JP3522366B2

JP3522366B2 - 質量分析装置

Info

Publication number: JP3522366B2
Application number: JP31196594A
Authority: JP
Inventors: 実坂入; 集平林; 安章高田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-12-15
Filing date: 1994-12-15
Publication date: 2004-04-26
Anticipated expiration: 2019-04-26
Also published as: JPH08166371A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、質量分析装置に関し、
特に混合物の分離分析に有効な液体クロマトグラフィー
（Liquid Chromatography:ＬＣ）と質量分析法（Mass S
pectrometry:ＭＳ）とを結合した液体クロマトグラフィ
ー／質量分析法（Liquid Chromatography /Mass Spectr
ometry、以下ＬＣ／ＭＳという）や、キャピラリー電気
泳動法（Capillary Electrophoresis)の検出器に質量分
析計を用いたキャピラリー電気泳動／質量分析法（Capi
llary Electrophoresis／Mass Spectrometry、以下ＣＥ
／ＭＳという）に用いられる質量分析装置に関し、さら
に詳細には、液体中に存在する混合試料を分離した後、
イオン化して質量分析計に導入するためのインターフェ
イス技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、分析の分野では、揮発性または不
揮発性化合物の新しい分離分析法としてＬＣ／ＭＳやＣ
Ｅ／ＭＳが有望視されている。その一例として、図１０
に、アナリティカルケミストリー、1991年、63巻、375
頁（Anal. Chem.,63, 375)に記載されているイオントラ
ップ質量分析計を用いたＬＣ／ＭＳの構成を示す。

【０００３】液体クロマトグラフ１から溶出してくる溶
液中の試料は、配管２によりＬＣ／ＭＳのインターフェ
イスに導入される。図１０のようなエレクトロスプレー
型大気圧イオン源では、インターフェイスは主に高電圧
が印加された金属製キャピラリー３からなる。この金属
製キャピラリー３に高電圧が印加されると、ここを通過
した試料溶液は静電噴霧され、帯電液滴に変化する。こ
のとき、金属製キャピラリー３のまわりからガスを流し
て噴霧を促進することができる。このインターフェイス
で生成された試料に関するイオンは、ノズル５、差動排
気部用収束レンズである３２ａ，３２ｂを通過して高真
空下の質量分析部に導入される。

【０００４】スキマー９を通過したイオンは、収束効果
とゲート効果を有する静電レンズ３３ａ，３３ｂ，３３
ｃにより、エンドキャップ電極１６ａ、リング電極１
７、エンドキャップ電極１６ｂよりなるイオントラップ
型質量分析部にイオン取り込み口１８を通して導入され
る。イオントラップ型質量分析部は他の質量分析計と異
なり、高周波電場を用いてエンドキャップ電極１６ａ、
リング電極１７、エンドキャップ電極１６ｂからなるイ
オントラップ質量分析部内にイオンを一定時間閉じこ
め、その後、電圧を走査することによって、イオントラ
ップ質量分析部内に閉じこめられたイオンをイオン取り
出し口１９より取り出し、それを検出器及び増幅器３４
で検出する。イオントラップ型質量分析計で質量分析さ
れたイオンの検出信号は、増幅されてデータ処理装置に
転送される。データ処理装置では、得られた情報を通常
マススペクトルとして表示する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ＬＣ／ＭＳやＣＥ／Ｍ
Ｓでは完全に気化していない液滴も存在するため、上記
のような方法でエレクトロスプレー型大気圧イオン源で
生成したイオンをイオントラップ質量分析部に取り込も
うとすると、イオンとともに液滴を含む大量の中性分子
がイオントラップ質量分析部内にまで入り込むことにな
る。このとき、次のような問題が発生する。

【０００６】（１）イオントラップ内に入り込んだ中性
分子や液滴がイオントラップ質量分析部のエンドキャッ
プ電極などに付着することによってこれらの電極が汚染
され、内部での高周波電場が乱れ、イオンがトラップさ
れなくなったり、正確な質量分析ができなくなったりす
る。（２）イオントラップ内に入り込んだ中性分子や液滴の
ために、イオントラップ質量分析部内で試料分子のイオ
ンから液滴の方に電荷が移動したり、イオントラップ質
量分析部から出た液滴が検出器に到達したりして、ノイ
ズが大幅に増加する。

【０００７】ＬＣ／ＭＳやＣＥ／ＭＳでは、大気圧イオ
ン源において試料溶液を帯電液滴に変化させ、加熱等に
よりこの帯電液滴を気化させる。しかし、帯電液滴を完
全に気化させることはできないので、当然のことなが
ら、完全に気化されなかった液滴が、２つのエンドキャ
ップ電極と１つのリング電極で囲まれたイオントラップ
質量分析部内に入り込んでしまい、上記のような問題が
発生してしまう。このような問題を起こさないために
は、大気圧イオン源で気化されない液滴の数をできるだ
け少なくする必要がある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明においては、差動
排気部中でノズルからジェットが吹き出して生成される
超音速流領域を小さくすることによって帯電液滴の気化
効率を向上させる。図６（ａ）に略示するように、両側
の圧力がＰ₀、Ｐ₁（Ｐ₀＞Ｐ₁）である直径Ｄのノズ
ル５からジェットが吹き出すとき、次式で表される距離
Ｌの範囲が超音速流領域２９となる。Ｌ＝０．６７×Ｄ×（Ｐ₀／Ｐ₁）^1/2

【０００９】超音速流領域２９では、断熱膨張によりジ
ェットの温度が急激に低下する。換言すると、超音速流
領域では分子間の衝突が少なくなるため、効率的に液滴
を気化することはできない。従って、ノズル両側の圧力
比とノズルの径に関係したこの超音速流領域をできるだ
け小さくすることで液滴を効率的に気化することができ
る。本発明では、図６（ｂ）に略示するように、イオン
を通過させるための小さな孔を設けた遮蔽板３０で差動
排気部を分割することによって圧力を調整し、超音速流
領域２９の長さを全体として小さくした。

【００１０】具体的には、本発明による質量分析装置
は、大気圧またはこれに準じた圧力下で試料溶液をイオ
ン化するイオン化手段と、イオン化手段によって生成さ
れたイオンを加熱された第１のノズルを通して導入する
ための差動排気部と、差動排気部に加熱されたスキマー
を介して接続された高真空室と、スキマーを通して高真
空室中に導入されたイオンを質量分析して検出するため
のイオントラップ型質量分析部からなる質量分析装置に
おいて、差動排気部内に、直線的な流路を有する第２の
ノズルを備える遮蔽板を、第２のノズルの出口がイオン
トラップ質量分析部のエンドキャップ電極に対向するよ
うに設けたことを特徴とする。

【００１１】このとき、図９（ａ）に示すように、第１
のノズル５の中心軸とスキマー９の中心軸を一致させ、
第２のノズル７の流路をその中心軸上に位置させること
ができる。あるいは、図９（ｂ）に示すように、第１の
ノズル５の中心軸とスキマー９の中心軸をずらし、第１
のノズル５の出口と第２のノズル７の入口を対向させ、
第２のノズル７の出口とスキマー９の入口を対向させて
もよい。

【００１２】液滴の気化を促進するためには、加熱され
た第２のノズルの孔内での液滴の滞留時間を長くする必
要がある。そのためには、孔の内径を小さくし、孔の長
さを長くして、孔を通過するガス量を少なくする必要が
ある。この観点からすると、第２のノズルの孔は、その
径より長さの方が長いことが好ましい。遮蔽板に設ける
第２のノズルの流路は屈曲していても、あるいは第１の
ノズルの中心軸に対して斜行していてもよい。その際、
図９（ｃ）に示すように、第１のノズル５の中心軸とス
キマー９の中心軸を一致させ、第１のノズル５の出口と
第２のノズル７の入口を対向させ、第２のノズル７の出
口とスキマー９の入口を対向させることができる。ま
た、図９（ｄ）に示すように、第１のノズル５の中心軸
とスキマー９の中心軸をずらし、第１のノズル５の出口
と第２のノズル７の入口を対向させ、第２のノズル７の
出口とスキマー９の入口を対向させてもよい。

【００１３】また、第２のノズルは、内部に複数の通過
孔を有する金属板を内包していてもよい。その際、図９
（ｅ）に示すように、第１のノズル５の中心軸とスキマ
ー９の中心軸を一致させ、第１のノズル５の出口と第２
のノズル７の入口を対向させ、第２のノズル７の出口と
スキマー９の入口を対向させ、かつ金属板２８に設けた
複数の通過孔を前記中心軸から外れた位置に設けること
ができる。あるいは図９（ｆ）に示すように、第１のノ
ズル５の中心軸とスキマー９の中心軸をずらし、第１の
ノズル５の出口と第２のノズル７の入口を対向させ、第
２のノズル７の出口とスキマー９の入口を対向させ、か
つ金属板２８に設けた複数の通過孔を第２のノズルの中
心軸から外れた位置に設けてもよい。

【００１４】また、質量分析部は磁場型質量分析部又は
四重極型質量分析部としてもよい。遮蔽板で分離された
差動排気部の前記第１のノズル側の領域は、差動排気部
に設けられた荒引き用真空ポンプで排気されるように少
なくともひとつの排気口を有し、排気口の大きさを変え
るように構成することもできる。遮蔽板で分離された差
動排気部の第１のノズル側の領域の圧力は、超音速流領
域を第１ノズルの所からあまり長くしないために１〜１
００Ｔｏｒｒの範囲とするのが好ましく、また、スキマ
ー側の領域の圧力は、イオンと中性分子との衝突による
イオン透過率の低下を防ぐため０．１〜１０Ｔｏｒｒの
範囲とするのが好ましい。

【００１５】

【作用】図６（ｂ）に示すように、差動排気部をイオン
を通過させる小さな孔を設けた遮蔽板３０で分割するこ
とによって、ノズル直後に発生する超音速流領域２９は
２つに分割され、全体としての超音速流領域の長さ（Ｌ
₁＋Ｌ₂）は、遮蔽板を設けないときの長さＬより短く
なる。そのため、中性分子や液滴が、温度の低下した超
音速流領域を通過する時間が短くなり、液滴の気化を阻
害する要因がそれだけ小さくなり、結果として液滴の気
化効率が高まる。

【００１６】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。ここでは、混合試料の分離手段として、カ
ラムに詰まった充填剤を利用する液体クロマトグラフを
使用する例によって説明するが、毛細管を用いて電気泳
動により分離を行うキャピラリー電気泳動を用いること
も可能である。また、本発明は、試料溶液を連続的に導
入するフローインジェクション分析にも同様に適用可能
である。

【００１７】図１は本発明による装置の一実施例を示す
図である。液体クロマトグラフ１から流出した試料溶液
は、配管２を通って、金属製キャピラリー４が設けられ
たエレクトロスプレー型大気圧イオン源３に送られ、帯
電液滴が生成される。ここでは、大気圧イオン源とし
て、静電噴霧現象を利用した、帯電液滴が直接生成する
エレクトロスプレー型大気圧イオン源を示したが、針電
極によるコロナ放電を利用した大気圧化学イオン化法な
どの別の大気圧イオン源を用いてもよい。

【００１８】エレクトロスプレー型大気圧イオン源３で
生成した帯電液滴は、第１フランジ６に保持されヒータ
ー１２ａで１００℃以上の高い温度に加熱されたノズル
５、第２フランジ８に保持されヒーター１２ｂで１００
℃程度に加熱された第２ノズル７、及び第３フランジ１
０に保持されヒーター１２ｃで１００℃程度に加熱され
たスキマー９を通過する過程で気化され、イオンが生成
する。第１フランジ６、第２フランジ８、第３フランジ
１０は、絶縁リング１３ａ，１３ｂ，１３ｃにより互い
に電気的に絶縁され、それぞれ独立した電圧が印加され
るようになっている。また、第２ノズル７とスキマー９
で囲まれた領域は、荒引き用真空ポンプ２３によって１
０〜０．１Ｔｏｒｒの範囲に排気される。

【００１９】スキマー９を通過したイオンは、収束用静
電レンズ１４ａ，１４ｂ，１４ｃ及びゲート電極１５を
通過して、イオン取り込み口１８より、エンドキャップ
電極１６ａ、リング電極１７、エンドキャップ電極１６
ｂ、及び２つの絶縁リング２０ａ，２０ｂで囲まれたイ
オントラップ質量分析部に導入される。ここで一定時間
トラップされたイオンは、イオン取り出し口１９よりイ
オントラップ質量分析部の外に引き出され、収束レンズ
２１で収束後、検出器２２で検出される。通常、イオン
トラップ質量分析部の存在するチャンバー２５は、真空
ポンプ２４で５×１０^-5Ｔｏｒｒ以下に排気される。

【００２０】ここでは超音速流領域を圧縮する方法とし
て、第２ノズル７を備えた第２フランジ８、すなわち遮
蔽板をノズル５とスキマー９の間に、イオントラップ質
量分析部のエンドキャップ電極に対向するように設けて
いる。ノズル５と第２ノズル７で囲まれた領域は、少な
くとも１つ設けられた排気口１１を通して、荒引き用真
空ポンプ２３により１００〜１Ｔｏｒｒの間に排気され
る。

【００２１】これに対して、図２に示すように、ノズル
５を備えた第１フランジ６とスキマー９を備えた第３フ
ランジ１０の間にあって、排気口１１を備えた円筒２６
に保持された第４フランジ２７に、第２ノズル７をイオ
ントラップ質量分析部のエンドキャップ電極に対向する
ように設けてもよい。この場合にも、ノズル５と第２ノ
ズル７で囲まれた領域は、少なくとも１つ設けられた排
気口１１を通して、荒引き用真空ポンプ２３により１０
０〜１Ｔｏｒｒの間に排気される。

【００２２】第２ノズル７は、図３（ａ）に示すよう
に、イオンを通過させるための孔がまっすぐで、しかも
ノズル５とスキマー９を結ぶ中心軸上に設けることがで
きる。この場合、第２ノズル７の孔の直径は０．１ｍｍ
〜２ｍｍ程度、長さは０．１ｍｍ〜２０ｍｍ程度とする
ことができる。長さの長い孔を用いるのは、この加熱さ
れた孔の中での液滴の滞在時間を長くし、気化を促進す
るためである。

【００２３】第２ノズル７のイオンを通過させる孔は、
図３（ｂ）に示すように曲がっていてもよい。これは、
ノズル５と第２ノズル７で囲まれた領域における流れは
まだ分子流ではなく、粘性流に近く、経路が曲がってい
たとしても流れでイオンが輸送されるためである。しか
も、このような曲がった経路にすることによって、液滴
は加熱された第２ノズル７に衝突して気化が促進される
ことになる。ただし、ノズル５側の孔の位置及びスキマ
ー９側の孔の位置は、ノズル５とスキマー９を結ぶ中心
軸上にある必要がある。

【００２４】また、図４のように、第２ノズルのイオン
通過の経路上に、複数の孔を持つ金属板２８〔図４
（ｂ），（ｃ）参照〕を設けておいてもよい。この場合
にも、第２ノズル７での液滴の気化を促進するため、い
ったん液滴をこの複数の孔を持つ金属板２８の中心に当
てるようにするのが好ましい。そのために、図４
（ｂ），（ｃ）に示す金属板２８では、ノズル５とスキ
マー９を結ぶ中心軸上には孔を設けないようにしてあ
る。金属板２８は、図４（ｂ）に示すように、その内部
領域に孔を設けてもよいし、図４（ｃ）に示すように、
その周縁部に切り欠きを設けてもよい。さらに、図５に
示すように、ノズル５と第２ノズル７を結ぶ軸と第２ノ
ズル７とスキマー９を結ぶ軸をずらし、斜めの孔を第２
ノズル７に設けてもよい。この場合にも、上記と同様な
効果を期待できる。

【００２５】上記のいずれのタイプの第２ノズル７を設
けた遮蔽板３０を用いても、図６（ｂ）に示すように、
ノズル５の直後に発生する超音速流領域２９は遮蔽板３
０を設けない図６（ａ）の場合に比較して圧縮され、ジ
ェットの温度低下を軽減することができる。図７は、
（ａ）第２ノズルを設けていない場合と、（ｂ）第２ノ
ズルを設けた場合のグラミシジンＳと呼ばれるペプチド
のマススペクトルの比較を示したものである。試料には
いずれも同じ試料（グラミシジンＳ）を用い、イオン源
にはいずれも同じエレクトロスプレー型大気圧イオン源
を用いた。イオン源から差動排気部にイオンを導入する
第１のノズルには内径０．２ｍｍ、長さ０．５ｍｍのも
のを用い、差動排気部から高真空室にイオンを導入する
スキマーには内径０．２ｍｍ、長さ０．５ｍｍのものを
用いた。差動排気部の真空ポンプの排気速度は８００ｌ
／分であり、質量分析部の真空ポンプの排気速度は２０
０ｌ／秒である。これらの条件は前記（ａ），（ｂ）に
共通である。

【００２６】第２ノズルを用いない（ａ）の場合、ノズ
ルとスキマー間の距離を１５ｍｍとした。この距離１５
ｍｍは、質量分析部の圧力を５×１０^-5Ｔｏｒｒ以下に
保つために必要な距離であった。このとき、差動排気部
の圧力は０．４Ｔｏｒｒ、質量分析部の圧力は４×１０
^-5Ｔｏｒｒであり、差動排気部に形成される超音速流領
域の長さＬは、下式で計算されるように５．８ｍｍであ
った。Ｌ＝０．６７×０．２×（７６０／０．４）^1/2＝５．
８（ｍｍ）

【００２７】一方、第２ノズルを用いた（ｂ）の場合、
第１ノズルと第２ノズル間の距離を７ｍｍとし、第２ノ
ズルとスキマー間の距離を７ｍｍとした。第２のノズル
は内径０．２ｍｍ、長さ０．５ｍｍとした。このとき、
差動排気部の第１ノズルと第２ノズル間の領域の圧力は
２Ｔｏｒｒ、第２ノズルとスキマー間の領域の圧力は
０．２Ｔｏｒｒ、質量分析部の圧力は２×１０^-5Ｔｏｒ
ｒであった。そして、超音速流領域の長さＬ’は、第１
ノズルの後方に発生する超音速流領域の長さＬ₁と、第
２ノズルの後方に発生する超音速流領域の長さＬ₂の和
であり、下式で計算されるように３．０ｍｍであった。Ｌ’＝Ｌ₁＋Ｌ₂＝０．６７×０．２×（７６０／２）
^1/2＋０．６７×０．２×（２／０．２）^1/2 ＝２．６＋０．４＝３．０（ｍｍ）

【００２８】図７に示されているように、（ａ），
（ｂ）どちらの場合にも、グラミシジンＳの２価イオン
（Ｍ＋２Ｈ）²⁺がｍ／ｚ（質量数／電荷）５７１に観測
されている。しかし、遮蔽板を設けていない（ａ）に比
較して、遮蔽板を設けた（ｂ）の場合には、ｍ／ｚが５
７１のイオン以外のノイズのイオンが大幅に減少してい
ることがわかる。これは、差動排気部を遮蔽板で２分す
ることにより超音速流領域の長さがほぼ半分に圧縮さ
れ、特に第１ノズルと第２ノズル間の超音速流領域の長
さＬ₁がＬの半分以下に圧縮されたため、液滴の気化が
十分に進み、イオントラップ質量分析部内に導入される
液滴が大幅に減少したためと考えられる。

【００２９】なお、図８に示すように、ノズル５と第２
ノズル７で囲まれた領域の圧力は、圧力可変機構３１に
よって可変できるようにしてもよい。圧力可変機構３１
は、それを出し入れすることによって排気口１１のコン
ダクタンスを変え、それによってノズル５と第２ノズル
７で囲まれた領域の圧力を調整することができる。圧力
調整機構３１を設けることにより、個々の装置による差
動排気部内の圧力の変動を調節することができ、また同
じ大気圧イオン源でも、静電噴霧現象を利用するエレク
トロスプレー型とコロナ放電を利用する大気圧化学イオ
ン源では、それぞれの最適の差動排気部内の圧力が異な
るため、使用するイオン源に合わせて真空度を簡単に調
整することができるようになる。

【００３０】これまで質量分析計にイオントラップ質量
分析計を用いた場合の実施例に関して説明してきたが、
本発明は４本のロッドに高周波電場を加えて質量分析を
行う四重極質量分析計や磁場内での質量分散を利用して
質量分析を行う磁場型質量分析計を用いた場合にも同様
に適用でき、上述したのと同様な効果を期待できること
は言うまでもない。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、ノズル直後に発生する
超音速流領域を圧縮できるため、中性分子や液滴が温度
の低下した超音速流領域を通過する時間が短くなり、液
滴の気化効率を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるＬＣ／ＭＳ装置の一実施例を示す
断面図。

【図２】本発明によるＬＣ／ＭＳ装置の他の実施例を示
す断面図。

【図３】ノズルと第２ノズルとで囲まれた領域の断面
図。

【図４】第２ノズルの他の実施例の説明図。

【図５】第２ノズルの他の実施例を示す断面図。

【図６】遮蔽板がない場合とある場合の超音速流領域の
模式図。

【図７】遮蔽板がない場合とある場合のマススペクトル
の例を示す図。

【図８】差動排気部内に圧力可変装置を設けた実施例を
示す図。

【図９】第２のノズルを備える遮蔽板の例を示す図。

【図１０】従来のＬＣ／ＭＳ装置の構成図。

【符号の説明】

１…液体クロマトグラフ、２…配管、３…エレクトロス
プレー型大気圧イオン源、４…金属製キャピラリー、５
…ノズル、６…第１フランジ、７…第２ノズル、８…第
２フランジ、９…スキマー、１０…第３フランジ、１１
…排気口、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ…ヒーター、１３
ａ，１３ｂ，１３ｃ…絶縁リング、１４ａ，１４ｂ，１
４ｃ…収束用静電レンズ、１５…ゲート用レンズ、１６
ａ，１６ｂ…エンドキャップ電極、１７…リング電極、
１８…イオン取り込み口、１９…イオン取り出し口、２
０ａ，２０ｂ…イオントラップ用絶縁リング、２１…引
き出しレンズ、２２…検出器、２３…荒引き用真空ポン
プ、２４…真空ポンプ、２５…チャンバー、２６…円
筒、２７…第４フランジ、２８…複数の孔を持った金属
板、２９…超音速流領域、３０…超音速流領域遮蔽板、
３１…圧力可変機構、３２ａ，３２ｂ…差動排気部用収
束レンズ、３３ａ，３３ｂ，３３ｃ…収束及びゲート作
用を備えた静電レンズ、３４…検出器及び増幅器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平６−50940（ＪＰ，Ａ) 特開平６−331616（ＪＰ，Ａ) 特開平５−52813（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 27/62 - 27/70 H01J 49/00 - 49/48

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】大気圧でイオンを生成するイオン源と、
前記イオン源と質量分析部との間に配置される差動排気
部と、前記イオンを前記差動排気部に導入するノズル
と、前記差動排気部を経由したイオンを前記質量分析部
に導入するスキマーと、前記ノズルと前記スキマーの間
に配置され前記差動排気部を分割する遮蔽板と、を有
し、前記遮蔽板は前記イオンが通過する孔を有し該孔の
経路の長さは該孔の内径よりも長いことを特徴とする質
量分析装置。
【請求項２】前記遮蔽板に形成された孔の中心軸と前
記スキマーの中心軸とは平行ではないことを特徴とする
請求項１に記載の質量分析装置。
【請求項３】前記遮蔽板に形成された孔の経路は前記
スキマーの中心軸に対し屈曲していることを特徴とする
請求項１に記載の質量分析装置。