JPWO2007032088A1

JPWO2007032088A1 - 質量分析装置

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Publication number: JPWO2007032088A1
Application number: JP2007535366A
Authority: JP
Inventors: 小林　正人; 正人小林
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2005-09-16
Filing date: 2005-09-16
Publication date: 2009-03-19
Anticipated expiration: 2025-09-16
Also published as: WO2007032088A1; US20090236518A1; US7812308B2; EP1933134A4; EP1933134A1; JP4553011B2

Abstract

ESIとAPCIによるイオン化を同時に行うことのできるイオン化インタフェイスを備えた液体クロマトグラフ質量分析装置において、同一のイオン化室２１内に、液体クロマトグラフ部から与えられた液体試料を帯電液滴として噴霧するスプレーノズル２２と、移動相溶媒分子をイオン化するためのコロナ放電手段２５とを設け、両手段に対して一つの高圧電源４１から同時に同一の電圧を印加できる構成とする。また、スプレーノズル２２によって生成された帯電液滴を乾燥させるための加熱乾燥ガス供給手段のヒータ２７の電力をAPCIによるイオン化に適した値とする。これにより、回路設計の手間や部品点数を抑えて製造コストを低減すると共に、ユーザのパラメータ設定項目を減らして操作性を向上させることができる。

Description

本発明は、質量分析装置に関し、特に、液体クロマトグラフ等から送り込まれた液体試料をイオン化して質量分析部に導入するためのイオン化インタフェイスに関する。

図３は、従来知られている一般的な液体クロマトグラフ質量分析装置（LC/MS）の一例を示す概略構成図である。液体クロマトグラフ部（LC部）１０のカラム１１から時間的に分離して溶出する試料液は、インタフェイス部（大気圧イオン化インタフェイス）２０に導入され、スプレーノズル２２からイオン化室２１内に噴霧されてイオン化される。発生したイオンを含む微細液滴は、その前方に位置している細管（脱溶媒管）２３内に進入し、質量分析部（MS部）３０へと送り込まれる。脱溶媒管２３は図示しないヒータによって加熱されており、脱溶媒管２３内を通過する間に液滴中の溶媒の蒸発が進み、目的イオンの発生が促進される。

MS部３０は第1中間室３１、第2中間室３２及び分析室３３の3室から成り、イオン化室２１と第1中間室３１とは上記脱溶媒管２３により、第1中間室３１と第2中間室３２とは円錐状のスキマー３５の頂部に設けられた小径の通過孔（オリフィス）３６により連通している。イオン化室２１内は略大気圧に維持され、第1中間室３１はロータリーポンプによって約1 Torr程度まで、第2中間室３２及び分析室３３はターボ分子ポンプによってそれぞれ約10^-3〜10^-4Torr程度、及び約10^-5〜10^-6Torr程度まで排気され、イオン化室２１から分析室３３に向かって段階的に真空度を高くすることで分析室３３を高真空状態に維持している。

脱溶媒管２３を通過したイオンは、第1イオンレンズ３４によりオリフィス３６に収束され、オリフィス３６を通り抜けて第2中間室３２に導入される。そして、第2イオンレンズ３７により収束及び加速されて分析室３３へ送られ、特定の質量数（質量／電荷）を有する目的イオンのみが、分析室３３内に配置された四重極フィルタ３８の長軸方向の空間を通り抜けてイオン検出器３９に到達する。そして、イオン検出器３９では、到達したイオン数に応じた電流が検出信号として取り出される。

上記構成においてインタフェイス部２０は、試料液を加熱、高速気流、高電界等によって霧化させることで、試料液に含まれる各種の試料成分をイオン化するものであり、エレクトロスプレイイオン化（ElectroSpray Ionization：ESI）法や大気圧化学イオン化（Atmospheric Pressure Chemical Ionization：APCI）法が最も広く使用されている。

図４（ａ）はESI法によるイオン化スプレー部の構成例である。ESIでは、スプレーノズル２２の先端部に数kV程度の直流高電圧を印加し、強い不平等電界を発生させる。スプレーノズル２２の先端に達した試料液はこの電界により電荷分離し、スプレーノズル２２と同軸外周に配設されたネブライズ管（図示略）から噴出されるネブライズガスの助けを受けて、微小な帯電液滴としてイオン化室２１内に強制的に噴霧される。イオン化室２１内では脱溶媒管２３の周囲に設けられた乾燥ガス供給口２４から図示しない加熱ガス供給手段によって供給される加熱乾燥ガスが噴霧流に吹き付けられ、それによって液滴中の溶媒の蒸発が進行し、気体イオンの発生が促進される。

図４（ｂ）はAPCI法によるイオン化スプレー部の構成例である。APCIでは、スプレーノズル２２の前方に針状の放電電極２５を配置しておき、スプレーノズル２２の先端を取り囲むように周設したヒータ２６中にネブライズガスを利用して試料液を噴霧することで溶媒と試料分子を気化させ、放電電極２５からのコロナ放電によりキャリアガスイオン（バッファイオン）を生成して該試料分子を化学反応させることによってイオン化を行う。

一般に、APCIは低極性から中極性、ESIは中極性から高極性化合物のイオン化に有効である。また、ESIではタンパク質を代表とする物質のイオン化の過程で多価イオンを生成するため、装置の質量範囲の上限を越えた、分子量が数万というような化合物の測定も可能である。従って、分析対象の試料の種類や分析目的などによってイオン化法の使い分けが行われる。従来、一般的なLC/MSでは、ESI用スプレー部とAPCI用スプレー部とが交換自在の構成となっており、分析者がイオン化法に応じて適宜スプレー部を交換するようにしている。しかしながら、こうした交換作業は手間が掛かるため、分析効率を落とす一因となっている。

そこで、こうした交換の手間を省くため、両方のイオン化手段を同一のイオン化室内に備えた装置が従来から提案されている。例えば特許文献１及び特許文献２には、ESIとAPCIで共通のスプレーノズルを使用するイオン化インタフェイスが記載されており、該インタフェイスは、スプレーノズルの先端部に直流高電圧を印加することでESIによるイオン化を行うと同時に、該スプレーノズルの先端に設けられた放電電極によるコロナ放電によってAPCIによるイオン化を行うことができるものとなっている。

米国特許第6646257号明細書国際公開第03/102537号パンフレット

従来、上記のような帯電液滴を生成するスプレーノズル（静電噴霧手段）とコロナ放電を行う放電電極（コロナ放電手段）を備えた装置においては、該静電噴霧手段とコロナ放電手段のそれぞれに対して任意に設定した別の高電圧を供給したり、一つの電源装置から両手段に対して高電圧を交互に供給したりしていた。しかし、それぞれに別の電圧を供給する場合には少なくとも2系統の電圧制御回路が必要となり、高電圧を交互に供給する場合には切り替え回路を設ける必要がある。そのため、回路設計の手間やコストが増加するといった問題や、ユーザのパラメータ選択肢（両手段に印加する電圧の値や、電圧供給の切り替えタイミング等）が増えるために操作が煩雑になる等の問題があった。

また、ESI及びAPCIのいずれの方式によるイオン化を行う場合であっても噴霧流中の液滴を乾燥させる必要があり、従来の2種類のイオン化手段を備えたLC/MSでは、上記通常のESIと同様に加熱ガスの吹き付けを行うことによって溶媒の蒸発を促進している。しかし、このような方式では液滴に対して単位時間当たりに与えることができる熱量が比較的小さく、ESIによるイオン化には適しているが、APCIでは必ずしも十分なイオン化効率が得られない場合があった。そのため、スプレーノズルの前方に別途にヒータを設けることなどによってAPCIによるイオン化効率の向上が図られているが、装置構成が複雑化し製造コストの増大を招くという問題があった。

本発明はこのような点に鑑みて成されたものであり、その主たる目的とするところは、静電噴霧手段とコロナ放電手段の双方を備えたイオン化インタフェイスを有し、操作性に優れ、且つ低コストに製造可能なLC/MS装置を提供することにある。

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、液体試料をイオン化して質量分析部に導入するイオン化インタフェイスを備えた質量分析装置において、
a) 液体試料を帯電液滴として噴霧する静電噴霧手段と、
b) 前記静電噴霧手段の前方に位置し、移動相溶媒分子をイオン化するためのコロナ放電を発生させるコロナ放電手段と、
c) 前記静電噴霧手段及びコロナ放電手段に電圧を供給する電圧供給手段と、
を有し、前記電圧供給手段が、前記静電噴霧手段とコロナ放電手段に対して一つの高圧電源から同じ値の電圧を供給するものであることを特徴とする。

また、本発明の質量分析装置は、上記電圧供給手段が、上記高圧電源に接続される給電ケーブルを筐体内で2方に分岐させる分岐手段を有し、分岐したケーブルの一方をコロナ放電手段に接続すると共に、他方のケーブルは筐体表面に設けられた給電ポートに接続し、上記静電噴霧手段に設けられた給電ケーブルを該給電ポートに着脱自在に接続して成るものとすることが望ましい。

上記のような本発明のLC/MSは、静電噴霧手段とコロナ放電手段の双方に対して同時に同一の電圧を印加する構成であるため、制御回路設計の手間や部品点数を抑えることができ、より低コストに製造することが可能となる。また、ユーザのパラメータ設定項目を減らすことができ、操作を簡略化できるという利点もある。このような本発明の質量分析装置は、ESI及びAPCIによるイオン化を同時に行うものであるため、幅広い試料を対象としたハイスループット分析に好適に用いることができる。

また、上記のような分岐手段を備えたものの場合、該分岐手段から延出する給電ケーブルを高圧電源に接続すると共に、静電噴霧手段から延出する給電ケーブルを該分岐手段に設けられた給電ポートに接続することで上記電圧供給手段を構成することができるため、既存のESIプローブをそのまま利用することができるという利点がある。

本発明の一実施例による大気圧イオン化質量分析装置の大気圧イオン化インタフェイス部の概略構成図。本実施例の大気圧イオン化質量分析装置の要部の電気的概略構成図。従来知られている一般的なLC/MS装置の一例を示す概略構成図。従来の各種のイオン化手段の構成例を示す概略図。

符号の説明

１０…LC部
１１…カラム
２０…インタフェイス部
２１…イオン化室
２２…スプレーノズル
２２ａ…金属管
２３…脱溶媒管
２４…乾燥ガス供給口
２５…放電電極
２６…ヒータ
２７…ブロックヒータ
３０…MS部
３１…第1中間室
３２…第2中間室
３３…分析室
３４…第1イオンレンズ
３５…スキマー
３６…オリフィス
３７…第2イオンレンズ
３８…四重極フィルタ
３９…イオン検出器
４０…制御部
４１…高圧電源
４２…電源
４３…中継ボックス
４４…第1ケーブル
４５…第2ケーブル
４６…第3ケーブル
４６ａ…給電ポート
４７…給電ケーブル

以下、本発明に係る大気圧イオン化質量分析装置の一実施例を、図面を参照して説明する。図１は本実施例による大気圧イオン化質量分析装置のイオン化インタフェイス部の概略構成図、図２は本装置の要部の電気的概略構成図である。なお、上記以外の基本的な構成については、図３で説明した従来の一般的なMS装置と同様であるので、説明を省略する。

図１に示すように、イオン化インタフェイス部には、静電噴霧手段であるスプレーノズル２２とコロナ放電手段である針状の放電電極２５が配設されており、これらは、両手段に対する最適印加電圧が同一になるよう適切な位置に配置されている。更に、イオン化室２１と第1中間室３１の境界には脱溶媒管２３及びイオン化室２１に供給される乾燥ガスを加熱するためのブロックヒータ２７が設けられている。

このイオン化インタフェイス部は、ESI又はAPCIの両イオン化モードを同時に実行できるように構成されている。すなわち、図２に示すように、数kV以上の高電圧を供給する高圧電源４１は、分岐部を有する給電線により放電電極２５、及びスプレーノズル２２に内装されている金属管２２ａに接続されており、該高圧電源４１のon/offは、MS部の動作全般を司る制御部４０により制御される。なお、ブロックヒータ２７には電圧可変な電源４２が接続されており、該電源４２のon/off及び出力電圧も制御部４０によって制御される。

本実施例のLC/MSでは、図１に示すように、高圧電源４１とスプレーノズル２２及び放電電極２５との間に高電圧ケーブルの中継ボックス４３を設け、該中継ボックス４３内で高電圧供給先を分岐させた構成となっている。中継ボックス４３からは高圧電源４１に対して着脱自在に接続される第1ケーブル４４が延出しており、該中継ボックス４３の内部では該第1ケーブル４４が第2ケーブル４５と第３ケーブル４６とに分岐されている。第2ケーブル４５は放電電極２５に接続されており、第３ケーブル４６は中継ボックスに設けられた給電ポート４６ａに接続され、該給電ポート４６ａを介してスプレーノズル２２に設けられた給電ケーブル４７と着脱自在に接続される。このような中継ボックス４３を設けて高電圧の給電先を分岐させる構成としたことにより、既存のESIプローブを該中継ボックス４３に接続することで、該ESIプローブを本実施例のスプレーノズル２２としてそのまま利用することができるという効果を奏する。

本実施例に係るLC/MSの分析時の動作を説明する。LC部で分離された試料溶液は、スプレーノズル２２後端に接続された試料チューブからスプレーノズル２２内に導入される。このとき、高圧電源４１で発生した高電圧V1がスプレーノズル２２の金属管２２ａ及び放電電極２５に対して印加される。

上記金属管２２ａは試料液が流通するキャピラリ管を囲んでいるため、金属管２２ａに印加された高電圧によってキャピラリ管の端部に達した試料液は強く帯電し、キャピラリ管の外筒であるネブライズ管（図示略）から噴出するネブライズガスの助けを受けて、帯電液滴として噴霧される。その噴霧流に乾燥ガス供給口２４から噴出する加熱乾燥ガスが吹き付けられ、液滴中の溶媒が急速に蒸発して液滴のサイズが小さくなり、それに伴いクーロン反発力によって気体イオンが発生する。

一方、放電電極２５の周辺では、上記高電圧V1の印加によるコロナ放電によってバッファイオンが生成され、該バッファイオンと反応することによって噴霧流中の試料分子がイオン化される。なお、APCI法において高いイオン化効率を得るためには、試料液滴を十分に乾燥させる必要があるが、本実施例に係るインタフェイスにおいては、従来のものよりもブロックヒータ２７の電力を大きくすることによって、別途ヒータを設けることなく高いイオン化効率を得ることができる。

こうして発生したイオンは、イオン化室２１と第1中間室３１との間の圧力差により、脱溶媒管２３を通して第1中間室３１内に吸い込まれる。また、イオン化室２１において蒸発しきらずに残った微小な液滴も脱溶媒管２３に吸い込まれ、管内でブロックヒータ２７に加熱されて溶媒が蒸発し、イオン化が促進される。第1中間室３１に到達したイオンは、第1イオンレンズ３４により収束され、後段の第2中間室及び分析室へと送られる。

このように本実施例のLC/MSに係るイオン源では静電噴霧手段とコロナ放電手段によって、ESI法によるイオン化とAPCI法によるイオン化が同時に行われるため、ESIに適した成分とAPCIに適した成分の双方を一度の分析で効率よくイオン化することができる。また、上述のように本実施例のLC/MS装置においては、静電噴霧手段とコロナ放電手段に対して一つの高圧電源から同一値の電圧を印加する構成としたことにより、制御回路の設計の手間を省くと共に部品点数を削減して製造コストを抑えることができ、更に、ユーザによるパラメータ設定の手間を低減し、操作性を向上させることができるという効果を奏する。

なお、上記実施例は一例であって、本発明の趣旨の範囲で適宜に変更や修正を行えることは明らかである。例えば、本発明の質量分析装置におけるMS部は、図３に示すような四重極フィルタを備えたものの他、飛行時間型等いずれのタイプの質量分離手段を備えたものであってもよい。また、上記のような中継ボックスを設けず、高圧電源からの給電線を分岐させて静電噴霧手段やコロナ放電手段と直接接続する構成とすることもできる。

Claims

液体試料をイオン化して質量分析部に導入するイオン化インタフェイスを備えた質量分析装置において、
a) 液体試料を帯電液滴として噴霧する静電噴霧手段と、
b) 前記静電噴霧手段の前方に位置し、移動相溶媒分子をイオン化するためのコロナ放電を発生させるコロナ放電手段と、
c) 前記静電噴霧手段及びコロナ放電手段に電圧を供給する電圧供給手段と、
を有し、前記電圧供給手段が、前記静電噴霧手段とコロナ放電手段に対して一つの高圧電源から同じ値の電圧を供給するものであることを特徴とする質量分析装置。
上記電圧供給手段が、上記高圧電源に接続される給電ケーブルを筐体内で2方に分岐させる分岐手段を有し、分岐したケーブルの一方をコロナ放電手段に接続すると共に、他方のケーブルは筐体表面に設けられた給電ポートに接続し、上記静電噴霧手段に設けられた給電ケーブルを該給電ポートに着脱自在に接続して成るものであることを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。