CN109643637B

CN109643637B - 飞行时间质谱分析装置

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Publication number: CN109643637B
Application number: CN201680088672.XA
Authority: CN
Inventors: 水谷司朗
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2016-08-22
Filing date: 2016-08-22
Publication date: 2021-06-18
Anticipated expiration: 2036-08-22
Also published as: US20190157058A1; WO2018037440A1; JP6544490B2; US10593531B2; JPWO2018037440A1; EP3503162A4; CN109643637A; EP3503162A1

Abstract

加速电压产生部(7)利用开关部(74)对由高电压电源部(75)生成的直流高电压进行导通/截止驱动，来生成对挤压电极(11)施加的高电压脉冲。从控制部(6)经由初级侧驱动部(71)、变压器(72)、次级侧驱动部(73)对开关部(74)供给驱动用脉冲信号。初级电压控制部(61)从温度传感器(77)接受加速电压产生部(7)的周围温度的测量结果，控制初级侧电源部(76)以根据该温度对初级侧电压进行变更。由此，调整对变压器(72)的初级绕组两端施加的施加电压。当周围温度变化时，开关部(74)的MOSFET等的特性变化，高电压脉冲的上升/下降的定时产生偏差，但通过对上述初级侧电压的调整，能够使MOSFET的栅极电压的上升斜坡的斜率变化，来校正高电压脉冲的上升/下降的定时的偏差。其结果，能够不取决于周围温度地实现高的质量精度。

Description

飞行时间质谱分析装置

技术领域

本发明涉及一种飞行时间质谱分析装置，更为详细地说，涉及一种对规定的电极施加高电压，以在飞行时间质谱分析装置的离子射出部中对离子赋予用于使离子飞行的加速能量的高电压电源装置。

背景技术

在飞行时间质谱分析装置(TOFMS)中，从离子射出部射出源自试样的各种离子，测量该离子飞行固定的飞行距离所需要的飞行时间。飞行的离子具有与其质荷比m/z相应的速度，因此上述飞行时间与该离子的质荷比相应，能够根据飞行时间来求出质荷比。

图13是一般的正交加速方式TOFMS(以下，适当简称为“OA-TOFMS”)的概要结构图。

在图13中，在未图示的离子源中从试样生成的离子如在图中用箭头所示那样沿Z轴方向被导入到离子射出部1。离子射出部1包括相向地配置的平板状的挤压电极11和栅格状的引出电极12。加速电压产生部7基于来自控制部6的控制信号来在规定的定时对挤压电极11或者引出电极12或者这两个电极分别施加规定的高电压脉冲。由此，在挤压电极11与引出电极12之间通过的离子在X轴方向上被赋予加速能量，从而从离子射出部1射出而被送入到飞行空间2。离子在无电场的飞行空间2中飞行之后入射到反射器3。

反射器3包括圆环状的多个反射电极31和背板32，从反射电压产生部8对该反射电极31和背板32分别施加规定的直流电压。由此，在由反射电极31包围的空间中形成反射电场，通过该电场使离子反射，从而离子再次在飞行空间2中飞行并到达检测器4。检测器4生成与到达的离子的量相应的离子强度信号并输入到数据处理部5。数据处理部5将从离子射出部1射出离子的时间点设为飞行时间零点来制作表示飞行时间与离子强度信号之间的关系的飞行时间谱，通过基于预先求出的质量校正信息将飞行时间换算为质荷比来计算质谱。

在上述OA-TOFMS的离子射出部1中，在射出离子时，需要对挤压电极11、引出电极12施加短的时间幅度且kV量级的高电压的脉冲。为了生成这样的高电压脉冲，以往使用了一种如专利文献1中公开那样的电源电路(在该文献中被称为脉冲发生器电源)。

该电源电路构成为包括：脉冲发生部，其生成用于控制高电压脉冲发生的定时的低电压脉冲信号；脉冲变压器，其一边将以低电压动作的控制系统电路与以高电压动作的电力系统电路之间电绝缘一边将上述脉冲信号从控制系统电路传送到电力系统电路；驱动电路，其与该变压器的次级绕组连接；高电压电路，其生成直流高电压；以及由MOSFET构成的开关元件，其根据通过上述驱动电路而被提供的控制电压将上述高电压电路的直流电压导通/截止来将该直流电压进行脉冲化。此外，这样的电路并不限于TOFMS，是为了生成高电压脉冲通常利用的电路(参照专利文献2等)。

如上所述，将在TOFMS中射出离子或者使离子加速的时间点作为起点来测量各离子的飞行时间。因此，为了提高质荷比的测定精度，重要的是尽量使飞行时间的测量开始时间点与实际上对挤压电极等施加用于射出离子的高电压脉冲的定时一致。

在上述电源电路中，为了根据低电压脉冲信号生成高电压脉冲，使用了CMOS逻辑IC、MOSFET等半导体部件或者脉冲变压器。在这些部件、元件中，从被输入某个信号的时间点起直到输出与之对应的信号为止发生传输延迟，另外，在电压波形(或电流波形)变化时，该电压波形(或电流波形)的上升或下降花费某种程度的时间。这样的传输延迟时间、上升时间、下降时间并非始终固定，与部件、元件的温度相应地变化。因此，当电源电路的周围温度不同时，向挤压电极等施加高电压脉冲的施加定时产生时间上的偏差，质谱的质量偏差大多是由此引起的。

针对这样的问题，在专利文献3所记载的TOFMS中，在测定时测量电气系统电路的温度，根据测量出的温度来校正通过测定得到的飞行时间数据，由此消除质量偏差。即，关于该方法，在电源电路的周围温度例如与标准的温度不同的情况下，允许飞行时间产生偏差，并且通过数据处理来消除该偏差。在这样的方法中，为了要高精度地校正飞行时间偏差，需要预先高精度地求出表示温度偏差与飞行时间偏差之间的关系的校正信息，但一般情况下，飞行时间由于各种因素而发生变动，例如不仅由于各部的温度还由于反射器、检测器等部件的安装精度、由反射器的污垢等导致的反射电场的变动等而发生变动，因此即使在某种条件下求出上述校正信息，也未必能够利用该校正信息进行高精度的校正。

另外，当在执行测定后对数据进行校正处理时，质谱的制作相应地发生延迟，因此例如在实时地解析通过通常的质谱分析得到的质谱来决定后续要实施的MS/MS分析的前体离子的情况下，MS/MS分析的实施有可能延迟。

专利文献1：日本特开2001-283767号公报

专利文献2：日本特开平5-304451号公报

专利文献3：美国专利第6700118号说明书

发明内容

发明要解决的问题

本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供如下一种飞行时间质谱分析装置：即使在生成用于射出离子的高电压脉冲的电源电路的周围温度有变化或者其周围温度与标准温度之间存在大的差异的情况下，不通过数据处理进行飞行时间等的校正，就能够减少飞行时间的测量开始时间点与离子射出时间点之间的时间偏差来实现高的质量精度。

用于解决问题的方案

为了解决上述问题而完成的本发明是一种飞行时间质谱分析装置，其具备：飞行空间，离子在该飞行空间中飞行；离子射出部，其通过由对电极施加的电压形成的电场的作用对作为测定对象的离子赋予加速能量来使该离子朝向所述飞行空间射出；以及离子检测器，其检测飞行过所述飞行空间而来的离子，该飞行时间质谱分析装置具备：

a)高电压脉冲生成部，其对所述离子射出部的所述电极施加离子射出用的高电压脉冲，所述高电压脉冲生成部包括：直流电源部，其产生直流高电压；变压器，其包括初级绕组和次级绕组；初级侧驱动电路部，其被输入用于射出离子的脉冲信号，根据该脉冲信号对所述变压器的初级绕组供给驱动电流；次级侧驱动电路部，其与所述变压器的次级绕组连接；开关元件，其通过该次级侧驱动电路部被进行导通/截止驱动来将由所述直流电源部产生的直流高电压进行脉冲化；以及初级侧电源部，其生成通过所述初级侧驱动电路部对所述变压器的初级绕组的两端施加的电压；

b)温度测量部，其测量所述高电压脉冲生成部的周围温度；以及

c)控制部，其控制所述初级侧电源部，以使对所述高电压脉冲生成部的所述变压器的初级绕组的两端施加的电压根据由所述温度测量部测量出的温度发生变化。

一般来说，在上述高电压脉冲生成部中对变压器的初级绕组的两端施加的电压的电压值是固定的。与此相对地，在本发明所涉及的飞行时间质谱分析装置中，对变压器的初级绕组的两端施加的电压并不固定，能够利用初级侧电源部进行调整。而且，控制部根据由温度测量部测量出的高电压脉冲生成部的周围温度来控制初级侧电源部，以使变压器的初级绕组的两端电压变化。当使变压器的初级绕组的两端电压变化时，对开关元件的控制端施加的脉冲信号的峰值变化。于是，对开关元件的控制端的输入电容等进行充电的电流变化，该控制端的实际电压的上升和下降的斜坡的斜率改变。由此，该电压斜坡横穿开关元件的阈值电压的定时变化，高电压脉冲的上升/下降的定时变化。

因此，控制部例如根据周围温度与预先决定的标准温度之差来将变压器的初级绕组的两端电压调整为比标准电压高规定电压或者低规定电压的电压。由此，开关元件的控制端的实际电压的上升斜坡的斜率改变，能够使该斜坡横穿阈值电压的定时大致一致而与周围温度无关。其结果，即使周围温度不同也能够抑制高电压脉冲的上升的随时间的变化，能够始终在大致相同的定时使离子加速，使该离子朝向飞行空间射出。

另外，作为本发明所涉及的飞行时间质谱分析装置的一个方式，能够构成为：所述控制部具备存储部，该存储部分别存储有表示周围温度的变化与被输出的高电压脉冲的随时间的变化之间的关系的信息以及表示所述变压器的初级绕组的两端电压的变化与被输出的高电压脉冲的随时间的变化之间的关系的信息，所述控制部基于该存储部中存储的信息来控制所述初级侧电源部。

根据该结构，能够参照预先存储于存储部的信息来直接求出与周围温度对应的施加电压，因此装置的结构变得简单。此外，通常，能够设为由本装置的制造商通过实验预先求出要存储在存储部中的信息。

此外，本发明所涉及的飞行时间质谱分析装置能够应用于如下结构的所有的飞行时间质谱分析装置，该结构是利用通过对电极施加高电压脉冲而形成的电场来使离子加速并将该离子向飞行空间送出的结构。即，本发明不仅能够应用于正交加速方式飞行时间质谱分析装置，也能够应用于使保持在离子阱中的离子加速来送出到飞行空间的离子阱飞行时间质谱分析装置、使通过MALDI离子源等从试样生成的离子加速来送出到飞行空间的飞行时间质谱分析装置。

发明的效果

根据本发明所涉及的飞行时间质谱分析装置，即使在生成用于射出离子的高电压脉冲的高电压脉冲生成部的周围温度有变化或者其周围温度与标准温度之间存在大的差异的情况下，也能够使用于射出离子的向电极施加的高电压脉冲的施加定时始终保持相同。由此，能够防止由周围温度的变化、差异引起的质谱的质量偏差，能够获得高质量精度的质谱。另外，不是通过数据获取后的数据处理进行校正，而是在测定时间点，进一步讲是在射出离子的时间点校正周围温度的差异的影响，因此即使在产生了导致飞行时间发生变动之类的各种因素的情况下，也能够不受这些因素的影响地进行准确的校正。另外，也不需要数据获取后的用于校正的数据处理所需的时间。

附图说明

图1是作为本发明的一个实施例的OA-TOFMS的概要结构图。

图2是本实施例的OA-TOFMS的加速电压产生部的主要部分的波形图。

图3是本实施例的OA-TOFMS的加速电压产生部的概要电路结构图。

图4是表示高电压导通/截止用的MOSFET的实测的栅极电压波形的图。

图5是表示实测的输出电压波形(高电压脉冲波形)的图。

图6是表示不进行上升时间校正且使周围温度变化的情况下的实测的输出电压波形的图。

图7是图6中的局部放大图。

图8是表示使变压器的初级侧电压从175V变化为177.5V的情况下的实测的栅极电压波形的图。

图9是图8中的局部放大图。

图10是图8中的电压上升斜坡的示意图。

图11是表示使变压器的初级侧电压从175V变化为177.5V的情况下的实测的输出电压波形的图。

图12是图11中的局部放大图。

图13是一般的OA-TOFMS的概要结构图。

具体实施方式

下面，参照附图来说明作为本发明的一个实施例的OA-TOFMS。

图1是本实施例的OA-TOFMS的概要结构图，图3是加速电压产生部的概要电路结构图。对与先前说明的图13相同的结构构件标注相同的附图标记并省略详细的说明。另外，在图1中省略了在图13中所记载的数据处理部5，以避免复杂。

在本实施例的OA-TOFMS中，加速电压产生部7包括初级侧驱动部71、变压器72、次级侧驱动部73、开关部74、高电压电源部75、初级侧电源部76以及温度传感器77。另外，控制部6包括初级侧电压控制部61和初级侧电压设定信息存储部62。控制部6一般以包括CPU、ROM、RAM等的微型计算机为中心来构成，但也能够用FPGA等硬件电路来实现同样的功能，这是不言而喻的。

如图3所示，在加速电压产生部7中，开关部74是在正极侧(图3中的比电压输出端79靠上侧)、负极侧(图3中的比电压输出端79靠下侧)分别将电力用MOSFET 741多级(在本例中为六级)地串联连接而形成的。从高电压电源部75对开关部74的两端施加的电压+V、-V根据作为测定对象的离子的极性而变化，在离子的极性为正时，例如+V＝2500V，-V＝0V。变压器72是环形磁芯式的变压器，与开关部74的各级的MOSFET 741的栅极端子对应地设置环形磁芯(也就是说设置12个环形磁芯)，将卷绕于各环形磁芯的次级绕组与次级侧驱动部73的MOSFET 731、732连接，将贯通于环形磁芯的一匝的缆线设为初级绕组。该缆线使用高压绝缘电线，由此将初级侧与次级侧电绝缘。此外，次级侧的绕组数也可以是任意的。

初级侧驱动部71包括多个MOSFET 711、712、715～718以及多个变压器713、714，从正极侧脉冲信号输入端781和负极侧脉冲信号输入端782分别被输入脉冲信号a、b。在此如图2的(a)、(b)所示那样，在时刻t0，当在向负极侧脉冲信号输入端782输入的脉冲信号b的电压维持为零的状态下向正极侧脉冲信号输入端781输入高电平的脉冲信号a时，MOSFET711导通。由此，向变压器713的初级绕组流入电流，在次级绕组的两端感应出规定的电压。由此，MOSFET 715、716均导通。另一方面，由于MOSFET 712是截止状态，因此不向变压器714的初级绕组流入电流，MOSFET 717、718均为截止状态。因此，对变压器72的初级绕组的两端施加大致VDD的电压，在该初级绕组中，电流在图3中向下流动。

由此，在变压器72的各次级绕组的两端感应出规定的电压。此时，经由次级侧驱动部73所包括的MOSFET 731、732、电阻733对开关部74的各MOSFET的栅极端子施加的电压大致用下式表示。

[栅极电压]≈{[变压器72的初级侧电压]/[开关部74的MOSFET 741的串联级数]}×[变压器72的次级绕组数]…(1)

例如，当将变压器72的初级侧电压(VDD)设为175V，将开关部74的MOSFET 741的串联级数设为12级，将变压器72的次级绕组数设为一匝时，对开关部74的各MOSFET 741的栅极端子施加(175/12)×1＝14V左右的电压。

由于对开关部74的正极性侧的六级的MOSFET 741的栅极端子-源极端子之间正向地施加上述电压，因此这些MOSFET 741导通。另一方面，对开关部74的负极性侧的六级的MOSFET 741的栅极端子-源极端子之间反向地施加上述电压，因此这六级的MOSFET 741截止。其结果，来自高电压电源部75的电压供给端与电压输出端79大致直接连结，向该电压输出端79输出+V＝+2500V的电压。

在时刻t1，当向正极侧脉冲信号输入端781输入的脉冲信号a的电平变化为低电平(电压为零)时，变压器72的初级绕组的两端电压为零，但由于次级侧驱动部73与MOSFET741的栅极输入电容C，对MOSFET 741的栅极端子施加的电压被维持。因此，来自电压输出端79的输出电压被维持为+V＝+2500V。之后，在时刻t2，当向负极侧脉冲信号输入端782输入的脉冲信号b的电平变化为高电平时，此次，MOSFET 712导通，随之，MOSFET 717、718导通，在变压器72的初级绕组的两端，与先前反向地施加电压，反向地流入电流。由此，在变压器72的次级绕组的两端，分别与先前反向地感应出电压，开关部74的正极性侧的MOSFET 741截止，负极性侧的MOSFET 741导通。其结果，从电压输出端79输出的电压为零。

加速电压产生部7通过上述动作，在与向正极侧脉冲信号输入端781及负极侧脉冲信号输入端782输入的脉冲信号a、b相应的定时生成高电压脉冲。图4是MOSFET 741的栅极电压从负电压向正电压变化时的实测的栅极电压波形，图5是此时的来自电压输出端79的输出电压Vout的波形。横轴均为5[nsec/div]。

在上述加速电压产生部7中，从电压输出端79输出的正极性和负极性的高电压脉冲的上升/下降的定时是由开关部74的MOSFET 741导通/截止的定时、也就是这些MOSFET741的栅极电压的上升/下降的定时来决定的。例如，在图2所示的波形的例子中，在(e)中示出的高电压脉冲从-V变化为+V的定时是由正极性侧的MOSFET 741的栅极电压(参照图2的(c))从负电压变化为正电压的定时以及负极侧MOSFET 741的栅极电压(参照图2的(d))从正电压变化为负电压的定时这两个定时来决定的。一般地，在MOSFET中，栅极电压的阈值是几V(在本例中约为3V)，在栅极电压的上升斜坡横穿该阈值电压时，MOSFET 741从截止转变为导通。

图6示出使加速电压产生部7的周围温度变化的情况下的实测的输出电压Vout的波形。另外，图7是图6中的局部放大图。在此，周围温度是15℃和35℃。根据这些图可知，当使周围温度从15℃变化为35℃时，高电压脉冲的上升定时延迟200[ps]左右。能够推断为这是起因于开关部74的MOSFET 741、初级侧驱动部71的MOSFET 711、712、715～718等半导体元件以及生成向正极侧脉冲信号输入端781和负极侧脉冲信号输入端782供给的脉冲信号的未图示的逻辑IC等的上升/下降特性、信号传输特性的温度取决性等。在本实施例的装置的情况下，200[ps]的高电压脉冲的上升定时的延迟在m/z＝1000的离子中引起几ppm左右的质量偏差。在精密的质量测定中期望使质量偏差为1ppm以下，但伴随上述的温度变化所引起的质量偏差大大超过1ppm。

因此，在本实施例的OA-TOFMS中，如以下那样消除伴随温度变化所引起的输出电压波形的时间偏差，从而提高质量精度。

图8是示出使变压器72的初级侧电压从175V增加至177.5V的情况下的实测的MOSFET 741的栅极电压波形的图，图9是其局部放大图。另外，图10是图8中的电压上升斜坡的示意图。根据图8、图9可知，当使变压器72的初级侧电压从175V增加至177.5V时，直到栅极电压达到阈值电压为止的时间大约变快200[ps]。由于上述初级侧电压的增加，从次级侧驱动部73施加到各MOSFET 741的栅极端子的电压从14V增加至约14.8V。能够推断为通过像这样使向栅极端子施加的施加电压增加，使得用于对MOSFET 741的栅极输入电容C进行充电的充电电流增加，由此如图10所示那样上升加快。

图11是示出此时的实测的电压输出波形的图，图12是其局部放大图。当使变压器72的初级侧电压从175V增加至177.5V时，高电压脉冲的上升定时也大约变快200[ps]。

在本实施例的OA-TOFMS中，利用如上所述那样当使变压器72的初级侧电压增加时高电压脉冲的上升加快这一状况，对加速电压产生部7的周围温度发生变化时的高电压脉冲的上升/下降的时间偏差进行校正。

具体地说，预先求出周围温度的变化与高电压脉冲的上升/下降的时间变化之间的关系以及变压器72的初级侧电压的变化与高电压脉冲的上升/下降的时间变化之间的关系，预先将表示这些关系的信息保存于初级侧电压设定信息存储部62。由于上述关系取决于在加速电压产生部7中使用的部件、元件等，因此能够由本装置的制造商预先通过实验求出上述关系并存储于存储部62。例如周围温度的变化与高电压脉冲的上升/下降的时间变化之间的关系能够用+10[ps/℃]之类的变化量(例如相对于周围温度：15℃等标准状态的变化量)来表示，变压器72的初级侧电压的变化与高电压脉冲的上升/下降的时间变化之间的关系能够用-80[ps/V]之类的变化量(例如相对于变压器72的初级侧电压：175V等标准状态的变化量)来表示，在关系为非线性的情况下，设为表示对应关系的式子或表格等形式即可。

在实际的测定时，温度传感器77测量加速电压产生部7的周围温度，将测量出的温度信息大致实时地发送到控制部6。如上所述，对高电压脉冲的上升/下降的时间偏差造成最大影响的是开关部74(MOSFET 741)，因此优选将温度传感器77设置为测量开关部74附近的温度。在控制部6中，初级侧电压控制部61从初级侧电压设定信息存储部62读出表示上述关系的信息，计算出相对于当前时间点的温度的时间偏差，并且计算出用于校正该时间偏差的初级侧电压的变化，并求出初级侧电压。

初级侧电压控制部61向初级侧电源部76指示这样求出的初级侧电压，初级侧电源部76生成被指示的直流电压来作为VDD施加于初级侧驱动部71。由此，能够根据此时的周围温度来调整对变压器72的初级绕组施加的电压，生成无时间偏差的高电压脉冲来施加到挤压电极11、引出电极12。其结果，能够不取决于加速电压产生部7的周围温度地始终实现高质量精度。

此外，上述实施例只不过是本发明的一例，即使在本发明的宗旨的范围内适当地进行变形、追加、修改，也包含于本申请的保护范围，这是显而易见的。

例如上述实施例将本发明应用于OA-TOFMS，但本发明也能够应用于除此以外的TOFMS，例如使保持在三维四极型或线型的离子阱中的离子加速来送出到飞行空间的离子阱飞行时间质谱分析装置、使通过MALDI离子源等从试样生成的离子加速来送出到飞行空间的飞行时间质谱分析装置。

附图标记说明

1：离子射出部；11：挤压电极；12：引出电极；2：飞行空间；3：反射器；31：反射电极；32：背板；4：检测器；5：数据处理部；6：控制部；61：初级侧电压控制部；62：初级侧电压设定信息存储部；7：加速电压产生部；71：初级侧驱动部；711、712、715～718、731、732、741：MOSFET；72、713：变压器；73：次级侧驱动部；733：电阻；74：开关部；75：高电压电源部；76：初级侧电源部；77：温度传感器；8：反射电压产生部。

Claims

1.一种飞行时间质谱分析装置，具备：飞行空间，离子在该飞行空间中飞行；离子射出部，其通过由对电极施加的电压形成的电场的作用对作为测定对象的离子赋予加速能量来使该离子朝向所述飞行空间射出；以及离子检测器，其检测飞行过所述飞行空间而来的离子，该飞行时间质谱分析装置的特征在于，具备：

c)控制部，其控制所述初级侧电源部，以使对所述高电压脉冲生成部的所述变压器的初级绕组的两端施加的电压根据由所述温度测量部测量出的温度发生变化，从而使所述高电压脉冲的施加定时不受温度影响地保持固定。

2.根据权利要求1所述的飞行时间质谱分析装置，其特征在于，

所述控制部具备存储部，该存储部分别存储有表示周围温度的变化与被输出的高电压脉冲的随时间的变化之间的关系的信息以及表示所述变压器的初级绕组的两端电压的变化与被输出的高电压脉冲的随时间的变化之间的关系的信息，所述控制部基于该存储部中存储的信息来控制所述初级侧电源部。