JP4506260B2

JP4506260B2 - イオン蓄積装置におけるイオン選別の方法

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Publication number: JP4506260B2
Application number: JP2004127644A
Authority: JP
Inventors: 栄三河藤
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2004-04-23
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2024-04-23
Also published as: JP2005310610A; US20050236578A1; US7282708B2

Description

本発明は、イオン蓄積装置において、イオンを短時間に高分解能で選別する方法に関する。

イオンを蓄積して分析する装置において、例えばフーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴（FTICR）装置やイオントラップ型質量分析装置において、イオンが蓄積された状態を保ちながら、イオン蓄積空間に特別な電界を与えることにより、任意の質量／電荷（ｍ／ｅ）比のイオンを選択的に排除することにより、イオンを分離／選別する手法が用いられている。このイオンを蓄積した状態で選別する手法により、ＭＳ／ＭＳと呼ばれる質量分析方法が可能となる特徴がある。
すなわち、イオン発生器からイオン蓄積装置へと導入された様々なｍ／ｅ比を持つイオンに、イオン選別用電界を作用させることによって、特定のｍ／ｅ比を持つイオンのみがイオン蓄積空間に残され、他のイオンはすべて排除される。次に別の特別な電界を加えることにより、この選別されたイオン（プリカーサイオン）を分解して断片化し、断片イオン（フラグメントイオン）を生成する。その後、装置パラメータを変化させることによって、イオン蓄積空間に生成された断片イオンをイオン検出器に放出して質量スペクトルを収集する。
この断片イオンのスペクトルにはプリカーサイオンの構造情報が反映されるため、単にｍ／ｅ比の分析だけではわからなかったプリカーサイオンの構造を決定することが可能になる。複雑な構造を持つイオンに対しては、イオン蓄積装置内部での選別と断片化を繰り返すことによって、より詳しい構造情報を得ることも可能である（ＭＳ^ｎ分析）。

イオンを選別する特別な電界は、通常、イオン蓄積空間を形成している対向する電極に反対極性の電圧波形を印加することにより、イオン蓄積の条件を変化させることなく形成される。特に、イオントラップ型質量分析装置においては、二つのエンドキャップ電極に極性が反転した電圧波形が与えられており、一方、イオン蓄積の条件はリング電極に与えられる高周波（ＲＦ）電圧により、イオンを選別する条件とは独立に決定されている。
イオン蓄積装置に蓄積されているイオンは、そのイオンのｍ／ｅ比に応じた固有の周波数で、イオン蓄積空間の中を振動運動している。そこにイオンを選別する特別な電界が印加されると、イオンはこの電界により揺さぶられる。この電界の周波数成分の中にイオンの固有振動数に近い周波数が含まれていると、イオンの振動がこの電界の周波数成分に共鳴し、振幅は次第に大きくなる。しばらくすると、イオンはイオン蓄積装置を構成する電極に衝突したり、電極の開口部から放出されたりして、イオン蓄積空間から失われる。イオントラップ型質量分析装置の場合には、イオンの固有振動数は径方向と軸方向とで異なるが、通常は軸方向の固有振動数を利用することで、イオンを軸方向に排除している。

イオン選別の波形には、Stored Waveform Inverse Fourier Transform(SWIFT；特許文献１)やFiltered Noise Field(FNF；特許文献２)などが用いられている。これらの波形は、多数の周波数の正弦波を加え合わせることにより合成されているが、適当な周波数成分だけを含まない（ノッチ）ように合成されている。これらの波形によって生成されるイオン選別用電界の強度は、波形に含まれている周波数成分に共鳴する固有振動数を持ったイオンがすべてイオン蓄積空間から排除されるように決められている。しかし、波形に含まれていない周波数（ノッチ周波数）成分に近い固有振動数を持つイオンは、電界と共鳴しないため、小さな振幅で振動させられることはあっても、振幅が時間とともに増加することはなく、イオン蓄積空間から排除されることもない。したがって、これらの特定の固有振動数を持つイオンだけが選択的にイオン蓄積空間に残ることになり、イオンの選別が行われる。

しかし、励起電界の周波数がイオンの固有振動数から多少ずれている場合でもイオンの振動は励起されて振幅が増加するため、実際のイオンの選別は単に周波数成分が含まれているかどうかだけでは決定できない。このため、ノッチ周波数には一定の周波数幅が持たせてある。そして、ノッチ周波数の境界部分の固有振動数を持つイオンの振動は不安定であり、電界強度の大きさによって、排除されたり、蓄積されたりする場合がある。
また、個々のイオンの固有振動数は、イオンの空間電荷の影響を受けるため、イオン蓄積空間に蓄積されているイオンの総量に応じて変化する。従って、狭いノッチ周波数幅で、高分解能のイオン選別を行う場合には、蓄積するべきイオンが排除されてしまう場合がある。このような場合、まず広いノッチ周波数幅のイオン選別波形を用いて、ノッチ周波数の中心から離れた固有振動数を持つイオンをあらかじめ排除して、イオンの総量を減らしておき、その後、狭いノッチ周波数幅のイオン選別波形を用いて、高分解能のイオン選別を行うことがある（特許文献３）。最初に、ノッチ周波数幅が広く分解能の低いSWIFTやFNFなどの波形を与えてイオンの予備選別を行い、その後、残ったイオンに対して、所定の分解能を有するイオン選別の波形を与えることにより、イオンの総量に係わりなく、安定した分離性能を得ることができる。しかし、予備選別の後には充分なクーリング時間をとって、イオンの振動が収まるのを待つ必要が有る。
米国特許第4,761,545号公報米国特許第5,134,826号公報米国特許第5,696,376号公報

従来の手法によれば、高分解能のイオン選別を行う際には、異なるノッチ周波数幅のイオン選別用波形を用意し、そのそれぞれの波形に最適な振幅を設定する必要があった。このため、波形の計算だけではなく、振幅の制御や調整に時間を要し、装置のチューニング時の大きな負担となっていた。また、予備選別後には、充分なクーリング時間をとる必要があるため、イオン選別に長い時間を必要とする。

本願発明は斯かる実情に鑑み、イオン蓄積装置において、イオン選別用波形の制御や調整を簡単にし、イオン選別の時間を短縮する方法を提供するものである。すなわち、イオン蓄積装置でイオン蓄積空間にイオン蓄積の条件を変化させずにイオン選別用電界を印加することによって特定の質量／電荷比の範囲のイオンを選別する方法において、イオン選別用電界が多数の周波数の正弦波を加え合わせて合成されたイオン選別用波形と振幅が時間と共に増加する振幅信号波形との積に比例して生成されることを特徴とする方法を提供する。
所定の質量／電荷比の範囲のイオンが選別されるまで、イオン蓄積空間に印加するイオン選別用波形の電界強度を徐々に増加させるために、前記振幅信号波形は、時間と共に振幅が増加する。
前記多数の周波数の正弦波を加え合わせて合成されたイオン選別用波形は、FNF(Filtered Noise Field)法またはSWIFT(Stored Wave Inverse Fourier Transform)法で生成される。
電界強度が低い状態でのイオン排除の効率を上げるためには、前記多数の周波数の正弦波を加え合わせて合成されたイオン選別用波形において、前記特定の質量／電荷比の範囲のイオンが振動運動する固有周波数から遠ざかるにつれて周波数成分の強度を増加させることが有効である。
本願発明に係るイオン蓄積装置は、イオン蓄積空間にイオン蓄積の条件を変化させずにイオン選別用電界を印加することによって特定の質量／電荷比の範囲のイオンを選別するイオン蓄積装置において、多数の周波数の正弦波を加え合わせて合成されたイオン選別用波形を格納する波形格納手段と、前記多数の周波数の正弦波を加え合わせて合成されたイオン選別用波形を繰り返し生成する手段と、振幅が時間とともに増加する振幅信号波形を生成する手段と、前記生成された波形を積算する積算器と、を具備することを特徴とする。

イオン蓄積装置のイオン蓄積空間で、連続的にイオン選別用電界の強度が増加してゆく過程で、質量／電荷比の離れたイオンから順次イオン蓄積空間から排除されてゆき、イオンの空間電荷の影響は次第に小さくなる。最終的には、固有振動数のずれが生じない状態で所定の質量／電荷比の範囲のイオンを選別することができ、高分解能のイオン選別が実現できる。

また、その間にイオン選別の波形パターンを切り替える手間を生じず、振幅信号を増加させるだけなので制御が簡単になる。さらに、波形パターンを切り替える間の余分な時間のロスを生じず、常時イオン選別用の電界が印加されているため、短時間で高効率のイオン選別が可能となる。

このように、本発明に係るイオンを選別する方法によれば、イオン選別波形の制御や調整を簡単にし、イオン選別の時間を短縮することが可能になる。

以下に、イオントラップをイオン蓄積装置として用い、FNF波形を一定パターンの波形として用いた場合を例に、本発明に係るイオンを選別する方法について説明する。

図１は、200個の異なる周波数のサイン波から生成されたFNF波形の一例である。FNFやSWIFTなどの波形は、従来のイオン蓄積装置においても、イオンの質量／電荷比に応じて最適な振幅に制御されている。しかし、その波形の途中で振幅を変化させたりすることはない。一方、本発明によれば、図２に示すように、図１のFNF波形パターンが繰り返された波形（ａ）に対して、連続的に変化する振幅信号（ｂ）との積をとり、時間と共に振幅が変化する信号（ｃ）を生成している。

実際の装置においては、図２（ｃ）に示される波形を直接生成するのではなく、図１のFNF波形パターンをメモリに格納しておき、これを固定振幅で繰り返し出力させておき図２（ａ）の波形を生成する。そして、振幅制御のために、連続的に変化する振幅信号波形図２（ｂ）を別途生成し、掛算器等を使ってこれらの信号の積である図２（ｃ）の信号を生成し、この信号をイオン選別用電界の生成に用いる。イオントラップの場合には、図２（ｃ）の信号を増幅して二つのエンドキャップ電極に印加する。但し、一方のエンドキャップには、極性を反転した信号を与えて、エンドキャップ電極間に双極電場を発生させており、この電場によりイオンの振動を励起する。

制御装置としては、従来のように、異なるパターンのFNF出力を切り替えたり、その都度最適な電圧を調整したり、クーリング時間を管理してFNFパターン出力のON/OFFを制御したりする必要がなくなる。その代わりに、固定振幅の繰り返し波形の出力をスタートさせ、連続的に変化する振幅信号波形の出力をスタートさせるだけになる。

従来法では、分解能の異なるパターンを個別に印加して高分解能のイオン選別を行う場合、各パターンで充分にイオンの排除を行うために、それぞれの波形印加時間には余裕を持たせて長めに設定している上に、クーリング時間などを含めると非常に長い時間を要することになる。一方、本方法によれば、実効的に分解能が連続的に変化しているため、途中にクーリング時間を設ける必要はなく、短時間に高分解能のイオンの選別を行うことが可能になる。

図２（ｂ）の振幅信号波形では、振幅が連続的に増加している。しかし、高分解能のイオン選別を行う場合には、振幅信号が最大値に達してから、しばらくの間その振幅を維持しておいたほうがイオン選択の性能が向上する場合もある。
また、図２においては、FNFの波形パターンを８回繰り返しているが、繰り返しの回数は、パターンの長さやイオンの質量／電荷比の範囲などに応じて適当な時間になるように調整される。図２（ｂ）の振幅信号波形は、直線的に増加しているが、イオンの選択能力を最適化するために、湾曲させてもかまわない。また、目的とするイオンの選別の開始時と終了時とで、終了時の方が振幅が大きければ、振幅信号の波形を段階的に変化させてもかまわない。振幅信号の波形を段階的に変化させる場合には、繰り返し出力される一定パターンの波形の１周期の間に多数回の変化をすることで、振幅を連続的に変化させた場合とほぼ同等の作用を得ることができる。

図３（ａ）は、図１に示したFNF波形パターンのパワースペクトルを簡略表示したものである。位相情報は省略し、周波数成分の振幅強度のみを縦軸に表示している。この波形の場合には、各周波数成分は、等しい振幅強度を持ち、位相のみ変化している。図２（ｃ）のように、振幅を連続して増加する場合、振幅が小さい場合にイオンの排除能力が充分に得られない場合も生じる。そのような場合には、図３（ｂ）に示すように、ノッチ周波数から離れた部分の振幅強度を増加させて、不要なイオンを排除してイオンの空間電荷の影響を早期に取り除くことが有効である。ノッチ周辺の振幅強度はもとの大きさに保つことにより、選択的に蓄積すべき特定の質量／電荷比の範囲のイオンへの影響を軽減することができる。

以下、本発明の一実施例であるイオン蓄積装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図４は、イオントラップ１０をイオン蓄積装置として用いた質量分析装置の要部の構成図である。イオントラップ１０は、一つのリング電極１１と二つの対向するエンドキャップ電極１２，１３により構成されている。リング電極１１には高周波（ＲＦ）電圧発生器４０によって生成された高周波電圧が印加され、一対のエンドキャップ電極１２，１３との間に形成される四重極電場によってイオン蓄積空間１４を形成し、そこにイオンを捕捉する。エンドキャップ電極１２，１３にはそれぞれ補助電圧発生器１５，１６が接続されており、各分析ステップに応じて適当な電圧をエンドキャップ電極１２，１３に印加する。

例えばイオン発生器２０で発生させたイオンをイオントラップ１０へ導入する時には、入射するイオンのエネルギーを減衰させるための電圧が印加される。また、イオン検出器３０によりイオンを検出して質量分析を行う場合には、イオン蓄積空間１４からイオンを加速してイオン検出器３０へと放出するようにエンドキャップ電極１２，１３に電圧が印加される。さらにまた、イオントラップ１０内部でイオンの選別や解離を行わせる場合には、イオン蓄積空間１４に、高周波電圧により生成されたイオン捕捉用四重極電場に重畳して、イオンの選別や励起に用いるための電場を生成するべく電圧が印加される。

イオン発生器２０には、ガスクロマトグラフ分析器から導入される試料ガスを電子衝撃イオン化するものや、液体クロマトグラフ分析器から導入される試料液をESI(Electrospray Ionization)やAPCI(Atomospheric Pressure Chemical Ionization)などのイオン源によってイオンを生成するものや、サンプルプレート上に堆積させた固体状試料をMALDI(Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization)などの手法でイオン化するものがあり、これらによって生成されたイオンを、イオントラップの動作方法に応じて連続的あるいはパルス的に、イオントラップ内部へと入射し、イオンを蓄積する。

一方、イオントラップ内部で分析処理の完了したイオンは、イオントラップの動作方法に応じて連続的あるいはパルス的に、イオン検出器３０に送られて検出される。イオン検出器３０には、イオントラップ１０の蓄積条件をスキャンすることにより二次電子増倍管やマイクロチャンネルプレート（MCP）とコンバージョンダイノードを併用して直接検出し質量スペクトルを収集するものや、飛行時間質量分析器（TOFMS, Time Of Flight Mass Spectrometer）等へと導いて質量分析を行なうものなどがある。

電圧制御およびイオン信号測定部５０においては、上述のとおり高周波（ＲＦ）電圧発生器４０や補助電圧発生器１５，１６の電圧を制御したり、イオン発生器２０で生成されるイオンの量やタイミングを制御したり、イオン検出器３０で測定されたイオンの信号を測定/記録したりする。電圧制御及びイオン信号測定部５０には、固定振幅で一定パターンのイオン選別用波形が格納され、イオン選別用波形と振幅信号波形との積算を行う積算器が備えられる。制御用コンピュータ６０は、電圧制御およびイオン信号測定部５０の設定を行うと同時に、測定されたイオンの信号を取り込んで分析試料の質量スペクトルを表示したり、試料の構造情報を分析したりするなどの処理が行なわれる。

ＭＳ／ＭＳと呼ばれる質量分析方法を実行するにあたっては、補助電圧発生器１５，１６で極性が反転したイオン選別用波形を生成して、エンドキャップ電極１２，１３に出力することにより、イオン蓄積空間１４にイオン選別用電界を発生させている。イオン発生器１０からイオン蓄積空間１４へと導入された様々なｍ／ｅ比を持つイオンにイオン選別用電界を作用させることによって、特定のｍ／ｅ比を持つイオンのみをイオン蓄積空間１４に残し、他のイオンはすべて排除する。次に別の特別な電界を加えることによりこの選別されたイオン（プリカーサイオン）を分解して断片化し、断片イオン（フラグメントイオン）を生成する。その後、イオン蓄積空間１４に生成された断片イオンの質量スペクトルをイオン検出器３０を用いて検出する。

本発明の実施例においては、図２（ａ）のような固定振幅で一定パターンの波形の繰り返しによるイオン選別用波形と、図２（ｂ）のような連続的に変化する振幅信号波形との積の信号を生成し、この信号を補助電圧発生器１５，１６で増幅して、図２（ｃ）のようなイオン選別用電界を、エンドキャップ電極１２，１３に出力する。この時間と共に強度が増加するイオン選別用電界をイオン蓄積装置１０のイオン蓄積空間１４に印加することによって、特定の質量／電荷比の範囲のイオンを短時間で高効率に選別することが可能となる。

上記実施例は、イオントラップ型質量分析装置を用いて、本発明に係るイオン選別の方法を説明したものであるが、その他のイオン蓄積装置においても、同様の手法でイオンを短時間で高効率に選別することが可能であり、本発明に係るイオン選別の手法が適用可能であることは自明である。

従来技術に係る固定振幅で一定パターンのFNF(Filtered Noise Field)波形。固定振幅で一定パターンのFNF(Filtered Noise Field)波形を繰り返したイオン選別用波形（ａ）と、連続的に変化する振幅信号波形（ｂ）と、これらの積に比例して生成されるイオン選別用電界強度（ｃ）とを表す図。通常使用される、一定のスペクトル強度を持つイオン選別用波形のパワースペクトル（ａ）と、特定の質量／電荷比のイオンの固有振動数に設定されたノッチから遠ざかるにつれて強度が増加するよう生成されたイオン選別用波形のパワースペクトル（ｂ）。本発明の一実施例である、イオントラップをイオン蓄積装置として用いた質量分析装置の要部の構成図。

符号の説明

１０…イオントラップ
１１…リング電極
１２，１３…エンドキャップ電極
１４…イオン蓄積空間
１５，１６…補助電圧発生器
２０…イオン発生器
３０…イオン検出器
４０…高周波（RF）電圧発生器
５０…電圧制御およびイオン信号測定部
６０…制御用コンピュータ

Claims

イオン蓄積装置でイオン蓄積空間にイオン蓄積の条件を変化させずにイオン選別用電界を印加することによって特定の質量／電荷比の範囲のイオンを選別する方法において、イオン選別用電界が多数の周波数の正弦波を加え合わせて合成されたイオン選別用波形と振幅が時間と共に増加する振幅信号波形との積に比例して生成されることを特徴とするイオン選別方法。
前記多数の周波数の正弦波を加え合わせて合成されたイオン選別用波形において、前記特定の質量／電荷比の範囲のイオンが振動運動する固有周波数から遠ざかるにつれて周波数成分の強度を増加させることを特徴とする請求項１に記載のイオン選別方法。
前記多数の周波数の正弦波を加え合わせて合成されたイオン選別用波形が、FNF(Filtered Noise Field)法またはSWIFT(Stored Wave Inverse Fourier Transform)法で生成されることを特徴とする請求項１に記載のイオン選別方法。
イオン蓄積空間にイオン蓄積の条件を変化させずにイオン選別用電界を印加することによって特定の質量／電荷比の範囲のイオンを選別するイオン蓄積装置において、多数の周波数の正弦波を加え合わせて合成されたイオン選別用波形を格納する波形格納手段と、前記多数の周波数の正弦波を加え合わせて合成されたイオン選別用波形を繰り返し生成する手段と、振幅が時間とともに増加する振幅信号波形を生成する手段と、前記生成された波形を積算する積算器と、を具備することを特徴とするイオン蓄積装置。