JP4182844B2

JP4182844B2 - 質量分析装置

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Publication number: JP4182844B2
Application number: JP2003310966A
Authority: JP
Inventors: 真一山口; 盛男石原; 岐聡豊田; 大輔奥村
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2003-09-03
Filing date: 2003-09-03
Publication date: 2008-11-19
Anticipated expiration: 2023-09-03
Also published as: US7148473B2; JP2005079037A; US20050045817A1

Description

本発明は質量分析装置に関し、更に詳しくは、分析対象であるイオンが略同一の軌道を周回運動又は往復運動するような飛行空間を有する質量分析装置に関する。

飛行時間型質量分析装置（以下、ＴＯＦＭＳ（=Time Of Flight Mass Spectrometer)と呼ぶ）では、一般的に、電場により加速したイオンを電場及び磁場を有さない飛行空間内に導入し、検出器に到達するまでの飛行時間に応じて各種イオンを質量毎に分離する。或る質量差を有する２種類のイオンに対する飛行時間の差はイオンの飛行距離が長いほど大きくなるから、質量分解能を高くするためには、できるだけ飛行距離を長く確保することが好ましい。しかしながら、装置のサイズなどの制限によって直線的な飛行距離を長くとることは困難であるため、従来より、飛行距離を実効的に長くするような各種の構成が提案されている。

例えば特許文献１に記載の装置では、複数のトロイダル型扇形電場を用いて長円形の周回軌道を形成し、この軌道に沿ってイオンを多数回繰り返し周回させることで飛行距離を長くしている。また、特許文献２、３に記載の装置では、８の字状の閉じた周回軌道を形成することで、同様に飛行距離を実効的に長くしている。こうした装置では、イオンがイオン源を出発してから周回軌道を所定回数、周回した後にイオン検出器に到達して検出されるまでの飛行時間を計測し、その飛行時間に応じてイオンの質量を算出している。イオンが周回軌道を周回する回数（周回数）が多いほど飛行時間は長くなるため、一般的には、周回数を多くするほど質量分解能が向上する。

こうしたＴＯＦＭＳにおいて、理想的には、同一質量を有するイオンは同一地点から同一の初期エネルギーを付与されて同時に出発し、且つそれらイオンが揃って同時にイオン検出器に到達することが望ましい。しかしながら、実際には、同一質量のイオンであっても、付与される初期的な運動エネルギーのばらつき、イオンの出発地点の位置のばらつき、イオンの出発時の時間的な変動（ジッタ）、イオン検出器で検出される際の時間的変動（ジッタ）、等の様々な要因が飛行時間の誤差をもたらす。こうした要因は質量とは無関係であるため、誤差を含む飛行時間は正確には質量の関数とはならない。そのため、こうした誤差は周回数を増加させても解消されることはなく、質量分析精度の向上を阻む一因となっている。

特開平１１−２９７２６７号公報特開平１１−１３５０６１号公報特開平１１−１９５３９８号公報

本発明はかかる課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、イオンの質量以外の要因に係る誤差をなくす又は軽減することで、質量分析精度を向上させることができる質量分析装置を提供することにある。

上記課題を解決するために成された本発明に係る質量分析装置は、
a)イオン源から出発した各種イオンを略同一の周回軌道に沿って１乃至複数回繰り返し飛行させるための飛行空間と、
b)前記周回軌道を所定回数周回したイオンを検出する検出器と、
c)前記検出器により同一質量のイオンについて周回毎の飛行時間を測定する測定手段と、
d)前記測定手段による測定結果に基づいて作成される、１周回毎に同一質量のイオンの通過に伴うピークが現れる１つの飛行時間スペクトルをフーリエ変換することで時間／周波数変換を行い、その周波数より目的とするイオンの質量を算出する処理手段と、
を備えることを特徴としている。

ここで周回軌道はその形状を問わず、イオンが往復運動をするような軌道も周回軌道に含むものとする。

発明の実施の形態、及び効果

本発明に係る質量分析装置において、処理手段は、測定手段により取得される周回毎の飛行時間に基づいて、周回毎の飛行時間を表す波形データとして飛行時間スペクトルを作成する。この飛行時間スペクトル上では、或る質量ｍを持つイオンによるピークはそのイオンの周回時間（周回軌道を１周回するのに要する時間）毎に現れる。この周回時間はイオン速度に依存しており、イオン源からのイオン出射時の時間的変動や検出器における検出時の時間的変動などの影響を受けない。また、イオン速度は質量に依存する。したがって、処理手段により、飛行時間スペクトルの波形データをフーリエ変換すると、周回時間はそのイオンの質量に応じた周波数に変換される。複数の質量のイオンが混在していて飛行時間スペクトル上ではピークが重なっている場合でも、フーリエ変換後は、それぞれの質量に対応した異なる周波数が得られる。そして、この周波数に基づいて各イオンの質量を算出する。

本発明の一態様として、例えば前記検出器は、前記周回軌道の途中にあって通過するイオンの全て又は大部分を保存した状態でそのイオン量に応じた検出信号を得るものであり、１回のイオン出射に対応して該検出器により周回毎の飛行時間を測定する構成とすることができる。

通過するイオンの電荷を例えば電磁的に検出するような検出器を用いれば、イオンを全く破壊することなく検出することができるので、原理的には周回数の制約なく各周回毎にイオンを検出することができる。また、通過するイオンの一部を分離して通常のイオン検出器に導入する構成では、イオン検出毎に周回するイオン量が徐々に減少してゆくため、原理的に周回数の上限が存在するものの、その上限以下の範囲では１回のイオン出射で周回毎の飛行時間を得ることができる。したがって、複数回、繰り返して分析（イオン出射）を行う必要がなく、分析時間が長引くことがない。また、分析対象物質の量自体が少なく、多数回の繰り返し分析が行えないような試料に対する質量分析にも好適である。

また、本発明の他の態様として、前記検出器は、前記周回軌道の外側にあって所定回数周回して該軌道を離れたイオンのイオン量に応じた検出信号を得るものであり、１回のイオン出射に対応して該検出器により所定周回の飛行時間を測定し、これを繰り返すことで周回毎の飛行時間を測定する構成としてもよい。この構成では、１回の分析で或る周回数に対応する飛行時間しか取得することができず、複数回の繰り返し分析（イオン出射）を行う必要がある。しかしながら、上記のような非破壊型の検出器と比べて格段に検出感度が高く、高感度での質量分析が行える。また、検出感度が高いことでイオンの量を正確に把握することができ、定量的な分析に好適である。

以上のように本発明に係る質量分析装置によれば、各イオンの周回時間に関連する時間情報をフーリエ変換によって周波数情報に変換した後に、この周波数に基づいて質量を算出するので、飛行時間スペクトル上ではスペクトルピークが重なり合うものでも確実に分離し、高い精度で質量を算出することができる。特に、付与される運動エネルギーのばらつきなどに起因するイオンの飛行時間のばらつきが収束されるような構成である場合には、飛行時間スペクトル上での各ピークが急峻になるので、フーリエ変換による周波数の算出精度が向上し、それによって質量を一層高い精度で算出することができる。

以下、本発明の一実施例である質量分析装置について、図面を参照して具体的に説明する。図１は本実施例による質量分析装置の概略構成図である。この例では、周回軌道を円形状としているが、これに限るものではなく、既に述べたような長円形状、８の字状の周回軌道のほか、任意の形状の周回軌道又は往復軌道でもよい。

図１において、イオン源１から出発したイオンは飛行空間２内に導入され、ゲート電極３を介して周回軌道Ａに乗るように導かれる。イオンは周回軌道Ａを１乃至複数回周回した後に軌道Ａを離れ、飛行空間２から出て外側に設けられた第１検出器４に到達して検出される。一方、周回軌道Ａの途中には第１検出器４とは異なる第２検出器５が設置されている。第１検出器４は、従来、ＴＯＦＭＳに一般的に用いられる例えば光電子増倍管などの検出器であり、イオンが元の状態を保たないいわゆるイオン破壊型検出器である。一方、第２検出器５は例えば電磁誘導作用などを利用して荷電粒子であるイオンの通過量に対応した電気信号を出力する、いわゆるイオン非破壊型の検出器である。一般にイオン破壊型検出器は高感度の検出が可能であり、イオン非破壊型検出器は検出感度が低い。この第１、第２検出器４、５の検出信号はデータ処理部７へと入力され、デジタルデータに変換された後にデータ処理が実行される。それによって、後述するように目的とするイオンの質量が算出される。

従来のこの種の質量分析装置（つまりＴＯＦＭＳ）では、イオンがイオン源１を出発してから周回軌道Ａを１乃至複数回周回した後に第１検出器４に到達するまでの時間、つまりイオンの飛行時間を測定し、その飛行時間に応じてそのイオンの質量を算出している。これに対し、本実施例の質量分析装置では、第１検出器４、第２検出器５、又はその両方から得られる検出信号に基づいて別の手法によりイオンの質量を算出する。以下、本実施例において特徴的な質量算出処理について説明する。

従来のこの種の質量分析装置（つまりＴＯＦＭＳ）では、イオンがイオン源１を出発してから周回軌道Ａを１乃至複数回周回した後に第１検出器４に到達するまでの時間、つまりイオンの飛行時間を測定し、その飛行時間に応じてそのイオンの質量数を算出している。これに対し、本実施例の質量分析装置では、第１検出器４、第２検出器５、又はその両方から得られる検出信号に基づいて別の手法によりイオンの質量数を算出する。以下、本実施例において特徴的な質量数算出処理について説明する。

いま、図１において次のように定めることとする。
Ｌin ：イオン源１から周回軌道Ａ入口までの飛行距離
Ｌout ：周回軌道Ａ出口から第１検出器４までの飛行距離
Ｕ：イオンの持つ運動エネルギー
Ｃ(U) ：周回軌道Ａにおける１周回運動の飛行距離
ｍ：イオンの質量
TOF(m,U) ：運動エネルギーＵ、質量ｍを持つイオンの飛行時間
Ｖ(m,U) ：運動エネルギーＵ、質量ｍを持つイオンの速度
Ｎ：イオンが周回軌道Ａを周回した回数（以下、周回数という）
Ｔo ：測定系のジッタ等の各種要因で発生する飛行時間のずれ
ＴＯＦＭＳの基本的な原理より、次の(1)式が成り立つ。
TOF(m,U)＝Ｌin／Ｖ(m,U)＋Ｎ・Ｃ(U)／Ｖ(m,U)＋Ｌout／Ｖ(m,U)＋Ｔo …(1)

ここで、イオン源１から出射したイオンを周回軌道Ａに沿ってＮ回、周回させる場合を考える。イオンは周回軌道Ａを１回回る毎に第２検出器５を通過するから、例えば或る質量ｍ１を持つイオンについて第２検出器５による検出信号に基づいてデータ処理部７では図２に示すような飛行時間スペクトルを作成することができる。すなわち、１周回毎にイオンの通過に伴うピークが現れる。
第ｎ周回目の飛行時間をTOF_nとすると、第１〜第Ｎ周回までのそれぞれの飛行時間は(1)式より次のようになる。
TOF₁(m,U)＝Ｌin／Ｖ(m,U)＋Ｃ(U)／Ｖ(m,U)＋Ｌout／Ｖ(m,U)＋Ｔo
TOF₂(m,U)＝Ｌin／Ｖ(m,U)＋２・Ｃ(U)／Ｖ(m,U)＋Ｌout／Ｖ(m,U)＋Ｔo
…
TOF_N(m,U)＝Ｌin／Ｖ(m,U)＋Ｎ・Ｃ(U)／Ｖ(m,U)＋Ｌout／Ｖ(m,U)＋Ｔo
これらを合成したものが図２に示すような飛行時間スペクトルである。

同一質量のイオンについて例えば運動エネルギーのばらつきなどがあっても飛行時間のばらつきが収束されて揃うのであれば、図２の飛行時間スペクトルにおいて各ピークの発生間隔（つまり１周回当たりの飛行時間、図２中のΔTOF1）はほぼ同一になる筈である。したがって、これは或る１つの周波数ｆ[Hz]を持つ信号波形であるとみることができ、飛行時間スペクトルデータをフーリエ変換することにより波長軸に変換すれば周波数ｆ[Hz]を求めることができる。この周波数ｆに対応するイオンは１秒間に周回軌道Ａをｆ回飛行するような質量を有する。すなわち、
ｆ(m)・Ｃ(U)＝Ｖ(m)
である。それにより、
ｍ＝２Ｕ／Ｖ(m,U)² ＝２Ｕ／(ｆ・Ｃ(U))² …(2)
となる。したがって、運動エネルギーＵが正確に求まれば、上記(2)式を用いた計算により質量ｍを求めることができる。現実的には、既知の質量のイオンに対する信号を観測し、周波数から質量への変換式を較正することが考えられる。

図２は単一の質量ｍ１を持つイオンのみが存在する場合であるが、他の質量ｍ２を持つイオンは１周回当たりの飛行時間が相違するため、これらが混在したイオンの測定を行うと、異なるスペクトルピークが重なり合って例えば図３に示すような飛行時間スペクトルとなる。さらに異なる質量を持つイオンが混在していれば、飛行時間スペクトル上ではさらに多数のピークが重なり合う。その場合であっても、飛行時間スペクトルデータをフーリエ変換することにより、それぞれの質量に対応した周波数にピークが現れるので、その周波数から質量を算出することが可能となる。

上記計算の条件として、同一質量のイオンについて飛行時間のばらつきが収束されることを挙げたが、好ましいことに、本実施例のような周回軌道に沿ってイオンを飛行させるという構成の場合、イオンの運動エネルギーの相違による飛行時間の相違は飛行の過程で収束する。このことは、例えば既述の特許文献２、３などに開示されている通りであり、ここでは説明を省く。

以上述べたように本実施例の質量分析装置において、データ処理部７では、第２検出器５で得られる検出信号を利用し、さらにそれによって得られる飛行時間スペクトルデータにフーリエ変換を適用することにより、分析対象のイオンの質量を精度よく求めることができる。

また、第１検出器４で得られる検出信号に基づいても同様の分析を実行することができる。その場合、１回の分析、つまりイオン源１からの１回のイオン出射では或る１つの周回に対応した飛行時間しか測定できないため、上述したように第Ｎ周回までの飛行時間を各周回毎に求めたい場合にはＮ回の分析を繰り返す必要がある。すなわち、飛行制御部６は、各分析毎に所定（１〜Ｎ）周回だけイオンが周回するようにゲート電極３及び図示しない電極を制御し、データ処理部７はそれぞれの分析に対して第１検出器４により得られた検出信号に基づいて飛行時間スペクトルを作成する。

例えば質量ｍ１のイオンについて各分析毎に取得される飛行時間スペクトルは図４に示すようになる。これらを合成することにより、図２に示すようなスペクトルを得ることができ、それに対してフーリエ変換を適用することが可能である。もちろん、複数の質量のイオンが混在している場合も同様である。この第１検出器４を利用することの利点は検出感度が高いことである。すなわち、イオン非破壊型検出器の場合には検出感度を高くすることが難しく、図２のような飛行時間スペクトルにおいてピークの高さが低い。特に定量分析を行いたい場合には、検出感度が低いと十分な分析精度を得ることができないが、第１検出器４の検出信号を用いることにより、こうした定量分析を行うのにも十分な強度の信号を得ることができる。

また、第２検出器５としては全くイオンを破壊することなくその通過量を検出するもの以外に、例えば穴開き型ＭＣＰ（マイクロチャンネルプレート）を用い、イオンを周回毎に少しずつ分離して検出するものを使用してもよい。この場合、イオンが検出器を通過するに伴い徐々にイオン量が減少してゆくため、完全な非破壊型検出器とは異なり周回数には上限があるが、完全なイオン非破壊型検出器を使用する場合よりも検出感度を高くすることができ、且つイオン破壊型検出器を使用する場合よりも測定時間を短縮できる。

なお、上記実施例は本発明の一実施例であるから、本発明の趣旨の範囲で適宜に修正、変更、追加などを行っても本願発明に包含されることは明らかである。

本発明の一実施例による質量分析装置の要部の概略構成図。本実施例による質量分析装置で得られる飛行時間スペクトルの一例を示す図。本実施例による質量分析装置で得られる飛行時間スペクトルの一例を示す図。本実施例による質量分析装置で得られる飛行時間スペクトルの一例を示す図。

符号の説明

１…イオン源
２…飛行空間
３…ゲート電極
４、５…検出器
６…飛行制御部
７…データ処理部

Claims

a)イオン源から出発した各種イオンを略同一の周回軌道に沿って１乃至複数回繰り返し飛行させるための飛行空間と、
b)前記周回軌道を所定回数周回したイオンを検出する検出器と、
c)前記検出器により同一質量のイオンについて周回毎の飛行時間を測定する測定手段と、
d)前記測定手段による測定結果に基づいて作成される、１周回毎に同一質量のイオンの通過に伴うピークが現れる１つの飛行時間スペクトルをフーリエ変換することで時間／周波数変換を行い、その周波数より目的とするイオンの質量を算出する処理手段と、
を備えることを特徴とする質量分析装置。
前記検出器は、前記周回軌道の途中にあって通過するイオンの全て又は大部分を保存した状態でそのイオン量に応じた検出信号を得るものであり、１回のイオン出射に対応して該検出器により周回毎の飛行時間を測定することを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
前記検出器は、前記周回軌道の外側にあって所定回数周回して該軌道を離れたイオンのイオン量に応じた検出信号を得るものであり、１回のイオン出射に対応して該検出器により所定周回の飛行時間を測定し、これを繰り返すことで周回毎の飛行時間を測定することを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。