JP2009289628A - 飛行時間型質量分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
広い測定質量範囲をもつ質量分析装置において、高質量または低質量での測定感度が低下する。
【解決手段】
加速されたイオンが検出器までに到達する飛行時間を測定することにより、質量数を測定する、飛行時間型質量分析装置において、測定質量数に応じて検出器表面に印加する電圧を走査する。または、飛行空間と検出器の間に電極を設け、電極に印加する電極の電圧を走査することにより、広い質量範囲において、高い検出効率で測定可能な飛行時間型質量分析装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、飛行時間により質量分離を行う質量分析装置に関する。

生体分子の構造解析を行う方法の１つとして、質量分析法がある。質量分析法は、生体分子を構成する物質による質量数により同定を行う。さらに、近年リン酸や糖鎖などにより機能修飾された蛋白質を測定するニーズが高まってきている。現在この分野では、加速されたイオンが検出器までに到達する飛行時間を測定することにより、質量数を測定する、飛行時間型質量分析装置が主流となっている。また、飛行時間型質量分析装置では、Micro Channel Plate（ＭＣＰ）と呼ばれる検出器が主に用いられており、その検出効率を改善する方法（例えば、特許文献１参照。）が、考えられてきた。

質量分析の分野では、四重極型や磁場型など様々な質量分析装置が用いられてきた。しかし、これらの装置では、装置の大きさ，電磁場の強度，制御電圧および分解能などの制限により測定可能な質量範囲に制限があった。また、従来の質量分析装置では、測定イオンを質量分離後、一定電圧で加速し測定する後段加速により、高質量イオンの測定感度を向上させる手法が用いられてきた（例えば、特許文献２，３，４参照。）。

米国特許第６９０６３１８号公報 特開２００１−３５１５６５号公報 特開２００１−３５１５６６号公報 特開２００５−２９８６０３号公報

質量分析の検出器においては、加速電圧に依存して検出器での検出効率が変化する可能性が考えられる。特に、広い質量範囲での測定を考えた場合、従来用いられてきた一定電圧の後段加速では、低質量数または高質量数において検出効率の低下が発生する可能性が考えられる。また、飛行時間型質量分析装置においては、電界に加速を用いているため、飛行空間内部の電界を変化させると検出器表面での収束性能が変化し、分解能および質量精度などの性能が変化する可能性が考えられる。また、飛行時間型質量分析装置おいて、高質量数イオンの検出効率が低下する可能性が考えられる。

本発明の目的は、広い質量範囲において、高い検出効率で測定可能な飛行時間型質量分析装置を提供することにある。

本発明の１つの特徴は、飛行時間型質量分析装置おいて、測定質量数に応じて検出器表面に印加する電圧を走査することにある。

または、本発明の他の特徴は、飛行空間と検出器の間に電極を設け、電極に印加する電極の電圧を走査することにある。

本発明によれば、広い質量範囲において、高い検出効率で測定可能な飛行時間型質量分析装置を提供することができる。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

図１に、本実施例の飛行時間型質量分析システムを示す。符号１は、飛行時間型質量分析装置、符号２は検出部を示す。

飛行時間型質量分析装置は、試料分離部１２で分離された生体試料などの試料をイオン化部１３において、イオン化を行う。本実施例は、検出器部分に注目したものであり、適応できる試料分離部１２には、ガスクロマトグラフ（ＧＣ），液体クロマトグラフ（ＬＣ）およびキャピラリー電気泳動（ＣＥ）などが考えられる。イオン化部１３から、飛行時間型質量分析装置１へイオン化された試料が入射する。試料分離部１２，イオン化部１３，飛行時間型質量分析装置１，検出部２は、ネットワーク又は、信号線により、制御部１６，データ処理部１９に接続され、更に、ユーザ入力部１７，表示部１８，たんぱく質データベース２０へ接続される。

また、ＬＣおよびＣＥとの接続時のイオン化部１３としては、マトリックス補助イオン化法（ＭＡＬＤＩ），エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ），大気圧化学イオン化法（ＡＰＣＩ），大気圧光イオン化法（ＡＰＰＩ），大気圧マトリックス補助イオン化法（ＡＰ−ＭＡＬＤＩ）などの各種大気圧イオン化法が適応できる。その他のＧＣとのイオン化法としては、電子衝撃イオン化法（ＥＩ），化学イオン化法（ＣＩ），直接注入法（ＤＩ）などの方法も適応できる。

また、図１で示す装置構成としては、ハイブリット型で直交方式の飛行時間型質量分析装置であるが、本特許の適応範囲としては、同軸型、同軸方式のリフレクタ型，直交方式のリフレクタ型のどの方式にも適応できる。

また、飛行時間型質量分析装置１の前段部分に配置されるイオン光学系においても、一段の多重極レンズを用いる方式，多段の多重極イオンガイドを用いる方式および多段のリング状のレンズを配置する方式と組み合わせた場合にも適応可能である。

図２に検出部２の構成を示す。検出部２は、検出器入射側電極４，検出器出射側電極５および二次電子を検出するアノード電極６によって構成される。装置のイオン光学系の配置によりＴＯＦ光学系電極３がある場合とない場合がある。

通常の飛行時間質量分析装置では、ＴＯＦ光学系電極３と検出器入射側電極４に同電位の電圧が印加されている。本実施例では、検出器入射側電極４に電圧印加する。これより、ＴＯＦ光学系電極３と検出器入射側電極４との間でイオンが再加速される。再加速により、高質量イオンの検出効率が向上するように電圧を印加する。この際に、ＴＯＦ光学系電極３は、ＴＯＦ光学系電極３と検出器入射側電極４の電極間で発生した電界がＴＯＦ内部に染み込まないように、メッシュ電極で構成されることが望ましい。

通常正イオンを測定する場合の飛行時間型質量分析装置の電圧配置としては、数ｋＶの正のパルス電圧を印加して飛行を開始させ、飛行空間内にはパルス電圧以下の電圧を印加し、パルス電圧と飛行空間の電位差によりイオンを加速する。

加速されたイオンは、検出部２へ入射する。飛行時間型質量分析装置の各電極の境界領域には、電界の染み出しを抑える為に、メッシュ電極を用いることが望ましい。但し、電界の変化がイオン軌道に与える影響が小さい場合には、その限りではない。

このため、ＴＯＦ光学系電極３の電圧は、装置構成により、ＧＮＤ電位が用いられる場合と数ｋＶの電圧が印加される場合の２種類が考えられる。ＧＮＤ電位で制御する場合には、加速部分の加速電圧により発生する検出器入射エネルギーおよび速度からスキャンする電圧および時間を変化させる。

また、数ｋＶの電圧が印加される場合には、加速電圧から電圧の走査を開始し、最大質量数から導き出した最大電圧まで走査を行う。

例えば、正イオンにおいて、パルス電圧を＋１ｋＶにおいて加速し、飛行空間内に−３ｋＶの電圧を印加した場合、全加速電圧は４ｋＶとなる。この場合、最初の検出器入射電圧には、飛行空間と同じ−３ｋＶが設定される。質量数の高いイオンを測定する際には、加速電圧が大きくなるように電圧を変化させる。例えば、検出器入射電圧に、−３ｋＶから−１０ｋＶまで電圧を変化させる。

ＴＯＦ光学系電極は、飛行時間型質量分析装置の位置およびエネルギーの収束位置に配置する事が望ましい。この場合、再加速に伴う質量数の補正については、再加速電圧により加速されるイオンの速度と距離から求められた時間により補正が可能となる。

収束点以外に配置する場合には、ＴＯＦ光学系電極でのイオンエネルギーのバラツキが、大きくなり、補正係数が複雑化する。よって、ＴＯＦ光学系電極は、飛行時間型質量分析装置の位置およびエネルギーの収束位置に配置する事が望ましい。

電圧の走査では、開始および終了時間および電圧については、測定を行う質量範囲および正イオンまたは負イオンを測定するかに依存するため、高電圧印加時の立ち上がりおよび立ち下がりの時定数を考慮した時間および電圧とする必要がある。

例えば、−４ｋＶの加速で飛行距離２ｍの飛行空間を飛行させた場合、質量数５０〜２５,０００のイオンを測定する場合の測定時間は、測定開始時間が１５μｓであり、測定終了時間が３６０μｓとなる。この場合、１６〜３６０μｓの間電圧を走査し、次の走査開始の０〜１６μｓまでの間に、最初の電圧に変化させる。

図３に、本実施例の電圧印加シーケンスの一例を示す。検出部２の電圧は、検出器入射部分電圧と連動して変化する必要があるため、図３には同じ制御シーケンスとして記載しているが、実際には、其々別々の電圧が印加される。

通常の使用条件では、検出器２の入出射側の電極間に１.５〜２.５ｋＶ程度の電圧が印加される。このため、正イオンを測定する際には、検出器入射電圧を−３ｋＶとした場合、検出器出射電圧には、−１ｋＶ程度の電圧が印加され、アノード電極には−５００Ｖ程度の電圧が印加される。また、負イオンを測定する際に、検出器の入射電圧を＋３ｋＶと設定した場合、検出器出射電圧には、＋５ｋＶの電圧が印加され、アノード電極には、＋５.５ｋＶが印加される。

ＴＯＦのまた、電子およびイオンの入射エネルギーに対する検出効率の関係を図４および図５に示す。すなわち、図４は、電子の入射エネルギーに対する二次電子放出図の一例であり、図５は、電子およびイオンの検出器への入射電圧に対する検出効率の一例である。

図６に実施例２の飛行時間型質量分析装置の検出部の構成を示す。検出部は、イオン入射方向側から順に、検出器入射側電極４，検出器出射側電極５および二次電子を検出するアノード電極６が配置することによって構成される。更に、本実施例では、検出器入射側電極４のイオン入射方向側に、電圧印加電極７を配置する。

飛行時間型質量分析装置は、試料分離部１２で分離された生体試料などの試料をイオン化部１３において、イオン化を行う。本特許は、検出器部分に関するものであり、適応できる試料分離部には、ガスクロマトグラフ（ＧＣ），液体クロマトグラフ（ＬＣ）およびキャピラリー電気泳動（ＣＥ）などが考えられる。

また、ＬＣおよびＣＥとの接続時のイオン化部としては、マトリックス補助イオン化法（ＭＡＬＤＩ），エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ），大気圧化学イオン化法（ＡＰＣＩ），大気圧光イオン化法（ＡＰＰＩ），大気圧マトリックス補助イオン化法（ＡＰ−ＭＡＬＤＩ）などの各種大気圧イオン化法が適応できる。その他のＧＣとのイオン化法としては、電子衝撃イオン化法（ＥＩ），化学イオン化法（ＣＩ），直接注入法（ＤＩ）などの方法も適応できる。

また、図６で示す装置構成としては、ハイブリット型で直交方式の飛行時間型質量分析装置であるが、本特許の適応範囲としては、同軸型，同軸方式のリフレクタ型，直交方式のリフレクタ型のどの方式にも適応できる。

本実施例では、検出器入射電極の前に、図３のＴＯＦ電極と同様の電圧印加電極７を追加することにより、実施例１と同様に高質量数イオンの測定が可能となる。

電圧印加電極７の設置位置は、実施１と同様に飛行時間型質量分析装置の位置およびエネルギー収束位置にあることが望ましい。また、この電極の走査前の電位は、飛行空間に印加されている電圧と同電位になるようにすることが望ましい。

次に、実際の加速電圧の印加方式に関する実施例３を示す。実施例１で示した数式から、飛行時間と質量数および時間が導かれる。電子と水素イオンおよびＡｒイオンの質量差から判断した場合、この質量数比は、２０００〜８００００倍ある。数式１より、速度は、エネルギーと質量数の１／２乗に比例することから、４０〜２５０倍程度の速度となる。

実際の検出効率から判断すると、この場合に数十の質量数から数万の質量数までを最適感度で検出する為には、加速電圧を２００Ｖ〜１０ｋＶ程度まで加速することが必要となる。また、これ以上の質量数を検出する場合には、数１０ｋＶの電圧にて再加速を行うことが望ましい。

飛行時間型質量分析装置の構成例の説明図。 実施例１の飛行時間型質量分析装置の検出部の構成例の説明図。 電圧印加シーケンスの一例の説明図。 電子の入射エネルギーに対する二次電子放出の一例の説明図。 電子およびイオンの検出器への入射電圧に対する検出効率の一例の説明図。 実施例２の飛行時間型質量分析装置の検出部の構成例の説明図。

符号の説明

１ 飛行時間型質量分析装置
２ 検出部
３ ＴＯＦ光学系電極
４ 検出器入射側電極
５ 検出器出射側電極
６ アノード電極
７ 電圧印加電極

Claims (7)

1. 加速されたイオンが検出器までに到達する飛行時間を測定することにより、質量数を測定する、飛行時間型質量分析装置において、
   前記検出器の入射側表面に印加する電圧を走査することを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
2. 請求項１において、
   前記検出器は、入射側電極を有し、
   入射側表面に印加する電圧とは、前記入射側電極に印加する電圧であることを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
3. 請求項２の質量分析装置において、測定質量数に応じて、前記入射側電極に印加する電圧を走査することを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
4. 加速されたイオンが検出器までに到達する飛行時間を測定することにより、質量数を測定する、飛行時間型質量分析装置において、
   前記検出器は、入射側電極を有し、
   前記入射側電極の更に入射側に電圧印加電極を設け、
   前記電圧印加電極に印加する電圧を走査することを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
5. 請求項３の質量分析装置において、測定質量数に応じて、前記電圧印加電極に印加する電圧を走査することを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
6. 請求項１乃至５いずれかの質量分析装置において、印加する電圧が、２００Ｖから１０ｋＶであることを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
7. 請求項１乃至５いずれかの質量分析装置において、
   前記検出器は、入射側電極の入射側と反対側に、検出器出射側電極とアノード電極とを有することを特徴とする飛行時間型質量分析装置。

Images