JPH01276560A - 質量分析計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、質量分析計に係り、特に生体中の重要な不揮
発生化合物（アミン、アミノ酸、ス子口イド、抗生物質
、糖、ペプチド、ビタミンなど）を幅広く、分離分析す
るのに好適な液体クロマトグラフと質量分析計とを結合
した装置、すなわち液体クロマトグラフ／質量分析計に
関する。

〔従来の技術〕

現在、分析の分野では、生体に関連した物質の分離、分
析技術の開発が重要な課題のひとつとなっている。この
目的のために、分離能力に優れた液体クロマトグラフと
同定能力に優れた質量分析計とを結合した装置の開発が
盛んに行われている。

参考のために、質量分析計に電場４と磁場５からなる二
重収束質量分析計を用いた液体クロマトグラフ／質量分
析計の全体の構成を第１１図に示した。液体クロマトグ
ラフ１により分離されて、液体クロマトグラフ１から溶
出してくる溶液中の試料は、配管２によりイオン源３に
導入される。イオン源３で生成した試料分子に関するイ
オンは。

細孔から真空中に導入される。さらに、電場４、磁場５
よりなる質量分析部に導入されて質量分析される。質量
分析されたイオンはイオン検出器６で検出され、データ
処理部７に送られる。このとき、電場４と磁場５よりな
る質量分析部は適当な排気系９で排気される。さて、こ
のように原理は簡単であるが、液体クロマトグラフは溶
液中の試料を扱うにのに対し、質量分析計は気体中の試
料を扱うという相性の悪さから、この装置の開発は非常
に困難なものとなっている。

この難問を解決するために、いくつかの方法が提案され
ているが、その代表的なものには、特開昭５８−２３３
６６８号に記載されているような大気圧イオン化法、ア
ナリテイ力ル　ケミストリー　　１９８３年、５５巻、
７５０頁に記載されているようなサーモスプレィ法なで
がある。第１２図に示したように、大気圧イオン化法は
、液体クロマトグラフからの溶出液を加熱したキャピラ
リー１１あるいは超音波などで噴霧し、さらに加熱した
金属製ブロック１２で加熱して気化した後、気化した試
料分子を針電極１３を用いたコロナ放電とそれに続く一
連のイオン分子反応によりイオン化し、生成したイオン
を第１細孔１４と第２細孔１５をとうして真空中に導入
して質量分析する方法である。この方法は、高感度でし
かもイオン源が大気圧下に存在するため、液体クロマト
グラフとの結合が容易であるという特徴を有する。しか
し、先に述べた生体中の重要な不揮発性化合物のうち、
極性のあまり強くないアミン、ステロイド、抗生物質な
どについては分子イオンが強度強く得られ分析が可能と
なるが、極性の非常に強い糖、ペプチドについては、分
子イオンが得にくく分析が困難であるという欠点がある
。一方、第１３図に示したよように、サーモスプレィ法
は、試料は同時に酢酸アンモニウムなどの電解質を含む
溶液を加熱したキャピラリー１１、により、数Ｔ　ｏｒ
ｒ以下の真空中に噴霧して、生成した液滴が気化する際
に生成するイオンを第２細孔１５を通して質量分析部に
密入して検出する方法である。

この方法は、先に述べた大気圧イオン化法とは逆に、糖
、ペプチドのように極性の強い物質の分析は可能である
が、極性のあまり強くないアミン、ステロト、抗生物質
などの分析は困難であるという欠点を有する。

〔発明が解決しようとする課題〕

そこで、上記のふたつのイオン源を設けた装置を開発す
れば、生体に関連した重要な物質を幅広く分析すること
が可能になると考えられる。上記のふたつのイオン化法
を備えたイオン源は第１４図のような構成が考えられる
。しかし、大気圧イオン化法は大気圧下で動作し、サー
モスプレィ法は数Ｔｏｒｒの圧力下で動作するという相
違から、次のような問題が生じてしまう。第一に、大気
圧イオン化法を用いる場合には、サーモスプレィ法用の
キャピラリーから液体が漏れないようにバルブを設けな
ければならないし、サーモスプレィ法を用いる場合には
、大気圧イオン化法で生成したイオンを導入するための
細孔１４からガスが漏れないようにバルブを設けなけれ
ばならず、イオン源の構造が複雑となってしまう。第二
に、大気圧イオン化法では液体クロマトグラフからの溶
出液による排気系の汚染を防ぐための液体窒素トラップ
などは必要としないが、サーモスプレィ法では、このト
ラップを設けなければならず、連続運転の際には必ず数
時間に一度このトラップの洗浄を行うため、測定を中止
しなければならない。第三に、サーモスプレィ法の場合
、イオン源内部が常に大量のガスにさらされるので、イ
オン源内部が汚染されやすい。

本発明の目的は、上記問題点を解消して、大気圧イオン
化法とサーモスプレィ法をひとつのイオン源にまとめた
新しいイオン源を有する液体クロマトグラフ／質量分析
計を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、サーモスプレィイオン源を大気圧下で動作
し得るようにするとももに、大気圧イオン化イオン源と
一体化する事により達成される。

しかし、第１５図に示すように、従来のサーモスプレィ
イオン源の動作圧力を数Ｔ　ｏｒｒから大気圧にしただ
けでは、イオンをほとんど取り出せずうまく動作しない
。これは、第１５図のような構成であると、細孔から真
空中に流入するイオン量が極端に減少してしまうためで
ある。また、大気圧下で溶液を噴霧してイオンを得る方
法では、加熱による霧化及び気化のプロセスとイオン化
のプロセスが並列して起こるが、このとき、イオンはな
る入くキャピラリー先端部で生成させるようにした方が
キャピラリー内壁でのイオンの中性化が起こらず都合が
よい。さらに、大気圧下で溶液を噴霧して得られるイオ
ン流の動径方向分布は、第１６図に示すように中心近傍
では大きいが、周辺では非残に小さくなり、従来のサー
モスプレィイオン源の構成ではイオンを分析部に取り出
せない。

そこで、以上の考察から、キャピラリー先端部をその内
側部分とは独立して加熱並びに温度制御ができるように
するとともに、キャピラリーの中心軸が細孔の中心を通
るような配置とした。このようにして得られる噴霧は十
分に気化されており、大気圧イオン化にもそのまま使用
できる。

〔作用〕

液体クロマトグラフからの溶出液中の極性成分は、金属
製キャピラリーにより噴霧した際にイオン化されており
、生成したイオンは細孔からサンプリングされ質量分析
される。極性の弱い成分は、針などの放電電極によるコ
ロナ放電とそれに続く一連のイオン分子反応によりイオ
ン化されて質量分析される。このように、いろいろな化
学的性質を持った成分を平行してイオン化し、分析する
ことができる。

〔実施例〕 以下、本発明の実施例について、第１図から第１０図を
用いて説明する。ここでは、電場４、磁場５よりなる二
重収束質量分析計を用いてシステムについて説明するが
、四重極質量分析計などの他の種類の質量分析計を用い
てもよい。

第１図には、本発明の一実施例を示すイオン源の構成図
を示した。液体クロマトグラフにより分離されて、液体
クロマトグツから溶出してくる溶液中の試料は、配管２
を通過して、コネクターのついた金属製キャピラリー１
１に導入される。この金属製キャピラリー１１は加熱と
温度制御が可能になっている。この金属製キャピラリー
１１は、金属製ブロック１２に内蔵したカートリッジヒ
ーター１７で加熱するが、先端部をさらに加熱するため
に、第２図（ａ）に示すような適当な電源１６を用いて
、直接金属製キャピラリー１１を通電加熱した。この先
端加熱によりａ測されるイオン量の増大が確認された。

この例では、間接加熱と直接加熱を組み合わせているが
、どちらも間接か、どちらも直接にすることも可能であ
る。また、金属製キャピラリー１１を十分に加熱する方
法として、第２図（ｂ）に示すように、金属製キャピラ
リー１１を複数の部分に分けて加熱することもできる。

さらに、噴霧する際に生成するイオン量は上記のふたつ
の方法に比較して落ちるが、第３図に示すように、先端
からのひとつの部分のみを直接通電加熱したり（第３図
（ａ））、間接加熱（第３図（ｂ））とすることも可能
であるし、加熱により液体の一部が気化することによる
キャピラリー内部での圧力上昇をある程度抑えるために
、キャピラリーの先端部分のみの内径を少し広げてそれ
を加熱したり（第３図（ｃ）及び第３図（ｄ））、キャ
ピラリーにさらに少し径の大きいキャピラリ−２８を接
続してこれらを加熱することも可能である（第３図（ｅ
））。これらのいずれの場合にしても、金属製キャピラ
リー１１や金属製ブロック１２には熱電対１８を設けて
これらの温度をモニターし制御できるようにしである。

上記に示した加熱法により加熱された金属製キャピラリ
ー１１内を通過した液体クロマトグラフィ１からの溶出
液は加熱されて気化されるが、−部はイオンとして放出
される。

上記のようにして得られたイオンを効率よく取り出すと
共に、気化した試料分子を大気圧下のコロナ放電でイオ
ン化するようにしたのが、第４図及び第５図に示した実
施例である。キャピラリー１１から噴霧されるイオンの
動径方向分布は第１６図に示したとうりである。すなわ
ち、中心軸近傍は大きく端は少ない。そこで、イオンを
効率よく導入するには、キャピラリー１１軸上に細孔１
４がくるようにする必要がある。また、キャピラリー１
１先端と細孔１４の距離を変化させると得られるイオン
電流量は第６図に示すように変化する。すなわち、１ｃ
ｍ以下であればあまり変化しないが、３ｃｍも離れると
１７１０以下に減少し実用でなくなってくる。一方、コ
ロナ放ｆ！電極の放電部は細孔から３〜５ｍｍ１４れた
所に置くのが効率がよい。すなわち、放電電極はキャピ
ラリー１１と第１細孔１４の間に挿入される形でイオン
源内に組み込んでキャピラリー電位を放′？ｒ１ｆｆｉ
極と同電位か閣い電位とした。コロナ放Ｗ１電極として
は、第４図に示すように、通常の針１３（第４図（ａ）
の他に、ワイヤ１９を使用した場合（第４図（ｂ））、
ワイヤまたはメーツシュ２０をはった場合（鈍４図（Ｃ
））、ワイヤ１９を直接キャピラリーに取り付けた場合
（第４図（ｄ））などを用いることができる。コロナ放
電によるマススペクトルのみを得たい場合には、キャピ
ラリ一部を放電電極より負電位にすればよい。もちろん
、この電極には電圧はかけずに、サーモスプレィモード
により、イオンを生成し観測することもできる。また、
第７図に示すように、放電電極にある周波数で電圧を印
加したり、切ったりして、サーモスプレィモード（Ａの
場合）と大気圧イオン化モード（Ｂの場合）を交互に起
こさせるようにすることもできる。

大気圧イオン化法によるイオンとサーモスプレィ法によ
るイオンを同時に検出するには、第５図に示すように、
キャピラリ−１１先端部の電位を高くすると共に、補助
電極２３を設け、キャピラリー１１から生成するイオン
が放電電極電位であまり偏向されないで、第１細孔１４
に到達するように工夫する必要がある。第１１（ａ）及
び（ｂ）の場合では、金属製キャピラリー１１のエツジ
２１または多数の針２２によって放電が起こり、キャピ
ラリーから生成するイオンと併せて、大気圧イオン化法
によるイオンを生成させるようにして、両者を合わせた
マススペクトルを得られるようにした場合である。（ｃ
）と（ｄ）の場合は、（ａ）と（ｂ）とは逆に、ワイヤ
１９などの放合金極を中心部に位置させて、その代わり
に電界を第１細孔１４方向に集中させるように、補助電
極２３を設けた例である。また、第１１図（ｃ）のよう
に、ワイヤ１９などを中心に位置させ、第１細孔１４に
対してワイヤ１９の電位を上げておき、キャピラリー温
度をコントロールすると、ワイヤ先端でイオンの電界放
出効果を持たせることもできる。

上記のようにして、生成したイオンは、電極支持用ブロ
ック２４に保持された第１電極１４の細孔５排気口付き
電極支持ブロック２５に保持された第２電極１５の細孔
をとうして真空中に導入される。電極支持用ブロック２
４と排気口付き電極支持用ブロック２４の間にセラミッ
クなどの絶縁板２６で電気的に絶縁し、両ブロック間に
は電圧がかけられるようにしであると同時に排気できる
ようにしである。この電圧は、イオンが第１電極１４の
細孔から導入される際に断熱膨張により生成したクラス
ターイオンを加速して中性分子と衝突されて、分析上都
合の悪いクラスターイオンを開裂させるためである。以
上のようにして、第１電陽１４と第２電極１５の細孔を
通過したイオンは、さらに電場４と磁場５よりなる二重
収束質量分析計で質量分析され、イオン検出器６で検出
されることになる。

参考のために、第８図には、熱分解しやすい物質の１ｆ
Ｉｉであるしよ糖（分子１３４２）について、大気圧イ
オン化法（ａ）、サーモスプレィ法（ｂ）、さらに本発
明の方法（Ｑ）により測定した場合のマススペクトルを
示した。このとき、液体クロマトグラフの移動相には、
水を流量１ｍＱ／ｍｉｎで用いた。さらに、放電を行っ
たときの放電電流は５μＡとした。大気圧イオン化によ
マススペクトルでは、プロトンの付加した分子イオン種
（Ｍ＋Ｈ）”（質量数３４３）の他に、分子がこわれて
できたフラグメントイオン（質量数１６３）、溶媒分子
のクラスターイオンが観測されている。サーモスプレィ
モードによるマススペクトルでは、ナトリウムイオン（
質量数２３）、カリウムイオン（質量数３９）の他には
、液体クロマトグラフの移動相に使用した水中に含まれ
るナトリウムやカリウムのアルカリ金属が付加した分子
イオン種（Ｍ＋Ｎａ）”（分子量３６５）、（Ｍ＋Ｋ）
”（分子Ｊｉ３８１）のみが観測されるだけで、フラグ
メントイオンはほとんど観測されていない。大気圧イオ
ン化法によるイオンとサーモスプレィ法によるイオンを
同時に検出した場合には、大気圧イオン化とサーモスプ
レィのマススペクトルがたしあわされたようなマススペ
クトルとなり、分子イオンとして、（Ｍ＋Ｈ）”、（Ｍ
＋Ｎａ）”、（Ｍ＋Ｋ）”がｉ測されている。

このようにして、本発明により得られるマススペクトル
は、すでに報告されているサーモスプレィ法とは異なる
マススペクトル上の特性を有する。

（１）通常のサーモスプレィ法では、分子イオンを得る
には酢酸アンモニウムなどの電解質を必要とするが、本
発明におけるイオン源では、分子イオン強度は酢酸アン
モニウムの量に依存せず。

単なる水やメタノールとの混合物でも観測可能である。

第９図には、本発明のイオン源を用いて、液体クロマト
グラフの移動相として水１００％、水／メタノール（５
０１５０）、水／メタノール（１０／９０）、０．０１
Ｍ酢酸アンモニウム水溶液、０．１Ｍ酢酸アンモニウム
水溶液を用いた場合のショ糖の擬分子イオン（Ｍ＋Ｎａ
）’（分子量３６５）のイオン強度を比較した。この結
果かられかるように、本発明によるイオン源では、イオ
ン強度が移動相の種類にあまり依存しないので、液体ク
ロマトグラフの分析条件を求めるのに都合がよい。

（２）アルカリ金属等の添加により、分子にアルカリ金
属の付加したイオンが安定に得られる。

（３）サーモスプレィ法では、分析上都合の悪い二価や
二価などの多価イオンが生成しやすいが、本発明による
方法では多価イオンが少なくマススペクトルが単純とな
り、スペクトルの解釈が容易である。

（４）本発明のように、大気圧イオン化法とサーモスプ
レィ法の共用イオン源であると、従来のサーモスプレィ
法では主に極性の強いものしか測定できず、大気圧イオ
ン化法では、あまり極性の強くないものしか測定できな
かったのに対し、新しいイオン源では、極性の強弱を問
わず測定が可能となる。第１０図には、本発明、大気圧
イオン化法、サーモスプレィ法による、１７アルフアプ
ロゲステロン（ステロイドの一種で極性のあまり強くな
いもの）、アルギニン（アミノ酸の一種で極性のやや強
いもの）、スタキオース（糖の一種で極性の特に強いも
の）の各分子イオン強度の比較を行った。この結果から
れかるように、大気圧イオン化法では極性の特に強い糖
の測定は困難であり、サーモスプレィ法では極性のあま
り強くないステロイドの測定は困難であるのに対し、本
発明の方法では、どれもが強度強く分子イオン強度が測
定できている。

〔発明の効果〕

本発明により、大気圧イオン化法とサーモスプレィ法の
ためのふたつのイオン源が大気圧下で動作するひとつの
イオン源とすることが可能となり、この新しいイオン源
を設けた質量分析計により、（１）生体に関連した重要
な不揮発性化合物に対する適用範囲が格段に広がり、（
２）通常のサーモスプレィ法にように排気系にトラップ
を設ける必要がなくなって連続の長時間運転が可能とな
り、（３）大量のガスを真空中に導入する必要がなくな
り、イオン源内部の汚染が軽減されるに至った。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す質量分析計のイオン源
の構成図。 第２図及び第３図は金属性キャピラリーの加熱方法を示
す図、 第４図及び第５図はコロナ放電用電極の例を示す図、 第６図はサーモスプレィモードにおける、金属性キャピ
ラリーの先端と第１細孔との距離によるショ糖の分子イ
オン（Ｍ＋Ｎａ）”（分子量３６５）のイオン強度変化
を示す図、 第７図は放電電極に印加する電圧と電流値を示す図、 第８図はしよ糖のマススペクトルを示す図、第９図は液
体クロマトグラフの移動相による分子イオン強度の変化
を示す図、 第１０図は大気圧イオン化法、サーモスプレィ法、本発
明による方法による、１７アルフアプロゲステロン、ア
ルギニン、スタキオースの分子イオン強度の比較図。 第１１図は一般的な液体クロマトグラフ／質量分析計の
構成図。 第１２図は大気圧イオン化法のイオン源の構成図。 第１３図はサーモスプレィ法のイオン源の構成図、 第１４図及び第１５図は大気圧イオン化法とサーモスプ
レィ法とを組み合わせたイオン源の例を示す構成図、 第１６図はサーモスプレィモードによって生成したイオ
ンを、大気圧下でキャピラリー先端からＬＯｍｍの位置
で＠　１　ｍ　ｍの電極により検出した場合の電流値の
中心軸からの距離による変化を示す図である。 符号の説明 １・・・液体クロマトグラフ、２・・・配管、３−イオ
ン源、４・・・電場、５・・・磁場、６・・・イオン検
出器。 ７・・・データ処理装置、８・・・イオン源用電源、９
・・・排気系、１０・・・信号または制御ライン、１１
・・・金属性キャピラリー、１２・・・金、＠製ブロッ
ク、１３・・・針電極、１４・・・第１細孔、１５・・
・第２細孔、１６・・・電源、１７・・・カートリッジ
ヒーター、１８・・・熱電対、１９・・・ワイヤ、２０
・・・ワイヤまたはメツシュ、２１・・・エツジ、２２
・・・多数の針、２３・・・補助電極、２４・・・電極
支持用ブロック。 ２５・・・排気口付き電極支持ブロック、２６・・・絶
縁板、２７・・・内径の広がった部分、２８・・・内径
の広がったキャピラリー。 昂　７　図 液 づ本 第２固 Ｓ〕２ 第ｇ図 θ　　　　　　ノ　　　　　　ｚ　　　　　　１〕　　
　　　　４　　　　　　≦＝距離　（ｃｒｔ） １２回 Ａ　　　β　　　Ａ　　　！３　　　ハ　　　　！３　
　　Ａ渇■ ＯノＩＩＩ　　　　　　　２σσ　　　　　　Ｓσθ　
　　　　　＃σ　　　　　タ″外々 羊ゾ固 柔　ノ０　コ ・璋虎朗１；あグＳ村訛ン天 △　多くｊもスとイオンイとン六 汽　　　　　　−〜 第　７２　記 数 イ本 璽　ノＪ　旧 ４　　ノ４　　面 １　ノ５　回

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、試料をイオン化するためのイオン源と、生成したイ
   オンを真空中に導入して質量分析するための質量分析部
   よりなる質量分析計において、少なくとも大気圧下で動
   作する加熱可能なキャピラリーからなる噴霧イオン源を
   具備し、該キャピラリーの中心軸がイオン取出し用の細
   孔の中心を通り、該キャピラリーの先端を該細孔近くに
   位置させたことを特徴とする質量分析計。 ２、該キャピラリーの先端と該細孔の間の距離を３ｃｍ
   以下としたことを特徴とする請求項１の記載の質量分析
   計。 ３、上記噴霧イオン源とイオン取り出し用の細孔の間に
   、コロナ放電用電極を具備したことを特徴とする請求項
   １に記載の質量分析計。 ４、上記コロナ放電用電極と上記キャピラリーの間に、
   イオンを上記細孔方向に集中させるための補助電極を具
   備したことを特徴とする請求項３に記載の質量分析計。 ５、キャピラリーを加熱する際に、キャピラリーを複数
   の部分に分けて、別個に加熱と温度制御をできるように
   したことを特徴とする請求項１に記載の質量分析計。 ６、上記コロナ放電用電極に電圧をパルス的に印加し、
   噴霧した際に生成するイオンと、放電に続くイオン分子
   反応で生成するイオンを交互に上記細孔から取り出し得
   るように構成したことを特徴とする請求項１に記載の質
   量分析計。 ７、上記試料は液体クロマトグラフからの溶質液に含ま
   れたものである請求項１に記載の質量分析計。 ８、上記キャピラリー金属製である請求項１に記載の質
   量分析計。