JP2004259452A

JP2004259452A - 質量分析装置及び質量分析方法

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Publication number: JP2004259452A
Application number: JP2003045345A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Okumura; 昭彦奥村; Izumi Wake; 泉和氣
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2003-02-24
Filing date: 2003-02-24
Publication date: 2004-09-16
Also published as: EP1467397B1; EP1467397A2; US20040164240A1; EP1467397A3; US7034287B2; DE602004010737D1; DE602004010737T2

Abstract

【課題】イオン捕捉効率、質量分解能、及び、ＣＩＤ効率を同時にほぼ最大にし得る、イオントラップと飛行時間型質量分析計を非同軸に結合した質量分析装置を提供する。
【解決手段】イオントラップと飛行時間型質量分析計とを非同軸に結合した質量分析装置であり、イオン源１とイオントラップ９の間に配置される質量フィルター８と、イオントラップ内部のガス圧と質量フィルターの内部のガス圧を独立に制御する手段とを有し、イオントラップの内部のガス圧が質量フィルターの内部のガス圧よりも高く設定される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、質量分析技術に係り、特に、イオントラップと飛行時間型質量分析計とを結合した質量分析装置及び質量分析方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ゲノム解読の進展を背景として、生体中の発現タンパクを網羅的に解析するプロテオーム解析が注目されている。質量分析法は、高感度・高スループットなタンパク同定法であり、プロテオーム解析の主要技術の一つである。
【０００３】
プロテオーム解析の手順は、次の通りである。まず、タンパクを酵素消化して得られるペプチド断片の分子量を計測する。次に、得られたペプチド断片を質量分析計の内部でさらに細かく断片化し、各断片の分子量を計測する。元のペプチド、及び、その断片の分子量を基にデータベース検索することにより、元のタンパクを特定する。
【０００４】
質量分析計内部で試料を断片化し、断片の質量分析を行う手法はＭＳ／ＭＳ分析と呼ばれ、プロテオーム解析に必須の技術である。
【０００５】
ＭＳ／ＭＳ分析の可能な質量分析計として、イオントラップ型質量分析計が知られている（例えば、特許文献１参照）。このイオントラップ型質量分析計では、イオントラップを構成するリング電極と一対のエンドキャップ電極間にＲＦ電圧を印加し、イオントラップ内部に四重極電場を形成することによってイオンを捕捉・蓄積する。この時、イオントラップ内部にヘリウム等の中性ガスを導入しておくと、イオントラップに入射したイオンがガスとの衝突により運動エネルギーを失うことにより、イオントラップに捕捉される効率が向上する。イオンを蓄積した後、ＲＦ電圧の振幅を走査して質量対電荷比（ｍ／ｚ）の小さいイオンから順にイオントラップ外部に排出して検出することにより質量スペクトル（ＭＳスペクトル）が得られる。
【０００６】
イオントラップ型質量分析計によるＭＳ／ＭＳ分析は、次の手順で行われる。まず、イオントラップにイオンを蓄積して前述した手順により質量スペクトルを得る。得られた質量スペクトルの中から分解すべきイオン（前駆イオン、または親イオン）を選定する。次に、イオントラップ内部に再度イオンを蓄積した後、親イオンのみを残して他のイオンをイオントラップから排除する。この操作は、一般にアイソレーションと呼ばれる。
【０００７】
親イオンのアイソレーションは、例えば、２個のエンドキャップ電極に互いに位相反転した補助交流電圧を印加する方法が知られている。補助交流電圧を印加すると、その周波数に対応したｍ／ｚのイオンの運動エネルギーが増大し、補助交流電圧の振幅がある程度の大きさを超えると、イオンの軌道が不安定化してイオントラップ内部空間から排除される。
【０００８】
次に、イオントラップ内部に残った親イオンを分解する。イオンの分解は、通常、衝突誘起解離（ＣＩＤ；ＣｏｌｌｉｓｉｏｎＩｎｄｕｃｅｄＤｉｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）により行う。ＣＩＤでは、イオントラップ内部にターゲットガスとしてヘリウム等の中性ガスを導入しておき、２個のエンドキャップ電極間に補助交流電圧を印加して、親イオンの運動エネルギーを増大させてターゲットガスと衝突させることにより、親イオンを分解する。当然のことであるが、このターゲットガスはイオンの捕捉効率を向上させるためのバッファーガスも兼ねている。
【０００９】
ＣＩＤにより生成されたフラグメントイオンの全部、又は、一部はそのままイオントラップ内部に捕捉、蓄積されるので、最後に、ＲＦ電圧を走査して蓄積したフラグメントイオンをその質量対電荷比（ｍ／ｚ）の小さい順に排出して検出することによりフラグメントイオンの質量スペクトル（ＭＳ／ＭＳスペクトル）を得ることができる。
【００１０】
イオントラップ型質量分析計では、フラグメントイオンの中からさらに親イオンを選定して、これをさらに細かく分解して質量分析するＭＳ^ｎ（ｎ＞２）分析が可能である。ＭＳ^ｎ分析を用いると、元のイオンについてのより詳細な構造情報を得られる利点がある。ＭＳ^ｎ分析は、次の手順で行われる。まず、ＭＳ^{（ｎ−１）}分析を行い、得られた質量スペクトル（ＭＳ^{（ｎ−１）}スペクトル）の中から親イオンを選定する。
【００１１】
次に、再度ＭＳ^{（ｎ−１）}スペクトルを得る直前の操作までを繰り返す。次に、親イオンのアイソレーションと分解を行った後に、得られたフラグメントの質量スペクトル（ＭＳ^ｎスペクトル）を得る。
【００１２】
四重極フィルターをイオントラップの前段に配置した構成が知られている（例えば、特許文献２参照）。この四重極フィルター部でアイソレーションを行うことが可能なため、イオンの蓄積とアイソレーションを同時進行させることができるため、イオン取り込みの有効時間比（デューティレシオ）が向上し、ＭＳ／ＭＳ分析における検出感度が向上する。
【００１３】
イオントラップと飛行時間型質量分析計（ＴＯＦＭＳ；ＴｉｍｅｏｆＦｌｉｇｈｔＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）とを、イオンの進行方向に対して直交する方向に結合した装置が知られている（例えば，特許文献３参照）。この装置では、イオントラップを用いてイオンの蓄積とアイソレーション、及び、ＣＩＤを行い、質量分析は飛行時間型質量分析計を用いて行われる。この装置による質量分析の手順は次の通りである。イオントラップにイオンを蓄積した後、ＲＦ電圧の印加を停止し、イオントラップ内部に静電場を形成して蓄積したイオンを射出する。射出されたイオンは高真空に排気された飛行時間型質量分析計内部に到達する。飛行時間型質量分析計内で、イオンの進行方向に対して直交する方向に電場加速して飛行時間時間測定を行う。
【００１４】
【特許文献１】
米国特許第２９３９９５２号
【特許文献２】
米国特許第５５７２０２２号
【特許文献３】
特開２００１−２９７７３０号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
先に説明したように、イオントラップ型質量分析計では、イオンの捕捉効率の向上とＣＩＤを行なうという２つの目的のために、イオントラップ内部に中性ガスを導入しておく必要がある。この中性ガスの圧力は、イオンの捕捉効率、及び、ＣＩＤ効率に影響を与えるばかりでなく、質量スペクトルの質量分解能とアイソレーションにおける質量分解能（アイソレーション分解能）に影響を与える。
【００１６】
図２は、本発明の課題を説明するための図であり、従来技術（特許文献１）に於けるイオントラップ型質量分析計の諸性能の、イオントラップの内部のガス圧に対する依存性と、動作ガス圧を示す模式図である。図２の横軸はイオントラップの内部のガス圧、縦軸は諸性能の高低（高いほど性能が優れる）を示す。図２では、ＣＩＤ効率１０１、イオンの捕捉効率１０２、質量分解能１０３及びアイソレーション分解能１０４のガス圧依存性が模式的に示されている。質量分解能１０３とアイソレーション分解能１０４は、ガス圧が高いほど低下し、イオン捕捉効率１０２とＣＩＤ効率１０１には最適ガス圧が存在する。しかし、ＣＩＤ効率１０１、イオン捕捉効率１０２、質量分解能１０３、及び、アイソレーション分解能１０４の全てが最大となるガス圧は存在しない。そこで通常は、イオン捕捉効率１０２と質量分解能１０３とを重視して、図２に示すように、イオン捕捉効率１０２と質量分解能１０３とを両立させ得るガス圧領域１０５を設定してイオントラップを動作させる。
【００１７】
通常のイオントラップのデューティレシオは、イオン蓄積に１００ｍｓ、アイソレーションに２０ｍｓ、ＣＩＤに３０ｍｓ、質量スペクトル掃引に２００ｍｓを必要とする典型的な場合で考えると、
（１００ｍｓ）／（１００ｍｓ＋２０ｍｓ＋３０ｍｓ＋２００ｍｓ）＝０．２８５
となる。従来技術（特許文献２）によれば、イオン蓄積とアイソレーションとを同時に実施できるので、デューティレシオは、
（１００ｍｓ）／（１００ｍｓ＋３０ｍｓ＋２００ｍｓ）＝０．３０３
となる。デューティレシオは、０．２８５から０．３０３へと、僅かに改善されることになる。また、親イオンのみがイオントラップに導入されるので、単位時間当りのイオン入射量が減少し、イオントラップがイオンで満杯になるまでのイオン蓄積時間が長くなることによって、デューティレシオが向上し、結果的に検出感度が向上する効果もある。
【００１８】
例えば、イオントラップが空間電荷効果で満杯になるまでのイオン蓄積時間を５００ｍｓに延ばすことが可能になれば、デューティレシオは、
（５００ｍｓ）／（５００ｍｓ＋３０ｍｓ＋２００ｍｓ）＝０．６８４
にまで改善される。従って、感度も０．６８４／０．２８５＝２．４倍向上することが期待できる。上記より、イオントラップ質量分析計でのデューティレシオ低下の主な原因となっているのは、質量走査による不感時間が２００ｍｓ程度と比較的に長いことが原因となっていることが判る。
【００１９】
しかし、従来技術（特許文献２）では、質量分解能、ＣＩＤ効率、及び、イオン捕捉効率のガス圧依存性は、特許文献１のイオントラップ型質量分析計の場合と変わらず、全項目が最適となるガス圧は存在しない。従って、ガス圧設定値は従来技術（特許文献１）のイオントラップ型質量分析計の場合と同様である。
【００２０】
従来技術（特許文献３）の方式では、特許文献２が解決しようとした、デューティレシオの改善の課題は、イオントラップの前段に四重極フィルター部が無くても、ＴＯＦ質量分析の高速性により、自動的に解決されている。すなわち、イオン蓄積に１００ｍｓ、アイソレーションに２０ｍｓ、ＣＩＤに３０ｍｓだけ必要な場合にでも、質量スペクトル掃引に要する時間はＴＯＦ方式では、１ｍｓ以下である。従って、デューティレシオは、四重極フィルターを使わずとも、既に、
（１００ｍｓ）／（１００ｍｓ＋２０ｍｓ＋３０ｍｓ＋１ｍｓ）＝０．６６２
に達しており、アイソレーション時間を省略し、もしくは、イオン蓄積時間をさらに延ばしてデューティレシオを１に近づけても、このデューティレシオ効果のみによる全体としての感度向上は、四重極フィルターを設置することによる装置の複雑化、コストアップ等の課題に比べて、効果は小さい。すなわち、従来技術（特許文献３）では、従来技術（特許文献２）のデューティレシオ改善の為の知見からのみでは、四重極フィルターをイオントラップ飛行時間分析部の前段に設置する必然性は無い。
【００２１】
一方、飛行時間型質量分析計の質量分解能は、イオンの初期状態、すなわち、加速電場を印加する瞬間における、加速方向に関するイオンの空間広がりとエネルギー広がりが小さいほど高い。このイオンの空間広がり、及び、エネルギー広がりはイオントラップ内部のガス圧が高いほど小さい。何故ならば、イオントラップ内部のガス圧が高いほどイオントラップ内部でのイオンの空間的、及び、エネルギー的広がりが小さいため、イオントラップから射出したイオンの進行方向に直交する方向に関する空間的、及び、エネルギー的広がりを容易に抑制できるためである。従って、イオントラップ型質量分析計とは異なり、イオントラップ内部のガス圧が高いほど質量分解能が高いという特徴がある。
【００２２】
図３は、本発明の課題をさらに説明するための図であり、先述した従来技術（特許文献３）に於ける、イオントラップと飛行時間型質量分析計とを結合した質量分析装置の諸性能の、イオントラップの内部のガス圧に対する依存性と、動作ガス圧を示す模式図である。図３の横軸はイオントラップの内部のガス圧、縦軸は諸性能の高低（高いほど性能が優れる）を示す。図３では、ＣＩＤ効率１０１、イオンの捕捉効率１０２、質量分解能１０３、及び、アイソレーション分解能１０４のガス圧依存性を模式的に示している。図３から判るように、イオン捕捉効率１０２、質量分解能１０３、及び、ＣＩＤ効率１０１が同時にほぼ最大となるガス圧領域が存在する。従って、図３に示すように、イオン捕捉効率１０２、質量分解能１０３、ＣＩＤ効率１０１、アイソレーション分解能１０４のそれぞれを両立させ得るガス圧領域１０５を設定してイオントラップを動作させる。
【００２３】
しかし、アイソレーション分解能１０４は、イオントラップ型質量分析計と同様に、ガス圧が高いほど低下する。そのため、アイソレーション分解能１０４、イオン捕捉効率１０２、質量分解能１０３、及び、ＣＩＤ効率１０１の全てが最適となるガス圧は存在しないという課題を、特許文献３は抱えている。
【００２４】
先に説明したように、イオントラップ型質量分析計では、イオントラップ内部にＣＩＤのターゲットガス、及び、イオン捕捉効率を向上させるためのバッファーガスとしてヘリウム等の中性ガスを導入しておく必要がある。ＣＩＤ効率、及び、イオン捕捉効率はそれぞれガス圧に依存し、何れも最適値が存在する。
【００２５】
ところが、質量分解能とアイソレーション分解能はガス圧が高いほど低下する。そのためイオン捕捉効率、質量分解能、アイソレーション分解能、及び、ＣＩＤ効率を、同時にほぼ最大とするようなガス圧が存在しない。
【００２６】
従来技術（特許文献２）では、イオントラップの前段に四重極フィルターを配置して四重極部においてアイソレーションを行うことができるため、アイソレーション分解能は、イオントラップ内部のガス圧には依存しない。しかし、イオン捕捉効率、質量分解能、及び、ＣＩＤ効率が同時にほぼ最大となるようなガス圧は存在しない。
【００２７】
従来技術（特許文献３）のイオントラップと飛行時間型質量分析計とを結合した質量分析計では、従来技術（特許文献１）、及び、従来技術（特許文献２）の装置とは異なり、ガス圧が高いほど質量分解能が高いという特徴がある。しかし、イオン捕捉効率、質量分解能、及び、アイソレーション分解能を同時に最大とするようなガス圧は存在しない。
【００２８】
本発明の目的は、イオン捕捉効率、質量分解能、及び、ＣＩＤ効率を同時にほぼ最大にし得る、イオントラップと飛行時間型質量分析計とを結合した質量分析装置及び質量分析方法を提供することにある。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、イオントラップと飛行時間型質量分析計とを非同軸に、例えば、イオンの進行方向に略直交する方向に結合した質量分析装置にあって、イオントラップの前段に質量フィルター（例えば、四重極フィルター）を配置し、質量フィルター部においてアイソレーションを行う。質量フィルター内部のガス圧とイオントラップ内部のガス圧とを互いに独立に制御し、質量フィルター内部のガス圧を、アイソレーション分解能に関して最適化し、イオントラップ内部のガス圧を、イオン捕捉効率、質量分解能、及び、ＣＩＤ効率が同時にほぼ最大となるように最適化する。
【００３０】
本発明の質量分析装置では、イオン源で生成したイオンを一定時間蓄積した後、射出するための３次元四重極イオントラップと、前記イオントラップから射出された前記イオンをその進行方向に略直交する方向に電場加速し、加速された前記イオンの飛行時間を測定する飛行時間型質量分析計とを有し、かつ、前記イオン源と前記イオントラップとの間に質量フィルターを設けて、前記イオントラップの内部のガス圧と前記質量フィルターの内部のガス圧とを独立に制御するよう構成する。
【００３１】
イオントラップの内部のガス圧は、質量フィルターの内部のガス圧よりも高く設定され、質量フィルターを通過してイオントラップの内部に蓄積されたイオンをイオントラップの内部で分解し、分解生成物を飛行時間型質量分析計を用いて質量分析する。質量フィルターは、３段の四重極から構成され、第２段目の四重極の内部のガス圧は、第１段目及び第３段目の四重極の内部のガス圧よりも低いガス圧に制御される。質量スペクトルで隣接するピークの間隔が質量フィルターのアイソレーション分解能に基づいて規定された値を超えるピークが、質量スペクトルのピークの中から選択され、選択されたピークに対応するイオンが質量フィルターでアイソレーションされる。この選択されたピークはモニター画面上に表示される。
【００３２】
本発明の質量分析方法は、イオン源で試料のイオンを生成する工程と、生成した前記イオンを３次元四重極イオントラップにより一定時間蓄積した後、射出する工程と、前記イオントラップから射出された前記イオンをその進行方向に略直交する方向に電場加速する飛行時間型質量分析計により、前記イオン及び／又は前記イオンの分解生成物を質量分析する工程とを有し、かつ、前記イオン源と前記イオントラップとの間に配置される質量フィルターの内部のガス圧と前記イオントラップの内部のガス圧とを独立に制御する制御工程を設ける。
【００３３】
制御工程では、イオントラップの内部のガス圧が質量フィルターの内部のガス圧よりも高く設定される。本発明の方法は、質量フィルターを通過してイオントラップの内部に蓄積されたイオンをイオントラップの内部で分解して分解生成物を生成する工程を有する。また、質量フィルターが３段の四重極から構成され、第２段目の四重極の内部のガス圧を、第１段目及び第３段目の四重極の内部のガス圧よりも低いガス圧に制御する工程を有する。さらに、質量スペクトルで隣接するピークの間隔が質量フィルターのアイソレーション分解能に基づいて規定された値を超えるピークを、質量スペクトルのピークの中から選択する工程と、選択されたピークに対応するイオンを質量フィルターでアイソレーションする工程とを有し、選択されたピークがモニター画面上に表示される。
【００３４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の一実施例になる質量分析装置の構成例を示す図である。
【００３５】
試料は大気圧イオン源１でイオン化される。イオン源１で生成したイオンは、サンプリングオリフィス２を通過して、第１真空室３に入射し、次に、第２真空室４に入射する。イオンは、第２真空室４の内部に収納された、質量フィルター（例えば、四重極フィルター）８、及び、ゲート電極１９を通過する。次に、イオンは、第３真空室５の内部に入射し、その内部に収納された３次元四重極イオントラップ９に入射する。この時、ゲート電極１９には、イオンの通過が可能なような電圧を印加しておく。
【００３６】
イオントラップの内部には、配管１７を通して中性ガス（ヘリウム、窒素、又は、アルゴン等）が導入されており、イオントラップ内部に入射したイオンは、中性ガスとの衝突を繰り返して運動エネルギーを失いながら、イオントラップの中心付近に捕捉される。イオントラップ内部のガス圧は、バルブ１５によりガス流量を調節することにより制御される。
【００３７】
四重極フィルター８は、筐体２０内部に収納され、筐体２０の内部に、ガス管１６を通して中性ガス（ヘリウム、窒素、又は、アルゴン等）が導入される。四重極フィルター８は、イオンビームを収束させることによって、イオントラップ９へのイオン導入量を向上させる作用もあるため、ある程度のガス圧が必要である。四重極フィルター８の内部のガス圧は、バルブ１４によりガス管１６のガス流量を調節して制御される。
【００３８】
このようにして、一定時間だけイオンをイオントラップ９の内部に導入してイオンを蓄積した後、直流電源５１から５０にスイッチ５２を切替えて、ゲート電極１９の電圧をイオンが通過不能な値に切替えることにより、イオントラップ９へのイオンの導入を停止する。
【００３９】
イオントラップは、一対のエンドキャップ電極２３及び２５と、リング電極２４とで構成され、イオンを蓄積する間はリング電極２４にＲＦ電圧を印加し、エンドキャップ電極２３、２５の電位は０Ｖとする。イオントラップに蓄積したイオンを質量分析する場合には、交流電源４２から直流電源４１に、ＲＦ電源から直流電源４３に、交流電源４５から直流電源４４に、スイッチ４８を切替えることにより、リング電極２４へのＲＦ電圧の印加を停止すると同時に、２個のエンドキャップ電極２３、２５とリング電極２４にそれぞれ適当な直流電圧を印加して、イオンを排出するための静電場を形成する。
【００４０】
イオンはイオントラップから排出され、第４真空室７に入射する。第４真空室に入射したイオンはその内部に収納された直交加速部１８の内部空間を飛行する。直交加速部１８の内部空間をイオンが通過する間に、直流電源４７から４６にスイッチ４９を切替えて加速電極２１に１ｋＶ〜１０ｋＶ程度のパルス電圧を印加し、イオンの飛行方向と直交する方向にイオンを電場加速する。加速されたイオンは、電極２２と電極１１との間でさらに加速され、電極１１で囲まれた無電場空間を飛行して、リフレクトロン１２に入射する。
【００４１】
なお、第１真空室３、第２真空室４、第３真空室５、第４真空室７は、独立に排気されている。
【００４２】
リフレクトロン１２の内部でイオンは反転し、再び、無電場空間を飛行して検出器１３に到達する。直交加速部１８にパルス電圧を印加してからイオンが検出器３に到達するまでの飛行時間を測定する。飛行時間がイオンのｍ／ｚに依存することを利用して質量スペクトルが得られる。
【００４３】
制御部７０は、スイッチ４８、４９、５２を切り替えるタイミングを制御する。また、制御部７０は、電源６０を制御して四重極フィルター８の動作モードを制御する。
【００４４】
四重極フィルター８を構成する電極への電圧印加方法によって、四重極フィルター８は、イオンガイドとして動作させたり、質量フィルターとして動作させることが可能である。
【００４５】
ＭＳ分析を行う場合には、四重極フィルター８をイオンガイドとして動作させ、全ｍ／ｚ範囲のイオンをイオントラップ９に導入する。ＭＳ／ＭＳ分析では、イオントラップ９にイオンを蓄積する間、四重極フィルター８をバンドパスフィルターとして動作させて、親イオンのみをイオントラップ９に導入する。その後、イオントラップ９の内部に蓄積したイオンをＣＩＤにより分解し、イオントラップに蓄積された分解生成物イオンを、ＭＳ分析の場合と同様の手順により質量分析する。
【００４６】
イオントラップ９にイオン射出用の直流電圧を印加してから直交加速部１８にパルス電圧を印加するまでの間に、次回のイオン蓄積が開始される。このインターバルは、通常１０μｓ〜５０μｓ程度であるのに対して、イオン蓄積時間は、１０ｍｓ〜１ｓ程度であるので、このインターバルによる試料の損失は殆ど無視できる程度である。
【００４７】
各真空室の真空排気速度、隣接する真空室の間のイオン通過口の口径、及び、サンプリングオリフィス２（大気圧の空間と第１真空室３の間のイオン通過口）の口径等を調節し、さらに、バルブ１５によりガス流量を調節することにより、イオントラップ９の内部のガス圧を、イオン捕捉効率、質量分解能、及び、ＣＩＤ効率がほぼ最大となるようなガス圧Ｐｍａｘ（１０^−１Ｔｏｒｒ〜１０^−２Ｔｏｒｒ程度）に、また、バルブ１４によりガス流量を調節することにより、四重極フィルター８の内部のガス圧をＰｍａｘ以下のガス圧に設定することができる。
【００４８】
従来技術よりも高いガス圧領域でイオントラップを動作させるので、第３真空室５を排気する排気系（図示せず）の排気能を大きくするか、第４真空室７の排気系（図示せず）の排気能を大きくして、飛行時間型質量分析計が配置される第４真空室７の真空度が、飛行時間型質量分析計が十分にその性能を発揮できる真空度に保持される。
【００４９】
図４（Ａ）は、本発明の実施例の質量分析装置の諸性能（イオン捕捉効率、質量分解能、及び、ＣＩＤ効率）の、イオントラップの内部のガス圧に対する依存性と、動作ガス圧範囲を示す模式図である。図４（Ａ）の横軸はイオントラップの内部のガス圧、縦軸は諸性能の高低（高いほど性能が優れる）を示す。また、図４（Ｂ）は、アイソレーション分解能の四重極フィルターの内部のガス圧に対する依存性と、動作ガス圧範囲を示す図である。図４（Ｂ）の横軸は四重極フィルターの内部のガス圧、縦軸は諸性能の高低（高いほど性能が優れる）を示す。
【００５０】
本発明の実施例では、イオン捕捉効率１０２、質量分解能１０３、及び、ＣＩＤ効率１０１の、全て、又は、１つ又は２つが、最大となる圧力領域１０５、又は、最大となる圧力領域の近傍のガス圧領域１０５でイオントラップ９を動作させる。四重極フィルター８を動作させるガス圧領域が、イオントラップ９を動作させるガス圧領域１０５とは、独立に設定され制御され、アイソレーション分解能に関して最適化される。四重極フィルター８を動作させるガス圧領域１０５’は、イオントラップ９を動作させるガス圧領域１０５よりも低い圧力領域に設定され、制御される。
【００５１】
図５は、本発明の他の実施例になる質量分析装置の構成例を示す図である。四重極内部のガス圧が低いほどアイソレーション分解能が向上するが、四重極は、イオンビームを径方向に収束させることにより、イオントラップ９へのイオン入射量を増加させる作用をもつ。この作用を有効に利用するには、ある程度のガス圧（１０^−３Ｔｏｒｒ〜１０^−４Ｔｏｒｒ程度）が必要である。このジレンマを解決するために、図１に示す構成の一部を変更して、図５に示すように、四重極部を、分割された四重極８−１、８−２、８−３により構成する。
【００５２】
制御部７０は、図１の構成と同様に、スイッチ４８、４９、５２を切り替えるタイミングを制御する。また、制御部７０は、電源６０を制御して四重極８−１、８−２、８−３の動作モードを制御する。
【００５３】
１段目の四重極８−１は、筐体２０内部に収納され、筐体２０の内部に、ガス管１２３を通して中性ガス（ヘリウム、窒素、又は、アルゴン等）が導入される。四重極８−１の内部のガス圧は、バルブ１２４によりガス管１２３のガス流量を調節して制御される。３段目の四重極８−３は、筐体２０内部に収納され、筐体２０の内部に、ガス管１６を通して中性ガス（ヘリウム、窒素、又は、アルゴン等）が導入される。四重極８−３の内部のガス圧は、バルブ１４によりガス管１６のガス流量を調節して制御される。
【００５４】
図５に示す構成に於いても、図４に示す、イオン捕捉効率１０２、質量分解能１０３、及び、ＣＩＤ効率１０１の、全て、又は、１つ又は２つが、最大となる圧力領域１０５、又は、最大となる圧力領域の近傍のガス圧領域１０５でイオントラップ９を動作させる。
【００５５】
四重極８−１、８−２、８−３を動作させるガス圧領域は、イオントラップ９を動作させるガス圧領域１０５とは、独立に設定され制御され、アイソレーション分解能に関して最適化される。従来技術よりも高いガス圧領域でイオントラップを動作させるので、図３に示す構成で、第３真空室５を排気する排気系（図示せず）の排気能を大きくするか、第４真空室７の排気系（図示せず）の排気能を大きくして、飛行時間型質量分析計が配置される第４真空室７の真空度を、飛行時間型質量分析計が十分にその性能を発揮できる真空度に保持される。
【００５６】
図５に示す構成例では、第３真空室５と第４真空室７の間に、さらに、第５真空室６を設けており、第１真空室３、第２真空室４、第３真空室５、第４真空室７、第５真空室６はそれぞれ、独立に排気され、第４真空室７の真空度を、飛行時間型質量分析計が十分にその性能を発揮できる真空度に保持される。
【００５７】
中間部（２段目）の四重極８−２の内部のガス圧を極力低く（１０^−３Ｔｏｒｒ〜１０^−４Ｔｏｒｒ程度）してアイソレーションに用い、両端部（１段目及び３段目）の四重極８−１、８−３の内部のガス圧Ｐを、イオンビームの収束に必要なガス圧（１０^−１Ｔｏｒｒ〜１０^−２Ｔｏｒｒ程度）に設定することが可能である。
【００５８】
バルブ１２４、１４の開閉制御によって、四重極８−２の内部のガス圧を、四重極８−１、８−３の内部のガス圧よりも低いガス圧に制御できる。
【００５９】
１段目の四重極８−１によりイオンビームは収束するが、１段目と２段目の四重極８−２との境界部でイオンビームが広がる可能性がある。３段目の四重極８−３は広がったイオンビームを再び収束させる作用を持つ。
【００６０】
ＭＳ／ＭＳ分析を行う場合には、まず、ＭＳ分析を行い質量スペクトルを取得する。得られたスペクトル中のピークの中から親イオンを選択する。次に、イオントラップにイオンを蓄積する間、四重極を選択された親イオンのみが通過するようなバンドパスフィルターとして動作させる。
【００６１】
図６は、本発明の実施例に於いて、ＭＳ／ＭＳ分析を行う動作シーケンス例を示す図であり、イオントラップ及び四重極の動作シーケンスの一例を示す図である。図６（Ａ）はイオントラップの動作シーケンスを、図６（Ｂ）は四重極の動作シーケンスを示す。
（１）一定時間だけイオントラップにイオンを蓄積し、蓄積したイオンを質量分析する（図６（Ａ）中、ＭＳ）。この時、四重極ではアイソレーションを行わない。図６（Ｃ）は、得られる質量分析スペクトルである。
（２）四重極を用いてアイソレーションを行いながら、質量対電荷比（ｍ／ｚ）がＭ１であるイオンのみを一定時間だけイオントラップに蓄積する。次に、蓄積されたイオンをＣＩＤにより分解し分解生成物を質量分析する（図６（Ａ）中、ＭＳ^２（１ｓｔ））。
（３）（２）と同様にして、ｍ／ｚ＝Ｍ２であるイオンをＭＳ／ＭＳ分析する（図６（Ａ）中、ＭＳ^２（２ｎｄ））。
【００６２】
このようにして、ｍ／ｚ＝ＭｎのイオンまでＭＳ／ＭＳ分析する。Ｍ１〜Ｍｎは、（１）で得られた質量スペクトルの中から、例えば、ピーク強度の大きい順に選択する。ｎの値は予め使用者（測定者）が設定する。なお、通常は、質量スペクトルのＳ／Ｎ比を向上させるために各シーケンスをそれぞれ複数回繰り返して質量スペクトルを積算する。
【００６３】
ＭＳ／ＭＳ分析では、アイソレーションは全て低ガス圧の四重極部で行うことが可能なため、イオンの捕捉効率、質量分解能、及び、ＣＩＤ効率を損なうことなく、アイソレーション分解能を向上できる。また、イオン蓄積とアイソレーションとが同時進行するためにデューティレシオが向上し、その結果として、検出感度が向上する効果も同時に得られる。
【００６４】
図７は、本発明の実施例に於いて、ＭＳ^ｎ（ｎ＞２）分析を行う動作シーケンス例を示す図であり、イオントラップ及び四重極の動作シーケンスの一例を示す図である。図７（Ａ）はイオントラップの動作シーケンスを、図７（Ｂ）は四重極の動作シーケンスを示す。
（１）ＭＳ^{（ｎ−１）}分析を行う。
（２）四重極部でアイソレーションを行いながら、質量対電荷比（ｍ／ｚ）がＭ１であるイオンのみを一定時間だけイオントラップに蓄積し、蓄積されたイオンをＣＩＤにより分解する。
（３）フラグメントイオンの中から、例えば、質量対電荷比（ｍ／ｚ）がＭ２であるイオンをイオントラップ内部でアイソレーションし、これをＣＩＤにより分解する。
（４）（３）の操作を（ｎ−１）回繰り返す。
（５）フラグメントイオンを質量分析する。
【００６５】
ＭＳ^ｎ（ｎ＞２）分析の場合には、１回目のアイソレーションは、四重極部で行う（図７（Ｂ））。イオン蓄積をした後、１回目のＣＩＤを行う（図７（Ａ））。次に、２回目のアイソレーションはイオントラップ内部で行い、その後、２回目のＣＩＤを行う（図７（Ａ））。その後、この動作シーケンスを繰り返す。
【００６６】
一般に、１回目のアイソレーションでは、ランダムなノイズイオンや他のペプチド断片、あるいは、溶媒由来イオンを除去する必要があるため、高いアイソレーション分解能が望まれるが、２回目以降のアイソレーションでは、１回目に比べれば要求されるアイソレーション分解能は高くない。従って、イオントラップ内部のガス圧は、イオン捕捉効率、質量分解能、及び、ＣＩＤ効率が最大となるようなガス圧に設定することができる。
【００６７】
親イオンの選択は、マニュアル選択又は自動選択の何れかで行うことができる。自動選択の場合には、ソフトウェアによりピーク強度の高いものから順にソフトウェアにより指定された数だけ選択するのが一般的である。しかし、選択されたピークの極く近傍に、アイソレーションでは十分に除去できない隣接ピークが存在する場合がある。この場合、フラグメントの質量スペクトルを誤解釈し、元のイオンの同定を間違える可能性がある。そこで、装置のアイソレーション分解能に基づいて、そのピークの近傍に除去できないピークが存在するか否かを判定し、存在する場合にはそのピークを選択しないようにすれば、このような間違いを防ぐことができる。なお、当然のことながら、四重極フィルターでアイソレーションを行う場合と、イオントラップでアイソレーションを行う場合とではアイソレーション分解能が異なるので、判定の基準が異なる。
【００６８】
図８は、本発明の実施例に於いて、前駆イオンを選定するために表示するモニター画面の例を示す図である。図８は、装置のモニター画面上に表示される画面の例であり、親イオンの選択結果を示す質量スペクトルである。▲１▼〜▲４▼までの番号を付したピークが親イオンとして選択されたピークである。番号が付されていない２本のピーク（×印で図示）は、装置の有するアイソレーション分解能では、分離できないために選択から除外されている。
【００６９】
図８では、番号はピーク強度の強い順に付けられているが、例えば、ｍ／ｚの小さい順に付けても良い。マニュアル測定の場合には、ＭＳ／ＭＳ、又は、ＭＳｎ分析の前に、図８に示すような質量スペクトルがモニター画面上に表示される。番号の付いたピークは親イオンの候補であり、実際にどのピークをＭＳ／ＭＳ、又は、ＭＳ^ｎ分析するかは測定者が選択する。
【００７０】
イオントラップと飛行時間型質量分析計とを非同軸に結合した質量分析装置において、イオントラップの前段に四重極を配置して、四重極部においてアイソレーションを行う。このような配置により、イオントラップ内部のガス圧を、イオン捕捉効率、質量分解能、及び、ＣＩＤ効率が、同時にほぼ最大となるような領域に設定できる。一方、四重極部のガス圧を、アイソレーションに適した比較的低いガス圧に設定できる。
【００７１】
この結果、アイソレーション分解能を損なうことなく、検出感度、質量分解能、及び、ＣＩＤ効率を向上させることができる。このような性能が向上した質量分析装置を使用することにより、特にプロテオーム解析における解析効率が向上する。
【００７２】
【発明の効果】
本発明によれば、イオン捕捉効率、質量分解能、及び、ＣＩＤ効率を同時にほぼ最大にし得る、イオントラップと飛行時間型質量分析計とを非同軸に結合した質量分析装置及び質量分析方法を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例になる質量分析装置の構成例を示す図。
【図２】従来技術に於けるイオントラップ型質量分析計の諸性能の、イオントラップの内部のガス圧に対する依存性と動作ガス圧範囲を示す模式図。
【図３】従来技術に於ける、イオントラップと飛行時間型質量分析計とを非同軸に結合した質量分析装置の諸性能の、イオントラップの内部のガス圧に対する依存性と動作ガス圧範囲を示す模式図。
【図４】本発明の実施例の質量分析装置の諸性能の、（Ａ）イオントラップの内部のガス圧に対する依存性と動作ガス圧範囲を示し、（Ｂ）四重極フィルターの内部のガス圧に対する依存性と動作ガス圧範囲を示す模式図。
【図５】本発明の他の実施例になる質量分析装置の構成例を示す図。
【図６】本発明の実施例に於いて、ＭＳ／ＭＳ分析を行う動作シーケンス例を示す図。
【図７】本発明の実施例に於いて、ＭＳ^ｎ（ｎ＞２）分析を行う動作シーケンス例を示す図。
【図８】本発明の実施例に於いて、前駆イオンを選定するために表示するモニター画面の一例を示す図。
【符号の説明】
１…イオン源、２…サンプリングオリフィス、３…第１真空室、４…第２真空室、５…第３真空室、６…第５真空室、７…第４真空室、８…四重極フィルター、９…イオントラップ、１１…電極、１２…リフレクトロン、１３…検出器、１４、１５…バルブ、１６、１７…ガス管、１８…直交加速部、１９…ゲート電極、２０…筐体、２１…加速電極、２２…電極、２３、２５…エンドキャップ電極、２４…リング電極、４１、４３、４４、４６、４７…直流電源、４２、４５…交流電源、４８、４９、５２…スイッチ、５０、５１…直流電源、６０…電源、７０…制御部、１２３…ガス管、１２４…バルブ、１０１…ＣＩＤ効率、１０２…イオン捕捉効率、１０３…質量分解能、１０４…アイソレーション分解能、１０５…イオントラップを動作させるガス圧領域、１０５’…四重極フィルターを動作させるガス圧領域。

Claims

イオン源で生成したイオンを一定時間蓄積した後、射出するための３次元四重極イオントラップと、前記イオントラップから射出された前記イオンをその進行方向に略直交する方向に電場加速し、加速された前記イオンの飛行時間を測定する飛行時間型質量分析計とを有し、かつ、前記イオン源と前記イオントラップとの間に質量フィルターを設けて、前記イオントラップの内部のガス圧と前記質量フィルターの内部のガス圧とを独立に制御するよう構成したことを特徴とする質量分析装置。
請求項１に記載の質量分析装置に於いて、前記イオントラップの内部のガス圧が前記質量フィルターの内部のガス圧よりも高く設定されることを特徴とする質量分析装置。
請求項１に記載の質量分析装置に於いて、前記質量フィルターを通過して前記イオントラップの内部に蓄積されたイオンを前記イオントラップの内部で分解し、分解生成物を前記飛行時間型質量分析計を用いて質量分析することを特徴とする質量分析装置。
請求項２に記載の質量分析装置に於いて、前記質量フィルターを通過して前記イオントラップの内部に蓄積されたイオンを前記イオントラップの内部で分解し、分解生成物を前記飛行時間型質量分析計を用いて質量分析することを特徴とする質量分析装置。
請求項１に記載の質量分析装置に於いて、前記質量フィルターが３段の四重極から構成され、第２段目の前記四重極の内部のガス圧を、第１段目及び第３段目の前記四重極の内部のガス圧よりも低いガス圧に制御するための手段を有することを特徴とする質量分析装置。
請求項２に記載の質量分析装置に於いて、前記質量フィルターが３段の四重極から構成され、第２段目の前記四重極の内部のガス圧を、第１段目及び第３段目の前記四重極の内部のガス圧よりも低いガス圧に制御するための手段を有することを特徴とする質量分析装置。
請求項１に記載の質量分析装置に於いて、質量スペクトルで隣接するピークの間隔が、前記質量フィルターのアイソレーション分解能に基づいて規定された値を超えるピークを、質量スペクトルのピークの中から選択し、選択されたピークに対応するイオンを前記質量フィルターでアイソレーションすることを特徴とする質量分析装置。
請求７に記載の質量分析装置に於いて、前記選択されたピークがモニター画面上に表示されることを特徴とする質量分析装置。
請求項２に記載の質量分析装置に於いて、質量スペクトルで隣接するピークの間隔が、前記質量フィルターのアイソレーション分解能に基づいて規定された値を超えるピークを、質量スペクトルのピークの中から選択し、選択されたピークに対応するイオンを前記イオントラップでアイソレーションすることを特徴とする質量分析装置。
請求項９に記載の質量分析装置に於いて、前記選択されたピークがモニター画面上に表示されることを特徴とする質量分析装置。
イオン源で試料のイオンを生成する工程と、生成した前記イオンを３次元四重極イオントラップにより一定時間蓄積した後、射出する工程と、前記イオントラップから射出された前記イオンをその進行方向に略直交する方向に電場加速する飛行時間型質量分析計により、前記イオン及び／又は前記イオンの分解生成物を質量分析する工程とを有し、かつ、前記イオン源と前記イオントラップとの間に配置される質量フィルターの内部のガス圧と前記イオントラップの内部のガス圧とを独立に制御する制御工程を設けてなることを特徴とする質量分析方法。
請求項１１に記載の質量分析方法に於いて、前記制御工程で、前記イオントラップの内部のガス圧が前記質量フィルターの内部のガス圧よりも高く設定されることを特徴とする質量分析方法。
請求項１１に記載の質量分析方法に於いて、前記質量フィルターを通過して前記イオントラップの内部に蓄積された前記イオンを前記イオントラップの内部で分解して前記分解生成物を生成する工程を有することを特徴とする質量分析方法。
請求項１２に記載の質量分析方法に於いて、前記質量フィルターを通過して前記イオントラップの内部に蓄積された前記イオンを前記イオントラップの内部で分解して前記分解生成物を生成する工程を有することを特徴とする質量分析方法。
請求項１１に記載の質量分析方法に於いて、前記質量フィルターが３段の四重極から構成され、第２段目の前記四重極の内部のガス圧を、第１段目及び第３段目の前記四重極の内部のガス圧よりも低いガス圧に制御する工程を有することを特徴とする質量分析方法。
請求項１２に記載の質量分析方法に於いて、前記質量フィルターが３段の四重極から構成され、第２段目の前記四重極の内部のガス圧を、第１段目及び第３段目の前記四重極の内部のガス圧よりも低いガス圧に制御する工程を有することを特徴とする質量分析方法。
請求項１１に記載の質量分析方法に於いて、質量スペクトルで隣接するピークの間隔が、前記質量フィルターのアイソレーション分解能に基づいて規定された値を超えるピークを、質量スペクトルのピークの中から選択する工程と、選択されたピークに対応するイオンを前記質量フィルターでアイソレーションする工程とを有することを特徴とする質量分析方法。
請求項１７に記載の質量分析方法に於いて、前記選択されたピークがモニター画面上に表示されることを特徴とする質量分析方法。
請求項１２に記載の質量分析方法に於いて、質量スペクトルで隣接するピークの間隔が、前記質量フィルターのアイソレーション分解能に基づいて規定された値を超えるピークを、質量スペクトルのピークの中から選択する工程と、選択されたピークに対応するイオンを前記質量フィルターでアイソレーションする工程とを有することを特徴とする質量分析方法。
請求項１９に記載の質量分析方法に於いて、前記選択されたピークがモニター画面上に表示されることを特徴とする質量分析方法。