JP2004335417A

JP2004335417A - イオントラップ質量分析方法及び装置

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Publication number: JP2004335417A
Application number: JP2003133504A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Yasuda; 博幸安田; Yasushi Terui; 康照井; Shinji Nagai; 伸治永井
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2003-05-12
Filing date: 2003-05-12
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2023-05-12
Also published as: JP3946162B2

Abstract

【課題】イオントラップ質量分析装置のＭＳ^ｎ分析の感度を向上可能なイオントラップ質量分析装置を実現する。
【解決手段】イオントラップ３１の前段に、イオンを急加速し、衝突誘起解離を起こす第１イオンガイド２１、スリット電極２２、第２イオンガイド２３が設置される。分離カラム４にて分離した試料はイオン源５でイオン化され、第１イオンガイド２１、スリット電極２２、第２イオンガイド２３により衝突誘起解離が起こされＭＳ^２が行われる。ＭＳ^２が行われたイオンをイオントラップ３１に導入し、イオントラップ３１においてＭＳ^３を行う。イオントラップ３１内の操作をＭＳ^３に限定することによりイオントラップ３１の動作時間が短縮され、一定時間内の操作回数を増加することができ、検出感度を向上することが可能となる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオントラップ質量分析方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
質量分析装置は、試料分子に電荷を付加してイオン化を行い、生成したイオンを電場または磁場により質量電荷比に分離し、その量を検出器にて電流値として計測する機器である。
【０００３】
この質量分析装置は高感度であり、一般の分析装置に比べ、定量性及び同定能力に優れている。
【０００４】
近年、ライフサイエンス分野ではゲノム解析に代わるペプチド解析が注目され、高感度で同定能力の優れた質量分析装置の有効性が再評価されてきた。
【０００５】
質量分析装置にて試料を測定すると、質量電荷比単位の電流値が得られる。これをマススペクトルと呼ぶ。このマススペクトルは測定する試料の構造によって異なり、そのマススペクトルのパターンから試料の構造の情報を得ることができる。
【０００６】
しかし、試料中の構成成分が複雑であったり、得られたマススペクトル情報が成分の特定に不十分である場合がある。特に、質量分析装置では質量電荷比により分子イオンを分離するため、異なる構造であったとしても、質量電荷比が同一の場合、分子イオンを区別するのが困難になる。
【０００７】
これを解決するため、ＭＳ^ｎ分析が考案された。このＭＳ^ｎ分析とは、分子イオンを質量分析装置に取り込み、特定質量数以外のイオンを排除し、選択した分子イオンと中性分子との衝突を起こすことにより、分子イオンの一部の結合を破壊し、結合の切れたイオンを測定する方法である。
【０００８】
この中性分子と衝突させ選択した分子イオンの結合を切ることを衝突誘起解離（ＣＩＤ）と呼び、イオン取り込み、イオン選択、衝突誘起解離の一連の操作の、その繰返し回数によって、ＭＳ^２やＭＳ^３などと呼ぶ。
【０００９】
分子中の原子間の結合はその構造や結合の種類によって結合エネルギーが異なるため、結合エネルギーが低い箇所ほど衝突誘起解離によって切断される。
【００１０】
分子イオンと中性分子との衝突時に、分子イオンの結合を切断するのに必要な運動エネルギーを分子イオンに与えることにより、分子イオン特有のフラグメントイオンが生成し、分子イオンの構造を知ることができる。
【００１１】
さらに、ＭＳ^ｎ分析の繰返し回数が多くなれば、より多くの構造情報を得ることができる。
【００１２】
質量分析装置はイオンを分離する操作および構成により多様な種類が挙げられるが、ＭＳ^ｎ分析を行うのに適した構成のひとつにイオントラップ質量分析装置が挙げられる。
【００１３】
イオントラップ質量分析装置は、特定の質量電荷比のイオンがイオントラップ内に滞在するような四重極電界を形成し、四重極電界を変化させることによりイオン選択および衝突誘起解離を行うことができる。
【００１４】
そして、衝突誘起解離を行った後、イオンを検出器に誘導することなく、衝突誘起解離によって生成されたイオンを再度イオン選択および衝突誘起解離を行えば、複数回のＭＳ^ｎ分析を行うことが可能となる。
【００１５】
イオントラップ質量分析装置の公知技術としては、特許文献１及び特許文献２に記載されたものがある。
【００１６】
特許文献１記載の技術においては、イオン化室は、イオントラップが配置された第２の空間と、イオントラップが配置されていない第１の空間とに仕切り壁により仕切られている。この仕切り壁には、第１の空間と第２の空間とが連通されるスリットが形成されている。
【００１７】
仕切り壁を形成することにより、第１空間のガス圧を増加させることにより、サンプルガスに対する紫外光の照射体積を増加してイオンの生成量を増加し、質量分析装置の計測感度を向上させるように構成されている。
【００１８】
また、特許文献２記載の技術においては、１つの分析装置内に、測定質量数範囲が異なるイオントラップ質量分析計が複数配置される。そして、イオンは、イオンレンズ及びイオンガイドにガイドされて、ディフレクタ内に導入され、このディフレクタで発生された電界に従って、質量数の相違により、２つの質量分析計のうちのいずれかに導入される。
【００１９】
それぞれの質量分析計のイオン導入前段には、ゲート電極が配置され、後段には、レンズ電極が配置されている。これらゲート電極、レンズ電極に印加される電圧によって、イオン蓄積時には、外部からのイオンの導入が許可され、イオン検出時には、イオントラップ質量分析計から外部へのイオンの導出が許可される。
【００２０】
【特許文献１】
特開２００２−１８１７９０号公報
【特許文献２】
特開平１１−１４４６７５号公報
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来技術におけるイオントラップ質量分析装置にてＭＳ^ｎ分析を行う場合には以下のような問題がある。
【００２２】
（ａ）四重極電界内に安定に存在し得る以上の運動エネルギーを衝突誘起解離の際に与えられたイオンは、イオントラップ内に閉じ込めておくことができず、イオントラップの外に排出されるため、ＭＳ^ｎが繰り返された場合、検出感度が低下する。
【００２３】
（ｂ）衝突誘起解離に費やす時間が短い場合、解離反応のための十分なエネルギーを分子イオンに与えることができず、開裂イオンの生成効率が低くなる。そのため、衝突誘起解離にそれに十分な時間を与える必要があるが、その分、１シーケンスの時間が長くなり、単位時間当たりの検出感度が低くなる。
【００２４】
イオントラップ質量分析装置は、イオン分離や衝突誘起解離の間、新しいイオンを取り込むことができず、その間にイオン源から輸送されるイオンは測定に用いられない。
【００２５】
つまり、ＭＳ^ｎの繰返し回数が多いほど、さらに、イオン分離および衝突誘起解離に費やす時間が長いほど、（ａ）に示すイオンの損失と（ｂ）に示すイオン源にて生成されたイオンの測定効率の減少とが助長される。
【００２６】
本発明の目的は、イオントラップ質量分析装置のＭＳ^ｎ分析の感度を向上可能なイオントラップ質量分析方法及び装置を実現することである。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、次のように構成される。
【００２８】
（１）イオントラップ質量分析方法において、試料を成分単位に第１のイオン分離を行い、分離した試料をイオン化し、イオン化した試料の第１の衝突誘起解離を行ってイオントラップに導き、イオントラップ内で第２のイオン分離を行った後、第２の衝突誘起解離を行って、質量分離を行いイオンを検出する。
または、イオントラップ内で第２のイオン分離を行った後、第２の衝突誘起解離を行い、イオントラップの後段に配置される質量分離部でイオンを質量電荷比で質量分離して、イオンを検出する。
【００２９】
（２）好ましくは、上記（１）において、第１の衝突誘起解離は、電位勾配を有する複数の電極により行われる。
【００３０】
（３）イオントラップ質量分析装置において、試料を導入する試料導入部と、導入した試料を成分単位に第１のイオン分離を行う試料分離部と、分離した試料をイオン化するイオン化部と、イオン化した試料の第１の衝突解離を行ってイオントラップに導くイオンガイド部と、導かれたイオンを閉じ込め、第２のイオン分離、第２の衝突誘起解離、及び質量分離を行うイオントラップと、質量分離されたイオンを検出する検出部とを備える。
【００３１】
（４）イオントラップ質量分析装置において、試料を導入する試料導入部と、導入した試料を成分単位に第１のイオン分離を行う試料分離部と、分離した試料をイオン化するイオン化部と、イオン化した試料の第１の衝突誘起解離を行ってイオントラップに導くイオンガイド部と、導かれたイオンを閉じ込め、第２のイオン分離及び第２の衝突誘起解離を行うイオントラップと、イオンを質量電荷比で分離する質量分離部と、質量分離されたイオンを検出する検出部とを備える。
【００３２】
（５）好ましくは、上記（３）又は（４）において、上記イオンガイド部は、電位勾配を有する複数の電極を有する。
【００３３】
（６）また、好ましくは、上記（５）において、上記複数の電極は、第１の電圧が印加される第１のイオンガイド電極と、第１の電圧より小さい第２の電圧が印加される第２のイオンガイド電極と、第１のイオンガイド電極と第２のイオン電極との間に配置され、上記第１の電圧より大の第３電圧が印加される８スリット電極を有し、イオン化した試料は、第１のガイド電極からスリット電極及び第２の電極を通過される。
【００３４】
本発明によれば、ＭＳ^２である第１のイオン分離を行い、その後、イオントラップにイオンを取り込むためのイオンガイドによりイオンを急加速して、衝突誘起解離を行い、イオントラップ内ではＭＳ^３のみ行うように構成されている。
【００３５】
したがって、イオントラップ質量分析装置のＭＳ^ｎ分析の感度を向上可能なイオントラップ質量分析方法及び装置を実現することができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
【００３７】
図１に本発明の一実施形態である質量分析装置の概略構成図である。図１において、移動相１は送液ポンプ２により流路に導入される。そして、試料がサンプルインジェクタ３から導入され、分離カラム４に導入される。
【００３８】
分離カラム４に導入された試料は、分離カラム４により成分単位に分離され、イオン源５に送られる。
【００３９】
イオン源５はキャピラリの形状をしており、その先端に数ｋＶの高電圧を印加することで、静電噴霧が行われる。この静電噴霧により生成されたイオンは、数百Ｖに帯電した第１細孔１１に引き寄せられ、真空チャンバ５１に導入され、第２細孔１２を介して、第１イオンガイド２１に送られる。
【００４０】
真空チャンバ５１の内部は、ターボ分子ポンプ６１、６２及びロータリーポンプ６５による真空排気と、第１細孔１１からの自然吸気により、１０^−３Ｔｏｒｒ程度の真空度に保たれる。
【００４１】
第１イオンガイド２１には８重極を使用し、この第１イオンガイド２１に高周波電圧が印加されることにより高周波電場が形成され、イオンが収束される。
【００４２】
ここで、本発明の一実施形態では、第１イオンガイド２１の後段にスリット電極２２及び第２イオンガイド２３を配置し、その間に、後述する電位の傾斜を形成することにより、衝突誘起解離を誘発し、分子結合の切断されたイオンをイオントラップ３１に輸送する。
【００４３】
スリット電極２２にはアインツェルレンズを使用し、第２イオンガイド２３には第１イオンガイド１１と同様な８重極を使用して、高周波電場を形成する。
【００４４】
また、スリット電極２２は真空チャンバ５１内に配置され、第２イオンガイド２３は真空チャンバ５２内に配置される。
【００４５】
ここで、図２に示すように、スリット電極２２の近傍において衝突誘起解離を起こすため、第１イオンガイド２１のオフセット電圧Ｖｇ１、スリット電極２２の電圧Ｖｓ、第２イオンガイド２３のオフセット電圧Ｖｇ２を、Ｖｓ＞Ｖｇ１＞Ｖｇ２となるように印加する。
【００４６】
電圧Ｖｓは電圧Ｖｇ１よりも高い電圧であるため、スリット電極２２の直前でイオンは減速される。そして、電圧Ｖｇ２は電圧Ｖｇ１より小であり、電圧Ｖｓと大きな電位勾配を生じている。この急激な電位勾配によりイオンが急加速される。急加速されたイオンは、第１細孔１１から真空チャンバ５１内に入る空気などの中性分子と衝突を繰り返し、衝突誘起解離が起こる。
【００４７】
発明者の実験によれば、例えば、電圧Ｖｓを４５Ｖ、電圧Ｖｇ１を５０Ｖ、電圧Ｖｇ２を３５Ｖと設定した場合で衝突誘起解離が生じた。このスリット電極２２の電圧Ｖｓを調整することにより、衝突誘起解離の程度を変更することができる。
【００４８】
この衝突誘起解離によって分子結合が切断されたイオンは第２イオンガイド２３で収束され、イオントラップ３１に輸送される。そして、イオントラップ３１内にてＭＳ^３を行い、後段するフォーカス電極３２で収束して、検出器４１でイオン検出を行う。
【００４９】
本発明の一実施形態では、イオントラップ３１内においてＭＳ^３のみを行うため、イオントラップ３１の動作時間を短縮し、単位時間での操作回数を増やすことにより感度を向上することできる。
【００５０】
図３は、本発明の一実施形態において、スリット電極２２の衝突誘起解離によるイオントラップ質量分析装置の動作について、マススペクトルを用いた説明図である。
【００５１】
また、図４は、本発明とは異なり、スリット電極を配置せず、衝突誘起解離はイオントラップ内のみで行うイオントラップ質量分析装置の動作について、マススペクトルを用いた説明図である。
【００５２】
なお、図３及び図４における、マススペクトルの横軸は質量電荷比であり、縦軸は検出器の電流値である。また、図３、図４中の各マススペクトルはイオン分離や衝突誘起解離の各ステップにおいて、イオンを検出した場合に予測されるマススペクトルである。
【００５３】
まず、図３の（１）に示すマススペクトルの試料は、分離カラム４でＭＳ^２の成分分離が行われた後（図３の（２））、イオン源５でイオン化される。そして、第１イオンガイド２１を透過後、スリット電極２２、第２イオンガイド２３により衝突誘起解離が行われる（図３の（３））。
【００５４】
そして、イオントラップ３１に取り込まれ（図３の（４））、ＭＳ^３を行うため、トラップされたイオンの中から目的のイオンを残すようにイオンの分離が行われる（図３の（５））。そして、分離されたイオンを衝突誘起解離し、イオンを生成し（図４の（６））、質量分離排出をおこない、検出器４１で検出する。
【００５５】
これに対して、図４に示す例の場合は、図４の（１）に示すマススペクトルの試料は、分離カラムで成分分離が行われた後（図４の（２））、イオン源でイオン化される。そして、イオンガイドを透過後、イオントラップに取り込まれる（図４の（３））。
【００５６】
トラップされたイオンの中から目的のイオンを残すようにイオンの分離が行われる（図４の（４））。そして、分離されたイオンを衝突誘起解離し、その娘イオンを生成し（図４の（５））、イオントラップに閉じ込める。
【００５７】
さらに、ＭＳ^３を行うため、図４の（５）に示したマススペクトルの中から目的の娘イオンを分離し（図４の（６））、衝突誘起解離を行い、孫イオンを生成する（図４の（７））。そして、質量分離排出をおこない、検出器で検出する。
【００５８】
このように、図４の例のように、イオントラップ内のみで衝突誘起解離を行う例において、ＭＳ^３を行うには、イオントラップ内部で、２回のイオン分離と２回の衝突誘起解離を行う必要がある。
【００５９】
図４に示した例のイオントラップ質量分析装置の場合は、図４に示したマススペクトル（３）から（７）までの操作をイオントラップ内で行っているため、電圧の掃引時間およびイオン軌道の安定時間を含めて、サンプルにもよるが、１シーケンスに約１４０ｍｓｅｃ必要であった。
【００６０】
これに対して、図３に示す本発明の一実施形態の場合は、継続的にＭＳ^２のイオン分離を分離カラム４で行い、衝突誘起解離をスリット電極２２で行うため、イオントラップ３１ではＭＳ^３のみを行うこととなり、ＭＳ^２のイオン分離と衝突誘起解離の時間を排除することができる。
【００６１】
これにより、本発明の一実施形態においては、１シーケンスに必要とする時間を約８０ｍｓｅｃに短縮できることになり、単位時間当たりのイオントラップ３１の操作回数が増え、Ｓ／Ｎ比が向上し、検出感度を上げることができる。特に、結合エネルギーの大きな分子イオンの場合、衝突誘起解離に長い時間が必要となるため、本発明による効果は大きい。
【００６２】
ここで、図４に示した例は、衝突誘起解離をイオントラップ内のみで行う場合であって、分離カラムを使用する場合の例であるが、分離カラムを用いない場合も考えられる。
【００６３】
図５は、衝突誘起解離をイオントラップ内のみで行う場合であって、分離カラムを使用しない場合のイオントラップ質量分析装置の動作について、マススペクトルを用いた説明図である。
【００６４】
図５の例の場合は、（１）に示すマススペクトルの試料が、イオントラップに取り込まれた後、イオン分離→衝突誘起解離→イオン分離→衝突誘起解離が行われ、ＭＳ^２及びＭＳ^３共にイオントラップ内で行われる。
【００６５】
したがって、図５の例の場合も、図４の例と同様に、１シーケンスで約１４０ｍｓｅｃ必要である。
【００６６】
以上のように、本発明の一実施形態によれば、分離カラムによりＭＳ^２であるイオン分離を行い、その後、イオントラップにイオンを取り込むためのイオンガイドによりイオンを急加速して、衝突誘起解離を行い、イオントラップ内ではＭＳ^３のみ行うように構成したので、イオントラップ質量分析装置のＭＳ^ｎ分析の感度を向上可能なイオントラップ質量分析方法及び装置を実現することができる。
【００６７】
なお、上述した一実施形態において、スリット電極２２の電圧を第１イオンガイド２１のオフセット電圧付近にすると衝突誘起解離は行われず、イオントラップの動作はＭＳ^２になる。
【００６８】
また、上述した一実施形態においては、イオンガイドを８重極と述べたが４重極や６重極などのマルチポールでもよい。そして、スリット電極２２前段の第１イオンガイド２１において質量分離操作を行えば、イオン分離の精度を上げることが可能である。
【００６９】
また、イオントラップ３１の後段に飛行時間型質量分析装置などの質量分離部を配置すれば、イオントラップ３１からの排出を質量分離することなく操作することができるため、１シーケンスに必要とする時間をさらに短縮することができる。
【００７０】
【発明の効果】
本発明によれば、イオントラップの前段にてＭＳ^２が行われるため、イオントラップ内ではＭＳ^３のみを行えばよいので、ＭＳ^３時のイオントラップの動作時間が短縮し、単位時間当たりのイオントラップの操作回数が増え、Ｓ／Ｎ比が向上し、検出感度を上げることができる。
【００７１】
したがって、イオントラップ質量分析装置のＭＳ^ｎ分析の感度を向上可能なイオントラップ質量分析方法及び装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である質量分析装置の概略構成図である。
【図２】第１イオンガイド、第２イオンガイドおよびスリット電極に印加される電位勾配の概念図である。
【図３】本発明の一実施形態におけるイオントラップ質量分析装置の動作説明図である。
【図４】本発明とは異なり、衝突誘起解離はイオントラップ内のみで行う一例におけるイオントラップ質量分析装置の動作説明図である。
【図５】本発明とは異なり、衝突誘起解離はイオントラップ内のみで行う他の例におけるイオントラップ質量分析装置の動作説明図である。
【符号の説明】
１移動相
２送液ポンプ
３サンプルインジェクタ
４分離カラム
５イオン源
１１第１細孔
１２第２細孔
２１第１イオンガイド
２２スリット電極
２３第２イオンガイド
３１イオントラップ
３２フォーカス電極
４１イオン検出器
５１、５２真空チャンバ
６１、６２ターボ分子ポンプ
６５ロータリーポンプ

Claims

試料を成分単位に第１のイオン分離を行い、分離した試料をイオン化し、イオン化した試料の第１の衝突誘起解離を行ってイオントラップに導き、イオントラップ内で第２のイオン分離を行った後、第２の衝突誘起解離を行って、質量分離を行い、イオンを検出することを特徴とするイオントラップ質量分析方法。
試料を成分単位に第１のイオン分離を行い、分離した試料をイオン化し、イオン化した試料の第１の衝突誘起解離を行ってイオントラップに導き、イオントラップ内で第２のイオン分離を行った後、第２の衝突誘起解離を行い、イオントラップの後段に配置された質量分離部でイオンを質量電荷比で質量分離して、イオンを検出することを特徴とするイオントラップ質量分析方法。
請求項１または２記載のイオントラップ質量分析方法において、上記第１の衝突誘起解離は、電位勾配を有する複数の電極により行われることを特徴とするイオントラップ質量分析方法。
試料を導入する試料導入部と、導入した試料を成分単位に第１のイオン分離を行う試料分離部と、
分離した試料をイオン化するイオン化部と、
イオン化した試料の第１の衝突誘起解離を行ってイオントラップに導くイオンガイド部と、
導かれたイオンを閉じ込め、第２のイオン分離、第２の衝突誘起解離、及び質量分離を行うイオントラップと、
質量分離されたイオンを検出する検出部と、
を備えることを特徴とするイオントラップ質量分析装置。
試料を導入する試料導入部と、導入した試料を成分単位に第１のイオン分離を行う試料分離部と、
分離した試料をイオン化するイオン化部と、
イオン化した試料の第１の衝突解離を行ってイオントラップに導くイオンガイド部と、
導かれたイオンを閉じ込め、第２のイオン分離及び第２の衝突誘起解離を行うイオントラップと、
イオンを質量電荷比で分離する質量分離部と、
質量分離されたイオンを検出する検出部と、
を備えることを特徴とするイオントラップ質量分析装置。
請求項４または５記載のイオントラップ質量分析装置において、上記イオンガイド部は、電位勾配を有する複数の電極を有することを特徴とするイオントラップ質量分析装置。
請求項６記載のイオントラップ質量分析装置において、上記複数の電極は、第１の電圧が印加される第１のイオンガイド電極と、第１の電圧より小さい第２の電圧が印加される第２のイオンガイド電極と、第１のイオンガイド電極と第２のイオン電極との間に配置され、上記第１の電圧より大の第３電圧が印加される８スリット電極を有し、イオン化した試料は、第１のガイド電極からスリット電極及び第２の電極を通過されることを特徴とするイオントラップ質量分析装置。