(57)【要約】イオン誘導装置の軸に沿って配設された対称磁界を有する高周波数４極子イオン誘導装置であって、このシステムは、イオン誘導装置のイオン化容積内で電子と帯電していない化合物との間で長い相互作用を提供し、イオン生成の増大をもたらす。
2006521006.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改良されたイオン源を提供方法であって、
（１）イオンを送出するイオン誘導装置を設けるステップと、
（２）前記イオン誘導装置と共に動作し且つ前記イオン誘導装置の長軸の周囲に重畳される電子閉じ込めを設けるステップと、
（３）イオン化容積においてイオンを生成するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
改良された電子イオン化源を設けるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
改良された化学イオン化源を設けるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
増大したイオン送出を得るために、前記イオン誘導装置の前記長軸に沿ってイオンの衝突収束を実施するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
（１）交流電流又は交流電圧を使用して動作することができる高周波数イオン誘導装置を設けるステップと、
（２）電子閉じ込め手段として磁界を設けるステップと、
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記所望の電子閉じ込めを設けるために、前記イオン誘導装置に沿って対称磁界を設けるステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記イオン誘導装置の前記長軸と同軸整列するように、対称磁界を配設するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記イオン誘導装置の前記長軸と同軸整列しないように、対称磁界を配設するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
対称磁界を使用して、電子源から引き出された電子ビームを前記イオン誘導装置の前記長軸に沿って閉じ込めるステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
対称磁界を使用して、電子源から引き出された電子ビームを前記イオン誘導装置の前記長軸に沿って圧縮するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
対称磁界を使用して、電子源から引き出された電子ビームを前記イオン誘導装置の前記長軸に沿って誘導するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１２】
前記イオン誘導装置内で電子の狭いエネルギー分布を維持するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１３】
前記対称磁界の印加によって、前記イオン誘導装置内で電子、帯電した化合物及び帯電していない化合物の相互作用を延長するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１４】
円筒構造を使用して前記対称磁界を生成するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１５】
円筒構造を使用する前記ステップはさらに、単一の円筒構造要素を使用するステップを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
円筒構造を使用する前記ステップはさらに、複数の離散的な構造要素からなる円筒構造を使用するステップを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
離散的な構造要素からなる円筒構造要素を使用する前記ステップはさらに、複数の磁性要素を使用するステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
少なくとも１つの永久磁石を使用して前記対称磁界を生成するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１９】
少なくとも１つの電磁石を使用して前記対称磁界を生成するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項２０】
前記イオン誘導装置として半径方向閉じ込め用の高周波数（ＲＦ）場を設けるステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項２１】
単極、４極又は任意の他の多極配置構成からなるイオン誘導装置、電極の積層体、レンズの積層体及びイオントラップの群から半径方向閉じ込め用の高周波数場を選択するステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
電子銃、ホット・フィラメント、放電針からなる、又は、適切な材料の放射性崩壊による電子源又はβ放出器の群から前記電子源を選択するステップをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記イオン化容積を質量分析器に送出して質量分析器の感度を改善するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
前記イオン化容積を質量分析器に送出して質量分析器の検出限界を改善するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
前記イオン化容積内で前記イオンを生成する前記ステップは、前記イオンを所望のターゲットに送出するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２６】
イオン移動度分析器、質量分析器及び二次イオン質量分析装置からなるターゲットの群から前記ターゲットを選択するステップをさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
飛行時間型質量分析器、４極子質量分析器、磁界セクタ質量分析器、静電セクタ質量分析器、イオン・サイクロトロン共鳴質量分析器、イオントラップ及びワイン・フィルタからなる質量分析器の群から前記質量分析器を選択するステップをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
線形ドリフト管、非対称波形移動度分析器、差分イオン移動度分析器及びクロスフロー・イオン移動度分析器からなるイオン移動度分析器の群から前記イオン移動度分析器を選択するステップをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記イオン誘導装置をパルス・モード又は連続ストリーム・モードで動作させるステップをさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項３０】
前記質量分析器のデューティーサイクルを増加させるステップをさらに含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記イオン容積内で前記イオンを使用して二次イオンを生成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３２】
前記イオン誘導装置及び前記電子閉じ込めを使用して他の用途のためのイオン源として動作させるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３３】
改良されたイオン化源を提供するシステムであって、
イオンを送出するイオン誘導装置と、
前記イオン誘導装置と共に動作し且つ前記イオン誘導装置の長軸の周囲に重畳される電子閉じ込めシステムと、
イオン化容積と、
を具備するシステム。
【請求項３４】
前記イオン化源はさらに電子イオン化源を備える、請求項３３に記載のシステム。
【請求項３５】
前記イオン化源はさらに化学イオン化源を備える、請求項３３に記載のシステム。
【請求項３６】
交流電流又は交流電圧を使用して動作することができる高周波数イオン誘導装置と、
電子閉じ込め手段としての磁界と、
をさらに備える、請求項３３に記載のシステム。
【請求項３７】
前記磁界はさらに、所望の電子閉じ込めを提供するために前記イオン誘導装置に沿って配設される対称磁界からなる、請求項３６に記載のシステム。
【請求項３８】
前記イオン誘導装置の前記長軸と同軸整列するように対称磁界を配設することをさらに含む、請求項３７に記載のシステム。
【請求項３９】
前記イオン誘導装置の前記長軸と同軸整列しないように対称磁界を配設することをさらに含む、請求項３７に記載のシステム。
【請求項４０】
前記対称磁界を生成するのに使用される円筒構造をさらに備える、請求項３７に記載のシステム。
【請求項４１】
前記円筒構造は単一の円筒構造要素をさらに備える、請求項４０に記載のシステム。
【請求項４２】
前記円筒構造は複数の離散的な構造要素をさらに備える、請求項４０に記載のシステム。
【請求項４３】
離散的な構造要素からなる前記円筒構造は複数の磁性要素をさらに備える、請求項４２に記載のシステム。
【請求項４４】
前記対称磁界を生成するのに使用される少なくとも１つの永久磁石をさらに備える、請求項３７に記載のシステム。
【請求項４５】
前記対称磁界を生成するのに使用される少なくとも１つの電磁石をさらに備える、請求項３７に記載のシステム。
【請求項４６】
前記イオン誘導装置は半径方向閉じ込め用の高周波数（ＲＦ）場をさらに備える、請求項３７に記載のシステム。
【請求項４７】
単極、４極又は任意の他の多極配置構成からなるイオン誘導装置、電極の積層体、レンズの積層体及びイオントラップの群から半径方向閉じ込め用の高周波数場を選択することをさらに含む、請求項４６に記載のシステム。
【請求項４８】
電子銃、ホット・フィラメント、放電針からなる、又は、適切な材料の放射性崩壊による電子源又はβ放出器の群から前記電子源を選択することをさらに含む、請求項４６に記載のシステム。
【請求項４９】
質量分析器をさらに備え、前記イオン化容積は前記質量分析器に送出されて前記質量分析器の感度を改善する、請求項３３に記載のシステム。
【請求項５０】
質量分析器をさらに備え、前記イオン化容積は前記質量分析器に送出されて前記質量分析器の検出限界を改善する、請求項３３に記載のシステム。
【請求項５１】
ターゲットをさらに備え、前記イオン化容積内の前記イオンは前記ターゲットに送出される、請求項３３に記載のシステム。
【請求項５２】
イオン移動度分析器、質量分析器及び二次イオン質量分析装置からなるターゲットの群から前記ターゲットを選択することをさらに含む、請求項５１に記載のシステム。
【請求項５３】
飛行時間型質量分析器、４極子質量分析器、磁界セクタ質量分析器、静電セクタ質量分析器、イオン・サイクロトロン共鳴質量分析器、イオントラップ及びワイン・フィルタからなる質量分析器の群から前記質量分析器を選択することをさらに含む、請求項５２に記載のシステム。
【請求項５４】
線形ドリフト管、非対称波形移動度分析器、差分イオン移動度分析器及びクロスフロー・イオン移動度分析器からなるイオン移動度分析器の群から前記イオン移動度分析器を選択することをさらに含む、請求項５３に記載のシステム。
【請求項５５】
前記イオン誘導装置は、少なくとも２つの動作モード、すなわち、パルス・モードである第１動作モードと連続ストリーム・モードである第２動作モードとを有する、請求項５４に記載のシステム。
【請求項５６】
二次イオンを生成する手段をさらに備える、請求項５３に記載のシステム。
【請求項５７】
他の用途のためのイオン源として、前記イオン誘導装置及び前記電子閉じ込めシステムを動作させる手段をさらに備える、請求項３３に記載のシステム。
【請求項５８】
イオン化容積内で改善されたイオン閉じ込めを提供する方法であって、
（１）イオンを閉じ込めるイオン誘導装置を設けるステップと、
（２）前記イオン誘導装置と共に動作し且つ前記イオン誘導装置の軸の周囲に重畳される電子閉じ込めを設けるステップと、
（３）イオン化容積内にイオンを閉じ込めるステップと、
を含む方法。
【請求項５９】
パルス化イオン送出のために、選択可能な間隔で前記イオン化容積からイオンを放出する送出システムをさらに備える、請求項５８に記載の方法。
【請求項６０】
（１）交流電流又は交流電圧を使用して動作することができる高周波数イオン誘導装置を設けるステップと、
（２）電子閉じ込め手段として磁界を設けるステップと、
をさらに含む、請求項５９に記載の方法。
【請求項６１】
所望の電子閉じ込めを提供するために前記イオン誘導装置に沿って対称磁界を設けるステップをさらに含む、請求項６０に記載の方法。
【請求項６２】
円筒構造を使用して前記対称磁界を生成するステップをさらに含む、請求項６１記載の方法。
【請求項６３】
円筒構造を使用する前記ステップは単一の円筒構造要素を使用するステップをさらに含む、請求項６２に記載の方法。
【請求項６４】
円筒構造を使用する前記ステップは複数の離散的な構造要素からなる円筒構造を使用するステップをさらに含む、請求項６２に記載の方法。
【請求項６５】
離散的な構造要素からなる円筒構造要素を使用する前記ステップは複数の磁気要素を使用するステップをさらに含む、請求項６４に記載の方法。
【請求項６６】
前記対称磁界を生成するために少なくとも１つの永久磁石を使用するステップをさらに含む、請求項６５に記載の方法。
【請求項６７】
前記対称磁界を生成するために少なくとも１つの電磁石を使用するステップをさらに含む、請求項６５に記載の方法。
【請求項６８】
イオン化容積内で改善されたイオン閉じ込めを提供するシステムであって、
イオンを閉じ込めるイオン誘導装置と、
前記イオン誘導装置と共に動作する電子閉じ込めシステムであって、電子閉じ込めが前記イオン誘導装置の軸の周囲に重畳されるシステムと、
イオンを閉じ込めるイオン化容積と、
を備えるシステム。
【請求項６９】
パルス化イオン送出のために、選択可能な間隔で前記イオン化容積からイオンを放出する送出システムをさらに備える、請求項６８に記載のシステム。
【請求項７０】
交流電流又は交流電圧を使用して動作することができる高周波数イオン誘導装置と、
電子閉じ込め手段としての磁界と、
をさらに備える、請求項６９に記載のシステム。
【請求項７１】
所望の電子閉じ込めを提供するために、前記イオン誘導装置に沿って配設される対称磁界をさらに備える、請求項７０に記載のシステム。
【請求項７２】
前記対称磁界を生成するのに使用される円筒構造をさらに備える、請求項７１に記載のシステム。
【請求項７３】
前記円筒構造は単一の円筒構造要素をさらに備える、請求項７２に記載のシステム。
【請求項７４】
前記円筒構造は複数の離散的な構造要素をさらに備える、請求項７２に記載のシステム。
【請求項７５】
複数の離散的な構造要素からなる前記円筒構造は複数の磁性要素をさらに備える、請求項７４に記載のシステム。
【請求項７６】
前記対称磁界を生成するための少なくとも１つの永久磁石をさらに備える、請求項７１に記載のシステム。
【請求項７７】
前記対称磁界を生成するための少なくとも１つの電磁石をさらに備える、請求項７１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の技術分野
本発明は、一般に、イオン誘導装置内でのイオンの生成に関する。より具体的には、本発明は、イオン誘導装置の周囲に対称磁界を重畳し、それによって、電子と帯電していない化合物と帯電した化合物との間の相互作用を延長してイオン生成の増大をもたらすものである。
【０００２】
関連技術の記述
気相イオンの生成における関連する技術水準は、電子のイオン化と化学イオン化との検査を必要とする。一般に、イオン化は、イオンの連続ストリームの提供、パルス化された生成のためのイオンのトラップ及び閉じ込め、並びに、二次イオンを生成する一次イオン源として機能させることを含む多くの目的で使用される。気相イオンは、イオン移動度分析器、質量分析器及び二次イオン質量分析装置などの、或るタイプの分析を実施するために生成されることが多い。
【０００３】
本発明の利点を理解するために、イオン化が実施され、使用される方法の特定の例を調べることが有用である。したがって、質量分析器と共に使用されるときのイオン化源に固有の欠点が説明される。
【０００４】
質量分析（ＭＳ）の原理は、分離されてｍ／ｚ値に従って検出される気相イオンの生成である。質量分析装置は５つの基本部品、すなわち、試料導入システム、イオン化源、質量分析器、イオン検出器及びデータ取得／操作システムからなる。イオン化を達成するための多くの異なる技法が存在するが、最も広く使用される技法は電子イオン化（ＥＩ）である。その理由は、感度が高いこと、大きな電子放出電流の生成が容易なこと、ほとんどの分析物についてイオン化収量がほぼ均一であること、質量スペクトルをもたらす構造情報が豊富なこと、及び、スペクトル照合及び化合物識別を可能にする７０ｅＶ  ＥＩ質量スペクトル・ライブラリの範囲が広いことにある。
【０００５】
ＥＩ源は幅広く研究され、種々の設計が公表され、工業用製品に変換されてきた。ほとんどのＥＩ源はニール（Ｎｉｅｒ）の設計に基づく。電気的に加熱されたフィラメント（カソード）からの電子は、フィラメントと供給源容器との間の電位差によって加速され、供給源本体の入口及び出口開口を通過する。この電子ビームは供給源容積における低い圧力の試料蒸気に侵入する。多くの場合、分析物分子近くへのエネルギー電子の接近は、エネルギー交換によって分子からの電子の排出がもたらされるため、分子は正電荷を持ったままにされる。電子ビームの寸法は、イオンを形成するイオン化容積を決定する。イオン化は、電子ビームが通過するガス流のエリアのみで起こるため、形成されるイオンの数は比較的少ない。さらに、これらのイオンの一部のみが、その後、さらなる収束によって質量分析器へ運ばれる。
【０００６】
イオン源の効率は、多くのタイプの質量分析装置の感度を制限する主要な要因であるため、ＭＳの多くの用途は、大部分、この効率によって決定される。したがって、イオン化効率を改善する手段を研究することが重要である。
【０００７】
イオン化効率を改善する一つの技法は、試料圧力を増加させ、それによって、イオン化領域における分子密度を増加させることである。小さな供給源容積における高い圧力は、試料の一層効率的な使用を提供する。別の技法は、フィラメントを一層高温に加熱することによって電子放出を増加させ、したがって、イオン源に入る電子の数を増加させることである。しかし、２つの方法はフィラメント寿命を短くするという欠点を有する。また、前者は、イオンと分子との相互作用による分析器性能の低下を回避するために、質量分析器領域の分離及びポンピングの増加を必要とする場合がある。後者のプロセスは、高温フィラメント表面上に形成された電子雲が空間電荷効果によって放出効率を低減するので、無期限に継続し得ない。
【０００８】
イオン化はまた、いくつかの他の方法で増大され得る。一つの手法は、できる限り効率的にイオン化電子を利用することである。電子ビームは、フィラメント・バイアス電圧より大きい負の電位に電気接続されてフィラメントの背後に位置する電子リペラの使用によって、イオン化容積に収束され得る。電子はまた、負にバイアスされたカソードとアノードとの間に確立された電位井戸において多数回にわたって電子を前後に反射させることによって、再使用され得るので、電子には試料分子と相互作用する一層多くの機会が与えられる。電子ビーム軸に平行に、弱い平行磁界を印加することができ、また、磁界強度を、イオン・ビームの擾乱を最小にした状態で、電子の高い伝達を提供するように選択することができる。典型的には、１００ガウスの磁界が使用される。磁界によって、電子は磁力線の周囲の螺旋軌道をたどるので、それによって、有効電子イオン化経路長Ｌ及びイオン化確率が増加する。
【０００９】
イオン軌道のシミュレーションは、供給源容積での収束電界を生成するための、供給源幾何形状の改善及び電極電位の最適化をもたらしており、より大きなイオン化容積からのサンプリングを効率的に可能にし、より高いイオン抽出効率をもたらす。通常、イオン源は、イオンを、引き出し、収束させ、質量分析器に注入する一連のイオン光学部品を収容する。
【００１０】
最近、ＥＩ源は、特に原子ビームや分子ビームと共に使用するために、大きな寸法を持って設計されてきている。電子は、磁界又は電界を使用することによって収束され得る。１つの従来技術は、電子が機器の軸の周辺で完全に生成されて機器の軸の方に向けられ、機器の軸に沿って長手方向に変位してイオン化室に入る、別個の電子発生室を有するＥＩ源を記述している。電子軌道は、供給源軸に沿うガス流の分布と重なった。これによって、電子とガスとの間の一層長い接触がもたらされた。生成したイオンは比較的小さい直径の円筒ビームに収束した。
【００１１】
同様に、別の参考資料は、大きなフィラメントから放出された電子を、主に分子ビームを含む長く狭い容積内に圧縮した円筒対称状の磁界を教示する。これは、残留ガスからバックグランドをほとんど生成しないうえ、イオン化電子ビームと分子ビームとの間の相互作用領域を増加させるという利点を有する。熱ヘリウム原子を使用した実験は極めて高い効率と感度を示した。
【００１２】
別の興味深い手法は、ポール・イオントラップにおいて電子ビームを使用する内部イオン化である。電子ビームはイオントラップ内に導入されて試料分子をイオン化する。或る立体角内の全部のイオンが閉じ込められて検出され得るため、内部イオン化から生じる機器感度は高い。
【００１３】
最近、イオン化源の中心において近似高周波数（ＲＦ）４極子場を生成する４つの電極からなるイオン源が、４極子質量分析装置のためのイオン源性能を高めるために設計された。ヘリウム・イオンのような低いｍ／ｚのバックグランド・イオンは形成直後に排出される。その一方で、試料イオンは、出口の方に移動しながら衝突冷却することにより、ＲＦ電界によってｚ軸の方に収束される。信号対雑音（Ｓ／Ｎ）比の１０倍の増加（従来のイオン源に比較して）が著者等によって主張された。留意されるように、ＲＦは電波と典型的に関連付けられた周波数に限定されると考えられるべきではない。当業者は理解するように、ＲＦはもっと広い範囲の周波数を含む。
【００１４】
飛行時間型質量分析装置（ＴＯＦＭＳ）の復活は、主に、２つの新しいイオン化方法、すなわち、マトリクス支援レーザ脱離イオン化及びエレクトロスプレー・イオン化の開発によるものと考えられる。ＴＯＦＭＳは、大きな生物分子の分析に特に役立つ幾つかの特徴を有する。第１に、ｍ／ｚの範囲は理論的には無制限である。第２に、画定用のスリットが不要であり、また、イオンは、走査なしでｍ／ｚの全範囲にわたって同時に検出され得る。初期のＴＯＦＭＳ機器は分解能が低いという欠点を持っていた。しかし、静電反射体、直交加速及び遅延抽出の利益の再発見によって、分解能の大幅な改善がもたらされた。その結果、ＴＯＦＭＳ機器は、多くの場合、全質量スペクトルが必要とされる条件下では特に、分解能、感度及び速度の最適な組み合わせを提供する。
【００１５】
パルス化されたイオンの発生源とは対照的に、任意の連続供給源を、ＥＩ源を含むＴＯＦＭＳ機器に結合するのには困難が存在する。ＴＯＦＭＳ機器は何等かの方法でパルス化されなければならない。これは、検出されたイオン到達時間から飛行時間を演繹するための基準（すなわち、十分に規定された開始時間）が存在しなければならないからである。そのため、連続イオン源を結合する際の難問は、供給源をパルス化し又はイオン・ビームをゲート制御することによって、時間的に別々のイオン・パケットを生成することである。これは、イオン・サンプリング効率又はデューティーサイクル（すなわち、検出されたイオンと形成されたイオンとの比）に厳しい制限を課す。ときには、２つ以上の質量が観測される時、走査式質量分析装置に比較してＴＯＦＭＳの感度について誇張された要求がなされることがある。ＥＩ源をＴＯＦＭＳに結合する手法のうちの多くは、質量スペクトル・ライブラリと比較したとき、十分な分解能、感度及びイオン存在量の忠実度をもたらさない。
【００１６】
イオントラップを直交加速ＴＯＦＭＳと組み合わせることは、デューティーサイクルを大幅に改善する効率的な方法であることがこれまでに分かっている。イオンが４極子イオントラップに外部から注入される（又は、４極子イオントラップにおいて形成される）インライン型イオントラップ蓄積／ＴＯＦＭＳ機器が、従来技術で提示されている。この手法は、連続イオン・ビームをＴＯＦＭＳに対するパルス化源に変換する際にほぼ１００％のデューティーサイクルの可能性を提供した。しかし、この手法は冷却工程を必要とし、広いエネルギー範囲を有するイオンを排出し、帯電容量及びトラップ効率を制限するうえ、高い繰り返し率でのイオン排出に困難が存在した。
【００１７】
４極子イオントラップ、円筒状イオントラップ及びセグメント化されたリング状円筒形イオントラップは全て、ＴＯＦＭＳに対してインタフェースされてきた。一調査では、２つの薄い仕切板がセグメント化されたリング電極を構成し、エンド・キャップ電極が平面ワイヤ・メッシュで組み立てられたイオントラップＥＩ源が設計された。ＲＦ電圧によって生成された電位場は、円筒形イオントラップの電位場と似ていた。線形抽出電界は、質量分析の前にイオン冷却する必要なしに、良好な分解能を可能にした。しかし、抽出を始動するための最良のＲＦ相を見出すことが重要である。さらに、イオントラップ内にＥＩがある状態では、電子軌道に対するＲＦ場の作用が大きいので、フィラメント・バイアス電圧はイオン化電子エネルギーの直接の尺度になり得なかった。それにもかかわらず、ＥＩ源を使用したイオントラップ／ＴＯＦＭＳが空気中の微量の揮発性及び半揮発性化合物のリアルタイム監視のために開発された。４００ｍｓのイオン蓄積時間は最大スペクトル取得速度を制限するので、該速度は高速オンライン分離に適さなくなった。イオントラップと直交加速ＴＯＦＭＳを結合することの可能性もまた調査された。イオン速度及び排出時間の範囲が広いために、イオントラップと直交加速ＴＯＦＭＳとの間のトリガー操作は、全質量スペクトル取得について不可能であった。
【００１８】
直交加速は、イオンを連続ビームからセグメント化したイオン・パケットに変換するための高効率インタフェースを提供する。この機器はスペクトルの大質量端において高い感度を提供する。留意されるべきは、従来技術の参考文献で使用されるイオン源の多くは、元々、４極子又は磁界セクタ機器のために設計されたということである。それらイオン源は直交加速ＴＯＦＭＳに対して最適化されていないため、比較的低いイオン伝達効率を提供し、イオン・ビームを操作するためには複雑なイオン光学部品の使用が必要であった。
【００１９】
したがって、必要なのは、電子とこれまでとは違って大きなイオン化容積とを効率的に使用することによって、改善されたイオン化効率を提供するイオン化源である。本システムは、多くの異なる用途のためのイオン源として機能すべきであり、電子と化学イオン化について、連続動作モード及びパルス動作モードで動作すべきである。
【００２０】
発明の概要
効率的なイオン化プロセスを有するイオン化源を提供することが本発明の目的である。
電子及び化学イオン化プロセスについて機能するイオン化源を提供することが本発明の別の目的である。
【００２１】
イオン移動度分析器、質量分析器及び二次イオン質量分析装置を使用した分析を含む、多くの異なる用途のためのイオン源として機能し得るイオン化源を提供することが本発明の別の目的である。
【００２２】
連続動作モードとパルス動作モードとで動作するイオン化源を提供することが本発明の別の目的である。
好ましい実施の形態において、本発明は、対称磁界がイオン誘導装置の軸に沿って配設されている高周波４極子イオン誘導装置であり、システムは、イオン誘導装置のイオン化容積内での、電子と帯電していない化合物との間の延長された相互作用を提供し、イオン生成の増大をもたらす。
【００２３】
本発明の、これらの目的及び他の目的、特徴、利点及び代替の態様は、添付図面と共に考えられる以下の詳細な説明を考慮することから、当業者には明らかになるであろう。
発明を実施するための最良の形態
ここで、本発明の種々の要素に数字による指示が与えられ、当業者が本発明を作成して使用することを可能にするよう本発明が議論される図面を参照する。理解されるように、以下の説明は本発明の原理の例示に過ぎず、特許請求項を狭めるものとして考えられるべきでない。
【００２４】
本発明のイオン化源は、気相イオンを必要とする任意の用途のための強化されたイオン源として機能することが可能であることを記憶しておくことが重要である。さらに、イオンは多くの異なる供給源から最初に生成され得る。これらの供給源は任意の適切な電子源又はβ放出器を含み、電子銃、ホット・フィラメント、放電針や、放射性材料の放射性崩壊によるものが含まれる。本発明はまた、電子源と化学イオン化源とについて利益を提供する。
【００２５】
図１は、本発明の電子イオン源の切り欠き図として提供される。電子源１０は、フィラメント組み立て体１２、４極子組み立て体１４（これはＲＦ専用イオン誘導装置の一例である）、磁界源２２及び出口レンズ１６からなる。４極子組み立て体１４内部の容積１８はイオン化室ならびにイオン誘導装置として動作し、４極子組み立て体はＲＦ専用モードで動作する。
【００２６】
磁界源２２は、必要とされる磁界を生成するよう対称供給源でなければならない。磁界源２２は、単一の円筒磁界源、又は、対称磁界を生成するように配列された幾つかの別々の磁界源であってよい。好ましい実施の形態では、単一の磁界源は円筒形永久磁石である。代わりに、磁界源は幾つかの棒磁石からなるのでもよい。さらに、磁界源２２は１つ又は複数の電磁石によって生成され得る。
【００２７】
図２は、フィラメント組み立て体１２の切り取り拡大図である。フィラメント組み立て体１２は、電子リペラ３０、大きなリンク状フィラメント３２及び４極子入口レンズ３４を備え、ニール型の供給源に類似するイオン・リペラ電極として動作する。フィラメント３２において生成される電子は、フィラメントと入口レンズ３４の間の電位差によって加速される。これらの電子は、ＲＦ４極子組み立て体１４の軸上にあり、電界と磁界とがＲＦ４極子組み立て体に印加されるとき、４極子組み立て体の全長にわたって侵入する。
【００２８】
４極子組み立て体１４軸の長軸２０（図１）に沿う電圧は時間に関して不変であり、ＲＦ場は長軸の近くで電圧の小さな変動を引き起こす。試料ガスは４極子組み立て体１４内に導入される。電子ビームの軌道は試料ガス流の分布と重なり合い、４極子組み立て体１４の長さと内接半径とによって画定された大きな容積１８での試料ガスのイオン化をもたらす。イオンは４極子組み立て体１４のＲＦ場によって半径方向に収束され、その後、質量分析のために軸方向に抽出される。しかし、想起されるように、イオンはイオン化容積１８内に閉じ込められ、パルス動作モード下で放出され得る。
【００２９】
全てのイオン源設計の基礎は基本原理を利用するけれども、本発明の定量的性能は多くの微妙な設計特性の相互作用に依存する。この新規なイオン化源の独特の特徴をここで議論する。
【００３０】
安定性及び感度は、フィラメントの寿命と同様に、イオン源設計の重要な特性である。従来技術の電子又は化学的イオン化において使用されるフィラメント組み立て体に関連する幾つかの問題が存在する。第１に、フィラメントは熱を生成するので、フィラメントの耐熱性金属の昇華を生じて初期故障を起こす。第２に、フィラメントとイオン化室との間で形成されたイオンはフィラメントを攻撃するので、金属をフィラメントからスパッタリングし、その寿命を短くする。
【００３１】
本発明者等のフィラメント組み立て体設計は、これらの問題を解決し、フィラメントから放出された電子をうまく利用する。円筒対称性は大きなリング状フィラメント３２の使用を可能にする。フィラメント組み立て体１２のシミュレートした静電界線は図２に示される。（次に検討される）磁界と組み合わせて示される電界は、入口レンズ３４の開口に向かって電子ビームを収束し、圧縮する。放出された電子の大部分は４極子組み立て体１４の内側のイオン化容積１８に入り、イオン化領域を通過する。さらに、フィラメント３２と入口レンズ３４との間で形成されたイオンは、フィラメント３２自体をスパッタリングすることなく、電子リパラ３０に向かって同じ電界によって加速される。さらに、電子は大きな表面エリアから放出されるため、小さいフィラメント電流で同量の放出電流が得られ、イオン源温度は従来のＥＩ供給源におけるよりも均一になり、よく制御される。
【００３２】
本発明の設計は高圧イオン源動作に極めて適している。また、ガス試料がフィラメント３２から分離され、ホット・フィラメント３２での試料劣化が除去される。本発明のこれらの新しい特徴の組み合わせはフィラメントの長寿命と高感度とをもたらす。
【００３３】
弱い磁界は多くの電子イオン化源の典型的なコンポーネントである。磁界は、主に、電子ビームを半径方向に収束させるのに役立ち、それによって一層優れた伝達が提供され、電子は螺旋経路を、したがって一層長いイオン化経路長をたどることが可能になる。しかし、放出電流が大きい場合、電子雲での電荷反発がイオン化効率を制限する。本発明の実施においては、強い磁界によって、空間電荷が発生する放出電流の限界を増加させる。
【００３４】
本発明の新規な供給源１０の磁界は、適切な磁界分布が図１に示すように生成される場合、２つの更なる目的に役立つ。第１に、磁束は、電子を密なビームへと収束させるように、フィラメント組み立て体１２において収束しなければならない。電子は小さな質量を有しており、磁界の力は電子の速度に比例するので、電子に対する磁界の影響は電界の影響よりずっと大きい。基本的に、電子は磁力線の周囲を旋回し、サイクロトロン型の運動で磁力線をたどる。より重要なことは、４極子組み立て体１４においては、平行な磁力線は電子がイオン化容積１８の全深さに侵入し、そのエネルギーを一定に保つのを助けるということである。したがって、磁界は、イオンの収束を乱すことなく、電子に対する半径方向ＲＦ場の有害な影響をなくすよう十分に強くなければならない。
【００３５】
磁界の無い空間で７０ｅＶの電子が７８．２ｍｍの距離をカバーするのに０．０１５７マイクロ秒かかるだけである（４極子ロッドは両端に１ｍｍのセラミック・スペーサを持つ７６．２ｍｍ長である）。これは、１．７５ＭＨｚ周波数のＲＦ電圧の周期のほんの２．７５％である。このことは、交流ＲＦ場が電子にとって十分に速くはないことを意味し、電子はＲＦ場を静電場として「見る」。電子は４極子ロッドへ向かって加速されながら半径方向の運動エネルギーを取得する。４極子への侵入深さ及び分子イオン化の瞬間の電子運動エネルギーは、ＲＦの電圧及び位相、並びに、入射時の電子の運動エネルギー及び半径方向位置に依存する。ＲＦ電圧は、（表１に示すように）短い滞留時間、浅い侵入深さ及び大きな運動エネルギーをもたらす。また、図３に示すように、電子は入口の周辺に限定される。そのため、小さなイオン化容積と電子エネルギーの大きな変動とに起因して、定性的及び定量的な性能は妥協される。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
磁束線が４極子軸２０に平行である強い静磁界は、先に述べた問題を解決することができる。図３に示すように、５００ガウスの磁界の下では、電子は高いＲＦ電圧の存在下でさえも４極子軸に大幅に集中される。表Ｉが示すように、電子は４極子の全長に侵入し、運動エネルギーをほぼ一定に維持することができる（すなわち、磁界の無い場合を基準にして３％だけずれるが、このことはＭＳにとって定性的に非常に重要である）。供給源の設計に必要とされる磁界は、電磁石又は永久磁石を使用することによって容易に達成される。これらの２つのタイプの磁石によって生成される磁束線は、図４にモデル化されて示されている。両方の磁石は、適切に設計される場合、必要とされる磁界分布及び磁界強度を提供することができる。電磁石を使用することの１つの問題は、特に真空条件下では発生する熱量が大きいことである。
【００３８】
また、シミュレーションが示すように、特に高圧条件下では、磁界はイオン伝達及び収束にあまり影響を与えない（ここにはデータは示さない）。これは、電子に比べてイオンの質量の方が大きいことによって説明することができる。ＲＦ専用４極子におけるイオン運動に対する磁界の影響は、半径方向の運動の方程式に新しい項を追加することである。この新しい項では、磁界による加速はνｒ・Ｂｚ／（ｍ／ｚ）に等しい。ただし、νｒは磁界Ｂｚに垂直なイオンの速度成分であり、ｍ／ｚはイオンの質量対電荷比である。電子に比べてイオンの質量が比較的大きいことに加えて、４極子内において軸の近くで形成されたイオンは、形成時に非常に低い半径方向運動エネルギーを有する。そのため、加速項は無視できる。また、留意されるべきであるが、静磁界は、イオンの運動エネルギーではなくイオンの運動方向を変えるだけである。
【００３９】
ＲＦ専用デバイスに関しては、イオン誘導装置又は線形イオントラップとしてのＲＦ専用デバイスの使用は、特にＡＰＩインタフェースでの高圧におけるイオン伝達の改善について良く知られている。これは衝突冷却及び収束の結果である。実際に、ＲＦ場はデバイス軸に直角な二次元擬似電位（又は有効電位）を生成し、半径方向イオン運動は、有効調波トラッピング電位での運動としてモデル化され得る。緩衝ガスの分子との複数回の衝突は、分子の半径方向運動エネルギーを熱値近くまで下げ、分子をデバイス軸上での有効電位の最小値まで移動させる。したがって、イオンは出口開口を通って一層効率的に伝達される。また、イオンは軸方向併進エネルギーの大部分を失い、ＲＦデバイスを低エネルギーで小さいエネルギー・スプレッド（数ｅＶ以下）の状態に維持する。
【００４０】
また、或る程度ではあるが、３次元４極子イオントラップでのヘリウム緩衝ガスの圧力を増加させることによって、感度の向上、高い質量分解能及びＭＳｎ能力がもたらされる。さらに、４極子イオントラップでのヘリウム緩衝ガス圧は、イオン注入期間でのフラグメンテーションにほとんど影響を与えない。
【００４１】
本発明の実施の形態においては、多極子型やスタック・リング型のイオン誘導装置などを有する容積での半径方向収束をＲＦデバイスが提供できるならば、多くの異なるＲＦデバイスを使用することができる。これらの線形の又は二次元のイオントラップは、３次元４極子イオントラップと比べて、帯電容量が大きくてイオントラップ効率が高いという利点を有する。内部イオン化に関する本発明の利点は、イオンを半径方向に収束するだけでよく、連続的に且つ簡単に排出することができることである。
【００４２】
軸方向衝突制動のために、ＡＰＩインタフェースでの多極子イオン誘導装置又は衝突セルを通るイオンの平均通過時間は、軸方向電界が無い場合、数ミリ秒程度であることがわかる。対照的に、本発明では、二次元ＲＦイオン誘導装置で直接形成されたイオンは、形成時に熱運動エネルギーのみを所有する。入口レンズと出口レンズとの近くに軸方向周縁電界が存在するけれども、入口レンズ３４に正電圧が存在し、出口レンズ１８に負電圧が存在するとき、軸方向周縁電界はイオン抽出を補助する。しかし、周縁電界は主にイオン誘導装置の端部近くで動作するのであり、イオン誘導装置の軸中心近くではイオンにとって著しく不十分である。軸方向衝突制動を克服するためには、イオン誘導装置を通ってイオンを効率的に移動させるための軸方向電界が必要とされる。
【００４３】
軸方向電界を有するＲＦ専用イオン誘導装置の種々の設計、例えば、円錐型、傾斜型又はセグメント化されたロッドの形状及び追加電極の付加が報告されている。軸方向電界の印加によって、イオンは、イオン誘導装置を通って進むときに連続的な加速を受けることになるので、熱イオンでさえも、こうして生成された電位勾配に沿って移動し続ける。全ての場合において、比較的低い軸方向電界が通過時間を大幅に低減することが実験的に示された。
【００４４】
図５において、軸方向電界が単一の４極子とセグメント化された４極子とに対して比較される。図５の（ａ）は、４極子への場の侵入に起因する小さな軸方向ＤＣ電界勾配を示している。単一の４極子の多くの中心容積には軸方向電界勾配は存在しない。セグメント化されたロッドの場合、線形電位エネルギーは短いロッド状セグメントを使用して達成され得る。
【００４５】
パルス化された抽出を有する連続的ＥＩ源を使用すると、パルス状のイオンを生成するために電子ビームをオン・オフしなければならないパルス化源に対して、重要な利点を実現することができる。本発明によって記述される新規なイオン源を使用すると、連続して形成されたイオンをトラップし、次いでイオンをＴＯＦＭＳの直交抽出の加速領域に短いバーストでゲート制御することにより、直交加速のデューティーサイクルが改善された。
【００４６】
線形トラップは、現在、後続の質量分析測定のためのイオン蓄積デバイスとして主に使用される。線形イオントラップでのイオン蓄積は、本質的には、半径方向ＲＦ場（及び制動ガス）によってイオンが半径方向においてトラップを出ることを防止する１次元問題と考えられる。入口レンズと出口レンズに印加される電位を上げることにより、又は、軸方向電位井戸を形成するようにイオン誘導装置でのオフセット電位を下げることによってイオンをトラップすることは簡単である。イオンはイオン誘導装置の内部で直接形成されるため、イオンは形成時に低い熱運動エネルギーを所有しているので、抽出場が印加される前にイオンをトラップするのには浅い電位井戸で十分である。これは、圧力依存性衝突制動であることが多いエネルギー消散プロセスを必要とする点で、外部で生成されたイオンをトラップすることと異なる。
【００４７】
連続イオン・ビーム直交加速ＴＯＦＭＳにおいては、イオン・ビームは、図６に示すように、多くのｍ１（低いｍ／ｚ）のイオンが検出窓を通過し、ｍｈ（高いｍ／ｚ）のイオンが検出窓に入らない状態で、２つのＴＯＦパルス間の加速領域を満たす。さらに、ＴＯＦパルス期間にイオンはロードされず、したがって、デューティーサイクルが低減される。その結果、デューティーサイクルは小さくなり、ｍ／ｚに依存する。対照的に、イオン・ビームをパルス化してトラップから出して直交加速ＴＯＦＭＳに入れることによって、特定のｍ／ｚ範囲において全イオンを検出することが可能である。時刻ｔ０において、短期間Δｔ１の間、負パルスによってイオン・ゲートが開き、その期間にイオンは供給源を出ることができる。時間遅延Δｔ２の後、供給源を出る全てのイオンは検出窓に達する。その後、Δｔ３の正のＴＯＦ抽出パルスが、イオンを飛行管内に加速するために印加される。最適質量範囲外のイオンが検出され得るが、デューティサイクルは小さい。出口レンズでの電圧を高い設定と低い設定との間で切り換えることによって、供給源はトラップ・モード及び放出モードで動作する。
【００４８】
ほぼ１００％のデューティーサイクルのＥＩ源のための適度な質量範囲を達成するように、パルス動作電圧、ゲート制御パルスの幅、及び、ゲート制御パルスとＴＯＦパルスとの間のタイミングは、ＴＯＦパルスの立ち上がり縁で質量範囲内のイオン軌道が確実に検出窓内に完全に入るように、適切に制御されなければならない。第１に、ゲート制御パルス継続時間Δｔ１は、イオン・パケットの物理的長さｍ１が検出窓より短くなるように十分に短くなければならない。これは、一定の運動エネルギーが与えられたｍｈのイオン・パケットについて同じであることを自動的に保証する。第２に、イオンは出口レンズからＴＯＦ加速領域まで進むのに或る時間長を必要とし、異なる質量のイオンは異なる時間長を要する。軽いイオンほど、速い速度で進み、重いイオンよりも速く加速領域に到達する。その結果、ゲート制御パルスの立下り縁の後の任意の時点で、種々のイオンに対するイオン・パケットは空間に分散するが、この分散の程度は時間と共に増加する。時間遅延Δｔ２を適切に選択することによって、ゲート制御パルスの立下り縁で供給源を出るｍ１のイオンは、ＴＯＦパルスの立ち上がり縁でほとんど検出窓の出口に達することができないが、一方、ゲート制御パルスの立ち上がり縁で供給源を出るｍｈのイオンは検出窓の入口を通る。こうして、ｍ１〜ｍｈの質量範囲で、１００％のサンプリング・デューティーサイクルを得ることができる。
【００４９】
イオントラップ内の軸方向電位井戸をイオンが出るのに適切な電位を出口レンズに印加すると、この電位が上昇するときトラップされるイオンを放出することができる。これによって、イオン運動エネルギーの分散が小さくなる。また、トラップ及び放出動作に伴う時間遅延収束及びイオン集群が存在する。すなわち、供給源を出るイオンは、イオン・ゲートが高い電位へとパルス動作される前に出て行くイオンよりも低い運動エネルギーを最初に取得する。高速なイオンは、最初は加速領域から遠いところにあるが、遅いイオンに追いつき、イオン・パルスは短くなる。
【００５０】
ＥＩ源と、ここでの記述に関連する直交加速ＴＯＦＭＳの加速領域との略図が図７に示されている。新規な供給源の中心要素は、４つの４極子電極（ステンレス鋼、６．３５ｍｍ径、７５．２ｍｍ長）及び電子銃（ＦＲＡ−２×１−２／ＥＧＰＳ−２×１、  ニューハンプシャ州ウィルトンのキンバー・フィジックス社）が配置されるセラミック管（外径２２．２ｍｍ、内径１５．９ｍｍ、長さ１１４．３ｍｍ）を含む。直線状の円筒形４極子ロッドは簡単の故に使用される（すなわち、線形軸方向場はここでは考えない）。イオン化電子を生成するのに工業用電子銃が使用される。電子銃は、平面３極管設計において電子ビームを生成するように、フィラメントの代わりに空間電荷制限式耐熱カソード・ディスクを使用する。カソードは低いエネルギーの広がりに対して特に設計された。フィラメントよりも大きい正の電圧が加えられた付加的な加速グリッドは、低エネルギーの電子ビーム電流を増大する。電子銃は直径が１．５ｍｍの出口開口を有する。
【００５１】
セラミック管は、真空ハウジングとして機能する適切なＯリング溝構造付きのアダプタ板とバック・ハウジングとの間に保持される。４極子ロッドは、Ｏリングを有する自己封止ねじによってセラミック管の内部に固定される。こうして、３．２ｍｍの内接半径が達成される。ＲＦ電圧がこれらのねじを通して４極子に印加される。電子銃はセラミック・スペーサを使用して４極子の入口端から１ｍｍ離して配置される。電子銃本体は４極子入口レンズ及びイオン源におけるイオン・リペラとして動作する。電子銃からのリード線はバック・ハウジング上の多重ピン・コネクタに接続される。直径が１ｍｍの開口を有する出口レンズはアダプタ板上に支持され、４極子の出口端から１ｍｍのところに配置される。セラミック・スペーサの表面及びセラミック真空ハウジングの内面は、電極によって電子及びイオン・ビームから遮蔽される。試料は、４極子入口から３．２ｍｍの距離のところで４極子軸に直角に、特別に作られた付属品を介して導入される。
【００５２】
約１５０巻き／ｃｍからなる電磁ソレノイドは、最高２４０℃まで耐えられるポリイミド被覆磁性ワイヤ（３４．５ゲージ）を使用して、入口レンズに近接してセラミック管の周囲に巻かれる。１Ａの中程度のＤＣ電流で動作すると（Ｔｅｎｍａ．７２−２０１０）、４極子軸上のコイルの中央部に約２００ガウスが生成される。磁界は長手方向においてコイルの端の近くで減少し、半径方向においてコイルの内面の近くで増加する。磁気コイルの抵抗加熱により、供給源は最高１２０℃まで加熱され得る。温度センサを使用して供給源が監視され、ファンによる能動冷却によって供給源は１２０℃に維持される。大きな磁界強度及び独立した温度制御を提供するのに、永久磁石はよい選択である。
【００５３】
オフセット能力を有する１．８６ＭＨｚ  ＲＦドライバ・モジュールは４極子にＲＦ電圧を印加するのに使用され、オシロスコープはＲＦ電圧を測定するのに使用される。典型的には、フィラメントは電気的に加熱され、−５０Ｖにバイアスされるが、加速グリッドは−３８Ｖに設定される。正の５０Ｖが電子銃本体に印加されるので、電子は電子銃を出る時に１００ｅＶに加速されることになる。電子が約７０ｅＶのエネルギーを持って４極子に入るよう、４極子ロッドは＋２０Ｖにバイアスされる。連続イオン・ビームのモードにおいては、−５０Ｖの電圧が出口レンズに印加される。全てのＤＣ及びＲＦ電圧は独立に制御される。
【００５４】
イオンがほとんどの時間にわたってトラップされて短時間のうちに加速領域へ放出されるように、供給源はトラップ・モード及びパルス・モードで動作することができる。ＴＯＦパルスによってトリガーされる遅延発生器は、出口レンズにトラップ電圧及び抽出電圧を印加する高電圧パルサ（ＤＥＩ、ＧＲＸ−１．５Ｋ−Ｅ）をゲート制御するのに使用される。こうして、ＥＩ源のパルス動作はＴＯＦパルスと同期する。抽出パルス継続時間及び遅延時間にわたる個別の制御が利用可能である。広い質量範囲にわたって高いサンプリング・デューティーサイクルを達成するために、放出パルス継続時間及び各ＴＯＦパルスの前の遅延時間は、対象の全てのイオンが次のＴＯＦパルスの瞬間に検出窓に収容されるよう最適化される。ＴＯＦパルスの前に遅延を導入したため、質量スケールはデータ取得システムによって使用される基準時間から再較正されなければならない。
【００５５】
４極子に入る電子のみがイオン生成に関与する。有効電子ビーム電流Ｉｅｆｆは電子銃の加熱用ＤＣ電流及び電圧設定によって制御される。有効ビーム電流は、３つのマルチメータによって同時に監視された総放出電流から、グリッド及び入口レンズにおいて測定された電子電流を差し引くことによって得られた。Ｉｅｆｆは１．５Ａのフィラメント加熱電流で約１０μＡであった。
【００５６】
直交加速ＴＯＦＭＳが本発明の新規な供給源設計を評価するのに使用された。元のＡＰＩインタフェースは取り除かれ、図７に示すように新しい供給源がアインツェル・レンズ・ハウジングの前に新たに付加された。通常のＭＳ動作では、ローディング期間に加速領域を満たすよう、供給源からの連続イオン・ビームはアインツェル・レンズ組み立て体及び飛行管上の小さな開口を通過する。この期間においては加速領域の電界は接地電位に設定されている。次いで、次のローディング期間までイオンを飛行管へと加速するために、パルサ電極と電界規定電極とに適切な電圧が印加される。同時に、イオンは加速領域に入ることを阻止される。飛行管内のイオンは、マルチチャンネル・プレート（ＭＣＰ）検出器に衝突する時間によって約４０００ｅＶに加速される。
【００５７】
加速領域と飛行管はプリント回路板から作られ、一連の電界規定電極からなる。これらの電極に対する適切な電圧は、異なる開始位置を有するイオンの飛行時間に対して理論的には無限位数の補正を提供する反転型パーフェクトロンの放物状電界を規定する。この設計は有効単位長当たりに優れた分解能（ｍ／Δｍ、約３０００）を生成するので、リフレクトロンの使用は不要になることが多い。適度の分解能は３０〜１２００ａｍｕの質量範囲で得られる。
【００５８】
加速領域又は飛行管にグリッドは使用されない。グリッド無しの設計は飛行管を介した１００％イオン伝達に近い値を提供する。しかし、機器は、６０００ａｍｕより大きい上部ｍ／ｚ限界に対応する５ｋＨｚのパルス化周波数（１過渡質量スペクトルについて２００マイクロ秒）に対して約６５マイクロ秒という長いＴＯＦパルス継続時間を使用する。スペクトルの重なりを回避するために、以前のイオン・パッケージにおける最も重いイオンが検出器に達する前にイオンをロードすることはできない。残念ながら、イオン・ビームはＴＯＦパルス間で加速領域を過剰充填する（たとえば、多くのイオンはパルス化領域を通過し、壁上で中和される）。これは、特に低ｍ／ｚイオンについて当てはまる。約２０％のサンプリング・デューティーサイクルは高ｍ／ｚイオンについて達成され得る。マルチアノード・イオン計数システムは高い検出効率を提供し、機器のダイナミック・レンジを拡張する。この機器は最も敏感な質量分析器の１つであり、サンプリング・デューティーサイクルがさらに改善されるならば、一層敏感になる。
【００５９】
真空システムに関しては、電子銃はセラミック管における低いコンダクタンス限度を必要とするが、出口レンズは高いコンダクタンスを有する。そのため、機器は３つの真空ステージ、すなわち、バック・ハウジングにおけるＶＩ、セラミック管の４極子セクション及びアインツェル・レンズ・ハウジングにおけるＶＩＩ並びに飛行管でのＶＩＩＩを必要とする。ステージＶＩ及びＶＩＩＩは真空計によって監視することができ、ＶＩＩは定常状態条件下ではＶＩと原理的に同じである。元のポンプ・システム（１つのバックアップ回転ポンプ、２つのターボ分子ポンプ。バック・ハウジングに接続されたポンプ無し）により、飛行管及びバック真空ハウジングでの圧力は、それぞれ、付加的なガスの追加無しで、（真空計は窒素について較正されるが）空気について、約３×１０−７ｍｂａｒ及び４×１０−５ｍｂａｒである。
【００６０】
２つの大電流電源（ＲＦドライブ及びフィラメント）が手動で制御される。全ての他の電圧はＴＯＦＭＳのＳｐｒａｙＴＯＦオペレーティング・ソフトウェアによって制御される。ＳｐｒａｙＴＯＦプログラムはＴＯＦ機器の制御及び質量スペクトルの記録にも使用される。このソフトウェアはまた、未処理のスペクトル・データをオンライン又はオフラインで処理し、定量化のために較正曲線を準備することができる。これらの実験では、時間に対するｍ／ｚの選択された範囲からの選択されたイオン・クロマトグラムは、信号対雑音比を計算し且つ較正曲線を準備するために、ＭＳエクセルにエクスポートされる。
【００６１】
この部分で述べる全ての実験においては、飛行時間型質量分析がｍ／ｚ値及びイオン存在量を決定するのに使用された。供給源からの総イオン電流をピコアンペアで測定するために、四重出口レンズの後にファラデー・プレート検出器（直径が２．０ｃｍの銅板）が一時的に設置された。出口レンズから出る全てのイオンを収集するために、ファラデー・プレートにバイアス電圧が印加される。
【００６２】
４極子に入る電子のみがイオン生成に関与するので、有効電子ビーム電流Ｉｅｆｆは、収束用グリッド及び電子銃本体上で測定された全電流と放出電流との差として規定される。また、電子銃本体は４極子入口レンズとして動作するので、電子銃本体に印加された電圧はフィラメントと収束用グリッドとに電圧を設定するための基準電圧として使用される。こうして、電子銃の動作とは無関係に、入口レンズ電圧を効率的なイオン抽出のために調整することができる。
【００６３】
第１に、Ｉｅｆｆは、フィラメント上のバイアス電圧と言われるグリッド電圧、加熱用ＤＣ電流及びイオン化電子運動エネルギーによって影響を受ける。増加した放出電流とグリッドでの増加した損失との間の相互作用に起因して、Ｉｅｆｆ対グリッド電圧の曲線は最大値を有する。また、Ｉｅｆｆは真空状態及び磁界によって影響を受ける。収束用グリッド及び電子銃本体上での電子損失を減少させることによって、磁界は放出電流の減少につれてＩｅｆｆを増加させる。前述のように電圧設定が与えられる場合、Ｉｅｆｆは１．５ＡのＤＣ加熱電流のときに約１０μＡであった。
【００６４】
４極子内部の静電場は電子とイオンとの軌道に影響を与える。図５の（ａ）におけるシミュレーションは両端での電界侵入を示しており、実質的に、直線状の円筒形ロッドの軸に沿う中央部には軸方向電界はない。電界侵入深さは、物理的な幾何形状、及び、ロッドのＤＣオフセットと入口レンズ又は出口レンズとの間の電位差によってのみ決まる。電位差を増すことによって、侵入深さは僅かに増加する。本明細書で使用される幾何形状の場合、前のセクションで与えられる電圧設定を使用すると、周縁電界は各端から４極子内に約６ｍｍ侵入する。４極子のＤＣオフセットに対する入口レンズ上の正電圧は、入口の近傍においてのみではあるが、軸方向周縁電界を課すことによってイオン抽出を補助する。しかし、４極子の軸中心の近くのイオンの場合、この電界は非常に弱くて不十分である。同様に、出口レンズ上の負電位も同じに振舞う。そのため、バックグラウンド・ガスの存在下では、４極子を通してイオンを移動させるのには軸方向電界が必要である。
【００６５】
供給源の性能は、ファラデー・プレートを使用して残留空気の全イオン電流を測定することによって最初に評価された。３００ｐＡより大きい全イオン電流は、実験のセクション（図８）で述べた９．６アンペアの有効電子ビーム電流及び真空状態で記録された。ＲＦ電圧及び磁界は全イオン電流を大幅に増加させた。磁気コイルを通る電流が増加したとき、その後のイオン電流の増加は、（１）より多くの電子が４極子へ誘導されたこと、及び、（２）電子が一層深くに侵入し、一層大きなイオン化容積がもたらされることを示した。さらに大きな電流においては、利用可能な電子の数によって制限されて、イオン電流は横ばい状態になった。ＭＳ信号の増大は、ファラデー・プレート検出器を使用して観測される増大と同じであった。
【００６６】
イオン・ビームの半径方向収束における重要なファクタは、ＲＦ電圧の振幅によって果たされる役割である。ＲＦ専用４極子（ａＭ＝０）はハイパス・フィルタとして動作する。低ｍ／ｚのイオン（ｑＭ≧０．９０８に対応する）は不安定であり、通過することができない。高ｍ／ｚのイオンに対しては急峻なカットオフは存在しない。有効電位井戸の深さはイオン質量に逆比例するため、高ｍ／ｚのイオンの伝達は低ＲＦ電圧では弱い収束に起因して害される。伝達特性は、リーク弁を通して供給源にＰＦＴＢＡを導入することによって最初に調査された。ＰＦＴＢＡの安定した分圧は付加ガス無しで維持された。異なるｍ／ｚ範囲のイオン群の信号強度はＲＦ電圧を増加することによって決定された。その結果は図９に示され、典型的な伝達特性を示している。
【００６７】
高いＲＦ電圧の場合、低ｍ／ｚのイオンは完全に遮断される。高ｍ／ｚのイオンを遮断するには、より高いＲＦ電圧が必要とされる。収束性がよいので、高ｍ／ｚのイオンの信号はＲＦ電圧とともに増加し続けるが、最終的には、全てのイオンを伝達するのに十分に高いＲＦ電圧で一定になる。
【００６８】
供給源を高い圧力（１ｍＴｏｒｒ）で動作させることが有利である。これは、半径方向のイオン損失が衝突収束のために小さく、軽減された真空条件が供給源を種々の分離方法と結合させることを容易にするからである。イオン化及び伝達プロセスに対する供給源圧力の作用を研究するために、試料導入とは無関係に供給源圧力を増加させるようにイオン源にヘリウムが導入された。ヘリウムは、ＥＩ源に入る前に、０．２１ｍＬ／分且つ２５℃で試料バイアルにおいてｎ−ブチルベンゼンを通して発泡された。質量分析測定のエネルギー温度計として一般に使用されるｎ−ブチルベンゼン（ｍ／ｚ１３４）は、ＥＩ源の２つの経路、すなわち、ｍ／ｚ９２イオン（Ｃ７Ｈ８＋）を生じる低エネルギー・マクラファティ転位を介して又はプロピル基の損失を伴う高エネルギー経路を通して解離してｍ／ｚ９１イオン（Ｃ７Ｈ７＋）を形成する。ｍ／ｚ９２の９１に対する比は、衝突によって伝達され又は取得された平均内部エネルギーの尺度として使用される。
【００６９】
図１０に、実験結果が示される。ｍ／ｚ９１、９２、１３４に対する最大の信号強度が図１０の（ａ）における０．５２ｍＴｏｒｒのヘリウム圧において観測され、次いでイオン強度はヘリウム圧と共に減少する。最適質量分解能は図１０の（ｂ）において０．９ｍＴｏｒｒで示される。ここから分かるように、最適信号度及び高められたヘリウム圧での質量分解能によって衝突収束が供給源において発生する。これは、最適感度及び質量分解能が１ｍＴｏｒｒのヘリウム圧で見出されたイオントラップを使用した観測と矛盾しない。また、あり得ることであるが、４極子源内部で形成されたイオンは半径方向と軸方向とに低運動エネルギーを所有し、衝突収束は高いイオン伝達効率に対して低圧で起こり、一方、さらなるイオン−ガス衝突が出口レンズと加速領域との間の領域において一層多くのイオン損失をもたらす。
【００７０】
また、イオン源圧力の増加によって、電荷交換及び化学イオン化（ＣＩ）がもたらされる。図１０の（ｃ）では、ｎ−ブチルベンゼンからのｍ／ｚ９２イオンのｍ／ｚ９１イオンに対するイオン強度比がヘリウム・ガス圧に対してプロットされている。１．３４ｍＴｏｒｒより低い範囲ではヘリウム圧はイオン強度比に対してほとんど影響がないことが明らかである。ヘリウム圧が高くなると、この比はほぼ直線的に増加する。これは、ヘリウム・イオンとｎ−ブチルベンゼン分子との間の電荷交換によって説明することができる。形成された分子イオンは、次いで、ｍ／ｚ９２イオンに至る低エネルギー・フラグメンテーション経路をたどり、衝突誘起解離（ＣＩＤ）におけると同様にヘリウム・ガスとの衝突を伴う。２−オクタノンによる実験においては化学イオン化の徴候は観測されなかった。２−オクタノンは自己ＣＩで知られる化合物である。高濃度においては、内部イオン化を有する４極子イオントラップ内などのイオン源内部に分子イオンが十分に長く留まる場合、イオン比１２９／１２８すなわち（Ｍ＋Ｈ）／Ｍは１より大きい。高濃度を使用して取得したスペクトルには、プロトン化分子イオンは存在しなかった。
【００７１】
図１１は、（ａ）連続イオン・ビームを使用して得られたＰＦＴＢＡのＥＩスペクトルと、（ｂ）ｍ／ｚ６９イオン、（ｃ）ｍ／ｚ１３１イオン、（ｄ）ｍ／ｚ２１９イオン、（ｅ）ｍ／ｚ２６４イオンに対して最適化されたパルス化抽出を使用して記録されたスペクトルとの比較を示す。各スペクトルのｙ軸は０．３３秒において記録された（すなわち、５ｋＨｚのＴＯＦパルス周波数で１６００個の過渡現象を加算する）イオン計数を示す。スペクトル毎の挿入チャートは、最初に連続イオン・ビームを使用し、次いでパルス化抽出に変更して、指示された単位質量について合計イオン計数を比較する。たとえば、図１１の（ｂ）では、タイミング条件（パルス継続時間及び遅延時間）はｍ／ｚ６９イオンについて最適化され、ピーク面積については係数１３が、ピーク高さについては係数３３が得られた。ｍ／ｚ６９イオンのみがこのスペクトルにおいて記録された。高ｍ／ｚのイオンの方が、供給源を出てから加速領域に達するのに長い時間を必要とした。明らかなように、高ｍ／ｚのイオンに対しては、長いパルス継続時間と遅延時間を使用することが妥当である。高ｍ／ｚのイオンの方が広い質量範囲が観測されたが、ピーク面積の利得は小さかった。
【００７２】
タイミング条件及び信号強度利得が表ＩＩに要約される。利得係数はピーク面積に対して８〜４５倍であり、ピーク高さに対して２６〜８１倍であった。これは、大幅に改善された質量分解能（ここではデータは示されていない）をも示唆している。信号利得係数は、直交加速における改善されたサンプリング・デューティーサイクルから生ずる。狭いピーク幅は時間遅延収束及びイオン集群による。電荷反発によるイオン抽出を、トラップ電位による４極子内部の空間電荷の増加のために大幅に改善することも可能である。４極子内への短い電界侵入を考慮すると、電圧が切り換わる時点に出口レンズの近くにいるイオンのみが抽出パルスによって影響を受ける。
【００７３】
【表２】
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【００７４】
先に述べた利点以外のいくつかの利点がパルス化抽出を使用して観測された。供給源パルス動作によって、望ましくないイオンが検出器に達することが防止されるため、化学雑音が劇的に減る。第２に、ｍ／ｚ６９イオンについての図１１の（ｂ）におけると同様に、タイミング条件を制御することによって、特定の質量範囲を精密に選択することができる。さらに、質量スペクトルでの最も強い質量ピークは、ＧＣキャリア・ガスや溶媒などの、試料ガスにおける分析対象でない化学種から生ずることがしばしばある。干渉ピークに対する低サンプリング・デューティーサイクルを完全に除去し又は取得しながら当該質量範囲をカバーするように、供給源パルス動作によって直交加速ＴＯＦＭＳのダイナミック・レンジを増大させることができる。
【００７５】
新規なＥＩ源によって生成される質量スペクトルにおけるフラグメンテーション・パターン及び同位体比は、ＮＩＳＴライブラリにおけるスペクトルと矛盾しない。ブチルベンゼン、２−オクトン、直鎖状アルカン及びＰＦＴＢＡを含む化学物質により、実験が実施された。これらの化合物全てについて、食い違いはほとんど観測されなかった。ＰＦＴＢＡの質量スペクトルが図１２の（ｂ）に示される。ＰＦＴＢＡの定性的なフラグメンテーション・パターンは予想される通りであるが、個々のフラグメント・イオンの相対強度はＲＦ電圧の振幅、静電電圧設定及び供給源パルス動作によって大幅に影響を受ける。重要なことに、供給源の真空条件はイオンの相対強度に対してほとんど又は全く影響がない。実際、正確な質量フォーマットで示されるＰＦＴＢＡスペクトルは実際には高ｍ／ｚのイオンに有利である。
【００７６】
残留空気の拡大された質量スペクトルが図１２の（ａ）に示される。これは、５ｋＨｚのＴＯＦパルス動作周波数における２００個のスペクトルの和を表す。ｍ／ｚ＝２８に対する１０７４の質量分解能は、イオン源が十分にコリメートされたイオン・ビームを生成することを示す。図１２の（ｂ）における加算されたＰＦＴＢＡスペクトルにおいては、ｍ／ｚ６９では１１９５の質量分解能が得られ、ｍ／ｚ５０２では２０９０の質量分解能が得られた。長い飛行時間に起因する、ｍ／ｚについての質量分解能の増大は、ピーク幅が検出器応答及び電子部品によって主に決まることを示している。
【００７７】
感度及び検出限界についての全体の機器性能は、機器をガス・クロマトグラフに結合することによって試験された。８ｍ長で０．１ｍｍ内径（０．２μｍ膜厚）のＤＢ−５カラム（Ｊ＆Ｗ）が、１５０ｋＰａのヘリウム流量及び７０℃／分で２５℃〜９５℃までの温度プログラミングによって使用された。ヘキサンの０．５μＬ試料容積が１：５５０のスプリット比のスプリット・モードを使用して注入された。この試料容積とスプリット比は、カラムに過負荷をかけることを回避し、十分なクロマトグラフ効率を得るために、本装置と共に使用されなければならなかった。加熱された転送ラインは５０℃に保持され、ＥＩ源は約１００℃に保持された。有効電子ビーム電流は１５μＡに増加され、フィラメントは３６〜４８秒の間で溶媒溶離期間にオフにされた。供給源出口は、当該質量範囲をカバーするよう４マイクロ秒の継続時間及び１２マイクロ秒の遅延時間でパルス動作された。データは１２スペクトル／秒（５ｋＨｚのＴＯＦパルス動作周波数及び４００の過渡合計）で取得された。他の機器パラメータは、ＭＣＰ検出器に対しては２５５０Ｖ、ＳｐｒａｙＴＯＦソフトウェアによって設定される閾値に対しては２０２３Ｖであった、
図１３は、トルエン、エチルベンゼン及びプロピルベンゼンについての感度及び検出限界を示す。これらの検体が選択されたのは、転送ライン及び供給源加熱の問題の故であった。図示のクロマトグラムは、全スペクトル・モードで取得されたデータからｍ／ｚ９０．９〜９１．２を抽出することによって得られた再生である。４５２の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ、二乗平均平方根ＲＭＳ雑音に対するピーク高さ）はトルエンの１．８７ｐｇに対して得られ、３０４はエチルベンゼンの１．８７ｐｇに対して得られ、また、１９４はプロピルベンゼン・オンカラムの１．８５ｐｇに対して得られた。ピーク・ツー・ピーク雑音基準（２．８ＲＭＳ雑音）を使用した線形外挿による検出限界（ＬＯＤ）は、それぞれ、１２ｆｇ、１７ｆｇ、２７ｆｇであった。試料検体の強度のフラグメンテーション及び過剰のバックグラウンド化学雑音が観察された。これらの結果は、供給源加熱が利用可能であって高い化学雑音がなくなるならば、大幅に改善され得ることが期待される。
【００７８】
理解されるように、上述の構成は本発明の原理の応用を例示するに過ぎない。本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、当業者は多くの変更及び代替の構成を考案することができる。請求項はこうした変更及び構成を包含することを意図する。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の電子イオン源の断面図である。
【図２】フィラメント組み立て体の拡大断面図である。
【図３】高ＲＦ電圧の存在下でさえも電子が４極子軸に著しく集中することを示す断面図である。
【図４】２つのタイプの磁石によって生成される磁束線の断面図である。
【図５】Ａは単一の４極子について軸方向電界が比較されることを示す図である。Ｂはセグメント化された４極子について軸方向電界が比較されることを示す図である。
【図６】多くのｍ１イオンが検出窓を通過し、検出窓に入るｍｈイオンが無い状態で、２つのＴＯＦパルス間でイオン・ビームが加速領域を満たす概念を示す図である。
【図７】直交加速ＴＯＦＭＳのＥＩ源及び加速領域の略図である。
【図８】磁気コイルを通る電流の関数としての全イオン電流を示すグラフ図である。
【図９】典型的な伝達特性のグラフである。
【図１０】イオン化及び伝達プロセスに対する供給源圧力の影響を示す一連のグラフである。
【図１１】連続イオン・ビームを使用して得られたＰＦＴＢＡのＥＩスペクトルと、パルス化抽出を使用して記録されたスペクトルとの比較を示す図である。
【図１２】Ａは残留空気の質量スペクトルを示すグラフであり、ＢはＰＦＴＢＡの質量スペクトルを示すグラフである。
【図１３】トルエン、エチルベンゼン、プロピルベンゼンについての感度及び検出限界を示すグラフである。
【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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【国際調査報告】
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