JP3659182B2 - イオン源及びこれを用いる質量分析装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明に属する技術分野】
本発明は、イオン源およびこれを用いる質量分析装置に関し、特に液体中に存在する試料をイオン化して質量分析計に導入するのに適したイオン源およびこれを用いる質量分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
キャピラリー電気泳動（ＣＥ）又は液体クロマトグラフ（ＬＣ）は、溶液中に存在する試料の分離ができるが、分離された試料の種類の同定が困難である。一方、質量分析計（ＭＳ）は試料を高感度で同定することができるが、混合試料の分離ができない。このため、水等の溶媒に溶解した複数の生体関連物質を分離分析する場合、質量分析計にキャピラリー電気泳動又は液体クロマトグラフを結合させたキャピラリー電気泳動／質量分析計（ＣＥ／ＭＳ）又は液体クロマトグラフ／質量分析計（ＬＣ／ＭＳ）が一般には使用される。
【０００３】
キャピラリー電気泳動又は液体クロマトグラフにより分離された試料を質量分析計で分析するためには、溶液中の試料分子を気体状のイオンに変換することが必要である。このようなイオンを得る従来技術として、イオンスプレー法（アナリティカル・ケミストリー（Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）、第５９巻（１９８７年）第２６４２項から第２６４６項）等が知られている。このイオンスプレー法では、キャピラリの外周部に沿ってガスが流され、試料溶液が導入されるキャピラリーと、質量分析計にイオン取り込むための細孔（サンプリングオリフィス）との間に、高電圧（３〜６ｋＶ）が印加され、キャピラリー先端では強電界が発生している。このような構成のもとで生成する静電噴霧現象により、小さな帯電液滴が生じ、上記のガスにより帯電液滴の中の溶液が気化し、気体状のイオンが生成される。このように生成したイオンはサンプリングオリフィスを介し質量分析計に導入され、質量分析される。上記のガスは、帯電液滴の気化を促進させる他に、キャピラリーの先端で放電が起こるのを抑圧する。
【０００４】
キャピラリーに供給される溶液の流量が１０μＬ（マイクロリットル）／分以下で、ガスを流さずにイオン化する方法である、エレクトロスプレー法（ジャーナル・オブ・フィジカル・ケミストリー（Ｊｏｕｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）、第８８巻（１９８４年）第４４５１頁から第４４５９頁）は、イオンスプレー法と区別されているが、イオン生成の原理はイオンスプレー法と同じである。また、大気圧化学イオン化法（アナリティカル・ケミストリー（Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）、第５４巻（１９８２年）第１４３頁から第１４６頁）では、キャピラリーの先端の近くに放電を行なう電極を設け、大気圧下に噴霧された液滴を放電によりイオンさせる方式が用いられている。これらの従来の各種のスプレーイオン化法では、高いイオン生成効率を得るためには、直径が約１０ｎｍ以下の微細な帯電液滴の生成が必要と考えられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、キャピラリーとサンプリングオリフィスの間には高電圧が印加される。そのため、感電防止策が必要であり、装置の構造は複雑になるという問題がある。キャピラリー電気泳動／質量分析計では、キャピラリー先端に高電圧が印加されるため、キャピラリー電気泳動装置で試料を泳動させるためにさらに高電圧を印加する必要がある。
【０００６】
また、静電噴霧現象はキャピラリーの先端やサンプリングオリフィスの表面の汚れに大きく影響され、エレクトロスプレー法やイオンスプレー法では、試料溶液の噴霧を一旦停止すると、同一条件で噴霧を再開しても検出されるイオン強度は異なり、再現性が低い。そのため、検出されるイオン強度が最大となるように、キャピラリー位置を微調整したり、キャピラリー先端やサンプリングオリフィス表面をクリーニングする等の煩雑な作業が、噴霧を再開する毎に必要である。そのため、感電防止のために装置の構造が複雑になり、操作上の障害となる。
【０００７】
また、上記従来技術では、試料溶液に、溶媒としてアルコールやアンモニア等の揮発性物質を混合する必要がある。電気伝導度が低い溶媒を用いた場合には、静電噴霧現象が起こらず、静電噴霧現象を生じさせるためには、試料溶液の電気伝導度が１０ ^−１３ 〜１０ ^−５ Ω ^−１ ｃｍ ^−１ の範囲とする必要があることが経験的に知られている。これらの条件が満たされない限り、静電噴霧現象が安定に起こらず、溶媒の選択が制限される点で問題がある。
【０００８】
また、キャピラリーとサンプリングオリフィスの間に高電圧が印加されるため、イオン源の周辺で放電が起こる可能性があり、引火性溶媒の使用は困難である。このように使用できる溶媒の種類が制限されると、キャピラリー電気泳動又は液体クロマトグラフにより、測定対象物質の分離ができない場合が生じる。
【０００９】
本発明の目的は、安全で操作性の高いイオン源を提供し、このイオン源を使用して、安定にイオンを生成し高感度に再現性よく試料の分析ができる質量分析装置を提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、キャピラリー電気泳動又は液体クロマトグラフ等で使用される広範囲の溶媒が使用できるイオン源およびこれを使用した質量分析装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、試料溶液が導入される細管の端部の外周部にガス流を形成するガス流形成手段を有し、この端部の外周部にガスを大気中に噴出させて、試料溶液をイオン化させるイオン源に特徴がある。また、ガスの流速とガスの中を伝わる音波の速度から定まるマッハ数が少なくとも１から２の範囲であることに特徴がある。さらにガス流形成手段は、ガスが導入されるガス導入口と、ガスが噴出される開口部を有し、開口部には細管の端部が挿入配置され、前記の外周部と開口部の内周面との間に形成される微小空間からガスが噴出される構成とする。また、本発明は以上の特徴を有するイオン源を使用する質量分析装置に特徴がある。
【００１２】
以下、より詳細に本発明の特徴を説明すると、試料溶液を大気中に送出するキャピラリーと、キャピラリーの外周面に沿ってキャピラリーの先端部までガス流を形成するために上記の先端部が挿入されるガスガイド管とを具備し、ガスの標準状態（２０℃、１気圧）に換算した流量Ｆと、上記先端部の外周面とガスガイド管との間の空間の、上記先端部の近傍でのキャピラリー中心軸に直交する断面の最小面積Ｓとから定まるガス流に関する特性値Ｆ／Ｓが所定の範囲にあり、大気中に送出された試料溶液がガス流により先端部近傍においてイオン化されることに特徴があり、上記特性値Ｆ／Ｓの所定の範囲は２００ｍ／ｓ〜１０００ｍ／ｓであることが望ましい。試料を効率良くイオン化する点からは、好ましくは３５０ｍ／ｓ〜７００ｍ／ｓ、更に好ましくは５００ｍ／ｓ〜６００ｍ／ｓの範囲に上記特性値Ｆ／Ｓを設定する。ここで、Ｆ／Ｓの次元は速度と同じとなるが、実際の噴出ガスの流速とは異なる。流量Ｆは噴出ガスの流量を標準状態に換算した値である。実際の噴出ガスは１気圧よりも高圧である。
【００１３】
なお、試料溶液の流量は１μＬ（マイクロリットル）／分〜２００μＬ（マイクロリットル）／分とする。
【００１４】
キャピラリー先端部での微小空間から噴出されたガスにより、キャピラリー先端において試料溶液の細かな帯電液滴が生成される。ガス流のマッハ数が１に近づくと、より小さな帯電液滴が生成する。噴出されたガスにより、生成した帯電液滴から溶媒が気化して、気体状のイオンが生成する。生成したイオンを質量分析計に導入して分析することができる。
【００１５】
キャピラリー先端部での噴出ガス流の特性値Ｆ／Ｓがある値以上になると、キャピラリー先端において、キャピラリーに導入された試料溶液が細分化され、種々の大きさの帯電液滴が生成する。そして少なくとも１００ｎｍ以下の極めて細かな帯電液滴は容易に、脱溶媒（乾燥）される。溶液中では、中性の試料分子も極めて細かな液滴中ではプロトンやナトリウムイオン等と結合することにより、擬似分子イオンが生成することがあり、質量分析装置で分析可能なイオンが得られると考えられる。
【００１６】
キャピラリー先端において生成する液滴の大きさを決める条件は、噴出されるガス流の特性値Ｆ／Ｓ又はマッハ数が本質的な役割を果たすが、極めて細かな液滴の生成効率においては、考慮すべき他の要素も存在する。即ち、キャピラリー先端において溶液表面と周囲との圧力差がある程度以上大きい必要がある。キャピラリーの肉厚を１００μｍ以下の厚さにして極めて細かな液滴の生成効率を高めることができる。
【００１７】
さらに、キャピラリーの中心軸とガスガイド管の中心軸とを一致させて、キャピラリー先端部におけるガスの流速を均一にして、試料溶液の液滴を含む噴出ガスの流れを軸対称に形成し、イオン化の条件の再現性も高めることができる。
【００１８】
ガス流の特性値Ｆ／Ｓが一定ならば、試料溶液の液滴の大きさはほぼ一定であり、ガス流量Ｆ、ガスの噴出する微小空間の面積Ｓにはほとんど関係しない。経験的には、ガス流量Ｆは０．５リットル／分以上であれば充分である。キャピラリーの材質や、キャピラリーに印加する電位は、溶液から生成する液滴の大きさにはほとんど影響しない。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明を詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明の装置構成を示すブロック図である。試料溶液供給部１に溶液試料が供給され、溶液試料は、イオン源２の内部に設けたキャピラリー（細管）（図示せず）に導入される。ガス供給部３から供給されるガスは流量調節計４によりガス流量が調節され、イオン源２に導入されキャピラリーの外周部に沿って流され、キャピラリーの先端部から大気中に、特性値Ｆ／Ｓが約２００ｍ／ｓ以上の値のガス流として噴出する。キャピラリーに導入された試料溶液は、キャピラリーの先端部に噴出されたガスにより、微小液滴の他に試料分子の気体状の擬似分子イオンが試料溶液から生成する（以下、このイオン化方法を、新しいスプレーイオン化法である、ソニックスプレー（Ｓｏｎｉｃ Ｓｐｒａｙ）法と呼ぶ）。生成したイオンは、キャピラリーの先端部から質量分析計１１に上記のガスにより導入され、質量分析計１１で分析される。以下、本発明によるイオン源の構成、およびこのイオン源を使用した分析例をもとにして、本発明によるイオン源の特徴に関して説明する。
【００２１】
（第１の実施例）
本実施例では、イオン源は、液体クロマトグラフに結合され、液体クロマトグラフ／質量分析計（ＬＣ／ＭＳ）を構成する。液体クロマトグラフにより分離された試料溶液は、図１において、連結管（図示せず）を経て試料溶液供給部１に供給されるか、又は液体クロマトグラフの分離管が試料溶液供給部１に直結されている。
【００２２】
図２は、本実施例で使用するイオン源を示す断面図である。試料溶液は１００μＬ（マイクロリットル）／分の流量で、キャピラリー５（ステンレス製、内径１００μｍ、外径３００μｍ）に、図２の左方に配置された試料溶液供給部１から導入される。キャピラリー５はその肉厚が薄い場合、強度的に弱く、湾曲しやすいので、キャピラリー５はキャピラリー保持管（ステンレス製）６により保持固定する。キャピラリー５の先端部の約４ｍｍに部分が、キャピラリー保持管６から露出する。キャピラリー５の外周部に沿ってガスが流され、キャピラリーの先端部で大気中に所定のガス流速をもつガスを噴出させるためのガスガイド管は、ガスガイド管先端部７と、ガスガイド管先端部保持部１０とから構成される。
【００２３】
キャピラリー５の先端のおけるキャピラリーの中心軸と、ガスガイド管先端部７に形成され、ガスが噴出する出口を形成するための開口部（ガスガイド管の内径の中で最小の内径を有する部分であり、内径は４００μｍである）の中心軸とが一致するように、キャピラリー５はキャピラリー保持管６を介してガスガイド管先端部保持部１０に固定され、ガスガイド管先端部７は直接ガスガイド管先端部保持部１０に固定される。ガスガイド管の外側は大気である。キャピラリー５の先端は、図２に示すように寸法Ｌだけ、上記の開口部の大気側の面へ突出している。
【００２４】
ガスガイド管には、ガスボンベ又はコンプレッサーから窒素ガス又は空気が、流量調節計４（図１）とガス導入管８を介して導入され、ガスガイド管先端部７の先端において、上記の開口部内周面とキャピラリー５の外周面で形成される微小空間を通って、ガスは噴出する。この微小空間のキャピラリー５もしくは開口部の中心軸に直交する面での断面積Ｓとガスガイド管内を流れる流量Ｆより、上記の微小空間でのガス流の特性値Ｆ／Ｓは求められる。上記の開口部の形が円（内径Ｄ）、およびキャピラリー５の長手方向に直交する面での断面の外形が円（外径ｄ）である場合、断面積Ｓは（数１）で求められる。
【００２５】
【数１】
Ｓ＝π（Ｄ ^２ −ｄ ^２ ）／４ …（数１）
ガスの流量Ｆはマスフローメータの他、パージメータ等の流量計を用いて決定することができる。本発明の実施例では、Ｎ _２ ガスの最大流量が１０Ｌ（リットル）／分（標準状態、２０℃、１気圧）、メータの上流側圧力が７気圧の仕様であり、ガス流量が標準状態（２０℃、１気圧）での値に１％の精度で較正されて得られるマスフローメータ（ブルックス社製、５８５０Ｅ）を使用した。
【００２６】
ガスガイド管先端部７のガス出口ではガスの断熱膨張がおこり、ガスガイド管先端部７とキャピラリー５が冷却される。従って、噴出ガスの温度を室温以上に保ち、生成される液滴の気化を促進するために、ガスガイド管先端部７にヒーター９を設置し、導入されるガスを、５０℃から約９０℃の間の温度で加熱するのが望ましい。
【００２７】
キャピラリー５の先端がガスガイド管先端部７から露出する長さ（露出長Ｌ）が２ｍｍ以上である場合には、キャピラリー５の先端におけるガスの圧力勾配が低下するためイオン生成効率は低い。このため、キャピラリー５の先端とガスガイド管先端部７の先端との距離を調節するために、ガスガイド管先端部７はガスガイド管先端部保持部１０にネジ込まれて固定される。ガスガイド管先端部７のねじ込み位置を調節することにより、イオン、又は極めて細かな帯電液滴の生成効率を最大にすることができる。
【００２８】
以上の説明では、ガスガイド管先端部７から、窒素ガス又は空気を噴出させた場合を説明したが、アルゴン等の希ガス又は二酸化炭素を噴出させてもよい。また、ガスを購入するコスト面から、窒素、空気又は二酸化炭素を使用するのが好ましい。さらに好ましくは、水蒸気の含有が少ない乾燥窒素の使用がよい。
【００２９】
本実施例では、ガスガイド管先端部７の先端の最も内径の小さい部位の軸方向の厚さを、２ｍｍとした。この厚さは、薄い方がガスガイド管先端部７とキャピラリー５との軸合わせが容易になり、厚さ０．５ｍｍ程度が実際の作業操作から好ましい。
【００３０】
（第２の実施例）
本実施例では、イオン源は、キャピラリー電気泳動装置に連結され、キャピラリー電気泳動／質量分析計結合装置（ＣＥ／ＭＳ）を構成する。キャピラリー電気泳動装置により分離された試料溶液は、図１において、連結管（図示せず）を経て試料溶液供給部１に供給されるか、又はキャピラリー電気泳動装置の分離管であるキャピラリーが試料溶液供給部１に直結されている。
【００３１】
図３は、本実施例で使用するイオン源を示す断面図である。第１の実施例に示すイオン源と同様に、図３に示すようにガスガイド管は、ガスガイド管先端部７と、ガスガイド管先端部保持部１０とから構成される。キャピラリー電気泳動装置では、試料溶液の流量が少なく０．１μＬ（マイクロリットル）／分以下であり、電気泳動キャピラリーの末端に泳動してくる分離された試料溶液を希釈する。この試料溶液を希釈により、連続的にキャピラリー５に希釈された試料溶液を連続的に流すことができる。希釈用溶媒を加える時に、試料溶液のイオン濃度やｐＨ等を最適化して、測定試料のイオン化の効率を増大させることができる。
【００３２】
キャピラリー電気泳動装置により、分離された溶液試料は電気泳動用キャピラリー１２から混合ジョイント１４に導入され、配管１３から２０μＬ（マイクロリットル）／分の流量で導入される希釈用溶媒と混合され、キャピラリー５に導入される。次に、試料はキャピラリー５の先端部でガス導入管８から導入されたガスにより、第１の実施例と同様に、液滴の他に、気体状の試料分子の擬似分子イオンに変換される。
【００３３】
キャピラリー５は金属のキャピラリー保持管６を介して混合ジョイント１４とガスガイド管先端部保持部１０に固定される。キャピラリー電気泳動装置の電気泳動用の電極としてキャピラリー保持管６又は混合ジョイント１４が使用される。ガスガイド管先端部７を固定する位置調節用治具１５は、ガスガイド管先端部保持部１０にネジ１６を用いて固定される。位置調節用治具１５に設けられたネジ１６が貫通する穴は、ネジ外形より大きめに開けられている。このため、位置調節用治具１５に固定されたガスガイド管先端部７の位置を、キャピラリー５の中心軸に垂直な平面内で調節して、キャピラリー５とガスガイド管先端部７の中心軸を一致させることができる。作業中に、キャピラリー５の破損を防止するため、ガスガイド管先端部７の先端部分に円周を形成する突起部が設けてある。第１の実施例と同様にして、ガスガイド管先端部７にヒーターを設け噴出ガスを加熱してもよい。
【００３４】
質量分析計のサンプリングオリフィス１７は、例えば内径を０．３ｍｍ、オリフィスの奥行き長さを１５ｍｍとする。さらに、サンプリングオリフィス１７は、セラミックヒーター１８により１００℃〜１５０℃に加熱される。サンプリングオリフィス１７の外側（大気圧側）にはカバー１９が設置され、サンプリングオリフィス１７が噴出ガス及び試料溶液の液滴により冷却されるのを防止している。ｘｙｚステージ２０によりキャピラリー５の中心軸とサンプリングオリフィス１７の中心軸の位置を微調整して一致させ、キャピラリー５の先端部で生成したイオンが効率良く質量分析計に導入される。本実施例のキャピラリー電気泳動／質量分析計結合装置を用いて、溶液試料を効率良く高精度、高感度で分析することができる。
【００３５】
質量分析計として四重極型質量分析計を用い、サンプリングオリフィス１７に最大数百Ｖの電圧が印加される場合でも、キャピラリー５、キャピラリー保持管６又はそれらの周囲部の全て、すなわちイオン源全体の電位を接地状態にできる。キャピラリー電気泳動装置で泳動電位は、この電位を接地電位を基準にして与えられる。質量分析計として、イオンを磁場内において質量分離するための加速電圧が４ｋＶ程度の磁場型質量分析計を使用する場合、サンプリングオリフィス１７に加速電圧と同程度の電圧が印加されるため、キャピラリー５の先端とサンプリングオリフィス１７との間で、放電が発生する可能性がある。しかし、カバー１９に、接地電位と加速電位の中間的な電圧（例えば、１〜２ｋＶ）を印加し、キャピラリー５とサンプリングオリフィス１７との間の距離を１ｃｍ程度にし、さらに噴出ガスにＯ _２ やＳＦ _６ 等の電子親和力の高いガスを用いて、その結果放電を回避して、キャピラリー５の先端周辺部の電位を接地できる。
【００３６】
静電噴霧現象を用いずに全イオン量や多価イオンの生成効率を増加させることができる。静電噴霧現象により多価イオンの生成するには、２．５ｋＶ以上の電圧をキャピラリーの先端に印加する必要があるが、本発明では、２．５ｋＶ以下の低い電圧を利用して、全イオン量や多価イオンの生成効率を増大できる。
【００３７】
本装置においてキャピラリー５の先端近傍の内部に２００Ｖ程度の電圧差を与えて、キャピラリー５の先端部からでてくる試料溶液の表面に近い部分で、正と負のイオンの分離を起こさせ、試料溶液の表面に近い部分で、正又は負のイオンのいずれかが多い状態とすることができる。従って、本発明のソニックスプレー化法において、ガスの噴出により生成される帯電液滴の電荷密度は高くなり、静電噴霧現象を用いずに全イオン量や多価イオンの生成効率を増大させることができる。
【００３８】
（第３の実施例）
以上説明した第１、第２の実施例において、液体クロマトグラフ、キャピラリー電気泳動装置、その他の分析装置で分離された試料溶液をシリンジ、又はシリンジポンプにより、図１に示す試料溶液供給部１に供給して、試料溶液をイオン源２でイオン化させて、質量分析できることは言うまでもない。
【００３９】
（第４の実施例）
本発明によるイオン源を使用した測定例をもとにして、本イオン源の特徴に関して以下説明する。本実施例では、以下に記載する全ての質量分析は、特に明記する以外は、以下に示す装置構成、および測定条件で行なった。
【００４０】
装置構成として、図２に示したイオン源を用い、サンプリングオリフィスのキャピラリー側に、図３に示したカバー１９を設置した。カバー１９は直径２ｍｍの穴の開いた厚さ１ｍｍのステンレス製のものを用い、サンプリングオリフィスは内径０．３ｍｍのものを用た。キャピラリー５として石英製のキャピラリー（内径０．１ｍｍ、外径０．２ｍｍ）を用いた。ガスガイド管の先端部の開口部の内径は、４００μｍとした。キャピラリー５の先端位置は、ガスガイド管の先端部の開口部（４００μｍ）の大気圧側の面から０．６５ｍｍだけ突出させた。質量分析計として、二重収束型質量分析計（日立、Ｍ−８０）を使用した。開口部（４００μｍ）、キャピラリー５、サンプリングオリフィスのそれぞれの中心軸を、検出されるイオン強度が最大となるように同軸に調整してセットした。
【００４１】
測定条件として、キャピラリー先端部、サンプリングオリフィス、カバー１９のそれぞれの電位を同電位に設定した。噴出ガスとしてＮ _２ ガスを用い、噴出ガスの特性値Ｆ／Ｓを５５０ｍ／ｓとした。試料溶液（Ｇｒａｍｉｃｉｄｉｎ（グラミジン）−Ｓ）の流量を４０μＬ（マイクロリットル）／分とした。ガスガイド管は室温に保持され、ヒーター９によりガスガイド管先端部７を加熱せずにイオン強度の測定を行った。
【００４２】
（１）本イオン源を使用して得られる質量スペクトル（図４）。
【００４３】
図４に、ペプチドの一種であるＧｒａｍｉｃｉｄｉｎ−Ｓの溶液（濃度１μＭ、溶媒は５０％メタノール水溶液）を試料溶液として得られた質量スペクトルを示す。ｍ／ｚ＝１４０のイオンは、試料溶液中又は大気から混入した不純物に由来するものと考えられる。メタノール由来のＣＨ _３ ＯＨ _２ のプラスイオン（ｍ／ｚ＝３３）はわずかに観測されるが、Ｈ _３ Ｏのプラスイオン又はＨ _３ Ｏのプラスイオンに水分子が付加して形成されるクラスターは観測されず、単純なスペクトルが得られ、スペクトルの解析が容易になる。エレクトロスプレー法、イオンスプレー法等の従来の方法では、希薄な試料溶液を用いて質量スペクトルを測定する場合には、溶媒に由来するイオンが強く観測される。本発明では、溶媒に由来するＣＨ _３ ＯＨ _２ のプラスイオン強度は、試料溶液濃度を１０倍変化させても殆ど変化せず、試料溶液濃度に影響されずに測定対象の試料の質量スペクトルを測定することができる。
【００４４】
（２）試料溶液の流量とイオン強度の関係（図５）。
【００４５】
図５に、試料溶液流量を変化させたときに、検出されたＧｒａｍｉｃｉｄｉｎ−Ｓの２価イオンの強度を示す。４０μＬ（マイクロリットル）／分以下の流量では、流量が増大するに従いイオン強度は直線的に増加する。しかし、流量が増加するにつれて、微細な帯電液滴（直径が１０ｎｍ程度）よりも直径が大きい液滴が優先的に生成され、サンプリングオリフィスの温度が低下するため、４０μＬ（マイクロリットル）／分以上の流量では、流量が増大してもイオン強度の増加は少なくなる。試料溶液流量が１０〜６０μＬ（マイクロリットル）／分の範囲にあれば試料を効率良くイオン化することができる。
【００４６】
なお、試料溶液流量がゼロの場合においても、ガスガイド管先端部から噴出するガスによって生じる大気圧よりも圧力が低い減圧空間が生じるため、スプレーイオン化法では、試料がイオン化されてゼロでないイオン強度（図５では、図示せず）が得られる。
【００４７】
（３）ガスガイド管先端でのガスが噴出する開口部の大きさと、キャピラリーの寸法と、イオン強度との関係。
【００４８】
ガス流速とキャピラリーの外径を一定にして、ガスガイド管先端部７の先端部のガス出口の断面積が最も小さい部位での内径を０.４ｍｍから０.５ｍｍに変更しても検出されるイオン強度は変化しなかった。一方、ガス流量を一定にして、ガスガイド管先端部７先端のガス出口である、開口部の内径が０.５ｍｍの場合には、開口部の内径が０.４ｍｍの場合より著しくイオン強度は低く、実質的にイオンは検出されなかった。従って、イオンの生成はガスの流量ではなくガスの流速に依存する。
【００４９】
ガスガイド管先端部７先端部の上記の開口部の内径を０.５ｍｍに固定し、肉厚５０μｍの石英キャピラリー（内径０.１ｍｍ、外径０.２ｍｍ）と肉厚が約３倍大きい肉厚１３７．５μｍの石英キャピラリー（内径０.１ｍｍ、外径０.３７５ｍｍ）とを比較した。ガス流速を同一にしても検出されるイオン強度は肉厚５０μｍの石英キャピラリーの方が約１桁高く、キャピラリーの肉厚が薄いほどイオン生成効率が高く好ましい。このことはキャピラリーの肉厚が厚くなるとキャピラリーから流れ出る試料溶液に対して、キャピラリー外周部を流れるガスが効果的に作用しなくなるため、イオン化の効率が悪くなるためである。
【００５０】
キャピラリーとして石英キャピラリーを使用したが、ステンレスのキャピラリーでもよく、キャピラリーの肉厚が１０〜１５０μｍの範囲にあれば、強度的に余裕があり、試料を効率良くイオン化することができる。
【００５１】
（４）噴出ガスの特性値Ｆ／Ｓとイオン強度の関係、マッハ数Ｍの計測（図６）。
【００５２】
図６に、Ｇｒａｍｉｃｉｄｉｎ−Ｓを試料とし、溶媒としてメタノール濃度が５０％であるメタノール水溶液の試料溶液（試料濃度は１μＭ）を調整した。次に、試料溶液を４０μＬ（マイクロリットル）／分の流量でキャピラリー５に導入した。噴出ガスには、Ｎ _２ およびＡｒを用いた。Ｇｒａｍｉｃｉｄｉｎ−Ｓは、二つのプロトンが付加した２価のプラスイオン（ｍ／ｚ＝５７１）として検出された。
【００５３】
図６の測定図は、ガス流の特性値Ｆ／Ｓに対して、上記のＧｒａｍｉｃｉｄｉｎ−Ｓの２価イオン（ｍ／ｚ＝５７１）のイオン強度をプロットしたのもである。図６中、○はＮ _２ ガス、□はＡｒガスを用いた場合に観測された相対イオン強度を示す（相対イオン強度の最大値をそれぞれの場合に１０とした）。
【００５４】
図６に示す矢印Ｃ点の条件下では、イオン源のガスガイド管を流れるガス流の上流側のガス圧力は７気圧（Ｐ _０ ＝７気圧）である。また、イオン源の外部の圧力は１気圧（Ｐ＝１気圧）である。そこで、次に示す等エントロピー流れに対する関係式を用いると、マッハ数Ｍを求めることができる。
【００５５】
【数２】
Ｐ _０ ／Ｐ＝｛１＋０．５（γ−１）Ｍ ^２ ｝＊＊α …（数２）
（数２）においてα＝｛γ／（γ−１）｝であり、＊＊はべき乗を示し、γはガスの比熱比であり、Ｎ _２ ガスの場合は１．４である（参考文献：生井武文、松尾一泰；圧縮性流体の力学（理工学社、１９７７）、Ｈ．Ｗ．Ｌｉｅｐｍａｎｎ，Ａ．Ｒｏｓｈｋｏ；Ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｏｆ Ｇａｓｄｙｎａｍｉｃｓ（Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ Ｉｎｃ． ＮＹ，１９６０）。（数２）の関係式を用いてマッハ数Ｍを求めると、図６中の矢印で示される点Ｃにおける特性値Ｆ／Ｓ＝１０４０ｍ／ｓでは、Ｍ＝１．９３と見積もられる。このことから、図６の実験結果はマッハ数Ｍが２以下の条件下で得られたものと結論される。
【００５６】
気体のような圧縮性流体では、密度変化による屈折率の変化が流体中に存在する。この性質を利用すると、流れを可視化することができる。そこで、Ｎ _２ ガスを用いて試料溶液は導入せず、図６中の矢印Ａ、Ｂ、Ｃで示す特性値Ｆ／Ｓ＝３４５、６９１、１０４０ｍ／ｓの条件下でシュリーレン写真を撮影して、（数２）に基づいてマッハ数Ｍを求めた。得られる噴出ガスのシュリーレン写真を、図７に模式的に示す。図７（ａ）は図６の点Ａでの特性値Ｆ／Ｓ＝３４５ｍ／ｓで得られた噴出ガスのシュリーレン写真の模式図であり、図７（ａ）中の左方はイオン源の先端部におけるガス流れの状態を模式的に示す側面図であり、キャピラリー先端がイオン源から約０．３ｍｍだけ露出している。噴出ガスは図７（ａ）中に示されるキャピラリー先端の周囲から右方へ流れる。このシュリーレン写真では、ガス流の輪郭のみがえられる。図６の点Ｂ、点Ｃでの特性値Ｆ／Ｓ＝６９１、１０４０ｍ／ｓで得られたシュリーレン写真を図７（ｂ）に模式的に示す。図７（ａ）と比較してガス流中に大きな密度変化に対応する縞模様が顕著に現われている。これは超音速流で発生する膨張波であると判断される。点Ｂでは、キャピラリー先端付近で、超音速流が発生しマッハ数Ｍは１以上であると結論される。一方、点Ａでの特性値Ｆ／Ｓ＝３４５ｍ／ｓでは、縞模様が現われずマッハ数Ｍは１以下である。このことより、図６中の矢印で示されるＡ点とＢ点との間、即ちイオン強度が最大となる特性値Ｆ／Ｓを含む領域にＭ＝１となる条件が存在することになる。
【００５７】
図６において、噴出ガスの流速のマッハ数Ｍが１以上の超音速の場合には、キャピラリー先端付近で衝撃波や膨張波が発生し、キャピラリー先端近傍での圧力が変動する。このため、大きい液滴が生成され易くなり、イオンの生成に必要な細かな帯電液滴は生成されにくくなり、観測されるイオン強度が低下すると考えられ、さらに、超音速領域では噴出ガスは断熱膨張により著しく冷却されるため（図６を得る実験では冷却防止のためガスガイド管の加熱はしていない）、帯電液滴の気化が抑制されると考えられるので、図６中の矢印で示されるＡ点とＢ点との間、即ちイオン強度が最大となる特性値Ｆ／Ｓを与える約５５０ｍ／ｓがマッハ数Ｍ＝１となる点であると想定される。
【００５８】
図６に示した測定結果を得たさいの測定、装置条件は、キャピラリー先端とサンプリングオリフィスの電位を同電位に設定し、ガスガイド管、キャピラリーの温度は、加熱せず、室温である。また、噴出ガスの特性値Ｆ／Ｓが約５５０ｍ／ｓの場合に検出されるイオン強度は、キャピラリー先端とサンプリングオリフィス間に３ｋＶの高電圧を印加しても変化しない。従って、図６に示されるイオン強度は、キャピラリーの加熱、キャピラリーに印加され電圧により生成したイオンに基づくものではなく、観測されたイオンの生成は、噴出ガスのみの作用効果によるものであって、本発明のスプレーイオン化法では、キャピラリー先端に印加された電圧、加熱の作用効果は必要としていない。さらに、図６の結果のように、キャピラリーを加熱しない場合でも、以下に説明するように、従来法に比較して十分なイオン強度が得られている。即ち、従来のイオン化法では、直径が１０ｎｍ以下の帯電液滴の生成は、強電場や加熱を利用する以外に手段がないと考えられていたが、本発明のソニックスプレー法では、噴出ガスと共に試料溶液を大気中に噴出させるだけで、直径が１０ｎｍ以下の帯電液滴の生成を実現している。
【００５９】
一方、ガス流の特性値Ｆ／Ｓを、ガスの噴出により生成されるイオンの量が無視できる５ｍ／ｓに設定し、キャピラリーとサンプリングオリフィスとの間に３ｋＶ程度の高電圧を印加し、静電噴霧現象によりイオンを生成するイオンスプレー法の場合に検出されるイオン強度は、図６に示すイオン強度の最大値の約１／１０以下の低い値である。
【００６０】
噴出ガスの特性値Ｆ／Ｓを３５０〜７００ｍ／ｓの範囲に設定して、従来のイオンスプレー法によるイオン強度の約３倍以上のイオン強度が得ることができる。噴出ガスの特性値Ｆ／Ｓを４００〜８００ｍ／ｓの範囲に設定することが好ましく、従来のイオンスプレー法によるイオン強度の約６倍以上のイオン強度が得られる。さらに、噴出ガスの特性値Ｆ／Ｓを５００〜６００ｍ／ｓの範囲に設定すれば、従来のイオンスプレー法の１０倍以上のイオン強度を得ることができ、最も好ましい結果を得ることができる。
【００６１】
（５）キャピラリー先端位置に対するサンプリングオリフイス位置ずれと、イオン強度の関係（図８）。
【００６２】
キャピラリー５とサンプリングオリフィス１７との間の距離を５ｍｍに保持して、第４の実施例において説明したように、イオン源の、ガスガイド管の開口部、キャピラリー５、サンプリングオリフィス１７のそれぞれの中心軸を、検出されるイオン強度が最大となるように同軸に調整してセットして（この位置を以下の移動変化の基準の位置（＝０）とする）、試料溶液からのイオン強度を測定する。次いで、イオン源全体の位置を水平方向に移動変化させて、それぞれの移動位置において、Ｇｒａｍｉｃｉｄｉｎ−Ｓの２価イオンのイオン強度（試料溶液は、溶媒が５０％メタノール水溶液のＧｒａｍｉｃｉｄｉｎ−Ｓ溶液（濃度１０μＭ）である）を検出した結果を図８に示す。図８の中央部の相対イオン強度約２．８の鋭いピークは、この鋭いピークを得た時のガス流の特性値Ｆ／Ｓ（５５０ｍ／ｓ）をさらに大きくした場合には消失してしまい、かわりに相対イオン強度が約１．６である、幅の広い鈍ったピークとなってしまう。イオン源の移動距離が、−１ｍｍおよび０.５ｍｍ付近に小さいピークが出現するが、これらのピークは、サンプリングオリフィス１７の前のカバー１９の穴（直径２ｍｍ）による、噴出ガス流の乱れにより生じたものと考えられる。図８に示す結果は、イオン源全体の位置を垂直方向に移動変化させても同様である。
【００６３】
上記の移動距離、１ｍｍの位置は、キャピラリー５の先端部の中心を頂点とし、キャピラリーの中心軸を軸とする、頂角、約２２．５度を有する直円錐の底面の円周上にある。即ち、サンプリングオリフィス１７の中心位置（１ｍｍ）は、この円周上にある。同様にして、移動距離、０．２ｍｍの位置は、キャピラリー５の先端部の中心を頂点とし、キャピラリーの中心軸を軸とする、頂角、約４．５度を有する直円錐の底面の円周上にある。即ち、サンプリングオリフィス１７の中心位置（０．２ｍｍ）は、この円周上にある。好ましくは上記の頂角２２．５度を有する、直円錐の底面の円周内部にサンプリングオリフィスの中心位置を配置することにより、従来のイオンスプレー法により得られるイオン強度の約２．５倍以上のイオン強度が得られる。さらに好ましくは上記の頂角４．５度を有する、直円錐の底面の円周内部にサンプリングオリフィスの中心位置を配置することにより、従来のイオンスプレー法により得られるイオン強度の約６倍以上のイオン強度が得られる。
【００６４】
さらに、噴出ガスの特性値Ｆ／Ｓを５５０ｍ／ｓから、さらに大きくした超音速の場合でも、従来のイオンスプレー法により得られるイオン強度の約６倍以上のイオン強度が得られる。
【００６５】
（６）ガスガイド管の先端からキャピラリーの先端が露出する長さとイオン強度の関係（図９）。
【００６６】
図９に、ガスガイド管先端部７の先端の最小内径を有する開口部の大気圧面から、キャピラリー５の最先端が露出する露出長（図２及び図３に示すＬ）を変化させたときに検出されるイオン強度を示す。露出長Ｌが１．２ｍｍ以上では、イオン強度は低下している。露出長Ｌが大きくなると、キャピラリーの先端におけるガス流速が実質的に低下して、検出されるイオン強度は低下する。従って、上記の露出長Ｌは、−０．２５〜１．０ｍｍに設定することが好ましい。
【００６７】
（７）試料溶液濃度とイオン強度の関係（図１０）。
【００６８】
図１０に、Ｇｒａｍｉｃｉｄｉｎ−Ｓの濃度を変化させたときに検出されるイオン強度を示す。約１μＭ以下の低濃度領域では、イオン強度は試料濃度に対して直線的に変化して増大する。本発明のイオン化法では、特に約１μＭ以下の試料溶液の濃度に対して好適である。約２μＭ以上の試料濃度では、検出されるイオン強度は、約１μＭ以下の低濃度領域における直線変化とは異なる直線変化を示している。約２μＭ以上の高濃度領域では試料濃度を変化させてもイオン強度の増加はあまり変化しない理由は、溶液のｐＨは５程度であり、高濃度領域では試料溶液中のほとんどのプロトンが、Ｇｒａｍｉｃｉｄｉｎ−Ｓに結合しており、試料溶液中のプロトンの枯渇によると考えられる。
【００６９】
（第５の実施例）
次に、ガスガイド管の簡単な製作方法を図１１に基づいて説明する。図３に示すガスガイド管先端部保持部の変形例を図１１に断面図により示す。
【００７０】
図１１では、図３に示す７、１５、１６の各部の詳細は図３と同じであり省略した。図１１の断面図から明らかなように、円柱材料を使用して単なる孔開け加工のみによる簡単な製作方法でガスガイド管先端部保持部を得ることができる。
【００７１】
なお、ガスガイド管を構成する各部の材質は、以上の各実施例において説明した材質以外であってもよく、各種の金属材料、ガラス材料、セラミックス材料、さらには、フイラー充填の高分子樹脂材料を使用して作成してもよい。
【００７２】
【発明の効果】
本発明によれば、イオン源を構成するキャピラリー等の各部の電位を接地させたまま、噴出ガスにより試料溶液から、効率よくイオンを生成できる。この結果、従来のイオン化法に比較して、イオン源の構造が単純化され、操作性、安全性が高くなる。また、本発明のイオン源をキャピラリー電気泳動装置に適用し、キャピラリー電気泳動／質量分析計を構成するさい、上記のようにキャピラリーの先端を接地電位にできるため、キャピラリー電気泳動装置では独自に電位を印加でき、装置全体の構成が単純になり、装置の操作が単純となり、操作の安全性も格段に向上する。
【００７３】
さらに、従来のイオン化法では、イオンの生成はキャピラリーやサンプリングオリフィスの周囲の汚れの影響を大きく受けるが、本発明の、噴出ガスによリ試料溶液からイオンを生成する、本発明のソニックスプレー法では、従来方法とは異なりキャピラリーやサンプリングオリフィスの周囲の汚れの影響を受けない。
【００７４】
また、従来のイオン化法では、検出されるイオン強度はサンプリングオリフィスの周囲やキャピラリーでの汚れの影響を大きく受けるが、本発明の、ソニックスプレー法では、従来方法とは異なり、検出されるイオン強度はキャピラリー周囲の汚れの影響を受けることなく、サンプリングオリフィスの周囲の汚れにあまり影響されず、試料の高感度検出が可能であり、再現性がよい。即ち、キャピラリー先端やガスガイド管を最適な位置に設定することにより、再現性よく試料溶液からイオンを高効率で生成し、検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の装置の構成を示すブロック図。
【図２】本発明のイオン源の第１の実施例を示す断面図。
【図３】本発明のイオン源の第２の実施例、およびサンプリングオリフィスを示す断面図。
【図４】本発明のイオン源を使用して得られた質量スペクトル例を示す図。
【図５】試料溶液流量と検出されるイオン強度の関係を示す図。
【図６】噴出ガスの特性値Ｆ／Ｓとイオン強度の関係を示す図。
【図７】噴出ガスのシュリーレン写真を模式的に示す図。
【図８】キャピラリー先端位置とサンプリングオリフイ位置との位置ずれと、イオン強度の関係を示す図。
【図９】キャピラリー先端位置の露出長とイオン強度の関係を示す図。
【図１０】試料溶液濃度とイオン強度の関係を示す図。
【図１１】ガスガイド管の簡単な製作方法を説明するための断面図。
【符号の説明】
１…試料溶液供給部、２…イオン源、３…ガス供給部、４…流量調節計、５…キャピラリー、６…管、７…ガスガイド管先端部、８…ガス導入管、９…ヒーター、１０…ガスガイド管先端部保持部、１１…質量分析計、１２…電気泳動用キャピラリー、１３…配管、１４…混合ジョイント、１５…位置調節用治具、１６…ネジ、１７…サンプリングオリフィス、１８…セラミックヒーター、１９…カバー、２０…ｘｙｚステージ。

Claims (1)

1. 試料溶液を送出するキャピラリーと、ガスの噴出面積がＳである開口部を有するガスガイド管と、前記ガスガイド管に一定流量のガスを供給するガス流量調節手段とを有し、前記ガス流の流量を標準状態（摂氏２０度、１気圧）に換算した流量Ｆと、前記開口部におけるガスの噴出面積Ｓから定まる特性値Ｆ／Ｓが５００ｍ／ｓ以上６００ｍ／ｓ以下であるイオン源と、該イオン源により生成されたイオンを検出する質量分析計と、該質量分析計にイオンを導入するための細孔とを有し、前記キャピラリーの先端部の中心を頂点とし、前記キャピラリーの中心軸を軸とする頂角が４．５度を有する直円錐の底面の円周内部に、前記細孔の中心位置が配置されることを特徴とする質量分析装置。

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