(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低圧の質量分析装置用のイオン源において、
質量分析時に、前記低圧に比較して高圧で動作して、不要な気体および液滴が混入した所定の試料イオンを含む試料流を前記質量分析装置へ与えるイオン化動作を行う大気圧試料イオン化器と、
前記試料イオン化器と前記質量分析装置との間に注入オリフィスを規定するオリフィス部材と、
洗浄液を運ぶ導管と、
前記導管への接続に適した洗浄液リザーバと、
を含み、
前記導管は、前記オリフィス部材の注入オリフィスに隣接して設けられた開口であって前記質量分析時における前記イオン化器のイオン化動作時に前記オリフィス部材の表面の少なくとも一部上に洗浄液を直接与える開口を備えることを特徴とするイオン源。
【請求項２】
請求項１記載のイオン源において、
前記オリフィス部材の表面は高圧側の表面であることを特徴とするイオン源。
【請求項３】
請求項２記載のイオン源において、
前記大気圧試料イオン化器は、前記注入オリフィスの軸を横切る方向にスプレーを形成するように動作し、前記導管の開口は前記洗浄液をスプレー方向に沿ったオリフィス下流側の前記オリフィス部材の一部上に与える位置に設けられることを特徴とするイオン源。
【請求項４】
請求項２または３記載のイオン源において、
前記導管の開口は、前記洗浄液が前記オリフィス中へ進むように前記洗浄液を前記オリフィスのすぐ隣に与えるような位置に設けられることを特徴とするイオン源。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれかに記載のイオン源において、
前記導管は、前記洗浄液を与えるために、前記オリフィス部材の注入オリフィスに隣接する複数の開口を備え、前記複数の開口は前記オリフィスの全周が前記洗浄液と接触するような位置に設けられることを特徴とするイオン源。
【請求項６】
請求項２〜４のいずれかに記載のイオン源において、
前記洗浄液を与える前記開口は前記オリフィスの全周にわたって設けられることを特徴とするイオン源。
【請求項７】
請求項２〜６のいずれかに記載のイオン源において、
前記オリフィス部材は円錐形であり、前記注入オリフィスは前記円錐の頂点に形成されることを特徴とするイオン源。
【請求項８】
請求項７に記載のイオン源において、
前記導管は、前記オリフィス部材の前記円錐を取り囲み、かつ前記注入オリフィスを取り囲む環状の開口を形成する他の円錐形部材によって形成されることを特徴とするイオン源。
【請求項９】
第１の圧力で動作する低圧の質量分析装置用のイオン源であって、
質量分析時に、前記質量分析装置が動作する前記第１の圧力より高い第２の圧力で動作して、不要な気体および液滴が混入した所定の試料イオンを含む試料流を前記質量分析装置へ与えるイオン化動作を行う大気圧試料イオン化器と、
前記試料イオン化器と前記質量分析装置との間に注入オリフィスを規定するオリフィス部材と、
洗浄液を運ぶ導管と、
前記導管に接続可能な洗浄液リザーバと、
を含み、
前記導管は、前記オリフィス部材の注入オリフィスに隣接して配置された開口であって前記質量分析時における前記イオン化器のイオン化動作時に前記オリフィス部材の表面の少なくとも一部上に洗浄液を連続的に直接与える開口を備えることを特徴とするイオン源。
【請求項１０】
請求項９記載のイオン源において、
前記洗浄液は、当該洗浄液の連続的な流れによって、連続的に与えられることを特徴とするイオン源。
【請求項１１】
請求項９記載のイオン源において、
前記洗浄液は、当該洗浄液の周期的な流れによって、連続的に与えられることを特徴とするイオン源。
【請求項１２】
請求項９記載のイオン源において、
前記オリフィス部材の表面は前記第２の圧力下にある側の表面であることを特徴とするイオン源。
【請求項１３】
請求項１０記載のイオン源において、
前記大気圧試料イオン化器は、前記注入オリフィスの軸を横切る方向にスプレーを形成するように動作し、前記導管の開口は前記洗浄液をスプレー方向に沿ったオリフィス下流側の前記オリフィス部材の一部上に与える位置に設けられることを特徴とするイオン源。
【請求項１４】
請求項１０記載のイオン源において、
前記導管の開口は、前記洗浄液が前記オリフィス中へ進むように前記洗浄液を前記オリフィスのすぐ隣に与えるような位置に設けられることを特徴とするイオン源。
【請求項１５】
請求項１０記載のイオン源において、
前記洗浄液を与える前記開口は前記オリフィスの全周にわたって設けられることを特徴とするイオン源。
【請求項１６】
請求項１０記載のイオン源において、
前記オリフィス部材は円錐形であり、前記注入オリフィスは前記円錐の頂点に形成されることを特徴とするイオン源。
【請求項１７】
請求項１４に記載のイオン源において、
前記導管は、前記オリフィス部材の前記円錐を取り囲み、かつ前記注入オリフィスを取り囲む環状の開口を形成する他の円錐形部材によって形成されることを特徴とするイオン源。
【請求項１８】
低圧の質量分析装置用のイオン源のオリフィス部材の洗浄方法であって、
前記イオン源は、質量分析時に、前記低圧に比較して高圧で動作して、不要な気体および液滴が混入した所定の試料イオンを含む試料流を前記質量分析装置へ与えるイオン化動作を行う大気圧試料イオン化器を含み、前記試料イオン化器と前記質量分析装置との間にオリフィス部材によって注入オリフィスが規定され、
当該方法は、前記質量分析時における前記イオン源のイオン化動作時に、前記オリフィス部材の前記注入オリフィスに隣接して設けられた開口から当該オリフィス部材の表面の少なくとも一部上に洗浄液を直接与えるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１８記載の洗浄方法において、
前記洗浄液が前記イオン源のイオン化動作時に連続的に与えられることを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１８記載の洗浄方法において、
前記洗浄液が前記イオン源のイオン化動作時に周期的に与えられることを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１８、１９または２０に記載の洗浄方法において、
前記洗浄液が前記オリフィス部材の高圧側の表面上に与えられることを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項２１に記載の洗浄方法において、
前記洗浄液は、供給された洗浄液の少なくとも一部が前記注入オリフィス中へ進むように、前記注入オリフィス近くに与えられることを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項１８〜２２のいずれかに記載の洗浄方法において、
前記洗浄液が前記オリフィスの全周にわたって与えられることを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項１８〜２３のいずれかに記載の洗浄方法において、
前記洗浄液は、試料スプレーの不揮発性成分の溶剤であることを特徴とする方法。
【請求項２５】
第１の圧力で動作する低圧の質量分析装置用のイオン源のオリフィス部材の洗浄方法であって、
前記イオン源は、質量分析時に、前記質量分析装置が動作する前記第１の圧力より高い第２の圧力で動作して、不要な気体および液滴が混入した所定の試料イオンを含む試料流を前記質量分析装置へ与えるイオン化動作を行う大気圧試料イオン化器を含み、前記試料イオン化器と前記質量分析装置との間にオリフィス部材によって注入オリフィスが規定され、
当該方法は、前記質量分析時における前記イオン源のイオン化動作時に、前記オリフィス部材の前記注入オリフィスに隣接して設けられた開口から当該オリフィス部材の表面の少なくとも一部上に洗浄液を連続的に直接与えるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２６】
請求項２５記載の洗浄方法において、
前記洗浄液は、前記イオン源のイオン化動作時に、洗浄液の連続した流れを用いることによって、連続的に与えられることを特徴とする方法。
【請求項２７】
請求項２５記載の洗浄方法において、
前記洗浄液は、前記イオン源のイオン化動作時に、洗浄液の周期的な流れを用いることによって、連続的に与えられることを特徴とする方法。
【請求項２８】
請求項２５記載の洗浄方法において、
前記洗浄液は、前記第２の圧力にある側の前記オリフィス部材の表面上に与えられることを特徴とする洗浄方法。
【請求項２９】
請求項２８記載の洗浄方法において、
前記洗浄液は、与えられた洗浄液の少なくとも幾らかが前記注入オリフィス内に流れ込むように、前記注入オリフィスの近くに与えられることを特徴とする洗浄方法。
【請求項３０】
請求項２５記載の洗浄方法において、
前記洗浄液は、前記注入オリフィスの全周にわたって与えられることを特徴とする洗浄方法。
【請求項３１】
請求項２５記載のイオン源の洗浄方法において、
前記洗浄液は、前記試料スプレーの不揮発性成分の溶剤であることを特徴とする洗浄方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は、質量分析装置用のイオン源、およびイオン源のクリーニング方法に関する。質量分析装置は通常は低圧で動作し、本発明は特に大気圧で動作するイオン源に関する。かかるイオン源はエレクトロスプレーイオン化（ＥＳＩ）源および大気圧化学イオン化（ＡＰＣＩ）源を含む。
質量分析装置は、製薬化合物や環境化合物、生体高分子等の有機物質を含む広範な材料の分析に使用されている。質量分析を行うには、これら試料化合物および生体高分子のイオンを生成することが必要である。生物学上の物質の研究では、試料化合物のイオンを生成するイオン源を備えた質量分析装置が特に有用であり、かかるイオン源は、大気圧または少なくとも質量分析装置よりも、かなり高い圧力で動作する。
質量分析装置用の大気圧イオン化（ＡＰＩ）源はどれも、イオン注入オリフィスを含み、これはＡＰＩ領域と該イオン化源または質量分析装置の低圧領域との境界をなす。
一般に、このオリフィスは小さく（一般には直径０．５ｍｍ未満）、これは質量分析領域中を低圧（一般には１０-4ｍＢａｒ未満）に維持する必要があり、かつ、この低圧の維持に使用される真空系のポンピング速度に限りがあるためである。
ＡＰＣＩやエレクトロスプレープローブ等のイオン源によく使用される液体クロマトグラフィ（ＬＣ）注入系は、大気圧領域中でエーロゾルを生成するが、これは試料の気体イオンに加えて、クロマトグラフィの緩衝液として浸出されるか、または試料の抽出副産物として検体中に現れる、一定の不揮発性成分を含む。
試料イオンがオリフィスを通って高圧領域から低圧領域へと通過すると、これらの不揮発性成分はイオン注入オリフィスの周辺上に堆積する。長時間にわたって質量スペクトル分析を行うと、最終的にオリフィスが部分的または完全に塞がれ、時間がたつにつれ質量分析装置の感度の低下をもたらす。
先行技術のＡＰＩ源は、不揮発性物質の堆積によるイオン注入オリフィスの目詰まりを防止するために、２つの設計、すなわち「犠牲（sacrificial）」対抗電極または直交イオン源構造のいずれかを用いてきた。
図１は、一般的な対抗電極設計を示す。ここで対抗電極２は、プローブ６によって生成されたエーロゾル中に含まれる過剰な不揮発性成分を回収するための表面４（「犠牲」表面）を与える働きをする。こうして気体流（イオンおよび残留不揮発性物質を含有）は、オリフィス２０の直接の視野方向からそらされ、オリフィス２０を通過する残留不揮発性物質が低圧領域（ポンプ８によって低圧に維持される）中へ入らないようにする。しかし、強力なクロマトフラフィ緩衝液（５０ｍＭのリン酸ナトリウム等）を使用して長時間にわたって使用すると、これらのイオン源はオリフィス２０または対抗電極２自体の目詰まりのために感度が下がる傾向にある。
図２は、先行技術の一般的なエレクトロスプレー源設計を示す。このイオン源構造の主たる目的は、スプレーを注入オリフィスからそらすことである。しかし、ＬＣ質量分光法で用いられる高流量（一般には１ｍｌ／分）では、イオン２２と帯電した液滴２４（不揮発性成分を含有）は、電界によって注入オリフィス２０の方へ偏向される。この作用（最終的にはオリフィスの目詰まりを引き起こす）の概略図を図３Ａに示す。
この問題は、プローブ先端６の位置を図３Ｂに示すように注入オリフィス２０側へ延長することによって部分的に解決される。この場合、移動度の高いイオン２２は電界によってやはりオリフィス２０中へ集められるが、運動量の大きい液滴２４はオリフィスの下流へ堆積される。
同様に、図３Ｃは、エレクトロスプレーの電位を下げ、ひいてはプローブ−オリフィス間の電界を小さくすることによってイオン源の頑丈さが向上することを示し、これはやはり大きな液滴２４をオリフィス２０からそらす効果がある。
しかし、直交構造に対するこれら２つの改善策はまた、イオン源の感度を大幅に下げる作用がある。
一般に、直交構造のＡＰＩ源の注入オリフィスを詳しく検査すると、不揮発性成分の大半は、下流側の円錐表面上およびオリフィス自体の下流側の周辺部に堆積することがわかる。この様子を図４に概略的に示す。プローブ先端６が注入オリフィス２０の左上に位置する場合、不揮発性のクロマトグラフィ用緩衝液２６はオリフィス２０の下縁部上で結晶化し、その後、このオリフィス２０の下縁部から上方向に結晶が成長することによって、オリフィスの目詰まりが発生することがわかっている。
本発明は、先行技術の不揮発性物質堆積の問題、およびその結果生じるオリフィスの目詰まりの問題を解決することを目的とする。
本発明の一実施形態では、比較的高圧で動作して、不要な気体および液滴が混入した目的の試料イオンを含む試料流を与える大気圧試料イオン化器と、試料イオン化器と質量分析装置との間に注入オリフィスを規定するオリフィス部材と、洗浄液を運ぶ導管と、導管への接続に適した洗浄液貯留器と、を含み、導管はオリフィス部材の注入オリフィスに隣接して開口を有し、イオン源の動作時にオリフィス部材の表面の少なくとも一部上に洗浄液を与える、低圧質量分析装置用のイオン源を提供する。
好適には、大気圧試料イオン化器は、注入オリフィスの軸を横切る方向にスプレーを形成するように動作し、導管の開口は、このスプレーの方向に沿ってオリフィスの下流側のオリフィス部材の一部上に洗浄液を与える位置に設けられる。
この構造の利点は、導管に、オリフィス部材の注入オリフィスに隣接して複数の洗浄液運搬用の開口がオリフィスの周辺部全体が洗浄液と接触できるような位置に設けられることである。これによりオリフィスに隣接する全表面の洗浄が可能となり、注入オリフィスの目詰まりの原因となりうる該表面上における材料のどのような堆積も防止できる。
好適には、洗浄液分配用の開口は、オリフィスの全周にわたって配置されうる。
好適には、オリフィス部材は円錐形をしており、注入オリフィスはこの円錐の頂点に形成される。
好適には、導管はオリフィス部材の円錐を取り囲み、かつ注入オリフィスを取り囲む環状開口部を形成する他の円錐形部材によって形成される。
本発明の他の実施形態では、低圧質量分析装置用のイオン源のオリフィス部材のクリーニング方法を提供する。イオン源は比較的高圧で動作して不要な気体および液滴が混入した目的の試料イオンを含む試料流を与える大気圧試料イオン化器を含み、試料イオン化器と質量分析装置との間にオリフィス部材が注入オリフィスを規定する。この方法は、イオン源の動作時に、オリフィス部材の注入オリフィスに隣接した表面の少なくとも一部上に洗浄液を与える工程を含む。
この方法の利点は、オリフィス部材の表面上における物質のどのような堆積も防止するために、洗浄液がイオン源の動作時に連続的に与えられることである。
好適には、洗浄液はオリフィス部材の高圧側の表面上に与えられる。
この方法の他の利点は、洗浄液が注入オリフィスの非常に近くで与えられるので、与えられた洗浄液の少なくとも一部は注入オリフィス中に入ることである。これにより注入オリフィス内部に不揮発性物質が堆積するのを防止できる。
また、洗浄液はオリフィスの全周にわたって与えられる。
さらに、洗浄液は試料スプレーの不揮発性成分の溶剤である。
以下に、図面を参照しながら本発明の好ましい実施例を説明する。
図１は、先行技術の「犠牲」対抗電極を具備したイオン源および質量分析装置の概略図である。
図２は、先行技術の直交配置型のイオン源および質量分析装置の概略図である。
図３ａ、３ｂ、３ｃは、図２に示す先行技術のイオン源の各変形例の概略図である。
図４は、図２のイオン源における一般的な固体堆積の様子を示す概略図である。
図５は、本発明のイオン源の概略図である。
図６は、図５に示すイオン源を用いて得られる実験結果のグラフである。
図７は、本発明の第２の実施形態に従うイオン源の概略図である。
図５では、イオン源３０は、イオン化された試料滴を生成するように配置されたプローブ３４（プローブヒータを有するＥＳＩまたはＡＰＣＩプローブで構成されうる）を備えたイオン化領域３２を含む。イオン化領域３２は大気圧ベント３５によって大気圧に維持される。比較的高圧のイオン化領域３２は、注入オリフィス３８を介して質量分析装置４６の低圧領域３６と連通する。注入オリフィス３８は、２つの異なる圧力領域間の仕切り４２の内側に位置するオリフィス部材４０の内側に位置する。本実施例では、オリフィス部材４０は円錐形である。
低圧領域３６は、従来の真空ポンプによって、ポート４４から一般には圧力１１５ｍＢａｒまで減圧される。気体試料イオンおよび不揮発性物質を含む試料流は、注入オリフィスから低圧領域３６へ入り、その後、分析のために質量分析装置４６の他の領域へ進む。多くの場合、試料の不揮発性成分の一部はまた、注入オリフィス３８の周辺領域に堆積される。
供給ライン４８は本実施例では溶融シリカから構成され、開口５０がオリフィス部材４０に隣接する状態でイオン化領域３２内部に配置される。供給ラインの他端は洗浄液リザーバ（洗浄液貯留器）（図示せず）に接続される。
図５に示すように、供給ライン４８の開口５０は注入オリフィス３８に隣接して配置され、洗浄液５４を試料スプレーの方向に沿ってオリフィス３８の下流側に送る。図４に示すように、ここは不揮発性物質がもっとも堆積しやすい領域である。
イオン化器の動作時には、洗浄液５４は供給ライン４８に沿って洗浄液リザーバから押し出され、開口５０からオリフィス部材４０上に与えられる。洗浄液は、オリフィス部材４０上の試料の不揮発性成分が堆積する地点に与えられ、これら成分を洗い流して、通常は注入オリフィスの目詰まりを引き起こす不揮発性成分の堆積を防止する。本実施例では、洗浄液には試料の不揮発性成分の溶剤が選択される。
こうして本実施例では、不揮発性物質の最初の堆積地点に溶剤を連続的に流すことによって、オリフィスの目詰まりの問題が解決される。
本実施例では、注入オリフィス前後の圧力差のために、洗浄液がオリフィス端縁部へ向かい、かつそこを越えて、つまりオリフィス中へ流れるように溶剤が与えられる。試験運転では、液体をオリフィスの端縁部を越えて連続して流しても、イオンを大気圧から注入オリフィスのすぐ背後の低圧領域へ集める上で不都合は観察されなかった。
５０％アセトニトリルと、５０％の５０ｍＭリン酸ナトリウム水溶液（不揮発性クロマトグラフィー用緩衝液）とからなる移動相を総流量０．５ｍｌ／分で用いた直交型エレクトロスプレー源を長時間動作させた場合に、この技術は装置の頑丈さを著しく改善することが示された。ここではＨＰＬＣグレードの水が流量４０μｌ／分で溶融シリカ製の供給ラインからポンプによって押し出された。
図６は、上記の条件下で１ｎｇのプロカインアミドを繰り返し注入した場合にエレクトロスプレー源から得た信号強度（ピーク領域）の変化を示す。本図では３時間以上にわたって動作させても平均信号強度に大幅な低下がないことを示す。４０μｌ／分の導管流がない場合は、一般に信号は約３０分後には元の値の５０％まで低下する。導管流を用いて２００分動作させた後、視認による検査ではオリフィスのすぐ近傍にはリン酸ナトリウムまたはその他の物質の存在はまったく認められなかった。
１本のラインを使用する代わりに、多数のラインをオリフィスを完全に囲むように配置して、オリフィスの上流側の端縁部またはその他の位置に不揮発性物質が堆積する可能性を防止するようにしてもよい。
図７は、オリフィス３８の回り３６０度にわたって円形流を与える他の実施形態を示す。ここでは、導管は円錐形のオリフィス部材４０を取り囲む別の円錐部材５６を備え、これら二部材間で円錐形の流路を形成する。リザーバからの流体は入口５８からこの円錐形の流路へ送られる。外側の円錐部材５６はオリフィス３８を取り囲む環状の流路開口６０を与える。
導管を流れる流体は水でなくてもよい。混合流体を選択して、移動相中に存在しうる、予想される、または未知の不揮発性物質をもっともよく溶かすようにしてもよい。
実行可能なオリフィス流量は１０μｌ／分〜１ｍｌ／分と予想されるが、後者のほうが中間のイオン源真空ポンプに与える溶剤負荷が大きく、不要な溶剤付加物形成の確率を上昇させうる。
溶剤流をオリフィスへ供給するには独立型ポンプを用いてもよい。または図５に示す溶融シリカラインに直接取り付けた、窒素圧をかけた液体瓶を用いてオリフィス流量をより低くしてもよい。
本発明は、明記するまでもなく、イオン源の動作時に洗浄液を連続して供給することに限定しない。洗浄液はイオン化した試料の構成成分に関連した適切な期間および強度で周期的に流してもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図６】
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