JP2010073331A

JP2010073331A - 飛行時間型質量分析装置および方法

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Publication number: JP2010073331A
Application number: JP2008236367A
Authority: JP
Inventors: Takahisa Sato; 佐藤貴弥; Atsushi Tamura; 田村淳
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2008-09-16
Filing date: 2008-09-16
Publication date: 2010-04-02
Anticipated expiration: 2028-09-16
Also published as: JP5210097B2

Abstract

【課題】飛行時間型質量分析計において、イオンの価数に依存して系統的な質量誤差が生じることを解決する。
【解決手段】（１）試料をイオン化するイオン源、（２）前記イオン源で生成した試料イオンを飛行時間の違いにより質量分離して検出するする飛行時間型質量分析手段、（３）検出された試料イオンの信号ごとにイオンの価数を判定する価数判定手段、（４）標準試料を前記飛行時間型質量分析手段により分析した価数の異なる標準物質イオンに基づいて、イオンの価数に起因する当該飛行時間型質量分析手段の系統誤差をイオンの価数ごとに校正するための質量校正条件式を作る質量校正条件式作成手段、（５）価数判定された試料イオンを対応する価数の質量校正条件式に基づいて質量校正する質量校正手段、を備えた。
【選択図】図４

Description

本発明は、微量化合物の定量分析、定性一斉分析、および試料イオンの構造解析分野に用いられる飛行時間型質量分析装置および方法に関する。

［飛行時間型質量分析計（TOFMS）］
TOFMSは、一定量のエネルギーを与えてイオンを加速・飛行させ、検出器に到達するまでに要する時間からイオンの質量電荷比を求める質量分析装置である。TOFMSでは、イオンを一定のパルス電圧Ｖ_aで加速する。このとき、イオンの速度ｖは、エネルギー保存則から、
ｍｖ²／２＝ｑｅＶ_a ………（１）
ｖ＝ √（２ｑｅＶ／ｍ） ………（２）
と表わされる（ただしｍ：イオンの質量、ｑ：イオンの電荷、ｅ：素電荷）。

一定距離Ｌの後に置いた検出器には、飛行時間Ｔで到達する。

Ｔ＝Ｌ／ｖ＝Ｌ√（ｍ／２ｑｅＶ） ………（３）
式（３）により、飛行時間Ｔがイオンの質量ｍによって異なることを利用して、質量を分離する装置がTOFMSである。図１に直線型TOFMSの一例を示す。また、イオン源と検出器の間に反射場を置くことにより、エネルギー収束性の向上と飛行距離の延長を可能にする反射型TOFMSも広く利用されている。図２に反射型TOFMSの一例を示す。

反射型TOFMSは、未知物質のｍ／ｚ値を、組成式から計算で求められるｍ／ｚ値と数ｐｐｍ程度の誤差で測定することができることから、未知物質の組成推定に利用されることで知られる。

［らせん軌道TOFMS］
TOFMSの質量分解能は、総飛行時間をＴ、ピーク幅をΔＴとすると、
質量分解能＝Ｔ／２ΔＴ ………（４）
で定義される。すなわち、ピーク幅ΔＴを一定にして、総飛行時間Ｔを延ばすことができれば、質量分解能を向上させられる。しかし、従来の直線型、反射型のTOFMSでは、総飛行時間Ｔを延ばすこと、すなわち総飛行距離を延ばすことは装置の大型化に直結する。装置の大型化を避け、かつ高質量分解能を実現するために開発された装置が、多重周回型TOFMS（非特許文献１）である。この装置は、円筒電場にマツダプレートを組み合わせたトロイダル電場を４個用い、８の字型の周回軌道を多重周回させることにより、総飛行時間Ｔを延ばすことができる。この装置では、初期位置、初期角度、初期運動エネルギーによる検出面での空間的な広がりと時間的な広がりを１次の項まで収束させることに成功している。

しかし、閉軌道を多重周回するTOFMSには、「追い越し」の問題が存在する。これは閉軌道を多重周回するため、軽いイオン（速度大きい）が重いイオン（速度小さい）を追い越してしまうことにより起こる。このため、検出面に軽いイオンから順に到着するというTOFMSの基本概念が通用しなくなる。

この問題を解決するために考案されたのが、らせん軌道型TOFMSである。らせん軌道型TOFMSは、多重周回型における閉軌道の始点と終点を閉軌道面に対して垂直方向にずらすことを特徴としている。これを実現するためには、イオンをはじめから斜めに入射する方法（特許文献１）や、デフレクタを用いて閉軌道の始点と終点を垂直方向にずらす方法（特許文献２）、積層トロイダル電場を用いる方法（特許文献３）がある。

また、同様のコンセプトとして、追い越しの起こる多重反射型TOFMSの軌道をジグザグ型にしたTOFMSも考案されている（特許文献４）。このようなTOFMSでは、より精度の高い組成推定が可能である。

［TOFMSの質量軸校正と質量軸補正］
TOFMSの質量軸校正の際には、通常５〜１０種類の標準物質のマススペクトルを測定する。マススペクトルをピーク判定し、各標準物質由来のｍ／ｚ値に飛行時間を割り当てる（図３参照）。

ｍ／ｚ値と飛行時間Ｔの関係は、式（３）に示されるように、飛行時間Ｔはｍ／ｚ値の平方根に比例する。しかしながら、精度の高い組成推定を行なう場合、電気系の微小な変動による影響が無視できないため、より高次を含めた関係で質量軸を校正する。例えば、次のような多項式（式（５）は３次式）などが考えられる。

√（ｍ／ｚ）＝ａ＋ｂＴ＋ｃＴ²＋ｄＴ³ ………（５）
ここで、Ｔは飛行時間、ａ、ｂ、ｃ、ｄは変換係数である。図３のような割り当てに対し、式（５）のような高次の多項式でフィッティングすることで、変換係数ａ、ｂ、ｃ、ｄを決定することができる（以下、変換係数を用いた多項式を質量校正式と呼ぶ）。未知物質の測定時には、観測した飛行時間を式（５）に代入し、ｍ／ｚ値を算出する。

現実の系では、機械系、電気系の経時変動により質量誤差が生じる。その誤差を補正するために、標準物質を未知物質と混合する、あるいは、標準物質と未知物質を非常に短い期間で切り替えて測定をすることがある。これを先の質量校正に対し、質量補正と呼ぶ。

そのような場合には、標準物質は未知物質のマススペクトルを阻害しないように１〜２種類程度であることが多い。そのため、全ての変換係数を変更することはできないものの、例えば、１つの標準物質であれば式（５）中のｂ、２つの標準物質であれば式（５）中のａ、ｂなどを変更し、経時変動誤差を近似的に補正することは非常に有効である。

例えば、１つの内部標準を未知試料に混合し、そのｍ／ｚ値を（ｍ／ｚ）_refとする。観測された飛行時間と現在の質量校正式で求まる観測ｍ／ｚ値をＴ_obs、（ｍ／ｚ）_obsとすると、（ｍ／ｚ）_obsが（ｍ／ｚ）_refに一致するように変換係数ｂをｂ^’に変換する場合には、
√（ｍ／ｚ）_obs ＝ａ＋ｂＴ_obs＋ｃＴ_obs ²＋ｄＴ_obs ³ ………（６）
√（ｍ／ｚ）_ref ＝ａ＋ｂ^’Ｔ_obs＋ｃＴ_obs ²＋ｄＴ_obs ³ ………（７）
の２つの関係式から、
ｂ^’ ＝〔｛√（ｍ／ｚ）_ref−√（ｍ／ｚ）_obs｝／Ｔ_obs〕＋ｂ ………（８）
となる。

特開２０００−２４３３４５号公報。

特開２００３−８６１２９号公報。

特開２００６−１２７８２号公報。

特表２００７−５２６５９６号公報。

Y. Satomi et al., Rapid Communications in Mass Spectrometry, vol. 19, pp. 540-546 (2005).

ところで、引用文献５によれば、飛行時間型質量分析計においてイオンの価数により系統的な誤差が生じることが報告されている。TOFMSの質量精度が高くなるほど、この系統誤差は無視できないものとなる。

本発明は、上述した点に鑑み、飛行時間型質量分析計において、イオンの価数に依存して系統的な質量誤差が生じることを解決するものである。

この目的を達成するため、本発明にかかる型飛行時間型質量分析装置は、
（１）試料をイオン化するイオン源、
（２）前記イオン源で生成した試料イオンを飛行時間の違いにより質量分離して検出するする飛行時間型質量分析手段、
（３）検出された試料イオンの信号ごとにイオンの価数を判定する価数判定手段、
（４）標準試料を前記飛行時間型質量分析手段により分析した価数の異なる標準物質イオンに基づいて、イオンの価数に起因する当該飛行時間型質量分析手段の系統誤差をイオンの価数ごとに校正するための質量校正条件式を作る質量校正条件式作成手段、
（５）価数判定された試料イオンを対応する価数の質量校正条件式に基づいて質量校正する質量校正手段、
を備えたことを特徴としている。

また、前記イオンの価数ごとに作られた質量校正条件式は、１度に複数種の価数のイオンが生成するように調整された標準物質を用いてマススペクトルを測定し、１回のマススペクトル測定により作成されることを特徴としている。

また、前記イオンの価数ごとに作られた質量校正条件式は、それぞれの価数が出現しやすい標準物質を短い時間で切り替えながら質量分析装置に導入してマススペクトルを測定し、複数回のマススペクトル測定により作成されることを特徴としている。

また、前記イオンの価数ごとに作られた質量校正条件式は、すべてが高次の多項式で表現されていることを特徴としている。

また、前記イオンの価数ごとに作られた質量校正条件式は、選ばれた所定の価数を持つイオンの質量校正条件式のみが高次の多項式で表現され、それ以外の価数を持つイオンの質量校正条件式は、前記所定の価数を持つイオンの質量校正条件式に対するオフセット式で表現されていることを特徴としている。

また、更に、前記質量分離手段の機械系および電気系の経時変動により生じる質量誤差を補正する質量補正手段を備えたことを特徴としている。

また、前記質量補正手段は、高次の多項式からなる質量校正条件式の変換係数の少なくとも一部を前記機械系および電気系の経時変動に合わせて修正し、経時変動誤差を近似的に補正する手段であることを特徴としている。

また、前記変換係数の修正は、選ばれた所定の価数を持つ標準物質イオンに対し、前記機械系および電気系の経時変動によって起きる飛行時間のずれに基づいて行なわれ、前記標準物質イオンと異なる価数を持つイオンの質量校正条件式における変換係数の修正は、前記機械系および電気系の経時変動によって前記標準物質イオンの場合に起きるのと同じ量の飛行時間のずれが前記標準物質イオンとは異なる価数を持つイオンに対しても起きると仮想して、近似的に行なわれることを特徴としている。

また、本発明にかかる型飛行時間型質量分析方法は、
（１）試料をイオン化する工程、
（２）生成した試料イオンを飛行時間の違いにより質量分離して検出する工程、
（３）検出された試料イオンの信号ごとにイオンの価数を判定する工程、
（４）標準試料を前記質量分離して検出する工程で分析した価数の異なる標準物質イオンに基づいて、イオンの価数に起因する飛行時間型質量分析手段の系統誤差をイオンの価数ごとに校正するための質量校正条件式を作る工程、
（５）価数判定された試料イオンを対応する価数の質量校正条件式に基づいて質量校正する工程、
を備えたことを特徴としている。

また、更に、前記質量分離手段の機械系および電気系の経時変動により生じる質量誤差を補正する質量補正工程を備えたことを特徴としている。

本発明の飛行時間型質量分析装置によれば、
（１）試料をイオン化するイオン源、
（２）前記イオン源で生成した試料イオンを飛行時間の違いにより質量分離して検出するする飛行時間型質量分析手段、
（３）検出された試料イオンの信号ごとにイオンの価数を判定する価数判定手段、
（４）標準試料を前記飛行時間型質量分析手段により分析した価数の異なる標準物質イオンに基づいて、イオンの価数に起因する当該飛行時間型質量分析手段の系統誤差をイオンの価数ごとに校正するための質量校正条件式を作る質量校正条件式作成手段、
（５）価数判定された試料イオンを対応する価数の質量校正条件式に基づいて質量校正する質量校正手段、
を備えたので、
イオンの価数に依存して系統的な質量誤差が生じることを解決することができる。

本発明の飛行時間型質量分析方法によれば、
（１）試料をイオン化する工程、
（２）生成した試料イオンを飛行時間の違いにより質量分離して検出する工程、
（３）検出された試料イオンの信号ごとにイオンの価数を判定する工程、
（４）標準試料を前記質量分離して検出する工程で分析した価数の異なる標準物質イオンに基づいて、イオンの価数に起因する飛行時間型質量分析手段の系統誤差をイオンの価数ごとに校正するための質量校正条件式を作る工程、
（５）価数判定された試料イオンを対応する価数の質量校正条件式に基づいて質量校正する工程、
を備えたので、
イオンの価数に依存して系統的な質量誤差が生じることを解決することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

［実施例１］
ここでは１、２、３価のイオンを測定する場合を想定し、質量校正式には３次の多項式を用いる。もちろん価数や質量校正の次数はこれに制限されることはない。

まず、１、２、３価のイオンが観測できる標準物質のマススペクトルを測定する。各マススペクトルについて、ピーク判定（価数判定を含む）し、標準物質由来のｍ／ｚ値に観測された飛行時間を割り当てる。１、２、３価それぞれでｍ／ｚ値の平方根とＴの関係を３次式でフィッティングし、質量校正条件式を決定する（図４の式（１）〜（３））。

尚、イオンの価数判定は、通常、異なる個数の安定同位体元素を含むイオンピークを利用して行なっている。すなわち、安定同位体元素の天然存在比は決まっているので、その比の値からマスピークの強度比を分析し、明らかに含まれる安定同位体の個数のみが異なっているイオンのピークを最初に選び出す。

そして、１価イオンの場合、安定同位体の個数が１個異なれば、ｍ／ｚ値が約１マスユニットだけ異なるのに対し、２価イオンの場合、安定同位体の個数が１個異なれば、ｍ／ｚ値が約１／２マスユニットだけ異なり、３価イオンの場合、安定同位体の個数が１個異なれば、ｍ／ｚ値が約１／３マスユニットだけ異なり、ｎ価イオンの場合、安定同位体の個数が１個異なれば、ｍ／ｚ値が約１／ｎマスユニットだけ異なることが言える。

そこで、この違いを利用して、安定同位体の個数の違いに由来するマスピークの間隔が１マスユニットの場合は１価イオン、０．５マスユニットの場合は２価イオン、０．３３マスユニットの場合は３価イオンとして、イオンの価数を判定している。

さて、上述した質量校正条件式を決定する工程では、１度に複数種の価数のイオンが生成するように調整された標準物質を用いてマススペクトルを測定し、１回のマススペクトル測定により作成してもよいし、それぞれの価数が出現しやすい標準物質を短い時間で切り替えながら質量分析装置に導入してマススペクトルを測定し、複数回のマススペクトル測定により作成しても良い。

１、２、３価のそれぞれの質量校正条件式が決まれば、未知試料のマススペクトルを測定する。測定したマススペクトルをまず任意の質量校正条件式（例えば、１価のイオンの質量校正条件式）を適用し、ピーク判定（価数判定を含む）を行ない、２、３価と判定された場合には、対応する質量校正条件式を適用し直して、観測ｍ／ｚ値を算出する。

次に、各価数について質量校正条件式を持つ場合の質量補正について述べる。１、２、３価の全ての価数を観測できるような内部標準物質の作成や、未知試料測定と１、２、３価の内部標準物質を切り替えての測定が可能であれば、各価数ごとに従来技術と同様に質量補正を行なえば良い。

しかしながら、そのようなことは困難である場合が多い。つまり、現実的には、特定の価数（以下、１価を想定）のイオンが観測される内部標準物質１、２種類程度で全ての価数のイオンの質量補正を可能とする必要がある。

例えば、未知試料中にｍ／ｚ値が（ｍ／ｚ）_refの１価イオンが観測される内部標準物質を１種類混ぜる。そして、マススペクトルをピーク判定した後、（ｍ／ｚ）_refに相当するピークを決定する。そのピークの観測された飛行時間をＴ_1,obs、観測されたｍ／ｚ値を（ｍ／ｚ）_1,obsとする。未知イオンが１価イオンの場合は、従来技術と同様に質量補正を行なえば良い。

しかしながら、このままでは、２、３価イオンは補正されないため、質量軸がずれることになる。それを解決する方法を、以下に２価のイオンの質量補正を例にとって説明する。

１価と２価の質量校正条件は異なるため、同一のｍ／ｚ値を持つイオンの観測が予想される飛行時間は、それぞれの価数で異なる。そこで１、２価のイオンの質量校正条件から（ｍ／ｚ）_refを持つイオンの観測が予想されるＴ_1,ref、Ｔ_2,refを計算しておく。

経時的な変化により、Ｔ_1,refがＴ_1,obsにΔＴ₁（＝Ｔ_1,obs−Ｔ_1,ref）だけ変化した場合、おおよそＴ_2,refもΔＴ₁だけずれるとして、仮想的にＴ_2,obs＝Ｔ_2,ref＋ΔＴ₁とする。この仮想的なＴ_2,obsから仮想的な（ｍ／ｚ）_2,obsが求まる。ここで、２価イオンであれば、式（８）に基づいて、（ｍ／ｚ）_ref、Ｔ_2,obs、（ｍ／ｚ）_2,obsの各値から質量校正式の変換係数ｂ₂をｂ₂ ^’に変更することにより、近似的な質量補正ができる。同様にすれば、３価イオンも近似的な質量補正が可能である。

［実施例２］
実施例１では、各価数のイオンに対する質量校正条件式を価数ごとに記憶して用いているが、TOFMSのイオン価数に対する系統誤差は、横軸にｍ／ｚ値、縦軸にｐｐｍ単位で誤差をとると、低次式（定数あるいは１次式）で記述できる。そのため、イオン価数ごとの質量校正条件式を記憶しなくても、基準となるイオン価数を設定し、その価数のみ質量校正条件（高次式の変換係数）を決め、それ以外の価数は基準価数からのオフセット式を記録しておくことで、質量校正が可能である。基準価数は、通常、質量校正用、および質量補正用の標準物質が観測されるイオン価数である。

ここでは１、２、３価のイオンを測定する場合を想定し、質量校正式には３次の多項式を用いる。また、オフセット式には１次式を用いる。もちろん価数や質量校正の次数やオフセット式の次数はこれに制限されることはない。

基準となるイオン価数を例えば１価に決定し、１価のイオンが観測できる標準物質のマススペクトルを測定する。次に標準物質由来のマススペクトルをピーク判定（価数判定を含む）し、標準物質由来のｍ／ｚ値に観測された飛行時間を割り当て、基準価数の質量校正条件を決定する（図５の式（１））。

次に、基準価数以外のイオンが観測されるマススペクトルを測定し、基準価数の質量校正条件を適用する。基準価数以外の価数のイオンについて、系統誤差を求め、１次式でフィッティングし、オフセット式を求める（図５の式（２）、（３））。

以上の工程では、１回のマススペクトル測定で複数種のイオン価数の質量校正条件式を作成できるように調製された標準試料を用いてマススペクトルを測定し、基準価数の質量校正条件式、および基準価数以外のイオン価数のオフセット式を算出しても良いし、比較的短い時間でそれぞれの価数が出現しやすい標準物質を切り替えてマススペクトルを測定し、基準価数の質量校正条件式、および基準価数以外のイオン価数のオフセット式を算出しても良い。

１価イオン用の質量校正条件式、２価および３価イオン用のオフセット式が決まれば、未知試料のマススペクトルを測定する。測定したマススペクトルを１価イオン用の質量校正条件式を適用してピーク判定（価数判定を含む）を行ない、２価および３価イオンと判定された場合には、対応する２価および３価イオン用のオフセット式を適用してｍ／ｚの観測値を算出する。

以後、系統的な誤差の変動が少なければ、日常的な質量校正や測定中の質量補正にはオフセット式を変更せずに使用し、基準価数の質量校正条件式のみを再計算すれば良い。

飛行時間型質量分析装置の測定に広く利用できる。

従来の飛行時間型質量分析装置の一例を示す図である。従来の飛行時間型質量分析装置の別の例を示す図である。従来の質量校正条件式の求め方の一例を示す図である。本発明にかかる質量校正条件式の求め方の一実施例を示す図である。本発明にかかる質量校正条件式の求め方の別の実施例を示す図である。

Claims

（１）試料をイオン化するイオン源、
（２）前記イオン源で生成した試料イオンを飛行時間の違いにより質量分離して検出するする飛行時間型質量分析手段、
（３）検出された試料イオンの信号ごとにイオンの価数を判定する価数判定手段、
（４）標準試料を前記飛行時間型質量分析手段により分析した価数の異なる標準物質イオンに基づいて、イオンの価数に起因する当該飛行時間型質量分析手段の系統誤差をイオンの価数ごとに校正するための質量校正条件式を作る質量校正条件式作成手段、
（５）価数判定された試料イオンを対応する価数の質量校正条件式に基づいて質量校正する質量校正手段、
を備えた飛行時間型質量分析装置。
前記イオンの価数ごとに作られた質量校正条件式は、１度に複数種の価数のイオンが生成するように調整された標準物質を用いてマススペクトルを測定し、１回のマススペクトル測定により作成されることを特徴とする請求項１記載の飛行時間型質量分析装置。
前記イオンの価数ごとに作られた質量校正条件式は、それぞれの価数が出現しやすい標準物質を短い時間で切り替えながら質量分析装置に導入してマススペクトルを測定し、複数回のマススペクトル測定により作成されることを特徴とする請求項１記載の飛行時間型質量分析装置。
前記イオンの価数ごとに作られた質量校正条件式は、すべてが高次の多項式で表現されていることを特徴とする請求項１記載の飛行時間型質量分析装置。
前記イオンの価数ごとに作られた質量校正条件式は、選ばれた所定の価数を持つイオンの質量校正条件式のみが高次の多項式で表現され、それ以外の価数を持つイオンの質量校正条件式は、前記所定の価数を持つイオンの質量校正条件式に対するオフセット式で表現されていることを特徴とする請求項１記載の飛行時間型質量分析装置。
更に、前記質量分離手段の機械系および電気系の経時変動により生じる質量誤差を補正する質量補正手段を備えた請求項１記載の飛行時間型質量分析装置。
前記質量補正手段は、高次の多項式からなる質量校正条件式の変換係数の少なくとも一部を前記機械系および電気系の経時変動に合わせて修正し、経時変動誤差を近似的に補正する手段であることを特徴とする請求項６記載の飛行時間型質量分析装置。
前記変換係数の修正は、選ばれた所定の価数を持つ標準物質イオンに対し、前記機械系および電気系の経時変動によって起きる飛行時間のずれに基づいて行なわれ、前記標準物質イオンと異なる価数を持つイオンの質量校正条件式における変換係数の修正は、前記機械系および電気系の経時変動によって前記標準物質イオンの場合に起きるのと同じ量の飛行時間のずれが前記標準物質イオンとは異なる価数を持つイオンに対しても起きると仮想して、近似的に行なわれることを特徴とする請求項７記載の飛行時間型質量分析装置。
（１）試料をイオン化する工程、
（２）生成した試料イオンを飛行時間の違いにより質量分離して検出する工程、
（３）検出された試料イオンの信号ごとにイオンの価数を判定する工程、
（４）標準試料を前記質量分離して検出する工程で分析した価数の異なる標準物質イオンに基づいて、イオンの価数に起因する飛行時間型質量分析手段の系統誤差をイオンの価数ごとに校正するための質量校正条件式を作る工程、
（５）価数判定された試料イオンを対応する価数の質量校正条件式に基づいて質量校正する工程、
を備えた飛行時間型質量分析方法。
更に、前記質量分離手段の機械系および電気系の経時変動により生じる質量誤差を補正する質量補正工程を備えた請求項９記載の飛行時間型質量分析方法。