JP2006092980A

JP2006092980A - 質量分析装置

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Publication number: JP2006092980A
Application number: JP2004278670A
Authority: JP
Inventors: Masaki Yoshie; 正樹吉江; Shinji Yoshioka; 信二吉岡; Masayoshi Koda; 公良甲田; Tsukasa Shishika; 司師子鹿
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: 2004-09-27
Filing date: 2004-09-27
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2024-09-27
Also published as: JP4335106B2

Abstract

【課題】装置の大型化の抑制及び測定時間の短縮化を図りながら、分析対象成分の詳細な構造情報を、取得可能な質量分析装置を実現する。
【解決手段】エンドキャップ電極２とリング電極３と絶縁物４とで３ＤＱ部が形成され絶縁物４にガス導入口８が形成される、ガス導入口８には一本から複数管に分岐されるガス導入路７が接続される。各分岐管はマスフローメータ６を介して衝突ガス発生装置５に接続される。各衝突ガス発生装置５は互いに異なる種類の衝突ガスが封入されマスフローメータ６で混合ガス流量を設定し経路７内で混合した後３ＤＱ内に導入する。ガスは初めキセノンに設定しＭＳ/ＭＳ測定を開始し時間経過と共に分析対象の分子量は小さくなるため導入ガスにヘリウムを混合しガス種比率を勾配させる。単独の衝突セルを使用した一回のＭＳ/ＭＳ法で高分子から低分子量成分まで効率よく開裂し各分子の構造情報を取得できる。
【選択図】図１

Description

本発明は質量分析装置に係り、特に、質量分析装置における試料のイオン化に関する。

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、試料分子の構造情報を取得する手法としてＭＳ/ＭＳ法がある。このＭＳ/ＭＳ法では、試料分子イオンをヘリウムなどの衝突ガスを入れた衝突セルに導入し、衝突ガスと試料分子イオンとの衝突誘起開裂反応により試料分子を開裂させ、生成した試料分子に由来するプロダクトイオンのマススペクトルを取得し構造解析を行う。

この時、分析対象となる分子イオンの反応効率は、分子量や官能基の種類、分子構造などにより変化する。

ＭＳ/ＭＳ法では、開裂反応の条件調整を行なう必要があるが、開裂条件を変更する毎に、試料を導入して、得られた結果から条件を判定するという調整作業が必要である。

そこで、開裂反応の条件調整を、１回の試料注入により実行することができる技術が特許文献１に開示されている。

この特許文献１に開示された技術は、１成分で複数回、開裂条件を変更しながら、特定イオンを開裂反応させ、質量数を掃引してマススペクトルデータを得るものである。

ここで、質量分析装置として、三次元四重極質量分析装置(以下３ＤＱＭＳと略す)が知られている。この３ＤＱＭＳは、3ＤＱ部を保温・固定する絶縁物内にリング電極を配置し、この絶縁物上下にエンドキャップ電極を配置して３ＤＱQ部を構成している。

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部内で任意時間保持された後、エンドキャップ電極の細孔より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外へ排出して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掃印し、質量数毎にイオンを排出する。

上述した３ＤＱＭＳで、ＭＳ/ＭＳ法により分析を行う場合は、３ＤＱ内にヘリウムなどの衝突ガスと試料分子由来のイオンを導入し反応させる。

特開２０００−１７１４４２号公報

ところで、質量分析装置において、多成分をＭＳ/ＭＳ法により同時に分析する場合、各成分の開裂効率に差があり同一の開裂条件では分析が困難である場合がある。

このため、従来技術にあっては、一分析ごとにガス種、ガス流量などの条件を操作して複数回分析を行う必要があった。

上述した特許文献１記載の技術にあっては、開裂反応の条件調整を、１回の試料注入により実行することができるが、開裂条件の変更に際しては、その変更毎に、ガス種、ガス流量などの条件を操作して設定する必要があり、多数回の測定を行なう必要があった。

また、複数の手法によるＭＳ/ＭＳ法を一台の装置により一分析中に実行するためには、分子イオンの流路を分岐して複数箇所の衝突セルに導入し、それぞれ別条件で開裂させる、などの手法があるが装置が大型化し、操作が煩雑になる、コストが高くなるなどの問題があった。

本発明の目的は、装置の大型化の抑制及び測定時間の短縮化を図りながら、分析対象成分の詳細な構造情報を、取得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）本発明の質量分析装置は、試料に由来するイオンと衝突ガスとの衝突誘起開裂反応を行なうための衝突セル（３ＤＱ部）を有し、上記イオンを質量分析する。

上記質量分析装置は、上記衝突セル（３ＤＱ部）内に複数種類の衝突ガスを単独または混合して導入するためのガス導入路７と、上記複数種類の衝突ガスの上記衝突セルへの導入流量を、上記複数種類の衝突ガスのそれぞれについて調整するガス流量調整手段６と、上記衝突セル内に導入する衝突ガスの種類、流量及び衝突ガスの混合比の時間変化を調節するため、上記ガス流量調整手段６を制御する制御手段と備える。

（２）好ましくは、上記（１）上記衝突セル内部の圧力を調節するため衝突セルに形成される排気口１０と、この排気口１０からの排出ガス量を制御する制御弁１１とを備える。

（３）また、好ましくは、上記（１）において、上記制御手段は、上記衝突セルに印加する電界を制御すると共に、上記衝突セル内部のガス圧およびガス種により、上記衝突セルに印加される電圧値を制御する。

（４）また、好ましくは、上記（１）〜（３）において、分子量既知の複数物質の分析条件を決定し、その分析条件に従い、任意に決定した質量範囲の分析条件を算出するキャリブレーション曲線を作成し、上記制御手段は、上記作成したキャリブレーション曲線を用い単位分析時間ごとに各分析条件を変化させることにより分析対象成分ごとに最適な開裂条件で分析する。

（５）また、好ましくは、上記（１）〜（４）において、任意に質量範囲を設定し標準試料を導入することにより、上記制御手段が自動で該当する質量範囲の分析条件を設定する。

本発明によれば、装置の大型化の抑制及び測定時間の短縮化を図りながら、分析対象成分の詳細な構造情報を、取得可能な質量分析装置を実現することができる。

また、本発明の質量分析装置によれば、各分析対象成分を最適なＭＳ/ＭＳ条件で開裂させることが可能であるため、対象成分の詳細な構造情報が簡便に取得可能である。

また、一回の分析操作で低分子量成分から高分子量成分までのＭＳ/ＭＳ測定が可能であり、省力化が図れる。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。なお、本発明の実施形態は、イオン源としてエレクトロスプレーイオン源、衝突セルに３ＤＱ部を使用した質量分析装置に適用した場合の例である。

また、本発明の実施形態においては、分析され高分子量成分を(Ａ)とし、分析される低分子量成分を(Ｂ)とした場合の混合試料におけるＭＳ/ＭＳ分析を行なう場合を例として説明する。

図１は、本発明の一実施形態である質量分析装置の概略構成図である。
図１において、エレクトロスプレーイオン源１は、分析対象試料に対して電圧印加、噴霧を行なうことによりイオン化し、３ＤＱ部内に導入する。この３ＤＱ部は、エンドキャップ電極２と、リング電極３と、絶縁物４とにより形成される。エンドキャップ電極２とリング電極３とは、絶縁物４により固定されると共に支持されている。

絶縁物４には、ガス導入口８が形成され、このガス導入口８には、ガス導入路７が連結されている。このガス導入路７は、ガス導入口８には、一本の管が接続され、この一本の管が複数管に分岐されている。分岐した管のそれぞれには、３ＤＱ部内へのガス流量を調整するためのマスフローメータ６を介して衝突ガス発生装置５が接続されている。

複数の衝突ガス発生装置５のそれぞれは、互いに異なる種類の衝突ガスが封入されている。

3ＤＱ部内の圧力は、この３ＤＱ部内に配置された圧力センサ９により測定される。また、絶縁物４には、３ＤＱ部内の圧力を調整するための排気口１０が形成されている。この排気口１０には、制御弁１１が配置されており、この制御弁１１の開閉度により排気量が調整される。

マスフローメータ６の調製量（開閉度）は、制御手段（図示せず）により、制御される。この制御手段は、圧力センサ9からの圧力検出値が供給されており、供給された圧力値に従って、所定の圧力値となるように、制御弁１１の開閉度を制御する。

３ＤＱ内のイオンは、質量数毎に３ＤＱ内から検出器１２に排出され、この検出器１２により検出され、マススペクトルデータが取得される。

イオン源１より３ＤＱ部に導入された試料分子由来のイオンは、３ＤＱ内で上記制御手段により設定された任意時間蓄積される。このとき、３ＤＱ内に一定の圧力になるように、衝突ガス発生装置５からの衝突ガスを充填しておくことにより衝突ガスと分子イオンの衝突により分子開裂反応を起こす。

ここで、単独種のガスのみを使用する場合は使用ガス種のマスフローメータ６のみから任意に設定した流量でガスを導入し、他のラインからのガスの導入は行わない。

複数種類のガスを混合して使用する場合は、使用ガス種のマスフローメータ６により混合する各ガスの流量を設定し、経路７内で混合した後、３ＤＱ内に導入する。衝突ガスの種類、混合比が変化するとイオンのトラップ効率も変化するため、その都度、導入ガス量を最適化する必要がある。

本発明では、上述したように、導入ガス量を迅速に最適値とする手段として、マスフローメータ６の流量調節とともに、別に設けた排気口１０からの排気量も併せて調節する。

ガス流量と同様に、衝突ガス種により、３ＤＱの電極に印加する高周波電圧も最適化する必要がある。

本発明では、分子量既知の複数の標準試料を用いて試料ごとに条件を最適化した後、キャリブレーション曲線を作成し、導入ガス種類と同期させて、高周波電圧を時間変化させることにより、何れのガス種においても最適なトラップ条件を設定する。

なお、試料の分離に使用する分離カラムのうち、ＧＰＣカラムを使用した場合、試料中の成分は分子量が大きいものから順次溶出する。ＭＳ/ＭＳ法においては、一般的にヘリウムなどの希ガスが衝突ガスとして使用されるが、高分子量成分を開裂させるためには大きな衝突エネルギーを持つキセノン、アルゴンなど質量数の大きい希ガスを使用し、反応効率を向上することが可能である。

しかし、低分子量成分では衝突エネルギーが大きすぎるため、逆に反応効率が低下してしまうが、成分の分離にＧＰＣ等の分離カラムを用い、溶出時間に合わせて、使用する反応ガスの種類、混合比率を変化させることにより、対象成分の分子量分布が広範な場合でも、各成分を効率よく開裂することが可能である。ＧＰＣカラムを用いた場合、試料中の成分の分離は分子量に依存し、高質量成分から溶出する。

本発明の一実施形態においては、反応に使用する衝突ガスを、初めキセノンガスに設定し、ＭＳ/ＭＳ測定を開始する。時間経過とともに分析対象成分の分子量は徐々に小さくなっていくため、これに併せて導入するガスにヘリウムを混合していき、ガス種比率の勾配を作成する。

この手法によれば、単独の衝突セルを使用した一回のＭＳ/ＭＳ測定により、高分子量成分から低分子量成分までを効率よく開裂し、各分子の構造情報を取得することが可能である。

また、別手法として、ガス導入口をガス種ごとに独立して設置し、衝突セル内の圧力を一定として各ガス種の分圧を制御することによっても同様の効果が得られる。

次に、衝突ガスとしてヘリウム及びキセノンを使用した場合を例として、反応ガス種の最適化、ガス流量の最適化、トラップ電圧の最適化について、説明する。

１．反応ガス種の最適化
図２は、反応ガス種を最適化するための動作フローチャートである。
各成分のＭＳ/ＭＳ分析におけるプリカーサイオンとなるイオンの検出強度を確保するために、イオン化条件を設定する。

ステップ２０１において、分子量が（Ｘ）以下の（Ａ）と、（Ｙ）以上の（Ｂ）となると予測される分子量既知の標準高分子量物質（Ｘ）、標準低分子量物質（Ｙ）をシリンジポンプなどにより連続的にイオン源１に送液し、エレクトロスプレーイオン化法によりイオン化し３ＤＱ部に導入する。

次に、ステップ２０２において、３ＤＱ部には衝突ガスおよびイオンを減速するバッファーガスとしてヘリウムを一定流量で流入しておくが、この段階ではイオン開裂のためのＣＩＤ電圧は印加せず、プリカーサイオンの強度を検出する。３ＤＱ内へのイオンの蓄積時間を任意に調整し、プリカーサイオン強度が最大となる蓄積時間を確認し、上記制御手段内に記憶する。

次に、３ＤＱ部に印加するＣＩＤ電圧をＯＮとしＭＳ／ＭＳにより生成するプロダクトイオンを、上記制御手段に接続される表示手段により、オペレータがモニターする。

高分子量物質（Ｘ）のプロダクトイオンのスペクトルパターンを、上記制御手段より確認しながら、キセノンガス流路およびヘリウムガス流路のマスフローコントローラ６、６を操作する。

３ＤＱ内の圧力が一定となるように保ちながら、キセノン／ヘリウム混合比率を変化させる。目的とするプロダクトイオン強度が最大となる条件を最適条件としてガス比率を上記制御手段に記憶し、同様に、低分子量物質（Ｙ）についても最適条件を記憶する。

この二点のガス比率を基にキャリブレーション曲線を作成し、分析時のガス変化率を決定し上記制御手段に記憶する。

次に、ステップ２０３において、高分子量成分（Ａ）と低分子量成分（Ｂ）とが混合した実際の分析対象試料の分析を開始する。

測定開始から、上述した条件設定により設定したキャリブレーション曲線に沿って、（Ｘ）と（Ｙ）との混合比率によりガス比率を変化させながら、測定を連続的に行なうこととなる。

２．ガス流量の最適化
図３は、ガス流量を最適化するための動作フローチャートである。
ガス流量の最適化は、衝突ガス種の最適化と同様に、プリカーサイオン強度を確認した後、標準高分子量物質（Ｘ）、標準低分子量物質（Ｙ）のそれぞれについて最適化を図る。

ステップ３０１において、標準高分子量物質（Ｘ）、標準低分子量物質（Ｙ）をイオン化し３ＤＱ部に導入する。

次に、ステップ３０２において、最適化したガス混合比率で、反応ガスを導入する。そして、ＣＩＤ電圧ＯＦＦの状態で、モニター画面により物質（Ｘ）のターゲットイオンｍ/ｚ＝ｘのマスクロマトグラムを確認し、イオン強度が最大となるイオン蓄積時間を設定する。

そして、ＣＩＤ電圧をＯＮとし、プロダクトイオンｍ/ｚ＝ｘのマスクロマトグラムを確認する。

ガス混合比率は固定した状態で、マスフローメータ（マスフローコントローラ）６の設定を変化させ、導入ガス量を変化させる。目的とするプロダクトイオン強度が最大となる条件を最適条件としてガス流量を上記制御手段（ＰＣ）に記憶し、分析条件に設定する。

同様に、低分子量物質（Ｙ）についてもガス流量の最適条件を確認し、記憶する。

（Ｘ）、（Ｙ）それぞれの最適条件によりキャリブレーション曲線を作成し、上記制御手段に記憶する。

測定開始から、上述した条件設定により設定したキャリブレーション曲線に沿って、（Ｘ）と（Ｙ）のガス流量を変化させながら、測定を連続的に行なうこととなる。この場合、先に設定したガス比率のキャリブレーション曲線に沿ってガス比率を変化させることとなる。

３．トラップ電圧の最適化
図４は、トラップ電圧の最適化の動作フローチャートである。
先に最適化したガス種、ガス流量（衝突ガス導入条件）を基に、各成分のトラップ条件を最適化する。

ステップ４０１は、ステップ２０１、３０１と同様である。

ステップ４０２において、トラップ時には、ＣＩＤ電圧は印加しないため、先に決定した各成分のガス導入条件でガスを導入し、（Ｘ）、（Ｙ）について、３ＤＱ部に印加する電圧値を走査してプリカーサイオン強度が最大となる電圧値を最適条件として決定する。

そして、（Ｘ）、（Ｙ）のそれぞれについての最適条件により電圧値のキャリブレーション曲線を作成する。

上記ガス種の最適化、ガス流量、トラップ電圧の最適化で作成したキャリブレーション曲線（図５の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示す）によって設定分析時間内で反応条件を上記制御手段上で設定する。

次に、ステップ４０３において、高分子量成分（Ａ）と低分子量成分（Ｂ）とが混合した実際の分析対象試料の分析を開始する。

測定開始から、上述した条件設定により設定したキャリブレーション曲線に沿って、電圧値を変化させながら、測定を連続的に行なうこととなる。

以上により決定した分析条件を用いて、高分子量成分（Ａ）と、低分子量成分（Ｂ）とを含む試料を分析する。

次に、本発明の一実施形態において、試料の分離、イオン化手段として、低流量（１０〜５００μＬ）の液体クロマトグラフ装置とエレクトロスプレーイオン源とを用い、分離カラムの一例としてＧＰＣカラムを使用して得られた結果を図６に示す。

分離カラムに導入された混合試料中の成分は、分離カラムにより分離され高分子量成分から順次溶出する。図６に示すように、分析開始時（Ｔ＝０）において、先に決定したガス変化率により算出される最適ガス混合比率で衝突ガスを導入し、分析が進行するとともにガス比率を変化させる（図示した例では、キセノン/ヘリウムの比率を１から０へと、時間経過と共に変化させる）。

分析終了時（Ｔ＝ｔ）まで、算出した混合比率となるように設定を行うと、分子量毎に最適な衝突ガス混合比率で連続してＭＳ／ＭＳ分析が可能であり、一回の分析で高分子量成分から低分子量成分までの構造情報を取得することが可能である。

つまり、混合比率が高い場合には、分子量が高い成分の構造成分情報が得られ、混合比率が低い場合には、分子量が低い成分の構造情報が、一回の分析処理（分析時間）で連続して得られる。

また、キャリブレーション曲線の勾配が急激な場合や、単位時間ごとに３ＤＱの内部圧力を急激に上下させる必要がある場合には、導入流量だけでなく、排気口１０から排出するガス流量を制御弁１１により調節することにより対応可能である。

例えば、急激に３ＤＱの内部圧力を低下させる必要がある場合（圧力α→βに低下させる場合とする）には、圧力センサ９から検知した実際の圧力（α）を上記制御手段より確認し、必要圧力（β）との差（α−β）が設定圧力差（Ｐ）を超えた場合、上記制御手段が自動的に制御弁１１を開いて排気を行うことも可能である。

また、本発明は、図７に示すように、四重極質量分析部１３など複数種類のイオンレンズを連結した質量分析装置では、反応場として四重極部分を使用することも可能であり、図７に示した例では四重極部１３と３ＤＱ部１４との双方に、図１に示したガス配管７を施し、複数の衝突ガス発生装置５をマスフローメータ6と共に接続する。そして、四重極部１３と３ＤＱ部１４に供給する、衝突ガス流量を、マスフローメータ6を個別に制御することにより、四重極部１３と３ＤＱ部１４とで異なる条件で開裂させることも可能である。

また、上記制御手段によって、使用する標準試料分子量と必要質量範囲とを設定し、標準試料を導入することで各キャリブレーション曲線を自動的に算出し、分析条件に反映することも容易に実現可能である。

なお、上述した例においては、衝突ガスとして、ヘリウム、キセノンの２種類を用いたが、その他のガスを用いることも可能である。

また、ヘリウム、キセノン、アルゴン、その他の３種類以上のガスを使用することも可能である。

また、本発明の質量分析装置によれば、対象成分の分子量分布域が広いタンパク質解析、合成高分子の構造解析などにおいて、詳細な構造情報を一回の測定で取得可能であり、分析の高精度化、省力化が可能である。

さらに、本発明は、環境分析等に汎用されるガスクロマトグラフ／質量分析装置、液体クロマトグラフ／質量分析装置などに応用可能で、高精度な分析を実現することができる。

本発明の一実施形態である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おいて、反応ガス種を最適化するための動作フローチャートである。本発明の一実施形態において、ガス流量を最適化するための動作フローチャートである。本発明の一実施形態において、トラップ電圧の最適化の動作フローチャートである。本発明の一実施形態において、決定したキャリブレーション曲線を示す図である。本発明の一実施形態において、混合ガスの混合比率を連続的に時間変化させて、得られた構造情報を示す図である。本発明を四重極質量分析部と３ＤＱ部とを連結した質量分析装置に適用した場合の例を示す図である。

符号の説明

１エレクトロスプレーイオン源
２エンドキャップ電極
３リング電極
４絶縁物
５衝突ガス発生装置
６マスフローメータ
７ガス導入路
８ガス導入口
９圧力センサ
１０排気口
１１制御弁
１２検出器
１３四重極質量分析部
１４３ＤＱ部

Claims

試料に由来するイオンと衝突ガスとの衝突誘起開裂反応を行なうための衝突セルを有し、上記イオンを質量分析する質量分析装置において、
上記衝突セル内に複数種類の衝突ガスを単独または混合して導入するためのガス導入路と、
上記複数種類の衝突ガスの上記衝突セルへの導入流量を、上記複数種類の衝突ガスのそれぞれについて調整するガス流量調整手段と、
上記衝突セル内に導入する衝突ガスの種類、流量及び衝突ガスの混合比の時間変化を調節するため、上記ガス流量調整手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする質量分析装置。
請求項１記載の質量分析装置において、上記衝突セル内部の圧力を調節するため衝突セルに形成される排気口と、この排気口からの排出ガス量を制御する制御弁とを備えることを特徴とする質量分析装置。
請求項１の質量分析装置において、上記制御手段は、上記衝突セルに印加する電界を制御すると共に、上記衝突セル内部のガス圧およびガス種により、上記衝突セルに印加される電圧値を制御することを特徴とする質量分析装置。
請求項１〜３のうちのいずれか一項記載の質量分析装置において、分子量既知の複数物質の分析条件を決定し、その分析条件に従い、任意に決定した質量範囲の分析条件を算出するキャリブレーション曲線を作成し、上記制御手段は、上記作成したキャリブレーション曲線を用い単位分析時間ごとに各分析条件を変化させることにより分析対象成分ごとに最適な開裂条件で分析することを特徴とする質量分析装置。
請求項１〜４のうちのいずれか一項記載の質量分析装置において、任意に質量範囲を設定し標準試料を導入することにより、上記制御手段が自動で該当する質量範囲の分析条件を設定することを特徴とする質量分析装置。