JP6708298B2 - 質量分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、質量分析装置に関し、特にレーザ光による試料のイオン化（レーザイオン化）を行う質量分析装置に関する。

質量分析装置におけるレーザイオン化法としては、マトリックス支援レーザ脱離イオン化（Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization: ＭＡＬＤＩ)が広く知られている。ＭＡＬＤＩは、分析対象試料をマトリックスと呼ばれる化合物と混合してサンプルプレートと呼ばれる金属板の上に塗布し、これにイオン化室内でパルスレーザ光を照射することでイオン化する方法であり、レーザ光を吸収したマトリックスが急速に加熱され気化するのに伴って、試料分子が脱離及びイオン化される。

すなわち、ＭＡＬＤＩはマトリックスの吸収したエネルギーを試料が間接的に受け取ることによるソフトなイオン化法であり、巨大分子をフラグメント化させることなくイオン化することができる。こうした特徴から、近年では微生物の同定にもＭＡＬＤＩによるイオン化を行う質量分析装置（以下、ＭＡＬＤＩ−ＭＳ）が用いられるようになっている。微生物をＭＡＬＤＩ−ＭＳで分析して得られるマススペクトルは、微生物の分類群（属、種、株など）に応じた固有のパターンを示すため、被検微生物の分析により得られたマススペクトルを既知微生物のマススペクトルとパターンマッチングすることにより、被検微生物の属する分類群を特定することができる。

国際公開第2014/171378号（[0003],図3）

上記のようなＭＡＬＤＩ−ＭＳによる微生物同定を行う際には、分析対象試料として菌体からの抽出液を用いるほか、コロニーから掻き取った菌体や菌体の懸濁液を用いることもできる。しかし、こうした非破壊の菌体を試料としてＭＡＬＤＩによるイオン化を行った場合、レーザ光の照射によって菌体が破裂し、その破片がしばしばイオン化室の床面に散乱する。そのため、イオン化室の床面に堆積したサンプル片を定期的に除去する必要があるが、この作業は装置の分解を必要とするため、非常に時間と手間の掛かるものであった。

なお、特許文献１には、ＭＡＬＤＩによるイオン化の際に生じる微粒子によってイオン化室が汚染されるのを防止する機構を備えた質量分析装置が記載されている。この質量分析装置は、イオン化室の筐体上部に形成された排気管と、排気管内に配置され、筐体内の空気を排気管に引き込むためのファンとを備えており、該ファンを駆動させることにより試料から発生した微粒子を含む空気を前記排気管に吸引して筐体の外部に排出することができる。しかし、このような構成では、比較的軽量で長時間イオン化室内を浮遊している微粒子を除去することは可能であるが、上述した菌体の破片のように比較的重く、発生後速やかに床面に落下する粒子を除去することはできなかった。

ここでは、ＭＡＬＤＩ−ＭＳを例に挙げて説明したが、こうした問題はレーザイオン化を行う質量分析装置全般に共通するものである。

本発明は上記の点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、レーザイオン化を行う質量分析装置において、イオン化室の内部に残留した菌体の破片などの粒子を容易に除去できるようにすることにある。

上記課題を解決するために成された本発明に係る質量分析装置は、
a)レーザイオン化による試料のイオン化を行うイオン化室と、
b)前記イオン化室の側面に設けられた、開閉可能な扉を備えた開口部と、
c)前記イオン化室の前記開口部と対向する面に設けられた通気口と、
d)前記通気口を介して前記イオン化室の内部へ高圧ガスを供給するガス供給手段と、
を有することを特徴としている。

ここで、レーザイオン化とは試料にレーザ光を照射することにより該試料をイオン化する手法であり、ＭＡＬＤＩのほか、同様にレーザを用いた、シリコン上脱離イオン化法などの表面支援レーザ脱離イオン化法や、その他の各種レーザイオン化法なども含む。また、本発明において、高圧ガスとは大気圧よりも圧力の高いガスを意味している。ガスの種類は特に限定されるものではなく、例えば空気や窒素などを用いることができる。

上記構成から成る本発明に係る質量分析装置によれば、前記扉を開放した状態で前記ガス供給手段から前記通気口を介してイオン化室内に高圧ガスを導入することにより、イオン化室の床面やその付近に存在している粒子を該高圧ガスによって吹き飛ばし、開放状態にある前記開口部から該粒子をイオン化室の外部へと排出することができる。そのため、イオン化室を分解することなくイオン化室内に堆積した粒子やイオン化室の床面近くを漂っている粒子を除去することができる。

本発明に係る質量分析装置は、前記開口部が、試料を塗布したサンプルプレートを前記イオン化室に対して出し入れするためのプレート出入口であるものとすることが望ましい。

このような構成によれば、高圧ガスによって吹き飛ばした粒子を、従来イオン化室に設けられているプレート出入口から外部に排出することができる。そのため、粒子の排出用に新たに開口部を設ける必要がなく、低コストに実現することができる。

また、本発明に係る質量分析装置は、更に、
e)前記イオン化室から気体を排出するための真空ポンプと、
f)前記真空ポンプが前記通気口を介して前記イオン化室と連通した状態と、前記ガス供給手段が前記通気口を介して前記イオン化室と連通した状態とを切り替える切替手段と、
を有するものとすることが望ましい。

従来、質量分析装置は、イオン化室を真空引きするための真空ポンプを備えており、イオン化室に設けている通気口を介してイオン化室内の空気を真空ポンプによって吸引する。上記構成から成る本発明に係る質量分析装置は、質量分析装置に従来設けられている真空引き用の通気口を上述の高圧ガスの導入に利用するものである。このような構成によれば、高圧ガスの導入用に新たに通気口を設ける必要がないため、低コストに実現することができる。

また、上記課題を解決するために成された本発明に係る質量分析装置は、
g)前記扉を開閉させる扉駆動手段と、
h)前記扉を開放した状態で前記ガス供給手段による前記高圧ガスの供給を行うよう、前記扉駆動手段と前記ガス供給手段（又は前記扉駆動手段と前記切替手段）を制御する制御手段と、
を有するものとしてもよい。

このような構成によれば、開口部の扉の開閉と、イオン化室への高圧ガスの供給／供給停止を装置側で自動的に行うことができるため、イオン化室からの粒子の除去に要するユーザの作業負担を一層軽減することができる。

以上で説明した通り、本発明に係る質量分析装置によれば、イオン化室の内部に残留した粒子を容易に除去することが可能となる。

本発明の一実施例に係る質量分析装置の全体構成を示す模式図。 同実施例で使用されるサンプルプレートの斜視図。 同実施例におけるイオン化室の縦断面図。 同実施例におけるイオン化室の水平断面図。 本発明におけるイオン化室の別の構成例を示す図。 本発明におけるガス供給手段の別の構成例を示す図。 本発明の別の実施例に係る質量分析装置の全体構成を示す模式図。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明を行う。

図１は、本発明の一実施例による質量分析装置の全体構成を示す模式図である。本実施例の質量分析装置は、イオン化室１０と分析室２０を有しており、いずれも試料分析の実行時には内部が所定の真空度に維持される。イオン化室１０と分析室２０の間には開閉可能なゲートバルブ３０が設けられている。

試料分析の際には、図２に示すように、薄い平板状のサンプルプレート４０上の複数箇所（多い場合には数百箇所）に、試料とマトリックスの混合物がスポット状に塗布され、このサンプルプレート４０がイオン化室１０に設けられた水平な試料台１５の上にセットされる。以下、サンプルプレート４０上の、前記混合物が塗布された箇所を試料スポット４１とよぶ。

試料をイオン化するためのレーザ光は、レーザ光源５０から出射され、反射鏡５１で反射されて分析室２０の上面に設けられた窓部２１を通過して分析室２０に進入し、開放状態のゲートバルブ３０を介してイオン化室１０内に進入する。サンプルプレート４０が載置された試料台１５は、モータ等によって駆動されるＸＹステージ１６によって水平方向（図２中のＸ軸方向及びＹ軸方向）に移動可能となっており、これにより分析対象の試料を含む試料スポット４１をレーザ光照射位置（図２中のＰの位置）に移動させることができる。

分析室２０の内部には、レーザ光照射位置Ｐにある試料スポット４１から発生したイオンをその発生位置の近傍から上方に引き出すための電場を形成する引き出し電極２２が試料台１５及びサンプルプレート４０の上面に対向するように配設されている。レーザ光照射によって試料スポット４１から発生したイオンは、この引き出し電極２２によってイオン化室１０から分析室２０へと引き出され、分析室２０内に設けられたイオン輸送光学系２３によって進路を曲げられてイオントラップ２４に導入される。なお、イオン輸送光学系２３は図１の紙面方向に延びる四本のロッド状電極２３ａ〜ｄを備えており、各電極２３ａ〜ｄに印加する電圧を制御することにより、これらの電極で囲まれた空間に進入してきたイオンの進路を略直角方向に曲げることができる。

イオントラップ２４は、円環状の１個のリング電極２４ａと、これを挟むように対向して配置された、入口側エンドキャップ電極２４ｂ及び出口側エンドキャップ電極２４ｃとを備えている。入口側エンドキャップ電極２４ｂの略中央にはイオン入射口が穿設され、出口側エンドキャップ電極２４ｃの略中央にはイオン出射口が穿設されている。リング電極２４ａとエンドキャップ電極２４ｂ、ｃで囲まれた空間がイオン捕捉空間であり、これら３個の電極２４ａ〜ｃに印加する電圧を制御することにより、イオントラップ２４内にイオンを捕捉したり、イオントラップ２４から所定の質量電荷比を有するイオンを選択的に排出したりすることができる。

上述のように、イオン輸送光学系２３によって進路を曲げられたイオンは、入口側エンドキャップ電極２４ｂのイオン入射口からイオントラップ２４内に進入し、イオン捕捉領域に捕捉されて一旦蓄積される。その後、電極２４ａ〜ｃへの印加電圧を適宜に制御することで、所定の質量電荷比を有するイオンが出口側エンドキャップ電極２４ｃのイオン出射口から排出され、検出部２５で検出される。このとき、電極２４ａ〜ｃへの印加電圧を時間的に変化させることにより、イオントラップ２４から排出されて検出部２５に送られるイオンの質量電荷比を走査することができる。

検出部２５は、コンバージョンダイノード２５ａと二次電子増倍管２５ｂを備えており、イオントラップ２４から排出されたイオンがコンバージョンダイノード２５ａによって電子に変換され、該電子が二次電子増倍管２５ｂで増幅された上で検出される。

二次電子増倍管２５ｂは、各時刻における入射イオン量に応じた検出信号を、図示しないデータ処理部に順次出力する。検出信号を受け取ったデータ処理部は、前記時刻を質量電荷比に換算することにより、横軸を質量電荷比、縦軸を相対強度とするマススペクトルを作成する。

以上により、一つの試料の質量分析が終了したならば、試料台１５を移動させて次の分析対象試料を含む試料スポット４１をレーザ光照射位置Ｐに配置して同様に質量分析を実行する。こうした操作を繰り返すことにより、サンプルプレート４０上の多数の試料についての質量分析が実行される。

以下、本発明の特徴であるイオン化室の構成について図１、図３、及び図４を参照しつつ説明する。イオン化室１０は筐体１１の内部に設けられた試料台１５と試料台１５を水平方向に移動させるためのＸＹステージ１６を有している。本実施例における筐体１１の形状は、薄型の直方体、すなわち、上下方向（図中のＺ軸方向）の内寸が、左右方向（図中のＸ軸方向）の内寸及び前後方向（図中のＹ軸方向）の内寸のいずれか小さい方よりも小さい（望ましくは二分の一以下、より望ましくは三分の一以下）ことが望ましい。これにより、ＸＹ平面に沿って広がりを持つサンプルプレート４０、試料台１５、及びＸＹステージ１６を収容しつつ、筐体１１の容積を最小限に抑えることができ、イオン化室１０の真空引きに要する時間を短縮することができる。また、筐体１１をこのような薄型のものとすることにより、イオン化室１０内の残留粒子をより効率的に除去することができる（詳細は後述する）。

筐体１１の一側面には、サンプルプレート４０を出し入れするためのプレート出入口１２が設けられている。プレート出入口１２の寸法は、前記一側面の寸法とほぼ同一である。プレート出入口１２には、扉１３が設けられており、扉はヒンジ１３ａを介してプレート出入口１２の一辺に回動可能に固定されている。扉１３の外側には把手（図示略）が設けられており、ユーザが該把手を把持することにより、手動で扉１３を開閉することができる。筐体１１の、プレート出入口１２と対向する側面には、通気口１４が設けられており、通気口１４には共通配管６１の一端が接続されている。共通配管の他端は、切替バルブ６２に接続されており、切替バルブ６２には、更に第１配管６３の一端と、第２配管６４の一端と、第３配管６５の一端とが接続されている。第１配管６３の他端には真空ポンプ６６が接続され、第２配管６４の他端にはガスボンベ６７が接続され、第３配管６５の他端は開放されている。ガスボンベ６７には、清掃用ガスとして、例えば窒素ガス又は空気が充填されている。なお、本実施例では、プレート出入口１２が本発明における開口部に相当し、切替バルブ６２が本発明における切替手段に相当し、ガスボンベ６７及び第２配管６４が本発明におけるガス供給手段に相当する。

本実施例に係る質量分析装置において、イオン化室１０内にサンプルプレート４０をセットする際には、まず、分析室２０とイオン化室１０の間のゲートバルブ３０を閉鎖した上で、ユーザが切替バルブ６２を手動で切り替えて共通配管６１と第３配管６５が接続された状態とすることにより、イオン化室１０を大気開放する。その後、ユーザが扉１３を手動で開いてイオン化室１０内の試料台１５の上面にサンプルプレート４０をセットし、扉１３を閉鎖する。その後、切替バルブ６２を切り替えて共通配管６１と第１配管６３が接続された状態とし、真空ポンプ６６によりイオン化室１０内を真空引きする。イオン化室１０の内部が所定の真空度に到達したら、分析室２０とイオン化室１０の間のゲートバルブ３０を開放し、サンプルプレート４０にレーザ光を照射して試料のイオン化及び発生したイオンの質量電荷比による分離と検出を行う。

ＸＹステージ１６によりサンプルプレート４０をＸＹ平面内で移動させつつレーザ光の照射を行い、サンプルプレート４０上の全試料スポットについて測定が完了したら、ユーザが上記と同様の手順によりイオン化室１０を大気開放し、扉１３を開放してサンプルプレート４０をイオン化室１０から取り出す。

その後、イオン化室１０内を清掃する場合には、扉１３を開放した状態で、ユーザが切替バルブ６２を切り替えて共通配管６１と第２配管６４が接続された状態とする。これにより、ガスボンベ６７内の清掃用ガスが通気口１４からイオン化室１０内へ吹き込み、図３及び図４中の矢印で示すようにイオン化室１０内を通過してプレート出入口１２からイオン化室の外部に流出する。このとき、前記清掃用ガスの流れによってイオン化室１０の床面に落ちている菌体の破片などの粒子が巻き上げられ、該粒子が該清掃用ガスの流れに乗ってイオン化室１０から排出される。また、イオン化室１０の床面付近を漂っている粒子も、前記清掃用ガスの流れによって押し流されてイオン化室１０から排出される。

このように、本実施例に係る質量分析装置によれば、装置を分解することなくイオン化室１０内に残留した菌体の破片等を除去することが可能となる。また、本実施例に係る質量分析装置では、上述のようにイオン化室１０の筐体１１が薄型であるため、清掃用ガスをイオン化室１０内に導入した際に、床面付近を通過するガスの割合が大きくなり、床面付近に存在する粒子をより効果的に除去することができる。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を挙げて説明を行ったが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲で適宜変更が許容される。例えば、上記実施例では、イオン化室１０に清掃用ガスを導入するための通気口を一つだけ設けた構成としたが、本発明に係る質量分析装置は、こうした通気口を二つ以上設けた構成としてもよい。図５に、このような質量分析装置におけるイオン化室１０の構成の一例を示す。この例では、イオン化室１０のプレート出入口１２と対向する面に二つの通気口１４ａ、１４ｂが互いに所定距離離間させて設けられている。この構成では共通配管６１の一端を二つに分岐させて一方（図５中の符号６１ａ）を通気口１４ａに、他方（図５中の符号６１ｂ）を通気口１４ｂに接続する。このような構成によれば、通気口が一つである場合に比べて水平方向における清掃用ガスの広がりをより均一にすることができるため、一層効果的に粒子の除去を行うことができる。

また例えば、本発明に係るガス供給手段は、清掃用ガスをイオン化室へ正圧で導入できるものであればよく、上記実施例のようなガスボンベから清掃用ガスを供給するものに限らず、例えばポンプによって清掃用ガスを供給するものとすることもできる。図６にポンプを備えたガス供給手段の一例を示す。この例では、プランジャポンプ６８によって圧縮した大気がイオン化室１０に導入される（すなわち、プランジャポンプ６８及び第２配管６４が本発明におけるガス供給手段に相当する）。なお、大気中の水分がイオン化室１０に流入すると、その後にイオン化室１０を真空引きする際に多くの時間が必要となるため、プランジャポンプ６８の下流側には、大気中の水分を除去するための除湿フィルタ６９を配置することが望ましい。

また、上記実施例では、扉１３の開閉や切替バルブ６２の切替をユーザが手動で行うものとしたが、これらを装置側が自動で行う構成としてもよい。この場合の構成の一例を図７に示す。なお、同図において図１と同一又は対応する構成要素については同一符号を付し説明を省略する。図７に示す質量分析装置は、いずれもモータ等を含む扉駆動部７１及び切替バルブ駆動部７２を有しており、更に、これらを制御するための制御部７３を備えている。この質量分析装置では、予め定められたタイミング又はユーザによるイオン化室の清掃指示がなされた時点で、制御部７３が扉駆動部７１を制御することによりプレート出入口１２の扉１３を開放させ、その後、制御部７３が切替バルブ駆動部７２を制御することにより、共通配管６１と第２配管６４が接続された状態とする。これにより、高圧の清掃用ガスがイオン化室１０内を通過し、該清掃用ガスの流れによってイオン化室１０内の粒子が除去される。

また、開口１４には、清掃用ガスをイオン化室１０に供給するための配管（第２配管６４）のみを接続し、真空ポンプ６６に至る配管や大気開放用の配管（すなわち共通配管６１、第１配管６３、第３配管６５）及び切替バルブ６２は、開口１４とは別にイオン化室１０の壁面に形成された開口に接続するようにしてもよい。この場合も、清掃用ガスをイオン化室１０に供給するための配管６４の他端には、清掃用ガスが充填されたガスボンベ６７を接続する。その際、配管６４上には開閉バルブを設け、この開閉バルブと前記扉駆動部７１とを制御部７３が制御することによって、扉１３の開／閉と清掃用ガスの供給／供給停止とを連動させる（この場合、ガスボンベ６７、配管６４、及び前記開閉バルブが本発明におけるガス供給手段に相当する）。また、こうしたガスボンベ６７及び開閉バルブを設ける代わりに、前記配管６４の他端に上述のようなプランジャポンプ６８を接続してもよい（この場合、プランジャポンプ６８及び配管６４が本発明におけるガス供給手段に相当する）。このような構成では、プランジャポンプ６８と扉駆動部７１を制御部７３が制御することによって、扉１３の開／閉と清掃用ガスの供給／供給停止とを連動させる。

１０…イオン化室
１１…筐体
１２…プレート出入口
１３…扉
１３ａ…ヒンジ
１４…通気口
１５…試料台
１６…ＸＹステージ
２０…分析室
２１…窓部
２２…引き出し電極
２３…イオン輸送光学系
２４…イオントラップ
２５…検出部
３０…ゲートバルブ
４０…サンプルプレート
４１…試料スポット
５０…レーザ光源
６１…共通配管
６２…切替バルブ
６３…第１配管
６４…第２配管
６５…第３配管
６６…真空ポンプ
６７…ガスボンベ
６８…プランジャポンプ
６９…除湿フィルタ
７１…扉駆動部
７２…切替バルブ駆動部
７３…制御部

Claims (4)

1. レーザイオン化による試料のイオン化を行うイオン化室と、
   前記イオン化室の側面に設けられた、開閉可能な扉を備えた開口部と、
   前記イオン化室の前記開口部と対向する面に設けられた通気口と、
   前記通気口を介して前記イオン化室の内部へ高圧ガスを供給するガス供給手段と、
   前記イオン化室内を真空引きする真空ポンプと、
   を有し、前記開口部が、試料を塗布したサンプルプレートを前記イオン化室に対して出し入れするためのプレート出入口であることを特徴とする質量分析装置。
2. 更に、
   前記真空ポンプが前記通気口を介して前記イオン化室と連通した状態と、前記ガス供給手段が前記通気口を介して前記イオン化室と連通した状態とを切り替える切替手段、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
3. 更に、
   前記扉を開閉させる扉駆動手段と、
   前記扉を開放した状態で前記ガス供給手段による前記高圧ガスの供給を行うよう、前記扉駆動手段と前記ガス供給手段を制御する制御手段と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
4. 更に、
   前記扉を開閉させる扉駆動手段と、
   前記扉を開放した状態で前記ガス供給手段による前記高圧ガスの供給を行うよう、前記扉駆動手段と前記切替手段とを制御する制御手段と、
   を有することを特徴とする請求項２に記載の質量分析装置。

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