JP2003331777A

JP2003331777A - 質量分析装置

Info

Publication number: JP2003331777A
Application number: JP2002140971A
Authority: JP
Inventors: Susumu Watanabe; 進渡辺; Kenichi Shizukuishi; 賢一雫石; Masako Ishikawa; 昌子石川; Tadao Mimura; 忠男三村
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi Science Systems Ltd; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi Science Systems Ltd; Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2002-05-16
Filing date: 2002-05-16
Publication date: 2003-11-21

Abstract

(57)【要約】【課題】試料のイオン化を効率的に行い、イオン化して
いない液滴の質量分析部への入射を抑制し、質量分析の
感度を上げる。【解決手段】イオン源２を含むイオン化機構１内に電荷
を掛けたイオンミラー４を設け、試料イオンを質量分析
部３０に送るようにする。試料イオンおよびイオン化し
ていない試料液滴を含む微粒子状の霧滴試料をイオンミ
ラーに吹き付けるようにする。加熱された窒素ガス等を
イオンミラーに吹き付けるようにする。これによって、
イオンミラーにおいてイオン生成を行う。試料イオンの
発生源を複数設け、イオン経路を切り替えることにより
異なったイオン源で生成された試料イオンをイオンミラ
ーへ導入するようにする。また、イオン源から試料イオ
ンおよび試料液滴を含む霧滴試料をイオンミラーへ入射
させる角度、およびイオンミラーに掛ける電圧を調整す
る機能を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、質量分析計の質量
分析部に試料イオンを入射させるイオン発生装置に関
し、特にLC（液体クロマトグラフ）/MS（質量分析計）
のイオン発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】LC/MSの測定対象物質には高極性、イオ
ン性の化合物があり、これらは一般に不揮発性で加熱等
により容易に熱分解を受ける。溶液中のイオンは多くの
極性溶媒物質が付加した状態で保存されている。またイ
オンを熱分解を受けずに気相に移すことは一般に極めて
困難である。このようなイオン性化合物を質量分析計
（MS）で測定するためにESI(Electrospray Ionization)
が開発され、当手法は強電解中に液体を噴霧すると液滴
が帯電することを利用している。

【０００３】ESIでは、液体を高電圧が印加された金属
キャピラリーに送り込む。するとキャピラリー先端から
電荷を帯びた非常に微細な液滴(霧)が発生する。金属キ
ャピラリーに正の高電圧を印加すると霧は正の電荷を帯
び、逆に負の電荷を印加すると霧は負の電荷を帯びる。
即ち、同極性の電荷を持った液滴が大気中に多数生成す
る。液滴の電荷は電界の働きで液滴の表面に分布する。
同極性の電荷は互いに反発しあうが、液滴が大きい時は
表面張力とバランスがとれ液滴は安定に存在できる。液
滴は電界により大気中を対向電極の方へ移動する。移動
しながら液滴の溶媒の気化が絶えず行われ、液滴は微細
化していく。液滴が小さくなり、同極性の電荷のクーロ
ン反発力が液体の表面張力を超えたとき、液滴は爆発的
に細分化される。この時点をRayleigh limitと呼ぶ。上
記のように液滴は細分化し、ついにはイオンが液滴表面
からクーロン反発力により気相へ蒸発（イオン蒸発）す
る。このイオン化は外部から過熱や放射線、電子照射な
どによるエネルギーの注入を必要としない。そのため、
熱的に不安定なイオン性化合物を安定にイオンとして気
相へ取り出すことが可能となった。

【０００４】しかし、ESIで安定なイオン化を継続でき
る最大流量は数μL/minである。多くのクロマトグラフ
ィーを利用するためにはこの最大流量を増加させる必要
がある。溶離液を噴霧する際、キャピラリーと同軸に窒
素ガス等を流すことにより、多くの溶媒を霧化させるこ
とが可能になった。この方式は Pneumatically Assi
sted Electrospray Ionization （ガス補助型ESI）と呼
ばれている。すなわち、LCからの溶離液は内径0.3mm程
度のPTFEチューブを経てESIイオン源に到着し、高電圧
（3〜5kV）が印加された金属キャピラリーノズルから大
気中に噴霧される。この噴霧を安定に行うため、噴霧ノ
ズルと同軸のパイプを通して乾燥窒素を数L/min送り込
む。大気中で気相に蒸発したイオンは第一細孔から中間
圧力部に送り込まれる。この部分はメカニカルブースタ
ーポンプで排気されている。イオンは第一、第二細孔間
に印加されたドリフト電圧により収束され第二細孔から
質量分析部に送り込まれる。イオンと共に中間圧力部に
取り込まれた中性の溶媒分子などは拡散しポンプで排気
される。そのため、質量分析部は常にクリーンな真空を
保つことができる。試料イオンは質量分析部で質量分散
を受けマススペクトルを与える。

【０００５】特開平５−３２５８８５号公報には、試料
をイオン化源でイオン化した後、質量分析部に入射させ
る質量分析装置において、前記イオン化源と前記質量分
析部とを非直線上に配置し、このイオン化源・質量分析
部間にイオンに対しミラー反射機能を有するイオン反射
電極を介在させ、このイオン反射電極により、前記イオ
ン化源で生成させたイオンの軌道を曲げて前記質量分析
部に入射させるよう設定して成ることを特徴とする質量
分析装置が記載されている。

【０００６】また、前記イオン反射電極と前記質量分析
部との間にデフレクターを設けて再度イオンの軌道を変
更するよう設定して成る質量分析装置が記載されてい
る。また、前記イオン化源は、マイクロ波誘導プラズ
マ、誘導結合プラズマ等のプラズマイオン化源或いは大
気圧イオン化源である質量分析装置が記載されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】イオン化は液滴が細分
化した状態で効率的に起こる。キャピラリーと同軸に流
す窒素ガス等による溶離液細分化は、キャピラリーの延
長方向よりも周辺部の方が顕著である。よって、キャピ
ラリーの延長方向よりも周辺部の方が試料がイオン化し
やすい。このため、試料イオンを効率的に質量分析部に
入射するために、質量分析部のアパーチャーはキャピラ
リー軸からずらす方法が提案されている。

【０００８】しかしながら、イオン化される試料液滴は
噴霧された液滴の外側、即ち液滴の小さくなった部分の
みであるため、噴霧された試料分子のごくごく一部が試
料イオンとして分析に利用されているのみで、その他の
試料はすべて廃棄されていた。また、イオン化された試
料液滴中にもイオン化されなかった分子が存在し、それ
らが試料イオンと一緒に質量分析計に入射するため、質
量分析の感度が低下したり、マススペクトル上にノイズ
として出現したり、質量分析計を汚染するという欠点を
有していた。

【０００９】更にLCの分離を向上させるために溶離液に
リン酸バッファーがしばしば用いられるが、リン酸バッ
ファー液滴をMSのイオン源に送り込むとイオン源の熱に
より固化し流路を塞ぐためMSではリン酸バッファーが使
用できない問題があり、LCとMSの各々の特長を出せない
問題もあった。

【００１０】本発明の目的は、試料のイオン化を効率的
に行い、イオン化していない液滴の質量分析部への入射
を抑制し、質量分析の感度を上げることのできるイオン
発生装置を備えた質量分析装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明で提案するイオン発生装置は、イオン経路の
イオン源と質量分析部間に位置してイオンミラーを設
け、イオン源から出たイオンを帯電しているイオンミラ
ーに入射後停止させ、屈折させて効率的に質量分析部の
イオントラップ部に入射させるに当って、イオンミラー
に不活性ガスを吹き付けて、イオン化していない霧滴試
料をイオン化して生成したイオンとしてイオン源からの
試料イオンと共に質量分析部に入射することを１つの特
徴とする。また、イオン源およびイオンミラーを含ん
で、質量分析部の第一細孔部までの領域は中間圧力部の
中間圧力よりも高く、大気圧まで（大気圧を含む）の圧
力に設定した、いわゆるミニエンバイアラメント環境と
したことを他の特徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図１によ
り説明する。図1は本発明のイオン発生装置を含むLC/MS
の概略図である。イオン化機構１は、図にあるように例
えばLC部２０、イオン源２、イオン経路切り替え機構
３、およびイオンミラー４を含んで構成される。また、
質量分析部３０は、順次、イオンミラー４側から第一細
孔部６、中間圧力部７、第二細孔部８、イオントラップ
部９、真空部１０および質量検出部１１で構成される。
中間圧力は、真空部における真空圧力より高く、大気圧
よりも低い圧力であることを示す。

【００１３】LC部２０から試料の特性により、イオン源
２であるESIイオン源２１、SSIイオン源２２、APCIイオ
ン源２３を選択して配管し、各々のイオン源から出た試
料イオンやイオン化していない試料液滴を含んだ微粒子
状の霧滴試料は、イオン源に荷電された電圧および窒素
ガス流によりイオン経路切り替え機構３を経由し、イオ
ンミラー４に吹き付けられる。すなわち入射する。また
本ESIイオン源２１は負イオン生成モードも備え、SSIイ
オン源２２、APCIイオン源２３も負イオン生成モードを
備えている。今、ESIイオン源２１を正イオン生成モー
ドにし、LC部から注入された試料から試料イオンを生成
する。窒素ガスに代えてヘリウムガスを使用することが
可能であり、ここではこれらを含めて不活性ガスと称す
る。

【００１４】イオン源２（２１、２２、２３）およびイ
オンミラー４を含んで、第一細孔部６までのイオンの経
路である領域は中間圧力部７よりも高く、大気圧まで
（大気圧を含む）の圧力に設定される。望ましくは、大
気圧とされる。イオン経路を箱状にすることは勿論可能
である。

【００１５】本実施例ではイオンミラー４１、４２、４
３を３列平行に配置する。イオンミラーは厚さ１ｍｍの
アルミニウム製で、形状はドーナツ型で外径は１００ｍ
ｍ、内径は２０ｍｍである。本実施例では試料が正イオ
ンとなるため、イオンミラーの電位を４１、４２、４３
順に例えば０ｋV、１．５ｋV、３．０ｋVに設定する。
この電圧はイオン流切り替え機構３から入射された試料
イオンを含む霧滴試料がイオンミラーの電場により３枚
のイオンミラー間で止まるよう設定する。その後、窒素
ガス注入装置５およびイオンミラーの電場により質量分
析部３０の第一細孔６方向に生成されたイオンが放出さ
れる。窒素ガス注入装置５は、イオン源２、あるいは質
量分析部２０の反対側に配置され、窒素ガス生成部５
１、温度コントローラ５２およびノズル５３を有し、１
００℃〜６００℃の乾燥窒素ガス生成が可能である。な
お、窒素ガス以外にも不活性ガスでの代用も可能であ
る。イオンミラーに吹き付けられた試料のうち、イオン
化していない試料液滴は加熱窒素ガスによって溶媒揮発
により細分化され、また帯電して試料液滴に互いに働く
クーロン反発力が液体の表面張力を超えると液滴は爆発
的に細分化され、更にイオン化が進む。このようにイオ
ンミラー付近でイオン化した試料イオンもイオン源から
の試料イオンと共に第一細孔部６方向に進む。イオンミ
ラー部での中性分子はイオンミラーの影響を受けずに屈
折しないので第一細孔部６方向には進まず、矢印６０の
ように進む。

【００１６】第一細孔部６方向に進んだ試料イオンは中
間圧力部７とイオンミラー付近の大気圧との気圧差およ
び第一細孔部６と第二細孔部８にかけられたドリフト電
圧により中間圧力部７、第二細孔部８を経由してイオン
トラップ部９に入射する。イオン経路の第二細孔から先
は真空部１０となる。イオントラップ部に入射した試料
イオンは周波数によりm/z選択され質量検出部１１に送
られて質量分析される。イオンミラー４に入射する試料
イオンはm/zによりイオンミラー４内での停止位置が異
なり、各試料成分のLC１での保持時間と第二細孔部８を
通過する保持時間とは必ずしも一致しないが、試料イオ
ンはイオントラップ部９に集積されたのちにm/zに適正
な周波数時に質量検出部１１方向に送られるので、LC/M
Sとして試料成分によりイオンミラー４での所要時間差
は無視できる。

【００１７】また、試料の分子量により、イオン源２か
ら放出された試料のイオンミラー４での停止位置が変わ
るので、質量分析の感度が最良になるよう、イオン経路
に対するイオンミラー角度およびイオンミラー４に掛か
る電圧、また窒素ガス流量を調整する機構を付与するの
がよい。試料の溶媒によっても脱溶媒条件が変わるの
で、質量分析感度が最良になるよう、窒素ガス温度や流
量、およびイオンミラー電圧を調整する。

【００１８】上記のように、イオン源２でイオン化され
た試料イオンおよびイオン源ではイオン化されなかった
試料液滴はイオンミラー４に入射し、窒素ガス発生装置
５による加熱窒素ガスによりイオンミラー４でイオン化
してイオン数を増加し、加熱窒素ガス流およびイオンミ
ラー電場のクーロン力により効率的に第一細孔部６方向
に向かう。更に気圧差およびドリフト電圧により試料イ
オンはイオントラップ部９に集積し、周波数によりm/z
毎に分けられて質量分析される。イオンミラー４および
窒素ガス注入装置５を有するイオン発生装置により、イ
オン源でイオン化しなかった試料液滴の一部がイオン化
して第一細孔部６に向かい、中性分子の経路はイオンミ
ラー４では曲げられないため第一細孔部６方向に向かわ
ず、したがって当イオン発生装置ではイオントラップ部
９に入射するイオン数を増加し中性分子数を減少するた
め質量分析の感度を上昇できる。

【００１９】このように、イオン発生装置は、イオン経
路のイオン源と質量分析部間に位置してイオンミラー４
を設け、イオン源２から出たイオンを帯電しているイオ
ンミラー４に入射後停止させ、屈折させて効率的に質量
分析部３０のイオントラップ部９に入射させることを特
徴とする。イオンミラー４に加熱された乾燥窒素ガス等
を流入すると、試料液滴からの溶媒揮発を促進して試料
液滴の細分化が進む。細部化された試料液滴はイオンミ
ラーの帯電により同極性の電荷を持ち、各々の試料液滴
に動くクーロン反発力が液体の表面張力を超えると液滴
は爆発的に細分化される。この原理によりイオンミラー
４でもイオン化が進む。また、LCの溶離液にリン酸バッ
ファーを用いた場合、イオン源２ではリン酸バッファー
が固化しないよう加熱温度を抑えておき、イオンミラー
４でイオン化が進む温度に加熱しイオン化した試料イオ
ンのみを屈折してイオントラップ部９に入射させる。リ
ン酸バッファーはイオンミラー４で屈折せず、イオント
ラップ部９方向に進まない。

【００２０】このイオンミラー４は帯電する材料を用
い、イオン源２から出たイオンの経路を取り巻くような
ドーナツ型形状やイオンの経路の左右に置く平板形状等
が望ましく、更に複数枚を平行に設置することが望まし
い。イオンミラー４の電場は、イオン源２から遠ざかる
に連れてイオン源と同極性の高電場となるようにしてお
く。イオン源２から出たイオンはイオンミラー４の電場
により止まり、然る後にイオンミラー４の電場により低
電場方向にクーロン力を受けるため経路が屈折して第一
細孔方向に進み、第一細孔内の中間圧力部７および第ニ
細孔内の真空部１０との気圧差を利用してイオントラッ
プ部に入射する。また、イオンミラーに流入した加熱窒
素ガスにより、イオンミラーへの入射時にはイオン化し
ていない試料液滴を細分化かつ過熱することでイオン化
を進め、イオンミラー４でイオン化した試料イオンも同
様に第一細孔部６、第二細孔部８を経由してイオントラ
ップ部９に入射する。イオンミラー４でイオン化してい
ない中性粒子や分子、また迷走イオン等はイオンミラー
４の電場の作用を受けないのでイオントラップ部９方向
には進まない。このため、目的試料以外物質の質量分析
部３０への入射を抑制でき、質量分析部３０の感度が上
がる。

【００２１】また、試料特性により正イオン・負イオン
の両者で測定できることが望ましいため、イオンミラー
４に掛かる電圧の極性も正負反転可能とする。更に、試
料特性により適するイオン源２１、２２、２３も異なる
ので、異なるイオン源で生成された試料イオンをイオン
ミラー４に入射できるように、前述のように、複数イオ
ン源併設可能およびイオン経路切り替え機能を設けると
望ましい。

【００２２】以上のように、本実施例によれば次のイオ
ン発生装置が構成される。イオン源を含むイオン化機構
内に電荷を掛けたイオンミラーを設け、試料イオンを質
量分析部に送るイオン発生装置。試料イオンおよびイオ
ン化していない試料液滴を含む微粒子状の霧滴試料をイ
オンミラーに吹き付けるイオン発生装置。加熱された窒
素ガス、ヘリウム等の不活性ガスをイオンミラーに吹き
付けるイオン発生装置。

【００２３】イオンミラーに掛かる電圧の極性を反転す
るイオン発生装置。試料イオンの発生源を複数設け、イ
オン経路を切り替えることにより異なったイオン源から
の霧滴試料をイオンミラーに吹き付けるイオン発生装
置。イオン源からの霧滴試料をイオンミラーへ入射させ
る角度、およびイオンミラーに掛ける電圧を調整する機
能を設けたイオン発生装置。イオン経路を大気圧を含む
ミニエンバイアラメント環境としたイオン発生装置。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、イオンミラーでのイオ
ン化が可能となって試料のイオン化を効率的に行い、イ
オン化していない液滴の質量分析部への入射を抑制し、
質量分析の感度を上げることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の構成を示すブロック図。

【符号の説明】

１…イオン化機構、２…イオン源、２１…ESIイオン
源、２２…SSIイオン源、２３…APCIイオン源、３…イ
オン経路切り替え機構、４、４１〜４３…イオンミラ
ー、５…窒素ガス発生装置、６…第一細孔部、７…中間
圧力部、８…第二細孔部、９…イオントラップ部、１０
…真空部、１１…質量検出部、２０…LC部、３０…質量
分析部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者雫石賢一茨城県ひたちなか市大字市毛1040番地株式会社日立サイエンスシステムズ内 (72)発明者石川昌子茨城県ひたちなか市大字市毛1040番地株式会社日立サイエンスシステムズ内 (72)発明者三村忠男茨城県ひたちなか市大字市毛882番地株式会社日立ハイテクノロジーズ設計・製造統括本部那珂事業所内Ｆターム(参考） 5C038 FF10 GG08 GH08 GH11 GH13 HH02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】イオン源と質量分析部とを非直線上に配置
し、イオン源と質量分析部との間に、イオンミラーを配
置し、前記イオン源からの試料イオンおよびイオン化し
ていない試料液滴を含む微粒子状の霧滴試料をイオンミ
ラーに吹き付ける質量分析装置において、不活性ガスをイオン源と反対側からイオンミラーに吹き
付け、生成された試料イオンを前記質量分析部に入射さ
せることを特徴とする質量分析装置。
【請求項２】請求項１において、イオンミラーに掛かる
電圧の極性を反転することを特徴とした質量分析装置。
【請求項３】請求項１または２において、イオン源を複
数設け、イオン経路を切り替えるようになし、イオン経
過を切り替えることによって、異なったイオン源で生成
されたイオンをイオンミラーに吹き付けることを特徴と
する質量分析装置。
【請求項４】イオン源と質量分析部とを非直線上に配置
し、イオン源と質量分析部との間にイオンミラーを配置
し、前記イオン源からの試料イオンおよびイオン化して
いない試料液滴を含む微粒子状の霧滴試料をイオンミラ
ーに吹き付ける質量分析装置において、前記質量分析部は、順次イオンミラー側から第一細孔
部、中間圧力部、第二細孔部、イオントラップ、真空部
および質量検出部を有し、前記イオン源およびイオンミ
ラーを含んで、前記第一細孔部までの領域は中間圧力部
の中間圧力よりも高く、大気圧まで（大気圧を含む）の
圧力に設定されることを特徴とする質量分析装置。
【請求項５】請求項４において、窒素ガス等の不活性ガ
スをイオン源と反対側からイオンミラーに吹き付け、イ
オン源およびイオンミラーで生成された試料イオンを前
記質量分析部に入射させることを特徴とする質量分析装
置。