JP5016191B2 - 多モードイオン化源、およびこれを用いてイオンを生じる方法ならびに多モードイオン化質量分析計 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、質量分析計に関するものであり、とりわけ、多イオン生成技法を単一イオン源に取り入れた大気圧イオン源（ＡＰＩ）に関するものである。

質量分析計は、分子をイオン化し、次に、その質量対電荷（ｍ／ｚ）比に基づいて、分子の分類及び識別を行うことによって正常に機能する。このプロセスにおける２つの重要なコンポーネントとして、イオンを発生するイオン源と、イオンを分類する質量分析部がある。質量分析計には、いくつかの異なるタイプのイオン源が利用可能である。各イオン源は、特定の利点を有しており、異なるクラスの化合物に用いるのに適合する。異なるタイプの質量分析部も利用される。それぞれ、必要な情報タイプに応じた利点及び欠点がある。

過去十年間にわたる液体クロマトグラフィ／質量分析（ＬＣ／ＭＳ）の進歩の大部分は、新しいイオン源、及び、検体分子をイオン化し、結果生じるイオンを移動相から分離する技法の開発におけるものであった。従来のＬＣ／ＭＳシステムは、準大気圧または部分真空下において機能したが、ＡＰＩは、大気圧で発生する。さらに、従来、これらの旧式システムでは、一般に、全てのコンポーネントが真空下におかれたが、ＡＰＩは、真空外で発生し、その後、真空内にイオンが送り込まれる。

先行アプローチが成功するのは、化合物の数が極めて制限された場合だけであった。ＡＰＩ技法の導入によって、ＬＣ／ＭＳを利用してうまく分析することが可能な化合物の数は大幅に増大した。この技法では、最初に、検体分子が大気圧でイオン化される。次に、検体イオンが、中性分子から空間的及び静電気的に分離される。一般的なＡＰＩ技法には、エレクトロスプレーイオン化（ＥＳＩ）、大気圧化学イオン化（ＡＰＣＩ）、及び、大気圧光イオン化（ＡＰＰＩ）がある。これらの技法のそれぞれに、利点及び欠点がある。

エレクトロスプレーイオン化は、最も古い技法であり、部分的に化学に依存して、検体が質量分析計に達する前に、溶液中において検体イオンを発生する。ＬＣ溶離剤が、強い静電界のかかった、加熱された乾燥ガスの存在する、大気圧の室内に噴射（噴霧）される。静電界によって、ＬＣ溶離剤及び検体分子が充電される。加熱された乾燥ガスによって、小滴中の溶媒が蒸発する。小滴が収縮すると、小滴の電荷密度が増大する。最終的には、同様の電荷を持つイオン間の斥力が、凝集力を超えて、イオンが放出され（脱離し）、気相になる。イオンは、吸引されて、毛管またはサンプリングオリフィスを通り、質量分析部に送り込まれる。小滴からのイオン放出時から質量分析部へのイオン到達時までの間で、主として、プロトン移動及び電荷交換といった、いくつかの気相反応が生じる可能性もある。

エレクトロスプレーは、蛋白質、オリゴヌクレオチド、ペプチド等のような大きい生体分子の分析にとりわけ有効である。この技法は、ベンゾジアゼピン及び硫酸化抱合体のようなより小さい有極性分子の分析にも役立つ可能性がある。有効に分析可能な他の化合物には、イオン化塩及び有機染料がある。

大分子は、２つ以上の電子を獲得することが多い。一般的なＬＣ／ＭＳ計測器の質量範囲（または、より正確には質量対電荷範囲）が約３０００ｍ／ｚであっても、複数荷電によって、１５０，０００ｕもの分子の分析が可能になるという利点が得られる。大分子が多くの電荷を獲得する場合、デコンボルーションと呼ばれる数学的プロセスを利用して、検体の実際の分子重量を求めることが可能である。

大気圧で実施される第２の一般的な技法は、大気圧化学イオン化（ＡＰＣＩ）である。ＡＰＣＩの場合、ＬＣ溶離剤が、大気圧で、加熱した気化器（一般に２５０〜４００℃）によって噴霧される。熱によって液体が気化し、結果生じる気相溶媒分子が、コロナ放電で生じる電子によってイオン化される。溶媒イオンは、次に、化学反応（化学イオン化）によって電荷を検体分子に移動させる。検体イオンは、毛管またはサンプリングオリフィスを通って、質量分析部に送り込まれる。ＡＰＣＩには、いくつかの重要な利点がある。この技法は、広範囲にわたる有極性及び無極性分子に適用可能である。この技法は、エレクトロスプレーのように複数荷電を生じることはめったになく、従って、１５００ｕ未満の分子に利用するのに特に有効である。以上の理由及び高温の必要から、ＡＰＣＩは、熱的に不安定である可能性のある大生体分子に関して、エレクトロスプレーほど役に立たない。ＡＰＣＩは、検体が、通常、無極性のため、エレクトロスプレーよりも、順相クロマトグラフィに用いられる場合が多い。

ＬＣ／ＭＳに関する大気圧光イオン化は、比較的新しい技法である。ＡＰＣＩのように、気化器によってＬＣ溶離剤が気相に変換される。放電灯が、狭いイオン化エネルギー範囲で光子を発生する。このエネルギー範囲は、できるだけ多くの検体分子をイオン化し、同時に、溶媒分子のイオン化を最小限に抑えるように慎重に選択される。結果生じるイオンは、毛管またはサンプリングオリフィスを通って、質量分析部に送り込まれる。ＡＰＰＩは、一般にＡＰＣＩによって分析されるのと同じ化合物の多くに適用可能である。ＡＰＰＩは、とりわけ、無極性の高い化合物及び低流量（＜１００ｕｌ／ｍｉｎ）といった、ＡＰＣＩの感度が低下する場合のある、２つの用途において有望である。検体の性質と分離状態は、エレクトロスプレー、ＡＰＣＩ、または、ＡＰＰＩといったイオン化技法が最良の結果を生じる上においてかなりの影響を及ぼす。最も有効な技法を予測するのは、必ずしも容易ではない。

上述のこれらの技法では、異なるメカニズムによって分子をイオン化する。あいにく、これらの技法のどれにも、汎用サンプルイオン発生器はない。汎用イオン化の欠如は、しばしば潜在的な利点とみなすことが可能な場合もあるが、大いに相違するサンプルの迅速な分析を担う分析者には重大な欠点を露呈することになる。極めて限られた時間と、分析しなければならない、ずらりと並んだ数多くのサンプルに直面した分析者が関心を示すのは、単一技法及び単一組の条件で、できるだけ多種類のサンプルをイオン化することが可能なイオン源である。あいにく、こうしたＡＰＩイオン源技法は得られなかった。

陽イオン検出と陰イオン検出との迅速な切換えを利用して、サンプルイオン化の範囲を改善しようとする試みがなされてきた。陽イオン／陰イオンを急速に切り換えると、結果として、ＡＰＩ技法で検出される化合物のパーセンテージが増すことになる。しかし、それによって、より汎用性の高いＡＰＩイオン発生の必要がなくなるわけではない。

以上の理由から、複数イオン源（エレクトロスプレー、ＡＰＣＩ、及びＡＰＰＩ）を組み合わせた利点をもたらすことが可能な、ただし、個々の制限を受けない、イオン源を用いることが望ましい。さらに、あるイオン源から別のイオン源への切換えを必要とせず、さらに、イオン源を機能させるのに手動操作を必要としないイオン源を備えることが望ましい。

従って、本発明の目的は、迅速に、効率よく、かつ有効に、様々なサンプルのイオン化が可能な多モードイオン源を提供することにある。

本発明について詳述する前に、本明細書及び付属の請求項において用いられる限りにおいて、「ある」、「その」といった単数形には、文脈において別様の明確な指示がない限り、複数の指示物が含まれるという点に特に言及しておかなければならない。従って、例えば、「ある導管」への言及には、２つ以上の「導管」が含まれる。ある「エレクトロスプレーイオン化源」またはある「大気圧イオン化源」への言及には、２つ以上のエレクトロスプレーイオン化源」または「大気圧イオン化源」が含まれる。本発明の説明及び請求において、以下の用語は、以下の定義に従って用いられることになる。

「隣接した」という用語は、近い、隣の、または隣り合ったという意味になる。隣接した何かは、別のコンポーネントと接触することもできるし、他のコンポーネントを包囲する（と同軸をなす）こともできるし、他のコンポーネントから間隔をあけることもできるし、あるいは他のコンポーネントの一部を含むことも可能である。例えば、噴霧器に隣接した「乾燥装置」は、噴霧器の隣に間隔をあけて配置することもできるし、噴霧器と接触することもできるし、噴霧器を包囲するか、噴霧器または噴霧器の一部によって包囲されることもできるし、噴霧器を含むか、噴霧器に含まれることもできるし、噴霧器と隣り合うこともできるし、あるいは噴霧器の近くに位置することも可能である。

「導管」という用語は、イオンまたはガスを収容するか、または輸送するために利用可能な、任意のスリーブ、毛管、輸送装置、ディスペンサ、ノズル、ホース、パイプ、プレート、ピペット、オリフィス、壁面のオリフィス、コネクタ、管、カップリング、コンテナ、ハウジング、構造、または装置を表している。

「コロナニードル」という用語は、コロナ放電を生じさせるために利用可能な任意の導管、ニードル、物体、または装置を表している。

「分子縦軸」という用語は、噴射方向において最もイオン濃度の高い領域を通るように描くことが可能な、理論上の軸またはラインを表わしている。上記用語は、導管の軸に対する分子縦軸の関係のために採用された。場合によっては、イオン源またはエレクトロスプレー噴霧器の縦軸が、導管の縦軸からオフセットすることもあり得る（理論上の軸は直交するが、３次元空間においてアライメントがとれない）。「分子縦軸」という用語の利用は、それらの実施態様を本発明の広い範囲内に含むように採用された。直交するという用語は、ほぼ垂直に、すなわち、ほぼ９０度の角度でアライメントがとれることを表わしている。例えば、「分子縦軸」は、導管の軸と直交することが可能である。実質的に直交するという用語は、９０±２０度を表わしている。しかし、本発明は、これらの関係に制限されるものではなく、「分子縦軸」と導管の縦軸との間に形成されるさまざまな鋭角及び鈍角を含むことが可能である。

「噴霧器」という用語は、液体から小滴またはエアゾルを生じさせる、当該技術において既知の任意の装置を表している。

「第１の電極」という用語は、ＥＳＩ源から生じる噴流または噴霧の方向づけまたは制限を行うため、あるいは噴霧器まわりの電界を強めて、荷電小滴の形成を助けるため、噴霧器またはエレクトロスプレーイオン化源に隣接して用いることが可能な任意の設計または形状の電極を表わしている。

「第２の電極」という用語は、第１の電極から導管にイオンを送るために用いることが可能な任意の設計または形状の電極を表わしている。

「乾燥装置」という用語は、イオン化蒸気を乾燥または部分乾燥させることが可能な、任意のヒータ、ノズル、ホース、導管、イオンガイド、同軸構造、赤外線（ＩＲ）ランプ、ｕ波ランプ、加熱表面、ターボスプレー装置、または加熱ガス導管を表している。イオン化蒸気の乾燥は、計測器の感度の維持または向上において重要である。

「イオン源」または「源」という用語は、検体イオンを発生する任意の源を表わしている。

「イオン化領域」という用語は、任意のイオン源と導管との間の領域を表わしている。

「エレクトロスプレーイオン化源」という用語は、エレクトロスプレーイオンを発生するための噴霧器及び関連部分を表わしている。噴霧器は、大地電位であっても、なくてもかまわない。この用語も、当該技術において周知のエレクトロスプレーイオン化技法を用いて生じるイオンと同様かまたは同じ荷電粒子を放電させることが可能な電極を備えた管のような、機器または装置を含むものと広義に解釈すべきである。

「大気圧イオン化源」という用語は、イオンの発生技術において既知の一般的な用語を表わしている。この用語は、さらに、周囲温度及び周囲圧力範囲でイオンを発生するイオン源を表わしている。イオン化源によっては、制限するわけではないが、エレクトロスプレー、ＡＰＰＩ及びＡＰＣＩイオン源を含むことも可能である。

「検出部」という用語は、イオンを検出することが可能な任意の装置、機器、機械、コンポーネント、またはシステムを表わしている。検出部には、ハードウェアまたはソフトウェアを含む場合もあれば、含まない場合もあり得る。質量分析計において、一般的な検出部は、質量分析部を含んでいて、かつ質量分析部に結合されているか、あるいは、そのいずれかである。

「順次」または「順次アライメント」という用語は、連続して配置されたイオン源の利用を表わしている。イオン源は、次から次へと後続する。これは、線形配列であっても、なくてもかまわない。

本発明の説明は、図面を参照して行われる。図面は、一定の比率で描かれたものではなく、すなわち、明瞭に提示するために一部の寸法が誇張されている場合もある。

図１には、質量分析計の一般的なブロック図が示されている。本発明は、様々な異なるタイプの質量分析計に用いることができるので、このブロック図は、一定の比率によるものではなく、一般的なフォーマットで描かれている。本発明の質量分析計１には、多モードイオン源２、輸送システム６、及び検出部１１が含まれている。本発明は、その最も広義の意味において、単一ＡＰＩイオン源のイオン化範囲を拡大し、複数イオン情報メカニズムを単一イオン源に組み込むものである。実施態様の１つでは、これが、ＥＳＩ機能と１つ以上のＡＰＣＩ及び／またはＡＰＰＩ機能を組み合わせることによって実現される。第１のイオン源または機能によってイオン化されない検体は、第２のイオン源または機能によってイオン化すべきである。

図１及び図２を参照すると、多モードイオン源２には、第１のイオン源３と、第１のイオン源３より下流の第２のイオン源４が含まれている。第１のイオン源３は、第２のイオン源４と空間的に分離することもできるし、あるいは、第２のイオン源４と一体化することも可能である。第１のイオン源３は、第２のイオン源４と順次アライメントをとることも可能である。しかし、順次アライメントが必要というわけではない。「順次」または「順次アライメント」という用語は、連続して配置されたイオン源の利用を表わしている。イオン源は、次から次へと後続する。これは、線形配列であっても、なくてもかまわない。第１のイオン源３が第２のイオン源４と順次アライメントがとれる場合、イオンは、第１のイオン源３から第２のイオン源４に送られなければならない。第２のイオン源４には、多モードイオン源２の全て若しくは一部、輸送システム６の全て若しくは一部、またはその両方の全て若しくは一部を含むことが可能である。

第１のイオン源３には、大気圧イオン源を含むことが可能であり、第２のイオン源４には、１つ以上の大気圧イオン源を含むことも可能である。本発明にとって重要なのは、エアゾルの形態で荷電小滴及びイオンが得られるようにするため、第１のイオン源３が、エレクトロスプレーイオン源または同様のタイプの装置であると言うことである。さらに、エレクトロスプレー技法には、後で検出し、デコンボルーションを施して、蛋白質のような大分子の特性を解明することが可能な、複合荷電種をもたらすという利点がある。第１のイオン源３は、多モードイオン源２内のいくつかの位置、定位置、または場所に配置することが可能である。図には、導管３７（毛管として図示）に対して直交するように配置された第１のイオン源３が示されている。直交するの意味するところは、第１のイオン源３が、導管３７の導管縦軸９に対して垂直な「分子縦軸」７を備えるということである（明確化のため図２を参照されたい）。「分子縦軸」という用語は、噴射方向において最もイオン濃度の高い領域を通るように描くことが可能な、理論上の軸またはラインを表わしている。上記用語は、導管の軸に対する「分子縦軸」の関係のために採用された。場合によっては、イオン源またはエレクトロスプレー噴霧器の縦軸が、導管の縦軸からオフセットすることもあり得る（理論上の軸は直交するが、３次元空間においてアライメントがとれない）。「分子縦軸」という用語の利用は、それらのオフセット実施態様を本発明の広い範囲内に含むように採用された。この用語は、また、イオン源及び／または噴霧器の縦軸が導管の縦軸９に対して実質的に直交する状況（図示のように）を含むように定義されている。さらに、図には、本発明が実質的に直交する構成で示されているが（分子縦軸が導管縦軸と実質的に直交する）、分子縦軸と導管縦軸の間で、さまざまな角度（鈍角及び鋭角）を形成することが可能である。

図２には、本発明の第１の実施態様の断面図が示されている。この図には、多モードイオン源２のさらなる詳細が示されている。多モードイオン源２には、全て、単一イオン源ハウジング１０に収容された、第１のイオン源３、第２のイオン源４、及び導管３７が含まれている。この図に示すように、第１のイオン源３は、イオン源ハウジング１０内において第２のイオン源４に密結合され、一体化されている。イオン源ハウジング１０は、図に示されているが、本発明の必要な構成要素というわけではない。予測では、イオン源は、独立したハウジングに納めることもできるし、あるいは、イオン源がイオン源ハウジング１０と共に用いられることが全くない構成において、利用することさえ可能である。イオン源は、通常、大気圧（約７６０トル）で動作するが、代わりに、約２０〜約２０００トルの圧力に保つことも可能である。イオン源ハウジング１０は、ガスを除去するための排気ポート１２を備えている。

第１のイオン源３（図２にはエレクトロスプレーイオン源として示されている）には、噴霧器８と乾燥装置２３が含まれている。噴霧器８のコンポーネントは、それぞれ、独立したものとすることも、あるいは、イオン源１０と一体化することも（図２〜図５に示すように）可能である。噴霧器８とイオン源ハウジング１０が一体化される場合、イオン源ハウジング１０に対する噴霧器８の取り付けには噴霧器カップリング４０を用いることが可能である。

噴霧器８には、噴霧器導管１９、噴霧器注入口４２を備えた噴霧器キャップ１７、及び噴霧器先端２０が含まれている。噴霧器導管１９は、噴霧器キャップ１７から噴霧器先端２０まで延びる縦通ボア２８を備えている（図には、噴霧器導管１９が、ボアのアライメントが取れるようにして、２つの部分に分割された、分割設計で示されている）。縦通ボア２８は、イオン化領域１５内に放出される荷電エアゾルを形成するため、噴霧器先端２０にサンプル２１を送るように設計されている。噴霧器８は、イオン化領域１５に放出される荷電エアゾルを形成するためのオリフィス２４を備えている。乾燥装置２３は、噴霧器先端２０で発生し、そこから放出された荷電エアゾルに対してスイープガスを供給する。スイープガスは、加熱して、直接または間接的にイオン化領域１５に供給することが可能である。スイープガス導管２５を利用して、スイープガスをイオン化領域１５に直接供給することが可能である。スイープガス導管２５は（図２に示すように）イオン源ハウジング１０に取り付けてもよいし、一体化してもよい。スイープガス導管２５がイオン源ハウジング１０に取り付けられる場合、独立したイオン源ハウジングボア２９を用いて、スイープガス源２３からスイープガス導管２５に向けてスイープガスを送ることが可能である。スイープガス導管２５は、噴霧器導管１９の一部を含むこともできるし、あるいは、噴霧器先端２０からエアゾルが供給される際、エアゾルに対してスイープガスが送られるように、噴霧器導管１９を部分的または完全に包囲することも可能である。

ＥＳＩ液に荷電するため噴霧器先端２０に電界を加えることが重要であるという点に留意すべきである。噴霧器先端２０は、高電界強度を発生するのに十分なほど小さくなければならない。噴霧器先端２０は、一般に、直径が１００〜３００ミクロンである。第２のイオン源４が、ＡＰＣＩイオン源である場合、コロナニードル１４の電圧は、５００〜６０００Ｖの間で、４０００Ｖが一般的である。光子源は、通常、噴霧器先端２０の電界に影響しないので、この電界は、ＡＰＰＩにとってクリティカルなものではない。多モードイオン源２の第２のイオン源４が、ＡＰＣＩ源である場合、初期ＥＳＩプロセスの妨げにならないように、噴霧器の電界は、コロナニードル１４に印加される電圧から分離する必要がある。上述の実施態様（図２に示す）の場合、接地した噴霧器が用いられる。この設計は、ユーザにとってより安全であり、より弱電流で、より低コストの電源（図示及び解説されない電源）が利用される。

第２のイオン源４がＡＰＣＩである実施態様の１つでは、オプションの第１の電極３０及び第２の電極３３が、第１のイオン源３に隣接して用いられる（図２参照。本書で解説の電極に関するさらなる情報については、「Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｄｅｌｉｖｅｒｉｎｇ Ｉｏｎｓ ｆｒｏｍ ａ Ｇｒｏｕｎｄｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｓｐｒａｙ Ａｓｓｅｍｂｌｙ ｔｏ ａ Ｖａｃｕｕｍ Ｃｈａｍｂｅｒ」と題する米国特許出願公開第０９／５７９，２７６号明細書参照）。噴霧器先端２０と第１の電極３０との電位差によって、先端に荷電エアゾルを発生する電界が生じ、一方、第２の電極３３と導管３７との電位差によって、イオンを導管３７に向けて送る、または、導くための電界が生じる。コロナ放電は、コロナニードル１４にかかる高電界によって生じるが、この電界は、主として、コロナニードル１４と導管３７との電位差によって生じるものであり、多少は、第２の電極３３の電位による影響もある。例証のためであって、制限のためではないが、それぞれの電極における典型的な１組の電界は、噴霧器先端２０（大地電位）、第１の電極３０（−１ｋＶ）、第２の電極３３（大地電位）、コロナニードル１４（＋３ｋＶ）、導管３７（−４ｋＶ）である。これらの電位例は、陽イオンの場合であり、陰イオンの場合、電位の符号が逆になる。第１の電極３０と第２の電極３３との間の電界は、陽荷電イオン及び小滴に関して制動するので、スイープガスを用いて、電界に逆らってそれらを押し進め、それらが第２の電極３３を確実に通過するようにする。

電界が電位差によって生じるので、適正な電位差が保たれる限りにおいて、電極の絶対電位の選択はほぼ任意である。一例として、可能性のある１組の電位は、噴霧器先端２０（＋４ｋＶ）、第１の電極３０（＋３ｋＶ）、第２の電極３３（＋４ｋＶ）、コロナニードル１４（＋７ｋＶ）、導管３７（大地電位）である。電位の選択は、任意ではあるが、通常、利便性に従って、また、計測器設計の実際の態様に従って決定される。

第２のイオン源４に対するＡＰＰＩの利用は、イオン化プロセスの補助に電界を必要としないので、ＡＰＣＩの利用とは状況が異なる。図４には、ＡＰＰＩを用いる、詳細に後述する本発明の実施態様の断面図が示されている。図５には、第１の電極３０の使用が示されているが、オプションにより、ＡＰＰＩ源に第２の電極を用いることも可能である。

噴霧器先端２０と導管３７との間の電界は、標準的なエレクトロスプレーイオン源の場合と同様、エレクトロスプレーの発生と、導管３７へのイオンの移送の両方に役立つ。例えば、導管３７をほぼ大地電位にまたは大地電位に保ったまま、噴霧器先端２０に１ｋＶ以上の正電位を印加することもできるし、あるいは、噴霧器先端２０をほぼ大地電位にまたは大地電位に保ったまま、導管３７に１ｋＶ以上の正電位を印加することも可能である（陰イオンの場合、極性が逆になる）。いずれにせよ、紫外線（ＵＶ）ランプ３２は、導管３７及び噴霧器先端２０から十分に距離をあければ、電界への影響はほとんどない。あるいはまた、導管３７の電位と噴霧器先端２０の電位との間の適切な電位値の別の電極またはケーシングによって、ランプを遮蔽することも可能である。

乾燥装置２３は、噴霧器８に隣接して配置され、第１のイオン源３によって生じる荷電エアゾルを乾燥させるように設計されている。荷電エアゾルを乾燥させるための乾燥装置２３は、赤外線（ＩＲ）ランプ、加熱表面、ターボスプレー装置、マイクロ波ランプ、及び加熱ガス導管からなる群から選択される。ＥＳＩエアゾルの乾燥は、クリティカルなステップであるという点に留意されたい。エアゾルが非イオン化検体を遊離させるのに十分なほど乾燥しなければ、ＡＰＣＩまたはＡＰＰＩプロセスは無効になる。乾燥は、エレクトロスプレーによって生じるイオンの損失を回避するように実施しなければならない。イオンの損失は、表面への放電によって、または、イオンを有用なイオンサンプリング容積から流出できるようにすることによって、生じる可能性がある。乾燥解決法は、両方の問題を取り扱わねばならない。荷電エアゾル及びイオンを乾燥させて、閉じ込めるための実用的な方法は、高温不活性ガスの利用である。電界は、大気圧では、イオン制御にわずかな効果しかない。不活性ガスは、電荷を放散させないし、熱源とすることが可能である。イオン及び荷電小滴を限られた空間内に閉じ込めることが可能な力のベクトルを示すように、不活性ガスを供給することも可能である。これは、エアゾルに対して平行に、同軸をなして流れるガスを利用して、または、エアゾルに対して垂直方向にガスを流すことによって実現可能である。乾燥装置２３は、噴霧器先端２０から生じるエアゾルにスイープガスを供給することが可能である。実施態様の１つでは、乾燥装置２３に、加熱ガスを供給するためのガス源または他の装置を含むことが可能である。ガス源は、当該技術において周知のところであり、どこか他で解説されている。乾燥装置２３は、独立したコンポーネントとすることもできるし、あるいは、イオン源ハウジング１０と一体化することも可能である。乾燥装置２３は、噴霧器導管２５によっていくつかのガスを供給することが可能である。本発明には、例えば、窒素、アルゴン、キセノン、二酸化炭素、空気、ヘリウム等のようなガスを用いることが可能である。ガスは不活性である必要はなく、十分な量のエネルギーまたは熱を有することが可能である。本発明には、これらの固有の特性を含む、当該技術において周知の他のガスを利用することも可能である。他の実施態様では、スイープガス及び乾燥ガスについて、異なるまたは別個の導入箇所を備えることが可能である。例えば、スイープガスは、同じ導管（図２及び図４に示すように）または異なる導管（図３及び図５）を用いて導入することが可能であり、次に、スイープガスの導入箇所よりさらに下流において、別個に噴霧ガスをシステムに加えることが可能である。ガスの代替導入箇所（導管、ポート等）によって、ガス／コンポーネント及び温度を維持または変更する柔軟性を高めることも可能である。第２のイオン源４には、ＡＰＣＩまたはＡＰＰＩイオン源を含むことが可能である。図２には、ＡＰＣＩ構成をなす場合の、第２のイオン源４が示されている。第２のイオン源４は、さらに、実施態様例として（制限するわけではないが）、コロナニードル１４、コロナニードルホルダ２２、及び、コロナニードルジャケット２７を含むことが可能である。コロナニードル１４は、イオン源ハウジング１０内において第１のイオン源３より下流に配置することが可能である。コロナニードル１４の高電位による電界によって、コロナ放電が生じ、その結果、さらに、第１のイオン源３から流れてくる蒸気流中の検体がＡＰＣＩプロセスによってイオン化されることになる。陽イオンの場合、正のコロナが利用されるが、この場合、電界はコロナニードルから周囲に向けられる。陰イオンの場合、負のコロナが利用され、電界はコロナニードル１４に向けられる。検体イオン、蒸気、及びエアゾルの混合物が、第１のイオン源３からイオン化領域１５に流入し、ＡＰＣＩまたはＡＰＰＩプロセスによるさらなるイオン化を受けることになる。上述の乾燥ガスまたはスイープガスには、第１のイオン源３からイオン化領域１５に混合物を輸送するための手段が含まれている。

図３には、図２と同様の実施態様が示されているが、スイープガス、噴霧ガス、及び乾燥ガスのそれぞれの導入箇所に関するある設計が含まれている。ガスを組み合わせることによって、荷電エアゾルを乾燥させることが可能になる。上述のように、噴霧ガス及びスイープガスは、解説のように導入することが可能である。しかし、この設計では、乾燥ガスは、乾燥ガスポート４５及び４６によって１つ以上の乾燥ガス源４４に導入することが可能である。この図には、第２の電極３３の一部を構成する、乾燥ガス源４４と乾燥ガスポート４５及び４６が示されている。これは、必要というわけではなく、これらのコンポーネントは、独立したものとしてイオン源ハウジング１０に組み込むこともできるし、あるいは、その一部として組み込むことも可能である。

図４には、図２と同様の実施態様が示されているが、異なる第２のイオン源４が含まれている。さらに、この実施態様の場合、オプションの第１の電極３０及び第２の電極３３は用いられない。第２のイオン源４には、ＡＰＰＩイオン源が含まれる。紫外線ランプ３２が、第１のイオン源３と導管３７の間に挿入されている。紫外線ランプ３２には、分子のイオン化が可能な、当該技術において周知の任意の数のランプが含まれている。いくつかのＵＶランプ及びＡＰＰＩイオン源は、当該技術において既知のところであって、用いられており、本発明にも用いることが可能である。第２のイオン源４は、第１のイオン源３より下流のいくつかの場所に配置することが可能であり、本発明の広義の範囲が、図に示され、説明される実施態様に制限されるとか、あるいは、それらに焦点を絞ったものであると解釈すべきではない。他のコンポーネント及び部品については、上記ＡＰＣＩの実施態様で説明したものと同様とすることが可能である。はっきりさせるため、上記説明を参照されたい。

輸送システム６（図１に略示された）には、イオンを受け取って、ある場所またはチャンバから別の場所またはチャンバに移送するための１つの導管３７、または、任意の数の毛管、導管、または装置を含むことが可能である。図２〜図５には、単純な導管３７を含む場合の輸送システム６がより詳細に示されている。導管３７は、イオン源ハウジング１０内において、コロナニードル１４またはＵＶランプ３２に隣接して配置され、エレクトロスプレーエアゾルからイオンを受け取るように設計されている。導管３７は、イオン源３より下流に配置され、当該技術において周知のさまざまな材料及び設計を含むことが可能である。導管３７は、イオン化領域１５（図１には示されていない）内に放出される、イオン源３及びイオン源４から生じた検体イオンを受け取り、収集するように設計されている。導管３７は、検体イオンを受け取って、別の場所に輸送するオリフィス３８を備えている。当該技術において周知の他の構造及び装置を用いて、導管３７を補助することも可能である。ガス導管５によって、イオン化領域１５内のイオンに乾燥ガスを供給することが可能である。乾燥ガスは、イオン化領域１５内の検体イオンと相互作用して、イオン源２及び／またはイオン源３から供給された溶媒和エアゾルから溶媒を除去する。導管３７には、当該技術において周知のさまざまな材料及び装置を含むことが可能である。例えば、導管３７には、スリーブ、輸送装置、ディスペンサ、毛管、ノズル、ホース、パイプ、ピペット、ポート、コネクタ、管、オリフィス、壁面のオリフィス、カップリング、コンテナ、ハウジング、構造、または装置を含むことが可能である。いくつかの例では、導管は、ただ単にイオンを受け取るためのオリフィスを含むだけにすることも可能である。図２〜図５の場合、導管３７は、毛管がガス導管５内に配置され、本発明の独立したコンポーネントをなす特定の実施態様として示されている。「導管」という用語は、広義に解釈すべきであり、図面に示す実施態様の範囲に制限されるものと解釈すべきではない。「導管」という用語は、イオンを受け取るために利用可能な任意のスリーブ、毛管、輸送装置、ディスペンサ、ノズル、ホース、パイプ、プレート、ピペット、ポート、コネクタ、管、オリフィス、カップリング、コンテナ、ハウジング、構造、または装置を表している。

検出部１１が、第２のイオン源４より下流に配置されている（図１には、検出部１１だけしか示されていない）。検出部１１には、輸送システム６によって収集され、輸送された検体強化イオンを検出するための質量分析部または当該技術において周知の他の同様の装置を含むことが可能である。検出部１１には、当該技術において周知のところである、検体イオンの検出を助けることが可能な任意のコンピュータ・ハードウェア及びソフトウェアを含むことも可能である。

図５には、図４と同様の実施態様が示されているが、さらに、第１の電極３０及び第２の電極３３も含まれている。さらに、本発明のこの実施態様には、スイープガス、噴霧ガス、及び、乾燥ガスの分離も含まれる。図３において上述のように、独立した乾燥ガス源４４を用いて、乾燥ガスポート４５及び４６を介して乾燥ガスが供給される。

本発明及びコンポーネントについてある程度詳細に述べてきたが、本発明の動作方法について、順を追って説明することにする。多モードイオン源２を用いてイオンを発生する方法には、エレクトロスプレーイオン化源のような第１の大気圧イオン化源によって荷電エアゾルを発生するステップと、第２の大気圧イオン化源を利用して、第１の大気圧イオン化源によって生じた荷電エアゾルをイオン化するステップと、多モードイオン化源から生じたイオンを検出するステップが含まれている。図２を参照すると、サンプル２１が、縦通ボア２８に至る噴霧器注入口４２によって第１のイオン源３に供給される。サンプル２１には、当該技術において周知のところであり、質量分析計に用いられてきた、任意の数の材料を含むことが可能である。サンプル２１は、大気圧イオン化源（すなわち、ＥＳＩ、ＡＰＰＩ、またはＡＰＰＩイオン化源）によるイオン化が可能な任意のサンプルとすることが可能である。本明細書では開示されないが、当該技術において既知のところである、他のイオン化源を利用することも可能である。噴霧器導管１９は、サンプル２１を噴霧器先端２０に向かって送るために利用される縦通ボア２８を備えている。乾燥装置２３は、スイープガス導管２５を通じてイオン化サンプルにスイープガスを導入することが可能である。スイープガス導管２５は、噴霧器導管１９を包囲または収容し、スイープガスを噴霧器先端２０に対して噴射する。次に、噴霧器先端２０から噴射されるエアゾルが、第１の電極３０及び第２の電極３３によって生じる電界を印加される。第２の電極３３は、荷電エアゾルを導管３７に向けて送る電界を発生する。しかし、荷電エアゾルは、導管３７に達する前に、まず、第２のイオン源４にさらされる。図２に示す第２のイオン源４は、ＡＰＣＩイオン源である。本発明は、第１のイオン源３及び第２のイオン源４の同時使用に制限されるものと解釈すべきではない。しかし、これは、本発明の重要な特徴である。第１のイオン源３は、第２のイオン源４と同様、「オン」または「オフ」にすることも可能である。換言すれば、本発明は、ＡＰＣＩ及びＡＰＰＩイオン源の一方または両方があっても、なくても、ＥＳＩイオン化源単独の利用が可能になるように設計されている。ＥＳＩイオン源と共に、またはＥＳＩイオン源抜きで、ＡＰＣＩまたはＡＰＰＩイオン源を利用することも可能である。

図４には、第２のイオン源４がＡＰＰＩイオン源として示されている。第１のイオン源３を用いて、分子をイオン化した後、イオン源の一方または両方、あるいは、複数のイオン源を用いるのは、本発明の範囲内である。換言すれば、第２のイオン源には、当該技術において既知のところであり、第１のイオン源３によってまだ荷電されていない、または、電荷が増加していない分子の一部をイオン化する、１つの、１つを超える、２つの、２つを超える、あるいは、多数のイオン源を含むことが可能である。他モードイオン化装置を動作させるための重要なステップがいくつか存在する。例えば、放出物は、噴霧器先端における電界強度が約１０⁸Ｖ／ｃｍ以上になるように、高電界のかかった噴霧器から出なければならない。これによって、液体分子の荷電が可能になる。次に、液体は、電界のかかった噴霧器によって荷電エアゾルに変換される。荷電エアゾルは、荷電分子と非荷電分子を含むことが可能である。ＥＳＩ技法を用いて荷電されない分子は、ＡＰＣＩまたはＡＰＰＩイオン源によって荷電される可能性があり得る。スプレーニードルは、噴霧の助け（空気圧によるような）を利用して、高液体流量の動作を行えるようにすることが可能である。上述のように、次に、荷電エアゾルは乾燥させられる。乾燥のメカニズムは、さまざまな可能性があり、高温ガス、あるいは、赤外線波またはマイクロ波のような電磁放射線を含むことが可能である。次に、エアゾル、イオン、及び、蒸気の組み合わせが、コロナ放電または真空紫外線にさらされる。この結果、第２のイオン形成メカニズムが生じることになる。最後に、ＥＳＩプロセスと第２のイオン源の両方によるイオンが導管３７に送り込まれるように、イオン源における電圧傾度を維持することが重要である。次に、イオンは、輸送システム６を通って検出部１１まで進む（図２〜図５には、輸送システム６は略示されていない）。

もちろん、本発明は、特定の実施態様に関連して解説されたが、以上の説明並びに付随する例は、本発明を例示することを意図したものであって、制限を意図したものではない。本発明の範囲内における他の態様、利点、及び修正については、本発明に関する技術者には明らかであろう。

本明細書において後述及び前述の全ての特許、特許出願、及び刊行物は、ここに引用することで本明細書の一部をなすものとする。

質量分析計の概略的なブロック図である。 本発明の第１の実施態様を示す拡大断面図である。 本発明の第２の実施態様を示す拡大断面図である。 本発明の第３の実施態様を示す拡大断面図である。 本発明の第４の実施態様を示す拡大断面図である。

Claims (16)

1. （ａ）イオン源ハウジングと、
   （ｂ）前記ハウジング内に配置され、荷電エアゾルを提供するためのオリフィスを備える噴霧器と、
   （ｃ）前記噴霧器の前記オリフィスに隣接し、前記荷電エアゾルを乾燥させるための乾燥装置と、
   （ｄ）前記ハウジング内に配置され、前記噴霧器より下流に位置し、前記荷電エアゾルをさらにイオン化するためのコロナニードルと、
   （ｅ）前記コロナニードルに隣接したオリフィスを備え、前記荷電エアゾルからイオンを受け取るための導管と、
   （ｆ）前記噴霧器の前記オリフィスと前記導管の前記オリフィスとの間に置かれ、前記噴霧器の前記オリフィスからイオンを生じさせるための第１の電極と、
   （ｇ）前記第１の電極と前記導管の前記オリフィスとの間に置かれ、前記第１の電極から前記導管の前記オリフィスに向かってイオンを送るため、前記コロナニードルの上流に位置する第２の電極と
   を含んでなる多モードイオン化源。
2. 前記荷電エアゾルを乾燥させるための前記乾燥装置が、ＩＲランプ、レーザ、加熱表面、マイクロ波ランプ、ターボスプレー装置、及び加熱ガス導管からなる群から選択される請求項１に記載の多モードイオン化源。
3. 前記ハウジングは、１．３３３ｋＰａ〜２６６．６ｋＰａ（１０トル〜２０００トル）の範囲に圧力が保たれる請求項１または２に記載の多モードイオン化源。
4. （ａ）荷電エアゾルを提供するためのエレクトロスプレーイオン化源と、
   （ｂ）前記エレクトロスプレーイオン化源に隣接し、前記荷電エアゾルを乾燥させるための乾燥装置と、
   （ｃ）前記エレクトロスプレーイオン化源より下流にあり、前記荷電エアゾルをさらにイオン化するための大気圧イオン化源と、
   （ｄ）前記大気圧イオン化源に隣接し、前記荷電エアゾルからイオンを受け取るためのオリフィスを備えた導管と
   を含んでなり、
   前記乾燥装置は、第１の電極と第２の電極を含んでおり、該第２の電極がイオンを前記導管に向けるのを助けるものである、多モードイオン化源。
5. 前記大気圧イオン化源が大気圧化学イオン化源（ＡＰＣＩ）である請求項４に記載の多モードイオン化源。
6. 前記エレクトロスプレーイオン化源が噴射方向を表す分子縦軸を備えるとともに、前記導管も長手方向を示す縦軸を備えており、前記エレクトロスプレーイオン化源の分子縦軸が前記導管の縦軸と実質的に直交する請求項４又は５に記載の多モードイオン化源。
7. （ａ）多モードイオン化源と、
   （ｂ）前記多モードイオン化源より下流にあり、前記多モードイオン化源によって生じるイオンを検出するための検出部と
   を含んでなる多モードイオン化質量分析計であって、
   前記多モードイオン化源が、
   ｉ． 荷電エアゾルを提供するためのエレクトロスプレーイオン化源と、
   ｉｉ． 前記エレクトロスプレーイオン化源に隣接し、前記荷電エアゾルを乾燥させるための乾燥装置と、
   ｉｉｉ． 前記エレクトロスプレーイオン化源より下流にあり、前記荷電エアゾルをさらにイオン化するための大気圧イオン化源と、
   ｉｖ． 前記大気圧イオン化源に隣接し、前記荷電エアゾルからイオンを受け取るためのオリフィスを備えた導管と
   を含んでなり、
   前記乾燥装置は、第１の電極と第２の電極を含んでおり、該第２の電極がイオンを前記導管に向けるのを助けるものである、多モードイオン化質量分析計。
8. 前記大気圧イオン化源が大気圧化学イオン化源（ＡＰＣＩ）である請求項７に記載の多モードイオン化質量分析計。
9. 前記エレクトロスプレーイオン化源が噴射方向を表す分子縦軸を備えているとともに、前記導管も長手方向を示す縦軸を備えており、前記エレクトロスプレーイオン化源の分子縦軸が前記導管の縦軸と実質的に直交する請求項７又は８に記載の多モードイオン化質量分析計。
10. 前記荷電エアゾルを乾燥させるための前記乾燥装置が、ＩＲランプ、マイクロ波、蒸気管、ターボスプレー装置、及び加熱ガス導管からなる群から選択される請求項７〜９のいずれか一項に記載の多モードイオン化質量分析計。
11. 多モードイオン化源を用いてイオンを生じる方法であって、
    （ａ）エレクトロスプレーイオン化によって荷電エアゾルを生じるステップと、
    （ｂ）前記荷電エアゾルを第１の電極で方向づけるステップと、
    （ｃ）前記エレクトロスプレーイオン化によって生じた前記荷電エアゾルを乾燥するステップと、
    （ｄ）第２の電極を用いて前記荷電エアゾルを下流へ導くステップと、
    （ｅ）前記第１及び第２の電極の下流で大気圧イオン化源を用いて前記荷電エアゾルをイオン化するステップと
    を含んでなる方法。
12. 前記大気圧イオン化源が大気圧化学イオン化源（ＡＰＣＩ）である請求項１１に記載の方法。
13. （ａ）荷電エアゾルを提供するための第１の大気圧イオン化源と、
    （ｂ）前記第１の大気圧イオン化源に隣接し、前記荷電エアゾルを乾燥させるための乾燥装置と、
    （ｃ）前記第１の大気圧イオン化源より下流にあり、前記乾燥した荷電エアゾルをさらにイオン化するための第２の大気圧イオン化源と、
    （ｄ）前記第２の大気圧イオン化源に隣接し、前記乾燥した荷電エアゾルからイオンを受け取るためのオリフィスを備えた導管と
    を含み、
    前記乾燥装置は、第１の電極と第２の電極を含んでおり、該第２の電極がイオンを前記導管に向けるのを助けるものである、多モードイオン化源。
14. 多モードイオン化源を用いてイオンを生じる方法であって、
    （ａ）第１の大気圧イオン化源によって荷電エアゾルを生じるステップと、
    （ｂ）前記荷電エアゾルを第１の電極で方向づけるステップと、
    （ｃ）前記荷電エアゾルを乾燥するステップと、
    （ｄ）前記電荷エアゾルを前記第１の大気圧イオン化源から第２の電極を用いて下流に導くステップと、
    （ｅ）前記第２の電極の下流に位置する第２の大気圧イオン化源を用いて、前記乾燥した荷電エアゾルをイオン化するステップと
    を含んでなる方法。
15. （ａ）荷電エアゾルを提供するためのエレクトロスプレーイオン化源と、
    （ｂ）前記荷電エアゾルを方向づける第１の電極と、
    （ｃ）前記エレクトロスプレーイオン化源に隣接し、前記荷電エアゾルを乾燥させるための乾燥装置と、
    （ｄ）前記エレクトロスプレーイオン化源より下流にあり、前記荷電エアゾルをさらにイオン化するための大気圧イオン化源と、
    （ｅ）前記大気圧イオン化源に隣接し、前記荷電エアゾルからイオンを受け取るためのオリフィスを備えた導管と、
    （ｆ）前記イオンを前記導管に向けるのを助ける第２の電極と
    を含んでなり、
    前記大気圧イオン化源は、大気圧光イオン化源（ＡＰＰＩ）である、多モードイオン化源。
16. （ａ）前記請求項１５に記載の多モードイオン化源と、
    （ｂ）前記多モードイオン化源より下流にあり、前記多モードイオン化源によって生じるイオンを検出するための検出部と
    を含んでなる多モードイオン化質量分析計。

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