JP4167593B2 - エレクトロスプレイイオン化質量分析装置及びその方法 - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料溶液をエレクトロスプレイ（ＥＳＩ）イオン源に導入してイオン化し、生成したイオンを高真空中に配置されたイオン蓄積形質量分析計に導き質量分析する新規なエレクトロスプレイイオン化質量分析装置及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、バイオ分野の研究は目覚しく、その研究対象は多肢にわたっている。特に、蛋白、ペプチド、ＤＮＡなどは生体中で極めて重要な働きを担っているため、多くの研究者の研究対象とされてきた。
【０００３】
一般に、これら生体由来の有機化合物は、複雑なマトリックス中に極微量しか存在しない。これら極微量の生体関連有機化合物を生体から抽出し、液体クロマトグラフに直結した質量分析計（ＬＣ／ＭＳ装置）により高感度に分析したいとする要求が高まってきた。ＬＣ／ＭＳ装置は混合物を液体クロマトグラフ（ＬＣ）により分離し、質量分析計（ＭＳ）で高感度に定性定量分析する装置である。ＬＣ／ＭＳで用いられる代表的なイオン化手段はエレクトロスプレイイオン化（ＥＳＩ）である。ＥＳＩは大気圧下でのイオン化手法で、穏和でかつ高感度なイオン化法として知られている。そのため、生体関連物質の分析に多用されるようになった。
【０００４】
このＥＳＩを用いて、極微量成分を安定でかつ高感度に測定するためには、いくつかの
パラメータを最適化する必要がある。ＥＳＩイオン源に溶液を供給する流量は、そのパラメータの一つである。高感度測定を達成するためには、ＥＳＩ細管に流す溶液の流量はある範囲内になければならない。ＥＳＩでは１０ｎｌ／ｍｉｎ（１０^−８ｌ／ｍｉｎ）から１μｌ／ｍｉｎ（１０^−６ｌ／ｍｉｎ）の範囲が最適流量とされる。即ち、これ以下、これ以上の流量で溶液をＥＳＩの細管に送り込むと、ＥＳＩのイオン化が不安定になり、期待した高感度測定が達成できなくなる。
【０００５】
一方、混合物の分析に多用されている汎用ＬＣの流量は数ｍｌ／ｍｉｎ（数１０^−３ｌ／ｍｉｎ）から数１００μｌ／ｍｉｎ（数１０^−４ｌ／ｍｉｎ）である。また、セミミクロＬＣの流量は数１００μｌ／ｍｉｎ（数１０^−４ｌ／ｍｉｎ）から数１０μｌ／ｍｉｎ（数１０^−５ｌ／ｍｉｎ）である。汎用ＬＣやセミミクロＬＣの流量とＥＳＩ最適流量に大きな差があるため、両クロマトグラフィーは溶液のスプリット無しに、ＥＳＩに直結できなかった。溶液のスプリットは、当然測定感度の低下を招くことになる。
【０００６】
このＥＳＩを高流量の汎用ＬＣやセミミクロＬＣに適用させるためのＥＳＩの改良技術が、特許文献１に開示されている。これは、噴霧プローブを改良し大量の溶液を安定に噴霧できるようにしたものである。図１２に示すように、ＥＳＩプローブは外径の異なる２つの細管３０、３２で構成され、外形の小さな第１の細管３０は内径の太い第２の細管３２内に挿入される。これにより、同軸のＥＳＩプローブが形成される。３〜４ｋＶの高電圧が直流高圧電源５から供給され、第１の細管３０に印加される。試料溶液が第１の細管３０内に導入される。窒素ガスが第１と第２の細管の間隙空間に流される。試料溶液はガスの噴出流による機械的力と電界の作用により微細な帯電液滴６として大気７中に放出される。帯電液滴はガスの流れにより機械的な破砕と溶液の気化により更に微細化される。最終的にイオンが大気中に放出される。生成したイオンは高真空の質量分析計に取り込まれ、質量分析される。
【０００７】
この方法により、ＥＳＩプローブに導入可能な流量は飛躍的に増大し、１ｍｌ／ｍｉｎ（１０^−３ｌ／ｍｉｎ）から１００μｌ／ｍｉｎ（１０^−４ｌ／ｍｉｎ）となった。これはまさに汎用ＬＣ（数ｍｌ／ｍｉｎから数１００μｌ／ｍｉｎ）やセミミクロＬＣ（数１００μｌ／ｍｉｎから数１０μｌ／ｍｉｎ）の流量に適応する。この手法はイオンスプレイ（Ion Spray）とか流体補助エレクトロスプレイ（Pneumatic Assisted Electrospray）と呼ばれるようになった。
【０００８】
更なる微量成分の高感度測定を可能にするＥＳＩの改良技術が特許文献２に開示されている。この技術は、後にナノスプレイ（Nanospray）と呼ばれるようになった。外径０．２ｍｍ、内径０．０３ｍｍ程度の極微細なガラス細管の先端をバーナーにより引伸ばすかエッチングにより鋭角化した後、ノズル先端部に金メッキ等を行なう。ノズル先端部に高圧電源から供給された１ｋＶ程度の直流電圧を印加する。ナノスプレイへの試料溶液の流量は数ｎｌ／ｍｉｎ（数１０^−９ｌ／ｍｉｎ）から１０ｎｌ／ｍｉｎ（１０^−８ｌ／ｍｉｎ）程度で、ナノスプレイ細管に吸い上げた試料だけで１時間以上の測定を可能にした。そのため、このナノスプレイは、ＣＥ（キャピラリ電気泳動）などの極低流量のクロマトグラフィーとの結合に用いられるとともに、単離された成分を極めて高感度に測定する手法としても用いられるようになった。ナノスプレイにより１０ｎｌ／ｍｉｎ以下の流量領域のＥＳＩ測定が可能になった。
【０００９】
表１にＥＳＩイオン化及びその改良イオン化技術と最適流量、対応可能なクロマトグラフィーを示す。
【００１０】
【表１】

【００１１】
Ｉｏｎ Ｓｐｒａｙ、ＥＳＩ、ナノスプレイの出現により各種クロマトグラフィーに合ったイオン源を選択できるようになった。しかし、表１に示すように、流量が数１０μｌ／ｍｉｎから１μｌ／ｍｉｎ程度のミクロＬＣに最適なＥＳＩイオン源が用意されていない。そのため研究者はミクロＬＣのために、ＥＳＩ又はＩｏｎ Ｓｐｒａｙを感度や安定度の低下を承知の上で使用せざるを得なかった。
【００１２】
ミクロＬＣは、移動相流量が数１０μｌ／ｍｉｎから１μｌ／ｍｉｎ程度で、注入試料溶液の必要量もｎｌ（１０^−９ｌ／ｍｉｎ）と微量にできる。そのため、微量成分を取り扱うバイオ関連成分の分析に応用が急速に拡大している。当然、この領域に最適なイオン化技術への要求が高まってきている。
【００１３】
【特許文献１】
米国特許第４,８６１,９８８公報
【特許文献２】
米国特許第５,５０４,３２９公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は、ミクロＬＣに直結可能なＥＳＩイオン源を備え、 Taylor Cone と呼ばれる円錐状の液体をＥＳＩイオン源先端から大気中に引き出すことができ、最適な感度と安定度を与えることのできるエレクトロスプレイイオン化質量分析装置及びその方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、大気圧下で試料溶液を微細な細管に導入し、該細管の先端部に高電圧を印加することによりイオンを生成するエレクトロスプレイイオン源を備え、生成されたイオンを真空室に設けられたイオン蓄積形質量分析計に導き、蓄積し、その後質量掃引によりマススペクトルを得るエレクトロスプレイイオン化質量分析装置において、直流電圧に交流電圧が重畳した高電圧を前記細管の先端部に印加してエレクトロスプレイイオン化を行なうことを特徴とする。
【００１６】
本発明は、試料溶液を細管に導入し、該細管の先端部に高電圧を印加し前記溶液の噴霧イオン流を生成するエレクトロスプレイイオン源を備え、該イオン源で生成された前記イオン流を真空室に設けられたイオン蓄積形質量分析計に導き質量掃引により掃引され、該掃引された前記イオンを検出器によって検出しマススペクトルを得るエレクトロスプレイイオン化質量分析装置において、直流電圧に交流電圧が重畳した前記高電圧を印加する高電圧直流電源と交流電源とを有し、前記直流電圧に前記交流電圧の半分を加えた値が前記イオン流の生成に伴うイオン電流が得られるイオン化しきい電圧より大きく、正又は負の極性とする制御データ処理装置を有することを特徴とする。
【００１７】
又、本発明は、試料溶液を分離する液体クロマトグラフと、該クロマトグラフにより分離された前記試料溶液を細管に導入し、該細管の先端部と細孔を有するカウンタ電極との間に接続された高電圧電源により高電圧を印加することにより前記細管先端より細孔に向けて噴霧イオン流を生成するエレクトロスプレイイオン源と、該イオン源で生成された前記イオン流を前記細孔から真空室に設けられたスキマーコーン及びイオンガイドに順次導入し、次いでイオン蓄積形質量分析計に導き質量掃引により掃引された前記イオンを検出器によって検出しマススペクトルを得るエレクトロスプレイイオン化質量分析装置において、前記高電圧電源が直流電圧に交流電圧が重畳した前記高電圧を印加する高電圧直流電源と交流電源とを有し、前記直流電圧に前記交流電圧の半分を加えた値が前記イオン流の生成に伴うイオン電流が得られるイオン化しきい電圧より大きく、正又は負の極性とする制御データ処理装置を有することを特徴とする。
【００１８】
本発明は、前記スキマーコーン、イオンガイド及びイオン蓄積形質量分析計の各々が各真空室によって一体に設けられ、該各真空室に真空ポンプが設けられていること、前記細管に対して前記噴霧イオン流の方向を設定するＸＹＺ３軸位置決め装置が接続されていること、イオン蓄積形質量分析計はイオントラップ質量分析計又はイオンサイクロトロン共鳴（ＩＣＲ）質量分析計であることの少なくとも１つの要件を有することを特徴とする。
【００１９】
更に、本発明は、大気圧下で試料溶液を細管に導入し、該細管の先端部に高電圧を印加し前記溶液の噴霧イオン流を生成し、該生成されたイオン流を真空室に置かれたイオン蓄積形質量分析計に導き質量掃引し、該掃引された前記イオン流を検出器によって検出しマススペクトルを得るエレクトロスプレイイオン化質量分析方法において、前記印加される高電圧は、直流電圧に交流電圧が重畳した電圧であると共に、前記直流電圧に前記交流電圧の半分を加えた値が前記イオン流の生成に伴うイオン電流が得られるイオン化しきい電圧より大きく、正又は負の極性を有することを特徴とする。
【００２０】
又、本発明は、試料溶液を液体クロマトグラフにより分離し、該分離された前記試料溶液を微細な細管に導入し、該細管の先端部に高電圧を印加することにより前記細管先端より前記試料溶液の噴霧イオン流を生成し、該生成されたイオン流を真空室に設けられたスキマーコーン及びイオンガイドに順次導入し、次いでイオン蓄積形質量分析計に導き質量掃引により掃引し、該掃引した前記イオンを検出器によって検出しマススペクトルを得るエレクトロスプレイイオン化質量分析方法において、前記印加される高電圧は、直流電圧に交流電圧を重畳した電圧であると共に、前記直流電圧に前記交流電圧の半分を加えた値が前記イオン流の生成に伴うイオン電流が得られるイオン化しきい電圧より大きく、正又は負の極性を有することを特徴とする。
【００２１】
本発明は、前記直流電圧と交流電圧の電圧の強度は、外部から設定及び制御を行うこと、前記噴霧イオン流が正イオン測定モードの場合は前記直流電圧の極性を正、又は、前記噴霧イオン流が負イオン測定モードの場合は前記直流電圧の極性を負とすること、前記交流電圧は前記直流電圧の１００％以下、好ましくは１０〜６５％、より好ましくは１５〜５０％であること、前記交流電圧は、その周波数を１ｋＨｚ以下、好ましくは３１〜３３０Ｈｚ、より好ましくは５０〜３００Ｈｚとすること、大気圧下で前記細管に導入する前記溶液の流量を５０μｌ／ｍｉｎ以下、好ましくは２０μｌ／ｍｉｎ以下とすること、前記細管の先端部に印加する高電圧を前記試料溶液が前記細管の出口においてTaylor Cone形状に形成することの少なくとも１つの要件を有することを特徴とする。
【００２２】
又、本発明は、前述の方法のいずれかにおいて、前記イオン蓄積形質量分析計がイオントラップ形質量分析計であり、以下の（１）〜（４）の工程を順次有することを特徴とする。
【００２３】
（１）準備期間；前記細管に直流電圧と交流電圧が重畳した電圧を印加する。前記イオントラップ形質量分析計の前段に設けられたイオンゲート電極にイオンと同極性の電圧を印加してイオンがイオントラップ内へ導入されないようにする。イオントラップ電極を構成するリング電極に印加する主高周波電圧を０にリセットし、イオントラップ内のイオンを全て排除する。
【００２４】
（２）イオン導入及び蓄積期間；イオンゲート電極にイオンの極性と反対極性の電圧印加して、イオンをイオントラップ電極内に導入できるようにする．リング電極に主高周波電圧が印加され、所定の質量範囲のイオンをイオントラップ内にトラップ内に導入し、イオンの蓄積を所定の期間行ない平準化する。
【００２５】
（３）ＭＳ／ＭＳ期間；前記イオンゲート電極にイオンと同極性の電圧が印加され、イオンの導入は阻止される．前記イオントラップ内のイオンを選択し、衝突解離（ＣＩＤ）を行なう。なお、この工程は分析目的により省略される。
【００２６】
（４）マススペクトル取得；前記リング電極に印加される主高周波電圧が掃引され、前記イオントラップ内のイオンが質量順にイオントラップ外に放出され、検出器にてイオン電流値が検出され、該検出された信号は制御データ処理装置に送られ、マススペクトルが取得される。
【００２７】
即ち、本発明におけるＥＳＩを用いた質量分析は以下のように行われる。内径０．１ｍｍ程度の金属キャピラリとある距離（数１０ｍｍ程度）を置いて配置されたカウンタ電極の間に数ｋＶの電圧を印加する。金属キャピラリに試料溶液を導入し、高電圧を印加すると、金属キャピラリ先端部に形成された高電界によりキャピラリの中の液体はキャピラリの出口において誘電分極（dielectrically polarization）される。正イオン化モードの時、液表面には正の電荷が誘起され、負イオン化モードの時には液表面に負の電荷が誘起される。
【００２８】
その結果、Taylor Coneと呼ばれる円錐状の液体がキャピラリの出口から電界により大気中に引き出される。生成したTaylor Coneの先端部において電界の強さが表面張力に勝ると、Taylor Coneの先端から帯電した微細な液滴が大気中に放出される。生成した帯電液滴は電界に従い大気中をカウンタ電極に向け飛行し、大気分子と衝突を繰り返す。
【００２９】
これにより帯電液滴は機械的に破砕されるとともに、液滴の表面からの溶媒の蒸発が促進され、帯電液滴は急速に微細化される。最終的に、帯電液滴中のイオンが大気中に放出される。イオンはカウンタ電極に向け大気中を飛行し、カウンタ電極に設けられた細管または細孔を通り高真空の質量分析計に導かれ、質量分析される。
【００３０】
本発明において、ミクロＬＣを用い、移動相流量が数１０μｌ／ｍｉｎから１μｌ／ｍｉｎ程度で、注入試料溶液の必要量もｎｌ（１０^−９ｌ／ｍｉｎ）と微量にできるため、微量成分を取り扱うバイオ関連の成分の分析に応用を拡大できるものである。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、ミクロＬＣの流量領域において、Taylor Cone と呼ばれる円錐状の液体をＥＳＩイオン源先端から大気中に引き出すことができ、最適な感度と安定度を与えることの出来るエレクトロスプレイイオン化イオントラップ質量分析装置及びその方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
図１は、本発明のエレクトロスプレイイオン化質量分析装置の全体構成図である。ミクロＬＣ１により成分毎に分離された試料溶液はキャピラリチューブ２を経由してＥＳＩプローブ３に送られる。ＥＳＩプローブ３はＸＹＺ３軸位置決め装置９上に配置されている。試料溶液はＥＳＩプローブ３を構成する細管３０中を進み、細管ノズル先端部３３に達する。ＥＳＩノズル３１には高電圧直流電源５からトランス４１を経由して直流電圧Ｖｄが印加される。また、同時に交流電源４０からトランス４１を経由して交流電圧ＶａがＥＳＩノズル３１に印加される。即ちＥＳＩノズル３１には交流と直流電圧が重畳した電圧Ｖａ＋Ｖｄが印加される。この重畳電圧によりＥＳＩノズル先端部３３付近には交流により変調された直流電界が生成する。
【００３３】
イオンガイド１６は、４本、６本又は８本の金属性の円柱をある円周上に等間隔に並べて円筒状の電極からなり、この円柱をひとつ置きに結線し、２組の電極間に高周波を印加し、このイオンガイドの中心軸上にイオンを導入すると、イオンは高周波により振動を受けガス分子と衝突しイオンガイドの軸上に収束されるようになる。このイオンガイドによりイオンを損失なく移送することができる。
【００３４】
細管８は、ＳＵＳなどの金属やガラス製のバイプであり、内径０．４〜０．３ｍｍ程度で長さが１０ｃｍ程度のものが良く、加熱のためヒータを周囲に被覆したものが用いられる。
【００３５】
イオントラップ質量分析計１７は双曲線の回転対称体である３つの電極で構成され、ドーナツ状のリング電極２８とそれを両脇から挟むように２つのエンドキャップ電極２７，２９が配置される。リング電極２８に主高周波電源２３から主高周波電圧を印加することにより、これら３つの電極によって作られた空間内に四重極電界が形成される。ＥＳＩイオン源で生成されたイオンは真空内に取り込まれ、スキマー、イオンガイドを経てイオントラップ質量分析計１７に到達する。イオントラップ電極の前に配置されたイオンゲート電極２５によりイオンはイオントラップ内に導入したり阻止したりされる。
【００３６】
イオンゲート電極２５にイオンと同極性の電圧を印加すると、イオンを阻止即ちイオンゲートＯＦＦの状態となり、逆にイオンと逆極性の電圧を印加するとイオンをイオントラップ内に導入することができる。即ちイオンゲートＯＮの状態となる。
【００３７】
又、主高周波がリング電極２８に印加されている時、イオンをある時間導入することにより、イオンをイオントラップ内に蓄積することができる。これによりイオン量が変動するイオン源でも平均的なマススペクトルを得ることができる。イオンゲートをＯＦＦにしてＭＳ／ＭＳを行い、その後、リング電極に印加した主高周波電圧の電圧を掃引することにより、マススペクトルを得ることができる。
【００３８】
図中、１はミクロＬＣ、２はキャピラリーチューブ、４はＥＳＩイオン源、６は噴霧イオン流、７はイオン源空間、１４は真空隔壁、１５は真空室、２０、２１、２２は真空ポンプである。
【００３９】
図２は本発明の一実施例を示す噴霧イオン流を形成する装置の拡大図である。図２に示すように、直流電源５と交流電源４０をトランス４１で結合して直流と交流の重畳電圧は作られる。またトランスを用いずコンデンサを用いて、交流直流重畳電圧を作ることも出来る。
【００４０】
図３はＥＳＩノズルへの印加電圧ＨＶと生成するイオン電流との関係を示す線図である。図３に示すように、エレクトロスプレイノズルに印加する電圧ＨＶを次第に高くしていくと、ある電圧値Ｖｔでイオン化が開始されイオン電流が得られるようになる。このＶｔをイオン化しきい電圧と呼ぶ。印加電圧ＨＶの増加とともに、検出されるイオン電流は急激に増加する（ａ期間）。その後、イオン量の増加は次第に緩やかになる（ｂ期間）。印加電圧ＨＶを更に増加させると、ある電圧値Ｖｃから、イオン電流が急激に増加するようになる。
【００４１】
この急激なイオン電流の増加は、以下のように説明される。印加電圧ＨＶがＶｃを超えると、ＥＳＩのノズル先端からコロナ放電が開始する。このコロナ放電により、大気圧化学イオン化（ＡＰＣＩ）が開始されイオン電流が急激に増加する。ＡＰＣＩは電子により開始されるイオン分子反応によるイオン化である。そのため、このＡＰＣＩはＥＳＩと全く異なったイオン種を与える。安定にＥＳＩマススペクトルを得るためには、コロナ放電が起きないｂ期間に相当する印加電圧ＶｉをＥＳＩノズルに印加することが重要である。これらＶｔやＶｉなどの電圧は装置の構造や試料溶媒の物理的、化学的性質に大きく依存する。我々の実験によれば、イオン化しきい電圧Ｖｔは１．５ｋＶであり、安定なＥＳＩが達成される電圧Ｖｉは２ｋＶであった。
【００４２】
図４は印加電圧と噴霧イオン流の形態との関係を示す図である。図４（ａ）に示すように、印加電圧ＨＶがイオン化しきい電圧Ｖｔを超えると、ＥＳＩノズル先端部３３にはTaylor Cone３８が生成し、電界の強さが溶液の表面張力を上回るようになる。その結果、Taylor Cone３８の先端３９から帯電液滴６が大気中に放出されるようになり、ＥＳＩイオン化が開始される。逆に、図４（ｂ）に示すように、印加電圧ＨＶがＶｔを下回ると、表面張力が電界の力を上回り、Taylor Coneは鋭角を保てなくなり鈍角の円錐３６となる。この状態では、帯電液滴は生成されない。すなわち、ＥＳＩが停止した状態である。ＥＳＩが継続している間、Taylor Cone先端部においては、表面張力より電界の力が上回る状態が継続することが必要である。電界強度はＥＳＩプローブ先端とカウンタ電極間に印加された電圧ＨＶとＥＳＩプローブ先端とカウンタ電極間の距離により定まる。
【００４３】
図５は直流電圧に交流電圧を印加した電圧波形を示す図である。交流直流重畳電圧は、図５のように示されるように、印加する交流Ｖａ、直流Ｖｄとのイオン化しきい電圧Ｖｔとの関係で以下の４つの場合がある。図中、３６は溶液円錐、３７は試料溶液、３９はTaylor Cone先端、４３は電界の方向である。
【００４４】
（１）Ｖｄ−１／２（Ｖａ）＞Ｖｔの場合
ＥＳＩノズル付近の電界の強度は常にイオン化しきい値（Ｖｔ）を上回っている。そのため、帯電液滴は常にTaylor Coneの先端から放出される。ＥＳＩが常時継続されイオン電流値は常時得られる。しかし、イオン電流値は一定ではなく、交流の周期に同期して増減する。
【００４５】
（２）Ｖｄ＝Ｖｔの場合
交流成分による１／２周期がＶｄ−１／２（Ｖａ）＜Ｖｔとなるため、この期間Taylor Coneは生成されず、ＥＳＩは停止する。次の１／２周期になり、Ｖｄ＋１／２（Ｖａ）＞Ｖｔとなり、Taylor Coneが生成され、その先端からイオンが生成される。その結果ＥＳＩは断続的に行なわれるようになる。
【００４６】
（３）Ｖｄ＋１／２（Ｖａ）＞Ｖｔ
重畳電圧がイオン化しきい値（Ｖｔ）を超えた瞬間のみ、ＥＳＩがなされる。重畳電圧がイオン化しきい値（Ｖｔ）を下回る期間は、ＥＳＩは停止し、イオン電流値は得られない。
【００４７】
（４）Ｖｄ＋１／２（Ｖａ）＜Ｖｔ
ＥＳＩノズル３１に印加される電圧は常にイオン化しきい電圧Ｖｔを下回るため、イオン化は行なわれない。
【００４８】
図６は直流電圧に交流電圧を印加することによる噴霧イオン流の形態を示す図である。
本発明は（１）〜（３）に相当する重畳電圧を印加する。
【００４９】
（１）の場合、図６（ａ）のようにTaylor Cone３８が細管３０の先端部３３に安定に生成される。帯電液滴はTaylor Cone３８の先端から常に生成される。ＥＳＩによるイオン生成が達成される。しかし、電界が交流の変調を受けているため、Taylor Coneに常時かかる電界の力の変化４４を受けることになる。この力の変動４４が、Taylor Cone３８に絶えずストレスと振動を与えることになる。この振動４４がTaylor Coneから帯電した液滴の離脱を促進する。電界が交流により変調を受けているため、生成されるイオン電流値も図７に示すように絶えず変動を繰り返す。イオン電流値は交流で変調を受けたような形となる。しかし、印加電圧ＨＶはイオン化しきい電圧Ｖｔを下回る事がないため、イオン電流値が零となることはない。
【００５０】
（２）と（３）の場合は、印加電圧ＨＶはイオン化しきい電圧Ｖｔを越える瞬間と下回る瞬間がある。イオン化しきい電圧Ｖｔを超えた瞬間はイオンが生成され、印加電圧がしきい電圧Ｖｔを下回る瞬間、イオンは生成されない。そのため、生成されるイオン電流値は図８に示すように断続的なパルス状になる。
【００５１】
図１に示すように、ＥＳＩイオン源で生成した帯電液滴は大気中を電界に沿って飛行し、イオンが大気中に放出される。放出されたイオンは真空隔壁１１に設けられた細管８から真空室１２に導入される。イオンは更にスキマー１３、真空室１５に置かれたイオンガイド１６などを経て高真空室１９に送り込まれる。ここでイオンはイオンゲート２５を通過しイオントラップ質量分析計１７に到達する。イオントラップ質量分析計１７は双曲線の回転対称体である３つの電極で構成される．ドーナツ状のリング電極２８を挟むように２つのエンドキャップ電極２７，２８が配置される．リング電極２８には高周波電源２３から主高周波が印加されイオントラップ空間内に四重極電界が形成される。これによりイオントラップ空間に導入されたイオンはイオントラップ内に安定にトラップされる。イオンの導入蓄積期間が終了するとイオンゲート電極２５にはイオンと同極性の電圧が印加されイオンゲートは閉じられる。
【００５２】
次に、高周波電源２３から供給される主高周波電圧は掃引され質量順にイオンはイオントラップ外に放出され検出器１８により検出される。信号は制御データ処理２４に送られマススペクトルを与える。
【００５３】
重畳電圧印加の場合、Taylor Coneに作用する電界強度の変化分は印加交流電圧の振幅に由来する。そのため、この交流電圧の振幅を制御データ処理装置２４から高電圧直流電源５や交流電源４０を経由して制御することにより、Taylor Coneの振動やイオン化を制御できる。イオン量をモニタしながら、交流の電圧Ｖａを調整し、イオン電流値が増加する方向に交流電圧Ｖａを設定すればよい。また、直流電圧Ｖｄも同様に調整し、イオン電流値が最大になるようにすればよい。超音波素子や流体による機械的振動と異なり、本発明の交流電界による振動は、Taylor Coneの先端部だけが力の変動を受けるだけで、ＥＳＩ細管などに機械的振動を与えない。そのため、イオン電流値と交流電圧Ｖａの関係は再現性が高い。交流または直流電圧を調整して最適条件を求めることは簡単である。
【００５４】
ＬＣ／ＭＳ測定の場合、正イオンモードと負イオンモードがある。正イオンモードはＥＳＩイオン源で正イオンを生成し、質量分析計で正イオンマススペクトルを得る。負イオンモードではＥＳＩイオン源で負イオンを生成し、質量分析計で負イオンマススペクトルを得る。本発明に置いては、高電圧直流電源５に制御データ処理装置２４からの極性切替の指示により直流電源の極性の切替を行なう。正イオンモードの場合直流電圧Ｖｄの極性は正、負イオンモードの場合、直流電圧の極性は負とする。重畳交流電圧はそのままで良い。これにより、ＥＳＩの極性は切り替えることが出来る。
【００５５】
この交流重畳電圧の印加により、Taylor Coneからの液滴の生成、ひいてはイオンの生成が大きく促進される。即ち、ＥＳＩイオン源に導入可能な溶液の流量を大幅に増加することが出来る。実験によると、直流単独印加のＥＳＩに比して１０倍から、数１０倍の流量増加とイオン量の増加を達成した。しかし、一方で、図７、図８に示すように、生成したイオン量が交流周期に同期して大きく変化する問題が発生した。このようにイオン電流値が常に変化する時、質量分析計に四重極質量分析計（ＱＭＳ）や磁場型ＭＳ、飛行時間質量分析計（ＴＯＦ）等の掃引形の質量分析計を用いると、マススペクトル取得のための掃引とイオン電流値の変化が同期しないため、マススペクトルは正しいものが得られない。しかし、イオン電流値が変化しても、正しいマススペクトルを与えることの出来る質量分析計が存在する。それは、イオン蓄積形の質量分析計である。
【００５６】
イオン蓄積型の質量分析計は、イオンの導入、蓄積、ＭＳ／ＭＳ処理、マススペクトル掃引が時間経過に従い時分割で行なわれる。イオントラップ質量分析計はイオン蓄積形の質量分析計で、この形の質量分析計は他にイオンサイクロトロン共鳴（ＩＣＲ）質量分析計（ＦＴ／ＭＳとも呼ばれる）が良く知られている。特にイオンの導入、蓄積とマススペクトルが独立した処理操作のため、イオンの導入、蓄積期間にイオン電流値を再現性良く変化させ得るなら、マススペクトルに何ら影響を与えることはない。
【００５７】
図９はイオントラップ質量分析計の動作シーケンスを示す図である。
【００５８】
（１）準備期間（ｔ_０〜ｔ_１）；ＥＳＩノズルに直流電圧と交流電圧が重畳した高圧電圧ＨＶが印加される。これによりＥＳＩが開始される。ゲート電極２５にイオンと同極性の電圧が印加され、イオンの導入が阻止される．イオントラップのリング電極２８に印加される主高周波電圧は０にリセットされ、イオントラップ内のイオンは全て排除される。
【００５９】
（２）イオン導入、蓄積期間（ｔ_１〜ｔ_２）；所定の主高周波電圧が主高周波電源２３からイオントラップのリング電極２８に印加される。ある質量範囲のイオンはイオントラップ内にトラップされる。ゲート電極２５にイオンゲート電源２６からイオンと反対極性のゲートＯＮ電圧を印加して、ＥＳＩで生成したイオンをイオントラップ内に導入、蓄積を行なう。交流で変調受けたイオンもこのイオンの導入、蓄積の期間により、平準化される。
【００６０】
（３）ＭＳ／ＭＳ期間（ｔ_２〜ｔ_３）；ゲート電極２５にイオンと同極性の電圧を印加しイオンゲートをＯＦＦとして、イオンの導入を阻止する。イオントラップ内のイオンを選択、衝突解離（ＣＩＤ）、即ちＭＳ／ＭＳを行なうことで、新たな情報を得ることが出来る。この工程は応用分野により省略できる。
【００６１】
（４）マススペクトル取得（ｔ_３〜ｔ_４）；主高周波電源２３からイオントラップのリング電極２８に印加される主高周波電圧が掃引される。これにより、イオントラップ内のイオンが質量順にイオントラップ外に放出され、検出器１８にてイオン電流値が検出される。この信号は制御データ処理装置２４に送られ、マススペクトルが取得される。
【００６２】
（１）から（４）を繰り返し、マススペクトルを繰り返し取得する。クロマトグラフから送り込まれた成分はＥＳＩによりイオン化され、マススペクトルを与える。
【００６３】
図１０は、イオン電流値（任意単位）と、直流電圧Ｖｄと交流電圧Ｖａの比との関係を示す線図である。直流電圧Ｖｄと交流電圧Ｖａの電圧は自由に設定できるが、実際効率の良いイオン化のためには、制限がある。交流電圧Ｖａは直流電圧Ｖｄの１００％を超えるとイオン化の効率は急速に落ちてくる。交流電圧Ｖａと直流電圧Ｖｄの比と生成されるイオン電流値の関係を実験で求めた。ＥＳＩに供給する溶液の流量は１０μｌ／ｍｉｎ、直流電圧Ｖｄは２ｋＶとし、交流電圧Ｖａを変化させイオン電流値を求めた。
【００６４】
図１０に示すように、交流電圧Ｖａが直流電圧Ｖｄ対して３０％の時、イオン電流値が最大になる。１０％以下になると、イオン電流値は急速に減少し、０％即ち交流の印加がなくなると、イオン電流値は最大値の１／３程度となる。交流が直流の３０％を超えると、イオン電流は緩やかに減少する。交流が直流に対して１００％となると、イオン電流値は交流印加無しの状態と同じレベルまで低下する。好ましくは１０〜６５％、より好ましくは１５〜５０％である。
【００６５】
図１１は、イオン電流値（任意単位）と交流電圧の周波数との関係を示す線図である。図１１に示すように、印加する交流電圧Ｖａの周波数はイオン電流値に影響を与える。交流の周波数を１０Ｈｚから１ｋＨｚまで増加させイオン電流値を計測した。イオン電流値は増加し、８０から１００Ｈｚにて最大値に達する。１００Ｈｚ〜３００Ｈｚまでほぼ平坦なイオン電流値が得られ、３００Ｈｚを超えるとイオン電流値は急速に低下する。１ｋＨｚでのイオン電流値は１００Ｈｚの場合の約１／１０となる。交流電圧は、その周期を１ｋＨｚ以下が良く、好ましくは３１〜３３０Ｈｚ、より好ましくは５０〜３００Ｈｚである。
【００６６】
以上、イオン導入、蓄積の期間を印加電圧（ＨＶ）の交流成分の周期より、充分に長い時間を与えるなら、交流によるイオン電流値の変調は平準化される。どのように変調されていても、再現性が補償されていれば、安定なクロロマトグラムやマススペクトルを得ることが出来る。ここで、印加する交流はサイン波ばかりでなく、矩形や鋸歯状波でも良い。要は再現の取れるストレスを常にTaylor Cone先端に与えることである。これにより、Taylor Coneの自身に微細な振動を招くことになる。この微細な振動はTaylor Coneの先端からの帯電微細液滴の放出を促進する。
【００６７】
これにより、通常のＥＳＩでは流量が１μｌ／ｍｉｎを超えると不安定となるイオン化も、最大１００μｌ／ｍｉｎの流量の溶液を本発明のＥＳＩイオン源により受け取ることが可能であり、イオン化を達成できる。従って、本発明では、数１０μｌ／ｍｉｎから１μｌ／ｍｉｎの流量範囲であれば、安定で、高感度なイオン化が達成できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の一実施例を示すエレクトロスプレイイオン化質量分析装置の全体構 成図である。
【図２】本発明の一実施例を示す噴流イオン流を形成する装置の拡大図である。
【図３】本発明のＥＳＩノズルへの印加電圧ＨＶと生成するイオン電流との関係を示 す線図である。
【図４】本発明の印加電圧と噴霧イオン流の形態との関係を示す図である。
【図５】本発明の直流電圧に交流電圧を印加した電圧波形を示す線図である。
【図６】本発明の直流電圧に交流電圧を印加することによる噴霧イオン流の形態を示 す図である。
【図７】本発明のしきい電圧とイオン電流値との関係を示す線図である。
【図８】しきい電圧とイオン電流値との関係を示す線図である。
【図９】イオントラップ質量分析計の動作シーケンスを示す図である。
【図１０】イオン電流値（任意単位）と、直流電圧Ｖｄと交流電圧Ｖａの比との関係 を示す線図である。
【図１１】イオン電流値（任意単位）と交流電圧の周波数との関係を示す線図である 。
【図１２】従来のエレクトロスプレイイオンプローブの断面図である。
【符号の説明】
【００６９】
１…ミクロＬＣ、２…キャピラリチューブ、３…ＥＳＩプローブ、４…ＥＳＩイオン源、５…高電圧直流電源、６…噴霧イオン流、７…イオン源空間、８…細管、９…ＸＹＺ３軸位置決め装置、１１、１４…真空隔壁、１２、１５…真空室、１３…スキマー、１６…イオンガイド、１７…イオントラップ質量分析計、１８…検出器、１９…高真空室、２０、２１、２２…真空ポンプ、２３…高周波電源、２４…制御データ処理装置、２５…イオンゲート電極、２６…イオンゲート電源、２７、２９…エンドキャップ電極、２８…リング電極、３０…細管、３１…ＥＳＩノズル、３３…細管ノズル先端部、３６…溶液円錐、３７…試料溶液、３８…Taylor Cone、３９…先端、４０…交流電源、４１…トランス、４３…電界。

Claims (18)

1. 試料溶液を細管に導入し、該細管の先端部に高電圧を印加し前記溶液の噴霧イオン流を生成するエレクトロスプレイイオン源を備え、該イオン源で生成された前記イオン流を真空室に設けられたイオン蓄積形質量分析計に導き質量掃引により掃引され、該掃引された前記イオンを検出器によって検出しマススペクトルを得るエレクトロスプレイイオン化質量分析装置において、
   直流電圧に交流電圧が重畳した前記高電圧を印加する高電圧直流電源と交流電源とを有し、
   前記直流電圧に前記交流電圧の半分を加えた値が前記イオン流の生成に伴うイオン電流が得られるイオン化しきい電圧より大きく、正又は負の極性とする制御データ処理装置を有することを特徴とするエレクトロスプレイイオン化質量分析装置。
2. 試料溶液を分離する液体クロマトグラフと、該クロマトグラフにより分離された前記試料溶液を細管に導入し、該細管の先端部と細孔を有するカウンタ電極との間に接続された高電圧電源により高電圧を印加することにより前記細管先端より前記細孔に向けて噴霧イオン流を生成するエレクトロスプレイイオン源と、該イオン源で生成された前記イオン流を前記細孔から真空室に設けられたスキマーコーン及びイオンガイドに順次導入し、次いでイオン蓄積形質量分析計に導き質量掃引により掃引された前記イオンを検出器によって検出しマススペクトルを得るエレクトロスプレイイオン化質量分析装置において、
   直流電圧に交流電圧が重畳した前記高電圧を印加する高電圧直流電源と交流電源とを有し、前記直流電圧に前記交流電圧の半分を加えた値が前記イオン流の生成に伴うイオン電流が得られるイオン化しきい電圧より大きく、正又は負の極性とする制御データ処理装置を有することを特徴とするエレクトロスプレイイオン化質量分析装置。
3. 請求項２において、前記スキマーコーン、イオンガイド及びイオン蓄積形質量分析計の各々が各真空室によって一体に設けられ、該各真空室に真空ポンプが設けられていることを特徴とするエレクトロスプレイイオン化質量分析装置。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、前記細管に対して前記噴霧イオン流の方向を設定するＸＹＺ３軸位置決め装置が接続されていることを特徴とするエレクトロスプレイイオン化質量分析装置。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、イオン蓄積形質量分析計はイオントラップ質量分析計であることを特徴とするエレクトロスプレイイオン化質量分析装置。
6. 請求項１〜４のいずれかにおいて、イオン蓄積形質量分析計はイオンサイクロトロン共鳴（ＩＣＲ）質量分析計であることを特徴とするエレクトロスプレイイオン化質量分析装置。
7. 大気圧下で試料溶液を細管に導入し、該細管の先端部に高電圧を印加し前記溶液の噴霧イオン流を生成し、該生成されたイオン流を真空室に置かれたイオン蓄積形質量分析計に導き質量掃引し、該掃引された前記イオン流を検出器によって検出しマススペクトルを得るエレクトロスプレイイオン化質量分析方法において、
   前記印加される高電圧は、直流電圧に交流電圧を重畳した電圧であると共に、前記直流電圧に前記交流電圧の半分を加えた値が前記イオン流の生成に伴うイオン電流が得られるイオン化しきい電圧より大きく、正又は負の極性を有することを特徴とするエレクトロスプレイイオン化質量分析方法。
8. 試料溶液を液体クロマトグラフにより分離し、該分離された前記試料溶液を細管に導入し、該細管の先端部に高電圧を印加することにより前記細管先端より前記試料溶液の噴霧イオン流を生成し、該生成されたイオン流を真空室に設けられたスキマーコーン及びイオンガイドに順次導入し、次いでイオン蓄積形質量分析計に導き質量掃引により掃引し、該掃引した前記イオンを検出器によって検出しマススペクトルを得るエレクトロスプレイイオン化質量分析方法において、
   前記印加される高電圧は、直流電圧に交流電圧を重畳した電圧であると共に、前記直流電圧に前記交流電圧の半分を加えた値が前記イオン流の生成に伴うイオン電流が得られるイ オン化しきい電圧より大きく、正又は負の極性を有することを特徴とするエレクトロスプレイイオン化質量分析方法。
9. 請求項７又は８において、前記直流電圧と交流電圧の強度を独立に設定及び制御を行うことを特徴とするエレクトロスプレイイオン化質量分析方法。
10. 請求項７〜９のいずれかにおいて、前記噴霧イオン流が正イオン測定モードの場合は前記直流電圧の極性を正、又は、前記噴霧イオン流が負イオン測定モードの場合は前記直流電圧の極性を負とすることを特徴とするエレクトロスプレイイオン化質量分析方法。
11. 請求項７〜１０のいずれかにおいて、前記交流電圧は、前記直流電圧に対して１０〜６５％であることを特徴とするエレクトロスプレイイオン化質量分析方法。
12. 請求項７〜１１のいずれかにおいて、前記交流電圧は、その周波数を３１〜３３０Ｈｚとすることを特徴とするエレクトロスプレイイオン化質量分析方法。
13. 請求項７〜１２のいずれかにおいて、前記細管に導入する前記溶液の流量を５０μｌ／ｍｉｎ以下とすることを特徴とするエレクトロスプレイイオン化質量分析方法。
14. 請求項７〜１３のいずれかにおいて、前記イオン蓄積形質量分析計がイオントラップ形質量分析計であり、以下の（１）〜（４）の工程を順次有することを特徴とするエレクトロスプレイイオン化質量分析方法。
    （１）準備期間；前記細管に直流電圧と交流電圧が重畳した電圧を印加すると共に、前記イオントラップ形質量分析計の先端に設けられたイオンゲート電極にイオンと同極性の電圧を印加し、イオンゲートをＯＦＦとし、次いでリング電極に印加する主高周波電圧を０にリセットし、イオントラップ内のイオンを全て排除する。
    （２）イオン導入及び蓄積期間；イオンゲート電極にイオンと反対極性の電圧を印加してイオンゲートをＯＮにすると共に、前記リング電極に前記主高周波電圧が印加され、所定の質量範囲のイオンをイオントラップ内にトラップ内に導入し、蓄積を所定の期間行ないイオン電流の平準化する。
    （３）ＭＳ／ＭＳ期間；前記イオンゲート電極にイオンと同極性の電圧を印加しイオンゲートをＯＦＦにして、イオンの導入を阻止すると共に、前記イオントラップ内のイオンを選択し、質量分析を行なう。
    （４）マススペクトル取得；前記リング電極に印加される主高周波電圧が掃引され、前記イオントラップ内のイオンが質量順にイオントラップ外に放出され、検出器にてイオン電流値が検出され、該検出された信号は制御データ処理装置に送られ、マススペクトルが取得される。
15. 請求項７〜１４のいずれかにおいて、前記細管の先端部に印加する高電圧を前記試料溶液が噴霧プローブの出口においてTaylor Cone形状になるように設定することを特徴とするエレクトロスプレイイオン化質量分析方法。
16. 請求項１又は２において、前記制御データ処理装置は、前記直流電圧と交流電圧とを独立に設定可能であることを特徴とするエレクトロスプレイイオン化質量分析装置。
17. 請求項１６において、前記交流電圧は、前記直流電圧に対して１０〜６５％であることを特徴とするエレクトロスプレイイオン化質量分析装置。
18. 請求項１６又は１７において、前記交流電圧の周波数は、３１〜３３０ Hz であることを特徴とするエレクトロスプレイイオン化質量分析装置。

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