JPH1173910A - 質量分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】イオントラップ質量分析部の外側内に流入する
迷走イオンや微小液滴によるランダムノイズの増加を防
止する。 【解決手段】上記イオントラップ質量分析部のイオンの
射出側および／または入射側の近傍に、導電性の遮蔽部
材（２２ａ、２２ｂ）を設け、上記迷走イオンや微小液
滴がイオン検出器（１４）に入るのを防止する。 【効果】迷走イオンや微小液滴が遮蔽部材（２２ａ、２
２ｂ）によって消滅し、Ｓ／Ｎが大幅に改善される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は質量分析装置に関
し、詳しくは、差動排気部から流入する迷走イオンや微
小液滴によるノイズの増加を効果的に防止することがで
きるイオントラップの質量分析装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の質量分析装置としては、例えば図
７に示す構成が、アナリティカル・ケミストリー(Analy
tical Chemistry)１９９０年、６２号、１２８４頁に記
載されている。この装置では、静電噴霧現象を利用した
イオン化法であるエレクトロスプレー法によって生成さ
れたイオンは、シリンジポンプを用いて、差動排気部を
経て高真空部内に導入される。このイオンは、上記差動
排気部内に設けられた静電レンズによって収束され、こ
の領域におけるイオンの透過率が向上する。上記差動排
気部を通過したイオンは、さらに第２の静電レンズによ
って収束された後、一対の椀状のエンドキャップ電極１
１ａ、１１ｂとドーナツ状のリング電極１２からなるイ
オントラップ質量分析部に導入される。イオントラップ
質量分析部に導入されたイオンは、上記リング電極１２
に印加された高周波電界によって質量分離され、イオン
検出器によって検出される。

【０００３】この装置では、イオンをいったんイオント
ラップ質量分析部内部に蓄積した後で質量分離が行われ
るため、特に質量スペクトルを測定する際のシグナル量
が大幅に増加するという特長がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
では、図６に示したように、上記イオントラップ質量分
析部の内部ではなく、外部を通過して来る迷走イオンや
帯電した微小液滴に対する対策が行われていない。すな
わち、イオン検出器には、ｋＶオーダーの高電圧が印加
されるため、質量分析部の内部を通らずに、質量分析部
の外部を迂回してきた迷走イオンや帯電した微小液滴な
どがイオン検出器の近傍に存在すると、イオン検出器の
方に加速されて流入し、最終的にはランダムノイズとし
て検出されてしまい、ノイズが大幅に増加してしまうと
いう欠点があった。

【０００５】さらに、本発明者の検討によれば、上記イ
オントラップ質量分析部の場合は、上記リング電極に高
周波電圧が印加されるため、迷走イオンや帯電した微小
液滴が漏れ電界によって加速され、他の型の質量分析計
の場合より迷走イオンや帯電した微小液滴による障害が
特に大きいことが見出された。なお、図６において、符
号７は静電レンズ、８はスリット、９は偏向器、１０は
ゲート電極、１４は引出しレンズ、１５は筒電極を、そ
れぞれ表わす。

【０００６】本発明の目的は、上記従来技術の有する問
題を解決し、イオントラップ質量分析部の外部を迂回し
て流れる迷走イオンや帯電した微小液滴による影響がな
く、ランダムノイズが極めて少ないイオントラップ質量
分析装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の質量分析装置は、所望のイオンを生成するイ
オン源、内部を高真空にする手段を備えたチャンバー、
上記イオン源から生成したイオンを上記チャンバ内に取
り込むための差動排気部、上記チャンバー内に配置され
上記チャンバー内に取り込まれた上記イオンを収束する
収束レンズ部、上記チャンバー内に配置され上記収束レ
ンズ部で収束されたイオンを質量分離する質量分析部、
および上記チャンバー内に配置され上記質量分析部によ
って質量分離されたイオンを検出するイオン検出器を有
し、上記質量分析部は所定の空間を介して互いに対向し
て配置された一対のエンドキャップ電極および上記空間
内に配置された環状のリング電極を備えたイオントラッ
プ質量分析部であって、かつ、上記イオン源で生成さ
れ、上記差動排気部から上記チャンバー内の上記質量分
析部の外側に流入した迷走イオンおよび微小液滴を消滅
させるための導電性の遮蔽部材が、上記質量分析部の上
記イオンの射出側の近傍および入射側の近傍の少なくと
も一方に配置されていることを特徴とする。

【０００８】すなわち、上記のように、イオントラップ
質量分析部の上記リング電極には高周波電圧が印加され
るため、漏れ電界によって迷走イオンおよび微小液滴が
加速されて、他の型の質量分析部よりも障害が顕著であ
る。しかし、本発明によって、イオントラップ質量分析
部のイオンの射出側に上記遮蔽材を配置すれば、上記漏
れ電界による影響が上記迷走イオンおよび微小液滴に及
んでも、イオントラップ質量分析部のイオンの射出側
（イオン検出器側）の近傍に配置された遮蔽材に衝突し
て消滅する。また、遮蔽材をイオントラップ質量分析部
のイオンの入射側（収束レンズ側）の近傍に配置すれ
ば、チャンバー内に流入した上記迷走イオンおよび微小
液滴の大部分は、この遮蔽材によって消滅するので、上
記漏れ電界による影響は極めて少ない。その結果、上記
射出側または入射側のいずれに遮蔽材を配置しても、イ
オン源で発生し、質量分析部やその前方に配置された収
束レンズなどの外側を通る迷走イオンや微小液滴は、イ
オン検出器に到達することができず、ランダムノイズの
増加は効果的に抑制される。イオントラップ質量分析部
のイオンの射出側および入射側の両側に上記遮蔽材を配
置すれば、最も顕著な効果が得られることはいうまでも
ない。

【０００９】上記チャンバー内の上記収束レンズ部と上
記質量分析部の間には、上記イオンを偏向させるための
偏向器が設けられており、この偏向器によって、スキマ
ーを通過した液滴がイオントラップ質量分析部に流入す
るのは防止される。

【００１０】上記遮蔽部材を複数設けることができ、使
用する数を増すことは迷走イオンおよび微小液滴の減少
に有効であるが、それらの遮蔽部材のうちの少なくとも
一つは上記イオントラップ質量分析部のイオンの射出側
に配置されていることが好ましい。

【００１１】上記イオントラップ質量分析部の外側の側
面に沿ってさらに上記遮蔽材を追加して配置すれば、上
記漏れ電界がシールドされるので障害の防止に有効であ
る。

【００１２】上記遮蔽部材としては、導電性の板に多数
の孔が形成されたメッシュ状の部材を用いることがで
き、このようなメッシュ状の部材は、導電性の板を、マ
スクを用いた化学エッチングによって容易に形成するこ
とができる。また、メッシュ状の部材ではなく、短冊状
の板状部材が複数並んだバッフル状の部材であってもよ
い。これらの上記遮蔽部材は、例えば、ステンレス、チ
タンおよび銅など各種導電性材料を使用できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明において、大気圧下におけ
る溶液中の試料分子のイオン化法としては、静電噴霧現
象を利用したエレクトロスプレー法、コロナ放電を用い
た大気圧化学イオン化法、加熱噴霧を利用した大気圧ス
プレー法および高速のガス流を利用したソニックスプレ
ーイオン化法などを用いることができ、いずれも同様な
効果が得られる。

【００１４】質量分析部としては、イオントラップ質量
分析部の場合が最も有効であるが、４本のロッド電極か
らなる高周波電界を用いた四重極質量分析部を用いて
も、好ましい結果が得られる。また、差動排気部からス
キマーを通して流入したイオンを、偏向した後にイオン
トラップ質量分析部に導入してもよいが、イオンを偏向
しない場合にも遮蔽部材による同様な効果が得られる。

【００１５】遮蔽部材としては、メッシュ状の板のみで
はなく、短冊状の板を多数並べてバッフル状の遮蔽部材
としたものも使用できる。

【００１６】なお、本発明は、溶液中の所望成分を液体
クロマトグラフによって分離した後、分離された上記成
分をイオン化して質量分析計で検出する液体クロマトグ
ラフ・質量分析計、および上記成分の分離にキャピラリ
ー電気泳動を用いるキャピラリー電気泳動・質量分析計
に適用することができ、いずれも好ましい結果が得られ
る。

【００１７】

【実施例】

〈実施例１〉図１を用いて本発明の実施例を説明する。
図１は、エレクトロスプレーイオン源を設けた本発明の
イオントラップ質量分析計の一例を示す図である。ま
ず、この装置の動作を説明する。

【００１８】混合試料を分離するための液体クロマトグ
ラフやシリンジポンプから導入された試料溶液は、エレ
クトロスプレーイオン源１に設けられたキャピラリー２
に送られる。このキャピラリー２には高電圧が印加さ
れ、静電噴霧現象によってキャピラリー先端から帯電し
た微小液滴が生成する。生成された帯電液滴は、ヒータ
６ａ、６ｂによって所定の温度に加熱された差動排気部
の第１細孔３、第２細孔４およびスキマー５を順次通過
する過程で、加熱や中性分子との衝突などによって気化
されてイオンが生成する。また、上記第１細孔３と第２
細孔４、および第２細孔４とスキマー５の間には、それ
ぞれ電圧が印加できるようになっており、イオン透過率
を向上させると同時に、残留する分子との衝突によって
クラスタの開裂が行われる。本実施例では、上記差動排
気部は、ロータリポンプ、スクロールポンプ、メカニカ
ルブースタポンプなどの荒引きポンプ１８によって排気
したが、ターボ分子ポンプを使用することも可能であ
る。

【００１９】生成したイオンは上記スキマー５を通過し
た後、静電レンズ７によって収束される。本実施例で
は、この静電レンズ７として、３枚の電極を一組とする
アインツエルレンズを用いた。

【００２０】静電レンズ７によって収束されたイオン
は、スリット８通過した後、偏向器９によって偏向さ
れ、ゲート電極１０を経て、一対の椀状のエンドキャッ
プ電極１１ａ、１１ｂとリング電極１２からなるイオン
トラップ質量分析計内に導入される。

【００２１】上記スキマー５から流入する微小液滴など
を含むジェットの立体角は、上記スリット８によって制
限されるので、余計な微小液滴等がイオントラップ質量
分析計内に導入されるのは防止される。

【００２２】しかも、上記スリット８を通過したイオン
は、偏向器９によって偏向された後、エンドキャップ電
極１１ａに入射される。微小液滴等は偏向器９によって
偏向されないから、上記スキマー５を通過した微小液滴
が、エンドキャップ電極１１ａの細孔を通ってイオント
ラップ質量分析部に導入されるのはさらに効果的に防止
される。本実施例では、偏向器９として、多数の開口部
を有する内筒および外筒よりなる二重円筒型の偏向器を
用い、内筒の開口部から滲み出した外筒の電界を用いて
偏向を行った。

【００２３】イオントラップ質量分析計内に溜まったイ
オンを系外に取り出す際における、外部から質量分析部
内へのイオンの導入は、偏向器９とエンドキャップ電極
１１ａの間に設けられたゲート電極１０によって防止さ
れる。

【００２４】上記イオントラップ質量分析部内に導入さ
れたイオンは、イオントラップ質量分析部の内部に導入
されたヘリウムなどのガスと衝突して、その軌道が小さ
くなった後、リング電極１２に印加された高周波電圧の
振幅を高くすることによって系外に排出され、引き出し
レンズ１３を経て、コンバージョンダイノード１４とシ
ンチレーションカウンタ１５からなるイオン検出器によ
って検出される。この場合、上記イオンは、コンバージ
ョンダイノード１４によって電子に変換され、シンチレ
ーションカウンタ１５によって検出される。上記ヘリウ
ムなどのガスは、供給源であるボンベ２１などからレギ
ュレータ２０を通して供給される。

【００２５】上記イオン検出器によって得られた信号
は、増幅器１６で増幅された後、データ処理装置１７に
送られる。通常、質量数／電荷とイオン強度の関係（マ
ススペクトル）や、ある質量数／電荷のイオン強度の時
間変化（マスクロマトグラム）などが表示される。

【００２６】静電レンズ７、スリット８、偏向器９、ゲ
ート電極１０、イオントラップ質量分析部およびイオン
検出器が配置されたチャンバー２３内は、ターボ分子ポ
ンプ１９で排気される。なお、ターボ分子ポンプ１９に
は背圧側に補助ポンプが必要となるが、これを差動排気
部に用いている荒引きポンプ１８と兼用してもよい。本
実施例では、差動排気部に排気容量９００リットル／分
程度のスクロールポンプを荒引きポンプ１８として使用
し、チャンバー２３の排気装置として２００リットル／
秒程度のターボ分子ポンプ１９を、このターボ分子ポン
プ１９の補助ポンプとしてスクロールポンプを兼用し
た。このようにすることによって、複雑になりがちな大
気圧イオン化質量分析装置の排気系を非常に単純化でき
た。

【００２７】次に、図１に示した装置を用いて実際に分
析を行う際に問題となるのは、上記のように、大気圧下
のイオン源で生成され、差動排気部を通してスキマー５
から高真空部内に流入した迷走イオンや微小液滴が、図
４に示したように偏向器９やイオントラップ質量分析部
を迂回して、イオン検出器に到達することである。通
常、イオン検出器には数ｋＶの高電圧が印加されている
ので、付近に存在する迷走イオンなどはイオン検出器に
向かって加速され、ランダムノイズとなって検出され
て、検出される信号のＳ／Ｎ比が低下する。

【００２８】しかし、本実施例では、図１に示したよう
に、導電性の遮蔽部材２２ａが、チャンバー２３内のイ
オントラップ質量分析部のイオン射出側の近傍に配置さ
れている。そのため、流入してきた迷走イオンや帯電し
た微小液滴は、この遮蔽部材２２ａに衝突して中性化す
るなどの過程を経て消滅し、イオン検出器１４には到達
せず、上記ランダムノイズの増加および信号のＳ／Ｎ比
の低下は効果的に防止される。本実施例では、上記遮蔽
部材２２ａとしては、中央に開口部を有するステンレス
からなるメッシュ状の板を用いた。このメッシュ状の板
は、本実施例では、ステンレス板を周知の化学エッチン
グして作製した。

【００２９】また、図１には、イオントラップ質量分析
部のイオン射出部の近傍に一つあるいは一組の遮蔽部材
２２ａが配置された場合を示したが、図２に示したよう
に、複数の遮蔽部材２２ａ、２２ｂを配置してもよい。

【００３０】遮蔽部材を有していない装置を用いた場
合、および遮蔽部材を有する装置を用いた場合に得られ
たスペクトルを、それぞれ図３（ａ）および図３（ｂ）
に示した。イオン化法としては大気圧化学イオン化法を
用い、試料にはサルファジメトキシンを用いた。溶媒は
水／メタノール（５０／５０）を用い、流量１ミリリッ
トル／分で流した。質量数／比電荷（ｍ／ｚ）が３１１
のところに観測されている高いピークは、試料分子の分
子イオン（Ｍ＋Ｈ）⁺に関するものである。図３から明
らかなように、分子イオンによるシグナル量は両者の間
にほとんど差がないが、分子イオン以外のランダムノイ
ズは、図３（ｂ）に示した遮蔽板を用いた場合の方が、
図３（ａ）に示した遮蔽板を用いない場合より大幅に低
減しており、本実施例の効果が確認された。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の質量分析装置の構成の一例を示す図。

【図２】本発明の質量分析装置の構成の他の例を示す
図。

【図３】本発明の効果を示す図。

【図４】ランダムノイズ発生の原因を説明するための
図。

【図５】従来の質量分析装置の構成を説明するための
図。

【符号の説明】

１……イオン源、２……キャピラリー、３……第１細
孔、４……第２細孔、５……スキマー、６ａ、６ｂ……
ヒータ、７……静電レンズ、８……スリット、９……偏
向器、１０……ゲート電極、１１ａ、１１ｂ……エンド
キャップ電極、１２……リング電極、１３……引き出し
レンズ、１４……コンバージョンダイノード、１５……
シンチレーションカウンタ、１６……増幅器、１７……
データ処理装置、１８……荒引きポンプ、１９……ター
ボ分子ポンプ、２０……レギュレータ、２１……ボン
ベ、２２ａ、２２ｂ……遮蔽部材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 冨岡 勝 茨城県ひたちなか市市毛882番地株式会社 日立製作所計測器事業部内 (72)発明者 高田 安章 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株 式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 鍋島 貴之 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所望のイオンを生成するイオン源と、内部
   を高真空にする手段を備えたチャンバーと、上記イオン
   源から生成したイオンを上記チャンバ内に取り込むため
   の差動排気部と、上記チャンバー内に配置され上記チャ
   ンバー内に取り込まれた上記イオンを収束する収束レン
   ズ部と、上記チャンバー内に配置され上記収束レンズ部
   で収束されたイオンを質量分離する質量分析部と、上記
   チャンバー内に配置され上記質量分析部によって質量分
   離されたイオンを検出するイオン検出器を有し、上記質
   量分析部は所定の空間を介して互いに対向して配置され
   た一対のエンドキャップ電極および上記空間内に配置さ
   れた環状のリング電極を備えたイオントラップ質量分析
   部であって、かつ、上記イオン源で生成され、上記差動
   排気部から上記チャンバー内の上記質量分析部の外側に
   流入した迷走イオンおよび微小液滴を消滅させるための
   導電性の遮蔽部材が、上記質量分析部の上記イオンの射
   出側の近傍および入射側の近傍の少なくとも一方に配置
   されていることを特徴とする質量分析装置。
2. 【請求項２】上記チャンバー内の上記収束レンズ部と上
   記質量分析部の間には、上記イオンを偏向させるための
   偏向器が設けられていること特徴とする請求項１に記載
   の質量分析装置。
3. 【請求項３】複数の上記遮蔽部材が設けられ、かつ当該
   遮蔽部材の少なくとも一つは上記上記イオントラップ質
   量分析部のイオンの射出側の近傍に配置されていること
   特徴とする請求項１若しくは２に記載の質量分析装置。
4. 【請求項４】上記質量分析部の側面に沿ってさらに上記
   遮蔽材が配置されていることを特徴とする請求項１から
   ３のいずれか一に記載の質量分析装置。
5. 【請求項５】上記遮蔽部材が多数の孔を有する板状部材
   であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一に
   記載の質量分析装置。
6. 【請求項６】上記遮蔽部材は、短冊状の板状部材が複数
   並んだバッフル状部材であることを特徴とする請求項１
   から４のいずれか一に記載の質量分析装置。
7. 【請求項７】上記遮蔽部材は、ステンレス、チタンおよ
   び銅からなる群から選択された材料からなることを特徴
   とする請求項１から６のいずれか一に記載の質量分析装
   置。