JP3808482B2 - イオン源、質量分析方法及び質量分析計 - Google Patents

Description

本発明は、例えば糖やペプチド，蛋白質等の生体関連の混合試料の分離分析に用いられる、液体クロマトグラフと質量分析計とを結合した装置、すなわち液体クロマトグラフ・質量分析計に関する。

現在、分析の分野では、生体関連物質の質量分析法の開発が重要視されている。生体関連物質は通常混合物として溶液中に溶け込んでいるため、混合物を分離する手段と質量分析計とを結合する装置の開発が進められている。この方法の代表的な装置として、液体クロマトグラフ・質量分析計（以下、ＬＣ／ＭＳと略する）がある。液体クロマトグラフ（以下、ＬＣと略する）は混合物の分離に優れるが物質の同定ができず、一方質量分析計（以下、ＭＳと略する）は感度も高く物質の同定能力に優れるが混合物の分析は困難である。そこで、ＬＣの検出器としてＭＳを用いるＬＣ／ＭＳは、混合物の分析に対して大変有効である。

図８により、アナリティカル・ケミストリー，１９８８年，第６０巻，７７４頁〔Analytical Chemistry, 60, 774 (1988)〕に記載されている従来の大気圧化学イオン化法を用いたＬＣ／ＭＳについて説明する。

ＬＣから溶出してくる試料溶液は配管１，コネクタ２を介して金属管３に導入される。金属管３は金属ブロック４ａに埋め込まれている。金属ブロック４ａをヒーターなどの加熱手段により加熱することにより、金属管３に導入された試料溶液を噴霧する。噴霧により生成された微小な液滴は加熱された金属ブロック４ｂにより構成される気化部５へと導入される。気化部５において気化された試料分子はイオン化部６へと導入される。イオン化部６には針状電極７が設けられている。この針状電極７に高圧電源８ａにより数kVの高電圧を印加することにより、イオン化部６にコロナ放電を発生させる。

大気圧化学イオン化法は、Ａを分析対象とする試料分子とし、Ｂを反応ガスの分子とすると主に以下のプロトン付加反応又はプロトン脱離反応によって試料分子Ａに関するイオンを生成する。

Ａ＋ＢＨ+→ＡＨ+＋Ｂ （プロトン付加反応）
Ａ＋Ｂ^-→（Ａ−Ｈ)^-＋ＢＨ （プロトン脱離反応）
従って、図８に示した従来技術では、大気中でコロナ放電を起こすことによってヒドロニウムイオン（Ｈ₃Ｏ+）を生成し、それと試料分子Ａとの以下の反応を利用して試料Ａに関するイオンＡＨ+ を生成する。

Ａ＋Ｈ₃Ｏ+→ＡＨ+＋Ｈ₂Ｏ
イオン化部６において、以上に示した反応に代表される化学反応により生成された試料に関するイオンは、イオン導入細孔９ａ，排気系１０ａにより排気された差動排気部１１，イオン導入細孔９ｂを通して、排気系１０ｂにより高真空に排気された高真空部１２に導入される。真空中に導入されたイオンは質量分析部１３で質量分析される。

アナリティカル・ケミストリー、１９８８年、第６０巻、７７４頁〔Analytical Chemistry, 60, 774 (1988)〕

ＭＳ以外の検出器、例えば紫外線の吸光度の変化により試料を検出する紫外吸光検出器を有するＬＣでは、分離能力や試料の溶出時間の再現性を向上させるために、難揮発性塩を含む移動相溶媒を用いる場合がある。しかしながら、ＬＣ／ＭＳに難揮発性塩を含む移動相溶媒を用いると、この塩がイオンを大気中から真空中へと導入するためのイオン導入細孔の周辺に析出し、イオン導入細孔を閉塞させてしまう。このため、ＬＣ／ＭＳにおいて、難揮発性塩を含む移動相溶媒は使用が困難であり、ＬＣの高い分離能力を十分に活かした分析ができなかった。
このような理由により、移動相溶媒中の不揮発性塩の影響を受けにくく、ＬＣの高い分離能力を十分に活用できるＬＣ／ＭＳが求められている。

本発明の目的は、従来のＬＣ／ＭＳでは使用が困難であった難揮発性塩を含む移動相溶媒を使用可能とすることにある。

本発明においては、ＬＣから送られて来る試料溶液を静電噴霧法により霧化し、得られた液滴を気化して得られるガス状の試料分子を化学反応によりイオン化し、この試料分子に関するイオンをＭＳで分析することにより前記目的を達成する。

図１は、本発明のＬＣ／ＭＳの構成を示す概略図である。ＬＣ１４で分離された試料は移動相溶媒とともに静電噴霧部１５にて噴霧される。噴霧により得られた液滴は気化部５において気化が促進される。気化部５で生成されたガス状の試料分子はイオン化部６において化学反応によりイオン化される。イオン化部６で生成された試料に関するイオンは、イオン導入細孔９ａ、排気系により排気された差動排気部１１、イオン導入細孔を通して９ｂ、排気系により排気された高真空部１２に導入される。真空中に導入されたイオンは質量分析部１３で質量分析される。

イオン化部６は差動排気部１１に設けてもよい。差動排気部１１は数パスカルから数百パスカルの圧力を有しており、試料分子と反応ガスとの衝突が生じるため化学反応によってイオンを生成することができる。また、気化部５において、加熱した金属ブロックや赤外線照射等の気化手段を用いることができる。

ＬＣから送られて来る移動相溶媒を静電噴霧するので、溶媒中で解離しイオンとなっている塩は噴霧するだけでガス状のイオンに変換されてしまう。このため、塩に由来するイオンは気化部を構成する金属ブロックに捕獲されるか、あるいはイオン化部に設けられた針状電極に印加される電位により軌道を曲げられるため、イオン導入細孔まで到達できない。従って、難揮発性塩を含む移動相溶媒を用いても、塩がイオン導入細孔の周辺に析出することはなく、イオン導入細孔を閉塞させる恐れもない。以上の理由により、本発明のＬＣ／ＭＳは従来では使用が困難であった難揮発性塩を含む移動相溶媒を使用することができる。

本発明によれば、従来のＬＣ／ＭＳにおいて使用が困難であった難揮発性塩を含む移動相溶媒を使用することが可能となる。このため、ＬＣの高い分離能力を十分に活用でき、ＬＣ／ＭＳの適応範囲が拡がり、より多くの物質の分析が可能となる。

図２は、図１に示した構成のより詳細な構造を示す図である。ＬＣから溶出してくる試料溶液は配管１，コネクタ２を介して金属管３に導入される。金属管３と金属ブロック４ｂとの間に高圧電源８ｂにより数kVの電圧を印加することにより、試料溶液を静電噴霧させる。噴霧により生成された微小な液滴は加熱された金属ブロック４ｂにより構成される気化部５へと導入される。金属ブロック４ｂはヒーター（図示略）により約３００℃程度に加熱されている。噴霧により生成された液滴は、金属ブロック４ｂの開口部を通過する間に、熱により気化される。

気化部５において気化された試料分子はイオン化部６へと導入される。イオン化部６には針状電極７が設けられている。この針状電極７に高圧電源８ａにより数kVの高電圧を印加することにより、イオン化部６にコロナ放電を発生させる。
液滴の気化により得られたガス状の試料分子がコロナ放電部分に到達すると、コロナ放電により生成されたヒドロニウムイオンなどの一次イオンと化学反応を起こし、試料分子のイオン化が達成される。この時、溶媒中の難揮発性塩は解離しイオンとなっているため、静電噴霧するだけでガス状のイオンに変換されてしまう。

塩に由来するイオンは気化部５を構成する金属ブロック４ｂに捕獲されるか、あるいはイオン化部６に設けられた針状電極７に印加される電位により軌道を曲げられるため、イオン導入細孔９ａまで到達できない。従って、難揮発性塩を含む移動相溶媒を用いても、塩がイオン導入細孔９ａの周辺に析出することはなく、イオン導入細孔９ａを閉塞させる恐れもない。従って、本発明のＬＣ／ＭＳは従来では使用が困難であった難揮発性塩を含む移動相溶媒を使用することができ、ＬＣの分離能力を十分に活かしたＬＣ／ＭＳ分析が可能となる。

ＬＣから送られてくる溶液の流量が大きく、安定に静電噴霧を持続することが困難である場合には、図２に示したように、スプリッタ１６を設け、溶液の一部だけを金属管３に導入しても良い。また、同じく図２に示したように、金属管３の外部から噴霧用ガス１７を流し、静電噴霧を補助しても良い。

ＬＣから送られてくる溶液の流量が少なく安定に静電噴霧を持続することが困難である場合、あるいは溶液の粘性や電気伝導率が高過ぎて安定に静電噴霧を持続することが困難である場合には、やはり図２に示したように、金属管３の外部から噴霧補助溶液１８を流してＬＣから送られてくる溶液と混合することにより、流量，粘性，電気伝導度などの条件を安定に静電噴霧を持続できる条件に合わせてもよい。

金属管３の先端は、図３に示すように、気化部６の中に設けても良い。また、同じく図３に示すように、溶液を金属ブロック４ｂに向けて直接噴霧してもよい。試料溶液は金属管３と金属ブロック４ｂとの間に高圧電源８ｂから印加される高電圧によって静電噴霧される。金属管３と金属ブロック４ｂとの間の絶縁は絶縁管１９により行う。溶液の沸点より高い温度に加熱された金属ブロック４ｂに吹き付けられた液滴は瞬時に気化し、ガス状の試料分子が得られる。試料分子がコロナ放電部分に到達すると、コロナ放電により生成されたヒドロニウムイオンなどの一次イオンと化学反応を起こし、試料分子のイオン化が達成される。試料分子に関するイオンはイオン導入細孔９ａ、排気系１０ａによって数十Ｐａから数百Ｐａ程度に排気された差動排気部１１を介して排気系１０ｂによって１０^-3Ｐａ程度に排気された高真空部１２に取り込まれ、質量分析部１３よって質量分析される。

試料分子のイオン化部への到達効率を高めるため、図３に示したように、金属ブロック４ｂ内部に傾斜壁を設けてその傾斜壁に向けて斜め方向から静電噴霧し、かつイオン化部に向けて窒素などのガス２０を流しても良い。このガス２０は予め室温以上に加熱されていることが望ましい。

また、図２に示した構成において、静電噴霧で大きな液滴が生成されてしまうと、加熱金属ブロック４ｂによる気化部５では完全に気化できず、針状電極７によってコロナ放電が発生しているイオン化部６に液滴のまま到達する場合がある。液滴がコロナの生じている部分に到達すると、針状電極７とイオン導入細孔９ａとを短絡させ、高圧電源８ａ等を故障させる可能性がある。

これを防ぐためには、図４に示すように、金属管３の末端と針状電極７によりコロナ放電が発生しているイオン化部６とを遮蔽するように電極２１ａを配置し、その電極２１ａに向けて静電噴霧させても良い。この場合、液滴の気化効率を上げるため、電極２１ａはヒーター２２ａにより加熱されていることが望ましい。図４に示した構成により、ガス状の分子だけがイオン化部６に運ばれイオン化されるため、液滴が針状電極７に付着することによる短絡が回避される。図４において、電極２１ａの形状は板状のものだけではなく、メッシュであっても良い。試料分子のイオン化部６への到達効率を上げるため、図３と同様に、イオン化部６に向けてガス２０を流しても良い。

図２から図４に示した実施例では、液滴の気化の手段に加熱した金属ブロックを用いる構成を示したが、液滴の気化には赤外線を照射する方法などを用いてもよい。

図５に、気化手段に赤外線の照射を用いる実施例を示す。試料溶液は金属管３とメッシュ２３ａとの間に印加される電圧により静電噴霧される。このメッシュ２３ａは加熱されていることが望ましい。噴霧により得られた液滴は、気化部５へと送られる。気化部５では、電源２４に接続されたヒーター２２ｂから放射される赤外線を液滴に照射し、液滴を気化させる。液滴がヒーター２２ｂに直接当たることによりヒーター２２ｂの劣化が起こる場合には、ヒーター２２ｂを保護するためのガラス管２５をヒーター２２ｂの内側に設けてもよい。液滴の気化の効率を向上させるため、噴霧用ガス１７中の水蒸気は除去されていることが望ましい。また、噴霧用ガス１７は室温以上に加熱されていることが望ましい。気化部５において得られたガス状の試料分子は、針状電極７によるコロナ放電でヒドロニウムイオン等が生成されているイオン化部６においてイオン化される。

図２から図５に示した構造により、ＬＣ／ＭＳにおいて難揮発性の塩を含む移動相溶媒を使用することが可能であるが、極めて高濃度の塩を使用する場合や分析に長時間を要する場合には、図６に示すように、イオン導入細孔９ａの中心軸と垂直の方向に噴霧させても良い。金属管３に導入された試料溶液は、対向する電極２１ｂに向けて噴霧される。この電極２１ｂは溶液の沸点以上に加熱されていることが望ましい。

難揮発性塩はこの電極２１ｂ上に析出する。揮発性のある試料分子は気化し、加熱された金属ブロック４ｂを介してイオン化部６へと導入される。試料分子のイオン化部６への到達効率を向上させるため、送気口２６を設け乾燥窒素などのガス２０をイオン化部６の方向へ流しても良い。このガス２０は加熱されていることが望ましい。また、排気口２７を設け、排気口から気体を外部に排気することにより、溶液の噴霧される部分からイオン化部６の方向の気流を発生させ、試料分子を効率良くイオン化部６まで導入しても良い。

図６では溶液を噴霧する方法として静電噴霧法を記載したが、イオン導入細孔９ａの中心軸と垂直の方向に噴霧させる場合には、静電噴霧以外の噴霧方法、例えば加熱噴霧や超音波噴霧などを用いても良い。

また、図６に示した構造では、難揮発性塩は電極２１ｂ上に析出するため、この電極２１ｂだけを取り外しクリーニングすることにより、容易にメンテナンスを行うことができる。

図７は、図６に示した対向電極２１ｂの代わりにメッシュ２３ｂに向けて噴霧する構成を示す図である。このメッシュ２３ｂは加熱されていることが望ましい。メッシュ２３ｂの背部に受け皿２８を設けておくことができ、受け皿２８を交換することにより簡便にメンテナンスが行えるほか、受け皿２８に溜った溶液を分取し、質量分析法以外の分析手法、例えば蛍光や発光による分析法や免疫学的分析法などを行うことができる。

本発明による質量分析計の構成を示す概略図。 本発明の一実施例の説明図。 金属管の先端を気化部の中に設け、かつ金属ブロックに向けて試料溶液を直接吹き付ける実施例を示す図。 大きな液滴が飛翔しイオン化部に到達することを妨げるための遮蔽板を設けた実施例を示す図。 気化部の気化方法に赤外線の照射を用いる実施例を示す図。 イオン導入細孔の中心軸と垂直の方向に噴霧する実施例を示す図。 液滴を溜める受け皿を用いる実施例を示す図。 従来の大気圧化学イオン化法を用いる液体クロマトグラフ・質量分析計の構成を示す図。

符号の説明

１…配管、２…コネクタ、３…金属管、４ａ，４ｂ…金属ブロック、５…気化部、６…イオン化部、７…針状電極、８ａ、８ｂ…高圧電源、９ａ、９ｂ…イオン導入細孔、１０ａ、１０ｂ…排気系、１１…差動排気部、１２…高真空部、１３…質量分析部、１４…液体クロマトグラフ、１５…静電噴霧部、１６…スプリッタ、１７…噴霧用ガス、１８…噴霧補助溶液、１９…絶縁管、２０…ガス、２１ａ、２１ｂ…電極、２２ａ、２２ｂ…ヒーター、２３ａ、２３ｂ…メッシュ、２４…電源、２５…ガラス管、２６…送気口、２７…排気口、２８…受け皿。

Claims (5)

1. 液体クロマトグラフから溶出された試料溶液が導入される金属管と、前記金属管との間に電圧を印加することにより前記試料溶液を静電噴霧させる金属ブロックと、電圧を印加することによりコロナ放電を発生させ前記試料溶液中の試料分子をイオン化する針状電極とを有することを特徴とするイオン源。
2. 液体クロマトグラフから溶出された試料溶液が導入される金属管と、前記金属管との間に電圧を印加することにより前記試料溶液を静電噴霧させるメッシュ電極と、電圧を印加することによりコロナ放電を発生させ前記試料溶液中の試料分子をイオン化する針状電極を具備するイオン化部とを有し、前記試料溶液が前記メッシュ電極に向けて静電噴霧され、前記メッシュ電極は前記金属管の末端と前記イオン化部とを遮蔽し、静電噴霧で生成される液滴が前記針状電極に付着することを回避することを特徴とするイオン源。
3. 溶液中の混合試料を分離する液体クロマトグラフから溶出された試料溶液を静電噴霧法により霧化する霧化工程と、該霧化工程で得られた液滴を気化させて得られるガス状の試料分子を化学反応によりイオン化するイオン化工程と、前記試料分子に関するイオンを質量分析する質量分析工程とを有することを特徴とする質量分析方法。
4. 溶液中の混合試料を分離する液体クロマトグラフから溶出された試料を含む溶液を静電噴霧法により霧化させる霧化工程と、該霧化工程で得られた液滴を気化する気化工程と、気化したガスが通過する通路に設けられた針状電極で放電を発生させ、前記通路を通過する前記試料のイオンを生成するイオン化工程と、該イオン化工程で生成された前記試料のイオンの質量分析をする質量分析工程とを有することを特徴とする質量分析方法。
5. 溶液中の試料を分離するための液体クロマトグラフと、
   該液体クロマトグラフで分離された試料を霧化しイオン化するためのイオン源と、
   該イオン源で生成されたイオンをイオン導入細孔を介して導入し質量分析するための質量分析手段からなる質量分析計であって、
   該イオン源は、試料を静電噴霧する静電噴霧部とコロナ放電を発生させる針状電極とを具備することを特徴とする質量分析計。

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