JP3052929B2 - 質量分析装置 - Google Patents

質量分析装置

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JP3052929B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は質量分析装置及び質
量分析方法に係り、特に、液体クロマトグラフ・質量分
析計直結分析装置,小型軽量にして、分析条件の自動設
定に好適な装置及び方法の構成と条件設定に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の装置は、大気圧イオン化法として
は特許第1136983 号に記載のように、針電極を用いたコ
ロナ放電を利用するもので、ガス分子の分析に用いてい
て、液体のイオン化については配慮されていなかった。
又、アナリテイカルケミストリ第54号,No.1,(1
982年)第143頁から146頁(AnalitycalChemis
try,vol,54,No.11982 pp143〜146)
に液体気化のイオン化法について論じられている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】試料を大気圧下でイオ
ン化すると、中性粒子が多く発生する。この中性粒子が
質量分離部に入り込むと、質量分離部の汚染によりノイ
ズ成分が多くなり、検出精度が低下する。これに伴っ
て、安定した動作が妨げられる。
【0004】また、上記従来技術は装置の小型化と分析
条件の自動設定の点について配慮がされておらず、設置
条件や操作性の問題があった。
【0005】本発明の目的は、質量分離部に混入をする
中性粒子を抑制し、検出精度向上及び安定した分析が可
能な質量分析装置及び質量分析方法を提供することにあ
る。他の目的は質量分析計に四重極形質量分析計を用い
小型化すると共に、性能上重要なパラメータを見出し、
分析条件を自動設定することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の特徴は、略大気圧下で試料のイオン化を行う
第1の室と、当該第1の室に連通し第1の室よりも低圧
に排気された第2の室と、当該第2の室に連通しイオン
の収束を行うレンズ系が配置された第3の室と、当該第
3の室に連通し質量分離を行う質量分析計と当該質量分
析計を通過したイオンの偏向を行うイオン偏向器と当該
イオン偏向器を通過したイオンの検出を行う検出器を配
置した第4の室とを備えたことである。 また、試料を霧
化する霧化器を有し略大気圧下で試料のイオン化を行う
第1の室と、当該第1の室に連通し第1の室よりも低圧
に排気された第2の室と、当該第2の室に連通しイオン
の収束を行うレンズ系が配置された第3の室と、当該第
3の室に連通し質量分離を行う質量分析計と当該質量分
析計を通過したイオンの検出を行う検出器を配置した第
4の室とを備えた質量分析装置であって、前記霧化器と
前記質量分析計を同一軸上になるように配置し、前記検
出器は前記軸の延長線上ではない位置に配置することで
ある。
【0007】また更には、試料を霧化する霧化器を有し
略大気圧下で試料のイオン化を行う第1の室と、当該第
1の室に第1の開口を介して連通し第1の室よりも低圧
に排気された第2の室と、当該第2の室に第2の開口を
介して連通しイオンの収束を行うレンズ系が配置された
第3の室と、当該第3の室に第3の開口を介して連通し
質量分離を行う質量分析計と当該質量分析計を通過した
イオンの検出を行う検出器を配置した第4の室とを備え
た質量分析装置であって、前記質量分析計の前後にイオ
ンを偏向する手段を備えたことである。
【0008】大気圧イオン化部で生成された中性粒子
は、イオン偏向電極を通過させることによって、除去さ
れる。
【0009】中間圧力部をもつ大気圧イオン化方式は、
この間を走るイオンのエネルギーを変えることにより所
要のイオンを強調することができる。又、四重極形質量
分析計は長さ約20cm,外径約8mmの4本の円柱を同心
円上に組み合わせ、高周波電圧と直流電圧を一定条件で
印加し、質量フィルタとして動作させ、イオン化室部は
低圧にして、四重極への入射イオンエネルギーは10e
V位が質量分析計としての特性(透過率,分解能)が良
い。
【0010】このような特性の大気圧イオン化と四重極
質量分析計の組み合せでは、中間圧力部におけるイオン
のエネルギーが装置の特性に重要なフアクターであるこ
とが実験で明らかとなった。
【0011】大気圧イオン化から四重極質量分析計を一
直線に配置し、軸合せを容易にすると共に液体クロマト
グラフの条件から、イオンのエネルギー制御電圧を決定
するようにしたので、最良設定条件が容易に設定でき、
設置条件,操作性が著しく向上する。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図1に
より説明する。混合溶液を成分毎に分離する液体クロマ
トグラフ部(I)は、メタノール(CH3OH)や水
(H2O)などを溶媒1とし、ポンプ2により、カラム
4に送り込む。インジェクタ3より分離する混合試料を
注入するとカラム4との相互作用により、混合試料は分
離され時間と共に順次溶出してくる。
【0013】この溶媒1と試料を含む溶出液を直接質量
分析計に導入するには溶液量が多過ぎ、しかも一般のフ
イラメントを用いる電子衝撃法ではイオン化することが
不可能であるが、大気圧イオン化法を用いれば可能とな
る。
【0014】溶出液をマイクロチューブ5を通し、ヒー
タ7で加熱した霧化器6に導くと、溶出液は気化ジェ
ットとなり、霧化される(II)。霧化した液滴は溶媒と
付着した液滴として浮遊するので、ヒータ9で加熱さ
れた脱溶媒室8にて、溶媒と試料分子とに分離される
A。
【0015】溶媒分子は残留する気体(N2 )などと共
に、高電位(5〜10kV)の針電極10によるコロナ
放電によりイオン化される(一次イオン化)。生成した
一次イオンは大気圧下であるので試料などと次々に衝突
し、電荷移動などにより、主としてイオン化ポテンシャ
ルの低い試料分子がイオン化する(大気圧イオン化部II
I )。生成したイオンは第1細孔11より、油回転ポン
プ24などで排気されている中間圧力部IVに噴出する。
この際、試料イオンを含む多くのクラスータイオンが生
成する。余分の中性分子は開口12より外気に出る。こ
のような大気圧イオン化方式を用いることにより、液体
クロマトグラフからの多量の溶離液と試料分子を直接イ
オン化することが可能となる。
【0016】このようにして生成した試料分子を含むク
ラスターイオンを主とする全イオンビームBは、中間圧
力部IVに存在する中性分子と衝突することにより、物理
的に解離して、単純な疑分子イオン(水素付加イオン
等)になる。この解離の程度はイオンのエネルギーを変
えることにより制御することが可能で、絶縁物A15,
B23で絶縁された第1細孔11と第2細孔14の間の
電圧をドリフト電源29で制御し、目的とする分子イオ
ン量を最大になるよう設定する。この中間圧力部IVは絶
縁されたドリフトチャンバー13で囲われ、油回転ポン
プR,P24等で10Pa程度に排気され、圧力計25
により測圧している。クラスターイオンの解離は中性分
子との衝突の回数とエネルギーによるので、目的とする
分子イオンに対しては、この部分の圧力とドリフト電圧
がパラメータとなる。第2細孔14を出たイオンは効率
良く、レンズ系16で引出し加速され、減速され、収束
される。この収束部Vでの収束ビームCは次の四重極質
量分析部VIへのイオンの入射エネルギー(10eV程度)
を決められる。四重極質量分析計への入射イオンエネル
ギーは10eV程度がイオンの透過率と分解能の点で良
い条件であるがこれはドリフトチャンバー13とQポー
ル17のフイールド電圧差に相当する。APIイオン源
III ,IV,収束部Vとの電圧差の実験ではドリフトチャ
ンバー13は接地に対し、120V位がビーム特性がよ
く、最大イオンビーム量がとれる。この為、Qポール1
7のフイールド電圧を通常接地電位に対し、大気圧イオ
ン化方式では、接地より浮かせ、ドリフトチャンバー1
3より10eV程度低く設定した。収束イオンビームC
は、Qポール17内を振動しながら、条件を満足する質
量数のイオンのみが通過し、質量分離ビームDとしてQ
ポール17を透過する。中性粒子を除去するための偏向
電極18で偏向された質量分離ビームDは二次電子増倍
管19で増幅され、検出器20で、質量スペクトルとし
て検出記録される。質量分離部VIはシールド21で囲わ
れ、ハウジング22は油拡散ポンプDP26などで高真空
に排気される。フランジ27からQポール17等の内部
電極への導入を行う。制御系としては、ドリフト電源2
9,レンズ電源30,ドリフトチャンバー電源28,フ
イールド電源34,Qポール電源31,偏向電源32,
二次電子増倍管電源33などが、CPUによる全体制御
システム35により制御される。
【0017】液体クロマトグラフ・四重極分析計システ
ムでも一般の分析装置と同様、試料成分のイオンを感度
良く(イオン量を多く)検出することが重要である。そ
の為には、イオンビームの軸合せが重要であり、本発明
では第1細孔11,第2細孔14,レンズ系16,Qポ
ール17を一直線上に配置し、かつ中性粒子を除去しS
/Nを向上させるためビームを偏向し検出する構成とし
た。又、実験では、中間圧力部IVにおけるイオンのエネ
ルギー電圧(ドリフト電圧)特性がパラメータとして最
も効果的で、未知試料の検出には、圧力とドリフト電圧
を例えば溶媒のメタノール(CH3OH)の疑分子イオ
ン(CH3OH・H+ )の最大検出条件が良いことを見
出した。図2A,B,Cにみられるようなビーム強度の
特性があるので、予めこれらの条件をCPU全体制御シ
ステム35で記憶しておき、自動的に最良点に設定する
ことが可能である。
【0018】本発明によれば、大気圧イオン化方式と四
重極質量分析計との効率良い結合と条件設定が容易に可
能となり、液体クロマトグラフ・四重極質量分析計の複
雑な条件設定が自動的に行われ操作性が向上する。
【0019】液体クロマトグラフ・四重極質量分析計直
結システムで分析する化合物は多種多様であるが、その
質量スペクトルは分子構造を反映する分子イオンと開裂
イオンからなる。また、分子どうしが集まったクラスタ
ーイオンも存在する。それらの割は、系の圧力とイオン
のエネルギーにより、衝突解離のエネルギーに依存し、
しばしば複雑なスペクトルを与えるが、装置の設定条件
は例えば溶媒として最も良く使われるメタノールの質量
スペクトルにより設定できることが実験で確かめられ
た。すなわち、メタノールの疑分子イオン(CH3OH・
+,質量数33)と開裂イオン(CH3 +,質量数15)
の両イオン9比が10:1〜10:10の範囲がよい。
【0020】さらに、開裂イオン(C+,CH+,C
2 +,質量数12,13,14)等のイオンが多いと開
裂が進んでいることを示す。
【0021】これらのピークをCRT画面にリアルタイ
ム表示しながら、イオンエネルギー制御電圧,レンズ電
圧を中間圧力室の圧力に応じて、CH3OH・H+のピー
ク強度が大きい点に自動設定することで、再現性のよい
大気圧イオン化による質量スペクトルが得られる。図3
に、メタノールのイオンのエネルギー制御電圧(ドリフ
ト電圧)に対する質量スペクトルの例を示す。設定値は
図3aに示すような条件が良い。
【0022】微量試料量のイオンを検出する場合、液体
クロマトグラフの流量,脱溶媒室の温度,中間圧力室の
圧力などとドリフト電圧の条件によっては、イオンと中
性粒子との衝突によって生ずる直進する中性粒子が多
く、それが四重極質量分析計に入射して、検出限界を低
下させる場合がある。この場合四重極質量分析計の前段
にイオン偏向電極を設け中性粒子をとりこまないように
することが、イオンの検出限界を向上させるに効果があ
り、図4にその配置例を示す。
【0023】本実施例によれば小型の液体クロマトグラ
フ・四重極質量分析計として条件設定が容易な操作性の
向上に効果がある。
【0024】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
精度及び安定性の向上が可能となる。また、他の発明に
よれば、次のような効果がある。
【0025】(1)大気圧イオン化部,レンズ部,Qポー
ル部が一直線上に配置されているので、軸合せが容易
で、クリーニング,再組等でも性能の再現性が維持でき
る。
【0026】(2)Qポール電位を中間圧力部の電位まで
もち上げるので、イオンビームを高いエネルギーで扱え
るので、大きい質量数のイオンのロスが少ない。
【0027】(3)イオン量のパラメータとしてのドリフ
ト電圧が条件設定に用いられるので、未知試料の条件設
定などに対し容易である。又、中間圧力部の圧力も重要
なパラメータとなるので、これ等も条件設定に用いられ
る。(4)イオン偏向電極を設けることにより、中性粒子を除
去できるため、イオンの検出限界を向上させることがで
きる。
【0028】以上のような効果があり、液体クロマトグ
ラフ・四重極質量分析計直結システムは小型専用機とし
て、又、高操作性の装置として用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の概略図。
【図2】(A),(B)はそれぞれドリフト電圧,液体ク
ロマトグラフ流量に対するビーム量特性図、(C)はQ
ポールのフイールド電圧に対するイオンの透過率と分解
能特性図。
【図3】メタノールの質量スペクトルを示す図。
【図4】イオンビーム偏向配置図。
【符号の説明】
1…溶媒、2…ポンプ、3…インジェクタ、4…カラ
ム、5…マイクロチューブ、6…霧化器、7…ヒータ
、8…脱溶媒室、9…ヒータ、10…針電極、11
…第1細孔、12…開口、13…ドリフトチャンバー、
14…第2細孔、15…絶縁物A、16…レンズ系、1
7…Qポール、18…偏向電極、19…二次電子増倍
管、20…検出器、21…シールド、22…ハウジン
グ、23…絶縁物B、24…油回転ポンプ、25…圧力
計、26…油拡散ポンプ、27…フランジ、28…ドリ
フトチャンバー電源、29…ドリフト電源、30…レン
ズ電源、31…Qポール電源、32…偏向電極電源、3
3…二次電子増倍管電源、34…フイールド電源、35
…CPU全体制御システム、36…CRT、A…霧化液
滴ビーム、B…全イオンビーム、C…収束ビーム、D…
質量分離ビーム、I…液体クロマトグラフ部、II…霧化
部、III …大気圧イオン化部、IV…中間圧力部、V…収
束部、VI…四重極質量分離部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 27/62 - 27/70 G01N 30/72 H01J 49/00 - 49/48

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】略大気圧下で試料イオン化を行う第1の
    室と、当該第1の室に連通し第1の室よりも低圧に排気
    された第2の室と、当該第2の室に連通しイオンの収束
    を行うレンズ系が配置された第3の室と、当該第3の室
    に連通し質量分離を行う質量分析計と当該質量分析計を
    通過したイオンの偏向を行うイオン偏向器と当該イオン
    偏向器を通過したイオンの検出を行う検出器を配置した
    第4の室とを備えたことを特徴とする質量分析装置。
  2. 【請求項2】請求項1において、 前記第1の室と第4の室の間に、イオンの偏向を行うイ
    オン偏向器を備えたこと を特徴とする質量分析装置。
  3. 【請求項3】試料を霧化する霧化器を有し略大気圧下で
    試料のイオン化を行う第1の室と、当該第1の室に連通
    し第1の室よりも低圧に排気された第2の室と、当該第
    2の室に連通しイオンの収束を行うレンズ系が配置され
    た第3の室と、当該第3の室に連通し質量分離を行う質
    量分析計と当該質量分析計を通過したイオンの検出を行
    う検出器を配置した第4の室とを備えた質量分析装置で
    あって、 前記霧化器と前記質量分析計を同一軸上になるように配
    置し、前記検出器は前記軸の延長線上ではない位置に配
    置すること を特徴とする質量分析装置。
  4. 【請求項4】請求項3において、 前記質量分析計と前記検出器の間に、イオンを偏向する
    イオン偏向器を備えたこと を特徴とする質量分析装置。
  5. 【請求項5】請求項4において、 前記質量分析計と前記霧化器の間に、イオンを偏向する
    イオン偏向器を備えたこと を特徴とする質量分析装置。
  6. 【請求項6】試料を霧化する霧化器を有し略大気圧下で
    試料のイオン化を行う第1の室と、当該第1の室に第1
    の開口を介して連通し第1の室よりも低圧に排気された
    第2の室と、当該第2の室に第2の開口を介して連通し
    イオンの収束を行うレンズ系が配置された第3の室と、
    当該第3の室に第3の開口を介して連通し質量分離を行
    う質量分析計と当該質量分析計を通過したイオンの検出
    を行う検出器を配置した第4の室とを備えた質量分析装
    置であって、 前記質量分析計の前後にイオンを偏向する手段を備えた
    こと を特徴とする質量分析装置。
  7. 【請求項7】請求項6において、 前記第2の開口と前記質量分析計の間、及び前記質量分
    析計と前記検出器の間に、それぞれイオンを偏向するイ
    オン偏向器を備えたこと を特徴とする質量分析装置。
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