JP4467786B2 - 二重イオンガイドインターフェースを有する質量分光計装置およびその作動方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に質量分光計に関し、より詳細には、エレクトロスプレーまたは大気圧化学イオン化のような大気圧イオン源を用いた質量分光計に関する。 より詳細には、本発明はアダクトイオンを解離し、かくして分析的に有用な分子種用のイオン電流を高めるためにイオン源と質量分析器との間に２つの連続イオンガイドを使用することに関する。
【０００２】
【従来技術】
一般に、大気圧イオン源と質量分析器との間のインターフェースは大気圧イオン化領域と低圧領域との間にイオン／ガス処理量を定めるキャピラリ管または他の制限孔を有している。イオンはキャピラリまたは他の制限孔を通して吸入され、試料イオンが流れる小さい孔を有する下流の円錐形スキマーに差し向けられる。イオンをキャピラリを去ったジェット流の中心に押し込み、それによりスキマーの孔を通るイオン伝送を高めるために管レンズまたは他の静電または電気力学的収束要素がキャピラリと関連されている。米国特許第５，１５７，２６０号を参照されたい。この特許は大気圧イオン化源、キャピラリレンズおよび円錐形スキマーの作動を述べている。スキマーと、自由分子流領域において真空圧で作動される質量分析器との間に１つまたはそれ以上の真空段階が介在されている。
従来のインターフェース真空段階は圧力を低下させる段階を通してイオンを質量分析器の中へ送るためにイオンガイドを有している。多くの従来装置において、イオンは静電レンズにより案内される。他の装置では、イオンは電気力学的多極イオンガイドにより案内される。
【０００３】
イオンビームを収束させて案内するための無線周波数だけ用の８極イオンガイドの使用がテロイおよびゲリッヒ（Chem.Phys.,第４巻、４１７ページ、１９７４）およびジャロルド等（Mol.Phys.,第３９巻、７８７ページ、１９８０）により述べられている。
【０００４】
並進エネルギー（E_lab＜約１００eV）におけるターゲットガスとの衝突による無線周波数だけ用の４極における質量選択イオンの解離がR.A.ヨストおよびC.G.エンク等（Anal.Chem.、第５１巻、１２５１aページ、１９７９）およびドウサン等（Int.J.Mass Spec.,Ion Proc.、第４２巻、１９５ページ、１９８２）により述べられている。
【０００５】
マクルバー等は質量選択イオンビームをフーリエ変換イオンサイクロトン共振質量分析器へ案内するための無線周波数だけ用の４極イオンガイドの使用を述べている（Int.Mass Spec.Ion Proc.,第６４巻、６７ページ、１９８５）。
スザボは種々の電極構造を有する多極イオンガイドのための作動理論を述べている（Int.Mass Spec.Ion Proc.,第７３巻、１９７３１２ページ、１９８６）。
【０００６】
多極イオンガイドによる真空質を通るイオンの効率的な移送がスミス等により述べられている（Anal.Chem.,第６０巻、４３６４４１ページ、１９８８）。
べウ等はイオンを大気圧イオン化源から真空ポンピング段階を通してフーリエ変換イオンサイクロトン共振質量分析器へ移送するために３つの４極イオンガイドを使用することを述べている（J.Am.Soc.Mass Spec.,第４巻、５５７５６５ページ、１９９３）。
【０００７】
米国特許第４，９６３，７３６号は２段階装置の第１ポンピング段階において多極イオンガイドを使用することを述べている。イオン信号を高めるためにいくつかの長さｘ圧力レジムにおける多極イオンガイドの作動が請求されている。
米国特許第５，１７９，２７８号および５，８１１，８００号は無線周波数４極イオントラップ質量分光計における後続分析用の無線周波数多極ロッド装置の一次的保管を述べている。これはクロマトグラフまたは電気泳動分離装置から溶出する化合物の時間目盛を無線周波数４極イオントラップにより行なわれる質量分光分析の時間目盛に合わせるために行なわれる。
【０００８】
米国特許第５，４３２，３４３号は大気圧イオン化源を質量分光計にインターフェース接続するためのイオン収束レンズ系を述べている。この特許はインターフェースの転移流圧力領域を使用して衝突誘発乖離／デクラスタリング方法を制御する作動電圧の独立調整の利点を請求することを述べている。質量分析器へのイオンビーム伝送の向上も請求している。
【０００９】
米国特許第５，６５２，４２７号は一実施例において２つの真空段階間で多極イオンガイドが延びている装置を述べており、また他の実施例において２つの隣接段階の各々に多極を有する装置を述べている。向上した性能および低いコストを請求している。
【００１０】
米国特許第５，８５２，２９４号は小型多極イオンガイド組立体の構成を述べている。
単一または多数のインターフェース真空室すべてにおいて達成すべき目的はできるだけ多くのプロトン化分子カチオンまたは分子アニオンを大気圧イオン化源から質量分析器へ移送することである。しかしながら、高圧領域で形成された多くの溶媒アダクトはインターフェース真空室を通って分析器へ移動する。質量分光計装置における溶媒付加方法は一般に、興味ある中性溶媒分子の試料イオン間の非共有解離であると考えられる。かくして、検体をエレクトロスプレーまたは大気圧化学イオン化源に導入する場合、その検体から生じるイオン電流をプロトン化分子カチオンまたは分子アニオンと１つまたはそれ以上のアダクト種との間に分割し得る。特定の検出は通常、１つの特定質量についてイオン信号またはその信号の誘導体を監視することによって達成される。溶媒アダクトを形成する場合、検体のための検出限度または定量限度が低下される。
【００１１】
実験の結果、これらのアダクトイオンは主にAPI源領域からインターフェース真空領域を通る範囲の装置の高圧領域において形成される。付加限度はこれらの領域における圧力でまっすぐ変化する。アダクトイオンの形成は試料検体イオンの存在比をかなり減少させる。更に、質量分析器に入るアダクトイオンはマススペクトルを複雑にし、且つマスピークの同定を困難にする。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的はアダクトイオンを資料イオンに変換するように構成され且つ作動される多数のイオンガイドを備えたイオン源を用いた質量分光計装置、およびアダクトイオンを試料イオンに変換して検体イオン電流および質量分光計装置の感度を高めるために多数のイオンガイドを作動する方法を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、高真空室に配置され、イオン源で形成されたイオンを分析するための質量分析器を有する質量分光計において、質量分析器のすぐ前の第１および第２真空化インターフェース室を備えており、第１インターフェース室が第２インターフェース室より高い圧力にあり、またイオンをイオン源から第２インターフェース室へ案内するための第１イオンガイドと、イオンを分析のために第１インターフェース室から高真空分析室へ案内するための第２多極イオンガイドとを備えている質量分光計が提供される。無線周波数および直流ポテンシャルの両方を上記第１および第２イオンガイドに印加してイオン収束および関連真空室を通るイオン伝送を確保する。第１インターフェース室の入力ブには、イオンを第１多極イオンガイドへ差し向けるための第１レンズが配置されており、第１および第２インターフェース室間には、イオンを第２多極イオンガイドへ差し向けるための室間イオンレンズが配置されており、第２インターフェース室と分析室との間には、イオンを分析のために上記分析器へ差し向けるためのイオンレンズまたはレンズ積重ね体が配置されている。これらのイオンレンズは上記インターフェース室間のガスコンダクタンス制限器として役立つ。
【００１４】
第１レンズと第１多極イオンガイドとの間、または室間レンズと第２多極イオンガイドとの間にポテンシャル差を与えるために直流電圧源が接続されており、イオンが第２多極イオンガイドに入るときのイオンの並進運動エネルギーを定める。このイオンの並進運動エネルギーは第２インターフェース室の圧力でアダクトイオンが試料イオンの崩壊なしに衝突誘発解離により試料イオンに変換され、それにより分析器に入る試料イオン電流が高められて質量分光計装置の感度を高めるように選択される。
【００１５】
分析に先立って質量分光計装置で形成されたアダクトイオンが解離されて質量分析器に対する検体イオン電流および質量分光計装置を高める大気圧イオン化源で生じたイオンを質量分析する方法が提供される。
【００１６】
真空室における分析器が大気圧イオン化源で形成されたイオンを分析する質量分光計装置を作動する方法が提供される。この装置は分析器のすぐ前の第１および第２真空化室に配置された第１および第２多極イオンガイドを有している。この方法は第１または第２多極イオンガイドの前のイオンレンズ間に直流電圧を印加して試料イオンを破壊することなしに第２質の圧力でいずれのアダクトをも解離するのに十分な並進運動エネルギーを与えことよりなり、それにより分析器に差し向けられる試料イオン電流および質量分光計装置の感度を高める。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、室内の大気圧イオン源１１が３つの真空ポンピング段階を経てタンデム質量分析器１２にインターフェース接続されている。最も高い圧力を有する第１段階１３は油充填式回転羽根型真空ポンプ１４により真空引きされる。この段階のためにダイヤフラムポンプまたはスクロールポンプのような他の種類の真空ポンプを使用してもよい。第１段階１３のための代表的な圧力は１トル（Torr）と２トルとの間である。第２および第３段階１６、１７は一例では直径が１．５ｍｍであるオリフィス１９を有するレンズ１８により分離されており、これらの段階１６、１７は、ターボ分子および分子ドラグポンピング段階を有していて、これらのポンピング段階の各々への多数の入口を有するのがよい混成物または化合物ターボ分子ポンプ２１により、或いは個々の真空ポンプ(図示せず)により真空引きすることができる。本発明に従って説明するように、室１６内の圧力は５００ミリトルより低く、好ましくは２５０ミリトルより低く、より好ましくは１７５ミリトルより低く、室１７内の圧力は１ミリトルより低く、好ましくは０．７ミリトルより低く、より好ましくは０．５ミリトルより低い。タンデム質量分析器室内の圧力はほぼ１ｘ１０^-5トルまたはそれ以下である。
【００１８】
大気圧イオン源はエレクトロスプレーイオン源または大気圧化学イオン源である。いずれのイオン源でも、試料液を大気圧にある室１１に導入してイオン化する。これらのイオンを加熱されているキャピラリ２２を通して室１３に吸入する。このキャピラリの端部は中央オリフィスまたは項２６を有する円錐形スキマー２４に向かい合っている。スキマーは低圧段階１３をより低い圧力の段階１６から分離している。イオンおよびガスの流れの一部が自由ジェット膨張から掬い取られてキャピラリを去り、第２のより低い圧力の段階に入る。スキマーを通って移動するイオンが第１および第２多極イオンガイド２７、２８により質量分析器の中へ案内される。一例では、イオンガイドは正方形の４極である。ガイド２７は長さが３．１７５ｃｍ（１．２５インチ）であり、ガイド２８は８．５６ｃｍ（３．３７インチ）であり、ロッドが３ｍｍ（０．１１８インチ）だけ分離されている。これらのイオンガイドはポリカーボネートホルダ(図示せず)を使用して同軸に設けられている。４極イオンガイドは周知のようにイオンを案内する極に交流電圧３１、３２を印加することにより作動される。第２および第３段階に入るイオンはレンズ１８とレンズ３６との間に印加された直流電圧３４により、且つイオンガイド２７、２８により印加されたオフセット電圧によりスキマーレンズ４とレンズ１８との間に印加された直流電圧３３下で流動する。
【００１９】
上述のように、大気圧領域から４極イオンガイド段階すなわち領域まで及ぶ高圧範囲で溶媒アダクト（付加）イオンが形成される。付加度はこれらの範囲における圧力でまっすぐに変化するものと思われる。アダクトイオンの形成は分析器に達する試料検体イオンの存在量を著しく減少することができる。その結果、プロトン化分子カチオンまたは分子アニオンのイオンへのアダクトイオンの効果的な変換により試料イオン電流およびマススペクトロメータ装置の感度を大いに高める。
【００２０】
イオンガイド２８とレンズ１８との間に小さい直流オフセット電圧を印加して溶媒アダクトイオンのエネルギーを増大することによって第２イオンガイド２８において溶媒アダクトイオンを解離して試料イオンに変換することできることを発見した。試験したすべての化合物の場合に、溶媒アダクトをプロトン化分子カチオンまたは分子アニオンへ変換するのに、（通常、標準５V直流オフセットで使用される）第２イオンガイドに印加される追加の１０ボルトのオフセットで十分である。また、このオフセット電圧は第２段階の圧力で検体イオンの崩壊を引き起こすのに十分である。
【００２１】
ポンピング効率および溶媒付加を評価した。二重イオンガイド装置についてのポンピング要件および真空条件を同じガス荷重条件下でサーモクエスト社により販売されている標準TSQ７０００装置と比較した。a)アセタミノフェン；ｂ）アルプラゾラム；ｃ）コデインーｄ３；ｄ）イブプロフェンを含む幾つかの異なる化合物を使用して溶媒付加度、プロトン化分子カチオンまたは分子アニオンへの変換およびプロトン化分子カチオンまたは分子アニオンの破壊を調べた。この実験で使用した溶媒は４．５のｐHに調整された５０：５０アセト二トリル：水＋５ｍMアンモニウムアセテ-トである。表１は実験の主条件、化合物、分子量および調べた溶媒付加の種類を列挙している。
表１

【００２２】
図２ないし図７は段階間イオンレンズ１８と第２多極イオンガイド２８との間における標準（±５VDC）オフセットおよび増分１０VDC（計±５VDC）オフセット下での評価に使用した４つの異なる化合物についての相対マススペクトルを示しており、これらのマススペクトルは第２多極イオンガイド２８への増大直流オフセットの印加によりプロトン化分子カチオンまたは分子アニオンについての信号強さおよびピーク領域を著しく高めることができることを示している。
【００２３】
図２Aは標準５ボルトオフセットでの４００／分の液体クロマトグラフの流量におけるアルプラゾラムについての質量走査を示しており、図２Bは同じ流量における増分１０ボルトオフセットでのアルプラゾラムについての質量走査を示している。増分オフセット電圧により増大試料イオン信号が生じたことは明らかである。
【００２４】
図３Aおよび図３Bは１ｍｌ／分の流量におけるアルプラゾラムについてのマススペクトルを示している。また、増大した試料イオン電流が明らかである．図４Aおよび図４Bは標準および増大オフセット電圧での４００l／分の流量におけるコデインーｄ３についてのマススペクトルを示している。ｍ／ｚ３０２における増大した試料イオン信号が明らかである。１ｍｌ／分のコデインーｄ３について同じマススペクトルが図５Aおよび図５Bに示されている。図６Aおよび図６Bは標準および増大オフセット電圧での４００l／分の流量におけるアセタミノフェノンについてのマススペクトルの比較を示している。 また、感度のかなりの向上が明らかである。図７Aおよび図７Bは標準および増大オフセット電圧での４００l／分流量で流れるイブプロフェンについてのマススペクトルを示している。ｍ／ｚ２０５における向上信号を注目すべきである。
【００２５】
また、第１室および第２室における異なる真空条件での高効率の溶媒アダクトイオン変換に必要とされる直流オフセットを調べた。下記表は第２イオンガイドにおいて異なる圧力および異なる直流オフセット電圧でコデイン-d３のアセト二トリルアダクト対プロトン化分子カチオンの比を調べた１組の試験を要約している。
表２

【００２６】

【００２７】

【００２８】
表２における肉太データはプロトン化分子カチオンへの溶媒アダクトの最も効率的な変換を達成する圧力およびオフセット電圧の範囲を示している。これらのデータによると、イオンガイドのための作動圧力は以下の如くであるべきである。
【００２９】
第１イオンガイド ５００ミリトル未満
第２イオンガイド １ミリトル未満且つ０．１ミリトル以上
並進運動エネルギーをアダクトイオンに与えるオフセット電圧を段階間レンズと第２多極ガイドとの間に印加したものとして述べたが、スキマーレンズと第１多極段階との間に直流オフセット電圧を印加することにより、或いは各レンズとその各多極イオンガイドとの間に電圧を同時に
印加することにより並進運動エネルギーを与えることができることは明らかである。作動圧力は上記の場合と同じである。
【００３０】
効率的な溶媒付加変換についての直流オフセット電圧の範囲は±１０ないし±３０ボルトであるべきであるが、±１０Vが好ましい。
【００３１】
好適な圧力範囲は第１段階にとっては２５０ミリトル未満であり、第２段階にとっては０．７ミリトル未満であり、最も好適な圧力範囲は第１段階にとっては１７５ミリトル未満であり、第２段階にとっては０．５ミリトル未満である。
【００３２】
本発明は米国特許第４，５４０，８８４号およびRE３４，０００号に記載の種類の４極分析器のような他の種類の質量分析器にも使用することができる。図８は真空室１２に配置された４極分析器４１と関連されたインターフェース段階およびイオンガイドを示している。図１置ける部品に対応する部品には同様な番号を付してある。４極イオントラップ、イオンサイクロトン共振（すなわち、磁気イオントラップ）、飛行時磁気セクタ、および二重焦点磁気／電気セクタ、単極などのような他の種類の質量分析器に本発明を適用可能であることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 多極イオンガイドを備えた真空化インターフェース室を介してタンデム質量分析器に連結された大気圧イオン源を有する質量分光計装置の概略図である。
【図２Ａ】 -５V直流オフセットを第２イオンガイドに印加して状態で４００l／分で流れる液体流へアルプラゾラムを注入した場合のマススペクトルである。
【図２Ｂ】 -１５V直流オフセットを第２イオンガイドに印加して状態で４００l／分で流れる液体流へアルプラゾラムを注入した場合のマススペクトルである。
【図３Ａ】 -５V直流オフセットを第２イオンガイドに印加して状態で１ｍl／分で流れる液体へアルプラゾラムを注入した場合のマススペクトルである。
【図３Ｂ】 -１５V直流オフセットを第２イオンガイドに印加して状態で１ｍl／分で流れる液体へアルプラゾラムを注入した場合のマススペクトルである。
【図４Ａ】 -５V直流オフセットを第２イオンガイドに印加して状態で４００l／分で流れる液体流へコデイン-ｄ３を注入した場合のマススペクトルである。
【図４Ｂ】 -１５V直流オフセットを第２イオンガイドに印加して状態で４００l／分で流れる液体流へコデイン-ｄ３を注入した場合のマススペクトルである。
【図５Ａ】 -５V直流オフセットを第２イオンガイドに印加して状態で１ｍl／分で流れる液体流へコデイン-ｄ３を注入した場合のマススペクトルである。
【図５Ｂ】 -１５V直流オフセットを第２イオンガイドに印加して状態で１ｍl／分で流れる液体流へコデイン-ｄ３を注入した場合のマススペクトルである。
【図６Ａ】 -５V直流オフセットを第２イオンガイドに印加して状態で４００l／分の流量で流れる液体流へアセタミノフェンを注入した場合のマススペクトルである。
【図６Ｂ】 -１５V直流オフセットを第２イオンガイドに印加して状態で４００l／分の流量で流れる液体流へアセタミノフェンを注入した場合のマススペクトルである。
【図７Ａ】 +５V直流オフセットを第２イオンガイドに印加して状態で４００l／分で流れる液体流へイブプロフェンを注入した場合のマススペクトルである。
【図７Ｂ】 +１５V直流オフセットを第２イオンガイドに印加して状態で４００l／分で流れる液体流へイブプロフェンを注入した場合のマススペクトルである。
【図８】 タンデム質量分析器または他の適当な質量分析器ではなく単一の４極質量分析器を備えた図１におけるような質量分光計装置の概略図である。
【符号の説明】
１１ 大気圧イオン源
１２ タンデム質量分析器
１３ 第１段階
１４ 真空ポンプ
１６ 第２段階
１７ 第３段階
１８ レンズ
１９ オリフィス
２１ 混成物または化合物ターボ分子ポンプ
２２ キャピラリ
２４ スキマー
２７ 第１多極イオンガイド
２８ 第２多極イオンガイド

Claims (7)

1. 大気圧で形成され、真空室を通して差し向けられる試料イオンを分析するために高真空室に配置された質量分析器を有する質量分光計装置であって、試料イオンと溶媒分子が、試料イオン電流の減少を伴うアダクトイオンを形成する質量分光計装置において、前記真空室は、
   質量分析室のすぐ前の第１真空化室および第２真空化室を備えており、第１真空化室は第２真空化室より高い圧力にあり、
   第１真空化室に設けられ、イオンを第２真空化室へ案内するための第１多極イオンガイドと、
   第２真空化室に設けられ、イオンを質量分析のために第１真空化室から高真空室へ案内するための第２多極イオンガイドと、
   前記第１および第２多極イオンガイドのうちの少なくとも第２多極イオンガイドと関連されており、第２真空化室に入るアダクトイオンが、第２真空化室で、試料イオンの破壊なしに解離されて試料イオンとなり、それにより試料イオン電流を増大させ、従って質量分光計装置の感度を高めるように、アダクトイオンの並進運動エネルギーを高めるための手段とをさらに備えていることを特徴とする質量分光計装置。
2. 前記各多極イオンガイドの前にイオンレンズを備えており、選択したレンズとその関連イオンガイドとの間に直流電圧を印加して第２真空化室に入るアダクトイオンの並進運動エネルギーを高めることを特徴とする請求項１に記載の質量分光計装置。
3. 大気圧で形成された試料イオンを分析する質量分析器を有しており、いくつかの試料イオンと溶媒分子が結合して試料イオンの減少を伴うアダクトイオンを形成する質量分光計装置を作動する方法であって、前記質量分光計装置は、第１のイオンレンズにより分離された連続した第１および第２真空化室に配置され、検体イオンを質量分析へ案内するための第１および第２多極イオンガイドと、前記第１のイオンレンズと共に第１真空化室を構成する第２のイオンレンズとを備えており、第１真空化室は第２真空化室より高い圧力にある質量分光計装置を作動する方法において、
   少なくとも第１のイオンレンズと、後続の第２多極イオンガイドとの間に並進運動エネルギーを前記アダクトイオンに与えるような振幅を有する直流オフセット電圧を印加して第２真空化室でアダクトイオンを解離して試料イオン電流を増大させ、質量分光計装置の感度を高めることを特徴とする質量分光計装置を作動する方法。
4. 第１真空化室の圧力は５００ミリトル未満であり、第２真空化室の圧力は１ミリトル未満であり、第１真空化室と第２真空化室の間の第１のイオンレンズと、第２多極イオンガイドとの間に印加されるオフセット電圧は±１０ボルトと±３０ボルトとの間であることを特徴とする請求項３に記載の質量分光計装置を作動する方法。
5. 第１真空化室の圧力は２５０ミリトル未満であり、第２真空化室の圧力は０．７ミリトル未満であることを特徴とする請求項４に記載の質量分光計装置を作動する方法。
6. 第１真空化室の圧力は１７５ミリトル未満であり、第２真空化室の圧力は０．５ミリトル未満であることを特徴とする請求項５に記載の質量分光計装置を作動する方法。
7. オフセット電圧は±１０ボルトであることを特徴とする請求項５または６に記載の質量分光計装置を作動する方法。

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