JP4303108B2 - リニアイオントラップ型質量分析計における空間電荷低減方法 - Google Patents

Description

本発明はイオントラップ型質量分析計に関し、さらに詳しくは、そのような質量分析計における空間電荷効果の制御及び軽減に関する。

特許文献１に説明されるタイプの、従来のイオントラップ型質量分析計は、３つの電極、すなわちリング電極及び一対のエンドキャップ電極を一般に備える。指定された質量対電荷比範囲内のイオンをトラップする３次元電場を確立するために、適切な印加ＲＦ及びＤＣ電圧がこれらの電極に印加される。リニア四重極子もイオントラップ型質量分析計として構成することができ、その場合、径方向閉込めが印加ＲＦ電圧により行われ、軸方向閉込めがロッドアレイの末端におけるＤＣ障壁により行われる。リニアイオントラップ内にトラップされたイオンの質量選択検出は、特許文献２で教示されるようにイオンの径方向射出によるか、または特許文献３で教示されるようにイオンの軸方向射出により達成することができる。イオンは、特許文献４で教示されるように、フーリエ変換法を用いてその場で検出することもできる。

いずれのイオントラップ型質量分析計の性能も、トラップされたイオンの密度に強く影響される。このイオン密度が増大して特定の限界をこえると、必ず分解能及び質量決定精度が低下する。極端な場合には、質量スペクトルピークが完全にぼやけてしまい、有用な情報がほとんど得られないことがある。したがって、リニアイオントラップ型質量分析計に注入されるイオンの数を、最適な質量分析計性能が得られるように調節できるよう、イオン源から供給されるイオン電流を迅速に決定するための方法の提供が望まれている。
米国特許第２９３９９５２号明細書 米国特許第５４２０４２５号明細書 米国特許第６１７７６６８号明細書 米国特許第４７５５６７０号明細書 米国特許第４７７１１７２号明細書 米国特許第５５７２０２２号明細書

リニアイオントラップ型質量分析計は２次元四重極子型質量分析計またはその他の多重極子装置の変形であり、２次元四重極子、または多重極子によるイオントラッピングが、径方向次元に印加された電場及び装置の末端に印加されたＤＣ障壁により可能になる。そのようなリニアイオントラップは直または曲ロッド型電極で作成できる。続いて、少なくとも、四重極子イオントラップでは、イオン検出が後続する、四重極子からの質量選択射出が可能である。特許文献３は、四重極子の１つがリニアイオントラップ型質量分析計として動作できるように、標準３連四重極子型質量分析計のイオン経路を構成できることを教示している。そのような計測器では、高感度をともなうイオントラップ動作モード及び標準３連四重極子型質量分析計の通常動作モードのいずれの能力も、同じプラットフォーム上で提供され、これが利点である。

本発明の発明者は、標準３連四重極子モード能力とリニアイオントラップモード能力の両者を組み合わせることにより、極めて迅速な空間電荷最小化方法が得られることを見いだした。本発明は、一般に、トラッピングモードと連続通過モードのいずれでも動作できるリニアイオントラップであれば、適用できる。

ここで、本発明の理解を深め、本発明がどのように実施され得るかをより明解に示すため、例として添付図面を参照する。

初めに図１を参照すれば、全体として参照数字１０で示されている、通常の３連四重極子型質量分析計装置が示されている。イオン源１２，例えば電子スプレーイオン源がカーテンプレート１４に向かって方向付けられるイオンを生成する。カーテンプレート１４の背後には、既知の態様で、オリフィスを画定するオリフィスプレート１６がある。

カーテンプレート１４とオリフィスプレート１６の間にカーテンチャンバ１８が形成され、カーテンガス流が質量分析計の分析区画への不要な中生種の流入を低減する。

オリフィスプレート１６に続いて、スキマープレート２０がある。オリフィスプレート１６とスキマープレート２０の間に中間圧チャンバ２２が画定され、チャンバ内の圧力は一般に２Ｔｏｒｒ（約２.７×１０^２Ｐａ）程度である。

イオンはスキマープレート２０を通過し、参照数字２４で示される、質量分析計の第１のチャンバに入る。イオンの収集及び集束のため、四重極子ロッドセットＱ０がこのチャンバ２４に設けられている。チャンバ２４は残留溶媒をイオン流からさらに抜き取る働きをし、一般に７ｍＴｏｒｒ（約０.９３Ｐａ）の圧力の下で動作する。本チャンバ２４は質量分析計の分析区画へのインターフェースを提供する。

第１の四重極子間障壁すなわちレンズＩＱ１がチャンバ２４を主質量分析計チャンバ２６から隔て、また、イオンのためのアパーチャを有している。四重極子間障壁ＩＱ１に隣接して、短い“スタッビー”ロッドセット、すなわちブルベーカーレンズ２８がある。

前駆体イオンの質量選択のため、第１の質量分解四重極子ロッドセットＱ１がチャンバ２６に設けられている。ロッドセットＱ１に続いて、第２の四重極子ロッドセットＱ２を収めている衝突セル３０があり、衝突セル３０に続いて、第２の質量分析段階を実施するための第３の四重極子ロッドセットＱ３がある。

最終すなわち第３の四重極子ロッドセットＱ３は主四重極子チャンバ２６内に配置され、チャンバ２６内で一般に１×１０^―５Ｔｏｒｒ（約１.３３×１０^−３Ｐａ）の圧力を受ける。図示されているように、第２の四重極子ロッドセットＱ２は衝突セル３０を形成する外囲器に収められているから、より高い圧力に保つことができる。既知の態様において、この圧力は検体に依存し、５ｍＴｏｒｒ（約０.６７Ｐａ）とすることができる。四重極子間障壁すなわちレンズＩＱ２及びＩＱ３が衝突セル３０の外囲器の両端に設けられる。

Ｑ３を出たイオンは出射レンズ３２を通過して、検出器３４に達する。図１の表現が簡略化されており、装置を完成するために様々な付加要素が備えられるであろうことが、当業者には理解されるであろう。例えば、ＡＣ及びＤＣ電圧を装置の様々な要素に配給するために、様々な電源が必要である。さらに、上述した所望のレベルに圧力を維持するために、ポンプ排気装置または機構が必要である。

図示されるように、第１の四重極子ロッドセットＱ１にＲＦ及びＤＣ分解電圧を供給するため、電源３６が設けられている。同様に、第３の四重極子ロッドセットＱ３からイオンを軸方向にスキャンするために、駆動ＲＦ及び補助ＡＣ電圧をロッドセットＱ３に供給する、第２の電源３８が設けられている。衝突セル３０内を所望の圧力に保つため、参照数字４０で示されるように、衝突ガスが衝突セル３０に供給されて、ＲＦ電源も衝突セル３０内のＱ２に接続されることになろう。

図１の装置は、アプライド・バイオシステムズ／エム・ディー・エス（Applied Biosystems/MDS）ＳＣＩＥＸ ＡＰＩ２０００−３連四重極子型質量分析計が基になっている。本発明にしたがえば、イオン射出を実施するために補助双極ＡＣ電圧（図１には示されていない）を利用する、特許文献３に開示されているように軸方向スキャン及び射出を実施できる機能をもつリニアイオントラップ型質量分析計として作用するように、第３の四重極子ロッドセットＱ３が改変される。この計測器は、通常の３連四重極子型質量分析計として動作する能力を維持する。

特許文献３に詳述されている標準的なスキャン機能は、Ｑ３をリニアイオントラップとして動作させる工程を含む。検体イオンはＱ３に通され、トラップされ、冷却される。次いで、イオンは質量選択スキャンされ、出射レンズ３２を通して検出器３４に向けて射出される。イオンは、イオンの径方向永年周波数がロッドセットＱ３に印加される双極補助ＡＣ信号の周波数に一致したときに、リニアイオントラップの出射口フリンジ電場における径方向及び軸方向イオン運動の結合により射出され、特許文献２で教示されるように、リニアイオントラップの軸に垂直な方向のイオン射出を実施することもできる。トラップされたイオンは、四重極子態様で印加される補助電圧を用いるか、ｑ〜０.９０７の安定境界を利用することにより、いかなる補助電圧も用いずに、射出することもできる。トラップされたイオンは、特許文献４で教示されるように、その場で検出することもできる。

軸方向射出機能についての通常のタイミング図が図２に示される。初期注入段階において、ＩＱ２及びＩＱ３におけるＤＣ電圧は、参照数字５０及び５２で示されるように、低レベルに維持され、同時に出射レンズ３２は高ＤＣ電圧５４に維持される。これにより、イオンはロッドセットＱ１及びＱ２を通過してＱ３に入ることができ、Ｑ３は、イオンのＱ３からの脱出を防止するイオントラップとして機能する。この時点では、Ｑ３に印加される駆動ＲＦ及び補助ＡＣ電圧は、図２に参照数字５６及び５８で示される低電圧に維持されている。注入期は一般に５〜２５ミリ秒（ｍｓ）持続する。

注入期に続いて冷却期があり、冷却期の間、イオンがそれ以上通過しないようにＩＱ２及びＩＱ３の電圧が参照数字６０及び６２で示されるレベルまで高められる。出射レンズ３２の電圧は電圧５４に維持される。したがって、イオンはＱ３内に完全にトラップされ、Ｑ３からのいずれの方向への脱出も防止されて、四重極子電場により径方向にも閉じ込められる。四重極子ロッドセットＱ３に印加される駆動ＲＦ及び補助ＡＣ電圧はレベル５６及び５８に維持される。この冷却期は１０〜５０ミリ秒持続する。

イオンが冷却されてしまえば、イオンは質量スキャン期においてスキャンされるが、質量スキャン期の間、レンズＩＱ２及びＩＱ３にかかる電圧は高遮断電圧レベル６０，６２に維持され、出射レンズ３２は電圧レベル５４に維持される。これらの電圧は通常、イオンをトラップしておくに十分である。

しかし、特許文献３によれば、この質量スキャン期の間、四重極子ロッドセットＱ３に印加される駆動ＲＦ及び補助ＡＣ電圧が参照数字６４及び６６で示されるようにスキャンされる。これにより、イオンは質量選択式にスキャンされ、イオンレンズ３２を通して検出器３４に向けて射出される。

質量スキャン期終了時に、駆動ＲＦ及び補助ＡＣ電圧は参照数字６８及び７０で示されるようにゼロに戻される。同時に、レンズすなわち障壁ＩＱ２及びＩＱ３に印加されるＤＣ電位が参照数字７２及び７４で示されるようにゼロまで下げられ、対応して、出射レンズ３２にかかる電圧が参照数字７６で示されるようにゼロまで下げられる。これには、Ｑ３で形成されるイオントラップを空にする作用がある。

四重極子型リニアイオントラップを含む通常の３次元イオントラップは、主として容積が小さいこと及び動作圧力が比較的高いことにより、空間電荷効果を受けやすい。空間電荷の有害な影響を最小限に抑えるために、トラップされるイオン電流をあらかじめ指定された範囲内に維持するための多くの手法が開発されている。特許文献５に開示されている手法など、これらの手法のほとんどは、３次元イオントラップ内のイオンがイオントラップ自体のイオンの高速質量選択スキャンにより確認される、高速“予備スキャン”に依存している。そのような高速予備スキャンでは完了するに５０〜２００ｍｓが一般に必要である。すなわち、高速予備スキャンにはかなりの長さの時間が必要である。次いで、検出されたイオン信号があらかじめ指定された何らかの限界値と比較され、最適な質量分析計性能が得られるように後続の“分析”スキャンの充填時間が調節される。特許文献６は、イオントラップの前面への分解四重極子型質量分析計の配置による、通常の３次元イオントラップのダイナミックレンジを高める方法を開示している。しかし、適切なイオントラップ充填時間を決定する工程は未だに、トラッピング及び分析スキャンに先立つトラップ内のイオンの高速質量選択スキャンを使用している。本発明の方法はトラップモードではなく、通過モードにおける全イオン経路の測定を通じてイオンビーム強度を決定する手法を提供する。

現行装置のイオン経路により、イオン源から放出される検体イオンの強度を決定するための、はるかに単純でより高速な手法が可能であり、検体イオン強度が決まれば、これを使用してＱ３リニアイオントラップの充填時間を調節できる。本明細書に説明される方法は、３連四重極子型計測器１０において、イオン源１２と検出器３４の間のイオン経路に分解ＲＦ／ＤＣ四重極子Ｑ１が存在し、（Ｑ３で利用できる）イオントラップにイオンをトラップしてイオントラップ自体の質量スキャンを実施する必要なしに、このＲＦ／ＤＣ四重極子Ｑ１を通過するイオン電流をイオン検出器３４により直接に測定できるという事実を利用するものである。標準３連四重極子型質量分析計のイオン経路から得られるイオン経路は、分解ＲＦ／ＤＣモードと完全通過ＲＦ限定モードが組み合わされている四重極子による直接通過モードにおけるイオン強度測定に十分適している。一実施形態において、分解Ｑ１質量分析計から検出されるイオン信号は、後続のＱ３リニアイオントラップ質量選択スキャンのための充填時間の調節に用いられる特定のｍ/ｚ比範囲においてイオン源から放出されるイオン束の極めて高速な尺度を得るために、Ｑ３リニアイオントラップがＲＤ限定通過モード、すなわち“イオンパイプ”モードで動作している間に測定される。本手法の利点は、分解されたＱ１信号が極めて高速に（１０ｍｓより短時間で）得られること、及びイオン強度が、後続の質量選択イオントラップスキャンにおいてＱ３リニアイオントラップ内に向けられるであろうイオンの数の直接の尺度となることである。

図３は、本発明にしたがう、空間電荷の効果を最小限に抑えるために用いられる一連の質量分析スキャンのタイミング図を示す。第１の工程８０は、イオン経路を３連四重極子モードに設定する、すなわち、Ｑ１をＲＦ／ＤＣ四重極子通過質量分析計として構成し、Ｑ２及びＱ３をともにＲＦ限定四重極子として構成することである。Ｑ１は、３連四重極子型質量分析計で通常なされるように、所望の分解能で測定されるべきイオンのｍ/ｚ値に設定される。次に、工程８２において、イオン検出器におけるイオン数が１ｍｓの単測定期間に測定される。次いで、イオン経路がリニアイオントラップ型質量分析計として再構成される。これは、ＤＣ及びＲＦ電圧の内のいくつかの再設定しか必要ではないから極めて迅速に（１ｍｓより短時間で）なされ得る。工程８４において、最前のＲＦ／ＤＣ通過動作モードで検出されたイオン数をあらかじめ選ばれた値と比較することにより、Ｑ３リニアイオントラップの最適充填時間が決定される。工程８６において、最適イオントラップ充填時間が計算され、工程８８において、Ｑ３リニアイオントラップ型質量分析計が構成される。このようにして、Ｑ３にイオンをトラップして質量スキャンを行う必要なしに、最適なＱ３リニアイオントラップ充填時間が極めて迅速に決定される。

本発明の方法の実施例をここで説明する。図４は、ＲＦ／ＤＣ Ｑ１四重極子型質量分析計の分解能をほぼ３ａｍｕに設定し、Ｑ２及びＱ３をＲＦ限定通過モードで動作させることで得られた、ｍ/ｚ＝５８７で測定されたレニン基質テトラデカペプチドの１０ピコモル/マイクロリットルのＱ１イオン強度を示す。このｍ/ｚ値は（Ｍ＋３Ｈ）^３＋レニン基質イオンに対応する。明解のため、測定時間を１０ｍｓに選び、約２９０ｍｓの間隔をおいた（このタイミングは利用できる実験装置により定められている）１０回のスキャンを示した。数ミリ秒の１回のスキャンで得られる強度で十分であったであろう。検出器において測定されたピークイオン強度は約３.８×１０^６カウント/秒であり、これは１０ｍｓの測定時間における３.８×１０^４個の検出イオンに相当する。標準的な大きさの四重極子では、Ｑ３リニアイオントラップ型質量分析計に通されるイオン数を１０,０００個より少なくすると最善の性能が得られることが経験的にわかっている。すなわち、図４の連続イオンビーム強度測定値に基づく適切な充填時間は＜２.５ｍｓである。

図５Ａ及び５Ｂは、充填時間をそれぞれ２０ｍｓ（上側の図、図５Ａ）及び２ｍｓ（下側の図、図５Ｂ）とした、ｍ/ｚ＝５８７のレニン基質イオンのトラップイオン質量スペクトルを示す。充填時間が長くなると、分解能が低下し、見かけの質量が若干大きい値にシフトしているが、図５Ｂはより高い分解能を明瞭に示す。これらの差は充填時間を長くしたときの空間電荷効果を示す。しかし、分解されたＱ１イオン強度の予備測定により、最適充填時間の迅速な決定が可能になる。

通過モードにおける総イオン電流は、イオン経路を構成する全ての四重極子をＲＦ限定四重極子として動作させることにより測定することができる。総イオン電流測定により、以降の実験におけるＱ３リニアイオントラップに対する適切な充填時間の決定に有用な情報を得ることもできる。総イオン電流測定は、ある質量または狭い質量範囲におけるイオン電流に比較して、イオン源からの総イオン電流の決定に有用であり得る。

分解四重極子の上述したようなリニアイオントラップ型質量分析計の前面への配置は必須ではない。Ｑ３リニアイオントラップは通常のＲＦ／ＤＣ四重極子型質量分析計としても動作させることができるから、Ｑ３リニアイオントラップ自体を入りイオンビームの適切な強度測定を行うために用いることができる。この実施形態においては、上流の他の四重極子（例えばＱ１，Ｑ２）をＲＦ限定通過四重極子として動作させ、イオントラッピングを実施していないＲＦ／ＤＣモードのＱ３により、選ばれたｍ/ｚ比範囲のイオン強度が測定される。タイミングシーケンスは、Ｑ１測定工程８０の代わりに短いＱ３イオン測定サイクルを入れることを除いて、図３に示されたタイミングシーケンスと同じである。

本方法が、通常のＲＦ／ＤＣ四重極子型質量分析計として動作させることができるリニアイオントラップ型質量分析計を含む、３連四重極子型計測器と同様であるが最終四重極子Ｑ３及び検出器の代わりに飛行時間（ＴＯＦ）型質量分析区画を有するＱｑＴＯＦ型質量分析計など、いかなる質量分析計システムにも適用できることを理解されたい。

質量分析計が複数の様々な素子または区画、例えば３連四重極子型質量分析計の個々の四重極子区画を有する場合には、必ずしも通過モードにある計測器全体をイオン電流に通過させる必要はないことも理解されるであろう。あるタイプの計測器では、計測器を通る経路の途中で、またイオントラップの上流でさえも、イオンを検出することが可能であるかあるいは好ましいことがあり得る。この場合でも、イオントラップで受け取られるであろうイオン電流の正確な尺度が得られるはずである。

通常の３連四重極子型質量分析計の略図である 図１の質量分析計で実行される通常のスキャン機能のタイミング図である 空間電荷効果を最小化するための、本発明にしたがうタイミング図である イオン強度の経時変化を示すグラフである 第１の充填時間に対するトラップイオンスペクトルを示す 第１の充填時間とは異なる第２の充填時間に対するトラップイオンスペクトルを示す

符号の説明

１０ ３連四重極子型質量分析計
１２ イオン源
１４ カーテンプレート
１６ オリフィスプレート
１８ カーテンチャンバ
２０ スキマープレート
２２ 中間圧チャンバ
２４ 質量分析計第１チャンバ
２６ 主質量分析計チャンバ
２８ ブルベーカーレンズ
３０ 衝突セル
３２ 出射レンズ
３４ 検出器
３６，３８ 電源
４０ 衝突ガス

Claims (4)

1. リニアイオントラップを備える質量分析計の充填時間の設定方法において、
   （ａ） 前記質量分析計を通過モードで動作させる工程、
   （ｂ） 前記質量分析計にイオンを供給する工程、
   （ｃ） イオン電流を決定するために、あらかじめ設定された時間にわたり前記質量分析計の少なくとも一部を通過するイオンを検出する工程、
   （ｄ） 前記イオントラップに対して望ましい最大電荷密度及び前記イオン電流から、前記イオントラップに対する充填時間を決定する工程、
   （ｅ） 前記イオントラップにイオンをトラップするために、前記質量分析計をトラッピングモードで動作させ、前記工程（ｄ）で決定された前記充填時間をかけて前記イオントラップを充填する工程、及び
   （ｆ） 前記イオントラップ内にトラップされたイオンから分析スペクトルを得る工程、
   を含む方法であって、
   前記方法が、第１、第２及び第３の四重極子ロッドセットを備える３連四重極子型質量分析計であって、前記第３の四重極子ロッドセットがイオントラップとして構成されているものにおいて実施されるもので、前記工程（ａ）に対して、前記第１、第２及び第３の四重極子ロッドセットの内の２つを通過モードで動作させる工程、及び、所望の範囲のｍ/ｚ値を有するイオンを質量選択するために、前記第１，第２及び第３の四重極子ロッドセットの内の残る１つにＲＦ及びＤＣ電圧を印加する工程を含むことを特徴とする方法。
2. 前記第１の四重極子ロッドセットに前記ＲＦ及びＤＣ電圧が供給されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. １つより多くの四重極子ロッドセットにＲＦ及びＤＣ電圧が供給されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 所望のｍ/ｚ比をもつイオンを質量選択するために、前記ＲＦ及びＤＣ電圧を設定する工程を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。

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