JPH10208692A - イオントラップ質量分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 イオントラップ電極内の中心近傍の電界に非
対称性を与えることなくイオンの検出感度およびイオン
トラップ質量分析装置の感度を向上させる。 【解決手段】 イオントラップ質量分析装置１におい
て、少なくとも一方のエンドキャップ電極３，４のリン
グ電極２と反対側に補助電極１１，１２を設け、この補
助電極にエンドキャップ電極との間で電圧を印加する。
イオンは、イオントラップ電極の内部に形成されるリン
グ電極によるトラッピング電界とエンドキャップ電極に
よる補助高周波電界によってトラップされる。このと
き、補助電極にエンドキャップ電極との間で直流または
高周波電圧を印加すると、エンドキャップ電極に設けた
貫通孔を通してイオントラップ電極の内部に、トラッピ
ング電界や補助高周波電界と異なる電界が形成される。
この電界はイオンの外部への取り出しを促進させて検出
器の検出量を増加させ、検出感度を向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、質量分析装置に関
し、特にイオントラップ電極を備えた質量分析装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】質量分析装置は、質量対電荷比に従って
サンプル中の分子を質量毎に選択し分離する装置であ
り、サンプル中の分子は種々の手段によって、解離ある
いは結合した状態でイオン化し、このイオン化した分子
を質量対電荷比に従って磁界，電界あるいはその両者に
よって運動させることによって分離を行っている。例え
ば、四重極質量分析装置では、特定形状の電極に高周波
電圧と直流電圧とを重畳した電圧を印加して形成した高
周波電場および直流電場内にイオンを電極の軸方向に入
射し、イオンと電場の相互作用によってイオンを選択的
に分離している。

【０００３】これに対して、イオントラップ質量分析装
置はイオンに対して３方向に作用して、選択されたイオ
ンを電極内部にトラップして閉じ込めておくことができ
る装置であり、通常、高周波電場によってイオンを電極
内部に閉じ込め、高周波電圧の変化や補助高周波電界の
印加によってイオンを検出器に向け放出させている。ま
た、電極内部において、閉じ込めた親イオンを衝突させ
て分離し、放出された娘イオンの質量スペクトルを検出
することも行なわれる。

【０００４】図６は従来より知られるイオントラップ電
極の概略図である。図６において、イオントラップ電極
２１は、回転双曲面を持つリング電極２２と第１，２エ
ンドキャップ電極２３，２４を備え、該電極２２〜２４
に交流電圧および直流電圧を印加してイオンを捕捉す
る。交流電圧の周波数は、ラジオ波（ＲＦ）領域が使用
される。直流電圧Ｕと交流電圧Ｖcos ωｔを電極に与え
ると、質量ｍ，電荷ｅを持つ荷電粒子は（ｍ／ｅ，ｒ0
，Ｕ，Ｖ，ω）について一定の条件の下で安定に電極
内にトラップされる。なお、ｒ0 はリング電極２２の最
小半径である。従って、ｒ0 とωが与えられるとき、ｍ
／ｅのイオン種が安定にトラップされるためには、Ｕと
Ｖの大きさに制限が加わることになる。図７はトラップ
可能電圧条件を表す図であり、ｍ／ｅが７８，５１，３
９，２６について示し、斜線部分はｍ／ｅが５１の場合
の安定にトラップされる領域を示している。

【０００５】電極内でトラップされたイオンは与えられ
た交流電場の角周波数ωで振動するとともに、ｒおよび
ｚ方向に対してωよりも遅い周期で調和振動し、電極の
セルの中心付近をゆっくりと∞型に振動しながらωの周
期で小振幅の振動をする。

【０００６】図８は、上記したイオントラップ電極を用
いた従来のイオントラップ質量分析装置を説明するため
の図である。図８において、イオントラップ電極２１
は、回転双曲面を持つリング電極２２と、該リング電極
２２の開放端に設けられた第１，２エンドキャップ電極
２３，２４を備え、リング電極２２には主ＲＦ電源２５
が接続され、また第１，２エンドキャップ電極２３，２
４にはトランス２８を介して補助ＲＦ電源２６が接続さ
れ、両電源は制御回路２７によって制御されている。

【０００７】第１，２エンドキャップ電極２３，２４の
中央部分には貫通孔が形成される。第１エンドキャップ
電極２３側の貫通孔は、図示しない試料イオン化室で発
生したイオンやイオン化用電子ビームのイオントラップ
電極内への導入に使用し、また、第２エンドキャップ電
極２４側の貫通孔は、外側に設けた二次電子倍増管等の
検出器２９へのイオンの取り出しに使用する。測定装置
３９は、検出器２９の検出信号を用いて質量スペクトル
を求める。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来のイオントラップ
質量分析装置では、イオンの検出感度が低いという問題
点がある。従来のイオントラップ質量分析装置に用いる
イオントラップ電極では、電極内部のイオンは両側のエ
ンドキャップ電極に形成された貫通孔から外部に放出さ
れるが、イオン検出器は２つのエンドキャップ電極の一
方の側にのみ設置する構成であるため、他方の貫通孔か
ら放出されるイオンはイオン検出に寄与せず、放出され
るイオンの検出が有効に行なわれていない。

【０００９】従来より、イオン検出感度を向上させるた
めに、リング電極やエンドキャップ電極を特殊な形状と
したり、両エンドキャップ電極にバイアスを加えて不均
衡な電圧を印加する等の方法が提案されている。しかし
ながら、リング電極やエンドキャップ電極を特殊な形状
に加工するには費用がかかり、該電極に印加する電圧に
は高精度の周波数制御が必要となるという問題が生じ、
また、不均衡な電圧印加を行うと、イオントラップ電極
内の電界が電極の機械的中心からずれたり、バイアスの
大きさによる影響が生じるといった問題がある。

【００１０】そこで、本発明は前記した問題点を解決
し、イオントラップ電極内の中心近傍の電界に非対称性
を与えることなくイオンの検出感度を向上させて、イオ
ントラップ質量分析装置の感度を向上させることを目的
とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、イオントラッ
プ質量分析装置において、少なくとも片側のエンドキャ
ップ電極から選択的にイオンを放出する構成とすること
によって、イオントラップ電極内の中心近傍の電界に非
対称性を与えることなくイオンの検出感度を向上させ
て、イオントラップ質量分析装置の感度を向上させるも
のである。

【００１２】本発明のイオントラップ質量分析装置は、
リング電極と、リング電極の両開放端に設けた貫通孔を
有する一対のエンドキャップ電極と、ＲＦ周波数ωで振
幅Ｖの交流電圧をリング電極に印加する主ＲＦ電源と、
エンドキャップ電極の少なくとも一方に高周波電圧を印
加する補助ＲＦ電源と、前記電源を制御する制御回路
と、一方のエンドキャップ電極の貫通孔から放出される
イオンを検出する検出器と、検出したイオンの数と振幅
Ｖとに基づいて質量スペクトルを求める測定装置とを備
えたイオントラップ質量分析装置において、少なくとも
一方のエンドキャップ電極のリング電極と反対側に補助
電極を設け、この補助電極にエンドキャップ電極との間
で電圧を印加するものとする。

【００１３】本発明のイオントラップ質量分析装置によ
れば、イオントラップ電極の内部にはリング電極による
トラッピング電界とエンドキャップ電極による補助高周
波電界が形成され、これらの電界によってイオンはイオ
ントラップ電極内にトラップされる。このとき、少なく
とも一方のエンドキャップ電極のリング電極と反対側に
設けた補助電極に、エンドキャップ電極との間で直流ま
たは高周波電圧を印加すると、エンドキャップ電極に設
けた貫通孔を通してイオントラップ電極の内部に、前記
したトラッピング電界や補助高周波電界と異なる電界が
形成される。この補助電極により形成される電界は、電
界極性によりイオンをイオントラップ電極内部から外部
に取り出す方向に作用するか抑制する方向に作用する。
従って、検出器が検出するイオン量を増加させ、検出感
度を向上させることができる。

【００１４】この補助電極により形成される電界はエン
ドキャップ電極の近傍にとどまるため、イオントラップ
電極内の中心近傍の電界に非対称性を与えることはな
い。本発明に使用する補助電極が形成する電界はしみ出
し電界であるため、エンドキャップ電極の近傍にのみ非
対称な電界を形成する。そのため、イオントラップ電極
内部で振動するイオンの内、エンドキャップ電極付近ま
で振動したイオンだけが、補助電極で形成される非対称
電界の影響を受けて外部に取り出される。これに対し
て、イオントラップ電極の中心付近には補助電極による
電界は到達しないため、イオントラップ電極の中心付近
で振動するイオンは補助電極の影響を受けず、イオント
ラップ質量分析装置が備える本来の検出特性には影響を
与えない。

【００１５】本発明の第１の実施態様は、補助電極に印
加する電圧は直流電圧であり、これによって、補助電極
を設置したエンドキャップ電極付近に非対称電界を形成
することができる。また、本発明の第２の実施態様は、
補助電極に印加する電圧は、エンドキャップ電極に印加
する高周波電圧と同期した高周波電圧であり、これによ
って、補助電極を設置したエンドキャップ電極付近にイ
オントラップ電極内部に発生する電界変化と同期した非
対称電界を形成して、内部電界で振動したイオンがこの
非対称電界の影響を受けやすくし、外部へのイオンの取
り出し効率を高めることができる。

【００１６】本発明の第３の実施態様は、エンドキャッ
プ電極は複数の貫通孔を備えるものであり、補助電極に
より形成した電界をこの貫通孔を介してイオントラップ
電極内部にしみ込ませ、エンドキャップ電極の近傍に非
対称電界の形成を行うことができる。また、本発明の第
４の実施態様は、補助電極をエンドキャップ電極に形成
した貫通孔に対応した複数の電極によって形成し、各電
極に独立して電圧を印加可能とするものであり、これに
よって、エンドキャップ電極近傍に任意の非対称電界を
形成することができる。さらに、本発明の第５の実施態
様は、補助電極を形成する複数の各電極を抵抗を介して
接続して分圧電圧を印加するものであり、これによっ
て、各電極に任意の電圧を印加して、エンドキャップ電
極近傍における任意の非対称電界の形成を容易とするも
のである。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図を
参照しながら詳細に説明する。本発明の実施形態につい
て、図１，２の本発明のイオントラップ質量分析装置の
概略斜視図を用いて説明する。なお、図１はイオンの取
り出し動作を説明するための図であり、図２はイオンの
トラップ動作を説明するための図である。

【００１８】図１において、イオントラップ電極１は、
回転双曲面を持つリング電極２と第リング電極２の両開
放端に設けられる第１，２エンドキャップ電極３，４を
備え、リング電極２には主ＲＦ電源５を接続し、第１，
２エンドキャップ電極３，４にはトランス８を介して補
助ＲＦ電源６を接続する。主ＲＦ電源５はＲＦ周波数ω
で振幅Ｖの交流電圧を発生して、リング電極２によって
イオントラップ電極１０内にトラッピング電界を形成
し、補助ＲＦ電源６は高周波電圧を発生して、エンドキ
ャップ電極３，４によってイオントラップ電極１０内に
補助高周波電界を形成する。主ＲＦ電源５および補助Ｒ
Ｆ電源６が発生する電圧やタイミングは、制御回路７に
よって制御が行なわれる。

【００１９】エンドキャップ電極３，４には貫通孔が形
成され、該貫通孔を通してイオントラップ電極１０内に
トラップされているイオンを取り出したり、あるいは該
貫通孔を通して図示しない試料イオン化室で発生したイ
オンをイオントラップ内に導入したり、イオン化用電子
ビームを導入したりする。イオンを取り出す側のエンド
キャップ電極４の外側には二次電子倍増管等の検出器９
を設け、これによって、イオントラップ電極１０から選
択的に取り出したイオンの検出を行う。測定装置１９
は、検出したイオンの数と主ＲＦ電源５の振幅Ｖとに基
づいて質量スペクトルを求める。

【００２０】エンドキャップ電極３，４のイオントラッ
プ電極２と反対側の近傍には、第１，２補助電極１１，
１２が設けられる。なお、第１，２補助電極１１，１２
は、エンドキャップ電極の両側あるいは、検出器９側の
一方のみに設置することができる。以下、エンドキャッ
プ電極３，４の両側に設けた場合について説明する。第
１，２補助電極１１，１２には、それぞれ第１補助電源
１３および第２補助電源１４が接続され、直流電圧ある
いは高周波電圧，または両者を重畳した電圧が印加され
る。第１補助電源１３，第２補助電源１４は、図１中の
制御回路７あるいは図示しない別の制御回路によって制
御することができ、エンドキャップ電極に印加する高周
波電圧と同期した高周波電圧を印加する構成とすること
もできる。

【００２１】次に、イオントラップ電極によるイオンの
トラップ動作を図２を用いて説明し、イオントラップ電
極内部からイオンを取り出す動作について図１を用いて
説明する。図１，２中の＋符号を丸印で囲んだ記号は、
正電荷のイオンを表している。なお、図２に示す構成
は、前記した図１と同様であるため、図２の構成につい
ての説明は省略する。

【００２２】イオンのトラップ動作は以下のようにして
行なわれる。図２において、エンドキャップ電極３に形
成された貫通孔を通して、図示しない試料イオン化室で
発生したイオンをイオントラップ電極１０内に導入する
か、あるいはイオン化用電子ビームを導入することによ
って、イオントラップ電極１０内部にイオンを生成させ
る。生成したイオンは、質量／電荷，リング電極の最小
半径，直流電圧Ｕ，交流電圧の振幅Ｖ，周波数ωについ
て一定の条件の下でイオントラップ電極１０内に安定に
トラップされ、交流電場の角周波数ωで振動するととも
に、イオントラップ電極１０の半径方向および長軸方向
に対してωよりも遅い周期で調和振動し、電極のセルの
中心付近をゆっくりと∞型に振動しながらωの周期で小
振幅の振動をする。これによって、所定のイオンのみを
選択的にイオントラップ電極１０内に閉じ込める、その
他のイオンを除去することができる。

【００２３】イオントラップ電極１０内へのイオンの導
入やイオン化用電子ビームの導入時には、図２中の第２
補助電極１２に、第２エンドキャップ電極４に対して正
の電圧を印加する。これによって、第２補助電極１２が
生成する電界は貫通孔を通してしみ込み、第２エンドキ
ャップ電極４の近傍に正の電界を発生させ、第２エンド
キャップ電極４の近傍に局部的な非対称電界を形成す
る。この非対称電界は、イオントラップ電極１０内のイ
オンが検出器９側に放出することを防止し、イオントラ
ップ電極１０内でイオンのトラップを補助する。

【００２４】次に、イオンの取り出し動作は以下のよう
にして行なわれる。図１において、第２補助電極１２
に、第２エンドキャップ電極４に対して負の電圧を印加
する。これによって、第２補助電極１２が生成する電界
は貫通孔を通してしみ込みに、第２エンドキャップ電極
４の近傍に負の電界を発生させ、第２エンドキャップ電
極４の近傍に局部的な非対称電界を形成する。この非対
称電界は、イオントラップ電極１０内のイオンが検出器
９への放出を促す作用となり、検出器９によるイオンの
検出効率が向上する。なお、このとき、第２補助電極１
２が検出する非対称電界は、第２エンドキャップ電極４
の近傍のみであって、イオントラップ電極１０の中心付
近の電界には影響を与えない。また、第２補助電極１２
には、エンドキャップ電極４に印加する高周波電圧と同
期した高周波電圧を印加する構成とすることもできる。

【００２５】また、第１補助電極１１に、第１エンドキ
ャップ電極３に対して正の電圧を印加する。これによっ
て、第１補助電極１１が生成する電界は貫通孔を通して
しみ込み、第１エンドキャップ３電極の近傍に正の電界
を発生させ、第１エンドキャップ電極３の近傍に局部的
な非対称電界を形成する。この非対称電界は、イオント
ラップ電極１０内のイオンが第１エンドキャップ電極３
の貫通孔を通して外部に放出することを防止し、検出器
９によるイオンの検出効率が向上させる。

【００２６】次に、図３，４，５を用いてイオントラッ
プ電極の構成例について説明する。

【００２７】図３はイオントラップ電極の第１の構成例
を説明するため一部を切り欠いた斜視図である。図３に
おいて、イオントラップ電極１０は、リング電極２と第
１，２エンドキャップ電極３，４を備え、エンドキャッ
プ電極および補助電極を同心円状に形成する構成であ
る。

【００２８】第１，２エンドキャップ電極３，４の中心
部分には、軸方向に貫通孔が形成され、軸方向に貫通し
た絶縁体１５，１６を介して第１，２補助電極１１，１
２が取り付けられる。この第１，２補助電極１１，１２
にも軸方向に貫通孔が形成され、該貫通孔を通してイオ
ンや電子ビームの導入あるいはイオンの取り出しが行な
われる。第１補助電極１１には第１補助電源１３が接続
され、第２補助電極１２には第１補助電源１４が接続さ
れる。上記構成により、第１，２補助電極１１，１２に
より発生した電界は、中心の貫通孔を通ってイオントラ
ップ電極１０内部にしみ込み、非対称電界を形成する。

【００２９】図４はイオントラップ電極の第２の構成例
を説明するため一部を切り欠いた斜視図である。図４に
おいて、イオントラップ電極１０は、リング電極２と第
１，２エンドキャップ電極３，４を備え、エンドキャッ
プ電極に複数個の貫通孔を形成する構成である。

【００３０】第１，２エンドキャップ電極３，４には、
中心部分と周囲部分の複数箇所に貫通孔１８が形成さ
れ、絶縁体１７を挟んで第１，２補助電極１１，１２が
取り付けられる。この第１，２補助電極１１，１２には
中心部分に貫通孔が形成される。イオンや電子ビームの
導入あるいはイオンの取り出しは、エンドキャップ電極
および補助電極の中心部分に形成した貫通孔を通して行
われる。第１補助電極１１には第１補助電源１３が接続
され、第２補助電極１２には第１補助電源１４が接続さ
れる。

【００３１】上記構成により、第１，２補助電極１１，
１２により発生した電界は、エンドキャップ３，４の中
心部分に形成した貫通孔および周囲部分に形成した複数
個の貫通孔を通ってイオントラップ電極１０内部にしみ
込み、非対称電界を形成する。

【００３２】図５に示す断面図は第３の構成例であり、
図４に示す第２の構成例において、第１，２補助電極１
１，１２を、第１，２エンドキャップ電極３，４に形成
した複数の貫通孔に対応して分割した複数個の電極によ
り構成した例である。なお、図５では第２補助電極１２
および第２エンドキャップ電極４のみを示している。分
割した電極は、エンドキャップ４に形成した貫通孔に対
応した位置に配置され、電極で発生した電界が貫通孔を
通してイオントラップ電極内部にしみ込むよう構成す
る。

【００３３】各分割電極には、電圧を独立して印加する
ことができるよう構成し、これによって、電界のパター
ンを任意とすることができる。また図５に示す例では、
各分割した電極間を抵抗を介して接続する構成とするこ
とよって、各電極に分圧電圧を印加している。

【００３４】上記実施の形態によれば、補助電極に直流
電圧を印加することによって、補助電極を設置したエン
ドキャップ電極付近に非対称電界を形成することがで
き、また、補助電極にエンドキャップ電極に印加する高
周波電圧と同期した高周波電圧を印加することによっ
て、内部電界で振動したイオンの非対称電界による影響
を受けやすくし、外部へのイオンの取り出し効率を高め
ることができる。

【００３５】本発明の形態によれば、複数の貫通孔を備
えたエンドキャップ電極を用いることによって、エンド
キャップ電極の近傍に非対称電界の形成を行うことがで
きる。また、補助電極を該貫通孔に対応した複数の電極
によって形成し、各電極に独立して電圧を印加すること
によって、エンドキャップ電極近傍に任意の非対称電界
を形成することができる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のイオント
ラップ質量分析装置によれば、イオントラップ電極内の
中心近傍の電界に非対称性を与えることなくイオンの検
出感度を向上させて、イオントラップ質量分析装置の感
度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のイオントラップ質量分析装置の概略斜
視図であり、イオン取り出しを説明するための図であ
る。

【図２】本発明のイオントラップ質量分析装置の概略斜
視図であり、イオントラップを説明するための図であ
る。

【図３】イオントラップ電極の第１の構成例を説明する
ため一部を切り欠いた斜視図である。

【図４】イオントラップ電極の第２の構成例を説明する
ため一部を切り欠いた斜視図である。

【図５】イオントラップ電極の第３の構成例を説明する
ため一部を切り欠いた斜視図である。

【図６】従来より知られるイオントラップ電極の概略図
である。

【図７】トラップ可能電圧条件を表す図である。

【図８】イオントラップ電極を用いた従来のイオントラ
ップ質量分析装置を説明するための図である。

【符号の説明】

１…イオントラップ質量分析装置、２…リング電極、
３，４…エンドキャップ電極、５…主ＲＦ電源、６…補
助ＲＦ電源、７…制御回路、８…トランス、９…検出
器、１０…イオントラップ電極、１１，１２…補助電
極、１３，１４…補助電源、１５，１６，１７…絶縁
体、１８…貫通孔、１９…測定装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 リング電極と、リング電極の両開放端に
   設けた貫通孔を有する一対のエンドキャップ電極と、Ｒ
   Ｆ周波数ωで振幅Ｖの交流電圧をリング電極に印加する
   主ＲＦ電源と、エンドキャップ電極の少なくとも一方に
   高周波電圧を印加する補助電源と、前記電源を制御する
   制御回路と、一方のエンドキャップ電極の貫通孔から放
   出されるイオンを検出する検出器と、検出したイオンの
   数と振幅Ｖとに基づいて質量スペクトルを求める測定装
   置とを備えたイオントラップ質量分析装置において、少
   なくとも一方のエンドキャップ電極のリング電極と反対
   側に、エンドキャップ電極との間で電圧が印加される補
   助電極を設けたことを特徴とするイオントラップ質量分
   析装置。