(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプルからイオンを生成するためのイオン化装置と、
アキュムレータセクションが付随した質量フィルタであって、イオンを分離する当該質量フィルタのフィルタリングセクションとともに前記アキュムレータセクションが前記フィルタリングセクションの出力側に共通のロッドにより一体になるようにシャーシに固定されることにより、前記フィルタリングセクションにより分離されたイオンを当該質量フィルタから放出する前に前記アキュムレータセクションが蓄積する配置をなすように当該質量フィルタに統合されている、質量フィルタと、
前記質量フィルタから放出されたイオンを検出するよう構成されたイオン検出器とを有する質量分析装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記質量フィルタは四重極アレイを含み、前記アキュムレータセクションはイオントラップアレイを含む、質量分析装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記イオントラップアレイは、円筒型イオントラップアレイを含む、質量分析装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記円筒型イオントラップアレイは、上部エンドキャッププレートと、リング電極プレートと、下部エンドキャッププレートとを含む、質量分析装置。
【請求項５】
請求項２において、
前記四重極アレイの複数のロッドが、前記イオントラップアレイの複数のリング電極として機能する、質量分析装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかにおいて、
前記イオン化装置と、前記質量フィルタと、前記イオン検出器とを一体にするよう構成された筐体をさらに有する、質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型で、高度に集約された質量分析装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
国際特許公報ＷＯ２０１４／１５００５０には、ハイブリッド質量分析計の設計と構造、および質量分析計の操作方法が開示されている。ハイブリッド質量分析計は、イオン源と、質量選択部と、第１の端を通じて質量選択部からイオンを受けとる長尺化された衝突室（コリジョンセル）とを有する。衝突室に接続された制御装置は、蓄積されたイオンを衝突室の第１の端から第１の質量分析装置（例えば、静電イオントラップ）へと、または衝突室の第２の端から第２の質量分析装置（例えば、二次元四重極イオントラップ）へと選択的に開放するためのロジックでプログラムされている。第１および第２の質量分析装置はともに、イオン源から衝突室に伸びるイオンの通り道の外側に配置され、一方または両方の質量分析装置により質量スペクトルが獲得されるのと同時にイオンが衝突室に運ばれ蓄積される。
【発明の概要】
【０００３】
本技術分野に関する従来の方法では、選択性を高める目的のために、分析ステージを並列化または連続化（ハイフネーション）することが一般的である。これは、しばしば感度を犠牲にしてしまう。それぞれの分析ステージは通常独立型の装置であり、その他の分析ステージと直列にアセンブルされ、網羅的分解能を増強するための２Ｄおよび３Ｄの分離を提供する。さらに、多重の分析ステージが連続して組み合わされたシステムは、サイズが大きく現場では利用しにくい。
【０００４】
こうしたことから、現場での利用やその他の利用のために、高い感度と選択性を有する小型の質量分析装置が求められている。
【０００５】
本発明の一態様は、試料（サンプル）からイオンを生成するイオン化装置（イオナイザー）と、アキュムレータセクションが付随した質量フィルタ（マスフィルタ）であって、アキュムレータセクションは当該質量フィルタに統合され、分離されたイオンを当該質量フィルタから放出する前にアキュムレータセクションが蓄積する質量フィルタと、質量フィルタから放出されたイオンを検出するよう構成されたイオン検出器とを備える質量分析装置（マスアナライザー）である。この質量分析装置において、空間的および時間的イオンアキュムレータが質量フィルタにビルトインされている（組み込まれている）ことにより、優れた感度と選択性に加えて、柔軟な操作性が得られる。
【０００６】
質量フィルタは、四重極アレイを含んでもよい。アキュムレータセクションはイオントラップアレイを含んでもよい。イオントラップアレイは、円筒型のイオントラップアレイを含んでもよい。円筒型のイオントラップアレイは、上部エンドキャッププレートと、リング電極プレートと、下部エンドキャッププレートとを含んでもよい。四重極アレイの電極は、イオントラップアレイの複数のリング電極として機能してもよい。
【０００７】
質量分析装置は、２つのモードで質量分析装置を制御するよう構成されたモジュールをさらに備えてもよい。２つのモードの内の第１のモードは、分離された（フィルタを通過した）イオンを、質量フィルタから放出される前に、アキュムレータセクションを経由して蓄積せずに放出し、２つのモードの内の第２のモードは、分離されたイオンを、質量フィルタから放出される前に、アキュムレータセクションにおいて蓄積する。
【０００８】
さらに、質量分析装置は、質量フィルタに供給される電場または磁場と同じ電場または磁場をアキュムレータセクションに供給するよう構成されたモジュールを備えてもよい。さらに、質量分析装置は、質量フィルタに供給される電場または磁場と異なる電場または磁場をアキュムレータセクションに供給するように構成されたモジュールを含んでいてもよい。質量フィルタの四重極アレイと、アキュムレータセクションのイオントラップアレイは、同じまたは異なる高周波（ＲＦ）数と電圧とにより動作してもよい。
【０００９】
さらに質量分析装置は、イオン化装置、質量フィルタおよびイオン検出器を一体化するよう構成された筐体（シャシー）を含んでもよい。質量分析装置は、イオン化装置、質量フィルタ、およびイオン検出器のいずれかを組み合わせるように構成されたモジュール化部品をさらに含んでもよい。モジュール化部品は、組み立てる際に交換してもよい。モジュール化部品は、ファラデー検出器、電子増倍管（ＥＭ管）、マイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）、ＣＣＤ、および光電子増倍管（ＰＭＴ）などの検出器の収容部であってもよい。典型的なイオン検出器は、ファラデー検出器であってもよい。
【００１０】
本発明の異なる態様は、上記の質量分析装置と、質量分析装置からの出力を用いるように構成されたモジュールとを有するシステムである。モジュールは、質量分析装置により検出されたサンプルに関連する情報を出力するよう構成された出力ユニットを含んでもよい。システムおよび／または質量分析装置は、リアルタイムのモニタリングが必要な産業（半導体チップ製造、真空コーティング、創薬、石油化学など）用のツールに組み込まれてもよく、インラインのアプリケーションの幾つかにより制御されてもよい。
【００１１】
本発明のさらに異なる他の態様は、質量分析装置を制御することを含む方法である。質量分析装置は、サンプルからイオンを生成するためのイオン化装置と、アキュムレータセクションが付随し、統合された（一体になった）質量フィルタと、質量フィルタから放出されたイオンを検出するためのイオン検出器と、質量フィルタとアキュムレータセクションに供給される電場および／または磁場を制御するよう構成された制御装置（コントローラ）とを含む。質量分析装置を制御することは、コントローラを用いて、分離されたイオンを、質量フィルタから排出する前に、アキュムレータセクションに蓄積するステップを含む。
【００１２】
質量分析装置を制御することは、コントローラを用いて、分離されたイオンを、質量フィルタから排出する前に、アキュムレータセクションを経由して、蓄積せずに、放出するステップをさらに含んでもよい。
【００１３】
質量分析装置を制御することは、コントローラを用いて、質量フィルタに供給（印加）される電場または磁場と同じ電場または磁場をアキュムレータセクションに供給するステップをさらに含んでもよい。質量分析装置を制御することは、コントローラを用いて、質量フィルタに供給される電場または磁場とは異なる電場または磁場をアキュムレータに供給するステップをさらに含んでもよい。
【００１４】
この方法は、以下の２ステップをさらに含んでもよい。（ｉ）放出することを含む第１のモードにより、質量分析装置を用いて、所定の質量電荷比（ｍ／ｚ）のセットの第１のスキャンを実行することと、（ｉｉ）蓄積することを含む第２のモードにより、質量分析装置を用いて、上記の質量電荷比のセットの第２のスキャンを実行すること。
【００１５】
本発明のさらに異なる他の態様は、質量分析装置を含むシステムを操作するコンピュータのためのコンピュータプログラム（プログラム製品）である。質量分析装置は、サンプルからイオンを生成するためのイオン化装置と、アキュムレータセクションが付随し、統合（一体化）された質量フィルタと、質量フィルタから放出されたイオンを検出するためのイオン検出器とを含む。コンピュータプログラムは、以下のステップを実行可能なコードを含む。（ｉ）質量分析装置を用いて、分離されたイオンを質量分析装置から放出する前に、アキュムレータセクションを通して、蓄積せずに放出することを含む第１のモードによる、所定の質量電荷比のセットの第１のスキャン、（ｉｉ）質量分析装置を用いて、分離されたイオンを質量分析装置から放出する前にアキュムレータセクションに蓄積することを含む第２のモードによる、上記の質量電荷比のセットの第２のスキャン。上記のシステムの操作、検出、および分析プロセスを制御するためのプログラム（プログラム製品、ソフトウェア）を記録した非一過性のコンピュータ可読記憶媒体も本発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
本願での実施例は、図を参照するとともに、以下の詳細説明からより理解されるであろう。
【図１】図１は、先行技術としての従来型の質量分析装置の１例を示す。
【図２】図２は、本発明による質量分析装置（マスアナライザー）の一実施形態を示す。
【図３】図３は、図２に示した質量分析装置のイオントラップアレイの構成を示す。
【図４】図４（ａ）は、図３に示したイオントラップアレイの上面図であり、図４（ｂ）は、イオントラップアレイの概略構成を示し、図４（ｃ）は、イオントラップアレイからイオントラップを抜き出し、その概略構成を示す図。
【図５】図５は、図２に示した質量分析装置を使用した測定プロセスを示すフローチャート。
【図６】図６は、本発明による質量分析装置の異なる実施形態を示す。
【図７】図７は、本発明による質量分析装置のさらに異なる実施形態を示す。
【図８】図８は、図７に示した質量分析装置のイオントラップの構成を示す。
【図９】図９（ａ）は、図８に示されたイオントラップアレイの上面図であり、図９（ｂ）は、イオントラップアレイの概略構成を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１に、従来例の装置を示す。図１に示した装置は、小型の質量分析装置（質量分析計）９０であり、小型の四重極形タイプの質量フィルタ（質量分離装置、マスフィルタ）９５を含み、ガラス製シャシ１２に保持された状態で複数のロッド３３が配置されている。マスフィルタ９５は多重化された四重極アレイを備え、これらが並列に動作し、小型化により生ずるシグナルの損失をそれぞれ回復させる。典型的な質量分析装置９０は、恒久的にアセンブルされた従来型の二重フィラメント２１をベースとした電子衝撃イオナイザー（イオン化装置）２０と、静電レンズ（ソーススリット）２５と、マスフィルタ９５と、イオン収集装置５０と、電気的接続のためのピン２５と、これらを１つの装置または一体に収容するためのセンサーハウジング１８とを装備している。ハウジング１８の典型的なサイズは、直径約１−２ｃｍ、長さ約２−５ｃｍである。質量分析装置９０は、サンプルガス２９を供給するための吸気口１９ａと、真空ポンプ（図示されていない）によりチャンバ１９を真空にするための排気口１９ｂとを有する小型チャンバ１９、パイプまたは容器に挿入または取り付け可能である。質量分析装置９０では、サンプルガス（試料ガス）の分子が、イオン化装置２０のフィラメント２１から放射される電子２２によりイオン化される。イオン２７は、静電レンズを介して四重極マスフィルタ９５に導入され、マスフィルタ９５は、マトリックス状のパターンで配置された、例えば、ロッド３３の４×４アレイを含む。マスフィルタ９５で分離されたイオンは、例えばファラデーイオン収集装置５０といったイオン収集装置に到達し、イオン電流として検出される。
【００１８】
ファラデーイオン収集装置の代わりに、イオン収集装置５０として、電子増倍管（ＥＭ）および／またはマイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）の使用が、感度を増強するために検討される。表面の層（フィラメントの場合では活性要素、電子倍増管の場合では抵抗性のコーティング）の劣化により、フィラメントおよび電子倍増管は耐用期間に制限があり、このため低コストで長期の信頼性の確立が課題となっている。
【００１９】
実際に、寸法を縮小すると、（ｉ）イオン化装置において空間電荷が制限されること、（ｉｉ）イオン受領エリアが小さくなること、および（ｉｉｉ）複数の電極のアラインメントの正確性を個別に維持することが難しいことにより、感度と選択性とが犠牲にされる。電極のアラインメントは、最大の分解能を得るための元来の四重極電場を生成するために非常に重要である。
【００２０】
以下において、本発明に係る、現場での使用に適した小型で高度に集約（集積）化されたハイブリッド質量分析装置（混在型質量分析装置）の例が実施形態として開示される。本発明は、パフォーマンスを強化するとともに、長時間にわたる現場でのオペレーションのための堅牢制（ロバスト性）および信頼性を提供する今までにないアプローチを示す。本発明の装置と方法は、空間的および時間的なイオンの蓄積（トラッピング）を質量分析装置のマスフィルタに組み込んで（ビルトインするとともに）結合し、優れた感度と選択性とともに、柔軟性のある操作モードを提供する。
【００２１】
以下における実施形態と様々な特徴、およびそれについての有益な詳細は、添付の図、および記述を参照して示される、限定することを意図するものではない実施形態を参照することにより、より詳しく説明される。以下における実施形態を不必要に分かりにくくしないために、周知の構成要素と処理技術に関する記述は割愛される。以下において用いられる例は、以下における実施形態が用いられる状態の理解を容易にするとともに、当業者が実施形態を実施可能にさせることを意図している。したがって、それらの例は、以下の実施形態の範囲を制限するように解釈されるべきではない。
【００２２】
図２は、質量分析装置１０と、質量分析装置１０およびコントローラ６０を含むシステム１の好ましい実施形態を示し、コントローラ６０はアプリケーションに要求される様々な測定を実行するために質量分析装置１０を制御する。システム１は、特定のまたは様々な目的を達成するための機器または装置であってもよい。質量分析装置１０は、小型化された四重極タイプの質量分析計（マスセンサ）であり、サンプルガス２９からイオン２７を生成するためのイオン化装置２０と、アキュムレータセクション（アキュムレータ区画、アキュムレータ部）３２が付随した質量フィルタ（質量分離装置、マスフィルタ）３０と、マスフィルタ３０から放出（排出）されたイオンを検出するよう構成されたイオン検出器５０とを含む。アキュムレータセクション３２はマスフィルタ３０に統合（集積化、集約化）されており、分離された（フィルタリングされた）イオン２７を、マスフィルタ３０から検出器（イオン収集器）５０に放出する前に、蓄積する。イオン化装置２０は、長寿命の熱電子放出型のイオナイザーであり、酸化イットリウム、酸化トリウムなどの仕事関数の低い物質による厚い層でコートされた１つまたは複数のエミッタ２３を含む。
【００２３】
質量分析装置１０は、さらに、マスフィルタ３０の複数のロッド３３を整列した状態で保持するガラス製シャシ（筐体）１２と、電気的接続のための複数のピン１４と、サンプルガス２９が通過できるような状態でイオン化装置２０、マスフィルタ３０、および検出器５０を収容してカバーするハウジング１８とを含む。マスフィルタ３０は、例えば４×４、または３×３の複数のロッド３３が、四重極マスフィルタとして機能し、電場によりイオンを選別する四重極アレイ３３ａを構成するように配置されたフィルタリングセクション（フィルタリング区画、フィルタリング部）３１と、プレート３５、３６、および３７がイオントラップアレイ３８を構成するよう配置されたアキュムレータセクション（アキュムレータ区画、アキュムレータ部）３２とを含む。イオントラップアレイ３８は、フィルタリングセクション３１の側から順番に、上部エンドキャッププレート（上端口プレート）３５と、リング電極プレート３６と、下部エンドキャッププレート（下端口プレート）３７とを含み、出口スリット３４を介して線形（リニア）の四重極アレイに繋がる円筒型のイオントラップアレイを構成する。上部エンドキャッププレート３５と、リング電極プレート３６と、下部エンドキャッププレート３７のそれぞれには、複数のロッド３３が挿入される複数の貫通孔を含み、イオントラップアレイ３８がシャシ１２にロッド３３により固定される。したがって、アキュムレータセクション３２は、マスフィルタ３０の出力側（出口側）で、マスフィルタ３０のフィルタリングセクション３１と統合（一体化）されている。フィルタリングセクション３１でフィルタを通ったイオン（分離されたイオン）２７は、マスフィルタ３０からイオン検出器５０に放出される前に、アキュムレータセクションで蓄積される。
【００２４】
この質量分析装置１０において、線形（リニア）四重極アレイ３３ａは、同じまたは異なる高周波数で稼働されることを意図した円筒形のイオントラップアレイ３８と接合される。線形四重極ステージ３３ａ（フィルタリングセクション３１）がマスフィルタとして作動する一方、イオントラップ３８（アキュムレータセクション３２）は、感度増強のためにイオンを蓄積するイオン蓄積ステージとして作動する。最大蓄積容量に到達すると、イオンは検出器５０に向けて放出される。１つ、またはいくつかの蓄積／放出サイクルが実行可能であり、これにより電子増力装置により得られる増幅に相当するイオンシグナルの増幅が達成される。このような方法により、耐久性と、無限の寿命と、メンテナンスフリーと、キャリブレーション不要といった、現場での類するもののない特性を有するファラデー検出器５０の使用が可能となる。
【００２５】
図３および図４は、マスフィルタ３０のアキュムレータセクション３２を構成するイオントラップアレイ３８を示す。イオントラップアレイ３８は、上部エンドキャッププレート（エンドキャップ電極）３５と、リング電極プレート（リング電極）３６と、下部エンドキャッププレート（エンドキャップ電極）３７とを含む。ハイブリッド質量分析装置の量産に適した製造方法の１つは、正確にフォトエッチングされた電極部品を使用することである。プレート３５から３７は、フォトエッチング技術を用いて製造可能である。上部エンドキャッププレート３５は、イオントラップの複数のイオンゲートを構成するための複数の貫通孔３５ａと、複数のロッド３３を挿入するための複数の貫通孔３５ｂとを含む。リング電極プレート３６は、イオンをトラップするための複数のリング電極を構成するための複数の貫通孔３６ａと、複数のロッド３３を挿入するための複数の貫通孔３６ｂとを含む。下部エンドキャッププレート３７は、イオントラップの複数のイオンゲート（出口）を構成するための複数の貫通孔３７ａと、複数のロッド３３を挿入するための複数の貫通孔３７ｂとを含む。図４（ｃ）に示されている様に、キャップフィールド（キャップ電位、閉じ込め場）Ｖｃａｐが、イオントラップ３８の蓄積サイクルを制御するためにエンドキャッププレート３５と３７に印加され、ＲＦフィールド（ＲＦ電位）Ｖｒｆが、その中のイオンをトラップするための電場を生成するためにリング電極プレート３６に印加される。この実施形態に示されるイオントラップ３８は、四重極イオントラップ（ＲＦトラップ、高周波トラップ、ポールトラップ）であり、四重極マスフィルタ３０に統合されるのに適しているが、キングトントラップ、ペニングイオントラップなどのその他のタイプのトラップをイオンを蓄積するために使用してもよい。
【００２６】
コントローラ（制御ユニット、制御ボード）６０は、質量分析装置１０のイオン化装置２０、マスフィルタ３０、およびイオン収集器５０と、電気接続用のピン１４を介して、質量分析装置１０を制御し、また、質量分析装置１０からのデータまたは情報を取得するために通信し、様々な測定を行う。コントローラ６０は、イオン化ユニット２０を電気的に駆動するイオンドライブ回路６１と、フィルタユニット（マスフィルタ）３０を電気的に駆動するフィールド駆動回路と、検出ユニット５０の感度を制御するディテクタ回路と、コントローラ６０および質量分析装置１０を含むシステム１を操作するためのプロセッサ７０と、メモリ７３と、通信モジュール７６と、ユーザーインターフェイス７７とを含む。コントローラ６０は、質量分析装置１０からの出力を使用する、質量分析装置１０のユーザーであってもよい。
【００２７】
イオン駆動回路（イオンドライブ回路）６１は、フィラメント電圧とフィラメント電流を計測するための回路と、フィラメント電圧を制御するための回路とを含んでもよい。フィールド駆動回路（フィールドドライブ回路）６２は、フィルタリングセクション３１の四重極アレイ３３ａの四重極電場を電気的に駆動する第１のフィールド駆動ユニット６３と、アキュムレータセクション３２のイオントラップアレイ３８を電気的に駆動する第２のフィールド駆動ユニット６４とを含む。第１のフィールド駆動ユニット（第１のフィールドドライブユニット）６３は、ＲＦ（高周波）とＤＣ（直流）とを使用してフィルタリングセクション３１の電場を個別に制御し、第２のフィールド駆動ユニット（第２のフィールドドライブユニット）６４は、ＲＦを使用してアキュムレータセクション３２の電場を個別に制御する。
【００２８】
第２のフィールド駆動ユニット６４は、ＲＦ（高周波）制御ユニット６４ａと、アキュムレータセクション３２のトラップ３８のアキュムレーション周期（蓄積周期、トラップ周期）を制御するゲート制御ユニット（ＳＷユニット）６４ｂとを含む。第２のフィールド駆動ユニット６４は、ＲＦ制御ユニット６４ａとＳＷユニットとを用いて、アキュムレータセクション３２のイオントラップアレイ３８を２つのモードで制御可能であり、２つのモードの内の第１のモードは、分離されたイオンを、マスフィルタ３０から放出する前に、アキュムレータセクション３２を経由して、蓄積しないで放出し、２つのモードの内の第２のモードは、分離されたイオンを、マスフィルタ３０から放出する前に、アキュムレータセクション３２において蓄積する。
【００２９】
プロセッサ７０は、ＣＰＵ、マイクロコントローラ、シグナルプロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）などのシステムである。プロセッサ７０においては、持続性（非一過性）のコンピュータ記憶媒体の１つであるＲＯＭなどのメモリ７３に蓄積されたプログラム（コンピュータプログラム、プログラム製品、ソフトウェア）７４により供給されるアプリケーション７９および機能モジュール７１および７２が実装される。プログラム７４は、プロセッサ７０において、アプリケーション７９および、モジュール７１および７２の機能とアルゴリズムを実行するための実行可能なコードを含む。プロセッサ７０は、フィールド制御モジュール７１と、モード制御モジュール７２とを含む。フィールド制御モジュール７１は、フィールド駆動回路６２を介してマスフィルタセクションに供給される電場と同じ電場をアキュムレータセクション３２に供給するよう構成されたモジュール７１ａと、マスフィルタセクション３１に供給される電場とは異なる電場をアキュムレータセクション３２に供給するよう構成されたモジュール７１ｂとを含む。即ち、モジュール７１ａは、第１のフィールド駆動ユニット６３および第２のフィールド駆動ユニット６４を制御して、フィルタリングセクション３１の四重極アレイ３３ａの四重極電場と、アキュムレータセクション３２のイオントラップアレイ３８とを同じＲＦ（周波数）を用いて駆動して、同じ分離されたイオンを蓄積し、マスフィルタ３０の感度を上昇させることができる。モジュール７１ｂは、第１のフィールド駆動ユニット６３および第２のフィールド駆動ユニット６４を制御して、フィルタリングセクション３１の四重極アレイ３３ａの四重極電場と、アキュムレータセクション３２のイオントラップアレイ３８とを、異なる、あるいは僅かに異なるＲＦ（周波数）により駆動し、分離されたイオンを蓄積するとともに再選択し、マスフィルタ３０の選択性を向上する。
【００３０】
モード制御モジュール７２は、アキュムレータセクションが不稼働な第１のモードで質量分析装置１０を制御するよう構成されたモジュール７２ａと、アキュムレータセクション３２が稼働する第２のモードで質量分析装置１０を制御するよう構成されたモジュール７２ｂとを含む。即ち、モジュール７２ａは、第２のフィールド駆動ユニット６４を制御し、アキュムレータセクション３２のイオントラップアレイ３８のトラッピング活動を停止させ、アキュムレータセクション３２を経由して、フィルタリングセクション３１で選択された、分離された（フィルタリングされた）イオンを、アキュムレータセクション３２を通って蓄積せずに放出する。この操作（処理）は、蓄積する時間が不要なので、所定のｍ／ｚ（質量電荷比）のセット（一連の質量電荷比）テストスキャン、予備的または暫定的な探査（より速い探査）に有効であり、さらに、より幅広い範囲の探査を短時間で行うことができる。
【００３１】
モジュール７２ｂは第２のフィールド駆動ユニット６４を制御し、アキュムレータセクション３２のイオントラップアレイ３８のトラッピング動作を起動し、分離されたイオンを、それらをマスフィルタ３０から放出する前に、アキュムレータセクション３２に蓄積する。このオペレーションは、質量分析装置１０の感度を上昇させることにより、予備的な探査の後に行われる精密な探査に適している。モード制御モジュール７２は、メモリ７３に蓄積された予備的探査の結果７５に応じて、ｍ／ｚ毎に（ｍ／ｚ単位で）、モードを切り替えてもよい。サンプルガス２９の成分Ｘ（ｍ／ｚはｘ）の濃度（信号強度、イオン電流）が低い場合、モード制御モジュール７２は、モジュール７２ｂを用いて第２のモードを選択し、成分Ｘを蓄積することにより、感度を上昇させてもよい。サンプルガス２９の成分Ｙ（ｍ／ｚはｙ）の濃度が高い場合、モード制御モジュール７２はモジュール７２ａを用いて第１のモードを選択し、蓄積せずに成分Ｙを放出して測定時間を節約してもよい。モード制御モジュール７２は、それぞれのｍ／ｚでアキュムレータセクション３２の蓄積時間（蓄積期間、蓄積継続時間、トラップ周期）を変えて精度と測定時間の両方で利点が得られるようにしてもよい。
【００３２】
アプリケーション７９は、フィールド制御モジュール７１、モード制御モジュール７２、イオン駆動回路６１、および／またはフィールド駆動回路６２を介して、質量分析装置１０を以下の様に制御してもよい。
（ｉ）  質量分析装置１０に入る試料（サンプル）２９のイオン化を制御する。
（ｉｉ）  ハイブリッド質量分析装置１０の四重極フィルタリングセクション３１とイオントラップステージ３２とを少なくとも１組のＲＦ電圧で操作してスキャンする。
（ｉｉｉ）  イオントラップ３８（３２）の下部エンドキャップ電極３７を少なくとも１つの電圧パルスで制御し、ハイブリッド質量分析装置１０のイオントラップステージ３２の下流に接続されたイオン検出器５０に捉えられる前に蓄積するために、イオンを選択的に開閉する制御を行う。
【００３３】
アプリケーション７９は、ｍ／ｚの同じセットについて周期的に予備的サーチ（予備探査、予備的検査、予備的調査、テストスキャン、第１のスキャン）と精密サーチ（精密探査、精度の高い検査、精密調査、第２のスキャン）を行い、通信ユニット７６およびユーザーインターフェイス（Ｕ／Ｉ）７７を使用して、サーチ結果を出力してもよい。ユーザーインターフェイス７７は出力ユニットの１つであり、サンプルガス２９に関連する測定結果を出力するディスプレイと、質量分析装置により行われる測定条件を設定するためのタッチパネルと、アラームを鳴らすための聴覚装置とを含んでいてもよい。通信ユニット７６も出力ユニットの１つであり、有線または適切な無線技術、例えば、Ｗｉ−Ｆｉ接続、無線ＬＡＮ、携帯データ接続、ブルートゥース（登録商標）などにより、インターネットまたはその他のコンピュータネットワーク経由で外部システムに接続され、システム１を監視または遠隔制御してもよい。
【００３４】
図５は、サンプルガス（試料ガス）２９の成分を測定または監視するために、ｍ／ｚの所定のセットでスキャン（調査、解析）するプロセスを示したフローチャートである。ステップ８１において、アプリケーション７９はシステム１を初期化し、サンプルガス２９の測定条件を設定する。初期条件には、スキャンするための質量電荷比（ｍ／ｚ）の所定のセットと、スキャンを継続する期間と、スキャンを繰り返す回数と、テストサーチを繰り返す条件等が含まれてもよい。ステップ８２において、モード制御モジュール７２を用い、第１のモードによる予備的なテストスキャン（第１のスキャン）が実行される。ステップ８２において、質量分析装置１０を第１のモードで用いて、質量電荷比の所定のセットでテストスキャン（第１のスキャン）が行われる。第１のモードでは、フィルタで分離されたイオンは、マスフィルタ３０から放出される前に、アキュムレータセクション３２を経由するが蓄積されずに放出される。
【００３５】
ステップ８３において、テストスキャンが終了する時、精密なスキャン（精密な測定、メインスキャン）のための準備が行われる。ステップ８４にて、選択性より感度がメインスキャンにおいて要求される場合は、ステップ８５ａにて、フィールド制御モジュール７１の第１のモジュール７１ａが、第１のフィールド駆動ユニット６３および第２のフィールド駆動ユニット６４を、フィルタセクション３１およびアキュムレータセクション３２に対し、同じＲＦの同じ電場を供給するようにセットする。メインスキャンにおいて、感度より選択性が要求される場合は、ステップ８５ｂにおいて、フィールド制御モジュール７１の第２のモジュール７１ｂが、第１のフィールド駆動ユニット６３および第２のフィールド駆動ユニット６４を、フィルタセクション３１とアキュムレータセクション３２に対し、異なるＲＦの異なる電場を供給するようにセットする。
【００３６】
ステップ８６において、モード制御モジュール７２を用い、第２のモードで、正確な（精密な）スキャン（メインスキャン、第２のスキャン）が実行される。ステップ８６において、第２のモードで質量分析装置１０を用いて、質量電荷比の所定のセットのメインスキャン（第２のスキャン）が行われる。第２のモードでは、フィルタリングセクション３１から出力された分離されたイオンは、マスフィルタ３０から放出（排出）される前に、アキュムレータセクション３２に蓄積（アキュムレート）される。メインスキャンがステップ８７で終了すると、アプリケーション７９は、通信ユニット７６および／またはユーザーインターフェイス７７を介して、ステップ８８において、測定結果を出力する。メインスキャンが実行された後、ステップ８９において、次のメインスキャンが始まる前に、テストスキャンが必要であると判断されると、ステップ８２において次のテストスキャンが行われる。テストスキャンは、サンプルガス２９の状態を確認するために、定期的に行われてもよい。テストスキャンは、成分と濃度とが事前に判明しているテストガスを用いて、定期的に行われてもよい。
【００３７】
図６は、本発明に係る質量分析装置の異なる実施形態を示す。質量分析装置１０ａも、小型の四重極タイプの質量分析計（マスセンサ、質量センサ）である。質量分析装置１０ａは、イオン化装置（イオナイザー）２０と、アキュムレータセクション３２が付随したマスフィルタ（質量フィルタ）３０と、イオン検出器５０とを含み、これらはガラス製シャシ１２の上に集約され、カバー１８で囲われている。アキュムレータセクション３２は、マスフィルタ３０に統合されており、フィルタにより分離されたイオン２７を、マスフィルタ３０から検出器５０に放出（排出）する前に、蓄積する。マイクロトラップ３９は、上部エンドキャッププレート３５と、四重極マスフィルタセクション３１と共通のロッド３３と、下部エンドキャッププレート３５とにより、アキュムレータセクション３２に構成されている。このマスフィルタ３０においては、複数の四重極ロッド３３が３×３や４×４などの配列を成すように配置されており、フィルタセクション３１においては四重極アレイ３３ａを構成し、アキュムレータセクション３２においては四重極イオントラップアレイ３９を構成している。複数のマイクロトラップ３９は、直線のトラップであり、大きな収容容量を備えている。このことは、複数の四重極ロッド３３をリング電極として用い、可変長の直線状のトラップ３９でイオンをトラップすることにより得られる。このような実施形態は、アキュムレータセクション３２において、より大きな蓄積容量を可能にし、これにより、蓄積／排出サイクルが同じでも、より高い感度が得られる。
【００３８】
図７は、本発明に係る質量分析装置のさらに異なる実施形態を示す。質量分析装置１０ｂも、小型の四重極タイプの質量分析計であり、イオン化装置２０と、アキュムレータセクション３２付きのマスフィルタ３０と、イオン検出器５２とを含む。この質量分析装置１０ｂにおいては、ガラス製シャシ１２に一体化されたイオン化装置２０と、マスフィルタ３０のフィルタセクション３１と、四重極ロッド３３の末端に、アキュムレータセクション３２を構成するように、ロッド３３とは離れて配置された円筒型のイオントラップアレイ３８とが第１のモジュラーコンポーネント１０１を構成し、イオン収集アレイ５２が第２のモジュラーコンポーネント１０２を構成する。コンポーネント１０１および１０２は、アセンブルされカバー１８により囲われて質量分析装置５２を構成する。本発明において開示される構築方法は、モジュラーコンポーネントの組み立て方に依存し、その結果、様々な実施形態があり得る。実際、この実施形態によれば、電子倍増管（ＥＭ）、マイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）、ＣＣＤ、および光電子倍増管（ＰＭＴ）などの検出器を収容できる。イオン源２０は、連結される検出器への経路を確保するために、質量分析装置のシャシ１２の他の端に組み合わされる（アセンブルされる）。
【００３９】
図８および図９は、質量分析装置１０ｂのイオントラップアレイ３８を示し、これは、マスフィルタ３０のアキュムレータセクション３２を構成する。イオントラップアレイ３８を構成するプレート３５、３６、および３７は、フォトエッチングされた電極部品である。イオントラップアレイ３８は、マスフィルタ３０の内部に、複数の四重極ロッド３３とは別に配置されるので、プレート３５−３７に、複数のロッド３３を挿入するための孔を設ける必要はない。したがって、エンドキャッププレート３５および３７のゲートホール３５ａおよび３７ａと、電極プレート３６のリング電極ホール３６ａとは、イオントラップアレイ３８に構成される複数のイオントラップの容量を最大化するようアレンジされてもよい。さらに、保持用の電場を生成するための電極プレート３６は、四重極電極３３から分離されているので、アキュムレータセクション３２のイオントラップアレイ３８に対し、フィルタリングセクション３１と同じ、または異なる電場を容易に印加できる。このような実施形態では、より大きな蓄積容量とともに、電場（フィールド）の制御しやすさも得られる。このため、同じ蓄積／排出のサイクルであっても、より高い感度および選択性を得ることができる。
【００４０】
小型化された四重極タイプの質量分析計１０、１０ａ、および１０ｂは、ＭＥＭＳ技術および／または半導体技術を用いることにより、モノリシックのデバイス、またはチップとして提供されてもよい。小型化された四重極タイプの質量分析計１０と、１０ａと、１０ｂとは、他の電子回路、センサ、機器、マイクロマシンなどとともに集積化され、および／または組み込まれてもよく、特定の目的または様々な対象物のためのシステム１（機器、装置）を形成してもよい。
【００４１】
上記において、アキュムレータセクション３２として四重極イオントラップアレイが付随した四重極マスフィルタ３０を有する質量分析装置を参照して、実施形態が記述されているが、質量分析装置は、ウィーンフィルタなどの他のタイプの電場および／または磁場を用いたマスフィルタであって、ペニングトラップなどの電場および／または磁場を用いたイオントラップが付随したマスフィルタが装備されてもよい。本開示の範囲から逸脱することがなければ、構造的な変更がなされてもよく、他の実装形態が用いられてもよい。
【００４２】
小型化された質量分析計の出現は、これらの化学的分析を現場で展開するための大きな一歩である。これらの装置は、リアルタイムモニタリングやいくつかのインラインアプリケーションにおける制御が必要とされる産業用（半導体チップ製造、真空コーティング、創薬、石油化学など）ツールに、より一層組み込まれていく。自律性（オートノミー）、信頼性、およびメンテナンスの最小限化が、これらの装置を、さらに広範囲で展開するための鍵となる要素である。しかしながら、小型の質量分析計であっても、研究所にあるフルサイズの質量分析計と同じレベルのメンテナンスが要求される、というのは、イオン化および検出のための共通の方法が使用されているからである。イオン化装置により寿命は限定され、電子倍増管、マイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）、光電子倍増管（ＰＭＴ）などの検出器は壊れやすく、また、過度なキャリブレーションが必要であり、これらの装置を高圧環境下で使用しようとするとさらに状態は深刻化する。様々な用途を意図した完全な質量分析システムを開発しようとすると、高周波駆動質量分析装置を小型化することが最も適しているとされている。それらは、小型、低エネルギー消費、および適度な真空条件を含むいくつかの特徴を有している一方、フルサイズの機器と比較すると性能は十分ではない。
【００４３】
本発明では、パフォーマンスを向上し、コストを低減し、さらに、メンテナンスおよび過剰なキャリブレーションによる作動不能な時間を最小化するための新しいアプローチが取り入れられる。本発明の１つの態様は、ここで開示されるハイブリッドな配置を含むものであり、リニア四重極とイオントラップとを結合して１つの分析装置とすることである。四重極およびトラップアレイを連続して、単一のシャシ上に組み立てる新しい製造方法が開示される。イオントラップステージは、ファラデープレートに放出される前に、イオンを蓄積することによりイオン増幅器の役目を果たし高速で電荷の検出を可能とするが、機能はこれに限定されることはない。
【００４４】
本開示にて記述されるハイブリッド質量分析装置の方法は、電子倍増管（ＥＭ）、マイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）、ＣＣＤ、光電子倍増管（ＰＭＴ）などの消耗品に依存せずに、これらの小型装置の感度を増強する。イオン増幅はイオントラップアレイで行われることから、簡単なファラデー検出器で十分である。ファラデー検出器などの非消耗品を利用することにより、ハイブリッド質量分析装置に、（ｉ）必要な堅牢制（ロバスト性）、（ｉｉ）永久的な寿命、（ｉｉｉ）メンテナンスとキャリブレーションの必要が無いことがもたらされる。こうした特徴は、現場における信頼性のある自律的なオペレーションに重要な意味を持つ。
【００４５】
本明細書において、現場での使用に適した、小型化され高度に統合されたハイブリッド質量分析装置が開示される。本発明は、パフォーマンスを高め、長時間の現場作業に要求される堅牢制と信頼性を提供する新たなアプローチを意味する。この装置と方法とは、空間的および時間的なイオントラップを単一のプラットフォームに結合し、オペレーションの柔軟性とともに優れた感度と選択性とを提供する。望ましい実施形態において、リニア四重極アレイが、円筒型のイオントラップアレイと接続され、同じまたは異なる高周波数で稼働可能とされる。リニア四重極ステージがマスフィルタとして機能し、イオントラップは、追加的な質量分析ステージまたはイオン蓄積ステージとして機能し、感度を高めることができる。このような柔軟性は、丈夫さ、永久的な寿命、キャリブレーション不要といった現場での比類なき特徴を有するファラデー検出器の使用を可能にする。ガラス−金属シール（封止）と、正確なフォトエッジングによるイオナイザーおよび電極部品とを使用するハイブリッド質量分析装置の量産に適した製造方法が開示される。構築方法は、モジュラーコンポーネントの組み合わせに依存し、幾つかの実施形態では、電子倍増管、マイクロチャネルプレート、光電子倍増管などの検出器の使用が可能である。
【００４６】
上記の態様の１つは、イオン化装置と、四重極マスフィルタまたは四重極アレイと、イオントラップまたはイオントラップアレイと、少なくとも１つのイオン検出器とを含むハイブリッド質量分析装置であり、前記イオントラップアレイは円筒型のイオントラップアレイからなる。１つの実施形態では、円筒状のトラップアレイは、３つのプレート、すなわち、１つの上部エンドキャップと、１つのリング電極と、１つの下部エンドキャップとからなる。異なる実施形態では、四重極アレイの複数のロッドがリング電極として機能し、より高い蓄積容量の直線トラップを形成する。質量分析装置を含む機器は、モジュラーコンポーネントを含んでもよく、少なくとも１つの実施形態となる。その機器では、同じまたは異なる高周波数（ＲＦ周波数）で、四重極およびイオントラップステージを動作させてもよい。その機器は、ファラデー、電子倍増管、および光電子倍増管を含む、イオン検出用のモジュラーコンポーネントを使用してもよい。
【００４７】
上記の異なる態様は、イオナイザー（イオン化装置）と、四重極マスフィルタまたは四重極アレイと、イオントラップまたはイオントラップアレイと、少なくとも１つのイオン検出器とを含むハイブリッド質量分析装置の方法である。当該方法は、選択性を高めるために、２段階の質量分離（マスフィルタリング）を使用してもよい。当該方法は、感度を高めるために、イオントラップステージをイオンの蓄積に使用してもよい。当該方法では四重極およびイオントラップステージを、同じまたは異なるＲＦ周波数（高周波数）と電圧で作動してもよい。当該方法は、検出器に対し、少なくとも１つのサイクルでイオンを蓄積して放出し、検出器で受けてもよい。当該方法は、四重極ステージからイオントラップステージへ効率的にイオンを運ぶためのイオン光学的手段を含んでもよい。
【００４８】
上記のさらに異なる態様は、操作と、検出と、分析プロセスとを制御するためのソフトウェアを格納した非一過性（持続性）のコンピュータ可読媒体である。当該ソフトウェアは、（ｉ）ハイブリッド質量分析装置に入る試料（サンプル）のイオン化を制御する実行可能なコードと、（ｉｉ）ハイブリッド質量分析装置の四重極およびイオントラップステージの動作のための高周波電圧のセットの少なくとも１つでスキャンする実行可能なコードと、（ｉｉｉ）イオントラップの下部エンドキャップ電極の電圧パルスの少なくとも１つを制御する実行可能なコードとを含み、ハイブリッド質量分析装置のイオントラップステージの下流に接続されたイオン検出器により収集される前に、イオンを蓄積するように、イオンの出入りを選択的に制御する。当該ソフトウェアは、ハイブリッド質量分析装置の四重極およびイオントラップステージの動作に対応した少なくとも２つの作動モードに関連するオペレーションを制御する実行可能なコードを、さらに含んでもよい。当該ソフトウェアは、イオントラップの下部エンドキャップ電極への少なくとも１つの電圧パルスを制御する実行可能なコードをさらに含んでもよく、ハイブリッド質量分析装置のイオントラップステージの下流に接続されたイオン検出器による収集の前にイオンを蓄積するために、イオンの出入りを選択的に制御する。
また、上記には、サンプルからイオンを生成するためのイオン化装置と、アキュムレータセクションが付随した質量フィルタであって、前記アキュムレータセクションは当該質量フィルタに統合され、分離されたイオンを当該質量フィルタから放出する前に前記アキュムレータセクションが蓄積する、質量フィルタと、前記質量フィルタから放出されたイオンを検出するよう構成されたイオン検出器とを有する質量分析装置が開示されている。
また、上記には、質量分析装置を制御することを含む方法であって、前記質量分析装置は、サンプルからイオンを生成するためのイオン化装置と、アキュムレータセクションが付随し統合された質量フィルタと、前記質量フィルタから放出されたイオンを検出するためのイオン検出器と、前記質量フィルタおよび前記アキュムレータセクションに供給される電場または磁場を制御するよう構成されたコントローラとを含み、前記質量分析装置を制御することは、前記コントローラを用いて、分離されたイオンを前記質量フィルタから放出する前に、前記アキュムレータセクションに蓄積することを含む、方法が開示されている。
【００４９】
特定の実施形態に関するこれまでの記述により、本願における実施形態の一般的な性質が完全に明らかになるだろう。したがって、他の者は、現在の知識を使って、上位概念から離れることなく、これらの特定の実施形態を容易に修正し、および／または様々な用途に改造することが可能である。そして、それ故、そのような応用と改造は、開示された実施形態の同等物の意味と範囲の中に含まれるべきであり、含まれるよう意図されるべきである。本願で用いられる表現方法または専門用語は、説明を目的としたものであり、限定する目的ではないことが理解されるべきである。したがって、本願での実施形態は、望ましい実施形態に関して記述される一方、当業者においては、以下の請求項の精神と範囲における変更を含め、本願の実施形態が実施可能であることが理解されるであろう。
【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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