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JP5445219B2 - Time-of-flight mass spectrometer - Google Patents

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JP5445219B2 JP2010039883A JP2010039883A JP5445219B2 JP 5445219 B2 JP5445219 B2 JP 5445219B2 JP 2010039883 A JP2010039883 A JP 2010039883A JP 2010039883 A JP2010039883 A JP 2010039883A JP 5445219 B2 JP5445219 B2 JP 5445219B2
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Description

本発明は飛行時間型質量分析装置に関し、さらに詳しくは、飛行時間型質量分析装置における、マトリクス支援レーザ脱離イオン化法などのイオン化法を用いたイオン源に関する。   The present invention relates to a time-of-flight mass spectrometer, and more particularly to an ion source using an ionization method such as a matrix-assisted laser desorption ionization method in a time-of-flight mass spectrometer.

飛行時間型質量分析装置(以下「TOFMS」と称す)は一般に、電場により加速したイオンを電場及び磁場を有さない飛行空間内に導入して自由飛行させ、検出器に到達するまでの飛行時間に応じて各種イオンを質量電荷比(m/z)毎に分離するものである。TOFMSにおいて質量分解能を高めるには飛行距離を長くする必要があることから、単純にイオンを直線的に飛行させるリニア型の構成のほかに、電場や磁場を利用してイオンを折返し飛行させるリフレクトロン型の構成や、略同一の閉じた軌道を複数回周回させる周回型の構成も知られている。   In general, a time-of-flight mass spectrometer (hereinafter referred to as “TOFMS”) introduces ions accelerated by an electric field into a flight space that does not have an electric field and a magnetic field to allow free flight and reach the detector. According to the above, various ions are separated for each mass to charge ratio (m / z). In order to increase the mass resolution in TOFMS, it is necessary to increase the flight distance. Therefore, in addition to the linear type structure in which ions fly straight, a reflectron that makes ions fly back using an electric or magnetic field. A configuration of a mold and a configuration of a revolving type in which substantially the same closed track is revolved a plurality of times are also known.

TOFMSのイオン源としては、マトリクス支援レーザ脱離イオン化(MALDI=Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization)法によるMALDIイオン源が広く利用されている。MALDI法では、例えば測定対象物質の溶液をマトリクス溶液と混合し、さらに必要であれば別のイオン化助剤を混合した上で試料プレート上に塗布し、溶媒を除去することにより試料を調製する。こうして調製された試料は測定対象物質が多量のマトリクスとほぼ均一に混合された状態にある。この試料にレーザ光を照射すると、マトリクスがレーザ光のエネルギを吸収して熱エネルギに変換する。このときにマトリクスの一部が急速に加熱され、測定対象物質とともに気化し、その過程で測定対象物質がイオン化される。   As an ion source for TOFMS, a MALDI ion source based on a matrix-assisted laser desorption / ionization (MALDI) method is widely used. In the MALDI method, a sample is prepared by, for example, mixing a solution of a substance to be measured with a matrix solution, further mixing another ionization aid if necessary, and applying it on a sample plate, and removing the solvent. The sample prepared in this way is in a state in which the substance to be measured is almost uniformly mixed with a large amount of matrix. When this sample is irradiated with laser light, the matrix absorbs the energy of the laser light and converts it into thermal energy. At this time, a part of the matrix is rapidly heated and vaporized together with the measurement target substance, and the measurement target substance is ionized in the process.

MALDIイオン源を用いたTOFMSでは、上記のようにレーザ光照射によって試料から発生した各種イオンが電場の作用により試料近傍から引き出され、加速されて飛行空間に送り込まれる。高い質量分解能を得るためには、イオンが飛行空間に導入される際に同一種の(同一の質量電荷比を有する)イオンの初期速度が揃っている必要がある。しかしながら、MALDIイオン源では一般に、イオン発生時点でイオンが持つ初期エネルギのばらつきが大きく、そのために初期速度のばらつきが大きくなって時間収束性が悪化する。そこで、この問題を回避するために、遅延引出し法と呼ばれる手法が従来一般に利用されている(特許文献1、特許文献2など参照)。   In TOFMS using a MALDI ion source, as described above, various ions generated from a sample by laser light irradiation are extracted from the vicinity of the sample by the action of an electric field, accelerated, and sent into flight space. In order to obtain high mass resolution, it is necessary that the initial velocities of ions of the same species (having the same mass-to-charge ratio) are aligned when ions are introduced into the flight space. However, in the MALDI ion source, in general, the initial energy variation of the ions at the time of the ion generation is large, so that the initial velocity variation becomes large and the time convergence is deteriorated. Therefore, in order to avoid this problem, a technique called a delayed extraction method has been generally used (see Patent Document 1, Patent Document 2, etc.).

図9は遅延引出し法によるイオン引出し動作を説明するための図である。図9(a)に示すように、マトリクスが混合された試料2は導電性の試料プレート1上に保持されており、該試料2にイオン化のためのレーザ光が照射される。試料プレート1に対向して配置された引出し電極3及びベース電極4cに印加された電圧により形成される電場の作用によって、試料2近傍からイオンが引き出されるとともに加速されて、図示しない飛行空間に送られる。   FIG. 9 is a diagram for explaining an ion extraction operation by the delayed extraction method. As shown in FIG. 9A, the sample 2 mixed with the matrix is held on a conductive sample plate 1, and the sample 2 is irradiated with laser light for ionization. Ions are extracted and accelerated from the vicinity of the sample 2 by the action of the electric field formed by the voltage applied to the extraction electrode 3 and the base electrode 4c arranged facing the sample plate 1, and are sent to a flight space (not shown). It is done.

詳しく述べると、試料2にレーザ光を照射する時点では、試料プレート1と引出し電極3とには同一電圧VEが印加され、ベース電極4cには所定のベース電圧VBが印加される。一般的にはVB=0(つまり接地電位)であるので、ここではVB=0であるとする。これにより、イオン光軸C上の電位分布は図9(b)に示すようになる。即ち、試料プレート1と引出し電極3との間の引出し領域には電位勾配がない(実質的に電場がない)ため、レーザ光照射により試料2から発生したイオンは加速されない。このため、イオン発生時に大きな初期エネルギを持つイオンほど試料2から遠ざかるから、イオン発生から所定の時間が経過した時点では、質量電荷比に依らず初期エネルギが大きなイオンほど引出し電極3に近い位置に存在する。   More specifically, when the sample 2 is irradiated with laser light, the same voltage VE is applied to the sample plate 1 and the extraction electrode 3, and a predetermined base voltage VB is applied to the base electrode 4c. In general, VB = 0 (that is, ground potential), and it is assumed here that VB = 0. As a result, the potential distribution on the ion optical axis C is as shown in FIG. That is, since there is no potential gradient in the extraction region between the sample plate 1 and the extraction electrode 3 (substantially no electric field), ions generated from the sample 2 by laser light irradiation are not accelerated. For this reason, since ions having a large initial energy at the time of ion generation move away from the sample 2, when a predetermined time has elapsed since the generation of ions, ions having a large initial energy are closer to the extraction electrode 3 regardless of the mass-to-charge ratio. Exists.

レーザ光照射から一定の遅延時間(通常数十〜数百nsec程度)だけ経過したあとに、試料プレート1への印加電圧はVEからVSにステップ状に増加される。これにより、図9(c)に示すように、試料プレート1から引出し電極3に向かって大きな下向き傾斜の電位勾配を有する電場が形成される。この電場によって、引出し領域に存在する各種イオンは一斉に加速される。このとき、試料プレート1に近い位置にあるイオンほど、つまり初期エネルギが小さなイオンほど加速電圧は高くなるから、与えられる運動エネルギは大きくなる。したがって、同種のイオンであっても、イオン発生時の初期エネルギが小さなものほど大きな速度をもって飛行空間に送り込まれるので、飛行中に先行している初期エネルギが相対的に大きな同種のイオンに徐々に追いつき、最終的にほぼ同時に検出器に到達する。このようにして同種イオンにおける初期エネルギのばらつきの影響が排除され、高い時間収束性を達成することができる。   After a certain delay time (usually about several tens to several hundreds nsec) has elapsed since the laser light irradiation, the voltage applied to the sample plate 1 is increased stepwise from VE to VS. As a result, as shown in FIG. 9C, an electric field having a large downwardly inclined potential gradient from the sample plate 1 toward the extraction electrode 3 is formed. By this electric field, various ions existing in the extraction region are accelerated all at once. At this time, the ions closer to the sample plate 1, that is, the ions with lower initial energy, have a higher accelerating voltage, so the applied kinetic energy increases. Therefore, even for ions of the same type, the smaller the initial energy at the time of ion generation, the higher the speed, the higher the speed of the initial energy that is advanced during the flight, Catch up and finally reach the detector almost simultaneously. In this way, the influence of variations in initial energy in the same kind of ions is eliminated, and high time convergence can be achieved.

しかしながら、こうした従来の遅延引出し法では次のような問題がある。上記のような初期エネルギのばらつきの補正は、各イオンが持つポテンシャルエネルギの変化を通した運動エネルギの補正により達成される。レーザ光照射により試料2から発生したイオンの初速(又は初期エネルギ)の平均値は、質量電荷比に依存することなくほぼ一定である。そのため、補正に必要なエネルギは質量電荷比に比例することになり、補正に必要な電圧値(図9(c)におけるVEとの電位差ΔV)も質量電荷比に依存する。一方、イオンは試料2の表面付近の非常に小さな空間内で発生し、遅延引出し実行時において電圧が増加されるまでの自由飛行期間中には該空間に電場が作用しないため、一定遅延時間経過後に加速電圧を印加する際のイオンの空間分布は質量電荷比とは無関係である。   However, these conventional delayed withdrawal methods have the following problems. The correction of the initial energy variation as described above is achieved by correcting the kinetic energy through the change in potential energy of each ion. The average value of the initial velocity (or initial energy) of ions generated from the sample 2 by laser light irradiation is substantially constant without depending on the mass-to-charge ratio. Therefore, the energy required for correction is proportional to the mass-to-charge ratio, and the voltage value required for correction (potential difference ΔV from VE in FIG. 9C) also depends on the mass-to-charge ratio. On the other hand, ions are generated in a very small space near the surface of the sample 2, and an electric field does not act on the space during the free flight period until the voltage is increased during execution of delayed extraction. The spatial distribution of ions when an acceleration voltage is applied later is independent of the mass-to-charge ratio.

即ち、質量分解能を高めるべく同種イオンの時間収束性をできるだけ高めるには、つまり、初期エネルギのばらつき補正を適切に行うには、質量電荷比毎にイオンに適切な加速電圧(上記電位差ΔV)を印加する必要がある。しかしながら、上述したように加速電圧印加時におけるイオンの空間分布は質量電荷比に依らないため、加速電圧を或る値に設定したときに或る質量電荷比を持つイオン種に対しては適切な補正が行えるのものの、別の質量電荷比を持つイオン種に対しては十分な補正が行えないことがある。このため、従来の遅延引出し法によって質量分解能が改善される質量電荷比範囲はかなり限られたものとなり、測定対象とする広い質量電荷比範囲に亘る質量分解能を改善することが難しいという問題がある。   That is, in order to increase the time convergence of the same type of ions as much as possible in order to increase the mass resolution, that is, to appropriately correct the initial energy variation, an appropriate acceleration voltage (the above potential difference ΔV) is applied to the ions for each mass-to-charge ratio. It is necessary to apply. However, as described above, since the spatial distribution of ions when an acceleration voltage is applied does not depend on the mass-to-charge ratio, it is appropriate for ion species having a certain mass-to-charge ratio when the acceleration voltage is set to a certain value. Although correction can be performed, sufficient correction may not be performed for ion species having other mass-to-charge ratios. For this reason, the mass-to-charge ratio range in which the mass resolution is improved by the conventional delayed extraction method is considerably limited, and there is a problem that it is difficult to improve the mass resolution over a wide mass-to-charge ratio range to be measured. .

なお、ここではイオン源としてMALDIイオン源を例に挙げているが、TOFMSのイオン源として利用される別のイオン化法によるイオン源、例えば、マトリクスを利用しないレーザ脱離イオン化(LDI)法、二次イオン質量分析(SIMS=Secondary Ion Mass Spectrometry)法、脱離エレクトロスプレイイオン化(DESI=Desorption Electrospray Ionization)法、プラズマ脱離イオン化法(PDI=Plasma Desorption Ionization)法などでも同様の問題が生じる。   Here, although the MALDI ion source is taken as an example as an ion source, an ion source by another ionization method used as an ion source of TOFMS, for example, a laser desorption ionization (LDI) method without using a matrix, Similar problems also occur in secondary ion mass spectrometry (SIMS), desorption electrospray ionization (DESI), plasma desorption ionization (PDI), and the like.

特開平11−185697号公報([0005]−[0008]及び図7)Japanese Patent Laid-Open No. 11-185697 ([0005]-[0008] and FIG. 7) 特開2009−52994号公報([0003]−[0004]及び図4)JP 2009-52994 A ([0003]-[0004] and FIG. 4)

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、遅延引出し法を利用して試料から発生したイオンを引き出して加速するイオン源を備える飛行時間型質量分析装置において、広い質量電荷比範囲に亘ってイオンの初期エネルギのばらつきを適切に補正することにより質量分解能を向上させることが本発明の目的である。   The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and in a time-of-flight mass spectrometer equipped with an ion source that extracts and accelerates ions generated from a sample using a delayed extraction method, a wide mass-to-charge ratio range is provided. Accordingly, it is an object of the present invention to improve mass resolution by appropriately correcting variations in the initial energy of ions.

上記課題を解決するためになされた第1発明は、試料から発生したイオンを加速して飛行空間に導入し、該飛行空間内で質量電荷比に応じてイオンを分離して検出する飛行時間型質量分析装置において、
a)試料を保持する試料保持部から所定距離離間して配設され、該試料保持部との間の空間にイオンを試料表面から引き出して加速する電場を形成するための引出し電極と、
b)イオン発生開始時点から所定の遅延時間が経過した時点で試料表面と前記引き出し電極との間の空間におけるイオンの空間分布が、質量電荷比が小さなイオンほど該引き出し電極に近い位置に存在するものとなるように、イオン発生開始時点から前記所定の遅延時間が経過するまでの期間中に、試料表面から前記引出し電極に向けてイオン質量電荷比に応じて移動させる電場を形成するべく、前記試料保持部の電位を前記引出し電極の電位よりも、前記所定の遅延時間及び前記所定距離に応じた第1の電位差だけ高く保ち、前記所定の遅延時間が経過した時点及びそれ以降には、前記試料保持部と前記引出し電極との間の空間にあるイオンが一斉に加速されて該引出し電極を通り過ぎる電場が形成されるように、前記試料保持部の電位を前記引出し電極の電位よりも、第1の電位差より大きな第2の電位差だけ高く保つように、前記試料保持部及び前記引出し電極の電位を設定する電位設定手段と、
を備えることを特徴としている。
A first invention made to solve the above problems is a time-of-flight type in which ions generated from a sample are accelerated and introduced into a flight space, and ions are separated and detected in accordance with the mass-to-charge ratio in the flight space. In the mass spectrometer,
a) an extraction electrode disposed at a predetermined distance from the sample holding unit for holding the sample, and forming an electric field for extracting and accelerating ions from the sample surface in a space between the sample holding unit;
b) The spatial distribution of ions in the space between the sample surface and the extraction electrode when a predetermined delay time has elapsed from the start of ion generation, the closer the ions with a smaller mass-to-charge ratio, the closer to the extraction electrode. so that things, during the period from the ion generation starting time point to the predetermined delay time has elapsed, to form an electric field Before moving according to their mass to charge ratio ions toward the extraction electrode from the sample surface , than the potential of the extraction electrode potential of the sample holder, keeping high as the first potential difference corresponding to the predetermined delay time and the predetermined distance, the point in time and thereafter passed the predetermined delay time is The potential of the sample holder is set so that ions in the space between the sample holder and the extraction electrode are accelerated all at once and an electric field passing through the extraction electrode is formed. Serial than the potential of the extraction electrode, so as to maintain high as large second potential difference than the first potential difference, the potential setting means for setting the potential of the sample holder and the extraction electrode,
It is characterized by having.

ここで、試料からイオンを発生させるためのイオン化法としては、MALDI、LDIなどのレーザ光を利用した方法、SIMSなどのイオン線を利用した方法、DESIなどの帯電噴霧流を利用した方法、PDIなどのプラズマを利用した方法、などが考えられる。これは後述する第2発明でも同様である。   Here, as an ionization method for generating ions from a sample, a method using a laser beam such as MALDI or LDI, a method using an ion beam such as SIMS, a method using a charged spray flow such as DESI, or PDI A method using plasma such as is conceivable. The same applies to the second invention described later.

従来の一般的な遅延引出し法では、イオン発生開始時点より所定の遅延時間が経過するまでの期間中に、試料保持部と引出し電極とはほぼ同電位に維持され、試料保持部と引出し電極との間の空間には実質的な電場は形成されない。このため、試料から発生したイオンは初期エネルギに応じて自由に拡散する。これに対し、第1発明に係る飛行時間型質量分析装置では、イオン発生開始時点において試料保持部と引出し電極との間の空間に、イオンを試料表面から引出し電極の方向に引き出す電場が形成されている。ただし、このときの試料保持部と引出し電極との間の電位差(第1の電位差)は生成された全てのイオンを一斉に且つ大きな加速度でもって加速するほどは大きくなく、その電位差により形成される電場の作用により、各種イオンは緩慢に試料表面から引出し電極に向かって移動する。   In the conventional general delayed extraction method, the sample holding unit and the extraction electrode are maintained at substantially the same potential during a period from when the ion generation starts until a predetermined delay time elapses, and the sample holding unit and the extraction electrode A substantial electric field is not formed in the space between. For this reason, ions generated from the sample diffuse freely according to the initial energy. On the other hand, in the time-of-flight mass spectrometer according to the first invention, an electric field is formed in the space between the sample holder and the extraction electrode at the time of starting the ion generation to extract ions from the sample surface in the direction of the extraction electrode. ing. However, the potential difference (first potential difference) between the sample holder and the extraction electrode at this time is not so large as to accelerate all the generated ions simultaneously and with a large acceleration, and is formed by the potential difference. Various ions slowly move from the sample surface toward the extraction electrode by the action of the electric field.

一定の電場の下ではイオンの速度はサイズに逆比例するから、小さな(一般的には質量電荷比が小さな)イオンほど引出し電極に近づき、逆に大きなイオンは試料に近い位置に存在する。もちろん、各イオンの初期エネルギは質量電荷比には依存せずばらついており、移動速度はこの初期エネルギの影響も受ける。そのため、所定の遅延時間経過時点で、各イオンは質量電荷比に応じた整然とした分布となるわけではないものの、電場が全くない場合に比べれば、質量電荷比に依存した空間分布となる。つまり、同一の質量電荷比を有するイオンの空間的な拡がりは小さくなる。所定の遅延時間が経過しイオンを一斉に加速させるべく試料保持部と引出し電極との電位差を拡大する際に、同一イオン種は空間的に比較的近い位置に存在するため、ほぼ同程度の加速電圧が与えられる。したがって、各種イオンに対し質量電荷比に応じたより適切な加速電圧を与えることが可能となり、広い質量電荷比範囲に亘って質量分解能を改善することができる。   Since the ion velocity is inversely proportional to the size under a certain electric field, the smaller (generally, the mass to charge ratio) ions are closer to the extraction electrode, and conversely, the larger ions are present closer to the sample. Of course, the initial energy of each ion varies depending on the mass-to-charge ratio, and the moving speed is affected by this initial energy. For this reason, when a predetermined delay time elapses, each ion does not have an orderly distribution according to the mass-to-charge ratio, but has a spatial distribution depending on the mass-to-charge ratio as compared with a case where there is no electric field. That is, the spatial spread of ions having the same mass-to-charge ratio is reduced. When the potential difference between the sample holder and the extraction electrode is increased to accelerate the ions all at once after a predetermined delay time has elapsed, the same ion species exists at a relatively close position in space, so the acceleration is approximately the same. A voltage is given. Therefore, it is possible to give a more appropriate acceleration voltage corresponding to the mass-to-charge ratio to various ions, and the mass resolution can be improved over a wide mass-to-charge ratio range.

また、同一質量電荷比を持つイオンの中では、初期エネルギが小さなものほど試料保持部に近い位置にあるため、相対的に大きな加速電圧が加えられることになる。したがって、遅延引出し法による初期エネルギのばらつきの補正効果も十分に得ることができる。   In addition, among ions having the same mass-to-charge ratio, the smaller the initial energy, the closer to the sample holding portion, so that a relatively large acceleration voltage is applied. Therefore, it is possible to sufficiently obtain the effect of correcting the initial energy variation by the delayed extraction method.

また上記課題を解決するためになされた第2発明は、試料から発生したイオンを加速して飛行空間に導入し、該飛行空間内で質量電荷比に応じてイオンを分離して検出する飛行時間型質量分析装置において、
a)試料を保持する試料保持部から所定距離離間して配設され、該試料保持部との間の空間にイオンを試料表面から引き出して加速する電場を形成するための引出し電極と、
b)イオン発生開始時点以降に、前記試料保持部と前記引出し電極との間の空間においてイオンを該試料保持部から該引出し電極に向かう方向に引き出す電位勾配の傾斜が、所定の同一又は異なる時間が経過する毎に段階的に大きくなる電場が形成されるように、前記引出し電極の電位に対する前記試料保持部の相対的な電位を段階的に増加させる電位設定手段と、
を備えることを特徴としている。
A second invention made to solve the above problem is a time of flight in which ions generated from a sample are accelerated and introduced into a flight space, and ions are separated and detected in accordance with the mass-to-charge ratio in the flight space. Type mass spectrometer
a) an extraction electrode disposed at a predetermined distance from the sample holding unit for holding the sample, and forming an electric field for extracting and accelerating ions from the sample surface in a space between the sample holding unit;
b) After the start of ion generation, the gradient of the potential gradient that draws ions in the direction from the sample holder to the extraction electrode in the space between the sample holder and the extraction electrode has a predetermined same or different time. A potential setting means for stepwise increasing the relative potential of the sample holder with respect to the potential of the extraction electrode so that an electric field that increases stepwise is formed each time
It is characterized by having.

第2発明に係る飛行時間型質量分析装置では、イオン発生開始時点における試料保持部の電位と引出し電極の電位とは略同一であってもよいし、或いは、上記第1発明のように試料保持部の電位が引出し電極の電位よりも高く設定されていてもよい。   In the time-of-flight mass spectrometer according to the second invention, the potential of the sample holder and the potential of the extraction electrode at the start of ion generation may be substantially the same, or the sample is held as in the first invention. The potential of the part may be set higher than the potential of the extraction electrode.

第2発明に係る飛行時間型質量分析装置では、イオン発生開始時点から或る遅延時間が経過した時点で試料保持部の相対的な電位が上がり、電位勾配を持つ電場が試料保持部と引出し電極との間の空間に形成されると、その空間に存在していたイオンは加速されて引出し電極に向かって移動し始める(1回目の加速操作)。このとき、質量電荷比の小さなイオンほど移動し易いから、その直前のイオンの空間分布が質量電荷比に依存しない状態であっても、質量電荷比が小さなイオンのほうが質量電荷比が大きなイオンに比べて早く引出し電極を通過する傾向にある。このため、1回目の加速操作を行った時点から或る遅延時間が経過した時点では、試料保持部と引出し電極との間の空間に残るイオンは質量電荷比が相対的に大きなものの割合が多くなる。   In the time-of-flight mass spectrometer according to the second invention, the relative potential of the sample holder rises when a certain delay time elapses from the start of ion generation, and an electric field having a potential gradient is generated between the sample holder and the extraction electrode. Are formed in the space between the two, the ions existing in the space are accelerated and start moving toward the extraction electrode (first acceleration operation). At this time, since ions having a smaller mass-to-charge ratio are more likely to move, ions having a smaller mass-to-charge ratio become ions having a larger mass-to-charge ratio even when the spatial distribution of the ion immediately before that is not dependent on the mass-to-charge ratio. It tends to pass through the extraction electrode earlier than that. For this reason, when a certain delay time has elapsed since the first acceleration operation, ions remaining in the space between the sample holding portion and the extraction electrode have a large proportion of those having a relatively large mass-to-charge ratio. Become.

そこで、試料保持部の相対的な電位がさらに上げられ電位勾配の傾斜が急になると、残っていた質量電荷比が比較的大きなイオンに追加的に運動エネルギが付与され、これによってそのイオンは加速されて引出し電極に向かって移動する(2回目の加速操作)。この加速操作は2回以上の任意の回数行うことができる。また、加速操作のためには、引出し電極の電位を固定にしたまま試料保持部の電位を上げる、試料保持部の電位を固定したまま引出し電極の電位を下げる、或いは、試料保持部の電位を上げると同時に引出し電極の電位を下げる、のいずれを行ってもよい。   Therefore, when the relative potential of the sample holder is further increased and the gradient of the potential gradient becomes steep, additional kinetic energy is imparted to the remaining ions having a relatively large mass-to-charge ratio, which accelerates the ions. Then, it moves toward the extraction electrode (second acceleration operation). This acceleration operation can be performed any number of times equal to or greater than two. For the acceleration operation, the potential of the sample holding part is increased while the potential of the extraction electrode is fixed, the potential of the extraction electrode is decreased while the potential of the sample holding part is fixed, or the potential of the sample holding part is decreased. Either raising or lowering the potential of the extraction electrode may be performed at the same time.

このように段階的に加速電圧を上げていくことにより、第1発明と同様に、各種イオンに対し質量電荷比に応じたより適切な加速電圧を与えることが可能となる。もちろん、この場合にも、同一質量電荷比であっても、イオンが持つ初期エネルギの相違によって加速操作時の位置が異なるから、完全に質量電荷比毎に分離されて加速がなされるわけではないが、従来のように質量電荷比を考慮しない加速を行っている場合に比べれば、明確な質量分解能改善効果が得られる。   By increasing the acceleration voltage stepwise in this way, it becomes possible to give a more appropriate acceleration voltage corresponding to the mass-to-charge ratio to various ions, as in the first invention. Of course, even in this case, even if the mass-to-charge ratio is the same, the position at the time of the acceleration operation varies depending on the difference in the initial energy of the ions, so that the acceleration is not completely separated for each mass-to-charge ratio. However, a clear mass resolution improvement effect can be obtained as compared with the conventional case where acceleration is performed without considering the mass-to-charge ratio.

第1及び第2発明に係る飛行時間型質量分析装置によれば、MALDIイオン源等のイオン源において試料から発生したイオンを遅延引出し法により引き出し加速する際に、単に初期エネルギや初速のばらつきの補正を行うのみならず、質量電荷比に応じた運動エネルギの変化による補正を行うため、従来の一般的な遅延引出し法と比較し、幅広い質量電荷比範囲に亘って質量分解能を改善することができる。   According to the time-of-flight mass spectrometers according to the first and second inventions, when ions generated from a sample are extracted and accelerated by the delayed extraction method in an ion source such as a MALDI ion source, the initial energy and the initial velocity are simply varied. Not only correction, but also correction by change of kinetic energy according to mass-to-charge ratio, so that mass resolution can be improved over a wide range of mass-to-charge ratio compared to conventional general delayed extraction method. it can.

本発明の一実施例であるMALDI−TOFMSの概略構成図。The schematic block diagram of MALDI-TOFMS which is one Example of this invention. 第1実施例によるMALDI−TOFMSの効果を検証するためのシミュレーション結果を示す図。The figure which shows the simulation result for verifying the effect of MALDI-TOFMS by 1st Example. 第1実施例によるMALDI−TOFMSにおける遅延引出し動作を説明するための図。The figure for demonstrating the delay extraction operation | movement in MALDI-TOFMS by a 1st Example. 第1実施例によるMALDI−TOFMSにおける遅延引出し動作を説明するための図。The figure for demonstrating the delay extraction operation | movement in MALDI-TOFMS by a 1st Example. 第2実施例によるMALDI−TOFMSにおける遅延引出し動作を説明するための図。The figure for demonstrating the delay extraction operation | movement in MALDI-TOFMS by 2nd Example. 第2実施例によるMALDI−TOFMSにおける遅延引出し時の電圧変化を示すタイミング図。The timing diagram which shows the voltage change at the time of delay drawing | extracting in MALDI-TOFMS by 2nd Example. 第2実施例によるMALDI−TOFMSの効果を検証するためのシミュレーション結果を示す図。The figure which shows the simulation result for verifying the effect of MALDI-TOFMS by 2nd Example. 第2実施例の変形例によるMALDI−TOFMSにおける遅延引出し動作を説明するための図。The figure for demonstrating the delay extraction operation | movement in MALDI-TOFMS by the modification of 2nd Example. 従来の一般的な遅延引出し動作を説明するための図。The figure for demonstrating the conventional general delay drawer | drawing-out operation | movement.

[第1実施例]
本発明の一実施例であるMALDI−TOFMSについて図1〜図4を参照して説明する。図1はこの実施例のMALDI−TOFMSの概略構成図、図3及び図4はこの実施例のMALDI−TOFMSにおける遅延引出し動作を説明するための図である。
[First embodiment]
MALDI-TOFMS, which is an embodiment of the present invention, will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of the MALDI-TOFMS of this embodiment, and FIGS. 3 and 4 are diagrams for explaining a delay extraction operation in the MALDI-TOFMS of this embodiment.

本実施例のMALDI−TOFMSでは、試料2を保持する試料プレート1に略直交するイオン光軸Cに沿って、引出し電極3、イオン光学系4、飛行空間7、検出器8が配置されている。制御部11の指示の下に、レーザ照射部5から出射したレーザ光はミラー6で反射され、試料2表面の微小径の領域に照射される。試料プレート1は金属製又は導電ガラス製であり、実際には図示しないステージにより保持され、該ステージを介して電圧が印加されるようになっているが、図1では便宜上、試料プレート1に直接、電圧が印加されるように記載してある。   In the MALDI-TOFMS of this embodiment, an extraction electrode 3, an ion optical system 4, a flight space 7, and a detector 8 are arranged along an ion optical axis C that is substantially orthogonal to the sample plate 1 that holds the sample 2. . Under the instruction of the control unit 11, the laser light emitted from the laser irradiation unit 5 is reflected by the mirror 6 and irradiated onto a small diameter region on the surface of the sample 2. The sample plate 1 is made of metal or conductive glass and is actually held by a stage (not shown), and a voltage is applied through the stage. In FIG. 1, for convenience, the sample plate 1 is directly applied to the sample plate 1. , So that a voltage is applied.

引出し電圧発生部12は制御部11の指示に従って、試料プレート1及び引出し電極3にそれぞれ所定の直流電圧を印加する。イオン光学系4は所定の電位(VB)が与えられるベース電極4cを含む複数の電極からなり、図示しない電源部からこれら電極に印加される電圧により、イオンの拡がりを抑えイオン光軸C付近にイオンを収束させる。図9と同様に、この例でもベース電極4cの電位(VB)は0であるものとする。検出器8は例えば光電子増倍管であり、飛行空間7を通過する過程で質量電荷比に応じて時間的に分離されて順次到達するイオンを検出し、イオン量に応じた検出信号を信号処理部10に送る。信号処理部10は検出信号に基づいて飛行時間とイオン強度との関係を示す飛行時間スペクトルを作成し、予め求めた校正情報に基づいて飛行時間を質量電荷比に換算することにより質量スペクトルを作成する。   The extraction voltage generator 12 applies predetermined DC voltages to the sample plate 1 and the extraction electrode 3 in accordance with instructions from the controller 11. The ion optical system 4 includes a plurality of electrodes including a base electrode 4c to which a predetermined potential (VB) is applied, and suppresses the spread of ions by a voltage applied to these electrodes from a power supply unit (not shown) near the ion optical axis C. Focus ions. Similarly to FIG. 9, it is assumed that the potential (VB) of the base electrode 4c is 0 in this example. The detector 8 is, for example, a photomultiplier tube, detects ions that are sequentially separated in accordance with the mass-to-charge ratio in the process of passing through the flight space 7, and sequentially processes the detection signal according to the amount of ions. Send to part 10. The signal processing unit 10 creates a flight time spectrum indicating the relationship between the flight time and the ion intensity based on the detection signal, and creates a mass spectrum by converting the flight time into a mass-to-charge ratio based on previously obtained calibration information. To do.

次に、本実施例のMALDI−TOFMSに特徴的な遅延引出し動作を含む分析動作を説明する。   Next, an analysis operation including a delay extraction operation characteristic of the MALDI-TOFMS of this embodiment will be described.

制御部11からレーザ照射部5に開始信号が送られると、それに対応してレーザ照射部5は所定パルス幅のレーザ光を出射する。このレーザ光はミラー6で反射されて試料プレート1上の試料2に照射される。一方、レーザ光が出射されるとそのごく一部のレーザ光をモニタして得られた信号がレーザ照射部5から制御部11にフィードバックされ、それによって制御部11はレーザ出射を認識する。そして、制御部11はその時点がイオン発生開始時点であるとみなして内部タイマの計時を開始する。   When a start signal is sent from the control unit 11 to the laser irradiation unit 5, the laser irradiation unit 5 emits a laser beam having a predetermined pulse width correspondingly. This laser beam is reflected by the mirror 6 and irradiated onto the sample 2 on the sample plate 1. On the other hand, when the laser beam is emitted, a signal obtained by monitoring a small part of the laser beam is fed back from the laser irradiation unit 5 to the control unit 11, whereby the control unit 11 recognizes the laser emission. And the control part 11 considers that time as an ion generation start time, and starts the time measurement of an internal timer.

また制御部11は、レーザ光が照射される以前の適宜に時点で、引出し電極3への印加電圧VeをVE、試料プレート1への印加電圧VsをVEよりも高いVSとするように引出し電圧発生部12を制御する。従来の一般的な遅延引出し法であればVS=VEであるのに対し、本実施例ではVS>VEである。ただし、このときの電位差VS-VEは後述するイオン加速時の電位差V0−VEに比べると遙かに小さい。その理由は後述する。ベース電極4cの電位VBは0であるから、イオン光軸C上の電位分布は図3(b)に示す状態である。即ち、試料プレート1と引出し電極3との間の空間(引出し領域)には、試料プレート1から引出し電極3に向かって緩やかに下傾する電位勾配を有する電場が形成され、引出し電極3とベース電極4cとの間の空間(加速領域)には引出し電極3からベース電極4cに向かって急峻に下傾する電位勾配を有する電場が形成されている。   Further, at an appropriate time before the laser beam is irradiated, the controller 11 sets the extraction voltage so that the applied voltage Ve to the extraction electrode 3 is VE and the applied voltage Vs to the sample plate 1 is VS higher than VE. The generator 12 is controlled. In the conventional general delay extraction method, VS = VE, whereas in this embodiment, VS> VE. However, the potential difference VS−VE at this time is much smaller than the potential difference V0−VE during ion acceleration described later. The reason will be described later. Since the potential VB of the base electrode 4c is 0, the potential distribution on the ion optical axis C is in the state shown in FIG. That is, in the space (extraction region) between the sample plate 1 and the extraction electrode 3, an electric field having a potential gradient gently inclined downward from the sample plate 1 toward the extraction electrode 3 is formed. In the space (acceleration region) between the electrodes 4c, an electric field having a potential gradient that steeply drops from the extraction electrode 3 toward the base electrode 4c is formed.

試料2にレーザ光が照射されると、試料2中のマトリクスと目的試料とが共に気化し、目的試料がイオン化される。試料2表面近傍の狭い空間で発生した各種イオンには上述した電場が作用するから、イオンは引出し電極3に向かう方向(図3(a)で右方向)に誘引される。このとき電場により与えられるポテンシャルエネルギに由来するイオンの速度は質量電荷比が小さいほど大きい。そのため、質量電荷比の小さなイオンほど引出し電極3に近づくことになる。   When the sample 2 is irradiated with laser light, the matrix in the sample 2 and the target sample are vaporized together, and the target sample is ionized. Since the above-described electric field acts on various ions generated in a narrow space near the surface of the sample 2, the ions are attracted in the direction toward the extraction electrode 3 (rightward in FIG. 3A). At this time, the velocity of ions derived from the potential energy given by the electric field increases as the mass-to-charge ratio decreases. Therefore, ions with a smaller mass-to-charge ratio are closer to the extraction electrode 3.

もちろん、各イオンは発生時点で質量電荷比に依存しない初期エネルギを有しており、それによる速度成分もあるため、単純に質量電荷比の順に並ぶわけではない。しかしながら、例えばイオン発生時に同一の初期エネルギが付与された異なる質量電荷比を有するイオンをみると、質量電荷比が小さいイオンがより早く引出し電極3に近づくから、全体的には図4(a)に示すように、質量電荷比の小さな(図4では小さなサイズで描かれた)イオンが先行し、質量電荷比の大きな(図4では大きなサイズで描かれた)イオンは試料2表面近くに残る。そして、ほぼ同一の質量電荷比を有するイオンの集まりを子細にみると、大きな初期エネルギを持つイオンほど先行して引出し電極3に近い位置に存在する。図4(b)は従来の遅延引出し法においてイオン発生時点から所定時間経過後のイオンの分布を模式的に示した図である。この場合には、試料2付近に電場が存在しないため、各イオンは初期エネルギに応じた速度で移動する。初期エネルギは質量電荷比に関係なくばらつくので、イオンの空間分布は質量電荷比に依存しない。   Of course, each ion has an initial energy that does not depend on the mass-to-charge ratio at the time of generation, and there is a velocity component thereby, so that the ions are not simply arranged in the order of the mass-to-charge ratio. However, when, for example, ions having different mass-to-charge ratios to which the same initial energy is applied at the time of ion generation are observed, ions having a small mass-to-charge ratio approach the extraction electrode 3 more quickly, so that overall FIG. As shown in FIG. 4, ions having a small mass-to-charge ratio (drawn in a small size in FIG. 4) precede, and ions having a large mass-to-charge ratio (drawn in a large size in FIG. 4) remain near the surface of the sample 2. . When a collection of ions having substantially the same mass-to-charge ratio is viewed in detail, ions having a larger initial energy are present closer to the extraction electrode 3 in advance. FIG. 4B is a diagram schematically showing the distribution of ions after a predetermined time has elapsed from the time of ion generation in the conventional delayed extraction method. In this case, since there is no electric field near the sample 2, each ion moves at a speed corresponding to the initial energy. Since the initial energy varies regardless of the mass to charge ratio, the spatial distribution of ions does not depend on the mass to charge ratio.

図3(b)から明らかなように、イオン発生時点において引出し領域中の電位勾配の傾斜が急すぎると、各イオンは発生直後に加速されて短時間で引出し電極3を通り過ぎてしまう。即ち、これは実質的な遅延引出しにはならない。そこで、試料2表面付近から引き出されたイオンが後述する遅延時間内に引出し電極3を通りすぎてしまわない程度の運動エネルギをイオンに付与するように、電位勾配の傾斜を緩くしておく必要がある。つまりは、図3(b)における電位差VS−VEを小さくしておくことが必要である。一方で、電位差VS−VEが小さすぎ電位勾配の傾斜が緩すぎると、その電場によりイオンが受ける運動エネルギよりもイオンが持つ初期エネルギの影響のほうが大きく、イオンが質量電荷比に応じて分離されない。こうしたことから、試料プレート1と引出し電極3との間の距離、遅延時間などの条件に基づいて、引出し領域中で遅延時間内に各種イオンが適度に質量電荷比に応じて分離されるように、電位差VS−VEを適切に定めておくことが望ましい。この適切な電位差は例えば後述するシミュレーション計算や実装置による実験で決めることができる。   As apparent from FIG. 3B, if the gradient of the potential gradient in the extraction region is too steep at the time of ion generation, each ion is accelerated immediately after generation and passes through the extraction electrode 3 in a short time. That is, this is not a substantial delayed withdrawal. Therefore, it is necessary to make the gradient of the potential gradient gentle so that ions extracted from the vicinity of the surface of the sample 2 are given kinetic energy to the extent that they do not pass through the extraction electrode 3 within a delay time described later. is there. That is, it is necessary to reduce the potential difference VS-VE in FIG. On the other hand, if the potential difference VS-VE is too small and the gradient of the potential gradient is too slow, the influence of the initial energy of the ions on the electric field is greater than the kinetic energy received by the ions, and the ions are not separated according to the mass-to-charge ratio. . Therefore, based on conditions such as the distance between the sample plate 1 and the extraction electrode 3 and the delay time, various ions are appropriately separated in the extraction region within the delay time according to the mass-to-charge ratio. It is desirable to determine the potential difference VS-VE appropriately. This appropriate potential difference can be determined by, for example, simulation calculation described later or an experiment using an actual apparatus.

制御部11は内部タイマの計時開始から所定の遅延時間tが経過したときに、試料プレート1への印加電圧VsをそれまでのVSからをV0にステップ状に上昇させるように引出し電圧発生部12を制御する。一方、引出し電極3への印加電圧VEはそれ以前と同一電圧値に維持される。これにより、イオン光軸C上の電位分布は図3(c)に示す状態に変化する。即ち、引出し領域には、試料プレート1から引出し電極3に向かって急峻に下傾する電位勾配を有する電場が形成される。   When a predetermined delay time t has elapsed since the start of the internal timer, the control unit 11 extracts the voltage generator 12 so that the voltage Vs applied to the sample plate 1 is stepped up from Vs up to V0. To control. On the other hand, the applied voltage VE to the extraction electrode 3 is maintained at the same voltage value as before. As a result, the potential distribution on the ion optical axis C changes to the state shown in FIG. That is, an electric field having a potential gradient that steeply slopes downward from the sample plate 1 toward the extraction electrode 3 is formed in the extraction region.

その結果、その直前に引出し領域中に存在しているイオンに対し最大V0−VEなる加速電圧が一斉に与えられ、イオンは引出し電極3に向かって引き出される。さらに、イオンが加速領域に突入した後には、引出し電極3の電位とベース電極4cの電位VB(=0)との電位差VE−VB(=VE)により一層加速されて飛行空間7に送り出される。飛行空間7に導入されたイオンは飛行中に質量電荷比に応じて分離され、検出器8に到達する。引出し領域において試料プレート1に近い位置に存在するイオンほど大きな加速エネルギが与えられるため、大きな速度でもって飛行空間7に導入される。つまり、質量電荷比が大きなイオンほど大きな速度を有し、同じ質量電荷比であれば初期エネルギが小さなイオンほど大きな速度を有する。   As a result, an acceleration voltage of a maximum V0-VE is simultaneously applied to the ions existing in the extraction region immediately before that, and the ions are extracted toward the extraction electrode 3. Further, after ions enter the acceleration region, they are further accelerated by the potential difference VE-VB (= VE) between the potential of the extraction electrode 3 and the potential VB (= 0) of the base electrode 4c, and are sent to the flight space 7. The ions introduced into the flight space 7 are separated according to the mass-to-charge ratio during the flight and reach the detector 8. Since ions present at positions closer to the sample plate 1 in the extraction region are given higher acceleration energy, they are introduced into the flight space 7 at a higher speed. In other words, ions with a larger mass-to-charge ratio have a higher speed, and ions having a lower initial energy have a higher speed with the same mass-to-charge ratio.

引出し領域中で試料プレート1に近い位置に存在した或る質量電荷比のイオンは、同じ質量電荷比であって引出し電極3により近い位置に存在したイオンよりも時間的に後から飛行空間7に導入される。しかしながら、飛行速度はより大きいので、先行しているイオンに飛行中に徐々に追いつき、ほぼ同一時刻に検出器8に到達することができる。即ち、同一質量電荷比のイオンのエネルギ収束が行える。   Ions having a certain mass-to-charge ratio existing in the extraction region near the sample plate 1 enter the flight space 7 later in time than ions having the same mass-to-charge ratio and closer to the extraction electrode 3. be introduced. However, since the flight speed is higher, it is possible to gradually catch up with the preceding ions during the flight and reach the detector 8 at almost the same time. That is, energy convergence of ions having the same mass-to-charge ratio can be performed.

一方、質量電荷比が大きなイオンには質量電荷比が小さなイオンに比べて相対的に高い加速エネルギが与えられる。したがって、それぞれの質量電荷比のイオンに対して適切なポテンシャルエネルギの変化を与えることができるので、質量電荷比による初速のばらつきの補正効果の差異が軽減できる。これにより、特定の質量電荷比に片寄らず、幅広い質量電荷比範囲に亘って初速のばらつきを軽減し、高い質量分解能を達成することができる。   On the other hand, ions having a large mass-to-charge ratio are given higher acceleration energy than ions having a small mass-to-charge ratio. Therefore, an appropriate potential energy change can be given to ions of each mass-to-charge ratio, so that the difference in the effect of correcting the initial speed variation due to the mass-to-charge ratio can be reduced. Thereby, it is possible to achieve high mass resolution by reducing variations in initial speed over a wide range of mass-to-charge ratios without shifting to a specific mass-to-charge ratio.

次に、本実施例のMALDI−TOFMSにおける遅延引出し動作の効果を検証するためのシミュレーションについて説明する。このシミュレーションでは、図1に示したようなイオン光軸Cを中心とする軸対称のイオン輸送系を想定し、試料プレート1と引出し電極3との間の距離を約3.5[mm]、飛行空間7における自由飛行軌道の距離を約1000[mm]とした。イオン光学系4ではイオンの加速と軌道の収束とを行い、イオンが飛行空間7に導入されるまでに約18[keV]の加速エネルギを与えるものとした。遅延引き出しのための電圧制御は、引出し電極3への印加電圧を一定とし、試料プレート1に印加する電圧をレーザ光照射時から所定の遅延時間tが経過した時点でステップ状に増加させるようにした。   Next, a simulation for verifying the effect of the delayed extraction operation in the MALDI-TOFMS of this embodiment will be described. In this simulation, an axially symmetric ion transport system centered on the ion optical axis C as shown in FIG. 1 is assumed, and the distance between the sample plate 1 and the extraction electrode 3 is about 3.5 [mm], The distance of the free flight trajectory in the flight space 7 was about 1000 [mm]. The ion optical system 4 performs acceleration of ions and convergence of the trajectory, and gives an acceleration energy of about 18 [keV] before the ions are introduced into the flight space 7. In voltage control for delayed extraction, the voltage applied to the extraction electrode 3 is made constant, and the voltage applied to the sample plate 1 is increased stepwise when a predetermined delay time t elapses from the time of laser light irradiation. did.

上述した本実施例における遅延引出し法(本発明法)の実行条件は、VS=18000[V]、VE=17730[V]、V0−VS=830[V]、VB=0、t=900[ns]、である。これに対し従来の遅延引出し法(従来法)の実行条件は、VS=18000[V]、VE=18160[V]、V0−VS=950[V]、VB=0、t=900[ns]、である。これら実行条件は後述するようにシミュレーションの結果が良好になるように選ばれたものである。なお、従来法において試料プレート1の印加電圧VSよりも引出し電極3への印加電圧VEのほうが若干(160[V])高くなっているが、これはイオン光学系4による電場の影響を打ち消すためであり、これによって試料プレート1近傍でのイオン光軸Cに沿った電位勾配はほぼ0になり、引出し領域に電場が存在しない状態とみなすことができる。   The execution conditions of the delayed extraction method (the method of the present invention) in the above-described embodiment are as follows: VS = 18000 [V], VE = 17730 [V], V0−VS = 830 [V], VB = 0, t = 900 [ ns]. On the other hand, the execution conditions of the conventional delayed extraction method (conventional method) are VS = 18000 [V], VE = 18160 [V], V0−VS = 950 [V], VB = 0, t = 900 [ns]. . These execution conditions are selected so that the simulation results are good as will be described later. In the conventional method, the applied voltage VE to the extraction electrode 3 is slightly (160 [V]) higher than the applied voltage VS of the sample plate 1, but this cancels the influence of the electric field by the ion optical system 4. As a result, the potential gradient along the ion optical axis C in the vicinity of the sample plate 1 becomes almost zero, and it can be regarded that there is no electric field in the extraction region.

上記実行条件でもって500〜5000[Da]の質量電荷比範囲で250[Da]ずつ質量電荷比を変化させ、検出器8へのイオンの到達時間について数値計算を行い、その分解能を調べた。この計算上でのイオンの初速の中心値は600[m/s]、初速のばらつきの半値幅は300[m/s]、その速度方向は、対称軸(イオン光軸C)に対し30°の角度を持つものと仮定した。また、イオンの初期位置はイオン光軸Cから0.1[mm]の範囲内の空間にランダムであるものとした。 Under the above execution conditions, the mass-to-charge ratio was changed by 250 [Da] in the mass-to-charge ratio range of 500 to 5000 [Da], and numerical calculation was performed for the arrival time of ions to the detector 8 to examine the resolution. In this calculation, the central value of the initial velocity of the ion is 600 [m / s], the half-value width of the initial velocity variation is 300 [m / s], and the velocity direction is 30 ° with respect to the symmetry axis (ion optical axis C). It is assumed that the angle is In addition, the initial position of ions is assumed to be random in a space within a range of 0.1 [mm ] from the ion optical axis C.

図2はシミュレーション結果である。従来法ではm/z2000[Da]で分解能が最大になるように上記実行条件が調整されている。一方、本発明法では、m/z2000[Da]を含み、分解能が5000を越える質量電荷比範囲ができるだけ広くなるように上記実行条件が調整されている。この図2から明らかなように、従来法では分解能が5000を越える質量電荷比範囲は2000[Da]を中心に1000[Da]程度の範囲にすぎないのに対し、本発明法では1500〜5000[Da]の広い範囲で分解能が5000を越えている。したがって、本発明法によれば、高い分解能が得られる質量電荷比範囲を従来法に比べて3.5倍に拡大できていることが分かる。   FIG. 2 shows a simulation result. In the conventional method, the execution condition is adjusted so that the resolution becomes maximum at m / z 2000 [Da]. On the other hand, in the method of the present invention, the execution conditions are adjusted so that the mass-to-charge ratio range including m / z 2000 [Da] and the resolution exceeding 5000 is as wide as possible. As apparent from FIG. 2, the mass-to-charge ratio range in which the resolution exceeds 5000 in the conventional method is only about 1000 [Da] centering on 2000 [Da], whereas in the method of the present invention 1500 to 5000. The resolution exceeds 5000 over a wide range of [Da]. Therefore, according to the method of the present invention, it can be seen that the mass-to-charge ratio range in which high resolution can be obtained can be expanded 3.5 times compared with the conventional method.

[第2実施例]
本発明の別の実施例(第2実施例)であるMALDI−TOFMSについて図5〜図7を参照して説明する。この第2実施例の構成自体は第1実施例と同様であるので説明を略す。相違するのは制御部11の制御シーケンスであり、そのほか、必要に応じて引出し電圧発生部12の回路構成も変更を要する。
[Second Embodiment]
MALDI-TOFMS, which is another embodiment (second embodiment) of the present invention, will be described with reference to FIGS. Since the configuration of the second embodiment is the same as that of the first embodiment, description thereof is omitted. The difference is in the control sequence of the control unit 11, and in addition, the circuit configuration of the extraction voltage generation unit 12 needs to be changed as necessary.

図5及び図6に従って、この第2実施例のMALDI−TOFMSに特徴的な遅延引出し動作を含む分析動作について、第1実施例と相違する点を中心に説明する。   The analysis operation including the delay extraction operation characteristic of the MALDI-TOFMS of the second embodiment will be described mainly with respect to differences from the first embodiment with reference to FIGS.

制御部11は、レーザ光が照射される以前の適宜に時点で、引出し電極3への印加電圧Ve及び試料プレート1への印加電圧Vsを共にVE1とするように引出し電圧発生部12を制御する。イオン光軸C上の電位分布は図5(b)に示す状態であり、これは従来の遅延引出し法と同様である。即ち、引出し領域にはイオンを誘引するような実質的な電場は存在しない。試料2にレーザ光が照射され、試料2表面近傍で発生した各種イオンはそれぞれの初期エネルギに基づく初速で移動する。したがって、イオン発生開始時点から所定時間経過後のイオンの空間分布は図4(b)に示すようになり、質量電荷比とは無関係にイオンは分散している。   The controller 11 controls the extraction voltage generator 12 so that the applied voltage Ve to the extraction electrode 3 and the applied voltage Vs to the sample plate 1 are both set to VE1 at an appropriate time before the laser light irradiation. . The potential distribution on the ion optical axis C is in the state shown in FIG. 5B, which is the same as in the conventional delayed extraction method. That is, there is no substantial electric field that attracts ions in the extraction region. The sample 2 is irradiated with laser light, and various ions generated in the vicinity of the surface of the sample 2 move at an initial speed based on their initial energies. Therefore, the spatial distribution of ions after the elapse of a predetermined time from the ion generation start time is as shown in FIG. 4B, and the ions are dispersed regardless of the mass-to-charge ratio.

制御部11は内部タイマの計時開始から所定の遅延時間t1が経過したときに、引出し電極3への印加電圧VeをそれまでのVE1からVE2にステップ状に下降させるように引出し電圧発生部12を制御する。このとき、試料プレートへの印加電圧VSはそれ以前と同一電圧値VE1に維持される。これにより、イオン光軸C上の電位分布は図5(c)に示す状態に変化する。即ち、引出し領域には、試料プレート1から引出し電極3に向かって緩やかに下傾する電位勾配を有する電場が形成される。なお、ここでは、試料プレート1の電位を固定して引き出し電極3の電位を下げているが、引き出し電極3の電位を固定して試料プレート1の電位を上げてもよい。   When the predetermined delay time t1 has elapsed from the start of the internal timer, the control unit 11 sets the extraction voltage generator 12 so that the applied voltage Ve to the extraction electrode 3 is stepped down from VE1 to VE2 so far. Control. At this time, the voltage VS applied to the sample plate is maintained at the same voltage value VE1 as before. As a result, the potential distribution on the ion optical axis C changes to the state shown in FIG. That is, an electric field having a potential gradient that gently slopes downward from the sample plate 1 toward the extraction electrode 3 is formed in the extraction region. Here, although the potential of the extraction electrode 3 is lowered by fixing the potential of the sample plate 1, the potential of the extraction plate 3 may be increased by fixing the potential of the extraction electrode 3.

引出し領域中に電位勾配が形成されることにより、イオンは最大VE1−VE2なる加速電圧によるエネルギを受ける。ただし、このときの加速電圧は比較的低くエネルギは小さいため、イオンの速度は比較的小さい。また、このときのイオンの速度は質量電荷比が大きいほど小さくなるから、同じ位置にある、つまり同じ加速エネルギを受けた異なる質量電荷比のイオンを比べると、質量電荷比が小さなイオンほど大きな速度を持つ。そのため、全体として質量電荷比の小さなイオンほど早く引出し電極3を通過して加速領域に入り、逆に質量電荷比の大きなイオンは引出し領域に留まり易い。このように、引出し領域において質量分離に近い操作が行われる。   By forming a potential gradient in the extraction region, the ions receive energy from an acceleration voltage of maximum VE1-VE2. However, since the acceleration voltage at this time is relatively low and the energy is small, the ion velocity is relatively small. In addition, the ion velocity at this time becomes smaller as the mass-to-charge ratio becomes larger. Therefore, when ions at the same position, that is, ions with different mass-to-charge ratios subjected to the same acceleration energy are compared, the smaller the mass-to-charge ratio, the larger the velocity. have. Therefore, as a whole, ions having a smaller mass to charge ratio pass through the extraction electrode 3 and enter the acceleration region earlier, whereas ions having a larger mass to charge ratio tend to stay in the extraction region. In this way, an operation close to mass separation is performed in the drawer region.

制御部11は内部タイマの計時開始から所定の遅延時間t2(t2>t1)が経過したときに、今度は引出し電極3への印加電圧VeをVE2に維持したまま、試料プレート1への印加電圧VsをVE1からV0にステップ状に上昇させるように引出し電圧発生部12を制御する。これにより、イオン光軸C上の電位分布は図5(d)に示す状態に変化する。即ち、試料プレート1から引出し電極3に向かう電位勾配の傾斜が急峻になる。なお、ここでは、引き出し電極3の電位を固定して試料プレート1の電位を上げているが、試料プレート1の電位を固定して引き出し電極3の電位を下げてもよい。   When the predetermined delay time t2 (t2> t1) has elapsed since the start of the internal timer, the control unit 11 maintains the voltage Ve applied to the extraction electrode 3 at VE2 and the voltage applied to the sample plate 1 this time. The extraction voltage generator 12 is controlled so as to increase Vs from VE1 to V0 stepwise. As a result, the potential distribution on the ion optical axis C changes to the state shown in FIG. That is, the gradient of the potential gradient from the sample plate 1 toward the extraction electrode 3 becomes steep. Here, although the potential of the extraction electrode 3 is fixed and the potential of the sample plate 1 is raised, the potential of the extraction plate 3 may be lowered by fixing the potential of the sample plate 1.

引出し領域中の電場が上記のように変化すると、その時点で引出し領域中に残っていた主として質量電荷比の大きなイオンに対し最大V0−VE2なる加速電圧が一斉に与えられ、イオンは引出し電極3に向かって引き出される。加速領域に突入したイオンは、引出し電極3の電位とベース電極4cの電位VB(=0)との電位差VE2−VB(=VE2)により一層加速されて飛行空間7に送り出される。飛行空間7に導入されたイオンは飛行中に質量電荷比に応じて分離され、検出器8に到達する。 When an electric field in the extraction region is changed as described above, the maximum V0-VE 2 becomes an acceleration voltage to large ion mainly mass-to-charge ratio remained in extraction region at that time is given all at once, the ions extraction electrode It is drawn towards 3. The ions that have entered the acceleration region are further accelerated by the potential difference VE2-VB (= VE2) between the potential of the extraction electrode 3 and the potential VB (= 0) of the base electrode 4c, and are sent to the flight space 7. The ions introduced into the flight space 7 are separated according to the mass-to-charge ratio during the flight and reach the detector 8.

上述したようにこの第2実施例のMALDI−TOFMSでは、イオン発生開始時点から遅延時間t1が経過するまでの期間中には、試料2の表面付近で発生したイオンが初期速度で自由に拡がり、質量電荷比に依らず主として初期速度(初期エネルギ)の大きなイオンほど引出し電極3に近づくように分散する。遅延時間t1の経過時点から遅延時間t2が経過するまでの期間中には、引出し領域中に存在している主として質量電荷比の小さなイオンが比較的小さな加速エネルギでもって引出し電極3の方向に引き出され加速領域に導入される。このとき同じ質量電荷比を持つイオンの中でも試料2の近くに存在するイオンほど大きな加速エネルギが与えられるから、同一質量電荷比のイオンに対するエネルギ収束が達成され、ひいては時間収束が達成される。   As described above, in the MALDI-TOFMS of the second embodiment, the ions generated near the surface of the sample 2 freely spread at the initial velocity during the period from the start of ion generation until the delay time t1 elapses. Regardless of the mass-to-charge ratio, ions with a larger initial velocity (initial energy) are dispersed so as to approach the extraction electrode 3. During the period from the elapse of the delay time t1 until the delay time t2 elapses, ions having a small mass-to-charge ratio existing in the extraction region are extracted toward the extraction electrode 3 with relatively small acceleration energy. It is introduced into the acceleration area. At this time, among ions having the same mass-to-charge ratio, ions closer to the sample 2 are given higher acceleration energy, so energy convergence is achieved for ions having the same mass-to-charge ratio, and thus time convergence is achieved.

続いて遅延時間t2が経過すると、引出し領域中に存在している主として質量電荷比の大きなイオンが大きな加速エネルギでもって引出し電極3の方向に引き出され加速領域に導入される。このときにも、同じ質量電荷比を持つイオンの中で試料2の近くに存在するイオンほど大きな加速エネルギが与えられるから、同一質量電荷比のイオンに対するエネルギ収束が達成され、ひいては時間収束が達成される。   Subsequently, when the delay time t2 elapses, mainly ions having a large mass-to-charge ratio existing in the extraction region are extracted in the direction of the extraction electrode 3 with a large acceleration energy and introduced into the acceleration region. At this time as well, ions having the same mass-to-charge ratio are closer to the sample 2 and are given higher acceleration energy, so energy convergence is achieved for ions having the same mass-to-charge ratio and thus time convergence is achieved. Is done.

また、試料2から発生した各種イオンは質量電荷比に応じておおまかに分離され、質量電荷比の大きなイオンには質量電荷比の小さなイオンよりも大きな加速エネルギが与えられる。したがって、第1実施例と同様に、質量電荷比に応じた適切なポテンシャルエネルギの変化をイオンに与えることができるので、質量電荷比による初速のばらつきの補正効果の差異が軽減できる。これにより、特定の質量電荷比に片寄らず、幅広い質量電荷比範囲に亘って初速のばらつきを軽減し、高い質量分解能を達成することができる。   Various ions generated from the sample 2 are roughly separated according to the mass-to-charge ratio, and ions having a large mass-to-charge ratio are given higher acceleration energy than ions having a small mass-to-charge ratio. Therefore, as in the first embodiment, since an appropriate potential energy change according to the mass-to-charge ratio can be given to the ions, the difference in the effect of correcting the initial speed variation due to the mass-to-charge ratio can be reduced. Thereby, it is possible to achieve high mass resolution by reducing variations in initial speed over a wide range of mass-to-charge ratios without shifting to a specific mass-to-charge ratio.

第2実施例のMALDI−TOFMSにおける遅延引出し動作の効果を検証するためのシミュレーションについて説明する。遅延引出しの実行条件以外の基本的なシミュレーション条件は第1実施例と同様である。   A simulation for verifying the effect of the delayed extraction operation in the MALDI-TOFMS of the second embodiment will be described. Basic simulation conditions other than the execution conditions for the delayed withdrawal are the same as in the first embodiment.

第2実施例における遅延引出し法(本発明法)の実行条件は、図6に示したように、試料プレート1への初期的な印加電圧=18000[V]、引出し電極3への初期的な印加電圧=18160[V]、t1経過時の引出し電極3への印加電圧の減少幅(図5(c)におけるVE1−VE2)=850[V]、t2経過時の試料プレート1への印加電圧の増加幅(図5(d)におけるV0−VE1)=220[V]、VB=0、t1=700[ns]、t2=1500[ns]、である。従来の遅延引出し法(従来法)の実行条件は第1実施例と同じである。これら実行条件は後述するようにシミュレーションの結果が良好になるように選ばれたものである。なお、本発明法において試料プレート1の初期的な印加電圧よりも引出し電極3への初期的な印加電圧のほうが若干高くなっている理由は上述した通りである。
The execution conditions of the delayed extraction method (the method of the present invention) in the second embodiment are as follows. The initial applied voltage to the sample plate 1 = 18000 [V] and the initial application to the extraction electrode 3 are as shown in FIG. Applied voltage = 18160 [V], decrease width of applied voltage to extraction electrode 3 when t1 has elapsed (VE1−VE2 in FIG. 5C) = 850 [V], applied voltage to sample plate 1 when t2 has elapsed (V0−VE1 in FIG. 5D) = 220 [V], VB = 0, t1 = 700 [ns], t2 = 1500 [ns]. The execution conditions of the conventional delayed extraction method (conventional method) are the same as in the first embodiment. These execution conditions are selected so that the simulation results are good as will be described later. The reason why the more the initial application voltage to the extraction electrode 3 than initial applied voltage of the sample plate 1 in the present invention method is slightly higher is as described above.

図7はシミュレーション結果である。従来法ではm/z2000[Da]で分解能が最大になるように上記実行条件が調整されている。一方、本発明法では、m/z2000[Da]を含み、分解能が5000を越える質量電荷比範囲ができるだけ広くなるように上記実行条件が調整されている。この図7から明らかなように、従来法では分解能が5000を越える質量電荷比範囲は2000[Da]を中心に1000[Da]程度の範囲にすぎないのに対し、本発明法では750〜4500[Da]の広い範囲で分解能が5000を越えている。したがって、本発明法によっても、高い分解能が得られる質量電荷比範囲を従来法に比べて3.5倍に拡大できていることが分かる。   FIG. 7 shows a simulation result. In the conventional method, the execution condition is adjusted so that the resolution becomes maximum at m / z 2000 [Da]. On the other hand, in the method of the present invention, the execution conditions are adjusted so that the mass-to-charge ratio range including m / z 2000 [Da] and the resolution exceeding 5000 is as wide as possible. As is apparent from FIG. 7, the mass-to-charge ratio range in which the resolution exceeds 5000 in the conventional method is only about 1000 [Da] centering on 2000 [Da], whereas in the method of the present invention, 750 to 4500. The resolution exceeds 5000 over a wide range of [Da]. Therefore, it can be seen that the mass-to-charge ratio range in which high resolution can be obtained can be expanded to 3.5 times that of the conventional method also by the method of the present invention.

なお、上記第2実施例の説明では、イオン発生時点では試料2近傍に実質的な電場を形成せず、その後、2段階に分けて加速電圧を増加させるようにしていたが、さらに3段階以上に細かく分けて加速電圧を増加させるようにしてもよい。また第2実施例の説明では、遅延時間t1経過後に引出し電極3への印加電圧をステップ状に下げ、次に遅延時間t2経過後に試料プレート1への印加電圧をステップ状に上げることで、試料プレート1から引出し電極3への電位勾配の傾斜を変化させているが、試料プレート1への印加電圧又は引出し電極への印加電圧の一方を固定し、他方を段階的に変化させることで同様の制御を行うことができる。図8は、引出し電極3への印加電圧を固定し、試料プレート1への印加電圧をステップ状に複数回に分けて増加させる場合の電位分布の変化を示す図である。試料プレート1への印加電圧を固定する場合には、引出し電極3への印加電圧をステップ状に減少させればよい。   In the description of the second embodiment, a substantial electric field is not formed in the vicinity of the sample 2 at the time of ion generation, and then the acceleration voltage is increased in two stages. The acceleration voltage may be increased in small increments. In the description of the second embodiment, the voltage applied to the extraction electrode 3 is lowered stepwise after the delay time t1 has elapsed, and then the voltage applied to the sample plate 1 is increased stepwise after the delay time t2 has elapsed. Although the gradient of the potential gradient from the plate 1 to the extraction electrode 3 is changed, either the voltage applied to the sample plate 1 or the voltage applied to the extraction electrode is fixed and the other is changed stepwise. Control can be performed. FIG. 8 is a diagram showing changes in the potential distribution when the voltage applied to the extraction electrode 3 is fixed and the voltage applied to the sample plate 1 is increased stepwise in several steps. When the voltage applied to the sample plate 1 is fixed, the voltage applied to the extraction electrode 3 may be decreased stepwise.

また、第1実施例における遅延引出し法の特徴点と第2実施例における遅延引出し法の特徴点とは併用することが可能である。即ち、イオン発生時点で引出し領域にイオンを質量分離させるような緩やかな電位勾配を持つ電場を形成しておき、その後に、所定の一定又は非一定の遅延時間が経過する毎に電位勾配を段階的に大きくしていくような制御を行えばよい。   Further, the feature point of the delayed extraction method in the first embodiment and the feature point of the delay extraction method in the second embodiment can be used in combination. In other words, an electric field having a gradual potential gradient that causes mass separation of ions in the extraction region at the time of ion generation is formed, and then the potential gradient is stepped every time a predetermined constant or non-constant delay time elapses. Control may be performed so as to increase the size.

また、図3、図5に示した、試料プレート1への印加電圧Vs(VS,V0,VE1)、引出し電極Ve(VE,VE1,VE2)、及びベース電極4cの電位VBの関係は相対的なものであるから、例えば、ベース電極4cの電位VBを10[kV]下げ(VB=−10[kV])、それと同様にVs、Veを引き下げても、上記説明と同様のイオンの挙動制御が可能であることは明らかである。   3 and 5, the relationship between the voltage Vs applied to the sample plate 1 (VS, V0, VE1), the extraction electrode Ve (VE, VE1, VE2), and the potential VB of the base electrode 4c is relative. Therefore, for example, even if the potential VB of the base electrode 4c is lowered by 10 [kV] (VB = −10 [kV]) and Vs and Ve are lowered in the same manner, the behavior control of ions as described above is performed. It is clear that this is possible.

なお、上記実施例はいずれも本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。   It should be noted that any of the above-described embodiments is an example of the present invention, and it is obvious that modifications, corrections, and additions may be made as appropriate without departing from the spirit of the present invention.

1…試料プレート
2…試料
3…引出し電極
4…イオン光学系
4c…ベース電極
5…レーザ照射部
6…ミラー
7…飛行空間
8…検出器
10…信号処理部
11…制御部
12…引出し電圧発生部
C…イオン光軸
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Sample plate 2 ... Sample 3 ... Extraction electrode 4 ... Ion optical system 4c ... Base electrode 5 ... Laser irradiation part 6 ... Mirror 7 ... Flight space 8 ... Detector 10 ... Signal processing part 11 ... Control part 12 ... Extraction voltage generation Part C ... Ion optical axis

Claims (3)

試料から発生したイオンを加速して飛行空間に導入し、該飛行空間内で質量電荷比に応じてイオンを分離して検出する飛行時間型質量分析装置において、
a)試料を保持する試料保持部から所定距離離間して配設され、該試料保持部との間の空間にイオンを試料表面から引き出して加速する電場を形成するための引出し電極と、
b)イオン発生開始時点から所定の遅延時間が経過した時点で試料表面と前記引き出し電極との間の空間におけるイオンの空間分布が、質量電荷比が小さなイオンほど該引き出し電極に近い位置に存在するものとなるように、イオン発生開始時点から前記所定の遅延時間が経過するまでの期間中に、試料表面から前記引出し電極に向けてイオン質量電荷比に応じて移動させる電場を形成するべく、前記試料保持部の電位を前記引出し電極の電位よりも、前記所定の遅延時間及び前記所定距離に応じた第1の電位差だけ高く保ち、前記所定の遅延時間が経過した時点及びそれ以降には、前記試料保持部と前記引出し電極との間の空間にあるイオンが一斉に加速されて該引出し電極を通り過ぎる電場が形成されるように、前記試料保持部の電位を前記引出し電極の電位よりも、第1の電位差より大きな第2の電位差だけ高く保つように、前記試料保持部及び前記引出し電極の電位を設定する電位設定手段と、
を備えることを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
In a time-of-flight mass spectrometer that accelerates ions generated from a sample and introduces them into a flight space, and separates and detects ions according to the mass-to-charge ratio in the flight space,
a) an extraction electrode disposed at a predetermined distance from the sample holding unit for holding the sample, and forming an electric field for extracting and accelerating ions from the sample surface in a space between the sample holding unit;
b) The spatial distribution of ions in the space between the sample surface and the extraction electrode when a predetermined delay time has elapsed from the start of ion generation, the closer the ions with a smaller mass-to-charge ratio, the closer to the extraction electrode. so that things, during the period from the ion generation starting time point to the predetermined delay time has elapsed, to form an electric field Before moving according to their mass to charge ratio ions toward the extraction electrode from the sample surface , than the potential of the extraction electrode potential of the sample holder, keeping high as the first potential difference corresponding to the predetermined delay time and the predetermined distance, the point in time and thereafter passed the predetermined delay time is The potential of the sample holder is set so that ions in the space between the sample holder and the extraction electrode are accelerated all at once and an electric field passing through the extraction electrode is formed. Serial than the potential of the extraction electrode, so as to maintain high as large second potential difference than the first potential difference, the potential setting means for setting the potential of the sample holder and the extraction electrode,
A time-of-flight mass spectrometer.
試料から発生したイオンを加速して飛行空間に導入し、該飛行空間内で質量電荷比に応じてイオンを分離して検出する飛行時間型質量分析装置において、
a)試料を保持する試料保持部から所定距離離間して配設され、該試料保持部との間の空間にイオンを試料表面から引き出して加速する電場を形成するための引出し電極と、
b)イオン発生開始時点以降に、前記試料保持部と前記引出し電極との間の空間においてイオンを該試料保持部から該引出し電極に向かう方向に引き出す電位勾配の傾斜が、所定の同一又は異なる時間が経過する毎に段階的に大きくなる電場が形成されるように、前記引出し電極の電位に対する前記試料保持部の相対的な電位を段階的に増加させる電位設定手段と、
を備えることを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
In a time-of-flight mass spectrometer that accelerates ions generated from a sample and introduces them into a flight space, and separates and detects ions according to the mass-to-charge ratio in the flight space,
a) an extraction electrode disposed at a predetermined distance from the sample holding unit for holding the sample, and forming an electric field for extracting and accelerating ions from the sample surface in a space between the sample holding unit;
b) After the start of ion generation, the gradient of the potential gradient that draws ions in the direction from the sample holder to the extraction electrode in the space between the sample holder and the extraction electrode has a predetermined same or different time. A potential setting means for stepwise increasing the relative potential of the sample holder with respect to the potential of the extraction electrode so that an electric field that increases stepwise is formed each time
A time-of-flight mass spectrometer.
請求項1又は2に記載の飛行時間型質量分析装置であって、試料に対するイオン化は、MALDI法、LDI法、DESI法、PDI法、SIMS法のいずれかのイオン化法により行われるものであることを特徴とする飛行時間型質量分析装置。   The time-of-flight mass spectrometer according to claim 1 or 2, wherein the ionization of the sample is performed by any one of the MALDI method, the LDI method, the DESI method, the PDI method, and the SIMS method. A time-of-flight mass spectrometer.
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