質量分析裝置的制作方法

專利名稱：質量分析裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種質量分析裝置，其具備離子阱以及飛行時間型質量分析器，該離 子阱利用電場捕獲離子并進行蓄積，該飛行時間型質量分析器根據rn/z分離從該離子阱射 出的離子來進行檢測。
背景技術：
作為質量分析裝置的一種，已知如下一種離子阱-飛行時間型質量分析裝置 (IT-TOFMS)在離子阱(IT)中暫時蓄積離子源中所生成的各種離子，之后使這些離子同 時從離子阱中射出并導入到飛行時間型質量分析器(TOFMS)中。在這種質量分析裝置中， 也能夠在離子阱中蓄積了各種離子之后，僅將具有特定的m/z或者包含在特定的m/z范圍 內的離子選擇性地剩余在離子阱內，將該剩余的離子作為前體離子而通過碰撞誘導分解 (CID)等方法使其分裂，從離子阱射出通過分裂生成的產物離子，來進行質量分析。作為離子阱，還已知平行地配置了多個桿電極的線性結構，但是廣泛利用著如圖3 的(a)所示那樣的由圓環狀的環形電極31以及夾持環形電極31而相向配置的一對端蓋電 極32、34構成的三維四極型的結構。以下，離子阱是指該三維四極型離子阱。在離子阱3中，基本上通過將端蓋電極32、34例如設為接地電位、將振幅可變的高 頻高電壓施加給環形電極31，來在由這些電極包圍的空間中形成四極電場，利用該電場的 作用來將離子限制在該空間內。作為用于對環形電極施加高頻高電壓的結構的一例，將線 圈與環形電極進行連接，通過該線圈的電感以及環形電極與兩個端蓋電極之間的靜電容量 和與環形電極相連接的其它所有的電路元件的靜電容量形成LC諧振電路。在該LC諧振電 路上直接或者通過變壓器耦合連接驅動該LC諧振電路的高頻驅動源(RF激發電路)。在該 結構中，利用高的Q值來放大振幅，從而以小的驅動電壓就能夠對環形電極施加大振幅的 高頻電壓(例如參照專利文獻1等)。在如上述那樣對環形電極31施加高頻高電壓的情況下，眾所周知，在離子阱3內 形成如圖3的(b)所示那樣的形狀的偽電位勢壘(參照非專利文獻1)。離子在偽電位勢壘 下降的勢壘井中振動的同時被捕獲。理論上，勢壘井的深度Dz用(1)、(2)式近似地表示。Dz = (V/8) · qz ... (1)qz = 8 · ζ · e · V/m · (r02+2 · Z02) · Ω2... (2)在此，e是基元電荷，ζ是離子的電荷數，V和Ω分別是施加到環形電極31的高頻 高電壓的振幅和角頻率，m是離子的質量，Γ(ι是環形電極31的內切半徑，Ztl是離子阱3的中 心點到端蓋電極32、34的最短距離。眾所周知，qz是表示馬提厄(Mathieu)運動方程式的 解的穩定條件的參數之一。在進行MS/MS或者MSn分析的情況下，在離子阱3內蓄積了離子之后，在離子阱 3內捕獲離子并且在端蓋電極32、34間施加小振幅的高頻電壓，由此進行離子的選擇(析 出)，即，使與該頻率相應的具有特定的m/z或者包含在m/z范圍中的離子共振激發來從離 子阱3內排除掉。接著，向離子阱內導入CID氣體并且在端蓋電極32、34間施加小振幅的高頻電壓，由此使剩余在離子阱內的離子激發來與CID氣體發生碰撞，加速該離子的分裂。 由此，在離子阱3內捕獲/蓄積具有更小的m/z的產物離子。如上述那樣在離子阱3中捕獲到目標離子之后，通過在端蓋電極32、34間施加直 流高電壓來對離子賦予動能，使離子從離子阱3內射出并傳送至T0F，執行質量分析。在這 樣從離子阱3射出離子時，希望是離子盡可能地聚集在離子阱3內的中心部的狀態。這是 因為離子射出時的離子的空間分布的擴散是產生質量誤差的原因之一。因此，一般在從離 子阱3射出離子之前執行被稱為冷卻(cooling)的如下過程向離子阱3內導入氦氣、氬氣 等惰性氣體、通過使離子與該氣體分子發生碰撞來減少離子的動能。以往，在進行冷卻時，與進行離子捕獲時同樣地，對環形電極31施加高頻高電壓， 將端蓋電極32、34設為接地電位。此時，離子阱3內的離子的空間分布狀態與對環形電極 31施加的施加電壓的振幅相關。這是因為通過(1)式可知，對環形電極31施加的高頻高 電壓的振幅V越小，偽電位勢壘Dz越淺，從而離子越容易以擴散的狀態存在。一般在反射 (reflectron)型TOF中，在反射離子時校正離子起始點的位置偏差，如果離子起始點的初 始分布變得過大，則超出能夠校正的范圍，從而明顯存在質量差異。因而，為了在IT-TOFMS中提高質量分辨率、降低質量差異，期望在離子射出前的 冷卻過程中盡可能地增大用(1)式表示的偽電位勢壘Dz。由于偽電位勢壘Dz與對環形電 極31施加的高頻高電壓的振幅V的平方成比例，因此如果增大振幅V，則偽電位勢壘Dz變 大。可是，從(2)式可知，當增大振幅V時，qz值也變大。從基于上述馬提厄方程式的解的 穩定條件的理論可知，為了在離子阱3內捕獲離子，需要使qz值為0.908以下。如果只增 大振幅V，則會導致對于特別小的質量m的qz值超過0. 908。也就是說，當想要在冷卻過程 中增大偽電位勢壘Dz來增大離子的聚集性時，有可能導致能夠捕獲的最低質量(LMC = Low MassCutoff)變大，從而無法捕獲到低m/z側的離子。因此，期望為了將LMC維持為較低而保持qz值不變來增大偽電位勢壘Dz，為此可 以是增大頻率Ω并且與頻率Ω的平方成比例地增大振幅V，而不是只增大對環形電極31 施加的高頻電壓的振幅V。另一方面，從( 式明顯可知，在使頻率Ω增倍時，為了維持相 同的qz值，需要將振幅V變大到四倍的振幅。在進行離子的析出時，為了提高其質量選擇 性，優選為qz值較高，當析出對象的離子的m/z較高時必須大幅地增大振幅V。例如，在^ =10 [mm], z0 = 7 [mm]、頻率為500 [kHz]的條件下，為了在qz = 0. 81的動作點析出m/z為 3000的離子，只要使振幅V為6.2 [kV]即可，但是如果將頻率設為二倍的頻率1 [MHz]時，需 要將振幅V提高到四倍的振幅M[kV]。由于電極間的放電或者LC諧振電路的驅動能力的 界限等問題，實際上不可能像這樣提高對環形電極31施加的施加電壓。專利文獻1 日本特開2004-214077號公報非專利文獻1 谷口純一、河藤榮三、“高速液體夕α 7卜夕‘，7 / 4才 > 卜，夕 飛行時間型質量分析計O開発”、分析化學、日本分析化學會、分析化學、2008年1月5日、第 57 卷、第 1 號、p. 1-1
發明內容
發明要解決的問題即，為了良好地保持析出離子時的質量選擇性，不期望同時提高對環形電極31施加的高頻高電壓的頻率和振幅。另一方面，為了在IT-TOFMS中實現質量分辨率的提高、質 量差異的降低，需要在從離子阱射出離子之前的冷卻過程中提高離子的聚集性，從而存在 想要增大偽電位勢壘的要求。本發明是為了解決上述問題而完成的，其目的在于提供一種離子阱-飛行時間型 質量分析裝置，不影響離子選擇地通過使冷卻時的離子阱內的偽電位勢壘變深來提高即將 射出離子之前的離子的空間聚集性，由此能夠實現利用TOF進行分析的質量分辨率的提 高、質量差異的降低。用于解決問題的方案為了解決上述問題而完成的本發明是一種質量分析裝置，具備離子阱和飛行時間 型質量分析器，該離子阱由環形電極以及一對端蓋電極構成，該飛行時間型質量分析器對 從該離子阱射出的離子進行質量分析，該質量分析裝置的特征在于，具備(a)電壓施加單 元，其選擇性地對端蓋電極施加高頻高電壓和直流電壓；(b)氣體導入單元，其向離子阱內 導入冷卻氣體；以及(c)控制單元，其進行控制，使得在離子阱內捕獲到分析對象離子的狀 態下，通過上述氣體導入單元將冷卻氣體導入到離子阱內，并且通過上述電壓施加單元對 上述端蓋電極施加高頻高電壓，由此來執行離子的冷卻，之后通過上述電壓施加單元對上 述端蓋電極施加直流電壓來對離子賦予動能，從而使離子從離子阱射出。S卩，在以往的離子阱中，在冷卻過程中對環形電極施加高頻高電壓，由此形成用于 捕獲離子的偽電位勢壘，與之相對，在本發明中，在冷卻過程中對端蓋電極施加高頻高電 壓，由此形成偽電位勢壘。另一方面，在進行將特定的m/z或者m/z范圍的離子剩余在離子 阱內的析出時，如以往那樣對環形電極施加高頻高電壓。雖然以往也在端蓋電極間施加高 頻(交流)電壓，但是如上所述，其目的是為了進行離子的析出、CID而使具有特定的m/z的 或者包含在m/z范圍內的離子共振激發，其振幅最高也只是10[V]左右。與此相對地，在本 發明所涉及的質量分析裝置中，是能夠選擇性地對端蓋電極施加振幅為100[V]以上的高 頻高電壓的結構。能夠與在進行析出動作時等施加到環形電極的高頻高電壓的頻率無關地決定對 端蓋電極施加的高頻高電壓的頻率。優選為，可以事先將對端蓋電極施加的高頻高電壓的 頻率決定為比施加到環形電極的高頻高電壓的頻率更高的頻率。當然，為了在保持上述(2) 式所示出的qz值不變的狀態下增大偽電位勢壘，需要在提高高頻高電壓的頻率的同時還增 大其振幅。由此，進行冷卻過程時在離子阱內形成較大的偽電位勢壘，能夠將離子高效地聚 集在離子阱的中心部。其結果，通過對端蓋電極施加直流高電壓而射出離子時的離子的初 始位置的偏差變小，從而提高了質量分辨率并且也減少了質量差異。另外，特別是，由于也 能夠滿足對于低m/z的離子的穩定捕獲條件，因此對于低m/z的離子也能夠在離子阱內可 靠地捕獲并進行冷卻。發明的效果根據本發明所涉及的質量分析裝置，能夠如以往那樣在為了將例如用于MSn分析 的前體離子剩余在離子阱內而析出特定的離子時良好地維持質量選擇性，并且能夠通過增 大離子射出前的冷卻過程中的偽電位勢壘來提高離子的聚集性。由此，向飛行時間型質量 分析器導入離子時的離子的初始位置的偏差變小，因此能夠提高質量分析的質量分辨率， 還能夠降低質量差異。


圖1是本發明的一個實施例的IT-TOFMS的整體結構圖。圖2是表示利用本實施例的IT-TOFMS進行的質量分析過程的一例的流程圖。圖3是表示普通的三維四極型離子阱的概要結構和偽電位勢壘形狀的圖。附圖標記說明1 離子化部；2 離子導向器；3 離子阱；31 環形電極；32、34 端蓋電極；33 離 子導入口 ；35 離子出射口 ；4 飛行時間型質量分析器(TOFMS) ；41 飛行空間；42 :反射電 極；43 離子檢測器；5 環形電壓發生部；51 高頻高電壓發生部；6 端蓋電壓發生部；61 直流電壓發生部；62 高頻低電壓發生部；63 高頻高電壓發生部；64 電壓切換部；7 氣體 導入部；8 控制部；9 操作部。
具體實施例方式參照

本發明的一個實施例的IT-T0FMS。圖1是本實施例的IT-TOFMS的 主要部分的結構圖。在圖1中，在未圖示的真空室的內部配置有離子化部1、離子導向器2、離子阱3以 及飛行時間型質量分析器(TOFMQ4。離子化部1能夠使用以下各種離子化法使試樣成分進 行離子化在試樣是液體試樣的情況下使用電噴霧離子化法等大氣壓離子化法、在試樣是 氣體試樣的情況下使用電子離子化法、化學離子化法等、在試樣是固體試樣的情況下使用 激光離子化法等。離子阱3與圖3的(a)同樣地是由一個圓環狀的環形電極31以及一對端蓋電極 32、34構成的三維四極型的離子阱，該一對端蓋電極32、34以夾持環形電極31的方式相向 地進行設置。在入口側端蓋電極32的大致中央處穿透設置離子導入口 33，在出口側端蓋電 極34的大致中央處穿透設置離子出射口 35并使其與離子導入口 33大致在一條直線上。TOFMS 4具有包括反射電極42的飛行空間41和離子檢測器43，通過利用由未圖 示的直流電壓發生部對反射電極42施加的電壓形成的電場將離子反射到離子檢測器43來 進行檢測。在環形電極31上連接有環形電壓發生部5，在端蓋電極32、34上連接有端蓋電壓 發生部6。環形電壓發生部5包括高頻(RF)高電壓發生部51，該高頻(RF)高電壓發生部 51例如利用專利文獻1所公開的LC諧振電路。端蓋電壓發生部6除了包括直流電壓發生 部61、高頻(RF)低電壓發生部62以外，還包括與環形電壓發生部5所包括的高頻高電壓 發生部51同樣結構的高頻(RF)高電壓發生部63，通過電壓切換部64切換為直流電壓發 生部61、高頻低電壓發生部62、高頻高電壓發生部63中的一個電壓并施加到端蓋電極32、 34。由高頻高電壓發生部63生成的高頻電壓的振幅為100[V]以上，甚至達到kV數量級， 與之相對，由高頻低電壓發生部62生成的高頻電壓的振幅最高為10[V]左右，遠小于高頻 電壓的振幅。此外，在以往的IT-TOFMS中也具備直流電壓發生部61和高頻低電壓發生部 62，但是在以往的IT-TOFMS中不具備高頻高電壓發生部63。從包括閥等的氣體導入部7向離子阱3的內部選擇性地導入冷卻氣體或者CID氣 體。通常，利用即使與作為測量對象的離子發生碰撞而氣體自身也不會離子化或者也不會分裂的穩定的氣體、例如氦氣、氬氣、氮氣等惰性氣體來作為冷卻氣體。通過以CPU為中心構成的控制部8對離子化部1、TOFMS 4、環形電壓發生部5、端 蓋電壓發生部6、氣體導入部7等的動作進行控制。另外，在控制部8上附設有用于設定分 析條件等的操作部9。圖2是使用本實施例的IT-TOFMS的分析過程的流程圖。圖2的(a)是不實施分 裂操作的情況，圖2的(b)是實施一次分裂操作的情況、即進行MS/MS分析的情況。按照這 些流程來說明本實施例的質量分析裝置的基本動作。首先，說明不進行分裂操作的普通的MS分析動作。離子化部1通過規定的離子化 法使目標試樣的成分分子或者原子進行離子化(步驟Si)。所生成的離子被離子導向器2 輸送，通過離子導入口 33被導入到離子阱3內，并在離子阱3的內部被捕獲(步驟S2)。通 常在向離子阱3導入離子時，通過電壓切換部64將直流電壓發生部61與端蓋電極32、34 連接，對入射側的端蓋電極32施加直流電壓以牽引從離子導向器2發送來的離子，對射出 側的端蓋電極34施加直流電壓以使入射到離子阱3的離子被壓回離子阱3內。在離子化部1如MALDI那樣生成脈沖狀的離子的情況下，在將發送來的離子包取 入到離子阱3內之后通過對環形電極31施加高頻高電壓來捕獲離子。另外，在離子化部1 如大氣壓離子化法那樣大致連續地生成離子的情況下，通過對離子導向器2的桿電極的一 部分涂敷電阻體，能夠在離子導向器2的末端部形成電位凹洼，在該凹洼中暫時蓄積離子， 在短時間內壓縮后導入到離子阱3 (例如，參照非專利文獻1的p. 3-5)。對環形電極31施 加的高頻高電壓例如頻率為500 [kHz]、振幅為100[V] 幾[kV]。根據要捕獲的離子的m/ ζ的范圍來適當地決定該振幅。在離子阱3內蓄積離子之后，由氣體導入部7將冷卻氣體導入到離子阱3內，如后 述那樣此次通過對端蓋電極32、34施加高頻高電壓形成的四極電場來捕獲離子并且使離 子冷卻(步驟S5)。在實施了規定時間的冷卻之后，通過在端蓋電極32、34間施加直流高 電壓來對離子賦予初始加速能量，通過離子出射口 35使離子射出并導入到TOFMS 4(步驟 S6)。由于利用相同的加速電壓加速后的離子的m/z越小其速度就越大，因此m/z較小的離 子先飛出到離子檢測器43而被檢測(步驟S7)。當以來自離子阱3的離子的射出時刻為起 點而隨著時間的經過來記錄來自離子檢測器43的檢測信號時，顯示飛行時間與離子強度 之間的關系，從而得到飛行時間譜圖。由于飛行時間與離子的m/z相對應，因此通過將飛行 時間換算為m/z來作成質量譜圖。接著說明進行MS/MS分析的情況下的動作。在這種情況下，在上述步驟S2與S5 之間執行步驟S3、S4的處理(操作)。即，在步驟S2中，在離子阱3內捕獲到具有各種m/ ζ的各種離子之后，通過電壓切換部64將高頻低電壓發生部62與端蓋電極32、34連接，在 端蓋電極32、34間施加小振幅的高頻電壓，該小振幅的高頻電壓所具有的頻率成分在與想 要作為前體離子而剩余的離子的m/z相對應的頻率處具有陷波。由此，具有除與陷波頻率 相對應的m/z以外的其它m/z的離子被激發，發生很大振動而從離子導入口 33和離子出射 口 35被排出或者與端蓋電極32、34的內表面發生碰撞而消失。這樣具有特定的m/z的離 子被選擇性地剩余在離子阱3內(步驟S； )。此時，對環形電極31繼續施加高頻高電壓。之后，通過氣體導入部7將CID氣體導入到離子阱3內，在端蓋電極32、34間施加 小振幅的高頻電壓，該小振幅的高頻電壓具有與前體離子的m/z相應的頻率。這樣，使被賦予動能的前體離子激發而與CID氣體發生碰撞并產生分裂，從而生成產物離子(步驟S4)。 這樣生成的產物離子的m/z比原始的前體離子的m/z小，因此事先決定要施加到環形電極 31的高頻高電壓的振幅使得對這樣的低m/z的離子也能夠進行捕獲。將捕獲到的產物離子 在步驟S5中進行冷卻之后從離子阱3射出，并在質量分析中使用。此外，在執行要進行兩次以上的離子選擇和分裂操作的MSn分析時，只需反復多次 執行圖2的(b)中的步驟S3、S4即可。接著，針對本實施例的IT-TOFMS中的特征性動作進行說明。在上述步驟S5的冷 卻過程中，以往，與步驟S2的離子捕獲時、步驟S3的離子選擇時等同樣地，通過對環形電極 31施加高頻高電壓來捕獲離子。與之相對，在本實施例的IT-TOFMS中，不是對環形電極31 而是對端蓋電極32、34施加高頻高電壓，由此在離子阱3內產生用于捕獲的四極電場。此 時，一般停止對環形電極31施加電壓，將環形電極31設為接地電位。此外，與將激發用的 高頻低電壓施加到端蓋電極32、34的情況不同，對兩個端蓋電極32、34施加相同相位的高 頻高電壓。此時，能夠適當地決定對端蓋電極32、34施加的高頻高電壓的頻率，能夠將其設 為高于施加到環形電極31的高頻高電壓的頻率、例如兩倍的頻率1 [MHz]。根據上述(2)式， 為了維持相同的1值，在將頻率設為二倍的頻率的情況下，需要將振幅設為四倍的振幅。例 如在想要將最低質量(LMC)設為200的情況下，如果高頻高電壓的頻率是500[kHz]，則只要 將振幅設為400 [V]左右即可，但是如果高頻高電壓的頻率是兩倍的頻率1 [MHz]的情況下， 需要將振幅提高到四倍的振幅1.6[kV]左右。另一方面，關于偽電位勢壘，在(1)式中明顯 可知，與提高qz值相比，提高振幅的影響較強，當將頻率設為兩倍、將振幅設為四倍時，偽電 位勢壘變大四倍。通過這樣決定對端蓋電極32、34施加的高頻高電壓，當偽電位勢壘變大時，通過 與冷卻氣體的碰撞而失去動能的離子容易聚集到離子阱3的中心。也就是說，離子的空間 分布變窄，繼續在端蓋電極32、34間施加直流高電壓，對離子賦予動能來使其開始飛行時 的離子的初始位置的偏差變小。其結果，在TOFMS 4中進行質量分析時的質量分辨率變高， 還能夠抑制質量差異。此外，上述實施例只不過是本發明的一例，當然在本發明的要旨的范圍內適當地 進行變形、追加、修正也包含在本申請權利要求的保護范圍中。
權利要求
1.一種質量分析裝置，具備離子阱和飛行時間型質量分析器，該離子阱由環形電極以 及一對端蓋電極構成，該飛行時間型質量分析器對從該離子阱射出的離子進行質量分析， 其中，該質量分析裝置的特征在于，具備(a)電壓施加單元，其選擇性地對上述端蓋電極施加高頻高電壓和直流電壓；(b)氣體導入單元，其向上述離子阱內導入冷卻氣體；以及(c)控制單元，其進行控制，使得在上述離子阱內捕獲到分析對象離子的狀態下，通過 上述氣體導入單元將冷卻氣體導入到上述離子阱內并且通過上述電壓施加單元對上述端 蓋電極施加高頻高電壓，由此來執行離子的冷卻，之后通過上述電壓施加單元對上述端蓋 電極施加直流電壓來對離子賦予動能，從而使離子從上述離子阱射出。
2.根據權利要求1所述的質量分析裝置，其特征在于，還具備環形電壓施加單元，該環形電壓施加單元對上述環形電極施加用于捕獲離子的 高頻高電壓，將在執行冷卻時通過上述電壓施加單元施加到上述端蓋電極的高頻高電壓的頻率事 先設定為比由上述環形電壓施加單元施加的用于捕獲離子的高頻高電壓的頻率更高的頻率。
全文摘要
在進行特定離子的析出或者通過CID進行分裂操作時，如以往那樣通過對環形電極(31)施加高頻高電壓來捕獲離子。在離子阱(3)內蓄積了目標離子的狀態下，在向TOFMS(4)射出離子之前的冷卻過程中，通過對端蓋電極(32、34)而不是對環形電極(31)施加高頻高電壓來捕獲離子。此時，與向環形電極(31)施加電壓的方法相比，通過提高頻率的同時還增大振幅，來確保較大的偽電位勢壘并且維持LMC。由此，冷卻后的離子的空間分布變窄，離子射出時的初始位置的偏差變小，從而質量分辨率提高。另一方面，由于能夠與以往同樣地對高m/z的離子以較高的qz值進行離子的析出，因此也能夠確保較高的質量選擇性。
文檔編號H01J49/42GK102067275SQ20088012993
公開日2011年5月18日 申請日期2008年6月20日 優先權日2008年6月20日
發明者谷口純一 申請人:株式會社島津制作所