JP4254546B2

JP4254546B2 - 質量分析装置

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Publication number: JP4254546B2
Application number: JP2004003643A
Authority: JP
Inventors: 貞夫竹内; 高宏原田; 藤男井上
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2004-01-09
Filing date: 2004-01-09
Publication date: 2009-04-15
Anticipated expiration: 2024-01-09
Also published as: JP2005197141A

Description

本発明は、液体試料をイオン化して分析を行う、高い検出感度を有する質量分析装置に関する。このような高感度装置は、精密な分析が要求される、ゲノム創薬、薬物動態試験、医薬品の研究開発、環境中の微量成分分析等に使用される。

質量分析装置では、イオン化部において試料のイオン化を行い、イオン化された試料を質量分析部に取り込んだ後、四重極質量フィルタ等の質量分析器により質量数（［質量］／［電荷数］）に応じて各種イオンを分離・検出することにより試料の分析を行う。

液体クロマトグラフなどから得られた液体試料のイオン化を行う方法として、大気圧下のイオン化室内に該液体試料を静電噴霧する方法（エレクトロスプレーイオン化法(ESI法)）や、大気圧下のイオン化室内に噴霧された液滴とコロナ放電で生じたキャリアガスイオンとを反応させて試料をイオン化する方法（大気圧化学イオン化法(APCI法)）などがある。

ESI法では、液体試料の噴霧を行うノズルの先端部より大気圧下のイオン化室内に液体試料を噴霧して液滴を形成する際に、ノズルの先端部に設けた電極と、質量分析部の入口又はイオン化室の隔壁等の対向電極との間に高電圧を印加し、この電圧により試料液滴に偏った電荷を付与する。

この帯電液滴は、イオン化室の雰囲気ガスとの摩擦による剪断力と溶媒の蒸発によって微粒化され、質量分析部の入口オリフィスより、真空下にある質量分析部に取り込まれる。取り込まれた帯電液滴は、入口オリフィス直後の脱溶媒部により加熱され、溶媒が除去されることにより、ガス相の試料成分によるイオンが発生する。ここで、脱溶媒が不十分で、溶媒が試料に付加した状態では、質量分析器で試料成分の検出が行われないため、質量分析部に液滴が取り込まれるまでにこの液滴をできるだけ微粒化することが望ましい。

液滴を微粒化する方法の一つとして、二重管構造となったノズルから、窒素等のネブライズガスを噴出させつつ液体試料を噴霧して、試料液滴を形成する方法がある（特許文献１参照）。図１は、ESI法において用いられるノズル（エレクトロスプレー１０）の一例（断面図）であって、このエレクトロスプレー１０は、外側のネブライズガスガイド１５と内側の噴霧キャピラリー１１の二重管構造となっている。試料液滴の形成の際は、噴霧キャピラリー１１に並行した流路（噴霧キャピラリー１１とネブライズガスガイド１５の間の流路）にネブライズガスが送給され、噴霧キャピラリー１１の中心孔１３の先端の液滴噴霧口１４近傍にガスが噴出される。このように液滴の形成の際にネブライズガスを噴出させることにより、ネブライズガスの剪断力により生成した液滴が更に、高いガス圧力で前方へ押し出され、雰囲気ガスの抵抗を受けながらイオン化室内を飛行する。これにより、液滴の***が進むとともに、液滴からの溶媒の蒸発が促進され、微粒化した液滴が形成される。
噴霧キャピラリー１１の先端部は金属電極１２とされ、この電極１２に、対向電極１６に対して大きな電位差が与えられることにより、試料液滴は帯電することとなる（図２）。

液滴を微粒化する別の方法として、エレクトロスプレーから液体試料を噴霧して試料液滴を形成し、噴霧された液滴群（ミスト）の方向と別方向から、加熱されたガスを噴出させ、ミストの流れと加熱されたガスとを交差させることにより、液滴を加熱する方法がある（特許文献２参照）。この方法では、ミストが、ミストの流れと別方向から噴出されたガスで加熱されることにより、液滴からの溶媒の蒸発が促進され、液滴が微粒化されることとなる。

米国特許第４８６１９８８号明細書米国特許第５４１２２０８号明細書

特許文献１の方法を用いることにより、液滴を微粒化することは可能ではある。しかし、この方法では、電荷密度の高い微細な帯電液滴も形成されるが、それだけでなく、電荷密度の低いミクロンオーダーの大きな粒径を有する液滴も形成される。そのように大きな粒径を有する液滴は、質量が大きすぎて、電界や磁界などによりその運動を制御することが困難であって、このような液滴が質量分析装置の入口オリフィスから取り込まれた場合は、脱溶媒が不十分になり、質量分析部において質量分離されないまま検出部に到達し、ランダムノイズとして検出されることとなる。また、そのような大きな粒径の液滴の取り込みにより、質量分析部の入口オリフィス近傍が冷却され、それにより、複数個の分子や原子が結合したクラスターが形成される場合がある。質量の大きなクラスターは、大きな粒径を有する液滴と同様、質量分析部において質量分離を行うことができない。
以上のことから、特許文献１の方法では、入口オリフィス直後に設けられた脱溶媒部において高い温度での加熱が必要であり、これ無しでは高い感度で試料の分析を行うことが困難である。

特許文献２の方法では、ミストの運動方向と加熱ガスの運動方向を交差させるが、加熱ガスとの交差により、ミストの運動方向が変化する。このため、加熱ガスの噴出速度等を考慮した上で、質量分析部の取り込み口から効率よく液滴の取り込みが行われるように液体試料の噴霧方向を予め設定しなければならないが、その方向の調整は困難である。
また、加熱ガスが液滴と交差する短時間の間に加熱を行って溶媒を蒸発させるため、加熱ガスの温度を数百度と非常に高温にする必要がある。そのため、タンパク質のような熱に弱い試料の場合には、この方法を適用するのは困難である。

本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、液体試料をイオン化室に噴霧することにより形成される液滴の帯電効率を向上させるとともに、液滴を十分微粒化することにより、質量分析装置の検出感度を高めることにある。

上記課題を解決するために成された本発明に係る装置は、ノズル先端部に達した液体試料に電荷を付与しつつ、該液体試料を略大気圧下に噴霧することにより、該液体試料中の成分をイオン化するエレクトロスプレーを備える質量分析装置において、該エレクトロスプレーが、上記ノズル内に該液体試料を導入する手段と、該液体試料が該ノズル内をその壁面の略全周に沿って流れるように該ノズル内に噴霧ガスを送給する手段とを備えることを特徴とする。

本発明に係る質量分析装置のエレクトロスプレーでは、ノズルの先端部より液体試料を噴霧する際は、ノズル内に液体試料を導入する手段、及び該ノズル内に噴霧ガスを送給する手段により、液体試料とともに噴霧ガスをノズル内に流し、液体試料が、ノズル内壁面の略全周に沿った状態で（中空円筒状に）ノズル先端部まで流れるようにする。
このような状態で液体試料がノズル内を流れるようにすることにより、ノズル先端部に設けられた電極の内壁と、液体試料の単位体積当たりの接触面積は大きくなり、液滴の帯電効率が向上する。また、少量の液体試料から液滴が形成されることとなるため、液滴は従来に比べて微粒化されやすい。

ここで、液体試料が該ノズル内壁面の略全周に沿って流れるようにするには、液体試料とともにノズルに流す噴霧ガスの流量は、液体試料の流量と比べて十分大きなもの、例えば10〜3000倍としなければならない。噴霧ガスの流量は、ノズルの内径、液体試料の溶媒の種類や表面張力、液体試料の流量等に応じて適宜設定する必要があるが、ノズルの内径が大きい場合や、液体試料の溶媒の表面張力や粘度が大きい場合、液体試料の流量が大きい場合等には、より大きな流量のガスを流す必要がある。
また、ノズル内を流れる液体試料の厚さを均一として、液滴の帯電が均一に行われるようにするために、噴霧ガスはノズルの略中心を流れるようにすることが望ましい。
なお、液体試料とともにノズルに流す噴霧ガスとしては、例えばほとんどの試料に対して不活性な窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスなどの不活性ガスや、酸素ガス、空気など、液体試料に対して不活性なものであれば、その種類は特に問わない。

ここで、上記のノズルは、外管であるネブライズガスガイドと内管である噴霧キャピラリーから成る二重管構造とするのが望ましい。この場合、噴霧キャピラリー内に液体試料と噴霧ガスが送給され、噴霧キャピラリーとネブライズガスガイドの間の空間に窒素等のネブライズガスが送給される。液滴形成時に、液滴噴出口の周囲からネブライズガスを流すことにより、ネブライズガスを用いない場合に比べて、より微粒化された液滴を形成することができる。また、ネブライズガスを用いることにより、試料噴霧口に生成する液体試料の液塊がノズルの外壁面を逆行するのを防止することも可能となる。なお、ネブライズガスの流量は、ノズルの内径、液体試料の溶媒の種類や表面張力などを考慮して、液体試料の流量の10〜3000倍の範囲で適宜選択される。

噴霧キャピラリーの先端部形状は、図３のように液滴噴霧口を頂点とするテーパ状とするのが望ましい。このような形状とすることにより、ネブライズガスの流れを液滴噴霧口方向に集めることが可能となり、先端部形状をテーパ状としない場合と比べて更に微粒化された液滴を形成することができる。

二重管構造とされた噴霧キャピラリーの先端部形状は従来通りの直角形状にして、ネブライズガスガイドの先端部形状を図４のように液滴噴霧口を頂点とするテーパ状としてもよい。このような構造とした場合も、ネブライズガスの流れを液滴噴霧口方向に集めることが可能であり、先端部形状をテーパ状としない場合と比べて更に微粒化された液滴を形成することができる。

なお、本発明に係る装置においては、内径が約0.1mm程度の通常のノズルを使用し、送液される液体試料の流量が0.1〜0.2mL/min程度である場合は、液体試料が鉛直上方向、下方向、水平等の任意の方向に送液されるようにエレクトロスプレーを設置することができる。しかし、生体試料の微量分析を行う場合のように、0.1mL/min以下と送液流量が少ない場合には、ノズルを流れる液体試料の厚さが薄くなり、表面張力の影響により液が塊になりやすくなる。このため、この場合は液体試料が鉛直上方向又は下方向に送液されるようにエレクトロスプレーを設置することが望ましい。これにより、ノズルの周方向のどのような位置においても液の厚さが略均一になり、試料の微細化及び帯電が均一に行われるようになる。

本発明に係る質量分析装置によれば、従来の装置に比べて試料液滴の帯電効率を向上させ、また、液滴を微粒化することが可能であるため、イオンの生成効率が向上し、従来に比べて高感度の質量分析を行うことができる。
また、試料液滴はイオン化室において十分微粒化されるため、質量分析部の入口オリフィス直後に設けられた脱溶媒部の温度を下げることが可能である。従って、本発明に係る装置は、タンパク質のような熱に不安定な試料の測定に好適に用いることができる。
試料液滴を更に微粒化する目的で、質量分析部の取り込み口から加熱ガスを噴出させるような場合にも、加熱ガスの温度を下げることが可能になると共に、従来よりも少ない加熱ガス流量で微粒化を行うことが可能になるため、装置のランニングコストを下げることも可能である。

図５は、本発明を実施した四重極型質量分析装置の概略構成図である。質量分析装置２０は、イオン化部３０、質量分析部４０、並びにこれら各部及びその構成要素の動作を制御する制御部（図示せず）等から成る。イオン化部３０は、イオン化室３１及びその中に備えられたエレクトロスプレー１０等から成る。質量分析部４０は、第１中間室４１、第２中間室４２、及び検出室４３から成る。第１中間室４１には第１イオンレンズ４４が、第２中間室４２には第２イオンレンズ４５が、そして、検出室４３には四重極フィルタ４６と検出器４７が備えられる。イオン化室３１内の圧力は略大気圧とされ、第１中間室４１、第２中間室４２の順に室内の真空度が高められ、検出室４３内は高真空状態とされる。

イオン化室３１では、液体クロマトグラフ等から供給される液体試料が、エレクトロスプレー１０から噴霧されることでイオン化される。このイオンは圧力差により対向電極である入口オリフィス（兼脱溶媒部）１６から第１中間室４１に吸引され、第１イオンレンズ４４により収束・加速された後、同様に圧力差により第２中間室４２に吸引される。ここでも同様に、試料イオンは第２イオンレンズ４５により収束され、検出室４３に送られる。検出室４３では、四重極フィルタ４６の各ロッドに印加されたRF電圧及び直流電圧により、所定の質量数のイオンのみが四重極フィルタ４６の通過を許され、検出器４７により検出される。

試料溶液の噴霧が行われる際は、エレクトロスプレー１０では、液体クロマトグラフ等から供給される液体試料が、ノズル内に液体試料を導入する手段としての液体試料導入管１７を経て、ノズル内に噴霧ガスを送給する手段としてのガス供給装置１８から送給された乾燥窒素ガス等とともに、噴霧キャピラリー１１に送られる。試料溶液における溶媒には、例えば液体クロマトグラフ等で汎用される水/アセトニトリル混合液や水/エタノール混合液などが使用されるが、こうした溶媒の種類や粘度、表面張力、ノズル径などを考慮して、噴霧ガスの流量は、例えば、液体試料の流量の10〜3000倍と十分大きくなるように設定する。乾燥窒素ガス等とともに噴霧キャピラリー１１に送られた液体試料は、ノズル内壁面の略全周に沿った中空円筒状で液滴噴霧口１４まで流れることとなる。

このような状態でノズル内を流れる液体試料は、噴霧キャピラリー１１の先端部に設けられた電極１２の内壁と、液体試料の単位体積当たりの接触面積が大きくなるため、形成される液滴の帯電効率が向上する。
また、噴霧キャピラリー１１の先端部形状が液滴噴霧口１４を頂点とするテーパ状とされた場合や、ネブライズガスガイドの先端部形状が、液滴噴霧口１４を頂点とするテーパ状とされた場合には、ネブライズガスの流れが液滴噴霧口１４の方向に集められるため、形成される液滴は十分に微粒化される。
以上のように液体試料の噴霧を行うことにより、試料のイオン化が促進され、従来の質量分析装置に比べて高感度の分析を行うことができるようになる。

ネブライズガス噴出機構を備えるエレクトロスプレーの液滴噴霧口周辺の断面図。帯電した試料液滴が形成される様子を示した図。噴霧キャピラリーの先端部形状が、液滴噴霧口を頂点とするテーパ状であるエレクトロスプレーの液滴噴霧口周辺の断面図。ネブライズガスガイドの先端部形状が、液滴噴霧口を頂点とするテーパ状であるエレクトロスプレーの液滴噴霧口周辺の断面図。本発明を実施した四重極型質量分析装置の概略構成図。

符号の説明

１０…エレクトロスプレー
１１…噴霧キャピラリー
１２…電極
１３…中心孔
１４…液滴噴霧口
１５…ネブライズガスガイド
１６…対向電極（入口オリフィス兼脱溶媒部）
１７…液体試料導入管
１８…ガス供給装置
２０…質量分析装置
３０…イオン化部
３１…イオン化室
４０…質量分析部
４１…第１中間室
４２…第２中間室
４３…検出室
４４…第１イオンレンズ
４５…第２イオンレンズ
４６…四重極フィルタ
４７…検出器

Claims

ノズル先端部に達した液体試料に電荷を付与しつつ、該液体試料を略大気圧下に噴霧することにより、該液体試料中の成分をイオン化するエレクトロスプレーを備える質量分析装置において、該エレクトロスプレーが、上記ノズル内に該液体試料を導入する手段と、該液体試料が該ノズル内をその壁面の略全周に沿って流れるように該ノズル内に噴霧ガスを送給する手段とを備えることを特徴とする質量分析装置。
上記エレクトロスプレーが、上記ノズルに並行した流路よりネブライズガスを該ノズルの先端部の液滴噴霧口近傍に噴出させる手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
上記ノズルが、外管であるネブライズガスガイドと内管である噴霧キャピラリーから成る二重管構造を有し、該噴霧キャピラリー内に上記液体試料と上記噴霧ガスが送給され、該噴霧キャピラリーと該ネブライズガスガイドの間の空間に上記ネブライズガスが送給されることを特徴とする請求項２に記載の質量分析装置。
上記噴霧キャピラリーの先端部形状を、上記液滴噴霧口を頂点とするテーパ状としたことを特徴とする請求項２又は３に記載の質量分析装置。
上記ネブライズガスガイドの先端部形状を、上記液滴噴霧口を頂点とするテーパ状としたことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の質量分析装置。
上記液体試料が鉛直上方向又は下方向に送液されるように上記エレクトロスプレーを設置したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の質量分析装置。