JP4994119B2 - タンデム飛行時間型質量分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、簡単な構成で単一ＭＳモードとタンデムＭＳ／ＭＳモードを切り換え測定可能なタンデム飛行時間型質量分析装置に関する。

飛行時間型質量分析装置は、さまざまな質量電荷比を持つイオン群に一定量の運動エネルギーを付与して所定の距離だけ離れた検出器に向けてイオンを飛行させたときに、質量電荷比の小さなイオンほど速く検出器に到達することを利用して質量分離を行ない、イオンの質量電荷比を測定する装置である（以下、ＭＳ測定と呼ぶ）。原理が単純なため、簡単な構成で低コストな装置を作ることができる。

飛行時間型質量分析装置では、飛行距離が長いほど高分解能のマススペクトルが得られるため、装置の外形を大きくすることなく、飛行距離のみを伸ばす工夫がなされている。最近開発されたらせん軌道飛行時間型質量分析装置は、その一例である（特許文献１）。

また、第１の飛行時間型質量分析装置で所望のイオン（プレカーサ・イオンと呼ぶ）を選択後、例えば低圧の不活性ガスを充填した衝突室などのイオン開裂手段を用いてプレカーサ・イオンを開裂させ、生成したイオン群を第２の飛行時間型質量分析装置で分析することにより、分子構造解析を行なうタンデム飛行時間型質量分析装置（以下、ＭＳ／ＭＳ測定と呼ぶ）も知られている。第１の飛行時間型質量分析装置に前述のらせん軌道飛行時間型質量分析装置を採用することにより、プレカーサ・イオンの選択性を著しく高めたタンデム飛行時間型質量分析装置も開発されている。

図１は、らせん軌道飛行時間型質量分析装置を採用することにより、プレカーサ・イオンの選択性を著しく高めたタンデム飛行時間型質量分析装置の一例を示す図である。（ａ）は装置をＹ方向に見た図、（ｂ）は（ａ）図の矢印方向から見た図である。

図において、１９はマトリクス支援レーザーイオン化（ＭＡＬＤＩ）イオン源、１９ａはデフレクタ、１５ａはイオンを検出する第１のイオン検出器（以下、イオン検出器１と呼ぶ）、５２はイオン検出器１を通過したイオンを受けて、プレカーサ・イオンを選択するイオンゲート、５３はイオンを開裂させる衝突室、５４は開裂したイオンが入射される反射場、１５は反射場５４を反射したイオンが検出される第２の検出器（以下、イオン検出器２と呼ぶ）である。イオン検出器１は（ｂ）に示すように移動が可能である。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

ＭＡＬＤＩイオン源１９にてサンプルをイオン化し、パルス電圧にてイオンに運動エネルギーを与え、加速する。ＭＡＬＤＩイオン源１９から出射したイオンは、デフレクタ１９ａにより飛行角度の調整がなされ、マツダプレートでできた積層扇形電場１７に入射する。イオンは、積層扇形電場１〜４を順次通過し、８の字型に１周回飛行する。１周回終えて元の積層扇形電場１に戻ったとき、Ｙ方向の位置が周回前と比べてＹ方向に１ピッチずれているため、周回を重ねるごとに、イオン軌道はＹ方向に移動していく。

ＭＳ測定の場合は、軌道上に配置したイオン検出器１を使用してイオンを検出する。ＭＳ／ＭＳ測定の場合は、イオン検出器１をイオン軌道から外し、イオンを直進させ、イオンゲート５２に向かって飛行させる。イオンゲート電圧がオフのとき、イオンはイオンゲート５２を通過でき、オンのときは通過できない。

最終周回を終えたイオンの中で選択したいプレカーサ・イオンが通過する時間のみイオンゲート５２をオフにし、プレカーサ・イオンの特定の同位体ピークを選択する。選択されたプレカーサ・イオンは、衝突室５３に進入して内部に充填された低圧の不活性ガスとの衝突で開裂する。開裂しなかったプレカーサ・イオンならびに開裂生成したプロダクト・イオンは、反射場５４を通過し、イオン検出器２にて検出される。

反射場５４を折り返す時間は、イオンの質量および運動エネルギーにより異なるので、プレカーサ・イオンと各開裂経路のプロダクト・イオンを質量分離することができる。この例では、予め特定の同位体ピーク（例えば、モノアイソトピック・イオン）を選択することにより、同位体による複雑化を回避することが可能であり、マススペクトルの解釈が簡単になり、質量分析精度を向上させることができる。

尚、モノアイソトピックイオンとは、ある組成式を持つ化合物について、含まれる元素の最も質量の小さい同位体のみで形成されるイオンのことである。マススペクトル上のモノアイソトピックイオンのピークは、単一の質量成分しか含まれないので、データベース検索などに良く利用される。

図２は、らせん軌道飛行時間型質量分析装置を採用することにより、プレカーサ・イオンの選択性を著しく高めたタンデム飛行時間型質量分析装置の別の例を示す図である。図１と同一の構成物は、図１と同一の符号を付して示す。（ａ）は装置をＹ方向に見た図、（ｂ）は（ａ）図の矢印方向から見た図である。

図において、５７は連続イオン源、５８はイオンガイドなどで構成されたイオン輸送部、５９は垂直加速部、６０はデフレクタである。他の構成は、図１と同様である。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

イオン源５７にてサンプルをイオン化し、イオン輸送部５８によりイオンを垂直加速部５９に輸送する。垂直加速部５９から出射したイオンは、デフレクタ６０により飛行角度の調整がなされ、マツダプレートでできた積層扇形電場１７に入射する。イオンは、積層扇形電場１〜４を順次通過し、８の字型に１周回飛行する。１周回終えて元の積層扇形電場１に戻ったとき、Ｙ方向の位置が周回前と比べてＹ方向に１ピッチずれているため、周回を重ねるごとに、イオン軌道はＹ方向に移動していく。

ＭＳ測定の場合は、軌道上に配置したイオン検出器１を使用してイオンを検出する。ＭＳ／ＭＳ測定の場合は、イオン検出器１をイオン軌道から外し、イオンを直進させ、イオンゲート５２に向かって飛行させる。イオンゲート電圧がオフのとき、イオンはイオンゲート５２を通過でき、オンのときは通過できない。

最終周回を終えたイオンの中で選択したいプレカーサ・イオンが通過する時間のみイオンゲート５２をオフにし、プレカーサ・イオンの特定の同位体ピークを選択する。選択されたプレカーサ・イオンは、衝突室５３に進入して内部に充填された低圧の不活性ガスとの衝突で開裂する。開裂しなかったプレカーサ・イオンならびに開裂生成したプロダクト・イオンは、反射場５４を通過し、イオン検出器２にて検出される。

反射場５４を折り返す時間は、イオンの質量および運動エネルギーにより異なるので、プレカーサ・イオンと各開裂経路のプロダクト・イオンを質量分離することができる。この例では、予め特定の同位体ピーク（例えば、モノアイソトピック・イオン）を選択することにより、同位体による複雑化を回避することが可能であり、マススペクトルの解釈が簡単になり、質量分析精度を向上させることができる。

国際公開第２００５／１１４７０２号パンフレット、図１４、図１５。

ところで、実際のＭＳ測定からＭＳ／ＭＳ測定への切り替えでは、らせん軌道飛行時間型質量分析装置（第１ＭＳ）と反射型飛行時間型質量分析装置（第２ＭＳ）の間に設置されているイオン検出器１をイオンの飛行軌道上から飛行軌道外に移動させて第１ＭＳから第２ＭＳへのイオンの飛行を可能にしていたため、切り替えに時間がかかり、分析時間が長くなるという問題があった。

そして、マスピークが近接している場合、切り替えに時間がかかると、その間の経時電圧変化などでＭＳ時間軸がずれたりして、誤って隣のイオンを分析する可能性が出てくる。また、液体クロマトグラフ質量分析測定（ＬＣ／ＭＳ）などの場合、短時間に連続して溶離されて出てくるイオンに対しては、切り替えに時間がかかる結果、分析が困難になり、試料が無駄になる可能性がある。

本発明の目的は、上述した点に鑑み、簡単な構成で単一ＭＳモードとタンデムＭＳ／ＭＳモードの切り替え時に生じる時間や試料の無駄を排することにある。

この目的を達成するため、本発明にかかるタンデム飛行時間型質量分析装置は、
らせん軌道型飛行時間型質量分析装置を第１質量分析装置とし、第１質量分析装置からのイオンを第２質量分析装置に導入して質量分析するタンデム飛行時間型質量分析装置において、
イオン飛行軌道内またはイオン飛行軌道近傍に配置されたイオン検出器と、イオンを前記イオン検出器に向けて偏向させるために前記第１質量分析装置のらせん軌道内に配置された偏向器とを備え、
第１質量分析装置内を飛行するイオンを前記イオン飛行軌道内のイオン検出器で順次検出するか、またはイオンを前記偏向器でイオン飛行軌道近傍のイオン検出器に向けて偏向させて順次検出する第１のモードと、
第１質量分析装置で分離した所望のイオンのみを第１質量分析装置の後段に置かれた第２質量分析装置で質量分析するとともに、他のイオンは前記偏向器で偏向させて、偏向先に置かれた前記イオン検出器で順次検出する第２のモードと
を切り替え可能に備えたことを特徴としている。

また、前記第１質量分析装置と前記第２質量分析装置の間にイオンを開裂させる開裂手段を設け、前記第１質量分析装置で分離した所望のイオンを開裂させた後に、前記第２質量分析装置で質量分析するようにしたことを特徴としている。

また、らせん軌道型飛行時間型質量分析装置を第１質量分析装置とし、第１質量分析装置からのイオンを第２質量分析装置に導入して質量分析するタンデム飛行時間型質量分析装置において、
イオンの飛行軌道を偏向させるために前記第１質量分析装置のらせん軌道内に配置された偏向器と、偏向先に位置し、偏向されたイオンを開裂させる開裂手段とを設け、
第１質量分析装置内を飛行するイオンを順次検出する通常測定のモードと、
第１質量分析装置で分離した所望のイオンのみを前記偏向器で偏向させ、前記開裂手段で開裂させて、後段の第２質量分析装置で質量分析するタンデム測定のモードと
を切り替え可能に備えたことを特徴としている。

また、前記所望のイオンは、モノアイソトピック・イオンであることを特徴としている。

本発明のタンデム飛行時間型質量分析装置によれば、
らせん軌道型飛行時間型質量分析装置を第１質量分析装置とし、第１質量分析装置からのイオンを第２質量分析装置に導入して質量分析するタンデム飛行時間型質量分析装置において、
イオン飛行軌道内またはイオン飛行軌道近傍に配置されたイオン検出器と、イオンを前記イオン検出器に向けて偏向させるために前記第１質量分析装置のらせん軌道内に配置された偏向器とを備え、
第１質量分析装置内を飛行するイオンを前記イオン飛行軌道内のイオン検出器で順次検出するか、またはイオンを前記偏向器でイオン飛行軌道近傍のイオン検出器に向けて偏向させて順次検出する第１のモードと、
第１質量分析装置で分離した所望のイオンのみを第１質量分析装置の後段に置かれた第２質量分析装置で質量分析するとともに、他のイオンは前記偏向器で偏向させて、偏向先に置かれた前記イオン検出器で順次検出する第２のモードと
を切り替え可能に備えたので、
簡単な構成で単一ＭＳモードとタンデムＭＳ／ＭＳモードの切り替え時に生じる時間や試料の無駄を排することが可能になった。

また、らせん軌道型飛行時間型質量分析装置を第１質量分析装置とし、第１質量分析装置からのイオンを第２質量分析装置に導入して質量分析するタンデム飛行時間型質量分析装置において、
イオンの飛行軌道を偏向させるために前記第１質量分析装置のらせん軌道内に配置された偏向器と、偏向先に位置し、偏向されたイオンを開裂させる開裂手段とを設け、
第１質量分析装置内を飛行するイオンを順次検出する通常測定のモードと、
第１質量分析装置で分離した所望のイオンのみを前記偏向器で偏向させ、前記開裂手段で開裂させて、後段の第２質量分析装置で質量分析するタンデム測定のモードと
を切り替え可能に備えたので、
簡単な構成で単一ＭＳモードとタンデムＭＳ／ＭＳモードの切り替え時に生じる時間や試料の無駄を排することが可能になった。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

図３は、本発明にかかる飛行時間型質量分析装置の一実施例を示す図である。（ａ）は装置をＹ方向に見た図、（ｂ）は（ａ）図の矢印方向から見た図である。

図において、１９はＭＡＬＤＩイオン源、１９ａは第１のデフレクタ、１００は所望のプレカーサ・イオン以外のイオンをわずかに偏向させる第２のデフレクタ、１５ａは最終周回軌道の手前に置かれ、イオンを検出する第１のイオン検出器（以下、イオン検出器１と呼ぶ）、５３はイオンを開裂させる衝突室、５４は開裂したイオンが入射される反射場、１５は反射場５４を反射したイオンが検出される検出器（以下、イオン検出器２と呼ぶ）である。イオン検出器１は（ｂ）に示すように移動が可能である。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

ＭＡＬＤＩイオン源１９にてサンプルをイオン化し、パルス電圧にてイオンに運動エネルギーを与え、加速する。ＭＡＬＤＩイオン源１９から出射したイオンは、デフレクタ１９ａにより飛行角度の調整がなされ、マツダプレートでできた積層扇形電場１７に入射する。イオンは、積層扇形電場１〜４を順次通過し、８の字型に１周回飛行する。１周回終えて元の積層扇形電場１に戻ったとき、Ｙ方向の位置が周回前と比べてＹ方向に１ピッチずれているため、周回を重ねるごとに、イオン軌道はＹ方向に移動していく。

ＭＳ測定の場合は、最終周回段の一周手前に配置したイオン検出器１を使用してイオンを検出する。ＭＳ／ＭＳ測定の場合は、図４に示すように、イオン検出器１をイオン軌道から少しだけ（一周回段の半ピッチ分）Ｙ方向にずらすとともに、第２のデフレクタ１００にパルス電圧を印加して、所望のプレカーサ・イオン以外のイオンをわずかにＹ方向に偏向させる。その結果、所望のプレカーサ・イオン以外のイオンは、最終周回軌道内をややＹ方向にずれて飛行し、予めＹ方向に半ピッチほど移動させて待機していたイオン検出器１に順次入射する。

他方、第２のデフレクタ１００でパルス電圧を印加されなかった所望のプレカーサ・イオンのみは、最終周回軌道の中央部を飛行し、衝突室５３に進入して内部に充填された低圧の不活性ガスとの衝突で開裂する。開裂しなかった一部のプレカーサ・イオンならびに開裂生成したプロダクト・イオンは、反射場５４を通過し、イオン検出器２にて検出される。

反射場５４を折り返す時間は、イオンの質量および運動エネルギーにより異なるので、プレカーサ・イオンと各開裂経路のプロダクト・イオンを質量分離することができる。この例では、予め特定の同位体ピーク（例えば、モノアイソトピック・イオン）を選択することにより、同位体による複雑化を回避することが可能であり、マススペクトルの解釈が簡単になり、質量分析精度を向上させることができる。

また、所望のプレカーサ・イオン以外の選択されなかったイオンも、イオン検出器１で検出されるため、タンデムＭＳ／ＭＳモードの場合でもすべてのイオンを同時に観察することができ、従来の単一ＭＳモードとタンデムＭＳ／ＭＳモードの切り替え時に存在した無駄をなくすことができる。

尚、本実施例では、らせん軌道飛行時間型質量分析装置を第１質量分析装置に採用したが、第１質量分析装置は同位体ピークが分離できる高分解能飛行時間型質量分析装置であれば何でも良く、らせん軌道のものに限定されない。

また、本実施例では、イオン検出器１を移動させる方式にしたが、イオン検出器１をイオンの偏向先に固定する方式とし、タンデムＭＳ／ＭＳモードのみならず、単一ＭＳモードにおいても、イオンを第２のデフレクタ１００でイオン検出器１に向けて偏向させて検出するようにしても良い。

図５は、本発明にかかる飛行時間型質量分析装置の別の実施例を示す図である。図１と同一の構成物は、図１と同一の符号を付して示す。（ａ）は装置をＹ方向に見た図、（ｂ）は（ａ）図の矢印方向から見た図である。

図において、５７は連続イオン源、５８はイオンガイドなどで構成されたイオン輸送部、５９は垂直加速部、６０はデフレクタである。他の構成は、図１と同様である。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

イオン源５７にてサンプルをイオン化し、イオン輸送部５８によりイオンを垂直加速部５９に輸送する。垂直加速部５９から出射したイオンは、デフレクタ６０により飛行角度の調整がなされ、マツダプレートでできた積層扇形電場１７に入射する。イオンは、積層扇形電場１〜４を順次通過し、８の字型に１周回飛行する。１周回終えて元の積層扇形電場１に戻ったとき、Ｙ方向の位置が周回前と比べてＹ方向に１ピッチずれているため、周回を重ねるごとに、イオン軌道はＹ方向に移動していく。

ＭＳ測定の場合は、最終周回段の一周手前に配置したイオン検出器１を使用してイオンを検出する。ＭＳ／ＭＳ測定の場合は、図４に示すように、イオン検出器１をイオン軌道から少しだけ（一周回段の半ピッチ分）Ｙ方向にずらすとともに、第２のデフレクタ１００にパルス電圧を印加して、所望のプレカーサ・イオン以外のイオンをわずかにＹ方向に偏向させる。その結果、所望のプレカーサ・イオン以外のイオンは、最終周回軌道内をややＹ方向にずれて飛行し、予めＹ方向に半ピッチほど移動させて待機していたイオン検出器１に順次入射する。

他方、第２のデフレクタ１００でパルス電圧を印加されなかった所望のプレカーサ・イオンのみは、最終周回軌道の中央部を飛行し、衝突室５３に進入して内部に充填された低圧の不活性ガスとの衝突で開裂する。開裂しなかった一部のプレカーサ・イオンならびに開裂生成したプロダクト・イオンは、反射場５４を通過し、イオン検出器２にて検出される。

反射場５４を折り返す時間は、イオンの質量および運動エネルギーにより異なるので、プレカーサ・イオンと各開裂経路のプロダクト・イオンを質量分離することができる。この例では、予め特定の同位体ピーク（例えば、モノアイソトピック・イオン）を選択することにより、同位体による複雑化を回避することが可能であり、マススペクトルの解釈が簡単になり、質量分析精度を向上させることができる。

また、所望のプレカーサ・イオン以外の選択されなかったイオンも、イオン検出器１で検出されるため、タンデムＭＳ／ＭＳモードの場合でもすべてのイオンを同時に観察することができ、従来の単一ＭＳモードとタンデムＭＳ／ＭＳモードの切り替え時に存在した無駄をなくすことができる。

尚、本実施例では、らせん軌道飛行時間型質量分析装置を第１質量分析装置に採用したが、第１質量分析装置は同位体ピークが分離できる高分解能飛行時間型質量分析装置であれば何でも良く、らせん軌道のものに限定されない。

また、本実施例では、イオン検出器１を移動させる方式にしたが、イオン検出器１をイオンの偏向先に固定する方式とし、タンデムＭＳ／ＭＳモードのみならず、単一ＭＳモードにおいても、イオンを第２のデフレクタ１００でイオン検出器１に向けて偏向させて検出するようにしても良い。

本発明には、さまざまな変形が可能である。例えば、先の実施例では所望のイオン以外のイオンをデフレクタ１００で偏向させる構成としたが、逆に、図６のように、所望のイオンのみをデフレクタ１００で偏向させ、偏向先に設けられた衝突室５３などの開裂手段でイオンを開裂させ、後段の図示しない第２質量分析装置でＭＳ／ＭＳ測定を行なう構成にしても良い。その場合、デフレクタ１００で偏向されなかったイオン群は、通常測定となり、そのまま第１質量分析装置のイオン検出器でＭＳスペクトルとして検出される。

また、第１質量分析装置にもさまざまな変形が可能である。例えば、らせん軌道を構成する第１ＭＳ分光部は、必ずしもマツダプレートで構成される必要はない。マツダプレート、およびそれ以外の構成例は、特許文献１に記載がある。

また、らせん軌道を構成する第１ＭＳ分光部は、必ずしも８の字型である必要はない。円状、または楕円状に周回させても良い。

また、第２のデフレクタは、必ずしもイオン検出器１のちょうど一周回前に置かれる必要はない。１／２周回前や１／４周回前であっても良い。

また、イオン検出器１の移動方向は、必ずしもＹ方向である必要はない。例えば逆Ｙ方向であっても良い。

また、イオン検出器１は、移動させず、中央部に穴を開けておき、第２のデフレクタによる偏向によって穴の周囲の部分で所望のプレカーサ・イオン以外の選択されなかったイオンを検出するようにしても良い。

また、開裂イオンを分析する第２の飛行時間型質量分析計は、必ずしも反射場を備えたものである必要はない。

また、イオンの開裂手段としては、低圧の不活性ガスを用いた衝突室の他に、レーザー光照射なども利用可能である。

また、イオン発生源（イオン源）としては、ＭＡＬＤＩイオン源や垂直加速型イオン源の他に、イオントラップからパルス状にイオンを排出する方式のパルスイオン源も使用可能である。

質量分析測定に広く利用できる。

従来のタンデム飛行時間型質量分析装置の一例を示す図である。 従来のタンデム飛行時間型質量分析装置の別の例を示す図である。 本発明にかかるタンデム飛行時間型質量分析装置の一実施例を示す図である。 本発明の主要部を示す拡大図である。 本発明にかかるタンデム飛行時間型質量分析装置の別の実施例を示す図である。

符号の説明

１５：第２のイオン検出器、１５ａ：第１のイオン検出器、１７：積層扇形電場、１９：ＭＡＬＤＩイオン源、１９ａ：デフレクタ、５２：イオンゲート、５３：衝突室、５４：反射場、５７：連続イオン源、５８：イオン輸送部、５９：垂直加速部、６０：デフレクタ、１００：第２のデフレクタ

Claims (4)

1. らせん軌道型飛行時間型質量分析装置を第１質量分析装置とし、第１質量分析装置からのイオンを第２質量分析装置に導入して質量分析するタンデム飛行時間型質量分析装置において、
   イオン飛行軌道内またはイオン飛行軌道近傍に配置されたイオン検出器と、イオンを前記イオン検出器に向けて偏向させるために前記第１質量分析装置のらせん軌道内に配置された偏向器とを備え、
   第１質量分析装置内を飛行するイオンを前記イオン飛行軌道内のイオン検出器で順次検出するか、またはイオンを前記偏向器でイオン飛行軌道近傍のイオン検出器に向けて偏向させて順次検出する第１のモードと、
   第１質量分析装置で分離した所望のイオンのみを第１質量分析装置の後段に置かれた第２質量分析装置で質量分析するとともに、他のイオンは前記偏向器で偏向させて、偏向先に置かれた前記イオン検出器で順次検出する第２のモードと
   を切り替え可能に備えたことを特徴とするタンデム飛行時間型質量分析装置。
2. 前記第１質量分析装置と前記第２質量分析装置の間にイオンを開裂させる開裂手段を設け、前記第１質量分析装置で分離した所望のイオンを開裂させた後に、前記第２質量分析装置で質量分析するようにしたことを特徴とする請求項１記載のタンデム飛行時間型質量分析装置。
3. らせん軌道型飛行時間型質量分析装置を第１質量分析装置とし、第１質量分析装置からのイオンを第２質量分析装置に導入して質量分析するタンデム飛行時間型質量分析装置において、
   イオンの飛行軌道を偏向させるために前記第１質量分析装置のらせん軌道内に配置された偏向器と、偏向先に位置し、偏向されたイオンを開裂させる開裂手段とを設け、
   第１質量分析装置内を飛行するイオンを順次検出する通常測定のモードと、
   第１質量分析装置で分離した所望のイオンのみを前記偏向器で偏向させ、前記開裂手段で開裂させて、後段の第２質量分析装置で質量分析するタンデム測定のモードと
   を切り替え可能に備えたことを特徴とするタンデム飛行時間型質量分析装置。
4. 前記所望のイオンは、モノアイソトピック・イオンであることを特徴とする請求項１、２、または３記載のタンデム飛行時間型質量分析装置。

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