JPH112622A

JPH112622A - 質量分析装置

Info

Publication number: JPH112622A
Application number: JP9156800A
Authority: JP
Inventors: Tsudoi Hirabayashi; 集平林; Yukiko Hirabayashi; 由紀子平林; Akihiko Okumura; 昭彦奥村; Hideaki Koizumi; 英明小泉
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-06-13
Filing date: 1997-06-13
Publication date: 1999-01-06

Abstract

(57)【要約】【課題】高速、高感度の分析ができる質量分析装置を
提供する。【課題を解決する手段】試料溶液導入口９および試料
溶液廃棄口１０ならびにバッファー溶液導入口７、８を
設けたガラスもしくはシリコン基板１のいずれかよりな
り、試料溶液を分離するための電気泳動路５、６と、電
気泳動路の末端に接続したキャピラリー２でイオン生成
部１５と結合し、これらを基板１内に一体的に構成した
ことを特徴とするものである。これにより、試料溶液分
離の時間ロスを最小とし、試料溶液のキャピラリー２へ
の導入を容易にし、分離物質の高感度の同定ができる質
量分析装置を提供することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、質量分析計に関わ
り、特に生体関連物質や環境関連物質もしくはこれらの
複合体の物質が入り混じった混合溶液を、高速、且つ高
感度に分離、分析するキャピラリー電気泳動装置（以
下、ＣＥという）と質量分析計（以下、ＭＳという）と
の結合装置（以下、ＣＥ／ＭＳという）に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来、高走査速度の質量分析計として、
四重極型質量分析計があったが、分解能、感度、安定性
が必ずしも十分ではなかった。そこで、天然物、生体成
分、薬物や代謝物の分析にＣＥ／ＭＳのオンライン結合
が提案された。前記ＣＥ／ＭＳは、当該ＣＥでは電場で
分離が行われ、前記分離された試料成分がイオンである
ため、当該ＭＳのエレクトロスプレー等のイオン化方式
と適合がよいものであり、種々の技術が提案されてい
る。

【０００３】例えば、アナリティカルケミストリー
６０（１９８８）第４３６項から第４４１項（Ａｎａｌ
ｙｔｉｃａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙ６０（１９８８）
ｐｐ４３６−４４１）には、ＣＥとＭＳとを結合させた
ＣＥ／ＭＳの技術が記述されている。

【０００４】前記ＣＥでは、微量の混合試料溶液をバッ
ファー溶液が充填された石英製キャピラリーの一端に導
入される。前記石英製キャピラリーの内径は０．１ｍ
ｍ、長さは１ｍである。前記石英製キャピラリーの入口
はバッファー溶液に接し、前記バッファー溶液には電極
が設置され、前記電極より溶液に電圧が印加される。前
記石英製キャピラリーの両端に３０ｋＶ程度の高電圧を
印加することにより、前記混合試料溶液中の試料分離が
行われる。また、前記石英製キャピラリーの末端には銀
が蒸着されており、外部から前記キャピラリーの末端に
存在している溶液に電圧を印加することができる。

【０００５】さらに、前記分離された分離成分は、ＭＳ
入口でエレクトロスプレーイオン化法（静電噴霧法）に
より大気圧下で気体状のイオンに変換される。前記イオ
ン化のために、前記キャピラリー末端には５ｋＶ程度の
高電圧が印加される。大気圧下で生成されたイオンは、
ＭＳのサンプリングオリフィス（細孔）より真空系に導
入され質量分離される。ＭＳの質量分析部では、周期的
に質量スキャンニングを行い、データ処理部では得られ
た質量スペクトルが記録される。前記得られた質量スペ
クトルより分離物質の同定が行われる。

【０００６】また、別のアナリティカルケミストリー
６５（１９９３）第２６３７項から第２６４２項（Ａ
ｎａｌｙｔｉｃａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙ６５（１９
９３、ｐ２６３７−２６４２）には、７０ｍｍ×８０ｍ
ｍの長方形のガラス基板を用いたＣＥの記述がある。前
記ガラス基板上には、電気泳動路用の溝（１２μｍ×５
０μｍ）が形成され、泳動長さは２４ｍｍである。この
ように、泳動長さが短いため、電気泳動に要する時間
は、５秒程度となり、高速分離が実現する。また、さら
に、泳動路長が短いため、泳動路両端に印加される電圧
は、上記３０ｋＶの１／３程度の１０ｋＶ程度である。

【０００７】前記混合試料溶液中の分離された物質は、
レーザー誘起蛍光法により蛍光強度の時間変化として検
出される。また、ガラス基板上には電気泳動用の溝の他
に試料導入用の溝も設置され、試料溶液を容易に電気泳
動路に入れることができるようになつている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前記アナリティカル
ケミストリー６０（１９８８）第４３６項から第４４
１項（ＡｎａｌｙｔｉｃａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙ
６０（１９８８）ｐｐ４３６−４４１）記載の従来技術
では、電気泳動に長い石英製キャピラリーを用いるた
め、試料溶液の泳動時間が３０分程度も要していた。そ
のため、試料溶液の分離に時間がかかり、実時間分析は
不可能であるという問題点を有する。さらに、試料溶液
の前記キャピラリーへの導入が容易ではなく、複雑な装
置を用いない限り、初心者には扱いが困難であるという
問題点もある。

【０００９】また、アナリティカルケミストリー６
５（１９９３）第２６３７項から第２６４２項（Ａｎａ
ｌｙｔｉｃａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙ６５（１９９
３）ｐｐ２６３７−２６４２）記載の従来技術では、励
起光源の大きさ、蛍光光度と濃度と比例性等に制限があ
り、必ずしも分離された分離物質の高感度の同定は困難
であるという問題点を有る。またさらに、上記ＣＥとＭ
Ｓとを結合させる場合には、どうしても結合部に所定の
長さが必要なため、不必要な時間ロスが生じ、ハイスル
プットの分析ができないという問題点があつた。またさ
らに、上記ＣＥでの分離が不十分である場合はＭＳでの
分析が無駄となり、高価なＭＳが非効率であるという問
題点があつた。

【００１０】本発明は、かかる従来技術の問題点を解決
するためになされたもので、ＣＥとＭＳのイオン生成部
とを直結させることにより、不必要な時間ロスをなく
し、試料溶液の高速分離ができ、試料溶液のキャピラリ
ーへの導入が容易であり、ハイスルプット、高効率で、
且つ前記分離物質の高感度の同定が迅速にできる質量分
析装置を提供することをその目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係る質量分析装置は、試料溶液の導入口お
よび試料溶液の廃棄口ならびにバッファー溶液導入口を
設けたガラス基板もしくはシリコン基板のいずれかより
なり、前記基板に設けられた試料溶液を分離する分離部
と、前記分離された試料溶液からキャピラリーで気体状
イオンを生成するイオン生成部と、前記生成された気体
状イオンを質量分離する質量分析部から構成される質量
分析装置において、前記分離部に電気泳動装置を用い、
当該電気泳動装置の末端に前記イオン生成部のキャピラ
リーを結合し、これらを前記基板内に一体的に構成した
ことを特徴とするものである。

【００１２】前項記載の質量分析装置において、前記キ
ャピラリーを、石英製、且つその断面を同心円状形とし
たことを特徴とするものである。前項記載のいずれかの
質量分析装置において、前記試料溶液の導入口および廃
棄口ならびにバッファー導入口に電極を設け、当該電極
に電圧を印加できるようにしたことを特徴とするもので
ある。前項記載のいずれかの質量分析装置において、前
記キャピラリー長が０．１ｍ以下であることを特徴とす
るものである。前項記載のいずれかの質量分析装置にお
いて、前記泳動路に溶液導入口を設けたことを特徴とす
るものである。前項記載のいずれかの質量分析装置にお
いて、前記電気泳動路もしくは前記キャピラリーのいず
れかの所定の位置に、前記分離された試料溶液を検出す
る検出部を設置することを特徴とするものである。前項
記載のいずれかの質量分析装置において、前記電気泳動
路の前段部に前記試料溶液を濃縮する濃縮部を設置する
ことを特徴とするものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明に係る質量分析装置の実施
形態を図１ないし図３を参照して説明する。図１は、本
発明に係る質量分析装置における一実施形態の構成図、
図２は、図１の質量分析装置における分離部とイオン生
成部の平面図、図３は、図２の分離部とイオン生成部の
断面図である。

【００１４】まず、本実施の形態の質量分析装置の概略
構成を説明する。本質量分析装置は、高速分離分析を実
現するために、基板上に形成された短い泳動路の末端を
キャピラリー状に形成したキャピラリー電気泳動装置と
質量分析計とを結合させた装置を提供するものであり、
キャピラリー電気泳動装置で分離させ、分離物質の同定
には、質量分析計を使用するものである。図１におい
て、本実施の形態の質量分析装置は、基板１で分離され
た試料溶液はキャピラリー２に導入される。前記キャピ
ラリー２の末端では、分離溶液から気体状イオン３が生
成されるようになっている。前記気体状イオン３のすく
なくとも一部は、質量分析計４に導入され質量分離さ
れ、得られた質量スペクトルより試料成分が同定がされ
る。

【００１５】図２、３には、図１の質量分析装置におけ
る分離部とイオン生成部が図示されている。図２、３に
示す如く、方形の一辺に小方形の突設部を設けて形成し
た石英ガラス製の基板１には、バッファー溶液が充填さ
れたバッファーセル７、８が設けられている。泳動路５
は、前記両バッファーセル７、８との間を接続するため
に配設され、更に当該バッファーセル７をこえてＭ／Ｓ
側に延設されている。なお、前記基板１の形状を、小方
形の突設部を一辺に設けた方形としたが、これに限定さ
れるものでなく、上記のような構成が可能であればどの
ような形状でも差し支えない。

【００１６】さらに、前記泳動路５には前記バッファー
セル８の近傍の二個所で、それぞれ反対方向に分岐させ
た二つの泳動路６ａ、６ｂが配設されている。そして、
前記二つの泳動路６ａ、６ｂの分岐側の反対側の端部に
は、それぞれ試料溶液導入セル９と試料溶液廃棄セル１
０が配設されている。なお、図示しないが、前記泳動路
５の断面は２０μｍ×５０μｍの方形状であり、長さは
３０ｍｍ程度である。

【００１７】また、前記各セル７、８、９、１０には、
それぞれ電極１１、１２、１３、１４が設けられ、当該
各セル７、８、９、１０の溶液に電圧を印加することが
できるようになつている。前記バッファーセル７に接続
されている泳動路５のＭ／Ｓ側の延設端には、石英製キ
ャピラリー２の一端が挿入され、接着剤で固定されてい
る。また、前記試料溶液導入セル９の上流部に濃縮部３
０を設け、流路３０ａで当該試料溶液導入セル９と接続
されている。なお、この濃縮部３０は、基板１の外部に
設けても差し支えない。

【００１８】また、前記方形基板の一辺の小方形の突設
部には、気体状イオンが生成するイオン生成部１５に結
合されている。前記イオン生成部１５は、内部に空洞部
を有するハウジング２０に、上方部にガス導入口２４
と、ＭＳ側の前面部にオリフィス２１とが設けられてい
る。前記オリフィス２１にはバッファーセル７に接続さ
れているキャピラリー２が挿入され、当該キャピラリー
２と前記オリフィス２１との中心軸が一致するように、
支持部２３に基板１に載置し且つ固定し、さらに泳動路
５およびキャピラリー２を位置決めして固定している。

【００１９】また、前記泳動路５の末端には、試料溶液
の分離を確認するためのセンサ２５が設けられ、前記セ
ンサ２５の出力信号が図示破線の電気配線により、Ｍ／
Ｓに送られ、連動するようになっている。前記センサ２
５はキャピラリー２の入口に設けて差し支えない。更
に、前記イオン生成部１５の上方のガス導入口２４より
窒素ガスが導入され、オリフィス２１より試料溶液と共
に噴射されるように構成されている。

【００２０】イオン化生成部１５内の窒素ガス圧力は、
２〜７気圧になるため、ガス漏れを封止するために、ゴ
ム製パッキン２２がイオン生成部１５と基板１との間に
用いられる。前記基板１は、複数枚の石英ガラスを張り
合わせて構成されているので、前記泳動路５、６が完全
な密閉構造となる。前記基板１のイオン生成部１５が配
設されている反対側の一端には、前記電極１１から１４
にそれぞれ電圧を印加するための端子１６〜１９が設け
られ、外部からソケット状端子部材で電圧を図示破線の
電気配線で供給することができる。

【００２１】前記キャピラリー２は、前記基板１と一体
化させて構成することも可能であるし、さらに、電圧を
供給するための電源設備を基板１上に設置して、全装置
を集積化することもできる。なお、石英製キャピラリー
２は、内径５０μｍ、外径１５０μｍ、長さ１０ｍｍで
ある。

【００２２】図３を参照して、上記のように構成した分
離部とイオン生成部の機能を説明する。基板１におい
て、前記試料溶液導入セル９に導入された微量の試料溶
液は、前記電極１３と１４間に印加された電圧により生
じさせた電位差により、試料溶液廃棄セル１０に向かっ
て移動する。前記移動中の試料溶液がバッファーセル
７、８間の泳動路５に位置したときに、前記電極１３と
１４への電圧印加が中止される。この場合、前記導入さ
れる試料溶液が希薄で有る場合には、濃縮部３０で、例
えば溶媒ヘキサン等で抽出し、濃縮する。

【００２３】次に、前記濃縮させた試料溶液を電気泳動
をさせるために、前記電極１１と１２との間に約１０ｋ
Ｖ程度の電圧を印加すると、前記試料溶液が分離され
て、石英製キャピラリー２に導入される。なお、電極１
１の電位は接地電位である。上記試料溶液の分離がセン
サ２５で確認され、出力信号がＭ／Ｓの制御部へ送ら
れ、イオン生成部１５が連動して起動され、ガス導入口
２４より窒素ガスが導入される。ここで、試料溶液の分
離がなされていない場合は、適宜な手段によりＭ／Ｓで
の分析を停止する。

【００２４】前記イオン生成部１５の機能を詳細に説明
する。例えばソニックスプレーイオン化法によりイオン
生成が行われる。このソニックイオン化法では、前記キ
ャピラリー２の末端において当該キャピラリー２に対し
て同軸状に流れる音速ガス流により、試料溶液を噴霧
し、微細な帯電液滴を生成させる。

【００２５】気体状イオン３は、前記噴霧ガス中の微細
な帯電液滴から生成される。イオン強度はガス流速に依
存することが知られており、音速の場合にイオン強度が
最大となる。前記オリフィス２１と前記キャピラリー２
の末端との距離が一定以上である場合には、ガス流速が
広く分布するため、生成される液滴の大きさが平均的に
は小さくすることができない。その結果、イオン生成効
率は低減する。

【００２６】また、イオン生成効率を増加させるため
に、イオン生成部１５に電圧を印加しても差し支えな
い。前記イオン化部１５で形成された気体状イオン３
は、Ｍ／Ｓに導入され、質量分離される。イオン生成部
１５では、同心円状でないものを用いる場合には、結果
的にイオン生成効率を高くすることができず、高感度分
析も実現しない。

【００２７】また、分析するイオン種によっては、イオ
ン化法として別の手法である大気圧化学イオン化法（以
下、ＡＰＣＩという）やエレクトロスプレーイオン化法
（以下、ＥＳという）などを用いることも可能である。
ＥＳでは、３〜５ｋＶ程度の高電圧を電極１１に印加す
る。キャピラリー２の末端からは、液体のコーンが形成
され、コーン先端から帯電液滴が放出される。イオンは
微細な帯電液滴から生成されるので、キャピラリー２の
断面が同心円でない場合には、生成されるイオンの強度
に再現性がなくなり実用に耐えない。また、断面が同心
円状のキャピラリーを用いない限り、安定なコーンは形
成されず、イオン生成効率は低い。

【００２８】一方、ＡＰＣＩでは、イオン生成部１５に
電圧を印加する必要はない。コロナ放電をオリフィス２
１近傍に発生させ、噴霧ガスをコロナ放電により発生さ
せたプラズマ中に導入する。プラズマ中に生成されたイ
オンとのイオン分子反応により、噴霧ガス中に生成され
た中性分子のイオン化が実現する。断面が同心円状のキ
ャピラリーを使用しない限り、微細液滴の形成が困難で
ある。そのため、中性分子の生成効率も低減し、結果的
に高感度分析が実現しないので、同心円状のキャピラリ
ーを用いるのが好ましい。

【００２９】

【発明の効果】以上、詳細に説明した如く、本発明に係
る質量分析装置の構成によれば、基板上に短い泳動路を
形成し、泳動路に導入セルを設け、この泳動路にイオン
生成部を結合させたので、不必要な時間ロスを最小と
し、試料溶液のキャピラリーへの導入が容易であり、ハ
イスルプットで。且つ分離物質の高感度の同定が迅速に
できる質量分析装置を提供することができる。また、前
記泳動路の前段に濃縮部を設けたので、希薄な試料溶液
を濃縮して高感度分析ができると共に、検出器で試料溶
液の分離を確認することにより、Ｍ／Ｓの効率化を図る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る質量分析装置における一実施形態
の構成図である。

【図２】図１の質量分析装置における分離部とイオン生
成部の平面図である。

【図３】図２の分離部とイオン生成部の断面図である。

【符号の説明】

１…基板、２…キャピラリー、３…気体状イオン、４…
質量分析計、５、６…泳動路、７、８…バッファーセ
ル、９…試料溶液導入セル、１０…試料溶液廃棄セル、
１１、１２、１３、１４…電極、１５…イオン生成部、
１６、１７、１８、１９…端子、２１…オリフィス、２
２…ゴム製パッキン、２３…支持部、２４…ガス導入
口、２５…センサ、３０…濃縮部

フロントページの続き (72)発明者小泉英明東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料溶液の導入口および試料溶液の廃棄
口ならびにバッファー溶液導入口を設けたガラス基板も
しくはシリコン基板のいずれかよりなり、前記基板に設
けられた試料溶液を分離する分離部と、前記分離された
試料溶液からキャピラリーで気体状イオンを生成するイ
オン生成部と、前記生成された気体状イオンを質量分離
する質量分析部から構成される質量分析装置において、前記分離部に電気泳動装置を用い、当該電気泳動装置の
末端に前記イオン生成部のキャピラリーを結合し、これ
らを前記基板内で一体的に構成したことを特徴とする質
量分析装置。
【請求項２】請求項１記載の質量分析装置において、前記キャピラリーを、石英製、且つその断面を同心円状
形としたことを特徴とする質量分析装置。
【請求項３】請求項１、２記載のいずれかの質量分析
装置において、前記試料溶液の導入口および廃棄口ならびにバッファー
導入口に電極を設け、当該電極に電圧を印加できるよう
にしたことを特徴とする質量分析装置。
【請求項４】請求項１、２、３記載のいずれかの質量
分析装置において、前記キャピラリー長が０．１ｍ以下
であることを特徴とする質量分析装置。
【請求項５】請求項１、２、３、４記載のいずれかの
質量分析装置において、前記泳動路に溶液導入口を設け
たことを特徴とする質量分析装置。
【請求項６】請求項１、２、３、４、５記載のいずれ
かの質量分析装置において、前記電気泳動路もしくは前記キャピラリーのいずれかの
所定の位置に、前記分離された試料溶液を検出する検出
部を設置することを特徴とする質量分析装置。
【請求項７】請求項１、２、３、４、５記載のいずれ
かの質量分析装置において、前記電気泳動路の前段部に前記試料溶液を濃縮する濃縮
部を設置することを特徴とする質量分析装置。