(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオントラップ質量分光計システムを操作する改良方法であって，
（ａ）  前記質量分光計システムの間隔をあけた一対のエンドキャップ電極と，リング電極とによって結合されるトラップ空間内に，無線周波数（RF）成分を有する，三次元四重極蓄積の場を形成する工程，
（ｂ）  前記三次元四重極蓄積の場を調節することによって，モニターされるべき単一の質量を有し，質量がパラメータβzの所定の値を有するところのイオンを選択する工程，
（ｃ）  前記三次元四重極蓄積の場に複数のサンプルイオンを与える工程，
（ｄ）  前記パラメータβzの前記所定の値を有するイオンを除く前記トラップ空間にトラップしたイオンを共振的に放出するために，前記トラップ空間に周波数成分を有する補充電場を与える工程，
（ｅ）  前記工程（ｄ）の後，前記トラップ空間にトラップされたイオンを検出する工程，
（ｆ）  モニターされるべき他の単一の質量を有し，当該他の単一の質量のパラメータβzの値が，前記パラメータβzの前記所定の値に等しいところのイオンを選択するため，前記三次元四重極蓄積の場を変化させる工程，および
（ｇ）  前記工程（ｆ）の後，前記工程（ｃ）から（ｅ）を繰り返す工程，
を含み，
前記工程（ａ）は，蓄積RF電圧を前記リング電極に適用することを含み，
前記工程（ｄ）は，前記トラップ空間の前記イオンのイオン化時間の間，第一の広帯域スペクトルRF波形を適用する工程をさらに含み，前記第一の広帯域スペクトルRF波形は，前記イオンの前記選択された単一の質量に一致する第一の周波数の範囲を含まない周波数スペクトルを有する方法。
【請求項２】
前記第一の周波数の範囲は，約0.1と0.3の間の範囲の前記パラメータβzの値に一致する，請求の範囲第１項のイオントラップ質量分光計システムを操作する改良方法。
【請求項３】
前記工程（ｂ）は，前記蓄積RF電圧の振幅を調節することを含む，請求の範囲第２項のイオントラップ質量分光計システムを操作する改良方法。
【請求項４】
前記工程（ｄ）は，間隔をあけた前記一対のエンド電極に補充RF電圧を適用することを含む，請求の範囲第３項のイオントラップ質量分光計システムを操作する改良方法。
【請求項５】
前記工程（ｅ）は，イオン検出器にイオンを入射させるために，前記電極の少なくとも一つにパルス電圧を適用することを含む，請求の範囲第４項のイオントラップ質量分光計システムを操作する改良方法。
【請求項６】
前記選択したRF電圧を与える前記工程は，前記イオン化時間の後，第二の広帯域スペクトルRF波形を適用する工程をさらに含み，前記第二の広帯域スペクトルRF波形は，前記イオンの前記選択された単一の質量に一致する第二の周波数の範囲を除く周波数スペクトルを有し，前記第二の周波数の範囲は，前記第一の周波数の範囲よりも実質的に狭い，請求の範囲第１項のイオントラップ質量分光計システムを操作する改良方法。
【請求項７】
前記第二の周波数の範囲は，約0.7と0.85の間の範囲の前記パラメータβzの値に一致する，請求の範囲第６項のイオントラップ質量分光計システムを操作する改良方法。
【請求項８】
前記第二の周波数の範囲は，前記第二の広帯域スペクトルRF波形の周波数スペクトルの１％までである，請求の範囲第６項のイオントラップ質量分光計システムを操作する改良方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は混合物またはサンプルの特定の化合物または要素の量を測定する質量分光方法に関し，特に特定の質量のイオンの数を測定するためのイオントラップ質量分光計の操作方法に関する。
背景技術
従前の質量分光計技術はイオンを蓄積し，操作するためにイオントラップを使用する。典型的な四重極イオントラップの概略が図１に示されている。これは，三つの電極（リング電極10，および対となった上方および下方エンドキャップ電極11および12）から構成されている。これら電極の形状および配置は，電位をもつ適切な無線周波（RF）電圧が適用されたときに，回転対称四重極電場を形成するように設計される。RF四重極電場は通常，RF電源34の出力をリング電極10に適用するときに形成される。イオンは連続した質量分析または他の操作のためにこの電場内にトラップされ，保持される。通常の技術では，イオンまたはイオン化手段（電子ビーム）のいずれかが上方エンドキャップ11の開口13を通ってトラップに入る。質量分析の間，下方イオンエンドキャップ12の開口14を通してトラップを出ていくイオンは，（たとえば，連続したダイノード電子マルチプライヤーでもよい）イオン検出器20に入る。
荷電粒子を分離するイオントラップはまず，PaulとSteinwedelにより（米国特許第2,939,952号）説明された。かれらはさらに，トラップから特定の所望とするイオンを選択的に除去する付加的な周波数を適用することによりイオンを分離する技術を開示した（米国特許第2,950,389号）。
イオントラップの操作理論の詳細は，上記Paul等の論文，Raymonnd E.MarchとRichard J.Hughesによる「四重極蓄積質量分光計」と題する書籍（1989年ニューヨーク，Wiley-Interscience出版）に説明されている。この理論にしたがって，選択された質量範囲のイオンが，RF成分を含む四重極電場内に蓄積される。イオンの質量，RFおよびDC電位の振幅および周波数，ならびにトラップの物理的ディメンジョンに依存する条件の下でのみ，イオンが安定してとトラップされることが，このような四重極電位の特性である。この複雑な関連性は通常，図２に示されたタイプの安定度ダイアグラムに関して記述されている。ディメンジョンパラメータaおよびqの値は以下で与えられる。
0004009325.tif 000002
ここで，eおよびmはイオンの電荷および質量をそれぞれ示し，UはDC電位を，VおよびΩはRF電位の振幅および角周波数を，r0はリング電極の半径（トラップ電極の特徴的ディメンジョン）を示す。
イオンは，aおよびqが図２の安定度ダイアグラムにおいて囲まれた部分にある値を取るときにトラップ内で安定となっている。
Dawsonは質量分光計としてイオントラップを操作することができることを教示している（米国特許第3,527,939号）。Dawsonは，図２に示されているように，所望のイオンが安定度ダイアグラムの上方Aまたは下方Bのいずれかあるようにパラメータaおよびqの値を調節することにより，単一の質量のイオンをトラップに蓄積する。操作点が，頂点に十分に近いとき，単一のイオン質量のみが安定度ダイアグラム内に存続する。より高い質量のイオンが安定度ダイアグラムの左外側にあり，所望の質量よりも低いイオンは安定度ダイアグラムの頂点の右側にある。単一の蓄積された質量のイオンの数は，DC電圧をエンドキャップ電極の一つに適用することにより検出され，その結果イオンは開口14から出て行き，イオン検出器20に入る。Dawsonの方法は，イオン信号の検出感度を改良するために，外部イオンマルチプライヤーを検出器として使用することを可能にした。
イオントラップ内に選択されたイオン質量のみを蓄積する他の方法が，イオントラップ内でのイオンの運動の周期特性に依存するものである。Paul等は米国特許第2,950,389号において，トラップされたイオンの運動が一連の重ね合わされた振動により記述できるので，イオントラップからの不所望のイオンの共振放出を利用できることを示唆している。安定度ダイアグラム内の領域のほとんどに対して，この運動の最低の周波数成分は最高の振幅をもち，その周波数は次のようになる。
ここで，uはzまたはr方向のいずれかであり，βはaおよびqに依存し，図２の安定度ダイアグラムに示されたパラメータである。
zおよびr方向の運動は，四重極場が対称であるため，互いに独立である。実際上，このことは，イオンのz方向の運動がr方向の振動の振幅を極端に増加することなく，励起され得ることを意味する。イオントラップ内でのイオンの運動の詳細な理論は，Paul等により説明され，MarchおよびHugusにより本にまとめられている。
サンプルを質量分析する他の技術が，Franzen等による欧州特許出願第0362432号において説明されている。Franzen等は，全ての不所望のイオンの永年周波数を含む広帯域のRF励起電圧が所望のイオン質量のみを選択的に蓄積するために，イオン化の間およびそのあとの短い期間の間，適用され得ることを教示している。この方法は，イオントラップ内に単一のイオン質量を蓄積するためのDawsonの方法に代わるものとなり，効率が顕著に高くなるという利点をもつ。
しかし，質量分光計としてのイオントラップの広範囲な利用は，Staffordにより，操作における走査モードの一貫した質量の不安定性に関する開発（Staffordによる米国特許第4,540,884号）がなされるまではなかった。この後に，質量の走査の間，二重極RF電場をイオントラップのエンドキャップに適用する，軸線方向変調として知られる改良技術（Syka等の米国特許第4,736,101号）が続く。これらの開発により，イオントラップは高い感度をもち，急速な走査を行える質量分光計となった。広い範囲のイオン質量がトラップに蓄積され，一つのスペクトルとなるように，一度に単一の質量のものをイオン検出器へと走査する。市販のイオントラップ質量分光計において，DC電圧は通常は存在しない。結局，すべてのイオンがa=0となり，安定度ダイアグラムにおいて“正常な走査ライン”といわれるラインに向かっていく。質量スペクトルが，トラップをイオンで満たし，次にz方向において不安定になるように蓄積RF電圧の振幅を増加させることにより記録され得る。安定度ダイアグラムにおいて，イオンは，それらが“正常な走査ライン”にそって移動しq=0.908のβ=1.0を横切り，z軸線方向の不安定性領域に入るまで，左から右に移動する。
従来技術を使用する市販のイオントラップにおいて，対象の質量範囲のイオンのすべてがしばしば他の質量のものとともに，同時に蓄積される。蓄積RF電圧の振幅は，質量を増加させるために，イオンが不安定となるように（一度に一つの質量のものについて）スムーズに増加する。この技術は，全ての質量に対して非常に高い検出感度を与える。しかし，全ての質量が同時にトラップされるから，特定のイオン質量をトラップする確率は，同時にトラップした異なるもつイオンの数により影響を受ける。イオンが相互のクーロン斥力による作用をうけるので，存在するイオンの数が多くなればなるほど，相互作用はより強くなる。結局，特定の質量に対する蓄積効率は，トラップ内の全電荷に非線形的に依存し，いろいろな質量の間でどのように電荷が分布しているかにも依存する。このことは，特定のイオンの質量を蓄積するための効率がサンプルの構成に依存することを意味する。この現象はマトリクス効果として知られている。非常に精密な研究に対して，機器の応答へのマトリクス効果は非常に望ましくない。
従来の技術の大半は，対象でないイオンによる空間電荷が対象のイオン質量を蓄積するためのイオントラップの能力を制限し，対象のイオンの量を測定するためのダイナミックレンジの減少をもたらす。Dawsonの方法において，対象でないイオンからの空間電荷の効果は，一度に一つの質量のものを蓄積することにより避けられる。しかし，Dawsonは，安定度ダイアグラムのコーナーの一つの近傍で，イオントラップを走査することにより対象の一つのイオンの選択を実行している。これは，新しく形成され，または放出されたイオンをトラップするための効率を非常に減少させる結果となることが知られている。
発明の概要
したがって，本発明の目的は，ターゲットの分析に対して特に有効な単一の所望の質量をもつイオンを蓄積し，分析するための四重極イオントラップ質量分光計を走査する改良された方法を提供することである。
本発明の他の目的は，非常に効率的で，単純化された走査手順を有する，単一の所望の質量をもつイオンを蓄積する改良され方法を提供することである。
本発明の，さらに他の目的は，各単一のイオン質量が三次元の四重極蓄積の場を調節することにより検出されるところの質量分光計としてイオントラップを走査する方法を提供することである。
さらに，本発明の他の目的は，分析されるイオンの各質量に対して，選択されたイオン蓄積波形を再計算する必要のない，単純化された，選択イオン蓄積波形を使用する所望の単一の質量をもつ，選択したイオンを蓄積する改良された方法を提供することである。
本発明にしたがって，無線周波（RF）成分を有する三次元の四重極蓄積の場が，質量分光計システムのイオントラップの，リング電極および一対の間隔をあけたエンド電極により境界をもつトラッピング空間に形成される。単一の質量をもつ，対象のイオンの選択が，三次元の四重極蓄積の場を調節することにより与えられる。対象のイオンの選択された単一の質量のそれぞれは，イオントラップのパラメータβzの所定の値をもつ。操作において，多数のサンプルイオンが，三次元四重極蓄積の場によりトラッピング内に導入される。周波数成分をもつ補充電場が，パラメータβzの所定の値をもつイオンを除き，このトラッピング空間内にトラップされたイオンを共振的に放出するために，トラッピング空間内に形成される。選択された単一の質量をもつ，対象のイオンの検出は検出器により行われる。他の単一の質量をもつイオンをモニターするために，三次元の四重極蓄積の場は変化させられる。他の選択された単一の質量のβzの値が，パラメータβzの所定の値に等しい。
【図面の簡単な説明】
添付の図面は，明細書の一部に組み入れられ，明細書の一部を構成し，本発明の原理の説明をするために使用される。
図１は，在来のイオントラップ質量分光計の略示図である。
図２は，図１のイオントラップの安定度ダイアグラムである。
図３は，本発明に従ったイオントラップ操作の走査関数のダイアグラムである。
図４は，選択したイオン蓄積波形の周波数の関数に対する蓄積RF電圧の振幅を示すグラフである。
好適実施例の詳細な説明
単一の選択された質量をもったイオンが所定の時間にトラップに蓄積された場合，および蓄積の条件がいずれの選択された質量でも同一である場合に，イオントラップを有する質量分光計がイオン存在量の精密且つ正確な計測値を与える。蓄積効率は，要求される感度を得るために高くなくてはならない。この要求は，図３に略示する本発明のイオントラップ質量分光計システムの操作の方法によって満たされる。
計測されるべき単一の質量の各々のため，蓄積RF電圧は，選択された最適のβ値に一致する値に設定される。本発明の技術を使用する実験に従うと，大半のイオンでは，0.1と0.3の間の範囲にあるβの値が最大の蓄積効率になる。イオンの形成または注入の間，およびその後の短時間の間，波形生成器31が，広帯域の波形をエンドキャップ電極11，12に適用するために，トランスと一緒に使用される。この選択されたイオン蓄積（SIS）波形は，周波数成分を一緒に数値的に加えることにより構成され，この波形のための一つの選択されたβz値以外のβz値を有する全ての質量をイオントラップから共振的に放出する。
SIS波形は，イオンを蓄積するのに望ましいβzの値に一致する周波数の単一のギャップを除くイオン周波数の全範囲にわたって一様に分布した周波数成分を含む。SIS波形は，生成され，m Varian S aturn G C/MSで利用可能なハードウェアを使用してイオントラップのエンドキャップ電極11，12に適用される。
波形を特定するためには，その成分周波数の各々の振幅，周波数および位相を特定することが必要である。SIS波形は，好適に，全て近似的に等しい振幅を有する。時間の関数としての波形振幅の値は，Varian S aturn G C/MSのデジタルメモリに記憶され，選択された速度でアナログ・デジタルコンバータへクロックアウトされる。好適実施例の波形は，2.5×106ポイント毎秒の速度でクロックアウトされる5000のデータ値を含む。最後のデータ値に到達すると，ハードウェアは，最初のデータ値に戻り，データ値を送り出し続け，その結果，波形は循環的に繰り返される。この速度では，5000のデータポイントは，２ミリ秒の基本周期の波形を発生する。このような波形の周波数成分が，全て，500Hzの整数倍であることは，周期波形の基本的な性質から既知の事項である。蓄積された質量の全範囲にわたってイオントラップからイオンを放出するために必要な周波数は，10kHzから524kHzまでの範囲内に拡大する。高い周波数の限界は，蓄積したRF周波数の周波数（Varian Sa turn GC/MSの機器では1048kHzに等しい）の約半分である。波形は，所望の蓄積したβz値に一致する周波数付近の中央の狭いウィンドウを除く10kHzから524kHzまでの500Hzの整数倍の全部の周波数を含む。例えば，βz=0.3でイオンを蓄積することを望む場合，周波数ウィンドウの中央は157.2kHzである。157.0kHzおよび157.5kHzの周波数成分は，図４に示されているように，SIS波形から省かれ，蓄積されるべき範囲内の永年周波数をもつイオンを許容する。好適実施例の波形では，個々の周波数成分の相対位相が，合成波形での非常に大きな振幅の発生を防止するために，ランダム化される。位相を選択するための他の方法は，周波数と位相との間の非線形関係，例えば，
位相=定数×（周波数）2
を使用する。
トラップに蓄積されるべきイオンの質量は，補充電場波形の性質を組み合わせて三次元四重極蓄積の場により決定される。上記した波形で，βz=0.30をもつイオンがイオントラップに蓄積される。一般に，βzは，四重極蓄積の場のRFおよびDC成分の両方の複素関数である。しかし，DC振幅のいずれの一定値に対し，いずれの特定の値βzにも一致するqzの一意的な値があり，qzは四重極場のRF成分の振幅Vの簡単な線形関数であり，qzは選択したイオンの質量に逆比例する。したがって，所望の質量は，所望のイオン質量が補充波形の選択されたβz値に一致する値qzを有するように，蓄積RF電圧を調節することによって選択され得る。所望のイオン質量をトラップするazのいずれの一定値に対しても，蓄積される質量は，蓄積RF電圧の振幅に比例する。
分離したイオンの検出器への放出は，エンドキャップに低い周波数の波形を適用することによって達成される。この波形は，好適に，1ms（波形の一周期）の間だけ適用される約1kHzの周波数をもつ方形波である。この波形は，625×103値毎秒の速度で波形のデジタル・アナログコンバータ（DAC）へクロックアウトされた620のデータ値のセットにより発生される。最初の310のデータ値は，検出器と対向するエンドキャップでの＋50ボルト，および検出器付近のエンドキャップでの−50ボルトに一致する。これは，イオントラップに100ボルトの全電圧降下を適用することとなり，検出器へのトラップされた正イオンを加速する。最後の310のデータポイントは，上記の電圧を逆したものに一致し，電子的ハードウェアの構成要素に従って省かれ得る。
幾つかの場合においては，最良の蓄積効率を得るβz値の範囲での選択されたイオン蓄積を使用して，選択されたイオン質量を所望される程度に分離させることは，可能ではない。より良い質量分解能は，トラップされるイオンの永年周波数がより高いところの0.6から0.9の範囲でより高いβzの値で操作させることにより共振放出プロセスで可能である。米国特許第5,300,772号で本発明の発明者により示唆されるように，より高いβz値で，所望しないイオンの共振イオン放出の付加的な工程を行うことにより，単一の質量の分離をより完全に行うことが可能である。選択されたイオン蓄積の第一の工程により放出されなかった所望としないイオンを除去するための波形が，366.8kHzが中央となるβz=0.7に一致する周波数ギャップを有する。イオンの分離および累積の第一の工程の後，イオンのソースがオフにされ，RF蓄積レベルが上昇し，所望のイオン質量を第二の波形のウィンドウ，つまりβz=0.7へもっていく。次に，第二の波形は，2-10msの間，オンにされ，残留する所望としないイオンを放出する。
要求される周波数成分は，所望のイオンがイオントラップに蓄積されるところのβzの選択された値に従う。同時に，不要のイオンが共振励起により放出されると，所望のイオンは，イオントラップ内に通常に存在するヘリウムバッファガスと衝突を繰り返して冷却される。
選択された質量のイオンのイオントラップでの蓄積に従って，RF蓄積レベルは，冷却したイオンを依然持ち続ける値へ低下されるが，新たに形成または注入されるイオンをトラップするための最適値以下である。プログラマブル任意波形生成器31からの低い周波数のAC信号の単一のサイクルが，エンドキャップ11，12を横切ってトランスフォーマ35を通じて適用される。この波形は，イオンが，下方のエンドキャップ12を通じてイオン検出器20へ注入されるように構成される。正イオンに対し，これは，波形が上方のエンドキャップ11の正の電圧および下方のエンドキャップ12の負の電圧とともに開始することを要する。
選択したイオンからの信号は，イオン信号増幅器21により適当な状態にされ，コンピュータ30により記憶される。コンピュータ30は，次に，蓄積RF供給34を設定し，計測されるべき次のイオンを記憶し，このシーケンスが繰り返される。イオンは，いずれの特定的な順番で計測される必要がない。
好適実施例では，蓄積RF電圧は，イオントラップのリング電極に適用されるが，蓄積RF電圧を両方のエンドキャップ電極に同時に適用することが可能であり，またリング電極とエンドキャップ電極との間に差動的に適用することも可能である。本発明の好適実施例は，単一の工程で，所望のイオン質量を選択的に蓄積するが，多数の工程を行う他の方法も使用でき，本発明の精神に含まれる。トラップ場を作り出すためのWells（米国特許第5396064号または第5198665号），Kelley（米国特許第5134286号），またはMarshallら（米国特許第4761545号）の方法のうちの一つの応用も，使用される波形が，計測のための選択された質量の各々の再計算を必要としないことを与える本発明の精神に含まれる。
選択したイオンを検出器に注入するためにイオントラップに適用される電圧が，好適実施例の任意波形生成器により供給されるが，イオントラップからイオン検出器へイオンを輸送するための手段を与えるために，エンドキャップ電極の一方または両方に取り付けられる別のパルス生成器を使用することも可能である。また，レーザ誘導発光およびイオン誘導イメージ電流の非破壊的検出を含む他の手段が，選択されたイオンを検出するために使用できる。その他の手段も，拡張した検出のため，イオンをイオントラップから離れるようにするために使用できる。
本発明のイオントラップを操作する方法は，イオン化時間またはイオン累積時間を考慮して，イオン検出器およびイオン信号増幅器およびデジタイザの線形的な範囲内にイオン信号をもっていく。第一のものに従う付加的な計測が要求され，ここで，第一の実験で計測されたイオン信号が，第二の計測のための最適な累積時間を計算するために使用される。この方法は，計測のダイナミックレンジを大きく拡張でき，これは，イオン累積時間が正確に決定されるからである。0.1と0.3の間のβ値での操作により最大の蓄積効率が得られるが，他のβ値で操作し，再生可能な蓄積効率および簡単な操作の利点を従前通り得ることも可能である。例えば，イオンが，より高いβ値でトラップまたは形成されると，これらは，冷却し四重極の場の中央に集まる前に，より高いエネルギーにより多く衝突する。これは，弱く結合したイオンおよびクラスタの分解を促進し，幾つかの計測に望ましい。また，共振イオン放出プロセスの質量分解能は，β値の増加にともなって増加し，低減した感度で操作することが，計測されるべき質量のより良い選択性を得るために，幾つかの場合で望ましい。
異なった質量のイオンの量の精密且つ正確な計測の必要が，計測の速さよりも重要となると，ターゲットの分析のようなタスクがある。例えば，アイソトピックラベリングまたはトレーサー実験に使用される特定の元素の様々な同位体の量の比の計測，または，真空系または不純物ガスの試験での残留ガス分析のように化合物が時間とともに急激に変化しないところの混合物の配合の計測と言った場合を含む。
イオントラップ質量分光計を操作する新規な方法は，補充波形の構成の必要性が一回だけなので，その実施に非常に便利である。計測システムを操作するコンピュータは，波形データを計算する能力を有する必要がない。ソフトウェア実行コントローラおよび信号プロセッサコンピュータ30は，ROMに永久的に記憶され，システムは，数値的な質量値が機器に送られるときはいつでも特定質量のイオンの量に比例する数を戻すブラックボックスとして機能する。これは，本発明に従って操作する質量分光計と，オペレータまたはコンピュータとの間に非常に簡単なインターフェースを与える。
本発明のイオントラップ質量分光計を操作する方法は，上述したように，異なった質量のイオン雲の相互作用により発生するイオントラップの複雑性および非線形的な応答を回避する。
以上で説明した方法は本発明の好適実施例を構成するが，本発明が，このような実施例に制限されず，この変形が，添付の請求の範囲に画成する本発明の範囲から逸脱せずになされ得ることは，理解されるべきである。
【図１】
0004009325.tif 000003
【図２】
0004009325.tif 000004
【図３】
0004009325.tif 000005
【図４】
0004009325.tif 000006