WO2005083417A1 - 超臨界流体ジェット法及び超臨界流体ジェット質量分析方法と装置 - Google Patents

超臨界流体ジェット法及び超臨界流体ジェット質量分析方法と装置 Download PDF

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Shun-Ichi Ishiuchi
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    • H01J49/0445—Arrangements for introducing or extracting samples to be analysed, e.g. vacuum locks; Arrangements for external adjustment of electron- or ion-optical components for liquid samples with means for introducing as a spray, a jet or an aerosol

Definitions

  • the present invention relates to a non-volatile mixture dissolved in a supercritical fluid or a mixture of a thermally decomposable sample dissolved in a supercritical fluid as a cryogenic 'isolated' gas phase state using a supersonic jet method.
  • the present invention relates to an analytical technique for mass spectrometric analysis of a sample molecule in a ground state of molecules without intermolecular collision or a molecular association containing the sample molecule by selectively ionizing it by a multiphoton laser ion method.
  • Mass spectrometry has become an essential technology in the fields of microanalysis of environmental pollutants and structure determination of biomolecules or molecular aggregates such as proteins.
  • the mass spectrometry technology has three tasks: 1) introduction of sample into vacuum (interface) and vaporization / ionization, 2) high resolution, and 3) high sensitivity.
  • Various methods are proposed for each subject. ing.
  • This method is a method originally developed to obtain a gas of metal.
  • the sample When the laser is focused on the sample, the sample is instantaneously heated to several thousand degrees Celsius, and the sample is vaporized.
  • multiphoton absorption causes dissociation of the molecules to generate a large amount of fragments, making mass spectrum analysis difficult.
  • the target sample is embedded in a matrix carrier, which is a matrix carrier. Dissociation of the target sample can be prevented by using a laser beam of a wavelength that absorbs the injury. This is matrix-assisted laser desorption ion microscopy (MALDI) and ⁇ ⁇ .
  • MALDI matrix-assisted laser desorption ion microscopy
  • Another method is to make a sample solution, and the force is also vaporized by removing the solvent.
  • a method of taking out ions using a solution electrospray and introducing it into a vacuum through an orifice is used.
  • thermospray (TS) method in which a sample solution is introduced into a heater heated by a heater, vaporized, and sprayed into a vacuum.
  • Non-Patent Document 1 a method for mass analysis of molecules using a supercritical fluid (liquid gas) such as carbon dioxide gas is described in Non-Patent Document 1 and the like.
  • the above-mentioned ionization method of the vaporized sample is known as /! MALDI method or ESI method simultaneously performs vaporization of the sample and ion bombardment.
  • MALDI method ionization method of the vaporized sample
  • ESI method simultaneously performs vaporization of the sample and ion bombardment.
  • a general mass spectrometer used in connection with gas (liquid) chromatography, the TS method or the SCF-mass method, etc. it is necessary to ionize a gas sample in some way.
  • mass spectrometry is a method of literally measuring the molecular weight of a sample, but it goes without saying that it is not possible to select the isomer of the sample molecule or the molecular association, It is impossible to obtain detailed information on the molecular structure of a sample molecule or molecular association with quantitative data alone.
  • various laser spectroscopy methods can be applied to the vaporized sample by using a laser ion method in which the vaporized sample molecules or molecular association is ionized by a laser, and it is possible to apply very much to the molecular structure of the sample molecule or molecular aggregate. Detailed information can be obtained, and it is also possible to separate and observe the isomer of the sample molecule or molecular association using differences in electron transition energy !.
  • sample molecules or molecular aggregates are thermally distributed to various vibrational states! /, Various transitions with different initial states are simultaneously observed, resulting in a very complicated spectrum, and analysis Not only is it difficult, but the molecular selectivity is poor.
  • the sample molecules may be cooled to bring the molecules into the lowest energy state (ground state).
  • the supersonic jet method makes this possible.
  • a mixed gas of a sample gas and a carrier gas such as a rare gas is adiabatically expanded in vacuum through an orifice, a supersonic jet containing vaporized sample molecules is generated.
  • a mixed gas obtained by mixing a carrier gas such as helium gas and a "volatile substance (volatility is determined by the vapor pressure specific to the sample)" capable of forming a mixed gas from the orifice is vacuumed from an orifice.
  • a carrier gas such as helium gas
  • a volatile substance volatile substance (volatility is determined by the vapor pressure specific to the sample)" capable of forming a mixed gas from the orifice
  • Patent Document 1 discloses a wide variety of molecules, in particular, a molecule which is decomposed by high temperature heating or a neutral molecule which does not sublime even when heated at high temperature. And a molecular beam generation method and apparatus capable of generating ions, ionizing molecules and clusters contained in the generated neutral molecular beam, and performing mass spectrometry, spectrometry and the like.
  • Non-Patent Document 1 T. bakamoto, A. Yamamoto, M. Owari and Y. Nihei Development of a Supercritical Fliid Extractor Coupled with a Time-of- Flight Mass Spectrometer for Online Detection of Extracts "Analytical Sci. 19, 853 (2003 ).
  • Non-patent literature 2 S. Isniuchi, K. Daigoku, K. Hashimoto and M. Fujn Four-color hoke burning spectra of phenol / ammonia 1: 3 and 1: 4 clusters J. Chem. Phys. 120, 3215 (2003).
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-329556
  • a sample which has been brought into the lowest energy state (ground state) of molecules by the above-described supersonic jet method can easily form a mixed gas with a carrier gas such as helium gas or the like, and can be easily vaporized a “volatile substance”.
  • a carrier gas such as helium gas or the like
  • Materials such as non-volatile or thermally degradable polymers can not be vaporized unless they are heated, and cryogenic isolated sample molecules or molecular aggregates without intermolecular collision can be obtained. It was a force.
  • a supercritical fluid such as carbon dioxide gas (liquid Mass spectrometry can be performed without heating “to a high temperature” using soot gas).
  • a supercritical fluid such as carbon dioxide gas (liquid Mass spectrometry can be performed without heating “to a high temperature” using soot gas).
  • the information or force of the sample molecule or molecular association in the thermally excited state can not be obtained, and only mass can be measured for mass analysis of the sample. It is necessary to obtain a ground state sample of coalescence.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-329556
  • the invention described in Patent Document 1 delivers the solution sample to the spray chamber through the small opening by the spray introduction means as described in detail later, and delivers it.
  • the atomized solution of the sample is bombarded with a gas, or the atomized solution is heated to form solute molecules from which solvent molecules are stripped, and then the solute molecules are passed through the small opening.
  • This is a method of generating a beam of sample molecules by spraying a small opening force sample to the low pressure side space into the low pressure side space.
  • vaporization of the non-volatile sample shown in FIG. 6 is performed by the first delivery means 54, and jet cooling is performed by the second delivery means 54.
  • jet cooling is performed by the second delivery means 54.
  • the flow rate of the second delivery means 54 is increased to introduce it into the vacuum device 56 before the non-volatile sample cools and precipitates as a solid.
  • a high degree of vacuum can be maintained unless a pump with a very high evacuation rate is used. As a result, ordinary vacuum devices do not have sufficient jet cooling effect.
  • the object of the present invention is to use non-volatile or thermally degradable sample molecules or molecular association including the sample molecules and a thermally unstable sample molecule or the sample molecule using a supercritical fluid. It is to establish an analysis method and apparatus that can obtain a ground state sample molecule such as a molecular assembly including a child.
  • the subject of the present invention is also a sample in which a non-volatile or thermally degradable molecule or a molecular association including the molecule and a thermally unstable molecule or molecular association, etc. are ionized using a supercritical fluid.
  • First aspect of the present invention and jetting the supercritical fluid and the mixture of non-volatile sample or supercritical fluid and thermal decomposition of the mixture 10-7 torr or more high-vacuum vessel of the sample, the intermolecular collisions It is a method of generating a supersonic jet flow of a ground state sample molecule of a non-molecular or a molecular association containing the sample molecule.
  • the sample may be a non-volatile or thermally degradable sample or a thermally unstable sample, regardless of the electrolyte 'non-electrolytic substance.
  • the molecular association of sample molecules is generated when the sample molecules are jetted.
  • This supercritical fluid jet can be applied only to the method of mass analysis of the ground state of the molecular association by the laser ionization method, as described below, of the non-volatile mixture or the supercritical fluid and thermally decomposable sample molecules.
  • a method for non-volatile vaporization of non-volatile and thermally decomposable samples fabrication of structural multilayer films by molecular beam epitaxial method of non-volatile 'degradable molecules', flat surface by sputtering solid surface ( By colliding flexible molecules, it is possible to obtain a flat surface than colliding atoms, etc.
  • intermolecular collisions Te supercritical fluid and non-volatile mixture or supercritical fluid and thermal decomposition of our ⁇ mixture 10-7 Torr or more in a high vacuum of the sample of the sample No!
  • a supersonic jet flow of a ground state sample molecule or a molecular association containing the sample molecule is generated to obtain a molecular beam, and the molecular beam is subjected to a laser ion beam method to obtain a ground state of the molecule in the ground state without collisions.
  • It is a mass spectrometry method using a supercritical fluid jet method characterized in that a sample molecule or an ion of a molecular association including the sample molecule is obtained and mass analysis of the ion is performed.
  • the invention according to claim 3 is a supercritical fluid jet generator, wherein a mixture of a supercritical fluid and a non-volatile sample or a mixture of a supercritical fluid and a pyrolytic sample is supersonic jetted using a pulse valve.
  • the invention according to claim 4 is characterized in that the mixture of the supercritical fluid and the sample contains a modifier group consisting of 25 vol% or less of water, methanol, ethanol, dioxane, acetonitrile, tetrahydrofuran, diisopropyl ether or jetyl ether.
  • a modifier group consisting of 25 vol% or less of water, methanol, ethanol, dioxane, acetonitrile, tetrahydrofuran, diisopropyl ether or jetyl ether.
  • a fifth aspect of the present invention is a supercritical fluid jet generator for supersonic jet of a mixture of a supercritical fluid and a non-volatile mixture or a mixture of a supercritical fluid and a thermally decomposable sample, and the jet generation.
  • Supercritical fluid jet method provided with a laser irradiation chamber that obtains molecular beam by ionizing supersonic jet flow force that also jets the device power, and a mass analyzer that analyzes the mass of the ions obtained by the laser irradiation chamber power. Mass spectrometer using the
  • a pulse valve for generating supersonic jet flow is disposed in the supercritical fluid jet generator, and a differential exhaust chamber is provided between the jet generator and the laser irradiation chamber.
  • the supersonic jet flow passes between the jet generator and the differential exhaust chamber and between the differential exhaust chamber and the laser irradiation chamber. It is a mass spectrometer using the supercritical fluid jet method according to claim 5 provided with a mer.
  • the supercritical fluid used in the present invention is carbon dioxide, nitrous oxide (nitrous oxide), fluorocarbon, and the like.
  • the reason for using “supercritical fluid” such as carbon dioxide gas instead of “helium gas” as a fluid for dissolving a sample (hereinafter referred to as a carrier) is as follows.
  • helium which is a gas
  • the function of "dissolving" the sample is vaporized according to the inherent vapor pressure of the sample and becomes a mixed gas with helium.
  • a normal gas such as helium gas
  • the amount of "dissolution” of a sample related to the type of carrier is determined only by the saturation vapor pressure specific to each sample molecule.
  • non-volatile sample molecules or molecular aggregates such as naphthol are not vaporized unless heated in helium.
  • the sample can easily form a mixed gas with the gas carrier, the sample molecule or the molecular association in the lowest energy state can be obtained by the jet cooling method.
  • gas carriers can not vaporize non-volatile materials without heating them. If the sample is a thermally decomposable substance, it will dissociate (decompose) if it is heated, so jet cooling using a gas carrier can not be applied to such a sample.
  • supercritical fluids such as carbon dioxide gas have the property of being liquid, and have the ability of being a solvent that "melts out” sample molecules or molecular aggregates, which is different from a simple gas such as helium.
  • a supercritical fluid the amount of “melted out” varies depending on the type of fluid and pressure, and also by the addition of a small amount of the above-mentioned additive (modifier).
  • modifier a small amount of the above-mentioned additive
  • Such a property can not be a gas such as helium.
  • One of the major features of the present invention is that it utilizes the liquid-gas two-face nature of the supercritical fluid, and the nature of the liquid as a solvent for dissolving out the supercritical fluid sample and The property of the gas is used as the carrier gas at the time of jet injection in vacuum.
  • non-electrolytic, thermally decomposable and thermally unstable samples are vaporized without heating to high temperatures and jet-cooled into vacuum, regardless of whether they are electrolytes or non-electrolyte molecules. It became possible to take it out.
  • a supercritical fluid is a high pressure fluid over 100 atmospheres, it is placed in a high vacuum vessel.
  • a device In order to perform jet injection, it is necessary to devise a device. Sufficient to obtain a jet cooling effect, it is necessary to keep the vacuum container to a vacuum degree of below 10- 4 Torr in a time jetting. If cost is neglected, it is better to use a force pulse valve to intermittently inject gas by injecting gas continuously using a pinhole and using a huge pump to evacuate the flowing gas at high speed.
  • a pump with a low exhaust rate can achieve a sufficiently high degree of vacuum, and can reduce the consumption of gas, which is advantageous in cost.
  • cooling does not mean cooling in a normal sense, that is, the temperature is low!
  • temperature is a concept applied to thermal equilibrium, that is, a state that follows the Boltzmann distribution, and since the gas jetted into a vacuum is not a thermal equilibrium, the concept of temperature in the ordinary sense is not valid. Absent.
  • the above “cooling” has two meanings, and the mechanism differs as follows.
  • Another "cooling” is the cooling of molecular internal energy (vibration ⁇ rotational energy).
  • the cooling of the molecular internal state occurs in the process in which the molecular internal energy is converted to the translational velocity of the carrier molecule by the inelastic collision of the sample molecule with the carrier molecule as it passes through the orifice. Therefore, the orifice diameter should be small in the sense of creating a large pressure difference, but if an orifice with a diameter smaller than the mean free path of the molecule is used, sufficient intermolecular collision will not occur when passing through the orifice. , The internal state of the sample molecule is not cooled. Such gas flow is called a leak jet.
  • jet cooling converts various energy states into translational energy, and the internal energy states are monochromatized (the energy of light is determined by the wavelength or “color”. Generally speaking, not only light but also the alignment of energy states is called "monochromatization”.
  • jet spray chamber 10 4 - 10 but 5 is a Torr vacuum degree of about, for the mass analyzer which is required a high degree of vacuum of about 10 7 Torr, to both the connection It requires a device. Furthermore, it is necessary to devise a point to introduce the supersonic jet flow obtained in the jet injection chamber into the mass analyzer while maintaining the jet cooling effect. Therefore, in the present invention, a differential exhaust chamber is provided between the jet generator and the mass analyzer, a skimmer is provided in the gas flow path between the jet generator and the differential exhaust chamber, and a differential exhaust chamber and mass spectrometry are further provided. A skimmer was also placed in the gas flow path between the vessels.
  • a skimmer Unlike a normal pinhole, a skimmer has an opening with a sharp edge-like cross section at the tip of the skimmer, and therefore, the scattering of supersonic molecular beams when passing through the opening can be minimized. By preventing this, the jet-cooled gas is less susceptible to thermal excitation.
  • the aperture diameter of the skimmer is determined by how much "thick" a molecular beam is required, and in the present invention, a laser focused on a molecular beam with a lens (the focal diameter is the number / zm In principle, a “thick” molecular beam of about the size of the focused diameter of the laser may be used to irradiate the light. However, it is difficult to manufacture a skimmer with a small aperture diameter, and the laser beam has a narrow molecular beam. In the present invention, a skimmer with an opening diameter of about 2 mm was used.
  • the supercritical fluid can be treated with a small amount of additive (modifier) to improve the supercritical extraction ability, and a modifier of 0 to 25% by volume may be added. .
  • the lower limit of the amount to be added can not be specified, but the upper limit is up to 25% by volume.
  • adding a modifier of 25% by volume to the supercritical carbon dioxide results in 75 atm as carbon dioxide, which is higher than the critical pressure of carbon dioxide (if this pressure is higher than This is because the property as a fluid approaching 9 atm pressure decreases.
  • a cluster in which a large amount of modifier molecules are attached to the sample molecules or the molecular association is formed, which causes an obstacle in mass spectrometry.
  • the resonance multi-photon laser ion beam method can be applied by making the leak jet of the conventional SCF-mass method supersonic jet.
  • FIG. 1 shows an overall view of the experimental apparatus for mass spectrometry of the present invention.
  • the experimental method was as follows.
  • the obtained mixture was heated to 50 ° C. in a preheating oven 44 (manufactured by Nippon Bunko K.K .: SCF-LRO) to be brought into a supercritical state.
  • Modifier-added supercritical carbon dioxide gas was introduced into an automatic pressure control valve 45 (manufactured by JASCO Corporation: SCF-Bpg) and maintained at 100 atm.
  • a constant pressure modifier-added supercritical carbon dioxide gas branched in front of the automatic pressure control groove 45 was introduced into a sample holder 2 installed in a vacuum device (supercritical fluid jet generator) 1.
  • the sample holder 2 was heated to 50 ° C. by the heater 3 to extract 1-naphthol (sublimated by Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. purity 98% by vacuum sublimation).
  • the jet was injected into the supercritical fluid jet generator (jet injection chamber) 1 at 20 Hz repeatedly with an electromagnetic pulse valve 5 (made by a device manufacturing room at Tel Aviv University: EL-7-3-2000) installed immediately below the sample holder 2.
  • the melting point of 1-naphthol used as a sample for verification experiments is 288 ° C, and a sample gas with a sufficient concentration can not be obtained unless heated before 100 ° C. Therefore, as described above, it is dissolved in supercritical carbon dioxide to which about 4% by volume of methanol is added at 50 ° C. and 100 atm, which is jet-jetted into a vacuum through the pulse valve 5.
  • the molecular beam M passes between the repeller electrode 31 and the extractor electrode 32 of the ion lens system shown in FIG.
  • a wavelength-tunable ultraviolet laser 1 L was condensed here and ionized.
  • the generated positive ions were extracted in the direction perpendicular to the molecular beam with three electrodes (Repeller: 1. 54kV, Xtractor: 1. 14kV, first stage of Weinzel lens: 0V).
  • 1. 8m flight 'tube, orbit-corrected with Feinzel lens 33 (first stage: second stage: 0 V, middle stage: 1. 54kV) and evacuated with turbo molecular pump 17 (same type as turbo molecular pump 9) 18 (degree of vacuum: 5 X 10- 7 Torr) and through is converged onto Daly type ion detector 16 to detect the ions.
  • FIG. 3 A detailed configuration of the Daly type ion detector 16 is shown in FIG. 3.
  • a target 35 made of aluminum and a negative high voltage ( ⁇ 10 kV) is applied and a scintillator 36 (manufactured by Applied Optical Laboratory Co., Ltd .: NE 102 A) And a photomultiplier tube 37 (manufactured by Hamamatsu Photo-Toss Co., Ltd .: R1450).
  • the positive ions are drawn into the aluminum target 35 and collide.
  • secondary electrons are emitted from the aluminum surface, which are further converted into light signals by the scintillator 36 and detected by the photomultiplier tube 37.
  • the current output from the photomultiplier tube 37 is converted to a voltage signal with a resistance of 1 k ⁇ , and amplified 10-fold by the preamplifier 21 (manufactured by NF Corporation circuit design block: BX-31A), and a digital oscilloscope 22 It was recorded by Iwadori Measurement Co., Ltd .: DS-4374. Furthermore, data were transferred from the digital oscilloscope 22 to the personal computer 23, and the mass spectrum and REMPI (resonant multiphoton ionization) spectrum were measured on the personal computer 23.
  • the wavelength-tunable ultraviolet laser is a YAG laser (manufactured by Sbeta Trough Ibitas Co., Ltd .: INDI) 40) Excitation wavelength-variable dye laser (made by Ziller (Germany): Cobra— Stretch) is automatically non-linear optical crystal (Inrad (USA) made by phase matching angle tracking device (made by Inrad (USA): AUTO TRACKER III) Made by KDP) and converted to double wave.
  • the laser device generates a pulse laser with a pulse width of several nanoseconds at a repetition rate of 20 Hz in synchronization with the electromagnetic pulse valve.
  • the laser intensity was reduced to several / z j pulse using an ND filter, and condensed into a laser irradiation chamber 13 with a synthetic quartz lens having a focal length of 220 mm.
  • Fig. 4 shows the mass spectrum obtained.
  • 1 naphthol a few clusters of carbon dioxide attached to 1 naphthol were observed. This result indicates that the super critical carbon dioxide does not adhere to one naphthol in a large amount and does not form droplets, that is, the supercritical carbon dioxide does not interfere with mass spectrometry. ing.
  • FIG. 5 shows the result of REMPI spectrum obtained by sweeping the wavelength of the ionization laser while monitoring the peak of 1 naphthol.
  • 1 naphthol ionizes by absorbing two photons simultaneously.
  • the two-photon absorption probability rapidly increases due to the resonance effect, and a peak of the ion amount is observed (resonant multiphoton ionization spectrum).
  • the peak of the resonance multiphoton ionization spectrum of the sufficiently jet-cooled molecule exhibits a sharp shape, and the supercritical fluid jet method of this embodiment has a sufficient jet-cooling effect. It shows.
  • the sharp peak of this example is the zero vibrational level (peak of the lowest energy side (left side of FIG. 5)) and the vibrational excitation level of the first electron excited state of 1 naphthol. This is the multiple peaks on the right side of Fig. 5).
  • Patent Document 1 JP-A-2003-329556
  • Patent Document 1 The invention described in Patent Document 1 (see FIG. 6) has the following problems.
  • the sample 53 in the form of fine particles is firstly delivered from the sample solution 52.
  • Patent Document 1 it is possible to obtain only the data indicating the relationship between the flight time of the sample molecule and the signal intensity of the result of the mass spectrometer 57.
  • thermoly decomposable samples such as biomolecules and high molecular weight functional molecules, which has been impossible until now, becomes possible, and the basics of molecular recognition mechanism etc. in the living body Not only contribution to scientific research but also evaluation of various functional molecules created by nanotechnology research in recent years ⁇ It can not only be applied to measurement technology, but also as a method to non-volatilely vaporize non-volatile and thermally decomposable samples.
  • the present invention can be used for technological development such as fabrication of a multilayer structure of the non-volatile and heat-degradable molecules by molecular beam epitaxial method and flat surface sputtering by sputtering of solid surface.
  • FIG. 1 is an overall view of an experimental apparatus for mass spectrometry of an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 It is a block diagram of the ion lens system of FIG.
  • FIG. 3 It is a block diagram of the ion detector of FIG.
  • FIG. 4 is a mass spectrum of 1-naphthol obtained in Examples of the present invention.
  • FIG. 5 is a REMPI spectrum of 1-naphthol obtained in Example of the present invention.
  • FIG. 6 is a block diagram of a thermal decomposition or non-volatile molecular beam generator according to the prior art. Explanation of sign
  • preamplifier 22 digital oscilloscope Nano Sonano Recom '

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Abstract

　超臨界流体ジェット発生装置１において、パルスバルブ５を用いて超臨界流体と不揮発性の試料の混合物又は超臨界流体と熱分解性の試料の混合物を超音速ジェット噴射させて超音速ジェット流を得て、該超音速ジェット流をスキマー８を介して１０-5トル以上の高真空下にある差動排気室１０に導入し、さらに前記超音速ジェット流をスキマー１２を介して１０-7トル以上の高真空下において分子線Ｍを得て、レーザー照射室１３内で波長可変レーザーＬによる共鳴多光子イオン化法により前記分子線Ｍから分子間衝突のない試料分子の基底状態の試料分子又は該試料分子の分子会合体のイオンを得て、該イオンを質量分析する。こうして不揮発性又は熱分解性の分子又は該分子の分子会合体及び熱的に不安定な分子又は該分子の分子会合体などの基底状態のデータが得られる。

Description

明 細 書
超臨界流体ジェット法及び超臨界流体ジェット質量分析方法と装置 技術分野
[0001] 本発明は、超臨界流体に溶解した不揮発性の混合物又は超臨界流体に溶解した 熱分解性試料の混合物を、超音速ジェット法を用いて極低温'孤立状態の気相状態 として真空中で分子間衝突のない分子の基底状態の試料分子又は該試料分子を含 む分子会合体を得る方法及び、前記超音速ジェット流中の試料分子又は該試料分 子を含む分子会合体を共鳴多光子レーザーイオンィ匕法により選択的にイオンィ匕して 分子間衝突のない分子の基底状態の試料分子又は該試料分子を含む分子会合体 の質量分析する分析技術に関するものである。
背景技術
[0002] 質量分析は環境汚染物質の微量分析やタンパク質等の生体分子又は分子会合体 の構造決定などの分野で不可欠の技術となっている。質量分析技術は、 1)試料の 真空中への導入 (インターフェイス)及び気化 ·イオン化、 2)高分解能化、 3)高感度 化の 3つの課題があり、それぞれの課題について様々な手法が提案されている。
[0003] 質量分析技術の汎用性を高めるためには、前記 1)の新技術開発が不可欠である。
気体試料、揮発性試料又は加熱により容易に気化可能な試料は、気化後、真空中 に導入してレーザーや電子銃などを用いてイオンィ匕すればょ 、が、不揮発性試料や 熱分解性試料に対しては、いかに試料を分解させずに気化し、イオンィ匕するかが大 きな課題となって 、る。現在のところ不揮発性試料や熱分解性試料の気化方法とし て主に次の 2つの方法が実用化されて 、る。
[0004] 1つはレーザーを用いて瞬間的に加熱 ·気化させる方法 (レーザー蒸発法)である。
この方法は、元来金属の気体を得るために開発された方法である。レーザーを試料 に集光すると、試料は瞬間的に数千 °Cに加熱され、試料が気化する。しかし、有機分 子に同様のレーザー法を適用すると、多光子吸収により分子の解離が起こり、多量 のフラグメントが生成し、質量スペクトルの解析が困難となる。
これを解決するために目的試料をマトリックス担体に埋め込み、マトリックス担体だ けが吸収する波長のレーザー光を用いることにより、 目的試料の解離を防ぐことがで きる。これをマトリックス支援レーザー脱離イオンィ匕（MALDI)法と ヽぅ。
[0005] もう 1つの方法は試料溶液を作成し、そこ力も溶媒を取り去ることにより気化する方 法である。電解質試料の場合は、その溶液カゝらエレクトロスプレーを用いてイオンを 取り出し、オリフィスを通じて真空中に導入する方法 (エレクトロスプレーイオンィ匕 (ES I)法）が用いられる。
[0006] また、試料溶液を、ヒーターで加熱されたキヤビラリ一に導入して気化し、真空中に 噴射するサーモスプレー (TS)法などもある。
[0007] これらの方法は、いかに溶媒を取り除くかが技術開発の鍵になっている力 より除 去しやす!/、溶媒として超臨界流体 (液化ガス)を用いる方法がある (超臨界質量分析 (SCF— Mass) )。この方法を用いて試料の超臨界流体溶液を極細のキヤピラリーを 通じて真空中に導入すると、直ちに溶液溶媒と試料は気化する。
[0008] また、炭酸ガスなどの超臨界流体 (液ィ匕ガス)を用いて分子の質量分析をする方法 につ 、ては、非特許文献 1などに記載されて 、る。
[0009] 次に前記気化された試料のイオン化法として知られて!/ヽる MALDI法又は ESI法は 試料の気化とイオンィ匕を同時に行って 、る。ガス (液体)クロマトグラフィーと接続して 用いられている一般的な質量分析器、 TS法又は SCF— Mass法などでは、気体試料 を何らかの方法でイオンィ匕する必要がある。
[0010] 最も一般的に用いられて 、るのは放電や電子銃を用いた電子衝撃イオンィ匕法であ る。この方法は装置的に安価で保守も簡単である反面、イオンィ匕の際に分子に与え る過剰エネルギーが非常に大き 、ために、試料分子の解離 (分解)を抑えることが難 しい。そのために、質量スペクトルには多量のフラグメントのピークが現れ、非常に煩 雑な解析が必要となる。
[0011] これに対してレーザーイオンィヒ法では、レーザーの波長を選択することでイオンィ匕 に際して過剰エネルギーを容易に抑えることができ、その結果、試料分子の解離を 抑えることができる。そのため、この方法はソフトイオンィ匕法と呼ばれることがある。
[0012] ところで、質量分析法は文字通り試料の分子量を測定する方法であるが、当然のこ とながら試料分子又は分子会合体の異性体を選別することはできないし、さらに分子 量データだけでは試料分子又は分子会合体の分子構造の詳細な情報を得ることは 不可能である。しかし、気化した試料分子又は分子会合体をレーザーによりイオン化 するレーザーイオンィ匕法を用いれば、気化試料に様々なレーザー分光法を適用する ことができ、試料分子又は分子会合体の分子構造に関する非常に詳細な情報が得 られ、また電子遷移エネルギーの違!、を利用して試料分子又は分子会合体の異性 体を分離して観測することもできる。
[0013] ただし、試料分子又は分子会合体が様々な振動状態に熱分布して!/、ると、始状態 の異なる様々な遷移が同時に観測されるために非常に複雑なスペクトルとなり、解析 が困難になるばかりか、分子選択性が劣ることになる。この問題を解決するためには 、試料分子を冷却して分子を最低エネルギー状態 (基底状態）にしてやればよい。こ れを可能にするのが超音速ジェット法である。試料ガスと希ガスなどのキャリアーガス の混合ガスをオリフィスを通じて真空中に断熱膨張させると、気化した試料分子を含 む超音速ジェットが発生する。
[0014] 従来ヘリウムガスなどのキャリアーガスと混合ガスを形成し得る「揮発性の物質 (揮 発性は試料固有の蒸気圧で決まる）」とを混合して得られた混合ガスをオリフィスから 真空中にジェット噴射して、分子間衝突のな!、極低温状態 (分子の基底状態)の気 化した試料分子を含み得ることで試料分子の内部のエネルギー状態を認識すること ができることは本発明者らの下記非特許文献 2記載の研究を含めて知られている。
[0015] また、特開 2003— 329556号公報 (特許文献 1)には、広範囲の種類の分子、特に 、高温加熱により分解する分子あるいは高温で加熱しても昇華しない中性分子のビ ームを発生させることができ、かつ生成された中性分子ビームに含まれる分子および クラスターをイオン化し、質量分析や分光測定などを行うことができる分子ビーム発生 方法と装置が開示されている。
非特干文献 1 : T. bakamoto, A. Yamamoto, M. Owari and Y. Nihei Development of a Supercritical Fliid Extractor Coupled with a Time— of— Flight Mass Spectrometer for Online Detection of Extracts" Analytical Sci. 19, 853(2003).
非特許文献 2 : S. Isniuchi, K. Daigoku, K. Hashimoto and M. Fujn Four-color hoke burning spectra of phenol/ ammonia 1:3 and 1:4 clusters J. Chem. Phys. 120, 3215 (2003).
特許文献 1：特開 2003— 329556号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0016] 上記した超音速ジェット法により、分子の最低エネルギー状態 (基底状態）にした試 料はヘリウムガスなどのキャリアーガスと混合ガスを形成し得る容易に気化し得る「揮 発性の物質」でし力得られなぐ不揮発性又は熱分解性の高分子などの物質は加熱 しない限り、気化させることができず、分子間衝突のない極低温の孤立状態の試料 分子又は分子会合体は得られな力つた。
[0017] また、前記 SCF— MASS法では、電解質'非電解質分子を問わず、または不揮発 性又は熱分解性の試料及び熱的に不安定な試料などは炭酸ガスなどの超臨界流体 (液ィ匕ガス)を用いて「高温に」加熱しなくても、質量分析ができる。しかし、従来の SC F— MASS法では、熱的に励起した状態の試料分子又は分子会合体の情報し力得 られず、また試料の質量分析には質量のみ測定できれば良いので、分子又は分子 会合体の基底状態の試料を得る必要がな力つた。
[0018] 特許文献 1 (特開 2003— 329556号公報)記載の発明は、後で詳細に説明するよう に溶液試料を噴霧的導入手段により、小開口部を介して噴霧室に送出し、送出され た試料の霧状溶液に、ガスを衝突させることによって、あるいは霧状溶液を加熱する ことによって、溶媒分子を剥ぎ取った溶質分子を生成し、次いで、その溶質分子を小 開口部を介して低気圧側空間に送り出すことからなる小開口部力 試料を低気圧側 空間に噴霧させて試料分子のビームを発生させる方法である。
[0019] 特開 2003— 329556号公報記載の発明は、図 6に示す不揮発性試料の気化を第 1送出手段 54で行い、ジェット冷却を第 2送出手段 54で行っている。この方法のよう に不揮発性試料の気化とジェット冷却を二段階で行うと、ジェット冷却の前に冷えて 固体となってしまう可能性がある。またそれを防ぐために、第 2送出手段 54の流速を 高めて、不揮発性試料が冷えて固体として析出する前に真空装置 56に導入する連 続導入方式 (パルスバルブではなくピンホールにより連続的に真空中に導入する方 法)を採用するためには、よほど大排気速度のポンプを用いない限り高真空度を保 つことができず、その結果として通常の真空装置では十分なジェット冷却効果が得ら れない。
[0020] そこで、本発明の課題は、超臨界流体を用いて、不揮発性又は熱分解性の試料分 子又は該試料分子を含む分子会合体及び熱的に不安定な試料分子又は該試料分 子を含む分子会合体などの基底状態の試料分子が得られる分析方法と装置を確立 することである。
[0021] また、本発明の課題は、超臨界流体を用いて不揮発性又は熱分解性の分子又は 該分子を含む分子会合体及び熱的に不安定な分子又は分子会合体などをイオン化 した試料を得て、当該イオンィ匕した分子又は分子会合体の内部エネルギー状態又 は該分子又は分子会合体構造の詳細情報を得る方法と装置を確立することである。 課題を解決するための手段
[0022] 本発明の上記課題は次の解決手段で解決される。
請求項 1記載の発明は、超臨界流体と不揮発性の試料の混合物又は超臨界流体 と熱分解性の試料の混合物を 10— 7トル以上の高真空容器内にジェット噴射し、分子 間衝突のない分子の基底状態の試料分子又は該試料分子を含む分子会合体の超 音速ジェット流を発生させる方法である。
上記試料は、電解質'非電解質物質を問わず、不揮発性又は熱分解性の試料又 は熱的に不安定な試料などである。
なお、試料分子の分子会合体は試料分子をジェット噴射した際に生成される。
[0023] この超臨界流体ジェットは以下に説明する、不揮発性の混合物又は超臨界流体と 熱分解性の試料分子は分子会合体の基底状態をレーザーイオン化法による質量分 析する方法に適用できるだけでなく、不揮発性 ·熱分解性試料を非破壊的に気化す る方法として、該不揮発性 '熱分解性分子の分子線ェピタキシャル法による構造多層 膜の製作、固体表面のスパッタリングによる平坦ィ匕 (フレキシブルな分子を衝突させる ことにより、原子を衝突させた場合より平坦な表面が得られる）などに利用可能である
[0024] 請求項 2記載の発明は、超臨界流体と不揮発性の試料の混合物又は超臨界流体 と熱分解性の試料の混合物を 10— 7トル以上の高真空下にお ヽて分子間衝突のな!ヽ 基底状態の試料分子又は該試料分子を含む分子会合体の超音速ジェット流を発生 させて分子線を得て、該分子線をレーザーイオンィ匕法により分子間衝突のない分子 の基底状態の前記試料分子又は該試料分子を含む分子会合体のイオンを得て、該 イオンを質量分析することを特徴とする超臨界流体ジェット法を用いる質量分析法で ある。
[0025] 請求項 3記載の発明は、超臨界流体ジェット発生装置において、パルスバルブを用 いて超臨界流体と不揮発性の試料の混合物又は超臨界流体と熱分解性の試料の 混合物を超音速ジェット噴射させて超音速ジェット流を得て、該超音速ジェット流をス キマーを介して 10— 5トル以上の高真空下にある差動排気室に導入し、さらに前記超 音速ジェット流をスキマーを介して 10—7トル以上の高真空中に通じることで分子線を 得て、波長可変レーザーによる共鳴多光子イオン化法により前記分子線から分子間 衝突のない分子の基底状態の試料分子又は該試料分子を含む分子会合体のィォ ンを得て、該イオンを質量分析することを特徴とする請求項 2記載の超臨界流体ジ ット法を用いる質量分析法である。
[0026] 請求項 4記載の発明は、前記超臨界流体と前記試料の混合物に 25容量％以下の 水、メタノール、エタノール、ジォキサン、ァセトニトリル、テトラヒドロフラン、ジイソプロ ピルエーテル又はジェチルエーテルからなるモディファイァ一群の少なくとも 、ずれ 力を添加することを特徴とする請求項 3記載の超臨界流体ジェット法を用いる質量分 析法である。
[0027] 請求項 5記載の発明は、超臨界流体と不揮発性の混合物又は超臨界流体と熱分 解性の試料の混合物を超音速ジェット噴射する超臨界流体ジェット発生装置と、該ジ エツト発生装置力も噴射する超音速ジェット流力も分子線を得てイオンィ匕するレーザ 一照射室と、該レーザー照射室力 得られたイオンを質量分析する質量分析器とを 設けた超臨界流体ジ ット法を用いる質量分析装置である。
[0028] 請求項 6記載の発明は、前記超臨界流体ジェット発生装置には超音速ジェット流を 発生するパルスバルブを配置し、前記ジェット発生装置とレーザー照射室との間に差 動排気室を設け、前記ジ ット発生装置と前記差動排気室の間及び前記差動排気 室と前記レーザー照射室と間の前記超音速ジェット流の各通過部にはそれぞれスキ マーを設けた請求項 5記載の超臨界流体ジェット法を用いる質量分析装置である。
[0029] 本発明で使用する超臨界流体は二酸化炭素、酸化二窒素（亜酸化窒素）、フツイ匕 炭化水素などである。
[0030] 本発明で、試料の溶解用の流体 (以降、キャリアと称する）として「ヘリウムガス」でな く炭酸ガスなどの「超臨界流体」を用いる理由は次の通りである。
ヘリウムの場合はガスであるので、試料を「溶かし出す」という機能はなぐ試料固有 の蒸気圧に従って試料は気化してヘリウムとの混合ガスになる。ヘリウムガスなどの 通常のガスをキャリアとして用いる場合はキャリアの種類に関係なぐ試料の「溶け出 る」量はそれぞれの試料分子固有の飽和蒸気圧だけで決まる。従って、ナフトールな どの不揮発性の試料分子又は分子会合体はヘリウム中においても加熱しない限り気 化しない。
[0031] すなわち、ガスキャリアと混合ガスを形成し得る「容易に気化しうる試料」であれば、 ジェット冷却法により最低エネルギー状態の当該試料分子又は分子会合体を得るこ とができる。しかし、ガスキャリアでは不揮発性物質を加熱しなければ気化させること ができない。試料が熱分解性物質であると、加熱すれば解離 (分解)してしまうので、 このような試料にはガスキャリアを用いるジェット冷却法を適用することができない。
[0032] 一方、炭酸ガスなどの超臨界流体は液体としての性質をもっており、試料分子又は 分子会合体を「溶かし出す」溶媒としての能力があり、この点がヘリウムのような単なる ガスと異なる。超臨界流体の場合は流体の種類や圧力によって「溶け出る」量は変わ り、また、微量の前記添加物（モディファイァー）をカ卩えることによつても変化する。この ような性質はヘリウムなどのガスではありえない。
[0033] 本発明の大きな特徴の一つは、超臨界流体の液体一気体の 2面性を利用している ことであり、超臨界流体の試料を溶かし出すための溶媒としての液体の性質と真空中 にジェット噴射する際のキャリアーガスとして気体の性質を用いていることである。
[0034] 本発明により、はじめて電解質、非電解質分子を問わず、不揮発性、熱分解性及 び熱的に不安定な試料を高温に加熱せずに気化させて真空中にジェット冷却された ガスとして取り出すことができるようになった。
[0035] 超臨界流体は 100気圧を超える高圧流体であるため、これを高真空度の容器内に ジェット噴射するためには装置の工夫が必要である。十分なジェット冷却効果を得る ためには真空容器内をジェット噴射時でも 10—4Torr以下の真空度に保つ必要がある 。コストを度外視すれば、ピンホールを用いて連続的にガスを噴出させ、流入するガ スを巨大なポンプで高速排気する方法もある力 パルスバルブを用いて断続的にガ スを噴射した方が低排気速度のポンプでも十分な高真空度を得ることができ、また、 ガスの消費量も軽減できるため、コスト的に有利である。
[0036] ここで、前記「冷却」は通常の意味での冷却、つまり温度が低!、状態と!/、う意味では ないので注意を要する。そもそも温度とは熱平衡状態、つまりボルツマン分布に従う 状態に対して適用される概念であり、真空中にジェット噴射して 、るガスは熱平衡状 態ではないため、通常の意味での温度という概念は当てはまらない。上記「冷却」に は 2通りの意味があり、それぞれでメカニズムが次のように異なる。
[0037] 一つは、並進速度がそろうということである。これがなぜ「冷却」なのかというと、複数 の分子の並進速度がそろうと相対速度がゼロとなるので、ボルツマン温度としてはゼ 口になるからである。このような過程は高圧力 低圧 (真空又はそれに近い圧力が好 ましい）に一気にガスを噴射することに伴って起こる現象であり、並進速度のそろう程 度は前記高圧と低圧の圧力差が大きいほど良ぐそのためにはガスを噴射する際の オリフィス径は小さ 、方がょ 、。
[0038] もう一つの「冷却」は分子内部エネルギー（振動 ·回転エネルギー）の冷却である。
分子内部状態の冷却は、試料分子がオリフィスを通過する際にキャリアー分子との非 弾性衝突により、分子内部エネルギーがキャリアー分子の並進速度に転換される過 程で起こる。従って、大きい圧力差を作るという意味ではオリフィス径は小さい方がよ いが、分子の平均自由行程より小さい径のオリフィスを用いると、オリフィスを通過す る際に充分な分子間衝突が起こらないため、試料分子の内部状態は冷却されない。 このようなガス流を漏れジェットと呼ぶ。従来の SCF— Mass法のように極細キヤビラリ 一を用いた超臨界流体の真空導入法では、キヤピラリー出口付近に向力つて減圧勾 配が生じており、また開口径も非常に小さいため、典型的な漏れジェットとなる。この「 冷却」過程は前記衝突が重要で、十分な衝突が起こるためには、オリフィスは少なくと も試料分子の平均自由行程より大きい径である必要がある。従って、内部エネルギー の冷却に対してはオリフィス径は大き 、方がよ 、と 、うことになる。
[0039] 以上の 2つの「冷却」過程の最適条件はジェット噴射ノズルのオリフィス径と 、う観点 力もすると相反することになり、これら最適条件を両立させるためには、前記オリフィス 径を大きくして十分な内部エネルギー冷却効果を確保しつつ、且つ試料分子又は分 子会合体のジェット噴射前後の雰囲気の圧力差が大きくなるようにするためにジェット 噴射する容器内を大排気速度の真空ポンプを用いて高い真空度に保つ必要がある ここで、「内部エネルギー」とは各気体分子の振動 ·回転エネルギーのことを指す。 一般に熱力学でいう内部エネルギーはこれらの気体分子の運動エネルギーも含めた ものを指すので注意を要する。
[0040] また、上記したことから「ジェット冷却」とは、様々なエネルギー状態を並進運動エネ ルギ一に転換し、内部エネルギー状態を単色化 (光のエネルギーは波長つまり「色」 で決まるので、光だけでなく一般的にエネルギー状態をそろえることを「単色化」とい う）する過程ということになる。
[0041] また、ジェット噴射室内は 10— 4— 10— 5Torr程度の真空度であるが、質量分析器内は 10— 7Torr程度の高真空度が要求されるため、両者の接続には工夫を要する。さらに ジェット噴射室で得られた超音速ジェット流をジェット冷却効果を保ったまま質量分析 器内に導入する点にも工夫が必要である。そこで、本発明ではジェット発生装置と質 量分析器の間に差動排気室を設け、ジェット発生装置と差動排気室の間のガス流路 にスキマーを設け、更に差動排気室と質量分析器の間のガス流路にもスキマーを設 けた。
[0042] スキマーは通常のピンホールとは異なり、当該スキマーの先端が鋭利なエッジ状の 断面を有する開口部を備えているので、該開口部を通過する際の超音速分子線の 散乱を極力防止することでジェット冷却状態のガスは熱的励起が起こりにくい。
[0043] ガスがピンホールを通過する際にピンホールのエッジ付近でのガス分子の散乱によ つて熱的に励起されるが、通常の質量分析では熱的な励起の有無は問題ないが、 本発明の目的とする試料分子又は分子会合体の内部構造を知るためには、試料分 子又は分子会合体を熱的励起されていない基底状態に保つことが必要であるので、 スキマーを使用した。
[0044] なお、スキマーの開口径はどのくらいの「太さ」の分子線を必要とするかということで 決まり、本発明においては、分子線にレンズで集光したレーザー（焦点径は数/ z m) を照射するため、原理的にはレーザーの集光径程度の「太さ」の分子線を用いれば よいが、開口径の小さいスキマーの製作が困難であることと、レーザー光を細い分子 線に集光するのが難しいため、本発明では開口径が 2mm程度のスキマーを使用し た。
[0045] なお、ジェット冷却装置、差動排気室及び質量分析器はそれぞれ独立した分子タ ーボポンプで気圧調整が行われるので、前記した互いに大きな気圧差があっても、 それぞれ所定の気圧に維持できる。
[0046] また、超臨界流体に微量の添加物（モディファイァー）をカ卩えると超臨界抽出能力 が向上することが知られており、 0— 25容量％のモディファイァーを添カ卩しても良い。
[0047] モディファイァ一の添加割合は送液ポンプの性能もあるので、加える量の下限値は 指定できないが、上限値は 25容量％までである。例えば全圧 100気圧の場合、超臨 界炭酸ガスに 25容量％のモディファイァーを添加すると炭酸ガス分としては 75気圧 になり、これは炭酸ガスの臨界圧力（この圧力よりも高いと超臨界流体と見なせるおよ その目安） 72. 9気圧に近ぐ流体としての性質が低下するためである。また、モディ ファイア一を多量に添加すると、試料分子又は分子会合体にモディファイァー分子が 多量に付着したクラスターが生成してしまうため、質量分析の際に障害となる。
発明の効果
[0048] 本発明によれば、次のような効果がある。
1.低温で不揮発性、熱分解性の分子又は分子会合体の気相孤立状態を生成する ことができ、これまで不可能であった生体分子などの熱分解性試料や高分子量の機 能性分子の超音速分子線レーザー分光研究を可能にする。
2.基礎科学研究への貢献のみならず、近年のナノテクノロジー研究で創製された様 々な機能性分子の評価'測定技術の確立、分子会合体の構造や電子構造の研究に 威力を発揮する。
3.生体における分子認識メカニズムの解明に適用できる。 特に神経伝達物質に着目し、超臨界流体ジェット法により神経伝達物質とレセプタ 一の会合体を分子線中に生成し、様々なレーザー分光法を用いて分子認識メカ- ズムに対して分子論的にアプローチすることができる。
4.従来の SCF— Mass法の漏れジェットを超音速ジェットにすることにより、共鳴多光 子レーザーイオンィ匕法を適用可能にした。 発明を実施するための最良の形態
[0049] 本発明の実施例を図面と共に説明する。
図 1に本発明の質量分析のための実験装置の全体図を示す。実験方法は次のよう にして行った。
ボンべ 40内の一般炭酸ガス ( (株）巴商会製： 95容量％濃度の炭酸ガス)を液化炭 酸送液ポンプ 41 (日本分光 (株)製: SCF - Get)で加圧'液化し、定流量モードで送 液した（5mlZmin)。モディファイァ一としてメタノール (和光純薬 (株)製:純度 99. 8 %)を用い、 HPLC送液ポンプ 42 (日本分光（株）製： PU— 2080)で 0. 2mlZminの 流速で定流量モード送液し、液化炭酸ガスと混合 (およそ 4容量％)する。
[0050] 得られた混合物を予熱用オーブン 44 (日本分光 (株)製: SCF— LRO)にて 50°Cに 加熱し、超臨界状態とした。モディファイァー添加超臨界炭酸ガスを自動調圧バルブ 45 (日本分光 (株)製: SCF - Bpg)に導入し、 100気圧に保った。
[0051] 自動調圧ノ レブ 45の手前で分岐した定圧のモディファイァー添加超臨界炭酸ガス を真空装置 (超臨界流体ジェット発生装置） 1内に設置したサンプルホルダー 2に導 入した。サンプルホルダー 2をヒーター 3で 50°Cに加熱し、 1 ナフトール（東京化成 工業 (株)純度 98%を真空昇華精製)を抽出した。サンプルホルダー 2の直下に設置 した電磁パルスバルブ 5 (テルァヴイヴ大学装置製作室製： EL— 7— 3— 2000)で繰り 返し 20Hzで超臨界流体ジェット発生装置 (ジェット噴射室） 1内に噴射した。
[0052] 検証実験の試料として用いた 1 ナフトールの融点は 288°Cであり、通常 100°C前 後に加熱しないと充分な濃度の試料ガスを得ることができない。そこで、前述のように 50°C、 100気圧で約 4容量％のメタノールを添加した超臨界二酸ィ匕炭素に溶かし、 これをパルスバルブ 5を通じて真空中にジェット噴射したものである。
[0053] 超臨界流体ジェット発生装置 1を排気速度 1600リットル Zsのターボ分子ポンプ 6 ( ファイファー社 (ドイツ)製: TMH-1601P)で排気した。ジヱット噴射時の真空度は 9 X 10— 5Torrであった。発生した超音速ジェット流を開口径 2mmのスキマー 8 (ビーム ダイナミクス社製： Model— 2)で分子線 Mに切り出した。得られた分子線 Mは排気速 度 480リットル Zsのターボ分子ポンプ 9 (エドワーズ社 (イギリス）製： STP— 451)を設 置した差動排気室 10を通過後、上記と同じ型式のスキマー 12を介してレーザー照 射室 13に導入した。レーザー照射室 13はターボ分子ポンプ 14 (ターボ分子ポンプ 9 と同じ型式)で排気したが、ジェット噴射時のレーザー照射室 13の真空度は 1 X 10— 6 Torrであつ 7こ。
[0054] レーザー照射室 13において分子線 Mは図 2に示すイオンレンズ系のリペラ一電極 31とェクストラクター電極 32のちようど中間を通過する。ここに波長可変紫外レーザ 一 Lを集光し、イオンィ匕した。発生した正イオンを 3枚の電極 (リペラ一： 3. 54kV, ェクストラクター： 1. 14kV, ァインツェルレンズ初段： 0V)で分子線に対して直角方 向に引き出した。ァインツェルレンズ 33 (初段'後段: 0V, 中段： 1. 54kV)及び偏向 電極 34で軌道補正し、ターボ分子ポンプ 17 (ターボ分子ポンプ 9と同じ型式)で排気 した 1. 8mのフライト 'チューブ 18 (真空度： 5 X 10— 7Torr)を経て Daly型イオン検出 器 16上に収束させて、イオンを検出した。
[0055] Daly型イオン検出器 16の詳細構成を図 3に示すが、負高電圧 (-10kV)を印加し たアルミニウム製の標的 35とシンチレ一ター 36 (応用光研 (株）製： NE102A)及び 光電子増倍管 37 (浜松フォト-タス (株)製: R1450)により構成されている。正イオン はアルミニウム製標的 35に引き込まれて衝突する。すると、アルミニウム表面から 2次 電子が放出され、さらにこれがシンチレ一ター 36で光信号に変換されて光電子増倍 管 37で検出される。光電子増倍管 37からの電流出力は lk Ωの抵抗で電圧信号に 変換され、前置増幅器 21 ( (株)ェヌエフ回路設計ブロック製： BX-31A)で 10倍に 増幅され、デジタルオシロスコープ 22 (岩通計測 (株)製: DS— 4374)で記録した。さ らにデジタルオシロスコープ 22からパーソナルコンピューター 23にデーター転送し、 パソコン 23上で質量スペクトル及び REMPI (共鳴多光子イオン化)スペクトルを測定 した。
[0056] なお、波長可変紫外レーザーは YAGレーザー（スベタトラフイジタス (株）製: INDI 40)励起の波長可変色素レーザー（ジラー社 (ドイツ)製： Cobra— Stretch)を自動 位相整合角追尾装置 (インラッド社 (アメリカ）製: AUTO TRACKER III)内の非 線形光学結晶 (インラッド社 (アメリカ)製: KDP)にて 2倍波に変換して得られた。レー ザ一装置は電磁パルスバルブに同期して 20Hzの繰り返しでパルス幅数ナノ秒のパ ルスレーザーを発生する。 NDフィルターを用いてレーザー強度を数/ z jZpulseに 落とし、焦点距離 220mmの合成石英製レンズでレーザー照射室 13内に集光した。
[0057] 図 4に得られた質量スペクトルを示す。 1 ナフトールの他、わずかではあるが 1ーナ フトールに少数の二酸ィ匕炭素が付着したクラスターが観測された。この結果は、超臨 界ニ酸ィ匕炭素が 1 ナフトールに多量に付着して液滴を形成することがない、つまり 超臨界二酸ィ匕炭素が質量スペクトル測定の妨げにはならないことを示している。
[0058] また図 5に 1 ナフトールのピークをモニターしながら、イオン化レーザーの波長を掃 引して得られた REMPIスペクトルの結果を示す。
掃引したイオンィヒレーザーの波長領域では 1 ナフトールは 2光子を同時に吸収す ることでイオンィ匕する。この時、 1光子目が 1 ナフトールの内部量子状態に共鳴する と、共鳴効果により 2光子吸収確率が急激に高くなり、イオン量のピークが観測される (共鳴多光子イオン化スペクトル)。十分にジェット冷却された分子の共鳴多光子ィォ ン化スペクトルのピークはシャープな形状を示すことが知られており、本実施例の超 臨界流体ジェット法が十分なジェット冷却効果を有することを示している。図 5に見ら れように本実施例のシャープなピークは、 1 ナフトールの第一電子励起状態のゼロ 振動準位 (最も低エネルギー側（図 5の左側)のピーク)及び振動励起準位 (図 5の右 側の複数のピーク)である。
[0059] なお、本発明と特開 2003— 329556号公報 (特許文献 1)記載の発明とを比較する と以下のようなことがいえる。
[0060] 特許文献 1記載の発明（図 6参照)では次のような問題点がある。
すなわち、通常の溶媒は分子間力が強いため（従って常温では液体をなしている） 、噴霧室 51で噴霧し、かつ窒素やアルゴンガスとの衝突だけで不揮発性分子 (加熱 しても気化しない試料)を溶力した溶媒分子をはぎ取るのは難しい。図 6に示すように 、特許文献 1記載の発明では、試料溶液 52から微粒子状の試料 53を第 1送出手段 54から 1気圧程度のヘリウムガスが流れる噴霧室 51内に送出する微粒子状の試料 5 3は濃度型開溶液微粒子或いは溶液超微粒子の状態であるとして ヽるが、理想的に 、ここで試料を溶力した溶媒分子をはぎ取ることができて、試料分子が 1分子ごとに互 いに遊離したバラバラの状態 (気体状態）にできたとしても、この 1気圧程度の噴霧室 51内から第 2送出手段 55を用いて超音速ジェット噴流として真空装置 56に前記 1分 子ごとに互いに遊離した試料分子を導入すると (この過程でジェット冷却が生じる）、 ジェット噴射の際の試料分子 (溶質分子)、溶媒分子、脱溶媒分子 (前記窒素やアル ゴンガス)との三体衝突により、試料分子 (溶質分子）に溶媒分子が多量に付着したク ラスター（前記窒素やアルゴンガスに衝突する前の液滴状態）が生成してしまう。この ような多量体クラスタ一は質量分析装置 57での質量スペクトル解析を煩雑ィ匕させる だけでなぐイオンィ匕レーザーの波長を掃引することによる分光学的な測定も困難に する。
従って、特許文献 1の実施例では、質量分析装置 57の結果を試料分子の飛行時 間と信号強度の関係を示すデータしか得られて ヽな ヽ。
[0061] これに対して本発明の実施例では図 4に得られた質量スペクトルを示すように、試 料分子（1 ナフトール)の他に、わずかではあるが 1 ナフトールに少数の二酸ィ匕炭 素が付着したクラスターが観測されただけであり、また図 5に示す共鳴多光子イオン ィ匕スペクトルでは、十分にジェット冷却された分子であることを示すシャープなピーク 形状を示している。
[0062] また、特許文献 1のジェットと本発明の超臨界流体ジェットとの相違点は、次の通り である。
すなわち、特許文献 1の方法では不揮発性試料の気化とジェット冷却を別々に行つ ている（前者:第 1送出手段 54、後者:第 2送出手段 55)のに対して、本発明の超臨 界流体ジェット法では不揮発性試料の超臨界流体抽出液の一度のジェット噴射によ り上記の二過程を同時に行うことができる、ということが大きく異なる点である。
[0063] 特許文献 1の方法のように不揮発性試料の気化とジェット冷却を二段階で行うと、ジ エツト冷却の前に冷えて固体となってしまう可能性がある。またそれを防ぐために、第 2送出手段 55の流速を高めて（冷えて析出する前に真空装置 56に導入する）連続 導入方式 (パルスバルブではなくピンホールにより連続的に真空中に導入する方法） を採用すると、よほど大排気速度のポンプを用いない限り高真空度を保つことができ ず、その結果として十分なジェット冷却効果が得られない。このような問題を解決する には、気化とジェット冷却を同時に行う超臨界流体ジェット法が有効である。
産業上の利用可能性
[0064] 本発明により、これまで不可能であった生体分子などの熱分解性試料や高分子量 の機能性分子の超音速分子線レーザー分光研究を可能にし、生体における分子認 識メカニズムなどの基礎科学研究への貢献のみならず、近年のナノテクノロジー研究 で創製された様々な機能性分子の評価 ·測定技術に適用できるだけでなく、不揮発 性 ·熱分解性試料を非破壊的に気化する方法として、該不揮発性 ·熱分解性分子の 分子線ェピタキシャル法による構造多層膜の製作、固体表面のスパッタリングによる 平坦ィ匕などの技術開発に利用可能である。
図面の簡単な説明
[0065] [図 1]本発明の実施例の質量分析のための実験装置の全体図である。
[図 2]図 1のイオンレンズ系の構成図である。
[図 3]図 1のイオン検出器の構成図である。
[図 4]本発明の実施例で得られた 1-ナフトールの質量スペクトルである。
[図 5]本発明の実施例で得られた 1 ナフトールの REMPIスペクトルである。
[図 6]従来技術の熱分解性または不揮発性の分子ビーム発生装置の構成図である。 符号の説明
[0066] 1 真空装置 (超臨界流体ジェット発生装置）
2 サンプノレホノレダー 3 ヒーター
5 パルスバルブ
6, 9, 14, 17 ターボ分子ポンプ
8, 12 スキマー
10 差動排気室 13 レーザー照射室
16 Daly型イオン検出器 18 フライト 'チューブ
21 前置増幅器 22 デジタルオシロスコープ ノ ーソナノレコンビュ'
リペラ一電極 32 ェクストラクター ァインツエノレレンズ 34 偏向電極 アルミニウム製標的 36 シンチレータ 光電子増倍管 40 ボンべ

Claims

請求の範囲
[1] 超臨界流体と不揮発性の試料の混合物又は超臨界流体と熱分解性の試料の混合 物を 10— 7トル以上の高真空容器内にジェット噴射し、分子間衝突のない分子の基底 状態の試料分子又は該試料分子を含む分子会合体の超音速ジェット流を発生させ る方法。
[2] 超臨界流体と不揮発性の試料の混合物又は超臨界流体と熱分解性の試料の混合 物を 10— 7トル以上の高真空下において分子間衝突のない分子の基底状態の試料分 子又は該試料分子を含む分子会合体の超音速ジェット流を発生させて分子線を得 て、該分子線をレーザーイオンィ匕法により分子間衝突のな 、分子の基底状態の前記 試料分子又は該試料分子を含む分子会合体のイオンを得て、該イオンを質量分析 することを特徴とする超臨界流体ジ ット法を用いる質量分析法。
[3] 超臨界流体ジェット発生装置において、ノルスノ レブを用いて超臨界流体と不揮 発性の試料の混合物又は超臨界流体と熱分解性の試料の混合物を超音速ジェット 噴射させて超音速ジェット流を得て、該超音速ジェット流をスキマーを介して 10—5トル 以上の高真空下にある差動排気室に導入し、さらに前記超音速ジェット流をスキマー を介して 10— 7トル以上の高真空中に通じることで分子線を得て、波長可変レーザーに よる共鳴多光子イオンィ匕法により前記分子線力 分子間衝突のない分子の基底状 態の試料分子又は該試料分子を含む分子会合体のイオンを得て、該イオンを質量 分析することを特徴とする請求項 2記載の超臨界流体ジ ット法を用いる質量分析法
[4] 前記超臨界流体と前記試料の混合物に 25容量％以下の水、メタノール、エタノー ル、ジォキサン、ァセトニトリル、テトラヒドロフラン、ジイソプロピルエーテル又はジェ チルエーテル力 なるモディファイァ一群の少なくとも 、ずれかを添加することを特徴 とする請求項 3記載の超臨界流体ジェット法を用いる質量分析法。
[5] 超臨界流体と不揮発性の試料の混合物又は超臨界流体と熱分解性の試料の混合 物を超音速ジェット噴射する超臨界流体ジェット発生装置と、該ジェット発生装置から 噴射する超音速ジェット流力 分子線を得てイオンィ匕するレーザー照射室と、該レー ザ一照射室から得られたイオンを質量分析する質量分析器とを設けたことを特徴とす る超臨界流体ジェット法を用いる質量分析装置。
[6] 前記超臨界流体ジェット発生装置には超音速ジェット流を発生するパルスバルブを 配置し、前記ジェット発生装置とレーザー照射室との間に差動排気室を設け、前記ジ エツト発生装置と前記差動排気室の間及び前記差動排気室と前記レーザー照射室 と間の前記超音速ジェット流の各通過部にはそれぞれスキマーを設けたことを特徴と する請求項 5記載の超臨界流体ジェット法を用いる質量分析装置。
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