JP2015510124A

JP2015510124A - ガス流内に含まれたアナライト分子のイオン化

Info

Publication number: JP2015510124A
Application number: JP2014556574A
Authority: JP
Inventors: スティーブンス，ダグラス・エム
Original assignee: ウオーターズ・テクノロジーズ・コーポレイシヨン
Priority date: 2012-02-13
Filing date: 2013-01-30
Publication date: 2015-04-02
Also published as: EP2815420A1; US9903845B2; WO2013122745A1; EP2815420A4; EP2815420B1; US20150338384A1

Abstract

第１のガス流内に含まれたアナライト分子をイオン化するための装置。装置は、第１のガスがそこを通ってイオン化領域内に排出され得る入口チューブを含む。装置はまた、入口チューブの外部とノズル電極の内部との間にほぼ環状の空間を画定するために入口チューブの周りに配設されたノズル電極も含む。シースチューブは、流体をほぼ環状の空間内に導入するための入口と、流体がそこを通ってイオン化領域内に排出され得る出口とを含む。装置は、任意選択で電気スプレーまたは化学的イオン化によってアナライト分子をイオン化するように構成される。

Description

本出願は、参照によって全体的に本明細書に組み込まれる、２０１２年２月１３日出願の表題「ＩｏｎｉｚａｔｉｏｎｏｆＡｎａｌｙｔｅＭｏｌｅｃｕｌｅｓｃｏｍｐｒｉｓｅｄＩｎａＦｌｏｗｏｆＧａｓ」の米国特許仮出願第６１／５９７，９７５号明細書の優先権および利益を主張するものである。

本開示は、ガス流内に含まれたアナライト分子のイオン化に関する。

ガスクロマトグラフィでは、移動相ガス（または「搬送ガス」）、通常は不活性ガスの流れが、サンプルをガスクロマトグラフィ（ＧＣ）カラム内を掃引する。通常、ＧＣカラムは、固定相として作用するポリマーまたは液体の層を含む。サンプルは、カラムを通り抜け、固定相材料と相互作用しながらその構成部分（すなわち個々の化合物）に分離される。その結果、サンプルを構成するさまざまな化合物が、さまざまな時間においてカラムから溶出する。しばしば、カラムからの流出物は、流出物内のアナライト分子をイオン化するためにイオン化源に露出され、それにより、イオン化されたアナライト分子がその後検出され得る。

本開示は、ノズル電極が、クロマトグラフィカラムの出口近くに配置され、ガスクロマトグラフィカラムからの流出物などのガス流内のアナライト分子が、電気スプレーまたは化学的イオン化技術によってイオン化され得るように構成され得るという認識に部分的に基づいている。

１つの態様は、第１のガス流内に含まれたアナライト分子をイオン化するための装置を提供する。装置は、第１のガスがそこを通ってイオン化領域内に排出され得る入口チューブを含む。装置はまた、入口チューブの外部とノズル電極の内部との間にほぼ環状の空間を画定するために入口チューブの周りに配設されたノズル電極も含む。シースチューブは、流体をほぼ環状の空間内に導入するための入口と、流体がそこを通ってイオン化領域内に排出され得る出口とを含む。装置は、任意選択で電気スプレーまたは化学的イオン化によってアナライト分子をイオン化するように構成される。

別の態様は、第１のガス流内に含まれたアナライト分子をイオン化する方法を特徴として有する。本方法は、第１のガスをイオン化領域内へと入口チューブ内を通過させることと、流体（第２のガスまたは液体）を、イオン化領域に向かって排出されるように入口チューブの外部とノズル電極の内部との間のほぼ環状の空間内を通過させることと、電気スプレーまたは化学的イオン化によってイオン化領域内でアナライト分子の少なくとも一部をイオン化することとを含む。

実施形態は、以下の特徴の１つまたは複数を含むことができる。

一部の実施形態では、入口チューブおよびノズル電極は、第１のガス流および流体の流れが同軸になるように軸を中心として同心円状に配設される。

特定の実施形態では、第１のガスは、ほぼ大気圧でイオン化領域内に排出される。

一部の実施形態では、ノズル電極は、アナライト分子が化学的イオン化によってイオン化され得るようにコロナ放電を与えるように構成される。

特定の場合では、装置はまた、ガスクロマトグラフィカラムも含み、第１のガス流は、クロマトグラフィカラムからの流出物を含む。

一部の実施形態では、装置は、入口チューブ内の第１のガス流を加熱するための加熱式移送ラインを含む。

特定の実施形態では、装置は、イオン化領域内で形成されたイオンを受け入れるように配設された入口オリフィスを有する質量分析計を含む。

一部の例では、入口オリフィスは、入口チューブを出た第１のガス流と同軸になるように配置される。

特定の例では、装置は、イオン化領域を封入するためにノズル電極と質量分析計の間に配設された反応チャンバを含む。

一部の実施形態では、流体は、第２のガス（たとえば、窒素）を含み、アナライト分子は、ノズル電極によって与えられたコロナ放電を用いて化学的イオン化によってイオン化される。

特定の実施形態では、流体は、ノズル電極を通過するときに蒸発する液体であり、アナライト分子は、ノズル電極によって与えられたコロナ放電を用いて化学的イオン化によってイオン化される。

一部の場合、アナライト分子は、ノズル電極による電気スプレーイオン化によってイオン化される。

一部の実施形態では、第１のガスは、クロマトグラフィカラムを通過し、第１のガスに入口チューブ内を通過させることは、クロマトグラフィカラムからの流出物に入口チューブ内を通過させることを含む。

特定の実施形態では、イオン化領域内で発生したイオンは、質量分析のために質量分析計内へと通される。

一部の例では、イオン化領域内で発生したイオンは、コレクタ電極に向かって通されて発生したイオンの質量分析以外の検出を実施する。

特定の例では、第１のガス流および流体は、同軸でイオン化領域内に排出される。

実施形態は、以下の利点の１つまたは複数を提供することができる。

一部の実施形態は、電気スプレーイオン化をガス流内のアナライト分子をイオン化するために使用することを可能にする。

実施形態は、ガス流内に含まれたアナライト分子をイオン化するために電気スプレーまたは化学的イオン化技術を適用するという柔軟性を提供することができる。

特定の実施形態は、知られている大気圧化学イオン化（ＡＰＣＩ）技術と比較して感度および選択性の相違をもたらす。

電気スプレーイオン化のための液体の導入は、クロマトグラフィから切り離され得る。その結果、電気スプレーイオン化に使用される液体の極性、ｐＨ、および塩含量は、イオン化の選択性および感度を調整するために変更されてよい。

他の態様、特徴、および利点は、説明、図、および特許請求の範囲に存在する。

ガスクロマトグラフィ／質量分析計（ＧＣ／ＭＳ）の計器の概略図である。図１に示す計器の一部の１つの構成の詳細図である。アナライトイオンを検出するためのコレクタ電極構成を含むガスクロマトグラフィ計器の概略図である。

同じ参照番号は同じ要素を示す。

図１を参照すれば、ガスクロマトグラフ１０は、温度制御されたオーブン１４の内側にガスクロマトグラフィ（ＧＣ）カラム１２を含む。サンプルは、ＧＣカラム１２上にサンプル噴射器１６を通って第１の流体（搬送ガス）の流れ内に第１のリザーバ１８から導入される。第１の流れコントローラ１９が、窒素（Ｎ_２）またはヘリウム（Ｈｅ）ガスになり得る、搬送ガス（移動相）の一定の流れを維持するために設けられる。約０．５ｍｌ／分から約１０ｍｌ／分（たとえば、約１ｍｌ／分）の流れが、数多くの毛管ＧＣカラムに適している。ＧＣカラム１２は、通常は０．５３ｍｍまたはこれより小さい内径および０．８ｍｍまたはこれより小さい外径の、サンプルのさまざまな化学的成分の分離をもたらすのに適した固定相で内部がコーティングされた金属、ガラス、または石英ガラス毛管チュービングのコイルである。大気圧にほぼ等しい圧力（たとえば、約９８０ミリバール（ｍｂ）から約１０５０ｍｂ）の搬送ガス流内にアナライト分子を含むＧＣカラム１２からの流出物は、２０で全体的に示されるインターフェース装置内へと進む。イオン化されたアナライト分子が、インターフェース装置２０から現れ、サンプルオリフィス２２を通って２６で全体的に示される質量分析計のサンプルコーン２４内にサンプリングされる。

インターフェース装置２０の実施形態は、図２に示される。入口チューブ２８は、ＧＣカラム１２の出口と一体的である、またはこれに接続される。たとえば、入口チューブ２８は、ＧＣカラム１２の遠位端部分になり得る。あるいは、入口チューブ２８は、ＧＣカラム１２の遠位（出口）端部に接続された石英ガラスチューブになり得る。入口チューブ２８は、オーブン１４の壁を貫通して質量分析計２６のサンプルコーン２４に向かって延びる。入口チューブ２８は、入口チューブ２８の一部分を円周方向に取り囲む、加熱式移送ライン３０を通過する。移送ライン３０は、たとえば、ステンレス鋼などの金属または金属合金などの熱伝導性材料の、コイル状抵抗ワイヤなどの加熱装置またはテープ加熱装置によって取り囲まれたチューブを含むことができる。移送ライン３０は、アナライト分子が入口チューブ２８内を進行するときにこれらの損失を防止するのに十分高い温度に入口チューブ２８を維持することができる。必要となる温度は、アナライト分子の性質によって決まるが、通常は１００℃〜３００℃になり得る。

入口チューブ２８の遠位端部分３２は、移送ライン３０の遠位端部３４を超えてノズル電極３６内へと延びる。ノズル電極３６は、略円筒形状であり、たとえばステンレス鋼などの金属または金属合金などの導電性材料から形成される。ノズル電極３６は、入口チューブ２８の遠位（出口）端部３８がノズル電極３６の出口４０から外方向に延びる状態で入口チューブ２８を円周方向に取り囲む。ノズル電極３６は、移送ライン３０から電気的に絶縁され得る。たとえば、一部の場合、移送ライン３０の遠位端部３４内にねじ込み、ノズル電極３６が中にねじ込まれる、ねじ込み式セラミック絶縁体が電気絶縁をもたらすことができる。入口チューブ２８およびノズル電極３６の両方は、円形断面を有することができ、同心円状に配設される。しかし、任意の断面形状が使用され得る。

ノズル電極３６は、流体入口４２を含む。第２のリザーバ４４（図１）からの第２の流体（たとえば、メタノールなどの液体、または窒素などのガス）の供給が、第２の流れコントローラ４６（図１）を介して流体入口４２に接続される。第２の流体は、ノズル電極３６の内側と入口チューブ２８の外部との間の環状空間４８内で、ＧＣカラム流出物の流れと同軸に流れる。第２の流体は、ノズル電極３６の出口４０から出て、アナライト分子がイオン化されるイオン化領域５０内で入口チューブ２８を出た流出物と交わる。

ハウジング５４およびベント５６を含む反応チャンバ５２は、イオン化領域５０を取り囲む。ベント５６は、ハウジング５４の内側容積部５８内の圧力が、大気圧とほぼ等しくなるように大気圧へ排出する。一部の実施形態は、反応チャンバ５２内の圧力および／またはガス濃度を制御するために、ベント５６に接続された可変流れ制限器またはポンプを含むことができる。移送ライン３０の遠位端部３４は、ノズル電極３６が内側容積部５８内に封入されるようにハウジング５４の壁を貫通して装着される。ハウジング５４は、金属または金属合金から形成され得る。ノズル電極３６と第２のリザーバ４４（図１）の間の流体接続は、ハウジング５４内のフィードスルー６０を介して確立され得る。

イオン化は、ノズル電極３６と質量分析計２６の少なくともサンプルコーン２４との間に適切な電位差を印加することによって確立された電気スプレーまたはコロナ放電によってもたらされ得る。この点において、電流制限抵抗器６６を介してノズル電極３６に接続された電力供給装置６４が、この電位差を与えるために使用され得る。電力供給装置６４は、約２０００ボルトから約５０００ボルトの高電圧をノズル電極３６にかけてイオン化を促進することができる。

イオン化領域５０内に存在するアナライト分子は、電気スプレーイオン化または化学的イオン化技術（たとえば、電荷交換、プロトン化、および脱プロトン化）によってイオン化される。イオン化技術は、流体入口４２を通ってノズル電極３６内に導入される流体のタイプに少なくとも部分的に基づいて制御され得る。また、第２の流体はクロマトグラフィから効果的に切り離されるため、ガスまたは液体が使用され得る。たとえば、化学的イオン化技術によるイオン化は、Ｎ_２などのガスをノズル電極３６の流体入口４２に導入することによって達成され得る。この場合、印加された電圧により、ノズル電極３６が、電荷交換によるイオン化を促進させるためにイオン化領域５０内にコロナ放電を与える放電極としてコロナピンの代わりをすることが可能になる。電荷交換の化学的イオン化は、極性が低いアナライトを分析するのに役立ち得る。

あるいは、メタノールなどの液体は、導入されるその量に応じてプロトン化または電気スプレーイオン化を支援することができる。たとえば、少しだけの量のメタノールが与えられる場合、これは、ノズル電極３６を出る前に蒸発することがあり、プロトン伝達は、コロナピンとして作用するノズル電極３６によって与えられたコロナ放電によって開始され得る。他方では、持続的電気スプレーは、相対的に大量の液体メタノールがノズル電極３６内に導入され、それにより、液体が、ノズル電極３６の出口４０に到達した際に、テイラーコーンを形成するようになる場合に支援され得る。電気スプレーイオン化は、選択的により高い応答を与えることによって極性が高いアナライトを分析するときに役立ち得る。第２の流体は、クロマトグラフから効果的に切り離されるため、液体の極性、ｐＨおよび塩含量は、イオン化の選択性および感度を変化させるように変更され得る。

電気スプレーまたは化学的イオン化によってイオン化領域５０内に発生したイオンは、静電気吸引力および真空力の組み合わされた効果によって誘導されて質量分析計２６内へと流れる。イオンはサンプルコーン２４内のオリフィス２２を通過し、その後、質量分析計２６によって分析される。

他の実施形態
いくつかの実施形態が上記で詳細に説明されてきたが、他の改変形態が可能である。たとえば、入口チューブの遠位端部がノズル電極の出口を超えて延びる実施形態が説明されてきたが、一部の実施形態では、入口チューブの遠位端部が、そうではなく、ノズル電極の出口とほぼ位置合わせされ、またはノズル電極内に後退されてよい。

アナライトイオンが質量分析計を用いて検出される実施形態が説明されてきたが、一部の実施形態では、質量分析以外の検出器が、アナライトイオンを検出するために使用されてよい。図３は、質量分析法のように個々のイオン強度ではなく、形成されたイオンの総電流を検出するためにコレクタ電極１００を利用する実施形態を示している。図３に示すように、反応チャンバ１０２は、イオン化領域５０を含むように設けられる。反応チャンバ１０２は、入口１０６および出口１０８を画定し、金属または金属合金から形成され得るハウジング１０４を含む。移送ライン３０の遠位端部３４は、ハウジング１０４の入口１０６を貫通して装着され、それにより、ノズル電極３６は、ハウジング１０４内にほぼ封入される。ここでも、ノズル電極３６と第２のリザーバ４４の間の流体接続は、ハウジング５４内のフィードスルー６０を介して確立され得る。

コレクタ電極１００は、たとえば、ステンレス鋼などの金属または金属合金などの導電性材料から形成された円筒状電極である。コレクタ電極１００は、反応チャンバ１０２の出口１０８に隣接して装着される。絶縁体１１２が、コレクタ電極１００と反応チャンバ１０２の間に配置されて、コレクタ電極１００を電気的に絶縁することができる。コレクタ電極１００は、検出のために反応チャンバ１０２からイオンを引き出すように構成される。コレクタ電極１００はまた、中性種およびコレクタ電極１００のものと同じ極性を有するイオンを含む残留ガスを放出するための排気装置１１４も含む。一部の実施形態は、反応チャンバ１０２内の圧力および／またはガス濃度を制御するために、コレクタ電極１００の排気装置１１４に配設された可変流れ制限器またはポンプを含むことができる。

電力供給装置１１６は、ノズル電極３６に接続されて、これに対して高圧（たとえば、約５ｋＶ）および約０．５μＡから約５０μＡ（たとえば、約２μＡから約５μＡ）の印加電流を与える。電力供給装置１１６は、出力極性を（たとえば、ミリ秒内で）逆転させることができる高圧の電力供給装置（たとえば、６ｋＶ、５０μＡ）とすることができる。

一部の場合、コレクタ電極１００は、仮想接地１１８の反転入力部に電気的に接続され得る。仮想接地１１８は、オハイオ州、クリーブランドのＫｅｉｔｈｌｅｙＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｉｎｃから入手可能なモデル４２８電流増幅器などの電流増幅器によって提供され得る。仮想接地の出力部は、電圧監視装置（たとえば、Ａ／Ｄ変換器）に接続されることが可能であり、この電圧監視装置は、さらに、分析および表示のためにコンピュータシステムに対応する信号を与えることができる。

イオン化領域が反応チャンバ内に封入される実施形態が説明されてきたが、一部の実施形態では、ノズル電極出力部が、反応チャンバの不在下で、質量分析計の入口に隣接してイオン化領域をもたらすように配置されるだけでよい。

一部の実施形態では、ノズル電極およびコーンのそれぞれの極性は、すばやく（たとえば、２０ミリ秒ごと、または５０Ｈｚスイッチング周波数）で切り替えられ、それによってより広い範囲のアナライトの検出を可能にすることができる。

インターフェース装置が、ガスクロマトグラフィカラムからの流出物をイオン化するために使用される実施形態が説明されてきたが、本明細書において説明されるインターフェースは、同様に、超臨界流体クロマトグラフィ（ＳＦＣ）源からの流出物をイオン化するために使用されてもよい。そのような場合、入口チューブは、ＳＦＣ源に接続されることが可能であり、またはこの一体的部分でもよく、それにより、ＳＦＣ源からの流出物内のアナライト分子が、これらが質量分析計またはコレクタ電極内へと検出のために導入される前に電気スプレーまたは化学的イオン化によってイオン化される。

それに応じて、他の実施形態が、特許請求の範囲内に含まれる。

Claims

第１のガス流内に含まれたアナライト分子をイオン化するための装置であって、
第１のガスが、そこを通ってイオン化領域内に排出され得る入口チューブと、
入口チューブの外部とノズル電極の内部との間にほぼ環状の空間を画定するために入口チューブの周りに配設されたノズル電極であって、流体をほぼ環状の空間内に導入するための入口と、流体がそこを通ってイオン化領域内に排出され得る出口とを備える、ノズル電極とを備え、
任意選択で電気スプレーまたは化学的イオン化によってアナライト分子をイオン化するように構成される、装置。
入口チューブおよびノズル電極が、第１のガス流および流体の流れが同軸になるように軸を中心として同心円状に配設される、請求項１に記載の装置。
第１のガスが、ほぼ大気圧でイオン化領域内に排出される、請求項１に記載の装置。
ノズル電極が、アナライト分子が化学的イオン化によってイオン化され得るようにコロナ放電を与えるように構成される、請求項３に記載の装置。
ガスクロマトグラフィカラムをさらに備え、前記第１のガス流が、クロマトグラフィカラムからの流出物を含む、請求項１に記載の装置。
入口チューブ内の第１のガス流を加熱するための加熱式移送ラインをさらに備える、請求項１に記載の装置。
イオン化領域内で形成されたイオンを受け入れるように配設された入口オリフィスを有する質量分析計をさらに備える、請求項１に記載の装置。
入口オリフィスが、入口チューブを出た第１のガス流と同軸になるように配置される、請求項７に記載の装置。
イオン化領域を封入するためにノズル電極と質量分析計の間に配設された反応チャンバをさらに備える、請求項７に記載の装置。
第１のガス流内に含まれたアナライト分子をイオン化する方法であって、
第１のガスをイオン化領域内へと入口チューブ内を通過させることと、
流体を、イオン化領域に向かって排出されるように入口チューブの外部とノズル電極の内部との間のほぼ環状の空間内を通過させることと、
電気スプレーまたは化学的イオン化によってイオン化領域内でアナライト分子の少なくとも一部をイオン化することとを含む、方法。
流体が第２のガスを含み、アナライト分子が、ノズル電極によって与えられたコロナ放電を用いて化学的イオン化によってイオン化される、請求項１０に記載の方法。
第２のガスが窒素である、請求項１０に記載の方法。
流体が液体を含む、請求項１０に記載の方法。
液体が、ノズル電極を通過するときに蒸発し、アナライト分子が、ノズル電極によって与えられたコロナ放電を用いて化学的イオン化によってイオン化される、請求項１３に記載の方法。
アナライト分子が、ノズル電極による電気スプレーイオン化によってイオン化される、請求項１３に記載の方法。
第１のガスにクロマトグラフィカラム内を通過させることを含み、第１のガスに入口チューブ内を通過させることは、クロマトグラフィカラムからの流出物に入口チューブ内を通過させることを含む、請求項１０に記載の方法。
イオン化領域内で発生したイオンを、質量分析のために質量分析計内へと通すことをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
イオン化領域内で発生したイオンをコレクタ電極に向かって通して、発生したイオンの質量分析以外の検出を実施することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
第１のガスおよび流体の流れが、同軸でイオン化領域内に排出される、請求項１０に記載の方法。