JP6167934B2 - Mass spectrometer - Google Patents
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Description
本発明は高電圧電源装置及び該装置を用いた質量分析装置に関し、さらに詳しくは、容量性の負荷に対してパルス状の高電圧を印加するための高電圧電源装置及び該装置を用いた質量分析装置に関する。 The present invention relates to a high-voltage power supply device and a mass spectrometer using the device, and more specifically, a high-voltage power supply device for applying a pulsed high voltage to a capacitive load and a mass using the device. The present invention relates to an analyzer.
液体クロマトグラフ(LC)と質量分析装置(MS)とを組み合わせた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のカラムから溶出した試料液中の成分を略大気圧の下でイオン化するために、エレクトロスプレーイオン化(ESI)法や大気圧化学イオン化(APCI)法などの大気圧イオン化法によるイオン源が使用されている。ESIイオン源とAPCIイオン源とではイオン化され易い化合物が異なるため、通常、分析対象の試料の種類や分析目的などによってイオン化法の使い分けが行われる。これに対応するため、ESI法によるイオン化とAPCI法によるイオン化とを選択的に実行可能とした構造のイオン源が知られている(特許文献1など参照)。
In a liquid chromatograph mass spectrometer (LC-MS), which combines a liquid chromatograph (LC) and a mass spectrometer (MS), the components in the sample solution eluted from the liquid chromatograph column can be measured at approximately atmospheric pressure. In order to perform ionization, an ion source using an atmospheric pressure ionization method such as an electrospray ionization (ESI) method or an atmospheric pressure chemical ionization (APCI) method is used. Since the ESI ion source and the APCI ion source are different in compounds that are easily ionized, the ionization method is usually selected depending on the type of sample to be analyzed and the purpose of analysis. In order to cope with this, an ion source having a structure capable of selectively performing ionization by the ESI method and ionization by the APCI method is known (see
分析対象の試料の多様化、或いは分析精度やスループットの改善などに対応するために、近年、新たな大気圧イオン化法が開発され実用に供されている。非特許文献1等に記載の探針エレクトロスプレーイオン化(PESI=Probe Electrospray Ionization)法はそうした方法の一つである。PESI法では、例えば、試料の上方に上下動可能に設置した針電極を降下させ、その針電極の先端を試料に接触させ又は僅かに刺入させて、試料の一部を針電極先端に付着させる。そのあと、針電極を引き上げて試料から離間させ、該針電極に高電圧電源装置から高電圧を印加する。すると、針電極先端の試料に強い電場が作用してエレクトロスプレー現象が生じ、試料分子が試料から離脱しながらイオン化する。こうして生成されたイオンを収集して後段の真空室へと輸送し質量分析に供する。
In recent years, a new atmospheric pressure ionization method has been developed and put into practical use in order to cope with diversification of samples to be analyzed or improvement in analysis accuracy and throughput. The probe electrospray ionization (PESI) method described in
上記PESI法によれば、例えば生体組織から切り出した生体切片などの試料を前処理することなく質量分析することができる。また例えば、試料を載置したステージを2次元的に移動する毎に、針電極の上下動による試料の採取及び該針電極への高電圧の印加を繰り返すことで、試料の2次元的な質量分布情報を得ることができる。 According to the PESI method, for example, a sample such as a biological section cut out from a biological tissue can be subjected to mass spectrometry without preprocessing. Further, for example, each time the stage on which the sample is placed is moved two-dimensionally, the sample is sampled by moving the needle electrode up and down and a high voltage is applied to the needle electrode, so that the two-dimensional mass of the sample is obtained. Distribution information can be obtained.
こうしたPESI法によるイオン化と上述したESI法やAPCI法によるイオン化とを選択的に行いたい場合に、それらイオン化法ではいずれも最大で数kV程度の高電圧が必要であるため、高電圧電源装置を共用することがコストや装置の小型軽量化などの点で有利である。ただし、通常、ESIイオン源やAPCIイオン源では液体クロマトグラフのカラム等から連続的に供給される試料液中の試料成分をイオン化するために高電圧を連続的にスプレーノズル等に印加するのに対し、上記のような繰り返し測定を行うPESIイオン源では、針電極に印加する高電圧をオン・オフさせる必要がある。そのため、PESI法によるイオン化の際には、直流高電圧をスイッチングして高電圧パルスを生成する高電圧スイッチング回路が必要となる。 When ionization by such PESI method and ionization by ESI method or APCI method described above are selectively performed, since these ionization methods all require a high voltage of several kV at the maximum, a high voltage power supply device is required. Sharing is advantageous in terms of cost, reduction in size and weight of the apparatus, and the like. However, in general, in an ESI ion source or an APCI ion source, a high voltage is continuously applied to a spray nozzle or the like in order to ionize sample components in a sample solution continuously supplied from a liquid chromatograph column or the like. On the other hand, in the PESI ion source that performs the repeated measurement as described above, it is necessary to turn on and off the high voltage applied to the needle electrode. Therefore, when ionizing by the PESI method, a high voltage switching circuit that switches a DC high voltage to generate a high voltage pulse is required.
一般に上記のような高電圧スイッチング回路には高耐圧のMOSFETなどの半導体スイッチング素子が利用される。しかしながら、ESIイオン源やAPCIイオン源のための直流高電圧電源から出力される高電圧を単にスイッチングしただけでは、次のような問題がある。 In general, a semiconductor switching element such as a high breakdown voltage MOSFET is used for the high voltage switching circuit as described above. However, simply switching a high voltage output from a DC high voltage power source for an ESI ion source or an APCI ion source has the following problems.
即ち、ESI法やAPCI法によるイオン化ではスプレーノズルやコロナ放電用の針電極に高電圧を印加すると、導電性の高い試料溶液の噴霧流を通して放電電流が流れる。そこで、通常、この放電を安定化するために、直流高電圧電源の出力抵抗として数十MΩの高抵抗が用いられている。この構成では、例えば試料溶液の噴霧量が増加して放電電流が増加すると、直流高電圧電源の出力抵抗による電圧降下が大きくなる。その結果、ESIイオン源のスプレーノズル等に印加される電圧が下がり、放電を安定化することができる。 That is, in ionization by the ESI method or the APCI method, when a high voltage is applied to a spray nozzle or a needle electrode for corona discharge, a discharge current flows through a spray flow of a highly conductive sample solution. Therefore, in order to stabilize this discharge, a high resistance of several tens of MΩ is usually used as the output resistance of the DC high voltage power supply. In this configuration, for example, when the spray amount of the sample solution increases and the discharge current increases, the voltage drop due to the output resistance of the DC high-voltage power source increases. As a result, the voltage applied to the spray nozzle or the like of the ESI ion source is reduced, and the discharge can be stabilized.
一方、PESI法によるイオン化の際には、試料が表面に付着した針電極に大気中で高電圧を印加するため、ESIイオン源やAPCIイオン源に比べると放電電流は格段に小さい。そのため、PESIイオン源における針電極、つまり高電圧電源装置の負荷は、単純な容量(キャパシタンス)であるとみなすことができる。この容量は主として、高電圧電源装置と針電極とを接続する高耐圧ケーブル線の浮遊容量である。これは数十pF〜数百pF程度の僅かな容量であるものの、上記のように出力抵抗が数十MΩと大きな高電圧電源装置にこうした容量性の負荷が接続されると、その抵抗と容量とのRC回路の時定数によって、針電極に印加される高電圧パルスの立ち上がり時間はmsecのオーダーとなってしまう。針電極に印加される高電圧パルスの時間幅が短い場合、高電圧パルスの立ち上がりが遅れると、針電極先端の試料に高電圧が印加される時間が短すぎてイオンの生成効率が低下したり、極端な場合には、エレクトロスプレーに必要な電圧にまで達せずにイオンが生成されなかったりするおそれがある。
On the other hand, when the ionization by PESI method for applying a high voltage in the atmosphere to the needle electrode the sample adhering to the surface, and the discharge current compared to the ESI ion source and APCI ion source is much smaller. Therefore, the needle electrode in the PESI ion source, that is, the load of the high-voltage power supply device can be regarded as a simple capacitance. This capacitance is mainly the stray capacitance of the high voltage cable line connecting the high voltage power supply device and the needle electrode. Although this is a small capacitance of about several tens of pF to several hundreds of pF, when such a capacitive load is connected to a high voltage power supply device having an output resistance of several tens MΩ as described above, the resistance and capacitance Due to the time constant of the RC circuit, the rise time of the high voltage pulse applied to the needle electrode is on the order of msec. When the time width of the high voltage pulse applied to the needle electrode is short, if the rise of the high voltage pulse is delayed, the time during which the high voltage is applied to the sample at the tip of the needle electrode is too short and the ion generation efficiency decreases. In extreme cases, the voltage required for electrospray may not be reached and ions may not be generated.
本発明はこうした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、直流高電圧電源の出力抵抗が大きく、しかも高電圧パルスを印加する対象である負荷が容量性であっても、立ち上がり特性の良好な高電圧パルスを負荷に供給することができる高電圧スイッチング回路を備えた高電圧電源装置及び該装置を用いた質量分析装置を提供することである。 The present invention has been made to solve these problems, and the object of the present invention is that the output resistance of the DC high-voltage power supply is large and the load to which the high-voltage pulse is applied is capacitive. Another object of the present invention is to provide a high-voltage power supply device including a high-voltage switching circuit that can supply a high-voltage pulse with good rising characteristics to a load, and a mass spectrometer using the device.
上記課題を解決するために成された本発明は、直流高電圧電源による電圧をスイッチングして高電圧パルスを生成し容量性である負荷に供給する高電圧電源装置において、
a)前記直流高電圧電源の出力端から前記負荷に至る線路を開閉する第1スイッチと、
b)前記第1スイッチの出力端と共通線路との間を開閉する第2スイッチと、
c)前記第1スイッチの入力端と前記共通線路との間に接続されたキャパシタと、
d)前記負荷に高電圧パルスを印加する際に、前記第1スイッチをオフからオンに切り替えるとともに前記第2スイッチをオンからオフに切り替え、前記負荷への高電圧パルスの印加を停止する際に、前記第1スイッチをオンからオフに切り替えるとともに前記第2スイッチをオフからオンに切り替える制御部と、
を備え、前記負荷に高電圧パルスを印加するべく前記第1及び第2スイッチを切り替えた直後に、その直前まで前記キャパシタに保持されていた電荷を、オンした前記第1スイッチを通して前記負荷の容量に供給して該容量を充電するようにしたことを特徴としている。
In order to solve the above problems, the present invention provides a high-voltage power supply apparatus that switches a voltage from a DC high-voltage power supply to generate a high-voltage pulse and supplies it to a capacitive load.
a) a first switch for opening and closing a line from the output end of the DC high-voltage power supply to the load;
b) a second switch for opening and closing between the output end of the first switch and the common line;
c) a capacitor connected between the input end of the first switch and the common line;
d) When applying the high voltage pulse to the load, switching the first switch from OFF to ON and switching the second switch from ON to OFF, and stopping the application of the high voltage pulse to the load A controller that switches the first switch from on to off and switches the second switch from off to on;
Immediately after switching the first and second switches to apply a high voltage pulse to the load, the charge held in the capacitor until immediately before is switched through the first switch that is turned on. To charge the capacity.
本発明に係る高電圧電源装置において、第1及び第2スイッチは高耐圧(つまりは電力用)の半導体スイッチング素子、例えばパワーMOSFETである。また、上記共通線路は典型的にはGND線路である。また、上記キャパシタはコンデンサ素子であってもよいが、例えばケーブル線などの浮遊容量を用いることもできる。 In the high voltage power supply device according to the present invention, the first and second switches are high withstand voltage (that is, power) semiconductor switching elements, for example, power MOSFETs. The common line is typically a GND line. The capacitor may be a capacitor element, but a stray capacitance such as a cable line may be used.
本発明に係る高電圧電源装置において、制御部の制御の下で、第1スイッチがオフ状態、第2スイッチがオン状態であるときには、第2スイッチを通して負荷は共通線路に接続されるため、負荷の容量に蓄積されていた電荷は放電され、負荷の電位は共通線路の電位と等しくなる。一方、このとき、キャパシタには直流高電圧電源による電圧が印加されているため、該キャパシタは充電された状態である。こうした状態から、制御部が、第1スイッチをオンに切り替えるとともに第2スイッチをオフに切り替えると、まずその直前までキャパシタに保持されていた電荷が第1スイッチを通して負荷容量に供給され、該容量は充電される。このときの電荷の供給は直流高電圧電源の出力抵抗の影響を受けないので、この充電に相当する電圧まで負荷に掛かる電圧は迅速に立ち上がる。 In the high voltage power supply device according to the present invention, when the first switch is in the off state and the second switch is in the on state under the control of the control unit, the load is connected to the common line through the second switch. The electric charge stored in the capacitor is discharged, and the potential of the load becomes equal to the potential of the common line. On the other hand, since the voltage from the DC high voltage power source is applied to the capacitor at this time, the capacitor is in a charged state. From this state, when the control unit switches the first switch on and the second switch off, first, the charge held in the capacitor until immediately before is supplied to the load capacitor through the first switch. Charged. Since the charge supply at this time is not affected by the output resistance of the DC high-voltage power supply, the voltage applied to the load quickly rises to a voltage corresponding to this charging.
引き続いて、直流高電圧電源による電圧が第1スイッチを通して負荷に印加される。この電圧の立ち上がりは、直流高電圧電源の出力抵抗と負荷容量及びキャパシタの容量とからなるRC回路の時定数により緩やかになるが、負荷容量は先に或る程度充電されているため、所定の電圧値までの立ち上がり時間はキャパシタによる充電がない場合に比べて確実に短縮される。即ち、本発明に係る高電圧電源装置では、立ち上がりの迅速な高電圧パルスを負荷に印加することができる。
なお、直流高電圧電源による電圧の極性は正、負いずれでもよく、電圧の立ち上がりとは、電圧の絶対値が小さい状態から大きくなるときの変化のことをいう。
Subsequently, a voltage from a DC high voltage power source is applied to the load through the first switch. The rise of this voltage becomes gradual due to the time constant of the RC circuit consisting of the output resistance of the DC high voltage power supply, the load capacitance and the capacitance of the capacitor. However, since the load capacitance is charged to some extent, The rise time up to the voltage value is surely shortened compared to the case where there is no charge by the capacitor. That is, in the high voltage power supply device according to the present invention, a high voltage pulse that rises quickly can be applied to the load.
Note that the polarity of the voltage by the DC high-voltage power supply may be positive or negative, and the rising of the voltage means a change when the absolute value of the voltage increases from a small state.
本発明に係る高電圧電源装置は、例えば数百V程度から数kV程度、或いはさらに大きな電圧値である高電圧パルスを必要とする様々な装置に利用することができるが、特に、直流高電圧電源の出力抵抗を大きくする必要があり、且つ容量性の負荷に高電圧パルスを印加する必要がある装置に有用である。上述したように、ESI法やAPCI法によるイオン化を行う場合には、大きな出力抵抗を通してこれらイオン化を行うイオン源に直流高電圧を印加する必要があり、一方、PESI法によるイオン化を行う場合には、容量性の負荷に高電圧パルスを印加する必要がある。そこで、本発明に係る高電圧電源装置は、ESI法やAPCI法によるイオン化とPESI法によるイオン化とを切り替えて実行可能であるイオン源を搭載した質量分析装置に好適である。 The high-voltage power supply device according to the present invention can be used for various devices that require a high-voltage pulse having a voltage value of, for example, about several hundred V to several kV, or even higher. This is useful for a device that needs to increase the output resistance of a power supply and that needs to apply a high voltage pulse to a capacitive load. As described above, when performing ionization by the ESI method or the APCI method, it is necessary to apply a DC high voltage to the ion source that performs ionization through a large output resistance. On the other hand, when performing ionization by the PESI method It is necessary to apply a high voltage pulse to the capacitive load. Therefore, the high-voltage power supply device according to the present invention is suitable for a mass spectrometer equipped with an ion source that can be switched between ionization by the ESI method or APCI method and ionization by the PESI method.
即ち、上記発明に係る高電圧電源装置を用いた、本発明に係る質量分析装置は、イオン源として、ESI法によるイオン源又はAPCI法によるイオン源の少なくともいずれか一方と、PESI法によるイオン源とを具備し、該PESI法によるイオン源の構成要素である針電極を前記負荷とするとともに、前記直流高電圧電源による電圧が前記ESI法によるイオン源の構成要素であるスプレーノズル又は前記APCI法によるイオン源の構成要素であるコロナ放電用針電極に印加されることを特徴としている。 That is, the mass spectrometer according to the present invention using the high-voltage power supply device according to the present invention includes, as an ion source, at least one of an ion source by an ESI method or an ion source by an APCI method, and an ion source by a PESI method. A spray nozzle or the APCI method in which a needle electrode, which is a component of an ion source by the PESI method, is used as the load, and a voltage from the DC high-voltage power source is a component of the ion source by the ESI method It is characterized by being applied to a corona discharge needle electrode which is a constituent element of the ion source.
ここでPESI法によるイオン源は、針電極と、該針電極の先端に試料を付着させるべく該針電極又は試料の少なくとも一方を移動させる移動部と、を含む構成である。この構成において、移動部により針電極又は試料の少なくとも一方を移動させて、針電極の先端を試料に接触させ又は僅かに刺入させ、針電極先端に試料の一部を付着させる。そのあと、試料から離間させた針電極に高電圧パルスを印加し、針電極に付着している試料中の成分をイオン化する。本発明に係る質量分析装置では、このときに針電極に印加される高電圧パルスの立ち上がりを迅速にすることができるので、高電圧パルスの時間幅を狭くしておいても、エレクトロスプレーに必要な電圧を確実に針電極に印加することができる。それによって、PESI法によるイオン生成効率を高めることができる。 Here, the ion source based on the PESI method includes a needle electrode and a moving unit that moves at least one of the needle electrode or the sample to attach the sample to the tip of the needle electrode. In this configuration, at least one of the needle electrode and the sample is moved by the moving unit, the tip of the needle electrode is brought into contact with or slightly inserted into the sample, and a part of the sample is attached to the tip of the needle electrode. After that, a high voltage pulse is applied to the needle electrode separated from the sample to ionize components in the sample adhering to the needle electrode. In the mass spectrometer according to the present invention, the rising of the high voltage pulse applied to the needle electrode at this time can be made quick, so it is necessary for electrospray even if the time width of the high voltage pulse is narrowed. A reliable voltage can be applied to the needle electrode. Thereby, the ion generation efficiency by the PESI method can be increased.
本発明に係る高電圧電源装置によれば、直流電圧を発生する直流高電圧電源の出力抵抗が大きくても、容量性の負荷に印加する高電圧パルスを高速に立ち上げることができる。それにより、例えば高電圧パルスのパルス幅を狭くしても、確実に所定の電圧値(パルス高)のパルスを印加することができる。さらにまた、それによって、高電圧パルスの発生周期を短くすることもできる。 According to the high-voltage power supply device according to the present invention, even if the output resistance of the direct-current high-voltage power supply that generates direct-current voltage is large, the high-voltage pulse applied to the capacitive load can be started up at high speed. Thereby, for example, even if the pulse width of the high voltage pulse is narrowed, a pulse having a predetermined voltage value (pulse height) can be reliably applied. Furthermore, the generation cycle of the high voltage pulse can be shortened thereby.
また本発明に係る高電圧電源装置を用いた質量分析装置によれば、PESIイオン源の針電極に印加する高電圧パルスのパルス幅を狭くしても十分な量のイオンを生成することができる。また、それによって、PESIイオン源を用いた質量分析の測定の繰り返し周期を短くして、測定の効率を高めることもできる。 Further, according to the mass spectrometer using the high voltage power supply device according to the present invention, a sufficient amount of ions can be generated even if the pulse width of the high voltage pulse applied to the needle electrode of the PESI ion source is narrowed. . Further, it is possible to shorten the repetition period of the mass spectrometry measurement using the PESI ion source and increase the measurement efficiency.
以下、本発明に係る高電圧電源装置の一実施例、及びこの装置を用いた質量分析装置の一実施例について、図面を参照して説明する。
図1は本発明に係る高電圧電源装置を用いた質量分析装置の一実施例の概略構成図である。
Hereinafter, an embodiment of a high voltage power supply apparatus according to the present invention and an embodiment of a mass spectrometer using the apparatus will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an embodiment of a mass spectrometer using a high voltage power supply device according to the present invention.
この質量分析装置は、大気圧の下で試料中の成分のイオン化を行うイオン化室1と高真空度の下でイオンの質量分離及び検出を行う分析室4との間に、段階的に真空度が高められた複数(この例では二つ)の中間真空室2、3を備えた多段差動排気系の構成である。図1では、略大気圧に維持されるイオン化室1内にPESIイオン化ユニットAが備えられているが、このイオン化ユニットはESIイオン化ユニット等の別のイオン化ユニットBに交換可能である。
This mass spectrometer has a stepwise vacuum degree between an
PESIイオン化ユニットAは、試料9が載置される試料ステージ8と、試料ステージ8上の空間に配置された針電極10と、所定位置にある針電極10の先端付近に溶媒を噴射するノズル7と、を含む。針電極10は、モータや減速機構或いはアクチュエータなどを含むZ方向駆動部12により、図中のZ軸方向に移動可能である。また、高電圧発生部11から針電極10には、最大で数kV程度の高電圧が印加される。一方、試料ステージ8は、モータや減速機構などを含むX−Y方向駆動部13により、図中のX軸方向及びY軸方向に移動可能である。それによって、針電極10が降下したときに、該針電極10の先端が接触する試料9表面上の位置はX−Y平面内で任意に移動可能である。溶媒容器5中には、水、アルコール類、アセトニトリルなど所定の溶媒が貯留され、送液ポンプ6が作動すると該ポンプ6により略一定流量で溶媒容器5中から吸引された溶媒が、ノズル7から微細液滴として噴出される。
The PESI ionization unit A includes a sample stage 8 on which a sample 9 is placed, a
イオン化室1内と第1中間真空室2内とは細径の脱溶媒管14を通して連通しており、脱溶媒管14の両端開口の圧力差によって、イオン化室1内のガスは脱溶媒管14を通して第1中間真空室2内へと引き込まれる。第1中間真空室2内には、イオン光軸Cに沿って配列された複数枚の円板状の電極板を一つの仮想的ロッド電極とし、イオン光軸Cの周りに四つの仮想的ロッド電極を配置したQアレイと呼ばれる第1イオンガイド15が設置されている。第1中間真空室2内と第2中間真空室3内とはスキマー16の頂部に形成された小径のオリフィスを通して連通している。第2中間真空室3内には、イオン光軸Cの周りに8本のロッド電極を配置したオクタポール型の第2イオンガイド17が設置されている。最後段の分析室4内には、イオン光軸Cの周りに4本のロッド電極を配置した四重極マスフィルタ18と、到達したイオンの量に応じた信号を出力するイオン検出器19とが配置されている。第1イオンガイド15、第2イオンガイド17、四重極マスフィルタ18、さらには信号線の記載を省略しているものの、脱溶媒管14やイオン検出器19などの各部には、電圧発生部20よりそれぞれ所定の電圧が印加される。
The inside of the
制御部22は試料9に対する質量分析を実行するために、高電圧発生部11、Z方向駆動部12、X-Y方向駆動部13、電圧発生部20などをそれぞれ制御する。また、イオン検出器19による検出信号はデータ処理部21に入力され、ここでデジタルデータに変換されたあとに所定のデータ処理が実行される。制御部22にはユーザインターフェイスを担う入力部23や表示部24が接続されている。
The
この質量分析装置において、目的とする試料9に対するマススペクトルデータを取得する際の質量分析動作について概略的に説明する。ここで分析対象とする試料9は、例えば被検者から採取された細胞組織などである。 In this mass spectrometer, a mass analysis operation when acquiring mass spectrum data for the target sample 9 will be schematically described. The sample 9 to be analyzed here is, for example, a cell tissue collected from a subject.
図1に示すように、試料9が試料ステージ8上に載置された状態で、制御部22の制御の下にZ方向駆動部12は針電極10を、その先端が試料9の上面に僅かに接触する位置(図1中の点線の位置)まで降下させ、次いで針電極10を所定位置(図1中の実線の位置)まで上昇させる。これにより、針電極10の先端には試料9のごく一部が付着する。試料ステージ8上の試料を符号9、針電極10に付着した試料を符号9aで記す。X-Y方向駆動部13により試料ステージ8を適宜移動させることで、試料9の面上で針電極10により試料9aが採取される部位を任意に変更することができる。
As shown in FIG. 1, with the sample 9 placed on the sample stage 8, under the control of the
そのあと、高電圧発生部11は針電極10に所定の高電圧パルスを印加し、同時に、送液ポンプ6の動作によりノズル7から微細化された溶媒液滴を針電極10先端に向けて噴射させる。なお、針電極10に印加される高電圧の極性は分析対象の成分の種類などに依存する。針電極10先端に高電圧パルスが印加されると、付着している試料9a中に大きな電場が作用し、クーロン斥力等により試料9aは片寄った電荷を有しながら脱離する。その過程で、試料分子がイオン化される。発生したイオンは、上述したように圧力差によって生じているガスの流れに乗って脱溶媒管14中に吸い込まれ、第1中間真空室2内に送られる。
Thereafter, the
針電極10に付着した試料9aは乾燥し易いが、ノズル7から溶媒を噴霧することによって針電極10の表面で試料9aを溶解させつつ又は適度な湿り気を保持させつつ良好にイオン化することができる。また、溶媒の供給によってエレクトロスプレーを緩慢に行うようにすることができるので、試料9aに複数の成分が含まれる場合でも、イオン化し易い成分のイオン化を遅らせながら複数の成分を漏れなくイオン化することができる。
The
第1中間真空室2に送り込まれた試料9a由来のイオンは第1イオンガイド15により形成される高周波電場で収束されつつ輸送され、スキマー16頂部のオリフィスを経て第2中間真空室3へ送られる。さらに、イオンは第2イオンガイド17により形成される高周波電場で収束されつつ分析室4へと送られる。四重極マスフィルタ18には電圧発生部20から直流電圧に高周波電圧を重畳した電圧が印加され、その電圧に応じた質量電荷比m/zを有するイオンのみが四重極マスフィルタ18の長軸方向の空間を通り抜け、それ以外の質量電荷比のイオンは途中で発散する。電圧発生部20から四重極マスフィルタ18に印加される電圧は所定の範囲で走査され、その走査に伴い四重極マスフィルタ18を通過し得るイオンの質量電荷比は所定範囲で走査される。したがって、1回の電圧走査の間にイオン検出器19に到達するイオンの強度を時間経過に伴って測定することで、所定の質量範囲のイオン強度情報、つまりはマススペクトル情報を得ることができる。
The ions derived from the
データ処理部21は上記のようなマススペクトルデータを収集し、これをデータ記憶装置に格納する。なお、同じ質量電荷比範囲を複数回走査し、各走査でそれぞれ得られたデータを質量電荷比毎に積算してマススペクトルデータとしてもよい。
以上のようにして、この質量分析装置では、試料9上のごく微小な特定部位のマススペクトルデータを得ることができる。同じ試料9に対し異なる部位のマススペクトルデータを得たい場合には、X-Y方向駆動部13により試料ステージ8を適宜移動させつつ、Z方向駆動部12により針電極10を降下させて試料9に接触させ、針電極10先端に試料9の一部を付着させて、上述したようなイオン化及び質量分析を行えばよい。
The
As described above, this mass spectrometer can obtain mass spectrum data of a very small specific portion on the sample 9. When it is desired to obtain mass spectrum data of different parts with respect to the same sample 9, the sample stage 8 is appropriately moved by the XY
上述したように、イオン化に際し高電圧発生部11は針電極10に高電圧パルスを印加する。この高電圧発生部11が本発明に係る高電圧電源装置の一実施例である。
図2は高電圧発生部11の概略構成図である。
この高電圧発生部11は、最大数kV程度(極性は正、負切替可能)の直流高電圧を出力する直流高電圧電源110と、高電圧スイッチング回路112と、を含む。この直流高電圧電源110はPESIイオン化ユニットAの代わりに装着されるESIイオン化ユニット、やAPCIイオン化ユニットであるイオン化ユニットBへ直流高電圧を印加するのにも利用される。即ち、直流高電圧電源110は複数のイオン化ユニットに共用される。一方、高電圧スイッチング回路112はPESIイオン化ユニットAのみに使用される。
上述したような理由により、直流高電圧電源110の出力抵抗111の抵抗値R1は数MΩ以上である。
As described above, the
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the
The
For the reasons described above, the resistance value R1 of the
高電圧スイッチング回路112は、入力端117から入力される直流高電圧を分圧するために、一端が入力端117に接続され、他端がGNDに接続された、抵抗値がR2である抵抗器113と、抵抗器113と並列に接続された、キャパシタンスがC1であるコンデンサ114と、一端が入力端117に、他端が出力端118に接続された第1スイッチ115と、一端が出力端118に、他端がGNDに接続された第2スイッチ116と、を含む。第1スイッチ115及び第2スイッチ116はいずれも電力用MOSFET等の高耐圧の半導体スイッチング素子であり、制御部22からの制御信号によりオン及びオフが切り替わるように駆動される。高電圧スイッチング回路112の出力端118には高耐圧ケーブル線を介して針電極10が接続される。この高耐圧ケーブル線は浮遊容量を有するが、この容量は出力端118からみると負荷容量と同じであるから、図2では、これをキャパシタンスがC2である負荷容量100として記載してある。
The high
なお、抵抗器113は原理的には必須な構成要素ではない。この例では、直流高電圧電源110の最大出力電圧が約5kVであるのに対し、第1、第2スイッチ115、116の耐圧が4kV程度であるため、抵抗器113を用いてスイッチ115、116に印加される電圧を抑えている。スイッチ115、116の耐圧が十分に高い場合、或いは直流高電圧電源110の最大出力電圧自体が低ければ抵抗器113は不要である。また、コンデンサ114は独立した回路素子ではなく、直流高電圧電源110と高電圧スイッチング回路112との間を接続するケーブル線などの浮遊容量で以て置き換えることも可能である。
The
この高電圧発生部11の特徴的な動作を図3を参照して説明する。
第1スイッチ115がオン状態、第2スイッチ116がオフ状態であるとき、高電圧発生部11から針電極10には高電圧が印加されている。出力電圧をターンオフする場合、制御部22からの指示により、第1スイッチ115はオン→オフ、第2スイッチ116はオフ→オンに切り替わる。すると、図3(a)に示すように、一端がGNDに接続されている負荷容量100の他端は第2スイッチ116を通してGNDに接続されるため、その直前まで負荷容量100に充電されていた電荷は第2スイッチ116を通して放電される。これにより、出力電圧は短時間で低下し、負荷、つまり針電極10の電位はGNDレベルとなる。即ち、高電圧パルスの立ち下がりは迅速である。
A characteristic operation of the
When the
なお、当然のことながら、両スイッチ115、116が同時にオン状態となると、直流高電圧電源110の出力が短絡してしまうため、これを回避するべく、両スイッチ115、116が同時にオンしないようにオン・オフの切替タイミングは適切に調整されている。これは次の出力電圧ターンオン時も同様である。
As a matter of course, when both
出力電圧ターンオン時には、制御部22からの指示により、第1スイッチ115はオフ→オン、第2スイッチ116はオン→オフに切り替わる。この出力電圧ターンオン時の動作は2段階に分けて説明できる。
出力電圧ターンオン時の直前、つまり二つのスイッチ115、116が図3(a)に示す状態にあるとき、コンデンサ114の両端の電圧VAは次の(1)式で示される。
VA={R2/(R1+R2)}VE …(1)
ここで、VEは直流高電圧電源110の出力電圧である。上述したように、このとき負荷容量100の両端電圧は0Vである。この状態から出力電圧をターンオンすると、図3(b)に示すように、コンデンサ114に充電されている電荷が第1スイッチ115を通して短時間で負荷容量100に移動する。この移動後のコンデンサ114及び負荷容量100の両端の電圧VBは次の(2)式で示される。
VB={C1/(C1+C2)}VA …(2)
これが、出力電圧立ち上がり動作の第1段階である。
When the output voltage is turned on, the
Immediately before the output voltage is turned on, that is, when the two
VA = {R2 / (R1 + R2)} VE (1)
Here, VE is an output voltage of the DC high
VB = {C1 / (C1 + C2)} VA (2)
This is the first stage of the output voltage rising operation.
次に、図3(c)に示すように、コンデンサ114及び負荷容量100はいずれも直流高電圧電源110による電圧によって充電され、それにより出力電圧はR1×(C1+C2)の時定数で緩やかに上昇する。そして、最終的に定常電圧VAに達する。これが出力電圧立ち上がり動作の第2段階である。
いま、第2段階の出力電圧Vo(t)、及び通過電流I1、I2を図3(d)のように定義すると、
VE=(I1+I2)R1+Vo(t) …(3)
ただし、I1=(C1+C2)(dVo(t)/dt)、I2=Vo(t)/R2
と表される。(3)式の微分方程式を初期条件Vo(t)=VB(ただしt=0のとき)で解くと(4)式となる。
Vo(t)=VA[1−(C2×P)exp{−Pt((1/R1)+(1/R2))}] …(4)
ただし、P=1/(C1+C2)
Next, as shown in FIG. 3 (c), both the
Now, if the output voltage Vo (t) in the second stage and the passing currents I1 and I2 are defined as shown in FIG.
VE = (I1 + I2) R1 + Vo (t) (3)
However, I1 = (C1 + C2) (dVo (t) / dt), I2 = Vo (t) / R2
It is expressed. When the differential equation (3) is solved under the initial condition Vo (t) = VB (where t = 0), equation (4) is obtained.
Vo (t) = VA [1- (C2 * P) exp {-Pt ((1 / R1) + (1 / R2))}] (4)
However, P = 1 / (C1 + C2)
図4は、図2に示した回路によりPESIイオン源の針電極に印加される電圧を実測した波形である。
この実測波形から、本実施例の高電圧発生部11では、直流高電圧電源110の出力抵抗が大きく、負荷が容量性であっても、該負荷に印加する高電圧パルスの立ち上がりが高速化できていることが確認できる。
FIG. 4 is a waveform obtained by actually measuring the voltage applied to the needle electrode of the PESI ion source by the circuit shown in FIG.
From this measured waveform, in the
なお、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形、修正、追加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。例えば、上記実施例の高電圧電源装置は質量分析装置におけるイオン源の電源のみなず、同様に高電圧パルスが必要な各種の装置に利用することができる。 It should be noted that the above embodiment is an example of the present invention, and it is obvious that any modification, correction, or addition as appropriate within the scope of the present invention is included in the scope of the claims of the present application. For example, the high voltage power supply device of the above embodiment can be used not only for the power source of the ion source in the mass spectrometer, but also for various devices that require high voltage pulses.
1…イオン化室
5…溶媒容器
6…送液ポンプ
7…ノズル
8…試料ステージ
9…試料
10…針電極
11…高電圧発生部
12…Z方向駆動部
13…X−Y方向駆動部
22…制御部
100…負荷容量
110…直流高電圧電源
111…出力抵抗
112…高電圧スイッチング回路
113…抵抗器
114…コンデンサ
115、116…スイッチ
117…入力端
118…出力端
DESCRIPTION OF
Claims (1)
a)前記直流高電圧電源の出力端から前記負荷に至る線路を開閉する第1スイッチと、
b)前記第1スイッチの出力端と共通線路との間を開閉する第2スイッチと、
c)前記第1スイッチの入力端と前記共通線路との間に接続されたキャパシタと、
d)前記負荷に高電圧パルスを印加する際に、前記第1スイッチをオフからオンに切り替えるとともに前記第2スイッチをオンからオフに切り替え、前記負荷への高電圧パルスの印加を停止する際に、前記第1スイッチをオンからオフに切り替えるとともに前記第2スイッチをオフからオンに切り替える制御部と、
を備え、前記負荷に高電圧パルスを印加するべく前記第1及び第2スイッチを切り替えた直後に、その直前まで前記キャパシタに保持されていた電荷を、オンした前記第1スイッチを通して前記負荷の容量に供給して該容量を充電するようにした高電圧電源装置を用いた質量分析装置において、
イオン源として、エレクトロスプレーイオン化法によるイオン源又は大気圧化学イオン化法によるイオン源の少なくともいずれか一方と、探針エレクトロスプレーイオン化法によるイオン源とを具備し、該探針エレクトロスプレーイオン化法によるイオン源の構成要素である針電極を前記負荷とするとともに、前記直流高電圧電源による電圧が前記エレクトロスプレーイオン化法によるイオン源の構成要素であるスプレーノズル又は前記大気圧化学イオン化法によるイオン源の構成要素であるコロナ放電用針電極に印加されることを特徴とする質量分析装置。 A voltage by the DC high voltage power supply to a high voltage power supply unit for supplying to the switching to a generated capacitive high voltage pulsed load,
a) a first switch for opening and closing a line from the output end of the DC high-voltage power supply to the load;
b) a second switch for opening and closing between the output end of the first switch and the common line;
c) a capacitor connected between the input end of the first switch and the common line;
d) When applying the high voltage pulse to the load, switching the first switch from OFF to ON and switching the second switch from ON to OFF, and stopping the application of the high voltage pulse to the load A controller that switches the first switch from on to off and switches the second switch from off to on;
Immediately after switching the first and second switches to apply a high voltage pulse to the load, the charge held in the capacitor until immediately before is switched through the first switch that is turned on. In a mass spectrometer using a high voltage power supply device that is charged to charge the capacity ,
The ion source includes at least one of an ion source based on an electrospray ionization method or an ion source based on an atmospheric pressure chemical ionization method, and an ion source based on a probe electrospray ionization method. The configuration of the ion source by the spray nozzle or the atmospheric pressure chemical ionization method in which the needle electrode, which is a component of the source, is used as the load, and the voltage from the DC high-voltage power source is a component of the ion source by the electrospray ionization method A mass spectrometer characterized by being applied to a corona discharge needle electrode as an element.
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