JP3596375B2

JP3596375B2 - 大気圧イオン化質量分析装置

Info

Publication number: JP3596375B2
Application number: JP27956799A
Authority: JP
Inventors: 弘明和気
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1999-09-30
Filing date: 1999-09-30
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2019-09-30
Also published as: JP2001101992A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エレクトロスプレイ質量分析装置（ＥＳＰ−ＭＳ）、大気圧化学イオン化質量分析装置（ＡＰＣＩ−ＭＳ）、高周波誘導結合プラズマ質量分析装置（ＩＣＰ−ＭＳ）等、略大気圧雰囲気中で試料をイオン化する大気圧イオン化質量分析装置（ＡＰＩ−ＭＳ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高速液体クロマトグラフ装置（以下「ＬＣ」と略す）の検出器として質量分析装置（以下「ＭＳ」と略す）を用いる場合、エレクトロスプレイ法や大気圧化学イオン化法等のイオン化を行い生成されたイオンを質量分析器に導入するイオン化インタフェイスが利用される。一般に、このようなイオン化法はイオンの開裂を生じにくく、元の分子から一個乃至複数個の電子が飛び出ることにより生じる分子イオンが比較的多く発生する。そのため、このような分析により得られた質量スペクトルは、対象成分の分子量を推定するのに非常に有用である。その反面、開裂に伴うフラグメントイオン（開裂イオン）が少ないので、化合物の構造の推定などには適していない。
【０００３】
【発明が解決すべき課題】
こうした化合物の構造解析などの目的にはＭＳ／ＭＳが好適である。ＭＳ／ＭＳでは、第一段のＭＳで選別したイオンを衝突反応室（分析室）に導入し、その中でガス分子と衝突させることによりイオンの開裂を促進させ、開裂の態様を第二段のＭＳで測定する。しかしながら、従来のＭＳ／ＭＳは装置自体が大型になると共に高価であるという難点を有していた。
【０００４】
一方、従来のＭＳの構成において簡易的に衝突活性化解離（ＣｏｌｌｉｓｉｏｎＡｃｔｉｖａｔｉｏｎＤｉｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ＝ＣＡＤ）を行わせる試みも行われている。即ち、比較的圧力の高い（つまり残留ガス分子の多い）真空室内に配設されたデフレクタ電極に８０〜２００Ｖ程度の高電圧を印加し、残留ガス分子との衝突によりイオンの開裂を促進させるというものである。しかしながら、複数の成分がほぼ同時にイオン化された場合、これら複数成分の各種フラグメントイオンによるピークが質量スペクトルに現れ、構造解析等が非常に困難になるという問題があった。
【０００５】
本発明はこのような点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、ＭＳ／ＭＳと同様に予め選択したイオンの衝突活性化解離分析を行うことができると共に、小型で安価な大気圧イオン化質量分析装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明は、略大気圧雰囲気にあるイオン化室と高真空雰囲気にあり質量分析器を備えた分析室との間に、それぞれ小孔を介して連通した複数の中間真空室を有して成る多段差動排気系の大気圧イオン化質量分析装置において、
a) 前記イオン化室の次段の低真空雰囲気に維持された第１中間真空室内に配設され、仮想的なロッド電極から成る第1の多重極レンズを備え、
b) 前記仮想的なロッド電極はイオン光軸方向に互いに分離された複数の電極板の包絡線から成り、
c) 該電極板に囲まれるイオン通過空間は、イオン進行方向に進むにしたがって徐々に狭くなるように構成され、
d) 該第１の多重極レンズの仮想的なロッド電極に対し、隣接電極間で極性が反転し且つ目的イオンの質量数に応じた電圧値を有する、直流電圧と高周波電圧とを重畳した電圧を印加する電圧印加手段を備え,
e) 中真空雰囲気に維持された、第１中間真空室の次段の第２中間真空室内に配設され、通過イオンの開裂を促進させるべく高周波電圧と直流電圧とを重畳した電圧が印加される第２の多重極レンズを備え、
かつ、第１中間真空室内の第１の多重極レンズにより目的イオンを選択し第２中間真空室内で該目的イオンの開裂を促進させ、それにより発生した各種イオンを質量分析器に導入することを特徴としている。
【０００７】
ここで、仮想的なロッド電極とは、イオン光軸方向に互いに分離された複数の電極板から成り、該電極板の包絡線がロッド電極に相当するもののことである。なお、このような多重極レンズの構成は、本出願人が特願平１１−１９６８５６号で既に提案している。また、第２の多重極レンズは第１の多重極レンズと同様に複数本のロッド電極としてもよいし、イオン光軸を挟んで配設される複数枚の平板状電極としてもよい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の如き多段差動排気系の大気圧イオン化質量分析装置では、従来、イオン化室の次段の第１中間真空室内に、リング状或いはイオン光軸を挟んで対向する平板状の電極から成るイオンレンズが設けられていた。これらのイオンレンズの主たる目的は、第１中間真空室内に導入されたイオンを収束させて効率的に第２中間真空室内に送り込むことにある。これに対し、本発明に係る大気圧イオン化質量分析装置では、イオンの収束の機能しか果たしていなかった従来のイオンレンズに代わり、質量数に応じたイオンの選択機能を有する第１の多重極レンズを第１中間真空室に設けている。
【０００９】
この第１の多重極レンズは、質量分析器として用いられる四重極質量フィルタと類似した動作及び機能を有するものであって、上記電圧印加手段により電圧が印加されると、それにより発生する電界の作用によって特定の質量数を有するイオンのみを後方焦点位置に収束させ、他のイオンを発散させる。第１中間真空室内は真空度が低く残留ガス分子が多いため、分析室内に配設される四重極質量フィルタほどイオン選択性は高くないものの、質量数の大きく相違するイオンの多くを排除することができる。このようにして第１の多重極レンズによって選択したイオンを次段の比較的真空度の低い第２中間真空室に導入し、残留ガス分子との衝突によりイオンの開裂を促進させる。そして、開裂で生じた各種イオンを四重極質量フィルタ等の質量分析器に導入し、質量数毎に分離して検出する。
【００１０】
なお、本願発明者の実験によれば、第２中間真空室内で効果的に開裂を生じさせるには、第２中間真空室内の圧力を１×１０^−１Ｐａ以上とすることが好ましい。
【００１１】
【発明の効果】
本発明に係る大気圧イオン化質量分析装置によれば、イオン化室と分析室との間に複数段階に設けられた中間真空室において、特定質量数を持つイオンの選択と選択されたイオンの開裂とが行われ、フラグメントイオンを含む各種イオンが質量分析器に導入される。そのため、実質的にＭＳ／ＭＳと同様の分析が可能であって、取得された質量スペクトルを解析することにより分子や原子の構造の推定が容易になる。また、構成は一般的なＭＳ／ＭＳよりも簡単になるので、比較的低コストであって、卓上型のような小型化も達成できる。
【００１２】
更に本発明に係る大気圧イオン化質量分析装置によれば、第１の多重極レンズに印加する電圧を適宜に変えることにより、イオンの選択を行わずに通常のイオン収束のみを行うこともできるから、例えば一回の質量走査毎に衝突活性化解離による質量スペクトルと通常の質量スペクトルとを交互に取得することもできる。通常のＭＳ／ＭＳでは、衝突活性化解離分析を行うには衝突反応室内に反応ガスを導入し、通常の分析を行うには反応ガスを排出しなければならない。このような切替えを短時間で行うことは不可能であるため、上述のような分析は不可能である。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明に係る大気圧イオン化質量分析装置の一実施例を図面を参照して説明する。図１は本実施例によるエレクトロスプレイ質量分析装置（ＥＳＰ−ＭＳ）の概略構成図である。
【００１４】
このＭＳは、例えばＬＣのカラムの出口端に接続されたノズル２が備えられたイオン化室１と、四重極質量フィルタ１０及びイオン検出器１１が配設された分析室９との間に、それぞれ隔壁で隔てられて第１中間真空室４及び第２中間真空室７が設けられている。イオン化室１と第１中間真空室４との間は細径の脱溶媒パイプ３を介して、第１中間真空室４と第２中間真空室７との間は極小径の通過孔（オリフィス）を有するスキマー６を介してのみ連通している。
【００１５】
イオン化室１内はノズル２から連続的に供給される試料溶液の気化分子によりほぼ大気圧になっている。また、第１中間真空室４内は、ロータリポンプにより約１０^２Ｐａの低真空状態に真空排気されている。更に、第２中間真空室７内はターボ分子ポンプにより約１０^−１Ｐａの中真空状態に真空排気され、分析室９内は他のターボ分子ポンプにより約１０^−３〜１０^−４Ｐａの高真空状態に真空排気されている。このようにイオン化室１から分析室９に向かって各室毎に真空度を高くすることにより、分析室９内が高真空状態に維持されるようにしている。
【００１６】
このＭＳの概略的な動作は次の通りである。試料溶液はノズル２からイオン化室１内に噴霧（エレクトロスプレイ）され、液滴中の溶媒が蒸発する過程で試料分子はイオン化される。イオンが入り混じった液滴はイオン化室１と第１中間真空室４との圧力差により脱溶媒パイプ３中に引き込まれ、脱溶媒パイプ３を通過する過程で更にイオン化が進む。第１中間真空室４内には四重極イオンレンズ（第１の多重極レンズ）５が設けられている。四重極イオンレンズ５は脱溶媒パイプ３を介したイオンの引込みを助けると共に、後述するように特定の質量数を持つイオンを選択してスキマー６のオリフィス近傍に収束させる。
【００１７】
スキマー６のオリフィスを通って第２中間真空室７に導入された特定質量数のイオンは、複数本のロッド電極から成る多重極レンズ（第２の多重極レンズ）８により収束されると共に、残留分子イオンとの衝突により開裂が促進され、多くのフラグメントイオンを生じて分析室９へと送られる。なお、多重極レンズ８は複数枚の平板状電極から構成することもできる。分析室９では、各種イオンのうち特定の質量数を有するイオンのみが四重極質量フィルタ１０中央の軸方向の空間を通り抜け、イオン検出器１１に到達して検出される。
【００１８】
第１、第２、第３電圧発生部１２、１３、１４はそれぞれ、四重極イオンレンズ５、多重極レンズ８、四重極質量フィルタ１０に印加するための所定電圧を発生するものであり、その電圧値は制御部１５により制御される。なお、図示しないものの、ノズル２、脱溶媒パイプ３、スキマー６などにもそれぞれ所定の電圧（通常は直流電圧）が印加される。
【００１９】
次に、本発明の特徴の一つである四重極イオンレンズ５の構成及び動作を詳細に説明する。図２は本ＭＳの第１中間真空室４及び第２中間真空室７を中心とする詳細構成図、図３は四重極イオンレンズ５をイオン入射側から見た平面図である。
【００２０】
四重極イオンレンズ５は、イオン光軸Ｃの周囲にそれぞれ分離された四本の仮想的ロッド電極５１〜５４を備えており、各仮想的ロッド電極５１〜５４は光軸Ｃ方向に互いに分離された多数枚（この例では５枚）の円形状金属板が所定間隔を隔てて立設された構造となっている。各電極板５１１〜５１５、５２１〜５２５、５３１〜５３５、５４１〜５４５はイオン進行方向に進むに従ってイオン光軸Ｃに近接するように配置されており、上記電極板で囲まれるイオン通過空間は徐々に狭くなっている。電極板の径はイオン光軸Ｃからの離間距離に依存して所定の計算式を基に決まっているため、イオンの進行方向に伴いその径は小さくなる。各電極板群の包絡線が仮想的ロッド電極５１〜５４を形成している。
【００２１】
図２では、イオン光軸Ｃを挟んで対向する一組の仮想的ロッド電極５１、５２のみを示している。第１電圧発生部１２は直流電圧発生部と高周波電圧発生部とを含んで構成されており、制御部１５からの指示に応じてそれぞれ直流電圧Ｘと高周波電圧Ｙ・ｃｏｓθｔ（以下「高周波電圧Ｙ」という）を発生させる。各電極板５２１〜５２５には、第１電圧発生部１２、抵抗Ｒ１〜Ｒ４、コンデンサＣ１〜Ｃ５によって、イオンの進行方向（図２では右方向）に進むに伴い電圧が階段状に下がる直流電圧と共通の高周波電圧Ｙとが重畳された電圧が印加される。図３に示すように、イオン光軸Ｃを挟んで電極板５２１〜５２５と対向する電極板５１１〜５１５にも同様の電圧（例えば電極板５１１に対しては電圧Ｘ＋Ｙ）が印加され、他の一組の電極板５３１〜５３５、５４１〜５４５には、同一平面内に存在する電極板と同一振幅で極性が反転した電圧（例えば電極板５３１、５４１に対しては電圧−（Ｘ＋Ｙ））がそれぞれ印加される。
【００２２】
このような電圧によって四重極イオンレンズ５のイオン通過空間内には、四重極質量フィルタ１０の軸方向の空間内と類似した所定の電界が形成される。そのため、脱溶媒パイプ３を介して前段のイオン化室１から第１中間真空室４内に吸引されたイオンは、上記電界の作用により所定周期で振動しながら進む。その振動周期は印加電圧により変わるから、電圧Ｘ（又はＸ、Ｙ共）を適宜に調節することにより特定質量数を有するイオンを選択的に後方焦点位置Ｆに収束させることができる。スキマー６のオリフィスは後方焦点位置Ｆ近傍に設けられているため、後方焦点位置Ｆ近傍に収束されたイオンのみがオリフィスを通過して第２中間真空室７へと導入され、それ以外のイオンはオリフィスを通過せずに排気される。なお、この実施例のようにイオン通過空間をイオンの進行方向に向かって狭くしてゆくことにより、イオンの収束効率が高くなり、より多くのイオンを第２中間真空室７に送り込むことができる。
【００２３】
第２電圧発生部１３は多重極レンズ８に対し、高周波電圧と直流電圧とを重畳した電圧を印加する。このときの直流電圧は３０〜２００Ｖと、通常の（つまり衝突活性化解離でない）分析を行う場合と比べて高くされている。これにより、第２中間真空室７に残留しているガス分子との衝突によってイオンは開裂し、フラグメントイオンを生成する。このときの開裂の態様は多重極レンズ８に印加される直流電圧の電圧値によって相違するから、この電圧を適宜に調整して所望の開裂が生じるようにするとよい。
【００２４】
このようにして生成されたフラグメントイオンを含む各種イオンは差圧によって分析室９内に導入され、先に述べたように四重極質量フィルタ１０の長軸方向の空間に導入される。第３電圧発生部１４は従来知られているように、四重極の隣接するロッド電極に対して極性が反転した直流電圧と高周波電圧とを重畳した電圧±（Ｕ＋Ｖｃｏｓωｔ）を印加する。
【００２５】
制御部１５は目的成分の分子イオンが選択されるように第１電圧発生部１２を制御し、その分子イオンの開裂によって生じる可能性のある各種フラグメントイオンの質量数が含まれるように質量走査を行うべく第３電圧発生部１４を制御する。このような制御を行うことにより、イオン化室１においてほぼ同時にイオン化される目的成分以外の不所望の成分の分子イオンが排除されるので、不要な情報を含まない、より正確な質量スペクトルを得ることができる。
【００２６】
なお、本実施例による質量分析装置では、四重極イオンレンズ５及び多重極レンズ８に印加する電圧を変更することにより、上述したような衝突活性化解離分析と通常の分析とを短時間で切り替えることができる。そこで、適宜に電圧を制御することにより、一回の質量走査毎に衝突活性化解離分析と通常分析とを交互に実行したり、或いは衝突活性化解離分析であっても開裂の態様を変えて異なる質量スペクトルを取得したりすることができる。
【００２７】
なお、上記実施例は一例であって、本発明の趣旨の範囲で適宜に変更や修正を行えることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例によるエレクトロスプレイ質量分析装置の概略構成図。
【図２】本実施例の質量分析装置における第１中間真空室及び第２中間真空室を中心とする詳細構成図。
【図３】本実施例の質量分析装置において四重極イオンレンズをイオン入射側から見た平面図。
【符号の説明】
１…イオン化室
２…ノズル
３…脱溶媒パイプ
４…第１中間真空室
５…四重極イオンレンズ
５１、５２、５３、５４…仮想的ロッド電極
５１１〜５１５、５２１〜５２５、５３１〜５３５、５４１〜５４５…電極板
６…スキマー
７…第２中間真空室
８…多重極レンズ
９…分析室
１０…四重極質量フィルタ
１１…イオン検出器
１２、１３、１４…電圧発生部
１５…制御部

Claims

略大気圧雰囲気にあるイオン化室と高真空雰囲気にあり質量分析器を備えた分析室との間に、それぞれ小孔を介して連通した複数の中間真空室を有して成る多段差動排気系の大気圧イオン化質量分析装置において、
a) 前記イオン化室の次段の低真空雰囲気に維持された第１中間真空室内に配設され、仮想的なロッド電極から成る第1の多重極レンズを備え、
b) 前記仮想的なロッド電極はイオン光軸方向に互いに分離された複数の電極板の包絡線から成り、
c) 該電極板に囲まれるイオン通過空間は、イオン進行方向に進むにしたがって徐々に狭くなるように構成され、
d) 該第１の多重極レンズの仮想的なロッド電極に対し、隣接電極間で極性が反転し且つ目的イオンの質量数に応じた電圧値を有する、直流電圧と高周波電圧とを重畳した電圧を印加する電圧印加手段を備え,
e) 中真空雰囲気に維持された、第１中間真空室の次段の第２中間真空室内に配設され、通過イオンの開裂を促進させるべく高周波電圧と直流電圧とを重畳した電圧が印加される第２の多重極レンズを備え、
かつ、第１中間真空室内の第１の多重極レンズにより目的イオンを選択し第２中間真空室内で該目的イオンの開裂を促進させ、それにより発生した各種イオンを質量分析器に導入することを特徴とする大気圧イオン化質量分析装置。