專利名稱：飛行時間型質量分析裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種飛行時間型質量分析裝置，更詳細地說，涉及一種使用了反射器(reflectron)的飛行時間型質量分析裝置。
背景技術：
飛行時間型質量分析裝置(Time of Flight mass spectrometer,以下稱為“TOFMS”)利用加速各種離子時的各離子的飛行速度取決于質量電荷比，測量使這些離子飛行固定距離時的各離子的飛行時間，根據該飛行時間計算每個離子的質量電荷比。在TOFMS中，離子的飛行速度取決于由電場等賦予的初始能量，因此，各離子的飛行時間具有能量取決性，離子團(具有相同質量電荷比的離子的集團)的初始能量幅度對裝置的質量分辨率產生影響。因此，在TOFMS中，改善離子的飛行時間的能量收斂性是用于提高性能的大課題之一 O對上述課題廣泛已知的有效解決對策是利用通過反射電場使離子反射從而實現飛行時間的能量收斂的反射器。在反射器中，即使質量電荷比相同，能量越大(即速度越大)的離子越更深地進入反射電場而折返，因此，具有長的行程長度(飛行距離)。根據該行程長度的差異校正與離子的初始能量的偏差對應的飛行時間的偏差，來改善飛行時間的能量收斂性。另外，通過反射器使離子反射，由此能夠在抑制裝置整體的大小的同時延長飛行距離。在TOFMS中，飛行距離越長則質量分辨率越高，因此還具有能夠通過使用反射器來在抑制裝置的大小、成本的同時改善質量分辨率的優點。最簡單的構造的反射器是使用一個具有固定的電場強度的均勻減速電場作為反射電場的一節反射器，但在一節反射器中，無法充分實現飛行時間的能量收斂性。因此，現在廣泛使用的反射器是具有如下構造的兩節反射器:將兩種均勻減速電場組合來作為反射電場，在第二段的電場內使離子反射(參照非專利文件I)。在這兩個均勻減速電場組合而成的兩節反射器中，能夠通過調整長度等尺寸和兩種電場強度，來實現比一節反射器高的飛行時間的能量收斂性。因此，作為兩節反射器是簡單的構造并且能夠達到比較高的性能的方法而被市場銷售的幾乎所有的TOFMS所采用。概要地說明提高如上所述的現有的TOFMS中的飛行時間的能量收斂性的途徑。如上所述，一般投入到TOFMS的飛行空間中的離子的速度取決于初始能量，因此離子的飛行時間具有能量取決性。在現有的TOFMS中，為了在理論設計上評價該飛行時間的能量取決性，而用與離子的初始能量對應的級數展開來表現離子的飛行時間。在此，在任意的TOFMS中，針對質量為m、價數為z的離子，設初始能量為U。另外，對于相同種類(相同質量、相同價數)的離子，設作為基準的初始能量為Utl，其飛行時間為Ttlt5這時，飛行時間Ttl是包含裝置尺寸等作為常數要素并且具有離子的 質量電荷比m/z的變量的函數。與此相對地，使用基準離子的飛行時間Ttl和基準初始能量Utl，用下面的式子(I)表示具有任意的初始能量U的離子的飛行時間T。數式I
權利要求
1.一種飛行時間型質量分析裝置，具備:能量賦予單元，其為了使分析對象的離子飛行而賦予固定的能量；以及飛行時間型的質量分離單元，其根據飛行時間的差異按每個質量電荷比對被賦予了該能量的離子進行分離，該飛行時間型質量分析裝置的特征在于， 上述質量分離單元包括:自由飛行空間，在該自由飛行空間中離子不受電場的影響而自由地飛行；反射器，其包括多個電極，該多個電極用于通過電場的作用使在該自由飛行空間中飛行而來的離子反射而折返；以及電壓施加單元，其對該反射器的各電極分別施加直流電壓， 在該電壓施加單元中， 對各電極施加電壓，使得在沿著離子的行進方向將上述反射器所形成的靜電場虛擬地劃分為用于使導入的離子減速的減速區域和用于使經過該減速區域減速后的離子折返的反射區域的狀態下， 上述減速區域中的靜電場的沿著中心軸的電勢分布為用一種函數定義的電勢分布或者沿著中心軸用不同的多種函數定義的電勢分布的組合， 上述反射區域中的靜電場的沿著中心軸的電勢分布為一種曲線狀電勢分布，即通過以下的方法確定的曲線狀電勢分布: 以具有與基準電勢Utl相等的初始能量的離子在包含上述自由飛行空間的路徑上折返飛行時的總飛行時間和初始能量E為E>Ud的離子在包含上述自由飛行空間的路徑上折返 飛行時的總飛行時間相等的方式確定上述反射區域中的離子的飛行時間 ；(Ε)所要滿足的條件式，使用下面的式子作為用于求出實現該飛行時間 ；(Ε)那樣的反射區域的曲線狀電勢分布U(X)的反函數X(U)的關系式，將該式中的積分運算設為使用了參數的分析式或由數值運算所得的數值解，其中，上述基準電勢Utl設定為上述減速區域中的最大電勢值Ud以下，上述參數規定上述減速區域中的靜電場的電勢分布，
2.根據權利要求1所述的飛行時間型質量分析裝置，其特征在于， 上述減速區域包括兩段均勻減速電場，該兩段均勻減速電場用不同的兩種具有直線狀電勢梯度的函數定義， 將基準電勢Utl設定為與減速區域的最大電勢Ud相等，在設自由飛行空間的長度為L、減速區域中的第一段和第二段的均勻減速電場的長度相對于自由飛行空間的長度的比分別為屯、d2、而且設第一段的均勻減速電場的電勢高度為U1、第二段的均勻減速電場的電勢高度為U2、即Ud=UJU2時，通過下面的式子的反函數X(U)確定上述反射區域的靜電場的沿著中心軸的曲線狀電勢分布，
3.根據權利要求2所述的飛行時間型質量分析裝置，其特征在于， 設定為d^d^d且0.01<d<0.5的范圍。
4.根據權利要求2所述的飛行時間型質量分析裝置，其特征在于， 在設為(^=4=(^1 = / 時,確定d以滿足下面的式子，
5.根據權利要求1所述的飛行時間型質量分析裝置，其特征在于， 上述減速區域包括兩段均勻減速電場和輔助自由飛行空間，其中，該兩段均勻減速電場用不同的兩種具有直線狀電勢梯度的函數定義，該輔助自由飛行空間配置在該兩段均勻減速電場之間且不受電場的影響， 將基準電勢Utl設定為與減速區域的最大電勢Ud相等，在設自由飛行空間的長度為L、設減速區域中的第一段均勻減速電場、輔助自由飛行空間及第二段均勻減速電場的長度相對于自由飛行空間的長度的比分別為屯、f、d2、設第一段均勻減速電場的電勢高度為U1、第二段均勻減速電場的電勢高度為U2、即Ud=UJU2、而且u=U/Ud、U1=VUp u2=U2/Ud時，通過下面的式子的反函數X(U)確定上述反射區域的靜電場的沿著中心軸的曲線狀電勢分布，
6.根據權利要求5所述的飛行時間型質量分析裝置，其特征在于， 在設dfdfd時,確定d以滿足下面的式子，
7.根據權利要求1所述的飛行時間型質量分析裝置，其特征在于， 上述能量賦予單元包括一段均勻加速電場，另一方面，上述減速區域包括兩段均勻減速電場，其中，該一段均勻加速電場用在離子的行進方向上具有直線狀的下行電勢梯度的函數定義，該兩段均勻減速電場用不同的兩種具有直線狀電勢梯度的函數定義， 將基準電勢Utl設定為與減速區域的最大電#ud相等，在設均勻加速電場的最高電勢為Ua、設自由飛行空間的長度為L、設均勻加速電場的長度、減速區域中的第一段均勻減速電場的長度及第二段均勻減速電場的長度相對于自由飛行空間的長度的比分別為Sdpd2、設第一段均勻減速電場的電勢高度為U1、第二段均勻減速電場的電勢高度為U2、S卩Ud=U1+^而且u=U/Ud、U1=U1AV u2=U2/Ud、ua=Ua/Ud時，通過下面的式子的反函數X(U)確定上述反射區域的靜電場的沿著中心軸的曲線狀電勢分布，
8.根據權利要求7所述的飛行時間型質量分析裝置，其特征在于， 在設dfdfd時,確定d以滿足下面的式子，
9.根據權利要求1所述的飛行時間型質量分析裝置，其特征在于， 上述減速區域包括一段均勻減速電場，該一段均勻減速電場用具有直線狀電勢梯度的函數定義， 將基準電勢Utl設定為與減速區域的最大電#Ud相等，在設自由飛行空間的長度為L、設減速區域的長度相對于自由飛行空間的長度的比為d時，通過下面的式子的反函數X(U)確定上述反射區域的靜電場的沿著中心軸的曲線狀電勢分布，并且將d設定為0.2〈d〈0.8的范圍，
10.根據權利要求9所述的飛行時間型質量分析裝置，其特征在于， 將d設定為0.25。
11.根據權利要求1所述的飛行時間型質量分析裝置，其特征在于， 上述能量賦予單元包括一段均勻加速電場，另一方面，上述減速區域包括一段均勻減速電場，該一段均勻加速電場用在離子的行進方向上具有直線狀的下行電勢梯度的函數定義，該一段均勻減速電場用具有直線狀的電勢梯度的函數定義， 將基準電勢Utl設定為與減速區域的最大電#Ud相等，在設均勻加速電場的最高電勢為Ua、設自由飛行空間的長度為L、設均勻加速電場的長度及減速區域的長度相對于自由飛行空間的長度的比分別為a、d、而且u=U/Ud、ua=Ua/Ud時，通過下面的式子的反函數x(u)確定上述反射區域的靜電場的沿著中心軸的曲線狀電勢分布，
12.根據權利要求11所述的飛行時間型質量分析裝置，其特征在于， 將d設定為滿足4d=l-(2a/ua)。
13.根據權利要求1 12中的任一項所述的飛行時間型質量分析裝置，其特征在于， 上述電壓施加單元通過電阻分壓來對構成上述反射器的多個電極中的至少一個電極施加電壓，通過調整該電極和與之鄰接的電極之間的間隔來得到期望的電勢分布。
14.根據權利要求13所述的飛行時間型質量分析裝置，其特征在于， 上述電壓施加單元包括階梯型的電阻分壓電路，通過電阻分壓來對在上述反射器中構成上述反射區域的多 個電極中的除了兩端的電極以外的各電極分別施加電壓。
全文摘要
提供一種TOFMS，其具備在確保設計上的高自由度的同時、具有相同m/z的離子的飛行時間不取決于能量的理想的反射器。反射器所形成的電場被虛擬地劃分為用于使離子減速的減速區域(B)和用于使離子反射的反射區域(C)，減速區域定為一段均勻減速電場、兩段均勻減速電場等沿著中心軸的一種以上的電勢分布。另一方面，在減速區域的參數下從規定地點出發的某質量電荷比的離子經過自由飛行區域(A)、減速區域而導入到反射區域，用分析式或通過數值計算來確定反射區域的電場的電勢分布，使得在反射區域中折返而返回到原來的地點為止的總飛行時間等于具有在減速區域與反射區域的邊界或減速區域內的規定地點折返的軌道的相同質量電荷比的離子的總飛行時間。
文檔編號H01J49/40GK103201821SQ20118005386
公開日2013年7月10日 申請日期2011年9月6日 優先權日2010年9月8日
發明者西口克, 宮內真二, 上野良弘 申請人:株式會社島津制作所