WO2012127902A1 - 質量分析装置及びそれに用いられるイオン源 - Google Patents

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WO2012127902A1
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WO
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electrode
needle
sample
mass spectrometer
ion source
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PCT/JP2012/051822
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English (en)
French (fr)
Inventor
宏之 佐竹
長谷川　英樹
益之 杉山
橋本　雄一郎
Original Assignee
株式会社日立ハイテクノロジーズ
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Publication date
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01J49/02—Details
    • H01J49/10—Ion sources; Ion guns
    • H—ELECTRICITY
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    • H01J49/04—Arrangements for introducing or extracting samples to be analysed, e.g. vacuum locks; Arrangements for external adjustment of electron- or ion-optical components
    • H01J49/0431—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
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    • H01J49/10—Ion sources; Ion guns
    • H01J49/16—Ion sources; Ion guns using surface ionisation, e.g. field-, thermionic- or photo-emission
    • H01J49/165—Electrospray ionisation

Definitions

  • the present invention relates to a mass spectrometer and an ion source used therefor.
  • a liquid chromatograph mass spectrometer (LC / MS) is widely used for analyzing biological samples.
  • LC / MS liquid chromatograph mass spectrometer
  • gaseous ions are generated from the sample liquid separated by LC and introduced into the mass spectrometer.
  • a spray ionization method using an electrospray ionization (ESI) method is widely used.
  • ESI electrospray ionization
  • a capillary that is a pipe having an inner diameter of about several ⁇ m to several hundreds ⁇ m is usually used.
  • This electrospray ionization is performed at atmospheric pressure, and a high voltage is applied between the sample liquid at the end of the capillary piped to the LC and the counter electrode (mass analyzer inlet), and charged droplets are formed by the electrostatic spray phenomenon. Generate. The generated charged droplets are evaporated and gaseous ions are generated. The smaller the size of the initially generated charged droplet and the higher the charge amount, the higher the efficiency of generating gaseous ions.
  • nanoelectrospray in which the inner diameter of a capillary used for sample introduction is reduced from about 100 ⁇ m to about 1 to 2 ⁇ m, has been implemented. With this nanoelectrospray, it is possible to measure a very small volume of sample for a long time, and it has become possible to analyze a small amount of biomolecules.
  • Patent Document 1 Patent Document 2, and Non-Patent Document 1 disclose ionization methods using a needle.
  • a movable auxiliary needle is contained in a flow path in a pipe through which a sample in a capillary flows, and the auxiliary needle is vibrated and moved to supply a sample to a sampling needle at an opposing position.
  • An ionization method is described.
  • Patent Document 2 and Non-Patent Document 1 describe an ionization method in which a sample (probe) vibrates up and down between an origin position and a sample to perform sample attachment (sampling) and ionization.
  • Patent Document 1 discloses an electrospray method using an auxiliary needle.
  • a liquid sample flows in a capillary in the same manner as in a conventional electrospray, the inside of a capillary depends on the sample as in the conventional case. There are problems such as clogging and contamination.
  • Patent Document 2 discloses an ionization method in which a sample solution is attached to the surface of a needle, unlike a conventional electrospray.
  • the needle is vibrated up and down, and sampling and ionization are performed alternately (hereinafter referred to as an ionization method in which the needle is vibrated). Since the needle is used, the problem of clogging the sample in the capillary pipe and the problem of dirty pipe are solved. In this example, since it is only necessary to clean the surface of the needle to which the sample adheres, cleaning is easier than before.
  • FIG. 2A shows the movement of the needle of the ion source of the conventional example and the change of the ion intensity detected by the detector with respect to time.
  • the movement oscillating up and down is represented by a graph with the horizontal axis representing time and the vertical axis representing position, the movement becomes a sine wave as shown in the upper part of FIG. 2A.
  • the sample adheres when the needle is at the bottom and is ionized when the needle passes in front of the top mass analysis inlet.
  • FIG. 2A the timing at which ions are introduced into the mass spectrometer from the introduction port is shown surrounded by a broken line.
  • the lower part of FIG. 2A shows the change of the ion amount with respect to the time at that time.
  • the needle is separated from the introduction port and is not ionized because no discharge occurs.
  • This movement of the needle is problematic because it shows the same change in ion intensity over time even when it is represented by a rectangular wave instead of a sine wave.
  • the needle since the needle alternately repeats sampling and ionization of the sample, the sample is not continuously introduced but intermittently and intermittently introduced. For this reason, compared to electrospray using a capillary, the ionization method in which the needle is vibrated has a problem that the throughput of analysis is reduced.
  • Measures to reduce the throughput can be easily considered by increasing the speed of the needle drive unit and increasing the needle vibration frequency, that is, the needle movement speed.
  • the needle movement speed By making the needle move faster, it is possible to increase the number of times the needle comes before the inlet, that is, the number of times of ionization.
  • the ionization time itself is shortened, so that the ion amount itself is expected to decrease.
  • the needle passes through the vicinity of the inlet at a higher speed than before, it is expected that ionization becomes unstable and ionization is less likely to occur.
  • the liquid sample is shaken off by the high-speed motion, and ionization is not performed. For this reason, the problem cannot be solved by simply vibrating the needle at high speed.
  • the second problem is a decrease in quantitative accuracy.
  • the strength of the ionic strength is generated.
  • FIG. 2A when the amplitude of the ion intensity increases with time and the density of the ion amount is generated, if the ion amount exceeding the detection upper limit value of the detector reaches a detector with a dense sample, Will be counted down, making accurate analysis impossible.
  • a TDC time-to-digital converter
  • ADC analog-to-digital converter
  • the mass spectrometer of the present invention includes an ion source, a mass analyzer having a counter electrode provided with an inlet for introducing an ionized sample, and a controller for controlling the ion source.
  • the ion source includes a sample holding unit for holding a sample, a sample transport electrode having a plurality of needle electrodes, a power source for applying a voltage between the sample transport electrode and the counter electrode, and a plurality of needle electrodes as a sample.
  • a driving unit that drives the sample transport electrode so as to pass through the holding unit and the introduction port in order.
  • the sample transport electrode includes a disk electrode that rotates around a rotation axis, and a plurality of the sample transport electrodes are arranged so that the tip of the disk electrode is substantially perpendicular to the counter electrode with respect to the surface of the disk electrode.
  • This needle electrode is provided, and the axial direction of the rotating shaft is directed in a direction substantially parallel to the ion flow introduced from the tip of the needle electrode into the introduction port.
  • the sample transport electrode includes a disk electrode that rotates around the rotation axis, and has a structure in which a plurality of needle electrodes are provided radially in the in-plane direction of the disk electrode, and the axial direction of the rotation axis is The direction is substantially perpendicular to the direction of ion flow introduced from the tip of the needle electrode into the introduction port.
  • the sample transport electrode includes a flat plate electrode that rotates around a rotation axis.
  • the flat plate electrode has a plurality of convex portions with sharp tips on the outer peripheral portion, and the convex portions constitute needle electrodes.
  • the axial direction of the rotating shaft is oriented in a direction substantially perpendicular to the direction of ion flow introduced from the tip of the needle electrode into the introduction port.
  • the problem of throughput reduction which has been a problem with the ionization method in which the needle is vibrated, is solved, and high-throughput analysis becomes possible.
  • the ion flow flows uniformly over time, ions can be detected efficiently, and analysis with high quantitative accuracy is possible.
  • the flowchart which shows another example of the method for optimizing a rotational speed.
  • Schematic which shows another Example of the ion source of this invention.
  • the cross-sectional schematic of a disk electrode Schematic which shows another Example of the ion source of this invention.
  • Schematic which shows another Example of the ion source of this invention Schematic which shows another Example of the ion source of this invention. Schematic which shows another Example of the ion source of this invention. Schematic which shows another Example of the ion source of this invention. Schematic which shows another Example of the ion source of this invention. Schematic which shows another Example of the ion source of this invention. Schematic which shows another Example of the ion source of this invention. Schematic which shows another Example of the ion source of this invention. Schematic which shows another Example of the ion source of this invention. Schematic which shows another Example of the ion source of this invention. Schematic which shows another Example of the ion source of this invention. Schematic which shows another Example of the ion source of this invention. Schematic which shows another Example of the ion source of this invention. Schematic which shows another Example of the ion source of this invention. Schematic which shows another Example of the ion source of this invention. Schematic which shows another Example of the ion source of this invention
  • FIG. 1A is a schematic diagram illustrating an example of a mass spectrometer including an ion source according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is a schematic view of the sample transport electrode viewed from the mass spectrometer side.
  • Both electrospray ion sources using capillaries and electrospray ion sources using needle electrodes can operate at atmospheric pressure.
  • Sample ions ionized by electrospray in the ion source using the needle electrode of this embodiment are introduced into the mass analyzer 20 from the inlet 21.
  • the sample ions introduced into the mass spectrometer 20 pass through the ion guide 23 of the differential evacuation unit and are analyzed by a mass analyzer such as a quadrupole mass filter 24.
  • the ion source of the present embodiment includes a sample transport electrode 7 in which a needle electrode 1 made of a conductor is mounted on a circular disk electrode 2 made of a conductor such as metal so as to stand vertically from the disk surface. Further, in order to prevent the sample solution 5 from adhering to the disc electrode 2 and being contaminated, a metal rod protrudes from the disc electrode 2 in the radial direction, and the needle electrode 1 is mounted on the tip. There is no metal rod, and the needle electrode 1 may be directly attached to the disc electrode 2. The needle electrode 1 faces the counter electrode 22, and the disk surface of the disk electrode 2 is disposed so as to face the counter electrode 22.
  • the sample transport electrode 7 including the needle electrode 1 and the disk electrode 2 is rotated by the drive unit 3 based on the control from the computer 31.
  • a voltage is applied from the high voltage power source 4 between the disc electrode 2 with the needle electrode 1 and the counter electrode 22.
  • a DC voltage of about 1 to 5 kV is applied.
  • An electrospray that applies an AC voltage instead of a DC voltage can be used similarly.
  • a container 6 such as a glass bottle containing the sample solution 5 is disposed in front of the inlet 21 of the mass spectrometer 20 so that the needle electrode 1 is immersed in the sample solution 5.
  • the sample transport electrode 7 rotates around the central axis of the disk.
  • the drive unit 3 uses, for example, a motor to control the rotation speed of the electrodes.
  • the introduction port 21 is positioned so as to face the needle electrode 1 and is disposed on a circumferential track through which the tip of the needle electrode 1 passes.
  • the introduction port 21 provided in the counter electrode 22 is discharged and ionized only when the portion of the introduction port 21 protrudes about several millimeters toward the needle electrode 1 and the needle electrode 1 comes near the introduction port 21. Is called.
  • the result monitored by the detection unit 25 is stored, analyzed, and displayed by the computer 31.
  • the computer 31 can control the rotational speed of the drive unit 3 and the high-voltage power supply 4 based on the data analysis result.
  • the shape of the needle electrode 1 is preferably such that the radius of curvature of the tip is sharply pointed to about several ⁇ m to several tens of ⁇ m, and discharge is likely to occur.
  • the material of the needle electrode 1 may be a conductive substance, for example, a metal such as aluminum, iron, copper, silver, gold, platinum, tungsten, nickel, a mixture (alloy) thereof, or stainless steel. It may be a needle shaped like a sewing needle used in sewing. If the needle electrode 1 is further provided with a plurality of fine, sharp projections having a radius of curvature of several ⁇ m or less so that the liquid can easily adhere, the sample solution 5 is easily held on the surface of the needle electrode. In the present invention, not only a needle having a shape like a sewing needle, but also all of the metal tip having a sharp radius of curvature of about several ⁇ m to several tens of ⁇ m are defined as needle electrodes.
  • the number of needle electrodes 1 may be about 3 to 10. For example, if there are eight as shown in FIG. 1B, sufficient ionization can be performed at a frequency of 8 times / second even if the rotation speed of the sample transport electrode 7 is as low as 1 rotation / second.
  • FIG. 2B shows the movement of the needle electrode of the ion source and the time variation of the ion intensity detected by the detector in this example.
  • the ion intensity is monitored by the detection unit 25
  • the ion current can be monitored by the counter electrode 22 or an electrode of another mass analysis unit.
  • the sample transport electrode 7 is rotated using a motor, the height position of the needle electrode 1 with respect to time can be drawn as a sine wave as in FIG. 2A.
  • FIG. 2A shows that, in this embodiment, since there are a plurality of needle electrodes 1, a sine wave line is drawn by the number of needles.
  • each sample electrode 1 is attached to the needle electrode 1, ionization is sequentially performed at the timing of passing through the illustrated inlet 21.
  • the rotational speed can be made slower than in the prior art, and the period of the sine wave can be increased as shown in the figure.
  • the frequency at which the needle electrode reaches the introduction port can be easily increased, and the passing speed of the needle electrode can be reduced by adjusting the interval between the needle electrodes to be arranged, so that stable ionization can be achieved. Is possible. Furthermore, there is no need for a driving unit such as a motor that requires a large amount of electric power at high speed, and a small and inexpensive driving unit is sufficient.
  • the rotation speed of the sample transport electrode 7 needs to be optimized. This is because the optimum ionization conditions may change each time the analysis sample, solvent, and needle electrode change. When the rotation speed is slow, there arises a problem that the sample solution 5 is dried, and ions are intermittently introduced into the mass spectrometer as shown in FIG. By increasing the rotation speed, the peak value of the ionic strength when each needle electrode passes through the introduction port decreases, but the needle electrode passes immediately in front of the introduction port from one to the next, As shown in FIG. 2B, the ionic strength approaches the uniform strength in time and is close to a continuous flow. This is because the next needle electrode reaches the inlet before the ionic strength of the previous needle electrode is attenuated.
  • the rotational speed is too high, the ionic strength decreases due to problems such as the sample not attaching to the needle electrode or the sample blowing off by centrifugal force. Furthermore, if the speed at which the needle electrode passes in front of the introduction port is too fast, the ionization discharge becomes unstable, and the discharge (ionization) time is shortened, so that the ionic strength is lowered. For this reason, it is necessary to optimize the rotation speed.
  • FIG. 3 is a flowchart showing an example of a method for optimizing the rotation speed.
  • the sample solution 5 is put in the container 6 and placed in front of the inlet 21 of the mass spectrometer 20 (S11).
  • the center rotational speed A, the swing width a, the number n of measurement points, and the time t to be measured are determined and input to the computer 31 (S12).
  • A 3 rotations / second
  • a 1 rotation / second
  • n 3 points
  • the ion intensity is measured at three rotation speeds of 2, 3, and 4 rotations / second.
  • the time t is a measurement time and may be longer than the rotation period.
  • the computer first sets the rotation speed to 2 times / second (S13).
  • the computer applies a high voltage to the needle electrode 1 via the disk electrode 2 (S14), and controls the drive unit 3 according to the setting, and the drive unit 3 rotates the sample transport electrode 7 with the needle electrode (S15). .
  • the sample solution is ionized (S16).
  • the detector detects ions for a measurement time of 3 seconds (S17).
  • the ions to be measured may be only ions of a certain m / z, or the amount of ions of all ions may be monitored.
  • the computer calculates the dispersion value (variation) of the ionic strength of the measurement data for 3 seconds (S18).
  • the dispersion value may be a standard deviation with respect to the average value of ionic strength over 3 seconds. By reducing this dispersion value, it is possible to avoid the state where the ionic strength has strong and weak unevenness as shown in FIG. 2A and to find a condition that is uniform in time as shown in FIG. 2B.
  • the analysis may be performed by a computer during the next measurement. Subsequently, the rotational speed of the drive unit is controlled to 3 times / second (S19), and similarly, measurement is performed for 3 seconds.
  • the measured dispersion values at three points are compared, and when the dispersion value is minimized, the optimum point is determined, and the rotation speed at that time is determined as the optimum speed (S20).
  • the optimum rotation speed is set in the drive unit and driven (S21). Under this optimum rotational speed condition, this measurement is started for several seconds to several minutes (S22). This optimization is preferably performed fully automatically under computer control.
  • FIG. 4 is a flowchart showing another example of a method for optimizing the rotation speed.
  • the basic flow is the same as in the example of FIG.
  • the difference from FIG. 3 is that, in the analysis, not the dispersion value of the ion intensity but the area value (time integrated value) of the ion intensity is calculated and used as an optimization index (S18A). By maximizing the area value, ions can be collected most efficiently.
  • FIG. 5 is a flowchart showing another example of a method for optimizing the rotation speed.
  • the basic flow is the same as in the examples of FIGS.
  • the difference from the example shown in FIG. 3 and FIG. 4 is that, in the analysis, both the dispersion value and the area value of the ionic strength are calculated, and both are used as optimization indexes (S18B).
  • S18B optimization indexes
  • FIG. 6 is a flowchart showing another example of a method for optimizing the rotation speed.
  • the optimum point is roughly investigated by roughly rotating the rotation speed, and then the periphery of the optimum rotation speed is further examined and optimized.
  • the optimum is efficiently performed in a short time. You can find the rotation speed.
  • the basic flow is the same as the previous examples, but the left part is roughly measured by changing the rotational speed, and the middle part is a two-stage flow in which the rotational speed is measured finely.
  • the middle part is a two-stage flow in which the rotational speed is measured finely.
  • A 3 rotations / second
  • a 1 rotation / second
  • n 3 points
  • the rotation speed at which the area is maximum is 3 rotations / second
  • a flow for examining the periphery of the 3 rotations / second by further rotating the rotation number is shown in the middle part.
  • FIG. 7 is a flowchart showing another example of a method for optimizing the rotation speed. Similar to the example of FIG. 6, the method is to investigate the optimum point roughly by roughly swaying the rotational speed and then further investigate and optimize the periphery of the optimum rotational speed. In this example, the flow is continued until the maximum point of the area value of the ionic strength is found.
  • FIG. 8 is a graph showing the relationship between the movement position of the tip of each needle electrode and time, with time on the horizontal axis and position (height) on the vertical axis.
  • the disk electrode 2 is rotated 45 degrees, stopped for a fixed time, and intermittently moved 45 degrees using a stepping motor or the like.
  • the timing at which ions are introduced from the introduction port into the mass spectrometer is surrounded by a broken line.
  • one of the needle electrodes 1 is placed stationary in front of the inlet 21 and ionization is performed.
  • an ion guide ion guide
  • a quadrupole, an octopole, a hexapole, an ion A funnel may be provided instead of the ion guide.
  • the structure without an ion guide may be sufficient.
  • the mass spectrometer is also equipped with an ion trap, triple quadrupole mass spectrometer (triple quadrupole mass spectrometer), time-of-flight mass spectrometer (Time- of-flight mass spectrometer, magnetic mass spectrometer, orbitrap mass spectrometer, Fourier-transform mass spectrometer, Fourier-transform ion cyclotron resonance mass spectrometer (Fourier-transform ion cyclotron) resonance (mass / spectrometer) may be used.
  • the sample solution 5 attached to the needle electrode 1 is dried over time and is not ionized. In order to prevent the drying, it is desirable to ionize the sample solution 5 as soon as possible after adhering to the needle electrode 1.
  • the rotation direction of the disk electrode 2 with the needle electrode is preferably counterclockwise as shown by the arrow when viewed from the introduction port 21 side.
  • chamber of an ion source is humidified with water or a solvent with a humidification mechanism, drying of the sample solution 5 may be prevented. Further, it is desirable that water or a solvent is sprayed in the vicinity of the introduction port so that the sample solution attached to the needle electrode 1 is not dried.
  • the same high voltage as that of the needle electrode may be applied to the container 6 and the liquid sample 5. Also, it may be floated without being connected to potential anywhere (floating).
  • MALDI matrix-assisted laser desorption / ionization
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing an example of the configuration of an ion source and a mass analyzer according to another embodiment of the present invention.
  • the electrospray using the needle electrode as in this example but also normal electrospray, and the ion strength decreases or becomes unstable due to deterioration such as accumulation or damage of impurities on the capillary or needle electrode. Become. For this reason, it is necessary to monitor the amount of ions periodically, and to replace or clean the needle electrode 1 when the amount of ions decreases or when the discharge is unstable and the ion intensity dispersion value increases.
  • a method for cleaning and replacing the needle electrode 1 and a method for determining the timing will be described.
  • the ion source of the present embodiment is the same as that of the first embodiment with respect to the rotation driving method, ionization / analysis method, monitoring method, and the like.
  • the plurality of containers 6 containing the sample solution 5 and the container 6 containing the cleaning liquid 10 are on the rotary stage 11 and the upper and lower stages 12 controlled by the computer 31. After the measurement of the sample solution in one container is completed, the rotary stage 11 and the upper and lower stages 12 are driven by a command from the computer 31 and the needle electrode 1 is immersed in the container 6 containing the cleaning liquid 10. The needle electrode 1 is washed by rotating the sample transport electrode 7 in this state. At the same time, it is better to vibrate the cleaning liquid 10 in the manner of an ultrasonic cleaning machine.
  • the cleaning liquid 10 may be ethanol, acetone, methanol, a sample dilution solvent, or the like.
  • Cleaning is performed for a time determined by the user, from a few seconds to a few minutes.
  • the discharge current flowing from the tip of the needle electrode 1 to the counter electrode 22 is monitored, and the difference is determined as compared with a new needle electrode. That is, when the needle tip of the needle electrode is contaminated with impurities, it is difficult to discharge and the discharge current is reduced.
  • the threshold value is determined to be, for example, 80% of the discharge current at the time of a new product, and cleaning is continued until the discharge current recovers to the threshold value or more.
  • a method of increasing the voltage of the high-voltage power supply 4 may be used. Increasing the voltage may restore the discharge current and ionization.
  • the voltage of the high-voltage power source may be increased by 100 V, for example, until the discharge current recovers.
  • the replacement of the needle electrode 1 is necessary because ionization is hindered due to unavoidable accumulation of impurities on the needle tip and deterioration of the needle tip shape.
  • the timing for exchanging the needle electrode 1 is when the threshold ionic strength is not reached even when the voltage of the high-voltage power supply 4 is raised, that is, when the discharge current is not recovered even if the power supply voltage is raised even after cleaning.
  • the sample transport electrode 7 is replaced with a new one, the discharge current is measured again, and after confirming that there is no problem, the measurement of the next sample is started.
  • the monitoring for determining the cleaning and replacement timing of the needle electrode 1 may be performed by monitoring not the discharge current but the amount of ions ionized using a standard sample with a detector.
  • determination may be made by observing the needle tip with a microscope after washing and checking for impurities. This can be determined directly by observing with a microscope. If dirt appears, wash again.
  • Example 3 10A to 10F are schematic views showing another embodiment of the ion source of the present invention.
  • a plurality of needle electrodes 1 were provided on the peripheral edge of the disk electrode 2, and the tip of each needle electrode 1 was oriented in a direction perpendicular to the surface of the disk electrode 2.
  • a plurality of needle electrodes 1 are provided radially on the disk electrode 2.
  • the axial direction of the rotation axis of the disk electrode 2 is substantially parallel to the flow direction of the ion flow generated from the tip of the needle electrode and introduced into the introduction port in the first embodiment. The direction is substantially perpendicular to the direction of ion flow.
  • FIG. 10A shows an ion source using a sample transport electrode 8 having a needle electrode 1 made of a conductor in the radial direction of a circular disk electrode 2 made of a conductor such as metal, as in the case of the first embodiment.
  • the shape of the needle electrode 1 and the disk electrode 2 is the same as that of the first embodiment, but the attachment direction of the needle electrode 1 with respect to the disk electrode 2 is different. Further, the posture of the sample transport electrode 8 with respect to the mass spectrometer is different from that of the first embodiment. In this embodiment, the rotation direction of the disk electrode 2 is 90 degrees different from that of the first embodiment. However, when the disk electrode 2 rotates, the plurality of needle electrodes 1 are sequentially positioned at the introduction port 21 of the counter electrode 22. Similarly, the sample solution adhering to the needle electrode is ionized. A voltage is applied to the needle electrode 1 through the disk electrode 2 using a high voltage power source 4.
  • a container 6 such as a glass bottle containing the sample solution 5 is disposed in front of the inlet 21 of the mass spectrometer 20 so that the needle electrode 1 is immersed in the sample solution 5.
  • the disc electrode 2 provided with the needle electrode 1 is arranged in such a manner that the inlet 21 of the mass analyzing unit overlaps the rotation plane.
  • the drive unit 3 rotates the sample transport electrode 8.
  • the rotation direction should be rotated counterclockwise as shown by the arrow in order to shorten the time from sample attachment to ionization.
  • the high voltage is also applied to the needle electrode 1 through the disk electrode 2 by the high voltage power source 4 as in the first embodiment.
  • the optimization of the number of needle electrodes 1 and the rotation speed is the same as in the case of the first embodiment.
  • FIG. 10B shows an example in which the inlet 21 and the counter electrode 22 are arranged above the sample transport electrode 8. Even in this case, the sample solution can be ionized as in FIG. 10A.
  • the method of applying a high voltage to the sample transport electrode 8 from the high voltage power source 4 and rotating the sample transport electrode 8 by the driving unit 3 is the same as in the case of the first embodiment and FIG. 10A.
  • FIG. 10C shows an example in which the rotation surface of the disk electrode 2 constituting the sample transport electrode 8 is tilted from the vertical direction. Even if the rotation surface is tilted, the sample solution adhering to the needle electrode 1 can be ionized and introduced into the mass spectrometer from the inlet 21.
  • the method of applying a high voltage to the sample transport electrode 8 from the high-voltage power source 4 and rotating the sample transport electrode 8 by the driving unit 3 is the same as that of the first embodiment and the example of FIG. 10A.
  • FIG. 10D is a schematic view showing an example in which the plate electrode 9 is used as the sample transport electrode.
  • a plurality of convex portions were provided on the outer peripheral portion of the plate electrode 9 made of a conductor, and the tip of the convex portion was sharply processed like a needle tip. Even if it is not an elongated shape like a literal needle, if the tip is sharp like this, an electric discharge phenomenon occurs due to discharge, and ionization is performed.
  • a convex portion capable of electrostatic spraying in which the outer peripheral portion of the flat plate electrode is processed into a star shape and the tip is sharpened, is also referred to as a needle electrode.
  • the method of applying a high voltage from the high-voltage power supply 4 to the flat electrode 9 and rotating it by the drive unit 3 is the same as in the case of the first embodiment and the example of FIG. 10A.
  • FIG. 10E is a schematic diagram showing an example of an ion source using a disk electrode 16 having a sharp tip made of a conductor such as metal as a sample transport electrode.
  • the disc electrode 16 is not pointed like a needle but has a thin tip at the outer periphery of the disc electrode 16 like a cutter knife blade as shown in the schematic sectional view of FIG. 10F. It has a pointed shape.
  • the radius of curvature of the tip is sharply pointed to about 1 ⁇ m to several tens of ⁇ m. As described above, even if the sharp portion is not in the form of dots but is distributed in a line shape like a knife blade, an electrostatic spray phenomenon occurs from the blade portion.
  • the blade-like structure formed along the circumferential direction on the outer periphery of the disk electrode is also referred to as a needle electrode.
  • This needle electrode can be considered to be an infinite number of small needle electrodes in the circumferential direction of the disk electrode.
  • the method of applying a high voltage to the disk electrode 16 from the high-voltage power supply 4 and rotating the disk electrode 16 by the driving unit 3 is the same as that of the first embodiment and the example of FIG. 10A.
  • Example 4 11A to 11G are schematic views showing another embodiment of the ion source of the present invention.
  • the sample solution adhered to the needle electrode is transported to the inlet of the counter electrode by rotating the sample transport electrode, but in this embodiment, the sample transport electrode is moved back and forth to the needle electrode. The adhered sample solution is transported to the inlet of the counter electrode.
  • FIG. 11A shows an embodiment of an ion source using a sample transport electrode 17 having a structure in which a plurality of needle electrodes 1 made of a conductor are attached to a rod-like electrode 15 made of a conductor.
  • a high voltage is applied from the high voltage power source 4 to the needle electrode through the rod-shaped electrode 15.
  • the drive unit 3 drives the rod-like electrode 15 to reciprocate up and down.
  • the sample transport electrode 17 is provided with a plurality of needle electrodes 1 and is arranged so that all the needle electrodes are immersed in the sample solution 5 in the container 6 when located at the lowermost part. Moreover, when located in the uppermost part, it is good to arrange
  • FIG. 11B shows an example in which the tip of the needle electrode 1 faces downward in the material transport electrode shown in FIG. 11A.
  • FIG. 11C is an example in which each needle electrode is bent in an upward chevron shape further inclined with respect to the example of FIG. 11B.
  • the sample solution 5 attached to the needle electrode 1 on the right side of the apex is tilted in two steps so that the apex of the peak is formed between the connection portion of the needle electrode 1 to the rod-shaped electrode 15 and the tip of the needle electrode.
  • the sample solution 5 adhering to the left side and the sample solution 5 adhering to the rod-like electrode 15 flow to the left side.
  • the sample solution 5 is not supplied from the rod-shaped electrode 15 to the needle electrode 1, but since almost the same amount of sample can be supplied to the needle tip to any of the plurality of needle electrodes 1, it is ionized in a stable and constant amount. Suitable for quantitative measurement.
  • FIG. 11D is an example in which fine grooves 18 are dug in the surface of the needle electrode 1.
  • the left figure of FIG. 11D is a schematic plan view of one needle electrode, and the right figure is a schematic sectional view thereof.
  • the groove 18 has a depth and a width of about several ⁇ m to several tens of ⁇ m, and one or a plurality of grooves are cut toward the needle tip. According to such a structure, since the sample solution 5 is stored in the groove 18, a large amount of sample can be attached to and held on the needle electrode. In addition, the sample can be smoothly supplied to the tip of the needle through the groove 18. You may provide a groove
  • FIG. 11E is an enlarged view of the tip portion of the needle electrode, and shows an example in which the protrusion 19 is provided on the needle electrode 1. If there are a plurality of small protrusions 19 as shown in the figure, a large number of samples adhere to the protrusions, and a large amount of sample solution can be supplied.
  • the needle electrode described in Examples 1, 2, and 3 may be provided with a protrusion as in this example.
  • FIG. 11F shows an example of a needle electrode 1 having a shape that can hold a liquid like a spoon and having a sharp tip and ionization. By allowing the liquid to flow from the tray little by little to the tip, the sampling frequency of the sample can be reduced, thus enabling efficient measurement.
  • the needle electrodes described in Examples 1, 2, and 3 may have a shape as in this example.
  • FIG. 11G is a schematic view showing an example of an ion source using two needle electrodes 1 made of a conductor as a sample transport electrode.
  • the two needle electrodes 1a and 1b are moved up and down at a phase different by 180 degrees by the drive unit 3. That is, when one needle electrode 1a is positioned at the lowermost portion, the other needle electrode 1b is alternately operated so as to be positioned at the uppermost portion.
  • Two needle electrodes may be vertically moved and moved up and down, but by arranging the needle electrodes obliquely as shown in FIG. 11G, both of the two needle electrodes 1a and 1b are in the center of the introduction port 21.
  • the sample solution can be ionized efficiently.
  • the two needle electrodes 1a and 1b can sample the same sample solution 5.
  • the two needle electrodes can be driven by one drive unit 3, but an independent drive unit 3 may be provided for each of the two needle electrodes.
  • a high voltage is supplied to the two needle electrodes 1a and 1b from the same high-voltage power supply 4 so that no discharge occurs between the needle electrodes.
  • Example 5 12A to 12D are schematic diagrams showing another embodiment of the ion source of the present invention.
  • the sample is a solid sample or a solid sample.
  • FIG. 12A shows an embodiment in which the sample is changed to a solid sample in the embodiment shown in FIG. 10A. Since the sample is solid, the solid sample 51 can be adsorbed and held on a horizontally oriented sample stage 52 as shown in the figure. For this reason, the degree of freedom of the device configuration is increased. Further, the sample stage 52 may be arranged at the top, and the sample may be held downward. As in the case of Example 3 in which the sample described so far is a liquid sample, a high voltage is applied to the disc electrode 2 with the needle electrode 1 by the high voltage power source 4, and the sample transport electrode 8 is rotated by the drive unit 3. To drive.
  • FIG. 12B shows an example in which a cleaning function is further added to the embodiment of FIG. 12A.
  • the cleaning liquid 10 is installed below the sample transport electrode 8 with the needle electrode 1, and the needle electrode 1 is immersed and cleaned in the cleaning solution when passing near the bottom.
  • the needle electrode 1 is cleaned by passing through the cleaning liquid 10 immediately after the sample adhesion and ionization measurement.
  • the problem that the needle electrode 1 becomes dirty and cannot be washed with time after the sample has adhered is avoided, so that the life of the needle electrode 1 can be extended and the replacement frequency of the needle electrode 1 can be reduced. It becomes possible to reduce.
  • FIG. 12C shows an example in which the positions of the sample stage 52 and the introduction port 21 are different.
  • the sample may be provided at any position as long as it can touch the tip of the needle electrode 1.
  • the position of the introduction port 21 may be any position as long as it is near the tip of the needle electrode 1.
  • FIG. 12D is an example where the sample is solid in Example 1. Also in this example, by disposing the cleaning liquid 10 below the sample transport electrode 8, ionization of the solid sample 51 and cleaning of the needle electrode 1 can be alternately repeated.
  • Example 6 13A to 13E are schematic views showing another embodiment of the ion source of the present invention.
  • the sample is supplied by liquid spray or liquid pipe supply.
  • FIG. 13A shows an example of an ion source in which the sample solution supply method is changed to spraying and a cleaning function is added in the configuration example shown in the first embodiment.
  • the sample supply pipe used for spraying has a double cylindrical structure, the liquid sample 5 passes through the center sample pipe 41, and the nebulizer gas 42 flows through the surrounding gas pipe 43.
  • the sample pipe 41 is a pipe having an inner diameter of several tens of ⁇ m to several hundreds of ⁇ m, and the sample solution 5 is sprayed by the nebulizer gas 42 to attach the liquid sample to the needle electrode 1.
  • the nebulizer gas 42 nitrogen, air, or the like is used. Although the spraying is performed from above in the figure, it may be performed from the lateral direction.
  • the needle electrode 1 is cleaned in the same manner as in the second embodiment.
  • a container containing the cleaning liquid 10 is disposed below the sample transport electrode 7 and is cleaned each time the needle electrode 1 passes through the cleaning solution.
  • the sample transport electrode 7 makes one round, the attachment of the sample to the needle electrode 1 by spraying, the ionization of the sample, and the cleaning of the needle electrode 1 are repeated.
  • the sample pipe 41 used for spraying is disposable or cleaned for each sample.
  • the sample pipe 41 is cleaned by passing a cleaning liquid through the sample pipe 41 for about several seconds to several minutes. Therefore, it is preferable to prepare a plurality of sample pipes 41 and to wash other sample pipes during the measurement.
  • a high voltage is applied from the high voltage power source 4 to the disk electrode 2 with the needle electrode 1, and the drive unit 3 rotates the drive.
  • FIG. 13B is a diagram illustrating an example in which the nebulizer gas is not used in FIG. 13A.
  • the sample solution 5 becomes spherical due to surface tension at the tip of the sample pipe 41, and the sample adheres to the needle electrode 1 when the needle electrode 1 passes so as to contact the spherical portion.
  • the sample supply pipe can be attached to the needle electrode from above or from the side. Also in this example, the needle electrode 1 is cleaned by the cleaning liquid 10 every time the sample transport electrode 7 makes one round as in the previous example.
  • FIG. 13C is a diagram showing an example in which the sample solution 5 is directly supplied to the needle electrode 1 from the hole opened in the lower part of the container containing the sample solution 5.
  • the sample solution 5 can be supplied by tilting the container. At that time, the sample solution 5 leaking from the hole of the container may be transmitted to a thin thread-like member to supply the sample solution 5 to the needle electrode 1.
  • FIG. 13D is a diagram showing an example in which the sample transport electrode 8 is configured by the disc electrode 2 with the needle electrode 1 as shown in FIG. 10A.
  • Example 3 is the same as Example 3 except that the sample is supplied by spraying.
  • the sample supply method can be implemented by the type shown in FIGS. 13B and 13C.
  • the direction of spraying may be spraying in the direction of the rotational axis or spraying from an oblique direction.
  • FIG. 13E is a diagram showing an example in which the introduction port 21 of the counter electrode 22 is below the sample transport electrode 7 and the needle electrode 1 faces downward.
  • the operation method is the same as in FIG. 13A.
  • Example 7 14A to 14C are schematic views showing another embodiment of the ion source of the present invention.
  • This embodiment is an embodiment in a form in which there are a plurality of sample introduction ports in the mass spectrometer.
  • the ion transmission efficiency can be improved. Therefore, in this embodiment, a trajectory for moving the needle electrodes is set so that all the needle electrodes can sequentially pass in front of all the introduction ports.
  • a description will be given by taking a mass spectrometer having five sample inlets as an example, but the present embodiment can also be applied to cases where the number of inlets is other than five.
  • FIG. 14A is a schematic front view of the ion source of the present embodiment
  • FIG. 14B is a schematic diagram showing the relationship between the ion source and the mass analysis unit.
  • the sample transport electrode of this embodiment is composed of a string-like electrode 53 made of a conductor and a plurality of needle electrodes 1 attached to the electrode 53.
  • the plurality of needle electrodes 1 are attached to a string-like electrode 53 made of a conductor so that the tip faces the direction of the introduction port 21 of the mass spectrometer, and the string-like electrode made of the conductor is attached.
  • the electrode 53 moves along a predetermined trajectory.
  • the needle electrode 1 is immersed in the sample solution in the container at the bottom of the track, where the sample solution 5 adheres to the needle electrode 1 and passes in front of the five inlets in the vicinity of the top of the track in order. When reaching before 21, the sample solution is ionized.
  • the string-like electrode 53 made of a conductor may be, for example, a metal chain. Other operations are the same as those in the first embodiment.
  • FIG. 14C shows an example using the supply method in which the container containing the cleaning liquid 10 is placed below the sample transport electrode and the sample described in Example 6 is sprayed.
  • sample spraying, ionization, and cleaning are repeated as described in the sixth embodiment.
  • Other operations are the same as those in the first embodiment and FIG. 14A.
  • the capillary pipe is clogged or contaminated.
  • the efficiency of the ion source is improved, and high-throughput analysis is possible.
  • the ion flow flows uniformly over time, analysis with high quantitative accuracy becomes possible.
  • a stable ion source and a small and inexpensive ion source can be provided.
  • this invention is not limited to the above-mentioned Example, Various modifications are included.
  • the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
  • a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.
  • the needle electrode is described as a specific example of a metal needle made of a conductor, but the needle electrode is not limited to a conductor such as a metal, and may be a substance other than a conductor. Good. For example, paper, wood, plastic, glass, silicon, other porous materials, and materials that hold and adsorb liquid can be used. Even if the needle electrode is a substance other than a conductor, if a sample solution or solvent is attached to and held on the needle electrode, a high voltage is applied through the sample solution or solvent and ionization is possible. Also in a needle electrode made of paper, wood, etc., it is desirable that the tip is sharply pointed because discharge becomes easier and discharge becomes stable.

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Abstract

　移動する針電極を用いてサンプリングとイオン化を繰り返すエレクトロスプレー等で、安定したイオン化を行い、濃度測定のダイナミックレンジを低下させることなく、分析の定量精度を向上する。　複数の針電極１を有する試料搬送電極７に高圧電源４から電圧を印加し、駆動部３で回転駆動する。試料溶液５が付着した複数の針電極１が、質量分析装置２０の導入口２１に順次移動し、連続してエレクトロスプレーイオン化が行われる。

Description

質量分析装置及びそれに用いられるイオン源
　本発明は、質量分析装置及びそれに用いられるイオン源に関する。
　液体クロマトグラフ質量分析計（ＬＣ／ＭＳ：liquid chromatography/mass spectrometer）は、生体試料などの分析で広く使われている。ＬＣ／ＭＳのイオン源において、ＬＣで分離された試料液体から気体状イオンが生成され、質量分析部へ導入される。イオン源におけるイオン化法としては、エレクトロスプレーイオン化法（ＥＳＩ：electrospray ionization）による噴霧イオン化法が広く用いられている。ＬＣと質量分析計のイオン源間には、通常、数μｍから数１００ μｍ程度の内径をもつ配管であるキャピラリーが使われる。このエレクトロスプレーイオン化は大気圧で行われ、ＬＣに配管されたキャピラリー末端部の試料液体と対向電極（質量分析部入口）との間に高電圧を印加し、静電噴霧現象により帯電液滴を生成する。生成される帯電液滴は蒸発し、気体状イオンが生成される。最初に生成される帯電液滴のサイズが小さく電荷量が高い程、気体状イオンの生成効率は高くなる。
　近年のエレクトロスプレーイオン化では、試料導入に使われるキャピラリーの内径が１００μｍ程度から１～２μｍ程度に微細化されたナノエレクトロスプレーが実施されるようになってきた。このナノエレクトロスプレーにより、微量体積の試料などが長時間測定できるようになり、微量の生体分子の解析が可能になってきた。
　特許文献１、特許文献２、非特許文献１には、針を使ったイオン化の方法が開示されている。特許文献１には、キャピラリー内の試料が流れる配管内の流路に可動式の補助針が入っており、その補助針を振動させて動かすことで、対向位置にあるサンプリング針に試料を供給するイオン化方法が記載されている。特許文献２及び非特許文献１には、針（プローブ）が原点位置と試料との間を上下に振動することで、試料の付着（サンプリング）とイオン化を行うイオン化方法が記載されている。
特開平１０－１１２２７９号公報（米国特許第５９４５６７８号明細書） ＷＯ２００７／１２６１４１
J. Phys. Chem. B, 112, 11164-11170 (2008)
　エレクトロスプレーやナノエレクトロスプレーでは、内径が数μｍから数１００μｍの細いキャピラリーが配管やイオン源で使われている。このキャピラリーを用いたエレクトロスプレーでは、試料が変わるたびに細いキャピラリー配管内の洗浄が必要であり、少なくとも数分程度の時間をかけて洗浄する必要がある。また、試料によっては測定中にキャピラリー配管内が試料等により目詰まりするといった問題や、以前の測定試料が洗浄で流れ落ちずにキャピラリー内に付着したまま汚れとして残ってしまい、別の試料測定中に混ざって分析されてしまうといった問題が発生する。このため、これらの問題を解決できる新たなエレクトロスプレーイオン源が望まれている。
　特許文献１には、補助針を使ったエレクトロスプレーの方法が開示されているが、キャピラリー内を液体試料が流れるのは従来のエレクトロスプレーと同じであるため、従来と同様にキャピラリー内が試料によって目詰まりする問題や、汚れるといった問題を有する。
　特許文献２では、従来のエレクトロスプレーと異なり、針の表面に試料溶液を付着させるイオン化方法である。針を上下に振動させ、サンプリングとイオン化を交互に行っている（以下、針を振動させたイオン化法という）。針を用いているために、キャピラリーの配管内で試料が詰る問題や配管内が汚れる問題は解消される。本例では、試料が付着する針の表面のみを洗浄すればよいため、洗浄が従来よりも容易である。
　しかし、針を振動させたこのイオン化法には新たな問題が２つある。１つ目の問題点は分析のスループットの低下である。従来のエレクトロスプレーでは途切れることなく常時、試料が供給され、またイオン化されるため、常時、イオンの質量分析結果をモニタリングでき、効率よい分析が可能である。しかし、針を用いたイオン化の場合は、間欠的な試料導入になる。図２Ａに、従来例のイオン源の針の動きと、検出器で検出されたイオン強度の時間に対する変化を示す。回転するモーターによって針が動いており、モーターが１周すると針が上下に１往復する例で説明する。その上下に振動している動きを、横軸を時間、縦軸を位置にとったグラフで表すと、図２Ａの上部に示すような正弦波状になる。針が最下部にある時に試料が付着し、最上部の質量分析導入口前を針が通過するときにイオン化される。図２Ａには、イオンが導入口から質量分析計に導入されるタイミングを破線で囲んで示した。図２Ａの下方には、その時の時間に対するイオン量の変化を示す。針が最上部の質量分析導入口前を通過するときにイオン化されてイオン量は最大になり、その後、針が試料のある最下部に向けて移動すると、イオン量はすぐに減少する。なぜなら、針が導入口から離れ、放電が起きないためにイオン化されなくなるからである。この針の動きは、正弦波ではなく矩形波で表される場合でも、同じようなイオン強度の時間変化を示すため問題となる。このように、針が試料のサンプリングとイオン化を交互に繰り返すために、試料は連続導入ではなく、断続的・間欠的な導入になる。このため、キャピラリーを用いたエレクトロスプレーに比べて、針を振動させたイオン化法では分析のスループットが低下するという問題が生じる。
　このスループット低下の問題への対策として、針の駆動部を高速化し、針の振動周波数、すなわち針の移動スピードを速くするという手段が容易に考えられる。針の動きを速くすることで、針が導入口の前に来る回数、すなわちイオン化する回数を増やすことができる。しかし、単に針の動きを高速化しても、イオン化の時間自体も短くなるために、イオン量自体も低下することが予想される。また、針が導入口付近をこれまでよりも高速で通過するために、イオン化が不安定になり、イオン化が起きにくくなることが予想される。さらに高速運動により液体試料が振り落とされてしまい、イオン化が行われないことも予想される。このため、単に針を高速に振動させるだけでは問題は解決しない。
　２つ目の問題点は、定量精度の低下である。針を振動させたイオン化法では、先述のように試料導入が間欠的であるために、イオン強度に強弱が発生する。図２Ａのように、時間に対してイオン強度の振幅が大きくなりイオン量の濃淡が生じると、濃度が濃い試料で検出器の検出上限値を超えたイオン量が検出器に到達すれば、イオンを数え落とすことになり、正確な分析ができなくなる。また検出器の後段にＴＤＣ(time to digital converter)やＡＤＣ(analog to digital converter)を用いていても同様にイオンを数え落とすことになる。その結果、試料濃度のダイナミックレンジが低下し、定量精度が低下する。本発明は、これらの問題を解決するものである。
　本発明の質量分析装置は、イオン源と、イオン化された試料を導入する導入口が設けられた対向電極を備える質量分析部と、イオン源を制御する制御部とを有する。ここで、イオン源は、試料を保持する試料保持部と、複数の針電極を有する試料搬送電極と、試料搬送電極と対向電極との間に電圧を印加する電源と、複数の針電極が試料保持部と導入口を順に通過するように前記試料搬送電極を駆動する駆動部とを有する。
　試料搬送電極は、一例として、回転軸の回りに回転する円盤電極を備え、円盤電極の周縁部に当該円盤電極の面に対して先端が対向電極に対してほぼ垂直な方向を向くように複数の針電極が設けられた構造を有し、回転軸の軸方向が針電極の先端から導入口に導入されるイオン流に略平行な方向を向いている。
　試料搬送電極は、別の例として、回転軸の回りに回転する円盤電極を備え、円盤電極の面内方向に複数の針電極が放射状に設けられた構造を有し、回転軸の軸方向が針電極の先端から導入口に導入されるイオン流の方向に略垂直な方向を向いている。
　また、試料搬送電極は、他の例として、回転軸の回りに回転する平板電極を備え、平板電極は外周部分に先端の尖った複数の凸部を有し、凸部が針電極を構成し、回転軸の軸方向が針電極の先端から前記導入口に導入されるイオン流の方向に略垂直な方向を向いている。
　本発明によれば、これまで針を振動させたイオン化法で問題となっていたスループット低下の問題が解消し、高スループット分析が可能となる。また、イオン流が時間的に均一に流れてくるため、効率よくイオンを検出でき、定量精度の高い分析が可能となる。
　上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明の一実施例におけるイオン源と質量分析部の構成例を示す摸式図。 試料搬送電極の概略図。 従来技術における針電極の先端位置及びイオン強度と時間との関係を示す図。 本発明の一例における針電極の先端位置及びイオン強度と時間との関係を示す図。 回転速度を最適化するための方法の例を示すフローチャート。 回転速度を最適化するための方法の別の例を示すフローチャート。 回転速度を最適化するための方法の別の例を示すフローチャート。 回転速度を最適化するための方法の別の例を示すフローチャート。 回転速度を最適化するための方法の別の例を示すフローチャート。 各針電極の先端位置と時間の関係を示す図。 本発明の別の実施例であるイオン源と質量分析部の構成例を示す図。 本発明のイオン源の別の実施例を示す概略図。 本発明のイオン源の別の実施例を示す概略図。 本発明のイオン源の別の実施例を示す概略図。 本発明のイオン源の別の実施例を示す概略図。 本発明のイオン源の別の実施例を示す概略図。 円盤電極の断面概略図。 本発明のイオン源の別の実施例を示す概略図。 本発明のイオン源の別の実施例を示す概略図。 本発明のイオン源の別の実施例を示す概略図。 本発明のイオン源の別の実施例を示す概略図。 本発明のイオン源の別の実施例を示す概略図。 本発明のイオン源の別の実施例を示す概略図。 本発明のイオン源の別の実施例を示す概略図。 本発明のイオン源の別の実施例を示す概略図。 本発明のイオン源の別の実施例を示す概略図。 本発明のイオン源の別の実施例を示す概略図。 本発明のイオン源の別の実施例を示す概略図。 本発明のイオン源の別の実施例を示す概略図。 本発明のイオン源の別の実施例を示す概略図。 本発明のイオン源の別の実施例を示す概略図。 本発明のイオン源の別の実施例を示す概略図。 本発明のイオン源の別の実施例を示す概略図。 本発明のイオン源の別の実施例を示す概略図。 本発明のイオン源の別の実施例を示す概略図。 本発明のイオン源の別の実施例を示す概略図。
　以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
［実施例１］
　図１Ａは、本発明の実施形態であるイオン源を含む質量分析装置の一例を示す摸式図である。図１Ｂは、質量分析部側から見た試料搬送電極の概略図である。キャピラリーを用いたエレクトロスプレーイオン源も針電極を用いたエレクトロスプレーイオン源も大気圧下で動作可能である。本実施例の針電極を用いたイオン源においてエレクトロスプレーでイオン化された試料イオンは、導入口２１から質量分析部２０の内部に導入される。質量分析計２０の内部に導入された試料イオンは、差動排気部のイオンガイド２３を通過し、四重極質量フィルター２４等の質量分析部で分析される。
　本実施例のイオン源は、金属のような導電体からなる円形の円盤電極２に、導電体からなる針電極１を円盤面から垂直方向に立つように装着した試料搬送電極７を備える。また円盤電極２に試料溶液５が付着し汚染されないように、円盤電極２から動径方向に金属の棒が出てその先に針電極１が装着されている。この金属の棒はなく、円盤電極２に針電極１が直接装着されていてもよい。針電極１は対向電極２２の方向を向き、円盤電極２の円盤面は対向電極２２と向かい合うように配置される。針電極１と円盤電極２からなる試料搬送電極７は、コンピューター３１からの制御に基づいて、駆動部３により回転運動される。また、針電極１の付いた円盤電極２と対向電極２２の間には、高圧電源４から電圧が印加される。通常のエレクトロスプレーイオン化では１～５ｋＶ程度の直流電圧を印加する。高電圧印加により、針電極１と対向電極２２との間に電場が発生し、エレクトロスプレーイオン化が起こる。直流電圧ではなく交流電圧を印加するエレクトロスプレーでも同様に使用可能である。
　試料溶液５の入ったガラス瓶などの容器６は、針電極１が試料溶液５に浸るように、質量分析部２０の導入口２１の前方に配置される。試料搬送電極７は、円盤の中心軸を中心に回転運動する。駆動部３は、例えばモーターなどを用い、電極の回転速度を制御する。複数の針電極１を備える試料搬送電極７が回転することで、針電極１への試料溶液５の付着と、対向電極２２間でのエレクトロスプレーイオン化を繰り返す。針電極１が試料溶液中に入った時に針電極１に試料溶液５が付着し、対向電極２２に設けられた導入口２１の前を針電極１が通過するときにイオン化が行われる。この一連の動作が、複数の針電極１の付いた試料搬送電極７が回転することで繰り返し行われる。導入口２１は、針電極１と正対するように位置し、針電極１の先端が通過する円周軌道上に配置されている。対向電極２２に設けられた導入口２１は、導入口２１の部分が針電極１側に数ｍｍ程度に突き出していて、針電極１が導入口２１付近に来たときのみ放電してイオン化が行われる。検出部２５でモニターされた結果は、コンピューター３１により保存、解析、表示される。またコンピューター３１は、データの解析結果をもとに駆動部３の回転速度および高圧電源４を制御することが可能である。
　針電極１の形状は、先端部の曲率半径が数μｍから数１０μｍ程度に鋭利に尖っており、放電が起きやすくなっている方がよい。針電極１の材質は、導電性の物質であればよく、例えばアルミニウム、鉄、銅、銀、金、白金、タングステン、ニッケルなどの金属やこれらの混合物（合金）やステンレスであればよく、また裁縫で使われる縫い針のような形状をした針でもよい。この針電極１に、液体が付着しやすいようにさらに曲率半径が数μｍ以下の細かな複数の鋭利な突起が設けられていると、試料溶液５が針電極の表面に保持されやすい。本発明では、縫い針のような形状の針だけでなく、金属先端部の曲率半径が数μｍから数１０μｍ程度に鋭利に尖っているもの全てを針電極と定義する。
　針電極１の本数については、３～１０本程度でよい。例えば、図１Ｂのように８本であれば、試料搬送電極７の回転速度が１回転／秒と低速でも、８回／秒の頻度で十分なイオン化を行うことが可能である。
　図２Ｂに、本実施例におけるイオン源の針電極の動きと、検出器で検出されたイオン強度の時間変化を示す。本実施例では、検出部２５でイオン強度をモニターする例を示すが、その他のモニター手段として、対向電極２２やその他の質量分析部の電極でイオン電流をモニターすることも可能である。本実施例では、モーターを用いて試料搬送電極７を回転運動させるため、図２Ａと同様に、時間に対しての針電極１の高さ位置は正弦波として描くことができる。図２Ａとの違いは、本実施例では、針電極１が複数本あるため、正弦波のラインは針の本数分だけ描かれる。それぞれの針電極１は試料溶液を付着した後、図示した導入口２１を通るタイミングで順次イオン化が行われる。複数本の針電極を有することで、従来よりも回転速度を遅くすることができ、図のように正弦波の周期を長くすることが可能となる。
　このように、本実施例によると針電極が導入口に来る頻度を容易に上げられるほか、並べる針電極の間隔を調整することで針電極の通過スピードを従来よりも遅くできるため、安定したイオン化が可能となる。さらに、高速で大きな電力が必要なモーターなどの駆動部は必要なく、小型で安価な駆動部で十分対応可能である。
　試料搬送電極７の回転速度は最適化する必要がある。これは分析試料や溶媒、針電極が変わる毎にイオン化の最適条件が変わる可能性があるためである。回転速度が遅いと、試料溶液５が乾燥してしまう問題や、図２Ａのようにイオンが質量分析計に間欠的に導入され、イオン強度に強弱が生まれかつスループットは低下する問題が発生する。回転速度を速くすることで、１つ１つの針電極が導入口を通過した時のイオン強度のピーク値は低下するが、針電極が次から次へと素早く導入口の前を通過するため、図２Ｂのように、イオン強度が時間的に均一強度近づきかつ連続流に近くなる。これは前の針電極によるイオン強度が減衰する前に次の針電極が導入口に到達するためである。また回転速度が速すぎると、今度は試料が針電極に付着しない、あるいは試料が遠心力で吹き飛んでしまうなどの問題によって、イオン強度が低下する。さらに導入口の前を針電極が通過する速度が速すぎるとイオン化の放電も不安定になり、また放電（イオン化）の時間も短くなるためイオン強度も低下する。このため回転速度の最適化が必要となる。
　図３は、回転速度を最適化するための方法の例を示すフローチャートである。まず試料溶液５を容器６に入れ、質量分析部２０の導入口２１の前に配置する（Ｓ１１）。続いて、測定したい中心回転速度Ａ、振り幅ａ、測定点数ｎ、時間ｔを決め、コンピューター３１に入力する（Ｓ１２）。例えば、Ａ＝３回転／秒、ａ＝１回転／秒、ｎ＝３点とした場合には、２，３，４回／秒の３点の回転速度でイオン強度を測定する。また時間ｔは、測定時間であり回転周期よりも長ければよい。例えば、今回の例ではｔ＝３秒程度の測定時間で十分である。コンピューターは最初に回転速度を２回／秒に設定する（Ｓ１３）。コンピューターは、円盤電極２を介して高電圧を針電極１に印加し（Ｓ１４）、設定に従って駆動部３を制御し、駆動部３は針電極の付いた試料搬送電極７を回転させる（Ｓ１５）。すると、試料搬送電極７の針電極１が導入口２１の前を通過するたびに試料溶液がイオン化される（Ｓ１６）。検出器では測定時間の３秒間イオンを検出器する（Ｓ１７）。測定するイオンはあるｍ／ｚのイオンだけでもよいし、全イオンのイオン量をモニターしてもよい。測定後、コンピューターは、３秒間の測定データのイオン強度の分散値（ばらつき）を計算する（Ｓ１８）。分散値は、３秒間におけるイオン強度の平均値に対する標準偏差でよい。この分散値を小さくすることで、図２Ａのようなイオン強度に強弱ムラがある状態を回避し、図２Ｂのように時間的に均一になっている条件を見つけることができる。解析は、次の測定中にコンピューターが行えばよい。続いて、駆動部の回転速度を３回／秒に制御し（Ｓ１９）、同様に３秒測定する。４回／秒まで測定・解析後、測定した３点の分散値を比較し、分散値が最小となったときを最適点とし、その時の回転速度を最適速度として決定する（Ｓ２０）。次に、その最適な回転速度を駆動部に設定し、駆動する（Ｓ２１）。その最適な回転速度の条件のもとで、今度は数秒から数分程度の本測定を開始する（Ｓ２２）。本最適化は、コンピューターの制御の元、全自動で行うのが望ましい。
　図４は、回転速度を最適化するための方法の別の例を示すフローチャートである。基本的な流れは図３の例と同様である。図３との違いは、解析のところでイオン強度の分散値ではなく、イオン強度の面積値（時間積算値）を計算して、それを最適化の指標とすることである（Ｓ１８Ａ）。面積値を最大にすることで、もっとも効率よくイオンを収集できる。
　図５は、回転速度を最適化するための方法の別の例を示すフローチャートである。基本的な流れは図３、図４の例と同様である。図３、図４に示した例との違いは、解析のところでイオン強度の分散値と面積値の両方を計算し、両方を最適化の指標とすることである（Ｓ１８Ｂ）。分散値がユーザーの設定したある閾値以下になるような条件下において、面積値が最大になる回転速度を選択することで（Ｓ２０Ｂ）、分散を小さくかつ面積値を大きくすることができ効率のよい計測が可能となる。
　図６は、回転速度を最適化するための方法の別の例を示すフローチャートである。この方法は、回転速度を粗く振ることで大雑把に最適点を調べた後に、その最適な回転速度の周辺をさらに細かく調べて最適化する方法であり、本例を用いると短時間で効率よく最適回転速度を見つけることができる。
　図６に示したフローチャートでは、基本的な流れはこれまでの例と同様だが、左側部分が粗く回転速度を変えて測定し、真ん中部分では、細かく回転速度を測定する2段構えのフローである。図３の説明であげた例のように、例えば、Ａ＝３回転／秒、ａ＝１回転／秒、ｎ＝３点とした場合には、図の左側のフローで示すように２，３，４回／秒の３点の回転速度で測定をする。ここで面積が最大となる回転速度が３回転／秒の時だったとすると、この３回転／秒の周辺をさらに細かく回転数を振って調べるフローが真ん中部分に示してある。例えば、ｂ＝０．５回転／秒と、ｂにａよりも小さい値を設定しておくことで、２．５回転／秒、３回転／秒、３．５回転／秒の３点の回転速度におけるイオン強度をモニターし、この中から最適点を見つける手法である。
　図７は、回転速度を最適化するための方法の別の例を示すフローチャートである。回転速度を粗く振ることで大雑把に最適点を調べた後に、その最適な回転速度の周辺をさらに細かく調べ最適化する方法であるのは、図６の例と同様である。本例では、イオン強度の面積値の最大点を見つけるまで、フローを続行するようになっている。
　次に、図８を用いて、針電極１の付いた試料搬送電極７が等速の回転運動ではなく、回転・停止を繰り返しステップ的に動作させる例について説明する。図８は、各針電極の先端の運動位置と時間の関係を、横軸に時間をとり、縦軸に位置（高さ）をとったグラフに示したものである。本例では、図１Ａ、図１Ｂに示した装置構成において、円盤電極２を４５度回転、一定時間停止、４５度回転と間欠的に移動させる動作を、ステッピングモーターなどを用いて繰り返し行う。それぞれの針電極おいて、イオンが導入口から質量分析部に導入されるタイミングを破線で囲んで示している。本例では、針電極の付いた試料搬送電極７が動いている時を除き、どれか１つの針電極１が導入口２１の前に静止して配置され、イオン化が実行されている。
　本実施例では、差動排気部にイオンガイド（ion guide）を設けた例を説明したが、イオンガイドに代えて四重極（quadrupole）、オクタポール（Octapole）、ヘキサポール（Hexapole）、イオンファネル（Ion funnel）を設けてもよい。またイオンガイドが無い構成でもよい。また質量分析部は、四重極質量フィルター（Quadrupole mass filter）以外の、イオントラップ（ion trap）、三連四重極質量分析計（Triple quadrupole mass spectrometer）、飛行時間型質量分析計（Time-of-flight mass spectrometer）、磁場型質量分析計、オービトラップ（Orbitrap mass spectrometer）、フーリエ変換型質量分析計（Fourier-transform mass spectrometer）、フーリエ変換型イオンサイクロトロン共鳴質量分析装置（Fourier-transform ion cyclotron resonance mass spectrometer）などを用いてもよい。
　針電極１に付着した試料溶液５は時間がたてば乾燥してしまい、イオン化されなくなる。その乾燥を防ぐため、試料溶液５が針電極１に付着した後はできるだけすみやかにイオン化することが望ましい。図１Ｂに示した構成では、導入口２１側から見て、針電極の付いた円盤電極２の回転方向は、矢印で図示するように反時計回りがよい。また加湿機構によりイオン源の部屋全体が水や溶媒によって加湿されていると、試料溶液５の乾燥が防がれてよい。また、水や溶媒が導入口付近に噴霧されていて、針電極１に付着した試料溶液が乾燥しないようになっているのが望ましい。
　容器６及び液体試料５には針電極と同じ高電圧を印加しておいてもよい。また電位的にどこにも接続せずに浮かせておいてもよい（フローティング）。
　以上ではイオン化法としてエレクトロスプレーの例で説明したが、レーザーを針先に照射することによってマトリックス支援レーザー脱離イオン化（ＭＡＬＤＩ）も行うことも可能である。
［実施例２］
　図９は、本発明の別の実施例であるイオン源と質量分析部の構成例を示す概略図である。本例のような針電極を使ったエレクトロスプレーに限らず、通常のエレクトロスプレーを含めて、キャピラリーや針電極への不純物の堆積や破損等の劣化により、イオン強度が低下することや不安定になる。そのため、定期的にイオン量をモニターし、イオン量の低下や、放電が不安定でイオン強度の分散値が大きくなった場合には、針電極１を交換又は洗浄する必要がある。本実施例では、針電極１の洗浄や交換方法、そのタイミングの判定方法について説明する。
　本実施例のイオン源は、回転による駆動の方法や、イオン化・分析の方法、モニターの方法等については実施例１と同様である。
　針電極１の洗浄は、測定試料が変わる毎に行うことが望ましい。なぜなら、前の試料が針先に付着した状態で、次の別の試料を測定すると、前の試料が一緒に検出されてしまい正確な分析ができないためである。そのため、試料溶液５が新たに入れ替わるたびに針電極を洗浄する。
　試料溶液５が入った複数の容器６と洗浄用液体１０が入った容器６は、コンピューター３１によって制御される回転ステージ１１と上下ステージ１２の上に乗っている。１つの容器の試料溶液に対する測定が終了した後、コンピューター３１の指令によって回転ステージ１１と上下ステージ１２が駆動して、針電極１は洗浄用液体１０の入った容器６に浸漬される。その状態で試料搬送電極７を回転させることで、針電極１を洗浄する。また同時に、洗浄用液体１０を超音波洗浄機の要領で振動させるとさらによい。洗浄用液体１０は、エタノール、アセトン、メタノール、又は試料希釈用の溶媒などでもよい。
　洗浄は数秒から数分程度、ユーザーが決めた時間だけ行う。または、以下のような方法で確認して洗浄時間を決定することも可能である。針電極１の先端から対向電極２２に流れる放電電流をモニターし、新品の針電極の時と比べて違いを判定する方法である。すなわち、針電極の針先に不純物が付いて汚れてくると、放電がしにくくなり、放電電流が低下することを利用する方法である。閾値を、例えば新品時の８割の放電電流と決めておき、放電電流が閾値以上に回復するまで洗浄し続けるようにする。ある決められた時間洗浄しても、改善が見られず依然として閾値以下である場合、高圧電源４の電圧を上げる方法をとってもよい。電圧を上げることにより、放電電流が回復し、イオン化も回復する可能性がある。高圧電源の電圧を例えば１００Ｖずつ上昇させ、放電電流が回復するところまで上げるとよい。
　針電極１の交換は、不可避的な針先への不純物の堆積や針先形状の劣化により、イオン化が阻害されるため、定期的に行う必要がある。針電極１を交換するタイミングは、高圧電源４の電圧を上げても閾値のイオン強度に達しない場合、すなわち洗浄しても、電源電圧を上げても放電電流が回復しない場合である。この時に試料搬送電極７を新品と交換し、再度放電電流を測定し、問題ないことを確認した後、次の試料の測定を開始する。
　針電極１の洗浄や交換時期の判定のためにモニターするは、放電電流ではなく、標準試料を用いイオン化したイオン量を検出器でモニターしてもよい。また別の方法として、洗浄後に顕微鏡で針先を観察し、不純物が無いかどうかを見ることで判定してもよい。顕微鏡で観察することで、直接的に判定できる。汚れが見える場合は、再度洗浄する。
［実施例３］
　図１０Ａから図１０Ｆは、本発明のイオン源の別の実施例を示す概略図である。実施例１の試料搬送電極７では、円盤電極２の周縁部に複数の針電極１が設けられ、各針電極１の先端は円盤電極２の面に対して垂直な方向を向いていた。これに対して、本実施例の試料搬送電極８では、一例として、円盤電極２に複数の針電極１が放射状に設けられている。また、円盤電極２の回転軸の軸方向が、実施例１では針電極の先端から発生して導入口に導入されるイオン流の流れ方向にほぼ平行な方向であったが、本実施例ではイオン流の流れ方向にほぼ垂直な方向を向いている。
　図１０Ａは、実施例１の場合と同様に、金属などの導電体からなる円形の円盤電極２の動径方向に導電体からなる針電極１が付いている試料搬送電極８を用いたイオン源の例を示している。針電極１や円盤電極２の形状は実施例１と同様であるが、円盤電極２に対する針電極１の取り付け方向が異なっている。また、質量分析部に対する試料搬送電極８の姿勢が実施例１とは異なる。本実施例では、円盤電極２の回転方向が実施例１とは９０度異なるが、円盤電極２が回転することで複数の針電極１が対向電極２２の導入口２１に順番に位置付けられ、各針電極に付着した試料溶液のイオン化が行われるのは同様である。針電極１には円盤電極２を通じて、高圧電源４を用いて電圧が印加される。
　試料溶液５の入ったガラス瓶などの容器６は、針電極１が試料溶液５に浸るように、質量分析部２０の導入口２１の前方に配置される。針電極１が設けられた円盤電極２は、その回転面内に、質量分析部の導入口２１が重なるように配置されている。駆動部３は試料搬送電極８を回転させる。回転方向は、試料の付着からイオン化までの時間を短くするために、矢印で図示するように反時計回りに回転させた方がよい。高電圧についても、実施例１と同様に、高圧電源４により円盤電極２を通じて針電極１に印加される。針電極１の本数と回転速度の最適化については、実施例１の場合と同様である。
　図１０Ｂは、試料搬送電極８の上方に導入口２１と対向電極２２が配置されている例を示している。この場合でも、図１０Ａと同じように試料溶液のイオン化が可能である。その他、試料搬送電極８に高圧電源４により高電圧を印加し、駆動部３で回転させる方法は、実施例１や図１０Ａの場合と同様である。
　図１０Ｃは、試料搬送電極８を構成する円盤電極２の回転面が垂直方向から傾いた例を示している。回転面が傾いても、針電極１に付着した試料溶液をイオン化して、導入口２１から質量分析部に導入することは可能である。その他、試料搬送電極８に高圧電源４により高電圧を印加し、駆動部３で回転させる方法は、実施例１や図１０Ａの例と同様である。
　図１０Ｄは、試料搬送電極として平板電極９を用いた例を示す概略図である。導体からなる平板電極９の外周部分に複数の凸部を設け、凸部の先端を針先のように鋭利に加工した。文字通りの針のような細長い形状でなくても、このように先端が尖っていれば放電が起きることで静電噴霧現象が生じ、イオン化は行われる。本明細書では、図１０Ｄに示したように、平板電極の外周部分を星形に加工して先端を尖らせた、静電噴霧が可能な凸部も針電極と呼ぶ。その他、平板電極９に高圧電源４から高電圧を印加し、駆動部３で回転させる方法は実施例１や図１０Ａの例の場合と同様である。
　図１０Ｅは、試料搬送電極として、金属などの導電体からなる先端の尖った円盤電極１６を用いたイオン源の例を示す概略図である。この円盤電極１６は、針のように点で尖るのではなく、図１０Ｆの断面摸式図に示すように、カッターナイフの刃のように円盤電極１６の外周に沿って先端の厚みが薄くなり尖った形状をしている。先端部の曲率半径は、１μｍから数１０μｍ程度に鋭利に尖っている。このようにナイフの刃のように、鋭利な部分が点状ではなく線状に分布した形状からであっても刃の部分から静電噴霧現象が生じる。本明細書では、このように円盤電極の外周に周方向に沿って形成された刃状の構造も針電極と呼ぶ。この針電極は、小さな針電極が円盤電極の円周方向に無数に連なったものと考えることも可能である。その他、円盤電極１６に高圧電源４から高電圧を印加し、駆動部３で回転させる方法は、実施例１や図１０Ａの例と同様である。
［実施例４］
　図１１Ａから図１１Ｇは、本発明のイオン源の別の実施例を示す概略図である。これまでの実施例では、試料搬送電極を回転させることによって針電極に付着させた試料溶液を対向電極の導入口まで搬送したが、本実施例では試料搬送電極を往復運動させることによって針電極に付着させた試料溶液を対向電極の導入口まで搬送する。
　図１１Ａは、導電体からなる棒状の電極１５に導電体からなる複数の針電極１が付いた構造の試料搬送電極１７を用いたイオン源の実施例を示している。高圧電源４より棒状電極１５を通じて針電極に高電圧を印加する。駆動部３は、棒状電極１５を上下に往復駆動する。試料搬送電極１７には針電極１が複数装備され、最下部に位置する時は容器６内の試料溶液５に全ての針電極が浸かるように配置される。また、最上部に位置する時は、一番下側にある針電極が導入口２１の正面付近に到達するように配置するとよい。
　図１１Ｂは、図１１Ａに示した資料搬送電極において、針電極１の先端を下向きにした例を示す。針電極１に下向きの傾斜を付けることで、試料溶液が針先に向けてスムーズに移動できるようになり、針先への液体試料の供給が続くため長時間イオン化することが期待される。
　図１１Ｃは、図１１Ｂの例に対し、さらにもう一段傾斜させ、各針電極を上向きの山形に屈曲させた例である。針電極１の棒状電極１５への接続部と針電極の先端との間に山の頂点ができるように２段階に傾斜させることで、頂点よりも右側の針電極１に付着した試料溶液５は右側に、左側に付着した試料溶液５と棒状電極１５に付着した試料溶液５は左側に流れていく。この結果、試料溶液５は棒状電極１５から針電極１に供給されなくなるが、複数あるどの針電極１にもほぼ同じ量の試料を針先に供給できるため、安定かつ一定量イオン化されるため、定量測定に向いている。
　図１１Ｄは、針電極１の表面に微細な溝１８が掘られている例である。図１１Ｄの左の図は１本の針電極の平面模式図、右の図はその断面模式図である。溝１８は、深さ、幅ともに数μｍ～数１０μｍ程度で、針先に向けて１本又は複数本の溝が切ってある。このような構造によると試料溶液５は溝１８に溜められるため、針電極に多量の試料を付着・保持させることが可能になる。また、溝１８を通して針先端に試料をスムーズに供給することが可能になる。実施例１、２、３で説明した針電極に、本例のような溝を設けてもよい。
　図１１Ｅは針電極の先端部分の拡大図であり、針電極１に突起１９が設けられた例を示している。図のように小さな突起１９が複数あると、多くの試料がその突起部分に付着し、多量の試料溶液の供給が可能となる。実施例１、２、３で説明した針電極に、本例のような突起を設けてもよい。
　図１１Ｆは、スプーンのように液体が保持できるような形状を有し、その先端が尖っていてイオン化が起こるような針電極１の例を示している。受け皿から少しずつ液体が先端に流れることで、試料のサンプリング頻度を少なくできるため、効率的な測定が可能になる。実施例１、２、３で説明した針電極が、本例のような形状を有していてもよい。
　図１１Ｇは、試料搬送電極として導電体からなる針電極１を２本用いたイオン源の例を示す概略図である。２本の針電極１ａ，１ｂは、駆動部３によって１８０度異なる位相で上下動させられる。つまり、片方の針電極１ａが最下部に位置する時、他方の針電極１ｂは最上部に位置するように交互に動作させる。針電極を２本垂直に立てて上下に動作させてもよいが、図１１Ｇのように針電極を斜めに配置することで、２つの針電極１ａ，１ｂの両方とも導入口２１の中心に針先をもってくることができ、試料溶液のイオン化を効率よく行うことができる。２つの針電極１ａ，１ｂは、同じ試料溶液５をサンプリングできるようになっている。２つの針電極は１つの駆動部３によって駆動することが可能であるが、２つの針電極それぞれに独立の駆動部３を設けてもよい。２つの針電極１ａ，１ｂには、針電極同士の間に放電が生じないように、同じ高圧電源４から高電圧を供給する。
［実施例５］
　図１２Ａから図１２Ｄに、本発明のイオン源の別の実施例を示す概略図である。本実施例は、試料が固体試料又は固体状試料である場合の実施例である。
　図１２Ａは、図１０Ａに示した実施例において、試料が固体試料に変わっている実施例を示す。試料が固体であるため、固体試料５１は図のような横向きの試料台５２に吸着・保持することができる。そのため装置構成の自由度は高くなる。また、試料台５２を最上部に配置し、試料を下向きに保持してもよい。これまで説明してきた試料が液体試料である実施例３の場合と同様に、針電極１の付いた円盤電極２に高圧電源４により高電圧を印加し、駆動部３によって試料搬送電極８を回転駆動する。
　図１２Ｂは、図１２Ａの実施例に更に洗浄機能を追加した例を示している。洗浄用液体１０は針電極１の付いた試料搬送電極８の下方に設置され、針電極１は最下部付近を通過するときに洗浄用溶液に浸されて洗浄される。この方法では、試料の付着、イオン化測定後、すぐに針電極１が洗浄用液体１０を通過することで洗浄される。これにより、試料が付着してから時間がたつと針電極１上で汚れが固まって洗浄できなくなる問題が回避されるため、針電極１の寿命を延ばすことができ、針電極１の交換頻度を減らすことが可能となる。
　図１２Ｃは、試料台５２と導入口２１の位置が異なる場合の例を示している。本例のように、試料は、針電極１の先端に触れられるようになっていればどの位置に設けてもよい。また、導入口２１の位置も針電極１の先端付近にあればどの位置でもよい。さらに対向電極２２に開けられた導入口２１と針電極１とが正対する必要はなく、図のように導入口２１に対して針電極１が斜めになっていても放電が起こればイオン化はされる。
　図１２Ｄは、実施例１において試料が固体になった場合の例である。この例でも、試料搬送電極８の下方に洗浄用液体１０を配置することで、固体試料５１のイオン化と針電極１の洗浄を交互に繰り返すことが可能となる。
［実施例６］
　図１３Ａから図１３Ｅは、本発明のイオン源の別の実施例を示す概略図である。本実施例は、試料の供給を液体噴霧または液体の配管供給により行う場合の実施例である。
　図１３Ａは、実施例１に示した構成例において、試料溶液の供給法が噴霧に変わり、また洗浄機能が追加されたイオン源の例を示している。噴霧に使用する試料供給配管は２重の円筒構造になっており、液体試料５は中心の試料配管４１内を通り、ネブライザーガス４２は周りのガス配管４３を流れるようになっている。試料配管４１は内径数１０μｍ～数１００μｍの管であり、ネブライザーガス４２によって試料溶液５が噴霧され、液体試料を針電極１に付着させる。ネブライザーガス４２には窒素や空気などが用いられる。図では噴霧は上方から行っているが、横方向から行ってもよい。針電極１の洗浄は、実施例２と同様で、試料搬送電極７の下方に洗浄用液体１０が入った容器を配置し、針電極１が洗浄用溶液中を通過するごとに洗浄する。試料搬送電極７が１周するごとに、噴霧による針電極１への試料の付着、試料のイオン化、針電極１の洗浄を繰り返す。噴霧に使用する試料配管４１は試料ごとに使い捨てにするか、又は洗浄することが望ましい。試料配管４１の洗浄方法は、洗浄用液体を試料配管４１に通しておよそ数秒から数分洗浄する。そのため、試料配管４１を複数本準備し、測定中に他の試料配管は洗浄するとよい。これまでの液体試料の場合の実施例と同様に、針電極１の付いた円盤電極２に高圧電源４から高電圧を印加し、駆動部３で回転駆動する。
　図１３Ｂは、図１３Ａにおいてネブライザーガスを使用しない場合の実施例を示す図である。試料溶液５は試料配管４１の先端で表面張力により球状になり、その球の部分に接触するように針電極１が通過することで、試料が針電極１に付着する。試料供給用の配管は上方向からでも、横方向からでも、試料を針電極に付着させることが可能である。本例も、前例同様に試料搬送電極７が１周する毎に、洗浄用液体１０によって針電極１が洗浄される。
　図１３Ｃは、試料溶液５の入った容器の下部に開いた穴から、試料溶液５が針電極１に直接供給される例を示す図である。別の例として、容器を傾けて試料溶液５を供給することも可能である。その際に、容器の穴から漏れ出る試料溶液５を糸状の細い部材に伝わらせて、針電極１に試料溶液５を供給してもよい。
　図１３Ｄは、図１０Ａに示したように、針電極１の付いた円盤電極２によって試料搬送電極８が構成される場合の実施例を示す図である。試料の供給が噴霧を用いた方法であること以外は、実施例３と同様である。試料の供給方法は、図１３Ｂや図１３Ｃのタイプのものでも実施可能である。噴霧の方向は、回転軸方向の噴霧でも、斜めからの噴霧でもよい。
　図１３Ｅは、対向電極２２の導入口２１が試料搬送電極７の下方にあり、針電極１が下を向いている場合の例を示す図である。動作方法は図１３Ａと同様である。
［実施例７］
　図１４Ａから図１４Ｃは、本発明のイオン源の別の実施例を示す概略図である。本実施例は、質量分析部において試料の導入口が複数ある形態における実施例である。導入口にイオン源の針電極の位置を一致させることで、イオンの透過効率を向上させることができる。そのため本実施例では、全ての導入口の前を全ての針電極が順次通過できるように針電極が移動する軌道を設定する。ここでは、５個の試料導入口を有する質量分析部を例にとって説明するが、導入口の数が５個以外の場合にも本実施例は適用可能である。
　図１４Ａは本実施例のイオン源の正面模式図、図１４Ｂはイオン源と質量分析部の関係を示す模式図である。本実施例の試料搬送電極は、導電体からなるひも状の電極５３と電極５３に装着された複数の針電極１によって構成される。図１４Ａに示すように、複数の針電極１は、導電体からなるひも状の電極５３に、先端が質量分析部の導入口２１の方向を向くように装着され、その導電体からなるひも状の電極５３が決められた軌道に沿って移動する。軌道の最下部で針電極１は容器内の試料溶液に浸漬され、そこで針電極１に試料溶液５が付着し、軌道最上部付近で５個の導入口の前を順に通過し、各導入口２１の前に到達した時に試料溶液のイオン化が行われる。導電体からなるひも状の電極５３は、例えば金属製のチェーンのようなものでよい。その他の動作は実施例１と同様である。
　図１４Ｃは、試料搬送電極の下方に洗浄用液体１０の入った容器を置き、実施例６で説明した試料を噴霧させる供給方法を用いた例を示している。実施例６で説明したように試料噴霧、イオン化、洗浄を繰り返す例である。その他の動作は実施例１及び図１４Ａと同様である。
　以上説明したように、本発明の実施例によると、キャピラリー配管内が目詰まりしたり、汚染されるといった問題がなくなる。また、イオン源の効率が向上し、高スループット分析が可能となる。さらに、イオン流が時間的に均一に流れてくるため、定量精度の高い分析が可能となる。また、安定なイオン源かつ小型で安価なイオン源を提供できる。
　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　本発明の実施例では、針電極は導電体からなる金属の針の具体例で説明したが、針電極は金属のような導体に限定されるものではなく、導電体以外の物質であってもよい。例えば、紙、木材、プラスチック、ガラス、シリコン、その他多孔質な物質、液体が保持・吸着される物質であれば使用可能である。針電極が導電体以外の物質であっても、試料溶液や溶媒を針電極に付着・保持させれば、その試料溶液や溶媒を通じて高電圧が印加され、イオン化が可能である。紙や木などからなる針電極においても、先端は鋭利に尖っていることが、放電がしやすくなる、また放電が安定になるため望ましい。
１　針電極
２　円盤電極
３　駆動部
４　高圧電源
５　試料溶液
６　容器
７　試料搬送電極
８　試料搬送電極
９　先端の尖った平板電極
１０　洗浄用液体
１１　回転ステージ
１２　上下ステージ
１５　棒状電極
１６　先端の尖った円盤電極
１７　試料搬送電極
１８　溝
１９　突起
２０　質量分析部
２１　導入口
２２　対向電極
２３　イオンガイド
２４　四重極質量フィルター
２５　検出部
３１　コンピューター
４１　試料配管
４２　ネブライザーガス
４３　ガス配管
５１　固体試料又は固体状試料
５２　試料台
５３　導電体からなるひも状電極

Claims (17)

  1. 　イオン源と、イオン化された試料を導入する導入口が設けられた対向電極を備える質量分析部と、前記イオン源を制御する制御部とを有する質量分析装置において、
    　前記イオン源は、
    　試料を保持する試料保持部と、
    　複数の針電極を有する試料搬送電極と、
    　前記試料搬送電極と前記対向電極との間に電圧を印加する電源と、
    　前記複数の針電極が前記試料保持部と前記導入口を順に通過するように前記試料搬送電極を駆動する駆動部と、
    　を有することを特徴とする質量分析装置。
  2. 　請求項１に記載の質量分析装置において、
    　前記試料搬送電極は、回転軸の回りに回転する円盤電極を備え、前記円盤電極の周縁部に当該円盤電極の面に対して先端が垂直な方向を向くように前記複数の針電極が設けられた構造を有し、前記回転軸の軸方向が前記針電極の先端から前記導入口に導入されるイオン流に略平行な方向を向いていることを特徴とする質量分析装置。
  3. 　請求項１に記載の質量分析装置において、
    　前記試料搬送電極は、回転軸の回りに回転する円盤電極を備え、前記円盤電極の面内方向に前記複数の針電極が放射状に設けられた構造を有し、前記回転軸の軸方向が前記針電極の先端から前記導入口に導入されるイオン流の方向に略垂直な方向を向いていることを特徴とする質量分析装置。
  4. 　請求項１に記載の質量分析装置において、
    　前記試料搬送電極は、回転軸の回りに回転する平板電極を備え、前記平板電極は外周部分に先端の尖った複数の凸部を有し、前記凸部が前記針電極を構成し、前記回転軸の軸方向が前記針電極の先端から前記導入口に導入されるイオン流の方向に略垂直な方向を向いていることを特徴とする質量分析装置。
  5. 　請求項１に記載の質量分析装置において、
    　前記試料搬送電極は、回転軸の回りに回転する円盤電極を備え、前記円盤電極は外周部分が周方向に沿って刃状に薄くなった形状を有し、前記回転軸の軸方向が前記針電極の先端から前記導入口に導入されるイオン流の方向に略垂直な方向を向いていることを特徴とする質量分析装置。
  6. 　請求項１に記載の質量分析装置において、
    　前記試料搬送電極は、棒状の電極を備え、前記棒状の電極に前記複数の針電極が設けられた構造を有し、前記駆動部は前記試料搬送電極を往復運動させることを特徴とする質量分析装置。
  7. 　請求項１に記載の質量分析装置において、
    　前記駆動部は、前記複数の針電極の各々が前記導入口の前で所定時間停止するように前記試料搬送電極を間欠的に駆動することを特徴とする質量分析装置。
  8. 　請求項１に記載の質量分析装置において、
    　前記針電極を洗浄する洗浄部を有し、前記針電極は前記導入口を通過後、前記洗浄部を通って洗浄された後、前記試料保持部に移動することを特徴とする質量分析装置。
  9. 　請求項１に記載の質量分析装置において、
    　前記制御部は、前記質量分析部によって検出されたイオン強度をモニターし、モニター結果に基づいて前記駆動部を制御することを特徴とする質量分析装置。
  10. 　請求項９に記載の質量分析装置において、
    　前記制御部は、前記モニター結果に応じて、前記駆動部によって前記試料搬送電極を回転駆動する際の回転速度を制御することを特徴とする質量分析装置。
  11. 　質量分析装置用のイオン源において、
    　試料を保持する試料保持部と、
    　複数の針電極を有する試料搬送電極と、
    　前記試料搬送電極と質量分析部の対向電極との間に電圧を印加する電源と、
    　前記試料搬送電極を駆動する駆動部とを有し、
    　前記駆動部は、前記複数の針電極が前記試料保持部と前記対向電極に設けられた導入口を順に通過するように前記試料搬送電極を駆動することを特徴とするイオン源。
  12. 　請求項１１に記載のイオン源において、
    　前記試料搬送電極は、回転軸の回りに回転する円盤電極を備え、前記円盤電極の周縁部に当該円盤電極の面に対して先端が垂直な方向を向くように前記複数の針電極が設けられた構造を有し、前記回転軸の軸方向が前記針電極の先端から前記導入口に導入されるイオン流に略平行な方向を向いていることを特徴とするイオン源。
  13. 　請求項１１に記載のイオン源において、
    　前記試料搬送電極は、回転軸の回りに回転する円盤電極を備え、前記円盤電極に前記複数の針電極が放射状に設けられた構造を有し、前記回転軸の軸方向が前記針電極の先端から前記導入口に導入されるイオン流の方向に略垂直な方向を向いていることを特徴とするイオン源。
  14. 　請求項１１に記載のイオン源において、
    　前記試料搬送電極は、回転軸の回りに回転する平板電極を備え、前記平板電極は外周部分に先端の尖った複数の凸部を有し、前記凸部が前記針電極を構成し、前記回転軸の軸方向が前記針電極の先端から前記導入口に導入されるイオン流の方向に略垂直な方向を向いていることを特徴とするイオン源。
  15. 　請求項１１に記載のイオン源において、
    　前記試料搬送電極は、回転軸の回りに回転する円盤電極を備え、前記円盤電極は外周部分が周方向に沿って刃状に薄くなった形状を有し、前記回転軸の軸方向が前記針電極の先端から前記導入口に導入されるイオン流の方向に略垂直な方向を向いていることを特徴とするイオン源。
  16. 　請求項１１に記載のイオン源において、
    　前記試料搬送電極は、棒状の電極を備え、前記棒状の電極に前記複数の針電極が設けられた構造を有し、前記駆動部は前記試料搬送電極を往復運動させることを特徴とするイオン源。
  17. 　請求項１１に記載のイオン源において、
    　前記駆動部は、前記複数の針電極の各々が前記導入口の前で所定時間停止するように前記試料搬送電極を間欠的に駆動することを特徴とするイオン源。
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