JPH07502142A - 万能衝突活性化イオントラップ - 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】 万能衝突活性化イオントラップ 合衆国政府は、アメリカ合衆国政府エネルギ省とマーチンマリエッタエネルギー システム社との間に結ばれた契約ｎｏ、　ＤＥ−ＡＣ０５−８４ＯＲ２１４００ により本発明の権利を有し、また、アメリカ合衆国安全保証局の資金援助を受け る。

発明の分野 本発明は、衝突活性化イオントラップ装置及その使用法に関する。特に、万能衝 突活性化イオントラップ質量分光計に関する。

発明の背景 衝突により誘発されるゆっくりしたイオンの解離（ＣＩ　Ｄ）を起こすことは、 イオントラップに基づくものなどを含む質量分光計において分子の存在を検証す るための有用な技術である。ＣＩＤの第一段階となる衝突活性化（ＣＡ）は、− 以上の運動の特性周波数においてイオントラップ場内でイオンを共鳴的に励起す ることによって起こすことができる。

イオン運動の周波数は、質量対電荷の比に依存するので、単独の励起周波数を用 いると、イオントラップ装置内における衝突活性化が質量対電荷の比で特定され る。

結果的に、励起周波数を正しく調節するためには、選ばれたイオンに対する質量 対電荷比の先験的知識が必要であった。さらに、イオン運動の周波数は、同一電 荷（すなわち空間電荷）の他のイオンの存在により影響される。

池のイオンの存在は従来のイオントラップ装置で一般的に用いられる単一周波数 励起方法の有用性を制限する。

イオントラップで用いられる単一周波数励起方法では、特定な質量対電荷比を有 する限られた数のイオンを励起するために、別個の正確に調節された周波数が用 いられる。また、多くの従来のイオントラップ装置においては周波数調節を必要 とするイオンの数を制御することは難しく、概して単調で長時間を要する。さら に構造的情報を提供する分裂の程度はしばしば制限される。何故ならば、一度光 のイオンが分裂すると、−次の発生イオンは共鳴からはずれてそれ以上分裂しな いからである。さらなる背景情報は、全てを参考として本明細書に組み入れた以 下の文献に見られる。ｌＥ、Ｆｕｌｆｏｒｄほか「三次元４極イオントラツプに おける無線周波数・質量選択励起及びイオンの共鳴放出」、真空科学技術誌＝１ ７（４）、８２９（１９８０）　、Ｒ，Ｂ、Ｃｏｄｙほか「フーリエ変換質量分 光計測における衝突活性化による解簾」、分析化学：５４、９６（１９８２）、 Ｊ、Ｎ、　１ｏｕｒｉｓほか「４極イオントラップ二重質量分光計測における装 置、応用およびエネルギー蓄積」、分析化学、５９．１６７７（１９８７）及び ５ｙｋａほかｒ　ＭＳ／ＭＳモードイオントラップ操作法」、米国特許第４．７ ３６．１０１号。

Ｙａｔｅｓほかは、自動操作により親イオン共鳴周波数を経験的に決定するため 、速い周期で狭い質量範囲（１，７ａｍｕ）を予備走査することを述べている。

これらの研究者たちは、ｑｚ値０．３で１．７の質量／電荷範囲に等しい、１０ ｋＨｚの周波数範囲を持つ補助信号を用いることを述べている。両者の研究方法 は、空間電荷問題に対し効果的であるが、制限された分裂及びある範囲の質量／ 電荷値に亘って同時にイオンを分裂できないという問題を取り扱っていないこと が分かった。さらなる情報は、テネシーナシュビル、１９９１年５月、質量分光 測定および関連問題に関する第３９回＾ＳＭｓ会議議事録、１３２頁、Ｎ、　Ａ 、　Ｙａｔｅｓほかによる「周波数分担予備走査および広帯域励起を経た４極イ オントラツプにおけるＧＣ／ＭＳ／ＩＩｓ共鳴励起」に記載されている。

ランダムノイズ（無作為雑音）励起は、最終検出・質量分析段階の一部としての フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴質量分光計測に用いられてきたが、イオ ンの分裂を引き起こす手段としては、用いられてこなかった。

イオンが受容板に誘発する画像電流によりイオンを検出できるようにするために 、イオンサイクロトロン共鳴質量分光計中の全てのイオンを、高軌道へ動的に励 起するのにランダムノイズが用いられた。この様な応用では真空状態が必要で、 背景または浴気体（ｂａｔｈ　ｇａｓｅｓ）の衝突は、検出方法に致命的な影響 を及ぼす。さらなる情報はＣ，Ｆ、　Ｉｊａｍｅｓほか、による「ランダムノイ ズ励起を用いたフーリエ変換質量分光計測」、化学物理詰、　１０８．５８（１ ９８４）に記載されている。

非選択的衝突活性化は、Ｓ、＾、　１ｃｌｕｃｋｅｙほか、「目標生成イオンの 親イオン同時監視：質量分光による高速識別法」、分析化学、　６２．５６（１ ９９０）の中で述べられている高速識別技術で用いられた。当該文献は参照する ことにより、本明細書に組み入れられる。当該文献中に記載されている実験は非 トラップ装置によって行われ、非選択的な万能衝突活性の有用性を例示している 。

空間電荷に起因する周波数転移が克服されると共に、広範囲の質量／電荷比を持 つ、捕捉（トラップ）されたイオンを動的に同時に励起することが可能になる、 衝突活性化イオントラップ用の装置および方法が必要とされている。また、時間 を浪費する周波数調節を行うことなく、普遍的な方法で、ＣＩＤが実行できる衝 突活性化イオントラップ質量分光計測用の装置および方法も必要とされている。

発明の目的 従って、空間電荷に起因する周波数転移が克服されると共に、広範囲の質量／電 荷比を持つ、捕捉されたイオンを動的に同時に励起することができる、衝突活性 化イオントラップ質量分光計測のための新しい改良された装置と方法を提供する ことが、本発明の目的である。

また、時間を浪費する周波数調節を行うことなく、普遍的な方法で、ＣＩＤが実 行できる、衝突活性化イオントラップ質量分光計測のための新しい改良された装 置と方法を提供することが、本発明のもう一つの目的である。

本発明のその他のさらなる目的は、以下の記述がら明らかとなろう。

発明の概要 本発明の一面によれば、上記及びその他の目的は、イオン捕捉装置から成る万能 衝突活性化イオントラップにより達成される。当該イオン捕捉装置はそれに接続 される雑音信号発生機及び浴気体を含む。

本発明の他の一面によれば、万能衝突活性化イオントラップは、浴気体を含む４ 極イオントラツプと、４極イオントラツプ内において雑音信号を発生するために ４極イオントラツプに接続される雑音信号発生器とにより構成される。

本発明のもう一つの面によれば、万能衝突活性化イオントラップの操作方法は、 ａ　イオン捕捉装置を供給し、 ｂ　浴気体をイオン捕捉装置内に導入し、Ｃイオン捕捉装置内に捕捉されるイオ ンを衝突活性化させるためにイオン捕捉装置内で雑音信号を発生させることから 成る。

図面の簡単な説明 図１は本装置の概略図で、当該装置においては４極イオントラツプの端キャップ （２ｎｄ−ｃａｐ）電極に雑音信号が加えられる。

図２は本装置の概略図で、当該装置においては４極イオントラツプの両端キャッ プ電極に雑音信号が加えられ図３は本装置の概略図で、当該装置においては４極 イオントラツプの環状電極に雑音信号が加えられる。

図４は本装置の概略図で、当該装置においてはイオンサイクロトロン共鳴電池の 相対する各極板（ｐｌａｔｅ）に雑音信号が加えられる。

図５ａは活性化されていないＮ、Ｎ−ジメチルアニリンの単離した陽イオンの質 量スペクトルを示す。図５ｂは従来の単一周波数活性化法を用いて得られた同一 化合物の質量スペクトルを示す。図５Ｃは本発明により得られた同一化合物の質 量スペクトルを示す。

図６ａは衝突活性化に対する従来の手法を用いることにより得られたコカインの 質量スペクトルを示す。図６ｂは本発明により得られたコカインの質量スペクト ルを示す。

図７ａは活性化されていない２，４．６−ドリニトロトルエンの単離した分子陰 イオンの質量スペクトルを示す。図７ｂは本発明により得られた同一化合物の質 量スペクトルを示す。

図８は本発明により得られた二重に陽子が付加されたペプチドニューロメジン（ ｎｅｕｒｏｍｅｄｉｎ）ＩＩ−８の質量スペクトルを示す。

本発明並びにその他の目的、利点及び性能のさらなる理解のために、以下の開示 、請求の範囲及び上記の図面を参照されたい。

発明の詳細な説明 本発明は、イオンが周期的運動を行う全てのイオントラップ式計器に対して有効 である。これは、例えば４極イオントラツプ等の多極動電気的イオントラップ及 び例えばサイクロトロン共鳴分光計等の磁気・静電気イオントラップの様な既知 の装置を含むがこれに限らない。本装置及び方法のその他の様々な実施態様は、 他の種類のイオンラップについても可能であり、それらの全ては本発明の範囲に 含まれる。

４極イオントラツプは良く知られている。１図では、イオントラップは一般的に 中央環状電極１及び２個の端キヤツプ電極２．３から成る。万能ＣＩＤを単極励 起方式で実施するために、雑音信号発生器４が一方のキャップ端電極２に接続さ れ、他方のキャップ端電極３は接地されている。無線周波数（ｒｆ）発生器５は 、イオントラップ無線周波数駆動電圧を供給する、環状電極に接続されている。

当該電圧は、イオンの捕捉に必要な交流の４極フイールド（場）を提供する。２ 図では、雑音信号発生器を両方の端キヤツプ電極２．３に接続し、４極励起のた めに同相の雑音信号を、もしくは二極性励起のために１８０′　位相のずれた雑 音信号を発生させることもできる。

１および２図に示す形態は、結果的に軸方向の変調となる。

発明の他の実施態様では、図示していないが、雑音信号を、主イオン捕捉電圧と 共に環状電極に加えることもできる。この形態では、半径方向の変調及び励起が 達成される。

３図に示す発明の他の実施態様では、雑音信号を環状電極１に接続すると同時に 、主イオン捕捉電圧を端キヤツプ電極２．３に加えることもできる。この形態で は、単極励起及び半径方向変調が達成される。

４図に示す発明の実施態様では、イオンサイクロトロン共鳴電池１０は、典型的 に１１−１６の６枚の極板からなる、磁場Ｂ０内に設置される箱を定める。磁場 Ｂ０はイオンをｘ−ｙ平面に閉じ込め、静電捕捉板はイオンを２方向に閉じ込め る。１８０′位相のずれた雑音をｘ　−ｙ平面を定める相対する極板のいずれか の組に加えることにより、万能衝突活性化を行うことができる。雑音による動的 励起は２一方向の捕捉板を用いることによって行うことができる。

本装置の好ましい実施態様を記述したので、イオン捕捉装置内のイオンの普遍的 衝突活性化のための好ましい方法を述べる。

イオンはイオントラップ内に注入もしくは、イオン捕捉装置内で直接形成するこ とにより蓄積される。イオン番号に依存しない単一または広範な質量／電荷比の イオンは、イオントラップを構成する一以上の電極に加えられた浴気体ノイズ変 調信号により、動的に励起される。

この様な変調信号は連続的、広帯域周波数スペクトルを持つので捕捉されたイオ ンの全質量／電荷比の範囲は同時的に不特定な動的励起を受ける。雑音信号の振 幅はイオンが捕捉場内に止まりながら、浴またはイオントラップ内の背景気体と 激しい衝突を起こすのに十分である。

捕捉されたイオンは力を吸収し、浴気体との激しい衝突を起こす。浴気体との衝 突は、力を散逸させる機構として働く。吸収された力の一部は衝突を起こす浴気 体の原子または分子の動的エネルギを増加させ、多原子の場合は一部のエネルギ はイオンの内部モードとなる。これによりイオンは散逸し、断片または生成イオ ンを生じるまで、内部的に温められる。生成イオンは共鳴し動的に励起・発熱し 、さらに進行するか二次的散逸を起す。連続的な散逸が次々に起こる。

雑音信号の適切な力と持続時間とを決定する重要な実験的変数は、捕捉基の強さ 、浴気体の圧力及び断片化のだめの被分析イオンの性質である。特別な被分析物 質に対するこれらの変数の最適値は、型通りの実験により決定できる。散逸工程 に続いて雑音信号が停止されると、各種の従来の方法のいずれかにより、質量ス ペクトルが得られる。その後最終的な質量スペクトルは、衝突活性化工程、初代 生成イオン及び次々に続く次世代イオンに対して生き残ったイオンを示す。

本発明は、多数の、未識別質量／電荷比及び番号光学密度（空間電荷）を持つ蓄 積されたイオンの同時的な動的励起を可能にする。従って、衝突活性化は、イオ ン番号密度に関わらず、また、親イオンの質量／電荷比の予備知識無くして、非 選択的方法で行うことができる。親イオン、生成イオンは常に９共鳴状態”にあ るので、多数の単−周波数励起段階及びそれに付随する調節に頼ること無く、よ り広範な断片化が典型的に観察される。

本発明は１極、２極、４極及び半径方向の変調モードの形で４極イオントラツプ と共に実行される時、特に有効である。本発明は、質量及びイオン番号とは無関 係に多種のイオンの断片化を誘発する手段として、特にイオントラップ質量分光 計の分析的応用に対して有効である。

これは、急速に発展する分野であり、すでに環境的、生物学的な分析まで広がっ ている。本発明は予め識別されない構成成分を有する標本の迅速な分析を容易に する。

興味のある有力な応用としては、爆発物の検出、薬物の検出並びに有機及びその 他の多原子の種の迅速な環境分析がある。以下の例は、本方法の広範な応用性を 例示することを意図する。

例１ 多゛くの環境的興味のある化合物のうちの典型的なＮ、　Ｎ−ジメチルアニリン が本発明により分析された。５ａ図はＮ、Ｎ−ジメチルアニリンの単離した基陽 イオンスペクトルを示す。５ｂ図はイオントラップにおける衝突活性化のための 従来の単−周波数法により得られたスペクトルを示す。親イオンは一つの水素原 子の消失に相当する一生成イオンのみを示すことに注目されたい。衝突活性化を 用いることの裏にある論理的根拠は、化合物の正確な識別を可能にするスペクト ルを常に発生することにある。

この観点においては、水素原子の消失は特に有益ではない。５０図はスペクトル を得る前にイオントラップに４０ミリ秒間２０Ｖｐ−ｐの浴気体雑音信号を加え た後のスペクトルを示す。書類調査による識別が可能な、様々な生成イオンが形 成されることに注目されたい。従来の方法では初代生成イオンは共鳴状態になら ないが、万能方法では初代生成イオンも同様に共鳴状態になるので、後者のスペ クトルは前者より一層有益である。

例２ 周知の薬物、コカインが本発明により分析された。６図は化学的イオンかにより 形成される、陽子を付加された分子、即ち、コカインの反応を例示する。この化 合物は明らかに薬物の検出及び識別にとって興味がある。６ａ図は従来の衝突活 性化方法（即ち、質量／電荷比３０４、周波数約１０４のイオンに適合する単一 周波数励起）を用いて得られたスペクトルを示す。観測された唯一の生成イオン は安息香酸の消失によるものであることに注目されたい。これは構造的に有意な 断片であるが、単一生成イオンに基づく識別は希である。構造的に有用な幾つか の生成イオンが形成される場合にはより信頼性のある識別が可能であろう。６ｂ 図は新しい方法で得られたスペクトルを示す。このスペクトルは、安息香酸の消 失に加えてさらにメタノール及び酢酸メチルの消失を示す。

同様な情報を得るためには従来の方法では、少なくとも三段階の質量分光計測を 要するであろう。

例３ ７図は負に荷電したイオンを用いて行った本発明の効用を示す。ここに示すのは 、爆発物の検出及び識別のために興味のある化合物、２，４，６４リニトロトル エン（ＴＮＴ）の陰イオン分子の例である。７ａ図は単離した陰イオン分子のス ペクトルを示し、７ｂ図は万能衝突活性化法を適応した後のスペクトルを示す。

ＴＮＴに特１こ観察される高度に特定された識別を可能にする、断片含有量の多 い断片化に注目されたい。従来の方法（スペクトルは示していない）では、より 少ない生成イオンし力）提供されない。

例４ ８図は、電気噴霧によって形成される、二重４こ陽子を付加したペプチド、ニュ ーロメジンＵ−８（ｔｒｙ−ｐｈｅ−Ｉｅｕ−ｐｈｅ−ａｒｇ−ｐｒｏ−ａｒｇ −ａｓｎ−Ｎｌ２）に対する本発明の効用を示す。この種のイオンは例えば蛋白 質トリプシン？肖イしくｐｒｏｔｅｉｎ　ｔｒｙｐｔｉｃ　ｄｉｇｅｓｔ）によ り形成されるものの典型である。スペクトルは構造的に有益な様々な生成イオン を示す。分析的な環境においてこの種のイオンｊこ遭遇する最も起こりそうな状 態は、トリプシン消化のクロマトグラフィ分離からである。勿論クロマトグラフ ィ（こおいて被分析物質の光学濃度は、コラム（ｃｏｌｕｍｎ）力）ら溶出する につれて変化する。それを防ぐ対策力（講ぜられない限り、従って、被分析物質 から形成される多数のイオンちまた変化することが予想される。親イオン母集団 の共鳴周波数も、最大溶出時に変化するであろう。しかし、これは従来の方法に とっては問題となるが、万能衝突活性化法にとっては問題とならない。

ランダムノイズ法は非常に広い帯域幅の励起周波数を供給するが、成る場合には 低減された励起周波数を用いるのが望ましい。即ち、これはランダムノイズ発生 器とイオントラップとの間に適当な濾波器を用いることにより行うことができる 。高域濾波器は、特定の質量／電荷比を越えるイオンが衝突的に活性化されない ことを確実にするために用いるられる。これは、多重の電荷を与えられたイオン が興味の対象となる種である、一定のＭＳ／ＭＳ実験において望ましいであろう 。ノツチフィルタもまた、衝突活性化用に低減された帯域幅の励起周波数を供給 するために用いられる。この濾波器の帯域幅は、空間電荷の変化に起因する単一 質量／電荷比におけるイオン周波数の僅かな転移を補うために調節できる。

本発明は、上記Ｓ、＾、　１ｌｃＬｕｃｋｅｙほかに記載された、衝突活性化を 用いる、目標生成技術をイオン補足装置と共に行うことを可能にする。目標生成 イオン技術が、多重質量／電荷比における親イオンの、同時的、非選択的な衝突 活性化を必要とするので、従来の方法は適用できない。

しかし、生成イオンの動的励起は好ましくないであろう。

これは、ランダムノイズ励起と共に適当な低域濾波器を用いることにより防ぐこ とができる。代わりの方法は、目標生成イオンに相当する励起周波数を除外する ために、ノツチ拒絶フィルタ（ｎｏｔｃｈ　ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ　ｆｉｌｔｅｒ ）を用いるものである。

本発明の４極イオントラツプにおいは、イオントラップ無線周波数駆動電圧を同 時的に漸減させることを含めることができる。これによって連続的な解離段階を 経て形成される低質量イオンを捕捉させることができる。駆動電圧（または周波 数）は、イオントラップにおける衝突エネルギ論を決定するに当たり、重要な数 値である。

しばしば、高質量親イオンの最適駆動電圧は、低質量イオンを捕捉するためには 高すぎる。駆動電圧の漸減を伴うランダムノイズ励起は、連続的な解離段階を経 て形成される低質量断片の捕捉を考慮している。

本発明による典型的な質量分光計測システムは、物理的支援、電源装置、制御電 子工学、真空機器（ハードウェア）及びイオン源等の支援二次的システム並びに イオン検出器、静電電位計、Ａ／Ｄ変換機、コンピュータ及びデータ出力バード ウェア等のデータ取得二次的システムを含めても良い。

現在本発明の好ましい実施態様と考えられるものを示して記述したが、当業者に とっては添付フレイムにより定められる本発明の範囲から外れることなく、様々 な変更を行えることが明らかであろう。

Ｆｉｇ、　１ Ｆｉｇ、　２ Ｆｉｇ、　３ 特表千７−５０２１４２　（７） Ｍ／Ｚ Ｆｉｇ、　５ａ Ｍ／Ｚ Ｆｉｇ、５ｂ にｌ Ｆｉｇ、　６ａ Ｍ／Ｚ １．６ｂ Ｍり Ｆｉｇ、　７ａ Ｍ／Ｚ 日９．８ フロントページの続き （７２）発明者　ゴーリンガ−、ダグラス・・イーアメリカ合衆国、テネシー州 　３７８３０、オーク・リッジ、ブランディーズ・レーン（７２）発明者　クリ ッシュ、ゲリー・エルアメリカ合衆国、テネシー州　３７８３０、オーク・リッ ジ、ミラマー・サークル　１１８

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. １．雑音信号発生器が接続される、浴気体を含むイオン捕捉装置から成る万能衝 突活性化イオントラップ。
2. ２．前記イオン捕捉装置が４極イオントラップを含む、請求項１記載の装置。
3. ３．前記４極イオントラップが環状電極と二つの端キャップ電極とを含む、請求 項２記載の装置。
4. ４．前記雑音信号発生器が前記４極イオントラップの前記二つの端キャップ電極 の少なくとも一つに接続される、請求項３記載の装置。
5. ５．前記雑音信号発生器が前記４極イオントラップの前記環状電極に接続される 、請求項３記載の装置。
6. ６．前記イオン捕捉装置がイオンサイクロトロン共鳴電池を含む、請求項１記載 の装置。
7. ７．前記イオンサイクロトロン共鳴電池が少なくとも二つの相対する電極を有し 、前記雄音信号発生器が前記相対する電極の少なくとも一つに接続される、請求 項６記載の装置。
8. ８．前記イオン捕捉装置が、イオンを捕捉するために磁気力と動電力との組合わ せを用いる、請求項１記載の装置。
9. ９．イオン捕捉装置を供給し、 前記イオン捕捉装置内に浴気体を導入し、捕捉されるイオンの衝突活性化を行う ために、前記イオン捕捉装置内に雑音信号を発生させることから成る万能衝突活 性化イオントラップ操作方法。
10. １０．前記イオン捕捉装置内に、前記雑音信号の作用を受けると、生成イオンを 形成するために衝突活性化を受ける物質を導入することを更に含む、請求項９記 載の方法。
11. １１．前記イオン捕捉装置が４極イオントラップを含む、請求項９記載の方法。
12. １２．前記４極イオントラップが環状電極と二つの端キャップ電極とを含む、請 求項１１記載の方法。
13. １３．前記雑音信号発生器が前記４極イオントラップの前記二つの端キャップ電 極の少なくとも一つに接続される、請求項１２記載の方法。
14. １４．前記雑音信号発生器が前記４極イオントラップの前記環状電極に接続され る、請求項１２記載の方法。
15. １５．前記イオン捕捉装置がイオンサイクロトロン共鳴電池を含む、請求項９記 載の方法。
16. １６．前記イオンサイクロトロン共鳴電池が少なくとも二つの相対する電極を有 し、前記雑音信号発生器が前記相対する電極の少なくとも一つに接続される、請 求項１５記載の方法。
17. １７．前記物質を識別するために有用なデータを含む質量スペクトルを得ること を更に含む、請求項１０記載の方法。
18. １８．雑音信号発生器が接続されるイオン捕捉装置から成る質量分光計測装置に して、前記イオン捕捉装置が浴気体と、支援二次システムと、データ取得二次シ ステムとを含む、質量分光計測装置。