JP6470852B2

JP6470852B2 - イオン化装置

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Inventors: 真子石丸; 釜堀　政男; 政男釜堀; 益之杉山; 和茂西村; 宏之佐竹; 長谷川　英樹; 英樹長谷川
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Description

本発明は、液体クロマトグラフ−質量分析装置等に用いられるイオン化装置に関する。

質量分析のためには、試料中から目的物質を気相イオンとして取り出す必要があり、そのための装置をイオン化装置という。今までに様々なイオン化法が開発されており、例えば、タンパク質等の極性物質をイオン化できるエレクトロスプレーイオン化（ＥＳＩ）、低極性の物質もイオン化できる大気圧化学イオン化（ＡＰＣＩ）、特定の物質が吸収する光を照射することで物質選択的なイオン化を行うことができる大気圧光イオン化（ＡＰＰＩ）、マトリックスと試料を混合した固体試料をプレート上に滴下してレーザ照射することでイオン化するマトリックス支援レーザ脱離イオン化（ＭＡＬＤＩ）などが知られている。

中でもＥＳＩは液体クロマトグラフ−質量分析装置（ＬＣ−ＭＳ）と結合して、幅広い物質をイオン化する用途で広く用いられている。ＥＳＩでは、スプレーで生じた試料微粒子の一部は溶媒が完全に気化できず、質量分析部に取り込まれずに捨てられるか、微粒子のまま質量分析部に進入してノイズとして検出される。質量分析の高感度化のためには、スプレーで生じた試料微粒子からの溶媒除去（脱溶媒）効率を向上してイオン化効率を上げることで、質量分析部に入るイオン量を増大し、ノイズを低減する必要がある。

脱溶媒効率の向上には、各種の加熱手段を用いて試料微粒子からの溶媒の気化を促進する方法が考案されている。例えば、ＥＳＩで噴霧した試料液滴に赤外光を含む光を照射することで、液滴から溶媒を蒸発させることが行われている（特許文献１）。また、スプレーチップ先端にレーザを照射し、加熱を行うことも行われている（特許文献２）。ここでは、ダイヤモンドなどのレーザを吸収しない素材のスプレーチップを用いている。また、針に付着した試料溶液や針自体にレーザ光を照射することでイオン化する方法もある（特許文献３）。また、加熱ガスをスプレー領域に導入することで、試料微粒子を加熱する方法もある（特許文献４）。光ファイバを用いてレーザ光をサンプルホルダ上の試料に照射して試料中の目的物質をイオン化する例もある（特許文献５）。

特開2005-26159号公報特許第4366508号公報特開平9-304344号公報 US 4,531,056 US 6,777,672 B1

赤外レーザを遠距離から噴霧液体に照射する構成では、イオン化室内に充満した溶媒蒸気により赤外レーザが吸収されて減衰し、噴霧液体への照射効率が低下するため、脱溶媒効率が低いことが判明した。

また、赤外レーザをスプレーチップや試料自体に照射すると、試料溶液が突沸し、イオン化が不安定となり、質量分析データの質が低下する。スプレーチップを、光を吸収しないダイヤモンドなどの素材にするという方法では、コストが高くなる。

スプレー近傍に光ファイバを設置し、光ファイバを通して試料微粒子に赤外レーザを照射する。このとき、スプレー直後の試料微粒子にレーザが照射され、スプレーチップには照射されないようにスプレーチップと光ファイバを配置する。

本発明は、物質をイオン化するイオン化装置であって、目的物質を含む試料を保持する試料保持部と、試料保持部に保持された試料を試料微粒子にする微粒子化装置と、光源と、光源の光を微粒子化装置によって発生された試料微粒子に導き照射する導光路とを備え、試料微粒子が存在する空間範囲と導光路の先端との最近接距離が０．１ｍｍ以上２０ｍｍ以下であり、導光路による光の照射範囲と、試料の表面、微粒子化装置、試料保持部のいずれか最も近いものとの最近接距離が０．０１ｍｍ以上１０ｍｍ以下である、イオン化装置である。

本発明によると、試料微粒子近傍まで光ファイバで照射光を導くため、気化した溶媒による吸収で光が減衰するのを防ぐことができ、脱溶媒効率が向上し、質量分析の感度が向上する。

上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明を用いたＥＳＩイオン源を有する質量分析装置の構成例を示す模式図。イオン化室の一例を示す拡大模式図。スプレーチップ先端の拡大模式図。スプレーチップの中心軸と光ファイバの中心軸を直角の位置関係に配置した例を示す模式図。スプレーチップの中心軸と光ファイバの中心軸を直角の位置関係に配置した例を示す模式図。スプレーチップの中心軸と光ファイバの中心軸を鈍角の位置関係に配置した例を示す模式図。スプレーチップの軸と光ファイバの軸が鋭角の位置関係にある例を示す模式図。光ファイバが円筒状である例を示す模式図。スプレーチップが細孔に向けられた位置関係にある例を示す模式図。スプレーチップが複数ある例を示す模式図。本発明を用いたＡＰＣＩイオン源の一例を示す模式図。試料の微粒子化装置として超音波霧化器を用いる例を示す模式図。本発明を用いたＥＳＩイオン源の一例を示す模式図。本発明を用いたＥＳＩイオン源の一例を示す模式図。本発明を用いた質量分析システムの一例を示す概略図。本実施例の質量分析システムによる制御シーケンスの一例を示す図。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明を用いたＥＳＩイオン源を有する質量分析装置の構成例を示す模式図である。質量分析装置は、イオン化室１０、差動排気部１１、質量分析部１２を備える。イオン化室１０はポンプ４１で排気されており、細孔３８で差動排気部１１とつながっている。差動排気部１１は真空ポンプ１８で排気されており、細孔４２で質量分析部１２とつながっている。質量分析部１２は真空ポンプ１９で排気されており、質量分離装置２２及び検出器２３を有する。イオン化室１０には、壁に設置したフィードスルー１３を通してＥＳＩのためのスプレーチップ１６が導入されている。イオン化室１０の外部には赤外レーザ光源２０があり、これに光ファイバ２８が接続されている。光ファイバ２８は、イオン化室１０の壁に設置したフィードスルー１４を通してイオン化室１０に挿入され、光ファイバ先端２９はスプレーチップ先端１７の近くに位置付けられている。また、イオン化室１０にはフィードスルー１５を通して、加熱した脱溶媒ガスを導入するためのガス導入管３０が挿入されている。

スプレーチップ１６による噴霧によってイオン化室１０で生じた帯電試料分子は細孔３８から差動排気部１１に導入され、イオンガイド２１で次の細孔４２に運ばれる。細孔４２を通過した帯電試料分子は、質量分析部１２において、三連四重極型質量分離装置などの質量分離装置２２で分析される。質量分離装置は、四重極型、飛行時間型、イオントラップ型、磁場型など他の方式でもよい。また、差動排気部１１と質量分析部１２の代わりに、気体中のイオンを電場中で移動させてその移動度の違いで分離する、イオン移動度計や高電界非対称波形イオン移動度計などを用いても良い。

図２はイオン化室１０の一例を示す拡大模式図、図３はスプレーチップ先端１７の拡大模式図である。スプレーチップ１６には高圧電源３７が接続されている。スプレーチップ１６は、液体クロマトグラフ（ＬＣ）４０から流れてきた、試料分子と溶媒を含む液体である溶出液２４を保持するとともに、溶出液２４をスプレーチップ先端１７からイオン化室１０内に噴霧し、帯電した試料微粒子３３を生成する。従って、本実施例のスプレーチップ１６は試料保持部であると同時に微粒子化装置として機能する。

スプレー直後の試料微粒子４０は、溶出液２４が直径１０μｍ以下の帯電微粒子となったものである。この微粒子の表面から溶媒が気化して微粒子の直径が小さくなっていくと、最終的に気相の帯電試料分子３６が生成する。正イオン化の場合、帯電試料分子３６は、中性の試料分子にプロトンや金属イオン、アンモニウムイオンなどが単数又は複数付加したものである。溶媒気化（脱溶媒）の効率が高ければ、帯電試料分子３６を得る効率も高くなり、分析感度が上昇する。

本実施例では、脱溶媒を促進させる方策として、赤外レーザ光源２０で発生した赤外レーザを光ファイバ２８などの導光路でイオン化室１０に導いて試料微粒子に照射し、試料微粒子の温度を上昇させる。赤外レーザの波長は、試料微粒子３３に含まれる溶媒が吸収する波長を選択するのが好ましい。液体クロマトグラフの典型的な条件として、Ｃ１８カラムを用い、溶媒２５（Ａ）を水、溶媒２６（Ｂ）をアセトニトリルとし、溶媒Ａ：溶媒Ｂの混合比率を９：１から１：９に直線的に変化させるグラジエント条件でＬＣ分離を行う場合、水の吸収帯にあたる波長の赤外レーザが利用可能である。水は波長３μｍ付近に強い吸収帯を持つため、波長３μｍの赤外レーザを用いると効率よく加熱できる。また、３μｍの吸収ピークよりも吸光係数は小さいが、水は１μｍから１００μｍに全体的に吸収がある。従って、１μｍ以上１００μｍ以下の範囲に発振波長を有する赤外レーザを用いてもよく、例えばＥｒ：ＹＡＧレーザ（２．９μｍ）、ＣＯ₂レーザ（１０．６μｍ）、その他半導体レーザ、ファイバレーザなどが利用可能である。一方、アセトニトリルは７．０μｍ付近に比較的強い吸収ピークがあり、３．２μｍ、４．３μｍ、９．５μｍ、１３．４μｍにも吸収ピークがある。従って、発振波長としてこれらの波長を含むレーザが利用可能である。

溶媒グラジエント条件の全時間で溶媒によるレーザ吸収による加熱効率を一定に保つには、単一のレーザを使用する場合には、レーザの出力を調整する。例えば水の吸収波長３μｍのレーザを用いる場合、水の含有比率が低下するに従ってレーザ出力が上昇するようにプログラムするといった方法が考えられる。パルスレーザの場合は、レーザの出力調整はパルス周期を変えることで行うことができる。複数の波長のレーザを用い、水の吸収波長３μｍとアセトニトリルの吸収波長７μｍの両方を照射しておくと、溶媒混合比率が変化しても脱溶媒効率を一定に保てる。また、光源は赤外レーザの代わりに赤外ランプを用いても良い。赤外ランプからは連続した波長の赤外光が得られることから、レーザ加熱と比較すると特定の波長の熱量では劣るものの、各種溶媒の吸収波長に対応することができる。いずれの光源の場合も、脱溶媒に用いる光は光ファイバなどの導光路を介してイオン化室１０のスプレーチップ１６の先端付近に導いて試料微粒子に照射する。

光ファイバ２８の先端部は、図２に示すように、例えば０．０１ｍｍの精度で位置を調整できるｘｙｚステージからなる位置調整器３２に固定して位置調整し、また、レーザ光の広がりはレンズ３１で調整する。図３に示すように、スプレーチップ先端１７は、直径１〜５０μｍ程度の開口部を持ち、チップの内面４３は試料溶液と接しており、開口部には試料溶液の液面３９が形成される。試料溶液の液面３９からイオン化室１０内の空間に、直径０．１〜１０μｍ程度の試料微粒子３３が放出される。レーザ光の位置、向き、及び広がりは、レーザ光がスプレーチップ先端１７には照射されず、試料微粒子３３か試料微粒子４０に照射されるように設定する。これにより、試料微粒子に含まれる溶媒が赤外光を吸収して熱を発生し、溶媒の気化（脱溶媒）が促進される。また、スプレーチップ１６とその中の試料溶液に直接レーザ光を当てないので、スプレーチップ先端１７やスプレーチップ１６中の溶出液２４にレーザ光が当たって過熱し、スプレーチップ先端１７で溶出液２４が突沸してイオン化が不安定となる現象を防止することができる。スプレーチップの材質は一般的なＳＵＳやシリカ等でよく、低コストで製造可能である。

また、レンズ３１と光ファイバ先端２９を試料微粒子噴霧範囲３４の外に設置することで、光ファイバ先端２９に試料微粒子３３が付着し汚染されてレーザ光の透過率が低下することを防止できる。

また、レーザ光が細孔３８から差動排気部１１、さらに質量分析部１２に入り、検出器２３に到達した場合、ノイズとして検出されて質量分析スペクトルの質が低下する恐れがある。そこで、光ファイバ先端２９の位置と向き、及び、レーザ光の広がりを調整してレーザ光が検出器２３に入らないようにすることで、ノイズとして検出されるのを防ぐことができる。

イオン化室１０には噴霧された試料溶液の溶媒蒸気が充満している。これをポンプ４１で排気し０．０１ａｔｍ程度まで減圧してもよい。すなわち、イオン化室１０を０．０１ａｔｍ以上１ａｔｍ以下の圧力範囲とすることで、溶媒蒸気の分圧が下がって脱溶媒が促進される。

一方、レーザ光はイオン化室１０に充満した溶媒蒸気により吸収され減衰するという問題がある。そのため、光ファイバ先端２９はなるべく試料に近い位置に配置する方が、脱溶媒効率が向上する。ＬＣでは溶媒として水を用いることが多いため、以下に水蒸気によるレーザ光の吸収を見積もる。光の透過率は、吸光係数ｋ（ｃｍ^-1ａｔｍ^-1）、入射光量Ｉ₀、透過光量Ｉ、水蒸気の分圧Ｐ（ａｔｍ）、光路長Ｌ（ｃｍ）を用いて次式で与えられる。

Ｉ／Ｉ₀＝ｅｘｐ（−ｋＰＬ）

波長３μｍにおける水蒸気の吸光係数ｋはおよそ１ｃｍ^-1ａｔｍ^-1である。以上から、Ｐ＝１ａｔｍにおける各光路長での波長３μｍの光の透過率を計算すると、次のようになる。

光路長透過率
１００ｍｍ５×１０^-5
５０ｍｍ７×１０^-3
２０ｍｍ０．１
１０ｍｍ０．４
２ｍｍ０．８

つまり、光ファイバ先端２９と試料微粒子３３との距離を２０ｍｍ以下にすることで、入射したレーザ光のエネルギーの１０％を脱溶媒に利用することができる。さらに１０ｍｍ以下にすることで、入射したレーザ光のエネルギーの４０％を、より望ましくは２ｍｍ以下にすることで８０％を、脱溶媒に利用することができる。このように、光ファイバ先端２９と試料微粒子噴霧範囲３４との距離を短くすることで、レーザ光のエネルギーを効率よく脱溶媒に利用できる。ちなみに、光ファイバを使わずに、ＥＳＩで噴霧した試料液滴に赤外光を含む光を照射する従来例の場合、光源から試料液滴までの距離は５０ｍｍ程度であり、この場合の透過率は７×１０^-3と見積もられる。これから分かるように、従来の光照射方法は、脱溶媒に利用されるべき光エネルギーのほとんどがイオン化室１０の雰囲気に吸収されてしまうため、効率の悪い方法であった。

図３に示すように、ＥＳＩでは、流量や電圧の適切な条件下では、試料液体表面３９はスプレーチップ先端にTaylorコーンと呼ばれる円錐を形成する。このTaylorコーンの先端から対極に向かって試料微粒子４４のジェット放出が発生し（コーン-ジェットモード）、この液滴はさらに微細な液滴３３に分裂し、微細液滴はクーロン反発で空間的に広がったプルームを形成する。したがって光のエネルギーを効率よく脱溶媒に用いるためには、試料微粒子が空間的に広がっていないジェット部分か、液滴が分裂し始めるジェットとプルームの境界にあたる空間領域にレーザを照射するとよい。ジェット部分の長さは、スプレー先端径や流量に依存してTaylorコーン先端から０．０１〜２ｍｍ程度の長さをとり、この部分にジェットの長さと同程度の直径のレーザスポットを照射するのが最も効率的である。ただし、装置の振動等によりスプレーチップ先端と光ファイバ先端の位置関係は測定中に０．１ｍｍ程度変動する可能性がある。したがって、振動による変位によりレーザ光がスプレー先端に当たってスプレーが不安定化することを防ぐためには、スプレー先端とレーザ照射範囲３５には最低０．１ｍｍ以上の距離があることが望ましい。また、スプレーチップ先端径や流量に依存するが、プルームの空間的広がりの直径は、スプレーチップ先端から５ｍｍの距離で１〜１０ｍｍ程度の値をとるので、プルームにレーザ照射する場合にはこの微粒子広がりの直径と同程度の広がりを持たせたレーザ光を照射することで、効率よく脱溶媒を行うことができる。

さらに、加熱した乾燥不活性ガス（脱溶媒ガス）をガス導入管３０によってイオン化室１０に導入し、試料微粒子に接触させることで、脱溶媒効率を向上することができ、また、スプレーチップ先端１７からの放電を抑制してイオン化を安定させることができる。

［実施例１］
図４、図５は、本発明を用いたＥＳＩイオン源の一例として、スプレーチップの中心軸と光ファイバの中心軸を直角の位置関係に配置した例を示す模式図である。図４は光軸に平行な方向から見た模式図、図５は光軸に垂直な方向から見た模式図である。

図４に示すように、本実施例ではスプレーチップ１６の中心軸と光ファイバ２８の中心軸の角度が直角となるように配置した。レーザ照射位置と照射幅を調整して、レーザ光照射範囲３５を照射位置における試料微粒子噴霧範囲３４と同程度の幅とすることで、レーザ光を無駄なく試料微粒子に照射することができる。

試料微粒子の空間的広がりの小さいジェット部分にレーザを照射する場合、ジェット径は典型的には５０μｍ程度と微小なため、レーザのビーム径もレンズで同程度に絞り、例えばスプレーチップ先端１７から１ｍｍの部分に照射する。試料微粒子の空間的広がりは、噴霧直後のジェット部分の方が、その後のプルームに比べて小さいことから、ジェット状の試料微粒子に絞ってレーザ光を照射する方がレーザ光の吸収効率は高くなるため、レーザ照射範囲３５とスプレーチップ先端との最短距離ｄ１は０．０１ｍｍ以上、１０ｍｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ〜５ｍｍの範囲内が望ましい。本実施例ではｄ１＝１．０ｍｍとした。スプレーチップ先端１７はレーザ照射範囲３５の外にあり、チップ先端の過熱を防止している。図５に示すように、レーザ光照射範囲３５と試料微粒子噴霧範囲３４の直径が同程度となるようにしてレーザ光を照射することで、レーザ光のエネルギーを無駄なく試料微粒子の脱溶媒に利用することができる。

光ファイバ先端２９は試料微粒子噴霧範囲３４の外にあり、光ファイバ先端２９と試料微粒子噴霧範囲３４の最近接距離ｄ２は１０ｍｍとした。光路長が短い方がレーザ光の減衰率が小さく、効率よく試料微粒子を加熱できるため、この最近接距離ｄ２は０．１〜２０ｍｍ程度が望ましく、より好ましくは０．１ｍｍ以上、１０ｍｍ以下、更に好ましくは０．１ｍｍ以上、２ｍｍ以下の範囲とするのがよい。

一方、微細なスプレージェットに絞って集光したレーザ光を照射する場合、レーザ光軸又はレーザ光の焦点位置や、スプレーチップ１６の軸が０．１ｍｍずれればレーザが試料に当たる量が大きく変化するため、非常に精密な光軸調整が必要となり、また、長時間の分析中に位置が変動した場合は感度が大きく変動することになる。そこで、レーザ径を故意に１ｍｍ程度に広げる、焦点をずらして照射する、あるいは試料プルームに照射することにより、スプレーチップや光ファイバの変位による感度変動を防止することができる。ただし、試料へのレーザ照射効率を確保するためには、プルームの広がりが小さい部分へ照射する方が好ましく、レーザ照射範囲３５はスプレーチップ先端１７から５ｍｍの範囲内、最大で１０ｍｍ以内が望ましい。スプレーチップ先端１７から１０ｍｍの距離でのプルームの幅は２０ｍｍ程度であり光ファイバ先端２９が試料と接触しないようにすべきこと、また、光路長が短い方がレーザ光の減衰率が小さいため、スプレーチップ先端１７と光ファイバ先端２９の距離を出来るだけ小さくすべきことを考慮すると、この直交配置ではスプレーチップ先端１７と光ファイバ先端２９の距離はおよそ１５ｍｍ必要である。

また、光ファイバ２８の軸は細孔３８の軸と直交となる設置関係とすることで、レーザ光を検出器に入れないようにすることができる。

［実施例２］
図６は、本発明を用いたＥＳＩイオン源の一例として、スプレーチップの中心軸と光ファイバの中心軸を鈍角の位置関係に配置した例を示す模式図である。

スプレーチップ１６の外側にはスプレーチップ１６と同軸のステンレス管５８があり、ステンレス管内５９に不活性ガスとして２００℃に加熱した窒素を流量２Ｌ／分で流し、脱溶媒の促進と放電の抑制を行った。

光ファイバ２８の先端２９が振動等で動くとレーザ光の照射位置が変化して安定した測定ができないので、これを防止するために、光ファイバ先端２９付近は位置調整器３２のｘｙｚステージに固定されている。光ファイバ先端２９は試料微粒子噴霧範囲３４の外にあり、光ファイバ先端２９と試料微粒子噴霧範囲３４の最近接距離ｄ２は１０ｍｍである。

スプレーチップ先端１７はレーザ照射範囲３５の外にあり、スプレーチップ先端１７とレーザ照射範囲３５の最近接距離ｄ１は１．０ｍｍであり、この位置でスプレーの広がりである０．５ｍｍと同径のレーザビームを照射している。

図６では、スプレーの広がり角が３０度であり、光ファイバ２８が試料微粒子噴霧範囲３４に広がる試料微粒子と接触しないためには、スプレーチップ１６の軸と光ファイバ２８の軸の間の角度は１６５度以下とする必要がある。スプレー広がり角が大きい場合は、スプレーチップの中心軸と光ファイバの中心軸の間の角度をもっと小さくする必要がある。このように、スプレーチップ１６の中心軸と光ファイバ２８の中心軸の角度を鈍角とすることで、ステンレス管５８と位置調整器３２が干渉することなく、噴霧直後の試料微粒子にレーザ光を照射することができる。

［実施例３］
図７は、本発明を用いたＥＳＩイオン源の一例として、スプレーチップの軸と光ファイバの軸が鋭角の位置関係にある例を示す模式図である。

スプレーチップ１６の中心軸と光ファイバ２８の中心軸のなす角度を鋭角とすることで、試料微粒子噴霧範囲３４が大きい場合でも、光ファイバ先端２９が試料微粒子に汚染されずにレーザ光を照射することができる。スプレーチップ１６の中心軸と光ファイバ２８の中心軸は平行でもよい。図には光ファイバ２８を２本配置した例を示したが、光ファイバ２８は１本だけでもよい。

スプレーチップ１６の中心軸と光ファイバ２８の中心軸のなす角度が小さいと、試料微粒子噴霧範囲３４の一部にだけレーザ光が照射されることになる。そこで、複数の光ファイバをスプレーチップ１６の中心軸に対して鋭角に配置した構成とすることで、照射範囲を広げることができる。このとき、各ファイバからのレーザ光が交差しないよう、各々の光軸を同一平面上に置かない配置とすることで、より広い噴霧範囲の試料微粒子にレーザ光を照射することができる。

［実施例４］
図８は、本発明を用いたＥＳＩイオン源の一例として、光ファイバが円筒状である例を示す模式図である。

本実施例では、中空のチューブ状光ファイバ６１に、その内径よりも小さい外径をもつスプレーチップ１６が挿入されている。光ファイバ先端６２から、円環状にレーザ光が放出される。スプレーチップ先端１７と光ファイバ先端６２の距離を調整することで、噴霧された試料に対するレーザ光の照射範囲が調節できる。また、光ファイバ先端６２の端面に角度を持たせることで、レーザ光の放出方向を調節できる。

また、中空の円筒状光ファイバ６１とスプレーチップ１６との間の空間に脱溶媒ガス６３として例えば３００℃に加熱した窒素ガスを通気することで、さらに脱溶媒を促進し、光ファイバ先端６２に試料微粒子が接触するのを防止することができる。この構成は、スプレーチップ、脱溶媒ガス導入管、光ファイバが一体となっており、小さい設置スペースで済むことから、イオン源の空間が狭く光ファイバの導入が困難な場合でも、試料微粒子噴霧範囲３４の近くから効率よくレーザ光を照射することができる。

［実施例５］
図９は、本発明を用いたＥＳＩイオン源の一例として、スプレーチップが細孔に向けられた位置関係にある例を示す模式図である。

脱溶媒効率が高く、試料微粒子が全て気化する場合には、試料微粒子が検出器に到達してノイズを発生する心配がない。この場合には、スプレーチップ１６を、細孔３８に直接向けた構成にすると、生成した試料イオンの細孔３８への取り込み効率が上がるため、測定感度が向上する。このとき、レーザ照射範囲３５に細孔３８が入らないような配置にすることで、レーザ光が検出器に入ってノイズとして検出されるのを防止できる。

試料溶液の流量が１０〜１０００ｎＬ／分といったナノ流量の場合は、スプレーチップ先端１７と細孔３８の距離を１ｍｍ程度まで近づけることで感度が高くなる。従って、レーザ照射範囲３５は直径０．５ｍｍ以下のビームに絞り、スプレーチップ先端１７とレーザ照射範囲３５の最近接距離は０．１〜０．４ｍｍの範囲の何れかの値に設定することで、レーザ光がスプレーチップ先端１７と細孔３８に当たらず試料微粒子にのみ照射され、ナノ流量の場合にもレーザ光による脱溶媒を安定して行うことができる。

［実施例６］
図１０は、本発明を用いたＥＳＩイオン源の一例として、スプレーチップが複数ある例を示す模式図である。

先端径が１μｍ以下の小さいスプレーチップを用いて低流量で噴霧を行うと、直径の小さい試料微粒子が生成し脱溶媒しやすいことから、イオン化効率が向上することが知られている。試料溶液の流量が大きい場合は、流路を分岐し、小さいスプレーチップ１６を複数接続して噴霧することができる。それぞれのスプレーチップ１６の外側にステンレス管５８を設置して間に脱溶媒ガスを流してもよい。

複数のスプレーチップ１６から噴霧される試料微粒子にレーザ光を照射する場合、光ファイバ２８は１つでもよい。一方、光ファイバ先端２９から近いスプレーチップと遠いスプレーチップの間でレーザ照射量が異なって脱溶媒効率に差が生じる場合には、光ファイバ２８を複数用いて別方向から照射することにより、安定した脱溶媒を行うことができる。

このとき、２本の光ファイバの光軸が一致すると、対向する光ファイバにレーザ光が進入してレーザ光源の損傷を引起す恐れがあるので、光軸をずらして設置するのがよい。

［実施例７］
図１１は、本発明を用いたＡＰＣＩ（大気圧化学イオン化）イオン源の一例を示す模式図である。

ＡＰＣＩには、ＥＳＩではイオン化できない極性の低い物質、例えばアルカン類などをイオン化できるという利点がある。スプレーチップ１６には電圧をかけずに、イオン化室内に試料溶液を噴霧し、帯電していない試料微粒子を生成する。これに、光ファイバ２８を用いてレーザ光を照射し、試料微粒子の脱溶媒を促進することにより、気相試料分子を得る。ＡＰＣＩの針電極８０と細孔３８の間に高電圧電源８１から電圧を印加し、コロナ放電により生じた気相イオンと、前述の気相試料分子とのイオン分子反応により、気相試料分子はイオン化される。生成した気相試料分子イオンは、細孔３８より差動排気室へ取り込まれる。この構成では、スプレーチップは微粒子化装置、ＡＰＣＩの針電極はイオン化装置として機能する。

この構成により、ＥＳＩではイオン化せず、ＡＰＣＩではイオン化する物質の分析を行うことができる。本実施例におけるスプレーチップ１６と光ファイバ２８の位置関係などの条件は、他の実施例と同様である。

［実施例８］
図１２は、本発明を用いたＡＰＣＩイオン源の一例として、試料の微粒子化装置として超音波霧化器を用いる例を示す模式図である。

液体試料９１は超音波振動子９２の上に置かれており、超音波による霧化により、試料微粒子９７を生成する。この場合、超音波振動子は試料保持部と微粒子化装置を兼ねる。霧化方法は、ガスを吹きつけるなど、他の方法でもよい。試料微粒子９７に光ファイバ２８でレーザ光を照射して脱溶媒を行い、電荷を持たない中性の気相試料分子９８を生じさせる。ＡＰＣＩの針電極８０と細孔３８の間に高電圧電源８１から高電圧を印加してコロナ放電を生じることで生成した気相イオンと、気相試料分子９８とのイオン分子反応により、気相試料分子９８はイオン化される。光ファイバ先端２９と試料微粒子噴霧範囲９６の最近接距離ｄ３は０．１ｍｍ以上２０ｍｍの範囲とするのが好ましく、本実施例では１０ｍｍ程度である。また、試料９１の表面とレーザ照射範囲３５の最近接距離ｄ４は０．０１ｍｍ以上１０ｍｍ以下が好ましく、０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下とするのがより好ましい。本実施例のｄ４は１ｍｍ程度であり、レーザ光は液体試料９１、超音波振動子９２のいずれにも照射しないようにする。この位置関係により、光ファイバ先端２９が試料に汚染されることなく、また、試料９１が突沸して飛散することなく、高効率の脱溶媒を行うことができる。このとき、光ファイバ先端２９と超音波振動子９２との最近接距離は１ｍｍ以上２０ｍｍ以下とするのが好ましく、本実施例では約５ｍｍであった。

本実施例の構成により、板上に滴下したスポット状の液体試料についても、光ファイバを用いた効率的な脱溶媒により高イオン化効率を得ることができる。また、粉体などの固体試料にも適用できる。

イオン化の方法としては、ＡＰＣＩの他に、光エネルギーにより試料分子やマトリックスを励起してイオン化を行うＡＰＰＩ（大気圧光イオン化）、交流電場による誘電体バリヤー放電により生じる気相イオンを気相試料分子と反応させてイオン化を行う誘電体バリヤー放電イオン化など、他の手段を用いてもよい。目的とする試料の化学的性質に応じてイオン化法を選択することで、分析の感度を向上することができる。

［実施例９］
図１３は、本発明を用いたＥＳＩイオン源の一例を示す模式図である。

ＬＣ又はシリンジポンプなどから送液される、流量１０μＬ／分から１ｍＬ／分程度の試料は、スプレーチップ１６aから大気圧部１２６にスプレーされ、試料がイオン化される。一方、流路１２５には試料を一定の比率で分岐するフロースプリッタ１２４が設置されている。流路１２５からフロースプリッタ１２４を介して流路１２３に１００ｎＬ／分程度の低流量で分岐された試料はスプレーチップ１６ｂから低真空部１２７にスプレーされ、ＥＳＩでイオン化される。イオン化された試料は低真空部１２７よりも圧力の低い真空部１２８に移動し、質量分析される。スプレーチップ１６ｂは、先端内径１〜１０μｍ程度と小さいナノ流量向けのものを用いる。

レーザ光源２０で発生した赤外光は光ファイバ１２２を通り、途中で分岐して大気圧部１２６及び低真空部１２７に導入され、スプレーに照射されて脱溶媒効率を向上する。図１３には、２つのイオン源が質量分析部に対して直列に接続された例を示しているが、２つのイオン源は並列に接続してもよい。この構成により、１台のレーザ光源で複数のイオン源の脱溶媒効率向上を行うことができる。

また、高流量で大気圧イオン化を行う場合と低流量で低真空イオン化を行う場合が同程度の感度である場合は、両方のイオン源で同時にイオン化を行って感度を２倍に向上させることができる。反対に、高流量で大気圧イオン化を行う場合と低流量で低真空イオン化を行う場合でどちらか一方の感度が他方に比較して１０倍以上高い場合は、スプリッタ１２４を選択バルブに置き換え、感度の高い方のイオン源を選択して用いることができる。

［実施例１０］
図１４は、本発明を用いたＥＳＩイオン源の一例を示す模式図である。

ＥＳＩのスプレーチップ１６からは試料溶液が１０μＬ／分でスプレーされており、試料溶液とすり鉢形状の対向電極１５５間には３ｋＶの電圧が印加されている。スプレーチップ１６の外側は２重管１４１が取り巻いており、外側の管と内側の管の間に加熱ガスとして２００℃の炭酸ガスを流量１Ｌ／分で流して、脱溶媒促進とスプレーの広がり抑制を行っている。赤外レーザ光源（ツリウムファイバレーザ、波長１．９４μｍ、出力０．５Ｗ）から発生された赤外レーザは、光ファイバ１４９から直径６ｍｍの平行光として出射されて直径１２ｍｍの石英平凸レンズ１４７に入り、焦点距離１００ｍｍで集光される。焦点での光の広がり直径は６４μｍである。赤外レーザの光軸とスプレーチップ１６の軸１４３は点ｐで交差し、赤外レーザの焦点がｐ付近にくるよう、位置調整器３２のｘｙｚステージを用いて光ファイバ１４９を位置調整する。このとき、可視光レーザを赤外レーザと同じ光路から入射することで、位置調整が容易になる。

焦点距離が長いレンズを用いた方が、焦点位置からずれた場所での光の広がり度合いが小さく、位置調整しやすい。しかし、長距離からスプレーに照射すると空間中の水蒸気等により赤外光が吸収されてしまうため、これを防ぐ手段が必要である。そこで本実施例では、光ファイバ１４９の先端とレンズ１４７をステンレス管１４６内に固定し、管出口に石英製の赤外透過窓１５１を設けてステンレス管１４６を密閉した。そして、管内部１５０に乾燥空気を封入し、外部の水蒸気が管内部１５０に入って赤外レーザの透過を妨げることがない導光路とした。

ステンレス管１４６の外径は２０ｍｍであり、スプレーチップ１６の中心軸とステンレス管１４６の中心軸のなす角度は４５度、赤外透過窓１５１の表面から点ｐまでの距離はおよそ１５ｍｍ、スプレーチップ先端１７と点ｐの間の距離は１ｍｍとした。ステンレス管１４６はこのような直管の他に、先端の外径を１０ｍｍ以下となるようにした先細りの形状としてもよい。管先端外径を小さくすれば、赤外透過窓１５１の表面から焦点ｐまでの距離を１０ｍｍ以下に近づけることができ、赤外レーザが溶媒蒸気により吸収される率を下げることができる。

また、本実施例ではイオン化室１４４は大気圧であるが、０．０１ａｔｍ程度まで減圧することで、同様に赤外レーザが溶媒蒸気により吸収される率を下げることができる。圧力は０．０１ａｔｍ以下では放電しやすくなりイオン化が不安定となるので望ましくない。

赤外レーザがスプレーに照射される場所は、スプレーのジェットとプルームの境領域と推測されるが、通常のイオン源にはスプレー広がりを測定する機構が備わっていない場合が多い。そこで、赤外レーザを光軸方向に、焦点を点ｐから離して行くように移動させて、スプレーへのレーザ照射径を大きくしていきながら、質量分析の試料ピーク強度をモニターし、最も感度のよいレーザ位置を探すことで、スプレー広がりに対する最適なレーザ照射径を見出すことができる。赤外透過窓１５１とスプレーチップ先端１７との距離は、位置調整に必要な尤度として最低１ｍｍ必要である。また、スプレーチップ先端１７からの距離０．１〜１０ｍｍの部分に０．１ｍｍ程度の径のレーザを照射すること、赤外透過窓１５１から点ｐまでは２０ｍｍ以下が望ましい。また、本実施例ではスプレーチップの中心軸１４３とレーザ光の軸のなす角度は４５度としているが、１０度〜８０度程度であれば、スプレーチップ１６、ステンレス管１４６、対向電極１５５の干渉を避けられる。以上から、スプレーチップ先端１７と赤外透過窓１５１との最近接距離は、１ｍｍから２０ｍｍの範囲で設置される。距離１ｍｍまで近づける場合はスプレーチップ先端１７とステンレス管１４６との間で放電する可能性があるので、管の材質は絶縁体を用いた方がよい。

以上のような構成により、溶媒蒸気による赤外レーザの吸収による減衰を防止しながら、レーザ照射位置の最適化を容易に行うことができる。

［実施例１１］
図１５は、本発明を用いた質量分析システムの一例を示す概略図である。

本実施例の質量分析システムは、コンピュータ１０１、ＬＣ４０、イオン源１０３、質量分析部１２、レーザ光源２０を備える。

コンピュータ１０１は、ＬＣ４０に流量、溶媒組成、試料量などのＬＣパラメータ１１０を、質量分析部１２に質量範囲、分離時間、電圧などの質量分析パラメータ１０７を、イオン源１０３に電圧、温度、ガス流量などのイオン源パラメータ１０９を、レーザ光源２０に波長、出力などのレーザパラメータ１０６を送る。また、試料の種類やＬＣメソッドに応じ、適切なレーザ光の波長や出力を設定する。例えば、溶媒の種類や組成に応じて波長を選択する、熱分解しやすい試料が溶出する時間はレーザ光を切る、試料溶液の流量が大きい場合は出力を大きくする、といった設定を行う。質量分析部１２で検出された質量分析データ１０８はコンピュータ１０１に送られて解析される。

図１６は、本実施例の質量分析システムによる制御シーケンスの一例を示す図である。

ＬＣ溶媒は、水：アセトニトリル＝９０：１０から０：１００まで１０分間で直線的にグラジエントをかけ、ＥＳＩイオン源において水に吸収ピークのある、波長１．９μｍの連続発振の赤外レーザを照射している。波長１．９μｍで水の吸光係数はおよそ１００ｃｍ^-1であり、水１００％の溶媒では、液体表面から深さ１／１００ｃｍ＝０．１ｍｍ程度まで光が透過・吸収されるので、直径０．１ｍｍ程度の液滴であれば、液滴全体を均一に加熱することができる。レーザ光源２０の出力はコンピュータ１０１から外部制御でき、グラジエント溶離中は水の比率が低下するに応じて出力を上昇させる。また、水素結合で形成される複合分子など、赤外光照射により解離する物質が溶出する時間や、平衡化時間などの分析を行わない時間には、出力を低下させる。

図１６に示した例では、時間５分に光分解性物質が溶出するので、保持時間の変動±０．１分を加味して、４．９〜５．１分でレーザ出力を２０％まで低下させている。また、時間１１分で試料の溶出が終わるので、１１分以降はレーザ出力を５％まで低下させ、１６分で次の分析に備えて初期出力値に戻る。

この構成により、分析目的にあわせた最適なレーザ照射をプログラムして実行することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１０…イオン化室
１１…差動排気部
１２…質量分析部
１６…スプレーチップ
２２…量分離装置
２３…検出器
２８…光ファイバ
３０…ガス導入管
３１…レンズ
３２…位置調整器
３３…試料微粒子
３４…試料微粒子噴霧範囲
３５…レーザ照射範囲
３８…細孔
５８…ステンレス管
６１…チューブ状光ファイバ
８０…針電極
９１…液体試料
９２…超音波振動子
９６…試料微粒子噴霧範囲
１４４…イオン化室
１４６…ステンレス管
１４９…光ファイバ
１５１…赤外透過窓
１５５…対向電極

Claims

物質をイオン化するイオン化装置であって、
目的物質を含む試料を保持する試料保持部と、
前記試料保持部に保持された試料を試料微粒子にする微粒子化装置と、
光源と、
前記光源の光を前記微粒子化装置によって発生された試料微粒子に導き照射する導光路とを備え、
前記試料微粒子が存在する空間範囲と前記導光路の先端との最近接距離が０．１ｍｍ以上２０ｍｍ以下であり、
前記導光路による光の照射範囲と、前記試料の表面、前記微粒子化装置、前記試料保持部のいずれか最も近いものとの最近接距離が０．０１ｍｍ以上１０ｍｍ以下である、イオン化装置。
前記試料微粒子が存在する空間範囲と、前記導光路の先端との最近接距離が０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下である、請求項１のイオン化装置。
前記試料微粒子が存在する空間範囲と、前記導光路の先端との最近接距離が０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下である、請求項１のイオン化装置。
前記光の照射範囲と、前記試料の表面、前記微粒子化装置及び前記試料保持部のいずれか最も近いものとの最近接距離が０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下である、請求項１のイオン化装置。
前記微粒子化装置は液体試料を噴霧することで微粒子化する、請求項１のイオン化装置。
前記微粒子化装置はエレクトロスプレーである、請求項１のイオン化装置。
コロナ放電により生じる気相イオンを、前記試料微粒子から生成した気相試料分子と反応させることによりイオン化する、請求項１のイオン化装置。
誘電体バリヤー放電により生じる気相イオンを、前記試料微粒子から生成した気相試料分子と反応させることによりイオン化する、請求項１のイオン化装置。
前記試料微粒子の周囲に脱溶媒ガスを導入するためのガス導入部を有する、請求項１のイオン化装置。
イオン化された試料を質量分離装置、イオン移動度計又は高電界非対称波形イオン移動度計に送って検出する、請求項１のイオン化装置。
前記導光路の先端部を固定し、前記導光路と前記試料、前記試料保持部又は前記微粒子化装置との位置関係を調整する位置調整器を備える、請求項１のイオン化装置。
前記導光路は光ファイバである、請求項１のイオン化装置。
前記光ファイバを複数備える、請求項１２のイオン化装置。
前記光ファイバは中空である、請求項１２のイオン化装置。
前記中空の光ファイバの中に脱溶媒ガスを通気する、請求項１４のイオン化装置。
前記光源は赤外レーザ光源である、請求項１のイオン化装置。
前記赤外レーザ光源の波長は１μｍ以上１００μｍ以下である、請求項１６のイオン化装置。
前記微粒子化装置は０．０１ａｔｍ以上１ａｔｍ以下の圧力範囲にある、請求項１のイオン化装置。
液体試料を噴霧する前記微粒子化装置が複数ある、請求項５のイオン化装置。
前記光の照射範囲から、前記質量分離装置、前記イオン移動度計又は前記高電界非対称波形イオン移動度計のイオン検出器が外れている、請求項１０のイオン化装置。
複数のイオン化室を備え、単一の前記光源から、複数の前記導光路を通じて光を前記複数のイオン化室へ導入する、請求項１のイオン化装置。
物質をイオン化するイオン化装置であって、
目的物質を含む試料を保持する試料保持部と、
前記試料保持部に保持された試料を試料微粒子にする微粒子化装置と、
光源と、
前記光源の光を前記微粒子化装置によって発生された試料微粒子に導き照射する導光路とを備え、
前記微粒子化装置と前記導光路の先端との最近接距離が１ｍｍ以上２０ｍｍ以下である、イオン化装置。