JPH04171650A - 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、特に大気圧またはそれに準
じた圧力下で作動するイオン化法を用いる質量分析計脱
離媒に関する。

〔従来の技術〕 大気圧下でイオンを生成する大気圧化学イオン化（Ａｔ
ｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｃｈｅｍｉｃ
ａｌ　ＩｏｎｉｚａｔｉｏｎＡＰＣＩ）やエレクトロス
プレィ・イオン化（Ｅｌｅｃｔｒｏｓｐｒａｙ　Ｉｏｎ
ｉｚａｔｉｏｎ　Ｅ　Ｓ　Ｉ　）やニユーマテイク補助
エレクトロスプレィ・イオン化（Ｐｎｅｕｍａｔｉｃａ
ｌｌｙ　Ａｓ５ｉｓｔｅｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｓｐｒａｙ
Ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ）などは液体クロマＩ・グラフ（
ＬＣ）と質量分析計（Ｍ　Ｓ　）を結びつける良いイオ
ン化手法ならびにインターフェイスとして注目されるよ
うになってきた。ＬＣは大気圧で働き、一方ＭＳは高真
空下で作動する装置である。大気圧下でイオンを生成さ
せたら、生成したイオンをなるべく損失無く高真空のＭ
Ｓへ導くことが必要である。そのため大気圧部と真空部
を細孔で隔離し、この細孔を通じて生成されたイオンを
サンプリングする方式が一般に採用されている。大気圧
（約１０５Ｐａ）とＭＳ作動真空（約１０’Ｐａ）との
圧力差が大きいため、インターフェイスとして細孔を小
さくし、ＭＳの排気ポンプの排気速度を上げる（〜１０
’ｆｌ／ｓ）か、複数の細孔で隔てた差動排気系が用い
られている。ＬＣ／ＭＳの分析は液体に溶けた成分の分
離、定性、定量分析である。

成分の分子は液体中で溶媒分子に囲まれている状態でい
る。この分子を噴霧なとで液相から気相へ移し、イオン
化しても完全に溶媒分子を成分分子より引き離すことは
できない。更に、大気圧から真空中へイオンが導入さ九
ると断熱膨張でイオンは冷え、同時に導入された溶媒分
子と衝突すると再び結合してしまう。この溶媒分子など
が付加したイオンをクラスタイオンと言う。第２図にそ
の模式図を示す。溶媒は水（Ｈ２０）で示している。

分析物の分子をＭで示している。ＭとＨ２Ｏは水素結合
（第２図中の破線）などで結びついている。

このクラスタイオンが生成すると付加した溶媒分子の数
から特定できないため分析対象物の分子量（Ｍ）を判断
できなくなってしまう。第３図に示すようにＭＳの高真
空中でイオンが飛行している間に次々と溶媒分子が脱離
すると検出器に正しく到達できないばかりでなく、マス
スペクトル中にノイズとして出現してしまう。第４図に
示すように、ノイズはＱ（四重極）ＭＳの場合顕著に見
られる。これはＱポール内で溶媒の脱離が行われた場合
ノイズ（解釈不可能なマスピーク）としてマススペクト
ルに現れるものと解釈される。第５図に示すように磁場
形ＭＳでイオン加速後に溶媒の脱離がイオンの飛行中に
起きると（ＭＨ＋・ｍ　８２０４　Ｍ　Ｈ＋）　、距離
イオンは電場を通過できなく全く検出できなくなる。ま
た、電場や磁場の中で解離したイオンは検出器上にシャ
ープにフォーカスではなくなり、マススペクトル上に単
なるノイズを与えるだけとなる。クラスタイオンは中心
のイオンと周辺の溶媒分子が水素結合などで結びついた
もので周辺の溶媒分子と別の溶媒分子も更に二重、三重
に結合したものとなっている。周辺の溶媒同志の結合は
それほど強固でなく、加熱や中性ガス分子との衝突など
で取除くことができる。しかしイオンに直接結合する水
などの溶媒分子の脱離はなかなか困難で以下の二つの方
式が主に用いられている。（１）　Ｆｅｎｎ等によって
行われた大気圧下での中性ガス分子とクラスタイオンの
衝突による溶媒の脱離（脱溶媒と言う）がある（第６図
）。これはアナリテイカル・ケミストリー。

５７巻、１９８５年、　ｐ　６７５−ｐ　６７９　（Ａ
ｎａｌ。

Ｃｈｅｍ、５７　（１９８５）ｐ６７５〜ｐ６７９）に
示されている。即ち、５０’Ｃから８０℃程度に加熱し
た乾燥窒素をクラスタイオンの流れと逆方向から吹きつ
け、衝突を行わせ、クラスタイオンから溶媒分子を引き
離そうとするものである。（２）神原らは、クラスタイ
オンを差動排気系部で２つの細孔間に印加された電圧■
ｄで加速し、残存中性分子と衝突させ、衝突の運動エネ
ルギを内部エネルギ（振動２回転などのエネルギ）へ変
換し、それにより溶媒分子を取りのぞくのに成功した（
第７図）。（米国特許第４１４４４５１号）神原らの方
式は差動排気系によるスムーズな圧力勾配を実現し生成
したイオンを無理なくＭＳへ導く一方、導入の過程で脱
溶媒を行ってしまう良い方式である。

〔発明が解決しようとする課題〕

大気圧イオン化（ＡＰＣＩやＥＳＩなど）はＬＣ／ＭＳ
のインターフェイスとして広く使用されるようになった
。ＬＣは液体に溶解している物質を分離する手法である
。ＬＣで分離した成分をオンラインで結合したＭＳが定
性、定量分析を行う。ＬＣでは水やメタノールなど極性
の高い溶媒が良く使用される。この場合複数の溶媒分子
の付加イオンがマススペクトル上に観察される。特にイ
オンの半径が小さい場合（Ｎａ＋やＬ１＋など）や、イ
オンの電荷が多い（多価イオン）場合は、多くの溶媒分
子を強く引きつけてクラスタイオンを生成する。このよ
うなりラスタイオンの場合、カウンタガスや衝突や加速
衝突による方法でも充分に裸のイオンを生成できない場
合がある。またＭＳの高真空中にイオンがサンプリング
される際。

冷却によりイオンと溶媒分子の再結合の可能性がある。

溶媒分子の付加したクラスタイオンはイオン加速後生性
分子との衝突や外部からの熱の吸収などで溶媒を脱離し
てしまうことがある。ＭＳがＱＭＳの場合イオン加速後
、Ｑポールに入射する前にこの脱溶媒が起きても、質量
分析は可能でマススペクトルを与えることができる。脱
溶媒がＱボール内で起きてしまうとマススペクトル上に
ノイズ（解釈不能なマスピーク）を与えることがある。

磁場形ＭＳの場合、イオン加速後電場に入射する前に脱
溶媒が生ずれば、脱溶媒したイオンは電場を通過できな
い。電場内から磁場までの空間で脱溶媒が起きれば、検
出器までイオンが到達できなくなるか、到達してもノイ
ズとしてマススペクトル上に記録されるだけである。以
上からイオン加速後説溶媒が起きれば、マススペクトル
に与える影響はＱＭＳより磁場ＭＳの方が深刻である。

磁場ＭＳの場合、質量分析用のイオン加速の前に脱溶媒
が完全になっていなければならない。またＱＭＳでもス
ペクトル上のノイズを軽減するためにも脱溶媒の必要性
は同じである。

エレクトロスプレィ・イオン化ＥＳＩを磁場形ＭＳに接
続すると、小さな化合物（分子量２０００以下）の場合
ＱＭＳと同等のマススペクトルを与える。しかし分子量
１万を越える蛋白の測定を行うとＱＭＳは多価イオン（
数十価を越える）のマススペクトルを与えるのに対し磁
場形マスではノイズに満ちたスペクトルを与える。これ
は上記脱溶媒がイオン加速の後に起きているためと解釈
される。これは以下の実験でも説明できる。第８図に示
すような構成で実験を行った。ＬＣ１８から１０μＱ／
ｍｉｎ程度の流量で水を送り出す。テフロンチューブ１
９の先に金属キャピラリー１を接続し、そのキャピラリ
ー１をヒータ２１でヒートブロック２０を通して２００
℃に加熱する。水はキャピラリー先端より霧となって噴
出する。噴出したガスを径０．１何の細孔３でサンプリ
ングし差動排気系を経てＭＳへ導入する。差動排気系細
孔３，４間には１５０Ｖ程度の電位が印加されていて脱
溶媒を行わせている。ＭＳはＱＭＳの場合マススペクト
ル上には第９図のようにＮａ＋イオンが感度良く観察さ
れる。マススペクトル上のＮａ＋イオンは水中に含まれ
る微量のＮａ＋イオンと考えられる。第８図のＭＳを磁
場形ＭＳに変更するとＮａ＋イオンはマススペクトル上
から消滅する。ところが、金属キャピラリー１の加熱温
度を２００℃から５００℃に上げるとマススペクトル上
にＮａ”＝　２３のピークが出現する。これは以下のよ
うに説明できる。Ｎａ＋　イオンの半径が小さいため強
く溶媒を引きつけている（水和と呼ぶ）ため、差動排気
系での加速衝突などで大部分の溶媒を取りのぞけたにし
ても不充分なことも考えられる。またＭＳの高真空中に
サンプリングされる除水と再結合することも考えられる
。Ｎａ＋・ｎＮ２０（ｎ≧１）イオンが加速後ｎＨ２Ｏ
を脱離すれば、ＱＭＳでは検出できても磁場ＭＳでは検
出できない。また磁場ＭＳでも、高温に水を加熱気化す
れば、充分に水を脱離できめだけのエネルギをあらかじ
めＮａ＋クラスタイオンに与えることができ、裸のＮａ
＋イオンを得ることができ、そのためＮａ”＝２３のピ
ークをマススペクトル上に観察できるのである。溶液を
高温に加熱すれば溶液中のイオンを気体中に抽出できる
ことはわかるが、有機物は一般に加熱によって容易に熱
分解を受けてしまう場合が多い。そのため比較的低温（
＜１００℃）で脱溶媒が良く行われる方法が望まれるこ
とになる。

クラスタイオンから付加溶媒分子がイオン加速後に脱離
する直接的な証拠を第１０図に示す。エレクトロスプレ
ィイオン化（ＥＳＩ）イオン源を磁場形ＭＳに接続し、
Ｂ／Ｅリンクドスキャンにて、イオン源と電場との間で
解離した娘イオンを測定した。試料はペプチドの一種の
タフ１−シン（分子量＝５００）を水／メタノールに溶
かし、同組成の溶離液にてＥＳＩイオン源に送った。第
１０図にタフトシンのＥＳＩマススペクトルを示す。５
０１（ＭＨ＋）が基準ピークとなっているウプリカーサ
イオンをタフトシン・プロトン化イオンに水分子１個が
付加した（Ｍ＋Ｈ）＋・Ｎ２０とし、娘イオンスペクト
ルを得た（第１１図）。イオン加速後解離したイオンは
運動エネルギがフラグメントイオンや中性分子に分配さ
れた電場（エネルギのフィルタ）を通過できなくなる。

電場電圧をエネルギの損失しただけ低下させてやれば、
解離したイオンは電場を通過する。磁場でも運動量の損
失分磁場強度を下げればイオンを捕捉できる。娘イオン
はこのようにして選択的に検出器に捕捉ができる。第１
１図に示すようにプリカーサイオン（ｍ／ｚ５１９）か
らｍ／ｚ５０１のイオンが生成した。これは（Ｍ＋Ｈ）
＋・Ｈ７０→（Ｍ＋Ｈ）の遷移を証明している。即ち水
付加イオンからイオン加速後、イオンの飛行中に水分子
が脱離したことを示している。このような遷移がイオン
源の加速後に起こると磁場形ＭＳではイオンを検出でき
ない。第１２図に神原らによる加速衝突による脱溶媒手
段を備えたＥＳＩ／ＭＳを示す。

ＬＣから流入した溶離液は高電圧Ｖ、が印加されたキャ
ピラリー１に導かれる。このキャピラリー１の外側には
径の−廻り大きいキャピラリー２があり、この二つのキ
ャピラリー１，２間に乾燥窒素が送り込まれる。内側の
キャピラリー１から霧が噴出しこの霧には多くのイオン
を含む液滴が生成する。液滴は大気中のＮ２分子などと
衝突し微細化して行く。微細な液滴やクラスタイオンは
サンプリング細孔３から差動排気系部に取込まれ、スキ
マ細孔４との間に印加されたイオンドリフト電圧ｖｄに
より加速される。クラスタイオンはＮ２分子などと衝突
し脱溶媒する。脱溶媒したイオンはスキマ細孔４からＭ
Ｓ部に導入され、イオン加速電極に印加されたイオン加
速電圧Ｖａで加速され質量分析される。ここで、スキマ
細孔４からＭＳへ入ったイオンは、冷却し再び溶媒が付
加する危険がある他加速衝突で完全に脱溶媒できないイ
オンも存在する。これらのイオンは加速後イオン飛行中
溶媒分子が脱離する可能性がありこれらはマススペクト
ルを与えない。

本発明は脱溶媒を完全に行わせた後イオンを加速しマス
スペクトルを得ようとするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の特徴は質量分析のためのイオンの加速の前にそ
のイオンを中性分子と衝突させそのイオンに付加した分
子を離脱させる空間を設けた点にある。

〔作用〕

Ｆｅｎｎ等は大気圧下で、神原らは差動排気系部の中間
圧力部での脱溶媒の方式を提案した。これら１方式は、
有機物のイオン化、質量分析には充分であるが、高極性
化合物のイオンやＥＳＩによる多価イオンの場合は脱溶
液が不充分な場合がある。

その場合マススペクトル上に解釈不明のピークやノイズ
を与える。更に磁場形ＭＳの場合マススペクトルさえ与
えないことがある。そのため上記２つの脱溶媒に加える
に高真空下での脱溶媒が必要である。脱溶媒は中性の分
子との衝突によって達成できる。１０Ｐａの真空での空
気の平均自由行程は０．５ｍであるのに対し１０’Ｐａ
では空気の平均行程は５ｍに達する。イオンサンプリン
グ細孔付近の真空度は約０．ＩＰａ　　程度であるから
平均自由行程は５０ｎｗｎである。０．Ｉ　Ｐ　ａ　程
度の真空で長さ５０順程度の空間をイオンが飛行すれば
、数回程度の中性分子との衝突及び脱溶媒が期待できる
。この衝突の後、１０’Ｐａ以上の真空下でイオン加速
を行えば、もはや加速されたイオンは衝突なしに検出器
に到着する。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。ＬＣ
から送り込まれた溶離液は金属製中キャピラリー１に至
る。このキャピラリ−１は径の大きいもう一つの同軸の
金属性キャピラリー２に挿入されている。外管２と内管
１との間には乾燥窒素ガスが毎分数ａ送られている。こ
の二つのキャピラリー１，２間には約３ｋＶの高電圧が
印加されている。このキャピラリーに対向してサンプリ
ング細孔３が設けられている。このサンプリング細孔３
と同軸上にスキマ細孔４が設けられ間はメカニカルポン
プで排気されている。スキマ細孔４の後には内径５　ｗ
ｎ　Ｘ　５０　ｍｍの脱溶媒室５が設けられていて脱溶
媒室のスキマ細孔の反対側にイオン出射細孔１０が設け
られている。この脱溶媒室はヒータ６で１００℃程度過
熱されている。また真空外より乾燥窒素ガスがガスシリ
ンダ９からニードルバルブ８で供給量を制御の上絶縁用
のテフロンチューブ７を経て供給できるようになってい
る。

イオン出射細孔１０の後にはイオン加速電極１１が設け
られている。大気中下のＮ２　ガスによる噴霧と強電界
ｖ１によりイオンが生成する。生成したイオンはサンプ
リング細孔３を経て差動排気系部へ入り、イオンドリフ
ト電圧Ｖ、で加速され中性分子と衝突し、付加している
溶媒を脱離する。

イオンは次にスキマ細孔４から加速電圧Ｖ　ａ　’　　
により加速され脱溶媒室に入りＮ７分子などと衝突し更
に脱溶媒を行う。この脱溶媒室の真空度はスキマ細孔４
、イオン出射細孔１０の大きさや流入Ｎ、ガス量によっ
て変わるが一般に１０　’Ｐａ程度である。脱溶媒室５
の長さは約５ｃＩＩ＋程度あるため多くの高質量分子（
１０００以上）は数回以上の衝突を行うこととなり脱溶
媒が完全に行える。

イオンは更にイオン出射細孔を経て１Ｏ−３Ｐａ程度高
真空中に出てイオン加速電圧Ｖａにより加速されＭＳ分
析部へ入る。この脱溶媒室を１０Ｐａの差動排気系部と
ｉｏ’ＰａのＭＳ分析部の中間に配置し、中間の圧力で
充分衝突が行える長さの衝突室を設けることが重要な点
である。更に、断熱膨張によるガス温度の低下を防ぐた
め脱溶媒室をわずかに加熱することは必要である。脱溶
媒したイオンは高真空で一気に加速される。第１３図に
本発明のもう一つの実施例シボす。サンプリング細孔３
スキマ細孔４を通過したクラスタイオンはスキマ細孔４
の延長上にあるイオン衝突室２２に入射する。イオン衝
突室２２にはイオン加速電圧の１０〜１５％程度の電圧
■６′　　を印加し、イオンが効率良く衝突室２２に侵
入し、中性ガス分子と衝突させるようにしている。衝突
室２２には窒素ガスなどが外部より供給できるようにし
である。ガスまたは衝突室自身はヒータで加熱できるよ
うにしてあり、この加熱により付加分子の脱離を容易に
している。この衝突室２２は、衝突を完全にするため、
衝突室内の真空度における平均自由行程より長いことが
望ましい。０．Ｉ　Ｐ　ａ　　程度で５０Ｍ１程度であ
る。イオンは衝突室で付加分子を脱離して衝突室を脱出
し脱溶室と加速電極間に印加された加速電圧■３で加速
される。この方式はスキマ細孔から充分にイオン加速部
を離すことができて、より高い真空下でイオン加速する
ことができる。しかし、この衝突室の長さをむやみに長
くすることはイオンの拡がりによる損失を考えることが
できない。このイオンの拡がりを防ぐには第１４図に示
すように衝突室の中央にアインツエルレンズ２３などイ
オンを収束するレンズを設けることで達成できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、クラスタイオンの脱溶媒をイオンの加
速の前に行えるので、ＱＭＳではノイズの低減、磁場形
ＭＳでは耐極性分子の測定、多価イオンの測定を可能と
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す図、第２図はクラスタ
イオンの模式図、第３図はインターフェイス各ステップ
での脱溶媒の模式図、第４図はＱＭＳで得たマススペク
トル、第５図はＭＳに磁場形ＭＳを用いた時の脱溶媒の
模式図、第６図はＦｅｎｎ等によって報告されたカウン
タガス脱溶媒方式の模式図、第７図は排蒸らによる加速
衝突方式による脱溶媒の模式図、第８図はＮａ＋イオン
検出実験に用いた装置の模式図、第９図はヒートブロッ
クの温度が２００　’ＣでＭＳがＱＭＳの時得られたマ
ススペクトル、第１−０図はタフトシンのＥＳＩマスス
ペクトル、第１１図はｎ　／　ｚ　５１９をプリカーサ
とした娘イオンスペクトル、第１２図は加速衝突脱溶媒
方式イオンフェイスの模式図、第１３図は本発明の別の
実施例を示す図、第１４図は本発明の更にもう一つの実
施例を示す図である。 １・・キャピラリー内管、２・・・キャピラリー外管、
３・・サンプリング細孔、４　スキマ細孔、５　衝突室
、６・・ヒータ、７・絶縁用テフロンチューブ、８・ニ
ードルバルブ、９　ガスシリンダ、１０イオン出射細孔
、１１　イオン加速電極、１−２・・四重極、１３　・
検出器、１４・・電場、１５・・磁場、１６・・・イオ
ン導入パイプ、１７・・コロナ放電電極、１８・・ＬＣ
１１９・・テフロンチューブ、２０　ヒートブロック、
２１・・・ヒータ、２２・・・衝突室、０−一一工 ／ 工 ６８〜ゝ〜 第７図 Ｐｕｒｒ＋ｃ＋　　　　　１２ 羊′　　Ｑ　　口刀 第１０図 第１１図 第１２図 巨“−下“丁ｒ。 第１３図 ２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
〃第１４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、大気圧またはそれに準じた圧力下でイオン化する手
   段と、生成したイオンを質量分析計へ導く手段と、導入
   されたイオンを質量分析できる質量分析計において、質
   量分析のためのイオンの加速の前に該イオンを中性分子
   と衝突させ該イオンに付加した分子を脱離させる空間を
   設けることを特徴とする質量分析計。 ２、請求項１における質量分析計において、イオン化手
   段が大気圧化学イオン化またはエレクトロスプレイイオ
   ン化またはニユーマテイク補助ＥＳＩである質量分析計
   。 ３、請求項１または２における質量分析計において、生
   成したイオンの導入手段が、二つ以上の細孔によつて隔
   離された差動排気系システムによる質量分析計。 ４、請求項１、２または３における質量分析計において
   、導入され飛行しているイオンが１回以上中性分子と衝
   突できるようイオン飛行方向にある長さを有する空間を
   設けた質量分析計。 ５、請求項１、２、３または４における質量分析計にお
   いて、衝突用ガス分子を外部より導入できるようにした
   質量分析計。 ６、請求項１、２、３、４または５における質量分析計
   において、衝突空間を加熱できるようにした質量分析計
   。 ７、請求項１、２、３、４、５または６における質量分
   析計において、外部より導入するガスを加熱できるよう
   にした質量分析計。 ８、大気圧部または差動排気系部からイオンをサンプリ
   ングする細孔の後にイオン加速引き出し電極を設け、引
   き出し電圧が質量分析のためのイオン加速電圧より下廻
   りかつイオン引出し電極の後にイオンが飛行し、中性分
   子と衝突させる空間を設け、更に衝突空間の後に質量分
   析のためのイオンの加速を行うことを特徴とする質量分
   析計。 ９、請求項８における質量分析計において、衝突室の電
   位が最初のイオン引出し電極電位とほぼ同じである質量
   分析計。 １０、請求項８または９における質量分析計に衝突用ガ
   スを導入できるようにした質量分析計。 １１、請求項１０における質量分析計において衝突用ガ
   スを加熱できるようにした質量分析計。 １２、請求項８、９、１０または１１の質量分析計にお
   ける衝突室及びその近傍を加熱できるようにした質量分
   析計。