JP2017191739A - Mass spectrometer and mass spectrometry - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To easily achieve the expansion of a dynamic range of a mass range.SOLUTION: A mass spectrometer (1) includes: a high-speed digitizer (3) subjecting an ion current signal to high-speed AD conversion; an analog mode processor (5) generating a mass spectrum by integrating the ion current signal; and a counting mode processor (6) generating the mass spectrum by counting the number of times the pulse height of the ion current signal exceeds a predetermined threshold value.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、イオンの生成、質量分離部への加速、検出の一連の測定を繰り返し行い、検出器から出力されるイオン電流信号に基づいて質量スペクトルを取得する質量分析装置及び質量分析方法に関する。   The present invention relates to a mass spectrometer and a mass spectrometry method that repeatedly perform a series of measurements of ion generation, acceleration to a mass separation unit, and detection, and acquiring a mass spectrum based on an ion current signal output from a detector.

イオン源において測定試料にエネルギーが印加されて生成されたイオンが検出器に到達する飛行時間に基づいて測定試料の質量スペクトルを取得する飛行時間型の質量分析装置が従来技術として知られている(特許文献1及び2)。   A time-of-flight mass spectrometer that obtains a mass spectrum of a measurement sample based on the time of flight when ions generated by applying energy to the measurement sample in an ion source reaches a detector is known as a prior art ( Patent Documents 1 and 2).

特許文献1に開示された飛行時間型の質量分析装置では、イオン源から発せられ、電界発生器によって加速されるイオンを、検出器が検出する。飛行時間型質量分析では、さまざまな質量電荷比(m/z比)を有するイオンが、複数のイオン群の系列として、それぞれ異なる飛行時間で検出器に到達する。各イオン群が検出器に到達すると、検出器はイオンの飛行時間及び強度を示す電気パルスの形のイオン電流信号を生成する。このイオン電流信号の電気パルスのタイミングは、イオンの飛行時間を表すことができ、その電気パルスの高さは、イオン束の強度の推定に用いることができる。   In the time-of-flight mass spectrometer disclosed in Patent Document 1, a detector detects ions emitted from an ion source and accelerated by an electric field generator. In time-of-flight mass spectrometry, ions having various mass-to-charge ratios (m / z ratios) reach the detector at different times of flight as a series of a plurality of ion groups. As each ion group reaches the detector, the detector generates an ion current signal in the form of an electrical pulse indicative of the time and intensity of the ions. The timing of the electric pulse of the ion current signal can represent the flight time of the ion, and the height of the electric pulse can be used for estimating the intensity of the ion flux.

検出器により生成されたイオン電流信号は、プリアンプにより増幅される。プリアンプにより増幅されたイオン電流信号は分岐されて、互いに並列に配置されたTDC(Time-to-Digital-Converter、時間デジタル変換器)及びアナログ加算モジュールにそれぞれ供給される。TDCは、微量なイオンの質量範囲の質量スペクトルを取得する。アナログ加算モジュールは、イオン量の多い質量範囲の質量スペクトルを取得する。TDCとアナログ加算モジュールとは互いに同期しながら動作する。     The ion current signal generated by the detector is amplified by a preamplifier. The ion current signal amplified by the preamplifier is branched and supplied to a TDC (Time-to-Digital-Converter) and an analog adder module arranged in parallel with each other. TDC acquires a mass spectrum in a mass range of a small amount of ions. The analog addition module acquires a mass spectrum of a mass range with a large amount of ions. The TDC and the analog addition module operate in synchronization with each other.

このように、TDCとアナログ加算モジュールとを並列に配置することにより、質量分析装置により分析される測定試料の質量範囲のダイナミックレンジを拡大することができる。     Thus, by arranging the TDC and the analog addition module in parallel, the dynamic range of the mass range of the measurement sample analyzed by the mass spectrometer can be expanded.

米国特許出願公開第2011/0186727号明細書(2011年08月04日公開)US Patent Application Publication No. 2011/0186727 (published Aug. 4, 2011) 特開2008-59774号公報(2008年03月13日公開)JP 2008-59774 A (published March 13, 2008)

しかしながら、上述のような従来技術は、飛行時間型質量分析装置の非常に微弱なイオン電流信号をTDC及びアナログ加算モジュールというハードウェアにより高速に測定するため、実際の実現が非常に困難であり、現実的でないという問題がある。   However, since the conventional technology as described above measures a very weak ion current signal of a time-of-flight mass spectrometer at high speed by using hardware such as a TDC and an analog addition module, actual implementation is very difficult. There is a problem that it is not realistic.

例えば、上述の従来技術は、検出器により生成されたイオン電流信号を、プリアンプにより増幅し、TDCとアナログ加算モジュールとに分岐させる必要がある。このイオン電流信号のパルス幅はナノ秒単位と極めて短く、ナノ秒単位で立上って立ち下がるという非常に速い信号の変化を取り扱う必要がある。このため、プリアンプも調整が微妙、煩雑で困難である。   For example, in the above-described conventional technology, it is necessary to amplify the ion current signal generated by the detector by the preamplifier and branch the signal to the TDC and the analog addition module. The pulse width of this ion current signal is extremely short, in nanoseconds, and it is necessary to handle a very fast signal change that rises and falls in nanoseconds. For this reason, the preamplifier is also difficult to adjust, complicated and difficult.

また、イオン電流信号の測定時間の精度はピコ秒単位と非常に高い必要がある。このため、各ハードウェア間を物理的に分岐させて結線するためのケーブル長が数センチメートル想定長と異なっていても、質量分析結果に多大な影響を及ぼす。このため、ケーブル長の調整が微妙、煩雑で困難である。   In addition, the accuracy of the measurement time of the ion current signal needs to be very high in picosecond units. For this reason, even if the length of the cable for physically branching and connecting the hardware differs from the expected length of several centimeters, the result of mass spectrometry is greatly affected. For this reason, adjustment of the cable length is delicate, complicated and difficult.

本発明は、前記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、測定試料の質量範囲のダイナミックレンジの拡大を容易に実現することができる質量分析装置及び質量分析方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide a mass spectrometer and a mass spectrometry method that can easily realize the expansion of the dynamic range of the mass range of a measurement sample. It is in.

上記の課題を解決するために、本発明に係る質量分析装置は、測定試料からイオン化されたイオンを検出する検出器により生成されたイオン電流信号をAD変換するAD変換器と、前記AD変換器によりAD変換されたイオン電流信号に基づいて前記測定試料の質量スペクトルを生成するデータ処理器とを備え、前記データ処理器が、前記AD変換されたイオン電流信号を積算することにより、前記質量スペクトルを生成するアナログモードプロセッシングと、前記AD変換されたイオン電流信号のパルスの高さが、所定の閾値を超えた回数をカウントすることにより、前記質量スペクトルを生成するカウンティングモードプロセッシングとを実行することを特徴とする。   In order to solve the above problems, a mass spectrometer according to the present invention includes an AD converter that AD converts an ion current signal generated by a detector that detects ions ionized from a measurement sample, and the AD converter. And a data processor that generates a mass spectrum of the measurement sample based on the ion current signal that is AD-converted by AD, and the data processor integrates the AD-converted ion current signal to thereby obtain the mass spectrum. And analog mode processing for generating the mass spectrum, and counting mode processing for generating the mass spectrum by counting the number of times that the pulse height of the AD-converted ion current signal exceeds a predetermined threshold. It is characterized by.

この特徴により、測定試料の質量範囲のダイナミックレンジを拡大するためのアナログモード及びカウンティングモードがソフトウェアまたは論理回路により実施される。このため、非常に微弱なイオン電流信号を取り扱うハードウェアの微妙、煩雑で困難な調整が不要になる。この結果、測定試料の質量範囲のダイナミックレンジの拡大を容易に実現することができる。   With this feature, an analog mode and a counting mode for expanding the dynamic range of the mass range of the measurement sample are implemented by software or a logic circuit. For this reason, the delicate, complicated, and difficult adjustment of the hardware which handles a very weak ion current signal becomes unnecessary. As a result, the expansion of the dynamic range of the mass range of the measurement sample can be easily realized.

本発明に係る質量分析装置は、前記データ処理器が、ソフトウェアまたは論理回路により前記アナログモードプロセッシング及び前記カウンティングモードプロセッシングを実行することが好ましい。   In the mass spectrometer according to the present invention, it is preferable that the data processor executes the analog mode processing and the counting mode processing by software or a logic circuit.

本発明に係る質量分析装置は、前記AD変換器が、前記イオン電流信号を高速AD変換する高速デジタイザであり、前記高速デジタイザのサンプリング周期が、前記閾値を超えたイオン電流信号のパルス間隔よりも短いことが好ましい。   The mass spectrometer according to the present invention is a high-speed digitizer in which the AD converter performs high-speed AD conversion on the ion current signal, and a sampling period of the high-speed digitizer exceeds a pulse interval of the ion current signal exceeding the threshold value. Short is preferred.

上記構成によれば、イオン電流信号の閾値を超えたパルスを一度検出した後、上記閾値を超えた次のパルスを検出することができるようになるまでに必要な不感時間を短縮することができる。   According to the above configuration, it is possible to reduce the dead time required until a pulse exceeding the threshold value of the ion current signal is detected once and the next pulse exceeding the threshold value can be detected. .

本発明に係る質量分析装置は、前記高速デジタイザのサンプリング周期が、1ナノ秒以下であることが好ましい。   In the mass spectrometer according to the present invention, the sampling period of the high-speed digitizer is preferably 1 nanosecond or less.

上記構成によれば、2個ないし数個の少数のイオンが質量分解能以内に同時に検出される場合にも、それらのイオン数を正確にカウントすることができる。   According to the above configuration, even when two to several small numbers of ions are simultaneously detected within the mass resolution, the number of ions can be accurately counted.

本発明に係る質量分析装置は、前記アナログモードプロセッシングと前記カウンティングモードプロセッシングとは、並行して同時に動作するか、又は、時分割的態様で交互に動作することが好ましい。   In the mass spectrometer according to the present invention, it is preferable that the analog mode processing and the counting mode processing operate simultaneously in parallel or operate alternately in a time division manner.

上記構成によれば、高い繰り返し周波数におけるスペクトルの積算が可能となる。   According to the above configuration, the spectrum can be integrated at a high repetition frequency.

本発明に係る質量分析装置は、前記測定試料が、高濃度成分と低濃度成分とを含み、前記アナログモードプロセッシングは、前記高濃度成分の質量スペクトルを生成し、前記カウンティングモードプロセッシングは、前記低濃度成分の質量スペクトルを生成することが好ましい。   In the mass spectrometer according to the present invention, the measurement sample includes a high concentration component and a low concentration component, the analog mode processing generates a mass spectrum of the high concentration component, and the counting mode processing includes the low concentration component. It is preferable to generate a mass spectrum of the concentration component.

上記構成によれば、高濃度成分の質量スペクトルと低濃度成分の質量スペクトルとを同一のサンプル試料で一度に測定することができる。   According to the above configuration, the mass spectrum of the high concentration component and the mass spectrum of the low concentration component can be measured at the same time using the same sample sample.

本発明に係る質量分析装置は、前記測定試料が大気であり、前記高濃度成分がCOであり、前記低濃度成分がNOであることが好ましい。 In the mass spectrometer according to the present invention, it is preferable that the measurement sample is air, the high concentration component is CO 2 , and the low concentration component is N 2 O.

上記構成によれば、土壌微生物、植物の生命現象に関わりが深いCO、NOの質量スペクトルを同一のサンプル試料で一度に測定することができる。 According to the above configuration, it is possible to measure once soil microorganisms, the life phenomena plant mass spectra involvement deep CO 2, N 2 O in the same sample material.

本発明に係る質量分析装置は、飛行時間型質量分析装置、シングルコレクターの磁場型質量分析装置、又は、四重極型質量分析装置であることが好ましい。   The mass spectrometer according to the present invention is preferably a time-of-flight mass spectrometer, a single collector magnetic field mass spectrometer, or a quadrupole mass spectrometer.

上記構成によれば、イオン電流信号のピーク波形の発生時刻に基づいてイオンが検出器に到達する飛行時間を算出し、測定試料の質量スペクトルを取得することができる。   According to the said structure, the flight time when an ion reaches | attains a detector based on the generation | occurrence | production time of the peak waveform of an ion current signal is calculated, and the mass spectrum of a measurement sample can be acquired.

本発明に係る質量分析装置は、前記測定試料からイオン化されたイオンを検出する前記検出器をさらに備えることが好ましい。   The mass spectrometer according to the present invention preferably further includes the detector that detects ions ionized from the measurement sample.

本発明に係る質量分析方法は、測定試料からイオン化されたイオンを検出してイオン電流信号を生成する信号生成工程と、前記信号生成工程により生成されたイオン電流信号をAD変換するAD変換工程と、前記AD変換工程によりAD変換されたイオン電流信号に基づいて前記測定試料の質量スペクトルを生成するデータ処理工程とを包含し、前記データ処理工程が、前記AD変換されたイオン電流信号を積算することにより、前記質量スペクトルを生成するアナログモード工程と、前記AD変換されたイオン電流信号のパルスの高さが、所定の閾値を超えた回数をカウントすることにより、前記質量スペクトルを生成するカウンティングモード工程とを有することを特徴とする。   A mass spectrometry method according to the present invention includes a signal generation step of detecting ionized ions from a measurement sample to generate an ion current signal, an AD conversion step of AD converting the ion current signal generated by the signal generation step, A data processing step of generating a mass spectrum of the measurement sample based on the ion current signal AD-converted by the AD conversion step, and the data processing step integrates the AD-converted ion current signal An analog mode step for generating the mass spectrum, and a counting mode for generating the mass spectrum by counting the number of times that the pulse height of the AD-converted ion current signal exceeds a predetermined threshold. And a process.

本発明は、測定試料の質量範囲のダイナミックレンジの拡大を容易に実現することができるという効果を奏する。   The present invention has an effect that the expansion of the dynamic range of the mass range of the measurement sample can be easily realized.

実施形態に係る質量分析装置の構成を模式的に示すブロック図である。It is a block diagram showing typically the composition of the mass spectrometer concerning an embodiment. 上記質量分析装置により分析される大気成分に含まれるCOのスペクトルを示すグラフである。It is a graph showing the spectrum of the CO 2 contained in the atmospheric components to be analyzed by the mass spectrometer. 上記大気成分に含まれるNOのスペクトルを示すグラフであり、(a)は一個のNOイオンのみが検出される場合のスペクトルを示すグラフであり、(b)は複数個のNOイオンが検出される場合のスペクトルを示すグラフである。Is a graph showing the spectrum of the N 2 O contained in the atmospheric components, (a) is a graph showing a spectrum when only one of the N 2 O ions are detected, (b) the plurality of N 2 It is a graph which shows a spectrum in case O ion is detected. 上記質量分析装置に設けられた高速デジタイザが検出器から受け取るイオン電流信号を示すグラフである。It is a graph which shows the ion current signal which the high-speed digitizer provided in the said mass spectrometer receives from a detector. (a)は上記質量分析装置に設けられたアナログモードプロセッサが生成する質量スペクトルを示すグラフであり、(b)は上記質量分析装置に設けられたカウンティングモードプロセッサが生成する質量スペクトルを示すグラフである。(A) is a graph showing a mass spectrum generated by an analog mode processor provided in the mass spectrometer, and (b) is a graph showing a mass spectrum generated by a counting mode processor provided in the mass spectrometer. is there. (a)は上記アナログモードプロセッサにより生成された上記大気成分に含まれるCOの質量スペクトルを示すグラフであり、(b)は上記カウンティングモードプロセッサにより生成された上記大気成分に含まれるNOの質量スペクトルを示すグラフである。(A) is a graph showing a mass spectrum of CO 2 contained in the atmospheric component generated by the analog mode processor, (b) the N 2 O contained in the atmosphere components generated by the counting mode processor It is a graph which shows the mass spectrum of. 上記COの質量スペクトルから得られたクロマトグラムの面積と上記大気成分に含まれるCOの濃度との間の関係を示すグラフである。Is a graph showing the relationship between the concentration of CO 2 contained in the area and the air component of the chromatogram obtained from the mass spectrum of the CO 2. 上記カウンティングモードプロセッサによりカウントされた上記大気成分に含まれるNOイオンのカウント値と上記大気成分に含まれるNOの濃度との間の関係を示すグラフである。Is a graph showing the relationship between the count value and the N 2 O concentration contained in the atmospheric components N 2 O ions contained in the counted above atmospheric components by the counting mode processor. (a)はアナログモードにより生成されたPbの質量スペクトルを示すグラフであり、(b)はカウンティングモードにより生成されたPbの質量スペクトルを示すグラフである。(A) is a graph which shows the mass spectrum of Pb produced | generated by analog mode, (b) is a graph which shows the mass spectrum of Pb produced | generated by counting mode. (a)はアナログモードにより求められた204Pbと206Pbの同位体比を示すグラフであり、(b)はカウンティングモードにより求められた204Pbと206Pbの同位体比を示すグラフである。(A) is a graph showing the isotope 204 Pb and 206 Pb obtained by the analog mode, a graph illustrating the (b) is isotope 204 Pb and 206 Pb obtained by the counting mode.

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

(本実施形態に係る質量分析装置1の構成)
図1は、実施形態に係る質量分析装置1の構成を模式的に示すブロック図である。飛行時間型の質量分析装置1は、測定試料7からイオン化されたイオンを検出してイオン電流信号を生成する検出器2と、検出器2により生成されたイオン電流信号を高速AD変換する高速デジタイザ3と、高速デジタイザ3により高速AD変換されたイオン電流信号に基づいて測定試料7の質量スペクトルをソフトウェアにより生成するデータ処理システム4(データ処理器)とを備える。
(Configuration of Mass Spectrometer 1 According to the Present Embodiment)
FIG. 1 is a block diagram schematically showing the configuration of a mass spectrometer 1 according to the embodiment. A time-of-flight mass spectrometer 1 includes a detector 2 that detects ions ionized from a measurement sample 7 and generates an ion current signal, and a high-speed digitizer that performs high-speed AD conversion on the ion current signal generated by the detector 2. 3 and a data processing system 4 (data processor) for generating a mass spectrum of the measurement sample 7 by software based on the ion current signal subjected to high-speed AD conversion by the high-speed digitizer 3.

データ処理システム4は、高速デジタイザ3により高速AD変換されたイオン電流信号を積算することにより、測定試料7の質量スペクトルをソフトウェアにより生成するアナログモードプロセッサ5(アナログモードプロセッシング)と、高速デジタイザ3により高速AD変換されたイオン電流信号のパルスの高さが、所定の閾値を超えた回数をカウントすることにより、測定試料7の質量スペクトルをソフトウェアにより生成するカウンティングモードプロセッサ6(カウンティングモードプロセッシング)とを有する。アナログモードプロセッサ5とカウンティングモードプロセッサ6とは並行して同時に動作する。アナログモードプロセッサ5とカウンティングモードプロセッサ6とは時分割的態様で交互に動作してもよい。   The data processing system 4 includes an analog mode processor 5 (analog mode processing) that generates a mass spectrum of the measurement sample 7 by software by integrating the ion current signals that have been subjected to high-speed AD conversion by the high-speed digitizer 3, and a high-speed digitizer 3. A counting mode processor 6 (counting mode processing) for generating a mass spectrum of the measurement sample 7 by software by counting the number of times the pulse height of the ion current signal subjected to high-speed AD conversion exceeds a predetermined threshold value. Have. The analog mode processor 5 and the counting mode processor 6 operate simultaneously in parallel. The analog mode processor 5 and the counting mode processor 6 may operate alternately in a time division manner.

高速デジタイザ3のサンプリング周期は、所定の閾値を超えたイオン電流信号のパルス間隔よりも短く、1ナノ秒以下であることが好ましい。   The sampling period of the high-speed digitizer 3 is shorter than the pulse interval of the ion current signal exceeding a predetermined threshold and is preferably 1 nanosecond or less.

測定試料7は、高濃度成分と低濃度成分とを含む。アナログモードプロセッサ5は、測定試料7に含まれる高濃度成分の質量スペクトルを生成する。カウンティングモードプロセッサ6は、測定試料7に含まれる低濃度成分の質量スペクトルを生成する。例えば、測定試料7は大気であり、高濃度成分はCOであり、低濃度成分はNOである。 The measurement sample 7 includes a high concentration component and a low concentration component. The analog mode processor 5 generates a mass spectrum of a high concentration component contained in the measurement sample 7. The counting mode processor 6 generates a mass spectrum of a low concentration component contained in the measurement sample 7. For example, the measurement sample 7 is air, the high concentration component is CO 2 , and the low concentration component is N 2 O.

(質量スペクトルの取得方法)
質量分析装置1は、イオンの生成、質量分離部への加速、検出の一連の測定を繰り返し行い、検出器2から出力されるイオン電流信号を積算することで質量スペクトルを取得する。
(Method of acquiring mass spectrum)
The mass spectrometer 1 repeatedly performs a series of measurements of ion generation, acceleration to a mass separation unit, and detection, and obtains a mass spectrum by integrating ion current signals output from the detector 2.

質量スペクトルの取得方法には、AD変換器(Analog-to-Digital Converter (ADC))でイオン電流信号値を積算するアナログモード(analog mode)と、イオン電流信号のパルスの高さが、設定された閾値を超えた回数を数え上げるカウンティングモード(counting mode)との2つの方法が存在する。   The acquisition method of the mass spectrum includes analog mode that integrates the ion current signal value with an analog-to-digital converter (ADC), and the pulse height of the ion current signal. There are two methods: a counting mode that counts the number of times that the threshold value is exceeded.

アナログモードは、イオン量をイオン電流信号の強度として直接測定することができる長所があるが、質量分析装置に由来するノイズも同時に積算するため、S/N(signal-to-noise)比が悪く、微弱なイオン電流信号を測定することが困難である。   The analog mode has the advantage of being able to directly measure the amount of ions as the intensity of the ion current signal, but noise from the mass spectrometer is also integrated simultaneously, so the S / N (signal-to-noise) ratio is poor. It is difficult to measure a weak ion current signal.

一方、カウンティングモードは、閾値を超えるイオン電流信号を検出することで高いS/N比が得られるが、短い時間間隔に多量のイオンが飛んでくる条件では、イオンの数え落としが発生し質量スペクトルの定量性が悪化する。   On the other hand, in the counting mode, a high S / N ratio can be obtained by detecting an ion current signal exceeding a threshold value. However, under the condition that a large amount of ions fly in a short time interval, the counting of ions occurs and the mass spectrum Quantitative properties deteriorate.

そのため、存在量の多い多量のイオンの測定にはアナログモードを使用し、微量なイオンの測定にはカウンティングモードを使用するというように、質量スペクトルを取得するための検出システムを使い分ける必要がある。   Therefore, it is necessary to use different detection systems for acquiring a mass spectrum, such as using an analog mode for measuring a large amount of ions having a large abundance and using a counting mode for measuring a small amount of ions.

しかしながら、質量スペクトルを単一の検出器で一度に取得する飛行時間型や四重極型の質量分析装置に、アナログモードの検出システムとカウンティングモードの検出システムとを実装することは非常に困難であり、現実的でない。   However, it is very difficult to implement an analog mode detection system and a counting mode detection system in a time-of-flight or quadrupole mass spectrometer that acquires a mass spectrum at a time with a single detector. Yes, not realistic.

フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA、Field Programmable Gate Array)等のデジタル積算回路を搭載した高速ADC積算器(アベレージャ)は、飛行時間型質量分析装置の定量可能範囲の拡大に貢献してきた。しかしながら、アベレージャによるアナログモードの波形積算は、同時に、極めて低濃度で存在する物質のイオン電流信号を希釈し、あるいは、覆い隠してしまう場合が存在する。   High-speed ADC integrators (averaging devices) equipped with digital integrating circuits such as field programmable gate arrays (FPGAs) have contributed to the expansion of the quantifiable range of time-of-flight mass spectrometers. However, analog mode waveform integration by the averager may simultaneously dilute or mask the ion current signal of a substance present at a very low concentration.

図2は、質量分析装置1により分析される大気成分に含まれるCOのスペクトルを積算することなく測定した結果を示すグラフである。図3は、上記大気成分に含まれるNOのスペクトルを積算することなく測定した結果を示すグラフであり、(a)は一個のNOイオンのみが検出される場合のスペクトルを示すグラフであり、(b)は複数個のNOイオンが検出される場合のスペクトルを示すグラフである。大気中においてNOは、COの1/1000程度の量が存在する。 FIG. 2 is a graph showing the results of measurement without integrating the spectrum of CO 2 contained in atmospheric components analyzed by the mass spectrometer 1. FIG. 3 is a graph showing the results of measurement without integrating the spectrum of N 2 O contained in the atmospheric component, and (a) is a graph showing the spectrum when only one N 2 O ion is detected. (B) is a graph showing a spectrum when a plurality of N 2 O ions are detected. In the atmosphere, N 2 O is present in an amount about 1/1000 of CO 2 .

図2に示されるように、比較的大量で高濃度のCOイオンが検出器に到達しており、個々のCOイオンが持つ僅かな飛行エネルギー(初速度)の差が、P1=6.2ナノ秒(ns)の半値幅を持つピーク波形(ガウス波形)W1として観測される。この半値幅は質量分析装置において質量分解能と呼ばれる性能に対応する。 As shown in FIG. 2, a relatively large amount and high concentration of CO 2 ions reach the detector, and a slight difference in flight energy (initial velocity) of each CO 2 ion is P1 = 6. A peak waveform (Gaussian waveform) W1 having a half-value width of 2 nanoseconds (ns) is observed. This half-value width corresponds to a performance called mass resolution in the mass spectrometer.

これに対して図3(a)に示されるNOは、100回測定を行ったうち50回ほどピーク波形W2が観測され、残りの50回は全くピーク波形W2が観測されない程度に低濃度である。図3(a)では、この測定において検出されるNOイオンが1個のみである。そのため、パルス幅が、P2=2.4ナノ秒と極めて狭くなっている。 On the other hand, N 2 O shown in FIG. 3 (a) has a low concentration such that the peak waveform W2 is observed about 50 times after 100 measurements, and the peak waveform W2 is not observed at all for the remaining 50 times. It is. In FIG. 3 (a), only one N 2 O ion is detected in this measurement. Therefore, the pulse width is extremely narrow as P2 = 2.4 nanoseconds.

このような低濃度のNOに基づく信号を前述したアナログモードにより積算すると、イオン(ピーク波形)の検出確率が1/2であることから、次の測定ではパルス(ピ―ク波形)が観測されないという事象、あるいは、僅かに異なる飛行時間にピ―ク波形が検出されるという事象によって、既に得られたピーク波形が質量分析装置に由来する乱雑なノイズにより希釈されてしまう。その結果、NOに基づく信号強度の減衰がもたらされる。 When signals based on such a low concentration N 2 O are integrated in the analog mode described above, the detection probability of ions (peak waveform) is ½, so in the next measurement, a pulse (peak waveform) is generated. Due to an event that the peak waveform is not observed or a peak waveform is detected at a slightly different time of flight, the already obtained peak waveform is diluted by random noise originating from the mass spectrometer. The result is an attenuation of signal strength based on N 2 O.

前述したカウンティングモードでは、イオン電流信号値の積算を行わず、個々の測定ごとに検出されたイオン電流信号のピーク波形をカウントすることから、前述した信号強度の減衰といった問題は原理的に起こり得ない。   In the counting mode described above, the ion current signal value is not accumulated and the peak waveform of the detected ion current signal is counted for each measurement, so that the problem such as the aforementioned signal intensity attenuation can occur in principle. Absent.

カウンティングモードでは、図2に示すように一回の測定で多量のイオンが検出される高濃度サンプルの測定の場合は、イオンの数え落としが発生するため、イオンの定量結果を正しく得ることはできない。このため、高濃度サンプルの定量にはアナログモードを用いることでアベレージャによる測定結果と等価な結果が得られる。   In the counting mode, as shown in FIG. 2, in the case of measurement of a high concentration sample in which a large amount of ions are detected in one measurement, the counting of ions occurs, so that the ion determination result cannot be obtained correctly. . For this reason, a result equivalent to the measurement result by the averager can be obtained by using the analog mode for quantification of the high concentration sample.

カウンティングモードは、従来から飛行時間型質量分析装置で使用されてきているTDCによっても実施可能である。しかしながら、TDCは、一度イオンを検出すると、その後、次のイオンを検出することができるようになるまでに必要な不感時間(dead time)が15ナノ秒程度発生する。このため、図3(b)に示すように同一分子種のイオンが質量分解能以内に複数個検出される場合でも、最初のイオンに相当するパルス幅P3のピーク波形W3以外の後続するイオンに相当するパルス幅P4のピーク波形W4は検出することができないという問題があり、また、TDCではカウンティングモードの実施と同時にアナログモードの波形積算(アベレージ)を行うことができないという問題がある。   The counting mode can also be implemented by a TDC that has been used in a time-of-flight mass spectrometer. However, in the TDC, once an ion is detected, a dead time required until the next ion can be detected is generated about 15 nanoseconds. For this reason, as shown in FIG. 3B, even when a plurality of ions of the same molecular species are detected within the mass resolution, they correspond to subsequent ions other than the peak waveform W3 having the pulse width P3 corresponding to the first ion. There is a problem that the peak waveform W4 of the pulse width P4 to be detected cannot be detected, and the TDC has a problem that waveform integration (average) in the analog mode cannot be performed simultaneously with the execution of the counting mode.

(本実施形態に係る質量分析装置1の動作)
まず、測定試料7にエネルギーが印加されて生成されたイオンが検出器2により検出される。そして、検出器2は、検出されたイオンに基づいてイオン電流信号を生成する。次に、高速デジタイザ3は、検出器2により検出されたイオン電流信号を、1ギガサンプル/秒(GS/s)以上の高サンプリングレートでAD変換する。
(Operation of Mass Spectrometer 1 According to this Embodiment)
First, the ions generated by applying energy to the measurement sample 7 are detected by the detector 2. Then, the detector 2 generates an ion current signal based on the detected ions. Next, the high-speed digitizer 3 AD-converts the ion current signal detected by the detector 2 at a high sampling rate of 1 gigasample / second (GS / s) or more.

図4は、高速デジタイザ3が検出器2から受け取るイオン電流信号を示すグラフである。図5(a)はデータ処理システム4に設けられたアナログモードプロセッサ5が生成する質量スペクトルを示すグラフであり、(b)はデータ処理システム4に設けられたカウンティングモードプロセッサ6が生成する質量スペクトルを示すグラフである。横軸は質量電荷比(m/z)を示している。図4、図5(b)の縦軸はイオン電流信号により表される検出強度を示しており、図5(a)の縦軸はイオンのカウント数により表される検出強度を示している。   FIG. 4 is a graph showing ion current signals received from the detector 2 by the high-speed digitizer 3. FIG. 5A is a graph showing a mass spectrum generated by the analog mode processor 5 provided in the data processing system 4, and FIG. 5B is a mass spectrum generated by the counting mode processor 6 provided in the data processing system 4. It is a graph which shows. The horizontal axis represents the mass-to-charge ratio (m / z). 4 and FIG. 5B, the vertical axis represents the detection intensity represented by the ion current signal, and the vertical axis in FIG. 5A represents the detection intensity represented by the number of ions counted.

図4に示されるピーク波形W5が生じる質量範囲R1は、測定試料7に含まれる高濃度成分のイオンに対応する。閾値Thを超えるピーク波形W6・W7が生じる質量範囲R2は、測定試料7に含まれる低濃度成分のイオンに対応する。   The mass range R1 in which the peak waveform W5 shown in FIG. 4 occurs corresponds to ions of high concentration components contained in the measurement sample 7. The mass range R2 in which the peak waveforms W6 and W7 exceeding the threshold Th are generated corresponds to low-concentration component ions contained in the measurement sample 7.

質量範囲R1で生じるイオン電流信号のピーク波形W5は、アナログモードプロセッサ5によりアナログモードで積算され、図5(a)に示される質量スペクトルが生成される。質量範囲R2で生じる閾値Thを超えるイオン電流信号のピーク波形W6・W7は、カウンティングモードプロセッサ6によりカウンティングモードでカウントされ、図5(b)に示される質量スペクトルが生成される。   The peak waveform W5 of the ion current signal generated in the mass range R1 is integrated in the analog mode by the analog mode processor 5 to generate the mass spectrum shown in FIG. The peak waveforms W6 and W7 of the ion current signal exceeding the threshold Th generated in the mass range R2 are counted in the counting mode by the counting mode processor 6, and the mass spectrum shown in FIG. 5B is generated.

マルチスレッドによりアナログモードの計算処理を並列化すると、高い繰り返し周波数におけるスペクトルの積算が可能である。   If the calculation processing in the analog mode is parallelized by multithreading, the spectrum can be integrated at a high repetition frequency.

(実施形態の効果)
本実施形態に係る質量分析装置1は、前述した問題を解決するために、高速デジタイザ3から測定ごとに得られるイオン電流信号の波形データに対して、アナログモードプロセッサ5によるアナログモードでの波形演算と、カウンティングモードプロセッサ6によるカウンティングモードでのイオンカウンティング処理とを同時に並行して行う。
(Effect of embodiment)
In order to solve the above-described problem, the mass spectrometer 1 according to this embodiment performs waveform calculation in the analog mode by the analog mode processor 5 on the waveform data of the ion current signal obtained from the high-speed digitizer 3 for each measurement. And the ion counting process in the counting mode by the counting mode processor 6 are simultaneously performed in parallel.

多量なイオンの質量範囲ではアナログモードでの波形演算が実施され、微量なイオンの質量範囲ではカウンティングモードでのカウンティングが実行される。このため、従来の質量分析装置では得られない超高ダイナミックレンジの質量スペクトルを取得することができる。   Waveform calculation in the analog mode is performed in the mass range of a large amount of ions, and counting in the counting mode is performed in the mass range of a small amount of ions. For this reason, it is possible to obtain a mass spectrum with an ultra-high dynamic range that cannot be obtained with a conventional mass spectrometer.

従来、質量スペクトルを単一の検出器で取得する飛行時間型や四重極型の質量分析装置では、多量のイオンを測定することに適しているアナログモードと、微量なイオンを検出することに適しているカウンティングモードとのいずれか一方を選ぶ他は無かった。本実施形態では、アナログモードとカウンティングモードとの二つの処理方法を、イオン電流信号を取得した後のデータ処理システム4の計算処理によって質量分析装置1に実装する。このため、任意の質量範囲で処理方法を選択することができる。この結果、非常に高いダイナミックレンジを有する定量性の高い質量スペクトルを取得することが可能となる。   Conventionally, time-of-flight and quadrupole mass spectrometers that acquire mass spectra with a single detector are suitable for detecting a small amount of ions and an analog mode suitable for measuring a large amount of ions. There was no other choice than a suitable counting mode. In the present embodiment, two processing methods, an analog mode and a counting mode, are implemented in the mass spectrometer 1 by calculation processing of the data processing system 4 after acquiring the ion current signal. For this reason, a processing method can be selected in arbitrary mass ranges. As a result, it is possible to acquire a highly quantitative mass spectrum having a very high dynamic range.

また、波形演算による高濃度成分の従来からの定量精度を損なうことなく、従来検出できていなかった検出確率が1未満の低濃度領域のイオンが検出できるようになり、低濃度領域のイオンの定量精度が著しく向上する。   In addition, it is possible to detect ions in a low concentration region having a detection probability of less than 1 that could not be detected in the past without impairing conventional quantification accuracy of high concentration components by waveform calculation. The accuracy is significantly improved.

本実施形態では、カウンティングモード処理が、高速デジタイザ3により高速AD変換されたイオン電流信号に基づいて実行されるので、TDCに見られる不感時間が高速デジタイザ3のサンプリングレートとなる。このため、イオンの数え落としが減少し、質量スペクトルの定量性が大きく改善される。典型的には、従来の10ナノ秒オーダーの不感時間が本実施形態では1ナノ秒以下にまで短縮される。このため、同一の質量電荷比を有するイオンについても、質量分散を有するイオンについては同時に検知することが可能となる。   In this embodiment, the counting mode process is executed based on the ion current signal that has been subjected to high-speed AD conversion by the high-speed digitizer 3, so that the dead time seen in the TDC becomes the sampling rate of the high-speed digitizer 3. For this reason, counting off of ions is reduced, and the quantitative property of the mass spectrum is greatly improved. Typically, the conventional dead time on the order of 10 nanoseconds is shortened to 1 nanosecond or less in this embodiment. For this reason, even for ions having the same mass-to-charge ratio, ions having mass dispersion can be simultaneously detected.

このように、2個ないし数個の少数のイオンが質量分解能以内に同時に検出される場合にも、それらのイオン数を正確にカウントすることができる。従って、低濃度・中濃度サンプルに対してもTDCに比較して対応能力(定量性)が高くなる。   Thus, even when two to several small numbers of ions are simultaneously detected within the mass resolution, the number of ions can be accurately counted. Accordingly, the capability (quantitativeness) is higher for low and medium concentration samples than TDC.

さらに、従来のイオンカウンティング処理は長い計測時間が必要であるが、本実施形態は、一度に数個のイオンを正しくカウントすることができ、高いカウントレートでもイオンを正確にカウントすることができる。このため、イオンの定量に必要な情報をTDCに比べて短時間に得ることができ、質量の分析時間を短縮することができる。   Furthermore, although the conventional ion counting process requires a long measurement time, this embodiment can correctly count several ions at a time, and can accurately count ions even at a high count rate. For this reason, information required for ion quantification can be obtained in a shorter time than TDC, and the mass analysis time can be shortened.

本実施形態は、飛行時間型質量分析装置の検出システムに用いることができる。また、飛行時間型質量分析装置と同様に、質量スペクトルを単一の検出器で取得する四重極型質量分析装置、シングルコレクターの磁場型質量分析装置においても本発明を適用することができる。   This embodiment can be used for a detection system of a time-of-flight mass spectrometer. Similarly to the time-of-flight mass spectrometer, the present invention can also be applied to a quadrupole mass spectrometer that acquires a mass spectrum with a single detector and a single collector magnetic field mass spectrometer.

本実施形態では、アナログモードとカウンティングモードとをデータ処理システム4のソフトウェアにより実施する例を示した。しかしながら、本発明はこれに限定されない。データ処理システム4の替わりにFPGA(Field Programmable Gate Array)、あるいは、特定用途向け集積回路(ASIC、Application Specific Integrated Circuit)のような論理回路により、アナログモードとカウンティングモードとをハードウェア的に実施してもよい。   In the present embodiment, an example in which the analog mode and the counting mode are implemented by software of the data processing system 4 has been shown. However, the present invention is not limited to this. Instead of the data processing system 4, an analog mode and a counting mode are implemented in hardware by a logic circuit such as an FPGA (Field Programmable Gate Array) or an application specific integrated circuit (ASIC). May be.

本実施形態に係る質量分析装置は、例えば、体内での医薬品の代謝化合物の質量分析による定量に利用することができる。   The mass spectrometer according to the present embodiment can be used, for example, for quantification of metabolic compounds of pharmaceuticals in the body by mass spectrometry.

医薬品は、体内に吸収され、様々な組織に分布したのち、(主に肝臓において)代謝され排泄される。その医薬品の一連の過程で普遍的な安全性が求められている。特に、代謝過程での構造変化の測定、並びに、他の医薬品との共存による代謝の経路及び速度の変化の測定は、医薬品の安全性の担保に極めて重要である。このような測定のためには、生体中に通常存在する多様な化合物の中から、医薬品由来の化合物を見つけ出し、定量を行う必要がある。   Drugs are absorbed into the body, distributed in various tissues, and then metabolized and excreted (mainly in the liver). Universal safety is required in the course of a series of drugs. In particular, measurement of structural changes during metabolic processes, and measurement of changes in metabolic pathways and rates due to coexistence with other pharmaceuticals are extremely important for ensuring the safety of pharmaceuticals. For such measurement, it is necessary to find a pharmaceutical-derived compound from various compounds that are usually present in the living body and perform quantification.

従来から、これらの測定は、LC(液体クロマトグラフィ)−トリプル四重極質量分析装置が広く用いられている。しかしながら、LC−トリプル四重極質量分析装置は、原理的にLC上近接した溶出する複数の物質を一度に測定できない。飛行時間型質量分析装置にはこの問題はないものの、従来の飛行時間型質量分析装置は測定に十分な定量ダイナミックレンジを有していなかった。本発明は、このような、複雑で多様性に富んだサンプル中の成分の同定、定量に顕著な効果を奏する。   Conventionally, LC (liquid chromatography) -triple quadrupole mass spectrometers have been widely used for these measurements. However, in principle, the LC-triple quadrupole mass spectrometer cannot measure a plurality of substances that elute on the LC at the same time. Although the time-of-flight mass spectrometer does not have this problem, the conventional time-of-flight mass spectrometer does not have a sufficient quantitative dynamic range for measurement. The present invention has a remarkable effect on identification and quantification of components in such a complex and diverse sample.

類似の問題は、医薬品といった人や家畜に対するものだけでなく、農薬など植物分野にも当てはまる(http://tominet.jp/yakuji/webfile/t1_11b3237e6da70060cdf96a1e1168533c.pdf(薬物動態解析、並びに Pk/Pd 参照))。   Similar problems apply not only to humans and livestock such as pharmaceuticals but also to plant fields such as agricultural chemicals (http://tominet.jp/yakuji/webfile/t1_11b3237e6da70060cdf96a1e1168533c.pdf (see pharmacokinetic analysis and Pk / Pd) ).

また、近年、米国環境保護局(EPA)が指摘するように、一般家庭などから廃棄される医薬品が環境に放出され、森林、河川、海洋の生物、微生物により代謝された化合物が複雑に環境に影響することが危惧されている。これら多様な化合物を広い範囲で一斉に定量することが必要な分野において、本発明は問題解決の方法を提供することができると考えられる(https://www.epa.gov/hwgenerators/frequent-questions-about-management-standards-hazardous-waste-pharmaceuticals-proposed)。   In recent years, as the US Environmental Protection Agency (EPA) has pointed out, pharmaceuticals discarded from general households have been released into the environment, and compounds metabolized by forests, rivers, marine organisms, and microorganisms have become complex environments. It is feared to be affected. It is considered that the present invention can provide a method for solving problems in a field where it is necessary to quantify these various compounds simultaneously in a wide range (https://www.epa.gov/hwgenerators/frequent- questions-about-management-standards-hazardous-waste-pharmaceuticals-proposed).

本発明の一実施例について図6〜図8に基づいて説明すれば以下のとおりである。   An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.

(実施例1の方法)
大気成分、特に、CO、NOは、土壌微生物、植物の生命現象に関わりが深い。このため、大気成分のCO、NOの量の変化を詳細に追跡することは、農学上の応用研究を始め、化学肥料の過剰投与に起因する大気汚染のモニタリングにおいて意義が大きい。
(Method of Example 1)
Atmospheric components, particularly CO 2 and N 2 O, are deeply involved in soil microorganisms and plant life phenomena. For this reason, detailed tracking of changes in the amount of atmospheric components CO 2 and N 2 O is significant in monitoring air pollution caused by excessive administration of chemical fertilizer, including agricultural applied research.

しかしながら、これらのCO、NOの化合物は大気中の存在比がおよそ1000:1である。このため、従来、同一のサンプル試料で一度に質量を測定することが困難であった。 However, these compounds of CO 2 and N 2 O have an abundance ratio in the atmosphere of approximately 1000: 1. For this reason, conventionally, it has been difficult to measure mass at once with the same sample.

そこで、本実施形態の実施例として、量の少ないNOをカウンティングモードで定量できるようにガスクロマトグラフィ(GC、gas chromatography)を用いて調整し、そのNOに対して1000倍量存在するCOをアナログモードで定量することを試みた。 Therefore, as an example of the present embodiment, N 2 O with a small amount is adjusted using gas chromatography (GC) so that it can be quantified in the counting mode, and 1000 times the amount of N 2 O is present. An attempt was made to quantify CO 2 in an analog mode.

質量分析のための検出器2には、小型多重周回飛行時間型質量分析装置 InfiTOF-UHV (MSI.Tokyo株式会社)を用い、これに高速デジタイザ3として、U5303A型高速デジタイザ(米国 Keysight社)を接続して質量測定を行った。測定試料7としての大気成分の分離は、0.32 mmID x 15 mL GS-CARBONPLOT カラム(米国 Agilent社)を用いて、2.0mL/minヘリウムをキャリアとして用いた。   The detector 2 for mass spectrometry uses a small multiple orbit time-of-flight mass spectrometer InfiTOF-UHV (MSI.Tokyo Co., Ltd.), and a high-speed digitizer 3 as a U5303A high-speed digitizer (Keysight, USA). The mass measurement was performed by connecting. Separation of atmospheric components as the measurement sample 7 was performed using a 0.32 mm ID × 15 mL GS-CARBONPLOT column (Agilent, USA) and 2.0 mL / min helium as a carrier.

質量測定は1ミリ秒(ms)間隔で行い、得られたイオン電流信号のスペクトルは、2個のXEON(米国 インテル社)プロセッサを搭載したパーソナルコンピュータ(PC)に取り込んだ。そして、16並列の対象型並行処理にて、カウンティングモードによるイオンカウンティング、及び、アナログモードによるイオン電流信号の波形の積算を同時に実行した。次に、予めユーザが指定した時間分解能(例えば、100ミリ秒(ms))ごとにアナログモードでの積算波形、及び、カウンティングモードに基づくヒストグラムとして質量スペクトルを記録した。   Mass measurement was performed at 1 millisecond (ms) intervals, and the spectrum of the obtained ion current signal was captured in a personal computer (PC) equipped with two XEON (Intel Corporation) processors. Then, in 16 parallel object type parallel processing, ion counting in the counting mode and integration of the waveform of the ion current signal in the analog mode were simultaneously executed. Next, the mass spectrum was recorded as an integrated waveform in the analog mode and a histogram based on the counting mode every time resolution (for example, 100 milliseconds (ms)) designated in advance by the user.

(実施例1の結果)
COとNOとの間の質量差は、僅か11.3ミリダルトン(mDa)であるが、前述の用いた質量分析装置(質量分解能 13,000)で完全に分離できる状態で実験を行った。固定ループにより、50マイクロリットル(μL)の大気分離カラムに1分間隔でインジェクトしてクロマトグラムを得た。
(Result of Example 1)
The mass difference between CO 2 and N 2 O is only 11.3 millidalton (mDa), but the experiment was conducted in a state where it could be completely separated by the mass spectrometer used (mass resolution 13,000). went. A chromatogram was obtained by injecting into a 50 microliter (μL) atmospheric separation column with a fixed loop at 1 minute intervals.

COとNOとは、それぞれ、保持時間0.53分、及び、保持時間0.65分に溶出し、それぞれのパルス幅は約2秒であった。この条件下でのCOとNOとのシングルイオン応答の際のピーク強度の平均は、約−60ミリボルト(mV)であり、ベースラインのノイズレベルは0.5mVであった。このため、イオンカウンティングの検出スレショルドは、−20mVとした。また、NOシングルイオン応答のパルス幅は、約2ナノ秒(ns)であり、実験条件下でのNOシングルイオンピークの検出幅(質量分解能相当)は9.8ナノ秒(ns)であった。 CO 2 and N 2 O were eluted at a retention time of 0.53 minutes and a retention time of 0.65 minutes, respectively, and each pulse width was about 2 seconds. The average peak intensity during the single ion response of CO 2 and N 2 O under these conditions was about −60 millivolts (mV) and the baseline noise level was 0.5 mV. For this reason, the detection threshold of ion counting was set to -20 mV. The pulse width of the N 2 O single ion response is about 2 nanoseconds (ns), and the detection width (corresponding to mass resolution) of the N 2 O single ion peak under experimental conditions is 9.8 nanoseconds (ns) )Met.

100回の測定ごとに、アナログモードでの波形の積算からCOのクロマトグラムを得、カウンティングモードに基づくヒストグラムからNOのクロマトグラムを得、それらのクロマトグラム面積からCOとNOとの定量を行うこととした。COとNOとを窒素ガスにより希釈した標準希釈系列を作成し、その標準希釈系列を測定することによる応答を確認した。 For every 100 measurements, a CO 2 chromatogram is obtained from integration of waveforms in the analog mode, an N 2 O chromatogram is obtained from a histogram based on the counting mode, and CO 2 and N 2 O are obtained from their chromatogram areas. It was decided to carry out quantitative determination. A standard dilution series was prepared by diluting CO 2 and N 2 O with nitrogen gas, and the response by measuring the standard dilution series was confirmed.

本実施例により同時に測定したアナログモードでの波形と、カウンティングモードによるヒストグラムとを図6に示す。図6(a)はアナログモードにより生成されたCOの質量スペクトルを示すグラフであり、(b)はカウンティングモードにより生成されたNOの質量スペクトルを示すグラフである。 FIG. 6 shows a waveform in the analog mode and a histogram in the counting mode that are simultaneously measured according to the present embodiment. FIG. 6A is a graph showing the mass spectrum of CO 2 generated by the analog mode, and FIG. 6B is a graph showing the mass spectrum of N 2 O generated by the counting mode.

比較的濃度の高いCOは、アナログモードにより、図6(a)に示されるピーク波形W8のパルス幅P3における面積(積分値)を用いて定量する。量の少ないNOは、カウンティングモードにより、図6(b)に示されるヒストグラムW9のパルス幅P4における総カウント値に基づいて定量する。 CO 2 having a relatively high concentration is quantified by using the area (integrated value) in the pulse width P3 of the peak waveform W8 shown in FIG. N 2 O with a small amount is quantified based on the total count value in the pulse width P4 of the histogram W9 shown in FIG. 6B by the counting mode.

図7は、アナログモードによるアベレージデータに基づくCOの質量スペクトルから得られたクロマトグラムの面積と測定試料7の大気成分に含まれるCOの濃度との間の関係を示すグラフである。横軸はCOの濃度を示し、縦軸はCOのクロマトグラムの面積を示す。図7に示す通り、濃度400ppmから濃度8000ppmの範囲でCOの質量分析の定量結果の良好な直線応答性が確認された。 FIG. 7 is a graph showing the relationship between the area of the chromatogram obtained from the mass spectrum of CO 2 based on the average data in the analog mode and the concentration of CO 2 contained in the atmospheric component of the measurement sample 7. The horizontal axis indicates the CO 2 concentration, and the vertical axis indicates the area of the CO 2 chromatogram. As shown in FIG. 7, a good linear response of the quantitative analysis result of the mass spectrometry of CO 2 was confirmed in the concentration range of 400 ppm to 8000 ppm.

図8は、カウンティングモードによりカウントされたNOイオンのカウント値と測定試料7の大気成分に含まれるNOの濃度との間の関係を示すグラフである。横軸はNOの濃度を示し、縦軸はNOイオンのカウント値を示す。クロマトグラムのパルス幅が2秒(2000回測定)であることから、約1000カウントで測定上限(1測定あたり確実に1個以上のイオンを検出するレベル)が予測されるが、本実施例では、図8に示すとおり、NOイオンのカウント値の2000カウントまでカウント値の良好な直線応答性が示されている。 FIG. 8 is a graph showing the relationship between the count value of N 2 O ions counted in the counting mode and the concentration of N 2 O contained in the atmospheric components of the measurement sample 7. The horizontal axis represents the concentration of N 2 O, and the vertical axis represents the count value of N 2 O ions. Since the pulse width of the chromatogram is 2 seconds (measured 2000 times), the upper limit of measurement (a level at which one or more ions are reliably detected per measurement) is predicted at about 1000 counts. As shown in FIG. 8, a good linear response of the count value up to 2000 counts of N 2 O ions is shown.

本発明の他の実施例について図9及び図10に基づいて説明すれば以下のとおりである。   The following will describe another embodiment of the present invention with reference to FIGS.

(実施例2の方法)
太陽系史/地球史/生命史を明らかにする上で、ウラン(U)から鉛(Pb)への放射壊変を利用し、隕石・岩石試料に含まれるウランと鉛の同位体比からそれらの形成年代を決定するU−Pb年代分析は多大な貢献をしてきた。
(Method of Example 2)
In order to clarify solar system history / earth history / life history, radiation decay from uranium (U) to lead (Pb) is used, and their formation from the isotope ratio of uranium and lead contained in meteorite and rock samples. The U-Pb dating analysis that determines the age has made a great contribution.

従来、このU−Pb年代分析では数十μm径に収束させたイオンビームを試料に照射し生成される2次イオンを質量分析する2次イオン質量分析装置 (SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometer) が広く用いられてきた。   Conventionally, in this U-Pb dating, a secondary ion mass spectrometer (SIMS) that performs mass analysis of secondary ions generated by irradiating a sample with an ion beam focused to a diameter of several tens of μm has been widely used. Has been used.

しかしながら、2次イオン質量分析装置はイオン化効率が低いという弱点があり、得られる空間分解能・統計精度には限界があった。   However, the secondary ion mass spectrometer has a weak point that the ionization efficiency is low, and the spatial resolution and statistical accuracy obtained are limited.

そこで、本発明の実施例として、カウンティングモードを用い、2次イオン質量分析装置における検出感度、すなわち統計精度を向上させることを試みた。   Therefore, as an embodiment of the present invention, an attempt was made to improve detection sensitivity, that is, statistical accuracy in a secondary ion mass spectrometer using a counting mode.

実験は、鉛プレートを試料として用い、これを多重周回飛行時間型2次イオン質量分析装置 MULTUM-SIMS (Ref. M. Ishihara et al., Surface Interface Anal., 42, 1598 (2010)) で測定した。測定は、2ms間隔に行い、得られたスペクトルは、2つのXEON (米国、インテル社) プロセッサを搭載したPCに取り込み、16並列の対象型並行処理にてイオンカウンティング及び波形の積算を同時に行った。   In the experiment, a lead plate was used as a sample, and this was measured with a multi-turn time-of-flight secondary ion mass spectrometer MULTUM-SIMS (Ref. M. Ishihara et al., Surface Interface Anal., 42, 1598 (2010)). did. Measurements were taken at 2 ms intervals, and the spectra obtained were taken into a PC equipped with two XEON (Intel, USA) processors, and ion counting and waveform integration were performed simultaneously in 16 parallel target-type parallel processing. .

(実施例2の結果)
図9(a)はアナログモードにより生成されたPbの質量スペクトルを示すグラフであり、(b)はカウンティングモードにより生成されたPbの質量スペクトルを示すグラフである。
(Results of Example 2)
FIG. 9A is a graph showing the mass spectrum of Pb generated in the analog mode, and FIG. 9B is a graph showing the mass spectrum of Pb generated in the counting mode.

アナログモードでの波形の積算、並びに、カウンティングモードに基づくヒストグラムから得られた鉛の安定同位体、204Pb、206Pb、207Pb、208Pbの質量スペクトルを図9(a)(b)に示す。地球起源の鉛同位体の天然存在比は204Pb、206Pb、207Pb、208Pbがそれぞれ1.4%、24.1%、22.1%、52.4%である。 9 (a) and 9 (b) show the mass spectra of the stable isotopes 204 Pb, 206 Pb, 207 Pb, and 208 Pb obtained from the integration of waveforms in the analog mode and the histogram based on the counting mode. . The natural abundance ratios of lead isotopes of earth origin are 1.4%, 24.1%, 22.1%, and 52.4% for 204 Pb, 206 Pb, 207 Pb, and 208 Pb, respectively.

実験は、最も存在量が多い208Pbイオンが、一度のイオンビーム照射で数個検出されるカウンティングモードに適した条件で行い、イオンビーム照射10000回分のイオン電流信号を積算することで質量スペクトルを得た。 The experiment is performed under conditions suitable for the counting mode in which 208 Pb ions having the largest abundance are detected by one ion beam irradiation, and the ion current signals for 10,000 ion beam irradiations are integrated to obtain a mass spectrum. Obtained.

図9(a)に示されるアナログモードで取得したスペクトルにおいて、ノイズによりその存在が判別できない204Pbのピークが、図9(b)に示されるカウンティングモードでは明瞭に検出できていることがわかる。 In the spectrum acquired in the analog mode shown in FIG. 9A, it can be seen that a 204 Pb peak whose presence cannot be determined due to noise can be clearly detected in the counting mode shown in FIG. 9B.

図10(a)はアナログモードにより求められた204Pbと206Pbの同位体比を示すグラフであり、(b)はカウンティングモードにより求められた204Pbと206Pbの同位体比を示すグラフである。 FIG. 10A is a graph showing the isotope ratio of 204 Pb and 206 Pb obtained by the analog mode, and FIG. 10B is a graph showing the isotope ratio of 204 Pb and 206 Pb obtained by the counting mode. is there.

同様の測定を10回施行し、各測定において204Pbと206Pbの同位体比を求めた結果を図10に示す。アナログモードで取得したスペクトルでは、各ピーク波形のパルス幅における面積(積分値)を用いて定量し、カウンティングモードで取得したスペクトルでは、アナログモードと同一のパルス幅における総カウント値に基づいて定量を行った。横軸が測定回数、縦軸が204Pb/206Pb比を示す。破線L1は204Pbと206Pbとの天然存在比(1.4/24.1=0.58)を示す。全10回の測定における天然存在比からの誤差並びに、各測定点における統計精度(エラーバー)のいずれに点においても、アナログモードよりカウンティングモードの方が定量性に優れていることがわかる。 The same measurement was performed 10 times, and the results of obtaining the isotope ratio of 204 Pb and 206 Pb in each measurement are shown in FIG. The spectrum acquired in the analog mode is quantified using the area (integrated value) in the pulse width of each peak waveform, and the spectrum acquired in the counting mode is quantified based on the total count value in the same pulse width as the analog mode. went. The horizontal axis indicates the number of measurements, and the vertical axis indicates the 204 Pb / 206 Pb ratio. Dashed line L1 indicates the natural abundance ratio of 204 Pb and 206 Pb (1.4 / 24.1 = 0.58). It can be seen that the counting mode is superior to the analog mode in terms of both the error from the natural abundance ratio in all 10 measurements and the statistical accuracy (error bar) at each measurement point.

〔ソフトウェアによる実現例〕
質量分析装置1のデータ処理システム4は、集積回路(ICチップ)等に形成された論理回路(ハードウェア)によって実現してもよいし、CPU(Central Processing Unit)を用いてソフトウェアによって実現してもよい。
[Example of software implementation]
The data processing system 4 of the mass spectrometer 1 may be realized by a logic circuit (hardware) formed in an integrated circuit (IC chip) or by software using a CPU (Central Processing Unit). Also good.

後者の場合、データ処理システム4は、各機能を実現するソフトウェアであるプログラムの命令を実行するCPU、上記プログラムおよび各種データがコンピュータ(またはCPU)で読み取り可能に記録されたROM(Read Only Memory)または記憶装置(これらを「記録媒体」と称する)、上記プログラムを展開するRAM(Random Access Memory)などを備えている。そして、コンピュータ(またはCPU)が上記プログラムを上記記録媒体から読み取って実行することにより、本発明の目的が達成される。上記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記プログラムは、該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体(通信ネットワークや放送波等)を介して上記コンピュータに供給されてもよい。なお、本発明は、上記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。   In the latter case, the data processing system 4 includes a CPU that executes instructions of a program that is software that realizes each function, and a ROM (Read Only Memory) in which the program and various data are recorded so as to be readable by a computer (or CPU). Alternatively, a storage device (these are referred to as “recording media”), a RAM (Random Access Memory) that expands the program, and the like are provided. And the objective of this invention is achieved when a computer (or CPU) reads the said program from the said recording medium and runs it. As the recording medium, a “non-temporary tangible medium” such as a tape, a disk, a card, a semiconductor memory, a programmable logic circuit, or the like can be used. The program may be supplied to the computer via an arbitrary transmission medium (such as a communication network or a broadcast wave) that can transmit the program. The present invention can also be realized in the form of a data signal embedded in a carrier wave in which the program is embodied by electronic transmission.

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope shown in the claims, and embodiments obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention.

1 質量分析装置
2 検出器
3 高速デジタイザ
4 データ処理システム(データ処理器)
5 アナログモードプロセッサ(アナログモードプロセッシング)
6 カウンティングモードプロセッサ(カウンティングモードプロセッシング)
7 測定試料
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Mass spectrometer 2 Detector 3 High-speed digitizer 4 Data processing system (data processor)
5 Analog mode processor (analog mode processing)
6 Counting mode processor (counting mode processing)
7 Measurement sample

Claims (10)

測定試料からイオン化されたイオンを検出する検出器により生成されたイオン電流信号をAD変換するAD変換器と、
前記AD変換器によりAD変換されたイオン電流信号に基づいて前記測定試料の質量スペクトルを生成するデータ処理器とを備え、
前記データ処理器が、前記AD変換されたイオン電流信号を積算することにより、前記質量スペクトルを生成するアナログモードプロセッシングと、
前記AD変換されたイオン電流信号のパルスの高さが、所定の閾値を超えた回数をカウントすることにより、前記質量スペクトルを生成するカウンティングモードプロセッシングとを実行することを特徴とする質量分析装置。
An AD converter that AD converts an ion current signal generated by a detector that detects ions ionized from the measurement sample;
A data processor that generates a mass spectrum of the measurement sample based on an ion current signal AD-converted by the AD converter;
Analog mode processing in which the data processor generates the mass spectrum by integrating the AD-converted ion current signal;
A mass spectrometer that performs counting mode processing for generating the mass spectrum by counting the number of times that the pulse height of the ion-current signal subjected to AD conversion exceeds a predetermined threshold value.
前記データ処理器が、ソフトウェアまたは論理回路により前記アナログモードプロセッシング及び前記カウンティングモードプロセッシングを実行する請求項1に記載の質量分析装置。   The mass spectrometer according to claim 1, wherein the data processor executes the analog mode processing and the counting mode processing by software or a logic circuit. 前記AD変換器が、前記イオン電流信号を高速AD変換する高速デジタイザであり、
前記高速デジタイザのサンプリング周期が、前記閾値を超えたイオン電流信号のパルス間隔よりも短い請求項1又は2に記載の質量分析装置。
The AD converter is a high-speed digitizer for performing high-speed AD conversion on the ion current signal;
The mass spectrometer according to claim 1 or 2, wherein a sampling period of the high-speed digitizer is shorter than a pulse interval of an ion current signal exceeding the threshold value.
前記高速デジタイザのサンプリング周期が、1ナノ秒以下である請求項3に記載の質量分析装置。   The mass spectrometer according to claim 3, wherein a sampling period of the high-speed digitizer is 1 nanosecond or less. 前記アナログモードプロセッシングと前記カウンティングモードプロセッシングとは、並行して同時に動作するか、又は、時分割的態様で交互に動作する請求項1又は2に記載の質量分析装置。   The mass spectrometer according to claim 1 or 2, wherein the analog mode processing and the counting mode processing operate simultaneously in parallel or alternately operate in a time-sharing manner. 前記測定試料が、高濃度成分と低濃度成分とを含み、
前記アナログモードプロセッシングは、前記高濃度成分の質量スペクトルを生成し、
前記カウンティングモードプロセッシングは、前記低濃度成分の質量スペクトルを生成する請求項1から5のいずれか一項に記載の質量分析装置。
The measurement sample includes a high concentration component and a low concentration component,
The analog mode processing generates a mass spectrum of the high concentration component,
The mass spectrometer according to any one of claims 1 to 5, wherein the counting mode processing generates a mass spectrum of the low concentration component.
前記測定試料が大気であり、
前記高濃度成分がCOであり、
前記低濃度成分がNOである請求項6に記載の質量分析装置。
The measurement sample is air,
The high concentration component is CO 2 ;
The mass spectrometer according to claim 6, wherein the low concentration component is N 2 O.
前記質量分析装置が、飛行時間型質量分析装置、シングルコレクターの磁場型質量分析装置、又は、四重極型質量分析装置である請求項1に記載の質量分析装置。   The mass spectrometer according to claim 1, wherein the mass spectrometer is a time-of-flight mass spectrometer, a single-collector magnetic field mass spectrometer, or a quadrupole mass spectrometer. 前記測定試料からイオン化されたイオンを検出する前記検出器をさらに備える請求項1に記載の質量分析装置。   The mass spectrometer according to claim 1, further comprising the detector that detects ions ionized from the measurement sample. 測定試料からイオン化されたイオンを検出してイオン電流信号を生成する信号生成工程と、
前記信号生成工程により生成されたイオン電流信号をAD変換するAD変換工程と、
前記AD変換工程によりAD変換されたイオン電流信号に基づいて前記測定試料の質量スペクトルを生成するデータ処理工程とを包含し、
前記データ処理工程が、前記AD変換されたイオン電流信号を積算することにより、前記質量スペクトルを生成するアナログモード工程と、
前記AD変換されたイオン電流信号のパルスの高さが、所定の閾値を超えた回数をカウントすることにより、前記質量スペクトルを生成するカウンティングモード工程とを有することを特徴とする質量分析方法。
A signal generation step of detecting ionized ions from the measurement sample and generating an ion current signal;
An AD conversion step of AD converting the ion current signal generated by the signal generation step;
A data processing step of generating a mass spectrum of the measurement sample based on the ion current signal AD-converted by the AD conversion step,
The data processing step integrates the AD-converted ion current signal to generate the mass spectrum, an analog mode step,
And a counting mode step of generating the mass spectrum by counting the number of times that the pulse height of the AD-converted ion current signal exceeds a predetermined threshold.
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