JP3160050B2

JP3160050B2 - 質量分析計

Info

Publication number: JP3160050B2
Application number: JP05476892A
Authority: JP
Inventors: 安章高田; 集平林; 実坂入; 秀記神原
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-03-13
Filing date: 1992-03-13
Publication date: 2001-04-23
Anticipated expiration: 2016-04-23
Also published as: JPH05256837A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、特に、蛋白質などの難
揮発性物質の分離分析に重要な液体クロマトグラフと質
量分析計を結合した装置、すなわち、液体クロマトグラ
フ・質量分析計におけるインターフェースに関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、分析の分野では液体クロマトグラ
フ・質量分析計の開発が重要視されている。液体クロマ
トグラフは混合物の分離に優れるが物質の同定ができ
ず、一方質量分析計は感度も高く物質の同定能力に優れ
るが混合物の分析は困難である。そこで、液体クロマト
グラフの検出器として質量分析計を用いる液体クロマト
グラフ・質量分析計は、混合物の分析に対して大変有効
である。

【０００３】図１２に従来の液体クロマトグラフ・質量
分析計の全体の構成を示すブロック図を示す。液体クロ
マトグラフ１から溶出してくる試料溶液は配管２により
イオン源３に導入される。イオン源３はイオン源用電源
４により信号ライン５ａを介して制御されている。イオ
ン源３で生成した試料分子に関するイオンは、質量分析
部６に導入されて質量分析される。この質量分析部６は
排気系７により真空に排気される。質量分析されたイオ
ンはイオン検出器８で検出され、検出信号は信号ライン
５ｂを介してデータ処理装置９に送られる。

【０００４】さて、このように液体クロマトグラフ・質
量分析計の原理は簡単であるが、液体クロマトグラフは
溶液中の試料を扱うのに対して、質量分析計は高真空中
のイオンを扱うという相性の悪さから、この方法の開発
は非常に困難なものとなっている。この問題を解決する
ためにいくつかの方法が開発されている。なかでも有力
視されているのは、液体クロマトグラフからの溶出液を
噴霧し、生成した液滴中に含まれる試料分子をイオン化
して質量分析部へと取り込む噴霧イオン化法である。

【０００５】噴霧イオン化法の例として、アナリティカ
ルケミストリー１９８７年，５９巻，２６４２頁
（Analytical Chemistry ５９，(１９８７）２６４２）
に記載されている静電噴霧法について説明する。

【０００６】図１３に静電噴霧イオン源を備えた液体ク
ロマトグラフ・質量分析計の構造を示す断面図を示す。
液体クロマトグラフ１から溶出してくる試料溶液を、配
管２，コネクタ１０を介して細管１１に導入する。この
細管１１と対向電極１２との間に数ｋＶの電圧を印加す
ると、細管１１の先端で試料溶液がコーン状態になりそ
の先端から微小液滴が生成する、いわゆる静電噴霧現象
が起こる。静電噴霧法では、噴霧用ガス噴出口１３を設
け、細管１１のまわりから窒素などのガスを流し微小液
滴の気化を促進させる。さらに、生成した微小液滴に向
けて、窒素などのガスを対向電極１２側に設けられた気
化用ガス噴出口１４から吹き付け、微小液滴の気化を促
進させる。以上のような過程を経て生成したイオンは、
細孔１５から直接真空中に導入され、高真空下の質量分
析部６で質量分析される。

【０００７】また、試料溶液を加熱噴霧することによ
り、イオンを生成する方法もある。アナリティカルケ
ミストリー，１９８９年，６１巻，１１５９頁（Analyt
icalChemistry ６１(１９８９)１１５９）に記載されて
いる大気圧スプレ法について説明する。大気圧スプレイ
オン化法は、４００度から５００度に加熱した金属細管
を通して試料溶液を噴霧することにより、試料分子にプ
ロトンあるいはカチオンの付加した擬似分子イオンを生
成する方法である。

【０００８】図１４に、大気圧スプレイオン源を備えた
液体クロマトグラフ・質量分析計の構造を示す断面図を
示す。イオン源３は、細管１１と、細管１１を加熱する
ためのヒータ１６よりなる。液体クロマトグラフ１から
溶出してくる試料溶液は、配管２，コネクタ１０を介し
て細管１１に導入される。ヒータ１６により細管１１を
加熱し、試料溶液を加熱噴霧する。噴霧により得られた
微小液滴中には、試料分子の擬似分子イオンが含まれて
いる。この擬似分子イオンを細孔１５ａ，差動排気部１
７，細孔１５ｂを通して真空中に導入し、質量分析部６
で質量分析する。

【０００９】図１５に、大気圧スプレイオン源の構造を
示す拡大された断面図を示す。細管１１は、内径約０.
１mm，外径約１.６mmのステンレス製あるいはニッケル
製である。細管１１の外部にヒータ線１８が巻かれてい
る。細管１１とヒータ線１８との間の電気的な絶縁は、
石英管１９により行なう。ヒータ線１８の外部には、保
護用のセラミック管２０が設けられている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来の方法には次のよ
うな課題があった。噴霧により生成した微小液滴中に含
まれるイオンを効率良く取り出すには、できるだけ細か
い液滴を作り、かつ溶媒分子を効果的に除去することが
ポイントとなる。上記の静電噴霧法では、試料溶液を静
電噴霧により微粒化した後、生成した微小液滴に向けて
窒素などのガスを吹き付け、微粒化を促進させている。
しかし、この方法では、微小液滴を十分に気化させるこ
とが困難であり、毎分数十マイクロリットルを超える試
料溶液を静電噴霧イオン源に導入すると、液体クロマト
グラフ・質量分析計の感度が低下するという問題があっ
た。

【００１１】また、上記の大気圧スプレ法では、試料溶
液を加熱噴霧することにより脱溶媒化させているが、十
分に微粒化するためには細管を高温に加熱しなければな
らない。このため、熱的に不安定な試料を分析する場
合、試料の一部が熱分解してしまうという問題があっ
た。そこで、細管の温度を低くしても効果的に液滴から
イオンを取り出すことができる、脱溶媒化の方法が求め
られていた。

【００１２】本発明の目的は、生成した微小液滴を効率
的に気化することのできる噴霧イオン源を備えた液体ク
ロマトグラフ・質量分析計を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的は、液体クロマ
トグラフからの溶出液を細管の一端に導入し、大気圧下
で細管の他の端から試料溶液を噴霧しイオンを生成させ
る噴霧イオン源と、イオンを質量分析するための質量分
析部とからなる質量分析計において、噴霧により生成し
た微小液滴に赤外線あるいはマイクロ波を照射し、水分
子などの溶媒分子を加熱し気化することによって達成さ
れる。

【００１４】上記の赤外線源として、赤外線を放射する
熱源，赤外線レーザ光を使用する。また、マイクロ波の
照射を放射アンテナ，マイクロ波導波管，空洞共振器を
利用して行う。

【００１５】

【作用】赤外線，マイクロ波，レーザ光のいずれかの照
射による加熱により、噴霧により生成した微小液滴から
の脱溶媒化が効果的に行なわれ、微小液滴を十分に加熱
気化することができ、微小液滴中に含まれるイオンが抽
出しやすくなった。その結果、液体クロマトグラフ・質
量分析計の感度を向上させることができた。

【００１６】

【実施例】図１は、赤外線ヒータを有し、赤外線を噴霧
液滴に照射し噴霧液滴の気化を促進する静電噴霧イオン
源の第１の実施例の断面図を示す。液体クロマトグラフ
１からの溶出液は、配管２，コネクタ１０を介して、細
管１１に導入される。静電噴霧により細管１１先端で生
成した微小液滴は、噴霧用ガス噴出口１３からの高速の
ガスによりさらに微細化が促進される。生成した微小液
滴は、気化用ガス噴出口１４から導入されたガスが吹き
付けられるのと同時に、赤外線ヒータ２１から放射され
た赤外線により溶媒分子が加熱され、気化が促進され
る。赤外線の定義は、遠赤外線を含む。信号ライン５ｃ
を経由して赤外線ヒータ用電源によって制御される赤外
線ヒータ２１は、図１のように、生成した液滴を上下か
ら、あるいは左右から加熱してもよい。加熱効率をあげ
るため、赤外線の反射板２２を設けてもよい。また、細
管１１の先端に電界を集中させるために、赤外線ヒータ
２１はセラミック製が望ましい。

【００１７】図２に赤外線ヒータを有し、赤外線を噴霧
液滴に照射し噴霧液滴の気化を促進する静電噴霧イオン
源の第２の実施例の断面図を示す。図２に示すように、
リング状の赤外線ヒータ２１を用いてもよいし、細孔１
５の後の真空下にも赤外線ヒータ２１′を設け、気化効
率をさらにあげてもよい。

【００１８】赤外線ヒータ２１から放射された赤外線が
細管１１を加熱することにより不都合が生じる場合に
は、図３に示す第３の実施例のように、赤外線ヒータ２
１と細管１１の間に熱遮蔽板２３を設けてもよい。

【００１９】図４に赤外線ヒータを有し、赤外線を噴霧
液滴に照射し噴霧液滴の気化を促進する静電噴霧イオン
源の第４の実施例の断面図を示す。図４に示すように、
イオンを差動排気部１７を通して質量分析部６へ取り込
む構成の場合には、差動排気部１７にも赤外線ヒータ２
１′′を設けても良い。

【００２０】赤外線源として、レーザ発振器を用いても
良い。図５に赤外線レーザ光を噴霧液滴に照射し噴霧液
滴の気化を促進する静電噴霧イオン源の第１の実施例の
断面図を示す。図５では、四重極型質量分析計におい
て、噴霧により生成した微小液滴に赤外線レーザを照射
する構成を示す。レーザ発振器２５から放射された赤外
線レーザ光２５ａは、反射鏡２６などにより方向を制御
され、細管１１より噴霧された液滴に照射される。

【００２１】レーザは、液滴に対してどの方向から照射
しても良いが、四重極マスフィルタ２７の中心軸上で細
管１１の噴霧の先端と対向する方向から照射する方法
は、細管１１から噴霧された液滴が細孔１５より高真空
下に取り込まれるまでの間、加熱され続けるので、特に
効果的である。

【００２２】四重極質量分析計は、四重極マスフィルタ
２７とイオン検出器８よりなる。四重極マスフィルタ２
７を透過したイオンは、電界により二次電子放出電極２
８に引き寄せられ、二次電子放出電極２８に衝突する。
イオンの衝突により二次電子放出電極２８から放出され
た二次電子は、二次電子放出電極２８に対抗して配され
た二次電子検出器２９で検出される。図５に示したよう
に、レーザ発振器25′は真空容器内に設けても良く、ま
た、レーザ発振器２５を真空容器外に設け、レーザ透過
用窓３１を通してレーザ光を導入しても良く、少なくと
もいずれか一方のレーザ発振器を使用し、レーザ光２５
ａを照射すればよい。

【００２３】液滴に赤外線レーザ光を照射する構成は、
電場分析部と磁場分析部とから成る二重収束型質量分析
計に対しても有効である。図６に赤外線レーザ光を噴霧
液滴に照射し噴霧液滴の気化を促進する静電噴霧イオン
源の第２の実施例の断面図を示す。図６では、二重収束
型質量分析計にレーザ発振器２５を設けた構成を示す。
図６に示した構成は、図５に示した四重極型質量分析計
に対する構成とほぼ同じであるが、電場分析部３２に設
けられている電場分析用電極３３がレーザ光２５ａの進
路を妨げる場合には、電場分析用電極３３にレーザ光２
５ａの透過用の穴３８を開け、この穴３８を通して細管
１１から噴霧された微小液滴にレーザ光２５ａを照射す
れば良い。

【００２４】微小液滴の脱溶媒化を促進させるため、液
滴にマイクロ波を照射し、水分子を加熱し気化する方法
も有効である。以下に、静電噴霧により生成した微小液
滴にマイクロ波を照射する構成について述べる。図７に
マイクロ波を噴霧液滴に照射し噴霧液滴の気化を促進す
る静電噴霧イオン源の第１の実施例の断面図を示す。図
７に示すように、マイクロ波発振器３９よりマイクロ波
伝送路４０を通してアンテナ３４に導入されたマイクロ
波を、アンテナ３４より微小液滴に向けて照射し、液滴
を加熱し気化する。マイクロ波の周波数は１ギガヘルツ
以上が望ましい。アンテナ３４は、図７に示したような
ホーンアンテナでも良く、スロットアンテナ，ダイポー
ルアンテナ，ループアンテナ，パラボラアンテナなど、
アンテナの種類によらず利用可能である。アンテナ３４
から放射されたマイクロ波を空間的に収束させたい場合
には、電磁レンズ３５を設ければ良い。マイクロ波の漏
洩による危険を防止するために、電磁シールド３６を設
け、マイクロ波を遮蔽しても良い。

【００２５】図８にマイクロ波を噴霧液滴に照射し噴霧
液滴の気化を促進する静電噴霧イオン源の第２の実施例
の断面図を示す。図８に示すように、細管１１と導波管
３７の外壁との間で静電噴霧させ、得られた液滴を導波
管３７に導入し、導波管３７内で液滴にマイクロ波を照
射しても良い。液滴が導波管３７内で拡散するのを防ぐ
ため、石英管１９などのマイクロ波の吸収の少ない絶縁
管を埋め込んで液滴にマイクロ波を照射しても良い。

【００２６】図９にマイクロ波を噴霧液滴に照射し噴霧
液滴の気化を促進する静電噴霧イオン源の第３の実施例
の断面図を示す。図９に示すように、構成をより簡単に
して、導波管３７に気化用ガス噴出口１４を設け導入さ
れたガスを微小液滴に吹き付けても良い。

【００２７】図１０にマイクロ波を噴霧液滴に照射し噴
霧液滴の気化を促進する静電噴霧イオン源の第４の実施
例の断面図を示す。図１０に示すように、導波管３７内
に細管１１を連結するように設け、マイクロ波の電界を
細管１１の先端に集中させてもよい。

【００２８】ここで、図８，図９，図１０に示した実施
例において、導波管３７の代わりに空洞共振器を用いて
も良い。

【００２９】質量分析計が、図４に示したような差動排
気部１７を有する構造の場合には、差動排気部１７にも
マイクロ波を導入してもよい。また、差動排気部の有無
によらず、高真空部にもマイクロ波を導入しても良い。

【００３０】噴霧により生成した微小液滴に赤外線ある
いはマイクロ波を照射する構成は、細管を加熱すること
により試料溶液を噴霧することを特徴とするイオン源に
対しても有効である。以下に、本発明を大気圧スプレイ
オン源に適用した例について説明する。図１，図２，図
３，図４と同様に、細管１１と質量分析部６との間に赤
外線ヒータ２１を設けても良く、図５，図６と同様に、
噴霧により生成した液滴に赤外線レーザ光を照射する構
成でも良い。図７，図８，図９，図１０と同様に、液滴
にマイクロ波を照射してもよい。

【００３１】また、従来の大気圧スプレイオン源を示す
図１５より明らかなように、大気圧スプレイオン源には
細管１１を加熱するためにヒータ１８が設けられている
ので、ヒータ１８から放射される赤外線を、細管１１の
みならず、噴霧により生成した液滴にも照射する方法も
有効である。この構成を、図１１に示す。従来の大気圧
スプレイオン源を示す図１５では、細管１１の先端まで
しか巻かれていなかったヒータ線１８を、細管１１の前
方まで配し、ヒータ線１８から放射される赤外線を噴霧
により生成した液滴に照射する。液滴がヒータ線１８に
直接触れるのを防止したい場合には、図１１に示すよう
に、細管１１の前方まで石英管１９を配すれば良い。

【００３２】また、大気が細孔を通して真空中に拡散す
る際に断熱膨張により温度が下がるので、細孔が冷却さ
れ、噴霧液滴の脱溶媒を阻害する場合がある。細孔の冷
却による脱溶媒の阻害を避けるには、あらかじめ噴霧液
滴を気化に適した温度に加熱しておくか、細孔を加熱す
れば良い。細管あるいは細孔を加熱する必要が生じる場
合には、高周波による誘導加熱を行なっても良い。

【００３３】図１６は、高周波により細管あるいは細孔
を加熱する噴霧イオン源を備えた質量分析計の断面図を
示す。噴霧の方式は、静電噴霧であっても加熱噴霧であ
ってもよい。高周波電源４１ａより信号ライン５ｄを通
して高周波を高周波コイル４２ａに送る。高周波コイル
４２ａより放射される高周波により、細管１１が誘導加
熱される。細孔１５ａの近くにも高周波コイル４２ｂを
配し、高周波電源４１ｂにより信号ライン５ｅを通して
高周波を高周波コイル４２ｂに送り、細孔１５ａあるい
は細孔１５ａを有する細孔保持部４３も加熱しても良
い。

【００３４】本実施例により、静電噴霧により生成した
液滴や、大気圧スプレイオン源において細管の温度を低
くして生成した液滴の気化が十分にできるようになっ
た。この結果、液滴からイオンを抽出しやすくなり、液
体クロマトグラフ・質量分析計の感度が向上する。

【００３５】本発明は、液体クロマトグラフ・質量分析
計のみならず、噴霧イオン源を備えた分析装置、例えば
キャピラリ電気泳動と質量分析計を結合したキャピラリ
電気泳動・質量分析計などに対しても同様に有効であ
る。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、赤外線加熱により液滴
からの脱溶媒化が効果的に行なわれ、液滴中に含まれる
イオンが抽出しやすくなった。その結果、液体クロマト
グラフ・質量分析計の感度が向上した。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による静電噴霧イオン源の第１の実施例
を示す断面図。

【図２】本発明による静電噴霧イオン源の第２の実施例
を示す断面図。

【図３】本発明による静電噴霧イオン源の第３の実施例
を示す断面図。

【図４】本発明による静電噴霧イオン源の第４の実施例
を示す断面図。

【図５】本発明による静電噴霧イオン源の第１の実施例
を示す断面図。

【図６】本発明による静電噴霧イオン源の第２の実施例
を示す断面図。

【図７】本発明による静電噴霧イオン源の第１の実施例
を示す断面図。

【図８】本発明による静電噴霧イオン源の第２の実施例
を示す断面図。

【図９】本発明による静電噴霧イオン源の第３の実施例
を示す断面図。

【図１０】本発明による静電噴霧イオン源の第４の実施
例を示す断面図。

【図１１】本発明によるイオン源の一実施例を示す断面
図。

【図１２】従来の液体クロマトグラフ・質量分析計の構
成を示すブロック図。

【図１３】従来の静電噴霧イオン源を備えた液体クロマ
トグラフ・質量分析計の構造を示す断面図。

【図１４】従来の大気圧スプレイオン源を備えた液体ク
ロマトグラフ・質量分析計の構造を示す断面図。

【図１５】従来の大気圧スプレイオン源の構造を示す断
面図。

【図１６】高周波により細管あるいは細孔を加熱する噴
霧イオン源を備えた質量分析計の断面図。

【符号の説明】

１…液体クロマトグラフ、２…配管、５ｃ…信号ライ
ン、６…質量分析部、１０…コネクタ、１１…細管、１
３…噴霧用ガス噴出口、１４…気化用ガス噴出口、１５
…細孔、２１…赤外線ヒータ、２２…反射板、２４…赤
外線ヒータ用電源。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者神原秀記東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献特開昭60−147453（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−126241（ＪＰ，Ａ) 実開昭59−154650（ＪＰ，Ｕ) 実開昭60−154854（ＪＰ，Ｕ) 実開昭58−65565（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 30/72 G01N 27/62

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】試料溶液を流路の一方の端部に導入し、前
記流路の他方の端部から前記試料溶液を噴霧してイオン
を生成させる噴霧イオン源と、前記イオンを高真空中へ
導入する細孔と、当該細孔を介して上記高真空中に導入
された前記イオンを質量分析するための質量分析部を有
し、前記試料溶液を噴霧することによって生成された微
小液滴を前記噴霧イオン源と前記細孔との間で加熱する
加熱手段を具備することを特徴とする質量分析計。
【請求項２】試料溶液を流路の一方の端部に導入し、大
気圧下で前記流路の他方の端部から前記試料溶液を噴霧
してイオンを生成させる噴霧イオン源と、前記イオンを
高真空中へ導入する細孔と、当該細孔を介して上記高真
空中に導入された前記イオンを質量分析するための質量
分析部を有し、前記試料溶液を噴霧することによって生
成された微小液滴を加熱する手段が前記流路の他方の端
部と前記細孔の間に配置されていることを特徴とする質
量分析計。
【請求項３】前記流路は液体クロマトグラフに接続され
ていることを特徴とする請求項１若しくは２に記載の質
量分析計。
【請求項４】前記流路内に導入された試料溶液は、前記
流路の外面に沿って前記流路の他方の端部方向へガスを
流すことによって噴霧されることを特徴とする請求項１
から３のいずれか一に記載の質量分析計。
【請求項５】前記加熱する手段は、赤外線、赤外線レー
ザ光、マイクロ波、高周波若しくは電熱ヒーターである
ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一に記載の
質量分析計。
【請求項６】前記流路の他方の端部と前記細孔の間に
は、気化用ガス噴出口が設けられていることを特徴とす
る請求項１から５のいずれか一に記載の質量分析計。
【請求項７】前記加熱する手段は赤外線レーザ発振器で
あり、前記流路の他方の端部に対向して配置されている
ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一に記載の
質量分析計。
【請求項８】前記加熱する手段は赤外線ヒーターであ
り、前記流路の他方の端部と前記細孔の間、前記質量分
析部の前記噴霧イオン源側に設けられた差動排気部若し
くは前記質量分析部に配置されていることを特徴とする
請求項１から６のいずれか一に記載の質量分析計。
【請求項９】前記加熱する手段はマイクロ波発振器、導
波管若しくは空洞共振器であり、前記流路の他方の端部
と前記細孔の間に配置されていることを特徴とする請求
項１から６のいずれか一に記載の質量分析計。
【請求項１０】前記加熱する手段はヒーターであり、当
該ヒーターは前記流路の周囲から前記流路と細孔の間の
位置に延在していることを特徴とする請求項１から４の
いずれか一に記載の質量分析計。
【請求項１１】前記加熱する手段は高周波であり、前記
流路および細孔の近傍の少なくとも一方に高周波コイル
が設けられていることを特徴とする請求項１から６のい
ずれか一に記載の質量分析計。
【請求項１２】試料溶液を流路の一方の端部に導入し、
前記流路の他方の端部から前記試料溶液を噴霧して当該
噴霧中にイオンを生成させる噴霧イオン源と、前記イオ
ンを高真空中へ導入する細孔と、当該細孔を介して上記
高真空中に導入された前記イオンを質量分析するための
質量分析部とを有してなり、前記試料溶液の前記噴霧に
よって生成された微小液滴を加熱する加熱手段をさらに
具備してなることを特徴とする質量分析計。