JP4234436B2 - 質量分析のための質量分析計の時間応答制御 - Google Patents

Description

本発明は質量分析計の時間応答の制御、特に質量分析による注目するイオンの検出に関し、イオンは、イオン−中性種衝突を可能にする条件の下で動作する質量分析計の区画を通して処理される。さらに詳しくは、本発明はそのような処理区画における既存の電荷分布の高速フラッシング及びこれに続く迅速な復旧を可能にすることで、再現性があり迅速に反復可能なイオン電流を出力に与え、よって、時間応答のさらに良好な制御を与えるための手法に関する。

質量分析では、反応及び／または衝突セルが(反応／衝突ガスとの反応またはフラグメンテーションによる同重体干渉を取り除くため、あるいは反応ガスとの反応により注目するイオンを別の質量にシフトさせるため、あるいは注目するイオンをフラグメント化し、後続の質量分析のためにフラグメントイオンを収集するために)用いられることが多い。衝突または反応セルには、衝突／反応セル内に存在することが必要な高圧力により、イオンの流速が低められ得るという問題がある。このため、様々な標準的質量分析計動作状況においては、相異なる動作状態間を迅速に切り換える必要があることが多いから、障害がおこり得る。衝突セルに対しては、動作状態が変更されたときに、衝突セルを通る緩慢なイオン運動及び衝突セル内の空間電荷効果により、出力イオン流が安定するにはどうしてもある程度の時間がかかり得る。やはりイオン運動速度を低め、動作条件の変更に対して緩慢な応答時間を示し得る、別の標準的質量分析計区画もある。例えば、比較的高い圧力で動作する質量分析区画を有し得る質量分析計があり、また、多くの質量分析計システムでは、大気圧イオン源と質量分析計の高真空区画の間に配された集束多重極子デバイスを備える入力区画を有することが普通であり、入力区画はある程度の中間的な圧力で動作する。したがって、これらの区画は全て、動作状態を迅速に変更する必要がある動作方式に対する問題の元凶となる。

質量分析の分野では、非常に多くの様々な質量分析計があることも認識されるべきである。多くの目的にとり、これらの質量分析計は２つの大きなカテゴリーに分けることができる。第１のカテゴリーでは、無機検体を分析するように質量分析計が構成される。普通の技法の１つは誘導結合プラズマ質量分析(ＩＣＰ−ＭＳ)である。誘導結合プラズマイオン源は、プラズマを発生させるために誘導加熱により励起される、例えばアルゴンガスを有する。次いで検体がプラズマに注入され、プラズマ内で検体がイオン化される。この過程は検体を効率的にイオン化するが、得られる質量分析計へのイオン流は、アルゴンイオンまたは試料から派生するその他のイオンをかなりの比率で含む、非常に大きなイオン電流を与える。このため、衝突／反応セル内にかなり大きな空間電荷効果が生じ得る。

質量分析計の第２の重要なカテゴリーは、有機化合物または検体の分析を目的とする質量分析計である。普通、有機化合物は大きく複雑な構造を有し、検体の不要な減成または早期フラグメント化を避けるため、ある程度慎重にイオン化しなければならない。普通に用いられるイオン化手法には、エレクトロスプレイ、ナノスプレイ等がある。その他のイオン化源には、グロー放電、マイクロ波誘起プラズマ(これらのいずれもが無機質量分析においても極めて普通に用いられる)、コロナ放電等がある。有機化合物の分析に対しては、検体が衝突または反応によりフラグメント化されて、特定のフラグメントが選択され、次いで、後続の衝突または反応段階にかけられる、複雑な反応機構を備えることが常習的になっている。所望のいかなる数のフラグメント化及びイオン選択ステップも実施可能にするようなシステムが提案されている。いかなる質量分析計システム内においても、多種多様な反応／衝突セル(例えば、高次多重極子、リングガイド等)が用いられ得ること、及び同様に様々な質量分析区画(例えば、飛行時間型、扇形磁気質量分離型、イオントラップ等)が用いられ得ることも理解されよう。

本出願の発明者等の内の数名は以前、衝突セルへの帯域通過の適用を講じる、基本ＩＣＰ−ＭＳシステムへの改善を開発した。この質量分析計システムは現在動的反応セル(ＤＲＣ)と称され、本発明の譲受人により市販されている。このことから、衝突セルでは真のマスフィルタリングを達成することはできないが、注目するイオンとは実質的に異なるｍ/ｚ比を有するイオンを排除するように、帯域通過を適用することは可能であるということが、本質的に認められる。このことは、衝突セル内でおこる、注目するイオンとの干渉を引き起こし得る逐次化学反応を妨げるために用いることができる。この動的衝突セルは特許文献１に開示され、衝突／反応セルをもつその他の質量分析計と同様に、動作条件の変更後に反応セルが平衡に達するには時間がかかるという点で問題があり得る。

上述したように、衝突セルにともなう問題は、動作条件にどのような実質的な変更、例えば入力イオン電流の変更またはセルに印加される電場の変更があっても、その変更は衝突セルからの出力イオン電流に反映されるべきであるが、新しい安定な電荷分布がセル内に確立されるにはある程度の時間がかかることが多いということである。この時間内にセルから引き出されるイオン流は、変動または過渡を示し得る。衝突／反応セル内ではイオンの運動速度が低められるから、単純に、イオンが衝突／反応セルを通過するには時間がかかる。特にＩＣＰ−ＭＳについては、イオン電流が強くなるほど強い空間電荷効果が生じ、この強い空間電荷効果が、イオン密度分布にも大きく影響し、新しい動作状態を反映するためのイオン数の変化速度も低め得る。本出願の発明者等は、極めて多種多様な入力によってイオン密度を変えたときに、イオン数の回復が長引くことを観察した。イオン密度が変えられる度合いが可変であれば、回復時間も可変である。

ＤＲＣの場合には、反応セルの通過帯域、または電気的パラメータを、下流の質量分析器により選択される質量に合せて調節することが常習であることに注意すべきである。衝突／反応セルと質量分析計の間には容量結合が与えられるが、一般にこれは必要な通過帯域を提供しない。質量の大きな跳びが実行され、付随してＤＲＣの通過帯域が調節されると、先に通過帯域に含まれていた主要イオンが排除される結果を得ることができる。ＤＲＣの通過帯域が調節され、付随して質量の大きな跳びが実行されても同じである。一般に、質量の大きな跳びに続いて、衝突／反応セルからのイオン信号がまず抑制され、次いで安定レベルまで増大するが、逆のことがおこることもあり得る。

質量分析計の圧力上昇区画を通して、さらに詳しくは衝突セルを通して、イオンを動かす問題は、主として有機検体の分析を目的とする質量分析計で扱われてきた。すなわち、(本発明の譲受人に譲渡された)米国特許の明細書(特許文献２)は、質量分析計の高圧力区画に軸方向電場を備える質量分析計を開示している。開示される実施形態では、これらの高圧力区画が四重極子ロッドセットを有し、これらのロッドセットに軸方向電場を与えるための数多くの手法が開示されている。例えば、軸方向電場が発生するようにロッドの形状を特に定めるかまたはロッドの向きを定めることができ、あるいは補助ロッドセットを設けて軸方向電場を発生させることができ、あるいはロッドセットをセグメントに分割してそれぞれのセグメントを相異なるＤＣ電位に保持できるようにすることができる。

特許文献２は主として、衝突セルが２つの質量分析計区画の間に配置された、３連四重極子型質量分析計に関する。特許文献２は、衝突セルを通るイオンの運動を促進するため、特に、動作状態が変更されたときの衝突セルからのイオンの掃出を促進するための、軸方向電場の使用を提案している。軸方向電場の使用には、実際上２倍から５倍であることが多い、感度の向上という別の利点もある。既知のように、そのような３連四重極子型質量分析計はある質量範囲にわたって走査されることが多く、異なるイオンを検出するための第２の動作状態に質量分析計が切り換えられた後に前の動作状態からのイオンの漏出が基本的にないように、それぞれの測定は比較的短時間で行われる。特許文献２は、通常Ｑ０と称される、イオンの集束及び誘導を行うための第１の四重極子ロッドセットを備え、大気圧イオン源と低圧力質量分析器区画の間のインターフェースを設けることが常習であることを述べている。特許文献２はさらに、経済的理由のため、Ｑ０がコンデンサを介して下流の質量分析器からＲＦの供給を受けることが通常であると述べている。質量分析器に印加されるＲＦ及び／またはＤＣ電圧に跳びまたはかなりの変化があると、過渡過程のためＱ０に所望の電圧が確立されるまで時間がかかり、Ｑ０からのいくらかのイオンの排出が生じる。Ｑ０に独立のＲＦ電源を備えるとコストが非常に高くなるため、質量分析計製造業者はこの問題を仕方なく受け入れてきたことが述べられている。次いで、Ｑ０に軸方向電場を与えることにより、Ｑ０を再び満たすための時間を短縮し得ることが示唆されている。すなわち、質量分析計のある区画から全てのイオンを掃出することは一般に望み得ないことが教示され、質量分析計のある区画に対して、反復可能な、空虚状態を確立できることには利点がある得るという認識はない。さらに、このタイプの質量分析計の目的とされる用途のため、空間電荷効果の議論はなく、特に、実質的な空間電荷障壁が、動作条件の変化に対する衝突／反応セルの迅速な応答を妨げる上で重要な役割を果たし得るという認識はない。

線形軸方向電場を与えることには多くの利点があるが、そのこと自体が衝突セルの迅速な応答をもたらすとは限らない。軸方向電場はイオンのセル通過時間を短縮できる。しかし、空間電荷が印加電場に対して有意であれば、セルを通してイオンを引っ張るかまたは加速するに必要な勾配を確立する上での軸方向電場の有効性は減退する。すなわち、空間電荷障壁がセル内に存在すれば、印加軸方向電場は空間電荷によりオフセットされるかまたは遮蔽され得る。しかし、初期空間電荷が印加電場に対して比較的小さい場合には、電場の印加により、セル内の空間電荷障壁の形成を最小限に抑える条件を設定する軸方向勾配が確立される。セル内のイオンの空間電荷が印加電場に対して有意でなければ、高速時間応答が得られ、測定されるイオン信号には再現性があり、よって整定時間が短縮され得る。あるいは、セル内の電荷分布がほとんど変わらなければ(または、少なくとも、空間電荷電場が印加電場に対してほぼ一定のままであれば)、高速時間応答が得られ、測定されるイオン信号は、抑制はされ得るが、再現性があり、よって整定時間がやはり短縮され得る。

ＤＲＣの商品版の市場投入の前に、ＤＲＣ通過帯域変化後のイオン信号の緩慢な回復により、(整定時間と呼ばれる)時間が回復を可能にするに十分でなければ抑制された信号が生じることに、本出願の発明者等の内の数名が気づいた。そのような変化後のＤＲＣ状態の再現性がセルに導入されたイオン電流及びイオン質量分布に依存することにも気づいた。この問題をある程度処理するため、通過帯域変更のそれぞれの後(それぞれの測定前)にＤＲＣの状態を再現性よく定めるためのフラッシュパルスがオプションとしてＤＲＣ製品に実装されたが、このオプションを利用できることがユーザには明らかでなかった。当時は、フラッシュパルス後の緩慢な回復を処理できていなかった。この結果、ほとんどの場合には、フラッシュパルスの印加により再現性のある信号を達成できたにもかかわらず、実用的な(比較的短い)整定時間が用いられたときには、そのような信号は一般に定常状態信号よりも許容し得ないほど低かった。この結果、利用可能ではあったが、フラッシュパルスが用いられることは、たとえあったとしても、実際上極めて稀であった。発明者等の知るところでは、同様の機能が他の製品または他社製品でも利用可能であるが、そのことが一般に知られているか否かは不明である。

整定時間中に復旧するイオン分布は、例えば共在元素の有無に影響され得るから、フラッシュパルス法だけでは、試料の組成が変更された場合に再現性のある信号が与えられるとは限らないことが認識されるべきである。すなわち、１つの試料に対するある通過帯域の変更後の、特定の再現可能なレベルへの信号回復に十分な整定時間で、試料間の共在元素の違い及び共在元素濃度の差により、異なる試料の同じ濃度にある同じ検体イオンに対する信号が全く異なるレベルに回復することがあり得る。また、測定は通常、回復中の、すなわち変化している信号について行われるから、測定結果は測定持続時間(ドウェル時間と呼ばれることが多い)にも依存し、よって単位時間当りに検出されるイオンの数はドウェル時間に依存する。
米国特許第６１４０６３８号明細書 米国特許第５８４７３８６号明細書

質量分析計の動作条件変更後に、再現性があり迅速に反復可能なイオン電流を出力に与え、よって良好な時間応答制御を得る。

フラッシュパルス法及び軸方向電場法は、いずれも同じ問題、すなわち衝突セル及び反応セル並びに高圧力領域、例えば質量分析計のイオン輸送に影響を与えるに十分な圧力の下で動作する質量分析区画の、動作条件変更に対する緩慢な応答の処理を目指しているのではあろうが、本質的に相反する手法である。フラッシュパルスは基本的に、それぞれの場合において、既存の電荷分布を掃去し、よって質量分析計の衝突セル、反応セルまたはその他の区画を既知の空になった状態に戻すことを目的とする。この手法は確かに再現性のある応答を与え得るが、変更の復旧自体にはある程度の時間がかかり得るから、時間応答を長くし得る。一方、軸方向電場の使用は逆のアプローチをとる。軸方向電場法はいかなる前存電荷分布の掃去も目指さず、むしろ、衝突セル等内のイオンの滞留時間を短縮して、動作状態が変更されたときにイオン数をより迅速に変化させる目的で、イオンを加速するための電場を印加する。

本出願の発明者等が気づいたことは、フラッシュパルスを軸方向電場と組み合わせると驚くほど多くの利点が得られることである。フラッシュパルスは、質量分析計システムの衝突／反応セルが必ず同じ、空になった状態から再び出発するであろうから、整定時間の開始時に再現性のある電荷分布を提供する。したがって、得られる信号はセル内の前の電荷分布に、全く依存しないことは無いにしても、ほとんど依存しないはずである。同時に、軸方向電場は整定時間中のイオンの迅速な通過を提供し、したがって衝突セル等は迅速に満たされることになる。この結果、応答速度が速くなり、よって整定時間を短縮することができる。フラッシュパルスはセルの過去の電荷分布履歴へのイオン信号依存性を排除し、軸方向電場は迅速な応答を提供するから、これらの組合せは迅速な時間応答を提供する。それでも定常状態値への信号の完全な回復に必要な時間は試料の組成に依存し得るが、この時間は軸方向電場の印加により短縮される。この結果、整定時間が最長回復時間より長ければ、比較的短く一定の整定時間を全ての試料に用いて再現性のある結果を得ることができる。本出願の発明者等により様々な試料について得られた実験データによれば、全ての場合で、１０ミリ秒の、フラッシュパルス持続時間＋整定時間の組合せで十分であった。

線形軸方向電場を実施するための実際の装置は、特許文献２に説明されるいかなる構成でもさしつかえない。しかし、傾斜ロッド及びテーパ付ロッド構成は、明確に定められたセル通過帯域の確立とは両立しない。セグメント分割ロッドは本発明に適用できるが、設定が面倒であるし、連続軸方向電場または電位勾配が得られない(時間応答に悪影響を与える逐次加速／減速期間がある)。軸方向電場を与える別の手段は、(電場強度は比較的低くなるが)外部軸方向電場が開口を通して多重極子ロッド間に侵入して多重極子内部に軸方向電場をつくるように、多重極子の外部に電極を配置することである。最適な構成は、多重極子ロッドセットのロッド間に配置された補助電極の使用であると考えられる。補助電極は一般に(但し必須ではなく)、多重極子の軸に沿う近線形電場を発生するような形状につくられる。

本発明のよりよい理解のため及び本発明がどのように実施され得るかをさらに明確に示すため、例として、添付図面をここで参照する。

図１は、本発明と同じ譲受人に譲渡され、その内容が本明細書に参照として含まれる、米国特許第６１４０６３８号の明細書(特許文献１)に開示されているような質量分析計システム１０を示す。システム１０は、誘導結合プラズマイオン源１２，衝突／反応セル４１，プレフィルタ６４及び質量分析器６６を備える。セル４１が、セル４１に導入されたガスとセル４１に入るイオンの間の衝突及び反応の内の１つまたは両者のために構成され、用いられ得ることは当然である。誘導結合プラズマイオン源１２は分析のための試料材料をイオン化し、次いで、イオンをイオン流の形態でサンプラープレート１６の第１のオリフィス１４を通して噴射する。第１のオリフィス１４を通過すると、イオン流は、例えば３Ｔｏｒｒ(約４×１０^２Ｐａ)の圧力までメカニカルポンプ２０で排気された、第１の真空チャンバ１８に入る。イオン流は第１のチャンバ１８を通って先に進み、スキマープレート２４の第２のオリフィス２２を通過する。第２のオリフィス２２を通過すると、イオン流は、第１の高真空ポンプ３０によりさらに低い圧力(例えば１ｍＴｏｒｒ(約０.１３Ｐａ))まで排気された、第２の真空チャンバ２８に入る。第２の真空チャンバ２８内で、イオン流は入口アパーチャ３８を通って四重極子３４に入る。四重極子３４は衝突セル４１を形成するための容器すなわちハウジング３６内に装荷される。

反応性衝突ガスがガス源４２から供給され、反応性衝突ガスは既知のいずれかの態様で容器３６の内部に供給することができる。図示されるように、衝突ガスは、コンジット４４を流過し、アパーチャ３８を囲む環状開口４６を通って流出することができる。衝突セル４１はチャンバ２８より高い圧力にあるから、ガスは、イオン流に逆らい、アパーチャ３８を通って流出し、チャンバ２８に入る。このガス流が、イオン源１２からの非イオン化ガスの容器３６への流入を防止するかまたは低減させる。イオン流が四重極子３４に入る前に反応性衝突ガスがイオン流に向けられるように、ガス源４２からの分枝コンジット４８がアパーチャ３８の直前の位置５０で終端する。位置５０は、アパーチャ３８の上流でイオン源１２の下流であれば、どの位置であっても実際上さしつかえない。

質量分析計システム１０は、主として無機検体の分析を目的としている。この目的のため、誘導結合プラズマイオン源１２は通常アルゴンガスを利用し、アルゴンガスは、誘導を介して、アルゴンガスを励起し、イオン化する電場にさらされる。発生したイオン化プラズマに検体試料が注入され、検体イオンのイオン化がおこる。アルゴンイオン及び検体イオンを含むプラズマは、示されるように、オリフィス１４を通過する。そのようなプラズマは高濃度のイオンを有し、イオンの多くは不要なアルゴンまたはアルゴン化合物のイオンである。したがって、不要イオンによりおこる干渉を排除または低減することが望ましく、この目的のために衝突／反応セル４１が用いられる。米国特許第６１４０６３８号は、セル４１内部で新しく干渉をおこし得る化学反応シーケンスを、本質的に、妨げる、帯域通過手法に向けられている。

上述したように、この手法は多くの利点を有するが、衝突セルまたは動的反応セル４１の通過帯域状態の変更後、イオン信号が安定するまでに時間がかかるという問題がある。通過帯域状態の変更により、セル内で、以前は不安定であったイオンのいくつかが安定になるという結果、またはこの逆の結果がおこり得る。ＩＣＰ−ＤＲＣ−ＭＳにおいては、高強度イオン源のため及び衝突または動的反応セルの通過帯域が分析測定毎に調整され得るため、問題はさらに過酷である。したがって、本明細書では、本発明がそのようなＩＣＰ−ＤＲＣ−ＭＳ構成に適用されるとして説明される。

しかし、本発明が上記用途に限定されないこと、さらに、説明される質量分析計システムの詳細が既知の態様で変わり得ることは当然である。例えば、衝突セル４１は四重極子３４を有するとして説明されるが、適するいかなる電極構成も用い得ることは理解されるであろう。さらに詳しくは、その他の多重極子、例えば六重極子または八重極子を用いることができよう。

さらに、本発明は別のタイプの質量分析計への適用も可能であることが、当業者には理解されるであろう。例えば、別のカテゴリーの質量分析計は有機検体を分析するために構成される。一般に、有機検体はエレクトロスプレーイオン源または別のいずれかの等価なイオン源を用いてイオン化され、これらのイオン源は誘導結合プラズマ法とは異なり、そのような高強度手法ではなく、したがって、通常は空間電荷制限による同じ問題は生じない。そうではあっても、そのような質量分析計は衝突セルを備えており、フラッシュパルスすなわち掃出パルスと軸方向ＤＣ電場を組み合わせる、本発明の手法をそのような質量分析計に用いることの利点はあり得る。

開示される装置の、以下に詳述される、質量分析器を、適するいずれかの質量分析計で置き換え得ることも理解されるであろう。

特許文献１によれば、四重極子は所望の通過帯域を与えるために作動される。すなわち四重極子はＲＦ限定デバイスとして、すなわち、低質量遮断帯域通過デバイス、すなわち、設定ｍ/ｚ値よりｍ/ｚ値が大きいイオンを通過させるイオン通過デバイスとして動作し得る。しかし、所望の通過帯域よりｍ/ｚ値が小さい不要イオンも大きい不要イオンも排除するために、低レベルの分解ＤＣをロッド間に印加することもできる。これらの電圧は電源５６から供給される。

動的反応セルまたは衝突セル４１からのイオンは、オリフィス４０を通過し、メカニカルポンプ３２でバックアップされている第２の高真空ターボポンプ６２により排気される第３の高真空チャンバ６０に入る。メカニカルポンプ３２は高真空ポンプ３０，６２のいずれもバックアップしている。ポンプ６２は真空チャンバ６０内の、例えば１×１０^−５Ｔｏｒｒ(約１.３×１０^−３Ｐａ)の圧力を維持する。これらのイオンはプレフィルタ６４(一般にはＲＦ限定短四重極子ロッドセット)を通過して質量分析器６６(一般には四重極子であるが、上述したように飛行時間型質量分析計、扇形質量分析器、イオントラップ等のような別のタイプの質量分析器とすることができるが、別のタイプの質量分析計の中には図示される配置に適切な若干の変更が必要となるものがあろう)に入る。四重極子６６では、動的反応セル４１から受け取られたイオンの走査を可能にするためのＲＦ及びＤＣ信号が、通常の態様で、電源６８から四重極子ロッドに供給される。一般に、プレフィルタ６４は、通常のように、コンデンサＣ１により四重極子６６に容量結合され、よってプレフィルタ６４のための独立電源の必要がなくなる。

四重極子６６から、イオンはインターフェースプレート７１のオリフィス７０を通って検出器７４に進入し、イオン信号が検出器７４で検出されて、分析及び表示のためにコンピュータ７６に送られる。

質量分析計システム１０は、四重極子３４へのＲＦ電圧振幅、ＤＣ電圧及び／またはＲＦ周波数の(電源５６を用いる)変更または調整により、第３の真空チャンバ６０に送り込まれるイオンの質量帯域(すなわちｍ/ｚ範囲)が制御される、可調通過帯域衝突セルまたは動的反応セル４１を備える。通過帯域の低質量端は主として四重極子３４に供給されるＲＦの振幅及び周波数により定められ、通過ウインドウの高質量端は主として四重極子３４の極子対間に印加されるＤＣ電圧の大きさにより定められる。したがって、注目するｍ/ｚ範囲だけが選択的に質量分析計に結合される。これにより、中間体イオンまたは干渉イオンは、同重体または同様の干渉体を生成する機会を得る前に、排除される。

衝突セル４１に存在する圧力では高分解能が得られないことが多い。したがって、広通過帯域動的反応／衝突セルにおいては、真のマスフィルタリングは得られず、与えられもしない上に、１０〜５０ｍＴｏｒｒ(約１.３〜６.５Ｐａ)もの高い圧力が存在し得る。しかし、高い圧力でも動作するマスフィルタがあるであろうし、そのようなマスフィルタには、応答を相当に強化するために本発明の手法を提供し得る。

昇圧された反応／衝突セル４１におけるイオン密度分布は、オリフィス３８を通って入ってくる入力イオン電流が変わると、変化する。昇圧された反応／衝突セル４１におけるイオン密度分布は、反応／衝突セル４１内の電場の変化の結果としても変化する。反応／衝突セル４１内の電場の変化は、四重極子３４に適用される通過帯域を設定するための、ＲＦ振幅、ＲＦ周波数またはＤＣ電圧を変えることで生じ得る。その他の例にはノッチフィルタリングまたは広帯域励起のための条件変更がある。有意な変化、例えば適用通過帯域の有意な変化に対し、前は安定ではなかったイオンの中に安定になり得るイオンがあり、及び／または、安定であったがもはや安定ではなくなって排除されるイオンがある。すなわち、イオン密度分布の変化により、反応／衝突セル４１内の対応する電荷分布の変化がおこり、この結果、電荷密度は局所電位場に影響するに十分に大きいから、電荷分布の変化はイオンがセルから引き出される速度に影響を与え得る。続いて、イオンがセルから引き出される速度が、検出器７４及びコンピュータ装置７６における測定値に影響を与える。

反応／衝突セル４１内の、イオン密度分布の変化後の、安定な電荷分布の確立には、かなりの時間がかかり得る。イオン密度分布のそのような変化の結果として、イオン引出し速度が変わり得る。したがって、反応／衝突セル４１における安定なイオン密度分布の確立速度は、下流で検出されるイオン信号の安定化速度に影響を与える。

以下で詳述されるように、様々な実作業が動的反応セルまたは衝突セル４１内の電荷分布に影響を与え得る。残念なことに、そのような変化のいずれもが、一般に、セル４１内の電荷分布に過渡または変動を生じさせ、したがってどの特定のイオンの引出し速度にも過渡または変動が生じる。さらに、この過渡または変動は新しい動作条件だけでなく、セル４１の以前の動作状態にも依存するであろう。したがって、電荷分布のいかなる有意な変化に対しても、変化後のセル４１内の安定な電荷分布または電荷数の確立を可能にし、続いてセル４１からのイオン流の一定または一様な条件への安定化も保証するには、時間をかけなければならないというのが、従来の教示であった。しかし、動作状態の変化後、電荷分布及びセル４１からのイオン流が安定値に落ち着くにはかなりの整定時間がかかり得る。従来の教示によれば、この整定時間の間は、利用できるイオン信号の有用な読みを得ることができない。このことは、システムが安定するまでに、利用できるイオン流の一部が本質的に廃棄されるから、総合感度を低下させる。用い得る走査速度も低下し、したがってデューティサイクルも影響を受ける。例えば、ボド・ハッテンドルフ(Bodo Hattendorf)及びデトレフ・ギュンター(Detlef Guenter)，「乾性エアロゾル及びレーザアブレーションのための動的反応セルを備えるＩＣＰ−ＭＳの特性及び能力」，Journal of Analytical Atomic Spectroscopy，２０００年，第１５巻，ｐ.１１２５−１１３１を参照されたい。

セル内のイオン密度分布の変化によるイオン信号の長時間回復は、いくつかの要因に帰着させることができる。関係する要因の例は、反応／衝突セル４１に導入されるイオン電流の変化(すなわち、時間依存イオン源変動または入力イオン光学系のスルー変調)、反応／衝突セル４１のエンドキャップ電圧の調節、四重極子３４への印加ＤＣ電圧(すなわち、全ロッド一緒に印加される共通電圧、またはロッドオフセット電圧)の調節、四重極子３４への印加ＲＦ振幅の調節、四重極子３４への印加ＲＦ周波数の調節、及び四重極子３４の両細長ロッド対の間のＤＣ分解電圧差の調節である。“イオン密度変化”の大きさが可変であれば、回復時間も可変であろうことは理解されよう。これにより、測定されるイオン信号が不安定になる。上述したように、同様の効果が高圧力質量分析器でおこり得るであろう。

質量分析計システム１０において、反応／衝突セル４１の通過帯域は、その範囲にわたって測定がなされるべき特定の質量範囲に対し、下流の質量分析器６６と合せて調節される。質量分析器６６が質量の跳びを実行すると、それに呼応して反応／衝突セル４１の質量ウインドウが調節される。セル４１に対する通過帯域は質量分析器６６に設定されている質量の近くを中心とする必要はない、すなわち通過帯域に対するシフトは質量分析器６６に対する質量シフトより大きくとも小さくともさしつかえないことに注意されたい。反応／衝突セル４１の通過帯域が主要イオンを含むかまたは排除するように調節されるか、あるいは、検体質量が以前の設定の通過帯域内には入らないが、今は新しい通過帯域に含まれるように調節されれば、反応／衝突セル４１内の電荷が影響を受ける。また、反応／衝突セル４１の通過帯域に有意な変更がなされれば、セル内で以前は安定であったイオンが不安定になり、新しい電荷範囲が安定通過帯域内に入る。この通過帯域変更の結果、反応／衝突セル４１における電荷分布が安定になるまでにはある程度の時間がかかり得る。電荷分布が安定になるまで、セルの流出口で得られるイオン信号が変化する。したがって、以後の質量範囲を走査する場合の質量分析計１０の時間応答は、反応／衝突セル４１において安定な電荷分布が得られるに必要な時間により制限される。一般に、通過帯域の変更時に、イオン信号は初め抑制され、次いで安定レベルまで増加する。あるいは、イオン信号が初めは増大し、その後安定レベルまで減少する。反応／衝突セル４１において、通過帯域は電源５６により四重極子３４に与えられるＲＦ周波数を調節することで検体質量毎に意図的に調節される。通過帯域はＲＦ振幅(Ｖ_ｒｆ)を変えることによっても調節することができる。通過帯域調節後のイオン信号の安定レベルへの緩慢な回復が図２Ａ〜２Ｄに示される。

図２Ａ〜２Ｄは、反応／衝突セル４１の様々なパラメータの調節後の、安定イオン信号確立における時間遅延を示す。いくつかの実験的試験中に測定された、復旧して元のセル条件に一致する(ほぼ１４.１秒後)ようなイオン信号がグラフに示される。各試験においては、１つのセルパラメータをイオン信号が減少するように最適値から調節し、次いで元の最適値に再帰させた。変更されたパラメータには、図２ＡにおけるＲＦ振幅Ｖ_ｒｆ(２００Ｖ→５０Ｖ→２００Ｖ)、図２Ｂにおける(共通)ロッドオフセットＤＣ電圧(−１Ｖ→−２０Ｖ→−１Ｖ)、図２Ｃにおけるエンドキャップ電圧ＣＰＶ(１５Ｖ→０Ｖ→１５Ｖ)、及び図２Ｄにおけるセル前面のイオン光学レンズ電圧Ｅ_レンズ(６Ｖ→０Ｖ→６Ｖ)がある。図２Ａ〜２Ｄに示されるように、イオン信号は、初めは、参照数字９０で示されるように安定になっていた。反応／衝突セル４１のパラメータが最適値から変更されれると、参照数字９２で示されるように、イオン信号が減少する。図に見られるように、元のセルパラメータに再び戻されると、参照数字９４で示されるように、イオン信号は時間(応答時間)をかけて徐々に回復する。イオン信号の応答時間は、反応／衝突セル４１内の条件(圧力、四重極子ロッド対に印加されるＲＦ振幅及びＤＣ電圧並びにエンドキャップ電圧、さらにロッドオフセット電圧、並びに、おそらくは、ガスのタイプ及びセルの流入口におけるイオンのエネルギー)、反応／衝突セル４１に導入されるイオン電流、及び反応／衝突セル４１内のイオン密度の関数である。例えば、反応／衝突セル４１内の圧力が高いほど、反応／衝突セル４１内の通過帯域変更後のイオン信号の応答時間は長くなる。反応／衝突セル４１内のイオン信号の応答時間は、反応／衝突セル４１に入るイオン電流が大きいときにも長くなる。このことは、高電流イオン信号を発生する誘導結合プラズマ(ＩＣＰ)イオン源１２について特に当てはまる。続いて、高イオン電流はセル内に空間電荷状態となる密度変化を生じさせ得る。これは、反応／衝突セル４１内の安定な電荷分布の確立に対する長い応答時間に寄与する、空間電荷障壁をつくることができる。

したがって、本発明は、反応／衝突セル内の電荷分布に影響するパラメータの調節後の、セル内のイオン信号の応答時間を改善することが望ましいという認識に基づく。反応／衝突セル内に軸方向ＤＣ電場を与えることにより、質量分析計システム１０の時間応答が改善されることは、質量分析の技術において既に確立されている。

以降では、“整定時間”及び“ドゥエル時間”に言及される。“整定時間”は動作条件変更後に装置が落ち着くまでの時間である。イオンの読みを得るかまたはイオンを検出するに用いられる時間長は“ドゥエル時間”と呼ばれる。図２Ａ〜２Ｄが示すように、測定されるイオン信号の安定状態値への回復は指数関数的となり得る。実際上、安定状態に達するまで待つ必要はない。イオン電流が一定であり、他のパラメータが元のままであれば、異なる整定時間及びドゥエル時間に対しては測定される信号が異なるかもしれないが結果は再現可能であり得る。定常状態信号が確立される前に測定期間を開始する、整定時間を定めることができる。

図３Ａは特許文献２にしたがう四重極子９５の側面図を示す。本発明にしたがえば、この四重極子９５の、四重極子３４の所定の位置への挿入が意図される。四重極子９５は第１の細長ロッド対１００ａ，１００ｂを有し、各ロッド１００ａ，１００ｂには、長さに沿って断面にテーパがかかっている。図示されるように、第１のロッド対１００ａ，１００ｂの端面Ｂ(出力)は断面が狭いが、端面Ａ(入力)では第１のロッド対１００ａ，１００ｂの断面が広げられている。図３Ａの側面図は第１のロッド対１００ａ，１００ｂしか示していない。ロッド対の構成のよりよい理解を達成するため、図３Ｂおよび３Ｃはそれぞれ、端面Ａ(入力)及び端面Ｂ(出力)を見ている、四重極子９５の端面図を示す。図３Ｂに示されるように、第１のロッド対１００ａ，１００ｂの面に直交する面に、第２の細長ロッド対１０４ａ，１０４ｂが配置される。第２の細長ロッド対１０４ａ，１０４ｂ内の細長ロッドのそれぞれの形状は、図３ａに示される第１のロッド対１００ａ，１００ｂに含まれるロッドの形状と同じである。しかし、図３Ｂに示されるように、第２のロッド対１０４ａ，１０４ｂは、第２のロッド対１０４ａ，１０４ｂが端面Ａにおいて狭い断面を有し、一方端面Ａにおいて第１のロッド対１００ａ，１００ｂは広げられた断面を有するように(図３Ａも参照されたい)、構成される。第２のロッド対１０４ａ，１０４ｂの断面は、第２のロッド対１０４ａ，１０４ｂが端面Ｂに達するまで、長さに沿って単調に増加し、端面Ｂで断面は最大になる。図３Ｃに示されるように、端面Ｂにおいて、第１のロッド対１００ａ，１００ｂは狭い断面を有し、第２のロッド対１０４ａ，１０４ｂは広げられた断面を有する。図３Ａを参照すれば、ロッド対１００ａ，１００ｂ、１０４ａ，１０４ｂの上記の構成により、参照数字１０２で定められるように、軸線に沿って軸方向に変化するＤＣ電場の発生が可能になる。ロッド対１００と１０４の間に電圧差を与えることにより、四重極子９５内の、参照数字１０６で定められるような、細長空間内に軸方向電場が確立される。この構成は、通過帯域がセルに沿う距離の関数でもあるから、帯域通過反応性衝突セルにあまり適してはいない。しかし、この構成は従来の衝突または反応セルについては受け入れられる。その上、この構成は空間１０６内のイオンに軸方向の力を加える。これは、２つの細長ロッドセットの間にＤＣバイアス電圧を印加することにより達成され、この場合、第１のＤＣ電圧が第１のロッド対１００ａ，１００ｂに印加され、第１のＤＣ電圧より低い、第２のＤＣ電圧が第１のロッド対１０４ａ，１０４ｂに印加されて、ＤＣ電位差が与えられる。軸方向ＤＣ電場ポテンシャルは端面Ａで大きく、端面Ｂの方向に軸１０２に沿って単調に減少する。これにより、端面Ａで四重極子に入る正イオンは端面Ｂの方向に軸１０２に沿って加速され、端面Ｂで四重極子９５から出る。したがって、衝突／反応セル４１内のイオンの通過時間または滞留時間が短縮される。四重極子(または多重極子)を通してイオンを加速することにより衝突／反応セル内のイオンの時間応答(または滞留時間)を改善する本方法は、譲受人の既存ＬＩＮＡＣ(線形加速器)技術に既に存在する。軸方向電場は衝突／反応セル４１内に確立される空間電荷障壁高も低めることができ、これによりイオンの応答時間がさらに短縮される。好ましい構成は、特許文献２の図１４にあるようなセグメント分割ロッドセット、または特許文献２の図２１に示されるような補助ロッドの使用であり、図４Ａ及び４Ｂに示される実施形態がさらに好ましい。

ＤＣ電位を単に反転することで、四重極子９５の長さに沿う軸方向電場の勾配を反転することにより、イオンの平均滞留時間を長くすることができ、ある場合にはこれが特に有用であることも理解されるべきである。そのような場合は、例えば不安定であるかまたは雑音の多いイオン源により測定精度が制限されるときにおこる。この場合には、衝突／反応セル内のイオンの滞留時間を長くすることが望ましい。

さらに、補助電極がロッドセットのロッド間に配された構成を用いて補助電場を与えることが、特に好ましい。これらの電極は、図４Ａ及び４Ｂにしたがい、所望の軸方向電場を与えるために、径方向に凸の形状につくられた内面を有することが好ましい。

様々な個所で軸方向ＤＣ電場及びＤＣ電位の印加に言及がなされるが、純粋なＤＣ電場が必須ではないことにも注意すべきである。代わりに、所望の方向におけるイオンの運動を促進するための正味のＤＣ成分を時間平均で与える、非対称交流波形を用いることができる。

上で示唆されたように、ある用途では、軸方向電場の反転が望ましくなることがある。例えば、同位体を測定する場合は、イオン源に雑音が多いことがある。そのような場合、トラップ電場を与えるために、反転電場を有効に用いることができる。これにより、高周波信号変動が平滑化される。そのような場合には、測定開始時にフラッシュパルスだけを用いることができる。次いでイオンパルスが注入され、イオンを“トラップ”するために減速電場が与えられる。

軸方向電場を発生させるための好ましい配置を示す図４Ａ及び４Ｂを次に参照する。多重極子のＲＦ／ＤＣ電場を確立する(図４では円形断面で示され、図１のロッドセット３４と同等の)ロッド１１２に加えて、それぞれが概ねＴ字形の断面を有する、複数の細長補助電極１１４が備えられている。すなわち、それぞれの補助電極１１４は、多重極子ロッド１１２の間で、多重極子の軸に向かって径方向で内側に延びる刃状区画を有する。この刃状区画の径方向長は軸に沿って変わり、よって補助電極１１４の断面が軸に沿って変わる。図示されるように、刃状区画の形状は、多重極子に沿って変わり、したがって軸方向電場を与える、軸上のまたは軸に近接する電位を、細長ロッド１１４に印加されるＤＣ電圧または複数の電圧が確立するような形状である。例えば、図４Ａに与えられる断面はロッド１１２の間で径方向により奥まで突き出している刃状区画１１６を示し、図４Ｂの断面はロッド１１２の間で径方向にそれほど突き出してはいない、短い刃状区画１１７を示す。細長電極１１２のより奥まで突き出している突端１１６を衝突／反応セル４１の入口近くに配し、それほど突き出していない突端１１７を衝突／反応セル４１の出口近くに配することにより、及びロッド１１２のＤＣオフセット電位に対して正電位を細長補助電極１１４に与えることにより、正イオンを入口から出口に移動させるようにはたらく、セルに沿う静電場を確立できる。補助電極１１３の構成を反転し、負ＤＣ電圧を用いて、同じ効果を達成することも可能である。多重極子を通して出口までイオンを押す力を等しくするように、多重極子に沿う電位分布は線形であること、すなわち軸方向電場が実質的に一様であることが好ましい。しかし、細長電極１１４の形状プロファイル及び／または多重極子ロッド１１２間での侵入深さを適切に調整することにより、電位分布を線形から変化させることができる。線形電位分布を与えるには、曲線プロファイルが刃状区画１１６，１１７に必要であることがわかっている。

代表的な電位に関し、衝突セルのエンドキャップは通常−１０〜−３０ＶＤＣの電位にある(電位は全て、接地電位にあるイオン源に対する電位である)。補助電極は普通２００〜４００ＶＤＣの範囲の電位にあり、これにより１Ｖ程度の軸に沿うかまたは軸に近接する電位降下が得られる。ロッド１１４に印加されるＲＦ電圧は通常２００Ｖ程度である。軸に沿う電位降下は小さいから、イオンは衝突間で効率よく加速されるが、衝突エネルギーへの軸方向電場の寄与は比較的小さく、よって一般に、エネルギーに依存する反応性衝突の特異性は影響されないことが保証される。あるいは、反応性衝突の結果に影響するに十分に衝突エネルギーを変えるため、さらに高い電圧を補助電極に印加することができる。

通常の電源が参照数字１１８ａ，１１８ｂで示され、ＲＦ及びＤＣ電圧を供給するため、四重極子態様でロッド１１２に接続される。図示されるように、ＤＣ電源１１９が補助電極１１４に接続される。

次に図５を参照すれば、衝突／反応セル４１の通過帯域の変更後の、同様の測定に対する時間の関数としてのイオン信号のグラフが示されている。この例では、四重極子９５に印加されるＲＦ振幅を変え、０Ｖから２００Ｖに戻すことにより、通過帯域が変えられている。参照数字１２０で示されるようなイオン信号応答は、四重極子９５の長さに沿う軸方向電場の印加がなく、フラッシュパルスを用いずに測定される。曲線上の全ての点は、１０ミリ秒の整定時間後５０ミリ秒のドゥエル時間にわたって測定した^５０Ｆｅ^＋信号を表わす。イオン信号応答曲線１２０が示すように、定常状態信号に近い値にイオン信号が達するにはほぼ４秒かかる。

参照数字１２２で示されるイオン信号応答は、１０ミリ秒の整定時間の代わりに振幅３０Ｖのフラッシュパルスを１０ミリ秒間印加したことを除き、同じ態様で得られた。パルスに続いて５０ミリ秒のドゥエル時間で測定した。ドゥエル時間が終わると、同じフラッシュパルス及びドゥエル時間でさらにこのサイクルを反復した。このサイクルをほぼ６０ミリ秒毎に反復して曲線１２２を得た。曲線１２２で示されるように、定常状態信号は迅速に確立されたが、周期的反復フラッシングにより信号が曲線１２０のレベルに達することが妨げられるため、信号強度は、曲線１２０で示される定常状態信号に比べて約１/４に減少している。

曲線１２４のデータは、曲線１２０と同様の態様で得たが、図４の補助電極構成を用いて印加された軸方向電場だけが追加されている。信号は、曲線１２０の定常状態レベルの約２倍のレベルまで迅速に回復するが、その後ほぼ２秒間かけておよそ５％ほど増大する。

次に、本発明にしたがって、曲線１２６を曲線１２４と同様の態様で得たが、(曲線１２２について説明した)フラッシュパルスを追加している；測定期間中はやはりフラッシュパルスとドゥエル時間の連続サイクルが実施され、よって曲線１２４に見られる長期回復効果は妨げられている。この例では、イオン信号は迅速に安定定常状態まで回復し、さらに、曲線１２０の定常状態信号レベルのほぼ２倍になっている。フラッシュパルスだけ(曲線１２２)では迅速な、ただし抑制された信号レベルへの、時間応答が得られ、定常状態信号が(入力イオン電流及び通過帯域状態のような)他の事柄よりとりわけて整定時間及びドゥエル時間の関数であることは明らかである。軸方向電場の適用だけで劇的な時間応答改善が得られ、(軸方向電場もフラッシュパルスも用いられない場合に比較して)高められた信号レベルも得られるが、それでも徐々に変化する信号が観測されることが多く、定常状態に達するにはかなりの時間がかかり得る(これは、入力イオン電流及び通過帯域状態に依存し得る)。本発明により提供されるような、連続軸方向電場及びフラッシュパルスの両者の適用は、定常状態信号への迅速な時間応答を(軸方向電場もフラッシュパルスも用いられない場合に比較して)高められた感度とともに与え、定常状態信号はセル内の以前及び現在の電荷分布に対してほとんど感応しないように見える。

図５は、実証の目的のため、反応／衝突セルが空の状態になった後に得られた曲線を示す。主要イオンが含められるかまたは排除されるように、反応／衝突セルの通過帯域が相異なる動作状態間で変更された場合に、図５に示される時間応答と同様の時間応答が観測されることに注意すべきである。このことは、通過帯域の相異なる動作状態間での変更が普通の動作モードであるから、重要である。

本発明の手法を用いなければ、イオン信号の応答時間は、通過帯域が分析される質量に合わせて調節されたときの衝突／反応セル４１内の(どのイオンが安定になるかまたは安定でいられなくなるかという)通過帯域の変化の関数である。この場合は、分析方法(イオン測定シーケンス)が変われば、応答時間が異なる。したがって、通過帯域変更後のある与えられた時点で測定されるイオン信号は、イオン信号の平衡状態到達を妨げるに十分に短い時間内にイオン信号が測定されれば、分析方法の関数となる。

さらに、試料が共在元素を高濃度で含有していれば、共在元素がセル内の電荷分布に影響し得るから、応答時間は共在元素が存在しないときの応答時間と異なるであろう。このことは、外部較正溶液が共在元素を相応の濃度で含有していない、外部較正手順の使用を効力を弱め、検体のブランク濃度を測定するためのブランク溶液の使用の効力を失わせる。セルへのイオン電流が、試料組成の変更、イオン源強度の変更あるいはイオン光学系の集束特性の変更の結果として変化すれば、同様の効果が観察され得るであろう。

本発明にしたがい、新しいｍ/ｚ範囲の試料イオンを受け取るように衝突／反応セル４１が調整される毎にフラッシュパルスが用いられれば、分析方法(測定される検体イオンの順序)に無関係なイオン信号再現性の改善を得ることができる。一手法において、フラッシュパルスは細長ロッド１１２間に与えられるＤＣ電圧パルスを含み、一方の正対するロッド１１２の対はあるＤＣ電位にあり、他方の正対するロッド１１２の対は別のＤＣ電位にある。ＤＣ電圧パルスの持続時間は、セル内滞留イオンのかなりの部分を四重極子電場内で不安定にし、よって四重極子電場から排出して、セルを空にするに十分でなければならない。これに必要とされる正確なパルス持続時間は、四重極子に印加される電圧の大きさ及び周波数に依存し、排出されるべきイオンの質量対電荷比にも依存する。図１に示される質量分析計の代表的な動作パラメータに対しては、２〜１００マイクロ秒程度のパルス持続時間で十分なはずである。もちろん、パルス持続時間はさらに長くすることができ、上述したように、図５のデータは１０ミリ秒のフラッシュパルス持続時間で得られている。ＤＣ電圧パルス(フラッシュパルス)は、全ての(またはほとんどの)イオンを不安定にするに十分な振幅を有するべきであり、全ての(またはほとんどの)イオンがセルから排出されていることを保証する持続時間を有するべきである。次いで、分析測定がなされる前に必要に応じた整定(安定化)時間が続く、分析状態が復旧される。(フラッシュパルスに続く)整定及びドゥエル時間が一定であれば、(通過帯域が分析質量に合わせて調節されるとして)分析質量の変更により生じる通過帯域の変更に無関係に、イオンはセルにおいて同様の履歴を有する。したがって、分析方法に無関係な、再現性のあるイオン信号が得られる。イオン信号は整定時間の間に安定になり得ないが、回復は通過帯域状態の変更に無関係に同様になるはずであることに注意すべきである。これには、衝突／反応セル４１への安定なイオン入力速度が想定されている。

感度への掃出パルスの効果は図５に見ることができ、図５では、参照数字１２２で示される、掃出パルスを用いて得られた信号は、極めて高速に定常状態レベルに到達するが、掃出パルスを用いずに得られた定常状態信号レベルに比較して約１/４に抑制されている。この信号抑制は、それぞれの測定に対して、全イオンの掃出後、反応／衝突セルは徐々に、ただし再現性をもって、同じ低レベル信号に回復し、よってパルス後の同じ時点でなされる読みは、大きさは小さいが、常に同じ結果を生じているという事実により、おこる。

衝突／反応セル内の軸方向電場の適用は、フラッシュパルスの適用により遭遇する感度上の不利を大きく低減すると同時に、それぞれの通過帯域変更に続く、フラッシュパルス適用の利点を維持する。掃出パルスはイオンの少なくともかなりの部分をセルから除去し、掃出後、信号の回復には、図２に示されるように−数秒程度の、かなりの時間がかかり得る。しかし、掃出パルスは、印加される毎に、比較的再現性のある電荷密度をセル内に確立する。したがって、掃出パルスから同じ時間遅延後にイオン信号を測定すれば、定常状態条件に達していなくとも、信号には再現性があるであろう。この時間遅延が一般的な信号回復時間より短ければ、測定された信号のレベルは定常状態信号の一部であろう。軸方向電場は定常状態信号をより高速に確立させる。したがって、セルの以前の電荷密度状態とは無関係にそれぞれの測定の前に掃出パルスが再現性のあるセル内電荷密度を提供し、軸方向電場が新しい定常状態電荷密度のより高速な確立を可能にする、掃出パルスと軸方向電場の組合せが、図５に参照数字１２６で示される、セルの高速時間応答を提供する。フラッシュパルスは質量分析計システムの時間応答を改善し、ある程度は、(曲線１２４と１２６の間の差で示されるように)軸方向電場の利点に逆作用するが、両手法の組合せは、両手法の有利な結合を備える、折衷解決策を提供する。組み合わせると、軸方向電場はフラッシュパルス後約２ミリ秒以内にイオン信号を回復させる。さらに、フラッシュパルスは通過帯域変更後衝突／反応セル４１内に再現性のあるイオン信号条件を確立する。よって、イオン信号測定値は衝突／反応セル４１内の以前の分布電荷の関数ではない。

衝突／反応セル４１に軸方向電場を適用してなされた、いくつかの分析測定値を示す図６を次に参照する。ｍ/ｚ＝１０３にあるイオン信号は、１０回の連続反復に対してそれぞれの測定の前(反復の間)に１０ミリ秒の整定時間をとって、５０ミリ秒の測定時間で同じ質量において信号が測定される単一同位体データ収集手順、あるいは、ｍ/ｚ＝９，ｍ/ｚ＝１０３及びｍ/ｚ＝２３８にあるイオン信号が、５０ミリ秒持続する測定のそれぞれの間に１０ミリ秒の整定時間をとって検出される多元素データ収集手順で測定された。１ｐｐｂのＲｈを含有する試料に対する^１０３Ｒｈ^＋信号が、データ収集手順にｍ/ｚ＝１０３だけが存在して測定される(図６においてバー６０１として示される)場合には、応答は約６２,０００カウント/秒である。他のｍ/ｚが共在して測定される(したがってｍ/ｚが変更される毎に通過帯域の変更がおこる)場合には、応答は約１４,０００カウント/秒に低下する(バー６０２)。感度低下は、通過帯域変更後の１０ミリ秒の整定時間の間には、セル内に定常状態電荷密度が確立されず、したがって測定がなされる毎に信号が定常状態値の一部までしか回復しないという事実によりおこる。

フラッシュパルスが印加されると、通過帯域が同じであるか変更されているかには無関係に、測定前に同じ電荷密度がセル内に再現性をもって確立される。バー６０３は、(通過帯域は不変のまま)ｍ/ｚ＝１０３だけが測定され、パルスが印加されたときの応答を示し、バー６０４は、ｍ/ｚが変更され(すなわちｍ/ｚ＝９(Ｂｅ)及びｍ/ｚ＝２３８(Ｕ)が収集手順に含まれ)、パルスが印加されたときの信号を与える。いずれの場合にも、応答は約１３,０００カウント/秒であり、測定前に通過帯域が変更されたか否かには無関係である。

衝突／反応セルの多重極子に沿う軸方向電場を印加すると、わずか１０ミリ秒の整定時間後に約１０７,０００カウント/秒の信号(バー６０５)が測定されるような、定常状態電荷密度分布の高速確立が得られる。軸方向電場が印加されたときには、衝突によって散乱したイオンの高められた収集効率が達成されることにより、軸方向電場がない場合に比較して大きな信号が軸方向電場によって得られる。しかし、電荷密度の定常状態は、１０ミリ秒以内に確立されるものの、セル内の以前の電荷密度に依存する−したがって、信号レベルは、軸方向電場のない場合より度合いは少ないが、未だに通過帯域が変更されたか(バー６０６)または不変のままであるか(バー６０５)に依存し、多元素手順信号は単元素手順信号の約８９％の約９５,０００カウント/秒である。

測定前に再現性のある初期電荷密度をセル内に確立するためにフラッシュパルスを用い、併せて、パルスの後に定常状態電荷密度を迅速に確立するために軸方向電場を印加すると、セルの通過帯域の変更とは無関係なＲｈ^＋信号の再現性があり精確な測定が可能になる(バー６０７及び６０８)。

(試験溶液はＲｈだけを含有し、ＢｅまたはＵあるいはその他の元素は含有していないことに注意すべきである。上記の試験は、測定されるべき与えられた質量に実際にイオンがあるか否かにかかわらず、応答が分析方法の関数であることを示すだけである。やはり、応答は様々な通過帯域において主要プラズマイオンが含まれるか／排除されるかによるようである)。

したがって、軸方向電場とフラッシュパルスの組合せにより、セル内の以前の電荷分布には無関係であり、整定時間及びドゥエル時間に比較的依存しない、再現性のあるイオン信号が得られる。フラッシュパルスが衝突／反応セル４１を空にする(全てのまたはほとんどのイオンを不安定にする)ことを保証する必要があるならば、フラッシュパルスの前に印加されるＤＣ電圧(Ｖ_ｄｃ)とパルス電圧の合算電圧値が、同じく衝突／反応セル４１に印加されるＲＦ電圧振幅(Ｖ_ｒｆ)の少なくとも０.１７(１７％)の領域になければならない。いくつかの用途では、フラッシング中にセルを完全に空にする必要はなく、恩恵を受けるには電荷の低減で十分であろう。それぞれのフラッシュパルスの持続時間は２〜１００マイクロ秒または数ＲＦサイクルとすることができ、ＲＦサイクルは通過帯域を変更するために衝突／反応セル４１に印加されるＲＦ信号周波数に関係する。

分解ＤＣ電圧が高質量遮断を設けるために極子対間に与えられる場合は、セルを完全に空にするに必要なパルス振幅は、パルス前に分解ＤＣ電圧が印加されていない場合より小さい。したがって、パルス自体だけでなく、合算ＤＣ電圧値をＲＦ振幅の１７％より大きくするべきである。

ＲＦ振幅を(分析測定中に印加されるＲＦ周波数は維持しながら)分析測定中に印加される振幅の一般には１/２未満に下げる方法；ＲＦ振幅を(分析測定中に印加されるＲＦ周波数は維持しながら)分析測定中に印加される振幅の一般には２倍より大きくする方法；ＲＦ周波数を(分析測定中に印加されるＲＦ振幅は維持しながら)分析測定中に印加される周波数の一般には１５０％より高くする方法；ＲＦ周波数を(分析測定中に印加されるＲＦ振幅は維持しながら)分析測定中に印加される周波数の一般には７５％より低くする方法；セルに導入されるイオン電流を、おそらくはイオン化源を止めることによるかまたはセル前方のイオン光学系におけるイオンの集束を弱めることにより減少させる方法；迅速にセルから出るようにイオンを誘導する態様でエンドキャップ電圧のいずれかまたはいずれをも調節する方法；ロッド対１１２のＤＣオフセット電位(全てのロッドに同時に等しく印加されるＤＣ電位)を、イオンを停止させる(おそらくは、空間電荷を増加させ、よってイオンの大多数を自脱させる)に十分に高い値まで上げる方法；または迅速にセルから出るようにイオンを誘導する態様でロッド対の１つまたはそれぞれに補助ＲＦ電位を印加する方法のような、ＲＦ信号自体を用いてセルを空にするいくつかの方法がある。

したがって、衝突／反応セル４１の四重極子３４に接続されるＤＣ及びＲＦ電源５６(図１を参照されたい)は、セル４１を空にするかまたはセル４１内に存在するイオンを不安定にするための(ＲＦ振幅または周波数を変えることによる)フラッシュパルス発生器またはフラッシュパルス源として作用することもできる。別の実施形態において、電源５６により与えられるＲＦ信号及びＤＣ電圧に加えて、独立ＤＣパルス発生回路を四重極子３４及び／または質量分析計１０のその他の要素に接続し得ることも理解されるであろう。この実施形態では、セル４１の通過帯域制御及び軸方向ＤＣ電圧が電源５６により与えられ、独立ＤＣパルス発生回路がフラッシュパルスを発生する。他の実施形態では、図４Ａ，４Ｂによる、本来は軸方向電場の確立のために用いられる補助電極１１４をパルス動作させることにより、フラッシュパルスを実施することができる。

前述したように、フラッシュパルスは、ｍ/ｚ範囲が新しい通過帯域値に調整される毎に、衝突／反応セル４１に印加される。また、質量分析器６６及び衝突／反応セル４１は、互いに合せて調整される。これは、本発明の譲受人により製造される動的反応セルに当てはまり、多くの標準的質量分析計にも当てはまる。

フラッシュパルスは同期信号として用いることもでき、同期信号は、衝突／反応セル４１及び質量分析器６６により選択される新しい通過帯域値のそれぞれを決定するために、コンピュータ７６に供給される(これにより、２０００年１１月２４日に出願され、その内容が本明細書に参照として含まれる、米国特許出願第０９/７１８５０５号の明細書に説明されているように、同重体の時間応答における値がわかる)。

本明細書に記述され、図示される、本発明の好ましい実施形態及び別実施形態に様々な改変がなされ得ることは当然であり、本発明の範囲は特許請求の範囲で定められる。

特定の実施形態の説明は、主に帯域通過反応性衝突セルに向けられた。セルがマスフィルタに容量結合されて、ＲＦ限定モードで動作する場合にも、同じ効果が観察されるはずである。セルに入るイオン電流が(過渡イオン源またはパルス動作イオン光学系からの過渡信号測定のように)変動し得る場合、またはセルに導入されるイオンの質量分布が変動し得る場合、またはセルパラメータの内の１つが変更される(調整最適化を実施する)場合、あるいは、圧力が急激に変えられるかまたはイオン源ないし上流のイオン光学系が調節される場合には、固定通過帯域セルであっても本発明を適用できよう。同様に、発明者等は、ＤＣパルスがＤＲＣ四重極子の極子対間に印加されるフラッシュパルス法を説明し、セルを迅速に空にするその他の方法も可能であることを説明した。

従来技術の装置による質量分析装置を示す 動作条件変更後の衝突／反応セル内での安定なイオン信号の確立における時間遅延を示す 動作条件変更後の衝突／反応セル内での安定なイオン信号の確立における時間遅延を示す 動作条件変更後の衝突／反応セル内での安定なイオン信号の確立における時間遅延を示す 動作条件変更後の衝突／反応セル内での安定なイオン信号の確立における時間遅延を示す 衝突／反応セル内の四重極子の側面図を示す 図３Ａに示される四重極子の第１の端面の図を示す 図３Ａに示される四重極子の第２の端面の図を示す 本発明の好ましい実施形態の簡略な断面図を示す 本発明の好ましい実施形態の簡略な断面図を示す 軸方向電場及び掃出パルスの両者の効果を示す、衝突／反応セルの動作ＲＦ電圧の変更後の期間中の反復測定に関して、測定されたイオン信号を表わすグラフを示す 軸方向電場及び／または掃出パルスを有効あるいは無効にして、デー収集手順がｍ/ｚ＝１０３だけを単独に測定したときの、またはデータ収集手順にｍ/ｚ＝９(Ｂｅ)及びｍ/ｚ＝２３８(Ｕ)も含まれているときに測定された、１ｐｐｂ Ｒｈに対する^１０３Ｒｈ^＋信号の強度を表わすグラフを示す

符号の説明

１０ 質量分析計システム
１２ 誘導結合プラズマイオン源
３４ 四重極子
４１ 衝突／反応セル
４２ ガス源
５６，６８ ＲＦ＋ＤＣ電源
６４ プレフィルタ
６６ 質量分析器
７４ 検出器
７６ コンピュータ
１１４ 補助電極

Claims (43)

1. 入口及び出口を有する処理区画を備える質量分析計システムの動作方法であって、前記方法が：
   (i) 前記処理区画の前記入口にイオン流を与える工程；
   (ii) 前記イオン流をして、前記処理区画を通過させる工程であって、その際、前記処理区画の少なくとも一部は中性粒子とのイオンの衝突を可能にする条件の下で作動している、通過させる工程；
   (iii) 前記処理区画の前記出口から出てくるイオンを検出する工程；及び
   (iv) 前記処理区画を通過するイオンの運動を促進するために、前記入口から前記出口にかけて前記処理区画内に軸方向電場を与える工程；
   を有してなる方法において、
   前記方法が、
   (v) 前記処理区画に存在するイオンを、さらなる分析、検出または処理の対象とはならないように排気するために、前記処理区画にフラッシュパルスを周期的に、前記イオンを検出する工程に先行する整定時間の開始前に与える工程；
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記処理区画の動作パラメータを１つの動作状態から別の動作状態に周期的に変更し、次いで前記フラッシュパルスを印加する工程を含み、前記処理区画を出てくるイオンの検出が後続する前記別の動作状態の間のイオンだけを検出するものであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記処理区画に複数本の細長ロッドからなる多重極子ロッドセットを備える工程及び前記軸方向電場を発生させるために前記細長ロッドに少なくとも１つの電圧を与える工程を含み、前記方法が、前記多重極子ロッドセット内で所望のイオンを安定状態に維持するために前記多重極子ロッドセットに少なくともＲＦ信号を与える工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記軸方向電場を発生させるため、一端から他端にかけて直径が漸減するテーパ付ロッドを提供する工程を含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記出口における直径が、前記入口における直径よりも小さくなるように、入口から出口に向かってその直径が漸減する第１の複数本のロッド及び、前記出口における直径が、前記入口における直径よりも大きくなるように、出口から入口に向かってその直径が漸減し、前記第１の複数のロッドのそれぞれと交互する、第２の複数本のロッドを含む、多重極子ロッドセットを提供する工程を含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記多重極子ロッドセットを、前記出口における直径が、前記入口における直径よりも小さくなるように、入口から出口に向かってその直径が漸減する、対角線上で向かい合う第１のロッド対、及び、前記出口における直径が、前記入口における直径よりも大きくなるように、出口から入口に向かってその直径が漸減する、対角線上で向かい合う第２のロッド対を含む、四重極子ロッドセットとして提供する工程を含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記細長ロッドをセグメント分割ロッドとして提供する工程及び個々のロッドセグメントに複数の個別の電圧を与え、よって前記軸方向電場を発生させる工程を含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
8. 前記処理区画に複数本の細長ロッドを含む多重極子ロッドセットを備える工程及び前記多重極子ロッドセット内に所望のイオンを安定状態に維持するために前記多重極子ロッドセットに少なくともＲＦ信号を与える工程を含み、前記方法が、前記細長ロッド間に配置された一組の補助電極を備える工程及び前記軸方向電場を発生させるために前記補助電極に少なくとも１つの電圧を印加する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 前記補助電極に径方向に内向きに延びる区画を設ける工程を含み、前記区画の前記径方向の伸びの大きさが軸に沿って変わり、よって前記補助電極に印加される前記電圧が前記軸方向電場を発生させることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記補助電極のそれぞれをセグメント分割された電極として提供する工程及び前記セグメント分割された補助電極に相異なる電圧を印加し、よって前記軸方向電場を発生させる工程を含むことを特徴とする請求項８または９に記載の方法。
11. 前記多重極子ロッドセットの前記細長ロッドが前記多重極子ロッドセットの軸に対して傾けられて配置され、よって前記ロッドへの電位の印加が前記軸方向電場を発生させることを特徴とする請求項３に記載の方法。
12. ハウジング内に前記多重極子ロッドセットを備える工程及び前記イオン流との反応または衝突の内の少なくとも１つのために前記ハウジングにガスを供給する工程及び前記多重極子ロッドセット内に所望の通過帯域を確立するために前記多重極子ロッドセットに少なくとも前記ＲＦ信号を与える工程を含み、よって前記多重極子ロッドセットが衝突セル及び反応セルの内の１つを形成することを特徴とする請求項３または８に記載の方法。
13. 前記処理区画から出てくる前記イオンを質量分析する工程を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 初めに、所望のｍ/ｚ比を有するイオンを選択するために前記イオン流をして第１の質量分析器を通過させる工程、引き続いて、反応及び衝突の内の１つのために前記イオンの流れをして前記多重極子ロッドセットを通過させる工程、及び前記多重極子ロッドセット内で生成された複数の二次イオン及び複数の一次イオンの内の少なくとも１つを別の質量分析器で分析する工程を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
15. 第１のｍ/ｚ比範囲にあるｍ/ｚ値を有する選択されたイオンを第２のｍ/ｚ比範囲にあるｍ/ｚ値を有する選択されたイオンに変更する、１つの動作状態から別の動作状態への変更による、前記工程(v)における動作パラメータを変更する工程を含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
16. ハウジング内に前記多重極子ロッドセットを備える工程及び前記イオンの流れとの反応及び衝突のうちの１つのために前記ハウジングにガスを供給する工程及び前記多重極子ロッドセット内に所望の通過帯域を確立するために前記多重極子ロッドセットに少なくとも前記ＲＦ信号を与える工程を含み、よって、前記多重極子ロッドセットが衝突セル及び反応セルのうちの１つを形成することを特徴とする請求項３に記載の方法。
17. 前記フラッシュパルスが、前記イオンの少なくとも一部を前記セルから排出するに十分な持続時間にわたり前記ロッド間に印加される十分な振幅のＤＣ電圧パルスを含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 前記フラッシュパルスが、前記イオンの少なくとも一部を、前記処理区画から排出するのに十分な持続時間にわたり前記ロッド間に印加される十分な振幅のＤＣ電圧パルスを含むことを特徴とする請求項３または８に記載の方法。
19. 前記ＲＦ信号の振幅の１７％以上の振幅をもつ前記ＤＣ電圧を印加する工程を含むことを特徴とする請求項１７または１８に記載の方法。
20. 前記ＲＦ信号の周波数はイオン通過時中と同じ値に維持しながら、前記ＲＦ信号の振幅を不要なイオンを排出させるに十分な値まで減少させることにより、前記フラッシュパルスを与える工程を含むことを特徴とする請求項３，８または１６に記載の方法。
21. 前記ＲＦ信号の周波数はイオン通過時中と同じ値に維持しながら、前記ＲＦ信号の振幅を不要なイオンを排出させるに十分な値まで増加させることにより、前記フラッシュパルスを与える工程を含むことを特徴とする請求項３，８または１６に記載の方法。
22. 前記ＲＦ信号の振幅はイオン通過時中と同じ値に維持しながら、前記ＲＦ信号の周波数を不要なイオンを排出させるに十分な値まで減少させることにより、前記フラッシュパルスを与える工程を含むことを特徴とする請求項３，８または１６に記載の方法。
23. 前記ＲＦ信号の振幅はイオン通過時中と同じ値に維持しながら、前記ＲＦ信号の周波数を不要なイオンを排出させるに十分な値まで増加させることにより、前記フラッシュパルスを与える工程を含むことを特徴とする請求項３，８または１６に記載の方法。
24. 前記処理区画に送り込むイオン電流を、イオン光学デバイスによって減少させることを特徴とする請求項２，３または８に記載の方法。
25. 前記処理区画に送り込むイオン電流を、イオン光学デバイスによって減少させることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
26. 前記イオン光学デバイスにより、衝突／反応セルに入るイオン電流の集束を弱め、それによって前記イオン光学デバイスが当該衝突／反応セルに入るイオン電流を減少させることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
27. 前記イオン光学デバイスにより、前記セルに入るイオン電流の集束を弱め、それによって前記イオン光学デバイスが前記セルに入るイオン電流を減少させることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
28. 衝突／反応セル内に存在する前記イオンを当該衝突／反応セルから排出するのに十分に高いＤＣ電圧を前記細長ロッドに印加することを特徴とする請求項３または８に記載の方法。
29. 前記セル内に存在する前記イオンを前記セルから排出するのに十分に高いＤＣ電圧を前記細長ロッドに印加することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
30. 多重極子ロッドセットに印加される共通ロッドオフセット電圧にパルスを与えることにより前記フラッシュパルスを与える工程を含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
31. エンドキャップを備えるセル内に多重極子ロッドセットを備える工程及び前記エンドキャップの内の少なくとも１つに電圧パルスを与えることにより前記フラッシュパルスを与える工程を含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
32. イオンを減速するために前記工程(iv)において反転軸方向電場を与え、よってイオンの通過時間を長める工程を含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
33. 前記処理区画内のイオンの内の少なくとも一部の排出を生じさせるに十分な振幅及び持続時間をもつ適当な信号を前記補助電極に与えることにより前記フラッシュパルスを与える工程を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
34. 少なくとも１つの処理区画を備える質量分析計装置であって、前記処理区画が：
    (i) 複数本の細長ロッドを備え、入口及び出口を有する、イオンと中性粒子とを衝突させられるように動作可能な多重極子ロッドセット；
    (ii) 前記多重極子ロッドにＲＦ電圧を印加するための手段；及び
    (iii) 前記多重極子ロッドセットを通る１つの方向におけるイオンの移動を促進するために前記多重極子ロッドセットの内部に軸方向電場を発生するための手段；
    を備えた装置において、前記装置が、
    (iv) 前記処理区画に存在するイオンをさらなる分析、検出または処理の対象とはならないように排気するためのフラッシュパルスを発生するためのフラッシュパルス手段であって、前記処理区画に接続され、よって前記フラッシュパルスをイオン検出に先行する整定時間の開始前に印加することにより前記処理区画におけるイオン数を相当減少させるフラッシュパルス手段；
    を備えることを特徴とする装置。
35. 前記処理区画が、所望のｍ/ｚ比範囲にあるイオンに対する通過区域の設定を可能にするために、前記多重極子ロッドセットに分解ＤＣ電圧を印加するための前記多重極子ロッドセットに接続されたＤＣ電源を備えることを特徴とする請求項３４に記載の装置。
36. 軸方向電場を発生するための前記手段が前記多重極子ロッドセットの前記細長ロッドと交互する複数の補助電極及び前記補助電極と接続されたＤＣ電源を含むことを特徴とする請求項３４に記載の装置。
37. 前記ロッドのそれぞれが複数のロッドセグメントを含み、前記ＤＣ電源は個々の前記ロッドセグメントに接続されており、前記ＤＣ電源が前記ロッドセグメントに個別のＤＣオフセット電圧を印加し、よって前記軸方向ＤＣ電場を発生するための手段を含むことを特徴とする請求項３６または３６に記載の装置。
38. 前記処理区画が衝突セル及び反応セルの内の１つを含み、衝突ガス及び反応ガスの内の１つのための流入口を備えることを特徴とする請求項３５または３６に記載の装置。
39. 前記処理区画の下流に質量分析器を備える
    ことを特徴とする請求項３６に記載の装置。
40. 前記質量分析器が検出器を備えることを特徴とする請求項３６に記載の装置。
41. 前記処理区画に送り込むためにイオンのｍ/ｚ比を選択するための、前記処理区画の上流の第１の質量分析器、及び、前記処理区画から出てくるイオンを分析するための、前記処理区画の下流に設けられた第２の質量分析器を備えることを特徴とする請求項３８に記載の装置。
42. 軸方向電場を発生するための前記手段が、前記多重極子ロッドセットの前記細長ロッドと交互する複数の補助電極よりなり、非対称電圧波形源が当該補助電極に接続されていることを特徴とする請求項３４に記載の装置。
43. 軸方向電場を発生するための前記手段が、前記処理区画の応答時間を制御するために、減速軸方向電場を発生するように適合されていることを特徴とする請求項３４に記載の装置。

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