(57)【要約】【課題】ＧＣ−ＭＳにおいてカラムの温調のためのエネルギー低減を図る。【解決手段】イオン源２２、四重極マスフィルタ２４等を含む質量分析部２０が配置される真空チャンバ４０の内部に、ヒータを含む熱源部１７が密着して設けられたカラム１４を配置し、該カラム１４の末端をイオン源２２に接続する。制御部４２の制御の下で電源部４１はヒータに加熱電力を供給し、ヒータが加熱されてカラム１４が温調される。熱源部１７は真空雰囲気中に設置されているので、断熱材を用いることなく高い断熱性が達成される。そのため、従来と同じ昇温分析に際して、ヒータに供給する電力量を抑えることができ分析コストの引き下げにつながる。また、温度上昇の応答性が良好であるので温度プロファイルの自由度が増す。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
a)真空排気される真空チャンバと、
b)前記真空チャンバの内部に配置されたガスクロマトグラフ部のカラムと、
c)前記真空チャンバの内部であって前記カラムに密着して又は該カラムを包囲するように配置された、該カラムを加熱及び／又は冷却する熱源部と、
d)前記カラム中に試料ガスを導入する試料導入部と、
e)前記真空チャンバの内部に配置され、前記カラムで分離された化合物を含む試料ガスが導入されるイオン源、該イオン源由来のイオンを質量電荷比に応じて分離する質量分離部、及び、該分離されたイオンを検出するイオン検出部と、を含む質量分析部と、
を備えることを特徴とするガスクロマトグラフ質量分析装置。
【請求項２】
請求項１に記載のガスクロマトグラフ質量分析装置であって、
前記イオン源はその内部で化合物をイオン化するイオン化室を有し、前記カラムの末端が該イオン化室に接続されていることを特徴とするガスクロマトグラフ質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスクロマトグラフ質量分析装置（以下適宜「ＧＣ−ＭＳ」と略す）に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＧＣ−ＭＳは一般に、試料に含まれる各種の化合物をガスクロマトグラフ（ＧＣ）のカラムで時間的に分離したあと、その分離された化合物を質量分析装置（ＭＳ）に導入し、該質量分析装置で化合物をイオン化して質量分析する。
図４は従来の一般的なＧＣ−ＭＳの概略構成図である（特許文献１等参照）。
【０００３】
ガスクロマトグラフ部１０において、カラム１４はカラムオーブン１５内に収容されており、該カラム１４の入口端には試料気化室１１が設けられている。試料気化室１１にはキャリアガス配管１２が接続されており、ヘリウム等のキャリアガスがキャリアガス配管１２を通して試料気化室１１内に供給され、さらに試料気化室１１を経てカラム１４に導入されるようになっている。カラムオーブン１５内には、その内部空間を加熱するためのヒータ１６や図示しないファンが設けられている。
【０００４】
質量分析部２０において、図示しない真空ポンプにより真空排気される真空チャンバ２１の内部には、電子イオン化（ＥＩ）法などによるイオン源２２、イオンレンズ２３、四重極マスフィルタ２４、イオン検出器２５などが配置されている。さらにまた、ガスクロマトグラフ部１０と質量分析部２０との間には、加熱インターフェイス３０が設けられている。加熱インターフェイス３０は、カラム１４の末端１４ａを囲むように配置されたヒータ３２と、さらにその外側を被覆する断熱材３１と、を備える。
【０００５】
ＧＣ−ＭＳにおいて、キャリアガスが略一定線速度で以て試料気化室１１からカラム１４に供給されている状態で、マイクロシリンジ１３から微量の液体試料が加熱されている試料気化室１１に注入される。すると、注入された液体試料は短時間で気化し、気化試料はキャリアガスに乗ってカラム１４に導入される。なお、実際には、試料気化室１１には図示しないスプリット流路が接続されており、このスプリット流路を通してガスの大部分を外部に排出し残りの一部のガスをカラム１４に導入するスプリット分析が行われることが多い。
【０００６】
ヒータ１６はカラムオーブン１５内の温度が予め決められた温度プロファイルに従って一定に維持されるように（恒温分析の場合）又は上昇するように（昇温分析の場合）制御される。カラム１４に導入された試料中の各種化合物はカラム１４を通過する間に時間的に分離される。そして、その分離された化合物を含む試料ガスがカラム末端１４ａを通り、質量分析部２０のイオン源２２に吐き出される。
【０００７】
イオン源２２は導入された試料ガス中の化合物を連続的にイオン化する。ここで生成された化合物由来のイオンはイオンレンズ２３を経て四重極マスフィルタ２４に導入され、図示しない電源部から四重極マスフィルタ２４に印加されている電圧に応じた質量電荷比を有するイオンのみが該四重極マスフィルタ２４を通り抜けてイオン検出器２５に到達する。したがって、例えば四重極マスフィルタ２４への印加電圧を繰り返し走査すると、イオン検出器２５に到達し得るイオンの質量電荷比が所定の質量電荷比範囲で繰り返し走査される。それにより、イオン検出器２５で得られる検出信号に基づいて、所定の質量電荷比範囲のマススペクトルを繰り返し取得することができる。
【０００８】
上記のようなＧＣ／ＭＳ分析に際し、カラムオーブン１５内の温度は最大で３００〜４５０℃程度にまで上昇される可能性がある。こうした高温に加熱されたカラム１４中を通過した試料ガスがカラム末端１４ａに達して温度が下がると、該ガスの流通が滞って分離性能の低下につながる。これを避けるために、加熱インターフェイス３０においてヒータ３２によりカラム末端１４ａを例えばカラムオーブン１５内と同程度の温度に加熱するようにしている。加熱インターフェイス３０は、ヒータや温度センサなどを埋め込んだヒータブロックの内部にカラム末端を挿通し、ヒータブロック全体をウレタン等からなる断熱材で囲むようにした構成が一般的である。また、特許文献２には、メンテナンス性を向上させるとともに温度を下げる必要がある場合に容易に下げることができるように、断熱材を用いる代わりに真空断熱を利用した加熱インターフェイスが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１０−２８３９８２号公報
【特許文献２】特開２００１−２０８７４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したような従来のＧＣ−ＭＳにおいて、カラムオーブン１５は内容積が大きく、その全体が十分な厚さの断熱材で覆われているため、大きな熱容量を有している。そのため、カラムオーブン１５内の加熱や冷却には大きなエネルギーが必要であり、電力消費量が大きく分析コストが高くなるという問題がある。また、通常、カラムオーブン１５での加熱温度が比較的低い場合でも、加熱インターフェイス３０はカラム末端１４ａをほぼ一定の温度で加熱しているため、カラム末端１４ａの劣化が進行し易いという問題もある。
【００１１】
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その主な目的は、カラムを温調するための断熱材を不要とすることで熱容量を小さくし、加熱の際のエネルギーを低減することができるガスクロマトグラフ質量分析装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するためになされた本発明に係るガスクロマトグラフ質量分析装置（ＧＣ−ＭＳ）は、
a)真空排気される真空チャンバと、
b)前記真空チャンバの内部に配置されたガスクロマトグラフ部のカラムと、
c)前記真空チャンバの内部であって前記カラムに密着して又は該カラムを包囲するように配置された、該カラムを加熱及び／又は冷却する熱源部と、
d)前記カラム中に試料ガスを導入する試料導入部と、
e)前記真空チャンバの内部に配置され、前記カラムで分離された化合物を含む試料ガスが導入されるイオン源、該イオン源由来のイオンを質量電荷比に応じて分離する質量分離部、及び、該分離されたイオンを検出するイオン検出部と、を含む質量分析部と、
を備えることを特徴としている。
【００１３】
本発明に係るＧＣ−ＭＳでは、ガスクロマトグラフ部のカラム及び該カラムを加熱したり冷却したりするためのヒータ等の熱源部が、イオン源、四重極マスフィルタ等の質量分離部、イオン検出部などが配置されている真空チャンバの内部に直接配置される。即ち、カラムは真空雰囲気中に配置されるため、真空断熱される。そのため、断熱材で熱的に外部と遮蔽されたカラムオーブンは不要になり、従来のＧＣ−ＭＳに比べて、熱源部による加熱対象の熱容量はかなり小さくなる。
【００１４】
また本発明に係るＧＣ−ＭＳにおいて、好ましくは、前記イオン源はその内部で化合物をイオン化するイオン化室を有し、前記カラムの末端が該イオン化室に接続されている構成とするとよい。
【００１５】
この構成では、カラムの末端とイオン源のイオン化室とが直結され、その全てが真空チャンバ内に収容されているので、従来、ガスクロマトグラフ部と質量分析部との間に設けられていた加熱インターフェイスが不要になる。また、カラムの末端を含めカラム全体が同じように加熱又は冷却されるので、カラムの末端のみが加熱インターフェイスにより常に加熱されている状態となることがなく、過剰な加熱によるカラム末端の劣化を回避することができる。
【００１６】
なお、本発明に係るＧＣ−ＭＳにおいて、熱源部は様々な構成・構造のものとすることができる。一実施態様として、前記熱源部は、前記カラムの長手方向に沿って延伸するように配置されている線状、棒状、又は帯状のヒータ若しくはヒータブロックを含む構成とすることができる。また別の実施態様として、前記熱源部は、前記カラムを挟む一対の板状のヒータ又はヒータブロックを含む構成とすることもできる。ここで、ヒータブロックとは、例えばヒータが埋設された熱導電性の高い材料からなるブロックである。また、カラムを冷却するための熱源部としては、例えば、真空チャンバの外側で冷却された冷媒が流通する冷媒配管をカラムの長手方向に沿って延伸するように配置したり、カラムを挟む一対の板状のブロックをそうした冷媒配管により冷却したりすればよい。また、ペルチエ素子などを用いてもよい。
【００１７】
また本発明に係るＧＣ−ＭＳにおいて、質量分析部は典型的には四重極型質量分析部であるが、コリジョンセルを備えたトリプル四重極型質量分析部や四重極−飛行時間型質量分析部（ｑ−ＴＯＦ ＭＳ）でもよい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るＧＣ−ＭＳによれば、カラムを温調するための断熱材を実質的に不要とすることで、その熱容量を小さくすることができる。それによって、カラムを加熱する際に供給するエネルギーを低減することができ、分析コストを抑えることができる。また、熱容量が小さいために温度上昇の速度を上げることが可能であり、従来装置に比べて、昇温分析時の温度プロファイルの自由度が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係るＧＣ−ＭＳの一実施例の概略構成図。
【図２】本実施例のＧＣ−ＭＳにおけるヒータ付きカラムの概略断面図。
【図３】ヒータ付きカラムの別の構成例を示す概略図。
【図４】従来の一般的なＧＣ−ＭＳの概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に係るＧＣ−ＭＳの一実施例について、添付図面を参照して説明する。図１は本実施例によるＧＣ−ＭＳの概略構成図である。すでに図４により説明した従来のＧＣ−ＭＳと対応する構成要素には同じ符号を付している。
【００２１】
本実施例のＧＣ−ＭＳにおいて、図示しない真空ポンプにより真空排気される真空チャンバ４０の内部には、イオン源２２、イオンレンズ２３、四重極マスフィルタ２４、イオン検出器２５を含む質量分析部２０が配置されるのみならず、カラム１４と、該カラム１４を加熱する熱源部１７と、が配置されている。即ち、ガスクロマトグラフ部１０の一部が真空チャンバ４０の内部に配置されている。試料気化室１１は、カラム１４の入口端の接続部１１ａが真空チャンバ４０の内部に臨むように該真空チャンバ４０に取り付けられ、その接続部１１ａには高い気密性を保つためのシールを介してカラム１４の入口端が取り付けられる。一方、カラム１４の出口端はイオン源２２のイオン化室に直接接続されている。なお、カラム１４の入口端や出口端はジョイント等で簡便に接続されるようにしてもよい。
【００２２】
図２に示すように、熱源部１７はカラム１４の外壁面に接触しつつその長手方向に沿って配置された、内部にヒータ１７１が埋設されたヒータブロック１７２である。ヒータブロック１７２の周りに保護用のハウジングを設けてもよい。制御部４２は予め設定されている温度プロファイルに従って電源部４１を制御し、それに応じて電源部４１は時間経過に従って適宜の加熱電力をヒータ１７１に供給する。これにより、ヒータブロック１７２は加熱され、カラム１４は所定の温度になる。
【００２３】
本実施例のＧＣ−ＭＳでは、従来のＧＣ−ＭＳと同様に、真空チャンバ４０の内部の真空度が１０-3〜１０-4Pa程度になるように真空排気を行う。そして、キャリアガス配管１２から試料気化室１１を経てカラム１４へとキャリアガスを供給している状態で、マイクロシリンジ１３により試料気化室１１内に微量の液体試料を注入する。すると、短時間で試料は気化し、キャリアガス流に乗ってカラム１４に導入される。一方、上述したように制御部４２の制御の下で電源部４１はヒータ１７１に加熱電力を供給し、それによりヒータ１７１は加熱されヒータブロック１７２を介してカラム１４は加熱される。ヒータブロック１７２は真空雰囲気中に配置されているので、断熱性が良好な状態となる。そのため、ヒータブロック１７２の熱は周囲には逃げにくく、ヒータ１７１に供給される加熱電力が小さくてもカラム１４を効率良く加熱することができる。
【００２４】
こうして温調されているカラム１４中を試料ガスが通過する間に、該試料ガス中の各種化合物は時間的に分離され、カラム１４の末端から出てイオン源２２のイオン化室内に直接導入される。カラム１４はその末端近くまでヒータ１７１及びヒータブロック１７２により加熱されるため、試料ガスの流れは滞ることなく円滑にイオン化室に入る。イオン化室内で試料ガス中の化合物は例えば電子イオン化法によりイオン化され、生成されたイオンはイオンレンズ２３を経て四重極マスフィルタ２４に導入される。上述したように質量分析部２０は真空雰囲気に維持される真空チャンバ４０内に配設されているので、四重極マスフィルタ２４においてイオンは質量電荷比に応じて分離され、四重極マスフィルタ２４を通り抜けたイオンはイオン検出器２５に到達して検出される。
【００２５】
以上のようにして本実施例のＧＣ−ＭＳでは、良好にＧＣ／ＭＳ分析を実行することができる。特に、本実施例のＧＣ−ＭＳでは、カラム１４を加熱する熱源部１７に断熱材を用いておらず、また熱源部１７は効率良くカラム１４を加熱するので、カラム１４の温度上昇速度を従来のＧＣ−ＭＳよりも速めることができる。そのため、昇温分析の際の温度プロファイルの自由度が向上し、例えば従来よりも短時間で分析を終了することができる。また、同じ昇温分析を行うのに、ヒータ１７１に投入する電力量を減らすことができ、分析コストを引き下げることができる。
【００２６】
カラム１４を加熱する熱源部１７の構成・構造は図１、図２に記載のものに限らない。熱源部１７の他の構成例を図３に示す。この例では、カラム１４は多数回Ｕ字状にターンした形状に形成されており、そのカラム１４を一対の平板状のヒータブロック１７２で挟み込むようになっている。ヒータブロック１７２には図示しないヒータが埋設されており、該ヒータに加熱電力が供給されるとヒータブロック１７２全体が略均一に加熱される。これにより、カラム１４全体を良好に加熱することができる。もちろん、カラム１４自体をヒータブロック１７２に埋設する構成としてもよい。
【００２７】
また、カラム１４を加熱するだけでなく、カラム１４を冷却する手段を熱源部１７に併設してもよい。カラム１４を冷却するには例えば、真空チャンバ４０の外側で冷却された冷媒が流通する冷媒配管を図２におけるヒータ１７１と同様にカラム１４に沿って配設する構成とすればよい。
【００２８】
上記実施例のＧＣ−ＭＳは質量分析部２０が四重極型質量分析部であるが、コリジョンセルの前後に四重極マスフィルタを配置したトリプル四重極型質量分析部や、コリジョンセルの後段の四重極マスフィルタを飛行時間型質量分離部に置き換えた四重極−飛行時間型質量分析部としてもよいことは当然である。
【００２９】
また、上記実施例や変形例は本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜変形や修正、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。
【符号の説明】
【００３０】
１０…ガスクロマトグラフ部
１１…試料気化室
１１ａ…接続部
１２…キャリアガス配管
１３…マイクロシリンジ
１４…カラム
１７…熱源部
１７１…ヒータ
１７２…ヒータブロック
２０…質量分析部
２２…イオン源
２３…イオンレンズ
２４…四重極マスフィルタ
２５…イオン検出器
４０…真空チャンバ
４１…電源部
４２…制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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