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JP2015038879A - Pseudo plane multireflection time-of-flight type mass spectrometer - Google Patents

Pseudo plane multireflection time-of-flight type mass spectrometer Download PDF

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JP2015038879A
JP2015038879A JP2014203644A JP2014203644A JP2015038879A JP 2015038879 A JP2015038879 A JP 2015038879A JP 2014203644 A JP2014203644 A JP 2014203644A JP 2014203644 A JP2014203644 A JP 2014203644A JP 2015038879 A JP2015038879 A JP 2015038879A
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ヴァレンチコフ,アナトリ,エヌ.
N Verentchikov Anatoli
ヤヴォー,ミハイル,アイ.
I Yavor Mikhail
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve convenience of manufacture by improving the sensitivity and resolution of a multireflection mass spectrometer.SOLUTION: A multireflection time-of-flight (MR-TOF) mass spectrometer comprises two pseudo plane electrostatic ion mirrors which extend in a drift direction (Z) and formed from parallel electrodes and separated by an electric field absent region. The MR-TOF comprises a pulsation ion source that emits an ion packet at a small angle in an X direction vertical to the drift direction Z. The ion packet is reflected between the ion mirrors and drifted in the drift direction. The mirrors are disposed in such a manner that the ion packet is converged within the time of flight on a receiver. The MR-TOF mirror provides spatial convergence in a Y direction vertical to both the drift direction Z and the ion implantation direction X. In a preferred embodiment, at least one mirror includes a feature part for cyclic spatial convergence of the ion packet in the drift direction Z.

Description

本発明は、一般に質量分光分析に関し、より詳細には多重反射飛行時間型質量分析計(MR−TOF MS)を含む装置及びその使用方法に関する。   The present invention relates generally to mass spectrometry, and more particularly to an apparatus including a multiple reflection time-of-flight mass spectrometer (MR-TOF MS) and methods of use thereof.

質量分析は、種々の化合物及びその混合物の識別及び定量分析に使用される周知の分析化学ツールである。そのような分析の感度と分解能は、実際の使用にとって重要な事柄である。飛行時間型質量分析計(TOF MS)の分解能が飛行経路が長くなるほど改善することはよく知られている。適度な物理長を維持しながら飛行経路を長くするために多重反射飛行時間型質量分析計(MR−TOF MS)が提案された。MR−TOF MSの使用は、飛行時間収束特性を有する静電イオンミラーの導入後に可能になった。特許文献1、特許文献2及び非特許文献1は、イオンエネルギーに対する飛行時間収束を改善するためのイオンミラーの使用を開示している。イオンミラーを使用すると、イオン飛行経路が自動的に1回折り返される。   Mass spectrometry is a well-known analytical chemistry tool used for the identification and quantitative analysis of various compounds and mixtures thereof. The sensitivity and resolution of such an analysis is important for practical use. It is well known that the time-of-flight mass spectrometer (TOF MS) resolution improves with increasing flight path. A multiple reflection time-of-flight mass spectrometer (MR-TOF MS) has been proposed to lengthen the flight path while maintaining a reasonable physical length. The use of MR-TOF MS became possible after the introduction of electrostatic ion mirrors with time-of-flight focusing characteristics. Patent Literature 1, Patent Literature 2, and Non-Patent Literature 1 disclose the use of an ion mirror to improve time-of-flight convergence with respect to ion energy. When an ion mirror is used, the ion flight path is automatically folded once.

H.Wollnikは、多重反射MR−TOF MSを実現するためのイオンミラーの可能性を現実のものにした。特許文献3は、多数のグリッドレスミラー間でイオン経路を折り返すことによって機器の全長を短くすることを提案している。各ミラーは、同軸電極で作成されている。2列のそのようなミラーは、同一平面内に整列されるか、2個の向かい合った平行な円上に配置される(図1を参照)。空間的イオン収束機能を有するグリッドレスイオンミラーの導入により、イオン損失が減少し、反射回数に関係なくイオンビームが閉じ込められたままになる(より詳細には特許文献4を参照)。また、特許文献3に開示されたグリッドレスミラーは、「イオンエネルギーからのイオン飛行時間の独立性」を提供する。次の2タイプのMR−TOF MSが開示されている。
(A)「折り返し経路」方式。N個の順次反射するTOF MSを組み合わせることと同等。飛行経路は、ジグザグな軌道に沿って折り返される。(図1A)
(B)「同軸反射」方式。パルス化イオンの捕捉と開放を使用することにより、軸方向に整合された2個のイオンミラー間の複数のイオン反射を使用する。(図1B)
H. Wollnik has made the possibility of an ion mirror to realize multiple reflection MR-TOF MS a reality. Patent Document 3 proposes shortening the overall length of the device by folding the ion path between a large number of gridless mirrors. Each mirror is made of coaxial electrodes. Two rows of such mirrors are aligned in the same plane or are arranged on two opposite parallel circles (see FIG. 1). By introducing a gridless ion mirror having a spatial ion focusing function, ion loss is reduced and the ion beam remains confined regardless of the number of reflections (see Patent Document 4 for more details). Further, the gridless mirror disclosed in Patent Document 3 provides “independence of ion flight time from ion energy”. The following two types of MR-TOF MS are disclosed.
(A) “Folded path” method. Equivalent to combining N sequentially reflecting TOF MSs. The flight path is folded along a zigzag orbit. (FIG. 1A)
(B) “Coaxial reflection” method. By using pulsed ion capture and release, multiple ion reflections between two axially aligned ion mirrors are used. (Fig. 1B)

「同軸反射」方式は、非特許文献2にも記載されており、非特許文献3で発表された研究で実施されている。中型(30cm)のTOFMSにおいて50回折り返し後に分解能50,000が達成された。実際には、グリッドレス・空間収束イオンミラーは、対象とするイオンを保持するが(損失は2分の1未満であった)、質量範囲はサイクル数と比例して縮小する。   The “coaxial reflection” method is also described in Non-Patent Document 2, and has been implemented in the research published in Non-Patent Document 3. A resolution of 50,000 was achieved after 50 turns in a medium (30 cm) TOFMS. In practice, the gridless, spatially focused ion mirror retains ions of interest (loss was less than half), but the mass range shrinks in proportion to the number of cycles.

MR−TOF質量分析計は、また、イオンミラーの代わりにセクタ電場を使用するように設計された(非特許文献4と非特許文献5)。しかしながら、これらの質量分析装置は、イオンミラーを利用するものと違って、飛行時間の一次エネルギー収束しか提供しない。   MR-TOF mass spectrometers were also designed to use sector electric fields instead of ion mirrors (Non-Patent Documents 4 and 5). However, these mass spectrometers provide only primary energy convergence in time of flight, unlike those that utilize ion mirrors.

特許文献5は、二次元グリッドレスミラーを使用する高度な方式の折り返し経路MR−TOF MSを紹介している。MR−TOF MSは、棒でできた2枚の同一ミラーを有し、これらのミラーは、ミラー間の中間平面と折り返しイオン経路の平面に対して平行且つ対称的である(図2を参照)。ミラーの幾何学的形状と電位は、折り返しイオン経路の平面と交差するイオンビームを空間的に収束させ、イオンエネルギーに対する二次飛行時間収束を提供するように決められている。イオンは、平面ミラー間で多重反射され、同時にいわゆるシフト方向(図2ではX軸)に検出器の方にゆっくりとドリフトする。繰り返し回数と分解能は、イオン注入角度を変化させることによって調整される。この方式は、飛行経路を延長しながら全質量範囲の維持を可能にする。   Patent Document 5 introduces an advanced type return path MR-TOF MS using a two-dimensional gridless mirror. The MR-TOF MS has two identical mirrors made of rods that are parallel and symmetrical with respect to the intermediate plane between the mirrors and the plane of the folded ion path (see FIG. 2). . The mirror geometry and potential are determined to spatially focus the ion beam intersecting the plane of the folded ion path and provide secondary time-of-flight focusing for ion energy. The ions are multiply reflected between the plane mirrors and simultaneously slowly drift toward the detector in the so-called shift direction (X-axis in FIG. 2). The number of repetitions and the resolution are adjusted by changing the ion implantation angle. This scheme allows maintaining the entire mass range while extending the flight path.

しかしながら、Nazarenkoによる平面質量分析計は、シフト方向のイオン収束を行わず、従って反射サイクル数が実質的に制限される。更に、試作品に使用されたイオンミラーは、折り返しイオン経路の平面と交差する空間的なイオン広がりに対して飛行時間収束を提供せず、従って、発散即ち幅広いビームの使用によって、実際に飛行時間分解能が低下し、飛行経路の延長が無意味になる。   However, Nazarenko's planar mass spectrometer does not perform ion focusing in the shift direction, and thus the number of reflection cycles is substantially limited. Furthermore, the ion mirror used in the prototype does not provide time-of-flight convergence for the spatial ion spread that intersects the plane of the folded ion path, and therefore, by using divergent or broad beams, the time of flight is actually The resolution is reduced, and the flight path becomes meaningless.

特許文献6では、平面方式の多重反射質量分析計が、
a)高次の空間的及びエネルギー収差に対する等時性を維持しながら垂直方向の高次の空間的及びエネルギー収束における空間収束を提供するイオンミラーを導入すること、
b)イオンパケットを主ジグザグイオン経路に沿って保持する1組の周期的レンズ(レンズシステム)を無電場領域に導入すること、及び
c)ドリフト方向のイオン運動を逆転することによってイオン飛行経路の更なる延長を
可能にするエンドデフレクタを導入すること
によって改善されている。
In Patent Document 6, a planar multiple reflection mass spectrometer is
a) introducing ion mirrors that provide spatial focusing in the vertical higher order spatial and energy convergence while maintaining isochronism for higher order spatial and energy aberrations;
b) introducing a set of periodic lenses (lens systems) that hold the ion packet along the main zigzag ion path into the field-free region; and c) reversing the ion motion in the drift direction to Improvements have been made by introducing end deflectors that allow further extension.

平面多重反射TOF MSの更なる改善は、本発明者らによる出願で行われた(特許文献7、特許文献8、特許文献9及び特許文献10)。   Further improvement of the planar multi-reflection TOF MS was made by an application by the present inventors (Patent Document 7, Patent Document 8, Patent Document 9 and Patent Document 10).

これらの出願は、連続イオンビームの短いイオンパケットへの変換やイオン蓄積についての様々な方式を含め、多数のパルス化イオン源について述べている。特許文献7は、外部パルス化イオン源から分析装置にイオン注入するための湾曲等時性インタフェースを示唆している。このインタフェースは、分析装置のフリンジ電界の回避を可能にし、この方法は、装置の分解能を改善する。湾曲インタフェースは、トラップイオン源及び直交イオン加速に基づくパルス化コンバータと適合する。   These applications describe a number of pulsed ion sources, including various schemes for conversion of continuous ion beams into short ion packets and ion accumulation. U.S. Pat. No. 6,057,077 suggests a curved isochronous interface for ion implantation from an external pulsed ion source into the analyzer. This interface allows the fringing field of the analyzer to be avoided and this method improves the resolution of the instrument. The curved interface is compatible with trapped ion sources and pulsed converters based on orthogonal ion acceleration.

特許文献8は、いわゆるMR−TOF内へのイオンの二重直交注入を示唆する。MR−TOF分析装置は、イオンパケットの垂直方向(Y方向)の広がりに対してはより許容範囲が大きいことを考慮し、連続イオンビームは、MR−TOF内でジグザグイオン軌道の平面に対してほぼ垂直に向けられる。加速器は僅かに傾けられ、イオンパケットは加速後に向きを変えられ、傾斜と向きの変更が相互に補正される。   Patent Document 8 suggests double orthogonal injection of ions into a so-called MR-TOF. Considering that the MR-TOF analyzer is more tolerant to the vertical spread (Y direction) of the ion packet, the continuous ion beam is relative to the zigzag ion trajectory plane in the MR-TOF. Oriented almost vertically. The accelerator is tilted slightly, the ion packet is turned after acceleration, and the change in tilt and orientation are corrected for each other.

特許文献9と特許文献10は、MR−TOF分析装置を種々のタンデム型TOF MSに適用する。一方式は、第1のMR−TOF内の親イオンの低速分離と第2のショートTOF MS内のフラグメントイオンの高速分析を使用して、パルス化イオン源のワンショット内で多数の親イオンについていわゆる並行MS−MS分析を行う。   In Patent Document 9 and Patent Document 10, the MR-TOF analyzer is applied to various tandem TOF MSs. On the other hand, the equation uses a slow separation of the parent ions in the first MR-TOF and a fast analysis of the fragment ions in the second short TOF MS, for a number of parent ions in one shot of the pulsed ion source. A so-called parallel MS-MS analysis is performed.

特許文献11は、空間的及び飛行時間収束特性を有する平面グリッドレスミラーを備えた「折り返し経路」MR−TOF MSを採用しているので、本発明の試作品と考えられる。   Since Patent Document 11 employs a “turn-back path” MR-TOF MS equipped with a planar gridless mirror having spatial and time-of-flight convergence characteristics, it is considered a prototype of the present invention.

平面多重反射質量分析計を実現する際、発明者らは、周期的レンズシステムは、一般にイオン注入インタフェース及びパルス化イオン源と干渉することを発見した。また、そのレンズシステムは、分析装置のアクセプタンス(acceptance)に大きな制限を加える。本発明の目的は、多重反射質量分析計の感度と分解能を改善し、またそれらの製作の利便性を改善することである。   In implementing a planar multiple reflection mass spectrometer, the inventors have discovered that periodic lens systems generally interfere with the ion implantation interface and the pulsed ion source. The lens system also places significant limitations on the acceptance of the analyzer. The object of the present invention is to improve the sensitivity and resolution of multiple reflection mass spectrometers and to improve the convenience of their manufacture.

米国特許第4,072,862号U.S. Pat. No. 4,072,862 ソビエト特許第SU198034号Soviet Patent No. SU198034 英国特許GB2080021号British patent GB2080021 米国特許第5,017,780号US Pat. No. 5,017,780 Nazarenkoらによるソビエト特許1725289号(1989)Soviet Patent No. 1725289 (1989) by Nazarenko et al. 2005年12月20日に出願された「MULTI-REFLECTING TIME-OF-FLIGHT MASS SPECTROMETER AND METHOD OF USE」と題する米国出願番号10/561,775号。US Application No. 10 / 561,775 entitled “MULTI-REFLECTING TIME-OF-FLIGHT MASS SPECTROMETER AND METHOD OF USE” filed on December 20, 2005. WO2006102430WO2006102430 WO2007044696WO20077044696 WO2003US13262WO2003US13262 WO2004008481WO2004008481 WO2004US19593WO2004US19593

MamyrinらによるSov. J. Tech. Phys.41 (1971) 1498Sov. J. Tech. Phys. 41 (1971) 1498 by Mamyrin et al. H.WollnikらによるMass Spec. Rev., 1993,12, p.109Mass Spec. Rev., 1993, 12, p.109 by H.Wollnik et al. Int. J. Mass Spectrom. Ion Proc. 227 (2003) 217Int. J. Mass Spectrom. Ion Proc. 227 (2003) 217 ToyodaらのJ. Mass Spectrometry, 38 (2003), 1125Toyoda et al., J. Mass Spectrometry, 38 (2003), 1125 SatohらのJ. Am. Soc. Mass Spectrom., 16 (2005), 1969Satoh et al., J. Am. Soc. Mass Spectrom., 16 (2005), 1969

発明者らは、イオンミラーの静電場をドリフト方向に周期的に空間変調することによって、実質的に二次元の平面ミラーを有するMR−TOF MSのアクセプタンスと分解能を更に改善できることに気づいた。イオンミラーの電場がほぼ平面のままなので、ミラー電場に小さな周期的変調を加えた分光計は、疑似平面と呼ばれる。   The inventors have realized that the acceptance and resolution of MR-TOF MS having a substantially two-dimensional planar mirror can be further improved by periodically spatially modulating the electrostatic field of the ion mirror in the drift direction. Since the electric field of the ion mirror remains almost flat, a spectrometer with a small periodic modulation applied to the mirror electric field is called a pseudo-plane.

本発明の好ましい実施形態は、以下の特徴の内の一以上を有する多重反射飛行時間型質量分析計である。
・ドリフト方向(Z)に拡張され平行電極で構成され、無電場領域によって分離された2個の疑似平面静電気イオンミラーと、
・ドリフト方向Z方向と垂直なX方向に対して小さな角度でイオンパケットを放出し、その結果、イオンパケットが、イオンミラー間で反射されドリフト方向にドリフトするようにするパルス化イオン源と、
・イオンパケットを受け取るレシーバとを有し、
・前記ミラーが、レシーバ上での飛行時間収束を提供するように構成され、
・前記ミラーが、ドリフト方向Z方向とイオン注入方向X方向に垂直なY方向に空間収束を提供するように配置され、少なくとも1個のミラーが、イオンパケットをZ方向に周期的に空間収束させるためにドリフトZ方向に沿って静電場を変調する周期的特徴を有する
A preferred embodiment of the present invention is a multiple reflection time-of-flight mass spectrometer having one or more of the following features.
Two quasi-planar electrostatic ion mirrors extended in the drift direction (Z) and composed of parallel electrodes and separated by an electric field region;
A pulsed ion source that emits ion packets at a small angle with respect to the X direction perpendicular to the drift direction Z direction, so that the ion packets are reflected between the ion mirrors and drift in the drift direction;
A receiver for receiving ion packets,
The mirror is configured to provide time of flight convergence on the receiver;
The mirror is arranged to provide spatial focusing in the Y direction perpendicular to the drift direction Z direction and the ion implantation direction X direction, and at least one mirror periodically spatially focuses the ion packet in the Z direction; Therefore, it has a periodic feature that modulates the electrostatic field along the drift Z direction.

WO2004US19593に発明者らによって述べられているように、イオンミラーは、好ましくは少なくとも4個の電極を有し、その少なくとも1個の電極は、飛行時間収束と前記空間的Y方向収束を提供するために引き付け電位(attracting potential)を有する。装置は、必要に応じて、WO2004US19593に前に記載されたような、
・無電場領域内の少なくとも2個のレンズと、
・イオン経路をドリフト方向に戻すためのエンドデフレクタと、
・前記パルス化イオン源と前記レシーバの間の少なくとも1個の等時性湾曲インタフェース等、平面多重反射質量分析計の特徴を含む。
As described by the inventors in WO2004US19593, the ion mirror preferably has at least four electrodes, the at least one electrode providing time-of-flight convergence and said spatial Y-direction convergence Has an attracting potential. The device is optionally made as previously described in WO2004US19593,
-At least two lenses in the field-free region;
An end deflector to return the ion path to the drift direction;
Including features of a planar multiple reflection mass spectrometer, such as at least one isochronous curved interface between the pulsed ion source and the receiver.

イオンミラー内の静電場のZ方向の周期的変調は、
・Z方向の周期的幾何学構造を有する少なくとも1個の補助電極を少なくとも1個のミラー電極に組み込み、この電極又は1組の電極に調整可能な電位を印加しZ方向の変調強度を調整し、
・ミラー電極の内の少なくとも1個のミラー電極に1組の周期的スロットを作成し、それらのスロットに入り込む電場を有する追加電極を加え、
・Z方向周期的幾何学構造を有する少なくとも1個の補助電極をミラー電極間に挿入し、
・電極開口の高さ(Y方向)が周期的(Z方向)に変化するか、電極の幅(X方向)が周期的に変化するように、少なくとも1個のミラー電極の幾何学的形状を修正し、
・1組の周期的レンズを少なくとも1個のイオンミラーの内部電極内又はミラー電極間に組み込むことによって達成される。
・多数の他の電場変調方法が可能である。Z方向周期的変調の強度が調整可能な解決策は、幾何学的変調が固定された解決策より好ましい。
The periodic modulation of the electrostatic field in the ion mirror in the Z direction is
-At least one auxiliary electrode having a periodic geometric structure in the Z direction is incorporated into at least one mirror electrode, and an adjustable potential is applied to this electrode or a set of electrodes to adjust the modulation intensity in the Z direction. ,
Creating a set of periodic slots in at least one of the mirror electrodes and adding an additional electrode with an electric field that enters those slots;
-Inserting at least one auxiliary electrode having a periodic geometric structure in the Z direction between the mirror electrodes;
The geometric shape of at least one mirror electrode is such that the height of the electrode opening (Y direction) changes periodically (Z direction) or the width of the electrode (X direction) changes periodically. correct,
• achieved by incorporating a set of periodic lenses in or between the internal electrodes of at least one ion mirror.
Many other field modulation methods are possible. A solution with adjustable Z-direction periodic modulation strength is preferred over a solution with fixed geometric modulation.

分光計は、また、特許出願WO2004US19593、WO2006102430、WO2007044696、WO2003US13262及びWO2004008481に先に記載された特徴を含むことが好ましく、これらの出願の開示は、本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。   The spectrometer preferably also includes the features previously described in the patent applications WO2004US19593, WO2006102430, WO20077044696, WO2003US13262 and WO2004008481, the disclosures of which are hereby incorporated as part of this specification. Incorporate.

本発明の好ましい飛行時間分析方法は、
・分析されるイオンのパケットを形成する段階と、
・イオンがジグザグイオン軌道に沿って動くようにZ方向のイオンパケットの比較的小さい速度成分を維持しながら、ドリフトZ方向に拡張された2個の平行な疑似平面イオンミラー間にイオンを通す段階と、
・レシーバでイオンを受け取る段階と、
・イオンが時間的に収束されると共に空間的にY方向に収束されるように前記イオンミラーによって静電場を形成し、この電場が、少なくとも1個のミラー内でZ方向に周期的に空間変調されて、イオンパケットがZ方向に空間収束される段階とを含む。
The preferred time-of-flight analysis method of the present invention is:
Forming a packet of ions to be analyzed;
Passing ions between two parallel quasi-planar ion mirrors extended in the drift Z direction while maintaining a relatively small velocity component of the ion packet in the Z direction so that the ions move along a zigzag ion trajectory When,
Receiving ions at the receiver;
An electrostatic field is formed by the ion mirror so that ions are temporally converged and spatially converged in the Y direction, and this electric field is periodically spatially modulated in the Z direction within at least one mirror. The ion packet is spatially converged in the Z direction.

方法は、更に必要に応じて、WO2004US19593に記載された段階、即ち、
・イオンミラー間のドリフト空間内で少なくとも2個のレンズによってイオンパケットを空間収束し、分析装置の縁でイオンドリフトの方向を戻す段階と、
・湾曲等時性インタフェースを介してイオン注入する段階とを含む。
The method can be further carried out according to the steps described in WO2004US19593, i.e.
Spatially focusing the ion packet by at least two lenses in the drift space between the ion mirrors and returning the direction of ion drift at the edge of the analyzer;
Ion implantation through a curved isochronous interface.

少なくとも1個のイオンミラー内で静電場を周期的変調する段階が、
・少なくとも1個のミラー電極の形状を空間変調する段階と、
・補助電極を組み込むことによって周期的電場を導入する段階の内のいずれかを含み、周期的収束の強度が調整可能であることが好ましい。
Periodically modulating the electrostatic field in at least one ion mirror;
Spatially modulating the shape of at least one mirror electrode;
-Preferably, the intensity of the periodic convergence is adjustable, including any of the steps of introducing a periodic electric field by incorporating an auxiliary electrode.

前記変調の周期が、好ましくはN*ΔZ/2又はN*ΔZと等しく、ここで、Nは整数であり、ΔZは、1個のミラーにおける反射1回当たりのドリフト方向のイオン軌道の前進量である。   The period of the modulation is preferably equal to N * ΔZ / 2 or N * ΔZ, where N is an integer and ΔZ is the amount of advance of the ion trajectory in the drift direction per reflection at one mirror. It is.

本発明の一実施形態によれば、多重反射質量分析計(MR MS)の感度と分解能が改善される。   According to one embodiment of the present invention, the sensitivity and resolution of a multiple reflection mass spectrometer (MR MS) is improved.

本発明の別の実施形態によれば、MR MSの生産が容易になる。   According to another embodiment of the invention, the production of MR MS is facilitated.

本発明のこれら及び他の特徴、利点及び目的は、当業者であれば、以下の明細、特許請求の範囲及び添付図面を参照することにより更によく理解できるであろう。   These and other features, advantages and objects of the present invention will be better understood by those skilled in the art by reference to the following specification, claims and appended drawings.

先行技術のMR−TOF MSを示す図である。It is a figure which shows prior art MR-TOF MS. 先行技術のMR−TOF MSを示す図である。It is a figure which shows prior art MR-TOF MS. 先行技術の平面MR−TOF MSを示す図である。1 shows a prior art planar MR-TOF MS. FIG. 周期的レンズを有する先行技術の平面MR−TOF MSの概略図である。1 is a schematic diagram of a prior art planar MR-TOF MS with a periodic lens. FIG. 2個のミラー電極間に配置されたマスク電極によって空間電場変調を達成した疑似平面イオンミラーの好ましい実施形態の平面図である。FIG. 3 is a plan view of a preferred embodiment of a pseudo-planar ion mirror that achieves spatial electric field modulation with a mask electrode disposed between two mirror electrodes. 図4Aに示された補助電極の側面図である。FIG. 4B is a side view of the auxiliary electrode shown in FIG. 4A. 2個のミラー電極間に配置されたマスク電極によって空間電場変調を達成した疑似平面イオンミラーの好ましい実施形態の斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of a preferred embodiment of a quasi-planar ion mirror that achieves spatial electric field modulation with a mask electrode disposed between two mirror electrodes. エンドデフレクタによってイオンをZ方向に戻すことにより狭いイオンビームを安定して閉じ込める疑似平面TOF MSの好ましい実施形態の上面図である。FIG. 3 is a top view of a preferred embodiment of a pseudo-plane TOF MS that stably confines a narrow ion beam by returning ions in the Z direction by an end deflector. 異なる電位を有する幾つかの部分に分割されたマスク電極によって構成された偏向電場によってイオンをZ方向に戻す疑似平面TOF MSの好ましい実施形態の上面図である。FIG. 4 is a top view of a preferred embodiment of a pseudo-plane TOF MS that returns ions in the Z direction by a deflection electric field constituted by a mask electrode divided into several parts having different potentials. 1個のイオンミラーに埋め込まれた周期的マスク電極を利用してイオン束をZ方向に収束する疑似平面TOF MSの別の好ましい実施形態において、直交加速器によって作成されZ方向に拡張された初期平行イオンビームを示す平面図である。In another preferred embodiment of a pseudo-plane TOF MS that uses a periodic mask electrode embedded in a single ion mirror to focus the ion flux in the Z direction, the initial parallel created by the orthogonal accelerator and extended in the Z direction. It is a top view which shows an ion beam. 1個のイオンミラーに埋め込まれた周期的マスク電極を利用してイオン束をZ方向に収束する疑似平面TOF MSにおいて、直交加速器によって作成され、Z方向に拡張された現実的な角度及びエネルギーの広がりを有するイオンビームの移送を示す平面図である。In a quasi-plane TOF MS that uses a periodic mask electrode embedded in a single ion mirror to focus the ion flux in the Z direction, a realistic angle and energy created by an orthogonal accelerator and expanded in the Z direction. It is a top view which shows transfer of the ion beam which has a breadth. 本発明の疑似平面MR−TOF MSの一実施形態の概略図であり、レンズが、イオンミラー電極に組み込まれた追加電極によって構成され、イオンジグザグ運動の周期の半分の周期を有する。FIG. 4 is a schematic view of an embodiment of the pseudo-planar MR-TOF MS of the present invention, where the lens is constituted by an additional electrode incorporated in the ion mirror electrode and has a period that is half the period of ion zigzag motion. 本発明の疑似平面MR−TOF MSの一実施形態の概略図であり、レンズが、イオンミラー電極に組み込まれた追加電極によって構成され、イオンジグザグ運動の周期の4分の1の周期を有する。FIG. 6 is a schematic diagram of an embodiment of the pseudo-planar MR-TOF MS of the present invention, where the lens is constituted by an additional electrode incorporated in the ion mirror electrode and has a period of one quarter of the period of ion zigzag motion. ミラー電極間に配置された追加電極によって提供されるZ方向のイオン収束を更に強化するために無電場領域内に1組の周期的レンズが追加された一実施形態の概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram of an embodiment in which a set of periodic lenses are added in the field-free region to further enhance ion focusing in the Z direction provided by additional electrodes disposed between mirror electrodes. ミラー電極に組み込まれた追加電極によって提供されるZ方向のイオン収束を更に強化するために無電場領域内に1組の周期的レンズが追加された一実施形態の概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram of an embodiment in which a set of periodic lenses is added in the field-free region to further enhance ion focusing in the Z direction provided by additional electrodes incorporated into the mirror electrode. イオンミラーの変調静電場が少なくとも1個のミラー電極の幾何学的変調によって達成される一実施形態の概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram of an embodiment in which the modulated electrostatic field of the ion mirror is achieved by geometric modulation of at least one mirror electrode. 電極厚を周期的に変化させることによる電場の変調を示す概略図である。It is the schematic which shows the modulation | alteration of an electric field by changing an electrode thickness periodically. 窓高さを周期的に変化させることによる電場の変調を示す概略図である。It is the schematic which shows the modulation | alteration of an electric field by changing window height periodically. イオントラップで作成された外部イオン源と、第2のTOF質量分析装置の前段に設けられた外部衝突セルとを有するシステムを示す概略図である。It is the schematic which shows the system which has the external ion source produced with the ion trap, and the external collision cell provided in the front | former stage of the 2nd TOF mass spectrometer.

本発明は、一般に、質量分光分析の分野に関し、より詳細には、多重反射飛行時間型質量分析計(MR TOF MS)を含む装置に関する。具体的には、本発明は、ミラー静電場の僅かな周期的変調を取り入れることによって平面及びグリッドレスMR−TOF MSの分解能及び感度を改善する。本発明のMR−TOF MSは、空間及び時間収束が改善されるので、延長された折り返しイオン経路に沿ったイオンビームのアクセプタンスが広くなり且つ閉じ込めが確実になる。その結果、本発明のMR−TOF MSは、イオン蓄積装置を介して連続的イオン源に効率的に結合でき、それにより、イオンサンプリングのデューティサイクルを節約できる。   The present invention relates generally to the field of mass spectrometry, and more particularly to an apparatus including a multiple reflection time-of-flight mass spectrometer (MR TOF MS). Specifically, the present invention improves the resolution and sensitivity of planar and gridless MR-TOF MS by incorporating a slight periodic modulation of the mirror electrostatic field. The MR-TOF MS of the present invention has improved spatial and temporal convergence so that the acceptance of the ion beam along the extended folded ion path is widened and confinement is ensured. As a result, the MR-TOF MS of the present invention can be efficiently coupled to a continuous ion source via an ion storage device, thereby saving the duty cycle of ion sampling.

図1Aと図1Bは、Wollnikらによる英国特許2080021号(英国特許の図3と図4)による先行技術の多重反射飛行時間型質量分析計(MR−TOF MS)を示す。飛行時間型質量分析計では、様々な質量とエネルギーのイオンがソース12によって放出される。コレクタ20までのイオンの飛行経路は、ミラーR1,R2,・・・Rnによってイオンを多重反射させることにより折り返される。ミラーは、イオン飛行時間がイオンエネルギーに依存しないようなものである。図1Aと図1Bは、複数の軸方向に対称なイオンミラーの内の2個の幾何学的配置を示す。両方の配置において、イオンミラーは、2個の平行な平面I及びII内に配置され、イオン経路の面に沿って整合される。ある配置では、この面は平面であり(図1A)、別の配列では、面は円筒22である(図1B)。イオンがイオンミラーの光学軸に対して斜めに移動し、これにより追加の飛行時間収差が生じ、従って高解像度の達成がかなり複雑になることに注意されたい。   FIGS. 1A and 1B show a prior art multiple reflection time-of-flight mass spectrometer (MR-TOF MS) according to Wollnik et al. British Patent 2080021 (British Patents FIGS. 3 and 4). In a time-of-flight mass spectrometer, ions of various masses and energies are emitted by the source 12. The flight path of ions to the collector 20 is folded back by multiple reflection of ions by mirrors R1, R2,... Rn. The mirror is such that the ion flight time is independent of ion energy. 1A and 1B show two geometrical arrangements of a plurality of axially symmetric ion mirrors. In both arrangements, the ion mirrors are placed in two parallel planes I and II and aligned along the plane of the ion path. In one arrangement, this surface is a plane (FIG. 1A), and in another arrangement, the surface is a cylinder 22 (FIG. 1B). Note that the ions move obliquely with respect to the optical axis of the ion mirror, which results in additional time-of-flight aberrations and thus the achievement of high resolution is quite complicated.

図2は、ソビエト特許1725289号に記載されたNazarenkoらによる試作品の「折り返し経路」MR−TOF MSを示す。MR−TOF MSは、2個のグリッドレス静電ミラーを有し、各ミラーは3個の電極から構成されている。即ち、一方のミラーは電極3、4及び5から構成されており、他方のミラーは電極6、7及び8から構成されている。各電極は、「中央」平面XZに対して対称な1対の平行電極「a」及び「b」からなる。前記イオンミラー間のドリフト空間内に、ソース1とレシーバ2が配置されている。ミラーは、多重イオン反射を提供する。反射数は、イオン源を検出器に対してX軸方向に移動することにより調整される。同特許は、Y方向の空間イオン収束とイオンエネルギーに対する二次飛行時間収束とを達成する、全てのイオン折り返しで達成されるタイプのイオン収束について述べている。   FIG. 2 shows a “turnback path” MR-TOF MS of a prototype by Nazarenko et al. Described in Soviet Patent No. 1725289. MR-TOF MS has two gridless electrostatic mirrors, and each mirror is composed of three electrodes. That is, one mirror is composed of electrodes 3, 4 and 5, and the other mirror is composed of electrodes 6, 7 and 8. Each electrode consists of a pair of parallel electrodes “a” and “b” that are symmetrical about the “center” plane XZ. A source 1 and a receiver 2 are arranged in a drift space between the ion mirrors. The mirror provides multiple ion reflection. The number of reflections is adjusted by moving the ion source in the X-axis direction with respect to the detector. The patent describes a type of ion focusing that is achieved with all ion folds that achieves spatial ion focusing in the Y direction and secondary time-of-flight focusing with respect to ion energy.

図2の構造は、シフト方向(即ち、Z軸)のイオン収束を提供せず、従って反射サイクル数を実質的に制限することに注意されたい。また、これは、Y方向の空間的なイオン広がりに対して飛行時間収束を提供しない。従って、試作品のMR−TOF MSは、分析装置の幅広いアクセプタンスを提供することができず、従って実際のイオン源と共に動作
できない。
Note that the structure of FIG. 2 does not provide ion focusing in the shift direction (ie, the Z-axis), thus substantially limiting the number of reflection cycles. This also does not provide time-of-flight convergence for spatial ion spread in the Y direction. Thus, the prototype MR-TOF MS cannot provide the wide acceptance of the analyzer and therefore cannot operate with an actual ion source.

図3は、本発明者らによる先行技術の周期的レンズを備えた平面MR−TOF MSの概略図である。分光計は、2枚の平行平面イオンミラーを有する。各ミラーは、実質的にドリフトZ方向に延在された長方形フレームの形を有する4個の電極11から構成される。ミラーのZ方向の縁から遠くでは、電場は平面であり、即ちX及びYに依存し、Zに依存しない。ミラーは、無電場領域13によって分離されている。無電場領域内には1組の周期的レンズ15が配置される。イオン源1からイオンパルスがX軸に対して小さな角度αで放出される。イオンパケットが、Z方向にゆっくりドリフトしながらミラー間で反射される。角度は、反射1回当たりのZ方向の前進量が、周期的レンズの周期と一致するように選択される。レンズは、ジグザグ軌道に沿ったイオン運動を強化する。エンドデフレクタ17は、イオン運動を戻すことを可能にする。遠い側の端部のエンドデフレクタは、静止状態でセットされる。デフレクタを通過した後、イオンは、別のジグザグ軌道に沿って、イオンレシーバ2、一般に飛行時間検出器(マイクロチャネルプレート(MCP)や二次電子増倍管(SEM)等)の方に導かれる。   FIG. 3 is a schematic diagram of a planar MR-TOF MS with a prior art periodic lens by the inventors. The spectrometer has two parallel plane ion mirrors. Each mirror is composed of four electrodes 11 having a rectangular frame shape extending substantially in the drift Z direction. Far from the Z-direction edge of the mirror, the electric field is planar, ie it depends on X and Y and not on Z. The mirrors are separated by an electric field region 13. A set of periodic lenses 15 is disposed in the no-electric field region. An ion pulse is emitted from the ion source 1 at a small angle α with respect to the X axis. The ion packet is reflected between the mirrors while slowly drifting in the Z direction. The angle is selected so that the amount of advance in the Z direction per reflection coincides with the period of the periodic lens. The lens enhances ion motion along the zigzag trajectory. The end deflector 17 makes it possible to return the ion motion. The far end end deflector is set stationary. After passing through the deflector, the ions are directed along another zigzag trajectory toward the ion receiver 2, typically a time-of-flight detector (such as a microchannel plate (MCP) or secondary electron multiplier (SEM)). .

図4は、本発明の疑似平面MR−TOF MSの好ましい一実施形態を示す。この実施形態では、図4A〜図4Cに示されたような2枚の隣り合ったミラー電極32と34の間に配置された周期的窓31(ここでは、マスク窓とも呼ばれる)を有する補助電極30によって、Z方向の周期的電場構造が構成されている。マスク窓31のY方向の高さは、ミラー電極のY方向の開口と等しいことが好ましい。マスク窓31のZ方向の間隔は、ミラー反射1回当たりのイオン前進量ΔZと等しく、イオンミラーのY方向の開口と同等である。マスク電極に印加される電圧は、隣接した2個のミラー電極間の中間電位と僅かに異なり、その結果、弱い周期的収束電場がZ方向で生じる。図4Cは、現実的な角度(0.4度)とエネルギー広がり(5%)を有するイオン軌道を示す。   FIG. 4 shows a preferred embodiment of the pseudo-planar MR-TOF MS of the present invention. In this embodiment, an auxiliary electrode having a periodic window 31 (also referred to herein as a mask window) disposed between two adjacent mirror electrodes 32 and 34 as shown in FIGS. 4A-4C. 30 constitutes a periodic electric field structure in the Z direction. The height in the Y direction of the mask window 31 is preferably equal to the opening in the Y direction of the mirror electrode. The interval in the Z direction of the mask window 31 is equal to the ion advance amount ΔZ per mirror reflection, and is equal to the opening in the Y direction of the ion mirror. The voltage applied to the mask electrode is slightly different from the intermediate potential between two adjacent mirror electrodes, and as a result, a weak periodic focusing electric field is generated in the Z direction. FIG. 4C shows an ion trajectory with a realistic angle (0.4 degrees) and energy spread (5%).

動作において(図4D)、線形イオントラップ源又は二重直交射出装置のようなパルス化イオンコンバータによって、Z方向の狭いイオン束(ion bunch)が形成される(WO2007044696。この開示は本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する)。後者は、Y方向に拡張されているがZ方向に狭いイオンパケットを形成する。これらのイオン束は、1組のデフレクタ又はWO2006102430に開示されたような湾曲等時性インタフェースを利用して飛行時間分析器に注入される。WO2006102430の開示は本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。パケットは、図面平面内で軸Xに対して小さな角度で射出され、その結果、ミラーでの反射1回当たりのイオン前進量ΔZが、イオンミラー内の電場の空間変調の周期と一致する。分析装置内で、イオンは、時間収束並びにY方向の空間収束を提供するイオンミラー34によって周期的に反射されるジグザグ軌道に沿って移動する。マスク電極30を通過するとき、イオンは、Z方向の周期的電場によって収束される。マスク電極レンズのX方向の望ましい焦点距離は、ジグザグ運動の半周期と等しい。イオンは、分析装置の端に達した後で、WO2004US19593に開示されたようなデフレクタによって折り返されることが好ましい。WO2004US19593の開示は本明細書の一部を構成するものとしてここに援用する。或いは、イオンパケットのドリフト方向は、後述するようなイオンミラーに組み込まれたデフレクタによって反転される。イオンは、分析装置を通過(Z方向に往復)した後で、1組のデフレクタ又は湾曲等時性インタフェースを利用して検出器又は別のレシーバに射出される。   In operation (FIG. 4D), a narrow ion bunch in the Z direction is formed by a pulsed ion converter, such as a linear ion trap source or a double orthogonal ejection device (WO 20077044696, the disclosure of which is hereby incorporated by reference). Incorporated herein as part of it). The latter forms an ion packet that is expanded in the Y direction but narrow in the Z direction. These ion fluxes are injected into the time-of-flight analyzer using a set of deflectors or a curved isochronous interface as disclosed in WO2006102430. The disclosure of WO2006102430 is incorporated herein as part of this specification. The packet is emitted at a small angle with respect to the axis X in the drawing plane, so that the ion advance amount ΔZ per reflection at the mirror coincides with the period of spatial modulation of the electric field in the ion mirror. Within the analyzer, ions move along a zigzag trajectory that is periodically reflected by an ion mirror 34 that provides time convergence as well as spatial convergence in the Y direction. When passing through the mask electrode 30, the ions are focused by a periodic electric field in the Z direction. The desired focal length in the X direction of the mask electrode lens is equal to the half cycle of the zigzag motion. The ions are preferably folded by a deflector as disclosed in WO2004US19593 after reaching the end of the analyzer. The disclosure of WO2004US19593 is hereby incorporated by reference as part of this specification. Alternatively, the drift direction of the ion packet is reversed by a deflector incorporated in an ion mirror as will be described later. After passing through the analyzer (reciprocating in the Z direction), the ions are ejected to a detector or another receiver using a set of deflectors or a curved isochronous interface.

図5は、分析装置の遠い側の(Z方向の)端部に達した後でイオンをZ方向に反射させる代替方法を示す。図5の実施形態のイオンミラー構造は、一般に、以下に示した違いがあるが、図4A〜図4Cの実施形態と類似している。反射は、2個の部分41及び42に分割されたエンドマスク窓40によって生成された弱い偏向電場によって行なわれ、窓の端部分には異なる電位が印加されている。一般に、マスクを複数の部分に切断し、これらの部分に僅かに異なる電位を印加すると、分析装置内でドリフト角を徐々に変化させることができる。   FIG. 5 shows an alternative method of reflecting ions in the Z direction after reaching the far end (Z direction) of the analyzer. The ion mirror structure of the embodiment of FIG. 5 is generally similar to the embodiment of FIGS. 4A-4C, with the following differences. The reflection is performed by a weak deflection electric field generated by the end mask window 40 divided into two parts 41 and 42, and different potentials are applied to the end parts of the window. Generally, when the mask is cut into a plurality of portions and a slightly different potential is applied to these portions, the drift angle can be gradually changed in the analyzer.

図6Aと図6Bは、分析装置がZ方向に長いイオンパケットを許容する好ましい実施形態の別の選択肢を示す。この場合も、Z方向のイオン収束は、周期的窓51を有する補助電極50によって行なわれる。しかしながら、この場合、マスク窓51のサイズは、実質的にミラー電極のY方向の窓より大きい。ミラー間に位置決めされた直交加速器によって、Z方向に拡張されたイオン束が形成される。加速後、イオンパケットは、ジグザグ経路に沿って移動する。図6に示されたように、マスクは、1個のミラー内だけに実装され、マスク窓のステップは、Z方向のイオン運動の周期2ΔZと等しいことが好ましい。或いは、マスクが、図4に示されたように両方のミラーに実装され、対向するミラーにおけるマスクの窓の位置が、Z方向にΔZだけずらされる。イオンは、分析装置を通過した後で検出器54によって受け取られる。マスクの電圧は、何回かの反射後で、例えば図6Aに示されたような飛行経路長の半分で、初期平行単エネルギーイオンビームを提供するように調整されることが好ましい。電位の最適な調整により、マスクによって生じる飛行時間収差の減少と、図6Bに示されたような全ての飛行経路に沿った現実的な角度及びエネルギー広がりでのイオンの閉じ込めを両立できる。   6A and 6B show another option of the preferred embodiment where the analyzer allows ion packets that are long in the Z direction. Also in this case, ion focusing in the Z direction is performed by the auxiliary electrode 50 having the periodic window 51. However, in this case, the size of the mask window 51 is substantially larger than the window in the Y direction of the mirror electrode. An ion flux expanded in the Z direction is formed by the orthogonal accelerator positioned between the mirrors. After acceleration, the ion packet moves along a zigzag path. As shown in FIG. 6, the mask is preferably implemented in only one mirror, and the mask window step is preferably equal to the period 2ΔZ of ion motion in the Z direction. Alternatively, the mask is mounted on both mirrors as shown in FIG. 4, and the position of the mask window on the opposing mirror is shifted by ΔZ in the Z direction. The ions are received by detector 54 after passing through the analyzer. The mask voltage is preferably adjusted to provide an initial parallel monoenergetic ion beam after several reflections, eg, at half the flight path length as shown in FIG. 6A. Optimal adjustment of the potential can both reduce time-of-flight aberrations caused by the mask and ion confinement at realistic angles and energy spreads along all flight paths as shown in FIG. 6B.

図7Aは、本発明の疑似平面MR−TOF MSの別の実施形態の概要を示し、周期的レンズ60は、無電場領域の隣りのイオンミラー電極(ここでは、内部電極)に組み込まれた追加電極によって構成される。図7Aのレンズ周期は、イオンジグザグ運動の半周期と同等である(反射1回につき1個のレンズ)。或いは、図7Bに示されたように、レンズ62の周期は、イオンジグザグ運動の周期の4分の1であってもよい(反射1回につき2個のレンズ)。   FIG. 7A shows an overview of another embodiment of the quasi-planar MR-TOF MS of the present invention, in which the periodic lens 60 is added to the adjacent ion mirror electrode (here, the internal electrode) in the field-free region. Consists of electrodes. The lens period in FIG. 7A is equivalent to the half period of the ion zigzag motion (one lens per reflection). Alternatively, as shown in FIG. 7B, the period of the lens 62 may be a quarter of the period of the ion zigzag motion (two lenses per reflection).

図8は、図8Aのようにミラー電極間に配置されるかまた図8Bのようにミラー電極72内に実装された追加電極によって提供されるZ方向のイオン収束を更に高めるために、無電場領域内に1組の周期的レンズ70が追加された更に別の実施形態を示す。無電場空間内の1組の周期的レンズは、1組のビーム制限マスクによって置き換えることができ、この1組のビーム制限マスクは、疑似平面ミラーの周期的電場によって十分に収束されないか又は過度に収束され、従って異なる回数の反射の後で検出器に到達するイオンが検出器に当たるのを防ぐ。   FIG. 8 illustrates a no-electric field to further enhance ion focusing in the Z direction provided by an additional electrode disposed between mirror electrodes as in FIG. 8A or mounted in mirror electrode 72 as in FIG. 8B. Fig. 6 shows yet another embodiment in which a set of periodic lenses 70 are added in the region. A set of periodic lenses in the field-free space can be replaced by a set of beam limiting masks, which are not sufficiently converged by the periodic electric field of the quasi-planar mirror or excessively Ions that are focused and thus reach the detector after a different number of reflections are prevented from hitting the detector.

図9Aは、イオンミラーの静電場の変調が、少なくとも1個のミラー電極の幾何学的変調によって達成される更に別の実施形態を示す。図9Bは、電極厚さを周期的に変化させることによる電場の変調を示す。図9Cは、窓高さを周期的に変化させることによる電場の変調を示す。最良の飛行時間及び空間収束が提供されるように電極の電位が固定されているので、幾何学的変調は、選択された幾何学的変調によって決まる一定の強度のZ方向のイオン収束を引き起こす。変調強度は、分析装置のアクセプタンスと分解能が両立するように選択されなければならない。   FIG. 9A shows yet another embodiment in which modulation of the electrostatic field of the ion mirror is achieved by geometric modulation of at least one mirror electrode. FIG. 9B shows the modulation of the electric field by periodically changing the electrode thickness. FIG. 9C shows the modulation of the electric field by periodically changing the window height. Since the electrode potential is fixed to provide the best time-of-flight and space convergence, the geometric modulation causes a constant intensity Z-direction ion convergence determined by the selected geometric modulation. The modulation intensity must be selected so that the acceptance and resolution of the analyzer are compatible.

図10は、イオントラップ80で作成された外部イオン源と、外部衝突セルとを有し、外部衝突セルの後に第2のTOF質量分析装置90を設けた構成を示す。外部装置は、湾曲等時性インタフェース85を介してMRTに結合されている。タンデムTOF装置のそのような構成は、特許出願WO2003US13262及びWO2004008481に記載されている。   FIG. 10 shows a configuration in which an external ion source created by the ion trap 80 and an external collision cell are provided, and the second TOF mass spectrometer 90 is provided after the external collision cell. The external device is coupled to the MRT via a curved isochronous interface 85. Such a configuration of the tandem TOF device is described in patent applications WO2003US13262 and WO2004008481.

図は、本発明者らによって先行出願に記載された幾つかの異なる構成を示す。シングルステージTOF MSは、連続的イオン源から来るイオンの蓄積にイオントラップを使用する。湾曲電場インタフェース85を介してイオンパケットが分析装置に注入される。イオンは、分析装置を2回通った(往復した)後で、等時性インタフェースの第2の通路を通り、共通TOF検出器(図に示されていない)に当たる。   The figure shows several different configurations described in the prior application by the inventors. Single stage TOF MS uses an ion trap to accumulate ions coming from a continuous ion source. An ion packet is injected into the analyzer via the curved electric field interface 85. The ion passes through the analyzer twice and then passes through the second path of the isochronous interface and strikes the common TOF detector (not shown).

機器を高スループットのタンデム質量分析計として動作させる場合、検出器が、高速の第2のTOF分光計の前段にある高速衝突セルによって置き換えられる。親イオンがMR−TOF MS内で分離されている間に、フラグメントが高速に形成され、各イオン種が一度に分析される。これにより、通常は他のタイプのタンデム機器における走査と関連した追加のイオン損失を導入することなく、複数の親イオンに対していわゆる並行MS−MS分析を行うことができる。   When operating the instrument as a high-throughput tandem mass spectrometer, the detector is replaced by a fast collision cell in front of the fast second TOF spectrometer. While the parent ions are separated in the MR-TOF MS, fragments are rapidly formed and each ionic species is analyzed at once. This allows so-called parallel MS-MS analysis on multiple parent ions without introducing additional ion losses normally associated with scanning in other types of tandem instruments.

機器を高解像度タンデムとして動作させる場合は、イオンが、軸トラップからMRT分析装置に周期的に注入される。単一イオン種が時間選択され、軸トラップに戻される。このとき、軸トラップは、フラグメンテーションセルとして働く。フラグメントは、そのガスセル内で衝突して減衰し、フラグメント質量の分析のために同じMRT分析装置内に戻される。   When the instrument is operated as a high resolution tandem, ions are periodically injected from the axial trap into the MRT analyzer. A single ion species is time selected and returned to the axial trap. At this time, the axis trap acts as a fragmentation cell. The fragments collide and decay in the gas cell and are returned into the same MRT analyzer for fragment mass analysis.

以上の説明は、単に好ましい実施形態のものと考えられる。当業者及び本発明を作成し又は使用する者であれば、本発明の変形例を思いつくであろう。従って、図面に示され以上述べた実施形態は、単に説明のためであり本発明の範囲を限定するものでなく、本発明の範囲は、均等論を含む特許法の原則に従って解釈される添付の特許請求の範囲によって定義されることを理解されたい。   The above description is considered that of the preferred embodiment only. Those skilled in the art and those who make or use the present invention will devise variations of the present invention. Accordingly, the embodiments shown in the drawings and described above are merely illustrative and are not intended to limit the scope of the invention, which is to be interpreted in accordance with the principles of patent law, including equivalent theory. It should be understood that this is defined by the claims.

1 イオン源
2 レシーバ
3〜8 静電気イオンミラー
13 無電場領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ion source 2 Receiver 3-8 Electrostatic ion mirror 13 No electric field area

Claims (20)

多重反射飛行時間型質量分析計であって、
ドリフト方向(Z)に延長されると共に平行電極で構成され、無電場領域によって分離された2個の疑似平面静電気イオンミラーと、
イオンパケットがイオンミラー間で反射されドリフト方向Zにドリフトするようにイオンパケットをドリフト方向Zに垂直なX方向に対して小さな角度で放出するパルス化イオン源と、
イオンパケットを受け取るレシーバとを有し、
前記ミラーが、前記レシーバ上での飛行時間収束を提供し、ドリフト方向Zとイオン注入方向Xの両方に垂直なY方向の空間収束を提供するように位置決めされ、
少なくとも1個のミラーが、イオンパケットをZ方向に周期的に空間収束するためにドリフトZ方向に沿って静電場を変調する周期的特徴を有する、多重反射飛行時間型質量分析計。
A multiple reflection time-of-flight mass spectrometer,
Two quasi-planar electrostatic ion mirrors extending in the drift direction (Z) and composed of parallel electrodes and separated by a field-free region;
A pulsed ion source that emits the ion packet at a small angle with respect to the X direction perpendicular to the drift direction Z such that the ion packet is reflected between the ion mirrors and drifts in the drift direction Z;
A receiver for receiving ion packets,
The mirror is positioned to provide time of flight convergence on the receiver and to provide spatial convergence in the Y direction perpendicular to both the drift direction Z and the ion implantation direction X;
A multi-reflection time-of-flight mass spectrometer, wherein at least one mirror has a periodic feature that modulates the electrostatic field along the drift Z direction to periodically spatially focus ion packets in the Z direction.
イオン経路をドリフト方向と逆方向に戻すための少なくとも1個のエンドデフレクタを有する、請求項1に記載の装置。   The apparatus of claim 1, comprising at least one end deflector for returning the ion path in a direction opposite to the drift direction. 前記パルス化イオン源と前記レシーバとの間に設けられた少なくとも1個の等時性湾曲インタフェースを更に有する、請求項1に記載の装置。   The apparatus of claim 1, further comprising at least one isochronous curved interface provided between the pulsed ion source and the receiver. 無電場領域内に設けられた少なくとも2個のレンズを更に有する、請求項1に記載の装置。 The apparatus of claim 1, further comprising at least two lenses provided in the field-free region. 少なくとも1個のミラーが、少なくとも4個の電極を有し、その少なくとも1個の電極に、前記飛行時間収束と前記Y方向の空間収束を提供するための引き付け電位が印加される、請求項1に記載の装置。   The at least one mirror has at least four electrodes, and an attractive potential is applied to the at least one electrode to provide the time-of-flight convergence and the spatial convergence in the Y direction. The device described in 1. 前記周期的特徴が、高さ(Y方向)が変化する開口を有する少なくとも1個のミラー電極を有する、請求項1に記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein the periodic feature comprises at least one mirror electrode having an aperture that varies in height (Y direction). 前記周期的特徴が、幅(X方向)が変化する少なくとも1個のミラー電極を有する、請求項1に記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein the periodic feature comprises at least one mirror electrode that varies in width (X direction). 前記周期的特徴が、少なくとも1個のイオンミラーの内部電極に組み込まれた1組の周期的レンズである、請求項1に記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein the periodic feature is a set of periodic lenses incorporated into an internal electrode of at least one ion mirror. 前記周期的特徴が、少なくとも1個のミラー電極に組み込まれた1組の補助電極を有し、補助電極の電位がZ方向に周期的に変化する、請求項1に記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein the periodic feature comprises a set of auxiliary electrodes incorporated in at least one mirror electrode, and the potential of the auxiliary electrodes periodically changes in the Z direction. 前記周期的特徴が、N*ΔZ/2と等しい周期を有し、ここで、Nは整数であり、ΔZは、反射1回当たりの前記イオンジグザグ軌道のドリフト方向の前進量である、請求項1に記載の装置。   The periodic feature has a period equal to N * ΔZ / 2, where N is an integer and ΔZ is the amount of advance in the drift direction of the ion zigzag trajectory per reflection. The apparatus according to 1. 前記周期的特徴が、前記ジグザグ軌道の周期の整数と等しい周期を有する、請求項1に記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein the periodic feature has a period equal to an integer number of periods of the zigzag trajectory. 飛行時間分析方法であって、
被分析イオンのパケットを形成する段階と、
イオンがジグザグイオン軌道に沿って動くようにイオンパケットのZ方向の比較的小さな速度成分を保持しながら、ドリフトZ方向に延在された2個の平行な疑似平面イオンミラー間にイオンを通す段階と、
イオンをレシーバで受け取る段階と、
前記イオンを時間的に収束すると共にY方向に空間的に収束させる段階と、
Z方向に沿ってイオンパケットの空間収束を提供するために、少なくとも1個のミラー内の静電場を空間的且つ周期的に変調する段階とを含む方法。
A time-of-flight analysis method,
Forming a packet of analyte ions;
Passing ions between two parallel quasi-planar ion mirrors extending in the drift Z direction while maintaining a relatively small velocity component in the Z direction of the ion packet so that the ions move along a zigzag ion trajectory When,
Receiving ions at the receiver;
Focusing the ions temporally and spatially in the Y direction;
Spatially and periodically modulating the electrostatic field in the at least one mirror to provide spatial focusing of the ion packets along the Z direction.
分析装置の縁においてイオンドリフト方向を反転させる段階を更に含む、請求項12に記載の方法。   13. The method of claim 12, further comprising reversing the ion drift direction at the edge of the analyzer. 湾曲等時性インタフェースを介してイオンを注入する段階を更に含む、請求項12に記載の方法。   The method of claim 12, further comprising implanting ions through a curved isochronous interface. イオンミラー間のドリフト空間内で少なくとも2個のレンズによってイオンパケットを空間収束させる段階を更に含む、請求項12に記載の方法。   The method of claim 12, further comprising spatially focusing the ion packet by at least two lenses in a drift space between the ion mirrors. 少なくとも1個のイオンミラー内で静電場を周期的に変調する前記段階が、少なくとも1個のミラー電極の形状を空間変調する段階を含む、請求項12に記載の方法。   The method of claim 12, wherein the step of periodically modulating an electrostatic field within at least one ion mirror comprises spatially modulating the shape of at least one mirror electrode. 少なくとも1個のイオンミラー内で静電場を周期的に変調する前記段階が、補助電極の周期的電場を導入する段階を含む、請求項12に記載の方法。   The method of claim 12, wherein the step of periodically modulating an electrostatic field in at least one ion mirror comprises introducing a periodic electric field of an auxiliary electrode. 前記変調の周期がN*ΔZ/2と等しく、ここで、Nが、整数であり、ΔZが、反射1回当たりの前記イオンジグザグ軌道のドリフト方向の前進量である、請求項12に記載の方法。   The period of the modulation is equal to N * ΔZ / 2, where N is an integer and ΔZ is the amount of advance in the drift direction of the ion zigzag trajectory per reflection. Method. 前記イオンパケットを形成する段階が、連続的イオン源から来るイオンをイオン蓄積する段階を含む、請求項12に記載の方法。   The method of claim 12, wherein forming the ion packet comprises ion accumulation of ions coming from a continuous ion source. Z方向の周期的収束の強度が調整可能である、請求項12に記載の方法。
The method of claim 12, wherein the intensity of periodic convergence in the Z direction is adjustable.
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