JP2007227042A - らせん軌道型飛行時間型質量分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明はらせん軌道型ＴＯＦＭＳに関し、コンパクトなスペースで、らせん軌道型ＴＯＦＭＳ１台でＭＳⁿができる装置として用い、またらせん軌道型ＴＯＦＭＳが本来持っている高分解能、高質量精度の機能を十分に生かした高度なＭＳｎを効率よく実現することを目的としている。
【解決手段】 らせん軌道型ＴＯＦＭＳにおいて、該ＴＯＦＭＳの両端に設けた、イオンの加速と減速を行なうことができる加速減速部３３，３４と、該加速減速部３３，３４によりイオンをＴＯＦＭＳ空間を往復させてＴＯＦＭＳ機構を実現する往復手段とを設けて構成される。
【選択図】図１

Description

本発明はらせん軌道型飛行時間型質量分析装置に関する。更に、詳しくは質量分析法における、ＭＳⁿと呼ばれる有機化合物構造解析法に活用するものである。特に、特定の対象イオンを選択して、そのイオンをＣＩＤ（衝突誘起解離）等で解離させ、更に解離イオンの一つを選択して質量分析させることにより、対象イオンの構造情報を得る装置に関するものである。

飛行時間型質量分析装置（以下ＴＯＦＭＳと略す）は、一定の加速エネルギーで加速した試料イオンが質量に応じた飛行速度を持つことに基づき、一定距離を飛行するのに要する飛行時間を計測して質量を求めるものである。図３にＴＯＦＭＳの測定原理を示す。図において、５はパルスイオン源であり、イオン生成部６とパルス電圧発生器７とで構成されている。

パルス電圧発生器７により電界中に存在するイオンｉを加速する。ここで、加速する電圧はパルス状電圧である。この加速電圧による加速と、イオン検出器９による時間測定とが同期している。イオン検出器９は、パルス電圧発生器７による加速と同時に時間のカウントを開始する。そして、当該イオンがイオン検出器９に到達すると、イオン検出器９はイオンｉの飛行時間を測定する。一般に、この飛行時間は、質量が大きいほど長くなる。質量の小さいイオンは早くイオン検出器９に到達するので、飛行時間は短くなる。

このＴＯＦＭＳの質量分解能は、総飛行時間をＴ、ピーク幅をΔＴとすると、
Ｔ／２ΔＴで表される。即ち、ピーク幅ΔＴを一定にして、総飛行時間Ｔを延ばすことができれば、質量分解能を向上させることができる。この総飛行時間をのばすために開発されたのが、多重周回型飛行時間型質量分析装置である（例えば非特許文献１参照）。この多重周回型ＴＯＦＭＳは、円筒電場にプレートを組み合わせたトロイダル電場を４個用い、８の字型の周回軌道を多重周回させることにより、総飛行時間Ｔを延ばすことができる。

しかしながら、この閉軌道を多重周回させるＴＯＦＭＳでは、いわゆる「追い越し」の問題が発生する。ここで、「追い越し」とは、閉軌道をイオンが多重周回しているため、速度の大きい軽いイオンが速度の小さい重いイオンを追い越してしまうことをいう。このため、検出面に軽いイオンから順に到着するというＴＯＦＭＳの基本概念が通用しなくなる。

そこで、このような問題を解決するために考案されたのが、らせん軌道型ＴＯＦＭＳである。このらせん軌道型ＴＯＦＭＳは、閉軌道の始点と終点を閉軌道面に対して垂直方向にずらすことを特徴としている。これを実現するために、イオンを初めから斜めに入手する方法（例えば特許文献１参照）や、デフレクタを用いて閉軌道の始点と終点を垂直方向にずらす方法（例えば特許文献２参照）がある。

図４はらせん軌道型ＴＯＦＭＳの概念図である。１０はパルスイオン源、１６は該パルスイオン源１０からのイオン軌道を調整するためのデフレクタ、１７は図に示すように対象に配置された電極である。該電極１７で形成される電場をそれぞれ積層トロイダル電場１〜４とする。Ａは周回部始点および終点である。電極１７は、図の紙面に垂直な方向にらせん軌道をもっている。１５は、らせん軌道を通過したイオンを検出する検出器である。図で、Ａは周回部の開始点であると同時に、周回の終点でもある。
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｊａｐａｎ Ｖｏｌ．Ｎｏ．２（Ｎｏ．２１８）２００３ ｐ３４９−３５３ 特開２０００−２４３３４５号公報（第２頁、第３頁、図１） 特開２００３−８６１２９号公報（第２頁、第３頁、図１）

従来、らせん軌道型ＴＯＦＭＳにおいて、ＭＳⁿを実現するためのアイデア等は示されているが、一つのらせん軌道を逆回転を含め何度の使用をするという使い方はされていない。また、一つの加速機構をその両方の目的に使用するということもなかった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、コンパクトなスペースで、らせん軌道型ＴＯＦＭＳ１台でＭＳⁿができる装置として用い、またらせん軌道型ＴＯＦＭＳが本来持っている高分解能、高質量精度の機能を十分に生かした高度なＭＳⁿを効率よく実現することを目的としている。

（１）請求項１記載の発明は、らせん軌道型飛行時間型質量分析装置において、該飛行時間型質量分析装置の両端に設けた、イオンの加速と減速を行なうことができる加速減速部と、該加速減速部によりイオンを飛行時間型質量分析装置空間を往復させて飛行時間型質量分析装置機構を実現する往復手段と、を設けたことを特徴とする。
（２）請求項２記載の発明は、らせん軌道型飛行時間型質量分析装置が周回毎に中間収束点を持つことを利用し、検出器を両端の中間収束点に設けたことを特徴とする。
（３）請求項３記載の発明は、らせん軌道型飛行時間型質量分析装置が周回毎に中間収束点を持つことを利用し、検出器の１周手前の中間収束点に、それから入射し、またそれから出射する加速減速部を設け、選択したイオンの飛行時間に合わせてこの部分のセクター部を前記加速減速部又は検出器の何れかに切り替えるスイッチとして利用することを特徴とする。
（４）請求項４記載の発明は、選択したイオンを適当なタイミングで、再びらせん軌道型飛行時間型質量分析装置に向けて打ち出す手段を設けたことを特徴とする。

（１）請求項１記載の発明によれば、加速減速部を加速機能又は減速機能として利用することにより、らせん軌道内を往復運動させることができ、対象イオンの構造情報を得ることができる。
（２）請求項２記載の発明によれば、検出器をらせん軌道の両端の中間収束点に設けるようにしたので、必要に応じてらせん軌道両端に設けた検出器の何れかを用いてイオンを検出することが可能となる。
（３）請求項３記載の発明によれば、らせん軌道上を往復運動するイオンを、加減速部又は検出器の何れに到達させるかをセクター部を用いてスイッチングすることができる。
（４）請求項４記載の発明によれば、トラップしたイオンを再びらせん軌道型ＴＯＦＭＳに向けて打ち出すことにより、イオンをらせん軌道上で往復させることが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。図１は本発明の一実施の形態例を示す構成図である。図において、３０はイオンを発生させるイオン源、３１は該イオン源３０から放出されたイオンをトラップするイオントラップ１、３３はイオントラップ１から放出されたイオンを加速すると共に、らせん軌道からイオントラップ１側に入ってくるイオンを減速させる加速減速部１である。該加速減速部１は、検出器２の１周手前に設けられている。

２０はらせん軌道型ＴＯＦＭＳであり、図では１〜８までの８層のらせんを有している。２１はらせん軌道の一端の中間収束点に設けられたイオンを検出するための検出器２、２２はらせん軌道の他端の中間収束点に設けられたイオンを検出するための検出器１である。２３はらせん軌道の第１の層に設けられたセクター部１、２４はらせん軌道の第７の層に設けられたセクター部２である。

セクター部１は、らせん軌道を往復運動しているイオンを加速減速部１に導くか、検出器２に導くかの選択を行なうスイッチとして動作する。一方、セクター部２は、らせん軌道を往復運動しているイオンを加速減速部２に導くか検出器１に導くかを選択を行なうスイッチとして動作する。３２はイオントラップ２、３４は検出器１の１周手前に設けられたイオンの加速又は減速を行なう加速減速部である。加速減速部２及びイオントラップ２はらせん軌道に対し、加速減速部１及びイオントラップ１の反対側に設けられている。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

ここでは、８周回の場合を例にとって説明する。
（通常のＴＯＦＭＳとしての動作）
イオン源３０で作られたイオンは、先ずはイオントラップ１に入る。ここでトラップされたイオンは適当なタイミングで３０ｅＶ程度のエネルギーで打ち出され、加速減速部１を経て１０ｋｅＶ程度に加速される。その後、セクター部１を通過して、らせん軌道型ＴＯＦＭＳのらせんの１の部分に打ち込まれる。その後、そのままらせん軌道を周回飛行し、らせん８の部分にある検出器１で検出され、高分解能、高精度飛行時間質量分析される。ここで、検出器１は、らせん軌道型ＴＯＦＭＳの中間収束点に設置されることにより、分解能が最適化される。
（ＭＳ／ＭＳのＴＯＦＭＳとしての動作）
上記の通常のＴＯＦＭＳとしての動作の結果、構造解析したい対象イオンを特定する。その対象イオンが、上記と同様な過程を経て、らせんの７の部分にあるセクター部２を通過する飛行時間のタイミングで、加速減速部２に導くようにセクター部２をスイッチングさせる。ここで、セクター部２は、検出器１の１周手前に設置され、中間収束点から効率よく減速させるように設置されている。ここで、３０ｅＶ程度に減速されたイオンは、イオントラップ２に導かれる。ここで、選択されたイオンはＣＩＤ等により開裂される。

次に、開裂されたイオンは適当なタイミングで、イオントラップ２から再び３０ｅＶ程度のエネルギーで打ち出され、加速減速部２を経て１０ｋｅＶ程度に加速される。その後、セクター部２を通過され、らせん軌道型ＴＯＦＭＳのらせん７の部分に打ち込まれる。そして、らせんの０の部分にある検出器２で検出され高分解能、高精度飛行時間質量分析される。このことにより、ＭＳ／ＭＳが可能となる。
（ＭＳⁿのＴＯＦＭＳとしての動作）
上記のＭＳ／ＭＳのＴＯＦＭＳとしての動作の結果、更に開裂させて調べたいイオンがあった場合には、このイオンが上記と同様な過程を経て、らせんの１の部分にあるセクター部１を通過する飛行時間のタイミングで加速減速部１に導くようにセクター部１をスイッチングさせる。ここで選択されたイオンは３０ｅＶ程度に減速され、イオントラップ１に導かれる。ここで、選択されたイオンはＣＩＤ等により、更に開裂される。

次に、開裂されたイオンは適当なタイミングで、イオントラップ１から再び３０ｅＶ程度のエネルギーで打ち出され、加速減速部１を経て１０ｋｅＶ程度に加速される。その後セクター部１を通過され、らせん軌道型ＴＯＦＭＳのらせん１の部分に打ち込まれる。そして、らせんの８の部分にある検出器１で検出され、高分解能、高精度飛行時間質量分析される。このことにより、ＭＳ³が可能となる。

このような動作を繰り返すことにより、ＭＳⁿのＴＯＦＭＳとしての動作が可能となる。
以上、説明したように、本発明によれば、加速減速部を加速機能又は減速機能として利用することにより、らせん軌道内を往復運動させることができ、対象イオンの構造情報を得ることができる。また、本発明によれば、検出器をらせん軌道の両端の中間収束点に設けるようにしたので、必要に応じてらせん軌道両端に設けた検出器の何れかを用いてイオンを検出することが可能となる。

また、本発明によれば、らせん軌道上を往復運動するイオンを、加減速部又は検出器の何れに到達させるかをセクター部を用いてスイッチングすることができる。更に、トラップしたイオンを再びらせん軌道型ＴＯＦＭＳに向けて打ち出すことにより、イオンをらせん軌道上で往復させることが可能となる。

同じ軌道を逆方向に何度も使用するという技術は、前述したらせん軌道に限らず、例えば図２に示すリフレクトロン型ＴＯＦＭＳにおいても可能であると思われる。図２において、図１と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、３０はイオン源、３１はイオントラップ１、３２はイオントラップ２、３３は加速減速部１、３４は加速減速部２、３７は加速減速部２と接する中間収束点１、３８は加速減速部１と接する中間収束点である。

中間収束点周回毎にあるらせん軌道型ＴＯＦＭＳの場合に対し、リフレクトロン型ＴＯＦＭＳの場合は、中間収束点に実際に検出器を配置することが設置スペース上難しい。また、リフレクトロン型の中間収束点３７，３８では、質量分散が小さいため、分解能が非常に低くなり、実用的な難点もある。

本発明の一実施の形態例を示す構成図である。 本発明のリフレクトロン型ＴＯＦＭＳへの適用を示す図である。 ＴＯＦＭＳの測定原理を示す図である。 らせん軌道型ＴＯＦＭＳの概念図である。

符号の説明

２０ らせん軌道型ＴＯＦＭＳ
２１ 検出器２
２２ 検出器１
２３ セクター部１
２４ セクター部２
３０ イオン源
３１ イオントラップ１
３２ イオントラップ２
３３ 加速減速部１
３４ 加速減速部２

Claims (4)

1. らせん軌道型飛行時間型質量分析装置において、該飛行時間型質量分析装置の両端に設けた、イオンの加速と減速を行なうことができる加速減速部と、
   該加速減速部によりイオンを飛行時間型質量分析装置空間を往復させて飛行時間型質量分析装置機構を実現する往復手段と、
   を設けたことを特徴とするらせん軌道型飛行時間型質量分析装置。
2. らせん軌道型飛行時間型質量分析装置が周回毎に中間収束点を持つことを利用し、検出器を両端の中間収束点に設けたことを特徴とする請求項１記載のらせん軌道型飛行時間型質量分析装置。
3. らせん軌道型飛行時間型質量分析装置が周回毎に中間収束点を持つことを利用し、検出器の１周手前の中間収束点に、それから入射し、またそれから出射する加速減速部を設け、選択したイオンの飛行時間に合わせてこの部分のセクター部を前記加速減速部又は検出器の何れかに切り替えるスイッチとして利用することを特徴とする請求項１記載のらせん軌道型飛行時間型質量分析装置。
4. 選択したイオンを適当なタイミングで、再びらせん軌道型飛行時間型質量分析装置に向けて打ち出す手段を設けたことを特徴とする請求項３記載のらせん軌道型飛行時間型質量分析装置。

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