特許 7010270 四重極質量分析装置および質量分析方法

(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】

(24)【登録日】2022-01-17

(45)【発行日】2022-01-26

(54)【発明の名称】四重極質量分析装置および質量分析方法

(51)【国際特許分類】

   H01J 49/42 20060101AFI20220119BHJP

   G01N 27/62 20210101ALI20220119BHJP

【ＦＩ】

H01J49/42

G01N27/62 E

【請求項の数】 11

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2019131202

(22)【出願日】2019-07-16

(65)【公開番号】P2020074262

(43)【公開日】2020-05-14

【審査請求日】2019-09-27

(31)【優先権主張番号】201810781345.3

(32)【優先日】2018-07-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(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】ジャン ゴンユ

(72)【発明者】

【氏名】スン ウェンジャン

【審査官】藤本 加代子

(56)【参考文献】

【文献】特開平０４－２１８２５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１８７０２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００１－５２６４４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２５９６１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／１５８９３０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許第０５２２７６２９（ＵＳ，Ａ）

【文献】米国特許第０６５１２２２６（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｊ ４９／４２

Ｇ０１Ｎ ２７／６２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定の軸方向に沿った第１平面内に配置された第１対のロッド電極と、
前記軸方向に沿った第２平面内に配置された第２対のロッド電極であって、該第２平面は、前記第１対のロッド電極および該第２対のロッド電極が四重極を形成するように前記第１平面に対して垂直である、第２対のロッド電極と、
前記第１対のロッド電極と前記第２対のロッド電極の間のＤＣ電位差Ｕを供給するために使用されるＤＣ電源と、
前記第１対のロッド電極と前記第２対のロッド電極の間のＲＦ電圧を供給するために使用されるＲＦ電源であって、該ＲＦ電圧の振幅はＶであり、周波数はΩである、ＲＦ電源と、
前記第１対のロッド電極と前記第２対のロッド電極の間の第１ＡＣ励起電圧を駆動するために使用される第１ＡＣ周波数源であって、該第１ＡＣ励起電圧の振幅は、前記ＲＦ電圧の振幅Ｖよりも小さく、Ｖ_ｅｘ１として記録され、該第１ＡＣ周波数源の周波数はΩとは異なるω_ｅｘ１である、第１ＡＣ周波数源と、
前記ＲＦ電圧の前記振幅Ｖを線形変調するために使用される第２ＡＣ周波数源であって、変調周波数はω_ｅｘ２である、第２ＡＣ周波数源と、
を備える四重極質量分析装置。

【請求項2】

ω_ｅｘ１はω_ｅｘ２に等しい、請求項１に記載の四重極質量分析装置。

【請求項3】

ω_ｅｘ１はω_ｅｘ２の２倍である、請求項１に記載の四重極質量分析装置。

【請求項4】

Ｖ_ｅｘ１／Ｖは０．００１から０．０２の範囲内である、請求項１に記載の四重極質量分析装置。

【請求項5】

Ω／ω_ｅｘ１は５以上の整数である、請求項１に記載の四重極質量分析装置。

【請求項6】

前記ＲＦ電源によって供給される前記ＲＦ電圧に対する前記第２ＡＣ周波数源の変調深さは９０％から１１０％の範囲内である、請求項１に記載の四重極質量分析装置。

【請求項7】

前記ＲＦ電源によって供給される前記ＲＦ電圧に対する前記第２ＡＣ周波数源の変調深さは、前記第１ＡＣ周波数源によって生成された励起電圧の振幅Ｖ_ｅｘ１との線形関係を維持する、請求項１に記載の四重極質量分析装置。

【請求項8】

前記第１対のロッド電極と前記第２対のロッド電極の間の第２ＡＣ励起電圧を駆動するために使用される第３ＡＣ周波数源を備え、前記第２ＡＣ励起電圧の振幅は前記ＲＦ電圧の前記振幅Ｖよりも小さく、Ｖ_ｅｘ３として記録され、前記第２ＡＣ励起電圧の周波数ω_ｅｘ３はΩとは異なる、請求項１に記載の四重極質量分析装置。

【請求項9】

ω_ｅｘ３はＡω_ｅｘ１＋ＢΩの正の値に等しく、Ａは－３と３との間の非ゼロ整数であり、Ｂは非負整数である、請求項８に記載の四重極質量分析装置。

【請求項10】

Ｕ対Ｖの比は０．１６７から０．１７２の範囲内である、請求項１に記載の四重極質量分析装置。

【請求項11】

請求項１に記載の四重極質量分析装置に適用される質量分析方法であって、
所定の軸方向に沿って四重極質量分析装置に侵入するようにイオンを案内するステップであって、前記四重極質量分析装置において、前記ＲＦ電源は前記第１対のロッド電極と前記第２対のロッド電極の間にＶの振幅およびΩの周波数を有するＲＦ電圧を印加し、前記ＤＣ電源は前記第１対のロッド電極と前記第２対のロッド電極の間にＤＣ電位差Ｕを印加し、前記第１ＡＣ周波数源は、前記第１対のロッド電極と前記第２対のロッド電極の間にＶ_ｅｘ１の振幅およびω_ｅｘ１の周波数を有する第１ＡＣ励起電圧を印加し、前記第１ＡＣ励起電圧は前記ＲＦ電圧に重畳され、前記第２ＡＣ周波数源は、ω_ｅｘ２の変調周波数を有する変調信号を生成し、該変調信号を使用することによって前記ＲＦ電圧の振幅Ｖを変調する、ステップと、
前記ＲＦ電圧の前記振幅、前記第１ＡＣ周波数源の前記電圧振幅、および前記第２ＡＣ周波数源の前記変調振幅の間で特定の比率を維持することにより該複数のＡＣ周波数源が位相コヒーレントになるようにするステップと、
イオンを収集するために前記ＲＦ電圧の前記振幅を調整するステップと、
を備える質量分析方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一般に質量分析の分野に関し、より具体的には、四重極質量分析装置および質量分析方法に関する。

【背景技術】

【0002】

四重極質量分析装置は、現時点で最も広く使用されている質量分析装置システムである。そのプロトタイプは１９５０年代に製造されており、ノーベル賞受賞者のＰａｕｌらによって発明された非常に成熟した技術および方法であった。たとえば、元の米国特許第２，９３９，９５２号明細書では、４つの双曲線または円形ロッド電極がイオン光学システムと平行に対称的に配置され、その中で相互に対称な２つの電極ロッドがそれぞれ対になって接続され、四重極ＤＣ電圧および互いに逆相の出力を有するＲＦ電圧がこれらに印加される。Ｖ（ｔ）＝＋（Ｕ＋ＶＣｏｓΩｔ）の時間依存交流電圧が１対の電極に印加され、－Ｖ（ｔ）＝－（Ｕ＋ＶＣｏｓΩｔ）の逆交流電圧がもう１対の電極に印加され、ここでＵはＤＣ電圧を表し、ＶはＡＣ電圧であり、ΩはＲＦ電源の角周波数である。構成された四重極ＲＦ電圧の四重極ＤＣ電圧に対する比が適切であるとき、特定の質量電荷比Ｍｚを有するイオンは四重極システムを安定的に通過することができ、この値よりも小さい質量電荷比を有するイオンは１対の電極上で失われる傾向があり、この値よりも大きい質量電荷比を有するイオンはもう１対の電極上で失われる傾向がある。この動作モードでは、四重極システムは、特定の質量を有するイオンを選択的にフィルタリングすることが可能なフィルタと見なされることが可能であり、したがって四重極マスフィルタとも称される。

【0003】

通常質量分析システムによって分析される１から１００，０００の質量を有するイオンでは、上述のＡＣ電圧として０．２から１０ＭＨｚの動作周波数を有するＲＦ電圧を使用することが適切である。通常、四重極マスフィルタに注入されるイオンエネルギーは、数電子ボルトから数十電子ボルトである。イオンが数百ミリメートルの長さの四重極を通過するとき、これらはおよそ数十から数百のＲＦ周期を経験することになる。ＲＦ電圧の影響下で、イオンは２対の極のそれぞれの方向に周期的に振動し、運動の安定性は通過イオンの質量電荷比範囲を決定する。一般に、四重極および使用される電源は、四重極の中央領域で生成される電場を以下の式で表されるような純粋な四重極電場の分布に可能な限り近付けるべきである。

【数1】

ここで、ｒ_０は、四重極の表面から中心対称軸までの最短距離である。これはまた、四重極ロッド電極システムの電場半径として知られる。四重極システム内のイオンに対して作用する力の状況は、電場の微分方程式によって決定される。純粋な四重極場では、ＸおよびＹ方向のイオンの運動は相関していない。以下の２つの重要な無次元パラメータは、イオンのニュートン運動方程式－マシュー（Ｍａｔｈｉｕ）方程式を解くことによって得ることができる。

【数2】

ここで、Ｍおよびｅはそれぞれイオン割り当て質量および電荷を表す。
四重極質量分析装置の動作プロセスは、以下のステップを含む。
イオン源によって生成されたイオンが四重極の軸に沿って四重極質量分析システムに侵入することを可能にするステップと、
成分ＡＣＶおよびＤＣＵを有するＲＦ電源を四重極ロッド電極に印加するステップと、
ＡＣＶ対ＤＣＵの比をλ_１＝ａ_１／２ｑ_１＝０．１６７８５２よりもわずかに低く維持するステップと、
その比を変化しないように維持しつつ、ＵおよびＶの値を徐々に増加させ、四重極ロッド電極システムを通過するイオンを決定するステップ。

【0004】

イオン信号強度とＲＦ電圧Ｖの関係が記録される。以下の式（３）に従って、必要な質量スペクトログラムを得ることができる。

【数3】

【0005】

図１は、従来の四重極ロッド電極システムの概略構造図およびその電源接続モードの概略図である。

【0006】

マシュー方程式は、四重極場におけるイオンの複雑な運動軌跡を記述するものであり、これは安定した運動軌跡と不安定な運動軌跡とに分けられる。四重極システム内のイオンの安定運動は、イオンの運動半径範囲が四重極ロッド電極システムの電場半径（ｒ_０）よりも小さいこと、つまり、四重極電極システム全体のイオンの運動がこれらを四重極に接触させて消滅させることはないということを指す。四重極場のイオンの安定性または不安定性は、ａ、ｑを座標とする二次元「安定図」に表すことができる。イオンの安定運動は、ＸおよびＹ方向のイオンの運動が安定していることを指す。数学的には、イオンは多くの安定領域を有することができる。最も一般的に使用される安定領域は、図２に示されるような、第１の安定領域である。

【0007】

実際の作業では、四重極に侵入する様々な質量電荷比を有するイオンは全て、ａ、ｑ空間の同じ走査線ａ＝２λｑ上に分布する。質量が小さいイオンほどｑ値が大きくなり、大きいイオンは原点に近い走査線側に位置している。勾配λ＝Ｕ／Ｖはイオン質量と関係ないが、その大きさは、安定領域と重なることによって形成されるマスフィルタウィンドウの幅を決定する。理想的な四重極場システムの第１の安定領域の頂点座標は、ａ_１＝０．２３６９９４およびｑ_１＝０．７０５９９６に位置する。

【0008】

四重極質量分析装置が質量分析を実行するとき、走査線が頂点のわずかに下の位置を掃引できるようにする必要がある（図２に示される通り）。この場合、たとえばＭ_ｌｏｗからＭ_ｈｉｇｈまでの質量範囲のみを有するイオンに対応するｑ値は、ＸおよびＹ方向の両方において運動が安定している領域に対応する。四重極質量分析装置の質量分解能は、式（３）に示される。

【数4】

Ｒは或る質量における分解能、Ｍは質量スペクトルのピーク質量電荷比、ピーク幅ΔＭは、１０％ピーク高さまたは５０％ピーク高さなど、相対比高さでの幅である。理論的には、質量分解能は、式（４）に従ってｑから直接得ることができる。

【数5】

ここで、Δｑ＝ｑ_ｍａｘ－ｑ_ｍｉｎは、走査線と安定領域との２つの交点間の直接距離を表す。したがって、安定図の境界曲線から実際の四重極マスフィルタシステムの理論分解能を推定することができる。なお、理論分解能は、イオンが四重極ロッド電極システム内で十分に長い時間にわたって流れている時にのみ正しいことに、注意する必要がある。

【0009】

Ｄａｗｓｏｎ Ｐ．Ｈ．の著書Ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ ａｎｄ ｉｔｓ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｗｏｏｄｂｕｒｙ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，［１９９５］で彼が導いた結論を参照する。四重極ロッド電極システム内のイオンの運動時間はいつも限られているので、四重極ロッド電極システム内のイオンの運動の周期数ｎが式に使用される場合、得られた最大質量分解能は、周期数と二乗関係、すなわちＺａｈｎの定理を有する。

【数6】

ここで、Ｃは質量スペクトルピーク高さにおける質量分解能の計算に関する定数である。たとえば、質量分解能が１０％ピーク高さで測定されるとき、Ｃ≒２０である。

【0010】

式（５）は、四重極が正常に動作する状況下で取得可能な質量分解能を与える。たとえば、イオンが１００ＲＦ周期にわたって動作する状況下で取得可能な最大質量分解能は、およそ５００である。通常、市販の四重極質量分析装置が単位質量分解能で動作するのは、このためである。

【0011】

最新の質量分析技術の開発により、多くの用途でより高い分解能の必要性が見出されている。たとえば、バイオ系質量分析においては、多数の高電荷同位体ピークが分解される必要がある。元素分析では、同じ単位質量を有する異なる元素の同位体情報を分解するために、コアの結合エネルギーによる元素の質量電荷比の損失が使用され得る。これらの必要性は、質量分析装置が０．２、０．１、さらには０．０１の質量電荷比の差でイオンを分解することを要求する。通常、既存の四重極質量分析装置がこのような分析要件を満たすことは非常に困難である。

【0012】

現時点で、科学技術者は、四重極マスフィルタシステムの分解能を改善するために多くの方法を試してきた。最初に、長尺の四重極システムが使用されている。たとえば、Ｕ．Ｖｏｎ Ｚａｈｎらは、かつてＲ＝１６，０００の分解能を得るために５．８ｍの長さの四重極を製造した（Ｚ．Ｐｈｙｓ．１６８，１２９－１４２（１９６２）参照）。しかしながら、この方法は、実際の製造における処理電極の加工精度および組み立て精度によって制限される。現在、４ｍｍから６ｍｍの電場半径を有する四重極の長さは一般に１５０ｍｍから３００ｍｍである。より長い四重極システムでは、平行関係および内部電場半径をミクロンレベル未満に制御することは非常に困難である。あらゆる犠牲を払って上記の精度が実現されたとしても、システムの自重によって形成される片持ち梁のたわみのため、システムの実際の分解能は予め設定された精度よりもはるかに低くなる。加えて、四重極システムに注入されたイオンの運動エネルギーもまた、制御および削減されることが可能である。しかしながら、イオン相空間におけるリウヴィルの定理の特性のため、イオンの運動エネルギーの減少は、必然的にイオンの径方向位置－運動量領域の拡大を伴い、したがってイオン通過効率を大きく低下させる。同時に、イオンの運動エネルギーの減少によって生じる滞留時間の増加は、四重極マスフィルタの走査速度を厳しく制限する。これは、毎秒数百のイオン対の強度分析を実行することが要求される最新の質量分析システムには許容できない。

【0013】

このため、科学者らはまた、四重極の分解能を向上させる他の方法も提案している。たとえば、Ｍ．Ｈ．Ａｍａｄらは、Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙにおいて四重極の有効長さを増加させるために四重極の前後に反射レンズ群を適用しようと試み、およそ２２，０００の質量分解能を得た。しかしながら、この方法は質量分析システムの有効デューティサイクル時間を大幅に減少し、質量スペクトルのピーク形状もまた不十分である。

【0014】

加えて、科学者らはまた、別の安定領域を使用しようと試みた。図３に示されるように、０．９５の周波数を有する単一のＡＣ励起電圧によって影響を受ける安定の島（灰色）が示されている。主要な安定の島は、Ａ、Ｂ、およびＣとして記されている。太い実線は第１の安定領域の境界を示し、走査線（細い実線）の勾配はλ＝０．１６８である。

【0015】

およそ２１のｑ値を有する第４の安定領域では、Ｚａｈｎ定数Ｃ値は、一般に使用される第１の安定領域の値よりも小さい。ＤＪ Ｄｏｕｇｌａｓらは、およそ１３，０００の分解能を得た。しかしながら、分析窓を形成するために高ｑ値を有するこのような高次安定領域を使用することで、必要なＲＦ電源電圧を大きく増加させるので、これは低原子量の少量の元素の質量スペクトル分析にしか適用され得ない。

【0016】

Ｚａｈｎ係数Ｃの大きさを減少させることで、四重極質量分析装置の性能を大きく向上させることができる。高次安定領域の使用に加えて、定数Ｃを減少させるもう１つの方法は、いわゆるＡＣ励起モードを使用することである。その原理は、主ＲＦ電圧の周波数と異なる周波数を有するＡＣ電場を使用して、その周波数が四重極場内のＸまたはＹ方向のイオンの長期発振周波数と同じに維持されるかまたはこれと積分比周波数関係を有したまま維持され、イオンの振動振幅励起が鋭くなって臨界状態のイオンの軌道安定性が明確になることである。１９９２年のＡｌａｎ Ｓｃｈｏｅｎ（米国特許第５０８９７０３号明細書参照）および１９９３年のＫｏｚｏ Ｍｉｓｅｋｉ（米国特許第５２２７６２９号明細書参照）は、四重極質量分析の分解能を向上させるための類似の解決策を提案しており、Ａｌａｎの解決策は、ピークの前縁および後縁のうねりのスペクトルピークを得るように、位相が互いに一致するかまたは異なりつつＸおよびＹ方向のイオンの振動振幅が周期的に変化できるようにするために励起電圧を分極すべく、２つの異なるＡＣ空間を使用し、次いで高分解能を得るためにデコンボリューションの数学アルゴリズムを使用することである。この方法は後に２０１３年に、位相空間で放出されたイオンの特性を測定するために高速空間分解表面検出器を使用するように開発された。デコンボリューション効率は、より多くの次元情報（放出空間分布、位相時間分布）を導入することによってさらに改善され、およそ５０，０００の分解能を得られるようになった。しかしながら、離散イオン流の位相情報を使用してデコンボリューションされる高分解能が、後のデコンボリューション操作のために大量のイオンの統計データを必要とすることは、指摘される必要がある。単一のイオンはこのような高分解能を得ることができないので、高感度四重極質量分析装置での適用は制限される。

【0017】

Ｋｏｚｏ Ｍｉｓｅｋｉらによって発明された励起四重極質量分析装置の原理は、他の方法に基づいている。通常のＤＣおよびＲＦ電圧に加えて、非常に小さなＡＣ電圧Ｖ_ｅｘＣｏｓω_ｅｘｔ（ＡＣ励起電圧）が四重極に印加される。ΩであるＲＦ周波数とは異なり、ＡＣ励起電圧の周波数はω_ｅｘであり、したがって安定領域の頂点付近に不安定帯域が生成され、初期の第１の安定図の上端は、図４に示されるように、多くの安定の島構造に分割される。安定の島の構造を使用することによって、鋭くなった四重極質量分析安定性窓を得ることができる。Ａｌａｎの解決策とは異なり、四重極によって励起された瞬間電場は、ＲＦ電圧場と同じ四重極場構造であり、このため双極子分極電場によって導入された電場不完全性を回避する。この時点で、形成された安定の島構造のみがごくわずかだけ位相依存および空間依存であり、明確なスペクトルピークの前後の境界が形成され得る。たとえば、島津製作所のガスクロマトグラフィ質量分析装置では、イオンは安定の島Ａの位置を通過することができ、ピーク形状は効果的に最適化され、質量分解能および測定信頼性が向上する。しかしながら、実際の適用では、ＸおよびＹ方向のイオンの同時励起のため、四重極励起電圧の大きさは限定される必要があることが指摘される必要がある。また、実際の四重極システムのサイズは切り捨てを伴わざるを得ないため、Ｘ－Ｙ方向のイオン運動は必然的に特定の結合を伴う。特に、第１の安定図の上端にある島Ａでは、ＸおよびＹ方向のイオン運動振幅は非常に大きく、結合項は安定図の先端の深刻な不動態化を引き起こす。したがって、実際にはこの方法の質量分解能の改善は、およそハーフハイトピーク幅（半値幅）の０．１単位に制限される。

【0018】

ロシアの科学者らは、単一四重極励起電圧に関する問題を体系的に研究してきた。たとえば、Ｉｎｔ．Ｊ．Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍ．，２００１，ｖ．２０８，ｐ．１７－２７においてＫｏｎｅｎｋｏｖ Ｎ．Ｖ，Ｃｏｕｓｉｎｓ Ｌ．Ｍ．，Ｂａｒａｎｏｖ Ｖ．Ｉ．，Ｓｕｄａｋｏｖ Ｍ．Ｙｕらによって公開された論文に示されるように、図４のわずかに下部の島ＢおよびＣでは、一方向のみのイオン振動は、四重極励起によって、比較的影響を受けるので（たとえば、島Ｂを通過している間、イオンの安定性はＹ方向に狭い窓を有しつつＸ方向には安定であり、島Ｃを通過している間は反対に、安定の島の両側でＹ運動が安定に維持されて狭い通過窓はＸ方向に現れる）、最良の分離効果は安定の島Ｃで得られる。しかしながら、単一のＡＣ励起電圧を使用することは、走査線が安定の島Ｃを通るとき、これは安定の島Ｂも通り、またはその逆も同様であり、これによってゴーストピークを生成するので、この特性は効率的に使用され得ないという不都合を有する。

【0019】

この問題のいくつかの解決策は、四重極システムの組み合わせに基づいている。たとえば、直列に接続された短い四重極の２つのセクションが使用されてもよく、四重極励起が一方のセクションに適用され、その一方で他方のセクションには四重極励起が適用されず、または安定の島の位置の変化を得るために、直接重畳連結、位相変調、および振幅変調などを通じて適用モードが変更される。たとえば、Ｊｉａｎｇ Ｇｏｎｇｙｕらの博士論文“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｎｏｖｅｌ Ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ Ｍａｓｓ Ａｎａｌｙｚｅｒ（新規な四重極質量分析装置の開発）”では、第１のセクションの島Ｂのｑ値範囲は第２のセクションによって形成された不安定帯域内に収まることが可能であり、こうして島Ｃを通じて質量分解能が得られたときのゴーストピークを排除する。この論文で提示された実験結果は、計器設計者が全長わずか４０ｍｍの組み立て式四重極円形ロッドで５０２ｕの単位質量分解能を得られることを示している。円形ロッド自体の安定図の先端の不動態化および短いロッド長自体の前後でのエッジ場の影響を考慮し、この解決策は通常の状況下で１００ｍｍ以上の四重極長を必要とすることを考慮すると、この実験結果自体が、質量分解能を得るために島Ｃまたは類似の位置を使用する利点を証明しており、四重極マスフィルタのＺａｈｎ係数Ｃを効率的に減少することができる。しかしながら、この方法は、高分解能が得られたときに島Ｂの存在を排除するために四重極マスフィルタの長さを２倍にする必要があり、実際の製造における利点は大きくない。

【0020】

復旦大学と協力してＳｕｄａｋｏｖ Ｍ．Ｙｕ．らによって提供された中国特許出願（第２０１６１０３８１２４０．Ｘ号）は、２つのＡＣ励起電圧を使用することによってこの問題を克服することを開示している。ＤＣ、ＲＦ、および２つのＡＣ励起電圧を含む式は、Ｖ（ｔ）＝Ｕ＋ＶＣｏｓΩｔ＋Ｖ_ｅｘ１Ｃｏｓ（ω_ｅｘ１ｔ＋α_１）＋Ｖ_ｅｘ２Ｃｏｓ（ω_ｅｘ２ｔ＋α_２）に準拠しており、ここで、ΩはＲＦ周波数、ω_ｅｘ１およびω_ｅｘ２は２つのＡＣ励起電圧の周波数であり、ω_ｅｘ１＜ω_ｅｘ２であると定義される。Ｖ_ｅｘ１およびＶ_ｅｘ２はそれぞれ第１ＡＣ励起電圧および第２ＡＣ励起電圧の振幅であり、α_１およびα_２はＲＦの初期位相である。無限小の時間変数ξ＝Ωｔ／２を考慮すると、イオンの横方向運動方程式は以下の通りである。

【数7】

【0021】

２つのＡＣ励起電圧の印加は新しい性能を実証する。適切な励起周波数ω_ｅｘ１およびω_ｅｘ２ならびに振幅Ｖ_ｅｘ１およびＶ_ｅｘ２を選択することによって、ＸまたはＹ方向の不安定運動領域がオフセットされ、対応する安定領域の境界は変更されずに維持され、他の部分は分割される。安定領域の上に、長いストリップ状の安定帯域も現れる。この安定帯域の構造は、２つの印加されたＲＦ電圧の比に関連している。たとえば、２つの四重極励起周波数係数がそれぞれν_１＝０．０５、ν_２＝０．９５、すなわち周波数がそれぞれＲＦ電圧の周波数の１／２０および１９／２０であり、振幅比がＶ_ｅｘ１／Ｖ_ｅｘ２＝１／２．９４となるように選択されるとき、Ｙ方向のイオンの運動振幅励起は抑制される。図面からわかるように、細長い安定帯域が初期安定領域の右側に現れるが、これは「Ｘ運動安定帯域」と称される。

【0022】

図４Ａおよび図４Ｂは、ＡＣ励起周波数が０．０５および０．９５であるときの頂点付近の安定図であり、安定運動領域は灰色で示され、太い黒線は初期安定領域の境界を表し、走査線は安定領域の頂点を通る：λ＝ａ_１／２ｑ_１＝０．１６７８５２。図４Ａは、励起電圧が同相にある状況を表し、図４Ｂは、励起電圧が逆相にある反転を表す。

【0023】

加えて、ＡＣ励起電圧の周波数は図４Ａの周波数と同じであるが、位相は逆である（ｑ_ｅｘ２は負）。図４Ｂに示されるように、この時点で、Ｘ運動は影響を受けていない。その結果、細長い安定帯域が初期安定領域の左側に現れるが、これは「Ｙ運動安定帯域」と称される。イオン運動が安定領域を通じて選択されると、初期の主安定領域を同時に通過する走査線によって形成されるゴーストピークが回避され得る。

【0024】

既存の四重極質量分析システムが、分解能を達成するために統計アルゴリズムを採用することから複数のイオンイベントを処理する必要があること、または分解能効果を得るための特殊な安定図構造を形成するための複数の位相および周波数ロックされた正確なＲＦ電圧に対する依存など、高分解能を取得する動作モードにおいて多くの制限を依然として有することは、指摘される必要がある。同等のサンプリング原理の制限のため、イオンを励起するために２つ以上のＡＣ電圧が使用されるとき、電圧波形生成のサンプリング時間精度は、初期安定図構造が実質的に破壊されないように、各ＡＣ電圧周期の少なくとも最小公倍数に達する必要がある。主ＲＦ電圧の周波数はＭＨｚレベルに達しているので、複数のＡＣ波形の効果的な特性を得るために、電圧精度は少なくとも１８ビット以上の分解能要求を満たす必要があり、デジタルアナログ変換器のサンプリングレートは２０ＭＨｚを超える必要があり、これは高分解能質量分析システムの実際の回路実装に対して比較的不利である。したがって、高分解能を有する新しい四重極質量分析装置を開発する必要がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0025】

上記で説明された従来技術の不都合に鑑みて、本発明の目的は、従来技術における問題を解決するための四重極質量分析装置および質量分析方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0026】

上記の目的およびその他の関連する目的を実現するために、本発明は以下の要素を含む四重極質量分析装置を提供する：所定の軸方向に沿った第１平面内に配置された第１対のロッド電極と；前記軸方向に沿った第２平面内に配置された第２対のロッド電極であって、第２平面は、前記第１対のロッド電極および該第２対のロッド電極が四重極を形成するように前記第１平面に対して垂直である、第２対のロッド電極と；前記２対のロッド電極間のＤＣ電位差Ｕを供給するために使用されるＤＣ電源と；前記２対のロッド電極の間にＲＦ電圧を供給するために使用されるＲＦ電源であって、該ＲＦ電圧の振幅はＵであり、周波数はΩである、ＲＦ電源と；前記２対のロッド電極間の第１ＡＣ励起電圧を駆動するために使用される第１ＡＣ周波数源であって、該第１ＡＣ励起電圧の振幅は、前記ＲＦ電圧の振幅Ｖよりも小さく、Ｖ_ｅｘ１として記録され、該第１ＡＣ周波数源の周波数はΩとは異なるω_ｅｘ１である、第１ＡＣ周波数源と；前記ＲＦ電圧の振幅Ｖを線形変調するために使用される第２ＡＣ周波数源であって、変調周波数はω_ｅｘ２である、第２ＡＣ周波数源。

【0027】

一実施形態において、ω_ｅｘ１はω_ｅｘ２に等しい。

【0028】

一実施形態において、ω_ｅｘ１はω_ｅｘ２の２倍である。

【0029】

一実施形態において、Ｖ_ｅｘ１／Ｖは０．００１から０．０２の範囲内である。

【0030】

一実施形態において、Ω／ω_ｅｘ１は５以上の整数である。

【0031】

一実施形態において、前記ＲＦ電源によって供給されるＲＦ電圧に対する前記第２ＡＣ周波数源の変調深さは、９０％から１１０％の範囲内である。

【0032】

一実施形態において、前記ＲＦ電源によって供給されるＲＦ電圧に対する前記第２ＡＣ周波数源の変調深さは、前記第１ＡＣ周波数源によって生成された励起電圧の振幅Ｖ_ｅｘ１との線形関係を維持する。

【0033】

一実施形態において、本四重極質量分析装置は、前記２対のロッド電極間の第２ＡＣ励起電圧を駆動するために使用される第３ＡＣ周波数源を含み、前記第２ＡＣ励起電圧の振幅は前記ＲＦ電源の振幅Ｖよりも小さく、Ｖ_ｅｘ３として記録され、周波数ω_ｅｘ３はΩとは異なる。

【0034】

一実施形態において、ω_ｅｘ３はω_ｅｘ１＋ＢΩの正の値に等しく、Ａは－３と３との間の非ゼロ整数であり、Ｂは非負整数である。

【0035】

一実施形態において、Ｕ対Ｖの比は０．１６７から０．１７２の範囲内である。

【0036】

上記の目的およびその他の関連する目的を実現するために、本発明は、四重極質量分析装置に適用される質量分析方法であって、以下のステップを含む質量分析方法を提供する：所定の軸方向に沿って四重極質量分析装置に侵入するようにイオンを案内するステップであって、該四重極質量分析装置において、ＲＦ電源は２対のロッド電極間にＶの振幅およびΩの周波数を有するＲＦ電圧を印加し、ＤＣ電源は２対のロッド電極間にＤＣ電位差Ｕを印加し、第１ＡＣ周波数源は、２対のロッド電極間にＶ_ｅｘ１の振幅およびω_ｅｘ１の周波数を有する第１ＡＣ励起電圧を印加し、第１ＡＣ励起電圧はＲＦ電圧に重畳され、第２ＡＣ周波数源は、ω_ｅｘ２の変調周波数を有する変調信号を生成し、該信号を使用することによって前記ＲＦ電圧の振幅Ｖを変調する、ステップと；前記ＲＦ電圧の振幅、前記第１ＡＣ周波数源の電圧振幅、および前記第２ＡＣ周波数源の変調振幅の間で特定の比率を維持することにより該複数のＡＣ周波数源が位相コヒーレントになるようにするステップと；イオンを収集するために前記ＲＦ電圧の振幅を調整するステップ。

【0037】

上記で説明されたように、本発明による四重極質量分析装置は、イオンの通過および過剰なイオンの遮断を容易にするように、四重極システムの安定帯域形成モードを最適化し、これによってイオン通過効率を低下させることなく質量分解能を向上させる。本発明の解決策は、従来技術におけるイオン二方向共振周波数制御で必要な高周波ＡＣ信号の重畳を回避し、高速ＲＦ回路の帯域幅制限によって生じるＲＦ電圧の非線形歪みによって生じる四重極動作性能低下のリスクを効果的に低減することができる。同時に、四重極質量分析によって必要とされるイオン制御電場の走査速度もまた、必要とされる様々なＡＣ励起信号の限界帯域幅の減少により、さらに速く制御されることが可能である。高速四重極走査質量分析性能を得るという有利さがある。

【図面の簡単な説明】

【0038】

【図1】背景技術における四重極および適用電源の概略構造図である。

【図2】背景技術におけるマスフィルタの一般的な図であり、第１の共通安定領域（灰色）は安定線の先端より下の動作線の位置を示し、安定領域は、図面に記されたＹおよびＸ運動の安定境界によって形成されている。

【図3】０．９５の主ＲＦ周波数での単一のＡＣ励起の影響下での背景技術における安定の島、すなわち安定領域（灰色）の概略図であり、３つの主安定領域がＡ、Ｂ、およびＣで記されており、初期安定領域の境界は幅広の実線で表され、斜めの動作線は細い実線で表されている。

【図4A】０．０５の主周波数での２つの四重極励起の状況下での背景技術における第１の安定領域の先端付近のマスフィルタの一般的な安定図である。励起強度は図面に示されている。安定運動領域は灰色で表され、初期の第１の安定領域の境界は太い黒線で表され、動作線は安定の終わりを通る。励起は同じ段である。励起は逆である。

【図4B】０．０５の主周波数での２つの四重極励起の状況下での背景技術における第１の安定領域の先端付近のマスフィルタの一般的な安定図である。励起強度は図面に示されている。安定運動領域は灰色で表され、初期の第１の安定領域の境界は太い黒線で表され、動作線は安定の終わりを通る。励起は同じ段である。励起は逆である。

【図5】本発明の一実施形態による、ＲＦ振幅変調を通じてＸ帯域安定マスフィルタ帯域を形成するための、回路概略ブロック図である。

【図6】本発明の一実施形態による、ＲＦ振幅変調支援四重極励起方法において四重極分解能を向上させるために四重極励起電圧を上昇させることによって形成される質量スペクトログラムである。

【図7】従来の技術的解決策および本発明の改善された技術的解決策における最も可能性のある解像度と滞留時間の二乗との間の依存関係の概略図である。

【図8】本発明の一実施形態による、異なる質量スペクトル分解能幅の下でのイオン信号強度の影響を示す図である。

【図9A】本発明の一実施形態による、ＲＦ振幅支援四重極励起方法をシミュレーションすることによって形成された単位分解能条件下でのＸ帯域の安定図構造である。

【図9B】本発明の一実施形態による、ＲＦ振幅支援四重極励起方法をシミュレーションすることによって形成された高分解能条件下でのＸ帯域の安定図構造である。

【図9C】本発明の一実施形態による、ＲＦ振幅支援四重極励起方法をシミュレーションすることによって形成された超高分解能条件下でのＸ帯域の安定図構造である。

【図10A】本発明の一実施形態による自己補償方法を採用することによって形成された四重極励起波形およびＲＦ変調を通じて分析物としてメラミンを使用することによって形成された高分解能スペクトログラムである。

【図10B】本発明の一実施形態による自己補償方法を採用することによって形成された四重極励起波形およびＲＦ変調を通じて分析物としてスルファドキシンを使用することによって形成された高分解能スペクトログラムである。

【図10C】本発明の一実施形態による自己補償方法を採用することによって形成された四重極励起波形およびＲＦ変調を通じて分析物としてベラパミルを使用することによって形成された高分解能スペクトログラムである。

【図10D】本発明の一実施形態による自己補償方法を採用することによって形成された四重極励起波形およびＲＦ変調を通じて分析物としてレセルピンを使用することによって形成された高分解能スペクトログラムである。

【図11A】本発明の一実施形態による、Ｘ帯域を生成するための理想波形の波形および周波数領域分析図である。

【図11B】本発明の一実施形態による、Ｘ帯域を生成するための実際の波形の波形および周波数領域分析図である。

【図12】本発明の一実施形態による、Ｘ帯域を形成するための変調ＲＦ信号の次数分析および必要な高次周波数成分強度の概略図である。

【図13】本発明の一実施形態による、四重極安定図に対する不平衡ＲＦ振幅変調の影響を説明する概略図である。

【図14A】従来技術における、プリロッド構造を含まない四重極構造、エッジ場、およびａ－ｑ安定図変化の比較概略図であり、上部は四重極構造を含まない概略構造図であり、中央部は軸に沿った変化およびエッジ場を通るパラメータを示す概略図であり、下部は同じパラメータの下で矢印によって表されるａ－ｑ安定図の変化を示し、四重極がプリパラメータを有する状況下では、安定領域のパラメータは常に維持される。

【図14B】遅延ＤＣ勾配技術を採用することによって改善された図１４Ａの四重極構造、従来技術におけるエッジ場、およびａ－ｑ安定図変化の比較概略図であり、上部はプリロッド構造を含む四重極の概略構造図であり、中央部は軸に沿った変化およびエッジ場を通るパラメータを示す概略図であり、下部は同じパラメータの下で矢印によって表されるａ－ｑ安定図の変化を示し、四重極がプリパラメータを有する状況下では、安定領域のパラメータは常に維持される。

【図15A】１９９３年にＭｉｓｅｋｉらによって提供されたプリロッドを含む四重極の解決策における四重極構造、従来技術におけるエッジ場およびａ－ｑ安定図の比較概略図であり、上部はプリロッドを含む四重極の概略構造図であり、中央部は軸に沿った変化およびエッジ場を通るパラメータを示す概略図であり、下部は同じパラメータの下で矢印によって表されるａ－ｑ安定図の変化を示し、図中、プリロッドを含む四重極におけるパラメータは一定に保たれると想定される。

【図15B】本発明の一実施形態による、ＲＦ電圧の振幅を変調することによって改善されたプリロッド構造イオン通過率を有する四重極構造、エッジ場、およびａ－ｑ安定図変化の比較概略図であり、上部はプリロッドを含む四重極の概略構造図であり、中央部は軸に沿った変化およびエッジ場を通るパラメータを示す概略図であり、下部は同じパラメータの下で矢印によって表されるａ－ｑ安定図の変化を示し、図中、プリロッドを含む四重極におけるパラメータは一定に保たれると想定される。

【発明を実施するための形態】

【0039】

以下、具体的な実施例を通じて本発明の実施を説明するが、当業者は、本明細書に開示された内容を通じて本発明の他の利点および効果を容易に理解するだろう。本発明はまた、他の異なる具体的な実施を通じて実施または適用されてもよく、本明細書における詳細は異なる観点および用途に基づいて本発明の精神から逸脱することなく修正または変更されてもよい。なお、本出願の実施形態および実施形態の特徴は、矛盾のない状況下で互いに組み合わされてもよいことに、注意すべきである。

【0040】

背景技術に記載された既存の技術的解決策は、複数のＡＣ励起電圧の使用が安定図に変化をもたらすことを示している。本発明の原理に関する理解を容易にするために、さらなる議論が本明細書に記載される。たとえば、従来技術では２つのＡＣ励起電圧が使用される。図４Ａおよび図４Ｂに示されるように、励起電圧ｑ_ｅｘ１およびｑ_ｅｘ１が特定の周波数比である場合、ＸまたはＹ方向イオン運動に対応する安定帯域が初期安定領域の外側に生成される。実際、これは、励起電圧が２つの周波数のｑパラメータに対応する、すなわち、比ｑ_ｅｘ２／ｑ_ｅｘ１が固定されているとき、ＸまたはＹ方向のイオン運動の拡張マシュー方程式の解によってこれらの周波数で生成された振幅が単にオフセットされ、これによって光学回折縞に似たイオン安定帯域を生成するからである。

【0041】

２つの異なる周波数を有する励起電圧によって生成されたイオン運動項がオフセットされ得るのみならず、励起電圧印加の異なるモードはＸおよびＹ方向で異なる振動周波数、振幅、および強度を生成できるので、四重極励起が異なる方法で印加されるときもそうであることは、指摘される必要がある。励起電圧印加の異なるモードを使用し、励起電圧の波形、振幅、および位相を調整することによって、四重極質量分析の質量分解能を向上させるために安定領域の外側で狭い安定帯域を得ることもまた可能である。

【実施例1】

【0042】

安定図上でω_ｅｘの動作周波数を有する四重極励起信号の影響を調査する実施形態では、四重極励起信号は、線形加算の形式でＲＦ信号に重畳されないが、四重極励起信号は、乗算演算子の形式で初期ＲＦ信号の振幅を変調するために、振幅変調信号として使用される。

【0043】

ω_ｅｘおよび周波数ΩのソースＲＦ信号が、四重極質量分析装置に導入される異なる初期位相を有するイオンでは非整数比であるとき、位相条件は、安定領域の境界におけるイオン軌道を後退または励起させ、これは通常、Ａｌａｎ Ｓｃｈｏｅｎの特許で前述されたように、イオン注入の位相に応じて安定図の境界に周期的変化をもたらす。安定図の境界振動は、イオン運動の安定性を、異なるｑ値で連続的および周期的に強化および弱化させて、得られた質量スペクトルピークの境界でリンギング現象を発生させる。

【0044】

ソースＲＦ信号のω_ｅｘおよび周波数Ωが整数比であるとき、状況はＫｏｚｏ Ｍｉｓｅｋｉの前述の特許と似ており、四重極質量分析装置の安定図は一連の安定の島構造になる。安定の島を分離させる不安定なメッシュ帯域では、ＸおよびＹ方向のイオンの運動周波数は、順にω_ｅｘ，２ω_ｅｘ，．．．，Ω／２である。イオン運動のマシュー方程式は、以下のように表される。

【数8】

ここで、四重極振幅変調周波数係数はν＝ω_ｅｘ／Ωである。ν＝０．０５、すなわち四重極振幅変調波形の周波数がソースＲＦ周波数の１／２０であるとき、２つの主帯域はそれぞれ、１／２０Ωおよび１９／２０Ωのイオン共振周波数に対応する。四重極励起電圧を直接線形に重畳する従来の変調方法とは異なり、ＹおよびＸ方向のイオンの主振動モードは正反対である。つまり、１／２０Ωの変調周波数は、Ｙ方向に１／２０Ωのイオン共振周波数を生成することができる。一方、１／２０Ωの重畳四重極励起電圧はまた、Ｙ方向に１／２０Ωのイオン共振周波数を生成することもできるが、位相は正反対である。したがって、上記の２つの信号は、Ｙ方向の１／２０Ωのイオン共振周波数をオフセットして不安定帯域を形成するために重畳されることが可能である。

【0045】

不安定帯域の特定の構造を分析するために、ＲＦ振幅変調信号が印加されて四重極励起電圧が同時に重畳される場合の解の安定性を分析する必要がある。このとき、Ｘ－Ｙ空間におけるイオン運動は、以下のようにマシュー方程式を満たす。

【数9】

ここで、第１ＡＣ周波数源は、図１に示されるように、四重極システムの２対のロッド電極間の第１ＡＣ励起電圧を駆動するために使用され、第１ＡＣ励起電圧の振幅は、ＲＦ電圧の振幅Ｖよりも小さく、Ｖ_ｅｘ１として記録され、周波数は異なっていてω_ｅｘ１であり、重畳四重極励起周波数係数はν_１＝ω_ｅｘ１／Ωである。

【0046】

加えて、第２ＡＣ周波数源はＲＦ電圧の振幅Ｖを変調するために使用され、変調周波数はω_ｅｘ２であり、変調周波数係数はν_２＝ω_ｅｘ２／Ωである。

【0047】

より簡単な方法は、２つのＡＣ周波数源の動作周波数を等しくすることである。この時点で、２つのＡＣ周波数源の励起電圧の周波数は、ν＝０．０５など、単一の周波数として表されてもよい。ν＝Ｋ／Ｐであり、ＫおよびＰは整数であり、式７の周期関数の共通周期がπＰであるとすると、式７はヒルの式（すなわち、周期係数を含む二次線形微分方程式）に変換される。この時点で、安定した軌道を有するｑパラメータ分布、すなわち安定図を求めるために、マトリックス法（［Ｋｏｎｅｎｋｏｖ，Ｎ．Ｖ．；Ｓｕｄａｋｏｖ，Ｍ．Ｙ．；Ｄｏｕｇｌａｓ，Ｄ．Ｊ．Ｍａｔｒｉｘ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ｄｉａｇｒａｍｓ ｉｎ Ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ．／／Ｊ．Ａｍ．Ｓｏｃ．Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍ．２００２，１３，５９７－６１３］など）およびその他の数学的方法が使用されてもよい。

【0048】

変調振幅の変化は通常小さく、重畳された四重極励起ＡＣ信号の振幅もまた小さいので、上記の式の解は、パラメータを用いる摂動法を採用することによって得ることができる。振幅パラメータｑ_ｅｘ１が０．０１５未満のように小さいとき、乗算変調および加算変調の高次三角項の積因数は線形関数で記述され得る。この時点で、比ｑ_ｅｘ２／ｑ_ｅｘ１が決定されると、ω_ｅｘおよびΩ／２－ω_ｅｘ周波数の安定した四重極励起オフセットを得ることができる。Ｙ方向のω_ｅｘがオフセットされると、Ｘ方向運動の狭帯域安定領域を得ることができ、これはＸ帯域と称される。反対に、Ｘ方向のω_ｅｘがオフセットされると、Ｙ方向運動の狭帯域安定領域を得ることができ、これはＹ帯域と称される。通常、非対象方向の振動振幅を差し引くために、ｑ_ｅｘ２／ｑ_ｅｘ１はおよそ１．５となるように制御される必要がある。より大きいν値では、三角関数の非線形項が考慮されなければならない。近似法を採用することによって、類似の結果を得ることができる。もう１つのポイントは、比ｑ_ｅｘ２／ｑ_ｅｘ１がより小さい固定値の場合、Ｘ帯域またはＹ帯域によって得られた比ｑ_ｅｘ２／ｑ_ｅｘ１はνと関係がなく、これは三角関数の拡張Ｔａｙｌｏｒ式の特性によって決定されることである。

【0049】

同様に、Ｘ帯域を生成するために他の励起周波数を選択することによって、Ｙ方向の不安定運動をオフセットすることができる。たとえば、ｑ_ｅｘ２／ｑ_ｅｘ１＝１．６３、ν_１＝ν、およびν_２＝１－νのとき、従来技術の図４Ａのものと類似の狭い安定帯域結果も得ることができる。実際、ＡＣ振幅変調周波数係数および重畳励起周波数係数がＡω_ｅｘ＋ＢΩの形式で設定され、Ａが４より小さい絶対値を有する自然数であるとき、イオン運動周波数項の拡張式は、Ａω_ｅｘ周波数におけるイオンの指向性励起を排除するためにより良く重畳されることが可能であり、こうして狭い不安定帯域を形成する。

【0050】

四重極質量分析装置が機能するとき、ＲＦ電圧および四重極ＤＣ振幅の設定値は、安定領域の頂点を通る走査線ａ＝２ｑλである。従来のモードでは、四重極の質量分解能は、走査線の勾配λ＝Ｕ／Ｖによって決定される。安定帯域走査モードでは、走査線の勾配は固定されており、イオンはＡＣ励起電圧のない状況下で安定した軌道を持たない。この時点で、四重極の質量分解能は安定帯域の幅によって決定され、安定帯域の幅は、重畳励起電圧振幅に対するＡＣ振幅変調深さの比ｑ_ｅｘ２／ｑ_ｅｘ１によって決定されるか、またはパラメータＡＭ２比（振幅変調２パラメータ比）として記録される。理論上の質量分解能はＲ＝ｑ_{ｃｅｎｔｒｅ}／Δｑであり、ここでΔｑ＝ｑ_１－ｑ_２、これは走査線と安定領域との２つの交点間の距離を表し、ｑ_{ｃｅｎｔｒｅ}は中央値である。

【0051】

表１に示されるように、理論上の質量分解能とＡＭ２比パラメータとの間の関係が示されている。この方法は、Ｘ帯域の質量分解能を求めるために使用され、ここで無次元周波数、すなわち主ＲＦ電圧に対するＡＣ励起電圧の周波数比ν＝０．０５である。表では、Ｑ１およびＱ２はそれぞれ安定帯域を形成する２つのエッジのｑ値であり、ＤｅｌｔａＱは質量安定帯域の幅を示す。ａＡおよびｑＡは安定帯域の上部頂点の座標であり、比は四重極の走査線の勾配の最大値ｋＭａｘを決定し、ａＢおよびｑＢは下の安定の島の頂点座標であり、比は四重極の走査線の勾配の最小値ｋＭｉｎを決定し、それがこの値を下回るとき、走査線は、ゴーストピークを生成するために下の安定の島を切り落とす。帯域のｑ差幅に従って、対応する条件下での限界質量スペクトル分解能である理論分解能値が得られる。

【0052】

【表1】

【0053】

表から、ＡＭ２比が対応する適切な値に設定されているとき、励起電圧および変調振幅の組み合わせが大きいほど、高い分解能が得られることがわかる。なお、走査線の勾配λ＝Ｕ／Ｖが小さすぎるとき、走査線はゴーストピークを生成するために安定領域を通過することに、注意する必要がある。表中の上記パラメータに従って四重極質量分析装置の動作条件を設定することによって、およそ６６，０００までの最大質量分解能を得ることができる。本明細書では、第１ＡＣ周波数源に対するＲＦ電源の周波数比Ω／ω_ｅｘ１は５以上の整数である。２分周、５分周、および１０分周の分周器については安価で利用可能な解決策が容易に見つかるため、通常は２０分周の条件、すなわちν＝０．０５が採用される。ＲＦ電源の出力電圧に対するＲＦ振幅変調を形成するための第２ＡＣ周波数源の変調深さは、９０％から１１０％の範囲内である。通常、ＲＦ電源の出力電圧に対する第２ＡＣ周波数源の変調深さおよび第１ＡＣ周波数源によって生成される励起電圧の振幅Ｖ_ｅｘ１は、線形関係を維持する。

【実施例2】

【0054】

まず表２および表３を参照する。
表２は、Ｘ帯域の生成を引き起こすＡＣ振幅変調周波数係数ν_２および重畳励起周波数係数ν_１の組み合わせと、その周波数比とを示し、これらは周波数の低い方から高い方へと配置されている。

【表2】

【0055】

表３は、Ｘ帯域の状況下で従来のモードでの四重極のシミュレーションを示す。全ての振幅はゼロピークである。

【表3】

【0056】

上記の表１によれば、四重極質量分析走査を実行するためにＸ帯域を形成するために四重極励起電圧と組み合わせて振幅変調ＲＦを使用することによって、非常に高い質量分解能を得ることができる。しかしながら、これは無限の長い四重極における理論的な数値シミュレーション状況に過ぎないことに注意する必要がある。上述のように、実際の適用では、質量分解能は、まず四重極内のイオンの滞留時間によって制限され、これは有限の長いロッドでは相応に低下する。たとえば、シミュレーションでは、ｒ_０＝４ｍｍの電場半径および２００ｍｍの長さを有する四重極を使用する。まず、ロッドシステムの両端における電場歪みの影響は考慮されず、両端の高次電界効果を無視するために純粋な四重極場（双曲面電極）として四重極に沿った電場が設定される。四重極が１．２ＭＨｚのＲＦ周波数の条件下で動作するとき、６０９Ｄａのイオンは従来のモードで１０，０００の質量分解能を得ることができる。対応する電源が、表３の「従来」での条件に従って設定される。新しい動作モードで、表２の別の条件を選択し、対応するＡＣ励起電圧の振幅は表３の「Ｘ帯域－ＡＭＲＦ」によって表される。この条件下では、６０９の質量を有するレセルピンのイオン質量分解能もおよそ１０，０００である。Ｓｕｄａｋｏｖらの従来技術を類推するために、これらの条件は「Ｘ帯域－従来技術」に転記されている。

【0057】

上記の表から、振幅変調モードが使用されると、従来技術の１．１４ＭＨｚの第２の励起電圧は回避されることがわかり、この場合、１．１４ＭＨｚの第２の励起電圧が使用されると、その周波数は主ＲＦ周波数と非常に近いため、その振幅もまたサンプリングフィードバックを通じて制御回路によって取得されるので、これは高分解能四重極質量分析装置の駆動電源の設計にとって非常に有用である。通常、サンプリングフィードバックでは整流回路が使用されるので、そのフィードバック深さは通常、瞬間的な高周波ＲＦ信号の絶対値として反映される。しかしながら、１．１４ＭＨｚの第２の励起電圧の振幅はより大きく、初期ＲＦ信号の整流値とともにビート周波数パターンを形成し、これは様々なＲＦおよびＡＣの位相でフィードバック回路のフィードバック値を変動させ、安定したＲＦ信号を形成するには非常に不利である。

【0058】

しかしながら、本発明によって提供される変調の解決策を使用すると、１．１４ＭＨｚのＡＣ電圧は回避されるので、６０ＫＨｚの変調および重畳されたＡＣ波形信号のみがシステム全体に現れる。この時点で、６０ＫＨｚは周波数帯域１．２ＭＨｚからほど遠いので、非常に単純なハイパスおよびローパスフィルタは、四重極上で混合信号の重畳を完全に実現することができる。同時に、励起信号の影響を排除することは容易である。さらに、逆６０ＫＨｚ信号を積極的に生成することによって、回路内のスプリアスノイズの影響をオフセットすることさえ可能である。

【0059】

図５に示されるように、ＲＦ振幅変調を通じてＸ帯域安定マスフィルタ帯域を効率的に形成することが可能な回路概略ブロック図では、質量制御信号５０１は加算器５１１を通じて第１ＡＣ電源５２１からの信号と混合され、重畳ＡＣ信号源の強度は乗算器５１２を通じて第１励起電圧信号源５０３によって変調され、形成された混合制御信号は、それぞれ正方向重畳器５１３および逆重畳器５１４を通じて四重極ＤＣ強度を制御するための分解能制御ＤＣ電圧源５０２の信号と重畳され、信号は、加算増幅回路を通じて四重極電極対５００Ａおよび四重極電極対５００Ｂにそれぞれ印加される。四重極対のバイアス電圧が補正される必要があるとき、上記の出力ＤＣ電圧は、加算増幅回路５１５および加算増幅回路５１６を通じてバイアスＤＣ電圧源５０４によってバイアスされてもよい。

【0060】

同時に、四重極ＲＦ信号の変調振幅を効率的に制御するために、第２ＡＣ電源５０５は振幅変調信号を形成し、励起電圧は、図中の６０ＫＨｚなど、周波数選択増幅器５１７を通じて増幅されてもよい。この波形は、１．２ＭＨｚの周波数選択増幅器５１９における上記質量制御信号の出力と共に乗算器回路５２０上で変調振幅信号を形成するので、信号は、共振変圧器の一次コイル５３１を通じて二次増幅コイル５３２および二次増幅コイル５３３にＲＦエネルギーを伝達することができ、こうしてイオンを拘束するためのＡＣおよびＲＦ信号の組み合わせを生成する。

【0061】

ＲＦ振幅変調信号および重畳四重極励起電圧信号の合成では、様々な乗算器の通過帯域幅が限定されていることが、さらに指摘される必要がある。他の信号周波数を導入するために第２の周波数選択増幅器５１８を導入することなどにより、これらの問題を克服するために、いくつかの解決策が採用され得る。５０５、５１７、および５１８の組み合わせは、場合により、複数のミキサーネットワークまたはチップ、または上記の周波数組み合わせの直接波形合成などの他の手段によっても実施され得る。

【0062】

類似の質量数を有するイオンで構成されるイオンビームが四重極内を移動するとき、これは横方向運動でおよそ０．１ｍｍのランダムな分布を有することになる。全てのイオンが同じエネルギーで四重極の方向に飛行するので、これらは同時に飛行する。イオンが四重極に侵入する時間は、均一な分布で０μｓから２０μｓなので、四重極に侵入するイオンは、全ての可能なＲＦ位相内のみならず、ＡＣ励起電圧の全ての位相内にもある。最後に、イオンは正規分布に到達し、ここで横方向エネルギー標準偏差は０．０２５ｅＶであり、これは３２０Ｋでのイオンの熱運動エネルギーに相当する。シミュレーションのたびに、１０，０００個のイオンを同じ質量およびエネルギーで設定する。他の条件では、これらをランダムに分布する。これらが四重極に衝突するか消滅するかまたは四重極の他端に通過されると、シミュレーションは停止する。次に、通過したイオンの数を記録し、次いで図示されるように異なるピーク形状が形成されるまでシミュレートするために、別の質量数のイオンを設定する。実際には、四重極は他の方法で動作し、すなわちＲＦおよびＤＣ電圧を走査し、ＲＦ電圧からイオンの公称質量を得ることができる。したがって、実際の実験と比較して、本明細書のシミュレーションでは、低質量数および高質量数の両方のピークが現れる。

【0063】

質量分解能が最も低い状況下でも、多くのイオン（およそ半分）が失われることがわかる。これは、イオンの速度および位置の初期分布によって引き起こされる。主ＲＦ強度に対する四重極励起電圧の比を増加させるように調整することで、質量分析装置の分解能を急速に向上させることができる。図６に示されるように、ＲＦ振幅変調支援四重極励起方法において四重極分解能を向上させるために四重極励起電圧を上昇させることによって形成された質量スペクトログラムが示されており、分解能は徐々に向上している。

【0064】

従来のモード（すなわち、ＡＣ励起電圧なし）でシミュレーションが実行されると、理論上の質量分解能は、最大イオン通過効率でやはり１０，０００であるが、質量分解能はイオン飛行時間によってますます影響を受ける。このモードでのピーク形状は公知であるので、高質量数の側には非常に深刻なテーリングがある。最大質量分解能は、式（５）から得ることができる。

【0065】

図７に示されるように、Ｘ帯域を形成するための四重極励起の２つのモード（７０１は本発明のＲＦ振幅変調支援四重極励起方法、７０２は従来の発明における２つの追加支援四重極励起電圧を通じてＸ帯域を形成する）における質量分解能と周期運動周期数ｎ２との間の関係が示されている。方法の改善を比較するために、曲線７０３は、従来の方法における四重極励起のない四重極の質量分解能関係を示す。

【0066】

シミュレーション結果は図７に示されており、質量分解能は周期運動周期数の二乗に比例している。従来のモードでは、質量分解能は、１００ＲＦ周期でわずか５００である。反対に、Ｘ帯域を走査することによって、９，０００の質量分解能を得ることができる。

【0067】

ここで説明する。明らかに、従来のモードと比較すると、安定領域の境界のＸ帯域付近の不安定運動イオンの不安定運動速度は速く、これらは四重極に衝突するとより速く消滅する。周波数νが低いとき、周波数ν_１＝νおよびν_２＝１－νを有する２つのＡＣ励起電圧はイオン軌道を変調し、これはＸ帯域の外側のＸ方向の運動の不安定性を招く。ＲＦ周波数Ωならびにパラメータｑ_ｅｘ１およびｑもまた、比較のために式（７）で使用される。Ωと置き換えるためにより小さい周波数νが使用される場合、ｑ_ｅｘ１は非常に大きくなり、これによって実際の電圧を実現することが困難になる。上記のシミュレーションでは、ν＝０．０５である。しかしながら、ｑ_ｅｘ１の実効値はＲＦの変調エンベロープと共振するので、実際には２０周期後に４００倍に拡大され得る。つまり、ｑ_ｅｘ１＝０．００６８のとき、実際のｑの実効値は２．７２であり、これはマシュー方程式における高ｑ値の領域にも対応する。したがって、イオンの不安定運動はより激しい。イオンは、ほんの数回のＲＦ周期の後に分離し得る。分離周期数が大きい方が、イオン分離のための有効なｑ値はさらに増加する。この時点で、実際のイオン分離効果は、［Ｗｅｉ Ｃｈｅｎ，Ｂ．Ａ．Ｃｏｌｌｉｎｇｓ，ａｎｄ Ｄ．Ｊ．Ｄｏｕｇｌａｓ，Ｈｉｇｈ－Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ ｗｉｔｈ ａ Ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ Ｏｐｅｒａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ Ｆｏｕｒｔｈ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ｒｅｇｉｏｎ，／／Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．２０００，７２，５４０－５４５］においてｑ＝２７．２を使用する第４の安定領域の状況と似ている。我々のシミュレーションでは、より高い分解能を得るように、０．０８の質量差を有する不安定なイオンが、わずか１００ＲＦ周期のうちに四重極に衝突して消滅できるようになり得る。

【0068】

したがって、Ｘ帯域は周波数νが低いときに高いｑ値を有する領域と似ている。異なる分解能幅の下で６０９の質量を有するイオンの分解能に対するこの方法の影響は、図８に示されている。

【0069】

図８において、８０２で示される従来の四重極質量分析装置の方法および曲線８０４で示されるＳａｕｄａｋｏｖの二重四重極励起重畳法の結果と比較して、８０１で示される四重極励起電圧を重畳するためにＲＦ振幅変調を使用する方法は、各解像度の状況下で信号の強化を実現することができる。特に、従来の方法と比較して８０３で示される新しい方法の改善された速度曲線によって示されるように、この方法を採用することによって、イオンに対する四重極質量分析装置の分解効率が本当に著しく向上でき、特に高分解能の状況下で、より高いイオン輸送効率を得ることができる。

【0070】

四重極にＡＣ励起電圧が印加されると、発生した電場歪みははるかに小さくなる。無限長にわたって理想的に対称的で平行な双曲面ロッドによって、純粋な四重極電場が形成される。しかしながら、実際には、これは不可能であり、四重極はしばしば円筒形のロッドに加工される。従来のモードでは、電場の半径ｒ_０に対するロッドの半径Ｒの比は、電場歪みの影響をオフセットして同時により良い性能を実現するように、一般に１．１２から１．１３である。非線形の電場歪みは非常に小さいものの、これは四重極の性能に深刻な影響を与え、結果としてピーク歪み、テーリング、およびイオン通過の損失を招く。

【0071】

四重極が高分解能で動作するとき、これらの問題はより深刻になる。ロッドの転位、ロッドの曲がり、ロッド形状の歪み、表面の不規則性、または表面の汚染のような他の歪みは、さらに予測できない影響をもたらす。追加のＡＣ励起電圧が印加されると、これらの影響の多くは弱まるかまたは消滅することさえある。実験［Ｘ．Ｚｈａｏ，Ｚ．Ｘｉａｏ ａｎｄ Ｄ．Ｊ．Ｄｏｕｇｌａｓ，“Ｏｖｅｒｃｏｍｉｎｇ ｆｉｅｌｄ ｉｍｐｅｒｆｅｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ ｍａｓｓ ｆｉｌｔｅｒｓ ｗｉｔｈ ｍａｓｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｎ ｉｓｌａｎｄｓ ｏｆ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ”，Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．８１，５８０６，（２００９）］がこれを裏付けている。この方法の四重極質量分析装置による解決策も四重極ＡＣ励起に基づいているので、この方法もまた、分析装置の機械的構造およびサイズを小さくし、汚れに強くできる。

【実施例3】

【0072】

この実施形態では、市販の四重極質量分析計器（島津製作所、ＬＣＭＳ２０２０）が改造される。計器の四重極の主ロッドの長さは２００ｍｍであり、内接円の半径は４ｍｍである。いくつかの異なる電圧設定を採用することによって、図９Ａから図９Ｃに示されるように、Ｘ帯域の下のイオンの通過領域の安定図を描くことができる。

【0073】

図９Ａから図９Ｃはそれぞれ、ＲＦ振幅支援四重極励起方法をシミュレートすることによって、単位分解能、高分解能、および超高分解能で形成されたＸ帯域の安定図構造を示す。

【0074】

図９Ａから図９Ｃより、図９Ａにおいて、ＶＡＣ／ＶＲＦ＝０．００４２のとき、６０９の質量数を有するレセルピンイオンでは、分解能は１４３１に到達でき、同時に、四重極質量分析装置の通過効率は３３％であり、図９Ｂに示されるように、この値がおよそ２倍に増加した場合、これらのイオンの分解能は７７８０に到達できておよそ５．５倍に増加するが、通過効率は１５％に到達できてたったの半分に低下し、図９Ｃに示されるように、ＶＡＣ／ＶＲＦが０．０１２に到達すると、非常に良好な分解能の結果を得ることができ、このシミュレーション結果では、２．８％の通過効率で２２，０００以上の分解能が得られることがわかる。

【0075】

実験では、上記パラメータに従って改造された四重極質量分析装置システムのＲＦ電圧を変調し、印加された励起電圧を同時に補償することによって、ＲＦ振幅変調支援四重極励起方法を通じてＸ帯域を形成する方法の優位性を暫定的な結果が証明している。

【0076】

以下の表４は、従来のＵ－Ｖ走査方法とＲＦ振幅変調支援四重極励起方法との間の比較結果を示す。具体的には、従来のＱＭＳ分解能と、同等またはそれ以上のＦＨＷＭ分解能を有するＡＭＸ帯域信号との比較結果が示されている。

【表4】

【0077】

表から、基本的に、分解能が０．１から０．４単位質量の条件下では、ＲＦ振幅変調支援四重極励起方法によってもたらされるおよそ２倍から３倍の信号強化が観察されることがわかる。たとえば、未改造の四重極分析装置がレセルピンのピーク形状を走査するとき、単位質量分解能が得られれば、１．２ＭＨｚのＲＦの条件下で、計器によって取得可能な相対信号強度は０．９１である。しかしながら、分解能が０．３ＦＨＷＭまで改善されると予想される場合、イオンの信号強度はおよそ０．０８５まで低下し、計器の全体的な信号感度を一桁低下させる。２つの四重極を有するカスケード質量分析装置が使用されると、計器の信号感度は二桁低下する。しかしながら、６０ＫＨｚ、１４２ｍＶの変調信号が元の機器に基づいて四重極の質量制御入力電圧端子に追加で印加され、５．０Ｖ、６０ＫＨｚの四重極励起信号が同時に２対の四重極の間に追加で印加された場合、ＦＨＷＭと類似の信号強度は０．２７９に達することができる。通過率は、元の条件に対して半桁だけ低下する。この方法が使用される場合、６０ＫＨｚ、１５２ｍＶの変調信号が元の機器に基づいて四重極の質量制御入力電圧端子に追加で印加され、５．５Ｖ、６０ＫＨｚの四重極励起信号が同時に２対の四重極の間に追加で印加されると、０．０９８の信号強度を得ることができる。元の未改造計器の高分解能モードでの０．０８５の信号強度と比較して、信号強度は１５％向上するが、イオンの質量分解能幅はおよそ０．２３単位質量だけ改善され得る。

【0078】

上記の方法は、ＲＦ振幅変調方法がより高い分解能の潜在的な可能性を有することを証明している。より単純な修正解決策は、６０ＫＨｚのＲＦ変調信号のみを使用することによってＲＦ信号を変調することである。この波形はキャリア信号と見なすことができるので、信号の低周波部分はフィードバックされ、四重極電源によってフィードバックされた誤差増幅器上で整流され得るため、６０ＫＨｚの波形信号もまた生成される。通常、この信号は、抵抗分割器を通じて四重極電源の高電圧ＤＣ発生器回路の出力に制御されるので、この変調は四重極ＡＣ励起波形として相応に使用されることが可能である。抵抗分割器の比率を調整することによって、形成されたＲＦ変調エンベロープ波形および四重極ＡＣ励起波形は、適切なＲＦ変調電圧の下で完全に位相調整され得る。この方法を使用することによって、良好なＸ帯域マスフィルタ構造を作成するために、大きいＲＦ変調電圧のみが必要とされる。図１０Ｄは、レセルピンの質量数６０９に対応する電圧の下で位相遅延がうまく補償されるとき、レセルピンの主ピークの分解能は０．０５単位質量の幅までしか上昇せず、従来のモードと比較すると、単位質量分解能条件下の信号の１／５のみが減衰することを示している。この結果は、６ｍｍなどのより大きい電場半径を有する高分解能および高精度の四重極質量分析装置を使用することによって得られる結果よりもさらに良好である。他の質量電荷比のイオンでも類似の結果を得ることができる。しかしながら、この変調および復調の解決策によってもたらされる非線形関係のため、不完全な四重極励起オフセットがＹ方向のイオンの運動において形成され、わずかな分解能減衰が発生するが、これは質量スペクトルピークパターンのフロントトレーリング特性にも示されている。

【0079】

図１０Ａから図１０Ｄに示されるように、自己補償方法を採用することによってＲＦ変調および四重極励起波形が形成されるときの、異なる質量数の分析物に対して形成される高分解能スペクトログラムの効果が示されている。

【0080】

上記の装置では、最良のＸ帯域質量ピーク幅はおよそ０．０８に制限されている。より高い分解能を制限する理由は、０．２５Ｖ超などのより高いＲＦ変調電圧が電流回路中に非対称エンベロープ波形を生成するためである。この現象は、オシロスコープで表示される信号ではわかりにくいが、フーリエ変換によって明らかにすることができる。この場合、ＲＦ信号は追加の四重極ＡＣ波形とは異なっており、完全に補償することはできない。次の実施形態で、この問題をどのように克服するかを示す。

【実施例4】

【0081】

本発明のこの実施形態では、電子制限によって引き起こされる非対象四重極励起波形の影響を克服するために、システムをさらに改良する。

【0082】

図１１Ａおよび図１１Ｂは、Ｘ帯域を生成するための理想波形１２１および実際の波形１２２の波形および周波数領域分析比較図である。

【0083】

図１１Ａに示されるように、波形１２１は、完全なＸ帯域を形成すると理論的に推測される波形を示す。フーリエ変換によって、振幅変調が重畳されて適切な逆四重極励起信号を伴う波形の主周波数は、イオン不安定性を引き起こす四重極ＤＣ成分、１／ｎ分周比を有する四重極励起成分、および振幅変調によって生成された１－１／ｎ分周比を有する高周波四重極ＡＣ成分を含むことを、見出すことができる。注意深く観察すると、２／ｎ周波数分割信号が非常に少ないこともわかる。これは、三角関数の加減法（ｐｒｏｓｔｈａｐｈａｅｒｅｓｉｓ）によって求められる高次の項による。しかしながら、振幅から見ると、二次以上の高次成分のパワーは一次のパワーの０．０１倍以下である。実際の波形では、２／ｎ周波数分割信号の成分が明らかに増加していることがわかる。この瞬間に、信号は、イオン振動の意味で、全ての方向へのイオン運動持続周波数の倍増を引き起こす。しかしながら、１／２ｎ周波数成分は、高周波帯域ではこの信号において相応にはわからない。したがって、Ｙ方向のイオンの倍増周波数運動は効率的にオフセットされず、理想的なＹ方向不安定帯域はこの時点で抑制され得ない。

【0084】

この問題を解決するために、理想的な解決策は、２／ｎ分周比を有する追加の振幅変調信号を導入することであり、これはＲＦエンベロープ帯域の分析を通じて得ることができる。１－１／ｎ分割周波数が重畳された純粋なＲＦ信号に対して最小二乗法が実行される。図１２に示されるように、左の図は、２０分周周波数励起信号に基づいてＸ帯域を形成するための変調ＲＦ信号の波形データ図を示しており、これに対してエンベロープ線の次数分析が実行される。まず、中央の図に示される１／ｎ分割周波数、すなわち１／２０ｆＲＦに対応する振幅変調信号の主波形が、得られる。この波形から１／ｎ分割周波数の振幅変調信号成分を差し引いたあと、右の図において、２／ｎ分割周波数、すなわち１／１０ｆＲＦに対応する振幅変調信号をさらに含むこともわかる。

【0085】

反対に、２／ｎ分割周波数項が振幅変調信号に導入される場合、１－２／ｎ分割周波数の運動周波数成分もまたイオン運動のスペクトル内に形成でき、この成分は、電子的不完全性によって形成された元の２／ｎ分割周波数成分をオフセットするために使用され得る。

【0086】

同様に、この追加の周波数成分ω_ｅｘ３は、Ａω_ｅｘ１＋ＢΩに等しい正の値として指定することもでき、ここで、Ａは－３と３との間の非ゼロ整数であり、Ｂは非負整数である。これらの周波数はそれぞれ、主ＲＦ電圧の基本周波数および四重極ＡＣ励起電圧周波数、ならびに高調波によって生じるイオン運動周波数特性に対応する。ＡおよびＢの絶対値が１である状況は、基本周波数重畳に対応する。四重極場タイプが、Ｘ－Ｙ方向の対称性の破れによって生じる八重極場、または単極位置のオフセットによって生じる六重極場などの高次場を含む場合、これらはそれぞれ、ＡおよびＢの絶対値が２および３である状況に対応する。これらの条件に対応する周波数成分ω_ｅｘ３の励起電圧を導入することによって、形成された安定帯域の境界の明瞭さ、および上記の波形の不完全性によって形成される追加のイオン運動周波数成分を、さらに補正することができ、四重極質量分析の分解能性能をさらに向上させることができる。

【0087】

四重極のピーク形状を改善するもう１つの方法は、表２の平衡四重極励起電圧条件よりも大きいかまたは小さいＲＦ振幅変調率を意図的に導入することである。図１３は、四重極安定図上の不平衡ＲＦ振幅変調の影響を説明するために使用される。

【0088】

本明細書では、参照番号１３０１、１３０２、および１３０３はそれぞれ、低、通常、および高ＲＦ振幅変調率で得られたＸ安定帯域形状であり、ＲＦ振幅変調率ＡＭ２比はそれぞれ、１．５０、１．５３５６、および１．５８である。四重極に印加されるＲＦ振幅変調率が理想的な補正値から逸脱すると、ＲＦ変調によって影響を受けるイオン軌道振動、および分割位置における四重極励起条件の不完全なオフセットのため、Ｘ安定帯域が分割されることがわかる。振幅変調によって形成されるマシュー方程式７．ａ／７．ｂの三角関数積項の展開は、二次およびその他の高次加法項を生成し、これは分割位置のより鋭い下縁を生成する。走査線１３０４がこれらの下縁を通過するとき、実際に形成されたＸ安定帯域の有効幅は狭くなる。たとえば、ＲＦ振幅変調率が１．５０で走査線の勾配が０．１６９４であるとき、分割Ｘ安定帯域１３０１の下端をカットすることによって、６０９の質量を有するレセルピンのイオンで、１８，２７２の質量分解能を得ることができる。完全に補償された安定帯域１３０２を通るように同じ走査線が使用されると、質量分解能は１３，８８０しかない。実効四重極励起電圧のＲＦ変調率および高次周波数項が合理的に構成されているとき、本発明によって提供される方法で得られる質量分解能は、四重極励起に基づいて安定帯域または島構造を形成するための他の従来の方法によって得られるよりも高いことがわかる。

【実施例5】

【0089】

従来技術では、高いｑ値を有する高次安定領域が使用されるとき、実験報告では１４，０００の質量分解能が得られるものの、感度が低すぎるので、実際の適用における実用化は困難である。従来のモードでは、四重極の導入端におけるエッジ場の存在のため、この方法でのイオン損失が大きすぎる。四重極の導入端では、ＤＣおよびＲＦの中身が四重極の内部のものよりも低く、イオン運動がより不安定になる。しかしながら、横方向運動の存在のため、イオンは、エッジ場を横切るために非常に大きなイオンスパッタリングを受ける必要がある。四重極では、エッジ場は、四重極に沿って指数関数的に減少し、２ｒ_０（四重極の電場の半径）の距離を維持する。５ｍｍの電場半径および２００ｍｍの長さを有する四重極では、エッジ場は、全長の５％を占める。１００ＲＦ周期にわたって運動するイオンでは、これらはエッジ場内で５周期を経るが、この結果としてイオン損失が生じる。従来のモードでは、運動時間が同じとき、分解能はわずか５００である。より高い質量分解能を実現するために、イオン運動時間を増加させる必要があり、エッジ場内の時間は相応に増加し、これにより感度の低下を招く。Ｘ帯域がこの瞬間に使用される場合、運動時間が１００ＲＦ周期であってもやはり高質量分解能を得ることができる。安定領域の頂点が修正されているだけなので、従来のモードと比較して、イオン通過効率が低下する。

【0090】

特に高分解能が必要とされるとき、エッジ場は大きな問題をもたらす。この問題を克服するために、ＤＣ遅延技術が発明された［Ｗ．Ｍ．Ｂｒｕｂａｋｅｒ，Ｄ．Ｂｕｒｎｈａｍ，ａｎｄ Ｇ．Ｐｅｒｋｉｎｓ，Ｊ．ＶＡＣ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ，８（１９７１），２７３－２７４］。

【0091】

図１４Ａおよび図１４Ｂに示されるように、上の図は、四重極に侵入している間の概略構造図を示し、中央の図は、四重極のｚ軸に沿ってエッジ場ａおよびｑを通過している間の対応する変化を示し、下の図は、同じパラメータの下で矢印によって表される安定図の変化を示す。図中、プリロッドを含む四重極のパラメータは一定に維持されると想定される。

【0092】

この技術では、ロッドの小さいセクション（「プリロッド」と称される）が、四重極の前端に追加で配置される必要がある。主四重極はＲＦ電圧およびＤＣ電圧の両方を有するが、プリロッドはＲＦ電圧のみを有する。したがって、イオンビームがプリロッドに侵入するとき、ＤＣ成分はない。プリロッドのＲＦ電場のエッジ場は、０から徐々に増加する。イオンが主四重極に侵入するときにのみ、イオンはＤＣ成分を含む電場を経験する。したがって、パラメータａおよびｑは第１の領域では安定して維持され、エッジ場のイオンスパッタリングは最小限に抑えられる。この技術は図８に示されており、そこから、プリロッド領域から分析のためにイオンが主四重極に侵入するとき、ａ、ｑパラメータ空間のイオンは、エッジＲＦ四重極場の漸進的な強化のため、安定領域の深い位置にまず侵入し、ｑ値は増加し、次いでプリロッドと主ロッドとの間のギャップ内のイオンは最終的にエッジＤＣ四重極場の強化のため安定領域の上端に到達し、ａ値は増加し、質量分解能をもたらすことがわかる。プロセス全体におけるイオンは、イオン損失を回避するために安定図の中を移動する。しかしながら、イオン質量分離のために以前のＸ帯域を使用する場合、Ｘ帯域方法の効果とこの改良された方法を使用する従来の方法の効果との違いは、頂点に非常に近いＸ帯域の前をイオンが移動するとき、イオンは狭い不安定帯域を通過するということである。この時点で、イオンがエッジ場の後端、すなわちプリロッドと主ロッドが分離する位置にあるとき、経験時間が長ければ、深刻なイオンビーム散乱が発生し、イオン損失を招く。

【0093】

図１５Ａおよび図１５Ｂは、本発明のＲＦ電圧振幅変調を通じたプリロッド構造のイオン通過率の改善を比較説明するために使用される。

【0094】

図１５Ａまたは図１５Ｂに示されるように、上の図は、四重極への侵入中の概略構造図を示し、中央の図は、四重極のｚ軸に沿ってエッジ場ａおよびｑを通過している間の変化を示し、下の図は、同じパラメータの下で矢印によって表される安定図の変化を示す。図中、プリロッドを含む四重極のパラメータは一定に維持されると想定される。

【0095】

Ｘ帯域分離の以前の特許解決策では、１／ｎおよび１－１／ｎの周波数分割関係を有するＲＦおよび２つの励起電圧信号が四重極に印加されるので、主ロッドのＡＣ信号が容量ネットワークを通じてプリロッドに追加で印加されるとき、１－１／ｎの高周波ＡＣ励起電圧信号（ＡＣ２）は初期ＲＦ信号と非常によく似ているため、プリロッドとの結合を回避することは困難である。

【0096】

この時点で、プリロッド内のイオンの安定図構造は、図１５Ａの下の図に示されるように、１９９３年にＭｉｓｅｋｉらによって提案された安定の島構造に復元される。イオンが島の間の不安定帯域を通過するとき、イオンは散乱し、通過率の一部が失われる。

【0097】

しかしながら、本解決策では、ＲＦ振幅変調信号および四重極励起信号の周波数は主ＲＦ周波数のほんの一部に過ぎないので、プリロッドのＡＣ励起信号は単純なバンドパスフィルタ（ＲＣネットワークなど）を通じて隔離することができる。この時点で、イオンがプリロッドを通過するときに形成される安定領域構造が図１５Ｂの下の図に示され、安定の島の間の不安定帯域のイオンビームは分岐するのを妨げられる。

【0098】

イオン分離のためのＸ帯域を形成するために変調方法を使用することは、イオンの振動振幅がＸ方向にのみ変化するという別の重要な利点を有する。上述のように、Ｘ帯域の付近では、走査線に沿ったイオンのＹ方向運動は安定して維持される。従来のモードでは、走査線は安定領域の頂点を通って掃引し、低質量数の側のｑ値は高く、Ｘ方向に不安定運動が生じる。同時に、Ｙ方向の高質量数の側でも不安定運動が生じる。質量分析装置の感度がイオンの初期位置、初期エネルギー分布、および検出器への伝送時間によって決定されることを考慮すると、四重極質量分析装置を安定して通過することができるイオンの要件は、いずれかの瞬間のＸまたはＹ方向のいずれかのイオンの運動がｒ_０Ω^２よりも小さくなければならないことである。図３から、これは安定の島Ａのイオン分離にも関連していることがわかる。しかしながら、ＸおよびＹ方向のイオンの不安定運動のため、イオン通過損失は大きすぎるので、実際には従来のモードの適用は制限される。比較すると、Ｘ帯域の使用の制限は１方向、すなわちＸ方向のみであり、Ｙ方向の運動は安定している。Ａｌａｎ Ｓｃｈｏｅｎの解決策のような従来技術では、通過帯域を形成するために２つの双極子励起電場が必要であり、これは電場の対称性を破壊する。Ｓｕｄａｋｏｖらの解決策は高周波ＡＣ励起信号を必要とするが、これを生成して主ＲＦ信号から分離するのは困難なので、イオン通過に影響を及ぼす信号歪みを招くことになる。上記で説明されたように、ＡＣ励起電圧およびＲＦ振幅変調信号を印加すると、安定帯域が現れ、高速イオン質量分離もまた実現できる。低周波ＡＣ励起電圧が使用されると、不安定なイオンを四重極に衝突させて消滅させるのに数周期しかかからない。従来のモードでは、１００を超えるＲＦ周期が必要とされ、やはり非線形電場歪みによって生じる影響がある。安定の島の使用によってこのような影響を回避する。本発明による２つのＡＣ励起電圧を印加することによって形成される安定帯域の特性もまた、本明細書に記載されている。

【0099】

要約すると、本発明によれば、走査のために安定帯域を使用することによって、四重極の質量分解能が著しく改善され、重大なイオン通過損失はない。理由は以下の通りである。

【0100】

１）イオン質量分離がより高速である。低周波ＡＣ励起電圧を使用することによって、不安定なイオンを四重極に衝突させて消滅させるのに数周期しかかからない。加えて、１０，０００を超える質量分解能を得ることができる。

【0101】

２）イオン質量分離は一方向にのみ発生し、これにより感度を向上させる。

【0102】

３）イオン質量分離のための不安定帯域は、第１の安定領域の頂点の付近にのみ現れるので、感度を向上させるためにＤＣ遅延技術が使用され得る。

【0103】

４）ＲＦ振幅変調信号およびＡＣ励起電圧の両方が、主ＲＦ信号の周波数よりも数倍から数十倍低い周波数の低周波信号であり得るので、生成および調整を初期ＲＦ制御回路から分離することが容易であり、これによりシステムの安定性の実現を促す。

【0104】

５）追加の高周波ＡＣ励起電圧が必要とされず、分析ロッドのエッジの非線形電場歪みによる影響を受けない。

【0105】

本発明における上記の実施形態および計算結果は全て、より現実に即した周波数の状況、すなわち１００ＲＦ周期中に５つの低周波励起周期がある状況下で実施される。また、低位相ノイズを有する２分周、５分周、および１０分周の分周器は商用目的であり得るので、このプロセスを実験的に実現することは比較的容易であり、マスフィルタ帯域を形成するためにこの装置を使用するコストは比較的低い。実際、他の周波数分割パラメータを採用することによって、類似の振幅変調マスフィルタ帯域を得ることもできる。

【0106】

表１にも示されるように、周波数値が全て０から０．２の範囲内であるとき、励起電圧振幅の比率が等しい状況下で、結果は同様である。上記で説明されたように、四重極は、表２のＡＣ励起電圧および変調振幅の値を使用することができる。実際の適用では、第３のＡＣ励起電圧を追加すること、またはＡＣ励起電圧と組み合わせるためにＲＦ電源を改良することなど、３つ以上のＡＣ励起電圧を印加するために他の手段が導入されてもよい。このような改良は、本発明から導き出された技術的解決策と見なされるべきであり、これにより宣言される。

【0107】

上記の実施形態は、本発明を限定するのではなく、本発明の原理および効果を例示的に説明するためにのみ使用される。当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、上記実施形態を修正および変更することができる。したがって、本発明によって開示される精神および技術的思想から逸脱することなく当業者によってなされた全ての同等の修正または変更は、本発明の請求項の適用を受けるものとする。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図9C】

【図10A】

【図10B】

【図10C】

【図10D】

【図11A】

【図11B】

【図12】

【図13】

【図14A】

【図14B】

【図15A】

【図15B】