JP4254499B2

JP4254499B2 - 質量分析用マイクロチップおよびこれを用いた質量分析装置

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Publication number: JP4254499B2
Application number: JP2003388355A
Authority: JP
Inventors: 郁夫小西; 尚弘西本
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2003-11-18
Filing date: 2003-11-18
Publication date: 2009-04-15
Anticipated expiration: 2023-11-18
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Description

本発明は、質量分析装置に供給する分析試料の調製を行うための質量分析用マイクロチップに関し、さらに詳細には分析試料をイオン化する際に用いるマイクロチップ型のイオン化部品に関する。また、本発明は質量分析用マイクロチップを用いて質量分析を行う質量分析装置に関する。

質量分析装置のイオン源は、各種方法が考案されている。
固体や半固体上の試料をＴＯＦＭＳ（飛行時間型質量分析装置）で測定する場合には、レーザ照射により試料を飛散させてイオン化するＭＡＬＤＩ法が多用されている。これは、ＭＡＬＤＩ法が試料中の高分子イオンを高分子イオンとしての特徴を残したままソフトにイオン化できる特徴を有するとともに、パルス的なレーザ照射によるイオン化が、間欠的に測定が行なわれるＴＯＦＭＳ測定に適しているからである。

しかしながら、ＭＡＬＤＩ法による測定では、あらかじめ別の工程で試料の分離精製を行った後、ＭＡＬＤＩ照射用のマイクロセルプレートに分注し、試料が注入されたマイクロセルプレートを質量分析装置に取り付けて測定を行う。これらの作業は独立して処理される複数の工程が介在する不連続な作業であり自動化が困難である。もちろんロボット機構を用いて自動化を進めることもできないわけではないが、たとえ自動化したとしても不連続な作業は、作業中に試料内にコンタミ物質が混入しやすく、微量試料の測定ではコンタミ物質の混入は測定結果に不確かさを与える原因となる。

また、ＥＳＩ（エレクロトスプレーイオン化法）等の大気圧イオン化法を用いた質量分析装置と液体クロマトグラフ装置とを結合したＬＣＭＳ（液体クロマトグラフ質量分析装置）では、カラムにより成分分離された液体試料が連続的にイオン源に送り込まれ、イオン源に送り込まれた液体試料が順次イオン化されて質量分析装置の検出器（この場合の検出器にはイオントラップ型検出器、四重極型検出器が用いられる）に送られ、連続測定が行われる。
しかしながら、ＥＳＩ等の大気圧イオン化法をＴＯＦＭＳやイオントラップ型質量分析装置のイオン源として組み合わせた場合、ＴＯＦＭＳやイオントラップ型質量分析装置では、間欠的に測定が行われるため、測定タイミング以外にイオン源に導入された試料は測定されずに廃棄されることとなり、試料の利用効率は決してよくない。

近年、生体試料などを扱うバイオ分野での質量分析の重要さが増すにつれて、蛋白などの微量試料を質量分析する機会が増えており、質量分析装置側では微量試料の利用効率を高め、試料を有効に利用した測定を行う必要が生じている。
特に、イオントラップ検出器を用いるイオントラップ型質量分析装置では試料の有効利用に対する要求が強く、微量試料での測定が可能なパルスイオン源が求められている。
特開平９−３２０５１５号公報特開２００３−１６９９２号公報

そこで本発明は、微量試料を有効に利用して質量分析を行うことができる質量分析装置および微量試料の質量分析に適した新しいイオン化用部品を提供することを目的とする。
また、本発明は、ＴＯＦＭＳやイオントラップ型質量分析装置のように、間欠的に測定がなされる質量分析装置のイオン化に適したイオン化部品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第１の発明は、質量分析のための試料を調製するための質量分析用マイクロチップであって、試料導入部と、試料導入部に連通する流路上に形成され、試料導入部から流れてくる試料の一部を順次切り取る試料切取部と、複数の試料貯蔵部と、試料切取部と各試料貯蔵部とを流路接続し、試料切取部で切り取られた試料の一部をそれぞれいずれかの試料貯蔵部に送るための分岐流路と、分岐流路にそれぞれ設けられる分岐流路開閉バルブと、試料貯蔵部に連通し、試料貯蔵部に貯留された試料を取り出す取出流路とを備えるようにしている。

この発明によれば、試料導入部から注入された試料は試料切取部に送られて一定量ずつ切り取られる。切り取られた各微量試料は、それぞれ分岐流路開閉バルブにより選択されたいずれかの分岐流路に送られ、各分岐流路に設けられた試料貯蔵部に貯留される。このようにして試料切取部で切り取られた各微量試料はそれぞれ別々の試料貯蔵部に独立して貯留される。そして質量分析装置で測定を行う際に、測定対象の微量試料を選択して試料貯蔵部から取出流路を介して質量分析装置に導入する。このようにして試料貯蔵部に貯留された試料を必要なタイミングで順次取り出すようにして質量分析を行う。

また、第２の発明の質量分析用マイクロチップは、取出流路が、マイクロチップ外壁に形成された吐出用ノズルに連通するようにしている。この発明によれば、チップ外壁のノズルから吐出する試料を質量分析装置に送るようにして質量分析を行う。

また、第３の発明の質量分析用マイクロチップは、試料導入部と試料切取部との間の流路に、試料導入部から導入された試料を成分ごとに分離する試料分離部をさらに備えるようにしている。この発明によれば、注入された試料は試料分離部において成分ごとに分離されるので、成分ごとに分離した微量試料を各試料貯蔵部に貯留する。

また、第４の発明の質量分析用マイクロチップは、試料分離部には成分ごとに分離するためのクロマトグラフィ用カラムまたは電気泳動用カラムが形成されるようにしている。この発明によれば、クロマトグラフィ用カラム剤または電気泳動用カラム剤がチップ上に形成された流路に形成されており、これにより試料が成分ごとに分離される。

また、第５の発明の質量分析用マイクロチップは、試料切取部が、前側流路切替部と後側流路切替部とに挟まれた切取流路と、前側流路切替部から分岐しベントポートに接続されるベント流路と、後側流路切替部から分岐し排出ポートに接続される排出流路とからなるようにしている。この発明によれば、切り取りたい試料部分が前側流路切替部と後側流路切替部との間に来るまでは後側流路切替部は排出流路側に流れるようにして試料導入部側から試料を下流側に駆動して排出ポートにするようにする。切り取りたい試料部分が前側流路切替部と後側流路切替部との間に来ると、後側流路切替部は流路を分岐流路の方に切り替える。そして、前側流路切替部をベント流路側に切り替えて、ベント流路から選択された一つの分岐流路開閉バルブを介して試料貯蔵部に送るように試料を駆動するようにする。そして試料が試料貯蔵部に貯留されると、後側流路切替部が再び排出流路側に切り替わり、次に切り取りたい試料が来るまで待つ。以下、同様の手順で順次切り取りたい試料部分を試料導入部に貯留する。
なお、切り取りたい試料位置を確認するための検出機構を設けてもよい。例えばバルブの前に光検出器や蛍光センサーなどのセンサーを設けることができる。また、試料分離部から導入した試料量により位置決めしてもよい。

また、第６の発明の質量分析用マイクロチップは、前側流路切替部および後側流路切替部が、三方バルブにより形成されるようにしている。この発明によれば、三方弁によりベント流路の切り替え、排出流路の切り替えが簡単に行うことができる。

また、第７の発明の質量分析用マイクロチップは、試料切取部と分岐流路との間に試薬または溶媒を注入するための試薬溶媒導入部をさらに設けるようにしている。
この発明によれば、試薬溶媒導入部から試薬や溶媒を注入することにより、試料を希釈したり、反応させたりして質量分析前に種々の前処理を行うようにすることができる。

また、第８の発明の質量分析用マイクロチップは、さらにレーザ照射によるイオン化のためのイオン化用の開口部が形成され、取出流路は開口部に連通するようにしている。
この発明によれば、質量分析用マイクロチップを質量分析装置本体のイオン化部に直接取り付ける。そして選択した一つの試料貯蔵部から試料取出用開閉バルブを介して微量試料をイオン化開口部に送り、質量分析装置のレーザ光源からレーザ照射を行うことによりイオン化が行われる。

また、第９の発明の質量分析用マイクロチップは、イオン化用の開口部にレーザ光を導く導波路をさらに形成するようにしている。
この発明によれば導波路を介してレーザ光を正確かつ効率的にイオン化開口部に導く。

また、第１０の発明の質量分析用マイクロチップは、上述した吐出用ノズルを備えた質量分析用マイクロチップと、試料の質量分析を行う質量分析部を有する質量分析装置本体と、質量分析用マイクロチップの吐出用ノズルから吐出される試料を質量分析部に導入するためのインターフェース部とを備えるようにしている。
この発明によれば、吐出用ノズルから吐出される試料がインターフェース部から質量分析部に導入され、質量分析部にて試料の質量分析を行われる。

また、第１１の発明の質量分析装置は、上述した質量分析装置のインターフェース部において、質量分析用マイクロチップの吐出ノズルに対向する位置に配置され、吐出ノズルから吐出される試料を質量分析部に導入するための小孔が形成されるようにしている。
この発明によれば、大気圧下に置かれた質量分析用マイクロチップの吐出ノズルがインターフェース部の小孔に対向している。質量分析部は真空に維持されているので、この小孔により差圧が形成されている。吐出ノズルから微量試料が吐出されると、試料がこの小孔を通過して質量分析部に導入され、質量分析が行われる。

また、第１２の発明である質量分析装置は、上述したイオン化開口部を有する質量分析用マイクロチップと、イオン化部およびイオン化部でイオン化された試料の質量分析を行う質量分析部とを有する質量分析装置本体とを備え、イオン化部はレーザ光源を有し、質量分析用マイクロチップ上のイオン化開口部にレーザ光を照射するようにしてイオン化を行うようにしている。
この発明によれば、質量分析用マイクロチップを質量分析装置のイオン化部に取り付けて、レーザ光源からレーザをイオン化開口部に照射してイオン化し、イオン化された試料を質量分析部に導いて質量分析を行う。

第１の発明の質量分析用マイクロチップによれば、導入された試料のうち分析に必要な一部分のみを微量ずつ切り取って一旦試料貯蔵部に貯留することができるので、必要最小限の試料のみを供給すればよい。また、試料を必要なときに必要な試料のみを質量分析装置に送り出すことができるので、廃棄される試料を見越して多めに試料を準備する必要がなく、無駄に試料を廃棄することがなくなる。

第２の発明の質量分析用マイクロチップによれば、マイクロチップ外壁の吐出用ノズルから試料が吐出されるので、吐出用ノズルに配管を接続して質量分析装置に送るようにすれば試料貯蔵部に貯留された微量試料を必要なときに簡単に質量分析装置に送ることができる。

第３の発明の質量分析用マイクロチップによれば、試料導入部と試料切取部との間の流路に導入された試料を成分ごとに分離する試料分離部をさらに備えている。
この発明によれば、注入された試料は試料分離部において成分ごとに分離した上で試料貯蔵部に貯留することができるので、あらかじめ成分分離した試料を供給する必要がなくなる。

第４の発明の質量分析用マイクロチップによれば、試料分離部にクロマトグラフィ用カラムまたは電気泳動用カラムが形成されているので、クロマトグラフィや電気泳動法により分離された成分を成分ごとに試料貯蔵部に貯留することができ、さらに貯留した微量試料を必要な時期に質量分析装置本体に送ることができる。

第５の発明の質量分析用マイクロチップによれば、前側流路切替部と後側流路切替部との流路切替により、必要な微量試料部分のみを試料貯蔵部に送って貯留することができ、その他の溶媒、不要試料成分は質量分析装置に送らずにベントポート、排出ポートを利用して排出ポートから廃棄することができるので、不要な測定が行われずに済ませることができ、また配管洗浄も減らすことができる。

第６の発明の質量分析用マイクロチップによれば、前側流路切替部および後側流路切替部は、三方バルブより簡単に流路切替を行うことができる。

第７の発明の質量分析用マイクロチップによれば、試薬溶媒導入部から試薬や溶媒を注入することにより、試料を希釈したり、反応させたりして質量分析前に種々の前処理を行うようにすることができる。また、試料貯蔵部での貯留時間を調整して質量分析装置に送ることにより、反応後の経時的な変化についても分析を行うことができる。

第８の発明の質量分析用マイクロチップによれば、当該チップを質量分析装置本体のイオン化部に直接取り付けてレーザ照射することにより、必要な微量試料を必要なときに簡単にイオン化することができる。特にＴＯＦＭＳやイオントラップ型質量分析装置における間欠的な分析をレーザ照射のタイミングに同期させることで効率的な分析と行うことができる。

第９の発明の質量分析用マイクロチップによれば、チップに形成された導波路を介してイオン化用の開口部にレーザ光を導くようにしているので、レーザ光源の光路を単に導波路に導けばよく、光学系の位置合わせが簡単にできる。

また、第１０の発明である質量分析装置によれば、質量分析用マイクロチップの試料貯蔵部に一旦必要な試料のみを貯留し、貯留された微量試料を適当な時期にインターフェース部を介して質量分析装置本体に送ることができるので、準備できる試料量が微量であっても確実に分析を行うことができる。

また、第１１の発明の質量分析装置によれば、吐出ノズルから微量試料が吐出されるとほぼすべての試料がこの小孔を通過して質量分析部に導入されるので、微量試料で質量分析を行うことができる。

第１２の発明である質量分析装置によれば、質量分析用マイクロチップが直接質量分析装置本体のイオン化部に取り付けられ、イオン化開口部にレーザ照射されることでイオン化された試料の質量分析を行うので、レーザ照射と質量分析部による質量分析とを簡単に同期させて分析することができる。特にＴＯＦＭＳやイオントラップ型質量分析装置で間欠的な測定を行う際に測定のタイミングとの同期を簡単にとることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。なお、以下に説明する実施例は一例にすぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変形実施することが可能である。

マイクロチップの構成
図１は、本発明の一実施例である質量分析用マイクロチップの構成を示す平面図、図２はその斜視図である。
この質量分析用マイクロチップ１は、必要な孔加工や溝加工を施したベースプレート、カバープレートからなる２枚の石英ガラスを貼り合わせるようにして形成される。
マイクロチップ１の上面には、試料導入部となる試料導入ポート１２、ベントポート１４、排出ポート１６の３つの開口が形成され、各ポートは図示しない外部流路から試料液や溶媒液を供給したり排出したりできるようにしてある。

マイクロチップ１の内部には、上流側から順に、試料導入ポート１２に連通する分離流路１８、分離流路１８に対して三方バルブＶＡ（前側流路切替部）を介して流路接続される切取流路２０、切取流路２０に対して三方バルブＶＢ（後側流路切替部）を介して流路接続され、末端側が複数に分岐する分岐流路２２（各分岐部分は分岐流路２２−１、２２−２、２２−３とする）、分岐流路２２の末端に連通し、試料を貯留するための試料貯蔵部２４（各試料貯蔵部は２４−１、２４−２、２４−３とする）が形成される。また、分岐流路２２の途中には分岐流路開閉バルブＶＣ（各分岐流路開閉バルブはＶＣ−１、ＶＣ−２、ＶＣ−３とする）が形成され、それぞれの分岐流路２２−１、２２−２、２２−３を開閉可能にしている。試料貯蔵部２４の下流側には、マイクロチップ外壁に設けられるノズル２６と連通する取出流路２８（各取出流路は２８−１、２８−２、２８−３とする）が形成される。
マイクロチップ１に用いられる開閉バルブや三方バルブは、ダイアフラムバルブのような可動部が機械的に動作するバルブに限られず、ＥＷＯＤ（electro wetting on Dielectric）を用いて流路内面の濡れ性を制御して流体の方向を切り替えるバルブ、あるいは流路内面を構成する素材の濡れ性の違いと流体にかかる圧力を利用して流体の方向を切り替えるパッシブバルブのような可動部がないバルブでもよい。要するに流路切り替えが可能であればよい。

また、三方バルブＶＡから分岐するベント流路３０が形成され、ベントポート１４に連通する。同様に三方バルブＶＢから分岐する排出流路３２が形成され、排出ポート１６に連通する。

分離流路１８は、導入された試料をマイクロチップ１内で成分ごとに分離するための流路部分であり、試料に応じてクロマトグラフィ用カラム剤が用いられたり、電気泳動用カラムが用いられたりする。なお、試料導入部１２に導入する前工程であらかじめ分離した試料を導入する場合は、この流路部分で分離を行う必要はないので、単なる接続流路として用いられる。また、前工程で分離した試料をマイクロチップ１内の分離流路１８でさらに分離するようにしてもよい。

三方バルブＶＡは、分離流路１８と切取流路２０との間、ベント流路３０と切取流路２０との間のいずれかを選択的に接続するように切り替えられる。三方バルブＶＢは、切取流路２０と排出流路３２との間、切取流路２０と分岐流路２２との間のいずれかを選択的に接続するように切り替えられる。

切取流路２０は、２つの三方バルブＶＡ、ＶＢではさまれた流路であり、バルブ操作により２つのバルブＶＡ、ＶＢ間に閉じ込められた試料部分の下流側の流れ方向を切り替えることにより、当該試料部分を切り取る。

分岐流路２２は三方バルブＶＢの下流で分岐し、各分岐流路２２−１、２２−２、２２−３のうち分岐流路開閉バルブＶＣ−１、ＶＣ−２、ＶＣ−３のいずれか１つが選択的に開くと、対応する分岐流路２２に試料が送られるようになっている。

各試料貯蔵部２４−１、２４−２、２４−３には孔加工が施され、その底部には開口が形成してある。そして試料貯蔵部それぞれの底部の開口を塞ぐようにプラスチック製の底部材が取り付けてあり、さらにこの底部材の下方に底部材を昇降させるための圧電素子からなる吐出用アクチュエータ３４（各吐出用アクチュエータは３４−１、３４−２、３４−３という）が取り付けてある（図１、図４参照）。そして吐出用アクチュエータ３４が通電されることにより、底部材が上昇して試料貯蔵部２４内の液体が加圧され、取出流路２８を流れてノズル２６から吐出されるようにしてある。

質量分析装置の構成
次に、上記のマイクロチップ１を用いて質量分析を行うための質量分析装置について図を用いて説明する。図３は本発明の一実施例である質量分析装置の構成を示す概略平面図である。

この質量分析装置５０は、マイクロチップ１と、マイクロチップ１の吐出ノズル２６(図１参照）に対向する位置にあるインターフェース部６０と、インターフェース部６０に流路接続され試料の質量分析を行う質量分析装置本体7０とからなる。本実施例では、質量分析装置本体７０はイオンガイド７３を有するイオンガイド部７１とイオントラップ７５を有する質量分析部７２とが組み合わされた構成としてある。なお、インターフェース部６０や質量分析部７２はこれらに限られるものではない。

インターフェース部６０は、密閉された空間となっており、インターフェース部６０の壁面の一部には小孔６１が形成された試料導入部６２が設けられており、この小孔６１を介して質量分析装置本体７０のイオンガイド部７１と連通するようにしてある。マイクロチップ１から吐出される試料の流れの周囲には乾燥ガス（例えば加温した窒素ガス）が流れるようにマイクロチップ１と試料導入部６２との間に図示しないガス供給系が形成されている。さらに小孔６１を有する試料導入部６２は場合により、部分的に加熱されることもあり、加熱機構が組み込まれている。
また、マイクロチップ１と試料導入部６２との間には高圧電源８０が接続されており、電圧を印加できるようにしてある。

質量分析装置本体７０は、イオンガイド部７１と質量分析部７２とが隔壁により仕切られており、質量分析部７２は高真空（およそ１０^−４Ｐａ）に、イオンガイド部７１は中真空（およそ１０^−１〜１０^−２Ｐａ）に保たれている。なお、インターフェース部６０はおおよそ大気圧である。

また、この質量分析装置５０は、質量分析の際にマイクロチップ１、インターフェース部６０、質量分析装置本体７０を含むシステム全体の制御を行う制御部８２を有する。すなわち、マイクロチップ１に対しては、三方バルブＶＡ、ＶＢの流れ方向制御、分岐流路開閉バルブＶＣの開閉制御、圧電素子３４による試料液の吐出制御、さらにはマイクロチップ１の底面側に取り付けた試料位置をモニタするための図示しない試料モニタ（例えば吸光度検出器）の制御を行い、インターフェース部６０に対しては高電圧電源８０の印加制御を行い、質量分析装置本体７０に対しては、イオンガイド７３、イオントラップ７５の制御を行う。

マイクロチップによる試料の分取貯蔵工程
次に、マイクロチップ１を用いて試料を貯蔵する際の手順について図を用いて説明する。ここでは便宜上マイクロチップ１の前段にある図示しない流路から供給される試料が、既に成分分離された状態で送られるものとして説明するが、分離流路１８において成分されるものであっても構わない。また、試料液は、マイクロチップ１の前段で加圧されており、圧力差が駆動力となって下流側のマイクロチップ１に流れてくるものとする。例えば前段に液体クロマトグラフ装置が接続されている場合が一例として挙げられるが、これに限られるわけではない。

図４は、三方バルブＶＡ、ＶＢの切替操作によって微量試料の分取および貯蔵を行う工程を説明する図であり、以下の（ａ）工程から（ｈ）工程を順次実行することにより必要な微量試料成分をそれぞれ試料貯蔵部に別々に貯留する。

（ａ）工程
前側流路切替部として機能する三方バルブＶＡは分離流路１８と切取流路２０とが連通する状態（分離流路側状態という）におかれ、後側流路切替部として機能する三方バルブＶＢは切取流路２０と分離流路３２とが連通する状態（排出流路側状態という）におかれる。
マイクロチップ１の前段から試料導入ポート１２に導入されて分離流路１８を流れる試料液体は、順次下流側に流れるが、このとき分離流路１８の底部に設けた図示しない試料モニタでモニタされており、最初の成分１が切取流路２０に達するまでこの状態が維持される。したがって成分１より前を流れる不要な溶媒、不要な成分については排出ポートに廃棄される。

（ｂ）工程
成分１が切取流路２０に達すると、成分１を第１の貯留部である試料貯蔵部２４−１に導くため、分岐流路開閉バルブＶＣ−１を開き、他の分岐流路開閉バルブＶＣ−２、ＶＣ−３を閉じた状態で、三方バルブＶＢを切取流路２０と分岐流路２２とが連通する状態（分岐流路側状態という）に切り替える。

（ｃ）工程
成分１を第１の貯留部である試料貯蔵部２４−１に導くため、分岐流路開閉バルブＶＣ−１を開き、他の分岐流路開閉バルブＶＣ−２、ＶＣ−３を閉じたままの状態で、三方バルブＶＡをベント流路３０と切取流路２０とが連通する状態（ベント流路側状態という）に切り替える。そして成分２が三方バルブＶＡに達する前に成分１を試料貯蔵部２４−１に達するように圧送する。

（ｄ）工程
成分１が試料貯蔵部２４−１に達すると三方バルブＶＡを分離流路側状態に切り替え、三方バルブＶＢを排出流路側状態に切り替え、試料を流す。そして成分２が切取流路２０に達するまで待つ。
そして成分２が切取流路２０に達すると、成分２を第２の貯留部である試料貯蔵部２４−２に導くため、分岐流路開閉バルブＶＣ−２を開き、他の分岐流路開閉バルブＶＣ−１、ＶＣ−３を閉じた状態で、三方バルブＶＢを分岐流路側状態に切り替える。

（ｅ）工程
成分２を第２の貯留部である試料貯蔵部２４−２に導くため、分岐流路開閉バルブＶＣ−２を開き、他の分岐流路開閉バルブＶＣ−１、ＶＣ−３を閉じたままの状態で、三方バルブＶＡをベント流路側状態に切り替える。そして成分３が三方バルブＶＡに達する前に成分２を試料貯蔵部２４−２に圧送する。

（ｆ）工程
成分２が試料貯蔵部２４−２に達すると三方バルブＶＡを分離流路側状態に切り替え、三方バルブＶＢを排出流路側状態に切り替え、試料を流す。そして成分３が切取流路２０に達するまで待つ。
そして成分３が切取流路２０に達すると、成分３を第３の貯留部である試料貯蔵部２４−３に導くため、分岐流路開閉バルブＶＣ−３を開き、他の分岐流路開閉バルブＶＣ−１、ＶＣ−２を閉じた状態で、三方バルブＶＢを分岐流路側状態に切り替える。

（ｇ）工程
成分３を第３の貯留部である試料貯蔵部２４−３に導くため、分岐流路開閉バルブＶＣ−３を開き、他の分岐流路開閉バルブＶＣ−１、ＶＣ−２を閉じたままの状態で、三方バルブＶＡをベント流路側状態に切り替える。そして成分３を試料貯蔵部２４−３に圧送する

（ｈ）工程
成分１から成分３をそれぞれ別の試料貯蔵部２４−１、２４−２、２４−３に貯留し終えると、三方バルブＶＡを分離流路側状態、三方バルブＶＢを排出流路側状態に切り替え、分岐流路開閉バルブＶＣ１〜ＶＣ３を閉じる。これにより、後から流れてくる不要な試料や溶媒は排出ポートに廃棄される。

質量分析装置による分析工程
次にマイクロチップに分取貯蔵された微量試料を質量分析装置本体に送り、分析する動作について説明する。ここでは、試料貯蔵部２４−１、２４−２、２４−３に貯留されている微量試料をこの順で測定するものとする。分析は以下の（ｉ）工程から（ｈ）工程を順次実行することにより微量試料をそれぞれ所望のタイミングで別々に分析する。

（ｉ）工程
あらかじめ、質量分析装置本体７０をいつでも測定可能なスタンバイ状態まで立ち上げ、試料が供給されるのを待つ。

（ｊ）工程
分岐流路開閉バルブＶＣ−１〜ＶＣ−３を閉じ、成分１が貯留してある試料貯蔵部２４−１内を吐出用アクチュエータ３４−１により加圧し、一定量の試料となる試料液滴を高電界が印加されたインターフェース部６０の空間に吐出する。

（ｋ）工程
吐出された成分１の微量試料はイオン化され、インターフェース部６０の小孔６１（キャピラリー）を通過する。微量試料は小孔６１を通過する間に脱溶媒化され微細化されてイオンガイド部７１に入り、イオンガイド７３により導かれて質量分析部７２に入る。質量分析部７２では、入ってきたイオンをイオントラップ型検出器７５により電磁的に処理しつつ質量分析がなされる。

（ｌ）工程
成分１の質量分析が終了すると、成分２が貯留してある試料貯蔵部２４−２内を吐出用アクチュエータ３４−２により加圧し、一定量の試料となる試料液滴を高電界が印加されたインターフェース部６０の空間に吐出する。以下同様の工程で質量分析がなされる。

（ｍ）工程
成分２の質量分析が終了すると、成分３が貯留してある試料貯蔵部２４−３内を吐出用アクチュエータ３４−３により加圧し、一定量の試料となる試料液滴を高電界が印加されたインターフェース部６０の空間に吐出する。以下同様の工程で質量分析がなされる。

マイクロチップの変形例
次に、図１、図２に示したマイクロチップの変形実施例について説明する。
図５は本発明の他の一実施例である質量分析用マイクロチップの概略構成を示す図である。図５において図１、図２と同じものについては同符号を付すことにより説明を省略する。
図５のマイクロチップ２では、試料貯蔵部２４−１、２４−２、２４−３の下流側の取出流路に開閉バルブ２５−１、２５−２、２５−３をさらに設けている点が図１、図２の実施例と異なる。
このマイクロチップ２によれば、試料貯蔵部２４を挟んだ両側の開閉バルブを閉じておくことにより、試料貯蔵部２４内の試料を密閉状態で貯留しておくことができるのでコンタミ物質の影響を受けにくくすることができる。

図６は本発明の他の一実施例である質量分析用マイクロチップの概略構成を示す図である。図６において図１、図２と同じものについては同符号を付すことにより説明を省略する。本実施例は、マイクロチップ内で電気泳動法により試料を成分分離した上で試料を貯蔵し、その後質量分析を行うものである。
本実施例のマイクロチップ３は、分離流路１８に交差点Ｘで交差するように試料導入流路１３が形成され、その両端に試料導入ポート１２ａ、第２電極ポート１２ｂが形成される。また、分離流路１８の上流端には第３電極ポート１２ｃが形成される（すなわち、本実施例では図１における試料導入ポート１２が第３電極ポート１２ｃとなる）。また、分離流路１８は電気泳動用カラムである。

これらの試料導入ポート１２ａ、第２電極ポート１２ｂ、第３電極ポート１２ｃおよび排出ポート１６ａには各ポート内の試料液に外部から電圧が印加できるように電極が形成されている。

本実施例のマイクロチップ３では、試料導入ポート１２ａから切取流路２０までの試料の移動には、電位勾配により生じる泳動現象が利用される。すなわち、試料導入ポート１２ａから導入された試料は、試料導入ポート１２ａと第２電極ポート１２ｂ間の電位差により交差点Ｘに向けて泳動する。測定しようとする試料の一部が交差点Ｘに達すると第３電極ポート１２ｃと排出ポート１６ａ間に電位差がかかるように電圧が調整される。
これにより試料の一部が分離流路１８側に泳動し、分離流路１８内で成分ごとに分離しながら三方バルブＶＡの方に流れていく。そして、最初の分離成分が切取流路２０に達すると、実施例１と同様の手順によりベントポート１４から圧縮空気を導入し圧力差により試料を試料貯蔵部２４−１導く。これ以降、実施例１と同様の手順で成分ごとに順次別の試料貯蔵部に貯留していく。

図７は、本発明の他の一実施例である質量分析用マイクロチップの概略構成を示す図である。図７において図１、図２と同じものについては同符号を付すことにより説明を省略する。本実施例は、マイクロチップ内で親水性度を変化させることにより、分岐流路２２での試料の流れ方向の切り替えを行うものである。
本実施例のマイクロチップ４は、分岐流路２２における分岐点Ｙ０直後の各分岐流路２２−１、２２−２、２２−３の位置に狭窄部分Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３を形成し、この部分に電圧が印加できるようにしてある。そして切取流路２０で切り取られた微量試料が分岐点に近づいたときに狭窄部Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３に印加する電圧を制御する（試料表面のゼータ電位を変化させて、流れ性を変化させる）ことにより、いずれかの分岐流路に進むようにする。これにより分岐点Ｙ０でむだなく正確に流路切り替えすることができる。

図８は本発明の他の一実施例である質量分析用マイクロチップの概略構成を示す図である。図８において図１、図２と同じものについては同符号を付すことにより説明を省略する。本実施例は、マイクロチップ内で試料に試薬、溶媒を混合できるようにしてある。
本実施例のマイクロチップ５は、試薬、溶媒を供給するための試薬・溶媒導入ポート４０と試薬溶媒流路４２とからなる試薬溶媒導入部が形成され、分岐流路２２における分岐点Ｙ０の直前に連通するようにしてある。そして必要に応じて試料貯蔵部２４に試薬あるいは溶媒を供給し、試料貯蔵部２４内で化学反応を起こしたり希釈したりした上で質量分析装置に送るようにする。

以上いくつかの変形例を説明したが、これらは一例にすぎない。また、マイクロチップに形成される試料貯蔵部の数や形状は、必要に応じて変形してもよいことはいうまでもない。

図９は本発明の他の一実施例である質量分析用マイクロチップの平面図、図１０はその斜視図である。
この質量分析用マイクロチップ６は、実施例１で説明したようなインターフェース部６０を介して質量分析装置に接続されるマイクロチップ１〜５と異なり、直接マイクロチップ自体を質量分析装置のイオン化部に入れて用いるものである。なお、図1、図２と同じものは同一符号を付すことにより説明を省略する。

このマイクロチップ６では、試料にレーザを照射するための有底の開口４４が形成されるとともに試料貯蔵部２４−１、２４−２、２４−３の下流側の取出流路２８−１、２８−２、２８−３が開口４４に連通するように形成されている。また、取出流路２８−１、２８−２，２８−３の途中には開閉バルブ２５−１、２５−２、２５−３が設けられている。さらにマイクロチップ６の側壁面から開口４４に至る導波路４６が形成され、側壁面の導波路部分からレーザ光を照射することにより、開口４４内の試料にレーザが照射され試料がイオン化できるようになっている。

図１１は上述したマイクロチップ６（図９）を用いて質量分析を行うための質量分析装置の概略構成を示す図である。
この質量分析装置９０は、飛行時間型（ＴＯＦ）の検出器９２と、マイクロチップ６の開口４４にレーザ光を照射するためのレーザ光源９４と、レーザ光により励起されて開口４４から飛び出したイオンを所望の方向に進行させるためのイオンレンズ９６とからなる。そして、検出器９２、レーザ光源９４、イオンレンズ９６の制御およびマイクロチップ６のバルブ制御は制御部９８により制御される。

次に、本装置による質量分析の動作について説明する。ここでは実施例１と同様の手順により、既にマイクロチップ６の試料貯蔵部２４−１、２４−２、２４−３に微量試料が貯留されているものとする。
分岐流路開閉バルブＶＣ１〜ＶＣ３を閉じ、開閉バルブ２５−１を開き、開閉バルブ２５−２、２５−３を閉じた状態で試料貯蔵部２４−１の吐出アクチュエータ３４−１を駆動して試料貯蔵部２４−１に貯留されていた成分１の微量試料を開口４４に送り出す。

検出器９２が測定可能な状態であるときに、レーザ光源９４からマイクロチップの開口４４にレーザを照射することにより、開口４４内の試料は励起されてイオン化し、空間に飛び出す。飛び出したイオンはイオンレンズ９６により検出器９２に送られ、その質量分析が行われる。
最初の質量分析を行った後、しばらくして検出器９２が測定可能になるとレーザ光源９４から再びレーザが照射され２回目の質量分析が行われる。このように間欠的に測定が繰り返される。
成分１の測定が終わると、開閉バルブ２５−２を開き、他の開閉バルブを閉じ、吐出用アクチュエータ３４−２を駆動して試料貯蔵部２４−２に貯留された成分２の微量試料を開口４４に送って同様の質量分析を行う。以下、同様の操作を繰り返すことにより順次微量試料の質量分析がなされる。

本発明は、質量分析装置のイオン化過程で消費する試料量を微量にすることができるので、希少試料の質量分析装置に有用である。また、ＴＯＦやイオントラップ型質量分析装置のように間欠的に分析を行う質量分析装置でのイオン化に有用である。

本発明の一実施例である質量分析用マイクロチップの平面構成図。本発明の一実施例である質量分析用マイクロチップの斜視図。本発明の一実施例である質量分析装置の概略構成を説明する図。本発明の一実施例である質量分析用マイクロチップによる試料の分取貯蔵工程を説明する図。本発明の他の一実施例である質量分析用マイクロチップの平面構成図。本発明の他の一実施例である質量分析用マイクロチップの平面構成図。本発明の他の一実施例である質量分析用マイクロチップの平面構成図。本発明の他の一実施例である質量分析用マイクロチップの平面構成図。本発明の他の一実施例である質量分析用マイクロチップの平面構成図。本発明の他の一実施例である質量分析用マイクロチップの斜視図。本発明の他の一実施例である質量分析装置の概略構成を説明する図。

符号の説明

１〜６：マイクロチップ
１２：試料導入ポート（試料導入部）
１４：ベントポート
１６：排出ポート
１８：分離流路
２０：切取流路
２２：分岐流路
２４：試料貯蔵部
２６：吐出用ノズル
２８：取出流路
３０：ベント流路
３２：排出流路
３４：吐出用アクチュエータ
４０：試薬溶媒ポート
４２：試薬溶媒流路
４４：開口
４６：導波路
５０：質量分析装置
６０：インターフェース部
６１：小孔
６２：試料導入部
７０：質量分析装置本体
７２：質量分析部
９０：質量分析装置
９２：検出器（ＴＯＦ）
９４：レーザ光源
ＶＡ：三方バルブ（前側流路切替部）
ＶＢ：三方バルブ（後側流路切替部）
ＶＣ：分岐流路開閉バルブ

Claims

質量分析のための試料を調製するための質量分析用マイクロチップであって、
試料導入部と、
試料導入部に連通する流路上に形成され、試料導入部から流れてくる試料の一部を順次切り取る試料切取部と、
複数の試料貯蔵部と、
試料切取部と各試料貯蔵部とを流路接続し、試料切取部で切り取られた試料の一部をそれぞれいずれかの試料貯蔵部に送るための分岐流路と、
分岐流路にそれぞれ設けられる分岐流路開閉バルブと、
試料貯蔵部に連通し、試料貯蔵部に貯留された試料を取り出す取出流路とを備えたことを特徴とする質量分析用マイクロチップ。
取出流路は、マイクロチップ外壁に形成された吐出用ノズルに連通することを特徴とする請求項１に記載の質量分析用マイクロチップ。
試料導入部と試料切取部との間の流路に、試料導入部から導入された試料を成分ごとに分離する試料分離部をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の質量分析用マイクロチップ。
試料分離部には成分ごとに分離するためのクロマトグラフィ用カラムまたは電気泳動用カラムが形成されることを特徴とする請求項３に記載の質量分析用マイクロチップ。
試料切取部は、前側流路切替部と後側流路切替部とに挟まれた切取流路と、前側流路切替部から分岐しベントポートに接続されるベント流路と、後側流路切替部から分岐し排出ポートに接続される排出流路とからなる請求項１に記載の質量分析用マイクロチップ。
前側流路切替部および後側流路切替部は、三方バルブにより形成されることを特徴とする請求項５に記載の質量分析用マイクロチップ。
試料切取部と分岐流路との間に試薬または溶媒を注入するための試薬溶媒導入部をさらに設けたことを特徴とする請求項１に記載の質量分析用マイクロチップ。
質量分析用マイクロチップには、さらにレーザ照射によるイオン化のための開口部が形成され、取出流路は開口部に連通することを特徴とする請求項１に記載の質量分析用マイクロチップ。
イオン化用の開口部にレーザ光を導く導波路をさらに形成したことを特徴とする請求項８に記載の質量分析用マイクロチップ。
請求項２に記載の質量分析用マイクロチップと、試料の質量分析を行う質量分析部を有する質量分析装置本体と、質量分析用マイクロチップの吐出用ノズルから吐出される試料を質量分析部に導入するためのインターフェース部とを備えたことを特徴とする質量分析装置。
インターフェース部には、質量分析用マイクロチップの吐出ノズルに対向する位置に配置され吐出ノズルから吐出される試料を質量分析部に導入するための小孔が形成されることを特徴とする請求項１０に記載の質量分析装置。
請求項８に記載の質量分析用マイクロチップと、イオン化部およびイオン化部でイオン化された試料の質量分析を行う質量分析部とを有する質量分析装置本体とを備え、イオン化部はレーザ光源を有し、質量分析用マイクロチップ上のイオン化用開口部にレーザ光を照射するようにしてイオン化を行うことを特徴とする質量分析装置。