JP6044494B2 - 質量分析装置 - Google Patents

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Description

本発明は、イオン化室を備える質量分析装置に関し、さらに詳しくは、液体クロマトグラフ部から溶出してきた液体試料をイオン化するイオン化室と、イオン化室からイオンが導入される質量分析部とを備える液体クロマトグラフ質量分析装置に関する。
液体クロマトグラフ質量分析装置(LC/MS)は、液体試料を成分毎に分離して溶出する液体クロマトグラフ部(LC部)と、LC部から溶出してきた試料成分をイオン化するイオン化室(インタフェース部)と、イオン化室から導入されたイオンを検出する質量分析部(MS部)とから構成される。このようなイオン化室では、液体試料をイオン化するために様々なイオン化手法が用いられているが、大気圧化学イオン化法(APCI)やエレクトロスプレーイオン化法(ESI)等の大気圧イオン化法が広く用いられている。
具体的には、APCIでは、LC部のカラムの末端に接続されたノズルの先端をイオン化室の内部に向けて配設するとともに、ノズルの先端の前方に針電極を配置している。そして、ノズルにおいて加熱により霧化した試料の液滴に、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)を化学反応させてイオン化している。また、ESIでは、LC部のカラムの末端に接続されたノズルの先端をイオン化室の内部に向けて配設するとともに、ノズルの先端部に5kV程度の高電圧を印加して強い不平等電界を発生させる。これにより、液体試料は電界により電荷分離し、クーロン引力により引きちぎられて霧化する。その結果、周囲の空気に触れて試料の液滴中の溶媒は蒸発し、気体イオンが発生する。
このようなAPCIやESIでは、大気圧に近い状態で液体試料をイオン化するため、高い圧力状態(つまり大気圧に近い状態)にあるイオン化室と、ごく低い圧力状態(つまり高真空度の状態)にあるMS部との間での圧力差を確保するため、イオン化室とMS部との間に中間室等を設け、段階的にその真空度を高めるようにする構成が採用されている(例えば、特許文献1参照)。
図8は、ESI法を用いた液体クロマトグラフ質量分析装置の一例を示す概略構成図であり、図9は、図8に示す液体クロマトグラフ質量分析装置の斜視図である。
液体クロマトグラフ質量分析装置は、イオン化室200と質量分析部50と制御室160とハウジング部170とを備える。
イオン化室200は、三角柱形状のアルミニウム製のチャンバ210を備え、チャンバ210は、上面210aと第一側面と第二側面と第三側面と下面とを有する。そして、第一側面の中央部には、円形状の開口が形成され、第一側面の開口の周辺部がゴム製のOリング(図示せず)を介して第1中間室12の前面に気密に取り付けられる。また、チャンバ210の上面210aには、スプレー(イオン化部材)15が取り付けられている。
制御室160は、イオン化室200の下部に配置され、直方体形状の制御室筐体161を備えており、制御室筐体161の内部には、高圧電源62が配置されている。そして、ケーブル63の一端部が制御室筐体161の内部の高圧電源62に接続されるとともに、ケーブル63の他端部がコネクタ65に接続され、制御室筐体161の外部に配置されている。
LC部で成分分離された液体試料は、配管155を介してスプレー15に供給される。また、図示は省略するが、ネブライズガス(窒素ガス)がネブライズガス供給源から例えば直径3.2mmの配管を介してスプレー15に供給される。その結果、液体試料とネブライズガスとは、スプレー15に導かれて噴霧されることになる。このとき、スプレー15に接続されたケーブル64のコネクタ67と、高圧電源62に接続されたケーブル63のコネクタ65とが接続されることにより、スプレー15のノズルの先端に高圧電源62から5kVの高電圧が印加されることで、イオン化が行われるようになっている。
なお、図8におけるスプレー15はESI用のものを示したが、一般的にスプレー15はチャンバ210に対して着脱自在となっており、APCI法を用いたい場合には、ESI用のスプレー15を取り外して、その代わりに放電用の針電極がユニット化されたAPCI用のものをチャンバ210に取り付けることになる。
質量分析部50には、イオン化室200に隣接する第1中間室(真空導入部)12と、第1中間室12に隣接する第2中間室13と、第2中間室13に隣接する質量分析室(MS部)14とがそれぞれ隔壁を介して連続的に設けられている。
質量分析部50は、15cm×15cm×90cmの直方体形状のアルミニウム製のハウジング190を備え、第1中間室12の内部には、第1イオンレンズ21が設けられるとともに、第1中間室12の下面には、油回転ポンプ(RP)で真空排気するための排気口31が設けられている。
ハウジング190の前面には、温調機構(図示せず)が内蔵されたヒータブロック20が固定してあり、ヒータブロック20には、円管形状(直径外径1.6mm、内径0.5mm)の脱溶媒管19が形成されている。これにより、チャンバ210の内部とハウジング190の内部とは、脱溶媒管19を介して連通する。よって、脱溶媒管19は、スプレー15により噴霧されたイオンや微細な試料の液滴が内部を通過するときに、加熱作用や衝突作用により脱溶媒化、イオン化が促進される機能を有する。
第2中間室13の内部には、オクタポール23と、フォーカスレンズ24とが設けられ、第2中間室13の下面には、ターボ分子ポンプ(TMP)で真空排気するための排気口32が設けられている。第2中間室13と質量分析室14との間の隔壁には、細孔を有する入口レンズ25が設けられ、この細孔を介して第2中間室13の内部と質量分析室14の内部とが連通する。
質量分析室14の内部には、第1四重極16と、第2四重極17と、検出器18とが設けられ、質量分析室14の下面には、ターボ分子ポンプ(TMP)で真空排気するための排気口33が設けられている。
このような液体クロマトグラフ質量分析装置において、イオン化室200で生成されたイオンは、脱溶媒管19、第1中間室12のハウジング190内の第1イオンレンズ21、スキマー22、第2中間室13内のオクタポール23及びフォーカスレンズ24、入口レンズ25を順に経て質量分析室14に送られ、四重極16、17により不要イオンが排出され、検出器18に到達した特定イオンのみが検出されることになる。
ところで、上述した液体クロマトグラフ質量分析装置では、第1イオンレンズ21等のメンテナンスが必要となるため、イオン化室200をユニット化して、イオン化室200をメンテナンス位置と分析位置とに移動可能となるように形成している。例えば、イオン化室200は、ヒンジ(図示せず)によって第一側面と第1中間室12の前面の鉛直方向の一辺を軸として、約90°で回転移動できるようになっている。これにより、測定者は、第1イオンレンズ21等をメンテナンスするために、スプレー15に接続されたケーブル64のコネクタ67と高圧電源62に接続されたケーブル63のコネクタ65とを切り離してスプレー15を取り外した後、イオン化室200をメンテナンス位置に配置させたり分析を行うためにスプレー15を取り付け、スプレー15に接続されたケーブル64のコネクタ67と高圧電源62に接続されたケーブル63のコネクタ65とを再接続した後に、イオン化室200を分析位置に配置させたりするようになっている。
特開2001−343363号公報
しかしながら、上述したような液体クロマトグラフ質量分析装置では、ESI用スプレーとAPCI用スプレーとの交換やメンテナンスや分析を行うために、コネクタ67とコネクタ65とを接続したり切断したりする必要があり、非常に手間がかかるという問題点があった。
上記課題を解決するために、本件発明者は、イオン化室200を分析位置に配置したときにはスプレー15と高圧電源62とが自動的に接続され、イオン化室200をメンテナンス位置に配置したときにはスプレー15と高圧電源62とが自動的に切断される液体クロマトグラフ質量分析装置について検討を行った。スプレー15には高電圧が印加されるため、電圧接点部は沿面や空間距離が必要となる。一方、そのような機構を設けるために部品点数を増加させるとコストがかかる。
そこで、イオン化室のチャンバにイオン化室側電圧接点部を形成し、質量分析部のハウジングに形成された穴の中に質量分析部側電圧接点部を形成することを見出した。このとき、穴の内周面と質量分析部側電圧接点部の外周面との間に所定距離(ギャップ)を空けることで、質量分析部側電圧接点部がギャップ分だけ自由に動くことができ、イオン化室側電圧接点部と質量分析部側電圧接点部との位置ズレを吸収することができること(フロート構造)も見出した。
すなわち、本発明の質量分析装置は、試料をイオン化するイオン化ユニットを有するイオン化室と、前記イオン化室からイオンが導入される質量分析部と、前記イオン化ユニットに電力を供給する電源とを備える質量分析装置であって、前記イオン化室は、前記質量分析部をメンテナンスするためのメンテナンス位置と、前記試料を分析するための分析位置とに移動可能になっており、前記イオン化室のチャンバには、イオン化室側電圧接点部が突出するように形成されており、前記質量分析部のハウジングに形成された穴の中に質量分析部側電圧接点部が形成され、前記穴の内周面と前記質量分析部側電圧接点部の外周面との間には所定距離が空けられており、前記イオン化室が前記分析位置に配置される際には、前記イオン化室側電圧接点部は前記穴の中に挿入されて、前記質量分析部側電圧接点部と接続され、前記イオン化室が前記メンテナンス位置に配置される際には、前記イオン化室側電圧接点部は前記穴の中から引き出されて、前記質量分析部側電圧接点部と切断されるようにしている。
ここで、「所定距離」とは、イオン化室がメンテナンス位置から分析位置に移動する際に、イオン化室側電圧接点部と質量分析部側電圧接点部とに多少の位置ズレ等があっても、質量分析部側電圧接点部が動くことでイオン化室側電圧接点部を穴の中に挿入することを可能とするための距離であり、設計者等による軌道計算等によって決められることになる。例えば、穴の内周面と質量分析部側電圧接点部の外周面と間には0.25mm以上1.5mm以下の距離が設けられていることが好ましい。
以上のように、本発明の質量分析装置によれば、少ない部品点数でありながら、イオン化室を分析位置に配置したときにはイオン化ユニットと電源とが自動的に接続され、イオン化室をメンテナンス位置に配置したときにはイオン化ユニットと電源とが自動的に切断される。これにより、コストを抑えることができるだけでなく、メンテナンス性等についても向上する。また、イオン化室側電圧接点部と質量分析部側電圧接点部との位置ズレがあっても、穴の内周面と質量分析部側電圧接点部の外周面との間に所定距離(ギャップ)を設けることで、質量分析部側電圧接点部がギャップ分だけ自由に動くことができ、イオン化室をスムーズに移動させることができる。
(その他の課題を解決するための手段及び効果)
また、本発明の質量分析装置は、前記イオン化室は、前記質量分析部のハウジングの前面と連結される後面と上面と前面と右側面と左側面と下面とを有する直方体形状のチャンバを備え、前記イオン化室は、前記後面の鉛直方向の一辺を軸として回転移動可能となっており、前記イオン化室側電圧接点部は、前記チャンバの後面に水平方向に突出するように形成されており、前記質量分析部側電圧接点部は、前記ハウジングの前面に水平方向に形成された穴の中に形成されているようにしてもよい。
さらに、本発明の質量分析装置は、前記イオン化室側電圧接点部は金属製プラグであるとともに前記質量分析部側電圧接点部は金属製ソケットであるか、或いは、前記イオン化室側電圧接点部は金属製ソケットであるとともに前記質量分析部側電圧接点部は金属製プラグであり、前記金属製プラグは、絶縁材で形成された筒状体の内部に配置されるとともに、前記金属製ソケットの外周面は、絶縁材で形成された筒状体に覆われているようにしてもよい。
本発明に係るESI法を用いた液体クロマトグラフ質量分析装置の一例を示す概略構成図。 図1に示す液体クロマトグラフ質量分析装置の斜視図。 図1に示す液体クロマトグラフ質量分析装置の斜視図。 図1に示す液体クロマトグラフ質量分析装置の斜視図。 図4に示すAの拡大斜視図。 イオン化室側電圧接点部及び質量分析部側電圧接点部の拡大断面図。 金属製ソケットと金属製プラグの接続時を示す拡大断面図。 ESI法を用いた一般的な液体クロマトグラフ質量分析装置の一例を示す概略構成図。 図8に示す液体クロマトグラフ質量分析装置の斜視図。
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下に説明するような実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。
図1は、本発明に係るESI法を用いた液体クロマトグラフ質量分析装置の一例を示す概略構成図である。また、図2〜図4は、図1に示す液体クロマトグラフ質量分析装置の斜視図であり、図5は、図4に示すAの拡大斜視図である。なお、図2は、イオン化室が分析位置に配置されたときの図であり、図3は、イオン化室がメンテナンス位置に配置されたときの図であり、図4及び図5は、イオン化室が移動しているときの図である。また、上述した従来の液体クロマトグラフ質量分析装置と同様のものについては、同じ符号を付している。
液体クロマトグラフ質量分析装置は、イオン化室100と質量分析部50と制御室60とを備える。
質量分析部50は、15cm×15cm×90cmの直方体形状のアルミニウム製のハウジング90を備え、第1中間室12の内部には、第1イオンレンズ21が設けられるとともに、第1中間室12の下面には、油回転ポンプ(RP)で真空排気するための排気口31が設けられている。
ハウジング90の前面には、温調機構(図示せず)が内蔵されたヒータブロック20が固定してあり、ヒータブロック20には、円管形状(直径外径1.6mm、内径0.5mm)の脱溶媒管19が形成されている。これにより、チャンバ110の内部とハウジング90の内部とは、脱溶媒管19を介して連通する。
また、ハウジング90の前面の右上部には、水平方向(後方)に穿たれた穴91が形成されている。穴91は、直径R=11mmの前側穴91aと直径R=10mmの後側穴91bとの2段構造となっており、穴91の内部には質量分析部側電圧接点部92が配置されている。図6(b)に質量分析部側電圧接点部92の拡大断面図を示す。
質量分析部側電圧接点部92は、金属製ソケット93と、樹脂(絶縁材)製の円筒状体94とを有する。金属製ソケット93は、例えば直径外径4mm、内径2mmの円筒となっており、金属製ソケット93の中心軸と穴91の中心軸とが略一致するように穴91の内部に配置されている。そして、円筒状体94は、例えば直径外径R=6mm、内径4mmの前側円筒体94cと直径外径R=8mm、内径5mmの後側円筒体94dとの2段構造となっており、金属製ソケット93の外周面を覆っている。つまり、後側穴91bの内周面と後側円筒体94dの外周面と間には所定距離((R−R)/2)が設けられており、質量分析部側電圧接点部92が半径方向に距離(R−R)だけ動くことができるようになっている(フロート構造)。この距離(R−R)は0.5mm以上3mm以下であることが好ましい。
なお、前側円筒体94cの外周面の前側には、徐々に前方に向かって直径外径が小さくなるテーパ部94aが形成されている。また、後側円筒体94dの外周面の後側には、半径方向に突出する段(ツバ)94bが形成されており、質量分析部側電圧接点部92は前後方向に移動しないように固定されている。
制御室60は、イオン化室100の下部に配置され、直方体形状の制御室筐体61を備える。制御室筐体61の内部には、高圧電源62が配置されている。そして、ケーブル63の一端部が制御室筐体61の内部の高圧電源62に接続されるとともに、ケーブル63の他端部がハウジング90に形成された金属製ソケット93の後側に接続されている。
イオン化室100は、13cm×13cm×12cmの直方体形状のアルミニウム製のチャンバ110を備え、チャンバ110は、上面110aと後面110bと前面と右側面と左側面と下面とを有する。そして、後面110bの中央部には、円形状の開口102が形成され、後面110bの開口102の周辺部がゴム製のOリング(図示せず)を介して第1中間室12の前面に気密に取り付けられる。
また、後面110bの右上部には、イオン化室側電圧接点部80が水平方向(後方)に例えば10mm以上11mm以下で突出するように形成されている。図6(a)にイオン化室側電圧接点部80の拡大断面図を示す。
イオン化室側電圧接点部80は、樹脂(絶縁材)製の円筒状体82と、金属製プラグ81とを有する。円筒状体82は、例えば直径外径R=10mm、内径R=6mmの円筒となっており、内周面の後側には徐々に後方に向かって直径内径が大きくなるテーパ部82aが形成されている。そして、金属製プラグ81は、例えば直径2mmの略円柱となっており、金属製プラグ81の中心軸と円筒状体82の中心軸とが略一致するように円筒状体82の内部に配置されている。
なお、距離(R−R)は0.5mm以上3mm以下であることが好ましい。また、金属製プラグ81の前側はケーブル64を介してスプレー15と接続されており、金属製プラグ81は金属製ソケット93の中に挿入して嵌合されることで接続されるようになっている。
チャンバ110の上面110aには、スプレー(イオン化ユニット)15が取り付けられている。LC部にて成分分離された液体試料は、配管155を介してスプレー15に供給される。また、図示は省略するが、ネブライズガス(窒素ガス)が、ネブライズガス供給源から例えば直径3.2mmの配管を介してスプレー15に供給される。その結果、液体試料とネブライズガスとは、スプレー15に導かれて噴霧されることになる。このとき、スプレー15に接続された金属製プラグ81と、高圧電源62に接続された金属製ソケット93とが接続されることにより、スプレー15のノズルの先端に高圧電源62から5kVの高電圧が印加されることで、イオン化が行われるようになっている。
そして、イオン化室100は、メンテナンス位置と分析位置とに移動可能になっている。具体的には、イオン化室100は、ヒンジ101によって後面110bと第1中間室12の前面の鉛直方向の一辺を軸として、約90°で回転移動可能となっている。これにより、測定者は、第1イオンレンズ21等をメンテナンスするためにイオン化室100をメンテナンス位置に配置させたり、分析を行うためにイオン化室100を分析位置に配置させたりするようになっている。
ここで、本発明の液体クロマトグラフ質量分析装置の分析状態(通常使用状態)とメンテナンス状態(質量分析部メンテナンス時)とについて説明する。
(1)メンテナンス状態(図3及び図6参照)
イオン化室100はメンテナンス位置に配置されており、第1中間室12の前面が開放されている。このとき、金属製ソケット93と金属製プラグ81とは切断されている。
(2)メンテナンス状態から分析状態へ(図4及び図5参照)
イオン化室100がメンテナンス位置から分析位置へ回転移動するに伴って、穴91の中にイオン化室側電圧接点部80が挿入されていく。具体的には、まず直径外径Rの円筒状体82が直径Rの前側穴91aの中に挿入され、円筒状体82のテーパ部82aが、前側円筒体94cのテーパ部94aに接触する。このとき、イオン化室側電圧接点部80と質量分析部側電圧接点部92とにおいて半径方向の位置ズレがあっても、後側穴91bの内周面と後側円筒体94dの外周面との間に所定距離((R−R)/2)が設けられているため、後側円筒体94dは半径方向に距離(R−R)だけ動くことができ、イオン化室100がスムーズに回転移動することができる。そして、円筒状体82の内周面が前側円筒体94cの外周面に接触しながら、金属製ソケット93の中に金属製プラグ81が挿入されて嵌合する。
(3)分析状態(図2及び図7参照)
イオン化室100は分析位置に配置されており、後面110bの開口102の周辺部が第1中間室12の前面に気密に取り付けられている。このとき、金属製ソケット93と金属製プラグ81とが接続されている。図7は、金属製ソケット93と金属製プラグ81とが接続されているときの拡大断面図である。
以上のように、本発明の液体クロマトグラフ質量分析装置によれば、少ない部品点数でありながら、イオン化室100を分析位置に配置したときにはスプレー15と高圧電源62とが自動的に接続され、イオン化室100をメンテナンス位置に配置したときにはスプレー15と高圧電源62とが自動的に切断される。よって、コストを抑えることができるだけでなく、メンテナンス性等についても向上する。
<他の実施形態>
上述した液体クロマトグラフ質量分析装置において、質量分析部側電圧接点部92は金属製ソケット93を有するとともにイオン化室側電圧接点部80は金属製プラグ81を有する構成としたが、質量分析部側電圧接点部が金属製プラグを有し、イオン化室側電圧接点部が金属製ソケットを有するような構成としてもよい。
本発明は、イオン化室を備える質量分析装置に利用することができる。
15: スプレー(イオン化ユニット)
19: 脱溶媒管
50: 質量分析部
60: 制御室
61: 制御室筐体
62: 高圧電源
80: イオン化室側電圧接点部
90: ハウジング
91: 穴
92: 質量分析部側電圧接点部
100: イオン化室
110: チャンバ

Claims (3)

  1. 試料をイオン化するイオン化ユニットを有するイオン化室と、前記イオン化室からイオンが導入される質量分析部と、前記イオン化ユニットに電力を供給する電源とを備える質量分析装置であって、
    前記イオン化室は、前記質量分析部をメンテナンスするためのメンテナンス位置と、前記試料を分析するための分析位置とに移動可能になっており、
    前記イオン化室のチャンバには、イオン化室側電圧接点部が突出するように形成されており、
    前記質量分析部のハウジングに形成された穴の中に質量分析部側電圧接点部が形成され、前記穴の内周面と前記質量分析部側電圧接点部の外周面との間には所定距離が空けられており、
    前記イオン化室が前記分析位置に配置される際には、前記イオン化室側電圧接点部は前記穴の中に挿入されて、前記質量分析部側電圧接点部と接続され、前記イオン化室が前記メンテナンス位置に配置される際には、前記イオン化室側電圧接点部は前記穴の中から引き出されて、前記質量分析部側電圧接点部と切断されることを特徴とする質量分析装置。
  2. 前記イオン化室は、前記質量分析部のハウジングの前面と連結される後面と上面と前面と右側面と左側面と下面とを有する直方体形状のチャンバを備え、
    前記イオン化室は、前記後面の鉛直方向の一辺を軸として回転移動可能となっており、
    前記イオン化室側電圧接点部は、前記チャンバの後面に水平方向に突出するように形成されており、
    前記質量分析部側電圧接点部は、前記ハウジングの前面に水平方向に形成された穴の中に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の質量分析装置。
  3. 前記イオン化室側電圧接点部は金属製プラグであるとともに前記質量分析部側電圧接点部は金属製ソケットであるか、或いは、前記イオン化室側電圧接点部は金属製ソケットであるとともに前記質量分析部側電圧接点部は金属製プラグであり、
    前記金属製プラグは、絶縁材で形成された筒状体の内部に配置されるとともに、前記金属製ソケットの外周面は、絶縁材で形成された筒状体に覆われていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の質量分析装置。
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