JP2001338605A - 質量分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】多重極質量分析計の多重極自身へバイアス電圧
を印加することなく、イオンへ入射エネルギーを与える
ようにして、多重極場の乱れをなくして分解能、精度の
高い分析を行うことができるようにした質量分析装置を
提供する。 【解決手段】絶縁スペーサ３９によりスキマー３５を隔
壁５２から浮遊させ、スキマー３５へはＤＣ電源４４か
らバイアス電圧を印加するとともに、四重極３７は全体
として接地電位に保持することによって、スキマー３５
と四重極３７との間の電位差によりイオンに運動エネル
ギーを与え、しかも四重極は全体として接地電位に保持
するようにして四重極場を乱すことがないようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液体クロマトグラ
フ質量分析装置（以下ＬＣ／ＭＳという）等で用いる質
量分析装置に関し、さらに詳しくは四重極質量分析器等
の多重極質量分析計を用いた質量分析装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＣ／ＭＳ等では、液体クロマトグラフ
部の分離カラムで成分ごとに分離された試料を大気圧下
でイオン化して質量分析部に導入する方法が用いられる
ことがある。この場合、分離された試料をイオン化する
ためのインタフェースが必要である。ＬＣ／ＭＳに一般
的に用いられるインタフェースとしては、エレクトロス
プレイインタフェース（ＥＳＩ）や大気圧化学イオン化
インタフェース（ＡＰＣＩ）等、いくつかの種類があ
る。

【０００３】図３は従来のＥＳＩ法によるＬＣ／ＭＳの
一例を示す概略構成図である。このＬＣ／ＭＳは、大き
く分けて液体クロマトグラフ部１０と、インタフェース
部２０と、質量分析部３０とから構成される。液体クロ
マトグラフ部１０では図示しない試料導入部から移動相
中に導入された試料が、カラム１１にて成分分離され、
各成分ごとに順次インタフェース部２０に送り込まれ
る。インタフェース部２０は液体クロマトグラフ部１０
から送り込まれた試料をイオン化して後段の質量分析部
３０に送り出す働きを有する。インターフェース部２０
にはノズル２１が取り付けられたイオン化室２２が設け
られている。このノズル２１には図示しない電源により
高電圧が印加されており、カラム１１からの試料がノズ
ル２１によって略大気圧状態に維持されたイオン化室２
２内に噴霧され、これによりイオン化室２２内でイオン
液滴が形成される。イオン化室２２の後段には隔壁で隔
てられた第１中間室３１が設けられ、イオン化室２２と
第１中間室３１との間は図示しない温調機構が取り付け
られた加熱キャピラリ管２３によってのみ連通されてい
る。第１中間室３１には油回転真空ポンプを用いた真空
排気系が配管接続されており約１０^２Paの低真空状態が
維持されるように真空排気されている。略大気圧状態で
あるイオン化室２２内で生成されたイオン液滴の一部は
イオン化室２２と第１中間室３１との圧力差により第１
中間室３１内に引き込まれる。加熱キャピラリ管２３
は、その中をイオン液滴が通過する際に脱溶媒化を促進
することができる。そのため、イオン液滴は微小化した
イオンとなって第１中間室３１に送られる。

【０００４】第１中間室３１の後段には、隔壁で隔てら
れた１０^−１Ｐａ以下の中真空状態に維持される第２中
間室３２、さらにその後段に第２中間室３２と隔壁によ
り隔てられ１０^−３Ｐａ以下の高真空に維持される質量
分析室３３が取り付けられる。なお、ここで図示してい
る従来例では第２中間室３２と質量分析室３３とは隔壁
で仕切られて別室となっているが、これらを１つの真空
室（排気能力の高い真空ポンプを用いる）で兼用するこ
とも可能である。

【０００５】低真空状態に維持された第１中間室３１と
中真空状態の第２中間室３２との間を仕切るための隔壁
の一部に、頂点にオリフィスを有するコーン形状のスキ
マー３５が形成されており、このスキマー３５を介して
両室は連通する。第１中間室３１に至ったイオンはその
中に設けられているデフレクタ電極３４により進行方向
を調整されつつスキマー３５のオリフィスに向けられ、
第１中間室３１よりも高真空に真空排気された第２中間
排気室３２に送られる。第２中間室ではイオンレンズ３
６が取り付けられており、これによりイオンが収束さ
れ、さらに高真空状態に維持されている質量分析室３３
に送り込まれる。質量分析室３３には四重極３７、検出
器３８で構成される四重極質量分析計が取り付けてあ
り、四重極３７を通過した特定質量のイオンのみが選択
的に検出器３８に送られ、信号として検出される。な
お、デフレクタ電極３４、イオンレンズ３６、四重極４
３には、それぞれ電圧印加のための適当な電源４１、４
２、４３が結線される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように大気圧下の
イオン化室でイオンを生成し、高真空状態下で生成イオ
ンの質量分析を行う質量分析装置では、原理上、低真空
状態に維持される中間室を設けるようにして、いわゆる
差動排気が行われる。そしてイオン化室で生成されたイ
オンは、低真空状態に維持される中間室を経由して質量
分析室まで輸送された上で検出されることになるが、検
出感度を高めるためにはできるだけ多くのイオンを検出
器まで送る必要がある。そのための工夫として中間室内
にデフレクタ電極を設けてイオンの進行方向を調整し、
スキマーの頂点にあるオリフィスに向けてイオンを送り
出すようにしている。また、イオンは低真空状態の真空
室から高真空状態の真空室に移動する際に、断熱膨張作
用により超音速ジェット領域を通過するが、この時、イ
オンの初期エネルギーが決定され、それ以前の電極電位
の影響とは無関係となる。低真空領域と高真空領域とを
仕切るための隔壁には、上述したようにスキマーと呼ば
れる、頂点にオリフィスを有する円錐形状の部品が用い
られるが、このスキマーと後段の質量分析計のオフセッ
ト電位との間に電位差を与えることにより、その電位差
に応じた初期エネルギーをイオンに与えることができ
る。例えば、スキマーを接地電位とし、質量分析計のオ
フセット電圧を−１０Ｖとすると、質量分析計を通過す
る正イオンの運動エネルギーは約１０ｅＶとなる。

【０００７】ところで、スキマーは隔壁の一部を構成す
るものであるため、製作のしやすさの観点から、スキマ
ーを隔壁自身と電気的に接続させて接地電位にしてあ
る。そのため、スキマーと質量分析計との間に電位差を
発生させるためには四重極側に直流バイアス電圧をオフ
セットとして印加する必要がある。即ち、四重極側に
は、直流電圧とＲＦ交流電圧で形成される四重極場を形
成するために本来的に必要とされる制御電圧±（U＋V
cosωｔ）を印加するとともに、４本の電極それぞれに
イオン引き込み用の直流バイアス電圧δDをこれに重ね
合わせる形で印加するようにしている。具体的に説明す
ると図４に示すように（U＋Vcosωｔ）＋δDが一方の対
向する２本の電極棒、−（U＋Vcosωｔ）＋δDが他の一
方の対向する２本の電極棒に印加されるようにしてい
た。ここで陽イオンの場合はδDは負、陰イオンの場合
はδDは正の電圧とすることにより、スキマーを通過し
たイオンが電気力学的に加速されて運動エネルギーを得
るようになり、四重極質量分析計の方に導かれるように
なる。

【０００８】しかしながら、イオンに対して運動エネル
ギーを与えるためのバイアス電圧を四重極にオフセット
として加えると、四重極周囲に存在する接地電位を有す
る他の構成部分の影響を受けて四重極の内部空間に形成
される電場分布に不均一性・非対称性が発生し、分解能
が悪化するなどの影響が現れることがわかってきた。即
ち、接地電位であるのはスキマーだけではなく、質量分
析室の壁面を構成する真空容器自身も接地電位を有す
る。又、場合によってはノイズ除去目的のために四重極
の周囲を囲むように遮蔽用円筒カバーを取り付けること
があるが、このカバーも接地電位にされる。そのため、
四重極に直流バイアス電圧がオフセットとして印加され
ると、これらの接地部位との間にも寄生的に電場が生
じ、この寄生電場が四重極本来の動作を行うために形成
される四重極場に影響を及ぼして不均一な四重極場とな
り、分解能や精度が悪化する原因となってしまう。

【０００９】そこで、本発明は四重極を構成する電極棒
に対して、直流バイアス電圧を印加しないようにしつ
つ、イオンに運動エネルギーを与えてスキマーから四重
極の方に輸送できるようにすることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
になされた本発明の質量分析装置は、略大気圧状態に維
持され被測定物質のイオン化を行うためのイオン化室、
低真空状態に維持され前記イオン化室で生成されたイオ
ンが送り込まれるとともに後段の室に送り出すための中
間室、高真空状態に維持され前記中間室から送り出され
たイオンを多重極質量分析計によって検出するための質
量分析室、の３室を含み、前記中間室と前記質量分析室
との間にはスキマーを有する隔壁が設けられるととも
に、前記スキマーと前記多重極質量分析計との間に電位
差が形成されることによりスキマーを通過するイオンが
加速されて多重極質量分析計に送り込まれるようにした
質量分析装置において、前記スキマーは絶縁手段により
接地電位から浮遊させるとともに、直流電圧印加手段に
よりバイアス電圧を印加するようにして、前記多重極質
量分析計との間に電位差を発生し、この電位差によりイ
オンを多重極質量分析計に導くようにしたことを特徴と
する。

【００１１】質量分析室の内部にある多重極自体はバイ
アス電圧をオフセットとして印加しないようにして質量
分析計全体のオフセット電位を接地電位にしておき、か
わりにスキマーを隔壁から電気的に絶縁した上で、スキ
マー側にバイアス電圧として正又は負の直流電圧を印加
する。これにより、スキマーと多重極との間にはスキマ
ー側に印加したバイアス電圧により発生した電位差によ
り実質的にイオンの引き込みが可能となる。しかも質量
分析室内の多重極質量分析計自身は全体としてのオフセ
ット電位が接地電位に維持されているので、質量分析室
壁面等の多重極周囲に存在する接地電位の他の構成物と
の間の寄生電場の発生が抑えられ、質量分析計内に不均
一な電場分布が発生することがなくなって質量分析計と
しての分解能や精度を向上することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施例を用いて
説明する。図１は本発明の一実施例である質量分析装置
（ＬＣ／ＭＳ）の概略構成を示す図である。図において
１０は液体クロマトグラフ部、２０はインタフェース
部、３０は質量分析部、１１はカラム、２１はノズル、
２２はイオン化室、２３は加熱キャピラリ管、３１は第
１中間室、３２は第２中間室、３３は質料分析室、３４
はデフレクタ電極、３５はスキマー、３６はイオンガイ
ド、３７は四重極、３８は検出器、４１はデフレクタ電
極用の電源、４２はイオンガイド用の電源、４３は四重
極用の電源である。以上は図３に示した従来例と同様で
あり、同符号を用いることにより、各部の機能について
の説明を省略する。図３の従来例では説明を省略した
が、イオン化室２２、第１中間室３１、第２中間室３
２、質量分析室３３はそれぞれ金属容器５０の中に形成
される。そしてイオン化室２２と第１中間室３１とは加
熱キャピラリのみで連通するように隔壁５１により仕切
られており、第１中間室３１と第２中間室３２とはスキ
マー３５のオリフィスのみにより連通するように隔壁５
２で仕切られ、第２中間室３２と質量分析質３３とはイ
オンが通過するためのオリフィス５３でのみ連通するよ
うに隔壁５４で仕切られる。本発明に係る質量分析装置
では、スキマー３５は絶縁スペーサ３９を介して隔壁５
２に取り付けられることにより、接地電位から浮遊する
ようにしてある。そしてこのスキマー３５は直流電圧電
源４４に接続され、ＤＣ電圧（正イオンに対しては数
Ｖ、負イオンに対しては−数Ｖ）としてδＤが印加され
るようにしてある。一方、質量分析計を構成する四重極
３７には図２に示すように四重極場を形成するのに必要
な本来の電圧として±（U＋Vcosωｔ）が印加されるの
みであり、オフセットとしての直流バイアス電圧は印加
されていない。それゆえ、四重極３７内の中心軸上は±
０Ｖであるとともに、四重極全体としてのオフセット電
位も０Ｖとなる。さらに質量分析室３３の容器壁面５０
自体も接地されており±０Ｖである。したがって四重極
３７と容器壁面５０との間で寄生的な電場が発生しない
ようになっている。次に、本装置の動作について説明す
る。従来例と同様、液体クロマトグラフ部１０のカラム
１１を通過してきた試料はノズル２１から噴霧される際
にイオン化され、さらに加熱キャピラリ管２３を通過す
る際にイオンの微細化が促進されつつ第１中間室３１に
送り込まれる。第１中間室３１内ではデフレクタ電極３
４によりイオンの進行方向が調整され、イオンは隔壁５
２に取り付けられたスキマー３５の方向に向けられる。
スキマー３５にはＤＣ電源４４によりδＤの電圧が印加
されており、その一方で質量分析室３３内の四重極３７
全体として接地電位とされているので、スキマー３５を
通過したイオンはこの間の電位差により加速されδＤｅ
Ｖの運動エネルギーで四重極３７を通過するようにする
ことができる。質量分析室３３に到達したイオンは四重
極場の影響を受けて特定のイオンのみが通過し、検出器
３８に至るのであるが、質量分析室３３内には四重極場
を乱すようなオフセット電位が全く印加されておらず、
分解能、精度の高い検出が行われる。本実施例では質量
分析計として四重極を用いているが、これに限るもので
はなく、八重極等であってもよい。

【発明の効果】以上、説明したように本発明の質量分析
装置では質量分析室内の多重極質量分析形自体にはバイ
アス電圧を印加せず、これを接地電位に保持し、スキマ
ー側に所定のバイアス電圧をオフセットとして印加する
ようにしたので、従来と同様にスキマーを通過したイオ
ンを加速することができるとともに、質量分析室内でオ
フセットとしてのバイアス電圧を印加することがなくな
って四重極場を乱すことがなくなり質量分析計としての
分解能、精度が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である質量分析装置の概略構
成を示す図。

【図２】図１において四重極に印加される電圧の関係を
示す図。

【図３】従来からの質量分析装置の概略構成を示す図。

【図４】図３において四重極に印加される電圧の関係を
示す図。

【符号の説明】

１０：液体クロマトグラフ部 ２０：インタフェース部 ２１：ノズル ２２：イオン化室 ２３：加熱キャピラリ管 ３０：質量分析部 ３１：第１中間室 ３２：第２中間室 ３３：質量分析室 ３５：スキマー ３７：四重極（質量分析計） ３８：検出器（質量分析計） ３９：絶縁スペーサ ４３：四重極用電源 ４４：ＤＣ電源

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】略大気圧状態に維持され被測定物質のイオ
   ン化を行うためのイオン化室、低真空状態に維持され前
   記イオン化室で生成されたイオンが送り込まれるととも
   に後段の室に送り出すための中間室、高真空状態に維持
   され前記中間室から送り出されたイオンを多重極質量分
   析計によって検出するための質量分析室、の３室を含
   み、前記中間室と前記質量分析室との間にはスキマーを
   有する隔壁が設けられるとともに、前記スキマーと前記
   多重極質量分析計との間に電位差が形成されることによ
   りスキマーを通過するイオンが加速されて多重極質量分
   析計に送り込まれるようにした質量分析装置において、
   前記スキマーは絶縁手段により接地電位から浮遊させる
   とともに、直流電圧印加手段によりバイアス電圧を印加
   するようにして、前記多重極質量分析計との間に電位差
   を発生し、この電位差によりイオンを多重極質量分析計
   に導くようにしたことを特徴とする質量分析装置。