离子阱、质量分析计、离子迁移率分析计的制作方法

专利名称：离子阱、质量分析计、离子迁移率分析计的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通过识别质量.电荷来识别包含在试料中的分子 种类的质量分析技术。本方式的目的在于提供环境分析、合成化合物 的分析、医用分析、不正当药物.危险物的分析等中的简便且廉价的手 段。
背景技术：
质量分析是指，利用通过对在电磁场内部运动的带电粒子的轨迹 进行解析并对该带电粒子的质量与价数之比(电荷质量比)进行测量，从而识别该带电粒子的物理方法的物质识别手段。由于是对质量这一 基本的物理量进行测定的物质识别方法，所以其应用范围极其广泛， 可以说支撑现代科学.工业。从材料组成的评价、真空组成的评价、表 面物质的评价等原子组成的评价，到分子生物学.生化学中的蛋白质的 识别这种生物体分子的识别等的应用范围没有限制。尽管一言以蔽之称为质量分析，但已经实现并利用了多种对于这 些宽的应用范围而言最佳的质量分析手段。作为当前广泛利用的代表 性方法，有将高频离子阱、高频四极质量过滤器、飞行时间型质量分 析、静电磁场组合的收敛型质量分析方弍、使用静电磁场或静电场的 傅立叶变换型质量分析方式等。质量分辨率、质量精度、分析速度、 价格、装置尺寸等分别不同，根据应用目的来选择最佳的手段。作为现有的质量分析方法，有高频离子阱型的质量分析手段。高频离子阱质量分析在由W.Paul等于1956年提出以来(专利文献l)， 得到了极大的发展，当前已成为利用最广泛的质量分析手段之一 (非 专利文献l、非专利文献2)。历史上最初提出的手段为所谓的Paul 阱(Paul Trap)(专利文献l)。是用2个双曲面形的电极(称为端盖(end cap)电极)夹着1个环形电极(称为环形(ring)电极)的 形状，通过对环形电极施加高频电压，将离子集中在其中心部的1个 点上。由于空间上三维地在高频电场中集中，所以还称为三维阱。另外，作为其他离子阱的方式，有线性离子阱。构成为将4根杆 电极平行排列成四极，对相互对置的2个电极对之间施加高频电压来 在4根杆电极形成的中心区域中捕捉离子。由于利用高频使2个方向 集中，所以还称为二维离子阱。两者都在由电极组形成的空间中产生四极高频电场，由此时间平 均地形成调和电势。质量分析的原理是基于对离子在该调和电势内部 简单振动的频率进行测量。在调和振动数和离子的电荷质量比中存在 线性关系。因此，代表性地，对离子施加交流电场，利用该电场使其 从离子阱共振排出。根据排出时的振动数和检测所排出的离子得到的 离子量，测量该离子的电荷质量比和量。共振宽度由于基于与气体的 碰撞的倾倒(dumping)效应而变宽，所以为了取得高的分辨率，需 要高的真空度(典型地为10毫托(mTorr)以下)。专利文献l: USP2， 939， 952非专利文献 1: Quadrupole Storage Mass Spectrometry: R.E.March and R.J.Hughes ， John Wiley and Sons ISBN 0 - 471 -85794 - 7非专利文献2: Quadrupole Ion Trap Mass Spectrometry: Raymond E.March and John F.Todd, Wiley - Interscience ISBN 0 -471 - 488887发明内容上述的质量分析手段都需要比10_3Torr(10 —^a)高的真空。即， 为了确保电磁场中的离子的正确轨迹，应避免离子和气体的碰撞，因 此需要高真空，根据情况还要求超高真空。为了实现这些真空，必须 利用排气量大的涡轮分子泵(历史上利用油扩散泵，但在现代置换为 涡轮分子泵)，为了确保排气量，利用大型的泵。这导致质量分析装置的高价格化、大型化、频繁的维护要求，成为利用场合受限的原因。 例如，在作为爆炸物等危险物探知手段通用地作为社会基础设施导入 时，由于利用涡轮泵而也被敬而远之也是实情。另外，对于质量分析装置的小型化，在将本装置更通用地广泛利 用时，其被认为是一个大的课题。实现该目的的1个方针需要不使用 涡轮分子泵类的、在低真空中动作的质量分布方式，并且，由于以往 利用的具有离子放大功能的离子检测器(电子倍增管等)在低真空中 不动作，所以需要克服该课题的手段。例如，考虑可以利用即使不使 用电子倍增管也可以检测出来的试料离子。本发明公开了新的一维方式的离子阱方式。其在由基于直流电压 的电势和基于交流电压的电势形成的一维电势中捕捉带电粒子。具体而言，使用与直流电压连接的第1电极和与交流电压连接的第2电极， 在第1电极和第2电极之间形成一维电势。为了利用该一维电势来捕 捉并分析带电粒子，以在第1电极和第2电极之间施加在带电粒子上 的力的密度形成从疏到密的分布的方式，形成第1电极和第2电极的 形状即可。例如，作为该一维离子阱的结构，可以举出由大致圆柱电 极和大致圆筒电极构成的结构。两者配置成共用轴且由圆筒电极包围 圆柱电极。基本形状由圆柱和圆筒构成，但只要在以相对于中心轴垂 直的面切断的情况下，其剖面为2个电极形成同心圆的形式，就可以 应用。在两电极之间使施加在带电粒子上的力的密度形成从疏到密的 分布即可。另外，利用作为圆柱电极的球电极和作为圆筒电极的中空 球电极的组合、或圆柱电极和圆筒电极的长度方向的中心膨胀的桶型 等也可以实施。以下，考虑了这些各种形状，但在以下的说明中，将另外，在以下的说明和实施例中，使用对圆柱电极施加交流电压并对 圆筒电极施加直流电压(静电压)的情况，但将交流电压和直流电压 分别施加到圆柱电极和圆筒电极中的哪个上都可以。通过在圆筒电极和圆柱电极之间施加交流电压和直流电压，可以 囚禁带电粒子。其中，在带电粒子为离子的情况下，作为交流电压使用几100kHz~10MHz的高频电压。另外，由于带电粒子的不同(例 如尘埃那样的情况)，可以使用比其低的低频电压。利用交流电场使 离子产生向外(从圆柱电极向圆筒电极的方向)的力。力的方向不取 决于离子的极性(正离子还是负离子)。利用直流电压产生与该向外 的力相反的向内的力(从圆筒电极向圆柱电极的方向)。当囚禁正离 子时，相对于圆柱电极对圆筒电极施加正的电位。当囚禁负离子时， 相对于圆柱电极对圆筒电极施加负的电位。以上2个力取决于离中心 轴的距离，依赖于离子的质量电荷比(M/Z)来决定平衡的位置。在 该位置离子被囚禁，在电极的结构上，离子位于离中心轴具有一定距 离的圆筒上。该稳定位置取决于离子的电荷质量比，所以在捕捉了不 同M/Z的离子的情况下，具有各M/Z的离子排列成同心圆筒状。以往的离子阱方式在1个点或1条直线上捕捉离子，所以在囚禁 了多个离子时，由于离子间相互的库伦力，离子的运动相互影响，质 量分辨率恶化，所以可以捕捉的离子的量存在限制。而在本方式中， 由于离子位于面上的同心圆筒状的位置，所以可以一边回避库伦相互 作用， 一边捕捉到与以往方法相比更多量的离子。本发明的离子阱的特征还在于，与以往的离子阱方式相比电极结 构简单，因此可以提供廉价的质量分析手段。在以往的离子阱中，电极的个数多并且是以复杂的形式给出的电极形状，另外要求高的加工 精度。而在本方式中，电极为2个并且形成加工最简单的圆筒形状。 因此是廉价的质量分析手段。其大小也可以小型地制作成大约10立 方厘米以下。实际上，在制成本离子阱时，还需要沿着与中心轴平行的方向捕 捉离子。否则，要囚禁的离子会从该方向逃脱。为了避免该情况，公 开有2个方法。第1方法是在位于外侧的圆筒电极的两端部设置盖上的电导通 的盖状的电极。当然电绝缘成不与圆筒电极导通。利用该电场的变形， 可以将离子阻止在离子捕捉区域内。其详细内容记栽于实施例1中。第2方法是同样地将盖状电极设置在圆筒电极的两端部、但在使其不与圆筒电极导通的情况下独立地施加静电压的方法。在捕捉正离 子的情况下，对圆筒以及圆柱电极施加正电位，在捕捉负离子的情况 下，对圆筒电极以及圆柱电极施加负电位即可。接下来，对将以上的一维离子阱作为质量分析手段实施的方式进行说明。如在上述一维离子阱的原理中所示的那样，M/Z不同的离子 分别位于不同半径位置的圆筒上，其位置可以通过高频电压以及静电 压来控制。因此，当通过使该2个电压中的l个或2个变化来使离子 的位置变更时，离子与圃柱电极或圓筒电极碰撞。如果此时在圃筒电 极或圆柱电极上连接有电流计，则碰撞的电荷可以作为电流检测出 来。如上所述，在一边监视上述电流一边使高频电压或静电压变化时， 与设定的电压值对应的离子与电极碰撞并作为电流检测出来。即，可 以取得质谱。另外，对将本一维离子阱作为离子迁移率手段来实施的方式进行 说明。首先使通过质量分析识别的具有某M/Z的目标离子离析。其中， 使高频以及静电压变化，使目标离子以外的离子与圆柱以及圆筒电极 碰撞，仅留下目标离子。接下来，计算出离子的存在位置。为了对离 子迁移率进行测定，如在一维离子阱的原理中说明的那样，由于目标 离子的M/Z已知，所以可以通过计算来求出具有该M/Z的离子被囚 禁的位置。在以上的预先准备之后，使高频电压瞬间地成为零。于是， 对离子仅施加基于静电压的向内的力，所以离子以圆柱电极为目标开 始运动。此时，离子和气体的碰撞概率取决于离子的大小(剖面积)， 所以通过与一维离子阱内部的气体的碰撞，到电极的到达时间具有对 离子大小的依赖性。根据该时间区别M/Z虽然相等但离子的大小不同 的离子种类。另外，在上述预先准备之后，通过使静电压、而并非高 频电压瞬间地成为零，对离子仅施加基于高频电压的向外的力，所以 离子以圆筒电极为目标开始运动。此时，由于与一维离子阱内部的气 体的碰撞，到电极的到达时间具有对离子大小的依赖性，所以可以区 别M/Z虽然相等但离子的大小不同的离子种类。以上的质量分析方式以及离子迁移率方式由于不伴随离子的共振振动的静态原理，所以在低真空中也可以动作。另外，如在上述一 维离子阱的原理中示出的那样，可以使比以往方法多的离子量滞留， 所以无需利用电子倍增管等高灵敏度离子检测手段，而仅通过对离子 电流进行检测就可以测定离子量。由于以上的理由，可以实现无需在以往方法中要求的高真空的、 基于简便的排气系统的质量分析。另外，由于可以在低真空中进行动 作，所以当向本离子阱导入通过大气压化生成的试料离子时，无需在 以往要求的用于连接到高真空域的差动排气系统。即，可以高效率地 导入离子，所以可以对本发明的一维离子阱高速地导入离子。由于是可以实现无需在以往必须的真空度的低真空中的动作、小 型且电极个数少并且形状易于加工、无需电子倍增管等放大的检测离 子电流的离子检测方法，所以成为小型、廉价、简便的质量分析手段。 另外，在该压力区域中以往使用离子迁移率分析手段，但通过本方式 可以提供新的质量分析手段，可以对各种应用显著地提高分析精度。 另外，由于可以在相同的离子阱中进行质量分析和离子迁移率的测 定，所以还可以实现更高精度的分析。


图l是说明本发明的一维离子阱的电极结构和基本电路的图。图2是说明本发明的一维离子阱的离子阱电势的图。图3是说明沿着本发明的一维离子阱的中心轴方向对离子进行囚禁的电极结构的图。图4是说明沿着本发明的一维离子阱的中心轴方向对离子进行囚禁的电势的图。图5是示出计算出导入离子时的离子轨迹的结果的图。图6是示出本发明的一维离子阱内部中的离子稳定区域的图。图7是说明本发明的一维离子阱的实施方式的图。图8是示出基于本发明的一维离子阱中的离子迁移率的差异的离子的轨迹差异的图。符号说明 1圆筒电极 2圆柱电极 3高频电源 4静电压电源 5-6壁电极 7-8绝缘体 9真空槽 10真空泵 11离子源 12离子导入管 13计算机14数字—模拟*模拟—数字转换器15发送器16反馈放大器17乘法器18高频功率放大器19升压高频变压器20高频监视电路21-22电容器23电流放大器具体实施方式
在实施例1中，对本发明的一维离子阱的原理性事项进行说明。 在实施例2中，对将本发明的一维离子阱作为质量分析手段来使用的 操作形式进行说明。在实施例3中，对将本发明的一维离子阱作为离筒构成的圆筒电极(外侧的电极)的一维离子阱的原理性事项。电极的结构由同轴配置的圆筒电极l(半径r2)和圆柱电极2(半径rl ) 构成。由高频电源3对圓柱电极施加DC接地的高频电压(振幅Vrf、 频率Q/2;t)，由DC电源4对圆筒电极施加高频i殳置的DC电压 (Udc)。图l示出以上的电压配置。首先，对本电极.电压配置中的离子的运动进行理论性描述。 形成在2个电极间的电势取决于离中心轴的距离r，通过下式来给出。式(1)在给出该电势的情况下，提供对离子时间平均地起作用的力的电 势通过下式来给出。式(2)<formula>formula see original document page 12</formula>
在该式的计算中，使用了在高频离子阱理论中一般使用的伪电势 的方法。该式由2个部分构成，右边第1项为基于高频的伪电势，第 2项为基于静电压的电势。如果将其图示则成为图2。即，伪电势是 对离子赋予从中心轴向外的力的电势，对离子的极性没有影响。静电 压是可以向离子赋予使离子朝向中心轴方向的力的电势，在囚禁正离 子的情况下，Udc设为正，在囚禁负离子的情况下，Udc设为负。图 2还示出将两者相加的电势、即通过式(2)给出的电势。从该图可知， 该一维离子阱的电势具有极小值，通过下式(3)来给出从式(2)给 出该极小值的位置。式(3)<formula>formula see original document page 13</formula>r,当然，为了取得极小值，必须如前述那样针对离子的极性来决定 Udc的极性。根据式(3)可知，具有大的M/Z的离子位于接近中心轴的内侧， 具有小的M/Z的离子位于外侧。这样，可知在该一维离子阱中，M/Z 不同的离子以不同的半径被囚禁成圆筒状。这就是将本方式称为一维 阱的原因。对于被囚禁的离子，利用高频电压以及静电压的值给出可囚禁的 M/Z的区域。即，在可囚禁的离子中，存在该稳定区域。这是从"在 内外2个电极间必须存在通过式(3)给出的离子的稳定点。否则离 子与电极碰撞"这样的条件导出的。即，式(4)<formula>formula see original document page 13</formula>从离子不与圆柱电极碰撞的条件，导出式(5) 式(5)<formula>formula see original document page 13</formula>另外，从离子不与圆筒电极碰撞的条件，导出式(6) 式(6)由该2个值给出的区域内的离子实际上被囚禁。根据以上的原理，给出实际的电极大小和电压条件来进一步详细 地进行说明。作为要代入的代表性参数，使用以下的值。高频振幅200V (2MHz) DC电压IV rl = 2mm r2 = 20mm长度=90mm在使用这些装置参数值的情况下，通过式(5)以及式(6)，作 为可囚禁的质量范围，得到m/z-13-1325。作为本离子阱的应用例， 考虑了各种环境污染物质或不正当药物、危险物等，但在这些应用例 的情况下，离子的价数Z成为1的情况很多，所以作为分子量，大致 可以囚禁13到1300左右。该区域网罗了在这些应用例中应检测出的 分子的分子量范围。对中心轴方向的离子的捕捉进行说明。如用于解决课题的手段所 示，在本发明中，作为中心轴方向的离子的捕捉手段，公开了以下的 2种。即，(1) 在两端具备圆盘状的端电极，通过施加DC电压来防止离子 的漏出(图3 (A))。(2) 安装圆筒电极的两端短路的、与圆筒电极导通的端电极。由 此，RF电压变形，产生离子集中力作为伪电势(图3 (B))。在(1)中，通过利用直流电压对端电极施加DC电场，对离子 进行囚禁。另外，在(2)中，可以防止基于RF的电磁波漏出到电极 外，另外，由于相比于(1)部件件数减少，作为可以更廉价地实施 的方法是优良的。图4示出数值地计算由图3 (B)的电极形状给出的电势，并与 式(2)同样地计算并导出伪电势后的电势。电势的深度用颜色的浓 淡来表示，较浓的颜色表示深的电势，较白的颜色表示浅的电势。在 计算中使用上述的代表性装置参数。如图4 (A)所示，可知电势的底部从端部切离，形成在中心轴 方向也捕捉到离子的电势。但是，如图4 (B)所示，可知当M/Z变 小时，电势的底部形成在电极上，成为丢失了离子的电势。这表示当 M/Z变小时，基于高频的向外的电势变大，所以克服了基于静电压的 向内的力，造成丢失离子。特别是示出，对于成为电势的底部的角的 部分，由于电场弱，该影响变得显著。其结果可知，虽然通过本方式 可以实现离子的中心轴方向的捕捉，但在低质量侧质量区域稍微变窄。但其量小，从而认为在应用上几乎没有影响。综上所述，在本方式中，具有以下的主要特征。(1) 离子在通过式(3)给出的半径的圆筒上集中在面上。而在 以往的三维阱(所谓的Paul阱)中集中在1个点上。另外，在以往 的二维阱(所谓的线性离子阱)中集中在l条直线上。(2) m/z不同的离子在不同半径的圆筒上集中在面上。而在以往 的PauI阱中，具有不同的m/z的离子被集中在同一点上。另外，在 以往的线性阱中，具有不同的m/z的离子被集中在同一直线上。利用本发明的一维离子阱的2个特征，在实施例2所示的质量分 析中应用的情况下，与以往方法相比，可以大幅降低多个离子间的相 互作用、空间电荷效应。成为试料的离子从在圆筒电极上打开的孔导入的方法最为简便。 假定本离子阱被设置成通过所谓的低真空泵(旋转泵、隔膜泵等低真 空用泵，假定不使用与实现高真空的涡轮分子泵相当的泵)易于实现 的1Torr (0.01Pa)的真空度。在该情况下，作为真空度与粘性电阻 的关系，典型的离子迁移率K的值为0.8-2.4cm2/V/sec (对于环境压 力下的14 - 500amu )。图5示出在[非专利文献1:"Ion Mobility Spectrometry" G. A. Eicemann&Z.Karpas CRC press.2005在该条件下计算出从圆筒电极 导入的离子的轨道的结果。(1)表示M/Z = 20的情况，(2)表示 M/Z = 200的情况，(3 )表示M/Z = 1000的情况，(4 )表示M/Z -1500的情况。离子的轨道达到平衡时离子所在的半径与通过式(3) 给出的值相等。但是，由于在(4)的情况下成为不稳定条件，所以 与电极碰撞而损失。通过本计算，以l毫秒以下导入离子。即在本方 式中，离子用1毫秒稳定，所以可以实现高速的操作。另外，m/z-20的轨迹显得粗的原因在于基于高频的强制振动(所谓的微动(Micro Motion))。当该微动大时，造成离子的存在位置模糊，对质量分析 应用中的质量分辨率产生影响。在希望减小微动时，增大高频频率以 及减小Udc是有效的。如在本实施例中所给出的那样，作为其适当值导出2MHz以上。另外，在希望进一步使离子导入变快时，以离子的 稳定位置不变的方式增大Vrf和Udc来使电势变深即可。如通过式3、 5、 6给出的那样，当保持VrfaUdc的关系时，电势的形状不改变。另外，如果应用式3、 4，还可以在该一维离子阱内部，使具有 特定的M/Z的离子离析。即，针对目标离子的M/Z,使高频电压或 静电压变化，并使其接近2个稳定性边界ml (重侧)或m2 (轻侧)。 当接近ml时，排除了大的M/Z，在接近m2时，排除了具有小的 M/Z的离子。虽然无法同时接近2个稳定边界，但通过组合2个操作， 离子被离析。离析的分辨率是通过使目标离子的M/Z以何种程度接近 稳定边界来决定的。(实施例2 )以下公开一维离子阱作为分析手段的应用例。其原理是以实施例 1中的给出稳定区域的式(3)、式(4)为根据。即，作为质量分析 的方式，利用基于囚禁条件的不稳定性。如用于解决课题的手段所示 的那样，当对于被稳定囚禁的离子， 一边控制一边使电压条件变化而 使其不稳定时(即质量选择性地不稳定)，通过利用电流计来测量与 电极碰撞而产生的电子电流，对囚禁的离子的M/Z和量进行测定。作 为其特征，使用离子的静态稳定条件来进行质量分析，所以可以不依 赖于气压地进行分析。即，在低真空中也可以动作。此处，低真空一 般为1Torr 10 6Torr左右，高真空为10_6Torr ~ 10_8Torr左右。另 外，在以往方法的质量分析操作方法中，利用离子的共振振动，所以 与气体的碰撞对分辨率造成较大影响，所以无法进行低真空动作，需 要^:其为高真空。作为使用该一维离子阱的质量分析的实施方式，在 离子的检测方法中考虑以下的2个方式。(A) 使离子质量选择性地与圆柱电极碰撞，并测量离子电流。(B) 使离子质量选择性地与圆筒电极碰撞，并测量离子电流。 作为使用该一维离子阱的质量分析的实施方式，考虑3个质量选择性扫描方式。(A)对高频振幅进行扫描。(B) 对静电压进行扫描。(C) 对高频的频率进行扫描。原理上可以实现以上构成的6种组合，但在将质量分辨率的优良 作为指标时存在优劣。在本实施例中，如下述那样研究了 (A) (B) - (1) (2)的组合。计算中使用的参数如前所述。在(3)的情况 下，通过使振幅恒定并对数字波的频率进行扫描，可以进行质量选择 性扫描。对于优劣的判断基准，在制成将横轴设为变化的参数并将纵轴设 为稳定-不稳定边界质量的图的情况下，当绘制的结果成为直线时， 最容易得到质量分辨率。此处，选择最接近直线关系的情况。图6示 出计算的结果。在图6 (A)中，示出对高频振幅进行扫描来检测离子时的计算 结果。用A1示出的线表示在圆柱电极2上离子碰撞的M/Z的值，用 A2示出的线表示在圆筒电极1上离子碰撞的M/Z的值。位于用2条 线围起来的区域中的离子被稳定地捕捉，在该稳定区域以外的部分 中，离子与圆柱电极或圆筒电极碰撞，无法稳定地囚禁离子。另外，在图6(B)中，示出对静电压进行扫描来检测离子时的 计算结果。用Bl示出的线表示在圆柱电极2上离子碰撞的M/Z的值， 用B2示出的线表示在圆筒电极l上离子碰撞的M/Z的值。位于用2 条线围起来的区域中的离子被稳定地捕捉，在该稳定区域以外的部分 中，离子与圆柱电极或圆筒电极碰撞，无法稳定地囚禁离子。如A1的线所示，给出该线的、 一边对高频振幅进行扫描一边在 圆柱电极(内侧的电极)上检测离子电流的方式的计算结果接近直线， 检测容易。在其他方式中，原理上也可以进行质量分析操作。A2中 示出对高频振幅进行扫描并在圆筒电极(外侧电极)上检测离子的情 况。对于高频振幅的扫描量，由于不稳定的质量范围窄，所以虽然质 量范围窄，但可以利用。Bl示出对DC电压进行扫描并在圆柱电极上 检测离子的情况。由于在高质量区域中少许的电压变化就会导致不稳 定区域较大地变化，所以虽然难以在高质量得到分辨率，但在检测中可以利用。另外，在B2中示出对DC电压进行扫描并在圆筒电极上 检测离子电流的情况。在该情况下，相对于少许的参数变化，不稳定 的质量的变化大，难以取得高分辨率，但可以利用。如上所述，虽然原理上存在通过所有的操作方式都可以得到质i普 的可能性，但由于易于得到分辨率，所以将Al示出的对高频振幅进 行扫描并在圆柱电极(内侧电极)上检测离子的方式考虑为最佳的实 施方式。另外，将Bl示出的对静电压进行扫描并在圆柱电极(内侧 电极)上检测离子的方式考虑为次佳的实施方式。图7示出用于实施以上的原理的装置结构。离子阱部分包括圆 筒电极l;圆柱电极2;对两者进行绝缘并支撑圆柱电极的绝缘体7、 8;收容这些阱电极的真空槽9;真空泵10;离子源11;以及用于向 真空槽导入由离子源发生的离子的管12。图1中的高频电源3由以下 的各要素构成。即发送器l5、乘法器17、高频放大器18、升压高频 变压器19、 RF振幅监视电路20、电容器21、 22、以及反馈放大器 16。电流监视电路由电流放大器23构成。对于以上的高频振幅和静 电压的控制以及电流值的读出，利用由计算机13控制的数字—模拟/ 模拟—数字转换器14进行。另外，真空泵10使用隔膜泵。此处，进行电路部分的说明。利用计算机13的指令由转换器14 发生的高频振幅控制电压经由反馈放大器16与发送器15的信号相 乘，经过了振幅控制的高频信号输入到高频放大器18。功率放大后的 高频信号由变压器19进一步放大后，输入到圆柱电极2。将变压器 19的输出端的电压的振幅转换为低静电压，输入到反馈放大器16。 该电路成为负反馈电路，控制成使变压器19的输出电压总是与转换 器14输出的控制电压成比例。另外，发送器15的输出信号优选为正 弦波，但也可以是矩形波。其原因为，变压器19和离子阱电极构成 的电路为共振电路，仅放大共振的正弦波成分，所以实际上对离子阱 施加的电压成为正弦波。对于静电压，将转换器14发生的电压输入到圆筒电极1。此时， 为了使高频电力不通过转换器14,使用电容器21、 22与变压器19连接，并且根据需要与转换器14之间插入电阻(1MQ左右)。由此， 高频电力局限在变压器和阱电极之间。离子电流沿着从圆柱电极2经 由变压器输入到电流放大器23的路径。电流放大器的输出经由转换 器14，由计算机来进行解析。作为解析的过程，上述的Al模式为最优选的。将高频振幅较大 地设定为200V左右，对由离子源发生的离子进行囚禁。在大约1毫 秒之后，离子达到平衡状态，所以沿着减小高频振幅的方向进行扫描。 于是，基于高频的向外的力变小，所以离子向中心方向移动。当离子 与电极碰撞时，检测出离子量作为离子电流。如上所述，在对与高频 振幅对应的离子电流进行测定时，可以得到质镨。在从高频振幅转换 为离子的M/Z时，使用式(3)。(实施例3)示出作为离子迁移率分析手段的应用例。作为装置结构，可以使 用与实施例2相同的结构。首先实施质量分析操作(实施例2)，决定目标离子的M/Z。然 后，使该离子种类离析。离析的方法如实施例1中所示。将高频振幅 设定得较高，以使该离析的离子位于离子阱的外侧附近，从而囚禁距 离变长。然后，瞬时地切断Vrf。于是，从离子迁移率K大的离子开 始先与圆柱电极碰撞。切断高频的时间和对离子电流进行测量的时间 差表示离子迁移率。如上所述，可以对试料离子进行电荷质量比和离 子迁移率的二维测定。另外，同样地瞬间切断静电压并在圆筒电极上 检测电流，从而可以进行离子迁移率的测定。图8示出离子迁移率K的值相差50。/。时的2个计算结果。示出 离子的M/Z值为200、提供1V的静电压的情况。(1)中示出的轨迹 相对于(2)中示出的轨迹，离子迁移率大50%。这样，到达圆柱电 极表面(用虚线示出)的时刻由于K的值而不同，所以尽管是相同的 M/Z，但也可以区别离子迁移率值不同的离子。
权利要求
1.一种离子阱，其特征在于，在由基于直流电压的电势和基于交流电压的电势形成的一维电势中捕捉带电粒子。
2. 根据权利要求1所述的离子阱，其特征在于，具有第l电 极，与直流电压连接；第2电极，与交流电压连接；电源，对上述第 1电极和上述第2电极施加电压；以及控制部，对从上述电源施加的 电压进行控制，其中，上述一维电势形成在上述第1电极和上述第2 电极之间。
3. 根据权利要求2所述的离子阱，其特征在于，形成上述第1 电极和上述第2电极的形状，使得在上述第1电极和上述第2电极之 间，施加在上述带电粒子上的力的密度形成从疏到密的分布。
4. 根据权利要求2所述的离子阱，其特征在于，上述第1电极 和上述第2电极中的某一方为圓柱电极，另一方为与上述圆柱电极共 用轴并包围上述圆柱电极的圆筒电极。
5. 根据权利要求2所述的离子阱，其特征在于，上述第1电极 和上述第2电极中的某一方为球状电极，另一方为包围上述球状电极 的中空球电极。
6. 根据权利要求1所述的离子阱，其特征在于，上述直流电压 为静电压，上述交流电压为高频电压。
7. —种离子阱，其特征在于，具有电极部，具备圆柱电极和与上述圆柱电极共用轴并包围上述圆柱 电极的圆筒电极；以及电源，对上述圆柱电极和上述圆筒电极中的某一方施加交流电 压，对另一方施加直流电压。
8. 根据权利要求2所述的离子阱，其特征在于，由上述控制部 对从上述电源施加的交流电压和直流电压进行控制，从而形成电势的 极小值，并在上述第1电极和上述第2电极之间捕捉带电粒子。
9. 根据权利要求4所述的离子阱，其特征在于，在上述电极部的两端设置端电极，上述电源还对上述端电极施加静电压。
10. 根据权利要求4所述的离子阱，其特征在于，上述圆筒电极 具有在两端短路的端电极，上述电源还对上述端电极施加静电压。
11. 根据权利要求l所述的离子阱，其特征在于，上述圆柱电极 和上述圆筒电极的半径在轴向上是恒定的。
12. 根据权利要求l所述的离子阱，其特征在于，还具有低真空 用真空排气单元作为真空排气单元。
13. —种质量分析计，其特征在于，具有离子阱，该离子阱具有电极部，具备圆柱电极和与上述圆柱电 极共用轴并包围上述圆柱电极的圆筒电极；电源，对上述圆柱电极和 上述圆筒电极中的某一方施加交流电压，对另一方施加直流电压；和 控制从上述电源施加的电压的控制部；以及对上述电极部的电流进行检测的电流检测单元， 其中，一边由上述控制部改变从上述电源施加的电压的大小来进 行扫描， 一边由上述电流检测单元对电流进行测量，从而取得由上述 电极部捕捉的离子的质语。
14. 根据权利要求13所述的质量分析计，其特征在于， 一边由 上述控制部对从上述电源施加的交流电压从大的一侧到小的一侧进 行扫描， 一边由上述电流检测单元对电流进行测量。
15. 根据权利要求13所述的质量分析计，其特征在于， 一边对 从上述电源施加的直流电压从大的一侧到小的一侧进行扫描， 一边由 上述电流检测单元对电流进行测量。
16. 根据权利要求13所述的质量分析计，其特征在于，由上述 控制部对交流电压的频率振幅值进行控制，从而使由上述离子阱捕捉 的离子中的特定M/Z范围的离子离析。
17. 根据权利要求13所述的质量分析计，其特征在于，由上述 控制部对直流电压值进行控制，从而使由上述离子阱捕捉的离子中的 特定M/Z范围的离子离析。
18. 根据权利要求6所述的质量分析计，其特征在于，上述控制部将高频振幅设定成2MHz以上。
19. 一种离子迁移率分析计，其特征在于，具有离子阱，该离子阱具有电极部，具备圆柱电极和与上述圓柱电 极共用轴并包围上述圆柱电极的圆筒电极；电源，对上述圆柱电极和 上迷圆筒电极中的某一方施加交流电压，对另一方施加直流电压；和 控制从上述电源施加的电压的控制部；以及对上述电极部的电流进行检测的电流检测单元， 其中，上述控制部使具有特定M/Z的离子离析，针对被离析的 离子，使从上述电源施加的电压从ON状态变为OFF，并由上述电流 检测单元对电流进行测量，从而测量出由上述电极部捕捉的离子的迁 移率。
20. 根据权利要求19所述的离子迁移率分析装置，其特征在于， 上述控制部使上述电源的直流电压从ON状态变为OFF,上述电流检 测单元对上述圆筒电极的电流进行测定。
21. 根据权利要求19所述的离子迁移率分析装置，其特征在于， 上述控制部使上述电源的交流电压从ON状态变为OFF，上述电流检 测单元对上述圆柱电极的电流进行测定。
全文摘要
本发明提供一种离子阱、质量分析计、离子迁移率分析计，其课题在于提供一种小型、廉价、简便的质量分析单元，其能够应用可以实现无需在以往的质量分析方法中必须的高真空的低真空中的动作、小型且电极个数少并且形状易于加工、进而无需电子倍增管等放大的检测离子电流的离子检测方法。在该真空区域中以往使用离子迁移率分析单元，但通过本方式可以提供新的质量分析手段，可以针对各种应用显著地提高分析精度。使用在本发明中公开的一维离子阱。基于一维离子阱的质量分析单元可以囚禁大量的离子，可以提供能够在低真空中动作的质量分析方式，所以可以实现不使用高真空的质量分析单元。
文档编号H01J49/42GK101335177SQ20081010918
公开日2008年12月31日 申请日期2008年5月23日 优先权日2007年6月29日
发明者佐竹宏之, 永野久志, 马场崇 申请人:株式会社日立制作所