JP2015504160A - 衝突イオン発生器および分離器 - Google Patents

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Abstract

いくつかの実施形態により、液相およびエアロゾル試料の表面衝撃イオン化を行うためのシステムおよび方法が提供される。この方法は、液体またはエアロゾル試料を加速する段階と、試料を固体衝突表面と衝突させて、それにより、試料を分子イオン種(例えば、気体分子イオン)と分子中性種(例えば、気体試料)の両方に分解する段階と、分解された試料をイオン分析器に輸送する段階とを含む。この方法のいくつかの実施形態は、分子中性種を破棄する段階をさらに含む。このような実施形態は、実質的に分子イオン種のみをイオン分析器に輸送する。

Description

本発明は、化学種を定量化し、分析し、かつ/または同定するためのデバイス、システム、および方法に関する。より詳細には、本発明は、エアロゾル粒子または液体噴流を気相分子イオンを含むより小さい粒子に分解する表面衝撃現象を通じてエアロゾルおよび液相試料のいくつかの分子成分を気体分子イオンに変換するためのデバイス、システム、および方法に関する。
質量分光分析法は、任意の性質の試料分子組成の調査に一般的に使用される。従来の質量分光分析手順では、試料の分子成分は気相に移され、個別の分子は帯電して、気相イオンを生成し、次いで、これに対して、種々の質量対電荷比に基づくイオンの分離および選択的検出などの、質量分析を実施することができる。
いくつかの分子成分は不揮発性なので、これらの化合物の蒸発は、帯電前には実現可能でない。従来、極性官能基を排除することによって、そのような種の揮発度を高めるために化学誘導体化が使用されていた。しかし、化学誘導体化も、代表的なものとしてオリゴ糖、ペプチド、タンパク質、および核酸を含む、より大きい分子の場合には失敗する。生物学的関連性のあるこれらの種をイオン化し、質量分光分析法により調査するために、脱着およびスプレーイオン化を含む追加のイオン化戦略が開発されている。
脱離イオン化(電界脱離を除く)では、凝縮相試料に分析ビームと称される高エネルギー粒子のビームが照射され、これにより、試料の凝縮相分子成分を単一の段階で気体イオンに変換する。この技術の感度の低さとクロマトグラフィー分離との不適合性とが相まって、生体マトリックスにおける生体分子の定量測定への一般的適用性が妨げられる。脱離イオン化法で問題となる感度の低さは、一般的に、物質のほとんどが電荷が低いか、または全くない大きい分子クラスターの形態で脱離するという事実に関連している。最近、二次イオン化またはポストイオン化と称される過程を使用してこれらのクラスターを気体イオンに変換するための多数の方法論的アプローチが記述されている。これらの方法では、第2のイオン源を使用して、脱離イオン化過程上で形成されるエアロゾルを効率よくイオン化する荷電粒子の大電流を発生させる。
スプレーイオン化法が、脱離イオン化技術の代替的技術として開発され、また脱離イオン化、すなわち、任意の試料の不揮発性成分のイオン化によって解決される同じ問題を解決することを意図されていた。スプレーイオン化では、静電気力および/または空気圧力を使用して液相試料がスプレーされる。その結果、スプレーによって生成される帯電液滴は、溶媒の完全な蒸発時に個別の気相イオンに徐々に変換される。スプレーイオン化法、特にエレクトロスプレーイオン化は、上述の脱離イオン化法と比べたときの卓越した感度、さらにはクロマトグラフ法(脱離イオン化が不成功であったもの)との優れた接続能力を示す。
理論上スプレーイオン化法は、ほぼ100%のイオン化効率を達成することができるが、そのような高い値には、一般的には、実用上の実装問題があるため到達しない。ナノエレクトロスプレー法、またはナノスプレー法は、非常に高いイオン化効率をもたらすが、きわめて低い流速に制限され、そのような方法は、低い毎分ナノリットル範囲内の流速に対して高いイオン化効率をもたらすことしかできない。実用的な液体クロマトグラフィー分離は、より高い液体流速を伴う(例えば、高い毎分マイクロリットルから低い毎分ミリリットルまでを含む)ので、ナノスプレーは、液体クロマトグラフィー質量分光分析システムに対する通常選択される方法ではない。空気圧利用型エレクトロスプレー源は、理論上、そのような範囲内で液体の流れをスプレーすることができるが、そのイオン化効率は、急激に1〜5%の範囲に下がる。脱離イオン化法と同様に、スプレーイオン化源は、イオン化効率を低下させ、質量分光分析の大気界面を汚染する傾向がありうる、相当な量の荷電および中性クラスターも発生させる。
質量分光分析計の大気界面は、スプレーまたは大気圧脱離イオン化によって形成されたイオンを質量分光分析計の真空領域に導入するように設計される。大気界面の基本機能は、質量分光分析計に入る中性分子(例えば、空気、溶剤蒸気、噴霧状の気体など)の量または濃度を低減しながら質量分光分析計に入るイオンの濃度を最大にすることである。市販の測定器で現在使用されているアプローチは、大気気体を質量分光分析計の真空槽内に導入し、スキマー電極を使用して自由超音速真空噴流(free supersonic vacuum jet)の核をサンプリングすることである。このようなアプローチは、対象のイオンがより低い視線速度成分を有し、したがって、気体噴流の中核において濃縮されるという仮定に基づく。一般的に、スキマー電極の後に、イオン種を質量分析器に送る高周波交流電位駆動多極イオンガイド(radio-frequency alternating potential driven multi-pole ion guides)が続き、中性物質が真空システムによって統計的に散乱され、真空システムのポンプによって排出される。スキマー電極と高周波交流電位駆動多極イオンガイドとのこのような組合せにより、イオン伝達効率は最大30%まで上げられるが、より大きい分子クラスターによる汚染の問題はこれでは解決または管理されない。
質量分光分析計のさらなる発展には、円形電極を、スキマー電極の開口部の中により多くの荷電種を偏向させるために使用されるスキマー電極の縁の周りに追加することが含まれる。リング電極は、ときには「チューブレンズ」とも称されるが、スキマー電極を第1のコンダクタンスの限界値に関して同軸位置から横にずらすことも許容する。オフセットは、静電電位をチューブレンズに印加することによって部分的に補償されうる。そのような形でスキマー電極を位置決めすることで、任意のサイズの中性物質(クラスターを含む)が質量分光分析計の高い真空領域内に入らないようにする。
別の大気界面構成は、イオン担持大気をリング電極のイオンガイド内に直接導入することを含む。バイポーラ高周波交流電流(Bipolar radiofrequency alternating current)が、リング電極のスタックに印加され、これにより、荷電種に対して擬ポテンシャルの長手方向の谷が形成されるが、中性物質は、個別の電極間を通ることによってレンズスタックから離れることができる。質量分光分析器の方へイオンを能動的に加速するために静電電位の傾斜(または進行波)が使用されうる。このようなデバイスは、一般的に「イオンファンネル」と称され、3から4桁の幅のイオン電流範囲で100%に近いイオン伝達効率をもたらしうる。イオンファンネルは、イオン光学系および質量分析器内への中性物質および分子クラスターの流入を最小限度に抑えるためさまざまな点で修正されている。最も単純なそのような解決策として、ジェットディスラプターをファンネルの中心軸に取り付けて、中性物質および分子クラスターがイオンファンネル内を飛行する軌跡を遮る方法が挙げられる。代替的解決策として、ファンネルの出口オリフィスが大気入口に関して軸外れ位置にあるファンネルの非対称幾何学的形状、およびイオン担持大気気体が一方のファンネル内に導入され、イオンが後で測定器のイオン光学系に接続される反対側に位置するファンネル内に静電界を使用して横向きに引き出されるツインファンネルが挙げられる。
しかし、液体試料を気体イオンに変換するための改善されたシステムおよび方法が必要である。
いくつかの実施形態において、質量分光分析計またはイオン移動度分光分析計による分析のため気体分子イオンを発生させるための方法は、試料を固体表面の方へ加速する段階と、試料を固体表面と衝突させる段階と、その結果得られる気体分子イオンを集めて、それらを分析器ユニットに導く段階とを含む。試料は、エアロゾル試料および液体試料のうちの一方を含み、分子粒子クラスター、固体粒子、および荷電粒子のうちの1つまたは複数をさらに含む。衝突は、1つまたは複数の分子粒子クラスターを分解し、それにより、1つまたは複数の気体分子イオン、中性分子、およびより小さいサイズの分子粒子クラスターを形成することを意図されている。
いくつかの実施形態において、質量分光分析計またはイオン移動度分光分析計による分析のため気体分子イオンを発生させるためのシステムは、チューブ状導管と、衝突要素と、スキマー電極とを備える。チューブ状導管は、中を通る試料を加速するように構成されている。システム内で加速された試料は、エアロゾル試料および液体試料のうちの一方を含み、分子粒子クラスター、固体粒子、および荷電粒子のうちの1つまたは複数を有する。衝突要素は、チューブ状導管の開口部から相隔て置かれ、概してチューブ状導管の軸と揃えられる。衝突要素は、試料が衝突し、これにより1つまたは複数の分子粒子クラスターを分解して、気体分子イオン、中性分子、およびより小さいサイズの分子粒子クラスターのうちの1つまたは複数を形成する表面を有する。スキマー電極は、気体分子イオンを集めるように構成されている。スキマー電極は、チューブ状導管開口部と概して揃えられている開口部を有し、これにより、衝突要素は、チューブ状導管開口部とスキマー電極との間に挟装される。
いくつかの実施形態において、質量分光分析計またはイオン移動度分光分析計による分析のため気体分子イオンを発生させるためのシステムは、チューブ状導管と、衝突要素と、イオンファンネルガイドアセンブリとを備える。チューブ状導管は、中を通る試料を加速するように構成されている。チューブ状導管を通して加速された試料は、エアロゾル試料および液体試料のうちの一方を含み、分子粒子クラスター、固体粒子、および荷電粒子のうちの1つまたは複数を有する。衝突要素は、チューブ状導管の開口部から相隔て置かれ、概してチューブ状導管の軸と揃えられる。衝突要素は、試料が衝突する略球状の表面を有する。試料と略球状の衝突要素との間の衝突は、1つまたは複数の分子粒子クラスターを分解し、それにより、1つまたは複数の気体分子イオン、中性分子、およびより小さいサイズの分子粒子クラスターを形成する。イオンファンネルガイドアセンブリは、概してチューブ状導管開口部と揃えられ、バイポーラ高周波交流電流によって駆動される。衝突要素が、イオンファンネル内に配設される。イオンファンネルガイドアセンブリは、気体分子イオンを中性分子およびより小さいサイズの分子粒子クラスターから分離し、気体分子イオンを分析器に導くように構成されている。
いくつかの実施形態において、質量分光分析計および/またはイオン移動度分光分析計による分析のため気体分子イオンを発生させるためのシステムは、チューブ状導管と、スキマー電極と、分析器ユニットとを備える。チューブ状導管は、中を通る試料を加速するように構成されている。チューブ状導管を通して加速された試料は、エアロゾル試料および液体試料のうちの一方を含み、分子粒子クラスター、固体粒子、および荷電粒子のうちの1つまたは複数を有する。スキマー電極は、チューブ状導管の開口部から相隔て置かれ、概してその開口部と揃えられる。スキマー電極は、試料粒子が衝突して気体分子イオンを発生させる表面を備えたチューブ状セクションを有する。スキマー電極から気体分子イオンを受け入れる分析器ユニットは、気体分子イオンを分析して、試料の化学組成に関する情報を提供するように構成されている。
表面衝撃イオン化のためのシステムの一実施形態の概略図である。 液相試料を気体イオンに変換し、気体イオンを分析するためのシステムの一実施形態のブロック図である。 液相試料を気体イオンに変換し、気体イオンを分析するための方法の一実施形態の流れ図である。 液相試料を気体イオンに変換するためのシステムの別の実施形態の概略図である。 液相試料を気体イオンに変換するためのシステムのさらに別の実施形態の概略図である。 液相試料を気体イオンに変換するためのシステムのさらに別の実施形態の概略図である。 図5Aの液相試料を気体イオンに変換するためのシステムの実施形態の詳細概略図である。 液相試料を気体イオンに変換するためのシステムの別の実施形態の概略図である。 液相試料を気体イオンに変換するためのシステムの別の実施形態の概略図である。 図5Aおよび図5Bに示されている液相試料を気体イオンに変換するためのシステムの実施形態の変更形態によってもたらされるスペクトルのグラフである。 図5Aおよび図5Bに示されている液相試料を気体イオンに変換するためのシステムの実施形態の変更によってもたらされるスペクトルのグラフである。 図5Aおよび図5Bに示されている液相試料を気体イオンに変換するためのシステムの実施形態によってもたらされる、スキマー電極の電圧を変化させる、全イオン濃度および信号対雑音比のグラフである。 図5Aおよび図5Bに示されている液相試料を気体イオンに変換するためのシステムの実施形態によってもたらされる、球状衝突表面の電圧を変化させる、全イオン濃度および信号対雑音比のグラフである。
図1は、表面衝撃イオン化のためのシステム100の一実施形態を示している。システム100は、試料入口110と、試料120(例えば、試料ビーム)と、衝突表面130と、衝撃事象で形成される少なくとも1つのイオン種140と、他の分子中性種150とを備える。
動作に際して、1つまたは複数の分子クラスター、固体粒子、中性粒子、および荷電粒子(例えば、エアロゾルまたは液体の形態)からなる試料120は、試料入口110を通して質量分光分析計デバイスの高圧領域からより低圧の領域に導入される。試料120の粒子は、高圧領域と低圧領域との間の圧力差によって加速される。加速された後、非同質または同質の加速された試料120は、衝突表面130(例えば、固体表面)に衝突し、試料120(図3を参照)の分子クラスターまたは連続液体噴流を、個別の分子中性種150、および分子イオン種140(例えば、気体分子イオン)を含む気体分子種に分解する。衝撃駆動分解は、純粋に機械的であり、試料120内の粒子の運動エネルギーによって駆動され、陽イオンと陰イオンの両方を発生させる。試料120と衝突表面130との間の衝撃事象で形成される陽イオン種と陰イオン種の両方が集められ、イオン分析器ユニット(図1Bを参照)のイオン光学系内に移送される。いくつかの実施形態において、本明細書で開示されているシステムおよび方法により、結果的に、信号対雑音比は1%を超える、10%を超える、50%を超える、100%を超える、および200%を超える、さらにはその間の値になるように改善されうる。
一実施形態(図1Bに示されている)では、システム100は、より大きいイオン分析システム185の一部とすることができ、これは試料をシステム100に送るか、導くか、または誘導する試料源190と(図1に関して説明されているように動作する)、システム100から気体分子イオンを受け取り、それらを分析して試料の化学成分に関する情報を提供する、システム100の下流に配設されるイオン分析器195とを備える。
いくつかの実施形態において、試料入口110は、チューブ状導管の端部のチューブ状開口部である。チューブ状導管は、丸い断面を有することができる。他の実施形態では、チューブ状導管は、他の好適な断面を有することができる。
いくつかの実施形態において、試料入口110が試料120を導入する導入元の高圧領域は、大気圧がかかっている。他の実施形態では、試料入口110が試料120を導入する導入元の高圧領域は、大気圧より高い圧力がかかっている。別の実施形態では、試料入口110が試料120を導入する導入元の高圧領域は、大気圧より低い(例えば、イオン分析器デバイスの内部圧力に関して高い)。
いくつかの実施形態において、高圧領域と低圧領域との間の圧力差によってもたらされる加速度は、試料入口110と衝突表面130(例えば、衝突要素)との間に電位勾配を確立することができる電源の追加によって高められる。そのような電位勾配を確立することにより、試料120に含まれる荷電粒子の加速を引き起こすか、または高めることができる。
いくつかの実施形態において、機械的力に基づく、試料120の分解および分子イオン種140の生成(例えば、気体分子イオン)は、衝突表面130の温度を高めることによって増大され、またはさらに円滑にされうる。いくつかの実施形態において、衝突表面130の温度は、衝突表面130の接触加熱、抵抗加熱、または放射加熱を介して高めることができる。いくつかの実施形態において、衝突表面130は、周囲温度よりも低い温度に保つことができる。他の実施形態では、衝突表面130は、周囲温度または周囲温度を超える温度(例えば、1000℃以上まで)に保つことができる。いくつかの実施形態において、試料入口110は、周囲温度よりも低い温度に保つことができる。他の実施形態では、試料入口110は、周囲温度または周囲温度を超える温度(例えば、1000℃以上まで)に保つことができる。いくつかの実施形態において、衝突表面130と表面衝撃イオン化のためのシステム100の他の要素との間に温度差が付与される(例えば、試料入口110、または他の表面)。温度差が付与されるこれらの実施形態のうちのいくつかにおいて、衝突表面130は、表面衝撃イオン化のためのシステム100の他の要素より高い温度となっている(例えば、試料入口110、または他の表面)。温度差が付与される他の実施形態において、衝突表面130は、表面衝撃イオン化のためのシステム100の他の要素より低い温度となっている。
いくつかの実施形態において、衝撃で生じる陽イオンと陰イオンとの比は、衝突表面130と質量分光分析計のイオン光学系(図1Bのイオン分析器195など)との間に電位差を印加することによってずらされる。イオン光学系の第1の要素に関して衝突表面130上に正電位を印加すると、陽イオンの形成が高められ、陰イオンの形成が抑制されうる。当然の結果として、イオン光学系の第1の要素に関して衝突表面130上に負電位を印加すると、陰イオンの形成が高められ、陽イオンの形成が抑制されうる。したがって、これらの実施形態では、注目するイオンが、負に帯電した種である場合、衝突表面130とイオン光学系との間に負電位を印加すると都合がよい。逆に、注目するイオンが、正に帯電した種である場合、衝突表面130とイオン光学系との間に正電位を印加すると都合がよい。それに加えて、衝突表面130とイオン光学系との間に静電電位を印加すると、試料120のすでに存在しているイオン成分の中性化を最小にすることができて有利である。
いくつかの実施形態において、衝突表面130は、以下で開示されているように、イオンファンネルまたはリング電極型イオンガイド内に置かれ、これにより、元々導入されていたイオンと衝撃事象で形成されたイオンの両方の収集および伝達効率を実質的に100%まで高めることができて、有利である。一実施形態では、衝突表面130は、実質的に平坦である(例えば、図1に示されているように)。他の実施形態では、衝突表面130は、他の形状を有することができる(例えば、曲面、球面、涙滴、凹面、皿形、円錐など)。いくつかの実施形態において、衝撃事象で形成される少なくとも1つのイオン種140(例えば、気体分子イオン)は、衝突表面130と衝突した後に、本明細書で開示されているスキマー電極などの、スキマー電極へ導かれうる。
図1Bは、液体試料を気体イオンに変換し、気体イオン185を分析するためのシステムのブロック図を示している。システム185は、試料源190と、図1の表面衝撃イオン化システム100と、イオン分析器195とを備える。
いくつかの実施形態において、試料源190は、試料をシステム100に送るか、導くか、または誘導する(図1に関して説明されているように動作する)。
いくつかの実施形態において、システム100の下流に配設されるイオン分析器195は、システム100から気体分子イオンを受け取り、それらを分析して試料の化学成分に関する情報を提供する。いくつかの実施形態において、イオン分析器195は、質量分光分析計である。他の実施形態では、イオン分析器195は、イオン移動度分光分析計である。さらに他の実施形態では、イオン分析器195は、質量分光分析計とイオン移動度分光分析計の両方の組合せである。
図2は、質量分光分析200に対する試料を調製するための方法の一実施形態の流れ図を示している。
最初に、段階210で、図1の試料120が、図1の試料入口110の高圧領域から質量分光分析計の低圧領域(例えば、真空)に導入される。
いくつかの実施形態において、試料は、エアロゾル試料である。他の実施形態では、試料は、液体試料である。
次に、段階220で、図1の試料120が、加速される。
いくつかの実施形態において、加速は、図1の試料120が、図1の試料入口110の高圧領域から質量分光分析計の低圧領域に入ることによってのみ、もたらされる。いくつかの実施形態において、加速は、図1の試料入口110と図1の衝突表面130との間に電位勾配を印加して、図1の試料120に含まれる荷電粒子の加速を引き起こすことによって高められるか、または引き起こされる。さらに他の実施形態では、試料は、図1の衝突表面130との衝撃の際に試料の分解を十分に引き起こせる速度まで試料を加速することができる任意の機構によって加速される。
次に、段階230で、試料は、図1の衝突表面130と衝突する。
次に、段階240で、図1の試料120と図1の衝突表面130とが衝突すると、図1の試料120は、図1の個別の分子中性種150(例えば、気体分子中性物質)、および図1の分子イオン種140(例えば、気体分子イオン)を含む気体分子種に分解される。
いくつかの実施形態において、分解は、単に機械的力および運動エネルギーの解放によるものである。他の実施形態では、機械的力による分解は、図1の衝突表面130の温度を高めることによって増強されるか、またはさらに円滑にされる。いくつかの実施形態において、衝突表面130は、周囲温度よりも低い温度に保つことができる。他の実施形態では、衝突表面130は、周囲温度または周囲温度を超える温度(例えば、1000℃以上まで)に保つことができる。いくつかの実施形態において、試料入口110は、周囲温度よりも低い温度に保つことができる。他の実施形態では、試料入口110は、周囲温度または周囲温度を超える温度(例えば、1000℃以上まで)に保つことができる。いくつかの実施形態において、衝突表面130と表面衝撃イオン化のためのシステム100の他の要素との間に温度差が付与される(例えば、試料入口110、または他の表面)。温度差が付与されるこれらの実施形態のうちのいくつかにおいて、衝突表面130は、表面衝撃イオン化のためのシステム100の他の要素より高い温度となっている(例えば、試料入口110、または他の表面)。温度差が付与される他の実施形態において、衝突表面130は、表面衝撃イオン化のためのシステム100の他の要素より低い温度となっている。いくつかの実施形態において、衝撃で生じる陽イオンと陰イオンとの比は、図1の衝突表面130と質量分光分析計のイオン光学系との間に電位差を印加することによってずらされる。イオン光学系の第1の要素に関して衝突表面130上に正電位を印加すると、陽イオンの形成が高められ、陰イオンの形成が抑制されうるが、イオン光学系の第1の要素に関して衝突表面130上に負電位を印加すると、陰イオンの形成が高められ、陽イオンの形成が抑制されうる。上で述べたように、衝突表面130とイオン光学系との間に静電電位を印加すると、試料120のすでに存在しているイオン成分の中性化を最小にする有利な効果がさらに加わる可能性がある。
次に、段階250で、衝突事象において生成されたイオンは、集められ、イオン分析器ユニットに輸送されるが、衝突事象において生成された中性物質および他の廃粒子は破棄されうる。
次に、段階260で、集められたイオンは、イオン分析器ユニットに輸送され、質量分光分析計によって読み取られ/分析される。
図3は、表面衝撃イオン化のためのシステム300の別の実施形態を示している。システム300は、液体試料ノズルまたは入口310と、液体試料ビーム(液体噴流)320と、衝突表面130'と、少なくとも1つの分子イオン種140'と、少なくとも1つの分子または他の中性物質150'とを備える。
この図および他の図に示されているような、試料入口110'、試料ビーム120'、衝突表面130'、分子イオン種140'、および分子中性種150'は、別のところで説明されている、同じ参照番号を有する、成分および要素に類似する(例えば、同一の)ものであってよい。
動作に際して、システム300は、図1のシステム100とほぼ同一の仕方で動作する。液体噴流320は、液体試料ノズル310を通して質量分光分析計デバイスの高圧領域から低圧領域に導入される。液体噴流320の粒子は、高圧領域と低圧領域との間の圧力差によって加速される。加速後、加速された液体噴流320は、衝突表面130'に衝突し、連続液体噴流320を個別の分子中性種150'と分子イオン種140'とに分解する。衝撃駆動分解は、純粋に機械的であり、液体噴流320内の粒子の運動エネルギーによって駆動され、陽イオンと陰イオンの両方を発生させる。液体試料ビーム320と衝突表面130'との間の衝撃事象で形成される陽イオン種と陰イオン種の両方が集められ、イオン分析器ユニットのイオン光学系内に移送される。
いくつかの実施形態において、液体噴流320の機械的力に基づく分解は、衝突表面130'の温度を高めることによって増強されるか、またはさらに円滑にされうる。いくつかの実施形態において、衝突表面130'の温度は、接触加熱、抵抗加熱、または放射加熱を介して高めることができる。いくつかの実施形態において、衝突表面130'は、周囲温度よりも低い温度に保つことができる。他の実施形態では、衝突表面130'は、周囲温度または周囲温度を超える温度(例えば、1000℃以上まで)に保つことができる。いくつかの実施形態において、液体試料ノズル310は、周囲温度よりも低く保つことができる。他の実施形態では、液体試料ノズル310は、周囲温度または周囲温度を超える温度(例えば、1000℃以上まで)に保つことができる。いくつかの実施形態において、衝突表面130'と表面衝撃イオン化のためのシステム300の他の要素との間に温度差が付与される(例えば、液体試料ノズル310、または他の表面)。温度差が付与されるこれらの実施形態のうちのいくつかにおいて、衝突表面130'は、表面衝撃イオン化のためのシステム300の他の要素より高い温度となっている(例えば、液体試料ノズル310、または他の表面)。温度差が付与される他の実施形態において、衝突表面130'は、表面衝撃イオン化のためのシステム300の他の要素より低い温度となっている。
いくつかの実施形態において、衝撃で生じる陽イオンと陰イオンとの比は、衝突表面130'と上で開示されている質量分光分析計のイオン光学系との間に電位差を印加することによってずらされる。衝突表面130'とイオン光学系との間に静電電位を印加すると、液体噴流320のすでに存在しているイオン成分の中性化を最小にする有利な効果をさらに有することができる。
いくつかの実施形態において、衝突表面130'は、イオンファンネルまたはリング電極型イオンガイド内に置かれ、これにより、元々導入されていたイオンと衝撃事象で形成されたイオンの両方の収集および伝達効率を実質的に100%まで高めることができて、有利である。
図4は、表面衝撃イオン化のためのシステム400の別の実施形態を示している。システム400は、試料入口110'と、スキマー電極420と、スキマー電極入口/間隙430と、スキマー電極チューブ状延長部440と、試料粒子435と、非ゼロの視線速度成分を有する粒子450と、分子イオン種140'と、分子中性種150'と、噴流境界462およびマッハディスク464を有する試料粒子速度プロファイル460(例えば、バレルショックおよび自由噴流膨張)とを備える。
動作に際して、システム400は、図1のシステム100のものと似た仕方で動作する。試料粒子435は試料入口110'から出る。試料入口110'から出て質量分光分析計の真空領域に入る試料粒子435は、自由噴流膨張において音速超えて加速される。スキマー電極420は、試料粒子435の一部を破棄粒子437としてかすめ取り、これにより、試料粒子435の一部のみをスキマー電極入口/間隙430に通すことができる。試料粒子435は、スキマー電極420の残り部分に引き続き入り込む。残っている試料粒子435は、スキマー電極チューブ状延長部440を通過し、その一部が、非ゼロの視線速度成分を有する粒子450となる。非ゼロの視線速度成分を有する粒子450は、スキマー電極チューブ状延長部440の円柱内面442に衝突して中に入り込む。円柱内面442との衝突時に、いくつかの分子成分が、分子イオン種140'(例えば、気体分子イオン)に変換され、引き続き、スキマー電極チューブ状延長部440を通り、質量分光分析計内に入る。試料粒子速度プロファイルは、試料入口110'の比較的高い圧力領域から出て、スキマー電極420およびイオン分析器の比較的低い圧力領域に入り、自由噴流膨張において加速するときの粒子の速度プロファイルの一実施形態を示している。いくつかの実施形態において、スキマー電極入口/間隙430は、図4に示されているようにマッハディスク464内にちょうど貫入する。
図1のシステム100において適用される実施形態の変更も、システム400に適用可能であることに留意されたい。
図5は、表面衝撃イオン化のためのシステム500の別の実施形態を示している。図5Aは、システム500の拡大概略図である。図5Bは、システム500の詳細概略図である。システム500は、試料入口110'と、大気気体担持エアロゾル粒子520と、球状衝突表面530と、スキマー電極540と、分子イオン種140'(例えば、気体分子イオン)および分子中性種150'を含む気体分子種とを備える。
動作に際して、試料入口110'(質量分光分析計の大気界面の入口)は、大気気体担持エアロゾル粒子520を質量分光分析計の真空領域内に導入するために使用される。上で説明されているように、試料粒子は、システム500の大気圧領域と真空領域との間の圧力差によって加速される。さらなる動作に際して、大気気体担持エアロゾル粒子520のビームは、球状衝突表面530と衝突する。最後に、分子イオン種140'は、球状衝突表面530の周りを通り、スキマー電極540の内腔542の長手方向軸に沿ってスキマー電極540内に入る。分子中性種150'は、概して、スキマー電極540によってかすめ取られ、したがって、質量分光分析計の中に入らない。
いくつかの実施形態において、球状衝突表面530は、完全な球形である。他の実施形態では、球状衝突表面530は、部分的に球形である。さらに他の実施形態では、球状衝突表面530は、涙滴形であり、涙滴の丸い底部が試料入口110'に面しており、涙滴の尖った頂部が、スキマー電極540に面している。いくつかの実施形態において、球状衝突表面530は、試料入口110'およびスキマー電極540の内腔542の軸と同じ軸に沿って恒久的に固定される。いくつかの実施形態において、球状衝突表面530は、ユーザーの要件に合わせて前記軸からオフセットされうる。したがって、球状衝突表面530は、試料入口110'およびスキマー電極540の内腔542の軸に概して揃えられうる(例えば、その軸と同じ軸に沿って延在するかまたはその軸からオフセットされる)。一実施形態では、球状衝突表面530のオフセット位置への平行移動は、ネジ山付き球状衝突表面アーム550を使用することによって図5Bに示されているように実行されうる。いくつかの実施形態において、試料入口110'の内径は、約0.1〜4mm、約0.2〜3mm、約0.3〜2mm、約0.4〜1mm、および約0.5〜0.8mmの、約0.7mmを含む、範囲内である。いくつかの実施形態において、試料入口110'と球状衝突表面530との間の距離は、約1〜10mm、約2〜9mm、約3〜8mm、および約4〜7mmの、約5mmを含む、範囲内である。いくつかの実施形態において、球状衝突表面530またはスキマー電極540は、自由噴流膨張のマッハディスク内にちょうど入り込み、性能を有利に改善する。いくつかの実施形態において、球状衝突表面530およびスキマー電極540の直径は、約0.5〜5mm、約0.75〜4mm、および約1〜3mmの、約2mmを含む、範囲内である。さらに他の実施形態では、球状衝突表面530とスキマー電極540との間の距離は、約1〜20mm、約2〜18mm、約3〜16mm、約4〜14mm、約5〜12mm、約6〜10mm、約7〜8mmの、約3mmを含む、範囲内である。
いくつかの実施形態において、球状衝突表面530は、金属で作られる。他の実施形態では、球状衝突表面530は、任意の他の導電性材料で作られる。いくつかの実施形態において、衝突表面530は、他の実施形態に関連して上で説明されているものと同様にして加熱されうる。いくつかの実施形態において、球状衝突表面530の表面は、荷電されず/中性である。いくつかの実施形態において、電位は、電気コネクタまたは電位を表面に印加する任意の他の機構を通じて球状衝突表面530の表面に印加されうる。電位が球状衝突表面530に印加される実施形態では、この電位により、分子イオン種140'が球状衝突表面530の周りを通り、スキマー電極540内に、スキマー電極540の中心軸に沿って入り、質量分光分析計に輸送されることが円滑になされる。いくつかの実施形態において、球状衝突表面530とスキマー電極540との間の電位差は、約10V、約20V、約30V、約40V、約50V、約75V、約100V、および約1000V、さらにはこれらの間の値である。それに加えて、イオン濃度を高めるために適している任意の他の適切な電位差も印加することができる。
図6は、表面衝撃イオン化のためのシステム600の別の実施形態を示している。システム600は、試料入口110'と、大気気体担持エアロゾル粒子520'と、球状衝突表面530'と、分子イオン種140'と、分子中性種150'と、バイポーラ高周波交流電流駆動イオンガイドアセンブリ610とを備える。
動作に際して、大気気体担持エアロゾル粒子520は、質量分光分析計デバイスの高圧領域からより低圧の領域へ、試料入口110'を通り、システム600に入る。大気気体担持エアロゾル粒子520は、高圧領域と低圧領域との間の圧力差によって加速される。加速後に、加速された大気気体担持エアロゾル粒子520は、球状衝突表面530'と衝突し、分解する。この分解により、バイポーラ高周波交流電流駆動イオンガイドアセンブリ610の内側に、分子イオン種140'(例えば、気体分子イオン)および分子中性種150'を含む気体分子種が形成される。衝突によって引き起こされる分解によって生成される分子イオン種140'は、高周波交流電流電位によって生成される擬ポテンシャル場を介してバイポーラ高周波交流電流駆動イオンガイドアセンブリ610の内側に保持される。分子中性種150'は、バイポーラ高周波交流電流駆動イオンガイドアセンブリ610の擬ポテンシャルの影響を受けず、そのために、自由に、バイポーラ高周波交流電流駆動イオンガイドアセンブリ610から出て、適切な真空システムを介してシステム600からポンプで送り出されうる。
図7は、表面衝撃イオン化のためのシステム700の別の実施形態を示している。システム700は、図5のシステム500に類似している。システム700は、試料入口110'と、試料120'(例えば、試料ビーム)と、円錐状衝突表面730と、スキマー電極710と、分子イオン種140'(例えば、気体分子イオン)および分子中性種150'を含む気体分子種とを備える。
システム700の動作は、円錐状衝突表面730が球状衝突表面530の代わりに使用されることを除き、システム500と同様である。球状衝突表面530の代わりに円錐状衝突表面730を使用することで、円錐状衝突表面730とスキマー電極710との間の変化する距離に関してより高い質量選択度で反映される衝撃分解事象で形成されるイオンのより効率的な運動量による分離が可能になり有利である。この場合、分子イオン種140'のより重い粒子は、より大きい運動量を有することになり、したがって、分子中性種150'とともに試料から「かすめ取られる」ことになる。したがって、より小さい質量の分子イオン種140'のみが質量分光分析計のイオン分析器ユニットに輸送されることになる。
図8は、本明細書で開示されているシステムによって取得されるスペクトルを示している。図8Aは、球状衝突表面530が存在せず、したがって使用されていないときにシステム500によって取得されるスペクトルを示している。図8Bは、球状衝突表面503が存在し、したがって使用されているときにシステム500によって取得されるスペクトルを示している。図8Aに示されている信号対雑音比は、8.726であるが、図8Bに示されている信号対雑音比は、12.574、すなわち、144.1%の改善である。雑音のこの減少は、球体の周りに形成される流束によって生じる運動量の分離に関連する。特に、固体粒子は、単一の分子イオン種140'に比べて著しく大きい質量を有し、したがって、そのような固体粒子は、球体の表面上に形成される短い曲率半径を有する軌道を辿ることができないが、単一の分子イオン種140'は、そのような経路を辿ることができる。他の実施形態では、衝突表面の周りの流れは乱流になることがあり、そのため固体粒子は、衝突表面の周りを辿ってスキマー電極内に入り、それによりかすめ取られ、破棄されることが不可能である。したがって、固体粒子は、より軽い単一の分子イオン種140'とは異なる場所において球体の表面から離れる。適切な調整/チューニングを行えば、分子イオン種140'は、スキマー電極540の開口部に到達し、より大きいクラスターは、異なる軌跡を辿り、スキマー電極の開口部に入らず、したがって、質量分光分析計のイオン分析器ユニットに到達しない。
イオンの形成は、電位を球状衝突表面530に印加することによって円滑されるものとしてよく、通常は、対象のイオンの極性と同一の極性である。このような方法で、表面から離れるイオンの軌跡およびスキマーの開口部を通過するイオンの量は、調節されうる。
図9は、球状衝突表面530の電位およびスキマー電極540の電位の関数として異なる全イオン電流を示している。図9Aは、全イオン濃度および信号対雑音比とスキマー電極540の電圧との関係を示している。図9Bは、全イオン濃度および信号対雑音比と球状衝突表面530の電圧との関係を示している。スキマー電極540の電位は、全イオン電流に著しい影響を及ぼす。逆に、球状表面の電位のみを変える段階は、全イオン電流を著しく変えることはしない。図9Aおよび9Bのグラフからわかるように、最適な設定は、スキマー電極540の電圧に対しては-30V、球状衝突表面530の電圧に対しては+20Vであり、すなわち、これら2つの電圧の差は50Vであった。
説明に役立つ実施例
(実施例)
(実施例1)
外科用エアロゾルのイオン化
図5に示されているシステムが、この実施例で使用された。単極切断電極を収容するハンドピースを使用して、外科電気焼灼が行われた。切刃が、長さ2m、直径3.175mmの軟質ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)チューブに接続された開いている直径3.175mmのステンレス鋼製チューブ内に埋め込まれた。PTFEチューブは、ベンチュリー気体噴流ポンプを使って手術場所から質量分光分析計へ気体イオンを含むエアロゾルを輸送するために使用された。ベンチュリーポンプは、20L/分の流速で動作した。ポンプの排出部は、質量分光分析計の大気入口に対して直交する形で配置された。
説明したばかりの電気焼灼システムを使用して、ブタの肝組織の試料が採取された。手術時の煙がLCQ Advantage Plus(カリフォルニア州サンノゼ所在のThermo Finnigan社)質量分光分析計の修正された大気界面内に導かれ、生成したスペクトルが分析された。
試料は、大気界面に到達したときにイオンを含まず、あったとしてもごくわずかである。したがって、従来の大気界面でそれを分析するのは難しいか、または不可能である。界面の第1の部分の真空空間では、本明細書で開示されている衝突方法で、イオンが生成された。イオン形成は、球状イオン生成コンポーネントの表面で生じた。
イオン喪失は、球状衝突表面に対する材料、形状、サイズ、および位置の変数を最適化することにより最小化されうる、すなわち、そのような方法で、本明細書で開示されている技術およびシステムを使用することで、信号対雑音比のレベルをなおいっそう改善することができる。
本明細書で開示されている表面衝撃イオン化システム100、300、400、500、600、および700は、多くの状況で使用した場合に非常に有利となる現在利用可能なシステムに勝るいくつかの利点を有する。最初に、開示されているシステムは単純であり、液相試料とエアロゾルの両方の分子成分のイオン化に対して非常に頑丈である。それに加えて、これらのシステムでは、イオン化方法の効率を劇的に高め、荷電および中性分子クラスターを大量に発生させる。最後に、本明細書で開示されているシステムは不要な中性分子クラスターを破棄するように独特の方法で適合され、その結果、計測器の汚染が低減し、それに付随して必要なメンテナンスも少なくなり、検出器の雑音レベルが著しく下がり、信号対雑音比が改善されるという利点が得られる。
もちろん、前述の説明は、本発明のいくつかの特徴、態様、および利点についての説明であり、これに対するさまざまな変更および修正は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく行える。そこで、例えば、当業者であれば、本発明が、本明細書で教示または示唆されうるような他の目的もしくは利点を必ずしも達成することなく本明細書で教示されているような1つの利点もしくは複数の利点の群を達成または最適化する形で具現化または実施されうることを理解するであろう。それに加えて、本発明の多くの変更形態が図示され詳細に説明されているが、他の修正形態および使用方法も本発明の範囲内にあり、本開示に基づいて当業者には容易に理解されるであろう。種々の実施形態の中で具体的な特徴および態様のさまざまな組合せもしくは部分的組合せを実施でき、それらがなお本発明の範囲内に収まりうることが企図されている。したがって、開示されている実施形態のさまざまな特徴および態様は、(例えば、いくつかの実施形態から特徴または段階を除外するか、またはシステムまたは方法の一方の実施形態からの特徴または段階をシステムまたは方法の別の実施形態に追加することによって)説明されているデバイス、システム、および方法のさまざまな態様を形成するために互いに組み合わせるか、または互いに代替えすることができることは理解されるであろう。
100 表面衝撃イオン化システム
110 試料入口
120 試料
130 衝突表面
130' 衝突表面
140 イオン種
140' 分子イオン種
150 分子中性種
150' 分子または他の中性物質
185 イオン分析システム
190 試料源
195 イオン分析器
300 表面衝撃イオン化システム
310 液体試料ノズルまたは入口
320 液体試料ビーム(液体噴流)
400 表面衝撃イオン化システム
420 スキマー電極
430 スキマー電極入口/間隙
435 試料粒子
437 破棄粒子
440 スキマー電極チューブ状延長部
442 円柱内面
450 非ゼロの視線速度成分を有する粒子
462 噴流境界
464 マッハディスク
500 表面衝撃イオン化システム
520 大気気体担持エアロゾル粒子
520' 大気気体担持エアロゾル粒子
530 球状衝突表面
530' 球状衝突表面
540 スキマー電極
542 内腔
550 ネジ山付き球状衝突表面アーム
600 表面衝撃イオン化システム
610 バイポーラ高周波交流電流駆動イオンガイドアセンブリ
700 表面衝撃イオン化システム
710 スキマー電極
730 円錐状衝突表面

Claims (31)

  1. 質量分光分析計またはイオン移動度分光分析計による分析のため気体分子イオンを発生させるための方法であって、
    エアロゾル試料および液体試料のうちの一方を含む試料を固体表面の方へ加速する段階であって、前記試料は分子粒子クラスター、固体粒子、および荷電粒子のうちの１つまたは複数を含む、段階と、
    前記試料を前記固体表面と衝突させて、前記１つまたは複数の分子粒子クラスターを分解し、それにより、気体分子イオン、中性分子、およびより小さいサイズの分子粒子クラスターのうちの１つまたは複数を形成する段階と、
    前記気体分子イオンを集めて、前記気体分子イオンを分析計ユニットに導く段階と
    を含む方法。
  2. 前記気体分子イオンを分析して、前記試料の化学組成に関する情報を提供する段階をさらに含む請求項１に記載の方法。
  3. 集める段階は、前記試料が導入される際に通る開口部と概して揃えられているスキマー電極により前記気体分子イオンを集める段階を含む請求項１に記載の方法。
  4. 前記試料は、連続液体噴流である請求項１に記載の方法。
  5. 前記試料を加速する段階は、前記試料が導入される際に通るチューブ状開口部に沿って圧力勾配を介して前記試料を駆動する段階を含む請求項１に記載の方法。
  6. 前記試料を加速する段階は、前記チューブ状開口部と前記固体表面との間に電位勾配を確立する段階をさらに含む請求項５に記載の方法。
  7. 前記試料を加速する段階は、自由噴流膨張において前記試料を音速を超えて加速する段階を含む請求項１に記載の方法。
  8. 前記気体分子イオンを集める段階は、前記気体分子イオンを前記中性分子およびより小さいサイズの分子粒子クラスターから分離する段階を含む請求項１に記載の方法。
  9. 分離する段階は、前記衝突要素の少なくとも一部に沿って乱流を発生させる段階であって、前記乱流は前記気体分子イオンが前記中性分子およびより小さいサイズの分子粒子クラスターから分離することを可能にする、段階を含む請求項８に記載の方法。
  10. 接触加熱、抵抗加熱、および放射加熱のうちの１つを介して前記固体表面を加熱する段階をさらに含む請求項１に記載の方法。
  11. 前記表面は、略球状の表面である請求項１に記載の方法。
  12. 前記表面は、イオンファンネル型の質量分光分析計の大気界面内に配設され、前記イオンファンネルは前記気体分子イオンを集めるように構成されている請求項１１に記載の方法。
  13. 前記球状表面は、前記試料が導入される際に通る開口部とスキマー電極との間に配設される請求項１１に記載の方法。
  14. 前記表面は、円錐状表面である請求項１に記載の方法。
  15. 前記表面は、スキマー電極のチューブ状表面である請求項１に記載の方法。
  16. 質量分光分析計またはイオン移動度分光分析計による分析のため気体分子イオンを発生させるためのシステムであって、
    中を通る試料を加速するように構成されているチューブ状導管であって、前記試料はエアロゾル試料および液体試料のうちの一方を含み、分子粒子クラスター、固体粒子、および荷電粒子のうちの１つまたは複数を有する、チューブ状導管と、
    前記チューブ状導管の開口部から相隔て、前記チューブ状導管の軸に概して揃えられている衝突要素であって、前記衝突要素は、前記試料が衝突し、これにより前記１つまたは複数の分子粒子クラスターを分解して、気体分子イオン、中性分子、およびより小さいサイズの分子粒子クラスターのうちの１つまたは複数を形成する表面を有する、衝突要素と、
    前記気体分子イオンを集めるように構成されたスキマー電極であって、前記チューブ状導管開口部と概して揃えられている開口部を有し、これにより、前記衝突要素は前記チューブ状導管開口部と前記スキマー電極との間に挟装される、スキマー電極と
    を備えるシステム。
  17. 前記スキマー電極によって集められた前記気体分子イオンを分析して、前記試料の化学組成に関する情報を提供するように構成された分析器をさらに備える請求項１６に記載のシステム。
  18. 前記チューブ状導管は、連続液体噴流を前記衝突要素の前記表面上に導くように構成されている請求項１６に記載のシステム。
  19. 前記チューブ状導管と前記衝突要素との間に真空を発生させ、前記試料を前記衝突要素の前記表面上へ加速させる圧力勾配をチューブ状導管に沿って形成するように構成された真空源をさらに備える請求項１６に記載のシステム。
  20. 前記チューブ状導管開口部と前記衝突要素の前記表面との間に電位勾配を確立するように構成された電源をさらに備え、前記電位勾配は前記試料を前記衝突要素の前記表面の上へさらに加速する請求項１９に記載のシステム。
  21. 前記試料は、自由噴流膨張で音速を超えて加速される請求項１９に記載のシステム。
  22. 前記衝突要素および前記スキマー電極のうちの１つまたは複数は、前記気体分子イオンを前記中性分子およびより小さいサイズの分子粒子クラスターから分離するように構成されている請求項１６に記載のシステム。
  23. 前記衝突要素の表面の少なくとも一部に沿った乱流は、前記気体分子イオンを前記中性分子およびより小さいサイズの分子粒子クラスターからの前記分離を円滑にする請求項２２に記載のシステム。
  24. 接触加熱源、抵抗加熱源、および放射加熱源からなる群から選択された加熱源をさらに備え、前記加熱源は、前記衝突要素表面を加熱するように構成されている請求項１６に記載のシステム。
  25. 前記衝突要素の表面は、略球状の表面である請求項１６に記載のシステム。
  26. 前記衝突要素の表面は、略円錐状の表面である請求項１６に記載のシステム。
  27. 質量分光分析計またはイオン移動度分光分析計による分析のため気体分子イオンを発生させるためのシステムであって、
    中を通る試料を加速するように構成されているチューブ状導管であって、前記試料はエアロゾル試料および液体試料のうちの一方を含み、分子粒子クラスター、固体粒子、および荷電粒子のうちの１つまたは複数を有する、チューブ状導管と、
    前記チューブ状導管の開口部から相隔て、前記チューブ状導管の軸に概して揃えられる衝突要素であって、前記衝突要素は、前記試料が衝突し、これにより前記１つまたは複数の分子粒子クラスターを分解して、気体分子イオン、中性分子、およびより小さいサイズの分子粒子クラスターのうちの１つまたは複数を形成する略球状の表面を有する、衝突要素と、
    前記チューブ状導管の開口部に概して揃えられ、バイポーラ高周波交流電流によって駆動されるイオンファンネルガイドアセンブリであって、前記衝突要素は前記イオンファンネル内に配設され、前記イオンファンネルガイドアセンブリは、前記気体分子イオンを前記中性分子およびより小さいサイズの分子粒子クラスターから分離し、前記気体分子イオンを分析器に導くように構成されている、イオンファンネルガイドアセンブリと
    を備えるシステム。
  28. 前記イオンファンネル型の質量分光分析計の大気界面によって集められた前記気体分子イオンを分析して、前記試料の化学組成に関する情報を提供するように構成された分析器をさらに備える請求項２７に記載のシステム。
  29. 質量分光分析計またはイオン移動度分光分析計による分析のため気体分子イオンを発生させるためのシステムであって、
    中を通る試料を加速するように構成されているチューブ状導管であって、前記試料はエアロゾル試料および液体試料のうちの一方を含み、分子粒子クラスター、固体粒子、および荷電粒子のうちの１つまたは複数を有する、チューブ状導管と、
    前記チューブ状導管の開口部から相隔て置かれ、概して当該開口部と揃えられるスキマー電極であって、試料粒子が衝突して気体分子イオンを発生させる表面を備えたチューブ状セクションを有する、スキマー電極と、
    前記スキマー電極から前記気体分子イオンを受け入れる分析器ユニットであって、前記気体分子イオンを分析して、前記試料の化学組成に関する情報を提供するように構成された分析器ユニットと
    を備えるシステム。
  30. 前記チューブ状導管と前記スキマー電極との間に真空を発生させ、前記試料を前記表面上へ加速させる圧力勾配をチューブ状導管に沿って形成するように構成された真空源をさらに備える請求項２９に記載のシステム。
  31. 前記試料は、自由噴流膨張で音速を超えて加速される請求項２９に記載のシステム。
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