JP3570151B2 - イオントラップ質量分析装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はイオントラップ質量分析装置及びイオントラップ質量分析方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
質量分析装置は、イオン化した試料を電場或いは磁場を制御して質量分離する装置である。現在、いわゆるマスフィルター形の質量分析装置や磁場形質量分析装置が広く普及している。これら質量分析装置は、試料を連続的にイオン化し、電場或いは磁場を走査させ所定の質量を通過するようにして質量分離していた。このような質量分析装置に対して、ポールにより、別の質量分析装置が提案された。この装置では、イオンを四重極高周波電界によりトラップ空間に閉じこめ、まず、イオンを蓄積してから質量分離するように構成される。このような技術は、例えば、米国特許第２９３９９５２号に知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記技術によれば、イオンを一旦蓄積してから質量分析するために、高感度の質量分析が可能となる。しかしながら、イオンを蓄積するが故の問題点も内在している。イオンが一定時間蓄積されるため、イオンがトラップ領域に留まる時間が長くなる、その間に、試料イオンがトラップ空間内の活性ガス等と反応してしまうのである。そのため、試料イオンが他のイオンに変化したり、或いは、消滅してしまい、質量分析精度が低下するという問題が生じていた。
【０００４】
本発明の目的は、トラップ空間内の活性ガス等の影響を少なくして、質量分析精度を向上させることができるものを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、電極に囲まれたトラップ空間を形成し、前記電極に交流電圧を印加して前記トラップ空間内にイオンを捕獲し、前記トラップ空間内の活性分子を除去し、前記活性分子の除去後前記捕獲したイオンを質量分離するように構成した。
【０００６】
このように構成することにより、試料イオンの質量分離の前に、トラップ空間内に残領していた活性ガスが排除され、トラップ空間内の活性ガス等の影響を少なくして、質量分析精度が向上される。
【０００７】
イオントラップ質量分析計は導入されたイオンを一旦イオントラップの電極内に貯えた後に質量スペクトルを得るため、高感度な測定が可能であるが、この高感度も、適切な量のバッファガスの導入が前提である。イオントラップ内のガス圧が高すぎたり、逆に低すぎたりしてもよい結果を与えない。前述のように、トラップ内のガスの中に水や酸素など活性な分子が交じっていると、導入されたイオンはこれら活性な分子と相互作用が起こし（電荷の喪失，移動，イオン分子反応など）て、イオンが消滅したり、導入されたイオンとは別のイオンに変化したりする。
【０００８】
この現象は、ＬＣ／ＭＳ装置の初動時に顕著に見られる。これはイオントラップ内の圧力を一定に保つため、３つの電極間はセラミックやガラス等スペーサにより気密性を高めている。この気密性が真空排気開始の場合、四重極内を排気する妨げとなっている。イオントラップ質量分析計の周囲の真空が十分分析可能な真空に達していてもイオントラップ電極内の真空度並びに水等の分圧は十分に分析可能なレベル迄達していないことが多い。そのため、排気開始の初期には、安定な測定ができないと言う大きな問題があった。質量分析計を停止させると、電極内も大気に晒される。水や、酸素分子は極性が高く、ガスとして存在する傍ら、四重極電極の内壁表面に吸着してしまう。この吸着した水分子などは測定中次第に脱着し、捕捉されたイオンとイオン分子反応を起こしてしまう。これが長時間測定が不安定になる原因である。これを防ぐため、質量分析計を大気に晒す時（装置の停止）は、バッファガス導入系のガス導入を装置の停止後も続けトラップ内に十分不活性ガスを充たすことが行われる。また、装置の運転開始後、一晩以上排気を続けることが行われてきた。しかし、これでは、測定開始が一日以上先になることになり、能率が著しく低下する。
【０００９】
好ましくは、このような問題点を解決するために、バッファガスを加熱して四重極電極内に導入することにより、電極内壁に吸着した水分子等を脱着して取り除く。また、好ましくは、四重極電極自身も加熱し、水分子の排除時間を短縮する。
【００１０】
さらに好ましくは、ＬＣ／ＭＳの測定前は高温のガスを導入し、水分子の排除につとめ、一旦測定が開始されたらガスの温度を低くして試料分子の熱分解を防ぐことが可能になる。
【００１１】
さらに好ましくは、トラップ電極の温度設定も測定していない時は高くし、測定開始の前に温度を下げ、より安定に測定できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例を説明する。図１にＬＣ直結イオントラップ質量分析計の概要を示す。液体クロマトグラフ直結イオントラップ質量分析計は、液体に溶けこんだ微量の有機化合物を高感度に測定する装置である。この装置の心臓部である質量分析計は、扇形の磁場を用いた質量分析計，四重極質量分析計等が広く採用されてきたが、最近、小型，廉価の質量分析計としてイオントラップ質量分析計が注目され、液体クロマトグラフ直結イオントラップ質量分析計（以下ＬＣ／ ＭＳと略す）にも採用されるようになってきた。溶液瓶１に保管された移動相溶媒はポンプ２により注入口３を経て分析カラム４に送られる。試料はマイクロシリンジ等により注入口３から導入される。導入された試料は分析カラム４を進みながら、成分毎に分離される。分離された成分は移動相溶媒とともにＬＣ／ＭＳインターフェイス部に送り込まれる。ＬＣ／ＭＳインターフェイスには、いろいろな方式があるが、ここではエレクトロスプレイ（ＥＳＩ）法で説明する。分析カラム４を出た試料成分溶液は高電圧が印加されたＥＳＩプローブ５に送られる。プローブ先端から大気中に電荷を持った液滴として噴霧される。液滴は大気分子と衝突を繰り返し、液滴の径が小さくなり、最終的に大気中にイオンが放出される。生成したイオンはスキマの頂点に設けられた細孔７から真空ポンプ２０で排気され質量分析計が置かれた真空室３０（質量分析部）に導入される。質量分析部に導入されたイオンは、イオンガイド８を経て四重極空間５０に送り込まれる。四重極電極は２つのエンドキャップ電極９，１１とドーナツ状の一つのリング電極１０とガラスやセラミックで作られたスペーサ３１，３２等よりなっている。これら３つの電極９，１０，１１の断面は双曲線となっている。この四重極空間５０に送り込まれたイオンはリング電極１０に印加された１ＭＨｚ程度の高周波により、四重極空間５０に安定に捕捉される。イオントラップ質量分析計はイオンを導入しながら四重極空間５０でイオンを積算できる。これがイオントラップ質量分析計が他の原理による質量分析計より優れた感度を与えることができる要因である。電極内に蓄えられたイオンはリング電極１０に印加された高周波の電圧（振幅）を変化することによりエンドキャップ電極１１の中心に開けられた穴３４からトラップ外に放出される。放出されたイオンを検出器１２で検出し、データ処理装置１３により質量スペクトルを得る。
【００１３】
四重極空間５０のイオンはリング電極１０に印加された高周波により振動運動をくり返し安定に捕捉される。しかし、同極性のイオン同士の反発等により次第にイオン軌道が大きくなり、エンドキャップ電極９，１１やリング電極１０の内壁に衝突し、電荷を失ってしまう。長時間安定にイオンを電極内に捕捉するためには、四重極電極内に、ヘリウムやアルゴン等の不活性ガスを導入し、イオンを不活性ガス分子と衝突させることが行われている。この衝突によりイオンの運動エネルギは取り除かれ、軌道が四重極電界の中心部に移動する。これによりイオンの長時間捕捉が可能になる。そのため、イオントラップ質量分析計は、このガス（バッファガスと呼ぶ）を導入するガス導入系を備えている。
【００１４】
一方バッファガスはガスボンベ１８から減圧弁，流量調整用のニードルバルブ１７を経て、抵抗管２１（キャピラリーパイプ）（内径０．１ｍｍ，長さ２ｍ程度のキャピラリーパイプ）を経て真空室の壁に開けられた導入口をへて、四重極空間５０に導入される。キャピラリーパイプ２１のまわりにヒートブロックまたはヒータ１６を配置しバッファガスを加熱する。この加熱温度の設定はデータ処理装置１３からヒータ電源１９を通して自由に設定できるようにしてある。
【００１５】
ＬＣ／ＭＳ装置は質量分析計の真空室に水等の極性溶媒をＬＣから必然的に送り込むことになる。そのため、質量分析計はもとより真空室，室内に配置された多くの電極の表面に大量の極性分子が吸着することは避けられない。これを防ぐため、真空ハウジングをヒータ３５などで加熱し、吸着した分子の脱着を行う。次に、ヒータ１６及びヒータ３５の動作を図２を用いて説明する。測定待機の状態では、ヒータ１６及びヒータ３５は共にＨｉｇｈであり、イオントラップ空間 ５０の温度は、温度を２００〜３００℃と高く設定し、トラップ内の水分子が排除される。なお、装置の電源をオンとして装置立ち上げの時にも同様に、ヒータ１６及びヒータ３５は共にＨｉｇｈであり、イオントラップ空間の温度は、温度を ２００〜３００℃と高く設定される。
【００１６】
一方、測定の準備の段階になると、ヒータ１６及びヒータ３５は共にＬｏｗ 状態となり、トラップ空間の温度は徐々に下がってくる。測定を開始する前に温度を１００℃程度に落とし、試料の熱分解や吸着を防ぐことができる。バッファガスはトラップ内に導入されても、その温度を保ち続けることが望ましい。そのため、四重極電極をバッファガスと同期して加熱される。
【００１７】
測定が終了すると、再び、ヒータ１６及びヒータ３５は共にＨｉｇｈとなり、イオントラップ空間の温度は、温度を２００〜３００℃と高く設定される。
【００１８】
ここでＬＣ／ＭＳインターフェイスとしてＥＳＩを用いて本発明の説明を行ってきた。しかし、ＬＣ／ＭＳのインターフェイスはＥＳＩに限らない。例えば、大気圧化学イオン化（ＡＰＣＩ），ソニックスプレイ（ＳＳＩ），大気圧スプレイ（ＡＰＳ）など多くのイオン化に適用できる。
【００１９】
このように、本実施例では、高温ガス導入を装置の始動時に行うことにより、１０時間以上かかっていた初排気時間を３時間程度に短縮できる。そのため、装置のクリーニングや部品交換のため装置を停止しても、一日待つことが無くその日の内に装置のチェック，測定が可能になった。また、四重極電極内の水分子などが脱着し、四重極内の真空がクリーンになるため、測定時の不安定性が改善され、また、イオン分子反応等によるノイズを低減できる。
【００２０】
次に第２の実施例を図３を用いて説明する。第２の実施例では、バッファガスと四重極電極の加熱を一つのヒータ４０で行う。これにより、制御の簡便さと、製造コストを引き下げることもできる。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、試料イオンの質量分離の前に、トラップ空間内に残領していた活性ガスが排除され、トラップ空間内の活性ガス等の影響を少なくして、質量分析精度が向上される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のイオントラップ質量分析装置を示す図である。
【図２】トラップ空間内の温度を示すタイムチャート図である。
【図３】本発明の第２の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１…溶液瓶、２…ポンプ、３…試料注入口、４…分析カラム、５…ＥＳＩプローブ、７…スキマ細孔、８…イオンガイド、９，１１…エンドキャップ電極、 １０…リング電極、１２…検出器、１３…データ処理装置、１４，１９…ヒータ電源、１５，１６，２２，４０…ヒータ、１７…ニードルバルブ、１８…ガスボンベ、２０…真空ポンプ、２１…キャピラリーパイプ、３０…質量分析部、３１，３２…スペーサ、３４…細孔、５０…四重極空間。

Claims (5)

1. 試料をイオン化してイオンを生成するイオン源と、前記生成したイオンを捕捉し質量分析する四重極場を生成する四重極電極と、前記四重極場にバッファガスを導入するガス導入手段を有するイオントラップ質量分析装置において、
   前記バッファガスを加熱するバッファガス加熱手段を備え、
   前記バッファガス加熱手段は、測定時と非測定時において前記バッファガスの加熱温度を変更し、且つ測定時には非測定時よりも低い温度で加熱することを特徴とするイオントラップ質量分析装置。
2. 請求項１において、
   前記非測定時の前記バッファガスの加熱温度は、２００℃から３００℃であることを特徴とするイオントラップ質量分析装置。
3. 試料をイオン化してイオンを生成するイオン源と、前記生成したイオンを捕捉し質量分析する四重極場を生成する四重極電極とを有するイオントラップ質量分析装置において、
   前記四重極電極を加熱する電極加熱手段を備え、
   前記電極加熱手段は、測定時と非測定時において前記四重極電極の加熱温度を変更し、且つ測定時には非測定時よりも低い温度で加熱することを特徴とするイオントラップ質量分析装置。
4. 請求項３において、
   前記質量分析を行っていない期間の前記四重極電極の加熱温度は、２００℃から３００℃であることを特徴とするイオントラップ質量分析装置。
5. 液体クロマトグラフを直結し、液体クロマトグラフから送られる試料成分をイオン化し、イオンを捕捉する四重極場を形成するイオントラップ電極により質量分析を行うイオントラップ質量分析装置において、
   前記四重極場に導入されるバッファガスと前記イオントラップ電極を加熱する手段を有し、
   前記加熱手段は、測定時には非測定時よりも低い温度で加熱することを特徴とするイオントラップ質量分析装置。

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