JP2016075474A - Analyzer - Google Patents

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    • G01N27/62Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the ionisation of gases, e.g. aerosols; by investigating electric discharges, e.g. emission of cathode
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a system capable of high-speed fitting.SOLUTION: There is provided an analyzer including: a first calculation unit that calculates the inner product of a sampling value of a spectrum distribution obtained along a first coordinate axis and a discrete B-spline that is the accumulation of integer m convolution of integer n sample value arrays arranged at an interval l along the first coordinate axis, and determines the coefficient of coupling in representing the spectrum as linear combination approximation of the discrete B-spline; and a peak separation unit that breaks down the spectrum distribution into a plurality of B-spline distributions on the basis of the coefficient of coupling.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、スペクトル分布を解析する装置に関するものである。   The present invention relates to an apparatus for analyzing a spectral distribution.

特許文献1に開示されたサンプルを分析するユニットは、少なくとも2つのパラメータにより制御される電界を通過する化学物質のイオン強度を測定するイオン移動度センサーにサンプルを供給して得られた測定データに含まれるデータの2次元表現であって、第1のパラメータを変化させ、他のパラメータを固定したときのイオン強度を示す2次元表現の中に存在するピークを検出する機能ユニットと、検出されたピークと他の2次元表現の中に存在するピークとの連続性および生滅に基づいて検出されたピークを分類する機能ユニットと、分類されたピークに基づいて前記サンプルに含まれる化学物質を推定する機能ユニットとを有する。   The unit for analyzing a sample disclosed in Patent Document 1 supplies measurement data obtained by supplying a sample to an ion mobility sensor that measures the ionic strength of a chemical substance that passes through an electric field controlled by at least two parameters. A functional unit for detecting peaks present in the two-dimensional representation of the included data, the two-dimensional representation showing the ion intensity when the first parameter is changed and the other parameters are fixed, and detected A functional unit that classifies detected peaks based on continuity and extinction of peaks and peaks present in other two-dimensional representations, and estimates chemical substances contained in the sample based on the classified peaks And a functional unit.

国際公開WO2012/056709号公報International Publication No. WO2012 / 056709

複数のピークが存在する可能性がある測定データの解析方法として、ガウシアン特性を用いたカーブフィッティング方法が知られている。さらに高速で複数のピークの存在を解析できる方法が求められている。   A curve fitting method using Gaussian characteristics is known as an analysis method of measurement data in which a plurality of peaks may exist. There is a further need for a method that can analyze the presence of multiple peaks at high speed.

本発明の一態様は、第1の座標軸に沿って得られるスペクトル分布のサンプリング値と、第1の座標軸に沿って間隔lで配置された整数n個の標本値列の整数m回畳み込み累積である離散B−スプラインとの内積を演算し、スペクトル分布を離散B−スプラインの線形結合近似で表現する際の結合係数を求める第1の演算ユニットと、結合係数に基づきスペクトル分布を複数のB−スプライン分布に分解するピーク分離ユニットとを含む解析装置である。   One aspect of the present invention is an integer m-fold convolution accumulation of a sampling value of a spectral distribution obtained along the first coordinate axis and an integer n sample value sequences arranged at an interval l along the first coordinate axis. A first arithmetic unit that calculates an inner product with a certain discrete B-spline and obtains a coupling coefficient when the spectral distribution is expressed by a linear combination approximation of the discrete B-spline, and a plurality of B- And an analysis device including a peak separation unit that decomposes into a spline distribution.

第1の演算ユニットは、以下の式(A)の伝達関数を含む第1のディジタルフィルタユニットと、以下の式(B)の伝達関数を含む第2のディジタルフィルタユニットとを用いて内積を高速に演算できる。
(1/(1−z−1))・・・(A)
(1−z−n ・・・(B)
The first arithmetic unit uses the first digital filter unit including the transfer function of the following expression (A) and the second digital filter unit including the transfer function of the following expression (B) to increase the inner product at high speed. Can be calculated.
(1 / (1-z −1 )) m (A)
(1-z −n ) m (B)

さらに、第1の演算ユニットは、得られた結合係数が負の場合は結合係数を0に固定するユニットを含むことが望ましい。結合係数が負になった離散B−スプラインを排除することにより、さらに高速で収束させることができる。   Furthermore, the first arithmetic unit preferably includes a unit that fixes the coupling coefficient to 0 when the obtained coupling coefficient is negative. By eliminating discrete B-splines with negative coupling coefficients, it is possible to converge at higher speed.

さらに、解析装置は、第1の演算ユニットにより、nおよびmの少なくともいずれかが異なる結合係数候補を求め、結合係数候補による離散B−スプラインの線形結合近似とスペクトル分布との誤差を評価して、結合係数を求める第2の演算ユニットをさらに有することが望ましい。スペクトル分布を近似するのに適した整数nおよび/またはmを選択でき、ピーク分離性能を向上できる。   Further, the analysis apparatus obtains a coupling coefficient candidate having at least one of n and m different from each other by the first arithmetic unit, and evaluates an error between the linear combination approximation of the discrete B-spline and the spectrum distribution by the coupling coefficient candidate. It is desirable to further have a second arithmetic unit for obtaining the coupling coefficient. An integer n and / or m suitable for approximating the spectral distribution can be selected, and peak separation performance can be improved.

解析対象のスペクトル分布の一例はイオン移動度センサーの出力であり、第1の座標軸の一例は補償電圧である。   An example of the spectral distribution to be analyzed is the output of the ion mobility sensor, and an example of the first coordinate axis is the compensation voltage.

本発明の他の態様の1つは解析方法であり、以下のステップを含む。
1.第1の座標軸に沿って得られるスペクトル分布のサンプリング値と、第1の座標軸に沿って間隔lで配置された整数n個の標本値列の整数m回畳み込み累積である離散B−スプラインとの内積を演算し、スペクトルを離散B−スプラインの線形結合近似で表現する際の結合係数を求めること。
2.結合係数に基づきスペクトル分布を複数のB−スプライン分布に分解すること。
Another aspect of the present invention is an analysis method, which includes the following steps.
1. A sampling value of a spectral distribution obtained along the first coordinate axis, and a discrete B-spline that is an integer m-fold convolution accumulation of an integer n sample value sequences arranged at an interval l along the first coordinate axis. An inner product is calculated to obtain a coupling coefficient for expressing a spectrum by a discrete B-spline linear combination approximation.
2. Decomposing the spectral distribution into a plurality of B-spline distributions based on the coupling coefficient.

解析装置の概略構成を示すブロック図。The block diagram which shows schematic structure of an analyzer. B−スプラインを説明する図。The figure explaining B-spline. 離散B−スプラインを説明する図。The figure explaining a discrete B-spline. イオン移動度センサー内のイオン(分子)の移動と、スペクトルとの関係を示す図。The figure which shows the relationship between the movement of the ion (molecule) in an ion mobility sensor, and a spectrum. B−スプラインを表現する各式を示す図。The figure which shows each type | formula expressing B-spline. B−スプラインの内積を計算する各式を示す図。The figure which shows each type | formula which calculates the inner product of B-spline. 線形結合近似を表現する各式を示す図。The figure which shows each type | formula expressing linear combination approximation. 線形結合近似の最大値を示す図。The figure which shows the maximum value of linear combination approximation. プロファイルとB−スプラインとの内積を計算する各式を示す図。The figure which shows each type | formula which calculates the inner product of a profile and a B-spline. 内積を、ディジタルフィルタを用いて計算する様子を示す図。The figure which shows a mode that an inner product is calculated using a digital filter. 結合係数を求める各式を示す図。The figure which shows each type | formula which calculates | requires a coupling coefficient. 結合係数から旋回結合近似をディジタルフィルタを用いて計算する様子を示す図。The figure which shows a mode that a turning coupling approximation is calculated from a coupling coefficient using a digital filter. 自乗誤差評価を示す図。The figure which shows square error evaluation. スパーシティ評価を示す図。The figure which shows a spar city evaluation. B−スプライン近似のいくつかの例を示す図。The figure which shows some examples of B-spline approximation. B−スプライン近似の異なる例を示す図。The figure which shows the example from which B-spline approximation differs.

図1にイオン移動度センサー1の出力(測定データ、IMSデータ)を解析する解析装置の一例を示している。この解析装置10は、イオン移動度センサー1から直に入力されたIMSデータ19を解析するものであってもよく、適当なストレージ2に格納されたIMSデータ19を解析するものであってもよい。   FIG. 1 shows an example of an analysis apparatus that analyzes the output (measurement data, IMS data) of the ion mobility sensor 1. The analysis device 10 may analyze the IMS data 19 directly input from the ion mobility sensor 1 or may analyze the IMS data 19 stored in an appropriate storage 2. .

解析装置10は、IMSデータ19を離散B−スプラインにより近似するための結合係数を求める演算ユニット(第1の演算ユニット)11と、求められた結合係数による近似の状況を評価する評価ユニット(第2の演算ユニット)12と、これらのユニット11および12により使用される設定値などが格納されたライブラリ13と、評価ユニット12によりIMSデータ19を近似する離散B−スプラインの線形結合として選択されたB−スプライン近似に含まれるピークを分離および認識するピーク分離ユニット14と、分離されたピークに基づいてピークを分類し、IMSデータ19の測定対象を推定する推定ユニット15と、分離されたピークに関するデータが含まれるデータベース16とを含む。   The analysis apparatus 10 includes an arithmetic unit (first arithmetic unit) 11 that obtains a coupling coefficient for approximating the IMS data 19 by discrete B-splines, and an evaluation unit (first unit) that evaluates an approximation situation based on the obtained coupling coefficient. Selected as a linear combination of discrete B-splines approximating the IMS data 19 by the evaluation unit 12 and the library 13 storing the setting values used by these units 11 and 12. A peak separation unit 14 for separating and recognizing peaks included in the B-spline approximation, an estimation unit 15 for classifying the peaks based on the separated peaks and estimating a measurement target of the IMS data 19, and a separation peak And a database 16 containing data.

解析装置10は、典型的には、CPUとメモリとを含むコンピュータ資源を用いて構成され、ソフトウェア(プログラムまたはプログラム製品)として、適当な記録媒体に記録され、またはインターネットなどのコンピュータネットウェアを介して提供される。解析装置10は、ASIC、LSIあるいは再構成可能な半導体回路装置、光回路装置などにより提供されてもよい。   The analysis apparatus 10 is typically configured using computer resources including a CPU and a memory, recorded as software (program or program product) on an appropriate recording medium, or via computer network such as the Internet. Provided. The analysis device 10 may be provided by an ASIC, an LSI, a reconfigurable semiconductor circuit device, an optical circuit device, or the like.

イオン移動度センサー1の典型的なものとして、非対称電界イオン移動度スペクトロメータ(FAIMS)または微分型電気移動度スペクトロメータ(DMS)が知られている。FAIMSセンサー1の一例は、国際公開WO2006/013396または国際公開WO2007/014303に記載されたイオン移動度分析装置である。これらはモノリシックな、またはマイクロマシン型のコンパクトな質量分析装置であり、十分に携帯できるものである。   As a typical ion mobility sensor 1, an asymmetric field ion mobility spectrometer (FAIMS) or a differential electric mobility spectrometer (DMS) is known. An example of the FAIMS sensor 1 is an ion mobility analyzer described in International Publication WO2006 / 013396 or International Publication WO2007 / 014303. These are monolithic or micromachine type compact mass spectrometers, which are sufficiently portable.

FAIMSセンサー1は、イオン化された測定対象に電場の影響を与えながら移動させるドリフトチャンバと、ドリフトチャンバを通過したイオン化された測定対象(測定対象の電荷)を検出する検出器とを含む。ドリフトチャンバにおいては、電圧Vdおよび電圧Vcにより生成されるソフトウェア制御された電界が特定の周期でプラス・マイナスに変動し、その電界のフィルタリング効果により、検出目標の化学物質がフィルタリングされ、短期間、たとえば、msecレベルで検出器に衝突し、イオン強度(イオン電流)Icとして測定される。   The FAIMS sensor 1 includes a drift chamber that moves the ionized measurement target while affecting the ionized measurement target, and a detector that detects the ionized measurement target (charge of the measurement target) that has passed through the drift chamber. In the drift chamber, the software-controlled electric field generated by the voltage Vd and the voltage Vc fluctuates positively and negatively at a specific period, and the chemical substance to be detected is filtered by the filtering effect of the electric field, For example, it collides with the detector at the msec level and is measured as ion intensity (ion current) Ic.

Vd電圧(Dispersion Voltage、分散電圧、電界電圧(Vd))は交流成分であり、Vc電圧(Compensation Voltage、補償電圧)は直流成分である。FAIMSセンサー1では、これら2つの変量に応じて変化するイオン強度をイオン電流として検出することが可能である。検出されたイオン電流の波形は化学物質により異なることが多いので、化学物質の特定を行うことが可能である。イオン移動度センサーから得られるデータ(測定データ、IMSデータ)19は、イオン電流の値を含めると少なくとも3次元のデータとなる。また、化学物質によっては、たとえばイオン移動度特性により、Vd電圧を固定した場合に、Vc電圧を変えるとイオン電流の値は複数のピークを形成することがある。したがって、IMSデータ19に含まれるピークに基づき、イオン移動度センサー1で検出しているサンプルの化学組成(サンプルに含まれる化学物質)を特定できる可能性がある。   The Vd voltage (Dispersion Voltage, dispersion voltage, electric field voltage (Vd)) is an AC component, and the Vc voltage (Compensation Voltage, compensation voltage) is a DC component. In the FAIMS sensor 1, it is possible to detect the ion intensity that changes according to these two variables as an ion current. Since the detected waveform of the ionic current often varies depending on the chemical substance, it is possible to identify the chemical substance. Data (measurement data, IMS data) 19 obtained from the ion mobility sensor is at least three-dimensional data including the value of the ion current. Depending on the chemical substance, for example, when the Vd voltage is fixed due to ion mobility characteristics, the value of the ionic current may form a plurality of peaks when the Vc voltage is changed. Therefore, there is a possibility that the chemical composition (chemical substance contained in the sample) of the sample detected by the ion mobility sensor 1 can be specified based on the peak contained in the IMS data 19.

図2に、m階のB−スプラインを示している。図2(a)は、矩形関数を1回畳み込み積分したB−スプラインであり、1階のB−スプラインである。図2(b)は、2階のB−スプラインを示し、図2(c)は、3階のB−スプラインを示し、図2(d)は、4階のB−スプラインを示す。mを無限大にした極限では正規分布に収束することは中心極限定理で明らかである。   FIG. 2 shows an m-th floor B-spline. FIG. 2A is a B-spline obtained by convolving and integrating a rectangular function once, and is a first-order B-spline. FIG. 2B shows a B-spline on the second floor, FIG. 2C shows a B-spline on the third floor, and FIG. 2D shows a B-spline on the fourth floor. It is clear from the central limit theorem that convergence to a normal distribution is achieved in the limit where m is infinite.

図3(a)に、矩形関数から得たn個の標本数列のm階畳み込み累積により離散B−スプラインが定義される様子を示している。m階の離散B−スプラインは、図3(b)に示すようにz変換することにより、図3(b)に示す伝達関数で定義されるディジタルフィルタの出力として得られることを示している。   FIG. 3A shows a state in which a discrete B-spline is defined by m-order convolution accumulation of n sample number sequences obtained from a rectangular function. The m-th order discrete B-spline is obtained as the output of the digital filter defined by the transfer function shown in FIG. 3B by z-transforming as shown in FIG.

イオン移動度分析は、化学物質分子の判別分析の手法である。微量の化学物質を分析できるので、匂い・香りの分析、毒物・薬物・爆薬の探知に利用できる。分析手順は、物理的処理と計算的処理に大別される。   Ion mobility analysis is a technique for discriminant analysis of chemical molecules. Because it can analyze trace amounts of chemical substances, it can be used to analyze odors and scents and detect poisonous substances, drugs, and explosives. The analysis procedure is roughly divided into physical processing and computational processing.

図4(a)および(b)にイオン移動度センサー1における物理的処理を模式的に示している。イオン化された化学分子がイオン移動度センサー1の内部で移動し、負極1aまたは正極1bにキャッチされる。典型的なイオン化法は、放射性元素からの電子線照射であり、UV照射またはコロナ放電などの方法であってもよい。イオン移動度センサー1の内部でイオン化された分子が移動中に、上述したように、分散電圧(Vd電圧)と、補償電圧(Vc電圧)とによりジグザグに動き、Vd電圧とVc電圧との条件により電極1aまたは1bに到達した分子のみがイオン移動度センサー1の測定データ(IMSデータ)19として測定される。IMSデータ19の一例は、Vc電圧の変化によりイオン電流Icが変動するスペクトル(スペクトル分布、スペクトラム)である。   4A and 4B schematically show physical processing in the ion mobility sensor 1. FIG. The ionized chemical molecules move inside the ion mobility sensor 1 and are caught by the negative electrode 1a or the positive electrode 1b. A typical ionization method is electron beam irradiation from a radioactive element, and may be a method such as UV irradiation or corona discharge. While the molecules ionized inside the ion mobility sensor 1 are moving, as described above, the molecules move zigzag by the dispersion voltage (Vd voltage) and the compensation voltage (Vc voltage), and the conditions of the Vd voltage and the Vc voltage are satisfied. Thus, only the molecules that have reached the electrode 1a or 1b are measured as measurement data (IMS data) 19 of the ion mobility sensor 1. An example of the IMS data 19 is a spectrum (spectral distribution, spectrum) in which the ion current Ic varies due to a change in the Vc voltage.

イオン化された分子は、その電荷/質量に比例してVd電圧とVc電圧との影響を受け、途中で空気分子に衝突して拡散しながら進む。このため、平均的にはイオンの種類に特有な速度で進み、時間的にばらついて電極、たとえば正極1aに到達する。ばらつきは正規分布に従うと仮定されている。各衝突で生じる位置変化が同一分布に従ってばらつくならば、無限回の衝突を経て得られる分布がガウス分布となるからである。   The ionized molecules are affected by the Vd voltage and the Vc voltage in proportion to their charge / mass, and collide with air molecules on the way and proceed while diffusing. For this reason, on average, it proceeds at a speed peculiar to the kind of ions, and it reaches the electrode, for example, the positive electrode 1a, with variations in time. The variation is assumed to follow a normal distribution. This is because if the position change caused by each collision varies according to the same distribution, the distribution obtained through infinite collisions becomes a Gaussian distribution.

図4(c)にIMSデータ19の一例を示している。この波形はVd電圧を一定としてVc電圧を変えたときに得られるイオン電流のスペクトル(スペクトル分布)であり、この電流波形をプロファイルと呼び、第1の座標軸はCv電圧(補償電圧)になる。1つの種類のイオンに1つのガウス分布が対応するので、プロファイルは図4(d)のように複数のガウス分布の非負荷重和としてモデル化される。   An example of the IMS data 19 is shown in FIG. This waveform is a spectrum (spectral distribution) of the ion current obtained when the Vc voltage is changed with the Vd voltage kept constant. This current waveform is called a profile, and the first coordinate axis is the Cv voltage (compensation voltage). Since one Gaussian distribution corresponds to one kind of ion, the profile is modeled as an unloaded multiple sum of a plurality of Gaussian distributions as shown in FIG.

従来型の計算処理は、与えられたプロファイルからそれを構成する各々の分布を同定することを目標としている。イオン分子の種類が各分布の平均値によって判明し、量は高さで判明する。ガウス分布の個数・平均・分散が未知であるため、これらのパラメータを最急降下法で探索することが一般的な手法である。探索は逐次処理であり、また、収束までに多くの繰り返し演算を要する。このため、現状の計算処理は高性能CPUを用いても多くの時間を要している。   Conventional computing processes aim to identify each distribution that constitutes it from a given profile. The type of ion molecule is determined by the average value of each distribution, and the amount is determined by height. Since the number, average, and variance of the Gaussian distribution are unknown, it is a common technique to search for these parameters by the steepest descent method. The search is a sequential process and requires many repeated operations until convergence. For this reason, the current calculation processing takes a lot of time even if a high-performance CPU is used.

物理的処理の小型・高速化の一例は、2006年にオウルストーン社からリリースされたFAIMSチップによって成されたものである。センサチップの大きさは数十ミリメートル角、物理的処理の速度は数ミリ秒である。したがって、計算処理を効率化することによりFAIMSなどの化学物質分析センサー1および解析装置10を含めたシステム全体を携帯機器に組込むことも可能になる。   One example of physical processing that is smaller and faster is the FAIMS chip released by Owlstone in 2006. The size of the sensor chip is several tens of millimeters square, and the physical processing speed is several milliseconds. Therefore, by increasing the efficiency of the calculation process, the entire system including the chemical substance analysis sensor 1 such as FAIMS and the analysis device 10 can be incorporated into a portable device.

そのためには、計算処理アルゴリズムを、伝統的なガウス混合分布モデルに基づく逐次探索からチップ化に適するような新たな計算処理に変更することが望ましい。そのアプローチの特徴は、以下の4点にまとめられる。
(1)ガウス分布の代わりに、一様分布に従う有限回(m回)の衝突を経て得られる速度のばらつきを表す整数m階のB−スプラインを用いる。mを増やせばB−スプラインはガウス分布に近づく。イオン移動度分析の原理によれば、分布の形も、また、無限の裾野をもつ完璧な正規分布であるはずはない。正規分布の代わりに、B−スプラインを用いることも不自然ではない。
(2)B−スプラインの高速計算法を利用する。一様連続分布をn点で標本化した一様離散分布で置き換えて得られる離散B−スプラインが加算と減算だけで生成できることは公知である(T. Saramaki, Y. Neuvo and S. K. Mitra, Design of computationally efficient interpolated FIR filters, IEEE Trans. Circuits & Syst., 35(1), 70-88, 1988 参照)。標本点数nを増やすことによって離散B−スプラインが元々のB−スプラインに収束し、高速ディジタルフィルタにより波形を離散B−スプライン近似できる(K. Ichige and M. Kamada, An approximation for discrete B-splines in time domain, IEEE Signal Process. Lett., 4, 82-84, 1997、および、K. Ichige, M. Kamada and R. Ishii, A simple scheme of decomposing and reconstructing continuous-time signals by B-splines, IEICE Trans. Fundamentals, E81-A, 2391-2399, 1998を参照)。
(3)近似に用いる離散B−スプラインを極めて細かい間隔で配置する。曲線表現というB−スプラインの元来の用途では、表現に必要十分な間隔でB−スプラインを配置することが常識であった。イオン移動度分析では分布の中心の位置が未知であるが、位置を探索すれば、遅い逐次計算に後戻りしてしまう。そこで、予め離散B−スプラインを細かい間隔で配置しておき、プロファイルの近似にとって主要な離散B−スプラインの荷重だけが大きくなって浮き彫りになることを狙う。
(4)未知パラメータである分布の分散を逐次的に探索するのではなく、同時期に到達するイオンの広がりは同程度であると仮定して、様々な値に固定したnについて高速ディジタルフィルタによる近似を総当り的に並列実行する。少数の離散B−スプラインによる高精度な近似が得られる場合を分析結果とする。近似精度の判定に利用できる方法の1つとしてはスパース近似を挙げることができる(スパース近似については、M. Vetterli, P. Marziliano and T. Blu, Sampling signals with finite rate of innovation, IEEE Trans. Signal Process., SP-50, 1417-1428, 2002を参照)。
For this purpose, it is desirable to change the calculation processing algorithm from a sequential search based on a traditional Gaussian mixture distribution model to a new calculation processing suitable for chipping. The features of this approach are summarized in the following four points.
(1) Instead of a Gaussian distribution, an integer m-th order B-spline representing a variation in speed obtained through a finite number of (m) collisions according to a uniform distribution is used. If m is increased, the B-spline approaches a Gaussian distribution. According to the principle of ion mobility analysis, the shape of the distribution cannot also be a perfect normal distribution with an infinite base. It is not unnatural to use B-splines instead of the normal distribution.
(2) Use a B-spline high-speed calculation method. It is known that a discrete B-spline obtained by replacing a uniform continuous distribution with a uniform discrete distribution sampled at n points can be generated only by addition and subtraction (T. Saramaki, Y. Neuvo and SK Mitra, Design of computationally efficient interpolated FIR filters, IEEE Trans. Circuits & Syst., 35 (1), 70-88, 1988). The discrete B-spline converges to the original B-spline by increasing the number of sampling points n, and the waveform can be approximated to a discrete B-spline by a high-speed digital filter (K. Ichige and M. Kamada, An approximation for discrete B-splines in time domain, IEEE Signal Process.Lett., 4, 82-84, 1997, and K. Ichige, M. Kamada and R. Ishii, A simple scheme of decomposing and reconstructing continuous-time signals by B-splines, IEICE Trans Fundamentals, E81-A, 2391-2399, 1998).
(3) Discrete B-splines used for approximation are arranged at extremely fine intervals. In the original use of the B-spline as a curved line expression, it has been common knowledge to arrange the B-spline at intervals sufficient for expression. In the ion mobility analysis, the position of the center of the distribution is unknown, but if the position is searched for, it will return to the slow sequential calculation. Therefore, discrete B-splines are arranged in advance at a fine interval, and only the load of the discrete B-splines that are important for the approximation of the profile is increased to be embossed.
(4) Rather than sequentially searching for the distribution of the unknown parameter distribution, the high-speed digital filter is used for n fixed at various values, assuming that the spread of ions reaching the same period is the same. Approximate brute force execution in parallel. The case where a high-precision approximation with a small number of discrete B-splines is obtained is taken as the analysis result. One method that can be used to determine approximate accuracy is sparse approximation (for sparse approximation, M. Vetterli, P. Marziliano and T. Blu, Sampling signals with finite rate of innovation, IEEE Trans. Signal Process., SP-50, 1417-1428, 2002).

m階のB−スプラインは、矩形関数のm回畳込み積分として定義されている。これが、m を無限大にする極限で正規分布に収束することは、中心極限定理が示すとおりである。さらに、矩形関数から得たn個の標本値列のm回畳込み累積である離散B−スプラインが、nを無限大にする極限でB−スプラインに収束することも知られている。解析装置10の演算ユニット11においては、この離散B−スプラインを分布として用いる。   An m-th order B-spline is defined as a m-fold convolution integral of a rectangular function. The central limit theorem shows that this converges to a normal distribution at the limit where m 1 is infinite. Further, it is also known that a discrete B-spline that is an m-fold convolution accumulation of n sample value sequences obtained from a rectangular function converges to a B-spline at the limit that makes n infinite. In the arithmetic unit 11 of the analysis apparatus 10, this discrete B-spline is used as a distribution.

1階の離散B−スプラインは図5(a)の(1)式で定義される。また、そのz変換は、図5(b)の(2)式で表現される。したがって、再帰的に定義されるm階の離散B−スプラインおよびそのz変換は、図5(c)に示す式(3)および式(4)によりそれぞれ表現される。   The discrete B-spline on the first floor is defined by equation (1) in FIG. The z conversion is expressed by the equation (2) in FIG. Therefore, the m-th order discrete B-spline defined recursively and its z-transform are expressed by equations (3) and (4) shown in FIG.

離散B−スプライン(bm[k-l])と(bm[k-r])の内積は、図6(a)のように変形される。ここで、「~bm[k])=bm[-k]」とおけば、これは、さらに図6(b)のように変形される。また、そのz変換は、図6(c)のように表現される。このため、この内積は図6(d)の式(5)として計算できる。   The inner product of the discrete B-splines (bm [k−l]) and (bm [k−r]) is transformed as shown in FIG. Here, if “˜bm [k]) = bm [−k]” is entered, this is further transformed as shown in FIG. Further, the z transformation is expressed as shown in FIG. Therefore, this inner product can be calculated as equation (5) in FIG.

z変換が図7(a)である係数(結合係数)「c[l]」によるm階B−スプライン「bm[k-l]」の線形結合「q[k]」は、図7(b)の式(6)なる畳込みで表される。この演算は、z変換したときの図7(c)の式(7)に対応する。したがって、「((1−z−n)/(1−z−1))」なる伝達関数をもつディジタルフィルタに結合係数「c[k]」を入力して得られる出力を時刻kにおいてサンプリングすれば線形結合「q[k]」が求められる。このディジタルフィルタは、式(A)のm重累積と、式(B)のm階差分に分けて実行可能である。
(1/(1−z−1))・・・(A)
(1−z−n ・・・(B)
The linear combination “q [k]” of the m-th order B-spline “bm [kl]” by the coefficient (combination coefficient) “c [l]” whose z-transform is FIG. 7A is shown in FIG. It is expressed by the convolution represented by Equation (6). This calculation corresponds to Expression (7) in FIG. 7C when z conversion is performed. Therefore, the output obtained by inputting the coupling coefficient “c [k]” to the digital filter having the transfer function “((1−z −n ) / (1−z −1 )) m ” is sampled at time k. Then, a linear combination “q [k]” is obtained. This digital filter can be executed separately for the m-fold accumulation of Expression (A) and the m-th order difference of Expression (B).
(1 / (1-z −1 )) m (A)
(1-z −n ) m (B)

したがって、演算ユニット11は、式(A)の伝達関数を含む第1のディジタルフィルタユニット11aと、式(B)の伝達関数を含む第2のディジタルフィルタユニット11bとを含む。これらのディジタルフィルタユニット11aおよび11bにおける計算途中にオーバーフローは生じるが、これらのフィルタユニット11aおよび11bは、計算の最終結果を収容できるビット数を擁する2の補数演算を行う機能を備えており、最終結果は正しい値となる。   Therefore, the arithmetic unit 11 includes a first digital filter unit 11a including the transfer function of Expression (A), and a second digital filter unit 11b including the transfer function of Expression (B). Although overflow occurs during the calculation in these digital filter units 11a and 11b, these filter units 11a and 11b have a function of performing a two's complement operation having the number of bits that can accommodate the final result of the calculation. The result is correct.

なお、最終結果である線形結合「q[k]」の絶対最大値は、離散B−スプラインが非負であることから導かれる図8の不等式(8)により、結合係数の絶対値「|c[l]|」の最大値のn倍を越えない。 It should be noted that the absolute maximum value of the linear combination “q [k]” that is the final result is obtained from the inequality (8) in FIG. 8 derived from the fact that the discrete B-spline is non-negative, and the absolute value “| c [ l] | does not exceed the n m times the maximum value of ".

解析装置10に供給されるIMSデータ19のスペクトル分布の離散的なサンプリング値、すなわちプロファイルが「p[k]」で表され、そのz変換を図9(a)に示したように表現すると、プロファイル「p[k]」と、離散B−スプライン「bm[k-r]」の内積は図9(b)の式(9)で示され、式(10)のように変形できる。ここで、「~bm[k]」のz変換は「Bm(z−1)」となる。したがって、z変換した表現では、図9(c)に示す式(11)に対応する。この内積は、「((1−z−n)/(1−z−1))」なる伝達関数をもつディジタルフィルタにプロファイル「p[r]」を入力して得られる出力を時刻「(n-1)m+r」においてサンプリングすれば求められる。この処理は、上記と同様に、2つの部分から成る第1のディジタルフィルタユニット11aおよび第2のディジタルフィルタユニット11bで実行可能である。 When a discrete sampling value of the spectral distribution of the IMS data 19 supplied to the analysis apparatus 10, that is, a profile is represented by “p [k]” and its z-transform is expressed as shown in FIG. The inner product of the profile “p [k]” and the discrete B-spline “bm [kr]” is expressed by equation (9) in FIG. 9B and can be transformed as equation (10). Here, z conversion of “˜bm [k]” is “Bm (z −1 )”. Therefore, the z-transformed expression corresponds to Expression (11) shown in FIG. This inner product is obtained by inputting an output obtained by inputting a profile “p [r]” to a digital filter having a transfer function “((1-z −n ) / (1−z −1 )) m ” at time “( n-1) m + r ". Similar to the above, this processing can be executed by the first digital filter unit 11a and the second digital filter unit 11b which are composed of two parts.

プロファイル「p[k]」と離散B−スプライン「bm[k-r]」との内積は、通常の考え方では、図9の式(9)の通りに積和演算で計算する。しかしながら、図9の式(10)と(11)によれば、加算と減算だけで構成されるディジタルフィルタユニット11aおよび11bで計算できることが分かる。   The inner product of the profile “p [k]” and the discrete B-spline “bm [k-r]” is calculated by a product-sum operation as shown in Expression (9) in FIG. However, according to the equations (10) and (11) in FIG. 9, it can be understood that the calculation can be performed by the digital filter units 11a and 11b including only addition and subtraction.

図10に、ディジタルフィルタユニット11aおよび11bにプロファイル「p[r]」を入力し、「(n-1)m+r」における内積「<p[・],bm[・-r]>」を計算する様子を示している。前半部分である第1のディジタルフィルタユニット11aで計算するm階累積はnに依存せず、後半部分である第2のディジタルフィルタユニット11bで計算するm階差分にだけnが含まれている。そのため、m階累積の計算は各プロファイルに対して1度だけでよく、第2のディジタルフィルタユニット11bでnを変えながらm階差分を計算するだけで、異なるnについての離散B−スプラインとプロファイルとの内積を取り出すことが可能である。1つの内積の計算に要する演算は、ほとんどm回の減算だけであり、処理時間を短縮できる。   In FIG. 10, the profile “p [r]” is input to the digital filter units 11a and 11b, and the inner product “<p [•], bm [• −r]>” in “(n−1) m + r” is calculated. It shows a state. The m-th order accumulation calculated by the first digital filter unit 11a that is the first half does not depend on n, and n is included only in the m-th order difference calculated by the second digital filter unit 11b that is the second half. Therefore, the calculation of the m-th order accumulation may be performed only once for each profile, and the discrete B-splines and profiles for different n can be obtained by calculating the m-th order difference while changing n by the second digital filter unit 11b. Can be taken out. The computation required for calculating one inner product is almost m subtractions, and the processing time can be shortened.

第1の演算ユニット11は、さらに、非負係数最小自乗近似を行う最小自乗近似ユニット11cを含む。この最小自乗近似ユニット11cでは、プロファイル「p[k]」を、間隔lで配置されたK個の離散B−スプラインを結合係数「c[l]」で線形結合した関数「q[k]」で近似したときの自乗誤差を計算する。線形結合近似「q[k]」は、図11(a)の式(12)で表され、自乗誤差は図11(b)の式(13)で計算され、自乗誤差Eが最小になるような係数(結合係数)「c[l]」は、通常の最小自乗近似法に従って、図11(c)に示す線形方程式(13)を解くことによって定まる。   The first arithmetic unit 11 further includes a least square approximation unit 11c that performs non-negative coefficient least square approximation. In the least square approximation unit 11c, a function “q [k]” obtained by linearly combining a profile “p [k]” with K discrete B-splines arranged at an interval l using a coupling coefficient “c [l]”. Calculate the square error when approximated by. The linear combination approximation “q [k]” is expressed by equation (12) in FIG. 11A, the square error is calculated by equation (13) in FIG. 11B, and the square error E is minimized. A small coefficient (coupling coefficient) “c [l]” is determined by solving the linear equation (13) shown in FIG. 11C according to a normal least square approximation method.

係数はイオンの個数に比例するので、係数「c[l]」には非負であるという制約条件が課せられる。したがって、最小自乗近似ユニット11cは、この条件下で係数を定めるために通常の最小自乗近似で得られた係数のうち負となったものを0に固定し、それに対応する離散B−スプラインを除外して最小自乗近似を、全ての係数が非負になるまで繰り返す機能を含む。線形方程式(13)を解くことは、浮動小数点演算の四則演算を要するが、解くべき線形方程式はバンド行列で表現でき、また、対象となる関数がだんだん減っていくので、それほど処理時間が増加する方向にはならい。離散B−スプライン同士の内積「<bm[・-k]、bm[・-l]>」は、予め計算してライブラリー13に保存しておくことも可能である。   Since the coefficient is proportional to the number of ions, the coefficient “c [l]” is subject to a non-negative constraint. Therefore, the least square approximation unit 11c fixes negative coefficients among the coefficients obtained by the normal least square approximation to determine the coefficients under this condition, and excludes the corresponding discrete B-splines. Then, the function of repeating the least square approximation until all the coefficients become non-negative is included. Solving the linear equation (13) requires four arithmetic operations of floating-point arithmetic, but the linear equation to be solved can be expressed by a band matrix, and the target function gradually decreases, so the processing time increases so much. Does not follow direction. The inner product “<bm [· −k], bm [· −l]>” between the discrete B-splines can be calculated in advance and stored in the library 13.

ただし、細かい間隔で配置した離散B−スプラインの列が、理論的には線形独立であるものの、ほとんど線形従属であるので、荷重を決定する処理が数値的に不安定となる可能性が指摘されている。しかしながら、テストデータに対する数値実験では、多数の離散B−スプラインを用いる初期の段階では数値的に不安定になるものの、負の係数を得た離散B−スプラインが除外されていく過程で近接する離散B−スプラインの個数が減っていく。このために最終的には計算が安定することが観測されている。すなわち、最小自乗近似ユニット11cにおいて結合係数を非負に制限していることが数値的に不安定になることを抑制していると判断される。   However, although discrete B-spline columns arranged at fine intervals are theoretically linearly independent, they are almost linearly dependent, and it is pointed out that the process of determining the load may become numerically unstable. ing. However, in a numerical experiment on test data, although it becomes numerically unstable at an initial stage using a large number of discrete B-splines, discrete discrete B-splines that have obtained negative coefficients are in the process of being excluded. The number of B-splines decreases. For this reason, it has been observed that the calculation eventually becomes stable. In other words, it is determined that limiting the coupling coefficient to non-negative in the least square approximation unit 11c suppresses numerical instability.

図12に、第1のディジタルフィルタユニット11aおよび第2のフィルタユニット11bを用いて、上記で求められた結合係数「c[k]」からプロファイルを近似するために求めた線形結合近似「q[k]」を計算する様子を示している。結合係数を非負に制限しているため、近似用の線形結合で用いられる結合係数の数は限られ、プロファイルqに含まれるピークを実質的に分離できる。   In FIG. 12, the linear combination approximation “q [” obtained for approximating the profile from the coupling coefficient “c [k]” obtained above using the first digital filter unit 11a and the second filter unit 11b. k] "is shown. Since the coupling coefficient is limited to be non-negative, the number of coupling coefficients used in the approximation linear combination is limited, and the peaks included in the profile q can be substantially separated.

解析ユニット10は、さらに、第1の演算ユニット10により求められた結合係数により得られる線形結合近似「q[k]」を評価する評価ユニット(第2の演算ユニット)12を含む。評価ユニット12は、さまざまなnおよび/またはmに対して結合係数を結合係数候補として事前に求め、それらにより得られる線形結合近似「q[k]」をプロファイル「p[k]」に対して評価し、結合係数候補の中から最適な結合係数と、それにより線形結合近似を出力する。   The analysis unit 10 further includes an evaluation unit (second arithmetic unit) 12 that evaluates the linear combination approximation “q [k]” obtained from the coupling coefficient obtained by the first arithmetic unit 10. The evaluation unit 12 determines in advance the coupling coefficients for various n and / or m as coupling coefficient candidates, and obtains the linear coupling approximation “q [k]” obtained by them for the profile “p [k]”. Evaluate and output the optimum coupling coefficient from among the coupling coefficient candidates and thereby the linear coupling approximation.

評価ユニット12は自乗誤差の評価を行う第1の評価ユニット12aと、スパーシティ(Sparsity)評価を行う第2の評価ユニット12bとを含む。第1の評価ユニット12aは、結合係数「c[k]」から線形結合近似「q[k]」を計算することは、式(6)に従って図12に示したように第1および第2のディジタルフィルタユニット11aおよび11bによって簡単にできる。これにより得られた線形結合近似「q[k]」と、与えれたプロファイル「p[k]」の自乗誤差は、「(p[k]-q[k])」を累積して計算することにより求められる。第1の評価ユニット12aは、平均自乗誤差E1を図13に示す式により計算する。 The evaluation unit 12 includes a first evaluation unit 12a that evaluates a square error and a second evaluation unit 12b that performs a sparsity evaluation. The first evaluation unit 12a calculates the linear combination approximation “q [k]” from the coupling coefficient “c [k]” according to the equation (6) as shown in FIG. This can be simplified by the digital filter units 11a and 11b. The square error of the linear combination approximation “q [k]” obtained and the given profile “p [k]” is calculated by accumulating “(p [k] −q [k]) 2 ”. Is required. The first evaluation unit 12a calculates the mean square error E1 using the formula shown in FIG.

第2の評価ユニット12bは、様々なnについて得られた結合係数候補の中から第1の評価ユニット12aにより自乗誤差E1が十分に小さくなった場合を分析結果の候補とし、さらに、スパースな良い近似結果が得られる結合係数の組み合わせを探る。これは、得られた候補の中で、少数の離散B−スプラインでプロファイルpを近似できていることが正しい分析の本質的な条件であるとの前提によるものである。   The second evaluation unit 12b sets a case where the square error E1 is sufficiently small by the first evaluation unit 12a from among the coupling coefficient candidates obtained for various n, and is further sparse. Search for combinations of coupling coefficients that give approximate results. This is based on the assumption that the profile p can be approximated by a small number of discrete B-splines among the obtained candidates, which is an essential condition for a correct analysis.

プロファイル「p[k]」も線形結合近似「q[k]」も非負であるので、自乗誤差が極めて小さければ、それらの面積Σk(p[k])とΣk(q[k])とは殆ど同じになるはずである。そこで、離散B−スプライン「bm[k-l]」を、その面積Σk(bm[k-l])=n」で正規化した近似表現を図14(a)の式(15)のように考える。修正された係数「nc[l]」の和は、図14(b)の式(16)のようにほぼ一定になる。この状況において、スパーシティ(sparsity)は、線形結合近似「q[k]」が大きな少数の塊で構成されていることを意味する。その評価量の1つは、図14(c)に示すE2である。第2の評価ユニット12bは、評価量E2が最大となる場合を分析結果として選び、出力する。 Since both the profile “p [k]” and the linear combination approximation “q [k]” are non-negative, if the square error is extremely small, their areas Σk (p [k]) and Σk (q [k]) It should be almost the same. Therefore, an approximate expression obtained by normalizing the discrete B-spline “bm [kl]” with its area Σk (bm [kl]) = n m ”is considered as shown in Expression (15) of FIG. The sum of the corrected coefficients “n m c [l]” becomes substantially constant as shown in the equation (16) in FIG. In this situation, sparsity means that the linear combination approximation “q [k]” consists of a small number of large chunks. One of the evaluation amounts is E2 shown in FIG. The second evaluation unit 12b selects and outputs a case where the evaluation amount E2 is maximum as an analysis result.

図15(a)〜(j)に、mを4に固定し、様々なnについて、長さ128点のサンプル値という局所的な窓の範囲でプロファイル「p[k]」の例を近似した結果を示している。プロファイルは、イオン移動度センサー1の出力(イオン電流、IMSデータ、スペクトル分布)19であり、座標軸(第1の座標軸)は補償電圧Vcである。図中で、実線はプロファイルを示し、破線は近似曲線(線形結合近似)「q[k]」を示し、一点鎖線は近似曲線「q[k]」を構成する離散B−スプラインを表す。   In FIGS. 15A to 15J, m is fixed to 4, and an example of the profile “p [k]” is approximated for various n within a local window range of sample values of 128 points in length. Results are shown. The profile is the output (ion current, IMS data, spectral distribution) 19 of the ion mobility sensor 1, and the coordinate axis (first coordinate axis) is the compensation voltage Vc. In the figure, a solid line indicates a profile, a broken line indicates an approximate curve (linear combination approximation) “q [k]”, and an alternate long and short dash line indicates a discrete B-spline constituting the approximate curve “q [k]”.

図15(a)〜(j)において、第1の評価ユニット12aにより得られる近似誤差E1はnが6〜12の場合に10%以下であり、その他の場合には15%より大きい。したがって、第2の評価ユニット12bは、nが6〜12の場合の前者の場合の近似曲線(線形結合近似)「q[k]」について評価量E2を計算する。nが6〜12のうちで、スパーシティの評価量E2が最大になるのは、nが12の場合である。この場合をスパースな良い近似として採用し、第2の評価ユニット12bは出力する。この例では、プロファイルpには2つのピークが含まれているとの結果が出力される。   15A to 15J, the approximate error E1 obtained by the first evaluation unit 12a is 10% or less when n is 6 to 12, and is larger than 15% in other cases. Therefore, the second evaluation unit 12b calculates the evaluation amount E2 for the approximate curve (linear combination approximation) “q [k]” in the former case where n is 6 to 12. When n is 6 to 12, the evaluation amount E2 of the sparsity is maximized when n is 12. This case is adopted as a sparse good approximation, and the second evaluation unit 12b outputs. In this example, a result that two peaks are included in the profile p is output.

図16は、1つのプロファイル全体についてサンプリングし、それらの値に対する近似結果の例である。最適なnは、第1の座標軸の経過にしたがって変わってもよい。たとえば、最適なnは局所的な補償電圧Cv値の窓ごとに推定することも可能である。図16に示した例では、左側のピークと右側のピークに対するnの最適値は、それぞれ12と14となった。   FIG. 16 shows an example of an approximation result obtained by sampling an entire profile and calculating those values. The optimum n may change according to the progress of the first coordinate axis. For example, the optimum n can be estimated for each window of the local compensation voltage Cv value. In the example shown in FIG. 16, the optimum values of n for the left peak and the right peak are 12 and 14, respectively.

解析装置10のピーク分離ユニット14は、上記の結果に基づいて分離されたピーク(検出されたピーク)によりピークデータベース16を更新する。ピーク分類および推定ユニット15は、ピークデータベース16のピーク分類ルールテーブルおよびピーク種別(タイプ)ルールテーブルにより提供された評価ルールを用い、ピークの種別を判断する。評価ルールには、リアクタンスのRIPのピーク特性と、化学物質から派生したモノマー、ディマーおよびトリマーのピーク特性の理論上の関係が含まれる。さらに、分類および推定ユニット15は、イオン移動度センサー1が測定しているサンプルガスに含まれる化学物質を推定する機能を含む。分離および推定ユニット15は、モノマー、ディマーおよびトリマーの少なくともいずれかのピークを示す特定されたピークに基づきサンプルガスに含まれる化学物質の候補を選択する選択機能と、特定されたピークと第3のパラメータである濃度との相関を求め、サンプルガスに含まれる化学物質の候補を選択する選択機能などを含む。   The peak separation unit 14 of the analysis device 10 updates the peak database 16 with the peaks separated (detected peaks) based on the above results. The peak classification and estimation unit 15 determines the peak type using the evaluation rules provided by the peak classification rule table and the peak type (type) rule table of the peak database 16. The evaluation rules include the theoretical relationship between the peak characteristics of reactance RIP and the peak characteristics of monomers, dimers and trimers derived from chemicals. Further, the classification and estimation unit 15 includes a function of estimating a chemical substance contained in the sample gas measured by the ion mobility sensor 1. The separation and estimation unit 15 includes a selection function for selecting a chemical candidate included in the sample gas based on the identified peak indicating at least one of a monomer, a dimer, and a trimer, and the identified peak and the third It includes a selection function that obtains a correlation with the parameter concentration and selects a chemical substance candidate contained in the sample gas.

以上に説明したように、離散B−スプラインの計算法に関する既知の計算機構をイオン移動度分析に初めて適用した。旧来の応用場面では離散B−スプラインの配置間隔がnに固定されていたが、本応用場面では最も細密な間隔lが適切である。ほとんど線形縦続な関数系による最小自乗近似を行うことには、数値的な不安定性を生じる恐れがある。いままでに試した数値例では、最終的な処理結果には大きな影響が出ていない。   As explained above, a known calculation mechanism relating to the calculation method of discrete B-splines was first applied to ion mobility analysis. In the conventional application scene, the arrangement interval of the discrete B-splines is fixed to n, but in the present application scene, the finest interval l is appropriate. Performing a least-squares approximation with an almost linear cascade of functional systems can lead to numerical instabilities. In the numerical examples tried so far, the final processing result is not greatly affected.

すなわち、ガウス分布の代わりにその良い代替である離散B−スプラインを用いることによって、イオン移動度分析で得られるプロファイル波形の分析に役立つハードウェア実現向きの手法を構成でき、プロセッサなどのハードウェア処理で実現しやすいシステムとして提供できる。ハードウェア実現に適するのは、与えられた波形と離散B−スプラインとの内積および離散B−スプラインの荷重和が極めて簡単なディジタルフィルタで計算できることが1つの要因である。   That is, by using a discrete B-spline which is a good alternative to the Gaussian distribution, a method suitable for hardware implementation that is useful for analyzing a profile waveform obtained by ion mobility analysis can be configured. It can be provided as a system that is easy to realize. One factor that is suitable for hardware implementation is that the inner product of a given waveform and a discrete B-spline and the load sum of the discrete B-spline can be calculated with a very simple digital filter.

このシステムにおいては、細かい間隔で配置した離散B−スプラインの荷重和でプロファイル波形を、荷重が非負であるという制約条件の下で最小自乗近似することによって、プロファイル中に埋もれている主要な成分の荷重が大きくなって検出される。細かい間隔で配置された離散B−スプラインは、ほとんど線形従属であるため、それらによる最小二乗近似は数値的には不安定になるが、数値計算の過程で負になった荷重を与えられた離散B−スプラインを除いていくため、最終的には安定的に近似結果が得られる。1回の近似が高速に行えるので、様々な幅の離散B−スプラインを試して、大きくて少ない荷重を用いた良いスパース近似が得られた場合を分析結果として採用できる。   In this system, the profile waveform is approximated by the least squares under the constraint that the load is non-negative, with the load sum of the discrete B-splines arranged at fine intervals, so that the main components buried in the profile are Detected when load increases. Since discrete B-splines arranged at fine intervals are almost linearly dependent, their least-square approximation becomes numerically unstable, but the discrete load given a negative load in the process of numerical calculation Since the B-spline is removed, the approximate result can be finally obtained stably. Since one-time approximation can be performed at high speed, a case where a good sparse approximation using a large and small load is obtained by testing discrete B-splines of various widths can be adopted as an analysis result.

上記において、評価ユニット12は、平均自乗誤差E1とスパーシティの評価量E2とを組み合わせて、分析の良さを評価する単一の評価量を設定してもよく、様々な電流波形に適用して数値的安定性・分析性能・処理速度を評価してもよい。また、解析する対象であるスペクトル分布(プロファイル)は、イオン移動度センサー1の出力に限定されない。解析装置10の解析対象は、一様分布に従う有限回の衝突を伴うような現象の測定結果、正規分布に従うと推定される現象の測定結果などであってもよい。また、スペクトルの第1の座標軸は補償電圧に限定されず、他の物理量、時間などであってもよい。   In the above, the evaluation unit 12 may set a single evaluation amount for evaluating the goodness of analysis by combining the mean square error E1 and the evaluation amount E2 of the sparsity, and may be applied to various current waveforms. Numerical stability, analytical performance, and processing speed may be evaluated. The spectrum distribution (profile) to be analyzed is not limited to the output of the ion mobility sensor 1. The analysis target of the analysis apparatus 10 may be a measurement result of a phenomenon involving a finite number of collisions according to a uniform distribution, a measurement result of a phenomenon estimated to follow a normal distribution, or the like. Further, the first coordinate axis of the spectrum is not limited to the compensation voltage, and may be another physical quantity, time, or the like.

1 イオン移動度センサー、 10 解析装置 1 ion mobility sensor, 10 analyzer

Claims (6)

第1の座標軸に沿って得られるスペクトル分布のサンプリング値と、前記第1の座標軸に沿って間隔lで配置された整数n個の標本値列の整数m回畳み込み累積である離散B−スプラインとの内積を演算し、前記スペクトル分布を前記離散B−スプラインの線形結合近似で表現する際の結合係数を求める第1の演算ユニットと、
前記結合係数に基づき前記スペクトル分布を複数のB−スプライン分布に分解するピーク分離ユニットとを含む、解析装置。
A sampling value of a spectral distribution obtained along a first coordinate axis, and a discrete B-spline that is an integer m-fold convolution accumulation of an integer n sample value sequences arranged at an interval l along the first coordinate axis; A first arithmetic unit for obtaining a coupling coefficient when expressing the spectral distribution by linear combination approximation of the discrete B-spline;
And a peak separation unit that decomposes the spectral distribution into a plurality of B-spline distributions based on the coupling coefficient.
請求項1において、前記第1の演算ユニットは、以下の式(A)の伝達関数を含む第1のディジタルフィルタユニットと、
以下の式(B)の伝達関数を含む第2のディジタルフィルタユニットとを含む、解析装置。
(1/(1−z−1))・・・(A)
(1−z−n ・・・(B)
The first arithmetic unit according to claim 1, wherein the first arithmetic unit includes a first digital filter unit including a transfer function of the following expression (A):
And a second digital filter unit including a transfer function of the following equation (B).
(1 / (1-z −1 )) m (A)
(1-z −n ) m (B)
請求項1または2において、前記第1の演算ユニットは、得られた結合係数が負の場合は結合係数を0に固定するユニットを含む、解析装置。   3. The analysis apparatus according to claim 1, wherein the first arithmetic unit includes a unit that fixes the coupling coefficient to 0 when the obtained coupling coefficient is negative. 請求項1ないし3のいずれかにおいて、前記第1の演算ユニットにより、前記nおよび前記mの少なくともいずれかが異なる結合係数候補を求め、前記結合係数候補による離散B−スプラインの線形結合近似と前記スペクトル分布との誤差を評価して、前記結合係数を求める第2の演算ユニットをさらに有する、解析装置。   4. The combination coefficient candidate according to claim 1, wherein at least one of n and m is different from each other by the first arithmetic unit, and linear combination approximation of discrete B-splines by the combination coefficient candidate and An analysis apparatus further comprising a second arithmetic unit that evaluates an error from a spectrum distribution and obtains the coupling coefficient. 請求項1ないし4のいずれかにおいて、前記スペクトル分布はイオン移動度センサーの出力を含む、解析装置。   5. The analysis device according to claim 1, wherein the spectral distribution includes an output of an ion mobility sensor. 第1の座標軸に沿って得られるスペクトル分布のサンプリング値と、前記第1の座標軸に沿って間隔lで配置された整数n個の標本値列の整数m回畳み込み累積である離散B−スプラインとの内積を演算し、前記スペクトル分布を前記離散B−スプラインの線形結合近似で表現する際の結合係数を求めることと、
前記結合係数に基づき前記スペクトル分布を複数のB−スプライン分布に分解することとを有する解析方法。
A sampling value of a spectral distribution obtained along a first coordinate axis, and a discrete B-spline that is an integer m-fold convolution accumulation of an integer n sample value sequences arranged at an interval l along the first coordinate axis; Calculating the inner product, and obtaining a coupling coefficient for expressing the spectral distribution by a linear combination approximation of the discrete B-spline;
An analysis method comprising: decomposing the spectral distribution into a plurality of B-spline distributions based on the coupling coefficient.
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