JP5641715B2

JP5641715B2 - エネルギー可変型の光イオン化装置および質量分析方法

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Publication number: JP5641715B2
Application number: JP2009161604A
Authority: JP
Inventors: ヴィオリカ・ロペス‐アヴィラ; アーサー・シュライファー; ジェイムズ・イー・クーリー; ランドール・エス・アーダール
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Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2008-08-11
Filing date: 2009-07-08
Publication date: 2014-12-17
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Description

質量分析計は、化合物から得られるイオンをそれらの質量対電荷比にしたがって分離することによって分子化合物を特定するための分析的ツールを与える。質量分析計は、その最も基本的な形態において、分析されるべきサンプル化合物の分子をイオン化するイオン化装置と、イオンをそれらの質量対電荷比に基づいて分離する質量分析器と、質量分析器によって供給される各質量対電荷比のイオンの数を計数するイオン検出器と、例えばサンプルの質量スペクトルグラフ特性を生成することによってイオン検出器からの計数値を使用できる形式にするデータ分析装置とを備える。

特定のタイプの質量分析器、例えば、多重極型の飛行時間質量分析計（ＱＴＯＦ−ＭＳ）は、それらが高濃度の分子イオンをイオン化装置から受けるときに最も効果的に動作する。しかしながら、全てのイオン化装置が必要な濃度の分子イオンをサンプル化合物から生み出すことができるとは限らない。例えば、サンプルに強力な電子を衝突させて（電子衝撃またはＥＩイオン化として知られる）サンプルをイオン化するイオン化装置は、多くの場合、サンプル分子の著しい断片化を生み出す。これにより、質量分析器が利用できる分子イオンの濃度が低下し、したがって、質量分析計の性能に悪影響が及ぶ。過度な断片化へのこの傾向は、ＥＩイオン化を、生体サンプルなどの複合分子の分析にとって不適切なものにする。これは、そのような分子の質量対電荷比をそれらの断片から決定することが困難な場合があるからである。

特定のイオン化装置の更なる不都合な態様は、それらのイオン化装置が、イオン化のためにサンプル分子へ伝えられるエネルギーを正確に決定できず、それにより、様々な異なる分子の分析のために質量分析計を適合させることができないことに関連している。一例として再びＥＩイオン化を使用すると、衝突する電子のエネルギーは一般に７０ｅＶとなるように選択され、７０ｅＶの任意の一部が衝突中にサンプル分子に対して与えられる。

大きな分子、例えば５０００００ａｍｕ以上の分子の分析では、多くの場合、分析のために分子を制御された態様で分断または開裂することが有益である。これは、分子の意図的な開裂と相まって複数の質量分離ステップを行なうことによって成されてもよい。３つの多重極型の質量分析器を連続して使用するタンデム質量分析は、そのような技術の一例を与える。第１の多重極型の分析器は、フィルタとしての機能を果たし、所望の質量対電荷比を有する分子イオンを選択する。これらの分子イオンは第２の多重極型の質量分析器へと送られる。第２の多重極型の質量分析器は、選択されたイオンが不活性ガスおよび断片と衝突させられる衝突セルとしての機能を果たす。イオン断片は第３の多重極型の質量分析器へ送られる。第３の多重極型の質量分析器は、分析を完了させるために選択されたイオン断片をイオン検出器へ送ることによってもう１つの質量分離ステップを行なう。

本発明の実施形態は、イオン化チャンバと、選択可能な波長範囲でイオン化光子を放出するように構成されたエネルギー可変型光イオン化装置とを備える質量分析計を提供する。イオン化装置はイオン化チャンバ内に位置される。第１の多重極型の質量分析器がイオン化チャンバに隣接し且つイオン化チャンバと流体連通した状態で位置される。第１の多重極型の質量分析器からイオンを受けるために、イオン検出器が第１の多重極型の質量分析器と流体連通する。

本発明の実施形態は質量分析方法を更に包含する。この方法は、選択可能な第１の波長範囲内の波長を有するイオン化光子を電気エネルギーに応じて発生させるように選択される第１のプラズマ形成ガスを供給するステップと、第１のプラズマ形成ガスを第１のプラズマへ変換するために電気エネルギーを供給するステップであって、第１のプラズマが、選択可能な第１の波長範囲内の波長を有する第１のイオン化光子を放出するステップと、第１のイオン化光子を使用して、サンプル分子をそれぞれのイオンへとイオン化するステップと、イオンをそれらの質量対電荷比にしたがって分離するステップと、分離されたイオンを検出するステップとを含む。

一例では、電気エネルギーがマイクロ波エネルギーである。電気エネルギーの他の例としては、直流電流、パルス電流（スパーク放電）、誘電体バリア放電、および、マイクロ波と関連付けられる周波数以外の周波数の高周波エネルギーが挙げられる。電気エネルギーは、プラズマ形成ガスに対して誘導結合されあるいは容量結合されてもよい。

この方法は、サンプル分子を分断することなく第１のイオン化光子がサンプル分子をイオン化するように選択可能な第１の波長範囲を選択することを更に含んでもよい。

本発明に係るエネルギー可変型光イオン化装置を有するイオン化チャンバの概略図である。格納構造体が除去された基板の平面図である。格納構造体が所定位置にある基板の平面図である。図３の４−４線に沿た断面図である。本発明に係るエネルギー可変型光イオン化装置を使用する質量分析計の実施形態の概略図である。本発明に係るエネルギー可変型光イオン化装置を使用する質量分析計の実施形態の概略図である。本発明に係るエネルギー可変型光イオン化装置を使用する質量分析計の実施形態の概略図である。本発明に係るエネルギー可変型光イオン化装置を使用する質量分析計の実施形態の概略図である。本発明に係るエネルギー可変型光イオン化装置を使用する質量分析計の実施形態の概略図である。本発明に係るエネルギー可変型光イオン化装置を使用する質量分析計の実施形態の概略図である。本発明の実施形態に係る方法を示すフローチャートである。本発明の実施形態に係る代わりの方法を示すフローチャートである。イオン化技術によるステロイドのイオン化を示す質量スペクトルグラフである。イオン化技術によるステロイドのイオン化を示す質量スペクトルグラフである。イオン化技術によるステロイドのイオン化を示す質量スペクトルグラフである。イオン化技術によるステロイドのイオン化を示す質量スペクトルグラフである。

図１は、エネルギー可変型光イオン化装置１２の一例が内部に位置されるイオン化チャンバ１０の概略図である。イオン化装置１２は基板１４を備え、基板上には窓なしタイプのプラズマ格納構造体１６が装着される。プラズマ格納構造体１６は、入口開口２０と窓なしタイプの出口開口２２とを有するプラズマチャンバ１８を形成する。図２に示されるように、基板１４上には分割リング共鳴器２４が装着される。共鳴器２４は、放電ギャップ２６を有し、マイクロ波エネルギー源、例えば図１に示されるマイクロ波電源２８に対して接続される。電源２８に対する接続は、図２に示される１／４波長ストリップライン３０によって行なわれる。マイクロ波エネルギーが共鳴器２４に対して供給されると、放電ギャップ２６内に存在するプラズマ形成ガスが、ガスの特性によって決まる波長範囲の光子を放出するプラズマへと変換される。基板１４を貫通して入口通気孔３２が延び、通気孔３２は放電ギャップ２６と位置合わせされる。プラズマ形成ガスが入口通気孔３２を通じて放電ギャップ内へと流れる。

図３に示されるように、プラズマ格納構造体１６は、共鳴器２４の放電ギャップ２６上に位置して基板１４上に装着される。図４に示されるように、格納構造体１６の入口開口２０は、基板１４の入口通気孔３２および放電ギャップ２６と位置合わせされる。プラズマ形成ガス３４が入口通気孔３２を通じて放電ギャップ２６内に入る。共鳴器２４に対して供給されるマイクロ波エネルギーは、放電ギャップ２６内でプラズマ形成ガスを光子放出プラズマ３６へと変換する。その後、プラズマ３６は、入口開口２０を通じてプラズマチャンバ１８内に受けられる。プラズマ３６によって発生される光子３８は、窓なし出口開口２２を通じてプラズマチャンバから抜け出てイオン化チャンバ１０内へと入る。光子３８の波長（したがって、光子のエネルギ）はプラズマ形成ガスの特性によって決まるため、特定のガスまたはガスの組み合わせをプラズマ形成ガスとして選択することにより放出される光子のエネルギーを変えることができる。

多数の利点は、エネルギー可変型光イオン化装置１２の使用によって実現される。放電ギャップ内で発生される光子放出プラズマは、“マイクロプラズマ”、すなわち、１立方ミリメートル程度の容積を占めるプラズマである。マイクロプラズマは、イオン化チャンバ１０内でイオン化光子とサンプル分子との間の効率的な幾何学的結合を可能にする高容量光出力密度を有する。効率の良さは、質量分析計のイオン光学素子がイオンを収集して分析できる容積が一般に小さい（数立方ｍｍ〜１立方ｃｍ程度）ために達成され、また、これは、利用できるイオン化領域のサイズを効果的に制限する。また、対象の波長範囲の光子は、従来の光学素子を使用して方向付けて集束させることが難しい。効率的な結合は、光イオン化装置１２の出口開口２２を、サンプルがイオン化チャンバ１０へ入るのを許容する入口の直径と一致させることによって更に達成されてもよい。

光イオン化装置１２は低い電力（１００Ｗ未満）で動作する。また、光イオン化装置は、低いプラズマ形成ガス流量で動作し、それにより、一般に質量分析に関連する高真空間環境内での窓なし動作が可能となる。窓は経時的に汚染されて見えなくなる傾向があり、それにより、光子出力が減少するため、窓の不存在は性能劣化の根源を排除する。更に、窓のない構造により、様々な窓材料によって大きく弱められる波長でイオン化光子を放出させることができる。したがって、光イオン化装置１２によって出力される光子波長の範囲は、プラズマ形成ガスの組成だけによって決定される。

イオン化光子の波長は、プラズマ形成ガスの選択に基づいて選択できる。該プラズマ形成ガスの賢明な選択により、対象分子を分断することなく対象分子をイオン化できる十分なエネルギーを光子が有するように光子のエネルギーを選択することができる。光子が制御された態様で大きい分子を開裂し且つ例えばタンデム質量分析と同様に分断が望ましいときに光子が過度の分断を回避するように、光子のエネルギーを選択することもできる。分断を殆ど伴うことなくあるいは全く伴うことなくイオンを生成できると、所定のサンプルからの分子イオンの濃度が更に高くなり、それにより、前述したＱＴＯＦ−ＭＳなどの特定の質量分析計の構成要素の性能が向上される。これにより、分子全体の質量対電荷比を決定することができ、したがって、この分子全体の質量対電荷比をいくつかの分子断片の質量対電荷比から推論しようとする試みが避けられる。

希ガス、すなわち、ヘリウム、ネオン、クリプトン、アルゴン、および、キセノンは、放電ギャップ２６内の電場によって加速された電子との衝突により励起されるときに激しい共鳴放射を生み出すことができるため、エネルギー可変型光イオン化装置１２におけるプラズマ形成ガスの成分としての使用に適している。希ガスまたは希ガスの組み合わせの選択は、選択可能な波長範囲内の波長を有するイオン化光子を与える。例えば、ヘリウムは、５８．４３ｎｍの光学共鳴を有するとともに、２１．２２ｅＶのエネルギーを有する光子を放出する。クリプトンは、１１６．４９ｎｍの光学共鳴を有するとともに、１０．６４ｅＶおよび１０．０３ｅＶのそれぞれのエネルギーを有する光子を放出する。アルゴン共鳴線は１０４．８２ｎｍ（１１．８３ｅＶ）および１０６．６７ｎｍ（１１．６２ｅＶ）にあり、一方、キセノンは、１２９．５６ｎｍ（９．５７ｅＶ）および１４６．９６ｎｍ（８．４４ｅＶ）で強い共鳴放射を示す。光イオン化装置１２の窓なし構造は、この波長範囲内で十分な波長選択可能性を可能にする。更に、注目に値するのは、ヘリウムをプラズマ形成ガスとして用いて１２０ｎｍ未満の真空紫外線範囲で光子を発生させることができる窓なしタイプの光イオン化源１２の能力である。希ガスに加えて、１２１．５７ｎｍで光子を放出する混合水素／ヘリウムプラズマもプラズマ形成ガスのための候補である。

本発明に係るエネルギー可変型光イオン化装置１２の特定の実施形態において、図２に示される分割リング共鳴器２４は、７ｍｍの直径を有するとともに、２．４ＧＨｚの周波数で動作し、また、放電ギャップ２６は約１ｍｍの幅を有する。放電ギャップ２６は、約１０°〜約１４°の範囲のオフセット角度４０だけ１／４波長ストリップライン３０からオフセットされる。直径およびオフセット角度のこれらのパラメータは、他のマイクロ波エネルギー周波数に関して最適化されてもよい。図４に示されるように、共鳴器２４は、基板１４の誘電体コア４２の一方側に装着される。コア４２の反対側には導電性の背面４４が装着される。背面は、共鳴器２４および誘電体コア４２と協働して、マイクロ波が伝搬する導波管を形成する。絶縁層４６が共鳴器上にわたって位置される。一例では、コア４２が誘電セラミックであり、絶縁層４６がガラスである。

プラズマ格納構造体１６は絶縁層４６上に装着される。ある実施形態において、格納構造体１６は、サファイア宝石から形成され、０．６ｍｍの高さを有する。入口開口２０が１ｍｍの直径を有し、出口開口２２が約０．２ｍｍの直径および約０．２ｍｍの長さを有する。入口通気孔３２は０．３ｍｍの直径を有する。出口開口２２のサイズおよびプラズマチャンバ１８内の圧力は、プラズマがチャンバ１８から流れる速度を制御する。出口開口のサイズは、イオン化光子がプラズマチャンバからイオン化チャンバ内へ抜け出ることができるようにしつつガス流を抑制するように選択される。これにより、１Ｔｏｒｒよりもかなり小さいイオン化チャンバ内圧力でエネルギー可変型光イオン化装置１２がイオン化チャンバ１０内において動作できる。例えば、約１Ｔｏｒｒのイオン化チャンバ内圧力においては、出口開口２２の近傍のプラズマチャンバ１８内の圧力が約１Ｔｏｒｒであり、入口通気孔３２の上流側のプラズマ形成ガス３４の圧力が約７０Ｔｏｒｒである。プラズマ形成ガスの流量は約２ｍｌ／分〜約４ｍｌ／分の範囲内である。エネルギー可変型光イオン化装置１２は、更に高い圧力で作用するイオン化チャンバ内で動作されてもよい。例えば、イオン化チャンバがほぼ大気圧（７６０Ｔｏｒｒ）であってもよい。この場合、プラズマチャンバ１８内の圧力は約７８０Ｔｏｒｒ〜約８１０Ｔｏｒｒであり、また、プラズマ形成ガスの圧力は約８３０Ｔｏｒｒである。

ここで、図１を参照して、分子を分断することなく分子をイオン化するエネルギー可変型光イオン化装置１２の動作について説明する。対象の特定の分子を分断することなく分子をイオン化する波長（したがって、エネルギ）を有するイオン化光子をマイクロ波エネルギーに応じて発生させるプラズマ形成ガス３４が選択される。ガス３４は、基板１４に隣接するプラズマ形成ガスプレナム４８に対して加圧下で供給される。ガス３４は、放電ギャップ２６へ向けて入口通気孔３２を通過する。マイクロ波エネルギーが電源２８から分割リング共鳴器２４へ供給され、そのため、光子放出プラズマ３６がギャップ内に形成されてプラズマチャンバ１８内で維持される。１または複数の選択された波長を有するイオン化光子３８が、プラズマによって発生されるとともに、出口開口２２を通じてプラズマチャンバ１８から出て、イオン化チャンバ１０内へと至る。分断されることなくイオン化されるべきサンプル分子５０がイオン化チャンバ入口５１を通じてイオン化チャンバへ供給され、イオン化チャンバにおいてイオン化光子３８がサンプル分子をイオン化する。このようにして形成されたイオン５２は、イオン化チャンバ出口５３を通じてイオン化チャンバから抜け出て、質量分析のために利用できる。

ここで、図１を参照して、分子を分断しあるいは開裂するエネルギー可変型光イオン化装置１２の動作について説明する。特定の分子結合だけを断ち切ることによって制御された態様で対象の分子を開裂する波長（したがって、エネルギ）を有するイオン化光子をマイクロ波エネルギーに応じて発生させるプラズマ形成ガス３４が選択される。ガス３４は、基板１４に隣接するプラズマ形成ガスプレナム４８に対して加圧下で供給される。ガス３４は、放電ギャップ２６へ向けて入口通気孔３２を通過する。マイクロ波エネルギーが電源２８から分割リング共鳴器２４へ供給され、そのため、光子放出プラズマ３６がギャップ内に形成されてプラズマチャンバ１８内で維持される。１または複数の選択された波長を有する光子３８が、プラズマによって発生されるとともに、出口開口２２を通じてプラズマチャンバ１８から出て、イオン化チャンバ１０内へと至る。サンプル分子５０がイオン化チャンバ入口５１を通じてイオン化チャンバへ供給され、イオン化チャンバにおいてイオン化光子３８が望み通りにサンプル分子を開裂する。このようにして形成されたイオン断片は、イオン化チャンバ出口５３を通じてイオン化チャンバから抜け出て、質量分析のために利用できる。

図５〜１０は、本発明の一実施形態に係るエネルギー可変型光イオン化装置１２を使用する様々な質量分析計を示している。図５は、多重極型の質量分析器５６（以下、Ｑ５６）と流体連通する前述したイオン化チャンバ１０（以下、ＩＣ１０）を備える質量分析計５４を示している。Ｑ５６は検出器５８（以下、Ｄ５８）と流体連通する。Ｄ５８は、マイクロチャンネルプレート検出器、ファラデーカップ、イオン−光子検出器、光電子増倍管、電子増倍管、および、他の検出装置などの質量分析で使用される任意の既知の検出器のうちの１つであってもよい。質量分析計５４は、一般に、化合物の種類をそれらのイオン化ポテンシャルによって特定するために基本的な化学分析において使用される。

いくつかの用途において、ＩＣ１０は、ガスクロマトグラフ６０などの第１の分離装置からサンプル分子５０を受ける。他の例では、例えば大気サンプリングまたは直接注入によってサンプルがＩＣ１０へ直接に供給される。ＩＣ１０は、サンプル５０をイオン化してイオン５２を生成する。Ｑ５６は、ＩＣ１０からイオン５２を受けるとともに、マスフィルタとしての機能を果たして、特定の質量対電荷比を有するイオン５２’だけをＤ５８へ送る。ＩＣ１０は、いくつかの用途では減圧または真空で動作される質量分析計５４の領域６２に位置され、一方、他の構成要素（Ｑ５６、Ｄ５８）は真空で動作される領域６４にある。

図６は、この場合も先と同様にＱ５６と流体連通するＩＣ１０を使用する質量分析計６６の他の実施形態を示している。飛行時間分析器６８（以下、ＴＯＦ６８）がＱ５６とＤ５８との間に位置されて両方の構成要素と流体連通している。サンプル分子５０は、図示のように直接にあるいは第１の分離装置を介してＩＣ１０へ供給されるとともに、イオン化されてイオン５２を形成する。イオンはＱ５６へと移動し、Ｑ５６は、質量分析計６６が単段モードで動作されるときにイオンガイドとしての役目を果たし、あるいは、質量分析計がタンデム質量分析などの多段モードで動作されるときに質量選択装置としての役目を果たす。ＴＯＦ６８は、質量分析計の単段動作および多段動作の両方で質量分析器としての機能を果たす。質量分析計６６は、一般に、高い分解能および精度が必要とされるときの未知の化合物の定性分析のために使用される。

他の実施形態の質量分析計７０が図７に示されている。この実施形態は、質量分析計６６に類似するが、ＴＯＦ６８と協働してイオンをＤ５８へと方向付けるリフレクトロン７２を組み込んでいる。質量分析計６６と同様、質量分析計７０は、一般に、未知の化合物の定性分析を高い信頼度をもって行なう。

図８に示される実施形態の質量分析計７４は、Ｑ５６とＴＯＦ６８との間にこれらと流体連通した状態で位置される開裂セル７６を備える。開裂セル７６は第２のイオン化チャンバ１０を備え、第２のイオン化チャンバ内には第２のエネルギー可変型光イオン化装置１２が装着される。開裂セル７６は、質量分析計７４が多段モードで動作されるときにＱ５６によって供給されるイオン５２’を開裂するために衝突セルの代わりに使用される。エネルギー可変型光イオン化装置１２の利点は、この実施形態では、第１のイオン化段階で容易に実現される。この場合、サンプル分子５０は、イオン化光子の波長（したがって、エネルギ）を選択できる能力に起因して過度な分断を伴うことなくイオン化される。利点は、開裂セル７６においても同様に実現される。この場合、光子エネルギーは、例えば他の分子結合を除外して対象の特定の分子結合だけを開裂するエネルギーを有する光子を発生させることによってイオン５２’（Ｑ５６によって選択された分子イオン５２の一部を含む）を制御された態様で開裂するように選択される。開裂されたイオン７８は、質量分析器としての役目を果たすＴＯＦ６８へ送られた後、検出のためにＤ５８へ送られる。質量分析計７４は、一般に、複合タンパク質の識別における定性分析のために使用される。

質量分析計７５の実施形態が図９に示されている。この質量分析計は、Ｑ５６とＴＯＦ６８との間にこれらと流体連通した状態で位置される衝突セル７７を備える。この例では、衝突セル７７が多重極型の質量分析器を備え、多重極型の質量分析器は、Ｑ５６によって選択されたイオン５２’が多重極型の質量分析器内で入口ガスと衝突できるようにすることによって衝突セルとして動作される。衝突セル７７によって発生されるイオン断片７９は、質量分析器としての役目を果たすＴＯＦ６８へ送られた後、検出のためにＤ５８へ送られる。質量分析計７５は、質量分析計７４と同様に、複合タンパク質の定性分析のために使用される。

質量分析計８０の実施形態が図１０に示され、この質量分析計は、サンプル分子５０をイオン化してイオン５２をＱ５６へ送るＩＣ１０を備え、Ｑ５６は、他の実施形態において前述したようにマスフィルタとして作用してイオンの選択された一部５２’を通過させる。Ｑ５６からのイオン５２’は、イオン５２’がヘリウムやアルゴンなどの不活性ガスと衝突できるようにすることにより衝突セルとしての機能を果たす第２の多重極型の質量分析器８２（以下、Ｑ８２）へ送られる。これは、イオンの断片化をもたらすとともに、第３の多重極型の質量分析器８６（以下、Ｑ８６）によって受けられるイオン断片８４を生成する。Ｑ８６は、もう１つの質量分析器として作用して、断片８４の一部８４’を検出のためにＤ５８へ送る。質量分析計８０は、一般に、例えばどのくらいの量の既知の化合物がサンプル中に存在するのかを決定するために既知の化合物の定量分析において使用される。

本発明に係る質量分析方法が図１１に示されている。この方法は、第１のプラズマ形成ガスを供給すること（８８）を含む。供給されるプラズマ形成ガスは、選択可能な第１の波長範囲内の１または複数の波長（したがって、１または複数のエネルギ）のイオン化光子を、電気エネルギー、例えばマイクロ波エネルギーに応じて発生させるように選択される。第１のプラズマ形成ガスは、単一のガスまたはガスの組み合わせであってもよく、また、分子イオン信号が最大となるようにイオン化光子がサンプル分子をイオン化するべく選択される。ヘリウム、ネオン、クリプトン、アルゴン、キセノン、および、水素、並びに、これらの組み合わせは、プラズマ形成ガスのための候補ガスの不完全なリストを構成する。

９０では、マイクロ波エネルギーがプラズマ形成ガスへ供給される。マイクロ波エネルギーは、プラズマ形成ガスを、選択可能な波長範囲内の波長を有する第１のイオン化光子を放出するプラズマへと変換する。９２では、第１のイオン化光子を使用して、サンプル分子をそれぞれのイオンへとイオン化する。９４では、サンプル分子から形成されたイオンが、例えばそれらの質量対電荷比にしたがって分離され、分離されたイオンが９６で検出される。

また、９６での検出前に、図１２に９８で示されるように、第２のプラズマ形成ガスが供給されてもよい。第２のプラズマ形成ガスは、第２の選択可能な波長範囲内の１または複数の波長（したがって、１または複数のエネルギ）の光子を、電気エネルギー、例えばマイクロ波エネルギーに応じて発生させるように選択される。第２の波長範囲は、９４で分離されたイオンを開裂するように選択される。第２のプラズマ形成ガスは単一のガスまたはガスの組み合わせであってもよく、また、第２のプラズマ形成ガスは、第２の波長範囲内の波長を有する光子が制御された態様でイオンを開裂し、例えばそれによって対象の特定の分子結合だけが断ち切られるように、選択される。１００では、マイクロ波エネルギーが供給されて、第２のプラズマ形成ガスが、第２の波長範囲の第２の光子を放出する第２のプラズマへと変換される。１０２で示されるように、第２の光子は、第１の光子によってイオン化されたイオンを開裂するために使用される。開裂されたイオンは、１０４で分離された後、１０６で検出される。

エネルギー可変型光イオン化装置を使用する質量分析計は、選択可能な波長範囲内の波長を有する光子を供給することにより制御された態様で分子をイオン化しあるいは開裂するために使用される光子エネルギーを選択できる光イオン化装置の能力に起因する明確な利点を得る。

例
以下に記載される例は、イオン化された分子すなわち分子イオンを少ない断片化を伴ってあるいは断片化を全く伴うことなく生成するための本発明に係るエネルギー可変型光イオン化装置の有効性を示している。この例では、既知のステロイドである３１４ａｍｕの分子量を有するプロゲステロンが４つの異なるイオン化状態に晒される。第１のイオン化状態は、電子衝撃イオン化源によって与えられる。残りの３つのイオン化状態は、それぞれが異なるエネルギーを有する光子を生成する３つの異なるプラズマ形成ガスを使用する本発明の一実施形態に係る光イオン化源によって与えられる。ステロイドの識別は、本発明の実施形態に係る光イオン化装置の使用によって利益を得ると期待される。これは、ステロイドが一般に高い電子衝撃エネルギ（例えば７０ｅＶ）に晒されるときに広範囲に及ぶ断片化を受けるからである。そのような断片化は、同様の質量を有する化合物の一意的識別を困難にする可能性がある。したがって、ソフトイオン化源、すなわち、断片化を伴うことなく多量の分子イオンを生成できる装置は、分子量の正確な測定を行なうことができ、したがって、同様の質量の分子間を区別するのに役立つことができる。この例は、少ない断片化を伴うあるいは断片化を全く伴わない異なる分子のイオン化において最適化された様々なエネルギーを与えるイオン化装置によって与えられる利点を示している。

図１３は、改善されていないガスクロマトグラフ質量分析計ＡｇｉｌｅｎｔＭｏｄｅｌ５９７３を使用して７０ｅＶの電子を伴う電子衝撃（ＥＩ）によってプロゲステロンがイオン化された後に得られるスペクトルグラフを示している。この装置は、電子衝撃イオン化源と、単一の多重極型の質量分析器と、電子増倍管とを備える。装置は、Ａｇｉｌｅｎｔ“Ｃｈｅｍｓｔａｔｉｏｎ”ソフトウェアを実行するコンピュータの制御下で動作された。

図１３に示されるスペクトルグラフは、質量対電荷比に対するイオン存在量をプロットし、プロゲステロンの既知の分子量に近い３１４の最も高い質量対電荷比を示している。更に小さい分子量の多くのピークは、約１０ｅＶのイオン化エネルギーを有する分子に対して所要のイオン化エネルギーの７倍のエネルギーを有する電子が衝突されるときに予期される著しい断片化を示している。これが未知のサンプルのスペクトルグラフであった場合には、最も高い質量対電荷ピークが分子イオンを表していると容易に判断することができない。これは、ピークが分子断片に起因し得るからである。

図１４は、本発明の一実施形態に係る窓なしタイプのエネルギー可変型光イオン化装置から放出される光子によってプロゲステロンがイオン化された後に得られるスペクトルグラフを示している。エネルギー可変型光イオン化装置は、前述したＡｇｉｌｅｎｔＭｏｄｅｌ５９７３質量分析計における電子衝撃イオン化源の代わりに用いられた。ヘリウムだけがプラズマ形成ガスとして使用された。約５８．４ｎｍのヘリウムの共鳴線は、ＥＩエネルギーよりもかなり低いがプロゲステロンのイオン化エネルギーよりも高い約２１．２ｅＶのエネルギーを有する光子をもたらす。図１４のスペクトルグラフは、図１３に示されるスペクトルグラフの場合よりもかなり少ないが、３１４の質量対電荷比（ｍ／ｚ）よりも小さい多数のピークによって明らかなように、分子断片化を依然として示している。

図１５は、プラズマ形成ガスとしてヘリウム中に１０％アルゴンを使用して窓なしエネルギー可変型光イオン化装置から放出される光子によってプロゲステロンがイオン化された、前述した改良されたＡｇｉｌｅｎｔ質量分析計によってもたらされるスペクトルグラフを示している。アルゴン／ヘリウムプラズマの共鳴放射は、ＥＩ源または純粋なヘリウムプラズマによって与えられるエネルギーよりもかなり低いがこの場合も先と同様にプロゲステロンのイオン化エネルギーよりも高い約１１．６ｅＶおよび１１．８ｅＶのエネルギーを有する光子をもたらす。図１５のスペクトルグラフは、ｍ／ｚ＝３１４未満の少ないピークによって明らかなように、図１３および図１４に示されるいずれかのスペクトルグラフよりもかなり低い分子断片化を示している。

図１６は、プラズマ形成ガスとしてヘリウム中に１０％クリプトンを使用して本発明の実施形態に係る窓なしエネルギー可変型光イオン化装置から放出される光子によってプロゲステロンがイオン化された、改良されたＡｇｉｌｅｎｔ質量分析計によって先と同様にもたらされるスペクトルグラフを示している。クリプトン／ヘリウムプラズマの共鳴線は、プロゲステロンのイオン化エネルギーよりも僅かに高い約１０．０および１０．６ｅＶのエネルギーにある。図１６のスペクトルグラフは、ｍ／ｚ＝３１４未満の少数のピークによって明らかなように、僅かな分子断片化を示している。図１３〜１６に示される４つのスペクトルグラフを比較することにより、最も高い観察された３１４の質量対電荷比が分子イオンの質量対電荷比を表わすということを、いくらかの確信をもって判断することができる。また、スペクトルグラフは、機器の質量分解能に応じて分子量が近い分子同士を区別する光子を発生させることができ、それにより、組成が僅かにのみ異なるステロイドなどの化合物の特定を容易にする光イオン化装置の能力を明らかにする。

Claims

イオン化チャンバ（１０）であって、サンプル分子がその内部に供給されるイオン化チャンバと、
前記イオン化チャンバ内に配置され、前記イオン化チャンバ内に選択可能な波長範囲のイオン化光子（３８）を発生させて前記サンプル分子をイオン化するための、窓なしタイプでエネルギー可変型の光イオン化装置（１２）であって、前記イオン化光子は、プラズマ形成ガス（３４）が電気エネルギーによって変換されたプラズマ（３６）から放出され、前記プラズマ形成ガスの組成は、前記電気エネルギーに応じて、前記サンプル分子をイオン化する波長のイオン化光子を発生させるように選択される光イオン化装置と、
前記イオン化チャンバに隣接し、且つ前記イオン化チャンバと流体連通するように配置され、前記イオン化チャンバからサンプル分子がイオン化されたイオンを受ける第１の多重極型の質量分析器（５６）と、
前記第１の多重極型の質量分析器と流体連通し、前記第１の多重極型の質量分析器から前記イオンを受けるイオン検出器（５８）と
を備える質量分析計（５４）。
前記窓なしタイプのエネルギー可変型の光イオン化装置（１２）が、
放電ギャップ（２６）を形成する分割リング共鳴器（２４）と、
前記放電ギャップに面する入口開口（２０）と、出口開口（２２）とを有するプラズマチャンバ（１８）を形成する窓なしタイプのプラズマ格納構造体（１６）と、
前記放電ギャップ内へ延びる入口通気孔（３２）と
を備える請求項１に記載の質量分析計（５４）。
前記入口通気孔（３２）が、前記プラズマ形成ガス（３４）を前記格納構造体へと導くように構成され、これにより、前記電気エネルギーとして前記分割リング共鳴器（２４）に対して供給されるマイクロ波エネルギーが、前記プラズマチャンバ（１８）内で前記プラズマ形成ガスを前記光子放出プラズマ（３６）へと変換し、前記光子放出プラズマが、前記イオン化光子（３８）を前記イオン化チャンバ内へ放出する請求項２に記載の質量分析計（５４）。
前記マイクロ波エネルギーに応じて、前記プラズマ形成ガス（３４）が、サンプル分子を分断することなくサンプル分子をイオン化する波長の光子（３８）を発生させる請求項３に記載の質量分析計（５４）。
前記イオン化チャンバ（１０）と流体連通し、サンプル分子（５０）を、イオン化のために前記イオン化チャンバ（１０）へと供給する第１の分離装置（６０）を更に備える請求項１または２に記載の質量分析計。
前記第１の多重極型の質量分析器（５６）と前記イオン検出器（５８）との間に配置されるとともに、これらと流体連通しており、前記第１の多重極型の質量分析器から前記イオン検出器へとイオン（５２’）を導く飛行時間分析器（６８）を更に備える請求項１、２または５に記載の質量分析計（５４）。
前記飛行時間分析器（６８）と前記検出器（５８）との間に配置されるとともに、これらと流体連通しており、前記飛行時間分析器から前記イオン検出器へとイオン（５２’）を導くリフレクトロン（７２）を更に備える請求項６に記載の質量分析計（７０）。
前記第１の多重極型の質量分析器（５６）と前記飛行時間分析器（６８）との間に配置されるとともに、これらと流体連通する衝突セル（７６）を更に備える請求項６に記載の質量分析計（７５）。
前記第１の多重極型の質量分析器（５６）と前記飛行時間分析器との間に配置されるとともに、これらと流体連通する開裂セル（７６）を更に備え、この開裂セルは、第２のイオン化チャンバ（１０）内に位置される第２のエネルギー可変型の光イオン化装置（１２）を備え、この第２のエネルギー可変型の光イオン化装置は、選択可能な第２の波長範囲で第２のイオン化光子を放出するものであり、この第２のイオン化光子は、第２のプラズマ形成ガス（３４）が電気エネルギーによって変換された第２のプラズマ（３６）から放出され、前記第２のプラズマ形成ガスの組成は、前記電気エネルギーに応じて、前記サンプル分子がイオン化されたイオンを開裂させるように選択される請求項６に記載の質量分析計（７４）。
前記第２のエネルギー可変型の光イオン化装置（１２）が、
放電ギャップ（２６）を形成する第２の分割リング共鳴器（２４）と、
前記第２の放電ギャップに面する第２の入口開口（２０）と、第２の出口開口（２２）とを有する第２のプラズマチャンバ（１８）を形成する第２の窓なしタイプのプラズマ格納構造体（１６）と、
前記放電ギャップ内へ延びる第２の入口通気孔（３４）と
を備える請求項９に記載の質量分析計（７４）。
前記第２の入口通気孔（３４）が、第２のプラズマ形成ガスを前記第２のプラズマ格納構造体（１６）へと導くように構成され、これにより、前記電気エネルギーとして前記第２の分割リング共鳴器（２４）に対して供給されるマイクロ波エネルギーが、前記第２のプラズマチャンバ（１８）内で前記第２のプラズマ形成ガス（３４）を第２の光子放出プラズマ（３６）へと変換し、前記第２の光子放出プラズマが、前記第２のイオン化光子（３８）を前記第２のイオン化チャンバ内へ放出する請求項１０に記載の質量分析計（７４）。
イオン化チャンバ内に、サンプル分子を供給するステップと、
前記サンプル分子をイオン化する選択可能な第１の波長範囲内の波長を有するイオン化光子を、電気エネルギーに応じて発生させる第１のプラズマ形成ガスを、前記イオン化チャンバ内に配置された窓なしタイプでエネルギー可変型の光イオン化装置に供給するステップ（８８）と、
前記光イオン化装置内で前記第１のプラズマ形成ガスを第１の光子放出プラズマへ変換するために、電気エネルギーを供給するステップであって、前記第１の光子放出プラズマが、前記選択可能な第１の波長範囲内の波長を有する第１のイオン化光子を前記イオン化チャンバ内に放出するステップ（９０）と、
前記第１のイオン化光子を使用して、前記サンプル分子をそれぞれのイオンへとイオン化するステップであって、前記イオンがそれぞれの質量対電荷比を有するステップ（９２）と、
前記イオンをそれらの質量対電荷比にしたがって分離するステップと、
前記分離後に前記イオンを検出するステップ（９４）と
を含む質量分析方法。
前記第１のイオン化光子が前記サンプル分子を分断することなくイオン化するように前記第１の波長範囲を選択するステップを更に含む、請求項１２に記載の方法。
選択可能な第２の波長範囲内の波長を有するイオン化光子を、電気エネルギーに応じて発生させる第２のプラズマ形成ガスを、エネルギー可変型の第２の光イオン化装置に供給するステップ（９８）と、
前記第２のプラズマ形成ガスを第２のプラズマへ変換するために電気エネルギーを供給するステップであって、前記第２のプラズマが、前記選択可能な第２の波長範囲内の波長を有する第２のイオン化光子を放出するステップ（１００）と、
前記第１のイオン化光子によってイオン化された前記サンプル分子を前記第２のイオン化光子に晒すステップ（１０２）と
を更に含む、請求項１２または１３に記載の方法。
前記第１のイオン化光子によってイオン化された前記サンプル分子を前記第２のイオン化光子が開裂するように、前記第２の波長範囲を選択するステップを更に含む請求項１４に記載の方法。