JP2002245962A

JP2002245962A - エレクトロスプレー・イオン源

Info

Publication number: JP2002245962A
Application number: JP2001339617A
Authority: JP
Inventors: Susumu Fujimaki; 奨藤巻; Atsushi Tamura; 淳田村
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2000-12-12
Filing date: 2001-11-05
Publication date: 2002-08-30
Also published as: US20020117629A1

Abstract

(57)【要約】【課題】未知試料と標準物質を同時に用いて精密質量測
定を行なう際に、標準物質由来の信号が未知試料由来の
信号の上に重なっていても、それを確実に判別すること
のできるエレクトロスプレー・イオン源を提供する。【解決手段】複数本の霧化ノズルに供給されている霧化
ガスの内、少なくとも１本の霧化ノズルに供給されてい
る霧化ガスを選択して、所定の時間、霧化ガスの供給を
停止させるとともに、それと同期して、霧化ガスの供給
を停止された霧化ノズルに印加されている高電圧の印加
をも停止させるように構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、質量分析法で用い
られるエレクトロスプレー・イオン源に関し、特に、標
準物質由来のイオンの信号と非標準物質由来のイオンの
信号とをはっきりと判別することのできるエレクトロス
プレー・イオン源に関する。

【０００２】

【従来の技術】強い電界の中に置かれた電気伝導性の液
体が電界の作用によって毛管の先端部から自然に噴霧す
る現象は、エレクトロスプレーと呼ばれ、古くから知ら
れていた。１９８０年代前半、このエレクトロスプレー
という現象が溶液試料の質量分析に応用され、エレクト
ロスプレー・イオン源として広く用いられるようになっ
た。

【０００３】図１は、従来のエレクトロスプレー・イオ
ン源を示したものである。図中、１は、液体クロマトグ
ラフ（ＬＣ）装置や溶液溜などの溶液試料供給源であ
る。溶液試料供給源１の溶液試料（例えばＬＣ移動相）
は、図示しないポンプなどによって毛管状のキャピラリ
ー２に送られる。このキャピラリー２は、金属などの導
電体で作られており、内径１００μｍ、外径２００〜２
５０μｍである。キャピラリー２に送られた溶液試料
は、ＬＣポンプまたは毛管現象により駆動されて、キャ
ピラリー２の内部に吸い上げられ、該キャピラリー２の
先端部まで到達する。

【０００４】キャピラリー２と質量分析装置３の対向電
極４の間には、数ｋＶの高電圧が印加されていて、強い
電界が形成されている。この電界の作用で、キャピラリ
ー２の中の溶液試料は、大気圧下、キャピラリー２と対
向電極４の間の空間に静電噴霧され、荷電液滴となって
大気中に分散する。このときの溶液試料の流量は、毎分
５〜１０マイクロリットルである。このとき生成する荷
電液滴は、試料分子の回りに溶媒分子が集まってクラス
ター状になった帯電粒子なので、荷電液滴に熱を加えて
溶媒分子を気化させると、試料分子のイオンだけにする
ことができる。

【０００５】荷電液滴から試料イオンを作る方法として
は、キャピラリー２と対向電極４の間の空間に７０℃程
度に加熱した窒素ガスを供給し、そこに荷電液滴を静電
噴霧することによって液滴の溶媒を気化させる方法や、
質量分析装置３の対向電極４に設けられたサンプリング
・オリフィス５を８０℃程度に加熱して、その輻射熱で
荷電液滴の溶媒を気化させる方法などがある。これらの
方法をイオン・エバポレーションと呼んでいる。

【０００６】イオン・エバポレーションによって生成し
た試料イオンは、対向電極４に設けられたサンプリング
・オリフィス５から質量分析装置３の内部に取り込まれ
る。大気圧下の試料イオンを真空の質量分析装置３に導
入するために、差動排気壁が構成される。すなわち、サ
ンプリング・オリフィス５とスキマー・オリフィス６で
囲まれた区画は図示しないロータリー・ポンプ（ＲＰ）
で２００Ｐａ程度に排気されている。また、スキマー・
オリフィス６と隔壁７で囲まれた区画は図示しないター
ボ・モレキュラー・ポンプ（ＴＭＰ）で１Ｐａ程度に排
気されている。そして、隔壁７の後段は、ＴＭＰによっ
て１０^−３Ｐａ程度に排気され、質量分析部８が置かれ
ている。

【０００７】また、サンプリング・オリフィス５とスキ
マー・オリフィス６で囲まれた低真空の区画には、試料
イオンの拡散を防ぐためのリングレンズ９が置かれてい
て、試料イオンが正イオンの場合には正電圧、試料イオ
ンが負イオンの場合には負電圧が印加されるようになっ
ている。また、スキマー・オリフィス６と隔壁７で囲ま
れた中真空の区画には、試料イオンを質量分析部８まで
導くためのイオンガイド１０が置かれ、高周波電圧が印
加されている。

【０００８】なお、図１には図示されていないが、最近
のエレクトロスプレー・イオン化システムでは、ＬＣの
移動相など１０〜１０００マイクロリットル／分の大流
量の試料にも対応できるようにするために、キャピラリ
ー２の周囲に霧化ガスを流せる霧化ノズルを取り付け、
電界力だけでは霧化しきれない１０マイクロリットル以
上の大流量の試料溶液を、霧化ガスによって強制的かつ
完全に霧化させるように構成したエレクトロスプレー・
イオン源も登場している。

【０００９】エレクトロスプレー・イオン源の特徴は、
試料分子のイオン化に際して、熱をかけたり高エネルギ
ー粒子を衝突させたりしない非常にソフトなイオン化法
であるという点にある。従って、ペプチド、タンパク
質、核酸などの極性の強い生体高分子をほとんど破壊す
ることなく、多価イオンとして容易にイオン化すること
ができる。また、多価イオンなので、分子量が１万以上
のものでも、比較的小型な質量分析装置で測定すること
が可能である。

【００１０】ところで、これらの有機質量分析の分野で
は、エレクトロスプレー・イオン源を用いて、精密質量
分析ということがしばしば行なわれる。精密質量分析と
は、１ｍｕ（ミリマスユニット）程度の精度でｍ／ｚ値
を測定する高精度分析のことである。予め質量の分かっ
ている標準物質（たとえば、ポリエチレングリコールや
ポリプロピレングリコールなど）を質量分析したい未知
試料と同時に静電噴霧し、イオン化することにより、標
準物質由来のイオンの信号位置に基づいて、未知試料由
来のイオンの信号位置を正確に決定するものである。

【００１１】精密質量分析を行なうためには、質量数が
分からない未知試料と質量数が分かっている標準物質と
を同時に質量分析しなければならない。そこで、図２の
（ａ）に示すように、未知試料の中に標準物質を予め混
合し、両者を混合溶液１１にして、ポンプ１２で未知試
料と標準物質を一緒に電界の中に噴霧してイオン化する
という方法を取ることがあった。あるいは、未知試料１
３と標準物質１４を混合したくない場合には、図２の
（ｂ）のように、Ｔジョイント１５を用いて、キャピラ
リー２から電界の中に試料溶液を静電噴霧させる直前
に、流路の途中で未知試料１３と標準物質１４を混合さ
せるという手法を取ることもあった。あるいは、図２の
（ｃ）のように、２本（またはそれ以上の複数本）のキ
ャピラリー２を用いて、未知試料１３と標準物質１４を
それぞれ独立かつ同時に電界の中に静電噴霧して、イオ
ン化するという方法を取ることもあった。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
従来のエレクトロスプレー・イオン源における精密質量
分析法の特徴は、未知試料と標準物質を同時に電界中に
噴霧させるため、観測されるマススペクトル上に、常に
未知試料の信号と標準物質の信号が重なり合って現れる
ことである。このため、目的の未知試料由来の信号が標
準物質由来の信号の上に重なっていても、それを判別す
ることはできなかった。

【００１３】本発明の目的は、上述した点に鑑み、未知
試料と標準物質を同時に用いて精密質量測定を行なう際
に、標準物質由来の信号が未知試料由来の信号の上に重
なっていても、それを確実に判別することのできるエレ
クトロスプレー・イオン源を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、本発明にかかるエレクトロスプレー・イオン源は、
霧化ガスが供給可能で、かつ高電圧が印加可能な複数本
の霧化ノズルを備え、それらの霧化ノズルを同時並行的
に使用するエレクトロスプレー・イオン源において、複
数本の霧化ノズルに供給される霧化ガスの内、少なくと
も１本の霧化ノズルに供給される霧化ガスを選択して、
所定の時間、霧化ガスの供給を停止させるようにしたこ
とを特徴としている。

【００１５】また、高電圧が印加可能な複数本の霧化ノ
ズルを備え、それらの霧化ノズルを同時並行的に使用す
るエレクトロスプレー・イオン源において、複数本の霧
化ノズルに印加される高電圧の内、少なくとも１本の霧
化ノズルに印加される高電圧を選択して、所定の時間、
高電圧の印加を停止させるようにしたことを特徴として
いる。

【００１６】また、霧化ガスが供給可能で、かつ高電圧
が印加可能な複数本の霧化ノズルを備え、それらの霧化
ノズルを同時並行的に使用するエレクトロスプレー・イ
オン源において、複数本の霧化ノズルに供給される霧化
ガスの内、少なくとも１本の霧化ノズルに供給される霧
化ガスを選択して、所定の時間、霧化ガスの供給を停止
させる操作と、複数本の霧化ノズルに印加される高電圧
の内、少なくとも１本の霧化ノズルに印加される高電圧
を選択して、所定の時間、高電圧の印加を停止させる操
作とが、同一の霧化ノズルに対して、同期して行なわれ
ることを特徴としている。

【００１７】また、前記複数本の霧化ノズルは、２本の
霧化ノズルであることを特徴としている。

【００１８】また、前記複数本の霧化ノズルの内、少な
くとも１本の霧化ノズルは、標準物質用の霧化ノズルで
あることを特徴としている。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態を説明する。図３は、本発明にかかるエレク
トロスプレー・イオン源の一実施例を示したものであ
る。図中１６は、標準物質を通すキャピラリー１７を内
蔵した霧化ノズルである。霧化ノズル１６には、標準物
質の静電噴霧を助けるための霧化ガスが、バルブ１８を
介して、窒素ガスボンベなどのガス源１９から供給され
ている。また、図中２０は、未知試料を通すキャピラリ
ー２１を内蔵した霧化ノズルである。霧化ノズル２０に
は、未知試料の静電噴霧を助けるための霧化ガスが、バ
ルブ２２を介して、窒素ガスボンベなどのガス源２３か
ら供給されている。２つのバルブ１８および２２は、そ
れぞれ独立して開閉できるように、図示しないコンピュ
ーターなどの制御装置により制御されている。

【００２０】２つの霧化ノズル１６および２０に対向す
る位置には、質量分析装置の対向電極２４が置かれ、霧
化ノズルとの間に数ｋＶの高電圧が印加されている。こ
の高電圧は、スイッチ２５および２６により、任意にオ
ン／オフできるように構成されている。

【００２１】すなわち、スイッチ２５をオンにすると、
霧化ノズル１６と対向電極２４の間に高電圧が印加され
て、両者の間に強い電界が発生する。このとき、スイッ
チ２５に同期してバルブ１８を開き、ガス源１９と霧化
ノズル１６の間を連通させてやれば、霧化ガスが霧化ノ
ズル１６に供給され、電界力と霧化ガスの作用とによっ
て標準物質が静電噴霧され、生成した霧滴が電界により
イオン化されて、対向電極２４に設けられたサンプリン
グ・オリフィス２７に取り込まれる。

【００２２】また同様にして、スイッチ２６をオンにす
ると、霧化ノズル２０と対向電極２４の間に高電圧が印
加されて、両者の間に強い電界が発生する。このとき、
スイッチ２６に同期してバルブ２２を開き、ガス源２３
と霧化ノズル２０の間を連通させてやれば、霧化ガスが
霧化ノズル２０に供給され、電界力と霧化ガスの作用と
によって未知試料が静電噴霧され、生成した霧滴が電界
によりイオン化されて、対向電極２４に設けられたサン
プリング・オリフィス２７に取り込まれる。

【００２３】従来の精密質量分析では、標準物質と未知
試料を同時にイオン化して質量分析する必要があるた
め、スイッチ２５、２６とバルブ１８、２２を、すべて
同時にオン／オフしていたが、本発明では、必要に応じ
てスイッチ２５、２６の内の片一方、およびそれに同期
して開閉するバルブ１８、２２の内の片一方を任意にオ
ン／オフできるように制御するようにした。これによ
り、それまでは同時にイオン化していた標準物質と未知
試料を、片一方の試料のみのイオン化に留めることが可
能になる。

【００２４】その結果、従来は、標準物質の信号と未知
試料の信号とが互いに重なり合って検出されていても、
そのことを区別して確かめるすべがなかったが、本発明
によれば、標準物質の信号、または未知試料の信号を、
それぞれ単独で観測することが可能になるので、容易に
標準物質の信号と未知試料の信号との重なり合いを判別
することができる。

【００２５】図４は、標準物質を霧化する第１のノズル
と、未知試料を霧化する第２のノズルとに供給される霧
化ガスのバルブ操作、標準物質を霧化する第１のノズル
と、未知試料を霧化する第２のノズルとに印加される高
電圧、および、質量分析計による測定時間の関係をタイ
ムチャートの形で表わしたものである。

【００２６】図中、上段に書かれた２本の線は、第１の
ノズルと第２のノズルに霧化ガスを供給するガスバルブ
の開閉のタイミングを表わしている。図から明らかなよ
うに、標準物質を霧化させるために、第１のノズルにつ
ながるガスバルブを開いている期間中は、第２のノズル
につながるガスバルブを閉じている。逆に、未知試料を
霧化させるために、第２のノズルにつながるガスバルブ
を開いている期間中は、第１のノズルにつながるガスバ
ルブを閉じている。尚、第２のノズルにつながるガスバ
ルブの開いている期間が、第１のノズルにつながるガス
バルブの開いている期間よりもはるかに長い理由は、標
準物質を測定する時間よりも未知試料を測定する時間の
方を長く取るためである。

【００２７】また、図中、中段に書かれた２本の線は、
第１のノズルと第２のノズルに高電圧を印加する高電圧
スイッチのオン／オフのタイミングを表わしている。図
から明らかなように、標準物質を霧化させるために、第
１のノズルにつながる高電圧のスイッチがオンになって
いる期間中は、第２のノズルにつながる高電圧のスイッ
チをオフにしている。逆に、未知試料を霧化させるため
に、第２のノズルにつながる高電圧のスイッチがオンに
なっている期間中は、第１のノズルにつながる高電圧の
スイッチをオフにしている。尚、第２のノズルに高電圧
を印加する期間が、第１のノズルに高電圧を印加する期
間よりもはるかに長い理由は、標準物質を測定する時間
よりも、未知試料を測定する時間の方を長く取るためで
ある。

【００２８】このようなバルブ操作とスイッチ操作を同
期させて、第１のノズルと第２のノズルの間で交互に繰
り返すことにより、常に、標準物質と未知試料の内、ど
ちらか一方のみを霧化させることができ、両方の物質が
同時に霧化されてしまうことを回避することができる。

【００２９】この間、質量分析計は、図の下段に示すよ
うに、標準物質と未知試料とがそれぞれ単独で霧化され
ているタイミングに合わせて、霧化された試料液滴から
生成した試料イオンの測定を繰り返し行なう。図では、
標準物質を１回測定した後、未知試料を６回連続して測
定し、これを１サイクルとして、標準物質と未知試料の
測定を順次サイクルで繰り返している。これにより、標
準物質由来の信号と未知試料由来の信号とを、重なり合
わない状態で、別々に観測することが可能になる。

【００３０】尚、上記実施例では、２本の霧化ノズルを
使用する場合について述べたが、本発明は、これに限定
されるものではない。霧化ノズルを２本以上の複数本使
用する場合についても、本発明の手法が有効であること
は言うまでもない。

【００３１】図５は、４本の霧化ノズルを使用した場合
のガスバルブ操作と高電圧スイッチ操作のタイムチャー
トの例を示したものである。ここで、４本の霧化ノズル
には、それぞれ異なる未知試料が供給されているものと
する。

【００３２】まず、第１の段階として、第１の霧化ノズ
ルのガスバルブと高電圧スイッチが同期して、所定の期
間、第１の霧化ノズルに霧化ガスと高電圧を供給する。
この間、他の３本の霧化ノズルのガスバルブと高電圧ス
イッチは、すべてオフとなり、霧化ガスと高電圧は供給
されないので、第１の霧化ノズルから静電噴霧された未
知試料のみが質量分析計で分析される。

【００３３】次に、第２の段階として、第２の霧化ノズ
ルのガスバルブと高電圧スイッチが同期して、所定の期
間、第２の霧化ノズルに霧化ガスと高電圧を供給する。
この間、他の３本の霧化ノズルのガスバルブと高電圧ス
イッチは、すべてオフとなり、霧化ガスと高電圧は供給
されないので、第２の霧化ノズルから静電噴霧された未
知試料のみが質量分析計で分析される。

【００３４】次に、第３の段階として、第３の霧化ノズ
ルのガスバルブと高電圧スイッチが同期して、所定の期
間、第３の霧化ノズルに霧化ガスと高電圧を供給する。
この間、他の３本の霧化ノズルのガスバルブと高電圧ス
イッチは、すべてオフとなり、霧化ガスと高電圧は供給
されないので、第３の霧化ノズルから静電噴霧された未
知試料のみが質量分析計で分析される。

【００３５】次に、第４の段階として、第４の霧化ノズ
ルのガスバルブと高電圧スイッチが同期して、所定の期
間、第４の霧化ノズルに霧化ガスと高電圧を供給する。
この間、他の３本の霧化ノズルのガスバルブと高電圧ス
イッチは、すべてオフとなり、霧化ガスと高電圧は供給
されないので、第４の霧化ノズルから静電噴霧された未
知試料のみが質量分析計で分析される。

【００３６】これらの４つの段階を１サイクルとして、
４種類の未知試料の測定を順次サイクルで繰り返す。こ
れにより、４種類の未知試料由来の信号を、互いに重な
り合わない状態で、別々に観測することが可能になる。

【００３７】これによって、例えば、４台の独立した液
体クロマトグラフからの溶離液を、１台の質量分析計で
同時に分析することが可能になり、質量分析計の利用効
率を４倍に高めることができる。これは、質量分析計
が、極短い時間に質量スペクトルを収集する能力を持っ
たもの、例えば飛行時間型質量分析計である場合に、特
に有効である。

【００３８】尚、この例では、４本のノズルに供給され
る試料をすべて未知試料としたが、４本のノズルの内、
少なくとも１本に、標準物質を供給しても良い。その場
合には、標準物質を測定する時間のみを、図４の例のよ
うに、短く設定することも可能である。この場合には、
例えば、３台の独立した液体クロマトグラフから溶出さ
れる全ての成分の精密質量測定を同時に行なうことがで
きる。

【００３９】また、上記実施例では、霧化ガスの供給シ
ステムを備えた霧化ノズルを使用するエレクトロスプレ
ー・イオン源について述べたが、本発明は、これに限定
されるものではない。霧化ガスの供給システムを備えて
いないタイプの霧化ノズルを使用するエレクトロスプレ
ー・イオン源、たとえば、ナノ・エレクトロスプレー・
イオン源などにおいても、所定の霧化ノズルに印加され
ている高電圧を選択的にオフにするという本発明の手法
が、標準物質の信号と未知試料の信号との判別に有効で
あることは言うまでもない。

【００４０】

【発明の効果】以上述べたごとく、本発明のエレクトロ
スプレー・イオン源によれば、複数本の霧化ノズルに供
給されている霧化ガスの内、少なくとも１本の霧化ノズ
ルに供給されている霧化ガスを選択して、所定の時間、
霧化ガスの供給を停止させるとともに、それと同期し
て、霧化ガスの供給を停止された霧化ノズルに印加され
ている高電圧の印加をも停止させるように構成したの
で、標準物質の信号と未知試料の信号が複雑に重なり合
っているような複雑な系の場合でも、標準物質の信号と
未知試料の信号をそれぞれ単独で観測でき、容易に標準
物質の信号と未知試料の信号との判別を行なうことが可
能になった。また、同時に複数の未知物質を分析するこ
とにより、質量分析計の利用効率を飛躍的に高めること
ができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のエレクトロスプレー・イオン源を示す図
である。

【図２】従来のエレクトロスプレー・イオン源の別の例
を示す図である。

【図３】本発明にかかるエレクトロスプレー・イオン源
の一実施例を示す図である。

【図４】本発明にかかるエレクトロスプレー・イオン源
のタイムチャートの一実施例を示す図である。

【図５】本発明にかかるエレクトロスプレー・イオン源
のタイムチャートの別の実施例を示す図である。

【符号の説明】

１・・・溶液試料供給源、２・・・キャピラリー、３・・・質量
分析装置、４・・・対向電極、５・・・サンプリング・オリフ
ィス、６・・・スキマー・オリフィス、７・・・隔壁、８・・・
質量分析部、９・・・リングレンズ、１０・・・イオンガイ
ド、１１・・・混合溶液、１２・・・ポンプ、１３・・・未知試
料、１４・・・標準物質、１５・・・Ｔジョイント、１６・・・
霧化ノズル、１７・・・キャピラリー、１８・・・バルブ、１
９・・・ガス源、２０・・・霧化ノズル、２１・・・キャピラリ
ー、２２・・・バルブ、２３・・・ガス源、２４・・・対向電
極、２５・・・スイッチ、２６・・・スイッチ、２７・・・サン
プリング・オリフィス。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｊ 49/10 Ｈ０１Ｊ 49/10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】霧化ガスが供給可能で、かつ高電圧が印加
可能な複数本の霧化ノズルを備え、それらの霧化ノズル
を同時並行的に使用するエレクトロスプレー・イオン源
において、複数本の霧化ノズルに供給される霧化ガスの
内、少なくとも１本の霧化ノズルに供給される霧化ガス
を選択して、所定の時間、霧化ガスの供給を停止させる
ようにしたことを特徴とするエレクトロスプレー・イオ
ン源。
【請求項２】高電圧が印加可能な複数本の霧化ノズルを
備え、それらの霧化ノズルを同時並行的に使用するエレ
クトロスプレー・イオン源において、複数本の霧化ノズ
ルに印加される高電圧の内、少なくとも１本の霧化ノズ
ルに印加される高電圧を選択して、所定の時間、高電圧
の印加を停止させるようにしたことを特徴とするエレク
トロスプレー・イオン源。
【請求項３】霧化ガスが供給可能で、かつ高電圧が印加
可能な複数本の霧化ノズルを備え、それらの霧化ノズル
を同時並行的に使用するエレクトロスプレー・イオン源
において、複数本の霧化ノズルに供給される霧化ガスの
内、少なくとも１本の霧化ノズルに供給される霧化ガス
を選択して、所定の時間、霧化ガスの供給を停止させる
操作と、複数本の霧化ノズルに印加される高電圧の内、
少なくとも１本の霧化ノズルに印加される高電圧を選択
して、所定の時間、高電圧の印加を停止させる操作と
が、同一の霧化ノズルに対して、同期して行なわれるこ
とを特徴とするエレクトロスプレー・イオン源。
【請求項４】前記複数本の霧化ノズルは、２本の霧化ノ
ズルであることを特徴とする請求項１、２、または３記
載のエレクトロスプレー・イオン源。
【請求項５】前記複数本の霧化ノズルの内、少なくとも
１本の霧化ノズルは、標準物質用の霧化ノズルであるこ
とを特徴とする請求項１、２、または３記載のエレクト
ロスプレー・イオン源。