(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量分析計システムにおいて：
質量分析計；
各プルームが複数の検体イオンを有する複数のプルームを供給するためのパルスイオン源；及び
制動ガスを含有し、前記質量分析計につながるイオン行路に配置された少なくとも１つのRFイオン誘導器を有するイオン輸送デバイスであって、前記制動ガスが検体イオンに衝突制動を供給し、前記RFイオン誘導器が前記イオン行路に沿ってイオン閉じ込めを供給することによって、前記各プルームを前記イオン行路に沿って伸ばしてイオンパルスを擬連続イオンビームに変換するイオン輸送デバイス；
を含むことを特徴とする質量分析計システム。
【請求項２】
前記衝突制動が、前記検体イオンのフラグメンテーションを抑制することを特徴とする請求項１記載の質量分析計システム。
【請求項３】
前記制動ガスが、前記RFイオン誘導器中で供給されることを特徴とする請求項１記載の質量分析計システム。
【請求項４】
前記制動ガスの圧力と前記RFイオン誘導器の全長との積が、少なくとも10.0ｍTorr-cm（約1.33Pa-cm）であることを特徴とする請求項３記載の質量分析計システム。
【請求項５】
前記イオン源が大気圧であることを特徴とする請求項１記載の質量分析計システム。
【請求項６】
前記質量分析計が飛行時間型質量分析計を含むことを特徴とする請求項１記載の質量分析計システム。
【請求項７】
前記飛行時間型質量分析計が、前記イオン行路に直交するイオン検出軸を有し、前記飛行時間型質量分析計による分析のために複数の注入パルスをイオンのビーム毎に用いるように作動されるイオン引出器を含むことを特徴とする請求項６記載の質量分析計システム。
【請求項８】
前記質量分析計が四重極子型分析計を含むことを特徴とする請求項１記載の質量分析計システム。
【請求項９】
前記質量分析計が、四重極子型分析計、イオントラップ型分析計、磁場セクタ型分析計及びフーリエ変換型質量分析計の内の１つを含むことを特徴とする請求項１記載の質量分析計システム。
【請求項１０】
前記制動ガスが、前記パルスイオン源を含むチャンバ中で供給されることを特徴とする請求項１記載の質量分析計システム。
【請求項１１】
前記パルスイオン源を含む第１のチャンバおよび該第１のチャンバと前記質量分析計との間に配置された第２のチャンバ、及び前記第１と第２のチャンバ間の圧力差を維持するための前記第１と第２のチャンバ間の開口を含むことを特徴とする請求項１記載の質量分析計システム。
【請求項１２】
前記第２のチャンバがRFイオン誘導器を含むことを特徴とする請求項１１記載の質量分析計システム。
【請求項１３】
前記イオン行路において前記質量分析計の前に設けられた質量分析器及び衝突セルを含み、前記質量分析器は前駆型のイオンを選択するように構成された多重極子ロッドセットを含み、前記衝突セルは、前記質量分析器により選択された前記前駆型のイオンを前記質量分析計における分析のためのフラグメントイオンにフラグメンテーションする衝突ガスを含むことを特徴とする請求項１１記載の質量分析計システム。
【請求項１４】
前記衝突セルが前記質量分析器とは別のチャンバに設けられることを特徴とする請求項１３記載の質量分析計システム。
【請求項１５】
前記質量分析計が飛行時間型質量分析計であることを特徴とする請求項１３記載の質量分析計システム。
【請求項１６】
前記質量分析計が四重極子型質量分析計であることを特徴とする請求項１３記載の質量分析計システム。
【請求項１７】
前記パルスイオン源が検体分子を含むターゲット用表面及び、前記検体分子のイオン化をおこさせるためのレーザパルスを供給するための、前記ターゲット用表面に向けられたパルスレーザを含むことを特徴とする請求項１記載の質量分析計システム。
【請求項１８】
前記ターゲット用表面が、マトリックス材に埋め込まれた検体分子からなるターゲット材を含むことを特徴とする請求項１７記載の質量分析計システム。
【請求項１９】
前記イオン行路に沿って連続イオンビームを供給するために配置された連続イオン源及び前記パルスイオン源と前記連続イオン源とを選択するための手段をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の質量分析計システム。
【請求項２０】
質量分析計システムにおいて：
各プルームが複数の検体イオンを有する複数のプルームを供給するためのパルスイオン源；
イオン行路に沿って配置され、制動ガスを含有し、イオン行路に配置された少なくとも１つのRFイオン誘導器を有するイオン輸送デバイスであって、前記制動ガスが検体イオンに衝突制動を供給し、前記RFイオン誘導器が前記イオン行路に沿ってイオン閉じ込めを供給することによって、前記各プルームを前記イオン行路に沿って伸ばしてイオンパルスを擬連続イオンビームに変換するイオン輸送デバイス；及び
前記イオン行路に配置され、該イオン行路に概ね直交する方向に進むようにレーザショット毎に複数回パルスする電極を有する飛行時間型質量分析計；
を含むことを特徴とする質量分析計システム。
【請求項２１】
前記制動ガスが、前記RFイオン誘導器中で供給されることを特徴とする請求項２０記載の質量分析計システム。
【請求項２２】
前記制動ガスの圧力と前記RFイオン誘導器の全長との積が、少なくとも10.0ｍTorr-cm（約1.33Pa-cm）であることを特徴とする請求項２１記載の質量分析計システム。
【請求項２３】
前記イオン源が大気圧であることを特徴とする請求項２０記載の質量分析計システム。
【請求項２４】
前記イオン行路において前記質量分析計の前に設けられた質量分析器及び衝突セルを含み、前記質量分析器は前駆型のイオンを選択するように構成された多重極子ロッドセットを含み、前記衝突セルは、前記質量分析器により選択された前記前駆型のイオンを前記質量分析計における分析のためのフラグメントイオンにフラグメンテーションする衝突ガスを含むことを特徴とする請求項２０記載の質量分析計システム。
【請求項２５】
前記パルスイオン源が、マトリックス材に埋め込まれた検体分子を含むターゲット用表面及び、前記検体分子のイオン化を起こさせるためのレーザパルスを供給するための、前記ターゲット用表面に向けられたパルスレーザを含むことを特徴とする請求項２０記載の質量分析計システム。
【請求項２６】
前記イオン行路に沿って連続イオンビームを供給するために配置された連続イオン源及び前記パルスイオン源と前記連続イオン源とを選択するための手段をさらに含むことを特徴とする請求項２０記載の質量分析計システム。
【請求項２７】
イオンを生成し、イオンを質量分析計に送る方法において、前記方法が：
各プルームが複数の検体イオンを有する複数のプルームを生成するようにイオン源を作動させる工程；
制動ガス、及びイオン行路に沿った少なくとも１つのRFイオン誘導器を有するイオン輸送デバイスを供する工程；
前記制動ガスにより前記検体イオンに衝突制動を供給し、前記RFイオン誘導器により前記イオン行路に沿ってイオン閉じ込めを供給することによって、前記各プルームを前記イオン行路に沿って伸ばしてイオンパルスを擬連続イオンビームに変換する工程；及び
分析のための質量分析計の方向に前記イオン行路に沿って前記擬連続パルスを輸送する工程；
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２８】
前記衝突制動を供給する工程が、前記検体イオンのフラグメンテーションを抑制することを特徴とする請求項２７記載の方法。
【請求項２９】
前記制動ガスが、前記RFイオン誘導器中で供給されることを特徴とする請求項２７記載の方法。
【請求項３０】
前記供給工程が、前記制動ガスの圧力と前記RFイオン誘導器の全長との積が少なくとも10.0ｍTorr-cm（約1.33Pa-cm）となるように前記制動ガスの圧力を維持する工程を含むことを特徴とする請求項２９記載の方法。
【請求項３１】
前記質量分析計が前記イオン行路に直交するイオン検出軸を有し、前記飛行時間型質量分析計の検出領域にイオンを引き出すように複数の注入パルスをイオンのビーム毎に用いる工程をさらに含むことを特徴とする請求項２７記載の方法。
【請求項３２】
前記擬連続パルスを前記イオン行路中に配置された質量分析器に通過させて前駆型のイオンを選択する工程、及び衝突誘起解離により前記選択された前駆型のイオンを、前記質量分析計における分析のためのフラグメントイオンにフラグメンテーションする工程、をさらに含むことを特徴とする請求項２７記載の方法。
【請求項３３】
前記イオン源が、マトリックス材に埋め込まれた検体分子を含むターゲット用表面を有し、前記イオン源を作動させる工程が、前記検体分子のイオン化を起こさせるためのレーザパルスに前記ターゲット用表面をさらすことを特徴とする請求項２７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は質量分析計及びそのイオン源に関する。さらに詳しくは、本発明はパルスイオン源並びに、パルスイオン源が飛行時間型質量分析法（ＴＯＦＭＳ）の適用範囲を広げ、また能力を高め、さらに、直交注入飛行時間型質量分析計だけでなく、その他多くのタイプの分析器とともに用いられるように、連続イオン源のもつ特性の多くをパルスイオン源に与える輸送デバイスの提供に関する。
【０００２】
発明の背景
質量分析法のためのイオン源は、ＥＳＩ（エレクトロスプレーイオン化）源またはＳＩＭＳ（２次イオン質量分析法）源のような連続イオン源であっても、あるいはＭＡＬＤＩ（マトリックス補助型レーザ脱離／イオン化）源のようなパルスイオン源であってもよい。連続イオン源は、セクタ型装置や、四重極子型、イオントラップ型及びイオンサイクロトロン共鳴型分析計のような、ほとんどのタイプの質量分析計にイオンを注入するために通常用いられてきた。近年、“直交注入”の使用により、連続イオン源から飛行時間（ＴＯＦ）型質量分析計にイオンを注入できるようにもなっている。“直交注入”では連続ビームが主ＴＯＦ軸に直交して注入され、ＴＯＦ法に必要なパルスビームに変換される。これは、イオン源と分析計との間に衝突制動インターフェースを付加することにより最も効率的に行われ、４人の著者を本発明と共通に有する以下の論文（エイ・エヌ・クルチンスキー(A. N. Krutchinsky)，アイ・ブイ・チェルヌシェビッチ(I. V. Chernushevich)，ブイ・エル・スパイサー(V. L. Spicer)，ダブリュー・エンス(W. Ens)，ケイ・ジー・スタンディング(K. G. Standing)：“ジャーナル・オブ・ジ・アメリカン・ソサエティー・フォー・マススペクトロメトリー”誌，第９巻（１９９８年），５６９〜５７９ページ）に記載されている。
【０００３】
一方パルスイオン源、例えばＭＡＬＤＩ源は通常、イオン源の離散性すなわちパルス性を利用するために、ＴＯＦ型質量分析計に直結されている。ＴＯＦ型質量分析計には従来の四重極子型あるいはイオントラップ型質量分析計に優る利点がいくつかある。利点の１つは、ＴＯＦ型質量分析計が四重極子型及びイオントラップ型質量分析計より広い質量対電荷比範囲を分析できることである。別の利点は、ＴＯＦ型質量分析計が四重極子型及びイオントラップ型質量分析計より高感度で、スキャンを行わずに、全てのイオンを同時に記録できることである。四重極子型あるいはその他のスキャンを行うタイプの質量分析計では一度の１つの質量しか輸送できず、したがってデューティーサイクルは一般に０.１％という（低感度をもたらす）低い値になる。したがってＴＯＦ型質量分析計は感度に関して本質に大きな利点を有する。
【０００４】
しかし、広く用いられている、ある範囲のエネルギー及び方向をもつイオンを生成する多くのイオン源で、ＴＯＦ型質量分析計は問題に遭遇する。この問題は普及型のＭＡＬＤＩ（マトリックス補助型レーザ脱離／イオン化）法により生成されるイオンが用いられる場合に特に深刻である。この方法では、レーザからの光子パルスがターゲットに打ち当たり、質量分析計で質量が測定されるイオンを脱離する。ターゲット材は、小さく、光子吸収性の高い化学種からなる固体または液体のマトリックスと、このマトリックスに埋め込まれた低濃度の、通常中程度の分子あたり光子吸収しか示さない検体分子からなる。急激に到来するエネルギーがマトリックス分子に吸収されると、マトリックス分子は蒸気化されてマトリックス分子及びイオンの小さな超音速ジェットが生成され、このジェットに検体分子が伴出する。この放出過程の間に、マトリックス分子に吸収されたエネルギーのいくらかが検体分子に移される。これによって検体分子がイオン化されるが、少なくとも理想的な場合には、過度のフラグメンテーションはおこらない。
【０００５】
通常はパルスレーザが用いられるから、イオンもパルスとして現れ、飛行時間型分析計での測定に適したイオンが容易に得られる。しかしイオンは、７００ｍ／秒程度の速度をもつ超音速ジェット内でかなりの量のエネルギーを獲得する一方で、特に高加速電場内では、加速中にマトリックス分子との衝突によりエネルギーを失う。上記及び同様の効果により、イオンが分析計の軸にほぼ平行に引き出される単純な線形飛行時間型装置においてはピークにかなりの広がりが生じ、その結果として分解能が低下する。この問題の部分的解決策は、速度分散をある程度補正する反射型分析計により得られるが、より有効な方法は反射型分析計自体によるか、あるいはリペラーを併用することによる、遅延引出の使用である。遅延引出において、イオンは加速電圧が印加されるまで短時間ドリフトすることができる。この方法はイオン生成過程を測定からある程度分離し、個々のいかなる場合においても、イオン脱離及び加速の詳細パターンに対する測定感度を下げる。たとえそうではあっても、測定を成功させるには、レーザの流束量（すなわち、単位面積あたりに供給されるパワー量）の慎重な制御及び、通常は、好ましいスポットを求めてターゲット上をある程度探しまわることが必要である。さらに、最適な動作に必要な引出条件はある程度の質量依存性を有し、このことは較正手順を複雑にする上に、与えられたいかなる設定においても最適分解能で全質量範囲を観察することはできないことを意味する。また、 上記の方法は約２０,０００ドルトンより大きな質量をもつイオンに対する分解能の改善にも限定的にしか成功していない。従来のＭＡＬＤＩ装置では、イオン選択及びフラグメンテーションがフラグメントのピーク幅を広げる傾向があるため、高品質のＭＳ／ＭＳデータを得ることは困難である。本発明の発明者等は、原パルス幅を維持する試みを断念し、代わりに優れた特性を有する擬連続ビームを生成し、次いでＴＯＦ型装置の注入電圧を独立した繰り返しレートでパルス化することにより、上記問題を克服できることを認めた。
【０００６】
ＴＯＦ型装置との結合が例として上で用いられているが、ＭＡＬＤＩあるいはその他のパルスイオン源の、四重極子型（またはその他の多重極子型）、イオントラップ型、磁場セクタ型及びＦＴＩＣＲＭＳ（フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴型質量分析計）のような別のタイプの質量分析計との結合においても問題が生じる。さらに、ＭＡＬＤＩあるいはその他のパルスイオン源を、ＭＡＬＤＩイオンのＭＳ／ＭＳを得ることができるタンデム型質量分析計、例えば３連四重極子型または四重極子−ＴＯＦハイブリッド型装置に結合できることも望ましい。標準的なＭＡＬＤＩ装置は高性能ＭＳ／ＭＳを実行するように構成することができない。ＭＡＬＤＩ源または同様のイオン源で生成されたイオンのエネルギー及び角度の分散はイオン注入をさらになお困難にする。また、ほかのタイプの質量分析計のほとんどにおいてイオン滞留時間はＴＯＦ型装置よりかなり長いため、パルス内の大量の空間電荷によりさらに問題が生じ得る。これらの装置は全て連続イオン源とともに動作するように設計されているので、パルスイオン源の擬連続イオン源への変換は上記問題のほとんどを解決する。
【０００７】
発明の概要
したがって、分析計をより完全にイオン源から分離し、より小さな角度及び速度の広がりをもつより連続なイオンビームが得られるようにして、ＭＡＬＤＩ源のようなパルスイオン源を様々な分析計装置に結合できるようにする、装置及び方法を提供することが望ましい。
【０００８】
さらに詳しくは、イオンビームにおけるエネルギーの広がりが縮小され、既存の装置に比べてイオン源がより完全に分析計から分離され、イオンのフラグメンテーションにより生じる問題が軽減されて、新しいタイプの測定が可能になり、したがって質量分析計から得られる結果及び質量分析計の操作の平易さが向上する、パルスイオン源をもつ改善されたＴＯＦ型質量分析計を提供することが望ましい。
【０００９】
連続イオン源及びパルスイオン源、例えばＥＳＩ源及びＭＡＬＤＩ源をともに有し、よっていずれのイオン源をも選択することができるＴＯＦ型質量分析計を提供することも望ましい。
【００１０】
本発明に従えば：
検体イオンパルスを与えるための、パルスイオン源；
質量分析計；
イオン源から質量分析計の間にわたるイオン行路；及び
イオン行路に配置されており、イオン行路の少なくとも一部に制動ガスを有し：イオン源から放出されたイオンのエネルギー広がりの縮小；イオン源からのイオンパルスの擬連続イオンビームへの変換；及び検体イオンの不必要なフラグメンテーションの少なくともある程度の抑制；の内の少なくとも１つを生じさせるイオン輸送デバイス；
を含む質量分析計システムが提供される。
【００１１】
本発明は特に飛行時間型質量分析計への使用に適している。飛行時間型質量分析計にはパルスビームが必要であるから、パルスイオン源はパルスとしての性格を維持しながら結合されるべきであると従来は教えられてきた。しかし発明者等は今や、パルスビームを連続な、少なくとも擬連続な、ビームに変換し、次いでパルスビームに戻すことに実際上の利点があることを認識している。これらの利点は：衝突制動によるビーム品質の向上；質量測定からのイオン生成の分離；イオンがいくつかの大きなパルスから多数の小さなパルス、例えば約１Ｈｚから約４ｋＨｚに変換される， すなわち４,０００倍に変換されることによる、単イオン計数によるビーム電流測定能力；１台の装置で両方のイオン源が稼働する可能性を提供する、ＥＳＩのような連続イオン源との共用性；である。
【００１２】
本発明はまた、連続ビームではたらくか連続ビームを必要とする質量分析計にも適用できる。したがって、パルスイオン源をそのような分析計で実際に使用できるという利点もある。
【００１３】
イオン源は輻射線によるイオン化のために検体を供給し、検体分子の脱離及びイオン化を生じさせる輻射線パルスを生成するための、イオン源に向けられた、電磁波源が与えられることが好ましく、パルスレーザが与えられることがより好ましい。
【００１４】
イオン源はマトリックス及びマトリックス中の検体分子からなるターゲット材を含み、マトリックスは検体分子の脱離及びイオン化を促進するための、輻射線源からの輻射線の吸収に適した化学種を含んでいると有利である。
【００１５】
輸送デバイスは多重極子ロッドセットを含むことが好ましい。２セット以上の多重極子ロッド及びこれらのロッドセットに相異なるＲＦ及びＤＣ電圧を供給するための手段を含むことができる。
【００１６】
衝突制動はまた、緩衝ガス圧が十分高ければ、ＲＦ電場が存在しないチャンバ内でも達成することができる。この場合、減速したイオンはガス流に引きずられるか、あるいはＤＣ静電場によりチャンバ出口に向かうことができる。静電場、ＲＦ電場及びガス流を衝突制動チャンバで併用することもできる。
【００１７】
本発明の別の利点は、イオンの衝突冷却が分子イオンのフラグメンテーション量の低減に役立つことである。分子種を代表するイオンのみを含む単純な質量スペクトルを得られることが通常は望ましい。したがって、代表的なＭＡＬＤＩイオン源においては、フラグメンテーションを減じるためにレーザパワーがイオン化閾値に近くなるように、レーザパワーを慎重に最適化しなければならない。しかし発明者等は、レーザパワーが比較的高くとも、試料表面まわりのガスの存在がフラグメンテーションの低減に大きく役立つことを認めた。これはおそらく、脱離した化学種がフラグメンテーションを起こす前に脱離化学種から内部エネルギーを取り除く、ガス分子との衝突の効果による。このことは、過剰な分解を生じさせることなく、イオン信号強度を高めるためにレーザパワーを強め得ることを意味する。発明者等は、ガス圧を少なくともほぼ１Ｔｏｒｒ（約１.３３×１０２Ｐａ）まで高めるにつれてフラグメンテーション量が減少してゆくことを観察した。ガス圧をより高くすればさらに有利であろうが、より高い圧力下におけるクラスター化反応を避けるために電場が必要になる。
【００１８】
本発明の質量分析計システムは連続イオン源並びにパルスイオン源及び連続イオン源の内１つを選択するための手段を含むことができ、したがって１台の装置で別々の２台の装置の特性が得られる。上記２つのイオン源には、ＭＡＬＤＩ源及びＥＳＩ源を含めることができる。
【００１９】
本発明の別の態様はイオンを生成して、イオンを質量分析計に送る方法を提供し、この方法は：
（１）イオン源を準備する工程；
（２）イオン源にイオンパルスを生成させる工程；
（３）イオン源から伸びるイオン行路に沿ってイオン輸送デバイスを設け、イオン輸送デバイスに：イオン源から放出されたイオンのエネルギー広がりの縮小；イオン源からのイオンパルスの擬連続イオンビームへの変換；及び検体イオンの不必要なフラグメンテーションの少なくともある程度の抑制；の内の少なくとも１つを生じさせるために、イオン行路の少なくとも一部に制動ガスを与える工程；及び
（４）質量分析のためにイオンをイオン輸送デバイスから質量分析計に渡す工程；
を含む。
【００２０】
制動ガスのガス圧は約１０−４Ｔｏｒｒ（約１.３３×１０−２Ｐａ）から少なくとも７６０Ｔｏｒｒ（約１.０１×１０５Ｐａ）までの範囲とすることができる。工程（３）は輸送デバイス内にＲＦロッドセットを設ける工程を含む。さらに、ＤＣ電場をイオン源と分析計との間に与えて、分析計に向かうイオンの運動を促進することができる。
【００２１】
本方法は、イオン輸送デバイスに２つ以上のロッドセットを設け、所望の質量−電荷比をもつイオンを選択できるようにするためのＤＣオフセットを少なくとも１つのロッドセットに与えて作動させる工程を含むことができる。隣接する２つのロッドセットの間にイオンを下流側のロッドセットに向けて加速するに十分な電位差を与えて、下流側のロッドセットで衝突誘起解離をおこさせることができる。
【００２２】
パルスレーザが用いられる場合、レーザパルス毎に複数のイオンパルスが飛行時間型質量分析計に送られる。
【００２３】
イオンは初めに、イオン源における圧力から質量分析計内の圧力まで推移する１つ以上の差動排気領域を通過する。イオン源の圧力は大気圧あるいは少なくとも下流の四重極子ステージ及び質量分析計の圧力よりも実質的に高い圧力とすることができる。上記領域の少なくとも１つにはロッドセットが含まれず、したがって質量分析計に向かうイオン運動はガス流及び／または静電ポテンシャルにより推進される。
【００２４】
好ましい実施の形態の詳細な説明
本発明のよりよい理解のため、及び本発明をいかにして実行に移すことができるかをより明解に示すために、例として、本発明の好ましい実施の形態を示す添付図面を参照する。
【００２５】
図１に示される第１の実施の形態は、一般的な質量分析計システムのブロック図である。ここで１はいずれかのタイプのパルスイオン源（例えばＭＡＬＤＩ）、２は緩衝ガスで満たされ、あるＲＦ電圧で駆動される多重極子３をもつ衝突集束チャンバまたは領域である。これに続いてオプションとして付加される操作ステージ４があり、さらに続いて質量分析器５がある。衝突イオン誘導器３は、本発明に従って、パルスイオンビームを時間的に広げ、ビーム品質（すなわち、空間分布及び速度分布）を初期速度を制動し、イオンを中心軸に集束させることにより改善する。したがってビームは擬連続であり、オプションとして付加される操作ステージ４に入って、そこでいかなるタイプの操作もさらに受けることができる。最後に、得られたイオンが質量分析器５で分析される。
【００２６】
ステージ４におけるさらなる操作の簡単な例は、得られる娘イオンを質量分析器で調べることができるような、ガスセル内の衝突によるイオンの解離である。これは、単一検体の分子構造を決定するには十分であろう。検体が複雑な混合物であれば、ステージ４はさらに複雑にされる必要がある。（エイ・シェブチェンコ(A. Shevchenko)等：“ラピッドコミュニケーションズ・イン・マススペクトロメトリー”誌，第１１巻（１９９７年），１０１５ページに発表されているような）３連四重極子型あるいはＱｑＴＯＦ型装置においては、注目する親イオンの選択のための四重極子型マスフィルタ及び衝突誘起解離（ＣＩＤ）による選択された親イオンの分解のための四重極子型衝突セルがステージ４に含まれる。次いで親イオン及び娘イオンはともに、３連四重極子の四重極子型マスフィルタあるいはＱｑＴＯＦ型装置の直交注入をもつＴＯＦ型分析計である、区画５で分析される。いずれの場合にもステージ１及び２はパルス源及び衝突制動イオン誘導器からなる。
【００２７】
衝突集束チャンバ２が、いずれか適当なロッドセット、例えば四重極子、六重極子または八重極子とすることができる、多重極ロッドセット３とともに示されていることは当然であろう。選択される特定のロッドセットは提供されるべき機能に依存する。
【００２８】
あるいは、衝突集束デバイスにラジオ周波リング誘導器を用い、ラジオ周波電場により定められるイオンを入れておくための空間内でイオン生成を行うこともできる。
【００２９】
図２は、本発明に従うＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ型質量分析計１０の好ましい実施の形態を示す。分析計１０は従来のＭＡＬＤＩターゲットプローブ１１，既知の方法で排気されるシャフト封止チャンバ１２，及びターゲット保持電極１３に装着されたターゲットを含む。検査される試料の混合物及び適当なマトリックスが、通常のＭＡＬＤＩターゲット作成手順に従って試料プローブに塗布される。パルスレーザ１４がレンズ１６によりターゲット面１５に、窓１７を通して、集束される。レーザビームは２０で示され、レーザは数Ｈｚ以下から数１０ｋＨｚまでのいずれかの繰り返しレートで作動し、さらに特定すれば、本実施の形態では１３Ｈｚのレートが試された。流入口１８が窒素またはその他の中性ガス用に設けられる。レーザショット毎に、中性及び荷電分子のプルームが生成される。試料検体のイオンが生成され、２連の四重極子ロッドセット３１，３２を収める真空チャンバ３０内に広がるプルームに伴出する。チャンバ３０は、ポート３４に接続された（図示されていない）ポンプにより約７０ｍＴｏｒｒ（約９.３３Ｐａ）まで排気されるが、圧力はリーク制御弁１８によるガス流調節により実質的な範囲にわたって変えることができる。イオン化領域をチャンバ３０の上流にあるチャンバにおき、それを通してイオンがチャンバ３０に引き入れられる小さな開口を設けることにより、イオン生成領域に１気圧（約１.０１３×１０５Ｐａ）までの圧力を用いることもできる。より低い圧力を用いることもできるが、重要な特性値は圧力とロッド長との積である。米国特許第４,９６３,７３６号にあるように２２.５ｍＴｏｒｒ-ｃｍ（約３.００Ｐａ-ｃｍ）という値が好ましいが、少なくとも１０.０ｍＴｏｒｒ-ｃｍ（約１.３３Ｐａ-ｃｍ）の全長×圧力値を用いることができる。チャンバ３０内のガス（一般には窒素またはアルゴンまたはその他の、不活性ガスであることが好ましい、適当なガス）は制動ガスまたは冷却ガスまたは緩衝ガスと称される。
【００３０】
試験した実施の形態において、 四重極子ロッドセットは長さが４.４５ｃｍで直径が１１ｍｍのロッドで構成し、ロッド間隔、すなわちロッドセットの隣り合う角にあるロッドどうしの間隔は３ｍｍとした。四重極子３１及び３２は、５０ｋＨｚから２ＭＨｚの正弦波動作周波数で、ピーク間が０から１０００ボルトの出力電圧を供給する電源で駆動される。代表的な周波数は２００ｋＨｚから１ＭＨｚであり、代表的な電圧振幅はピーク間で１００から１０００Ｖである。いずれの四重極子も、二次巻線を２つ有する変圧器を介して同じ電源で駆動される。２つの二次巻線の巻数を異ならせることにより相異なる振幅を２つの四重極子に印加することができる。多重出力電源により、ＤＣバイアスすなわちオフセット電位が四重極子３１及び３２のロッド並びにその他様々な部品に印加される。それぞれのロッド間に制動ガスをもつＲＦ四重極子３１及び３２はＲＦのみが印加されるモードで作動することができ、以下で説明されるように、この場合には四重極子が四重極子を通過するイオンの軸方向エネルギー、径方向エネルギー及びエネルギー広がりを小さくするようにはたらく。以下でより詳細に説明するように、この過程はイオンプルームをイオン行路に沿って実質的に伸ばして、約１３Ｈｚのパルスであった初期ビームを擬連続ビームに変える。第１の四重極子３１は、適当なＤＣ電圧を印加することによりマスフィルタモードで作動させることもできる。この場合、第２の四重極子３２は衝突誘起解離実験において衝突セル（及びＲＦ誘導器）として用いることができる（以下参照）。
【００３１】
チャンバ３０からイオンはイオン行路２７に沿い、集束電極１９を通り、次いでオリフィス３８を通過して、ポート４２に接続された（図示されていない）ポンプにより排気される真空チャンバ４０に入る。そこで、イオンはグリッド４４により集束され、スロット４６を通って、全体として５０で示されるＴＯＦ型分析計のイオン蓄積領域４８に入る。
【００３２】
既知の方法で、イオンは蓄積領域４８から引き出されて、単位電荷あたりほぼ４０００電子ボルト（４ｋｅＶ）のエネルギーまでイオンを加速する通常の加速管５１により加速される。イオンはイオン蓄積領域の中間でイオン行路２７に概ね直交する方向に進み、一対の偏向板５２を通過する。偏向板５２は、イオンが検出される検出器５６にイオンを反射する通常の静電イオンミラー５４に向けてイオンが導かれるように、イオンの軌道を調節するはたらきをすることができる。イオンは単イオン計数を用いて検出され、時間−デジタル変換器（ＴＤＣ）で記録される。加速管５１，偏向板５２，ミラー５４及び検出器５６は、ポート６０に接続された（図示されていない）ポンプにより約２×１０−７Ｔｏｒｒ（約２.６６×１０−５Ｐａ）まで排気された主ＴＯＦチャンバ５８に収められる。
【００３３】
ＭＡＬＤＩ源１３からＴＯＦ型分析計５０へのＭＡＬＤＩイオンの直交注入を使用することには通常の軸方向注入配置に優るいくつかの潜在的な利点がある。直交注入は、イオン生成過程の質量測定からの分離のレベルを、通常の遅延引出ＭＡＬＤＩで可能なレベルよりも高くするようにはたらく。このことは、質量スペクトルに影響を与えることなくターゲット条件を変えるための自由度がより大きく、分析計にイオンを注入するために電場が印加されるまでに、イオンプルームを引き伸ばして冷却する時間をより長くとれることを意味する。速度の最大広がりは、この場合はＴＯＦ軸に直交している、ターゲットに垂直な放出軸すなわちイオン行路２７に沿っているから、ある程度の性能向上も期待できる。しかし衝突冷却無しにＭＡＬＤＩイオンをＴＯＦ５０に直交注入することには、そのような配置を実施不可能にするいくつかの問題、すなわち：
（１）径方向エネルギー分布は軸方向エネルギー分布よりはるかに狭いが、それでもビームが四重極子ロッドセット３２を出てＴＯＦ軸に向けて進む間にビームの実質的な広がり及び伸びを生じさせるに十分である。ビームのＴＯＦ軸に沿った空間的広がりは分解能を制限する。この効果は、感度を大きく犠牲にした場合にのみ、コリメーションにより小さくすることができる；コリメーションスリットは引出電場が歪まないようにＴＯＦ軸から十分遠くに配置しなければならず、したがってかなり平行なビームをつくるためにはターゲットをコリメーションスリットから十分遠くに配置しなければならない；
（２）プルーム内のイオンの軸方向速度、すなわちイオン行路２７に沿う速度は、質量にほとんど依存せず、このことはエネルギーが質量依存であることを意味する。軸方向エネルギーはＴＯＦ型分析計への加速後の軌道の方向を決定するから、装置アクセプタンス（すなわちＴＯＦ型分析計によるアクセプタンス）は質量依存である；すなわち質量弁別がある。上述した先の論文に詳細に説明されているように、衝突冷却無しにＥＳＩイオンが注入された場合にも同じ効果が観察されている；及び
（３）軸方向エネルギー分布の幅は軸方向エネルギー自体の大きさと同等であり、よってビームはターゲットとＴＯＦ軸との間隔と同等の大きさまで軸に沿って広がる。蓄積領域から分析計にイオンを通過させる開口の大きさは明らかに、特にスリットがターゲットとＴＯＦ軸との間におかれていれば、一様な引出電場を維持するための大きさよりもはるかに小さくなければならない。このことは、感度をさらに下げる；
がある。
【００３４】
通常の軸方向配置、すなわち図示されている直交配置ではない配置における遅延引出ＭＡＬＤＩにおいては、アクセプタンスはほぼ完全であり、速度の最大広がりはＴＯＦ軸に沿うが、ＴＯＦ軸に対してターゲット面を十分正確に垂直におくことにより、タイムラグ集束（最適化された遅延及び印加電圧値による遅延引出）及びイオンミラーにおける静電集束（最適化されたリペラー電圧値）を併用して、場合によっては分解能を１０,０００より十分高くすることができる。
【００３５】
発明者等により行われた実験は、本発明による衝突冷却を用いなければ、直交注入を用いて上記に匹敵する分解能を許容できる信号とともに得ることはできないことを示唆している。さらに、遅延引出ＭＡＬＤＩのいくつかの欠点――最適引出条件の質量依存性及びより複雑な較正の必要性――が、軸方向注入より低いレベルではあるが、冷却無しの直交注入ＭＡＬＤＩには未だに存在する。
【００３６】
ＭＡＬＤＩターゲットと直交注入配置との間へのイオンの衝突冷却をともなうＲＦ四重極子あるいはその他の多重極子の導入は上記の問題を回避する一方で、付加的な利点を提供する。これらについては、残りの図面を参照して以下に詳述する。
【００３７】
イオンの径方向エネルギーを小さくすれば、イオンが蓄積領域に入る前のコリメーションにより生じる損失を大きく低減する、ほぼ平行なビームをつくることができる。このことにより、ＴＯＦ型分析計５０への入射開口をより大きくすることができ、損失をさらに低減できる。イオンの軸方向エネルギーを小さくし、次いでイオンを一様なエネルギーに再加速することにより、上述した質量弁別がなくなる。
【００３８】
冷却後のイオンの一様なエネルギー分布により、最適引出条件に関するいかなる質量依存性も取り除かれ、ＴＯＦと質量との間の簡単な２次関係を２つの較正用物質のピークによる較正を用いることできる。図３は、α−シアノ−４−ヒドロキシケイ皮酸マトリックス中の質量が７２６から５７３４ドルトンのいくつかのペプチド及びタンパク質の等モル混合物のスペクトルを示す。このスペクトルは１回ランでとられ、全質量範囲にわたり約５０００の一様な質量分解能（Ｍ／ΔＭＦＷＨＭ）を示す。Ｐ物質及びメリチンによる簡単な外部較正を用いることにより、分子イオンのそれぞれの質量は約３０ｐｐｍ以内の精度で決定される。ここで、様々な物質についてのピークについては、ピーク６０がロイシン−エンケファリン，ピーク６１がＰ物質、ピーク６２がメリチン，ピーク６３がＣＤ４，ピーク６４がＣＤ４のフラグメント２５〜２８，ピーク６４がインスリンと同定される。全てのピークが、全体スペクトル及び部分拡大スペクトルのいずれについても識別される。図３で実証される分解能はＥＳＩ源を用いた同じ装置で得られる分解能にかなり近い。本実施の形態においては、予備実験における調整をより容易にするために、入射オリフィスの直径はＥＳＩに通常用いられるより若干大きく、通常の直径が１／３ｍｍ程度であるのに対して１ｍｍとした。このことは必要不可欠であるとは思われず、したがってより小さなオリフィスを用いれば、分解能の向上が当然期待できる。１０,０００までの分解能が同じ装置でＥＳＩイオンを用いて得られ、以下に説明するＭＡＬＤＩ−ＱｑＴＯＦ型装置においても得られた。
【００３９】
質量にともなう分子イオンの相対強度の減少は、質量の増加にともなう検出効率の減少をある程度反映している。検出効率は、ある与えられたエネルギーにおける一価イオンに対して質量とともに減少する、速度に強く依存する。本実施の形態においては、一価イオンのエネルギーは（一般的なＭＡＬＤＩ実験における３０ｋｅＶに対して）約５ｋｅＶにすぎず、したがって検出効率は実用適用範囲を約６０００ドルトンより小さい範囲に制限する。図３の分子イオンピークの相対強度は５ｋＶ加速を用いて同じ試料を通常のＭＡＬＤＩ実験で分析したときに得られた相対強度と一致している。本実施の形態における検出効率は、イオンを分析計に向けて加速する電圧を上げるか、あるいは検出器にかける電圧を上げることにより、高めることができる。
【００４０】
上述したように、衝突冷却はイオンをイオンビーム軸に沿って広げ、１３Ｈｚの初期パルスビームを擬連続ビームに変える。この例が、レーザパルス照射後の時間の関数としてのカウントレート、すなわちイオン誘導器を通る走行時間の分布を示す図４で説明される。時間分布の幅は２０ｍｓ程度であり、それぞれのレーザパルス幅が約２ｎｓであるのに対して少なくとも１０７倍まで広げられた時間上の増加を表している。２０ｍｓ程度の時間分布をつくる必要はなく、例えば擬連続パルスの幅は０.１ｍｓと短くともよいことは当然である。軸方向分散は冷却無しの直交注入ＭＡＬＤＩの欠点であるが、本発明によれば、最適引出条件がレーザショット後の時間遅延に依存しないから、ＴＯＦ蓄積領域４８への多重注入パルスをレーザショット毎に用いることができる。本実施の形態においては、ＴＯＦ蓄積領域４８への２５６の注入パルスをレーザショット毎に用いた。次いで損失が、この場合は約２０％である、装置のデューティーサイクルから決定される。デューティーサイクルは、イオンを蓄積領域からＴＯＦ型分析計に注入できる時間の百分比であり；ここでは、ＴＯＦ蓄積領域４８がイオンの受け入れに利用できる時間の分率を事実上意味する。擬連続ビームは実際この動作モードにおいて有用である。１３Ｈｚの繰り返しレートのレーザショット毎にターゲットプローブからほぼ１０４から１０６個のイオンが放出されるが、ビーム軸すなわちイオン行路２７に沿う広がり（及び若干の損失）の結果として、注入パルス毎にほぼ２から５個のイオンが注入され、これはある特定の化学種について平均して１個より少ない。このことにより、高い時間分解能（０.５ｎｓ）と（デューティーサイクルの最大化に欠くことができない）高い繰り返しレートの併用を、通常のＭＡＬＤＩ実験に必要なトランジェントレコーダを用いる場合より技術的にはるかに簡単にする、ＴＤＣ（時間−デジタル変換器）による単イオン計数を用いることができる。さらに単イオン計数の使用は、強いマトリックスピークによる検出器のマスキングの問題並びに、信号の強いレーザ流束量依存性及びショット間変動依存性のために、通常のＭＡＬＤＩでは減衰を必要とするピーク飽和の問題を排除する。最後に、パルスの電子的なリダクション及び数値化が検出器におけるパルス形状の影響をほとんど受けないため、検出器及び増幅器の時間分解能に対する単イオン計数による要求は非常にささやかなものでしかない。
【００４１】
図４に、７０で示されるロイシン−エンケファリン、７２で示されるＰ物質、７４で示されるメリチン、及び７６で示されるインスリンについての、時間に対するカウントレートの４つのグラフが示されている。さらに、これらの物質のそれぞれについて、グラフすなわちスペクトル７１，７３，７５及び７７が挿入され、図３と同様の、通常のＴＯＦスペクトルを示している。
【００４２】
レーザショット毎に１０４個の単一分子イオン種のイオンが生成されると仮定すれば、ＲＦ四重極子の輸送効率は１０％程度である。デューティーサイクルを考慮すると、ターゲットで生成されたイオンの内約２％が質量分析計で検出される。このことは、輸送効率がおそらく５０％以上である通常の軸方向ＭＡＬＤＩ実験に比較してかなりの損失があることを表す。しかしデータレートの観点からは、この損失はより高い繰り返しレート及びより大きいレーザ流束量によりかなりの程度まで補償することができる。上記の実験において繰り返しレートは１３Ｈｚであったが、現在のレーザを用いて容易に２０Ｈｚまで高めることができ、また原理的には計数システムが飽和するまでに少なくとも１００Ｈｚまで高めることができる。対照的に通常のＭＡＬＤＩ実験は約１または２Ｈｚで行われる。通常のＭＡＬＤＩ実験におけるレーザ流束量は最良性能を達成するために閾値近くに保たれなければならず、閾値はアナログ−デジタル変換器をもつ通常のトランジェントレコード方式を用いるに有効な信号をつくるために試料を蒸気化させるに必要な最小エネルギーである。本発明においては、レーザ゛流束量はイオン生成過程が飽和する流束量まで高めることができる。四重極子はレーザにより生成されたイオンバーストを平滑化するようにはたらくから、短く強いイオンバーストを受け入れることができる。絶対感度の観点からは、スペクトルがレーザ条件に依存しない（以下参照）ことによりターゲットに被着された試料を、より高い効率で使用できる。閾値より数倍高い流束量を用いることにより、マトリックスがターゲットプローブから完全に除去されるまでイオンが生成される。図５はＰ物質で得られる実用感度が通常のＭＡＬＤＩで得られる実用感度と同じレベルにあることを示す。４ＨＣＣＡをマトリックスに用いて５フェムトモルのＰ物質をターゲットに塗布した。スペクトルの左側は８０で示され、右側は４４倍に拡大されて示され８１と表示される。このスペクトルの一部は拡大されて８２で示されて、分子イオン（ＭＨ＋）を示す。
【００４３】
図６はシトラートシンターゼのトリプシン消化から得られたスペクトル８５を示し、全質量範囲にわたる一様な質量分解能をやはり示している；挿入図８６はターゲットに塗布された２０フェムトモルから得られたスペクトルを示す。
【００４４】
これらの結果は、ペプチドに関する本発明の能力が通常のＭＡＬＤＩ実験と同等であること、ただし、質量に依存しない較正及び簡単な較正手順という利点をもつことを示している。しかし、最も重要な利点はイオン生成を質量測定からほぼ完全に分離することから生じている。通常のＭＡＬＤＩ実験においては、性能の最適化のためにターゲット上のレーザスポットの位置並びにレーザの流束量及び位置が慎重に選ばれなければならず、これらの条件は一般にマトリックスが異なれば異なるし、ターゲット作成法が異なってさえも異なる。この状況は遅延引出の導入により改善されたが、遅延引出が導入されていてさえ、市販の装置の多くにはレーザ流束量、検出器利得及びレーザ位置を調節し、飽和が生じるショットを排除するためのソフトウエアが組み込まれている。本発明には、上記の技法のいずれも必要ではない。得られた性能はターゲット条件またはレーザ条件への依存性がないことを示している。レーザは単に最大流束量（通常の閾値の数倍）に設定されて、ターゲットがまだ使用されていない位置に時折動かされてもそのままにされる。このことは、（絶縁性ターゲットを含む）別のターゲットを容易に試験することができ、波長またはパルス幅が異なる別のレーザを使用できることを意味する。
【００４５】
イオン生成の質量測定からの分離により、放出後質量分析までの間にイオンを様々に操作する機会も与えられる。その一例は親イオンの選択及びこれに引き続くフラグメンテーション（ＭＳ／ＭＳ）である。これは以下に説明されるように四重極子型マスフィルタの付加により最も適切に行われるが、図２の実施の形態でさえある程度の選択及びフラグメンテーションは可能である。
【００４６】
図８のＡ，Ｂ及びＣは、図２に示した装置の相異なる３つの動作モードを示す。電位レベルと装置のそれぞれの素子との間の対応を示すために、図２の参照数字がｚ軸に沿って与えられ、四重極子部３１，３２への電圧はそれぞれＵ１(ｔ)及びＵ２(ｔ)で示される（図２の該当部分が簡略に示される図７を参照されたい）。
【００４７】
図８のＡは、図４〜６に示した結果を得るのに用いられた単純な衝突イオン誘導モードを示す。この場合はそれぞれの四重極子部に同振幅のＲＦ電圧が印加され、ＤＣオフセット電圧は印加されない。軸方向の電位差はＣＩＤによるフラグメンテーションを最小限に抑えるために小さくしておかれる。
【００４８】
図８のＢは、通常の四重極子型マスフィルタで実施される同じフィルタモードと類似の、マスフィルタモードを示す。ここでは注目するイオンを選択するために第１の四重極子部にＤＣオフセット電圧Ｖが印加され、一方第２の四重極子部は、２つの四重極子部間の電位差が小さいからＣＩＤがおこらず、よって上と同じく普通のイオン誘導器としてはたらく。第２の四重極子部３２に印加される電圧振幅は第１の四重極子部３１に印加される電圧振幅の１／３にすぎない。
【００４９】
図８のＣは、四重極子部３１と３２との間の電位差が図７のＢの電位差より高く、よってイオンが四重極子部３１と３２との間で加速され、高運動エネルギーをもって第２の四重極子部へ入ることが図７のＢのモードと異なる、ＭＳ／ＭＳモードであり、付加されるエネルギーがΔ衝突エネルギーとして示される。この場合、第２の四重極子部は衝突セルとしてはたらき、親イオンはそこで緩衝ガスとの衝突により分解される（ＣＩＤ）。図７のＢの場合と同じく、第２の四重極子のＲＦ電圧振幅は第１の四重極子部のＲＦ電圧振幅の１／３にすぎず、このため、親イオンよりかなり軽い娘イオンが安定な軌道をとることができて、第２の四重極子を通して輸送されることができる。
【００５０】
図９のＡ〜Ｄは図８のＡ〜Ｃで説明した様々なモードで得られたスペクトルの例を示し、特に、可能なビーム操作の例を与える。スペクトルは全て同じ初期試料からとった。
【００５１】
図９のＡは（図８のＡのモードの）衝突集束イオン誘導器でイオンが冷却された質量スペクトルである。
【００５２】
図９のＢは、注目するイオンが第１の四重極子部で選択されて第２の四重極子部で冷却された（図８のＢのモードの）例である。注目するイオンが選択されると、組成及び構造に関する詳細な情報を得るためのＣＩＤによるフラグメンテーションに、選択されたイオンを用いることができる。
【００５３】
図９のＣは、そのようにして得られたＰ物質のＭＳ／ＭＳスペクトルである。Ｐ物質の分子イオンが（図８のＣのモードにより）第１の四重極子部で選択されて第２の四重極子部で衝突によりフラグメント化される。第１と第２の四重極子間の電位差、すなわちΔ衝突エネルギーは１００Ｖとした。フラグメントイオンの強度は一次イオンの強度に比して小さく、よって一点鎖線の内側の領域は５６倍に拡大してある。図９のＤは、同じモードであるが、四重極子３１，３２間の電位差を１５０Ｖとして得られたスペクトルを示す。この場合、より多くのフラグメントイオンが観測され、親イオンのピークは実質的に衰微している。
【００５４】
図１０は、ＭＡＬＤＩターゲット上の同じスポットから信号がどの程度の時間続き得るかを示す。本実験においては、ある与えられたスポットを、１３Ｈｚで作動しているレーザからの一連のショットにより照射した。レーザ強度は“閾値”強度の２または３倍とした。平均して試料は約１分間もった。曲線の形状は、試料が消耗するまで、レーザショットが試料を深くまた深く掘り進むことを示唆している。レーザが金属基板を照射する時点で、信号が観測されなくなる。
【００５５】
以前は、エレクトロスプレイイオン化（ＥＳＩ）のような連続イオン源と、ＭＡＬＤＩのようなパルスイオン源を同じ装置で併用するることは不可能であったが、両者の併用には重要な利点がある。発明者等の知るところでは、これまでに唯一成功したＥＳＩ−ＴＯＦ型装置は（本発明者等，ドドノフ(Dodonov)による、今ではパーセプティブ(PerSeptive)社等による市販装置である）直交注入分析計であったことから、エイ・エヌ・クルチンスキー，アイ・ブイ・チェルヌシェビッチ，ブイ・エル・スパイサー，ケイ・ジー・スタンディング：“ジャーナル・オブ・ジ・アメリカン・ソサエティー・フォー・マススペクトロメトリー”誌，第９巻（１９９８年），５６９〜５７９ページに詳述されているように、衝突制動が状況を改善するが、衝突制動をもつにせよもたないにせよ、ＥＳＩ−ＴＯＦには直交注入が必要であるように思われる。今までは、ＭＡＬＤＩを直交注入装置に装着しようとする試みは衝突制動をともなっていなかった（例えば、本発明者等及びギルハウス(Guilhaus)社によってなされ、いずれも得られた結果には見込みが無かった）。本発明は２つのそのようなイオン源を１台の装置で利用できるようにする。この場合には、本装置でＥＳＩスペクトルの測定を可能にするために、図２のＭＡＬＤＩプローブ１１をＥＳＩ源で置き換えることができる。すなわち本装置は、“ラピッドコミュニケーションズ・イン・マススペクトロメトリー”誌，第１２巻（１９９８年），５０８〜５１８ページの、エイ・エヌ・クルチンスキー，エイ・ブイ・ロボダ(A. V. Loboda)，ブイ・エル・スパイサー，アール・ドワルスチャック(R. Dworschak)，ダブリュー・エンス，ケイ・ジー・スタンディングの論文に説明された装置と本質的に同じである。上記の変更は、実際に１つのイオン源を取り外して別のイオン源で置き換えることにより行えることはもちろんであるが、多くのより便利な構成を与えることができる。
【００５６】
例えば図１１は、エレクトロスプレイイオン源９４が、四重極子、あるいはその他の多重極子のロッドセット９３を含む、衝突制動インターフェース９２の入力部に取りつけられた別の実施の形態を示す。ＭＡＬＤＩイオン源９４は、側面から挿入されて、内外に移動させ得るプローブ９５で導入される；この目的のため、衝突インターフェース９２のハウジングにシャフト端９６がスライドでき、気密封止できるようにはめ込まれる。ＭＡＬＤＩイオン源９４は、この場合には試料が円筒プローブの末端面の代わりに、プローブシャフト９５の側面に機械加工された平坦面に被着されることを除いて、図２に示したＭＡＬＤＩイオン源と同様である。試料は全体として９７で示される、付帯光学系をもつレーザにより照射され、イオンが９８で示される分析計に輸送される。ＥＳＩ源が作動しているときは、シャフト９６がＥＳＩイオンの行路を開けるために十分離れたところまで引き出される。ＭＡＬＤＩイオン源９４が作動しているときは、ＭＡＬＤＩターゲット９４が中心位置になるようにシャフト９６が押し戻される。
【００５７】
現在、ＭＡＬＤＩ及びＥＳＩ法は生化学的分析の相補的な方法と考えられることが多いので、多くの生化学または薬学研究室は２台の装置を使用している。明らかに、上述した実施の形態のように、両方のイオン源を１台の装置に複合することには大きな利点がある。特に、複合装置のコストは２台の個別の装置のコストの１／２よりやや高くなる程度でしかないと思われる。さらに、イオン生成が質量測定から大きく分離されているから、イオンの操作、検出及び質量較正に同じ手順を用いることができる。このことにより、個々のスペクトルの分析及び処理並びに比較が簡単になる。
【００５８】
単一装置でＭＡＬＤＩ及びＥＳＩ源を用いる能力は図１に示した分析計に限られることはなく、衝突制動インターフェースをもつどのような質量分析計にも適用できる。特に上で論じられ、以下でさらに詳細に説明される、ＱｑＴＯＦ型装置に適用できる
本発明の特定の実施の形態を説明したが、本発明の範囲内で多くの変形が可能であることは当然であろう。すなわち、装置は図１に示したようにただ１つの多重極子ロッドセットを含んでいても、あるいは図２に示したように２つのロッドセットを含んでいてもよい。四重極子ロッドセットが好ましいが、六重極子または八重極子のようなその他のロッドセットであってもよく、ロッドセットは様々なロッドセットの既知の特性に基づいて選ぶことができる。さらに、３つ以上のロッドセットを備えることもできる。さらにまた、図２は共通のチャンバ内に備えられた２つのロッドセット３１及び３２を示しているが、ロッドセットは、異なる動作を行えるようにするため、異なる圧力で作動する別々のチャンバに、既知の方法で、備えることもできる。すなわち、通常の質量選択を行うために、イオンと制動ガスとの間の衝突運動が少ししかあるいは全くおこらないように、一方のチャンバを非常に低い圧力で作動させることができる。さらに、ガス圧をそれぞれのチャンバ間で変えて、過剰な衝突は望ましくない衝突誘起フラグメンテーションとは対照的に、比較的大量の衝突が望ましい衝突制動のための必要条件に合わせることができる。
【００５９】
ここで図１２を参照する。わかりやすく簡潔にするため、図２の装置すなわち分析計と共通の部品には同じ参照数字が与えられ、これらの部品の説明は繰り返されない。
【００６０】
本図では、ＭＡＬＤＩターゲットが１００で示され、１０２で示されるイオンビームを生成する。ＭＡＬＤＩターゲット１００は、１０６に示されるように既知の方法でポンプに接続された、差動排気チャンバ１０４内に置かれる。第１のロッドセットＱ０がチャンバ１０４内に置かれる。開口及びロッドセット間開口板１０８が主チャンバ１１０への通路を与える。上と同じく、既知の方法によるポンプ接続が１１２に与えられる。
【００６１】
主チャンバ１１０内には、ビームのコリメーションのために設けられた、時に“スタッビー”と称される、短いロッドセット１１１がある。チャンバ１１０内の第１の四重極子ロッドセットがＱ１で、また第２のロッドセットがＱ２で示される。
【００６２】
ロッドセットＱ２は、１１６で示される、衝突ガス用の接続を備えた衝突セル１１４内に置かれる。
【００６３】
衝突セル１１４を出ると、イオンはグリッド、次いで開口を通過して、上と同じく５０で示される、ＴＯＦ型装置の蓄積領域４８に入る。この場合、ＴＯＦ型装置５０には飛行領域のまわりにライナー１１８が設けられる。
【００６４】
ここで、差動排気チャンバ１０４の圧力は約１０−２Ｔｏｒｒ（約１.３３Ｐａ）に維持される。主チャンバ１１０の圧力は約１０−５Ｔｏｒｒ（約１.３３×１０−３Ｐａ）に維持され、一方衝突セル１１４の圧力は約１０−２Ｔｏｒｒ（約１.３３Ｐａ）に維持される。衝突セル１１４の圧力は、既知の方法で、接続１１６を介した衝突セル１１４への窒素の供給を制御することにより制御できる。
【００６５】
ここで、ＭＡＬＤＩターゲット１００から生成するイオンの衝突制動は差動排気チャンバ１０４内の比較的高い圧力により達成される。イオンは次いで所望のイオンを質量選択するように作動し得る四重極子ロッドセットＱ１に渡される。
【００６６】
質量選択されたイオンは次いで衝突セル１１４及びロッドセットＱ２に渡される。電位は、イオンが衝突誘起解離を生じさせるに十分なエネルギーをもってロッドセットＱ２に入るように与えられる。ここでのＣＩＤにより生成されたフラグメントイオンは次いで分析のためにＴＯＦ型装置に渡される。
【００６７】
ＭＡＬＤＩ−ＱｑＴＯＦ型装置で得られた代表的なスペクトルが図１３に示される。図１３のａに示されるスペクトルはＱ１を広帯域モードで作動させて得られたため、ＭＡＬＤＩイオン源で生成されたイオンは全てＴＯＦ型質量分析器に送られた。図１３のａの３つのピーク（１２１，１２２，１２３）はそれぞれロイシン−エンケファリン、Ｐ物質及びメリチンに対応する。Ｑ１を選択モードで作動させると、図１３のｂに示されるスペクトルが見られる。この場合Ｑ１は、ｍ／ｚが約１３４７.７にあるＰ物質のイオン（ピーク１２２）のみを選択するように設定した。Ｑ１の条件がほかのイオンの通過を防いだため、質量スペクトルには他のピークあるいはバックグラウンドが全く見られないことに注意されたい。図１３のｃは、Ｐ物質（ピーク１２２）の選択及びＰ物質イオンの衝突誘起解離の結果を示す。この場合、Ｑ１は図１３のｂの場合と同じく選択モードに設定したが、ＣＩＤを促進するためにＱ０とＱ２との間の電位差を大きくした。低質量側の領域に見られるピークはＰ物質イオンのフラグメントである。
【００６８】
次に図１４を参照する。上と同じく、同じ部品には図１２及び２と同じ参照数字が与えられている。
【００６９】
図１４においては、ＭＡＬＤＩ源が１３０で示され、イオンビームが１３２で示されている。ここでは、ＭＡＬＤＩ源１３０とロッドセットＱ０との間にサンプリングコーン１３４を配置した。サンプリングコーン１３４は差動排気領域を第１の差動排気領域１３６と第２の差動排気領域１３８に実効的に分離する。差動排気領域１３６，１３８にはポンプへのそれぞれの接続１３７及び１３９が設けられている。
【００７０】
上述と同様に、ここでは１４２で示されるチャンバに、短いロッドセットすなわちスタッビー１４０がロッドセットＱ１とともに設けられる。
【００７１】
図１４に示した別構成の衝突制動機構をＭＡＬＤＩ−ＱｑＴＯＦ型装置に組み込んだが、この構成は先に説明し、図２に示した、より単純な構成のような、いかなる構成の衝突ＲＦイオン誘導器にも用いることができる。図１４の構成においては、ＲＦ電場がほとんど全く存在しない第１の領域すなわちチャンバ１３６で、ある程度の衝突制動が達成される。図２と同様に、窒素がチャンバ１３６に供給され、また図１２のチャンバ１０４にも供給される。後から示された図１２及び１４には窒素の接続が示されていないが、窒素は図２と同じようにして供給される。第１の差動排気領域すなわちチャンバ１３６は一般に第２の差動排気領域すなわちチャンバ１３８より圧力が高く、イオンはＤＣ電場とガス流の組み合わせにより、Ｑ０の入口に向けて引きずられる。圧力がより高くなっているにも関わらず、スペクトルに有意な変化は見られなかった。この構成における信号強度は、サンプリングコーンの開口径を１ｍｍより大きくすれば、図１２に示した構成の信号強度と実質的に同じであった。開口径が１ｍｍより小さい場合には、おそらく開口の大きさがイオンビーム径より小さくなるために、信号強度が低下する。
【００７２】
図１５はＭＡＬＤＩにより生成された信号の強度に対する圧力及び電場の効果を調べるために用いた装置を示す。ＭＡＬＤＩイオンはＵＶレーザのパルスビーム１５２によりターゲット１５０で生成される。レーザビーム１５２は、上述した分析計構成と同様にレンズ１５４及び窓１５６を通過する。窓１５６は既知の方法で内部圧力を変えることができるチャンバ１５８に設けられる（ポンプへの接続等は図示されていない）。ターゲット１５０とコレクタ電極１６２との間の電位差Ｕは電源１６０により与えられる。
【００７３】
すなわち、ターゲット１５０で生成されたイオンは１６４で示されているようにコレクタ電極１６２に進む。ほぼ均一な電場がターゲット１５０とコレクタ電極１６２との間の領域に確立される。この電場は印加電位差Ｕに比例する。ターゲットとコレクタとの間隔は約３ｍｍとした。レーザを２０Ｈｚで作動させ、増幅器１６６を用いて全イオン電流を測定した。
【００７４】
図１６は、チャンバ１５８の様々な内部圧力においてＭＡＬＤＩにより生成された全イオン電流の依存性を、図１５に示したターゲット１５０とコレクタ電極１６２との間に印加された電圧の関数として示す。明らかに、イオン収率が圧力の増加にともなって減少し、１４Ｔｏｒｒ（約１.８７×１０３Ｐａ）と４７Ｔｏｒｒ（約６.２７×１０３Ｐａ）の間で収率がかなり低下する。しかし、収率の低下は電場強度を高めることで埋め合わせることができる。
【００７５】
図１６に示した結果は、ＭＡＬＤＩ法を所望のいかなる圧力においても、ＲＦ衝突多重極子を使用できる範囲ではない圧力であってさえ、使用できることを示す。試料ターゲット近くの無ＲＦ電場領域で、少なくともある程度はイオンの衝突制動を達成できる。発明者等は、同様の圧力及び電場依存性をいくつかの他のパルスイオン源でもみることができ、これらのイオン化法もより高圧における衝突制動とともに用いることができると信じている。
【図面の簡単な説明】
【図１】  質量分析計システムのブロック図を示す
【図２】  本発明に従う衝突制動インターフェース（四重極子イオン誘導器）を通して分析計にＭＡＬＤＩイオンを直交注入するＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ型質量分析計を示す略図である
【図３】  図２の分析計で得られた、いくつかのペプチド及びタンパク質（ロイシン−エンケファリン−アルギニン(Le-R)，Ｐ物質(Sub P)，メリチン(ME)，ＣＤ４のフラグメント２５〜２８(CD4)，及びインスリン(INS)）の混合物の質量スペクトルを示す
【図４】  様々なイオンのインターフェース通過時間のプロットを示す
【図５】  Ｐ物質の質量スペクトルを示す
【図６】  シトラートシンターゼのトリプシン消化の質量スペクトルを示す
【図７】  衝突インターフェース及び印加電圧を示す、図２の分析計の一部の略図である
【図８】  図２の質量分析計の様々な動作モードを示す
【図９】  図８に従う様々な動作モードで記録された、Ｐ物質から得られた質量スペクトルである
【図１０】  単一のターゲットスポットからのイオン電流の時間の関数としての振る舞いを示す
【図１１】  質量分析計のためのＥＳＩ源及びＭＡＬＤＩ源の併用の概要を示す
【図１２】  衝突制動インターフェースと飛行時間型質量分析計との間に付加された追加イオン操作ステージを含む衝突制動インターフェースを利用するＭＡＬＤＩ−ＱｑＴＯＦ型質量分析計を示す
【図１３】  図１２のＭＡＬＤＩ−ＱｑＴＯＦ型質量分析計で得られた、単ＭＳモード及びＭＳ／ＭＳモードにおける質量スペクトルを示す
【図１４】  ＲＦ電場のない領域でイオン速度がある程度制動される、図１２のＭＡＬＤＩ−ＱｑＴＯＦ型質量分析計の別の衝突制動機構を示す
【図１５】  ＭＡＬＤＩイオン電流に対する圧力及び電場強度の効果を調べるために用いた実験装置を示す
【図１６】  様々なチャンバ内圧力の下で印加された電圧差の関数としての、図１４のＭＡＬＤＩ源により生成された全イオン電流を示すグラフである
【符号の説明】
１０    ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ型質量分析計
１４    パルスレーザ
１５    ＭＡＬＤＩターゲット
３０    真空チャンバ
３１，３２    四重極子
５０    ＴＯＦ型分析計
５４    イオンミラー
５６    検出器
５８    主ＴＯＦチャンバ
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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