JP3701136B2 - 飛行時間型質量分析計 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、様々な信号強度の信号線から成る質量スペクトルを適切に測定することのできる飛行時間型質量分析計（Time of Flight Mass Spectrometer：ＴＯＦＭＳ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＴＯＦＭＳは、異なるイオンに等しい加速エネルギーを与えた場合、イオンが自らの質量の大小に依存して加速されることに基づいて、軽いイオンほど速くイオン検出器に到達し、重いイオンほど遅れてイオン検出器に到達することを利用して、イオンの質量分析を行なう装置である。
【０００３】
図１は、ＴＯＦＭＳのブロックダイヤグラムを示したものである。ＴＯＦＭＳには、例えばパルスレーザー等のパルス的にイオン化するイオン源を用いるものと、例えば大気圧イオン源の様な連続的にイオン化するイオン源を用いるものとがある。この後者の場合、通常、イオン源１で生成したイオンをイオン加速器２に導入し、イオン加速器２において、数ナノ（１０^-9）秒程度のパルス幅でイオンを加速する。このとき、質量数の大きなイオンは加速されにくいため、飛行速度が遅く、質量数の小さなイオンは加速されやすいため、飛行速度が速い。従って、イオン加速器２からイオン検出器３までのイオンの飛行時間（検出器への入射時間）の違いを連続的に測定すれば、試料イオンの質量スペクトルを得ることができる。
【０００４】
一般に、イオンの飛行時間は数マイクロ（１０^-6）秒から数百マイクロ秒と短く、また、単独のイオン種の時間的な広がりは数ナノ秒と極めて短いため、イオン検出器３には、物理的な寸法がある程度確保でき、かつ応答性が良いマイクロチャンネルプレート（Micro Channel Plate：ＭＣＰ）等の平面検出器が用いられる。そして、その平面検出器でイオンを電子に変換することにより、イオンを検出する方法が採られている。イオンと電子の変換効率は、イオン検出器に印加される電圧により、数十から数百万まで適当に選択することが可能である。
【０００５】
また、連続的に試料が流出するＧＣ−ＭＳやＬＣ−ＭＳの分析系にＴＯＦＭＳを適用するような場合、イオン加速器２によって次々にイオン検出器３に入射するイオンを処理するには、ディジタル回路を用いた専用の測定システム４が必要であり、この測定システム４により、サブナノ（１０^-9）秒程度の高速のサンプリング速度で数百から数千回程度平均化された質量スペクトルを得ることができる構成になっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、現在までのディジタル回路実装技術では、専用測定システム４の高速性の追求により、低ノイズレベルの回路の実現が難しいという問題がある。ちなみに、市販されている０.５ナノ（１０^-9）サンプリングのシステムからの信号のダイナミックレンジはおおよそ千程度であるが、従来型の質量分析計で要求されているダイナミックレンジは数十万以上である。
【０００７】
本発明の目的は、上述した点に鑑み、ダイナミックレンジの小さい高速測定システムを用いて、ダイナミックレンジの大きな測定を可能にするＴＯＦＭＳを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明にかかるＴＯＦＭＳは、イオン検出器と測定システムの中間に増倍率を多段階で切り換えることができる高速プリアンプを備え、イオンパルスの発生に合わせて高速プリアンプの増倍率を切り換え、異なる増倍率でイオンの質量スペクトルを測定し、測定時の増倍率で質量スペクトルのゲインを較正した後、イオン強度の強い箇所では低増倍率で測定した質量スペクトルを採用すると共に、イオン強度の弱い箇所では高増倍率で測定した質量スペクトルを採用して、ひとつながりの質量スペクトルを合成するようにしたことを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図２は、本発明にかかるＴＯＦＭＳの構成を示したものである。
【００１０】
図中、測定システム４から発行されたパルス信号に基づいて、イオン加速器２から発生したイオンパルスは、ある一定電圧が印加されたＭＣＰなどのイオン検出器３に向かって飛行する。イオン検出器３に到達したイオンパルスは、検出信号となって出力され、高速プリアンプ５で増倍されて、測定システム４に入力される。一方、測定システム４は、高速プリアンプ５に対して増倍率切り換え信号を発行して、高速プリアンプ５に設定されている増倍率を任意の値に変更させることができる構成になっている。
【００１１】
このような構成において、ＴＯＦＭＳのイオン加速器２からのイオンパルスの出射に合わせて、高速プリアンプ５の増倍率をステップで切り替える。例えば、最初に出射されるイオンパルスを検出するときの高速プリアンプ５の増倍率を低増倍率Ｇ₁、次に出射されるイオンパルスを検出するときの高速プリアンプ５の増倍率を高増倍率Ｇ₂とし、測定時には、イオン加速器２からのイオンパルスの出射に連動させて、高速プリアンプ５の増倍率の切り換えを交互に繰り返す。
【００１２】
次に、測定システム４では、イオン加速器２からのイオンの出射に連動させてスペクトルを取り込むメモリーを交互に切り替える。例えば、低増倍率Ｇ₁で得られた質量スペクトルは、スペクトル１として所定のメモリーに保存し、高増倍率Ｇ₂で得られた質量スペクトルは、スペクトル２として別のメモリーに保存する。このとき、単独の未積算の質量スペクトルを時系列的にすべて保存する方法もあるが、通常は、ある程度の時間、例えば百回程度平均化した質量スペクトルを最終のスペクトルとして保存する方法が取られる。
【００１３】
例えば、低増倍率Ｇ₁で得られたスペクトル１は、百回平均化処理を行ない、最終的にスペクトル１として保存され、高増倍率Ｇ₂で得られたスペクトル２は、同じ回数平均化処理を行ない、最終的にスペクトル２として保存される。これを交互に繰り返すことにより、一連のスペクトル１の集合体とスペクトル２の集合体とを得る。
【００１４】
最後に、測定システム４において、スペクトル１とスペクトル２をそれぞれのスペクトルを取得した際の高速プリアンプ４の増倍率で較正することにより、ゲインの等しい最終的な一連のスペクトルとする。
【００１５】
このとき、図３に示すように、低増倍率Ｇ₁で取得したスペクトル１では、強力な信号が適切な強度で記録されている反面、微弱な信号は弱すぎて見ることができない状態である。一方、高増倍率Ｇ₂で取得したスペクトル２では、強力な信号がスケールオーバーして全体像を見ることができないのに対して、微弱な信号は適切な強度で記録されている。そこで、質量スペクトルのイオン強度の強い部分は、低増倍率Ｇ₁で測定したスペクトル１の方を採用し、質量スペクトルのイオン強度の弱い部分は、高増倍率Ｇ₂で測定したスペクトル２の方を採用するようにする。
【００１６】
このように、異なる増倍率で測定した２つの質量スペクトルを測定領域ごとに取捨選択して、１つの質量スペクトルとして合成することにより、強力な信号から微弱な信号まで、スケールオーバーしたりビット落ちしたりすることのない質量スペクトルを得ることができ、結果的に、質量スペクトルのダイナミックレンジを拡大することができる。
【００１７】
尚、上記実施例では、高速プリアンプ４の増倍率を２種類に限定して説明を行なったが、さらに多数の増倍率の組み合わせによって、イオン強度の中間を埋めることも可能である。また、イオン検出器はＭＣＰで記述したが、マイクロスフェアプレート（Micro Sphere Plate：ＭＳＰ）等の異なるイオン検出器でも、後段に設けた高速アンプ４の増倍率が変更できれば、問題なく本発明を適用することができる。
【００１８】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本発明の飛行時間型質量分析計を用いれば、従来のイオン検出器におけるようなダイナミックレンジの制限を克服することができ、強力な信号や微弱な信号が複雑に入り交じった質量スペクトルを、全体として適切なゲインで測定することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の飛行時間型質量分析計を示す図である。
【図２】 本発明の飛行時間型質量分析計の一実施例を示す図である。
【図３】 本発明の飛行時間型質量分析計で測定された質量スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
１・・・イオン源、２・・・イオン加速器、３・・・イオン検出器、４・・・高速プリアンプ、５・・・測定システム。

Claims (1)

1. イオン検出器と測定システムの中間に増倍率を多段階で切り換えることができる高速プリアンプを備え、イオンパルスの発生に合わせて高速プリアンプの増倍率を切り換え、異なるタイミング且つ異なる増倍率でイオンの質量スペクトルを測定し、該異なるタイミング且つ異なる増倍率で測定された複数の質量スペクトルに対して、測定時の増倍率で質量スペクトルのゲインを較正した後、イオン強度の強い箇所では低増倍率で測定した質量スペクトルを採用すると共に、イオン強度の弱い箇所では高増倍率で測定した質量スペクトルを採用して、ひとつながりの質量スペクトルを合成するようにしたことを特徴とする飛行時間型質量分析計。

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