JP3993895B2 - 質量分光測定装置及びイオン輸送分析方法 - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、質量分光測定に関し、特に、質量分光計の大気圧イオン化（ＡＰＩ）イオンソース及びそのインターフェース、及びそのための方法に関する。
発明の背景
大気圧イオン化や、特にエレクトロスプレー（electrospray）イオン化は、質量分光測定法による有機及び生物化学分析において極めて有力な分析技術となってきた。１９６８年〜１９７０年に、エム・ドール（M.Dole）氏により、ポリエチレングリコールのような単一ポリマーの分子質量の決定のための質量分析器とエレクトロスプレーイオンソースの使用が説明された（M.Dole他、J.Chem.Phys.、第４９巻、第２２４０頁、１９６８年；L.L.Mark他、J.Chem.Phys.、第５２巻、第４９７７頁、１９７０年）。この装置では、イオンが、第１の円錐形状のスキマー（skimmer）の中央の短いノズルを通じて大気圧から第１の真空領域に収集された。第２のスキマーの中央のオリフィスを通じる１つだけの物理的な結合部を有する第１及び第２の真空領域が差動的に吸引される。イオン及び電気的に中性の粒子（neutral）の両方は、空力的なジェット領域に集束され、質量分析器の真空領域へと向けられた。
その後、カーテンガスＡＰＩインターフェースが開発され、イオンサンプリング領域でのカーテンガスの対抗流が、スプレーされるエーロゾル（aerosol）の液体の小滴の真空装置への侵入を防止した（米国特許第４１３７７５０号、“Method and Apparatus for Analyzing Trace Components Using a Gas Curtain”、J.B.French他）。このカーテンガスは、大気圧側からのイオンサンプリングノズルを遮蔽し、液体の微小な小滴のような他の粒子のサンプリングよりも真空装置へのイオンのサンプリングを優先するようになった。円錐形状のスキマーを同軸に配置したイオンサンプリングノズルやイオンサンプリング細管を使用する他の従来技術の設計が幾つかある。例えば、米国特許第５２９８７４４号（“Mass Spectrometer”、T.Mimura他）には、加熱した短いノズル及び同軸のスキマーが使用される。米国特許第５１６４５９３号（“Mass Spectrometer System Including an Ion Source Operable Under High Pressure”、J.R.Chapman他）及び米国特許第５２９８７４３号（“Mass Spectrometry and Mass Spectrometer”、Y.Kato他）に開示される他の設計では、様々な同軸、円錐形状のスキマーが、差動的吸引に関連して使用される。
その他の設計では、イオンサンプリングデバイスとして長い細管を組み入れ、これは、第１の真空領域と差動吸引質量分析領域とを分離する同軸のスキマーと共に配置された（米国特許第４５４２２９３号、“Process and Apparatus for Changing the Energy of Changed Particles Contained in Gaseous Medium”、Fenn他）。同様の装置では、加熱した金属製細管が、同軸に配置されたスキマーと共に使用され、イオンの小滴及びイオンの集団が、細管で加熱され、大部分が完全に蒸発し、より効率的に第１の真空領域に吸引された（米国特許第４９７７３２０号、“Electrospray Ionization Mass Spectrometer with New Features”、S.K.Chowdhury他）。しかし、効率的な微小な小滴の蒸発プロセスは、比較的高い細管温度を必要とする。温度上昇は、測定される化合物、例えば非共有結合のペプチド錯体の変質の原因になり得る。
液体の微小な小滴のような重い粒子からだけでなく、空気や溶剤の分子のような軽い粒子からもイオンの分離を増大させる付加的な先端的なインターフェースが導入された。このような装置の全ては、第１の真空領域から質量分析領域へのイオンの移動をこれらの領域間に異なったイオン光学を組み入れることにより付勢するように設計された。米国特許第５１５７２６０号（“Method and Apparatus for Focusing Ions in Viscous Flow Jet Expansion Region of an Electrospray Apparatus”、I.C.Mylchreest他）では、管状のイオンレンズが、第１の真空領域のイオンサンプリング細管の一端で使用され、第２の真空領域の同軸のスキマーを通じ質量分析領域へのイオンの移動を改良している。米国特許第５３５２８９２号（“Atmospheric Pressure Ion Interface for a Mass Analyzer”、A.Mordehai他）に開示される質量分光測定装置は、短いノズルと平坦なスキマーとを使用し、これらの間には、軽い電気的に中性の粒子を分散し、吸引しつつ、イオンのドリフト領域を作り出すための多重の同軸の電極板がある。１つの設計に、無線周波数四極イオンガイドが、電気的に中性の粒子を吸引しつつ、イオンを捕獲し且つ集束させるために使用された（D.J.Douglas及びJ.B.French、J.Am.Soc.Mass.Spectrom.、３、第３９８〜４０８頁；米国特許第４９６３７３６号、“Mass Spectrometer and Method and Improved Ion Transmission”、D.J.Douglas他）。上記の従来技術の設計では、イオンは、質量分析器の軸線と同軸に配置され、注入イオンの軌道を画成するイオンサンプリングデバイスと同軸に配列される１組の同軸のセパレーター又はスキマーを通じて真空チャンバーに収集される。このインターフェースの設計は、結果の再現を可能にするために、同軸のスキマーの機構学的な配列に高い精度が要求される。部分的なイオン-電気的に中性の粒子の分離が、顕著なイオン損失の原因となる。これらの質量分光測定装置は、過度の化学的ノイズと装置の汚染とにより特徴づけられる。
電気的に中性の粒子とイオンの分離を付勢するための他の方法が、米国特許第５１７１９９０号（“Electrospray Ion Source With Reduced Neutral Noise”、I.C.Mylchreest他）で示された。イオンサンプリング細管の軸線は、スキマーの開口部から離れたところに向けられた。この設計では、軸線のズレにより生じる液体の微小な小適のような大きな電気的に中性の粒子を区別するために、イオン輸送が犠牲にされている。また、静電イオン光学及びスキマーが、ジェットの途中に配置され、これにより、汚染が増大し、化学的ノイズが増大し、装置全体の耐性が低下する。
米国特許第５４８１１０７号（“Mass Spcctrometer”、Y.Takada他）には、静電レンズが、イオンソースと質量分析器との間の領域でイオンの移動方向を偏向するように使用され、イオンと電気的に中性の粒子の分離を達成した。この先端的な設計には欠点がある。この設計での静電レンズは、比較的高い圧力の真空領域に位置される。強いイオン分散が、イオン損失を引き起こし、イオンの移動を低下させることから、高真空圧力下の静電光学が、効率的にイオンを集束し得ないことは、周知のことである。
発明の概要
従って、本発明の第１の目的は、無線周波数イオンガイドを有する質量分光測定装置、及び、空気分子や溶剤の集団又は液体の微小な小滴のような電気的に中性の粒子の輸送効率を低下させるとともに、大気圧又は大気圧以下から質量分析器の真空装置へのイオン輸送効率を向上する方法を提供することである。
本発明の第２の目的は、質量分光測定装置の耐性を向上することである。
本発明の第３の目的は、質量分光測定装置の化学的ノイズレベルを低下させ、その感度を向上させることである。
本発明の第４の目的は、真空チャンバーの無線周波数多重極電場でイオン流の方向を変えるための質量分光測定装置及び方法を提供することである。
本発明の利点は、質量分光測定装置のイオン導入デバイス及びイオン光学が精密な機構学的な配列を要しないことである。
本発明の質量分光測定装置は、大気圧で又は大気圧付近でイオンを生成するためのイオンソース、イオンサンプリングデバイス、イオンソース付近に配置される真空チャンバー、及び真空チャンバー内に収容される無線周波数イオンガイドを含む。イオンサンプリングデバイスは、入口開口部及び出口開口部を有する通路を備え、これを通じてイオンがサンプリングデバイスの軸線の方向に輸送される。真空チャンバーは、最も高い圧力を有するイオンサンプリングデバイスからのガス及びイオンの流れを受ける領域を有する少なくとも２つの真空領域（前側領域及び後側領域）を有する。イオンサンプリングデバイス及び無線周波数イオンガイドは、イオン及びガス粒子の流れの方向がこのイオンガイドに関して角度を付け、このイオンガイドの入口で交差又は略交差するように配列される。無線周波数イオンガイドは、電気的に中性の粒子のガスの流れの外にイオンの流れを偏向し、ガス流で伴出され得るガス粒子や高電荷の小滴又は固体の粒子とイオンの分離を達成する。選択した電気的に中性の粒子のガスを無線周波数イオンガイドへ導入するためのデバイスが、イオンガイド内のイオンの集束を向上するために与えられる。無線周波数イオンガイドに在るイオンを受けるように、質量分析器が位置される。
本発明は、電気的に中性の分子とイオンを分離する方法を提供する。イオンは、大気圧で又は大気圧付近で形成され、ジェット（電気的に中性の粒子のガスのジェット内に伴出されるイオンを含んでいる）を形成するイオンサンプリングデバイスの第１の開口部を通じて真空装置に入り込む。このジェットは、無線周波数イオンガイドへと向けられる。このジェットの方向（イオンサンプリングデバイスの中央軸線）は、イオンガイドの主軸線と平行ではなく、イオンガイドの主軸線と交差又はそれに接近するように設定される。加圧された緩衝ガスが、無線周波数イオンガイドの入口に入る。イオンが、イオンガイドの出口から質量分析器へと移される。緩衝ガスの圧力は、質量分析器からの所望のイオン信号及び質量解像度が得られるように調節される。
本発明の利点は、好適実施例を添付図面に関連して説明する以下の詳細な説明から明らかとなる。詳細な説明は、本発明を図説するためのものであり、本発明を制限することを意図としたものではない。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の１つの実施例に従った傾斜細管を使用する質量分光測定装置を略示する。
図２は、従来技術と本発明との大気圧イオンソースに送られる液体サンプル流の増加と、飛翔時間イオントラップ質量分析器の質量分析器の真空領域の圧力の増加との関係を示す。
図３は、本発明を使用して得られたレセルピン（¹²ＣｍＨ＋に対してｍ／ｚ＝６０９Ｔｈ）の高圧液体色層分析の、抽出したイオン色層列のプロットである。
図４は、本発明を使用して得られた注入サンプル総量１ｐｇのレセルピン

の注入流分析の、抽出したイオン色層列のプロットである。
図５は、本発明の装置を通じての多様な電荷高質量イオン移送を示し、ユビキチン（Ubiqutin）（ｍ_r〜８５７０Ｄａ）のエレクトロスプレー質量スペクトルが、流量

分び濃度

の注入実験で得られた。
図６は、本発明の他の実施例に従って傾斜細管を使用する質量分光測定装置を略示する。
図７は、本発明に従ったノズルサンプリングデバイスを使用する質量分光測定装置を略示する。
図８は、本発明の他の実施例に従って真空チャンバー内に配置されるイオンソースを使用する質量分光測定装置を略示する。
図９ａ及び９ｂは、それぞれ、イオン-電気的に中性の粒子の流れの方向を示し、イオンサンプリングデバイスの中央軸線が、質量分析器のコア軸線に沿って配列される無線周波数イオンガイドの主軸線に対して傾けられたもの、及び、質量分析器のコア軸線が、無線周波数の主軸線に対して傾けられたものである。
好適実施例の説明
図１は、本発明の好適実施例に従った質量分光測定装置を示す。この装置は、大気圧領域２でイオンを発生させるための大気圧イオンソース１と、このイオンソース１の隣りに配置される真空チャンバー３とを含む。真空チャンバー３は、この真空チャンバーの前側に第１の真空領域４を有し、真空チャンバーの後側に第２の真空チャンバー５を有し、第１の真空チャンバー４と第２の真空チャンバー５との間に中間真空チャンバー４ａを有する。これら領域の圧力は、真空チャンバー３の前側から後側へと断続的に低下される。イオンが、空力的に支援されるスプレーを有するエレクトロスプレーイオン化技術によって領域２の大気圧で生成される。イオンは、イオンサンプリングデバイスとして機能する細管６を通じて第１の真空領域４へサンプリングされる。細管６は、絶縁接合部７によって真空チャンバー３と電気的に絶縁される。この装置は、さらに、ジェット領域８からイオンを抽出し、且つ質量分析器１３によるイオンの質量分析のため、第２の真空チャンバー５へと輸送するための周波数イオンガイド１６を含む。本発明に従って、細管６のボアの中央軸線９が、無線周波数イオンガイド１６の主軸線１０と角度βで交差する。細管６は、無線周波数イオンガイド１６の入口へと第１の真空領域４内のイオンを向けるように位置される。中央軸線９は、無線周波数イオンガイドの入口で主軸線１０に接近する。イオン光学レンズ１１及びリストリクター１２が、主軸線１０と同軸に配列される。電位が、細管６、抽出レンズ１１及びリストリクター１２に印加される。これらの電位は、最適なイオン輸送効率となるように調節され、典型的に、約±３００Ｖの範囲にある。細管６とリストリクター１２との間の電位差は、ジェット領域８でのイオンと電気的に中性の粒子との衝突により衝突的に誘導される解離（ＣＩＤ）を生じさせるために使用される。ＣＩＤにより、分析されるサンプルの付加的な構造情報を得ることができる。ＣＩＤを容易にするために、ヒーター１５により細管の温度を上昇させることによりイオンを予め加熱することが可能である。また、ヒーター１５の温度は、特定の粒子の最良の感度を達成するために調節することもできる。イオンソースからの微小な小滴が本発明によりイオンから分離されるので、小滴を完全に蒸発させるために細管６の温度を上昇させる必要がない。これは、感熱性の化合物に対して利点がある。在来の細管のヒーターの温度操作は、約２０℃から３５０℃の範囲にある。
エレクトロスプレーイオン化と共に使用されると、ヒーター１５の温度は、アナライト（analyte）溶剤の微小な小滴の蒸発に十分な加熱量を与え、蒸発する溶剤が、無線周波数イオンガイドの入口を加圧する。蒸発した溶剤分子は、イオンガイドの入口で緩衝ガスとして働き、このことから、イオン移送が向上される。
この実施例では、細管６を通じて真空へと導入されるイオンが、中間真空領域４ａ内の無線周波数イオンガイドによりジェット領域から抽出され、一方、電気的に中性の粒子全部が、細管６の中央軸線に沿った元々の運動方向を維持する。よって、電気的に中性の粒子及び微小な小滴が、質量分析器１３に影響を及ぼすことなく、効率的に吸引される。
無線周波数ガイド１６の個々のロッドは、電気的に中性の粒子との衝突を回避するために、中央軸線９から外れて位置され、装置の汚染及び化学的なノイズを防止し、中間領域４ａで、より効率的に電気的に中性の粒子が吸引される。したがって、質量分光測定装置での傾斜した細管の使用は、イオン-電気的に中性の粒子の分離を効率的にし、装置での化学的ノイズを低減し、感度及び耐性を向上させる。
この実施例では、質量分析器１３は、タンデム形無線周波数三次元イオントラップ飛翔時間質量分析器（アール・エム・ジョーダン・コーポレイション（R.M.Jordan Co.）、カリフォルニア州グラス・ヴァレー）である。質量分光測定装置は、第１の真空領域４（１．５Torr）に７分の

の荒引きポンプが備えられ、第２の真空領域５（１０^-2Torr）に６０分の

のターボポンプが備えられ、イオントラップで１．３×１０^-5Torrの圧力を、飛翔時間領域で３．９×１０^-7Torrの圧力を与える質量分析器の真空領域５には

の一対のポンプが備えられている。好適実施例では、無線周波数イオンガイド１６は、直径２．５mmのロッドを有する六極であり、ロッドは、ロッド間にＲ₀＝２mmの固有半径を有する円形状に配置される。この六極イオンガイドは、１MHzの周波数及び３００Ｖのピーク振幅で作動される。
図１に略示する装置で実験が行われた。その計測結果は、図２〜５に示される。
図２は、従来技術と本発明との大気圧イオンソースに送られる液体流（２０mM）の酢酸アンモニウム及び５０／５０％のメタノール／水）の増加と、質量分析器の真空領域（飛翔時間領域）の圧力の増加との関係を示す。従来のデバイス（米国特許第４９７７３２０号）は、細管を軸線に沿って配列（β＝０）され、本初恵味は、固有の開口を有するリストリクターを使用した。従来技術では、エレクトロスプレーを通じて流量を

へと増加させると、質量分析器の領域での圧力が１０fold増加し、イオン-電気的に中性の粒子分離が低いことを示す。本発明を使用する装置では、流量を

へと増加させると、質量分析器での圧力は全く増加せず、効果的なイオン-電気的に中性の粒子分離が達成されたことが示される。
本発明を使用する質量分光測定装置の高感度を示すために、レセルピンの高圧液体色層（ＨＰＬＣ）分離が、色層分析の出力流をエレクトロスプレーイオン化器へ直接送り込んで行われた。０．５％の酢酸と２０ミリモルの酢酸アンモニウムを含む

の流量の７０／３０メタノール／水が、コラムを通過した。全１５ミリグラムのレセルピンが注入され、色層分析的な流出物から生じたイオンの質量スペクトルが２秒毎に記録された。ｍ／ｚ＝６１０及びｍ／ｚ＝６１１（これら２つは、比較的弱い強度の炭素同位体のピーク）の色層列も示される。この結果は、液体色層分析検出器として高い感度で作動する、という本発明を使用する質量分光測定装置の能力を示すものである。
少量の化学的化合物を検出する質量分光測定装置の能力を決定するための他の実験では、流れの注入が、レセルピンの基準を検出するために使用された。図４は、１％の酢酸を含む５０／５０のメタノール／水の

の流れに、１ピコグラムのレセルピンを注入した、ｍ／ｚ＝６０９の質量色層列を示す。約１０の信号対ノイズの走査番号１２でのピークは、非常に少量のサンプルを検出できるという装置の能力を示すものである。
図５は、流量

濃度

での注入実験で得られたユビキチン（ｍ_r〜８５７０Ｄａ）のエレクトロスプレー質量スペクトルを示す。ここで、高質量のイオンが、本発明のイオン導入デバイスを通じて効率的に抽出、移送される。このスペクトルは、装置を通じて輸送される多様な電荷高質量イオンの移送を示すものである。
本発明の様々な他の変形実施例がある。図６は、１つの変形実施例を略示する。サンプル導入デバイスの細管６が、リストリクター１２のオリフィスを通じて無線周波数イオンガイド１６の入口へと真っ直ぐに向けられる。角度を付けた軌道からのイオンガイドへのイオンの捕獲を支援するために、このイオンガイドの入口は高圧にされる。イオンガイドの入口の１０^-1から１０^-4Torrの範囲にある圧力は、イオン-電気的に中性の粒子の相互作用により、付勢されたイオンを移送する。イオンガイドの入口の加圧は、外部のガスタンク２５からパイプライン２３を通じて緩衝ガスを導入することによって行われる。リークバルブ２４が、領域２２の圧力を制御する。緩衝ガスは、Ｈｅ、Ｎ₂、Ｋｒ、Ａｒ等の不活性ガスである。また、緩衝ガスは、ガス分子と、分析されるサンプルのイオンとの間での特定的な化学反応を得るために使用される化学的反応ガスであってもよい。イオンガイドの出口の圧力は、質量分析器に要する圧力と、差動真空装置の吸引速度とによって決定される。イオンガイドの入口でのイオン-電気的に中性の粒子衝突が、イオンビームの運動エネルギーを低下させ、イオンビームを主イオン光学軸線１０に向けて集束させる。
電気的に中性の粒子との衝突を回避して、汚染及び化学的ノイズを防止するために、イオンガイドの個々のロッドは、サンプル導入デバイスの中央軸線の方向から外れて位置される、という無線周波数イオンガイドの選択的な位置（図示せず）がある。
図７は、本発明の他の実施例を図示し、イオンサンプリングデバイスは、短いイオンサンプリングノズル１７及び円錐形のスキマー１８である。円錐形のスキマー１８は、差動的に吸引される領域４、５の間でリストリクターとして使用される。イオンが、エレクトロスプレーイオンソース１により大気圧領域２で形成され、イオンサンプリングプレート１９を通じて第１の真空領域４へと移送される。付加的な防護スクリーン２０が、イオンサンプリングノズルの前側に配置される。熱生成器２１からの加熱ガスが、プレート１９と２０との間に導入される。この加熱ガスは、４０℃と４００℃との間の範囲の乾燥空気、窒素又は他の予加熱されたガスである。このガスは、収集前にイオンを予め加熱し、ＣＩＤプロセスで補助し、装置の化学的ノイズを減少させる。また、加熱ガスは、ノズルに熱を与えて、集団形状を防止する。ノズル１７の中央軸線９は、イオン光学装置１０の主軸線に関して角度βだけ傾けられる。このノズルは、低圧領域５へとイオンを移送するために、中央軸線９が、円錐形のスキマー１８の中央に実質的に近接ように位置され、イオンが、無線周波数イオンガイド１６によりジェットから抽出され、質量分析器１３へと向けられる。
図８に示すその他の変形実施例では、本発明は、ガス色層分析（ＧＣ）サンプル導入と共に使用される。分析されるべきサンプルが、色層分析分離のためのＧＣ装置２１に導入される。分離されたサンプル成分は、ＧＣコラム２６を通じてＧＣキャリアガスを有するＧＣ装置２１の外の質量分光測定装置へと送られる。質量分光測定装置は、真空チャンバー３に収容される。ＧＣコラム２６は、イオンソース２２に直接的に接続される。ＧＣキャリアガスは、イオンソースの真空領域２５を、真空領域２５の圧力よりも高い圧力に加圧する。ガス及びイオンは、狭い通路２３を通じてイオンソース２２から真空領域２４へと中央軸線９に沿って向けられたイオン及びガスのビームを形成して出ていく。このように向けられたイオン-ガスの流れは、イオンソース２２の出口でイオン及びガスを混合して向けられた流れの空力領域を画成する。無線周波数イオンガイド１６は、イオンソース２２の出口に近接して主軸線１０に沿って配置される。無線周波数イオンガイドは、その主軸線１０が中央軸線９に関して角度βで位置されるように配置される。この実施例では、色層分析キャリアガス分子が、イオンガイドの入口を加圧し、緩衝ガス分子として働き、イオンソースから質量分析器へのイオンの移送を向上させる。イオンが、無線周波数イオンガイド１６によりガスから抽出され、その軌道が質量分析器１３への主軸線１０に沿って向けられ、一方、殆どの電気的に中性の粒子及びガス分子は、中央軸線９に沿って運動を継続して吸引される。装置に要する圧力は、使用する特定的なイオン化技術のタイプ及び質量分析器のタイプに依存する。イオンソース領域２５での典型的な圧力は、約１０から１０^-4Torrの範囲にあるが、真空チャンバー２４での圧力は、典型的に約１０^-3から１０^-9Torrの範囲にある。本発明での効率的なイオン-電気的に中性の粒子分離は、必要な真空条件を達成させるための低速真空ポンプの使用を可能にし、小型且つ低コストの装置となる。
図９ａ及び９ｂは、本発明に従った質量分光測定装置を図示し、無線周波数イオンガイドに関して２つの異なった位置の質量分析器を示す。図９ａでは、無線周波数イオンガイドの主軸線は、質量分析器のコア軸線に沿って配列されるが、図９ｂでは、無線周波数イオンガイドの主軸線は、質量分析器のコア軸線に関して角度が付けられている。イオンガイドの軸線に関する質量分析器の軸線の最良の位置は、使用される質量分析器の特定的なタイプに依存する。例えば、四極イオントラップ質量分析器及びこれに直接取り付けられる無線周波数イオンガイドでは、図９ｂの配列が、トラップへのイオン注入効率を向上し、感度を向上する。
本発明は、例えば、無線周波数三次元イオントラップ、イオンサイクロトロン共鳴セル、移送四極、飛翔時間、対角飛翔時間、飛翔時間を有するイオントラップ、磁気セクター又は上記のタンデム組み合わせのような異なったタイプの質量分析器と共に使用できることがわかる。無線周波数多重極イオンガイドは、四極、六極、八極又は多重極であり得る。
また、本発明は、いずれの適当な真空装置又はポンプと共に使用できることがわかる。別々の真空ポンプが、差動的な吸引領域を吸引するために使用でき、また、１つのポンプが幾つかの領域のために使用され、又は多重ポート真空手段が、質量分光計装置の真空チャンバーを吸引するために使用できる。また、断続的に低下される圧力の異なった真空領域を単一の真空ポンプを使用する単一の真空チャンバー内に配列できることがわかる。異なったイオン化及び噴霧化技術が、エレクトロスプレーイオン化、大気圧化学イオン化及び誘導結合プラズマイオン化（ＩＣＰ）に限定せずに、これらを含んで、大気圧又は大気圧以下でイオンを発生するために使用できる。
イオンソースが実質的に１気圧以上の圧力にある、という状況、例えば、超臨界流体色層分析装置に関連して使用される質量分光計において本発明が有用であることがわかる。
また、イオンソースが実質的に１気圧以下の圧力にある、という状況、例えば、化学的イオン化イオンソースと共に備えられる質量分光測定装置において本発明が有用であることがわかる。この場合、イオンソース領域内部の圧力は、０．００１から０．０１気圧の範囲にあり、イオン及びイオン化ガスは、イオンソースの形状や向きによって画成される方向をもつビームでソースから出ていく。
また、イオンを輸送し且つ上説した電気的に中性の粒子と分離するための装置は、質量分析イオン検出器を除外して、有用である。例えば、質量選択イオンが、この移動を検出するためのドリフトセルに注入される、という装置が説明されている（International Journal of Mass Spectrometry and Ion Processes 149/150、第２１７〜２２９頁、１９９５年、N.G.Gottsら）。このドリフトセルは、３〜５Torrのヘリウムで作動される。本発明は、イオンを質量選択し、且つヘリウムドリフトガスでの移動に基づいてのみ分離した、というものではない装置の応用を発見することができた。この発明は、溶剤の蒸気又は高圧イオンソースからの空気を有するヘリウムドリフトガスの汚染を低減することによってこのようなデバイスの性能を向上し得た。
発明では、イオン及び電気的に中性の粒子の導入の初期の方向が、装置の主軸線に関して変えられる。無線周波数四極イオンガイドの作用により、イオンの運動方向及び電気的に中性の粒子の運動方向が明確に異なったものとされ、これにより、イオンが、電気的に中性の粒子の輸送とは別々に、大気圧から質量分析器の真空領域へと効率的に輸送される。イオン抽出が、様々な連続するスキマーをもった機械的な分離とは対照的に、電場によって行われるため、装置の汚染が少ない。また、イオン導入経路が、無線周波数イオンガイドの軸線と角度βだけ既にずれているので、機械的な配列が、従来の設計のように、装置の臨界とはならない。本発明は、真空装置がより小型で簡単となり、感度及び耐性を向上し、化学的ノイズを低減し、イオン-電気的に中性の粒子分離を向上する。

Claims (20)

1. 質量分光測定装置であって、
   (1) イオン化領域でイオンを生成するためのイオンソース、
   (2) 前記イオンソースに近接して配置され、真空領域である少なくとも前側領域及び後側領域を有する真空チャンバーであって、
   前記前側領域から後側領域へと圧力が断続的に減少し、前記前側領域が前記イオンソースに隣接する、
   ところの真空チャンバー、
   (3) 入口開口部及び出口開口部を含むイオンサンプリングデバイスであって、
   前記入口開口部と前記出口開口部とを有する通路を備え、前記通路が、ガスに含まれるイオンを前記イオン化領域から前記真空チャンバーへと輸送するための、前記イオンサンプリングデバイスの中央軸線を画成する、
   ところのイオンサンプリングデバイス、
   (4) 前記前側領域と前記後側領域との間の中間領域を通る主軸線を有し、前記イオンサンプリングデバイスの前記出口開口部に隣接して位置され、イオンを前記後側領域へと通過させるための無線周波数多重極イオンガイドであって、
   前記イオンサンプリングデバイスの前記出口開口部と前記無線周波数多重極イオンガイドの入口との間の空間が、ジェット領域を画成し、
   前記ジェット領域が、１３３×１０〜１０^-4Paの圧力を有し、
   前記イオンサンプリングデバイスの前記中央軸線が、前記無線周波数多重極イオンガイドの前記主軸線に関して傾けられて、イオン流の軌道が、前記無線周波数多重極イオンガイドにより変えられ、イオンが前記主軸線に沿って向けられる、
   ところの無線周波数多重極イオンガイド、及び
   (5) 前記真空チャンバーの前記後側領域内に位置され、前記無線周波数多重極イオンガイドから受けたイオンを分析するための質量分析器であって、質量分析軸線を有する質量分析器、
   を含む質量分光測定装置。
2. 請求の範囲第１項記載の質量分光測定装置であって、
   前記イオンサンプリングデバイスの前記中央軸線が、前記無線周波数多重極イオンガイドの前記入口の前記無線周波数多重極イオンガイドの前記主軸線と交差する、
   ところの質量分光計測装置。
3. 請求の範囲第１項記載の質量分光測定装置であって、
   前記質量分析器の質量分析軸線が、前記無線周波数多重極イオンガイドの前記主軸線に関して角度を付けて位置される、
   ところの質量分光計測装置。
4. 請求の範囲第１項記載の質量分光測定装置であって、
   前記イオンサンプリングデバイスが、前記中央軸線方向のボアを有する細管を含み、
   前記細管が、絶縁体ユニットによって、前記真空チャンバーと電気的に絶縁される、
   ところの質量分光測定装置。
5. 請求の範囲第４項記載の質量分光測定装置であって、
   さらに、
   レンズ、及び
   リストリクター、
   を含み、
   前記レンズ及び前記リストリクターが、前記無線周波数多重極イオンガイドへのイオンの注入のために、同軸に配列される、
   ところの質量分光測定装置。
6. 請求の範囲第５項記載の質量分光測定装置であって、
   前記リストリクターが、スキマーである、
   ところの質量分光測定装置。
7. 請求の範囲第５項記載の質量分光測定装置であって、
   前記リストリクターが、ダイアフラグムである、
   ところの質量分光測定装置。
8. 請求の範囲第１項記載の質量分光測定装置であって、
   さらに、前記無線周波数多重極イオンガイドの入口に隣接して位置されるリストリクターを含む、
   ところの質量分光測定装置。
9. 請求の範囲第１項記載の質量分光測定装置であって、
   前記無線周波数多重極イオンガイドが、偶数個のロッドを含み、
   前記ロッドの各々が、電気的に中性の粒子との衝突を回避するために、前記イオンサンプリングデバイスの前記中央軸線から外れて位置される、
   ところの質量分光測定装置。
10. 請求の範囲第４項記載の質量分光測定装置であって、
    前記イオンサンプリングデバイスが、さらに、前記細管に取り付けられ、前記細管を加熱し且つ質量分光計測感度を増加するための、取り替え可能なヒーターを含む、
    ところの質量分光測定装置。
11. 請求の範囲第１０項記載の質量分光測定装置であって、
    前記ヒーターが、前記前側領域に配置される、
    ところの質量分光測定装置。
12. 質量分光測定装置であって、
    (1) イオン化領域でイオンを生成するためのイオンソース、
    (2) 前記イオンソースに近接して配置され、真空領域である少なくとも前側領域及び後側領域を有する真空チャンバーであって、
    前記前側領域から後側領域へと圧力が断続的に減少し、前記前側領域が前記イオンソースに隣接する、ところの真空チャンバー、
    (3) イオンサンプリングオリフィスを有し、前記イオンソースと前記真空チャンバーとの間を通る中央軸線を有し、前記イオン化領域から前記前側領域へ、ガスに含まれるイオンを輸送するためのノズル、
    (4) 前記前側領域と前記後側領域との間の中間領域を通る主軸線を有し、前記ノズルに隣接して位置され、前記後側領域へイオンを通過させるための無線周波数多重極イオンガイドであって、
    前記ノズルと前記無線周波数多重極イオンガイドの入口との間の空間が、ジェット領域を画成し、
    前記ジェット領域が、１３３×１０〜１０^-4Paの範囲の圧力を有し、
    前記ノズルの前記中央軸線が、前記主軸線に関して角度を付けて位置されて、イオン流の軌道が、前記無線周波数多重極イオンガイドによって変えられ、イオンが、前記主軸線に沿って案内される、
    ところの無線周波数多重極イオンガイド、及び
    (5) 前記真空チャンバーの後側領域内の質量分析器であって、前記無線周波数多重極イオンガイドからイオンを受けるように位置され、前記無線周波数多重極イオンガイドから受けたイオンを分析するための質量分析器、
    を含む質量分光測定装置。
13. 請求の範囲第１２項記載の質量分光計測装置であって、
    さらに、前記無線周波数多重極イオンガイドの入口に隣接して位置されるリストリクターを含む、
    ところの質量分光測定装置。
14. サンプル分子からのイオンを分析する方法であって、
    (1) 少なくとも前側領域及び後側領域を設けた真空チャンバーを排気する工程であって、
    前記真空チャンバーの前側領域から後側領域への方向に続く領域の圧力が断続的に低下している、ところの工程、
    (2) イオンソースによってイオン化領域でイオンを生成する工程、
    (3) イオンサンプリングデバイスの通路を通じて、前記イオンサンプリングデバイスの中央軸線の方向に、前記イオン化領域から前記真空チャンバーの前記前側領域へイオンを輸送する工程であって、前記イオンサンプリングデバイスの出口開口部でジェット領域が形成される工程、
    (4) ジェット領域でガスからイオンを抽出する工程、及び、前記前側領域と前記後側領域との間の前記真空チャンバーの中間領域に配列される無線周波数多重極イオンガイドによってイオン流の軌道を変えることにより、無線周波数多重極イオンガイドの主軸線であって前記中央軸線に関して傾けられた主軸線に沿ってイオンを向ける工程、
    (5) 前記真空チャンバーの前記中間領域から前記後側領域へと輸送されるイオンを質量分析器へ案内する工程、及び
    (6) 前記質量分析器によってサンプル分子のイオン質量を分析する工程、
    を含む方法。
15. 請求の範囲第１４項記載の方法であって、
    イオンを生成する前記工程が、エレクトロスプレーイオン化器によって与えられる、
    ところの方法。
16. 請求の範囲第１４項記載の方法であって、
    ジェット領域からイオンを抽出する工程が、さらに、前記無線周波数多重極イオンガイドによって抽出無線周波数多重極電場を生成する工程を含む、
    ところの方法。
17. 請求の範囲第１６項記載の方法であって、
    前記中央軸線と前記主軸線とのなす角度が、１°と３０°との間の範囲にある、
    ところの方法。
18. 請求の範囲第１項記載の質量分光測定装置であって、
    イオン流の軌道において、前記イオンサンプリングデバイスと、前記無線周波数多重極イオンガイドとの間に、イオン流の軌道を変える手段が設けられていない、
    ところの質量分光測定装置。
19. 請求の範囲第１２項記載の質量分光測定装置であって、
    イオン流の軌道において、前記ノズルと、前記無線周波数多重極イオンガイドとの間に、イオン流の軌道を変える手段が設けられていない、
    ところの質量分光測定装置。
20. 請求の範囲第１４項記載の方法であって、
    前記無線周波数多重極イオンガイドの主軸線に沿ってイオンを向ける工程が、前記無線周波数多重極イオンガイド以外に、前記イオン流の軌道を変える手段を用いずに、前記主軸線に沿ってイオンを向けるものである、
    ところの方法。

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