JP4614002B2 - クロマトグラフ質量分析用データ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガスクロマトグラフ質量分析装置（ＧＣ／ＭＳ）や液体クロマトグラフ質量分析装置（ＬＣ／ＭＳ）など、クロマトグラフと質量分析装置とを組み合わせたクロマトグラフ質量分析装置で得られたデータを処理するためのデータ処理装置に関し、さらに詳しくは、質量分析装置において所定の質量範囲を繰り返し走査するスキャン測定を実行するクロマトグラフ質量分析用データ処理装置に関する。

ガスクロマトグラフ質量分析装置（ＧＣ／ＭＳ）、液体クロマトグラフ質量分析装置（ＬＣ／ＭＳ）、或いは超臨界クロマトグラフ質量分析装置（ＳＦＣ／ＭＳ）では、クロマトグラフにより試料成分を時間軸方向に分離し、分離された各成分を質量分析部によりそれぞれイオン化して質量に応じて分離して検出する。質量分析部で所定の質量範囲を走査するスキャン測定を行うことで得られたデータに基づいて、或る時点における質量（厳密にはm/z）と相対強度（イオン強度）との関係を示すマススペクトルを得ることができる。さらに、所定質量範囲の質量走査を繰り返すことにより時間軸方向に例えば所定時間間隔でそれぞれマススペクトルを得ることができ、それに基づいてトータルイオンクロマトグラムやマスクロマトグラムを作成することもできる。

理想的にはマススペクトル上には測定対象物から生成したイオン種のピークのみが現れていることが望ましいが、実際には様々な要因により不所望のピークが現れる。例えばＬＣ／ＭＳでは、分離カラム液相からの遊離物、試料溶媒、移動相溶媒、或いは試料に含まれる夾雑物など、測定対象物以外の化合物に由来するピークが混じることが多い。また、検出器におけるノイズによるピークが含まれることもある（例えば特許文献１など参照）。

そこで、従来のクロマトグラフ質量分析装置では、上述のようなノイズの影響やそれ以外の各種の変動要因の影響を軽減するために次のような処理が行われている。即ち、時間経過に伴って検出対象のイオンの質量は例えば図４（ａ）に示すようにＭ１〜Ｍ２の範囲で変化するように走査される。１回の質量走査の期間例えば時刻ｔ１〜ｔ２の範囲では、質量分析装置のイオン検出器により、例えば図４（ｂ）に示すような信号波形（以下、質量プロファイルと呼ぶ）を構成するデータが得られる。この質量プロファイルに対し、目的とする質量の前後の所定微小質量範囲に含まれる複数のデータに平均化等のフィルタリング処理を行うことでノイズ等の影響を軽減する。その処理後にピーク検出を実行してピークを見つけ、そのピークに対応した線を質量軸上に描くことで図４（ｃ）に示すようなマススペクトルを作成する。なお、１回の質量走査ではなく複数回の質量走査で得られたデータを積算することで質量プロファイルを作成し、これに基づいてマススペクトルを作成する場合もある。

さらに、例えば特定の質量Ｍに着目したマスクロマトグラムを作成する際には、時間経過に伴って上述したようにして得られるマススペクトル上の質量Ｍの信号強度に対し今度は時間軸方向にフィルタリング処理を実行することで、さらにノイズ等の影響を低減させることも行われている。

しかしながら、上記のような従来のデータ処理方法では次のような問題がある。即ち、マススペクトルを作成するために質量プロファイルに対し質量軸方向にフィルタリング処理を行うときに、ノイズが重畳していると波形の重心位置が質量軸上でずれる。そのため、これに対してピーク検出を実行するとピークが出現する質量がずれることになる。異なる時点で得られた質量プロファイルに対してはそれぞれ独立に質量軸方向のフィルタリング処理が実行されるため、同一質量のイオンに対するピークであっても上述のようにノイズが重畳している場合と重畳していない場合とではマススペクトル上での質量がずれる可能性があり、時間毎に、検出された質量にばらつきが生じることになる。こうした原因により、マススペクトルの質量分解能が低下するとともにマスクロマトグラムの精度も悪くなる。

特開２００５−２２１２７６号公報（段落［０００２］）

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、質量走査を繰り返しを行ってそれぞれマススペクトルを作成するような場合に、各質量走査時点での質量のばらつきを抑制することができ、それによってピーク検出精度や質量分解能の向上を図ることができるクロマトグラフ質量分析用データ処理装置を提供することにある。

上記課題を解決するために成された本発明は、クロマトグラフにより時間方向に分離した試料成分を質量分析部に導入し、所定の質量範囲に亘るスキャン測定を繰り返し実行するクロマトグラフ質量分析装置で得られるデータを処理するデータ処理装置において、
a)所定の質量範囲に対応する質量プロファイルを構成する多数のデータを、時間軸方向に複数の質量プロファイルについて収集するデータ収集手段と、
b)前記データ収集手段により収集された、質量軸方向及び時間軸方向の２次元的に仮想的に配列された各データについて、質量軸方向に隣接又は近接する、及び時間軸方向に隣接する又は近接する複数のデータを利用した所定の演算処理を実行することで目的のデータを修正するフィルタリング処理を実行する２次元フィルタリング処理手段と、
c)前記２次元フィルタリング処理手段により修正されたデータから成る質量プロファイルに対してピーク検出を行ってピークを見い出すピーク検出手段と、
d)前記ピーク検出手段により検出されたピークに基づいてマススペクトルを作成するマススペクトル作成手段と、
を備えることを特徴としている。

即ち、従来のデータ処理装置では、まず質量プロファイルを構成する各データについて質量軸方向の１次元フィルタリング処理を実行して質量プロファイルを修正し、それに基づいてピーク検出を行ってマススペクトルを作成し、該マススペクトルを構成するデータに対し時間軸方向のフィルタリング処理を実行していたのに対し、本発明に係るデータ処理装置では、質量軸方向と時間軸方向のフィルタリング処理を同時に、つまり２次元的に行う。そして、その両軸方向にフィルタリング処理された結果である質量プロファイルを用いてピーク検出を行い、それによって見い出されたピークが描出されたマススペクトルを作成する。２次元フィルタリング処理手段における具体的な演算としては、例えば、目的データの値に隣接又は近接データの値を加算する処理、又はその加算により得た値を元のデータ点数で除して平均化する処理などとすることができる。

このように質量軸方向と時間軸方向との２次元的にフィルタリング処理された、つまり両軸方向にそれぞれノイズ等の影響が軽減された質量プロファイルが得られ、この質量プロファイルに対しピーク検出を実行するため、ピークの検出精度が向上する。これにより、マススペクトル上に描出されるピークの質量について時間軸方向でのばらつきが抑制され、質量分解能が向上する。また、複数のマススペクトルにおける質量軸の安定性が向上するためにマスクロマトグラムの精度も向上する。

本発明に係るクロマトグラフ質量分析用データ処理装置においては、質量軸方向及び時間軸方向に適宜の数の隣接データ及び近接データを用いて目的データを修正することができるが、一例として、前記２次元フィルタリング処理手段は、目的データに対し質量軸方向の前後に同数の隣接データを選択するものとすることができる。この場合、用いるデータ点数を増やせばノイズ低減というフィルタリングの効果は上がるものの、質量プロファイルが平坦化されて却ってピーク検出が難しくなるおそれがある。したがって、質量軸方向の前後に選択する隣接データの数は数個以内とすることが望ましい。

また２次元フィルタリング処理手段は、目的データに対し時間軸方向の前後にも同数の隣接データを選択する構成とするとよい。

また２次元フィルタリング処理手段では、１つの質量プロファイルを構成する同一時間上の複数の各データについてフィルタリング処理を行う場合に、質量軸上で１個ずつデータをずらしながら移動平均を計算する又は加算を行うようにするとよい。これにより、各データに対し同じ演算処理が行われるので、処理後の質量プロファイルの波形の精度が向上し、ピーク検出精度を高めることができる。また時間軸上についても同様の移動平均又は加算の処理を行えばよい。

また、上述のように目的データに隣接又は近接データの値を加算する際に、各データの値を同等に扱うのではなく、例えば時間的に前後のデータについては重み付けを下げる等の重み付け処理を行うようにすることができる。重み付けにより、時間的に前後のデータの信号強度の影響が強くなり過ぎることを抑えることができ、特にマスクロマトグラムで時間的な強度変化が大きくなるような場合にその変化が極端に小さくなることを回避することができる。

本発明の一実施例であるデータ処理装置を備えるガスクロマトグラフ質量分析装置（ＧＣ／ＭＳ）の全体構成図。 本実施例のデータ処理装置における特徴的なデータ処理の手順を示すフローチャート。 本実施例のデータ処理装置におけるフィルタリング処理動作を説明するための模式図。 質量走査に対する質量プロファイルとマススペクトルとの関連を示す説明図。 本発明の効果を説明するための実験結果を示す図。 本発明の効果を説明するための実験結果を示す図。 本発明の効果を説明するための実測によるマススペクトルの一例を示す図。

以下、本発明に係るクロマトグラフ質量分析用データ処理装置の一実施例について図面を参照して説明する。図１は本実施例のデータ処理装置を備えるガスクロマトグラフ質量分析装置（ＧＣ／ＭＳ）の全体構成図である。

図１において、ガスクロマトグラフ（ＧＣ）部１０では、カラムオーブン１４により適度の温度に加熱されるカラム１５の入口に試料気化室１１が設けられ、その試料気化室１１にはキャリアガス流路１３を通して所定流量でキャリアガス（ここではヘリウムＨｅ）が供給されカラム１５へと流れ込む。その状態でマイクロシリンジ１２により試料気化室１１内に少量の液体試料が注入されると、液体試料は即座に気化しキャリアガス流に乗ってカラム１５内に送られる。カラム１５を通過する間に試料ガス中の各成分は時間的に分離されてその出口に到達し、インターフェイス部２０においてヒータ２２により加熱される試料導入管２１を通って質量分析（ＭＳ）部３０のイオン化室３１に導入される。

ＭＳ部３０において、イオン化室３１に導入された試料分子は例えば熱電子との接触によってイオン化される。発生したイオンはイオン化室３１の外側に引き出され、レンズ電極３２により収束されて４本のロッド電極から構成される四重極質量フィルタ３３の長軸方向の空間に導入される。四重極質量フィルタ３３には電源部３６から直流電圧と高周波電圧とを重畳した電圧が印加され、その印加電圧に応じた質量を有するイオンのみがその長軸方向の空間を通過し、イオン検出器３４に到達して検出される。イオン化室３１、レンズ電極３２、四重極質量フィルタ３３、及びイオン検出器３４は、図示しない真空ポンプにより真空吸引される真空容器３５内に配設されている。

イオン検出器３４による検出信号はＡ／Ｄ変換器４０によりデジタルデータに変換されて本発明に係るデータ処理装置としてのデータ処理部４４に送られる。データ処理部４４は所定の演算処理を行うことによりマススペクトル、マスクロマトグラム、或いはトータルイオンクロマトグラムを作成し、さらに定量分析や定性分析などを実行する。ＧＣ部１０、インターフェイス部２０及びＭＳ部３０を構成する各ブロックの動作は、分析制御部４３により統括的に制御される。データ処理部４４や分析制御部４３の機能はパーソナルコンピュータ４１に搭載された専用の制御・処理ソフトウエアを実行することにより具現化され、パーソナルコンピュータ４１に含まれる中央制御部４２はキーボードやマウス等のポインティングデバイスを含む操作部４５や表示部４６などの入出力制御など、基本的な制御を実行するものである。

このＧＣ／ＭＳにおいてスキャン測定を行う場合には、電源部３６から四重極質量フィルタ３３に印加する電圧を走査する。具体的には、一般に、四重極質量フィルタ３３の４本のロッド電極の中で、中心軸を挟んで対向する２本のロッド電極に＋（Ｕ＋Ｖ・cosωｔ）、他の２本のロッド電極に−（Ｕ＋Ｖ・cosωｔ）なる、直流電圧（Ｕ）に高周波電圧（Ｖ・cosωｔ）を重畳させた電圧を印加するが、Ｕ／Ｖを一定に保ってＵとＶとを時間経過に伴って変化させることにより、例えば図４（ａ）に示したように質量Ｍ１〜Ｍ２の質量範囲を走査することができる。

次に、このＧＣ／ＭＳにおいてスキャン測定を実行する際の特徴的なデータ処理動作について図２、図３を参照して詳細に説明する。図２はこのデータ処理の手順を示すフローチャート、図３はフィルタリング処理動作を説明するための模式図である。

分析が開始されると、ＧＣ部１０では試料気化室１１内に試料が注入され、キャリアガス流に乗って気化試料がカラム１５に導入され、カラム１５を通過する間に試料中の含有成分が分離されて時間差を以てイオン化室３１に導入される。質量分析部３０では、四重極質量フィルタ３３において上述したように選別する質量の走査を繰り返し行いつつイオン検出器３４により検出信号を取得する。データ処理部４４では時間経過に伴って得られる質量走査毎のデータを収集して記憶装置に一旦保存する（ステップＳ１）。例えば図４（ａ）に示す時刻ｔ１〜ｔ２の期間に図４（ｂ）に示すような質量プロファイルを構成する多数のデータがデータ処理部４４に入力されるが、１回の質量走査で得られたデータ（又は複数回の質量走査で得られたデータを積算したデータ）は同一時刻に得られたデータとして取り扱うものとする。

即ち、図３（ａ）に示すように、或る時刻Ｔ１に１つの質量プロファイルを構成する多数のデータＤ10、Ｄ11、Ｄ12、Ｄ13、…が得られたものとみなす。さらに、次に所定時間後の時刻Ｔ２には別の質量プロファイルを構成する多数のデータＤ20、Ｄ21、Ｄ22、Ｄ23、…が得られたものとみなせる。したがって、所定時間間隔で以て得られるデータは、図３（ｂ）に示すように、時間軸方向と質量軸方向との２次元的に仮想的に配列されているものと考えることができる。

上記のようにデータ収集を行って時間軸上のデータの配列数が設定値に達したならば（ステップＳ２）、収集したデータに対する２次元フィルタリング処理を実行する（ステップＳ３）。いま、ここでは一例としてステップＳ２での設定値は「３」であるとすると、図３（ｂ）に示すように時刻Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３における質量プロファイルを構成するデータが得られたならばステップＳ３の処理を実行する。

２次元フィルタリング処理は質量軸方向と時間軸方向との両軸方向に同時にフィルタリングを行うものであり、図３（ｂ）に示すように或る１個の目的データ（ここではＤ23）に対し質量軸上及び時間軸上で隣接する、具体的には質量軸上で前後２個ずつ、時間軸上で前後１個ずつの範囲に含まれる１４個の周辺データと上記目的データとの合計１５個のデータ、つまりＤ11、Ｄ12、Ｄ13、Ｄ14、Ｄ15、Ｄ21、Ｄ22、Ｄ23、Ｄ24、Ｄ25、Ｄ31、Ｄ32、Ｄ33、Ｄ34、Ｄ35、を利用して、目的データＤ23に相当する位置のデータＳ23を求める（換言すれば目的データＤ23の値を修正してＳ23を算出する）。一例としては、目的データ及び周辺データの計１５個のデータの加算値又は単純平均値をＳ23とする。即ち、
Ｓ23＝Ｄ11＋Ｄ12＋Ｄ13＋Ｄ14＋Ｄ15＋Ｄ21＋Ｄ22＋Ｄ23＋Ｄ24＋Ｄ25＋Ｄ31＋Ｄ32＋Ｄ33＋Ｄ34＋Ｄ35 …(1)
又は、
Ｓ23＝（Ｄ11＋Ｄ12＋Ｄ13＋Ｄ14＋Ｄ15＋Ｄ21＋Ｄ22＋Ｄ23＋Ｄ24＋Ｄ25＋Ｄ31＋Ｄ32＋Ｄ33＋Ｄ34＋Ｄ35）／１５ …(2)
とする。

上記２次元フィルタリング処理を、同一時刻上（図３では縦方向）に配列された各データについてそれぞれ実行する。つまり、図３（ｂ）中に一点鎖線の矩形で示すように、２次元フィルタリング処理の対象とする１５個のデータの範囲を質量軸方向にずらしながらその範囲内に含まれる１５個のデータの加算又は単純平均の処理を繰り返し、その範囲の中心である目的データの値を求めるようにする。但し、質量範囲の下端及び上端や処理の開始時点及び終了時点については上記のような２次元的な１５個のデータを確保できないので、利用するデータ数を減らした上でその影響が現れないように補正を行うか、或いは１５個のデータを確保できる範囲でのみ中心データを求める等の適宜の処理を行うものとする。こうして、時刻Ｔ２における質量プロファイルを構成するデータＤ20、Ｄ21、Ｄ22、Ｄ23、…が全てＳ20、Ｓ21、Ｓ22、Ｓ23、…に修正される。

データ処理部４４では、上記のように修正された質量プロファイルに対し、従来と同様の方法によりピーク検出を実行する（ステップＳ４）。これにより、それぞれ質量が確定したピークが求まり、マススペクトルとしての質量軸も確定するから、それにより得られるマススペクトルデータを記憶装置に保存する（ステップＳ５）。その後に分析終了（フィルタリング処理終了）か否かを判定し、終了でなければステップＳ１に戻る。したがって、例えば時刻Ｔ２における質量プロファイルが２次元フィルタリング処理により修正されてそれに基づく質量軸が確定したマススペクトルデータが記憶装置に保存されると、次に時刻Ｔ４の質量プロファイルを構成するデータが集まるまで待つことになる。一方、時刻Ｔ２の質量プロファイルに対するフィルタリング処理が終了したならば時刻Ｔ１のデータＤ10、Ｄ11、Ｄ12、Ｄ13、…は計算上不要になるため廃棄することができる（もちろん、生データとして保存しておくこともできる）。

上記説明のフィルタリング処理では、目的データを求める際の周囲の各データを同等に扱ったが、その場合、時間軸方向については前後のデータの値の影響が強く出過ぎる傾向にある。そこで、例えば時間軸方向においてデータに重み付けを行うようにするとよい。例えば、上記(1)式に代えて、
Ｓ23＝（Ｄ11＋Ｄ12＋Ｄ13＋Ｄ14＋Ｄ15）×α１＋（Ｄ21＋Ｄ22＋Ｄ23＋Ｄ24＋Ｄ25）×α２＋（Ｄ31＋Ｄ32＋Ｄ33＋Ｄ34＋Ｄ35）×α３ …(3)
とし、重み付け係数であるα１、α２、α３を適宜に設定する。例えば重み付け係数をα１＝α３＜α２とすることで、時間軸方向に前後のデータの値の影響を相対的に抑えることができる。

また、上記実施例では、質量軸上で前後方向に２個ずつ、時間軸上で前後方向に１個ずつの周辺データを加えて目的データを修正するようにしているが、周辺データの個数は適宜に変更してもよい。

次に、上記のような２次元フィルタリング処理を行った場合と従来のように１次元フィルタリング処理を行う場合との比較結果について説明する。本発明のような２次元フィルタリング処理の効果を検証するために、実際にＧＣ／ＭＳで収集したデータを用いて２次元フィルタリング処理（重み付け有り）と質量軸方向の１次元フィルタリング処理を行った場合の結果の比較を図５に示す。２次元フィルタリング処理によれば、ピークの信号強度は若干下がるもののそれ以上に大幅にノイズが抑制されるため、Ｓ／Ｎ比は質量軸方向のフィルタリング処理を行った場合よりも５０％程度向上することが分かる。

図６は、本発明のような２次元フィルタリング処理と質量軸方向の１次元フィルタリング処理を行った後に時間軸方向の１次元フィルタリング処理を行った場合との比較である。質量軸方向のノイズのばらつきに時間依存性がなければ両者の結果は同じになる筈であるが、２次元同時のフィルタリング処理のほうがノイズの抑制効果が大きくＳ／Ｎ比も良好であることが分かる。このように上述したような本発明に係るデータ処理装置によれば、従来よりもピークのＳ／Ｎ比の改善効果も得られることが分かる。

図７は実際のマススペクトルにおいて本発明のような２次元フィルタリング処理の効果を示したものであり、（ａ１）、（ｂ１）はスキャン速度が相対的に遅い場合、（ａ２）、（ｂ２）、（ａ３）、（ｂ３）はスキャン速度が相対的に速い場合の例である。一般にスキャン速度が速いほうがノイズ等によるピークの質量ずれの影響が顕著に現れ易い。例えば図７（ａ２）中に矢印で示すように、スキャン速度が速い場合にフィルタリング処理を行わないと、スキャン速度が速い場合（図７（ａ１）参照）に最大ではないm/z２１２のピークが最大となってしまっている。これはその周囲の他の質量の信号強度がm/z２１２のピークに加算されてしまっているか、逆に最大となるべきm/z２１４のピークの信号強度が他の質量に分散してしまっているかのいずれかであると考えられる。これに対し、２次元フィルタリング処理を行った場合には、図７（ａ３）に示すようにm/z２１４のピークが最大となっており、全体の各ピークの傾向がスキャン速度が相対的に遅い図７（ａ１）の状態に近づいていることが分かる。

また図７（ｂ１）では明確に現れているm/z２５２のピークが図７（ｂ２）では殆ど見えなくなっているのに対し、２次元フィルタリング処理を行った場合には、図７（ｂ３）に示すようにm/z２５２のピークが明確に現れている。このように本発明のような２次元フィルタリング処理を行うことにより、ピークの質量ずれが起こり易いスキャン速度が速い条件の下でも正確なピーク検出が行えることが分かる。

なお、上記実施例はいずれも一例であって、本発明の趣旨の範囲で適宜変形や修正、追加を行えることは明らかである。

Claims (5)

1. クロマトグラフにより時間方向に分離した試料成分を順次質量分析部に導入し、所定の質量範囲に亘るスキャン測定を繰り返し実行するクロマトグラフ質量分析装置で得られるデータを処理するデータ処理装置において、
   a)スキャン測定により所定の質量範囲に対応する質量プロファイルを構成する多数のデータを、時間軸方向に複数の質量プロファイルについて収集するデータ収集手段と、
   b)前記データ収集手段により収集された、質量軸方向及び時間軸方向の２次元的に仮想的に配列された各データについて、質量軸方向に前後及び時間軸方向に前後の複数のデータを利用して所定のフィルタリング処理を実行することで目的データを求める２次元フィルタリング処理手段と、
   c)前記２次元フィルタリング処理手段により修正されたデータから成る質量プロファイルに対してピーク検出を行ってピークを見つけるピーク検出手段と、
   d)前記ピーク検出手段により検出されたピークに基づいてマススペクトルを作成するマススペクトル作成手段と、
   を備えることを特徴とするクロマトグラフ質量分析用データ処理装置。
2. 前記フィルタリング処理は、目的データに隣接又は近接データを加算する処理又はその加算値を元のデータ点数で除する平均化処理であることを特徴とする請求項１に記載のクロマトグラフ質量分析用データ処理装置。
3. 前記２次元フィルタリング処理手段は、目的データに対し質量軸方向の前後に同数の隣接データを選択してフィルタリング処理を実行することを特徴とする請求項１に記載のクロマトグラフ質量分析用データ処理装置。
4. 前記２次元フィルタリング処理手段は、目的データに対し時間軸方向の前後に同数の隣接データを選択してフィルタリング処理を実行することを特徴とする請求項１又は２に記載のクロマトグラフ質量分析用データ処理装置。
5. 前記２次元フィルタリング処理手段は、加算処理又は平均化処理の際に所定の重み付けを行うことを特徴とする請求項２に記載のクロマトグラフ質量分析用データ処理装置。

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