(57)【要約】【課題】イオン化室の次段の第１中間真空室内におけるイオンの輸送効率を向上させるとともに、第１中間真空室から第２中間真空室へのガスの流入を減らして真空ポンプの負荷を下げる。【解決手段】アクセプタンスの大きなイオンファンネル構造の第１イオン輸送部１２を前半に、エミッタンスが小さく且つガスのコンダクタンスが大きいＱアレイ構造の第２イオン輸送部１４を後半に配置し、その両者の間に直流電圧のみを印加するアパーチャ電極１３を設ける。第１イオン輸送部１２の最終段のリング電極の開口内径よりもアパーチャ電極１３の開口内径を大きくし、これよりも第２イオン輸送部１４の初段の電極板の内接円径を大きくする。これによって、第１イオン輸送部１２と第２イオン輸送部１４との間での高周波電場の干渉を軽減するとともに、第１イオン輸送部１２から出たイオンを低損失で第２イオン輸送部１４に入射させる。【選択図】図１
2016009562.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対的に高いガス圧雰囲気である第１領域から相対的に低いガス圧雰囲気である第２領域にイオンを輸送するために、その両領域の中間のガス圧雰囲気である第３領域に配置されるイオン輸送装置であって、
a)前記第１領域から送られて来るイオンが入射する入口側に配置され、イオン光軸に沿って並べられた複数のリング状電極を含み、入口側のリング状電極の開口内径が出口側のリング状電極の開口内径よりも大きいファンネル構造である第１のイオン輸送部と、
b)前記第１のイオン輸送部の後段に配置され、イオン光軸に沿って並べられた複数の電極板により構成される仮想ロッド電極がイオン光軸の周りに４以上の偶数個配置され、且つイオン光軸に直交する面内で複数の仮想ロッド電極にそれぞれ含まれる電極板の内接円が入口側から出口側に向かって漸減するように配置された第２のイオン輸送部と、
c)前記第１のイオン輸送部と前記第２のイオン輸送部との間に配置された、中央にイオンが通過する開口を有するアパーチャ電極と、
d)前記第１のイオン輸送部に含まれるリング状電極と前記第２のイオン輸送部に含まれる電極板とにそれぞれ、高周波電圧と直流電圧とを重畳した電圧を印加するとともに、前記アパーチャ電極に直流電圧を印加する電圧発生部と、
を備えることを特徴とするイオン輸送装置。
【請求項２】
相対的に高いガス圧雰囲気である第１領域から相対的に低いガス圧雰囲気である第２領域にイオンを輸送するために、その両領域の中間のガス圧雰囲気である第３領域に配置されるイオン輸送装置であって、
a)前記第１領域から送られて来るイオンが入射する入口側に配置され、イオン光軸に沿って並べられた複数のリング状電極を含み、入口側のリング状電極の開口内径が出口側のリング状電極の開口内径よりも大きいファンネル構造である第１のイオン輸送部と、
b)前記第１のイオン輸送部の後段に配置され、イオン光軸に沿って並べられた複数の電極板により構成される仮想ロッド電極がイオン光軸の周りに４以上の偶数個配置され、且つ各仮想ロッド電極においてイオン光軸方向に隣接する電極板間の間隔が入口側から出口側に向かって漸減するように配置された第２のイオン輸送部と、
c)前記第１のイオン輸送部と前記第２のイオン輸送部との間に配置された、中央にイオンが通過する開口を有するアパーチャ電極と、
d)前記第１のイオン輸送部に含まれるリング状電極と前記第２のイオン輸送部に含まれる電極板とにそれぞれ、高周波電圧と直流電圧とを重畳した電圧を印加するとともに、前記アパーチャ電極に直流電圧を印加する電圧発生部と、
を備えることを特徴とするイオン輸送装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のイオン輸送装置であって、
前記アパーチャ電極の内径は、前記第１のイオン輸送部の最終段のリング状電極の開口内径よりも大きく、且つ、前記第２のイオン輸送部の初段の複数の電極板の内接円径よりも小さく定められていることを特徴とするイオン輸送装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のイオン輸送装置であって、
前記第１のイオン輸送部の前方に、該第１のイオン輸送部における複数のリング状電極の開口の空間と該第１のイオン輸送部の外側の空間との間のガスのコンダクタンスを小さくするための障害構造を設けたことを特徴とするイオン輸送装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のイオン輸送装置を用いた質量分析装置であって、
大気圧雰囲気の下で試料をイオン化するイオン化部と、高真空雰囲気に保たれ質量分離部が設置された分析室と、前記イオン化部と前記分析室との間に配置され、真空度が段階的に高くなるように真空排気される１乃至複数の中間真空室と、を備え、前記イオン輸送装置を前記イオン化部の次の段の中間真空室内に設置したことを特徴とする質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相対的に高いガス圧である領域から相対的に低いガス圧である領域にイオンを輸送するためのイオン輸送装置、及び該イオン輸送装置を用いた質量分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体クロマトグラフ質量分析装置（ＬＣ−ＭＳ）で用いられる大気圧イオン化質量分析装置やＤＡＲＴ（Direct Analysis in Real Time）イオン化質量分析装置では、略大気圧雰囲気であるイオン化部において試料成分がイオン化される。そして、生成されたイオンは高真空雰囲気に保たれる分析室内に送られ、該分析室内に配置された四重極マスフィルタ等の質量分離器により質量電荷比m/zに応じて分離されたあとに検出される。こうした装置において高感度分析を行うためには、イオン化部で生成されたイオンを低損失で分析室まで輸送する必要があり、そのためには、略大気圧であるイオン化部と高真空の分析室との間に設けられ、多段差動排気系システムを構成する１又は複数の中間真空室内に設置されたイオン輸送光学系におけるイオン輸送効率を高めることが重要である。
【０００３】
特にイオン化部の次段の第１中間真空室は、前段から流入して来る大気の影響により真空度が低い。そのため、第１中間真空室内に配設されるイオン輸送光学系において高いイオン輸送効率を達成するには、輸送途中でイオンがガスに衝突することに起因するイオンの損失をできるだけ抑えることが肝要である。そこで一般に、こうした比較的高いガス圧の下でイオンを輸送するイオン輸送光学系としては、ガスに衝突して運動エネルギが減衰したイオン（つまりはコリジョナルクーリングされたイオン）を高周波電場により収束させつつ輸送するイオンファンネル（Ion funnel）や多重極イオンガイドなどが利用されている。
【０００４】
イオンファンネルは、その開口径がイオン輸送方向に漸減する円形開口を有するリング状電極が、イオン光軸に沿って等間隔に多数並べられた電極構造を有する（特許文献１、２参照）。イオンファンネルにおいて、イオン輸送方向に隣接する２枚のリング状電極には互いに位相が反転した高周波電圧が印加され、それにより、リング状電極で囲まれる切頭円錐状の空間にイオンを収束させる高周波電場が形成される。また、イオン輸送方向に並ぶ各リング状電極には段階的に変化する直流電圧が印加され、これによってリング状電極で囲まれる上記空間には、イオンの進行を促進させる（つまりイオンを加速する）直流的な電位勾配が形成される。
【０００５】
一方、多重極イオンガイドは、イオン光軸方向に延伸する偶数本（通常は４本又は８本）のロッド電極が互いに平行にイオン光軸の周りに等角度間隔で配置された電極構造を有する。多重極イオンガイドにおいて、イオン光軸の周りの周方向に隣接する２本のロッド電極には互いに位相が反転した高周波電圧が印加され、これによってロッド電極で囲まれる空間にイオンを収束させる高周波電場が形成される。ロッド電極をイオン光軸に平行に配置した一般的な構成の多重極イオンガイドではイオン輸送方向に直流的な電位勾配は形成されないが、イオン光軸に対して斜めに傾けてロッド電極を配置する等の変形により、イオン輸送方向に直流的な電位勾配を形成するものも知られている。
【０００６】
また、多重極イオンガイドを改良したイオン輸送光学系として、特許文献３等に記載のＱアレイ（Q-array）と呼ばれるイオンガイドが知られている。Ｑアレイは、四重極イオンガイドにおける１本のロッド電極を、その延伸方向に並べた複数の電極板で構成した仮想的なロッド電極に置き換えたものである。四重極イオンガイドと同様に、４本の仮想ロッド電極のうちのイオン光軸の周りの周方向に隣接する２本の仮想ロッド電極には、互いに位相が反転した高周波電圧が印加される。また、仮想ロッド電極は複数の電極板から構成されるので、イオン輸送方向に並ぶ電極板にそれぞれ異なる直流電圧を印加し、イオン輸送方向に直流電位勾配が形成されるようにすることもできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６１０７６２８号明細書
【特許文献２】米国特許第６５８３４０８号明細書
【特許文献３】国際公開第２００８／１２９７５１号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】ゲルリッヒ（Dieter Gerlich）、「インホモジーニアス・アールエフ・フィールド：ア・バーサティル・ツール・フォー・ザ・スタディ・オブ・プロセシズ・ウィズ・スロー・イオンズ（INHOMOGENEOUS RF FIELD: A VERSATILE TOOL FOR THE STUDY OF PROCESSES WITH SLOW IONS）」、［平成２６年３月１０日検索］、インターネット＜URL: http://www.tu-chemnitz.de/physik/ION/Publications/ger92.pdf＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように、比較的高いガス圧（低い真空度）の下でイオンを効率良く輸送することを目的とした様々な構成のイオン輸送光学系が、従来考案され実用に供されている。一方で、近年、質量分析装置にはますます高感度化が求められており、そのためにイオン輸送光学系においてもイオン輸送効率のさらなる改善が求められている。こうした要求に対し、従来のイオンファンネルや多重極イオンガイド、或いはＱアレイなどにおいて各部のサイズなどの構造上のパラメータや印加する電圧の値などの制御上のパラメータを単に最適化するだけでは性能の向上に限界がある。
【００１０】
また、多段差動排気系の構成の質量分析装置では、イオン化部から第１中間真空室へのイオンの導入は、細径のパイプやサンプリングコーン頂部に形成された微小開口などのイオン導入部を通して行われるが、イオン化部で生成されたイオンをできるだけ無駄にすることなく第１中間真空室へと送り込むためにはイオン導入部のイオン通過開口の面積が大きいことが望ましい。しかしながら、そうすると、イオン導入部を通してイオン化部から第１中間真空室へと導入されるガス量も多くなる。その場合、イオン輸送光学系においてイオンが通過する領域（イオンファンネルであれば多数のリング状電極の円形開口により形成される領域）と該イオン輸送光学系の外部の領域（イオンファンネルであれば多数のリング状電極の外側の領域）との間のガスのコンダクタンスが低いと、第１中間真空室の次段の第２中間真空室に流れ込むガスが増え、第２中間真空室を真空排気する真空ポンプの負荷が増大する、といった問題を引き起こすおそれがある。そのため、特に第１中間真空室内に配設されるイオン輸送光学系は、高いイオン輸送効率を確保しつつ、イオン通過領域と外部領域との間のガスのコンダクタンスはできるだけ高いことが望ましい。
【００１１】
本発明はこうした点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、既存のイオン輸送光学系に比べて低真空雰囲気の下で高いイオン輸送効率を達成することができるイオン輸送装置、及び該装置を用いた質量分析装置を提供することである。
【００１２】
また本発明の他の目的は、高いイオン輸送効率を達成しつつ、イオンが通過する領域と外部領域との間のガスのコンダクタンスを大きくすることができるイオン輸送装置、及び該装置を用いた質量分析装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
イオン輸送装置においてイオンの輸送効率を高めるには、上述したように、該装置によるイオン輸送途中でのイオンの損失を抑えるだけでなく、前段から到来するイオンに対するアクセプタンス（イオン受容性）が大きいこと、及び、後段へと送出するイオンのエミッタンス（径方向のイオンの空間的広がり）が小さいこと、が重要である。このイオンアクセプタンス特性やイオンエミッタンス特性はイオンが通過する空間における径方向の擬似ポテンシャル分布に依存する。
【００１４】
詳しくは後述するが、イオンファンネルと多重極イオンガイドとを比較すると、径方向の擬似ポテンシャル分布の形状の相違により、イオンファンネルはイオンアクセプタンス特性に優れるがイオンエミッタンス特性が劣り、多重極イオンガイドは逆にイオンエミッタンス特性に優れるがイオンアクセプタンス特性が劣る。Ｑアレイの疑似ポテンシャル分布は基本的に四重極イオンガイドと同程度であるから、イオンアクセプタンス特性及びイオンエミッタンス特性については四重極イオンガイドと同程度とみなせる。ただし、Ｑアレイは、電極板の内接円径や電極板の間隔などを調整することで、イオンアクセプタンス特性やイオンエミッタンス特性を調整することができる。
【００１５】
また、イオンファンネルは径方向の疑似ポテンシャル分布の形状が井戸型（Ｕ字型）でポテンシャルの勾配が急峻であるため、イオンの閉じ込め力が強く、イオンとガスとの衝突の頻度が高い、低真空雰囲気でのイオン輸送に適している。その反面、イオンファンネルはイオン通過領域と外部領域との間のガスのコンダクタンスが小さく、イオン通過領域に導入されたガスが外側に抜けにくいため、イオンファンネルの出口付近においてもガス圧が高い状態になり易い。これに対し、Ｑアレイは、周方向に隣接する電極板間とイオン光軸方向に隣接する電極板間との両方に間隙があるため、イオン通過領域と外部領域との間のガスのコンダクタンスはイオンファンネルや多重極イオンガイドのいずれに比べても大きい。そのため、イオン通過領域に導入されたガスは電極板の外側に抜け易く、Ｑアレイの出口付近ではガス圧が高い状態になりにくい。
【００１６】
本願発明者は、以上のように低真空雰囲気の下で動作するイオン輸送光学系における、イオンアクセプタンスやイオンエミッタンス、イオン輸送動作のための適切な真空度、ガスコンダクタンスなどの様々な条件を考慮した合理的な構成として、ガス圧が相対的に高い第１領域からガス流と共に送られて来るイオンが入射する入口側にイオンファンネルに相当する第１のイオン輸送部を配し、ガス圧が相対的に低い第２領域へとイオンを送り出す出口側にはＱアレイに相当する第２のイオン輸送部を配するというハイブリッド型の構成に想到した。ただし、第１イオン輸送部と第２イオン輸送部とでは電極で囲まれる空間（つまりイオン通過領域）に形成される高周波電場の電位分布が相違するため、第１イオン輸送部と第２イオン輸送部との境界では高周波電場の乱れが生じてイオンの挙動が不安定になる可能性がある。そこで、第１イオン輸送部と第２イオン輸送部との境界に、直流電圧のみが印加されるアパーチャ電極を設けることで、該アパーチャ電極を挟んだ前半部と後半部との間の高周波電場の相互の干渉を抑えるようにした。
【００１７】
即ち、上記課題を解決するために成された本発明に係るイオン輸送装置の第１の態様は、相対的に高いガス圧雰囲気である第１領域から相対的に低いガス圧雰囲気である第２領域にイオンを輸送するために、その両領域の中間のガス圧雰囲気である第３領域に配置されるイオン輸送装置であって、
a)前記第１領域から送られて来るイオンが入射する入口側に配置され、イオン光軸に沿って並べられた複数のリング状電極を含み、入口側のリング状電極の開口内径が出口側のリング状電極の開口内径よりも大きいファンネル構造である第１のイオン輸送部と、
b)前記第１のイオン輸送部の後段に配置され、イオン光軸に沿って並べられた複数の電極板により構成される仮想ロッド電極がイオン光軸の周りに４以上の偶数個配置され、且つイオン光軸に直交する面内で複数の仮想ロッド電極にそれぞれ含まれる電極板の内接円が入口側から出口側に向かって漸減するように配置された第２のイオン輸送部と、
c)前記第１のイオン輸送部と前記第２のイオン輸送部との間に配置された、中央にイオンが通過する開口を有するアパーチャ電極と、
d)前記第１のイオン輸送部に含まれるリング状電極と前記第２のイオン輸送部に含まれる電極板とにそれぞれ、高周波電圧と直流電圧とを重畳した電圧を印加するとともに、前記アパーチャ電極に直流電圧を印加する電圧発生部と、
を備えることを特徴としている。
【００１８】
また上記課題を解決するために成された本発明に係るイオン輸送装置の第２の態様は、相対的に高いガス圧雰囲気である第１領域から相対的に低いガス圧雰囲気である第２領域にイオンを輸送するために、その両領域の中間のガス圧雰囲気である第３領域に配置されるイオン輸送装置であって、
a)前記第１領域から送られて来るイオンが入射する入口側に配置され、イオン光軸に沿って並べられた複数のリング状電極を含み、入口側のリング状電極の開口内径が出口側のリング状電極の開口内径よりも大きいファンネル構造である第１のイオン輸送部と、
b)前記第１のイオン輸送部の後段に配置され、イオン光軸に沿って並べられた複数の電極板により構成される仮想ロッド電極がイオン光軸の周りに４以上の偶数個配置され、且つ各仮想ロッド電極においてイオン光軸方向に隣接する電極板間の間隔が入口側から出口側に向かって漸減するように配置された第２のイオン輸送部と、
c)前記第１のイオン輸送部と前記第２のイオン輸送部との間に配置された、中央にイオンが通過する開口を有するアパーチャ電極と、
d)前記第１のイオン輸送部に含まれるリング状電極と前記第２のイオン輸送部に含まれる電極板とにそれぞれ、高周波電圧と直流電圧とを重畳した電圧を印加するとともに、前記アパーチャ電極に直流電圧を印加する電圧発生部と、
を備えることを特徴としている。
【００１９】
本発明に係るイオン輸送装置の第１及び第２の態様のいずれにおいても、直流電圧のみが印加されるアパーチャ電極を挟んで、入口側つまり前半部に、イオンファンネルに相当する第１のイオン輸送部を配置し、出口側つまり後半部に、Ｑアレイに相当する第２のイオン輸送部を配置している。
【００２０】
複数のリング状電極を含むイオンファンネル構造である第１のイオン輸送部は、イオンアクセプタンスが大きいので、第１領域からガス流とともに送られて来た、空間的に広がったイオンを効率良く取り込む。また、第１のイオン輸送部はガスのコンダクタンスが相対的に小さいので、第１のイオン輸送部のリング状電極で囲まれる空間のガス圧はその周囲（第３領域のガス圧）よりも高くなる。それにより、高いコリジョナルクーリング作用によってイオンが持つ過剰なエネルギは減衰し、イオンは高周波電場に捕捉され易くなる。しかも、この第１のイオン輸送部では高周波電場によるイオンの閉じ込め力が強いために、低真空雰囲気の下でも低損失でイオンを輸送することができる。
【００２１】
こうして高周波電場の作用により収束されたイオンはアパーチャ電極の開口を通過し、第２のイオン輸送部に導入される。第１のイオン輸送部と第２のイオン輸送部とでは高周波電場が不連続であるが、その両者の間には直流電圧のみが印加されるアパーチャ電極が設けられているため、第１のイオン輸送部の終縁端付近及び第２のイオン輸送部の前縁端付近の高周波電場は互いに影響を受けにくくなる。そのため、両者の境界での高周波電場の大きな乱れを解消することができ、イオンはこの境界を円滑に通過することができる。
【００２２】
第２のイオン輸送部に導入されたイオンは多重極電場により収束されつつ輸送される。第２のイオン輸送部では、イオンが進行するに伴い、イオン光軸に直交する面内で仮想ロッド電極にそれぞれ含まれる電極板の内接円が小さくなるように形成されている、或いは、イオン光軸方向に隣接する電極板間の間隔が狭くなるように形成されている。もちろん、その両方であってもよい。電極板の内接円半径が小さくなると高周波電場による擬似ポテンシャルの底部の幅が狭くなる。また、電極板間の距離を狭くすると多重極電場における低次の成分の影響が強くなる（特許文献３参照）。このため、収束されたイオンは第２のイオン輸送部の出口端から小さなエミッタンスで以て出射する。これにより、イオンは例えばスキマー頂部のオリフィスなどを効率良く通過して、第３領域から第２領域へと送出される。
【００２３】
このように本発明に係るイオン輸送装置では、大きなアクセプタンス特性で以てイオンを効率良く取り込み、イオンを収束しつつ低損失で輸送し、小さなエミッタンス特性で以てイオンを小径に絞って送り出す。このため、イオンの入射から出射までの全ての段階においてイオンの損失を抑えることができ、高いイオン輸送効率を実現することができる。
【００２４】
一方、第１のイオン輸送部の中央開口には第１領域からイオンとともにガス流が流れ込み、第１のイオン輸送部のガスのコンダクタンスは小さいためにガス流の多くはさらに第２のイオン輸送部に流れ込むが、第２のイオン輸送部のガスのコンダクタンスは大きく、特に周方向の電極板間の間隙を通してガスは該イオン輸送部の周囲に迅速に拡散する。そのため、第１のイオン輸送部に送り込まれるガスの量が多い場合であっても、第２のイオン輸送部の出口付近のガス圧の増加を抑えることができ、それによってスキマー等で隔てられた第２領域に流れ込むガスの量を抑えることができる。
【００２５】
また、本発明に係るイオン輸送装置において、上記アパーチャ電極の内径は、第１のイオン輸送部の最終段のリング状電極の開口内径よりも大きく、且つ、第２のイオン輸送部の初段の複数の電極板の内接円よりも小さく定められる構成とするとよい。
【００２６】
この構成によれば、高周波電場により収束されつつ第１のイオン輸送部の出口から出たイオンが無駄なくアパーチャ電極の中央開口を通過し、アパーチャ電極の中央開口を通過したイオンは無駄なく第２のイオン輸送部のイオン受容範囲に入射し得る。一方、第１のイオン輸送部及び第２のイオン輸送部においてそれぞれ形成される高周波電場は、アパーチャ電極により十分に遮蔽される。
【００２７】
また、第１のイオン輸送部の初段のリング状電極の開口内径は大きいので、第１のイオン輸送部の前方側へのガスのコンダクタンスは比較的大きい。コリジョナルクーリング作用を最も利用したいのは第１のイオン輸送部の入口であるから、この部分でのガス圧をより高くするほうがイオンの収束には有利である。そこで本発明に係るイオン輸送装置において、好ましくは、第１のイオン輸送部の前方に、該第１のイオン輸送部における複数のリング状電極の開口の空間と該第１のイオン輸送部の外側の空間との間のガスのコンダクタンスを小さくするための障害構造体を設けるとよい。
【００２８】
この構成によれば、上記障害構造体がない場合に比べて第１のイオン輸送部の入口におけるガス圧が一層高くなるので、コリジョナルクーリング作用が強まり、送られて来たイオンが高周波電場に捕捉され易くなる。その結果、イオン輸送効率を一層高めることができる。
【００２９】
なお、本発明に係るイオン輸送装置は、大気圧下で生成されたイオンを高真空雰囲気の領域まで効率良く輸送する必要がある質量分析装置に特に有用である。
即ち、大気圧雰囲気の下で試料をイオン化するイオン化部と、高真空雰囲気に保たれ質量分離部が設置された分析室と、上記イオン化部と上記分析室との間に配置され、真空度が段階的に高くなるように真空排気される１乃至複数の中間真空室と、を備えた質量分析装置において、イオン化部の次の段の中間真空室内に本発明に係るイオン輸送装置を設置する構成とすると、本発明に係るイオン輸送装置の特徴が特に活かされる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明に係るイオン輸送装置によれば、例えば大気圧イオン化質量分析装置におけるイオン化部の次段の中間真空室のように、比較的ガス圧が高い（真空度が低い）条件の下で、イオンファンネルや多重極イオンガイドのような既存のイオン輸送光学系に比べて、高いイオン輸送効率を達成することができる。それによって、本発明に係るイオン輸送装置を用いた質量分析装置では、従来よりも高い検出感度を達成することができる。
【００３１】
また本発明に係るイオン輸送装置によれば、イオンファンネルに比べて、イオン輸送装置からイオンを送り出す出口付近のガス圧を低く抑えることができるため、このイオン輸送装置が配設された中間真空室の次段の中間真空室や分析室などへのガスの漏れ込みを少なくすることができる。それによって、そうした中間真空室や分析室を真空排気する真空ポンプの負荷を軽減することができ、例えばより性能の低い真空ポンプを用いることで低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係るイオン輸送装置を用いた大気圧イオン化質量分析装置の一実施例において、第１中間真空室内に配置されるイオンガイドの概略構成図（ａ）及び各部の矢視線断面図（ｂ）〜（ｅ）。
【図２】図１に示したイオンガイドとそれに電圧を印加する電気系回路の概略図。
【図３】本実施例の大気圧イオン化質量分析装置の全体構成図。
【図４】リング状電極で構成されるイオン輸送光学系及び多重極イオンガイドによるイオン輸送光学系の擬似ポテンシャル分布の計算結果例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本発明に係るイオン輸送装置及び該イオン輸送装置を用いた質量分析装置の一実施例について、添付図面を参照して説明する。
図３は本実施例の大気圧イオン化質量分析装置の概略構成図である。図３により、本実施例の大気圧イオン化質量分析装置の構成と概略的な動作を説明する。
【００３４】
この質量分析装置は、略大気圧雰囲気であるイオン化室１と図示しないターボ分子ポンプ等の高性能の真空ポンプにより高真空雰囲気に保たれる分析室４との間に、真空排気される第１、第２なる二つの中間真空室２、３が設けられ、イオン化室１から分析室４へ進むに従い段階的に真空度が高くなる（ガス圧が低くなる）多段差動排気系の構成となっている。通常、第１中間真空室２内のガス圧は１０〜１００[Pa]程度、第２中間真空室３内のガス圧は０．１〜１[Pa]程度、分析室４内のガス圧は１０-3〜１０-4[Pa]程度である。
【００３５】
イオン化室１と第１中間真空室２との間は細径のパイプである脱溶媒管６を通して連通しており、第１中間真空室２と第２中間真空室３との間はスキマー７の頂部に形成された小径のオリフィス７ａを通して連通している。イオン化室１内にはエレクトロスプレイイオン化（ＥＳＩ）を行うためのＥＳＩプローブ５が設けられ、第１中間真空室２内には後述する特徴的な構成のイオンガイド１１が設けられ、第２中間真空室３内には既存の八重極イオンガイド８が設けられ、分析室４内には四重極マスフィルタ９とイオン検出器１０とが設けられている。
【００３６】
例えば図示しない液体クロマトグラフのカラムで成分分離された試料成分を含む試料液がＥＳＩプローブ５に導入されると、該試料液はＥＳＩプローブ５の先端において片寄った電荷を付与されつつイオン化室１内に噴霧される。噴霧された微小液滴中の溶媒が気化する過程で、試料成分はイオン化される。発生したイオンは脱溶媒管６の両端のガス圧差のために脱溶媒管６へと流れ込むガス流に乗って吸い込まれ、脱溶媒管６を経て第１中間真空室２に導入される。イオンは後述するイオンガイド１１により効率良く収集され、オリフィス７ａを通して第２中間真空室３に送り込まれる。第２中間真空室３内でイオンは八重極イオンガイド８で収束されつつ分析室４に送り込まれる。分析室４内でイオンは四重極マスフィルタ９の長軸方向の空間に導入され、特定の質量電荷比m/zを有するイオンのみが選択的に四重極マスフィルタ９を通過してイオン検出器１０に到達し検出される。
【００３７】
四重極マスフィルタ９のロッド電極に印加する高周波電圧及び直流電圧に応じて、四重極マスフィルタ９を通過し得るイオンの質量電荷比は相違する。そこで、四重極マスフィルタ９のロッド電極に印加する高周波電圧及び直流電圧を所定の関係を保ちつつ走査することで、所定の質量電荷比範囲に亘るイオンに対する強度信号を取得することができる。そうした質量走査に際してイオン検出器１０で得られた検出信号に基づき、図示しないデータ処理部ではマススペクトルを作成することができる。
【００３８】
この大気圧イオン化質量分析装置において第１中間真空室２内に配置されるイオンガイド１１が、本発明に係るイオン輸送装置の一実施例である。このイオンガイド１１について、図１、図２を参照して詳述する。
図１（ａ）は第１中間真空室２内のイオンガイド１１の電極部を中心とする概略構成図、図１（ｂ）〜（ｅ）は図１（ａ）中のＢ−Ｂ’矢視線断面図、Ｃ−Ｃ’矢視線断面図、Ｄ−Ｄ’矢視線断面図、Ｅ−Ｅ’矢視線断面図である。また、図２はイオンガイド１１の電極部及び電気回路部の構成図である。なお、図１では電極部を断面図で示しているが、図２ではイオンが通過する領域を分かり易く示すために、電極部をイオン光軸Ａを含む面上の端面で示している。
【００３９】
イオンガイド１１は、脱溶媒管６を通してイオン化室１から送られて来るイオンが入射して来る入口側の第１イオン輸送部１２と、オリフィス７ａを通して第２中間真空室３へとイオンを送出する出口側の第２イオン輸送部１４と、その第１イオン輸送部１２と第２イオン輸送部１４とを隔てるアパーチャ電極１３と、を含む。
【００４０】
第１イオン輸送部１２は従来のイオンファンネルと同様の構造を有し、イオン輸送方向に開口内径が段階的に小さくなる複数のリング状電極１２１、…、１２ｎを含む。この複数のリング状電極１２１、…、１２ｎは等間隔でイオン光軸Ａに直交するように配設されている。なお、図１、図２の例では、リング状電極の数ｎは６であるが、この数は一例であって、これに限るものではない。
【００４１】
第２イオン輸送部１４は従来のＱアレイと同様の構造を有し、イオン光軸Ａを取り囲むように配設された４個の仮想ロッド電極１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄを含み、各仮想ロッド電極１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄは、イオン光軸Ａ方向に分離された複数枚の電極板（例えば１４ａ１、…、１４ａｍ）を含む。４個の仮想ロッド電極１４ａ〜１４ｄは、イオン光軸Ａを中心軸としイオン進行方向に内径が小さくなる円錐体の外周に接し、周方向に隣接する２個の仮想ロッド電極の角度間隔は９０°であるように配置される。また、イオン光軸Ａ方向に隣接する電極板の間隔はイオン進行方向に段階的に狭くなっている。さらにまた、図１（ｄ）、（ｅ）等に記載されているように、各電極板にあってイオン光軸Ａに向いた端部の形状は略円弧状に形成されており、イオン進行方向に各電極板の幅は段階的に狭くなっている。なお、この例では４個の仮想ロッド電極１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄにそれぞれ含まれる電極板の数は５であるが、この数も一例であって、これに限るものではない。
【００４２】
アパーチャ電極１３は第１イオン輸送部１２のリング状電極と同様の形状の円形の中央開口を有する電極である。
ここで、第１イオン輸送部１２の最終段のリング状電極１２ｎの中央開口の内径ｄ１、アパーチャ電極１３の中央開口の内径ｄ２、及び、第２イオン輸送部１４の初段の４枚の電極板１４ａｍ〜１４ｄｍの内接円の内径ｄ３の大小関係は、ｄ３＞ｄ２＞ｄ１に定められている。
【００４３】
第１イオン輸送部１２の各リング状電極１２１、…、１２ｎはイオンファンネル部ＲＦ／ＤＣ電圧発生部２１に接続されており、イオンファンネル部ＲＦ／ＤＣ電圧発生部２１は高周波電圧と直流電圧とを重畳した電圧を各リング状電極に印加する。具体的には、イオン光軸Ａ方向に隣接する任意の２枚のリング状電極には振幅及び周波数が同一で位相が１８０°相違する高周波電圧をそれぞれ印加する。また、例えば全てのリング状電極に同一の直流電圧を印加するか、或いはイオン進行方向に段階的に電圧値が変化する直流電圧を印加する。この直流電圧の電圧値は適宜に定めることができる。
【００４４】
第２イオン輸送部１４の各仮想ロッド電極１４ａ〜１４ｄに含まれる電極板はＱアレイ部ＲＦ／ＤＣ電圧発生部２３に接続されており、Ｑアレイ部ＲＦ／ＤＣ電圧発生部２３は高周波電圧と直流電圧とを重畳した電圧を各電極板に印加する。具体的には、１個の仮想ロッド電極１４ａ〜１４ｄには同一の高周波電圧を印加するとともに、イオン光軸Ａを挟んで対向する２個の仮想ロッド電極１４ａと１４ｃ、１４ｂと１４ｄには同一の高周波電圧を印加し、イオン光軸Ａの周りに隣接する２個の２個の仮想ロッド電極１４ａと１４ｂ、１４ｃと１４ｄには振幅及び周波数が同一で位相が１８０°相違する高周波電圧を印加する。また、例えば全ての電極板に同一の直流電圧を印加するか、或いはイオン進行方向に段階的に電圧値が変化する直流電圧を印加する。この直流電圧の電圧値は適宜に定めることができる。
また、アパーチャ電極１３にはアパーチャＤＣ電圧発生部２２が接続され、アパーチャＤＣ電圧発生部２２はアパーチャ電極１３に所定の直流電圧を印加する。これら電圧発生部２１〜２３はいずれも制御部２０からの制御信号に基づいて動作する。
【００４５】
ここで、上記のような構成を有するイオンガイド１１の動作を説明する前に、既存のイオンファンネル、多重極イオンガイド、及びＱアレイの特性を互いに比較しつつ説明する。
【００４６】
図４は、非特許文献１に開示されている、リング状電極で構成されるイオン輸送光学系（つまりはイオンファンネル）及び多重極（四重極、八重極）イオンガイドによるイオン輸送光学系の擬似ポテンシャル分布の計算結果である。この図の横軸は半径方向の相対位置、縦軸は実効的な擬似ポテンシャル強度である。
【００４７】
図４から分かるように、イオンファンネルにおける径方向の疑似ポテンシャル分布は、リング状電極の近傍（隣接するリング状電極間の間隔程度の範囲）の領域において該電極から中心軸方向に近づくと急激にポテンシャルが深くなる井戸型の形状を呈する。そのため、リング状電極の近傍においてポテンシャル勾配が大きく、イオンを中心軸へ押し戻すように作用する力が大きい。中心軸方向へ押し戻されたイオンは、コリジョナルクーリング作用と相まって、疑似ポテンシャルの凹部の幅の広い底に分布する。これに対し、多重極イオンガイドにおける径方向の疑似ポテンシャル分布は、イオンファンネルと比較すると、ロッド電極から中心軸方向に近づくに伴って深くなるポテンシャルの勾配が明らかになだらかであり、リング状電極の近傍でイオンを中心軸へと押し戻す力が弱い。一方、疑似ポテンシャルの凹部の底の幅は相対的に狭く、コリジョナルクーリング作用により収束するイオンの空間分布は小さい。
【００４８】
このように、イオンファンネルは疑似ポテンシャルの凹部の底の幅が広いためイオンアクセプタンスが大きく、径方向に空間的に広がった状態で到来するイオンを効率良く取り込むことができる。 また、イオンファンネルはリング状電極を使用しているため、イオンを中心軸方向へ押す力が全周において作用し、このことも多重極イオンガイドと比較してアクセプタンスを大きくすることに寄与している。
【００４９】
その反面、イオンファンネルは多重極イオンガイドと比較して、出口における擬似ポテンシャルの凹部の底の幅が相対的に大きいためイオンエミッタンスが大きい。そのため、小径のオリフィスに効率良くイオンを送り込むには不利である。イオンファンネルにおいてイオンエミッタンスを改善する（つまり小さくする）ためには出口側のリング状電極の開口内径を小さくする必要があるが、そうすると低質量のイオンに対する透過率が低下するローマスカットオフ（Low-mass cut off）現象が問題となる。具体的には、イオンファンネルの出口のリング状電極の開口内径を、イオン輸送方向に隣接するリング状電極間の間隔と同程度まで小さくすると、イオン光軸近傍を通過するイオンに対しても高周波電場の影響が及び始める。質量電荷比が小さいイオンほどこの高周波電場の影響を受け易く、イオン軌道の振幅が大きくなりリング状電極に衝突して消失し易くなる。その結果として、低質量電荷比のイオンがイオンファンネルを通過できなくなる。
【００５０】
これに対し、多重極イオンガイドの疑似ポテンシャルの凹部の底の幅はイオンファンネルに比べて狭い。特に四重極イオンガイドは、疑似ポテンシャル凹部の底の幅が小さく、強い空間収束作用が得られ、出口におけるイオンエミッタンスは小さくなる。即ち、イオンファンネルと多重極イオンガイドとを比較すると、イオンファンネルはイオンアクセプタンス特性に優れるがイオンエミッタンス特性が劣り、多重極イオンガイドはイオンエミッタンス特性に優れるがイオンアクセプタンス特性が劣る。Ｑアレイの疑似ポテンシャル分布は基本的に四重極イオンガイドと同程度であるから、イオンアクセプタンス特性及びイオンエミッタンス特性については四重極イオンガイドと同程度である。
【００５１】
ただし、Ｑアレイでは、電極板の内接円径や、電極板の間隔を調整することで、アクセプタンス特性やエミッタンス特性を調整することができる。具体的には、仮想ロッド電極を構成する電極板間の距離を小さくすると、四重極電場が支配的となり、逆に電極板間の間隔を大きくすると、より高次の多重極成分の比率が相対的に大きくなる。このため、入口側で電極板間隔を大きくすると、高次多重極場成分の作用によりアクセプタンスが大きくなる。一方、出口側で電極板間隔を小さくすると、四重極電場成分が強まりエミッタンスを小さくできる。電極板の間隔に加え、電極板の内接円半径を調整することで擬似ポテンシャルの底部の幅を制御でき、多重極イオンガイドよりもさらなるアクセプタンスの拡大やエミッタンスの縮小が行える。
【００５２】
また、イオン輸送動作に最適なガス圧を考えると、上述したようにイオンファンネルは径方向の疑似ポテンシャル分布が井戸型形状であるため、イオンとガスとの衝突の頻度が高い、低真空雰囲気でのイオン輸送に適している。その反面、イオンファンネルはイオンが通過する領域と外部の領域との間のガスのコンダクタンスが小さいため、その出口側においても真空度が低い状態になり易い。これに対し、Ｑアレイは、周方向に隣接する電極板間とイオン光軸方向に隣接する電極板間との両方に間隙があるため、イオンが通過する領域と外部の領域との間のガスのコンダクタンスはイオンファンネル及び多重極イオンガイドのいずれに比べても大きい。
【００５３】
上述したようなイオンファンネルにおけるイオンアクセプタンスの大きさ、ガス圧が比較的高い条件下でのイオン閉じ込め能力の高さを活かすために、本実施例のイオンガイド１１では前半部にイオンファンネル構造の第１イオン輸送部１２を配置している。一方、上述したようなＱアレイにおけるイオンエミッタンスの小ささ、ガスのコンダクタンスの大きさを活かすために、本実施例のイオンガイド１１では後半部にＱアレイ構造の第２イオン輸送部１４を配置している。また、第１イオン輸送部１２と第２イオン輸送部１４とでは電極で囲まれる空間（つまりイオンが通過する領域）に形成される高周波電場の電位分布が相違するが、その間に直流電圧のみが印加されるアパーチャ電極１３を設けることで、それぞれの高周波電場の相互の干渉を抑えるようにしている。
【００５４】
そして、第１イオン輸送部１２の初段のリング状電極１２１の開口内径は、脱溶媒管６を通して導入されるイオンの空間分布に対して十分なアクセプタンスが得られるように大きくしてある。一方、オリフィス７ａにイオンを送り込む第２イオン輸送部１４の最終段の電極板１４ａｍ〜１４ｄｍの内接円径は、オリフィス７ａに対する透過率が十分高くなるような小さいエミッタンスを実現できるように小さくしてある。
【００５５】
脱溶媒管６を通してガス（大気）とともに勢いよく第１中間真空室２内に導入されるイオンは、脱溶媒管６の出口で断熱膨張によって大きく拡がりつつ進む。これに対し、上述したようにイオンガイド１１のイオンアクセプタンスは大きく、しかも疑似ポテンシャル分布によるイオンの閉じ込め力が強いので、拡がりつつ進行するイオン流の外周側にあるイオンも低い損失で捕捉することができる。さらにまた、本実施例のイオンガイド１１では、イオンファンネル構造である中央開口内部の圧力が適切に高まるように、初段のリング状電極１２１の前方と脱溶媒管６外周との間を囲むようにカバー１５を設けている。このカバー１５により、初段のリング状電極１２１の前方側へのガスのコンダクタンスも小さくなっている。それによって、第１イオン輸送部１２の中央開口部では高い圧力の下でイオンが十分にコリジョナルクーリングされ、大きなエネルギを有して脱溶媒管６から吐き出されたイオンも効率良く収集することができる。
【００５６】
第１イオン輸送部１２のリング状電極１２１〜１２ｎの中央開口の内径はイオン進行方向に徐々に狭くなっているため、高周波電場による疑似ポテンシャル分布に閉じ込められたイオンは進行するに伴い狭い範囲に絞られる。アパーチャ電極１３の中央開口の径は第１イオン輸送部１２の最終段のリング状電極１２ｎの中央開口の内径よりも大きく、一方、第２イオン輸送部１４の初段の電極板１４ａ１〜１４ｄ１の内接円の半径はアパーチャ電極１３の中央開口の径よりも大きい。そのため、第１イオン輸送部１２で或る程度収束されたイオンは低損失でアパーチャ電極１３の中央開口を通過し、さらに効率良く第２イオン輸送部１４の内部空間に形成される疑似エネルギ分布の凹部に導入される。このとき、第２イオン輸送部１４の電極板１４ａ１〜１４ｄ１、…、１４ａｍ〜１４ｄｍの間隔は入口側で広くなっているので、その間隔が狭い場合に比べてアクセプタンスは大きくなっている。また、アパーチャ電極１３による高周波電場の遮蔽効果により、第１イオン輸送部１２と第２イオン輸送部１４との高周波電場の相互干渉が防止されるので、第１イオン輸送部１２から第２イオン輸送部１４へと入射するイオンビームが電場の乱れによって空間的に広がることが防止される。これによって、第１イオン輸送部１２から出たイオンは第２イオン輸送部１４に効率良く導入される。そして、第２イオン輸送部１４中を進行するに伴いイオンは収束され、特に、出口側では電極板１４ａ１〜１４ｄ１、…、１４ａｍ〜１４ｄｍの間隔は狭くなっているので、高周波電場の四重極成分による収束作用が一層強まり、十分に小さいエミッタンスで第２イオン輸送部１４から送り出される。これによって、高い効率で以てイオンを第１中間真空室２を通過させて第２中間真空室３へと送り込むことができる。
【００５７】
一方、脱溶媒管６から吐き出されたガスはカバー１５によって第１イオン輸送部１２の前方には拡散しないので、その多くがイオンと同方向に進むが、第２イオン輸送部１４では周方向に隣接する電極板間の間隙が大きいので、この間隙を通って迅速に周囲に拡散し、真空ポンプにより真空排気される。これによって、スキマー７頂部のオリフィス７ａ付近ではガス圧がその周囲と同程度まで下がっているので、オリフィス７ａを通して第２中間真空室３に多量のガスが流れることを回避することができる。
【００５８】
なお、上記実施例はいずれも本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜、変更、修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。
【符号の説明】
【００５９】
１…イオン化室
２…第１中間真空室
３…第２中間真空室
４…分析室
５…ＥＳＩプローブ
６…脱溶媒管
７…スキマー
７ａ…オリフィス
８…八重極イオンガイド
９…四重極マスフィルタ
１０…イオン検出器
１１…イオンガイド
１２…第１イオン輸送部
１２１〜１２ｎ…リング状電極
１３…アパーチャ電極
１４…第２イオン輸送部
１４ａ〜１４ｄ…仮想ロッド電極
１４ａ１〜１４ａｍ、１４ｂ１〜１４ｂｍ、１４ｃ１〜１４ｃｍ、１４ｄ１〜１４ｄｍ…電極板
２０…制御部
２１…イオンファンネル部ＲＦ／ＤＣ電圧発生部
２２…アパーチャＤＣ電圧発生部
２３…Ｑアレイ部ＲＦ／ＤＣ電圧発生部
Ａ…イオン光軸
【図１】
2016009562.tif 000003
【図２】
2016009562.tif 000004
【図３】
2016009562.tif 000005
【図４】
2016009562.tif 000006