JP4069169B2

JP4069169B2 - クラスタイオン衝撃によるイオン化方法および装置

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Publication number: JP4069169B2
Application number: JP2006510358A
Authority: JP
Inventors: 賢三平岡
Original assignee: University of Yamanashi NUC
Current assignee: University of Yamanashi NUC
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2008-04-02
Anticipated expiration: 2024-02-27
Also published as: US20060208741A1; DE112004002755T5; JPWO2005083415A1; WO2005083415A1

Description

この発明は，クラスタイオン衝撃によるイオン化方法および装置に関し，特にタンパク質分子やＤＮＡ分子などの生体高分子の質量分析のために好適なイオン化方法および装置に関する。

質量分析のためには，質量分析装置にイオン化された気体を供給しなければならない。イオン化された分子または原子はきわめて短時間のうちに反対極性のイオンまたは電子と再結合するから，これを抑制することも必要である。
マトリクスに混ぜた生体試料を質量分析のためにイオン化する方法の一つにイオン衝撃法がある。一次イオンとして，Ａｒ^＋やＸｅ^＋を使用する二次イオン質量分析法では，マトリクス分子が激しく損傷を受けるので，生体高分子の分析には適せず，またケミカルノイズが現われ，Ｓ／Ｎ比が悪い。
この欠点を取り除く新しいイオン化方法として，マッシブクラスタ衝撃法（ＭａｓｓｉｖｅＣｌｕｓｔｅｒＩｍｐａｃｔ法）（以下，ＭＣＩ法という）が開発された。（Ｊ．Ｆ．Ｍａｈｏｎｅｙ，Ｄ．Ｓ．ＣｏｒｎｅｔｔａｎｄＴ．Ｄ．Ｌｅｅ“ＦｏｒｍａｔｉｏｎｏｆＭｕｌｔｉｐｌｙＣｈａｒｇｅｄＩｏｎｓｆｒｏｍＬａｒｇｅＭｏｌｅｃｕｌｅｓＵｓｉｎｇＭａｓｓｉｖｅ−ｃｌｕｓｔｅｒＩｍｐａｃｔ”ＲＡＰＩＤＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳＩＮＭＡＳＳＳＰＥＣＴＲＯＭＥＴＲＹ，ＶＯＬ．８，４０３−４０６（１９９４）を参照。）この方法は，グリセリンの静電場噴霧であり，＋１００価から＋１０００価に帯電した１０^６から１０^７ｕの質量をもつイオンクラスタによりマトリクス試料を衝撃するものである。この方法によると，生体高分子が分解されることなく，しかもケミカルノイズの少ないマススペクトルが得られる。
しかしながら，上記の方法は，グリセリンを用いているので，イオン源が汚染されて帯電し，イオンクラスタビーム強度が不安定になるという問題があり，実用化に到らなかった。

この発明は，上記のＭＣＩ法の欠点を解消し，しかも数万を超えるタンパク質分子の脱離も可能であるとともに，正，負イオン分子同士の再結合を抑制し，高感度の質量分析が可能となるイオン化方法および装置を提供することを目的とする。
この発明によるイオン化方法は，揮発性の液体の帯電液滴を，その気化を抑制するように冷却した状態で生成し，生成した帯電液滴を真空室内に導き，真空室内に電場を形成し，電場によって帯電液滴を加速して，試料に衝突させ，これによって試料を脱離，イオン化するものである。イオン化された分子は質量分析装置に導かれる。
この発明によるイオン化装置は，質量分析装置のイオン導入口の外側に設けられ，上記イオン導入口を通して質量分析装置の内部と連通し，内部に加速電極と試料台が配置された真空加速室を有する加速装置，および上記真空加速室の液滴導入口を通して上記真空加速室と連通する帯電液滴生成室を備え，この液滴生成室内において，揮発性の液体の帯電液滴を，その気化を抑制するように冷却した状態で生成する帯電液滴生成装置を備え，上記帯電液滴生成装置によって生成された帯電液滴が上記帯電液滴生成室から上記液滴導入口を通して上記真空加速室に導かれ，高電圧が印加された上記加速電極によって加速されて上記試料台上の試料に衝突し，これによって脱離，イオン化された試料のイオンが上記イオン導入口を通して質量分析装置に導入されるようになされているものである。
このイオン化装置を用いて，この発明によるイオン化方法を実現することができる。
揮発性の液体（溶媒）としては，水／メタノール混合液（酢酸またはアンモニアなどを添加），水などがある。生成する帯電液滴からの溶媒分子の気化（蒸発，揮発）または乾燥を抑制するために，帯電液滴の生成において（真空室または真空加速室への導入まで），揮発性の液体または生成する帯電液滴を，好ましくは帯電液滴が固化する直前の温度まで，冷却する。生成された帯電液滴は冷却された状態で真空室（または真空加速室）まで導かれる。
帯電液滴の生成には，好ましくはエレクトロスプレー法を用いる。温度制御された冷たい窒素（Ｎ_２）ガスを併用すると，冷却と帯電液滴の生成（噴霧）と真空室（真空加速室）への移送とを効率的に行うことができる。帯電液滴の生成は大気圧下（減圧された状態を含む）で行うことができる。
この発明によると，上記のＭＣＩ法のようにグリセリンを用いず，揮発性液体を用いているので，イオン源が汚染されるという問題が生じない。
この発明によると（特に上記エレクトロスプレー法によると），ミクロンオーダの帯電液滴を生成することが可能である。帯電液滴は冷却された状態で帯電液滴生成室から真空室（真空加速室）内に導かれるので，帯電液滴の気化（乾燥）が極めて小さく抑えられミクロンオーダの液滴サイズを保ったまま，真空室（真空加速室）内にサンプリングされる。
このような巨大なクラスタイオンが真空室（真空加速室）内で電場により加速され，これによって運動エネルギーが付与され，試料（たとえば生体試料薄膜）を衝撃する。衝突界面において衝撃波が発生し，試料がピコ秒オーダーで気化，イオン化される。
巨大なサイズのクラスタイオンで試料を衝撃しているので，衝突時にターゲット分子の電子，振動励起が起こらず，試料薄膜中の分子の運動エネルギーのみが選択的に励起される。このようにして，試料は巨大クラスタイオンによってソフトに衝撃を受けるので，数万を超える分子量の分子であっても損傷を受けずにイオン化される。
また，正，負イオン同士の再結合寿命よりも短いピコ秒という短時間内に試料が気化され，イオン化されるので，再結合が抑制され，発生したイオンを効率よく質量分析装置に導くことができる。
用いる生体試料としては，その乾燥を防ぐために凍結したものを用いるとよい。

第１図はイオン化装置の構成図である。

第１図において，質量分析装置１０のイオン導入口を含む部分にイオン化装置２０が装備されている。
質量分析装置（たとえば飛行時間型質量分析装置）１０のイオン導入口の部分には，孔１１ａがあけられたスキマー１１が取付けられている。孔１１ａ（イオン導入口）により方向の揃ったイオンを質量分析装置へと導く。質量分析装置１０の内部は，排気装置（図示略）により高真空に保たれている。
イオン化装置２０は，帯電液滴生成室（イオン源室。コールドエレクトロスプレーチャンバー）３１を備えた帯電液滴生成装置３０と，帯電液滴生成室３１と一直線状に連なる真空加速室４１を備えた加速装置４０とから構成されている。
帯電液滴生成装置３０はコールドエレクトロスプレー装置３２を備え，このエレクトロスプレー装置３２は，高電圧が印加される金属（導電性）細管３３と，この周囲を間隔をあけて覆う囲繞管３４とを備えている。これらの金属細管３３と囲繞管３４の先端部は帯電液滴生成室３１内に突出している。金属細管３３には帯電液滴となる揮発性の液体（溶媒）が供給される。金属細管３３と囲繞管３４との間の空間には冷却媒体，たとえば冷い窒素（Ｎ_２）ガスがネブライザーガスとして供給される。窒素ガスは液体窒素から生成され，温度制御されて囲繞管３４に導入される。
高電圧が印加された金属細管３３の先端からは高度に帯電した微細な液滴（直径数ミクロン程度）Ｄが帯電液滴生成室３１内に噴霧される。また，窒素ガスが金属細管３３の先端の周囲において囲繞管３４の先端から帯電液滴生成室３１内に噴射される。窒素ガスは帯電液滴の噴霧を助けるとともに帯電液滴を冷却し，さらに，冷却した状態で帯電液滴Ｄを真空加速室４１の方向に移送する。窒素ガスは排気口を通して帯電液滴生成室３１から外部に排出される。
帯電液滴は揮発性の液体である。帯電液滴が気化（乾燥）すると液滴サイズが小さくなる。帯電液滴の気化を抑制するために，帯電液滴の生成において，そして帯電液滴が真空加速室４１に到達するまで，帯電液滴を冷却するのが窒素ガスである。冷却の温度は帯電液滴が固化する直前程度が好ましい。
帯電液滴となる揮発性の液体としては，たとえば，水／メタノール混合液（酢酸またはアンモニアなどを添加），水（酢酸またはアンモニアなどを添加してもよい）等を挙げることができる。帯電液滴の気化を防ぐために冷却する温度は，上記水／エタノール混合液（酢酸またはアンモニアなどを添加）の場合にはドライアイス−アセトン温度付近である。
この実施例では温度制御された窒素ガスにより帯電液滴を冷却しているが，帯電液滴生成装置３０の全体，または帯電液滴生成室３１を冷却装置により所定の温度に冷却するようにしてもよい。帯電液滴生成装置の他の例としては，超音波振動装置がある。帯電液滴生成室３１内は大気圧程度であるが，減圧状態に保ってもよい。
帯電液滴生成室３１と真空加速室４１との境界にはオリフィス３４が設けられ，このオリフィス３４に微細な孔３４ａが形成されている。この微細な孔３４ａが帯電液滴導入口である。帯電液滴導入口３４ａを通して帯電液滴生成室３１と真空加速室４１とが連通している。
金属細管３３の先端から噴霧された帯電液滴Ｄは，冷却された窒素ガスとともに帯電液滴生成室３１内を真空加速室４１の方向に移動し，オリフィス３４の微細な孔３４ａを通って真空加速室４１内に導入される。
真空加速室４１内には，加速電極４２と試料台４３とが設けられている。加速電極４２には正または負の（帯電液滴の極性とは反対の）高電圧（たとえば１０ＫＶ）が印加される。真空加速室４１内に導入された帯電液滴Ｄは加速電極４２によって加速かつ収束（フォーカス）され，試料台４３上に設けられた試料Ｓに斜めに衝突し，試料からイオン化された分子が脱離する。スキマー１１にあけられたイオン導入口１１ａを通して質量分析装置１０の内部と真空加速室４１とは連通しており，帯電液滴の衝突により発生し，試料Ｓ（試料台４３）の面から垂直に飛び出たイオン分子（または原子）はこのイオン導入口１１ａを通して質量分析装置１０内に導入される。
上述のように帯電液滴生成装置３０によって生成される帯電液滴はミクロンオーダのものである。これを巨大クラスタ−イオンという。この巨大クラスタ−イオンがミクロンオーダの液滴サイズを保ったまま帯電液滴生成室３１から真空加速室４１に導入され，加速電極４２の電場によって加速される。たとえば巨大クラスタ−イオンには１０ＫｅＶ程度の運動エネルギーが付与される。
試料台４３には，たとえば乾燥を防ぐために凍結した生体試料薄膜Ｓが保持される。加速された巨大クラスタ−イオンがこの生体試料薄膜Ｓ（たとえばポーラスシリコン上に塗布した生体試料）を衝撃する。これによってピコ秒という短時間内に薄膜試料が気化される。試料中には正イオンと負イオンが等量存在するが，これらの再結合寿命よりも短い時間帯でイオンが発生するので，発生したイオンの再結合（中性化反応）が防止され，多くのイオンが真空加速室４１からイオン導入口１１ａを通って質量分析装置１０内に供給される。これによって高感度の質量分析が可能となる。
また，巨大サイズのクラスタイオンによって試料を衝撃しているので，衝突時にターゲット分子の電子，振動励起が起こらず，運動エネルギーのみが選択的に励起される。これによってタンパク質のような数万を超える分子量の分子であっても損傷を受けることなくイオン化される。すなわち，タンパク質を含む生体分子の質量分析（たとえば，オーソゴナル飛行時間型質量分析）が可能となる。

Claims

水を含有する揮発性の液体の帯電液滴をエレクトロスプレーにより生成し，
生成した帯電液滴を真空室内に導き，
真空室内に電場を形成し，電場によって帯電液滴を加速して，試料に衝突させ，
これによって試料を脱離，イオン化する，
クラスタイオン衝撃によるイオン化方法。
質量分析装置のイオン導入口の外側に設けられ，上記イオン導入口を通して質量分析装置の内部と連通し，内部に加速電極と試料台が配置された真空加速室を有する加速装置，および
上記真空加速室の液滴導入口を通して上記真空加速室と連通する帯電液滴生成室を備え，この液滴生成室内において，水を含有する揮発性の液体の帯電液滴をエレクトロスプレーにより生成する帯電液滴生成装置を備え，
上記帯電液滴生成装置によって生成された帯電液滴が上記帯電液滴生成室から上記液滴導入口を通して上記真空加速室に導かれ，高電圧が印加された上記加速電極によって加速されて上記試料台上の試料に衝突し，これによって脱離，イオン化された試料のイオンが上記イオン導入口を通して質量分析装置に導入されるようになされている，
クラスタイオン衝撃によるイオン化装置。
内部に加速電極と試料台が配置された真空加速室を有する加速装置，および
上記真空加速室の液滴導入口を通して上記真空加速室と連通する帯電液滴生成室を備え，この液滴生成室内において，水を含有する揮発性の液体の帯電液滴をエレクトロスプレーにより生成する帯電液滴生成装置を備え，
上記帯電液滴生成装置によって生成された帯電液滴が上記帯電液滴生成室から上記液滴導入口を通して上記真空加速室に導かれ，高電圧が印加された上記加速電極によって加速されて上記試料台上の試料に衝突し，これによって試料が脱離，イオン化されるようになされている，
クラスタイオン衝撃によるイオン化装置。