JPWO2015133259A1 - イオン分析装置 - Google Patents
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Abstract
Description
[M+nH]n+ + A- → {[M+nH](n-1)+}* + A → 解離
ここで、Mは目的分子、Hはプロトン、A-は反応イオン、nは正の整数であり、*はラジカル状態であることを示す。
[M+nH]n+ + e- → {[M+nH](n-1)+}* → 解離
[M+H]+ + H* → [M+2H]+ * → 解離
非特許文献2、3に開示されている解離法は上記メカニズムを利用した方法であるが、これら文献では解離が起こることは実験的に確認されなかったとされている。また、特許文献2でも実際に解離を起こすための実効的な方策は提案されていない。
a)目的とする試料成分由来のイオンが存在する空間に対して4×1010 [atoms/s]以上の流量で以て水素ラジカルを導入することにより該イオンを解離させるイオン解離部と、
b)前記イオン解離部で生成されたフラグメントイオンを質量電荷比又はイオン移動度の少なくとも一方に応じて分離して検出する分離検出部と、
を備えることを特徴としている。
イオントラップ内に捕捉したイオンを励振させるには、例えばイオントラップを構成するエンドキャップ電極又はそれに相当する電極に所定の共鳴励起電圧を印加すればよい。また、イオンの解離を促進させるためにイオンを励起する手段としてレーザ光照射を用いてもよい。
クーリングによってイオンはイオントラップの中心付近に収束し易くなるから、イオントラップの中心付近に水素ラジカルを導入することにより、解離の効率を高めることができる。
プリカーサイオン以外の質量電荷比範囲に含まれるイオンに対する共鳴励起を行うには、例えば対応する質量電荷比範囲に応じた周波数成分の信号が重畳されたFNF(Filtered Noise Field)信号を、例えばイオントラップを構成するエンドキャップ電極又はそれに相当する電極に印加すればよい。
図1は本実施例の質量分析装置の概略構成図である。
本実施例の質量分析装置は、真空雰囲気に維持される図示しない真空チャンバの内部に、目的試料成分をイオン化するイオン源1と、イオン源1で生成されたイオンを高周波電場の作用により捕捉するイオントラップ2と、イオントラップ2から射出されたイオンを質量電荷比に応じて分離する飛行時間型質量分離部3と、分離されたイオンを検出するイオン検出器4と、を備える。本実施例の質量分析装置はさらに、イオントラップ2内に捕捉されているイオンを解離させるべく該イオントラップ2内に水素ラジカルを導入するための水素ラジカル照射部5と、イオントラップ2内に所定のガスを供給するガス供給部6と、を備える。
ガス供給部6は、クーリングガスや場合によってはCIDガスとして使用されるヘリウム、アルゴンなどを貯留したガス供給源61と、流量を調整可能であるバルブ62と、を含む。
イオン源1においてペプチド混合物などの試料から生成された各種イオンはパケット状にイオン源1から射出され、入口側エンドキャップ電極22に形成されているイオン導入孔23を経てイオントラップ2の内部に導入される。イオントラップ2内に導入されたペプチド由来のイオンは、トラップ電圧発生部7からリング電極21に印加される電圧によってイオントラップ2内に形成される高周波電場に捕捉される。そのあと、トラップ電圧発生部7からリング電極21等に所定の電圧が印加され、それによって目的とする特定の質量電荷比を有するイオン以外の質量電荷比範囲に含まれるイオンは励振され、イオントラップ2から排除される。これにより、イオントラップ2内に、特定の質量電荷比を有するプリカーサイオンが選択的に捕捉される。
次に、その実験結果を説明しつつ、本実施例の質量分析装置における詳細な構成やより好ましい構成について述べる。
図2は、本実施例の質量分析装置においてイオントラップ2内に捕捉したP物質(substance-P、分子式:C63H98N18O13S、アミノ酸配列:RPKPQQFFGLM)の1価イオンに対し水素ラジカルを照射することで生成されたフラグメントイオンのマススペクトルの実測例である。この実測において、イオントラップ2内に捕捉されているイオンに照射した水素ラジカルの流量は約1.3×1013[atoms/sec]であり、照射時間は8[sec]である。図2に示すように、一般に中性粒子との衝突解離によってフラグメントイオンが生成されるCIDでは生成されることがないc系列のフラグメントピークが明確に現れている。比較のために、水素ラジカルを含まない水素分子のみをイオントラップ2内のイオンに照射する実測も行ったが、図2で見られるようなc系列のフラグメントピークは観測されなかった。この実測結果から、図1に示した構成において少なくとも上記条件の下で、水素ラジカルとイオンとの相互作用により不対電子誘導型の解離が実現されたと結論付けることができる。
図3は、イオントラップ2内のイオンに照射する水素ラジカルの流量とフラグメントピーク強度特性との関係の実測結果である。解離対象のイオンは上記実験と同じくP物質であり、その1価イオンから最も高いSN比で得られたc5フラグメントイオンのピーク強度とプリカーサイオンピーク強度との比率を縦軸とした。計算に用いたプリカーサイオンのピーク強度は、水素ラジカルを照射しない状態で実施した予備実験で得られた値(68[mV])を用いた。また、図3の横軸は水素ラジカル流量の絶対値を示している。この水素ラジカル流量の絶対値計測には四重極型質量分析装置を用いた。なお、本実測におけるノイズ成分は約0.02[mV]であり、プリカーサイオンのSN比は3500程度であった。
図1に示した本実施例の質量分析装置において、イオントラップ2内のイオンと反応を起こす水素ラジカルの実質的な密度NA[atoms/m3]は次の(1)式で表される。
NA=IA/(νπR2) …(1)
ここでIAは水素ラジカルの流量[atoms/s]であり、νは水素ラジカルの速度[m/s]、Rは水素ラジカル流束の半径[m]である。図3に示した実験では水素ガスを加熱することで水素ラジカルを生成しており、その加熱温度が2000Kであったことから、νは約7000[m/s]であると見積もられる。(1)式において、イオントラップ2のラジカル粒子導入口26の半径 0.75[mm]をRの値として用い、IAには水素ラジカル流量の最小値である4×1010[atoms/s]を代入すると、図3に示した実験においてNAの最小値は3×1012[atoms/m3]であることが分かる。即ち、図3の結果から得られた水素ラジカル流量の最小値に相当する水素ラジカルの密度は3×1012[atoms/m3]である。
dNB/dt=(IB/V)−(NB/τ)=0 → NB=τ(IB/V) …(2)
ここでIBは水素ラジカルの流量[atoms/s]であり、Vはイオントラップ2の内部の体積[m3]であり、τは水素ラジカルの排気及び再結合の両者を考慮した閉じ込め時間[sec]である。ここで、反応に対する水素ラジカルの粒子温度の影響を無視すると、図1の構成と図5の構成とで同一の解離効果を得るためには、密度NAとNBとが等しければよい。この場合、それぞれの構成で必要となる水素ラジカルの流量の比αは次の(3)式で表される。
IA/(νπR2)=τ(IB/V) → α≡IB/IA=(1/τ)V/(νπR2) …(3)
α≒3×10-4/τ …(4)
この(4)式は、閉じ込め時間τを300[μsec]よりも長くした場合には、図1の構成よりも少ない水素ラジカル流量(又は水素ラジカル密度)で以て同等の解離効果が図5の構成で得られることを示している。閉じ込め時間τを長くするためには、イオントラップ2の電極21、22、24の内壁面に、水素ラジカルの再結合を生じにくい材料、具体的には、二酸化珪素(SiO2)などによるコーティングを行うとよい。一般に知られているように、水素ラジカルはイオントラップ2の電極21、22、24の表面に衝突することで水素分子に容易に再結合してしまうが、電極21、22、24の内壁面に適宜の二酸化珪素の被膜層を形成すると、水素ラジカルの再結合の確率を下げることができる。また併せて、イオントラップ2の内部表面積に対する排気口(電極21、22、24間の間隙やイオン導入孔23、イオン射出孔25の開口)の面積の比率を小さくして、水素ラジカルの排気効率を低減することが望ましい。
また、ガス配管の内部で水素ラジカルが配管内壁面に接触しないように、ガス配管の内壁面に沿ってヘリウムなどの不活性ガスを流し、その不活性ガス流の中央部に水素ラジカルを流すようにしてもよい。
2…イオントラップ
21…リング電極
22、24…エンドキャップ電極
23…イオン導入孔
25…イオン射出孔
26…ラジカル粒子導入口
27…ラジカル粒子排出口
3…質量分離部
4…イオン検出器
5…水素ラジカル照射部
51…水素ラジカル供給源
52、62…バルブ
53…ノズル
54…スキマー
6…ガス供給部
61…ガス供給源
7…トラップ電圧発生部
8…制御部
Claims (12)
- 試料成分由来のイオンを解離して生成したフラグメントイオンを分析するイオン分析装置であって、
a)目的とする試料成分由来のイオンが存在する空間に対して4×1010 [atoms/s]以上の流量で以て水素ラジカルを導入することにより該イオンを解離させるイオン解離部と、
b)前記イオン解離部で生成されたフラグメントイオンを質量電荷比又はイオン移動度の少なくとも一方に応じて分離して検出する分離検出部と、
を備えることを特徴とするイオン分析装置。 - 試料成分由来のイオンを解離して生成したフラグメントイオンを分析するイオン分析装置であって、
a)目的とする試料成分由来のイオンが存在する空間に対して3×1012[atoms/m3]以上の密度で以て水素ラジカルを導入することにより該イオンを解離させるイオン解離部と、
b)前記イオン解離部で生成されたフラグメントイオンを質量電荷比又はイオン移動度の少なくとも一方に応じて分離して検出する分離検出部と、
を備えることを特徴とするイオン分析装置。 - 請求項1又は2に記載のイオン分析装置であって、
前記イオン解離部は、電場又は磁場の作用によりイオンを所定の空間に閉じ込めるイオン閉じ込め部に水素ラジカルを導入し、該イオン閉じ込め部の内部で目的とする試料成分由来のイオンと水素ラジカルとを反応させて該イオンを解離させることを特徴とするイオン分析装置。 - 請求項3に記載のイオン分析装置であって、
前記イオン閉じ込め部はイオントラップであり、前記イオン解離部は、水素ラジカルを導入する前又は導入した後の少なくとも一方の期間に、前記イオントラップ内に捕捉したイオンを励振させ、該イオントラップ内に導入した中性粒子に衝突させることでイオンの解離を促進させる補助解離促進部を含むことを特徴とするイオン分析装置。 - 請求項3に記載のイオン分析装置であって、
前記イオン閉じ込め部はイオントラップであり、前記イオン解離部は、水素ラジカルを導入する前又導入した後の少なくとも一方の期間に、前記イオントラップ内に捕捉したイオンにレーザ光を照射することで該イオンの解離を促進させる補助解離促進部を含むことを特徴とするイオン分析装置。 - 請求項3〜5のいずれか1項に記載のイオン分析装置であって、
前記イオン閉じ込め部はイオントラップであり、前記イオン解離部は、水素ラジカルを導入する前に、前記イオントラップ内に捕捉しているイオンに対しクーリングガスによるクーリングを行うことを特徴とするイオン分析装置。 - 請求項3〜5のいずれか1項に記載のイオン分析装置であって、
前記イオン閉じ込め部はイオントラップであり、前記イオン解離部は、水素ラジカルを導入する期間の少なくとも一部で、プリカーサイオン以外の質量電荷比範囲に含まれるイオンに対する共鳴励起を行うことによりイオンと水素ラジカルとの反応速度を抑制することを特徴とするイオン分析装置。 - 請求項3に記載のイオン分析装置であって、
前記イオン解離部は、複数回の解離を生起させるように水素ラジカルを導入する時間を長く設定することを特徴とするイオン分析装置。 - 請求項1〜8のいずれか1項に記載のイオン分析装置であって、
前記イオン解離部は、イオンが存在する領域まで水素ラジカルを輸送するための、ガラス管又は少なくとも内壁面にガラス被膜が形成されている配管である水素ラジカル導入管を含むことを特徴とするイオン分析装置。 - 請求項1〜8のいずれか1項に記載のイオン分析装置であって、
前記イオン解離部は、イオンが存在する領域まで水素ラジカルを輸送するための水素ラジカル導入管と、該水素ラジカル導入管を高温に維持する又は加熱する加熱部と、を含むことを特徴とするイオン分析装置。 - 請求項1〜8のいずれか1項に記載のイオン分析装置であって、
前記イオン解離部は、イオンが存在する領域まで水素ラジカルを輸送するための水素ラジカル導入管の内壁面に沿って不活性ガスを流し、その不活性ガスの流れによって水素ラジカルが導入管内壁面に接触しないようにしつつ、イオンが存在する領域まで水素ラジカルを輸送することを特徴とするイオン分析装置。 - 請求項1〜8のいずれか1項に記載のイオン分析装置であって、
前記イオン解離部は、指向性を有する水素ラジカル流を取り出す流束整形部を含むことを特徴とするイオン分析装置。
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