JP5056597B2 - 大気圧イオン化質量分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば液体クロマトグラフのカラムからの溶出液などの液体試料をイオン化室にてイオン化して質量分析を行う質量分析装置に関し、さらに詳しくは、液体試料を略大気圧雰囲気であるイオン化室内に噴霧してイオン化するための大気圧イオン化インターフェイスの取付構造に関する。

液体クロマトグラフ質量分析装置（ＬＣ／ＭＳ）では、液体クロマトグラフ（ＬＣ）のカラムから溶出した液体試料が、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）などを用いた大気圧イオン化インターフェイスに導入されてイオン化され、発生したイオンが質量分析に供される。

ＡＰＣＩでは、ＬＣのカラムの末端に接続されたノズルを略大気圧雰囲気にあるイオン化室内に向けて開口して配設し、そのノズル先端の前方に針電極を配置しておく。そして、ノズルにおいて加熱により霧化した液体試料の液滴に、針電極からのコロナ放電により生成したキャリアガスイオン（バッファイオン）を化学反応させることで、試料中の成分分子をイオン化する。他方、ＥＳＩでは、液体試料が導入されるノズルの先端部に数ｋＶ程度の高電圧を印加する。液体試料はこの高電圧により生成される電場の作用によって電荷分離し、主としてクーロン引力により引きちぎられるように霧化する。試料液滴は周囲の空気に衝突して微細化され、同時に液滴中の溶媒は蒸発する。その過程で液滴中の試料成分分子が電荷をもって液滴から飛び出し、気体イオンが発生する。

このようにＥＳＩとＡＰＣＩとではイオン化の原理が相違し、イオン化に適した試料の種類も相違する。そこで、一般にＬＣ／ＭＳでは、ＡＰＣＩ用、ＥＳＩ用それぞれのイオン化インターフェイスユニット（以下「イオン化プローブ」という）を用意しておき、イオン化室を内部に形成するハウジングにいずれかのイオン化プローブを取り付けるようにしている（例えば特許文献１など参照）。

図７は、ハウジングへのイオン化プローブの従来の取付構造を示す一部断面斜視図である。イオン化プローブ２０は、中央のスプレー部２１と、周囲に大きく円盤状に張り出したフランジ部２２と、から成る。スプレー部２１の内部構造はＥＳＩ用とＡＰＣＩ用とで相違するが、ここではその構造は重要ではないので説明を省略する。

フランジ部２２には２本のボルト２３が回転自在に貫設されている。外側に露出したボルト２３の端部には円盤形状のツマミ２３ａが設けられ、内側の先端には雄ねじが螺刻されている。ハウジング３０には、スプレー部２１が内側に挿通される円筒状の取付開口３１が形成され、その周囲の２箇所に、雌ねじが内側に螺刻されたボルト孔３２が形成されている。イオン化プローブ２０をハウジング３０に固定する際には、スプレー部２１を取付開口３１に挿入するとともに、２個のボルト孔３２に２本のボルト２３の先端が位置するように、イオン化プローブ２０の回転位置を定める。そして、ツマミ２３ａを回すことでボルト２３をボルト孔３２に螺入して適度に締め付ける。

スプレー部２１内部の部材は高電圧が印加されたり高温に加熱されたりする。そのため安全性を確保するためのインターロック機構の一部として、イオン化プローブ２０が適切に装着されているか否かを機械的に確認する検知機構が設けられている。即ち、ハウジング３０に形成された凹部３３の内側には、ヒンジレバー型のマイクロスイッチ４０が固定されている。一方、フランジ部２２にはイオン化プローブ２０がハウジング３０に装着されたときに上記マイクロスイッチ４０のヒンジレバー（可動片）を押し込む認識用ピン２４が突設されている。なお、実際にはマイクロスイッチとピンとはもう１組設けられており、そのスイッチの検知信号が、ハウジング３０に装着されたイオン化プローブ２０の種類（ＥＳＩ用又はＡＰＣＩ用）の判定に利用されている。

イオン化プローブ２０がハウジング３０に装着された状態では、Ｏリング３４のシールにより液密性が確保されるが、Ｏリング３４の劣化等により、液体がハウジング３０内（イオン化室内）から外部に漏出する場合もある。マイクロスイッチ４０が露出していると、漏出した液体がマイクロスイッチ４０に直接掛かり、故障の原因となり易い。また、作業者が誤って指でマイクロスイッチ４０を押してしまったり、異物が凹部３３に入り込んでマイクロスイッチ４０を押してしまったりすると、安全上問題である。そこで、凹部３３は金属製の保護カバー５０で被覆されており、保護カバー５０には認識用ピン２４が貫通し、ＩＥＣ（国際電気標準会議）で規格化されているテストフィンガーが入らないような大きさのピン受け孔５１が穿設されている。

イオン化法の切替えに伴うイオン化プローブ２０の交換、イオン化プローブ２０の清掃などのメインテナンス作業、或いは、ハウジング３０（イオン化室）内の清掃などの際には、イオン化プローブ２０の取り外し、取り付けの作業が必要である。上記従来のイオン化プローブ取付構造では、その作業の度に、２個のツマミ２３ａを回してボルト２３を緩めたり締め付けたりしなければならないため、作業性が悪いという問題がある。

他方、ボルト２３の雄ねじとボルト孔３２の雌ねじとの螺合ではなく、イオン化プローブに設けたレバーを回動させてその回動に伴って回動するピンとハウジング側の係止部との係合により、イオン化プローブを固定する機構も実用化されている。しかしながら、このようなレバー式の固定構造と上述したインターロック機構とを組み合わせようとすると、部品点数が増加し、コストが高くなってしまうという問題がある。

特開２００３−６６００７号公報

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、質量分析装置本体へのイオン化プローブの取り付けや取り外しが容易でありながら、部品点数が少なくコストの増加を抑えることができる大気圧イオン化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なされた本発明は、略大気圧雰囲気のイオン化室内に試料液を噴霧して該試料液に含まれる成分をイオン化する質量分析装置であって、試料液を噴霧するノズルを有するイオン化プローブが、内部にイオン化室を形成するハウジングの外部に着脱可能である構造の大気圧イオン化質量分析装置において、
前記イオン化プローブは、操作対象であるレバーと、該レバーの回動操作に伴って回動する被係止部と、当該イオン化プローブが前記ハウジングに装着されたときに後記スイッチの可動部を押し込む突部と、を有し、
前記ハウジングは、前記レバーが所定位置まで回動された状態で前記被係止部と係合して前記イオン化プローブの脱離を阻止する係止部と、前記イオン化プローブの装着を検知するための前記スイッチが内部に収容された凹部と、を有し、
前記凹部内の前記スイッチの上面を被覆するように前記ハウジングに固定され、前記イオン化プローブが前記ハウジングに装着されたときに前記突部が貫通する孔が形成された板状部材が、前記係止部として機能することを特徴としている。

本発明の一態様として、レバーは回転軸ともなるシャフトの端部に設けられ、被係止部はそのシャフトに突設されたピンなどの突部とすることができる。なお、レバー、被係止部、係止部は少なくとも２以上とするとよい。

本発明に係る大気圧イオン化質量分析装置では、イオン化プローブをハウジングの所定位置に保持した状態でレバーを所定位置まで回動させると、イオン化プローブ側の被係止部がハウジング側の係止部と係合し、イオン化プローブをハウジングに固定することができる。また逆に、イオン化プローブをハウジングから取り外す際には、レバーを反対方向に所定位置まで回動させ、被係止部と係止部との係合を解除しさえすればよい。したがって、従来のようにボルトを用いた場合に比べて、ハウジングへのイオン化プローブの取り付け・取り外し作業は簡単になり、イオン化プローブの交換、イオン化プローブの清掃、或いはハウジング内部の清掃などの作業性が向上する。

上記板状部材はイオン化プローブをハウジングに固定するために被係止部を係止する機能と、液体の侵入や不所望の操作などからスイッチを保護するべくその上面を被覆する機能との、２つの機能を併せ持つ。これにより、上述したようにレバー式固定構造を採用し、イオン化プローブの取り付け・取り外しを検知するインターロック機構を設ける場合であっても、部品点数の増加を抑え、コスト低減を図ることができる。

以下、本発明に係る大気圧イオン化質量分析装置の一実施例について、添付図面を参照しつつ説明する。図１は本実施例の大気圧イオン化質量分析装置の全体構成図である。

本実施例の質量分析装置は、アルミニウム合金製のチャンバ１の内部に、イオン化室２、第１中間室３、第２中間室４、及び分析室５を備える。イオン化室２には、図示しないＬＣのカラム出口端に接続されたイオン化プローブ２０が配設される。分析室５には四重極質量フィルタ１０及びイオン検出器１１が配設される。第１及び第２中間室３、４にはそれぞれ第１イオンレンズ７及び第２イオンレンズ９が配設される。イオン化室２と第１中間室３との間は細径の脱溶媒管６を介して連通し、第１中間室３と第２中間室４との間は極小径の通過孔を有するスキマー８を介して連通している。

イオン化室２内はイオン化プローブ２０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に維持される。第１中間室３内はロータリーポンプ１２により約１０^２Ｐａ程度の低真空雰囲気に、第２中間室４内はターボ分子ポンプ１３により約１０^−１〜１０^−２Ｐａ程度の中真空雰囲気に維持される。分析室５内は、高性能のターボ分子ポンプ１４により約１０^−３〜１０^−４Ｐａの高真空状態まで真空排気される。このように各室毎に段階的に真空度を高めた多段差動排気系の構成を採ることで、分析室５内を高真空雰囲気に維持している。

ＥＳＩ用のイオン化プローブ２０を使用した場合の、質量分析動作を簡単に説明する。液体試料はイオン化プローブ２０の先端で電荷を付与されてイオン化室２内に噴霧され、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。発生したイオンは未だイオン化していない微小液滴とともに、イオン化室２と第１中間室３との圧力差により脱溶媒管６中に引き込まれる。第１イオンレンズ７には直流電圧が印加され、それにより形成される電場は脱溶媒管６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８の通過孔近傍に収束させる。

スキマー８の通過孔を通って第２中間室４に導入されたイオンは、第２イオンレンズ９により収束され分析室５へと送られる。分析室５では、特定の質量（厳密にはm/z）を有するイオンのみが四重極質量フィルタ１０中央の長軸方向の空間を通り抜け、イオン検出器１１に到達して検出される。四重極質量フィルタ１０を通過するイオンの質量は該フィルタ１０に印加される直流電圧及び高周波電圧に依存するから、この印加電圧を走査することにより、四重極質量フィルタ１０を通り抜けるイオンの質量を所定範囲に亘って走査することができる。

図２はチャンバ１へのイオン化プローブ２０の取付構造を示す一部断面斜視図、図３はイオン化プローブ２０とマイクロスイッチ４０との位置関係を示す斜視図、図４は凹部３３周辺の上面平面図（ａ）及びＡ−Ａ’線断面図（ｂ）、図５はレバーの位置とイオン化プローブの固定状態を示す概略図、である。図７で説明した構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付して詳しい説明を略す。なお、従来例の説明と同様に、以下の説明では、イオン化室２を内部に形成する部材をハウジング３０と呼ぶが、これはチャンバ１と同一であってもよいし、例えば特許文献１に記載のようにハウジング３０がチャンバ１とは別部材であってもよい。

イオン化プローブ２０のフランジ部２２には、従来のボルトに代えて、頭部にレバー２６が固定された２本のシャフト２５が回転自在に貫設されている。フランジ部２２には、各レバー２６に対応して２本の位置規制ピン２８、２９が立設されており、この位置規制ピン２８、２９に接触することによってレバー２６の回動範囲が規制される。この例では、レバー２６の回動範囲は約９０°である（図５参照）。シャフト２５の周面にはその径方向に係止ピン（本発明における係止部に相当）２７が突設されている。この係止ピンは圧入によりシャフト２５と一体化されている。

ハウジング３０には上記シャフト２５が挿入される深い挿入孔３５が穿設され、シャフト２５が挿入孔３５に挿入された状態で該シャフト２５が回動されたときに上記係止ピン２７が回転自在であるように、挿入孔３５の上部には外周側に広がるざぐり３５ａが形成されている。ハウジング３０に形成された凹部３３は、マイクロスイッチ４０を内部に収容する深い凹部３３ａと、ざぐり３５ａと干渉する位置に形成された浅い凹部３３ｂとが連なったものである。ステンレス製の保護プレート５２は上面視Ｌ字形状であり、浅い凹部３３ｂにおいて２本のネジ５４でハウジング３０に固定されている。このとき、挿入孔３５に向いた保護プレート５２の縁端部は上面視で挿入孔３５の外径よりも外側で、且つざぐり３５ａの内径よりも内側に位置するようになっている。

イオン化プローブ２０をハウジング３０に取り付ける際には、２本のレバー２６を解除用位置規制ピン２８に当たる位置にする。このとき、図５（ａ）に示すように、２本のレバー２６はそれぞれフランジ部２２の径方向に張り出した状態（フランジ部２２の法線方向に延伸した状態）となる。この状態では、係止ピン２７はざくり３５ａの上の保護プレート５２がない位置にくる。スプレー部２１を取付開口３１に挿入し、シャフト２５を挿入孔３５に挿入するようにイオン化プローブ２０をハウジング３０にセットする。なお、このとき、認識用ピン２４は保護プレート５２に形成されている貫通孔５３を貫通し、深い凹部３３ａ内に侵入してマイクロスイッチ４０の可動片を押し込む。

その状態から、作業者は２本のレバー２６をそれぞれ他方の位置規制ピン２９に当たるまで約９０°回動させる。これにより図５（ｂ）に示すように、レバー２６はフランジ部２２の接線方向に延伸した状態になる。レバー２６の回動に伴いシャフト２５も回動し、係止ピン２７もざぐり３５ａの内側で回動する。図５（ｂ）に示す状態では、係止ピン２７は保護プレート５２の下面に軽く接しながら或いはごく僅かな隙間を有して、保護プレート５２下方に入り込む。これにより、係止ピン２７は保護プレート５２と係合し、イオン化プローブ２０はハウジング３０に固定される。このとき、イオン化プローブ２０のフランジ部２２とハウジング３０との間の隙間は、Ｏリング３４により封止される。また、認識用ピン２４はマイクロスイッチ４０の可動片を確実に押し込んだ状態となり、図示しない制御回路はマイクロスイッチ４０からの信号により、イオン化プローブ２０が取り付けられた状態であることを認識する。

このようにハウジング３０に固定されている保護プレート５２はイオン化プローブ２０の係止ピン２７と係合することでイオン化プローブ２０を固定する機能を有する。また、保護プレート５２はマイクロスイッチ４０の上面、特に可動片の上面を被覆し、液体がマイクロスイッチ４０に直接掛かったり、指や或る程度の大きさの異物によりマイクロスイッチ４０が誤って押されたりすることを防止する機能も有する。

なお、マイクロスイッチ４０はハウジング３０に固定されていても保護プレート５２に固定されていてもいずれでもよい。

また、保護プレート５２にあって挿入孔３５に面する縁端部を、図６に示すようにＬ字状に上に折り曲げて折り曲げ部５５とした構成としてもよい。この場合、その折り曲げ部５５の上部はハウジング３０の外面よりも飛び出すから、イオン化プローブ２０を装着する際にこれと干渉しないようにイオン化プローブ２０の形状を考慮しておく必要がある。これにより、ステンレス製である保護プレート５２の加工面（切断面、切削面）がシャフト２５の外周面に向かない。保護プレート５２の加工面の縁端部にはバリ等の細かな突起が形成されている場合があり、係止ピン２７が回動する度にこれに触れると係止ピン２７に傷が付いて錆などの原因となり易い。これに対し、図６の構成では係止ピン２７に傷が付くことを防止することができ、しかも、保護プレート５２の強度を向上させて無理な力が加わった場合でも変形が生じにくくなる。

なお、上記実施例では、イオン化プローブがＥＳＩ用である場合について説明したが、ＡＰＣＩ用やそれ以外の大気圧イオン化法、例えば大気圧光イオン化法（ＡＰＰＩ）のためのイオン化プローブでも同様であることは言うまでもない。また、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更、修正、追加などを行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。

本発明の一実施例である大気圧イオン化質量分析装置の全体構成図。 本実施例におけるハウジングへのイオン化プローブの取付構造を示す一部断面斜視図。 本実施例におけるイオン化プローブとマイクロスイッチとの位置関係を示す斜視図。 本実施例における凹部周辺の上面平面図（ａ）及びＡ−Ａ’線断面図（ｂ）。 本実施例におけるレバーの位置とイオン化プローブの固定状態を示す概略図。 変形例による保護プレートを示す図。 ハウジングへのイオン化プローブの従来の取付構造を示す一部断面斜視図。

符号の説明

１…チャンバ
２…イオン化室
３…第１中間室
４…第２中間室
５…分析室
６…脱溶媒管
７、９…イオンレンズ
８…スキマー
１０…四重極質量フィルタ
１１…イオン検出器
１２…ロータリーポンプ
１３、１４…ターボ分子ポンプ
２０…イオン化プローブ
２１…スプレー部
２２…フランジ部
２４…認識用ピン
２５…シャフト
２６…レバー
２７…係止ピン
２８、２９…位置規制ピン
３０…イオン化室ハウジング
３１…取付開口
３３…凹部
３３ａ…深い凹部
３３ｂ…浅い凹部
３５…挿入孔
３５ａ…ざぐり
４０…マイクロスイッチ
５２…保護プレート
５３…貫通孔

Claims (1)

1. 略大気圧雰囲気のイオン化室内に試料液を噴霧して該試料液に含まれる成分をイオン化する質量分析装置であって、試料液を噴霧するノズルを有するイオン化プローブが、内部にイオン化室を形成するハウジングの外部に着脱可能である構造の大気圧イオン化質量分析装置において、
   前記イオン化プローブは、操作対象であるレバーと、該レバーの回動操作に伴って回動する被係止部と、当該イオン化プローブが前記ハウジングに装着されたときに後記スイッチの可動部を押し込む突部と、を有し、
   前記ハウジングは、前記レバーが所定位置まで回動された状態で前記被係止部と係合して前記イオン化プローブの脱離を阻止する係止部と、前記イオン化プローブの装着を検知するための前記スイッチが内部に収容された凹部と、を有し、
   前記凹部内の前記スイッチの上面を被覆するように前記ハウジングに固定され、前記イオン化プローブが前記ハウジングに装着されたときに前記突部が貫通する孔が形成された板状部材が、前記係止部として機能することを特徴とする大気圧イオン化質量分析装置。

Images