(57)【要約】【課題】  八重極電界を重畳することができる2-Dイオントラップを提供する。【解決手段】  本発明の2-Dイオントラップは、捕捉空間（10）を画定する複数の電極（31、32、33、34、41、42、43、44、62、69、67、68、220）を含む捕捉チャンバと、所定の範囲内の質量対電荷比のイオンを捕捉するための捕捉空間（10）内のRF四重極電界と、このRF四重極電界が、第１の方向及び第２の方向を有する平坦なx-y幾何形状を有し、捕捉空間（10）内の八重極電界と、捕捉空間（10）内のイオンを第１の方向に強制的に動かす第１の補助波形発生器（63）と、捕捉空間（10）内のイオンを第２の方向に強制的に動かす第２の補助波形発生器（64）とを備えていることを特徴とする。【選択図】  図１１
2007080830.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
2-Dイオントラップ（120）内にイオンを捕捉するための方法であって、
捕捉空間（10）においてRF四重極電界を生成し、
前記捕捉空間（10）において八重極電界を生成し、
前記捕捉空間（10）内にイオンをもたらし、
前記捕捉空間（10）において第１の励起波を生成し、この第１の励起波が第１の励起波周波数を有し、この第１の励起波周波数が、時間とともに高い周波数から低い周波数まで変化し、
前記捕捉空間（10）において第２の励起波を生成し、この第２の励起波が第２の励起波周波数を有し、この第２の励起波周波数が、時間とともに低い周波数から高い周波数まで変化し、前記第１の励起波及び前記第２の励起波が、個別に、かつ順次に生成されることを含む方法。
【請求項２】
前記RF四重極電界の寄与に対する前記八重極電界の寄与の比が0.2％〜５％の範囲内に入る請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記RF四重極電界の寄与に対する前記八重極電界の寄与の比が0.5％〜２％の範囲内に入る請求項１に記載の方法。
【請求項４】
捕捉空間（10）を画定する複数の電極（31、32、33、34、41、42、43、44、62、69、67、68、220）を含む捕捉チャンバと、
所定の範囲内の質量対電荷比のイオンを捕捉するための前記捕捉空間（10）内のRF四重極電界と、このRF四重極電界が、第１の方向及び第２の方向を有する平坦なx-y幾何形状を有し、
前記捕捉空間（10）内の八重極電界と、
前記捕捉空間（10）内のイオンを第１の方向に強制的に動かす第１の補助波形発生器（63）と、
前記捕捉空間（10）内のイオンを第２の方向に強制的に動かす第２の補助波形発生器（64）とを備えているイオントラップ。
【請求項５】
前記第１の波形発生器（63）及び前記第２の波形発生器（64）が、前記捕捉空間（10）内のイオンを個別に、かつ順次に強制的に動かす請求項４に記載のイオントラップ。
【請求項６】
前記RF四重極電界の寄与に対する前記八重極電界の寄与の比が0.2％〜５％の範囲内に入る請求項４に記載のイオントラップ。
【請求項７】
前記RF四重極電界の寄与に対する前記八重極電界の寄与の比が0.5％〜２％の範囲内に入る請求項４に記載のイオントラップ。
【請求項８】
前記第１の補助波形発生器（63）及び前記第２の補助波形発生器（64）が任意波形発生器である請求項７に記載のイオントラップ。
【請求項９】
前記第１の方向におけるイオンの動きと、前記第２の方向におけるイオンの動きとを切り離すための手段（81）をさらに備えている請求項８に記載のイオントラップ。
【請求項１０】
イオン検出器（200）をさらに備え、前記第１の補助波形発生器（63）及び前記第２の補助波形発生器（64）の少なくとも一方が、時間とともに波周波数を変更する励起波を与え、イオンを前記捕捉空間（10）から前記イオン検出器（200）に順次に放出する請求項９に記載のイオントラップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、四重極イオントラップに関し、より詳細には、２次元（2-D）四重極イオントラップに関する。
【背景技術】
【０００２】
タンデム質量分析法（MS/MS）は、複雑な混合物内の対象成分の特徴を抽出し、及び/又は対象成分を定量化するために、及び/又は限られた断片しか生じさせずに、定量化を複雑にする特徴を有する被分析物から高度な構造情報を導出するために非常に有用である。線形イオントラップは、MS/MSの場合に一般的に利用される計測手段の一形式である。用語「線形イオントラップ」は、概ね理想的な四重極電界を形成するリング電極及びエンドキャップ電極から構成される３次元イオントラップ（たとえば3-Dイオントラップ）、又は四極のロッドを含むイオントラップ（たとえば2-Dイオントラップ）を含む。理想的な3-Dイオントラップ四重極電界では、無線周波数（RF）の電界強度が、径方向及び軸方向の両方向において線形に増加し、見掛け上の斥力も線形に増加する。2-Dイオントラップは４つのロッド電極から構成され、四重極電界は２つの座標（x、y）に沿ってのみ変化し、第３の座標（z）に沿う方向では一定のままである。
【０００３】
通常、3-Dイオントラップは、四重極電界に加えて、わずかに八重極電界を有する。八重極成分によって、3-Dイオントラップは、実際には非線形な共鳴システムになる（例えば非特許文献１及び２参照）。これは、対象のm/zの上下両方において分離が非対称であることを意味する。八重極電界の符号が正の場合、公称m/z値より低い値のm/zに対して、分離窓が非常に急峻になり、公称m/z値より高い値では、相当に広がる可能性がある。
【０００４】
イオントラップの非線形性を認識せずに、線形な共鳴システムという仮定に基づいて放出波形を構成することに焦点を当てている分離技法が公知である（例えば特許文献１参照）。結果として、その分離手順は、かなりの時間を必要とし（すなわち約20〜60 ms）、分離窓の幅は通常１Daよりも大きい。
【０００５】
対象のm/zの周囲での非線形な挙動及び非対称なイオン挙動を認識し、非線形な共鳴を利用して、イオントラップからM+1個の種を放出するのを容易にすることが開示されている（例えば特許文献２参照）。しかしながら、この特許文献２に記載の技法を利用するとき、通常、１Daよりも小さな分離窓幅を得るのは難しい。さらに、対象のm/zよりも高い質量を有するイオンを放出するには、通常、その手順を繰り返す必要がある。特許文献２に記載の技法を利用するとき、イオントラップ内に蓄積されているイオンの数は少ない方が望ましい。したがって、分離前にイオントラップ内に蓄積することができるイオンの全数（たとえば「分離蓄積能」）は、通常制限される。
【０００６】
イオンを捕捉するために利用される複雑で、専用に設計されている波動関数が開示されている（例えば特許文献３参照）。特許文献３では、分離されるべき質量に対応する周波数の周囲において位相が反転される。良好に分解されたイオン種を分離できるようにするために、通常、走査機能を繰返し適用する必要がある。
【０００７】
最近になって、2-Dイオントラップの純粋な四重極電界上に、八重極電界の十分な寄与を重畳することが示唆されている（例えば特許文献４、非特許文献３参照）。しかしながら、従来技術の分離方法を利用する2-Dイオントラップにおいて八重極成分を追加する結果として、通常、分離窓の一方において分離エッジが広がる。
【特許文献１】米国特許第5,324,939号
【特許文献２】Franzenによる米国特許第5,331,157号
【特許文献３】米国特許第6,649,911号
【特許文献４】Franzenによる米国特許公報2004/0051036 A1号
【非特許文献１】A. A. Makarovによる, Anal. Chem. 1996, 68, p. 4275-4263，
【非特許文献２】R. E. March及びJ. F. J. Todd編集のFranzenらによる「Practical aspects of Ion Trap Mass Spectrometry」, volume 1, p.69
【非特許文献３】Sudakovによる「Linear Quadrupoles with Added Octopole Fields」, Proceedings of the 51 ASMS, Canada, June 8-12, 1993
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、八重極電界を重畳する2-Dイオントラップのための分離装置及び方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、捕捉チャンバを備えている2-Dイオントラップを含む。そのイオントラップは、捕捉空間を画定する複数の電極と、捕捉空間内に平坦なx-y幾何形状を有する実質上四重極の無線周波数電界（RF電界）をもたらすための回路と、四重極RF電界の平坦なx-y幾何形状を歪ませるための八重極電界をもたらす回路とを備えている。イオントラップは捕捉空間においてイオンを導入又は形成するための手段と、第１の方向及び第２の方向において個別に、かつ順次にイオンを強制的に動かすための手段とをさらに備えている。
【００１０】
第１の方向及び第２の方向において個別にイオンを強制的に動かすための手段は、時間とともに高い周波数から低い周波数に変化する励起波周波数を与える励起波周波数を生成するための第１の手段と、時間とともに低い周波数から高い周波数に変化する励起波周波数を与える励起波周波数を生成するための第２の手段とを含む。
【００１１】
平坦な四重極x-y幾何形状を歪ませるための手段を八重極電界とすることができる。四重極電界の寄与に対する八重極電界の寄与の比を約0.2％〜約５％とすることができる。
【００１２】
本発明は、本発明の装置を利用してイオンを捕捉するための方法をさらに含む。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、2-Dイオントラップ120内で選択された対象とするイオンを分離するための装置及び方法を提供する。本発明の2-Dイオントラップ120は、電極31、32、33、32、41、42、43、44、62、69、67、69、220の変更により、又は電極31、32、33、32、41、42、43、44、62、69、67、69、220の位置の変更により、又はそれらの両方により得られる八重極電界を有する。また本発明の2-Dイオントラップ120は、イオントラップ120内で第１の方向及び第２の方向に個別に、かつ順次にイオンを強制的に動かす手段63、64を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は、2-Dイオントラップにおいて対象とする選択されたイオンを分離するための装置及び方法を提供する。その装置及び方法は、分離窓が対称で急峻なエッジを有することによって特徴付けられる分離分解能と、通常、イオンを分離するために必要とされる時間の短縮とをもたらす。装置は、捕捉空間を画定する複数の電極を含む捕捉チャンバと、捕捉空間内にRF電界をもたらすための回路と、捕捉空間内に八重極電界をもたらすための回路と、第１の補助波形発生器及び第２の補助波形発生器とを備えている。さらに、本発明は、2-Dトラップ内に多数のイオンが存在することによって実質上影響を及ぼされないイオン分離を改善するための方法を提供する（たとえば、その方法は、分離手順に対して高いイオンキャパシタンスを有する）。
【００１５】
１つの例示的な従来技術の2-Dイオントラップは、図１に示すように、入口プレート及び出口プレートを備えている四重極フィルタと、ロッド電極とを備えている。図１に示すようなイオントラップ20では、四重極フィルタは、４つの円筒形のロッド電極22、23、25、26を備え、それらの電極は四重極電界イオン捕捉空間10（たとえば「捕捉空間」）を形成する。代替的には、断面双曲線形状となる双曲ロッド電極を利用することができる。図１を参照すると、従来技術の2-Dイオントラップ20において、単一の補助分離波形発生器21を一対の向かい合ったロッド電極22、23に接続し、主RF発生器24を全ての４つのロッド電極22、23、25、26に対称に接続することによって、分離が達成される。「接続する」又は「接続される」は、物理的に接続すること及び/又は電気的に接続すること、及び/又は電気的に信号伝達できる状態にすることを含む。商用の3-Dイオントラップ質量分析とは異なり、従来の2-Dイオントラップ電界では、八重極電界が大きくは寄与しない。
【００１６】
図２は、４つの双曲電極31、32、33、34によって形成される１つの例示的な従来の2-Dイオントラップ20の断面を示す。理想的な双曲電極では、双曲線の２本の漸近線間に90°の角度が形成される。x-y平面内の理想的な電界は実質上四重極RF電界である。理想的な四重極電界は、以下の式によって記述することができる。
【００１７】
【数１】
2007080830.tif 000003
【００１８】
ただし、U及びVは、電極対の向かい合った電極に適用されるDC電圧及びRF電圧であり、νはRF電圧の周波数である。図２に示す例の場合、電極32及び34が１つの電極対を形成し、電極31及び33が第２の電極対を形成する。さらに、それらの電極の形状は双曲線の内側表面131、132、133、134をなす。電極の内側表面は、捕捉空間10に隣接する電極の表面を意味するものと解釈されたい。
【００１９】
実際には、実際の電界は、電極の双曲形状の表面の切頭に起因して、式（１）によって示される理論的な四重極電界とはわずかに異なる。以下の展開級数によって実際の電界を表すことが好都合である。
【００２０】
【数２】
2007080830.tif 000004
【００２１】
ただし、A0、A2、A4、A6は展開係数であり、P6(x,y)は６次の多項式関数であり、o(x,y)は展開級数内の６次項よりも高い次数の項の和を表し、Uは向かい合う電極対に適用されるDC電圧であり、Vは電極に適用される主RF電圧の振幅である。係数A2及びA4はそれぞれ、四重極重み係数及び八重極重み係数と呼ばれる。パーセント比A4/A2は、四重極電界の寄与に対する八重極電界の重み付けされた寄与を定義し、純粋な四重極電界からの電界歪みに対する定量的な指標として利用することができる（本明細書では、四重極電界に対する八重極電界の比と称する）。通常、市販の2-Dイオントラップの場合、四重極RF電界は、約0.5MHzと２MHzとの間にある。そのようなイオントラップの場合、展開級数の高次の成分を最小限に抑えながら、八重極電界の寄与を加えて、約0.2％〜約５％の八重極電界対四重極電界比を与えることにより、イオントラップ幾何形状を理想的な幾何形状から変更することが望ましい。いくつかの実施形態では、約0.5％〜約２％の八重極電界対四重極電界比が望ましい。通常、最適な比は、最良の分解能を生成する比を特定することによって、実験的に決定される。イオンの動きに影響を与えるだけの十分な八重極の寄与が存在しなければならない。八重極の寄与が大きすぎると、付加的な動きの成分が生成され、分解能が劣化する。八重極の寄与を、本明細書に記述する補助共鳴電界を適用する方法と組み合わせることによって、イオントラップから不要なイオンを除去しながら、選択されたイオンのための改善された分離を達成することができる。
【００２２】
図３及び図４は、電極31、32、33、34を利用する変更された2-Dイオントラップ幾何形状の例示的な実施形態を示し、それらは、幾何形状が変更されているか、又は電極対の間隔が変更されている。電極31、32、33、34は実質上双曲線形状の内側表面131、132、133、134を有する。図３では、電極31、32、33、34の形状及び寸法が、理想的な90°の双曲電極の形状及び寸法に対して変更されている。図４では、電極31、33が、電極32及び34が離隔して配置されている距離よりも大きく離隔して配置されている。
【００２３】
より具体的には、図３に示すイオントラップの幾何形状は、x-y平面において八重極電界がわずかに寄与する四重極電界を有する捕捉空間10を生成する。x-y平面内の八重極電界は、対を成す各電極のx軸及びy軸に沿って、電極対32、34及び電極31、33の両方を不均一に拡大縮小し、90°の双曲電極に対して幾何形状が変更されている２つの電極対32、34及び31、33を形成することによって得られる（たとえば双曲線の２つの漸近線はもはや90°の角度を形成しない）。変更された電極対32、34及び31、33の寸法は、以下の関係を利用して、理想的な双曲電極の幾何形状の座標を、x軸及びy軸に沿った異なる換算係数と乗算することによって求めることができる。
【００２４】
X'=k1X
Y'=k2Y      （３）
ただし、X'及びY'は、変更された電極のx軸及びy軸の寸法であり、X及びYは、z軸及びy軸に沿った理想的な電極寸法であり、k1及びk2は換算係数である。こうして、漸近線がもはや90°の角度を形成しないように形状及び寸法が変更されている双曲電極を、これ以降、伸縮電極31、32、33、34と称する。
【００２５】
１つの例示的な実施形態では、k2=1/k1であり、k1の値は、適切な八重極電界の寄与を与えるために、通常、1.01〜1.2の範囲内にある。図３に示す例の場合、理想的な2-Dイオントラップ幾何形状（理想的な例については図２を参照）が、k1=1.1及びk2=1/k1の換算係数を利用して変更される。図２に示すように、理想的な四重極電界は、イオン捕捉空間10において２つの直交する漸近線35及び36が存在するという特徴を有する。しかしながら、図３の変更された幾何形状の四重極電界の実施形態における漸近線35、36は、理想的な四重極電界の90°の角度から外れた角度を成して交差する。
【００２６】
図４は、一対の電極31、33を外側に向かって動かし、その電極間の距離を距離Ｄだけ長くすることによって、理想的な四重極電界の幾何形状を変更して、八重極の寄与を与える一実施形態を示す。したがって、電極31及び33を分離する距離は、それらの電極が理想的な四重極電界の状態であるように離隔して配置されている電極対32及び34を分離する距離よりも長い。
【００２７】
本発明の2-Dイオントラップ内の電極として、伸縮電極又は円筒形のロッド電極を利用することができる。一般的に、円筒形ロッド電極は、双曲電極又は伸縮電極と比べて、いくらか安価である。したがって、円筒形ロッド電極は経済的な利点をもたらす。
【００２８】
図５を参照すると、この図は、円筒形ロッド電極41、42、43、44を備え、半径Rdの円筒形ロッドが半径Roの円の周囲に離隔して配置されている１つの例示的な従来技術の2-Dイオントラップ20を示す。図５の2-Dイオントラップは、半径の比Rd/Roが約1.1〜約1.14以内であるときに、概ね0の八重極項を有する。最適な比は、それらのロッドがチャンバを取り囲むか、保護板内に配置されているかによって異なる。図５に示す従来技術のイオントラップ20の構成は、ロッド電極41、42、43、44が概ね0の八重極項を有するように構成されている。
【００２９】
円筒形ロッド電極を備え、幾何形状を変更された2-Dイオントラップ120の１つの例示的な実施形態では、同じRoを維持しながら、２つの向かい合う電極対の半径を反比例するように拡大縮小することによって、四重極電界に対していかなる実質的な高次の成分も導入することなく、八重極電界の寄与を導入することができる。この変換は、１組の式によって数学的に記述することができる。
【００３０】
Rxn=Rd/J1
Ryn=RdJ1
Ron=Ro      （４）
ただし、Rxnは、x軸と位置合わせされるロッド対の半径であり、Rynは、y軸と位置合わせされるロッド対の半径であり、Ronは、最終的な幾何形状に関する内接半径であり、Roは、歪みのない幾何形状の場合の内接半径であり、J1は換算係数である。１つの例示的な実施形態では、J1が約1.0〜約1.2となるように選択される。
【００３１】
図６は、そのように変更された2-Dイオントラップ120の断面の例示である。図６に示すように、電極対44、41の電極は、電極対42、43の電極とは異なる直径を有する。
【００３２】
図７に示すような別の実施形態では、２つの向かい合った円筒形ロッド電極42、43を、理想的な四重極電界内にあるロッド電極の場合の理想的な間隔よりも距離Fだけ大きい距離離隔して配置することにより、円筒形電極41、42、43、44を備えている2-Dイオントラップ20に八重極項が加えられる。これは、双曲ロッド電極の場合に図４に示すものと、本質的に同じ種類の幾何形状変更である。
【００３３】
代替的に、電極の幾何形状変更は、電極対の電極のうちの少なくとも１つにおいて１つ又は複数のスリットを入れることによって、及び/又は１つ又は複数の電極の内側表面をエッチングすることもしくは窪みをつけることによって、及び/又は１つ又は複数の電極の内側表面に膨らみをつけることによって達成される。
【００３４】
本明細書において議論する2-Dイオントラップの四重極電界を形成する電極の物理的な幾何形状を変更して、八重極の寄与を与える方法は例示である。四重極電界に適切な八重極電界の寄与をもたらす任意の他の方法を利用することもできる。
【００３５】
ある特定の軸に沿って主四重極電界に関連付けられるような八重極電界の寄与の符号に関して、本明細書において使用する用語は以下の通りである。ある特定の軸座標の２乗冪及び４乗冪の場合に、式（２）によって与えられるような展開級数の係数の符号が同じである場合には、その座標軸に沿った八重極の寄与は正である。したがって、式（２）から明らかなように、１つの軸について八重極電界の寄与が正である場合には、直交する軸についての八重極電界の寄与は負である。たとえば、図３、図４、図６及び図７に示す実施形態の場合、八重極項は、x軸については正であり、y軸について負である。したがって、図３、図４、図５及び図７の2-Dイオントラップ120の場合、八重極の寄与の符号は、x軸の場合とy軸の場合とで反対である。しかしながら、八重極寄与の絶対値は、x軸及びy軸に沿って概ね同じである。静電界についての基本的なラプラス方程式から、これらの事実が導出される。本発明は、これらの事実を利用して、八重極電界の寄与を有する非線形2-Dイオントラップ電界においてイオン分離を高めるための装置及び方法を提供する。
【００３６】
一般的に、イオントラップ内にイオンを捕捉することは、イオントラップ内でイオンを形成すること、又は四重極捕捉空間の外部にあるイオン源からのイオンをイオントラップに入れることのいずれかを含む。通常、イオンはある範囲のm/z（たとえば質量対電荷）値を有し、いくつかの対象イオンと、対象イオンよりも大きい、又は小さいm/z値を有する他のイオンとを含む。たとえば、MS/MS実験又はイオン/分子反応等を実行するために、対象イオンよりも大きい、又は小さいm/z値を有するイオンを、イオントラップから除去することが最適である。これは一般的に、イオンの動きを操作することによって系統的に行われる。イオントラップから不要なイオンを放出するための条件を変更する系統的な応用形態は、走査と呼ばれる場合がある。対象とするm/zのイオンが分離されると、MS/MS分析又はイオン/分子研究等を実行することができる。
【００３７】
通常、MS/MS実験は、2-Dイオントラップにおいて、一対の向かい合った電極に１つ又はいくつかの補助波形を加え、対象イオンを分離することによって実行される。加えられる波形は、捕捉空間内に対象イオンを保持しながら、不要なイオンと共鳴させて、不要なイオンをイオントラップから放出するように選択される。その波形はかなり複雑な場合もあり、その過程は、所望の分離度を達成するために、何度も繰り返すことができる。
【００３８】
理想的には、MS/MS分析における対象イオンの選択は、対象イオンの公称質量対電荷（たとえばm/z）比に関して、できる限り厳密であるべきである。これは、良好な識別能及び特異性をもたらす。しかしながら、分離ステップがあまりにも狭いと、対象イオンの存在量が減少し、感度が低下することがある。対象イオンの分離のための所望の質量分解能は、対象イオンの強度を90％以上の水準まで区別することのない最も小さな窓幅に対する対象イオンのm/zの比によって決定される。イオン分離のための別の重要なパラメータは、分離を完了するのに必要とされる全時間である。一般的に、分離時間が短いほど、高いデューティサイクルで迅速に分析することができ、装置の全体感度も改善されるので、できる限り短い分離時間が最も好ましい。
【００３９】
線形イオントラップ内のイオンの動きを以下のように記述することができる。DC電圧が0である（U=0）とき、補助正弦波が存在する中での線形イオントラップのx-y平面内のイオンの動きは、x座標及びy座標が切り離されるものと仮定して、以下の式によって、擬似ポテンシャル井戸近似を利用して記述することができる。
【００４０】
【数３】
2007080830.tif 000005
【００４１】
ただし、μは、イオントラップ内に衝突する気体が存在することに起因する、分子抵抗又は中性分子とのイオン衝突を表す係数であり、A4'は八重極正規化項であり、Ex及びEyはそれぞれ、x軸及びy軸（たとえば座標）に沿った補助励起電界の振幅を表す係数である。
【００４２】
Ex又はEyが同時に0でない場合には、式（5a）及び（5b）を独立して取り扱うことができる。これらの式に対する共鳴曲線を、x座標の場合に図９に、y座標の場合に図１０に示す。A4'>0であると仮定すると、これは、図３、図４、図５及び図６において示す、変更された2-Dイオントラップ120の実施形態の場合の共鳴曲線に対応する。図８は、式（5a）及び（5b）においてA4'=0に対応する、捕捉空間内の純粋な四重極イオントラップ電界の場合の古典的な共鳴曲線を示す。
【００４３】
本発明の変更されたイオントラップ120の場合、共鳴曲線は、図９及び図１０に示すように、非線形な共鳴曲線である。図９及び図１０の非線形な共鳴曲線の場合、補助励起電界の周波数wが、緩やかな側52、152からではなく、急峻な側51、151からの共鳴を近似するように選択される場合に、極めて鋭い共鳴状態（たとえば図８に示す共鳴曲線のような標準的な共鳴曲線で通常達成することができる分解能よりもはるかに高い共鳴分解能を有する状態）を達成することができる。3-Dイオントラップとは対照的に、2-Dトラップでは、x軸及びy軸にわたって、非線形性の反対の符号を有する２つの強制非線形共鳴を有することができる。さらに、これらの２つの強制非線形共鳴を利用して、x方向及びy方向において、独立して、かつ順次にイオンを強制的に動かすことができる。
【００４４】
一実施形態では、x方向及びy方向において独立して、イオンを強制的に動かすことが、２つの補助波形発生器を利用することによって達成される。補助波形発生器は、各ロッド電極対に取り付けられている。この実施形態では、図１１に示すように、主無線周波数（たとえばRF）発生器61が、２つの非対称なロッド電極対62、69及び67、68に主RF電圧をもたらし、捕捉空間10内に主捕捉電界が生成される。向かい合うロッドは、一対のロッド電極の構成要素である。したがって、ロッド電極62及び69が対を成し、RF発生器61の同じ位相に接続され、ロッド電極67及び68が対を成し、RF発生器61の同じ位相であるが、ロッド電極対62、69とは異なる位相に接続される。図１１は、２つの補助波形発生器63、64を示す。各ロッド電極対62、69及び67、68に対して１つの補助波形発生器が取り付けられている。補助波形発生器63、64は、励起波周波数を有する励起波を生成可能である。さらに、補助波形発生器の一方が、時間とともに高い周波数から低い周波数まで走査することができる励起波周波数をもたらし、他方の補助波形周波数発生器が、時間とともに低い周波数から高い周波数まで走査される励起波周波数をもたらす。
【００４５】
随意的に、補助波形発生器として、任意波形発生器を利用することができる。任意波形発生器は、コンピュータで生成される予め計算された信号を発生することができる装置である。
【００４６】
図１１は電気回路図ではなく、むしろ波形及び電界発生器61、63、64を図解し、それらの発生器と2-Dイオントラップ120のロッド電極62、67、68、69との関係を示す図である。その装置の接続及び動作を達成するための種々の形式及び方法の電気回路図を利用することができる。
【００４７】
図１１に示す実施形態の場合、八重極項がロッド電極対67及び68（x軸）の場合に正であるものと仮定すると、八重極項は、ロッド電極62、69（y軸）の場合には負となるであろう。したがって、この例示の場合、y方向におけるイオンの動きは、ロッド62と69との間の動きであり、x方向におけるイオンの動きは、ロッド67と68との間の動きである。2-Dイオントラップ内に正のイオンが導入されるとき、主RF発生器61は、分離手順の前に、捕捉振幅VtrのRF電圧を供給する。補助分離周波数が、補助波形発生器63、64によって供給され、イオンが分離される。
【００４８】
図１２は、選択されたイオンをトラップ内で分離することと、選択されないイオンをイオントラップから概ね除去することとを達成するために、イオントラップロッド電極に適用されるべき波形に関する１つの例示的なタイミング図を示す。この例示的な実施形態の場合、最初に、ある特定の八重極成分を使用して、イオントラップ軸の一方に沿って対象イオンのm/zよりも小さいm/zを有する全てのイオンを放出し、その後、反対の符号の八重極成分を使用して、他方の軸に沿って対象イオンのm/zよりも大きいm/zを有する全てのイオンを放出することによって、特定のm/z比を有する質量の分離が達成される。
【００４９】
より具体的には、図１１に示す例示的な実施形態に適用されるような、図１２に与える例示的な時間系列では、時間間隔T1中に、単一の符号の波形曲線部分72が補助RF発生器64（たとえば補助波形発生器）によって出力され、八重極成分に対する正の寄与を有するロッド67、68（たとえば「x」ロッド）に適用される。同時に、時間間隔T1中に、主RF振幅Vが、曲線部分73によって示すように上昇し、対象イオンのm/zよりも小さい質量対電荷比を有する全てのイオンを、非線形共鳴曲線の鋭いエッジに至らせる（非線形共鳴曲線の図については図９を参照）。曲線部分74によって示すように、T2において上昇速度を遅くし、曲線部分71によって示すように、補助RF-x励起電界の振幅を小さくすることができる。いくつかの例では、これは、対象イオンのm/z付近の分離を高める。選択された対象イオンのm/zよりも小さいm/zを有するイオンがイオントラップから放出された後、補助RF-x発生器64がオフに切り替えられ、図１２の曲線部分75において示すように、主RF振幅がわずかに低い値まで降下して、対象のm/zを有するイオンの集団が保持される。時間間隔T3中に、対象イオンのm/zよりも大きいm/zを有する全ての質量が、2-Dイオントラップから放出される。対象イオンのm/zよりも大きいm/zを有するイオンを放出するために、補助RF-y発生器63がオンに切り替えられ、周波数が時間とともに増加するチャープ波形を出力する。
【００５０】
本発明を実施する際に利用することができる１つの例示的なチャープ波形は、式sin(ν(t)t)によって記述することができ、ただしν=νi+αtである。代替的に、SWIFT技法を利用して得ることができる波形のようなチャープ状波形を利用することもできる。SWIFT技法では、位相に直交変調をかけられた複数の正弦波を加算することによって波形が得られ、波形持続時間中に時間平均のスペクトル周波数が高められる。チャープ波形又はチャープ状波形が適用されると、対象イオンのm/zよりも大きいm/zを有するイオンは、反転されたy共鳴曲線（y共鳴曲線については図１０を参照）の鋭いエッジを横切ることによって、共鳴状態に入るであろう。SWIFT技法は、A. MarshallによってFT ICR MSのために開発された（米国特許第4,761,545 A号及び米国特許第5,696,376号も参照されたい）。
【００５１】
実際には、元の周波数の波形を限られた数の時間セグメントに数学的に断片化することができ、セグメント毎にフーリエ変換を実行した後、波形成分の結果として生成される周波数がそれぞれ、セグメント毎に実質上増加する場合に、低い周波数から高い周波数まで周波数が変化する波形を有するような複合的な任意の波が指定される。同様に、元の周波数の波形を限られた数の時間セグメントに数学的に断片化することができ、セグメント毎にフーリエ変換を実行した後に、波形成分の結果として生成される周波数がそれぞれ、セグメント毎に実質上減少する場合に、高い周波数から低い周波数まで周波数が変化する波形を有するような複合的な任意の波が指定される。このように指定する場合、イオンの動きをもたらすことができる大きな強度を与えられる主要な周波数成分だけが考慮される。
【００５２】
対象イオンのm/zよりも小さいm/zを有するイオン、及び対象イオンのm/zよりも大きいm/zを有するイオンのいずれの場合も、共鳴曲線の鋭い（概ね垂直な）エッジを介して非線形な共鳴放出が達成される。これにより、最終的な結果として、対称な形状の分離窓が生成される。通常、それにより、従来の2-Dイオントラップの場合よりも、共鳴パラメータを上昇させる速度が速くなり、通常、分離時間が全体として短くなる。本明細書に記述するような手順を順次に繰り返し、トラップ内のイオン分子反応、イオン/イオン反応又は解離反応に起因して生じる場合がある概ね全てのイオンを除去することができる。
【００５３】
数多くの応用形態では、一度の分離シーケンスだけで十分であろう。しかしながら、対象イオンを最初に分離した後に、たとえば、大きな空間電荷条件に対処するために、応用形態によっては、この分離手順を順次に繰り返すことが有益な場合もある。随意的に、空間電荷条件が課題である応用形態では、広い分離窓（たとえば、約20 Da）を利用して比較的大きな上昇速度（50〜100 Kda/s等）で実行されるT1ステップだけを含む１回目の初期分離を利用することができる。１つの例示的な実施形態では、この初期分離手順のための時間は約10〜20 msとなる。その後、それよりも遅い上昇速度で、より厳密な細い分離窓幅（たとえば約１Da又はそれ以下）を利用して、図１２に示すように、２回目の分離を実行し、分離過程が完了される。
【００５４】
図１３は、本発明の別の実施形態の概略図を示す。この実施形態では、向かい合うロッドが同じ極性に接続され、一方、隣接するロッドが逆の極性に接続されるようにして、2-Dイオントラップ120のロッド電極62、67、68、69に付加的な差動電源81が接続されている。差動電源81は、2-Dトラップのロッド62、67、68、69に差動電圧を与え、共鳴振動の主要周波数w0が、x軸及びy軸に沿って動く場合にわずかに異なるようにする（たとえばwxはwyと等しくない）。この例示的な実施形態におけるイオンの動きは、以下の式によって記述される。
【００５５】
【数４】
2007080830.tif 000006
【００５６】
ただし、wx及びwyはそれぞれ、x軸及びy軸に沿ったイオン振動基本周波数であり、他の項は式（5a）及び（5b）に関して画定されるのと同じである。式（5a）及び（5b）は、x方向の動きとy方向の動きとの間にほとんど結合がない近似を仮定する。この条件を満たすために、初期のイオンの位置は概ね（0,0）になければならない。x-y結合によって、共鳴曲線がいくぶん時間に依存するようになり、いくぶん広がる。応用形態によっては、x-y結合によって、分離分解能が劣化する可能性がある。x方向の振動とy方向の振動の間の結合は、x方向の基本振動及びy方向の基本振動に関する周波数の差（Δ）に反比例する。したがって、付加的なDC電圧を与えることにより、x方向の動きとy方向の動きの間を切り離すことができ、より高い分離分解能がもたらされる。さらに、DC電圧は、捕捉電極の物理的な幾何形状を変更することなく、八重極項（A'4DCx及びA'4DCx）の寄与の細かい調整を容易にするパラメータを与える。
【００５７】
図１４は、図１３のイオントラップの実施形態において選択されたイオンの分離を達成するために、波形を適用するための１つの例示的な波形タイミング図を示す。図１２及び図１４のタイミング図の違いは、図１４のT1、T2及びT3時間中に、付加的なDC電界が存在することである。図１４を参照すると、DC電界の強度及び極性を、T1、T2及びT3時間間隔中に個別に調整し、各分離時間において費やされる時間を最小限に抑えて、さらに明確な分離を達成することができる。対象イオンのm/zよりも小さいm/zを有するイオンはx軸に沿って放出され、対象とするイオンのm/zよりも大きいm/zを有するイオンはy軸に沿って放出される。
【００５８】
応用形態によっては、イオントラップから放出されるイオンを検出することが望ましい場合もある。図１５は、周波数が変化する波形を適用することによってトラップから放出されるイオンを、たとえば、１つ又は複数のイオントラップ電極220内のスリット210を介して、電子倍増管のようなイオン検出器200の中に誘導できることを示す。これらの放出されるイオンを検出することにより、質量スペクトルを生成するために利用されるデータがもたらされる。適用される波形の時間-周波数スペクトルは、適用される周波数が放出されるイオンの共鳴周波数に一致するときに、その質量スペクトルに関する質量軸の較正を画定する。高い周波数から低い周波数まで、又は低い周波数から高い周波数まで変化する周波数を有する波形が適用されるとき、放出されるイオンは、それらのイオンの質量対電荷比に基づいて、順次にイオン検出器に到着する。
【００５９】
2-Dイオントラップの１つの例示的な実施形態では、補助発生器64を利用することなく、主安定領域の境界を利用することによって、対象イオンのm/z未満の全てのイオンを迅速に放出することができる。この実施形態の場合の１つの例示的なタイミング図を図１６に示す。この例では、T1の時間中に、差動DC電源81の正の位相がxロッド電極67、68に接続され、一方、差動電源の負の位相がyロッド電極62、69に接続される（この実施形態では、適用されるDC電界によって、第１の方向に強制的に動かされる）。DC電界の値は、特定の上昇電圧において放出の鋭さを最適化するために、実験的に調整される。他の実施形態の場合と同様に、随意的に、低い上昇速度で分離ステップを繰り返して、より高い分離分解能を達成することができる。
【００６０】
これまでの説明は、本発明の数多くの例示的な方法及び実施形態を開示し、記述するものである。本発明の精神又は不可欠な特徴から逸脱することなく、本発明を他の具体的な形態で具現できることは当業者には理解されよう。したがって、本発明の開示は、添付の特許請求の範囲において述べられる本発明の範囲の例示を意図しており、制限することを意図していない。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】従来技術の2-Dイオントラップの概略図である。
【図２】双曲電極を備えている従来技術の2-Dイオントラップの概略的な断面図である。
【図３】変更された2-Dイオントラップの１つの例示的な実施形態の概略的な断面図である。
【図４】変更された2-Dイオントラップの１つの例示的な実施形態の概略的な断面図である。
【図５】円筒形のロッド電極を備えている従来技術の2-Dイオントラップの概略的な断面図である。
【図６】変更された2-Dイオントラップの１つの例示的な実施形態の概略的な断面図である。
【図７】変更された2-Dイオントラップの１つの例示的な実施形態の概略的な断面図である。
【図８】理想的な四重極電界内の共鳴曲線のグラフである。
【図９】非線形の四重極電界内のx座標に関する共鳴曲線のグラフである。
【図１０】非線形の四重極電界内のy座標に関する共鳴曲線のグラフである。
【図１１】１つの例示的な実施形態における、電界発生器と電極との関係を示す概略図である。
【図１２】１つの例示的な実施形態における、選択されたイオンを分離するための１つの例示的な波形図である。
【図１３】１つの例示的な実施形態における、電界発生器と、電極と、差動電源との関係を示す概略図である。
【図１４】１つの例示的な実施形態における、選択されたイオンを分離するための１つの例示的な波形図である。
【図１５】変更された2-Dイオントラップの１つの例示的な実施形態の概略的な断面図である。
【図１６】１つの例示的な実施形態における、選択されたイオンを分離するための１つの例示的な波形図である。
【符号の説明】
【００６２】
１０      捕捉空間
２０      イオントラップ
２２、２３、２５、２６      ロッド電極
２４、６１      主RF発生器
３１、３２、３３、３４      電極
４１、４２、４３、４４      電極
６２、６７、６８、６９      電極
６３      第１の波形発生器
６４      第２の波形発生器
８１      差動電源
１２０      2-Dイオントラップ
２００      イオン発生器
２１０      スリット
２２０      イオントラップ電極
【図１】
2007080830.tif 000007
【図２】
2007080830.tif 000008
【図３】
2007080830.tif 000009
【図４】
2007080830.tif 000010
【図５】
2007080830.tif 000011
【図６】
2007080830.tif 000012
【図７】
2007080830.tif 000013
【図８】
2007080830.tif 000014
【図９】
2007080830.tif 000015
【図１０】
2007080830.tif 000016
【図１１】
2007080830.tif 000017
【図１２】
2007080830.tif 000018
【図１３】
2007080830.tif 000019
【図１４】
2007080830.tif 000020
【図１５】
2007080830.tif 000021
【図１６】
2007080830.tif 000022