(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料液体が流れる流通路と、
前記流通路先端で前記試料液体を噴霧してイオン化するためのガスを供給するガス供給器と、
前記イオン化された試料の質量を分析するための分析部と、
前記試料液体の電位を定めるための電極と、前記試料液体に電界を与えるための電極と、前記試料液体の電位を定めるための電極と前記試料液体に電界を与えるための電極とに電圧を与える電圧発生部とを有し、噴霧により生成させるイオンの極性と反対の極性の電圧を前記試料液体に電界を与えるための電極に印加する電圧印加手段とを有することを特徴とする質量分析装置。
【請求項２】
前記試料液体の電位を定めるための電極が接地電位に設定されることを特徴とする請求項1記載の質量分析装置。
【請求項３】
前記流通路は先端にキャピラリーを有し、前記ガス流は、２０℃、１気圧におけるガス流量をF、前記試料液体に電界を与えるための電極と前記キャピラリーとの間の、前記キャピラリーに垂直な面の断面積をSとした場合に、F／Sの値が２５０メートル／秒から１２００メートル／秒の範囲であることを特徴とする請求項１に質量分析装置。
【請求項４】
前記ガス供給器は、前記ガスを前記流通路先端での流速が音速となるように供給するものであることを特徴とする請求項1記載の質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオン源及びこれを用いる質量分析装置に関し、特に液体中に存在する試料をイオン化して質量分析計に導入するのに適したイオン源及びこれを用いる質量分析装置、さらに液体クロマトグラフ／質量分析計結合装置、キャピッリー電気泳動／質量分析計結合装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アナリティカル・ケミストリー  ６６（１９９４年）第４５５７頁から第４５５９頁（Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、６６（１９９４）pp ４５５７ー４５５９）には、ソニックスプレーイオン化法に関する記述がある。キャピラリーの外側からガスを同軸状に流し、キャピラリー末端で液体が噴霧されることによりイオンや帯電液滴が安定して生成される。キャピラリー先端におけるガス流速が音速の場合に、噴霧により生成される正負イオン量は最大となる。この場合、液体には電界も電圧も印加されない。生成される噴霧ガスは全体としては中性であり、正イオン量と負イオン量は等しい。
【０００３】
また、ジャーナル・オブ・フィジカル・ケミストリー  ８８（１９８４年）第４４５１頁から第４４５９頁（ Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、８８（１９８４）pp４４５１ー４４５９）または米国特許第５１３０５３８号には、エレクトロスプレーイオン化法に関する記述がある。液体が導入される金属キャピラリーと対向電極（質量分析計のイオン取り込み口）との間には２.５kV以上の高電圧が印加される。即ち、液体には高電圧が印加される。これにより、液体から帯電液滴が対向電極に向かって電界の印加された空間に噴霧され（静電噴霧現象）、イオンは帯電液滴から生成される。帯電液滴やイオンの極性は印加される電圧の極性と一致する。エレクトロスプレーイオン化法では、電荷数の大きいイオンを生成することができ、タンパク等の分析に用いられることが多い。液体流量は  通常は０.００１〜０.０１ミリリットル／分の範囲で使用される。
【０００４】
また、アナリティカル・ケミストリー  ５９（１９８７年）第２６４２頁から第２６４６頁（Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、５９（１９８７）pp２６４２ー２６４６）または米国特許第４８６１９８８号には、イオンスプレーイオン化法に関する記述がある。噴霧キャピラリー末端の液体と対向電極（質量分析計のイオン取り込み口）との間には、エレクトロスプレーイオン化法と同様に２.５kV以上の高電圧が印加される。これにより、液体からイオンや帯電液滴が対向電極に向かって電界の印加された空間に噴霧される。（静電噴霧現象）イオンスプレーイオン化法では、エレクトロスプレーイオン化法とは異なり、帯電液滴の気化を促進するために噴霧キャピラリーの外側にガスを流す。そのため、同じ静電噴霧現象を利用してイオンを発生させるため、生成されるイオン種はエレクトロスプレーイオン化法の場合と全く同一である。帯電液滴やイオンの極性は印加される電圧の極性と一致する。しかし、液体流量は０.０１〜１ミリリットル／分の範囲で使用され、エレクトロスプレーイオン化法に比較して多い。また、ガスの流速は最大２１６m／sとされる。
【０００５】
液体のガス噴霧の際に、噴霧部の近傍に電極を設け、そこに３.５kVの高電圧を印加することにより帯電液滴やイオンを生成させる記述がジャーナル・オブ・ケミカル・フィジックス  ７１（１９７９年）第４４５１頁から第４４６３頁（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｐｈｙｓｉｃｓ、７１（１９７９）pp４４５１ー４４６３）または米国特許第４３０００４４号にある。この例では、液体もガスも内径０.３mmの注射針からそれぞれ放出される。しかし、前述のソニックスプレーイオン化法やイオンスプレーイオン化法と異なり、液体の放出される方向とガス流の方向とは直交する構成をとっている。ガス流の流速は不明である。
【０００６】
さて、多数種の物質が混在する混合溶液を質量分析装置に導入すると、得られる質量スペクトルが複雑すぎるために物質の同定が不可能となることがある。そのため、混合溶液の分析においては、液体クロマトグラフやキャピラリー電気泳動装置などの手段を用いて先ず混合溶液の分離が行われ、その抽出液を質量分析装置に導入するという方法が用いられる。即ち、混合溶液の分離分析がオンラインで実現する液体クロマトグラフ／質量分析計結合装置やキャピラリー電気泳動／質量分析計結合装置が存在する。液体クロマトグラフ装置ではポンプにより溶液を充填剤の詰まったカラムに溶液を一定流量で流すことにより、溶液の分離が行われる。そのため、抽出液の電位は接地電位である。一方、キャピラリー電気泳動装置では、キャピラリーに導入された溶液に対しキャピラリー両端に２０〜３０ｋＶ程度の高電圧を印加し電気泳動により溶液を分離する。通常はキャピラリーの出口側の電位を接地電位に設定し、抽出液の電位を接地電位にする。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
質量分析計では、イオンの質量mをその電荷数zで割った値であるm／zによりイオンの分析が行われる。質量分析範囲の上限が非常に大きい質量分析計は  装置全体が巨大で高価となるため現実的でない。そのため、一般的な質量分析計では質量分析範囲の上限がm／z＝１０００〜２０００程度とされる。
【０００８】
さて、上記従来技術ではイオンは主に微細な帯電液滴から生成される。上記エレクトロスプレーイオン化法や上記イオンスプレーイオン化法に関する従来技術においては、電荷密度の高い帯電液滴が生成され、電荷数zの値が３以上である多価イオンを生成することができる。そのため、質量mが数万程度であるタンパク等の巨大質量の物質であっても、m／zの値が質量分析範囲に収まるため分析が可能である。ところが、上記ソニックスプレーイオン化法に関する従来技術や上記第四の従来技術では、電荷密度の低い帯電液滴が生成され、電荷数zの小さいイオンが生成される傾向がある。即ち、ペプチドなどの１価、２価イオンの生成および質量分析は可能である。しかし、質量数mの非常に大きいタンパク等の分析においては、電荷数zの値が３以上である多価イオンを生成することができないため、m／zの値が質量分析範囲から逸脱し質量分析ができないという欠点を有する。
【０００９】
また、上記エレクトロスプレーイオン化法やイオンスプレーイオン化法に関する従来技術では、液体に高電圧が印加され、静電噴霧現象によりイオンや帯電液滴が生成される。本現象により生成される液滴には電荷密度の高い微細な帯電液滴も含まれるが、それだけではなく電荷密度の低いミクロンオーダーの大きな帯電液滴も含まれる。その大きな帯電液滴は電荷量に比較して質量が大きすぎて電界や磁界などによりその運動を制御することが困難である。そのため、四重極型質量分析計や四重極イオントラップ型質量分析計を用いて質量分析を行う場合、大きな帯電液滴が質量分離されないまま検出部に到達し、ランダムノイズとして検出される。特に、イオンスプレーイオン化法に関する従来技術では、液体流量が高いため大きな帯電液滴の生成が顕著である。同様の問題は上記４番目の従来技術にも存在する。上記４番目の従来技術では、液体がガス流により噴霧される。しかし、噴霧部では液体の放出される方向とガス流の方向とは直交する構成をとっている。そのため、液体が放出される注射針の末端において、ガス流の上流側と下流側とでガス流速に差が生じ、下流側で生成される液滴ほどサイズは大きくなるという液滴サイズのバラツキの問題がある。また、電極（米国特許第４３０００４４号の図２における電極２７）は１本の棒である。そのため、液体の噴霧部における電極に距離的に近い領域と遠い領域とで生成される液滴の電荷密度が異なる。そのため、低い電荷密度の大きな液滴が多く生成される。上記４番目の従来技術では、質量分析計のイオン取り込み口にカウンターガスフローを発生させ、液滴の気化を促進させるが、充分な気化は不可能である。先述のように、イオンは主に微細な帯電液滴から生成されるが、そのイオン生成効率は液滴の大きさが小さい程高いことが知られている。そして、大きな帯電液滴からのイオン生成効率は無視される程度に低い。従って、大きな帯電液滴の生成に起因して、シグナル強度の低減とノイズレベルの増大によりイオン検出感度は著しく低下するという問題がある。
【００１０】
さらに、上記エレクトロスプレーイオン化法やイオンスプレーイオン化法に関する従来技術においては、噴霧開始時には毎回イオン源の位置を調整してイオン強度の最適化を行う必要があり、操作が繁雑であるという静電噴霧現象に固有の問題が存在する。これは噴霧キャピラリーや対向電極（質量分析計イオン取り込み口）の汚れや濡れにより、生成される噴霧ガスの形状が著しく異なる性質が静電噴霧現象にあるからである。従って、上記エレクトロスプレーイオン化法やイオンスプレーイオン化法に関する従来技術においては、熟練が必要であり、操作性が極めて低いという問題点がある。
【００１１】
さらに、上記エレクトロスプレーイオン化法やイオンスプレーイオン化法に関する従来技術においては液体クロマトグラフやキャピラリー電気泳動装置等の溶液分離手段を上流側に結合させた液体クロマトグラフ／質量分析計結合装置やキャピラリー電気泳動／質量分析計結合装置に採用された場合、溶液分離手段全体に高電圧が印加されるため、取り扱いに際して感電の危険性が存在する。溶液分離手段全体の電位を接地電位に設定して使用することもあるが、この場合には、一種の電気泳動がキャピラリー内で実現するため、イオン生成やイオン分析の再現性は著しく低下する。そのため、液体クロマトグラフ／質量分析計結合装置やキャピラリー電気泳動／質量分析計結合装置では、操作的にも機能的にも充分な機能を発揮していないという問題点がある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、液体を所定の位置へ流すための流通路と、該液体を該流通路の少なくとも一部が絶縁体であり該絶縁体を介して電界を印加する電界印加手段と、前記電界が印加された液体の下流に配置され、前記液体を噴霧して帯電したガスを生成する噴霧手段を有するイオン源が提供される。
【００１３】
また、上記目的を達成するために、液体を所定の位置へ流すための流通路と、該液体を該流通路の少なくとも一部が絶縁体であり該絶縁体を介して電界を印加する電界印加手段と、ガスを供給するガス供給部と該ガス供給部からのガスを供給する供給口とガスを放出する噴射口と該流通路を保持する保持部とからなる部屋である噴霧手段を有するイオン源が提供される。
【００１４】
また、上記目的を達成するために、混合物を含んだ試料液体を分離する分離手段と、該分離された試料液体を所定の位置へ流すための流通路と、該試料液体を該流通路の少なくとも一部が絶縁体であり該絶縁体を介して電界を印加する電界印加手段と、ガスを供給するガス供給部と該ガス供給部からのガスを供給する供給口とガスを放出する噴射口と該流通路を保持する保持部とからなる部屋である噴霧手段と、噴霧されたガスを質量分析し解析するする分析手段からなる質量分析装置が提供される。
【００１５】
また、上記目的を達成するために、混合物を含んだ試料液体を分離する分離手段と、該分離された試料液体を所定の位置へ流すための流通路と、該試料液体を該流通路の少なくとも一部が絶縁体であり該絶縁体を介して電界を印加する電界印加手段と、ガスを供給するガス供給部と該ガス供給部からのガスを供給する供給口とガスを放出する噴射口と該流通路を保持する保持部とからなる部屋である噴霧手段と、噴霧されたガスを質量分析し解析する四重極質量分析計からなる質量分析装置が提供される。
【００１６】
また、上記目的を達成するために、混合物を含んだ試料液体を分離する分離手段と、該分離された試料液体を所定の位置へ流すための流通路と、該試料液体を該流通路の少なくとも一部が絶縁体であり該絶縁体を介して電界を印加する電界印加手段と、ガスを供給するガス供給部と該ガス供給部からのガスを供給する供給口とガスを放出する噴射口と該流通路を保持する保持部とからなる部屋である噴霧手段と、噴霧されたガスを質量分析し解析する四重極トラップ質量分析計からなる質量分析装置が提供される。
【００１７】
また、上記目的を達成するために、混合物を含んだ試料液体を分離する分離手段と、該分離された試料液体の特性を検出する検出手段と、該分離された試料液体を所定の位置へ流すための流通路と、該試料液体を該流通路の少なくとも一部が絶縁体であり該絶縁体を介して電界を印加する電界印加手段と、ガスを供給するガス供給部と該ガス供給部からのガスを供給する供給口とガスを放出する噴射口と該流通路を保持する保持部とからなる部屋である噴霧手段と、噴霧されたガスを質量分析し解析する分析手段と、該検出手段からの信号により電界印加手段と分析手段とを制御する制御部を有する質量分析装置が提供される。
【００１８】
また、上記目的を達成するために、液体を噴霧して電荷が少なくとも３価である多価イオンを生成する一部または全部が絶縁物で構成された噴射口と、前記噴射口の周囲に配置された第一の電極と、前記第一の電極に対向して配置され、前記第一電極との間に一様な電界を生成する第二の電極を有する質量分析装置が提供される。
【００１９】
また、上記目的を達成するために、液体を分離する液体分離手段と、前記液体分離手段で分離された液体の電位を定める金属と、前記液体が供給される流通路と、前記流通路内を流れる前記液体に電界を印加する前記流通路とは電気的に絶縁された電界印加手段と、前記電界が印加された液体の下流に配置され、前記液体を噴霧して帯電液滴を生成する噴霧手段を有するイオン源を噴霧して電荷が少なくとも３価である多価イオンを生成する一部または全部が絶縁物で構成された噴射口と、前記噴射口の周囲に配置された第一の電極と、前記第一の電極に対向して配置され、前記第一電極との間に一様な電界を生成する第二の電極を有する質量分析計からなる液体分離手段が結合した質量分析装置が提供される。
【００２０】
また、上記目的を達成するために、液体を噴霧する噴射口の周囲に配置された第一の電極と、前記第一の電極に対向して配置される第二の電極との間に生成される一様な電界中に電荷が少なくとも３価である多価イオンが生成され、それらのイオンを質量分析計により分析する質量分析法が提供される。
【００２１】
また、上記目的を達成するために、液体を分離する分離工程と、分離されて電位を定められた液体に電界を印加する工程と、前記噴射口の周囲に配置された第一の電極と、前記第一の電極に対向して配置される第二の電極との間に生成される一様な電界中を電荷が少なくとも３価である多価イオンが通過して質量分析する質量分析計に供給し、質量分析して解析する工程とからなる質量分析法が提供される。
【００２２】
また、上記目的を達成するために、液体を噴霧する噴射口の周囲に配置された第一の電極と、前記第一の電極に対向して配置される第二の電極との間に生成される一様な電界中に生成される電荷が少なくとも３価である多価イオンの極性に応じて該液体に印加する電界の極性を変化させる電界印加工程とを含む質量分析法が提供される。
【００２３】
また、上記目的を達成するために、液体に印加する電界の極性を変化させる電界印加工程と、液体を噴霧する噴射口の周囲に配置された第一の電極と、前記第一の電極に対向して配置される第二の電極との間に生成される一様な電界中に電荷が少なくとも３価である前記電界の極性に応じた極性の多価イオンが生成される工程とを含む質量分析法が提供される。
【００２４】
本発明の目的は質量数の大きい物質の分析を行うために、電荷数zが３以上である多価イオンの生成及び分析が実現できる高効率イオン源、高感度質量分析装置あるいは高効率イオン化法、高感度質量分析法を提供することである。
【００２５】
本発明の別の目的はイオン検出感度低減の原因となる大きな帯電液滴があまり生成されない、高感度質量分析装置や高感度質量分析法を提供することである。
【００２６】
本発明のさらに別の目的は操作性の高い高効率イオン源、高感度質量分析装置あるいは高効率イオン化法、高感度質量分析法を提供することである。
【００２７】
本発明のさらに別の目的は液体の電位を接地電位に設定することが可能であり、安全で、イオン生成やイオン分析の再現性の高い、高効率イオン源、高感度質量分析装置あるいは高効率イオン化法、高感度質量分析法を提供することである。
【００２８】
従来のソニックスプレーイオン化法では、噴霧により電気的に中性の液滴が最初に生成される。液滴中には正負イオンが同数含まれるが、液滴と周囲のガスとの組み合わせにより決定される表面電位により正負イオンの密度分布が表面近傍では中心部と比較して顕著に異なる。さらに、音速のガス流により液滴表面から微細な液滴が分離される。これらの微細液滴中では正負イオンの数が異なるため、電荷密度が低いが液滴全体として帯電する。イオンは微細な帯電液滴よりイオン蒸発過程または完全な帯電液滴の気化により生成される。
【００２９】
本発明のイオン化法やイオン源では、ソニックスプレーイオン化法におけるキャピラリーに導入される液体に対し、外部に設置された電極から電界が印加される。例えば、負の電圧が印加される場合、液体表面近傍では正イオン密度が負イオン密度に比較して著しく多くなる。そのため、ガス流により液体が噴霧される際に正に帯電した液滴が優先的に生成され、噴霧ガスは正に帯電する。液滴中ではクーロン反発力により正イオンが表面近傍に集中する。これらの帯電液滴の電荷密度は通常のソニックスプレーイオン化法において生成される帯電液滴の電荷密度に比較して高い。さらに、音速のガス流により液滴表面から微細な液滴が分離されると、極めて電荷密度の高い微細液滴が生成される。イオンは微細液滴よりイオン蒸発過程または完全な帯電液滴の蒸発により生成されることが知られる。前者では、多価イオンのイオン生成効率は一価イオンのそれに比較して一般的に著しく低く無視される程度だが、液滴の電荷密度が高い場合には液滴内のクーロン反発力が著しく大きいために、多価イオンのイオン生成効率も高くなる。そのため、多価イオンも生成可能となる。本発明のイオン化法では、噴霧される前に液体表面近傍の正または負イオンの密度を非常に高くすることができる。そのため、噴霧により生成された液滴に電界を印加することは無意味である。噴霧される前の液体に電界を印加することが必要となる。
【００３０】
また、本発明の質量分析装置や質量分析法では、イオン生成に静電噴霧現象を利用しないため、質量分析計イオン取り込み口や噴霧キャピラリーの汚れ・濡れによりイオン生成が影響されない。そのため、装置の取扱いは容易であり、イオン生成の再現性も高い。
【００３１】
また、本発明の質量分析装置や質量分析法では、イオン源に導入される液体の電位を接地電位に設定することができる。このことにより、イオン源の上流にキャピラリー電気泳動装置や液体クロマトグラフ装置などを結合することが容易になる。また、その結合によりイオン生成の再現性が損なわれることもない。
【００３２】
液体に対する外部からの電場印加法には、キャピラリーの材質に石英や樹脂などの絶縁体を使用し、キャピラリー末端が挿入される金属製オリフィスに電圧を印加する方法がある。さらに別の方法としては、キャピラリーの材質に絶縁体を使用し、キャピラリーの末端近傍の外面を金属コートしておいてキャピラリー外面に電圧を印加する方法がある。さらに、電圧が印加される金属管に絶縁体キャピラリーを挿入する方法も存在する。何れの方法も、液体表面から電極までの距離を一定に保つことが高効率イオン生成には必要である。キャピラリーの材質に金属などの導体を用いる場合は、金属キャピラリーが電気的なシールド効果を持つため、電極には高電圧を印加する必要がある。
【００３３】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の一実施例に基づくイオン源の構成図を示す。液体は流通路１よりキャピラリー２に導入される。キャピラリー２の先端はオリフィス３の中に同軸状に挿入される。ガス供給部４より供給されるガスはガス導入管５よりイオン源本体６に導入され、オリフィス３より外部に放出される。オリフィス３は金属製であり、電源７より電圧がオリフィス３と金属管８との間に印加される。オリフィス３と液体とは導通がないため電流は流れないが、液体には電界が印加される。キャピラリー２の末端に達した液体はガスにより噴霧される。噴霧ガス中にイオンや微細な帯電液滴が生成される。
【００３４】
図２に本発明の一実施例に基づくイオン源の断面図を示す。毎分５〜１００マイクロリッターの流量で液体は電位を接地電位に設定された金属管８に導入された後、石英製キャピラリー２（内径0.1mm、外径0.2mm）に導入される。オリフィス３（内径0.4mm、厚さ１mm）のあるオリフィス板９はジュラルミン製であり、電源７より電圧が印加される。キャピラリー２はテフロン（登録商標）の管１０とステンレス管１１とに挿入され、ステンレス管１１とは接着剤で固定される。また、２本のステンレス管１１の間の空間により液体とイオン源本体６とは電気的に絶縁される。キャピラリー２とオリフィス３の中心軸は一致し、キャピラリー２の末端はオリフィス板９から０.２mm程度だけ露出する。ステンレス管１１はキャピラリー２のイオン源本体６への固定にも用いられている。オリフィス板９はガスの断熱膨張により冷却されると、生成される液滴は凝結し微細化しないことがある。こうなると、結果的に大きな帯電液滴が生成されるため、イオン量は低減する。この問題はオリフィス板９あるいはイオン源本体６にヒーターを設置して加熱するか、イオン源に導入されるガスを予めヒーターで加熱することで回避される。ガスはガスボンベまたはガス・コンプレッサーによりガス導入管５に導入される。その途中にはマスフローコントローラーやパージメーター等のガス流量調節装置が設置され、噴霧に用いられるガスの流量が調節される。丁度ガス流量が毎分３リットルの場合にキャピラリー２末端近傍のガス流速は音速になる。
【００３５】
イオンは直径１０ナノメートル以下の微細な帯電液滴から生成されることが知られる。本実施例ではソニックスプレーイオン化法と同様にガス噴霧により微細な帯電液滴を生成する。ガス噴霧により生成される平均的な液滴の大きさはガス流速が増加すると減少するが、ガス流速が超音速になると平均的な液滴の大きさは増加する。ショック波が発生するからである。（図９参照）従って、ガス流速が音速の場合に平均的な液滴の大きさは最小となり、最も効率的にイオン生成が行われる。キャピラリー２の肉圧が小さいほど、微細な液滴の生成効率は高く、結果的にイオン生成効率は高い。
【００３６】
音速流の生成には、イオン源の周囲の圧力を１気圧としオリフィス３の厚さが無視されるとすると、オリフィス３の上流側には２気圧程度のガス圧が必要である。しかし、オリフィス板９の厚さに応じてオリフィス３内での減圧が無視できないことがある。イオン源本体６に圧力計を設け、ガス圧を調整して音速のガス流を生成させると便利である。この場合、オリフィス３の上流に０.５から５気圧程度のガス圧を印加できるように圧力調整することが無難である。また、パージメーターやマスフローメーター等のガス流量調節手段により、音速流を発生させることも現実的である。オリフィス３の厚さが厚すぎるとオリフィス３内での減圧が大きくなり不必要に加圧する必要が生じる。イオン源本体６の肉厚よりも厚くする必要はない。逆に、オリフィス３の厚さが薄すぎると、強度的にイオン源本体６内部と外部との圧力差に耐えられない。そのため、キャピラリー２の直径よりは厚い、０.５から１ミリメートル程度が現実的である。オリフィス３の上流側のイオン源本体６にはガス圧が減圧されないようにガス溜めとなる空間が必要である。その空間のサイズはキャピラリー２の直径の５倍以上が必要である。
【００３７】
図３に、図２に示した本発明の一実施例に基づくイオン源の見取図を示す。手前方向に噴霧ガスは放出される。キャピラリー２の中心軸に垂直な方向でのイオン源本体６の断面は四角形であるが、円形にすることも可能である。オリフィス板９にはオリフィス３の他に４つの穴があり、イオン源本体６へのオリフィス板９の固定には４本のネジが用いられる。顕微鏡下でオリフィス３の中心とキャピラリー２の中心とが一致するように調整してネジによりオリフィス板９は固定される。このようにして、キャピラリー２の末端に均一なガス流が形成される。図中の寸法より、本発明のイオン源は極めてコンパクトであることが示される。
【００３８】
図４に、噴霧により生成される全イオン電流のオリフィス３への印加電圧依存性を示す。これは液体として４７.５％メタノール／４７.５％水／５％酢酸を添加した溶液を使用した場合の実験結果である。正の電圧が印加された場合に負のイオンや帯電液滴が生成され、負の電圧が印加された場合にはその逆になることが示される。即ち、生成したいイオンの極性の反対の極性の電圧を印加すれば、希望する極性のイオンが生成されることが示される。また、印加電圧の絶対値が１kV以下の場合にはイオン電流は印加電圧の増加に伴い減少するが、印加電圧の絶対値が約１kV以上の場合にはイオン電流にあまり変化がなくなり飽和することが示される。これは噴霧される直前の液体表面近傍における同一符号のイオン密度が限界に達したことを示す。そのため、実験結果に基づいて印加電圧の絶対値は１kV〜２kVの範囲に設定することが実用的である。
【００３９】
さて、液体の電気伝導度が充分に高いと仮定すると、キャピラリー２の中心軸の電位は０Vと見なせ、電場強度は５０００kV／m（＝１０００V／０.２mm）と見積もられる。そのため、オリフィス３の内径がより大きい場合、あるいはより離れた位置に電極を設置した場合には、より高い電圧の印加が必要である。
【００４０】
図５に、印加電圧をー１kVに設定した場合に生成されるイオンを質量分析した結果を示す。これは濃度１マイクロモル／リッター（m mol/L)のｃｙｔｏｃｈｒｏｍｅ−Ｃ（タンパクの一種、分子量約１２５００）溶液（溶媒は５％酢酸を添加した４８％メタノール水）を流量３０マイクロリッター／分でキャピラリーに導入し、音速ガス流を用いた噴霧により生成されたイオンを四重極質量分析計で分析した結果（質量スペクトル）である。ｃｙｔｏｃｈｒｏｍｅ−Ｃ分子に１６個のプロトンが付加した１６価イオン（m／z＝７６６）を中心とした１３価から２０価までの多価イオンのシリーズがm／z＝１０００以下の領域に明瞭に検出される。
【００４１】
これまで、多価イオンの生成にはイオンスプレーイオン法やエレクトロスプレーイオン化法（イオン生成原理は殆ど同等）が用いられてきた。そこで、同一のｃｙｔｏｃｈｒｏｍｅ−Ｃ溶液よりイオンスプレーイオン法を用いてイオンを生成させ、同一の四重極質量分析計でイオン検出を行った。その結果を図６に示す。縦軸は図５の場合と同一である。多価イオンについては質量スペクトルのスペクトルターンは同様のものが得られているが、イオン強度は図５の結果と比較して２.６倍程低い。このことは本発明のイオン源をにおいて印加電圧を約７００Vに設定して得られるイオン検出感度に相当する。また、図６においてはノイズレベルが図５に比較して著しく高いことが示される。このノイズは本発明のイオン化法に比較してイオンスプレーイオン法において大きい帯電液滴が多量に生成され、それらがランダムノイズとして検出されるためである。S／N比は図５の場合に比較して約９倍小さい。そのため、図５に示す本発明のイオン化法を用いたほうがより高感度なイオン検出ができることが示される。また、図６においてはm／z＝３００以下の領域で溶媒由来のイオンが多く検出される。このような複雑な質量スペクトルの解析には習熟が必要である。
【００４２】
図７、８に、ｍｙｏｇｌｏｂｉｎ溶液（濃度１マイクロモル／リッター、溶媒は５％酢酸を添加した４８％メタノール水）およびｈｅｍｏｇｌｏｂｉｎ溶液（濃度１マイクロモル／リッター、溶媒は５％酢酸を添加した４８％メタノール水）から得られた質量スペクトルをそれぞれ示す。ｍｙｏｇｌｏｂｉｎは分子量１７２００であり、プロトンが２２個付加した２２価イオン（m／z＝７７２）を中心とした１８価から２６価までの多価イオンのシリーズが検出される。ｈｅｍｏｇｌｏｂｉｎは２種類のサブユニットが２個づつ結合した分子量６４５００のタンパクである。図８では、サブユニットの質量スペクトルが観測されている。
【００４３】
図９に、図５における１６価イオンの相対強度に対する噴霧ガス流量Ｆ依存性を示す。用いたイオン源は図２に示す実施例のものである。ガス流速はガス流量の増加に伴い増加する関係にある。本実験では、ガス流量が約３リットル／分の場合にガス流速は音速（マッハ１）に対応し、約７リットル／分の場合にガス流速はマッハ２以下であることが既にわかっている。（アナリティカル・ケミストリー  ６６（１９９４年）第４５５７項から第４５５９項（Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、６６（１９９４）pp ４５５７ー４５５９））図より、ガス流量が１.４リッター／分以下の場合にはイオンは生成されず、１.４リッター／分以上の場合にイオン強度はガス流量の増加に伴い増加するが、イオン強度は約３リッター／分の場合に最大となり、それ以上の流量（超音速領域）では、ショック波の発生によりイオン強度は低減することが示される。これより、このガス流量に対するイオン強度依存性は従来のソニックスプレーイオン化法のそれと類似するが、本発明のイオン源から生成される噴霧ガスは全体として正または負に帯電する点が特徴的である。
【００４４】
さて、先に述べたように、ガス流速を流量調節手段を用いてガス流量Ｆを調整することにより制御することも可能である。図２に示すイオン源の例では、オリフィスとキャピラリーとの間のすき間のキャピラリーに垂直な断面の面積Ｓは９.４×１０ー８ｍ２と計算される。Ｆを標準状態（２０℃、１気圧）とすると、Ｆ／ＳはＦが１.４リッター／分の場合が２５０ｍ／ｓとなり、７リッター／分の場合が約１２００ｍ／ｓと見積もられる。ここで、Ｆ／Ｓの単位は速度であるがガス流速とは異なることに注意が必要である。
【００４５】
ガス流速をイオン源内のガス圧により制御することも可能である。図９でイオン生成が始まるのが約１.２気圧である。等エントロピー流れを仮定すると、オリフィスの厚さが充分に薄い場合には、ガス圧が１.２気圧でマッハ約０.５、約２気圧でマッハ１が達成される。マッハ２を実現するには７.８気圧が必要である。ちなみに、マッハ３では４０気圧程度も必要となり、実用面で問題がある。ガス圧でガス流速を制御するには、ガス圧を０.５〜５気圧の範囲で調整するのが現実的である。
【００４６】
このイオン源では、オリフィス径が０.４ｍｍであり、石英キャピラリーの外径は０.２ｍｍである。そのため、オリフィスとキャピラリーとのすき間の断面積Ｓは９.４×１０ー８ｍ３と計算される。そこで、パラメーターＦ／Ｓを用いると、Ｆが１.４リッター／分の場合は２５０ｍ／ｓであり、音速の状態は５３０ｍ／ｓとなる。（パラメーターＦ／Ｓの単位は速度であるが、実際のガス流速とは関係ないことに注意が必要である）Ｆを７（Ｆ／Ｓ＝１２００ｍ／ｓ）以上に増加させても、ガスの消費量が増加するだけでイオン生成効率は増加しない。そのため、実際にはＦ／Ｓは２５０〜１２００ｍ／ｓの範囲内で使用される。Ｓはイオン源の構造で決定されるため、ガス流量Ｆをマスフローメーターやパージメーターなどの流量調節計を用いて調整すると便利である。
【００４７】
ガスは液体の噴霧のために用いられる。そのため、ガスの種類はイオン生成にはほとんど関与しない。実際には窒素ガスを用いるのが便利である。安価であるうえに、乾燥しているために液滴の気化に有効であるからである。窒素ガスの他に、空気や酸素、あるいは二酸化炭素、希ガス等を用いでも同様の効果を得ることができる。
【００４８】
図１０に、本発明の別の一実施例に基づくイオン源の断面図を示す。石英製キャピラリー２（内径0.01mm、外径0.05mm）の末端部５ｍｍには外面にアルミ蒸着がなされ、電源７より電圧が印加される。図４の説明で述べたように、効率よくイオンを生成させるためには、ある程度以上の電場強度を発生させる必要がある。本実施例では、電極に印加する電圧は図２の実施例と比較して低電圧に設定することができる。本実施例では、イオン源本体６は接地電位に設定することができるため、操作の際の安全性は極めて高い。
【００４９】
図１１に、本発明のさらに別の一実施例に基づくイオン源の断面図を示す。樹脂製キャピラリー２は管状の電極１２に挿入され、電極１２に電源７より電圧が印加される。樹脂製キャピラリー２と電極１２は絶縁性の接着剤で固定される。充分な高電圧が印加されるのであれば、管状の電極１２は必ずしもキャピラリー２と同軸状に設置される必要はない。しかし、同軸状の場合には低い印加電圧でイオン生成が行われる。また、同様にして、電極１２に充分な高電圧が印加されるのであれば、電極１２は必ずしも管状である必要はない。電極１２がキャピラリー２末端より手前に設置される方がそうでない場合よりも印加電圧がはるかに低くてすむ。
【００５０】
図１２に、本発明のさらに別の一実施例に基づくイオン源の断面図を示す。石英製キャピラリー２はヒーター１３により加熱される加熱ブロック１４により加熱される。そのため、キャピラリー２に導入される液体は加熱により噴霧される。電極１２により生成される電界により、キャピラリー２中で噴霧により生成される液滴は帯電し、帯電液滴やイオンが生成される。液体の加熱には、赤外線レーザーやランプを用いることも可能である。
【００５１】
図１３に、本発明のさらに別の一実施例に基づくイオン源の断面図を示す。石英製キャピラリー２に導入される液体はその末端で横方向からガス噴射部１５より生成されるガス流により噴霧される。この場合、比較的大きな帯電液滴が生成されるが、キャピラリー２の位置調節は極めて簡単に行うことができる。特にイオンを生成させる必要がなく、帯電液滴の生成だけで充分である場合には、本実施例は極めて単純な帯電液滴発生装置となる。
【００５２】
図１４に、本発明のさらに別の一実施例に基づくイオン源の断面図を示す。石英製キャピラリー２に導入される液体は超音波振動子１６により液滴に変換される。電極１２により発生される電界により、液滴生成時に液滴は帯電する。帯電した噴霧ガスは空間的に広く拡散する。図１２から１４に示される実施例では、ガスボンベやコンプレッサー等を使用せずにイオン生成ができるという利点がある。
【００５３】
図１５に、本発明の一実施例の質量分析装置の構成図を示す。液体は流通路１より一定流量でキャピラリー２に導入される。キャピラリー２の先端はオリフィス３に同軸状に挿入される。ガス供給部４より供給される窒素ガスはガス導入管５よりイオン源本体６に導入され、オリフィス３より外部に放出される。金属製のオリフィス板９には、電源７より電圧が印加される。このことにより、キャピラリー２の末端に達した液体には電界が印加される。電界が印加された液体はオリフィス３からのガス流に従い大気圧下に噴霧される。一般的には、噴霧ガスが生成されるオリフィス板９と質量分析計入り口の細孔１７との間の空間には一様な電界が存在する。噴霧ガス中に生成されるイオンや帯電液滴は質量分析計入り口の細孔１７より真空中に導入され、高真空部に設置された質量分析部１８で電場または磁場により質量分離される。質量分離されたイオンは  イオン検出部１９で検出される。イオン検出部１９の出力は計算機２０に送られ、解析される。電源７と質量分析計１８は計算機２０により制御することができる。即ち、電源７より発生される間欠的電圧信号により生成される正・負イオンをイオン生成に同期して質量分離してイオン検出することができる。例えば、金属管８の電位は接地電位に設定し、電源７で振幅１kVの矩型波電圧をオリフィス板９に印加して正負イオンを生成させると、それと同期して正負イオンの分析を行うことができる。キャピラリー２または金属管８と細孔１７とを同電位に設定して噴霧ガスが生成される空間に電界が存在しないようにした場合も、２００V程度の電位差を発生させた場合も、イオン検出には全く問題ない。
【００５４】
金属管８の電位は接地電位にすると、キャピラリー２の中を流れる液体の電位は接地電位に設定することができる。そのため、流通路１にはキャピラリー電気泳動装置や液体クロマトグラフ等の溶液分離手段を結合することが容易である。
【００５５】
図１６に、本発明の一実施例のキャピラリー電気泳動／質量分析計結合装置の構成図を示す。混合溶液はキャピラリー電気泳動装置２１に導入され、キャピラリー両端に印加される高電圧により電気泳動されて分離される。分離溶液は検出部２２で検出された後にキャピラリー２に導入される。キャピラリー２の先端はオリフィス３に同軸状に挿入される。ガス供給部４より供給される窒素ガスはガス導入管５よりイオン源本体６に導入され、オリフィス３より外部に放出される。オリフィス板９は金属製であり、電源７より電圧が印加される。キャピラリー２の末端に達した液体はガスにより大気圧下に噴霧される。噴霧ガス中に生成されるイオンや帯電液滴は質量分析計入り口の細孔１７より真空中に導入され、高真空部に設置された質量分析部１８で電場または磁場により質量分離される。質量分離されたイオンはイオン検出部１９で検出される。イオン検出部１９の出力は計算機２０に送られ、解析される。電源７と質量分析計１８は計算機２０により制御することができる。即ち、電源７より発生される間欠的電圧信号により生成される正・負イオンをイオン生成に同期して質量分離してイオン検出することができる。例えば、金属管８の電位は設置電位に設定し、電源７で振幅１kVの矩型波電圧をオリフィス板９に印加して正負イオンを生成させると、それと同期して正負イオンの分析を行うことができる。キャピラリー２または金属管８と細孔１７とを同電位に設定して噴霧ガスが生成される空間に電界が存在しないようにした場合も、２００V程度の電位差を発生させた場合も、イオン検出には全く問題ない。質量分析部１８には、四重極型質量分析計、四重極トラップ型質量分析計、磁場型質量分析計、飛行時間型質量分析計あるいはフ−リエ変換型質量分析計といったあらゆる質量分析計を用いることができる。金属管８の電位を接地電位に設定することにより、キャピラリー電気泳動装置２１の混合溶液の電位も接地電位に設定することができる。そのため、混合溶液の分離においては全く支障がなくキャピラリー電気泳動装置２１を動作させることができ、オンラインで混合溶液の高感度分離分析が実現する。キャピラリー電気泳動装置２１の代わりに液体クロマトグラフ装置等の溶液分離手段を用いても、全く同様にオンラインで混合溶液の高感度分離分析が実現する。
【００５６】
図１７に、本発明の一実施例のキャピラリー電気泳動／質量分析計結合装置の構成図を示す。混合溶液はキャピラリー電気泳動装置２１に導入され、キャピラリー両端に印加される高電圧により電気泳動されて分離される。分離溶液は検出部２２で検出された後に接地電位に設定された金属管８を通り、キャピラリー２に導入される。キャピラリー２の先端はオリフィス３に同軸状に挿入される。ガス供給部４より供給される窒素ガスはガス導入管５よりイオン源本体６に導入され、オリフィス３より外部に放出される。オリフィス板９は金属製であり、電源７より電圧が印加される。キャピラリー２の末端に達した液体はガスにより大気圧下に噴霧される。噴霧ガス中に生成されるイオンや帯電液滴は質量分析計入り口の細孔１７より真空中に導入され、高真空部に設置された質量分析部１８で電場または磁場により質量分離される。質量分離されたイオンは  イオン検出部１９で検出される。検出部２２の出力は計算機２０に送られる。それに基づいて、計算機２０から電源７と質量分析計１８を指示する信号が送られる。そして、イオン検出部１９の出力は計算機２０に送られ、解析される。
【００５７】
キャピラリー電気泳動装置２１で分離される物質には、噴霧により正イオンになるものと負イオンになるものがある。そのため、例えば負イオンになる物質が分離されても、噴霧により正イオンしか生成できなかったり、正イオンしか分析できないような状態であれば、その物質の分析はできない。そこで、分離物質がキャピラリー２から噴霧される間に、オリフィス板９に印加される電圧の極性を反転させ、正イオン分析と負イオン分析の両方を行う。金属管８の電位は接地電位に設定されるため、正負イオン分析を行うことがキャピラリー電気泳動装置２１に影響することはない。キャピラリー電気泳動装置２１の代わりに液体クロマトグラフ装置等の溶液分離手段を用いても、全く同様にオンラインで混合溶液の高感度分離分析が実現する。
【００５８】
【発明の効果】
本発明のイオン源及びこれを用いる質量分析装置では、静電噴霧現象を利用するエレクトロスプレーイオン化法やイオンスプレーイオン化法と比較するとイオン生成の安定性や再現性が高い。噴霧を一旦中断してから再開してもイオン生成は再現するため、イオン源の操作性は極めて高い。イオン生成において、溶液のガス噴霧だけを利用しているからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のイオン源の構成図。
【図２】本発明の一実施例にともづくイオン源の断面図。
【図３】本発明の一実施例にともづくイオン源の見取図。
【図４】全イオン電流のオリフィス３への印加電圧依存性。
【図５】ｃｙｔｏｃｈｒｏｍｅ−Ｃ溶液より得られた質量スペクトル。
【図６】ｃｙｔｏｃｈｒｏｍｅ−Ｃ溶液より得られたオンスプレーイオン化法による質量スペクトル。
【図７】ｍｙｏｇｌｏｂｉｎ溶液より得られた質量スペクトル。
【図８】ｈｅｍｏｇｌｏｂｉｎ溶液より得られた質量スペクトル。
【図９】イオン強度の噴霧ガス流量依存性。
【図１０】本発明の別の一実施例にともづくイオン源の断面図。
【図１１】本発明のさらに別の一実施例にともづくイオン源の断面図。
【図１２】本発明のさらに別の一実施例にともづくイオン源の断面図。
【図１３】本発明のさらに別の一実施例にともづくイオン源の断面図。
【図１４】本発明のさらに別の一実施例にともづくイオン源の断面図。
【図１５】本発明の一実施例の質量分析装置の構成図。
【図１６】本発明の一実施例のキャピラリー電気泳動／質量分析計結合装置の構成図。
【図１７】本発明の別の一実施例のキャピラリー電気泳動／質量分析計結合装置の構成図。
【符号の説明】
１：流通路、２：キャピラリー、３：オリフィス、４：ガス供給部、５：ガス導入管、６：イオン源本体、７：電源、８：金属管、９：オリフィス板、１０：管、１１：ステンレス管、１２：管状電極、１３：ヒーター、１４：加熱ブロック、１５：ガス噴射部、１６：超音速振動子、１７：細孔、１８：質量分析部、１９：イオン検出部、２０：計算機、２１：キャピラリー電気泳動装置、２２：検出部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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