JP2008180659A

JP2008180659A - 大気圧イオン化法および試料保持装置

Info

Publication number: JP2008180659A
Application number: JP2007015695A
Authority: JP
Inventors: Sumitaka Konuma; 小沼純貴; Mai Kobayashi; 小林舞; Akihiko Kusai; 草井明彦; Yoshihiko Miwa; 三輪義彦
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2007-01-26
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2008-08-07
Anticipated expiration: 2027-01-26
Also published as: JP5020648B2

Abstract

【課題】固体表面に強く吸着し、熱脱着が困難な成分に対しても、熱分解を抑制しつつ、質量分析において高い検出感度を得ることのできる大気圧イオン化法および試料保持装置を提供する。
【解決手段】大気圧下、放電または電位差によって生成する励起粒子または荷電粒子を利用して試料をイオン化させる大気圧イオン化法において、予め前記試料に液状化合物を付着させ、付着した液状化合物に前記励起粒子または荷電粒子を当てることによって試料をイオン化させるようにした。
【選択図】図４

Description

本発明は、大気圧イオン源に使用されるイオン化方法と、そのための試料保持装置に関する。

大気圧イオン化法にはさまざまな方法が知られているが、近年、ＤＡＲＴ（Direct Analysis in Real Time）(米国登録商標)と呼ばれる電荷を持たない励起されたガス分子（原子）を用いた大気圧イオン化法が注目されている。これは、コロナ放電またはグロー放電によって生成した励起分子を大気圧下で試料と反応させ、試料をイオン化して、質量分析計のイオン導入口（以下、オリフィスと呼ぶ）に導入させるものである。

ＤＡＲＴの原理図を図１に示す。ＤＡＲＴはほぼ大気圧に置かれた連通する３つの部屋で構成されている。まず、第１の部屋１は、ニードル電極５を備え、コロナ放電またはグロー放電によって励起分子を生成させる役割を持っている。第１の部屋１にはヘリウム、ネオン、窒素などのキャリアガスを導入するためのガス導入管４が接続され、第１の部屋１をガスで満たすことができるようになっている。以下、ヘリウムを例にとって説明する。

第１の部屋１と第２の部屋２との間の仕切り６（対向電極）は接地電位に設定されており、第１の部屋１に取り付けられたニードル電極５と仕切り６との間でコロナ放電またはグロー放電を起こさせることができるようになっている。このコロナ放電またはグロー放電により、第１の部屋１に導入された例えば基底一重項分子ヘリウムガスＨｅ（１^１Ｓ）は、ヘリウムイオンＨｅ^＋、電子ｅ⁻、および、１９．８ｅＶに励起された励起三重項分子Ｈｅ（２^３Ｓ）の混合物に変化する。

第２の部屋２と第３の部屋３との間の仕切り７（穴あき円盤電極）は約１００Ｖに設定されていて、接地電位の仕切り６との間で電位勾配が設けられている。第２の部屋２では第１の部屋１で生成したヘリウムイオンＨｅ^＋と電子ｅ⁻をブロックし、中性の励起三重項分子Ｈｅ（２^３Ｓ）のみを通過させる。ヘリウムイオンＨｅ^＋は仕切り７で反射され、電子ｅ⁻は仕切り７で吸収される。

第２の部屋２を通過した励起三重項分子Ｈｅ（２^３Ｓ）は、第３の部屋３において、図示しないヒータによって加熱される。この加熱は、試料の気化、熱脱離を助ける目的でなされるものである。

第３の部屋３の出口部８はグリッド電極（仕切り）になっており、約２５０Ｖの電圧が印加されている。一方、オリフィス１０には、約３０Ｖの電圧が印加されているので、第３の部屋３の出口部８からオリフィス１０に向けては、正イオンが加速される電位勾配が発生する。

尚、ＤＡＲＴでは、ガス分子の励起を効率良く行なうために、ニードル電極５、仕切り６、仕切り７、出口部８はほぼ直線上に配置されている。

第３の部屋３で加熱された中性の励起三重項分子Ｈｅ（２^３Ｓ）は、出口部８を介してヘリウムガスの流れに乗って外に取り出され、流れの中に配置される試料９に接触する。試料９は、固体でも液体でも良い。その際、励起三重項分子Ｈｅ（２^３Ｓ）は大気中の水分子と反応して、水分子をペニングイオン化する。この水分子正イオンが大気中の水と水クラスター正イオンを形成し、さらにこの水クラスター正イオンが試料９と反応してプロトンＨ^＋が試料分子Ｍに付加した試料イオンＭＨ^＋が生成する。

イオン化のメカニズムを表わしたものが図２である。図２のメカニズムに基づいて生成した正イオンＭＨ^＋は、第３の部屋３の出口部８からオリフィス１０に向けて発生した負の電位勾配に従って、オリフィス１０に吸い込まれ、図示しない質量分析計により質量分析がなされる。

尚、この例は正イオンが生成する場合の例であるが、負イオンが生成する場合には、出口部８とオリフィス１０の間に印加される電位勾配の向きを逆にする必要がある。

米国特許第６９４９７４１号公報。

ＷＯ２００４／０９８７４３号公報。

特表平２００６−５２３３６７号公報。

このようなＤＡＲＴイオン源における、従来のイオン化方法の一例を図３に示す。

まず、固体表面１４（例えば薄層クロマトグラフィーの薄層板の表面など）に吸着した成分１３、もしくは固体成分そのもの１５を大気圧下でイオン化するため、ＤＡＲＴイオン源のノズル１１から噴出される加熱された励起ガス１２が、固体表面１４に吸着した成分１３もしくは固体成分そのもの１５に当てられる。固体表面１４に吸着した成分１３もしくは固体成分そのもの１５は、加熱された励起ガス１２がエネルギー供与体となり、熱脱着を伴う大気圧化学イオン化法によってイオン化される。イオン化した成分１６は、質量分析装置の導入口であるオリフィス１７に入り、質量分析される。

ところが、このような方法においては、固体表面と吸着成分との吸着力が熱脱着のために与えられたエネルギーよりも高い場合は、固体表面からの成分の気化効率が低いため、イオン化する絶対量が下がり、その結果、質量分析において高い検出感度が望めないという問題があった。

また、熱脱着のための加熱を試料に対して直接行なうと、目的成分の熱分解（脱水反応）を引き起こすことがある。その場合は、生成されるイオンが脱水反応を起こして脱水イオン化し、失われた水分子の分だけ質量が小さくなって、真の質量情報が得られないという問題があった。

本発明の目的は、上述した点に鑑み、固体表面に強く吸着し、熱脱着が困難な成分に対しても、熱分解を抑制しつつ、質量分析において高い検出感度を得ることのできる大気圧イオン化法および試料保持装置を提供することにある。

この目的を達成するため、本発明にかかる大気圧イオン化法は、
大気圧下、放電または高電界によって生成する励起粒子または荷電粒子を利用して試料をイオン化させる大気圧イオン化法において、
予め前記試料に液状化合物を付着させ、付着した液状化合物に前記励起粒子または荷電粒子を当てることによって試料をイオン化させるようにしたことを特徴としている。

また、前記液状化合物の付着方法は、スポンジローラーによる塗布であることを特徴としている。

また、前記液状化合物の付着方法は、スプレーノズルによる噴霧であることを特徴としている。

また、前記液状化合物の付着方法は、シリンジまたはスポイドによる滴下であることを特徴としている。

また、前記液状化合物は、アルキル基、ハロゲン、ヒドロキシ基、アミノ基、シアノ基、ニトロ基、カルボニル基、アゾ基、アジ基、チオール基、スルホ基、アリール基、ベンジル基、エーテル結合、エステル結合、アミド結合、ウレタン結合、スルフィド結合に代表される官能基を有する直鎖および環状炭化水素類、芳香族および複素芳香族化合物類の液状化合物、もしくはそれらを含む混合物であることを特徴としている。

また、前記液状化合物は、とくにグリセロールに代表されるグリコール類を含むｎ価アルコール類（n≧1）、ヒドロキシ基を有するフェノール類、アミン類を含む液状化合物であることを特徴としている。

また、前記励起粒子または荷電粒子を加熱して試料に当てることを特徴としている。

また、本発明にかかる試料保持装置は、
大気圧下、放電または高電界によって生成する励起粒子または荷電粒子の流れの中に試料を配置して該励起粒子または荷電粒子を試料に当て、試料をイオン化するように構成された大気圧イオン源の試料保持装置において、
前記励起粒子または荷電粒子の流れの外から流れの中へ前記試料を移動させる際に、予め前記試料の表面に液状化合物を付着させるようにしたことを特徴としている。

本発明にかかる大気圧イオン化法によれば、
大気圧下、放電または高電界によって生成する励起粒子または荷電粒子を利用して試料をイオン化させる大気圧イオン化法において、
予め前記試料に液状化合物を付着させ、付着した液状化合物に前記励起粒子または荷電粒子を当てることによって試料をイオン化させるようにしたので、
固体表面に強く吸着し、熱脱着が困難な成分に対しても、熱分解を抑制しつつ、質量分析において高い検出感度を得ることのできる大気圧イオン化法を提供することができる。

また、本発明にかかる試料保持装置によれば、
大気圧下、放電または高電界によって生成する励起粒子または荷電粒子の流れの中に試料を配置して該励起粒子または荷電粒子を試料に当て、試料をイオン化するように構成された大気圧イオン源の試料保持装置において、
前記励起粒子または荷電粒子の流れの外から流れの中へ前記試料を移動させる際に、予め前記試料の表面に液状化合物を付着させるようにしたので、
固体表面に強く吸着し、熱脱着が困難な成分に対しても、熱分解を抑制しつつ、質量分析において高い検出感度を得ることのできる試料保持装置を提供することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。

図４は、本発明にかかる大気圧イオン化法および試料保持装置の一実施例である。最初に、ホルダー２４に目的成分２６を含む固体（例えば薄層クロマトグラフィーの薄層板など）２５を載せる。

ＤＡＲＴイオン源のノズル２１と質量分析装置のオリフィス２９は対向配置されている。両者を結ぶ軸線と交差する方向に設置されたレール２３に沿って、試料２５を載せたホルダー２４が、励起ガス分子２２の流れの外から流れの中に向けて、図示しない駆動機構に駆動されて移動する。その際に、スポンジローラー２７によって液状化合物２８が目的成分２６上もしくは固体２５表面に塗布される。

使用される液状化合物としては、アルキル基、ハロゲン、ヒドロキシ基、アミノ基、シアノ基、ニトロ基、カルボニル基、アゾ基、アジ基、チオール基、スルホ基、アリール基、ベンジル基、エーテル結合、エステル結合、アミド結合、ウレタン結合、スルフィド結合に代表される官能基を有する直鎖および環状炭化水素類、芳香族および複素芳香族化合物類の液状化合物、もしくはそれらを含む混合物であることが好ましい。

さらに言えば、液状化合物としては、グリセロールに代表されるグリコール類を含むｎ価アルコール類（n≧1）、ヒドロキシ基を有するフェノール類、アミン類を含む液状化合物であることがより一層好ましい。

液状化合物が塗布された後、ＤＡＲＴによる大気圧イオン化法で試料をイオン化させるために、ノズル２１から噴出される加熱された励起ガス２２が塗布された液状化合物２８の表面に当てられる。

加熱された励起ガス２２がエネルギー供与体となり、塗布された液状化合物２８は、目的成分２６または固体２５とともに熱脱着を伴う大気圧化学イオン化法によってイオン化される。イオン化した成分３０は、質量分析装置の導入口であるオリフィス２９に入り、質量分析される。

この方法では、固体表面に強く吸着し加熱による熱脱着が困難な測定対象成分に対し、液状化合物を滴下することによって、固−液抽出もしくは固体表面に対する吸着成分と液状化合物の置換作用を起こさせ、液状化合物中に測定対象成分が抽出されることにより、液状化合物中に多量の測定対象成分が取り込まれる。

尚、分析対象試料が脂溶性分子の場合には、液状化合物としてグリセロールなどのグリコール類にDMSOなどの疎水性溶媒を混合したものを用いて抽出効率を上げることが考えられる。逆に、分析対象試料が水溶性分子の場合には、液状化合物としてグリセロールなどのグリコール類にメタノールなどの親水性溶媒を混合したものを用いて抽出効率を上げることが考えられる。

このようにして多量の測定対象成分が取り込まれた液状化合物に対してイオン化が行なわれると、液状化合物を滴下しない従来の方法よりも高い検出感度を得ることができる。しかも、イオン化のメカニズム自体は、従来とほぼ同じであり、プロトンＨ^＋や、液状化合物に由来する荷電粒子（イオンや電子）が付加した試料イオンが生成する。

また、加熱により熱分解されやすい成分に対しては、液状化合物が熱緩衝材となることにより、熱分解（脱水反応）の抑制を図ることができる。

また、液状化合物には、高粘性のものを使用することにより、低粘性液状化合物の場合よりも安定したイオン生成を提供することができる。

これにより、従来の方法ではイオン化できなかった試料がイオン化できるようになったり、あるいは従来の方法で何も塗布せずにイオン化ができていた場合でも、本発明の方法によりグリセロールを塗布した場合に、その検出感度が従来の１０倍以上に向上したりするなど、顕著な効果が得られることが分かった。

図５は、本発明にかかる大気圧イオン化法および試料保持装置の別の実施例である。最初に、ホルダー３４に目的成分３６を含む固体（例えば薄層クロマトグラフィーの薄層板など）３５を載せる。

ＤＡＲＴイオン源のノズル３１と質量分析装置のオリフィス３９は対向配置されている。両者を結ぶ軸線と交差する方向に設置されたレール３３に沿って、試料３５を載せたホルダー３４が、励起ガス分子３２の流れの外から流れの中に向けて、図示しない駆動機構に駆動されて移動する。その際に、スプレーノズル３７によって液状化合物（例えばアルコール類、またはグリセロールに代表されるグリコール類を含む液状化合物）３８が目的成分３６上もしくは固体３５表面に噴霧される。

液状化合物が噴霧された後、ＤＡＲＴによる大気圧イオン化法で試料をイオン化させるために、ノズル３１から噴出される加熱された励起ガス３２が噴霧された液状化合物３８の表面に当てられる。

加熱された励起ガス３２がエネルギー供与体となり、噴霧された液状化合物３８は、目的成分３６または固体３５とともに熱脱着を伴う大気圧化学イオン化法によってイオン化される。イオン化した成分４０は、質量分析装置の導入口であるオリフィス３９に入り、質量分析される。

これにより、従来の方法ではイオン化できなかった試料がイオン化できるようになったり、あるいは従来の方法でイオン化ができていた場合でも、本発明の方法によりその検出感度が向上するなど、顕著な効果が得られる。

図６は、本発明にかかる大気圧イオン化法および試料保持装置の別の実施例である。最初に、ホルダー４４に目的成分４６を含む固体（例えば薄層クロマトグラフィーの薄層板など）４５を載せる。

ＤＡＲＴイオン源のノズル４１と質量分析装置のオリフィス４９は対向配置されている。両者を結ぶ軸線と交差する方向に設置されたレール４３に沿って、試料４５を載せたホルダー４４が、励起ガス分子４２の流れの外から流れの中に向けて、図示しない駆動機構に駆動されて移動する。その際に、シリンジあるいはスポイド４７によって液状化合物（例えばアルコール類、またはグリセロールに代表されるグリコール類を含む液状化合物）４８が目的成分４６上もしくは固体４５表面に滴下される。

液状化合物が滴下された後、ＤＡＲＴによる大気圧イオン化法で試料をイオン化させるために、ノズル４１から噴出される加熱された励起ガス４２が滴下された液状化合物４８の表面に当てられる。

加熱された励起ガス４２がエネルギー供与体となり、滴下された液状化合物４８は、目的成分４６または固体４５とともに熱脱着を伴う大気圧化学イオン化法によってイオン化される。イオン化した成分５０は、質量分析装置の導入口であるオリフィス４９に入り、質量分析される。

試料に予め液状化合物を付着させた上で試料をイオン化させる本発明のイオン化方法および試料保持装置は、ＤＡＲＴ以外にも、放電によって生成する荷電粒子（イオンや電子など）を利用して試料をイオン化する大気圧化学イオン化（ＡＰＣＩ）法、高電界中に試料溶液を噴霧して試料をイオン化させるエレクトロスプレーイオン化（ＥＳＩ）法、高電界中に溶媒のみを噴霧し、イオン化した溶媒分子を試料に当てて試料をイオン化させるデソープションＥＳＩ（ＤＥＳＩ）法などに適用することが可能である。

具体的には、実施例１のＤＡＲＴイオン源ノズル２１、実施例２のＤＡＲＴイオン源ノズル３１、および実施例３のＤＡＲＴイオン源ノズル４１を、ＡＰＣＩイオン源ノズル、ＥＳＩイオン源ノズル、またはＤＥＳＩイオン源ノズルと置き換えるだけで良い。

イオン化のメカニズムは、ＤＡＲＴの場合、励起粒子が測定試料近傍で大気中の水分子と反応して水分子がイオン化し、水分子イオンが水クラスターイオンとなり、更に水クラスターイオンがイオン分子反応によって試料分子と反応して、プロトンＨ^＋の付加した試料イオンが生成するというものであった。

それに対し、ＡＰＣＩの場合は、溶媒分子がコロナ放電によってまずイオン化し、溶媒分子イオンがイオン分子反応によって試料分子と反応して、プロトンＨ^＋や、溶媒分子に由来する荷電粒子（イオンや電子）が付加した試料イオンが生成するというものである。

また、ＥＳＩとＤＥＳＩの場合は、イオン源において生成する帯電液滴が溶媒を失う過程でイオンを生成し、そのイオンと試料分子での電荷移動によって、即ちプロトンＨ^＋ないし電子、あるいは溶媒に由来する荷電粒子（イオンや電子）が付加または脱離することによって試料イオンが生成するというものである。

使用されるイオン源によって試料イオン生成のメカニズムは若干異なるものの、荷電粒子と試料分子間で電荷の移動が行なわれる点で、ＤＡＲＴと共通する側面を持っている。

固体試料が粉末試料のような場合にも、液状化合物（例えばアルコール類、またはグリセロールに代表されるグリコール類を含む液状化合物）を粉末に付着させるだけで測定対象成分の抽出が起こり、イオン化の効率を高めることができる。従って、粉末試料に液状化合物を混ぜ込む混練操作は、必ずしも本質的操作ではないということが言える。

大気圧イオン化法を用いた質量分析に広く利用できる。

ＤＡＲＴの原理図である。ＤＡＲＴによるイオン化のメカニズムを説明する図である。従来のＤＡＲＴイオン化法を示す図である。本発明にかかるＤＡＲＴイオン化法と試料保持装置の一実施例である。本発明にかかるＤＡＲＴイオン化法と試料保持装置の別の実施例である。本発明にかかるＤＡＲＴイオン化法と試料保持装置の別の実施例である。

符号の説明

１：第１の部屋、２：第２の部屋、３：第３の部屋、４：ガス導入管、５：ニードル電極、６：仕切り、７：仕切り、８：出口部、９：試料、１０：オリフィス、１１：ＤＡＲＴイオン源のノズル、１２：励起ガス、１３：吸着した成分、１４：試料固体、１５：試料固体、１６：イオン化した成分、１７：オリフィス、２１：ＤＡＲＴイオン源のノズル、２２：励起ガス、２３：レール、２４：ホルダー、２５：試料固体、２６：目的成分、２７：スポンジローラー、２８：液状化合物、２９：オリフィス、３０：イオン化した成分、３１：ＤＡＲＴイオン源のノズル、３２：励起ガス、３３：レール、３４：ホルダー、３５：試料固体、３６：目的成分、３７：スプレーノズル、３８：液状化合物、３９：オリフィス、４０：イオン化した成分、４１：ＤＡＲＴイオン源のノズル、４２：励起ガス、４３：レール、４４：ホルダー、４５：試料固体、４６：目的成分、４７：シリンジまたはスポイド、４８：液状化合物、４９：オリフィス、５０：イオン化した成分

Claims

大気圧下、放電または高電界によって生成する励起粒子または荷電粒子を利用して試料をイオン化させる大気圧イオン化法において、
予め前記試料に液状化合物を付着させ、付着した液状化合物に前記励起粒子または荷電粒子を当てることによって試料をイオン化させるようにしたことを特徴とする大気圧イオン化法。
前記液状化合物の付着方法は、スポンジローラーによる塗布であることを特徴とする請求項１記載の大気圧イオン化法。
前記液状化合物の付着方法は、スプレーノズルによる噴霧であることを特徴とする請求項１記載の大気圧イオン化法。
前記液状化合物の付着方法は、シリンジまたはスポイドによる滴下であることを特徴とする請求項１記載の大気圧イオン化法。
前記液状化合物は、アルキル基、ハロゲン、ヒドロキシ基、アミノ基、シアノ基、ニトロ基、カルボニル基、アゾ基、アジ基、チオール基、スルホ基、アリール基、ベンジル基、エーテル結合、エステル結合、アミド結合、ウレタン結合、スルフィド結合に代表される官能基を有する直鎖および環状炭化水素類、芳香族および複素芳香族化合物類の液状化合物、もしくはそれらを含む混合物であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の大気圧イオン化法。
）
前記液状化合物は、とくにグリセロールに代表されるグリコール類を含むｎ価アルコール類（n≧1）、ヒドロキシ基を有するフェノール類、アミン類を含む液状化合物であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の大気圧イオン化法。
前記励起粒子または荷電粒子を加熱して試料に当てることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の大気圧イオン化法。
大気圧下、放電または高電界によって生成する励起粒子または荷電粒子の流れの中に試料を配置して該励起粒子または荷電粒子を試料に当て、試料をイオン化するように構成された大気圧イオン源の試料保持装置において、
前記励起粒子または荷電粒子の流れの外から流れの中へ前記試料を移動させる際に、予め前記試料の表面に液状化合物を付着させるようにしたことを特徴とする試料保持装置。
前記液状化合物の付着方法は、スポンジローラーによる塗布であることを特徴とする請求項８記載の大気圧イオン化法。
前記液状化合物の付着方法は、スプレーノズルによる噴霧であることを特徴とする請求項８記載の試料保持装置。
前記液状化合物の付着方法は、シリンジまたはスポイドによる滴下であることを特徴とする請求項８記載の試料保持装置。
前記液状化合物は、アルキル基、ハロゲン、ヒドロキシ基、アミノ基、シアノ基、ニトロ基、カルボニル基、アゾ基、アジ基、チオール基、スルホ基、アリール基、ベンジル基、エーテル結合、エステル結合、アミド結合、ウレタン結合、スルフィド結合に代表される官能基を有する直鎖および環状炭化水素類、芳香族および複素芳香族化合物類の液状化合物、もしくはそれらを含む混合物であることを特徴とする請求項８ないし１１のいずれか１項に記載の試料保持装置。
前記液状化合物は、とくにグリセロールに代表されるグリコール類を含むｎ価アルコール類（n≧1）、ヒドロキシ基を有するフェノール類、アミン類を含む液状化合物であることを特徴とする請求項８ないし１１のいずれか１項に記載の試料保持装置。
前記励起粒子または荷電粒子を加熱して試料に当てることを特徴とする請求項８ないし１３のいずれか１項に記載の試料保持装置。