JPH0676790A

JPH0676790A - イオントラップ質量分析計におけるイオン検出方法

Info

Publication number: JPH0676790A
Application number: JP5119787A
Authority: JP
Inventors: Jae C Schwartz; カーティスシュウォーツジェイ; John N Louris; ネイサンローリスジョン
Original assignee: Finnigan Corp
Current assignee: Thermo Finnigan LLC
Priority date: 1992-05-29
Filing date: 1993-05-21
Publication date: 1994-03-18
Anticipated expiration: 2012-04-09
Also published as: GB2267385A8; US5285063A; GB2267385A; FR2691835A1; GB9308206D0; DE4317247A1; DE4317247C2; CA2094869A1; GB2267385B; JP2598602B2; FR2691835B1; CA2094869C

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的は、共鳴的に放出されるイオン
と非共鳴的に放出されるイオンとを識別するようにイオ
ントラップ質量分析計を動作させる方法を提供すること
である。【構成】三次元四極トラッピング電界に補助交流電界
を重畳し、混合された電界を走査して連続する質量対電
荷比のイオンを共鳴的に放出させる。放出されたイオン
を検出すると、共鳴的に放出されたイオンの出力信号は
補助交流電界の周波数の周波数成分を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はイオントラップ質量分析
計におけるイオンの検出方法に関し、具体的にはイオン
トラップ質量分析計において共鳴的に放出されるイオン
の検出方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】イオントラップ質量分析計、または四極
イオン蓄積装置は多年にわたって知られており、幾つか
の著者によって記述されている。これらは、イオンを高
周波数（R.F.）、直流、及びそれらの組合せのような静
電界によって物理構造内において形成し、収容する装置
である。一般的に、四極電界は、等価四極トラッピング
電界を与える双曲線電極構造または球形電極構造を使用
することによってイオン蓄積領域を発生する。

【０００３】イオントラップ内へのイオンの蓄積は、R.
F.電圧Ｖとその周波数ｆ、直流電圧Ｕ、及び装置寸法ｒ
₀及びｚ₀の値でトラップ電極を動作させることによっ
て達成され、ある有限範囲内の質量対電荷比を有するイ
オンが安定に装置内に捕捉される。上述したパラメタを
トラッピングパラメタと呼ぶことも多く、それらの１つ
から軌道の安定とイオンの捕捉とを可能にする質量対電
荷比の範囲を決定することができる。安定に捕捉された
イオンの場合、トラップの軸に沿うイオン運動の成分
は、無数の周波数成分を含む振動として表すことができ
る。これらの周波数成分の中の最低周波数である第１の
成分（または永続（ secular）周波数）が最重要であ
り、それより高い各周波数成分はその直ぐ下の周波数よ
り重要度は低い。任意のトラッピングパラメタ集合の場
合、捕捉された特定の質量対電荷比のイオンは、これら
のトラッピングパラメタから計算によって決定できる明
確な永続周波数で振動する。捕捉されたイオンを検出す
るための初期の方法では、これらの永続周波数をトラッ
プ内のイオンの振動運動に結合された周波数同調回路に
よって決定し、捕捉されたイオンの質量対電荷比を（ト
ラッピングパラメタ、周波数、及びｍ／ｚ間の既知の関
係から）決定し、そして相対イオン発生量を（信号の強
度から）決定していた。

【０００４】四極イオントラップは、 30 年以上前に先
ず質量分析計として使用されたが、質量分析の初期の方
法が不十分であり、実現が困難であり、そして質量分解
能が貧弱であったために、装置は近年に至るまで余り使
用されることはなかった。イオントラップ動作の新しい
方法である“質量選択性不安定度モード”（合衆国特許
4,540,884号に開示）は、イオントラップを用いる質量
分析の最初の実際的な方法を提供し、従って広く受け入
れられ日常的な化学分析のためのイオントラップ質量分
析計に一般的に使用された。最初に市販されたイオント
ラップ質量分析計に使用されたこの動作方法では、環状
電極に印加される R.F. 電圧を走査することによって質
量スペクトルを記録するようになっており、連続的に増
加するｍ／ｚのイオンは不安定な軌道を選択してイオン
トラップから出ることを余儀なくされ、これらのイオン
を外部に取り付けられた検出器によって検出していた。
ヘリウムのような軽い緩衝ガスを約 1.3×10^-1 Pa の圧
力で使用し、この動作モードにおける感度及び分解能を
高めることも示されている。

【０００５】上述した質量選択性不安定度モードの開発
以来、四極イオントラップの能力が拡張され続けてき
た。これらの比較的簡単な質量分析計は、これらが電子
及び化学電離の両方に対して高感度であること、及びこ
れらがガス相イオン／分子反応装置として役立つことか
ら、融通性に富むことが示された。外部で生成したイオ
ンをこれらの装置に導入することに成功したことによ
り、レーザ脱着、セシウムイオン脱着、及び電気スプレ
ー電離のような技術を使用して生体高分子の研究さえも
可能になった。四極イオントラップのイオン蓄積能力
は、イオンの効率的な解離を伴う多くの質量分析段を含
む縦続質量分析法（ＭＳ／ＭＳ）を可能にした（合衆国
特許 4,736,101号）。親ＭＳ／ＭＳ走査さえも報告され
ている。これらの質量分析計の使用可能な質量範囲は 4
5,000 ダルトン（単一に帯電したイオンの場合）及びそ
れ以上まで拡張された。

【０００６】質量選択性不安定度動作モードは極めて好
結果をもたらしたが、更に新しい動作方法である“共鳴
放出を伴う質量選択性不安定度モード”（合衆国特許
4,736,101号に開示）は、捕捉されたイオンの発生率を
広い範囲に含む質量スペクトルを記録する能力のような
若干の利点を有していることが立証された。この動作方
法では、補助電界を端冠電極にまたがって印加し、R.F.
電界の大きさを走査させることによって連続的に増加す
るｍ／ｚのイオンを補助電界に共鳴させ、それによって
これらのイオンを放出させて検出し、質量スペクトルを
得ている。近年になって、この動作方法に基づくイオン
トラップ質量分析計が市販されるようになり、これらの
装置は従来装置よりも広範な化学分析における種々の問
題に適用して成功をおさめた。

【０００７】最近になって、共鳴放出を使用する質量選
択性不安定度モードが改善され、イオントラップ質量分
析計の質量分解能が拡張された。この改善されたモード
では、連続的なｍ／ｚ値の放出間の時間間隔が共鳴周波
数の周期の少なくとも 200倍となるようなレートでイオ
ンが共鳴せしめられ、放出され、そして検出されるよう
に電界が走査される。この技術によれば、同重イオンを
識別し、また連続する質量の多重帯電イオンに起因する
ピークを分解乃至は部分的に分解するためにイオントラ
ップを使用することができる。質量選択性不安定度走査
の共鳴放出によって質量の範囲を広げ、質量の分解能を
増すことはできるが、印加周波数における共鳴放出以外
の源からの放出があるために、これらのスペクトル内に
アーチファクトピークが屡々出現する。

【０００８】質量選択性不安定度走査（共鳴放出を伴わ
ない）では、捕捉されたイオンが不安定領域に遭遇し、
そのためにこれらのイオンが順次に放出されるようにト
ラップ内の電界が走査される。最初の市販装置では、R.
F.電界は時間と共に線形に（直流電界を使用せずに）走
査され、イオンは、それらがマシュー安定度図（図２）
の境界をａ_z＝０及びｑ_z＝ 0.908において横切る時に
放出されるようになっていた。これらの状態の下ではイ
オンはこの境界において不安定となり始め、R.F.周波数
（β_z＝１）の半分の周波数で振動する。市販装置に共
鳴放出を導入した時には R.F. 電界を同じ手法で走査し
たが、R.F.周波数の半分よりやや低い周波数を有する補
助交流電圧をトラップの端冠電極にまたがって印加し
た。イオンは、それらが共鳴周波数に関連するベータ線
を横切る時に放出され、ベータ値は１より極く僅かに小
さかった。このベータ値が安定度図の縁に関連する周波
数に極めて接近していたため、共鳴周波数に関連する値
と安定度図の縁との間のベータ値においてイオンが脱出
する可能性が僅かながら存在した。

【０００９】しかしながら、R.F.周波数の半分より十分
に低い共鳴周波数を使用すると、R.F.電界を走査する時
に、共鳴点または安定度図の縁の何れかにおいてイオン
が放出され得る可能性が存在する。即ち、トラップの
“拡張された質量範囲”動作では、共鳴周波数をβ＝１
に関連する値の 10 ％よりも低くすることができ、また
共鳴点に関連するｑ値と安定度図の縁のｑ値との間には
大きい範囲のｑ値が存在する。このためｍ／ｚスケール
の目盛り（全てが共鳴放出によって放出されたイオンか
ら準備される）からは予測されないスペクトル内の場所
にピークが時折現れることがある。従ってこのような異
常ピークは不正確に割り当てられることになる。

【００１０】実際的には、これらの異常ピークは十分な
周波数を伴って発生し、質量スケールの割り当てにかな
りの混乱をもたらす。異常ピークの多くの源が識別さ
れ、遭遇している。これらの異常ピークの最も簡単な原
因は、安定度図の縁と共鳴放出周波数に関連するｑ_zと
の間のｑ_zを有するイオンが存在する時に、共鳴放出電
圧を印加することである。また時折、イオン母集団の極
く一部が走査中に共鳴放出電圧を通して放出される。最
高のｍ／ｚ分解能は放出電圧を低くすることによって達
成されるが、電圧を低くすると放出効率も低下してしま
う。放出されなかったイオンは、イオンが安定度図の縁
に遭遇する点に R.F. 電圧が高められるまでトラップ内
に残留する。安定度図の縁における放出は極めて効率的
であり、従って質量スペクトルは同一のｍ／ｚ値のイオ
ンから生じた２つの異なるピークを示すようになる。こ
のような場合、第２のピーク（安定度図の縁において発
生）を“ゴーストピーク”と呼ぶ。

【００１１】十分にゆがんだジオメトリのトラップ（即
ち、純粋な四極電界とは十分に異なる電界）を使用する
と、β_z＝ 2/3またはβ_z＋β_r＝１におけるような
（ジオメトリのゆがみの細部に依存する）十分に限定さ
れた“非線形共鳴”線において安定度の領域内で放出を
発生させることができる。このようなトラップを使用す
ると、共鳴放出は免れたが非線形共鳴の領域を横切った
（共鳴電圧を印加しなくとも放出が発生し得る）イオン
からゴーストピークが発生し得る。

【００１２】異常ピークは、共鳴放出プロセス中に作出
されるイオンによって生ずることが多い。共鳴放出走査
はＭＳ／ＭＳスペクトルを得るためにトラップ内の断片
イオンを使用する方法に極めて類似している。即ち、断
片イオンは放出されるイオンが緩衝ガスと衝突して作出
される場合がある。通常これらの娘のイオンは親イオン
のｍ／ｚ値よりも小さいｍ／ｚ値を有しているから、そ
れらは共鳴放出電圧に関連する値と安定度図の縁のｑ_z
値との間のｑ_z値で作出される。（多重帯電した親イオ
ンの娘のイオンのｍ／ｚ値は、それらの親イオンのｍ／
ｚ値よりも大きいことが観測されている。それは断片に
破砕される際に電荷が失われるためである。これらのイ
オンは共鳴放出電圧に関連する値よりも小さいｑ_zで作
出されるからこれらが必ずしも異常ピークの原因である
とは限らない。）また異常ピークは、共鳴放出中の解離
以外のプロセスによって走査中に作出されるイオンによ
っても生ずるものである。若干のイオン、特に多重帯電
したイオンは自然に解離して低ｍ／ｚ値のイオンを発生
する。他の型のイオン／分子反応も屡々発生し、作出さ
れたイオンは共鳴放出電圧に関連するｑ_zにおいてでは
なく、安定度図の縁において放出されるようになる。

【００１３】共鳴放出を伴う質量選択性不安定度モード
を使用して得られた質量スペクトルでは、完全な確信を
もってｍ／ｚ値を決定できるようにするために、共鳴放
出により発生したピークを、安定度図の縁または非線形
共鳴線における放出から区別しなければならない。我々
は、２つの異なる型のピークの微細構造を使用して、そ
れらを互いに識別できることを発見した。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、共鳴
放出によって発生する質量スペクトルピークを、安定度
図の縁または非線形共鳴線における放出によって発生す
るピークから識別できるようにイオントラップ質量分析
計を動作させる方法を提供することである。本発明の別
の目的は、特定の共鳴周波数における放出によって発生
するピークを、１以上の共鳴放出周波数を印加する実験
中に、異なる共鳴周波数における放出によって発生する
ピークから識別できるようにイオントラップを動作させ
る方法を提供することである。

【００１５】本発明のさらなる目的は、質量スペクトル
ピークの信号対雑音比を高めるために質量スペクトルピ
ークの微細構造を使用することである。

【００１６】

【実施例】本発明の上述した、及び他の目的を達成する
イオントラップの動作は添付図面に基づく以下の説明か
ら明白に理解できるであろう。図１に示す三次元イオン
トラップ１０は環状電極１１と、互いに対面している２
つの端冠電極１２及び１３とを含む。無線周波数電圧発
生器１４が環状電極１１に接続され、端冠電極と環状電
極との間に R.F. 電圧 V sinωt （基礎電圧）を供給す
る。環状電極はイオン蓄積領域または容積１６内にイオ
ンを捕捉するための実質的に四極の電界を発生する。捕
捉に必要な電界は、環状電極１１と、２つの端冠電極１
２及び１３との間に R.F. 電圧を結合することによって
形成される。２つの端冠電極１２及び１３は、図示のよ
うに結合変成器３２を通して共通接地されている。補助
R.F. 発生器が端冠１２、１３に結合され、両端冠電極
の間に無線周波数電圧を供給する。フィラメント電源１
８から給電されているフィラメント１７は、イオン蓄積
容積１６内に導入されるサンプル分子を電離するための
電離用電子ビームを供給できるように配置されている。
円筒形のゲートレンズ１９は、フィラメントレンズ制御
器２１から給電されている。このレンズは、電子ビーム
を望み通りにオン及びオフするようにゲートする。端冠
電極１２は開口を含み、この開口を通して電子ビームが
投射される。

【００１７】トラップ容積１６内のサンプルを電子ビー
ムで電離してイオンを形成させるのではなく、イオンを
トラップの外部で形成させて（電子を注入するために使
用される機構と類似の機構によって）トラップ内へ注入
してもよい。この場合には、図１のフィラメント１７を
外部イオン源に置換し、電子の代わりにイオンをゲート
レンズ１９によってトラップ容積１６内へゲートする。
適切な電位及び極性をゲートレンズに印加し、端冠電極
１２の開口を通るイオンを集束させてトラップ内へ注入
する。外部電離源は、例えば電子的電離、化学的電離、
セシウムイオン脱着、レーザ脱着、電気スプレー、熱ス
プレー電離、粒子ビーム、及び他の型のイオン源を使用
することができる。我々の装置では、外部イオン源領域
は捕捉領域に対して差動的にポンプされている。

【００１８】対面する端冠電極１３には孔２３があけて
あり、イオントラップの電界から不安定なイオンが脱出
し、電子増倍器２４によって検出できるようになってい
る。電子増倍器２４はイオン信号を線２６上に出力す
る。電位計２７は線２６上の信号を電流から電圧に変換
する。この信号はユニット２８によって合計され、蓄積
され、ユニット２９において処理される。

【００１９】制御器３１は基礎 R.F. 発生器１４に接続
され、基礎 R.F. 電圧の振幅及び周波数の両者または何
れか一方を走査させ、端冠電極にまたがって印加されて
いる補助電界に連続するイオンを共鳴せしめ、質量選択
を行うようになっている。制御器３１は補助 R.F. 発生
器３５にも接続され、補助 R.F. 電圧の振幅及び周波数
の両者または何れか一方を制御できるようになってい
る。線３３上の制御器出力はフィラメントレンズ制御器
２１に供給され、走査間隔以外の時間中に限って電離化
電子ビームまたは外部で形成されたイオンビームをトラ
ップ内へゲートする。イオントラップの機械的細部に関
しては合衆国特許 2,939,952号、及びより新しくは合衆
国特許 4,540,884号を参照されたい。

【００２０】イオントラップ１０内の対称電界は、図２
に示す公知の安定度図をもたらす。図２のパラメタａ及
びｑは次のように定義されている。ａ＝−８ｅＵ／ｍｒ₀ ²ω² ｑ＝４ｅＶ／ｍｒ₀ ²ω² ここに、ｅ及びｍはそれぞれ帯電粒子の電荷及び質量で
ある。ある任意のイオンをイオントラップ装置の四極電
界内に捕捉するのであれば、ａ及びｑの値は安定度包絡
線内に入っていなければならない。図２には等ベータ線
（β）をも示してある。但しβ＝ω₀/ωであり、またω
は捕捉電界内のイオンの運動の永続周波数である。共鳴
放出を伴う質量選択性不安定度モードでは、典型的には
環状電極に印加されている R.F. 電圧を走査し、一方β
_z-ejectで表される特定周波数の補助電圧Ｖ₂及び振幅
が端冠電極間に印加される。それによってイオンは選択
されたベータ線において順次に共鳴せしめられ、トラッ
プの軸に沿って増加した振幅で振動し、端間電極の孔を
通して放出され、そして外部イオン検出器によって検出
される。イオンのｍ／ｚ値に従うイオンのこの順次放出
によって、イオンのｍ／ｚを決定することができる。こ
の放出は安定度包絡線の縁から離れた点において発生す
る。

【００２１】しかしながら、共鳴放出を伴う質量選択性
不安定度を使用する質量分析と同じ結果を発生させるこ
とが可能な電界を印加し、走査する他の多くの方法が存
在する。例えば、補助電圧Ｖ₂を一方の端冠電極のみに
印加してもよい。代替として、R.F.電圧Ｖを２つの端冠
電極に印加し、補助電圧Ｖ₂を環状電極に印加しても差
し支えない。環状電極に直流電圧成分を印加することに
よって、ａ_z＝０軸に沿う点以外の安定度図内のある点
においてイオン放出を発生させることができるようにな
る。即ち、質量分析中に R.F. 電圧を一定に保ち、直流
電圧を増加（または減少）させてイオンを連続的に共鳴
させてもよい。最後に、補助電圧の周波数を走査してイ
オンを連続的に共鳴させることもできる。イオンを放出
させ、イオンを検出し、そしてイオンのｍ／ｚ値を決定
するために、ｍ／ｚが増加（または減少）するイオンを
連続的に共鳴点に向かって導く特性を全てが有している
ようなより巧緻な計画を考案することもできる。

【００２２】R.F.を上方に走査するような典型的な共鳴
放出実験において得られた質量スペクトルの例を図３に
示す。共鳴放出周波数は 146761 Hzであり、電位計２７
の通過帯域は 15 kHz であった。この電位計の通過帯域
に類似の通過帯域は、市販されている全てのイオントラ
ップ質量分析計に見られるものである。ベースピークは
ｍ／ｚ 649.2の二重帯電したイオンであるが、このｍ／
ｚのイオンはそれらが安定度図の縁において放出される
時にゴーストピークも発生する。

【００２３】最近まで、質量選択性不安定度モード（共
鳴放出を伴う、または伴わない）を使用して得られた全
てのイオントラップ質量スペクトルは、各質量ピークの
全体的な形状を限定するのに十分な周波数応答を有する
比較的狭い通過帯域を有する電位計を使用して得られた
ものであった。即ち、全ての市販装置の電位計の３dB点
は約 15 kHz であり、この周波数における出力レベルは
それより低い周波数の出力の 71 ％まで減衰されてい
る。市販装置の R.F. は質量ピーク当たり 180マイクロ
秒のレートで質量ピークが放出されるように走査され、
検出システムのアナログ区分はピークの全体的な形状を
限定することはできるが、各質量ピークの放出中のイオ
ン放出の時間依存度の細部に関する詳細な情報を提供す
る能力は殆ど有していない。ディジタルデータシステム
も帯域幅が制限されており、質量ピーク当たり合計約６
点に対して 30 マイクロ秒置きに１つのデータ点を取得
する。

【００２４】拡張された質量範囲で分解能を高めるため
に、我々は近年、市販装置において使用されているレー
トよりも遥かに遅いレートで各質量ピークが放出される
ように、従って共鳴放出周波数が市販装置において使用
されている共鳴放出周波数よりも遥かに低くなるように
してトラップを走査し始めた。 20 kHz より低い、即ち
市販装置に使用されている周波数の 1/20 以下の特に低
い共鳴放出周波数を使用すると、各質量ピークが一連の
ピーク、即ち“イオンパケット”からなることを発見し
た。

【００２５】この微細構造は極めて低い共鳴放出周波数
を使用する実験中においてのみ観測できるものであるか
ら、検出システムの通過帯域が現象を観測する能力を制
限しているものと推測した。従って我々は、通過帯域が
200乃至 300 kHzを有する電位計を製作し、通過帯域及
びディジタル通過帯域が 1 GHzまでのディジタルオッシ
ロスコープを使用してこの電位計の出力を取得した。図
４に、標準電位計と広帯域幅電位計の周波数応答の比較
を示す。

【００２６】図５は、広帯域幅収集システムを使用して
取得したペプチドアンギオテンシンＩの質量スペクトル
である。ｍ／ｚ 648の二重帯電イオンを、トラップ内に
880kHz の R.F. 周波数を使用して 50 kHz の共鳴放出
によって放出させた。ｍ／ｚ1295のピークが安定度図の
縁において放出された。ｍ／ｚ 648ピークは一連のイオ
ンパケットを呈したが、ｍ／ｚ 1295 のピークの微細構
造は殆ど不明である。図６の（ａ）は図５のｍ／ｚ 648
ピークの周波数スペクトルであり、図６の（ｂ）はｍ／
ｚ 1295 ピークの周波数スペクトルである。図６の
（ｂ）には、ｍ／ｚ648 ピークが共鳴放出電圧の周波数
（ 50 kHz ）に、及びこの周波数の高調波に現れてい
る。図６の（ｂ）に現れているｍ／ｚ 1295 ピークは、
880 kHzのトラップ R.F. 周波数の周波数成分を有して
いるが、データ収集のナイキスト基準は1.4 MHz の最高
周波数までの測定しかできないので、もし高調波が存在
していても観測することはできない。

【００２７】空間電荷の状態が存在する場合には、イオ
ントラップ質量分析計におけるｍ／ｚ分解能は劣化する
（ピークの全体的形状が広がり始める）ことが知られて
いるから、空間電荷が増加しても図５のピーク微細構造
が得られるか否かも問題になる。図８の（ａ）は 30 ms
の電離時間で取得した時のｍ／ｚ 648ピークを示し、図
８の（ｂ）は 700 ms の電離時間で取得した時の同一ピ
ークを示す。ｍ／ｚ 659ピークに対するｍ／ｚ 648ピー
クの位置の大きいシフトは、このピークが空間電界の状
態の下に放出されたことを示しているが、このピークの
微細構造は本質的に僅かな空間電荷で放出された場合と
同一である。

【００２８】イオンパケットの源が共鳴放出電圧によっ
て誘起されるイオン運動に密接に関係がある（コヒーレ
ンスである）ことは明らかであるから、緩衝ガスまたは
他のガスと衝突するとピーク微細構造が失われ得る。事
実圧力が低い方がピーク微細構造の観測には好ましいに
は相違ないが、実際には標準動作圧においても微細構造
が観測できることが分かった。図９の（ａ）は標準圧力
（約 7× 10 ^-3 Pa の公称ゲージ圧）で取得したスペク
トルを示し、図９の（ｂ）は低目の圧力（ 2.8× 10 ^-3
Pa の公称ゲージ圧）で取得したスペクトルを示す。微
細構造は低目の圧力における方が明確に表示されている
が、標準動作圧においても観測できることが分かる。

【００２９】共鳴放出によって放出されたピークの周波
数スペクトルが、安定度図の縁において放出されたピー
クの周波数スペクトルから識別できるという発見によっ
て、２つの型のピークを識別する実際的な方法を考案す
ることができる。図７の（ｃ）はピークを識別する一方
法の結果を示すものである。広帯域電位計及びディジタ
ルオッシロスコープによって取得したスペクトルを図７
の（ａ）に示す。図７の（ａ）に対してディジタル低域
通過フィルタ（帯域幅 15 kHz ）を適用した結果を図７
の（ｂ）に示す。微細構造は最早明確ではなく、スペク
トルは標準電位計を使用して取得したかの如くに現れて
いる。これは広帯域電位計の必要性を明確に示してい
る。

【００３０】図７の（ｃ）は、２つの型のピークが識別
できるように図７の（ａ）のデータを処理して得たもの
である。即ち、共鳴放出電圧の周波数において現れる情
報だけが応答をもたらすようにスペクトルを処理した。
図７の（ｃ）を得るための図７の（ａ）のデータの処理
は、本質的には軸方向変調の周波数を中心周波数として
使用するディジタル復調である。これは、１）先ず図７
の（ａ）の信号に sin(50000 ^*2 πt)を乗じ、この乗
算の結果を自乗する段階と、２）別に図７の（ａ）の信
号に cos (50000 ^*2 πt)を乗じ、同様にこの乗算の結
果を自乗する段階と、３）２つの自乗の和の平方根を 1
5 kHz で濾波し、その結果をプロットして図７の（ｃ）
を得る段階とからなる。図示のように、安定度図の縁に
おけるｍ／ｚ 1295 の放出によるピークは排除されてい
る。

【００３１】ピークの共鳴放出周波数に基づいてこれら
のピークを識別できるという事実の一層広い利用法は、
意図的に１以上の共鳴周波数を放出に十分な振幅で使用
することである。例えば、トラップの質量範囲は共鳴を
発生させる周波数を下げることによって容易に拡張され
るから、２つの周波数を同時に使用することによって２
つの異なる質量範囲を同時に記録することができる。極
めて低い共鳴放出周波数を使用すれば、極めて高い質量
対電荷範囲にアクセスすることが可能である。しかしな
がら、実際には観測可能な最低質量対電荷に限度が存在
する。得られたスペクトル内には２つの異なる共鳴線に
よって発生したピークが散在するが、放出されたピーク
の微細構造を使用して放出された周波数を決定する方法
を一般的に適用することは可能であり、これらのより複
雑な波形と共に使用することができる。

【００３２】図１０はこのような実験の解説図である。
この実験では、共鳴放出電圧は２つの正弦波電圧の和で
あるので、ｑ軸上には共鳴放出を発生させる２つの共鳴
点が存在する。図１０に示すように実験の開始時には、
２つの質量が第１の共鳴点において共鳴せしめられるよ
うなｑ値を有しており、一方他の２つの質量は第１の共
鳴点において共鳴せしめられるようなｑ値を有してい
る。実験中、R.F.電圧が走査され、検出器は両共鳴点に
おける放出によて発生したピークを記録する。

【００３３】図１１の（ａ）は２つの共鳴放出周波数
（ 30 kHz 及び 100 kHz）を使用し、15 kHz低域通過フ
ィルタによって電位計出力を単純に濾波した実験の結果
を示すものである。ｍ／ｚ 433.2及び 587.3のピーク
（多重帯電イオンから）が第１の共鳴点（ 30 kHz ）に
おいて放出され、ｍ／ｚ 649.2及び 880.5のピークが第
２の共鳴点において放出されている。このような低い通
過帯域を使用して得たピークは識別することはできな
い。

【００３４】狭い通過帯域からのピークとは異なって、
広い通過帯域から得たピークは検査によって識別するこ
とが可能である。しかしながら２周波数実験において、
２つの共鳴放出周波数の位相関係を異ならせ、得られた
電位計出力を合計して得られたスペクトルを用いればよ
り信頼できる結果を入手できることを見出した。図１２
は、２つの共鳴放出周波数間に４つの異なる位相関係を
使用して得たｍ／ｚ 433.2及び 587.3ピークの微細構造
を示す。

【００３５】“任意波形発生器”を使用して共鳴放出電
圧を発生させた。この装置は所与の時点に出力する電圧
を決定するために表索引を使用するので、２つの共鳴放
出信号の相対位相を容易に制御できる。これらの表は以
下の式に従って計算されたものである。図１２の(a) ：電圧＝＋ sin(30000^* 2π^*t)＋ 5 sin
(100000 ^*2 π^*t)、図１２の(b) ：電圧＝− sin(30000^* 2π^*t)＋ 5 sin
(100000 ^*2 π^*t)、図１２の(c) ：電圧＝＋ sin(30000^* 2π^*t)− 5 sin
(100000 ^*2 π^*t)、図１２の(d) ：電圧＝− sin(30000^* 2π^*t)− 5 sin
(100000 ^*2 π^*t) 図１２の４つのスペクトルを調べると、イオンは 30 kH
z の共鳴放出周波数から予測される 33.3 マイクロ秒間
隔で放出されているが、連続する放出の相対振幅は単一
周波数スペクトルのほぼ三角形の包絡線（図５のｍ／ｚ
648ピークのような）とは異なっている。明らかに、10
0 kHz 信号がイオンを特定振動の最大振幅において放出
させるか否かに影響を与えることによって、放出の相対
振幅を変調している。例えば、もしイオン放出端冠電極
上の 100 kHz信号の成分が正であって大きければ、30 k
Hzの共鳴による共鳴振動が普通ならば十分に大きくて放
出及び検出を生じさせる時点でも放出が抑圧されるよう
になる。反対に、負電圧であれば放出が促進されるよう
になる。

【００３６】この付加された変調の効果によって特定周
波数（例えば 30 kHz ）における情報内容が減少する。
この問題を回避する一方法は、種々の位相関係を使用し
て入手した電位計出力データを合計することである。例
えば、図１３は図１２の（ａ）乃至（ｄ）の合計を示
す。図１２のどのスペクトルから得られるよりも遥かに
滑らかなピーク包絡線が得られている。図１３の周波数
スペクトルを図１４の（ａ）に示し、またｍ／ｚ 649.2
におけるピークに対応するデータの周波数スペクトルを
図１４の（ｂ）に示す。図１４の（ａ）に示す周波数ス
ペクトルは、最も強い周波数成分が 60 kHz にあること
を示し、同様に図１４の（ｂ）に示す周波数スペクトル
は、最も強い周波数成分が 200 kHzにあることを示して
いる。見掛けの周波数が２倍になっているのは、 180°
位相が異なる（常に正の）スペクトルを合計した結果で
ある。

【００３７】図１１の（ｂ）は、復調周波数として 60
kHz を使用し、合計されたスペクトルに復調を遂行した
結果を示す。100 kHz 共鳴放出電圧で放出されたピーク
（ｍ／ｚ 649.2及び 880.5）がきれいに除去されてい
る。200 kHz 復調周波数を使用して同様の復調を遂行し
た結果を図１１の（ｃ）に示す。 30 kHz 共鳴放出電圧
で放出されたピーク（ｍ／ｚ 433.2及び 587.3）は 100
kHzピークに対して減衰されてはいるが、きれいに除去
されてはいない。図１４の（ａ）を調べれば分かるよう
に、これらの周波数スペクトル内にかなりの 200 kHzの
周波数成分が存在するために、これらのピークが完全に
除去されないのである。 30 kHz ピークが完全に除去さ
れてはいるが、それでもこの手順は放出されたピークの
本質を決定する上で有用である。

【００３８】特定の周波数における情報の量を決定する
“和・平方”法が公知である。形式的には、もし時間に
対して変化する信号（イオントラップ質量分析計からの
電位計出力のような）をＳ(t) で表すものとすれば、特
定の周波数ｆ及び位相ρは S(t) ^*sin ( f ^*2 πt ＋ρ) なる積を求め、次いでその結果を濾波することによって
決定することができる。不可欠的に、Ｓ(t) は０周波数
まで混合され、他の周波数は低域通過フィルタを使用し
て除去される。もし混合のための最適位相ρが未知であ
れば、90°だけ異なる２つの位相を使用して混合を遂行
することができ、２つの結果の自乗の和の平方根によっ
て位相依存振幅を決定することができる。即ち、振幅＝〔｛ S(t) ^*sin ( f ^*2 πt ＋ρ) ｝² ＋｛ S(t) ^*cos ( f ^*2 πt ＋ρ) ｝²〕^1/2 この“和・平方”手順は、本質的に関心周波数における
振幅を決定する。イオンパケットの周波数及び位相の両
者を使用することによって、より高度に識別することが
できる。これは、sin 及び cos 成分の自乗の和の平方
根を使用するのではなく、 sin（50000 ^*2 πt ＋ρ）
を乗じ、次いで低域通過フィルタを適用することによっ
て達成される。位相ρを適切に選択することによってか
なりの識別を得ることができるが、この手順は質量に伴
ってイオンパケットの位相が変動するために複雑になる
ことが分かった。

【００３９】この、及び類似の目的のために多くの他の
形の信号処理（アナログでも、またはディジタルでも）
を使用しても差し支えないが、それらは全て共鳴放出ピ
ークの微細構造の使用に基づく必要がある。例えば、共
鳴放出電圧の周波数のみにおける応答を提供するために
適切なロックイン増幅器を使用することができる。親及
び中性損( neutral loss )走査を遂行する能力は、２周
波数実験に基づくものである。両走査型共、第１の周波
数は、選択された質量範囲を通して走査され、遭遇する
イオンを励振し解離させるには十分な、しかし理論的に
それらを放出させるには不十分な適切な振幅を有してい
る。第２の周波数は、検出のために共鳴的にイオンを放
出させるのに十分な振幅を有しており、親走査の場合に
は特定の娘のイオンの周波数に固定され、また中性損走
査の場合には固定された質量差によって第１の周波数に
関係付けられた質量に対応する周波数を通して掃引され
る。しかしながら実際には第１の励振周波数は、それが
走査されるにつれて放出を発生させ得るのでスペクトル
内にスプリアスピークをもたらすようになる。第２の共
鳴放出周波数においてのみ検出することによって、これ
らのスプリアスピークを排除することができる。それ
は、これらのスプリアスピークは全て、放出に使用され
る第２の周波数以外の異なる放出周波数を有しているか
らである。

【図面の簡単な説明】

【図１】四極イオントラップ質量分析計の概要図と、本
発明によって質量分析計を動作させるための関連電気回
路のブロック線図とを併せて示す図である。

【図２】図１に示す質量分析計のイオントラップの安定
度包絡線図である。

【図３】共鳴放出を伴う質量選択性不安定度モードを使
用して得たペプチドアンギオテンシンＩの質量スペクト
ルであって、共鳴放出周波数が 146761 Hz、電位計の通
過帯域が 15 kHz であり、ベースピークはｍ／ｚ 649.2
の二重帯電イオンであるがこのｍ／ｚのイオンが安定度
図の縁において放出されてゴーストピークを発生する様
をも示す図である。

【図４】質量スペクトルを得るために使用された電位計
の周波数応答を示す図である。

【図５】ピークの微細構造を観測するために 50 kHz の
共鳴放出周波数と、広帯域幅電位計とを使用して観測し
たペプチドアンギオテンシンＩの質量スペクトルであっ
て、ｍ／ｚ 648のピークは共鳴放出ピークであり、ｍ／
ｚ 1295 のピークは安定度図の縁における放出によるも
のであることを示す図である。

【図６】（ａ）は図５のｍ／ｚ 1295 のピークの周波数
スペクトルを、また（ｂ）はｍ／ｚ 648のピークの周波
数スペクトルをそれぞれ示す図であって、これらの周波
数スペクトルは図５の２つのピークをフーリエ変換して
得たものである。

【図７】（ａ）は図５の質量スペクトルを、（ｂ）は 1
5 kHz の低域通過フィルタで（ａ）を濾波した結果を、
そして（ｃ）は 50 kHz 復調手順の結果をそれぞれ示す
図である。

【図８】（ａ）は最小空間電荷の状態の下で得たピーク
の微細構造を、また（ｂ）は空間電荷の状態を作出する
ために十分な数のイオンがトラップ内に存在するように
電離時間を増加させた時の同一ピークをそれぞれ示す図
である。

【図９】（ａ）は標準圧力（公称ゲージ圧約 7×10^-3 P
a ）で得たスペクトルを、また（ｂ）は低目の圧力（公
称ゲージ圧約 2.8×10^-3 Pa ）で得たスペクトルをそれ
ぞれ示し、低圧の方が微細構造をより明確に示してはい
るが、標準圧力においても微細構造が観測されることを
示す図である。

【図１０】１つの共鳴放出周波数の代わりに２つの共鳴
放出周波数を使用した共鳴放出を伴う質量選択性不安定
度走査を説明する図であって、２つの共鳴点が確立され
ていて得られる質量スペクトル内のピークが何れかの点
における放出に起因することを示す図である。

【図１１】図１０に示すように２つの共鳴放出周波数
（ 30 kHz 及び 100 kHz）を用い、広帯域電位計及びデ
ータ収集システムを使用して得た質量スペクトルに対す
る３つの異なるディジタルデータ処理の結果を示す図で
あって、3.4 msと 5.4 ms との間のピークは 30 kHz 共
鳴点において、また 12.0 msと 14 msとの間のピークは
100 kHz共鳴点においてそれぞれ放出されたものであ
り、（ａ）はスペクトルに 15 kHz の低域通過フィルタ
を適用した結果であり、（ｂ）は復調周波数として 60
kHz を使用して復調した結果であり、（ｃ）は復調周波
数として 100 kHzを使用して復調した結果である。

【図１２】２つの共鳴放出周波数の間に以下のような異
なる４つの位相関係を使用して得た 30 kHz において放
出されたピークの微細構造を示す図である。（ａ）の電圧＝＋ sin(30000^* 2π^*t)＋ 5 sin(10000
0 ^*2 π^*t)、（ｂ）の電圧＝− sin(30000^* 2π^*t)＋ 5 sin(10000
0 ^*2 π^*t)、（ｃ）の電圧＝＋ sin(30000^* 2π^*t)− 5 sin(10000
0 ^*2 π^*t)、（ｄ）の電圧＝− sin(30000^* 2π^*t)− 5 sin(10000
0 ^*2 π^*t)。

【図１３】図１２に示す４つのスペクトルの合計であ
る。

【図１４】（ａ）は図１３のピークのフーリエ変換を、
また（ｂ）は 100 kHzで放出されたピークのフーリエ変
換をそれぞれ示す図である。

【符号の説明】

１０イオントラップ１１環状電極１２、１３端冠電極１４無線周波数電圧発生器１６イオン蓄積容積（領域）１７フィラメント１８フィラメント電源１９ゲートレンズ２１フィラメントレンズ制御器２３孔２４電子増倍器２７電位計２８信号合計・蓄積ユニット２９信号処理ユニット３１制御器３２結合変成器３５補助Ｒ．Ｆ．発生器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】イオントラップ質量分析計を動作させる
方法であって、所定範囲内の質量対電荷比を有するイオンを捕捉するた
めの三次元の、実質的に四極電界を有するトラップ容積
を限定する段階と、上記所定範囲内の質量対電荷比を有するイオンが捕捉さ
れるように上記トラップ容積内においてイオンを形成ま
たは該容積内へイオンを注入する段階と、上記三次元四極電界に重畳するように補助交流電界を印
加して混合電界を形成させる段階と、上記混合電界を変化させることによって上記トラップ容
積からイオンを順次に且つ、共鳴的に放出させて放出さ
れたイオンを検出し、出力信号を生成する段階と、を具
備し、上記共鳴的に放出されたイオンの出力信号が上記
補助交流電界の周波数の周波数成分を有することを特徴
とする方法。
【請求項２】上記信号を処理して上記周波数成分を有
する信号成分を識別し、それによって上記共鳴的に放出
されたイオンを識別する段階を含む請求項１に記載の方
法。
【請求項３】上記処理段階が、信号をロックイン増幅
器によって増幅する段階を含む請求項２に記載の方法。
【請求項４】共鳴的に放出されたイオンを識別するた
めに上記信号をディジタル的に処理する段階を含む請求
項２に記載の方法。
【請求項５】共鳴的に放出されたイオンを識別するた
めに、 sin(2πt ＋ρ) を乗ずることによって上記信号
を処理する段階を含む請求項２に記載の方法。
【請求項６】各点が収集される時点を S(t) として、〔｛ S(t) ^*sin ( f ^*2 πt ＋ρ) ｝² ＋｛ S(t) ^*cos ( f ^*2 πt ＋ρ) ｝²〕^1/2 を計算することによって信号を処理する請求項２に記載
の方法。
【請求項７】処理した信号をプロットして質量スペク
トルを生成する段階を含む請求項１、２、３、４、５、
または６の何れか１つに記載の方法。
【請求項８】イオントラップ質量分析計を、共鳴放出
を伴う質量選択性不安定度モードで動作させる方法であ
って、選択された周波数の補助交流電界を印加し、それによっ
て共鳴的に放出されるイオンに上記選択された周波数の
周波数成分を持たせる段階と、放出されたイオンを検出し、上記共鳴的に放出されたイ
オンを識別する上記選択された周波数を有する成分を含
む出力信号を生成する段階と、を具備することを特徴と
する方法。
【請求項９】イオントラップ質量分析計を、共鳴放出
を伴う質量選択性不安定度モードで動作させる方法であ
って、共鳴的に放出されたイオン、及び非共鳴的に放出
されたイオンを含む全ての放出されたイオンを検出する
段階と、共鳴的に放出されたイオンを識別する段階とを
具備することを特徴とする方法。
【請求項１０】イオントラップ質量分析計を動作させ
る方法であって、所定範囲内の質量対電荷比を有するイオンを捕捉するた
めの三次元の、実質的に四極電界を有するトラップ容積
を限定する段階と、上記所定範囲内の質量対電荷比を有するイオンが捕捉さ
れるように上記トラップ容積内においてイオンを形成ま
たは該容積内へイオンを注入する段階と、上記三次元四極電界に重畳するように少なくとも２つの
異なる周波数の補助交流電界を印加して混合電界を形成
させる段階と、上記混合電界を変化させることによって上記トラップ容
積からイオンを順次に且つ、共鳴的に放出させて放出さ
れたイオンを検出し、出力信号を生成する段階と、を具
備し、上記共鳴的に放出されたイオンの出力信号が上記
補助交流電界の周波数の周波数成分を有することを特徴
とする方法。
【請求項１１】上記信号を処理して上記周波数成分を
有する信号成分を識別し、それによって上記共鳴的に放
出されたイオンを識別する段階を含む請求項１０に記載
の方法。
【請求項１２】上記処理段階が、信号をロックイン増
幅器によって増幅する段階を含む請求項１１に記載の方
法。
【請求項１３】共鳴的に放出されたイオンを識別する
ために上記信号をディジタル的に処理する段階を含む請
求項１に記載の方法。
【請求項１４】共鳴的に放出されたイオンを識別する
ために、 sin(2πt＋ρ) を乗ずることによって上記信
号を処理する段階を含む請求項２に記載の方法。
【請求項１５】各点が収集される時点を S(t) とし
て、〔｛ S(t) ^*sin ( f ^*2 πt ＋ρ) ｝² ＋｛ S(t) ^*cos ( f ^*2 πt ＋ρ) ｝²〕^1/2 を計算することによって信号を処理する請求項１１に記
載の方法。
【請求項１６】処理した信号をプロットして質量スペ
クトルを生成する段階を含む請求項１０、１１、１２、
１３、１４、または１５の何れか１つに記載の方法。