(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料導管により試料液を導入すると共に、それに沿ってネブライザーガスを噴射することにより試料のイオン化を行う質量分析装置用イオン化装置において、
前記試料導管が、その出口において、該試料導管の中心軸側に設けられた前記ネブライザーガスを噴射する内側ガス導管と、該試料導管の外周側に設けられた前記ネブライザーガスを噴射する外側ガス導管とを備え、
前記外側ガス導管の出口端の内周面が先端に向かって前記試料導管側に傾斜し、
前記内側ガス導管の出口端の内周面が先端に向かって前記試料導管側に傾斜していることを特徴とする質量分析装置用イオン化装置。
【請求項２】
試料導管により試料液を導入すると共に、それに沿ってネブライザーガスを噴射することにより試料のイオン化を行う質量分析装置用イオン化装置において、
前記試料導管が、その出口において、該試料導管の中心軸側に設けられた前記ネブライザーガスを噴射する内側ガス導管と、該試料導管の外周側に設けられた前記ネブライザーガスを噴射する外側ガス導管とを備え、
前記外側ガス導管が前記試料導管の出口よりも突出する突出部を有すると共に、該突出部の内周面が先端に向かって前記試料導管の中心軸側に傾斜していることを特徴とする質量分析装置用イオン化装置。
【請求項３】
前記内側ガス導管と前記外側ガス導管におけるネブライザーガスの流速をそれぞれ調整するガス流速調整手段を有す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用イオン化装置。
【請求項４】
前記ネブライザーガスを加熱する加熱手段を有す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用イオン化装置。
【請求項５】
前記イオン化をエレクトロスプレーイオン化法によって行う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用イオン化装置。
【請求項６】
前記イオン化を大気圧化学イオン化法によって行う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用イオン化装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の質量分析装置用イオン化装置を備えることを特徴とする質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体クロマトグラフ質量分析装置などで用いられる、試料液をイオン化するための質量分析装置用イオン化装置、及び該イオン化装置を備える質量分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
質量分析装置は、イオン化部において試料のイオン化を行い、イオン化された試料を質量分析部に取り込んだ後、四重極質量フィルタ等により質量電荷比（m/z）に応じて分離して検出する、という構成を有している。
【０００３】
液体クロマトグラフなどから送られてくる試料液のイオン化を行う方法として、大気圧下のイオン化室内に該試料液を静電噴霧する方法（エレクトロスプレーイオン化法：ＥＳＩ）や、大気圧下のイオン化室内に噴霧された液滴とコロナ放電で生じたキャリアガスイオンとを反応させて試料をイオン化する方法（大気圧化学イオン化法：ＡＰＣＩ）などがある。
【０００４】
ＥＳＩでは、試料液をキャピラリから噴霧する際に試料に片寄った電荷を与え、噴霧された液滴中でのクーロン反発力により液滴の微細化を促進させ、その過程で液滴中の目的成分をイオン化する。他方、ＡＰＣＩでは、キャピラリの出口前方に放電電極を配置し、そのコロナ放電により生成した溶媒ガスイオンを微細液滴に化学反応させることで目的成分をイオン化する。いずれの方法を用いるにしても、液滴の微細化の具合が、イオン化部におけるイオン化効率やその後の質量分析部における測定精度に大きく影響することになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１９７１４１号公報
【特許文献２】米国特許第５４１２２０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
液滴の微細化を促進させる方法として、キャピラリから噴出する液体の周囲からネブライザーガスを噴射する方法がある（例えば特許文献１を参照）。この方法では、キャピラリから噴出する液体がネブライザーガスにより剪断されることで液滴の微細化が促進されるが、噴出量が増加した場合、ネブライザーガスによる剪断効率が低下し、微細化の歩留まりが悪化するという問題がある。
【０００７】
例えばＥＳＩでは、帯電液滴の径が大きいと、クーロン反発によるイオンの蒸発が生じない。そのため、帯電液滴の径が大きい場合には、クーロン反発による蒸発が起こる限界（レイリー限界）まで液滴を乾燥させ、微細化する必要がある（例えば特許文献２を参照）。しかしながら、このような径の大きい液滴を乾燥させるためには大量の熱量が必要となるため、従来では、数百℃あまりに加熱された乾燥用ガスを数十L/minの割合で供給するなど、大がかりな乾燥機構を装置に備える必要があった。
【０００８】
本発明が解決しようとする課題は、ネブライザーガスによる液滴の微細化をより効率的に行うことができる質量分析装置用イオン化装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために成された本発明は、
試料導管により試料液を導入すると共に、それに沿ってネブライザーガスを噴射することにより試料のイオン化を行う質量分析装置用イオン化装置において、
前記試料導管が、その出口において、該試料導管の中心軸側に設けられた、前記ネブライザーガスを噴射する内側ガス導管と、該試料導管の外周側に設けられた前記ネブライザーガスを噴射する外側ガス導管とを備え、
前記外側ガス導管の出口端の内周面が先端に向かって前記試料導管側に傾斜し、
前記内側ガス導管の出口端の内周面が先端に向かって前記試料導管側に傾斜していることを特徴とする。
【００１０】
従来の試料導管は単純な管であったため、試料液は試料導管から中実柱状に噴出するのに対し、本発明では、試料導管の中心軸側に内側ガス導管を設けたため、試料液は中空柱状に噴出する。これにより、噴出する試料液の表面積が従来よりも増加し、ネブライザーガスやイオン化装置（イオン化部）内部の気体とより広い面積で接触するようになる。更に、従来の装置ではネブライザーガスは中実柱状の試料液の外側から接触していたため、ネブライザーガスによる試料液の分散化が不十分であったが、本発明の装置では、出口端の内周面が先端に向かって前記試料導管側に傾斜している外側ガス導管と、出口端の内周面が先端に向かって前記試料導管側に傾斜している内側ガス導管とからネブライザーガスを噴出するため、直進性の増したネブライザーガスが壁状の試料液を内側から外側に向けて押し出すことになり、試料液の分散化を大きく促進する。
【００１１】
なお、本発明においても従来と同様に、試料導管の出口外周側からネブライザーガスを噴射する外側ガス導管を設けている。前記試料導管の出口外周側に設けられた外側ガス導管が出口よりも突出する突出部を有すると共に、該突出部の内周面が先端に向かって前記試料導管の中心軸側に傾斜していることが望ましい。該形状によりネブライザーガスが試料液内部まで作用し試料液の分散をより一層促進できる。また、内側ガス導管と外側ガス導管におけるネブライザーガスの流速をそれぞれ調整するガス流速調整手段を設けることが望ましい。これにより、試料導管から噴出する試料液の中心軸側と外側とでガス流速の違いによる気圧差を生じさせることができ、試料液の内部にまでネブライザーガスを作用させたり、イオン化装置内の気体を混入させたりすることが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、ネブライザーガス用のガス導管として、試料液をイオン化装置に導く試料導管の外側に出口端の内周面が先端に向かって前記試料導管側に傾斜しているガス導管を、内側に出口端の内周面が先端に向かって前記試料導管側に傾斜しているガス導管を設けることで、試料導管から噴出する試料液の外側と中心軸側から試料液を剪断できるようにしたものである。従来は、ガス導管が試料導管の外側にしか設けられていなかったため、中心軸までネブライザーガスによる剪断の作用が及ばず、結果として径の大きい液滴が形成されていたが、本発明では中心軸又はその近傍からもネブライザーガスが噴射されるため、液滴の微細化をより促進させることができる。
【００１３】
また、液滴がより微細化されることで、液滴の乾燥も従来よりも促進されるため、乾燥用ガスを供給する乾燥機構を装置に搭載する場合にもその流量や温度を低く抑えることができる。これにより乾燥機構を小型化することができ、その分のコストやスペースを縮減することが可能となる。更に微細液滴は壁面に吸着しにくいため、イオン源の汚れを軽減することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】質量分析装置の要部の概略構成図。
【図２】ＥＳＩによるイオン化を行う場合の従来のイオン化部の構成を示す概略図(a)、及びＡＰＣＩによるイオン化を行う場合の従来のイオン化部の構成を示す概略図(b)。
【図３】本発明に係るイオン化プローブの一実施例を示した概略断面図(a)、及びその出口開口の正面図(b)。
【図４】本実施例のキャピラリの出口周辺の気体の流れを示す模式図。
【図５】本実施例のイオン化プローブの変形例を示す概略断面図。
【図６】本実施例のイオン化プローブの別の変形例を示す概略断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１は質量分析装置の一般的な要部構成を示す概略図である。この図に示すように、質量分析装置は、導入された試料液のイオン化を行うイオン化部１と、イオン化部１で得られた試料イオンをm/zに応じて分離して検出する質量分析部２と、装置各部の動作を制御する制御部（図示せず）と、を有している。
【００１６】
イオン化部１では、ほぼ大気圧雰囲気であるイオン化室１１内に、イオン化プローブ１２が突設されている。イオン化プローブ１２の先端部の前方には、この先端部から噴霧された液滴中から溶媒が気化することにより生成される試料イオンを後段に輸送するための脱溶媒管１３の入口開口が設けられ、さらにその前方には気化しなかった液滴を排出するドレイン１４が配置されている。脱溶媒管１３の入口開口の中心軸はイオン化プローブ１２の先端からの噴霧の中心軸と斜交（ここではほぼ直交）しており、それによって溶媒が十分に気化していない大きな液滴が脱溶媒管１３に飛び込むことを防止している。
【００１７】
質量分析部２には、質量分析室２７と、上記イオン化室１１との間にそれぞれ隔壁で隔てられた第１中間真空室２１及び第２中間真空室２４が設けられている。質量分析室２７内には質量分離部としての四重極フィルタ２８とイオン検出器２９とが設けられ、それらの中間にある第１中間真空室２１及び第２中間真空室２４にはそれぞれ第１イオンレンズ２２及び第２イオンレンズ２５が設けられている。イオン化室１１と第１中間真空室２１との間は細径の脱溶媒管１３を介して、第１中間真空室２１と第２中間真空室２４との間は極小径の通過穴を頂部に有する円錐形状のスキマー２３を介して連通している。
【００１８】
イオン化室１１内は、イオン化プローブ１２からほぼ連続的に供給される試料液の気化分子によってほぼ大気圧雰囲気になっている。また、第１中間真空室２１内はロータリポンプ３０により約１０2Paまで、第２中間真空室２４内はターボ分子ポンプ３１により約１０-1〜１０-2Paまで真空排気され、さらに質量分析室２７内はターボ分子ポンプ３２により約１０-3〜１０-4Paの高真空状態まで真空排気される。このようにイオン化室１１、第１中間真空室２１、第２中間真空室２４、質量分析室２７と、段階的に真空度を上げるような多段差動排気系の構成とすることにより、質量分析室２７内の高い真空度を維持するようにしている。
【００１９】
イオン化部１及び質量分析部２における分析動作を説明すると、試料液はイオン化プローブ１２の先端からイオン化室１１内に噴霧され、後述するように噴霧流中の試料分子はイオン化される。発生したイオンは未だイオン化していない微小液滴とともに、イオン化室１１と第１中間真空室２１との差圧により脱溶媒管１３中に引き込まれる。第１イオンレンズ２２は、その電場により脱溶媒管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２３の通過孔近傍に収束させる。スキマー２３の通過孔を通って第２中間真空室２４に導入されたイオンは、第２イオンレンズ２５により収束及び加速された後、小孔２６を通って質量分析室２７へと送られる。質量分析室２７では、特定のm/zを有するイオンのみが四重極フィルタ２８を通り抜け、イオン検出器２９に到達しイオン電流として検出される。
【００２０】
この質量分析装置では、イオン化プローブ１２を交換することによってＥＳＩやＡＰＣＩなどイオン化の方法を選択的に変えることができる。以下に、ＥＳＩ及びＡＰＣＩで従来用いられるイオン化プローブの構成を図２を用いて説明する。
【００２１】
図２(a)は、ＥＳＩで従来用いられるイオン化プローブ１２の概略断面図である。このイオン化プローブ１２は、試料液が供給されるキャピラリ１２１と、その外筒としてキャピラリ１２１を取り囲むように配設されたガス外管１２２と、キャピラリ１２１自体又はその周囲に設けられた図示しない金属筒に数kV程度の直流高電圧を印加する直流電源１２３と、を有する。ＥＳＩでは、直流電源１２３から印加される電圧により形成される電場の影響によってキャピラリ１２１を流れて来る試料液が片寄って帯電し、その状態でガス外管１２２から噴射されるネブライザーガス（通常は窒素ガス）により剪断され、微小液滴となって噴出する。噴出した微小液滴は例えば脱溶媒管１３の周囲から噴出される乾燥窒素ガスに接触し、液滴中の移動相や溶媒が急速に蒸発し液滴のサイズは小さくなる。すると、帯電電荷のクーロン反発力によって液滴は細かく分裂し、その過程で試料分子に由来する気体イオンが発生する。
【００２２】
図２(b)は、ＡＰＣＩで従来用いられるイオン化プローブ１２の概略断面図である。このイオン化プローブ１２は、キャピラリ１２１、ガス外管１２２、キャピラリ１２１の出口開口の前方の空間を囲繞するヒータ１２４、及びさらにその前方に設けられた針状の放電電極１２５、を有する。キャピラリ１２１の先端に達した試料液（ＥＳＩと異なり帯電はしていない）はガス外管１２２から噴射されるネブライザーガスにより剪断され、微小液滴となって噴出する。その前方の空間はヒータ１２４で囲繞されているため、このヒータ１２４の加熱によって液滴中の溶媒は気化して溶媒ガスとなる。放電電極１２５に図示しない高電圧源から高電圧が印加されるとコロナ放電を生じ、溶媒ガス分子は溶媒イオンとなる。この溶媒イオンと液滴中の試料分子とが化学反応し、試料分子はイオン化されて試料イオンとなる。
【００２３】
図２に示すように、質量分析装置で従来用いられるイオン化プローブ１２は、ＥＳＩとＡＰＣＩのいずれの方法を用いる場合でも、キャピラリ１２１の外側からのみネブライザーガスを噴射している。以下に示す本発明は、イオン化プローブ１２のネブライザーガスによる試料液の剪断を従来より効率的に行えるようにしたものである。
【実施例】
【００２４】
図３は、本発明に係るイオン化プローブ１２の一実施例を示した概略断面図及び出口開口の正面図である。本実施例のイオン化プローブ１２は、キャピラリ１２１Ａがキャピラリ内管１２１１とキャピラリ外管１２１２の二重管構造を有し、キャピラリ内管１２１１をネブライザーガスが、キャピラリ外管１２１２を試料液が、それぞれ流れる構造となっている。
【００２５】
本実施例のキャピラリ１２１Ａにおいて、キャピラリ内管１２１１とキャピラリ外管１２１２の半径をそれぞれRin=R、Rout=2Rとした場合、試料液の流路断面積はπRout2-πRin2=3πR2である。これに対し、図２に示すような従来構造のキャピラリ１２１の半径を、本実施例の流路断面積と同じになるようにRs=31/2Rとした場合との比較を行う。
【００２６】
試料液の流路断面積が同じである場合、本実施例のキャピラリ１２１Ａと従来構造のキャピラリ１２１に試料液が同じ流量で導入されたとすると、それぞれのキャピラリにおける試料液の流速は同じになる。一方、ネブライザーガスにより直接剪断される試料液の表面積比は、キャピラリから噴出する試料液がそのまま直進すると仮定すると、
（2πRin+2πRout）/（2πRs）=31/2
となる。従って上記の例では、本実施例のキャピラリ１２１Ａを用いることで、従来構造のキャピラリ１２１の31/2倍、ネブライザーガスにより直接剪断される液体表面積が増加することになる。
【００２７】
また、試料液の流路断面積が同じであっても、従来構造のキャピラリ１２１からは直径2×31/2Rの幅で試料液が噴出し、本実施例のキャピラリ１２１ＡからはRout-Rin=Rの幅で試料液が噴出する。そのため、本実施例のキャピラリ１２１Ａでは、噴出後の試料液の幅が従来構造のキャピラリ１２１の(2×31/2)-1倍となり、幅が狭くなった分だけネブライザーガスや外気（イオン化室内の気体）などが噴出した試料液の内部にまで作用しやすくなる。
以上の効果により、従来技術に比べて大きい粒の液滴の生成をおさえ、微細液滴生成の歩留まりを向上させることが可能となる。
【００２８】
図４は、質量分析装置にガス流速調整部（図示せず）を設け、キャピラリ内管１２１１とガス外管１２２のそれぞれのネブライザーガスの流速を調整するようにした場合の、キャピラリ１２１Ａの出口周辺の気体の流れを示す模式図である。この図の例では、キャピラリ内管１２１１におけるネブライザーガスの流速v1を、ガス外管１２２における流速v2よりも大きくすることで、キャピラリ外管１２１２から噴出する試料液の中心軸側の気圧を外側の気圧よりも低くし、ガス外管１２２側から噴射されるネブライザーガスが液体流路の中心軸側に引き込まれやすくしている。また、試料液の中心軸側と外側の気圧差によって、外気も噴出する試料液の内部に引き込まれやすくなるため、試料液の剪断効率及び噴霧効率が向上する。
【００２９】
以下、本実施例のイオン化プローブ１２の変形例を示す。
図５のイオン化プローブ１２は、キャピラリ１２１Ｂが三重管構造を有する例である。この変形例では、イオン化プローブ１２内で分岐した試料液が最も内側の第一管１２１３と最も外側の第三管１２１５において流れ、第一管１２１３と第三管１２１５に挟まれる第二管１２１４においてネブライザーガスが流れる構造となっている。このような構造を有することにより、図３に示した実施例のものよりもネブライザーガスが作用する液体表面積がさらに増加する。
【００３０】
図６は、イオン化プローブ１２の形状に関する変形例である。図６(a)のキャピラリ内管１２１１Ａは、この管に流れるネブライザーガスの方向性を制御する加工を施している。ロケットエンジン等に見られるように、図６(a)のような構成ではキャピラリ内管１２１１Ａを流れるネブライザーガスが直進性を増すため、脱溶媒管１３にガス流を収束させる作用がある。
【００３１】
図６(b)は、ガス外管１２２のネブライザーガスの噴射口にガス流の方向性を制御する加工を施した例である。この例では、キャピラリ外管１２１２から噴出する試料液の内部にまでネブライザーガスが作用するように外側のネブライザーガスの方向を変えている。また、図６(c)及び(d)のように、キャピラリ内管１２１１とキャピラリ外管１２１２のいずれかが出口側で突設された構成とすることもできる。
【００３２】
なお、ＥＳＩによるイオン化を行う場合で、図６(b)〜(d)のようにイオン化プローブ１２内の管のいずれかが先端部で突出している際には、その突出している管の電位を他の管の電位よりも高くする方が、試料液により電荷を与えることができるため望ましい。
【００３３】
また、ネブライザーガスによる液滴の微細化は、ガスの温度を高くすることによっても促進させることが可能である。そのため、質量分析装置には、イオン化プローブ１２に供給するネブライザーガスを加熱するための加熱部を有していることが望ましい。
【００３４】
以上、本発明のイオン化プローブについて実施例を用いて説明したが、これらはあくまで一例であり、本発明の主旨の範囲で適宜修正や変更を行うことができる。また、上記実施例で示したイオン化プローブの構造は、ＥＳＩやＡＰＣＩなど試料液をネブライザーガスによって剪断する様々なイオン化法に適用可能であることは容易に想到しうることである。
【符号の説明】
【００３５】
１…イオン化部
１１…イオン化室
１２…イオン化プローブ
１２１、１２１Ａ、１２１Ｂ…キャピラリ
１２１１、１２１１Ａ…キャピラリ内管
１２１２…キャピラリ外管
１２１３…第一管
１２１４…第二管
１２１５…第三管
１２２…ガス外管
１２３…直流電源
１２４…ヒータ
１２５…放電電極
１３…脱溶媒管
１４…ドレイン
２…質量分析部
２１…第１中間真空室
２２…第１イオンレンズ
２３…スキマー
２４…第２中間真空室
２５…第２イオンレンズ
２６…小孔
２７…質量分析室
２８…四重極フィルタ
２９…イオン検出器
３０…ロータリポンプ
３１、３２…ターボ分子ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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