JP3788538B2 - Mass spectrometer - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオントラップ等の質量分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオントラップ等の質量分析装置による質量分析において、第１段の質量分析工程において特定のイオンを選択し、第２段の質量分析工程でそのイオンの分解を測定するＭＳ／ＭＳ分析（タンデム分析）が知られている。このＭＳ／ＭＳ分析を行う場合には、まず分析対象物から特定の質量を有するイオンを親イオン（以後、分析対象イオンとする）として選別し、選別した分析対象イオンをＣＩＤ（Collision Induced Dissociation：衝突誘起解離）によって解離させ、分析対象イオンを構成する子イオンを生成する。その後、この子イオンを質量分析することによって、分析対象イオンの質量や化学構造についての情報を得ることができる。ＣＩＤはイオンを中性分子と衝突させることによって、イオンを衝突活性させて分解させる処理である。質量分析装置において、分析対象イオンを衝突解離させるＣＩＤは、質量分析装置の分析領域内部にバッファーガスとしてＨｅ（ヘリウム）あるいはその他のガスを一定濃度まで導入し、選別された分析対象イオンをこのガス原子あるいはガス分子に衝突させて分析対象イオンから子イオンへの解離を生じさせる。この衝突解離では、衝突の際のイオンの運動エネルギーを上昇させて解離反応を促進させることによって、解離効率を高めることができる。通常、イオンに運動エネルギーを付与する方法として、励起交流電界によってイオンを加速する方法が用いられている。
【０００３】
上記励起交流電界によるイオン加速において、分析対象イオンが持つ固有共鳴周波数に一致した周波数の励起交流電界をイオンに印加することによって、解離反応を促進するのに充分な運動エネルギーを分析対象イオンに小電圧で付与することができる。これによって、イオンを分析領域に閉じこめるために使用する電磁界に対する影響を減少させ、質量分析の分解能の劣化を防止することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
イオントラップの質量分析装置では、分析領域内部に保持されているイオンはその質量／電荷比に応じた固有の共鳴の周波数で振動しており、この周波数と同じ周波数の交流電界を付与すると、振動の振幅は次第に増大する。この振幅の増大に伴ってイオンの運動エネルギーは増大し、この運動エネルギーが解離反応のしきい値エネルギーを越えると衝突解離が起こって子イオンが生成される。
【０００５】
しかしながら、この衝突解離の確率は、分析対象イオンやバッファーガスの種類、バッファーガスの圧力等に強く依存する。そのため、分析対象イオンの一部は、分析領域内に閉じこめることが困難となるほど大きな運動エネルギーを蓄積し、衝突解離を行う前に分析領域から散逸し、ＣＩＤの効率が低下するという問題点がある。
【０００６】
ＣＩＤの効率の低下は、バッファーガスの圧力や励起交流電界の電圧を調整することによって、ある程度は改善することができるが、種々の分析対象に対して最適な動作条件を選択することは、処理が煩雑となり現実的ではない。
【０００７】
そこで、本発明は前記した従来の質量分析装置の持つ問題点を解決し、質量分析装置において、分析領域からの分析対象イオンの損失を防ぐことを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の質量分析装置は、分析対象イオンに印加する励起交流電界の周波数を分析対象イオンが持つ固有共鳴周波数から一定量ずらすことによって、励起された分析対象イオンの振動の振幅を一定範囲内に限定して、過度の運動エネルギーの蓄積を防止し、これによって、分析対象イオンの分析領域からの散逸を防ぎ、ＣＩＤの効率の低下を防ぐものである。
【０００９】
本発明の質量分析装置は、分析対象イオンに振動を励起させ衝突誘起解離を生じさせる励起手段を備え、生成したイオンの質量分析を行う装置であって、励起手段は分析対象イオンの固有共鳴周波数からわずかに離れた周波数の励起交流電界を発生して分析対象イオンに印加し、分析対象イオンの振動を一定の振幅以下とするものである。
【００１０】
本発明の質量分析装置によれば、励起手段が発生する分析対象イオンの固有共鳴周波数からわずかに離れた周波数の励起交流電界によって分析対象イオンを振動させると、分析対象イオンはこの励起交流電界の周波数で振動を行う。この振動周波数は固有共鳴周波数からわずかにずれた周波数であるため、その振幅は固有共鳴周波数を印加した場合よりも小振幅となる。したがって、分析対象イオンの振動は一定の振幅以下となる。この振動振幅を質量分析装置の分析領域内とするように制御することにより、分析対象イオンが質量分析装置から散逸するのを防止することができる。
【００１１】
本発明の第１の実施態様は、励起用交流の周波数と電圧を固定し、ＲＦ電圧を変化させることによって、分析対象イオンの固有共鳴振動数を励起交流電界の周波数からわずかに離れた周波数とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照しながら詳細に説明する。
本発明の実施の形態の構成例について、図１の本発明の質量分析装置の実施形態を説明する概略ブロック線図を用いて説明する。図１に示す構成図は質量分析装置として、イオントラップ質量分析装置を例とするものであるが、本発明の質量分析装置は、イオントラップ質量分析装置に限らず、イオンサイクロトロン共鳴質量分析装置あるいはタンデム型四重極質量分析装置等に適用することができるものであり、一般に、ＣＩＤの分析対象イオンとして特定のイオンを保持または通過させ、分析対象イオンに振動を励起してＣＩＤ分析を行う励起手段を備えた質量分析装置に適用することができる。
【００１３】
図１において、質量分析装置１は、分析対象イオンに振動を励起させて衝突誘起解離を生じさせる励起手段を構成要素として持つイオントラップ２と、イオン生成用の電子発生装置３と、子イオンの質量分析を行う測定手段４と、前記励起手段２，電子発生装置３，および測定手段４を制御するための制御装置５を備える。
【００１４】
イオントラップ２は、内部が回転対称双曲面の形状を有する二つのエンドキャップ電極２１，２２と一つのリング電極２３を備え、リング電極２３にはＲＦ発生器２４が接続される。通常、このＲＦ発生器２４はリング電極２３に１ＭＨｚ程度の周波数の高周波電圧（ＲＦ電圧）を印加する。このとき、二つのエンドキャップ電極２１，２２は、ほぼ零電位に保持される。
【００１５】
三つの電極２１，２２，２３は内部に分析領域２５を形成する。印加されたＲＦ電圧は分析領域２５に四重極電場を形成し、この四重極電場は分析領域２５の内部にイオンを閉じこめる。
【００１６】
また、二つのエンドキャップ電極２１，２２間に逆相の電圧を印加すると、分析領域２５内にＣＩＤ分析を行うための励起用双極電場を形成することができる。エンドキャップ電極２１，２２には増幅器２６，２７が接続され、印加されたＲＦ電圧の同相電流を低インピーダンスで吸収し、同時に波形生成器２８で生成した電圧波形を逆相で印加する。
【００１７】
さらに、一方のエンドキャップ電極２１の外側には、分析領域内にイオンを生成させる電子を導入する電子発生装置３が設けられ、他方のエンドキャップ電極２２の外側にはイオン検出器４１が設置される。このイオン検出器４１にはプリアンプ４２およびデータ処理装置４３が接続される。また、上記電子発生装置３，ＲＦ発生器２４，波形生成器２８，データ処理装置４３には制御装置５が接続され、制御が行われる。
【００１８】
上記構成のイオントラップ２の一般的な使用においては、電子発生装置３で発生した電子を片方のエンドキャップ電極２１から導入し、イオントラップ内部の分析領域２５内でイオンの生成を行い、反対側のエンドキャップ電極２２からイオンを放出し、イオン検出器４１で検出を行う。
【００１９】
次に、イオントラップ２によるＭＳ／ＭＳ分析の処理について図２のフローチャート，および図３の信号線図を用いて説明する。
ＭＳ／ＭＳ分析では、はじめにイオンの生成を行う。このイオン生成工程では、分析試料をイオントラップの分析領域２５内に導入し、ＲＦ発生器２４で発生したＲＦ電圧をリング電極２３に印加し維持する（図３（ａ）のＡ）。次に、電子発生装置３で発生した電子をエンドキャップ電極２１の開口部を通して分析領域２５内に注入する（図３（ｂ）のゲート信号））。イオントラップの分析領域２５内では、分析試料と導入された電子との電子衝撃によって種々のイオンが形成される。これらイオンは、印加されたＲＦ電圧で形成される四重極電場によって分析領域２５内に閉じこめられる。
【００２０】
この分析領域２５内に閉じこめられる種々のイオンの運動は、Ｍａｔｈｉｅｕ方程式で知られる次式で記述される。
ｄ²ｒ／ｄｔ²＋（ｅ／ｍｒ₀ ²）（Ｕ−ＶcosΩｔ）ｒ＝０ …（１）
ｄ²ｚ／ｄｔ²−（２ｅ／ｍｒ₀ ²）（Ｕ−ＶcosΩｔ）ｚ＝０ …（２）
なお、ｍはイオンの質量、ｅはイオンの電荷、Ω，Ｖ，Ｕはリング電極のＲＦ電圧の振動周波数、交流電圧、および直流電圧であり、（ｒ，ｚ）は分析領域２５内の円筒座標を表している。
【００２１】
上記式によれば、一定の質量／電荷（ｍ／ｅ）比を有するイオンは、それぞれ固有の振動周波数ω₀ で分析領域２５内を振動する。また、軸方向（ｚ方向）と径方向（ｒ方向）にはそれぞれ別の固有共鳴周波数で独立な振動を行っている。
【００２２】
四重極電場によって閉じこめられているイオンは、分析領域２５内に導入されたバッファーガスと衝突を繰り返すことによって次第に運動エネルギーを失い、分析領域２５の中心に集められる（ステップＳ１）。
【００２３】
次に、分析領域２５内の閉じこめられている種々のイオンから、分析対象イオン（親イオン）の選別を行う（図３（ａ）のＣ）。この分析対象イオンの選別を行う第１の方法は、リング電極２３に直流電圧を重畳して、特定のｍ／ｅを有するイオンのみを分析領域２５内にとどめ、その他のイオンを不安定な振動によって分析領域２５外に放出する方法である。
【００２４】
図４は分析対象イオンの選別を行う第１の方法を説明するための図である。 図４において、縦軸はａz を表し横軸はｑz を表している。ここで、ａz ，ｑz はそれぞれ以下の式で表され、ａz は直流電圧Ｕに比例し、ｑz はＲＦ電圧Ｖに比例する。
【００２５】
ａz＝（−８ｅＵ）／（ｍｒ₀ ²Ω²） …（３）
ｑz＝（−４ｅＶ）／（ｍｒ₀ ²Ω²） …（４）
図４に示すｑz−ａz面において、実線で囲まれた領域は、イオンが分析領域内に安定して存在できる範囲を示している。イオンの生成を行うステップＳ１の終了直後には、親イオンとして選別されるべきイオンのパラメータ（ａz，ｑz）は、図４のＡ点で表される。そこで、ＲＦ電圧Ｖを増加させると、ｑz はＶに比例して増加し、図４のＢ点に至る。さらに、直流電圧Ｕを印加させることにより、パラメータ（ａz，ｑz）を図４のＣ点に移動させることができる。Ｃ点は安定領域の内側にあるため、この親イオンは分析領域内部に安定して捕捉される。一方、親イオンと異なるｍ／ｅ値を持つその他のイオンのパラメータ（ａz，ｑz）は、図４において、原点とＣ点を結ぶ直線上に並ぶことになる。Ｃ点を安定領域の頂点に良く接近させる様にＵとＶを制御すれば、その他のイオンのパラメータ（ａz，ｑz）を全て安定領域の外側へ移動させることが可能であり、分析領域からこれらのイオンを排除し、親イオンだけを分析領域に残すことができる。
【００２６】
分析対象イオンの選別を行う第２の方法は、エンドキャップ電極２１，２２間に全ての不要なイオンの固有共鳴振動数を含む複合合成電圧を印加して、特定のｍ／ｅを有するイオンのみを分析領域２５内にとどめ、その他のイオンを振動によって不安定な状態として分析領域２５外に放出する方法である（ステップＳ２）。
【００２７】
次に、ＣＩＤ（Collision Induced Dissociation：衝突誘起解離) を行って、前記ステップＳ２で分析領域内に残したイオンを解離させ、分析対象イオンを構成する子イオンを生成する（図３（ａ）のＥ）。
【００２８】
このとき、分析対象イオンを励起するためにエンドキャップ電極に励起用交流電圧を供給する（図３（ｃ））。分析対象イオンは、この励起用交流電圧によって運動エネルギーが増大し、その結果、分析対象イオンはエネルギー的に高い状態でバッファーガスと衝突する。この運動エネルギーが解離反応のしきい値エネルギーを越えると衝突解離が起こって子イオンが生成される。
【００２９】
しかしながら、前記従来例で示したように、衝突解離の確率は、分析対象イオンやバッファーガスの種類、バッファーガスの圧力等に強く依存するため、分析対象イオンの一部は分析領域に閉じこめることが困難となるほど大きな運動エネルギーを蓄積し、衝突解離を行う前に分析領域から散逸してしまい、子イオンの生成が不十分となる。
【００３０】
本発明の質量分析装置では、分析対象イオンの固有共鳴周波数ω₀ から一定量はずれた周波数ω₁ の励起交流電界を印加し、分析対象イオンの振動を一定の振幅以下に抑えることにより、分析対象イオンの質量分析装置からの散逸を防止するものであり、エンドキャップ電極２１，２２に印加するＲＦ電圧の周波数をω₀ からずれた周波数ω₁ とするものである。
【００３１】
以下、励起用交流電圧の周波数をω₀ からずれた周波数ω₁ とすることによって、分析対象イオンの質量分析装置からの散逸を防止する点について説明する。
【００３２】
分析領域２５内において、分析対象イオンの軸方向（ｚ軸方向）の運動は、以下のように考えることができる。
【００３３】
固有共鳴振動数ω₀ で分析領域２５内を振動する質量ｍの分析対象イオンには、時間平均すると、四重極電場によってイオントラップの中心に向かう力（−ｍω₀ ²ｚ）が働いている。また、この分析対象イオンはバッファーガスとの衝突によって、時間平均すると、（−ｍｋ（ｄｚ／ｄｔ））の摩擦力が働いている。なお、ｋは摩擦係数である。したがって、分析対象イオンには、上記二つの力が働き、その運動は以下に示される運動方程式によって表される。
【００３４】
ｄ²ｚ／ｄｔ²＋ｋ（ｄｚ／ｄｔ）＋ω₀ ²ｚ＝０ …（５）
上記式（５）から、分析対象イオンのｚ軸方向の振動は、バッファーガスとの衝突によって次式（６）で示される減衰項を伴って減衰し、分析領域２５の中心に集められる。
exp（−（ｋ／２）ｔ） …（６）
このとき、二つのエンドキャップ電極２１，２２に周波数ω₁ の励起用交流電圧（ｖcosω₁ｔ，−ｖcosω₁ｔ）を印加すると、分析領域２５内には、近似的に双極電界（ｖ／ｚ₀ ）cosω₁ｔが生じる。なお、ｚ₀ はイオントラップの中心からエンドキャップ電極２１，２２に至るまでの距離である。
このため、分析対象イオンは外力として、
ｍＡcosω₁ｔ …（７）
を受けることになる。なお、Ａ＝（ｅｖ）／（ｍｚ₀）である。
【００３５】
したがって、上記運動方程式は以下の式で表される。
ｄ²ｚ／ｄｔ²＋ｋ（ｄｚ／ｄｔ）＋ω₀ ²ｚ＝Ａcosω₁ｔ …（８）
このため、ｚ軸方向の振動は、前記式（６）の減衰振動と次式（９）で表される強制振動との一次結合で表される。
Ａcos（ω₁ｔ−ｃ）／［（ω₀ ²−ω₁ ²）² ＋ｋ²ω₁ ²］^1/2 …（９）
ここで、ｃは双極電界とイオンの振動との位相ずれを示している。
【００３６】
前記式（６）の減衰振動は充分短い時間で無視しうる程度に小さくなるため、前記式（９）で表される強制振動が残る。
したがって、強制振動の振幅は上限値として、
Ａ／［（ω₀ ²−ω₁ ²）² ＋ｋ²ω₁ ²］^1/2 …（１０）
を持つことになる。式（１０）において、バッファーガスとの衝突により生じる摩擦力はイオンの散逸を防ぐほど大きくないため、パラメータｋを含む項を省略することができ、振幅の上限は近似的に以下で表すことができる。
Ａ／｜ω₀ ²−ω₁ ²｜ …（１１）
この強制振動の振幅がイオントラップの中心からエンドキャップ電極２１，２２までの距離ｚ₀ よりも小さければ、分析対象イオンはバッファーガスの圧力に依らずに分析領域２５内にとどまり、ＣＩＤの効率が高まることになる。
この条件は、
Ａ／｜ω₀ ²−ω₁ ²｜＜ｚ₀ …（１２）
から、以下の式（１３），あるいはその近似式（１４）で表される。
【００３７】
ｖ ＜ （ｍ／ｅ）ｚ₀ ²｜ω₀ ²−ω₁ ²｜ …（１３）
ｖ ＜ ２（ｍ／ｅ）ｚ₀ ²ω₁｜ω₀ −ω₁｜ …（１４）
なお、ｖは励起用交流電圧の波高値である。上記条件は、励起交流電界の周波数ω₁ を分析対象イオンの固有共鳴振動数ω₀ からわずかに離れた周波数とすることによって満足することができ、これによって、分析対象イオンの振動を一定の振幅以下に抑えて、分析対象イオンの質量分析装置からの散逸を防止することができる。
【００３８】
上記条件を満足する制御の一例を説明する。この制御例は、励起交流の周波数ω₁ を固定し、エンドキャップ電極２１，２２に印加するＲＦ電圧を変化させることによって分析対象イオンの固有共鳴振動数ω₀ を励起交流電界の周波数ω₁ からわずかに離れた周波数とするものである。
【００３９】
図５に示すＣＩＤ制御を説明するための図において、エンドキャップ電極２１，２２に印加する励起用の交流周波数を所定の周波数ω₁ に設定して固定し、該エンドキャップ電極２１，２２に印加するＲＦ電圧Ｖを変化させると、前記ｑzを表す式（４）に示されるようにｑzがｑz軸上を移動し、分析対象イオンの固有共鳴振動数ω₀ を励起用交流周波数ω₁ からずらすことができる。これによって、前記式（１３），あるいは近似式（１４）の右辺の値を周波数ω₁ の励起用交流電圧の電圧ｖよりわずかに高い値に保持することができ、高効率のＣＩＤ制御を行うことができる。
【００４０】
なお、図５において、励起用の交流周波数ω₁ は、分析対象イオンの固有共鳴振動数ω₀ に対して高い周波数とすることも、低い周波数とすることもできる。
【００４１】
上記制御例では、エンドキャップ電極２１，２２に印加する励起用の交流周波数ω₁ を固定し、ＲＦ電圧Ｖのみを制御することによってＣＩＤ制御を行うことができるため、制御が容易となるという効果がある（ステップＳ３）。
【００４２】
前記ステップＳ３の子イオンの生成の後、該子イオンの質量分析を行う（図３（ａ）中のＦ）。この質量分析では、ＲＦ電圧を低電圧から高電圧にスキャンすることにより、ｍ／ｅの順にイオンを放出して検出することができる。
【００４３】
図６は、質量走査を説明するための図であり、この質量走査の手法は、安定領域の境界から連続的にイオンを放出して質量スペクトルを取得する質量選択不安定性モードと呼ばれるものである。図６では、一例としてｍ１／ｅ，ｍ２／ｅ，ｍ３／ｅ（ｍ１＞ｍ２＞ｍ３）のイオンについて、直流電圧Ｕを零としＲＦ電圧をＶ１からＶ２（＞Ｖ１）に上げる場合について示している。ＲＦ電圧を上昇させると、ｍ／ｅの小さいものから順に安定限界を越えて、安定領域から不安定領域に移動する。これによれば、質量の軽いイオンｍ３／ｅ，ｍ２／ｅを順に放出することができ、さらに、ＲＦ電圧を上げることにより質量の重いイオンｍ１／ｅを放出することができる。これによって、分析領域２５中に閉じこめられていたイオンの内で不安定領域に移動したイオンを放出し、子イオンの質量スペクトルを得ることができる（図３（ａ）のＦ）。
【００４４】
また、図７に示す方法によって質量分析を行うこともできる。図７は前記図６と同様のｑz−ａz面で表した安定，不安定領域を表す図である。図７において、エンドキャップ電極２１，２２間に、安定領域内において分析領域から放出したいイオンの固有共鳴周波数と同じ周波数を持つ補助交流電圧を印加すると、該イオンは印加された補助交流電圧によって共振振動を起こし、分析領域からの放出が行われる。質量選択不安定性モードと同様にして、ＲＦ電圧を上昇させることにより子イオンの質量スペクトルを得ることができる（ステップＳ４）。
【００４５】
本発明の質量分析装置によれば、分析対象イオンの質量／電荷（ｍ／ｅ）比だけによって最適なＣＩＤの条件を設定することができるため、試料の種類，バッファーガスの種類や圧力等に応じて励起交流電場の大きさを求める必要がなく、制御が容易となる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の質量分析装置によれば、分析領域からの分析対象イオンの損失を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の質量分析装置の実施形態を説明する概略ブロック線図である。
【図２】イオントラップによるＭＳ／ＭＳ分析の処理を説明するためのフローチャートである。
【図３】イオントラップによるＭＳ／ＭＳ分析の処理を説明するための信号線図である。
【図４】イオンによる分析対象イオンの選別を行う第１の方法を説明するための図である。
【図５】本発明の質量分析装置によるＣＩＤ制御を説明するための図である。
【図６】本発明の質量分析装置による質量走査を説明するための図である。
【図７】本発明の質量分析装置による質量走査を説明するための図である。
【符号の説明】
１…質量分析装置、２…イオントラップ、３…電子発生装置、４…測定手段、
５…制御装置、２１，２２…エンドキャップ電極、２３…リング電極、２４…ＲＦ発生器、２５…分析領域、２６，２７…増幅器、２８…波形生成器、４１…イオン検出器、４２…プリアンプ、４３…データ処理装置。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a mass spectrometer such as an ion trap.
[0002]
[Prior art]
In mass spectrometry using a mass spectrometer such as an ion trap, MS / MS analysis (tandem analysis) in which specific ions are selected in the first stage mass analysis process and the decomposition of the ions is measured in the second stage mass analysis process. It has been known. When performing this MS / MS analysis, first, ions having a specific mass are selected as parent ions (hereinafter, referred to as analysis target ions) from the analysis target, and the selected analysis target ions are CID (Collision Induced Dissociation: By dissociating by collision-induced dissociation, child ions constituting the ions to be analyzed are generated. Thereafter, by performing mass analysis on the child ions, information on the mass and chemical structure of the analysis target ions can be obtained. CID is a process in which ions are collided and collided with neutral molecules to cause the ions to collide. In the mass spectrometer, the CID that collides and dissociates the analysis target ions introduces He (helium) or other gas as a buffer gas into the analysis region of the mass analysis apparatus to a certain concentration, and selects the selected analysis target ions in this gas. Collisions with atoms or gas molecules cause dissociation of analyte ions from child ions. In this collision dissociation, the dissociation efficiency can be increased by increasing the kinetic energy of ions during the collision to promote the dissociation reaction. Usually, as a method of imparting kinetic energy to ions, a method of accelerating ions by an excitation AC electric field is used.
[0003]
In the ion acceleration by the excitation AC electric field described above, by applying an excitation AC electric field having a frequency that matches the natural resonance frequency of the ion to be analyzed to the ion, the ionic energy sufficient to promote the dissociation reaction is reduced. It can be applied by voltage. As a result, the influence on the electromagnetic field used to confine ions in the analysis region can be reduced, and deterioration of the resolution of mass spectrometry can be prevented.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In an ion trap mass spectrometer, ions held in the analysis region vibrate at a specific resonance frequency corresponding to the mass / charge ratio. When an AC electric field having the same frequency as this frequency is applied, the ions vibrate. The amplitude of increases gradually. As the amplitude increases, the kinetic energy of the ions increases. When this kinetic energy exceeds the threshold energy of the dissociation reaction, collisional dissociation occurs and child ions are generated.
[0005]
However, the probability of this collisional dissociation strongly depends on the type of ions to be analyzed, the type of buffer gas, the pressure of the buffer gas, and the like. Therefore, a part of the ions to be analyzed accumulates so much kinetic energy that it becomes difficult to confine in the analysis region, dissipates from the analysis region before performing collisional dissociation, and the efficiency of CID decreases. .
[0006]
The reduction in the efficiency of CID can be improved to some extent by adjusting the pressure of the buffer gas and the voltage of the excitation AC electric field, but selecting the optimum operating conditions for various analysis objects Is complicated and not realistic.
[0007]
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to solve the problems of the conventional mass spectrometer described above and to prevent loss of analysis target ions from the analysis region in the mass spectrometer.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The mass spectrometer according to the present invention shifts the frequency of the excitation AC electric field applied to the analysis target ion by a certain amount from the natural resonance frequency of the analysis target ion, so that the amplitude of vibration of the excited analysis target ion falls within a certain range. In a limited manner, excessive kinetic energy accumulation is prevented, thereby preventing dissipation of analyte ions from the analysis region and preventing CID efficiency from being reduced.
[0009]
The mass spectrometer according to the present invention includes an excitation unit that excites vibration of an analysis target ion to cause collision-induced dissociation, and performs mass analysis of the generated ion. The excitation unit is a natural resonance frequency of the analysis target ion. An excitation AC electric field having a frequency slightly separated from the first is generated and applied to the analysis target ion, and the vibration of the analysis target ion is set to a certain amplitude or less.
[0010]
According to the mass spectrometer of the present invention, when the analyte ion is vibrated by the excitation AC electric field having a frequency slightly separated from the natural resonance frequency of the analyte ion generated by the excitation means, the analyte ion is subjected to the excitation AC electric field. Vibrates at a frequency. Since this vibration frequency is a frequency slightly deviated from the natural resonance frequency, the amplitude thereof is smaller than that when the natural resonance frequency is applied. Therefore, the vibration of the ions to be analyzed is below a certain amplitude. By controlling the vibration amplitude so as to be within the analysis region of the mass spectrometer, it is possible to prevent the ions to be analyzed from escaping from the mass spectrometer.
[0011]
In the first embodiment of the present invention, the frequency and voltage of the alternating current for excitation are fixed, and the RF voltage is changed to change the natural resonance frequency of the ion to be analyzed to a frequency slightly separated from the frequency of the excitation alternating electric field. To do.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
A configuration example of an embodiment of the present invention will be described with reference to a schematic block diagram illustrating an embodiment of the mass spectrometer of the present invention shown in FIG. The configuration diagram shown in FIG. 1 is an ion trap mass spectrometer as an example of a mass spectrometer. However, the mass spectrometer of the present invention is not limited to an ion trap mass spectrometer, but an ion cyclotron resonance mass spectrometer or Excitation that can be applied to a tandem type quadrupole mass spectrometer or the like and generally performs CID analysis by holding or passing a specific ion as an analysis target ion of CID and exciting vibration to the analysis target ion The present invention can be applied to a mass spectrometer provided with means.
[0013]
In FIG. 1, a mass spectrometer 1 includes an ion trap 2 having an excitation unit that excites vibration to be analyzed and causes collision-induced dissociation as constituent elements, an electron generator 3 for generating ions, A measuring means 4 for performing mass spectrometry and a control device 5 for controlling the excitation means 2, the electron generator 3, and the measuring means 4 are provided.
[0014]
The ion trap 2 includes two end cap electrodes 21 and 22 each having a rotationally symmetric hyperboloid shape and one ring electrode 23, and an RF generator 24 is connected to the ring electrode 23. Usually, the RF generator 24 applies a high frequency voltage (RF voltage) having a frequency of about 1 MHz to the ring electrode 23. At this time, the two end cap electrodes 21 and 22 are held at substantially zero potential.
[0015]
The three electrodes 21, 22 and 23 form an analysis region 25 inside. The applied RF voltage forms a quadrupole electric field in the analysis region 25, and this quadrupole electric field confines ions inside the analysis region 25.
[0016]
Further, when a reverse-phase voltage is applied between the two end cap electrodes 21 and 22, an excitation dipole electric field for performing CID analysis can be formed in the analysis region 25. Amplifiers 26 and 27 are connected to the end cap electrodes 21 and 22 to absorb the common-mode current of the applied RF voltage with low impedance, and at the same time, the voltage waveform generated by the waveform generator 28 is applied in reverse phase.
[0017]
Further, an electron generator 3 for introducing electrons that generate ions in the analysis region is provided outside one end cap electrode 21, and an ion detector 41 is installed outside the other end cap electrode 22. The A preamplifier 42 and a data processing device 43 are connected to the ion detector 41. A control device 5 is connected to the electron generator 3, the RF generator 24, the waveform generator 28, and the data processing device 43 to perform control.
[0018]
In general use of the ion trap 2 having the above-described configuration, electrons generated in the electron generator 3 are introduced from one end cap electrode 21 to generate ions in the analysis region 25 inside the ion trap, and on the opposite side. Ions are discharged from the end cap electrode 22 and detected by the ion detector 41.
[0019]
Next, MS / MS analysis processing by the ion trap 2 will be described with reference to the flowchart of FIG. 2 and the signal diagram of FIG.
In MS / MS analysis, ions are first generated. In this ion generation step, an analysis sample is introduced into the analysis region 25 of the ion trap, and the RF voltage generated by the RF generator 24 is applied to the ring electrode 23 and maintained (A in FIG. 3A). Next, electrons generated by the electron generator 3 are injected into the analysis region 25 through the opening of the end cap electrode 21 (gate signal in FIG. 3B)). In the analysis region 25 of the ion trap, various ions are formed by electron impact between the analysis sample and the introduced electrons. These ions are confined in the analysis region 25 by a quadrupole electric field formed by an applied RF voltage.
[0020]
The movement of various ions confined in the analysis region 25 is described by the following equation known by the Mathieu equation.
d ² r / dt ² + (e / m r ₀ ² ) (U−VcosΩt) r = 0 (1)
d ² z / dt ² − (2e / m r ₀ ² ) (U−VcosΩt) z = 0 (2)
Here, m is the mass of the ion, e is the charge of the ion, Ω, V, U are the oscillation frequency, AC voltage, and DC voltage of the RF voltage of the ring electrode, and (r, z) is the cylinder in the analysis region 25. Represents coordinates.
[0021]
According to the above equation, ions having a constant mass / charge (m / e) ratio vibrate in the analysis region 25 at a specific vibration frequency ω ₀ . In addition, independent vibration is performed at different natural resonance frequencies in the axial direction (z direction) and the radial direction (r direction).
[0022]
The ions confined by the quadrupole electric field gradually lose kinetic energy by repeatedly colliding with the buffer gas introduced into the analysis region 25, and are collected at the center of the analysis region 25 (step S1).
[0023]
Next, analysis target ions (parent ions) are selected from various ions confined in the analysis region 25 (C in FIG. 3A). In the first method of selecting ions to be analyzed, a DC voltage is superimposed on the ring electrode 23 so that only ions having a specific m / e remain in the analysis region 25 and other ions are unstablely oscillated. This is a method of releasing the analysis area 25 outside.
[0024]
FIG. 4 is a diagram for explaining a first method for selecting ions to be analyzed. In FIG. 4, the vertical axis represents az and the horizontal axis represents qz. Here, az and qz are expressed by the following equations, respectively, az is proportional to the DC voltage U, and qz is proportional to the RF voltage V.
[0025]
az = (− 8 eU) / (mr ₀ ² Ω ² ) (3)
qz = (− 4 eV) / (mr ₀ ² Ω ² ) (4)
In the qz-az plane shown in FIG. 4, a region surrounded by a solid line indicates a range in which ions can stably exist in the analysis region. Immediately after the end of step S1 for generating ions, parameters (az, qz) of ions to be selected as parent ions are represented by point A in FIG. Therefore, when the RF voltage V is increased, qz increases in proportion to V and reaches point B in FIG. Furthermore, by applying the DC voltage U, the parameters (az, qz) can be moved to the point C in FIG. Since the point C is inside the stable region, this parent ion is stably trapped inside the analysis region. On the other hand, the parameters (az, qz) of other ions having m / e values different from the parent ions are arranged on a straight line connecting the origin and the C point in FIG. If U and V are controlled so that point C is close to the apex of the stable region, all other ion parameters (az, qz) can be moved outside the stable region. Ions can be eliminated, leaving only the parent ion in the analysis region.
[0026]
In the second method of selecting ions to be analyzed, a composite synthetic voltage including the natural resonance frequency of all unnecessary ions is applied between the end cap electrodes 21 and 22, and only ions having a specific m / e are applied. Is kept in the analysis region 25, and other ions are made unstable by vibration and released out of the analysis region 25 (step S2).
[0027]
Next, CID (Collision Induced Dissociation) is performed to dissociate the ions left in the analysis region in step S2 to generate child ions constituting the analysis target ions (in FIG. 3A). E).
[0028]
At this time, an excitation AC voltage is supplied to the end cap electrode in order to excite the ions to be analyzed (FIG. 3C). The ionic energy of the analysis target ions is increased by the excitation AC voltage, and as a result, the analysis target ions collide with the buffer gas in a state of high energy. When this kinetic energy exceeds the threshold energy of the dissociation reaction, collisional dissociation occurs and child ions are generated.
[0029]
However, as shown in the conventional example, since the probability of collision dissociation strongly depends on the type of analysis target ions, the type of buffer gas, the pressure of the buffer gas, etc., some of the analysis target ions can be confined in the analysis region. The more difficult the kinetic energy is accumulated, the more it dissipates from the analysis region before the collisional dissociation, and the generation of child ions becomes insufficient.
[0030]
In the mass spectrometer of the present invention, an excitation AC electric field having a frequency ω ₁ deviated from the natural resonance frequency ω _{0 of} the analysis target ion is applied, and the vibration of the analysis target ion is suppressed to a certain amplitude or less, thereby reducing the analysis target ion. This is to prevent dissipation of ions from the mass spectrometer, and the frequency of the RF voltage applied to the end cap electrodes 21 and 22 is set to a frequency ω ₁ deviated from ω ₀ .
[0031]
Hereinafter, description will be given of the point of preventing dissipation of the ions to be analyzed from the mass spectrometer by setting the frequency of the excitation AC voltage to the frequency ω _{1 that} is shifted from ω ₀ .
[0032]
In the analysis region 25, the movement of the analysis target ions in the axial direction (z-axis direction) can be considered as follows.
[0033]
A force (−mω ₀ ² z) directed toward the center of the ion trap by a quadrupole electric field is exerted on the analysis target ion of the mass m that vibrates in the analysis region 25 at the natural resonance frequency ω ₀ . . Further, this analysis target ion has a frictional force of (−mk (dz / dt)) acting on the time average due to collision with the buffer gas. Note that k is a friction coefficient. Therefore, the above two forces act on the ions to be analyzed, and their motion is represented by the following equation of motion.
[0034]
d ² z / dt ² + k (dz / dt) + ω ₀ ² z = 0 (5)
From the above equation (5), the vibration of the ion to be analyzed in the z-axis direction is attenuated along with the attenuation term represented by the following equation (6) by the collision with the buffer gas, and is collected at the center of the analysis region 25.
exp (-(k / 2) t) (6)
In this case, two end frequency omega ₁ of the excitation AC voltage cap electrodes _{21,22 (vcosω 1 t, -vcosω 1} t) is applied to, in the analysis region 25, approximately dipole field (v / z ₀ ) cosω ₁ t is generated. Z ₀ is the distance from the center of the ion trap to the end cap electrodes 21 and 22.
Therefore, the ions to be analyzed are external forces,
mAcosω ₁ t (7)
Will receive. Note that A = (ev) / (mz ₀ ).
[0035]
Therefore, the equation of motion is expressed by the following equation.
d ² z / dt ² + k (dz / dt) + ω ₀ ² z = Acos ω ₁ t (8)
For this reason, the vibration in the z-axis direction is represented by a linear combination of the damped vibration of the formula (6) and the forced vibration represented by the following formula (9).
Acos (ω ₁ t−c) / [(ω ₀ ² −ω ₁ ² ) ² + k ² ω ₁ ² ] ^1/2 (9)
Here, c represents the phase shift between the bipolar electric field and the ion vibration.
[0036]
Since the damped vibration of the equation (6) becomes small enough to be ignored in a sufficiently short time, the forced vibration represented by the equation (9) remains.
Therefore, the amplitude of forced vibration is set as the upper limit value.
A / [(ω ₀ ² −ω ₁ ² ) ² + k ² ω ₁ ² ] ^1/2 (10)
Will have. In Equation (10), the frictional force generated by the collision with the buffer gas is not so great as to prevent the dissipation of ions, so the term including the parameter k can be omitted, and the upper limit of the amplitude can be expressed approximately as follows. it can.
A / | ω ₀ ² −ω ₁ ² | (11)
If the amplitude of this forced vibration is smaller than the distance z ₀ from the center of the ion trap to the end cap electrodes 21 and 22, the ions to be analyzed remain in the analysis region 25 without depending on the pressure of the buffer gas, and the efficiency of the CID is improved. Will increase.
This condition is
A / | ω ₀ ² −ω ₁ ² | <z ₀ (12)
Therefore, it is expressed by the following formula (13) or its approximate formula (14).
[0037]
v <(m / e) z ₀ ² | ω ₀ ² −ω ₁ ² | (13)
v <2 (m / e) z ₀ ² ω ₁ | ω ₀ −ω ₁ | (14)
Note that v is a peak value of the excitation AC voltage. The above condition can be satisfied by setting the frequency ω ₁ of the excitation AC electric field to a frequency slightly separated from the natural resonance frequency ω ₀ of the analyte ion, thereby causing the oscillation of the analyte ion to have a constant amplitude. By suppressing to the following, it is possible to prevent dissipation of ions to be analyzed from the mass spectrometer.
[0038]
An example of control that satisfies the above conditions will be described. In this control example, the frequency ω _{1 of the} excitation AC is fixed, and the RF voltage applied to the end cap electrodes 21 and 22 is changed to change the natural resonance frequency ω ₀ of the analysis target ion from the frequency ω ₁ of the excitation AC electric field. The frequency is slightly separated.
[0039]
In the diagram for explaining the CID control shown in FIG. 5, the excitation AC frequency applied to the end cap electrodes 21 and 22 is set to a predetermined frequency ω ₁ and fixed, and applied to the end cap electrodes 21 and 22. When the RF voltage V to be changed is changed, qz moves on the qz axis as shown in the equation (4) representing qz, and the natural resonance frequency ω ₀ of the analysis target ion is shifted from the excitation AC frequency ω _1. be able to. As a result, the value on the right side of the equation (13) or the approximate equation (14) can be held at a value slightly higher than the voltage v of the excitation AC voltage having the frequency ω ₁ , and highly efficient CID control is performed. be able to.
[0040]
In FIG. 5, the excitation AC frequency ω ₁ can be a high frequency or a low frequency relative to the natural resonance frequency ω _{0 of the} ions to be analyzed.
[0041]
In the above control example, the CID control can be performed by fixing the AC frequency ω ₁ for excitation applied to the end cap electrodes 21 and 22 and controlling only the RF voltage V, so that the control is facilitated. (Step S3).
[0042]
After generation of the child ions in step S3, mass analysis of the child ions is performed (F in FIG. 3A). In this mass analysis, by scanning the RF voltage from a low voltage to a high voltage, ions can be emitted and detected in the order of m / e.
[0043]
FIG. 6 is a diagram for explaining mass scanning. This mass scanning technique is called a mass selective instability mode in which ions are continuously emitted from the boundary of a stable region to acquire a mass spectrum. . FIG. 6 shows an example in which the DC voltage U is set to zero and the RF voltage is increased from V1 to V2 (> V1) for ions of m1 / e, m2 / e, m3 / e (m1>m2> m3). Yes. When the RF voltage is increased, the stability limit is exceeded in order from the smallest m / e, and the region moves from the stable region to the unstable region. According to this, ions m3 / e and m2 / e having a light mass can be emitted in order, and ions m1 / e having a large mass can be emitted by increasing the RF voltage. As a result, out of the ions confined in the analysis region 25, ions that have moved to the unstable region can be released, and a mass spectrum of the child ions can be obtained (F in FIG. 3A).
[0044]
Moreover, mass spectrometry can also be performed by the method shown in FIG. FIG. 7 is a diagram showing stable and unstable regions represented by the qz-az plane similar to FIG. In FIG. 7, when an auxiliary AC voltage having the same frequency as the natural resonance frequency of ions to be emitted from the analysis region in the stable region is applied between the end cap electrodes 21 and 22, the ions resonate due to the applied auxiliary AC voltage. Oscillation occurs and discharge from the analysis area takes place. In the same manner as in the mass selective instability mode, the mass spectrum of the child ions can be obtained by increasing the RF voltage (step S4).
[0045]
According to the mass spectrometer of the present invention, since the optimum CID conditions can be set only by the mass / charge (m / e) ratio of the ions to be analyzed, the sample type, buffer gas type, pressure, etc. Accordingly, it is not necessary to determine the magnitude of the excitation AC electric field, and control becomes easy.
[0046]
【The invention's effect】
As described above, according to the mass spectrometer of the present invention, loss of analysis target ions from the analysis region can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic block diagram illustrating an embodiment of a mass spectrometer of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart for explaining a process of MS / MS analysis by an ion trap.
FIG. 3 is a signal line diagram for explaining processing of MS / MS analysis by an ion trap.
FIG. 4 is a diagram for explaining a first method for selecting ions to be analyzed by ions.
FIG. 5 is a diagram for explaining CID control by the mass spectrometer of the present invention.
FIG. 6 is a diagram for explaining mass scanning by the mass spectrometer of the present invention.
FIG. 7 is a diagram for explaining mass scanning by the mass spectrometer of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Mass spectrometer, 2 ... Ion trap, 3 ... Electron generator, 4 ... Measuring means,
DESCRIPTION OF SYMBOLS 5 ... Control apparatus, 21, 22 ... End cap electrode, 23 ... Ring electrode, 24 ... RF generator, 25 ... Analysis area | region, 26, 27 ... Amplifier, 28 ... Waveform generator, 41 ... Ion detector, 42 ... Preamplifier 43 ... Data processing device.

Claims (1)

分析対象イオンに振動を励起させ衝突誘起解離を生じさせる励起手段を備え、生成した子イオンの質量分析を行う質量分析装置において、
前記励起手段は、
イオンの固有周波数ω_０と異なる周波数の励起交流電界の周波数ω_１で励起し、
前記励起交流電界の周波数ω_１とイオンの固有周波数ω_０とは、ｚ_０をイオントラップの中心からエンドキャップ電極までの距離としたとき、
励起用交流電圧の電圧値ｖ＜（ｍ／ｅ）ｚ_０ ^２｜ω_０ ^２−ω_１ ^２｜
の関係を満たすことを特徴とする質量分析装置。In a mass spectrometer equipped with an excitation means that excites vibrations in the ions to be analyzed and causes collision-induced dissociation, and performs mass analysis of the generated child ions,
The excitation means includes
Excitation with the frequency ω ₁ of the excitation AC electric field having a frequency different from the natural frequency ω _{0 of the} ion,
Wherein the excitation AC frequency omega ₁ and the natural frequency omega ₀ of the ion electric field, when the distance of z ₀ from the center of the ion trap to the endcap electrodes,
Voltage value of excitation AC voltage v <(m / e) z ₀ ² | ω ₀ ² −ω ₁ ² |
A mass spectrometer characterized by satisfying the relationship:

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