(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波の電圧を印加する複数の電極が、各軸が同方向になるように中心の回りに配置されてなる質量分析装置の質量フィルターにおいて、上記各電極の断面形状が中心に面した側で同一で、中心の回りに１２０度の間隔をおいて配置される三つの電極で構成され、各電極に印加される高周波の電圧が互いに位相が異なり、この内部空間に回転電場を形成し、イオンに及ぼす主な相互作用場が当該電場であることを特徴とする質量フィルター。
【請求項２】
上記の３つの各電極の断面が円であることを特徴とする請求項１の質量フィルター。
【請求項３】
高周波の電圧を印加する複数の電極が、各軸が同方向になるように中心の回りに配置されてなる質量分析装置の質量フィルターにおいて、各電極に印加する高周波の電圧は、同一の周波数で互いに異なる位相とされ、各電極に印加される高周波の電圧が互いに位相が異なり、この内部空間に回転電場を形成し、イオンに及ぼす主な相互作用場が当該電場である質量フィルター。
【請求項４】
電極が中心の回りに１２０°の間隔に配置された３つの電極で構成され、それに印加される電圧は１２０°の位相差であることを特徴とする請求項３記載の質量フィルター。
【請求項５】
各電極に印加される電圧は、中心の周りに回転電場を形成するよう位相を異ならせた高周波電圧であるとともに、少なくともひとつの電極には他の電極と異なる値の直流電圧がさらに印加されていることを特徴とする請求項３記載の質量フィルター
【請求項６】
飛行時間型質量分析部もしくは多重極質量フィルターの前段に、イオンをフラグメント化するコリジョンセルを介して接続される質量フィルターであって、当該質量フィルターを各電極の軸がイオンの通過方向になるように中心の回りに配置してなる三つの電極で構成し、この三つの電極に中心の周りに回転電場を形成するようそれぞれ位相を異ならせた高周波電圧を印加することを特徴とする質量フィルター
【請求項７】
イオンの通過を制御する二つの電極の間に配置される質量フィルターであって、当該質量フィルターを構成する複数の電極の各軸が同方向になるように中心の回りに配置されてなるとともに、各電極に同一の周波数で互いに異なる位相の高周波の電圧が印加されている質量フィルター
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多極子によるイオン保持と、質量フィルター機能を有する、質量分析装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
真空中でイオンを保持したり、選択したりする際、今までは、４重極を代表とする対向した偶数の多重電極に高周波電場あるいは高周波電場に直流電場を重畳した電場を印加し、多重極の内面にイオンを通すことで可能としていた。特許、特表平１１−５０３５５７，特開平０８−０４５４６８，特開平０８−０３６９８９などは、全て、その代表である４重極電場による質量分析装置に関するものである。
【０００３】
従来の４重極の場合、イオンを保持する電極内面（以下、イオン保持面と記す）の形状は、円形か多くは双曲面をしている。この対向する電極に、１組はＶ＝＋（Ｖｄｃ＋Ｖａｃ・ｓｉｎ（ｗｔ））、もう１組にはＶ＝−（Ｖｄｃ＋Ｖａｃ・ｓｉｎ（ｗｔ））、（ここにＶｄｃは直流電圧、Ｖａｃは高周波電圧、ｗは角速度（周波数により規定される）である）を印加した場合、図２の様に、それぞれの質量を持つイオンの保持安定領域が形成され、Ｖｄｃを０とすれば、殆どのイオンが保持され、４重極をイオンガイドとすることができ、両端に適切な電位の多重極を設け、連続させれば、例えば、特願平９−５０４９６９の様に、この４重極でイオンをトラップすることも可能である。
【０００４】
また、図２の破線のように、それぞれのピークのトップをかすめる様に、ＶｄｃとＶａｃを連続して上昇させれば、ある質量のイオンを選択しながら掃引する事となり、質量分析スペクトルを得る事もできる。またこのピークの点に両電圧を固定すれば、質量フィルターとしても作動させる事が可能である。しかし、この安定領域のピーク位置でのイオン透過率は低く我々の試算では２０００以上の高分子量では２０％以下であり、また、前述の様に、その分子量範囲は実機で検討して見ると、高性能と言われる双曲面を採用した長尺４重極でも２０００〜３０００ａｍｕ（原子質量ユニット）位であった。この点が、４重極の問題点であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
４重極は、対称電位をその対向する組それぞれに同時に印加すれば良く、その面では電気回路的にも簡易であるが、通常２０００〜３０００ａｍｕ位までが限界であり、現在の生物関連分子の様に蛋白質やペプチド、核酸などの高分子を対象とした場合、その保持力や高分子領域での分解能に限界があり、これを改善できれば、その用途が更に広がる。現在エレクトロスプレー法などのソフトなイオン化法では、分子に多価（条件により１０〜２０価位の範囲で）の電荷が乗じる。よって、分子量限界が５０００ａｍｕ位まで延びると、多重極からおよぼされる電磁気力は質量／電荷に比例する為、５〜１０万ａｍｕ位までの多くの蛋白質までがその対象範囲となる。本発明は、５０００ａｍｕを超える生物関連分子の質量分析をも可能とすることを課題とする。
また、広い範囲の定量性確保では、線形多重極型が優れており、イオントラップ式であれば蓄えられるイオン量に限界があり定量性に劣る。本発明では、広い定量範囲の確保も課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための、第１の発明は「高周波の電圧を印加する複数の電極が、各軸が同方向になるように中心の回りに配置されてなる質量分析装置の質量フィルターにおいて、上記各電極の断面形状が中心に面した側で同一で、中心の回りに配置される三つの電極で構成されていることを特徴とする」ものである。第２の発明は、「上記の３つの各電極の断面が円であることを特徴とする」ものである。第３の発明は「高周波の電圧を印加する複数の電極が、各軸が同方向になるように中心の回りに配置されてなる質量分析装置の質量フィルターにおいて、各電極に印加する高周波の電圧は、同一の周波数で互いに異なる位相とされている」ものである。第４の発明は「上記の電極が中心の回りに１２０°の間隔に配置された３つの電極で構成され、それに印加される電圧は１２０°の位相差であることを特徴とする」ものである。
【０００７】
なぜ４重極型が分子量の高いものを選択出来ないかを検討した結果、我々は、対向する４極の曲面で内包される空間には、中心付近に、電極から遠い比較的広い空間を残しており、それが、そこを通過するイオンに対する電磁気力の束縛を弱め、不確定性を上げているのではないかと考えた。そこで、最密充填空間で、かつイオンを逃さない電極構成として、３重極の可能性を研究した所、４重極を上回る特徴のあることが判明したものと考えている。
【０００８】
図１に３重極の１例を示す。これは従ってイオン保持面に向く断面が円形の３極子であり、図２の３重極の場合の例は、直径１５ｍｍの円柱で、中心から最近接表面までの距離が４ｍｍのものの１例で、これに１例として、Ｖ１＝＋Ｖｄｃ＋Ｖａｃ・ｓｉｎ（ｗｔ））、Ｖ２＝Ｖａｃ・ｓｉｎ（ｗｔ＋２π／３））、Ｖ３＝−Ｖｄｃ＋Ｖａｃ・ｓｉｎ（ｗｔ＋４π／３））の電位を１ＭＨｚで印加した場合である。図２の太線の様にシャープで断続的なピークが現れ、かつこのピーク位置でのイオン透過率も５０００ａｍｕで８０％と高く、我々の求めるものであることを発見した。印加する電圧は、他にも、Ｖ１＝Ｖａ・ｄｃ＋Ｖｄｃ＋Ｖａｃ・ｓｉｎ（ｗｔ））、Ｖ２＝Ｖａ・ｄｃ＋Ｖａｃ・ｓｉｎ（ｗｔ＋２π／３））、Ｖ３＝Ｖａ・ｄｃ−Ｖｄｃ＋Ｖａｃ・ｓｉｎ（ｗｔ＋４π／３））（ここにＶａ・ｄｃは、オフセット直流電圧、Ｖｄｃは、位相対応の直流オフセット電圧）や、位相をずらさなくても、あるいは直流のオフセットなしでも良く、これらは、質量フィルターの目的に応じて使い分ける。１２０度位相をずらした高周波も、３相交流を利用すると比較的簡単に、その高周波発生器が製作できる。
【０００９】
これは電極断面が半円状の断面を持つものであるが、イオンを保持する内面がどの様な対称的な曲面を持っていてもかまわず、従来４重極に一番良く利用されているのが双曲面である。しかし製作精度の要求されるものでありその製作コストは高くなる。３重極法が、円形断面で、これだけの性能を示すことから、この手法は、製作コストの安い円形断面を採用しても高性能な機器を開発でき、現在非常に高価な質量分析装置の価格低減をもたらし、汎用化技術としても非常に期待できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態としてその実施例を図に基づいて説明する。
図１は、円形断面をもった３重極子１の配置の一例を示し、各電極の中心を結ぶと正三角形を形成する。その材質は、真空中でもガスを出さないステンレス、銅、アルミニウムなどが考えられるが、実際に質量フィルターで機能している部分は、イオン保持面に面する側で、その部分の高い製作精度が、性能に影響する。必要な事は、このイオン保持面に導電性で真空中でも性能の変化しない高精度面が確保されればよく、その様な仕様ならば、金属板を曲げたものでも、薄い金属膜で円柱を覆ったものでもよい。また、このイオン保持面の断面形状は、円以外の曲面でも良く、その典型が双曲面である。これに、２の高周波パワーサプライから、位相がずれた高周波に直流電圧が重畳された電圧など、所定の電圧が、各電極に印加され、質量フィルターを形成する。所定の直流電圧の重畳をなくせば、イオンガイドとしての役割を持たせることもできる。これらの電極１の保持には、非常に精度の高い絶縁性の保持構造が要求される。
【００１１】
図３は、テーパー円柱３を電極として使用した例であり、入り口を大口径として、エレクトロスプレーの後の真空中の最初の段階の様な、イオンをかき集め中心に導きたい時に活用され得る例である。この図は、連続テーパーとなっているが、中心軸に対して３回回転対称な構造であれば、途中から同じ直径で平行する３重極となったラッパ状の３重極でも、また、まさにラッパの様に曲線的に曲げられた同じテーパ型電極による３重極でも良い。この考えは、他の多重極を使う際にも、可能であり、多重極数をｎとすると、中心軸に対してｎ回回転対称な位置に電極を配置すれば、途中までイオンをかき集め、途中からフィルター的な役割をするイオン光学系が形成できる。またこれらの配置は必ずしもｎ回回転対称な位置からずれていても構わない。
【００１２】
図４の断面図は、その他の電極形状を示したもので、正三角形のマウントの上に、この様な導電性の三日月状電極４が中心軸に対し、３回回転対称の位置に固定されたものでも、このイオン保持面に面する表面のみが導電性のものでも良い。この様な複雑な形状でも、極数が少ないだけコスト低減がはかれる。
【００１３】
図５は、この３重極フィルターを２段に使用して、質量分析装置を形成した１例である。ロータリーポンプ１２で前段排気され、ターボ分子ポンプ１１で高真空に維持された真空チェンバー１５内に、２段の３重極フィルター１が、それらの間にイオンガイドとしてのオクタポール７で形成されたコリジョンセル８を挟んで設置されている。例えば、エレクトロスプレー１４をイオン化装置として、１４のスプレー口からイオン導入口１３の間に高電圧を印加しながら、噴霧された微細な液滴は、イオン導入口１３から真空中に導入され、その溶媒の気散とともに、液滴の持つ荷電を残る溶質分子が背負いながら、真空中でイオン化して行く。
【００１４】
これをまず最初の集イオンガイド用オクタポール６で、集イオン（コリメート）し、それを初段の３重極質量フィルター１を通らせ、ある分子量の分子のみが選択されるような高周波電位を印加し、通過させる。コリジョンセル８は、このオクタポール中をイオンが通過する際、その中に希ガス導入管９からＡｒ等の希ガスをわずか導入し、イオンと衝突させ、イオンを壊し（フラグメント化）、その部分構造から、分子の構造解析とそれによる同定を行うもので、その部分構造に壊れたイオンを、後段の３重極１の電位を連続的に掃引させるいわゆるスペクトルモードでこの質量フィルターを操作することで、どの様な質量のフラグメントになったか検出器１０で捉え、構造解析や同定を行う。蛋白質などは、これによりアミノ酸の配列も決定でき得る。
【００１５】
集イオンガイド用オクタポールはこの様に、まだ真空度が低い所でのイオンのかき集めを効率化する為、６本以上の多重極が良く用いられるが、コリジョンセルの多重極は３〜８重極のいずれでも目的に応じて置き換える事ができる。この多重極の連続配置は必ずしも直線軸上にすべての多重極子が配置しなくてもよく、連続であれば、中性分子のノイズへの影響を排除する為、あえて軸はずしで配置されることがある。もちろん３重極を２段配さず、前段１段のみで、これをスペクトルモードで電位を連続的に掃引したり、ある分かっている質量で質量フィルターをセットし待ち受けて、液体クロマトグラフィーなどから出てくる分離成分の、分子量もわかる高感度な検出器として利用することもできるのは当然である。
【００１６】
図６は、エレクトロスプレー１４直後までは、図５と同様で、集イオンガイド用オクタポール６の後に配置された３重極１を質量フィルターとして利用し、次のコリジョンセル８でフラグメント化し、そのフラグメント化したイオン群をリペラー１７というイオンキッカーで、跳ね上げさせ、上部のイオン反射電位分布を持つようにしたリフレクター１６で反射して、イオンの検出器１０までの到達時間が、小さな分子は早く、大きな分子は遅いので、これから分子量を判定する飛行時間型（ＴＯＦ）質量分析部で検出するもので、もちろんフラグメントでなく、３重極もフィルター機能を持たさず、イオンガイドとして、全部通過させ、全分子の分子量を一斉検出することも出来る。特に高分子量で分子量の分かっている蛋白質のフラグメント化によるアミノ酸構造解析への用途が期待できる。
【００１７】
またこれらの３重極は、そのお互いの配置を正三角形状配置としなくても良く、図７の様に３重極の頂点とのなす角を６０度より開くことで、むしろ分解能良い質量フィルターとして機能させる事もできる。或いは正三角形でも、直流印加オフセット電圧のかけ方を変えても良い。
【００１８】
さらに、図８の様に、３重極の両端にイオン制御板としてドーナツ型の１８の様な電極あるいは補助電極１９（この場合は３重極であるが、これは他の多重極でも構わない）などを配置し、例えば被検物質が＋イオンの場合は、正電圧を強く印加する事で、電極の中で回転しながら進んでいるイオンは、従来の４重極の様に振動運動で無いため、より容易にかつ空間を最大限に利用してイオン間の反撥も最小限にして多くのイオンを中心の３重極１内に閉じ込める事ができる。いわゆる高効率のイオントラップ装置としても利用できる。この回転高周波電場の中でイオンを捕捉するやり方は、請求項３でも記述しているように、図９に一部示すが、多重極例えば、５重極２０、６重極２１，あるいは４重極、７重極，８重極・・・などでも、両端にイオン制御板１８などを配置する事で、イオンを閉じ込める事が出来、時には、この中にＡｒガスなどのガスを導入し、そのガス分子との衝突で、分子をフラグメント化して、より詳細な分子の構造情報を得る為に利用することもできる。将来的には、光学異性体の様に、右巻き電場と左巻き電場では、動きが異なるような場合は、その運動エネルギーの違いによるフラグメント化の違いを利用して、光学異性体の分析も質量分析でできる可能性がある。
【００１９】
また、請求項３で記述しているように、従来の振動性の高周波電場ではなく、同じ周波数で、位相の異なる電圧とそれに重畳した直流電圧を３重極より多い数の電極に印加しても、例えば図１０の様な４重極２２でも、質量フィルターとして機能することを図１０下図のように確認した。回転性高周波電場による、光学異性体のフィルタリングなど、この手法は、新しい分析の可能性を持っている。
【００２０】
【発明の効果】
上述したように本発明の質量フィルターは、今までの多重電極、特に汎用されている４重極と較べ、これでは達成できなかった、分子量３０００ａｍｕより大きな分子まで透過率良く選択でき、その分解能も高く、また選択透過率が向上する為感度も向上でき、しかも、断面が円形であってもその性能が出せ、しかもその電極の必要本数も減少させる事ができ、製作コストを押さえられる事が可能である。また、位相のずれた高周波が３重極それぞれに印加されており、それは他の多重極でも同様な事が言えるが、右あるいは左に回転する電場である為、将来、対掌性のある化学異性体等の選択もできる可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】３重極電極の配置例立面図
【図２】電極に印加する交流電圧および直流電圧に対する３重極と４重極の場合の質量透過率の依存性
【図３】ラッパ状の３重極電極配置例立面図
【図４】３重極電極の形状例断面図
【図５】３重極電極を配置した質量分析装置構成模式図
【図６】３重極電極を配置した質量分析装置構成模式図
【図７】正三角形配置とは異なる３重極電極による、印加する交流電圧および直流電圧に対する質量透過率の依存性
【図８】３重極電極を利用したイオントラップ装置例
【図９】多重極（５重極および６重極）電極によるイオントラップ装置例
【符号の説明】
１    円形断面の３重極子
２    高周波パワーサプライ
４    三日月状断面の３重極子
１０  イオン検出器
１５  真空チェンバー
１６  リフレクター
【図１】
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【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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