JP6205367B2 - 衝突セル多重極 - Google Patents

Description

本発明は、質量分析計内の衝突セル多重極およびその関連方法に関する。用語「衝突セル」は衝突および／または反応セルを意味するために本明細書では使用される。本発明は、ＬＣ−ＭＳ、ＧＣ−ＭＳ、ＬＣ−ＭＳ^２環境またはＧＣ−ＭＳ^２環境におけるフラグメンテーション（ＭＳ／ＭＳ）を含む様々な質量分析技術と共に、または衝突活性化、イオン−イオン、イオン−電子、イオン−光子またはイオン−中性物相互作用によるフラグメンテーションなどを含む任意のタイプの反応のための反応セルとして、使用され得る。ＥＩ、ＭＡＬＤＩ、ＩＣＰ、ＭＩＰ、ＦＡＢ、ＳＩＭＳを含む真空中のイオン化だけでなくＩＣＰ、ＭＡＬＤＩまたはＥＳＩなどのＡＰＩ（大気圧イオン化：ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ）である可能性がある衝突セルの動作はイオン源の性質と無関係であるが、以下の論述は誘導結合プラズマ質量分析（ＩＣＰ−ＭＳ：ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を使用する実施形態に焦点を合わせる。

ＩＣＰ−ＭＳの一般的原理は周知である。ＩＣＰ−ＭＳ機器は、１兆分率（ＰＰＴ：ｐａｒｔ ｐｅｒ ｔｒｉｌｌｉｏｎ）範囲以下までの試料の頑強かつ高感度な元素分析を可能にする。通常、試料は溶液または懸濁液であり、搬送ガス（通常はアルゴンまたは時にヘリウム）中の煙霧の形で噴霧器により供給される。霧状化された試料は、通常それぞれのチャネルを形成する多くの同心管を含む螺旋状誘導コイルにより下流端部に向かって囲まれるプラズマトーチ内に入る。プラズマガス（通常はアルゴン）は外側チャネル内に流れ、放電がそれに印加され、プラズマガスの一部をイオン化する。高周波電流がトーチコイルに供給され、その結果の交番磁界が自由電子を加速させ、プラズマガスのさらなるイオン化を引き起こす。この処理は、通常５，０００Ｋ〜１０，０００Ｋの温度において、安定したプラズマ状態が実現されるまで続く。搬送ガスと霧状化された試料は中央トーチチャネルを貫流し、温度が試料の原子化と次にイオン化を引き起こすのに十分高いプラズマの中央領域内に入る。

プラズマ中の試料イオンは次に、特に四重極質量分析器、磁気および／または電気扇形分析器、飛行時間分析器、またはイオントラップ分析器により提供され得る質量分析計によるイオン分離および検知のために、イオンビーム状にされる必要がある。これは通常、減圧段階、プラズマからのイオンの抽出段階、イオンビーム形成段階など多くの段階を含み、可能性として干渉するイオンを除去するための衝突／反応セル段階を含み得る。

上記分析器特に四重極などの比較的低い質量分解能装置で遭遇する問題は、いくつかの検体イオンの検知に干渉する不要な人為産物イオンの質量スペクトルにある。人為産物イオンの識別と割合は、プラズマ支援ガスと元の試料の両方の化学組成に依存する。干渉イオンは通常はアルゴンベースイオン（Ａｒ^＋、Ａｒ_２ ^＋、ＡｒＯ^＋など）であるが、イオン化金属酸化物、金属水酸化物、または溶液のマトリックスに応じてマトリックスイオン（例えば、ＨＣｌ（塩酸）溶液中のＡｒＣｌ^＋、ＣｌＯ^＋）を含む分子など他のものを含み得る。衝突／反応セルはセル内に導入されるガスとのイオン衝突／反応を促進するために使用され、それによって、不要な分子イオン（およびＡｒ^＋）が優先的に、他の中性ガス成分と共に中和され汲み出される、またはより低い質量電荷比（ｍ／ｚ）のイオン中に分離され、下流のｍ／ｚ識別段階において排除される。

衝突セルは、イオンが透過されるほぼ気密な筐体であり、イオン源と主質量分析器との間に位置する。特に水素またはヘリウムなどの衝突／反応標的ガスがセル内に供給される。セルは通常、通常は無線周波数（ＲＦ）唯一モード（ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（ＲＦ）−ｏｎｌｙ ｍｏｄｅ）において操作される多重極（例えば、四重極、六重極または八重極）を含む。一般的に言えば、ＲＦ唯一場（ＲＦ−ｏｎｌｙ ｆｉｅｌｄ）は、分析用四重極のように質量を分離しないが、多重極軸に沿ってイオンを集束し誘導する効果がある。イオンは衝突／反応ガスの分子と衝突して反応する。様々なイオン分子衝突および反応機構により、干渉イオンは優先的に、非干渉中性種、または検体イオンと干渉しない他のイオン種に変換される。

衝突セルから排出される人為産物または反応生成物イオンを識別するための追加の技術は、運動エネルギー識別によるものである。この技術の原理は、より大きな多原子干渉イオンが衝突セル内に衝突のためのより大きな断面を有するので検体イオンが失うより大きな運動エネルギーを通常失うということである。分析用四重極などの下流装置を起動することにより、または衝突セルより大きな正電位で単に電気的バイアスをかけられた孔により、運動エネルギー障壁が設けられる。高エネルギー検体イオンはこの障壁を乗り越えることができ、一方衝突セル生成イオンは妨げられる。

多重極ロッドを使用する衝突セルのいくつかの例は以下の通りである。米国特許第５，７６７，５１２号明細書は搬送ガスイオンの電荷移動ガスとの選択的中和に関する。国際公開第００／１６３７５Ａ１号パンフレットは不要な人為産物イオンを試薬ガスと相互作用させることによりそれらを選択的に取り除くために衝突セルを使用することに関する。米国特許第６，１４０，６３８号明細書は通過帯域による衝突セルの動作に関する。米国特許第５，８４７，３８６号明細書、米国特許第６，１１１，２５０号明細書および米国特許出願公開第２０１０／０３０１２１０Ａ１号明細書は、衝突セル内のロッド上のＤＣ軸方向場勾配の使用に関する。米国特許第５，９３９，７１８号明細書と米国特許第６，４１７，５１１号明細書は２つ以上の多重極のアセンブリまたは多重極とリングスタックのアセンブリなど様々なアセンブリに関する。米国特許第５，５１４，８６８号明細書と米国特許第６，６２７，９１２号明細書は運動エネルギーフィルタリング方法に関する。

上記を考慮して、下流質量分析器に向かう干渉種を低減またはその通過を防止する一方で検体イオンを効率的に透過することができる代替および／または改良型衝突セル多重極を提供することが望ましいだろう。本発明は、改良型または代替多重極およびその関連方法を提供することにより上記および他の目的に対処することを目的とする。

本発明の一態様によると、中心軸の周囲に配置された複数の多重極電極を含む衝突セル多重極であって、多重極電極の少なくともいくつかはそれぞれの第１の部分、第２の部分、およびその間の中間部分を有し、中間部分はそれぞれの第１の部分と第２の部分より中心軸の半径方向に近い、衝突セル多重極が提供される。

このようにして、本構成は、入口端における高アクセプタンス、より低いｍ／ｚ値イオンを通すための比較的高い周波数における動作、およびより低いｍ／ｚイオンを排出するためおよびバックグラウンド干渉種を除去するための縮小直径領域を提供することができる。しかし、これらの利点に加えて、狭い領域の下流に増大直径領域を設けることで、衝突セルからの、下流側のイオンの透過を改善する。

本発明の実施形態は、その長さに沿って変化するｑ値を備えたＲＦ唯一多重極（ＲＦ−ｏｎｌｙ ｍｕｌｔｉｐｏｌｅ）を提供することができる。好適には、ｑ値は多重極の入口端における第１の比較的低い値から第１の値より比較的高い少なくとも第２の値まで変化する。このようにして、比較的高いアクセプタンスおよびイオン透過が実現され得、一方また、不要でかつ可能性として干渉するイオンを除去しバックグラウンド計数の低減を支援するための低質量カットオフ（ｌｏｗ−ｍａｓｓ ｃｕｔ−ｏｆｆ）を実現し得る。好ましい実施形態では、下流側でｑ値にさらなる変更がなされ、これにより、ｑ値は多重極の出口端において第３の比較的低い値（好適には第１のｑ値と同じ）に変化する。

本発明の別の態様によると、第１の部分と、第２の部分と、それらの間の中間部分とを含む多重極を衝突セル内で操作する方法であって、第１と第２の部分を中間部分における第３のｑ値より低いそれぞれ第１と第２のｑ値で操作する工程を含む方法が提供される。

本発明の別の態様によると、衝突セル内で多重極を操作する方法であって、多重極内のｑ値を第１の値から少なくとも第２の値へ変化させることにより多重極の低質量カットオフを制御する工程を含む方法が提供される。

有利には、衝突セルはほぼ気密な筐体として提供される。

本発明の他の好ましい特徴および利点は、本明細書および添付される従属請求項に明示される。

本発明は多くのやり方で実行され得、いくつかの実施形態について以下の添付図面を参照して単に非限定的例として説明する。

ａ−ｑ空間における安定線図を示す。 標準モードにおけるイオン透過のプロットを示す。 衝突モードにおけるイオン透過のプロットを示す。 一実施形態による階段状多重極を示す。 静的電位のシミュレーションを示す。 図５の一部の拡大図を示す。 標準モードにおける階段状多重極内のシミュレーションイオン軌道を示す。 衝突モードにおける階段状多重極内のシミュレーションイオン軌道を示す。 衝突モードにおける階段状多重極内のシミュレーションイオン軌道を示す。 一実施形態による傾斜階段状多重極を示す。 一実施形態による傾斜多重極を示す。 一実施形態による半径方向に狭い電極を示す。 一実施形態による中心階段状多重極を示す。 一実施形態による湾曲多重極を示す。 標準モードにおける様々な多重極構成のイオン透過のプロットを示す。 衝突モードにおける様々な多重極構成のイオン透過のプロットを示す。 様々な多重極構成の連続的バックグラウンド計数のプロットを示す。 湾曲多重極と階段状多重極におけるシミュレーションイオン軌道を比較する。 様々なｍ／ｚイオンの湾曲多重極におけるシミュレーションイオン軌道を比較する。 一実施形態による概略安定線図を示す。 一実施形態による質量分析計を概略的に示す。 一実施形態による対象の質量と印加ＲＦ振幅のプロットを示す。 一実施形態による質量分析計を概略的に示す。

質量フィルタまたはイオンガイドとして使用される四重極は、今日、質量分析アプリケーションにおいて一般的である。この装置の一般的概要は「Ｔｈｅ Ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ Ｍａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ：Ｂａｓｉｃ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｃｏｎｃｅｐｔｓ」、Ｍｉｌｌｅｒ ａｎｄ Ｄｅｎｔｏｎ；ｐｐ．６１７−６２２，ｖｏｌ．６３，ｎｏ．７，Ｊｕｌｙ １９８６に記載されている。知られているように、四重極質量分析器のフィルタリング作用は、時変無線周波数（ＲＦ）電位と静的ＤＣ電位の四重極のロッドへの印加により実現される。同じＲＦ電位が四重極内の対向するロッド対に印加され、一方のロッド対上のＲＦ電位は他方のロッド対に印加されるＲＦ電位と１８０°逆相である。正のＤＣ電位がロッド対の一方に印加され、負のＤＣ電位がロッド対の他方に印加される。四重極内のその結果の電場は、選択されたイオンだけが安定した軌道で通過できるようにし、一方、不安定な軌道を有するイオンを半径方向に移動して、電極との衝突によりそれらをイオンビームから除去する。

四重極内のイオンの振る舞いに対する完全解の計算は複雑であるが、２つのパラメータａとｑを定義し、イオンの運動方程式に対する解が安定するａ−ｑ空間に領域をプロットすることにより問題を簡単化することが可能である。パラメータａとｑは下式となるように定義される。

および

ここで、ｅは粒子上の電荷、Ｕは印加ＤＣ電位の大きさ、Ｖは印加ＲＦ電位の大きさ、ωは印加ＲＦ電位の角周波数（２πｆ）、ｒ_０は四重極場半径（四重極の中心軸から四重極の各電極までの距離）であり、ｍはイオンの質量である。

図１に、上記論文に示されるようなａ−ｑ空間内の安定線図の例を示す。四重極がパラメータａ−ｑ関係線形性により操作される（すなわち、比ａ／ｑが一定となるように、比Ｕ／Ｖも一定に保持されるように）と、線の勾配が質量走査線を表す。質量走査線が安定性グラフの先端またはその近くを横切るように配置されれば、先端を通過する特定の質量−電荷比は安定した軌道を有し、他のイオンは安定した軌道を有しない。ＶとＵの比を一定に保ちながらＶとＵを同時に増加させることにより、質量走査線上に表された質量の大きさは増加し、その結果質量スペクトルが得られ得る。比Ｕ／Ｖが低下されれば、質量走査線は安定性グラフのより広範囲の領域を通過し、その結果四重極の質量分解能が低下される。

このような四重極が衝突セル内で操作される場合、四重極は通常ＲＦ唯一電位（ＤＣ電位無し）により操作され、その結果、四重極は通常、衝突セルを通過するイオンのイオンガイドとして働く。図１に示す安定線図の観点では、これは、パラメータａを０（Ｕ＝０であるので）に設定することと等価である。図１に示すように、質量走査線は、０の勾配を有しａ＝０において軸に交差するａ−ｑ空間内の線により表される。したがって、四重極は比較的広い安定性領域でもって動作し、その結果、質量走査線の大部分は安定軌道の領域内に入る。しかし、図１内の挿入図Ｂからから分かるように、ＲＦ唯一モードで動作する四重極はハイパス質量フィルタであり、ある値未満のｍ／ｚのイオンを排除する。図１に示す例では、１５を越えるｍ／ｚ値は通過され、一方１４以下のｍ／ｚ値は不安定であり除去される。当然、様々なパラメータと動作条件がハイパスフィルタの範囲に影響を与えることになる（ＩＣＰ−ＭＳの質量範囲は通常、約４ｕ〜約２８０ｕ（ｕは統一原子質量単位、時にＤａと呼ばれる）の範囲にある）。図１に示すように、約０．９１を越えるｑの値では、イオンはＲＦ唯一四重極内で不安定になる。

中質量から高質量（数千〜数百ｕ）のイオンを満足に透過するように動作するＲＦ唯一四重極を有する衝突セルを有する質量分析計を操作中に、発明者らは、運動エネルギー識別（ＫＥＤ：ｋｉｎｅｔｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｉｏｎ）モードで操作された場合Ｌｉなどの低質量元素が衝突セル中を透過しないということを発見した。これに対処するために、所与の質量について、発明者らはｑの値を低減しようとした。これは、１ＭＨｚの代わりに３ＭＨｚのより高い周波数で四重極を操作することにより達成された。図１の安定線図から、周波数を増加させると、より低い質量のイオンは四重極の安定性領域内に存在するｑ値を有することができるということがわかる。

本明細書では、標準（ＳＴＤ）モードはその中に衝突／反応ガスを有しない衝突セルの操作である（すなわち全透過モードにおける）。衝突セル技術（ＣＣＴ：ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｃｅｌｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）モードは、その中に衝突／標的ガスを有する衝突セルの操作であるが、運動エネルギー識別は無い。運動エネルギー識別（ＫＥＤ）モードは、その中に衝突／標的ガスを有し、衝突セルの下流に運動エネルギー障壁を適用する衝突セルの操作である。

図２と図３に、１ＭＨｚと３ＭＨｚで動作する衝突セル内の四重極により得られた測定結果の比較を示す。図２は標的（衝突または反応）ガスの無い衝突セルの動作を表し、図３はこのような標的ガスを有する動作および運動エネルギー識別モードでの動作を表す。図から分かるように、いずれの場合も、１ＭＨｚと比較して３ＭＨｚではすべての検体の大きな透過があった。例えば、リチウムについては、図２は１ＭＨｚにおいて約１２０ｋｃｐｓそして３ＭＨｚにおいて約１８５ｋｃｐｓの計数率を示し、一方図３は１ＭＨｚにおいて零計数率そして３ＭＨｚにおいて約３００ｃｐｓの計数率を示す。このとき、周波数の増加がＬｉなどの低質量のイオンの透過の増加を可能にするということがわかる。

しかし、低質量検体イオンの透過を増加させるにもかかわらず、衝突セル内またはその出口に形成されたバックグラウンドイオンがセルと下流側から不要に排出されたということも分かった。例えば、より高い周波数および同じＲＦ振幅により、ｑ値はより高い質量に対してはより低くなり、その結果、例えば重金属の分析に対して最適となる異なる設定では、４０Ａｒと他の高強度（優勢）質量はもはや四重極により排除されないということが理解される。一方、低質量イオンが分析の標的である場合、それらを完全に通過させることができることが望ましいことが留意される（これは、電圧（すなわち、ＲＦ振幅、Ｖ）をそれに応じて調整することにより達成される）。一方、分析対象がすべての重金属にわたる（例えば鉄（ｍ／ｚ＝５６）またはＶ、Ｃｒ、Ｍｎからウラニウム（ｍ／ｚ２３８）またはさらに高いアクチノイドまで）高質量を有する場合、比較的低い質量の干渉（特にアルゴン）を排除することができることが望ましい。通常、衝突セルの下流では、透過イオンは、質量分析器に入る前に例えば２重偏光レンズ中に加速されることなどにより、衝突セルから発する中性ガスからイオンを分離するように働くイオン光学装置を通して透過される。この領域では、不都合なことに、イオンのいくつかは中和され、高速中性物として質量分析器（通常四重極質量フィルタ）を通って検出器に入り得る。これは、標準モード（すなわち、衝突セル内に標的ガスの無い非ＣＣＴモード）では約５〜１０ｃｐｓの連続的バックグラウンド計数に至る。バックグラウンド計数は衝突セル中を透過される合計イオン電流に比例し、衝突セル内のガス圧にも比例する。したがって、Ａｒ^＋、Ｏ^＋、Ｎ^＋などの不要イオンの透過の増加により、高速中性物の生成の全面的増加としたがってバックグラウンド計数の増加が生じる。１ＭＨｚで動作する場合、元の構成では、四重極はこのような質量値を通常通さなないｑ値で操作されたのでこのバックグラウンド計数の増加は無かった（ｑの変化が、４０Ａｒと他の干渉種のより大きな透過を引き起こしこの効果をもたらしたと考えられる）。

従来の衝突セル（ｒ_０＝４．５ｍｍ）の四重極がさらに高い周波数４．５ＭＨｚで操作された場合、同様な発見がなされた（すなわちイオン透過が増加した）がバックグラウンド計数は増加した。したがって、これに対処する試みでは、ｒ_０＝２ｍｍとＶ＝４．５ＭＨｚで操作される四重極ロッドにより別の試験が行われた。しかし、この場合、イオンの透過は従来のセルと比較して７０％まで削減されることが分かった。小さな質量におけるイオンの透過は同等だったが、衝突セル上の−１０Ｖ未満の強い負バイアス電圧が必要であることが分かった。さらに、ＫＥＤモードにおける感度は標準セルによるものよりも低く、マトリックス回収（ｍａｔｒｉｘ ｒｅｃｏｖｅｒｙ）（すなわち、検体イオンの感度に対する影響、例えば様々な濃度のマトリックス溶液中のＣｏ、例えばブランク溶液に対し１００ｐｐｍまたは１０００ｐｐｍのニッケル溶液）もまた標準衝突セルによるものほど良好ではない。これらの影響は衝突セルの空間電荷により引き起こされたということが理解される。

より高い周波数であるがより下側の内側四重極半径（ｌｏｗｅｒ ｉｎｎｅｒ ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ ｒａｄｉｕｓ）により四重極を操作することに成功しなかったので、本発明者らは、入口端における内側四重極半径が下流端部方向の内側四重極半径より大きい階段状四重極を考案した。このようにして、本発明者らは、四重極内へのおよびそれを通るイオン透過を改善するために、四重極が衝突セルの入口において高アクセプタンスを有し得る（すなわち、四重極の入口端における漏れ電界からの影響が低減されたまたはその影響がほぼ無い状態でイオンが四重極を通過することができるように）と考えた。同時に、四重極の動作周波数の増加を考慮するために、本発明者らは、下流端部におけるロッド間のより小さな半径が衝突セル内に形成される低質量イオンを除去するのを助けると考えた（すなわち、目下の関心のｍ／ｚより著しく低いｍ／ｚ値；通常、これは、Ａｒまたは、Ａｒ、ＮまたはＯを含む化合物の除去を意味する）。四重極の入口におけるより大きな半径領域はより低い低質量カットオフを有する（すなわち、より低いｍ／ｚ値のイオンを通す）が、これはまた衝突セル内に形成された低質量イオンが透過されるということを意味するであろう。したがって、四重極の下流端部におけるより小さな半径領域はより高い低質量カットオフを有する（すなわち、より高いｍ／ｚ値を有するイオンを通す）。この構成は、四重極のハイパス質量フィルタ特性と低質量ストップバンド特性との間により広い遷移域を設け、衝突セル内に形成された不要なイオンの抑制または削減を実現するものと概ね理解される。

図４に、入口孔２０と出口孔３０とを備え四重極４０を含む衝突セル１０を概略的に示す。同図はセルの断面を示すので２つの対向ロッド４０ａ、４０ｂだけが示される。各ロッド４０ａ、４０ｂは下流方向に階段状であり、この場合２つの段差４４と４６を有する。四重極ロッド４０ａの第１の上流部４２は、四重極がその周囲に配置される中心軸から第１の半径方向距離ｒ_１に配置される。第１の部分４２の下流の第２の部分４４は中心軸に向かう半径方向に階段状であり、ｒ_１より短い軸から半径方向距離ｒ_２に構成される。第２の部分４４の下流の四重極ロッドの第３の部分４６は、中心軸に向かう第２の段差で設けられ、ｒ_１とｒ_２の両方より短い軸から半径方向距離ｒ_３に構成される。図４に示す構成では、ｒ_１＝４．５ｍｍ、ｒ_２＝３．７５ｍｍ、ｒ_３＝３．０ｍｍである。各ロッドの全軸長は１３３ｍｍであった。

しかし、四重極内の段差の存在により中心軸に沿った擬似電位障壁を生じ、イオンを遅らせるまたはさらには反射する可能性がある軸方向力をもたらす。その結果、低質量イオンは、無段差の四重極内においてだけでなく階段状四重極中にも透過されない。

図４の四重極内の静的電位場のシミュレーションを図５に示し、階段状領域のうちの１つの領域の拡大図を図６に示す。図から分かるように、四重極内の段差は、特にロッド近くに、イオンを反射するまたは減速することができる反発電場を生成する。

これをさらに調査するために、イオン軌道シミュレーションが、多重極の上流部について、ｒ_１＝４．５ｍｍ、ｒ_２＝３．０ｍｍ、Ｖ＝３ＭＨｚ、ｑ＝０．４７で操作される下流端部に単一段差を有する四重極により行われた。図７に、衝突セルが標準モード（すなわち、標的ガス無し）で操作される場合のシミュレーションを示す。図から分かるように、より高いｍ／ｚイオンは透過されるが、低エネルギーイオン（通常、低ｍ／ｚ値イオン）は段差において反射される。図８に、衝突セルがＣＣＴ（衝突セル技術（ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｃｅｌｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）；セル中に標的ガス）モードで操作される場合のイオン軌道シミュレーションを示す。この場合、衝突セルには３Ｐａの圧力でヘリウムが供給され、−２１Ｖのバイアス電圧が衝突セルに印加される。ここでは、リチウムは、衝突セル内でほぼ完全に排除されるので、事実上衝突セルから排出されることができないということがわかる。図９に、またＣＣＴモードのものであるが圧力が２Ｐａまで下げられたイオン軌道シミュレーションを示す。図から分かるように、再び、イオンは、四重極の半径急変部において大きく反射されるのでほとんどのイオンは衝突セルを通過しない。

階段状四重極ロッドから生じる擬似電位障壁の影響に対処するために本発明者らにより考えられた１つのやり方は、図１０に概略的に示すように段差間に傾斜遷移域を設けることにより半径の変化の突発性を「和らげる」すなわち滑らかにすることである。ここで、２つの段差部４４と４６を有する四重極ロッドは段差内に傾斜遷移域４３と４５を備える。

この原理をさらに採用し、図１１に、その入口端に最大半径とその出口端に最小半径を有する軸方向に傾斜した内側ロッド表面６２を有する四重極ロッド６０を有する四重極を示す。このようにしてほぼ一定の勾配を有する表面６２により、擬似電位障壁反射は最小化されるまたは少なくとも低減されるはずである。

半径方向に増加する各ロッドの厚さにより、中心軸からの縮小された直径の領域または領域群において、いくつかの実施形態では、ロッドは多重極のそれぞれの軸の周囲に十分な空間があるように中心軸に向かう半径方向に狭くなり得る。図１２に、図１１に示す構成の使用に好適なこのような先細りのまたは狭くされた電極を示す。図１２ａに、中心軸から見られるであろう四重極ロッド７０の平面図を示す（すなわち、中心軸に対向するロッド７０の部分）。図１２ｂに、使用時は中心軸から最も遠い半径方向に配置される矩形立方部分７２と中心軸に最も近い半径方向に配置される楔部分７４とを有するロッド７０の側面図を示す。図１２ｃはロッド７０の上流端７０ａからの立面図を示し、図１２ｄはロッドの下流端部７０ｂからの立面図を示す。図から分かるように、半径方向の内側部分７４は、第１の幅Ｗ１から、ロッドが中心軸に対して半径方向に近づく下流端部に向かって第２の幅Ｗ２（Ｗ１未満）まで狭くなる。これにより、四重極の４つのロッドが、中心軸の周囲に十分な空間をもって対称的に配置されるようにする。

ロッドの狭い部分を設けることに対する１つの代替案は、ロッドを四重極内の内接半径がより大きい場所で（すなわち、上流入口端において）さらに離間することである。しかし、この構成は、イオンが衝突セルの周囲材料からの電界により影響を受ける可能性を含む多くの欠点を有する。

その下流端部に向かって階段状である四重極から生じる擬似電位障壁の影響に対処するための別の実施形態を図１３に示す。この実施形態では、段差部はロッドの中間部とその周囲に構成される。このようにして、本構成は、入口端における高アクセプタンスと、低ｍ／ｚ値イオンを通すために比較的高い周波数における動作と、低ｍ／ｚイオンを排出するためのおよびバックグラウンド干渉種を除去するための縮小直径領域とを提供することができる。しかし、これらの利点に加えて、狭くされた領域の下流に増大直径領域を設けることにより、衝突セルからの、下流側のイオンの透過を改善する。この効果に対する一つ寄与は、イオンが下流端部における実効電位の勾配により加速されることから生じ得る。これは、軸外であるイオンの（極僅かな）加速を実現し得る（実効勾配は回転対称軸に沿って零であり、ロッドに向かって増加する）。しかし、計算は、この加速効果が実際には無視できないにしろ非常に小さいことを示す。この形状の好ましい効果の理由は十分には理解されていない。高周波加熱を低減することにより、イオン軌道が下流側開口部を通過するときに直線のままにして、衝突セルの下流で低イオン損失を与えるようにする。この効果は、以下に論述される図１８に示される。

図１３を参照すると、入口孔２０と出口孔３０とを備え四重極８０を含む衝突セル１０が概略的に示されている。同図は、セルの断面を示すので２つの対向ロッド８０ａ、８０ｂだけが示される。各ロッド８０ａ、８０ｂは、四重極の中心軸に向かう半径方向に延びる多くの段差を含む。この場合、四重極の中心に対し（長手方向に）対称的に配置された５つの段差８２〜９０が存在し、中央段差８６はその隣接する段差８４、８８より、中心軸に半径方向に近く、段差８４、８８自体は、四重極の最も外側の段差８２と９０より、中心軸に半径方向に近い。言い換えると、四重極の上流端における第１の段差８２は中心軸から第１の半径方向距離ｒ_１に構成され、第１の段差８２に隣接しその下流の第２の段差８４は中心軸から第２の半径方向距離ｒ_２に構成され、第２の段差８４に隣接しその下流の第３の段差８６は中心軸から半径方向距離ｒ_３に構成され、第３の段差８６に隣接しその下流の第４の段差８８は中心軸から半径方向距離ｒ_４に構成され、第４の段差８８に隣接しその下流の第５の段差９０は中心軸から半径方向距離ｒ_５に構成される。ｒ_３は最短距離であり、ｒ_１とｒ_５は最長距離である。図１３に示す実施形態では、ｒ_１＝ｒ_５＝４．５ｍｍ、ｒ_２＝ｒ_４＝３．７５ｍｍ、ｒ_３＝３．０ｍｍである。軸方向の各四重極ロッドの全長は１３３ｍｍである。ＲＦ振幅Ｖは好ましくは４００Ｖである。知られているように、ＲＦ振幅は、図２２のプロット内に一例として示されるように、対象のｍ／ｚに応じて調整され得る。ここで、３つの異なるプロットは、（１）標準モードにおける動作、（２）ＣＣＴモードにおける動作、（３）ＫＥＤモードにおける動作についての、対象のｍ／ｚを変化させたときのＲＦ振幅Ｖの変動を表す。プロット（１）と（２）について、電圧振幅は、質量と共に急速に上昇し、標的質量に比較的近い（しかし未満の）低質量カットオフを与え、最大振幅に達するまで、より高い質量の範囲の透過を可能にする一方で、通常は、不要な質量（特に４０Ａｒ）を排除する低質量カットオフに対応する。したがって、実施形態は、このように動作し、低質量カットオフを第１の質量範囲（例えば、ほぼｍ／ｚ＝８０まで）にわたって標的質量近くに維持し、次に、第２のより高い質量範囲にわたって、比較的安定した平坦な（緩やかに増加するだけの）低質量カットオフを与えるように構成され得る。これは、低質量干渉を排除するという点と高質量を周期的に繰り返す際にＲＦ振幅の切り換えを必要としないという点で有利になりえる。

図１４に、内側多重極半径が多重極の入口端からその中心まで狭くなり、次にその下流の出口端まで再び広くなる別の実施形態を示す。この実施形態では、半径の変化は各電極の湾曲面により与えられる。モデル化は、前の実施形態の段差部が、滑らかに湾曲する形状を有する多重極電極より低いエネルギーでもってより多くのイオンを反射または遅らせる傾向があることを示した。図１４ａに、中心軸から見られるであろう電極１００の平面図を示す。図１４ｂに、電極１００の側面図を示す。同図から、電極１００は、使用時に多重極の中心軸に半径方向により接近して配置されるほぼ矩形立方部分１０２と凸状湾曲部１０４とを含むということがわかる。図１４の実施形態では、湾曲部１０４はまた、中心軸の方向に狭くなるまたは先細りになり、ロッドが、使用時は軸の周囲に収容されるようにする。いくつかの実施形態では、湾曲部をこのようにして狭くするまたは先細りにする必要が無いかもしれない。さらに、図１４の実施形態では、湾曲部１０４はほぼ矩形立方部分１０２の端まで十分には延びていないということが分かるが、他の実施形態では湾曲部は電極１００の全長に沿って延び得る。当然、電極は通常、各端部に位置し絶縁ロッドホルダにより適所に保持されるので、ロッドの各端部に向かう非湾曲部を設けることでこのようなホルダ内の係合を容易にし得るということが理解される。

湾曲電極１００は、方法に依存するが、前の実施形態の階段状電極より製造が通常は容易であるということに注意すべきである。電極の典型的な材料は（ステンレス）鋼、時に、モリブデンまたはチタンであるが、炭素または被覆ガラスを含む多くの材料が使用され得る。多重極をまとめて保持する多くのやり方が知られている。例えば、様々な種類のホルダに糊付け、クランピング、またはボルト締めする、または筐体（通常は、ガス圧の高い領域を設定するためにまたは周囲ガス（例えば、Ｈ、Ｈｅ、ＮＨ_３、Ｎ_２など）と異なる衝突／反応ガスを閉じ込めるために存在する）内に直接まとめて保持することが挙げられる。製造方法としては、切削、研削、浸食、鋳造、研磨、またはそれらの組み合わせ、およびその他の多くの方法が挙げられる。現在、好ましい方法は、電極が所望の形状に研削されることであるので、様々な箱、円錐、円柱、球などの組み合わせおよび断面に従う形状を有することが有利である。

図１４に示す実施形態では、各ロッドの上流端と下流端が中心軸から４．５ｍｍの半径方向距離にあり、各ロッドの中心（すなわち、湾曲部１０４の中心軸に最も近い部分）が中心軸から３．０ｍｍの半径方向距離に構成されるように、電極１００は中心軸の周囲に配置される。湾曲部の中心からの半径は４．５ｍｍの外径に向かって滑らかに変化する。電極１００の全長は好ましい実施形態では１３３ｍｍである。当然、他の実施形態では、これらのパラメータについて異なる値が使用され得、湾曲部の異なる曲率が選択され得るということが理解される。これらの変数の選択は、容易に理解されるようにイオン軌道シミュレーションの助けを借りて行われ最適化され得る。

図１５と図１６に、ａ）直線ロッドを有する四重極、ｂ）５つの段差を有する四重極（図１３に示すような）、ｃ）湾曲電極を有する四重極（図１４に示すような）を使用した衝突セル中のイオン透過の比較を示す。図１５では衝突セルは標準モードで操作され（すなわち、標的ガスの添加無し）、図１６では衝突セルはＫＥＤモードにおいて２．５Ｐａの圧力でヘリウムの標的ガスにより操作された。図から分かるように、すべての検体イオンについて、標準モードとＣＣＴモードの両方では、イオン透過は、階段状電極と比較して湾曲電極がより良好である。実際、湾曲四重極の透過は、すべてのモードにおいて直線ロッドの透過と同等である（しかし、ＫＥＤモードにおけるＬｉのイオン透過はいくぶん低いということに注意すべきである）が、また同時に良好なバックグラウンド低減を実現することができる。したがって、四重極の半径方向に狭くされた領域を衝突セルの中心へ移動させることにより、Ｌｉの透過と全体的透過とを同様に改善することが可能である。

図１７に、ａ）中心軸から４．５ｍｍに設定された直線ロッド、ｂ）４．５ｍｍ〜３ｍｍの半径を取る単一の下流段差を有するロッド、ｃ）４．５ｍｍ〜３．７５ｍｍ〜３ｍｍの半径を取る２つの下流段差を有するロッド、ｄ）入口端の４．５ｍｍから中心部の３ｍｍへ変化し、出口端で４．５ｍｍへ戻る半径を有する湾曲ロッドを有する四重極についての、計測データと、異なるｍ／ｚ値に対して測定された連続的バックグラウンド計数のプロットとを示す。図から分かるように、３ＭＨｚの高い周波数で操作された直線ロッドによるバックグラウンド計数は６ｃｐｓ以上のバックグラウンド計数率に至った。電極ロッドの段差または湾曲部の設置は、バックグラウンド計数を著しく低減する（通常は毎秒約１以下まで）。したがって、より高い周波数ＲＦ電圧を電極に印加することと、多重極の中心部およびその周囲における電極の内径を狭めることとにより、バックグラウンド計数を低減する一方で多重極中のイオン透過を改善することができるということがわかる。

下の表では、衝突セルがＫＥＤモードで操作された場合の検出器におけるリチウム数の測定結果が多くの異なる配置と動作設定について示される。図から分かるように、１ＭＨｚで操作されるｒ_０＝４．５ｍｍによる従来の直線ロッド四重極は、リチウム（１ｐｐｂの溶液中のＬｉの濃度）の零計数率を示す。周波数を３ＭＨｚに増加させることにより、リチウム検知の著しい上昇（４００ｃｐｓの計数率）に至った。このより高い周波数を維持するがｒ_０を３ｍｍまで低減することにより、５０ｃｐｓまでのリチウムの検知の低下に至った。上述したように１、２または４つの段差を設けることにより、それぞれ３５ｃｐｓ、８０ｃｐｓ、７０ｃｐｓの計数率に至った。しかし、中心部で４．５ｍｍから３ｍｍに変化し下流端部で４．５ｍｍに戻る湾曲ロッドを使用する実施形態により、リチウム計数率は２５０ｃｐｓと著しく高くなった。したがって、本発明の実施形態によりイオン透過が概して改善され、バックグラウンド計数が概して低減されるだけでなく、特にリチウム透過を改善することができるということがわかる。

図１８に、ａ）中間部において最小半径を有する湾曲四重極を備えた衝突セル中のイオン軌道シミュレーション、ｂ）下流出口端に最小半径を有する階段状四重極を備えた衝突セル中のイオン軌道シミュレーションを示す。いずれの場合も、衝突セルは、２．５Ｐａの圧力のＨｅ衝突ガス、衝突セルの入口に−６０Ｖの電位、−２１Ｖの衝突セルバイアス、四重極の入口において半径のｑ＝０．３のＫＥＤモードで操作された。イオンは７５のｍ／ｚを有し、シミュレーションでは右から左へ走行して示される。図から分かるように、より狭い出口半径を有する多重極は、下流側で走行するイオンのより広い分散角を生じる。より長い径方向距離（または、言い換えると所与の質量に対して低減されたｑ値）を有する多重極は、その出口端において、出現イオンビームのより低い角度およびエネルギー広がり（より小さな位相空間）を生じる。この効果は、上述したように下流端部における漏れ電界の低減効果および／または高周波加熱の低減によると考えられる。これは、質量分析器方向への、衝突セルからのイオンビームの下流側抽出および／または誘導を容易にするのに有益である。

図１９は、中間部で最小半径を有する湾曲四重極を備えた衝突セル中の質量識別イオン軌道シミュレーションを示し、ａ）は７５のｍ／ｚ、ｂ）は４０のｍ／ｚのものである。いずれの場合も、衝突セルは、衝突セルの入口における−２０Ｖの電位、−５Ｖの衝突セルバイアス、５ｅＶの粒子初期エネルギーＥ_０、および四重極の入口における半径に対するｑ＝０．３の標準モード（すなわち、供給衝突ガス無し）で操作された。イオンはシミュレーションでは右から左へ走行して示される。図から分かるように、ｍ／ｚ＝７５のイオンは衝突セル中を透過され、一方、ｍ／ｚ＝４０のイオンは衝突セル内の四重極内部で識別され、排除される。したがって、湾曲多重極ロッドを有する実施形態は、不要な低質量イオンを除去するためにＲＦ唯一四重極に関連するハイパス（低質量カットオフ）特性を提供するために使用され得る。

理解されるように、ＲＦ唯一モードで操作される湾曲電極形状を有する実施形態は、所与の質量に対し中心軸に沿った可変安定性パラメータｑを生じる。図２０に、湾曲四重極実施形態の概略安定線図を示す。四重極のＲＦ唯一動作ではａ＝０であるので、ｑ軸はｑ軸に沿って示される例示的質量目盛を有する。この例では、ＲＦピーク振幅は一定であり、ｍ／ｚ＝１００を透過させるように構成される。図から分かるように、第１の安定性プロットはｒ_０＝４．５ｍｍに対して与えられ、第２のより小さな安定性プロットはｒ_０＝３．０ｍｍに対して与えられる。動作中、安定性の上方境界はｑ＝０．９０５で一定のままであるが、この境界は湾曲四重極を通る軸方向距離を有する質量目盛に沿って動く。湾曲四重極の入口では、境界は、ｒ_０＝４．５ｍｍに対する第１の安定性プロットにより与えられる。その中心方向の四重極内へさらに侵入すると、安定性プロットは質量目盛上で縮小し（したがって、境界が動き）ｒ_０＝３．０ｍｍの第２の安定性プロットまで縮小する。四重極の中心を通過しその端に向かってさらに下流に下ると、安定性プロットは、質量目盛上で再び広がり（したがって、境界が再び動き）ｒ_０＝４．５ｍｍの第１の安定性プロットへ戻る。この実施形態では、３３未満のｍ／ｚのイオンはどこでも不安定である。７５未満のｍ／ｚのイオンは、入口では安定しているが中心部で不安定になるので、例えば４０Ａｒは衝突セル内では排除される。

この例を説明する別のやり方は、所与の質量について、ｑ値は四重極の入口では比較的低い値で始まり、中心部に向かって２．２５倍だけ増え［ｑ_２／ｑ_１＝（４．５）^２／（３．０）^２］、次に下流端部に向かってその当初のより低い値に再び縮小すると言うことである。

図２１に、ＩＣＰ質量分析計が上述の湾曲四重極を備えた衝突セルを内蔵する本発明の実施形態を概略的に示す。試料１１０（通常は溶液または懸濁液）は、搬送ガス（一般的にはアルゴンまたは時にヘリウム）中に煙霧の形で噴霧器１２０により供給される。霧状化された試料は、プラズマガス（通常はアルゴン）からプラズマを形成するように構成されたプラズマトーチ１３０に入る。搬送ガスと霧状化された試料はトーチの中央チャネルを貫流し、その温度が試料の原子化と次にイオン化を引き起こすのに十分に高いプラズマ中に入る。プラズマ中の試料イオンは、イオンビームを形成するために、減圧環境中に採取されスキミングされイオン抽出光学系１４０に付される。通常、質量分析器方向には別の減圧段階があり、イオン集束、誘導、および／または偏向光学系１５０がまたイオンビームを分析器方向に導くために設けられ得る。衝突／反応セル１６０が質量分析器の上流側に設けられる。衝突セル１６０は、上記実施形態で説明し特に図１４に示したような湾曲四重極を備える。衝突セル１６０中に透過されたイオンは、イオンを衝突セルから生じる軸から質量分析器１８０の軸上へ偏向するために使用される静電二重偏向レンズ（または、ドッグレッグレンズ）１７０に入る。中性種と光子は二重偏光レンズ１７０の場による影響を受けないので、通常、質量分析器１８０に入ることと測定結果との干渉を引き起こすこととを防止される。質量分析器１８０はこの実施形態では四重極質量フィルタであり、そのロッドは、所望ｍ／ｚ値を有するイオンを検出器１９０上まで選択的に通すバンドパス質量フィルタとして働くようにＤＣ電位とＲＦ電位の両方により操作される。検出器１９０は、特に電子増倍管、マイクロチャネルプレートまたはファラデーカップであり得る。当然、質量分析計は代替的に、特に磁気および／または扇形電場分析器、飛行時間分析器、イオントラップ分析器またはＦＴ／ＭＳにより実現され得る。

衝突セル１６０をさらに詳細に参照すると、セルの前に集束レンズ（チューブレンズなど）が通常設けられる。他の実施形態では、別の質量識別手段が衝突セルの上流に設けられ得る。これは、対象の特定親イオンを衝突セルに入るように選択するために、衝突セルが、分子親イオンのフラグメント娘イオンへのフラグメンテーションに使用される場合に（生命科学質量分析において通常行われるように）特に設けられ得る。

衝突セルは、衝突セルに１つまたは複数の標的ガスを供給するためのガス導入口を有する筐体を含む。筐体自体または筐体内に配置される絶縁電極ホルダは、電極ロッドを正確に適切な位置に保持するために使用され得る。衝突セルの入口孔は、貫通するオリフィスを有するダイアフラムにより提供され、ＤＣ電位が通常印加される入口レンズとして働く。衝突セルの出口孔は貫通するオリフィスを有する別のダイアフラムにより実現され、別のＤＣ電位が通常印加される出口レンズとして働く。

電極は四重極を設けるように構成され、４つのロッドのそれぞれは本明細書に記載の実施形態の１つに従って構成される。四重極電極に好適な１つの構成は、四重極の中心軸と直交する断面中に平坦面を有する四重極電極を設けることである。このような電極は「ｆｌａｔａｐｏｌｅ」と呼ばれ、電界の高次成分によるノード化（ｎｏｄｉｎｇ）を低減するのに有用である可能性がある（理想四重極では、軸に沿ったイオンの振動は弦上のいくぶん定在波のような一定周期を有する。この振動の第１の「ノード」は入口開口部に存在する。次に、中心軸からのイオンの偏差は、入口開口からの距離とともに周期的に増減する。弦の場合とは異なり、出口ダイアフラムの位置はノードの位置に影響を与えないが、印加ＲＦ電位、イオンの速度、質量などだけに依存する。ノードが偶然出口ダイアフラムに存在する場合はイオン透過は非常に良好であり得、波腹が偶然出口開口に存在する場合は透過は相当悪いということが理解される）。このような平坦面は、上記実施形態のうちの任意のものにおいて使用することができる。

電極の特に好ましいひとつの構成は上に述べたようなものであり、各電極は、中心軸に向かって半径方向に延びる湾曲（凸）形状を有し、電極の軸長に沿った中央にある。この構成では、中心軸と直交する四重極の断面の構成は、中心軸を中心とした四角のそれぞれの端部に各電極を有する。電極は四重極の長さに沿ったこのような四角の端部に留まり、四角の大きさは長さに沿って変化し四重極の中央で最小となる。すなわち、四重極の両端におけるロッド間距離は中心部におけるロッド間距離より長い。

四重極電極は、対向する電極対へＲＦ唯一電圧を供給するように構成される電圧源（図示せず）を備え、一対の電極に印加されるＲＦ電圧は他の対の電極に印加されるものとは１８０°逆相である。ＲＦ電圧源は、２００ＫＨｚ〜２０ＭＨｚの範囲、好適には１ＭＨｚ〜１２ＭＨｚの範囲、最も好適には３〜６ＭＨｚの範囲であり得る所望のＲＦ周波数を供給するように構成される。最も好ましい周波数は４ＭＨｚである。八重極については、周波数は好適には四重極の値／範囲の約２倍である。他の目的およびＭＳ／ＭＳアプリケーションについては、好ましい範囲は０．５ＭＨｚ〜５ＭＨｚである。最適周波数は、理解されるように標的質量、多重極寸法、多重極次数に依存する。

電圧源はこのような周波数を絶えず維持するように構成され得る。いくつかの実施形態では、例えばその上に電気的抵抗層が設けられていない多重極電極を構成し得るので、ＲＦ電圧源はそれぞれのＲＦ電圧を各電極に供給し得、電極毎に、同じ振幅が電極のほぼ全体に印加される（すなわち、個別電極の電圧降下は無い）。衝突セル内の軸電位を制御するためのバイアスＤＣ電圧を電極のすべてに供給するために、および／または可変ＤＣ電圧を集束、入口および／または出口レンズに供給するために、同じまたは追加の電圧源が使用され得る。

図２３に、本発明の別の実施形態による質量分析計を概略的に示す。同様な部品は、図２１と同じ参照番号で標記される。この図は主として、衝突セル１６０の様々な部品に印加される好ましい直流バイアス電位を設定するために示される。図から分かるように、衝突セルのバイアス電位は、ａ）標準（ＳＴＤ）モード；すなわち貫通または透過モードにおける衝突ガス無し；ｂ）衝突セル技術（ＣＣＴ）モード；すなわち衝突セルに加えられる衝突／反応ガス有り；ｃ）運動エネルギー識別（ＫＥＤ）モード；すなわち低エネルギーイオンが質量分析器に移るのを防止するために印加される逆電圧障壁有り、のそれぞれに対し供給される。使用される値は通常、それらの動作環境内に好ましいイオンレンズを設けるように選択される（または、自動的に調節される）ということが理解される。

上記実施形態はＲＦ唯一多重極を提供するということが理解される（すなわち、反対極性のＤＣ電位が異なる対の対向電極に印加される質量分解モード（ｍａｓｓ−ｒｅｓｏｌｖｉｎｇ ｍｏｄｅ）で動作しない。ＤＣ電位はすべての電極に等しく印加されなくてもよいし、または同じ（大きさと極性の）ＤＣ電位がすべての電極に等しく印加されてもよいが、これは質量分解効果ではなくバイアス効果を有するので）。ＲＦ唯一多重極はその長さに沿って変動するｑ値を備える。ｑ値は、多重極の入口端における第１の比較的低い値から第１の値より比較的高い少なくとも第２の値まで変化する。このようにして、比較的高いアクセプタンスおよびイオン透過が実現され得、一方また、不要でかつ可能性として干渉するイオンを除去しバックグラウンド計数の低減を支援するための低質量カットオフを実現し得る。好ましい実施形態では、下流側においてｑ値のさらなる変更がなされ、これにより、ｑ値は多重極の出口端において第３の比較的低い値（好適には第１のｑ値と同じ）に変化する。

上記実施形態におけるｑ値の変化は、階段的または湾曲的やり方で中心軸からの電極の径方向距離を変化させることにより達成される。他の実施形態では、半径の変化の代案としてまたはその追加として、ｑ値の変化は、長手方向／軸方向の電極の異なる部分に印加されるＲＦ電位の周波数を変化させることにより、すなわち多重極の上流端に比較的対高い周波数を与え、これをその下流側で比較的低い周波数に変化させることにより行われ得る。ｑ値が下流端部に向かって再び低減されることになれば、周波数は下流端部において再び第３の周波数（好適には第１の周波数と同じ）まで増加されるであろう。これは、同じＲＦ振幅であるが異なる周波数で供給するように構成されたＲＦ電圧源に対するそれぞれの接続を有する２または３以上の（互いに絶縁された）電気的セグメント電極を設けることにより行われ得る。または、多重極は、高速電子スイッチにより直接駆動され得る、または、方形または三角波（通常のやり方で（共振）コイル変圧器により増幅され得る）を使用することができ、アースと「倍音」（すなわち、高調波）周波数をクロスオーバにより多重極の異なる部分へ導く（ちょうど高周波数におけるオーディオクロスオーバと同様）。

さらに他の実施形態では、半径および／または周波数の変化の代案としてまたはその追加として、ｑ値の変化は長手方向／軸方向の電極の異なる部分に印加されるＲＦ電位のピーク値を変化させることにより行われ得る。多重極の上流端において、第１の比較的低いＲＦ振幅が印加され、次に、第２の比較的高いＲＦ振幅が下流側部分に印加される。ｑ値が下流端部に向かって再び低減されることになっていれば、ＲＦ振幅は下流端部において再び第３のＲＦ振幅（好適には第１のＲＦ振幅と同じ）まで低減されるだろう。これは、同じＲＦ周波数であるが異なる振幅を供給するように構成されたＲＦ電圧源へのそれぞれの接続を有する２つまたは３つ以上の（互いに絶縁された）電気的セグメント電極を設けることにより行われ得る。または、各電極は、同じＲＦ周波数であるが異なる振幅で供給するように構成されたＲＦ電圧源への２つ以上の接続を有する抵抗性被覆を備え得る。例えば、ｑ値が多重極の長さに沿って低い値から高い値へそして再び低い値に変化する構成により、抵抗性被覆電極はＲＦ電圧源への３つの接続（１つは各端部に１つは中間部に）を備え得る。上流および下流端部は比較的低いＲＦ振幅（好適には同じ振幅）で構成され、中央接続部は比較的高いＲＦ振幅で構成されるであろう。

さらに代替的に（上述のような多重極の代わりに）、米国特許出願公開第２０１０／００９０１０４Ａ１号明細書に示すように積層リングイオンガイドを採用することができるであろう。このようにして、相対的電位場振幅は理解されるように積層距離を変化させることにより実現され得る。

上述したように、衝突セル内の多重極に沿ったＤＣ軸方向電場勾配を生成しそれによりイオンを駆動するように、同じ振幅および極性のＤＣ電位が多重極の電極のそれぞれに印加され得る。これは、高い衝突セル圧力では特に有利である。生命科学質量分析から、最適勾配はｋＴ／Ｌの関数（例えば、ほぼｋＴ／Ｌの関数、またはｋＴ／Ｌの低倍数の関数）であるということが知られている（ｋはボルツマン定数、Ｔは温度、Ｌはイオンの平均自由行程である）。

上記実施形態はＲＦ唯一モードの動作について説明したが、いくつかの実施形態では、多重極は質量分解モードで実行され得る。すなわち、同じ振幅であるが逆極性のＤＣ電位が、多重極における質量識別効果を与えるために異なる対の対向電極に印加され得る。

上記論述は四重極に焦点を当てたが、本発明の実施形態は、四重極に関する上記論述の原理をそれに応じて適用することにより、衝突セル内に六重極、八重極または他の多重極装置を採用し得る。四重極は通常、分子イオン形成を低減するために衝突セル内の不要なイオンを排除するそれらの低質量カットオフ効果と、ＣＣＴモードにおけるそれらのより良好な衝突集束化（ｃｏｌｌｉｓｉｏｎａｌ ｆｏｃｕｓｉｎｇ）とに対し好ましい。

上記実施形態の多重極電極はｆｌａｔａｐｏｌｅで有り得る、またはほぼ円形、双曲状、方形、矩形、または他の多角形断面のロッドであり得る、平坦または板状電極であり得る、または、上記論述から理解されるように様々な他の形状および構成であり得る。

本発明の実施形態は、以下の特性の１つまたは複数を活用する。多重極中へのイオン透過を改善するために入口においてイオンの高アクセプタンスを生じさせる比較的大きな多重極内径；低ｍ／ｚ検体イオンが衝突セルに入るようにするためにより低い低質量カットオフを生じさせる、多重極電極に印加される比較的対高い周波数のＲＦ電圧；衝突セル内に形成され得る低ｍ／ｚイオンの排除、および高イオン電流からの中性物によるバックグラウンド計数の低減を生じさせる入口の下流の比較的小さな多重極内径；下流処理の改善のために衝突セルからのそれらのイオンのより小さな角度およびエネルギー広がりを生じさせる低減直径領域の下流の比較的大きな多重極内径。

好ましい実施形態は多重極の中心において対称的に配置された多重極の最小放射状領域を有するが、最小放射状領域は多重極が対称にならないように中心を外れて構成され得る。このようにして、入口におけるアクセプタンスと出口における低減された角度およびエネルギー広がりは、低減半径部分が設けられる多重極の長さに沿った位置の調整により最適化され得る。実際、低減半径部分の湾曲または階段状形状はそれ自体対称的である必要はなく、形状にある程度の歪を有し得る。

さらに、上記実施形態は、多重極の電極がそれぞれ同じ形状を有するものとして説明したが、これはすべての実施形態においてそうである必要はない。いくつかのアプリケーションでは、それぞれの低減された半径領域を有するために単一対向対電極（または、高次多重極内の２つ以上のそれぞれの対向対）を構成すると共に、残りの対向対（または、高次多重極内の対、または奇数多重極内の個別電極）に異なるそれぞれの形状を備えさせることが望ましいかもしれない。特に、ｙ方向に配置された電極とは異なる形状で、ｘ方向に配置された電極を設けることが望ましいかもしれない。

他の変形、修正と実施形態は当業者らにとって明らかであり、本発明の一部をなすように意図されている。

Claims (39)

1. 衝突／反応ガスが供給される衝突セル内の多重極であって、直流電圧が印加されない多重極である無線周波数唯一多重極を操作する方法であって、
   前記無線周波数唯一多重極は、第１の部分と、第２の部分と、それらの間の中間部分とを含み、
   前記中間部分における第３のｑ値より低い、第１のｑ値と第２のｑ値で前記第１と第２の部分をそれぞれ操作する工程を含む、方法。
2. 前記無線周波数唯一多重極は長さを有し中心軸を画定し、
   前記ｑ値は、その長さに沿った前記中心軸からの前記無線周波数唯一多重極の径方向距離を変更することにより変えられる、請求項１に記載の方法。
3. 前記無線周波数唯一多重極は第１の部分と第２の部分とそれらの間の中間部分とを含み、
   前記無線周波数唯一多重極の前記中間部分は前記第１の部分と前記第２の部分より、前記中心軸に半径方向に近い、請求項２に記載の方法。
4. 前記無線周波数唯一多重極は、第１の部分と、第２の部分と、それらの間の中間部分とを含み、
   前記無線周波数唯一多重極の前記第１の部分内にイオンを受け入れる工程と、
   前記受け入れたイオンの少なくともいくつかを比較的小さな内側多重極半径を有する前記中間部分中に透過させる工程と、
   前記透過されたイオンの少なくともいくつかを前記第２の部分から排出させる工程と、
   をさらに含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記無線周波数唯一多重極は長さを有し、
   前記ｑ値はその長さに沿った前記無線周波数唯一多重極に印加されるＲＦ電圧振幅を変更することにより変えられる、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記無線周波数唯一多重極は長さを有し、
   前記ｑ値はその長さに沿った前記無線周波数唯一多重極に印加されるＲＦ電圧周波数を変更することにより変えられる、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記無線周波数唯一多重極の各電極に３ＭＨｚ〜６ＭＨｚの範囲の周波数でそれぞれのＲＦ電圧を印加する工程をさらに含む、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記衝突セルへの衝突／反応ガスの供給を０．０１Ｐａ〜１０００Ｐａ好適には１Ｐａ〜１０Ｐａの範囲の圧力で行う工程をさらに含む、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記無線周波数唯一多重極の低質量カットオフを、第１の質量範囲にわたって、変化する標的質量近くで追跡して、前記低質量カットオフを第２のより高い質量範囲にわたって比較的安定に維持する工程をさらに含む、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法。
10. 衝突／反応ガスが供給される衝突セル内にあり、中心軸の周囲に配置された複数の多重極電極を含み、直流電圧が印加されない多重極である、衝突セル無線周波数唯一多重極であって、
    前記多重極電極の少なくともいくつかは第１の部分と、第２の部分と、それらの間の中間部分とを有し、
    前記中間部分は前記それぞれの第１の部分および第２の部分より、前記中心軸の半径方向に近く、
    前記第１および第２の部分は、動作において、前記中間部分における第３のｑ値より低い第１および第２のｑ値を提供する、
    衝突セル無線周波数唯一多重極。
11. 前記多重極電極の前記少なくともいくつかはそれぞれ、前記無線周波数唯一多重極内に半径方向に対向する電極の１つまたは複数の対を含む、請求項１０に記載の衝突セル無線周波数唯一多重極。
12. 前記第１の部分はそれぞれの第１の端を含み、前記第２の部分はそれぞれの第２の端を含み、前記中間部は前記電極のそれぞれの中央部分を含む、請求項１０または１１に記載の衝突セル無線周波数唯一多重極。
13. 前記中央部分は前記中心軸に半径方向に最も近い、請求項１２に記載の衝突セル無線周波数唯一多重極。
14. 前記第１と第２の端は前記中心軸から半径方向に最も遠い、請求項１２または１３に記載の衝突セル無線周波数唯一多重極。
15. 前記第１と第２の部分は前記中心軸から４．５ｍｍの径方向距離にある、請求項１０乃至１４のいずれか一項に記載の衝突セル無線周波数唯一多重極。
16. 前記電極の前記少なくともいくつかは前記中心軸の方向に階段状である、請求項１０乃至１５のいずれか一項に記載の衝突セル無線周波数唯一多重極。
17. 前記電極の前記少なくともいくつかの前記中間部分は前記中心軸の方向に１つまたは複数の段差を含む、請求項１０乃至１６のいずれか一項に記載の衝突セル無線周波数唯一多重極。
18. 前記中間部分は、前記中心軸から３．０ｍｍの径方向距離に第１の段差を有する前記電極の中央部分を含む、請求項１０乃至１７のいずれか一項に記載の衝突セル無線周波数唯一多重極。
19. 前記中間部分は、前記第１の部分と前記第１の段差間に第２の段差と、前記第１の段差と前記第２の部分の間に第３の段差を含む、請求項１８に記載の衝突セル無線周波数唯一多重極。
20. 前記第２と第３の段差は前記中心軸から３．７５ｍｍの径方向距離にある、請求項１９に記載の衝突セル無線周波数唯一多重極。
21. 各段差からのまたは各段差へのそれぞれの遷移が傾斜している、請求項１６乃至２０のいずれか一項に記載の衝突セル無線周波数唯一多重極。
22. 前記電極の少なくともいくつかは前記中心軸の方向に湾曲している、請求項１０乃至１５のいずれか一項に記載の衝突セル無線周波数唯一多重極。
23. 前記中間部分は前記中心軸の方向に湾曲部を含む、請求項１０乃至１５と請求項２２のいずれか一項に記載の衝突セル無線周波数唯一多重極。
24. 前記湾曲部は凸状である、請求項２３に記載の衝突セル無線周波数唯一多重極。
25. 前記湾曲部は前記電極の中央部分に関し対称である、請求項２３または２４に記載の衝突セル無線周波数唯一多重極。
26. 前記湾曲部の中央部分は中心軸から３．０ｍｍの径方向距離にある、請求項２２乃至２５のいずれか一項に記載の衝突セル無線周波数唯一多重極。
27. 前記中間部分は前記中心軸に向かって半径方向に狭くなる、請求項１０乃至２６のいずれか一項に記載の衝突セル無線周波数唯一多重極。
28. 前記中心軸に半径方向に最も近い各電極の表面の前記中心軸と直交する断面はほぼ平坦である、請求項１０乃至２７のいずれか一項に記載の衝突セル無線周波数唯一多重極。
29. 各電極に３ＭＨｚ〜６ＭＨｚの範囲の周波数でそれぞれのＲＦ電圧を供給するように構成されたＲＦ電圧源をさらに含む、請求項１０乃至２８のいずれか一項に記載の衝突セル無線周波数唯一多重極。
30. 各電極へそれぞれのＲＦ電圧を供給するように構成されたＲＦ電圧源をさらに含み、
    電極毎に同じ振幅が前記電極のほぼ全体に印加される、請求項１０乃至２９のいずれか一項に記載の衝突セル無線周波数唯一多重極。
31. 前記電極の少なくともいくつかはセグメント化され、各セグメントへ異なる振幅のそれぞれのＲＦ電圧を供給するように構成されたＲＦ電圧源をさらに含む、請求項１０乃至３０のいずれか一項に記載の衝突セル無線周波数唯一多重極。
32. 前記電極の少なくともいくつかはセグメント化され、各セグメントへ異なる周波数のそれぞれのＲＦ電圧を供給するように構成されたＲＦ電圧源をさらに含む、請求項１０乃至３１のいずれか一項に記載の衝突セル無線周波数唯一多重極。
33. 前記電極の少なくともいくつかは、抵抗層を備え、前記第１の部分と第２の部分と中間部分のうちの２つまたはすべてへ異なる振幅のそれぞれのＲＦ電圧を供給するように構成されたＲＦ電圧源をさらに含む、請求項１０乃至３０のいずれか一項に記載の衝突セル無線周波数唯一多重極。
34. 前記無線周波数唯一多重極は四重極である、請求項１０乃至３３のいずれか一項に記載の衝突セル無線周波数唯一多重極。
35. 前記中心軸に垂直な前記四重極の断面構成は、前記中心軸を中心とした四角のそれぞれの端部に各電極を有し、
    前記電極は前記四重極の前記長さに沿った四角の前記端に留まり、
    前記四重極の中間の前記四角は最小である、請求項３４に記載の衝突セル無線周波数唯一多重極。
36. 請求項１０乃至３５のいずれか一項に記載の衝突セル無線周波数唯一多重極を含む衝突セルまたは質量分析計。
37. 請求項１０乃至３５のいずれか一項に記載の無線周波数唯一多重極をその中に設ける工程と操作する工程とを含む衝突セルを操作する方法。
38. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法において、
    さらに、前記無線周波数唯一多重極の各電極にそれぞれの無線周波数電圧を４ＭＨｚで印加する、
    方法。
39. 請求項１０乃至２８のいずれか一項に記載の衝突セル無線周波数唯一多重極において、
    さらに、前記無線周波数唯一多重極の各電極にそれぞれの無線周波数電圧を４ＭＨｚで電極に印加する無線周波数電圧供給源、
    を有する衝突セル無線周波数唯一多重極。