(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
分析対象イオンに振動を励起させ衝突誘起解離を生じさせる励起手段を備え、生成した子イオンの質量分析を行う質量分析装置において、
前記励起手段は、
イオンの固有周波数ω０と異なる周波数の励起交流電界の周波数ω１で励起し、
前記励起交流電界の周波数ω１とイオンの固有周波数ω０とは、ｚ０をイオントラップの中心からエンドキャップ電極までの距離としたとき、
励起用交流電圧の電圧値ｖ＜（ｍ／ｅ）ｚ０２｜ω０２−ω１２｜
の関係を満たすことを特徴とする質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオントラップ等の質量分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオントラップ等の質量分析装置による質量分析において、第１段の質量分析工程において特定のイオンを選択し、第２段の質量分析工程でそのイオンの分解を測定するＭＳ／ＭＳ分析（タンデム分析）が知られている。このＭＳ／ＭＳ分析を行う場合には、まず分析対象物から特定の質量を有するイオンを親イオン（以後、分析対象イオンとする）として選別し、選別した分析対象イオンをＣＩＤ（Collision Induced Dissociation：衝突誘起解離）によって解離させ、分析対象イオンを構成する子イオンを生成する。その後、この子イオンを質量分析することによって、分析対象イオンの質量や化学構造についての情報を得ることができる。ＣＩＤはイオンを中性分子と衝突させることによって、イオンを衝突活性させて分解させる処理である。質量分析装置において、分析対象イオンを衝突解離させるＣＩＤは、質量分析装置の分析領域内部にバッファーガスとしてＨｅ（ヘリウム）あるいはその他のガスを一定濃度まで導入し、選別された分析対象イオンをこのガス原子あるいはガス分子に衝突させて分析対象イオンから子イオンへの解離を生じさせる。この衝突解離では、衝突の際のイオンの運動エネルギーを上昇させて解離反応を促進させることによって、解離効率を高めることができる。通常、イオンに運動エネルギーを付与する方法として、励起交流電界によってイオンを加速する方法が用いられている。
【０００３】
上記励起交流電界によるイオン加速において、分析対象イオンが持つ固有共鳴周波数に一致した周波数の励起交流電界をイオンに印加することによって、解離反応を促進するのに充分な運動エネルギーを分析対象イオンに小電圧で付与することができる。これによって、イオンを分析領域に閉じこめるために使用する電磁界に対する影響を減少させ、質量分析の分解能の劣化を防止することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
イオントラップの質量分析装置では、分析領域内部に保持されているイオンはその質量／電荷比に応じた固有の共鳴の周波数で振動しており、この周波数と同じ周波数の交流電界を付与すると、振動の振幅は次第に増大する。この振幅の増大に伴ってイオンの運動エネルギーは増大し、この運動エネルギーが解離反応のしきい値エネルギーを越えると衝突解離が起こって子イオンが生成される。
【０００５】
しかしながら、この衝突解離の確率は、分析対象イオンやバッファーガスの種類、バッファーガスの圧力等に強く依存する。そのため、分析対象イオンの一部は、分析領域内に閉じこめることが困難となるほど大きな運動エネルギーを蓄積し、衝突解離を行う前に分析領域から散逸し、ＣＩＤの効率が低下するという問題点がある。
【０００６】
ＣＩＤの効率の低下は、バッファーガスの圧力や励起交流電界の電圧を調整することによって、ある程度は改善することができるが、種々の分析対象に対して最適な動作条件を選択することは、処理が煩雑となり現実的ではない。
【０００７】
そこで、本発明は前記した従来の質量分析装置の持つ問題点を解決し、質量分析装置において、分析領域からの分析対象イオンの損失を防ぐことを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の質量分析装置は、分析対象イオンに印加する励起交流電界の周波数を分析対象イオンが持つ固有共鳴周波数から一定量ずらすことによって、励起された分析対象イオンの振動の振幅を一定範囲内に限定して、過度の運動エネルギーの蓄積を防止し、これによって、分析対象イオンの分析領域からの散逸を防ぎ、ＣＩＤの効率の低下を防ぐものである。
【０００９】
本発明の質量分析装置は、分析対象イオンに振動を励起させ衝突誘起解離を生じさせる励起手段を備え、生成したイオンの質量分析を行う装置であって、励起手段は分析対象イオンの固有共鳴周波数からわずかに離れた周波数の励起交流電界を発生して分析対象イオンに印加し、分析対象イオンの振動を一定の振幅以下とするものである。
【００１０】
本発明の質量分析装置によれば、励起手段が発生する分析対象イオンの固有共鳴周波数からわずかに離れた周波数の励起交流電界によって分析対象イオンを振動させると、分析対象イオンはこの励起交流電界の周波数で振動を行う。この振動周波数は固有共鳴周波数からわずかにずれた周波数であるため、その振幅は固有共鳴周波数を印加した場合よりも小振幅となる。したがって、分析対象イオンの振動は一定の振幅以下となる。この振動振幅を質量分析装置の分析領域内とするように制御することにより、分析対象イオンが質量分析装置から散逸するのを防止することができる。
【００１１】
本発明の第１の実施態様は、励起用交流の周波数と電圧を固定し、ＲＦ電圧を変化させることによって、分析対象イオンの固有共鳴振動数を励起交流電界の周波数からわずかに離れた周波数とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照しながら詳細に説明する。
本発明の実施の形態の構成例について、図１の本発明の質量分析装置の実施形態を説明する概略ブロック線図を用いて説明する。図１に示す構成図は質量分析装置として、イオントラップ質量分析装置を例とするものであるが、本発明の質量分析装置は、イオントラップ質量分析装置に限らず、イオンサイクロトロン共鳴質量分析装置あるいはタンデム型四重極質量分析装置等に適用することができるものであり、一般に、ＣＩＤの分析対象イオンとして特定のイオンを保持または通過させ、分析対象イオンに振動を励起してＣＩＤ分析を行う励起手段を備えた質量分析装置に適用することができる。
【００１３】
図１において、質量分析装置１は、分析対象イオンに振動を励起させて衝突誘起解離を生じさせる励起手段を構成要素として持つイオントラップ２と、イオン生成用の電子発生装置３と、子イオンの質量分析を行う測定手段４と、前記励起手段２，電子発生装置３，および測定手段４を制御するための制御装置５を備える。
【００１４】
イオントラップ２は、内部が回転対称双曲面の形状を有する二つのエンドキャップ電極２１，２２と一つのリング電極２３を備え、リング電極２３にはＲＦ発生器２４が接続される。通常、このＲＦ発生器２４はリング電極２３に１ＭＨｚ程度の周波数の高周波電圧（ＲＦ電圧）を印加する。このとき、二つのエンドキャップ電極２１，２２は、ほぼ零電位に保持される。
【００１５】
三つの電極２１，２２，２３は内部に分析領域２５を形成する。印加されたＲＦ電圧は分析領域２５に四重極電場を形成し、この四重極電場は分析領域２５の内部にイオンを閉じこめる。
【００１６】
また、二つのエンドキャップ電極２１，２２間に逆相の電圧を印加すると、分析領域２５内にＣＩＤ分析を行うための励起用双極電場を形成することができる。エンドキャップ電極２１，２２には増幅器２６，２７が接続され、印加されたＲＦ電圧の同相電流を低インピーダンスで吸収し、同時に波形生成器２８で生成した電圧波形を逆相で印加する。
【００１７】
さらに、一方のエンドキャップ電極２１の外側には、分析領域内にイオンを生成させる電子を導入する電子発生装置３が設けられ、他方のエンドキャップ電極２２の外側にはイオン検出器４１が設置される。このイオン検出器４１にはプリアンプ４２およびデータ処理装置４３が接続される。また、上記電子発生装置３，ＲＦ発生器２４，波形生成器２８，データ処理装置４３には制御装置５が接続され、制御が行われる。
【００１８】
上記構成のイオントラップ２の一般的な使用においては、電子発生装置３で発生した電子を片方のエンドキャップ電極２１から導入し、イオントラップ内部の分析領域２５内でイオンの生成を行い、反対側のエンドキャップ電極２２からイオンを放出し、イオン検出器４１で検出を行う。
【００１９】
次に、イオントラップ２によるＭＳ／ＭＳ分析の処理について図２のフローチャート，および図３の信号線図を用いて説明する。
ＭＳ／ＭＳ分析では、はじめにイオンの生成を行う。このイオン生成工程では、分析試料をイオントラップの分析領域２５内に導入し、ＲＦ発生器２４で発生したＲＦ電圧をリング電極２３に印加し維持する（図３（ａ）のＡ）。次に、電子発生装置３で発生した電子をエンドキャップ電極２１の開口部を通して分析領域２５内に注入する（図３（ｂ）のゲート信号））。イオントラップの分析領域２５内では、分析試料と導入された電子との電子衝撃によって種々のイオンが形成される。これらイオンは、印加されたＲＦ電圧で形成される四重極電場によって分析領域２５内に閉じこめられる。
【００２０】
この分析領域２５内に閉じこめられる種々のイオンの運動は、Ｍａｔｈｉｅｕ方程式で知られる次式で記述される。
ｄ2ｒ／ｄｔ2＋（ｅ／ｍｒ02）（Ｕ−ＶcosΩｔ）ｒ＝０      …（１）
ｄ2ｚ／ｄｔ2−（２ｅ／ｍｒ02）（Ｕ−ＶcosΩｔ）ｚ＝０    …（２）
なお、ｍはイオンの質量、ｅはイオンの電荷、Ω，Ｖ，Ｕはリング電極のＲＦ電圧の振動周波数、交流電圧、および直流電圧であり、（ｒ，ｚ）は分析領域２５内の円筒座標を表している。
【００２１】
上記式によれば、一定の質量／電荷（ｍ／ｅ）比を有するイオンは、それぞれ固有の振動周波数ω0 で分析領域２５内を振動する。また、軸方向（ｚ方向）と径方向（ｒ方向）にはそれぞれ別の固有共鳴周波数で独立な振動を行っている。
【００２２】
四重極電場によって閉じこめられているイオンは、分析領域２５内に導入されたバッファーガスと衝突を繰り返すことによって次第に運動エネルギーを失い、分析領域２５の中心に集められる（ステップＳ１）。
【００２３】
次に、分析領域２５内の閉じこめられている種々のイオンから、分析対象イオン（親イオン）の選別を行う（図３（ａ）のＣ）。この分析対象イオンの選別を行う第１の方法は、リング電極２３に直流電圧を重畳して、特定のｍ／ｅを有するイオンのみを分析領域２５内にとどめ、その他のイオンを不安定な振動によって分析領域２５外に放出する方法である。
【００２４】
図４は分析対象イオンの選別を行う第１の方法を説明するための図である。  図４において、縦軸はａz を表し横軸はｑz を表している。ここで、ａz ，ｑz はそれぞれ以下の式で表され、ａz は直流電圧Ｕに比例し、ｑz はＲＦ電圧Ｖに比例する。
【００２５】
ａz＝（−８ｅＵ）／（ｍｒ02Ω2）                          …（３）
ｑz＝（−４ｅＶ）／（ｍｒ02Ω2）                          …（４）
図４に示すｑz−ａz面において、実線で囲まれた領域は、イオンが分析領域内に安定して存在できる範囲を示している。イオンの生成を行うステップＳ１の終了直後には、親イオンとして選別されるべきイオンのパラメータ（ａz，ｑz）は、図４のＡ点で表される。そこで、ＲＦ電圧Ｖを増加させると、ｑz はＶに比例して増加し、図４のＢ点に至る。さらに、直流電圧Ｕを印加させることにより、パラメータ（ａz，ｑz）を図４のＣ点に移動させることができる。Ｃ点は安定領域の内側にあるため、この親イオンは分析領域内部に安定して捕捉される。一方、親イオンと異なるｍ／ｅ値を持つその他のイオンのパラメータ（ａz，ｑz）は、図４において、原点とＣ点を結ぶ直線上に並ぶことになる。Ｃ点を安定領域の頂点に良く接近させる様にＵとＶを制御すれば、その他のイオンのパラメータ（ａz，ｑz）を全て安定領域の外側へ移動させることが可能であり、分析領域からこれらのイオンを排除し、親イオンだけを分析領域に残すことができる。
【００２６】
分析対象イオンの選別を行う第２の方法は、エンドキャップ電極２１，２２間に全ての不要なイオンの固有共鳴振動数を含む複合合成電圧を印加して、特定のｍ／ｅを有するイオンのみを分析領域２５内にとどめ、その他のイオンを振動によって不安定な状態として分析領域２５外に放出する方法である（ステップＳ２）。
【００２７】
次に、ＣＩＤ（Collision Induced Dissociation：衝突誘起解離) を行って、前記ステップＳ２で分析領域内に残したイオンを解離させ、分析対象イオンを構成する子イオンを生成する（図３（ａ）のＥ）。
【００２８】
このとき、分析対象イオンを励起するためにエンドキャップ電極に励起用交流電圧を供給する（図３（ｃ））。分析対象イオンは、この励起用交流電圧によって運動エネルギーが増大し、その結果、分析対象イオンはエネルギー的に高い状態でバッファーガスと衝突する。この運動エネルギーが解離反応のしきい値エネルギーを越えると衝突解離が起こって子イオンが生成される。
【００２９】
しかしながら、前記従来例で示したように、衝突解離の確率は、分析対象イオンやバッファーガスの種類、バッファーガスの圧力等に強く依存するため、分析対象イオンの一部は分析領域に閉じこめることが困難となるほど大きな運動エネルギーを蓄積し、衝突解離を行う前に分析領域から散逸してしまい、子イオンの生成が不十分となる。
【００３０】
本発明の質量分析装置では、分析対象イオンの固有共鳴周波数ω0 から一定量はずれた周波数ω1 の励起交流電界を印加し、分析対象イオンの振動を一定の振幅以下に抑えることにより、分析対象イオンの質量分析装置からの散逸を防止するものであり、エンドキャップ電極２１，２２に印加するＲＦ電圧の周波数をω0 からずれた周波数ω1 とするものである。
【００３１】
以下、励起用交流電圧の周波数をω0 からずれた周波数ω1 とすることによって、分析対象イオンの質量分析装置からの散逸を防止する点について説明する。
【００３２】
分析領域２５内において、分析対象イオンの軸方向（ｚ軸方向）の運動は、以下のように考えることができる。
【００３３】
固有共鳴振動数ω0 で分析領域２５内を振動する質量ｍの分析対象イオンには、時間平均すると、四重極電場によってイオントラップの中心に向かう力（−ｍω02ｚ）が働いている。また、この分析対象イオンはバッファーガスとの衝突によって、時間平均すると、（−ｍｋ（ｄｚ／ｄｔ））の摩擦力が働いている。なお、ｋは摩擦係数である。したがって、分析対象イオンには、上記二つの力が働き、その運動は以下に示される運動方程式によって表される。
【００３４】
ｄ2ｚ／ｄｔ2＋ｋ（ｄｚ／ｄｔ）＋ω02ｚ＝０                …（５）
上記式（５）から、分析対象イオンのｚ軸方向の振動は、バッファーガスとの衝突によって次式（６）で示される減衰項を伴って減衰し、分析領域２５の中心に集められる。
exp（−（ｋ／２）ｔ）                                      …（６）
このとき、二つのエンドキャップ電極２１，２２に周波数ω1 の励起用交流電圧（ｖcosω1ｔ，−ｖcosω1ｔ）を印加すると、分析領域２５内には、近似的に双極電界（ｖ／ｚ0 ）cosω1ｔが生じる。なお、ｚ0 はイオントラップの中心からエンドキャップ電極２１，２２に至るまでの距離である。
このため、分析対象イオンは外力として、
ｍＡcosω1ｔ                                              …（７）
を受けることになる。なお、Ａ＝（ｅｖ）／（ｍｚ0）である。
【００３５】
したがって、上記運動方程式は以下の式で表される。
ｄ2ｚ／ｄｔ2＋ｋ（ｄｚ／ｄｔ）＋ω02ｚ＝Ａcosω1ｔ        …（８）
このため、ｚ軸方向の振動は、前記式（６）の減衰振動と次式（９）で表される強制振動との一次結合で表される。
Ａcos（ω1ｔ−ｃ）／［（ω02−ω12）2 ＋ｋ2ω12］1/2      …（９）
ここで、ｃは双極電界とイオンの振動との位相ずれを示している。
【００３６】
前記式（６）の減衰振動は充分短い時間で無視しうる程度に小さくなるため、前記式（９）で表される強制振動が残る。
したがって、強制振動の振幅は上限値として、
Ａ／［（ω02−ω12）2 ＋ｋ2ω12］1/2                      …（１０）
を持つことになる。式（１０）において、バッファーガスとの衝突により生じる摩擦力はイオンの散逸を防ぐほど大きくないため、パラメータｋを含む項を省略することができ、振幅の上限は近似的に以下で表すことができる。
Ａ／｜ω02−ω12｜                                        …（１１）
この強制振動の振幅がイオントラップの中心からエンドキャップ電極２１，２２までの距離ｚ0 よりも小さければ、分析対象イオンはバッファーガスの圧力に依らずに分析領域２５内にとどまり、ＣＩＤの効率が高まることになる。
この条件は、
Ａ／｜ω02−ω12｜＜ｚ0                                   …（１２）
から、以下の式（１３），あるいはその近似式（１４）で表される。
【００３７】
ｖ  ＜  （ｍ／ｅ）ｚ02｜ω02−ω12｜                      …（１３）
ｖ  ＜  ２（ｍ／ｅ）ｚ02ω1｜ω0 −ω1｜                  …（１４）
なお、ｖは励起用交流電圧の波高値である。上記条件は、励起交流電界の周波数ω1 を分析対象イオンの固有共鳴振動数ω0 からわずかに離れた周波数とすることによって満足することができ、これによって、分析対象イオンの振動を一定の振幅以下に抑えて、分析対象イオンの質量分析装置からの散逸を防止することができる。
【００３８】
上記条件を満足する制御の一例を説明する。この制御例は、励起交流の周波数ω1 を固定し、エンドキャップ電極２１，２２に印加するＲＦ電圧を変化させることによって分析対象イオンの固有共鳴振動数ω0 を励起交流電界の周波数ω1 からわずかに離れた周波数とするものである。
【００３９】
図５に示すＣＩＤ制御を説明するための図において、エンドキャップ電極２１，２２に印加する励起用の交流周波数を所定の周波数ω1 に設定して固定し、該エンドキャップ電極２１，２２に印加するＲＦ電圧Ｖを変化させると、前記ｑzを表す式（４）に示されるようにｑzがｑz軸上を移動し、分析対象イオンの固有共鳴振動数ω0 を励起用交流周波数ω1 からずらすことができる。これによって、前記式（１３），あるいは近似式（１４）の右辺の値を周波数ω1 の励起用交流電圧の電圧ｖよりわずかに高い値に保持することができ、高効率のＣＩＤ制御を行うことができる。
【００４０】
なお、図５において、励起用の交流周波数ω1 は、分析対象イオンの固有共鳴振動数ω0 に対して高い周波数とすることも、低い周波数とすることもできる。
【００４１】
上記制御例では、エンドキャップ電極２１，２２に印加する励起用の交流周波数ω1 を固定し、ＲＦ電圧Ｖのみを制御することによってＣＩＤ制御を行うことができるため、制御が容易となるという効果がある（ステップＳ３）。
【００４２】
前記ステップＳ３の子イオンの生成の後、該子イオンの質量分析を行う（図３（ａ）中のＦ）。この質量分析では、ＲＦ電圧を低電圧から高電圧にスキャンすることにより、ｍ／ｅの順にイオンを放出して検出することができる。
【００４３】
図６は、質量走査を説明するための図であり、この質量走査の手法は、安定領域の境界から連続的にイオンを放出して質量スペクトルを取得する質量選択不安定性モードと呼ばれるものである。図６では、一例としてｍ１／ｅ，ｍ２／ｅ，ｍ３／ｅ（ｍ１＞ｍ２＞ｍ３）のイオンについて、直流電圧Ｕを零としＲＦ電圧をＶ１からＶ２（＞Ｖ１）に上げる場合について示している。ＲＦ電圧を上昇させると、ｍ／ｅの小さいものから順に安定限界を越えて、安定領域から不安定領域に移動する。これによれば、質量の軽いイオンｍ３／ｅ，ｍ２／ｅを順に放出することができ、さらに、ＲＦ電圧を上げることにより質量の重いイオンｍ１／ｅを放出することができる。これによって、分析領域２５中に閉じこめられていたイオンの内で不安定領域に移動したイオンを放出し、子イオンの質量スペクトルを得ることができる（図３（ａ）のＦ）。
【００４４】
また、図７に示す方法によって質量分析を行うこともできる。図７は前記図６と同様のｑz−ａz面で表した安定，不安定領域を表す図である。図７において、エンドキャップ電極２１，２２間に、安定領域内において分析領域から放出したいイオンの固有共鳴周波数と同じ周波数を持つ補助交流電圧を印加すると、該イオンは印加された補助交流電圧によって共振振動を起こし、分析領域からの放出が行われる。質量選択不安定性モードと同様にして、ＲＦ電圧を上昇させることにより子イオンの質量スペクトルを得ることができる（ステップＳ４）。
【００４５】
本発明の質量分析装置によれば、分析対象イオンの質量／電荷（ｍ／ｅ）比だけによって最適なＣＩＤの条件を設定することができるため、試料の種類，バッファーガスの種類や圧力等に応じて励起交流電場の大きさを求める必要がなく、制御が容易となる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の質量分析装置によれば、分析領域からの分析対象イオンの損失を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の質量分析装置の実施形態を説明する概略ブロック線図である。
【図２】イオントラップによるＭＳ／ＭＳ分析の処理を説明するためのフローチャートである。
【図３】イオントラップによるＭＳ／ＭＳ分析の処理を説明するための信号線図である。
【図４】イオンによる分析対象イオンの選別を行う第１の方法を説明するための図である。
【図５】本発明の質量分析装置によるＣＩＤ制御を説明するための図である。
【図６】本発明の質量分析装置による質量走査を説明するための図である。
【図７】本発明の質量分析装置による質量走査を説明するための図である。
【符号の説明】
１…質量分析装置、２…イオントラップ、３…電子発生装置、４…測定手段、
５…制御装置、２１，２２…エンドキャップ電極、２３…リング電極、２４…ＲＦ発生器、２５…分析領域、２６，２７…増幅器、２８…波形生成器、４１…イオン検出器、４２…プリアンプ、４３…データ処理装置。
【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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