JP6269666B2 - イオン輸送装置及び該装置を用いた質量分析装置 - Google Patents

Description

本発明はイオンを捕集しつつ輸送するイオン輸送装置、特に、エレクトロスプレイイオン化質量分析装置、大気圧化学イオン化質量分析装置、高周波誘導結合プラズマイオン化質量分析装置といった、大気圧に近い比較的高いガス圧雰囲気の下で試料をイオン化するイオン源を備える質量分析装置に好適なイオン輸送装置、及び該装置を用いた質量分析装置に関する。

エレクトロスプレイイオン化法（ＥＳＩ）、大気圧化学イオン化法（ＡＰＣＩ）、大気圧光イオン化法（ＡＰＰＩ）などの大気圧イオン源を用いた質量分析装置では、イオン化室は略大気圧雰囲気であるのに対し、四重極マスフィルタなどの質量分離器やイオン検出器が配置される分析室の内部は高真空雰囲気に保つ必要がある。そこで一般に、こうした質量分析装置では、イオン化室と分析室との間に１乃至複数の中間真空室を設け、段階的に真空度を高めるようにした多段差動排気系の構成が採用されている。このような多段差動排気系の構成の質量分析装置において、中間真空室の内部には、イオンレンズやイオンガイドとも呼ばれるイオン輸送光学系が配置されている。イオン輸送光学系は、直流電場や高周波電場、或いはその両者の作用によって、イオンを収束したり、場合によっては加速又は減速したりしながら、イオンを後段へと輸送する一種のデバイスである。

イオンを効率よく捕集しつつ輸送するために、従来より様々な構造及び構成のイオン輸送光学系が用いられている。広く利用されているイオン輸送光学系の一つの態様として、イオン光軸の周りに又はイオン光軸に沿って多数の電極を備え、その多数の電極の中の隣接する電極同士に位相が互いに１８０°反転した高周波電圧を印加するとともに、それに重畳して各電極に異なる直流電圧を印加することにより、イオンを各電極から遠ざけながら捕集及び輸送するものがある。この態様のイオン輸送光学系の代表例として、４本又はそれ以上の偶数本のロッド電極をイオン光軸の周りに配置した多重極高周波イオンガイドや、ロッド電極に代えてイオン光軸方向に配設された複数の電極板から成る仮想ロッド電極を用いた多重極高周波イオンガイド、などがある。また、特許文献１には、円形状の開口を有するアパーチャ電極をイオン光軸に沿って多数並べた構造のイオンファンネルと呼ばれるイオン輸送光学系が開示されている。さらにまた、特許文献２には、プリント基板上に多数のリング状電極を略同心円状に形成した高周波カーペットと呼ばれるイオン輸送光学系が開示されている。

上述したような各種のイオン輸送光学系において、多数の電極に高周波電圧を印加することで形成した高周波電場によってイオンを該電極から遠ざける作用は、振動電場による擬ポテンシャル（Pseudo-potential）の概念で説明することができる。擬ポテンシャルは振動電場による微小振動を平均化した永年運動に対して作用するポテンシャルであり、巨視的に見れば、イオンは擬ポテンシャルの勾配に比例した斥力を電極から受けるように運動する。したがって、高周波電場を利用した一般的なイオン輸送光学系では、この擬似的な斥力によって電極へのイオンの衝突を防止しながら、高周波電場に重畳された直流電場の作用によって所望の方向へイオンを集約するとともに輸送することになる。

上述した既存のイオンファンネルや高周波カーペットは特に、微小化した電極を高い密度で配置することで、効率のよいイオン捕集とイオン輸送とを実現している。しかしながら、そのためには多数の微小電極を高い位置精度で以て配置する必要があり、またそれぞれの微小電極に高周波電圧と電圧値の異なる直流電圧とを印加する必要があるために、コストを引き下げることが難しく、装置コストが高くなる傾向にある。また、多くの場合、イオンの通過領域全体を取り囲むように電極を配置する必要があるため、装置の小型化や装置構造の変更には多くの困難が伴う。こうしたことから、既存のイオンファンネルや高周波カーペットに比べて少ない数の電極によって従来と同程度のイオン捕集効率及びイオン輸送効率を実現でき、且つ装置構造の変更にも柔軟に対応できるように構造が単純であるイオン輸送光学系が強く望まれている。

米国特許第６１０７６２８号明細書 特表２０１０−５２７０９５号公報

本発明は上記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、電極の数が少なく構造が単純でありながら、イオンを効率よく収集して後段、例えば質量分離器や別のイオン輸送装置などへと輸送することができるイオン輸送装置を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、上記のようなイオン輸送装置を利用することで、高い感度の質量分析を行うことができ、微量分析に好適な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の第１の態様の質量分析装置は、略大気圧雰囲気の下で試料成分をイオン化するイオン源と、イオンを質量電荷比に応じて分離する質量分離部が配置された高真空雰囲気に維持される分析室と、の間に、その真空度が順番に高くなるｎ個（ただし、ｎは１以上の整数）の中間真空室を備えた質量分析装置において、
前記イオン源から前記分析室に向かってｍ番目（ただし、ｍは１以上ｎ以下の整数）の第ｍ中間真空室の内部に、電場の作用によりイオンを捕集しつつ後段へと輸送するイオン輸送装置を備え、該イオン輸送装置は、
a)イオンを後段へと送る開口部を中心として略同心円状に配置された複数のリング状電極から成り、各リング状電極の径方向の断面形状は、少なくともイオンが到来する側に面した部分が湾曲状又は複数の直線を組み合わせた擬似湾曲状である電極群と、
b)前記電極群に含まれるリング状電極のそれぞれに電圧を印加するものであって、その複数のリング状電極の中で径方向に隣接するリング状電極に対して互いに位相が１８０°反転した高周波電圧を印加するとともに、イオンが前記電極群の外周側から内周側に向かう直流電位勾配が形成されるように各リング状電極にそれぞれ異なる直流電圧を印加する電圧印加部と、
を備えることを特徴としている。

また上記課題を解決するために成された本発明の第２の態様によるイオン輸送装置は、電場の作用によりイオンを捕集しつつ後段へと輸送するイオン輸送装置であって、
a)イオン光軸に沿って互いに所定間隔離して配列された複数のリング状電極から成り、各リング状電極の径方向の断面形状は、少なくともイオンが通過する該リング状電極の中央開口部に面した部分が湾曲状又は複数の直線を組み合わせた擬似湾曲状である電極群と、
b)前記電極群に含まれるリング状電極のそれぞれに電圧を印加するものであって、その複数のリング状電極の中でイオン光軸方向に隣接するリング状電極に対して互いに位相が１８０°反転した高周波電圧を印加するとともに、イオン光軸に沿ってイオンを進行させる直流電位勾配が形成されるように各リング状電極にそれぞれ直流電圧を印加する電圧印加部と、
を備えることを特徴としている。

本発明の第１の態様で用いられるイオン輸送装置において、電極群に含まれる複数のリング状電極は同一平面上に配置された構成とすることもできるが、その複数のリング状電極の同心円の中心軸方向に各リング状電極が少しずつずれて配置された構成であってもよい。後者の構成では、開口部の径が最も大きなリング状電極がイオンが到来する側の最も手前に位置し、上記同心円の中心軸方向に進むに従い、開口部の径が徐々に縮小するように各リング状電極を配置するとよい。

一方、本発明の第２の態様によるイオン輸送装置において、電極群に含まれる複数のリング状電極はその中央開口部のサイズ（つまりは内径）が同一であってもよいが、そのイオン進行方向に向かって中央開口部のサイズが段階的に縮小する構成、つまりはファンネル構造であってもよい。

本発明の第１の態様で用いられるイオン輸送装置、及び本発明の第２の態様によるイオン輸送装置のいずれにおいても、電極群に含まれる各リング状電極の中で隣接するリング状電極に対して互いに位相が１８０°反転した高周波電圧が印加されると、それによってリング状電極の近傍に、イオンを該電極から遠ざける作用を有する高周波電場が形成される。この電場の作用により、イオンはリング状電極に接触することなく該電極近傍に捕集される。また、第１の態様で用いられるイオン輸送装置では、高周波電圧に加えて各リング状電極に印加される直流電圧によって形成される直流電場の作用により、イオンは電極群の外周側に位置するリング状電極から内周側に位置するリング状電極の方向に移送される。そして、内周側に位置する開口部に集められたイオンは、例えば電極群とその後段のデバイス等との間に形成されている直流電場の作用、又は、ガス圧差を利用したガス流の作用などによって、開口部を経て後段へと輸送される。

一方、第２の態様によるイオン輸送装置では、高周波電圧に加えて各リング状電極に印加される直流電圧によって形成される直流電場の作用により、イオンは電極群の最も手前側のリング状電極の中央開口部から入射し、各リング状電極の中央開口部を通り抜けるように移送され、最終的に後段へと輸送される。

上述した従来の高周波カーペットやイオンファンネルでは、各電極のイオン輸送空間に面する部分の形状は平面状である。高周波カーペットでは基板上のプリントされた電極面がこれに相当し、イオンファンネルでは各電極の中央開口部がこれに相当する。一般に、各電極の平面状部分により生じる電場の強度は該平面状部分の中央付近では比較的均一であり、電場強度の勾配は小さくなる。擬ポテンシャルは、理論的には、振動電場の振幅となる電場強度の２乗に比例するから、電場強度の勾配が小さいと擬ポテンシャルの勾配が小さくなり、電極の平面状部分ではイオンに対する擬似的な斥力が小さくなってしまう。

これに対し、本発明に係るイオン輸送装置において、電極群に含まれる各リング状電極は、イオンが到来する又はイオンが通過する空間に面した部分の断面形状が例えば円弧状等の湾曲状又は複数の直線を組み合わせた擬似湾曲状となっているため、高周波電圧の印加によってリング状電極近傍に生じる電場強度の勾配は大きくなる。その結果、擬ポテンシャルの勾配は上述した従来のイオン輸送装置に比べて大きくなる。より詳しくいえば、擬ポテンシャルの勾配が急峻になるとともに、それにより形成されるポテンシャル井戸が深くなる。上述したように、擬ポテンシャル勾配はイオンに対する擬似的な斥力となるので、擬ポテンシャル勾配が急峻になることでイオンがリング状電極に近づき過ぎることを回避でき、リング状電極との衝突によるイオンの消失を少なくすることができる。その結果、イオンの捕集効率が向上し、例えば従来の高周波カーペットやイオンファンネルなどに比べて少ない電極数で以て同程度のイオン捕集効率及びイオン輸送効率を実現することが可能となる。

上記本発明の第２の態様によるイオン輸送装置を用いた質量分析装置の一態様は、略大気圧雰囲気の下で試料成分をイオン化するイオン源と、イオンを質量電荷比に応じて分離する質量分離器が配置された高真空雰囲気に維持される分析室と、の間に、その真空度が順番に高くなるｎ個（ただし、ｎは１以上の整数）の中間真空室を備えた質量分析装置において、
前記イオン源から前記分析室に向かってｍ番目（ただし、ｍは１以上ｎ以下の整数）の第ｍ中間真空室の内部に前記イオン輸送装置が配置されてなることを特徴としている。

本発明の第１の態様の質量分析装置及び上記第２の態様によるイオン輸送装置を用いた質量分析装置において、イオン源は例えばエレクトロスプレイイオン源、大気圧化学イオン源、大気圧光イオン源などとすることができる。典型的には上記のｍの値は１であり、その場合、略大気圧雰囲気であるイオン源の次の第１中間真空室の内部に上記イオン輸送装置が配置される。この第１中間真空室にはイオンを通過させるための開口を通してイオン源から大気等のガスが流れ込むため、比較的真空度は低く、残留ガスが多く存在する。本発明に係るイオン輸送装置は、このように比較的残留ガスが多く存在する状況下でも、効率良くイオンを収集して後段へ、つまりはさらに次段の中間真空室又は分析室へと送ることができる。それにより、高い感度の分析を行うことができる。

また上記第１の態様の質量分析装置では、第ｍ中間真空室の前段に位置するイオン源又は第ｍ−１中間真空室から該第ｍ中間真空室へとイオンを導入する第ｍ導入孔の中心軸である第ｍ中心軸と、第ｍ中間真空室からその次段に位置する第ｍ＋１中間真空室又は分析室へとイオンを導入する第ｍ＋１導入孔の中心軸である第ｍ＋１中心軸とが同一直線上に位置しないように第ｍ及び第ｍ＋１導入孔をそれぞれ設けた構成とすることができる。即ち、この構成は軸ずらし又は軸外しのイオン輸送光学系である。ここで、第ｍ中心軸と第ｍ＋１中心軸とは平行であってもよいし、平行でなく、例えば斜交していたり直交していたりしてもよい。

例えば第１の態様によるイオン輸送装置を用いる場合には、該イオン輸送装置の電極群の中心軸と上記第ｍ＋１中心軸とが直線上に位置するように該イオン輸送装置を配置するとよい。これにより、第ｍ＋１中心軸の延長線上にない第ｍ中心軸に沿って導入されたイオンをイオン輸送装置の前面で受けてその開口部に効率よく収集し、第ｍ＋１導入孔を経て次の中間真空室や分析室へと輸送することができる。それにより、軸ずらしや軸外しのイオン光学系により、例えばイオン化していない分子などの中性粒子を的確に除去しつつ、分析に必要なイオンを効率よく収集して質量分析に供することができる。

なお、上記構成においては、第ｍ中間真空室内に配置したイオン輸送装置の手前に、第ｍ中心軸に沿って導入されたイオンを第ｍ＋１中心軸に沿った方向に向かうように移動させる直流電場を形成するイオン偏向部を設けるようにしてもよい。これにより、中性粒子を効率よく除去しつつ、分析対象イオンの輸送効率を一層向上させることができる。

また本発明に係る第２の態様による質量分析装置は、試料成分由来のイオンを解離させるコリジョンセルと、該コリジョンセルで生成されたイオンを質量電荷比に応じて分離する質量分離部と、を備えた質量分析装置であって、
前記コリジョンセルの内部に、電場の作用によりイオンを捕集しつつ後段へと輸送するイオン輸送装置を備え、該イオン輸送装置は、
a)イオンを後段へと送る開口部を中心として略同心円状に配置された複数のリング状電極から成り、各リング状電極の径方向の断面形状は、少なくともイオンが到来する側に面した部分が湾曲状又は複数の直線を組み合わせた擬似湾曲状である電極群と、
b)前記電極群に含まれるリング状電極のそれぞれに電圧を印加するものであって、その複数のリング状電極の中で径方向に隣接するリング状電極に対して互いに位相が１８０°反転した高周波電圧を印加するとともに、イオンが前記電極群の外周側から内周側に向かう直流電位勾配が形成されるように各リング状電極にそれぞれ異なる直流電圧を印加する電圧印加部と、
を備えることを特徴としている。
また上記本発明の第２の態様によるイオン輸送装置を用いた別の態様の質量分析装置は、試料成分由来のイオンを解離させるコリジョンセルと、該コリジョンセルで生成されたイオンを質量電荷比に応じて分離する質量分離部と、を備えた質量分析装置であって、
前記コリジョンセルの内部に前記イオン輸送装置が配置されてなることを特徴としている。

典型的には、コリジョンセルには適宜のガスを導入し、該コリジョンセルに入射させたイオンをガスに衝突させて衝突誘起解離によりイオンを解離させるようにすればよい。こうした解離により生成された各種プロダクトイオンを本発明に係るイオン輸送装置で収集して輸送することにより、プロダクトイオンの検出感度を向上させることができる。

また上記第２の態様の質量分析装置では、質量分離部は後段四重極マスフィルタであり、コリジョンセルの手前に試料成分由来の各種イオンの中で特定の質量電荷比を有するイオンを選択する前段四重極マスフィルタを備え、
該前段四重極マスフィルタの中心軸と、前記後段四重極マスフィルタの中心軸とが同一直線上に位置しないようにそれら四重極マスフィルタをそれぞれ設けた構成とすることができる。

また上記第２の態様の質量分析装置では、質量分離部は直交加速型の飛行時間型質量分離器であり、コリジョンセルの手前に試料成分由来の各種イオンの中で特定の質量電荷比を有するイオンを選択する四重極マスフィルタを備え、
該四重極マスフィルタの中心軸と、前記飛行時間型質量分離器の直交加速部又は該直交加速部へイオンを輸送するイオン輸送光学系の中心軸とが同一直線上に位置しないように前記四重極マスフィルタ並びに前記直交加速部及び／又は前記イオン輸送光学系をそれぞれ設けた構成としてもよい。

これら構成によれば、コリジョンセル内においてイオンの解離の際に生じた中性粒子を除去しながら、分析目的であるプロダクトイオンを効率よく収集して後段四重極マスフィルタや直交加速型の飛行時間型質量分離器に導入することができる。それによって、中性粒子がイオン検出器にまで到達することで発生するノイズを低減することができる。

さらにまた、上記第２の態様の第１の質量分析装置では、前段四重極マスフィルタの中心軸に沿ったイオン進行方向と後段四重極マスフィルタの中心軸に沿ったイオン進行方向とが異なり、該前段四重極マスフィルタのイオン出口とイオン輸送装置との間に、第ｍ中心軸に沿って前段四重極マスフィルタから出射してきたイオンを第ｍ＋１中心軸に沿った方向に向かうように偏向させる直流電場を形成するイオン偏向部を設けた構成としてもよい。

また、上記第２の態様の第２の質量分析装置では、四重極マスフィルタの中心軸に沿ったイオン進行方向とその後段のイオン輸送光学系又は直交加速部の中心軸に沿ったイオン進行方向とが異なり、該四重極マスフィルタのイオン出口とイオン輸送装置との間に、第ｍ中心軸に沿って四重極マスフィルタから出射してきたイオンを第ｍ＋１中心軸に沿った方向に向かうように偏向させる直流電場を形成するイオン偏向部を設けた構成としてもよい。

また、本発明の第１の態様による質量分析装置において、上記イオン輸送装置は、上記電極群に対向して配置され、該電極群に向かう方向にイオンを移動させる直流電場を形成するリペラ電極をさらに備え、上記電極群と上記リペラ電極との間の空間にイオンを捕捉可能とした構成とすることができる。

また本発明の第１の態様による質量分析装置において、上記イオン輸送装置は、上記電極群を対向して２組配置し、その２組の電極群の間の空間にイオンを捕捉可能とした構成とすることもできる。

これら構成では、イオン輸送装置を単なるイオンレンズやイオンガイドなどの輸送装置ではなく、イオンを一時的に捕捉して蓄積するイオントラップとして利用することができる。

また、これら質量分析装置では、試料成分由来のイオンを解離させるコリジョンセルと、該コリジョンセルで生成されたイオンを質量電荷比に応じて分離する質量分離部と、を備え、前記コリジョンセルと前記質量分離部との間に、イオンを捕捉可能とした前記イオン輸送装置が配置されてなる構成とすることができる。

この構成では、コリジョンセル内で生成された各種プロダクトイオンをイオン輸送装置に一旦蓄積し、該イオン輸送装置から略一斉に吐き出すことが可能である。そこで、質量分離部として例えば飛行時間型質量分離部を用いることができ、それによって高い質量分解能で以てプロダクトイオンを質量分析することができる。

本発明に係るイオン輸送装置又は本発明に係る質量分析装置に用いられるイオン輸送装置によれば、従来の高周波カーペットやイオンファンネルなどに比べて電極の数を減らしても、それらと同程度のイオン捕集効率、イオン輸送効率を実現することができる。それにより、例えば電極構造が簡素化されるので、装置コストを引き下げることが可能となる。また、電極構造を簡素化する代わりに、イオン捕集効率やイオン輸送効率を向上させることもできる。
また本発明に係る質量分析装置によれば、例えば質量分析に供するイオンの量を増加させて、分析感度を向上させることができる。

本発明に係るイオン輸送装置の一実施例である高周波カーペットにおける電極群の斜視図。 図１に示した高周波カーペットを用いた本発明に係る質量分析装置の一実施例（第１実施例）であるエレクトロスプレイイオン化質量分析装置の概略構成図。 図１に示した高周波カーペットにおいて形成される電場のポテンシャルの概略図。 図１に示した高周波カーペットと従来の高周波カーペットとの相違を示す電極群の概略断面図。 図１に示した高周波カーペットと従来の高周波カーペットとにおける高周波電場による擬ポテンシャル等高線のシミュレーション結果を示す図。 図１に示した高周波カーペットにおけるイオン軌道のシミュレーションの際に想定した装置の斜視図（ａ）及びイオン軌道を示す図（ｂ）。 本発明に係るイオン輸送装置の変形例を示す図。 本発明に係るイオン輸送装置の変形例を示す図。 本発明に係る質量分析装置の他の実施例（第２実施例）である質量分析装置の要部の構成図。 本発明に係る質量分析装置の他の実施例（第３実施例）である質量分析装置の要部の構成図。 本発明に係る質量分析装置の他の実施例（第４実施例）である質量分析装置の要部の構成図。 本発明に係る質量分析装置の他の実施例（第５実施例）である質量分析装置の要部の構成図。 本発明に係る質量分析装置の他の実施例（第６実施例）である質量分析装置の要部の構成図。 本発明に係る質量分析装置の他の実施例（第７実施例）である質量分析装置の要部の構成図。 本発明に係る質量分析装置の他の実施例（第８実施例）である質量分析装置の要部の構成図。 本発明に係る質量分析装置の他の実施例（第９実施例）である質量分析装置の要部の構成図。 本発明に係るイオン輸送装置の他の実施例であるイオントラップの構成図。 図１７に示したイオントラップを用いた本発明に係る質量分析装置の一実施例の要部の構成図。 本発明に係るイオン輸送装置のさらに他の実施例であるイオントラップの構成図。 本発明に係るイオン輸送装置の一実施例であるイオンファンネルにおける電極群の略断面図（ａ）及び従来のイオンファンネルにおける電極群の略断面図（ｂ）。 図２０（ａ）に示したイオンファンネルの変形例における電極群の略断面図。

本発明に係るイオン輸送装置及び該イオン輸送装置を用いた質量分析装置について、いくつかの実施例を添付図面を参照しつつ説明する。

［第１実施例］
本発明に係るイオン輸送装置の一実施例を用いた質量分析装置であるエレクトロスプレイイオン化質量分析装置について説明する。図２は第１実施例のエレクトロスプレイイオン化質量分析装置の概略構成図である。

図２において、略大気圧雰囲気であるイオン化室１と高真空雰囲気に維持される分析室４との間には、低真空雰囲気である第１中間真空室２と、該第１中間真空室２と分析室４との中間の真空度に維持される第２中間真空室３と、が設けられ、イオンの進行方向に段階的に真空度が高くなる多段差動排気系の構成となっている。イオン化室１内には、試料成分を含む試料液がエレクトロスプレイノズル５から電荷を付与されつつ噴霧される。噴霧された帯電液滴は周囲の大気に接触して微細化され、溶媒が蒸発する過程で試料成分がイオン化される。なお、エレクトロスプレイイオン化法ではなく、大気圧化学イオン化法、大気圧光イオン化法など、他の大気圧イオン化法を採用してもよい。

イオン化室１と第１中間真空室２との間は細径の加熱キャピラリ６により連通しており、イオン化室１内で生成されたイオンは、主として加熱キャピラリ６の両開口端の圧力差によって加熱キャピラリ６に吸い込まれる。そして、イオン化室１から第１中間真空室２に流れ込むガス流とともに、イオンは第１中間真空室２内に吐き出される。第１中間真空室２と第２中間真空室３とを隔てる隔壁には、頂部にイオン通過孔７ａを有するスキマー７が設けられ、このスキマー７の前方には後述する高周波カーペット２０を構成する電極群２０Ａが配置されている。ガス流に乗って加熱キャピラリ６の出口から吐き出されたイオンは図２中に点線で示すように拡がりつつ進行するが、高周波カーペット２０により小効率よく捕集されて、スキマー７頂部のイオン通過孔７ａを通して第２中間真空室３へと送り込まれる。この実施例の構成では、加熱キャピラリ６の中心軸、高周波カーペット２０を構成する電極群２０Ａの中心軸、及びイオン通過孔７ａの中心軸は直線上、つまりイオン光軸Ｃ上に位置している。

第２中間真空室３内には四重極型又は多重極型のイオンガイド８が配設されており、このイオンガイド８により形成される高周波電場の作用によりイオンは分析室４に送り込まれる。分析室４内でイオンは四重極マスフィルタ９の長軸方向の空間に導入され、四重極マスフィルタに印加されている高周波電圧と直流電圧とにより形成される電場の作用により、特定の質量電荷比を有するイオンのみが四重極マスフィルタ９を通り抜けてイオン検出器１０に到達する。イオン検出器１０は到達してイオンの量に応じた検出信号を生成してデータ処理部１２へと送る。イオン化室１内で生成される試料成分由来のイオンのうち、分析対象であるイオンの損失を極力抑えつつイオン検出器１０に入射させることで、高い感度の質量分析が実現できる。

イオンを効率よく輸送するために、直流電源１４は加熱キャピラリ６に所定の直流電圧を印加し、電圧重畳部１７は直流電源１５で生成された直流電圧と高周波電源１６で生成された高周波電圧（交流電圧）とを加算して、電極群２０Ａに含まれる各リング状電極に印加し、さらに直流電源１８はスキマー７に所定の直流電圧を印加する。これら各電圧の電圧値（振幅値）は、中央制御部１９による指示に基づく分析制御部１３により制御される。なお、エレクトロスプレイノズル５、イオンガイド８、四重極マスフィルタ９などにもそれぞれ所定の電圧が印加されるが、それら電圧は本発明における特徴的な動作には直接関連しないので、記載を省略している。

次に、本実施例のエレクトロスプレイイオン化質量分析装置における特徴的な構成要素である高周波カーペット２０について、詳細に説明する。この高周波カーペット２０は、第１中間真空室２内に配置された電極群２０Ａと、これに電圧を印加するための、直流電源１５、高周波電源１６、及び電圧重畳部１７を含む電圧印加部２０Ｂと、から成る。
図１は高周波カーペット２０における電極群２０Ａの斜視図、図３は高周波カーペット２０の中心軸（イオン光軸Ｃ）を含む平面内におけるポテンシャル分布の概略図、図４は本実施例における高周波カーペット２０と従来の高周波カーペットとの相違を示す電極群の概略断面図、図５は本実施例における高周波カーペット２０と従来の高周波カーペットとについてシミュレーション計算により求めた擬ポテンシャル等高線図、図６（ａ）は本実施例における高周波カーペット２０におけるイオン軌道のシミュレーションの際に想定した電極群２０Ａを含むその周囲の構成の斜視図、図６（ｂ）はそのシミュレーションにより求めたイオン軌道を示す図である。

図１に示すように、この第１実施例における高周波カーペット２０を構成する電極群２０Ａは、略平面上に、イオン光軸でもある中心軸Ｃを中心として同心円状に配置された複数のリング状電極２０１、２０２、…を含む。リング状電極２０１、２０２、…はそれぞれ、中心軸Ｃを含む平面で切断した断面、つまりは径方向の断面、の形状が同一半径の円形状である（図４（ａ）等参照）。

複数のリング状電極２０１、２０２、…の中で、中心軸Ｃを中心とする同心円の径方向に隣接するリング状電極、例えばリング状電極２０１とリング状電極２０２とには、振幅が同一であって位相が互いに１８０°異なる高周波電圧＋Ｖcosωｔと−Ｖcosωｔがそれぞれ印加される。即ち、この電極群２０Ａの径方向に交互に位置するリング状電極の一方（図１の例ではリング状電極２０２、２０４）に＋Ｖcosωｔが印加され、他方（図１の例ではリング状電極２０１、２０３、２０５）に−Ｖcosωｔが印加される。電圧印加部２０Ｂにおいて高周波電源１６はこれら高周波電圧±Ｖcosωｔを生成する。

これに加えて、複数のリング状電極２０１、２０２、…には、それぞれ異なる電圧値の直流電圧Ｕ₁、Ｕ₂、…が印加される。電圧印加部２０Ｂにおいて直流電源１５はこれら直流高電圧Ｕ₁、Ｕ₂、…を生成する。各リング状電極２０１、２０２、…に印加される直流電圧Ｕ₁、Ｕ₂、…は、図３に示すように、電極群２０Ａの外周側から内周側に向かって下り勾配になるポテンシャルを形成するように定められている。この勾配の上り及び下りはイオンの極性によって異なるから、分析対象であるイオンの極性によって、直流電圧Ｕ₁、Ｕ₂、…の極性は異なる。電極群２０Ａから或る程度の距離以内に位置するイオンには上述したような下り勾配のポテンシャルを示す直流電場が作用するので、そのポテンシャルの勾配に従ってイオンは移動する。つまり、イオンは電極群２０Ａの外周側から内周側へ、つまりは中心軸Ｃに向かって移動して中心軸Ｃ付近に集まることになる。

一方、後述するように、高周波電圧±Ｖcosωｔによりリング状電極２０１、２０２、…の近傍に形成される高周波電場は、イオンをリング状電極２０１、２０２、…から遠ざける下り勾配の擬ポテンシャルを持つ。ただし、加熱キャピラリ６に印加されている直流電圧とスキマー７に印加されている直流電圧（通常は接地電位である０[Ｖ]）とにより、加熱キャピラリ６とスキマー７との間の空間には、全体として加熱キャピラリ６からスキマー７へ向かって下り勾配のポテンシャルが形成されるため、図３中に示すように、イオン光軸Ｃに沿ったポテンシャル分布では、電極群２０Ａからその前方に所定距離離れた位置にポテンシャルの井戸Ａが形成されることになる。そのため、加熱キャピラリ６から吐き出されたガス流に乗って進行するイオンは、上記ポテンシャル井戸Ａに捕捉され、さらに電極群２０Ａの外周側から内周側へ下り勾配を示すポテンシャルによってその中央部分に集められることになる。

図４（ｂ）に示すように、従来のこの種の高周波カーペットのリング状電極はその断面形状が扁平矩形状であり、イオンが到来するとともにイオンを捕集する面が平面状である。これに対し、本実施例で使用している高周波カーペット２０のリング状電極２０１、２０２、…はその断面形状が円形状であり、イオンが到来するとともにイオンを捕集する側が湾曲状となっている。この形状の相違がもたらす作用と効果の相違について、以下に説明する。

図５は、各リング状電極に印加する直流電圧Ｕ₁、Ｕ₂、…をゼロ、高周波電圧の振幅Ｖを１５０[Ｖ]、該高周波電圧の周波数を８００[kHz]に設定し、質量電荷比m/z＝１０００であるイオンに対する該電極近傍の擬ポテンシャルを計算した結果である。実際の電極形状は、図５中に示したものをｚ軸を中心に回転させた形状である。擬ポテンシャルＵ_psは次の(1)式を用いて計算した。
Ｕ_ps＝（ｅＥ）²／（２ｍω）² …(1)
ここで、ｍはイオンの質量、Ｅは電場ベクトル、ωは角周波数である。

図５（ａ）に示した従来の高周波カーペットの電極構造では、リング状電極の幅（イオン光軸Ｃに直交する平面内での径方向の長さ）を５[mm]とし、径方向に隣接するリング状電極の間隔も同じく５[mm]に設定した。また、図５（ｂ）に示した本実施例における高周波カーペットの電極構造では、リング状電極の直径を５[mm]とし、径方向に隣接するリング状電極の間隔も同じく５[mm]に設定した。したがって、図５（ａ）と図５（ｂ）とでリング状電極の配置のピッチは同一である。

図５には、１[eV]から６[eV]までの範囲で１[eV]ステップで等擬ポテンシャル線を示している。したがって、リング状電極から最も遠方に描かれている等擬ポテンシャル線が１[eV]のラインとなる。リング状電極からイオンに作用する擬似的な斥力はこの擬ポテンシャルの勾配（変化量）に比例する。そのため、等擬ポテンシャル線の間隔が狭いほど斥力は大きく、イオンをリング状電極から遠ざける作用が大きいといえる。図５（ａ）に示したシミュレーション結果によると、リング状電極の断面形状が扁平矩形状である場合には、該電極の幅方向の中央部分では２[eV]の等擬ポテンシャル線しか描かれておらず、イオンをリング状電極から遠ざける擬似的な斥力が小さいことが分かる。輸送中のイオンがリング状電極に近づきすぎると、該電極に接触して消失してしまうおそれがある。そのため、上記擬似的な斥力は、径方向に隣接するリング状電極に挟まれた空隙部分よりも該電極表面付近において大きい必要がある。しかしながら、図５（ａ）に示した従来の高周波カーペットの電極形状では、そうなっておらず、電極に供給された電力が有効に利用できていないということができる。

これに対し、図５（ｂ）に示したシミュレーション結果を見れば分かるように、本実施例における高周波カーペットの電極構造では、各リング状電極の表面付近と径方向に隣接するリング状電極間の空隙部分とを含むほぼ全領域において、ほぼ一様に５[eV]までの等擬ポテンシャル線が描かれている。この結果から、本実施例における高周波カーペットの電極構造では、従来の電極構造に比べて擬ポテンシャル勾配が一様に増加していることが確認できる。図５（ａ）及び（ｂ）中には、ｚ軸方向に沿って同一長さの矢印を示しており、その矢印の範囲に含まれる等擬ポテンシャル線の本数から、本実施例の高周波カーペットの電極構造では擬ポテンシャル勾配が従来構造の２倍以上になっていることが確認できる。以上のことから、本実施例における高周波カーペットでは、従来構造と比較して、イオンがリング状電極に衝突することを効果的に防止するができ、それ故にイオンの損失を減らしてイオンを効率良く輸送できると結論付けることができる。

また、本実施例における高周波カーペットのイオン捕集効率が高いことを確認するために、イオン軌道のシミュレーションを行った結果が図６である。想定した高周波カーペット２０の電極群２０Ａは、各リング状電極の断面の直径を４[mm]、径方向に隣接するリング状電極の間隔を３[mm]とし、リング状電極の本数を３本とした。また、各リング状電極に印加する高周波電圧は、振幅を１５０[Ｖ] 、周波数を８００[kHz]とし、直流電圧は、正イオンを分析対象として、内周側からそれぞれ１４[Ｖ]、１６[Ｖ]、２１[Ｖ] に設定した。従来の高周波カーペットの典型的な例では、プリント基板上に実装された平面状のリング状電極の幅は数百μm程度、その電極ピッチは１[mm]程度であり、かなり微細な加工技術が必要である。また、印加する高周波電圧の周波数も１０[MHz]を超えており、発熱量も多くなるため、回路系やフィードスルーの水冷機構を設ける場合もある。このような従来の高周波カーペットの構成と比較すると、上述した本実施例における高周波カーペットは大幅に単純な構造であり、また、低コスト化、低消費電力化を実現できる。

イオン軌道のシミュレーション計算では、イオンが大気圧から取り込まれて最初に通過する第１中間真空室２内の真空度を想定し、真空度を１００[Pa]に設定し、中性ガスとイオンとの衝突を考慮した。厳密にいえば、イオンと衝突する中性ガスの流れの影響によるイオンの挙動も考慮すべきであるが、ここでは原理的な検証を行うことを目的とし、中性ガスの流れの影響は考慮しなかった。また、イオンを高周波カーペット２０の電極群２０Ａに向かって進行させるために、加熱キャピラリ６に代えてリペラ電極２１を配置し、このリペラ電極２１に２６[Ｖ]の直流電圧を印加した。一方、電極群２０Ａの背後に位置するスキマー７の電位は０[Ｖ]である。図６に示したシミュレーションにより得られたイオン軌道から、イオン光軸Ｃから離れて、つまり拡がって到来したイオンが、電極群２０Ａの各リング状電極２０１、２０２、２０３の表面から遠ざけられつつイオン光軸Ｃ付近にまで集束され、イオン通過孔７ａに導かれている様子が確認できる。計算によれば、質量電荷比m/z１００〜２０００の全範囲のイオンに対して９０％以上のイオン透過率が得られた。

こうした結果から、各リング状電極の断面形状を円形状とした本実施例における高周波カーペットでは、従来の同種のイオン輸送装置に比べて、電極数を減らした且つ極端な微細化を要しない単純な構造で以て、従来と同等のイオン捕集効率を達成できることが確認できる。

なお、図６に示したシミュレーション結果は１００[Pa]程度の低真空雰囲気の下での結果であるが、本実施例における高周波カーペットは、大気圧から１[Pa]程度の中真空雰囲気までの、イオンの平均自由行程が系の寸法と同程度以下となる領域、即ち、中性ガスとの衝突が有意に影響するような真空度の領域において有効に動作し得る。
したがって、上記第１実施例では、高周波カーペット２０を第１中間真空室２内に配置していたが、イオン化室１や第２中間真空室３においてイオンを収集して輸送するために高周波カーペット２０を利用することもできる。また、中間真空室の段数をさらに増やす場合に、上記のような真空度の領域であれば、任意の中間真空室内に高周波カーペット２０を配置することができる。

また、上記第１実施例における高周波カーペットでは、同心円状に配置された全てのリング状電極が同一平面上に配置されていたが、必ずしも同一平面上である必要はない。図７は、電極群２０Ａの外周側から内周側へ向かうに従いリング状電極２０１、２０２、…の位置をイオン光軸Ｃに沿って少しずつずらした構造の例である。このような配置でも、イオンを電極群２０Ａの外周側から内周側へと誘導して、効率よく収集可能であることは明らかである。

また、上記第１実施例における高周波カーペットでは、各リング状電極の断面形状を円形状としたが、断面形状は必ずしも円形状でなくてもよい。断面形状が円形状でないリング状電極を用いた構造例を図８に示す。高周波カーペットの場合、図８に示した各電極群２０Ａの左方の面の前方にイオンを捕集しつつ外周側からイオン光軸Ｃの方向に移送する必要がある。そこで、少なくともこの部分の断面形状を、円弧以外の凸曲線形状（例えば楕円状、放物線状など）とするとよい。また、必ずしも滑らかな曲線状でなくともよく、例えば、図８（ａ）、（ｂ）に示したように、複数の直線を組み合わせた多角線形状などの近似形状や、多段の階段状の線を連ねて曲線を近似したものでもよい。また、図８（ｃ）、（ｄ）に示すように、イオンの移送に寄与しない各電極群２０Ａの背面側の断面形状は任意である。

［第２実施例］
上記第１実施例における構成の高周波カーペットを用いた他の実施例の質量分析装置について説明する。図９は本発明の第２実施例である質量分析装置の要部の構成である。
上記第１実施例の質量分析装置では、加熱キャピラリ６の中心軸、高周波カーペット２０を構成する電極群２０Ａの中心軸、及びイオン通過孔７ａの中心軸を一直線上に配置していたが、この第２実施例の質量分析装置では、加熱キャピラリ６の中心軸Ｃ１とイオン通過孔７ａの中心軸Ｃ２とを所定距離ｄだけずらした軸ずらしの構成としている。そして、高周波カーペット２０の電極群２０Ａの中心軸はイオン通過孔７ａの中心軸Ｃ２と一直線上にしている。一般に、このような軸ずらしイオン光学系では、イオン化されていない分子や帯電していない微細液滴などの中性粒子を除去することができる。この第２実施例の質量分析装置では、そうした中性粒子を的確に除去しつつ、分析対象であるイオンは高周波カーペット２０により効率よく収集して後段へと送ることができる。

［第３実施例］
図１０は本発明の第３実施例である質量分析装置の要部の構成である。上記第２実施例の質量分析装置では、加熱キャピラリ６の中心軸Ｃ１とイオン通過孔７ａの中心軸Ｃ２とは平行であったが、この第３実施例の質量分析装置では、加熱キャピラリ６の中心軸Ｃ１とイオン通過孔７ａの中心軸Ｃ２と角度θを有して斜交している。ここで使用されている高周波カーペット２０はイオンの入射方向に殆ど影響を受けずにイオンを効率よく捕集することができる。そのため、この例のようにイオンの入射方向が斜めであっても、分析対象であるイオンを効率よく収集して後段へと送ることができる。

［第４実施例］
図１１は本発明の第４実施例である質量分析装置の要部の構成である。この第４実施例の質量分析装置では、加熱キャピラリ６の中心軸Ｃ１に沿って導入されたイオンをイオン通過孔７ａの中心軸Ｃ２に沿って進むように偏向させる偏向電場を形成する偏向器２２を、加熱キャピラリ６の出口と高周波カーペット２０の電極群２０Ａとの間の空間に配置している。これにより、上記第２実施例の質量分析装置よりもさらにイオンの輸送効率を高め、高感度の分析が可能となる。

［第５実施例］
図１２は本発明の第５実施例である質量分析装置の要部の構成である。この第５実施例の質量分析装置では、加熱キャピラリ６の中心軸Ｃ１とイオン通過孔７ａの中心軸Ｃ２とを直交させ、加熱キャピラリ６の中心軸Ｃ１に沿って導入されたイオンをイオン通過孔７ａの中心軸Ｃ２に沿って進行するように偏向器２２により偏向させている。こうした構成では、偏向器２２による偏向作用を受けたイオンの進行方向がばらつきイオンが拡がった場合でも、そうしたイオンを効率よく収集して後段へと送ることができる。

［第６実施例］
図１３は本発明の第６実施例であるタンデム四重極型質量分析装置の要部の構成である。この第６実施例の質量分析装置では、分析室４の内部に、導入された各種イオンの中で特定の質量電荷比を有するイオンを選択的に通過させる前段四重極マスフィルタ３０、該マスフィルタ３０を通過して来たイオンを衝突誘起解離により解離させるコリジョンセル３１、及び、コリジョンセル３１において解離により生成された各種プロダクトイオンの中で特定の質量電荷比を有するプロダクトイオンを選択的に通過させる後段四重極マスフィルタ３２が配置されている。さらに特徴的な構成として、前段四重極マスフィルタ３０の中心軸Ｃ１と後段四重極マスフィルタ３２の中心軸Ｃ２とが軸ずらしの配置となっており、コリジョンセル３１の出口と後段四重極マスフィルタ３２との間に上述した高周波カーペット２０の電極群２０Ａが配置されている。高周波カーペット２０の電極群２０Ａの中心軸は後段四重極マスフィルタ３２の中心軸Ｃ２と一直線上に位置している。

コリジョンセル３１内ではイオンに衝突誘起解離ガスが接触することで、該イオンが解離するが、その際に、電荷を持たない断片が中性粒子として生成されることがある。第６実施例の質量分析装置では、中心軸Ｃ１とＣ２とをずらすことで、コリジョンセル３１内で発生した中性粒子が後段四重極マスフィルタ３２に導入されることを回避することができ、またコリジョンセル３１内で生成されたプロダクトイオンは高周波カーペット２０により効率よく収集して後段四重極マスフィルタ３２へと送り込むことができる。それによって、ＭＳ／ＭＳ分析の感度を向上させることができる。
なお、コリジョンセル３１の内部には、図２中の第２中間真空室３内に配置されているような多重極型のイオンガイドを配設してもよい。

［第７実施例］
図１４は本発明の第７実施例であるタンデム四重極型質量分析装置の要部の構成である。この第７実施例の質量分析装置では、第４実施例と同様に、偏向器２２を用いることで、コリジョンセル３１内で生成されたプロダクトイオンを高周波カーペット２０の電極群２０Ａの中心軸の方向に誘導している。これにより、プロダクトイオンの輸送効率が一層向上する。

［第８実施例］
図１５は本発明の第８実施例であるタンデム四重極型質量分析装置の要部の構成である。この実施例では、前段四重極マスフィルタ３０の中心軸Ｃ１に沿ってコリジョンセル３１に導入されたイオンを解離させることで生成されたプロダクトイオンの進行方向を、偏向器２２により１８０°反転させて、後段四重極マスフィルタ３２の中心軸Ｃ２に沿って送り出すようにしている。このように、前段四重極マスフィルタ３０の中心軸Ｃ１と後段四重極マスフィルタ３２の中心軸Ｃ２とを一直線上に位置させない軸ずらし、軸外しの構成を採る場合、それら２本の中心軸Ｃ１、Ｃ２の位置関係は任意に決めることができる。

［第９実施例］
図１６は本発明の第９実施例であるタンデム型質量分析装置の要部の構成である。この実施例では、第７実施例のタンデム四重極型質量分析装置における後段四重極マスフィルタに代えて、直交加速型の飛行時間型質量分離器を使用している。即ち、コリジョンセル３１内で生成されたプロダクトイオンは偏向器２２により、高周波カーペット２０の電極群２０Ａの中心軸の方向に誘導され、高周波カーペット２０で効率良く収集されてイオン輸送光学系３３へ送り込まれる。そして、イオン輸送光学系３３においてイオン束は平行化され、直交加速部３４においてそのイオン流の方向と略直交する方向にイオンがパルス的に加速される。加速されたイオンは飛行空間３５に導入され、リフレクトロン３６で折り返されて最終的にイオン検出器３７に到達して検出される。

［イオン輸送装置の変形例］
図１７は本発明に係るイオン輸送装置の他の実施例であるイオントラップの構成図である。上述した本発明に係るイオン輸送装置の一実施例である高周波カーペットは単にイオンを収集して後段へと輸送する機能を有していたが、この図１７に示した構成のイオントラップ４０は、イオンを一時的に蓄積する機能を有する。
即ち、このイオントラップ４０は、高周波カーペット２０を構成する電極群２０Ａと、該電極群２０Ａに向かう方向にイオンを移動させる直流電場を形成するリペラ電極４１とを組み合わせ、電極群２０Ａとリペラ電極４１との間の空間にイオンを捕集・蓄積する。そして、所定のタイミングで電極群２０Ａの各リング状電極に前述したように、イオンを外周側から内周側へと送る直流電圧を印加しつつ、例えばリペラ電極４１により大きな直流電圧を印加することにより、アパーチャ電極４２に形成したイオン通過孔４２ａからイオンを一斉に送出する。

図１８は、図１７に示したイオントラップ４０を飛行時間型質量分離器にイオンを導入するためのイオン加速器として利用したときの質量分析装置の要部の構成図である。即ち、この構成では、コリジョンセル３１内で解離により生成された各種プロダクトイオンがイオントラップ４０に一旦捕集・蓄積され、所定のタイミングでイオン通過孔４２ａから一斉に射出されてフライトチューブ４３内に形成された飛行空間に導入される。そして、飛行空間中を飛行する間に質量電荷比に応じて分離されたプロダクトイオンが順次イオン検出器１０に到達して検出される。

また、図１９は本発明に係るイオン輸送装置の他の実施例であるイオントラップの構成図である。このイオントラップ５０はリペラ電極を用いる代わりに、同一構成（必ずしも同一構成である必要はない）である二つの高周波カーペットの電極群２０Ａ１、２０Ａ２を対向して配置し、その電極群２０Ａ１、２０Ａ２の間の空間にイオンを捕集・蓄積するようにしたものである。この構成によっても、上記例と同様の動作が可能である。

ここまで、複数のリング状電極を同心円状に配置した高周波カーペットとこれを利用した質量分析装置について説明したが、複数のリング状電極（円環状電極）をイオン光軸Ｃに沿って並べたイオンファンネルにも本発明を適用することができる。

図２０（ａ）は本発明に係るイオン輸送装置の一実施例であるイオンファンネルの概略断面構成図、図２０（ｂ）は従来のイオンファンネルの概略断面構成図である。イオンファンネルの場合、イオンはイオン光軸Ｃの周囲に或る程度まとまって導入される。したがって、本実施例のイオンファンネルでは、各リング状電極において、イオン光軸Ｃの周囲に形成される略円筒状（又は円錐状の）イオン通過空間に向いた部分の断面形状を円弧状又はそれを近似する形状としている。また、イオン光軸Ｃ方向に隣接するリング状電極には互いに位相が反転した高周波電圧を印加するとともに、各リング状電極にイオン光軸Ｃ方向にイオンが移動するようにそれぞれ異なる直流電圧を印加する。これによって、上述した高周波カーペットの場合と同様に、リング状電極から遠ざけられるようにイオンに作用する斥力が大きくなるので、従来のイオンファンネルと比べて、イオンの損失を軽減して効率よくイオンを輸送することができる。

また、イオンをイオン光軸Ｃの近辺により集約させつつ輸送するには、図２１に示したように、イオン光軸Ｃ方向にその中央開口のサイズが段階的に縮小するようにリング状電極を構成するとよい。こうした構成では、イオンが進むに従ってイオン通過空間が狭くなるので、従来の電極構造ではイオンが電極に接触し易いが、本実施例の電極構造ではイオン光軸Ｃ近傍にイオンが集中し易くなり、イオンの損失の軽減に特に有効である。

なお、上記実施例はいずれも本発明の一例に過ぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜、変更や修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。

１…イオン化室
２…第１中間真空室
３…第２中間真空室
４…分析室
５…エレクトロスプレイノズル
６…加熱キャピラリ
７…スキマー
７ａ、４２ａ…イオン通過孔
８…イオンガイド
９…四重極マスフィルタ
１０、３７…イオン検出器
１２…データ処理部
１３…分析制御部
１４、１５、１８…直流電源
１６…高周波電源
１７…電圧重畳部
１９…中央制御部
２０…高周波カーペット
２０Ａ、２０Ａ１、２０Ａ２…電極群
２０１、２０２、２０３、２０４、２０５…リング状電極
２０Ｂ…電圧印加部
２１…リペラ電極
２２…偏向器
３０…前段四重極マスフィルタ
３１…コリジョンセル
３２…後段四重極マスフィルタ
３３…イオン輸送光学系
３４…直交加速部
３５…飛行空間
３６…リフレクトロン
４０、５０…イオントラップ
４１…リペラ電極
４２…アパーチャ電極
４３…フライトチューブ

Claims (15)

1. 略大気圧雰囲気の下で試料成分をイオン化するイオン源と、イオンを質量電荷比に応じて分離する質量分離部が配置された高真空雰囲気に維持される分析室と、の間に、その真空度が順番に高くなるｎ個（ただし、ｎは１以上の整数）の中間真空室を備えた質量分析装置において、
   前記イオン源から前記分析室に向かってｍ番目（ただし、ｍは１以上ｎ以下の整数）の第ｍ中間真空室の内部に、電場の作用によりイオンを捕集しつつ後段へと輸送するイオン輸送装置を備え、該イオン輸送装置は、
   a)イオンを後段へと送る開口部を中心として略同心円状に配置された複数のリング状電極から成り、各リング状電極の径方向の断面形状は、少なくともイオンが到来する側に面した部分が湾曲状又は複数の直線を組み合わせた擬似湾曲状である電極群と、
   b)前記電極群に含まれるリング状電極のそれぞれに電圧を印加するものであって、その複数のリング状電極の中で径方向に隣接するリング状電極に対して互いに位相が１８０°反転した高周波電圧を印加するとともに、イオンが前記電極群の外周側から内周側に向かう直流電位勾配が形成されるように各リング状電極にそれぞれ異なる直流電圧を印加する電圧印加部と、
   を備えることを特徴とする質量分析装置。
2. 電場の作用によりイオンを捕集しつつ後段へと輸送するイオン輸送装置であって、
   a)イオン光軸に沿って互いに所定間隔離して配列された複数のリング状電極から成り、各リング状電極の径方向の断面形状は、少なくともイオンが通過する該リング状電極の中央開口部に面した部分が湾曲状又は複数の直線を組み合わせた擬似湾曲状である電極群と、
   b)前記電極群に含まれるリング状電極のそれぞれに電圧を印加するものであって、その複数のリング状電極の中でイオン光軸方向に隣接するリング状電極に対して互いに位相が１８０°反転した高周波電圧を印加するとともに、イオン光軸に沿ってイオンを進行させる直流電位勾配が形成されるように各リング状電極にそれぞれ直流電圧を印加する電圧印加部と、
   を備えることを特徴とするイオン輸送装置。
3. 請求項２に記載のイオン輸送装置を用いた質量分析装置であって、
   略大気圧雰囲気の下で試料成分をイオン化するイオン源と、イオンを質量電荷比に応じて分離する質量分離部が配置された高真空雰囲気に維持される分析室と、の間に、その真空度が順番に高くなるｎ個（ただし、ｎは１以上の整数）の中間真空室を備えた質量分析装置において、
   前記イオン源から前記分析室に向かってｍ番目（ただし、ｍは１以上ｎ以下の整数）の第ｍ中間真空室の内部に前記イオン輸送装置が配置されてなることを特徴とする質量分析装置。
4. 請求項１又は３に記載の質量分析装置であって、前記ｍは１であることを特徴とする質量分析装置。
5. 請求項１、３又は４のいずれか１項に記載の質量分析装置であって、
   前記第ｍ中間真空室の前段に位置するイオン源又は第ｍ−１中間真空室から該第ｍ中間真空室へとイオンを導入する第ｍ導入孔の中心軸である第ｍ中心軸と、第ｍ中間真空室からその次段に位置する第ｍ＋１中間真空室又は分析室へとイオンを導入する第ｍ＋１導入孔の中心軸である第ｍ＋１中心軸とが同一直線上に位置しないように第ｍ及び第ｍ＋１導入孔をそれぞれ設けたことを特徴とする質量分析装置。
6. 請求項５に記載の質量分析装置であって、
   前記第ｍ中間真空室内に配置した前記イオン輸送装置の手前に、前記第ｍ中心軸に沿って導入されたイオンを前記第ｍ＋１中心軸に沿った方向に向かうように移動させる直流電場を形成するイオン偏向部を設けたことを特徴とする質量分析装置。
7. 試料成分由来のイオンを解離させるコリジョンセルと、該コリジョンセルで生成されたイオンを質量電荷比に応じて分離する質量分離部と、を備えた質量分析装置であって、
   前記コリジョンセルの内部に、電場の作用によりイオンを捕集しつつ後段へと輸送するイオン輸送装置を備え、該イオン輸送装置は、
   a)イオンを後段へと送る開口部を中心として略同心円状に配置された複数のリング状電極から成り、各リング状電極の径方向の断面形状は、少なくともイオンが到来する側に面した部分が湾曲状又は複数の直線を組み合わせた擬似湾曲状である電極群と、
   b)前記電極群に含まれるリング状電極のそれぞれに電圧を印加するものであって、その複数のリング状電極の中で径方向に隣接するリング状電極に対して互いに位相が１８０°反転した高周波電圧を印加するとともに、イオンが前記電極群の外周側から内周側に向かう直流電位勾配が形成されるように各リング状電極にそれぞれ異なる直流電圧を印加する電圧印加部と、
   を備えることを特徴とする質量分析装置。
8. 請求項２に記載のイオン輸送装置を用いた質量分析装置であり、試料成分由来のイオンを解離させるコリジョンセルと、該コリジョンセルで生成されたイオンを質量電荷比に応じて分離する質量分離部と、を備えた質量分析装置であって、
   前記コリジョンセルの内部に前記イオン輸送装置が配置されてなることを特徴とする質量分析装置。
9. 請求項７又は８に記載の質量分析装置であって、
   前記質量分離部は後段四重極マスフィルタであり、前記コリジョンセルの手前に試料成分由来の各種イオンの中で特定の質量電荷比を有するイオンを選択する前段四重極マスフィルタを備え、
   該前段四重極マスフィルタの中心軸と、前記後段四重極マスフィルタの中心軸とが同一直線上に位置しないようにそれら四重極マスフィルタをそれぞれ設けたことを特徴とする質量分析装置。
10. 請求項７又は８に記載の質量分析装置であって、
    前記質量分離部は直交加速型の飛行時間型質量分離器であり、前記コリジョンセルの手前に試料成分由来の各種イオンの中で特定の質量電荷比を有するイオンを選択する四重極マスフィルタを備え、
    該四重極マスフィルタの中心軸と、前記飛行時間型質量分離器の直交加速部又は該直交加速部へイオンを輸送するイオン輸送光学系の中心軸とが同一直線上に位置しないように前記四重極マスフィルタ並びに前記直交加速部及び／又は前記イオン輸送光学系をそれぞれ設けたことを特徴とする質量分析装置。
11. 請求項９に記載の質量分析装置であって、
    前記前段四重極マスフィルタの中心軸に沿ったイオン進行方向と前記後段四重極マスフィルタの中心軸に沿ったイオン進行方向とが異なり、該前段四重極マスフィルタのイオン出口と前記イオン輸送装置との間に、前記第ｍ中心軸に沿って前記前段四重極マスフィルタから出射してきたイオンを前記第ｍ＋１中心軸に沿った方向に向かうように偏向させる直流電場を形成するイオン偏向部を設けたことを特徴とする質量分析装置。
12. 請求項１０に記載の質量分析装置であって、
    前記四重極マスフィルタの中心軸に沿ったイオン進行方向とその後段の前記イオン輸送光学系又は前記直交加速部の中心軸に沿ったイオン進行方向とが異なり、該四重極マスフィルタのイオン出口と前記イオン輸送装置との間に、前記第ｍ中心軸に沿って前記四重極マスフィルタから出射してきたイオンを前記第ｍ＋１中心軸に沿った方向に向かうように偏向させる直流電場を形成するイオン偏向部を設けたことを特徴とする質量分析装置。
13. 請求項１に記載の質量分析装置であって、
    前記イオン輸送装置は、前記電極群に対向して配置され、該電極群に向かう方向にイオンを移動させる直流電場を形成するリペラ電極をさらに備え、前記電極群と前記リペラ電極との間の空間にイオンを捕捉可能としたことを特徴とする質量分析装置。
14. 請求項１に記載の質量分析装置であって、
    前記イオン輸送装置は、前記電極群を対向して２組配置し、その２組の電極群の間の空間にイオンを捕捉可能としたものであることを特徴とする質量分析装置。
15. 請求項１３又は１４に記載の質量分析装置であり、試料成分由来のイオンを解離させるコリジョンセルと、該コリジョンセルで生成されたイオンを質量電荷比に応じて分離する質量分離部と、を備えた質量分析装置であって、
    前記コリジョンセルと前記質量分離部との間に、イオンを捕捉可能とした前記イオン輸送装置が配置されてなることを特徴とする質量分析装置。

Images