JP4214925B2

JP4214925B2 - 質量分析装置

Info

Publication number: JP4214925B2
Application number: JP2004051586A
Authority: JP
Inventors: 慎一岩本
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2004-02-26
Filing date: 2004-02-26
Publication date: 2009-01-28
Anticipated expiration: 2024-02-26
Also published as: US20050189487A1; JP2005243426A; US7183541B2

Description

本発明は、質量分析装置、特に、MS/MS分析やMSⁿ分析に用いられる質量分析装置に関する。

質量分析装置は、試料をイオン化するイオン化部と、この試料イオンを質量数（［質量］／［電荷数］）に応じて質量分離・検出する質量分析部等を有している。イオン化部では、試料は、エレクトロスプレーイオン化法(ESI法)や、大気圧化学イオン化法(APCI法)、マトリクス支援レーザ脱離イオン化（MALDI）法等によりイオン化され、質量分析部に送られる。質量分析部では、セクター型や飛行時間型(TOF)等の分離機構により質量数に応じて試料イオンが分離され、マイクロチャンネルプレート等の検出器で各イオンが検出される。

ここで、タンパク質等の生体高分子の解析を行う場合を考えると、イオン化部で生成された試料イオンの質量数を測定する通常の質量測定（MS測定）は、特に分子の同定に有効である。しかし、分子構造の解析や、確度の高いデータベースサーチを行う場合は、特定の試料イオン（プリカーサイオン）を断片化（フラグメンテーション）し、その断片（フラグメントイオン）を質量分離して測定するMS/MS測定が、より有効である。

試料イオンの断片化は、試料イオンを衝突部においてガス（コリジョンガス）と衝突させることにより行われる。
衝突部としては、コリジョンセルやイオントラップ等が用いられる（特許文献１、特許文献２参照）。TOF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）。
コリジョンセルの場合は、試料イオンが該セル内を通過する間にイオンとガスとを衝突させ、これによりイオンを開裂させる。イオントラップの場合は、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の範囲にあるイオンとガスとを衝突させることにより、イオンを開裂させる。また、フライトチューブの場合は、衝突部を試料イオンが通過する間にイオンとガスとを衝突させ、これによりイオンを開裂させる。

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

衝突部に導入するコリジョンガスは、目的とするイオン（プリカーサイオン）及び開裂により生成しようとする目的のイオン（フラグメントイオン）に応じて適切な質量のガスを選択する必要がある。多数の試料を連続的に分析したり、一種の試料であっても多様な開裂を行って詳細な構造解析を行いたい場合は、目的に応じたコリジョンガスをセル内に導入する必要がある。従来の装置では、このようなコリジョンガスの切り替えに時間がかかるため、迅速な連続分析が行えないという問題があった。

また、イオントラップにおいては、イオンの捕捉から開裂まで行う際、イオントラップのイオン捕捉空間内に、イオンの捕捉・選別段階にはクーリングガスが導入され、イオンの開裂段階にはコリジョンガスが導入される。
しかし、従来の装置では、イオン捕捉空間内には一種のガスしか導入できるようになっておらず、クーリングガスとコリジョンガスには共通のガスが用いられていた。
クーリングガスは、イオンの捕捉・選別の際にイオンを安定化等する働きを有しており、精度の高い質量分析を行うためには、クーリング時に、試料イオンがガスと衝突して開裂することがないようにしなければならない。このため、クーリングガスとしては、質量の軽いガスを用いるのが望ましい。一方、コリジョンガスは、試料イオンとの衝突によりそのイオンを開裂させる働きを有する。このため、コリジョンガスとしては、質量の大きなガスを使用するのが望ましい。
ところが、従来使用されているガスは、クーリングには質量が大きすぎ、イオンの開裂には質量が小さすぎるため、従来の装置では十分に精度の高い質量分析を行うことができなかった。また、効率よくイオンを開裂させることができなかった。

本発明が解決しようとする課題は、衝突部に試料の種類やガスの使用目的に適したガスを導入することにより精度の高い質量分析を行うことが可能であるとともに、ガスの切り替えを迅速に行うことにより、多数の試料を効率よく分析することのできる質量分析装置を提供することにある。

上記課題を解決するために成された本発明に係る質量分析装置は、試料をイオン化するイオン化部と、試料イオンを質量分離・検出する質量分析部とを有する質量分析装置において、イオン化部で生成された試料イオンが質量分析部に導入されるまでのイオン経路に設けられた衝突部と、二以上のガス供給源、及び各ガス供給源から前記衝突部までのガス経路中にそれぞれ設けられたパルスガスバルブを有し、二種以上のガスから選択される一種以上のガスを前記衝突部に導入する選択ガス導入手段と、該選択ガス導入手段の動作を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。

衝突部には、選択ガス導入手段により、予め用意された複数種のガスのうち、目的に応じた適切なガスが導入される。例えば、衝突部としてイオントラップを用いた場合は、イオンの捕捉・選別段階には、クーリングに適した軽いガスが導入され、イオンの開裂段階には重いガスが導入される。一方、衝突部としてコリジョンセルやフライトチューブを用いた場合には、目的とするプリカーサイオン及びフラグメントイオンの質量や分子の結合の強さ等に応じたコリジョンガスが導入される。

本発明に係る質量分析装置によれば、質量分析のための一連の処理の各段階において最適なガスや、目的とする分析対象イオンに応じて必要なガスを、適宜選択して衝突部に導入することが可能になる。例えばイオントラップでイオンの分離・選別及びイオンの開裂を行う場合、クーリングと試料イオン（プリカーサイオン）の開裂に適したガスをそれぞれ使用することにより、フラグメントイオン強度をプリカーサイオン強度に対して相対的に高め、精度の高い質量分析を行えるようになる。また、各試料に適したガスを使用してイオンの開裂を行うことにより、効率よくイオンを開裂させることができるようになる。一方、イオントラップ以外の衝突部を有する装置を用いた場合でも、各試料に適したガスを適宜選択することにより、効率よくイオンを開裂させることができるようになる。
また、異なる種類のガスを迅速に切り替えることができるため、異なる種類のガスを使用する複数の試料を連続的に分析しなければならない場合、分析の効率が大幅に向上する。

図１は、本発明の一実施例であるMALDI-QIT-TOF質量分析装置の概略構成図である。本実施例の質量分析装置は、試料のイオン化を行うMALDI型イオン化部１０、イオンの捕捉・選別・開裂を行うイオントラップ（QIT）２０、イオントラップ２０で開裂されたイオンを質量分離し、各イオンを検出するTOF質量分析部３０、及び本質量分析装置全体の動作を制御する制御装置４０等を有する。

イオン化部１０は、イオン化室１１及びその中に備えられた光照射部１２、試料マトリクスを載置するためのサンプルスライド１３等から成る。イオン化部１０では、サンプルスライド１３に載置された試料マトリクスに、光照射部１２から所定の波長のレーザ光が照射されて、マトリクス支援レーザ脱離イオン化（MALDI）により、試料がイオン化される。

イオントラップ２０は、１つのリング電極２１と、それを挟んで両側に対向して配置されたエンドキャップ電極２２，２３により構成される。リング電極２１に高周波電圧が印加されると、これらの電極２１，２２，２３で囲まれる空間（イオン捕捉空間）２４内に四重極電場が形成され、それによりイオンがその空間内に捕捉される。

イオントラップ２０には、ガス導入装置２５が接続される。ガス導入装置２５は、イオン捕捉空間２４にガス導入口２６を有するY形ガス分岐管２８と、２個のガス供給源２７と、各ガス供給源２７とY形ガス分岐管２８の各分岐口を接続するガス配管と、Y形ガス分岐管２８の各分岐口に設けられたパルスガスバルブ２９等から成る。なお、本実施例ではガス分岐管２８としてY形分岐管を使用し、導入ガスの供給源も２種類だけであるとしたが、もちろん、３種類以上のガス供給源を使用し、それに応じた分岐管を使用することにより、３種類以上のガスの中から任意のガスを選択するようにしてもよい。また、ガス供給源２７毎に別個にイオン捕捉空間２４内へのガス導入口２６を設け、各ガスが独立にイオン捕捉空間２４に導入されるようにしてもよい。なお、ガス導入のタイミングや導入時間等を細かく調節できるという点で、各分岐口にパルスガスバルブを設けるのが望ましい。パルスガスバルブでは、バルブの開放時間の長さによりガスの導入量が調節される。

制御装置４０には、操作者が導入ガスの種類や混合比、導入時間等の条件を入力するための操作部（キーボード、マウス等）（図示せず）が備えられている。制御装置４０は、操作部に入力された条件に従い、質量分析装置全体の動作の制御を行う。

本実施例の質量分析装置を用いて行われるMS/MS分析のシーケンスを以下に述べる（図２）。

(a)イオントラップへのクーリングガスの導入工程
まず、イオントラップ２０のイオン捕捉空間２４内に、ガス導入装置２５により、クーリングガスを短時間だけ（パルス状に）導入する。クーリングガスとしては、Heや窒素ガスのような質量の小さなガスが好適である。衝突部にガスを導入する時間は、ガスが長時間衝突部に滞留して不所望のイオンの開裂等が生じるのを防ぐため、80μs〜300msの非常に短いパルス状とする。クーリングガスの導入を開始する時刻は、制御装置４０により、サンプルスライド１３に載置された試料マトリクスにレーザ光を照射した時刻から算出され、その時刻に、予め設定された種類及び混合比のガスが、予め設定された時間、衝突部に導入される。

(b)試料のイオン化及びイオントラップ内へのイオンの導入工程
次に、通常のMALDI法と同様、レーザ光を所定の強度で試料マトリクスに照射し、試料をイオン化する。レーザ照射により生じた試料イオンは、イオントラップ２０内に導入され、イオン捕捉空間２４内に捕捉される。ここで、前記の四重極電場と上記のクーリングガスの働きにより、特定の質量数の範囲にあるイオンのみがイオントラップの中心に集められる。

(c)プリカーサイオンの選択工程
イオントラップ２０の電極に適切な電圧を印加することにより、MS/MS解析を行おうとする質量数の分子イオン（プリカーサイオン）のみをイオン捕捉空間２４内に残し、その他のイオンをイオン捕捉空間２４外に排出する。

(d)イオントラップ内へのコリジョンガスの導入工程
ガス導入装置２５により、イオン捕捉空間２４内に、今度はArガス等のコリジョンガスを導入する。コリジョンガスも、パルスガスバルブ２９ｂを開閉することにより、短時間だけ（例えば、100μs程度）パルス状に導入する。コリジョンガスの種類は、試料の質量数等に応じて適宜選択する必要があるが、Ar以外には、Ne,Kr,Xeのような質量の大きな不活性ガスが好適である。

(e)フラグメントイオンの生成工程
イオン捕捉空間２４内に捕捉した試料イオンをこの中で振動させ、Arガスと衝突させることにより開裂させる。

(f)フラグメントイオンの分離・検出工程
Arガスとの衝突により開裂し、生成したイオンを質量分析部３０に導入し、TOF型質量フィルタ３１で質量数に応じて分離し、検出器３２で検出することにより質量スペクトルを得る。

本実施例の装置を用いて、39個のアミノ酸から成るポリペプチドである副腎皮質刺激ホルモン分子のN末端側から18番目から39番目のアミノ酸鎖（ACTH18-39）の質量分析を行った。分析により得られたマススペクトルを図３(a)及び図３(b)に示す。図３(a)及び図３(b)は、イオン捕捉空間２４内に導入したクーリングガスの種類が異なるのみであって、その他の測定条件は全く同一である。図３(a)では、クーリングガスとして質量の軽いHeガスを用い、図３(b)では、従来からクーリングガス及びコリジョンガスとして用いられているArガスをクーリングガスとして用いた。

測定の結果、ACTH18-39イオン（プリカーサイオン）の質量数[M+H]⁺が2465Dであるところ、従来の装置を用いて測定を行った図３(b)では、プリカーサイオンだけでなく、クーリング時にArガスが衝突することにより生じたフラグメントイオンピークが強く検出されており、フラグメントイオンとプリカーサイオンの強度比（[フラグメントイオン強度]／[プリカーサイオン強度]）は0.8を示した。一方、本実施例の装置を用いて測定を行った図３(a)では、2465Dのプリカーサイオンピークが優位に観測され、[フラグメントイオン強度]／[プリカーサイオン強度]は0.2と、クーリング時にはイオンの開裂がほとんど起こっていないことが示された。このことは、クーリング後にArガス等のコリジョンガスを導入してフラグメントイオンを得た場合に、本実施例の装置を用いることにより、より良好なMS/MSスペクトルが得られることを示している。

以上のことから、本実施例の装置を用いて、クーリングとイオンの開裂のそれぞれに適したガスを使い分けることにより、高い精度の分析が行えるようになることがわかる。これにより、試料の構成や分子構造等の解析を容易に行うことができるようになる。

以上においては、イオン化部１０にマトリクス支援レーザ脱離イオン化装置を有し、イオントラップ２０を用いてイオンの捕捉・選別・開裂を行い、飛行時間型質量フィルタ３１でイオンの質量分離を行う質量分析装置（MALDI-QIT-TOF-MS）について記載したが、イオン化や質量分離等に用いる装置についてはこれらに限定されるものではなく、試料の種類等に応じて適宜装置構成を変更することが可能である。例えば、液体試料の分析を行う場合に、マトリクス支援レーザ脱離イオン化装置の代わりに、試料を大気圧下のイオン化室内に静電噴霧することによりイオンする、エレクトロスプレーイオン化装置を設けてもよい。

本発明の一実施例であるMALDI-QIT-TOF-MSの要部の概略構成図。本実施例の装置を用いた測定シーケンスを表す模式図であって、(a)はイオントラップ内へのクーリングガスの導入工程、(b)は試料のイオン化及びイオントラップへのイオンの導入工程、(c)はプリカーサイオンの選択工程、(d)はイオントラップ内へのコリジョンガスの導入工程、(e)はフラグメントイオンの生成工程、(f)はフラグメントイオンの分離・検出工程。 ACTH18-39のマススペクトルであって、(a)はクーリングガスとしてHeガスを用いた場合、(b)はクーリングガスとしてArを用いた場合。

符号の説明

１０…イオン化部
１１…イオン化室
１２…光照射部
１３…サンプルスライド
２０…イオントラップ
２１…リング電極
２２…エンドキャップ電極
２４…イオン捕捉空間
２５…ガス導入装置
２６…ガス導入口
２７…ガス供給源
２８…ガス分岐管
２９…パルスガスバルブ
３０…質量分析部
３１…質量フィルタ
３２…検出器
４０…制御装置

Claims

試料をイオン化するイオン化部と、試料イオンを質量分離・検出する質量分析部とを有する質量分析装置において、
イオン化部で生成された試料イオンが質量分析部に導入されるまでのイオン経路に設けられた衝突部と、二以上のガス供給源、及び各ガス供給源から前記衝突部までのガス経路中にそれぞれ設けられたパルスガスバルブを有し、二種以上のガスから選択される一種以上のガスを前記衝突部に導入する選択ガス導入手段と、該選択ガス導入手段の動作を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする質量分析装置。
前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に記載の質量分析装置。
前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に記載の質量分析装置。
飛行時間型質量分析装置であって、前記衝突部がフライトチューブ内に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
前記イオン化部が、マトリクスと混合された試料にレーザ光を照射することにより試料をイオン化する手段を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の質量分析装置。
前記イオン化部が、大気圧下のイオン化室内に液体試料を静電噴霧することにより試料をイオン化する手段を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の質量分析装置。
前記質量分析部が、飛行時間の相違によりイオンを質量分離する手段を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の質量分析装置。