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(In Japanese)コールドスプレー質量分析装置 achieved

Patent code P110003256
File No. A052P332
Posted date Jun 17, 2011
Application number P2003-504438
Patent number P3786417
Date of filing Jun 5, 2002
Date of registration Mar 31, 2006
International application number JP2002005540
International publication number WO2002101788
Date of international filing Jun 5, 2002
Date of international publication Dec 19, 2002
Priority data
  • P2001-174265 (Jun 8, 2001) JP
Inventor
  • (In Japanese)山口 健太郎
  • (In Japanese)小林 達次
Applicant
  • (In Japanese)日本電子株式会社
  • (In Japanese)国立研究開発法人科学技術振興機構
Title (In Japanese)コールドスプレー質量分析装置 achieved
Abstract (In Japanese)試料溶液を低温の下で噴霧し、脱溶媒して質量分析を行なうコールドスプレー質量分析装置において、試料溶液を通すニードルパイプ(8)と、ニードルパイプ(8)と同軸形状をなし、温度制御したネブライジング・ガスを通すシース管(24)と、ニードルパイプ(8)の先端から噴霧された試料溶液の荷電液滴が通過する通路を有し、通路を通過する荷電液滴から溶媒を取り除く脱溶媒ブロック(3)と、脱溶媒ブロック(3)を冷却するための冷却手段(15)と、脱溶媒ブロックを加熱するための加熱手段(4)と、脱溶媒ブロック(3)の温度を検出する温度センサー(5)とを備え、脱溶媒ブロック(3)を任意の温度に制御できるようにし、脱溶媒ブロック(3)の温度制御が容易で、しかも、長時間に渡り、水分の結露や電気的なリークの発生がなく、安定して測定の可能な、使い勝手の良いコールドスプレー質量分析装置を提供する。
Outline of related art and contending technology (In Japanese)


強い電界の中に置かれた電気伝導性の液体が、電界の作用によって毛管の先端部から自然に噴霧する現象は、エレクトロスプレー(静電噴霧)と呼ばれ、古くから知られていた。1980年代前半、このエレクトロスプレーという現象が溶液試料の質量分析に応用され、エレクトロスプレー質量分析装置として広く用いられるようになった。
図1は、従来のエレクトロスプレー質量分析装置を示したものである。図中、31は、液体クロマトグラフ(LC)装置や溶液溜などの溶液試料供給源である。溶液試料供給源31の溶液試料(例えばLC移動相)は、図示しないポンプなどによって毛管状のキャピラリー32に送られる。このキャピラリー32は、金属で作られており、内径30~100μm、外径150~250μmである。キャピラリー32に送られた溶液試料は、LCポンプまたは毛管現象により駆動されて、キャピラリー32の内部に吸い上げられ、該キャピラリー32の先端部まで到達する。
キャピラリー32と質量分析装置33の対向電極34の間には、数kVの高電圧が印加されていて、強い電界が形成されている。この電界の作用で、キャピラリー32の中の溶液試料は、大気圧下、キャピラリー32と対向電極34の間の空間に静電噴霧され、荷電液滴となって大気中に分散する。このときの溶液試料の流量は、毎分1~10マイクロリットルである。このとき生成する荷電液滴は、試料分子の回りに溶媒分子が集まってクラスター状になった帯電粒子なので、熱を加えて溶媒分子を気化させて取り除くと、試料分子のイオンだけにすることができる。
荷電液滴から試料イオンを作る方法としては、キャピラリー32と対向電極34の間の空間に70℃程度に加熱した窒素ガスを供給し、そこに荷電液滴を静電噴霧することによって液滴の溶媒を気化させる方法や、質量分析装置33の対向電極34に設けられたサンプリング・オリフィス35を80℃程度に加熱して、その輻射熱、あるいは熱伝導で荷電液滴の溶媒を気化させる方法などがある。これらの方法をイオン・エバポレーションと呼んでいる。
イオン・エバポレーションによって生成した試料イオンは、対向電極34に設けられたサンプリング・オリフィス35から質量分析装置33の内部に取り込まれる。大気圧下の試料イオンを真空の質量分析装置33に導入するために、差動排気壁が構成される。すなわち、サンプリング・オリフィス35とスキマー・オリフィス36とで囲まれた区画は、図示しないロータリー・ポンプ(RP)で200Pa程度に排気されている。また、スキマー・オリフィス36と隔壁37とで囲まれた区画は、図示しないターボ・モレキュラー・ポンプ(TMP)で1Pa程度に排気されている。そして、隔壁37の後段は、TMPによって10-3Pa程度に排気され、質量分析部38が置かれている。
また、サンプリング・オリフィス35とスキマー・オリフィス36で囲まれた低真空の区画には、試料イオンの拡散を防ぐためのリングレンズ39が置かれていて、試料イオンが正イオンの場合には正電圧、試料イオンが負イオンの場合には負電圧が印加されるようになっている。また、スキマー・オリフィス36と隔壁37で囲まれた中真空の区画には、試料イオンを質量分析部38まで導くためのイオンガイド40が置かれ、高周波電圧が印加されている。
また、図1には図示されていないが、最近のシステムでは、LCの移動相など10~1000マイクロリットル/分の大流量の試料にも対応できるようにするために、キャピラリー32の周囲にネブライジング・ガスを流せるシース管を設け、電界力だけでは霧化しきれない10マイクロリットル以上の大流量の試料溶液を、ネブライジング・ガスの力によって強制的かつ完全に霧化させるように構成した新しいタイプのエレクトロスプレー・イオン源も登場している。
エレクトロスプレー・イオン源の特徴は、試料分子のイオン化に際して、高熱をかけたり高エネルギー粒子を衝突させたりしない非常にソフトなイオン化法であるという点にある。従って、ペプチド、タンパク質、核酸などの極性の強い生体高分子をほとんど破壊することなく、多価イオンとして容易にイオン化することができる。また、多価イオンなので、分子量が1万以上のものでも、比較的小型な質量分析装置で測定することが可能である。
ところが、最近、エレクトロスプレー・イオン化法のような非常にソフトなイオン化法であっても、イオン化の際に、試料イオンの分子構造が破壊されてしまうというサンプルの例が報告されるようになった。それは、例えば、巨大な有機金属錯体、例えば、プラチナなどの遷移金属錯体の自己集合によって高度な秩序を備えた超分子化合物などの例である。これらの金属錯体は、イオンの衝撃や熱に対してのみならず、ソフトなイオン化法であるエレクトロスプレーによるイオン化に対しても不安定であり、イオン気化の際に分子構造の破壊が起きる。
この問題を解決するために、最近、エレクトロスプレー・イオン源に供給されるネブライジング・ガスや荷電液滴の脱溶媒室などを液体窒素などの冷媒で冷却し、イオン化の際に試料イオンに熱が加わることを極力避けるようにすることで不安定分子の分解を抑えると同時に、低温による試料および溶媒の誘電率を上昇することによってイオン解離を促進する新しいタイプのエレクトロスプレー質量分析装置が開発された(特開2000-285847号公報)。この方法は、コールドスプレー・イオン化法と呼ばれ、図2に示すように、脱溶媒室に直接、液体窒素を吹き付けることにより、初めて、前述のような不安定な自己集合有機金属錯体などの精密な質量数の測定を可能にするものである。
このようなコールドスプレー質量分析装置の特徴は、何と言ってもネブライジング・ガスや脱溶媒室を液体窒素などの冷媒で冷却し、荷電液滴に熱が加わることを極力避けるようにしたところにある。ところが、従来の装置では、脱溶媒室を液体窒素で直接冷却しているため、冷えすぎて、測定に最適な温度領域に脱溶媒室の温度を設定することがむつかしく、装置が安定するまでに時間がかかるという問題があった。また、イオン化室に、脱溶媒室を冷却するための冷却ガスが直接流れ込むため、イオン化室の気流が乱され、イオンビームが安定しづらいという問題があった。また、コールドスプレー・イオン化法で測定を行なっている時、外界との隔離が完全でないため、電気回路等を収納している部屋の内部が結露を起こして、電気的にリークを起こし、長時間の安定した測定が困難になるという問題があった。また、コールドスプレー・イオン化モードと、通常のエレクトロスプレー・イオン化モードとを、切り換えることができないという問題があった。

Field of industrial application (In Japanese)


本発明は、質量分析装置に関し、特に、低温で試料をイオン化させることのできるコールドスプレー質量分析装置に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 試料溶液を低温の下で噴霧し、脱溶媒して質量分析を行なうコールドスプレー質量分析装置において、
(a)試料溶液を通すニードルパイプと、
(b)ニードルパイプと同軸形状をなし、温度制御したネブライジング・ガスを通すシース管と、
(c)ニードルパイプの先端から噴霧された試料溶液の荷電液滴が通過する通路を有し、通路を通過する荷電液滴から溶媒を取り除く脱溶媒ブロックと、
(d)脱溶媒ブロックを冷却するための冷却手段と、
(e)脱溶媒ブロックを加熱するための加熱手段と、
(f)脱溶媒ブロックの温度を検出する温度センサーと
を備え、
脱溶媒ブロックを任意の温度に制御できるようにしたことを特徴とするコールドスプレー質量分析装置。
【請求項2】
 試料溶液を低温の下で噴霧し、脱溶媒して質量分析を行なうコールドスプレー質量分析装置において、
(a)試料溶液を通すニードルパイプと、
(b)ニードルパイプと同軸形状をなし、温度制御したネブライジング・ガスを通すシース管と、
(c)ニードルパイプの先端から噴霧された試料溶液の荷電液滴が通過する通路を有し、通路を通過する荷電液滴から溶媒を取り除く脱溶媒ブロックと、
(d)脱溶媒ブロックを冷却するための冷却手段と、
(e)脱溶媒ブロックを加熱するための加熱手段と、
(f)脱溶媒ブロックの温度を検出する温度センサーと
を備え、
コールドスプレー・イオン化モードと通常のエレクトロスプレー・イオン化モードとを切り換え可能に構成したことを特徴とするコールドスプレー質量分析装置。
【請求項3】
 前記脱溶媒ブロックは、前記荷電液滴を高温で脱溶媒するための加熱用通路と、前記荷電液滴を低温で脱溶媒するための冷却用通路とを有しており、前記荷電液滴を通過させる通路として、前記加熱用通路と冷却用通路のどちらか一方を選択できるように構成されていることを特徴とする請求項1または2記載のコールドスプレー質量分析装置。
【請求項4】
 前記ニードルパイプを移動させて、前記加熱用通路と冷却用通路のどちらか一方を選択するようにしたことを特徴とする請求項3記載のコールドスプレー質量分析装置。
【請求項5】
 冷媒流路が前記脱溶媒ブロックに設けられており、冷媒が前記冷媒流路に流されて、前記脱溶媒ブロックが冷却されることを特徴とする請求項1または2記載のコールドスプレー質量分析装置。
【請求項6】
 シース管に供給される温度制御したネブライジング・ガスと、脱溶媒ブロックの冷却手段に供給される冷媒とは、共通の冷凍機から供給されることを特徴とする請求項1または2記載のコールドスプレー質量分析装置。
【請求項7】
 コールドスプレー・イオン源を制御する電気回路等を収納するための空間が、前記脱溶媒ブロックが配置されるイオン化室とは分離して設けられていることを特徴とする請求項1または2記載のコールドスプレー質量分析装置。
【請求項8】
 脱溶媒ブロックを冷却した後の冷媒は、前記空間を通って外界に排出されることを特徴とする請求項7記載のコールドスプレー質量分析装置。
【請求項9】
 前記空間に乾燥ガスを供給するガス源を備えていることを特徴とする請求項7記載のコールドスプレー質量分析装置。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2003504438thum.jpg
State of application right Registered
Reference ( R and D project ) CREST Single Molecule and Atom Level Reactions AREA
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