JP4389515B2 - 質量分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、エレクトロスプレーイオン化法（ESI法）を用いて液体試料をイオン化し、分析を行う質量分析装置に関する。

質量分析装置では、イオン化部において試料をイオン化し、イオン化された試料を質量分析部に取り込んだ後、四重極質量フィルタ等の質量分析器により質量に応じて各種イオンを分離・検出することにより試料の分析を行う。

試料をイオン化する方法としては、大気圧イオン化法（API法）や高速原子衝撃イオン化法（FAB法）等様々な方法があるが、液体クロマトグラフ装置で得られた試料をイオン化する際には、API法の一種であるエレクトロスプレーイオン化法（ESI法）がよく用いられる。

ESI法では、試料溶液の噴霧を行うノズルの先端部より大気圧下のイオン化室内に試料溶液を噴霧して、液滴を形成させる。この際、ノズルの先端部に設けた電極と、質量分析部の入口又は霧化室の隔壁等の対向電極との間に高電圧を印加し、両者の間に強い（大きな電位勾配を有する）電界を形成し、この電界により試料をイオン化する。このような方法により形成された試料のイオンを多数含む液滴は、真空下にある質量分析部に取り込まれ、試料の分析が行われる（特許文献１、特許文献２参照）。

流量の大きい試料を噴霧する場合には、噴霧を効率化するために、また、噴霧された溶媒の気化を促進するために、アシストガス（ネブライズガスとも呼ぶ）を流す場合もある。

図１は、ESI法において用いられるエレクトロスプレー１０の一例の断面図である。このエレクトロスプレー１０は、外側のネブライズガスガイド１５と内側のノズル１１の二重管構造となっており、ノズル１１とネブライズガスガイド１５の間の通路にアシストガスを送給しつつ、内側のノズル１１の中心孔１３の先端の液滴噴霧口１４から液体試料をイオン化室中に送り出すことにより、液体試料が霧化される。

ノズル１１の先端部は金属電極１２とされ、この電極１２に、対向電極１６に対して大きな電位差を与えることにより、液滴噴霧口１４の近傍に強い電界が形成される。図２に示すように、この電界により試料はイオン化され、正負のイオンに分離される。対向電極１６に引き寄せられる極性を有するイオン（図２の場合は正のイオン）は、試料に溶け込んだ状態又はイオン単体としてノズル１１の外に引き出され、噴霧される。

特開平１１−２３０９５７号公報 特開平１０−１６０７０７号公報

ゲノム創薬や環境分析等の分野においては微量成分の分析が必要とされ、また、分析に使用できる試料の量も少ないことが多い。このため、従来よりも少量の試料で分析可能な、しかも高感度の質量分析装置が求められている。

また、一般の分析においても、アシストガスを使用する場合には、そのための準備が必要であり、ランニングコストも無視し得ないものであった。電極への印加電圧を高くすることによりアシストガスの使用量を低減することは可能であるが、その場合には高圧の電源を使用する必要があるとともに、安全性に対する配慮も必要となることから、装置のコストアップにつながる。

本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、少量の試料からできるだけ多くのイオンを生成することのできる、検出感度の高い質量分析装置を提供することにある。また、霧化のためのアシストガスの使用量を低減することのできる、或いは印加電圧を低下させることのできる質量分析装置を提供する。

上記課題を解決するために成された本発明の第１の態様は、ノズルの先端部より試料溶液を噴霧するとともに、該ノズル先端部に設けた１個の電極のみに高電圧を印加することにより電界を形成し、該電界によって試料のイオンを含む液滴を形成する質量分析装置において、該電極の長さをその径と略同一又はそれ以下としたことを特徴とする。

同じく上記課題を解決するために成された本発明の第２の態様は、ノズルの先端部より試料溶液を噴霧するとともに、該ノズル先端部に設けた電極に高電圧を印加し、対向電極との間に電位勾配を発生させることによって試料のイオンを含む液滴を形成する質量分析装置において、該ノズル先端部と対向電極の間にノズルと同軸のイオン通過口を有する別の電極を設け、この別の電極とノズル先端部の電極との間に、前記別の電極と対向電極との間に生じる電位勾配よりも大きな電位勾配を有する電界を形成したことを特徴とする。

本発明に係る質量分析装置ではいずれも、ノズル先端部に設けた電極の周辺に強い電界を形成する。すなわち、第１の態様では、ノズル先端に設けた電極の長さを短くすることにより、ノズルの液滴噴霧口の前方の電界強度を高める。第２の態様では、ノズル先端の電極の近傍に上記のような電極を設け、そこに、ノズル先端の電極に印加する電圧との大きな電位差を有する電圧を印加することにより、ノズル先端に強い電界を形成する。

いずれの態様によっても、ノズルの液滴噴霧口の近傍の電界強度が高まることにより、ノズル先端及びそこから噴霧される液体試料のイオン化が促進され、より多くのイオンが形成される。これにより、質量分析部に取り込まれるイオンの量が増加するため、少量の試料であっても高感度で質量分析を行うことができるようになる。

また、電界による噴霧の効果が大きくなるため、アシストガスを使用する場合でも、その使用量を低減することができる。これにより、ランニングコストが減少する。或いは、アシストガスの流量を低減しない場合には、より低圧の電源を使用することができるため、装置のコストを低下させることができる。

図３は、本発明を実施した四重極型質量分析装置の概略構成図である。本実施例の質量分析装置２０は、イオン化部３０、質量分析部４０、並びにこれら各部及びその構成要素の動作を制御する制御部（図示せず）等から成る。イオン化部３０は、霧化室３１及びその中に備えられたエレクトロスプレー１０等から成る。質量分析部４０は、第１中間室４１、第２中間室４２、及び検出室４３から成る。第１中間室４１には第１イオンレンズ４４が、第２中間室４２には第２イオンレンズ４５が、そして、検出室４３には四重極フィルタ４６と検出器４７が備えられる。

霧化室３１では、液体クロマトグラフ等から供給される試料がエレクトロスプレー１０から噴霧される際、イオン化電圧によりイオン化される。このイオンは圧力差によりオリフィス１６から第１中間室４１に吸引され、第１イオンレンズ４４により収束・加速された後、同様に圧力差により第２中間室４２に吸引される。ここでも同様に、試料イオンは第２イオンレンズ４５により収束され、検出室４３に送られる。検出室４３では、四重極フィルタ４６の各ロッドに印加されたRF電圧及び直流電圧により、所定の質量数のイオンのみが四重極フィルタ４６の通過を許され、検出器４７により検出される。

本実施例の質量分析装置２０で用いるエレクトロスプレー１０のノズル先端の構造を図４に示す。ノズル１１の先端には金属電極１２が設けられ、電極１２の中心には、ノズル１１と同心、同径の中心孔１３が設けられる。試料溶液は、電極１２の中心孔１３の先端である液滴噴霧口１４より噴霧され、電極１２に印加される高電圧によりイオン化される。

本実施例の質量分析装置２０では、電極１２の長さLを、図４に示すように、その径Dと略同一又はそれ以下としている。電極１２の長さLを短くすることにより液滴噴霧口１４近傍の電界強度を高めることができるため、噴霧される液滴がより細かくなるとともに、試料のイオン化が促進され、その結果、より高感度の分析を行うことができるようになる。

（実施例１の変形例）
実施例１の変形例として、電極１２の外径Dを小さくした電極を図５(a)〜(d)に示す。電極１２の外径Dを小さくすることによっても、噴霧口１４の近傍の電界強度を高めることができ、上記効果を得ることができる。

より具体的にこれらの変形例を説明すると、図５(a)は、電極１２をチューブ状とし、その外径Dをノズル１１の径D₀よりも小さくした例である。図５(b)は電極１２をリング状とした例であり、図５(c)はノズル１１の先端に薄い金属板を接着して電極１２とした例である。更に、図５(d)は、ノズル１１先端の中心孔１３（噴霧口１４）の周囲に金属薄膜を蒸着して電極１２とした例である。

本実施例の質量分析装置２０の概略構成は、図３と同様である。本実施例の質量分析装置２０では、図６に示すように、エレクトロスプレー１０のノズル１１の先端部の電極１２の形状を、液滴噴霧口１４を頂点とするテーパ状としている。実施例１と同様、電極１２の中心にはノズル１１と同心、同径の中心孔１３が設けられ、その先端である液滴噴霧口１４より試料溶液が噴霧される。電極１２の先端のテーパー角を小さくすることにより、噴霧口１４の近傍の電界強度がより高まる。

本実施例の質量分析装置２０の概略構成は、図３と同様である。本実施例の質量分析装置２０では、図７に示すように、エレクトロスプレー１０のノズル１１の先端部に設けた電極１２の前方に、ノズル１１及び電極１２の中心孔１３と同軸のイオン通過口１８を有する電極１７を設けている。電極１７には、その電極１７を設けない場合の同じ位置の空間電位に比べて対向電極１６寄りの電位となるように電圧を印加する。これにより、従来の装置と比較して噴霧口１４の近傍の電界強度が高まり、試料のイオン化が効率的に行われるようになる。本実施例では、電極１７としてイオン通過口１８を有する板状電極を用いたが、リング状電極（分割リング状のものを含む）、メッシュ状電極等を用いることもできる。

ノズル先端の電極を上記各種形状とした場合の、噴霧口１４の近傍の電場配位の状態を計算した。その結果を図８〜図１１に示す。電場配位計算は、表面電荷法を用いた荷電粒子光学計算ソフトCPO-2D Student Edition（CPO社製）を使用した。
従来の質量分析装置で使用されていたエレクトロスプレー１０の電極の場合の計算結果は図８(a)(b)の通りである。計算条件は次の通りである。
試料出口電極 長さ：無限大、外径：0.5mm、中心孔の直径：0.1mm、電位：+5kV
対向電極（真空容器導入部円盤） 直径：10mm、中心穴の直径：0.2mm、電位：0V

第１実施例（図４）の場合の計算結果は図９の通りである。計算条件は次の通りである。
電極１２：長さ：0.5mm
外径：0.5mm
中心孔の直径：0.1mm
第１実施例の変形例（図５(a)）の場合の計算結果は図１０の通りである。計算条件は次の通りである。
電極１２：長さ：0.2mm
外径：0.3mm
中心孔の直径：0.1mm
第２実施例（図６）の場合の計算結果は図１１の通りである。計算条件は次の通りである。
電極１２：先端の角度：30°
外径：0.5mm
中心孔の直径：0.1mm

図８(b)〜図１１はいずれも同じ縮尺で表されており、隣り合う等電位面（線）の電位差は0.5Vである。図９〜図１１と図８を比較するとわかるように、図４〜図６の電極１２を有するエレクトロスプレー１０の場合、噴霧口１４の近傍の電界の電位勾配は図８の場合と比較して非常に急峻になっている。ここで、ノズル１１が誘電体の場合は電場が乱れることがあるが、ここでは簡単のためにその影響は無視している。

第３実施例（図７）の場合の電場配位を図１２(a)に示す。同じ縮尺により、従来の質量分析装置２０のエレクトロスプレー１０の噴霧口１４の近傍の電場配位を図１２(b)に示す。これらの図から、実施例４の質量分析装置２０では、実施例１及び２の装置と同様、従来の装置２０と比較してエレクトロスプレー１０の液滴噴霧口１４の近傍に急峻な電位勾配を有する電界が形成されることがわかる。

以上のように、本発明の実施例１〜３に係る質量分析装置２０では、エレクトロスプレー１０の液滴噴霧口１４の近傍において、従来の装置２０と比較して急峻な電位勾配を有する電界が形成されるため、試料溶液の噴霧を行った際には試料が効率的にイオン化され、イオン化された試料を高濃度で含有する液滴が形成される。このため、実施例１〜３に記載の質量分析装置２０を用いることにより、少量の試料からでも多くのイオンが生成され、高感度で試料の分析を行うことが可能である。

従来の質量分析装置のエレクトロスプレーの液滴噴霧口周辺の断面図。 試料がイオン化される様子及びイオン化された試料を含有する液滴が形成される様子を示した図。 本発明を実施した四重極型質量分析装置の概略構成図。 実施例１の質量分析装置のエレクトロスプレーの液滴噴霧口周辺の断面図。 いずれも実施例１の変形例の質量分析装置のエレクトロスプレーの液滴噴霧口周辺の断面図であり、(a)は電極の外径を小さくしたもの、(b)電極をリング状としたもの、(c)はノズルの先端に金属板を接着したもの、(d)はノズルの先端に金属薄膜を蒸着したものである。 実施例２の質量分析装置のエレクトロスプレーの液滴噴霧口周辺の断面図。 実施例３の質量分析装置のエレクトロスプレーの液滴噴霧口周辺の断面図。 従来の質量分析装置のエレクトロスプレーの液滴噴霧口近傍の電場配位図であり、(a)は対向電極を含む全体図、(b)は液滴噴霧口近傍の拡大図である。 実施例１の質量分析装置のエレクトロスプレーの液滴噴霧口近傍の電場配位図。 実施例１の変形例の質量分析装置のエレクトロスプレーの液滴噴霧口近傍の電場配位図。 実施例２の質量分析装置のエレクトロスプレーの液滴噴霧口近傍の電場配位図。 (a)実施例３の質量分析装置のエレクトロスプレーの液滴噴霧口近傍の電場配位図、(b)従来の質量分析装置のエレクトロスプレーの液滴噴霧口近傍の電場配位図。

符号の説明

１０…エレクトロスプレー
１１…ノズル
１２…電極
１３…中心孔
１４…液滴噴霧口
１５…ネブライズガスガイド
１６…対向電極
１７…電極
１８…イオン通過口
２０…質量分析装置
３０…イオン化部
３１…霧化室
４０…質量分析部
４１…第１中間室
４２…第２中間室
４３…検出室
４４…第１イオンレンズ
４５…第２イオンレンズ
４６…四重極フィルタ
４７…検出器

Claims (2)

1. ノズルの先端部より試料溶液を噴霧するとともに、該ノズル先端部に設けた１個の電極のみに高電圧を印加することにより電界を形成し、該電界によって試料のイオンを含む液滴を形成する質量分析装置において、該電極の長さをその径と略同一又はそれ以下としたことを特徴とする質量分析装置。
2. ノズルの先端部より試料溶液を噴霧するとともに、該ノズル先端部に設けた電極に高電圧を印加し、対向電極との間に電位勾配を発生させることによって試料のイオンを含む液滴を形成する質量分析装置において、該ノズル先端部と対向電極の間にノズルと同軸のイオン通過口を有する別の電極を設け、この別の電極とノズル先端部の電極との間に、前記別の電極と対向電極との間に生じる電位勾配よりも大きな電位勾配を有する電界を形成したことを特徴とする質量分析装置。

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