JP4701720B2

JP4701720B2 - Ｍａｌｄｉイオントラップ型質量分析装置及び分析方法

Info

Publication number: JP4701720B2
Application number: JP2005003279A
Authority: JP
Inventors: 慎一岩本
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2005-01-11
Filing date: 2005-01-11
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2025-01-11
Also published as: JP2006196190A

Description

本発明は、イオン源としてMALDI(Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization)を使用し、該イオン源で生成されたイオンを一旦３次元イオントラップ装置等のイオントラップ蓄積装置に蓄積した後、質量分析を行う、MALDIイオントラップ型質量分析装置、及びそれによる分析方法に関する。

MALDIイオントラップ型質量分析装置による質量分析の概略は次の通りである。MALDIのサンプルトレイ上に載置された試料にレーザビームを照射し、試料をイオン化する。イオン化された試料は、イオンレンズにより収束され、イオントラップに送り込まれる。イオントラップでは、その時点で電極に適切な電圧を印加することにより、入ってきたイオンを内部のイオントラップ空間に捕捉する。捕捉されたイオンは、そのままイオントラップから放出される場合もあれば、選択・開裂等の操作が行われた後、放出されることもある。イオントラップから放出されたイオンに対しては、TOFMS(Time Of Flight Mass Spectrometer)等の次段の質量分析装置により質量分析が行われる。

イオントラップを用いた質量分析装置は一般に、一度に測定することのできる質量範囲が狭い。これは、MALDIで発生するイオンのほとんどが１価であり、かつ、イオントラップの低質量遮断(Lowmass Cutoff)という特徴のためである。すなわち、測定したいイオンの質量電荷比(m/z)の最大値を或る値に設定した場合、その約1/2〜1/3以下の質量電荷比のイオンはイオントラップ内に形成される四重極電場によってトラップすることができず、イオントラップを通過してしまうためである(特許文献１)。この下限となる質量電荷比の値は主にイオントラップにイオンを導入した直後にイオントラップのリング電極に印加される高周波(RF)電圧の値(振幅)によって決まるが、RF電圧印加(RF立ち上げ)とレーザ照射の時間差を変化させることにより微調整を行うことができる。

従来のMALDIイオントラップ型質量分析装置による質量分析では、あらかじめ用意された複数の質量範囲(例えば、超低質量、低質量、中質量、高質量、超高質量等)から任意の質量範囲を専用プログラム上で選択し、場合によってはさらにその設定パラメータ、特にレーザ照射時刻を微調整して、測定目的試料の推定質量に最適化して測定を行っている。

特開2004-303719号公報([0015])

多くの場合、試料の内容は未知であり、あらかじめ最適な質量範囲を設定することはできない。例えば、標準的には中質量範囲で測定すべき試料でも、実際にはやや低質量側に化合物が偏っていたり、逆に高質量側に偏っていたりすることがある。従って、分析条件を真に最適化するためには、検出されるイオンをまず確認してから、レーザ照射のタイミングを微調整し、再度測定を行わなければならない。

また、例えば中質量範囲に広く化合物が分布している混合物試料の場合、いかなる設定を行ったとしても、その試料全体を感度良く測定することができない。そのため、ペプチドマスフィンガープリント法(PMF)などのMSデータによるデータベース検索によっては信頼性の高い同定を行うことができない場合、シーケンスカバレージが低くなる場合がある。

本発明が解決しようとする課題は、MALDIイオントラップ型質量分析装置において、１回の測定でより広い質量範囲をカバーすることのできる方法及び装置構成を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明は、
第１の動作パラメータに従って試料にパルスレーザを照射するMALDI部と、
MALDI部において生成されたイオンをトラップし、第２の動作パラメータに従って質量分析部に放出するイオントラップ部と、
を備えるMALDIイオントラップ型質量分析装置において、
パルスレーザの照射時刻を前記第１の動作パラメータとするとともに、イオントラップ部のリング電極に高周波電圧を印加する時刻を前記第２の動作パラメータとして、そのパルスレーザ照射時刻とリング電極への高周波電圧印加時刻との時間間隔を変化させつつ１つの試料に対し複数回のパルスレーザ照射を行うように前記MALDI部及び前記イオントラップ部を制御し、そのパルスレーザ照射毎に得られたマススペクトルを加算又は加算平均することにより前記試料についてのマススペクトルを生成する制御部、を備えることを特徴とする。

一般的には、イオントラップの電極に電圧を印加する時刻を変えるよりは、パルスレーザの照射時刻を変える方が容易である。

従来、MALDIイオントラップ型質量分析装置で１つの試料の分析を行う際は、MALDI部において試料にパルスレーザを複数回照射し、各照射毎に質量分析された結果であるマススペクトルを構成するプロファイルデータを加算又は加算平均していた。ここで、１つの試料が分析される間は、MALDI部における動作を規定するパラメータやイオントラップ部における動作を規定するパラメータは変わることがなかった。従って、同じ条件の下で測定された結果が加算又は加算平均されていた。

それに対し本発明に係るMALDIイオントラップ型質量分析装置では、同一試料について複数回行われる質量分析の各々において、MALDI部における動作を規定する一つのパラメータである第１の動作パラメータと、イオントラップ部における動作を規定する一つのパラメータである第２の動作パラメータとの関係、つまり、パルスレーザ照射時刻とリング電極への高周波電圧印加時刻との時間間隔を変化させる。

制御部が両時刻の時間間隔を変化させつつ複数回のパルスレーザ照射を行うことにより、イオントラップにおいてトラップされる質量電荷比の範囲を広げることができるようになる。すなわち、１回の質量分析でより広い質量範囲をカバーすることができるようになる。

なお、この場合、イオントラップのリング電極に印加する電圧は高電圧であり、この印加時刻を変更するのは比較的困難であるのに対し、パルスレーザの照射時刻を変更するのは比較的容易である。従って、本方法を採用する場合は、リング電極に高周波高電圧を印加する時刻を固定して、パルスレーザの照射時刻を順次変化させてゆくという方法を採用することが望ましい。

本発明の一実施形態であるMALDIイオントラップ型質量分析装置を図１により説明する。本質量分析装置１０は、イオン源であるMALDI部１１、MALDI部で生成されたイオンを一時的に保持するイオントラップ部１２、イオントラップ部から加速して放出されるイオンが飛行し、検出される飛行時間(TOF)型質量分析部１３、及び、それら各部を制御する制御部１４等から成る。制御部１４はその他に、質量分析部１３の検出器１３１から出力される検出データに基づきマススペクトルを生成し、必要に応じてその後のデータ解析を行う機能を有する。

このようなMALDIイオントラップ型質量分析装置において、１つの試料の質量分析は図２に示すような手順で行われる。
MALDI部１１において、マトリックスに混入された試料１１１がサンプル板上に載置され、そこにN2レーザ光源１１２からパルス状のレーザビームが照射されることにより試料１１１がイオン化され、放出される。放出されたイオンは、イオンレンズ１１３によりイオントラップ部１２の入口側エンドキャップ電極１２１の開口に集束され、イオントラップ空間１２２に投入される。イオントラップ空間１２２では後述のように四重極電場が形成され、これにより、順次投入されてくるイオンがイオントラップ空間１２２内に保持される。保持されたイオンに対しては、必要に応じて、クーリングや選択、開裂等の処理が行われる。

イオントラップ空間１２２内に保持されたイオンは、後述の所定の電極への電圧印加により加速され、一挙に出口側エンドキャップ電極１２３の開口からTOF型質量分析部１３に向けて放出される。この加速の際、イオンはその質量電荷比に応じた速度を与えられ、低質量電荷比のイオンほど高速に加速される。これにより、イオンはTOF型質量分析部１３の電磁場の存在しない飛行空間を飛行する間にその質量電荷比により分離され、検出器１３１によって分離して検出される。

こうして１回の質量分析が行われると、横軸を質量電荷比(mass/charge)、縦軸をイオン強度とする１つのマススペクトルが生成される。MALDI部１１では、サンプル板上にセットされた試料１１１に対して多数回のレーザパルスの照射が行われ、各照射毎に上記のようなプロセスでマススペクトルが生成される。制御部１４では、こうして生成された多数のマススペクトルを加算し、又は加算平均して、その試料に関するマススペクトルを生成する。

以上のような一連の手順において、各動作は図２に示すようなタイミングで行われる。すなわち、まず、時刻t0で試料１１１にパルスレーザを照射する。このとき、イオントラップ部１２の入口側エンドキャップ(EC)電極１２１には電圧を印加せず(接地し)、出口側エンドキャップ(EC)電極１２３に正の直流電圧(正イオンの場合)を印加しておく。パルスレーザ照射により生成したイオンは、質量電荷比(m/z)の小さいものから順にイオントラップ空間１２２内に入るが、出口側エンドキャップ電極１２３に印加された電圧(Retard電圧)によりその開口から質量分析部１３に抜け出ることなく、イオントラップ空間１２２内にとどまる。

この状態を所定時間継続することにより、全てのイオンがイオントラップ空間１２２内に導入されるようにする。そして時刻t1に出口側エンドキャップ電極１２３を接地するとともに、イオントラップ部１２のリング電極１２４に高周波(RF)電圧を印加する。このRF電圧によりイオントラップ空間１２２内に擬似ポテンシャルが形成され、イオンがトラップされる。トラップされたイオンはイオントラップ空間１２２内に予め導入されたガス(Heなどの希ガス)と衝突し、エネルギ収束されてイオントラップ空間１２２の中心に集まってゆく(クーリング)。

MSモードの場合、このクーリング処理が終了した時刻t2において、リング電極１２４へのRF電圧の印加を停止し、入口側エンドキャップ電極１２１と出口側エンドキャップ電極１２３に逆極性の電圧を印加する(正イオンの場合、入口側エンドキャップ電極１２１に正の、出口側エンドキャップ電極１２３に負の電圧を印加する)ことによりイオントラップ空間１２２に強い電圧勾配を形成し、イオンを質量分析部１３に向けて加速する。これによりイオンはその質量電荷比に応じた初速を得、出口側エンドキャップ電極１２３の開口から一斉に飛び出して質量分析部１３の飛行空間を等速飛行する。図１の装置の場合、イオンは質量分析部１３の終端の反射部(リフレクトロン)で折り返してさらに長い距離を飛行して、検出器１３１により質量電荷比の小さいもの(初速の大きいもの)から順に検出される。制御部１４では、入力したイオンの検出信号強度と飛行時間(Time of Flight)からマススペクトルを生成する。

こうして１回のパルスレーザ照射による質量分析が終わった後、時刻t3において入口側エンドキャップ電極１２１と出口側エンドキャップ電極１２３の電圧を待機状態の値(時刻t0における値)に戻し、次のパルスレーザ照射を行う。このようなパルスレーザの照射を多数回(通常、数十から数百回)繰り返し、それにより得られた各マススペクトルを制御部１４において加算又は加算平均することにより、この試料１１１の質量分析データを得る。

なお、MS/MSモードやMSⁿモードでは、時刻t2にイオンがイオントラップ部１２から放出される前(かつ、クーリングの前)にプリカーサイオンの選択、及びガスによる衝突誘起解離処理が行われる。

本発明に係るMALDIイオントラップ型質量分析装置１０では、このパルスレーザ照射を繰り返す際に、図３に示すように、リング電極１２４にRF電圧を印加し、出口側エンドキャップ電極１２３の電圧を接地する時刻t1に対するパルスレーザの照射時刻t01,t02,t03,...を少しずつずらせる。

イオントラップ空間１２２内にトラップされるイオンの質量電荷比m/zは、理論上、RF電圧の大きさと周波数により定まるが、MALDI部１１におけるイオン化、すなわちレーザ照射時刻t0、とRF電圧印加(RF立ち上げ)時刻t1の間の時間によっても有意な影響を受け、レーザ照射時刻t0からRF立ち上げ時刻t1までの時間が長いほど、より大きな質量電荷比を持つイオンがイオントラップ空間１２２にトラップされるようになる。

図３に示すようにパルスレーザの照射時刻t01,t02,t03,...を少しずつずらせることにより、各照射毎にイオントラップ部１２にトラップされるイオンの質量電荷比の範囲を少しずつずらせることができる。従って、１つの試料１１１に対してこうしてパルスレーザ照射時刻をずらして質量分析を行い、それらにより得られたデータを集積する(加算又は加算平均する)ことにより、広い質量電荷比の範囲のイオンの質量分析を行うことができるようになる。

パルスレーザ照射時刻とRF電圧印加時刻の間の時間を変えるためには、パルスレーザ照射時刻を固定してRF電圧印加時刻を変化させる方法も考えられるが、RF電圧は高電圧であるため、その印加時刻を変化させるよりもパルスレーザ照射時刻を変化させる方が実際上は容易である。

本発明の一実施例である株式会社島津製作所製MALDIイオントラップ型質量分析装置AXIMA-QIT(AXIMAは登録商標)を用いてウシ血清アルブミントリプシン消化物を測定したデータを示す。図４(b)は、パルスレーザの照射時刻t0とRF電圧印加時刻t1の間の時間を標準的な値である23μsecとした場合のマススペクトルであり、質量電荷比m/zが1200以下の部分では検出されるイオンが非常に少ないことがわかる。それに対し、パルスレーザ照射の時刻t0を6μsecだけ遅らせ、t0〜t1の時間を短くした場合には、図４(a)に示すようにマススペクトルが全体的に低質量側にシフトしており、m/zが1200以下の範囲でも多くのイオンが検出されている。

同じ試料について、照射時刻t0を少しずつずらせて多数回のパルスレーザを照射し、得られた各プロファイルデータを加算平均すると、図５に示すように、広い質量範囲にわたるマススペクトルが得られた。

本発明の一実施形態であるMALDIイオントラップ型質量分析装置の概略構成図。上記実施形態のMALDIイオントラップ型質量分析装置において行われる１回のパルスレーザ照射毎の動作のタイミングチャート。上記実施形態のMALDIイオントラップ型質量分析装置において行われる多数回のパルスレーザ照射の場合の動作のタイミングチャート。本発明の実施例であるMALDIイオントラップ型質量分析装置を用いて採取したウシ血清アルブミントリプシン消化物のマススペクトルであって、(b)はパルスレーザの照射とRF電圧印加の間の時間を標準的な値とした場合、(a)はパルスレーザの照射時刻を遅らせた場合のもの。本発明の実施例であるMALDIイオントラップ型質量分析装置を用いて採取したウシ血清アルブミントリプシン消化物のマススペクトルであって、パルスレーザの照射時刻を少しずつ変化させて多数回採取したマススペクトルを加算平均したもの。

符号の説明

１０…MALDIイオントラップ型質量分析装置
１１…MALDI部
１１１…試料
１１２…N2レーザ光源
１１３…イオンレンズ
１２…イオントラップ部
１２１…入口側エンドキャップ電極
１２２…イオントラップ空間
１２３…出口側エンドキャップ電極
１２４…リング電極
１３…TOF型質量分析部
１３１…検出器
１４…制御部

Claims

第１の動作パラメータに従って試料にパルスレーザを照射するMALDI部と、
MALDI部において生成されたイオンをトラップし、第２の動作パラメータに従って質量分析部に放出するイオントラップ部と、
を備えるMALDIイオントラップ型質量分析装置において、
パルスレーザの照射時刻を前記第１の動作パラメータとするとともに、イオントラップ部のリング電極に高周波電圧を印加する時刻を前記第２の動作パラメータとして、そのパルスレーザ照射時刻とリング電極への高周波電圧印加時刻との時間間隔を変化させつつ１つの試料に対し複数回のパルスレーザ照射を行うように前記MALDI部及び前記イオントラップ部を制御し、そのパルスレーザ照射毎に得られたマススペクトルを加算又は加算平均することにより前記試料についてのマススペクトルを生成する制御部、
を備えることを特徴とするMALDIイオントラップ型質量分析装置。
前記リング電極への高周波電圧印加時刻を固定し、前記パルスレーザ照射時刻のみを変化させることで前記時間間隔を変化させることを特徴とする請求項１に記載のMALDIイオントラップ型質量分析装置。
第１の動作パラメータに従って試料にパルスレーザを照射するMALDI部と、
MALDI部において生成されたイオンをトラップし、第２の動作パラメータに従って質量分析部に放出するイオントラップ部と、
を備えるMALDIイオントラップ型質量分析装置による質量分析方法であって、
パルスレーザの照射時刻を前記第１の動作パラメータとするとともに、イオントラップ部のリング電極に高周波電圧を印加する時刻を前記第２の動作パラメータとして、そのパルスレーザ照射時刻とリング電極への高周波電圧印加時刻との時間間隔を変化させつつ１つの試料に対し複数回のパルスレーザ照射を行うように前記MALDI部及び前記イオントラップ部を制御し、そのパルスレーザ照射毎に得られたマススペクトルを加算又は加算平均することにより前記試料についてのマススペクトルを生成することを特徴とするMALDIイオントラップ型質量分析装置による質量分析方法。