JPH10162771A - 大気圧イオン源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】分析部へ導入できる試料の量をより多くするこ
とができるようにしながら、しかも試料イオンを安定状
態で供給して感度をより一層向上させる。 【解決手段】加熱ヒータ部４で生成された試料のイオン
が、大気圧下から第１オリフィスの複数個の孔７ａを通
過して大気圧より低い第１所定圧の第１圧力室８に導入
される。このとき、試料のイオンが複数個の孔７ａを通
過するので、従来より多量のイオンが第１圧力室８に導
入されるにもかかわらず、第１オリフィス７の１つの孔
７ａあたりの試料のイオンの通過量は少ない。したがっ
て、試料のイオンの断熱膨張によるクラスター化が抑え
られ、イオンは安定状態で供給される。そして、この安
定した多量の試料のイオンが、第２オリフィス１０を通
って第１所定圧より低い第２所定圧の第２圧力室１１に
導入され、更に第３オリフィスを通して分析部に導入さ
れるので、分析部の感度が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば質量分析装
置（Mass Spectrometer；以下、ＭＳとも表記する）等
ので用いられるイオン源の技術分野に属し、特に試料を
大気圧または大気圧に近い圧力下でイオン化する大気圧
イオン源の技術分野に属するものである。

【０００２】

【従来の技術】液体クロマトグラフ質量分析装置（ＬＣ
ＭＳ）では、ＬＣから流出した移動相をイオン源に導入
してイオン化し、生成されたイオンを高真空下の質量分
析部（ＭＳ分析部）に導いて分析するようになってい
る。

【０００３】ところで、このようにＬＣからの移動相を
イオン化する方法としては、前述のように大気圧下でイ
オン化する大気圧イオン化（Atmospheric Pressure Ion
ization；以下、ＡＰＩとも表記する）が広く用いられ
ている。このＡＰＩには、主に次の３つの方法がある。

【０００４】１つは、エレクトロスプレ−イオン化法
（Electro Spray Ionization；以下、ＥＳＩとも表記す
る）であり、このＥＳＩは大気圧下で高電圧を使った静
電場噴霧によりイオンを生成する方法である。

【０００５】また他の１つは、大気圧化学イオン化法
（Atmospheric Pressure Chemical Ionization；以下、
ＡＰＣＩとも表記する）であり、このＡＰＣＩは大気圧
で噴霧した後、コロナ放電で化学イオン化することによ
りイオンを生成する方法である。

【０００６】更に他の１つは、ソニックスプレーイオン
化法（Sonic Spray Ionization；以下、ＳＳとも表記す
る）であり、このＳＳは大気圧下でガスにより噴霧し、
噴出ガスの作用効果でイオン化することによりイオンを
生成する方法である。

【０００７】図５は、従来のＥＳＩによる大気圧イオン
源の一例を模式的に示す図である。図中、１はＬＣ、２
はＬＣ１からの混合液が流動する細管、３は霧化プロー
ブ、４はブロック状の加熱ヒータ部（気化器）、５は加
熱ヒータ部４に配設されたヒータ、６は加熱ヒータ部４
に穿設され、霧化された移動相が流動するた細孔、７は
第１オリフィス、８は図示しない第１真空ポンプによっ
て大気圧より低い第１所定圧に保持されている第１圧力
室、９は第１圧力室８内に配設されたリングレンズ、１
０は第２オリフィス、１１は図示しない第２真空ポンプ
によって第１所定圧より低い第２所定圧に保持されてい
る第２圧力室、１２は第２圧力室１１内に配設されたイ
オンフォーカスレンズ、１３は主スリット部、１４は第
２所定圧より低い第３所定圧の高真空に保持されている
ＭＳ分析部である。

【０００８】細管２と加熱ヒータ部４との間に所定の高
電圧が印加されているとともに、第１および第２オリフ
ィス７,１０、およびリングレンズ９にもそれぞれ所定
の高電圧が印加されている。

【０００９】このように構成されている従来のＥＳＩに
よるイオン源においては、細管２に高電圧を印加して、
ＬＣ１から流動してくる試料と溶媒との混合液中の試料
をイオン化する。この状態で、霧化プローブ３から霧化
用窒素ガスを噴出させると、ＬＣ１の試料と溶媒との混
合液が細管２を通って大気圧中に霧吹き状に流出して霧
化することにより、試料を含む溶媒が帯電液滴となり、
その後加熱ヒータ部４の細孔６中を移動する。このと
き、細孔中６の液滴はヒータ５により加熱ヒータ部４を
介して加熱されて残存する溶媒が気化し、ＭＳ分析部１
４で分析可能な試料のイオンそのものが生成される。こ
の生成されたイオンが第１オリフィス７を通って第１圧
力室８内に導入され、更にこのイオンは第１圧力室８内
のリングレンズ９により第２オリフィス１０を通過させ
られて第２圧力室１１に導入される。最後に、第２圧力
室１１内のイオンはイオンフォーカスレンズ１２により
主スリット部１３を通って高真空下のＭＳ分析部１４に
フォーカスされ、ＭＳ分析部１４によって質量分析され
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、加熱ヒータ
部４おいて生成された試料のイオンを第１圧力室８に導
入する第１オリフィス７の内径を大きくしていくと、図
６において実線で示すようにＭＳ分析部１４における質
量分析の感度が向上するようになる。これは、第１オリ
フィス７の内径が大きくなると、この第１オリフィス７
を通過するイオン化した試料の導入量が多くなるからで
ある。

【００１１】しかしながら、第１オリフィス７の内径が
ある程度大きくなると、図６において破線で示すように
それ以上は逆にビームが不安定になるばかりでなく、感
度も低下していくようになる。これは、前述のように第
１オリフィス７の内径が大きくなることにより、試料導
入量が増えるが、多量の試料が大気圧下から真空領域の
第１圧力室８に一気に進入するため、断熱膨張により試
料温度が急激に低下してしまう。このため、加熱ヒータ
部４においてせっかく気化した試料イオンを核にして溶
媒分子がその回りに多数付加される現象（クラスター
化）が起こり、試料のイオンが脱溶媒され難くなって不
安定になると同時に感度も上がらなくなってしまうと考
えられる。したがって、従来のイオン源では、第１オリ
フィス７の内径をそれほど大きくすることができなく、
第１圧力室８に導入できる試料の量がある程度に制限さ
れるので、感度を上げることには限度があった。

【００１２】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであって、その目的は、分析部へ導入できる試料イ
オンの量をより多くすることができるようにしながら、
しかも試料イオンの供給を安定にして感度をより一層向
上させることのできる大気圧イオン源を提供することで
ある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに、請求項１の発明は、大気圧下でイオン化し、生成
した試料のイオンを大気圧下からオリフィスを通して大
気圧より低い圧力下の分析部に導入する大気圧イオン源
において、前記オリフィスの孔が複数個設けられている
ことを特徴としている。

【００１４】また請求項２の発明は、大気圧下でイオン
化し、生成した試料のイオンを大気圧下から第１オリフ
ィスを通して大気圧より低い所定圧に保持された圧力室
に導入し、更に前記圧力室から第２オリフィスを通して
より低い圧力下の分析部に導入する大気圧イオン源にお
いて、前記第１オリフィスの孔が複数個設けられている
ことを特徴としている。

【００１５】更に請求項３の発明は、前記第１オリフィ
スの各孔の方向がそれぞれ前記第２オリフィスの孔の方
向と同方向に設定されていることを特徴としている。更
に請求項４の発明は、前記第１オリフィスの各孔の方向
がそれぞれ前記第２オリフィスの孔の同方向に対して傾
斜して設定されていることを特徴としている。

【００１６】更に請求項５の発明は、生成された前記試
料のイオンが前記第１オリフィスに移動する方向が前記
第２オリフィスの孔の方向に対して所定角に交差する方
向に設定されていることを特徴としている。

【００１７】

【作用】このような構成をした請求項１の発明の大気圧
イオン源においては、試料と溶媒との混合液が霧化され
た後加熱されて脱溶媒されることにより、生成された試
料のイオンが、大気圧下からオリフィスの複数個の孔を
通過して大気圧より低い所定圧の分析部に導入されるよ
うになる。このとき、試料のイオンがオリフィスの複数
個の孔を通過するので、多量のイオンが分析部に導入さ
れる。また、オリフィスの各孔の断面積の総和が従来の
オリフィスの孔の断面積より大きくなるようにしかつ１
つの孔の断面積が小さくなるように、各孔の断面積を設
定することにより、オリフィスを通過する試料のイオン
の総量が従来のオリフィスより多いにもかかわらず、オ
リフィスの１つの孔あたりの試料のイオンの通過量は少
なくできる。

【００１８】したがって、試料のイオンが大気圧下から
真空下に進入しても、試料のイオンが断熱膨張により冷
却されてクラスター化することはない。これにより、脱
溶媒された気化した多量の試料のイオンが大気圧下から
真空下に導入されても不安定になることはなく、イオン
は安定状態に保持される。こうして、安定した多量の試
料のイオンが分析部に導入されるようになり、分析部の
感度が向上する。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態を説明する。図１は本発明にかかる大気圧イオン
源の実施の形態の一例を示す図である。なお、前述の図
５に示すイオン源と同じ構成要素には同じ符号を付すこ
とにより、その詳細な説明は省略する。

【００２０】図５の従来の加熱ヒータ部４では、細孔６
が細管２と第１オリフィス７とを結ぶ軸線からずれた位
置に穿設されているとともに、ヒータ５がこれらの細孔
６から離隔して設けられているが、本例の加熱ヒータ部
４では、図１に示すように細孔６が削除されているとと
もに、太孔１５が細管２と第１オリフィス７とを結ぶ軸
線上で同軸線方向に貫通して穿設されている。この太孔
１５の断面積は細孔６のそれに比べてかなり大きな値に
設定されている。

【００２１】また、図５の加熱ヒータ部４では、ヒータ
５が細孔６から離隔して設けられているが、本例の加熱
ヒータ部４では、太孔１５の細管２側内周面に環状溝１
６が形成されているとともに、カートリッジヒータ５が
この環状溝１６を貫通して太孔１５に交差するようにし
て配設されている。すなわち、細管２から流出した霧化
された試料（以下、サンプルともいう）を含む移動相は
直接このカートリッジヒータ５に当接するようにされて
いる。

【００２２】更に、図５のイオン源で細管２と加熱ヒー
タ部４との間に印加されている高電圧は、本例のイオン
源では削除されている。なお、１７は加熱ヒータ部４お
よびカートリッジヒータ５の温度を制御するために加熱
ヒータ部４の温度を検出する温度センサである。

【００２３】更に、図５のイオン源では試料を大気圧下
から大気圧より低い第１所定圧の第１圧力室８の導入す
るための第１オリフィス７が、比較的大きな径の１個の
孔により形成されている、本例のイオン源では第１オリ
フィス７は、図５の第１オリフィス７の径よりは小さい
径の複数個の孔７ａにより形成されている。図２（ａ）
に詳細に示すように、これらの孔７ａは第１オリフィス
７の中心と第２オリフィス１０の中心とを結ぶ軸線と平
行に穿設されているとともに、同図（ｂ）に示すように
第１オリフィス７の中心のまわりに、４個円周方向に等
間隔に配置されている。そして、１つの孔７ａの断面積
は図５のイオン源の第１オリフィス７の断面積より小さ
く設定されているが、４個の孔７ａの断面積を合わせた
総断面積すなわち本例の第１オリフィス７の断面積は図
５の第１オリフィス７の断面積より大きくなるように設
定されている。なお、孔７ａの数は４個に限定されるこ
となく、複数であれば適宜の数を設けることができる。
また、１つの孔７ａの断面積は、後述するようにサンプ
ルに断熱膨張による熱放出が生じない範囲であれば、図
５の第１オリフィス７の断面積と同じでもあるいはそれ
以上に設定することもできる。本例のイオン源の他の構
成は図５に示す従来のイオン源と同じである。

【００２４】このように構成された本例のイオン源にお
いては、霧化プローブ３から霧化用窒素ガスを噴出させ
ることにより、ＬＣ１内の試料と溶媒との混合液が細管
２を通って加熱ヒータ部４の方へ霧化されて噴出する。
なお、霧化用ガスは、窒素の他に酸素ガス、希ガス、空
気、あるいは熱風等を使用することもできる。噴霧され
た混合液の霧状の液滴はカートリッジヒータ５に直接衝
突し、このカートリッジヒータ５により例えば２００℃
以上の高温で加熱される。その場合、加熱ヒータ部４お
よびカートリッジヒータ５の温度が温度センサ１７によ
って検出された加熱ヒータ部４の温度に基づいて制御さ
れる。

【００２５】この高温加熱により、混合液の液滴は効果
的に脱溶媒され、サンプルのイオンが生成される。生成
されたイオンは、大気圧下から４個の孔７ａからなる第
１オリフィス７を通過して大気圧より低い所定圧に設定
されている第１圧力室８に導入される。このとき、第１
オリフィス７は４個の孔７ａから構成されていて、イオ
ンの通過する総断面積は図５に示す従来のイオン源の第
１オリフィス７の通過断面積よりも大きく設定されてい
るので、従来よりも多くのサンプルが第１圧力室８に導
入されるようになる。

【００２６】しかも、サンプルは４個の孔７ａから分割
されて第１圧力室８内に導入されるが、１つの孔７ａの
断面積は比較的小さく設定されているので、１つの孔７
ａににおけるサンプル通過量は少ない。したがって、サ
ンプルが大気圧下から第１所定圧の第１圧力室８内に進
入しても、サンプルからの断熱膨張による熱の放出が少
なく、サンプルが冷却されて液化することはない。これ
により、脱溶媒された気化した多量のサンプルが大気圧
下から第１所定圧の第１圧力室８内に導入されても不安
定になることはなく、サンプルは安定状態に保持され
る。

【００２７】そして、脱溶媒された気化した多量のサン
プルが、前述の図５のイオン源と同様に第１圧力室８か
ら更に第２オリフィス１０、第２圧力室１１、および主
スリット部１３を通ってＭＳ分析部１４に送られるよう
になる。その場合、４個の孔７ａを通過して第１圧力室
８内に進入したサンプルのイオンは第１圧力室８内で拡
散しようとするが、イオンをリングレンズ９により絞る
ことにより、効率よく第２オリフィス１０に導入される
ようになる。こうして、安定した多量のサンプルが導入
されることから、ＭＳ分析部１４の感度が向上する。

【００２８】図３は本発明の実施の形態の他の例を示
す、図２（ａ）と同様の図である。なお、前述の図１、
図２および図５に示すイオン源と同じ構成要素には同じ
符号を付すことにより、その詳細な説明は省略する。前
述の図２（ａ）に示す例のイオン源では、第１オリフィ
ス７の４個の孔７ａが、第１オリフィス７の中心と第２
オリフィスの中心とを結ぶ軸線に平行に設けられている
が、本例のイオン源は、これらの孔７ａが第１オリフィ
ス７の中心と第２オリフィスの中心とを結ぶ軸線に対し
て第２オリフィス１０の中心方向に傾斜して設けられて
いる。

【００２９】本例のイオン源の他の構成は図１に示すイ
オン源と同じである。

【００３０】このように構成された本例のイオン源は、
第１オリフィス７の各孔７ａが第２オリフィス１０に向
かって傾斜しているので、各孔７ａを通って第１圧力室
８内に進入してきたサンプルは、第２オリフィス１０に
向かって効果的に移動するようになる。これにより、Ｍ
Ｓ分析部に導入されるサンプル量も更に多くでき、した
がって感度も更に上昇する。本例のイオン源の他の作用
効果は図１に示すイオン源と同じである。

【００３１】図４は本発明の実施の形態の他の例を示
す、図２（ａ）と同様の図である。なお、前述の図１、
図２および図５に示すイオン源と同じ構成要素には同じ
符号を付すことにより、その詳細な説明は省略する。

【００３２】前述の各例のイオン源では、いずれも、第
１オリフィス７の向きと第２オリフィス１０の向きとが
同一方向に設定されているが、本例のイオン源では、図
４に示すように第１オリフィス７の向きと第２オリフィ
ス１０の向きとが互いに直交する方向に設定されてい
る。すなわち、本例のイオン源は、加熱ヒータ部４のあ
る大気圧下の室と第１圧力室８とを区画するとともに第
１オリフィス７が設けられる隔壁１８に、先端が閉塞さ
れた円筒状部１８ａが設けられている。この円筒状部１
８ａの延設方向は第２オリフィス１０の向きと同方向に
設定されているとともに、この円筒状部１８ａの側部
に、第１オリフィス７の複数個（図４の例では３個）の
孔７ａが、ともに円筒状部１８ａの延設方向と直交する
方向に穿設されている。そして、加熱ヒータ部４は、そ
の太孔１５が円筒状部１８ａの延設方向と直交しかつ孔
７ａと対向するように設けられている。本例のイオン源
の他の構成は、前述の各例のイオン源と同じである。

【００３３】このように構成された本例のイオン源にお
いては、加熱ヒータ部４で気化されイオン化されたサン
プルは、太孔１５から図４において上方に移動し、第１
オリフィス７の各孔7ａを通って円筒状部１８ａ内の第
１圧力室１８内に進入する。第１圧力室１８内に進入し
たサンプルは、円筒状部１８ａの孔７ａと対向する側壁
に衝突した後、直角に曲げられて第２オリフィス１０の
方へ移動し、更に前述の各例および従来例のイオン源と
同様に、リングレンズ９によって絞られ、第２オリフィ
ス１０を通って第２圧力室１１内に移動する。

【００３４】この例のイオン源によれば、加熱ヒータ部
４から放出される試料のイオンの移動の向きと第２オリ
フィス１０の向きとを所望の角度に変えることができる
ので、イオン源の第１オリフィス７より前の設備と第１
オリフィス７より後の設備との配置関係の自由度が大き
くなる。なお、本例のイオン源では、第１オリフィス７
の孔７ａの向きと円筒状部１８ａの延設方向とが互いに
直交するように設定しているが、第１オリフィス７の孔
７ａの向きは円筒状部１８ａの延設方向に対して傾斜す
るように設定することもできる。このようにすれば、前
述の配置の自由度が更に大きくなる。

【００３５】本例のイオン源の他の作用効果は、前述の
各例のイオン源および従来例のイオン源と同じである。
なお、本発明のイオン源は、大気圧におけるイオン化で
あれば、前述のＥＳＩおよびＡＰＣＩなど、どのような
大気圧イオン化にも適用することができる。

【００３６】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、請求項
１ないし５の発明のイオン源によれば、試料のイオンが
大気圧下から真空下に進入しても、試料のイオンの断熱
膨張による温度低下が抑制されるため、試料のイオンを
安定状態に保持できる。したがって、安定した多量の試
料のイオンを分析部に導入でき、分析部の感度が向上す
る。

【００３７】特に、請求項４の発明によれば、試料のイ
オンが第１オリフィスから第２オリフィスに向かって効
果的に移動させることができるので、分析部に導入され
る試料のイオン量も更に多くでき、したがって感度も更
に上昇できる。

【００３８】また請求項５の発明によれば、生成された
試料のイオンの、第１オリフィスに移動する方向を、第
２オリフィスの孔の方向に対して所定角に交差するよう
にしているので、イオン源の第１オリフィスより前の設
備と第１オリフィスより後の設備との配置関係の自由度
を大きくできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明にかかる大気圧イオン源の実施の形態
の一例を示す図である。

【図２】 図１に示す例の大気圧イオン源を部分的に拡
大して示し、（ａ）は第１および第２オリフィス部分の
部分拡大断面図、（ｂ）は（ａ）におけるIIB方向から
見た第１オリフィスを示す図である。

【図３】 本発明の実施の形態の更に他の例を示す、図
２（ａ）と同様の図である。

【図４】 本発明の実施の形態の更に他の例を示す、図
２（ａ）と同様の図である。

【図５】 従来の大気圧イオン源の一例を示す図であ
る。

【図６】 オリフィス内径と質量分析の相対感度との関
係を示す図である。

【符号の説明】

１…液体クロマトグラフ（ＬＣ）、２…細管、３…霧化
プローブ、４…加熱ヒータ部、５…カートリッジヒー
タ、７…第１オリフィス、７ａ…第１オリフィス７の
孔、８…第１圧力室、９…リングレンズ、１０…第２オ
リフィス、１１…第２圧力室、１３…主スリット部、１
４…質量分析部（ＭＳ分析部）１５…太孔、１６…環状
溝、１８…隔壁、１８ａ…円筒状部

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 大気圧下でイオン化し、生成した試料の
   イオンを大気圧下からオリフィスを通して大気圧より低
   い圧力下の分析部に導入する大気圧イオン源において、 前記オリフィスの孔が複数個設けられていることを特徴
   とする大気圧イオン源。
2. 【請求項２】 大気圧下でイオン化し、生成した試料の
   イオンを大気圧下から第１オリフィスを通して大気圧よ
   り低い所定圧に保持された圧力室に導入し、更に前記圧
   力室から第２オリフィスを通してより低い圧力下の分析
   部に導入する大気圧イオン源において、 前記第１オリフィスの孔が複数個設けられていることを
   特徴とする大気圧イオン源。
3. 【請求項３】 前記第１オリフィスの各孔の方向がそれ
   ぞれ前記第２オリフィスの孔の方向と同方向に設定され
   ていることを特徴とする請求項２記載の大気圧イオン
   源。
4. 【請求項４】 前記第１オリフィスの各孔の方向がそれ
   ぞれ前記第２オリフィスの孔の同方向に対して傾斜して
   設定されていることを特徴とする請求項２記載の大気圧
   イオン源。
5. 【請求項５】 生成された前記試料のイオンが前記第１
   オリフィスに移動する方向が前記第２オリフィスの孔の
   方向に対して所定角に交差する方向に設定されているこ
   とを特徴とする請求項２記載の大気圧イオン源。