JPH01239752A - イオントラップ形質量分析計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 本発明は、特定イオンの捕捉効率を向」二させたイオン
トラップ形質量分析計に関する。

（ロ）従来の技術 従来、電界を利用した質量分析計には、４本の電極棒を
平行に配置して二次元的な四重極電界を形成し、特定質
量数のイオンのみをこの電界を通過させて検出する四重
補形のもと、回転双曲面に形成されたリング電極とキャ
ップ電極間にイオン捕捉電圧を印加して両電極間に三次
元円電極電界を形成し、特定質量数のイオンのみをこの
電界に捕捉するイオントラップ形のものとがある。

前背のらは、構造が比較的簡単であるが、４本の電極棒
の配置、平行度、真直度等において高精度が要求される
ために加工が困難であり、また、電界内にイオンを外部
から導入するため、収束レンズ系が必要で、かつ、汚染
し易い等の難点がある。これに対して、後台のらは、リ
ング電極とキャップ電極を同軸的な回転体として積み重
ねて組み立てることができるために、精度良い電極を容
易に構成することができ、また、電極内部で試料をイオ
ン化できるため、収束レンズ系が不要で、かつ、汚染ら
少なく、さらに、原理上、高感度、高分解能が得られる
可能性がある等の利点を有する。

（ハ）発明が解決しようとする課題 ところで、上述したイオントラップ形質量分析計を用い
て特定の質量数をもつイオンを検出するには、従来、次
のようにして行っている。まず、第５図のフローチャー
トにおいて、検出目的とする特定質量数のイオンが捕捉
される三次元四重極電界が形成されるように予めイオン
捕捉電圧（Ｕ＋ＶｓｉｎωｔＳＵは直流電圧、Ｖ　５ｉ
ｎ（ＩＪ　ｔは高周波電圧）を初期設定しくステップ■
）、このイオン捕捉電圧をリング電極とキャップ電極間
に印加してイオンを選択的に捕捉する（ステップ■）。

次に、捕捉したイオンが全て放出されるようにイオン捕
捉電圧を再設定しくステップ■）、これにより捕捉した
特定質量数のイオンを三次元四重極電界から放出させて
（ステップ■）そのイオンをイオン検出器で検出するよ
うにしている（ステップ■）。

このように、従来では、上記のステップ■においてイオ
ン捕捉とイオン選択とを同時に行っているので、イオン
の捕捉効率が悪かった。すなわち、イオンは生成または
導入された時の位置、速度、イオン捕捉電圧（直流電圧
と高周波電圧）、高周波電圧の位相等によってその後の
軌道が定まり、電界内に留どまるものと、発散するもの
とに分かれる。したがって、最初からイオン捕捉電圧（
直流電圧と高周波電圧）の値が大きいと、その条件を満
たすイオンの存在確率が低くなり、そのためイオン捕捉
効率が極度に悪くなって結果的に検出感度の低下をもた
らしていた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであっ
て、イオントラップ形質量分析計において、イオン生成
あるいは導入時のイオン捕捉効率を高め、検出感度を向
上させることを目的とする。

（ニ）課題を解決するための手段 本発明は、上記の目的を達成するために、リング電極と
キャップ電極間にイオン捕捉電圧（Ｕ＋Ｖ　ｓｉｎωｔ
）を印加して前記両電極間に三次元四重極電界を形成す
るイオントラシブ形質１分析計において、次の構成を採
る。

すなわち、本発明のイオントラップ形質量分析計は、前
記イオン捕捉電圧を、広質量範囲のイオンを前記電界内
に捕捉する第１設定値、特定質量数のイオンのみが捕捉
状態が保たれる第２設定値およびこの第２設定値により
捕捉されたイオンを前記電界内から放出する第３設定値
の３段階に渡って設定する電圧設定手段と、この電圧設
定手段で設定される前記第１１第２、第３の各設定値を
イオン生成時からイオン放出時までの間に順次切り換え
選択する選択信号を所定のタイミングで出力するシーケ
ンス制御手段と、このシーケンス制御手段で選択された
前記第１、第２、第３の各設定値に応じて前記リング電
極とキャップ電極間に対応するイオン捕捉電圧を印加す
る電源回路とを（ｊｌえている。

（ホ）作用 上記構成において、イオン生成あるいは導入時には、シ
ーケンス制御手段により電圧設定手段で設定されている
第１設定値が選択されるので、イオン捕捉電圧が十分小
さくなり、広い質里範囲のイオンが電界内に捕捉される
。このため、捕捉効率が高くなる。次に、第２設定値が
選択されるので、特定質ｍ数のイオンのみが捕捉状態の
まま保たれ、他の質量数を６つイオンは発散してしまう
。

引き続いて、第３設定値が選択されるので、上記の第２
設定値で捕捉されたイオンが電界内から放出され、この
放出された特定質量数のイオンがイオン検出器で検出さ
れる。

（へ）実施例 第１図はこの実施例のイオントラップ形質量分析計の全
体構成図である。同図において、符号ｌはイオントラッ
プ形質量分析計の全体を示し、２はリング電極、４ａ、
４ｂはキャップ電極で、これらの電極間２．４ａ、４ｂ
で囲まれる空間部Ｓには後述する電源回路からイオン捕
捉電圧（ＬＪ−ＩＶｓｉｎωｔＳＵは直流電圧、■は高
周波電圧の振幅）が印加されることにより三次元四盾極
電界が形成される。６は試料をイオン化するために熱電
子を放出するフィラメント、８はエミッションゲート、
Ｉ０はエミッション制御器で、エミッション制御器１０
からエミッションゲート８に対して正電圧パルスを加え
ることでキャップ電極４ａの中央口を通して前記の空間
部Ｓに熱電子が入射される。

Ｉ４は空間部Ｓに一端が開口した試料導入管で、この試
料導入管１４から導入された試料ガスが熱電子と衝突し
てイオン化される。１４は電極間の空間部Ｓに捕捉され
たイオンを検出する二次電子増倍管等からなるイオン検
出器、１６はイオン検出２ｔ１４から出力される検出信
号のゲート回路である。

１８は電圧設定手段で、電極２．４ａ、４ｂに印加する
イオン捕捉電圧（Ｕ＋　Ｖ　ｓｉｎωｔ）を、広質量範
囲のイオンを前記電界内に捕捉する第１設定値、特定質
量数のイオンのみが捕捉状態が保たれる第２設定値およ
びこの第２設定値で捕捉されたイオンを前記電界内から
放出する第３設定値の３段階に渡って設定する。２０は
電圧設定手段１８で設定される第１、第２、第３設定値
の一つを選択出力するマルチプレクサ、２２はシーケン
ス制御手段で、上記の第！、第２、第３の各設定値をイ
オン生成時からイオン放出時までの間に順次切り換え選
択する選択信号を所定のタイミングでマルチプレクサ２
０に出力するとともに、エミッション制御器１０に対し
てエミッションゲート８を開くタイミング信号を、また
、ゲート回路１６を開くタイミング信号をそれぞれ出力
する。２４はシーケンス制御手段２２で選択された第１
１第２、第３の各設定値に応じて各電極２．４ａ、４ｂ
間にイオン捕捉電圧を印加する電源回路である。

次に、上記構成において、特定質量数をもつイオンを検
出する場合の制御動作について、第２図のタイミングチ
ャート、第３図のフローチャートおよび第４図のマーシ
ュ曲線を参照して説明する。

第４図のマーシュ曲線は、周知のごとく三次元四重極電
界におけるイオン振動の安定度を示すもので、同図にお
いて、縦軸のａＺ　、横軸のｑｚの各パラメータはそれ
ぞれ次式で定義されている。

ａｚ−−８ｅＵ／ｍｒｏ”ω’　　　　（１）ｑｚ＝　
４　ｅＶ　／ｍｒｏ”ω”　　　　　（２）（ここに、
ｅはイオン電荷、Ｕは直流電圧、■は高周波電圧の振幅
、ｍはイオン質１、ｒｏは電極対象軸の中心からリング
電極までの距離、ωは高周波電圧の角周波数） また、同図において、Ｚ　ｍ、、　７．　ｍｔで示す曲
線は、リング電極２の軸方向（第１図のＺ方向）に対す
るイオンの安定性の境界を示し、両面線間ではイオンか
安定に存在するが、両曲線より外方ではイオンがリング
電極２の軸方向（２方向）に発！牧してしまう。また、
Ｒｍｌ、Ｒｍ！で示す曲線は、リング”Ｉｉｌ！２の半
径方向（第１図のｒ方向）に対するイオンの安定性の境
界を示し、両面線間ではイオンが安定に存在するが、両
曲線より外方ではイオンがリング電極２の半径力・向（
ｒ方向）に発散してしまう。したがって、これら４つの
曲線Ｚ　ｍｉｘ　Ｚ　ｍｔ、ＲＩｌｌ、、　Ｒｍ、で囲
まれた領域Ｅにおいてのみイオンが安定に存在する。

ここで、Ｕ対Ｖの比すなわち２Ｕ／Ｖを一定に保ちなか
らＵとＶの一方を変化させると、上記の（＋）、（２）
式から分かるように、その軌跡はａｚ／ｑｚ−一定の直
線上を動き（第４図の符号ａあるいはｂで示す直線）、
この直線の勾配がＵとＶにより定まる。そこで、２Ｕ／
Ｖの値を小さくすれば直線の勾配も小さくなり、安定領
域Ｅに入る直線距離が長くなる。しかも、その際にＵと
■の各絶対値ら小さくすれば、ａｚ、　ｑｚの値がそれ
ぞれ小さくなるので、結果的に安定領域Ｅ内に安定に存
在する質量数をもつイオンが増加する。

したがって、イオン生成時には、まず、シーケンス制御
手段２２からエミッション制御器ＩＯに正電圧パルスを
加えることでエミッションゲート８を開き、熱電子を空
間部Ｓ内に放出して試料ガスをイオン化する一方、シー
ケンス制御手段２２からマルチプレクサ２０に選択信号
を与えて電圧設定手段１８の第１設定値を選択し、この
第１設定値を電源回路２４に与える。これにより、リン
グ電極２とキャップ電極４ａ、４ｂ間に印加されるＵ、
Ｖの値が空間電荷による発散作用が影響しない程度に十
分少く設定される（第２図参照）（ステップ■）。すな
わち、第４図において、２Ｕ／Ｖが小さく、かつ、（１
）、（２）式のａｚ、　ｑｚの値も小さくなるので、広
質量範囲のイオンが空間部Ｓの電界に捕捉される（ステ
ップ■）。このため、捕捉効率が高くなる。

そして、捕捉されたイオンの軌道が中性分子あるいはイ
オンどうしの相互作用によってダンピングされて十分安
定した後、次に、シーケンス制御手段２２からエミッシ
ョン制御器ＩＯに加える正７［圧パルスを０にしてエミ
ッションゲート８を閉じる一方、シーケンス制御手段２
２からマルチプレクサ２０に選択信号を与えて電圧設定
手段Ｉ８の第２設定値を選択し、この第２設定値を電源
回路２４に与える。これにより、Ｕ、Ｖの６値が検出目
的とする質量数をもつイオンのみが捕捉される状態に設
定されろ（ステップ■）。すなわち、第４図において、
安定領域Ｅを僅かに横切る直線ａの勾配（２Ｕ／Ｖ）を
もち、かつ、ａｚ、　ｑｚの６値が安定領域Ｅ内に存在
する条件を満たすようにＵ、■の値が設定される。その
結果、特定質１敗のイオンのみが選択的に捕捉され（ス
テップ■）、他の質１数を６つイオンは空間部Ｓから発
散する。

引き続いて、シーケンス制御手段２２からゲート回路１
６に正電圧パルスを加えてゲート回路１６を開く一方、
シーケンス制御手段２２からマルチプレクサ２０に選択
信号を与えて電圧設定手段１８の第３設定値を選択し、
この第３設定値を電源回路２４に与える。これにより、
第４図において、ａｚ、　ｑｚの値は共に安定領域Ｅか
ら外れた値となるので、ステップ■において画電極２．
４ａ。

４ｂの空間部Ｓに捕捉されていたイオンが電界内から放
出される（ステップ■）。そして、この放出された特定
質１数のイオンがイオン検出器Ｉ４で検出され（ステッ
プ■）、その検出信号がゲート回路１６を介して図外の
信号処理回路に送出されて質量測定の信号処理が行われ
る。

なお、第２図において、広質量数範囲のイオン捕捉時（
ステップ■）において、Ｕ電圧はＯＶとしているが、こ
れに限定されるしのではなく、第４図において、直線が
有る程度勾配（２Ｕ／Ｖ）をもっていても、安定領域Ｅ
に含まれる十分少さな値であれば適宜設定することがで
きる。また、捕捉した特定質Ｉｔ数のイオンの放出時（
ステップ■）においては、Ｕ電圧のみ変化させているが
、第４図においてａｚ、ｑｚの値が安定領域Ｅから外れ
ればよいので、■単独またはＵ、Ｖの両者を共に変化さ
せることも可能である。

（ト）効果 本発明によれば、イオン生成あるいは導入時にイオン捕
捉電圧を十分に小さくしてイオンを捕捉し、その後に特
定質量数を捕捉する電圧に再設定するので、従来に比較
して検出感度を大幅に向上させることができる等の優れ
た効果が発揮される。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明の実施例を示すらので、第
１図はイオントラップ形質遣分析計の構成図、第２図は
同装置のイオン捕捉動作のタイミングチャート、第３図
はイオン捕捉動作の説明に供するフローチャートである
。また、第４図はマーシュ曲線の特性図、第５図は従来
のイオン捕捉動作の説明に供するフローチャートである
。 ■・・・イオントラップ形質量分析計、２・・・リング
電極、４ａ、４ｂ・・・キャップ電極、Ｉ８・・・電圧
設定手段、２２・・・シーケンス制御手段、２４・・・
電標回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）リング電極とキャップ電極間にイオン捕捉電圧（
   Ｕ＋Ｖｓｉｎωｔ）を印加して前記両電極間に三次元四
   重極電界を形成するイオントラップ形質量分析計におい
   て、 前記イオン捕捉電圧を、広質量範囲のイオンを前記電界
   内に捕捉する第１設定値、特定質量数のイオンのみが捕
   捉状態に保たれる第２設定値およびこの第２設定値によ
   り捕捉されたイオンを前記電界内から放出する第３設定
   値の３段階に渡って設定する電圧設定手段と、 この電圧設定手段で設定される前記第１、第２、第３の
   各設定値をイオン生成時からイオン放出時までの間に順
   次切り換え選択する選択信号を所定のタイミングで出力
   するシーケンス制御手段と、このシーケンス制御手段で
   選択された前記第１、第２、第３の各設定値に応じて前
   記リング電極とキャップ電極間に対応するイオン捕捉電
   圧を印加する電源回路と、 を備えることを特徴とするイオントラップ形質量分析計
   。