(57)【要約】【課題】  極低温のような低温でしか安定ではなく、熱によって不安定になる試料を用いた場合であっても、熱による分解を生じることなく質量分析できる安全性の高いエレクトロスプレーイオン化質量分析装置およびそれを用いた質量分析方法を提供する。【解決手段】  エレクトロスプレーイオン化質量分析装置に、スプレイヤー４に導入される前の上記被験試料溶液を冷却する低温浴６と、上記スプレイヤーおよび、上記スプレイヤー４に導入された上記被験試料溶液を冷却する、上記スプレイヤーとは独立した構造の冷却ガス導入管８とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高電圧を印加して被験試料溶液をイオン気化するスプレイヤーを備えたエレクトロスプレーイオン化質量分析装置であって、
上記スプレイヤーに導入される前の上記被験試料溶液を冷却する第１冷却手段および、
上記スプレイヤーおよび、上記スプレイヤーに導入された上記被験試料溶液を冷却する第２冷却手段
が備えられていることを特徴とするエレクトロスプレーイオン化質量分析装置。
【請求項２】
上記第２冷却手段が、上記スプレイヤーとは独立した構造であることを特徴とする請求項１に記載のエレクトロスプレーイオン化質量分析装置。
【請求項３】
上記第２冷却手段が、上記スプレイヤーにおける高電圧印加部を少なくとも含む領域を冷却することを特徴とする請求項１または２に記載のエレクトロスプレーイオン化質量分析装置。
【請求項４】
上記第２冷却手段が、低温不活性ガスを排出するガス導入管であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のエレクトロスプレーイオン化質量分析装置。
【請求項５】
上記低温不活性ガスの排出方向が、高電圧が印加された被験試料溶液の排出を補助するネブライシングガスの排出方向に対して、３０°〜６０°傾斜していることを特徴とする請求項４に記載のエレクトロスプレーイオン化質量分析装置。
【請求項６】
上記低温不活性ガスの排出口における単位面積当たりの排出流量は、高電圧が印加された被験試料溶液の排出を補助するネブライシングガスの排出口における単位面積当たりの排出流量以下であることを特徴とする請求項４または５に記載のエレクトロスプレーイオン化質量分析装置。
【請求項７】
上記第１冷却手段および第２冷却手段は、温度調節可能な構成となっていることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載のエレクトロスプレーイオン化質量分析装置。
【請求項８】
高電圧を印加して被験試料溶液をイオン気化するスプレイヤーを用いて当該被験試料の質量分析を行うエレクトロスプレーイオン化質量分析方法であって、
上記スプレイヤーに導入される前の上記被験試料溶液を冷却する第１冷却工程と、
上記スプレイヤーおよび、上記第１冷却工程にて冷却され、上記スプレイヤーに導入された上記被験試料溶液を冷却し、上記スプレイヤーに高電圧を印加して被験試料溶液をイオン気化する第２冷却工程と、
上記第２冷却工程によって冷却された上記被験試料の質量分析を行う質量分析工程
とからなることを特徴とするエレクトロスプレーイオン化質量分析方法。
【請求項９】
上記第２冷却工程では、上記被験試料溶液が上記スプレイヤーに導入される前に予め上記スプレイヤーを冷却していることを特徴とする請求項８に記載のエレクトロスプレーイオン化質量分析方法。
【請求項１０】
上記被験試料が、−４５℃以下でのみ安定な試料であることを特徴とする請求項９または９に記載のエレクトロスプレーイオン化質量分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温下におけるエレクトロスプレーイオン化質量分析装置およびエレクトロスプレーイオン化法を利用した質量分析方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
質量分析法における様々なイオン化法がこれまでに研究開発されている。その中の一つとして知られているエレクトロスプレーイオン化法は、エレクトロスプレー（静電噴霧）現象を利用した方法である。このイオン化法は、試料分子のイオン化に際して、高熱をかけたり高エネルギー粒子を衝突させたりしないため、非常にソフトなイオン化法であるという特徴をもつ。したがって、このエレクトロスプレーイオン化法を用いて行うエレクトロスプレーイオン化質量分析法は、蛋白質、核酸などの生体高分子および、薬物の同定、並びに有機金属錯体などの分子構造を解析する上で、これらの試料をほとんど破壊することなく、容易にイオン化できることから、これらの試料を用いた研究分野においては、その分析手段として欠かせないものとなっている。
【０００３】
しかしながら、上述した特徴を備えているとされる上記エレクトロスプレーイオン化法を用いた場合であっても、イオン化の際に試料イオンの分子構造が破壊されてしまうという問題が生じていた。これは、プラチナなどの遷移金属錯体の自己集合によって高度な秩序を備えた超分子化合物などの場合に生じていた。これらの金属錯体は、エレクトロスプレーイオン化法によるイオン化に対しても不安定であり、イオン気化の際に加わる熱によって分子構造の破壊が起きていた。
【０００４】
この問題を解決するために、イオン気化の際の試料イオンの加熱を抑えるための手段を設けたエレクトロスプレーイオン化法が開発された。
【０００５】
このような方法は、コールドスプレー・イオン化法と呼ばれている。コールドスプレー・イオン化法を備えるエレクトロスプレーイオン化質量分析装置として、被験試料を溶媒とともにイオン気化する段階、すなわちスプレー細管より被験試料および溶媒が排出される段階にて、冷却された気化用不活性ガスを用い、さらに、脱溶媒チャンバーまたはイオン源ブロックに対して液体窒素を用いることで、イオン気化される液滴の加熱を抑える装置が特許文献１に開示されている。これにより、イオン気化の際の試料イオンの加熱を抑えることが可能となった。
【０００６】
さらに、ネブライジングガスの温度制御を行うことによって、ネブライジングガスを任意の温度に設定し、特許文献１のエレクトロスプレーイオン化質量分析装置よりも効率的にイオン気化の際の加熱を抑える装置が特許文献２に開示されている。
【特許文献１】特開２０００−２８５８４７号公報（２０００年１０月１３日公開）
【特許文献２】特開２００３−１５７７９３号公報（２００３年５月３０日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献に開示されているエレクトロスプレーイオン化質量分析装置はそれぞれ、イオン気化される液滴の加熱を抑えるという点に着目し、加熱を抑制・低減する手段を設けたものである。すなわち、イオン気化における高電圧印加による温度上昇が原因となって生じる試料イオンの分子構造の破壊を防止する目的において冷却手段を備えている。したがって、これらのエレクトロスプレーイオン化質量分析装置は、−４５℃以下のような極低温下でしか安定ではない試料の質量分析を行う場合には適用が困難であるという問題が生じる。
【０００８】
すなわち、上述した特許文献１および２はともに、冷却手段を用いてネブライジングガスを冷却し、高電圧印加によってイオン気化される被験試料に生じる加熱を抑制するエレクトロスプレーイオン化質量分析装置である。すなわち、冷却されたネブライジングガスが、加熱による試料イオンの分子構造の破壊を防止できるというものである。しかしながら、これらは共通して、以下の２点の問題点を有する。
【０００９】
まず１つ目として、上述したようなネブライジングガスによる冷却および、脱溶媒チャンバーの冷却は、高電圧が印加された後の帯電した被験試料（電荷液滴）を間接的に冷却しているに過ぎない。すなわち、被験試料には高電圧が印加された時点から熱が加えられているので、特に熱に対して非常に不安定な被験試料を分析する場合においては、既に熱が加えられてしまった被験試料は分子構造が破壊されており、これを冷却しても、何ら効果が得られず、分析が不可能となってしまう。
【００１０】
すなわち、これらの文献に開示されているエレクトロスプレーイオン化質量分析装置では、高電圧を印加する前の被験試料を冷却するような手段が設けられていない。極低温下でのみ安定な被験試料を用いる場合は特に、高電圧を印加する前の被験試料の温度も、後の高電圧印加における発熱の抑制に影響を与えるため、高電圧を印加する前の被験試料の温度は少なくとも、被験試料が安定である温度、より好ましくは被験試料が安定である温度よりも低温な状態にしておく必要がある。したがって、開示されている上述したような装置では、極低温下でのみ安定な被験試料の質量分析を行うには、不十分な構成となっている。
【００１１】
また、特許文献２に関しては、予め作成した補正表によって誤差を補正し、精密な温度制御を行うとしているが、温度調節器によって設定された温度と、実際の被験試料が冷却される温度との間には、差があるため、被験試料の温度が、設定された温度以上になってしまう可能性があり、上記と同じく、被験試料イオンの熱による破壊を完全に防ぐものではない。
【００１２】
さらに２つ目は、これらエレクトロスプレーイオン化質量分析装置の構造は、被験試料溶液を排出するキャピラリーと、上記キャピラリーと同軸形状をなし、ネブライシングガスを通すシース管とを備えたスプレイヤーを備えている。
【００１３】
具体的には、上記シース管の外周が、高電圧が印加されるスプレイヤーに繋がった構造となっている。このような構造を備えている場合に、シース管に冷却したネブライジングガスを通すと、当該シース管とその外部環境との温度差から、上記シース管の外周に結露を生じる可能性が高い。なお、この現象は、本発明におけるエレクトロスプレーイオン化質量分析装置の好適な被験試料として挙げられる約−４５℃以下のような極低温でしか安定ではなく、熱によって不安定になる試料を用いた場合に顕著にみられる。
【００１４】
すなわち、極低温下でのみ安定な被験試料は、そのイオン気化時に加えられる熱を最低限に抑えなくてはならないため、その冷却手段であるネブライジングガスの温度は、上記極低温以下となっている。このように、シース管の外周に結露を生じた場合に、上述したような構造であるエレクトロスプレーイオン化質量分析装置は、その結露が何らかの理由でスプレイヤーの高電圧印加部に流れてしまうと、高電圧を印加したときに漏電や感電を引き起こしてしまうという危険性がある。
【００１５】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、極低温下でしか安定ではなく、熱によって不安定になる試料を用いた場合であっても、熱による分解を生じることなく質量分析できるエレクトロスプレーイオン化質量分析装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本願発明者らは、上記の問題点に鑑みて鋭意検討した結果、スプレイヤーに導入される前の被験試料溶液を冷却することで、イオン気化に伴い発生する熱をより効果的に抑えることができることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１７】
すなわち、本発明に係るエレクトロスプレーイオン化質量分析装置は、高電圧を印加して被験試料溶液をイオン気化するスプレイヤーを備えたエレクトロスプレーイオン化質量分析装置であって、上記スプレイヤーに導入される前の上記被験試料溶液を冷却する第１冷却手段および、上記スプレイヤーおよび、上記スプレイヤーに導入された上記被験試料溶液を冷却する第２冷却手段が備えられていることを特徴としている。
【００１８】
これにより、イオン気化する上記被験試料に発生する熱を効果的に冷却することができる。具体的に説明すると、以下の通りである。
【００１９】
エレクトロスプレーイオン化質量分析装置を用いた質量分析では、上述したようにエレクトロスプレー（静電噴霧）現象を利用している。したがって、蛋白質、核酸などの生体高分子および、薬物の同定、並びに有機金属錯体などの分子構造を解析する場合に、これらの試料をほとんど破壊することがなく、容易にイオン化することができる。そのため、これらの試料を用いた研究において、この装置は、その構造解析手段の一つとして欠かせないものとなっている。
【００２０】
しかしながら、上述したように、従来のエレクトロスプレーイオン化質量分析装置では、熱に不安定な有機金属錯体などを被験試料として用いた場合に、発熱に対する抑制が十分ではない。特に、極低温下でのみ安定な被験試料を分析する場合においては、従来のエレクトロスプレーイオン化質量分析装置を用いたのでは、被験試料イオンが破壊されてしまう。また、熱に対する対処法として挙げられている冷却方法に関しても、上述したように、ネブライジングガスを冷却する方法を用いた特許文献１および２では、上述した通り、それぞれに問題点があり、結果的に、極低温下でのみ安定な被験試料の分析には対応しきれない装置となっている。
【００２１】
そこで、本発明に係るエレクトロスプレーイオン化質量分析装置は、上記スプレイヤーに導入される前の上記被験試料溶液を冷却する第１冷却手段と、上記スプレイヤーおよび、上記スプレイヤーに導入された上記被験試料溶液を冷却する第２冷却手段とが備えられた構成とする。すなわち、イオン気化する被験試料に対して、本発明に係るエレクトロスプレーイオン化質量分析装置は、２段階の冷却手段を備えている。特に第１冷却手段によって、上記スプレイヤーに導入される前の上記被験試料溶液を冷却することから、従来の装置と比較し、被験試料を効果的に冷却することが可能となる。
【００２２】
また、本発明に係るエレクトロスプレーイオン化質量分析装置は、上記第２冷却手段が、上記スプレイヤーとは独立した構造であることが好ましい。
【００２３】
これにより、上記被験試料は、上記第２冷却手段によって直接的に冷却されるため、高電圧印加時における当該被験試料の加熱を効果的に抑制することが可能となる。
【００２４】
すなわち、特許文献１および２に記載されているエレクトロスプレーイオン化質量分析装置では、上述したように、冷却されたネブライジングガスが通るシース管が、スプレイヤーと繋がった構造であったため、当該シース管の外周に生じた結露が、高電圧が印加されるスプレイヤーに影響し、漏電や感電を起こす可能性があった。
【００２５】
そこで、上述した構造とすることにより、上記スプレイヤーを過剰に冷却する場合であっても、ネブライジングガスをスプレイヤーの冷却手段としないため、上述したような漏電が起こる危険性はなくなる。
【００２６】
したがって、本発明のエレクトロスプレーイオン化質量分析装置は、被験試料に対して二段階の冷却手段を備え、かつ、高電圧が印加される被験試料を直接冷却することから、イオン気化に伴い被験試料イオンに発生する熱を効果的に抑えることができ、極低温下でのみ安定な被験試料の質量分析を可能にする。
【００２７】
また、本発明に係るエレクトロスプレーイオン化質量分析装置は、上記第２冷却手段が、上記スプレイヤーにおける少なくとも高電圧印加部を含む領域を冷却することが好ましい。
【００２８】
特許文献１および２に記載されているエレクトロスプレーイオン化質量分析装置で用いられていた冷却方法とは、イオン気化時に発熱する被験試料の熱を抑え、被験試料イオンの分子構造の破壊を防止するために、液体窒素などの冷媒で冷却したネブライジングガスおよび脱溶液チャンバーを介して、間接的に帯電した被験試料を冷却するものであった。この冷却方法は、効果的に被験試料を冷却するものではなく、特に、被験試料が極低温下においてのみ安定な試料である場合に、このような不十分な冷却は分子構造の破壊を招く危険性が高いものとなる。
【００２９】
そこで、上記第２冷却手段が、上記スプレイヤーにおける少なくとも高電圧印加部を含む領域を冷却する構成にすることで、発熱源である上記スプレイヤーの高電圧印加部およびその周辺を集中的に冷却することが可能となる。
【００３０】
したがって、高電圧が印加される被験試料を、効果的に冷却することが可能となり、イオン気化時に熱による被験試料イオンの分子構造破壊を一層抑えることが可能となる。
【００３１】
また、本発明に係るエレクトロスプレーイオン化質量分析装置は、上記第２冷却手段が、低温不活性ガスを排出するガス導入管であることが好ましい。
【００３２】
これにより、上記スプレイヤーを効果的に冷却することができる。すなわち、ガス導入管の開口部を、上記スプレイヤーの冷却したい部分近傍に近づけることが可能であるため、効果的にスプレイヤーの冷却を行うことが出来る。
【００３３】
また、導入管であるため、低温（極低温）の冷却ガスの温度を上げることなくスプレイヤー近くで排出することが可能となる。
【００３４】
したがって、本発明のエレクトロスプレーイオン化質量分析装置は、上記スプレイヤーおよび、高電圧が印加される被験試料を、効果的に冷却することが可能となり、イオン気化時に発生する熱を一層抑えることが可能となる。すなわち、イオン気化時に熱による被験試料イオンの分子構造破壊を一層抑えることが可能となる。
【００３５】
また、上述した上記第２冷却手段は、従来のエレクトロスプレーイオン化質量分析装置の構造を変えるものではなく、上記第２冷却手段を従来のエレクトロスプレーイオン化質量分析装置に付属させる構成であることから、従来のエレクトロスプレーイオン化質量分析装置の製造効率を大きく変えることなく、本発明に係るエレクトロスプレーイオン化質量分析装置を提供することが可能となる。
【００３６】
また、本発明に係るエレクトロスプレーイオン化質量分析装置は、上記低温不活性ガスの排出方向が、高電圧が印加された被験試料溶液の排出を補助するネブライシングガスの排出方向に対して、３０°〜６０°傾斜していることが好ましい。
【００３７】
上記ネブライシングガスとは、排出される霧状の被験試料のイオン引出電極への効果的な導入を補助するためのものである。したがって、低温不活性ガスが、上述した方向でスプレイヤーに向かって排出されることにより、低温不活性ガスはネブライジングガスの排出方向を変位させることなく、スプレイヤーを効果的に冷却することが可能となる。上述した範囲を外れ、ネブライシングガスの排出方向に対して３０°未満となると、効果的に上記低温不活性ガスがスプレイヤーを冷却することができず、ネブライシングガスの排出方向に対して６０°以上となると、上記低温不活性ガスの排出が、ネブライシングガスの排出方向を妨げることになる。
【００３８】
すなわち、上記低温不活性ガスの排出方向を上述した範囲にすることで、ネブライジングガスおよび被験試料の排出を妨げることなく、効果的にスプレイヤーを冷却することが可能となる。
【００３９】
さらに、上記の範囲の傾斜にすることで、低温不活性ガスがネブライジングガスの排出方向に同調するように排出する。すなわち、冷却されている上記低温不活性ガスはネブライジングガスとともに、キャピラリーから排出される被験試料の移動を補助していることになる。そのため、ネブライジングガスの温度は、低温不活性ガスの温度に影響され低温になり、キャピラリーから排出された被験試料イオンの冷却を行うことも可能となる。
【００４０】
また、本発明に係るエレクトロスプレーイオン化質量分析装置は、上記低温不活性ガスの排出口における単位面積当たりの排出流量が、高電圧が印加された被験試料溶液の排出を補助するネブライシングガスの排出口における単位面積当たりの排出流量以下で排出されることが好ましい。
【００４１】
上記ネブライシングガスは、上述したように上記キャピラリーから排出される霧状の被験試料のイオン引出電極への効果的な導入を補助するためのものであるため、上記低温不活性ガスは、ネブライジングガスの排出に影響を与えない程度の排出速度である必要がある。そのため、上記ネブライシングガスの排出速度以下とすることにより、上記キャピラリーから排出される霧状の被験試料を排出方向に影響を与えることなく、スプレイヤーを冷却することが可能となる。なお、ここで排出口における単位面積当たりの排出流量とは、ｍＬ／（分×ｃｍ２）の単位で表される数値である。
【００４２】
また、本発明に係るエレクトロスプレーイオン化質量分析装置は、上記第１冷却手段および第２冷却手段は、温度調節可能な構成となっていることが好ましい。
【００４３】
これにより、分析する被験試料がイオン気化する最適な温度条件に制御することが可能であるため、それぞれ異なる被験試料の温度条件に合わせ、正確な分析を行うことができる。
【００４４】
特許文献１および２に記載のエレクトロスプレーイオン化質量分析装置では、スプレイヤーに設けられた高電圧印加部に連結したシース管に、冷却したネブライジングガスを通していたため、シース管の外周に生じた結露が、電圧が印加される部分に達し、漏電が生じる危険性があった。これは、特に、被験試料が極低温下においてのみ安定な試料である場合に、ネブライジングガスが過剰に冷却されるため、このような状況が顕著に現れる。そこで、本発明では、冷却していない通常のネブライジングガスを用いることにより、シース管の外周に結露が生じないため、漏電の危険性はない。
【００４５】
したがって、本発明に係るエレクトロスプレーイオン化質量分析装置では、被験試料およびスプレイヤーを過剰に冷却する必要があった場合であっても、その冷却をネブライジングガスによって行うものではないことから、安全なエレクトロスプレーイオン化質量分析装置を提供することが可能である。
【００４６】
さらに、本発明に係るエレクトロスプレーイオン化質量分析方法では、高電圧を印加して被験試料溶液をイオン気化するスプレイヤーを備えたエレクトロスプレーイオン化質量分析方法であって、上記スプレイヤーに導入される前の上記被験試料溶液を冷却する第１冷却工程と、上記スプレイヤーおよび、上記第１冷却工程にて冷却され、上記スプレイヤーに導入された上記被験試料溶液を冷却する第２冷却工程とを備え、上記第２冷却工程の間に、スプレイヤーに高電圧が印加され、被験試料溶液をイオン気化することを特徴としている。
【００４７】
これにより、イオン気化する場合に被験試料に発生する熱によってその分子構造が破壊されることを抑制することができる。
【００４８】
また、本発明に係るエレクトロスプレーイオン化質量分析方法では、上記第２冷却工程は、上記被験試料溶液が上記スプレイヤーに導入される前に予め上記スプレイヤーを冷却していることが好ましい。
【００４９】
これにより、上記スプレイヤーは、被験試料溶液が導入される前に予め冷却されており、被験試料溶液に高電圧が印加される直前まで、当該被験試料溶液を低温に保った状態を維持できる。
【００５０】
したがって、被験試料溶液を効果的に冷却できることから、イオン気化する場合に被験試料に発生する熱によってその分子構造が破壊されることを抑制することができる。
【００５１】
また、本発明に係るエレクトロスプレーイオン化質量分析方法では、上記被験試料が、−４５℃以下でのみ安定な試料であることが好ましい。
【発明の効果】
【００５２】
本発明に係るエレクトロスプレーイオン化質量分析装置は、高電圧を印加して被験試料溶液をイオン気化するスプレイヤーを備えたエレクトロスプレーイオン化質量分析装置であって、上記スプレイヤーに導入される前の上記被験試料溶液を冷却する第１冷却手段および、上記スプレイヤーおよび、上記スプレイヤーに導入された上記被験試料溶液を冷却する第２冷却手段が備えられていることを特徴としている。
【００５３】
なお、本発明に係るエレクトロスプレーイオン化質量分析装置は、極低温下でのみ安定な被験試料を質量分析するために用いられることが好ましい。
【００５４】
具体的には、エレクトロスプレーイオン化質量分析装置を用いた質量分析では、上述したようにエレクトロスプレー（静電噴霧）現象を利用している。したがって、蛋白質、核酸などの生体高分子および、薬物の同定、並びに有機金属錯体などの分子構造を解析する場合に、これらの試料をほとんど破壊することがなく、容易にイオン化することができる。そのため、これらの試料を用いた研究において、この装置は、その構造解析手段の一つとして欠かせないものとなっている。しかしながら、上述したように、従来のエレクトロスプレーイオン化質量分析装置では、熱に不安定な有機金属錯体などを被験試料として用いた場合に、発熱に対する抑制が十分ではない。特に、極低温下でのみ安定な被験試料を分析する場合においては、従来のエレクトロスプレーイオン化質量分析装置を用いたのでは、被験試料イオンが破壊されてしまう。また、熱に対する対処法として挙げられている冷却方法に関しても、上述したように、ネブライジングガスを冷却する方法を用いた特許文献１および２では、上述した通り、それぞれに問題点があり、結果的に、極低温下でのみ安定な被験試料の分析には対応しきれない装置となっている。
【００５５】
そこで、本発明に係るエレクトロスプレーイオン化質量分析装置を、上記スプレイヤーに導入される前の上記被験試料溶液を冷却する第１冷却手段と、上記スプレイヤーおよび、上記スプレイヤーに導入された上記被験試料溶液を冷却する第２冷却手段とが備えられた構成とする。すなわち、イオン気化する被験試料に対して、本発明に係るエレクトロスプレーイオン化質量分析装置は、２段階の冷却手段を備えている。特に第１冷却手段によって、上記スプレイヤーに導入される前の上記被験試料溶液を冷却することから、従来の装置と比較し、被験試料を効果的に冷却することが可能となる。
【００５６】
また、特許文献１および２に記載されているエレクトロスプレーイオン化質量分析装置では、イオン気化時の被験試料を冷却しようとすると、スプレイヤーに結露が発生し、この結露を介した漏電が起こる可能性があった。
【００５７】
そこで、本発明のエレクトロスプレーイオン化質量分析装置は、被験試料に対して二段階の冷却手段を備えており、イオン気化するにあたって被験試料に発生する熱を効果的に抑えることができ、極低温下でのみ安定な被験試料を用いた場合であっても、正確な分析が可能となり、かつ、上記二段階の冷却手段を用いて冷却を行っていても安全に分析することが可能となる。
【００５８】
また、本発明に係るエレクトロスプレーイオン化質量分析方法では、高電圧を印加して被験試料溶液をイオン気化するスプレイヤーを備えたエレクトロスプレーイオン化質量分析方法であって、上記スプレイヤーに導入される前の上記被験試料溶液を冷却する第１冷却工程と、上記スプレイヤーおよび、上記第１冷却工程にて冷却され、上記スプレイヤーに導入された上記被験試料溶液を冷却し、上記スプレイヤーに高電圧を印加して被験試料溶液をイオン気化する第２冷却工程と、上記第２冷却工程によって冷却された上記被験試料の質量分析を行う質量分析工程とからなることを特徴としている。
【００５９】
これにより、被験試料は、まず上記スプレイヤーに導入される前に冷却され、次に、上記スプレイヤーに高電圧を印加して被験試料溶液をイオン気化する工程においても上記スプレイヤーおよび被験試料を冷却するという２段階の冷却工程からなることから、従来のエレクトロスプレーイオン化質量分析方法よりも効果的に被験試料に発生する熱を抑制することができる。したがって、イオン気化に伴い発生する熱による被験試料の分子構造の破壊を抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６０】
本発明の一実施形態について図１に基づいて説明する。なお、本発明はこれに限定されるものではない。
【００６１】
本発明における上記エレクトロスプレーイオン化質量分析装置２０は、上述したようにエレクトロスプレー（静電噴霧）現象を利用した非常にソフトなイオン化法を用いている。そのため、蛋白質、核酸などの生体高分子および、薬物の同定、並びに有機金属錯体などの分子構造を被験試料とする場合に欠かせない分析手段となっている。特に、上記エレクトロスプレーイオン化質量分析装置２０は、実質的に極低温でしか安定ではなく、熱によって不安定になる被験試料に対して好適な分析手段である。なお、極低温でしか安定ではない被験試料とは、本実施の形態においては、約−４５℃の温度を極低温とし、約−４５℃下でのみ安定な試料としては、例えば後述するマンガン（ＩＶ）ペルオキソ錯体や金属ハイドロぺルオキソ錯体が挙げられるが、本発明に好適な被験試料としてはこれに限定されるものではない。
【００６２】
図１は、本発明におけるエレクトロスプレーイオン化質量分析装置２０の構成を示す模式図である。上記エレクトロスプレーイオン化質量分析装置２０は、反応容器１、不活性ガス導入管２、キャピラリー３、スプレイヤー４、マグネティックスターラコントローラー５、低温浴６（第１冷却手段）、シース管７、冷却ガス導入管８（第２冷却手段）、イオン引出電極９から構成されている。
【００６３】
上記反応容器１は、上述したような被験試料を含む溶液が入れられ、後述する上記低温浴６に設置され、所定温度に制御される。また、上記反応容器１内には、同じく後述する上記マグネティックスターラコントローラー５により容器内の被験試料溶液を攪拌するためのマグネティックスターラがある。したがって、上記反応容器１は、上記低温浴６に設置され、冷却された状態で、被験試料を攪拌し、被験試料の温度を均一にすることができる。さらに、上記反応容器１の上部は、不活性ガス導入管２およびキャピラリー３が配置されており、これらを固定する目的で上記反応容器１の上部には、ゴム栓が配置されている。上記反応容器１の構造としては、上記低温浴６に設置可能な構造であればよく、その材質は例えばガラスやステンレスを用いることができる。
【００６４】
なお、上記マグネティックスターラコントローラー５は、上述したように、上記低温浴６に設置された上記反応容器１内の被験試料溶液を攪拌するために設けられているが、本実施の形態においては上記マグネティックスターラコントローラー５に限定されるものではなく、被験試料溶液の温度を均一にすることが出来る攪拌手段が備えられているものであればよく、機械式のものであってもよい。
【００６５】
なお、被験試料溶液の溶媒としては、従来のエレクトロスプレーイオン化質量分析装置によって分析される被験試料溶液の溶媒を用いればよく、被験試料の性質に応じて適宜用いることができるが、アセトニトリルまたはメタノール単独のものか、後述するようなメタノール−ジクロロメタン溶液であることが好ましい。また被験試料溶液の濃度としては、エレクトロスプレーによる被験試料のイオン化効率によって異なるが、蛋白質や核酸などの高分子化合物では、約１〜２０ｐｍｏｌ／μＬの範囲が好ましく、１０００Ｄａ以下の低分子化合物では、約１〜５０ｎｇ／μＬの範囲が好ましい。また、特にエレクトロスプレーイオン化質量分析装置２０に好適である−４５℃のような極低温でしか安定ではない被験試料では、その濃度が１００μｍｏｌ／Ｌであるものを用いることができる。
【００６６】
上記不活性ガス導入管２は、その一端が上記反応容器１の上部、具体的には、上記不活性ガス導入管２の一端が、上記反応容器１内の被験試料溶液に接触しない部分にあり、もう一方の端からは、図示しない不活性ガス源から不活性ガスが導入される。導入される上記不活性ガスの圧力は、図示しない圧力調整器によって調整される。上記不活性ガスの圧力が調整されることによって、上記反応容器１内の被験試料溶液は、後述する上記キャピラリー３を通じて上記スプレイヤー４に送り込まれる。上記不活性ガス導入管２の構造としては、例えば内径０．８ｍｍ、外径１．５８ｍｍのＰＴＦＥチューブを用いることができるが、本実施の形態における上記不活性ガス導入管２はこれに限定されるものではない。なお、上記不活性ガスには、例えばアルゴンガスなどを用いることができる。
【００６７】
上記キャピラリー３は、上記反応容器１と上記スプレイヤー４とを繋いでおり、上記反応容器１内の被験試料溶液は、上記不活性ガス導入管２から導入された不活性ガスによる圧力によって上記キャピラリー３に通され、上記スプレイヤー４に送り込まれる。上記キャピラリー３の長さは、上記低温浴６によって冷却された被験試料溶液の温度上昇を極力防ぐため、比較的短いものが好ましく、例えば２０ｃｍの内径０．０７５ｍｍの不活性化シリカキャピラリーチューブを用いることができるが、本実施の形態における上記キャピラリー３はこれに限定されるものではない。
【００６８】
上記スプレイヤー４は、後述する上記シース管７が、上記キャピラリー３と同軸形状に構成された二重構造となっている。上記スプレイヤー４に高電圧がかけられることにより、上記キャピラリー３に導入された被験試料溶液を上記キャピラリー３の一端から排出する。上記スプレイヤー４に印加される電圧は、約３〜６ｋＶの範囲であることが好ましく、約４〜５ｋＶの範囲であることがより好ましい。
【００６９】
上記低温浴６は、上述したように上記反応容器１内の被験試料溶液を冷却するために設けられる。被験試料溶液を冷却するために、例えば液体窒素を用いることができ、液体窒素の中に上記反応容器１を浸すことで、被験試料溶液を冷却することができる。上述したように本発明では、−４５℃以下でのみ安定な試料であっても被験対象として分析ができるようにしている。したがって、被験試料溶液の温度を−４５℃以下に保つことが可能であれば、液体窒素に限定されるものではなく、他の温度調節手段により被験試料溶液の温度を制御するものであってもよい。
【００７０】
さらに、上記低温浴６は、液体窒素などの冷媒に限定されるものではなく、上記反応容器１を密着して保持できるような構造が備えられた金属を用いることも可能である。すなわち、この金属を電子機器などの温度調節手段によって低温に制御することで、この金属と密着した形で上記反応容器１を設置し、反応容器１内の被験試料溶液の温度を低温に保つ構成とすることも可能である。上記金属には、銅やアルミなどの熱伝導率が比較的高いものが好ましい。
【００７１】
上記シース管７は、上述したように、上記キャピラリー３の外側にこれと同軸形状に構成されており、図示しないネブライジングガス供給源から供給されたネブライジングガスを、上記キャピラリー３から排出される被験試料と同軸方向に排出する。上記ネブライジングガスの排出は、高電圧が印加されて上記キャピラリー３から排出される霧状の被験試料のイオン引出電極への効果的な導入を補助する。したがって、
なお、ネブライシングガスの温度は、通常の温度で用いられることが好ましい。これにより、従来のエレクトロスプレーイオン化質量分析装置で問題となったシース管の外周の結露が発生しないため、上記スプレイヤー４に高電圧を印加した場合に上記結露を介した漏電（感電）する危険性は生じない。
【００７２】
上記冷却ガス導入管８は、高電圧が印加される上記スプレイヤー４を冷却し、上記キャピラリー３から排出される被験試料溶液の温度上昇を抑制するために設けられている。具体的に説明すると以下の通りである。
【００７３】
上記冷却ガス導入管８は、図示しない支持手段によって支持されている。具体的には、上記スプレイヤー４の高電圧印加部、すなわち上記キャピラリー３の被験試料が高電圧の印加によって加熱され始める位置から当該被験試料が上記キャピラリー３から排出されるまでの図中の斜線部分で示される部分に、上記冷却ガス導入管８から排出する低温不活性ガスが向けられるように上記支持手段により支持される。
【００７４】
より詳細には、上記低温不活性ガスの排出方向が、ネブライジングガスおよび被験試料溶液の排出方向に対して３０°〜６０°傾斜していることが好ましく、約４５°傾斜していることがより好ましい。上記の範囲とする理由は、ネブライシングガスの排出方向に対して３０°未満となると、効果的に上記低温不活性ガスがスプレイヤーを冷却することができず、ネブライシングガスの排出方向に対して６０°以上となると、上記低温不活性ガスの排出が、ネブライシングガスの排出方向を妨げることになるためである。すなわち、上記低温不活性ガスの排出方向をネブライジングガスおよび被験試料溶液の排出方向に対して３０°〜６０°の範囲内にすることで、ネブライジングガスおよび被験試料の排出を妨げることなく、効果的にスプレイヤーを冷却することが可能となる。
【００７５】
また、上記低温不活性ガスの排出口における単位面積当たりの排出流量は、上記シース管７から排出されるネブライシングガスの排出口における単位面積当たりの排出流量以下であることが好ましい。上記ネブライシングガスは、上述したように上記キャピラリーから排出される霧状の被験試料のイオン引出電極への効果的な導入を補助するためのものであるため、上記低温不活性ガスの排出口における単位面積当たりの排出流量は、ネブライジングガスの排出口における単位面積当たりの排出速度および、排出方向に影響を与えない程度である必要があるためである。そこで、排出口において、例えば５００ｍＬ／（分×ｃｍ２）の低温不活性ガスを用いることができる。
【００７６】
これら２つの条件を備えた上記冷却ガス導入管８を用いることによって、上記冷却ガス導入管８から排出される上記低温不活性ガスが、上記シース管７から排出されるネブライジングガスおよび、上記キャピラリー３から排出される被験試料溶液の排出を妨げることなく、上記スプレイヤー４を冷却することが可能となる。
【００７７】
なお、上記冷却ガス導入管８には、例えば内径０．６ｍｍのテフロンチューブを用いることができるが、本実施の形態はこれに限定されるものではない。
【００７８】
これにより、本実施の形態における上記エレクトロスプレーイオン化質量分析装置２０は、特許文献１および２に記載のエレクトロスプレーイオン化質量分析装置とは異なり、上記冷却ガス導入管８を、高電圧が印加されるスプレイヤー４とは独立した構造で設けることにより、上記冷却ガス導入管８の外側に結露を発生した場合であっても、上記スプレイヤー４には結露が発生しない。すなわち、特許文献１および２に記載のエレクトロスプレーイオン化質量分析装置において挙げられていた課題である上記スプレイヤー４の結露が原因の漏電（感電）は、上記エレクトロスプレーイオン化質量分析装置２０では発生しない。したがって、上記エレクトロスプレーイオン化質量分析装置２０は、極低温のような温度でのみ安定な試料を分析する場合であっても、上記スプレイヤー４を十分冷却することができ、同時に被験試料溶液のイオン気化に伴う温度上昇を抑制することが可能となることから、安全で正確な分析が可能となる。
【００７９】
さらに上述したように、被験試料溶液は予め上記低温浴６において冷却されており、イオン気化に伴う被験試料の発熱を極力抑えることができる。これにより、極低温のような温度でのみ安定な試料であっても、イオン気化に伴う加熱が原因となる試料イオンの分子構造の破壊を抑制することができる。
【００８０】
なお、冷却ガス導入管８は上述した低温浴６と同じく、温度調節手段によって温度調節が可能な構成となっている。これにより、被験試料の温度特性、すなわち被験試料の構造が最も安定である温度に基づいて冷却を行うことが可能となる。したがって、それぞれ異なる被験試料の温度条件に合わせられるため、イオン気化における分子構造の破壊を抑制することが可能となり、正確な分析を行うことができる。
【００８１】
上記イオン引出電極９は、スプレイヤー４から排出された帯電した被験試料を、当該イオン引出電極９へ誘導する。誘導され、上記イオン引出電極９を通った荷電被験試料イオンは、図示しない質量分析計によって分析される。
【００８２】
オペレーターは、被験試料の分析スペクトルを見ながら、上記スプレイヤー４の先端を図示しない位置調整ノブによって最適な位置に調整することができ、最適な分析スペクトルを得ることが可能である。
【００８３】
次に、本発明に係るエレクトロスプレーイオン化質量分析方法について説明する。
【００８４】
エレクトロスプレーイオン化質量分析方法は、まず、被験試料に溶媒を加えることによって被験試料溶液を調整し、当該被験試料溶液を、上記反応容器１に入れ、温度調節した上記低温浴６に設置し、冷却する（第１冷却工程）。この第１冷却工程においては、マグネティックスターラコントローラー５によって制御されたマグネティックスターラによって、被験試料溶液を攪拌する。
【００８５】
上記スプレイヤー４は、上記冷却ガス導入管８を通して供給される−４５℃に調整された低温不活性ガスによって、被験試料溶液が導入される前に、予め冷却する。
【００８６】
次に上記不活性ガス導入管２の一端に繋がれている不活性ガスの圧力調整器を調整することにより、不活性ガスが反応容器１内に排出され、被験試料溶液はキャピラリー３を介してスプレイヤー４へ導入される。スプレイヤー４に導入された被験試料溶液は、冷却ガス導入管８によって冷却されながら（第２冷却工程）、高電圧が印加される。高電圧が印加された被験試料溶液は、キャピラリー３の先端から静電噴霧現象によって排出される。      
【００８７】
上記キャピラリー３の先端から排出された帯電した霧状の粒子被験試料は、その後、蒸発および、冷却された窒素ガスである乾燥ガスによって溶媒を失い、粒子の大きさを小さくし、溶媒から解放された荷電被験試料イオンは、ついには粒子から離れていくと考えられる。粒子から離れた荷電被験試料イオンが、上記イオン引出電極９を通って図示しない質量分析計に導入され、質量分析が行われる（質量分析工程）。
【００８８】
なお、上記質量分析計としては、一般的なエレクトロスプレーイオン化質量分析に用いられる従来公知の質量分析計を用いればよく、特に限定はされない。
【００８９】
以下に、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【実施例】
【００９０】
本発明の実施例として、図１に示すエレクトロスプレーイオン化質量分析装置２０を用いて、低温下におけるマンガン錯体の質量分析を測定した。具体的に説明すると以下の通りである。
【００９１】
図２に示すのは、本実施例に用いたマンガン（ＩＶ）ペルオキソ錯体の化学構造式を示したものである。以下に上記マンガン（ＩＶ）ペルオキソ錯体の質量分析方法を説明する。
【００９２】
まずマンガン（ＩＶ）メトキシ錯体を、完全に脱気および脱水したジクロロメタンおよびメタノールを用いて、マンガン（ＩＶ）メトキシ錯体の３％メタノール−ジクロロメタン溶液（５ｍＬ、１００μＭ）を調整した。マンガン（ＩＶ）メトキシ錯体の３％メタノール−ジクロロメタン溶液は、図１に示した上記反応容器１内に入れ、上記低温浴６によって−４５℃に維持し、マグネティックスターラコントローラー５によって制御されたマグネティックスターラによって攪拌した。
【００９３】
次に上記スプレイヤー４を、上記冷却ガス導入管８を通して供給される−４５℃に調整された窒素ガスで冷却した。上記不活性ガス導入管２の一端に繋がれているアルゴンガスの圧力を調整することにより、キャピラリー３を通過する被験試料であるマンガン（ＩＶ）メトキシ錯体の３％メタノール−ジクロロメタン溶液の流量が約３μＬ／分になるように調整し、被験試料の質量スペクトルの分析を開始した。
【００９４】
マンガン（ＩＶ）メトキシ錯体の３％メタノール−ジクロロメタン溶液が入った上記反応容器１内に、メタクロロ過安息香酸（ｍＣＰＢＡ）のジクロロメタン溶液（１００ｍＭ）をマンガン（ＩＶ）メトキシ錯体に対して５当量のｍｏｌ比になるようにシリンジを用いて加えた（２５μＬ）。上記の反応を図３（ａ）に示す。本実施例より得られた質量スペクトルを、図３（ｂ）に示す。その結果、マンガン（ＩＶ）メトキシ錯体は、直ちに質量数７１６の化合物に変換されることが分かった。上記化合物が、マンガン（ＩＶ）ペルオキソ錯体である。また、図３（ｃ）は、質量数７１６の上記マンガン（ＩＶ）ペルオキソ錯体のイオン強度を、時間に対してプロットしたスペクトル分析図である。図３（ｃ）に示されるように、被験試料を室温にすると、上記マンガン（ＩＶ）ペルオキソ錯体のスペクトルが直ちに得られなくなり、マンガン（ＩＶ）ペルオキソ錯体が分解されることが示された。すなわち、上記マンガン（ＩＶ）ペルオキソ錯体は、室温による測定では検出不可能であることがわかった。
【００９５】
なお、本実施例におけるマンガン（ＩＶ）ペルオキソ錯体の検出は、これまでほとんど例のない４価のマンガン錯体を触媒とする酸化反応機構の解明にとって重要であり、新規の酸化反応触媒の開発に非常に有用な知見を与えるものである。
【００９６】
以上のように、被験試料自体が熱に不安定な化合物である場合に、そのエレクトロスプレー質量スペクトルを検出するためには、本発明のエレクトロスプレーイオン化質量分析装置およびその方法が、非常に効果的であることがわかった。
【００９７】
さらに、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。
【００９８】
例えば、本発明には、エレクトロスプレー質量分析において、低温に保った被験試料を、不活性ガス圧を利用してスプレイヤーに送り込むと同時に、スプレイヤーを不活性ガスで直接冷却しながらイオン化を行い、熱に不安定な被験試料の質量を分析する低温質量分析およびその装置も含まれる。
【００９９】
また、スプレイヤーを冷却するための冷却ガス導入管と高電圧が印加されるスプレイヤーとが完全に独立した構造を有する低温質量分析方法およびその装置も本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明のエレクトロスプレーイオン化質量分析装置およびその方法は、蛋白質、核酸などの生体高分子の分野における利用に限られることなく、極低温のような低温下でのみ安定な錯体などの試料の質量分析に対してもその利用が大いに期待できる。
【０１０１】
従って、本発明の装置およびその方法を用いることによって、化学反応の中間体のような非常に不安定な化学種の観測において非常に有用であり、これらから得られた知見を解析することにより、新規医薬品の開発および、化学反応触媒の開発等への利用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明に係るエレクトロスプレーイオン化質量分析装置の基本構造を示した図である。
【図２】本発明に係る実施例に用いたマンガン（ＩＶ）メトキシ錯体の化学構造式である。
【図３】（ａ）は、実施例において測定を行ったマンガン（ＩＶ）ペルオキソ錯体を生成する化学反応式である。（ｂ）は、本発明に係る実施例において、マンガン（ＩＶ）ペルオキソ錯体の質量スペクトルを示したグラフ図である。（ｃ）は、実施例において検出されたマンガン（ＩＶ）ペルオキシ錯体（質量数７１６）のイオン強度を時間に対してプロットしたスペクトル分析図である。
【符号の説明】
【０１０３】
１    反応容器
２    不活性ガス導入管
３    キャピラリー
４    スプレイヤー
５    マグネティックスターラコントローラー
６    低温浴（第１冷却手段）
７    シース管
８    冷却ガス導入管（第２冷却手段）
９    イオン引出電極
２０  エレクトロスプレーイオン化質量分析装置
【図１】
2005243542.tif 000003
【図２】
2005243542.tif 000004
【図３】
2005243542.tif 000005