WO2020110264A1 - 質量分析装置 - Google Patents

質量分析装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2020110264A1
WO2020110264A1 PCT/JP2018/044042 JP2018044042W WO2020110264A1 WO 2020110264 A1 WO2020110264 A1 WO 2020110264A1 JP 2018044042 W JP2018044042 W JP 2018044042W WO 2020110264 A1 WO2020110264 A1 WO 2020110264A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
ion
mass spectrometer
vacuum chamber
opening
intermediate vacuum
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2018/044042
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
学 上田
智仁 中野
雄樹 田中
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shimadzu Corp
Original Assignee
Shimadzu Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shimadzu Corp filed Critical Shimadzu Corp
Priority to US17/291,824 priority Critical patent/US11721536B2/en
Priority to CN201880098947.7A priority patent/CN112912991B/zh
Priority to EP18941205.9A priority patent/EP3889997A4/en
Priority to JP2020557485A priority patent/JP7047936B2/ja
Priority to PCT/JP2018/044042 priority patent/WO2020110264A1/ja
Publication of WO2020110264A1 publication Critical patent/WO2020110264A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/06—Electron- or ion-optical arrangements
    • H01J49/067—Ion lenses, apertures, skimmers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/04—Arrangements for introducing or extracting samples to be analysed, e.g. vacuum locks; Arrangements for external adjustment of electron- or ion-optical components
    • H01J49/0431—Arrangements for introducing or extracting samples to be analysed, e.g. vacuum locks; Arrangements for external adjustment of electron- or ion-optical components for liquid samples
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/06—Electron- or ion-optical arrangements
    • H01J49/062—Ion guides
    • H01J49/063—Multipole ion guides, e.g. quadrupoles, hexapoles
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/10—Ion sources; Ion guns
    • H01J49/16—Ion sources; Ion guns using surface ionisation, e.g. field-, thermionic- or photo-emission
    • H01J49/165—Electrospray ionisation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/24—Vacuum systems, e.g. maintaining desired pressures

Definitions

  • the present invention relates to a mass spectrometer, and more particularly to a mass spectrometer in which an ion source is an atmospheric pressure ion source and a mass separator is a quadrupole mass filter.
  • the mass spectrometer according to the present invention is particularly suitable for a liquid chromatograph mass spectrometer (LC-MS) in which a mass spectrometer is connected to an outlet of a column of a liquid chromatograph (LC).
  • LC-MS liquid chromatograph mass spectrometer
  • a mass spectrometer used as a detector of a liquid chromatograph (LC) generally uses an electrospray ionization (ESI) method, an atmospheric pressure chemical ionization (APCI) method, and an atmospheric pressure light in order to ionize components in a liquid sample.
  • An atmospheric pressure ion source according to an ionization method such as an ionization (APPI) method is provided.
  • a mass spectrometer it is necessary to transport ions generated under an atmospheric pressure atmosphere to an analysis chamber in which a mass separator such as a quadrupole mass filter is arranged, and keep the analysis chamber in a high vacuum atmosphere.
  • a configuration of a multistage differential evacuation system in which a plurality of intermediate vacuum chambers are provided between the ionization chamber and the analysis chamber is adopted.
  • a plurality of compartments with different pressures are connected in series, so the ion path from the ion source to the ion detector is long, and the size of the instrument is large. Tends to grow.
  • miniaturization of a mass spectrometer is realized by miniaturizing some of the elements constituting the mass spectrometer and appropriately changing control parameters such as applied voltage according to the miniaturization.
  • the ion injection of the ion detector from the opening (atmospheric pressure orifice) for taking in ions from the ionization chamber in the atmospheric pressure atmosphere to the first intermediate vacuum chamber at the next stage.
  • the length of the ion path to the surface is 400 mm or less, and the inner diameter of the atmospheric pressure orifice is 0.3 mm ⁇ or less.
  • the internal volumes of the intermediate vacuum chambers and the analysis chambers are also appropriately determined.
  • Patent Documents 1 and 2 have the following problems.
  • the capacity of the rotary pump can be reduced as described above, but from the ionization chamber to the first intermediate vacuum chamber. It is more likely that the ions will be less likely to be introduced and will disappear during the process. Therefore, the amount of ions used for analysis decreases, which may lead to a decrease in detection sensitivity. Further, in the atmospheric pressure ion source, even small sample droplets try to pass through the ion introduction opening, but the smaller the diameter of the ion introduction opening, the easier it is to clog, which makes it more difficult for the ions to pass and decreases the detection sensitivity. The detection output may become unstable. In addition, it is necessary to increase the frequency of maintenance such as cleaning in order to eliminate clogging of the ion introduction opening, which not only increases the maintenance cost of the device but also lengthens the period during which the device cannot be used.
  • the conventional small-sized mass spectrometer is designed to be downsized while sacrificing detection sensitivity and maintainability to some extent.
  • the present invention has been made to solve these problems, and an object thereof is to provide a vacuum pump while maintaining performance and maintainability comparable to or close to those of a conventional mass spectrometer of a general size.
  • An object of the present invention is to provide a compact mass spectrometer that can reduce the size and installation area of the device including
  • the present inventor repeated the experiment and investigated under what conditions the ionic strength was increased. As a result, it was found that when the area of the ion introduction opening is large, the ion intensity becomes higher when the pressure in the first intermediate vacuum chamber is made lower than when it is small. It was found that the ion intensity can be maximized or close to that for ion introduction openings having various opening areas by setting the product of the pressure inside the room to fall within a predetermined range. In addition, the ability (evacuation speed) of the vacuum pump to maintain the pressure (vacuum degree) determined according to such conditions is sufficiently lower than the vacuum pump used in the conventional general mass spectrometer. I also confirmed that it would be enough. The present inventor has arrived at the present invention based on these findings and verifications.
  • the mass spectrometer made to solve the above problems,
  • An atmospheric pressure ion source for ionizing components in a liquid sample A first intermediate vacuum chamber that is arranged next to the atmospheric pressure ion source and that is evacuated by a first vacuum pump;
  • An ion guide disposed inside the first intermediate vacuum chamber for transporting ions while converging by the action of a high frequency electric field;
  • a high-vacuum analysis chamber that is disposed further downstream of the first intermediate vacuum chamber and is evacuated by a second vacuum pump or by both the second vacuum pump and the first vacuum pump;
  • a mass separator disposed inside the analysis chamber for separating ions according to a mass-to-charge ratio;
  • An ion detector disposed inside the analysis chamber, for detecting ions separated by the mass separator, Equipped with The opening area of the first opening is 0.071 mm 2 or more, and the product of the opening area of the first opening
  • the pressure in the first intermediate vacuum chamber is generally set so that the ion intensity detected by the ion detector is as high as possible. If you want to reduce the size of the pump by suppressing its capacity, you can allow the ionic strength to fall slightly below its maximum value, that is, if the ionic strength is within the allowable threshold, 1 It is desirable to keep the pressure in the intermediate vacuum chamber high.
  • An atmospheric pressure ion source for ionizing components in a liquid sample A first intermediate vacuum chamber that is arranged next to the atmospheric pressure ion source and that is evacuated by a first vacuum pump; An ion guide disposed inside the first intermediate vacuum chamber for transporting ions while converging by the action of a high frequency electric field; A first opening for introducing ions generated by the atmospheric pressure ion source into the first intermediate vacuum chamber; A high-vacuum analysis chamber that is disposed further downstream of the first intermediate vacuum chamber and is evacuated by a second vacuum pump or by both the second vacuum pump and the first vacuum pump; A mass separator disposed inside the analysis chamber for separating ions according to a mass-to-charge ratio; An ion detector disposed inside the analysis chamber, for detecting ions separated by the mass separator, And the opening area of the first opening is 0.071 mm 2 or more,
  • the first vacuum pump for forming the first-stage vacuum region is a rotary pump
  • the second vacuum pump for forming subsequent vacuum regions has an ultimate pressure by vacuum exhaust. It is a lower turbo molecular pump.
  • the rotary pump is connected to the mass spectrometer main body via piping such as a hose, the rotary pump main body is often installed at a position away from the space where the mass spectrometer main body is installed.
  • the turbo molecular pump is directly connected to and integrated with the mass spectrometer main body, a large size of the turbo molecular pump occupies a large space for installing the mass spectrometer. Therefore, in order to reduce the space for installing the mass spectrometer, it is desirable to reduce the size of the turbo molecular pump as much as possible.
  • An atmospheric pressure ion source for ionizing components in a liquid sample A first intermediate vacuum chamber that is arranged at the next stage of the atmospheric pressure ion source and is evacuated by a first vacuum pump through a pipe; A second intermediate vacuum chamber that is arranged at a stage next to the first intermediate vacuum chamber and is evacuated by the turbo molecular pump through a first port of the turbo molecular pump; An analysis chamber which is arranged further downstream of the second intermediate vacuum chamber and which is evacuated by the turbo molecular pump through a second port of the turbo molecular pump; A mass separator disposed inside the analysis chamber for separating ions according to a mass-to-charge ratio; An ion detector disposed inside the analysis chamber, for detecting ions separated by the mass separator, A first opening for introducing ions generated by the atmospheric pressure ion source into the first intermediate vacuum chamber; A second opening for introducing ions
  • the atmospheric pressure ion source in the present invention is an ion source that uses an ionization method such as an electrospray ionization method, an atmospheric pressure chemical ionization method, or an atmospheric pressure photoionization method.
  • an ionization method such as an electrospray ionization method, an atmospheric pressure chemical ionization method, or an atmospheric pressure photoionization method.
  • the first opening in the present invention is an opening of a thin tube called a desolvation tube or a heating capillary, or an orifice formed at the top of a sampling cone having a substantially conical shape.
  • the opening area of the first opening is the area of the portion having the smallest cross-sectional area in the opening cross section in the longitudinal direction of the thin tube (that is, the most when the ion passes through). The area of the narrow part).
  • the openings are on the ionization chamber side.
  • one or two intermediate vacuum chambers are usually provided between the first intermediate vacuum chamber and the analysis chamber, and in the third aspect of the present invention, Two or more intermediate vacuum chambers are usually provided between one intermediate vacuum chamber and the analysis chamber. Then, in the intermediate vacuum chambers, as in the first intermediate vacuum chamber, an ion guide for transporting while converging the ions by the action of the high frequency electric field is arranged.
  • the diameter of the opening is larger than the diameter (maximum 0.3 mm ⁇ ) of the ion introduction opening in the conventional small-sized mass spectrometer described above.
  • the pressure in the first intermediate vacuum chamber is appropriately set so that high ion intensity can be obtained even under the condition that the opening area of the first opening is relatively large.
  • the diameter of the circular first opening is 0.4 mm ⁇ (opening area: 0.126 mm 2 ), and the product of the opening area of the first opening and the pressure in the first intermediate vacuum chamber is
  • the first vacuum pump having the ability to maintain the pressure in the first intermediate vacuum chamber at 239 Pa may be used.
  • the capacity of the first vacuum pump depends on the volume of the first intermediate vacuum chamber, for example, the intermediate vacuum is adjusted so that the length of the ion path from the first opening to the ion incident surface of the ion detector is 400 mm or less. In a mass spectrometer in which the size of the chamber and analysis chamber is determined, it is sufficient to use a small rotary pump with an exhaust speed of about 12 m 3 /Hr.
  • the area of the first opening for introducing ions from the ionization chamber to the first intermediate vacuum chamber is made relatively large so that the ion intensity at the ion detector is high. It is possible to reduce the size of the first intermediate vacuum chamber while suppressing the ability of the vacuum pump to evacuate the first intermediate vacuum chamber.
  • the exhaust performance of the vacuum pump can be as low as possible. As a result, it is possible to realize the downsizing of the mass spectrometer including the vacuum pump while ensuring sufficient performance as the mass spectrometer.
  • the larger the opening area of the first opening the easier the ions enter the first intermediate vacuum chamber through the opening, and the higher the introduction efficiency. Also, the risk of liquid sample sticking and clogging is reduced.
  • the area of the first opening for introducing ions from the ionization chamber to the first intermediate vacuum chamber is further increased, the area of the ions entering the first intermediate vacuum chamber is increased. The introduction efficiency can be improved and the maintainability can be improved.
  • the opening areas of the second opening and the third opening located in the subsequent stage are made small, it is possible to suppress unnecessary gas inflow into the second intermediate vacuum chamber and thereafter.
  • the mass spectrometer according to the third aspect of the present invention, it is possible to reduce the size of the analysis chamber while suppressing the ability of the turbo molecular pump to evacuate the analysis chamber while ensuring a high detection sensitivity in the ion detector. ..
  • the opening area of the first opening is 0.125 mm 2 or more.
  • the larger the opening area of the first opening the lower the pressure in the first intermediate vacuum chamber needs to be, and the first vacuum pump or the second vacuum pump having a high exhaust speed is required.
  • the upper limit of the opening diameter of the first opening is 0.8 to 1.0 mm ⁇ (opening area: 0.5 to 0.79 mm 2 ) which is used in the conventional general mass spectrometer even at the maximum. Can be restricted to a smaller value depending on the pumping speed of the first vacuum pump and the second vacuum pump.
  • the ion guide forms an ion passage space in which ions advance by a plurality of electrodes arranged so as to surround the ion optical axis, and a cross section orthogonal to the ion optical axis in the ion passage space. Is smaller as the ions advance, and the opening area of the second opening for sending out the ions from the first intermediate vacuum chamber to the next stage is preferably 0.8 mm 2 or less.
  • the second intermediate vacuum chamber of the next stage is passed through the second opening of the small diameter. You can send efficiently.
  • the opening area of the second opening is set to 0.8 mm 2 or less, the amount of gas flowing from the first intermediate vacuum chamber to the second intermediate vacuum chamber of the next stage is reduced, and the second intermediate vacuum chamber is reduced. It is possible to reduce the load on the second vacuum pump (or both the first vacuum pump and the second vacuum pump) that evacuates the air. As a result, the second vacuum pump can be downsized.
  • the ion guide includes a plurality of rod-shaped electrodes arranged so as to surround the ion optical axis, or a plurality of virtual rods each of which is composed of electrodes separated into a plurality in the extending direction of the ion optical axis. It can be configured as a rectangular electrode.
  • the ion guide it is possible to use an ion funnel having a structure in which a large number of disk-shaped electrodes having a circular opening in the center are arranged in the extending direction of the ion optical axis.
  • a second intermediate vacuum chamber is provided between the first intermediate vacuum chamber and the analysis chamber, and the second intermediate vacuum chamber is provided.
  • a multipole type ion guide for converging and transporting ions by the action of a high-frequency electric field is arranged inside the chamber, and the opening area of the third opening between the second intermediate vacuum chamber and the analysis chamber is arranged. May be 0.8 mm 2 or less.
  • the multipole ion guide As the multipole ion guide, a quadrupole ion guide having a high ion focusing effect may be used. As a result, the ions can be well focused in the second intermediate vacuum chamber and can be efficiently sent to the next stage, for example, the analysis chamber, through the third opening having a small diameter. On the other hand, by setting the opening area of the third opening to 0.8 mm 2 or less, the amount of gas flowing from the second intermediate vacuum chamber to the next-stage analysis chamber is reduced, and the inside of the analysis chamber is evacuated. The load on the vacuum pump (or both the first vacuum pump and the second vacuum pump) can be reduced. As a result, the second vacuum pump can be downsized.
  • the area of the ion introduction opening for introducing ions from the atmospheric pressure ion source to the first intermediate vacuum chamber is made larger than that of the conventional small-sized mass spectrometer, and the ion intensity is sufficiently high. It is possible to reduce the size of the device while maintaining the high maintainability. As a result, it is possible to save space when installing the device. As a result, for example, when the mass spectrometer according to the present invention is used as a detector for LC-MS, it is possible to easily replace the detector of another system with the detector by the mass spectrometer according to the present invention. ..
  • the schematic block diagram of the mass spectrometer which is one Example of the present invention.
  • the graph which shows the actual measurement result of the relationship between the pressure in a 1st intermediate
  • the figure which shows the range of the pressure in a 1st intermediate
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram centering on the ion path of the mass spectrometer of the present embodiment. Note that, as a matter of course, since FIG. 1 is a schematic configuration diagram, the size of each component in the figure, the distance between different components, the distance, and the like do not necessarily reflect the actual device.
  • the mass spectrometer mass-separates an ionization chamber 2 inside a chamber 1 for ionizing a component (compound) in a liquid sample under a substantially atmospheric pressure atmosphere and ions derived from the sample component.
  • a first intermediate vacuum chamber 3 and a second intermediate chamber 3 which have an analysis chamber 5 that is maintained in a high vacuum atmosphere for detection, and the degree of vacuum gradually increases between the ionization chamber 2 and the analysis chamber 5. It has a vacuum chamber 4.
  • the first intermediate vacuum chamber 3 is connected to a rotary pump (RP) 18 via a pipe 6 such as a polyvinyl chloride (PVC) hose having a length of about 1 m, and is evacuated by the rotary pump 18.
  • RP rotary pump
  • the second intermediate vacuum chamber 4 and the analysis chamber 5 are directly connected to the first port 7 and the second port 8 of the turbo molecular pump (TMP) 19, respectively, and the rotary pump 18 and the turbo molecular pump (TMP) 19 are connected. Both are evacuated. That is, this mass spectrometer has a multi-stage differential evacuation system configuration, so that the inside of the analysis chamber 5, which is the final stage, is maintained at a high degree of vacuum.
  • an electrospray ionization (ESI) probe 10 that ionizes the components in the sample by electrostatically spraying the sample is arranged.
  • the ionization chamber 2 and the first intermediate vacuum chamber 3 communicate with each other through a desolvation pipe 11 which is a capillary pipe that is heated to an appropriate temperature.
  • a desolvation pipe 11 which is a capillary pipe that is heated to an appropriate temperature.
  • the Q-array type ion guide 12 that transports ions while converging them by the action of a high frequency electric field.
  • the Q array type ion guide 12 has a configuration in which four virtual rod-shaped electrodes are arranged so as to surround the ion optical axis C, and one virtual rod-shaped electrode extends the ion optical axis C. It consists of a plurality of electrodes divided in the direction. Further, in the Q array type ion guide 12, the space surrounded by the virtual rod-shaped electrode is gradually narrowed in the ion advancing direction.
  • the first intermediate vacuum chamber 3 and the second intermediate vacuum chamber 4 communicate with each other through a minute ion passage hole (orifice) 13a formed on the top of the skimmer 13 having a substantially conical shape.
  • a quadrupole ion guide 14 is arranged to transport ions while converging them by the action of a high frequency electric field.
  • the quadrupole ion guide 14 is composed of four rod electrodes arranged so as to surround the ion optical axis and are parallel to the ion optical axis.
  • the second intermediate vacuum chamber 4 and the analysis chamber 5 are communicated with each other through a minute ion passage hole 15a formed in the plate-shaped aperture electrode 15.
  • a quadrupole mass filter 16 as a mass separator and an ion detector 17 are arranged in the analysis room 5.
  • the quadrupole mass filter 16 has a configuration in which four rod electrodes extending parallel to the ion optical axis C are arranged around the ion optical axis C.
  • a prefilter composed of four rod electrodes shorter than the rod electrodes forming the quadrupole mass filter 16 is arranged.
  • the ion detector 17 is composed of, for example, a conversion dynode and a secondary electron multiplier.
  • the Q array type ion guide 12, the skimmer 13, the quadrupole type ion guide 14, the aperture electrode 15, the quadrupole mass filter 16 and the ion detector 17 which are arranged along the ion optical axis C.
  • a DC voltage or a voltage obtained by adding a high frequency voltage and a DC voltage is applied to each of the power supplies (not shown).
  • a predetermined DC voltage is also applied to the ESI probe 10.
  • a general analysis operation in the mass spectrometer of the present embodiment will be briefly described.
  • a liquid sample eluted from an LC column (not shown) is introduced into the ESI probe 10
  • a charge is applied to the liquid sample at the tip of the probe 10 and is sprayed into the ionization chamber 2 as minute charged droplets.
  • the charged droplets come into contact with the surrounding air to be atomized and the solvent in the droplets evaporates.
  • the sample components in the liquid droplets are ejected with an electric charge, and ions derived from the sample components are generated.
  • Ions that have entered the first intermediate vacuum chamber 3 along with the gas flow are appropriately cooled by coming into contact with the residual gas, and progress while being captured by the high frequency electric field formed by the Q array type ion guide 12.
  • the ions are converged near the ion passage hole 13a at the top of the skimmer 13 and sent to the second intermediate vacuum chamber 4 through the ion passage hole 13a.
  • the ions that have entered the second intermediate vacuum chamber 4 are captured by the high-frequency electric field formed by the quadrupole ion guide 14 and travel while being converged near the ion optical axis C. Then, the ions are sent to the analysis chamber 5 through the ion passage holes 15 a formed in the aperture electrode 15.
  • the ions are introduced into the quadrupole mass filter 16 through the prefilter.
  • the pre-filter corrects the disturbance of the electric field formed in the vicinity of the front edge of the rod electrode of the quadrupole mass filter 16, whereby ions are smoothly and efficiently introduced into the quadrupole mass filter 16. ..
  • a voltage obtained by superposing a high frequency voltage on a DC voltage is applied to each rod electrode of the quadrupole mass filter 16, and only ions having a specific mass-to-charge ratio corresponding to the voltage are applied to the quadrupole mass filter 16. It passes through and reaches the ion detector 17.
  • the ion detector 17 generates an ion intensity signal having a magnitude corresponding to the amount of ions that have arrived, and sends this signal to a data processing unit (not shown).
  • the mass-to-charge ratio of ions that can pass through the quadrupole mass filter 16 changes.
  • a mass-to-charge ratio scan over a predetermined mass-to-charge ratio range can be performed, and a mass spectrum (profile spectrum) showing a change in the ion intensity signal over the mass-to-charge ratio range can be obtained.
  • the mass spectrometer of the present embodiment is smaller than the conventional general quadrupole mass spectrometer, and various measures have been taken to realize the miniaturization while ensuring sufficient performance.
  • the ions to be measured which are derived from the sample components generated in the ionization chamber 2, finally reach the ion detector 17 from the desolvation tube 11 via each component. Therefore, in order to downsize the device, a linear space between the opening in the desolvation tube 11 facing the ionization chamber 2 (that is, the ion inlet opening) and the ion incident surface of the ion detector 17 is used. It is necessary to make the length of a certain ion path L1 as short as possible. For that purpose, it is necessary to shorten the length of the Q array type ion guide 12, the quadrupole type ion guide 14, and the quadrupole mass filter 16.
  • the length of the rod electrode of the quadrupole mass filter 16 is 200 mm or more, while the Q array type ion guide which is an ion guide located upstream thereof.
  • the length of 12 and the quadrupole ion guide 14 is 100 mm or less, which is relatively short originally. Therefore, even if the lengths of the Q array type ion guide 12 and the quadrupole type ion guide 14 are further shortened, the effect on downsizing of the device is small, and the device sensitivity may be unacceptable.
  • the length of each component forming the ion path L1 is made as short as possible, and in particular, the quadrupole mass filter whose ratio to the length of the ion path L1 is relatively large.
  • the length L2 of the 16 rod electrodes is significantly shorter than that of a general quadrupole mass spectrometer.
  • the length L2 of the rod electrode of the quadrupole mass filter 16 is 200 mm or more in the conventional general quadrupole mass spectrometer, but when the length L1 of the ion path is 400 mm or less.
  • the length L2 of the rod electrode is 150 mm or less, more preferably 120 mm or less. In the mass spectrometer of this embodiment, the length L2 of the rod electrode is 100 mm.
  • the ions introduced into the quadrupole mass filter 16 progress while oscillating in the radial direction by the action of the high-frequency electric field while passing through the space surrounded by the four rod electrodes, but the mass separation performance depends on the number of oscillations. To do.
  • the mass separation performance deteriorates.
  • the voltage applied to the rod electrodes specifically, the DC bias voltage commonly applied to the four rod electrodes forming the quadrupole mass filter 16 is properly adjusted.
  • the number of vibrations of the ions is kept to the same level as that of the conventional apparatus, and sufficient mass separation performance is maintained.
  • the cross-sectional opening shape of the desolvation tube 11 is circular, and its inner diameter d is constant and 0.4 mm ⁇ regardless of the position in the ion passage direction. That is, the inner diameter d of the first opening in the present invention is 0.4 mm ⁇ and the opening area is 0.126 mm 2 . This is larger than the inner diameter of the atmospheric pressure orifice in the conventional small-sized mass spectrometer disclosed in Patent Documents 1 and 2.
  • the ions derived from the sample component generated in the ionization chamber 2 are not converged by the high frequency electric field and taken into the desolvation pipe 11, but taken into the desolvation pipe 11 by the gas flow formed by the pressure difference as described above. Be done.
  • the flow rate of the gas flowing from the desolvation pipe 11 is proportional to the fourth power of the radius of the opening when the desolvation pipe 11 has a circular opening. Therefore, a slight difference in inner diameter appears as a large difference in gas flow rate. For example, when the inner diameter of the opening of the desolvation pipe 11 is 0.4 mm ⁇ , the gas flow rate is about three times as large as when the inner diameter is 0.3 mm ⁇ . An increase in gas flow rate leads to an increase in ion introduction amount.
  • the inner diameter (that is, the inner diameter of the first opening) d of the desolvation tube 11 or the opening area thereof affects the efficiency of introducing ions from the ionization chamber 2 to the first intermediate vacuum chamber 3 and increases the amount of introduced ions.
  • the larger the inner diameter d the better. Further, the larger the inner diameter d, the less likely the sample droplets are clogged, and the higher the maintainability.
  • the gas inflow amount from the ionization chamber 2 to the first intermediate vacuum chamber 3 is also increased. Therefore, in order to make the pressure in the first intermediate vacuum chamber 3 the same as when the inner diameter d is small, It is necessary to enhance the capacity of the rotary pump 18.
  • FIG. 2 is a graph showing actual measurement results of changes in ionic strength when the pressure in the first intermediate vacuum chamber is changed.
  • the relationship between the pressure and the ionic strength has a convex peak shape at any inner diameter d, but the larger the inner diameter d, the lower the pressure range in which the peak of ionic strength appears (that is, the higher the degree of vacuum is. ) Understand. That is, the optimum pressure is higher when the inner diameter of the desolvation pipe 11 is smaller than when it is larger. From this result, by setting the pressure so that the inner diameter of the first opening, that is, the product of the opening area and the pressure in the first intermediate vacuum chamber falls within a predetermined range, the inner diameter of the first opening is changed. It can be concluded that a sufficient ionic strength can be obtained.
  • the pressure in the first intermediate vacuum chamber 3 should be set within the range of 155 Pa to 290 Pa. It is possible to obtain an ionic strength at a level of (here, an intensity of 60% or more of the peak intensity). In this case, the opening area ⁇ pressure is in the range of 19.5 to 36.4 mm 2 ⁇ Pa.
  • a desired level of ionic strength can be obtained by setting the pressure in the first intermediate vacuum chamber 3 within the range of 235 Pa to 455 Pa.
  • the opening area ⁇ pressure is in the range of 16.6-32.1 mm 2 ⁇ Pa.
  • an ionic strength at a level of about half or more of the peak intensity is obtained, so even if it is desired to make the opening area larger than the opening area of the first opening used in the conventional small mass spectrometer,
  • the product of the opening area and the pressure in the first intermediate vacuum chamber may be set within the range of about 15 to 40 mm 2 ⁇ Pa.
  • the pressure in the first intermediate vacuum chamber 3 changes, The ionic strength may change. Therefore, it is desirable to set the product of the opening area of the first opening and the pressure in the first intermediate vacuum chamber 3 so that the change in ionic strength when the pressure changes is small. According to the results of FIG. 2, when the inner diameter d of the desolvation tube 11 is 0.4 mm ⁇ , the pressure in the first intermediate vacuum chamber 3 is within the pressure range around 215 Pa at which the ionic strength shows a maximum, for example, 175 to 265 Pa.
  • the product of the opening area of the first opening and the pressure in the first intermediate vacuum chamber 3 may be set within the range of 20 to 35 mm 2 ⁇ Pa.
  • the opening area ⁇ pressure is within the above range of 30 mm 2
  • a rotary pump having the ability to maintain the pressure in the first intermediate vacuum chamber 3 at 239 Pa is required.
  • the capacity of the rotary pump actually required depends on the internal volume of the first intermediate vacuum chamber 3, but in the mass spectrometer of the present embodiment, the ion path is short as described above, and the conventional general mass spectrometer is used.
  • the above pressure can be realized by using a relatively small rotary pump having an exhaust speed of about 12 m 3 /Hr.
  • a conventional general mass spectrometer requires a rotary pump having an evacuation speed of about 25 to 30 m 3 /Hr.
  • the rotary pump 18 whose pumping speed is about half or less may be used, so the rotary pump 18 can be made quite small.
  • the allowable level of the ion intensity is set to 50% or 60% of the peak intensity
  • the range of the pressure in the first intermediate vacuum chamber 3 that can realize this is considerably wide, but the rotary pump 18 is as small as possible. From the viewpoint of using a material, it is advisable to keep the pressure within a range higher than P1 and lower than P2 shown in FIG. This makes it possible to suppress the exhaust speed of the rotary pump 18 to a lower level even if the ionic strength is at the same level, which is advantageous for downsizing the rotary pump 18.
  • the virtual rod-shaped electrode forming the Q array type ion guide 12 is tapered so that it approaches the optical axis C of the ion as the ions proceed.
  • the radius of the substantially circular ion outlet region at the rearmost end of the Q array type ion guide 12 is 2.0 mm ⁇ or less.
  • the inner diameter of the circular ion passage hole 13a formed in the skimmer 13 is 0.8 mm ⁇ (opening area: 0.5 mm 2 ) and is 1.0 mm ⁇ (opening area: 0.79 mm 2 ) or less. It has a small diameter.
  • the ions trapped by the high frequency electric field can be focused on a small area on the ion optical axis C, thereby reducing the inner diameter of the ion passage hole 13a. Also, ions can be efficiently passed through the ion passage hole 13a. Further, since the inner diameter of the ion passage hole 13a is small, that is, the opening area is small, the amount of gas flowing from the first intermediate vacuum chamber 3 to the second intermediate vacuum chamber 4 can be reduced, and the second intermediate vacuum chamber can be reduced. It is possible to reduce the load on the turbo molecular pump 19 that evacuates the vacuum chamber 4 and the analysis chamber 5.
  • the ion guide arranged in the first intermediate vacuum chamber 3 is not limited to the Q array type ion guide, but may be a multipole type RF ion guide which is similarly tapered.
  • an ion funnel type ion guide in which a large number of disk-shaped electrodes having circular openings in the center are arranged along the ion optical axis C at narrow intervals and the central opening area of each electrode gradually decreases toward the outlet may be used. ..
  • an ion funnel type ion guide in which a large number of disk-shaped electrodes having circular openings in the center are arranged along the ion optical axis C at narrow intervals and the central opening area of each electrode gradually decreases toward the outlet may be used. ..
  • the distance between adjacent electrodes is very close to about 1 mm, there is a high possibility that neutral particles or ions will collide with the electrodes.
  • the mass spectrometer of the present embodiment since the area of the opening of the desolvation tube 11 corresponding to the first opening of the present invention is larger than that of the conventional small mass spectrometer, the risk of clogging of the first opening is reduced. However, there is a relatively high possibility that the ion guide located on the downstream side will be contaminated. Regarding such a risk, it can be said that, for the above-mentioned reason, it is more preferable to employ the Q array type ion guide or the multipole type RF ion guide having high durability against contamination as the ion guide of the first intermediate vacuum chamber.
  • the inner diameter of the ion passage hole 15a formed in the aperture electrode 15 is as small as 1.0 mm ⁇ (opening area: 0.79 mm 2 ).
  • the quadrupole ion guide 14 has a higher ion focusing effect than a multipole ion guide having a larger number of poles, such as an octopole ion guide.
  • the ions captured by the high-frequency electric field can be focused on a small area on the ion optical axis C, so that the ions can efficiently pass through the ion passage hole 15a even if the inner diameter of the ion passage hole 15a is reduced.
  • the inner diameter of the ion passage hole 15a is small, that is, the opening area is small, the amount of gas flowing from the second intermediate vacuum chamber 4 into the analysis chamber 5 can be reduced.
  • the load on the vacuum pump (turbo molecular pump 19) that evacuates the analysis chamber 5 can be reduced, and the pressure in the analysis chamber 5 in which the quadrupole mass filter 16 is arranged can be further reduced.
  • the ion transmittance and mass resolution of the quadrupole mass filter 16 can be improved.
  • the exhaust speed of the turbo molecular pump 19 can be suppressed to 100 L/sec or less by reducing the opening areas of the two ion passage holes 13a and 15a as described above.
  • the exhaust speed of the turbo molecular pump is about 200 to 300 L/sec.
  • the exhaust speed of the turbo molecular pump can be reduced to about half or less, so a small turbo molecular pump can be used, and when the turbo molecular pump is integrated with the main body of the device.
  • the device can be stored compactly.
  • the rotary pump 18 is connected to the first intermediate vacuum chamber 3 via the pipe 6 having a length of about 1 m. Therefore, when the mass spectrometer main body is installed on the laboratory bench, the rotary pump 18 can be housed in a space under the laboratory bench, for example, and the size of the rotary pump does not matter to the user. There are many.
  • the turbo molecular pump is directly connected to the vacuum chamber forming the analysis chamber, it is substantially integrated with the main body of the mass spectrometer and installed on the bench. This becomes a factor of increasing the volume of the device body.
  • the mass spectrometer of the present embodiment it is possible to reduce the size of the device including the rotary pump 18 and the turbo molecular pump 19 while maintaining high detection sensitivity and good maintenance.
  • the desolvation tube 11 had a constant inner diameter in the axial direction, but the desolvation tube 11 has an ion introduction opening for introducing ions from the ionization chamber 2 to the first intermediate vacuum chamber 3.
  • the first opening in the present invention is a part that restricts the amount of ions when introducing ions from the ionization chamber 2 to the first intermediate vacuum chamber 3, so the inner diameter or opening area of the first opening is You can define it like this.
  • the inner diameter or the opening area of the most advanced opening is formed. Corresponds to the inner diameter or opening area of the first opening.
  • the inner diameter or the opening area of the cross-sectional opening in the narrowed portion is the inner diameter of the first opening. Or, it corresponds to the opening area.
  • FIG. 4C when the ionization chamber and the first intermediate vacuum chamber communicate with each other through an orifice provided at the top of the sampling cone (for example, the sampling cone may have two stages). The inner diameter or opening area of the orifice corresponds to the inner diameter or opening area of the first opening.
  • the atmospheric pressure ion source uses the ESI method, but an atmospheric pressure ion source using the APCI method, the APPI method or the like may be used.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
  • Electron Tubes For Measurement (AREA)

Abstract

本発明に係る質量分析装置は、ＥＳＩ法によるイオン源を搭載したシングルタイプの四重極型質量分析装置であり、排気速度が相対的に小さい真空ポンプを備えた小形の装置である。イオンをイオン化室（２）から第１中間真空室（３）に導入するための脱溶媒管（１１）の内径を、小型質量分析装置としては大きな０．４mmφとし、脱溶媒管（１１）の断面開口の面積と第１中間真空室（３）内の圧力との積が１５～４０mm2・Pa の範囲内となるようにロータリーポンプ（１８）の排気速度を決める。これにより、高い検出感度を確保するとともに液滴による脱溶媒管（１１）の詰まりを軽減できる。また、第１中間真空室（３）内の圧力も必要以上に高くせずに済むため、ロータリーポンプ（１８）として排気速度が小さな、小形のものを用いることができる。

Description

質量分析装置
　本発明は質量分析装置に関し、さらに詳しくは、イオン源が大気圧イオン源であり、質量分離器が四重極マスフィルタである質量分析装置に関する。本発明に係る質量分析装置は特に、液体クロマトグラフ（ＬＣ）のカラムの出口に質量分析装置を接続した液体クロマトグラフ質量分析装置（ＬＣ－ＭＳ）に好適である。
　液体クロマトグラフ（ＬＣ）の検出器として用いられる質量分析装置は、液体試料中の成分をイオン化するために、通常、エレクトロスプレーイオン化（ＥＳＩ）法、大気圧化学イオン化（ＡＰＣＩ）法、大気圧光イオン化（ＡＰＰＩ）法などのイオン化法による大気圧イオン源を備える。こうした質量分析装置では、大気圧雰囲気の下で生成したイオンを、四重極マスフィルタ等の質量分離器が配置されている分析室まで輸送する必要があり、該分析室内を高真空雰囲気に保つために、イオン化室と分析室との間に複数の中間真空室が設けられた多段差動排気系の構成が採られる。このような質量分析装置では、圧力が相違する複数の区画が直列的に接続される構成であるため、イオン源からイオン検出器に至るまでのイオンが通過するイオン経路が長くなり、装置のサイズが大きくなる傾向にある。
　近年、特にＬＣ－ＭＳにおいて質量分析装置の小形化が強く求められている。これは、ＬＣ－ＭＳシステムでは、フォトダイオードアレイ（ＰＤＡ）検出器など、他の方式によるＬＣ用検出器に代えて質量分析装置が用いられることも多く、ＰＤＡ検出器などの他の検出器ユニットとＬＣ用検出器としての質量分析装置のユニットとのサイズが揃っている或いは同じ程度であるほうが、システムの設置スペースの関係上等、都合がよいためである。こうしたことから、ＬＣ－ＭＳに用いられる質量分析装置、特に、シングルタイプの四重極型質量分析装置では、従来の一般的な四重極型質量分析装置に比べてかなり小形化された装置が開発されている（非特許文献１参照）。
　大気圧イオン化四重極型質量分析装置を小形化するうえで重要なのは、イオン源からイオン検出器までの間のイオン経路を短縮することのほか、中間真空室や分析室を真空排気する真空ポンプを小形化することである。一般的に、質量分析装置の小形化は、質量分析装置を構成するいくつかの要素をそれぞれ小形化し、それに応じて印加電圧などの制御パラメータを適宜変更することで実現されている。例えば特許文献１、２等に記載の質量分析装置では、大気圧雰囲気であるイオン化室から次段の第１中間真空室へイオンを取り込むための開口（大気圧オリフィス）からイオン検出器のイオン入射面までのイオン経路の長さが４００mm以下、大気圧オリフィスの内径は０．３mmφ以下に定められている。また、各中間真空室や分析室の内容積もそれぞれ適宜に定められている。このように大気圧オリフィスの内径を小さくすることでイオン化室から第１中間真空室へと流入する空気の量を少なくすることができ、しかも第１中間真空室の容積自体も従来の質量分析装置に比べて少ないので、第１中間真空室内を真空排気する真空ポンプ（ロータリーポンプ）の排気速度を落とすことができ、小型のロータリーポンプの利用が可能となる。実際に、上記特許文献１、２に記載の装置では、従来一般的な質量分析装置で用いられているロータリーポンプの排気速度の半分以下である、排気速度が１０m3/Hr以下の小型のロータリーポンプが使用されている。
米国特許出願公開第２０１６／００９３４８０号明細書 米国特許出願公開第２０１６／０１１１２６６号明細書
「ACQUITY QDa検出器－質量分析（MS）検出器」、［online］、日本ウォーターズ株式会社、［2018年8月8日検索］、インターネット＜URL: http://www.waters.com/waters/ja_JP/ACQUITY-QDa-Mass-Detector-for-Chromatographic-Analysis/nav.htm?locale=ja_JP&cid=134761404＞
　しかしながら、特許文献１、２等に開示されている従来の小型質量分析装置では次のような問題がある。
　イオン化室から第１中間真空室へとイオンを取り込むイオン導入開口（大気圧オリフィス）を小径にすると、上述したようにロータリーポンプの能力を下げることができる反面、イオン化室から第１中間真空室へイオンが導入されにくくなったり途中でイオンが消失したりする可能性が高くなる。そのため、分析に供されるイオンの量が減少し、検出感度の低下に繋がるおそれがある。また、大気圧イオン源では微小な試料液滴もイオン導入開口を通過しようとするが、イオン導入開口が小径であるほど詰まり易く、それによってイオンが一層通過しにくくなって検出感度が低下したり検出出力が不安定化したりする。また、イオン導入開口の詰まりを解消するために洗浄等のメンテナンスの頻度を上げる必要が生じ、装置のメンテナンスのコストが増加するのみならず、装置を使用できない期間が長くなるという問題もある。
　即ち、従来の小型質量分析装置は、検出感度やメンテナンス性などを或る程度犠牲にしつつ、小型化を図ったものである、ということができる。
　本発明はこうした課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、従来の一般的なサイズの質量分析装置並みの又はそれに近い性能やメンテナンス性を維持しつつ、真空ポンプを含めた装置のサイズや設置面積を小さくすることができる小型の質量分析装置を提供することにある。
　上記課題を解決するために想到し得る最も簡単な方法は、例えば特許文献１、２等に記載のような小形化された質量分析装置において、イオン化室から第１中間真空室へイオンを取り込むイオン導入開口の面積を広げることである。もちろん、イオン導入開口の面積を広げることでガスの流入量も増加するため、第１中間真空室内の圧力をイオン導入開口の面積が小さいときと同じに保つには、ロータリーポンプの排気速度を上げる必要がある。ところが、本発明者の実験によれば、第１中間真空室内の圧力をほぼ維持した状態でイオン導入開口の面積を広げても、イオン検出器で検出されるイオン強度は却って下がってしまい逆効果であることが判明した。
　そこで、本発明者は実験を繰り返し、イオン強度がどのような条件で高くなるのかを調べた。その結果、イオン導入開口の面積が大きい場合には小さい場合に比べて、第１中間真空室内の圧力を低くしたほうがイオン強度が高くなることを見いだし、イオン導入開口の開口面積と第１中間真空室内の圧力との積が所定の範囲に収まるようにすることにより、様々な開口面積のイオン導入開口に対してイオン強度を最大又はそれに近い状態にできる、との知見を得た。また、そうした条件に従って決められた圧力（真空度）を維持するための真空ポンプの能力（排気速度）が、従来の一般的な質量分析装置で用いられている真空ポンプに比べて十分に低いもので済むことも確認した。本発明者はこうした知見と検証とに基づいて本発明をするに至った。
　即ち、上記課題を解決するために成された本発明の第１態様による質量分析装置は、
　液体試料中の成分をイオン化する大気圧イオン源と、
　前記大気圧イオン源の次段に配置され、第１真空ポンプにより真空排気される第１中間真空室と、
　前記第１中間真空室の内部に配設され、高周波電場の作用でイオンを収束しつつ輸送するイオンガイドと、
　前記大気圧イオン源で生成されたイオンを前記第１中間真空室に導入するための第１開口部と、
　前記第１中間真空室のさらに後段に配置され、第２真空ポンプにより又は該第２真空ポンプと前記第１真空ポンプの両方により真空排気される高真空の分析室と、
　前記分析室の内部に配設され、イオンを質量電荷比に応じて分離する質量分離器と、
　前記分析室の内部に配設され、前記質量分離器で分離されたイオンを検出するイオン検出器と、
　を備え、
　前記第１開口部の開口面積は０．０７１mm2以上であり、該第１開口部の開口面積と前記第１中間真空室内の圧力との積は１５～４０mm2・Paの範囲内であり、且つ、前記第１真空ポンプの排気速度は１５m3/Hr以下である、ことを特徴としている。
　また、第１中間真空室内の圧力はイオン検出器で検出されるイオン強度ができるだけ高くなるように設定されるのが一般的であるが、上述したように第１中間真空室内を真空排気する真空ポンプの能力を抑えて小形化を図りたい場合には、イオン強度がその最大値よりも多少下がることを許容しても、つまりはイオン強度が許容可能な閾値以上である範囲内であれば第１中間真空室内の圧力を高い状態とすることが望ましい。
　そこでこうした観点に基づき、上記課題を解決するために成された本発明の第２態様による質量分析装置は、
　液体試料中の成分をイオン化する大気圧イオン源と、
　前記大気圧イオン源の次段に配置され、第１真空ポンプにより真空排気される第１中間真空室と、
　前記第１中間真空室の内部に配設され、高周波電場の作用でイオンを収束しつつ輸送するイオンガイドと、
　前記大気圧イオン源で生成されたイオンを前記第１中間真空室に導入するための第１開口部と、
　前記第１中間真空室のさらに後段に配置され、第２真空ポンプにより又は該第２真空ポンプと前記第１真空ポンプの両方により真空排気される高真空の分析室と、
　前記分析室の内部に配設され、イオンを質量電荷比に応じて分離する質量分離器と、
　前記分析室の内部に配設され、前記質量分離器で分離されたイオンを検出するイオン検出器と、
　を備え、前記第１開口部の開口面積は０．０７１mm2以上であり、
　前記第１中間真空室内の圧力は、該圧力の変化と前記イオン検出器でのイオン強度との関係においてイオン強度が極大となるときの圧力よりも高く、且つ、そのイオン強度が前記極大である値の５０％以上であるような圧力に設定されていることを特徴としている。
　本発明において、典型的には、初段の真空領域を形成するための第１真空ポンプはロータリーポンプであり、それ以降の真空領域を形成するための第２真空ポンプは、真空排気による到達圧力がより低いターボ分子ポンプである。
　一般にロータリーポンプはホース等の配管を介して質量分析装置本体に接続されるため、ロータリーポンプ本体は質量分析装置本体が設置されるスペースから離れた位置に設置されることが多い。一方、ターボ分子ポンプは質量分析装置本体に直接接続され該装置本体と一体化されるため、ターボ分子ポンプのサイズが大きいと、質量分析装置を設置するために広いスペースを占有することになる。そのため、質量分析装置を設置するスペースを低減するためには、ターボ分子ポンプのサイズをできるだけ抑えることが望ましい。
　こうした観点に基づき、上記課題を解決するために成された本発明の第３態様による質量分析装置は、
　液体試料中の成分をイオン化する大気圧イオン源と、
　前記大気圧イオン源の次段に配置され、配管を介して第１真空ポンプにより真空排気される第１中間真空室と、
　前記第１中間真空室の次段に配置され、ターボ分子ポンプの第１ポートを介して該ターボ分子ポンプにより真空排気される第２中間真空室と、
　前記第２中間真空室のさらに後段に配置され、前記ターボ分子ポンプの第２ポートを介して該ターボ分子ポンプにより真空排気される分析室と、
　前記分析室の内部に配設され、イオンを質量電荷比に応じて分離する質量分離器と、
　前記分析室の内部に配設され、前記質量分離器で分離されたイオンを検出するイオン検出器と、
　前記大気圧イオン源で生成されたイオンを前記第１中間真空室に導入するための第１開口部と、
　前記第１中間真空室を通過したイオンを前記第２中間真空室に導入するための第２開口部と、
　前記第２中間真空室を通過したイオンを前記分析室に導入するための第３開口部と、
　を備え、前記第１開口部の開口面積は０．１２５mm2以上であり、前記第２開口部の開口面積は０．８mm2以下であり、前記第３開口部の開口面積は０．８mm2以下であり、且つ、前記ターボ分子ポンプの排気速度は１００L/sec以下であることを特徴としている。
　本発明における大気圧イオン源は、例えば、エレクトロスプレーイオン化法、大気圧化学イオン化法、大気圧光イオン化法などのイオン化法を用いたイオン源である。
　また本発明における第１開口部は、脱溶媒管や加熱キャピラリなどと呼ばれる細管の開口、或いは、略円錐形状であるサンプリングコーンの頂部に形成されたオリフィスである。第１開口部が細管の開口である場合、第１開口部の開口面積とはその細管の長手方向の開口断面の中で最も断面積が小さい部分の面積（つまりはイオンが通過する際に最も狭い部分の面積）である。ただし、細管の長手方向の断面積が等しい場合には、イオン化室側の開口である。
　本発明の第１、第２の態様において、第１中間真空室と分析室との間には、通常、一つ又は二つの中間真空室が設けられ、本発明の第３の態様において、第１中間真空室と分析室との間には、通常、二つ以上の中間真空室が設けられる。そして、それら中間真空室内には、第１中間真空室内と同様に、高周波電場の作用によりイオンを収束させつつ輸送するイオンガイドが配設される。
　本発明において第１開口部の開口形状が円形である場合、その開口の径は上述した従来の小型質量分析装置におけるイオン導入開口の径（最大０．３mmφ）に比べて大きい。一方で、小型質量分析装置としては、第１開口部の開口面積が比較的大きい条件の下でも高いイオン強度が得られるように、第１中間真空室内の圧力が適切に設定される。本発明において、例えば円形状である第１開口部の径が０．４mmφ（開口面積：０．１２６mm2）であり、第１開口部の開口面積と第１中間真空室内の圧力との積が３０mm2・Paである場合、第１中間真空室内の圧力を２３９Paに保つことができるような能力の第１真空ポンプを用いればよい。その第１真空ポンプの能力は第１中間真空室の容積にも依存するが、例えば第１開口部からイオン検出器のイオン入射面までのイオン経路の長さを４００mm以下とするように中間真空室や分析室のサイズなどが決められている質量分析装置では、排気速度が１２m3/Hr程度である小形のロータリーポンプを用いれば十分である。
　本発明の第１の態様による質量分析装置では、イオン化室から第１中間真空室へとイオンを導入する第１開口部の面積を比較的大きくして、イオン検出器でのイオン強度が高い状態を確保しつつ、第１中間真空室を真空排気する真空ポンプの能力を抑えて小形化することができる。
　また本発明の第２の態様による質量分析装置では、イオン化室から第１中間真空室へとイオンを導入する第１開口部の面積を比較的大きくし、イオン強度が或る程度以上確保できる条件の下で、真空ポンプの排気性能をできるだけ低いものとすることができる。それによって、質量分析装置として十分な性能を確保しつつ、真空ポンプを含めた質量分析装置の小形化を実現することができる。
　もちろん、第１開口部の開口面積が大きいほうが該開口部を通して第１中間真空室へイオンは入り易くなり、導入効率は高くなる。また、液体試料が付着して詰まるリスクも下がる。本発明の第３の態様による質量分析装置では、イオン化室から第１中間真空室へとイオンを導入する第１開口部の面積をさらに大きくしているので、第１中間真空室へのイオンの導入効率を高め、メンテナンス性も向上させることができる。一方で、その後段に位置する第２開口部及び第３開口部の開口面積は小さくしているので、第２中間真空室以降への無駄なガス流入を抑えることができる。そのため、本発明の第３の態様による質量分析装置では、イオン検出器での検出感度が高い状態を確保しつつ、分析室を真空排気するターボ分子ポンプの能力を抑えて小形化することができる。
　もちろん、本発明の第１、第２の態様においても、前記第１開口部の開口面積は０．１２５mm2以上とすることが好ましい。
　一方、第１開口部の開口面積を大きくするほど第１中間真空室内の圧力を低くする必要があり、第１真空ポンプや第２真空ポンプとして排気速度が大きいものが必要になる。第１開口部の開口径の上限は最大でも従来の一般的な質量分析装置で用いられている０．８～１．０mmφ（開口面積：０．５～０．７９mm2）であるが、実際には第１真空ポンプや第２真空ポンプの排気速度によりさらに小さい値に制約され得る。
　また本発明において、前記イオンガイドは、イオン光軸を囲むように配置された複数の電極によりイオンが進行するイオン通過空間を形成するものであり、該イオン通過空間におけるイオン光軸と直交する断面の面積はイオンが進行するに従って小さくなっており、前記第１中間真空室から次段へイオンを送り出す第２開口部の開口面積は０．８mm2以下であることが好ましい。
　イオンガイドのイオン通過空間の形状を上記のようにすることで、空間電荷効果のために拡がろうとするイオンを良好に収束させ、小径の第２開口部を通して次段の第２中間真空室へ効率良く送ることができる。一方で、第２開口部の開口面積を０．８mm2以下にすることで、第１中間真空室から次段の第２中間真空室へ流入するガスの量を少なくし、第２中間真空室内を真空排気する第２真空ポンプ（又は第１真空ポンプと第２真空ポンプの両方）の負荷を軽減することができる。その結果、第２真空ポンプを小形化することができる。
　具体的に例えば、上記イオンガイドは、イオン光軸を囲むように配置された複数のロッド状電極、又はその１本がイオン光軸の延伸方向に複数に分離された電極から成る複数の仮想ロッド状電極である構成とすることができる。或いは、上記イオンガイドとして、中央に円形状の開口を有する円盤状電極をイオン光軸の延伸方向に多数並べた構造のイオンファンネルを用いることもできる。
　また本発明の第３の態様と同様に、第１、第２の態様において、前記第１中間真空室と前記分析室との間に第２中間真空室が設けられ、該第２中間真空室の内部には、高周波電場の作用でイオンを収束させつつ輸送する多重極型のイオンガイドが配置されており、該第２中間真空室と前記分析室との間の第３開口部の開口面積は０．８mm2以下である構成としてもよい。
　上記多重極型イオンガイドとしては、イオンの収束効果の高い四重極型イオンガイドを用いるとよい。これにより、第２中間真空室内でもイオンを良好に収束させ、小径の第３開口部を通して次段の例えば分析室へ効率良く送ることができる。一方で、第３開口部の開口面積を０．８mm2以下にすることで、第２中間真空室から次段の分析室へ流入するガスの量を少なくし、分析室内を真空排気する第２真空ポンプ（又は第１真空ポンプと第２真空ポンプの両方）の負荷を軽減することができる。その結果、第２真空ポンプを小形化することができる。
　本発明に係る質量分析装置によれば、従来の小型質量分析装置に比べて、大気圧イオン源から第１中間真空室へイオンを導入するイオン導入開口の面積を大きくし、十分に高いイオン強度を確保するとともに高いメンテナンス性を維持しながら、装置の小形化を図ることができる。それにより、装置を設置する際の省スペース化を図ることができる。その結果、例えば本発明に係る質量分析装置をＬＣ－ＭＳの検出器として用いる場合に、他の方式の検出器と本発明に係る質量分析装置による検出器とを容易に置き換えることが可能となる。
本発明の一実施例である質量分析装置の概略構成図。 脱溶媒管（イオン導入開口）の内径が異なるときの、第１中間真空室内の圧力とイオン検出器で検出されるイオン強度との関係の実測結果を示すグラフ。 第１中間真空室内の圧力とイオン強度との関係において、本実施例の質量分析装置で設定される第１中間真空室内の圧力の範囲を示す図。 イオン化室と第１中間真空室を隔てる開口部の他の例を示す図。
　以下、本発明の一実施例である質量分析装置について、添付図面を参照して説明する。
　図１は本実施例の質量分析装置のイオン経路を中心とする概略構成図である。なお、当然のことながら、図１は概略構成図であるので、図中の各構成要素の大きさや異なる構成要素間の間隔、距離などは必ずしも実際の装置を反映したものではない。
　本実施例の質量分析装置は、チャンバ１の内部に、略大気圧雰囲気の下で液体試料中の成分（化合物）をイオン化するためのイオン化室２と、試料成分由来のイオンを質量分離して検出するための、高真空雰囲気に維持される分析室５とを有し、イオン化室２と分析室５との間に、段階的に真空度が高まる、第１中間真空室３及び第２中間真空室４を有する。第１中間真空室３は長さが約１ｍのポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）ホース等である配管６を介してロータリーポンプ（ＲＰ）１８に接続され、該ロータリーポンプ１８により真空排気される。一方、第２中間真空室４及び分析室５はそれぞれターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）１９の第１ポート７及び第２ポート８に直接接続されており、上記ロータリーポンプ１８とターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）１９の両方により真空排気される。即ち、この質量分析装置は多段差動排気系の構成となっており、それにより最終段である分析室５内が高い真空度に保たれる。
　イオン化室２内には、液体試料を静電噴霧することで該試料中の成分をイオン化するエレクトロスプレイイオン化（ＥＳＩ）プローブ１０が配設されている。イオン化室２と第１中間真空室３とは、適度な温度に加熱されるキャピラリ管である脱溶媒管１１を通して連通している。ここでは、ＥＳＩプローブ１０による液滴の噴霧方向と脱溶媒管１１によるイオンの吸込み方向とが略直交する関係になっているが、これは必ずしも直交していなくても構わない。
　第１中間真空室３内には、高周波電場の作用によりイオンを収束しつつ輸送するＱアレイ型イオンガイド１２が配設されている。このＱアレイ型イオンガイド１２は、イオン光軸Ｃを囲むように４本の仮想的なロッド状電極が配置された構成であり、１本の仮想的なロッド状電極はイオン光軸Ｃの延伸方向に複数に分割された電極から成る。また、Ｑアレイ型イオンガイド１２にあって仮想的なロッド状電極で囲まれる空間はイオン進行方向に徐々に狭くなっている。
　第１中間真空室３と第２中間真空室４との間は、略円錐状であるスキマー１３の頂部に形成された微小なイオン通過孔（オリフィス）１３ａを通して連通している。第２中間真空室４内には、高周波電場の作用によりイオンを収束しつつ輸送する四重極型イオンガイド１４が配設されている。この四重極型イオンガイド１４は、イオン光軸を囲むように該イオン光軸に平行に配置された四本のロッド電極から成る。第２中間真空室４と分析室５との間は、平板状であるアパーチャ電極１５に形成された微小なイオン通過孔１５ａを通して連通している。
　分析室５内には、質量分離器としての四重極マスフィルタ１６、及びイオン検出器１７が配設されている。四重極マスフィルタ１６は、イオン光軸Ｃに平行に延伸する四本のロッド電極をイオン光軸Ｃの周りに配置した構成である。また、イオン進行方向に沿って四重極マスフィルタ１６の手前には、該四重極マスフィルタ１６を構成するロッド電極よりも短い４本のロッド電極から成るプレフィルタが配置されている。イオン検出器１７は例えば、コンバージョンダイノードと二次電子増倍管とから成るものである。
　イオン光軸Ｃに沿って配列されている脱溶媒管１１、Ｑアレイ型イオンガイド１２、スキマー１３、四重極型イオンガイド１４、アパーチャ電極１５、四重極マスフィルタ１６、イオン検出器１７にはそれぞれ、図示しない電源から直流電圧、又は高周波電圧と直流電圧とが加算された電圧が印加される。また、ＥＳＩプローブ１０にも所定の直流電圧が印加される。
　本実施例の質量分析装置における一般的な分析動作を簡単に説明する。
　例えば図示しないＬＣのカラムから溶出した液体試料がＥＳＩプローブ１０に導入されると、該プローブ１０の先端で液体試料に電荷が付与され、微小な帯電液滴としてイオン化室２内に噴霧される。イオン化室２内において、帯電液滴は周囲の空気に接触して微細化されつつ液滴中の溶媒は蒸発する。その過程で液滴中の試料成分は電荷を以て飛び出し、試料成分由来のイオンが発生する。脱溶媒管１１の入口端と出口端との間には圧力差があるため、脱溶媒管１１中には、イオン化室２側から第１中間真空室３へと流れるガス流が形成されている。そのため、上述したようにイオン化室２内で生成されたイオンは脱溶媒管１１に吸い込まれ、第１中間真空室３内へと送られる。このとき、微細な帯電液滴の一部も脱溶媒管１１に吸い込まれるが、脱溶媒管１１は適度に加熱されているため、帯電液滴が脱溶媒管１１中を通過する間にも溶媒の蒸発が促進され、イオンの生成が進行する。
　ガス流に乗って第１中間真空室３に入ったイオンは残留ガスに接触することで適度にクーリングされ、Ｑアレイ型イオンガイド１２により形成されている高周波電場により捕捉されつつ進行する。このイオンはスキマー１３頂部のイオン通過孔１３ａ付近に収束され、イオン通過孔１３ａを通して第２中間真空室４へと送られる。第２中間真空室４へ入ったイオンは四重極型イオンガイド１４により形成されている高周波電場により捕捉されてイオン光軸Ｃ付近に収束されつつ進行する。そして、イオンはアパーチャ電極１５に形成されたイオン通過孔１５ａを通して分析室５へと送られる。
　分析室５においてイオンはプレフィルタを通して四重極マスフィルタ１６へと導入される。プレフィルタは四重極マスフィルタ１６のロッド電極の前縁端付近に形成される電場の乱れを補正するものであり、これによりイオンは円滑に且つ効率良く四重極マスフィルタ１６に導入される。四重極マスフィルタ１６の各ロッド電極には、直流電圧に高周波電圧を重畳した電圧が印加されており、それら電圧に応じた特定の質量電荷比を有するイオンのみが四重極マスフィルタ１６を通り抜けてイオン検出器１７に到達する。イオン検出器１７は到達したイオンの量に応じた大きさのイオン強度信号を生成し、この信号を図示しないデータ処理部へと送る。
　四重極マスフィルタ１６の各ロッド電極に印加する直流電圧と高周波電圧とを所定の関係を保ちつつ変化させることで、四重極マスフィルタ１６を通り抜け得るイオンの質量電荷比が変化する。これにより、所定の質量電荷比範囲に亘る質量電荷比走査を行い、その質量電荷比範囲に亘るイオン強度信号の変化を示すマススペクトル（プロファイルスペクトル）を得ることができる。
　次に、本実施例の質量分析装置の特徴的な構成について説明する。本実施例の質量分析装置は従来の一般的な四重極型質量分析装置に比べて小形であり、十分な性能を確保しつつ小形化を実現するために様々な工夫がなされている。
　上述したように、イオン化室２内で生成された試料成分由来である測定対象のイオンは、脱溶媒管１１から各構成要素を経て最終的にイオン検出器１７に到達する。したがって、装置を小型化するためには、脱溶媒管１１にあってイオン化室２に向いた開口（つまりはイオン入口開口）からイオン検出器１７のイオン入射面までの間の直線状の空間であるイオン経路Ｌ1の長さをできるだけ短くする必要がある。そのためには、Ｑアレイ型イオンガイド１２、四重極型イオンガイド１４、及び、四重極マスフィルタ１６長さを短縮する必要がある。ただし、一般的な四重極型質量分析装置では、四重極マスフィルタ１６のロッド電極の長さが２００mm以上であるのに対し、その上流側に位置するイオンガイドであるＱアレイ型イオンガイド１２や四重極型イオンガイド１４の長さは１００mm以下であり、もともと相対的に短い。そのため、Ｑアレイ型イオンガイド１２や四重極型イオンガイド１４の長さをさらに短くしたとしても装置の小型化に対する効果が小さいうえに、許容できない装置感度の低下につながるおそれもある。そこで、本実施例の質量分析装置では、イオン経路Ｌ1を形成する各部品の長さを可能な限り短くするとともに、特にイオン経路Ｌ1の長さに占める割合が相対的に大きい四重極マスフィルタ１６のロッド電極の長さＬ2を一般的な四重極型質量分析装置に比べて大幅に短くしている。
　具体的には、四重極マスフィルタ１６のロッド電極の長さＬ2は従来の一般的な四重極型質量分析装置では２００mm以上であるが、イオン経路の長さＬ1を４００mm以下にする場合、ロッド電極の長さＬ2は１５０mm以下、より好ましくは１２０mm以下とするとよい。本実施例の質量分析装置では、ロッド電極の長さＬ2を１００mmとしている。四重極マスフィルタ１６に導入されたイオンは四本のロッド電極で囲まれる空間を通過する間に高周波電場の作用により径方向に振動しつつ進行するが、質量分離性能はその振動回数に依存する。そのため、ロッド電極が短くなることでイオンの振動回数が減ると質量分離性能が下がる。これに対し、本実施例の質量分析装置では、ロッド電極に印加する電圧、具体的には四重極マスフィルタ１６を構成する４本のロッド電極に共通に印加される直流バイアス電圧を適切に調整することで、イオンの振動回数を従来装置と同程度に保ち、十分な質量分離性能を維持するようにしている。
　また、本実施例の質量分析装置では、脱溶媒管１１の断面開口形状は円形であり、その内径ｄはイオン通過方向の位置に依らず一定で０．４mmφである。つまり、本発明における第１開口部の内径ｄは０．４mmφであり、その開口面積は０．１２６mm2である。これは、特許文献１、２等に開示されている従来の小型質量分析装置における大気圧オリフィスの内径よりも大きい。
　イオン化室２内で生成された試料成分由来のイオンは高周波電場により収束されて脱溶媒管１１に取り込まれるのではなく、上述したように圧力差により形成されるガス流によって脱溶媒管１１に取り込まれる。ここで、脱溶媒管１１から流入するガスの流量は、脱溶媒管１１が円形状の開口を有する場合、その開口の半径の４乗に比例することが知られている。そのため、内径の僅かな差異がガス流量の大きな差異として現れる。例えば、脱溶媒管１１の開口の内径が０．４mmφである場合には、その内径が０．３mmφである場合に比べてガスの流量は約３倍になる。ガス流量の増加はイオン導入量の増加につながる。したがって、脱溶媒管１１の内径（つまりは第１開口部の内径）ｄ又はその開口面積はイオン化室２から第１中間真空室３へのイオンの導入効率を左右し、イオン導入量を増やすには内径ｄが大きいほうがよい。また、内径ｄが大きいほうが、試料液滴が詰まりにくくメンテナンス性も高い。ただし、内径ｄを大きくするとイオン化室２から第１中間真空室３へのガス流入量も増加するため、第１中間真空室３内の圧力を内径ｄが小さい場合と同程度にするには、ロータリーポンプ１８の能力を高める必要がある。
　一方で、上述したように第１中間真空室３内では残留ガスによるイオンのクーリング作用を利用してイオンを高周波電場に捕捉しているので、イオンの通過効率のうえで圧力は低いほどよいというわけではない。そこで、本発明者は、脱溶媒管１１の内径が０．４mmφである場合と０．３mmφである場合との二つのケースについて、第１中間真空室内の圧力とイオン検出器で検出されるイオン強度との関係を実験的に調べた。図２は、第１中間真空室内の圧力を変化させたときのイオン強度の変化の実測結果を示すグラフである。
　図２から、いずれの内径ｄでも圧力とイオン強度との関係は上に凸であるピーク状になるが、内径ｄが大きいほうがイオン強度のピークが現れる圧力範囲が低い（つまりは真空度が高い）ことが分かる。即ち、脱溶媒管１１の内径が小さいほうが大きいほうに比べて最適な圧力が高い。この結果から、第１開口部の内径つまりはその開口面積と第１中間真空室内の圧力との積が所定の範囲に収まるようにその圧力を設定することで、第１開口部の内径に依らず十分なイオン強度が得られるようにできると結論付けることができる。
　具体的には、図２の結果によれば、脱溶媒管１１の内径ｄが０．４mmφであるとき、第１中間真空室３内の圧力を１５５Pa～２９０Paの範囲内に設定すれば、所望のレベルのイオン強度（ここではピーク強度の６０％以上の強度）を得ることができる。この場合、開口面積×圧力は１９．５～３６．４mm2・Paの範囲となる。一方、脱溶媒管１１の内径ｄが０．３mmφであるときには、第１中間真空室３内の圧力を２３５Pa～４５５Paの範囲内に設定すれば、所望のレベルのイオン強度を得ることができる。この場合、開口面積×圧力は１６．６～３２．１mm2・Paの範囲となる。実際にはピーク強度の半分程度以上のレベルのイオン強度が得られれば許容できるから、従来の小型質量分析装置で用いられている第１開口部の開口面積よりも開口面積を大きくしたい場合でも、その開口面積と第１中間真空室内の圧力との積が１５～４０mm2・Pa程度の範囲に収まるようにすればよい。
　ただし、部品交換を伴うメンテナンスによって脱溶媒管１１の内径が変化した場合や、電源電圧の変動によりロータリーポンプの排気速度が変化した場合には、第１中間真空室３内の圧力が変化し、イオン強度が変化してしまうことがある。したがって、第１開口部の開口面積と第１中間真空室３内の圧力との積は、圧力変化時のイオン強度変化が小さくなるように設定することがが望ましい。図２の結果によると、脱溶媒管１１の内径ｄが０．４mmφであるとき、第１中間真空室３内の圧力をイオン強度が極大を示す２１５Paの周辺の圧力範囲内、例えば１７５～２６５Paの範囲内に設定すれば、他の圧力範囲に設定した場合に比べて高いイオン強度を達成しつつ、圧力変化時のイオン強度変化を低減することができる。この場合、第１開口部の開口面積と第１中間真空室３内の圧力との積が２０～３５mm2・Paの範囲に収まるようにすればよい。
　いま、従来の小型質量分析装置で用いられているものに比べて開口面積が大きい、内径が０．４mmφである脱溶媒管１１を用いたうえで開口面積×圧力を上記範囲内である３０mm2・Paに収める場合を想定すると、第１中間真空室３内の圧力を２３９Paに維持できるような能力のロータリーポンプが必要である。実際に必要とされるロータリーポンプの能力は第１中間真空室３の内容積にも依存するが、本実施例の質量分析装置では上述したようにイオン経路は短く、従来の一般的な質量分析装置に比べて第１中間真空室３の内容積も小さいので、排気速度が１２m3/Hr程度である比較的小形なロータリーポンプを使用することで上記圧力を実現することができる。従来の一般的な質量分析装置では、排気速度が２５～３０m3/Hr程度以上のロータリーポンプが必要である。これに対し、本実施例の質量分析装置では排気速度がその半分程度以下のロータリーポンプ１８を用いればよいので、ロータリーポンプ１８はかなり小形で済む。
　また、例えばイオン強度の許容レベルをピーク強度の５０％或いは６０％に設定した場合、これを実現し得る第１中間真空室３内の圧力の範囲はかなり広いが、ロータリーポンプ１８としてできるだけ小形のものを使用するという観点からは、圧力を図３に示したＰ1よりも高くＰ2以下である範囲に収めるようにするとよい。これにより、イオン強度は同じレベルであってもロータリーポンプ１８の排気速度をより低く抑えることができるので、ロータリーポンプ１８の小形化には有利である。
　また本実施例の質量分析装置において、Ｑアレイ型イオンガイド１２を構成する仮想的なロッド状電極はイオンが進行するに従いイオン光軸Ｃに近づくようにテーパ状になっている。そして、そのＱアレイ型イオンガイド１２の最後端における略円形状のイオン出口領域の半径は２．０mmφ以下となっている。一方、スキマー１３に形成されている円形状であるイオン通過孔１３ａの内径は０．８mmφ（開口面積：０．５mm2）であり、１．０mmφ（開口面積：０．７９mm2）以下のごく小径である。Ｑアレイ型イオンガイド１２を上述した構造とすることで、高周波電場により捕捉したイオンをイオン光軸Ｃ上の小さな領域に収束させることができ、それによって、イオン通過孔１３ａの内径を小さくしてもイオンを効率良く該イオン通過孔１３ａに通過させることができる。また、イオン通過孔１３ａの内径が小さいつまりは開口面積が小さいことで、第１中間真空室３から第２中間真空室４へのガスの流入量を少なくすることができ、第２中間真空室４及び分析室５を真空排気するターボ分子ポンプ１９の負荷を低減することができる。
　ここで、第１中間真空室３内に配置されるイオンガイドは、Ｑアレイ型イオンガイドに限らず、同様にテーパ状になっている多重極型ＲＦイオンガイドでもよい。或いは、中心に円形開口を有する円盤状電極をイオン光軸Ｃに沿って狭い間隔で多数並べ、各電極の中央の開口面積を出口に向かうに伴い徐々に小さくしたイオンファンネル型のイオンガイドでもよい。ただし、こうしたイオンファンネル型の構造の場合、隣接電極間の距離が１mm程度と非常に近接しているため、中性粒子やイオンが電極に衝突する可能性が高くなる。一方、Ｑアレイ型やロッド電極を用いた多重極型ＲＦイオンガイドの場合には、隣接する電極間の距離が相対的に大きいため、中性粒子やイオンが電極に衝突する可能性が低い。そのため、耐久性の点で、イオンファンネル型イオンガイドよりも有利である。
　本実施例の質量分析装置では、本発明における第１開口部に相当する脱溶媒管１１の開口の面積が従来の小型質量分析装置よりも大きいため、この第１開口部が詰まるというリスクを低減することができるものの、その下流側にあるイオンガイドが汚染される可能性は相対的に高くなる。そうしたリスクに関しては上記の理由で、汚染に対する耐久性が高いＱアレイ型イオンガイド又は多重極型ＲＦイオンガイドを第１中間真空室のイオンガイドとして採用する構成がより好ましいということができる。
　また本実施例の質量分析装置において、アパーチャ電極１５に形成されているイオン通過孔１５ａの内径も１．０mmφ（開口面積：０．７９mm2）以下の小径である。四重極型イオンガイド１４は例えば八重極型などの、より極数の多い多重極型イオンガイドに比べてイオンの収束効果が高い。それにより、高周波電場により捕捉したイオンをイオン光軸Ｃ上の小さな領域に収束させることができ、それによって、イオン通過孔１５ａの内径を小さくしてもイオンを効率良く該イオン通過孔１５ａに通過させることができる。また、イオン通過孔１５ａの内径が小さいつまりは開口面積が小さいことで、第２中間真空室４から分析室５へのガスの流入量を少なくすることができる。それによって、分析室５を真空排気する真空ポンプ（ターボ分子ポンプ１９）の負荷を低減することができるうえに、四重極マスフィルタ１６が配置される分析室５内の圧力をより低くできる。その結果、四重極マスフィルタ１６におけるイオンの透過率及び質量分解能を向上させることができる。
　具体的には、二つのイオン通過孔１３ａ、１５ａの開口面積をそれぞれ上記のように小さくすることで、ターボ分子ポンプ１９の排気速度を１００L/sec以下に抑えることができる。従来の一般的な質量分析装置では、ターボ分子ポンプの排気速度は２００～３００L/sec程度である。これに対し、本実施例の質量分析装置ではターボ分子ポンプの排気速度もその半分程度以下で済むので、小形のターボ分子ポンプを用いることができ、ターボ分子ポンプを装置本体と一体化するときにも装置をコンパクトに収めることができる。
　上述した通り、ロータリーポンプ１８は長さ１ｍ程度の配管６を介して第１中間真空室３に接続されている。そのため、質量分析装置本体を実験台の上に設置する場合、ロータリーポンプ１８は例えば実験台の下のスペースに収容することができ、ユーザにとってロータリーポンプのサイズの大小は実質的に問題とならないことが多い。一方、図１にも示したように、ターボ分子ポンプは分析室を形成する真空チャンバに直接接続されるため、質量分析装置本体と実質的に一体であり、実験台上に設置される質量分析装置本体の体積を大きくする要因となる。これに対し、本実施例の構成によれば、排気速度が比較的小さい小型のターボ分子ポンプを使用することができ、実質的な装置のサイズを低減することができるという利点がある。
　上述したように本実施例の質量分析装置では、高い検出感度やメンテナンスの良好さを維持しつつ、ロータリーポンプ１８及びターボ分子ポンプ１９を含めた装置の小形化を達成することができる。
　なお、上記実施例の質量分析装置では、脱溶媒管１１はその軸方向に内径が一定であったが、イオン化室２から第１中間真空室３へとイオンを導入するためのイオン導入開口の形状や構造は様々である。本発明における第１開口部とは、イオン化室２から第１中間真空室３へとイオンを導入する際にイオン量を制約する部分であるから、第１開口部の内径又は開口面積とは次のように定義すればよい。
　例えば図４（ａ）に示すように、脱溶媒管１１の出口端（第１中間真空室３内に向いた開口）が絞られている場合には、その最先端の開口の内径又は開口面積が第１開口部の内径又は開口面積に相当する。図４（ｂ）に示すように、脱溶媒管１１の管路の途中で内径が絞られている場合には、その絞られた部分における断面開口の内径又は開口面積が第１開口部の内径又は開口面積に相当する。さらに図４（ｃ）に示すように、サンプリングコーンの頂部に設けられたオリフィスを通してイオン化室と第１中間真空室とが連通している場合（例えばサンプリングコーンが二段である場合もある）には、そのオリフィスの内径又は開口面積が第１開口部の内径又は開口面積に相当する。
　また、上記実施例の質量分析装置では、大気圧イオン源はＥＳＩ法を用いたものであるが、ＡＰＣＩ法、ＡＰＰＩ法などを用いた大気圧イオン源でもよい。
　さらにまた、上記実施例は本発明の一例であるから、上記記載以外の点について、本発明の趣旨の範囲で適宜に変形、追加、修正を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。
１…チャンバ
２…イオン化室
３…第１中間真空室
４…第２中間真空室
５…分析室
１０…ＥＳＩプローブ
１１…脱溶媒管
１１ａ…イオン出口開口
１２…Ｑアレイ型イオンガイド
１３…スキマー
１３ａ…イオン通過孔
１４…四重極型イオンガイド
１５…アパーチャ電極
１５ａ…イオン通過孔
１６…四重極マスフィルタ
１７…イオン検出器
１８…ロータリーポンプ
１９…ターボ分子ポンプ
Ｃ…イオン光軸

Claims (18)

  1. 　液体試料中の成分をイオン化する大気圧イオン源と、
    　前記大気圧イオン源の次段に配置され、第１真空ポンプにより真空排気される第１中間真空室と、
    　前記第１中間真空室の内部に配設され、高周波電場の作用でイオンを収束しつつ輸送するイオンガイドと、
    　前記大気圧イオン源で生成されたイオンを前記第１中間真空室に導入するための第１開口部と、
    　前記第１中間真空室のさらに後段に配置され、第２真空ポンプにより又は該第２真空ポンプと前記第１真空ポンプの両方により真空排気される高真空の分析室と、
    　前記分析室の内部に配設され、イオンを質量電荷比に応じて分離する質量分離器と、
    　前記分析室の内部に配設され、前記質量分離器で分離されたイオンを検出するイオン検出器と、
    　を備え、
    　前記第１開口部の開口面積は０．０７１mm2以上であり、該第１開口部の開口面積と前記第１中間真空室内の圧力との積は１５～４０mm2・Paの範囲内であり、且つ、前記第１真空ポンプの排気速度は１５m3/Hr以下である、質量分析装置。
  2. 　液体試料中の成分をイオン化する大気圧イオン源と、
    　前記大気圧イオン源の次段に配置され、第１真空ポンプにより真空排気される第１中間真空室と、
    　前記第１中間真空室の内部に配設され、高周波電場の作用でイオンを収束しつつ輸送するイオンガイドと、
    　前記大気圧イオン源で生成されたイオンを前記第１中間真空室に導入するための第１開口部と、
    　前記第１中間真空室のさらに後段に配置され、第２真空ポンプにより又は該第２真空ポンプと前記第１真空ポンプの両方により真空排気される高真空の分析室と、
    　前記分析室の内部に配設され、イオンを質量電荷比に応じて分離する質量分離器と、
    　前記分析室の内部に配設され、前記質量分離器で分離されたイオンを検出するイオン検出器と、
    　を備え、前記第１開口部の開口面積は０．０７１mm2以上であり、
    　前記第１中間真空室内の圧力は、該圧力の変化と前記イオン検出器でのイオン強度との関係においてイオン強度が極大となるときの圧力よりも高く、且つ、そのイオン強度が前記極大である値の５０％以上であるような圧力に設定されている、質量分析装置。
  3. 　液体試料中の成分をイオン化する大気圧イオン源と、
    　前記大気圧イオン源の次段に配置され、配管を介して第１真空ポンプにより真空排気される第１中間真空室と、
    　前記第１中間真空室の次段に配置され、ターボ分子ポンプの第１ポートを介して該ターボ分子ポンプにより真空排気される第２中間真空室と、
    　前記第２中間真空室のさらに後段に配置され、前記ターボ分子ポンプの第２ポートを介して該ターボ分子ポンプにより真空排気される分析室と、
    　前記分析室の内部に配設され、イオンを質量電荷比に応じて分離する質量分離器と、
    　前記分析室の内部に配設され、前記質量分離器で分離されたイオンを検出するイオン検出器と、
    　前記大気圧イオン源で生成されたイオンを前記第１中間真空室に導入するための第１開口部と、
    　前記第１中間真空室を通過したイオンを前記第２中間真空室に導入するための第２開口部と、
    　前記第２中間真空室を通過したイオンを前記分析室に導入するための第３開口部と、
    　を備え、前記第１開口部の開口面積は０．１２５mm2以上であり、前記第２開口部の開口面積は０．８mm2以下であり、前記第３開口部の開口面積は０．８mm2以下であり、且つ、前記ターボ分子ポンプの排気速度は１００m3/Hr以下である、質量分析装置。
  4. 　請求項１に記載の質量分析装置であって、
    前記第１開口部の開口面積と前記第１中間真空室内の圧力との積が２０～３５mm2・Paの範囲内である、質量分析装置。
  5. 　請求項１に記載の質量分析装置であって、
    　前記第１開口部の開口面積は０．１２５mm2以上である、質量分析装置。
  6. 　請求項１に記載の質量分析装置であって、
    　前記質量分離器は４本のロッド電極で構成され、該ロッド電極の長さが１２０mm以下である、質量分析装置。
  7. 　請求項１に記載の質量分析装置であって、
    　前記イオンガイドは、イオン光軸を囲むように配置された複数の電極によりイオンが進行するイオン通過空間を形成するものであり、該イオン通過空間におけるイオン光軸と直交する断面の面積はイオンが進行するに従って小さくなっており、前記第１中間真空室からのイオン出口である第２開口部の開口面積は０．８mm2以下である、質量分析装置。
  8. 　請求項７に記載の質量分析装置であって、
    　前記イオンガイドは、イオン光軸を囲むように配置された複数のロッド状電極、又はその１本がイオン光軸の延伸方向に複数に分離された電極から成る複数の仮想ロッド状電極である、質量分析装置。
  9. 　請求項１に記載の質量分析装置であって、
     前記第１中間真空室と前記分析室との間には第２中間真空室が設けられ、該第２中間真空室の内部には、高周波電場の作用でイオンを収束させつつ輸送する四重極型のイオンガイドが配置されており、該第２中間真空室と前記分析室との間の第３開口部の開口面積は０．８mm2以下である、質量分析装置。
  10. 　請求項２に記載の質量分析装置であって、
    　前記第１開口部の開口面積は０．１２５mm2以上であることを特徴とする質量分析装置。
  11. 　請求項２に記載の質量分析装置であって、
    　前記質量分離器は４本のロッド電極で構成され、該ロッド電極の長さが１２０mm以下である、質量分析装置。
  12. 　請求項２に記載の質量分析装置であって、
    　前記イオンガイドは、イオン光軸を囲むように配置された複数の電極によりイオンが進行するイオン通過空間を形成するものであり、該イオン通過空間におけるイオン光軸と直交する断面の面積はイオンが進行するに従って小さくなっており、前記第１中間真空室からのイオン出口である第２開口部の開口面積は０．８mm2以下である、質量分析装置。
  13. 　請求項１２に記載の質量分析装置であって、
    　前記イオンガイドは、イオン光軸を囲むように配置された複数のロッド状電極、又はその１本がイオン光軸の延伸方向に複数に分離された電極から成る複数の仮想ロッド状電極である、質量分析装置。
  14. 　請求項２に記載の質量分析装置であって、
     前記第１中間真空室と前記分析室との間には第２中間真空室が設けられ、該第２中間真空室の内部には、高周波電場の作用でイオンを収束させつつ輸送する四重極型のイオンガイドが配置されており、該第２中間真空室と前記分析室との間の第３開口部の開口面積は０．８mm2以下である、質量分析装置。
  15. 　請求項３に記載の質量分析装置であって、
    　前記第１中間真空室の内部に、高周波電場の作用でイオンを収束しつつ輸送する第１イオンガイドが配置されており、該第１イオンガイドは、イオン光軸を囲むように配置された複数の電極によりイオンが進行するイオン通過空間を形成するものであり、該イオン通過空間におけるイオン光軸と直交する断面の面積はイオンが進行するに従って小さくなっている、質量分析装置。
  16. 　請求項１５に記載の質量分析装置であって、
    　前記第１イオンガイドは、イオン光軸を囲むように配置された複数のロッド状電極、又はその１本がイオン光軸の延伸方向に複数に分離された電極から成る複数の仮想ロッド状電極である、質量分析装置。
  17. 　請求項３に記載の質量分析装置であって、
     前記第２中間真空室の内部に、高周波電場の作用でイオンを収束させつつ輸送する四重極型のイオンガイドが配置されている、質量分析装置。
  18. 　請求項３に記載の質量分析装置であって、
    　前記質量分離器は４本のロッド電極で構成され、該ロッド電極の長さが１２０mm以下である、質量分析装置。
PCT/JP2018/044042 2018-11-29 2018-11-29 質量分析装置 Ceased WO2020110264A1 (ja)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US17/291,824 US11721536B2 (en) 2018-11-29 2018-11-29 Mass spectrometer
CN201880098947.7A CN112912991B (zh) 2018-11-29 2018-11-29 质量分析装置
EP18941205.9A EP3889997A4 (en) 2018-11-29 2018-11-29 Mass spectrometer
JP2020557485A JP7047936B2 (ja) 2018-11-29 2018-11-29 質量分析装置
PCT/JP2018/044042 WO2020110264A1 (ja) 2018-11-29 2018-11-29 質量分析装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2018/044042 WO2020110264A1 (ja) 2018-11-29 2018-11-29 質量分析装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020110264A1 true WO2020110264A1 (ja) 2020-06-04

Family

ID=70854196

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2018/044042 Ceased WO2020110264A1 (ja) 2018-11-29 2018-11-29 質量分析装置

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11721536B2 (ja)
EP (1) EP3889997A4 (ja)
JP (1) JP7047936B2 (ja)
CN (1) CN112912991B (ja)
WO (1) WO2020110264A1 (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2022048479A (ja) * 2020-09-15 2022-03-28 株式会社島津製作所 質量分析装置
JP2023100094A (ja) * 2022-01-05 2023-07-18 株式会社島津製作所 質量分析装置

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2541301B (en) 2012-03-15 2017-07-12 Fisher & Paykel Healthcare Ltd Respiratory gas humidification system
GB2577634B (en) 2012-04-27 2020-09-30 Fisher & Paykel Healthcare Ltd Respiratory humidification apparatus
GB2583046B8 (en) 2013-09-13 2021-04-28 Fisher & Paykel Healthcare Ltd Resilient probe mount for a humidification system
US10449319B2 (en) 2014-02-07 2019-10-22 Fisher & Paykel Healthcare Limited Respiratory humidification system
SG10202106016TA (en) 2016-12-07 2021-07-29 Fisher and paykel healthcare ltd Sensing arrangements for medical devices

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0574409A (ja) * 1991-09-12 1993-03-26 Hitachi Ltd 質量分析の方法および装置
JP2000067805A (ja) * 1998-08-24 2000-03-03 Hitachi Ltd 質量分析装置
US20160093480A1 (en) 2013-05-31 2016-03-31 Micromass Uk Limited Compact Mass Spectrometer
US20160111266A1 (en) 2013-05-31 2016-04-21 Micromass Uk Limited Compact Mass Spectrometer

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07142025A (ja) * 1993-11-19 1995-06-02 Shimadzu Corp イオン質量分析装置
JP4581184B2 (ja) 2000-06-07 2010-11-17 株式会社島津製作所 質量分析装置
GB0907619D0 (en) * 2009-05-01 2009-06-10 Shimadzu Res Lab Europe Ltd Ion analysis apparatus and method of use
US8242440B2 (en) * 2009-05-01 2012-08-14 Thermo Finnigan Llc Method and apparatus for an ion transfer tube and mass spectrometer system using same
JP5234019B2 (ja) 2010-01-29 2013-07-10 株式会社島津製作所 質量分析装置
CN102971826B (zh) * 2010-06-24 2015-07-22 株式会社岛津制作所 大气压电离质谱仪
US8309916B2 (en) * 2010-08-18 2012-11-13 Thermo Finnigan Llc Ion transfer tube having single or multiple elongate bore segments and mass spectrometer system
GB2483314B (en) * 2010-12-07 2013-03-06 Microsaic Systems Plc Miniature mass spectrometer system
JP5722125B2 (ja) * 2011-06-03 2015-05-20 株式会社日立ハイテクノロジーズ 質量分析装置
JP5673848B2 (ja) * 2011-10-20 2015-02-18 株式会社島津製作所 質量分析装置
JP6269666B2 (ja) * 2013-06-17 2018-01-31 株式会社島津製作所 イオン輸送装置及び該装置を用いた質量分析装置
JP6202103B2 (ja) * 2013-12-17 2017-09-27 株式会社島津製作所 質量分析装置及び質量分析方法
JP6295150B2 (ja) * 2014-07-07 2018-03-14 株式会社日立ハイテクノロジーズ 質量分析装置
CN107706082B (zh) * 2016-08-08 2019-11-26 株式会社岛津制作所 用于质谱仪的限流离子引入接口装置
US10103014B2 (en) * 2016-09-05 2018-10-16 Agilent Technologies, Inc. Ion transfer device for mass spectrometry

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0574409A (ja) * 1991-09-12 1993-03-26 Hitachi Ltd 質量分析の方法および装置
JP2000067805A (ja) * 1998-08-24 2000-03-03 Hitachi Ltd 質量分析装置
US20160093480A1 (en) 2013-05-31 2016-03-31 Micromass Uk Limited Compact Mass Spectrometer
US20160111266A1 (en) 2013-05-31 2016-04-21 Micromass Uk Limited Compact Mass Spectrometer

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
NIHON WATERS K. K, ACQUITY QDA MASS DETECTOR, 8 August 2018 (2018-08-08), Retrieved from the Internet <URL:http://www.waters.com/waters/ja_JP/ACQUITY-QDa-Mass-Detector-for-Chromatographic-Analysis/nav.htm?1ocale=ja_JP&cid=134761404>>
See also references of EP3889997A4

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2022048479A (ja) * 2020-09-15 2022-03-28 株式会社島津製作所 質量分析装置
JP7396237B2 (ja) 2020-09-15 2023-12-12 株式会社島津製作所 質量分析装置
JP2023100094A (ja) * 2022-01-05 2023-07-18 株式会社島津製作所 質量分析装置
JP7729210B2 (ja) 2022-01-05 2025-08-26 株式会社島津製作所 質量分析装置
US12482645B2 (en) 2022-01-05 2025-11-25 Shimadzu Corporation Mass spectrometer

Also Published As

Publication number Publication date
US20210391164A1 (en) 2021-12-16
EP3889997A4 (en) 2022-04-20
JP7047936B2 (ja) 2022-04-05
EP3889997A1 (en) 2021-10-06
CN112912991A (zh) 2021-06-04
CN112912991B (zh) 2025-01-24
JPWO2020110264A1 (ja) 2021-09-27
US11721536B2 (en) 2023-08-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7047936B2 (ja) 質量分析装置
US6803565B2 (en) Ionization source utilizing a multi-capillary inlet and method of operation
CN110637352B (zh) 从电子电离源的离子传输
CN102971826B (zh) 大气压电离质谱仪
US6583408B2 (en) Ionization source utilizing a jet disturber in combination with an ion funnel and method of operation
JP5234019B2 (ja) 質量分析装置
US8324565B2 (en) Ion funnel for mass spectrometry
US11270877B2 (en) Multipole ion guide
US9177775B2 (en) Mass spectrometer
CN110277299A (zh) 电感耦合等离子体质谱分析的串联碰撞/反应池
KR102746344B1 (ko) 견고한 이온공급원
JP2016009562A (ja) イオン輸送装置及び質量分析装置
JP4193734B2 (ja) 質量分析装置
WO2017013609A1 (zh) 一种用于质谱仪离子化以及离子引入装置
US10410849B2 (en) Multipole ion guide
US20160233069A1 (en) Gas diffuser ion inlet
CN103650101A (zh) 三重四极型质量分析装置
WO2020121252A1 (en) Mass spectrometer components including programmable elements and devices and systems using them
JP2024506256A (ja) 質量分析計の真空チャンバにおける圧力制御
WO2020054013A1 (ja) 質量分析装置
US6518581B1 (en) Apparatus for control of gas flow into a mass spectrometer using a series of small orifices
JP4811361B2 (ja) 大気圧化学イオン化質量分析装置
CN113178380A (zh) 一种大气压电离质谱仪

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18941205

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2020557485

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2018941205

Country of ref document: EP

Effective date: 20210629

WWG Wipo information: grant in national office

Ref document number: 201880098947.7

Country of ref document: CN