JP4983383B2

JP4983383B2 - 質量分析装置

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Publication number: JP4983383B2
Application number: JP2007128125A
Authority: JP
Inventors: 和男向畑
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2007-05-14
Filing date: 2007-05-14
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2027-05-14
Also published as: US7795580B2; JP2008281524A; US20080283741A1

Description

本発明は、液体試料を大気圧下でイオン化するイオン源を備える質量分析装置に関し、更に詳しくは、そのイオン源に分析対象である液体試料を導入する試料導入装置に関する。

液体クロマトグラフと質量分析装置とを組み合わせた液体クロマトグラフ質量分析装置では、液体試料から気体イオンを生成するためにエレクトロスプレイイオン化法（ＥＳＩ）や大気圧化学イオン化法（ＡＰＣＩ）などの大気圧イオン化法が一般に利用される。こうした大気圧イオン化質量分析装置への試料導入管は、目的試料を分析する際には、液体クロマトグラフのカラムの末端に接続され、カラムで成分分離された液体試料が試料導入管を通して質量分析装置の大気圧イオン源に導入されるようになっている。

一方、質量分析装置自体の校正や調整などを行うためには成分の種類及び濃度が既知である標準試料を分析する必要があり、そのためには液体クロマトグラフのカラムから溶出した試料の代わりに標準試料を直接的にイオン源に導入する必要がある。こうした直接的な液体試料導入手法は一般にインフュージョン法と呼ばれる。インフュージョン法の１つとしては、シリンジ中に充填された液体試料をシリンジポンプの動作により送出して質量分析装置に導入する方法が知られている（例えば特許文献１参照）。

この方法は、比較的少量の液体試料を導入するのに向いており、また試料の導入量を高精度で制御できるという利点がある。一方、シリンジに液体試料を吸引したり、液体試料を満たしたシリンジをシリンジポンプにセットしたりしなければならないために作業に手間が掛かる。特許文献１に記載の装置では切替バルブを介してシリンジと試料容器とを接続可能な構成を有しているため、上述したような作業の煩雑さは解消されるものの、装置が比較的大掛かりになり、その分、コストも高くなる。

一方、別のインフュージョン法として、ガスによる加圧によって液体試料を送出するものが知られている（例えば特許文献２参照）。図５はこの加圧による試料導入を行う装置の概略構成図である。密封された容器７０内には液体試料７１が貯留され、この容器７０の上部空間に、ガス導入流路７２に設けられたバルブ７３を通して窒素ガスが供給される。このとき、容器７０内のガス圧は圧力センサ７４でモニタされ、このガス圧が例えば１００ｋＰａとなるようにバルブ７３の開閉が調節される。容器７０内の液体試料７１はガス圧により押し下げられるから、これに伴い液体試料７１に一端が浸漬された試料導入管７５を通して液体試料は送出され、質量分析装置のノズル５２に到達する。

こうした手法は、上述のシリンジポンプを用いた方法に比べて構成が簡単であって、高価な部品を使用しないので廉価で済むという利点がある。しかしながら、試料導入のために比較的多量の試料が必要である。具体的に言うと、上記のように容器７０内を加圧して該容器７０に貯留されている液体試料７１を送出するためには、ガスの導入口や液の導出口を容器７０の上面開口を塞ぐ栓部に配置する必要がある。そのため、容器７０は構造上或る程度の大きさが必要となり、通常、適切に送液を行うには数十ｍＬ程度の液量が必要となる。

安価な試料の場合には、このように比較的多量の試料を用意することが容易であるが、高価な試料や標準試料のないサンプル、例えば合成、精製、抽出を行って調製した試料などの場合には、こうした多量の試料を用意することは実際上不可能であることが多い。また、小型のバイアル瓶に収容した状態で販売されるものもあり、そうした試料を別の容器やシリンジに入れ替えると瓶やシリンジ内面に付着する分だけ試料が無駄になることが避けられない。

特開平９−１５９６６１号公報米国特許第５７０３３６０号明細書

本発明は上記課題に鑑みて成されたものであって、その目的とするところは、低廉なコストで少量の液体試料を無駄なくイオン源に導入することができる試料導入装置を備える質量分析装置を提供することにある。

上記課題を解決するために成された本発明は、液体試料を大気圧下でイオン化するイオン源と、該イオン源に液体試料を導入する試料導入手段と、を備える質量分析装置において、前記試料導入手段は、
a)上面開口を有する容器、及び該上面開口を閉塞する閉塞栓、を含む密封容器と、
b)前記密封容器内に所定のガスを圧送するガス供給手段と、
c)前記閉塞栓に対して前記容器の内部に収容可能なサイズの小型容器を吊り下げ支持する小型容器支持手段と、
d)前記小型容器支持手段により液体試料が収容された小型容器が吊り下げ支持された状態において、前記ガス供給手段により供給されるガスによる加圧により押される前記液体試料を送出するために、一端が前記小型容器内の液体試料中に浸漬され、他端が前記容器の外部に位置する送液経路と、
を備えることを特徴としている。

本発明に係る質量分析装置において、例えば上記小型容器支持手段は、閉塞栓に穿設された孔に圧入された棒状又は筒状の部材の下端に小型容器の上部を保持する保持部が設けられた構成とすることができる。また、この場合、上記送液経路の一部（少なくとも容器内に位置する部分）は閉塞栓に穿設された孔に圧入された筒状の部材の中に挿通された管路とすることができる。

小型容器支持手段が小型容器を吊り下げ支持する際に、その小型容器の内部と密封容器の内部とは、例えば小型容器の上面開口を被覆する栓や蓋などに形成された開口部を通して連通する。従って、液体試料が収容された小型容器が小型容器支持手段により吊り下げ支持された状態であるとき、ガス供給手段により密封容器内にガスが供給され、該容器内のガス圧が高まると、小型容器内のガス圧も同様に高まる。そして、小型容器内の液体試料はガス圧により押し下げられ、液体試料は送液経路中に押し上げられて質量分析装置のイオン源に送出される。

本発明に係る質量分析装置によれば、密封容器の容積よりも格段に内容積の小さな小型容器に収容されている少量の液体試料を加圧によりイオン源へ導入することができる。これにより、シリンジポンプのような比較的高価な装置を利用することなく、少量の液体試料の直接導入、つまりインフュージョン分析が可能となる。また、小型のバイアル瓶に収容されて市販されている試料（標準試料）などを別の容器やシリンジなどに移し替えることなく、小型のバイアル瓶のままで密封容器内にセットして試料導入に供することができる。従って、試料の無駄を減らして有効に試料を分析することができ、作業の手間も軽減することができる。

以下、本発明の一実施例であるエレクトロスプレイイオン化質量分析装置について図面を参照して説明する。

図４は本実施例の質量分析装置の要部の概略構成図である。この質量分析装置は、例えば図示しない液体クロマトグラフのカラム出口端に接続されるノズル５２が配設されて成るイオン化室５１と、四重極質量フィルタ６２及びイオン検出器６３が内設された分析室６１との間に、それぞれ隔壁で隔てられた第１中間真空室５４及び第２中間真空室５８が設けられている。イオン化室５１と第１中間真空室５４との間は細径の脱溶媒パイプ５３を介して、第１中間真空室５４と第２中間真空室５８との間は頂部に極小径の通過孔（オリフィス）５７を有するスキマー５６を介してのみ連通している。

イオン源であるイオン化室５１の内部は、ノズル５２から連続的に供給される液体試料の気化分子によりほぼ大気圧雰囲気（約１０⁵[Pa]）になっており、次段の第１中間真空室５４の内部はロータリポンプ６４により約１０²[Pa]の低真空状態まで真空排気される。また、その次段の第２中間真空室５８の内部はターボ分子ポンプ６５により約１０^-1〜１０^-2[Pa]の中真空状態まで真空排気され、最終段の分析室６１内は別のターボ分子ポンプ６６により約１０^-3〜１０^-4[Pa]の高真空状態まで真空排気される。即ち、イオン化室５１から分析室６１に向かって各室毎に真空度を段階的に高くした多段差動排気系の構成とすることによって、最終段の分析室６１内を高真空状態に維持している。

この質量分析装置の動作を概略的に説明する。液体試料はノズル５２の先端から電荷を付与されながらイオン化室５１内に噴霧（エレクトロスプレイ）され、液滴中の溶媒が蒸発する過程で試料分子はイオン化される。イオンが入り混じった液滴はイオン化室５１と第１中間真空室５４との差圧により脱溶媒パイプ５３中に引き込まれ、加熱されている脱溶媒パイプ５３を通過する過程で更に溶媒の気化が促進されてイオン化が進む。第１中間真空室５４内には第１レンズ電極５５が設けられており、それによって発生する電場により脱溶媒パイプ５３を介してのイオンの引き込みを助けるとともに、イオンをスキマー５６のオリフィス５７近傍に収束させる。

オリフィス５７を通過して第２中間真空室５８に導入されたイオンは、８本のロッド電極により構成されるオクタポール型の第２レンズ電極５９により収束されて分析室６１へと送られる。分析室６１では、特定の質量（厳密には質量電荷比）を有するイオンのみが四重極質量フィルタ６２の長軸方向の空間を通り抜け、それ以外の質量を持つイオンは途中で発散する。そして、四重極質量フィルタ６２を通り抜けたイオンはイオン検出器６３に到達し、イオン検出器６３ではそのイオン量に応じたイオン強度信号を出力する。

上記質量分析装置の校正を行ったり調整したりする際には、図４に示すように、ノズル５２の前段に試料導入装置１を接続し、標準試料をノズル５２に直接的に導入して質量分析を行う。この試料導入装置１は既に説明した図５に示したような加圧送液式のものであるが、大きな内容積を持つ容器からだけでなく、小型容器からも試料の送出が可能であるように特徴的な構造を有している。この点について、図１〜図３を参照して説明する。図１〜図３はいずれも、本実施例の質量分析装置が備える試料導入装置１における密封容器の上部の概略縦断面図である。

数十ｍＬ（又はそれ以上）程度の内容積を有するサンプルボトル１０は円形状の上面開口を有する。サンプルボトル１０の上面開口の内側には、略円柱形状であって外周に略水平のフランジ１１ａが延設された、例えば合成樹脂製の閉塞栓１１が、フランジ１１ａとサンプルボトル１０の上縁端部との間に円環状のシール部材１２を挟んで嵌入されている。さらに、その閉塞栓１１の上には円環状で外周縁端に扁平円筒状部を有するキャップ１３が、サンプルボトル１０の上部に螺入されることで固定されている。このキャップ１３を強く締め込むことにより、シール部材１２が圧潰されるためにサンプルボトル１０の密閉性は一層良好になり、後述するようなガス供給の際のガス漏れを軽減することができる。

閉塞栓１１には上下に貫通する略円柱形状の連通孔１１ｂが形成されており、連通孔１１ｂの上部にはガスチューブジョイント２２を介してガスチューブ２１が接続されている。これにより、ガスチューブ２１、連通孔１１ｂを通してサンプルボトル１０内には所定のガス（ここでは窒素ガス）が供給されるようになっている。また、閉塞栓１１には上下方向の略中央から上方及び下方に向かってそれぞれテーパ状に広がりを有する形状の連通孔１１ｃが形成されている。連通孔１１ｃには、筒状の配管保持部材１８が上方から圧入され、その配管保持部材１８の内側にはノズル５２に至る試料導入用配管１７が、その端面を閉塞栓１１の上下方向のほぼ中央付近まで突出させた状態でナット１９の締め付けにより固定されている。

図１に示すように、サンプルボトル１０内に収容された比較的多量の液体試料３０を加圧送液する場合、連通孔１１ｃには、上記配管保持部材１８と同様の筒状の配管保持部材１５が下方から圧入され、その配管保持部材１５の内側には下端がサンプルボトル１０の内底部近傍（図示しない）まで延びる試料吸い込み配管１４が、その上端面を閉塞栓１１の上下方向のほぼ中央付近まで突出させた状態でナット１６の締め付けにより固定されている。このとき試料吸い込み配管１４の上端面と試料導入用配管１７の下面とは連通孔１１ｃ内の位置２０で突き合わされた状態となっており、これによって試料吸い込み配管１４と試料導入用配管１７とは実質的に一体化されてサンプルボトル１０内からノズル５２まで至る送液経路を形成している。

図１の状態でガスチューブ２１、連通孔１１ｂを通してサンプルボトル１０内に窒素ガスが供給されてサンプルボトル１０内のガス圧が上昇すると、図１中に白抜き矢印で示すように液体試料３０に対しガスの押圧力が掛かり、液体試料３０は試料吸い込み配管１４中に押し上げられ、試料導入用配管１７を経てノズル５２まで送られる。これは、従来と同様の加圧送液動作である。

内容積が１〜数ｍＬ程度の小型のサンプルバイアル３１に収容されている液体試料３２を加圧送液する場合には、図２に示すように、上記配管保持部材１５の代わりに、バイアル取付用アダプタ４０ａを下部に備えるバイアル用配管保持部材４０を用いる。バイアル取付用アダプタ４０ａの下端は、サンプルバイアル３１の上面開口の内側に挿入され、外側から被せられたナット４１をサンプルバイアル３１の上端に螺合させることで、サンプルバイアル３１を閉塞栓１１に対し吊り下げ保持可能としている。また、バイアル取付用アダプタ４０ａにはその側周面と下面とを連通する通気孔４０ｂが形成されており、サンプルバイアル３１が吊り下げ保持された状態でサンプルバイアル３１の内部空間とサンプルボトル１０の内部空間とは通気孔４０ｂを介して連通している。また、バイアル用配管保持部材４０の内側にも試料吸い込み配管４１が挿通されるが、その長さは下端がサンプルバイアル３１の内底部付近に位置するように決められている。

図２の状態でガスチューブ２１、連通孔１１ｂを通してサンプルボトル１０内に窒素ガスが供給されてサンプルボトル１０内のガス圧が上昇すると、通気孔４０ｂを通してサンプルバイアル３１の内部空間にも窒素ガスが送り込まれるから、サンプルボトル１０内のガス圧とサンプルバイアル３１内のガス圧とはほぼ同じとなる。これによって、図２中に白抜き矢印で示すように液体試料３２に対してガスの押圧力が掛かり、液体試料３２は試料吸い込み配管４１中に押し上げられ、試料導入用配管１７を経てノズル５２まで送られる。即ち、サンプルバイアル３１内に収容されている液体試料を質量分析装置のイオン化室５１に送り込んで、質量分析に供することができる。

なお、使用するサンプルバイアル３１のサイズが複数ある場合には、それに合わせたバイアル取付用アダプタ４０ａを有するバイアル用配管保持部材４０を用意して、適宜交換すればよい。

また、場合によっては、より少量（例えばμＬオーダー）の試料を扱うサンプルバイアルを用いる必要がある場合もあるが、その場合には、図３に示すように、そうした極少量用サンプルバイアル４５自体を、閉塞栓１１に対して吊り下げ支持されたサンプルバイアル３１の内側に収容するようにすればよい。但し、試料吸い込み配管４１の外径が大きいと極少量用サンプルバイアル４５の底部に残った試料を適切に吸い上げられなくなるおそれがあるから、その場合には、少なくとも下端部の外径が小さくなるように径を絞った形状の試料吸い込み配管を用いるとよい。

なお、上記実施例は本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正及び追加を行っても本発明に包含されることは明らかである。

本発明に係る質量分析装置に含まれる試料導入装置の一実施例における密封容器の上部の概略縦断面図。本発明に係る質量分析装置に含まれる試料導入装置の一実施例における密封容器の上部の概略縦断面図。本発明に係る質量分析装置に含まれる試料導入装置の一実施例における密封容器の上部の概略縦断面図。本実施例の質量分析装置の要部の概略構成図。加圧送液によりイオン源への試料導入を行う装置の概略構成図。

符号の説明

１…試料導入装置
１０…容器
１１…閉塞栓
１１ａ…フランジ
１１ｂ、１１ｃ…連通孔
１２…シール部材
１３…キャップ
１４、４１…試料吸い込み配管
１５…配管保持部材
１６、１９、４１…ナット
１７…試料導入用配管
１８…配管保持部材
２１…ガスチューブ
２２…ガスチューブジョイント
３０…液体試料
３１…サンプルバイアル
３２…液体試料
４０…バイアル用配管保持部材
４０ａ…バイアル取付用アダプタ
４０ｂ…通気孔
４５…極少量用サンプルバイアル
５１…イオン化室
５２…ノズル
７２…ガス導入流路
７３…バルブ
７４…圧力センサ
７５…試料導入管

Claims

液体試料を大気圧下でイオン化するイオン源と、該イオン源に液体試料を導入する試料導入手段と、を備える質量分析装置において、前記試料導入手段は、
a)上面開口を有する容器、及び該上面開口を閉塞する閉塞栓、を含む密封容器と、
b)前記密封容器内に所定のガスを圧送するガス供給手段と、
c)前記閉塞栓に対して前記容器の内部に収容可能なサイズの小型容器を吊り下げ支持する小型容器支持手段と、
d)前記小型容器支持手段により液体試料が収容された小型容器が吊り下げ支持された状態において、前記ガス供給手段により供給されるガスによる加圧により押される前記液体試料を送出するために、一端が前記小型容器内の液体試料中に浸漬され、他端が前記容器の外部に位置する送液経路と、
を備えることを特徴とする質量分析装置。