JP7143737B2 - 質量分析装置、イオン発生タイミング制御方法およびイオン発生タイミング制御プログラム - Google Patents

Description

本発明は、質量分析装置、質量分析装置において用いられるイオン発生タイミング制御方法およびイオン発生タイミング制御プログラムに関する。

質量分析装置は、試料をイオン化するイオン源、イオン源から発生したイオンを質量分離するイオン分離部、および、イオン分離部において質量分離されたイオンを検出する検出部を備える。そして、イオン源として、ＭＡＬＤＩ（マトリクス支援レーザ脱離イオン化法）を利用するＭＡＬＤＩイオン源を用いるとともに、イオン分離部としてイオントラップを用いる質量分析装置が知られている。

ＭＡＬＤＩイオン源において、試料・マトリクス混合物に紫外光であるレーザ光が照射される。レーザ光はパルス状に照射され、これによって、ＭＡＬＤＩイオン源からはパルス状にイオンが発生する。

ＭＡＬＤＩイオン源から発生したイオンは、イオントラップに導入される。イオントラップのリング電極には矩形波電圧が印加され、イオントラップ内のイオントラップ領域においてイオンが捕捉される。イオントラップ内には予めクーリングガスが供給されており、捕捉されたイオンの運動エネルギーがクーリングガスによって減少する。これにより、イオンがイオントラップ内で安定的に捕捉される。そして、イオントラップのエンドキャップ電極に高周波電圧が印加されることにより、特定質量のイオンが共鳴励起（励振）し、励振したイオンがイオントラップから排出される。

イオントラップから排出された特定質量のイオンは、検出部において検出される。検出部において検出されたイオンはデータ処理装置において質量分析される。下記特許文献１においては、ＭＡＬＤＩイオン源およびイオントラップを備えた質量分析装置が開示されている。

特許第４８９４９１６号公報

上述したように、イオントラップのリング電極に矩形波電圧が印加されることで、イオントラップ内でイオンが捕捉される。しかし、リング電極に矩形波電圧が印加されている状態では、効率的にイオンがイオントラップ内に導入されない。そこで、リング電極に印加される矩形波電圧を一旦０Ｖとして、イオンがイオントラップ内に導入された後に、矩形波電圧を立ち上げるという方法がある。しかし、矩形波電圧を０Ｖから立ち上げる方法では、立ち上げ時に電源部における電流負荷の変化が大きくなるため、矩形波電圧の波形が歪む場合がある。イオンの捕捉を効率的に行うためには、矩形波電圧が歪みのない波形であることが望ましい。

また、一般的にＭＡＬＤＩイオン源では、１回のレーザ光照射によって発生するイオンの量が充分でないことが多い。このため、１回の質量分析により得られる質量スペクトルが要求されるＳ／Ｎ比を満たさない場合がある。そこで、上記特許文献１の質量分析装置では、イオントラップにイオンが捕捉された状態で、イオンが追加導入される。

しかし、上述したように、リング電極に矩形波電圧が印加されている状態では、効率的にイオンがイオントラップ内に導入されない。これは、イオントラップにおいてイオンを捕捉している間、イオントラップには電場が形成されているからである。したがって、イオンが捕捉されている状態でイオンを追加導入するためには、イオントラップに印加される矩形波電圧の位相と試料に照射するレーザ光の照射タイミングを同期させる必要がある。特許文献１の質量分析装置では、イオントラップに捕捉されたイオンがイオントラップ領域の中央に向かうタイミングでイオントラップにイオンが追加導入されるように、レーザ光の照射タイミングが制御される。つまり、イオントラップ領域内で、イオン雲が拡大状態から収縮状態に変化しようとするタイミングでイオンがイオントラップに到達するように、レーザ光の照射タイミングが制御される。これにより、特許文献１の質量分析装置は、１回の質量分析によって得られる質量スペクトルのＳ／Ｎ比を向上させることができる。特許文献１における質量分析装置は、特定の質量のイオンをイオントラップに追加導入する方法としては有効である。

本発明の目的は、イオントラップに印加される矩形波電圧の波形の歪を抑制可能であり、且つ、効果的にイオントラップにイオンを追加導入可能な質量分析装置、イオン発生タイミング制御方法およびイオン発生タイミング制御プログラムを提供することである。

（１）本発明の一の局面に従う質量分析装置は、イオンを発生させるイオン源と、イオン源から発生したイオンを捕捉するイオントラップと、イオントラップから放出されたイオンを検出する検出部と、イオントラップにおいて捕捉電場を形成するために印加される周期的な電圧の制御、および、イオン源から発生するイオンの発生タイミングを制御する制御部とを備える。制御部は、周期的な電圧の一周期にＮ回（Ｎは２以上の整数）の位相タイミングが設定され、Ｎ回の位相タイミングが周期的な電圧のそれぞれ異なる周期に割り当てられて、周期的な電圧の印加を継続させている間に、Ｎ回の位相タイミングにおいてイオン源からイオンを発生させるイオン発生タイミング制御部含む。

この質量分析装置によれば、イオントラップにおいて周期的な電圧の印加が継続されている間に、Ｎ回の位相タイミングにおいてイオン源からパルス状のイオンが発生する。イオン源から発生したパルス状のイオンがイオントラップに導入されるとき、周期的な電圧の波形に歪が生じることが抑制される。これにより、イオン源から導入されたイオンが効率良くイオントラップ内で捕捉される。

また、この質量分析装置によれば、Ｎ回の位相タイミングにおいてイオン源から発生したイオンがイオントラップに捕捉される。イオントラップにＮ回のレーザ光照射によって発生したイオンが捕捉されるので、１回の質量分離・検出処理で得られるイオンの量が増加する。

Ｎ回の位相タイミングにおいてイオン源からイオンが発生するとき、イオントラップには周期的な電圧が印加されている。つまり、Ｎ回の位相タイミングにおいてイオン源からイオンが発生するとき、イオントラップ内には捕捉電場が形成されている。したがって、イオントラップ内のイオン雲が拡大状態から縮小状態に変化しているときに到達するイオンはイオントラップ内に導入され易いが、イオントラップ内のイオン雲が縮小状態から拡大状態に変化しているときに到達するイオンはイオントラップ内に導入され難い。そして、イオン源から発生したイオンがイオントラップに到達する時間はイオンの質量に依存する。そこで、この質量分析装置は、周期的な電圧の一周期にＮ回の位相タイミングが設定されるので、特定の質量に限られることなく、広い範囲の質量のイオンがイオントラップにおいて捕捉される。

この質量分析装置において、イオントラップにおいて補足電場を形成するために印加される周期的な電圧は矩形波を含んでもよい。

イオン発生タイミング制御部は、周期的な電圧の一周期をＮ等分することにより、Ｎ回の位相タイミングを設定してもよい。周期的な電圧の一周期の中でＮ回の位相タイミングが偏りなく設定される。特定の質量に限られることなく、広い範囲の質量のイオンがイオントラップにおいて捕捉される。

イオン発生タイミング制御部は、クーリング期間を空けてＮ回の位相タイミングを割り当てる電圧の周期を設定してもよい。

Ｎ回の位相タイミングが、クーリング期間を空けて設定される。ある位相タイミングで発生したイオンがイオントラップにおいて捕捉された後、イオントラップ外部のクーリングガスの濃度が薄まってから次の位相タイミングでイオンが導入される。イオントラップの外部、特に、イオントラップへのイオンの導入口付近のクーリングガスの濃度が薄まることで、効率的に追加のイオンがイオントラップ内に導入される。

イオン源は、ＭＡＬＤＩ（マトリクス支援レーザ脱離イオン化法）を利用するＭＡＬＤＩイオン源を含んでもよい。

本発明の他の局面に従うイオン発生タイミング制御方法は、周期的な電圧を印加することにより、イオントラップにおいてイオン源から発生したイオンを捕捉するための捕捉電場を形成することと、周期的な電圧の一周期にＮ回（Ｎは２以上の整数）の位相タイミングが設定され、Ｎ回の位相タイミングが周期的な電圧のそれぞれ異なる周期に割り当てられて、周期的な電圧の印加を継続させている間に、Ｎ回の位相タイミングにおいてイオン源からイオンを発生させることと、を含む。

本発明のさらに他の局面に従うイオン発生タイミング制御プログラムは、イオントラップにおいてイオン源から発生したイオンを捕捉するための捕捉電場を形成するために印加される周期的な電圧を制御する処理と、周期的な電圧の一周期にＮ回（Ｎは２以上の整数）の位相タイミングが設定され、Ｎ回の位相タイミングが周期的な電圧のそれぞれ異なる周期に割り当てられて、周期的な電圧の印加を継続させている間に、Ｎ回の位相タイミングにおいてイオン源からイオンを発生させる処理とを、コンピュータに実行させる。

本発明によれば、イオントラップを利用した質量分析装置において、イオントラップに印加される矩形波電圧の波形の歪を抑制すること、および、効果的にイオントラップにイオンを追加導入することが可能である。

図１は、本実施の形態に係る質量分析装置の全体構成図である。 図２は、制御部および制御部周辺の機能部を示すブロック図である。 図３は、リング電極に印加される矩形波電圧、クーリングガスの発生パルス信号およびレーザ光の発生パルス信号ＰＭのタイミングチャートである。 図４は、リング電極に印加される矩形波電圧の一周期の電圧値とレーザ光照射の位相タイミングとの関係を示す図である。 図５は、クーリングガスの発生パルス信号およびレーザ光の発生パルス信号ＰＭのタイミングチャートである。 図６は、本実施の形態に係るイオン発生タイミング制御方法を示すフローチャートである。 図７は、本実施の形態に係るイオン発生タイミング制御方法によって得られる質量スペクトルを示す図である。

（１）質量分析装置の全体構成
図１は、本実施の形態に係る質量分析装置１０の全体構成図である。本実施の形態においては、質量分析装置１０は、マトリクス支援レーザ脱離イオン化デジタルイオントラップ型質量分析装置（ＭＡＬＤＩ－ＤＩＴ－ＭＳ）である。質量分析装置１０は、ＭＡＬＤＩ（マトリクス支援レーザ脱離イオン化法）を利用するＭＡＬＤＩイオン源１、イオントラップ２、検出部３、データ処理部４、制御部５、入力部７および表示部８を備える。ＭＡＬＤＩイオン源１が本発明におけるイオン源の例である。

ＭＡＬＤＩイオン源１は、試料プレート１１上に用意された試料・マトリクス混合物１２に、紫外光であるレーザ光を照射する。マトリクスとしては、例えば、ＣＨＣＡ（α－ｃｙａｎｏ－４－ｈｙｄｒｏｘｙｃｉｎｎａｍｉｃ ａｃｉｄ）が利用される。ＭＡＬＤＩイオン源１は、レーザ光照射部１３、反射鏡１４、アパーチャ１５およびアインツェルレンズ１６を備える。

レーザ光照射部１３は、試料プレート１１上の試料・マトリクス混合物１２に照射するレーザ光を出力する。レーザ光としては例えば窒素レーザやＹＡＧレーザが使用される。反射鏡１４は、レーザ光照射部１３から出力されたレーザ光の光路を、試料・マトリクス混合物１２に向う方向へと変更する。反射鏡１４において光路が変更されたレーザ光は、試料プレート１１上の試料・マトリクス混合物１２に集光される。

アパーチャ１５は、試料プレート１１とイオントラップ２との間に配置される。アパーチャ１５は、試料・マトリクス混合物１２から発生したイオンの周囲への拡散を遮蔽する。アインツェルレンズ１６は、アパーチャ１５を通過したイオンをイオントラップ２まで輸送するためのイオン輸送光学系である。イオン輸送光学系としては、静電レンズ光学系等、アインツェルレンズ１６以外の各種の構成が用いられてもよい。

イオントラップ２は３次元四重極型のイオントラップである。イオントラップ２は、内周面が回転１葉双曲面形状である円環状のリング電極２１および内周面が回転２葉双曲面形状である一対のエンドキャップ電極２２，２３を備える。イオントラップ領域２４が、リング電極２１およびエンドキャップ電極２２，２３で囲まれた空間に形成されている。エンドキャップ電極２２の中央にはイオン導入口２５が設けられている。エンドキャップ電極２３の中央にはイオン排出口２６が設けられている。

イオントラップ２は、また、捕捉電圧発生部６１、補助電圧発生部６２およびクーリングガス供給部６３を備える。捕捉電圧発生部６１は、リング電極２１に所定周波数の矩形波電圧を印加する。補助電圧発生部６２は、一対のエンドキャップ電極２２，２３にそれぞれ所定の電圧（直流電圧または高周波電圧）を印加する。クーリングガス供給部６３は、イオントラップ２内にクーリングガスを供給する。クーリングガスとしては一般的には不活性ガスが用いられ、イオントラップ２内のイオンがクーリングされる。

検出部３は、コンバージョンダイノード３１および二次電子増倍管３２を備える。コンバージョンダイノード３１は、イオン排出口２６の外側に設けられ、イオントラップ２から排出されたイオンを電子に変換する。二次電子増倍管３２は、コンバージョンダイノード３１において変換された電子を増倍して検出する。検出部３は、正イオンおよび負イオンの両方のイオンを検出可能である。検出部３において検出された電子は、検出信号としてデータ処理部４に与えられる。データ処理部４は、検出部３から受け取った検出信号をデジタルの検出信号に変換し、デジタルの検出信号に基づいて分析処理を実行する。データ処理部４は、分析処理の一つとして、検出信号に基づいてイオンの質量スペクトルを生成する。

制御部５は、イオン発生タイミング制御部５１を備える。イオン発生タイミング制御部５１の機能については後述する。入力部７は、オペレータによる制御部５に対する各種の操作を受け付ける。表示部８は、質量分析装置１０における各種の設定情報、データ処理部４によるデータ処理結果等を表示する。

図２は、制御部５および制御部５の周辺の構成を示すブロック図である。制御部５は、ＣＰＵ１０１、ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３および記憶装置１０４を備える。ＣＰＵ１０１は、ＲＯＭ１０２に記憶されている制御プログラムに基づいて質量分析装置１０の制御を行う。ＣＰＵ１０１は、制御プログラムを実行することにより、捕捉電圧発生部６１および補助電圧発生部６２を制御し、イオントラップ２内においてＭＡＬＤＩイオン源１から供給されたイオンを捕捉させる。ＣＰＵ１０１は、また、制御プログラムを実行することにより、クーリングガス供給部６３を制御し、イオントラップ２内にクーリングガスを供給して、イオントラップ２内のイオンをクーリングさせる。ＣＰＵ１０１は、また、制御プログラムを実行することにより、レーザ光照射部１３を制御し、試料・マトリクス混合物１２に向けてレーザ光を照射させる。

（２）質量分析装置の動作
上記の構成を有する質量分析装置１０は、以下の動作により質量スペクトルを得る。制御部５の制御により、レーザ光照射部１３が試料・マトリクス混合物１２に向けてレーザ光を照射する。レーザ光の照射タイミングは、イオン発生タイミング制御部５１により制御される。レーザ光の照射タイミングの制御方法については後述する。試料・マトリクス混合物１２から発生したイオンは、アパーチャ１５およびアインツェルレンズ１６を通過して、イオン導入口２５からイオントラップ２内に導入される。

制御部５の制御により、捕捉電圧発生部６１が、リング電極２１に所定周波数の矩形波電圧を印加する。矩形波電圧によって形成された捕捉電場によって、導入されたイオンがイオントラップ領域２４において捕捉される。矩形波電圧の印加タイミングは、イオン発生タイミング制御部５１により制御される。本実施の形態においては、イオンがイオントラップ２内に導入される前の段階で、イオン発生タイミング制御部５１は、捕捉電圧発生部６１を制御し、リング電極２１に対して矩形波電圧を印加させる。また、イオンがイオントラップ２内に導入されるのに先立って、制御部５の制御により、クーリングガス供給部６３がイオントラップ２内にクーリングガスを供給する。クーリングガス供給部６３によるクーリングガスの供給タイミングは、イオン発生タイミング制御部５１により制御される。イオントラップ２内に導入されたイオンは、クーリングガスに衝突して運動エネルギーが減少し、イオントラップ領域２４内で捕捉され易い状態となる。

イオントラップ２内にイオンが捕捉された状態で、イオン発生タイミング制御部５１の制御により、再び、レーザ光照射部１３が、試料・マトリクス混合物１２にレーザ光を照射する。これにより、ＭＡＬＤＩイオン源１から発生したイオンが、追加的にイオントラップ２内に導入される。イオンがイオントラップ２内で捕捉されている状態、つまり、リング電極２１に対して矩形波電圧が印加されている状態では、追加のイオンが効率的にイオントラップ２内に導入されない。そこで、本実施の形態の質量分析装置１０においては、イオン発生タイミング制御部５１が、追加のイオンを効率的にイオントラップ２内に導入するためにレーザ光の照射タイミングを制御する。イオン発生タイミング制御部５１が、追加のイオンを導入するタイミングを制御する方法については後述する。

リング電極２１に矩形波電圧が印加された状態で、制御部５の制御により、補助電圧発生部６２がエンドキャップ電極２２，２３に対して高周波電圧を印加する。これにより、特定の質量を有するイオンが共鳴励起（励振）する。励振した特定質量を有するイオンは、イオン排出口２６から排出され、検出部３において検出される。検出部３において検出されたイオンの検出信号は、データ処理部４に与えられる。

捕捉電圧発生部６１がリング電極２１に印加する矩形波電圧の周波数および補助電圧発生部６２がエンドキャップ電極２２，２３に印加する高周波電圧の周波数が、制御部５の制御によって走査されることで、イオン排出口２６から排出されるイオンの質量が走査される。これにより、質量走査されて順に排出されるイオンが検出部３において検出される。これにより、データ処理部４は検出部３から与えられる検出信号に基づいて質量スペクトルを取得する。

（３）イオン発生タイミング制御方法
次に、本実施の形態に係るイオン発生タイミング制御方法について説明する。図２に示すように、記憶装置１０４には、イオン発生タイミング制御プログラムＰ１が記憶されている。図１に示したイオン発生タイミング制御部５１は、ＣＰＵ１０１が、ＲＡＭ１０３を作業領域として使用しつつ、イオン発生タイミング制御プログラムＰ１を実行することによって実現される機能部である。

図３は、リング電極２１に印加される矩形波電圧ＶＴ、制御部５がクーリングガス供給部６３に対して出力するクーリングガスの発生パルス信号ＰＧおよび制御部５がレーザ光照射部１３に出力するレーザ光の発生パルス信号ＰＭのタイミングチャートである。図３の例では、クーリングガスとしてヘリウムガスが用いられる。図３は、具体的には、１回目のクリーンガスの供給と１回目のレーザ光の照射のタイミングを示す図である。イオン発生タイミング制御部５１は、以下に示すように、リング電極２１に矩形波電圧ＶＴを印加するタイミング、イオントラップ２内にクーリングガスを供給するタイミング、および、レーザ光照射部１３によりレーザ光を照射するタイミングを制御する。

図３に示すように、イオン発生タイミング制御部５１は、捕捉電圧発生部６１を制御することにより、１回目のレーザ光の照射前に、リング電極２１に対する矩形波電圧ＶＴの印加を開始する。図３におけるスタンバイ期間（ｐｒｅｓｔａｎｄｂｙ）は、１回目のレーザ光の照射前に矩形波電圧ＶＴが印加されている期間を示す。

図３に示すように、スタンバイ期間の後は、１回目のレーザ光照射期間（Ｌａｓｅｒ－１）である。イオン発生タイミング制御部５１は、１回目のレーザ光照射期間（Ｌａｓｅｒ－１）において、クーリングガス供給部６３を制御し、イオントラップ２内にクーリングガスを供給させる。続いて、イオン発生タイミング制御部５１は、１回目のレーザ光照射期間（Ｌａｓｅｒ－１）において、レーザ光照射部１３を制御し、試料・マトリクス混合物１２にレーザ光を照射させる。このように、１回目のレーザ光照射期間（Ｌａｓｅｒ－１）において、クーリングガスの供給に続いてレーザ光の照射が行われる。

図３に示すように、１回目のレーザ光照射期間（Ｌａｓｅｒ－１）の後は、１回目のクーリング期間（Ｃｏｏｌｉｎｇ－１）である。１回目のクーリング期間（Ｃｏｏｌｉｎｇ－１）の間、イオントラップ２内に捕捉されたイオンは検出部３に対して排出されることなく、イオントラップ２内に保持される。したがって、イオン発生タイミング制御部５１は捕捉電圧発生部６１を制御し、図３に示すように、１回目のクーリング期間（Ｃｏｏｌｉｎｇ－１）の間も矩形波電圧の印加を継続させる。

図４は、リング電極２１に印加される矩形波電圧ＶＴの一周期の電圧値とレーザ光の位相タイミングＰ（１），Ｐ（２），Ｐ（３）との関係を示す図である。本実施の形態においては、３回のレーザ光照射によって発生したイオンがイオントラップ２内で捕捉される。図４に示すように、イオン発生タイミング制御部５１は、レーザ光照射部１３を制御し、３回の位相タイミングＰ（１），Ｐ（２），Ｐ（３）において、レーザ光を照射させる。

３回の位相タイミングＰ（１），Ｐ（２），Ｐ（３）は、リング電極２１に印加される矩形波電圧ＶＴの異なる周期に割り当てられる。図４においては、３回の位相タイミングＰ（１），Ｐ（２），Ｐ（３）を矩形波電圧ＶＴの同一周期内に図示しているが、実際には、３回の位相タイミングＰ（１），Ｐ（２），Ｐ（３）は矩形波電圧ＶＴの異なる周期に割り当てられる。

図４の例では、矩形波電圧ＶＴの一周期をＴμｓとすると、３回の位相タイミングＰ（１），Ｐ（２），Ｐ（３）は、（Ｔ／３）μｓ間隔で設定される。なお、１回目の位相タイミングＰ（１）は、任意のタイミングでよい。言い換えると、１回目の位相タイミングＰ（１）は、矩形波電圧ＶＴの一周期の中でどのタイミングであってもよい。図４の例では、１回目の位相タイミングＰ（１）は、矩形波電圧ＶＴの一周期の開始からＡμｓ後である。したがって、２回目の位相タイミングＰ（２）は、矩形波電圧Ｖの一周期の開始から（Ａ＋Ｔ／３）μｓである。３回目の位相タイミングＰ（３）は、矩形波電圧Ｖの一周期の開始から（Ａ＋２Ｔ／３）μｓである。開始タイミングＡは、自由に設定することができる。

図５は、制御部５がクーリングガス供給部６３に対して出力するクーリングガスの発生パルス信号ＰＧおよび制御部５がレーザ光照射部１３に出力するレーザ光の発生パルス信号ＰＭのタイミングチャートである。図５は、具体的には、１回目～３回目のクリーンガスの供給と１回目～３回目のレーザ光の照射のタイミングを示す図である。図では、リング電極２１に印加される矩形波電圧ＶＴの記載を省略しているが、図５における全期間において、リング電極２１に矩形波電圧ＶＴが印加されている。つまり、捕捉電圧発生部６１は、図５の全ての期間において、図３で示した場合と同様に矩形波電圧ＶＴを印加する。

図５は、１回目～３回目のレーザ光照射期間（Ｌａｓｅｒ－１～Ｌａｓｅｒ－３）を示している。また、図５は、１回目および２回目のクーリング期間（Ｃｏｏｌｉｎｇ－１およびＣｏｏｌｉｎｇ－２）を示している。

まず、１回目のレーザ光照射期間（Ｌａｓｅｒ－１）において、１回目のクーリングガスの供給が行われる。続いて、１回目のレーザ光照射期間（Ｌａｓｅｒ－１）における１回目の位相タイミングＰ（１）において、レーザ光照射部１３が試料・マトリクス混合物１２にレーザ光を照射する。なお、１回目のレーザ光照射期間（Ｌａｓｅｒ－１）の前は、図３に示したスタンバイ期間（ｐｒｅｓｔａｎｂｙ）であり、捕捉電圧発生部６１による矩形波電圧ＶＴの印加が開始されている。

１回目のレーザ光照射期間（Ｌａｓｅｒ－１）の後、１回目のクーリング期間（Ｃｏｏｌｉｎｇ－１）が設定される。１回目のクーリング期間（Ｃｏｏｌｉｎｇ－１）の間、捕捉電圧発生部６１による矩形波電圧ＶＴの印加が継続されている。このように、クーリング期間を設けるのは、イオントラップ２の外部、特にイオン導入口２５付近にクーリングガスが広がっている状態では、次のイオンの導入が効率的に行えないからである。なお、１回目のクーリングガスの供給の直後に１回目のレーザ光が照射されるが、この時点ではクーリングガスは未だイオントラップ２の外部にまで広がっていないため、イオンが効率よくイオントラップ２内に導入される。この後の２回目、３回目のクーリングガスの供給およびレーザ光の照射においても、同様、クーリングガスの供給直後はイオンがイオントラップ２内に効率良く導入される。その後は、クーリングガスがイオントラップ２の外部に広がるため、次のイオンを導入するためには、イオントラップ２の外部のクーリングガスの濃度が薄まるまでクーリング期間を設ける必要がある。

１回目のクーリング期間（Ｃｏｏｌｉｎｇ－１）の後、２回目のレーザ光照射期間（Ｌａｓｅｒ－２）が設定される。２回目のレーザ光照射期間（Ｌａｓｅｒ－２）において、２回目のクーリングガスの供給が行われる。続いて、２回目のレーザ光照射期間（Ｌａｓｅｒ－２）における２回目の位相タイミングＰ（２）において、レーザ光照射部１３が試料・マトリクス混合物１２にレーザ光を照射する。２回目の位相タイミングＰ（２）は、１回目の位相タイミングＰ（１）より、（Ｔ／３）μｓだけ遅い位相のタイミングである。２回目のレーザ光の照射によって、イオントラップ２内には、１回目および２回目のレーザ光の照射によって発生したイオンが捕捉される。

２回目のレーザ光照射期間（Ｌａｓｅｒ－２）の後、２回目のクーリング期間（Ｃｏｏｌｉｎｇ－２）が設定される。２回目のクーリング期間（Ｃｏｏｌｉｎｇ－２）の間も、同様に、捕捉電圧発生部６１による矩形波電圧ＶＴの印加が継続されている。

２回目のクーリング期間（Ｃｏｏｌｉｎｇ－２）の後、３回目のレーザ光照射期間（Ｌａｓｅｒ－３）が設定される。３回目のレーザ光照射期間（Ｌａｓｅｒ－３）において、３回目のクーリングガスの供給が行われる。続いて、３回目のレーザ光照射期間（Ｌａｓｅｒ－３）における３回目の位相タイミングＰ（３）において、レーザ光照射部１３が試料・マトリクス混合物１２にレーザ光を照射する。３回目の位相タイミングＰ（３）は、２回目の位相タイミングＰ（２）より、（Ｔ／３）μｓだけ遅い位相のタイミングである。３回目のレーザ光の照射によって、イオントラップ２内には、１回目～３回目のレーザ光の照射によって発生したイオンが捕捉される。

３回目のレーザ光照射期間（Ｌａｓｅｒ－３）の後、補助電圧発生部６２がエンドキャップ電極２２，２３に対して高周波電圧を印加する。これにより、上述したように、励振した特定質量を有するイオンが検出部３において検出される。そして、質量走査されて順に排出されるイオンが検出部３において検出される。

図６は、本実施の形態に係るレーザ光強度調整方法を示すフローチャートである。まず、イオン発生タイミング制御部５１は、捕捉電圧発生部６１を制御し、リング電極２１に対して所定周波数の矩形波電圧を印加させる。これにより、イオントラップ２内には捕捉電場が形成される（ステップＳ１）。

次に、イオン発生タイミング制御部５１は、１回目の位相タイミングＰ（１）において、レーザ光照射部１３に対して、レーザ光照射用のパルス信号を出力する（ステップＳ２）。これにより、レーザ光照射部１３が試料・マトリクス混合物１２にレーザ光を照射する。なお、図５を用いて説明したように、レーザ光の照射に先立って、イオントラップ２内にはクーリングガスが供給される。

ステップＳ２の後、イオン発生タイミング制御部５１は、クーリング期間が経過したか否かを判定する（ステップＳ３）。クーリング期間が経過したと判定された場合、イオン発生タイミング制御部５１は、２回目の位相タイミングＰ（２）において、レーザ光照射部１３に対して、レーザ光照射用のパルス信号を出力する（ステップＳ４）。これにより、レーザ光照射部１３が試料・マトリクス混合物１２にレーザ光を照射する。なお、１回目と同様、レーザ光の照射に先立って、イオントラップ２内にはクーリングガスが供給される。

ステップＳ４の後、イオン発生タイミング制御部５１は、全ての位相タイミングによるレーザ光照射を終了したか否かを判定する（ステップＳ５）。図５の例であれば、位相タイミングはＰ（１）～Ｐ（３）の３回である。この場合、イオン発生タイミング制御部５１は、ステップＳ３およびステップＳ４を実行し、３回目の位相タイミングＰ（３）についての処理を実行する。全ての位相タイミングを終了すると、イオン発生タイミング制御部５１は処理を終了する。

以上説明したように、本実施の形態の質量分析装置１０によれば、イオントラップ２において周期的な電圧の印加が継続されている間に、Ｎ回（上記の例では３回）の位相タイミングにおいてＭＡＬＤＩイオン源１からパルス状のイオンが発生する。ＭＡＬＤＩイオン源１から発生したパルス状のイオンがイオントラップ２に導入されるとき、周期的な電圧の波形に歪が生じることが抑制される。つまり、上記の例であれば、１回目のレーザ光照射期間（Ｌａｓｅｒ－１）の前のスタンバイ期間（ｐｒｅｓｔａｎｄｂｙ）において既にリング電極２１には矩形波電圧が印加されている。したがって、１回目のレーザ光が照射されるタイミングにおいては、矩形波電圧の波形が整っている。これにより、ＭＡＬＤＩイオン源１から導入されたイオンが効率良くイオントラップ２内で捕捉される。

また、本実施の形態の質量分析装置１０によれば、Ｎ回（上記の例では３回）の位相タイミングにおいてＭＡＬＤＩイオン源１から発生したイオンがイオントラップ２に捕捉される。イオントラップ２にＮ回のレーザ光照射によって発生したイオンが捕捉されるので、１回の質量分離・検出処理で得られるイオンの量が増加する。

Ｎ回の位相タイミングにおいてＭＡＬＤＩイオン源１からイオンが発生するとき、リング電極２１には矩形波電圧が印加されている。つまり、Ｎ回の位相タイミングにおいてＭＡＬＤＩイオン源１からイオンが発生するとき、イオントラップ２内には捕捉電場が形成されている。したがって、イオントラップ２内のイオン雲が拡大状態から縮小状態に変化しているときに到達するイオンはイオントラップ２内に導入され易いが、イオントラップ２内のイオン雲が縮小状態から拡大状態に変化しているときに到達するイオンはイオントラップ２内に導入され難い。そして、ＭＡＬＤＩイオン源１から発生したイオンがイオントラップ２に到達する時間はイオンの質量に依存する。そこで、本実施の形態の質量分析装置１０は、周期的な電圧の一周期にＮ回の位相タイミングが設定されるので、特定の質量に限られることなく、広い範囲の質量のイオンがイオントラップ２において捕捉される。回数Ｎの数値を大きくすることで、より広い範囲の質量のイオンがイオントラップ２において捕捉される。

（４）Ｎ回の位相タイミングで発生したイオンの質量スペクトル
図７は、本実施の形態に係るイオン発生タイミング制御方法によって得られる質量スペクトルを示す図である。図７（ａ）は、図５で示した１回目の位相タイミングＰ（１）においてのみレーザ光を照射させることによって検出されたイオンの質量スペクトルである。図７（ｂ）は、図５で示した２回目の位相タイミングＰ（２）においてのみレーザ光を照射させることによって検出されたイオンの質量スペクトルである。図７（ｃ）は、図５で示した３回目の位相タイミングＰ（３）においてのみレーザ光を照射させることによって検出されたイオンの質量スペクトルである。つまり、図７（ａ）～図７（ｃ）は、それぞれ１回のレーザ光照射で発生したイオンから分析された質量スペクトルである。図７（ｄ）は、図５で示した１回目～３回目の全ての位相タイミングＰ（１）～Ｐ（３）においてレーザ光を照射させることによって検出されたイオンの質量スペクトルである。

図７（ａ）～図７（ｃ）においては、一部の質量の領域ではスペクトルが得られているが、一部の質量の領域ではスペクトルが得られていないことが分かる。つまり、図７（ａ）～図７（ｃ）においては、リング電極２１に印加される矩形波電圧ＶＴの一周期Ｔの中で、ＭＡＬＤＩイオン源１にレーザ光が照射されるのは１度だけである。したがって、ＭＡＬＤＩイオン源１から発生したイオンのうち、イオン雲が拡大状態から縮小状態に変化しているタイミングでイオントラップ２に到達した質量のイオンはイオントラップ２で捕捉され易い。これに対して、ＭＡＬＤＩイオン源１から発生したイオンのうち、イオン雲が縮小状態から拡大状態に変化しているタイミングでイオントラップ２に到達した質量のイオンはイオントラップ２で捕捉され難い。

一方、図７（ｄ）は、１回目～３回目の全ての位相タイミングＰ（１）～Ｐ（３）においてレーザ光が照射される。したがって、リング電極２１に印加される矩形波電圧ＶＴの一周期の中で、異なる３回のタイミングでＭＡＬＤＩイオン源１にレーザ光が照射される。これにより、３回それぞれのタイミングにおいて、イオン雲が拡大状態から縮小状態に変化しているタイミングでイオントラップ２に到達した質量のイオンが捕捉される。図７（ｄ）の質量スペクトルは、図７（ａ）～図７（ｃ）の３つの質量スペクトルを積算した質量スペクトルに近い分析結果を示している。

（５）他の実施の形態
上記の実施の形態においては、ＭＡＬＤＩイオン源１が、本発明のイオン源の一例として説明された。イオン源は、ＭＡＬＤＩイオン源に限定されるものではなく、イオンをパルス状に発生させることができればよい。例えば、ＥＳＩ（エレクトロスプレーイオン化法）を利用するＥＳＩイオン源が用いられる。ＥＳＩイオン源が用いられる場合、ＥＳＩイオン源からパルス状にイオンを発生させるために、発生するイオンを遮断／通過させるゲートが設けられる。

上記の実施の形態においては、レーザ光照射部１３から試料・マトリクス混合物１２に照射されるレーザ光の位相タイミングは、リング電極２１に印加される矩形波電圧の一周期Ｔにおいて３回とした。この回数は一例であり、２回であってもよいし、４回以上であってもよい。一周期においてレーザ光を照射する位相タイミングを増加させることにより、分析に要する時間は長くなるが、より精度の高い質量分析を行うことが可能である。

上記の実施の形態においては、レーザ光照射部１３から試料・マトリクス混合物１２に照射されるレーザ光の位相タイミングは、リング電極２１に印加される矩形波電圧の一周期Ｔの３等分である。しかし、レーザ光の位相タイミングは、矩形波電圧の一周期Ｔを等分したタイミングでなくてもよい。例えば、矩形波電圧の一周期Ｔを３μｓとした場合、一周期Ｔを３等分する上記の実施の形態の例では、３回の位相タイミングの間隔は１μｓである。他の実施の形態としては、矩形波電圧の一周期Ｔを３μｓとした場合、３回の位相タイミングの間隔として、０．８μｓ→１μｓ→１．２μｓ等、等間隔でない間隔が設定されてもよい。

なお、本発明の具体的な構成は、前述の実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更および修正が可能である。

１…ＭＡＬＤＩイオン源、２…イオントラップ、３…検出部、４…データ処理部、５…制御部、１０…質量分析装置、１１…試料プレート、１２…試料・マトリクス混合物、１３…レーザ光照射部、５１…イオン発生タイミング制御部

Claims (6)

1. イオンを発生させるイオン源と、
   前記イオン源から発生したイオンを捕捉するイオントラップと、
   前記イオントラップから放出されたイオンを検出する検出部と、
   前記イオントラップにおいて捕捉電場を形成するために印加される周期的な電圧の制御、および、前記イオン源から発生するイオンの発生タイミングを制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記周期的な電圧の一周期にＮ回（Ｎは２以上の整数）の位相タイミングが設定され、前記Ｎ回の位相タイミングが前記周期的な電圧のＮ回の周期のそれぞれ異なる周期に割り当てられて、前記周期的な電圧の印加を継続させている間に、前記Ｎ回の位相タイミングにおいて前記イオン源からイオンを発生させるイオン発生タイミング制御部、
   を含み、
   前記イオン発生タイミング制御部は、前記周期的な電圧の一周期をＮ等分することにより、前記Ｎ回の位相タイミングを設定する、質量分析装置。
2. 前記周期的な電圧は矩形波を含む、請求項１記載の質量分析装置。
3. 前記イオン発生タイミング制御部は、クーリング期間を空けて前記Ｎ回の位相タイミングを割り当てる電圧の周期を設定する、請求項１または請求項２に記載の質量分析装置。
4. 前記イオン源は、ＭＡＬＤＩ（マトリクス支援レーザ脱離イオン化法）を利用するＭＡＬＤＩイオン源を含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の質量分析装置。
5. 周期的な電圧を印加することにより、イオントラップにおいてイオン源から発生したイオンを捕捉するための捕捉電場を形成することと、
   前記周期的な電圧の一周期をＮ等分することにより、前記周期的な電圧の一周期にＮ回（Ｎは２以上の整数）の位相タイミングが設定され、前記Ｎ回の位相タイミングが前記周期的な電圧のＮ回の周期のそれぞれ異なる周期に割り当てられて、前記周期的な電圧の印加を継続させている間に、前記Ｎ回の位相タイミングにおいて前記イオン源からイオンを発生させることと、
   を含む、質量分析装置におけるイオン発生タイミング制御方法。
6. イオントラップにおいてイオン源から発生したイオンを捕捉するための捕捉電場を形成するために印加される周期的な電圧を制御する処理と、
   前記周期的な電圧の一周期をＮ等分することにより、前記周期的な電圧の一周期にＮ回（Ｎは２以上の整数）の位相タイミングが設定され、前記Ｎ回の位相タイミングが前記周期的な電圧のＮ回の周期のそれぞれ異なる周期に割り当てられて、前記周期的な電圧の印加を継続させている間に、前記Ｎ回の位相タイミングにおいて前記イオン源からイオンを発生させる処理とを、コンピュータに実行させる、質量分析装置におけるイオン発生タイミング制御プログラム。

Images