(57)【要約】様々なイオン質量間における分解能を、時間ではなく、空間において実現する飛行距離（ＤＯＦ）による質量分析法である。別個の検出器が、それぞれのイオン質量分解能要素と関連付けられている。このＤＯＦ質量分析計は、タンデム構成における１つの要素として機能可能であり、これは、ソースから抽出されたイオンのそれぞれの群ごとに完全な２次元前駆／生成スペクトルを生成する能力を具備している。保存装置（２２、２３）にイオン抽出電圧パルスを印加するイオン保存装置（２１）手段と、無電界領域と、検出器（２９）と、を具備する飛行距離（ＤＯＦ）質量アナライザを、前駆及び生成分散のための飛行時間（ＴＯＦ）質量分析と組み合わせて使用する。すべての前駆イオンが、それぞれの生成ｍ／ｚ値の生成源である特定の前駆ｍ／ｚ値に関する不可欠な情報を依然として保持しつつ、質量変化反応を同時に経験することができる。２次元検出器を使用することにより、分析対象のイオンのそれぞれのバッチごとに、すべての前駆イオンからのすべての生成イオンを検出可能である。
2006521005.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）イオンを受領し保存するイオン保存装置と、
（ｂ）前記保存装置にイオン抽出電圧パルスを印加して前記イオンを加速し、これにより、前記保存手段を離れるイオンが質量対電荷比に依存した速度を具備するようにする手段と、
（ｃ）異なる質量対電荷比を有する前記イオンが、既定の時間内に異なる距離だけ移動する無電界領域と、
（ｄ）前記既定の時間内に異なる距離だけ移動した異なる質量対電荷比のイオンを受領するべく離隔しており、前記受領したイオンの前記質量対電荷比を示す出力を提供する検出器と、
を含む質量アナライザ。
【請求項２】
請求項１に記載の質量アナライザにおいて、分析対象のサンプルを受領し、前記イオン保存装置が受領する前記イオンを形成するイオン化器を含む、質量アナライザ。
【請求項３】
請求項２に記載の質量アナライザにおいて、前記イオン化器は、エレクトロスプレーイオン化器、マトリックス支援レーザー脱離イオン化器、大気圧化学イオン化器、グロー放電イオン化器、電子衝撃イオン化器、及びナノスプレーイオン化器から構成された群から選択される、質量アナライザ。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の質量アナライザにおいて、前記受領したイオンの質量対電荷比を示す出力は、特定の質量対電荷比のイオンを受領するべく配置された検出器から導出される、質量アナライザ。
【請求項５】
請求項１又は２記載の質量アナライザにおいて、前記無電界領域内を移動するイオンを、直交方向において、前記検出器に向かって偏向させる偏向器を含んでいる、質量アナライザ。
【請求項６】
請求項１又は２記載の質量アナライザにおいて、前記無電界領域内の前記イオンを生成イオンに解離させ又はその前記質量対電荷比を変化させ、これにより、前記生成イオンが、その前駆イオンと実質的に同一の速度で移動するようにする手段と、
前記生成イオン及び前駆イオンに直交加速電圧を印加し、これにより、前記変化していない前駆イオンと、異なる質量対電荷比の生成イオンが、異なる速度で移動するようにする手段と、
を含み、
前記検出器は、前記変化していない前駆イオンと、生成イオンを検出し、前記生成イオンとその前駆イオンの前記質量対電荷比の両方を識別する質量スペクトルを提供するべく配列されている、質量アナライザ。
【請求項７】
請求項６記載の質量アナライザにおいて、前記イオンの前記質量対電荷比を変化させる変化手段は、フラグメント化、分解、分子との反応、付加物形成、及び電荷のはぎ取りを行う手段を含んでいる、質量アナライザ。
【請求項８】
請求項６記載の質量アナライザにおいて、前記生成イオンは、飛行時間検出器によって検出される、質量アナライザ。
【請求項９】
請求項６記載の質量アナライザにおいて、前記生成イオンに直交電界を印加して前記イオンを偏向させる手段を含み、前記検出器は、位置に依存した検出を可能にするべく配置されている、質量アナライザ。
【請求項１０】
請求項６記載の質量アナライザにおいて、前記前駆及び生成イオンが、その質量対電荷比に応じて横方向に分離されるように、生成イオンの形成後に、前記イオンストリームに横方向の偏向電界を印加する手段を含んでいる、質量アナライザ。
【請求項１１】
請求項１０記載の質量アナライザにおいて、前記横方向の偏向電界を印加する手段は、前記直交加速領域の前段に配置されている、質量アナライザ。
【請求項１２】
請求項１０記載の質量アナライザにおいて、前記横方向の偏向電界を印加する手段は、前記直交加速領域の後段に配置されている、質量アナライザ。
【請求項１３】
請求項１０に記載の質量アナライザにおいて、その前駆質量対電荷比に応じて軸方向に、且つ、その生成質量対電荷比に応じて横方向に拡散した前記イオンは、イオン検出器の２次元アレイを使用して検出される、質量アナライザ。
【請求項１４】
イオンストリームを質量分析する方法であって、
イオン保存装置内においてイオンをトラップする段階と、
前記保存装置に長手方向の抽出電圧を印加し、これにより、相対的に小さな質量対電荷比を具備するイオンが、大きな質量対電荷比のイオンと比べて、大きな速度で移動するようにする段階と、
前記イオンが、無電界領域内を既定の時間にわたって移動することを許容し、これにより、それらが異なる距離だけ移動するようにする段階と、
前記移動のラインに対して実質的に平行に離隔した検出器によって前記異なる質量対電荷比のイオンを検出する段階と、
を有する、イオンストリームの質量分析方法。
【請求項１５】
異なる質量対電荷比のイオンのストリームを分析する方法であって、
既定の数の前記イオンを受領し保存する段階と、
前記保存されたイオンを加速し、これにより、異なる質量対電荷比のイオンが異なる速度を獲得するようにする段階と、
前記既定の時間内において異なる質量対電荷比のイオンが移動した距離により、前記イオンの前記質量対電荷比を判定する段階と、
を有する、イオンストリームの分析方法。
【請求項１６】
異なる質量対電荷比のイオンのストリームを質量分析する方法であって、
前記イオンストリームをイオン保存手段に案内する段階と、
前記保存手段に抽出電圧を周期的に印加し、前記保存手段から、前記イオンの前記質量対電荷比に依存した速度を有するイオンを抽出する段階と、
前記イオンが無電界領域を移動することを許容する段階と、
既定の時間内に異なる距離だけ移動した異なる質量対電荷比のイオンを受領するべく離隔したイオン検出器により、前記イオンを検出する段階と、
を有する、イオンストリームの質量分析方法。
【請求項１７】
請求項１４に記載の方法において、前記無電界領域内において前記イオンを解離させ、これにより、前記前駆イオンと同一の速度を具備するフラグメントイオン束を形成した後に、直交電圧パルスを前記フラグメントイオン束に印加して、前記フラグメントイオンがその質量対電荷比に依存した速度を獲得するようにする段階と、
前記フラグメントイオンを検出し、その質量対電荷比とその前駆イオンの質量対電荷比に関する情報を提供する段階と、
を更に含む、イオンストリームの質量分析方法。
【請求項１８】
請求項１４に記載の方法において、前記フラグメントイオンは、その飛行時間を検出することによって検出される、イオンストリームの質量分析方法。
【請求項１９】
請求項１７に記載の方法において、前記フラグメントイオンは、前記直交パルス後の既定の時間におけるその移動の距離を検出することによって検出される、イオンストリームの質量分析方法。
【請求項２０】
イオン保存装置と、
前記イオン保存装置からイオン群を抽出して加速する抽出器電界を提供し、相対的に小さな質量対電荷比のイオンを、大きな電荷対質量比のイオンと比べて、大きな速度で加速するべく構成及び配列されている抽出器と、
前記イオン群が移動する無電界領域と、
互いに異なる個々の距離だけそれぞれ前記加速領域から離隔した複数の別個の検出器と、
前記イオンがその移動の方向を横に変更して前記別個の検出器の隣接するものに到達するようにする横方向電界を前記無電界領域内に生成するべく構成及び配列された横方向加速器と、
を有しており、
前記別個の検出器は、到来した前記相対的に小さな及び大きな質量対電荷比のイオンのイオン強度を検出するべく構成及び配列されている、質量分析計。
【請求項２１】
請求項２０に記載の質量分析計において、前記別個の検出器は、前記移動のラインに対して平行に配列されている、質量分析計。
【請求項２２】
請求項２０に記載の質量分析計において、前記複数の別個の検出器は、前記抽出領域からの前記別個の検出器の距離の逆の順番に前記イオン強度を提示して質量スペクトルを生成する、質量分析計。
【請求項２３】
請求項２０記載の質量分析計において、前記別個の検出器のそれぞれは、一定の時間にわたってイオンの電荷を蓄積するべく構成されている、質量分析計。
【請求項２４】
請求項２０記載の質量分析計において、前記質量アナライザは、時系列順に群として保存及び加速するべく動作するように構成されている、質量分析計。
【請求項２５】
請求項２０記載の質量分析計において、イオンフラグメント化セルが、前記無電界領域内において、前記加速されたイオン群の経路内に存在し、前記イオンを解離させてイオンフラグメントを形成するべく構成されており、前記横方向の加速器は、相対的に小さな電荷対質量比のイオンを、大きな電荷対質量比のイオンと比べて、大きな速度に加速し、前記検出器は、前記イオンが横方向に加速された後の前記イオンの飛行時間を計測して、前記フラグメントイオンを検出し、これにより、前記（親及び）フラグメントイオンとその前駆イオンに関する情報を提供するべく構成されている、質量分析計。
【請求項２６】
請求項２５に記載の質量分析計において、前記イオンの解離においては、解離を誘発する中性ガス分子との衝突により、前記イオンストリームの前駆イオンにエネルギーを供給する、質量分析計。
【請求項２７】
請求項２５に記載の質量分析計において、前記フラグメント化セルは、前記フラグメントイオンに対する大きな運動量の転移を回避しつつ、前記イオンストリームにフラグメント化エネルギーを印加する、質量分析計。
【請求項２８】
請求項２０に記載の質量分析計において、前記別個の検出器は、それぞれのイオンの検出位置がそのイオンの電荷対質量比に対して平方根の関係を具備するように相互に配列されている、質量分析計。
【請求項２９】
請求項２０に記載の質量分析計において、前記抽出器によって生成される前記抽出電界は、時間と共に大きさが増大する抽出電圧から導出される、質量分析計。
【請求項３０】
請求項２０に記載の質量分析計において、前記抽出器によって生成される前記抽出電界は、その形状が変化する抽出パルスから導出される、質量分析計。
【請求項３１】
請求項２０に記載の質量分析計において、前記イオンストリームをフラグメント化するべく構成されたフラグメント化セクションと、質量対電荷比の値に応じて前記フラグメント化されたイオンストリームの前記イオンをソートするべく構成された直交飛行時間セクションと、を更に有しており、前記検出器は、前記ソートされたイオンの到着時間を検出するべく構成されている、質量分析計。
【請求項３２】
請求項２５記載の質量分析計において、前記フラグメント化セルに到着するイオンの出現とタイミングが一致した強力な光のビームを印加するフラグメント化器を更に有する、質量分析計。
【請求項３３】
請求項３２記載の質量分析計において、前記フラグメント化セクションは、内部反射表面を有するセルを含んでいる、質量分析計。
【請求項３４】
請求項２５記載の質量分析計において、前記フラグメントイオンが飛行距離によって分離されるように、前記フラグメントイオンに対して偏向電界を提供する偏向器を含み、前記検出器アレイは、前記イオンの到着を検出し、それぞれのイオンの前記イオンフラグメントの前記質量対電荷比を提供する２次元アレイを有している、質量分析計。
【請求項３５】
質量分析計によるイオン検出の方法であって、
抽出電界を印加してイオン保存装置からイオンを加速し、相対的に小さな質量対電荷比のイオンを、大きな電荷対質量比のイオンと比べて、大きな速度に加速させることにより、無電界領域を通過する飛行経路を辿るイオンストリームを形成する段階と、
前記無電界領域内の前記イオンストリームを横方向に加速し、検出器アレイ内の別個の検出器の隣接するものに到達させる段階であって、前記別個の検出器は、互いに異なる個々の距離だけ、それぞれ前記加速領域から離隔している、段階と、
前記別個の検出器によってイオン強度を検出する段階と、
を有する、イオン検出方法。
【請求項３６】
請求項３５記載の方法において、前記横方向の加速は、前記飛行経路に直交する電界を印加することによって実行される、イオン検出方法。
【請求項３７】
請求項３５に記載の方法において、前記イオンストリームをフラグメント化する段階と、質量対電荷比の値に応じて前記フラグメント化されたイオンストリームの前記イオンをソートする段階と、前記ソートされたイオンを検出する段階と、を更に有する、イオン検出方法。
【請求項３８】
請求項３６記載の方法において、前記レンジ内の隣接する単位質量対電荷比値に対する前記飛行経路に沿った位置の関係から導出される前記別個の検出器間の離隔距離を判定することにより、もう１つの特定の質量対電荷比の分解能の１質量単位を提供する前記別個のイオン検出器を構成する段階を更に有する、イオン検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（同時係属特許出願に対する相互参照）
本出願は、２００３年３月２０日付けで出願された仮特許出願第６０／４５６，２６９号の優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は、質量対電荷比に関連した所与の時間におけるイオンの飛行距離に基づいた質量分析用の質量分析計に関するものである。これは、飛行時間質量分析に通常必要とされる高速電子回路が不要であるという利点を具備している。この質量分析計をタンデム構成にすることにより、前駆スペクトルと生成スペクトルの同時収集を実現することができる。
【０００３】
このタンデム質量分析計（ＭＳ／ＭＳ）構成において、ソース内で生成されたすべてのイオンの完全な（ＭＳ／ＭＳ）スペクトルを同時生成することにより、生物医学的研究、薬剤供給、環境分析、及びその他のアプリケーションに適用される質量分光測定分析の効率と速度が向上する。
【背景技術】
【０００４】
飛行時間質量分析計は、真空中において、異なる質量対電荷比（ｍ／ｚ）のイオンが電界によって加速された際に獲得する速度の差に基づいたものである。この速度を計測するための一般的な構成は、飛行経路の端部に検出器を配置し、加速の後にイオンが検出器に到達するのに要する時間を判定するというものである。従って、加速領域と検出器間における距離をｄ、加速と検出の時点間における飛行時間をｔとすると、速度ｖは、ｖ＝ｄ／ｔとなる。すべてのイオンについて距離が同一であるため、それぞれの到着時間は異なり、まず、小さなｍ／ｚのイオンが到着し、大きなｍ／ｚのイオンは後から到着することになる。この方法は、「飛行時間（Ｔｉｍｅ−Ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ：ＴＯＦ）」質量分析と呼ばれている。
【０００５】
従来の線形ＴＯＦ装置の場合には、イオンは、無電界領域を横断し、この端部において、そのｍ／ｚ値の順番に検出器に到達することになる。そして、この「検出器信号の強度」対「時間」を記録し、質量スペクトルとして提示している。
【０００６】
質量分析計には、単一の検出器を有する走査質量対電荷比（ｍ／ｚ）フィルタ（例：４重極又はセクタ質量アナライザ）、単一の検出器を有するバッチｍ／ｚソーター（例：イオントラップ、ＦＴＭＳ装置、又は飛行時間質量アナライザ）、又は複数の検出器を有するｍ／ｚ空間分散装置（例：線形検出器アレイを有する磁気セクタ）のいずれかを使用可能である。但し、完全なスペクトル情報を必要とする場合には、走査フィルタ装置の効率は極小化される。この理由は、それぞれの状況においてフィルタが設定されているｍ／ｚ値を具備したイオンを検出する一方で、サンプルイオンビームの大多数の部分を無視することになるためである。
【０００７】
一方、バッチｍ／ｚソーティング装置の場合には、サンプルの消費形態をパルス化してサンプルイオンの新しいバッチの導入とタイミングを一致させることにより、その効率が極大化される。クロマトグラフィー検出におけるように、サンプルが、連続ストリームとして到来する場合には、装置のデューティサイクルが、その効率に影響を及ぼすことになる。デューティサイクルとは、装置がサンプルを最終的に検出可能なイオンに変換可能な時間の比率である。このような連続サンプルストリームを分析するバッチ装置のデューティサイクルは、多くの場合に、連続的なサンプルのイオン化とイオンバッチの導入間におけるイオン保存の組み合わせにより、改善することができる。
【０００８】
質量分析の有用性は、２つ（又は、これを上回る数）の質量分析段階をタンデム構成によって実行することにより、大幅に向上させることができる。この２段階の装置が、ＭＳ／ＭＳ装置であり、この場合には、２つ（又は、これを上回る数）の独立した質量分析を順番に実行することになる。ＭＳ／ＭＳの最も頻繁に使用される形態によれば、質量分析の第１段階において、ソースで形成された様々なｍ／ｚ値のすべてのイオンの中から特定のｍ／ｚ値のイオンを選択する。そして、この選択されたイオン（これを前駆イオンと呼ぶ）に対して、（通常は、中性ガス分子との衝突によって）エネルギーを供給することにより、イオンの解離を引き起こす。そして、この解離によるイオン生成物を、質量分析の第２段階において、生成イオンの質量スペクトルとしてソートするのである。
【０００９】
このようなタンデム質量分析計は、空間内において連続動作する複数の質量アナライザ（Ｒｅｉｎｈｏｌｄ及びＶｅｒｅｎｔｃｈｉｋｏｖ  ２００２）、又は時間軸上で連続動作する単一の質量アナライザから構成されている。そして、この質量分析の２つの段階の間においては、衝突解離などのなんらかの質量変化反応をイオンに適用することにより、分析対象である異なるｍ／ｚ値の分布を後続の質量アナライザに供給しなければならない。サンプルから生成されるイオンの分布は、前駆質量スペクトルと呼ばれ、これは、非タンデム装置内において生成されるものと同一のスペクトルである。そして、このそれぞれの前駆イオンのエンティティごとに、生成イオンスペクトルと呼ばれる反応生成イオンの分布が存在することになるのである。
【００１０】
前駆ｍ／ｚ値と生成ｍ／ｚ値の組み合わせとして表現されるイオンは、前駆ｍ／ｚ値のみの場合と比べて、特定の検体を更に限定することになるため、タンデム質量分析計によれば、検出の特定性が大幅に向上することになる。この２つのｍ／ｚ値のすべての組み合わせにおけるイオン強度を計測することにより、３次元配列（「前駆ｍ／ｚ」対「生成ｍ／ｚ」対「強度」）のデータが生成される。そして、このようなデータセットから、分子を事前に分離することなしに、イオンの混合物を解明し、個々の化合物に関する大量の構造情報を取得することができる。従って、このようなＭＳ／ＭＳの開発は、質量分析のすべての適用領域における質量分析の分析的有用性に対して非常に大きな影響を及ぼしている。
【００１１】
但し、完全なＭＳ／ＭＳスペクトル（それぞれの前駆ｍ／ｚ値ごとのすべての生成ｍ／ｚの強度）を取得するには、相当な量のサンプルと時間を必要とすることになる。２つの質量アナライザが走査装置であれば、すべての前駆／生成ｍ／ｚの組み合わせにおけるイオン強度を別個に計測しなければならない。この結果、すべての走査装置に固有の問題であるサンプル使用効率の問題が悪化することになる。
【００１２】
一方、２つの質量アナライザが、イオントラップ及びＦＴＭＳ装置のように、連続的に使用される同一の装置である場合には、前駆質量スペクトル内の特定のｍ／ｚ値を具備するイオンを分離し、反応させた後に、生成イオンの質量スペクトルを取得することになる（Ｒｏｕｓｓｉｓ  ２００１）。このプロセスは、前駆質量スペクトル内のそれぞれのｍ／ｚ値ごとに反復しなければならない。そして、この一連の作業に必要とされる時間のために、バッチ装置のデューティサイクルの非効率性が悪化することになる。従って、完全な単一ＭＳスペクトルの生成においては、質量フィルタアナライザ（線形４重極及びセクタアナライザ）よりも、バッチ質量アナライザ（例：飛行時間質量分析（ＴＯＦ）、イオントラップ質量分析（ＩＴＤ）、フーリエ変換質量分析（ＦＴＭＳ））のほうが、高いサンプル利用効率と高速のスペクトル生成レートを具備している。
【００１３】
ＩＴＤ及びＦＴＭＳは、いずれもバッチ技法であり、イオンを分析用の「バッチ」として取得し、このバッチ内のすべてのイオンを検出することにより、それぞれのバッチごとに完全なスペクトルを生成可能である。ＭＳ／ＭＳ用に独立的に使用した場合には、所望のｍ／ｚを有するものを除いて、バッチ内のすベてのイオンを排出し、この同一のセル内において、この選択されたイオンに衝突フラグメント化を経験させ、このフラグメント化により、生成スペクトルに含まれるイオンを生成する。前駆イオンの選択と生成イオンスペクトルの生成のために同一のセルを使用しているため、この技法は、しばしば、「時間的タンデム構成」と呼ばれている。尚、ＩＴＤの場合には、セル内におけるイオンの閉じ込めのためにＲＦ電圧を使用し、ＦＴＭＳの場合には、強力な磁場を使用している。又、これらは、異なるイオン検出法を具備している。
【００１４】
サンプル利用効率とは、検出可能なイオンに変換可能なサンプルの比率のことである。このサンプル利用効率は、質量フィルタの使用によるサンプルイオンの排除や別の作業を実行中の装置のサンプル導入に対する注意の欠如により、低下することになる。後者の例がＩＴＤであり、この場合には、新しいサンプルのイオンソースへの導入が継続している際に、前駆イオンの選択と生成スペクトルの生成を実行している（即ち、新しいサンプルが浪費されている）。
【００１５】
多くの質量分析のアプリケーションにおいては、可能な限り少量のサンプルを使用して所望の情報を提供する必要がある。アプリケーションのレンジ、細胞を培養するのに所要する日数、及び薬品代謝試験に必要な動物のサイズのいずれもが、所望の情報を提供するのに要するサンプルの量がどれだけ少ないか、によって左右されることになる。このため、完全なスペクトルを生成するには、高いサンプル利用効率と高速のスペクトル生成レートが好ましい。スペクトル生成レートの観点においては、サンプル導入の好ましい形態は、液体クロマトグラフィーによるものであり、これは、通過するカラム上における滞留時間によってサンプル成分をソートする技法である。様々な化合物がカラムを離れ、ソースに流入する際に、それぞれ、約数十秒（又は、これ以下）だけ存在することになる。これが、溶離化合物に関するすべての情報を取得するのに利用可能な時間量である。又、化合物は、多くの場合に、その溶離がオーバーラップしている。迅速なスペクトルの生成により、それぞれの化合物の溶離プロファイルの生成が可能になり、この結果、オーバーラップした化合物を別個に識別できるようになる。
【００１６】
質量フィルタ質量アナライザ（例：４重極）の場合には、一度に、狭いｍ／ｚ値のレンジを具備したイオンのみを通過させる。スペクトルを取得するには、質量フィルタが、対象のｍ／ｚ値レンジを走査している際に、質量フィルタに対してイオンを安定供給しなければならない。これは、バッチ内のすべてのイオンを検出し、適切なｍ／ｚ値を割り当てることができる「バッチ」アナライザ（ＴＯＦ、ＩＴＤ、ＦＴＭＳ）と比べて、イオンの浪費である。
【００１７】
４重極及び飛行時間質量アナライザのタンデムの組み合わせ（Ｑ−ＴＯＦと呼ばれる装置）における大きな成功は、４重極質量アナライザのｍ／ｚ設定のかなり低速の掃引においても完全なＭＳ／ＭＳスペクトルを取得できるほどの高レートで生成スペクトルを生成する飛行時間アナライザの能力に起因するものである。尚、飛行時間質量アナライザのデューティサイクルの問題は、その直前にイオン保存装置を導入することにより、相殺可能である（Ｖａｎ  Ｆｏｎｇ、  ２００１）。但し、この場合にも、走査４重極装置の不良なサンプル利用効率と、所望の前駆ｍ／ｚ値のレンジにおける相対的に長い走査時間が、この非常に人気のある装置の制約事項として残っている。
【００１８】
タンデムＴＯＦ装置においては、この問題をある程度軽減可能であるが（Ｂａｒｏｆｓｋｙ  ２００２）、この場合にも、これらは、それぞれの選択された前駆ｍ／ｚ値ごとに１つの生成スペクトルを生成する能力を有しているのみである。Ｑ−ＴＯＦと比べた場合のＴＯＦ−ＴＯＦ構成の主な利点は、特定の前駆ｍ／ｚ値に対する相対的に高速のアクセスと完全なＭＳ／ＭＳスペクトルの潜在的に高速の生成にある。
【００１９】
事前選択なしに、すべての前駆イオンに対してフラグメント化メカニズムを適用した後に、これに続く加速によって生成質量を判定する飛行時間質量分析計の変形を既に何人かの研究者が着想している。この場合には、フラグメント化のイオン及び中性生成物の検出における時間差（Ａｌｄｅｒｄｉｃｅ、Ｄｅｒｒｉｃｋ他、１９９３）により、或いは、フラグメント化の時点と生成物検出の時点間の時間差により、生成イオンの前駆質量を識別することになる（Ｗｏｌｌｎｉｋ、１９３３）。このような方法は、サンプルの利用効率の観点においては、非常に効率的であるが、必要な時間相関を実行するべく、イオンフラックスを低レベルに維持しければならないという問題点を具備している。このような低レベルのイオンフラックスは、複雑な混合物のクロマトグラフィー検出及び迅速なスクリーニング用の装置アプリケーションとは矛盾するものである。
【００２０】
従来のＭＳ／ＭＳ装置においては、イオンのフラグメント化が完了した後に前駆ｍ／ｚに関する情報を維持する方法を具備していない。従って、一度に１つのｍ／ｚ値のみのイオンをフラグメント化し、この選択されたｍ／ｚ値のイオンのフラグメントを質量分析の第２段階に伝達しなければならない。このため、ＭＳ／ＭＳ装置内のＭＳの第１段階に使用する質量アナライザは、そのタイプとは無関係に、一度にｍ／ｚ値の狭いレンジのイオンのみを伝達する質量フィルタとして使用されている。そして、その他のｍ／ｚ値を具備するイオンから生成スペクトルを取得するには、実験を再度反復し、それぞれの異なる前駆ｍ／ｚ値からイオンを生成しなければならず、これは、サンプルの浪費である。又、前駆値の所望の組を選択しつつ、フラグメント化及び分析を実行する場合には、ソース内のサンプル組成が変化することにより、データの分析が更に複雑化することになる（液体クロマトグラフィーによる導入のケースが、これに相当しよう）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
従来、多くの研究者の目標は、走査質量アナライザを使用することなしに、完全なＭＳ／ＭＳスペクトルを取得し、それぞれのバッチサンプルイオンごとに、完全な３次元データ配列を生成するというものであった（ＭｃＬａｆｆｅｒｔｙ  １９８３、並びに、Ｃｏｎｚｅｍｉｕｓ及びＳｖｅｃ  １９９０）。従って、これを実行する装置を提供することが望ましいであろう。
【００２２】
飛行時間質量アナライザは、従来、ＭＳ／ＭＳ装置内における生成イオン分散のために使用されている。このような装置においては、第１質量アナライザは、しばしば、４重極であり（Ｂａｔｅｍａｎ及びＨｏｙｅｓ  ２０００、Ｗｈｉｔｅｈｏｕｓｅ及びＡｎｄｒｉｅｎ  ２００１）、ＴＯＦ、セクタ、及びその他の形態の質量アナライザも前駆イオンｍ／ｚ値の選択に使用されている。前述のように、このようなシステム内において、質量変化反応を一度に経験できるのは、狭いｍ／ｚ値のレンジのイオンのみである。従って、それぞれのイオンのバッチ全体が、一度にフラグメント化を経験した後に、検出されたそれぞれの生成イオンごとに前駆ｍ／ｚ情報が保持されるように分散させる装置を提供することが有利であろう。
【００２３】
逆畳み込み（ｄｅｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ）とは、単独で存在しておれば、それぞれの化合物が生成していたであろう信号内にクロマトグラフピークがオーバーラップしている成分から信号を解明することである。これは、溶離化合物のピーク幅当たり２０〜５０回のレートでスペクトル情報を取得した場合にのみ、オーバーラップするクロマトグラフピークによって実現することができる。従来、これが実現されているのは、２次元（「強度」対「ｍ／ｚ」）質量スペクトルについてのみである。本発明の１つの特徴は、クロマトグラフ逆畳み込みに適した完全な３次元スペクトルデータを時間尺度上において提供することにある。このＭＳ／ＭＳデータによって提供される更なる次元により、複雑な混合物の分析において、逆畳み込みが更に効果的なものになろう。現在の液体クロマトグラフィー及びＭＳ／ＭＳにおいては、完全な３次元のＭＳ／ＭＳ情報を数回／秒以上の頻度で取得することが望ましい。クロマトグラフィーの改善によるピーク幅の短縮に伴って、迅速なスペクトルの生成が更に重要となろう。クロマトグラフ逆畳み込みに関係する本発明の更なる特徴は、ソースからの同一のイオンバッチについて、すべてのＭＳ／ＭＳデータを収集することにより、逆畳み込み段階において使用するデータの要素間にクロマトグラフ時間の差が存在しないことである。このスペクトルスキューの欠落は、逆畳み込みアルゴリズムのアプリケーションにおいて、非常に有益である。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明の一態様においては、望ましいものとして先程説明した内容を実現する装置を提供している。この本発明による装置は、前駆イオン及び生成イオンのｍ／ｚ値を同時デュアル軸分散して３次元で指定されたデータを提供するべく、飛行時間（ＴＯＦ）質量分析との組み合わせにおいて、飛行距離（ＤＯＦ）質量アナライザを使用することにより、実現されている。
【００２５】
従来のＴＯＦ質量アナライザは、ｍ／ｚ値による前駆イオンの選択を実行する４重極、ＴＯＦ、セクタ、及びその他の形態の質量アナライザとの組み合わせにおいて、生成イオンの分散のために使用されている。このような従来のシステムにおいては、前駆ｍ／ｚ値の狭いレンジのイオンのみをフラグメント化し、これらのフラグメントを一度に分散させて検出している。
【００２６】
本発明においては、すべての前駆イオンがｍ／ｚ変化反応を同時に経験すると共に（通常、これは、フラグメント化であるが、これに限定されるものではない）、それぞれの生成イオンの生成源である前駆ｍ／ｚ値に関する情報がＤＯＦ分散に含まれている。そして、２次元検出器（「Ｘ−Ｙ」又は「Ｘ−時間」）を使用することにより、分析対象のイオンのそれぞれのバッチごとに、すべての前駆イオンからのすべての生成イオンを検出することができる。
【００２７】
イオンが獲得する速度を、所与の時間量において移動した距離によって判定可能である。この場合に、抽出と直交加速間における飛行時間は、すべてのイオンについて同一であるが、移動する距離は異なり、相対的に低いｍ／ｚ値を具備するイオンが、高いｍ／ｚを有するものと比べて、更に移動することになる。この方法は、これまで提案又は実装されていないが、その理由は、恐らく、イオン移動のそれぞれの増分ごとに別個の検出器が必要になるためであろう。しかしながら、いまや、廉価な検出器アレイの登場により、この方法は、非常に実際的であり、この結果、いくつかの明確な利点が提供されることになる。以下、この質量分析法を「飛行距離（Ｄｉｓｔａｎｃｅ−Ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ：ＤＯＦ）」質量分析と呼ぶことにする。
【００２８】
ＴＯＦ法と比べた場合のＤＯＦ法の主な利点は、様々なイオン質量間における分解能が、時間ではなく、空間において実現することにある。この結果、特定の時間において検出器に到来するイオンの数を判定するための高速電子回路及びカウンティングシステムに対するニーズが除去される。そして、その代わりに、それぞれのイオン質量分解要素ごとに、別個の検出器が存在している。このそれぞれの検出器は、任意の妥当な数のイオンバッチにわたってイオンの電荷を蓄積し、検出限度、精度、及びダイナミックレンジを改善する積算型のものであってよい。そして、この検出器の信号強度を、最も遠い検出器要素から最も近い検出器に至る順番に提示することにより、質量スペクトルを生成する。或いは、この代わりに、それぞれの検出器が、独立した信号を提供し、これにより、１つ又は複数の質量分解要素のイオン強度の尺度を時間の関数として提供することも可能である。この後者の形態は、高速クロマトグラフィーによる検出に特に有用であろう。
【００２９】
このＤＯＦ質量分析計は、ソースから抽出されたイオンのそれぞれの群ごとに完全な３次元の「強度」対「前駆／生成ｍ／ｚ」スペクトルを生成する能力を具備するＭＳ／ＭＳ装置の１つの要素として機能することができる。この「飛行距離（ＤＯＦ）」質量アナライザは、前駆及び生成イオン分散用の飛行時間（ＴＯＦ）質量分析との組み合わせにおいて使用する。或いは、この代わりに、このＤＯＦ質量アナライザを第２次元の分散において使用することにより、ＭＳ／ＭＳスペクトルを生成することも可能である。
【００３０】
すべての前駆イオンが同時に質量変化反応を経験することが可能であり、且つ、それぞれの生成イオンの生成源である特定の前駆ｍ／ｚ値に関する不可欠の情報を依然として保持している。２次元の検出器（飛行距離と飛行時間、又は２次元アレイ）を使用することにより、分析対象のイオンのそれぞれのバッチごとに、すべての前駆イオンからのすべての生成イオンを検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明を更に理解できるように、以下の説明と添付の図面を参照されたい。但し、本発明の範囲は、添付の請求項に規定されているとおりである。
【００３２】
図１及び図２に示されているのは、飛行距離質量分析計の一実装である。サンプル１１が、液体の形態で、エレクトロスプレーイオン化（ＥＳＩ）装置１２に導入される。そして、サンプル導入毛細管１３の端部と第１注入開口部１４の間の領域に、イオンが形成される。このエレクトロスプレーからのイオン以外にも、ＥＳＩ領域内に含まれているガスの分子も入口の開口部に進入する。入口開口部に進入したイオンは、平行なロッド又はスタックされたディスクからなるＲＦイオンガイド１６を使用することにより、随伴しているガスから分離される。この装置は、第１真空チャンバ１７に装着された真空ポンプによってガスを除去できるようになっており、イオンに対する閉じ込め電界を提供している。イオンは、チャンバ間のオリフィス１９を介し、電界、ガスフロー、又は、この両方によって案内され、第１真空チャンバ１７から第２真空チャンバ１８に伝達される。この第２真空チャンバも、平行なロッド又はスタックされたディスクからなるＲＦイオン閉じ込め装置２１を含んでいる。そして、この装置を使用することにより、第１真空チャンバから導入されたイオンを保存し、装着されたポンプによってガス圧の可能な更なる低減を提供すると共に、後続のイオン飛行経路用のイオンのパルス又は群を提供している。このイオンのパルス化は、ＤＣ電圧をグリッド２２及び２３に印加した後に、この長手方向の電界を変化させることによって保存装置内に長手方向の電位井戸を生成し、これにより、保存されているイオンのパルスを装置の出口側の端部から外に、そして、後続の真空チャンバ２４内に移動させることによって実現可能である。
【００３３】
このイオンパルス化装置からのイオンのバッチは、第３真空チャンバ内の無電界領域に進入することになる。このイオンのパルス２６は、いくつかのｍ／ｚ値のイオンを含んでいる。図には、異なるサイズの円によって、これが示されている。先行するイオン保存及びパルス装置から一定の抽出パルスが供給されておれば、イオンは、すべて、略同一のエネルギーを具備することになる。この場合には、その速度は、そのｍ／ｚの関数になり、相対的に低いｍ／ｚ値のイオンは、高いｍ／ｚの値を有するイオンと比べて、高い速度を具備している。従って、これらのイオンは、直交電界抽出プレート２７に到達する時点までに、そのｍ／ｚ値に応じて分散することになる。次いで、抽出プレート２７とグリッド２８の間に抽出パルスを印加することにより、直交する力をこの領域内のイオンに対して提供する。尚、イオン保存及びパルス装置からのイオンのパルス化に対するこの抽出パルスのタイミングは、慎重に制御されており、この結果、抽出パルスの時点において、対象のイオンが直交抽出領域内に位置するようになっている。異なるｍ／ｚのイオンが、パルス化装置からの同一軸方向運動エネルギーを具備しておれば、これらのイオンは、抽出グリッドを通過する際に、図示のように、略平行な経路を具備することになる。そして、これらのイオンは、グリッドを通過した後に、グリッドのもう一方の側に配置された検出器のアレイ２９によって検出されることになる。これらの検出器の位置は、イオンが偏向する位置に対して線形の関係を有している。そして、この検出器アレイの角度は、設計者の選択肢であり、異なるｍ／ｚ比を有するイオンのイオン強度が、アレイの異なる要素によって検出されることになる。この結果、これらのアレイ要素を調べることにより、質量スペクトルを作成可能な情報が得られる。
【００３４】
尚、この装置は、既存の、並びに今後開発されるであろうサンプルイオンのその他の好適なソースのいずれにも使用可能であることを理解されたい。このようなソースには、固体及び液体サンプルからの大気圧マトリックス支援レーザー脱離イオン化及びその他の形態のイオン脱離、液体サンプルのナノスプレーイオン化及びエレクトロスプレーイオン化のその他の変形、ガス状サンプルの大気圧化学イオン化、ガス状サンプルのグロー放電イオン化、及びその他の形態のガス状イオン化法、並びに、電子衝撃イオン化、化学イオン化、及びマトリックス支援レーザー脱離イオン化を含む真空イオン化法が含まれる。
【００３５】
又、イオン保存及びパルス化装置内へのイオンの導入も、イオンの案内及び圧力低減における様々な既存の手段によって実現可能であることを理解されたい。これには、平行なロッド又はスタックされたディスクからなるＲＦ閉じ込め装置、イオンレンズ、及びその他のイオン光学要素が含まれよう。同様に、イオン保存及びパルス化装置自体も、平行なロッド、円筒形のイオントラップ、又はその内部にイオンを導入し、最小限の損失によって保存し、後続の質量分析のためにバッチとしてパルス化可能なその他の類似の装置から構成可能である。そして、抽出されたイオンには、異なるｍ／ｚ値を有するイオンが異なる速度でパルス化装置を離れる限り、基本的に、同一のエネルギー、同一の運動量、又はｍ／ｚ依存エネルギーを付与することができる。
【００３６】
一実施例による飛行距離質量分析計の通常動作においては、イオンパルス化装置と直交抽出プレート及びグリッドの間に、衝突やその他のフラグメント化セルが含まれてはいない。この領域は、主として無電界の状態におかれることになるが、イオンの閉じ込め又は合焦用のイオン光学要素を含むことも可能であり、或いは、動作可能な又は動作不能なフラグメント化セルを含むことも可能である。
【００３７】
直交抽出パルス生成器は、通常、そのパルスにわたって一定の振幅を有している。しかしながら、イオン保存及びパルス化装置からの抽出と同様に、時間依存抽出電界を印加することも可能である。そして、イオン抽出パルスとイオン群に対するこの直交抽出パルスのタイミングは、高精度のタイミング回路によって制御し、イオン群が偏向プレート２７の反対側に位置している際に抽出パルスを印加する。
【００３８】
検出器に関しては、本発明に使用するのに好適な検出器が、「Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ」の２００３年１０月号のＢａｒｎｓ、Ｈｉｅｆｔｊｅ、Ｄｅｎｔｏｎ他による論文に記述されている（この論文は、単純なイオン電荷検出装置について記述すると共に、質量分析計におけるその適用について実証している）。関連回路を有する３１個のファラデーカップのアレイが示されている。又、磁場によってイオンの空間分散を提供するセクタ装置用のアレイ検出器も市販されており、このようなアレイ検出器も同様に本発明に使用するのに適している。マサチューセッツ州スターブリッジに所在するＢｕｒｌｅ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ社（Ｂｕｒｌｅ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ  ｏｆ  Ｓｔｕｒｂｒｉｄｇｅ  ＭＡ）が、マイクロチャネルプレートによる電子増殖を有するイメージング検出器を製造しており、これは、質量分析におけるイオン検出において機能することが実証済みであり、本発明に使用するのに適している。
【００３９】
本発明による飛行距離質量分析計（ＤＯＦ−ＭＳ）は、重要な特徴を有している。即ち、すべてのイオンが、同時に検出器に向かって偏向され、その時間内において、異なる距離だけ移動している。保存及びパルス装置の出口から偏向の地点まで、それぞれのイオンが移動する距離は、次のように算出することができる。即ち、Ｅ（Ｖ／ｍ）の電界によって、ソース内おいてｌsメートルだけ加速されたイオンの場合には、イオンの加速度ａは、次のとおりである。
【００４０】
【数１】
2006521005.tif 000003
【００４１】
そして、イオンの速度を得るべく積分することにより、次の各式が得られる。
【００４２】
【数２】
2006521005.tif 000004
【００４３】
ここで、Ｍは、イオンの質量（単位；キログラム）であり、ｑは、イオンの電荷（単位：クーロン）である。所与の時間内において、ソース内においてイオンが移動する距離は、次式
【００４４】
【数３】
2006521005.tif 000005
を次の形態
【００４５】
【数４】
2006521005.tif 000006
【００４６】
によって積分することにより、次のように得られる。
【００４７】
【数５】
2006521005.tif 000007
【００４８】
イオンは、時間ｔs秒において、速度ｖsメートル／秒でソースを離れる。以前の式においてこれらの項を使用すれば、次式が得られる。
【００４９】
【数６】
2006521005.tif 000008
ここでは、イオンの質量が、ｍトムソンに変化し、イオンの電荷が、電子電荷数ｚになっている。イオン加速領域を離れ、無電界飛行領域に進入するイオンの速度は、次のとおりである。
【００５０】
【数７】
2006521005.tif 000009
【００５１】
偏向パルスを時間ｔdefにおいて印加する。イオンが、偏向の時点において、パルス化装置の出口から移動している距離ｄdefは、次のとおりである。
【００５２】
【数８】
2006521005.tif 000010
【００５３】
イオンの偏向角度は、偏向領域内におけるその横方向の加速度に対するパルス化装置内におけるその軸方向の加速度の比率によって左右される。式８を結果的に導出したものと同様の議論を辿ることにより、直交方向における速度は、次のようになる。
【００５４】
【数９】
2006521005.tif 000011
【００５５】
直交加速の後のイオン軌道の角度の接線は、次のとおりであり、これは、ｍ／ｚとは無関係である。
【００５６】
【数１０】
2006521005.tif 000012
【００５７】
従って、図１に示されているように、偏向の時点において存在していた様々なｍ／ｚ比を有するイオン間における同一の空間的関係が、偏向の瞬間まで維持されている。この結果、検出器アレイ内のそれぞれの検出器要素が、異なる前駆ｍ／ｚ値を検出することになる。これらの検出器要素は、保存及びパルス化装置からの多数の抽出にわたって、イオンの到来をカウントするか、又は電荷を積算することができる。この多数の抽出の積算により、向上した信号対雑音比が結果的に得られることになる。又、この積算の最中に検出器要素を調査し、飽和している要素を読み取ってクリアすることができる場合には、有用なイオン強度のダイナミックレンジを増大させることができる。
【００５８】
まず、イオンが空間内の同一地点に群集しており、それらが、いずれも、無視可能な運動エネルギーを具備していると仮定しよう。抽出の際に、吸引電界Ｖextを横断すると、これらのイオンは、次の速度ｖを獲得することになる。
【００５９】
【数１１】
2006521005.tif 000013
【００６０】
ここで、ｅは、１つの電子の電荷であり、Ｍは、イオンの質量（単位：ｋｇ）であり、ｚは、イオンの単位電荷数である。速度ｖの単位は、メートル／秒となる。Ｖextの電界を移動した質量がｍiダルトンであってｚi電荷のイオンを考えてみよう。この速度は、次のようになり、１０００ダルトン、単位電荷、及び抽出電界が５００Ｖであるイオンの場合には、ｖ＝９．８３ｘ１０3メートル／秒となる。
【００６１】
【数１２】
2006521005.tif 000014
【００６２】
尚、すべての抽出イオンが、基本的に同一の運動エネルギーを具備しているため、この方式を「一定エネルギー抽出法」と呼ぶことにする。保存及びパルス化装置から抽出されたイオンが、基本的に無電界の状態にある領域に進入し、この中において、それぞれの異なる速度により、その経路に沿って、所与の時点において、異なる距離だけ搬送されることになる。
【００６３】
（一定エネルギー抽出法）
イオンがソースを離れるまで抽出パルスが印加される一定エネルギー抽出法の場合には、その偏向の時点ｔdefにおけるｍ／ｚのそれぞれの値ごとの飛行経路に沿った位置ｄdefは、次のとおりである。
【００６４】
【数１３】
2006521005.tif 000015
【００６５】
１００〜２０００ダルトンのｍ／ｚの所望のレンジを具備する質量分析計を考えてみよう。この装置の場合には、「ｍ／ｚが１００であるイオンのｄdef」＝４．４７ｘ「ｍ／ｚが２０００であるイオンのｄdef」である。換言すれば、ｍ／ｚが２０００である検出器は、ｍ／ｚ＝１００のイオンの検出器よりも、飛行経路に沿って、４．４７倍だけ遠くに配置されることになる。それぞれのイオンの偏向地点の位置は、そのイオンのｍ／ｚに対して平方根の関係を具備しており、即ち、これは、隣接する単位ｍ／ｚ値を検出する検出器間の距離が、その検出器アレイのｍ／ｚが大きいほうの端部に近づくほど、近接することを意味している。この関係が図３のプロットに示されている。
【００６６】
この図３のプロットにおいては、Ｖとして５００Ｖの値を、そして、抽出時間として２０μｓを使用している。尚、これらの値を変更しても、距離軸の尺度が変化するだけで、曲線の全体的な形状は変化しない。この例の場合には、略１／２メールにわたって広がっている検出器が、１００〜２０００のすべてのｍ／ｚ値を検出することになる。傾きは、ｍ／ｚ２００における０．１３ｃｍ／ダルトンから、ｍ／ｚ１９００における０．００４ｃｍ／ダルトンまで変化している。４０ミクロンだけ離隔した検出器により、このスケールのｍ／ｚが大きいほうの端部においても、単位ｍ／ｚ分解能が得られることになる。検出器は、ソースからの距離が増大するに伴って、更に離隔して配置可能である。前述の式及び説明内容に応じて異なる電圧及び距離を使用することにより、その他の検出器寸法を実装可能であることを理解されたい。
【００６７】
これよりも多少実際的な実装は、所与の実験用に更に制限されたｍ／ｚレンジを有する装置におけるものであろう。例えば、７００〜１２００ダルトンのレンジは、ペプチドのエレクトロスプレーイオン化分析に非常に有用であろう。図４には、このアプリケーション用のプロットが示されている。このプロットは、ちょうど、図３のプロットの一部を拡大したものである。このｍ／ｚレンジにわたって、隣接する単位ｍ／ｚ値間の検出器の長さは、ｍ／ｚ１２００における８０ミクロンから、ｍ／ｚ７００における１７０ミクロンに（即ち、スケールの一端から他端まで、２倍の変化量を少し上回る分量だけ）変化している。検出器の合計長は５．６ｃｍとなろう。そして、検出器が、８０ミクロンの間隔で７００個の要素を格納しているアレイであれば、７００〜１２００ダルトンのｍ／ｚレンジにわたって、単位ｍ／ｚ分解能が得られることになろう。
【００６８】
一定電界抽出法の場合には、移動距離は、図５に示されているように、前駆イオンｍ／ｚの非線形関数になる（図５は、一定抽出電界を有する「飛行距離」対「ｍ／ｚ」を示している）。この結果、先程導出及び算出したように、ｍ／ｚの関数として、ｍ／ｚ分解能の潜在的に大きな変動がもたらされることになる。そして、相対的に大きなｍ／ｚレンジにおける所望の分解能を実現するべく、格段に小さなｍ／ｚ値のイオンの検出を要する場合には、非常に大きな検出器アレイが必要となるため、この非線形性は、望ましいものではないであろう。
【００６９】
（抽出の線形化と小型化）
ｍ／ｚと距離間の関係を線形化し、ｍ／ｚ値の所与のレンジをカバーするのに必要な検出器の長さを低減することが可能な別の方法は、非線形抽出法を使用するものである。即ち、低い抽出電圧から開始し、抽出電圧を時間と共に増大させるのである。
【００７０】
この抽出電圧の傾斜は、所望のｍ／ｚレンジの高いほうの端部におけるイオンが抽出領域を離れる前に完了する必要がある。低いｍ／ｚ値を有するイオンが経験する加速度は、小さく、従って、一定エネルギー抽出法の場合と比べて、低い速度を具備することになるが、高いｍ／ｚ値を有するイオンが経験する抽出加速度は、大きく、従って、一定エネルギー抽出法の場合に具備するものと比べて、高い速度を実現することになる。この結果、最低ｍ／ｚから最高ｍ／ｚへの速度レンジが圧縮され、ｍ／ｚのすべての値の関係が潜在的に線形化されることになる。ｍ／ｚレンジが広い装置の場合には、恐らく、これが最も望ましい実装であろう。
【００７１】
飛行距離の関数としてのｍ／ｚ値の線形化と小型化を実現する別の方法は、保存及びパルス化装置内に含まれている抽出領域をちょうど過ぎたところに、追加の抽出領域を適用する方法である。この第２抽出領域内の電界強度は、抽出を開始した後に、時間と共に増大し、この結果、小さなｍ／ｚを有するイオンよりもソースから遅く出現する大きなｍ／ｚ値を有するイオンに対して、先行する小さなｍ／ｚのイオンと比べて、大きな抽出電界が印加されることになる。図６の挿入画には、この追加抽出電圧の可能な時間依存値が示されている。この図示の時間依存性によれば、検出されたイオンの検出器距離と電荷対質量（ｍ／ｚ）値の間に線形の関係が結果的にもたらされることになる。
【００７２】
図６に示されているように、この２電界抽出ソース内の第２電界領域に対して成形された抽出パルスを印加することにより、非常に広いｍ／ｚレンジにわたって前駆ｍ／ｚと飛行距離間の線形関係を得ることができる。この図示の実装においては、第１電界は、１ｃｍにわたって２００ｖ／ｃｍである。そして、第２電界を生成する電圧は、図６の挿入画に示されているように、抽出の開始時点から時間と共に増大している。そして、偏向パルスの時間は、２０μｓであり、傾斜は、１８ミクロン／トムソンにおいて一定である。尚、この図５及び図６は、いずれも、理論的な計算から導出されたものである。又、初期電界と傾斜電界の曲線のその他の組み合わせを使用することにより、等価な効果を実現することも可能であることを理解されたい。
【００７３】
又、この代わりに、成形された抽出パルスを変化させることにより、検出器アレイの領域において、質量レンジの任意の部分を提示することも可能である。この結果、この装置は、固定検出器アレイが実現するｍ／ｚレンジ及び分解能を動的に選択可能となる。
【００７４】
又、連続的に増大する抽出エネルギーにより、スペクトルのなんらかの空間的な合焦を提供することも可能であると思われる（Ｋｏｖｔｏｕｎ及びＣｏｔｔｅｒ  ２０００）。即ち、ソース内の奥に位置している（従って、相対的に長い飛行経路を具備する）イオンに対して、多少大きな加速度を付与することにより、これらのイオンが、検出パルスの時点までに、ソースの前面の近くからスタートした同一のｍ／ｚのイオンに追い付くことが可能となろう。
【００７５】
（一定運動量抽出法）
別のイオン抽出法においては、イオン群のすべてに同一の加速力が作用するように、非常に短い抽出パルスを保存及びパルス化装置内のイオン群に対して印加している。この抽出パルスは、イオンのいずれかが加速領域を離れる前に、終了しなければならない。この「一定運動量」加速法の場合には、イオンは、次の速度を獲得することになる。
【００７６】
【数１４】
2006521005.tif 000016
【００７７】
ここで、Ｅは、加速電界の強度（単位：ボルト／メートル）であり、ｔpは、抽出パルスの持続時間である。ｍiダルトンのイオンの速度は、次のようになる（単位：メートル／秒）。
【００７８】
【数１５】
2006521005.tif 000017
【００７９】
単一電荷を搬送し、１００ｎｓにわたって５０００Ｖ／ｃｍの抽出電界が印加される１０００ダルトンのイオンを考えてみよう。この速度は、４８．１５メートル／秒となる。そして、ソースから抽出されたイオンは、基本的に無電界な状態にある領域に進入し、この中において、それぞれ、その異なる速度により、その経路に沿って、所与の時点おいて、異なる距離だけ搬送される。
【００８０】
非常に短いパルスを印加するこの一定運動量抽出法の場合には（このパルスは、非常に短いため、このパルスが終了する時点までに、いずれのイオンもソースを離れていない）、ある意味において、パルスの終了後にイオンが自らソースを離れるようにするエネルギーバーストがイオンに対して付与されている。この運動量は、電荷と電界強度の積である。一定の運動量を提供することにより、同一量の加速力がそれぞれのイオンに印加されることになる。これらのイオン用の検出器の距離は、次の式を使用して算出可能である。
【００８１】
【数１６】
2006521005.tif 000018
【００８２】
１００〜２０００ダルトンのｍ／ｚレンジを有する装置の場合には、「１００のｍ／ｚを有するイオンのＤdet」＝２０  ｘ  「２０００のｍ／ｚを有するイオンのＤdet」である。この装置の場合には、偏向地点における距離と検出イオンのｍ／ｚ値の間に、逆比例の関係が存在している。図７のプロットには、１００〜２０００ダルトンのレンジについて、これが示されている。このプロットにおいて使用したパラメータは、５，０００Ｖ／ｃｍのＥ、１００ｎｓの加速パルス、及び２０μｓの抽出時間であった。この場合にも、これらのパラメータを変化させても、距離の尺度には影響するが、全体的な曲線の形状には影響しない。図３と図７を比較すれば、この逆比例関係により、プロットされたｍ／ｚのレンジにおける傾斜に、平方根関係の場合と比べて、大きな差が生じており、従って、一定エネルギー加速実装のほうが好ましいことがわかる。
【００８３】
しかしながら、この傾斜の差は、ｍ／ｚレンジが制限されている装置の場合には、極小化される。図８には、このような装置におけるプロットが示されている。この図においては、図４のプロットと同一のｍ／ｚレンジを使用している。この場合には、傾斜は、ｍ／ｚ１２００における６７ミクロン／ダルトンと、ｍ／ｚ７００における２００ミクロン／ダルトンである。そして、検出器の合計長は５．７ｃｍになっている。
【００８４】
以上の計算及び例は、実装において、ＤＯＦ質量分析計が完全に実用的であることを明瞭に示している。又、この装置は、潜在的に多数の利点を有している。即ち、これは、構造が簡単である。これは、検出システム内における高速電子回路のニーズを除去している。検出器は、ソースからの多数のイオン抽出の結果を蓄積する積算型の装置であるか、又は、それぞれの「ｍ／ｚ値の強度」対「時間」を連続してプロットする瞬時値検出器であってもよい。これは、非常に小型化することができよう。目標とする分析のために使用する対象のｍ／ｚ値用の距離に配置される検出器の数がわずかであり、この結果、更に装置が単純化されることになる。但し、本発明の最も興味深い態様は、恐らく、ＭＳ／ＭＳ装置内におけるｍ／ｚの分離手段としてのその可能性であろう。尚、ＭＳ／ＭＳ機能のためには、イオンフラグメント化セル、直交抽出ＴＯＦセクション、及び２次元検出システムを追加する必要がある。
【００８５】
（ＭＳ／ＭＳ装置内におけるＤＯＦ−ＭＳアプリケーション）
図９には、本発明によるＤＯＦ−ＴＯＦの組み合わせの質量分析計装置の概略図が示されている。サンプル分子の前駆イオンが、イオンバンチャーから抽出され、抽出領域４１内における抽出パルスの突然の印加により、加速される。尚、この図１に示されているものを含む様々な周知の選択肢が利用可能であるため、バンチャー内におけるイオンの生成及び収集の様々な方法は、この図には示されていない。このバンチャーの選択肢には、４重極及び線形イオントラップが含まれている。これらのイオンには、前述のいくつかの方法のいずれかにより、ｍ／ｚ依存速度が付与されることになる。但し、ＭＳ／ＭＳを実現するには、前駆イオンが、フラグメント化を経験し、生成イオンを形成しなければならない。
【００８６】
イオン群内の前駆イオンは、例えば、フラグメント化領域内において、イオン群が出現するのと一致したタイミングで、光の非常に強力なビームを印加することにより、フラグメント化される。このフラグメント化領域は、イオンの光励起の可能性を極大化するための内部反射表面を有するセル４２の形態になっている。イオンが自発的に解離すると、そのフラグメントは、前駆イオンと同一の方向及び速度を保持することになる（接合エネルギーが生成イオンの運動エネルギーに変化するわずかな変換を除く）。従って、生成イオンは、その前駆イオンと同一の速度と、異なる（一般的には、相対的に低い）ｍ／ｚを有する状態で、質量分析の次の段階に進入することになる。尚、前駆イオンにエネルギーを供給するその他の方法も使用可能であることを理解されたい。これらには、衝突解離（単一の衝突によるもの）や電子励起が含まれている。
【００８７】
直交加速飛行時間を使用することにより、生成ｍ／ｚ値に応じて生成イオンを選別する（Ｃｈｅｒｎｕｓｈｅｖｉｃｈ、Ｅｎｓ他  １９９９、Ｃｏｔｔｅｒ  １９９９）。ＤＯＦ飛行経路に部分的に沿って（但し、フラグメント化プロセスの後に）、イオンビームに対して、ＤＯＦ飛行経路と直交する第２抽出パルス４３を印加する。この結果、異なるｍ／ｚのイオンフラグメントが、異なる速度で移動することになる。この地点からのイオンの動きは、オリジナルの線形ＤＯＦ速度ベクトル（これは、前駆ｍ／ｚに依存している）と、第２抽出パルスによって印加された直交する速度ベクトル（これは、生成ｍ／ｚに依存している）から構成される速度ベクトルとなる。次節においては、このソーティングの実行方法の詳細について数学的に説明する。
【００８８】
（イオン軌道の理論的分析）
検出までの合計飛行時間Ｔdetは、次式に示されているように、ソースと直交抽出パルス間における時間Ｔoeと、直交ＴＯＦセクション内においてイオンが消費する時間の合計である。
【００８９】
ｔorth−ｔdet＝ｔoe＋ｔorth      （１７）
【００９０】
直交抽出の時間は、すべてのイオンについて同一であるが、この装置の直交セクション内において消費される時間は、生成イオンのｍ／ｚによってのみ左右される。そして、この時間は、直交飛行経路の有効長Ｌorthと直交速度ベクトルＶorthの関数である。直交抽出が、一定エネルギーであるため、Ｖorthは、式２によって与えられる。従って、次のようになる。
【００９１】
【数１７】
2006521005.tif 000019
【００９２】
ここで、Ｖorthは、生成イオンが経験する抽出電界の値である。この式１６及び式１７から、検出の時間は、生成イオンのｍ／ｚの関数であり、前駆ｍ／ｚ値とは無関係であることがわかる。
【００９３】
【数１８】
2006521005.tif 000020
【００９４】
しかしながら、直交抽出の時点における生成イオンの場所と、その水平速度ベクトルの値は、前駆ｍ／ｚによってのみ左右される。そして、イオンの検出位置は、水平抽出位置と、直交セクション内においてイオンが移動した追加の水平距離Ｄorthの合計である。この後者の項は、生成イオンｍ／ｚによって左右される。従って、次の各式のとおりである。
【００９５】
【数１９】
2006521005.tif 000021
【００９６】
式１８及び式２０は、検出器位置及び検出時間の計測値から、検出されたそれぞれのイオンごとに、前駆ｍ／ｚと生成ｍ／ｚを一意に判定可能であることを示している。
【００９７】
図１０には、前述の導出した式によって生成されたポイントが更に示されている。この場合には、ｍ／ｚが８００、１０００、及び１２００ダルトンである前駆イオンから導出された１００のｍ／ｚ値ごとの生成イオンの検出器位置に対して検出時間をプロットしている。この計算において仮定した値は、ＶextとＶorthが、２００Ｖと２０００Ｖであり、直交抽出時間が、１０μｓであって、直交飛行経路は、０．５メートルに等しくなっている。式２０からわかるように、所与の前駆ｍ／ｚ値からのすべての生成イオンは、同一の直線上の値をとり、所与の（ｍ／ｚ）precの値について、Ｄdet／ｔdet比は、一定になっている。
【００９８】
先程提示した計算においては、イオンソースからのイオンの一定エネルギーによる加速を仮定していた。前述のように、傾斜した抽出電圧によれば、隣接するｍ／ｚ値間の間隔が一定になり、改善された性能と小型の検出領域を提供することができる。このような抽出電界の実装は、式２０に示されている関係に対しては影響を与えるが、前駆ｍ／ｚ及び生成ｍ／ｚ値のそれぞれの組み合わせにおける距離−時間電界内の固有の位置は維持されることになる。
【００９９】
（イオンフラグメント化セル）
図９のイオンフラグメント化セルの図における重要な特徴は、ソースからの前駆イオンの抽出の後であって、且つ、直交抽出電界の印加領域の前におけるその位置にある。励起されたイオンに対して大きな運動量が転移しないように、フラグメント化エネルギーを印加することが重要である。これは、ソースと直交抽出間の無電界領域内において自発的に分解し得る準安定イオンを生成可能な相対的に高エネルギーのイオン化を使用することによって実現可能である。このようなイオンは、一般に、ＭＡＬＤＩイオン化法によって生成される。
【０１００】
ソース内において安定したイオンが生成されたら、なんらかの方法で、これらのイオンを励起し、フラグメント化しなければならない。この励起に使用する粒子は、前駆イオンのｍ／ｚのＤＯＦ判定の一部を構成している前駆依存速度の変化を回避するべく、非常に低い質量を具備していることが不可欠である。これは、好ましくは、光子の使用によって実現される（Ｖａｎｄｅｒｈａｒｔ  １９９２）。光子励起は、赤外線領域（Ｌｉｔｔｌｅ、Ｓｐｅｉｒ他  １９９４、Ｓｔｅｐｈｅｎｓｏｎ、Ｂｏｏｔｈ他  １９９４、Ｐｒｉｃｅ、Ｓｃｈｎｉｅｒ他  １９９６、Ｐａｙｎｅ及びＧｌｉｓｈ  ２００１）又は、可視紫外線領域（Ｇｉｍｏｎｋｉｎｓｅｌ、Ｋｉｎｓｅｌ他  １９９５、Ｇｕａｎ、Ｋｅｌｌｅｈｅｒ他  １９９６）の光子によって実行可能である。光子によるフラグメント化の効率は、ミラーを設置したフラグメント化チャンバを使用し、それぞれの光子がイオン飛行経路を複数回横断するようにして、光子が前駆イオンによって吸収される可能性を増大させることにより、向上させることができる。
【０１０１】
別の可能性は、光源の代わりに、強力な電子ビームを使用する方法である。但し、電界を妨げることのなしに電子を導入することは困難であろう。高エネルギーモードにおいて、衝突誘発解離を使用することも可能であり、この場合には、運動量の転移を最小限に抑えつつ、エネルギーの転移が実現することになる。
【０１０２】
（直交抽出ＴＯＦ）
イオンには、この装置の直交抽出セクションにおいて、イオンソースからのその軌道に直交する動きのベクトルが付与されている。尚、直交抽出装置において標準となっているように、使用する加速モードは、一定エネルギーであるが、これは、時間依存抽出電界を排除するものではない。このセクション内においてイオンに付与される直交速度は、生成イオンｍ／ｚによって左右される。この直交セクションは、「線形」であってもよく（即ち、直交飛行経路の端部に検出器を具備可能であり）、或いは、イオンミラーを含むこともできる。図９には、この両方の可能性が示されている。イオンミラーを使用する場合には、このセクションは、Ｌorthとして使用される有効長を具備することになる。一般に、イオンミラーによれば、相対的に小さな空間において、良好な生成イオン分解能が得られる（Ｋｅｒｌｅｙ  １９９８、Ｄｏｒｏｓｈｅｎｋｏ及びＣｏｔｔｅｒ  １９９９、Ｂｅｒｋｏｕｔ、Ｃｏｔｔｅｒ他  ２００１）。
【０１０３】
多くの既存の装置において使用されている通常の直交ＴＯＦセクションとの大きな相違点は、その直交加速領域の軸方向の長さにある。これは、抽出の時点において、対象のｍ／ｚ値のフルレンジにわたるイオン位置を収容するのに十分な長さでなければならない。又、任意選択のイオンミラーは、この飛行経路の全長にわたって、イオンに正確な反射と空間合焦を提供しなければならない。このアプリケーションには、広アパーチャミラーが必要となろう。
【０１０４】
（アレイ検出器）
図９に示されている検出器アレイは、線形アレイとして配列された一連の検出器である。そして、それぞれの検出器は、検出器におけるイオン強度を時間の関数として記録可能な電子装置に接続されている。これらの装置は、アナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）又は時間／デジタルコンバータ（ＴＤＣ）のいずれかであってよい。この結果、時間及び距離の２次元におけるすべてのポイントを検出可能であり、検出されたすべてのイオンの前駆及び生成ｍ／ｚ値を算出することができる。
【０１０５】
すべてのイオンは、同一時点において、ｍ／ｚ依存の速度により、直交抽出されるため、イオンの飛行時間は、生成イオンのｍ／ｚのみの関数になっている。イオンの軸方向の距離は、前駆イオンの速度と合計飛行時間によって左右される。図１０には、３つの異なる前駆イオンｍ／ｚ値の生成物の合計飛行時間と軸方向の距離について導出したプロットが示されている。
【０１０６】
図１１、図１２、及び図１３は、様々な軸方向の飛行距離と直交速度を有するイオンを２次元Ｘ−Ｙ検出器アレイによって検出する質量分析計を示している。前述のＤＯＦ−ＴＯＦ装置と同様に、イオン束に第２抽出パルスを印加し、これらのイオンを、その軸方向の位置とその飛行時間によって検出する。但し、この実施例においては、イオンは、時間依存偏向電圧が印加された偏向プレート４６を通過している。この偏向は、もう１つの直交方向（図１１が印刷されている紙面の中に向かう方向）において行われている。この結果、イオンミラーから最初に出現する相対的に小さなｍ／ｚ値のイオンは、後から出現する大きなｍ／ｚ値のイオンと比べて、相対的に小さな電界によって偏向されることになる。従って、イオンは、ｍ／ｚに依存した角度で偏向され、この結果、異なるｍ／ｚのイオンが、２次元検出器アレイの異なる部分上に落下する。ここで、この２次元アレイにおける検出器の位置を示している図１３を参照すれば、それぞれのアレイ内の列４８が、時間依存偏向電界４６からの異なる角度と、従って、異なる飛行時間（これは、生成ｍ／ｚに依存している）に対応しており、検出器の行４７が、様々な飛行距離（これは、前駆ｍ／ｚ及び生成ｍ／ｚに依存している）に対応している。この２次元検出器アレイの読み取り値は、３次元質量分析を示している（前駆イオン質量：フラグメントイオン質量：強度）。
【０１０７】
図１４及び図１５は、同時ＭＳ／ＭＳを実現するＤＯＦ−ＭＳの代替実装例を示している。まず、図１４に示されている構成について検討してみよう。この図の場合には、前述のように、直交加速の後に、生成イオンは、それぞれの異なる直交速度のために、その前駆イオンとは異なる軌道を具備することになる。そして、これらの生成イオンは、その前駆イオンとは異なる検出器アレイ上の地点に出現することになる。この生成イオンの検出を、前駆イオンの検出と弁別することが望ましい。これは、生成イオンのｍ／ｚ値に依存した横方向（紙面に出入りする）次元におけるイオンの動きを付与することにより、第３次元として実行することができよう。すべてのイオンの直交エネルギーベクトルは同一であるため、水平に設定された静電気偏向器の場合には、すべてのイオンに対して同様に影響が及んで、弁別されない。従って、偏向プレートは、垂直に設定しなければならない。これは、直交偏向の前段、又は、これと同時に、或いは、この後段において実行可能である。好適な実施例が図１５に示されており、この場合には、この横方向偏向プレートは、直交偏向プレートの前段に配置されている。尚、この横方向偏向電界は、一定に印加可能である。又、これらのプレートに印加する平均電圧は、無電界領域の平均電圧と同一電位でなければならないことを理解されたい。
【０１０８】
これらの計算及び例は、ソース内のすべての前駆イオンのすべての生成イオンを同時検出するＭＳ／ＭＳ質量分析計が実用的であることを明瞭に示している。この装置は、所望の情報を取得するべく完全なスペクトルの取得を要するアプリケーションの領域におけるＭＳ／ＭＳ質量分析に有益である。このようなアプリケーションの例は、疾病や薬品代謝に関係する生物学的変異のサーチにおいて見出されよう。別の例は、２つの環境（例：健康な身体と不健康な身体）の間における化学的組成の相違を調査する場合である。これは、固有の特性が判明していない生物学的活動用の薬剤をスクリーニングするのに有用であろう。
【０１０９】
取得したそれぞれの３次元スペクトルから、３つのタイプのＭＳ／ＭＳ走査から得られるすべてのデータを入手可能であるという点は重要である。この３つの走査タイプとは、生成イオン走査（特定の前駆イオンのすべての生成イオン）、前駆イオン走査（特定の生成イオンを生成したすべての前駆イオン）、及び中性損失走査（フラグメント化の際に特定のｍ／ｚの変化を経験したすべての前駆イオン）である。生成イオン走査は、質量分析の第２段階においてバッチ質量アナライザを使用するすべてのＭＳ／ＭＳ装置に固有のものである。しかしながら、後者の２つの走査（これらは、一般的なＱ−ＴＯＦ又はＩＴＭＳ質量分析計において得られるものである）は、４重極前駆イオン質量アナライザを走査することによってのみ実現されるものである（Ｃｈｅｒｎｕｓｈｅｖｉｃｈ及びＴｈｏｍｐｓｏｎ  ２００１）。前駆イオン及び中性損失走査により、研究者は、フラグメント化によって特定の生成ｍ／ｚ又は特定の中性質量の損失が生成される化学的又は生化学的な反応生成物をサーチすることができる。このような走査のために多くのアプリケーションが開発されているが、現在の水準では、前駆イオン質量アナライザの走査が余りに非効率的であるため、ほとんど見落とされているのが現状である。
【０１１０】
同時２次元分散の必要性を感じるようになってから既に長時間が経過している（ＭｃＬａｆｆｅｒｔｙ  １９８３）。このような分散の実現は、本出願において前述した効率性の目標を達成するために望ましいものであり、本発明においては、この分散を実現している。実際に、ＭＳ／ＭＳ装置から得られる情報は、基本的に、その特性が３次元である。このような情報は、「強度」対「前駆イオンｍ／ｚ」対「生成イオンｍ／ｚ」のプロットとして使用可能である。１つの軸のみに沿った分散が付与できるのは、その軸に沿った強度のみである。完全な３次元を得るには、２次元分散を具備するか、又は第２次元を生成するのに十分な回数だけプロセスを反復しなければならない。本発明においては、同時２次元分散を可能にしている。
【０１１１】
そして、同時２次元分散を実現する本発明のＭＳ／ＭＳ装置は、多数の更なる利点を有している。即ち、これは、構造が単純である。これは、検出システム内の高速電子回路のニーズを除去している（２次元アレイ検出器と共に直交セクション内の時間依存掃引を使用する場合や横方向加速の場合）。２次元検出器は、ソースからの多数のイオン抽出の結果を蓄積し、改善された信号対雑音比と相対的に広いダイナミックレンジを提供する積算型の装置であってよい。そして、この装置は、非常に小型であり、潜在的に、すぐれた分解能と非常に高いデータ生成レートを様々な環境及びセキュリティアプリケーション分野にもたらすことができる。
【０１１２】
以上の説明及び図面は、本発明の好適な実施例を表すものであるが、本発明の精神と範囲を逸脱することなしに、様々な変更と変形を加えることが可能であることを理解されたい。
【０１１３】
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・Ｖａｎｄｅｒｈａｒｔ，Ｗ．Ｊ（１９９２）、「Ｓｔｕｄｉｅｓ  ｏｆ  Ｉｏｎ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ  ｂｙ  Ｐｈｏｔｏｄｉｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ」、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ  ａｎｄ  Ｉｏｎ  Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ  １１８：６１７〜６３３
・Ｖａｎ  Ｆｏｎｇ，Ｃ．Ｗ．、「Ｐｈａｓｅ  Ｓｐａｃｅ  Ｄｙｎａｍｉｃｓ  ｉｎ  ａ  Ｌｉｎｅａｒ  ＲＦＱ  Ｔｒａｐ  ｆｏｒ  Ｔｉｍｅ−ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ  ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ」、Ｔｈｅｓｉｓ、Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、ＭｃＧｉｌｌ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ、Ｍｏｎｔｒｅａｌ，Ｃａｎａｄａ、２００１年１月
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・Ｗｏｌｌｎｉｋ，Ｈ．（１９９３）、「Ｔｉｍｅ  ｏｆ  ｆｌｉｇｈｔ  ｍａｓｓ  ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ  ａｓ  ｔｈｅ  ｓｅｃｏｎｄ  ｓｔａｇｅ  ｆｏｒ  ａ  ｔａｎｄｅｍ  ｍａｓｓ  ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ」、ＵＳＡ
【図面の簡単な説明】
【０１１４】
【図１】本発明の一実施例によるＤＯＦスペクトロメータの概略図を示している。
【図２】イオンの抽出及び検出の概略図である。
【図３】一定エネルギー抽出法を使用した場合の「飛行距離」対「イオンｍ／ｚ」のグラフを示している。
【図４】ペプチドのエレクトロスプレーイオン化分析に有用な図２の拡大セクションのグラフを示している。
【図５】一定エネルギー抽出電界が印加されたイオンの「飛行距離」対「ｍ／ｚ」のグラフを示している。
【図６】飛行距離とｍ／ｚ間の線形関係を実現するべく設計されたイオンの２電界時変抽出のグラフを示している。
【図７】一定運動量抽出法を使用した場合の「飛行距離」対「イオンｍ／ｚ」のグラフを示している。
【図８】図４のものと同一のｍ／ｚレンジを使用する（ｍ／ｚレンジが制限された装置における）図７のグラフを示している。
【図９】本発明による時間依存型のアレイ検出器と光解離を有するＤＯＦ−ＴＯＦ質量分光装置の概略図を示している。
【図１０】図９のシステムの動作パラメータの１つの組について、生成イオンの検出器位置に対してプロットされた検出時間のグラフを示している。
【図１１】本発明よるＤＯＦ及びＴＯＦ質量分析計の組み合わせの概略図を示しており、この場合には、偏向プレートに印加された掃引電圧によってＴＯＦが横方向の距離に変換されている。
【図１２】図１１のライン１２−１２に沿って取得した図１１の質量分析計の端面図である。
【図１３】図１２のライン１３−１３に沿って取得した検出器アレイの平面図である。
【図１４】ＤＯＦ前駆及びフラグメントアナライザの概略図を示している。
【図１５】別のＤＯＦ前駆及びフラグメントアナライザの概略図である。
【図１】
2006521005.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】
2006521005.tif 000034
【図１４】
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【図１５】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年5月10日(2005.5.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）イオンを受領し保存するイオン保存装置と、
（ｂ）前記保存装置にイオン抽出電圧パルスを印加して前記イオンを加速し、これにより、前記保存手段を離れるイオンが質量対電荷比に依存した速度を具備するようにする手段と、
（ｃ）異なる質量対電荷比を有する前記イオンが、既定の時間内に異なる距離だけ移動する無電界領域と、
（ｄ）前記既定の時間内に異なる距離だけ移動した異なる質量対電荷比のイオンを受領するべく離隔しており、前記受領したイオンの前記質量対電荷比を示す出力を提供する検出器と、
を含む質量アナライザ。
【請求項２】
請求項１に記載の質量アナライザにおいて、分析対象のサンプルを受領し、前記イオン保存装置が受領する前記イオンを形成するイオン化器を含む、質量アナライザ。
【請求項３】
請求項２に記載の質量アナライザにおいて、前記イオン化器は、エレクトロスプレーイオン化器、マトリックス支援レーザー脱離イオン化器、大気圧化学イオン化器、グロー放電イオン化器、電子衝撃イオン化器、及びナノスプレーイオン化器から構成された群から選択される、質量アナライザ。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の質量アナライザにおいて、前記受領したイオンの質量対電荷比を示す出力は、特定の質量対電荷比のイオンを受領するべく配置された検出器から導出される、質量アナライザ。
【請求項５】
請求項１又は２記載の質量アナライザにおいて、前記無電界領域内を移動するイオンを、直交方向において、前記検出器に向かって偏向させる偏向器を含んでいる、質量アナライザ。
【請求項６】
請求項１又は２記載の質量アナライザにおいて、前記無電界領域内の前記イオンを生成イオンに解離させ又はその前記質量対電荷比を変化させ、これにより、前記生成イオンが、その前駆イオンと実質的に同一の速度で移動するようにする手段と、
前記生成イオン及び前駆イオンに直交加速電圧を印加し、これにより、前記変化していない前駆イオンと、異なる質量対電荷比の生成イオンが、異なる速度で移動するようにする手段と、
を含み、
前記検出器は、前記変化していない前駆イオンと、生成イオンを検出し、前記生成イオンとその前駆イオンの前記質量対電荷比の両方を識別する質量スペクトルを提供するべく配列されている、質量アナライザ。
【請求項７】
請求項６記載の質量アナライザにおいて、前記イオンの前記質量対電荷比を変化させる変化手段は、フラグメント化、分解、分子との反応、付加物形成、及び電荷のはぎ取りを行う手段を含んでいる、質量アナライザ。
【請求項８】
請求項６記載の質量アナライザにおいて、前記生成イオンは、飛行時間検出器によって検出される、質量アナライザ。
【請求項９】
請求項６記載の質量アナライザにおいて、前記生成イオンに直交電界を印加して前記イオンを偏向させる手段を含み、前記検出器は、位置に依存した検出を可能にするべく配置されている、質量アナライザ。
【請求項１０】
請求項６記載の質量アナライザにおいて、前記前駆及び生成イオンが、その質量対電荷比に応じて横方向に分離されるように、生成イオンの形成後に、前記イオンストリームに横方向の偏向電界を印加する手段を含んでいる、質量アナライザ。
【請求項１１】
請求項１０記載の質量アナライザにおいて、前記横方向の偏向電界を印加する手段は、前記直交加速領域の前段に配置されている、質量アナライザ。
【請求項１２】
請求項１０記載の質量アナライザにおいて、前記横方向の偏向電界を印加する手段は、前記直交加速領域の後段に配置されている、質量アナライザ。
【請求項１３】
請求項１０に記載の質量アナライザにおいて、その前駆質量対電荷比に応じて軸方向に、且つ、その生成質量対電荷比に応じて横方向に拡散した前記イオンは、イオン検出器の２次元アレイを使用して検出される、質量アナライザ。
【請求項１４】
イオンストリームを質量分析する方法であって、
イオン保存装置内においてイオンをトラップする段階と、
前記保存装置に長手方向の抽出電圧を印加し、これにより、相対的に小さな質量対電荷比を具備するイオンが、大きな質量対電荷比のイオンと比べて、大きな速度で移動するようにする段階と、
前記イオンが、無電界領域内を既定の時間にわたって移動することを許容し、これにより、それらが異なる距離だけ移動するようにする段階と、
前記移動のラインに対して実質的に平行に離隔した検出器によって前記異なる質量対電荷比のイオンを検出する段階と、
を有する、イオンストリームの質量分析方法。
【請求項１５】
異なる質量対電荷比のイオンのストリームを分析する方法であって、
既定の数の前記イオンを受領し保存する段階と、
前記保存されたイオンを加速し、これにより、異なる質量対電荷比のイオンが異なる速度を獲得するようにする段階と、
前記既定の時間内において異なる質量対電荷比のイオンが移動した距離により、前記イオンの前記質量対電荷比を判定する段階と、
を有する、イオンストリームの分析方法。
【請求項１６】
異なる質量対電荷比のイオンのストリームを質量分析する方法であって、
前記イオンストリームをイオン保存手段に案内する段階と、
前記保存手段に抽出電圧を周期的に印加し、前記保存手段から、前記イオンの前記質量対電荷比に依存した速度を有するイオンを抽出する段階と、
前記イオンが無電界領域を移動することを許容する段階と、
既定の時間内に異なる距離だけ移動した異なる質量対電荷比のイオンを受領するべく離隔したイオン検出器により、前記イオンを検出する段階と、
を有する、イオンストリームの質量分析方法。
【請求項１７】
請求項１４に記載の方法において、前記無電界領域内において前記イオンを解離させ、これにより、前記前駆イオンと同一の速度を具備するフラグメントイオン束を形成した後に、直交電圧パルスを前記フラグメントイオン束に印加して、前記フラグメントイオンがその質量対電荷比に依存した速度を獲得するようにする段階と、
前記フラグメントイオンを検出し、その質量対電荷比とその前駆イオンの質量対電荷比に関する情報を提供する段階と、
を更に含む、イオンストリームの質量分析方法。
【請求項１８】
請求項１４に記載の方法において、前記フラグメントイオンは、その飛行時間を検出することによって検出される、イオンストリームの質量分析方法。
【請求項１９】
請求項１７に記載の方法において、前記フラグメントイオンは、前記直交パルス後の既定の時間におけるその移動の距離を検出することによって検出される、イオンストリームの質量分析方法。
【請求項２０】
イオン保存装置と、
前記イオン保存装置からイオン群を抽出して加速するパルス化抽出器電界を提供し、相対的に小さな質量対電荷比のイオンを、大きな質量対電荷比のイオンと比べて、大きな速度で加速するべく構成及び配列されている抽出器と、
既定の時間にわたって前記イオン群が移動し、これにより、異なる質量対電荷比を有する前記イオンが異なる距離を移動するようにする無電界領域と、
互いに異なる個々の距離だけそれぞれ前記加速領域から離隔した複数の別個の検出器と、
前記イオンがその移動の方向を横に変更して前記別個の検出器の隣接するものに到達するようにする横方向電界を前記無電界領域内に生成するべく構成及び配列された横方向加速器と、
を有しており、
前記別個の検出器は、到来した前記相対的に小さな及び大きな質量対電荷比のイオンのイオン強度を検出するべく構成及び配列されている、質量分析計。
【請求項２１】
請求項２０に記載の質量分析計において、前記別個の検出器は、前記移動のラインに対して平行に配列されている、質量分析計。
【請求項２２】
請求項２０記載の質量分析計において、前記複数の別個の検出器は、前記抽出領域からの前記別個の検出器の距離の逆の順番に前記イオン強度を提示して質量スペクトルを生成する、質量分析計。
【請求項２３】
請求項２０記載の質量分析計において、前記別個の検出器のそれぞれは、一定の時間にわたってイオンの電荷を蓄積するべく構成されている、質量分析計。
【請求項２４】
請求項２０記載の質量分析計において、前記質量アナライザは、時系列順に群として保存及び加速するべく動作するように構成されている、質量分析計。
【請求項２５】
請求項２０記載の質量分析計において、イオンフラグメント化セルが、前記無電界領域内において、前記加速されたイオン群の経路内に存在し、前記イオンを解離させてイオンフラグメントを形成するべく構成されており、前記横方向の加速器は、相対的に小さな電荷対質量比のイオンを、大きな電荷対質量比のイオンと比べて、大きな速度に加速し、前記検出器は、前記イオンが横方向に加速された後の前記イオンの飛行時間を計測して、前記フラグメントイオンを検出し、これにより、前記（親及び）フラグメントイオンとその前駆イオンに関する情報を提供するべく構成されている、質量分析計。
【請求項２６】
請求項２５に記載の質量分析計において、前記イオンの解離においては、解離を誘発する中性ガス分子との衝突により、前記イオンストリームの前駆イオンにエネルギーを供給する、質量分析計。
【請求項２７】
請求項２５に記載の質量分析計において、前記フラグメント化セルは、前記フラグメントイオンに対する大きな運動量の転移を回避しつつ、前記イオンストリームにフラグメント化エネルギーを印加する、質量分析計。
【請求項２８】
請求項２０に記載の質量分析計において、前記別個の検出器は、それぞれのイオンの検出位置がそのイオンの電荷対質量比に対して平方根の関係を具備するように相互に配列されている、質量分析計。
【請求項２９】
請求項２０に記載の質量分析計において、前記抽出器によって生成される前記抽出電界は、時間と共に大きさが増大する抽出電圧から導出される、質量分析計。
【請求項３０】
請求項２０に記載の質量分析計において、前記抽出器によって生成される前記抽出電界は、その形状が変化する抽出パルスから導出される、質量分析計。
【請求項３１】
請求項２０に記載の質量分析計において、前記イオンストリームをフラグメント化するべく構成されたフラグメント化セクションと、質量対電荷比の値に応じて前記フラグメント化されたイオンストリームの前記イオンをソートするべく構成された直交飛行時間セクションと、を更に有しており、前記検出器は、前記ソートされたイオンの到着時間を検出するべく構成されている、質量分析計。
【請求項３２】
請求項２５記載の質量分析計において、前記フラグメント化セルに到着するイオンの出現とタイミングが一致した強力な光のビームを印加するフラグメント化器を更に有する、質量分析計。
【請求項３３】
請求項３２記載の質量分析計において、前記フラグメント化セクションは、内部反射表面を有するセルを含んでいる、質量分析計。
【請求項３４】
請求項２５記載の質量分析計において、前記フラグメントイオンが飛行距離によって分離されるように、前記フラグメントイオンに対して偏向電界を提供する偏向器を含み、前記検出器アレイは、前記イオンの到着を検出し、それぞれのイオンの前記イオンフラグメントの前記質量対電荷比を提供する２次元アレイを有している、質量分析計。
【請求項３５】
質量分析計によるイオン検出の方法であって、
パルス化抽出電界を印加してイオン保存装置からイオンを加速し、相対的に小さな質量対電荷比のイオンを、大きな電荷対質量比のイオンと比べて、大きな速度に加速させることにより、無電界領域を通過する飛行経路を辿るイオンストリームを形成する段階と、
前記イオンが既定の時間にわたって無電界領域内を移動することを許容し、これにより、異なる質量対電荷比を有する前記イオンが異なる距離だけ移動するようにする段階と、
前記無電界領域内の前記イオンストリームを横方向に加速し、検出器アレイ内の別個の検出器の隣接するものに到達させる段階であって、前記別個の検出器は、互いに異なる個々の距離だけ、それぞれ前記加速領域から離隔している、段階と、
前記別個の検出器によってイオン強度を検出する段階と、
を有する、イオン検出方法。
【請求項３６】
請求項３５記載の方法において、前記横方向の加速は、前記飛行経路に直交する電界を印加することによって実行される、イオン検出方法。
【請求項３７】
請求項３５に記載の方法において、前記イオンストリームをフラグメント化する段階と、質量対電荷比の値に応じて前記フラグメント化されたイオンストリームの前記イオンをソートする段階と、前記ソートされたイオンを検出する段階と、を更に有する、イオン検出方法。
【請求項３８】
請求項３６に記載の方法において、前記レンジ内の隣接する単位質量対電荷比値に対する前記飛行経路に沿った位置の関係から導出される前記別個の検出器間の離隔距離を判定することにより、もう１つの特定の質量対電荷比の分解能の１質量単位を提供する前記別個のイオン検出器を構成する段階を更に有する、イオン検出方法。
【国際調査報告】
2006521005.tif 000037