JP2014146525A - 質量分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 質量分析装置において，周囲温度が変化した場合の，質量軸のずれを防止する。
【解決手段】 四重極電極111に印加される高周波電圧の振幅を検出する検波回路110と，検波回路出力をアナログ−ディジタル変換する回路107と，ディジタル化された検波回路出力と振幅目標値との誤差を算出し振幅を調整するディジタル回路101を用いてフィードバック制御を行うように構成し，検波回路110およびアナログ−ディジタル変換回路107，またはどちらか一方を有する制御基板に，同制御基板に搭載した発熱部品と，感温素子と，温度制御回路を用いて，検波回路110およびアナログ−ディジタル変換回路107を恒温化する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、質量分析装置に関する。

従来より質量分析法は様々な分野で活用されており、例えばガスクロマトグラフと結合し食品中の残留農薬の測定や、液体クロマトグラフと結合し、大気中の環境ホルモン等の測定を行ったりしている。環境、医薬品、食品等の分野で、幅広く使用されている。最近はDNAシーケンサの普及から、遺伝情報から生成するタンパク質や、細胞内の修飾後タンパクの構造解析が注目されており、創薬、臨床研究での新たな知見が得られ始めている。

質量分析装置の使用環境も、企業、大学の研究室から病院の臨床検査室等に広がってきており、質量分析の専門家が使用する装置から、他分野の専門家が利用する装置に変わってきている。そのため、質量分析法の特長の一つである高感度はもちろんのこと、より簡便で、耐久性の高い装置が求められている。

質量分析装置は、大きく定量分析を主に行う装置と定性分析を主に行う装置に分かれる。定量分析を主に行う代表的な質量分析装置には、装置内に複数の四重極型質量分析計を有する三連四重極型質量分析装置 (以下 Triple QMSと記載) がある。Triple QMSは測定試料の特定イオンを、連続的に通過させることが可能という特長から定量分析性能が高くなる。一方、定性分析を主に行う質量分析装置には飛行時間質量分析計(以下 TOF/MSと記載)がある。測定イオンを真空中で飛行させ、イオンが検出器まで到達する時間を計測することで質量分離する。観測可能な質量幅が広く、また高分解能な質量スペクトルが得やすいことから、定性分析性能が高くなる。昨今は複数のQMSとTOF/MSを結合したハイブリッド型の質量分析装置も製品化されており、定性、定量分析の両方に対応していると言われている装置もある。

質量分析計は装置内部に真空を生成し、内部に様々な形状をした電極を設置、装置に導入されたイオンを電場で制御、選択する。例えば、前記四重極型質量分析計はQマス(QMS)もしくはマスフィルタとも呼ばれ、4本の円柱状電極からなる。円柱状電極は、円の中心を正方形の頂点に置き組み合わされる。固定された円柱状電極の隣り合った電極に、それぞれに正負の直流電圧±Uと高周波電圧±V・cosωtを重畳し，±U±V・cosωtなる電圧を印加する。その中を電荷を持ったイオンが通過する際、振動しながら通過し、電圧，周波数に応じて、ある一定のイオンのみ安定な振動をして電極内を通過する。一方、それ以外のイオンは電極内を通過中に振動が大きくなり、電極に衝突するなどして、通過することができなくなる。この直流電圧と高周波電圧の比を一定に保ちつつ高周波電圧を直線的に変化させる事で質量スペクトルを得る。

前記のように，質量分析装置は電場でイオンを制御することから、電極に印加される直流電圧と高周波電圧の精度安定性は、例えば質量軸安定性という装置性能に直結する。そのため直流電圧，高周波電圧に求められる仕様も厳しくなっており、QMFに印加する電圧はppmオーダーの精度安定性が必要となっている。

また，使用環境も、企業、大学の研究室から病院の臨床検査室等に広がってきており、例えば5〜35℃の温度範囲で装置を動作させる必要がある。しかしながら，質量分析装置の周囲温度が変化すると直流電圧や高周波電圧を生成する制御基板の温度も変化するため、直流電圧や高周波電圧が変化し，結果，質量軸の変動につながる。

質量軸変動対策の背景技術として，特開平10-112282号公報（特許文献１）がある．この公報には，未知試料の測定に先立って、四重極に供給される電力とホルダの温度との関係を予め測定し、１次のＲＣ低域通過フィルタ回路の入出力に近似させて定数Ｒ、Ｃを求め、これをメモリに記憶しておく。実際の試料測定の際、ＣＰＵは単位時間毎に印加電圧の目標値である電圧値データを積算する。そして、定数Ｒ、Ｃを含む近似計算式によりホルダ温度を算出し、この温度に応じた電圧の補正量を得て補正した電圧値データをＤ／Ａ変換器に入力する。これにより、ロッド電極に印加される電圧は補正され、質量数のずれは解消する。と記載されている。

また，実開平4-018960号公報（特許文献２）には，四重極質量分分析装置において，四重極子に高周波電圧を供給する高周波電源を，温度変化を感知するためのセンサと，温度を一定に保つための加熱及び冷却素子及び，内部攪拌用のフアンを持つた保温能力のあるケースに入れることにより，高周波数電源の自己発熱温度変化による周波数特性変動をおさえマスマーカのずれを無くした事を特徴とする四重極質量分析装置．と記載されている。

特開平10-112282号 実開平4-018960号

しかしながら，前記特許文献１では四重極，およびホルダの温度上昇に起因する質量軸のずれについてのみの対策であり，同じく質量軸安定性に関係する，電極に印加する高周波電圧を生成する制御基板の温度変動は記載されていなかった．特許文献１では，四重極電極に印加される高周波電圧の振幅を整流・平滑回路で検出し，誤差アンプで目標値との誤差を算出し，その誤差を変調器にフィードバックすることで高周波電圧のフィードバック制御を行っている．しかしながら，フィードバック制御を行うための整流・平滑回路や誤差アンプにも温度特性があるため，これらの回路の周囲温度が変化した場合は，整流・平滑回路や誤差アンプ出力も変化してしまう．そのため，高周波電圧の振幅が目標値からずれてしまい，結果，質量軸のずれが生じてしまう。

また，特許文献２では，高周波電源を保温ケースに入れて加熱，冷却することで温度を一定に保ち，質量軸のずれを無くすことができるが，加熱用素子，冷却用素子，内部攪拌用ファンなど部品点数が多く，サイズが大型，価格が高価になるという課題がある。

上記課題を解決するため，本発明は，特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
具体的一例は、測定試料に電荷を与えるイオン源と、前記イオン源で生成したイオンを装置内に導入するインターフェースと、四重極電極を単数もしくは複数具備し、イオンを検出するためのイオン検出部と，高周波電圧を生成するための手段を備えた質量分析装置において，
該高周波電圧生成手段は，四重極電極に印加される高周波電圧の振幅を検出する検波回路と，検波回路出力をアナログ−ディジタル変換する回路と，ディジタル化された検波回路出力と振幅目標値との誤差を算出し振幅を調整するディジタル回路を用いてフィードバック制御を行うように構成し，
前記，検波回路およびアナログ−ディジタル変換回路，またはどちらか一方を有する制御基板に，同制御基板に搭載した発熱部品と，感温素子と，温度制御回路を用いて，検波回路およびアナログ−ディジタル変換回路を恒温化することを特徴とする。

本発明によれば，周囲温度が変化しても質量軸のずれの無い質量分析装置を提供することができる．また，上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

四重極質量分析装置の高周波電圧発生部の構成図 恒温部の部品配置 伝熱性材料を制御基板の裏面に配置したときの恒温部の断面概略図 伝熱性材料を制御基板の表面，及び裏面に配置したときの恒温部の断面概略図 実施例で用いる質量分析装置の装置構成

以下，実施例を図面を用いて説明する．図５は，本発明の実施例で用いる質量分析装置の装置構成である。

液体クロマトグラフ等のポンプより送液された測定試料を、イオン源500にてイオン化する。イオン源は大気圧下であり質量分析装置は真空で動作する事から、大気と真空のインターフェース520を通して、イオン510を質量分析装置内に導入する。

イオン源から発生するイオンは様々な質量を持っているが、第1の四重極電極部540（内部に四重極電極530あり）に目的のイオンを通過させる高周波電圧と直流電圧を四重極電源580より印加し，測定試料の由来の目的イオンのみを選択通過させる。第2の四重極電極部541には、目的イオンを解離させるためのコリジョンガス570（窒素ガスやアルゴンガス等）が供給源から、ガスライン571を通して導入されている。

第2の四重極電極531は、通常、四重極電源580より交流電圧のみを印加し質量選択性を無くし、第1の四重極電極部540を通過してきた目的イオンとガスを衝突させる事でフラグメントイオンを生成する。生成したフラグメントイオンは、第2の四重極電極部541を通過し、第3の四重極電極部542に入る。

第3の四重極電極532に、目的のフラグメントイオンを通過させる高周波電圧と直流電圧を四重極電源580より印加すると、目的のフラグメントイオンのみが第3の四重極電極部542を通過する。通過した目的フラグメントイオンを検出器550で検出。検出信号がデータ処理部560へ送られることで、質量分析が行われる。

前記はTripleQMSと呼ばれる、三連四重極型質量分析計の装置形態を一例として示したが、本発明は内部にQMFを単数設置したSingleQMS、四重極質量分析計にも適用可能である。

図１は本実施例における，四重極質量分析装置の高周波電圧発生部の構成図である。

四重極電極111はトランス109の２次側コイルL2に接続されている．トランス109の一次側コイルL1にRFアンプ108により高周波電流を流すことで，２次側コイルに高周波電圧を発生させ，四重極電極111に高周波電圧を印加する．印加された高周波電圧の振幅は，検波回路110にて検出する．検波回路110の出力はADコンバータ回路107によりアナログ−ディジタル変換される．ディジタル値に変換された検波出力データは論理回路に入力される。

論理回路101内では，加算器（減算器）102により検波出力データとCPUから入力された高周波電圧の振幅設定データとの差分を計算し，その差分をもとに，例えばPID演算103などのフィードバック制御の演算を行う．フィードバック制御演算後のデータに高周波電圧の周波数に対応した正弦波データ105を乗算し，高周波信号データを生成する．生成した高周波信号データをDAコンバータ回路106に入力し，ディジタル−アナログ変換を行うことで高周波信号を生成する．高周波信号をRFアンプ108に入力し，RFアンプ108がトランス109の１次側に高周波電流を流すことで，２次側に高周波電圧を生成する。

このように，高周波電圧の振幅を目標値に制御するためのフィードバック制御の演算は温度変化の影響のないディジタル演算で行われるので，検波回路110やADコンバータ回路107からなるフィードバック経路のアナログ部の温度安定性を確保すれば，高周波電圧の振幅値を温度変動なしに測定することができるので，DAコンバータ回路106やRFアンプ108の温度が変化して出力が変動しても，フィードバック制御により高周波電圧の振幅を温度変化の影響を受けず安定化することができる。

また，高周波電圧の振幅のフィードバック制御の演算をディジタル演算で行うことには，例えばPID制御の比例係数，積分係数，微分係数などの各種演算係数をCPUから論理回路のレジスタなどに設定するのみで簡易に変更可能になることや，正弦波データ105部に，例えばダイレクト・ディジタル・シンセサイザ（Direct Digital Sybthsizer）のような構成を用いることで，任意の周波数に簡易に変更可能になる，などの利点がある。

また，論理回路101で行うディジタル演算は，論理回路ではなく，例えば，CPUとメモリなどを用いて行ってもよい．この場合は，ADコンバータ回路とDAコンバータ回路をCPUに接続する．この構成だと，論理回路を用いなくて済む分，廉価，省スペースである。

次に，図２を用いて検波回路110，ADコンバータ回路107の恒温化について説明する．図２は本実施例における恒温部の部品配置例である。

制御基板200上には，各回路，及び各素子が実装されている．先に説明した検波回路110，ADコンバータ回路107はそれぞれ，または合わせて小さく一部分に集めておく．本実施例では合わせて一部に小さく集めた例を示している．検波回路110，ADコンバータ回路107の周囲に，例えばFET203などの電流を流すと発熱する発熱部品を単数，もしくは複数と，例えばサーミスタ204などの感温部品を単数，もしくは複数と，温度制御回路205を単数，もしくは複数配置する．図２では，検波回路110，ADコンバータ回路107の周辺に，FET203を２つと，サーミスタ204を１つと，温度制御回路205を１つ配置した実施例を示している。

温度制御回路205はサーミスタ204により，基板上の温度を測定し，目標温度に達するようにFET203に電流を流し，FET203を加熱する．加熱したFET203を熱源とすることで，検波回路110，ADコンバータ回路107を恒温化する．ここで，目標温度は室温よりも高い温度，例えば40℃などに設定する．温度制御回路205の目標温度の設定は，温度制御回路内の部品などを用いて固定としてもよいし，CPUなどと接続して変更可能なように構成してもよい．また，FETなどの発熱部品に流す電流を制御する方法は，例えばON-OFF制御でもよいし，PID制御などでもよい．また，本実施例では発熱部品を半導体部品であるFETを用いているが，例えば，同じく半導体部品であるトランジスタなどを用いてもよいし，抵抗器などを用いてもよい。

図３は伝熱性材料を制御基板の裏面に配置したときの恒温部の断面概略図である。

恒温部の温度を均一にするために，検波回路110，ADコンバータ回路107，FET203，サーミスタ204，温調制御回路205を実装した制御基板200の裏面側に伝熱性材料300を接触させる．伝熱性材料300を制御基板200の裏面に接触させることで，FET200から生じた熱が制御基板200を介して伝熱性材料300に伝わることで，熱を均一に恒温部に与えることができる。

また，気流の影響による温度変化を無くすために，制御基板200に実装した上記回路，及び素子の表面，および裏面側をカバー301a，301bで覆い密閉する．表面カバー301a，及び裏面カバー301bで覆うことにより，制御基板200の表面，及び裏面の気流を防止し，気流が原因の温度変化を防止することができる。

表面カバー301a，及び裏面カバー301bの材質は断熱材，もしくは金属でもよい．断熱材とした場合は，周囲温度の影響を受けにくくなるので，恒温化に必要な電力が少なくて済む．また，金属とした場合は，外部からのノイズ防止に効果がある．この場合は，金属カバーを制御基板のグラウンドなどに接続する。

これらの伝熱性材料300，表面カバー301a，及び裏面カバー301bは，ねじ等で固定してもよいし，接着剤などで固定してもよい。

また，図４のように，伝熱性材料300を制御基板200の裏面だけでなく，表面にも配置して，恒温部を挟み込むようにしてもよい．この場合は，伝熱性材料300をFET203に直接接触させることができるので，恒温部の熱均一性をより向上させることができる。

このように，制御基板全体ではなく，一部の回路部分のみを恒温化すればよいことや，例えばヒーターなどを用いて同様の恒温化を行う場合には，制御基板とヒーター間を接続する配線が必要であることなどから，本実施例によれば，従来に比べ小型，および廉価に質量軸の温度安定性を提供することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

101・・・論理回路
107・・・ADコンバータ回路
110・・・検波回路
200・・・制御基板
203・・・FET
204・・・サーミスタ
205・・・温度制御回路
300・・・伝熱性材料
301a・・・表面カバー
301b・・・裏面カバー
500・・・イオン源
520・・・インターフェース
550・・・検出器

Claims (3)

1. 測定試料に電荷を与えるイオン源と、前記イオン源で生成したイオンを装置内に導入するインターフェースと、四重極電極を単数もしくは複数具備し、イオンを検出するためのイオン検出部と，高周波電圧を生成するための高周波電圧生成手段を備えた質量分析装置において，
   該高周波電圧生成手段は，四重極電極に印加される高周波電圧の振幅を検出する検波回路と，検波回路出力をアナログ−ディジタル変換する回路と，ディジタル化された検波回路出力と振幅目標値との誤差を算出し振幅を調整するディジタル回路を用いてフィードバック制御を行うように構成し，
   前記，検波回路およびアナログ−ディジタル変換回路，またはどちらか一方を有する制御基板に，同制御基板に搭載した発熱部品と，感温素子と，温度制御回路を用いて，検波回路およびアナログ−ディジタル変換回路を恒温化することを特徴とした質量分析装置。
2. 請求項１において，検波回路およびアナログ−ディジタル変換回路，またはどちらか一方と，発熱部品と，感温素子と，温度制御回路を有する制御基板の裏面に伝熱性材料を接触させ，その表面と裏面をカバーで覆い密閉することを特徴とした質量分析装置。
3. 請求項２において，伝熱性材料を裏面だけでなく，表面にも配置することを特徴とした質量分析装置。