(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
安定状態または不安定状態の下で動作可能な四重極イオントラップ内で衝突解離により親イオンを選択的に分解するための方法であって、
(ａ) 前記四重極イオントラップへバッファガスを導入する段階と、
(ｂ) 分析用のサンプルガスを前記四重極イオントラップ内に注入する段階と、
(ｃ) 前記サンプルガスをイオン化する段階と、
(ｄ) 前記四重極イオントラップの選択された安定動作モードにおいて選択された質量対電荷比を有する選択された親イオンを捕獲するべく、少なくとも振幅VのRF場及び直流ポテンシャルUを前記四重極イオントラップに印加する段階と、
(ｅ) 前記段階(ｄ)の後、前記安定動作モードを維持し、それによって前記選択された親イオンから前記バッファガスへエネルギーが伝達される段階と、
(ｆ) 前記安定動作モードが不安定状態に近づくような値を獲得するべく、前記振幅Vまたは前記ポテンシャルUを調節する段階であって、それによって前記RF場からのエネルギーは、前記選択された親イオンに非共鳴的に伝達され、その結果前記親イオンが前記バッファガスと衝突することにより分解されるところの段階と、
から成る方法であって、
前記段階(ｅ)における安定動作モードの条件は、前記段階(ｆ)における安定動作モードの条件より不安定状態からかけ離れている方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、前記段階(ｄ)がさらに、選択的にさまざまの時間間隔の間、選択範囲外の質量対電荷比のイオンを除去する段階から成る、ところの方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、前記段階(ｄ)がさらに、選択範囲外の質量対電荷比のイオンを除去する段階を含む、ところの方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、前記段階(ｃ)がさらに、前記サンプルガスのイオン化の後、前記サンプルガスを四重極イオントラップへ導入する段階を含む、ところの方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、前記段階(ｄ)がさらに、前記四重極イオントラップから選択されたイオンを放出することによりトラップ内の前記選択された親イオンを分離する段階を含む、ところの方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は四重極イオントラップ及び質量分光学の分野に関し、特に周辺効果励起を用いた四重極イオントラップの操作に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、タンデム質量分光学はトラップ内のバッファガスの残留分圧を維持する簡易手段によって四重極イオントラップ内で実行される。ある選択されたイオン種（親イオン）が選択的にトラップ内に保存される。エネルギー的に許されたさまざまな崩壊チャネルへの親イオンの解離において、親イオンの運動エネルギーが増加しバッファガスとの衝突もある確率で生じる。親イオンの指紋(finger print)は、解離の結果物の質量分光分布内で明らかにされる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術において、エネルギーを保存イオンに転送するために補助AC場が軸方向のトラップ上に印加されるところの共鳴プロセスにより、保存イオンの運動エネルギーが増加されることが周知である。また十分な振幅のDCパルスにより、保存イオンがトラップの内側表面に衝突させられる。衝突の結果物はさらなる操作のために有用である。これは、Cooksらによって、J.American Society for Mass Spectroscopy, V.2, P.487(1992)に説明されている。不安定状態に近づくようなトラップの動作条件は、トラップイオンへの大きな非共鳴エネルギー転送をもたらすことが知られている。この周辺効果(border effect)はParadisiらにより発見され、Organic Mass Spectrometry, v.27, PP. 251-254(1992)に説明されている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は周辺効果の動作以前の選択された時間間隔を通じて、特定の衝突解離チャネルは以後冷却時間(cooling time)と称される周辺効果励起以前の時間間隔の長さによって強化されまたは強化されない、という付加的な発見とともに周辺効果を利用するものである。
【０００５】
トラップ体積内にイオンを閉じこめる四重極イオントラップの操作は周知である。四重極イオントラップに付随するのは、トラップの幾何学形状に伴う運動方程式の解の集合を表す安定性ダイヤグラム（図２）である。四重極イオントラップに対する操作及び従来技術の理論は、MarchとHughesによる、Quadrupole Storage Mass Spectrometry, Wiley Interscience(1989)の中に記載されている。典型的な四重極イオントラップは円柱対称形であり、１枚の双曲面の半径構造を有するリング電極から成る。軸方向に、電極のエンドキャップの１対は２枚の双曲面を画成する。半径方向及び軸方向の単位長(basic dimension)ｒ0及びｚ0のそれぞれに対する以下の変換による座標系ａz及びｑzにより、イオン運動の安定性が示される。
【数１】
0003904616.tif 000002
【数２】
0003904616.tif 000003
ここで、ｅはイオン質量ｍの電荷である。Uはリング電極及びエンドキャップとの間のDCバイアスであり、Vはリングに付勢された角振動数ΩのRF振幅である。座標az及びqzにより定義された距離から、マシュー方程式の解に対応する安定動作領域を確立することができる。そのような安定性のダイアグラムが図２に示される。安定領域は、Bz=0及びその反対側のBz=1、並びにBr=0及びその反対側のBr=1のそれぞれの曲線に囲まれた内部領域であるように画成される。これらの境界線の数学的意味は上記MarchとHughesの文献に記載されている。運動方程式の解が安定領域内に存在することがわかれば十分である。安定性とはイオンの変位が無制限ではないことを意味する。
【０００６】
安定性ダイアグラムの境界線は物理的意味を有する。実際のトラップ内で、安定性は半径方向及び軸方向の安定性を２つ同時に満たす条件である。ラインBz=1は軸方向の安定性において、qzが増加する方向の比較的低いm/e値のイオンに対する不安定な軌道を、Bz=1の左側の比較的高いm/e値のイオンに対する軌道から分離するするための分離点として認識される。したがって、Bz=1に近接する選択されたm/e値の点に対して低いm/e値のイオンは捕獲されない。同様に、選択されたm/e値のイオンに対しラインBz=0は、境界線の外側の（qzが減少する方向の）より高いm/e値のイオンに対して不安定性へ移行する領域を指示する。Br=0及びBr=1の半径方向の安定性のボーダーについても同様な意味が付与される。選択されたイオン種は、より高いm/e値のイオン種を除去するべくイオン種の動作点をひとつの境界線（又はその交差点）の隣へ変換し、その後、より低いm/e値のイオンを除去するため動作点を反対側の境界線（またはその交差点）付近に変換するという２段階工程により離隔される。MS/MS法のこの手続きの例がArdanezらによるRapid Communication in Mass Spectrometry, V.5, p.5 (1991)に記載されている。安定性ダイアグラム上の点の特定の位置はイオンの軌道運動の集まりに対応していることがわかる。特に安定性ダイアグラムのボーダーの隣は、運動エネルギーがイオントラップ内の特定のイオンの安定結合を表す仮想ポテンシャル井戸の深さまで近づくための振動軌道の集合を表す。ボーダー（ある特定のm/e値）に近接した動作はエネルギーを効果的トラッピング・フィールドからトラップイオンへ転送する結果を生じさせる。トラップイオンのとる軌道はこの議論の目的ではない。これらの軌道が安定性を示すことのみが必要なのである。この自由な条件により、捕獲された粒子がトラッピング・フィールドから引き出される実質的なエネルギーを要求する結果として、かなり複雑な軌道が約束される。これが非共鳴工程であることを強調しておく。
【０００７】
実際の議論において、バッファガスの選択された分圧は、トラップイオンとの衝突用のターゲット粒子のソースを提供するためトラップ内で維持される。衝突解離により娘イオンを得るためトラップ（親）イオンを断片化することが所望される。周辺効果の利益を得るために安定性ダイアグラム上のある領域で動作させるとき、エネルギーはRFトラッピング・フィールドから所望のイオンへかなり大量に転送される。親イオンが解離することなくバッファガス原子から散乱するような衝突現象では、単純に親イオンの軌道が邪魔されるだけである。もし軌道が安定に維持されれば、親イオンは次の事象に利用される。所望の衝突解離の確率は一定のままであるが、所望の解離の発生確度は衝突の回数とともに増加する。親イオンが定義により安定であるためには、解離反応のしきい値を超えるのに十分なエネルギーを衝突系に供給する必要がある。
【０００８】
周辺効果により達成された励起の程度を比較するために、衝突解離実験はトリプル四重極装置と四重極イオントラップの間で比較される。5eVの親イオンの衝突解離データ特性を許す補助RF励起は、トラップから親イオンがはずれることなく得られることがわかった。周辺効果を使用して、10eVの親イオンのスペクトル特性が得られる。明らかに、周辺効果励起工程は、有用な運動エネルギーをより効率的に半径方向及び軸方向の振動成分に分離できる。
【０００９】
物理的に冷却時間は、捕獲されたサンプル又は親イオンからバッファガスへのエネルギー及び運動量の転送時間として理解されている。結果として、エネルギーがバッファガスに転送されるにつれ、捕獲された親イオンは幾何学的及び運動量空間に分布する。この方法において、トラップの中身が最後にサンプルされるまで、高いポテンシャル信号を与えてトラップの全イオン数を保存する。続いてこのよりコンパクトなトラップイオンの集合は、動作点を安定性境界に近接させるようなトラップ状態での変化を条件とする。トラッピング・フィールドから予め冷却された親イオンへの生成エネルギーの転送は、同じ動作点での冷却なしの捕獲と比べて、より高い信号対ノイズ比を生む。イオン化工程のようなさまざまな撹乱により、大きな振幅振動を含むイオン軌道の非常に混乱した分布が生じる。その際これらの特定イオンへのエネルギーの転送は、結果的なイオンの損失とともにトラップ寸法を伸長する幾何学的振幅を生成する。もし冷却工程が採用されれば、これらの損失が避けられ、かつ注目のイオンに依存して後続の信号はS/N比の結果的改良を伴ってより大きくなる。
【００１０】
冷却期間がないと、励起により比較的大きな振幅振動（及び典型的により高い運動エネルギー）の軌道を有するイオンがトラップ寸法の拡張により損失する。
【００１１】
上記ふるまいのもう一つの重要な面は、統計的見地から初期のより低いエネルギー軌道はトラッピング・フィールド（イオンの損失を導く）からの大きいエネルギーの転送の結果比較的損失が少ないという理由で、トラップ内に残存するイオンの平均エネルギー（抽象的な意味での平均）は、エネルギー転送工程が次に続く冷却期間の後により高くなるということである。
【００１２】
上記観察は、明白に程度の問題である。結果として、安定性境界に近接する動作点に対するイオン運動の平均エネルギー特性における比例効果が、従来の冷却時間間隔に依存して達せられる。冷却時間中に挿入されるあらゆる手続きによっても、高振幅振動を含むためにトラップイオンの外乱が生じる。抽象的に、概してそのような手続きは従来の冷却時間により利益になる。特に、イオン選択が冷却時間中に挿入される。
【００１３】
【実施例】
図１について、典型的な四重極イオントラップは、理想的に双曲面の表面形状を有するトロイダル電極12を含む。エンドキャップ14及び14’もまた理想的に双曲面を有し、イオン化のためのトラップ体積中への電子ビーム放出を促進するアパーチャ16、及びトラップから検出器20へのイオンの引き出しのためのアパーチャ18によって中断されている。電子ビームのイオン化は電源24により付勢された電子ソース22により効果的になる。RFジェネレータ26はトロイダル電極12に印加されるトラッピング・フィールドを供給し、補助波形ジェネレータ28は結合及びマッチング手段29を通じて軸方向変調をエンドキャップに供給するよう必要に応じて利用できる。DCポテンシャルが、電源30からバイアストロイダル電極12へ有効である。サンプルはサンプル導入手段33によりトラップ10に導入される。
【００１４】
本発明の試験が選択的冷却時間の効果を示すために実行された。動作シーケンスの一例が図３に示されている。例の方法により、イオン化プロセス40は、m/e値が227より大きいか227より小さいイオンを除去する２段階工程44及び46内の親イオンの分離に先んじる300μsぐらいの十分な時間間隔にわたって維持される電子衝撃工程である。本発明に従う冷却時間48は以下に説明するように選択的に変化する。DCバイアスは安定性ダイアグラム上の動作点をBz=0境界線の近傍に持ってくるよう90μsの間印加される。通常のRF傾斜がトラップの中身を検出器20に走査するよう付勢される。変化する唯一の動作パラメータは冷却時間である。実験は４つの異なるバッファガス（He)の圧力1×10-5、4×10-5、8×10-5、及び1.2×10-4トルで繰り返された。図４に移って、サンプル２の6ジメチル-9メトキシ-4h-ピロール［3,2,1-ij］キノリン-4-oneが分離した数と解離反応を通じて得られたものとの関係が示されている。各断片はそれぞれの質量対電荷の比によって識別される。実験は、トラップ動作点を周辺効果励起のためのボーダーBz=0近傍に置き換える以前の冷却時間の関数として、いくつかの分解チャネルの相対的ふるまいを調べるために設計される。
【００１５】
図５及び図６のそれぞれにおいて、２つの最低圧力で、m/e値212及び198のイオンへ導くCH3及びCHO損失に基づいた解離チャネルのみが示されている。冷却時間の依存性は明白ではないかあいまいである。２つのより高い圧力では、多くの異なる断片イオンが現れ、いくつかの断片の相対度数が冷却時間に依存する衝突を示している。これらのいくつかのデータの相対的最大値の出現は、特定の衝突解離チャネルが冷却時間の特定範囲内で強化されることを限定的に提示したものである。
【００１６】
データは、選択イオンのエネルギーが冷却時間間隔に応答してほぼ軸方向の変換自由度から、選択イオンの軸方向、半径方向及び内部自由度の混合した分布へと再分配されるという推測と一致する。
【００１７】
本発明の好適実行方法が図２の安定性ダイアグラムに示されている。サンプルのイオン化の後、選択イオン種が点Aにあるとする。このm/e値で分離するために、動作点はqz軸に沿ってqz=0.84(B点)付近の値に変換され、その後動作点はaz軸に平行に上方のBz=1(C点)の位置付近へ移される。より低いm/e値のイオンの軌道は不安定になり、これらのイオンは放出される。動作点はB点に戻され、qz軸に沿ってD点に逆変換されそこから下方に-az軸に平行にBz=0(E点)の付近へ変換される。より高いm/e値のイオンの軌道は不安定になり、イオントラップから放出される。より高いm/e値のイオンのほとんどの通常の軌道は不安定になり、注目のイオンは効果的に分離される。トラップの動作点はD点に戻され、安定性ダイアグラムの原点付近のF点へqz軸に沿って変換される。ここで装置は冷却時間中そのままになる。動作点はその後qz軸に沿ってD点付近に、及び-az軸に平行にBz=0の付近へまたはaz軸に平行にBr=0の位置付近へ変換される。周辺効果による選択イオンの励起が所定の時間間隔の間続けられる。
【００１８】
その他２段階イオン分離工程は、選択イオンより大きいか又は小さいm/e値のそれぞれに対し半径方向及び軸方向の両方の不安定性を作り出すために、頂点A1及びA2を動作点に選ぶ。
【００１９】
特定イオンの分離作業は特定の技術に制限される必要がない。さまざまな所定の時間間隔で四重極トラップ内の選択イオン数を達成するための他の方法が知られている。本発明は他のいかなる種類のイオン分離または選択手続きにも制限されない。
【００２０】
発明は特定の実施例についてのみ説明されてきたが、特許請求の範囲に記載された発明の思想及び態様から離れることなくさまざまな変形及び修正が可能であることは当業者の認めるところである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適実施例である四重極イオントラップ装置の略示図である。
【図２】四重極イオントラップ安定性ダイアグラムである。
【図３】本発明を実行するための動作シーケンスを示した図である。
【図４】いくつかの観測質量に関し、特定のサンプル(m/e 227)の解離モードを説明した図である。
【図５】バッファガス圧1×10-5トルで観測された断片質量に対する冷却時間依存性を示した図である。
【図６】バッファガス圧4×10-5トルで観測された断片質量に対する冷却時間依存性を示した図である。
【図７】バッファガス圧8×10-5トルで観測された断片質量に対する冷却時間依存性を示した図である。
【図８】バッファガス圧1.2×10-4トルで観測された断片質量に対する冷却時間依存性を示した図である。
【符号の説明】
42        イオン化
44,46     ２段階イオン分離
48        冷却時間
50        RF傾斜磁場
【図１】
0003904616.tif 000004
【図２】
0003904616.tif 000005
【図３】
0003904616.tif 000006
【図４】
0003904616.tif 000007
【図５】
0003904616.tif 000008
【図６】
0003904616.tif 000009
【図７】
0003904616.tif 000010
【図８】
0003904616.tif 000011