特許 5914515 改善された空間フォーカス飛行時間質量分析計

(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】5914515

(24)【登録日】2016年4月8日

(45)【発行日】2016年5月11日

(54)【発明の名称】改善された空間フォーカス飛行時間質量分析計

(51)【国際特許分類】

   H01J 49/40 20060101AFI20160422BHJP

   G01N 27/62 20060101ALI20160422BHJP

【ＦＩ】

   H01J49/40

   G01N27/62 B

   G01N27/62 E

【請求項の数】17

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2013-545509(P2013-545509)

(86)(22)【出願日】2011年12月22日

(65)【公表番号】特表2014-502028(P2014-502028A)

(43)【公表日】2014年1月23日

(86)【国際出願番号】GB2011052576

(87)【国際公開番号】WO2012085594

(87)【国際公開日】20120628

【審査請求日】2014年11月13日

(31)【優先権主張番号】1021840.2

(32)【優先日】2010年12月23日

(33)【優先権主張国】GB

(31)【優先権主張番号】61/432,837

(32)【優先日】2011年1月14日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】504142097

【氏名又は名称】マイクロマス ユーケー リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】110000040

【氏名又は名称】特許業務法人池内・佐藤アンドパートナーズ

(72)【発明者】

【氏名】ホイス、ジョン、ブライアン

(72)【発明者】

【氏名】ラングリッジ、デイヴィッド ジェイ．

(72)【発明者】

【氏名】ワイルドグース、ジェイソン、リー

【審査官】 遠藤 直恵

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許第０６６２７８７７（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 特開２００２−２４５９６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００５−５３８３４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 SHORT R T，IMPROVED ENERGY COMPENSATION FOR TIME-OF-FLIGHT MASS SPECTROMETRY，JOURNAL OF THE AMERICAN SOCIETY FOR MASS SPECTROMETRY，米国，ELSEVIER SCIENCE INC，１９９４年 ８月 １日，V5 N8，P779-787

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｊ ４９／００−４９／４８

Ｇ０１Ｎ ２７／６２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ソース領域とイオン検出器とを含む飛行時間質量分析器を備える質量分析計であって、
前記ソース領域は、引出し段と第１の加速段とを含み、
使用時に、前記イオン検出器に到達するイオンが、多項式：ΔＴ＝ａ₀＋ａ₁（Δｘ）Ｔ’＋ａ₂（Δｘ）²Ｔ”＋ａ₃（Δｘ）³Ｔ’’’＋．．．によって前記ソース領域内の前記イオンの位置の初期分布Δｘに関連づけられるイオン到達時間分布ΔＴを有し、
前記ａ₁（Δｘ）Ｔ’は１次空間的収束項であり、前記ａ₂（Δｘ）²Ｔ”は２次空間的収束項であり、前記ａ₃（Δｘ）³Ｔ’’’は３次空間的収束項であり、前記Ｔは特定の質量電荷比を有するイオンの平均飛行時間であり、
前記飛行時間質量分析器は、非ゼロ５次空間的収束項を導入するように配置および適合される５次空間的収束デバイスをさらに備え、前記第５次空間的収束項は、非ゼロ１次空間的収束項と３次空間的収束項の効果を相殺するために導入され、その結果、前記１次空間的収束項と、前記３次空間的収束項と、前記５次空間的収束項との組合せ効果が、前記イオン到達時間分布ΔＴを低減し、
前記第５次空間的収束デバイスは、前記ソース領域内に第３段を、またはリフレクトロン内に、もしくは前記ソース領域とリフレクトロンとの間に更なる段を、含み、前記第３段または前記更なる段は、加速段もしくは減速段またはフィールドフリー領域を含む
質量分析計。

【請求項2】

ソース領域とイオン検出器とを含む飛行時間質量分析器を備える質量分析計であって、
前記ソース領域は、引出し段と第１の加速段とを含み、
使用時に、前記イオン検出器に到達するイオンが、多項式：ΔＴ＝ａ₀＋ａ₁（Δｘ）Ｔ’＋ａ₂（Δｘ）²Ｔ”＋ａ₃（Δｘ）³Ｔ’’’＋．．．によって前記ソース領域内の前記イオンの位置の初期分布Δｘに関連づけられるイオン到達時間分布ΔＴを有し、
前記ａ₁（Δｘ）Ｔ’は１次空間的収束項であり、前記ａ₂（Δｘ）²Ｔ”は２次空間的収束項であり、前記ａ₃（Δｘ）³Ｔ’’’は３次空間的収束項であり、前記Ｔは特定の質量電荷比を有するイオンの平均飛行時間であり、
前記飛行時間質量分析器は、非ゼロ４次空間的収束項を導入するように配置および適合される４次空間的収束デバイスをさらに備え、前記第４次空間的収束項は、非ゼロ２次空間的収束項の効果を相殺するために導入され、その結果、前記２次空間的収束項と前記４次空間的収束項との組合せ効果が、前記イオン到達時間分布ΔＴを低減し、
前記第４次空間的収束デバイスは、前記ソース領域内に第３段を、またはリフレクトロン内に、もしくは前記ソース領域とリフレクトロンとの間に更なる段を、含み、前記第３段または前記更なる段は、加速段もしくは減速段またはフィールドフリー領域を含む
質量分析計。

【請求項3】

前記４次空間的収束デバイスおよび／または前記５次空間的収束デバイスは、前記ソース領域内に前記第３段を含み、前記第３段は、（ｉ）第２の加速段、（ｉｉ）減速段、または（ｉｉｉ）フィールドフリー領域のいずれかを含む、請求項１または２に記載の質量分析計。

【請求項4】

前記ソース領域内の前記第３段は、使用時に、前記引出し段と同期してパルス状になる、請求項３に記載の質量分析計。

【請求項5】

前記飛行時間質量分析器は、第１の段と第２の段とを有する前記リフレクトロンをさらに含む、請求項１〜４のいずれかに記載の質量分析計。

【請求項6】

前記４次空間的収束デバイスおよび／または前記５次空間的収束デバイスは、前記リフレクトロンを備えた第３の減速段または加速段を含む、請求項５に記載の質量分析計。

【請求項7】

使用時に、第１電場勾配Ｅ１は、前記第１の減速段または加速段の全域で維持され、第２電場勾配Ｅ２は、前記第２の減速段または加速段の全域で維持され、第３電場勾配Ｅ３は、前記第３の減速段または加速段の全域で維持され、前記Ｅ１と前記Ｅ２と前記Ｅ３とは等しくない、請求項６に記載の質量分析計。

【請求項8】

前記リフレクトロンは、多重リフレクトロンを含む、請求項５、６または７に記載の質量分析計。

【請求項9】

前記飛行時間質量分析器は、前記ソース領域と前記リフレクトロンとの中間にドリフト領域をさらに含み、前記４次空間的収束デバイスおよび／または前記５次空間的収束デバイスは、前記ドリフト領域内に設けられた減速段または加速段を含む、請求項５から８のいずれかに記載の質量分析計。

【請求項10】

１次空間的収束項を導入し、初期速度分布を有するイオンを補償するように配置および適合されるデバイスをさらに備える、請求項１〜９のいずれかに記載の質量分析計。

【請求項11】

１次空間的収束項を導入し、空間的収束を向上させるように配置および適合されるデバイスをさらに備える、請求項１〜１０のいずれかに記載の質量分析計。

【請求項12】

前記ソース領域の上流に配置されたビームエクスパンダーをさらに備え、前記ビームエクスパンダーは、前記ソース領域内における到達イオンの初期速度分布を低減するように配置および適合される、請求項１〜１１のいずれかに記載の質量分析計。

【請求項13】

前記４次空間的収束デバイスおよび／または前記５次空間的収束デバイスは、ミリメートル単位での前記位置の初期分布Δｘの関数としての、ナノ秒単位での前記イオン到達時間分布ΔＴが、（ｉ）＜０．９ｎｓ、（ｉｉ）＜０．８ｎｓ、（ｉｉｉ）＜０．７ｎｓ、（ｉｖ）＜０．６ｎｓ、（ｖ）＜０．５ｎｓ、（ｖｉ）＜０．４ｎｓ、（ｖｉｉ）＜０．３ｎｓ、（ｖｉｉｉ）＜０．２ｎｓ、（ｉｘ）＜０．１ｎｓからなる群から選択されるように配置および適合される、請求項１〜１２のいずれかに記載の質量分析計。

【請求項14】

前記飛行時間質量分析器は、直線飛行時間質量分析器または直交加速式飛行時間質量分析器を含む、請求項１〜１３のいずれかに記載の質量分析計。

【請求項15】

前記飛行時間質量分析器は、多重飛行時間質量分析器を含む、請求項１４に記載の質量分析計。

【請求項16】

ソース領域とイオン検出器とを含む飛行時間質量分析器を準備することを含む質量分析法であって、
前記イオン検出器に到達するイオンが、多項式：ΔＴ＝ａ₀＋ａ₁（Δｘ）Ｔ’＋ａ₂（Δｘ）²Ｔ”＋ａ₃（Δｘ）³Ｔ’’’＋．．．によって前記ソース領域内の前記イオンの位置の初期分布Δｘに関連づけられるイオン到達時間分布ΔＴを有し、
前記ａ₁（Δｘ）Ｔ’は１次空間的収束項であり、前記ａ₂（Δｘ）²Ｔ”は２次空間的収束項であり、前記ａ₃（Δｘ）³Ｔ’’’は３次空間的収束項であり、前記Ｔは特定の質量電荷比を有するイオンの平均飛行時間であり、
前記方法は、非ゼロ１次空間的収束項と３次空間的収束項の効果を相殺するために非ゼロ５次空間的収束項を導入し、その結果、前記１次空間的収束項と、前記３次空間的収束項と、前記５次空間的収束項との組合せ効果が、前記イオン到達時間分布ΔＴを低減することをさらに含む質量分析法。

【請求項17】

ソース領域とイオン検出器とを含む飛行時間質量分析器を準備することを含む質量分析法であって、
前記イオン検出器に到達するイオンが、多項式：ΔＴ＝ａ₀＋ａ₁（Δｘ）Ｔ’＋ａ₂（Δｘ）²Ｔ”＋ａ₃（Δｘ）³Ｔ’’’＋．．．によって前記ソース領域内の前記イオンの位置の初期分布Δｘに関連づけられるイオン到達時間分布ΔＴを有し、
前記ａ₁（Δｘ）Ｔ’は１次空間的収束項であり、前記ａ₂（Δｘ）²Ｔ”は２次空間的収束項であり、前記ａ₃（Δｘ）³Ｔ’’’は３次空間的収束項であり、前記Ｔは特定の質量電荷比を有するイオンの平均飛行時間であり、
前記方法は、非ゼロ２次空間的収束項の効果を相殺するために非ゼロ４次空間的収束項を導入し、その結果、前記２次空間的収束項と前記４次空間的収束項との組合せ効果が、前記イオン到達時間分布ΔＴを低減することをさらに含む質量分析法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

［関連出願の相互参照］
本願は、２０１１年１月１４日に提出された米国仮特許出願第６１／４３２８３７号および２０１０年１２月２３日に提出された英国特許出願第１０２１８４０．２号の優先権および利益を主張する。これらの出願の内容は、参考のためにすべて本明細書に援用される。

【背景技術】

【0002】

本発明は、質量分析計および質量分析法に関する。

【0003】

ワイリー（Wiley）およびマクラーレン（McLaren）（Ｔｉｍｅ−ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ ｗｉｔｈ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ（理化学機器の考察 ２６、１１５０（１９５５）、ＷＣ Ｗｉｌｅｙ，ＩＨ ＭｃＬａｒｅｎ）（非特許文献１）は、２段引出し飛行時間質量分析計を説明する基本方程式を立案した。その原理は、連続軸方向引出し飛行時間質量分析器と、直交加速式飛行時間質量分析器と、時間差収束機器とに同様に適用される。

【0004】

図１は、２次空間的（または空間）収束の原理を示す。この原理では、初期空間的分布を有するイオンは、イオン検出器の面で収束され、これによって機器の分解能を向上させる。

【0005】

初期エネルギーΔＶｏを有し、初期位置偏差を有さないイオンビームは、第１の加速段Ｌｐ（直交加速式飛行時間機器においては、「プッシャー（pusher）」と呼ばれる）において、以下の式で表される飛行時間を有する。

【0006】

【数1】

【0007】

ここで、質量ｍおよび電荷ｑのイオンは、電位Ｖｐによりレートａで加速される。

【0008】

初期速度ｖｏは、以下の式によって初期エネルギーΔＶｏに関連づけられる：

【0009】

【数2】

【0010】

式１のかぎ括弧内の第２項は、「ターンアラウンドタイム（turnaround time）」と呼ばれ、これは、飛行時間機器における主要な限界収差（major limiting aberration）である。ターンアラウンドタイムの概念は図２に示される。同じ方向のものもあれば反対の方向のものも含む速度で（with equal and opposite velocities）、同じ位置から出発するイオンは、飛行管においては、以下の式で示される同一のエネルギーを有する。

【0011】

【数3】

【0012】

しかし、これらのイオンは、より急峻な加速フィールドほど短くなる（即ち、Δｔ２＜Δｔ１である）ターンアラウンドタイムΔｔによって分離される。これは、しばしば、飛行時間機器の設計において主要な限界収差となるため、機器の設計者は、この項を最小限に抑えるためにはどんな苦労も惜しまない。

【0013】

この収差を最小限に抑えるための最も一般的なアプローチとして、イオンをできるだけ強制的に加速することが挙げられる。即ち、電場（即ち、比Ｖｐ／Ｌｐ）を最大にすることによって加速項ａをできるだけ大きくすることが挙げられる。これは、通常、プッシャー電圧Ｖｐを大きくし、加速段長Ｌｐを短くすることによって成し遂げられる。しかし、こうしたアプローチは、２段幾何学的配置においては実用上限界がある。なぜなら、ワイリー−マクラーレン型空間的収束解では、物理的機器がより短くなり、図３に示されるように飛行時間が非常に短くなるからである。飛行時間が非常に短くなれば、実現不可能な超高速高帯域検出システムが必要になるであろう。

【0014】

この問題の公知の解決法としては、リフレクトロンを加えることが挙げられる。この解決法では、空間的フォーカスの第１の位置は、図４に示されるように、イオン検出器で再イメージ化(re-image)される。これによって、比較的高い分解能を可能にする、より長い実用的な飛行時間機器が得られる。

【0015】

従来の反射型飛行時間機器では、リフレクトロンは、単一段リフレクトロンまたは２段リフレクトロンのいずれかを含み得るが、反射型および非反射型の飛行時間機器では共に、引出し領域は、通常、ワイリー／マクラーレン２段ソースを含む。通常、これらの幾何学的配置では、物体は、完璧な１次空間収束または２次空間収束を成し遂げるか、または、小さな１次項を再導入して空間収束をさらに向上させる。

【0016】

様々なイオン転送構成において得られる線形前引出し速度−位置相関関係（linear pre-extraction velocity-position correlations）を補償するために、小さな１次項が配置され得ることは知られている。

【0017】

空間収束への公知のアプローチにもかかわらず、公知の飛行時間機器の実用的な実施は、空間収束特性によって制限される。これらの制限は、分解能と感度との関係において最も明白である。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0018】

【非特許文献1】ワイリー（Wiley）およびマクラーレン（McLaren）、「Ｔｉｍｅ−ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ ｗｉｔｈ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ」、理化学機器の考察 ２６、ＷＣ Ｗｉｌｅｙ，ＩＨ ＭｃＬａｒｅｎ、１９５５年、ｐ．１１５０

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0019】

改善された飛行時間質量分析計を提供することが望まれる。

【課題を解決するための手段】

【0020】

本発明の一態様によると、
ソース領域とイオン検出器とを含む飛行時間質量分析器を備える質量分析計であって、
使用時に、前記イオン検出器に到達するイオンが、多項式：ΔＴ＝ａ₀＋ａ₁（Δｘ）Ｔ’＋ａ₂（Δｘ）²Ｔ”＋ａ₃（Δｘ）³Ｔ’’’＋．．．によって前記ソース領域内の前記イオンの位置の初期分布Δｘに関連づけられるイオン到達時間分布ΔＴを有し、
前記ａ₁（Δｘ）Ｔ’は１次空間的収束項であり、前記ａ₂（Δｘ）²Ｔ”は２次空間的収束項であり、前記ａ₃（Δｘ）³Ｔ’’’は３次空間的収束項であり、前記Ｔは特定の質量電荷比を有するイオンの平均飛行時間であり、
前記飛行時間質量分析器は、前記１次空間的収束項および／または前記３次空間的収束項および／または前記５次空間的収束項の組合せ効果が、前記イオン到達時間分布ΔＴを低減するように、非ゼロ５次空間的収束項を導入するように配置および適合される５次空間的収束デバイスをさらに備える質量分析計が提供される。

【0021】

本発明の好ましい実施形態によると、好ましくは非ゼロ３次空間的収束項の効果を相殺する５次空間的収束項が導入される。この質量分析計の分解能を向上させる好ましい実施形態によると、イオン検出器におけるイオン到達時間の分布はかなり低減される。

【0022】

本発明の一態様によると、
ソース領域とイオン検出器とを含む飛行時間質量分析器を備える質量分析計であって、
使用時に、前記イオン検出器に到達するイオンが、多項式：ΔＴ＝ａ₀＋ａ₁（Δｘ）Ｔ’＋ａ₂（Δｘ）²Ｔ”＋ａ₃（Δｘ）³Ｔ’’’＋．．．によって前記ソース領域内の前記イオンの位置の初期分布Δｘに関連づけられるイオン到達時間分布ΔＴを有し、
前記ａ₁（Δｘ）Ｔ’は１次空間的収束項であり、前記ａ₂（Δｘ）²Ｔ”は２次空間的収束項であり、前記ａ₃（Δｘ）³Ｔ’’’は３次空間的収束項であり、前記Ｔは特定の質量電荷比を有するイオンの平均飛行時間であり、
前記飛行時間質量分析器は、前記２次空間的収束項と前記４次空間的収束項との組合せ効果が、前記イオン到達時間分布ΔＴを低減するように、非ゼロ４次空間的収束項を導入するように配置および適合される４次空間的収束デバイスをさらに備える質量分析計が提供される。

【0023】

本発明の好ましさが劣る一実施形態によると、好ましくは非ゼロ２次空間的収束項の効果を相殺する４次空間的収束項が導入される。この質量分析計の分解能を向上させる好ましさが劣る実施形態によると、イオン検出器におけるイオン到達時間の分布はかなり低減される。

【0024】

前記ソース領域は、好ましくは、引出し段と第１の加速段とを含み、前記４次空間的収束デバイスおよび／または前記５次空間的収束デバイスは、好ましくは、前記ソース領域内に第３段を含み、前記第３段は、（ｉ）第２の加速段、（ｉｉ）減速段、または（ｉｉｉ）フィールドフリー領域のいずれかを含む。

【0025】

前記ソース領域内の前記第３段は、好ましくは、使用時に、前記引出し段と同期してパルス状になる。

【0026】

前記飛行時間質量分析器は、好ましくは、第１の減速段または加速段と第２の減速段または加速段とを有するリフレクトロンをさらに含む。

【0027】

前記４次空間的収束デバイスおよび／または前記５次空間的収束デバイスは、好ましくは、前記リフレクトロン内に設けられた第３の減速段または加速段を含む。

【0028】

一実施形態によると、第１電場勾配Ｅ１は、前記第１の減速段または加速段の全域で維持され、第２電場勾配Ｅ２は、前記第２の減速段または加速段の全域で維持され、第３電場勾配Ｅ３は、前記第３の減速段または加速段の全域で維持される。一実施形態によると、前記Ｅ１と前記Ｅ２と前記Ｅ３とは等しくない。

【0029】

前記リフレクトロンは、好ましくは、多重（multi-pass）リフレクトロンを含む。即ち、イオンは、１回より多くイオン検出器に向かって反射される。一実施形態によると、イオンは、ソース領域からイオン検出器へとドリフト領域を通ってＷ形状の経路を辿る。

【0030】

前記飛行時間質量分析器は、好ましくは、前記ソース領域と前記リフレクトロンとの中間にドリフト領域をさらに含み、前記４次空間的収束デバイスおよび／または前記５次空間的収束デバイスは、好ましくは、前記ドリフト領域内に設けられた減速段または加速段を含む。

【0031】

前記質量分析計は、好ましくは、１次空間的収束項を導入し、初期速度分布を有するイオンを補償するように配置および適合されるデバイスをさらに備える。

【0032】

前記質量分析計は、好ましくは、１次空間的収束項を導入し、空間的収束を向上させるように配置および適合されるデバイスをさらに備える。

【0033】

前記質量分析計は、好ましくは、前記ソース領域の上流に配置されたビームエクスパンダーをさらに備え、前記ビームエクスパンダーは、前記ソース領域内における到達イオンの初期速度分布を低減するように配置および適合される。

【0034】

前記４次空間的収束デバイスおよび／または前記５次空間的収束デバイスは、好ましくは、ミリメートル単位での前記位置の初期分布Δｘの関数としての、ナノ秒単位での前記イオン到達時間分布ΔＴが、（ｉ）＜０．１ｎｓ、（ｉｉ）＜０．９ｎｓ、（ｉｉｉ）＜０．８ｎｓ、（ｉｖ）＜０．７ｎｓ、（ｖ）＜０．６ｎｓ、（ｖｉ）＜０．５ｎｓ、（ｖｉｉ）＜０．４ｎｓ、（ｖｉｉｉ）＜０．３ｎｓ、（ｉｘ）＜０．２ｎｓ、（ｘ）＜０．１ｎｓからなる群から選択されるように配置および適合される。

【0035】

前記飛行時間質量分析器は、好ましくは、直線飛行時間質量分析器または直交加速式飛行時間質量分析器を含む。

【0036】

前記飛行時間質量分析器は、好ましくは、多重飛行時間質量分析器を含む。

【0037】

本発明の一態様によると、
ソース領域とイオン検出器とを含む飛行時間質量分析器を準備することを含む質量分析法であって、
前記イオン検出器に到達するイオンが、多項式：ΔＴ＝ａ₀＋ａ₁（Δｘ）Ｔ’＋ａ₂（Δｘ）²Ｔ”＋ａ₃（Δｘ）³Ｔ’’’＋．．．によって前記ソース領域内の前記イオンの位置の初期分布Δｘに関連づけられるイオン到達時間分布ΔＴを有し、
前記ａ₁（Δｘ）Ｔ’は１次空間的収束項であり、前記ａ₂（Δｘ）²Ｔ”は２次空間的収束項であり、前記ａ₃（Δｘ）³Ｔ’’’は３次空間的収束項であり、前記Ｔは特定の質量電荷比を有するイオンの平均飛行時間であり、
前記方法は、前記１次空間的収束項および／または前記３次空間的収束項および／または前記５次空間的収束項の組合せ効果が、前記イオン到達時間分布ΔＴを低減するように、非ゼロ５次空間的収束項を導入することをさらに含む質量分析法が提供される。

【0038】

本発明の一態様によると、
ソース領域とイオン検出器とを含む飛行時間質量分析器を準備することを含む質量分析法であって、
前記イオン検出器に到達するイオンが、多項式：ΔＴ＝ａ₀＋ａ₁（Δｘ）Ｔ’＋ａ₂（Δｘ）²Ｔ”＋ａ₃（Δｘ）³Ｔ’’’＋．．．によって前記ソース領域内の前記イオンの位置の初期分布Δｘに関連づけられるイオン到達時間分布ΔＴを有し、
前記ａ₁（Δｘ）Ｔ’は１次空間的収束項であり、前記ａ₂（Δｘ）²Ｔ”は２次空間的収束項であり、前記ａ₃（Δｘ）³Ｔ’’’は３次空間的収束項であり、前記Ｔは特定の質量電荷比を有するイオンの平均飛行時間であり、
前記方法は、前記２次空間的収束項と前記４次空間的収束項との組合せ効果が、前記イオン到達時間分布ΔＴを低減するように、非ゼロ４次空間的収束項を導入することをさらに含む質量分析法が提供される。

【0039】

好ましい実施形態は、最終的な空間収束が改善された分解能および／または感度を成し遂げるように援助する、より高次の空間収束収差の確定的な導入（deterministic introduction）に関する。

【0040】

質量分析計は、好ましくは、（ｉ）エレクトロスプレーイオン化（「ＥＳＩ」）イオン源、（ｉｉ）大気圧光イオン化（「ＡＰＰＩ」）イオン源、（ｉｉｉ）大気圧化学イオン化（「ＡＰＣＩ」）イオン源、（ｉｖ）マトリックス支援レーザー脱離イオン化（「ＭＡＬＤＩ」）イオン源、（ｖ）レーザー脱離イオン化（「ＬＤＩ」）イオン源、（ｖｉ）大気圧イオン化（「ＡＰＩ」）イオン源、（ｖｉｉ）シリコンを用いた脱離イオン化（「ＤＩＯＳ」）イオン源、（ｖｉｉｉ）電子衝撃（「ＥＩ」）イオン源、（ｉｘ）化学イオン化（「ＣＩ」）イオン源、（ｘ）電界イオン化（「ＦＩ」）イオン源、（ｘｉ）電界脱離（「ＦＤ」）イオン源、（ｘｉｉ）誘導結合プラズマ（「ＩＣＰ」）イオン源、（ｘｉｉｉ）高速原子衝撃（「ＦＡＢ」）イオン源、（ｘｉｖ）液体二次イオン質量分析（「ＬＳＩＭＳ」）イオン源、（ｘｖ）脱離エレクトロスプレーイオン化（「ＤＥＳＩ」）イオン源、（ｘｖｉ）ニッケル−６３放射性イオン源、（ｘｖｉｉ）大気圧マトリックス支援レーザー脱離イオン化イオン源、（ｘｖｉｉｉ）サーモスプレーイオン源、（ｘｉｘ）大気サンプリンググロー放電イオン化（「ＡＳＧＤＩ」）イオン源、および（ｘｘ）グロー放電（「ＧＤ」）イオン源からなる群から選択されるイオン源をさらに含む。

【0041】

質量分析計は、好ましくは、（ｉ）衝突誘起解離（「ＣＩＤ」）フラグメンテーションデバイス、（ｉｉ）表面誘起解離（「ＳＩＤ」）フラグメンテーションデバイス、（ｉｉｉ）電子移動解離（「ＥＴＤ」）フラグメンテーションデバイス、（ｉｖ）電子捕獲解離（「ＥＣＤ」）フラグメンテーションデバイス、（ｖ）電子衝突または衝撃解離フラグメンテーションデバイス、（ｖｉ）光誘起解離（「ＰＩＤ」）フラグメンテーションデバイス、（ｖｉｉ）レーザー誘起解離フラグメンテーションデバイス、（ｖｉｉｉ）赤外線誘起解離デバイス、（ｉｘ）紫外線誘起解離デバイス、（ｘ）ノズル−スキマー・インターフェース・フラグメンテーションデバイス、（ｘｉ）インソース・フラグメンテーションデバイス、（ｘｉｉ）インソース衝突誘起解離フラグメンテーションデバイス、（ｘｉｉｉ）熱または温度源フラグメンテーションデバイス、（ｘｉｖ）電界誘起フラグメンテーションデバイス、（ｘｖ）磁場誘起フラグメンテーションデバイス、（ｘｖｉ）酵素消化または酵素分解フラグメンテーションデバイス、（ｘｖｉｉ）イオン−イオン反応フラグメンテーションデバイス、（ｘｖｉｉｉ）イオン−分子反応フラグメンテーションデバイス、（ｘｉｘ）イオン−原子反応フラグメンテーションデバイス、（ｘｘ）イオン−準安定イオン反応フラグメンテーションデバイス、（ｘｘｉ）イオン−準安定分子反応フラグメンテーションデバイス、（ｘｘｉｉ）イオン−準安定原子反応フラグメンテーションデバイス、（ｘｘｉｉｉ）イオンを反応させて付加物または生成物イオンを形成するためのイオン−イオン反応デバイス、（ｘｘｉｖ）イオンを反応させて付加物または生成物イオンを形成するためのイオン−分子反応デバイス、（ｘｘｖ）イオンを反応させて付加物または生成物イオンを形成するためのイオン−原子反応デバイス、（ｘｘｖｉ）イオンを反応させて付加物または生成物イオンを形成するためのイオン−準安定イオン反応デバイス、（ｘｘｖｉｉ）イオンを反応させて付加物または生成物イオンを形成するためのイオン−準安定分子反応デバイス、（ｘｘｖｉｉｉ）イオンを反応させて付加物または生成物イオンを形成するためのイオン−準安定原子反応デバイス、および（ｘｘｉｘ）電子イオン化解離（「ＥＩＤ」）フラグメンテーションデバイスからなる群から選択される１つまたはそれ以上の衝突、フラグメンテーションまたは反応セルをさらに含む。

【0042】

質量分析計は、使用時にイオンを透過させる開口部を有する複数の電極を備える積層リングイオンガイドをさらに含み得る。これらの電極の間隔は、イオン経路の長さに沿って増加する。イオンガイドの上流セクションにある電極内の開口部は、第１の直径を有し得、イオンガイドの下流セクションにある電極内の開口部は、第１の直径よりも小さい第２の直径を有し得る。逆位相のＡＣ電圧またはＲＦ電圧は、好ましくは、連続した電極に印加される。

【0043】

以下、本発明の様々な実施形態を、例示のみを目的としたその他の実施形態と共に添付の図面を参照しながら、例示目的のみで説明する。

【図面の簡単な説明】

【0044】

【図1】図１は、従来のワイリー／マクラーレン２段ソース飛行時間幾何学的配置を示す。

【図2】図２は、ターンアラウンドタイムの概念を示す。

【図3】図３は、飛行時間質量分析器の２段ソースにおける初期引出しフィールドがどれほど高ければ、実現不可能なより短い分析器となるのかを示す。

【図4】図４は、直交加速式飛行時間質量分析器に１段リフレクトロンを加えることによって、どのようにして高い引出しフィールドおよびより長い飛行時間の組合せが可能になるのかを示す。

【図5】図５は、リウヴィユの定理を例示し、各素子が、位相空間の形状を変化させるが、その面積を変化させない、Ｎ個の光学素子を含む光学システムを示す。

【図6A】図６Ａは、２段ソース幾何学的配置および２段リフレクトロンを有する従来の飛行時間質量分析器を示す。

【図6B】図６Ｂは、３段ソースを含む飛行時間質量分析器を含む本発明の実施形態を示す。

【図7A】図７Ａは、２段ソースおよび２段リフレクトロンを含む従来の飛行時間質量分析器の空間収束特性を示す。

【図7B】図７Ｂは、対応する残差を示す。

【図8A】図８Ａは、３段ソースおよび２段リフレクトロンを含む好ましい実施形態による飛行時間分析器の空間収束特性の奇項を示す。

【図8B】図８Ｂは、前記好ましい実施形態による飛行時間質量分析器の空間収束特性の偶項を示す。

【図8C】図８Ｃは、対応する残差を示す。

【図9】図９は、３段ソースおよび２段リフレクトロンを含む本発明の実施形態による、より大きなビームの空間収束残存収差を示す。

【図10】図１０は、前記好ましい実施形態により達成され得る分解能の向上を示す。

【図11】図１１は、前引出し速度−位置（位相空間）のより高次の相関関係を示す。

【発明を実施するための形態】

【0045】

以下、本発明の好ましい実施形態について説明する。

【0046】

式１を速度ｖｏについて書き換えると、式１は、以下のようなターンアラウンドタイムｔ’についての関係になる。

【0047】

【数4】

【0048】

ｍｖ項は、イオンビームの運動量であり、領域長Ｌｐは、本質的に、プッシャ−におけるビームの広がりに対して直線関係を有する。

【0049】

イオン光学における基本定理としては、「リウヴィユの定理」が挙げられ、この定理は、以下のことを規定している。「移動する雲状の（a cloud of）粒子については、位相空間における粒子密度ρ（ｘ、ｐ_x、ｙ、ｐ_y、ｚ、ｐ_z）は可変である」（Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ Ｃｈａｒｇｅｄ−Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｏｐｔｉｃｓ、Ｈａｒａｌｄ Ｈ．Ｒｏｓｅ、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｓｅｒｉｅｓ ｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ １４２）ここで、ｐ_x、ｐ_yおよびｐ_zは、３つのデカルト座標系方向の運動量を示す。

【0050】

リウヴェユの定理によると、位相空間における特定の容量を満たす、時間ｔ₁における雲状の粒子は、後の時間ｔ_nにおいてその形状を変化させ得るが、その容量の程度を変化させない。次の操作の前にビームを孔に通過させる（aperture）（収束できないイオンを拒否する）ことによって、位相空間の所望の領域をサンプリングすることは可能であるが、電磁場を用いてこの容量を減少させようとする試みは効果的ではない。１次近似によって、リウヴェユの定理は、３つの独立した空間座標ｘ、ｙおよびｚに分離される。そして、イオンビームは、３つの独立した位相空間の領域に関して描写され得る。その形状は、イオンビームがイオン光学システムを通って前進するにつれて変化するが、それぞれの合計の面積自体は変化しない。

【0051】

この概念は、図５に例示される。図５は、Ｎ個の光学素子を含む光学システムを示し、各素子は、位相空間の形状を変化させるが、その面積を変化させない、。位相空間の保持とは、Δｘｐ_x項が一定であるため、ビームを拡大することによってより低い速度分布が得られることを意味する。なぜなら、Δｘｐ_xは、式４におけるＬｐ^*ｍｖ項に比例するからである。これらのより低い速度分布は、最終的には、一定の引出しフィールドに対して、比例して短いターンアラウンドタイムとなり得る。

【0052】

従って、より大きな位置分布Δｘを空間的に収束させる能力をもつ直交加速式飛行時間質量分析計では、引出し領域の前にビームがさらに拡大され、引出し領域におけるフィールドが一定のままである場合には、ターンアラウンドタイムが減少し、これによって、より高い分解能が得られる。あるいは、引出し領域の前にビームが開口部によって切り取られる場合には、開口部のサイズを増加させることができ、ビームがさらに拡大されない場合には、同じ分解能について改善された伝送および感度が得られる。

【0053】

図６Ａは、ワイリー／マクラーレン２段ソース、中間フィールドフリー領域および２段リフレクトロンを含む従来の飛行時間幾何学的配置を示す。

【0054】

図６Ａに示される従来の飛行時間質量分析器についての典型的な空間収束アプローチは、図７Ａおよび図７Ｂに例示される。幾何学的配置は、図７Ａに例示される対向する（opposing）１次項と共に２次収束を提供するように構成される。得られる残差は、３次項または１次項のそれぞれよりも、より低い絶対時間分布を有する（図７Ｂ）。

【0055】

図６Ｂは、公知のワイリー／マクラーレン２段ソースが３段ソースに置き換えられた、本発明の好ましい実施形態を示す。ソースの第１段は、図６Ａに示される公知のワイリー／マクラーレン２段ソースの引出し領域と同じ引出しフィールドを有する。好ましい実施形態によると、幾何学的配置は、好ましくは、より高次の空間収束項を導入するように構成される。これらのより高次の空間収束項は、好ましくは、奇数乗（図８Ａを参照）を組合せて残差全体を最小限に抑え、また、偶数乗（図８Ｂを参照）も組合せて残差全体を最小限に抑えるように配置される。組合せた残差は、図８Ｃにおいて、図７Ｂと同じスケール上でプロットされ、好ましい実施形態によると、どのように実質的に改善された空間収束が得られるのかを例示している。

【0056】

図８Ｃに例示される、好ましい実施形態による改善された空間フォーカスは、図９に示されるビームの拡大を可能にする。図９において、イオンビーム幅は、図７Ｂと比較して１．５倍に拡大されているが、絶対時間分布は、同等である。一実施形態によると、より幅の広いビームにおけるイオンは、速度分布が低減されており、イオン検出器におけるイオン到達時間の分布の低減が可能になり、これによって分解能が向上する。

【0057】

図６Ａおよび図６Ｂに示される２つの異なる幾何学的配置を比較したシミュレーションを行った。好ましい実施形態による分解能の改善は、図１０に例示される。

【0058】

図１０に示される破線のピークは、好ましい実施形態により得られる向上した分解能を示し、これは、幅が１．５倍で、それに比例してより低い速度分布を有するイオンビームを受け取る、好ましい３段ソースに対応する。分解能の向上は、実線のピークによって示される従来技術によって得られる分解能と比較される。垂直スケールは、比較用に正規化されているが、実際には、２つのピークの面積は同じである。

【0059】

このシミュレーションにおけるイオンビームの初期条件は、バッファガスの存在下での積層リングＲＦイオンガイド（「ＳＲＩＧ」）によって定義された。イオンは、通常、ビーム断面が１〜２ｍｍであるガス分子の熱運動によりＲＦ素子から排出される際、マクスウェルの速度分布を取る。

【0060】

速度分布のシミュレーションは、ＳＩＭＩＯＮ（ＲＴＭ）および剛体球モデルを用いて実施された。剛体球モデルは、積層リングＲＦイオンガイドにおける残存ガス分子との衝突をシミュレートした。その後、これらのイオン条件を、異なる幾何学的配置のタイプについての入力ビームパラメータとして用いた。

【0061】

線形（１次）速度−位置相関関係の補正に用いられる原理と同様の原理を用いて、前引出し位相空間を、図１１に示されるように、非線形（＞１次）奇数乗項を含むように配置することも可能である。これらのより高次の項は、絶対時間分布をさらに低減するより高次の奇数乗空間フォーカス項を補償するために用いられ得る。

【0062】

好ましい実施形態は、飛行時間質量分析器のソース領域に３またはそれ以上の段を設けることに関するが、ソースとリフレクトロンとの間の中間フィールドフリー領域内にさらなる加速領域または減速領域が設けられ得る他の実施形態も考えられる。さらなる加速領域、減速領域またはフィールドフリー領域にリフレクトロンが設けられ得る他の実施形態も考えられる。１つまたはそれ以上のさらなる領域がソース領域および／またはフィールドフリー領域および／またはリフレクトロン内に設けられる実施形態も考えられる。

【0063】

好ましい実施形態は、主に、４次空間的収束項および／または５次空間的収束項を導入するように配置および適合されるデバイスに関するが、６次および／または７次および／または８次および／または９次および／またはそれよりも高次の空間的収束項が導入され得るさらなる実施形態も考えられる。

【0064】

本発明を好ましい実施形態を参照しながら説明したが、形式および詳細の様々な変更が、添付の請求の範囲によって定義される発明の範囲から逸脱しないようになされ得ることは、当業者に明白であろう。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図7A】

【図7B】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図9】

【図10】

【図11】