JP6181764B2 - ハイブリッドイオン源及び質量分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、試料からイオンを生成するためのイオン源装置及びそれを用いた質量分析計に関する。

大気圧イオン化質量分析計は、大気圧下で生成したイオンを真空系に導入してイオンの質量を分析する。広く使われている大気圧イオン化法には、エレクトロスプレーイオン化法（electrospray ionization：ＥＳＩ）、大気圧化学イオン化法（atmospheric pressure chemical ionization：ＡＰＣＩ）がある。

ＥＳＩは、高電圧を印加した試料噴霧管（キャピラリー）に試料溶液を流して噴霧することにより帯電液滴を生成し、この帯電液滴が蒸発と分裂を繰り返すことによりイオンを生成する方式である。ＥＳＩでは、試料噴霧管の同軸外周にネブライザーガス管を設置し、噴出するネブライザーガスにより微小な帯電液滴に噴霧する方法も用いられる。また、特に送液流速が速い時には、加熱したガス（ヒーティングガス）を大量に噴霧して液滴の蒸発・気化を促進させる方式が併用される。ＥＳＩは、分子量の大きい高分子量試料や極性が大きい高極性試料などに適用可能なイオン化法である。

ＡＰＣＩは、試料溶液を加熱気化して得られる試料分子をコロナ放電によりイオン化する方式である。この方式の場合、コロナ放電により生成された一次イオンと試料分子の間で電荷の移動が生じ、試料分子がイオン化される。ＡＰＣＩは、ＥＳＩに比べて分子量の小さい低分子量試料や極性が小さい低極性試料にも適用可能である。

このため、分析対象の試料によって、イオン化法を使い分ける必要がある。そのような理由から、イオン化原理の異なる複数のイオン化方式（例えばＥＳＩとＡＰＣＩ）を１つのイオン源で実現できれば、測定対象とする物質の範囲を拡大することが可能となる。

特許文献１には、ＥＳＩとＡＰＣＩの２つのイオン化方式の切り替えを、ＥＳＩ用のプローブとＡＰＣＩ用のプローブを手動で入れ替えることによって実施する方法が記載されている。

特許文献２及び特許文献３には、プローブ等を入れ替えることなく、ＥＳＩとＡＰＣＩを同一構成のイオン源で実行するための方式が提案されている。ＥＳＩによる静電噴霧部とＡＰＣＩによる針電極とが同じ空間内に配置され、ＥＳＩによるイオン化とＡＰＣＩによるイオン化が同時に実行される。

特許文献４には、イオン化のプローブ（ニードル）に対して、軸方向に移動可能な霧化室を設け、霧化室をＥＳＩとＡＰＣＩで移動することでイオン化法を切り替える構成が記載されている。ＥＳＩではニードルの先端が霧化室よりも前方に突出した配置、ＡＰＣＩではニードルの先端が霧化室の内部に位置する配置になるように、移動機構によりニードルと霧化室が移動する。この方法により、短時間で簡単にイオン化法の切り替えが可能となるとされている。

特許文献1 : 米国特許第６７５９６５０号明細書
特許文献2 : 特許第４５５３０１１号公報
特許文献3 : 米国特許第７４８８９５３号明細書
特許文献4 : 特開平８−２３６０６４号公報

特許文献１では、イオン化法を切り替えるのに、ＥＳＩ用のイオン化プローブとＡＰＣＩ用のイオン化プローブを手動で切り替えるために時間がかかり、煩雑な作業が発生する。またヒーターのon／offの作業が必要なため、温度を上げたり下げたりして温度が安定するのに数１０分程度の時間を要する。

特許文献２や特許文献３の例では、同時にＥＳＩとＡＰＣＩのどちらのイオン化も実施しているために、原理的にどちらで生成されたイオンも観測可能である。しかし、同時にイオン化しているため、感度低下の問題が発生する。

特許文献４では、イオン化法の切り替えの際に、霧化室のヒーターをon／offする必要があるために待ち時間が発生する問題がある。すなわち、ＥＳＩではヒーターをoff、ＡＰＣＩではヒーターをonするため、ヒーターの温度が一定に安定するまでに少なくとも数分から数１０分は要することが予想されるため、高スループット分析が困難である。

ここで、特許文献４で霧化室のヒーターをどちらのイオン化法でも常時ヒーターoff又は常時ヒーターonのケースを考える。この場合には温度が安定になるまでの待ち時間がないために、高速にイオン化法の切り替えが可能となる。しかし、以下の課題が予想される。常時ヒーターoffの場合では、ＥＳＩの時には問題なく動作すると予想されるが、ＡＰＣＩの時にヒーターがoffであれば、霧化室での気化効果がほとんどないために大幅に感度低下することが予想される。次に、常時ヒーターonの場合には、ＥＳＩ時に霧化室を加熱されるために、液体試料が突沸（沸騰）してうまく静電噴霧（エレクトロスプレー）されず、感度低下する又はイオン化が不安定になりイオン強度が変動する問題が発生する。

以上のように従来技術には、感度低下又はイオン化切り替えに時間がかかるといった問題がある。

本発明は、複数のイオン化方式を短時間で簡単に切り替えが可能で、かつ高感度なハイブリッドイオン源及びそのイオン源を用いた質量分析装置を提供するものである。

本発明のイオン源は、試料を噴霧するためのイオン化プローブと、内部に試料流路を備え、試料流路を通過する試料を加熱気化するための加熱室と、イオン化プローブの出口端と加熱室の入口端との間の距離を変化させるための駆動部とを有し、駆動部によりイオン化プローブと加熱室との間の距離を変化させて複数のイオン化法を個別に実施する。

複数のイオン化法は、例えばＥＳＩとＡＰＣＩ又はＥＳＩとＡＰＰＩである。

駆動部は、イオン化プローブと加熱室の少なくとも一方を直線的に駆動してもよいし、固定点を中心に回転移動してもよい。

また、本発明の質量分析装置は、試料をイオン化するイオン源と、イオン源によりイオン化された試料イオンを導入するイオン導入口を有し、イオン導入口から導入されたイオンを質量分析する質量分析計と、制御部とを有し、イオン源は、試料を噴霧するためのイオン化プローブと、内部に試料流路を備え試料流路を通過する試料を加熱気化するための加熱室と、イオン化プローブの出口端と加熱室の入口端との間の距離を変化させるための駆動部とを備え、制御部により駆動部を制御して、質量分析計のイオン導入口に対するイオン化プローブ及び／又は加熱室の位置関係を変化させることにより複数のイオン化法を個別に実施する。

制御部は、イオン化プローブを用いたイオン化法の試料イオン化領域あるいはイオン化プローブと加熱室を用いたイオン化法の試料イオン化領域が質量分析計のイオン導入口の近くに位置するように、駆動部を制御する。

具体的な一例を挙げると、複数のイオン化法はＥＳＩとＡＰＣＩ又はＥＳＩとＡＰＰＩであり、制御部は、ＥＳＩモードでは、イオン化プローブの出口端と質量分析計のイオン導入口の間に加熱室が存在しない配置となるように駆動部を制御し、ＡＰＣＩモード又はＡＰＰＩモードでは、イオン化プローブの出口端と質量分析計のイオン導入口の間に加熱室が存在する配置となるように駆動部を制御する。

本発明によれば、イオン化方法の切り替え時にヒーターの温度が安定するのを待つ必要が無く常に温度を一定に保つことができるため、短時間で高速にイオン化法を切り替えることが可能である。また各イオン化法はそれぞれの最適条件で実施可能なため、高感度な分析が可能となる。

上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

第１実施例におけるイオン源の構成例（ＥＳＩモード）を示す断面摸式図。 第１実施例におけるイオン源の構成例（ＡＰＣＩモード）を示す断面摸式図。 分析及びイオン化法の切り替えの例を示すタイムチャート。 分析及びイオン化法の切り替えの例を示すタイムチャート。 加熱室の構造の例を示す断面模式図。 加熱室の構造の例を示す断面模式図。 加熱室の構造の例を示す断面模式図。 加熱室の構造の例を示す断面模式図。 加熱室の構造の例を示す断面模式図。 加熱室の構造の例を示す断面模式図。 加熱室の構造の例を示す断面模式図。 加熱室の構造の例を示す断面模式図。 加熱室の構造の例を示す断面模式図。 加熱室の構造の例を示す断面模式図。 システム構成例を示すブロック図。 第２実施例におけるイオン源の構成例（ＥＳＩモード）を示す断面摸式図。 第２実施例におけるイオン源の構成例（ＡＰＣＩモード）を示す断面摸式図。 第３実施例におけるイオン源の構成例（ＥＳＩモード）を示す断面摸式図。 第３実施例におけるイオン源の構成例（ＡＰＣＩモード）を示す断面摸式図。 第４実施例におけるイオン源の構成例（ＥＳＩモード）を示す断面摸式図。 第５実施例におけるイオン源の構成例（ＡＰＰＩモード）を示す断面摸式図。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

本発明は、ＥＳＩとＡＰＣＩなどの２つのイオン化法を切り替えるものであり、イオン化プローブと加熱室を相対移動によって結合・分離させることによって両者を高速に切り替える。なお、図面は本発明の原理に則った具体的な実施例を示しているが、これらは本発明の理解のためのものであり、本発明を限定的に解釈するために用いられるものではない。

［第１実施例］
図１及び図２は、本発明の第１実施例による質量分析装置及びイオン源の構成例を示す断面摸式図である。図には、試料を噴霧するイオン化プローブ１、試料を加熱する加熱室１１、及び質量分析計２４を示した。本実施例では、ＥＳＩモード（図１）とＡＰＣＩモード（図２）の２つモードが存在し、モード毎にイオン源の構成が異なるため、イオン化法を切り替えるためにモード切り替えが行われる。モード切り替えは、イオン化プローブ１と加熱室１１の２つのパーツの相対移動により実施され、コンピューター制御による自動切り替えが可能である。

イオン化プローブ１の構造について説明する。イオン化プローブ１は、３つの円筒管が同軸に重なった構造である。３つの円筒管は、試料５を送液する試料噴霧管２、ネブライザーガス６を流すネブライザーガス管３、ヒーティングガス７を流すヒーティングガス管４からなり、それぞれ管の内側を試料あるいはガスが流される。試料５は、有機溶媒（メタノール、アセトニトリルなど）や水などの溶媒もしくはそれらの混合溶媒によって希釈された液体試料である。液体試料はポンプによって送液され、およそ数ｎＬ／ｍｉｎ〜数ｍＬ／ｍｉｎ程度の範囲で送液される。試料噴霧管２は、例えば金属からなるキャピラリーであり、その内径は数μｍから数百μｍ程度である。また金属キャピラリーではなく、ガラスのキャピラリーも使用可能である。ネブライザーガス６は、試料溶液を噴霧して霧状にスプレーする効果があり、試料５は、ネブライザーガスによりイオン化プローブ１の出口端８から噴霧される。またヒーティングガス７は、試料溶液の気化を促進し、イオンの生成を促進して感度向上に寄与する。どちらのガスも０〜数１０Ｌ／ｍｉｎ程度の範囲の流量で設定される。イオン化プローブ１は、支持部３４により駆動部３３と接続され、駆動部３３により移動可能である。支持部３４や駆動部３３の例としては、一方向に可動する駆動ステージを用いることが可能である。イオン化プローブ１は、図１及び図２のように、ＥＳＩモードとＡＰＣＩモードでは、イオン化プローブ１の長軸方向（図の上下方向）に移動する。試料噴霧管２は、高電圧電源９に接続され、高電圧が印加される。

加熱室１１は、ＡＰＣＩの試料を加熱し、気化を促進させる役割がある。加熱室１１の外形は円筒形状をしており、その内部は噴霧された試料が通過できるように穴が空いていて空洞になっている。加熱室１１は、金属又はセラミックなど、熱伝導が良い材料を用い、また加熱室の内部にはヒーターが取り付けられていて任意の温度（例えば数１００℃）に制御可能である。加熱室１１は、支持部３２により駆動部３１と接続され、駆動部３１により移動可能である。加熱室１１も、イオン化プローブ１と同様にイオン化プローブ１の長軸方向（図の上下方向）に移動する。さらに加熱室１１には、支持部１３により支持された放電電極１２が装着されており、加熱室１１と連動して放電電極１２も一緒に移動する。これにより、駆動部１つで加熱室１１と放電電極１２を同時に移動させることが可能である。放電電極１２は、高電圧電源１０に接続され、高電圧を印加することで、質量分析計の導入口２５の電極と放電しイオン化が可能になる。外形は円筒形状以外にも、任意の形状で可能である。例えば、四角柱でもよい。

生成された試料イオンは導入口２５から質量分析計２４に入り、質量分析されることにより、ｍ／ｚ（質量電荷比）とイオン量の質量スペクトルが得られる。

ＥＳＩモードとＡＰＣＩモードの構成と特徴、及びイオン化法の切り替え方法について説明する。イオン化法の切り替えは、駆動部３１，３３によりイオン化プローブ１と加熱室１１が移動して構成を変更することで行われる。駆動部３１，３３は、支持部３２，３４を通じて、イオン化プローブ１や加熱室１１を移動させることができる。駆動部及び支持部には、例えば一軸方向に可動なステージを用いる。ステージ移動は手動で行ってもよいし、コンピューターによる自動制御で行ってもよい。

ＡＰＣＩモードからＥＳＩモードへは、加熱室１１が質量分析計２４の導入口２５よりも下方へ移動し、かつイオン化プローブ１もその出口端８が導入口２５付近に来るように下方へ移動することで切り替わる。ＥＳＩモードでは、試料５はヒーティングガス７を用いて加熱・気化されるため、図１に示すようにイオン化プローブ１の出口端８が質量分析計２４の導入口２５の付近に配置される。これによりイオン化プローブの出口端８から噴霧された試料イオンを効率よく質量分析計２４に導入することができる。

またＥＳＩモードでは、試料又は試料イオンが加熱室１１を通過しないように、イオン化プローブ１の出口端８に近接して位置するＥＳＩイオン化領域２１外の下方のＥＳＩのイオン化を阻害しない位置に加熱室１１を移動させて配置する。もし試料溶液の突沸（沸騰）が起これば、エレクトロスプレーが不安定になり感度低下や信号強度が不安定になる問題が発生する。加熱室１１をイオン化プローブ１から遠ざけることで、加熱室１１が高温であっても、イオン化プローブ１の試料導入管２を加熱して出口端８から出る液体試料を突沸させることなく、試料溶液の安定した静電噴霧が可能となる。試料噴霧管２は高電圧電源９から高電圧が印加され、イオン化プローブ１の出口端８の試料噴霧管２からＥＳＩイオン化領域２１に静電噴霧（スプレー）された試料はイオン化される。

ＡＰＣＩモードでは、試料気化促進のために加熱室１１は高温に加熱して使用するため、ＥＳＩモードでも加熱室１１を加熱して高温のままにしておくことが望ましい。その理由は、イオン化モード切り替えのたびに温度設定を変えると、温度が一定に安定するまでに時間がかかってしまうためである。つまり、イオン化モードの切り替えのたびに数分程度の温度安定待ち時間が発生してしまい、その結果、測定がストップするために測定のスループットが低下する。

また、高温である加熱室１１を用いてＥＳＩ時にＥＳＩのイオン化領域２１を温めることが可能である。加熱室１１から出る輻射熱により、加熱室１１の周辺には常温よりも温度が高い加熱領域が生成されている。特にイオン化プローブ側の加熱領域２７により、噴霧された試料の効率的な気化が可能になり、イオン化領域２１におけるイオン化の促進が期待される。イオン化領域２１の温度調整は、加熱室１１の位置を変える、すなわちイオン化領域２１に近づけるか遠ざけるかにより調整可能である。

上記では、加熱室１１の温度をイオン化モードによらず一定にする（変化させない）方法を説明した。別の方法として、ＥＳＩモードでは、温度変化にあまり時間がかからない程度に加熱室の温度を低下させることも可能である。例えば一例として挙げるならば、ＡＰＣＩモードでは加熱室の温度が６００℃であるが、ＥＳＩモードでは４００℃に下げる方法である。この結果として、加熱室ヒーターの電力消費の抑制が可能となり、またＥＳＩモード時において試料や周辺に余計な熱を伝えないようにすることが可能となる。

次に、ＡＰＣＩモードの構成とその特徴について説明する。ＥＳＩモードからは、イオン化プローブ１が図の上方へ移動し、かつ加熱室１１も図の上方へ移動することで、ＡＰＣＩモードに切り替わる。ＡＰＣＩモードでは、図２に示すように、イオン化プローブ１と導入口２５の間に加熱室１１が挿入され、イオン化プローブ１の出口端８と加熱室１１の入口端１５は近接、又は接触するように配置される。また加熱室１１の出口端３５、または放電電極１２は、質量分析計２４の導入口２５付近になるように配置される。

液体試料は、イオン化プローブ１の出口端８から噴霧され、加熱室の入口端１５から試料流路１７を通過し、加熱室の出口端３５からＡＰＣＩイオン化領域２２に進む。加熱室１１は、加熱室に取り付けられたセラミックヒーター等により数百℃の高温に維持されているため、高温状態にある加熱領域２３及び試料流路１７で加熱・気化される。気化されガス化した試料は、ＡＰＣＩイオン化領域２２で、放電電極１２と質量分析計導入口２４の電極との間のコロナ放電により生成されたイオンによってイオン化される。イオン化された試料イオンは、ＥＳＩと同様に導入口２５から質量分析計２４に入り、質量分析される。

ＡＰＣＩの時は試料噴霧管２に高電圧電源９から高電圧を印加しない方が望ましい。印加するとＡＰＣＩイオン化が阻害され、イオン量が低下することがあるためである。電圧を印加してなくても、試料はネブライザーガス６によって噴霧される。

ＡＰＣＩモード時に、加熱室１１はイオン化プローブ１に最も接近する。１つの望ましい構成として、図２には、イオン化プローブ１と加熱室が接触せずに空間的に離れている構成を示した。この場合、高温の加熱室１１の熱が、イオン化プローブに伝わることを防ぐことができる。このように隔離して断熱構造にすることで、イオン化プローブと加熱室それぞれの温度を管理・制御しやすくなる利点がある。

もう１つの別の望ましい構成として、熱伝導の低い物質を間に挟むことによって、イオン化プローブ１と加熱室１１を物理的に接触・結合する構成がある。結合することで、イオン化プローブ１と加熱室１１の位置関係を再現性良く一致させることができる。

もしイオン化プローブ１（特にヒーティングガス管４）を高温に加熱できる構造であれば、イオン化プローブ１と加熱室１１を直接接触させることが可能である。すなわち、イオン化プローブ１において、ヒーティングガス管４の熱が、試料噴霧管２へ伝わらずに試料溶液が突沸しないような構造、すなわちヒーティングガス管４が高温であっても試料噴霧管２が５０℃以下程度に保たれている構造であれば直接接触が可能である。

本実施例のイオン源の方式には、以下の特徴及びメリットがある。

第１に、イオン化プローブと加熱室を別々に可動式にしたため、ＥＳＩとＡＰＣＩそれぞれのイオン化モードにおいて、最適構成でイオン化が可能であり、高感度測定が実現できる。

第２に、イオン化プローブと加熱室を分離可能であるため、加熱室の温度を常に高温に維持できる。その結果、温度切り替えの必要が無いため温度切り替えに時間をかける必要が無く、イオン化モードの高速切り替え（１０秒以下）が可能であり、高スループットな分析が可能となる。ＥＳＩモードでは、高温の加熱室１１をイオン化プローブ１から遠ざけることで、イオン化プローブの試料噴霧管２が高温になることを防ぐことができ、試料溶液の沸騰（又は突沸）を防ぐことが可能となるために、ＥＳＩモードでも安定した測定が可能になる。

第３に、イオン化プローブのサイズに関係なく加熱室１１の試料流路１７の内径を小さくできるため、ＡＰＣＩ時に高い気化効率が実現可能となる。これは、加熱室が特許文献４と異なり、イオン化プローブから遠ざかる方向へ移動するために、加熱室の流路の内径は、イオン化プローブの外径より小さくする、より具体的にはイオン化プローブのヒーティングガス管の外径よりも小さくする、など任意に設定可能であるためである（特許文献４では不可能）。加熱室の内径は小さい方が、試料の気化効率は向上することが期待される。なぜなら、内径が小さければ、加熱室の熱が狭い流路を通る試料溶液に伝達しやすくなり、気化しやすくなるためである。

分析及びイオン化法の切り替えのシーケンスの例について図３及び図４を用いて説明する。横軸は時間を表し、イオン化法の切り替えと２つのイオン化モードによる分析のタイムシーケンスを示している。切り替えとは２つのイオン化法の切り替えであり、図示の例ではＥＳＩモードからＡＰＣＩモード、又はＡＰＣＩモードからＥＳＩモードに変更する工程である。分析とは、１回インジェクションした試料をＬＣ分離することによって質量分析する時間、又は１回のフローインジェクション分析（ＦＩＡ）である。分析の時間は、ＬＣ分離を用いれば数分から１時間程度、ＦＩＡであれば数分程度である。イオン化モードの切り替えは、駆動部によるイオン化プローブと加熱室の移動に要する数秒から数１０秒程度あれば切り替え可能である。

イオン化モードは、図３に示すように、ＥＳＩモードとＡＰＣＩモードがあり、イオン化モードを切り替える際には、切り替え時間が発生する。切り替え時には、加熱室１１の移動が行われ、さらに、試料の送液速度、ネブライザーガス流量、ヒーティングガス流量、高電圧などが変更され、各イオン化モードにとって最適となるような分析条件で分析される。これら電圧やガス流量は、およそ１０秒程度あれば十分変更可能である。

図４のように、同じイオン化モードでの分析、例えばＡＰＣＩモードでの分析、が連続して行われるのであれば、イオン化モードを切り替える必要はないため、切り替え時間は発生しない。

加熱室１１の入口端１５は、図１に示した漏斗部１４のように漏斗形状になっていれば、ＡＰＣＩモードのとき、ヒーティングガス７、ネブライザーガス６、噴霧された試料５が、加熱室１１の試料流路１７（円筒内部）に集まり通過することが可能となる。これにより、ヒーティングガス７による加熱と、加熱室１１による加熱によって、試料流路１７は加熱され、試料の高い気化効率の実現が期待できる。

質量分析計は、３次元イオントラップやリニアイオントラップなどのイオントラップ質量分析計（ion trap mass spectrometer）、四重極フィルター質量分析計（Quadrupole mass spectrometer：Q Filter）、３連四重極質量分析計（Triple quadrupole mass spectrometer）、飛行時間型質量分析計（Time of flight mass spectrometer：ＴＯＦ／ＭＳ）、フーリエ変換イオンサイクロトロン共鳴質量分析計（Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometer：ＦＴＩＣＲ）、オービトラップ質量分析計（Orbitrap mass spectrometer）、磁場型質量分析計（Magnetic sector mass spectrometer）などが用いられる。また、上記に示した質量分析計以外の既知の質量分析計を用いてもかまわない。

以上、本実施例によれば、イオン化プローブ１と加熱室１１が移動することにより、イオン化モードを切り替える。ＡＰＣＩモードでは、イオン化プローブと加熱室を近接又は接触（結合）させ、一方ＥＳＩモードでは、イオン化プローブと加熱室を遠ざける。この方法により、各イオン化法に最適な構成になるために高効率なイオン化が可能になり、高感度な分析が実現する。また、加熱室の温度を高温に保っておくことができるために、温度切り替えの時間が必要なく、イオン化法の高速切り替えが可能となる。

次に、第１実施例の第２の例について説明する。本実施例は、加熱室の形状が、漏斗形状ではなく、１つの内径の円筒又は２つ以上の異なる内径からなる円筒の例である。それ以外は、第１実施例の第１の例と同様である。

図５は、加熱室１１の試料流路１７が１種類の内径３６の円筒からなる構成の実施例を示す断面模式図である。図はＡＰＣＩモードの配置を示している。本例の構成では、加熱室の試料流路１７の内径３６の小さい狭い部分が長いために、試料流路１７において加熱室の熱が試料に伝わりやすく気化効率の向上が期待できる。また加熱室の構造が簡単であるという利点もある。加熱室１１の内径３６は、ネブライザーガス管３の内径と同程度になっており、ネブライザーガス６により噴霧された試料を加熱室１１により試料流路１７において加熱・気化させることが可能である。この構成では、ヒーティングガスは、ＡＰＣＩモードでは使用せずに、ＥＳＩモードでのみ使用する。

図６は、加熱室１１の試料流路１７が内径３６の異なる２つの円筒を接続した構成の実施例を示す断面模式図である。図はＡＰＣＩモードの配置を示している。加熱室の入口端１５の内径は大きくヒーティングガス管４と同程度であり、一方、出口端３５の内径は小さくなっている。本例の構成では、ネブライザーガス６により噴霧された試料とともに、ヒーティングガス７を加熱室１１の試料流路１７に流すことができるため、加熱室１１における気化効率の向上が期待できる。

第１実施例の第３の例について説明する。本実施例は、ＡＰＣＩの時に、試料の気化効率がさらに向上するように、加熱室１１内部の出口端３５の内径がさらに小さくなっていることを特徴とする。それ以外は、第１実施例の第１の例と同じである。

図７は、第３の例のＡＰＣＩモードを示す断面摸式図である。加熱室１１の試料流路１７の出口端３５が、さらに狭い流路２６になり、穴径が小さくなっている構造である。流路２６を狭くすることで、噴霧された試料溶液がこの流路２６を通る時に、加熱室の熱が通過する試料に伝わりやすくなるため、試料の加熱効率が向上し、気化が促進される。これにより感度向上が可能となる。流路２６の穴の直径は、定型的には０．１ｍｍ〜数ｍｍ程度である。

別の加熱室の構造の例を図８に示す。流路２６の部分が、複数（図では６個）の穴が開いた円筒構造になっている。試料はこの６個の穴を通り、ＡＰＣＩイオン化領域２２の方へ進んでいく。穴の個数は１個以上で任意の個数で可能である。穴の内径を小さくすることにより、円筒内を通過する試料と加熱室が近接するために気化効率の向上が期待でき、また穴を複数設けることで、試料の透過量を確保することができる。

別の加熱室の構造の例を図９に示す。これまでの例では、加熱室１１の試料流路１７は円筒形状であったが、図に示すように四角柱形状あるいはその他の多角柱形状でもよい。試料流路１７の構造は、円柱や円筒形状に限定するものではない。

別の加熱室の構造の例を図１０に示す。図８では試料流路の出口端のみ複数の円筒形状であったが、図１０に示すように加熱室全体にわたり複数の円柱形状であってもよい。また図１１に示すように、漏斗部が無い構造も可能である。

第１実施例の第４の例について説明する。本実施例では、ＥＳＩの時に、加熱室１１を用いてヒーティングガス１６をＥＳＩイオン化領域２１へ流す方法を説明する。それ以外の構成、方法は、第１の例と同じである。

図１２は、ＥＳＩモードの構成例を示す断面模式図である。ＥＳＩモード時には、加熱室１１に、ガス流量制御部１８が装着されていて、ガス配管１９を通してガス流路２０にガスが導入される。ガスは予め加熱されているか、もしくは加熱室１１の流路を通過中に加熱される。加熱されたヒーティングガス１６は加熱室１１の上端の漏斗部１４からＥＳＩイオン化領域２１の方向へ流れていく。ガスには窒素又は空気を用いる。このヒーティングガス１６は、加熱領域２７を加熱することで、ＥＳＩイオン化領域２１周辺も加熱し、エレクトロスプレーにおける試料の気化・脱溶媒を促進し、感度向上に寄与する。ガス流路２０はできるだけ細い内径の円筒形状の方が良い。その方が加熱室１１の熱がガスに伝わりやすくなり、ガスがより効率よく高温になるためである。さらに、ＡＰＣＩモード時に試料が漏斗部１４から出口端３５へ向かって進んでいくため、一部がガス流路２０へ混入する可能性があるため、ガス流路２０はできるだけ小さい穴にしておくことが望ましい。また、ＡＰＣＩモードの際も、ガス流量制御部１８によって微量のガスを流しておくと、噴霧された試料や溶媒の一部がガス流路２０からガス流量制御部１８の方へ混入するのを防ぐことができる。また別の方法として、ＡＰＣＩモード時はガス流路２０を金属やセラミック等により物理的にふさぐ方法も有効である。

また、図のように、ガス流路２０はＥＳＩイオン化領域２１の方向に斜めに開けられている方が望ましい。そうすることでヒーティングガス１６を、ＥＳＩイオン化領域２１の方向（上方）へ効率よく導入することが可能になる。

図１３は、加熱室１１の別の構成を示す断面模式図である。この構成では、加熱室１１の試料流路１７の出口端にふた２７を設けた。ふた２７をつけることで、ＥＳＩモード時に、ガス流量制御部１８から導入されたガスは、試料流路１７に合流したところで漏斗部１４の方へ曲がりＥＳＩイオン化領域２１の方へ流れることができるため、ヒーティングガス１６によって効率の良い脱溶媒が可能となる。一方、ＡＰＣＩの時は、ふた２７を外すことで、漏斗部１４から入った試料は試料流路１７を通り、下方の放電電極１２の方へ通過してイオン化することができる。ふた２７は、イオン化モード切り替え時に自動で開閉すればよい。ふた２７の開閉は、駆動ステージなどの既存の技術を用いることで可能である。さらに、ＡＰＣＩモード時には、ガス流量制御部１８によって微量のガスを流しておくと、噴霧された試料や溶媒の一部がガス流路２０からガス流量制御部１８の方へ混入するのを防ぐことができる。

図１４には、加熱室１１の別の構成を示す。ＥＳＩモード時には、ガス流量制御部１８から導入されたガスは、ガス流路３７を通り、漏斗部１４にある出口から出て、ＥＳＩイオン化領域２１の方へヒーティングガス１６として流れていく。ＡＰＣＩモード時に試料が通過する試料流路１７とは別の流路であるガス流路３７をガスが流れる。一方、ＡＰＣＩモード時には、ガス流量制御部１８によって微量のガスを流しておくと、噴霧された試料や溶媒の一部がガス流路３７からガス流量制御部１８の方へ混入するのを防ぐことができる。

図１５は、第１の実施例のシステム構成例を示すブロック図である。イオン化プローブ１と加熱室１１を駆動する駆動部３１と３３は、ＰＣ等の制御部４５により制御される。ユーザーによりあらかじめ指定された指示（移動の時間（タイミング）、移動距離など）が制御部４５に記憶されており、制御部４５から指示により駆動部３１，３３が駆動することで、イオン化プローブ１と加熱室１１は移動する。また、質量分析計も制御部４５により制御することが可能である。このように、制御部４５により、イオン源と質量分析計を制御する。

［第２実施例］
第２実施例は、加熱室の移動方向が異なる実施例である。本実施例では、加熱室の移動方向を同一直線状の移動ではなく、固定点を中心とした回転移動とした。イオン化プローブの移動方法は、第１実施例と同様である。

図１６及び図１７は、本実施例を説明する断面摸式図である。図１６がＥＳＩモード、図１７がＡＰＣＩモードを示す。イオン化プローブ１の構成、移動方法は、第１実施例と同様なので詳細な説明は省略し、以下では加熱室１１の動作について説明する。

加熱室１１は、支持部４２により駆動部３１と接続され、固定点４１を中心に回転運動する。ＥＳＩモードでは、加熱室１１はイオン化プローブ１から離れ、質量分析計２４と正対するような位置に配置される（図１６）。また同時に質量分析計２４の導入口２５に、試料噴霧管２の出口端８が近接するように、イオン化プローブ１は下方に移動する。イオン化プローブ１の移動は、実施例１と同様に駆動部３３を用いて行われる。ＥＳＩモードにおいても、加熱室１１はヒーターにより加熱されているため、加熱室１１の周辺は加熱されており、質量分析計２４側では加熱領域２７が加熱されている。これにより、イオン化領域２１において、噴霧される試料の脱溶媒・気化が促進され、ＥＳＩモードにおいてもイオン化効率の向上が期待される。

一方、ＡＰＣＩモードでは、加熱室１１は固定点４１を軸に駆動部３１により９０度回転し、図１７のようにイオン化プローブ１に近接又は接触するように移動する。このとき、イオン化プローブ１は上方に移動する。ＡＰＣＩモードの時、支持部４２や駆動部３１により、加熱室１１のＡＰＣＩイオン化領域２２が質量分析計２４の導入口２５の前方に位置するように設定されている。

本実施例では、ＥＳＩモードの時に加熱室１１が試料噴霧管２の延長上にない。従って、噴霧された試料が加熱室１１に付着しにくいために、加熱室１１が噴霧試料で汚れない利点がある。そのため、イオン源の汚れ（コンタミネーション）や汚れ物質の検出（キャリーオーバー）を防ぐことができるので、より高精度な測定が可能となることが期待される。

［第３実施例］
第３実施例について説明する。本実施例では、加熱室の全長（図の上下方向の長さ）を短くしてモード切り替えの際にイオン化プローブ１を移動する必要を無くし、加熱室１１のみの移動でイオン化法の切り替えを可能とした。

図１８及び図１９に、ＥＳＩモードとＡＰＣＩモードの配置を示す。図１８はＥＳＩモードの配置を示し、図１９はＡＰＣＩモードの配置を示している。本実施例は、これまでの実施例とは加熱室１１の形状のみ異なる。なお、図示した例では、加熱室１１は第１実施例と同様に駆動部３３を用いて図の上下方向に移動するが、第２実施例と同様に固定点を中心とした回転移動としてもよい。イオン化法切り替えの際に、これまではイオン化プローブ１も移動させていたが、本実施例ではイオン化プローブ１は移動させる必要はない。

図１８に示すように、ＥＳＩモードの時にＥＳＩイオン化領域２１が質量分析計２４の導入口２５の前方に位置付けられるようにイオン化プローブ１の位置が固定される。図１９に示すように、ＡＰＣＩモードへの切り替えにおいては、イオン化プローブ１の下方に加熱室１１を移動することにより、ＡＰＣＩイオン化領域２２を質量分析計２４の導入口２５の前方に位置付けることができる。加熱室１１の全長（図の上下方向の長さ）が短い構造がこのような配置を可能にしている。

本実施例の特徴として、加熱室１１が上下方向に短い構造であるため、イオン化プローブ１を移動させずに固定でよい。その結果、イオン化切り替え時に加熱室１１のみ移動させればよいため、駆動部が１つでよいという利点がある。

２つ目の特徴として、加熱室１１が上下方向に短い構造であるために、配管を蛇行させることによって加熱領域の距離を確保する。加熱室１１はこれまでの実施例のような直線的な円筒管構造では、加熱領域の距離が確保できないため、加熱される距離や時間を確保できる構造とする必要がある。その一例として、加熱室１１の試料流路を蛇行させて試料ガスが加熱される時間や距離を確保した。

［第４実施例］
第４実施例について説明する。本実施例では、加熱室の移動方法が異なる。ＡＰＣＩモードからＥＳＩモードへ切り替わる際、これまでと加熱室の移動方法が異なり、本実施例では加熱室が２分割して、２つのパーツがそれぞれ反対方向へ移動する。

図２０は、ＥＳＩモード時の構成例を示す断面摸式図である。図２０は、これまでの図と異なり、質量分析計２４の導入口２５を正面に見た図である。加熱室は、図のように２つのパーツ１１ａ，１１ｂに分かれ、質量分析計２４の導入口２５のイオン導入の軸に垂直な面内を、それぞれ離れて遠ざかるように移動する。このようにＥＳＩモードでは、加熱室をイオン化プローブ１から遠ざけることによりイオン化プローブ１の加熱を防ぐことが可能となる。加熱室の２つのパーツ１１ａ，１１ｂは、それぞれ駆動部４６，４８に支持部４７，４９を介して接続され、駆動部４６，４８により移動する。その他、イオン化方法等に関しては、実施例１と同様である。２つのパーツ１１ａ，１１ｂからなる加熱室の温度を高温に維持するために、分離された加熱室の２つのパーツ１１ａ，１１ｂのそれぞれに加熱するためのヒーターが装着されていることが望ましい。

本実施例においても、ＥＳＩモード時に、ＥＳＩイオン化領域２１付近を、加熱室の２つのパーツ１１ａ，１１ｂによって加熱することは可能である。実施例１に記載した加熱室の輻射熱による加熱方法、加熱ガスを用いた方法のどちらも用いることが可能である。これにより、イオンの気化が促進され、感度向上が期待される。

ＡＰＣＩモード時は、分離された２つの加熱室のパーツ１１ａ，１１ｂは１つに結合して加熱室を構成する。ＡＰＣＩモードの構成は、図２と同様である。

［第５実施例］
イオン化法は、ＡＰＣＩの代わりにＡＰＰＩ（atmospheric pressure photoionization）を用いてもよい。ＡＰＰＩは、放電電極の代わりに真空紫外ランプを配置することにより実現可能である。その他、気体をイオンにするイオン化法であれば、ＡＰＣＩの代わりに用いることが可能である。

図２１は、ＡＰＰＩを用いた実施例を示す断面模式図である。図２のＡＰＣＩモードの構成との違いは、ＡＰＣＩで用いていた放電電極１２とその支持部１３、高電圧電源１０が無い代わりに、紫外ランプ４３及びランプ用電源４４が備わっていることである。紫外ランプ４３は、加熱室１１に装着され、加熱室１１と一緒に移動する。紫外ランプ４３は、加熱室の試料流路１７へ光を照射し、イオン化を実施する。ランプのon／offは電源４４を用いて行われる。電源４４を図１５に示した制御部４５を用いて制御することで、紫外ランプ４３のon／offを自動で制御することも可能である。その他、イオン化プローブ１や加熱室１１の移動方法は、実施例１と同様である。

また、試料の加熱・気化を必要とするイオン化法であれば、ＡＰＣＩやＡＰＰＩの代わりに使用することが可能である。

一方、ＥＳＩモードについても、ＥＳＩと類似したイオン化法であれば使用可能である。例えば、ＳＳＩ（sonic spray ionization）を用いることが可能である。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１：イオン化プローブ
２：試料噴霧管
３：ネブライザーガス管
４：ヒーティングガス管
５：試料
６：ネブライザーガス
７：ヒーティングガス
８：イオン化プローブの出口端
９：高電圧電源
１０：高電圧電源
１１：加熱室
１２：放電電極
１３：支持部
１４：漏斗部
１５：加熱室の入口端
１６：ヒーティングガス
１７：試料流路
１８：ガス流路制御部
１９：ガス配管
２０：ガス流路
２１：ＥＳＩイオン化領域
２２：ＡＰＣＩイオン化領域
２３：加熱領域
２４：質量分析計
２５：導入口
２６：流路
２７：加熱領域
３１：駆動部
３２：支持部
３３：駆動部
３４：支持部
３５：加熱室の出口端
３６：内径
３７：ガス流路
４１：固定点
４２：支持部
４３：紫外ランプ
４４：ランプ用電源
４５：制御部
４６：駆動部
４７：支持部
４８：駆動部
４９：支持部

Claims (13)

1. 試料を噴霧するためのイオン化プローブと、
   内部に試料流路を備え、前記試料流路を通過する試料を加熱気化するための加熱室と、
   前記イオン化プローブの出口端と前記加熱室の入口端との間の距離を変化させるための駆動部とを有し、
   前記加熱室の前記試料流路の内径が前記イオン化プローブのヒーティングガス管の外径よりも小さく、
   前記駆動部により前記イオン化プローブと前記加熱室との間の距離を変化させて複数のイオン化法を個別に実施することを特徴とするイオン源。
2. 請求項１に記載のイオン源において、
   複数のイオン化法はＥＳＩとＡＰＣＩ又はＥＳＩとＡＰＰＩであることを特徴とするイオン源。
3. 請求項２に記載のイオン源において、
   前記ＥＳＩモードにおいて、前記加熱室の熱により前記イオン化プローブの出口端付近に形成されるＥＳＩイオン化領域を加熱することを特徴とするイオン源。
4. 請求項１に記載のイオン源において、
   前記加熱室の入口端の形状が漏斗形状であることを特徴とするイオン源。
5. 請求項１に記載のイオン源において、
   前記加熱室の前記試料流路は１つの円筒又は複数個の円筒であることを特徴とするイオン源。
6. 請求項１に記載のイオン源において、
   前記加熱室の試料流路は内径が異なる複数の流路を接続して構成されていることを特徴とするイオン源。
7. 請求項１に記載のイオン源において、
   前記イオン化プローブと前記加熱室の少なくとも一方は前記駆動部により直線的に駆動されることを特徴とするイオン源。
8. 請求項１に記載のイオン源において、
   前記加熱室は固定点を中心に回転移動することを特徴とするイオン源。
9. 請求項１に記載のイオン源において、
   前記加熱室から前記イオン化プローブの出口端付近に形成されるイオン化領域へ加熱ガスを送り出すことを特徴とするイオン源。
10. 請求項１に記載のイオン源において、
    前記加熱室は全長が短く前記試料流路が蛇行しており、
    前記イオン化プローブが固定で前記加熱室が可動であることを特徴とするイオン源。
11. 試料をイオン化するイオン源と、
    前記イオン源によりイオン化された試料イオンを導入するイオン導入口を有し、前記イオン導入口から導入されたイオンを質量分析する質量分析計と、
    制御部とを有し、
    前記イオン源は、試料を噴霧するためのイオン化プローブと、内部に試料流路を備え前記試料流路を通過する試料を加熱気化するための加熱室と、前記イオン化プローブの出口端と前記加熱室の入口端との間の距離を変化させるための駆動部とを備え、
    前記制御部により前記駆動部を制御して、前記イオン化プローブと前記加熱室の間に前記イオン導入口が位置し前記イオン化プローブの前記出口端が前記イオン導入口の近くに位置するように、あるいは、前記イオン化プローブと前記導入口の間に前記加熱室が挿入され前記イオン化プローブの前記出口端と前記加熱室の前記入口端が近接又は接触し前記加熱室の前記出口端が前記導入口の付近に位置するように、前記質量分析計の前記イオン導入口に対する前記イオン化プローブ及び／又は前記加熱室の位置関係を変化させることにより複数のイオン化法を個別に実施することを特徴とする質量分析装置。
12. 請求項１１に記載の質量分析装置において、
    前記複数のイオン化法はＥＳＩとＡＰＣＩ又はＥＳＩとＡＰＰＩであり、
    前記制御部は、ＥＳＩモードでは、前記イオン化プローブの出口端と前記質量分析計の前記イオン導入口の間に前記加熱室が存在しない配置となるように前記駆動部を制御し、ＡＰＣＩモード又はＡＰＰＩモードでは、前記イオン化プローブの出口端と前記質量分析計の前記イオン導入口の間に前記加熱室が存在する配置となるように前記駆動部を制御することを特徴とする質量分析装置。
13. 請求項１１に記載の質量分析装置において、
    前記加熱室の前記試料流路の内径が前記イオン化プローブのヒーティングガス管の外径よりも小さいことを特徴とする質量分析装置。

Images