JP2018098113A - 質量分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定中の質量分析装置の変動条件を軽減させ、測定結果の再現性を向上させることにより、測定精度を向上させる。【解決手段】試料を入れる試料容器２と、試料容器を加熱するヒータ３と、ヒータ３で加熱することにより試料容器内の気化した試料をイオン化するイオン源８と、バルブ６を含み、試料容器内の気化した試料をイオン源８に導入する導入部と、真空チャンバー１３を含み、イオン源で発生したイオンが導入される質量分析部と、真空チャンバーの真空度を計測する真空計２０と、バルブを制御し、試料容器内の気化した試料を間欠的にイオン源に導入する制御部４０とを有し、制御部は、イオンが間欠的に質量分析部に導入されることに伴い変化する真空チャンバーの真空度に基づき、バルブの開放時間を制御する。【選択図】 図１

Description

本発明は、質量分析装置、特に、小型、軽量化を図った質量分析装置に関する。

質量分析装置は、分析対象である試料をイオン化し、そのイオンを電界、磁界を利用して質量分離し、分離したイオンを検出器で検出する。近年、オンサイトで迅速に分析したいというニーズが増加しており、質量分析装置の小型化の検討が行われている。質量分析装置を小型化する上では、質量分離を行う質量分析部へのガスの導入量を減少させることで、使用する真空ポンプの小型化を実現することが重要である。さらに、直接的にガス導入量を減少させるため、質量分析部にガスを間欠的に導入する。このような質量分析装置が特許文献１に開示されている。

特開２０１３−３７８１５号公報

特許文献１では、大気圧、イオン源の真空度、真空チャンバーの真空度間の差により、試料ガスやイオンの取り込みが行われる。このため、介在するバルブやオリフィスに対してメンテナンスを実施すると、生成されるイオン量に変化が生じる。例えば、バルブ内部の真空度が比較的低い粘性流の場合、バルブの絞り部を通過する気化ガス流量は、流路直径の４乗にほぼ比例するので、流路長さが同じで流路直径が１０％ばらつくとイオン源に流入する気化ガス流量は約５０％も変動する。同様にオリフィス径のばらつきにより、質量分析部に流入するイオン量が変化する。

しかしながら、介在するバルブやオリフィスのコンダクタンスがほぼ一定とみなしてよい短期間、例えば１回の分析期間である１２０秒程度の時間であっても、試料分析部に１回に導入されるガス流量が極めて微量であるため、温度、圧力の変化によりガス流量が変動し、定量的な分析の妨げになることが見いだされた。

本発明の主な目的は、測定中の装置の変動条件を軽減させ、測定結果の再現性を向上させることにより、測定精度を向上させることである。

本発明の質量分析装置においては、試料を入れる試料容器と、試料容器を加熱する第１ヒータと、第１ヒータで加熱することにより試料容器内の気化した試料をイオン化するイオン源と、バルブを含み、試料容器内の気化した試料をイオン源に導入する導入部と、真空チャンバーを含み、イオン源で発生したイオンが導入される質量分析部と、真空チャンバーの真空度を計測する真空計と、バルブを制御し、試料容器内の気化した試料を間欠的にイオン源に導入する制御部とを有し、制御部は、イオンが間欠的に質量分析部に導入されることに伴い変化する真空チャンバーの真空度に基づき、バルブの開放時間を制御する。

上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

測定中の質量分析装置の変動条件を軽減させ、測定結果の再現性を向上させることにより、測定精度を向上させる。

質量分析装置を示す概略図である。 バルブ開閉動作に伴う真空チャンバーの真空度変化を説明する図である。 水分を含む試料（メトキシフェナミン水溶液）を加熱した場合の真空チャンバーの真空度の変化を示す図である。 水分を含まない試料（ノスカピン）を加熱した場合の真空チャンバーの真空度の変化を示す図である。 加熱可能なエアオペレートバルブの構成を示す図である。 メトキシフェナミン水溶液に対して、バルブ開放時間を制御して真空チャンバーの真空度の変化を抑制した結果を示す図である。 イオン源の変形例である。

以下、図面を参照して実施例を説明する。

図１は、本実施例による質量分析装置１００である。分析対象となる試料１は密閉された試料ビン（試料容器）２に入れられている。試料１は固体状態、例えば粉体状態であったり、液体状態であったりする。試料ビン２をヒータ３によって加熱することにより、試料が気化し、気化ガス４が発生する。試料ビン２は密閉状態でチューブ５ａが接続されており、チューブ５ａは所定圧（例えば１気圧）の不活性ガス（例えば、窒素ガス）のボンベに接続される。これにより不活性ガス７が真空チャンバー１３との圧力差によって導入される。なお、不活性ガス７に代えて、大気を導入するようにしてもよいが、圧力及びガス成分がより制御された環境下で分析可能であることから、不活性ガス７の利用が望ましい。試料ビン２の下流側にバルブ６が設けられ、バルブ６の開閉動作によりガラス管１１の真空度が制御される。試料ビン２、バルブ６、ガラス管１１の間はチューブ５ｂを介して接続されている。このようにチューブ５ａ，５ｂ、バルブ６により気化ガス４を試料ビン２からガラス管１１に導入する導入部が構成される。後述するように、バルブ６が開状態となるのは１回に数十ｍｓのみであり、例えばこれを１秒間隔で繰り返す。

イオン源８は気化ガス４が流入されるガラス管１１と、ガラス管１１の２ヶ所に配置された筒状電極９と、高周波電源１２とで構成される。高周波電源１２より、筒状電極９に数百キロヘルツ、数キロボルトの高周波を印加し、ガラス管１１内部に電磁場を発生させ、バリア放電１０を発生させる。バルブ６を閉からある一定時間の間、開にして再び閉に戻すと、気化ガス４がガラス管１１に流入して、ガラス管１１の真空度は一度低下し、その後、気化ガス４が真空チャンバー１３に流出することにより、ガラス管１１の真空度は再び高まる。ガラス管１１の真空度が数百〜数千パスカル（Ｐａ）の真空度の範囲において、バリア放電１０が安定して発生し、その放電領域で気化ガス４はイオン化される。すなわち、真空チャンバー１３に流出した気化ガス４はバリア放電１０によりイオン化され、質量分離部１４に導入される。ここで、質量分析性能を向上させるためには質量分離部１４は高い真空度にする必要がある。この真空度差を発生させるため、直径１ｍｍ以下の小さな穴を有するオリフィス１５をイオン源８と質量分析部との間に設けてある。

質量分析部は４本のイオントラップ電極で形成される質量分離部１４と、イオン検出器１６と、これを取り囲む真空チャンバー１３とで構成される。イオン源８で発生したイオンは、オリフィス１５を通過し、質量分離部１４に入射される。質量分離部１４では、閉じ込め電界によって、イオンを４本のイオントラップ電極間の空間に溜め込む。その後、イオントラップ電極に重畳した補助交流電圧の振幅、または、周波数を変化させて、質量電荷比毎にイオントラップ電極の軸方向と直交する方向に存在するイオントラップ電極のスリットを通過させて、イオン検出器１６に取り込み、気化ガス４の成分を判定する。あるいは、特定のイオンのみをＦＮＦ（Filtered Noise Field）処理を行ってイオントラップ領域に残留させ、これにＣＩＤ（Collision Induced Dissociation）処理を行い、分解してフラグメントイオンを生成させ、これをイオン検出器１６に導入し、より高精度に成分分析を行う処理もある。真空チャンバー１３は、排気速度が大きいターボ分子ポンプなどの本引き真空ポンプ１８によって真空排気されている。本引き真空ポンプ１８の下流側は、比較的排気速度の小さいダイアフラムポンプなどの荒引き真空ポンプ１７で真空引きされている。なお、図中には表記しないが、各電極などは高電圧電源に接続されており、全体は制御部４０によって制御されている。

質量分析装置１００では、バルブ６の開閉によりパルス状に気化ガス４をイオン化することで一回に生成するイオンを少量に抑えることで、装置の小型軽量化を実現している。図２にバルブ６を閉→開→閉に変化させた場合の経過時間と真空チャンバー１３の真空度変化を示す。この例では、バルブ開放時間を３０ｍｓとし、真空チャンバー１３の真空度変化を繰り返し計測したものである。このような１回のバルブ動作に伴って真空チャンバー１３に導入されるイオンに対してその都度イオン検出器１６にて気化ガスの成分を行う。１回の分析の対象となる気化ガスの量は微量であるので、分析を例えば、１秒ごと１２０秒にわたって繰り返し行い、気化ガスの成分を最終的に特定する。ここで、気化ガスの成分について定量的に分析を行うには、繰り返し行われるバルブ動作により導入される気化ガスの量が一定している必要がある。実際の質量分析装置では、導入される圧力を一定化することで導入後のイオン量などの調整ができるので、分析期間（１２０秒）にわたってほぼ同じ真空チャンバー１３の真空度変化（図２参照）が繰り返されていればよい。

ところが、導入されるガスの圧力に対し、試料の温度が大きな影響を与えることが分かった。まず、試料が水分を含む場合、温度上昇に伴い水蒸気が大きく膨張することにより真空チャンバー１３への気化ガスの導入量が低下する。図３は試料としてメトキシフェナミン水溶液を用い、最初の５０秒間に５０℃から９５℃に加熱し、その後の７０秒間を９５℃に維持して、真空チャンバー１３の真空度を計測したものである。一回の導入ごとに真空チャンバーの真空度は図２のように変化するので、その波形のピーク値となる真空度を図３ではプロットしている。温度上昇に伴い真空度がおよそ５０Ｐａから６５Ｐａに低下している。

一方、水分を含まない試料の場合は、試料温度の上昇に応じて真空チャンバー１３の到達圧力が低下する（真空度が上昇する）現象が確認されている。図４はノスカピン（粉末）を加熱した場合の試料温度と真空チャンバー１３との関係を示している。試料温度５０℃の場合のおよそ３５Ｐａに対して、試料温度１４０℃付近ではおよそ３０Ｐａと真空度が高くなっている。

さらに、実際に分析を行う試料は複数の物質の混合物であることが多く、沸点の異なる物質が混合していることにより、温度変化により気化ガスに含まれる組成が変化してしまう。以上のことから、微量な気化ガスの定量分析を行うには分析期間において試料温度を一定に保つことが必要になる。このため、質量分析装置１００に含まれるチューブ５及びバルブ６にはヒータ２１が設けられる。ヒータ２１の温度は制御部４０により設定される。分析期間中、気化ガス４の温度を一定に保つことにより、気化ガスの温度が低下して液化したり、さらにはチューブ５内に試料が析出することにより、前の分析対象試料が次の分析対象試料に持ち込まれる（キャリーオーバー）原因になったりすることを防止することができる。したがって、ヒータ２１の設定温度はヒータ３の設定温度以上とする。

ところで、揮発性の低い成分では２００℃〜３００℃程度の試料加熱が必要となる場合があるが、従来用いられていたソレノイドバルブでは、バルブを制御する部分に使用している巻き線部が１０５℃程度以上になると動作が不安定化し、バルブを駆動できなくなるという問題があった。このため、本実施例ではバルブ６としてエアオペレートバルブを用いる。図５に加熱可能なエアオペレートバルブの構成を示す。図に示すように、チューブ５１とチューブ５２との間にダイヤフラム５４を設ける。導通時にはダイヤフラム５４が凸状態となり、チューブ間が導通する。遮断時にはダイヤフラム５４が凹状態となり、ダイヤフラム５４とシーリング材５３により気体の導通が阻止される。ダイヤフラム５４は空気圧を制御することで状態を変化させる。エアオペレートバルブでは、制御部に巻き線などを使用しないため、高温の気体がバルブ内を通過しても動作が不安定化しない。また、図ではヒータ２１はバルブ本体周辺に設けているが、バルブ自体にヒータを埋め込んで構成してもよい。

さらに、同一温度で維持されていても、試料中に水分があると、真空チャンバー１３の真空度が経過時間により変化することが確認されている。そこで、本実施例では、より精度を高めるため、真空チャンバー１３に導入される気化ガスの量を制御する。具体的には、真空チャンバー１３の真空度を計測する真空計２０を設け、真空チャンバー１３の真空度に基づきバルブ６の開放時間を制御する。先に述べたように、気化ガス４をパルス的に導入するので、真空チャンバー１３の真空度は短時間に大きく変化する。このため、真空計２０は、１０ｍｓ程度のタイムラグで高速に計測できる真空計が望ましい。真空計２０は、真空チャンバー１３の気密性を保つため、Ｏリング１９、ジョイントなどを介して真空チャンバー１３と接続されている。

真空チャンバーに流入するガス流量Ｑは、数式（１）のようになる。

Ｑ≒Ｃ_１×（Ｐ_１−Ｐ_２）−Ｃ_２×（Ｐ_２−Ｐ_３） （１）
Ｃ_１：オリフィス１５のコンダクタンス
Ｃ_２：真空チャンバー１３と本引き真空ポンプ１８間のコンダクタンス
Ｐ_１：ガラス管１１上流部の真空度
Ｐ_２：真空チャンバー１３の真空度
Ｐ_３：本引き真空ポンプ１８の真空度
通常、パラメータＣ_１，Ｃ_２は分析期間を通じて変化せず、パラメータＰ_１，Ｐ_２，Ｐ_３はバルブ６を開放する直前の時点において同じ真空度になっている。試料の溶媒や試料温度が変化しても、コンダクタンスを決定する試料導入系の穴径や真空ポンプの排気速度は、変化しないためである。

次に、バルブ６の開放時間Δｔでの真空チャンバー１３の圧力上昇ｄＰは、数式（２）のようになる。

ｄＰ＝Ｑ／Ｖ×Δｔ （２）
Ｖ：真空チャンバー１３の体積
したがって、真空チャンバー１３の圧力値Ｐは、数式（３）のようになる。

Ｐ＝∫ｄＰｄｔ＝∫（Ｑ／Ｖ×Δｔ）ｄｔ （３）
すなわち、真空チャンバー１３の真空度はバルブ６の開放時間Δｔに依存することが分かる。このため、本実施例では真空計２０によりＰをモニタし、Ｐが一定となるようにΔｔを制御する。具体的には、真空チャンバー１３の真空度（波形のピーク値）が低下している場合、すなわち真空度の波形のピークでの真空度が低下している場合にはΔｔを短くし、真空チャンバー１３の真空度（波形のピーク値）が上昇している場合、すなわち真空度の波形のピークでの真空度が上昇している場合にはΔｔを長くするように制御すればよい。これにより、試料の導入量を精度よく制御することが可能となり、この結果間欠的に試料を導入する方式でも測定再現性を向上させることができる。

以上の制御は制御部４０にて行う。制御部４０のメモリ４１には装置調整プログラムが格納されており、制御部４０はこの装置調整プログラムに従って、真空チャンバー１３の真空度をモニタし、それに基づきバルブ６の開放時間を制御する。装置調整プログラムは、上述のヒータ２１の温度制御の他にも、真空ポンプの排気、高周波電源１２の放電電圧や放電時間の制御も行う。

図７にイオン源８の変形例を示す。図１の直管のガラス管１１に代えてＴ字型のガラス管３１を用いることができる。Ｔ字の分岐部近傍でバリア放電１０を行うことで、気化ガス４が流れる領域３０とバリア放電領域とを離すことが可能となる。Ｔ字のガラス管３１の一端は、封止栓２８によって真空封止されている。

直管のガラス管を用いた場合、バリア放電領域を気化ガス４が通過するので、高エネルギーイオンや電子と気化ガス４が直接反応し、フラグメントイオンが多く生成する。キャピラリーをガラス管の内部に這い回し、バリア放電領域から離して下流に気化ガス４を供給し、気化ガス４と高エネルギーイオンや電子との反応を回避する方法もあるが、構造が複雑になる。

図７の構造によると、バリア放電域１０で発生する高エネルギーイオンや電子が気化ガス４と反応するまでの距離を進行する間に残留ガスとの衝突によって高エネルギーイオンや電子が消滅し、低エネルギーイオンや電子が主となり、電子衝撃イオン化法などと比較して、ソフトなイオン化が可能となる。その結果、気化ガス分子はイオン、電子との反応で壊れにくく、親イオンが主となり、フラグメントイオン生成量が低下して、薬物検出に適したイオン化方法になる。

以上の実施例の説明は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであ り、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１： 試料、２：試料ビン、３：ヒータ、４：気化ガス、５ａ，５ｂ：チューブ、６：バルブ、７：不活性ガス、８：イオン源、９：筒状電極、１０：バリア放電、１１：ガラス管、１２：高周波電源、１３：真空チャンバー、１４：質量分離部、１５：オリフィス、１６：イオン検出器、１７：荒引き真空ポンプ、１８：本引き真空ポンプ、１９：Ｏリング、２０：真空計、２１：ヒータ：４０：制御部、４１：メモリ、１００：質量分析装置。

Claims (7)

1. 試料を入れる試料容器と、
   前記試料容器を加熱する第１ヒータと、
   前記第１ヒータで加熱することにより前記試料容器内の気化した試料をイオン化するイオン源と、
   バルブを含み、前記試料容器内の気化した試料を前記イオン源に導入する導入部と、
   真空チャンバーを含み、前記イオン源で発生したイオンが導入される質量分析部と、
   前記真空チャンバーの真空度を計測する真空計と、
   前記バルブを制御し、前記試料容器内の気化した試料を間欠的に前記イオン源に導入する制御部とを有し、
   前記制御部は、イオンが間欠的に前記質量分析部に導入されることに伴い変化する前記真空チャンバーの真空度に基づき、前記バルブの開放時間を制御する質量分析装置。
2. 請求項１において、
   前記イオン源で発生したイオンは、前記イオン源の真空度と前記真空チャンバーの真空度との差に基づき、前記質量分析部に導入され、
   前記制御部は、前記イオンが間欠的に前記質量分析部に導入されることに伴い変化する前記真空チャンバーの真空度の波形のピーク値が低下している場合には前記バルブの開放時間を短くし、前記イオンが間欠的に前記質量分析部に導入されることに伴い変化する前記真空チャンバーの真空度の波形のピーク値が上昇している場合には前記バルブの開放時間を長くするよう制御する質量分析装置。
3. 請求項１において、
   前記導入部を保温する第２のヒータを有する質量分析装置。
4. 請求項３において、
   前記第２のヒータは前記第１のヒータ以上の温度に設定される質量分析装置。
5. 請求項４において、
   前記バルブはエアオペレートバルブである質量分析装置。
6. 請求項５において、
   前記導入部は、所定の圧力で不活性ガスまたは空気を前記試料容器に導入する第１のチューブと、前記試料容器と前記バルブとを接続する第２のチューブと、前記バルブと前記イオン源とを接続する第３のチューブとを含む質量分析装置。
7. 請求項６において、
   前記質量分析部は、前記真空チャンバー内に設けられる質量分離部とイオン検出器とを有し、
   前記質量分離部は導入されたイオンを質量電荷比毎に分離し、前記質量分離部にて分離されたイオンをイオン検出器に取り込み、気化した試料の成分を判定する質量分析装置。

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