(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を細かい液滴に分散させる電界を用いて液体を荷電液滴の細かい噴霧に分散させる方法であって、
粒状または多孔性の材料でそれぞれ充填された複数の管、１つの単繊維をそれぞれ包含した複数の管、繊維の束、あるいは、布または紙の平らな薄片から構成される芯状構造を用い、この芯状構造の毛管現象駆動の流れを使用して、前記液体を細かい液滴に分散させる電界領域に供給するステップ
を含むことを特徴とする電気噴霧電離方法。
【請求項２】
液体を静電的に荷電液滴の細かい噴霧に分散させるための装置であって、
外部から前記液体が供給される管の端部に設けられた、粒状または多孔性の材料でそれぞれ充填された複数の管、１つの単繊維をそれぞれ包含した複数の管、繊維の束、あるいは、布または紙の平らな薄片から構成される芯状構造を備え、
該芯状構造を通じて前記液体が毛管現象駆動の流れによって、液体を細かい液滴に分散させる電界領域に供給されるようにした
ことを特徴とする電気噴霧電離装置。
【請求項３】
ペーパー・クロマトグラフィ、薄層クロマトグラフィ（ＴＬＣ）、および紙片またはＴＬＣプレートの端部に強い電界を印加するクロマトグラフィのさまざまな位置におけるバンドまたはスポットにおける種を識別するために、質量分析を適用するための方法であって、
（ｉ）問題とするスポットまたはバンドに試料を溶解するのに適切な溶媒を加えるステップと、
（ｉｉ）前記スポットまたはバンドに芯エレメントを密接に接触させ、前記芯エレメントは、毛管現象駆動の流れによって前記の適切な溶媒が移動通過する材料を含み、これによって、溶質として前記スポットまたはバンドの種の一部を含む溶媒の一部を動かすステップと、
（ｉｉｉ）前記芯エレメントの一端を溶媒の源泉プールに接触させ、他端を質量分析器を含む真空システムに通じる開口に対向して直接置くステップと、
（ｉｖ）芯の前記他端に達する液体が、開口を通過して前記真空システムに流れるガスの中に電気噴霧されるように、前記芯と前記開口との間に電位差を加えるステップと、
（ｖ）前記電気噴霧によって形成され、前記ガスによって前記真空システムに運ばれる液滴の蒸発によって生成される溶質イオンの、質量分析を実施するステップと
を含む質量分析方法。
【請求項４】
端部が粒状または多孔性の材料でそれぞれ充填された複数の管、１つの単繊維をそれぞれ包含した複数の管、繊維の束、あるいは、布または紙の平らな薄片から構成される芯状構造をなし、静電的に荷電液滴の細かい噴霧に分散される液体を供給する管を備え、
該管の芯状構造による毛管現象駆動の流れによって前記液体が該液体を細かい液滴に分散させる電界領域に供給され、該電界領域で前記液体が静電的に荷電液滴の細かい噴霧に分散されるようにした
ことを特徴とする火災検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物の質量分析の改善に関し、詳しくは、質量測定検出法を液体クロマトグラフィおよび電気泳動などの分離技法にインターフェースするさらに効果的な手段を提供することに関する。このようなインターフェースにおける主な問題点は、溶液の中に溶質として存在する化合物を気相イオンへ効果的に変換すること、およびこれらのイオンを真空システムにおける質量分析器に導入することである。過去１０年間にわたり、いわゆる電気噴霧電離（ＥＳＩ）が、この変換を達成するための最も有効な技法の１つとして出現している。これまでのＥＳＩ源の安定した効果的な働きは、試料溶液の流量、導電率、および表面張力がすべて比較的低いときにのみ容易に達成されることが明らかになった。あいにく、液体クロマトグラフィや電気泳動などの分離技法は、上記の特性がＥＳＩが非常によく適応できる値より高い値である溶液において、極めて良好に機能することが多い。特に、最も広く使用されている液体クロマトグラフィ・プロトコルにおける移動相の流量は、１分間当り１ミリリットル（ｍＬ／分）に近い。ＥＳＩは流量が１分間当り１または２μＬ／分より低いときに最もよく機能する。この流量の非両立性を克服するためにさまざまな技法が開発されたが、いずれも非常に満足できるというものではない。本発明は、最良でしかもこの流量の非両立性を克服する解決法をもたらすと思われる。さらにこれは、表面張力と導電率に関する制約のいくつかも軽減する。
【０００２】
【従来の技術】
揮発性液体溶媒中の溶質種の電気噴霧電離（ＥＳＩ）は、浴ガス中で液体を高荷電液滴の細かい噴霧として分散させることによって実施される。溶媒の蒸発が液滴を収縮させると、液滴はいくらか複雑な処理手順ステップを通り、これらの処理手順ステップによって最終的に、小滴液中の極性溶質種は周囲浴ガス中の自由イオンに変換されることになる。得られたイオン−ガス混合物の一部を真空システムに入れることができ、ここで質量分析器によってイオンを「計量」することができる。いわゆる電気噴霧電離質量測定（ＥＳＩＭＳ）におけるＥＳＩと質量分析とのこの組合せは、簡単な極性分子からもまた分子量が数百万までの複雑でこわれやすい種からも、無傷のイオンを発生させて計量することができる。大きな分子のＥＳイオンは多様に荷電され、したがってこれらの質量／電荷（ｍ／ｚ）比は、四重極質量分析計やイオントラップなどの比較的低廉な計器によって計量するのに十分な低さである。感度は、完全な分析がわずか数アトモルの分析物を要求できるほど高いものである。ＥＳＩＭＳ技法のこれらの特徴は、その用途を爆発的に拡張した。１９８４年の公記録誌には、この課題に関してわずか二件の論文しか見あたらない［Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ８８，４４５１と４４７１（１９８４）における、Ｍ・ヤマシタとジェイ・ビー・フェン(J・Ｂ・Ｆｅｎｎ)によるもの］。しかし１９９６年のみで、ＥＳＩＭＳの機構、処理手順、および応用に関して約８００件の論文があった。世界におけるＥＳＩＭＳシステムの台数は今や５０００を数え、これらは年間約１２０００台が売れている液体クロマトグラフのための選択検出器として増えつつあるので、急速な成長が期待される。
【０００３】
本発明のいくつかの背景展望を述べるために、いくつかの結果例に沿ってＥＳＩＭＳ法の簡単な動作を説明する。図３は、ラボースキー(Ｌａｂｏｗｓｋｙ)他（米国特許第４５３１０５９号）およびヤマシタ他（米国特許第４５３１０５６号）の米国特許明細書に記載されたものと類似のＥＳＩＭＳ装置の概略線図である。これは、ヘニオン(Ｈｅｎｉｏｎ)他（米国特許第４８６１９８８号）およびスミス(Ｓｍｉｔｈ)他（米国特許第４８４２７０１号および同第４８８５７０６号）の米国特許明細書、ならびに雑誌報文［Ｓｃｉｅｎｃｅ  ２４６，６４（１９８９）におけるフェン他によるもの、Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ  Ｒｅｖｉｅｗｓ  ６，３７（１９９０）におけるフェン他によるもの、Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ２，８８２（１９９０）におけるスミス他によるもの］に記載されたシステムにも似ている。図３を参照してこの技法の重要な特徴を述べる。数マイクロリットル／分（μＬ／分）の試料溶液を、噴射針１を通じて電気噴霧室３の中の浴ガスすなわち乾燥ガス２（たとえば数Ｌ／分の温暖乾燥窒素）の対向流中に噴射し、電気噴霧室３の壁は円筒状電極として使用され、一般的には、電気噴霧室３の圧力は１気圧または１気圧前後に維持されている。電気噴霧室３の端壁にはガラス製毛管４があり、この典型的な寸法はＬ＝１８０ｍｍ、ＯＤ＝６ｍｍ、ＩＤ＝０．６ｍｍである。ガラス製毛管４の前面は金属被覆され、接地を含むいかなる望ましい電位にもすることができる噴射針１の電位より数ｋＶ低い電位に保たれる。円筒状電極（噴霧室３）は、噴射針１の電位とガラス製毛管４のそれとの中間の電位にある。噴射針１の先端において結果的に生ずる電界は、出てくる液体を荷電された液滴の細かい噴霧に分散させる。電界によって駆動される液滴は、毛管４の入口に向かって流れ、液滴が溶媒を乾燥ガス２の対向流の中に蒸発させると、液滴は収縮する。この収縮は、静電反発力が表面張力に打ち勝って、「クーロン爆発」が液滴を蒸発と爆発を順番に繰り返す複数の小液滴に分散する、いわゆるレイリー・リミットに達するまで、各液滴の表面電荷密度を増加させる。液滴が十分に小さくなると、レイリー・リミット以下の電荷密度は、溶質表面イオンを大気浴ガス中に蒸発すなわち脱着させるのに十分な強さの液滴表面に垂直の電界を発生させることができる。このイオン脱着機構は、イリバーン(Ｉｒｉｂａｒｎｅ)とトムソン(Ｔｈｏｍｓｏｎ)によって提案され［Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．６４，２２８７（１９７６）および７１，４４５１（１９７９）］、現在では多くの研究者によって受け入れられている。他にマルコルム(Ｍａｌｃｏｌｍ)とその共同研究者たちによって提案された帯電残分機構（ＣＲＭ）［Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．４９，２２４０（１９６８）および５２，４９７７（１９７０）］が好まれている。蒸発と爆発の連続によって最終液滴を各々の液滴がただ１つの溶質分子を含むほど小さくなり、単一の溶質分子は、最後の溶媒が蒸発するときに最後の液滴の電荷の一部を保留することによってイオンになると想定する。
【０００４】
イオンを形成することのできるどのような機構によっても、イオンは蒸発する液滴とともに乾燥ガスの流れと向流に電界を流下して、ガラス製毛管４の入口に達し、ここで一部が、超音速自由噴流として真空システムの第一ポンプ段階５の中に出現する乾燥浴ガスの中に混入される。この噴流の中核部分はスキマー６と静電レンズ・スタック７を通過し、イオンを真空の第二ポンプ段階９における質量分析器８に送出する。イオンが入るガラス製毛管４は電位の谷の中にあり、電位の谷の深さは、噴射針１と毛管４の入口との間の電圧差である。毛管４を通過するガス流は、管出口においてイオンを前記ポテンシャルの谷からどの望ましい電位にも、接地の数ＫＶ上にまでも引き上げる。この配置によって、装置のすべての外部部分は地電位にあって、作業者に危害を及ぼさない。
【０００５】
上述の図３のシステムでは、熱浴ガスの向流は、液滴溶媒の蒸発と、結果的に生ずるイオンが質量分析器を有する真空システムに通じるガラス管に入る前のイオンの溶媒脱離を達成する。しかしながら、溶媒脱離されたＥＳイオンを質量分析器に送出することもできるこの一般的なアプローチに関しては、いくつかの変形がある。向流ガス流を廃し、液滴、イオン、および浴ガスの混合物、またはこれらの一部の温度を、真空システムに入る前に上げることによって、液滴とイオンの溶媒脱離の大部分を達成するというシステムもある。このようなシステムの１つは、イオンと溶媒含有浴ガスとの前記混合物の一部分を、図３のガラス製毛管４の代わりに加熱された金属管を通過させる。イオンと浴ガスが真空システムに入るための管の出口におけるイオンを含む浴ガスの自由噴流中の断熱冷却により、イオンの溶媒脱離が起こるが、この金属管の壁は十分に熱く、この溶媒脱離を省くために十分な温度に上げることができる。それからイオンのいかなる残分溶媒和も、管出口とスキマーとの間に電圧差を維持することによって排除することができる。結果的に生ずる電位の傾きは、自由噴流膨張中に中性浴ガス分子に対してイオンを加速し、これによってあらゆる残留する溶媒分子のイオンを取り除くのに十分なエネルギーを有するイオン中性衝突を引き起こす。このようなシステムは、元来はチャウドフリー(Ｃｈｏｗｄｈｕｒｙ)、カッタ(Ｋａｔｔａ)、およびチェイト(Ｃｈａｉｔ)他によって提案されており、また米国特許第４９７７３２号ならびに論文［Ｒａｐｉｄ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  ｉｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ，４８１（１９９０）］に記載されている。ＥＳ室から真空中へ向かうイオンと浴ガスが通過するための導管は、金属などの導電性材料によって作られ、よって導管の入口端と出口端との間にはっきり感知できる電位差は存在し得ない。したがって試料液体用のＥＳ噴射針を、出現する液体を電気噴霧させるために十分な強度を有する電界を針の先端にもたらすために、実質的に接地より高い電位に維持しなければならない。換言すれば、試料液体源はそれ自体接地より高い電位で浮動しなければならず、または試料液体を接地から数ＫＶ高くすることができる針の電位にまで上げる必要がある。この要件は、試料液体源が液体クロマトグラフである場合には、いくつかの設計上の問題点を招く可能性がある。
【０００６】
あるシステムでは、背景圧力を質量分析器の動作のために十分に低く維持しながら、電気噴霧領域からのガス流全体に対応するために十分なポンプ排気速度を備えた、１段の真空段階を有する。このような単一段階システムでは、イオン溶媒脱離の多くが、上記のように噴流における電位の傾きによって達成される。さらに他のシステムでは、第一真空段階（図３における５）と質量分析器（図３における８）を含む最終真空段階（図３における９）との間でポンプの働きをする１つまたは複数の追加段階を合体している。あるシステムでは、電気噴霧領域から真空システムの中に向かうイオンを含む浴ガスが通過する導管は、管の代わりに一本の簡単なオリフィスである。電気噴霧領域、すなわち試料液体が十分に高い圧力で浴ガスの中に分散される室は、すべてのシステムについて共通であり、この十分に高い圧力のせいで、平均自由行程は出口開口の直径に対して小さい。換言すれば浴ガスは、溶媒をＥＳ液滴から蒸発させるために必要なエンタルピーを提供し、ＥＳイオンを、真空システムに入る浴ガス中におけるその濃度が質量分析器が有用な信号を提供できないほど低くなるまで分散させることから、空間電荷を防ぐのに十分なほどイオン移動度を減速するために、十分に濃厚でなければならない。現在、大部分のＥＳＩＭＳシステムにおける浴ガスの圧力は一気圧または一気圧前後であるが、ある研究者は、もっと低い圧力におけるＥＳＩ実施の可能性を探求してきた。本発明は第一に、イオンを含むガスが導管を通って真空システムに入る前に電気噴霧室の中で進行する過程に関する。したがって本発明は、ＥＳ室の下流でどのような構成が使用されても、大部分のＥＳＩＭＳシステムにおいて同等に適用可能であるはずである。
【０００７】
ＥＳイオンは、液滴の上の過剰の陽イオン（または陰イオン）から形成され、液滴はその正味電荷を生じさせ、噴霧によって運ばれる電流を生じさせると考えられる。これらの過剰の陽イオンまたは陰イオンは、これらの液滴の表面に分布していると考えられる。これらは単独、または１つもしくは複数の極性基を含む通常は中性溶質すなわち溶媒分子との集合で存在し、前記極性基に過剰の陽イオンまたは陰イオンが、電荷誘導双極子、水素結合、または分散による力によって結合可能である。イオン蒸発モデル（ＩＥＭ）にしたがって液滴の表面電界によって大気ガス中に脱着されるのは、これらの表面イオンすなわちイオン中性集合体である。図４は、図３の装置によって得られた初期のＥＳＩＭＳスペクトルのいくつかの例を示す。図４Ａは、水性メタノールにおいて濃度が２〜１０ｐｐｍのテトラアルキルアンモニウムまたはハロゲン化ホスホニウムの混合物の質量スペクトルを示す。このスペクトルは、破滅的な分解なしでは蒸発できない種からＥＳＩがイオンを作ることができた最初の証明であった。図４Ｂのスペクトルのピークは、溶質の陽子を結びつける塩基性基を有するデカペプタイドグラミシジンＳのものである。顕著なピークは１つよりも２つの電荷を有するイオンに関するものであることは注目すべきである。
【０００８】
図４Ｃは、タンパク質シトクロム−ｃのＥＳＭＳスペクトルを示すもので、液滴電界による「離昇」のための多重電荷を必要とするのに十分な大きさの分子典型的なスペクトルである。タンパク質およびペプチドのＥＳイオンにおける電荷は通常は陽子である。複数のピークの各々のイオンは、単一電荷（陽子）による隣のピークのイオンとは異なる。このコヒーレンスのせいで、各ピークは事実上、親種の分子量Ｍｒの独立した尺度となる。マン(Ｍａｎｎ)、メング(Ｍｅｎｇ)、およびフェンによる［米国特許第５１３０５３８号、Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ６１，１７０２（１９８９）］は、各ピークからの寄与値を積分し平均して、他のほとんどの技法によって大きな分子について達成できるものよりも正確で信頼性のあるＭｒの最確値に達することのできる、コンピュータ・アルゴリズムを紹介している。図４Ｃの中の挿入図は、図示したスペクトルのためのこのようなデコンボリューションの結果を示す。原尺度は、挿入図におけるデコンボリュートされたスペクトルと元の実験によるスペクトルとの両方に対して同じである。明らかに、有効「信号」と信号／雑音比はデコンボリュートされたスペクトルにおいて実質的により高い。
【０００９】
安定した噴霧の顕微鏡試験では、噴霧針から出る液体がＧ・Ｉ・テーラーを記念して命名されたテーラー・コーンとして知られるコーン形メニスカスを形成することが示されている。テーラーの理論的分析は、高電界における誘電性液体はこのような形状を呈することを予測している。導電性液体の場合には、液体の細い線条すなわちジェットがコーン先端から出て、ジェットの直径よりわずかに大きな初期直径を有するほぼ単分散の液滴に破砕する。この環境で作られる噴霧は「コーンジェット噴霧」と呼ばれることもある。結局、大量の溶質イオンを発生させる安定したコーンジェット電気噴霧を得るためには、流量と印加される電界との間の最適平衡を達成しければならないことがわかる。さらにまたこの最適平衡は、試料液体の特性、特にその導電率とその表面張力とに強く依存する。一般に、導電率と表面張力とが高いほど、流量は低くしなければならない。大抵のＥＳＩシステムでは、試料液体は容積式ポンプによって決定された固定流量で針に入る。ある場合には、このような固定流量を、試料液体貯槽をガスで加圧することによって行うのが便利である。液体は、源泉と噴霧針出口との間に高い圧力差を要求して流れを維持するために十分に長く狭い導管を通過して流れる。この圧力差が針出口における圧力に対して非常に高い場合には、針先端またはＥＳ室内における小さな圧力変動は、液体の流量には影響を及ぼさない。こうして、定常的な流れを、貯槽ガス圧を適切に選定することによって望ましい値に維持することができる。液体の流量が、電界がテーラー・コーンの先端から液体を抽出する量率より高い場合には、過剰な液体がコーンの基部に蓄積し、大きな液滴として周期的に離脱し、これは十分な液体が蓄積してコーンジェット噴霧を再開するまでコーンと噴霧とを妨害し、その結果同じ妨害が再現される。液体の流量が低すぎる場合には、電界は、新しい液体が基部に来るよりも速くテーラー・コーンの先端から液体を抽出する。したがって、コーン液体は枯渇し、十分な新しい液体が蓄積されて再開するするまで噴霧は停止する。容易に噴霧可能である、すなわち高過ぎない表面張力と導電率との値を有する分析対象とされる溶液についても、約２０μＬ／分よりはるかに高い流量で安定した噴霧を得ることは困難である。一般に最良の結果は、約１０μＬ／分以下の流量において得られる。噴霧安定性のための最高流量は液体の導電率に強く依存する。導電率が高いほど、安定噴霧のための最高流量は低くなる。
【００１０】
一般に、液体の流量が低くなるほど分析感度が増すことが、液体流量の広い範囲にわたってわかっている。換言すれば、噴霧への特定の試料液体の流量が低いほど、この液体における分析種のための集団選択イオン流はより高いか、またはイオンに変換される液体の中の分析種の割合は高いか、もしくはその両方である。流量が低くなると結果として試料液体の消費が少なくなるので、全体の分析感度は一般に高い。この事実の理由は完全に明らかではないが、流量低下の結果である液滴サイズの減少によるものと思われる。小さな液滴は大きな液滴よりも急速かつ完全に蒸発する。さらに噴霧流は流量と線形に減少しないので、液滴の電荷／質量比は流量とともに増加し、したがって液滴のサイズは縮小する。
【００１１】
流量、表面張力、および導電率に対するこれらの制約は、これらの間の正しい平衡を達成し維持する上での困難を伴うもので、ＥＳＩＭＳの多くの利点が望まれる多くの適用時に実質的な悪条件を構成する。例えば、これらの適用の最も魅力的で重要なものの１つとして、液体クロマトグラフと質量分析計との間のインターフェースで、一般にＬＣＭＳ分析と呼ばれているものがある。液体クロマトグラフからの流出液におけるピークを形成する種を識別するための質量分析測定の能力は、両技法の範囲と力を大幅に拡大した。だが残念ながら、ＬＣにおける標準的な実施は長い間、１ｍＬ／分のカラム流量に基づいており、安定した電気噴霧は２０μＬ／分またはこれ以下の流量においてのみ可能である。近年、もっと少ない流量でのＬＣの実施が増えているが、多数の大規模なＬＣユーザ、例えば製薬産業は、１ｍＬ／分の流量のＬＣに基づいて機器とプロトコルに非常に大きな投資をしている。これらのＬＣユーザは、この投資と、数μＬ／分の流量で動作する新しい機器への投資とプロトコル開発の莫大な作業という、この図式の展望を歓迎しない。さらにまた、ＬＣにおける非常に低い流量を指向すると、器機と工程の不純物とごみに対する許容度は顕著に低下する。この理由およびその他の理由によって、比較的高い流量でのＬＣが長い間実施されると思われる。ＬＣ−ＥＳＩＭＳにおけるその他の問題は、導電率または表面張力もしくはその両方が高いために、ＬＣにおける移動相が容易に噴霧できないことが多いことである。これらの理由およびその他の理由によって、ＥＳＩが好むものよりはるかに高い流量、表面張力、および導電率でＥＳＩを動作させるために、多くの研究者の一部には大きな努力が見られた。
【００１２】
試料液体における高い表面張力と導電率に起因する問題に対する１つの有効なアプローチが、アール・ディー・スミス(Ｒ．Ｄ．Ｓｍｉｔｈ)とエイチ・アール・ウドセツ(Ｈ．Ｒ．Ｕｄｓｅｔｈ)によって紹介された［米国特許第４８８５０７６号］。彼らは、噴射針から出る試料液体流の周りに「ＥＳにフレンドリーな」液体の小さな環状流すなわち「さや状」流を作った。例えば、特に５〜１０μＬ／分の流量において、水中の分析物の高導電率溶液によって安定した電気噴霧を得ることは非常に困難である。しかしながら、メタノール、エタノール、またはその他の噴霧可能な液体の小さなさや状流を作る場合には、安定した噴霧が容易に得られる。
【００１３】
高い流量で安定した噴霧を得る問題を解決することはそんなに容易ではない。この問題に対してほぼ明らかに可能である１つの解決策は、ＬＣからの流出液を１つの小さな流れと１つの大きな流れとに分割することである。小さな流れは、質量分析のイオンを作るためにＥＳ分散に適した数μＬ／分またはそれ以下の流量を含む。大きな流れはＬＣ流出液の残りを含み、容易に廃棄できるかまたは、他の目的に使用してもよい部分（ピーク種）の収集のために自動サンプラに向けられる。１ｍＬ／分の主流をこのように分割することは、小さな部分が数１０μＬ／分またはこれ以上であるときは達成は困難ではないが、小さな部分が１０μＬ／分より低いとき、すなわち数μＬ／分でしかないときははるかに困難になる。容積差圧流送は、一方の流れが他方の流れよりも数百倍も大きな流量を有するときには、容易に実施できるオプションではない。このような場合には、通常のアプローチとしては、流れをＴ字管またはＹ字管によって異なった長さと異なった流れ面積を有する２つのチャネルに分割することである。こうして、両チャネルの両端間の同じ圧力低下について、より狭いかまたはより長いか、もしくはその両方であるチャネルにおける流量は、大きなチャネルにおける流量より小さくなる。１つのチャネルがわずか１０μＬ／分程度の液体を運ぶように、１ｍＬ／分の流量を分割するには、部分的または全体的詰まりが重大問題となることを防ぐように、このチャネルの流れ面積を小さくしなければならない。さらに、２つのチャネルの間の小さな温度差は、分割率の変化を生じさせる液体粘性の実質的な差を作る可能性がある。外観上適切なフロー・スプリッタが利用可能であるが、これらは高価であり、長期にわたって非常に定常的に両方の流れ条件を維持するために容易な仕事ではない過大な注意を払わなければ、完全に信頼できるものではない。これらの理由のいずれによっても、このような流れ分割は非常に満足できるオプションとはならなかった。
【００１４】
高い流量のために最も広く使用されている「定版」の１つは、試料液体を「純粋な」電気噴霧に分散させる責務を有する静電力に対する「空気補助装置」を準備することである。こうして、高速ガスの環状流が噴射針から出る試料液体を包囲し、そして霧状化を助ける。この空気によって補助される電気噴霧は、ドーレ(Ｄｏｌｅ)他の先駆的実験（上記に参照した）において彼らによって試行されたが、見かけイオン流は増加せず、したがって放棄された。エー・ディー・ブルインズ(Ａ．Ｄ．Ｂｒｕｉｎｓ)、エル・オー・ジー・ウエイドルフ(Ｌ．Ｏ．Ｇ．Ｗｅｉｄｏｌｆ)、およびジェイ・ディー・ヘニオン(Ｊ．Ｄ．Ｈｅｎｉｏｎ)著［Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．５９，２６４７（１９８７）、ジェイ・ディー・ヘニオン、ティー・アール・コーベイ(Ｔ．Ｒ．Ｃｏｖｅｙ)、エー・ピー・ブルインズ(Ａ．Ｐ．Ｂｒｕｉｎｓ)による［米国特許第４８６１９８８号］は、この空気補助が１ｍＬ／分までの流量で流れる試料液体の電気噴霧分散を可能にしないことを、最初に示したものである。彼らはこの組合せを「ＩｏｎＳｐｒａｙ」と呼び、この名称は商業的に入手可能な商標になった。シー・エム・ホワイトハウス(Ｃ．Ｍ．Ｗｈｉｔｅｈｏｕｓｅ)、エス・シェン(Ｓ．Ｓｈｅｎ)、およびジェイ・ビー・フェン(Ｊ．Ｂ．Ｆｅｎｎ)が開発した別の１つのアプローチ［米国特許第５３０６４１２号］は、超音波周波数で噴射針を機械的に振動させて、液体の分散を助けることである。これらの方法は両方とも、噴霧が困難な液体によって高い流量で荷電液滴を作ることができるが、両方の場合において、分析感度（ＭＳ信号）は、低い流量における純粋なＥＳが同じ溶液のために提供できる感度よりも実質的に悪くなる傾向がある。この理由は、これらの「補助」によって可能になる流量の増加が噴霧流の付随増加を伴わないことである。したがって、分析物の分子のより小さな部分がイオンに変換されて、選択されたイオン流（ＭＳ信号）が各種について減少するように、流量が増加するにつれて、初期液滴の電荷／質量比は低下する。多くの場合、ＭＳ信号の減少を許容することができるので、機械的超音波振動よりもいくらか単純でもっと粗野なＥＳ分散の空力補助すなわち空気補助が広く使用されるようになった。これらの空力補助すなわち機械的な「補助」はしばしば、高い表面張力と高い導電率とを有する液体で有用な噴霧を作ることができるが、特に耐火性の液体のためには、この補助は上述の「ＥＳに都合のよい」液体のさや状流とともに使用されることがある。銘記すべきことは、これらの高流量法のいずれにおいてもＬＣ流出液のすべてまたは大部分は噴霧として分散するが、その流出液のわずかな部分は完全に蒸発して真空システムに移ることである。したがって、液体または空気ガスもしくはその両方の残留物を噴霧室から除去するための準備がなされるべきである。ＬＣ流出液はすべて噴霧室の中で分散するので、ピーク部分を、有効なスプリッタで実施できるように無傷で非常にうまく回収することはできない。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のように、ＥＳＩＭＳの実施を複雑化し抑制する高い流量、表面張力、および導電率を有する液体のＥＳＩにおいて遭遇する困難の多くを克服するための、有効な手段と方法とを実現する。静水圧またはポンプよりも毛管現象の方が強い電界による分散のために試料液体を供給する特に有利な方法になり得ることは、本出願人らの発見に基づくものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
毛管現象力によって駆動される流れの主要特性は、この力が液体を毛管エレメントの末端に向けてのみ駆動できることである。したがって、例えばろ紙またはろ布のストライプを含む芯を、片端をビーカーの中の水面下に浸して吊った場合には、水は毛管現象によって駆動され、芯を通じて移動する。芯が被覆されるか、または芯からの水の蒸発損失がないほど大気ガスが水蒸気で飽和された場合には、毛管現象で駆動される水の流れは、芯が液体によって飽和されると、すなわち芯がその全長にわたって濡れると止まる。周囲のガスが水蒸気によって飽和されていない場合には、水は蒸発によって芯から失われ、毛管現象によって芯を上昇する水の流れは、蒸発損失を補償するためにちょうど十分な速度で続き、芯は液体によって飽和されたままである。芯がビーカーの縁を越えて達するのに十分なほど長く、芯の端部がビーカーにおける水面レベルまたはその下にあるように芯が外側に垂れ下がっている場合には、水は芯の端部から滴下し、毛管現象によって駆動される流れは、ビーカーの水が枯渇して芯との接触を失うまで、ビーカーの水から芯を通じて続く。簡単に言えば、液体源と接触している芯では、毛管現象は、芯からの液体の損失をすべて補償するのにちょうど十分な速度で、液体源から芯を通る流れを維持することができる。この毛管現象によって駆動される流れは、芯からの液体のの損失が全くなくなるとき、または芯が源泉液体との接触を失うときの、いずれか早い時点で止まる。芯流の自動釣り合い特性が発生する身近な例には、ろうそくとオイル・ランプが含まれる。これらの装置では、照明をもたらす炎は同時に、芯から蒸発する液体燃料を消費し、この蒸発を維持するために必要な熱を供給する。
【００１７】
芯流のこの説明における暗黙の想定は、液体が芯を濡らすことである。明らかに、例えば毛管現象で駆動される水流は、水によっては濡らされないテフロン・ファイバでできた芯を通じては起こらない。同様に、ヘプタンなどの炭化水素液体は、水によって濡らされる綿芯を通じて毛管現象によっては流れない。もちろん、静水圧は湿潤性の不足を克服し、したがって、いわゆる「逆相液体クロマトグラフィ」におけるような液体流によって濡らされない芯を通じた流れを強制することができる。本発明は、芯物質を濡らし、また毛管現象によって駆動される液体の芯を通過する流れに関するものである。実際に、このような流れは何らかの抵抗力、例えば縦芯の場合の重力に打ち勝つことができる。しかしながら、重力は毛管現象が液体を駆動することのできる高さに制限を置く。
【００１８】
本発明は、毛管現象で駆動される芯を通る流れの自動釣り合い特性、すなわち、このような流れは除去される液体を置き替えるのに十分な速度においてのみ発生するという特性を利用する。ＥＳＩＭＳへの適用では、液体の除去は、芯の先端における試料液体を細かい噴霧荷電液滴に分散する電界によって行われる。したがって、本発明の実施では、芯の一端は試料液体源に接触し、他端は「対向電極」に面する。芯と対向電極との間の電位差は、芯の先端において電界を作る。必要とされる電位差は、芯を適切な電源の一極に接続し、他の極を対向電極に接続することによって作られる。試料液体によって濡れた芯は電気のすぐれた導体であるから、芯の電源への接続は芯に沿って、すなわち試料液体源へのどこにおいても行うことができる。結果的に得られる電界はプローブの先端で液体を取り出してコーンジェット構成とし、これから液体は噴霧の中へ流れる。非常に小さな直径の芯では、芯の先端における液体のコーンジェット構成を見ることはできないことがある。たとえそうでも通常は、芯と対向電極との間の適度の噴霧流と、遅いが適度の液体流を認めることができる。これらの現象は、コーンジェットまたはこの等価物が荷電液滴とイオンとを発生させていることを示すものである。芯噴射器によれば、噴霧中のすべての流れと質量分析器の検出器における選択されたイオン流との両方が、高い導電率または高い表面張力もしくはその両方を有する液体によっても著しく安定していることを、多くの実験が示している。このような液体によって噴霧安定性に必要な低レベルでうまく制御された流量を得て維持することは、ポンプまたは加圧液体源によっては常に容易に達成できるとは限らない。したがって本発明の芯噴射は、高流量で流れて比較的高濃度の電解質を伴う水を含む試料液体について、便利で有効なＥＳＩＭＳを提供する。本発明に先立って、これらの条件下での好結果のＥＳＩは、電気噴霧に都合のよい動的ガス力またはさや状流もしくはその両方の適用を、便宜性と分析感度の両方において通常低コストで必要としてきた。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施形態の主な特徴を概略的に図１に示すが、この図は、図３に示す従来のＥＳ源の噴射針１に代わることができる本発明による芯噴射器を示す（以下の説明における１０以下の構成部分番号は図３に関するものである）。液体クロマトグラフなどの任意の所望源泉からの試料液体の一次流（図示せず）は、Ｔ字管１２のアーム部１１に入り、アーム部１３を通じて出る。この一次流は、芯１４の一端を濡らし、芯１４は、Ｔ字管１２の内部からＴ字管１２のアーム部１６の端部におけるプラグシール１５を通じて任意の望ましい距離だけ延び、この距離は多くの実験において一般的には５〜２５ｍｍである。プラグシール１５はＴ字管１２のアーム部１６を通じて試料液体の対流を防止するが、芯１４を通じてその先端へ向かう試料液体の毛管駆動流を可能にし、この先端は毛管４の入口付近にあり、毛管４は噴霧室３から、第二ポンプ段階９の中に質量分析器８を含む真空システムの第一ポンプ段階５の中へ、イオンを含むガスを通す。芯１４と毛管４の入口との間に適当な電位差が印加されると、試料液体は芯１４の先端にテーラ−コーン１７を形成する。芯１４を通る液体の流量は、芯１４の構造、材料、長さ、および直径、液体の組成、ならびに芯と毛管４の入口面との間の電圧差と距離に依存する。Ｔ字管１２が金属またはその他の導電性材料で作られているときには、芯１４と毛管４との間の望ましい電位差は、毛管４の入口端すなわち入口面がこの極の電位に維持されるように、適切な電源の一極を毛管４またはそのハウジングに接続することによって維持することができる。電源の他の極は、Ｔ字管１２、または試料液体の対流がＴ字管１２に入るかＴ字管１２を離れる管の１つに直接接続することができる。代替案として、この電源の他の極を、芯液体との良好な電気的接触を確立するように、芯１４の中に挿入されたか芯１４の周りに包まれた小さな電線に接続することができる。芯先端との良好な電気的接触をもたらす他の方法は、当業者には容易に思い浮かばれる。
【００２０】
芯のような長さ３ｃｍの蝋引きされていないデンタル・フロスを使用して、３０ｎＬ／分またはそれ以下の低さから２００ｎＬ／分の高さまでの芯を通る流量で安定した噴霧を維持した。より大きな流れとより小さな流れは、それぞれ大きな芯とより小さな芯によって達成することができる。この範囲の低端での流量については、コーンからの流体ジェットおよび結果として得られる液滴は、これらの直径がサブミクロンのサイズを有する可能性があるので見えないことが多い。それでもこれらの液滴は、適切な噴霧流が得られるので、より大きな流量におけるコーンジェット噴霧の同じ構成部分に形状と機能において類似していると想定される。さらに、試料液体から作られる質量スペクトルは、非常に低い流量で芯から、または数μＬ／分の通常流量で従来のＥＳ噴射針から噴霧されても、同様なものになる。実際に、質量スペクトルのピークの高さは、同じ溶液のより高い流量における従来の噴射針噴霧の場合よりも、低い流量における芯噴霧の場合の方が高いことが多い。
【００２１】
この芯噴霧発明の利点のいくつかは、本発明の実施例として使用された特定の実験で得られた結果の中に明らかにされている。図２Ａは、市販のＥＳ源（Ａｎａｌｙｔｉｃａ  ｏｆ  Ｂｒａｎｆｏｒｄ）を取り付けた四重極質量分析計（Ｎｅｒｍａｇ  ３０１０）の検出器によって記録された全イオン流のトレースを示し、このＥＳ源は図３に示すものと設計上類似しているが、噴射針１が図１のものに似た芯噴射器によって置き替えられて、芯１４は長さ２０ｍｍの蝋引きされていないナイロン・デンタル・フロスであるという点が異なる。図２Ａのトレースは、図２Ａに示すようにＴ字管１２のアーム部１１の中へ１ｍＬ／分の流量で流れる連続一次水流の中に、試料溶液を１００μＬ／分で噴射することによって作られた。試料溶液は、０．５パーセントの酢酸を含む５０−５０のメタノール−水の中に２．９μＭのチトクロムｃを含むものであった。この噴射は、１ｍＬ／分の移動相の流れで動作するＬＣカラムからの排出液における６秒間のＬＣピークの経過をシミュレートする。ピークの基部の幅は約３０秒であり、噴射時間よりほぼ５倍も長い。このような広がりは、この実験のために単に応急装備された配管設計における適度の注意によっても実質的に減少できるかなりの無駄な容積を示す。反復噴射によって、全イオン流が高度に再現可能であることがわかった。Ｔ字管１２からの過剰液体の流出流、すなわち芯によって取り出される流れを超える流出流が、自動サンプラーに移された場合には、ＬＣ分離におけるこのような各ピークの内容を、対生物作用のテストなどの他の目的のために容易に回収することができた。図２Ｂは、従来のＡｎａｌｙｔｉｃａ源および前述のＮｅｒｍａｇ四重極質量分析器によって同じ溶液について得られた質量スペクトルを示す。このスペクトルは、図２Ａの全イオン流ピークを得るために使用された同じチトクロムＣ試料溶液の２μＬ／分の定常流で７０秒間平均された。図２Ｃの質量スペクトルは、図２Ａの全イオン流トレースを作った噴射の内の４秒間に、図１の芯源によって得られた。ｍ／ｚ値６００〜１０００間の図２Ｃにおけるピーク高さの分布は、図２Ｂのピーク高さよりも、この分析物についてはわずかにより「正規分布」に近い。さらに、図２Ｃの大部分のピークは、図２Ｂにおける相対物よりも実質的に高い。換言すれば、１ｍＬ／分の試料液体の一次流において芯源を用いたこの実験で得られた分析感度は、少なくとも、従来のＥＳ源における２μＬ／分の最適流によって得ることができる分析感度程度であり、また実質的にはこれよりも高い。他の多くの実験もこの結果を確認しており、１ｍＬ／分またはこれ以上の流量での芯源による分析感度は通常、習慣的に１〜２μＬ／分である低い流量での従来のＥＳ源によって得られる分析感度よりも高いことを、繰り返し示している。１ｍＬ／分の高さの電気噴霧液体流量に適合する能力を要求する市販のＥＳ源のほとんど、またはすべてが、数μＬ／分のさらに従来の低い流量で得られるものよりも実質的に低い分析感度を示すとは限らないようである。芯源によって噴霧のために芯を通じて送られる試料液体の流量は、液体が芯に入った後に何が起こるかによって決定されるので、分析すべき液体の一次流量にはっきりした限界はない。芯の「入口」部が浸される試料液体の容積速度すなわち流れ速度とは無関係である。こうして本発明は、複雑な試料採取用のバルブまたはポンプも全く必要とせずに、あらゆる大きさの工業工程流の連続質量分析測定監視のための簡単な試料採取を可能にする。実際に、芯抽出は、比較的低い流量の分析液体を必要とするかまたはこれに適応することのできる他の形式のセンサおよび分析器のために、高い容積流の便利な試料採取をもたらすことができる。
【００２２】
芯の構造と構成の系統的な研究はまだ実施されていないが、本出願人たちは、８ミクロンから約２００ミクロンまでの範囲の直径を有するガラス、グラファイト、紙、綿、および亜麻布でできた小繊維の束を含む芯を用いて成功した。断面の形状は重要ではない。布または紙の平らな薄片も、円形または長円形の断面の糸やファイバと同様に動作する。粒状または多孔性の材料で充填された管も使用することができる。有効な芯として、芯よりわずかに大きな直径を有する管の中に１つの単繊維を包含できるものがある。芯と管との間の環状ギャップの厚さが十分に小さい場合には、毛管現象は重力に打ち勝ち、この繊維円筒芯が浸された液体の表面レベル上の十分な高さに液体を上げる。もちろん、この形式または他の何らかの形式の芯から液体を電気噴霧する場合には、入口端と出口端との間の高さの差は小さいので、毛管現象は液体を、印加された電界が液体を噴霧に引きよせることができるレベルにまで上昇させる。蝋引きされていないデンタル・フロスは非常にうまく作動するので、長さの短いこの材料は、質量分析測定を含む本出願人等の研究の大部分において、耐久力のある芯を包含した。全噴霧流の電位計測定を伴うベンチスケールの実験では、明らかに安定した「噴霧」がさまざまな液体によって容易に得られた。印加電圧を次第に上げると、コロナ放電への円滑で非常に漸進的な遷移が発生し、このコロナ放電は通常のヒステリシス・ループなしに容易に逆転可能のようである。芯源の最も魅力的な特徴は、これらが非常に低い流量でＥＳＩＭＳの高められた分析感度を提供するとともに、例えば図３のＴ字管を通じて大流量の一次液体に対応することである。
【００２３】
上記の結果は、多くの類似の実験の結果とともに、図１にその１つの実施形態を概略的に示した本発明の芯噴射器は実際に、典型的なＥＳ源における標準的な針噴射器が通常のＥＳ源では一般的である１〜２μＬ／分でもたらすことができる感度よりも、１ｍｌ／分の流量で源に流れる試料液体によって、より高い分析感度をもたらすことを示す。明らかに、この感度上昇の原因は、直径の小さな芯が液体を噴霧に送る場合の非常に小さな流量である。液体の電気噴霧を研究してきた研究者たちは、生成される液滴のサイズは噴霧への流量の減少によって減少することを早くから認識している。実際に、１μＬ／分よりはるかに低い流量では、液滴は見えなくなるほど小さくなる。このような小さな液滴は、テーラー・コーンの先端から非常に短い距離内で急速かつ完全に蒸発する。したがって芯噴射器の先端は、イオンと浴ガスとの混合物を通過させる開口、例えば図３における毛管４の入口開口に非常に近くに置くことができる。したがって、開口によって遮断され、こうして真空システムの中に移り、こうして質量分析器の中に移る噴霧コーンにおける分析物の全量部分は、一般的に１μＬ／分以上の流量で作動するさらに従来のＥＳ源の場合におけるよりもはるかに大きい。これらの高い流量では、噴射針の先端は、はるかに低い流量で作動する芯からの液滴より大きな液滴が蒸発する時間を有するように、さらに開口から後へ退かなければならない。したがって、質量分析器のための真空システムの中に移る噴霧コーンの部分は実質的にさらに小さい。コーンジェット噴霧への試料液体の流量が小さいときには、全試料束は小さいが、イオンに変換されて分析器に入る全束の部分は大きい。要するに、質量分析計信号の必要かつ消費される分析物の質量に対する比、すなわち分析感度と効率は、芯噴射器がもたらすことのできる小さな試料流量では、従来のＥＳ源のより高い試料液体の流量によるよりもはるかに大きい。実際に、これらの通常のＥＳ源、特に液滴とイオンとを溶媒脱離するために向流ガス流を使用しないＥＳ源の多くにおいて、真空システムへ向かう開口の軸から噴射針を片寄らせることは通例である。この片寄りの理由は、噴霧コーンの周縁上の液滴は噴霧軸の近くの液滴よりも通常実質的に小さいことである。さらに、この周縁領域における乾燥ガスはより少ない溶媒蒸気を有する。これらの両特性は、真空システムに入る分析物の量が異常に少なくても、液滴のより速くより完全な蒸発、より高い電離効率、したがって検出器におけるより高いイオン流を意味するものである。
【００２４】
小さな液滴と高い感度を得るための非常に低い流量によるＥＳＩの利点は、エム・エス・ウィルム(Ｍ．Ｓ．Ｗｉｌｍ)とエム・マン(Ｍ．Ｍａｎｎ)著［Ｉｎｔ．Ｊ．Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍ  Ｉｏｎ  Ｐｒｏｃ．１３６，１６７（１９９４）］が、小さなプローブと「クランプ」を作るために細胞生物学者によって長い間使用されている「引っ張り」技法によって細かい先端として引き抜かれた端部を有する小孔のガラス管または石英管の噴射器を紹介して以来、大きな注目を浴びることになった。これらの引き抜き針の内径は１〜２ミクロンといった小さなものにすることができる。先端までのガラス外表面に施された薄い金属被覆は、出てくる溶液との電気的接触をもたらす。望ましい量の試料溶液が大きな孔端に注入され、液体が先端から出るまでガス圧が加えられ、それから圧力を解放することができる。噴射器の針の金属被覆外部にクランプされ電源に接続された電線を使用して、先端から出る液体と真空システムに通じる管の入口開口またはオリフィスとの間に、適切な電位差を維持することができる。一分間に数ナノリットルという小さな流量が非常に細かい噴霧を生じさせ、この噴霧は４５分間またはそれ以上の時間にわずか１マイクロリットルの試料溶液しか消費しない。噴霧開始の後に、液体は毛管現象のみによって、本発明の芯源におけるように流れる。「ナノスプレー」と称されて、この技法は広く採用されており、現在いくつかの会社が、使用が容易な金属被覆針を供給している。このナノスプレー技法は一見したところ本発明の芯噴射器に非常によく似ているようであるが、本発明の方は下記の通り、いくつかの実質的な利点を提供する。
【００２５】
１．これらのガラス・シリカ針によって液体の流れと、したがって噴霧を開始するために、ガスによって、または先端部分を堅い表面に対してわずかに押しつぶすことによって故意に破砕して、液体を加圧しなければならないこともある。本発明の芯における流れは、芯が試料液体で濡れて電界を供給するとすぐに自動的に開始する。
【００２６】
２．ナノスプレー管の出口開口は非常に小さいので、プローブの装荷に使用される試料液体における何らかの粒子の存在を防止するために、非常な注意を払わなければならない。粒子除去のための用心がなされても、ただ１つの漂遊粒子でも流れを阻害するので、実際には詰まりの問題となる。芯の性質は、液体が毛管現象によって芯に入ることができる通過面積は非常に大きいので、液体を芯の内部に到達しないようにするには、多数の粒子の密な充填が必要である。したがって、芯の外表面は内部通路から粒子をろ過除去すなわち排除し、この通路を液体は通過して先端に達し、電界は液体を噴霧の小さな液滴に分散させる。こうして、試料液体の準備中に試料液体の中に粒子が含まれることを防ぐために、特別の注意は要らない。詰まりは決して問題とはなっていない。
【００２７】
３．ナノスプレー噴射器における針先端の孔は、針が引き抜かれ、また試料液体が導入される管の孔よりはるかに小さい。したがって針の上流の大きな孔の部分においては、針先端におけるはるかに小さな孔におけるよりも、動作中の流速ははるかに低い。だから、大きな孔の部分からかなりの量の流体を除去するためには、先端を通過する小さな流れのために長い時間が必要となる。これらの針の１つをＬＣカラムと結合する方法はまだ見つかっておらず、したがって噴霧における液体の構成は、ＬＣカラムからの排出液の構成変化に急速に応答する可能性がある。本発明の芯噴射器では、無駄な容積は最小限に抑えられ、流速はその長さ全体にわたって均一である。したがって芯噴射器の応答時間は、クロマトグラフが数秒間の幅でピークを示し、数秒間を隔てて急速に連続して電気噴霧質量分析計の中に採取できるほど速く、構成と時間の依存関係の変化は最小限になる。大量のＬＣ排出液のこのような応答性試料採取は、現在利用可能なナノスプレー噴射器ではまだ不可能である。
【００２８】
図２Ｃにおいて、図２Ｂの参照スペクトルでは示されなかった１１２７以上のｍ／ｚ値においてスペクトルのピークが存在することは注目に値する。先に指定したように、４Ｃのスペクトルは、図４ＡにおけるＴＩＣピークの中間４秒の間に得られた。ＴＩＣピーク継続時間の最初の数秒間で得られたスペクトルでは、より高いｍ／ｚ値４Ｃにおけるピークは現れない。最後の数秒間で得られたスペクトルでは、より低いｍ／ｚ値におけるピークは図２Ｃにおけるよりも実質的により顕著である。むろん、両スペクトルにおけるピークすべてのｍ／ｚ値と間隔は、これらのすべてが陽子を加えたチトクロムＣのイオンによるという状態のままにされる。したがって、なぜ最高のｍ／ｚ値を有するイオンが図２Ｃに表れたが図２Ｂには現れないかという疑問が生じる。この相違は次のシナリオによって把握できると思われる。チャウドフリィ(Ｃｈｏｗｈｕｒｙ)他［Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１２，９０１２（１９９０）］は、チトクロムＣの分子が溶液内で折り重なったすなわち密集した配列を有すると、このＥＳイオンは溶液中の分子が折り重なっていないすなわち変性した配列を有するときよりも少ない電荷を有することを発見した。図２Ｂにおける参照スペクトルを得るために使用される溶液は、シトクロムＣのメタノール−水の溶液を含み、シトクロムＣの中ではタンパク質分子がアルコールによって変性されている（折り重なっていない）。こうして、そのＥＳイオン上の多くの電荷は、図２Ｃにおけるその対応するピークがすべて１１２７以下のｍ／ｚ値を有するほど十分に高い。図２Ｃのスペクトルは、その一方では、その同じ溶液の１００μＬ試料スラグが１ｍＬ／分の流量で流れる純水の流れの中に噴射したときに得られた。このメタノール−水の溶液のスラグが芯を通過したときに、芯の上における溶質タンパク質のクロマトグラフィ保持時間は、メタノールの保持時間より長かった。こうして、この溶質タンパク質分子の一部は、噴射された試料溶液のスラグに続く純水の中に溶離するために、十分な長さだけ保持された。メタノールがない場合には、溶質タンパク質の十分な量が、電気噴霧においてイオンに変換されたときに再び折り重ねられた。これらの再び折り重ねられた分子からのイオンは、その変性された相対物より少ない電荷を有し、こうして図２Ｃにおいて１１２７以上のｍ／ｚ値におけるピークがわかる。この一般の認められる推論的な説明は、少なくとも図２Ｂと図２Ｃに示した結果とは一致している。さらにこれは２つの追加観察によって信じられる。図２Ａのピークの最初の４秒間で得られたスペクトルは、１１２７以上のｍ／ｚ値を有するイオンの証拠を示さなかった。最後の４秒間で得られたスペクトルは、ピークの中間付近で得られた図２Ｃのスペクトルで見られるよりも、実質的に多い１１２７以下のｍ／ｚ値を有するイオンを示した。１１２７以下のｍ／ｚ値を有するイオンは、その親分子がより密集した配列を有していたので、より少ない電荷を有する。図２Ｃの実験では、噴射された試料の溶剤は５０−５０のメタノール−水で、この中にはタンパク質分子が密集性がより低い配列によって変質され、より多くの電荷を有し、したがって１１２７以下のｍ／ｚ値を有��ると予想される。時間単位では、図２Bにおける噴射ピークの基部の幅は噴射時間の２．７倍であり、芯の物質によるタンパク質分子のいくらかの保持を想定する。この「想定」は、芯を短くした場合にはピークの幅は小さくなるという本出願人発明によって確認される。さらに、ピークは、インシュリンが分析物であるときにはかなり狭く、他の物はすべて同じである。インシュリンはチトクロムＣよりはるかに小さな分子であり、芯の中ではより短い保持時間を持つと思われる。試料溶液が噴射されて入る移動相は純水であった。こうして、ピーク継続時間の最後の数秒間にセルロースから脱着される保持分子はそれ自体、ほぼ純粋な水の中に存在し、折り重なってさらに密集する。したがって保持分子は、ほとんど水であるそのＥＳ液滴から脱着するときには、より少ない電荷を有する。このシナリオは推論的であるが、より高いｍ／ｚ値を有する（より低い荷電状態の）イオンのピークは、純粋の一次流の中へ試料溶液を噴射する後の段階中に取られたスペクトルでは比較的高い、という本出願人の発明と全面的に一致する。このシナリオはまた、短い芯ではより高いｍ／ｚ値におけるピークが現れるのは極めて少ない、という観察とも一致している。実際に、芯を５ｍｍの長さに短くしたら、１１２７以上のｍ／ｚ値を有するピークは認められなかった。より短い芯は高いｍ／ｚ値を有するイオンをより少なく供給するという理由は簡単には、溶質分子を脱着する能力の低下である。純水の中に脱着することのできるタンパク質分子のみが、通過する溶媒移動相がメタノール−水から純水に変化したときに芯の上ですでに脱着したものであった。５ｍｍの芯では、水の中に脱着することができ、したがって低電荷状態イオンを生成するために再び折り重ねられる芯の中のタンパク質の量は、これらの低電荷状態イオンによるピークがスペクトル中にほとんど見えないほど少なかった。
【００２９】
今説明した結果の内容は、いわゆるペーパー・クロマトグラフィにおいて起こるものと類似のあるクロマトグラフ保持を芯が提供していたという考えである。この技法では、何らかの分析物試料（通常は溶液状）が紙片の一端近くに「スポット」として沈殿する。それからクロマトグラムの「現像」が、紙片をスポット端が浸される溶媒のプールの上に吊すことによって引き起こされる。毛管現象によって駆動される溶媒移動相は、紙片を通って最上端へ向かって移動する。試料の沈殿したスポットにおける種は進行する溶媒移動相の中に脱着し、液体流とともに運ばれるが、しかし紙に対するこの平均速度は液体よりも遅い。液体に対する溶質分子のこの速度遅れすなわち速度スリップは、紙物質への溶質分子の反復吸着および紙物質からの連続脱着に起因するものである。溶質分子は各吸着と脱着との間の短時間に紙に残って保持されるので、その正味の前向き（上向き）進行は液体の進行よりも遅い。一般に、このクロマトグラフ保持の特性時間、したがって溶質の上向き速度は、各々の種によって異なる。したがって、液体の毛管現象によって駆動される流れが停止すると、（例えば、前部が紙片の上端に達し、底部が液体プールから離れると）、元の試料の各々の種は紙片上の異なった位置（高さ）にいくらか拡散したスポットを占めることになる。液体プールと試料を含む紙片との組合せは、周囲のガスが液体蒸気によって飽和され、これによって紙片を完全に乾燥させて作用を停止させる蒸発を防ぐように、ケーシングすなわちハウジングの中に閉じ込められることが多い。この現像過程ができる限り進行すると、または所定の十分な範囲に達すると、試料種のクロマトグラムを含む紙片は囲いから除去される。
【００３０】
このようなペーパー・クロマトグラムを解釈するための背景として、液体のカラム・クロマトグラフィの中で何が起こるかを思い出すことがまず適切である。この技法では、カラムにおける種の保持時間は、カラム入口における噴射とこの種を含むピークのカラム出口からの出現との間の時間間隔である。この出現を検出するための方法として特に、蛍光スペクトル吸収、導電率、電圧測定、および質量分析測定が挙げられる。質量分析測定は一般に最も複雑で高価であるが、ほとんどのピーク種について極めて確実な識別をもたらすという大きな利点がある。どの検出方法でも、各々の種についての検出信号（ピーク高さ）の相対的大きさは、噴射された試料におけるその相対的発生量の測定値として取られる。
【００３１】
このようなペーパー・クロマトグラムを「読み取る」ために、分離された種のスポットまたはバンドの位置をなんとかして判定しなければならない。これらの位置を判定することができるようスポットを見えるようにするために、多くの方法が使用されてきた。これには、分析物の種が蛍光を発するようにするため、またはスポットの反射率または吸光度の差を強調するための、適切な波長の照射による発光が含まれる。ときには、試液を加えて問題の分析物を反応させ、色の変化を起こすことができる。１つまたは複数の分析物の種が放射性同位元素を含む場合には、写真フィルムでクロマトグラムを画像化するか、またはカウンタでこれを走査することができる。どの方法を使用しても、紙片における分析物の種の位置は、従来のガス・クロマトグラフィまたは液体クロマトグラフィにおけるピークの保持時間の相対物である。したがってＰＣ「保持時間」は、紙片上における種スポットの試料沈殿点からの距離に反比例する。他に何の情報もない場合には、この距離は種を識別するただ１つの測定値である。
【００３２】
今説明したペーパー・クロマトグラフィ（ＰＣ）は、かつては広く普及したが、現在ではいわゆる「薄層クロマトグラフィ」（ＴＬＣ）に広く取って代わられた。この薄層クロマトグラフィはペーパー・クロマトグラフィとまさに類似しているが、固定相が通常はガラスまたはプラスチックでできたプレートの表面の薄い層に分布した粒状固体である点が異なる。明らかに、移動相がこの固定相を湿らすことができる必要があり、こうして移動相は実際に毛管現象によって移動可能である。従来の液体クロマトグラフィにおける移動相の流れは、通常はカラムの両端に十分に大きな圧力差を加えることによって維持される。いわゆる「逆相ＬＣ」の場合におけるように、移動相が固定相を湿らすことができないときでも、高い圧力差がカラムを通じて流れを維持し、二相間の密接な接触を起こすことができる。また固定相を通じて移動相の流れを維持するために高圧を使用して、長いカラムを使用することにより解像力を増すことができる。ＰＣまたはＴＬＣにおいて、毛管現象によって駆動される流れの移動速度は、源泉液からの距離が増加するにつれて低下する。したがって、分離領域の有効長したがって解像力は、ＬＣにおいて達成できるよりもはるかに低い値に制限される。しかしながら、遠心力または静水圧に基づくいわゆる「強制流」現像技法が開発され、静水圧の解像力を増すのに有望である。このような強化がなくても、ＰＣおよびＴＬＣは、その便利さ、簡単さ、および経済性から広く使用されている。特に、プレートまたは広い紙片の上で分析物試料が沈殿するスポットを適切に離間することによって、同じプレートまたは紙の上でいくつかの平行チャネルにおける分離を同時に実施することができる。この多重能力によって、非常に多くの試料を検査する必要があって、また例えば、工程製品が仕様内にあるか否かを判定するための生産ラインにおける品質管理のために、高い解像力は必要としない状況において、ＴＬＣが広範囲に使用されるようになった。
【００３３】
しかしながら、ＰＣにおけるピーク種またはスポット種のより確実な識別を得ることは、常に有利であり、またときには必要である。この目的のために、質量分析測定は最も有益で融通性のある検出方法であろうが、これまで、ＰＣまたはＴＬＣクロマトグラムにおいてスポット種を識別するために、ＭＳ検出の長所を適用するための決まった簡単な方法はなかった。ゲル電気泳動プレート上のスポットまたはバンドにおける種を識別しようとするときに、同じような問題が生ずる。これらの状況で、プレート上のスポットから固定相物質をその吸収物とともに削除し、これを少量の適切な溶媒と混合し、そしてろ過または遠心分離によって固定相物質を除去することによって、いくつかの成功を見た。それから、結果として得られた溶液をＥＳＭＳによって分析し、スポット種を識別することができる。代替案として、スポットまたはバンドにある溶媒を加え、それから結果として得られた溶液の一部を一枚の紙に「吸い取る」ことができ、この紙から吸収された試料種を溶媒とともに溶離することができる。それから、結果として得られた溶液を質量分光測定システムの中に電気噴霧する。
【００３４】
これらの削除と溶離の手順は有効であるが、比較的緩慢で実行するには不便である。スポットにおける分析物の量は非常に少ないので、これらは多大な注意を必要とする。本発明の１つの利点は、長さが短い芯、例えば紙片、布、またはその他の材料を、溶媒の液滴が付けられたプレートの上のスポットに対して押しつけることができる。毛管現象は、結果として得られた溶液の一部を芯の中に吸引し、それから芯は除去される。それから芯の一端を適切な溶媒の小さなプールの中に浸し、他端を前述の質量分析器を含む真空システムに通じる開口の前に置く。それから電源の一極を、小さな電線または金属箔によって直接に、または芯が浸された溶媒プールを通じて間接的に芯と接続する。電源の他の極を開口を囲む管またはプレート・ハウジングに接続する。芯と開口との間に十分に高い電位差をかけて、溶液を芯から電気噴霧してイオンを生じさせ、イオンは開口に入るガスの中に引っ張られ、それから問題の質量分析器に運ばれる。
【００３５】
実際に、同様に紙片またはＴＬＣプレートの端部に強い電界を印加することができ、紙片またはＴＬＣプレートを通じて、毛管現象がクロマトグラム現像中に移動相液体流を維持している。それから電界は液体を電気噴霧して紙片の端から離し、スポットまたはバンドに達すると、ここにおける分析物の質量分析のためにイオンを供給する。紙片の端を面取りすることが望ましく、こうして非常に鋭利な先端または点を準備し、この先端または点において液体流と電界流の両方が集束し、これによって噴霧のための良く画定された原点を準備する。こうして紙片またはＴＬＣプレートは図１の「芯」となり、これを通じて、溶液中の分離された分析物の種が一度に１つ電気噴霧の中に導かれ、電気噴霧からこれらの種はイオンとして現れる。これらのイオンの一部は開口を通って、適切な質量分析器による分析のために真空システムの中に向かう。要するにこの工程は、通例のＬＣが紙片またはＴＬＣプレートによって取って代わられ、これを通じて移動相が毛管現象によって移動する標準的なＬＣ−ＭＳの相対物である。前述のように、この操作手順は、従来のＬＣ−ＭＳにおける場合のように、元の試料におけるすべての種のＭＳ検出と識別を行う。明らかに、この操作手順を、単一のプレートまたは紙の上の複数の平行チャネルで非常にうまく同時に実施することはできない。しかし、問題のチャネルを含む条片をプレートまたは紙から切って、この条片の上で、そして続いて必要に応じて他の多くの条片の上でＥＳＭＳ操作手順を行うことは簡単である。このような完全な分析はかなりの時間を必要とし、また常に必要または望ましいとはかぎらない。現像されたクロマトグラムの上のただ１つまたは２つのスポットのみにおける確実な識別を必要とする場合もあり得る。それから、スポット種の一部を個別の短い紙片に「吸い取り」、この紙片の一端を溶媒移動相源の中に浸し、そしてこの溶媒移動相を電気噴霧して紙片の他の端から離して、質量分析測定を含む真空システムの中に導く必要がある。代替案として、紙またはプレートから１つまたは複数の問題のスポットを含む小さな部分を切り取り、この部分だけで操作手順を実施することができる。
【００３６】
１つまたは複数の特定のスポットにおける分析物をＰＣまたはＴＬＣクロマトグラムの上で分析するための必要性は、これが現像された後のある時期にのみ現れることもある。このような状況において、ＰＣおよびＴＬＣ技法は、従来のＬＣに対して別の実質的な利点を示す。紙およびプレートは低廉でコンパクトであるから、将来の参考のためにクロマトグラムのいずれかまたはすべてを乾燥させて保管することは実施可能となる。それから、保管されたクロマトグラムのどれでもいつでも検索することができ、その１つまたは複数の部分に上記の方法を適用することができる。これらの一般的な案のその他の変形も当業者には明白であろう。
【００３７】
なお、この発明は、上述のｍ/z値を登録しておけば、初期火災により発生した物質であるにおい分子を検出する火災検出装置にも適用でき、その際に図１の構造は、例えば、本出願人による特開平５−１２８３８２号公報の図１０および図１１に記載されている細管として使用して同公報の図１に示す構成に用いるようにしてもよい。つまり、この細管を芯１４を用いて編組線状の形態として用いてもよい。
このようにすることにより、監視区域からのサンプリング管にポンプにより吸引されたサンプリング空気が、芯１４が設けられたサンプリング管のくびれ部分を通過する際に、芯１４の先端から放出されるメタノール水溶液の液滴に接触する。この際にサンプリングされた空気中ににおい分子が存在すると、におい分子が液滴に付着溶解し、におい分子を溶かしたメタノール水溶液はサンプリング管のピット部に堆積する。この堆積したメタノール水溶液は質量分析計に導入され、分析される。そして、この分析により得られたｍ/z値と登録したm/z値とを用い判別手段により火災発生の有無が判別される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明による電気噴霧電離装置(芯噴射器)を示す概略図である。
【図２】  この発明による電気噴霧電離装置(芯噴射器)の動作説明をするための図である。
【図３】  従来の電気噴霧質量分光測定器(ＥＳＩＭＳ)を示す概略図である。
【図４】  図４Ａは５０：５０のメタノール・水における四級アンモニウムとハロゲン化ホスホニウムとの混合物の電気噴霧質量スペクトルを示し図、図４ＢはペプチドグラミシジンＳ（Ｍｒ＝１１４１．５）の電気噴霧質量スペクトルを示す図、図４ＣはシトクロムＣの実測スペクトルに対して「デコンボリューション・アルゴリズム」を適用した図であり、図４Ｃにおける挿入図は、変換によって得られたデコンボリューション後のピークを示し、実測スペクトルとデコンボリューション後のスペクトルの強度は同じ尺度で示されている。
【符号の説明】
１  噴射針、  ３  噴霧室、  ４  毛管、  ５  第一ポンプ段階、  ８  質量分析器、  ９  第二ポンプ段階、  １１，１３，１６  Ｔ字管のアーム部、  １２  Ｔ字管、  １４  芯、  １５  プラグシール、  １７  テーラー・コーン。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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