JP2013037962A

JP2013037962A - 大気圧コロナ放電イオン化システム及びイオン化方法

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Publication number: JP2013037962A
Application number: JP2011174462A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Takayama; 光男高山; Yasuko Sekimoto; 泰子関本
Original assignee: Yokohama National University NUC; Yokohama City University
Current assignee: Yokohama National University NUC; Yokohama City University
Priority date: 2011-08-10
Filing date: 2011-08-10
Publication date: 2013-02-21
Anticipated expiration: 2031-08-10
Also published as: JP5822292B2

Abstract

【課題】試料物質の同定にとって重要となる反応イオン種の特定又は制御を可能にする大気圧コロナ放電イオン化システム及びイオン化方法を提供する。
【解決手段】針電極(1)の先端部が大気圧下のイオン化領域(α)に配置される。大気成分又は溶媒分子は、針電極のコロナ放電によりイオン化して反応イオン(Y^-)を生成する。試料イオン(M＋Y^-)が試料分子(M)と反応イオンとの反応により生成し、質量分析装置(MS)のオリフィス(7,11,21)に導入される。針電極は、曲面に成形された先端面(4)を備える。針電極の相対位置又は相対角度の設定により先端面及びオリフィスの相対位置が設定され、或いは、イオン化領域に発生する電場又は電界の電位勾配が制御され、これにより、オリフィスに流入する反応イオンのイオン種が特定され又は制御される。
【選択図】図３

Description

本発明は大気圧コロナ放電イオン化システム及びイオン化方法に関するものであり、より詳細には、針電極の大気圧コロナ放電により大気成分又は溶媒分子をイオン化して反応イオンを生成する大気圧コロナ放電イオン化システム及びイオン化方法に関するものである。

針電極の大気圧コロナ放電により大気成分又は溶媒分子をイオン化して反応イオンを生成する大気圧コロナ放電イオン化法が知られている。大気圧コロナ放電イオン化法は、例えば、特開2000-180659号公報（特許文献１）に記載されるように、針電極（ニードル電極）の大気圧コロナ放電によって大気成分又は溶媒分子をイオン化して反応イオンを生成するイオン化法として知られている。即ち、大気圧下のコロナ放電を用いた大気圧コロナ放電イオン化法は、水、アセトニトリル、メタノール等の溶媒蒸気や、大気成分（N₂、O₂）をコロナ放電によりイオン化して反応イオンを生成し、反応イオンを気化試料中の試料分子と反応せしめて試料イオンを生成し、試料イオンを質量分析装置のオリフィスに導入するイオン化法である。試料物質は、質量分析装置の分析部により得られるマススペクトルの解析により同定される。

コロナ放電を利用したイオン化法に関する先行技術文献（学術論文）として、以下の非特許文献１〜４が挙げられる。

非特許文献１（「Atmospheric pressure ionization mass spectrometry: Corona discharge ion source for use in liquid chromatograph-mass spectrometer-computer analytical system」）及び非特許文献２（「Determination of sulfa drugs in biological fluids by liquid chromatography/mass spectrometry」）には、ヒーターを備えたガラス管を液体クロマトグラフ（ＬＣ）の溶液出口に配設し、ガラス管中で溶液試料を気化するようにした質量分析方法が記載されている。ガラス管中で気化した試料分子は拡散移動し、針電極の正コロナ放電によりイオン化される。

非特許文献３（「Characteristics of a liquid chromatograph/atmospheric pressure ionization mass spectrometer」）には、大気圧中で溶液試料を加熱噴霧するヒーターを液体クロマトグラフ（ＬＣ）の溶液出口に配設し、溶液試料の分子構造を分解することなく、溶液試料を急速加熱して瞬間的に噴霧・気化し、正電極コロナ放電によって試料分子をイオン化させる質量分析方法が記載されている。

非特許文献４（「Analysis of solids, liquids, and biological tissues using solid probe introduction at atmospheric pressure on commercial LC/MS instruments」）には、エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ）又は大気圧化学イオン化法（ＡＰＣＩ）を液体クロマトグラフ（ＬＣ）の溶液出口に適用した質量分析方法が記載されている。質量分析すべき試料（固体、液体、生体試料等）は、「melting point capillary」として記載された棒状体の先端に塗布され、噴霧蒸気によって気化する。気化した試料は、正電極コロナ放電によってイオン化し、質量分析装置の分析部に供給される。

上記特許文献１及び非特許文献１〜４に記載されたイオン化法は、いずれも、正電極コロナ放電による試料分子のイオン化を意図したものであり、負電極コロナ放電による試料分子のイオン化を意図したものではない。これは、負電極コロナ放電により生成する反応イオン種には再現性がなく、反応イオン種を制御することもできないと考えられてきたためである。

即ち、従来の大気圧イオン化法においては、正電圧を針電極に印加し、反応イオンとして主にプロトン（Ｈ^＋）を正コロナ放電によりイオン化領域に生成するようにして実施されてきた。このように正コロナ放電を用いた大気圧イオン化法によれば、反応イオンと試料分子との反応により得られる試料イオンのマススペクトルを解析することにより、比較的容易に試料物質を同定することができる。

他方、大気圧イオン化法において負電圧を針電極に印加して負コロナ放電により反応イオンを生成した場合、反応イオン種を特定又は制御し難く、試料分子に適合した反応イオン種の生成を確認することができないことから、質量分析装置によって得られたマススペクトルを合理的に解析することができず、従って、負コロナ放電を用いた大気圧イオン化法においては、試料物質を同定することが極めて困難であった。このため、負コロナ放電を用いた大気圧イオン化法による質量分析は、その再現性を確保し難く、その実用化は極めて困難であると考えられてきた。

特開2000-180659号公報

D.I.Carroll, et al.「Atmospheric pressure ionization mass spectrometry: Corona discharge ion source for use in liquid chromatograph-mass spectrometer-computer analytical system」（Analytical Chemistry, 47 (1975) 2369） J.D.Henion, et al.「Determination of sulfa drugs in biological fluids by liquid chromatography/mass spectrometry」（Analytical Chemistry, 54 (1982) 451） M.Sakairi, H.Kambara「Characteristics of a liquid chromatograph/atmospheric pressure ionization mass spectrometer」（Analytical Chemistry, 60 (1988) 774） C.N.McEwen, et al.「Analysis of solids, liquids, and biological tissues using solid probe introduction at atmospheric pressure on commercial LC/MS instruments」（Analytical Chemistry, 77 (2005) 7826）

しかしながら、大気圧コロナ放電を用いたイオン化法において、大気圧コロナ放電により発生する反応イオンのイオン種を特定し又は制御する手法を確立することができれば、負コロナ放電を用いたイオン化法のみならず、正コロナ放電を用いたイオン化法においても、質量分析しようとする有機化合物試料の官能基等の物理化学的性質に適合した反応イオンを選択的に試料分子に結合せしめた試料イオンを生成することが可能となり、反応イオンのイオン種に基づいて試料分子を同定することも可能となり、質量分析を行う上で極めて有益であると考えられる。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、針電極の大気圧コロナ放電により大気成分又は溶媒分子をイオン化して反応イオンを生成するイオン化システム及びイオン化方法において、試料物質の同定にとって重要となる反応イオン種の特定又は制御を可能にするイオン化システム及びイオン化方法を提供することにある。

上記目的を達成すべく、本発明は、針電極の先端部を大気圧下のイオン化領域に配置し、該針電極のコロナ放電により大気成分又は溶媒分子をイオン化して反応イオンを生成し、試料分子と前記反応イオンとの反応により生成した試料イオンを質量分析装置のオリフィスに導入する大気圧コロナ放電イオン化システムにおいて、
曲面に成形された先端面を前記針電極に設けるとともに、前記オリフィスに対する前記針電極の相対位置及び／又は相対角度を可変設定可能に支持する針電極支持手段によって前記針電極を支持し、
前記針電極支持手段による前記針電極の相対位置及び／又は相対角度の設定によって、前記先端面と前記オリフィスとの相対位置を設定し、前記オリフィスに流入する反応イオンのイオン種を特定し又は制御するようにしたことを特徴とする大気圧コロナ放電イオン化システムを提供する。

本発明は又、針電極の先端部を大気圧下のイオン化領域に配置し、該針電極のコロナ放電により大気成分又は溶媒分子をイオン化して反応イオンを生成し、試料分子と前記反応イオンとの反応により生成した試料イオンを質量分析装置のオリフィスに導入する大気圧コロナ放電イオン化システムにおいて、
曲面に成形された先端面を前記針電極に設けるとともに、該針電極に印加される電圧を可変設定可能な電圧制御手段に前記針電極を接続し、
前記先端面と前記オリフィスとの間に発生する電場又は電界の電位勾配を前記電圧制御手段によって設定して、前記オリフィスに流入する反応イオンのイオン種を特定し又は制御するようにしたことを特徴とする大気圧コロナ放電イオン化システムを提供する。

他の観点より、本発明は、針電極の先端部を大気圧下のイオン化領域に配置し、該針電極のコロナ放電により大気成分又は溶媒分子をイオン化して反応イオンを生成し、試料分子と前記反応イオンとの反応により生成した試料イオンを質量分析装置のオリフィスに導入する大気圧コロナ放電イオン化方法において、
前記針電極の先端面を曲面に成形し、
前記オリフィスに対する前記針電極の相対位置及び／又は相対角度を可変設定可能に該針電極を支持し、
前記針電極の相対位置及び／又は相対角度の設定によって、前記先端面と前記オリフィスとの相対位置を設定して、前記オリフィスに流入する反応イオンのイオン種を特定し又は制御することを特徴とする大気圧コロナ放電イオン化方法を提供する。

本発明は更に、針電極の先端部を大気圧下のイオン化領域に配置し、該針電極のコロナ放電により大気成分又は溶媒分子をイオン化して反応イオンを生成し、試料分子と前記反応イオンとの反応により生成した試料イオンを質量分析装置のオリフィスに導入する大気圧コロナ放電イオン化方法において、
前記針電極の先端面を曲面に成形し、
前記針電極に印加される電圧を可変設定可能な電圧制御手段に該針電極を接続し、
前記先端面と前記オリフィスとの間に発生する電場又は電界の電位勾配を前記電圧制御手段によって設定して、前記オリフィスに流入する反応イオンのイオン種を特定し又は制御することを特徴とする大気圧コロナ放電イオン化方法を提供する。

本発明者の研究によれば、負電圧を印加した針電極の先端面を回転双曲面等の曲面に成形した場合、相互離間した先端面上の各電位点が放出する電子は、異種の反応イオンを生成する。例えば、負コロナ放電により大気成分をイオン化した場合、先端面の最先端に位置する第１電位点が放出する電子は、ＮＯ_Ｘ ⁻及びＣＯ_Ｘ ⁻を生成し、第１電位点から離間した第２電位点が放出した電子は、ＨＯ⁻を生成する。このような反応イオン種の相違は、第１及び第２電位点に生じる電位勾配の相違に起因すると考えられる。

また、反応イオンは、針電極先端面の各電位点と、質量分析装置のオリフィス部材の各電位点との間に発生する電気力線に沿って移動する性質を有する。他方、針電極の角度又は位置を変化又は変位させて針電極先端面とオリフィス部材との相対位置を変化させると、針電極先端面の各電位点とオリフィス部材の各電位点との間の電位勾配が変化する。針電極先端面とオリフィス部材との間のイオン化領域における電位勾配は、針電極に印加される電圧を変化させることによっても変化する。従って、イオン化領域における反応イオンの移動の軌跡を針電極先端面及びオリフィスの相対位置、或いは、針電極に印加される電圧によって特定し又は制御することができる。

本発明の上記構成によれば、針電極は、オリフィスに対する相対位置又は相対角度を可変設定可能に支持され、或いは、針電極に印加される電圧を可変設定可能な電圧制御手段に接続される。針電極の相対位置又は相対角度を変化させ、或いは、電圧の変化によりイオン化領域の電位勾配を変化させることにより、オリフィスの位置と関連した針電極先端面の電位点を変更し、変更後の電位点において発生する反応イオンをオリフィスに導入することができる。反応イオンの移動の軌跡は、試料イオンの移動の軌跡と同一視できるので、このような電位点の変更により、オリフィスに導入すべき試料イオンを変化させることができる。従って、本発明によれば、針電極の相対位置又は相対角度を変化させ、或いは、電圧の変化によりイオン化領域の電位勾配を変化させることにより、オリフィスに導入すべき反応イオン種（従って、試料イオン種）を特定し又は制御することができる。

本発明によれば、針電極の大気圧コロナ放電により大気成分又は溶媒分子をイオン化して反応イオンを生成するイオン化システム及びイオン化方法において、試料物質の同定にとって重要となる反応イオン種の特定又は制御を可能にするイオン化システム及びイオン化方法を提供することができる。

図１（Ａ）は、本発明に係る針電極と平面電極との位置関係を示す斜視図であり、図１（Ｂ）は、針電極の先端部の輪郭を示す断面図であり、図１（Ｃ）は、針電極の先端面とオリフィスとの位置関係を示す拡大断面図である。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、オリフィスを備えた質量分析装置のオリフィスプレートに対する針電極の相対位置を例示する断面図である。図３は、針電極の角度設定による反応イオン種の制御又は設定方法を示す斜視図及び部分拡大断面図である。図４は、針電極と質量分析装置との位置関係を示す断面図である。図５は、針電極及び質量分析装置を含む質量分析システムの全体構成を概略的に示すシステム構成図である。図６は、流路長を延長したオリフィス構造を有する質量分析システムの構成を概略的に示すシステム構成図である。図７は、図６に示す質量分析システムのシステム構成を概念的に示す概略斜視図である。図８は、針電極の位置及び角度を可変設定するための三軸マニピュレータの構成を示す概略斜視図である。図９は、本発明に係る大気圧コロナ放電イオン化システムの作用を確認するための実験において使用された実験装置の構成を概念的に示す断面図である。図１０は、図９に示す実験装置を用いたイオン化実験によって得られた大気イオンのイオン種を示す図表である。図１１は、安息香酸のマススペクトルを示す線図である。図１２は、フェニルエチルアミンのマススペクトルを示す線図である。図１３は、フェニルアラニンのマススペクトルを示す線図である。

本発明の好適な実施形態によれば、針電極に印加される電圧は、＋１．５〜＋５．０ｋＶ、−１．５〜−５．０ｋＶの範囲内で設定変更される。好ましくは、上記針電極に負電圧が印加される。針電極の先端部は、大気圧下の負コロナ放電により発光する。更に好ましくは、上記オリフィスの流入端と針電極の先端部との間の距離は、３〜５mmの範囲内で設定変更され、オリフィスの中心軸線と針電極の中心軸線との相対角度は、０〜９０度の角度範囲内で設定変更される。

本発明の更に好適な実施形態によれば、針電極に印加される電圧が第１制御因子として規定され、先端面とオリフィスとの相対位置が第２制御因子として規定され、反応イオンのイオン種は、第１及び第２制御因子を変数とした関数に基づいて特定され又は制御される。

本発明の好適な実施形態に係る質量分析システムは、上記構成の大気圧コロナ放電イオン化システムと、該システムによって生成した試料イオンが導入されるオリフィスを備えた質量分析装置とから構成される。好ましくは、オリフィスは、オリフィスの流路長を設定変更するための流路長設定変更手段を有する。オリフィスの流路長は、例えば、１〜１００mmの範囲内で設定変更される。オリフィス内の流路において反応イオン及び試料イオンの更なる反応を進行せしめることができるので、オリフィスの流路長を設定変更することにより、質量分析装置の分析部に流入する試料イオンのイオン種を更に制御することができる。例えば、流路長設定変更手段として、オリフィスの流路長が異なる複数のオリフィス部材と、これらのオリフィス部材を選択的且つ交換可能に質量分析装置に配設するためのオリフィス部材取付け機構とが用いられる。変形例として、オリフィスの流路長を可変設定可能な機構をオリフィス部材に設けても良い。

図１（Ａ）は、本発明に係る針電極と平面電極との位置関係を示す斜視図である。図１（Ｂ）は、針電極の先端部の輪郭を示す断面図であり、図１（Ｃ）は、針電極の先端面とオリフィスとの位置関係を示す拡大断面図である。なお、図１（Ｂ）は、１０００倍の顕微鏡拡大により撮像された針電極先端部の輪郭を図面化したものである。

図１を参照して、本発明の原理を以下に説明する。

図１（Ａ）には、電源３の陰極に接続された針電極１と、質量分析装置のオリフィスプレートに相当する平面電極２とが示されている。電源３は、針電極１の電圧を可変設定可能な電圧制御手段（図示せず）を有する。平面電極２は接地される。針電極１の先端部は、大気圧下の負コロナ放電により発光し、電子を放出する。針電極１及び平面電極２の間のイオン化領域αに存在する大気成分、或いは、イオン化領域αに供給された溶媒分子は、針電極１の先端面から放出された電子によりイオン化し、反応イオンを生成する。

図１（Ａ）に示すように、針電極１の中心軸線ＣＬは平面電極２に直交する。図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）に示す如く、針電極１の先端面４は、回転双曲面、放物面、楕円面、或いは、所定曲率の湾曲面等の曲面に成形される。図１（Ｃ）には、先端面４上の負電位点４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄが示されている。負電位点４ａは、針電極１の中心軸線ＣＬ上に位置する。負電位点４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは、先端面４に沿って互いに離間する。先端面４と平面電極２との間に発生した電場又は電界の電気力線５及び等電位面６が、一点鎖線及び破線で図１（Ｃ）に概念的に示されている。

負電位点４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄから発生する電気力線５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄが、図１（Ｃ）に示されている。電気力線５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄは、先端面４及び等電位面６に対して垂直に交差するので、電気力線５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの軌跡は、一義的に定まる。電気力線５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄと交差する平面電極２上の各電位点が、基準（接地）電位点２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄとして図１（Ｃ）に示されている。

先端面４の負電位点４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄから放出された電子によって生成した負の反応イオンは、電位勾配に従って運動する。反応イオンは、負電位点４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄと基準電位点２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄとの間に発生する電気力線５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄに沿って移動し、基準電位点２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄに到達する。例えば、先端面４の負電位点４ａ、４ｃから放出された電子によって負電位点４ａ、４ｃに夫々生成した負の反応イオンＹ⁻ _１、Ｙ⁻ ₂は、電気力線５ａ、５ｃに沿って移動し、基準電位点２ａ、２ｃに到達する。

本発明者の実験によれば、負電位点４ａ、４ｃが放出した電子は、異種の反応イオンＹ⁻ _１、Ｙ⁻ ₂を生成する。例えば、負コロナ放電により大気成分をイオン化する場合、負電位点４ａが放出する電子は、ＮＯ_Ｘ ⁻及びＣＯ_Ｘ ⁻を生成し、負電位点４ａから０．０１〜０．０２mm程度離間した負電位点４ｃが放出する電子は、ＨＯ⁻を生成する。このような反応イオン種の相違は、負電位点４ａ、４ｃの電位勾配（従って、イオン化領域αの電界強度）に起因すると考えられる。条件によっては、負電位点４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの各々において異種の負反応イオンを生成することも可能である。

前述のとおり、電気力線５は先端面４及び等電位面６に対して垂直に交差するので、電気力線５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの軌跡は、負電位点４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ及び基準電位点２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの相対的な位置関係及び電位差によって決定される。前述の如く、負電位点４ａ、４ｃにおいて生成した反応イオンＹ⁻ _１、Ｙ⁻ ₂は、電気力線５ａ、５ｃに沿って移動して基準電位点２ａ、２ｃに到達するので、質量分析装置のオリフィス７（図１（Ｃ）に破線で示す）を基準電位点２ａに配置した場合、反応イオンＹ⁻ _１がオリフィス７に流入し、他方、オリフィス７を基準電位点２ｃに配置すると、反応イオンＹ⁻ _２がオリフィス７に流入する。従って、負電位点４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ及び基準電位点２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの電位勾配（イオン化領域αの電界強度）と、先端面４及びオリフィス７の相対位置とを適切に設定することにより、オリフィス７に流入する反応イオン種を特定し又は制御することができる。

次に、本発明の好適な実施形態に係る大気圧コロナ放電イオン化システムについて説明する。

図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、オリフィス７を備えた質量分析装置ＭＳのオリフィスプレート２’に対する針電極１の相対位置を例示する断面図である。オリフィスプレート２’は、前述の平面電極２に相当する。

針電極１の負電位点４ａと質量分析装置ＭＳのオリフィス７とが針電極１の中心軸線ＣＬ上に整列した状態が、図２（Ａ）に示されている。針電極１は電源３の陰極に接続される。オリフィスプレート２’は質量分析装置ＭＳ内の真空領域Ｆと大気圧下のイオン化領域αとを区画する。負電位点４ａから放出された電子によって負電位点４ａに生成した反応イオンＹ⁻ _１は、電気力線５ａに沿って移動して基準電位点２ａに到達し、基準電位点２ａに位置するオリフィス７に流入する。

針電極１を平面電極２と平行に距離Ｄだけ変位させた状態が図２（Ｂ）に示されている。距離Ｄは、正電位点２ａ、２ｃの間の距離に相当する寸法に設定され、従って、オリフィス７は、基準電位点２ａから基準電位点２ｃに相対変位する。負電位点４ｃから放出された電子によって負電位点４ｃに生成した反応イオンＹ⁻ ₂が、電気力線５ｃに沿って移動して基準電位点２ｃに到達するので、オリフィス７には、反応イオンＹ⁻ ₂が流入する。

かくして、距離Ｄの設定によって定まる針電極１及びオリフィス７の相対位置に相応して、オリフィス７に流入する反応イオン種を特定し又は制御することができる。なお、オリフィス７は、大気圧下のイオン化領域αと質量分析装置ＭＳ内の真空領域Ｆとの間に配置されるので、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に破線矢印で示すように、イオン化領域αの空気（大気）が空気流Ｅとしてオリフィス７内に常時流入する。反応イオンＹ⁻ _１、Ｙ⁻ ₂の運動は、空気流Ｅの影響を受けるので、距離Ｄは、空気流Ｅの影響を考慮して設定することが望ましい。

図３は、針電極１の角度設定による反応イオン種の制御又は設定方法を示す斜視図及び部分拡大断面図である。

図３（Ａ）には、針電極１の中心軸線ＣＬと、平面電極２の垂線ＶＬとの相対角度θが示されている。図３（Ｂ）には、相対角度θを角度θ_１に設定したときに発生する電気力線５ａ、５ｃが示されている。負電位点４ｃから放出された電子によって負電位点４ｃに生成した反応イオンＹ⁻ _２は、電気力線５ｃに沿って移動して基準電位点２ｃに到達し、基準電位点２ｃに位置するオリフィス７に流入する。

図３（Ｃ）に示す如く相対角度θを角度θ_２に増大させると、針電極１と平面電極２との間の電界又は電場が変化するので、電気力線５ａ、５ｃの軌跡が変化し、この結果、基準電位点２ａがオリフィス７の位置に相対変位する。従って、オリフィス７には、負電位点４ａから放出された電子によって生成した反応イオンＹ⁻ _１が流入する。

かくして、相対角度θの設定によって定まる針電極１及びオリフィス７の相対位置に基づいて、オリフィス７に流入する反応イオン種を特定し又は制御することができる。なお、図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）に示すように、イオン化領域αの空気（大気）が空気流Ｅとしてオリフィス７内に常時流入するので、反応イオンＹ⁻ _１、Ｙ⁻ ₂の運動は空気流Ｅの影響を受ける。このため、空気流Ｅの影響を考慮して相対角度θを設定することが望ましい。

イオン化領域αの電界又は電場は、針電極１と平面電極２との離間距離によっても変化する。図３（Ｂ）には、垂線ＶＬ方向に測定した負電位点４ａとオリフィス７との離間距離Ｈが示されている。電気力線５ａ、５ｃの軌跡は、距離Ｈの変化によって変化するので、距離Ｈの設定によって定まる針電極１及びオリフィス７の相対位置に基づいて、オリフィス７に流入する反応イオン種を特定し又は制御することができる。

また、電気力線５ａ、５ｃの軌跡は、針電極１とオリフィスプレート２’との間の電位勾配によっても変化する。従って、針電極１に印加される電圧に基づいて、オリフィス７に流入する反応イオン種を特定し又は制御することができる。

図４は、針電極１と質量分析装置ＭＳとの位置関係を示す断面図であり、図５は、針電極１及び質量分析装置ＭＳを含む質量分析システムの全体構成を概略的に示すシステム構成図である。

質量分析装置ＭＳは、オリフィス１１を有するオリフィスプレート１０を備える。針電極１は電源３の陰極に接続され、オリフィスプレート１０は接地される。針電極１の先端面４は、オリフィス１１の開口部１２と対向する位置に配置され、オリフィス１１の中心軸線上に位置する。オリフィス５１を備えたスキマー５０が質量分析装置ＭＳの機内領域に配設される。オリフィスプレート１０とスキマー５０との間には、低真空領域５２が区画され、スキマー５０の後方には、高真空領域５３が区画される。低真空領域５２の吸引ポート５４には、ロータリー・ポンプＲＰの吸引圧力が作用し、高真空領域５３の吸引ポート５５には、ターボ・モレキュラー・ポンプＴＭＰの吸引圧力が作用する。図５に示すように、リングレンズ５６が低真空領域５２に配設され、イオンガイド５９が高真空領域５３に配設される。

針電極１の先端面４とオリフィス１１の開口部１２との間に位置するイオン化領域αには、試料分子Ｍが供給される。試料分子Ｍは、外部気化器（図示せず）によって予め試料を気化してなる試料ガス流の形態でイオン化領域αに供給される。イオン化領域αは大気開放されており、針電極１の先端面４は、大気圧下の負コロナ放電により発光する。先端面４上の負電位点から放出された電子は、イオン化領域αの大気成分をイオン化し、ＮＯ_Ｘ ⁻、ＣＯ_Ｘ ⁻、ＨＯ⁻等の反応イオンＹ⁻がイオン化領域αに生成する。試料分子Ｍは、反応イオンＹ⁻と反応し、試料イオンＭ＋Ｙ⁻を生成する。試料イオンＭ＋Ｙ⁻は、先端面４及び開口部１２の間の電気力線に沿って移動し、開口部１２内に流入し、オリフィス１１、５１及びイオンガイド領域を介して質量分析装置ＭＳの質量分析部（図示せず）に流入する。イオン化領域αにおける試料イオンＭ＋Ｙ⁻の軌跡は、反応イオンＹ⁻の軌跡と同一視することができる。

図４には、Ｘ軸及びＺ軸と、Ｘ軸に対する針電極１の角度θが示されている。Ｘ軸は、オリフィス１１の中心軸線と一致する水平軸線である。また、図４には、先端面４の最先端部（図１に示す負電位点４ａ）とオリフィス１１の開口部１２との離間距離Ｈが示されている。前述のとおり、角度θ及び／又は距離Ｈを変化させることにより、オリフィス１２に流入する反応イオンＹ⁻のイオン種（従って、試料イオンＭ＋Ｙ⁻のイオン種）を変化させることができる。同様に、針電極１に印加される電圧を変化させ、或いは、先端面４をＹ軸（図示せず）の方向に変位させることにより、オリフィス１２に流入する反応イオンＹ⁻のイオン種（従って、試料イオンＭ＋Ｙ⁻のイオン種）を特定し又は制御することができる。

図６は、異なるオリフィス構造を有する質量分析システムの構成を概略的に示すシステム構成図である。図７は、図６に示す質量分析システムのシステム構成を概念的に示す概略斜視図である。各図において、図５に示す各構成要素又は構成部材と実質的に同一の構成要素又は構成部材には、同一の参照符号が付されている。

図６及び図７に示す質量分析装置ＭＳ’は、管状オリフィス部材２０及び管状レンズ５８を備える。管状オリフィス部材２０のオリフィス２１は、比較的長い流路長Ｊを有する。図５に示す質量分析システムと同じく、針電極１の角度θ、先端面４とオリフィス２１との相対位置、或いは、針電極１に印加される電圧を変化させることにより、オリフィス２１に流入する反応イオンＹ⁻のイオン種（従って、試料イオンＭ＋Ｙ⁻のイオン種）を特定し又は制御することができる。

オリフィス２１の流路２３は、反応イオンＹ⁻及び試料イオンＭ＋Ｙ⁻の更なる反応を進行せしめる反応域として働き、従って、流路２３内を流動する反応イオンＹ⁻及び試料イオンＭ＋Ｙ⁻のイオン種は、流路２３内で更に変化する。流路２３内における反応イオンＹ⁻及び試料イオンＭ＋Ｙ⁻の反応は、流路長Ｊによって相違し、従って、スキマー５０のオリフィス５１に供給される試料イオンＭ＋Ｙ⁻のイオン種を流路長Ｊの設定によって特定し又は制御することができる。

なお、前述の実施形態においては、試料分子Ｍは、試料ガス流の形態でイオン化領域αに供給されるが、図７及び図８に破線で示す如く、ヒーター方式、エレクトロスプレー方式、レーザー方式又は超音波方式等の外部気化器４０をイオン化領域α内、或いは、イオン化領域αの近傍に配置し、このような外部気化器によって試料Ｓを気化しても良い。

図８は、針電極１の位置及び角度を可変設定するための三軸マニピュレータの構成を示す概略斜視図である。

針電極１は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に変位可能に三軸マニピュレータ３０によって支持される。マニピュレータ３０は、質量分析装置の支持部６０上に支持された基台３１と、基台３１上にＸ軸方向に変位可能に支持された第１キャリヤ３２と、第１キャリヤ３２上にＹ軸方向に変位可能に支持された第２キャリヤ３３と、第２キャリヤ３３上に立設された支柱３４に上下変位可能に支持された第３キャリヤ３５と、Ｙ軸方向の中心軸線廻りに矢印Ｒ方向に回転可能に支持された回転保持具３７とから構成される。マニピュレータ３０は、各キャリヤ３２、３３、３５をＸ軸、Ｙ軸又はＺ軸方向に夫々変位させる操作部（図示せず）を備えるとともに、回転保持具３７を回転させる操作部（図示せず）を備える。針電極１を保持する保持具９が、回転保持具３７の凹所３８内に収容される。保持具９は、回転保持具３７の係止具３９を締付けることにより、凹所３８内に固定される。

針電極１は保持具９の先端部部分から突出する。針電極１の先端面４は、イオン化領域αを介してオリフィス部材２０のオリフィス２１に対向する。マニピュレータ３０の各操作部の操作により、各キャリヤ３２、３３、３５をＸ軸、Ｙ軸又はＺ軸方向に変位させ、或いは、回転保持具３７を回転させることができ、従って、オリフィス２１に対する先端面４の相対位置、或いは、針電極１の角度を任意に可変設定することができる。

試料分子Ｍが試料ガス流の形態でイオン化領域αに供給され、或いは、イオン化領域α又はその近傍に配置された外部気化器４０（破線で示す）によって気化した試料の試料分子Ｍがイオン化領域αに供給される。針電極１の先端面４の負コロナ放電により先端面４に生成した反応イオンＹ⁻（図７）が試料分子Ｍ（図７）と反応して試料イオンＭ＋Ｙ⁻（図７）が生成する。試料イオンＭ＋Ｙ⁻は、先端面４及びオリフィス２１の間の電気力線に沿って移動してオリフィス２１内に流入する。

マニピュレータ３０によって針電極１をＸ軸、Ｙ軸又はＺ軸方向に変位させ、或いは、針電極１の角度を変化させることにより、前述の如く先端面４及びオリフィス７の相対位置を可変設定し、これにより、オリフィス７に流入する反応イオン種Ｙ⁻（図７）、従って、試料イオンＭ＋Ｙ⁻のイオン種Ｍ＋Ｙ⁻（図７）を特定し又は制御することができる。

図９は、本発明に係る大気圧コロナ放電イオン化システムの作用を確認するための実験において使用された実験装置の構成を概念的に示す断面図である。

実験装置は、針電極１及び質量分析装置ＭＳを有する。実験装置は更に、オリフィス１１の中心軸線に対する針電極１の角度θ及び平行移動距離Ｄを可変設定可能に支持する前述の三軸マニピュレータ（図示せず）を備える。図９には、針電極１を基準位置に配置した状態が示されており、針電極１の先端面４は、その基準位置においてオリフィス１１の中心軸線上に位置する。実験において、針電極１に印加される電圧は、電源３の出力設定により設定され、針電極１の先端面４とオリフィス１１との相対位置は、角度θ及び距離Ｄの設定により設定された。また、試料分子Ｍをイオン化領域αに適宜供給可能な気化試料供給手段（図示せず）が実験装置と関連して用意された。

本発明者は、図９に示された実験装置を使用して大気を大気圧コロナ放電によりイオン化し、イオン化領域αに生成する大気イオンのイオン種を分析した。実験において、針電極１の角度θは０度に固定され、距離Ｄは、０mm、１．０mm、５．０mmに設定変更された。また、針電極１に印加される電圧は、−１．７kV、−２．７kV、−３．５kVに設定変更された。

図１０は、上記実験装置を用いたイオン化実験によって得られた大気イオンのイオン種を示す図表である。図１０に示すように、印加電圧の設定値と距離Ｄの設定値とに基づいて、大気イオンのイオン種を特定し又は制御し得ることが本発明者のイオン化実験により確認された。

本発明者は更に、測定試料として、酸性化合物（安息香酸 benzoic acid）、塩基性化合物（フェニルエチルアミン phenylethylamine）及び両性化合物（アミノ酸：フェニルアラニン phenylalanine）を用い、各試料を上記実験装置により質量分析した。質量分析において、距離Ｄは０mmに固定され、角度θは、０度及び９０度（π／２）に設定変更され、電圧は、−１．９kV、−２．７kV又は−３．１kVに設定変更された。なお、図１及び図３から理解し得るように、角度θ＝０度に設定した場合、先端面４とオリフィス１１との間に高い電界強度（電位勾配）が発生し、角度θ＝９０度（π／２）に設定した場合、相対的に低い電界強度（電位勾配）が先端面４とオリフィス１１との間に発生する。

図１１〜図１３は、質量分析により得られた安息香酸、フェニルエチルアミン及びフェニルアラニンのマススペクトルを示す線図である。

図１１（Ａ）及び図１３（Ａ）に示されるように、酸性のカルボン酸を有する安息香酸及びアミノ酸は、電界強度が比較的低い条件（θ＝π／２）において生成する大気イオンO₂ ⁻と選択的に結合反応して分子量関連イオン [M+ O₂]⁻ を生成するが、塩基性のフェニルエチルアミンは、大気イオンO₂ ⁻ とは反応しない。また、図１３（Ａ）に示されるように、アミノ酸は、大気イオンHCO₃ ⁻及びカルボン酸系大気イオンHCOO⁻と反応する。

電界強度が比較的高い条件（θ＝０）で生成する大気イオン（HCO₃ ⁻, NO₂ ⁻, NO₃ ⁻, HNO₃ ⁻, COO⁻）に対する反応においては、安息香酸は大気イオンHCO₃ ⁻と反応し（図１１（Ｂ））、フェニルエチルアミンは大気イオンNO₃ ⁻と反応し（図１２）、アミノ酸は大気イオンHCO₃ ⁻, NO₂ ⁻, NO₃ ⁻, HNO₃ ⁻と反応する（図１３（Ｂ））。

かくして、電界強度（電位勾配）に依存して生成する大気イオンと各試料との反応には、有機化合物の化学的性質（及び化学構造）に起因した試料固有の選択性があることが上記質量分析により判明した。このように反応の選択性が存在することは、化学的性質が異なる未知化合物の官能基を未知化合物固有の反応性に基づいて推定し得ることを意味する。従って、本発明のイオン化システム及びイオン化方法は、未知化合物の計測に応用し得るものであり、極めて有用である。
本方法を用いて未知化合物の質量を決定するには、以下の手順で解析を実行する。未知化合物の質量を m とおき、まず弱い電界強度の条件（Ａ）で質量分析を行う。次いで、強い電界強度の条件（Ｂ）で質量分析を行う。
条件（Ａ）では、分子量関連イオン [M+ O₂]⁻ を生成する可能性がある。同時に、[M+ HCOO]⁻及び[M+ HCO₃]⁻も生成する可能性がある。これらの分子量関連イオンの質量はそれぞれ x=m+32, y=m+45, z=m+61 になる。これらのイオンの質量差、13=45-32及び29=61-32に相当するイオンの信号があるかどうかを確認し、もし質量 x, y, z のイオンの存在を確認できれば、直ちに未知化合物の質量 m を決定できる。しかし、これらに相当するイオン x, y, z の一部しか観測できない場合は、下記の解析も実行する。
条件（Ｂ）では、分子量関連イオン [M+ HCO₃]⁻、[M+ NO₂]⁻、[M+ NO₃]⁻などを生成する可能性がある。この場合も上記と同様に質量差を考慮した解析を実行すると未知化合物の質量を決定できる。最後に条件（Ａ）と（Ｂ）の両方を考慮して質量 m の妥当性を確認する。

以上、本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変形又は変更が可能である。

例えば、上記実施例においては、針電極に負電圧が印加されるが、針電極に正電圧を印加しても良い。

また、上記実施例においては、針電極の支持手段として三軸マニピュレータを例示したが、針電極の支持手段として他の構造の支持手段を採用しても良い。

更に、針電極の電圧制御手段として、公知の電圧制御装置又は電圧制御回路を適宜採用することができる。

本発明は、針電極の大気圧コロナ放電により大気成分又は溶媒分子をイオン化して反応イオンを生成するイオン化システム及びイオン化方法に好ましく適用される。本発明によれば、負コロナ放電による反応イオン種の特定又は制御が可能となるとともに、試料物質の同定において重要な反応イオン種を針電極の位置及び角度、或いは、電圧によって特定し又は制御することができるので、その実用的価値は、顕著である。

１針電極
２平面電極
２’、１０オリフィスプレート
２ａ〜２ｄ基準（接地）電位点
３電源
４先端面
４ａ〜４ｄ負電位点
５、５ａ〜５ｄ電気力線
６等電位面
７、１１、２１オリフィス
３０三軸マニピュレータ
θ 相対角度
Ｄ、Ｈ距離
Ｍ試料分子
Ｙ⁻ 反応イオン
α イオン化領域
ＭＳ質量分析装置
Ｆ真空領域

Claims

針電極の先端部を大気圧下のイオン化領域に配置し、該針電極のコロナ放電により大気成分又は溶媒分子をイオン化して反応イオンを生成し、試料分子と前記反応イオンとの反応により生成した試料イオンを質量分析装置のオリフィスに導入する大気圧コロナ放電イオン化システムにおいて、
曲面に成形された先端面を前記針電極に設けるとともに、前記オリフィスに対する前記針電極の相対位置及び／又は相対角度を可変設定可能に支持する針電極支持手段によって前記針電極を支持し、
前記針電極支持手段による前記針電極の相対位置及び／又は相対角度の設定によって、前記先端面と前記オリフィスとの相対位置を設定し、前記オリフィスに流入する反応イオンのイオン種を特定し又は制御するようにしたことを特徴とする大気圧コロナ放電イオン化システム。
針電極の先端部を大気圧下のイオン化領域に配置し、該針電極のコロナ放電により大気成分又は溶媒分子をイオン化して反応イオンを生成し、試料分子と前記反応イオンとの反応により生成した試料イオンを質量分析装置のオリフィスに導入する大気圧コロナ放電イオン化システムにおいて、
曲面に成形された先端面を前記針電極に設けるとともに、該針電極に印加される電圧を可変設定可能な電圧制御手段に前記針電極を接続し、
前記先端面と前記オリフィスとの間に発生する電場又は電界の電位勾配を前記電圧制御手段によって設定して、前記オリフィスに流入する反応イオンのイオン種を特定し又は制御するようにしたことを特徴とする大気圧コロナ放電イオン化システム。
前記針電極に印加される電圧を可変設定可能な電圧制御手段に該針電極を接続し、
前記針電極支持手段によって前記針電極の相対位置又は相対角度を設定するとともに、前記先端面と前記オリフィスとの間に発生する電場又は電界の電位勾配を電圧制御手段によって設定して、前記オリフィスに流入する反応イオンのイオン種を特定し又は制御するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の大気圧コロナ放電イオン化システム。
前記針電極に負電圧を印加し、前記針電極の先端部を大気圧下の負コロナ放電により発光させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の大気圧コロナ放電イオン化システム。
針電極の先端部を大気圧下のイオン化領域に配置し、該針電極のコロナ放電により大気成分又は溶媒分子をイオン化して反応イオンを生成し、試料分子と前記反応イオンとの反応により生成した試料イオンを質量分析装置のオリフィスに導入する大気圧コロナ放電イオン化方法において、
前記針電極の先端面を曲面に成形し、
前記オリフィスに対する前記針電極の相対位置及び／又は相対角度を可変設定可能に該針電極を支持し、
前記針電極の相対位置及び／又は相対角度の設定によって、前記先端面と前記オリフィスとの相対位置を設定して、前記オリフィスに流入する反応イオンのイオン種を特定し又は制御することを特徴とする大気圧コロナ放電イオン化方法。
針電極の先端部を大気圧下のイオン化領域に配置し、該針電極のコロナ放電により大気成分又は溶媒分子をイオン化して反応イオンを生成し、試料分子と前記反応イオンとの反応により生成した試料イオンを質量分析装置のオリフィスに導入する大気圧コロナ放電イオン化方法において、
前記針電極の先端面を曲面に成形し、
前記針電極に印加される電圧を可変設定可能な電圧制御手段に該針電極を接続し、
前記先端面と前記オリフィスとの間に発生する電場又は電界の電位勾配を前記電圧制御手段によって設定して、前記オリフィスに流入する反応イオンのイオン種を特定し又は制御することを特徴とする大気圧コロナ放電イオン化方法。
前記針電極に印加される電圧を可変設定可能な電圧制御手段に該針電極を接続し、
前記針電極の相対位置及び／又は相対角度の設定によって、前記先端面と前記オリフィスとの相対位置を設定するとともに、前記先端面と前記オリフィスとの間に発生する電場又は電界の電位勾配を前記電圧制御手段によって設定して、前記オリフィスに流入する反応イオンのイオン種を特定し又は制御することを特徴とする請求項５に記載の大気圧コロナ放電イオン化方法。
前記針電極に負電圧を印加し、大気圧下の負コロナ放電により前記針電極の先端部を発光せしめることを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の大気圧コロナ放電イオン化方法。
前記針電極に印加される電圧を第１制御因子として規定し、前記先端面と前記オリフィスとの相対位置を第２制御因子として規定し、第１及び第２制御因子を変数とした関数に基づいて前記イオン種を特定し又は制御することを特徴とする請求項５乃至８のいずれか１項に記載の大気圧コロナ放電イオン化方法。
請求項１乃至４に記載された大気圧コロナ放電イオン化システムと、該システムによって生成した試料イオンが導入されるオリフィスを備えた質量分析装置とを有する質量分析システムにおいて、
前記オリフィスは、該オリフィスの流路長を設定変更するための流路長設定変更手段を有することを特徴とする質量分析システム。
請求項５乃至９に記載された大気圧コロナ放電イオン化方法によって生成した試料イオンを質量分析装置のオリフィスに導入する質量分析方法において、
前記オリフィスの流路長を設定変更することにより、前記質量分析装置の分析部に流入する試料イオンのイオン種を特定し又は制御することを特徴とする質量分析方法。