JP3870870B2

JP3870870B2 - Method and apparatus for mass spectrometry of solutions

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Publication number: JP3870870B2
Application number: JP2002219050A
Authority: JP
Inventors: 集平林; 由紀子平林; 実坂入; 安章高田; 貴之鍋島; 英明小泉
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-07-29
Filing date: 2002-07-29
Publication date: 2007-01-24
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオン源及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及びこれを用いる質量分析装置、さらに液体クロマトグラフ／質量分析計結合装置、キャピッリー電気泳動／質量分析計結合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アナリティカル・ケミストリー６６（１９９４年）第４５５７頁から第４５５９頁（ＡｎａｌｙｔｉｃａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙ、６６（１９９４）pp ４５５７ー４５５９）には、ソニックスプレーイオン化法に関する記述がある。キャピラリーの外側からガスを同軸状に流し、キャピラリー末端で液体が噴霧されることによりイオンや帯電液滴が安定して生成される。キャピラリー先端におけるガス流速が音速の場合に、噴霧により生成される正負イオン量は最大となる。この場合、液体には電界も電圧も印加されない。生成される噴霧ガスは全体としては中性であり、正イオン量と負イオン量は等しい。
【０００３】
また、ジャーナル・オブ・フィジカル・ケミストリー８８（１９８４年）第４４５１頁から第４４５９頁（ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｈｙｓｉｃａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙ、８８（１９８４）pp４４５１ー４４５９）または米国特許第５１３０５３８号には、エレクトロスプレーイオン化法に関する記述がある。液体が導入される金属キャピラリーと対向電極（質量分析計のイオン取り込み口）との間には２.５kV以上の高電圧が印加される。即ち、液体には高電圧が印加される。これにより、液体から帯電液滴が対向電極に向かって電界の印加された空間に噴霧され（静電噴霧現象）、イオンは帯電液滴から生成される。帯電液滴やイオンの極性は印加される電圧の極性と一致する。エレクトロスプレーイオン化法では、電荷数の大きいイオンを生成することができ、タンパク等の分析に用いられることが多い。液体流量は通常は０.００１〜０.０１ミリリットル／分の範囲で使用される。
【０００４】
また、アナリティカル・ケミストリー５９（１９８７年）第２６４２頁から第２６４６頁（ＡｎａｌｙｔｉｃａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙ、５９（１９８７）pp２６４２ー２６４６）または米国特許第４８６１９８８号には、イオンスプレーイオン化法に関する記述がある。噴霧キャピラリー末端の液体と対向電極（質量分析計のイオン取り込み口）との間には、エレクトロスプレーイオン化法と同様に２.５kV以上の高電圧が印加される。これにより、液体からイオンや帯電液滴が対向電極に向かって電界の印加された空間に噴霧される。（静電噴霧現象）イオンスプレーイオン化法では、エレクトロスプレーイオン化法とは異なり、帯電液滴の気化を促進するために噴霧キャピラリーの外側にガスを流す。そのため、同じ静電噴霧現象を利用してイオンを発生させるため、生成されるイオン種はエレクトロスプレーイオン化法の場合と全く同一である。帯電液滴やイオンの極性は印加される電圧の極性と一致する。しかし、液体流量は０.０１〜１ミリリットル／分の範囲で使用され、エレクトロスプレーイオン化法に比較して多い。また、ガスの流速は最大２１６m／sとされる。
【０００５】
液体のガス噴霧の際に、噴霧部の近傍に電極を設け、そこに３.５kVの高電圧を印加することにより帯電液滴やイオンを生成させる記述がジャーナル・オブ・ケミカル・フィジックス７１（１９７９年）第４４５１頁から第４４６３頁（ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓ、７１（１９７９）pp４４５１ー４４６３）または米国特許第４３０００４４号にある。この例では、液体もガスも内径０.３mmの注射針からそれぞれ放出される。しかし、前述のソニックスプレーイオン化法やイオンスプレーイオン化法と異なり、液体の放出される方向とガス流の方向とは直交する構成をとっている。ガス流の流速は不明である。
【０００６】
さて、多数種の物質が混在する混合溶液を質量分析装置に導入すると、得られる質量スペクトルが複雑すぎるために物質の同定が不可能となることがある。そのため、混合溶液の分析においては、液体クロマトグラフやキャピラリー電気泳動装置などの手段を用いて先ず混合溶液の分離が行われ、その抽出液を質量分析装置に導入するという方法が用いられる。即ち、混合溶液の分離分析がオンラインで実現する液体クロマトグラフ／質量分析計結合装置やキャピラリー電気泳動／質量分析計結合装置が存在する。液体クロマトグラフ装置ではポンプにより溶液を充填剤の詰まったカラムに溶液を一定流量で流すことにより、溶液の分離が行われる。そのため、抽出液の電位は接地電位である。一方、キャピラリー電気泳動装置では、キャピラリーに導入された溶液に対しキャピラリー両端に２０〜３０ｋＶ程度の高電圧を印加し電気泳動により溶液を分離する。通常はキャピラリーの出口側の電位を接地電位に設定し、抽出液の電位を接地電位にする。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
質量分析計では、イオンの質量mをその電荷数zで割った値であるm／zによりイオンの分析が行われる。質量分析範囲の上限が非常に大きい質量分析計は装置全体が巨大で高価となるため現実的でない。そのため、一般的な質量分析計では質量分析範囲の上限がm／z＝１０００〜２０００程度とされる。
【０００８】
さて、上記従来技術ではイオンは主に微細な帯電液滴から生成される。上記エレクトロスプレーイオン化法や上記イオンスプレーイオン化法に関する従来技術においては、電荷密度の高い帯電液滴が生成され、電荷数zの値が３以上である多価イオンを生成することができる。そのため、質量mが数万程度であるタンパク等の巨大質量の物質であっても、m／zの値が質量分析範囲に収まるため分析が可能である。ところが、上記ソニックスプレーイオン化法に関する従来技術や上記第四の従来技術では、電荷密度の低い帯電液滴が生成され、電荷数zの小さいイオンが生成される傾向がある。即ち、ペプチドなどの１価、２価イオンの生成および質量分析は可能である。しかし、質量数mの非常に大きいタンパク等の分析においては、電荷数zの値が３以上である多価イオンを生成することができないため、m／zの値が質量分析範囲から逸脱し質量分析ができないという欠点を有する。
【０００９】
また、上記エレクトロスプレーイオン化法やイオンスプレーイオン化法に関する従来技術では、液体に高電圧が印加され、静電噴霧現象によりイオンや帯電液滴が生成される。本現象により生成される液滴には電荷密度の高い微細な帯電液滴も含まれるが、それだけではなく電荷密度の低いミクロンオーダーの大きな帯電液滴も含まれる。その大きな帯電液滴は電荷量に比較して質量が大きすぎて電界や磁界などによりその運動を制御することが困難である。そのため、四重極型質量分析計や四重極イオントラップ型質量分析計を用いて質量分析を行う場合、大きな帯電液滴が質量分離されないまま検出部に到達し、ランダムノイズとして検出される。特に、イオンスプレーイオン化法に関する従来技術では、液体流量が高いため大きな帯電液滴の生成が顕著である。同様の問題は上記４番目の従来技術にも存在する。上記４番目の従来技術では、液体がガス流により噴霧される。しかし、噴霧部では液体の放出される方向とガス流の方向とは直交する構成をとっている。そのため、液体が放出される注射針の末端において、ガス流の上流側と下流側とでガス流速に差が生じ、下流側で生成される液滴ほどサイズは大きくなるという液滴サイズのバラツキの問題がある。また、電極（米国特許第４３０００４４号の図２における電極２７）は１本の棒である。そのため、液体の噴霧部における電極に距離的に近い領域と遠い領域とで生成される液滴の電荷密度が異なる。そのため、低い電荷密度の大きな液滴が多く生成される。上記４番目の従来技術では、質量分析計のイオン取り込み口にカウンターガスフローを発生させ、液滴の気化を促進させるが、充分な気化は不可能である。先述のように、イオンは主に微細な帯電液滴から生成されるが、そのイオン生成効率は液滴の大きさが小さい程高いことが知られている。そして、大きな帯電液滴からのイオン生成効率は無視される程度に低い。従って、大きな帯電液滴の生成に起因して、シグナル強度の低減とノイズレベルの増大によりイオン検出感度は著しく低下するという問題がある。
【００１０】
さらに、上記エレクトロスプレーイオン化法やイオンスプレーイオン化法に関する従来技術においては、噴霧開始時には毎回イオン源の位置を調整してイオン強度の最適化を行う必要があり、操作が繁雑であるという静電噴霧現象に固有の問題が存在する。これは噴霧キャピラリーや対向電極（質量分析計イオン取り込み口）の汚れや濡れにより、生成される噴霧ガスの形状が著しく異なる性質が静電噴霧現象にあるからである。従って、上記エレクトロスプレーイオン化法やイオンスプレーイオン化法に関する従来技術においては、熟練が必要であり、操作性が極めて低いという問題点がある。
【００１１】
さらに、上記エレクトロスプレーイオン化法やイオンスプレーイオン化法に関する従来技術においては液体クロマトグラフやキャピラリー電気泳動装置等の溶液分離手段を上流側に結合させた液体クロマトグラフ／質量分析計結合装置やキャピラリー電気泳動／質量分析計結合装置に採用された場合、溶液分離手段全体に高電圧が印加されるため、取り扱いに際して感電の危険性が存在する。溶液分離手段全体の電位を接地電位に設定して使用することもあるが、この場合には、一種の電気泳動がキャピラリー内で実現するため、イオン生成やイオン分析の再現性は著しく低下する。そのため、液体クロマトグラフ／質量分析計結合装置やキャピラリー電気泳動／質量分析計結合装置では、操作的にも機能的にも充分な機能を発揮していないという問題点がある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、液体を所定の位置へ流すための流通路と、該液体を該流通路の少なくとも一部が絶縁体であり該絶縁体を介して電界を印加する電界印加手段と、前記電界が印加された液体の下流に配置され、前記液体を噴霧して帯電したガスを生成する噴霧手段を有するイオン源が提供される。
【００１３】
また、上記目的を達成するために、液体を所定の位置へ流すための流通路と、該液体を該流通路の少なくとも一部が絶縁体であり該絶縁体を介して電界を印加する電界印加手段と、ガスを供給するガス供給部と該ガス供給部からのガスを供給する供給口とガスを放出する噴射口と該流通路を保持する保持部とからなる部屋である噴霧手段を有するイオン源が提供される。
【００１４】
また、上記目的を達成するために、混合物を含んだ試料液体を分離する分離手段と、該分離された試料液体を所定の位置へ流すための流通路と、該試料液体を該流通路の少なくとも一部が絶縁体であり該絶縁体を介して電界を印加する電界印加手段と、ガスを供給するガス供給部と該ガス供給部からのガスを供給する供給口とガスを放出する噴射口と該流通路を保持する保持部とからなる部屋である噴霧手段と、噴霧されたガスを質量分析し解析するする分析手段からなる質量分析装置が提供される。
【００１５】
また、上記目的を達成するために、混合物を含んだ試料液体を分離する分離手段と、該分離された試料液体を所定の位置へ流すための流通路と、該試料液体を該流通路の少なくとも一部が絶縁体であり該絶縁体を介して電界を印加する電界印加手段と、ガスを供給するガス供給部と該ガス供給部からのガスを供給する供給口とガスを放出する噴射口と該流通路を保持する保持部とからなる部屋である噴霧手段と、噴霧されたガスを質量分析し解析する四重極質量分析計からなる質量分析装置が提供される。
【００１６】
また、上記目的を達成するために、混合物を含んだ試料液体を分離する分離手段と、該分離された試料液体を所定の位置へ流すための流通路と、該試料液体を該流通路の少なくとも一部が絶縁体であり該絶縁体を介して電界を印加する電界印加手段と、ガスを供給するガス供給部と該ガス供給部からのガスを供給する供給口とガスを放出する噴射口と該流通路を保持する保持部とからなる部屋である噴霧手段と、噴霧されたガスを質量分析し解析する四重極トラップ質量分析計からなる質量分析装置が提供される。
【００１７】
また、上記目的を達成するために、混合物を含んだ試料液体を分離する分離手段と、該分離された試料液体の特性を検出する検出手段と、該分離された試料液体を所定の位置へ流すための流通路と、該試料液体を該流通路の少なくとも一部が絶縁体であり該絶縁体を介して電界を印加する電界印加手段と、ガスを供給するガス供給部と該ガス供給部からのガスを供給する供給口とガスを放出する噴射口と該流通路を保持する保持部とからなる部屋である噴霧手段と、噴霧されたガスを質量分析し解析する分析手段と、該検出手段からの信号により電界印加手段と分析手段とを制御する制御部を有する質量分析装置が提供される。
【００１８】
また、上記目的を達成するために、液体を噴霧して電荷が少なくとも３価である多価イオンを生成する一部または全部が絶縁物で構成された噴射口と、前記噴射口の周囲に配置された第一の電極と、前記第一の電極に対向して配置され、前記第一電極との間に一様な電界を生成する第二の電極を有する質量分析装置が提供される。
【００１９】
また、上記目的を達成するために、液体を分離する液体分離手段と、前記液体分離手段で分離された液体の電位を定める金属と、前記液体が供給される流通路と、前記流通路内を流れる前記液体に電界を印加する前記流通路とは電気的に絶縁された電界印加手段と、前記電界が印加された液体の下流に配置され、前記液体を噴霧して帯電液滴を生成する噴霧手段を有するイオン源を噴霧して電荷が少なくとも３価である多価イオンを生成する一部または全部が絶縁物で構成された噴射口と、前記噴射口の周囲に配置された第一の電極と、前記第一の電極に対向して配置され、前記第一電極との間に一様な電界を生成する第二の電極を有する質量分析計からなる液体分離手段が結合した質量分析装置が提供される。
【００２０】
また、上記目的を達成するために、液体を噴霧する噴射口の周囲に配置された第一の電極と、前記第一の電極に対向して配置される第二の電極との間に生成される一様な電界中に電荷が少なくとも３価である多価イオンが生成され、それらのイオンを質量分析計により分析する質量分析法が提供される。
【００２１】
また、上記目的を達成するために、液体を分離する分離工程と、分離されて電位を定められた液体に電界を印加する工程と、前記噴射口の周囲に配置された第一の電極と、前記第一の電極に対向して配置される第二の電極との間に生成される一様な電界中を電荷が少なくとも３価である多価イオンが通過して質量分析する質量分析計に供給し、質量分析して解析する工程とからなる質量分析法が提供される。
【００２２】
また、上記目的を達成するために、液体を噴霧する噴射口の周囲に配置された第一の電極と、前記第一の電極に対向して配置される第二の電極との間に生成される一様な電界中に生成される電荷が少なくとも３価である多価イオンの極性に応じて該液体に印加する電界の極性を変化させる電界印加工程とを含む質量分析法が提供される。
【００２３】
また、上記目的を達成するために、液体に印加する電界の極性を変化させる電界印加工程と、液体を噴霧する噴射口の周囲に配置された第一の電極と、前記第一の電極に対向して配置される第二の電極との間に生成される一様な電界中に電荷が少なくとも３価である前記電界の極性に応じた極性の多価イオンが生成される工程とを含む質量分析法が提供される。
【００２４】
本発明の目的は質量数の大きい物質の分析を行うために、電荷数zが３以上である多価イオンの生成及び分析が実現できる高効率イオン源、高感度質量分析装置あるいは高効率イオン化法、高感度質量分析法を提供することである。
【００２５】
本発明の別の目的はイオン検出感度低減の原因となる大きな帯電液滴があまり生成されない、高感度質量分析装置や高感度質量分析法を提供することである。
【００２６】
本発明のさらに別の目的は操作性の高い高効率イオン源、高感度質量分析装置あるいは高効率イオン化法、高感度質量分析法を提供することである。
【００２７】
本発明のさらに別の目的は液体の電位を接地電位に設定することが可能であり、安全で、イオン生成やイオン分析の再現性の高い、高効率イオン源、高感度質量分析装置あるいは高効率イオン化法、高感度質量分析法を提供することである。
【００２８】
従来のソニックスプレーイオン化法では、噴霧により電気的に中性の液滴が最初に生成される。液滴中には正負イオンが同数含まれるが、液滴と周囲のガスとの組み合わせにより決定される表面電位により正負イオンの密度分布が表面近傍では中心部と比較して顕著に異なる。さらに、音速のガス流により液滴表面から微細な液滴が分離される。これらの微細液滴中では正負イオンの数が異なるため、電荷密度が低いが液滴全体として帯電する。イオンは微細な帯電液滴よりイオン蒸発過程または完全な帯電液滴の気化により生成される。
【００２９】
本発明のイオン化法やイオン源では、ソニックスプレーイオン化法におけるキャピラリーに導入される液体に対し、外部に設置された電極から電界が印加される。例えば、負の電圧が印加される場合、液体表面近傍では正イオン密度が負イオン密度に比較して著しく多くなる。そのため、ガス流により液体が噴霧される際に正に帯電した液滴が優先的に生成され、噴霧ガスは正に帯電する。液滴中ではクーロン反発力により正イオンが表面近傍に集中する。これらの帯電液滴の電荷密度は通常のソニックスプレーイオン化法において生成される帯電液滴の電荷密度に比較して高い。さらに、音速のガス流により液滴表面から微細な液滴が分離されると、極めて電荷密度の高い微細液滴が生成される。イオンは微細液滴よりイオン蒸発過程または完全な帯電液滴の蒸発により生成されることが知られる。前者では、多価イオンのイオン生成効率は一価イオンのそれに比較して一般的に著しく低く無視される程度だが、液滴の電荷密度が高い場合には液滴内のクーロン反発力が著しく大きいために、多価イオンのイオン生成効率も高くなる。そのため、多価イオンも生成可能となる。本発明のイオン化法では、噴霧される前に液体表面近傍の正または負イオンの密度を非常に高くすることができる。そのため、噴霧により生成された液滴に電界を印加することは無意味である。噴霧される前の液体に電界を印加することが必要となる。
【００３０】
また、本発明の質量分析装置や質量分析法では、イオン生成に静電噴霧現象を利用しないため、質量分析計イオン取り込み口や噴霧キャピラリーの汚れ・濡れによりイオン生成が影響されない。そのため、装置の取扱いは容易であり、イオン生成の再現性も高い。
【００３１】
また、本発明の質量分析装置や質量分析法では、イオン源に導入される液体の電位を接地電位に設定することができる。このことにより、イオン源の上流にキャピラリー電気泳動装置や液体クロマトグラフ装置などを結合することが容易になる。また、その結合によりイオン生成の再現性が損なわれることもない。
【００３２】
液体に対する外部からの電場印加法には、キャピラリーの材質に石英や樹脂などの絶縁体を使用し、キャピラリー末端が挿入される金属製オリフィスに電圧を印加する方法がある。さらに別の方法としては、キャピラリーの材質に絶縁体を使用し、キャピラリーの末端近傍の外面を金属コートしておいてキャピラリー外面に電圧を印加する方法がある。さらに、電圧が印加される金属管に絶縁体キャピラリーを挿入する方法も存在する。何れの方法も、液体表面から電極までの距離を一定に保つことが高効率イオン生成には必要である。キャピラリーの材質に金属などの導体を用いる場合は、金属キャピラリーが電気的なシールド効果を持つため、電極には高電圧を印加する必要がある。
【００３３】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の一実施例に基づくイオン源の構成図を示す。液体は流通路１よりキャピラリー２に導入される。キャピラリー２の先端はオリフィス３の中に同軸状に挿入される。ガス供給部４より供給されるガスはガス導入管５よりイオン源本体６に導入され、オリフィス３より外部に放出される。オリフィス３は金属製であり、電源７より電圧がオリフィス３と金属管８との間に印加される。オリフィス３と液体とは導通がないため電流は流れないが、液体には電界が印加される。キャピラリー２の末端に達した液体はガスにより噴霧される。噴霧ガス中にイオンや微細な帯電液滴が生成される。
【００３４】
図２に本発明の一実施例に基づくイオン源の断面図を示す。毎分５〜１００マイクロリッターの流量で液体は電位を接地電位に設定された金属管８に導入された後、石英製キャピラリー２（内径0.1mm、外径0.2mm）に導入される。オリフィス３（内径0.4mm、厚さ１mm）のあるオリフィス板９はジュラルミン製であり、電源７より電圧が印加される。キャピラリー２はテフロン（登録商標）の管１０とステンレス管１１とに挿入され、ステンレス管１１とは接着剤で固定される。また、２本のステンレス管１１の間の空間により液体とイオン源本体６とは電気的に絶縁される。キャピラリー２とオリフィス３の中心軸は一致し、キャピラリー２の末端はオリフィス板９から０.２mm程度だけ露出する。ステンレス管１１はキャピラリー２のイオン源本体６への固定にも用いられている。オリフィス板９はガスの断熱膨張により冷却されると、生成される液滴は凝結し微細化しないことがある。こうなると、結果的に大きな帯電液滴が生成されるため、イオン量は低減する。この問題はオリフィス板９あるいはイオン源本体６にヒーターを設置して加熱するか、イオン源に導入されるガスを予めヒーターで加熱することで回避される。ガスはガスボンベまたはガス・コンプレッサーによりガス導入管５に導入される。その途中にはマスフローコントローラーやパージメーター等のガス流量調節装置が設置され、噴霧に用いられるガスの流量が調節される。丁度ガス流量が毎分３リットルの場合にキャピラリー２末端近傍のガス流速は音速になる。
【００３５】
イオンは直径１０ナノメートル以下の微細な帯電液滴から生成されることが知られる。本実施例ではソニックスプレーイオン化法と同様にガス噴霧により微細な帯電液滴を生成する。ガス噴霧により生成される平均的な液滴の大きさはガス流速が増加すると減少するが、ガス流速が超音速になると平均的な液滴の大きさは増加する。ショック波が発生するからである。（図９参照）従って、ガス流速が音速の場合に平均的な液滴の大きさは最小となり、最も効率的にイオン生成が行われる。キャピラリー２の肉圧が小さいほど、微細な液滴の生成効率は高く、結果的にイオン生成効率は高い。
【００３６】
音速流の生成には、イオン源の周囲の圧力を１気圧としオリフィス３の厚さが無視されるとすると、オリフィス３の上流側には２気圧程度のガス圧が必要である。しかし、オリフィス板９の厚さに応じてオリフィス３内での減圧が無視できないことがある。イオン源本体６に圧力計を設け、ガス圧を調整して音速のガス流を生成させると便利である。この場合、オリフィス３の上流に０.５から５気圧程度のガス圧を印加できるように圧力調整することが無難である。また、パージメーターやマスフローメーター等のガス流量調節手段により、音速流を発生させることも現実的である。オリフィス３の厚さが厚すぎるとオリフィス３内での減圧が大きくなり不必要に加圧する必要が生じる。イオン源本体６の肉厚よりも厚くする必要はない。逆に、オリフィス３の厚さが薄すぎると、強度的にイオン源本体６内部と外部との圧力差に耐えられない。そのため、キャピラリー２の直径よりは厚い、０.５から１ミリメートル程度が現実的である。オリフィス３の上流側のイオン源本体６にはガス圧が減圧されないようにガス溜めとなる空間が必要である。その空間のサイズはキャピラリー２の直径の５倍以上が必要である。
【００３７】
図３に、図２に示した本発明の一実施例に基づくイオン源の見取図を示す。手前方向に噴霧ガスは放出される。キャピラリー２の中心軸に垂直な方向でのイオン源本体６の断面は四角形であるが、円形にすることも可能である。オリフィス板９にはオリフィス３の他に４つの穴があり、イオン源本体６へのオリフィス板９の固定には４本のネジが用いられる。顕微鏡下でオリフィス３の中心とキャピラリー２の中心とが一致するように調整してネジによりオリフィス板９は固定される。このようにして、キャピラリー２の末端に均一なガス流が形成される。図中の寸法より、本発明のイオン源は極めてコンパクトであることが示される。
【００３８】
図４に、噴霧により生成される全イオン電流のオリフィス３への印加電圧依存性を示す。これは液体として４７.５％メタノール／４７.５％水／５％酢酸を添加した溶液を使用した場合の実験結果である。正の電圧が印加された場合に負のイオンや帯電液滴が生成され、負の電圧が印加された場合にはその逆になることが示される。即ち、生成したいイオンの極性の反対の極性の電圧を印加すれば、希望する極性のイオンが生成されることが示される。また、印加電圧の絶対値が１kV以下の場合にはイオン電流は印加電圧の増加に伴い減少するが、印加電圧の絶対値が約１kV以上の場合にはイオン電流にあまり変化がなくなり飽和することが示される。これは噴霧される直前の液体表面近傍における同一符号のイオン密度が限界に達したことを示す。そのため、実験結果に基づいて印加電圧の絶対値は１kV〜２kVの範囲に設定することが実用的である。
【００３９】
さて、液体の電気伝導度が充分に高いと仮定すると、キャピラリー２の中心軸の電位は０Vと見なせ、電場強度は５０００kV／m（＝１０００V／０.２mm）と見積もられる。そのため、オリフィス３の内径がより大きい場合、あるいはより離れた位置に電極を設置した場合には、より高い電圧の印加が必要である。
【００４０】
図５に、印加電圧をー１kVに設定した場合に生成されるイオンを質量分析した結果を示す。これは濃度１マイクロモル／リッター（m mol/L)のｃｙｔｏｃｈｒｏｍｅ−Ｃ（タンパクの一種、分子量約１２５００）溶液（溶媒は５％酢酸を添加した４８％メタノール水）を流量３０マイクロリッター／分でキャピラリーに導入し、音速ガス流を用いた噴霧により生成されたイオンを四重極質量分析計で分析した結果（質量スペクトル）である。ｃｙｔｏｃｈｒｏｍｅ−Ｃ分子に１６個のプロトンが付加した１６価イオン（m／z＝７６６）を中心とした１３価から２０価までの多価イオンのシリーズがm／z＝１０００以下の領域に明瞭に検出される。
【００４１】
これまで、多価イオンの生成にはイオンスプレーイオン法やエレクトロスプレーイオン化法（イオン生成原理は殆ど同等）が用いられてきた。そこで、同一のｃｙｔｏｃｈｒｏｍｅ−Ｃ溶液よりイオンスプレーイオン法を用いてイオンを生成させ、同一の四重極質量分析計でイオン検出を行った。その結果を図６に示す。縦軸は図５の場合と同一である。多価イオンについては質量スペクトルのスペクトルターンは同様のものが得られているが、イオン強度は図５の結果と比較して２.６倍程低い。このことは本発明のイオン源をにおいて印加電圧を約７００Vに設定して得られるイオン検出感度に相当する。また、図６においてはノイズレベルが図５に比較して著しく高いことが示される。このノイズは本発明のイオン化法に比較してイオンスプレーイオン法において大きい帯電液滴が多量に生成され、それらがランダムノイズとして検出されるためである。S／N比は図５の場合に比較して約９倍小さい。そのため、図５に示す本発明のイオン化法を用いたほうがより高感度なイオン検出ができることが示される。また、図６においてはm／z＝３００以下の領域で溶媒由来のイオンが多く検出される。このような複雑な質量スペクトルの解析には習熟が必要である。
【００４２】
図７、８に、ｍｙｏｇｌｏｂｉｎ溶液（濃度１マイクロモル／リッター、溶媒は５％酢酸を添加した４８％メタノール水）およびｈｅｍｏｇｌｏｂｉｎ溶液（濃度１マイクロモル／リッター、溶媒は５％酢酸を添加した４８％メタノール水）から得られた質量スペクトルをそれぞれ示す。ｍｙｏｇｌｏｂｉｎは分子量１７２００であり、プロトンが２２個付加した２２価イオン（m／z＝７７２）を中心とした１８価から２６価までの多価イオンのシリーズが検出される。ｈｅｍｏｇｌｏｂｉｎは２種類のサブユニットが２個づつ結合した分子量６４５００のタンパクである。図８では、サブユニットの質量スペクトルが観測されている。
【００４３】
図９に、図５における１６価イオンの相対強度に対する噴霧ガス流量Ｆ依存性を示す。用いたイオン源は図２に示す実施例のものである。ガス流速はガス流量の増加に伴い増加する関係にある。本実験では、ガス流量が約３リットル／分の場合にガス流速は音速（マッハ１）に対応し、約７リットル／分の場合にガス流速はマッハ２以下であることが既にわかっている。（アナリティカル・ケミストリー６６（１９９４年）第４５５７項から第４５５９項（ＡｎａｌｙｔｉｃａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙ、６６（１９９４）pp ４５５７ー４５５９））図より、ガス流量が１.４リッター／分以下の場合にはイオンは生成されず、１.４リッター／分以上の場合にイオン強度はガス流量の増加に伴い増加するが、イオン強度は約３リッター／分の場合に最大となり、それ以上の流量（超音速領域）では、ショック波の発生によりイオン強度は低減することが示される。これより、このガス流量に対するイオン強度依存性は従来のソニックスプレーイオン化法のそれと類似するが、本発明のイオン源から生成される噴霧ガスは全体として正または負に帯電する点が特徴的である。
【００４４】
さて、先に述べたように、ガス流速を流量調節手段を用いてガス流量Ｆを調整することにより制御することも可能である。図２に示すイオン源の例では、オリフィスとキャピラリーとの間のすき間のキャピラリーに垂直な断面の面積Ｓは９.４×１０ー８ｍ２と計算される。Ｆを標準状態（２０℃、１気圧）とすると、Ｆ／ＳはＦが１.４リッター／分の場合が２５０ｍ／ｓとなり、７リッター／分の場合が約１２００ｍ／ｓと見積もられる。ここで、Ｆ／Ｓの単位は速度であるがガス流速とは異なることに注意が必要である。
【００４５】
ガス流速をイオン源内のガス圧により制御することも可能である。図９でイオン生成が始まるのが約１.２気圧である。等エントロピー流れを仮定すると、オリフィスの厚さが充分に薄い場合には、ガス圧が１.２気圧でマッハ約０.５、約２気圧でマッハ１が達成される。マッハ２を実現するには７.８気圧が必要である。ちなみに、マッハ３では４０気圧程度も必要となり、実用面で問題がある。ガス圧でガス流速を制御するには、ガス圧を０.５〜５気圧の範囲で調整するのが現実的である。
【００４６】
このイオン源では、オリフィス径が０.４ｍｍであり、石英キャピラリーの外径は０.２ｍｍである。そのため、オリフィスとキャピラリーとのすき間の断面積Ｓは９.４×１０ー８ｍ３と計算される。そこで、パラメーターＦ／Ｓを用いると、Ｆが１.４リッター／分の場合は２５０ｍ／ｓであり、音速の状態は５３０ｍ／ｓとなる。（パラメーターＦ／Ｓの単位は速度であるが、実際のガス流速とは関係ないことに注意が必要である）Ｆを７（Ｆ／Ｓ＝１２００ｍ／ｓ）以上に増加させても、ガスの消費量が増加するだけでイオン生成効率は増加しない。そのため、実際にはＦ／Ｓは２５０〜１２００ｍ／ｓの範囲内で使用される。Ｓはイオン源の構造で決定されるため、ガス流量Ｆをマスフローメーターやパージメーターなどの流量調節計を用いて調整すると便利である。
【００４７】
ガスは液体の噴霧のために用いられる。そのため、ガスの種類はイオン生成にはほとんど関与しない。実際には窒素ガスを用いるのが便利である。安価であるうえに、乾燥しているために液滴の気化に有効であるからである。窒素ガスの他に、空気や酸素、あるいは二酸化炭素、希ガス等を用いでも同様の効果を得ることができる。
【００４８】
図１０に、本発明の別の一実施例に基づくイオン源の断面図を示す。石英製キャピラリー２（内径0.01mm、外径0.05mm）の末端部５ｍｍには外面にアルミ蒸着がなされ、電源７より電圧が印加される。図４の説明で述べたように、効率よくイオンを生成させるためには、ある程度以上の電場強度を発生させる必要がある。本実施例では、電極に印加する電圧は図２の実施例と比較して低電圧に設定することができる。本実施例では、イオン源本体６は接地電位に設定することができるため、操作の際の安全性は極めて高い。
【００４９】
図１１に、本発明のさらに別の一実施例に基づくイオン源の断面図を示す。樹脂製キャピラリー２は管状の電極１２に挿入され、電極１２に電源７より電圧が印加される。樹脂製キャピラリー２と電極１２は絶縁性の接着剤で固定される。充分な高電圧が印加されるのであれば、管状の電極１２は必ずしもキャピラリー２と同軸状に設置される必要はない。しかし、同軸状の場合には低い印加電圧でイオン生成が行われる。また、同様にして、電極１２に充分な高電圧が印加されるのであれば、電極１２は必ずしも管状である必要はない。電極１２がキャピラリー２末端より手前に設置される方がそうでない場合よりも印加電圧がはるかに低くてすむ。
【００５０】
図１２に、本発明のさらに別の一実施例に基づくイオン源の断面図を示す。石英製キャピラリー２はヒーター１３により加熱される加熱ブロック１４により加熱される。そのため、キャピラリー２に導入される液体は加熱により噴霧される。電極１２により生成される電界により、キャピラリー２中で噴霧により生成される液滴は帯電し、帯電液滴やイオンが生成される。液体の加熱には、赤外線レーザーやランプを用いることも可能である。
【００５１】
図１３に、本発明のさらに別の一実施例に基づくイオン源の断面図を示す。石英製キャピラリー２に導入される液体はその末端で横方向からガス噴射部１５より生成されるガス流により噴霧される。この場合、比較的大きな帯電液滴が生成されるが、キャピラリー２の位置調節は極めて簡単に行うことができる。特にイオンを生成させる必要がなく、帯電液滴の生成だけで充分である場合には、本実施例は極めて単純な帯電液滴発生装置となる。
【００５２】
図１４に、本発明のさらに別の一実施例に基づくイオン源の断面図を示す。石英製キャピラリー２に導入される液体は超音波振動子１６により液滴に変換される。電極１２により発生される電界により、液滴生成時に液滴は帯電する。帯電した噴霧ガスは空間的に広く拡散する。図１２から１４に示される実施例では、ガスボンベやコンプレッサー等を使用せずにイオン生成ができるという利点がある。
【００５３】
図１５に、本発明の一実施例の質量分析装置の構成図を示す。液体は流通路１より一定流量でキャピラリー２に導入される。キャピラリー２の先端はオリフィス３に同軸状に挿入される。ガス供給部４より供給される窒素ガスはガス導入管５よりイオン源本体６に導入され、オリフィス３より外部に放出される。金属製のオリフィス板９には、電源７より電圧が印加される。このことにより、キャピラリー２の末端に達した液体には電界が印加される。電界が印加された液体はオリフィス３からのガス流に従い大気圧下に噴霧される。一般的には、噴霧ガスが生成されるオリフィス板９と質量分析計入り口の細孔１７との間の空間には一様な電界が存在する。噴霧ガス中に生成されるイオンや帯電液滴は質量分析計入り口の細孔１７より真空中に導入され、高真空部に設置された質量分析部１８で電場または磁場により質量分離される。質量分離されたイオンはイオン検出部１９で検出される。イオン検出部１９の出力は計算機２０に送られ、解析される。電源７と質量分析計１８は計算機２０により制御することができる。即ち、電源７より発生される間欠的電圧信号により生成される正・負イオンをイオン生成に同期して質量分離してイオン検出することができる。例えば、金属管８の電位は接地電位に設定し、電源７で振幅１kVの矩型波電圧をオリフィス板９に印加して正負イオンを生成させると、それと同期して正負イオンの分析を行うことができる。キャピラリー２または金属管８と細孔１７とを同電位に設定して噴霧ガスが生成される空間に電界が存在しないようにした場合も、２００V程度の電位差を発生させた場合も、イオン検出には全く問題ない。
【００５４】
金属管８の電位は接地電位にすると、キャピラリー２の中を流れる液体の電位は接地電位に設定することができる。そのため、流通路１にはキャピラリー電気泳動装置や液体クロマトグラフ等の溶液分離手段を結合することが容易である。
【００５５】
図１６に、本発明の一実施例のキャピラリー電気泳動／質量分析計結合装置の構成図を示す。混合溶液はキャピラリー電気泳動装置２１に導入され、キャピラリー両端に印加される高電圧により電気泳動されて分離される。分離溶液は検出部２２で検出された後にキャピラリー２に導入される。キャピラリー２の先端はオリフィス３に同軸状に挿入される。ガス供給部４より供給される窒素ガスはガス導入管５よりイオン源本体６に導入され、オリフィス３より外部に放出される。オリフィス板９は金属製であり、電源７より電圧が印加される。キャピラリー２の末端に達した液体はガスにより大気圧下に噴霧される。噴霧ガス中に生成されるイオンや帯電液滴は質量分析計入り口の細孔１７より真空中に導入され、高真空部に設置された質量分析部１８で電場または磁場により質量分離される。質量分離されたイオンはイオン検出部１９で検出される。イオン検出部１９の出力は計算機２０に送られ、解析される。電源７と質量分析計１８は計算機２０により制御することができる。即ち、電源７より発生される間欠的電圧信号により生成される正・負イオンをイオン生成に同期して質量分離してイオン検出することができる。例えば、金属管８の電位は設置電位に設定し、電源７で振幅１kVの矩型波電圧をオリフィス板９に印加して正負イオンを生成させると、それと同期して正負イオンの分析を行うことができる。キャピラリー２または金属管８と細孔１７とを同電位に設定して噴霧ガスが生成される空間に電界が存在しないようにした場合も、２００V程度の電位差を発生させた場合も、イオン検出には全く問題ない。質量分析部１８には、四重極型質量分析計、四重極トラップ型質量分析計、磁場型質量分析計、飛行時間型質量分析計あるいはフ−リエ変換型質量分析計といったあらゆる質量分析計を用いることができる。金属管８の電位を接地電位に設定することにより、キャピラリー電気泳動装置２１の混合溶液の電位も接地電位に設定することができる。そのため、混合溶液の分離においては全く支障がなくキャピラリー電気泳動装置２１を動作させることができ、オンラインで混合溶液の高感度分離分析が実現する。キャピラリー電気泳動装置２１の代わりに液体クロマトグラフ装置等の溶液分離手段を用いても、全く同様にオンラインで混合溶液の高感度分離分析が実現する。
【００５６】
図１７に、本発明の一実施例のキャピラリー電気泳動／質量分析計結合装置の構成図を示す。混合溶液はキャピラリー電気泳動装置２１に導入され、キャピラリー両端に印加される高電圧により電気泳動されて分離される。分離溶液は検出部２２で検出された後に接地電位に設定された金属管８を通り、キャピラリー２に導入される。キャピラリー２の先端はオリフィス３に同軸状に挿入される。ガス供給部４より供給される窒素ガスはガス導入管５よりイオン源本体６に導入され、オリフィス３より外部に放出される。オリフィス板９は金属製であり、電源７より電圧が印加される。キャピラリー２の末端に達した液体はガスにより大気圧下に噴霧される。噴霧ガス中に生成されるイオンや帯電液滴は質量分析計入り口の細孔１７より真空中に導入され、高真空部に設置された質量分析部１８で電場または磁場により質量分離される。質量分離されたイオンはイオン検出部１９で検出される。検出部２２の出力は計算機２０に送られる。それに基づいて、計算機２０から電源７と質量分析計１８を指示する信号が送られる。そして、イオン検出部１９の出力は計算機２０に送られ、解析される。
【００５７】
キャピラリー電気泳動装置２１で分離される物質には、噴霧により正イオンになるものと負イオンになるものがある。そのため、例えば負イオンになる物質が分離されても、噴霧により正イオンしか生成できなかったり、正イオンしか分析できないような状態であれば、その物質の分析はできない。そこで、分離物質がキャピラリー２から噴霧される間に、オリフィス板９に印加される電圧の極性を反転させ、正イオン分析と負イオン分析の両方を行う。金属管８の電位は接地電位に設定されるため、正負イオン分析を行うことがキャピラリー電気泳動装置２１に影響することはない。キャピラリー電気泳動装置２１の代わりに液体クロマトグラフ装置等の溶液分離手段を用いても、全く同様にオンラインで混合溶液の高感度分離分析が実現する。
【００５８】
【発明の効果】
本発明のイオン源及びこれを用いる質量分析装置では、静電噴霧現象を利用するエレクトロスプレーイオン化法やイオンスプレーイオン化法と比較するとイオン生成の安定性や再現性が高い。噴霧を一旦中断してから再開してもイオン生成は再現するため、イオン源の操作性は極めて高い。イオン生成において、溶液のガス噴霧だけを利用しているからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のイオン源の構成図。
【図２】本発明の一実施例にともづくイオン源の断面図。
【図３】本発明の一実施例にともづくイオン源の見取図。
【図４】全イオン電流のオリフィス３への印加電圧依存性。
【図５】ｃｙｔｏｃｈｒｏｍｅ−Ｃ溶液より得られた質量スペクトル。
【図６】ｃｙｔｏｃｈｒｏｍｅ−Ｃ溶液より得られたオンスプレーイオン化法による質量スペクトル。
【図７】ｍｙｏｇｌｏｂｉｎ溶液より得られた質量スペクトル。
【図８】ｈｅｍｏｇｌｏｂｉｎ溶液より得られた質量スペクトル。
【図９】イオン強度の噴霧ガス流量依存性。
【図１０】本発明の別の一実施例にともづくイオン源の断面図。
【図１１】本発明のさらに別の一実施例にともづくイオン源の断面図。
【図１２】本発明のさらに別の一実施例にともづくイオン源の断面図。
【図１３】本発明のさらに別の一実施例にともづくイオン源の断面図。
【図１４】本発明のさらに別の一実施例にともづくイオン源の断面図。
【図１５】本発明の一実施例の質量分析装置の構成図。
【図１６】本発明の一実施例のキャピラリー電気泳動／質量分析計結合装置の構成図。
【図１７】本発明の別の一実施例のキャピラリー電気泳動／質量分析計結合装置の構成図。
【符号の説明】
１：流通路、２：キャピラリー、３：オリフィス、４：ガス供給部、５：ガス導入管、６：イオン源本体、７：電源、８：金属管、９：オリフィス板、１０：管、１１：ステンレス管、１２：管状電極、１３：ヒーター、１４：加熱ブロック、１５：ガス噴射部、１６：超音速振動子、１７：細孔、１８：質量分析部、１９：イオン検出部、２０：計算機、２１：キャピラリー電気泳動装置、２２：検出部。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ion source and a mass spectrometer using the same, and more particularly to an ion source suitable for ionizing a sample present in a liquid and introducing it into a mass spectrometer, a mass spectrometer using the ion source, and a liquid chromatograph. The present invention relates to a mass spectrometer coupling device and a Capillary electrophoresis / mass spectrometer coupling device.
[0002]
[Prior art]
Analytical Chemistry 66 (1994), pages 4557 to 4559 (Analytical Chemistry, 66 (1994) pp 4557-4559) describes the sonic spray ionization method. By flowing a gas coaxially from the outside of the capillary and spraying the liquid at the end of the capillary, ions and charged droplets are stably generated. When the gas flow velocity at the capillary tip is sonic, the amount of positive and negative ions generated by spraying is maximized. In this case, neither an electric field nor a voltage is applied to the liquid. The generated spray gas is neutral as a whole, and the amount of positive ions and the amount of negative ions are equal.
[0003]
Also, Journal of Physical Chemistry 88 (1984), pages 4451 to 4459 (Journal of Physical Chemistry, 88 (1984) pp 4451-4559) or US Pat. No. 5,130,538 describes the electrospray ionization method. There is. A high voltage of 2.5 kV or higher is applied between the metal capillary into which the liquid is introduced and the counter electrode (the ion intake port of the mass spectrometer). That is, a high voltage is applied to the liquid. Thereby, charged droplets are sprayed from the liquid toward the counter electrode in a space where an electric field is applied (electrostatic spray phenomenon), and ions are generated from the charged droplets. The polarity of the charged droplet or ion coincides with the polarity of the applied voltage. In the electrospray ionization method, ions having a large number of charges can be generated and are often used for analysis of proteins and the like. The liquid flow rate is usually used in the range of 0.001 to 0.01 ml / min.
[0004]
Analytical Chemistry 59 (1987), pages 2642 to 2646 (Analytical Chemistry, 59 (1987) pp 2642-2646) or US Pat. A high voltage of 2.5 kV or more is applied between the liquid at the end of the spray capillary and the counter electrode (the ion intake port of the mass spectrometer) as in the electrospray ionization method. Thereby, ions and charged droplets are sprayed from the liquid toward the counter electrode in a space where an electric field is applied. (Electrostatic spray phenomenon) In the ion spray ionization method, unlike the electrospray ionization method, a gas is allowed to flow outside the spray capillary in order to promote the vaporization of the charged droplets. Therefore, since ions are generated using the same electrostatic spray phenomenon, the generated ion species is exactly the same as in the electrospray ionization method. The polarity of the charged droplet or ion coincides with the polarity of the applied voltage. However, the liquid flow rate is used in the range of 0.01 to 1 ml / min, and is higher than that of the electrospray ionization method. The maximum gas flow rate is 216 m / s.
[0005]
The description of the formation of charged droplets and ions by applying an electrode in the vicinity of the spraying part and applying a high voltage of 3.5 kV to the spraying part when spraying a liquid gas is described in Journal of Chemical Physics 71 (1979). Years, pages 4451 to 4463 (Journal of Chemical Physics, 71 (1979) pp 4451-4463) or U.S. Pat. No. 4300044. In this example, both liquid and gas are discharged from an injection needle having an inner diameter of 0.3 mm. However, unlike the sonic spray ionization method and the ion spray ionization method described above, the liquid discharge direction and the gas flow direction are orthogonal to each other. The flow rate of the gas flow is unknown.
[0006]
Now, when a mixed solution containing many kinds of substances is introduced into a mass spectrometer, the obtained mass spectrum may be too complex, and identification of the substances may be impossible. Therefore, in the analysis of the mixed solution, a method is used in which the mixed solution is first separated using means such as a liquid chromatograph or a capillary electrophoresis apparatus, and the extract is introduced into the mass spectrometer. In other words, there are a liquid chromatograph / mass spectrometer coupling device and a capillary electrophoresis / mass spectrometer coupling device that enable separation analysis of a mixed solution online. In the liquid chromatograph apparatus, the solution is separated by flowing the solution at a constant flow rate through a column packed with a packing by a pump. Therefore, the potential of the extract is a ground potential. On the other hand, in the capillary electrophoresis apparatus, a high voltage of about 20 to 30 kV is applied to both ends of the capillary with respect to the solution introduced into the capillary, and the solution is separated by electrophoresis. Usually, the potential on the outlet side of the capillary is set to the ground potential, and the potential of the extract is set to the ground potential.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the mass spectrometer, ions are analyzed by m / z, which is a value obtained by dividing the mass m of ions by the number of charges z. A mass spectrometer with a very high mass analysis range is not practical because the entire instrument is huge and expensive. Therefore, in a general mass spectrometer, the upper limit of the mass analysis range is about m / z = 1000 to 2000.
[0008]
In the above prior art, ions are mainly generated from fine charged droplets. In the prior art relating to the electrospray ionization method or the ion spray ionization method, charged droplets having a high charge density are generated, and multivalent ions having a value of the number of charges z of 3 or more can be generated. Therefore, even a mass material such as a protein having a mass m of about several tens of thousands can be analyzed because the m / z value falls within the mass analysis range. However, in the conventional technique related to the sonic spray ionization method and the fourth conventional technique, charged droplets having a low charge density tend to be generated, and ions having a small charge number z tend to be generated. That is, production of monovalent and divalent ions such as peptides and mass spectrometry are possible. However, in the analysis of proteins with a very large mass number m, multivalent ions with a charge number z value of 3 or more cannot be generated. It has the disadvantage that it cannot be analyzed.
[0009]
Further, in the conventional techniques related to the electrospray ionization method and the ion spray ionization method, a high voltage is applied to the liquid, and ions and charged droplets are generated by an electrostatic spray phenomenon. Droplets generated by this phenomenon include fine charged droplets with high charge density, but also include large charged droplets on the order of microns with low charge density. The large charged droplet has a mass that is too large compared to the amount of charge, and it is difficult to control its movement by an electric field or a magnetic field. Therefore, when performing mass analysis using a quadrupole mass spectrometer or a quadrupole ion trap mass spectrometer, a large charged droplet reaches the detection unit without being separated by mass and is detected as random noise. In particular, in the prior art relating to the ion spray ionization method, the generation of large charged droplets is remarkable due to the high liquid flow rate. A similar problem exists in the fourth prior art. In the fourth prior art, the liquid is sprayed by a gas flow. However, the spraying portion has a configuration in which the liquid discharge direction and the gas flow direction are orthogonal to each other. Therefore, at the end of the injection needle from which the liquid is discharged, there is a difference in the gas flow velocity between the upstream side and the downstream side of the gas flow, and the droplet size variation is such that the droplet generated on the downstream side becomes larger. There's a problem. The electrode (electrode 27 in FIG. 2 of US Pat. No. 4300044) is a single bar. For this reason, the charge density of the generated droplets is different between a region near the electrode and a region far from the electrode in the liquid spraying portion. Therefore, many large droplets having a low charge density are generated. In the fourth prior art, a counter gas flow is generated at the ion intake port of the mass spectrometer to promote the vaporization of the droplets, but sufficient vaporization is impossible. As described above, ions are mainly generated from fine charged droplets, and it is known that the ion generation efficiency is higher as the droplet size is smaller. And the ion production efficiency from a large charged droplet is negligibly low. Therefore, there is a problem that due to the generation of large charged droplets, the ion detection sensitivity is remarkably reduced due to a decrease in signal intensity and an increase in noise level.
[0010]
Furthermore, in the conventional techniques related to the electrospray ionization method and the ion spray ionization method, it is necessary to adjust the ion source position every time the spraying is started to optimize the ion intensity, and the electrostatic spraying is complicated. There are problems specific to the phenomenon. This is because the electrostatic spray phenomenon has the property that the shape of the generated spray gas is remarkably different due to the contamination and wetting of the spray capillary and the counter electrode (mass spectrometer ion intake port). Therefore, the conventional techniques related to the electrospray ionization method and the ion spray ionization method require a skill and have a problem that the operability is extremely low.
[0011]
Furthermore, in the prior art related to the above electrospray ionization method and ion spray ionization method, a liquid chromatograph / mass spectrometer coupling device or capillary electrophoresis in which a solution separation means such as a liquid chromatograph or capillary electrophoresis device is coupled upstream. / When employed in a mass spectrometer coupling device, a high voltage is applied to the entire solution separation means, and there is a risk of electric shock during handling. The potential of the entire solution separation means may be set to the ground potential, but in this case, since a kind of electrophoresis is realized in the capillary, the reproducibility of ion generation and ion analysis is significantly reduced. For this reason, the liquid chromatograph / mass spectrometer coupling device and the capillary electrophoresis / mass spectrometer coupling device have a problem that they do not exhibit sufficient functions in terms of operation and function.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a flow passage for flowing a liquid to a predetermined position, and an electric field applying means for applying an electric field to the liquid through at least a part of the flow passage and being an insulator. There is provided an ion source having spraying means disposed downstream of the liquid to which the electric field is applied and spraying the liquid to generate a charged gas.
[0013]
In order to achieve the above object, a flow path for flowing a liquid to a predetermined position, and an electric field application for applying an electric field to the liquid through at least a part of the flow path and an insulator. Ion having a spraying means, which is a room comprising means, a gas supply part for supplying gas, a supply port for supplying gas from the gas supply part, an injection port for releasing gas, and a holding part for holding the flow passage A source is provided.
[0014]
In order to achieve the above object, a separation means for separating the sample liquid containing the mixture, a flow path for flowing the separated sample liquid to a predetermined position, and the sample liquid at least in the flow path An electric field applying means for applying an electric field through the insulator, a part of which is an insulator, a gas supply unit for supplying gas, a supply port for supplying gas from the gas supply unit, and an injection port for discharging gas There is provided a mass spectrometer comprising a spray means which is a room composed of a holding section for holding the flow passage, and an analysis means for performing mass analysis and analysis of the sprayed gas.
[0015]
In order to achieve the above object, a separation means for separating the sample liquid containing the mixture, a flow path for flowing the separated sample liquid to a predetermined position, and the sample liquid at least in the flow path An electric field applying means for applying an electric field through the insulator, a part of which is an insulator, a gas supply unit for supplying gas, a supply port for supplying gas from the gas supply unit, and an injection port for discharging gas There is provided a mass spectrometer comprising a spray means which is a room composed of a holding section for holding the flow passage, and a quadrupole mass spectrometer which analyzes and analyzes the sprayed gas.
[0016]
In order to achieve the above object, a separation means for separating the sample liquid containing the mixture, a flow path for flowing the separated sample liquid to a predetermined position, and the sample liquid at least in the flow path An electric field applying means for applying an electric field through the insulator, a part of which is an insulator, a gas supply unit for supplying gas, a supply port for supplying gas from the gas supply unit, and an injection port for discharging gas There is provided a mass spectrometer comprising a spraying means which is a room composed of a holding part for holding the flow passage, and a quadrupole trap mass spectrometer which analyzes and analyzes the sprayed gas.
[0017]
In order to achieve the above object, a separating means for separating the sample liquid containing the mixture, a detecting means for detecting the characteristics of the separated sample liquid, and flowing the separated sample liquid to a predetermined position A flow path for supplying the sample liquid, an electric field applying means for applying an electric field through the insulator, wherein at least a part of the flow path is an insulator, a gas supply unit for supplying a gas, and the gas supply unit Spraying means, which is a room comprising a supply port for supplying a gas, an injection port for discharging the gas, and a holding part for holding the flow passage, an analysis means for analyzing and analyzing the sprayed gas, and the detection means A mass spectrometer having a control unit for controlling the electric field applying means and the analyzing means by a signal from the above is provided.
[0018]
Further, in order to achieve the above object, a part or all of the liquid sprayed to generate polyvalent ions having a charge of at least trivalent to form a charge is disposed around the spray hole. There is provided a mass spectrometer having a first electrode formed and a second electrode disposed opposite to the first electrode and generating a uniform electric field between the first electrode and the first electrode.
[0019]
In order to achieve the above object, the liquid separating means for separating the liquid, the metal that determines the potential of the liquid separated by the liquid separating means, the flow path to which the liquid is supplied, and the inside of the flow path An electric field applying means that is electrically insulated from the flow path for applying an electric field to the flowing liquid, and a spray that is disposed downstream of the liquid to which the electric field is applied and sprays the liquid to generate charged droplets. A part or all of an injection port that sprays an ion source having a means to generate multivalent ions having a charge of at least trivalent, and a first electrode disposed around the injection port And a mass spectrometer in which a liquid separation means composed of a mass spectrometer having a second electrode that is disposed opposite to the first electrode and generates a uniform electric field between the first electrode and the first electrode is coupled Provided.
[0020]
In addition, in order to achieve the above object, the first electrode arranged around the injection port for spraying the liquid and the second electrode arranged opposite to the first electrode are generated. Provided is a mass spectrometry method in which multiply charged ions having a charge of at least trivalent are generated in a uniform electric field and analyzed by a mass spectrometer.
[0021]
In order to achieve the above object, a separation step of separating the liquid, a step of applying an electric field to the liquid that has been separated and set a potential, a first electrode disposed around the ejection port, A mass spectrometer in which a multivalent ion having a charge of at least trivalent passes through a uniform electric field generated between a second electrode arranged opposite to the first electrode and performs mass analysis There is provided a mass spectrometry method comprising a step of supplying, analyzing by mass spectrometry.
[0022]
In addition, in order to achieve the above object, the first electrode arranged around the injection port for spraying the liquid and the second electrode arranged opposite to the first electrode are generated. And a step of applying an electric field to change the polarity of the electric field applied to the liquid in accordance with the polarity of the multivalent ions whose charge generated in the uniform electric field is at least trivalent.
[0023]
In order to achieve the above object, an electric field applying step for changing the polarity of the electric field applied to the liquid, a first electrode disposed around an injection port for spraying the liquid, and facing the first electrode And a step of generating multivalent ions having a polarity corresponding to the polarity of the electric field having a charge of at least trivalent in a uniform electric field generated between the second electrode and the second electrode. An analytical method is provided.
[0024]
An object of the present invention is to provide a highly efficient ion source, highly sensitive mass spectrometer, or highly efficient ionization method capable of generating and analyzing multiply charged ions having a charge number z of 3 or more in order to analyze a substance having a large mass number. It is to provide high sensitivity mass spectrometry.
[0025]
Another object of the present invention is to provide a high-sensitivity mass spectrometer and a high-sensitivity mass spectrometry method in which large charged droplets that cause a reduction in ion detection sensitivity are not generated.
[0026]
Still another object of the present invention is to provide a high-efficiency ion source, a high-sensitivity mass spectrometer, a high-efficiency ionization method, and a high-sensitivity mass spectrometry with high operability.
[0027]
Still another object of the present invention is to set the potential of the liquid to the ground potential, which is safe, highly reproducible for ion generation and ion analysis, high efficiency ion source, high sensitivity mass spectrometer or high efficiency. It is to provide an ionization method and a high sensitivity mass spectrometry.
[0028]
In conventional sonic spray ionization methods, electrically neutral droplets are first generated by spraying. Although the same number of positive and negative ions are contained in the droplet, the density distribution of the positive and negative ions is significantly different in the vicinity of the surface compared to the central portion due to the surface potential determined by the combination of the droplet and the surrounding gas. Furthermore, fine droplets are separated from the surface of the droplets by the sonic gas flow. Since the number of positive and negative ions in these fine droplets is different, the entire droplet is charged although the charge density is low. Ions are generated from fine charged droplets by an ion evaporation process or by complete vaporization of charged droplets.
[0029]
In the ionization method and ion source of the present invention, an electric field is applied from an external electrode to the liquid introduced into the capillary in the sonic spray ionization method. For example, when a negative voltage is applied, the positive ion density is significantly higher than the negative ion density in the vicinity of the liquid surface. Therefore, positively charged droplets are preferentially generated when the liquid is sprayed by the gas flow, and the spray gas is positively charged. In the droplet, positive ions concentrate near the surface due to Coulomb repulsion. The charge density of these charged droplets is higher than the charge density of the charged droplets produced in the usual sonic spray ionization method. Furthermore, when fine droplets are separated from the droplet surface by the sonic gas flow, fine droplets with extremely high charge density are generated. It is known that ions are generated from fine droplets by an ion evaporation process or evaporation of completely charged droplets. In the former, the ion generation efficiency of multiply charged ions is generally negligible compared to that of monovalent ions, but when the charge density of the droplet is high, the Coulomb repulsive force in the droplet is significantly large. Therefore, the ion generation efficiency of multiply charged ions is also increased. Therefore, multivalent ions can also be generated. In the ionization method of the present invention, the density of positive or negative ions near the liquid surface can be made very high before being sprayed. Therefore, it is meaningless to apply an electric field to droplets generated by spraying. It is necessary to apply an electric field to the liquid before being sprayed.
[0030]
Further, in the mass spectrometer and mass spectrometry of the present invention, since the electrostatic spray phenomenon is not used for ion generation, ion generation is not affected by dirt or wetting of the mass spectrometer ion intake port or the spray capillary. Therefore, handling of the apparatus is easy and reproducibility of ion generation is high.
[0031]
In the mass spectrometer and mass spectrometry of the present invention, the potential of the liquid introduced into the ion source can be set to the ground potential. This facilitates coupling of a capillary electrophoresis device, a liquid chromatograph device, or the like upstream of the ion source. Moreover, the reproducibility of ion generation is not impaired by the bond.
[0032]
As an external electric field application method for a liquid, there is a method in which an insulator such as quartz or resin is used as a material of a capillary and a voltage is applied to a metal orifice into which a capillary end is inserted. As yet another method, there is a method in which an insulator is used as the material of the capillary, the outer surface near the end of the capillary is coated with metal, and a voltage is applied to the outer surface of the capillary. There is also a method of inserting an insulator capillary into a metal tube to which a voltage is applied. In any method, it is necessary to maintain a constant distance from the liquid surface to the electrode for high-efficiency ion generation. When a conductor such as a metal is used as the material of the capillary, it is necessary to apply a high voltage to the electrode because the metal capillary has an electrical shielding effect.
[0033]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a block diagram of an ion source according to an embodiment of the present invention. The liquid is introduced into the capillary 2 through the flow path 1. The tip of the capillary 2 is inserted coaxially into the orifice 3. The gas supplied from the gas supply unit 4 is introduced into the ion source body 6 through the gas introduction pipe 5 and discharged to the outside through the orifice 3. The orifice 3 is made of metal, and a voltage is applied between the orifice 3 and the metal tube 8 from the power source 7. Since the orifice 3 and the liquid are not conductive, no current flows, but an electric field is applied to the liquid. The liquid reaching the end of the capillary 2 is sprayed with gas. Ions and fine charged droplets are generated in the atomizing gas.
[0034]
FIG. 2 shows a cross-sectional view of an ion source according to an embodiment of the present invention. At a flow rate of 5 to 100 microliters per minute, the liquid is introduced into the metal tube 8 whose potential is set to the ground potential and then introduced into the quartz capillary 2 (inner diameter 0.1 mm, outer diameter 0.2 mm). An orifice plate 9 having an orifice 3 (inner diameter 0.4 mm, thickness 1 mm) is made of duralumin, and a voltage is applied from a power source 7. The capillary 2 is inserted into a Teflon (registered trademark) tube 10 and a stainless tube 11, and is fixed to the stainless tube 11 with an adhesive. Further, the liquid and the ion source body 6 are electrically insulated by the space between the two stainless steel tubes 11. The central axes of the capillary 2 and the orifice 3 coincide with each other, and the end of the capillary 2 is exposed from the orifice plate 9 by about 0.2 mm. The stainless steel tube 11 is also used for fixing the capillary 2 to the ion source body 6. When the orifice plate 9 is cooled by adiabatic expansion of the gas, the generated droplets may condense and not be refined. As a result, large charged droplets are generated as a result, and the amount of ions is reduced. This problem can be avoided by installing a heater on the orifice plate 9 or the ion source body 6 and heating it, or by previously heating the gas introduced into the ion source with a heater. The gas is introduced into the gas introduction pipe 5 by a gas cylinder or a gas compressor. A gas flow rate adjusting device such as a mass flow controller or a purge meter is installed in the middle of the flow to adjust the flow rate of the gas used for spraying. When the gas flow rate is just 3 liters per minute, the gas flow velocity near the end of the capillary 2 becomes the speed of sound.
[0035]
It is known that ions are generated from fine charged droplets having a diameter of 10 nanometers or less. In the present embodiment, fine charged droplets are generated by gas spraying as in the sonic spray ionization method. The average droplet size generated by gas spray decreases as the gas flow rate increases, but the average droplet size increases as the gas flow rate becomes supersonic. This is because shock waves are generated. (See FIG. 9) Accordingly, when the gas flow velocity is the sound velocity, the average droplet size is minimized, and ions are generated most efficiently. The smaller the wall pressure of the capillary 2 is, the higher the efficiency of producing fine droplets and, as a result, the higher the ion production efficiency.
[0036]
To generate the sonic flow, if the pressure around the ion source is 1 atm and the thickness of the orifice 3 is ignored, a gas pressure of about 2 atm is required upstream of the orifice 3. However, the pressure reduction in the orifice 3 may not be negligible depending on the thickness of the orifice plate 9. It is convenient to provide a pressure gauge in the ion source body 6 and adjust the gas pressure to generate a sonic gas flow. In this case, it is safe to adjust the pressure so that a gas pressure of about 0.5 to 5 atmospheres can be applied upstream of the orifice 3. It is also realistic to generate a sonic flow by gas flow rate adjusting means such as a purge meter or a mass flow meter. If the orifice 3 is too thick, the pressure in the orifice 3 is increased, and it is necessary to pressurize unnecessarily. It is not necessary to make it thicker than the thickness of the ion source body 6. Conversely, if the orifice 3 is too thin, it cannot withstand the pressure difference between the inside and outside of the ion source body 6 in terms of strength. Therefore, a thickness of about 0.5 to 1 mm, which is thicker than the diameter of the capillary 2, is realistic. The ion source main body 6 on the upstream side of the orifice 3 needs a space for a gas reservoir so that the gas pressure is not reduced. The size of the space needs to be at least 5 times the diameter of the capillary 2.
[0037]
FIG. 3 shows a sketch of an ion source according to the embodiment of the present invention shown in FIG. The atomizing gas is released in the forward direction. The cross section of the ion source body 6 in the direction perpendicular to the central axis of the capillary 2 is a quadrangle, but it can also be a circle. The orifice plate 9 has four holes in addition to the orifice 3, and four screws are used to fix the orifice plate 9 to the ion source body 6. Under the microscope, the orifice plate 9 is fixed with screws by adjusting the center of the orifice 3 and the center of the capillary 2 to coincide with each other. In this way, a uniform gas flow is formed at the end of the capillary 2. The dimensions in the figure indicate that the ion source of the present invention is extremely compact.
[0038]
FIG. 4 shows the dependency of the total ion current generated by spraying on the applied voltage to the orifice 3. This is an experimental result in the case of using a solution to which 47.5% methanol / 47.5% water / 5% acetic acid was added as a liquid. It is shown that negative ions and charged droplets are generated when a positive voltage is applied, and vice versa when a negative voltage is applied. That is, it is shown that if a voltage having a polarity opposite to the polarity of ions to be generated is applied, ions having a desired polarity are generated. In addition, when the absolute value of the applied voltage is 1 kV or less, the ionic current decreases as the applied voltage increases. However, when the absolute value of the applied voltage is about 1 kV or more, the ionic current does not change much and saturates. Is shown. This indicates that the ion density with the same sign in the vicinity of the liquid surface just before spraying has reached its limit. Therefore, it is practical to set the absolute value of the applied voltage in the range of 1 kV to 2 kV based on the experimental results.
[0039]
Assuming that the electrical conductivity of the liquid is sufficiently high, the potential of the central axis of the capillary 2 can be regarded as 0 V, and the electric field strength is estimated to be 5000 kV / m (= 1000 V / 0.2 mm). Therefore, when the inner diameter of the orifice 3 is larger or when the electrode is installed at a more distant position, it is necessary to apply a higher voltage.
[0040]
FIG. 5 shows the result of mass analysis of ions generated when the applied voltage is set to −1 kV. This is a solution of cytochrome-C (a kind of protein, molecular weight of about 12500) with a concentration of 1 micromol / liter (m mol / L) (solvent is 48% methanol water with 5% acetic acid added) at a flow rate of 30 microliter / minute. It is the result (mass spectrum) which analyzed with the quadrupole mass spectrometer the ion produced | generated by the spraying which introduce | transduced into the capillary and used the sonic gas flow. A series of polyvalent ions from 13 to 20 valence centered on 16-valent ions (m / z = 766) in which 16 protons are added to the cytochrome-C molecule clearly in the region of m / z = 1000 or less. Detected.
[0041]
Until now, the ion spray ion method and the electrospray ionization method (the ion generation principle is almost the same) have been used for the production of multivalent ions. Therefore, ions were generated from the same cytochrome-C solution using the ion spray ion method, and ions were detected by the same quadrupole mass spectrometer. The result is shown in FIG. The vertical axis is the same as in FIG. For multivalent ions, the same spectral turn of the mass spectrum is obtained, but the ion intensity is about 2.6 times lower than the result of FIG. This corresponds to the ion detection sensitivity obtained by setting the applied voltage to about 700 V in the ion source of the present invention. Further, FIG. 6 shows that the noise level is significantly higher than that in FIG. This noise is because a large amount of large charged droplets are generated in the ion spray ion method as compared with the ionization method of the present invention, and these are detected as random noise. The S / N ratio is about 9 times smaller than in the case of FIG. Therefore, it is shown that ion detection with higher sensitivity can be performed by using the ionization method of the present invention shown in FIG. In FIG. 6, many ions derived from the solvent are detected in the region of m / z = 300 or less. Proficiency is required to analyze such a complex mass spectrum.
[0042]
7 and 8, the myoglobin solution (concentration 1 micromole / liter, the solvent is 48% methanol water with 5% acetic acid added) and the hemoglobin solution (concentration 1 micromole / liter, solvent is 48% with 5% acetic acid added). The mass spectrum obtained from (methanol water) is shown, respectively. Myoglobin has a molecular weight of 17200, and a series of polyvalent ions from 18 to 26 valence centering on 22-valent ions (m / z = 772) with 22 protons added is detected. Hemoglobin is a protein having a molecular weight of 64,500 in which two types of subunits are bound to each other. In FIG. 8, the mass spectrum of the subunit is observed.
[0043]
FIG. 9 shows the spray gas flow rate F dependence on the relative intensity of the 16-valent ions in FIG. The ion source used is that of the embodiment shown in FIG. The gas flow rate has a relationship that increases as the gas flow rate increases. In this experiment, it is already known that the gas flow rate corresponds to the sound velocity (Mach 1) when the gas flow rate is about 3 liters / minute, and the gas flow rate is less than Mach 2 when the gas flow rate is about 7 liters / minute. (Analytical Chemistry 66 (1994), 4557 to 4559 (Analytical Chemistry, 66 (1994) pp 4557-4559)) From the figure, when the gas flow rate is 1.4 liters / minute or less, ions are When it is not generated, the ionic strength increases as the gas flow rate increases at 1.4 liters / minute or more, but the ionic strength becomes the maximum when the gas flow rate is about 3 liters / minute, and the flow rate exceeds that (supersonic region). Then, it is shown that the ionic strength is reduced by the generation of the shock wave. Thus, the ion intensity dependency on the gas flow rate is similar to that of the conventional sonic spray ionization method, but the atomized gas generated from the ion source of the present invention is charged positively or negatively as a whole. .
[0044]
As described above, the gas flow rate can be controlled by adjusting the gas flow rate F using the flow rate adjusting means. In the example of the ion source shown in FIG. 2, the area S of the cross section perpendicular to the gap between the orifice and the capillary is calculated to be 9.4 × 10−8 m 2. When F is in a standard state (20 ° C., 1 atm), F / S is estimated to be 250 m / s when F is 1.4 liters / minute, and is estimated to be about 1200 m / s when 7 liters / minute. Here, it should be noted that the unit of F / S is velocity but is different from gas flow velocity.
[0045]
It is also possible to control the gas flow rate by the gas pressure in the ion source. In FIG. 9, ion generation starts at about 1.2 atmospheres. Assuming isentropic flow, if the orifice is sufficiently thin, a gas pressure of 1.2 atmospheres and a Mach of about 0.5 are achieved at a pressure of 1.2 atmospheres and a Mach of 1 is achieved at about 2 atmospheres. To achieve Mach 2, 7.8 atmospheres is required. Incidentally, Mach 3 requires about 40 atmospheres, which is problematic in practical use. In order to control the gas flow rate by the gas pressure, it is realistic to adjust the gas pressure in the range of 0.5 to 5 atm.
[0046]
In this ion source, the orifice diameter is 0.4 mm, and the outer diameter of the quartz capillary is 0.2 mm. Therefore, the cross-sectional area S between the orifice and the capillary is calculated as 9.4 × 10−8 m 3. Therefore, when the parameter F / S is used, when F is 1.4 liters / minute, the speed is 250 m / s, and the sound speed is 530 m / s. (Note that the unit of the parameter F / S is velocity, but it is not related to the actual gas flow rate.) Even if F is increased to 7 (F / S = 1200 m / s) or more, the gas Only the consumption increases, and the ion generation efficiency does not increase. Therefore, F / S is actually used within the range of 250 to 1200 m / s. Since S is determined by the structure of the ion source, it is convenient to adjust the gas flow rate F using a flow rate controller such as a mass flow meter or a purge meter.
[0047]
The gas is used for spraying liquids. For this reason, the type of gas is hardly involved in ion generation. In practice, it is convenient to use nitrogen gas. This is because it is inexpensive and effective for vaporizing droplets because it is dry. In addition to nitrogen gas, the same effect can be obtained by using air, oxygen, carbon dioxide, rare gas, or the like.
[0048]
FIG. 10 shows a cross-sectional view of an ion source according to another embodiment of the present invention. Aluminum is evaporated on the outer surface of the end portion 5 mm of the quartz capillary 2 (inner diameter 0.01 mm, outer diameter 0.05 mm), and a voltage is applied from the power source 7. As described with reference to FIG. 4, in order to generate ions efficiently, it is necessary to generate an electric field strength of a certain level or more. In the present embodiment, the voltage applied to the electrodes can be set to a lower voltage compared to the embodiment of FIG. In this embodiment, since the ion source body 6 can be set to the ground potential, safety during operation is extremely high.
[0049]
FIG. 11 shows a cross-sectional view of an ion source according to still another embodiment of the present invention. The resin capillary 2 is inserted into the tubular electrode 12, and a voltage is applied to the electrode 12 from the power supply 7. The resin capillary 2 and the electrode 12 are fixed with an insulating adhesive. If a sufficiently high voltage is applied, the tubular electrode 12 does not necessarily have to be coaxial with the capillary 2. However, in the coaxial case, ions are generated with a low applied voltage. Similarly, as long as a sufficiently high voltage is applied to the electrode 12, the electrode 12 does not necessarily have a tubular shape. The applied voltage is much lower when the electrode 12 is placed before the end of the capillary 2 than when the electrode 12 is not.
[0050]
FIG. 12 shows a cross-sectional view of an ion source according to still another embodiment of the present invention. The quartz capillary 2 is heated by a heating block 14 heated by a heater 13. Therefore, the liquid introduced into the capillary 2 is sprayed by heating. Due to the electric field generated by the electrode 12, droplets generated by spraying in the capillary 2 are charged, and charged droplets and ions are generated. An infrared laser or a lamp can be used for heating the liquid.
[0051]
FIG. 13 shows a cross-sectional view of an ion source according to still another embodiment of the present invention. The liquid introduced into the quartz capillary 2 is sprayed by the gas flow generated from the gas injection unit 15 from the lateral direction at the end thereof. In this case, relatively large charged droplets are generated, but the position of the capillary 2 can be adjusted very easily. In particular, when it is not necessary to generate ions and it is sufficient to generate charged droplets, this embodiment is a very simple charged droplet generator.
[0052]
FIG. 14 shows a cross-sectional view of an ion source according to still another embodiment of the present invention. The liquid introduced into the quartz capillary 2 is converted into droplets by the ultrasonic transducer 16. The droplet is charged by the electric field generated by the electrode 12 when the droplet is generated. The charged atomizing gas diffuses widely in space. The embodiment shown in FIGS. 12 to 14 has an advantage that ions can be generated without using a gas cylinder or a compressor.
[0053]
FIG. 15 shows a configuration diagram of a mass spectrometer according to an embodiment of the present invention. The liquid is introduced into the capillary 2 from the flow passage 1 at a constant flow rate. The tip of the capillary 2 is inserted coaxially into the orifice 3. Nitrogen gas supplied from the gas supply unit 4 is introduced into the ion source main body 6 through the gas introduction pipe 5 and discharged to the outside through the orifice 3. A voltage is applied from a power source 7 to the metal orifice plate 9. As a result, an electric field is applied to the liquid reaching the end of the capillary 2. The liquid to which the electric field is applied is sprayed under atmospheric pressure according to the gas flow from the orifice 3. In general, a uniform electric field exists in the space between the orifice plate 9 where the atomized gas is generated and the pores 17 at the entrance of the mass spectrometer. Ions and charged droplets generated in the atomizing gas are introduced into the vacuum through the pores 17 at the entrance of the mass spectrometer, and mass-separated by an electric field or magnetic field in the mass analyzer 18 installed in the high vacuum part. The ions separated by mass are detected by the ion detector 19. The output of the ion detector 19 is sent to the computer 20 and analyzed. The power source 7 and the mass spectrometer 18 can be controlled by a computer 20. That is, it is possible to detect ions by mass-separating positive and negative ions generated by the intermittent voltage signal generated from the power source 7 in synchronism with ion generation. For example, when the potential of the metal tube 8 is set to the ground potential, and a rectangular wave voltage having an amplitude of 1 kV is applied to the orifice plate 9 by the power source 7 to generate positive and negative ions, the positive and negative ions are analyzed in synchronization therewith. Can do. Whether the capillary 2 or the metal tube 8 and the pores 17 are set to the same potential so that no electric field exists in the space in which the atomized gas is generated, or if a potential difference of about 200 V is generated, ion detection is possible. There is no problem at all.
[0054]
When the potential of the metal tube 8 is set to the ground potential, the potential of the liquid flowing in the capillary 2 can be set to the ground potential. Therefore, it is easy to couple solution separation means such as a capillary electrophoresis apparatus or a liquid chromatograph to the flow passage 1.
[0055]
FIG. 16 shows a configuration diagram of a capillary electrophoresis / mass spectrometer combination apparatus according to an embodiment of the present invention. The mixed solution is introduced into the capillary electrophoresis apparatus 21, and is separated by electrophoresis with a high voltage applied to both ends of the capillary. The separation solution is detected by the detection unit 22 and then introduced into the capillary 2. The tip of the capillary 2 is inserted coaxially into the orifice 3. Nitrogen gas supplied from the gas supply unit 4 is introduced into the ion source main body 6 through the gas introduction pipe 5 and discharged to the outside through the orifice 3. The orifice plate 9 is made of metal, and a voltage is applied from the power source 7. The liquid that has reached the end of the capillary 2 is sprayed at atmospheric pressure by the gas. Ions and charged droplets generated in the atomizing gas are introduced into the vacuum through the pores 17 at the entrance of the mass spectrometer, and mass-separated by an electric field or magnetic field in the mass analyzer 18 installed in the high vacuum part. The ions separated by mass are detected by the ion detector 19. The output of the ion detector 19 is sent to the computer 20 and analyzed. The power source 7 and the mass spectrometer 18 can be controlled by a computer 20. That is, it is possible to detect ions by mass-separating positive and negative ions generated by the intermittent voltage signal generated from the power source 7 in synchronism with ion generation. For example, when the potential of the metal tube 8 is set to the installation potential and a positive and negative ion is generated by applying a rectangular wave voltage with an amplitude of 1 kV to the orifice plate 9 by the power source 7, the positive and negative ions are analyzed in synchronization therewith. Can do. Whether the capillary 2 or the metal tube 8 and the pores 17 are set to the same potential so that no electric field exists in the space in which the atomized gas is generated, or if a potential difference of about 200 V is generated, ion detection is possible. There is no problem at all. The mass analyzer 18 includes any mass spectrometer such as a quadrupole mass spectrometer, a quadrupole trap mass spectrometer, a magnetic field mass spectrometer, a time-of-flight mass spectrometer, or a Fourier transform mass spectrometer. Can be used. By setting the potential of the metal tube 8 to the ground potential, the potential of the mixed solution of the capillary electrophoresis apparatus 21 can also be set to the ground potential. Therefore, there is no hindrance in the separation of the mixed solution, the capillary electrophoresis apparatus 21 can be operated, and high sensitivity separation analysis of the mixed solution is realized online. Even if a solution separation means such as a liquid chromatograph is used instead of the capillary electrophoresis device 21, a highly sensitive separation analysis of the mixed solution can be realized on-line in exactly the same manner.
[0056]
FIG. 17 is a configuration diagram of a capillary electrophoresis / mass spectrometer combination device according to an embodiment of the present invention. The mixed solution is introduced into the capillary electrophoresis apparatus 21, and is separated by electrophoresis with a high voltage applied to both ends of the capillary. The separation solution is detected by the detection unit 22, passes through the metal tube 8 set to the ground potential, and is introduced into the capillary 2. The tip of the capillary 2 is inserted coaxially into the orifice 3. Nitrogen gas supplied from the gas supply unit 4 is introduced into the ion source main body 6 through the gas introduction pipe 5 and discharged to the outside through the orifice 3. The orifice plate 9 is made of metal, and a voltage is applied from the power source 7. The liquid that has reached the end of the capillary 2 is sprayed at atmospheric pressure by the gas. Ions and charged droplets generated in the atomizing gas are introduced into the vacuum through the pores 17 at the entrance of the mass spectrometer, and mass-separated by an electric field or magnetic field in the mass analyzer 18 installed in the high vacuum part. The ions separated by mass are detected by the ion detector 19. The output of the detection unit 22 is sent to the computer 20. Based on this, a signal indicating the power source 7 and the mass spectrometer 18 is sent from the computer 20. Then, the output of the ion detector 19 is sent to the computer 20 and analyzed.
[0057]
Substances separated by the capillary electrophoresis apparatus 21 include those that become positive ions and those that become negative ions when sprayed. Therefore, for example, even if a substance that becomes negative ions is separated, the substance cannot be analyzed if only positive ions can be generated by spraying or if only positive ions can be analyzed. Therefore, while the separated substance is sprayed from the capillary 2, the polarity of the voltage applied to the orifice plate 9 is reversed to perform both positive ion analysis and negative ion analysis. Since the potential of the metal tube 8 is set to the ground potential, the positive / negative ion analysis does not affect the capillary electrophoresis apparatus 21. Even if a solution separation means such as a liquid chromatograph is used instead of the capillary electrophoresis device 21, a highly sensitive separation analysis of the mixed solution can be realized on-line in exactly the same manner.
[0058]
【The invention's effect】
In the ion source of the present invention and the mass spectrometer using the ion source, the stability and reproducibility of ion generation are high as compared with the electrospray ionization method and the ion spray ionization method using the electrostatic spray phenomenon. Even if the spraying is interrupted and then resumed, the ion generation is reproduced, so the operability of the ion source is extremely high. This is because only ion spraying of the solution is used in the ion generation.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an ion source according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of an ion source according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a sketch of an ion source according to one embodiment of the present invention.
FIG. 4 shows the dependence of the total ion current on the applied voltage to the orifice 3.
FIG. 5 is a mass spectrum obtained from a cytochrome-C solution.
FIG. 6 is a mass spectrum obtained from a cytochrome-C solution by an on-spray ionization method.
FIG. 7 is a mass spectrum obtained from a myoglobin solution.
FIG. 8 is a mass spectrum obtained from a hemoglobin solution.
FIG. 9: Dependence of ion intensity on spray gas flow rate.
FIG. 10 is a cross-sectional view of an ion source according to another embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a cross-sectional view of an ion source according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a cross-sectional view of an ion source according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a cross-sectional view of an ion source according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a cross-sectional view of an ion source according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a configuration diagram of a mass spectrometer according to an embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a configuration diagram of a capillary electrophoresis / mass spectrometer combination device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a configuration diagram of a capillary electrophoresis / mass spectrometer combination device according to another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1: flow path, 2: capillary, 3: orifice, 4: gas supply unit, 5: gas introduction pipe, 6: ion source body, 7: power source, 8: metal pipe, 9: orifice plate, 10: pipe, 11 : Stainless steel tube, 12: Tubular electrode, 13: Heater, 14: Heating block, 15: Gas injection unit, 16: Supersonic vibrator, 17: Fine pore, 18: Mass analysis unit, 19: Ion detection unit, 20: Calculator, 21: capillary electrophoresis apparatus, 22: detector.

Claims

A flow path through which the sample liquid flows;
A gas supplier for supplying a gas for spraying and ionizing the sample liquid at the tip of the flow path;
An analysis unit for analyzing the mass of the ionized sample;
Voltage is applied to an electrode for determining the potential of the sample liquid, an electrode for applying an electric field to the sample liquid, an electrode for determining the potential of the sample liquid, and an electrode for applying an electric field to the sample liquid And a voltage applying means for applying a voltage having a polarity opposite to the polarity of ions generated by spraying to an electrode for applying an electric field to the sample liquid .

Mass spectrometer according to claim 1, wherein the electrode for determining the potential of said sample liquid, characterized in that it is set to the ground potential.

The flow passage has a capillary at the tip, and the gas flow is perpendicular to the capillary between an electrode for applying an electric field to the sample liquid and the capillary at F at a gas flow rate of 20 ° C. and 1 atm. 2. The mass spectrometer according to claim 1, wherein when the cross-sectional area of the surface is S, the value of F / S is in the range of 250 meters / second to 1200 meters / second.

2. The mass spectrometer according to claim 1, wherein the gas supply device supplies the gas so that a flow velocity at a front end of the flow passage becomes a sound velocity.