JP5975158B2 - インターフェースおよび液体クロマトグラフ質量分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体クロマトグラフ質量分析装置に関し、より詳しくは液体クロマトグラフと質量分析装置の間に配置され、液体クロマトグラフから溶出される試料溶液をイオン化するインターフェースに関する。

液体クロマトグラフ装置（以下、ＬＣと略称する）は複雑な混合系の試料の分離手段として、また質量分析装置（以下、ＭＳと略称する）は化合物の高感度かつ定性情報を与える分析手法として、広く用いられている。この二種類の分析装置の特徴を活かした複合分析装置として、液体クロマトグラフ質量分析装置（以下、ＬＣ／ＭＳと略称する）もまた製薬・環境・食品・工業材料など幅広い分野で普及している。

ＬＣ／ＭＳの装置構成は、大別して、試料溶液に含まれる各目的成分の分離を行う液体クロマトグラフ部（ＬＣ部）と、分離された目的成分のイオン化を行うインターフェース部と、目的イオンを質量数に応じて分離検出する質量分析部（ＭＳ部）の３つに分かれている（例えば特許文献１参照）。
しかし、ＭＳの場合は目的成分を気相中にイオンとして取り出し、このイオンを高真空下で検出する装置であり、ＬＣを単純にＭＳに接続しても液体である移動相が気化し、大量のガスがＭＳ内に導入されて、真空度の低下により目的の試料イオンが検出部まで到達できなくなる。
したがって、ＬＣ／ＭＳでは、いかに溶媒を取り除くかが重要なポイントになるが、大気圧イオン化法が開発され、インターフェースが大きく改良されたことにより、安定的にイオンを得られるようになった。

大気圧イオン化法は、大気圧下でイオン化するのが特徴で、液体である溶媒を真空の外で除くという点で非常に有効であり、代表的な方法としては、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）などがある。
ＥＳＩでは、試料溶液は、先端に３〜５ｋＶ程度の高電圧を印加したキャピラリーからなるスプレーチップに導かれ、その外側から霧化ガス（ネブライザーガス）を流しスプレーすることで、印加した電圧と同符号の細かな帯電液滴を作り、帯電液体は移動の過程で溶媒の蒸発・表面電場の増加が進み、電荷同士の反発力が液体の表面張力をこえると分裂し、蒸発と分裂を繰り返すことにより微細な液滴になり、最終的には試料イオンとして気相中に放出される。

他方、ＡＰＣＩでは、スプレーチップの前方に放電電極を配置し、そのコロナ放電により生成した溶媒ガスイオンを微細液滴に化学反応させることで目的成分をイオン化する。
いずれのイオン化法を用いるにしても、スプレーチップから噴霧される液滴の微細化の具合が、インターフェースのイオン化効率やＭＳ部における測定精度に大きく影響することになる。

ところで、通常のＬＣで使用するスプレーチップは内径が１００μｍ以上であり、一般的にＳＵＳ製キャピラリーを使用している。一方、生体試料等の微量試料の分析の場合には、ＬＣではナノ流量で分析され、その場合は内径が１００μｍ以下のガラス製スプレーチップを使用する（ナノＥＳＩ）。
ガラス製スプレーチップは、ＳＵＳ製キャピラリーに比べて耐久性が低いので度々交換しなければならず、インターフェースとしてスプレーチップの交換しやすい構造のものが望まれていた。

例えば、特許文献２には、スプレーチップの交換容易な構造のインターフェースの一例が記載されている。
すなわち、試料をイオン源に噴霧するスプレーチップをチップホルダに固定するために使用される接続／固定部材を備え、ＬＣ部とＭＳ部との間に配置されるインターフェースであって、スプレーチップの外径と同じか、またはそれ以上の大きさの内径を有する筒状部材を備え、筒状部材は、ゴム等の弾性を有する材料で形成されており、筒状部材の内部にスプレーチップを挿入した後、筒状部材の外周面をチップホルダに形成した固定溝の内周面によって押し付けることにより、スプレーチップをチップホルダに固定する構造である。

特開２０００−６５７９８号公報 実用新案登録第３１７３９８９号公報

しかしながら、従来のインターフェースでは、ゴム等の弾性部材で形成される筒状部材の内部（穴）にスプレーチップを挿入するとき、スプレーチップの端部が筒状部材の端面に接触し、これを繰り返すことにより筒状部材の微細な屑がスプレーチップの外壁や内部の試料溶液を汚染するおそれがあった。
また、キャピラリーからなるスプレーチップを筒状部材の穴に挿入する作業自体も容易なことではない。筒状部材に無理に挿入すると、ガラス製スプレーチップが折れるおそれもあった。

本発明は、上記課題を解決するため、スプレーチップを筒状部材の穴に通すことなく、スプレーチップを容易に接続し固定することができるようにしたインターフェースを提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、請求項１記載の本発明のインターフェースは、液体クロマトグラフ部と質量分析部との間に配置され、試料溶液をイオン化部に噴霧するスプレーチップを支持する弾性体からなる柱状の支持部材と、支持部材を固定する凹部を有するチップホルダを備えてなるインターフェースであって、支持部材の軸方向外周面から中心部に向ってスリットを形成し、当該スリットを介してスプレーチップを支持部材の中心部に挟み込むとともに、支持部材をチップホルダの凹部に埋め込んで支持部材自体の弾性力によりスプレーチップをチップホルダに固定したしたものである。
弾性体からなる支持部材としては、ゴム製の柱状チューブが好適である。また、柱状チューブは円柱に限らず、断面形状が多角形であってもよい。チップホルダに形成される凹部の断面形状は角穴形状やＶ字形状が代表例として挙げられるが、その他の形状であってもよい。

また、請求項２記載の本発明のインターフェースは、液体クロマトグラフ部と質量分析部との間に配置され、試料を分離するカラムまたは液体クロマトグラフ部の溶出側配管チューブと試料溶液をイオン化部に噴霧するスプレーチップとを接続し、かつ支持する弾性体からなる柱状の支持部材と、支持部材を固定する凹部を有するチップホルダを備えてなるインターフェースであって、支持部材の軸方向外周面から中心部に向ってスリットを形成し、当該スリットを介してスプレーチップを支持部材の中心部の一端部に挟み込むとともに、スリットを介して支持部材の中心部の他端部にカラムまたは配管チューブを挟み込み、支持部材内でスプレーチップとカラムまたは配管チューブを接続するとともに、支持部材をチップホルダの凹部に埋め込んで支持部材自体の弾性力によりスプレーチップとカラムまたは配管チューブをチップホルダ内で接続し固定したものである。
支持部材内でのスプレーチップとカラムまたは配管チューブの接続は、特別な接続治具等を用いる必要はなく、スプレーチップの端部とカラムまたは配管チューブの端部を向い合わせて近接配置することにより達成できる。

さらに、請求項３記載の本発明のインターフェースは、請求項１または請求項２記載のインターフェースであって、支持部材を導電性材料で形成したものである。

さらにまた、請求項４記載の本発明のＬＣ／ＭＳは、請求項１から請求項３記載のいずれかのインターフェースを備えたものである。

本発明のインターフェースによれば、支持部材の軸方向外周面から中心部に向って形成されたスリットを介してスプレーチップを支持部材の中心部に側方から滑らせて挟み込むとともに、支持部材をチップホルダの凹部に埋め込んで支持部材自体の弾性力によりスプレーチップをチップホルダに固定したので、スプレーチップを支持部材へ装着するにあたり、スプレーチップの端部が支持部材の端面に接触し、支持部材の微細な屑がスプレーチップの外壁や内部の試料溶液を汚染するおそれはなくなる。
また、スプレーチップを支持部材（筒状部材）の穴に通す必要がないので、スプレーチップの支持部材への装着が容易であり、スプレーチップの交換作業は簡単かつ迅速に実施することができる。
さらに、外壁面に電極がコーティングしてあるスプレーチップや金属スプレーチップなどを使用してスプレーチップに直接電圧を印加する場合にも、支持部材を導電性材料、例えば、導電性ポリマーで形成することにより容易に電圧を供給することができる。

さらにまた、本発明のＬＣ／ＭＳによれば、インターフェース部において支持部材（ゴム製チューブなど）の微細な屑がスプレーチップの外壁や内部の試料溶液を汚染するおそれがないので、スプレー条件の変化によるインターフェースのイオン化効率やＭＳ部における測定精度を低下させる可能性もない。

本発明のインターフェースの一実施形態の主要部を構成するスプレーチップと柱状の支持部材を示す図である。 本発明のインターフェースの一実施形態の主要部を構成するスプレーチップと柱状の支持部材をチップホルダに固定する手順を示す図である。 本発明のインターフェースの他の実施形態の主要部を構成するスプレーチップとカラムまたは配管チューブを接続する柱状の支持部材をチップホルダに固定する手順を示す図である。 本発明のインターフェースのさらに他の実施形態の主要部を構成するスプレーチップと柱状の支持部材をチップホルダに固定する手順を示す図である。 本発明のインターフェースを用いたＬＣ／ＭＳの一実施形態の構成例を示す概略図である。

以下、図面を参照しながら、本発明のインターフェースの実施形態の一例を説明する。図１において、図１（ａ）は軸方向の断面図で、図１（ｂ）は軸方向に垂直な断面図であり、柱状の支持部材１にシリカ系ガラスキャピラリーなどのスプレーチップ２を装着した状態を示している。図１（ｃ）は支持部材１の斜視図で、中心部に向って軸方向外周面からスリット３が形成された支持部材１の状態を示している。好ましくは、支持部材１にはその中心部に溝２ａを形成しておくことにより、スプレーチップ２を支持部材１に装着したときにスプレーチップ２は安定的に固定される。
支持部材１の材質としては、弾性や導電性を有する材料が挙げられ、例えば、弾性ゴムや導電性ポリマー等が使用される。支持部材１の外径は、例えば２〜３ｍｍであり、その長さは１０〜２０ｍｍ程度であるが、支持部材１の外径や長さは、使用するスプレーチップやカラムの大きさに合わせたものを選択して使用する。

図２において、チップホルダ本体４には断面が角穴（四角）形状である凹部６が形成されており、チップホルダカバー５は平板形状である。凹部６の断面は、支持部材１がチップホルダカバー５で押さえられたときの変形（支持部材１ａ）を吸収できる形状と大きさであり、凹部の軸方向の長さは支持部材１の長さと同じかそれ以上の寸法である。チップホルダ本体４の材質としては、ＰＥＥＫ等が挙げられる。

つぎに、図２を参照して、チップホルダ４、５にスプレーチップ２（支持部材１）を固定する手順について説明する。なお、図２（ａ）および図２（ｃ）は軸方向の断面図、図２（ｂ）および図２（ｄ）は軸方向に垂直な断面図である。
まず、スリット３を介してスプレーチップ２を支持部材１の中心部まで側方から滑らせて挟み込む（図１（ａ）参照）。つぎに、チップホルダ本体４の凹部６にスプレーチップ２が装着された支持部材１を埋め込み（図２（ａ）参照）、チップホルダ本体４とチップホルダカバー５との間で支持部材１を、ネジ（図示せず）を用いて固定する（図２（ｃ）参照）。このとき、支持部材１の一部がチップホルダ本体４の凹部６よりはみ出る大きさとすることにより（図２（ｂ）参照）、支持部材１は弾性を有するため変形して（支持部材１ａ）、スプレーチップ２をしっかり固定する（図２（ｄ）参照）。

つぎに、図３を参照して、スプレーチップ２とＬＣの溶出側配管チューブ７（またはカラム）とを接続する手順について説明する。なお、図３（ａ）および図３（ｃ）は軸方向の断面図、図３（ｂ）および図３（ｄ）は軸方向に垂直な断面図である。
まず、支持部材１のスリット３を介して支持部材１の中心部一端部にスプレーチップ２の一部を側方から滑らせて挟み込むとともに、支持部材１の中心部他端部に配管チューブ７の一部を同様に側方から滑らせて挟み込む。支持部材１内でのスプレーチップ２と配管チューブ７の接続は、特別な接続治具等を用いる必要はなく、スプレーチップ２の端部と配管チューブ７の端部を向い合わせて近接配置することにより達成できるが、より好ましくは支持部材１の中心部に溝２ａを形成しておくのがよい。

スプレーチップ２と配管チューブ７が装着された支持部材１をチップホルダ本体４の凹部６に埋め込み（図３（ａ）参照）、チップホルダ本体４とチップホルダカバー５との間で支持部材１を、ネジ（図示せず）を用いて固定する（図３（ｃ）参照）。このとき、支持部材１の一部がチップホルダ本体４の凹部６よりはみ出る大きさとすることにより（図３（ｂ）参照）、支持部材１は弾性を有するため変形して（支持部材１ａ）、スプレーチップ２および配管チューブ７を接続するとともに、しっかり固定する（図３（ｄ）参照）。

図４を参照して、インターフェースの他の実施形態の主要部を構成するスプレーチップ２と柱状の支持部材１をチップホルダ４、５に固定する手順について説明する。なお、図４（ａ）および図４（ｃ）は軸方向の断面図、図４（ｂ）および図４（ｄ）は軸方向に垂直な断面図である。
図４の実施形態では、支持部材１の断面形状がチップホルダ本体４の凹部６よりはみ出していない点で上記実施形態と相違する（図４（ａ）（ｂ）参照）。このため、本実施形態ではチップホルダカバー５の形状を凸型形状として支持部材１をチップホルダ本体４の凹部６内で変形させ（支持部材１ａ）、その弾性力によりスプレーチップ２をしっかり固定している（図４（ｃ）（ｄ）参照）。

上記実施形態において、支持部材１は、スプレーチップ２に限らず、スプレー機能を有するオフライン型チップやカラム一体型チップなど各種チップを使用することができる。また、スプレーチップ２の材質はシリカ系ガラスキャピラリーに限らず他の材質のものでもよい。さらに、チップホルダ本体４の凹部の断面は、角穴形状やＶ字形状が代表例として考えられるが、その他の形状でもよい。チップホルダ本体４とチップホルダカバー５の固定手段はネジ止めに限らず適宜の手段を用いることができる。
また、外壁面に電極がコーティングしてあるスプレーチップや金属スプレーチップなどを使用してスプレーチップに直接電圧を印加する必要がある場合には、支持部材１を導電性材料、例えば、導電性ポリマーで形成することにより支持部材１を介して容易に電圧を供給することができる。

以下、図５を参照しながら本発明のインターフェースを用いたＬＣ／ＭＳについて説明する。
図５はＬＣ／ＭＳの一般的な構成例を示す概略図である。ＬＣ／ＭＳは、大別して、試料溶液に含まれる各目的成分の分離を行うＬＣ部と、分離された目的成分のイオン化を行うインターフェース部と、目的イオンを質量数に応じて分離検出するＭＳ部から構成されている。

ＬＣ部では、送液ポンプ１０は移動相容器１１から移動相（溶離液）を吸引し、一定の流量を維持しつつ試料注入部１２へと送液する。試料注入部１２では所定のタイミングで試料を移動相中に注入する。試料が混入された移動相は分析カラム１３に送られ、分析カラム１３を通過する間に成分毎に分離され、それぞれ時間的にずれて分析カラム１３から溶出してインターフェース１５に到達する。なお、１４はＬＣ検出器である。

インターフェース１５では、分析カラム１３からの溶出側の配管チューブに接続されたスプレーチップ２（図１〜図４参照）の先端部が大気圧雰囲気にあるイオン化室（図示せず）内に突設されており、試料溶液が周知のイオン化法によりイオン化される。試料イオンを含む微少液滴は差圧によって脱溶媒管（図示せず）内に引き込まれ、脱溶媒管内を通る間にいっそう脱溶媒化が進行してイオンが発生し、イオンは周知の手段によりＭＳ部の分析室１６へ取り込まれる。

ＭＳ部の分析室１６では、四重極型ＭＳをはじめ、選択範囲のイオンを一旦蓄積してから質量分離するトラップ型ＭＳや、複数のＭＳを組み合わせたタンデムＭＳ、ハイブリッドＭＳなどの分析手法で質量分析が行われ、イオン検出器１７で検出される。データ処理部１８では、イオン検出器１７からの検出信号に基づきマススペクトルを作成したり、各種データ処理を行う。

本発明のＬＣ／ＭＳでは、インターフェース部におけるスプレーチップ２の交換作業が簡単かつ迅速にでき、インターフェース部において支持部材（ゴム製チューブなど）の微細な屑（ゴムの微粉末）がスプレーチップの外壁や内部の試料溶液を汚染するおそれがないので、スプレー条件の変化によるインターフェースのイオン化効率やＭＳ部における測定精度を低下させる可能性もなくなる。

１、１ａ 支持部材
２ スプレーチップ
２ａ 溝
３ スリット
４ チップホルダ本体
５ チップホルダカバー
６ 凹部
７ 配管チューブ
１０ 送液ポンプ
１１ 移動相容器
１２ 試料注入部
１３ 分析カラム
１４ ＬＣ検出器
１５ インターフェース
１６ 分析室
１７ イオン検出器
１８ データ処理部

Claims (4)

1. 液体クロマトグラフ部と質量分析部との間に配置され、試料溶液をイオン化部に噴霧するスプレーチップを支持する弾性体からなる柱状の支持部材と、支持部材を固定する凹部を有するチップホルダを備えてなるインターフェースにおいて、前記支持部材の軸方向外周面から中心部に向ってスリットを形成し、前記スリットを介して前記スプレーチップを前記支持部材の中心部まで滑らせて挟み込むとともに、前記支持部材を前記チップホルダの前記凹部に埋め込んで前記支持部材自体の弾性力により前記スプレーチップを前記チップホルダに固定したことを特徴とするインターフェース。
2. 液体クロマトグラフ部と質量分析部との間に配置され、試料を分離するカラムまたは液体クロマトグラフ部の溶出側配管チューブと試料溶液をイオン化部に噴霧するスプレーチップとを接続し、かつ支持する弾性体からなる柱状の支持部材と、支持部材を固定する凹部を有するチップホルダを備えてなるインターフェースにおいて、前記支持部材の軸方向外周面から中心部に向ってスリットを形成し、前記スリットを介して前記スプレーチップを前記支持部材の中心部の一端部に滑らせて挟み込むとともに、前記スリットを介して前記支持部材の中心部の他端部に前記カラムまたは配管チューブを滑らせて挟み込み、前記支持部材内で前記スプレーチップと前記カラムまたは配管チューブを接続するとともに、前記支持部材を前記チップホルダの前記凹部に埋め込んで前記支持部材自体の弾性力により前記スプレーチップと前記カラムまたは配管チューブを前記チップホルダに固定したことを特徴とするインターフェース。
3. 請求項１または請求項２記載のインターフェースにおいて、前記支持部材を導電性材料で形成したことを特徴とするインターフェース。
4. 請求項１から請求項３記載のいずれかのインターフェースを備えた液体クロマトグラフ質量分析装置。

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