JP2019007927A - Gas chromatograph mass spectrometer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガスクロマトグラフ質量分析装置(以下適宜「GC−MS」と略す)に関する。 The present invention relates to a gas chromatograph mass spectrometer (hereinafter appropriately abbreviated as “GC-MS”).
GC−MSは一般に、試料に含まれる各種の化合物をガスクロマトグラフ(GC)のカラムで時間的に分離したあと、その分離された化合物を質量分析装置(MS)に導入し、該質量分析装置で化合物をイオン化して質量分析する。
図4は従来の一般的なGC−MSの概略構成図である(特許文献1等参照)。
GC-MS generally separates various compounds contained in a sample with a gas chromatograph (GC) column, and then introduces the separated compounds into a mass spectrometer (MS). The compound is ionized and mass analyzed.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a conventional general GC-MS (see Patent Document 1).
ガスクロマトグラフ部10において、カラム14はカラムオーブン15内に収容されており、該カラム14の入口端には試料気化室11が設けられている。試料気化室11にはキャリアガス配管12が接続されており、ヘリウム等のキャリアガスがキャリアガス配管12を通して試料気化室11内に供給され、さらに試料気化室11を経てカラム14に導入されるようになっている。カラムオーブン15内には、その内部空間を加熱するためのヒータ16や図示しないファンが設けられている。
In the
質量分析部20において、図示しない真空ポンプにより真空排気される真空チャンバ21の内部には、電子イオン化(EI)法などによるイオン源22、イオンレンズ23、四重極マスフィルタ24、イオン検出器25などが配置されている。さらにまた、ガスクロマトグラフ部10と質量分析部20との間には、加熱インターフェイス30が設けられている。加熱インターフェイス30は、カラム14の末端14aを囲むように配置されたヒータ32と、さらにその外側を被覆する断熱材31と、を備える。
In the
GC−MSにおいて、キャリアガスが略一定線速度で以て試料気化室11からカラム14に供給されている状態で、マイクロシリンジ13から微量の液体試料が加熱されている試料気化室11に注入される。すると、注入された液体試料は短時間で気化し、気化試料はキャリアガスに乗ってカラム14に導入される。なお、実際には、試料気化室11には図示しないスプリット流路が接続されており、このスプリット流路を通してガスの大部分を外部に排出し残りの一部のガスをカラム14に導入するスプリット分析が行われることが多い。
In the GC-MS, a small amount of liquid sample is injected from the
ヒータ16はカラムオーブン15内の温度が予め決められた温度プロファイルに従って一定に維持されるように(恒温分析の場合)又は上昇するように(昇温分析の場合)制御される。カラム14に導入された試料中の各種化合物はカラム14を通過する間に時間的に分離される。そして、その分離された化合物を含む試料ガスがカラム末端14aを通り、質量分析部20のイオン源22に吐き出される。
The
イオン源22は導入された試料ガス中の化合物を連続的にイオン化する。ここで生成された化合物由来のイオンはイオンレンズ23を経て四重極マスフィルタ24に導入され、図示しない電源部から四重極マスフィルタ24に印加されている電圧に応じた質量電荷比を有するイオンのみが該四重極マスフィルタ24を通り抜けてイオン検出器25に到達する。したがって、例えば四重極マスフィルタ24への印加電圧を繰り返し走査すると、イオン検出器25に到達し得るイオンの質量電荷比が所定の質量電荷比範囲で繰り返し走査される。それにより、イオン検出器25で得られる検出信号に基づいて、所定の質量電荷比範囲のマススペクトルを繰り返し取得することができる。
The
上記のようなGC/MS分析に際し、カラムオーブン15内の温度は最大で300〜450℃程度にまで上昇される可能性がある。こうした高温に加熱されたカラム14中を通過した試料ガスがカラム末端14aに達して温度が下がると、該ガスの流通が滞って分離性能の低下につながる。これを避けるために、加熱インターフェイス30においてヒータ32によりカラム末端14aを例えばカラムオーブン15内と同程度の温度に加熱するようにしている。加熱インターフェイス30は、ヒータや温度センサなどを埋め込んだヒータブロックの内部にカラム末端を挿通し、ヒータブロック全体をウレタン等からなる断熱材で囲むようにした構成が一般的である。また、特許文献2には、メンテナンス性を向上させるとともに温度を下げる必要がある場合に容易に下げることができるように、断熱材を用いる代わりに真空断熱を利用した加熱インターフェイスが開示されている。
In the GC / MS analysis as described above, the temperature in the
上述したような従来のGC−MSにおいて、カラムオーブン15は内容積が大きく、その全体が十分な厚さの断熱材で覆われているため、大きな熱容量を有している。そのため、カラムオーブン15内の加熱や冷却には大きなエネルギーが必要であり、電力消費量が大きく分析コストが高くなるという問題がある。また、通常、カラムオーブン15での加熱温度が比較的低い場合でも、加熱インターフェイス30はカラム末端14aをほぼ一定の温度で加熱しているため、カラム末端14aの劣化が進行し易いという問題もある。
In the conventional GC-MS as described above, the
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その主な目的は、カラムを温調するための断熱材を不要とすることで熱容量を小さくし、加熱の際のエネルギーを低減することができるガスクロマトグラフ質量分析装置を提供することである。 The present invention has been made to solve the above problems, and its main purpose is to reduce the heat capacity by eliminating the need for a heat insulating material for temperature control of the column, and to reduce the energy during heating. An object of the present invention is to provide a gas chromatograph mass spectrometer capable of performing the above.
上記課題を解決するためになされた本発明に係るガスクロマトグラフ質量分析装置(GC−MS)は、
a)真空排気される真空チャンバと、
b)前記真空チャンバの内部に配置されたガスクロマトグラフ部のカラムと、
c)前記真空チャンバの内部であって前記カラムに密着して又は該カラムを包囲するように配置された、該カラムを加熱及び/又は冷却する熱源部と、
d)前記カラム中に試料ガスを導入する試料導入部と、
e)前記真空チャンバの内部に配置され、前記カラムで分離された化合物を含む試料ガスが導入されるイオン源、該イオン源由来のイオンを質量電荷比に応じて分離する質量分離部、及び、該分離されたイオンを検出するイオン検出部と、を含む質量分析部と、
を備えることを特徴としている。
The gas chromatograph mass spectrometer (GC-MS) according to the present invention made to solve the above problems is as follows.
a) a vacuum chamber to be evacuated;
b) a column of a gas chromatograph section disposed inside the vacuum chamber;
c) a heat source for heating and / or cooling the column, which is arranged inside the vacuum chamber and in close contact with the column or surrounding the column;
d) a sample introduction part for introducing a sample gas into the column;
e) an ion source that is arranged inside the vacuum chamber and into which a sample gas containing a compound separated by the column is introduced, a mass separation unit that separates ions derived from the ion source according to a mass-to-charge ratio, and An ion detector that detects the separated ions, and a mass spectrometer including:
It is characterized by having.
本発明に係るGC−MSでは、ガスクロマトグラフ部のカラム及び該カラムを加熱したり冷却したりするためのヒータ等の熱源部が、イオン源、四重極マスフィルタ等の質量分離部、イオン検出部などが配置されている真空チャンバの内部に直接配置される。即ち、カラムは真空雰囲気中に配置されるため、真空断熱される。そのため、断熱材で熱的に外部と遮蔽されたカラムオーブンは不要になり、従来のGC−MSに比べて、熱源部による加熱対象の熱容量はかなり小さくなる。 In the GC-MS according to the present invention, the column of the gas chromatograph unit and the heat source unit such as a heater for heating and cooling the column are an ion source, a mass separation unit such as a quadrupole mass filter, and ion detection. It is arranged directly inside the vacuum chamber in which the parts and the like are arranged. That is, since the column is placed in a vacuum atmosphere, it is insulated from the vacuum. Therefore, a column oven that is thermally shielded from the outside by a heat insulating material is not necessary, and the heat capacity of the heating target by the heat source unit is considerably smaller than that of the conventional GC-MS.
また本発明に係るGC−MSにおいて、好ましくは、前記イオン源はその内部で化合物をイオン化するイオン化室を有し、前記カラムの末端が該イオン化室に接続されている構成とするとよい。 In the GC-MS according to the present invention, preferably, the ion source has an ionization chamber for ionizing a compound therein, and the end of the column is connected to the ionization chamber.
この構成では、カラムの末端とイオン源のイオン化室とが直結され、その全てが真空チャンバ内に収容されているので、従来、ガスクロマトグラフ部と質量分析部との間に設けられていた加熱インターフェイスが不要になる。また、カラムの末端を含めカラム全体が同じように加熱又は冷却されるので、カラムの末端のみが加熱インターフェイスにより常に加熱されている状態となることがなく、過剰な加熱によるカラム末端の劣化を回避することができる。 In this configuration, the column end and the ionization chamber of the ion source are directly connected, and all of them are accommodated in the vacuum chamber, so that a heating interface conventionally provided between the gas chromatograph part and the mass analysis part is provided. Is no longer necessary. In addition, the entire column, including the column end, is heated or cooled in the same way, so that only the column end is not always heated by the heating interface, avoiding deterioration of the column end due to excessive heating. can do.
なお、本発明に係るGC−MSにおいて、熱源部は様々な構成・構造のものとすることができる。一実施態様として、前記熱源部は、前記カラムの長手方向に沿って延伸するように配置されている線状、棒状、又は帯状のヒータ若しくはヒータブロックを含む構成とすることができる。また別の実施態様として、前記熱源部は、前記カラムを挟む一対の板状のヒータ又はヒータブロックを含む構成とすることもできる。ここで、ヒータブロックとは、例えばヒータが埋設された熱導電性の高い材料からなるブロックである。また、カラムを冷却するための熱源部としては、例えば、真空チャンバの外側で冷却された冷媒が流通する冷媒配管をカラムの長手方向に沿って延伸するように配置したり、カラムを挟む一対の板状のブロックをそうした冷媒配管により冷却したりすればよい。また、ペルチエ素子などを用いてもよい。 In the GC-MS according to the present invention, the heat source unit can have various configurations and structures. As one embodiment, the heat source unit may include a linear, rod-shaped, or strip-shaped heater or heater block arranged so as to extend along the longitudinal direction of the column. As another embodiment, the heat source unit may include a pair of plate-like heaters or heater blocks that sandwich the column. Here, the heater block is a block made of a material having high thermal conductivity in which, for example, a heater is embedded. Further, as the heat source section for cooling the column, for example, a refrigerant pipe through which the refrigerant cooled outside the vacuum chamber flows is arranged so as to extend along the longitudinal direction of the column, or a pair of What is necessary is just to cool a plate-shaped block by such refrigerant | coolant piping. A Peltier element or the like may be used.
また本発明に係るGC−MSにおいて、質量分析部は典型的には四重極型質量分析部であるが、コリジョンセルを備えたトリプル四重極型質量分析部や四重極−飛行時間型質量分析部(q−TOF MS)でもよい。 In the GC-MS according to the present invention, the mass analyzer is typically a quadrupole mass analyzer, but a triple quadrupole mass analyzer or a quadrupole-time-of-flight type equipped with a collision cell. It may be a mass spectrometer (q-TOF MS).
本発明に係るGC−MSによれば、カラムを温調するための断熱材を実質的に不要とすることで、その熱容量を小さくすることができる。それによって、カラムを加熱する際に供給するエネルギーを低減することができ、分析コストを抑えることができる。また、熱容量が小さいために温度上昇の速度を上げることが可能であり、従来装置に比べて、昇温分析時の温度プロファイルの自由度が高くなる。 According to GC-MS concerning the present invention, the heat capacity can be made small by making the heat insulating material for controlling the temperature of a column substantially unnecessary. Thereby, the energy supplied when the column is heated can be reduced, and the analysis cost can be suppressed. In addition, since the heat capacity is small, it is possible to increase the rate of temperature rise, and the degree of freedom of the temperature profile during temperature rising analysis is higher than that of the conventional apparatus.
以下、本発明に係るGC−MSの一実施例について、添付図面を参照して説明する。図1は本実施例によるGC−MSの概略構成図である。すでに図4により説明した従来のGC−MSと対応する構成要素には同じ符号を付している。 Hereinafter, an embodiment of the GC-MS according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a GC-MS according to the present embodiment. Constituent elements corresponding to those of the conventional GC-MS already described with reference to FIG.
本実施例のGC−MSにおいて、図示しない真空ポンプにより真空排気される真空チャンバ40の内部には、イオン源22、イオンレンズ23、四重極マスフィルタ24、イオン検出器25を含む質量分析部20が配置されるのみならず、カラム14と、該カラム14を加熱する熱源部17と、が配置されている。即ち、ガスクロマトグラフ部10の一部が真空チャンバ40の内部に配置されている。試料気化室11は、カラム14の入口端の接続部11aが真空チャンバ40の内部に臨むように該真空チャンバ40に取り付けられ、その接続部11aには高い気密性を保つためのシールを介してカラム14の入口端が取り付けられる。一方、カラム14の出口端はイオン源22のイオン化室に直接接続されている。なお、カラム14の入口端や出口端はジョイント等で簡便に接続されるようにしてもよい。
In the GC-MS of the present embodiment, a mass analyzer including an
図2に示すように、熱源部17はカラム14の外壁面に接触しつつその長手方向に沿って配置された、内部にヒータ171が埋設されたヒータブロック172である。ヒータブロック172の周りに保護用のハウジングを設けてもよい。制御部42は予め設定されている温度プロファイルに従って電源部41を制御し、それに応じて電源部41は時間経過に従って適宜の加熱電力をヒータ171に供給する。これにより、ヒータブロック172は加熱され、カラム14は所定の温度になる。
As shown in FIG. 2, the
本実施例のGC−MSでは、従来のGC−MSと同様に、真空チャンバ40の内部の真空度が10-3〜10-4Pa程度になるように真空排気を行う。そして、キャリアガス配管12から試料気化室11を経てカラム14へとキャリアガスを供給している状態で、マイクロシリンジ13により試料気化室11内に微量の液体試料を注入する。すると、短時間で試料は気化し、キャリアガス流に乗ってカラム14に導入される。一方、上述したように制御部42の制御の下で電源部41はヒータ171に加熱電力を供給し、それによりヒータ171は加熱されヒータブロック172を介してカラム14は加熱される。ヒータブロック172は真空雰囲気中に配置されているので、断熱性が良好な状態となる。そのため、ヒータブロック172の熱は周囲には逃げにくく、ヒータ171に供給される加熱電力が小さくてもカラム14を効率良く加熱することができる。
In the GC-MS of the present embodiment, the vacuum evacuation is performed so that the degree of vacuum inside the
こうして温調されているカラム14中を試料ガスが通過する間に、該試料ガス中の各種化合物は時間的に分離され、カラム14の末端から出てイオン源22のイオン化室内に直接導入される。カラム14はその末端近くまでヒータ171及びヒータブロック172により加熱されるため、試料ガスの流れは滞ることなく円滑にイオン化室に入る。イオン化室内で試料ガス中の化合物は例えば電子イオン化法によりイオン化され、生成されたイオンはイオンレンズ23を経て四重極マスフィルタ24に導入される。上述したように質量分析部20は真空雰囲気に維持される真空チャンバ40内に配設されているので、四重極マスフィルタ24においてイオンは質量電荷比に応じて分離され、四重極マスフィルタ24を通り抜けたイオンはイオン検出器25に到達して検出される。
While the sample gas passes through the temperature-controlled
以上のようにして本実施例のGC−MSでは、良好にGC/MS分析を実行することができる。特に、本実施例のGC−MSでは、カラム14を加熱する熱源部17に断熱材を用いておらず、また熱源部17は効率良くカラム14を加熱するので、カラム14の温度上昇速度を従来のGC−MSよりも速めることができる。そのため、昇温分析の際の温度プロファイルの自由度が向上し、例えば従来よりも短時間で分析を終了することができる。また、同じ昇温分析を行うのに、ヒータ171に投入する電力量を減らすことができ、分析コストを引き下げることができる。
As described above, the GC-MS of this embodiment can perform the GC / MS analysis satisfactorily. In particular, in the GC-MS of this embodiment, no heat insulating material is used for the
カラム14を加熱する熱源部17の構成・構造は図1、図2に記載のものに限らない。熱源部17の他の構成例を図3に示す。この例では、カラム14は多数回U字状にターンした形状に形成されており、そのカラム14を一対の平板状のヒータブロック172で挟み込むようになっている。ヒータブロック172には図示しないヒータが埋設されており、該ヒータに加熱電力が供給されるとヒータブロック172全体が略均一に加熱される。これにより、カラム14全体を良好に加熱することができる。もちろん、カラム14自体をヒータブロック172に埋設する構成としてもよい。
The configuration and structure of the
また、カラム14を加熱するだけでなく、カラム14を冷却する手段を熱源部17に併設してもよい。カラム14を冷却するには例えば、真空チャンバ40の外側で冷却された冷媒が流通する冷媒配管を図2におけるヒータ171と同様にカラム14に沿って配設する構成とすればよい。
In addition to heating the
上記実施例のGC−MSは質量分析部20が四重極型質量分析部であるが、コリジョンセルの前後に四重極マスフィルタを配置したトリプル四重極型質量分析部や、コリジョンセルの後段の四重極マスフィルタを飛行時間型質量分離部に置き換えた四重極−飛行時間型質量分析部としてもよいことは当然である。
In the GC-MS of the above embodiment, the
また、上記実施例や変形例は本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜変形や修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。 Moreover, the said Example and modification are only examples of this invention, and even if it changes suitably in the range of the meaning of this invention, correction, and addition, it is clear that it is included in the claim of this application.
10…ガスクロマトグラフ部
11…試料気化室
11a…接続部
12…キャリアガス配管
13…マイクロシリンジ
14…カラム
17…熱源部
171…ヒータ
172…ヒータブロック
20…質量分析部
22…イオン源
23…イオンレンズ
24…四重極マスフィルタ
25…イオン検出器
40…真空チャンバ
41…電源部
42…制御部
DESCRIPTION OF
Claims (2)
b)前記真空チャンバの内部に配置されたガスクロマトグラフ部のカラムと、
c)前記真空チャンバの内部であって前記カラムに密着して又は該カラムを包囲するように配置された、該カラムを加熱及び/又は冷却する熱源部と、
d)前記カラム中に試料ガスを導入する試料導入部と、
e)前記真空チャンバの内部に配置され、前記カラムで分離された化合物を含む試料ガスが導入されるイオン源、該イオン源由来のイオンを質量電荷比に応じて分離する質量分離部、及び、該分離されたイオンを検出するイオン検出部と、を含む質量分析部と、
を備えることを特徴とするガスクロマトグラフ質量分析装置。 a) a vacuum chamber to be evacuated;
b) a column of a gas chromatograph section disposed inside the vacuum chamber;
c) a heat source for heating and / or cooling the column, which is arranged inside the vacuum chamber and in close contact with the column or surrounding the column;
d) a sample introduction part for introducing a sample gas into the column;
e) an ion source that is arranged inside the vacuum chamber and into which a sample gas containing a compound separated by the column is introduced, a mass separation unit that separates ions derived from the ion source according to a mass-to-charge ratio, and An ion detector that detects the separated ions, and a mass spectrometer including:
A gas chromatograph mass spectrometer comprising:
前記イオン源はその内部で化合物をイオン化するイオン化室を有し、前記カラムの末端が該イオン化室に接続されていることを特徴とするガスクロマトグラフ質量分析装置。 The gas chromatograph mass spectrometer according to claim 1,
A gas chromatograph mass spectrometer characterized in that the ion source has an ionization chamber for ionizing a compound therein, and an end of the column is connected to the ionization chamber.
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