JP2010048732A - ガスクロマトグラフ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】目的成分由来の小さなピークを残し、クロマトグラムに重畳したバックグラウンドノイズを適切に除去する。
【解決手段】長さの相違する同種の２本のカラム４Ａ、４Ｂを用いて目的試料をそれぞれＧＣ／ＭＳ分析し、クロマトグラム作成部６１でそれぞれマスクロマトグラムを作成する。保持指標換算部６２はこれらの時間軸をｎ−アルカンを基準物質とした保持指標に換算した保持指標ベースのマスクロマトグラムに変換する。その２つのクロマトグラム上では同一成分由来のピークはほぼ同じ位置に現れ、ランダム性のノイズによるピークは同一位置には生じない。そこで、２つのクロマトグラムデータをｆ（ｔ）、ｇ（ｔ）として適宜の重み関数を設定した重み付け畳み込み演算処理を行うことで、目的成分由来のピークを抽出し、ノイズピークを除去する。
【選択図】 図１

Description

本発明はガスクロマトグラフ装置に関し、さらに詳しくは、ガスクロマトグラフ装置で得られるクロマトグラムに重畳するノイズをデータ処理により除去する技術に関する。

ガスクロマトグラフ質量分析装置（以下「ＧＣ／ＭＳ」と略す）などにより得られるマスクロマトグラムやトータルイオンクロマトグラムには、様々な要因によるバックグラウンドノイズが重畳される。一例を挙げると、ガスクロマトグラフの検出器である質量分析装置におけるイオン検出器への不所望の荷電粒子の飛び込み、イオン検出器以降の電子回路にて発生する固有ノイズや外部からの飛込みノイズなどがバックグラウンドノイズとなり得る。バックグラウンドノイズが大きいと微量成分由来のピークはノイズに埋もれてしまうため、分析感度を向上させるにはバックグラウンドノイズをできるだけ低減することが必要である。

従来、クロマトグラフ装置においてランダム性のバックグラウンドノイズを低減する一手法として、イオン検出器で得られた時間的に連続する検出データに対しローパス型のフィルタリング処理を行う方法が知られている（例えば特許文献１など参照）。もちろん、こうしたフィルタリング処理により高周波ノイズは低減されるものの、ノイズと目的成分由来のピークとは区別されないため、目的成分由来の小さなピークのピーク強度も下がってしまい、ピーク見逃しを起こすおそれがあった。

特開平１０−３３２６６２号公報

本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、クロマトグラムに現れるランダムなノイズを効果的に除去することができるガスクロマトグラフ装置を提供することにある。

上記課題を解決するためになされた第１発明に係るガスクロマトグラフ装置は、
a)目的試料に対し長さが相違する同種の２本のカラムを用いてそれぞれガスクロマトグラフ分析を実行し、対応する２つのクロマトグラムデータを取得する分析実行手段と、
b)前記２つのクロマトグラムデータの時間軸をそれぞれ所定物質を基準とする保持指標（リテンションインデックス）又は相対保持比に変換するデータ変換処理手段と、
c)前記データ変換処理手段により変換された２つのクロマトグラムデータに対し所定の重み関数を設定した畳み込み演算処理を実行する演算処理手段と、
を備えることを特徴としている。

また上記課題を解決するためになされた第２発明に係るガスクロマトグラフ装置は、
a)試料気化室と検出器との間に長さが相違する同種の２本のカラムが併設された分析部と、
b)前記分析部により目的試料に対するガスクロマトグラフ分析を実行し、前記２本のカラムでそれぞれ分離された同一成分に由来するピークが現れた１つのクロマトグラムデータを取得する分析実行手段と、
c)所定の基準物質を前記分析部によりガスクロマトグラフ分析して得られた結果に基づく２つの異なる保持指標換算情報又は相対保持比換算情報を用いて、前記分析実行手段により得られた１つのクロマトグラムデータの時間軸を保持指標又は相対保持比に変換した２つのクロマトグラムデータを生成するデータ変換処理手段と、
d)前記データ変換処理手段により生成された２つのクロマトグラムデータに対し所定の重み関数を設定した畳み込み演算処理を実行する演算処理手段と、
を備えることを特徴としている。

ここで「同種の２本カラム」とは、同じ種類の固定相（キャピラリカラムの場合にはカラム内壁面に塗布された固定相としての液層）を有するものを意味するが、一般に、同じ種類の固定相でもメーカーによって特性にはばらつきがある。そこで、好ましくは、「同種の２本のカラム」とは同一メーカーの同じ種類のカラムであって長さのみが相違するものとするのがよい。

また上記「基準となる所定物質」や「基準物質」は典型的にはｎ−アルカンであるが、ｎ−アルカン以外の物質を利用することも可能である。

また、第１発明及び第２発明に係るガスクロマトグラフ装置では、カラムで成分分離された試料ガスを検出する検出器の種類は特に問わず、一般にＧＣ分析に使用される熱伝導度検出器、水素炎イオン化検出器、炎光光度検出器、電子捕獲型検出器などのほか、近年盛んに利用される質量分析装置を検出器としたものでもよい。

質量分析装置を検出器としたガスクロマトグラフ質量分析装置の場合、「クロマトグラム」は、所定のm/z範囲のスキャン測定で得られた全てのイオンに対する検出信号に基づいて得られるトータルイオンクロマトグラムや特定のm/zを持つイオンのみに対する検出信号に基づいて得られるマスクロマトグラム、或いは、所定の１乃至複数のm/zに対するＳＩＭ（選択イオンモニタリング）測定により得られるクロマトグラムである。

第１発明に係るガスクロマトグラフ装置では、長さの相違する２本のカラムを用いた２回のＧＣ分析を同一の目的試料に対して実行する。２本のカラムはユーザが付け替えるようにしてもよいし、適宜の流路切替手段を用いて長さの相違する２本のカラムの一方に選択的にキャリアガスが流れるようにしてもよい。基本的に、長さが相違する同種の２本のカラムを用いたＧＣ分析により得られた２つのクロマトグラム上で、目的試料中の同一成分（化合物）由来のピークは異なる保持時間の位置に現れるが、保持時間を保持指標又は相対保持比に換算した２つのクロマトグラム上では目的試料中の同一成分由来のピークはほぼ同じ位置に現れる。一方、ランダムに出現するノイズ成分によるピークが保持指標又は相対保持比を横軸とする２つのクロマトグラム上で同じ位置に現れる可能性はきわめて低い。

演算処理手段が保持指標ベース又は相対保持比ベースの２つのクロマトグラムに対し適宜の重み関数を設定した畳み込み演算処理を実行すると、２つのクロマトグラム上でほぼ同じ位置にピークを持つ同一成分由来のピークが残り、一方のクロマトグラム上にしか現れないランダム性のノイズ由来のピークは抑制される。重み関数の幅を広げ過ぎると、保持指標や相対保持比が近接したノイズを抑制することができないため、重み関数の幅は同一成分由来のピークの位置ずれ量などに応じて適切に決めることが必要である。これにより、ランダム性のバックグラウンドノイズを十分に除去し、目的試料に含まれる成分に由来するピークが明瞭に現れたクロマトグラムを得ることができる。

前述のように第１発明に係るガスクロマトグラフ装置では２回のＧＣ分析を実行する必要があるが、第２発明に係るガスクロマトグラフ装置では、併設された２本のカラムで同時にＧＣ分析を実行し、両方の分析結果が併合された１つのクロマトグラムを取得する。基準物質をＧＣ分析した場合にも同一物質由来の２本のピークが得られるから、これに基づいて２つの異なる保持指標換算情報を作成することができる。データ変換処理手段は、この２つの異なる保持指標換算情報を用いて、１つのクロマトグラムデータの時間軸を保持指標に変換した２つのクロマトグラムデータを生成する。演算処理手段はこの２つのクロマトグラムに対し適宜の重み関数を設定した畳み込み演算処理を実行する。この場合、両方のクロマトグラムに同一成分由来のピークが２本ずつ現れるから、重み付け畳み込み演算処理は自己相関を求めていることと同等である。

但し、第２発明に係るガスクロマトグラフ装置では、目的試料に含まれる成分の数が複数である場合に、異なる成分が２本のカラムから同時に流出してきてクロマトグラム上でピークが重なってしまう場合がある。目的試料に含まれる成分の数が多いほどこのような状況が起こる可能性が高いから、目的試料に含まれる成分の数が多い場合には第２発明よりも第１発明のほうが適している。

第１発明及び第２発明に係るガスクロマトグラフ装置によれば、試料に含まれる目的成分のピークに影響を与えることなく、ランダム性のバックグラウンドノイズを効果的にクロマトグラムデータから除去することができる。それによって、小さなピークをもつ目的成分も見逃すことなく検出でき、特に微量分析に威力を発揮する。

［第１実施例］
本発明の一実施例であるＧＣ／ＭＳについて、添付の図１〜図５を参照して説明する。図１（ａ）は本実施例によるＧＣ／ＭＳの全体構成図である。

カラムオーブン３内に設置されたキャピラリカラム４Ａの入口には試料気化室１が設けられ、試料気化室１を通してカラム４Ａ内に一定流量で以てヘリウム等のキャリアガスが送給される。制御部７の制御の下に所定のタイミングでインジェクタ２より試料気化室１内に少量の液体試料が注入されると、この液体試料は瞬時に気化し、キャリアガス流に乗ってカラム４Ａ内に送り込まれる。カラム４Ａを通過する間に試料に含まれる各種化合物はカラム４Ａの長手方向に分離され、時間的にずれてカラム４Ａ出口から流出し、ＧＣの検出器である質量分析装置５のイオン源５１に導入される。質量分析装置５において、導入された試料ガス中の化合物はイオン源５１でイオン化され、四重極質量フィルタなどの質量分離部５２でイオンはm/zに応じて分離されてイオン検出器５３で検出される。質量分析装置５は導入される試料ガス中の化合物を順次検出し、検出データをデータ処理装置６に送る。

データ処理装置６は、クロマトグラム作成部６１、保持指標換算部６２、畳み込み演算部６３などを機能として含む。また、制御部７は、インジェクタ２を初めとするＧＣ部の動作と質量分析装置５の動作とを制御する。データ処理装置６及び制御部７の大部分は例えばパーソナルコンピュータをハードウエア構成とし、そのパーソナルコンピュータ上で所定の制御・処理プログラムを動作させることにより具現化されるものとすることができる。

図１（ａ）は、試料気化室１とイオン源５１との間に相対的に短いカラム４Ａが取り付けられた状態てあるが、後述する特徴的な処理を行うクロマトグラムデータを収集するためには、図１（ｂ）に示すように、短いカラム４Ａに代えて試料気化室１とイオン源５１との間に長いカラム４Ｂを取り付ける。短いカラム４Ａと長いカラム４Ｂとは長さは相違するが、内径は同一で固定相は同じである。好ましくは、単に固定相が同じであるのみならず、同一メーカーの同一製造ロットのカラムであって長さのみが相違するものであるとよい。

本実施例のＧＣ／ＭＳにおける特徴的な分析動作及びデータ処理を説明する。図２はその一連の動作・処理の手順を示すフローチャート、図３〜図５はその動作・処理を説明するためのクロマトグラムや波形図である。

このＧＣ／ＭＳでは、１つの目的試料に対し短いカラム４Ａを用いたＧＣ分析と長いカラム４Ｂを用いたＧＣ分析との２回のＧＣ／ＭＳ分析を実行する。まず、図１（ａ）に示すように短いカラム４Ａを装着した状態で、インジェクタ２から試料気化室１内に目的試料を注入し、その試料注入時点から所定時間が経過するまでＧＣ／ＭＳ分析を実行する。このとき、質量分析装置５では、予め指定されたm/z範囲に亘るスキャン測定を繰り返すか、或いは予め指定された１乃至複数のm/zにおけるＳＩＭ測定を行うものとする。データ処理装置６は上記期間中に質量分析装置５から検出データを受け取り、クロマトグラム作成部６１は例えばスキャン測定で得られたデータの中から予め指定された特定のm/zにおけるデータを抽出してマスクロマトグラムを作成する（ステップＳ１）。作成されるマスクロマトグラムの一例を図３（ａ）に示す。このマスクロマトグラム中に記号＊で示した２本のピークが試料中の目的成分由来のピークである。

次に図１（ｂ）に示すように相対的に長いカラム４Ｂを装着した状態で、インジェクタ２から試料気化室１内に同じ目的試料を注入し、その試料注入時点から所定時間が経過するまでＧＣ／ＭＳ分析を実行する。そして、データ処理装置６のクロマトグラム作成部６１は上記特定のm/zにおけるマスクロマトグラムをステップＳ１と同様に作成する（ステップＳ２）。このマスクロマトグラムの一例を図３（ｂ）に示す。このマスクロマトグラム中でも記号＊で示した２本のピークが試料中の目的成分由来のピークである。カラムの長さが相違するため、図３（ａ）と（ｂ）とでは、同一成分に由来するピークが異なる保持時間に現れる。

次に保持指標換算部６２は、上記の２つのマスクロマトグラムデータに対しそれぞれ保持時間を保持指標（リテンションインデックス）に換算し、横軸が保持指標であるマスクロマトグラムを作成する（ステップＳ３）。そのために、ここではｎ−アルカンの同族体系列を基準物質として予め（又は目的試料と同時に）ＧＣ／ＭＳ分析して、ｎ−アルカンの各ピークの保持時間から任意の化合物の保持指標を求めるための保持指標換算情報を作成しておく。そして、保持指標換算部６２は保持指標換算情報を利用してマスクロマトグラム上に現れる各ピークの保持時間を保持指標に換算して、保持指標ベースのマスクロマトグラムを作成する。もちろん、基準物質としてｎ−アルカン以外の物質を利用してもよい。また、保持指標の代わりに相対保持比を用いることもできる。

短いカラム４Ａを用いて得られたマスクロマトグラムを保持指標ベースに変換したマスクロマトグラムをｆ（ｔ）、長いカラム４Ｂを用いて得られたマスクロマトグラムを保持指標ベースに変換したマスクロマトグラムをｇ（ｔ）とする（但し、これらはｔの関数であるが、ここでは保持指標をｔと読み替えるものとする）。図４はこの保持指標ベースの両マスクロマトグラムｆ（ｔ）、ｇ（ｔ）を示す図である。ここで与えられる保持指標は基本的にはカラムの長さの影響を受けないため、目的試料中の同一成分に由来するピークは２つのクロマトグラム上でほぼ同じ位置（保持指標）に現れる。これに対し、ランダムに生じるノイズによるピークは２つのクロマトグラム上で同じ位置に現れない。もちろん、偶然に同じ位置にノイズによるピークが現れることもあるが、その確率は非常に低いとみなすことができる。

但し、保持指標の再現性などの影響により、同一成分由来のピークは完全には同じ位置に現れないため、若干の位置ずれを考慮して同一成分由来のピークを抽出するために、畳込み演算部６３は、２つのマスクロマトグラムｆ（ｔ）、ｇ（ｔ）を用いた重み付け畳み込み演算処理を実行する（ステップＳ４）。ここでは、次の（１）式の演算を実行する。
Ｆ（ｔ）＝max √｜ｆ（ｔ）｜ｇ（ｔ−τ）｜ｗ（τ） …（１）
この式は、或るｔについて、ｆ（ｔ）とｇ（ｔ）とのずれ量τを所定の範囲で少しずつ変化させながら、√｜ｆ（ｔ）｜ｇ（ｔ−τ）｜ｗ（τ）を計算し、最大となる値を求めることを意味する。

ｗ（τ）は重み関数であり、例えばτ＝０を中心にした幅Δτで高さ１の矩形やガウス関数を用いればよい。ｆ（ｔ）、ｇ（ｔ）、ｗ（τ）の一例を図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。Δτとしては保持指標の再現性などを考慮し、５〜１０程度の値を用いることができる。またＦ（ｔ）を評価するためのτの値としては、重み関数ｗ（τ）が十分に０に近くなる５０〜１００程度の範囲とすればよい。畳み込み演算のためのこれらパラメータは、どの程度の保持指標再現性を見込むのかということや、ノイズの除去性能に関連する。したがって、予め決めておいたパラメータを使用するとともに、ユーザがこれを自由に変更できるようにしてもよい。

（１）式の演算処理により、図５（ｄ）に示されているように、重み関数ｗ（τ）が０になる範囲に存在するピークは除去され、同一成分由来のピークが孤立ピークとして残される。これは、或る１つの成分由来のピークのみを示したものであるが、目的試料に複数の成分が含まれ、それらが十分に離れた（重み関数内に入らないような）保持指標を持てば、各ピークが孤立ピークとして抽出される。それによって、ランダム性のバックグラウンドノイズが除去されたマスクロマトグラムを得ることができるから、それを例えば記憶部に保存する（ステップＳ５）。

なお、（１）式で示したように最大値（max）を採る演算ではなく、τで積分して（つまり畳み込み積分を行って）平均を採っても構わない。但し、その場合には、τの範囲を広くしすぎると平均する範囲が拡がって信号のピーク値が低下する。したがって、τの範囲を保持指標値の再現範囲の２倍程度に狭めておくとよい。また、Ｆ（ｔ）を評価するにあたり、ｆ（ｔ）、ｇ（ｔ）の絶対値をとっているが、ｆ（ｆ）、ｇ（ｔ）が負の値となる場合にはゼロにしてもよい。

［第２実施例］
本発明の別の実施例であるＧＣ／ＭＳについて、図６〜図８を参照して説明する。図６は本実施例によるＧＣ／ＭＳの全体構成図であり、図１と同じ構成要素には同じ符号を付してある。第１実施例のＧＣ／ＭＳでは目的試料に対して２回のＧＣ／ＭＳ分析を実行する必要があったのに対し、この第２実施例のＧＣ／ＭＳでは目的試料に対して１回のＧＣ／ＭＳ分析を行うことで短いカラム４Ａと長いカラム４Ｂとを通した分析結果が同時に得られるようになっている。

このＧＣ／ＭＳでは、試料気化室１と検出器である質量分析装置５のイオン源５１との間に、短いカラム４Ａと長いカラム４Ｂとの２本の同種のカラムが併設されており、試料気化室１から２本のカラム４Ａ、４Ｂに並行してキャリアガスが供給され、両方のカラム４Ａ、４Ｂで成分分離された試料ガスはイオン源５１に合流して導入される。インジェクタ２から試料気化室１内に目的試料が注入されると、気化した試料は２本のカラム４Ａ、４Ｂに並行して導入される。同じ試料成分に対し長いカラム４Ｂは短いカラム４Ａよりも長い保持時間を与え、同じ試料成分は時間的にずれてイオン源５１に導入され、質量分析装置５で検出される。このため、データ処理装置８においてクロマトグラム作成部８１は同一成分に由来する２本のピークが現れる１つのマスクロマトグラムを作成する。

このマスクロマトグラムの一例を図７に示す。このマスクロマトグラム中に記号＊で示した４本のピークが試料中の目的成分由来のピークである。この場合にも、保持時間を保持指標に変換するための情報を得るために、予めｎ−アルカンの同族体系列を基準物質としてＧＣ／ＭＳ分析するが、その際に同じｎ−アルカンに対して２本のピークがそれぞれ生じるので、異なる２つの保持指標換算情報を求めることができる。そこで、保持指標換算部８２は、図７に示したような１つのマスクロマトグラムに現れている各ピークの保持時間を異なる２つの保持指標換算情報を用いてそれぞれ保持指標に換算し、図８に示すような２つの保持指標ベースのマスクロマトグラムを作成する。

この場合、第１実施例とは異なり、２つの保持指標ベースのマスクロマトグラムにそれぞれ同一成分由来の２本のピークが現れる。そして、カラム４Ａ、４Ｂの長さを適切に定めると、一方のマスクロマトグラムにおいて或る成分由来の２本のピークのうちの後方側のピークと、他方のマスクロマトグラムにおいて同一成分由来の２本のピークのうちの前方側のピークとがほぼ同じ位置になる。一方、同一ノイズによるピークは基本的に１本しか現れない。そこで、この２つのマスクロマトグラムをｆ（ｔ）、ｇ（ｔ）とし、（１）式により、重み付け畳み込み演算を実行する。これにより、同一成分由来のピークが２本現れるものについてのみ、つまり目的試料中の成分に由来するピークのみを抽出し、それ以外のノイズによるピークを除去することができる。

但し、目的試料に含まれる化合物が複数ある場合に、複数の化合物由来のピークが保持時間ベースのマスクロマトグラム上で重なってしまうことがあり、目的試料に含まれる化合物の数が多いと特にそうした重なりが起こり易い。そうなると第２実施例で示したデータ処理ではノイズを除去できない。したがって、目的試料に含まれる化合物の数が多いことが分かっている場合には、第１実施例による手法を用いることが好ましい。

なお、上記実施例では、スキャン測定により取得したマスクロマトグラムに重畳しているバックグラウンドノイズを除去するものであったが、トータルイオンクロマトグラムに適用できることは当然である。また、ＳＩＭ測定で得られた特定のm/zにおけるクロマトグラム（いわゆるＳＩＭデータ）に適用できることも当然である。さらに、検出器として質量分析装置以外の検出器を用いた通常のガスクロマトグラフ装置に対しても本発明を適用できることは明らかである。

また、それ以外の点についても、本発明の趣旨に沿った範囲で適宜変形や修正を行うことができることは明らかである。

本発明の第１実施例によるＧＣ／ＭＳの全体構成図。 第１実施例によるＧＣ／ＭＳにおけるノイズ除去の動作・処理の手順を示すフローチャート。 第１実施例によるＧＣ／ＭＳにおけるノイズ除去の動作・処理を説明するための図。 第１実施例によるＧＣ／ＭＳにおけるノイズ除去の動作・処理を説明するための図。 第１実施例によるＧＣ／ＭＳにおけるノイズ除去の動作・処理を説明するための図。 本発明の第２実施例によるＧＣ／ＭＳの全体構成図。 第２実施例によるＧＣ／ＭＳにおけるノイズ除去の動作・処理を説明するための図。 第２実施例によるＧＣ／ＭＳにおけるノイズ除去の動作・処理を説明するための図。

符号の説明

１…試料気化室
２…インジェクタ
３…カラムオーブン
４Ａ…短いカラム
４Ｂ…長いカラム
５…質量分析装置
５１…イオン源
５２…質量分離部
５３…イオン検出器
６、８…データ処理装置
６１、８１…クロマトグラム作成部
６２、８２…保持指標換算部
６３、８３…畳み込み演算部
７…制御部

Claims (3)

1. a)目的試料に対し長さが相違する同種の２本のカラムを用いてそれぞれガスクロマトグラフ分析を実行し、対応する２つのクロマトグラムデータを取得する分析実行手段と、
   b)前記２つのクロマトグラムデータの時間軸をそれぞれ所定物質を基準とする保持指標又は相対保持比に変換するデータ変換処理手段と、
   c)前記データ変換処理手段により変換された２つのクロマトグラムデータに対し所定の重み関数を設定した畳み込み演算処理を実行する演算処理手段と、
   を備えることを特徴とするガスクロマトグラフ装置。
2. a)試料気化室と検出器との間に長さが相違する同種の２本のカラムが併設された分析部と、
   b)前記分析部により目的試料に対するガスクロマトグラフ分析を実行し、前記２本のカラムでそれぞれ分離された同一成分に由来するピークが現れた１つのクロマトグラムデータを取得する分析実行手段と、
   c)所定の基準物質を前記分析部によりガスクロマトグラフ分析して得られた結果に基づく２つの異なる保持指標換算情報又は相対保持比換算情報にを用いて、前記分析実行手段により得られた１つのクロマトグラムデータの時間軸を保持指標又相対保持比に変換した２つのクロマトグラムデータを生成するデータ変換処理手段と、
   d)前記データ変換処理手段により生成された２つのクロマトグラムデータに対し所定の重み関数を設定した畳み込み演算処理を実行する演算処理手段と、
   を備えることを特徴とするガスクロマトグラフ装置。
3. 請求項１又は２に記載のガスクロマトグラフ装置であって、カラムで成分分離された試料ガスを検出する検出器が質量分析装置であるガスクロマトグラフ質量分析装置であり、前記分析実行手段は、所定のm/z範囲のスキャン測定又は所定のm/zに対するＳＩＭ（選択イオンモニタリング）測定を実行し、特定のm/zにおけるクロマトグラムデータを取得するものであることを特徴とするガスクロマトグラフ装置。

Images