JP2006286210A - 質量分析装置及び質量分析装置用印加電圧設定パラメータデータ - Google Patents

Abstract

【課題】 測定を行う質量数に応じて質量分析装置の各部に印加する電圧値を変化させるスキャン測定において、質量数におけるサンプリングを行う質量数の間隔やサンプリング時間を任意に設定できるようにする。
【解決手段】 CPUからFPGAに対して送られるパラメータデータを設定可否識別子、サイクルウエイト値及び各電圧発生部の電圧値とで構成し、電圧値の直前に電圧値設定可否識別子を設ける。測定時間が複数サイクルに亘る時には、サイクルウエイト値に基づき、測定データを加算平均処理すればよい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液体クロマトグラフ質量分析装置（ＬＣ／ＭＳ）をはじめとする各種の質量分析装置に関わるものであり、イオン化された試料を、中間真空室を通して高真空下にある質量分析室内に配置された質量分離器に導入するインタフェースを備えており、分析対象の質量数に応じて該インタフェースの各部及び質量分離器に印加する電圧をそれぞれ変化させる構成を備え、スキャン測定時において、特定の質量数のサンプリング時間やサンプリングを行う質量数の間隔を任意に設定することが可能な質量分析装置に関する。

ＬＣ／ＭＳでは、液体クロマトグラフ（ＬＣ）のカラムから時間的に分離して溶出する試料液を、イオン化して質量分析装置（ＭＳ）へ導入するためのインタフェースが用いられる。インタフェースは、試料液を加熱、高速気流、高電界などを利用して霧化させつつ気体イオンを生成するイオン化装置のほか、イオン化装置から送られてくるイオンを適宜に収束させて、場合によっては加速して後段へと送るイオンレンズ等を含んでいる。

ＬＣ／ＭＳにおいて分析感度を上昇させるためには、イオン化装置によって生成されたイオンを無駄なく四重極フィルタなどの質量分離器へ導入すること、すなわち、イオンの通過効率を向上させることが重要である。

イオンの通過効率を向上させる技術の一例として、特許文献１では、イオンの通過効率がイオンの質量数に依存していることに基づき、異なる質量数を持つ成分を含有する標準試料を予備的に分析しておき、通過するイオンの質量数に応じて、そのイオンの通過効率が最も高くなるように、換言すれば、特定の成分に対応するマススペクトルのピークが最も高くなるように、インタフェースの各部及び質量分離器（以後、単に「各部」とする）に印加する電圧（直流電圧、又は直流電圧と高周波電圧とを重畳した電圧）を調整するようなＬＣ／ＭＳが開示されている。所定の質量範囲に亘ってスキャン測定を行う場合に、とりわけこのＬＣ／ＭＳの構成は有効である。
特開2001-343362号公報

上記の先行文献に記載の技術を含め、従来の質量分析装置では、スキャン測定を行う場合、各部へ印加される電圧は、制御部のCPU（Central Processing Unit：中央処理装置）から与えられるパラメータデータの指示によって、測定を行う質量範囲の最小質量数から最大質量数に亘り、一定質量数間隔（サンプリング間隔）で、且つ質量分析装置が作動する所定の周波数（基本サイクル）に基づいた一定時間間隔で変更・調節されている。このことは、スキャンが低速である場合には何ら問題とはならないが、スキャンが高速に（スキャン時間が短く）なると、サンプリングを行う質量数の間隔が疎にならざるを得ず、得られるスペクトルのデータ精度が低下してしまうという問題があった。

実際にある試料のスキャン測定を行う場合には、子細に分析を行いたい質量範囲や、分析が比較的疎であっても構わない質量範囲が予め分かっていることが多い。そこで、測定を行う全質量範囲のうち、ある質量範囲では時間を掛けて詳細に測定を行い、それ以外の質量範囲では疎に測定を行う、という風に、サンプリング間隔やサンプリング時間を制御することが可能となれば、自由度の高い測定を行うことができ、たとえスキャンが高速であったとしても、目的とする質量範囲において精度の高い測定結果を得ることが可能となる。

この点に基づき、上記課題を解決するために成された本発明に係る質量分析装置は、
所定の基本サイクルに基づき作動し、
質量分析装置の各部に分析対象試料の質量数に応じた所定の電圧を印加する複数の電圧発生部と、
前記各電圧発生部に対し、あるサイクルにおける電圧値を設定するデジタル制御信号を送信する制御部とを備え、
前記制御部が、制御部に設けられた記憶部より読み出すパラメータデータに基づき各電圧発生部の発生電圧値の設定を行う質量分析装置であって、
前記パラメータデータが、
a)該パラメータデータによって電圧発生部の電圧値を変化させるか否かを示す設定可否識別子と、
b)次のパラメータデータを設定するまでの質量分析装置のサイクル数を示すサイクルウエイト値と、
c)各電圧発生部の発生電圧値と、
d)前記各電圧値に対応して設けられる、電圧発生部の発生電圧値の設定変更を行うか否かを示す電圧値設定可否識別子と、から成ることを特徴とする。

本発明に係る質量分析装置は、制御部において本発明の構成に特有のパラメータデータを用いることにより、スキャン測定を行う場合に、イオン通過効率が最適となる印加電圧条件の下、任意の質量数におけるサンプリング時間、及びサンプリング質量間隔を自由に設定することが可能となる。従って、スキャンが高速であって測定時間に制限がある場合などでも、所望の質量数における子細なスペクトルを得ることが可能となり、測定の制御自由度が向上する。

本発明に係る質量分析装置は、ＬＣ／ＭＳをはじめとするスキャン測定を行う各種の質量分析装置であり、特に、各電圧発生部に対してあるサイクルにおける電圧値を設定するデジタル制御信号を送信する制御部において、特有の構成を有するパラメータ（後述）を用いることにその最大の特徴を有している。図２に、本発明に係る質量分析装置の一例であるＬＣ／ＭＳの要部構成を示す。

この装置には、イオン化室１１、質量分析室１４、及び、それらの間にそれぞれ隔壁で隔てられた第１中間室１２及び第２中間室１３が設けられている。イオン化室１１には、図示せぬ液体クロマトグラフのカラム出口端に接続されたノズル１５が設けられている。質量分析室１４には、四重極フィルタ２３、プレロッド２２、及びイオン検出器２５が設けられている。第１中間室及び第２中間室１２、１３にはそれぞれ第１イオンレンズ１７及び第２イオンレンズ１９が設けられている。イオン化室１１と第１中間室の間は、細径の脱溶媒管１６を介して、第１中間室１２と第２中間室１３との間は極小径の通過孔（オリフィス）を有するスキマー１８を介してのみ連通している。

イオン化室１１はノズル１５より連続的に供給される試料液の気化分子によりほぼ大気圧となっているが、第１中間室１２、第２中間室１３と、質量分析装置の後段になるにつれて、徐々に真空度が高くなるように設定されており、質量分析室１４はターボ分子ポンプによって10^-3〜10^-4Pa程度の高真空状態まで真空排気されている。

図２に示す質量分析装置では、ノズル１５より噴霧され、脱溶媒管１６に引き込まれたイオンのうち、目的とする質量数を有するイオンのみがイオン光軸Ｃに沿って進み、検出器２５に到達する割合が最も高くなるように、ノズル１５、脱溶媒管１６、第１イオンレンズ１７、第２イオンレンズ１９、フォーカスレンズ２０、エントランスレンズ２１、プレロッド２２、四重極フィルタ２３、アパーチャ２４の各部に、それぞれ適切な値の電圧が印加される。このうち、第１イオンレンズ１７、第２イオンレンズ１９、プレロッド２２及び四重極フィルタ２３には、直流電圧と高周波電圧を重畳した電圧が印加され、その他の箇所には直流電圧が印加される。

電圧発生部は、実際には、図３において描かれているように、電圧を印加する箇所毎に設けられた、その電圧値を調節する複数の電圧発生部から構成されている。各電圧発生部は一般に、図示せぬＤ／Ａ変換器やパワーアンプなどから構成されている。

各電圧発生部が生成する電圧値は、図３に示すように、制御部から各電圧発生部へ送られるデジタル制御信号によって制御される。デジタル制御信号を受信した電圧発生部は、Ｄ／Ａ変換器によってそのデジタル制御信号をアナログ電圧値に変換することにより、指示された電圧を発生させる。

制御部では、CPUが、記憶部に格納されているパラメータデータに基づき、プログラム可能なロジックデバイスであるFPGA（Field Programmable Gate Array）に対して、あるサイクルにおいて電圧発生部が印加する電圧値の組み合わせを書き込む。上述したように、質量分析装置は例えば150Hzといった所定のサイクルで動作しており、電圧値の変更（すなわち、測定を行う質量数の変更）は、各サイクルを最小時間単位として行われている。

本発明に係るパラメータデータの構成を図１に示す。パラメータデータは、上記のような質量分析装置の制御部においてCPUがFPGAに対して出力する、あるサイクルにおいて各電圧発生部が発生する電圧値等を設定するための一組のデータである。パラメータデータは、設定可否識別子E、サイクルウエイト値R、そして各電圧発生部に対するデータである電圧値設定可否識別子Nn及び発生電圧値DAnから構成されている。ここに、nは電圧発生部の通し番号である。図１では0〜iまで、すなわち(i+1)組のパラメータデータが示されている。

設定可否識別子Eは0又は1の値で記述される二値データである。0の場合はそのパラメータデータによって電圧値の設定が行われないことを意味する。一方、Eの値が1の場合には、いずれかの電圧発生部に対して電圧値の設定が行われることを意味する。

サイクルウエイト値Rは自然数で記述される値であり、上記Eの値が1である場合に、何基本サイクル分そのパラメータデータによる設定を維持するかを示している。すなわち、このサイクルウエイト値Rの値によってサンプリング時間が制御される。例えば、Rが3であれば、全ての電圧発生部における電圧値の組み合わせが3サイクルの間、変化しないということである。

電圧値設定可否識別子Nn及び発生電圧値DAnは二者が一組となり、質量分析装置に設けられたn個の電圧発生部の通し番号順に並んでいる。発生電圧値DAnの値は、n番目の電圧発生部の電圧値を示している。発生電圧値DAｎの直前に設けられる電圧値設定可否識別子Nnは、n番目の電圧発生部の電圧値の設定を行うか否かを示す、0又は1の値で表される二値データである。0の場合には、その電圧発生部の電圧値は設定することなく、直前の電圧値を維持する。1の場合には、直後の値である発生電圧値DAnの値をn番目の電圧発生部に設定する。なお、電圧値設定可否識別子Nn及び発生電圧値DAnは上記のように隣接している必要は必ずしもなく、両者が対応づけられてさえいればよい。

FPGAはCPUからシリアルに送られてくるパラメータデータを順次受け取り、パラメータデータの組毎に、その各値に基づき、各電圧発生部に対して電圧値の指示を与える。FPGAは受信したパラメータをFIFO（First-In First-Out）に格納する。ここで、例えばある組のパラメータデータが"1,1,150,00,…,00"であるとする。このパラメータデータを受け取ったFPGAは、設定可否識別子Eが1であることにより、このパラメータデータによって設定を行うと認識する。次に、サイクルウエイト値Rが1であることにより、このパラメータデータによる設定は1サイクルの間維持されると認識する。そして、電圧値設定可否識別子N₁が1、発生電圧値DA₁が150であることにより、第１電圧発生部に対して発生電圧値150を指示する。一方、N₂は0であるので、第２電圧発生部に対しては発生電圧値の指示を与えない。このとき、第２電圧発生部はこのパラメータデータの直前の電圧値を維持する。このようにして順次、全ての電圧発生部に対して指示を与える（又は与えない）ことにより、電圧値の制御を行う。なお、電圧値の設定は全電圧発生部で一斉に同一タイミングで行われる。次のサイクルにおける各電圧発生部に対する電圧値の設定は、次の組のパラメータデータに基づき行う。

このようなパラメータデータを用いたスキャン測定の一例において測定を行う質量数をプロットしたグラフを図３に示す。測定の緻密さを任意の質量範囲で変化させることができることが示されている。図３では、パラメータデータのサイクルウエイト値Rが1である場合には、1つのプロットが1組のパラメータデータによって設定される電圧値に対応する。

サイクルウエイト値Rを2以上とすることにより、同一の質量数を対象とした測定を複数サイクルに亘って行うことができる。すなわち、サンプリング時間を長くすることが可能である。この場合には、検出器において検出部より検出され、その後A/D変換された検出器データを、そのRの値に従って、制御部において加算平均処理を行えばよい。

本発明に係るパラメータデータ。 本発明に係るＬＣ／ＭＳの要部構成図。 質量分析装置の制御部、電圧発生部、検出器の概略構成図。 本発明に係るパラメータデータを用いてスキャン測定を行った場合の測定質量数の一例。

符号の説明

１１…イオン化室
１２…第１中間室
１３…第２中間室
１４…質量分析室
１５…ノズル
１６…脱溶媒管
１７…第１イオンレンズ
１８…スキマー
１９…第２イオンレンズ
２０…フォーカスレンズ
２１…エントランスレンズ
２２…プレロッド
２３…四重極フィルタ
２４…アパーチャ
２５…イオン検出器

Claims (3)

1. 所定の基本サイクルに基づき作動し、
   質量分析装置の各部に分析対象試料の質量数に応じた所定の電圧を印加する複数の電圧発生部と、
   前記各電圧発生部に対し、あるサイクルにおける電圧値を設定するデジタル制御信号を送信する制御部とを備え、
   前記制御部が、制御部に設けられた記憶部より読み出すパラメータデータに基づき各電圧発生部の発生電圧値の設定を行う質量分析装置であって、
   前記パラメータデータが、
   a)該パラメータデータによって電圧発生部の電圧値を変化させるか否かを示す設定可否識別子と、
   b)次のパラメータデータを設定するまでの質量分析装置のサイクル数を示すサイクルウエイト値と、
   c)各電圧発生部の発生電圧値と、
   d)前記各電圧値に対応して設けられる、電圧発生部の発生電圧値の設定変更を行うか否かを示す電圧値設定可否識別子と、
   から成ることを特徴とする質量分析装置。
2. 所定の基本サイクルに基づき作動する質量分析装置の各部に、分析対象試料の質量数に応じた所定の電圧を印加する複数の電圧発生部に対し、あるサイクルにおける電圧値を設定するためのパラメータデータであって、
   a)該パラメータデータによって電圧発生部の電圧値を変化させるか否かを示す設定可否識別子と、
   b)次のパラメータデータを設定するまでの質量分析装置のサイクル数を示すサイクルウエイト値と、
   c)各電圧発生部の発生電圧値と、
   d)前記各電圧値に対応して設けられる、電圧発生部の発生電圧値の設定変更を行うか否かを示す電圧値設定可否識別子と、
   から成ることを特徴とするパラメータデータ。
3. 請求項２に記載のパラメータデータによって電圧発生部の発生電圧値の設定を行う質量分析装置であって、
   前記識別子及び前記サイクルウエイト値に基づき、検出器より得られたデータを加算平均処理する
   ことを特徴とする質量分析装置。
   
   

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