特許 5776839 質量分析装置及びイオンガイドの駆動方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5776839

(24)【登録日】2015年7月17日

(45)【発行日】2015年9月9日

(54)【発明の名称】質量分析装置及びイオンガイドの駆動方法

(51)【国際特許分類】

   H01J 49/06 20060101AFI20150820BHJP

   H01J 49/42 20060101ALI20150820BHJP

【ＦＩ】

   H01J49/06

   H01J49/42

【請求項の数】7

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2014-504590(P2014-504590)

(86)(22)【出願日】2012年3月16日

(86)【国際出願番号】JP2012056850

(87)【国際公開番号】WO2013136509

(87)【国際公開日】20130919

【審査請求日】2014年4月14日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001993

【氏名又は名称】株式会社島津製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110001069

【氏名又は名称】特許業務法人京都国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】奥村 大輔

(72)【発明者】

【氏名】糸井 弘人

【審査官】 桐畑 幸▲廣▼

(56)【参考文献】

【文献】 特表２０１２−５２９１５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１１８３１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００５−５２２８４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５３−０１１５６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２０７７５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５０５２１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／１３６７７９（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｊ ４９／０６

Ｈ０１Ｊ ４９／４２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

イオン光軸に沿って延伸する２ｎ（ただしｎは３以上の整数）個の棒状又は板状の電極がイオン光軸を取り囲むように配置されてなるイオンガイドを具備する質量分析装置において、
a)前記イオンガイドの各電極で囲まれる空間に高周波電場を形成するための電圧として、第１の高周波電圧と、該第１の高周波電圧と振幅が同一で位相が反転した第２の高周波電圧と、を生成する電圧生成手段と、
b)前記イオンガイドを構成する２ｎ個の電極の中の、イオン光軸の周りに隣接するｍ（ただしｍは２以上２ｎ−１以下の整数）個の電極に、第１の高周波電圧が印加され、他の２ｎ−ｍ個の電極の中の少なくとも１個の電極に第２の高周波電圧が印加されるように、前記電圧生成手段と前記イオンガイドの各電極とを電気的に接続する配線部である電気的接続手段と、
を備え、前記２ｎ個の電極の中の、イオン光軸の周りに１つおきに位置するｎ個の電極に前記第１の高周波電圧が印加され、他のｎ個の電極に前記第２の高周波電圧が印加されるように前記電圧生成手段と前記イオンガイドの各電極とが電気的に接続される配線部が用いられた場合に２ｎ重極型イオンガイドとして機能するイオンガイドを、前記電気的接続手段を用いることで、２ｎ重極未満の多重極場成分を有する高周波電場又は偏向電場を形成するイオンガイドとして利用してなることを特徴とする質量分析装置。

【請求項2】

請求項１に記載の質量分析装置であって、
前記イオンガイドを構成する電極の数はｎ＝ｐ×ｑ（ただし、ｐは２以上の整数、ｑは４以上の整数）個であり、前記電気的接続手段は、イオン光軸の周りで隣接する任意のｐ個の電極を１組としたｑ組の電極群について、イオン光軸の周りで１組おきのｐ×ｑ／２個の電極に第１の高周波電圧が印加され、他のｐ×ｑ／２個の電極に第２の高周波電圧が印加されるように、前記電圧生成手段と前記イオンガイドの各電極とを電気的に接続する配線部であることを特徴とする質量分析装置。

【請求項3】

請求項２に記載の質量分析装置であって、
ｎは８、ｐは２、ｑは４であり、前記イオンガイドを構成する８個の電極で囲まれる空間に、主として四重極場成分を有する高周波電場を形成することを特徴とする質量分析装置。

【請求項4】

請求項１に記載の質量分析装置であって、
前記電気的接続手段は、イオン光軸の周りで、第１の高周波電圧が印加される電極と第２の高周波電圧が印加される電極との配置が回転非対称であるように、前記電圧生成手段と前記イオンガイドの各電極とを電気的に接続する配線部であることを特徴とする質量分析装置。

【請求項5】

イオン光軸に沿って延伸する２ｎ（ｎは３以上の整数）個の棒状又は板状の電極がイオン光軸を取り囲むように配置されてなるイオンガイドの、前記各電極にそれぞれ所定の電圧を印加することにより、それら電極で囲まれる空間にイオンの挙動を制御する電場を形成するイオンガイド駆動方法であって、
前記イオンガイドを構成する２ｎ個の電極の中の、イオン光軸の周りに隣接するｍ個（ｍは２以上２ｎ−１以下の整数）の電極に、第１の高周波電圧を印加し、他の２ｎ−ｍ個の電極の中の少なくとも１個の電極に、前記第１の高周波電圧と振幅が同一で位相が反転した第２の高周波電圧を印加するように、前記第１及び第２の高周波電圧を生成する電圧生成手段と前記イオンガイドの各電極とを電気的に接続する配線部を用いることで、前記２ｎ個の電極の中の、イオン光軸の周りに１つおきに位置するｎ個の電極に前記第１の高周波電圧が印加され、他のｎ個の電極に前記第２の高周波電圧が印加されるように前記電圧生成手段と前記イオンガイドの各電極とが電気的に接続される配線部が用いられた場合に２ｎ重極型イオンガイドとして機能するイオンガイドを、２ｎ重極未満の多重極場成分を有する高周波電場又は偏向電場を形成するイオンガイドとして利用するようにしたことを特徴とするイオンガイド駆動方法。

【請求項6】

請求項５に記載のイオンガイド駆動方法であって、
電極の数がｎ＝ｐ×ｑ（ただし、ｐは２以上の整数、ｑは４以上の整数）個である前記イオンガイドに対し、イオン光軸の周りで隣接する任意のｐ個の電極を１組としたｑ組の電極群について、イオン光軸の周りで１組おきのｐ×ｑ／２個の電極に第１の高周波電圧を印加し、他のｐ×ｑ／２個の電極に第２の高周波電圧を印加するように、前記電圧生成手段と前記イオンガイドの各電極とを電気的に接続する配線部を用いることを特徴とするイオンガイド駆動方法。

【請求項7】

請求項５に記載のイオンガイド駆動方法であって、
イオン光軸の周りで、第１の高周波電圧が印加される電極と第２の高周波電圧が印加される電極との配置が回転非対称であるように、前記イオンガイドの各電極に第１又は第２の高周波電圧を印加するように、前記電圧生成手段と前記イオンガイドの各電極とを電気的に接続する配線部を用いることを特徴とするイオンガイド駆動方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、イオンを収束させつつ後段へと輸送するイオンガイドを備えた質量分析装置、及びそのイオンガイドを動作させるための駆動方法に関する。

【背景技術】

【0002】

質量分析装置では、前段から送られて来るイオンを収束させつつ後段の、例えば四重極マスフィルタ等の質量分析器に送り込むために、イオンガイドと呼ばれるイオン光学素子が用いられる。イオンガイドの一般的な構成は、４本、６本、８本、或いはそれ以上の本数の略円柱状のロッド電極を、イオン光軸を取り囲むように互いに同一の角度間隔離し、且つ互いに平行になるように配置した多重極型の構成である。こうした多重極型のイオンガイドでは、通常、イオン光軸周りの周方向に隣接する２本のロッド電極に、振幅及び周波数が同一で位相が互いに反転した高周波電圧がそれぞれ印加される。このような高周波電圧を各ロッド電極に印加することにより、それらロッド電極で囲まれる略円柱状の空間には多重極の高周波電場が形成され、イオンはこの高周波電場中で振動しながら輸送される。

【0003】

質量分析装置の高感度化や高精度化などの要求に応えるためには、イオンガイドにおいて高周波電場中の等電位線の形状を理論的に導出される所定の曲線にできるだけ近づけ、イオン受容性やイオン透過性などの性能の向上を図る必要がある。そのためには各ロッド電極の配置の精度を高めなければならず、それを実現するために本出願人は特許文献１において新規な構成のイオンガイドを提案している。このイオンガイドの一例について、図９〜図１３を参照して説明する。

【0004】

図９（ａ）はイオンガイドユニット１００の側面図であり、図９（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ図９（ａ）中のＡ−Ａ’矢視断面図、Ｂ−Ｂ’矢視断面図である。このイオンガイドユニット１００は、イオン光軸Ｃの方向に延伸した８枚の金属板を電極とするイオンガイド１１０と、それらを囲繞する円筒状のケース１４０とを含む。イオンガイド１１０の各電極はその長手側の端面をイオン光軸Ｃに向け、イオン光軸Ｃの周りに互いに４５°角度間隔離して回転対称に配置されている。ここでは、８枚の電極のうち一つ置きに配置された４枚の電極を第１電極１１１とし、それらに隣接する４枚の電極を第２電極１１２とする。

【0005】

図１０は１枚の第１電極１１１の斜視図である。第１電極１１１にあってイオン光軸Ｃ側の端縁は、イオン光軸Ｃに直交する面内の断面形状がイオン光軸Ｃに向けて膨出した円弧状又は双曲線状である。また、イオン光軸Ｃ側の端面はイオンの進行方向（図９（ｃ）及び図１０の右方向）に向かうに従ってイオン光軸Ｃから僅かに遠ざかるように傾斜している。この傾斜により多重極電場の強さをイオンガイド１１０の出口側ほど小さくして、飛行するイオンを減速させることができる。この第１電極１１１以外の他の３枚の第１電極１１１及びそれらに隣接する４枚の第２電極１１２も同じ形状を有する。

【0006】

ケース１４０は第１電極１１１及び第２電極１１２を囲繞する筒部１４１と、筒部１４１の一方の端部に取り付けられ各電極の一端面（図９（ｃ）における左側端面）を支える第１支持部１４２と、筒部１４１の他方の端部に取り付けられた第２支持部１４３と、第２支持部１４３との間に図１１（ａ）に示すような板バネ１３０を挟んで固定するための板バネ固定部１４４と、を備える。第１支持部１４２及び第２支持部１４３はセラミックスやプラスチック等の絶縁体から成り、中央にイオンを通過させるための開口が設けられている。さらに第２支持部１４３には各電極に対応する位置に円筒状の貫通穴が設けられている。

【0007】

図１１（ａ）に示した板バネ１３０は、金属製のリング状の枠部１３１と、枠部１３１から内側に突出する片持ちバネである８個のバネ部１３２から成る。バネ部１３２はＴ字形状であり、隣り合うバネ部１３２の左右端が接触しない程度に近接されている。

【0008】

第１支持部１４２における電極を支える面には図１１（ｂ）に示すような金属製の薄板１５０が配置される。この薄板１５０は、リング状の枠部１５１と、枠部１５１から内側に突出する４個の金属接点１５２から成る。第１支持部１４２に配置された薄板１５０は金属接点１５２の位置が第１電極１１１の位置に対応する。これにより、薄板１５０は第１電極１１１のみに接触し、第２電極１１２には接触しない。

【0009】

図１２は、イオンガイドユニット１００の第２支持部１４３側の端部における、板バネ１３０及び板バネ固定部１４４を取り外した状態の平面図である。第２支持部１４３に設けられた８個の貫通穴のうち第１電極１１１に対応する４個の穴には絶縁体から成る絶縁スペーサ１２１が挿入され、第２電極１１２に対応する４個の穴には導電体から成る導電スペーサ１２２が挿入されている。各スペーサは同一長の円筒状体であり、その長さは一端が電極に接触した状態で他端が第２支持部１４３の表面から僅かに突出する程度である。

【0010】

図１３は、図１２に示したイオンガイドユニット１００に板バネ１３０及び板バネ固定部１４４を取り付けた状態の部分平面図である。板バネ１３０は隣り合うバネ部１３２の近接した左右端が１つの絶縁スペーサ１２１又は１つの導電スペーサ１２２の突出部を押さえるように配置される。これにより、板バネ１３０は第１電極１１１とは絶縁スペーサ１２１により絶縁され、第２電極１１２とは導電スペーサ１２２を介して電気的に接続される。

【0011】

上記構成のイオンガイドユニット１００では、板バネ１３０のバネ部１３２が、絶縁スペーサ１２１又は導電スペーサ１２２を介して第１電極１１１及び第２電極１１２を第１支持部１４２側へと押さえ付ける。これにより、各電極１１１、１１２は板バネ１３０と第１支持部１４２により両側から挟まれて固定される。このとき、第１電極１１１の端面は絶縁スペーサ１２１又は金属製の薄板１５０に接触し、第２電極１１２の端面は導電スペーサ１２２又は絶縁体から成る第２支持部１４３に接触する。図示しない電圧印加部より、第１電極１１１には薄板１５０を介して直流電圧Ｖ_DCに高周波電圧ｖ・cosωｔが重畳された電圧Ｖ_DC＋ｖ・cosωｔが印加され、第２電極１１２には板バネ１３０及び導電スペーサ１２２を介して同じ直流電圧に位相が反転された（つまり１８０°ずれた）高周波電圧が重畳された電圧Ｖ_DC−ｖ・cosωｔが印加される。これにより、８枚の電極１１１、１１２の縁端面で囲まれた空間に多重極高周波電場が形成され、そこに導入されるイオンが収束される。

【0012】

このとき、イオン光軸Ｃに直交する面内で、８枚の電極１１１、１１２のイオン光軸Ｃ側端の縁はイオン光軸Ｃに向けて膨出した円弧状又は双曲線状であるため、電極１１１、１１２の近傍には、等電位線がその曲線に沿うような形状である電場が発生する。これにより、各電極１１１、１１２の端面で囲まれた空間に理想状態に近い電場を形成することができる。

【0013】

ところで、近年の複雑な構成の質量分析装置では、上述したような多重極型のイオンガイドが複数用いられることが多くなってきている。例えば非特許文献１に記載の液体クロマトグラフタンデム四重極型質量分析装置では、イオン源と第１段四重極マスフィルタとの間に２段の八重極型イオンガイドが配置され、コリジョン内部には四重極型のイオンガイドが配設されている。即ち、同一装置に極数の異なる複数のイオンガイドが使用されている。従来の質量分析装置では、そうした異なる極数のイオンガイドはそれぞれ個別の構成を有するものである。例えば、上述したイオンガイドユニット１００を使用する場合には、板金電極の枚数のほか、板金電極を保持する絶縁体からなる第１支持部１４２、第２支持部１４３、板バネ１３０などの各部材の形状を、極数に合わせて変更する必要がある。これに対し、上述したような複数のイオンガイドを使用する質量分析装置において、それらイオンガイドとして同一構造のイオンガイドを利用することが可能であれば、コストを削減する上でかなり有利である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0014】

【特許文献1】特開２０１０−１１８３０８号公報

【非特許文献】

【0015】

【非特許文献1】「トリプル四重極型LC/MS/MSシステム LCMS-8030」、[online]、株式会社島津製作所、［平成２４年３月７日検索］、インターネット＜URL: http://www.an.shimadzu.co.jp/lcms/lcms8030/8030-3.htm＞

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0016】

本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、極数の相違する複数のイオンガイドを備える質量分析装置において、極数の相違に拘わらずそれら複数のイオンガイドとして機械的な構成・構造が同一のイオンガイドを使用することが可能な質量分析装置を提供することである。また、本発明の他の目的は、機械的な構成・構造が同一であるイオンガイドを、四重極、八重極など極数の相違するイオンガイドとして使用するためのイオンガイドの駆動方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0017】

上記課題を解決するために成された本発明に係る質量分析装置は、イオン光軸に沿って延伸する２ｎ（ｎは３以上の整数）個の棒状又は板状の電極がイオン光軸を取り囲むように配置されてなるイオンガイドを具備する質量分析装置において、
a)前記イオンガイドの各電極で囲まれる空間に高周波電場を形成するための電圧として、第１の高周波電圧と、該第１の高周波電圧と振幅が同一で位相が反転した第２の高周波電圧と、を生成する電圧生成手段と、
b)前記イオンガイドを構成する２ｎ個の電極の中の、イオン光軸の周りに隣接するｍ個（ｍは２以上２ｎ−１以下の整数）の電極に、第１の高周波電圧が印加され、他の２ｎ−ｍ個の電極の中の少なくとも１個の電極に第２の高周波電圧が印加されるように、前記電圧生成手段と前記イオンガイドの各電極とを電気的に接続する配線部である電気的接続手段と、
を備え、前記２ｎ個の電極の中の、イオン光軸の周りに１つおきに位置するｎ個の電極に前記第１の高周波電圧が印加され、他のｎ個の電極に前記第２の高周波電圧が印加されるように前記電圧生成手段と前記イオンガイドの各電極とが電気的に接続される配線部が用いられた場合に２ｎ重極型イオンガイドとして機能するイオンガイドを、前記電気的接続手段を用いることで、２ｎ重極未満の多重極場成分を有する高周波電場又は偏向電場を形成するイオンガイドとして利用してなることを特徴としている。

【0018】

また上記課題を解決するために成された本発明に係るイオンガイド駆動方法は、イオン光軸に沿って延伸する２ｎ（ｎは３以上の整数）個の棒状又は板状の電極がイオン光軸を取り囲むように配置されてなるイオンガイドの、前記各電極にそれぞれ所定の電圧を印加することにより、それら電極で囲まれる空間にイオンの挙動を制御する電場を形成するイオンガイド駆動方法であって、
前記イオンガイドを構成する２ｎ個の電極の中の、イオン光軸の周りに隣接するｍ個（ｍは２以上２ｎ−１以下の整数）の電極に、第１の高周波電圧を印加し、他の２ｎ−ｍ個の電極の中の少なくとも１個の電極に、前記第１の高周波電圧と振幅が同一で位相が反転した第２の高周波電圧を印加するように、前記第１及び第２の高周波電圧を生成する電圧生成手段と前記イオンガイドの各電極とを電気的に接続する配線部を用いることで、前記２ｎ個の電極の中の、イオン光軸の周りに１つおきに位置するｎ個の電極に前記第１の高周波電圧が印加され、他のｎ個の電極に前記第２の高周波電圧が印加されるように前記電圧生成手段と前記イオンガイドの各電極とが電気的に接続される配線部が用いられた場合に２ｎ重極型イオンガイドとして機能するイオンガイドを、２ｎ重極未満の多重極場成分を有する高周波電場又は偏向電場を形成するイオンガイドとして利用するようにしたことを特徴としている。

【0019】

即ち、上述したような従来の質量分析装置におけるイオンガイド駆動方法では、イオンを収束させつつ輸送するために、イオンガイドを構成する２ｎ個の電極の中で、イオン光軸の周りに隣接する任意の２個の電極の一方に第１の高周波電圧が印加され、該２個の電極の他方に第２の高周波電圧が印加される。換言すれば、イオン光軸の周りで１個おきの電極に同一の高周波電圧が印加される。したがって、それら電極で囲まれる空間には、主として２ｎ重極場成分を有する高周波電場が形成される（理想的には２ｎ重極場成分のみが現れる筈であるが、現実には他の多重極場成分も現れる）。この場合、高周波電場の形状（高周波電場による等電位線の形状）は、イオン光軸に直交する面内でイオン光軸を中心に回転対称である。これに対し、本発明に係る質量分析装置及びイオンガイド駆動方法では、イオン光軸周りの少なくとも一部で、隣接する２個以上の電極に第１の高周波電圧が印加される。そのため、イオンガイドを構成する２ｎ個の電極で囲まれる空間に形成される高周波電場の主成分は２ｎ重極場成分とはならない。

【0020】

具体的に、本発明に係る質量分析装置の第１の態様は、前記イオンガイドを構成する電極の数はｎ＝ｐ×ｑ（ただし、ｐは２以上の整数、ｑは４以上の整数）個であり、前記電気的接続手段は、イオン光軸の周りで隣接する任意のｐ個の電極を１組としたｑ組の電極群について、イオン光軸の周りで１組おきのｐ×ｑ／２個の電極に第１の高周波電圧が印加され、他のｐ×ｑ／２個の電極に第２の高周波電圧が印加されるように、前記電圧生成手段と前記イオンガイドの各電極とを電気的に接続する配線部とすることができる。

【0021】

第１の態様の典型的な構成として、ｎは８、ｐは２、ｑは４であり、前記イオンガイドを構成する８個の電極で囲まれる空間に、主として四重極場成分を有する高周波電場を形成するものとすることができる。この場合には、イオン光軸の周りで、第１の高周波電圧が印加される電極と第２の高周波電圧が印加される電極との配置自体が回転対称である。それ故に、高周波電場の形状はイオン光軸に直交する面内でイオン光軸を中心に回転対称である。したがって、イオンガイドに導入されたイオンは高周波電場の作用によりイオン光軸付近で振動しながら、全体としてイオン光軸に沿って進行することになる。

【0022】

上述した従来のイオンガイド駆動方法によれば、イオンガイドを構成する８個の電極で囲まれる空間には主として八重極場成分を有する高周波電場が形成されるのに対し、この態様では、電極数は８のままでありながら、実質的に四重極型のイオンガイドと同等の高周波電場が形成されることになる。即ち、イオンガイドの電極構成自体は何ら変更することなく、電気的接続手段を変更するだけで、通常の八重極型のイオンガイドとして使用することもできるし、四重極型のイオンガイドとして使用することもできる。

【0023】

また本発明に係る質量分析装置の第２の態様では、前記電気的接続手段は、イオン光軸の周りで、第１の高周波電圧が印加される電極と第２の高周波電圧が印加される電極との配置が回転非対称であるように、前記電圧生成手段と前記イオンガイドの各電極とを電気的に接続してなる構成とすることができる。この構成では、例えば、イオン光軸の周りの或る一部分においてのみ、隣接する３個又はそれ以上の電極に同一の高周波電圧が印加される。

【0024】

上記第１の態様とは異なり、この第２の態様の場合、２ｎ個の電極で囲まれる空間に形成される高周波電場の形状は、イオン光軸に直交する面内でイオン光軸を中心に回転非対称となる。そのため、イオンガイドに導入されたイオンは、その導入時のイオン光軸に直交する面内で片寄った方向の力を受ける。それにより、イオンはその導入時のイオン光軸を直線的に延長した２ｎ個の電極の中心軸から徐々にずれるように、つまり偏向しつつ進行する。即ち、第２の態様によるイオンガイドは、或るイオン光軸に沿って導入されたイオンを該イオン光軸とは同一直線上にはなく平行でもないようなイオン光軸に沿って送り出すイオンガイドとして使用される。

【0025】

なお、本発明に係る質量分析装置において、電気的接続手段とは、電圧生成手段と各電極とを繋ぐ広義の、つまり、各種ケーブル線、基板のパターン線、コネクタ、接続用の各種導電部材、などを含む配線部である。

【発明の効果】

【0026】

本発明に係る質量分析装置及びイオンガイド駆動方法によれば、例えば四重極型イオンガイドと八重極型イオンガイドなど、異なる極数のイオンガイドが同一装置に用いられている場合に、同一電極数で同一電極配置であるイオンガイドを使用して四重極、八重極等、その極数に応じた特性の高周波電場を形成することができる。それにより、極数の相違するイオンガイド毎に、異なる構成や構造のイオンガイドを用意する必要がなくなり、部品や部材を共通化してその総数を減らすことで、製品コストを引き下げることができる。それによって、例えば、装置を従来よりも廉価で提供することが可能となる。

【0027】

また本発明に係る質量分析装置及びイオンガイド駆動方法によれば、単に高次の多重極電場を形成するのではなく偏向電場を形成することもできる。それにより、例えば質量分析の上でノイズとなる中性粒子を除外する軸外しイオン光学系を容易に構成することができる。
さらにまた、単に高次の多重極電場を形成するのではなく、意図的に複数の高次の多重極電場が重畳されたような高周波電場を形成することもできる。それにより、使用目的等によって、イオン受容性やイオン透過性などの特性を細かく調整することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1】本発明の一実施例による質量分析装置の全体構成図。

【図2】第１実施例によるイオンガイドにおける高周波電圧の印加状態を示す図（ａ）及びそのときのシミュレーション計算による電位分布を示す図（ｂ）。

【図3】第１実施例によるイオンガイドにおける高周波電圧の別の印加状態を示す図（ａ）及びそのときのシミュレーション計算による電位分布を示す図（ｂ）。

【図4】図２及び図３に示した状態における高周波電圧の振幅と信号強度との関係を測定した結果を示す図。

【図5】第１実施例によるイオンガイドにおける高周波電圧のさらに別の印加状態を示す図（ａ）及びそのときのシミュレーション計算による電位分布を示す図（ｂ）。

【図6】第２実施例によるイオンガイドにおける高周波電圧の印加状態の例を示す図。

【図7】第３実施例によるイオンガイドにおける高周波電圧の印加状態の例を示す図。

【図8】第４実施例によるイオンガイドにおける高周波電圧の印加状態の例を示す図。

【図9】従来のイオンガイドユニットの側面図（ａ）、並びに（ａ）中のＡ−Ａ’矢視断面図（ｂ）及びＢ−Ｂ’矢視断面図（ｃ）。

【図10】図９中の電極の斜視図。

【図11】図９中の板バネの平面図（ａ）及び薄板の平面図（ｂ）。

【図12】板バネ及び板バネ固定部を取り付ける前のイオンガイドユニットの平面図。

【図13】板バネ及び板バネ固定部を取り付けた後のイオンガイドユニットの拡大平面図。

【発明を実施するための形態】

【0029】

以下、本発明の一実施例である質量分析装置について、添付図面を参照して説明する。
図１は第１実施例による質量分析装置の全体構成図である。この質量分析装置は、液体クロマトグラフ（ＬＣ）等から供給される液体試料中の成分に対するＭＳ／ＭＳ分析を実行可能な、タンデム四重極型質量分析装置である。

【0030】

本実施例の質量分析装置は、略大気圧雰囲気に維持されるイオン化室１と、図示しないターボ分子ポンプ等の真空ポンプによる真空排気によって高真空雰囲気に維持される分析室５と、それぞれ真空ポンプによる真空排気によってイオン化室１内のガス圧と分析室５内のガス圧との中間のガス圧に維持される第１中間真空室２、第２中間真空室３、第３中間真空室４とを備える。即ち、この質量分析装置では、イオン化室１から分析室５に向かって各室毎にガス圧が低くなる（真空度が上がる）多段差動排気系の構成が採られている。

【0031】

イオン化室１には、図示しないＬＣのカラム出口端に接続されたイオン化プローブ６が配設されている。分析室５には、前段四重極マスフィルタ１５、内部に第４イオンガイド１７が配置されたコリジョンセル１６、後段四重極マスフィルタ１８及びイオン検出器１９が配設されている。また、第１乃至第３中間真空室２、３、４にはイオンを後段へ輸送するための第１乃至第３イオンガイド１０、１２、１４が配設されている。イオン化室１と第１中間真空室２との間は細径の脱溶媒管８を介して連通しており、また第１中間真空室２と第２中間真空室３との間は、スキマー１１の頂部に形成された微小径の開口を通して連通し、第２中間真空室３と第３中間真空室４との間は、隔壁に設けられたイオンレンズ１３の円形状開口を通して連通している。

【0032】

イオン化プローブ６のノズル７の先端には図示しない直流高圧電源より数kV程度の高電圧が印加される。イオン化プローブ６に導入された液体試料がノズル７の先端に達すると、片寄った電荷を付与されてイオン化室１内に噴霧される。噴霧流中の微小液滴は大気ガスに接触して微細化され、さらに移動相や溶媒が揮発することでさらに微細化が進む。この過程で液滴に含まれる試料成分は電荷を持って液滴から飛び出し、気体イオンとなる。発生したイオンはイオン化室１内と第１中間真空室２内との差圧によって脱溶媒管８へと吸い込まれ、第１中間真空室２内へと送られる。

【0033】

第１イオンガイド１０から第３イオンガイド１４までの間のイオン輸送光学系は、イオンを分析室５内の前段四重極マスフィルタ１５までできるだけ低損失で輸送する機能を有する。電源部２１〜２５はそれぞれ、制御部２０の制御の下に、各イオンガイド１０、１２、１４、スキマー１１、イオンレンズ１３に、直流電圧と高周波電圧とを重畳した電圧、又は直流電圧のみを印加する。

【0034】

上記イオン輸送光学系によりイオンは前段四重極マスフィルタ１５に送り込まれる。前段四重極マスフィルタ１５を構成するロッド電極には、電源部２６より、分析対象であるイオンの質量電荷比に応じた直流電圧と高周波電圧とを重畳した電圧が印加され、該電圧に対応した質量電荷比を持つイオンのみが該フィルタ１５の長軸方向の空間を通り抜けてコリジョンセル１６に導入される。コリジョンセル１６内には図示しないガス供給源からArなどの所定のCIDガスが供給されており、イオン（プリカーサイオン）はCIDガスに衝突して解離する。解離により生成されたプロダクトイオンは第４イオンガイド１７により収束されつつ後段四重極マスフィルタ１８へ送られる。

【0035】

後段四重極マスフィルタ１８を構成するロッド電極には、電源部２８より、分析対象であるプロダクトイオンの質量電荷比に応じた直流電圧と高周波電圧とを重畳した電圧が印加され、該電圧に対応した質量電荷比を持つイオンのみが該フィルタ１８の長軸方向の空間を通り抜けてイオン検出器１９に到達する。イオン検出器１９は到達したイオンの量に応じた検出信号を出力し、図示しないデータ処理部はこの検出信号に基づいて例えばＭＳ／ＭＳスペクトルを作成する。

【0036】

上記構成において、第２イオンガイド１２、第３イオンガイド１４、及びコリジョンセル１６内の第４イオンガイド１７は、いずれもイオンを収束させつつ後段へと輸送する機能を有する。例えば非特許文献１に記載の従来の質量分析装置では、第２イオンガイド１２及び第３イオンガイド１４としては八重極型イオンガイドが使用され、第４イオンガイド１７としては四重極型イオンガイドが使用されているが、本実施例の質量分析装置では、それら３つのイオンガイド１２、１４、１７として電極構成が同一であるイオンガイドが用いられている。

【0037】

以下、本実施例で用いられている上記イオンガイドについて詳しく説明する。図２(ａ）は第２、第３イオンガイド１２、１４における高周波電圧の印加状態を示す図であり、図３（ａ）は第４イオンガイド１７における高周波電圧の印加状態を示す図である。また、図２（ｂ）は図２（ａ）のときのシミュレーション計算による電位分布を示す図、図３（ｂ）は図３（ａ）のときのシミュレーション計算による電位分布を示す図である。

【0038】

イオンガイド１２、１４、１７はいずれも、直線状のイオン光軸Ｃの周りに４５°の回転角度間隔離して互いに平行に配置された８本の略円柱状のロッド電極３１〜３８からなる。それらロッド電極３１〜３８はイオン光軸Ｃを中心軸とする円筒Ｐに内接しており、これらロッド電極３１〜３８の配置はイオン光軸Ｃを中心に回転対称である。なお、図２（ａ）及び図３（ａ）はイオン光軸Ｃに直交する面でイオンガイドを切断した断面図である。

【0039】

上述したようにイオンガイド１２、１４、１７はその電極の形状や配置は同一であるものの、各ロッド電極３１〜３８へ印加される電圧は相違する。即ち、図２（ａ）に示すように、第２、第３イオンガイド１２、１４では、イオン光軸Ｃの周りに１つおきのロッド電極が互いに電気的に接続されている。即ち、ロッド電極３１、３３、３５、３７が互いに電気的に接続され、また残りのロッド電極３２、３４、３６、３８が互いに電気的に接続されている。そして、前者の４本のロッド電極３１、３３、３５、３７には電源部２３（又は２５）から直流電圧Ｖ_DCに高周波電圧ｖcosωｔが重畳された電圧Ｖ_DC＋ｖcosωｔが印加され、後者の４本のロッド電極３２、３４、３６、３８には電源部２３（又は２５）から同じ直流電圧Ｖ_DCに位相が反転した高周波電圧−ｖcosωｔが重畳された電圧Ｖ_DC−ｖcosωｔが印加される。即ち、各ロッド電極３１〜３８と電源部２３（又は２５）とを接続する図２（ａ）に示すような配線部が本発明における電気的接続手段に相当する。なお、図２（ａ）及び図３（ａ）では、電圧Ｖ_DC−ｖcosωｔが印加されているロッド電極の断面を斜線で示している。

【0040】

イオン光軸Ｃの周りに１つおきの４本のロッド電極３１、３３、３５、３７に共通の電圧Ｖ_DC＋ｖcosωｔが印加され、それら各ロッド電極に対しイオン光軸Ｃ周りに隣接する４本のロッド電極３２、３４、３６、３８に共通の電圧Ｖ_DC−ｖcosωｔが印加されている。これは、一般的な八重極型イオンガイドと同じであり、上述したように各ロッド電極３１〜３８に印加される電圧によって、それらロッド電極３１〜３８で囲まれる空間には主として八重極場成分を有する高周波電場が形成される。この高周波電場による等電位線の形状は、図２（ｂ）に示すように、イオン光軸Ｃを中心とした回転対称形状である。

【0041】

一方、図３（ａ）に示すように、第４イオンガイド１７は、イオン光軸Ｃの周りで隣接する２つのロッド電極が互いに電気的に接続されて１組とされ、さらにイオン光軸Ｃの周りに１つおきの組に含まれるロッド電極が互いに電気的に接続されている。即ち、４本のロッド電極３１、３２、３５、３６が互いに電気的に接続され、また残りの４本のロッド電極３３、３４、３７、３８が互いに電気的に接続されている。そして、前者の４本のロッド電極３１、３２、３５、３６には電源部２３（又は２５）から直流電圧Ｖ_DCに高周波電圧ｖcosωｔが重畳された電圧Ｖ_DC＋ｖcosωｔが印加され、後者の４本のロッド電極３３、３４、３７、３８には電源部２３（又は２５）から同じ直流電圧Ｖ_DCに位相が反転した高周波電圧−ｖcosωｔが重畳された電圧Ｖ_DC−ｖcosωｔが印加される。即ち、この場合も、各ロッド電極３１〜３８と電源部２３（又は２５）とを接続する図３（ａ）に示すような配線部が本発明における電気的接続手段に相当する。

【0042】

この場合、同じ組に属する隣り合う２本のロッド電極は同電位であるため、電位的には、これら２本のロッド電極は一体であるとみなし得る。これは擬似的な四重極型イオンガイドであり、上述したように各ロッド電極３１〜３８に印加される電圧によって、それらロッド電極３１〜３８で囲まれる空間には主として四重極場成分を有する高周波電場が形成される。この高周波電場による等電位線の形状も図３（ｂ）に示すように、イオン光軸Ｃを中心とした回転対称形状である。

【0043】

図４（ａ）は図２に示した八重極型イオンガイドとしての駆動状態における高周波電圧の振幅と信号強度との関係を測定した結果を示す図であり、図４（ｂ）は図３に示した擬似四重極型イオンガイドとしての駆動状態における高周波電圧の振幅と信号強度との関係を測定した結果を示す図である。図４（ｂ）を見ると、高周波電圧の振幅が大きくなると信号強度が顕著に低下していることが分かる。これは、四重極場成分のほうがローマスカットオフ（Low Mass Cut-off）現象が顕著であり、イオンが発散してしまうためであると考えられる。一方、信号強度の大きさだけを見れば、図４（ｂ）は図４（ａ）に比べて顕著に高くなっている。これは、四重極場成分のほうがイオンの収束作用が強いためであると考えられ、これにより、図４（ｂ）のほうが高い感度を実現できることが分かる。

【0044】

上記結果から、ロッド電極の構成（形状や配置など）は八重極型イオンガイドであっても、高周波電圧を印加するための配線部の相違だけで、換言すれば、イオンガイド駆動方法の変更のみで、そのイオンガイドを実質的に四重極型イオンガイドとして動作させることが可能であることが分かる。このようにして、本実施例の質量分析装置では、コリジョンセル１６内に配置される第４イオンガイド１７として第２及び第３イオンガイド１２、１４と同じ構成の電極を使用することができ、それによって装置のコスト削減を図ることができる。

【0045】

上記実施例では、ロッド電極３１〜３８により形成される高周波電場の形状はイオン光軸Ｃを中心とした回転対称形状であったが、これを回転非対称形状とするように印加電圧を変更することで、ロッド電極３１〜３８で囲まれる空間に、イオンを偏向させる偏向電場を形成することができる。図５（ａ）は、図２（ａ）及び図３（ａ）に示した電極構成において偏向電場を形成する場合における高周波電圧の印加状態の一例を示す図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）のときのシミュレーション計算による電位分布を示す図である。

【0046】

図５（ａ）に示すように、この例では、４本のロッド電極３１、３３、３５、３８には電源部２３（又は２５）から電圧Ｖ_DC＋ｖcosωｔが印加され、残りの４本のロッド電極３２、３４、３６、３７には電源部２３（又は２５）から電圧Ｖ_DC−ｖcosωｔが印加される。これにより、ロッド電極３１〜３８で囲まれる空間には、図５（ｂ）に示すように、イオン光軸Ｃの周りに回転対称ではない等電位線形状を有する高周波電場が形成される。このような回転非対称である高周波電場の作用により、イオンは図５（ｂ）中に矢印で示した方向に力を受ける。そのため、イオン光軸Ｃに沿ってこのイオンガイドに導入されたイオンの軌道は、進行に伴って徐々に図５（ｂ）中の矢印の方向にずれて曲がってゆく。したがって、図５中のイオン光軸Ｃ（この場合には、イオン軌道の中心ではないので厳密な意味でのイオン光軸ではない）に対し所定の角度を有し傾いた中心軌道に沿ってイオンガイドから出射する。

【0047】

一般に質量分析装置では、試料成分由来のイオン流に混じっている中性粒子（例えばイオン化されなかった試料成分分子など）を除去するために、いわゆる軸外し（又は軸ずらし）イオン光学系が利用されることがある。そうした目的で、例えば特許第３５４２９１８号公報、米国特許出願公開２００９／０２９４６６３号明細書などでは、湾曲形状のロッド電極を用いたイオンガイドが提案されているが、こうした形状の電極を精度良く製造することは難しい。これに対し、上記例によれば、電極構造は通常と同じであり、イオンガイド駆動方法のみを変更することでイオン入射軸とイオン出射軸とが斜交するイオンガイドを得ることができるので、コスト的に非常に有利である。

【0048】

また上記実施例では、イオンガイドの各ロッド電極と電源部との電気的な接続を変更することで、電極数とは異なる多重極場成分を有する高周波電場を形成したり偏向電場を形成したりしていた。電気的な接続を変更する具体的な方法としては、配線部としてのケーブル線を繋ぎ変える、基板のパターン配線を変更する、配線を入れ替える中継ケーブルを使用する、など様々な方法を採り得る。また、イオンガイドとして、図９〜図１３により説明したイオンガイドユニット１００を用いる場合には、該イオンガイドユニット１００を構成する各種部品を何ら変更することなく全く同じ部品を使用しながら、電気的な接続の変更を簡単に行うことができる。

【0049】

具体的には、図９に示すように電極が８枚である構成において、当該イオンガイド１０１を八重極型イオンガイドとして動作させる際には、図１２に示すように、導電スペーサ１２２と絶縁スペーサ１２１とをイオン光軸Ｃの周りに交互に配置している。これに対し、当該イオンガイド１０１を四重極型イオンガイドとして動作させる際には、イオン光軸Ｃの周りに導電スペーサ１２２を２個隣接して配置し、その隣りには絶縁スペーサを２個隣接して配置するように、第２支持部１４３に設けられた８個の貫通穴への、導電スペーサ１２２と絶縁スペーサ１２１の挿入位置を変更すればよい。

【0050】

このようにイオンガイドユニット１００では、本発明における電気的接続手段に相当する、金属製の薄板１５０、第２支持部１４３、導電スペーサ１２２、絶縁スペーサ１２１、などの構成自体は変更することなく、組立時において導電スペーサ１２２及び絶縁スペーサ１２１の挿入位置を変更するのみで、八重極型のイオンガイドと図３に示したような擬似四重極型のイオンガイドとの一方を構成することができる。

【0051】

また、上記実施例は電極の数が８の例であるが、電極数は２ｎ（ｎは３以上の整数）であればよい。図６〜図８はそれぞれｎが３、５、６である場合のイオンガイド４０、５０、６０を構成する各電極への高周波電圧の印加状態を示す図である。図６〜図８の（ａ）はいずれも、各イオンガイド４０、５０、６０をそれぞれの電極数に応じた六重極型、十重極型、十二重極型のイオンガイドとして動作させるときの電圧印加状態である。一方、図６、図７の（ｂ）は偏向電場を形成する場合の高周波電圧の印加状態の一例を示す図である。また、図８（ｂ）は電極数が１２であるイオンガイドを擬似四重極型のイオンガイドとして動作させる場合の電圧印加状態である。このように、２ｎが８である場合に限らず、任意の２ｎの電極数のイオンガイドに本発明を適用することが可能である。

【0052】

さらにまた、上記実施例や各種変形例はいずれも一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正、追加を行っても、本願請求の範囲に包含されることは明らかである。

【符号の説明】

【0053】

１…イオン化室
２…第１中間真空室
３…第２中間真空室
４…第３中間真空室
５…分析室
６…イオン化プローブ
７…ノズル
８…脱溶媒管
１０…第１イオンガイド
１１…スキマー
１２…第２イオンガイド
１３…イオンレンズ
１４…第３イオンガイド
１５…前段四重極マスフィルタ
１６…コリジョンセル
１７…第４イオンガイド
１８…後段四重極マスフィルタ
１９…イオン検出器
２０…制御部
２１〜２８…電源部
３１〜３８、４１〜４６、５１〜５Ａ、６１〜６Ｃ…ロッド電極
４０、５０、６０…イオンガイド
１００…イオンガイドユニット
１１０…イオンガイド
１１１…第１電極
１１２…第２電極
１２１…絶縁スペーサ
１２２…導電スペーサ
１３０…板バネ
１３１…枠部
１３２…バネ部
１４０…ケース
１４１…筒部
１４２…第１支持部
１４３…第２支持部
１４４…板バネ固定部
１５０…薄板
１５１…枠部
１５２…金属接点
Ｃ…イオン光軸

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】