JP2005093152A - 質量分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な構造でありながら、一測定で複数種のスペクトルを取得し、対象試料の同定・構造解析の精度を向上可能な質量分析装置を実現することである。
【解決手段】ＧＣ１からの導入試料はカラム２によりキャリアガスと共にリング電極３、エンドキャップ電極４により囲まれたイオン化及びトラップ空間に導入される。この空間内にはフィラメント５から熱電子が放出されるのみならずレーザ光源６からレーザが照射され試料がイオン化される。イオン化試料は各電極３、４への印加電圧により選択的に空間内に保持され蓄積され電極３に質量数に対応する高周波電圧の掃引により質量数毎に検出器７へ導入される。イオン化方法としてＥＩとＰＩとを組み合わせることによりイオントラップ空間をイオン化空間とできイオン化空間を別途設ける必要が無く同一試料に対してＥＩ、ＰＩデータの両データのう
ち、最も適切なデータを定量計算に用いることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、質量分析装置に関する。

ガスクロマトグラフ装置（ＧＣ）を分離装置として用いた質量分析装置（ＧＣ／ＭＳ）があるが、このＧＣ／ＭＳにおける試料のイオン化方法として、熱電子により試料分子をイオン化する電子衝撃イオン化（ＥＩ）と、反応ガスイオンと試料分子とのイオン分子反応を用いた化学イオン化（ＣＩ）とが主に用いられている。

ＥＩではイオン源に導入された試料分子に熱電子を直接衝突させて試料分子をイオン化し、任意時間に、生成したイオンに高周波電圧を掃引して質量数ごとにイオンを検出器へ導入する。

一方、ＣＩでは、イオン源に試料分子と共に反応ガスを導入し、ＥＩにより反応ガスをイオン化した後、イオン源内に反応ガスイオンのみを保持した状態で、熱電子発生源であるフィラメントへの電力供給を停止して、熱電子の供給を停止する。そして、反応ガスイオンが保持されたイオン源内に試料分子を一定時間導入することで、反応ガスと試料分子との間でプロトンの授受が起こり、試料分子にプロトンが付加した擬分子イオンが生成するイオン分子反応が起こる。生成された試料イオンは、検出器に導入される。

ＣＩはＥＩと比較して、試料分子イオンが壊れにくいためフラグメントイオンが生成し難く、構造情報は乏しいが、分子量［Ｍ］の試料分子に対して、擬分子イオン［Ｍ＋１］が効率よく生成されるため、分子量情報を得ることができる。また、ＥＩにより開裂し易い物質についてはＣＩを用いることにより高感度に検出することが可能である。

このように、分析対象物質の特性やフラグメントイオン、分子量イオンなど分析目的とする物質、イオンの種類により種々のイオン化法（ＥＩ、ＣＩ）を使い分けることが、高精度な分析には必要である。

三次元四重極質量分析装置（３ＤＱＭＳ）では、三次元四重極部（３ＤＱ部）を保温・固定する絶縁物内にリング電極を、絶縁物上下（試料導入部から検出器方向）にエンドキャップ電極を配置して３ＤＱ部を構成する。

３ＤＱ内部または外部でイオン化され３ＤＱ内部に導入された試料分子イオンは３ＤＱ内で任意時間保持された後、エンドキャップ電極に形成された細孔から質量数毎に検出器へ放出される。

任意時間内に３ＤＱ内に蓄積したイオンを質量数毎に３ＤＱ外へ排出し検出器へ導入するために、イオン質量数に対応した高周波電圧をリング電極に一定時間毎、連続的に質量範囲毎に掃引し、各質量数毎にイオンを排出する。

ところで、多種多様な物質の質量分析を行う上で、分析対象物質の同定・構造決定するためにはＥＩスペクトル、ＣＩスペクトルを始め、ＭＳ／ＭＳスペクトルなど様々なイオン化法によるスペクトルを取得することが高精度な分析を行うために必要である。

例えば、ＥＩにより開裂し易い物質やＥＩによりイオン化し難い物質が分析試料中に含まれる場合、該当試料に対してＥＩだけでなくＣＩ他のイオン化法を用いて測定することが必要となる。

そこで、1台の質量分析装置において、ＥＩモードによる測定と、ＣＩモードによる測定とを切り替えて行う技術が特許文献１や特許文献２に記載されている。

また、試料のイオン化をＥＩではなく、レーザーを用いた試料のイオン化（ＰＩ）法が特許文献３に記載されている。

特開平５−８９８２２号公報

特開平９−７５３９号公報 特開平９−１２９１７５号公報

しかしながら、上記従来技術では、構造解析・分子量測定などの目的で、分析対象成分の複数種のスペクトルを得るために複数のイオン化法を使用する場合、イオン源を切り替える毎に装置構成を変更する、または試料流路を分岐し、双方に別々のイオン源を接続するなどの手法が用いられている。

しかし、イオン源を切り替える毎に装置構成を変更したり、試料流路を分岐することは、測定回数の増加、装置構成の複雑化、操作の煩雑化を招くばかりでなく、装置自体が大型化するといった問題があった。

また、同一試料について複数種のスペクトルを用いての同定・構造解析を単独の装置で行うことができれば便利である。

しかしながら、従来技術においては、ＥＩとＣＩとにより対象試料を同時に測定する場合、流路を２系統に分岐してＥＩ用、ＣＩ用それぞれのイオン源に試料を導入して同時に測定するなどの方法が考えられるが、装置構成の複雑化、操作の煩雑化、装置の大型化といった問題があり、同一試料について複数種のスペクトルを用いての同定・構造解析を単独の装置で行うことができなかった。

本発明の目的は、簡便な構造でありながら、一測定で複数種のスペクトルを取得し、対象試料の同定・構造解析の精度を向上可能な質量分析装置を実現することである。

上記目的を達成するため、本発明は次のように構成される。
（１）試料に由来するイオンを質量分析する質量分析装置において、電極で包囲された空間に試料を導入する試料導入手段と、上記電極で包囲されたイオントラップ空間に電子を放出して、試料をイオン化する電子放出手段と、上記イオントラップ空間にレーザを照射して、試料をイオン化するレーザ照射手段と、上記イオントラップ空間から取り出されたイオンを検出するイオン検出手段と、上記電子放出手段及びレーザ照射手段の動作を制御するとともに、上記イオン検出手段により検出されたイオンに基づいて、試料を分析し、データ処理するデータ処理制御手段とを備える。

（２）好ましくは、上記（１）記載の質量分析装置において、上記レーザ照射手段から照射されるレーザの波長、光線幅、照射時間のうちの一つまたは複数を任意に設定可能である。

（３）また、好ましくは、上記（１）又は（２）において、既知成分の特徴的な部分分子構造情報と測定条件とをデータ処理制御手段が記憶し、未知成分の測定結果と照合することにより未知成分中の上記既知成分の有無を判別する。

（４）また、好ましくは、上記（２）において、上記イオントラップ空間内に挿入された試料導入手段の試料出口部近辺に照射されるレーザの線幅を任意に選択することにより、レーザによる試料成分のイオン化と、レーザの上記試料導入手段の出口部への照射により発生するバッファ成分と試料成分との化学イオン化による試料象成分のイオン化とを選択可能である。

（５）また、好ましくは、上記（１）において、同一試料に対して、電子放出手段からの電子によるイオン化と、レーザ照射手段からのレーザによるイオン化との２つのイオン化を同一測定期間中に用いて試料の分析を行う。

化学イオン化法に代わる選択性の高いイオン化法であるレーザを用いた光イオン化法（ＰＩ）を用いれば、単独のイオン源でＥＩ、ＰＩ双方のイオン化を同時に実現できる。

これにより、ＥＩスペクトル、ＰＩスペクトル、ＥＩによるＭＳ／ＭＳスペクトル、ＰＩによるＭＳ／ＭＳスペクトルなど複数のスペクトルを一測定で取得可能となり精度の高い分析を簡便に実現することができる。

本発明によれば、簡便な構造でありながら、一測定で複数種のスペクトルを取得し、対象試料の同定・構造解析の精度を向上可能な質量分析装置を実現することができる。

すなわち、イオントラップ空間内でＥＩとＰＩとの二種のイオン化方法を装置構成を変更することなく任意に選択することが可能であり、二種のイオン化方法を用いたＭＳ／ＭＳスペクトルなど複数のマススペクトルを一測定により取得することが可能である。これにより、簡便かつ迅速に精度の高い定量・定性分析が可能となる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
図１は本発明をの一実施形態である質量分析装置の概略構成図であり、ＧＣ／３ＤＱＭＳに適用した場合の例である。

図１において、ガスクロマトグラフ１の注入口より導入された試料Ａはキャピラリカラム２によりキャリアガスと共にリング電極３、エンドキャップ電極４によって囲まれた空間に導入される。この空間内には、フィラメント５からの熱電子が放出されるのみならず、レーザ光源からのレーザ光が照射される。

そして、リング電極３、エンドキャップ電極４によって囲まれた空間において、フィラメント５より生成する熱電子、またはレーザ光源６より照射されるレーザ光により試料分子がイオン化される。

イオン化された試料分子イオンは各電極３、４に印加される電圧により選択的に３ＤＱ内に保持され、任意時間蓄積される。そして、蓄積されたイオンはリング電極３に質量数に対応する高周波電圧が任意速度で低質量から高質量へ掃引されることにより質量数毎に検出器７へ導入される。イオン化法の選択は、データ処理装置８の設定画面上より任意に選択できる。

図２は、一測定においてＥＩ、ＰＩ双方のスペクトルを取得する場合の条件最適化し、試料の定量データを決定する動作フローチャートである。
図２のステップ１００において、ＥＩのイオン化電圧を固定値とした場合、対象物質のＰＩによる最適イオン化条件を決定するために標準ガスを導入し、モニターを開始する。そして、ステップ１０１において、ＰＩについてはイオン蓄積時間を一定に保って、レーザ光波長を可変とし（例えば、光源としてＮｄ：ＹＡＧレーザを用い波長変換により三倍波、四倍波を用いる）照射時間を変化させながらクロマトグラム、スペクトルを確認する。定量分析の場合、目的とする分子量イオン強度が最大となる点を最適条件として波長を選択する。そして、決定した波長でイオン化時間を走査し、ピーク強度、分解能を確認する。

条件設定画面上にてＥＩ、ＰＩを交互に実行するよう設定し、ステップ１０２において、分析条件を決定し、ステップ１０３で試料測定を行う。ステップ１０４、１０５において、ＥＩデータとＰＩデータとを取得し、ステップ１０６において、これら、ＥＩデータとＰＩデータとの両データのうち、目的質量数のピーク強度からＳ／Ｎ比が大きい方のクロマトグラムを定量計算に用いる。

これによりＥＩとＰＩとの各イオン化によるマススペクトルとクロマトグラムが一測定で取得可能となる。

つまり、本発明によれば、試料のイオン化方法として、ＥＩとＰＩとを組み合わせることにより、リング電極３、エンドキャップ電極４によって囲まれた空間であるイオントラップ空間をイオン化空間とすることができ、イオン化空間を別途設ける必要が無く、同一試料に対してＥＩデータとＰＩデータとの両データを取得して、ＥＩデータとＰＩデータのうち、その試料に最も適切なデータ（Ｓ／Ｎ比が大きい方のクロマトグラム）を定量計算に用いることができる。

したがって、簡便な構造でありながら、一測定で複数種のスペクトルを取得し、対象試料の同定・構造解析の精度を向上可能な質量分析装置を実現することができる。

なお、ＰＩ条件の最適化は波長の切替と各波長でのイオン化時間のプログラムをあらかじめプログラムしておけば対象イオンの分子量を設定することによって、強度比較は試料中の各成分毎に目的分子量を設定しておくことによりそれぞれ自動化が可能である。

また、同様に測定したマススペクトルの他に、ＰＩ条件を走査することにより得られる複数のマススペクトルを用いることにより精度の高い同定・構造解析が可能である。

図３は、ＰＩ条件を走査して対象成分の特徴的な部分分子構造情報を取得する方法の説明図である。
図３において、まず構造既知の成分を標準試料としてＰＩ条件を走査して測定し、分子中の各官能基・結合に特有の吸収波長・照射条件を確認し、データ処理装置８内にデータを蓄積しておく。

例えば、図３のＸ、Ｙ、Ｚのような各構造を有する物質を標準試料として導入し、イオン化条件を走査することにより、Ｘのような構造を含む分子は条件Ａにより特異的に質量数Ｍのイオンを、Ｙのような構造を含む分子については条件Ｂにより質量数Ｎのイオンが、Ｚのような構造を含む分子については条件Ｃにより質量数Ｋのイオンがそれぞれ特異的に生成する条件Ａ、Ｂ、Ｃを確認する。そして、対応する構造式または質量数とともにデータ処理装置８内の制御ソフト内に記憶しておく。

次に、構造未知の化合物を含む対象試料を、先に確認した各構造に特有のＰＩ照射条件の一つまたは各条件を走査しながら測定する。そして、構造に特有の各質量数のイオンをモニターすることにより、これらの構造が含まれるか否かの判定が可能である。

さらに、ＰＩデータとＥＩデータとが同一試料に対して取得可能であるので、ＰＩデータと、ＥＩによるスペクトルとを併せてデータ解析することにより、ＥＩスペクトルだけでは不十分であった構造解析を、高精度に実現することができる。

次に、本発明において、レーザ光線線幅を可変とすることにより直接イオン化と化学イオン化を選択できる方法について、図４を参照して説明する。

直接イオン化する場合は、レーザ光源６から照射する光線を、試料導入部となるキャピラリカラム２には照射しないで、カラム２からイオン化空間に導入される試料ガスのみに照射する。

図４に示した例では、直径Ａの光線を、キャピラリカラム２に対して角度をつけて照射した場合を示しているが、キャピラリカラム２の試料出口に対して光線を水平に照射する場合は、光線の直径を出口直径Ｘ未満とする（Ｘ＞Ａ）ことにより試料ガスのみに照射することが可能である。

この場合、試料は光線により直接イオン化されるため、種々のフラグメントイオンを生成し、これらを確認することにより対象成分の構造解析が可能である。

一方、化学イオン化による場合は、図４中の光線線幅を、直径Ａより大であり、キャピラリカラム２をも含めて照射可能な直径Ｂとする。このように、キャピラリカラム２の試料出口に対して光線を水平に照射する場合は、光線の直径を出口直径Ｘ以上とする（Ｘ＜Ｂ）ことによりキャピラリカラム２も含めて光線を照射することが可能である。

キャピラリカラム２も含めてレーザ光を照射することにより、カラム２の素材中に含まれるＮａ、Ｋなど（バッファ成分）がイオン化される。これらのイオンは導入された試料分子（分子量Ｍ）との間で化学反応し試料分子にＮａ、Ｋが付加したＭ＋２３、Ｍ＋３９などの質量数のイオンを生成する。これら質量数のイオンを確認することにより、対象成分の分子量決定が容易に可能である。

本発明の一実施形態である３ＤＱＭＳを用いたガスクロマトグラフ／質量分析装置の概略構成図である。 本発明の一実施形態によるＥＩ・ＰＩ同時測定時の分析条件決定の動作フローチャートである。 本発明の一実施形態によるＰＩにより構造未知成分の構造解析の説明図である。 本発明の一実施形態においてＰＩ条件を変更し、直接イオン化と化学イオン化を切り替える手法の説明図である。

符号の説明

１ ガスクロマトグラフ
２ カラム
３ リング電極
４ エンドキャップ電極
５ フィラメント
６ レーザ光源
７ 検出器
８ データ処理装置

Claims (5)

1. 試料に由来するイオンを質量分析する質量分析装置において、
   電極で包囲された空間に試料を導入する試料導入手段と、
   上記電極で包囲されたイオントラップ空間に電子を放出して、試料をイオン化する電子放出手段と、
   上記イオントラップ空間にレーザを照射して、試料をイオン化するレーザ照射手段と、
   上記イオントラップ空間から取り出されたイオンを検出するイオン検出手段と、
   上記電子放出手段及びレーザ照射手段の動作を制御するとともに、上記イオン検出手段により検出されたイオンに基づいて、試料を分析し、データ処理するデータ処理制御手段と、
   を備えることを特徴とする質量分析装置。
2. 請求項１記載の質量分析装置において、上記レーザ照射手段から照射されるレーザの波長、光線幅、照射時間のうちの一つまたは複数を任意に設定可能であることを特徴とする質量分析装置。
3. 請求項１又は２記載の質量分析装置において、既知成分の特徴的な部分分子構造情報と測定条件とをデータ処理制御手段が記憶し、未知成分の測定結果と照合することにより未知成分中の上記既知成分の有無を判別することを特徴とする質量分析装置。
4. 請求項２記載の質量分析装置において、上記イオントラップ空間内に挿入された試料導入手段の試料出口部近辺に照射されるレーザの線幅を任意に選択することにより、レーザによる試料成分のイオン化と、レーザの上記試料導入手段の出口部への照射により発生するバッファ成分と試料成分との化学イオン化による試料象成分のイオン化とを選択可能であることを特徴とする質量分析装置。
5. 請求項１記載の質量分析装置において、同一試料に対して、電子放出手段からの電子によるイオン化と、レーザ照射手段からのレーザによるイオン化との２つのイオン化を同一測定期間中に用いて試料の分析を行うことを特徴とする質量分析装置。
   

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