JP4947061B2 - 質量分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、質量分析装置（ＭＳ）に関し、特に液体試料をイオン化する質量分析装置に関する。

液体クロマトグラフ（ＬＣ）等で成分分離した液体試料を、質量分析装置（ＭＳ）に導入して検出する場合、イオン化室においては、大気圧化学イオン化法（ＡＰＣＩ）やエレクトロスプレイ法（ＥＳＩ）のようなイオン化法が用いられている。これらのイオン化法では、大気圧に近い状態で液体試料をイオン化するため、高い圧力状態（つまり大気圧に近い状態）にあるイオン化室と、ごく低い圧力状態（つまり高真空度の状態）にある質量分析室との間での圧力差を確保するため、両室の間に中間室等を設け、段階的にその真空度を高めるようにする構成が採用されている。

しかしながら、これらのイオン化法では、ガス状試料に対して用いられる電子衝撃型イオン化法のような多種のフラグメントイオンが生成されず、主に試料分子の分子量関連イオンが生成されるため、質量分析室において液体試料の分子量に関する情報は求められるが、液体試料の分子構造に関する情報は殆ど求められなかった。このため、質量分析装置として、タンデム質量分析計（ＭＳ／ＭＳ）を用いて、二つの質量分析室の間に衝突室を設けることにより、衝突室で分子量関連イオンと衝突ガスとを衝突させて、分子量関連イオンに開裂反応を起させ、その結果、多種のフラグメントイオンが生成されて、これにより、後段の質量分析室において液体試料の分子構造に関する情報を求めている。

また、衝突室内に四重極電極を配置した衝突セル（コリジョンセル）を具備する液体クロマトグラフ質量分析装置も開示されている（例えば、特許文献１参照）。
図１１は、エレクトロスプレイ質量分析装置（ＥＳＩ−ＭＳ）の一例を示す概略構成図であり、図１２は、図１１に示す衝突セルの図である。ＥＳＩ−ＭＳは、液体クロマトグラフ装置のカラムの出口端に接続されたノズル１１が配設されたイオン化室１０と、第一の真空室１２と、第二の真空室１００と、第三の真空室（質量分析室）１８とから構成される。四重極フィルタ１９−１と四重極フィルタ１９−２との間には衝突セル３１が配置されている。
また、第一の真空室１２及び第二の真空室１００には、イオンを後段に効率よく輸送するために、イオン光軸を軸とする円（直径ｄ１）に外接するように配置されるイオンリングやイオンガイドと呼ばれるイオン輸送を補助する手段が用いられている。

さらに、イオン化室１０と第一の真空室１２との間は、細径の脱溶媒パイプ（ヒーテッドキャピラリ）１３を介してのみ連通するとともに、第一の真空室１２と第二の真空室１００との間は、頂点に小径の円孔（オリフィス）１６ａを有する円錐形状のスキマー１６を介してのみ連通している。
また、第二の真空室１００と第三の真空室１８との間も、小径の円孔（オリフィス）２３ａを介してのみ連通している。
第三の真空室１８内に配置された衝突セル３１は小径の円孔（オリフィス）３００−１ａ、３００−２ａを持つ隔壁３００−１、３００−２によって、第三の真空室１８と分離されている。なお、円孔３００−１ａ、３００−２ａは、イオンの進行方向に対して９０度の角度となる面に形成されている。

これにより、液体試料は、ノズル１１からイオン化室１０内に静電噴霧（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微細液滴は、イオン化室１０と第一の真空室１２との圧力差により脱溶媒パイプ１３中に引き込まれ、脱溶媒パイプ１３を通過する過程で溶媒が蒸発して更にイオン化が進む。第一の真空室１２内には対向するイオンガイド（「イオンレンズ」又は「イオン輸送レンズ」ともいう）１４が設けられており、イオンガイド１４により形成される電場によって脱溶媒パイプ１３を介してのイオンの引き込みを助けるとともに、イオンをスキマー１６のオリフィス１６ａ近傍（イオン光軸）に収束させる。

第一の真空室１２と第二の真空室１００との間の圧力差によってオリフィス１６ａを通過したイオンは、第二の真空室１００に入り、さらに、第二の真空室１００と第三の真空室１８との間の圧力差によってオリフィス２３ａを通過したイオンは、第三の真空室１８内に入る。
第三の真空室１８内では、直流電圧と高周波電圧とを重畳した電圧が印加された四重極フィルタ１９−１により、印加された電圧に応じた質量数（質量ｍ／電荷ｚ）を有するイオンのみが選択的に通過する。
四重極フィルタ１９−１を通過したイオンは次に衝突セル３１内に入る。
衝突セル３１内にはイオンガイド（「イオンレンズ」又は「イオン輸送レンズ」ともいう）３７が設けられており、イオンガイド３７により形成される高周波電場によってイオンが加速されるとともに、イオンを所定の周期で振動させながら隔壁３００−２のオリフィス３００−２ａ近傍（イオン光軸）に収束させるように進行させる。このとき、衝突セル３１内には外部のガス溜め２６からＨｅやＡｒ等の衝突ガスを導入することにより、イオンと衝突ガスとを衝突させて、イオンから多種のフラグメントイオンを生成させる。

衝突セル３１を通過したイオン（フラグメントイオン）は、四重極フィルタ１９−２内に入る。
四重極フィルタ１９−２の動作は四重極フィルタ１９−１と同様であり、直流電圧と高周波電圧とを重畳した電圧が印加された四重極フィルタ１９−２により、印加された電圧に応じた質量数（質量ｍ／電荷ｚ）を有するイオンのみが選択的に通過する。
これにより、四重極フィルタ１９−２を通過した、選択されたイオンがイオン検出器２０に到達することになる。

ここで、イオンガイド３７の主たる作用は、飛行するイオンを電界によって収束しつつ場合によっては加速するものであって、種々の形状のものが提案されている。そのようなイオンガイド３７の一つとして、イオン光軸を軸とする円に外接するように、イオン光軸の方向に延伸する円柱形状電極を互いに離間して偶数本配置した、いわゆるマルチポール型のイオンガイドが用いられている。このようなマルチポール型のイオンガイドでは、周方向に隣接する円柱形状電極には、同一の直流電圧にそれぞれ位相が反転した高周波電圧が重畳された電圧（換言すれば直流的にバイアスされた高周波電圧）が印加される。これにより、発生する高周波電場によって、イオンガイドに導入されたイオンは、所定の周期で振動しながら進み、後段へと効率よく輸送されることになる。
また、イオンガイド３７の他の例として、円柱形状電極を小判形状電極の集合体で置き換えたものも用いられている。
米国特許公報第４２３４７９１号

しかしながら、図１１及び図１２に示すＥＳＩ−ＭＳでは、フラグメントイオン発生効率（ＣＩＤ効率）が良好でなかった。
そこで、本発明は、フラグメントイオンの発生効率や収束効率を上げ、発生したフラグメントイオンを効率よく後段へと輸送することができるイオン輸送光学系を具備する質量分析装置を提供することを目的とする。

本件発明者らは、上記課題を解決するために、イオンガイドやオリフィスの形状と、電位分布との関係について検討を行った。
そこで、衝突セルにおけるオリフィスの形状が、イオン光軸の進行方向に対して広がるように傾斜する傾斜面を有するように形成することにより、図３に示すように、イオン光軸の進行方向に対して凸面となる電位分布を形成した。その結果、フラグメントイオンを効率よく後段へと輸送することができることを見出した。

すなわち、本発明の質量分析装置は、イオン化室で試料をイオン化し、イオン化された試料を質量分析室に引き込む質量分析装置であって、イオン光軸を取り囲むように、配設された複数本の電極を備えるイオン輸送光学系を具備し、前記複数本の電極の各一本の電極は、複数の部分電極を一定間隔で一列に並べた集合体でそれぞれ構成され、前記複数本の電極の各一本の電極では、各部分電極がお互い平行となるとともに、前記イオン光軸の進行方向に対して広がるように傾斜する傾斜面をそれぞれ有するようにしている。

本発明の質量分析装置によれば、電極がイオン光軸の進行方向に対して広がるように傾斜する傾斜面を有するので、イオン光軸の進行方向に対して凸面となる電位分布を形成することができる。よって、フラグメントイオンを効率よく検出することができる。つまり、液体試料の分子構造に関する情報を求めることができる。

（その他の課題を解決するための手段及び効果）
また、本発明の質量分析装置は、前記複数本の電極は、イオンガイドを構成するものであるようにしている。
そして、本発明の質量分析装置は、前記複数本の電極は、衝突ガスが供給される衝突セル内に配設されたものであるようにしている。

本発明に係る質量分析装置の一例を示す概略構成図である。 図１に示す衝突セルの図である。 本発明に係る質量分析装置の衝突セルにおけるイオンガイド及びオリフィスの周囲に形成される電位分布の一部を示す図である。 図３に示す衝突セルで得られたマススペクトルである。 本発明に係る他の質量分析装置の衝突セルにおけるイオンガイド及びオリフィスの周囲に形成される電位分布の一部を示す図である。 図５に示す衝突セルで得られたマススペクトルである。 質量分析装置の衝突セルにおけるイオンガイド及びオリフィスの周囲に形成される電位分布の一部を示す図である。 図７に示す衝突セルで得られたマススペクトルである。 本発明に係る質量分析装置の衝突セルの他の一例を示す概略構成図である。 本発明に係る質量分析装置の衝突セルの他の一例を示す概略構成図である。 従来のエレクトロスプレイ質量分析装置の一例を示す概略構成図である。 図１１に示す衝突セルの図である。

符号の説明

１０ イオン化室
１７、３７、２００−１、２００−２ イオンガイド
１８ 質量分析室

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の態様が含まれることはいうまでもない。

図１は、本発明に係る質量分析装置の一例を示す概略構成図である。図２は、図１に示す衝突セルの図である。なお、上述したＥＳＩ−ＭＳと同じ構成については、同じ符号を用いるとともに、説明することを省略する。また、図１では、煩雑さを避けるために、一部を省略している。
図１に示した質量分析装置は、液体クロマトグラフ装置のカラムの出口端に接続されたノズル１１が配設されたイオン化室１０と、イオンを後段に効率よく輸送するために、イオン光軸を軸とする円（直径ｄ１）に外接するように配置されるイオンリングやイオンガイドと呼ばれるイオン輸送を補助する手段が用いられている、第一の真空室１２と、第二の真空室１００と、四重極フィルタ１９−１、衝突セル２１、四重極フィルタ１９−２及びイオン検出器２０が配設された第三の真空室である質量分析室１８とが設けられている。
それぞれの真空室は隔壁で隔てられ、第三の真空室１８内に配置された衝突セル２１も同様に隔壁２００−１、２００−２によって隔てられている。
衝突セル２１の隔壁２００−１、２００−２には、制御部（コンピュータ）４０により制御されるオリフィス用電圧印加部４１、４３が接続され、衝突セル２１内のイオンガイド１７には、制御部（コンピュータ）４０により制御されるイオンガイド用電圧印加部４２が接続されている。

四重極フィルタ１９−１と衝突セル２１内とは、頂点に小径の円孔（オリフィス）２００−１ａを有する円錐形状の隔壁２００−１を介してのみ連通している。なお、円孔２００−１ａの直径（ｄ２）は、直径ｄ１より小さく、かつ、イオン光軸の進行方向に対して広がるように傾斜する円錐形状面を有するように形成されている（図２参照）。また、隔壁２００−１には、オリフィス用電圧印加部４１より直流電圧が印加される。

また、衝突セル２１内と四重極フィルタ１９−２とは、頂点に小径の円孔（オリフィス）２００−２ａを有する円錐形状の隔壁２００−２を介してのみ連通している。なお、円孔２００−２ａの直径（ｄ２）は、直径ｄ１より小さく、かつ、イオン光軸の進行方向に対して広がるように傾斜する円錐形状面を有するように形成されている（図２参照）。また、隔壁２００−２には、オリフィス用電圧印加部４３より直流電圧が印加される。

イオン化室１０内は、ノズル１１から連続的に供給される液体試料の気化分子により、ほぼ大気圧になっており、第一の中間室１２内は、ロータリポンプにより約１０²Ｐａの低真空状態まで真空排気される。また、ターボ分子ポンプにより、第二の中間室１００内は、約１０^-1〜１０^-2Ｐａの中真空状態まで真空排気され、質量分析室１８内は、約１０^-3〜１０^-4Ｐａの高真空状態まで真空排気される。すなわち、イオン化室１０から質量分析室１８に向かって各室毎に真空度を高くしている。

イオンガイド１７は、イオン光軸を軸とする円（直径ｄ１）に外接するように、互いに分離して四本配設された四重極電極である。一本の電極は、小判形状電極を一定間隔で一列に並べた集合体で構成され、一本の電極では、各小判形状電極が、お互い平行となるとともに、イオン光軸の進行方向に対して広がるように傾斜している（図２参照）。なお、各小判形状電極の中心を結ぶ線が、イオン光軸と平行となるように配置されている。

また、イオンガイド１７を構成する四本の電極は、イオンガイド用電圧印加部４２に接続されている（但し、煩雑さを避けるために、図２では、一部のみ記載している）。そして、円周方向に隣接する電極には、互いに位相が反転した高周波電圧が印加されるようになっている。さらに、各電極の各小判形状電極は、それぞれ個別の直流電圧が印加されるようになっている。

このような構成により、四重極フィルタ１９−１を通過したイオンは、衝突セル２１内に入る。衝突セル２１内にはイオンガイド１７が設けられており、イオンガイド１７により形成される高周波電場によってイオンが加速されるとともに、イオンを所定の周期で振動させながら隔壁２００−２のオリフィス２００−２ａ近傍（イオン光軸）に収束させるように進行させる。このとき、衝突セル２１内には外部のガス溜め２６からＨｅやＡｒ等の衝突ガスを導入することにより、イオンと衝突ガスとを衝突させて、イオンから多種のフラグメントイオンを生成させるとともに、イオンガイド１７及び隔壁２００−１、２００−２がイオン光軸の進行方向に対して広がるように傾斜する傾斜面を有するので、イオン光軸の進行方向に対して凸面となる電位分布を形成して、フラグメントイオンを効率よく後段へと輸送する。

その後、オリフィス２００−２ａを通過したイオン（フラグメントイオン）は、四重極フィルタ１９−２へと導かれる。直流電圧と高周波電圧とを重畳した電圧が印加された四重極フィルタ１９−２では、印加された電圧に応じた質量数（質量ｍ／電荷ｚ）を有するイオンのみが選択的に通過するので、選択されたイオンがイオン検出器２０に到達することになる。このとき、四重極フィルタ１９−２を通過するイオンの質量数は、印加される電圧に依存するので、印加される電圧を走査することにより、所定の質量数を有するイオンについてのイオン強度信号をイオン検出器１０で得ることができる。なお、イオン検出器１０の出力は、制御部４０に入力されることになる。

以上のように、本発明に係る質量分析装置によれば、電極がイオン光軸の進行方向に対して広がるように傾斜する傾斜面を有するので、イオン光軸の進行方向に対して凸面となる電位分布を形成することができる。よって、フラグメントイオンの発生効率や収束効率を上げることができ、フラグメントイオンを効率よく検出することができる。つまり、液体試料の分子構造に関する情報を求めることができる。

ここで、電極の形状と、電位分布との関係について検討を行った結果を示す。
図４は、図３に示す構成を備えるＥＳＩ−ＭＳで得られたマススペクトルであり、図４（ａ）は、通常状態のマススペクトルであり、図４（ｂ）は、フラグメント状態のマススペクトルである。ここで、「通常状態」とは、衝突エネルギを与えないときのことをいい、一方、「フラグメント状態」とは、衝突エネルギを与えたときのことをいう。また、試料としてレセルピンを使用し、衝突エネルギ電圧を最適化したときに得られたものである。
また、図６は、図５に示す構成を備えるＥＳＩ−ＭＳで得られたマススペクトルであり、図６（ａ）は、通常状態のマススペクトルであり、図６（ｂ）は、フラグメント状態のマススペクトルである。
さらに、図８は、図７に示す構成を備えるＥＳＩ−ＭＳで得られたマススペクトルであり、図８（ａ）は、通常状態のマススペクトルであり、図８（ｂ）は、フラグメント状態のマススペクトルである。

図３に示す構成を備えるＥＳＩ−ＭＳでは、図示されるように、イオンの進行方向に対して凸面となる電位分布が形成されており、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、（（フラグメント状態でのｍ／ｚ１９５の強度）／（通常状態でのｍ／ｚ６０９の強度））×１００のＣＩＤ効率は、１５．０％と良好である。また、図５に示す構成を備えるＥＳＩ−ＭＳでも、図示されるように、少なくとも一部はイオンの進行方向に対して凸面となる電位分布が形成されており、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、（（フラグメント状態でのｍ／ｚ１９５の強度）／（通常状態でのｍ／ｚ６０９の強度））×１００のＣＩＤ効率は、８．８％と良好であった。
一方、図７に示す構成を備えるＥＳＩ−ＭＳでは、図示されるように、イオンの進行方向に対して凸面となる電位分布は形成されていない。図７に示す構成においては、図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、（（フラグメント状態でのｍ／ｚ１９５の強度）／（通常状態でのｍ／ｚ６０９の強度））×１００のＣＩＤ効率は、５．４％であり、図３、５に示す構成よりも低かった。

（他の実施形態）
（１）上述した質量分析装置において、衝突セル２１で、小径の円孔２００−２ａを有する円錐形状の隔壁２００−２を用いる構成としたが、小径の円孔を有する平面を有する円柱形状の隔壁を用いるような構成としてもよい（図９参照）。
（２）上述した質量分析装置において、衝突セル２１で、各小判形状電極が、イオン光軸の進行方向に対して広がるように傾斜している構成としたが、各小判形状電極が、イオン光軸の進行方向に対して垂直となるような構成としてもよい（図１０参照）。

本発明は、特に液体試料をイオン化する液体クロマトグラフ質量分析装置に利用することができる。

Claims (3)

1. イオン化室で試料をイオン化し、イオン化された試料を質量分析室に引き込む質量分析装置であって、
   イオン光軸を取り囲むように、配設された複数本の電極を備えるイオン輸送光学系を具備し、
   前記複数本の電極の各一本の電極は、複数の部分電極を一定間隔で一列に並べた集合体でそれぞれ構成され、
   前記複数本の電極の各一本の電極では、各部分電極がお互い平行となるとともに、前記イオン光軸の進行方向に対して広がるように傾斜する傾斜面をそれぞれ有することを特徴とする質量分析装置。
2. 前記複数本の電極は、イオンガイドを構成する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. 前記複数本の電極は、衝突ガスが供給される衝突セル内に配設された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。