JP4811361B2 - 大気圧化学イオン化質量分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、大気圧化学イオン化法（ＡＰＣＩ：Atmospheric Pressure Chemical Ionization）によるイオン源を備えた大気圧化学イオン化質量分析装置に関する。

液体クロマトグラフ（ＬＣ）と質量分析装置（ＭＳ）とを組み合わせた液体クロマトグラフ質量分析装置（ＬＣ／ＭＳ）では、ＬＣのカラムで時間的に分離された各種成分（主として化合物）を含む試料液を、イオン化して質量分析に供するためのイオン化インタフェイスが用いられる。こうしたイオン化インタフェイスでは、大気圧化学イオン化法（ＡＰＣＩ）やエレクトロスプレイイオン化法（ＥＳＩ）などの、いわゆる大気圧イオン化法が広く使用されている。

ＡＰＣＩでは、ＬＣのカラムの末端に接続されたノズルを略大気圧雰囲気にあるイオン化室内に向けて開口して設けるとともに、そのノズル先端の噴霧口の前方に放電電極を配置する。分離された成分を含む試料液がノズルに達すると、試料液はノズルの噴霧口から加熱されつつ噴霧され、微小な液滴となる。このとき、主として試料液中の溶媒（ＬＣの移動相）が放電電極からのコロナ放電によりイオン化してバッファイオンとなり、このバッファイオンと液滴中の目的成分の分子や原子とが化学反応して該目的成分はイオン化される。これがＡＰＣＩにおけるイオン化の基本原理である（特許文献１など参照）。

ＡＰＣＩは多価イオンや付加イオンが発生しにくいソフトなイオン化を行うものであり非常に有用であるが、従来のＡＰＣＩの手法では、質量が大きな（高質量の）化合物のイオン強度に比べて、質量が小さな（低質量の）化合物のイオン強度が相対的に低く、低質量化合物のイオン強度を上げたいという要望があった。具体的には、質量電荷比m/zが５００〜７００以上では高いイオン強度が得られるが、それ以下ではイオン強度が低くなる傾向にある。そのため、低質量から高質量まで幅広い質量範囲の化合物が含まれるような試料を分析する場合に、高質量の化合物の定性・定量精度は高くても、低質量の化合物に対する信号のＳ／Ｎが低いために定性・定量精度が劣るという問題がある。

特開２００２−１８１７８３号公報

本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、低質量から高質量まで幅広い質量範囲のイオンの質量分析を、定性・定量精度よく行うことができる大気圧化学イオン化質量分析装置を提供することにある。

質量分析装置において分析対象の化合物の信号強度を上げるためには、イオン化部を改良して生成されるイオンの絶対数を増やす方法と、イオンの輸送部を改良してイオンの損失を少なくする方法の２つの方法がある。本発明は、ＡＰＣＩイオン化部を改良することで低質量化合物のイオン強度を上げることを意図するものである。

即ち、上記課題を解決するために成された本発明は、ＡＰＣＩにより試料成分をイオン化するイオン源を具備する大気圧化学イオン化質量分析装置において、
a)分析対象の化合物を含む試料液を略大気圧雰囲気中に噴霧する噴霧手段と、
b)前記噴霧手段による噴霧流の進行方向の前方にあって、生成されたイオンを吸い込んで後段に輸送するための輸送管と、
c)前記噴霧手段による噴霧流の進行方向の前方で前記噴霧手段の噴霧口と前記輸送管の吸込口との間の空間にあって該噴霧口に相対的に近い位置に設けられ、相対的に高い質量である化合物をイオン化するための第１の放電電極と、
d)前記噴霧手段による噴霧流の進行方向の前方にあって、前記輸送管の吸込口から該吸込口と前記第１の放電電極との離間距離よりも短い離間距離だけ離れた位置に設けられ、相対的に低い質量である化合物をイオン化するための第２の放電電極と、
を備えることを特徴としている。

なお、第２の放電電極は、前記噴霧手段の噴霧口と前記輸送管の吸込口との間の空間に設けられる構成としてもよいが、噴霧手段による噴霧流の進行方向の前方であれば、その噴霧口から見て吸込口よりもさらに遠い位置に配置されていてもよい。

本発明に係る大気圧化学イオン化質量分析装置では、例えば電圧印加手段から第１及び第２の放電電極に同一の又は異なる電圧値の高電圧を印加することで、異なる２個所でコロナ放電を生じさせ、それにより生成したバッファイオンを試料中の分子（又は原子）と反応させることで該分子をイオン化する。本願発明者の実験によれば、噴霧手段の噴霧口に近い位置で放電を行った場合には質量電荷比が５００〜７００程度以上の高質量化合物のイオン化効率が高まり、逆に、輸送管の吸込口に近い位置で放電を行った場合には質量電荷比が５００〜７００程度以下の低質量化合物のイオン化効率が高まることが判明した。

従来一般的に、放電電極は噴霧手段の噴霧口に近い位置に配置されていたため、低質量化合物のイオン強度が低くなる傾向にあった。これに対し、本発明に係る大気圧化学イオン化質量分析装置では、噴霧手段の噴霧口に近い位置に配置した第１の放電電極と輸送管の吸込口に近い位置に配置した第２の放電電極とで同時にコロナ放電を行うことにより、低質量化合物のイオン化の効率を高め、低質量から高質量までの幅広い質量範囲の化合物のイオン強度を高めることができる。これによって、低質量化合物の定性や定量の精度を高めることができる。

なお、第１及び第２の放電電極が近過ぎると、両電極間で放電が起こるおそれがあるから、印加電圧の電圧値に応じて両電極間での不所望の放電を回避できる程度以上に、両放電電極の間隔をあけておくことが望ましい。

もちろん、第１及び第２の放電電極は本発明に係る大気圧化学イオン化質量分析装置において最小限設けられている放電電極であって、さらに放電電極の数を増やしても構わない。

以下、本発明に係る大気圧化学イオン化質量分析装置を適用したＬＣ／ＭＳの一実施例について、図面を参照して説明する。図１は本実施例のＬＣ／ＭＳの全体構成図である。

ＬＣ部１にあっては、送液ユニット３が移動相容器２から移動相を吸引し、一定の送液量を維持しつつカラム５へと送給する。カラム５の手前に設けられたインジェクタ４により所定のタイミングで試料を移動相中に注入すると、この試料は移動相に乗ってカラム５に導入される。そして、カラム５を通過する間に試料中の各種成分（化合物）は分離され、異なる保持時間で以てカラム５の出口から溶出して質量分析装置１０に導入される。

質量分析装置１０において、試料液はＡＰＣＩノズル（本発明における噴霧手段に相当）１２から略大気圧雰囲気であるイオン化室１１内に噴霧され、後述するように試料液中の成分分子はイオン化される。そして、生成されたイオンは加熱パイプ（本発明における輸送管に相当）１４を通って第１中間真空室１５へと送り込まれる。第１中間真空室１５はロータリポンプ２４により真空排気されることで低真空雰囲気に維持される。第１中間真空室１５内に導入されたイオンは第１イオンレンズ１６により収束されつつ、スキマー１７の頂部のオリフィスを通して第２中間真空室１８に送り込まれる。第２中間真空室１８はターボ分子ポンプ２５により真空排気されることで中真空雰囲気に維持され、第２中間真空室１８内に導入されたイオンはオクタポール型の第２イオンレンズ１９により収束されつつ分析室２１に送り込まれる。

分析室２１は別のターボ分子ポンプ２６により真空排気されることで高真空雰囲気に維持され、特定の質量（厳密には質量電荷比m/z）を有するイオンのみが四重極質量フィルタ２２の長軸方向の空間を通り抜け、それ以外の質量を持つイオンは途中で発散する。そして、四重極質量フィルタ２２を通り抜けたイオンは例えばコンバージョンダイノードと光電子増倍管との組み合わせによるイオン検出器２３に到達し、イオン検出器２３では到達したイオン量に応じたイオン強度信号を出力する。この出力信号は図示しないデータ処理部に入力され、そこで、マススペクトルやマスクロマトグラム、或いはトータルイオンクロマトグラムが作成され、さらに定性・定量分析が実行される。

上述のように質量分析装置１０は、略大気圧雰囲気であるイオン化室１１と高真空雰囲気である分析室２１との間で段階的に真空度が高くなる多段差動排気系の構成となっている。従って、加熱パイプ１４の入口端（吸込口）と出口端とでは圧力差が存在し、主として、その圧力差によってイオン化室１１内で生成されたイオンや未だイオン化していない微小液滴は加熱パイプ１４に吸い込まれる。また、加熱パイプ１４は適度な温度に加熱されているため、微小液滴が加熱パイプ１４を通過する間に溶媒の蒸発がさらに進み、途中で試料成分がイオン化することもある。

図２は本実施例のＬＣ／ＭＳにおけるイオン化部の概略図である。図示するように、試料液を噴霧するＡＰＣＩノズル１２の中心軸（つまりはノズル１２からほぼ円錐形状に噴霧される噴霧流の中心軸）Ｐは鉛直方向に延伸している。即ち、ノズル１２の噴霧口１２１からほぼ真下に向けて試料液は噴霧される。一方、生成されたイオンや微小液滴を吸い込む加熱パイプ１４の吸込口１４１の中心軸Ｑは、上記中心軸Ｐとほぼ直交するように水平方向に延伸する。噴霧口１２１と吸込口１４１の中心軸Ｑとの鉛直方向の距離ｄは１８[mm]に設定され、吸込口１４１と中心軸Ｐとの水平方向の距離ｔは５．５[mm]に設定されている。

噴霧口１２１からの噴霧流の進行方向の前方、つまり図２において下方には、噴霧口１２１からそれぞれ異なる距離、つまりは鉛直方向にそれぞれ異なる高さ位置に、２本の放電電極１３１、１３２が配置されている。この実施例では、上側の第１放電電極１３１は、噴霧口１２１から鉛直方向に７[mm]離れた位置に配置され、下側の第２放電電極１３２は、噴霧口１２１から鉛直方向に１８[mm]離れた位置に配置されている。従って、第１放電電極１３１と第２放電電極１３２との間隔は鉛直方向に１１[mm]であり、第２放電電極１３２の高さ位置は加熱パイプ１４の吸込口１４１の中心軸Ｑと同じ高さ位置である。

このような配置により、第１放電電極１３１は、ノズル１２による噴霧流の進行方向の前方でその噴霧口１２１と吸込口１４１との間の空間にあって該噴霧口１２１に相対的に近い位置に設けられ、他方、第２放電電極１３２は、ノズル１２による噴霧流の進行方向の前方にあって吸込口１４１と第１放電電極１３１との離間距離（ｄ２＝１１[mm]）よりも短い離間距離（０[mm]）だけ吸込口１４１から離れた位置に設けられる、という本発明における配置の条件が満たされている。

なお、ここでは第２放電電極１３２の位置は第１放電電極１３１を鉛直下方に移動させた位置であり、噴霧流中に突設された放電電極１３１、１３２の先端と中心軸Ｐとの距離は同一である。

本願発明者は、対象とするイオンの質量をパラメータとしたときの放電電極の高さ位置とイオン強度との関係を実験により調べた。この実験では、ＰＥＧ混合液を直接（ＬＣによる分離無しに）ＡＰＣＩノズル１２に導入し、m/z＝168.1,256.15,344.2,520.35,740.45,872.55,1048.65,1268.75の８種類のm/zについてイオン強度を測定した。その結果を図３に示す。図３において横軸は、噴霧口１２１の高さ位置をＺ＝０基準としたときの高さ位置（鉛直方向の離間距離）である。

図３において、168.1,256.15,344.2の３つのm/zでは明らかに高さ位置Ｚが大きい領域でイオン強度が高くなっていることが分かる。これに対し、740.45,872.55,1048.65,1268.75の４つのm/zでは明らかに高さ位置Ｚが小さい領域でイオン強度が高くなっていることが分かる。そして、m/z＝520.35では上記いずれの傾向も明確ではない。こうしたことから、５００〜７００程度のm/ｚを境にして、それよりも小さな質量範囲では高さ位置Ｚを大きくするとイオン強度が高くなり、それよりも大きな質量範囲では高さ位置Ｚを小さくするとイオン強度が高くなるということが見て取れる。さらに、高さ位置Ｚ＝１８[mm]が吸込口１４１が存在する位置であるが、これより高さ位置Ｚが大きくても、即ち、図２で言うと中心軸Ｑよりも低い位置に放電電極がある場合でも、低質量化合物では十分に高いイオン強度が得られることが分かる。このことから、低質量化合物においては、放電電極が噴霧口１２１から遠くに位置しているということよりもむしろ、吸込口１４１の近くに位置しているということがイオン強度を高める上で重要であることが推測できる。

上記のような現象が起こる理由は明確には分からないが、図３を見ると、放電電極が或る高さ位置Ｚにあるときの低質量側のイオン強度と高質量側のイオン強度との合計はほぼ一定値となっていることが分かる。即ち、放電電極がどの高さ位置Ｚにあっても、イオン化される全化合物の量はほぼ一定であって、放電電極の置かれた位置によって、イオン化される低質量化合物と高質量化合物との割合だけが変化していると考えれば説明がつく。このことより、放電電極が置かれる位置に依存した何らかのパラメータが、上記のような現象を引き起こしているものと考えられる。そこで、次のような幾つかの要因が推測できる。

（１）高質量化合物は液滴の濃度が高い領域でイオン化され易いのに対し、低質量化合物は液滴の濃度が低い領域でイオン化され易い傾向がある。ノズル１２から噴霧された液滴は略円錐形状で拡がるため、噴霧口１２１から離れるほど液滴は分散して濃度が下がる。こうしたことから、放電電極の位置によってイオン化され易い化合物の質量に相違がでる可能性が考えられる。

（２）化合物を含んだ液滴は、ノズル１２内で高温に（例えば４００℃近くまで）加熱された状態で噴霧口１２１から噴霧される。高質量化合物は比較的高温の雰囲気中においてイオン化され易いのに対し、低質量化合物は比較的低温の雰囲気中のほうがイオン化され易いということがあり得る。イオン化室１１は或る程度加熱されているものの、その温度はノズル１２内に比べると低いので、ノズル１２の噴霧口１２１から噴霧された液滴は噴霧口１２１から離れるほど、つまり加熱パイプ１４の吸込口１４１の近くでは冷やされて温度が下がっている筈であり、そのために低質量化合物のイオン化に適しているとも推測できる。

以上のように幾つかの要因が推測でき、その要因は１つではない可能性もあるが、いずれにしても、前述のように、イオン強度が高くなるm/zが放電電極の位置に大きく依存していることは確かである。そこで、本実施例のＬＣ／ＭＳでは、図２に示したように、第１放電電極１３１を高さ位置Ｚ＝７[mm]の位置、もう１つの第２放電電極１３２を高さ位置Ｚ＝１８[mm]の位置に設置している。第１放電電極１３１は主として高質量化合物のイオン化に寄与することを意図したものであり、第２放電電極１３２は主として低質量化合物のイオン化に寄与することを意図したものである。

こうして設けた２本の放電電極１３１、１３２に高電圧発生部１３３から同じ大きさの高電圧を印加することにより、それぞれの放電電極１３１、１３２でコロナ放電を発生させ、ノズル１２の噴霧口１２１から噴霧された試料液中の成分をイオン化する。そうして生成された様々な質量電荷比を持つイオンは微小液滴が入り混じった状態で圧力差によって吸込口１４１を通して加熱パイプ１４中に吸い込まれ、後段に輸送される。

図４は、上述のような配置条件で第１及び第２放電電極１３１、１３２を配置したときの、質量電荷比とイオン強度との関係を実測した結果を示す図である。比較対象として、Ｚ＝７[mm]の位置に１本の放電電極のみを配置した従来の装置の実測結果も記す。このように、本実施例の構成によれば、低質量化合物のイオン強度が従来の装置の約３倍程度に増加していることが分かる。これによって、低質量化合物においても高いＳ／Ｎでマススペクトルやマスクロマトグラムのピークを得ることができ、定性や定量の精度を上げることができる。

なお、上記説明では、第２放電電極１３２は第１放電電極１３１の鉛直下方に位置しており、それぞれの電極の先端と中心軸Ｐとの距離は同じにしてある。本願発明者はこの距離について検討する実験も行ったが、同一の高さ位置Ｚにおいて中心軸Ｐからの距離を変えても有意な差は見い出せなかった。従って、ノズル１２からの噴霧流が到達する範囲であれば、中心軸Ｐからの距離を変えることによるイオン強度の最適化はあまり期待できないものと考えられる。言い換えれば、放電電極を設置する高さ位置Ｚは重要であるが、中心軸Ｐからの距離は特に限定されない。

また、上記実施例では２本の放電電極１３１、１３２に同じ大きさの高電圧を印加していたが、異なる電圧値の高電圧を独立に放電電極１３１、１３２に印加するようにしてもよい。また、３本以上の放電電極を設けるようにしてもよい。

さらにまた、上記記載以外の点で、本発明の趣旨の範囲で適宜変更や修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。

本発明の一実施例のＬＣ／ＭＳの全体構成図。 本実施例のＬＣ／ＭＳにおけるイオン化部の概略図。 イオンの質量をパラメータとしたときの放電電極の高さ位置とイオン強度との関係を実測した結果を示す図。 本実施例の構成と従来構成とで質量電荷比とイオン強度との関係を実測した結果を示す図。

符号の説明

１０…質量分析装置
１１…イオン化室
１２…ＡＰＣＩノズル
１２１…噴霧口
１３１…第１放電電極
１３２…第２放電電極
１３３…高電圧発生部
１４…加熱パイプ
１４１…吸込口
１５…第１中間真空室
１６…第１イオンレンズ
１７…スキマー
１８…第２中間真空室
１９…第２イオンレンズ
２１…分析室
２２…四重極質量フィルタ
２３…イオン検出器
２４…ロータリポンプ
２５、２６…ターボ分子ポンプ
Ｐ…ＡＰＣＩノズルの噴霧口の中心軸
Ｑ…加熱パイプの吸込口の中心軸

Claims (2)

1. 大気圧化学イオン化法（ＡＰＣＩ）により試料成分をイオン化するイオン源を具備する大気圧化学イオン化質量分析装置において、
   a)分析対象の化合物を含む試料液を略大気圧雰囲気中に噴霧する噴霧手段と、
   b)前記噴霧手段による噴霧流の進行方向の前方にあって、生成されたイオンを吸い込んで後段に輸送するための輸送管と、
   c)前記噴霧手段による噴霧流の進行方向の前方で前記噴霧手段の噴霧口と前記輸送管の吸込口との間の空間にあって該噴霧口に相対的に近い位置に設けられ、相対的に高い質量である化合物をイオン化するための第１の放電電極と、
   d)前記噴霧手段による噴霧流の進行方向の前方にあって、前記輸送管の吸込口から該吸込口と前記第１の放電電極との離間距離よりも短い離間距離だけ離れた位置に設けられ、相対的に低い質量である化合物をイオン化するための第２の放電電極と、
   を備えることを特徴とする大気圧化学イオン化質量分析装置。
2. 前記第２の放電電極は、前記噴霧手段の噴霧口と前記輸送管の吸込口との間の空間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の大気圧化学イオン化質量分析装置。

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