JP2000162188A - 溶液中のサンプルを分析する質量分析法及び装置 - Google Patents

溶液中のサンプルを分析する質量分析法及び装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 溶液中のサンプルを分析する質量分析法及び
装置を提供する。 【解決手段】 分析されるべきサンプル化合物を含む溶
液の流れを超音波ノズルに向かわせる工程、溶液及びサ
ンプルを蒸発させる工程、真空系中に該超音波ノズルか
らの蒸発したサンプルの膨脹を行って超音波分子ビーム
を形成させる工程、該超音波分子ビームでサンプル化合
物又はサンプル化合物のクラスターをイオン化する工
程、該サンプル化合物から形成されたイオンを質量分析
する工程、質量分析後該サンプル化合物から形成された
該イオンを検出する工程、そして該サンプルの化学的成
分を同定及び/又は定量するために、得られる質量スペ
クトル情報から得られるデータを処理する工程からなる
溶液中のサンプルを分析するための質量分析法並びにこ
れを行う装置に関する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、溶液中のサンプル
を分析する質量分析法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】質量分
析(MS)は、広範囲の分野において非常に種々の応用
を見いだす中心の分析技術であり、特に分離技術例えば
ガスクロマトグラフィー(GC)又は液体クロマトグラ
フィー(LC)と組み合わされたとき、GC−MSは質
量分析の最も広く使用されている形態となっている。G
C−MSは、一般に、非常に良好な感度、優れた分離分
割、同定に利用できる豊富なイオンフラグメンテーショ
ン及び広範囲なライブラリーによる非常に良好な分子同
定能力、使用の相対的な容易さ及び低いコストを特徴と
する。しかし、GC−MSは、主な制限、即ちGC噴射
器、カラム又はMS電子衝撃イオン源で解離しがちな熱
的に不安定な化合物を分析するその無能力を有する。こ
の欠点は、比較的大きな生体分子及び医薬に関すると
き、特に厳しい。
【0003】そのため、LC−MSの種々の方法は、こ
れらの化合物の分析について開発され、そしてLC−M
Sは、その使用及び応用において現在急速な発展及び成
長を経験しつつある。MSへのLCの組合せにおける主
な問題は、分子の一体性を保持する必要性とともに、M
S高真空系に対する大量の溶媒の負荷を避ける必要性に
ある。従って、LC−MSのタイプは、通常、そのMS
インターフェース及びイオン化技術の名をとって命名さ
れる。現在、主なLC−MS技術は、以下の通りであ
る。
【0004】1.粒子ビームLC−MS(PB−LC−
MS) この方法では、LCの流出液は、超音波ノズルを経て脱
溶媒(desolvation)室中に噴霧されて、M
Sイオン源に入る前に、差動ポンプ真空室中で膨脹する
小さい小滴又は粒子を形成する。溶媒蒸発後形成される
重い粒子は、優先的に前方に移動し、一方溶媒粒子はポ
ンプで除去される。105以上のサンプル/溶媒の分離
ファクターが達成できる。サンプルの粒子は、電子イオ
ン化(EI)イオン源で熱的に蒸発され、そしてサンプ
ル化合物は、加熱されたイオン源の壁との熱的平衡で気
相の分子としてイオン化される。PB−LC−MSは、
特にそのEI質量スペクトルにより有用な技術であり、
それは、容易な分子の同定のためにライブラリーで検索
可能なEI質量スペクトルを提供する。しかし、PB−
LC−MSは、イオン源内熱的蒸発段階により、非常に
熱的に不安定な化合物を分析するその能力が制限され
る。その上、揮発性の低い化合物は、永いイオン源内吸
着・脱着サイクルにより、イオン源関連ピークテーイリ
ング(peaktailing)を示しがちである。こ
のピークテーイリングは、イオン源をさらに加熱するこ
とにより減少できるが、過剰の分子及び/又は分子状イ
オンの解離という主な欠陥を生ずる。PB−LC−MS
は、また、粒子伝達対そのサイズの変動により、サンプ
ル濃度の非線状信号依存を経験する。
【0005】2.気圧化学的イオン化(APCI) APCIでは、LC流出液は、約1気圧で、コロナ放電
のゾーンで噴霧かつイオン化される。溶媒分子及び他の
気体はイオン化され、次に蒸発したサンプル化合物は、
一連の気圧電荷伝達及び化学的イオン化の過程を経てイ
オン化される。サンプルのイオン化の効率は非常に高い
が、概してイオンの10-4のみが100μノズルを経て
MSに伝達されるに過ぎない。APCIは、使用が増大
するソフトイオン化技術である。しかし、主としてM+
イオンの存在は、分子状イオンの解離を可能にしそして
フラグメント情報を提供する高価なしかも複雑なMS−
MS装置に使用により通常克服される制限である。さら
に、APCIは、非極性化合物のイオン化には比較的無
能であり、そのイオン化の効率は、化合物に依存し、そ
のため非定量的であり、従って定量には化合物に特異的
な較正を要する。
【0006】3.エレクトロ噴霧LC−MS(ES−L
C−MS) ES−LC−MSは、最近最もポピュラーなLC−MS
法になってきている。それは、高度に荷電された針から
の噴霧形成、並びに高度に荷電された小滴からの同時の
イオン蒸発に基づく。エレクトロ噴霧(ES)の主な利
点は、約105ダルトンまでの非常に高い質量の測定を
可能にする多電荷分子イオンの形成の可能性である。そ
れは、また現在、最も感度の高いLC−MS法である。
ESは、また、小さい分子に使用できるが、それは、異
なる化合物間で実質的に変化できそして別々にそれぞれ
の分子について最適にされるべき非不均一レスポンス
(非定量的検出)を経験する。一般に、ESの感度は、
小さい分子及び非極性化合物の両者で低下する。MS−
MS装置は、また、フラグメント情報を提供しそしてE
S質量スペクトルライブラリーがないことからより良い
同定能力を可能にするために、ESを必要とする。付加
物イオン形成及び複雑なマトリックス効果は、また、A
PCI及びESの有効性を損なう。
【0007】質量分析におけるサンプリング及びイオン
化のために超音波分子ビーム(SMB)を使用すること
は、改良された早いGC−MSの開発に特に重点をおい
てGC−MSのすべての面を開発且つ改良することを目
的とした。超音波分子ビームは、質量分析に重要な以下
の特徴を特徴とする。 極度分子内振動・回転超冷却:この分子内冷却は、標準
電子イオン化により提供される質量スペクトル情報のレ
ベルをかなり改良する。分子イオンの豊富さが非常に増
大され、そしてそれは実際に常に示され、ライブラリー
検索可能なフラグメントイオンと組み合わされる。異性
体及び他の構造上の効果は増幅され、さらにアイソトー
プの豊富さ及び元素情報が可能になる。この増大した情
報は、たとえ熱的に不安定なしかも比較的非揮発性の化
合物についても提供される。
【0008】30eVまでのコントロールされた高熱運
動エネルギーによる一方向運動:この方向をもった運動
エネルギーは、高熱表面イオン化(HSI)と呼ばれる
非常に有効なイオン化法を可能にする。HSIは、高い
表面作業機能を有する酸化レニウムのような好適な表面
からのサンプル化合物の高熱表面散乱に基づく。HSI
では、分子の運動エネルギーは、表面イオン化ポテンシ
ャル(IP−ψ)の上に有効にブリッジするのに使用さ
れる。そのため、高熱表面散乱は、比較的低い分子イオ
ン化ポテンシャルを有する化合物、例えば多環芳香族炭
化水素(PAH)又は医薬について非常に有効である同
時分子イオン化を伴う。HSIは、また、脂肪族化合物
のイオン化の効率の低下により、複雑なマトリックスの
医薬及びPAHの検出に従って有効である選択的イオン
化法である。
【0009】ビーム軸に集中する重い物質と組み合わさ
れた高流速(100−500mL/分)気圧サンプル入
口能力(ジェット分離):この特徴は、本発明によりG
C又はLCからのサンプル化合物の伝達を単純化する。
HSIは、その非常なイオン化収率(10%以内)、単
一の分子又はフラグメント化イオンを示すことができる
その独特なフラグメンテーションパターン、並びに熱的
分子の真空バックグラウンドの低下により、潜在的に最
も能率的な質量分析イオン化法である。
【0010】現在まで、超音波分子ビーム(SMB−M
S)による質量分析の技術は、熱的蒸発後の直接サンプ
ル導入装置から、又はガスクロマトグラフからの何れか
ら提供される、気相サンプルについて成功して使用され
た。しかし、熱的に不安定な化合物の液体サンプル又は
LCの生成物とのそのカップリングは、考慮されそして
克服されねばならないいくつかの主な問題により、LC
−MSのかなりの利点にもかかわらず、行われなかっ
た。
【0011】a)熱的に不安定な化合物の未処理蒸発の
問題は、この目的の達成には中心的なものである。これ
は、すべての標準かつ周知のアプローチにより克服でき
ない主なしかも複雑な問題である。 b)真空ポンプに対する液体溶媒の負荷を考える必要が
あり、分子冷却、空気力学的促進及びジェット分離の能
率に対するその作用を含む。 c)超音波ビームの分子冷却と組み合わされたピークテ
ーイリングは排除されねばならない。 d)クラスター及び付加物のイオン形成は、避けるか又
は最低にされるべきである。 e)上記の項目のすべては、高いサンプル伝達及びイオ
ン化能率により達成されるべきである。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、そのた
め、分析されるべきサンプル化合物を含む溶液の流れを
超音波ノズルに向かわせる工程、溶液及びサンプルを蒸
発させる工程、真空系中に該超音波ノズルからの蒸発し
たサンプルの膨脹を行って超音波分子ビームを形成させ
る工程、該超音波分子ビームでサンプル化合物又はサン
プル化合物のクラスターをイオン化する工程、該サンプ
ル化合物から形成されたイオンを質量分析する工程、質
量分析後該サンプル化合物から形成された該イオンを検
出する工程、そして該サンプルの化学的成分を同定及び
/又は定量するために、得られる質量スペクトル情報か
ら得られるデータを処理する工程からなる溶液中のサン
プルを分析するための質量分析法が提供される。
【0013】本発明は、さらに、分析されるべきサンプ
ル化合物を含む溶液の流れを超音波ノズルへ向かわせる
手段、該溶液及びサンプルを蒸発させる手段、真空系へ
前記の蒸発させたサンプルの膨脹を行わせて超音波分子
ビームを形成させる該超音波ノズル、該超音波分子ビー
ム中で該サンプル化合物又はサンプル化合物のクラスタ
ーをイオン化するイオン源手段、該サンプル化合物から
形成されたイオンの質量分析のための質量分析器手段、
質量分析後該サンプル化合物から形成される該イオンを
検出するイオン検出器、及び該サンプルの化学的成分を
同定及び/又は定量するために、得られた質量スペクト
ル情報のデータ処理のための手段からなる溶液中のサン
プルを分析する質量分析装置を提供する。
【0014】SMBとともに液体サンプル質量分析を使
用する本発明の新規なアプローチは、従来の技術に比べ
ていくつかの明確かつ重要な利点を有する。 1)APCI及びESとは異なり、ライブラリー質量ス
ペクトル検索が可能になる。これは、それが法的に防御
可能と考えられる早いしかも信頼できる分子同定を可能
にすることから、非常に重要な有利な特徴である。 2)拡大した質量スペクトル情報が提供され、それはP
B−MSにより又は他の液体サンプリングMS法により
提供されるものより優れている。 3)脱溶媒室のサンプルの損失が避けられ、そしてSM
Bサンプルの分子が加熱されたイオン源表面から散乱し
ないためEIイオン源放出電流が遥かに高いことから、
PB−MSに比べて、より高い感度が提供される。さら
に、非常に高い感度が、医薬及びPAHに関してHSI
により可能である。
【0015】4)線状及び均一なレスポンスが、EIの
均一なイオン化能率並びにSMBインターフェースの高
い均一な蒸発によって、非極性化合物を含む広範囲の化
合物について観察される。それゆえ、セミ定量測定が、
化合物に特異的な較正の手順なしに可能である。その
上、均一なEIレスポンス及びノズル蒸発は、より容易
なMS操作及び最適化を可能にする。 5)ノズル内熱的蒸発が、PB−MSの加熱されたEI
イオン源の内側の蒸発よりかなり柔らかいため、より広
範囲の化合物が、PB−MSに比べて分析に敏感に反応
する。 6)ピークテーイリングの問題が、加熱されたノズル中
のより短い滞留時間、並びに得られる質量スペクトルに
影響することなくノズル温度を別にコントロールする能
力により、PB−LC−MSより小さい。 7)非常に有効なGC−MS及びLC−MS又は液体サ
ンプリングMSの両者は、最低のハードウエアの交換又
はそれなしに同じ装置で可能である。
【0016】8)本発明の方法は、また、もし揮発性塩
が使用されるならば、バッファー及び塩溶液の操作とと
もに行うことができ、これは、この点で制限されるES
と比較して重要な利点である。 9)MS−MS情報は、単一の質量分析器により提供で
きる。 10)溶媒、サンプル及びマトリックスの完全な蒸発に
より、より少ないマトリックス効果が予想される。
【0017】本発明は、それをさらに十分に理解できる
ように、以下の例示的な図に従って或る好ましい態様に
関連して記述されるだろう。詳細に図に特に関連して、
示された詳細は、本発明の好ましい態様の例示的な議論
のためそして例としてに過ぎず、そして本発明の原理及
び概念の面の最も有用且つ容易に理解される記述である
と思われる態様を提供するために提供される。この点に
ついて、本発明の基本的な理解に必要なことよりさらに
詳しく本発明の構造上の詳細を示す試みはなされておら
ず、図に関する記述は、どのように本発明のいくらかの
形が実際に具現できるかを当業者に明らかにする。
【0018】
【発明の実施の形態】図1には、超音波分子ビームに基
づきそして溶液中の熱的に不安定なサンプル化合物の分
析を目的とする、本発明による質量分析装置の概略図が
示される。サンプルは、噴射系中に導入され、それは、
液体伝達ラインに直接噴射ループから噴射されるか、又
はちょうどよい時にサンプル化合物の分離のために液体
クロマトグラフィ(LC)を経て噴射される。液体は、
LCポンプ5(溶媒容器6から1種又は二三の溶媒をく
み出す)により、噴射系1、LCカラム4及び伝達ライ
ン3を経てくみ出される。同じ質量分析器は、またガス
クロマトグラフ7から分析のためのサンプルを受け取る
ことができ、その気体は、液体伝達ライン3と同軸であ
る気体管8中の液体サンプル伝達ライン3の回りに又は
それに沿って流れる。概してヘリウム又は水素である噴
霧気体は、流れコントロールバルブ9を経て提供され、
そして同軸の気体管8で流れる。再びヘリウム又は水素
であるさらなる補充気体が提供され、そしてその流れ
は、補充気体管11を経てバルブ10によりコントロー
ルされる。補充気体流れ管11は、また、主な霧状気体
の過剰な流速の出口として、又はヒーター13により別
に加熱される噴霧形成及び超音波ノズル系12で生成さ
れる大きな小滴のための液体ドレーンとして働くことが
できる。
【0019】蒸発された溶媒、サンプル化合物及び担体
及び霧状気体の気体混合物は、超音波ノズルを経て第一
の真空室15中へ膨脹し、そしてスキマー16によりス
キミングする。それは次に第二の差動ポンプ室17中に
差動的にポンプで送られ、ビームコリメータ18により
平行にし、そして第三の質量分析真空室19で超音波分
子ビームを形成する。SMBサンプル化合物は、「飛び
去る(fly−through)」EIイオン源20中
でイオン化できる。イオンは、イオンデフレクターによ
り90゜偏向され、そして標準四重極質量分析器22に
より分析される。別に、EIイオンデフレクター21
は、下方に動き、そして好適な表面が、SMB中の高熱
分子のHSIについて導入される。これらの二つのイオ
ン源は、以下に説明されるように、HSI表面上のEI
で生成されたイオンの散乱により一緒にできる。もし或
る応用でHSIイオン源が使用されないならば、構造体
は、質量分析器及び超音波分子ビームの同軸又はほぼ同
軸の配置に単純化できる。質量分析されたイオンは、イ
オン検出器23により検出され、そしてデータは、コン
ピュータ24によりサンプル化合物の同定及び定量のた
めに処理される。
【0020】本発明は、未解離の熱的に不安定な化合物
の蒸発に基づく。このソフト蒸発は、非常に早い熱的蒸
発、次に超音波分子ビーム中のそれらの極めて早い冷却
のために超音波の自由なジェット中の化合物の急速な伝
達を利用する。図2に見られるように、液体のサンプル
は、管25に導入され、それは、ソフト蒸発ユニット2
8の主な構造体へシーリング帯金27によりシールされ
た同軸の流れる気体の導管26により囲まれた、毛管カ
ラム管により構成される。液体伝達管25の温度は、加
熱要素30によりコントロールされる。噴霧は、従来の
やり方で形成され、コントロールされた温度で管25の
生成物から流出する液体のヘリウム又は水素で助けられ
る噴霧による。噴霧形成噴霧器要素31は、熱的に助け
られしかも空気圧でコントロールされた微細な噴霧の有
効な生成に働く。噴霧形成及び脱溶媒室32は、ヒータ
ー33により別々に加熱されそして温度コントロールさ
れる。コントロールされた温度は、熱的に助けられた霧
状化及び微細な噴霧形成のために非常に望ましく、そし
てそれはまた最初の小滴及び噴霧の脱溶媒化及び部分的
な蒸発に働く。管25中のLCカラム生成物又はサンプ
ル溶液は、超音波膨脹における冷却も必要とするヘリウ
ム又は水素の霧状化気体の伝達に働く同軸の気体導管2
6の内側に置かれる。液体伝達管25は、噴霧形成及び
脱溶媒室32の内側で、超音波ノズル34の少し前で終
わる。サンプル溶媒及び水素又はヘリウム気体から形成
される噴霧は、この体積の小さい脱溶媒室中でさらに乾
燥され、そして超音波ノズル34に入り、それはノズル
シーリング帯金35によりシールされる。超音波ノズル
34は、好ましくは、0.2mmの内径を有する長さ2
0mmの不活性化毛管カラムから作られる。この毛管ノ
ズルは、セラミック管支持体36及び別のノズルヒータ
ー要素37を使用して、その長さの短い部分にわたって
注意して別々に加熱及び温度コントロールされる。ノズ
ルの体積は10-4mLである。音波担体気体の速度は毛
管ノズルの内側に行き渡るので、加熱されたノズルの内
側のサンプルの滞留時間は、約10マイクロ秒以下と推
測される(1cm当たり10マイクロ秒の担体気体速
度、又は早い溶媒流れ速度より少し上)。ノズルの温度
は、ノズルの通過の数マイクロ秒の間、噴霧された小さ
い小滴が蒸発しそして生じた粒子がさらに十分に熱的に
蒸発するように調節される。
【0021】この新規なアプローチの裏の主なアイデア
は、溶媒の蒸発段階中、化合物が、分析される化合物を
比較的低温に保つ蒸発の潜在熱により熱的に保護される
ということである。後で、加熱の短い期間中、ヘリウム
原子の比較的無効なエネルギー伝達により、振動的熱平
衡が達成されず、分子内振動エネルギーの量が制限され
る。担体気体原子(及び溶媒分子)とサンプル分子との
気相の衝突の推測される数は、約104−105である。
この数は、500の分子量を有する代表的な医薬化合物
が200を越える振動自由度を有するため、ノズルの壁
温度と熱的平衡を確立するには不十分のように見える。
さらに、膨脹冷却前の加熱されたノズルで化合物により
費やされる非常に減少された時間は、また、解離に導か
れる分子内振動エネルギー再分布に利用される時間の減
少により、解離度の実質的なさらなる低下をもたらす
(単純な速度論の考察)。確かに、この熱的蒸発の方法
は、ノズル表面との最低の接触、遥かに短い滞留時間及
び熱的平衡の欠如により、EIイオン源の内側の粒子ビ
ームLC−MSのそれより遥かにソフトである。ノズル
の壁上の吸着は無視するに足り、そして蒸発は気相中の
粒子又はマイクロ小滴のものであると推測される。この
推測は、担体気体速度約25cm/秒で200μmの内
径を有しそして長さ20mmのGCを有するGCカラム
について80理論板までの周知の数値に基づく。ノズル
中の105cm/秒の実際の担体気体速度で、GCの理
論板の数は0.02であり、これは壁上の吸着の約2%
の確率を意味する。従って、分子又は粒子のほとんど
は、すべての壁の吸着なしに、層状の混乱のないやり方
で流される。さらに、たとえ小滴が熱い表面と接触して
も、溶媒の蒸発は、その圧力が吸着を妨げる、GC噴射
器におけるように、反発の圧を形成するだろう。分子が
SMB中で膨脹するや否や、それらは超冷却されそして
すべてのさらなる解離が完全に避けられる。
【0022】図3では、早いソフト熱的蒸発を達成する
ための僅かに変更した装置の概略図が示される。要素2
5−31は、図2と同じである。この態様の主な相違
は、噴霧形成、脱溶媒、蒸発及び超音波ノズル要素が、
ヒーター要素39により加熱される単一の室38に含ま
れることである。この単純化された構造体により、噴霧
形成、蒸発及び脱溶媒室38の体積が減少されて、これ
らの超音波膨脹及び後続の内部振動冷却前の気相中の蒸
発されたサンプル化合物により費やされる時間を最低に
する。
【0023】図4では、図3の装置の簡単な実際上の態
様を説明する、早いソフト熱的蒸発及び脱溶媒室及び超
音波ノズル41の概略図が示される。液体サンプルは、
75ミクロンの内径(ID)及び150ミクロンの外径
(OD)を有する融解シリカ管25に導入される。液体
伝達管25は、室40へ帯金42によりシールされる超
音波ノズル毛管41に入る。ノズル毛管41は、高温V
espel保護コーティングにより被覆された、0.3
2mmのID及び0.45mmのODの標準不活性化融
解シリカ毛管から作られる。超音波ノズル毛管40は、
ステンレス鋼管43の内側に置かれ、それは噴霧形成、
サンプル蒸発及び超音波ノズル用のヒーターとして働
く。加熱管43は、0.53mmのID及び0.75m
mのODを有し、従ってその高い電気抵抗性のために、
それは直流加熱により加熱できる。加熱管43は、電気
絶縁帯金42により一面上に支持され、そして通常接地
される電気的接点45を有するクランプ44により超音
波ノズルの側面上に支持される。ノズルの前面は、接点
45及び46の間に電流を通すことにより加熱でき、一
方噴霧形成及び初期の蒸発は、電気的接点46及び47
の間に電流を通すことにより別々の加熱によって増大で
きる。接点45及び47に接続された一つの加熱電源の
みの単純な配置も使用できる。超音波ノズルが配置さ
れ、そして棒48により支持される。
【0024】この比較的単純な噴霧形成、サンプル蒸発
及び超音波ノズル構造体は、熱的に不安定な化合物のソ
フト熱的蒸発で有効かつ有用であることが分かった。さ
らに、薄い電気的に加熱された管オーブンは、低い熱伝
導度を有する利点を有し、それゆえ加熱されていない室
40に対しその長さに沿って大きな温度勾配を有するこ
とを特徴とする。この特徴は、あまりに早い溶媒蒸発を
防ぐのに重要であることが分かり、それは比較的冷たい
表面上にサンプルの凝縮を生じさせ、そしてサンプル及
び溶媒管25の結果として生ずる閉塞を生じさせる。こ
の加熱系の低い熱的な塊は、また、実験上の必要性に従
って変化又はプログラムできる、早い熱的平衡を生じさ
せる。図4に示される装置では、サンプル管は、接点4
6及び47により直流加熱により加熱された。この加熱
は、その末端でサンプル及び溶媒管25の内側で既に溶
媒の部分的又は完全な蒸発を誘発し、そのためその生成
物はサンプル粒子及び/又は蒸発された分子のものであ
る。ヘリウム気体が提供され、そして溶媒及びサンプル
管25の生成物と混合され、超音波膨脹気体として働
く。この気体は、また、加熱管43から溶媒及びサンプ
ル管25への熱伝達を改善するように働き、さらに超音
波ノズル管41の内側のサンプル分子蒸発のための良好
な熱伝達のために働くことが望ましい。超音波ノズル
は、管25の末端を通って延在する0.32mmのID
のカラムである。管25は、電気的接点45及び46に
より別々に加熱されるが、しかし、加熱された混合気体
及び蒸発された溶媒もその温度に寄与する。実際の温度
は、接点46上に設けられる別の熱電対(図示されず)
により測定されるか、又はステンレス鋼管43の電気伝
導度から推測されるかの何れかである。加熱管の代表的
な長さは、それぞれの熱的ゾーンについて15mmであ
り、熱的絶縁のために室40から10mm離れている。
実施される実験における溶媒の流速は、毎分10−20
0ミクロLの範囲にあった。
【0025】図5では、図4の装置の単純な態様を説明
するソフト熱的蒸発室及び超音波ノズルの概略図が示さ
れる。図4と比較して唯一の違いは、溶媒及びサンプル
送達管25がノズル管41の外側で僅かに即ち1mmで
終わることである。この違いにより、サンプル及び溶媒
送達管25は、また、超音波ノズルとして働き、そして
蒸発した溶媒分子例えばメタノール、水、アセトニトリ
ルは、超音波膨脹気体として働く。
【0026】図5に画かれた装置の態様は、うまく働
き、図4に関連して画かれそして記述された装置と比較
して、以下のいくらかの独特な特徴を特徴とする。 1)ヘリウム又は水素気体が必要とされず、そのため真
空ポンプに対する気体の負荷が顕著に減少する。比較的
簡単な低温ポンプも使用できる。 2)溶媒及びサンプル管の内径が通常のノズルのそれよ
り遥かに小さいので、クラスターの形成が、加熱管の温
度に応じて生ずることができる。有用な質量スペクトル
の情報を提供する温度範囲は、図4に示される装置のそ
れより狭くなる。 3)サンプル及び溶媒分子により形成されるクラスター
は、プロトン化分子状イオン並びにサンプル分子プラス
一つ以上の溶媒分子のイオンの観察により、追加の質量
スペクトルの情報を提供する、しかし、もし加熱管の温
度があまりに低いならば、信号の強度はこのクラスター
形成により顕著に低下する。 4)図5の態様は、熱的に不安定な化合物を処理するの
にややデリケートであると評価される。
【0027】図4及び5の両方の態様によれば、同じ装
置が使用でき、そしてこれら二つの態様の操作間の切り
替えは、溶媒及びサンプル送達管の再配置により簡単に
行うことができる。この再配置は、真空系を開けること
なく行われる。図1の装置は実験的にテストされ、そし
てガスクロマトグラフィ分析を行うことができないいく
らかの熱的に不安定な化合物は、うまく分析できた。得
られた結果に基づいて、図4及び5の態様は最も有用で
あると評価される。検討された化合物は、アミノ酸例え
ばプロリン及びトリプトファン、未誘導化ステロイド例
えばエストラジオール、スタノゾロール、コルチゾン及
びコルチコステロン、ビタミン例えばβ−カロチン及び
抗生物質例えばシチジン、スペクチノミセン及びレセル
ピンを含む。高品質のライブラリー検索可能なEI質量
スペクトルは、すべてのこれらの化合物について得ら
れ、ピークテーイリングは観察されなかった。
【0028】図6では、メタノール溶液中のコルチコス
テロンの代表的なEI質量スペクトルが、本発明による
装置で得られた真ん中のプロットで示され、下方の質量
スペクトルプロットに示される標準のEIライブラリー
質量スペクトルと比較される。合計のイオン時間依存
は、また上方のプロットで示され、それはテーイリング
なしである。本発明による装置により得られたそれとラ
イブラリー質量スペクトルの類似性に注意すべきであ
る。m/z213、227、251、269及び315
のすべてのイオンは、事実上同じ相対的強度を有し、そ
のため良好なラブラリー検索が可能である。さらに、m
/z346での分子状イオンは、現在明白に観察され、
一方それはライブラリーにはない。m/z328での高
い質量イオンの相対的豊富さも増加する。それゆえ、図
6は、熱的に不安定な化合物の分析及び増大した質量ス
ペクトル情報の提供の両者において、本発明の新規なア
プローチの有用性を立証している。
【0029】EIイオン化は、その均一なレスポンス、
高い感度、豊富且つ有益なライブラリー検索可能な質量
スペクトル及び簡単な構成により、明らかに最もポピュ
ラーなイオン化法である。本発明によれば、EIのすべ
てのこれらの周知の利点は、SMBにおいてLC−MS
に適合する。本発明は、大きな群の化合物について分子
状イオンのピークの欠落の主な不利を排除するととも
に、これらの利点の有利さを利用できる。上述したよう
に、SMB中のEIは、すべてのフラグメントとともに
増加したM+を特徴とする。SMBによるLC−MSへ
のEIの適用は検討され、そしてノズル中のクラスター
形成及び粒子形成及び蒸発の程度が解明された。ノズル
の高温及び1気圧より低いその比較的低い圧力のため
に、低分子量担体気体の使用と組み合わされて、クラス
ター形成の効果は、図5の態様が使用されるときを除い
て、無視できる。分子の混合物及びその熱分解生成物の
観察されたMSが、特にもし分子状イオンが示されるな
らば、なお有益であるので、部分的なノズル内解離は受
容できる。
【0030】正及び負のイオンの化学的イオン化は、ス
キミング前に膨脹する超音波ジェットで考えられる。ノ
ズルの膨脹後、部分的な担体気体及び溶媒の圧力は、1
0−0.01ミリバールの範囲に減少し、それは化学的
イオン化にとり理想的である。
【0031】HSIは、分子の運動エネルギーに依存す
る非常に敏感なイオン化法と思われる。基本的に、気相
中の各1%のメタノールは、平均の担体気体分子量に対
して0.32amu寄与し、それゆえ水素中6%のメタ
ノールは、ヘリウムとほとんど同じ運動エネルギーをも
たらし、200mL/分の担体気体の流速中の6%のメ
タノールは、20μL/分の液体の流れから生ずる。サ
ンプル化合物としてのカフェインにより、4μL/分の
液体メタノールの流速は、非常に有効なカフェインHS
Iを可能にすることが実験的に分かった。この流速より
上では、HSIの収率は、20μL/分の流速まで低下
し、HSIは顕著に有効でなくなる。より早い流速で
は、HSIは、基本的に通常の表面イオン化に類似して
くる。さらに、比較的大きい分子量の医薬は、それらの
運動エネルギーが、たとえ多量のメタノールでも、比較
的高いことを意味する。これらの条件下の表面の安定性
がテストされ、そしてオンライン酸素クリーニング工程
が有効でありそして長期の安定性が保持されることが分
かった。従って、HSIは、直接的な液体噴射及びパッ
クされた毛管LC−MS分析の両者と共有できる。
【0032】本発明の多くの可能な利用の一つは、MS
−MSへの代替する技術として、表面誘発解離(SI
D)の応用である。酸化レニウムは非常に有効なSID
表面として働くことが分かった。SIDの二つのタイプ
は、区別できる。
【0033】(a)MS−MS様情報を得るための、そ
れらのさらなる解離のための分子又は小さなクラスター
のSID。この場合では、EIイオン源のイオン光学レ
ンズ系は、比較的低いイオンエネルギーを有するイオン
を跳ね返すようにバイアスされ、そのため、分子イオン
及び他の非常に高い質量イオンは圧倒的に送られる。こ
のMS−MSの情報には、単一の四重極質量分析器のみ
で散乱したイオンエネルギーを経てコントロールされる
程度のイオン解離が提供される。
【0034】(b)非常に熱的に不安定な化合物では、
完全な粒子又は小滴の蒸発は、解離を誘発するかもしれ
ない。そのため、粒子は、そのイオン源を流れ通る運動
でイオン化され、そして粒子又は大きなクラスターのイ
オンがその解離のために表面から散乱する。脱溶媒段階
中、分子は、蒸発する溶媒分子により吸収される脱着熱
によって冷却され、そのため、たとえ非常な熱的に不安
定な化合物は、この段階中そのままにされることが予想
される。溶媒分子よりより低いイオン化ポテンシャルを
通常有するサンプル化合物への電荷伝達及びクラスター
内化学的イオン化を誘発しそしてイオン化できる多くの
溶媒及び/又はサンプル分子の存在により、非常に大き
なクラスターのイオン化の確率は増大する。
【0035】クラスターイオンは、メタノールクラスタ
ーが通常の一連の(M+32n)+イオン(但し、nは
クラスター中のメタノール分子の数である)を形成する
ので、分子イオンから容易に区別される。これは、図5
に示される装置の態様を使用して明らかに観察できた。
一方、分子イオン結合エネルギーが、破壊されるべき初
めのものであるクラスターの弱い結合より一般に遥かに
強いので、フラグメントは通常クラスターにならない。
【0036】LC分離が要求されない二三の応用では、
熱的に不安定な化合物の分析について液体流噴射法によ
りSMB装置によるGC−MSを補充することがなお望
ましい。LCカラムなしに標準のLCサンプルループを
使用することは、この目的を達成する明白なやり方であ
る。追加のアプローチは、LC−MSに関する図1−5
に関連して上述されたのと同じインターフェースを有す
る、GC噴射器からノズルへ接続されたコーティングさ
れていない短い微細な穴のカラムの使用からなる。1マ
イクロL又は数マイクロLの小滴は、冷却噴射器、及び
不活性化されたコーティングされていない融解シリカ毛
管中に噴射される。ヘリウムの流れは、小滴をノズルに
押し出し、そのため時間一体化定量的測定を得ることが
できる。この方法は、定量的測定を提供するのに優れて
いるが、一方不活性化融解シリカ上の吸着によるメモリ
ー効果は小さい。大きな分子では、MSの分離能は増大
することに注意する必要がある。これは、SMBにおけ
るEIにおいて特に本当であり、それは増大したM+
もたらす。そのため、時間のかかるLC分離を必要とす
ることは減少し、そして流れの噴射は、或る応用では有
用な代替である。この流れ噴射法は、無視できる追加の
コストでのみ、SMB装置によるGC−MSによるMS
分析ができる分子の範囲を拡大し、それゆえそれは望ま
しいように見える。さらに、簡単な混合物中の医薬及び
他のサンプルの早い自動化したスクリーニング(GC−
自動サンプラーを使用)を達成することが簡単なやり方
である。
【0037】本発明の追加の利点は、一つの装置にGC
−MS及びLC−MS装置を組み合わせたことである。
従って、GCカラムをノズルに組み合わせた同じ伝達ラ
インもLC液体伝達カラムを伝達するのに働く。GC及
びLCの両者は、比較的早い気体の流速を処理するノズ
ルの能力のために、同時に接続できる。液体サンプリン
グ質量分析に働く同じノズルは、GC−MSに非常に有
効であり、そしてGC及びLCサンプル伝達ラインの同
軸配置は、早いGC−MS及びLC−MSのスゥイッチ
ングを可能にする。
【0038】上述のように、SMBインターフェース
は、EIでは200μL/分までそしてHSIでは20
μL/分までの液体流速を処理するために最適にされ
る。従来のLCは、4.6mmのIDカラム及び1mL
/分の流速で操作する。最近、2mmの内径及び200
μL/分の流速を有するカラムが、一般的になり、そし
て1mmの内径及び50μL/分の最適のカラム流速を
有する微細な穴のLCカラムの使用が、特にLC−MS
により、増加している。この流速は、上記のEILC−
MS法と十分に共有できる。LC Packings及
び他の企業は、0.32mmの内径及び4μL/分の最
適な流速を有するパックした毛管カラムを開発且つ市販
しており、それは、HSIを含むこの方法及び装置に理
想的に見える。しかし、或る応用では、標準の流速を受
容できるようにすることが望ましい。最も単純なアプロ
ーチは、超音波ノズルとのその組合せの前にカラム流出
液を分けることであるが、この方法はまた感度の損失を
生ずる。別の方法は、全蒸発ノズル前の増大したセンタ
ーラインサンプル化合物の多量化と組み合わされた、有
効な溶媒流除去のための粒子ビーム脱溶媒室の使用に基
づく。この方法は、1気圧でのノズル領域への多量の膨
脹及び数気圧のより高い圧で操作されるプレ−ノズルに
より助けられる。溶媒透過性膜は、また溶媒分子の選択
的除去及び溶媒負荷の低下に使用できる。一方、液体分
離技術の或る形態例えば毛管電気泳動では、ソフト熱的
蒸発法の安定化のためにいくらかの補充液体を添加する
のが必要であろう。
【0039】本発明が前記の説明された態様の詳細に制
限されずそして本発明はその必須の特性から離れること
なく、他の特定の形態に具現できることは当業者に明ら
かであろう。本発明の態様は、そのため、例示としてと
してそして制限されないものとしてすべての態様におい
て考えられるべきであり、本発明の範囲は、前記の記述
によるよりもむしろ請求の範囲により示され、そして請
求の範囲の同等性の意味及び範囲内に入るすべての変化
は、それゆえ、それらの中に包含されることを目的とす
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による質量分析装置の概略図である。
【図2】図1の装置のさらなる態様の概略図である。
【図3】図2の装置の態様の変更を示す。
【図4】図3の装置の態様の単純化した態様を示す。
【図5】図4の態様におけるカラム位置の変化を示す。
【図6】本発明による装置により得られたメントール溶
液中のコルチコステロンの代表的な質量分析、並びに標
準のEIライブラリー質量スペクトルとのその比較及び
全イオン時間依存を示す。
【符号の説明】
1 噴射系 3 液体伝達ライン 4 LCカラム 5 LCポンプ 6 溶媒容器 7 ガスクロマトグラフ 8 気体管 9 流れコントロールバルブ 10 バルブ 11 補充気体管 12 噴霧形成及び超音波ノズル系 13 ヒーター 14 ヒーター 15 第一の真空室 16 スキマー 17 第二の差動ポンプ室 18 ビームコリメーター 19 第三の質量分析真空室 20 EIイオン源 21 EIイオンデフレクター 22 標準四重極質量分析器 23 イオン検出器 24 コンピュータ 25 液体伝達管 26 同軸気体導管 27 シーリング帯金 28 ソフト蒸発ユニット 30 加熱要素 31 噴霧形成ネブライザー要素 32 噴霧形成及び脱溶媒室 33 ヒーター 34 超音波ノズル 35 ノズルシーリング帯金 36 支持体 37 ノズルヒーター要素 38 噴霧形成、蒸発及び脱溶媒室 39 ヒーター要素 40 中間室 41 ノズル毛管 42 帯金 43 加熱管 44 クランプ 45 電気的接点 46 電気的接点 47 電気的接点 48 棒

Claims (28)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 分析されるべきサンプル化合物を含む溶
    液の流れを超音波ノズルに向かわせる工程、溶液及びサ
    ンプルを蒸発させる工程、真空系中に該超音波ノズルか
    らの蒸発したサンプルの膨脹を行って超音波分子ビーム
    を形成させる工程、該超音波分子ビームでサンプル化合
    物又はサンプル化合物のクラスターをイオン化する工
    程、該サンプル化合物から形成されたイオンを質量分析
    する工程、質量分析後該サンプル化合物から形成された
    該イオンを検出する工程、そして該サンプルの化学的成
    分を同定及び/又は定量するために、得られる質量スペ
    クトル情報から得られるデータを処理する工程からなる
    溶液中のサンプルを分析するための質量分析法。
  2. 【請求項2】 該サンプルが、該超音波ノズルに達する
    前に蒸発される請求項1の方法。
  3. 【請求項3】 該サンプル蒸発が、該超音波ノズルの内
    側で行われる請求項1の方法。
  4. 【請求項4】 該サンプル蒸発が、該超音波ノズルの入
    力末端での噴霧形成のための事前溶媒霧状化により助け
    られる請求項1の方法。
  5. 【請求項5】 該サンプル溶媒が、該超音波ノズルによ
    り行われるその膨脹前に選択的に除去される請求項4の
    方法。
  6. 【請求項6】 該溶媒及びサンプルが霧状化にされて噴
    霧を形成し、そして噴霧が、加熱されたチャンネル超音
    波ノズルの内側で、サンプル化合物及び溶媒分子に蒸発
    される請求項1の方法。
  7. 【請求項7】 該サンプル化合物が、電子イオン化によ
    りイオン化される請求項1の方法。
  8. 【請求項8】 該サンプル化合物が、高熱表面イオン化
    によりイオン化される請求項1の方法。
  9. 【請求項9】 該サンプルが、流れ噴射により該超音波
    ノズルに向かわされる請求項1の方法。
  10. 【請求項10】 該サンプルが、液体クロマトグラフか
    ら該超音波ノズルに向かわされる請求項1の方法。
  11. 【請求項11】 該サンプルの入口は、またガスクロマ
    トグラフと連絡している請求項1の方法。
  12. 【請求項12】 サンプルが、クロマトグラフ分離なし
    に、ガスクロマトグラフから液体として該超音波ノズル
    に向かわされる請求項11の方法。
  13. 【請求項13】 サンプルの同定及び定量が、標準の電
    子イオン化ライブラリーに基づく請求項1の方法。
  14. 【請求項14】 該サンプルから形成されるイオンが、
    表面誘発解離のために好適な表面から散乱される請求項
    1の方法。
  15. 【請求項15】 該イオンが、該サンプル及び溶媒の大
    きなクラスターのイオンである請求項14の方法。
  16. 【請求項16】 分析されるべきサンプル化合物を含む
    溶液の流れを超音波ノズルへ向かわせる手段、該溶液及
    びサンプルを蒸発させる手段、真空系へ前記の蒸発させ
    たサンプルの膨脹を行わせて超音波分子ビームを形成さ
    せる該超音波ノズル、該超音波分子ビーム中で該サンプ
    ル化合物又はサンプル化合物のクラスターをイオン化す
    るイオン源手段、該サンプル化合物から形成されたイオ
    ンの質量分析のための質量分析器手段、質量分析後該サ
    ンプル化合物から形成される該イオンを検出するイオン
    検出器、及び該サンプルの化学的成分を同定及び/又は
    定量するために、得られた質量スペクトル情報のデータ
    処理のための手段からなる溶液中のサンプルを分析する
    質量分析装置。
  17. 【請求項17】 該超音波ノズルの入力末端での溶媒霧
    状化及び噴霧形成のための手段をさらに含む請求項16
    の装置。
  18. 【請求項18】 該超音波ノズルにより行われるその膨
    脹前の溶媒の選択的除去のための手段をさらに含む請求
    項16の装置。
  19. 【請求項19】 該超音波ノズルがピンホールノズルで
    ある請求項16の装置。
  20. 【請求項20】 該超音波ノズルがチャンネルノズルで
    ある請求項16の装置。
  21. 【請求項21】 該チャンネル超音波ノズルが、加熱管
    の直流加熱の手段により加熱される請求項20の装置。
  22. 【請求項22】 該イオン源手段が、電子イオン化に基
    づく請求項16の装置。
  23. 【請求項23】 該イオン源手段が、高熱表面イオン化
    のための好適な表面上に基づく請求項16の装置。
  24. 【請求項24】 超音波ノズルへ分析すべきサンプルを
    含む溶液の流れを向かわせる該手段が、流れ噴射に基づ
    く請求項16の装置。
  25. 【請求項25】 超音波ノズルへ分析すべきサンプルを
    含む溶液の流れを向かわせる該手段が、液体クロマトグ
    ラフである請求項16の装置。
  26. 【請求項26】 超音波ノズルへ分析すべきサンプルを
    含む溶液の流れを向かわせる該手段が、またガスクロマ
    トグラフに接続している請求項16の装置。
  27. 【請求項27】 超音波ノズルへ分析すべきサンプルを
    含む溶液の流れを向かわせる該手段が、クロマトグラフ
    分離なしのガスクロマトグラフである請求項16の装
    置。
  28. 【請求項28】 表面誘発解離のために好適な表面から
    該サンプルから形成されたイオンを散乱させる手段をさ
    らに含む請求項16の装置。
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