JP2014102149A - Ｉｍｓドリフトタイム予測装置、ｉｍｓドリフトタイム予測方法およびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】ＩＭＳによる化学物質のドリフトタイムを高精度に予測することにより、ＩＭＳによる計測値の検証を可能にする。
【解決手段】ＩＭＳによる化学物質の計測におけるドリフトタイムを予測するＩＭＳドリフトタイム予測装置であって、化学物質の構造を単純な構造に近似してドリフトタイム予測値を算出する予測値計算部と、化学物質に含まれる分子の構造に基づいてドリフトタイム予測値を補正する予測値補正部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、イオンモビリティ分光計（以下、ＩＭＳ；Ｉｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）による化学物質の計測におけるドリフトタイム予測装置、ドリフトタイム予測方法およびプログラムに関する。

ＩＭＳは、蒸気やガスなどに含まれる微量の化学物質の検出に用いられる計測装置である。ＩＭＳは、分子をイオン化してドリフト領域を通過させることにより、移動時間（ドリフトタイム）とシグナル強度を測定し、その移動度から分子を検出同定する。イオンモビリティ分析装置については、例えば特許文献１に開示されている。

特開２００６−１０７９２９号公報

しかしながら、ＩＭＳでの計測は、湿度や温度などの環境要因の影響を受けるために計測値の再現性が低く、不要な信号が多いという問題があった。このため、計測値を検証する手段が必要となるが、特許文献１に記載されたイオンモビリティ分析装置では、計測値の検証を行うことができなかった。

そこで本発明の目的は、ＩＭＳによる化学物質のドリフトタイムを高精度に予測することにより、ＩＭＳによる計測値の検証を可能にすることである。

本発明に係るＩＭＳドリフトタイム予測装置は、ＩＭＳによる化学物質の計測におけるドリフトタイムを予測するＩＭＳドリフトタイム予測装置であって、前記化学物質の構造を単純な構造に近似してドリフトタイム予測値を算出する予測値計算部と、前記化学物質に含まれる分子の構造に基づいて前記ドリフトタイム予測値を補正する予測値補正部と、を備えたものである。

前記予測値計算部は、前記化学物質の構造を剛体球に近似し、モンテカルロ法を用いて衝突断面積を計算することにより前記ドリフトタイム予測値を算出するようにしてもよい。

前記予測値補正部は、前記分子の構造に関するパラメータを説明変数として、多変量解析によって前記ドリフトタイム予測値を補正するようにしてもよい。

本発明に係るＩＭＳドリフトタイム予測方法は、ＩＭＳによる化学物質の計測におけるドリフトタイムを予測する方法であって、前記化学物質の構造を単純な構造に近似してドリフトタイム予測値を算出する工程と、前記化学物質に含まれる分子の構造に基づいて前記ドリフトタイム予測値を補正する工程と、を備えたものである。

本発明に係るプログラムは、コンピュータを、ＩＭＳによる化学物質の計測におけるドリフトタイムを予測するＩＭＳドリフトタイム予測装置として機能させるプログラムであって、前記コンピュータを、前記化学物質の構造を単純な構造に近似してドリフトタイム予測値を算出する予測値計算部と、前記化学物質に含まれる分子の構造に基づいて前記ドリフトタイム予測値を補正する予測値補正部と、して機能させるものである。

本発明によれば、ＩＭＳによる化学物質のドリフトタイムを高精度に予測することにより、ＩＭＳによる計測値の検証を可能にすることができる。

本発明の実施の形態による、ＩＭＳドリフトタイム予測装置の構成を示すブロック図。 本発明の実施の形態による、ＩＭＳドリフトタイム予測装置の動作のフローチャート。 アミノ酸分子の分子構造を示す図。 アミノ酸分子の分子構造を示す図。 アミノ酸分子の分子構造を示す図。 本発明の実施例１による、各アミノ酸のＩＭＳによるドリフトタイムの計測値と予測値を示す図。 本発明の実施例１による、ドリフトタイムの予測値補正に用いられる説明変数を示す図。 本発明の実施例１による、ドリフトタイム計測値と予測値及び補正後の予測値の比較結果を示す図。 本発明の実施例２による、モノマーのＩＭＳ計測値と化学構造式を示す図。 本発明の実施例２による、ドリフトタイムの予測値補正に用いられる説明変数を示す図。 本発明の実施例２による、ドリフトタイム計測値と予測値の比較結果を示す図。

次に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態による、ＩＭＳドリフトタイム予測装置１０の構成を示すブロック図である。図に示すように、ＩＭＳドリフトタイム予測装置１０は、入力装置１０１、予測値計算部１０２、予測値補正部１０３、出力装置１０４を備えている。

ＩＭＳドリフトタイム予測装置１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭやＲＡＭ等のメモリ、各種の情報を格納する外部記憶装置、入力インタフェース、出力インタフェース、通信インタフェース及びこれらを結ぶバスを備える専用又は汎用のコンピュータを適用することができる。なお、ＩＭＳドリフトタイム予測装置１０は、単一のコンピュータにより構成されるものであっても、通信回線を介して互いに接続された複数のコンピュータにより構成されるものであってもよい。

予測値計算部１０２、予測値補正部１０３は、ＣＰＵがＲＯＭ等に格納された所定のプログラムを実行することにより実現される機能のモジュールに相当する。

入力装置１０１は、例えばキーボード、マウス、タッチパネル等を含む各種デバイスであり、ユーザがＩＭＳドリフトタイム予測装置１０に対して各種情報の入力を行う際に使用される。また、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）インタフェースを介して、メモリ媒体などからデータを読み込むことも可能である。

出力装置１０４は、ディスプレイ等の表示装置やプリンタであり、ＩＭＳドリフトタイム予測装置１０のＣＰＵから出力される信号を受けて、各種画像や文字を出力するものである。

次に、ＩＭＳドリフトタイム予測装置１０の動作について説明する。
図２は、ＩＭＳドリフトタイム予測装置１０の動作のフローチャートである。
まず、対象となる化学物質の分子式と、環境要因である温度、湿度の情報が入力装置１０１を介して予測値計算部１０２に供給される（ステップＳ１）。

次に、予測値計算部１０２において、入力された分子式に基づいて対象となる化学物質の分子構造を剛体球に近似し、衝突断面積をモンテカルロ法により算出する。さらに、衝突断面積からＩＭＳドリフトタイムの予測値を算出する（ステップＳ２）。

次に、予測値補正部１０３において、化学物質の実際の分子の形状を考慮して、ステップＳ２で算出した予測値を補正する（ステップＳ３）。
具体的には、まず化学構造を基に分割し、各々の基の分子量と分子数を説明変数として取得する。これらのデータを説明変数として、多変量解析であるＰＬＳ（Ｐａｒｔｉａｌ Ｌｅａｓｔ Ｓｑｕａｒｅｓ）回帰分析を行い、ドリフトタイムの予測値の補正値を得る。得られた補正値は出力装置１０４に出力される。

以上のように、本実施形態によれば、分子構造を単純化した上でモンテカルロ法を用いてドリフトタイムの予測値を算出し、さらに多変量解析を用いて予測値の補正を行うことにより、精度の高いドリフトタイム予測値を得ることができる。この予測値を用いて、ＩＭＳによる計測値の検証を行うことが可能となる。

また、予測値の補正を行う際に、説明変数として分子構造由来以外の実測値を追加することにより、さらに精度の高い予測値を得ることができる。

（実施例１）
本発明の実施例として、α−アミノ酸分子のＩＭＳドリフトタイムの予測について説明する。
図３Ａ〜図３Ｃは、アミノ酸分子２０種類の分子構造を示したものである。アミノ酸はカルボキシル基−ＣＯＯＨと塩基性のアミノ基−ＮＨ₂をもつ化合物である。カルボキシル基の隣接炭素原子（α炭素原子）にアミノ基が結合したアミノ酸をα−アミノ酸という。

まず、予測値計算部１０２において、化学構造を剛体球に近似してドリフトタイム予測値を算出する。まず、モンテカルロ法を用いて衝突断面積を求め、衝突断面積からドリフトタイムを算出する。

図４に、各アミノ酸のＩＭＳによるドリフトタイムの計測値と予測値計算部１０２によるドリフトタイム予測値を示す。図４において、［ｎａｍｅ］カラムはアミノ酸の名称、［ｄｒｉｆｔ＿ｔｉｍｅ］カラムはＩＭＳ装置でのドリフトタイム計測値、［ｐｒｅｄｉｃｔ］カラムはドリフトタイム予測値を示している。

次に、予測値補正部１０３において、化学物質の実際の分子の形状を考慮して予測値を補正する。予測値補正に用いられる説明変数を図５に示す。図５において、［ｄｒｉｆｔ＿ｔｉｍｅ］カラムはＩＭＳ装置でのドリフトタイム計測値、［ｐｒｅｄｉｃｔ］カラムは予測値計算部１０２で予測されたドリフトタイムを示している。

予測値補正部１０３は、アミノ酸配列の側鎖を分割して数値化する。側鎖の分割方法を図３Ａ〜図３Ｃに示す。数値化は、α炭素原子から近い順に番号（ｎ＝１，２，…）を付与し、Ｎ末端側の分子量［Ｎ］、側鎖ｎ番目の分子量［ｓｃｎ］、側鎖ｎ番目に含まれるＣ，Ｏ，Ｎ，Ｓ分子の数［Ｃｎ］を順に数値化する。
さらに、これらのデータを説明変数として用いて、ＰＬＳ回帰分析により、ドリフトタイムの実験値（ｄｒｉｆｔ＿ｔｉｍｅ）を回帰予測する。

図６に、ＩＭＳ装置での計測値とＩＭＳドリフトタイム予測装置１０による予測値及び補正後の予測値の比較結果を示す。図６に示すとおり、補正前の予測値（ＭＣ予測）と計測値との誤差は０．３７〜２２．０４％であるのに対し、補正後の予測値（補正後）と計測値との誤差は０．１１〜４．５８％となり、全体として見ると補正が有効であることがわかる。

（実施例２）
本発明の他の実施例として、１２種類の微生物揮発性有機化合物（ＭＶＯＣ）のダイマーのＩＭＳドリフトタイムの予測について説明する。

化合物１分子をモノマーといい、分子間相互作用によってモノマーが２分子まとまったものをダイマーという。ダイマーのＩＭＳドリフトタイム計測値を目的変数とし、モノマーのＩＭＳドリフトタイム計測値に分子式からの説明変数を加えて、ダイマーのＩＭＳドリフトタイムを予測する。

モノマーのＩＭＳ計測値と化学構造式を図７に示す。［ｎａｍｅ］カラムはＭＶＯＣの名称、［ｄｒｉｆｔ＿ｔｉｍｅ］カラムはＩＭＳ装置でのドリフトタイム計測値、［化学構造式］は化合物の化学構造式を示す。

次に、化学物質の実際の分子の形状を考慮して予測値を補正する。補正に用いる説明変数を図８に示す。次に、ＭＶＯＣ配列の側鎖を分割して数値化する。側鎖の分割方法を図３Ａ〜図３Ｃに示す。数値化は、α炭素原子から近い順に番号（ｎ＝１，２，…）を付与し、側鎖ｎ番目のＣ鎖の分子量［Ｃｎ］、側鎖ｎ番目に含まれるＣ，Ｏ，Ｎ，Ｓ分子の数［ＣＯＮＳｎ］、側鎖ｎ番目に含まれるＨ分子の数［Ｈｎ］と順に数値化する。
さらに、これらのデータを用いて、ＰＬＳ回帰分析により、ダイマーのドリフトタイムを回帰予測する。

図９に、ＩＭＳ装置での計測値とＩＭＳドリフトタイム予測装置１０による予測値の比較結果を示す。図９に示すとおり、誤差の範囲は０．００〜８．７７％であることがわかる。

１０ ＩＭＳドリフトタイム予測装置
１０１ 入力装置
１０２ 予測値計算部
１０３ 予測値補正部
１０４ 出力装置

Claims (5)

1. ＩＭＳによる化学物質の計測におけるドリフトタイムを予測するＩＭＳドリフトタイム予測装置であって、
   前記化学物質の構造を単純な構造に近似してドリフトタイム予測値を算出する予測値計算部と、
   前記化学物質に含まれる分子の構造に基づいて前記ドリフトタイム予測値を補正する予測値補正部と、を備えたＩＭＳドリフトタイム予測装置。
2. 前記予測値計算部は、
   前記化学物質の構造を剛体球に近似し、モンテカルロ法を用いて衝突断面積を計算することにより前記ドリフトタイム予測値を算出する、請求項１に記載のＩＭＳドリフトタイム予測装置。
3. 前記予測値補正部は、
   前記分子の構造に関するパラメータを説明変数として、多変量解析によって前記ドリフトタイム予測値を補正する、請求項１または２に記載のＩＭＳドリフトタイム予測装置。
4. ＩＭＳによる化学物質の計測におけるドリフトタイムを予測する方法であって、
   前記化学物質の構造を単純な構造に近似してドリフトタイム予測値を算出する工程と、
   前記化学物質に含まれる分子の構造に基づいて前記ドリフトタイム予測値を補正する工程と、を備えたＩＭＳドリフトタイム予測方法。
5. コンピュータを、
   ＩＭＳによる化学物質の計測におけるドリフトタイムを予測するＩＭＳドリフトタイム予測装置として機能させるプログラムであって、
   前記コンピュータを、
   前記化学物質の構造を単純な構造に近似してドリフトタイム予測値を算出する予測値計算部と、
   前記化学物質に含まれる分子の構造に基づいて前記ドリフトタイム予測値を補正する予測値補正部と、して機能させるプログラム。