JP4151592B2

JP4151592B2 - 質量分析装置

Info

Publication number: JP4151592B2
Application number: JP2004066605A
Authority: JP
Inventors: 高宏原田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2004-03-10
Filing date: 2004-03-10
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2024-03-10
Also published as: EP1580792A3; DE602005011512D1; EP1580792A2; EP1580792B1; JP2005259400A; US20050199800A1; US6989532B2

Description

本発明は、イオンの噴霧方向が安定である液体試料用イオン源を用いた質量分析装置に関する。

質量分析では、液体試料を分析対象とする場合が少なくない。例えば、液体クロマトグラフ質量分析装置（ＬＣＭＳ）では、溶液中に含まれる試料成分を液体クロマトグラフの手法により分離し、分離された成分を、順次、質量分析装置に送り込んで、質量分析を行う。
液体試料の質量分析を行う場合には、分析に必要なイオンを生成するイオン源として、アシストガス（ネブライズガス）を利用した液体試料用イオン源が用いられている。アシストガスは、送液管から噴出する液体試料に対し、送液管の周囲から平行に吹き付けるガスのことであり、液体試料の微粒化、輸送、乾燥、（場合によっては帯電）を行うガスである。
一般に、液体試料用イオン源は、略大気圧下でアシストガスを利用してイオン化を行い、高真空状態に維持された質量分析器本体にイオンを導くことにより、質量分析が行われる。

図６は、アシストガスを利用してイオン化を行う質量分析装置の概略構成を示す図である。質量分析装置１０は、略大気圧下にてイオンを発生させるイオン源４１と、真空チャンバー１２内に設けられる質量分析器本体１３とから構成される。
イオン源４１は、主に、気体輸送管１４と送液管１５とから構成される。気体輸送管１４は、中央部分が円筒形状をしており、先端部分がテーバー状に仕上げられている。イオン源４１先端のテーバー部分の中心には、アシストガスを噴出するための噴出口１６を有する送気流路１７が形成されている。気体輸送管１４の側面には、アシストガスを送気流路１７に供給するためのガス入口１８およびガス供給流路１９が形成され、送気流路１７とガス供給流路１９とが気体輸送管１４内で連通している。

送気流路１７の内側には、送液管１５が気体輸送管１４に対して二重管構造となるように取り付けてある。送液管１５は、気体輸送管１４の後端側に形成した孔２０を貫通し、外部において液体試料の供給源（例えばＬＣＭＳの場合は液体クロマトグラフ装置）に接続される。また、送液管１５の先端は、噴出口１６近傍（噴出口１６よりわずかに突出した位置）にくるようにしてある。
送液管１５内の送液流路２１を流れた液体試料は、送気流路１７の噴出口１６に送られる。噴出口１６では、送気流路１７を流れるアシストガスの流れに導かれて、送液流路２１の先端に存在する液体試料が噴霧される。このとき、液体試料が微粒化、乾燥しながら噴霧される。これにより、液体試料がスプレー状となって、真空チャンバー１３の壁面に形成された細孔２２に向かうようになる。このように噴出口１６から液体試料をスプレー状に噴霧することになるので、噴出口１６は試料を噴霧するスプレーノズルとして機能する。
細孔２２を通過した試料は、質量分析器本体１３を通過して検出され、質量分析が行われる。質量分析器本体１３には、四重極、イオントラップなど分析目的に応じていろいろな検出法が用いられる。

アシストガスを用いるイオン源には、いくつかの種類がある。図７は、従来からのアシストガスを用いるイオン源の例を示す図である。
図７（ａ）はエレクロトスプレー法を用いたイオン源である。これは送液管１５に高電圧電源２５を接続して高電位を印加することにより、送液管１５の先端で液体試料を帯電し、さらに帯電した液体試料を電位勾配で引くことにより、噴出口１６の前方に向けて噴霧するようにしたものである。噴霧された試料液滴は、乾燥や自らの電荷の反発力によってさらに小さな液滴となり、最後にはイオンとなる。なお、エレクトロスプレー法によるイオン化では、原理上はアシストガスを必ずしも必要としないが、実際の使用条件においては、送液量が多い場合に噴霧や乾燥を促進する必要があるので、送気流路１７内に送液管１５を取り付け、送気流路１７からのアシストガスと送液管１５からの液体試料とを同時に供給している。
図７（ｂ）は、ソニックスプレー法を用いたイオン源である。これは送液管１５に高電圧を印加せずに送液管１５から噴出する液滴（液体試料）と送気流路１７から噴出するアシストガスとの摩擦により、液体試料２１を帯電させイオン化する。
図７（ｃ）は、大気圧化学イオン化法を用いたイオン源である。これは送液流路２１を流れる液体試料をヒータ２６で加熱し気化試料して噴出し、さらにヒータ２６で加熱したアシストガスを送気流路１７から噴出することで気化試料を乾燥させる。そして、この乾燥した気化試料に対して、高圧電源２５により高電圧が印加された針状高圧電極２７によって放電を与えることにより、イオン化を行う。
図７（ｄ）は、大気圧光イオン化法を用いたイオン源である。これは、図７（ｃ）の高圧電極２７の代わりに、励起光源２８から励起光２９を照射することにより、イオン化する。

ところで、送気流路１７内に送液管１５を挿入した構造のイオン源４１では、図８に示すように、送液管１５は、気体輸送管１４の後端側に形成した孔２０の位置で片持ち状態で支持されているだけである。したがって、送液管１５の自重、送液管１５自体の直線性の悪さ、さらには、アシストガスの不均一な流れの影響で、気体輸送管１４の送気流路１７に対して、送液管１５と送気流路１７との同軸性が維持できず、送気流路１７の中心軸に対する送液管１５の中心軸の位置が偏心してしまうことがある。
この場合、噴出口１６から噴霧されたスプレーガス中のイオンの進行方向は、細孔２２の中心からずれてしまい、イオンの密度分布に歪が生じる。その結果、細孔２２を通過するイオン量が減少し、質量分析器本体１３が検出する信号強度が小さくなり、質量分析の感度が悪くなる。

このような場合、従来からなされている最も簡単な対処方法は、細孔２２と噴出口１６との位置関係を手動で調整しながら検出感度が最大となる最適位置を見つける方法である。

また、送液管１５と送気流路１７との間の同軸性を維持するための別の方法として、気体輸送管１４と送液管１５とを、送気流路１７内でブッシュ３１を用いて嵌め合いにより、支持しておく方法もある。
図９（ａ）は、送気流路１７内でブッシュ３１を用いて送液管１７を嵌め合いにより支持したイオン源４２の先端近傍の構成を示す図であり、図９（ｂ）はそのＡ−Ａ’断面である。
気体輸送管１４の送気流路１７内壁面とブッシュ３１の外周面とは、わずかな隙間（例えば５μｍ程度の隙間）を設けて嵌め合わされている。ブッシュ３１の中心には送液管１５を貫通するための孔３２が形成され、この孔３２の内周面と送液管１５の外周面との間も、わずかな隙間（例えば５μｍ程度の隙間）を設けて嵌め合わされている。これらの隙間を設けているのは、洗浄などのメンテナンス作業を行う際に、送気流路１７から送液管１５やブッシュ３１を取り外すために必要となるからである。
加工の観点から言い換えると、これらの隙間は、ＪＩＳＢ０４０１で定められるところの、「しまりばめ」ではなく、「すきまばめ」を用いていることを意味する。
なお、ブッシュ３１には、孔３２とは別に、アシストガスを通過させるための溝３３（あるいは溝３３ではなくガス通過孔でもよい）が形成されている。

さらにまた、気体輸送管１４の送気流路１７の中心軸と送液管１５の中心軸との間の同軸性を維持するための別の方法として、送液管１５の周りを、多数の同形の気体輸送管３３で取り囲むようにして、これらの気体輸送管３３からアシストガスを供給する方法が開示されている（特許文献１参照）。
図１０（ａ）は、送液管１５の周囲に複数の同形の気体輸送管３３を設けてアシストガスを供給するイオン源４３の先端近傍の構成を示す図であり、図１０（ｂ）はそのＢ−Ｂ’断面図である。
特表２００３−５１７５７６号公報

送気流路１７の中心軸と送液管１５の中心軸との同軸性が崩れて、送液管１５が偏心した場合の対策として先に説明した３つの対処方法はそれぞれ、以下のような問題がある。

まず、細孔２２とノズル２４との位置関係を手動で調整する方法では、調整作業が非常に面倒である。また、調整具合が不十分であれば、質量分析の再現性が十分に得られないおそれもある。

また、図９に示した送液管１５をブッシュ３１で支持する方法では、送気流路１７内壁面に対するブッシュ３１の位置決め、ブッシュ３１の孔３２の内周面に対する送液管１７の位置決めは、嵌め合いにより行われている。しかしながら、嵌め合いによる位置決めでは、原理上、嵌め合い部分に最低源必要な隙間が存在するため、どうしてもこの隙間程度の位置ずれ、不安定性さが発生してしまうこととなる。
すなわち、送気流路１７内壁面に対するブッシュ３１外周面間の隙間、ブッシュ３１の孔３２の内周面に対する送液管１７外周面の隙間の和の程度の位置ずれ（最低でも５μｍから１０μｍ程度の位置ずれ）が発生することになる。この位置ずれ量は、気体輸送管１４と送液管１５との隙間（すなわち送気流路１７内面と送液管１５外周面との距離）に対して、無視できない値であり、イオン密度の変化にともなう質量分析器での検出信号の減少や不安定性の発生につながる。

また、図１０に示した方法、すなわち、送液管１５の周りを多数の同形の気体輸送管３３で取り囲むようにして、これらの気体輸送管３３からアシストガスを供給する方法では、送液管１５の出口と気体輸送管３３の出口との間に、気体輸送管３３の肉厚分だけの距離が余分に生じることになる。このため、送液管１５先端の試料液体に作用するアシストガス量が減り、アシストガスによる液せん断力が著しく減少することになる。その結果、液体試料の噴霧が不完全となって、液体試料の微粒化、輸送、乾燥が促進されず、質量分析のためのイオン化が不十分となって検出信号の減少につながる。あるいは、イオンの不足分を補うため、強制的にイオン化を促進するようアシストガス流量を増大する必要がある。

そこで、本発明は、アシストガスを送る送気流路と液体試料を送る送液管との同軸性を維持し、送液流路に対する送液管の位置ずれが生じにくい構造のイオン源を備えた質量分析装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明の質量分析装置は、イオン源により液体試料をイオン化して質量分析を行う質量分析装置であって、イオン源は、気体輸送管と送液管とを有し、気体輸送管は、先端に噴出口が形成されるとともに、噴出口にアシストガスを送る送気流路が形成され、さらに噴出口近傍の送気流路内面に、噴出口側の径が小さくなるテーパー面が形成され、送液管は、送気流路内に挿入されるとともに、送液管の先端が噴出口近傍に配置され、送気流路内面と送液管外周面との間に少なくとも３個の同形の球体が挿入され、球体をテーパー面に押し付ける押圧機構を備えるようにしている。

ここで、球体どうしは、送気流路内で互いに接するように挿入するのが好ましい。
また、球体の径は、噴出口の径より大きくしてもよい。
また、押圧機構は、付勢部材を介して球体をテーパー面に押し付けるようにしてもよい。
また、球体が送液管に接する位置から送液管の先端までの距離が、送液管の最大径の３０倍以下であるようにしてもよい。

本発明の質量分析装置によれば、イオン源には、アシストガスが流れる送気流路を形成した気体輸送管と、気体輸送管の送気流路内に配置される送液管とが含まれる。気体輸送管は、先端に噴出口を有し、送気流路から噴出口に向けてアシストガスが送られる。この噴出口近傍の送気流路内面には、噴出口側の径が小さくなるテーパー面が形成されている。
そして、送気流路内面と送液管外周面との間には少なくとも３個の同形の球体が挿入される。押圧機構により球体をテーパー面に押し付けると、球体はそれぞれ、テーパー面に沿って噴出口側に寄るとともに、テーパー面に沿って送液管側に寄り、送液管をテーパー面の中心、すなわち、送気流路の軸中心に導くように押す力が働くようになる。
したがって、送液管は３つ以上の球体からの押圧力により送気流路の中心に位置決めされる。球体とテーパー面、球体と送液管外周面との間は直接接しており、嵌め合いのときのような隙間は生じない。それゆえ、送液管を精度よく、送気流路の軸中心に導くことができ、気体輸送管と送液管とは、同軸性に優れた二重管を形成することができる。

ここで、球体どうしが、送気流路内で互いに接するように挿入すれば、球体と球体との隙間が軸対称になるので、アシストガスの不均一な流れが発生することを低減することができる。
また、球体の径が噴出口の径より大きくなるようにすれば、球体が噴出口から転がりでることがなくなるので、洗浄等のメンテナンスの際に、誤って球体が噴出口から飛び出て紛失することがなくなる。

また、付勢部材を介して球体をテーパー面に押し付ける押圧機構にすれば、メンテナンスの際に、作業者が押圧機構の付勢力に抗する力を加えることにより、押圧機構を取り外すことなく、比較的容易に送液管を取り外すことが可能になる。

また、球体が送液管に接する位置から送液管の先端までの距離が、送液管の最大径の３０倍以下であるようにすれば、送液管の太さに限らず、送液管の同軸性を維持することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態である質量分析装置のイオン源の先端部分の構成を説明する図である。なお、図６で説明したものと同じものは、同符号を付すことにより説明を一部省略する。また、イオン源の後端側は、図示を省略するが、イオン源の先端側と着脱可能にしてあり、後述するイオン源内部の押さえ部材を調整することができるようにしてある。例えば、分離面がシール部材で密閉されるようにしたフランジ機構でイオン源の先端側と後端側とを接続している。それ以外は基本的に図５の従来例の後端側と同様の構造である。

この質量分析装置１０は、略大気圧下に置かれるイオン源１１と、真空チャンバー１２内に置かれる質量分析器本体１３とから構成される。
イオン源１１は、図６の従来例と同様に、送気流路１７が形成される気体輸送管１４と、送気流路１７内に挿入される送液管１５とを有している。
そして、気体輸送管１４には、送気流路１７が形成されている。噴出口１６近傍の送気流路１７内面には、噴出口１６に近づくにつれて先細となるテーパー面５が形成されている。このテーパー面５は旋盤加工で形成され、テーパー面５の中心軸が送気流路１７の中心軸と一致するようにしてある。また、送気流路１７の内周面には、同じく旋盤によるねじ加工が施されてねじ溝６が形成され、後述する押さえ部材４がねじ止めされるようにしてある。

送気流路１７内には、送液管１５の外周面と送気流路１７内面との間に、例えば６個の同形の球体２（球体の数や大きさについては後述する）が挿入されている。また、球体２の後側には、球体２をテーパー面５に押し当てるための円筒状の押圧部材３が挿入され、さらにその後側には、押圧部材３を固定するための押さえ部材４が挿入されている。押さえ部材４には、ねじ加工が施されており、上述した送気流路１７内周面のねじ溝６に結合してある。

次に、イオン源１１での送液管１５の取り付けについて説明する。
球体２および押圧部材３を送気流路１７内に入れた状態で、送液管１５を挿入し、送液管１５の先端が噴出口１６にくるようにする。このとき送液管１５の先端が、噴出口１６からわずかに突出する位置にするのが好ましい。特に、エクトロスプレー等（図７）のように送液管に電圧が印加される場合には突出させることにより、電界が端部分に集中するようにする。

続いて、押さえ部材４をねじ込むことにより、押圧部材３で球体２をテーパー面５に押し付ける。このとき球体２は、押圧部材３により噴出口１６側に寄るとともに、テーパー面５の中心側に寄るようになり、送液管１５の中心軸をテーパー面５の中心、すなわち送気流路１７の中心軸に導くようになる。送気流路１７内の６個の同形の球体２のそれぞれが均等に、送液管１５を送気流路１７の中心軸に導くように動くので、送液管１５は送気流路１７の中心にくる。これにより、送気流路１７と送液管１５とは同軸性が維持されるようになる。

次に、変形実施形態について説明する。図２の実施形態では、図１における押圧部材３と押さえ部材４との間にバネ７を取り付けている。
これによれば、バネ７は押圧部材３を介して、球体２をテーパー面に押し付ける力を与えている。図１の場合と同様に、球体２は、押圧部材３により噴出口１６側に寄るとともに、テーパー面５の中心側に寄るようになり、送液管１５を送気流路１７の中心軸に導くようになる。
送気流路１７内の６個の同形の球体２のそれぞれが均等に、送液管１５を送気流路１７の中心軸に導くように動くので、送液管１５は送気流路１７の中心にくる。これにより、送気流路１７と送液管１５とは同軸性が維持されるようになる。
しかも、洗浄や交換作業で送液管１５を取り外すときは、ばね７の付勢力に抗する力を加えることにより、押さえ部材４を緩めることなく、簡単に取り外すことができる。

（球体の数と大きさ）
つぎに、送気流路１７に挿入する球体２の数と大きさについて説明する。送気流路１７内の球体２は、なるべく球体２どうしの間に隙間ができないよう、送液管１５と球体２の直径を選ぶのが好ましい。球体２どうしの隙間が不均一であっても、ガスが拡散することによりアシストガスの流れがある程度は均一化するが、それでもアシストガスの流れの軸対称性が悪くなり、噴霧形状の悪化を招く可能性があるからである。

また、球体２の数は少なくとも３個以上であれば、原理的には送液管１５を送液流路１７の中心に同軸的に固定することが可能である。ただし、噴出口１６からの噴霧形状を良好にするために、球体２どうしの間に隙間がないようにしようとする場合、球体２の数を減らすと極端に気体輸送管１４のサイズが大きくなってしまう。例えば図３に示すように、球体２の数が６個の場合は、送液管１５と同径にすればよいが、球体２の数が４個、３個と減るにつれて、球体を大きくする必要が生じる。それゆえ、もし、イオン源１１の大きさに制限がある場合は、球体２の数を多くする必要が生じることになる。送液管１５の太さとのバランスを考慮すると、通常は、球体２の数を４〜６個程度にするのが好ましい。

また、送液管１５は、放電などによる損傷や穴詰まりなどでメンテナンス作業が必要になることがある。この場合、押さえ部材４（図１参照）を緩め、押圧部材３が球体２を押し付ける力を弱めてから送液管１５を抜くことになるが、図４（ａ）（ｂ）に示すように、球体２の直径が噴出口１６よりも小さいと、送液管１５を抜いたときに球体２が噴出口１６から飛び出してしまうことになり、メンテナンスの際に紛失するおそれがある。
そのため、図４（ｃ）（ｄ）に示すように、球体２の大きさを噴出口１６より大きくして、球体２が噴出口１６から飛び出さないようにすることで、メンテナンスの際に誤って紛失するおそれを低減することができる。

（噴出口と球体との位置関係）
送液管１５では、球体２の送液管１５における支持位置が、噴出口１６先端から離れるにつれて、撓み等により同軸性が崩れるようになる。そのため、球体２は、噴出口１６の近傍である必要がある。支持位置の許容範囲は、図５（ａ）に示すように、送液管１５の径をａとした場合、送液管１５の先端から３０ａ以内程度であれば、同軸性は問題とならない。
なお、送液管１５が先細りのテーパー形状になっている場合であれば、最大径部分（すなわち球体２が支持される位置）の３０ａ以内であればよい。
一方、球体２の支持位置が噴出口１６に近いほど同軸性は良好になるので、加工が可能でかつ機械的な強度が維持できる範囲で、噴出口１６部分の肉厚を薄くして球体２を先端に近づければよい。

本発明は、質量分析装置のイオン源に利用することができる。

本発明の一実施形態である質量分析装置のイオン源先端部分の構成を示す図。本発明の他の一実施形態である質量分析装置のイオン源先端部分の構成を示す図。送液管内の球体の配置状態を説明する図。送液管内の球体の位置と送液管の先端との距離関係を説明する図。送液管内の球体の大きさと噴出口との関係を説明する図。従来からの質量分析装置のイオン源先端部分の構成を示す図。従来からのイオン源の種類を説明する図。イオン源先端部分の送液管の偏心状態を説明する図。従来からのイオン源先端部分の構成を示す図。従来からのイオン源先端部分の構成を示す図。

符号の説明

２球体
３押圧部材
４押さえ部材
５テーパー面
６ねじ溝
７ばね
１１イオン源
１２真空チャンバー
１３質量分析器
１４気体輸送管
１５送液管
１６噴出口
１７送気流路
２１送液流路
２２細孔

Claims

イオン源により液体試料をイオン化して質量分析を行う質量分析装置であって、イオン源は、気体輸送管と送液管とを有し、
気体輸送管は、先端に噴出口が形成されるとともに、噴出口にアシストガスを送る送気流路が形成され、さらに噴出口近傍の送気流路内面に、噴出口側の径が小さくなるテーパー面が形成され、
送液管は、送気流路内に挿入されるとともに、送液管の先端が噴出口近傍に配置され、
送気流路内面と送液管外周面との間に少なくとも３個の同形の球体が挿入され、
球体をテーパー面に押し付ける押圧機構を備えたことを特徴とする質量分析装置。
球体どうしが互いに接するように挿入されることを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
球体の径が、噴出口の径より大きいことを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
押圧機構は、付勢部材を介して球体をテーパー面に押し付けることを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
球体が送液管に接する位置から送液管の先端までの距離が、送液管の最大径の３０倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。