JP4581958B2 - 質量分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、質量分析装置に関し、特に分析対象であるイオンの解離分解及び発生した解離イオンの質量分析を行うことのできる質量分析装置に関する。

従来より、質量分析によって試料分子の構造情報を得るための手法として、ＭＳ／ＭＳ分析（又はＭＳ^ｎ分析）が知られている。一般的なＭＳ／ＭＳ分析では、まず分析対象物から目的とする特定の質量電荷比を有するイオンを前駆イオン（親イオン）として選別し、その選別した前駆イオンを衝突誘起解離（Collision-Induced Dissociation：ＣＩＤ）によって分解する。その後、解離分解によって生成した解離イオン（娘イオン）を質量分析することで、そのマススペクトルから目的とするイオン（前駆イオン）の分子構造についての情報を得ることができる。

ＣＩＤ法は、試料イオンを衝突部においてガス（標的ガス）と衝突させ、その衝突エネルギによって試料イオンを分解する手法である。ＭＳ／ＭＳ分析（又はＭＳ^ｎ分析）を行う装置としては、複数台の質量分析器を連結したものや、イオントラップによって特定イオンの捕捉と分解を行うもの等が知られており、前者においては各質量分析器の間に設けられたコリジョンセル（衝突室）が上記衝突部として用いられ、後者においてはイオントラップ内部の空間が衝突部として用いられる（特許文献１、特許文献２参照）。また、飛行時間型質量分析装置の場合には、フライトチューブ内の一部領域に衝突部が設けられる場合もある（特許文献３参照）。

衝突部としてコリジョンセルを用いるものの場合、コリジョンセル内に標的ガスを導入し、試料イオンがコリジョンセル内を通過する間に該試料イオンと標的ガスとを衝突させて試料イオンを分解する。衝突部としてイオントラップを利用するものの場合は、イオントラップに標的ガスを導入し、イオントラップ内部に形成された電場によりその中心に集められた特定の質量数範囲にあるイオンと前記標的ガスとを衝突させることにより、イオンの分解を行う。また、フライトチューブ内の一部領域を衝突部とする場合は、該衝突部を試料イオンが通過する間にイオンと標的ガスとを衝突させ、これによりイオンの分解を行う。

米国特許第４２３４７９１号明細書 特開２００２−１８４３４９号公報 米国特許第５２０２５６３号明細書 志田保夫ほか著「これならわかるマススペクトロメトリー」、化学同人、2001年

上記のような従来のＣＩＤによるイオンの分解を行う質量分析装置においては、衝突部に導入する標的ガスとして、アルゴンやヘリウム等の不活性ガス原子を用いるのが一般的である（非特許文献１参照）。しかし、このような不活性ガスを用いたＣＩＤでは標的ガスの質量が小さいため、分子量５０００Ｄａ程度以上の大きな分子を分離させることができず、このような分子の構造情報を得ることができなかった。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、分子量の大きな試料分子であってもＣＩＤによる分解を行うことのできる質量分析装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る質量分析装置は、試料をイオン化するイオン化部、試料イオンを質量分離する質量分離部、及び質量分離されたイオンを検出する検出部を有する質量分析装置において、a)前記イオン化部から質量分離部を経て検出部に至るまでのイオン経路上に設けられた衝突部と、b)所定の原子又は分子のクラスターを生成するクラスター生成手段と、c)前記クラスターを前記衝突部に導入するクラスター導入手段とを有することを特徴とする。

ここで、クラスターとは複数個の原子又は分子が弱い結合力で結合して成る集合体のことであり、その種類は特に限定されないが、典型的には、アルゴン等の希ガス原子を集合させて成る希ガスクラスターを用いることが望ましい。

また、上記クラスター生成手段としては、断熱膨張法によりクラスターの生成を行う従来既知のクラスター生成装置等を好適に用いることができる。

本発明における衝突部とは、ＣＩＤによるイオンの分解を行う領域であり、従来の質量分析装置において衝突部として用いられるものと同様の領域を本発明の衝突部とすることができる。例えば、従来より、複数台の質量分析器を連結し、各質量分析器の間にイオンと標的ガスとを衝突させるためのコリジョンセルを設けた空間型タンデム質量分析装置が知られている。このような質量分析装置に本発明を適用する場合には、前記コリジョンセルを本発明における衝突部とし、更に、クラスター生成手段及びクラスター導入手段を設けて該コリジョンセルにクラスターを導入する構成とする。また、イオントラップ型質量分析器等の一台の質量分析器でＭＳ／ＭＳ分析又はＭＳ^ｎ分析を行う時間型タンデム質量分析装置の場合、通常、イオントラップ内部の空間に標的ガスを導入し、イオントラップ内に捕捉されたイオンと該標的ガスとを衝突させることでイオンの分解を行っている。このような質量分析装置に本発明を適用する場合には、該イオントラップを本発明における衝突部とし、更に、クラスター生成手段及びクラスター導入手段を設けて該イオントラップにクラスターを導入する構成とする。

上記構成を有する本発明の質量分析装置は、ＣＩＤにおける標的ガスとして原子又は分子の集合体であるクラスターを使用するものであり、該クラスターは、従来の標的ガスよりもはるかに大きな質量数を持つため、入射した試料イオンの運動エネルギーを高い効率で該イオンの分解に用いることができる。これにより、従来の質量分析装置ではＣＩＤによる分解を行うことができなかった比較的大きな分子であっても分解することができ、その構造情報を得ることができる。

また、一般的にクラスターの結合エネルギーは通常の化学結合のエネルギーよりもはるかに小さいため、試料イオンと衝突することによってクラスターは質量数の小さい原子や分子に粉砕される。そのため、クラスターから生成した粒子が該試料イオンから得られる解離イオンスペクトル上の障害となるおそれは殆どない。

以下、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明する。

図１は、複数台の質量分析器を連結して成る空間型タンデム質量分析装置に本発明を適用した場合の構成例を示すものである。本実施例の質量分析装置は、質量分析器として四重極質量フィルタを用いたＭＳ／ＭＳ型質量分析装置であり、イオン源１０と、第１段四重極４０、第２段四重極５０、第３段四重極６０という３段の四重極、及び検出器２０が真空室（図示略）内に配設されている。また、第２段四重極５０にはその周囲を覆うようにコリジョンセル５１が設けられている。なお、これら各部の動作は、ＣＰＵを中心に構成される制御部（図示略）により制御される。

コリジョンセル５１にはクラスター生成装置３０が付設されている。クラスター生成装置３０は、ガス供給部３１から供給された原子又は分子の気体を真空槽内で断熱膨張法により冷却させ、スキマー３２によって切り出すことで、高強度のクラスタービームを生成する。生成されたクラスタービームは、クラスター導入孔５２からコリジョンセル５１内に導入される。

イオン源１０から発した各種イオンは、まず第１段四重極４０に導入され、特定質量数を有する目的イオンのみが選択されて第１段四重極４０を通過する（プリカーサ選択）。通過した目的イオンは前駆イオンとして第２段四重極５０内に導入されるが、コリジョンセル５１内にはクラスター生成装置３０で生成された原子又は分子のクラスター（例えばアルゴンクラスター）が導入されており、イオンはこのコリジョンセル５１内で該クラスターと衝突して分解する。生成された解離イオンは第３段四重極６０に導入され、ここで特定質量数を有する解離イオンのみが選択されて通過し、検出器２０に到達して検出される。

図２は、一台の質量分析器で目的イオンの捕捉・分解及び質量分析を行う時間型タンデム質量分析装置に本発明を適用する場合の構成例を示す概略図である。本実施例の時間型タンデム質量分析装置は、上記質量分析器としてイオントラップ型質量分析器を用いるものであり、イオン源１０、イオントラップ７０、検出器２０、及びクラスター生成装置３０が真空室（図示略）内に配設されている。イオントラップ７０は、１つのリング電極７１と２つの互いに対向するエンドキャップ電極７２、７３により構成されている。リング電極７１には高周波高電圧が印加され、リング電極７１と一対のエンドキャップ電極７２、７３とで囲まれる空間内に形成される四重極電場によってイオン捕捉空間７４を形成し、そこにイオンを捕捉する。一方、エンドキャップ電極７２、７３にはそのときの分析モードに応じて適宜の補助交流電圧が印加される。また、イオントラップ７０の内部には、イオン捕捉空間７４に捕捉されているイオンの分解を促進するために、クラスター生成装置３０で生成されたクラスターが導入され得るようになっている。なお、これらイオン源１０、イオントラップ７０、検出器２０、クラスター生成装置３０等の動作は、図示しない制御部により制御される。

上記構成の質量分析装置では、イオン源１０において試料がイオン化され、発生したイオンがイオントラップ７０の内部に導入される。イオントラップ７０では、リング電極７１及びエンドキャップ電極７２、７３により形成される電場によってプリカーサ選択を行い、目的イオンをイオン捕捉空間７４に捕捉する。その後にクラスター生成装置３０で生成されたクラスターをイオン捕捉空間７４に入射させ、前記目的イオンを共鳴励振によって加速して該クラスターに衝突させることによって該イオンを分解する。生成した解離イオンはイオントラップ７０によって質量分離され、検出器２０によって検出される。

図３は、本発明を空間型タンデム質量分析装置に適用した場合の別の構成例を示す概略図である。本実施例の空間型タンデム質量分析装置は、第１の質量分離部としてイオントラップ７０を、第２の質量分離部として飛行時間型質量分析器（以下、ＴＯＦＭＳ（=Time Of Flight Mass Spectrometer）という）８０を用いるものであり、イオン源１０、イオントラップ７０、及びＴＯＦＭＳ８０が真空室（図示略）内に配設され、更にイオントラップ７０にはクラスター生成装置３０が付設されている。これら各部の動作は、図示しない制御部により制御される。

イオン源１０から発した試料イオンは、イオントラップ７０内部に導入される。イオントラップ７０では、プリカーサ選択された目的イオンがトラップされると共に、クラスター生成装置３０で生成されたクラスターがイオン捕捉空間７４に導入され、ＣＩＤによるイオンの分解が行われる。続いて、十分に解離分解が行われた後に電極７１、７２、７３へ印加する電圧が変更され、イオントラップ７０内部にイオンを排出するような電場が形成されてイオンが放出される。イオントラップ７０から出たイオンはＴＯＦＭＳ８０の飛行空間８１を飛行し、その質量電荷比に応じた飛行時間で以て検出器２０に到達して検出される。このように、本実施例の空間型タンデム質量分析装置によれば、目的イオンの捕捉・分解をイオントラップ型質量分離器で、得られた解離イオンの質量分析をＴＯＦＭＳで行うことにより、高分解能且つ高スループットな分析を実現することができる。

以上のように、上記実施例１〜３に示す質量分析装置は、ＣＩＤの標的ガスとして、従来用いられる不活性ガス原子等に比べてはるかに大きな質量数を有するクラスターを使用するため、試料イオンの衝突エネルギーを効率よく該イオンの分解に用いることができる。従って、従来の質量分析装置では分解が困難だった分子量５０００Ｄａ程度以上の大きな試料分子についてもＣＩＤによる分解を行うことができ、得られた解離イオンのマススペクトルから該試料分子の分子構造を知ることが可能となる。

以上、実施例を用いて本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内において種々の変更が許容されるものである。例えば、本発明を空間型タンデム質量分析装置に適用する場合の構成は、上記実施例１又は実施例３に示したものに限られず、３台以上の質量分析器を連結した構成としてもよい。また、本発明における質量分離部としては、上記実施例に示したもののほか、種々の質量分析器を用いることができる。

本発明の第１の実施例に係る空間型タンデム質量分析装置を示す概略構成図。 本発明の第２の実施例に係る時間型タンデム質量分析装置を示す概略構成図。 本発明の第３の実施例に係る空間型タンデム質量分析装置の変形例を示す概略構成図。

符号の説明

１０…イオン源
２０…検出器
３０…クラスター生成装置
３１…ガス供給部
３２…スキマー
４０…第１段四重極
５０…第２段四重極
５１…コリジョンセル
５２…クラスター導入孔
６０…第３段四重極
７０…イオントラップ
７１…リング電極
７２、７３…エンドキャップ電極
７４…イオン捕捉空間
７５…クラスター導入孔
８０…ＴＯＦＭＳ
８１…飛行空間

Claims (5)

1. 試料をイオン化するイオン化部、試料イオンを質量分離する質量分離部、及び質量分離されたイオンを検出する検出部を有する質量分析装置において、
   a)前記イオン化部から質量分離部を経て検出部に至るまでのイオン経路上に設けられた衝突部と、
   b)所定の原子又は分子のクラスターを生成するクラスター生成手段と、
   c)前記クラスターを前記衝突部に導入するクラスター導入手段と、
   を有することを特徴とする質量分析装置 。
2. 上記クラスター生成手段が、断熱膨張法によりクラスターの生成を行うものであることを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
3. 上記所定の原子又は分子が希ガス原子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の質量分析装置。
4. 上記衝突部がコリジョンセルであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の質量分析装置 。
5. 上記衝突部がイオントラップであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の質量分析装置 。
   

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