JP3846417B2 - 大気圧イオン化質量分析装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば液体クロマトグラフ（LC）により成分分離された液体試料を略大気圧雰囲気中に噴霧することでイオン化し、発生したイオンを質量分析部（MS）に導入して分析を行う大気圧イオン化質量分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、従来知られている一般的なLC/MS装置の一例を示す概略構成図である（例えば、特許文献１など参照）。LC部１０のカラム１１から時間的に分離して溶出する試料液は、インタフェイス部（大気圧イオン化インタフェイス）２０に導入され、スプレーノズル２２から霧化室（イオン化室）２１内に噴霧されてイオン化される。発生したイオンは、その前方に位置している円錐状のサンプリングコーン２３の頂部に穿孔されている小径の通過孔２４を通ってMS部３０へと送り込まれる。
【０００３】
MS部３０は第１中間室３１、第２中間室３２及び分析室３３の３室から成り、霧化室２１と第１中間室３１とは上記通過孔２４により、第１中間室３１と第２中間室３２とは円錐状のスキマー３５の頂部に設けられた小径の通過孔（オリフィス）３６により連通している。霧化室２１内は略大気圧に維持され、第１中間室３１はロータリーポンプによって約１Torr程度まで、第２中間室３２及び分析室３３はターボ分子ポンプによってそれぞれ約10-3〜10-4Torr程度、及び約10-5〜10-6Torr程度まで排気され、霧化室２１から分析室３３に向かって段階的に真空度を高くすることで分析室３３を高真空状態に維持している。
【０００４】
上述のようにして通過孔２４を通過したイオンは、第１イオンレンズ３４によりオリフィス３６に収束され、オリフィス３６を通り抜けて第２中間室３２に導入される。そして、第２イオンレンズ３７により収束及び加速されて分析室３３へ送られ、特定の質量数（質量／電荷）を有する目的イオンのみが、分析室３３内に配置された四重極フィルタ３８の長軸方向の空間を通り抜けてイオン検出器３９に到達する。そして、イオン検出器３９では、到達したイオン数に応じた電流が検出信号として取り出される。
【０００５】
上記構成においてインタフェイス部２０は、試料液を加熱、高速気流、高電界等によって霧化させることで、試料液に含まれる各種の試料成分をイオン化するものであり、エレクトロスプレイイオン化法（ESI=Electricspray Ionization）や大気圧化学イオン化法（APCI=Atmospheric Pressure Chemical Ionization）が最も広く使用されている。
【０００６】
図６（ａ）はESIによるイオン化スプレー部の構成例である。ESIでは、スプレーノズル２２の先端部に数kV程度の直流高電圧を印加し、強い不平等電界を発生させる。スプレーノズル２２の先端に達した試料液はこの電界により電荷分離し、スプレーノズル２２と同軸外周に配設されたネブライズ管（図示せず）から噴出されるネブライズガスの助けを受けて、微小な帯電液滴として強制的に噴霧される。霧化室２１内では図示しない加熱ガス供給路によって供給される加熱ガスに噴霧流が晒され、それによって液滴中の溶媒の蒸発が進行し、気体イオンの発生が促進される。
【０００７】
図６（ｂ）はAPCIによるイオン化スプレー部の構成例である。APCIでは、スプレーノズル２２の前方に針状の放電電極２６を配置しておき、スプレーノズル２２の先端を取り囲むように周設したヒータ２８で噴霧流を加熱することにより発生させた試料分子に、放電電極２６からのコロナ放電により生成したキャリアガスイオン（バッファイオン）を化学反応させてイオン化を行う。
【０００８】
一般に、APCIは低極性から中極性、ESIは中極性から高極性化合物のイオン化に有効である。また、ESIではタンパク質を代表とする物質のイオン化の過程で多価イオンを生成するため、装置の質量範囲の上限を越えた、分子量が数万というような化合物の測定も可能である。従って、分析対象の試料の種類や分析目的などによってイオン化法の使い分けが行われる。従来、一般的なLC/MS装置では、ESI用スプレー部とAPCI用スプレー部とが交換自在の構成となっており、分析者がイオン化法に応じて適宜スプレー部を交換するようにしている（例えば、非文献特許１参照）。しかしながら、こうした交換作業は手間が掛かるため、分析効率を落とす一因となっている。そこで、こうした交換の手間を省くことを目的とした装置が、従来から提案されている。
【０００９】
例えば特許文献３に記載の装置では、ESI用スプレー部とAPCI用スプレー部とを並設し、流路切替バルブによって試料液をいずれかのスプレー部に選択的に供給する。また、ESI用スプレー部とAPCI用スプレー部との前方にはそれぞれイオンを取り込むための取入口を独立に設け、その２つの取入口に連なるイオン輸送管は途中で合流して、後段の唯一の分析室にイオンを輸送するように構成されている。しかしながら、こうした構成は複雑であり、コストが高くなり装置自体も大形になる。一方、例えば特許文献４に記載の装置では、スプレーノズル自体はESIとAPCIとで共通であり、ヒータとノズルとの位置関係などを機械的に切り替える機構を設けることにより、ESIモードとAPCIモードとの切替えを達成している。
【００１０】
さらに近年、LC/MSインタフェイス用のイオン化法として、上記のようなイオン化法に加え、大気圧フォトイオン化法（APPI=Atmospheric Pressure Photo-Ionization）が提案されている（例えば特許文献５など参照）。図６（ｃ）はAPPIによるイオン化スプレー部の構成例である。APPIは、APCIと同様にヒータ２８による加熱で発生させた試料分子に、クリプトンランプである光源２７から光を照射し、その光子エネルギーhνによりイオン化する。このAPPIは、ESIやAPCIでイオン化しにくい多環芳香族、脂溶性ビタミン類などをイオン化することができるほか、成分濃度と検出出力との直線性がAPCIよりも広いため、定量分析に優れるという特長がある。
【００１１】
【特許文献１】
特開２０００−２１４１４９号公報（段落0003、段落0004、及び図６）
【特許文献２】
特開２００１−２７２３７５号公報
【特許文献３】
特開平８−２９７１１２号公報
【特許文献４】
特開平８−２３６０６４号公報
【特許文献５】
米国特許第６２１１５１６号明細書
【非特許文献１】
“卓上，簡単，高機能を実現したLCMSシステム LCMS-QP8000α”、「ESI，APCIを標準装備」、［Online］、株式会社島津製作所、［平成１４年１１月１８日検索］、インターネット〈URL: http://www.an.shimadzu.co.jp/products/lcms/qp8000.htm〉
【００１２】
【発明が解決すべき課題】
最近、LC/MSで分析する試料は一層複雑化・多様化しており、各種の成分が複雑に混合した試料を測定する機会も増加している。そのため、或る試料を分析する際に或る１種のイオン化法だけでは該試料に含まれる全成分を充分には捉えられず、複数のイオン化法を用いてそれぞれ分析した結果を集めて、定性分析や各種の解析を行うようなことも多い。そうした場合に、従来のように各イオン化モードに対応したイオン化スプレー部に交換したり、或いは機械的に何らかの切替えを行ったりするのは、手間が掛かり面倒である。また、イオン化モードを替えて複数回の分析を行う必要があるため、分析に時間が掛かり、さらには、試料が微量である場合にはこうした複数回の分析が困難である場合さえある。
【００１３】
本発明はこのような点に鑑みて成されたものであり、その主たる目的とするところは、試料の種類や分析の目的に応じて、面倒な手間を要することなく、複数のイオン化モードを適宜切り替えて分析を行うことができる大気圧イオン化質量分析装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された第１発明は、略大気圧にあるイオン化室内にスプレーノズルから試料液を噴霧し、該試料液に含まれる成分分子をイオン化して該イオンを質量分析する大気圧イオン化質量分析装置において、
a)ＥＳＩモードにおいて前記スプレーノズルの先端部に高電圧を印加して噴霧液滴を帯電させる電荷付与手段と、
b)前記スプレーノズルから噴霧される噴霧流に加熱乾燥ガスを吹き掛ける熱風供給部、又は該噴霧流を囲んで配設されたヒータである噴霧流加熱手段と、
c)前記噴霧流の進行方向に前記スプレーノズルの前方であって且つ前記噴霧流の中心軸上でない位置に設けられ、ＡＰＣＩモードにおいてコロナ放電を発生させる放電電極を含む放電手段と、
d)前記噴霧流の進行方向に前記スプレーノズルの前方であって、前記放電電極と物理的及び機能的に干渉しないように前記噴霧流の中心軸を中心として前記放電電極と回転方向に離した位置に設けられ、ＡＰＰＩモードにおいて前記噴霧流に光を照射する光源手段と、
e)ＥＳＩ、ＡＰＣＩ又はＡＰＰＩの各イオン化モードに応じて、スプレーノズル先端部への高電圧の印加、放電電極からのコロナ放電、又は噴霧流への光の照射を選択的に行うべく前記電荷付与手段、放電手段及び光源手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴としている。
また上記課題を解決するために成された第２発明は、液体クロマトグラフで成分分離された試料液を受けて、略大気圧にあるイオン化室内にスプレーノズルから前記試料液を噴霧し、該試料液に含まれる成分分子をイオン化して該イオンを質量分析する大気圧イオン化質量分析装置において、
a)ＥＳＩモードにおいて前記スプレーノズルの先端部に高電圧を印加して噴霧液滴を帯電させる電荷付与手段と、
b)前記スプレーノズルから噴霧される噴霧流に加熱乾燥ガスを吹き掛ける熱風供給部、又は該噴霧流を囲んで配設されたヒータである噴霧流加熱手段と、
c)前記噴霧流の進行方向に前記スプレーノズルの前方に設けられ、ＡＰＣＩモードにおいてコロナ放電を発生させる放電電極を含む放電手段と、
d)前記噴霧流の進行方向に前記スプレーノズルの前方であって前記放電電極と物理的及び機能的に干渉しない位置に設けられ、ＡＰＰＩモードにおいて前記噴霧流に光を照射する光源手段と、
e)ＥＳＩ、ＡＰＣＩ又はＡＰＰＩの各イオン化モードに応じて、スプレーノズル先端部への高電圧の印加、放電電極からのコロナ放電、又は噴霧流への光の照射を選択的に行うべく前記電荷付与手段、放電手段及び光源手段を制御する制御手段と、
を備え、前記制御手段は、前記液体クロマトグラフでの１回の試料注入に対しＥＳＩ、ＡＰＣＩ及びＡＰＰＩの各イオン化モードを順次切り替えることを繰り返し、各イオン化モードに対応したクロマトグラムデータをそれぞれ採取するようにしたことを特徴としている。
【００１５】
なお、ここで放電電極と光源手段とが「機能的に干渉しない」状態とは、具体的には、例えば放電電極に放電電圧が印加されたときに、該放電電極と光源手段との間で放電が生じてしまい、空間内でのコロナ放電が適切に行われなくなる、といった好ましくない事態が生じない状態のことを言う。
【００１６】
【発明の実施の形態、及び効果】
この発明に係る大気圧イオン化質量分析装置では、制御手段が電荷付与手段を作動させたときにESIイオン化モードとなり、放電手段を作動させたときにAPCIイオン化モードとなり、光源手段を作動させたときにAPPIイオン化モードとなる。スプレーノズル及び噴霧流加熱手段はいずれのイオン化モードに対しても共通に使用され、制御手段による上記のような電気的な切替えによってイオン化モードの変更が達成される。従って、従来のように、イオン化モードの相違する分析を行う際に分析者がイオン化スプレー部を交換する必要はなく、面倒な手間を要しない。また、機械的な切換機構も不要であるため、装置が大形化することがなく、コストの増加も最小限に抑制できる。
【００１７】
さらにまた、イオン化モードを電気的に切り替えるために高速な切替えが可能である。そこで、特に第２発明に係る大気圧イオン化質量分析装置においては、液体クロマトグラフで成分分離された試料液を導入する構成とする場合において、前記制御手段は、液体クロマトグラフでの１回の試料注入に対し、ＥＳＩ、ＡＰＣＩ及びＡＰＰＩの各イオン化モードを順次切り替えることを繰り返して、各イオン化モードに対応したクロマトグラムデータをそれぞれ採取する構成としている。
【００１８】
この構成によれば、１回の試料注入に対して、それぞれ異なる特徴のある３種のクロマトグラムを取得することができるので、成分構成が複雑であるような試料に対する分析も短時間で済ますことができる。また、試料が微量であって複数回の分析が困難であるような場合でも、充分に精度の高い分析結果を得ることができる。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明に係る大気圧イオン化質量分析装置の一実施例を、図１〜図３を参照して説明する。図１は本実施例による大気圧イオン化質量分析装置のイオン化インタフェイス部の概略構成図、図２は本装置の要部の電気的概略構成図、図３は本装置の制御動作の一例を示すタイミングチャートである。なお、上記以外の基本的な構成については、図５で説明した従来の一般的なMS装置と同様であるので、説明を省略する。
【００２０】
図１に示すように、イオン化インタフェイス部において、スプレーノズル２２の前方には針状の放電電極２６が配設され（図１では紙面に垂直な方向に延在している）、スプレーノズルの中心軸（つまり噴霧流の中心軸）Ｓを中心にして、放電電極２６から回転方向に約90°離れた位置で、且つ中心軸Ｓの延伸方向に僅かにずれた位置に、クリプトンランプ等のAPPI用の光源２７が配置されている。放電電極２６と光源２７とを互いに回転方向に離しているのは、Ｓ軸方向には両者を互いにあまり離すことなく、且つ両者の距離を充分に確保するためである。両者の距離が充分に確保されていないと、後述のように放電電極２６に高電圧を印加したときに光源２７との間に放電が発生してしまい、周囲のキャリアガス分子を充分にイオン化することができなくなる。従って、放電電極２６と光源２７との回転方向の角度距離は必ずしも90°でなくともよく、上記のような不所望の放電の発生を回避し得るという条件の下で適宜に定めることができる。
【００２１】
このイオン化インタフェイス部は、ESI、APCI又はAPPIの各イオン化モードのいずれか１つを選択的に実行できるように構成されている。すなわち、図２に示すように、数kV以上の高電圧を電圧可変で発生可能な第１電圧源４２は、スイッチ４１（SW1）により、放電電極２６又はスプレーノズル２２に内装されている金属管２２ａに択一的に接続される。一方、第２電圧源４４はスイッチ４３（SW2）により、光源２７に選択的に接続される。スイッチ４１、４３の切替動作及び第１電圧源４２の出力電圧は、MS部の動作全般を司る制御部４０により制御される。また、図示せぬイオン検出器３９の出力信号はA/D変換器５０によりデジタル信号に変換された後にデータ処理部５１に入力され、ここで後述のような特徴的なデータ処理が実行される。
【００２２】
次いで、図１、図２に加え、図３を参照しつつ、本装置の動作の一例について説明する。ここでは、ESI、APCI及びAPPIの切替えを機械的でなく電気的にのみ行うことの特徴を活かし、LC部１０での１回の試料の注入に対しESI、APCI、APPIの各イオン化モードによる分析を短時間ずつ繰り返し実行し、時分割でそれぞれのイオン化モードによる分析結果を取得する動作を行うものとする。
【００２３】
制御部４０は、図３（ａ）〜（ｄ）に示すように、ＥＳＩモード、ＡＰＣＩモード、ＡＰＰＩモードをそれぞれ１００ｍｓｅｃずつ順次切り替えるべく制御を実行する。ＥＳＩモードでは、スイッチ４１でＡ側を選択するように切り替え、スイッチ４３をＯＦＦとし、第１電圧源４２の電圧をＶ１（例えば４ｋＶ程度）に設定する。ＡＰＣＩモードでは、スイッチ４１でＢ側を選択するように切り替え、スイッチ４３をＯＦＦとし、第１電圧源４２の電圧をＶ２（例えば４ｋＶ程度）に設定する。さらにＡＰＰＩモードでは、スイッチ４１でＢ側（Ａ側でもよい）を選択するようにし、スイッチ４３をＯＮとし、第１電圧源４２の電圧を０Ｖに設定する。
【００２４】
各イオン化モードでの動作を詳しく述べる。ESIモードでは、第１電圧源４２で発生した高電圧V1がスプレーノズル２２の金属管２２ａに印加される。この金属管２２ａは試料液が流通するキャピラリ管を囲んでいるため、金属管２２ａに印加された高電圧によってキャピラリ管の端部に達した試料液は正に強く帯電し、キャピラリ管の外筒であるネブライズ管から噴出するネブライズガスの助けを受けて、正の帯電液滴として強制的に霧化室２１内に噴霧される。その噴霧流に加熱ガス供給管２５から吹き付けられる加熱ガスが当たり、液滴中の溶媒が急速に蒸発し、液滴のサイズが小さくなるに伴いクーロン反発力によって気体イオンが発生する。こうして発生したイオンや微小な帯電液滴は、霧化室２１と第１中間室３１との間の圧力差により、通過孔２４を通して第１中間室３１内に吸い込まれる。その間にも液滴からの溶媒の蒸発は一層進行し、イオンは第１イオンレンズ３４により収束される。
【００２５】
APCIモードでは、第１電圧源４２で発生した高電圧V2が放電電極２６に印加される。スプレーノズル２２から噴霧された微小液滴は、ESIモードと同様に加熱ガスに晒され、液滴中の溶媒が急速に蒸発する。このときには液滴は電荷を付与されていないので、気体イオンは発生せず、その代わりに試料分子が飛び出る。霧化室２１内には前段のLCの移動相も同時に噴霧されており、放電電極２６から発生するコロナ放電によって、気化した移動相の分子がイオン化され、その分子イオンとの反応によって試料分子はイオン化する。こうして発生したイオンが、霧化室２１と第１中間室３１との間の圧力差により、通過孔２４を通して第１中間室３１内に吸い込まれる。
【００２６】
ＡＰＰＩモードでは、第２電圧源４４から光源２７に電力が供給され、光源２７が発光する。ＡＰＣＩモードと同様に、スプレーノズル２２から噴霧された微小液滴は加熱ガスに晒され、液滴中の溶媒が急速に蒸発して試料分子が飛び出る。こうした噴霧流に光源２７からの光が当たると、光子エネルギーhνによって試料分子がイオン化する。こうして発生したイオンが、霧化室２１と第１中間室３１との間の圧力差により、通過孔２４を通して第１中間室３１内に吸い込まれる。
【００２７】
上記のようなESI、APCI、APPIの各イオン化モードによるイオン化が順次繰り返し行われ、各イオン化モードに特徴的な各種イオンがMS部３０に導入される。従って、イオン検出器３９には、各イオン化モードで発生した各種イオンのうち、四重極フィルタ３８で選択された特定の質量数を持つイオンのみが順次到達する。イオン検出器３９の検出信号は、A/D変換器５０において或る一定時間間隔毎にサンプリングされ、各サンプルがデジタル信号に変換される。従って、パーソナルコンピュータ等で具現化されるデータ処理部５１には、デジタル信号データ列として検出信号が入力される（図３（ｅ）参照）。
【００２８】
データ処理部５１では、この信号データ列に属する各サンプルを、制御部４０から与えられる制御信号により、ESI、APCI、APPIの各イオン化モードに対応したものに分別することができる。図３（ｆ）はそうしたデータの分別を概念的に示している。こうして各サンプルを３種のグループに分別した後に、各サンプルデータを適宜処理して、例えば他のイオン化モードに振り分けられたために不足した時間位置に対応するデータを補正する処理を行うことにより、クロマトグラムデータを取得する。これに基づきそれぞれクロマトグラムを作成すれば、ESI、APCI、APPIの各イオン化モードに対応した３種のクロマトグラムを得ることができる。すなわち、LC部１０における１回の試料の注入で、異なる３種のイオン化モードに対応したクロマトグラムを作成することができる。これにより、例えば或るイオン化モードでは充分な量のイオンが発生しないような成分であっても、別のイオン化モードで充分な量のイオンの発生があれば、これを捉えて確実に成分の１つを検出する、さらには定量することができる。
【００２９】
なお、ESI、APCI、APPIのいずれのイオン化モードにおいても、噴霧流中の液滴を乾燥させる必要がある。上記実施例では、そのために加熱ガス供給管２５から噴出する加熱ガスを利用しているわけであるが、これは単位時間当たりに液滴に与えることができる熱量が比較的小さく、ESIには最適であるが、APCIやAPPIには必ずしも最適ではない。つまり、イオン化効率という点では、上記実施例の構成はAPCIやAPPIではなくESIに最適化されたものだと言うことができる。
【００３０】
これとは逆に、ESIではなくAPCIやAPPIにおいてイオン化効率が最適となるように考慮した構成の例を図４に示す。すなわち、この例では、加熱ガス供給管２５に換えてスプレーノズル２２の先端部を取り囲むようにヒータ２８を周設しており、これによってノズル２２から噴霧された液滴をより効率的に加熱するようにしている。
【００３１】
なお、上記実施例は一例であって、本発明の趣旨の範囲で適宜に変更や修正を行えることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例による大気圧イオン化質量分析装置の大気圧イオン化インタフェイス部の概略構成図。
【図２】 本実施例の大気圧イオン化質量分析装置の要部の電気的概略構成図。
【図３】 本実施例の大気圧イオン化質量分析装置における制御動作の一例を示すタイミングチャート。
【図４】 本発明の他の実施例による大気圧イオン化質量分析装置の大気圧イオン化インタフェイス部の概略構成図。
【図５】 従来知られている一般的なLC/MS装置の一例を示す概略構成図。
【図６】 従来の各種のイオン化法の構成例を示す概略図。
【符号の説明】
１０…LC部
２０…インタフェイス部
２１…霧化室（イオン化室）
２２…スプレーノズル
２２ａ…金属管
２３…サンプリングコーン
２４…通過孔
２５…加熱ガス供給管
２６…放電電極
２７…光源
２８…ヒータ
３０…MS部
３１…第１中間室
３２…第２中間室
３３…分析室
３４…第１イオンレンズ
３５…スキマー
３６…オリフィス
３７…第２イオンレンズ
３８…四重極フィルタ
３９…イオン検出器
４０…制御部
４１、４３…スイッチ
４２…第１電圧源
４４…第２電圧源
５０…A/D変換器
５１…データ処理部
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば液体クロマトグラフ（LC）により成分分離された液体試料を略大気圧雰囲気中に噴霧することでイオン化し、発生したイオンを質量分析部（MS）に導入して分析を行う大気圧イオン化質量分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、従来知られている一般的なLC/MS装置の一例を示す概略構成図である（例えば、特許文献１など参照）。LC部１０のカラム１１から時間的に分離して溶出する試料液は、インタフェイス部（大気圧イオン化インタフェイス）２０に導入され、スプレーノズル２２から霧化室（イオン化室）２１内に噴霧されてイオン化される。発生したイオンは、その前方に位置している円錐状のサンプリングコーン２３の頂部に穿孔されている小径の通過孔２４を通ってMS部３０へと送り込まれる。
【０００３】
MS部３０は第１中間室３１、第２中間室３２及び分析室３３の３室から成り、霧化室２１と第１中間室３１とは上記通過孔２４により、第１中間室３１と第２中間室３２とは円錐状のスキマー３５の頂部に設けられた小径の通過孔（オリフィス）３６により連通している。霧化室２１内は略大気圧に維持され、第１中間室３１はロータリーポンプによって約１Torr程度まで、第２中間室３２及び分析室３３はターボ分子ポンプによってそれぞれ約10-3〜10-4Torr程度、及び約10-5〜10-6Torr程度まで排気され、霧化室２１から分析室３３に向かって段階的に真空度を高くすることで分析室３３を高真空状態に維持している。
【０００４】
上述のようにして通過孔２４を通過したイオンは、第１イオンレンズ３４によりオリフィス３６に収束され、オリフィス３６を通り抜けて第２中間室３２に導入される。そして、第２イオンレンズ３７により収束及び加速されて分析室３３へ送られ、特定の質量数（質量／電荷）を有する目的イオンのみが、分析室３３内に配置された四重極フィルタ３８の長軸方向の空間を通り抜けてイオン検出器３９に到達する。そして、イオン検出器３９では、到達したイオン数に応じた電流が検出信号として取り出される。
【０００５】
上記構成においてインタフェイス部２０は、試料液を加熱、高速気流、高電界等によって霧化させることで、試料液に含まれる各種の試料成分をイオン化するものであり、エレクトロスプレイイオン化法（ESI=Electricspray Ionization）や大気圧化学イオン化法（APCI=Atmospheric Pressure Chemical Ionization）が最も広く使用されている。
【０００６】
図６（ａ）はESIによるイオン化スプレー部の構成例である。ESIでは、スプレーノズル２２の先端部に数kV程度の直流高電圧を印加し、強い不平等電界を発生させる。スプレーノズル２２の先端に達した試料液はこの電界により電荷分離し、スプレーノズル２２と同軸外周に配設されたネブライズ管（図示せず）から噴出されるネブライズガスの助けを受けて、微小な帯電液滴として強制的に噴霧される。霧化室２１内では図示しない加熱ガス供給路によって供給される加熱ガスに噴霧流が晒され、それによって液滴中の溶媒の蒸発が進行し、気体イオンの発生が促進される。
【０００７】
図６（ｂ）はAPCIによるイオン化スプレー部の構成例である。APCIでは、スプレーノズル２２の前方に針状の放電電極２６を配置しておき、スプレーノズル２２の先端を取り囲むように周設したヒータ２８で噴霧流を加熱することにより発生させた試料分子に、放電電極２６からのコロナ放電により生成したキャリアガスイオン（バッファイオン）を化学反応させてイオン化を行う。
【０００８】
一般に、APCIは低極性から中極性、ESIは中極性から高極性化合物のイオン化に有効である。また、ESIではタンパク質を代表とする物質のイオン化の過程で多価イオンを生成するため、装置の質量範囲の上限を越えた、分子量が数万というような化合物の測定も可能である。従って、分析対象の試料の種類や分析目的などによってイオン化法の使い分けが行われる。従来、一般的なLC/MS装置では、ESI用スプレー部とAPCI用スプレー部とが交換自在の構成となっており、分析者がイオン化法に応じて適宜スプレー部を交換するようにしている（例えば、非文献特許１参照）。しかしながら、こうした交換作業は手間が掛かるため、分析効率を落とす一因となっている。そこで、こうした交換の手間を省くことを目的とした装置が、従来から提案されている。
【０００９】
例えば特許文献３に記載の装置では、ESI用スプレー部とAPCI用スプレー部とを並設し、流路切替バルブによって試料液をいずれかのスプレー部に選択的に供給する。また、ESI用スプレー部とAPCI用スプレー部との前方にはそれぞれイオンを取り込むための取入口を独立に設け、その２つの取入口に連なるイオン輸送管は途中で合流して、後段の唯一の分析室にイオンを輸送するように構成されている。しかしながら、こうした構成は複雑であり、コストが高くなり装置自体も大形になる。一方、例えば特許文献４に記載の装置では、スプレーノズル自体はESIとAPCIとで共通であり、ヒータとノズルとの位置関係などを機械的に切り替える機構を設けることにより、ESIモードとAPCIモードとの切替えを達成している。
【００１０】
さらに近年、LC/MSインタフェイス用のイオン化法として、上記のようなイオン化法に加え、大気圧フォトイオン化法（APPI=Atmospheric Pressure Photo-Ionization）が提案されている（例えば特許文献５など参照）。図６（ｃ）はAPPIによるイオン化スプレー部の構成例である。APPIは、APCIと同様にヒータ２８による加熱で発生させた試料分子に、クリプトンランプである光源２７から光を照射し、その光子エネルギーhνによりイオン化する。このAPPIは、ESIやAPCIでイオン化しにくい多環芳香族、脂溶性ビタミン類などをイオン化することができるほか、成分濃度と検出出力との直線性がAPCIよりも広いため、定量分析に優れるという特長がある。
【００１１】
【特許文献１】
特開２０００−２１４１４９号公報（段落0003、段落0004、及び図６）
【特許文献２】
特開２００１−２７２３７５号公報
【特許文献３】
特開平８−２９７１１２号公報
【特許文献４】
特開平８−２３６０６４号公報
【特許文献５】
米国特許第６２１１５１６号明細書
【非特許文献１】
“卓上，簡単，高機能を実現したLCMSシステム LCMS-QP8000α”、「ESI，APCIを標準装備」、［Online］、株式会社島津製作所、［平成１４年１１月１８日検索］、インターネット〈URL: http://www.an.shimadzu.co.jp/products/lcms/qp8000.htm〉
【００１２】
【発明が解決すべき課題】
最近、LC/MSで分析する試料は一層複雑化・多様化しており、各種の成分が複雑に混合した試料を測定する機会も増加している。そのため、或る試料を分析する際に或る１種のイオン化法だけでは該試料に含まれる全成分を充分には捉えられず、複数のイオン化法を用いてそれぞれ分析した結果を集めて、定性分析や各種の解析を行うようなことも多い。そうした場合に、従来のように各イオン化モードに対応したイオン化スプレー部に交換したり、或いは機械的に何らかの切替えを行ったりするのは、手間が掛かり面倒である。また、イオン化モードを替えて複数回の分析を行う必要があるため、分析に時間が掛かり、さらには、試料が微量である場合にはこうした複数回の分析が困難である場合さえある。
【００１３】
本発明はこのような点に鑑みて成されたものであり、その主たる目的とするところは、試料の種類や分析の目的に応じて、面倒な手間を要することなく、複数のイオン化モードを適宜切り替えて分析を行うことができる大気圧イオン化質量分析装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された第１発明は、略大気圧にあるイオン化室内にスプレーノズルから試料液を噴霧し、該試料液に含まれる成分分子をイオン化して該イオンを質量分析する大気圧イオン化質量分析装置において、
a)ＥＳＩモードにおいて前記スプレーノズルの先端部に高電圧を印加して噴霧液滴を帯電させる電荷付与手段と、
b)前記スプレーノズルから噴霧される噴霧流に加熱乾燥ガスを吹き掛ける熱風供給部、又は該噴霧流を囲んで配設されたヒータである噴霧流加熱手段と、
c)前記噴霧流の進行方向に前記スプレーノズルの前方であって且つ前記噴霧流の中心軸上でない位置に設けられ、ＡＰＣＩモードにおいてコロナ放電を発生させる放電電極を含む放電手段と、
d)前記噴霧流の進行方向に前記スプレーノズルの前方であって、前記放電電極と物理的及び機能的に干渉しないように前記噴霧流の中心軸を中心として前記放電電極と回転方向に離した位置に設けられ、ＡＰＰＩモードにおいて前記噴霧流に光を照射する光源手段と、
e)ＥＳＩ、ＡＰＣＩ又はＡＰＰＩの各イオン化モードに応じて、スプレーノズル先端部への高電圧の印加、放電電極からのコロナ放電、又は噴霧流への光の照射を選択的に行うべく前記電荷付与手段、放電手段及び光源手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴としている。
また上記課題を解決するために成された第２発明は、液体クロマトグラフで成分分離された試料液を受けて、略大気圧にあるイオン化室内にスプレーノズルから前記試料液を噴霧し、該試料液に含まれる成分分子をイオン化して該イオンを質量分析する大気圧イオン化質量分析装置において、
a)ＥＳＩモードにおいて前記スプレーノズルの先端部に高電圧を印加して噴霧液滴を帯電させる電荷付与手段と、
b)前記スプレーノズルから噴霧される噴霧流に加熱乾燥ガスを吹き掛ける熱風供給部、又は該噴霧流を囲んで配設されたヒータである噴霧流加熱手段と、
c)前記噴霧流の進行方向に前記スプレーノズルの前方に設けられ、ＡＰＣＩモードにおいてコロナ放電を発生させる放電電極を含む放電手段と、
d)前記噴霧流の進行方向に前記スプレーノズルの前方であって前記放電電極と物理的及び機能的に干渉しない位置に設けられ、ＡＰＰＩモードにおいて前記噴霧流に光を照射する光源手段と、
e)ＥＳＩ、ＡＰＣＩ又はＡＰＰＩの各イオン化モードに応じて、スプレーノズル先端部への高電圧の印加、放電電極からのコロナ放電、又は噴霧流への光の照射を選択的に行うべく前記電荷付与手段、放電手段及び光源手段を制御する制御手段と、
を備え、前記制御手段は、前記液体クロマトグラフでの１回の試料注入に対しＥＳＩ、ＡＰＣＩ及びＡＰＰＩの各イオン化モードを順次切り替えることを繰り返し、各イオン化モードに対応したクロマトグラムデータをそれぞれ採取するようにしたことを特徴としている。
【００１５】
なお、ここで放電電極と光源手段とが「機能的に干渉しない」状態とは、具体的には、例えば放電電極に放電電圧が印加されたときに、該放電電極と光源手段との間で放電が生じてしまい、空間内でのコロナ放電が適切に行われなくなる、といった好ましくない事態が生じない状態のことを言う。
【００１６】
【発明の実施の形態、及び効果】
この発明に係る大気圧イオン化質量分析装置では、制御手段が電荷付与手段を作動させたときにESIイオン化モードとなり、放電手段を作動させたときにAPCIイオン化モードとなり、光源手段を作動させたときにAPPIイオン化モードとなる。スプレーノズル及び噴霧流加熱手段はいずれのイオン化モードに対しても共通に使用され、制御手段による上記のような電気的な切替えによってイオン化モードの変更が達成される。従って、従来のように、イオン化モードの相違する分析を行う際に分析者がイオン化スプレー部を交換する必要はなく、面倒な手間を要しない。また、機械的な切換機構も不要であるため、装置が大形化することがなく、コストの増加も最小限に抑制できる。
【００１７】
さらにまた、イオン化モードを電気的に切り替えるために高速な切替えが可能である。そこで、特に第２発明に係る大気圧イオン化質量分析装置においては、液体クロマトグラフで成分分離された試料液を導入する構成とする場合において、前記制御手段は、液体クロマトグラフでの１回の試料注入に対し、ＥＳＩ、ＡＰＣＩ及びＡＰＰＩの各イオン化モードを順次切り替えることを繰り返して、各イオン化モードに対応したクロマトグラムデータをそれぞれ採取する構成としている。
【００１８】
この構成によれば、１回の試料注入に対して、それぞれ異なる特徴のある３種のクロマトグラムを取得することができるので、成分構成が複雑であるような試料に対する分析も短時間で済ますことができる。また、試料が微量であって複数回の分析が困難であるような場合でも、充分に精度の高い分析結果を得ることができる。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明に係る大気圧イオン化質量分析装置の一実施例を、図１〜図３を参照して説明する。図１は本実施例による大気圧イオン化質量分析装置のイオン化インタフェイス部の概略構成図、図２は本装置の要部の電気的概略構成図、図３は本装置の制御動作の一例を示すタイミングチャートである。なお、上記以外の基本的な構成については、図５で説明した従来の一般的なMS装置と同様であるので、説明を省略する。
【００２０】
図１に示すように、イオン化インタフェイス部において、スプレーノズル２２の前方には針状の放電電極２６が配設され（図１では紙面に垂直な方向に延在している）、スプレーノズルの中心軸（つまり噴霧流の中心軸）Ｓを中心にして、放電電極２６から回転方向に約90°離れた位置で、且つ中心軸Ｓの延伸方向に僅かにずれた位置に、クリプトンランプ等のAPPI用の光源２７が配置されている。放電電極２６と光源２７とを互いに回転方向に離しているのは、Ｓ軸方向には両者を互いにあまり離すことなく、且つ両者の距離を充分に確保するためである。両者の距離が充分に確保されていないと、後述のように放電電極２６に高電圧を印加したときに光源２７との間に放電が発生してしまい、周囲のキャリアガス分子を充分にイオン化することができなくなる。従って、放電電極２６と光源２７との回転方向の角度距離は必ずしも90°でなくともよく、上記のような不所望の放電の発生を回避し得るという条件の下で適宜に定めることができる。
【００２１】
このイオン化インタフェイス部は、ESI、APCI又はAPPIの各イオン化モードのいずれか１つを選択的に実行できるように構成されている。すなわち、図２に示すように、数kV以上の高電圧を電圧可変で発生可能な第１電圧源４２は、スイッチ４１（SW1）により、放電電極２６又はスプレーノズル２２に内装されている金属管２２ａに択一的に接続される。一方、第２電圧源４４はスイッチ４３（SW2）により、光源２７に選択的に接続される。スイッチ４１、４３の切替動作及び第１電圧源４２の出力電圧は、MS部の動作全般を司る制御部４０により制御される。また、図示せぬイオン検出器３９の出力信号はA/D変換器５０によりデジタル信号に変換された後にデータ処理部５１に入力され、ここで後述のような特徴的なデータ処理が実行される。
【００２２】
次いで、図１、図２に加え、図３を参照しつつ、本装置の動作の一例について説明する。ここでは、ESI、APCI及びAPPIの切替えを機械的でなく電気的にのみ行うことの特徴を活かし、LC部１０での１回の試料の注入に対しESI、APCI、APPIの各イオン化モードによる分析を短時間ずつ繰り返し実行し、時分割でそれぞれのイオン化モードによる分析結果を取得する動作を行うものとする。
【００２３】
制御部４０は、図３（ａ）〜（ｄ）に示すように、ＥＳＩモード、ＡＰＣＩモード、ＡＰＰＩモードをそれぞれ１００ｍｓｅｃずつ順次切り替えるべく制御を実行する。ＥＳＩモードでは、スイッチ４１でＡ側を選択するように切り替え、スイッチ４３をＯＦＦとし、第１電圧源４２の電圧をＶ１（例えば４ｋＶ程度）に設定する。ＡＰＣＩモードでは、スイッチ４１でＢ側を選択するように切り替え、スイッチ４３をＯＦＦとし、第１電圧源４２の電圧をＶ２（例えば４ｋＶ程度）に設定する。さらにＡＰＰＩモードでは、スイッチ４１でＢ側（Ａ側でもよい）を選択するようにし、スイッチ４３をＯＮとし、第１電圧源４２の電圧を０Ｖに設定する。
【００２４】
各イオン化モードでの動作を詳しく述べる。ESIモードでは、第１電圧源４２で発生した高電圧V1がスプレーノズル２２の金属管２２ａに印加される。この金属管２２ａは試料液が流通するキャピラリ管を囲んでいるため、金属管２２ａに印加された高電圧によってキャピラリ管の端部に達した試料液は正に強く帯電し、キャピラリ管の外筒であるネブライズ管から噴出するネブライズガスの助けを受けて、正の帯電液滴として強制的に霧化室２１内に噴霧される。その噴霧流に加熱ガス供給管２５から吹き付けられる加熱ガスが当たり、液滴中の溶媒が急速に蒸発し、液滴のサイズが小さくなるに伴いクーロン反発力によって気体イオンが発生する。こうして発生したイオンや微小な帯電液滴は、霧化室２１と第１中間室３１との間の圧力差により、通過孔２４を通して第１中間室３１内に吸い込まれる。その間にも液滴からの溶媒の蒸発は一層進行し、イオンは第１イオンレンズ３４により収束される。
【００２５】
APCIモードでは、第１電圧源４２で発生した高電圧V2が放電電極２６に印加される。スプレーノズル２２から噴霧された微小液滴は、ESIモードと同様に加熱ガスに晒され、液滴中の溶媒が急速に蒸発する。このときには液滴は電荷を付与されていないので、気体イオンは発生せず、その代わりに試料分子が飛び出る。霧化室２１内には前段のLCの移動相も同時に噴霧されており、放電電極２６から発生するコロナ放電によって、気化した移動相の分子がイオン化され、その分子イオンとの反応によって試料分子はイオン化する。こうして発生したイオンが、霧化室２１と第１中間室３１との間の圧力差により、通過孔２４を通して第１中間室３１内に吸い込まれる。
【００２６】
ＡＰＰＩモードでは、第２電圧源４４から光源２７に電力が供給され、光源２７が発光する。ＡＰＣＩモードと同様に、スプレーノズル２２から噴霧された微小液滴は加熱ガスに晒され、液滴中の溶媒が急速に蒸発して試料分子が飛び出る。こうした噴霧流に光源２７からの光が当たると、光子エネルギーhνによって試料分子がイオン化する。こうして発生したイオンが、霧化室２１と第１中間室３１との間の圧力差により、通過孔２４を通して第１中間室３１内に吸い込まれる。
【００２７】
上記のようなESI、APCI、APPIの各イオン化モードによるイオン化が順次繰り返し行われ、各イオン化モードに特徴的な各種イオンがMS部３０に導入される。従って、イオン検出器３９には、各イオン化モードで発生した各種イオンのうち、四重極フィルタ３８で選択された特定の質量数を持つイオンのみが順次到達する。イオン検出器３９の検出信号は、A/D変換器５０において或る一定時間間隔毎にサンプリングされ、各サンプルがデジタル信号に変換される。従って、パーソナルコンピュータ等で具現化されるデータ処理部５１には、デジタル信号データ列として検出信号が入力される（図３（ｅ）参照）。
【００２８】
データ処理部５１では、この信号データ列に属する各サンプルを、制御部４０から与えられる制御信号により、ESI、APCI、APPIの各イオン化モードに対応したものに分別することができる。図３（ｆ）はそうしたデータの分別を概念的に示している。こうして各サンプルを３種のグループに分別した後に、各サンプルデータを適宜処理して、例えば他のイオン化モードに振り分けられたために不足した時間位置に対応するデータを補正する処理を行うことにより、クロマトグラムデータを取得する。これに基づきそれぞれクロマトグラムを作成すれば、ESI、APCI、APPIの各イオン化モードに対応した３種のクロマトグラムを得ることができる。すなわち、LC部１０における１回の試料の注入で、異なる３種のイオン化モードに対応したクロマトグラムを作成することができる。これにより、例えば或るイオン化モードでは充分な量のイオンが発生しないような成分であっても、別のイオン化モードで充分な量のイオンの発生があれば、これを捉えて確実に成分の１つを検出する、さらには定量することができる。
【００２９】
なお、ESI、APCI、APPIのいずれのイオン化モードにおいても、噴霧流中の液滴を乾燥させる必要がある。上記実施例では、そのために加熱ガス供給管２５から噴出する加熱ガスを利用しているわけであるが、これは単位時間当たりに液滴に与えることができる熱量が比較的小さく、ESIには最適であるが、APCIやAPPIには必ずしも最適ではない。つまり、イオン化効率という点では、上記実施例の構成はAPCIやAPPIではなくESIに最適化されたものだと言うことができる。
【００３０】
これとは逆に、ESIではなくAPCIやAPPIにおいてイオン化効率が最適となるように考慮した構成の例を図４に示す。すなわち、この例では、加熱ガス供給管２５に換えてスプレーノズル２２の先端部を取り囲むようにヒータ２８を周設しており、これによってノズル２２から噴霧された液滴をより効率的に加熱するようにしている。
【００３１】
なお、上記実施例は一例であって、本発明の趣旨の範囲で適宜に変更や修正を行えることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例による大気圧イオン化質量分析装置の大気圧イオン化インタフェイス部の概略構成図。
【図２】 本実施例の大気圧イオン化質量分析装置の要部の電気的概略構成図。
【図３】 本実施例の大気圧イオン化質量分析装置における制御動作の一例を示すタイミングチャート。
【図４】 本発明の他の実施例による大気圧イオン化質量分析装置の大気圧イオン化インタフェイス部の概略構成図。
【図５】 従来知られている一般的なLC/MS装置の一例を示す概略構成図。
【図６】 従来の各種のイオン化法の構成例を示す概略図。
【符号の説明】
１０…LC部
２０…インタフェイス部
２１…霧化室（イオン化室）
２２…スプレーノズル
２２ａ…金属管
２３…サンプリングコーン
２４…通過孔
２５…加熱ガス供給管
２６…放電電極
２７…光源
２８…ヒータ
３０…MS部
３１…第１中間室
３２…第２中間室
３３…分析室
３４…第１イオンレンズ
３５…スキマー
３６…オリフィス
３７…第２イオンレンズ
３８…四重極フィルタ
３９…イオン検出器
４０…制御部
４１、４３…スイッチ
４２…第１電圧源
４４…第２電圧源
５０…A/D変換器
５１…データ処理部
Claims (2)
- 略大気圧にあるイオン化室内にスプレーノズルから試料液を噴霧し、該試料液に含まれる成分分子をイオン化して該イオンを質量分析する大気圧イオン化質量分析装置において、
a)ＥＳＩモードにおいて前記スプレーノズルの先端部に高電圧を印加して噴霧液滴を帯電させる電荷付与手段と、
b)前記スプレーノズルから噴霧される噴霧流に加熱乾燥ガスを吹き掛ける熱風供給部、又は該噴霧流を囲んで配設されたヒータである噴霧流加熱手段と、
c)前記噴霧流の進行方向に前記スプレーノズルの前方であって且つ前記噴霧流の中心軸上でない位置に設けられ、ＡＰＣＩモードにおいてコロナ放電を発生させる放電電極を含む放電手段と、
d)前記噴霧流の進行方向に前記スプレーノズルの前方であって、前記放電電極と物理的及び機能的に干渉しないように前記噴霧流の中心軸を中心として前記放電電極と回転方向に離した位置に設けられ、ＡＰＰＩモードにおいて前記噴霧流に光を照射する光源手段と、
e)ＥＳＩ、ＡＰＣＩ又はＡＰＰＩの各イオン化モードに応じて、スプレーノズル先端部への高電圧の印加、放電電極からのコロナ放電、又は噴霧流への光の照射を選択的に行うべく前記電荷付与手段、放電手段及び光源手段を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする大気圧イオン化質量分析装置。 - 液体クロマトグラフで成分分離された試料液を受けて、略大気圧にあるイオン化室内にスプレーノズルから前記試料液を噴霧し、該試料液に含まれる成分分子をイオン化して該イオンを質量分析する大気圧イオン化質量分析装置において、
a)ＥＳＩモードにおいて前記スプレーノズルの先端部に高電圧を印加して噴霧液滴を帯電させる電荷付与手段と、
b)前記スプレーノズルから噴霧される噴霧流に加熱乾燥ガスを吹き掛ける熱風供給部、又は該噴霧流を囲んで配設されたヒータである噴霧流加熱手段と、
c)前記噴霧流の進行方向に前記スプレーノズルの前方に設けられ、ＡＰＣＩモードにおいてコロナ放電を発生させる放電電極を含む放電手段と、
d)前記噴霧流の進行方向に前記スプレーノズルの前方であって前記放電電極と物理的及び機能的に干渉しない位置に設けられ、ＡＰＰＩモードにおいて前記噴霧流に光を照射する光源手段と、
e)ＥＳＩ、ＡＰＣＩ又はＡＰＰＩの各イオン化モードに応じて、スプレーノズル先端部への高電圧の印加、放電電極からのコロナ放電、又は噴霧流への光の照射を選択的に行うべく前記電荷付与手段、放電手段及び光源手段を制御する制御手段と、
を備え、前記制御手段は、前記液体クロマトグラフでの１回の試料注入に対しＥＳＩ、ＡＰＣＩ及びＡＰＰＩの各イオン化モードを順次切り替えることを繰り返し、各イオン化モードに対応したクロマトグラムデータをそれぞれ採取するようにしたことを特徴とする大気圧イオン化質量分析装置。
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