四重極イオントラップ

四重極イオントラップ (Quadrupole Ion Trap, QIT)

四重極イオントラップ、略してQITは、イオントラップの一種であり、質量分析などに幅広く利用されています。この技術は1950年代末から1960年代初頭にかけて、ドイツのボン大学にて物理学者ヴォルフガング・パウルによって開発されました。パウルはこの業績により、1989年にノーベル物理学賞を受賞しています。このトラップは、「パウル・トラップ」という名前でも知られているため、彼の業績は科学界において非常に重要です。

QITの構造

QITは、3つの主要な電極から構成されています。これらは、上部End-Cap電極、ドーナツ状のRing電極、下部End-Cap電極です。内部空間は双曲線的な形状を持っており、回転対称軸を持つ断面で見ると4つの電極で形成されているため、3次元四重極型イオントラップと呼ばれます。

イオンは上部End-Cap電極の開口部からトラップ内に導入され、その後、質量分析を行うために反対側のEnd-Cap電極を通じて排出されます。イオンは電荷を持っているため、逆の極性によって引き寄せられます。この際、重力の影響は非常に小さく、一般には無視されることが多いですが、徐々にイオンは下方へ移動します。このため、QITでは電圧を高速で切り替えることにより、イオンが上下のEnd-Cap電極やRing電極に衝突しないように精密に制御します。これによって、特定の質量電荷比（m/z値）のイオンを捕捉することが可能です。

動作の原理

QITの質量分析は真空中で行われますが、完全な真空ではなく、非常に低い圧力（10^-6～10^-1Pa）で他の粒子が共存しています。これらの粒子との衝突によって、イオンの軌道が歪む可能性がありますが、QITはそのような環境の中でイオンを捕捉する有效な方法の一つです。

上下のEnd-Cap電極は接地され、Ring電極には10kHzから1MHzの高周波電圧が印加されます。理想的な回転双曲面が形成された場合、正の電圧の間はイオンはRing電極に反発され、負の電圧の間はイオンが吸い寄せられます。この時、特定の質量電荷比のイオンは、同期のとれたタイミングでRing電極やEnd-Cap電極に衝突することなく存在し続けることができます。

さらに高周波電圧を印加することで、QIT内に「擬似ポテンシャル」と呼ばれる効果が生じ、イオンはこのポテンシャルの底に収束します。また、QIT内に導入された不活性ガス（ヘリウムなど）との断続的な衝突により、イオンは運動エネルギーをガスに与え、特定の質量電荷比のイオンを優れた効率で捕捉し続けます。このシステムでは、捕捉したいイオン以外の粒子は擬似ポテンシャルの壁を越えて排除されます。

分析方法

QITを用いた質量分析は、例えば蛋白質や核酸、糖類をマトリックスとし、これをイオン化してその飛行時間を測定することによって行われます。この方法は、分子量30万ダルトン以上の物質をピコモル単位で測定できる能力を持っています。また、この技術は極性の高い高分子化合物に特に適しています。

限界

ただし、QITにはいくつかの制約も存在します。Ring電極に印加できる高周波の周波数を超える場合、H+やLi+のような軽元素イオンが捕捉できず、衝突によってトラップから排除されてしまうことがあります。これが「Low Mass Cut-Off」と呼ばれる現象です。

このように、四重極イオントラップはその精密な制御と多様な質量分析能力により、現代科学において重要な役割を果たしている技術です。

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