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米国特許4542293(質量分析)発明の背景


本件は、質量分析技術に関する特許である。本特許の発明者の一人 John Fenn (Yale University => Virginia Commonwealth University)は、田中耕一 (島津製作所) と共に、生体高分子の質量分析技術への貢献を理由として 2002 年度ノーベル化学賞を受賞している。

米国特許 No.4,542,293 (Fenn et al. September 17, 1985) の「発明の背景」の訳文。

センテンスもパラグラフも長すぎるものがある。そして、そう云うものに限って作り出すイメージが明確でない。

TECHNICAL FIELD
This invention relates to a method of changing the energy of charged particles which are contained in a gaseous medium, and especially of ions generated in a high pressure ion source for a mass spectrometer in order to match the energy of the particles produced by the source with that required by the mass analyser.

BACKGROUND ART
There are many types of ion source in which, because of their principle of operation, it is impractical to vary the energy possesed by the ions formed over more than a very small range, for example, atmospheric pressure ionization sources for mass spectrometers. A problem frequently exists, therefore, in matching the energy of the ions produced with the value required by the mass analyser, especially in the case of magnetic sector mass spectrometers. The problem is also encountered in other fields apart from mass spectrometry, and although the present invention will be described with particular reference to mass spectrometry, it will be understood that it is equally capable of application in other fields where a similar problem is encountered.

In general, the potential energy possessed by an ion is determined by the electrical potential, relative to earth, at which it is formed, and in a conventional ion source for a magnetic sector mass spectrometer the ion is usually generated at a high potential and its potential energy is converted to kinetic energy by passing the ion through a slit at earth potential. The law of conservation of energy states that the sum of the potential and kinetic energies must be constant, and it is therefore possible to accelerate or retard the ion by means of passing it through slits at any electrical potential up to that at which it was formed, but it is not possible to increase the energy of the ion above the potential at which it was formed. Clearly, if an attempt was made to pass the ion through a slit at a higher potential, its kinetic energy would be reduced to zero before it reached the slit, and it would not pass through. However, the total energy possessed by the ion can be changed if the ion collides with, for example, an inert gas molecule. In this case, the sum of the kinetic energies of the ion and the molecule can be redistributed between the two particles dependent on their relative masses and direction of motion. Usually, because the average kinetic energy possessed by gas molecules at room temperature is very much less than that of an ion accelerated by a potential gradient of several kV, the effect of frequent collisions with gas molecules, assuming that the ion undergoes no chemical change, is that its kinetic energy is reduced.

A conventional magnetic sector mass spectrometer selects ions on the basis of their momentum/charge ratios, in contrast with a quadrupole spectrometer, which selects on the basis of mass/charge ratios. Consequently the ions for mass analysis must be injected into a magnetic sector instrument at a constant velocity, which implies a constant kinetic energy, and for various reasons this must generally be in the range 2-8keV in a high performance instrument. In a conventional ion source, this is easily achieved by forming the ion in a substantially field free region maintained at the necessary potential, and accelerating the ion by passing it through an earthed slit at the entrance of the mass analyser. However, if the ion undergoes collisions with gas molecules after its formation, its kinetic energy will be changed, and this will degrade the resolution of the spectrometer.

There exist a number of types of ion sources with which it is very difficult to produce ions with a narrow range of kinetic energies at several keV, such as are required by a magnetic sector instrument. These include sources which operate at high gas pressures, such as atmospheric pressure ionization sources and electrospray ionization sources. Sources of this type are often capable of producing ions which are largely unfragmented from high molecular weight biochemicals which can be difficult to ionize by conventional methods, and are often appropriate for combination with a liquid chromatograph. The combination of sources of this type with magnetic sector spectrometers is therefore of considerable importance, because it is often important to obtain information which only a high resolution magnetic sector spectrometer can yield from compounds which can often only be ionized without fragmentation by a source of the type described, especially when the sample cannot easily be separated into pure components for mass spectral analysis by a technique like field desorption or neutral atom bombardment. The process of electrospray ionization, which is capable of producing unfragmented ions of high molecular weight from thermally unstable or involatile biochemicals, will now be described in greater detail so that as an example, the use of the invention with an electrospray source can be described. It is based on the work of M. Dole et al (described, for example in Journal of Chemical Physics, 1968, volume 49, p2240). A solution containing the sample to be ionized is sprayed from a capillary tube into a region containing an inert gas at approximately atmospheric pressure, towards a small orifice in a plate which leads into the vacuum system of the mass spectrometer. A high electrical potential is applied between the spraying capillary and the walls of the chamber containing the inert gas (including the plate with the small orifice). A separation device, usually a nozzle skimmer system like that described by Kantowitz and Gray in the Review of Scientific Instruments, 1951, Vol. 22 p328, is placed between the region of atmospheric pressure and the vacuum system in order to reduce the quantity of gas which flows into the vacuum system and to produce a better collimated molecular beam.

The principle of operation of the electrospray source is as follows. The solution containing the sample is slowly displaced through the capillary so that a jet of liquid is produced. The electric field in the chamber results in the jet becoming charged, and as the solvent evaporates it breaks up into a series of charged droplets. The applicants believe that sample ions, clustered with a certain number of solvent molecules, are then ejected from the evaporating droplets, and these solvated ions pass through the small orifice into the mass spectrometer. An additional pressure reduction stage, comprising a separately pumped chamber and a second nozzle skimmer system, can be incorporated between the high pressure region of the source and the mass spectrometer. Electrospray ion sources for mass spectrometers incorporating these features are known, and are described, for example, in U.S. Pat. No. 4,209,696.

A problem which is encountered in most prior art sources of this type, and with other forms of mass spectrometer ion sources which operate at high pressure such as atmospheric pressure ionization sources, is that the ions formed are solvated, and consist of the desired sample ion clustered with a variable number of solvent molecules or molecules of other condensable material The presence of this clustering greatly complicates the interpretation of the mass spectrum, and can sometimes make the determination of the true molecular weight of the sample uncertain. In the case of electrospray type ion sources, the use of the technique described in our copending U.S. patent application Ser. No. 486,645 entitled "Method and Apparatus for the Mass Spectrometric Analysis of Solutions", can be used to provide a controllable amount of declustering and to completely desolvate the ions if desired.

注: "material The presence" => "material. The presence"

However, the passage of the ions through a gas at atmospheric pressure greatly reduces their kinetic energy, and if the orifice through which they pass into the vacuum system is maintained at earth potential, the total energy they possess when they enter the vacuum system will be in the region of a few eV only, even though the potential of the inlet capillary in the source may have been several kV. This energy is of course satisfactory for a quadrupole mass analyser, but it is impossible with prior art sources to accelerate the ions again to a kinetic energy which is suitable for a magnetic sector mass spectrometer. It is of course possible to maintain the orifice at the accelerating voltage required by the spectrometer so that the ions still have sufficient potential energy to be reaccelerated to the kinetic energy required, but this in turn requires the inlet capillary to be maintained at a still higher voltage, and problems of preventing arcing in the system and supplying the inert gas at a high voltage are greatly increased. The construction of the source and pumping system are also complicated by the presence of the high accelerating potential on the electrospray chamber walls, and the presence of gas in the vacuum system in contact with the walls at a pressure of 10.sup.-3 torr or so where many gases are electrically conductive. A more fundamental problem also exists in the difficulty of focussing the emerging ions of low and variable kinetic energy which are travelling in a wide range of directions, in an efficient way which does not increase the energy spread of the ions still further and degrade the performance of the spectrometer. One way that has been proposed to overcome some of these problems, described in U.S. Pat. No. 4,121,099, involves the provision of electrostatic lens elements in the vacuum system immediately behind the orifice in the free jet expansion which exert a strong focussing action on the ions in a region where the gas pressure is still sufficiently high that collisions with the inert gas molecules still limit the total amount of kinetic energy that can be transferred by the field, thus reducing the spread in directions of motion of the emerging ions. Provision can also be made slightly further away from the orifice to accelerate the ions so that they are at least partly desolvated by the increased energy of the collisions with the gas molecules in the expanding jet, but it is clearly difficult to control either of these processes effectively especially in combination, and especially if the ions have to be accelerated to several keV for a magnetic sector instrument. Further, it will also be seen that even to produce ions with a potential energy of a few eV only it is necessary to operate the source with a high potential on the inlet capillary, and clearly this makes it very difficult to directly connect a liquid chromatograph to the source, because this too would have to be operated at the potential of the inlet capillary. Very similar problems are encountered in all ion sources which involve gases at relatively high pressures, including atmosphere pressure ionization sources involving various ionization processes, and consequently the advantages that this type of source can offer for combined liquid chromatography and mass spectrometry, and for the ionization of thermally unstable and involatile samples have not been fully exploited.

It is an object of the present invention therefore to provide method of changing the energy possessed by ions passing from a region of high gas pressure as they emerge into a lower pressure region, substantially independently of the initial potential energy possessed by the ion, and especially to provide a method of accelerating ions which have both low potential and kinetic energies to a value suitable for a magnetic sector mass spectrometer. It is another object of the invention to provide a mass spectrometer incorporating a high pressure ionization source such as an electrospray ionization source which incorporates a means for accelerating the ions to the energy required for the analyser of the spectrometer, independent of the potential applied to the orifice between the source and the vacuum system of the spectrometer. It is another object of the invention to provide an electrospray or similar type of ion source which can be fitted to either a magnetic sector or a quadrupole mass analyser with an entrance orifice maintained at earth potential, and which can be operated with the inlet capillary of the source also at earth potential, therefore greatly simplifying the connection of a liquid chromatograph.


技術分野
本発明は、気体媒質中に含まれる荷電粒子のエネルギーの変更方法に関し、特に質量分析計用高圧イオン源で発生されるイオンのエネルギーを、質量分析部で必要なエネルギーにする方法に関する。


背景技術
例えば、質量分析計用の大気圧イオン化イオン源のように、発生イオンのエネルギーを変更するのは、極めて小幅なものでない限り、その動作原理から言って非現実的であると云うイオン源は多い。従って、特に単収束扇形磁場型質量分析計のような場合、発生イオンのエネルギーを、質量分析部に必要な値に適合させるようとすると、しばしば問題が発生する。この問題は、質量分析計以外の分野でも発生するものであって、本発明は、特に質量分析計の場合を取り上げて説明を行うとは言え、同様の問題が発生する他の分野にも同様に応用可能であることはご理解いただけるであろう。

一般に、イオンの電位エネルギーは、そのイオンが形成された場所の対接地電位により決まる。従来の単収束扇形磁場型質量分析計用イオン源では、イオンは、高電位で発生された後、接地電位のスリットを通過することで、その電位エネルギーが運動エネルギーに転換するようにしてあるのが普通だった。エネルギー保存則によれば、ポテンシャルエネルギーと運動エネルギーとの和は一定でなければならないから、イオンが形成された電位以下の電位のスリットにイオンを通すことで、イオンを加速したり減速したりすることは可能であるが、イオンのエネルギーを、イオン形成時の電位エネルギーを超えて増やすことはできない。イオン形成時の電位を超えたスリットにイオンを通そうとしても、イオンの運動エネルギーは、スリットに到達する前にゼロにまで減少してしまうので、当然スリットを通過することはできない。しかし、もしイオンが、例えば不活性ガス分子と衝突するなら、イオンの全エネルギーは変化しうる。この場合、イオンと分子との運動エネルギーの和は、両粒子の相対的質量及び運動方向に応じて、夫々の粒子に再配分される。通常は、室温における気体分子の平均的運動エネルギーは、数キロボルトの電位勾配で加速されたイオンの運動エネルギーよりも遥かに小さいから、イオンが化学変化しない限り、頻繁に起こる気体分子との衝突の結果として、イオンの運動エネルギーは減少する。

イオンの選択を、四重極型質量分析計が、イオンの質量/電荷比に基づいて行うのに対し、従来の単収束扇形磁場型質量分析計は、その運動量/電荷比に基づいて行う。従って、質量分析を行なおうとするイオンは、扇形磁場型装置内に一定速度で、つまり一定の運動エネルギーで、入射される必要があるが、様々な理由から、高性能装置においては、この運動エネルギーは、おおよそ 2-8keV の範囲内になければならない。従来のイオン源では、これは、所要の電位に維持された実質的自由空間でイオンを形成し、そのイオンを、質量分析部の入り口に設けられた接地スリットを通過させることで加速させることで容易に実現されている。しかし、イオンが、その形成後に気体分子と衝突すると、イオンの運動エネルギーは変化し、これにより分析計の分解能は劣化してしまうことになる。

扇形磁場型装置で必要とされるような、数 keV の狭い運動エネルギー範囲でイオンを発生するのは非常に困難であるようなイオン源は数種類存在する。そうしたものとしては、大気圧イオン化イオン源やエレクトロスプレーイオン化イオン源のような高ガス圧で動作するイオン源があげられる。この種のイオン源は、従来方法ではイオン化が困難な、高分子量生化学物質からの、それほど断片化していないイオンを生成する能力があることが多く、また、液体クロマトグラフィとの協動に適することが多い。このため、この種のイオン源を、単収束扇形磁場型質量分析計と組み合わせて利用することには、相当の重要性がある。何故なら、電界脱離や中性原子衝撃等の技法では、試料から質量分析用の高純度成分を分離するのが困難であるような場合などでは特に、上記の種類のイオン源によってのみ非断片イオン化が可能であることが多い成分からのみ高分解能扇形磁場型装置が得ることができるような情報が重要であることが多いからである。エレクトロスプレーイオン化でなら、熱的に不安定であったり不揮発性であったりする生化学物質由来の高分子量非断片化イオンを生成できるから、例として、本発明をエレクトロスプレーイオン源と共に使用した例が説明できるように、以下エレクトロスプレーイオン化に就いて詳しく説明する。エレクトロスプレーイオン化は、M. Dole 他の業績に基づいている(例えば、"Journal of Chemical Physics" 1968年 第49巻 p2240 参照)が、そこでは、イオン化されるべき試料の溶液が、細管から、ほぼ大気圧の不活性ガスを含む領域内にある板材の小開口部に向けて噴霧され、この開口部を通って、質量分析計の真空系に至る。噴霧用細管と不活性ガス室壁面(小開口のある板材を含む)との間には高電位差が印加されている。"Review of Scientific Instruments" 1951年 第22巻 p328 において Kantowitz 及び Gray が記載しているのと同様なノズル・スキマー・システム (nozzle skimmer system) が通常採用されている分離装置が、真空系へのガス流入量を減らし、分子ビームの収束性を改善するために、大気圧領域と真空系との間に設置される。

エレクトロスプレーイオン源の動作原理は以下の通りである。試料の溶液は、溶液噴流が形成されるよう、細管を通じて緩やかに排出される。室内の電場により、噴流は帯電し、溶媒が蒸発して行くに応じて、一連の帯電小液滴に分裂する。出願人の信じるところによれば、試料イオンは、一定数の溶媒分子と共にクラスターを形成して、蒸発中の小液滴から放出されるが、こうした溶媒和イオンは、小開口を通って質量分析計内に入って行くのである。別途ポンプが設けられた室と第2のノズル・スキマー・システムからなる補足的減圧段階を、イオン源の高圧領域と質量分析計との間に組み込むこともできる。こうした特徴を有する質量分析計用エレクトロスプレーイオン源は、公知であり、例えば米国特許4,209,696 に記載されている。

この種の従来技術イオン源の大部分、及び大気圧イオン化イオン源等の他の種類の高ガス圧動作型質量分析計用イオン源の問題点は、発生したイオンが溶媒和を形成しており、所望の試料イオンが、個数が変動しうる溶媒分子又は他の凝縮性物質分子とともにクラスタをなしていることである。このクラスタの存在は、質量スペクトルの解釈を非常に複雑にし、試料の正しい分子量の決定を不確実にすることがある。エレクトロスプレー型イオン源の場合には、米国における本願と同時係属中の出願である出願番号486,645 "Method and Apparatus for the Mass Spectrometric Analysis of Solutions" (「溶液の質量分析方法及び装置」)に記載されている技法を利用することで、管理可能な量でのクラスタ破壊及び、所望の場合には完全なイオン脱溶媒和が可能である。

しかし、イオンが大気圧の気体中を通過すると、イオンの運動エネルギーは大幅に減少してしまい、たとえイオン源の入射細管の電位が数 kV であったとしても、イオンが真空系へ入る際に通る小開口が接地電位に維持されている場合には、イオンが真空系に入る際のイオンの総エネルギーは、数 eV 程度に過ぎなくなる。勿論このエネルギーでも、四重極型質量分析計には十分であるが、従来技術のイオン源では、単収束扇形磁場型質量分析計に適する運動エネルギーまでイオンを再加速するのは不可能である。イオンが所望の運動エネルギーにまで再加速するのに十分な電位エネルギーを保持するために質量分析計が必要とする加速電圧に小開口を維持することは勿論可能ではあるが、しかし、この場合には、入射細管を、一層高い電位に維持する必要があり、システムにおけるアーク発生防止や高電圧不活性ガスの供給と云う問題点が、大幅に深刻化する。エレクトロスプレー室壁での高い加速電位や、エレクトロスプレー室壁に接する真空系内での圧力 10-3 torr 程度の(多くの場合導電性の)気体の存在により、イオン源及びポンプ系の構成も複雑になる。一層基本的な問題点は、低い上に変動しうる運動エネルギーを有し、広範囲の方向に広がって進行する射出イオンを、イオンのエネルギー幅を広げて分析計の性能を悪化させてしまわないような効率的な仕方で、収束させることの難しさにある。こうした問題点の幾つかを解決しようとして提案された方法の一つが、米国特許4,121,099 に記載されているが、それは、イオンに強い収束力を加える静電レンズ素子を、小開口直後の自由噴流膨張が起こる真空系内であって、ガス圧がまだ十分に高く、不活性ガス分子との衝突のため、電場が付与しうる運動エネルギー総量がまだ制限できて、射出イオンの運動方向が拡散するのを制限することができる場所に設置すると云うものである。静電レンズ素子の設置位置を、イオンを加速させるよう小開口から僅かながら更に離し、膨張する噴流内でガス分子との衝突エネルギーを増大させて、イオンが少なくとも部分的に脱溶媒和するようにもできるものの、これらの過程のどちらにしろ、そして組み合わせるなら一層、効果的に制御するのは明らかに困難であり、また更に、イオンが、扇形磁場型装置用に数 keV まで加速する必要がある場合には、特に困難になる。又、数 eV の電位エネルギーのイオンを生成する場合であってさえも、イオン源の動作は、入射細管において高電位でおこなう必要があり、よって、液体クロマトグラフをイオン源に直接接続するならば、液体クロマトグラフの方も入射細管の電位で動作させる必要が出てくるのだから、非常に困難にものになることは明らかである。非常に良く似た問題が、様々なイオン化過程を伴う大気圧イオン化イオン源などの、比較的高圧の気体を利用する全てのイオン源で発生するため、この種のイオン源では、液体クロマトグラフィと質量分析計とが協動できたり、熱的に不安定で非揮発性の試料がイオン化できたりと云う利点があるものの、それらは十分に活用されてこなかった。

従って、本発明の目的は、高ガス圧領域から低圧領域に進行するイオンのエネルギーを、イオンの当初電位エネルギーとは実質上独立に変更する手段を提供することにあり、そして特に、電位エネルギー及び運動エネルギー双方が低いイオンを、単収束扇形磁場型質量分析計に適する値のエネルギーにまで加速する方法を提供することにある。本発明の別の目的は、エレクトロスプレーイオン化イオン源などの高圧イオン化イオン源を組み込んでなる質量分析計であって、イオン源と分析計の真空系との間に介装された小開口に印加される電位とは独立して、質量分析計の分析部に必要なエネルギーにまでイオンを加速する手段からなる質量分析計を提供することにある。本発明の別の目的は、接地電位に維持された導入小開口を有する単収束扇形磁場型又は四重極型の質量分析計のどちらにも適合しえ、イオン源の入射細管も接地電位で動作させることができるため、液体クロマトグラフとの接続が大幅に単純化されるようなエレクトロスプレー式又は類似のイオン源を提供することにある。

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