レンズ２４２への印加によって、ロッド２３８を含むイオントラップからイオンを質量依存スキャンして軸方向に外に出すことができる。補助ＡＣ電場は、説明の目的のため主電源２５０の一部を形成するとして示される補助ＡＣ電源２５６によって与えることができる。
【００９５】
補助ＡＣ電場は射出レンズ２４２に与えられるトラップＤＣ電圧に追加され、径方向及び軸方向のイオン運動のいずれをも励起する。補助ＡＣ電場は、イオンが矢印２５８の方向にほぼ軸方向に出て行くことができるように、射出レンズ２４２における軸方向ＤＣ電位障壁を乗り越えるに十分にイオンを励起するために確立される。射出レンズ２４２近傍における電場の歪により、軸方向及び径方向のイオン運動の上述した結合がおこり、よって軸方向射出が可能になる。これは、上述した状況と異なる、径方向永年運動の励起が一般に径方向射出をおこさせ、軸方向永年運動の励起が一般に軸方向射出をおこさせるであろう、従来のイオントラップに存在する状況と対照的である。
【００９６】
したがって、低電圧補助ＡＣ電場の周波数をスキャンすることによって、逐次質量依存態様でのイオン射出を達成することができる。補助ＡＣ電場の周波数が射出レンズ２４２の近傍にあるイオンの径方向永年周波数と一致すると、イオンはエネルギーを吸収し、径方向／軸方向運動結合によって、射出レンズに存在する電位障壁を通過することができるようになるであろう。イオンが軸方向に出ると、イオンは検出器２４６によって検出されるであろう。イオンが射出された後、射出レンズの近傍の領域２５４の上流にある他のイオンがエネルギーを得て領域２５４に入り、次のＡＣ周波数スキャンによって励起されることができる。
【００９７】
ロッドに印加されるＲＦ電場が付加八重極電場を有しない実質的四重極電場である場合は、射出レンズに印加される補助ＡＣ電圧の周波数をスキャンすることによるイオン射出が細長いロッド構造２３８の全体のトラップ空間を空にしないから望ましい。ロッド２３８に対する従来の質量選択不安定性スキャンモードにおいては、ロッドにかかるＲＦ電圧が徐々に高められ、それぞれのイオンに対するｑ値が０.９０７に達したときに、イオンがロッドの全長に沿って小質量から大質量まで射出されるであろう。それぞれの質量選択不安定性スキャンの後、別の分析を実施できるようになるまでには、トラップ空間を再充填するための時間が必要である。対照的に、上述したように補助ＡＣ電圧が射出レンズに印加される場合、射出レンズの近傍が軸方向と径方向のイオン運動の結合が生じ、補助ＡＣ電圧が印加される場所であるから、イオン射出は通常、射出レンズの近傍でしかおこらないであろう。ロッドの上流部２６０は次の分析のために他のイオンを蓄えておく働きをする。射出レンズ近傍の空間２５４をイオンで再充填するに必要な時間はトラップ空間全体を再充填するに必要な時間より常に短いであろう。したがって浪費されるイオンが少なくなるであろう。
【００９８】
別形態として、射出レンズ２４２に印加される補助ＡＣ電圧をスキャンする代りに、説明するように、射出レンズ２４２にかかる補助ＡＣ電圧を固定し、ロッド２３８に印加される主ＲＦ電圧の振幅をスキャンすることができる。これはトラップ条件を変えるが、軸方向射出には約０.２〜０.３のｑしか必要ではなく、一方径方向射出には約０.９０７のｑが必要である。したがって、ＲＦ電圧が適切な振幅範囲にわたってスキャンされる場合には、おそらくは質量が非常に小さいイオンを除いて、ロッドセット内の領域２６０における径方向射出で失われるイオンがあるとしても、そのようなイオンは少ない。
【００９９】
さらなる別形態として、ロッド２３８に印加されるＤＦ電圧または射出レンズ２４２に印加される補助ＡＣ電圧をスキャンする代りに、説明した態様でイオンを軸方向に射出するであろう変化フリンジ電場をつくるため、ロッド２３８に（図１７に破線接続２５７で示されるように）補足または補助のＡＣ双極子電圧または四重極電圧を印加してスキャンすることができる。あるいはＸロッド対間に双極子励起を与えることができ、同時にＹロッド対間に別の双極子励起を与えることができる。これは、ロッドに印加されるＲＦ電圧によって与えられるトラップ電場が付加八重極成分を有するときに特に有利である。すなわち、従来のロッドセットでは、線型トラップに閉じ込められたイオンの内の約２０％しか軸方向に射出することができず、残りの８０％はロッドに打ち当たることによって失われると思われる（非特許文献８）。しかし、上述したように、付加八重極電場を有する線型四重極では、イオンをロッドに打ち当たらせるにはより大きな励起電圧が必要であり、図１０及び１２に示されるように、イオンをロッドに打ち当てることなく連続的に励起することができる。すなわち、八重極場を付加し、よってロッドに打ち当たるイオンのパーセンテージを低めることで軸方向に射出されるイオンのパーセンテージを高めることにより、システムの感度を改善することができる。
【０１００】
あるいは、上記の３つの手法（すなわち、射出レンズ２４２に印加される補助ＡＣ電場のスキャン、射出レンズ２４２に固定補助ＡＣ電場を印加しながらのロッドセット２３８に印加されるＲＦ電圧のスキャン、並びに、射出レンズ２４２への補助ＡＣ電圧印加及びロッド２３８へのＲＦ電圧印加に加えてロッドセット２３８への補助ＡＣ電圧の印加）の内のいくつかまたは全ての組合せを、イオンを軸方向に射出し、射出レンズ２４２に存在するＤＶ電位障壁を質量に依存して通過させるために用いることができる。
【０１０１】
状況に応じて、ロッド間に不平衡ＲＦ電圧を印加した方がよいことがある。別の状況においては、一般に０.５Ｖ〜５０ＶのＤＣ電圧がロッド間にあることも有利である（ジェイ・ヘイガー，「２４ｍｍ長ＲＦ限定四重極質量分析計の性能最適化及びフリンジ電場改変（Performance Optimization and Fringing Field Modification of a Twenty-Four Millimeter Long RF Only Quadrupole Mass Spectrometer）」，Rapid Communications In Mass Spectrometry，１９９９年，第１３巻，ｐ.７４０を参照されたい。また特許文献３も参照されたい）。これは状況による。したがって、異なる状況では異なる動作モードが好ましくなり得るから、可能な限り多くの異なる動作モードを有することが有利である。上述したように、四重極軸の周りの９０°回転の下で対称ではないロッド間にＤＣ電圧が印加される場合には、所望の軸ＤＣ電位を得るためにロッドオフセットを調節する必要があり得る。
【０１０２】
付加八重極電場を有する本発明にしたがうロッドセットはＸ方向とＹ方向で異なっているから、軸方向射出に対して、４回対称性を有する従来のロッドセットより多くの動作モードがある。励起は、射出アパーチャへの電圧として、小径ロッド対間または大径ロッド対間の双極子励起として、四重極励起として、あるいは、双極子励起が小径ロッド対間に印加されると同時に、大径ロッド対間に印加される双極子励起として、与えることができる。さらに、トラップ電場は、ＲＦ電場が平衡または不平衡のＲＦ限定とすることができ、あるいは、小径ロッドに印加される正ＤＣ電圧によるかまたは大径ロッドに印加される正ＤＣ電圧によるＤＣ成分を含むことができる。正イオンに対するいくつかの動作モードを下表：
【表３】
2006524413.tif 000021
【０１０３】
に示す。
【０１０４】
原理的には、３種のトラップ電圧のいずれかを、ロッド間への３種のＤＣ電圧印加方法のいずれかと組み合わせることができ、いずれかの組合せを９種の励起モードのいずれかとともに用いることができるであろう。すなわち、正イオンに対して３×３×９＝８１通りの動作モードがある。これらのモードのそれぞれで、イオンを順次にＡＣ励起電場と共鳴させるためにＲＦ振幅がスキャンされるか、あるいは変調周波数が、やはり、そのような周波数が射出レンズ近傍のフリンジ電場にあるイオンの径方向永年周波数に一致するときに、イオンがエネルギーを吸収して検出のために軸方向に射出されるであろうように、スキャンされる。すなわち、質量選択的にイオンを軸方向射出するには８１×２＝１６２通りのスキャン方法がある。
【０１０５】
前述のデバイスは、ロッド２３８に印加される主ＲＦ閉込電場に入るイオンがイオン自体の残留運動量により射出レンズ２４２に向かって輸送され、最終的に軸方向に射出される、連続態様で動作させることができる。すなわち、射出レンズ近傍の引出し空間に到達したイオンは、バックグラウンドガスとの数多くの衝突によって既に状態調整されており、従来のイオントラップのほとんどで必要とされるような顕在的冷却時間（及びそれにともなう遅延）の必要がない。イオンが領域２６０に入っていくと同時に、イオンは上述した質量イオン依存態様で領域２５４から軸方向に射出されていく。
【０１０６】
さらなる別形態として、４本のロッド２３８の全てに印加される（与えられる例では−５Ｖの）ＤＣオフセットを、射出レンズ２４２に印加されているであろうＡＣ電圧と同じ周波数で変調することができる。この場合、ＤＣオフセットの変調は、フリンジ領域にＡＣ電場をつくるという点において、射出レンズへのＡＣ電圧の印加と等価であるから、射出レンズ２４２にＡＣ電圧を印加する必要はない。この場合にもＤＣ電位障壁が射出レンズ２４２に印加されていることは当然である。ＤＣオフセットの変調振幅は、ＤＣオフセット変調を行わなければ射出レンズ２４２に印加されたであろうＡＣ電圧の振幅と同じであろう。すなわち、ＤＣオフセットの変調振幅は軸方向射出イオン信号を最適化するように設定される。次いで、イオンをＤＣ変調でつくられるＡＣ電場と順次に共鳴させるためにＲＦ振幅がスキャンされるか、やはり、変調周波数が射出レンズ近傍のフリンジ電場にあるイオンの径方向永年周波数と一致するときに、そのイオンがエネルギーを吸収して検出のために軸方向に射出されるように、変調周波数がスキャンされる。ロッドオフセットはイオンが注入されてロッド内にトラップされるまでは変調されないことが、トラップ前に変調されると変調がイオン注入を妨害し、よってこのプロセスがバッチプロセスとなるであろうから好ましい。このようなバッチプロセスは、ＡＣ電圧が射出レンズに印加されるときに可能な、（射出レンズ２４２にかかるＡＣ電場はイオン注入に影響しないから）イオンが領域２６０に入っていくと同時にイオンが引出し領域２５４から射出されていくことができる連続プロセスと対照的である。
【０１０７】
軸方向射出に用いられる本発明の別の変形及び改変が可能である。例えば、特許文献３の図２に示されるように、デューティサイクルを改善するために別のイオントラップと組み合わされる質量選択軸方向射出のためのイオントラップとして本発明のロッドセットを用いることができる。軸方向射出をともなう本ロッドセットは、特許文献３の図４に示されるように、２×１０−５Ｔｏｒｒ（２.６６６×１０−３Ｐａ）のような、さらに低い圧力で動作させることもできる。さらに、軸方向射出をともなう本ロッドセットは、フラグメントイオンを生成し、続いて、質量分析のためにフラグメントイオンを軸方向に射出するための衝突セルとして用いることができる。フラグメントイオンは比較的高エネルギーでイオンを注入してバックグラウンドガスによってフラグメント化をおこさせるか、またはロッドセット内のイオンの共鳴励起によって、形成することができる。軸方向射出のために用いられるロッドセットと同じロッドセットを安定性図の頂点域におけるイオンの質量選択をともなうマスフィルタとして動作させることが望ましい場合もある（非特許文献８）。八重極電場が付加されたロッドセットは上述したようにマスフィルタとして動作させることができる。
【０１０８】
本発明のその他の変形例及び変更例が可能である。例えば、高軸電位をもつ四重極ロッドセットを用いることができる。さらに、上述の議論は円柱ロッドを扱っているが、他のロッド形状を用いても本発明を実施できることが当業者には理解されるであろう。例えば双曲線形状を用いることもできる。あるいは、例えば、米国特許第４３２８４２０号明細書に説明されるように、ロッドを線材で構成することができるであろう。また、直線中心軸を有する四重極システムに関して上に説明したが、湾曲中心軸を有する四重極システムを用いても本発明を実施できることが当業者には理解されるであろう。そのような変更例または変形例は、本明細書に添付される特許請求の範囲によって定められる本発明の領域及び範囲内にあると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】四重極ロッドセットを簡略な斜視図で示す
【図２】四重極質量分析計の異なる安定領域を示す通常の安定度図である
【図３】ＸロッドとＹロッドが異なる直径を有する四重極ロッドセットの断面図である
【図４】四重極軸からのＸロッドの間隔に対するＹロッドの半径の関数としての電場高調波成分振幅のグラフである
【図５】Ｙロッドの半径に対して、ゼロ軸電位を得るために計算される、四重極軸からのＹロッドの間隔をプロットしたグラフである
【図６】Ｙロッドの間隔がゼロ定電位をつくるように選ばれているときの、四重極及びさらに高次の高調波成分振幅をＹロッドの直径に対してプロットしたグラフである
【図７】Ｙロッドの直径が最適化されている場合の等電位線を、簡略な断面図で示す
【図８Ａ】イオンに作用する選択された電場による、ロッドの四重極軸からの距離の分率で表されたイオンの変位をＲＦ周期単位の時間の関数としてプロットしたグラフである
【図８Ｂ】ＲＦ周期単位の時間の経過に伴って図８Ａのイオンに与えられる運動エネルギーを、電子ボルト単位で、プロットしたグラフである
【図８Ｃ】Ｙ方向における図８Ａのイオンの変位をＸ方向における変位に対してプロットしたグラフである
【図９Ａ】イオンに作用する第２の選択された電場による、ロッドの四重極軸からの距離の分率で表されたイオンの変位をＲＦ周期単位の時間の関数としてプロットしたグラフである
【図９Ｂ】図９Ａのイオンに与えられる運動エネルギーを、電子ボルト単位で、ＲＦ周期単位の時間に対してプロットしたグラフである
【図９Ｃ】Ｙ方向における図９Ａのイオンの変位をＸ方向における変位に対してプロットしたグラフである
【図１０Ａ】イオンに作用する第３の選択された電場による、ロッドの四重極軸からの距離の分率で表されたイオンの変位をＲＦ期間単位の時間の関数としてプロットしたグラフである
【図１０Ｂ】ＲＦ周期単位の時間の経過に伴って図１０Ａのイオンに与えられる運動エネルギーを、電子ボルト単位で、プロットしたグラフである
【図１０Ｃ】Ｙ方向における図１０Ａのイオンの変位をＸ方向における変位に対してプロットしたグラフである
【図１１Ａ】イオンに作用する第４の選択された電場による、ロッドの四重極軸からの距離の分率で表されたイオンの変位をＲＦ周期単位の時間の関数としてプロットしたグラフである
【図１１Ｂ】ＲＦ周期単位の時間の経過に伴って図１１Ａのイオンに与えられる運動エネルギーを、電子ボルト単位で、プロットしたグラフである
【図１１Ｃ】Ｙ方向における図１１Ａのイオンの変位をＸ方向における変位に対してプロットしたグラフである
【図１２Ａ】イオンに作用する第５の選択された電場による、ロッドの四重極軸からの距離の分率で表されたイオン変位をＲＦ周期単位の時間の関数としてプロットしたグラフである
【図１２Ｂ】ＲＦ周期単位の時間の経過に伴って図１２Ａのイオンに与えられる運動エネルギーを、電子ボルト単位で、プロットしたグラフである
【図１２Ｃ】Ｙ方向における図１２Ａのイオンの変位をＸ方向における変位に対してプロットしたグラフである
【図１３】プロトン化レセルピンイオンに作用する第６の選択された電場によりつくられたプロトン化レセルピンイオンの質量スペクトルを示すグラフである
【図１４】イオンに作用する第７の選択された電場によりつくられたプロトン化レセルピンイオンの質量スペクトルを示すグラフである
【図１５】第８の選択された電場によりつくられた負レセルピンイオンの質量スペクトルを示すグラフである
【図１６】イオンに作用する第９の選択された電場によりつくられた負レセルピンイオンの質量スペクトルを示すグラフである
【図１７】軸方向射出をともなう本発明の態様を実施することができる質量分析計システムの概略図である
【符号の説明】
【０１１０】
１０    四重極ロッドセット
１２，１４，１６，１８    ロッド
２０，１２０    四重極軸
２２，２４    端子
１１２，１１４    Ｘロッド
１１６，１１８    Ｙロッド
【図１】
2006524413.tif 000022
【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１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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