JP4735490B2

JP4735490B2 - 質量分析装置

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Publication number: JP4735490B2
Application number: JP2006254198A
Authority: JP
Inventors: 淳一小出
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2006-09-20
Filing date: 2006-09-20
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2026-09-20
Also published as: JP2008077917A

Description

本発明は質量分析装置に関し、更に詳しくは、イオンの挙動に影響を与える電場を形成するための複数の電極がイオン光軸に沿って配設された質量分析装置に関する。

質量分析装置においては、試料分子のイオン化、イオンの輸送、イオンの分離、イオンの検出等、イオンに関する各種操作を行うためにそれぞれ対応する電極を備えており、これら操作に必要な順序で以て各電極に直流電圧や高周波電圧を印加することで質量分析を実行する。図４は質量分析装置の一例であるイオントラップ（ＩＴ）と飛行時間型質量分析装置（ＴＯＦＭＳ）とを組み合わせたＩＴ−ＴＯＦＭＳの概略構成図である（特許文献１など参照）。

図４において、例えばＭＡＬＤＩなどのイオン化部１において試料分子から生成されたイオンは複数の電極から構成されるイオントラップ２内に導入され、ここで一時的に捕捉された状態でイオン選択（アイソレーション）や衝突誘起解離（ＣＩＤ）が実行される。その後、イオントラップ２から選択的に排出されたイオンはＴＯＦＭＳ６に導入され、ＴＯＦＭＳ６の飛行空間を飛行する間に質量電荷比（m/z）に応じて分離されて検出器７に到達し、イオン量に応じた強度信号が出力される。上記構成では、イオントラップ２は三次元四重極型の構成であり、リング電極３とこのリング電極３を挟む一対のエンドキャップ電極４、５とを含んでいる。

上記の一連の分析動作の過程で、いま一例としてイオントラップ２のエンドキャップ電極４、５に印加される電圧とそのときのイオンに対する操作内容とに着目して説明する。図５は従来の質量分析装置においてエンドキャップ電極４、５に電圧を印加するための電圧発生部のブロック構成図である。また、図６はこの電圧発生部の正常な動作を説明するためのタイミング図である。

図５に示すように、電圧源として直流の高電圧（例えば-10kV程度）ＶＨを出力する高圧電源１６と高周波電圧ＲＦを出力する高周波発生器１７とを備え、切替部２０によりエンドキャップ電極４、５に印加される電圧が切り替えられる。この切替部２０に対し電圧切替え制御用の信号ＳＣ１〜ＳＣ４を供給するために、制御部１０及びパルス生成部１４が設けられている。切替部２０は第１乃至第４なる４個のスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４で構成される。即ち、高圧電源１６とエンドキャップ電極４、５との間には第１スイッチＳＷ１が配置され、高周波発生器１７とエンドキャップ電極４、５との間には第２スイッチＳＷ２及び第３スイッチＳＷ３の直列接続回路が配置されている。さらに、第２スイッチＳＷ２と第３スイッチＳＷ３との接続点は第４スイッチＳＷを介して接地電位（０Ｖ）に接続されている。

基本的には、第１スイッチＳＷ１はエンドキャップ電極４、５へ印加する直流高電圧ＶＨをオン・オフするものであり、第２スイッチＳＷ２はエンドキャップ電極４、５へ印加する高周波電圧ＲＦをオン・オフするものであり、第３スイッチＳＷ３は、第１スイッチＳＷ１のオン・オフ切替え時に生じるサージ電圧により高周波発生器１７が破壊されないように高周波発生器１７の出力を一時的に切り離すためのものであり、第４スイッチＳＷ４はエンドキャップ電極４、５を接地するためのものである。

制御部１０はＣＰＵ１１やこのＣＰＵ１１の制御の下に基準クロック信号をカウントするカウンタ１２を含み、所定のタイミングで以て３系統の指令信号経路Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３にそれぞれ所定パルス幅の指令信号を出力する。パルス生成部１４はロジック回路からなり、指令信号経路Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３上の各指令信号に応じて、切替部２０のスイッチＳＷ１〜ＳＷ４を切替駆動するために必要な４系統の電圧切替制御信号ＳＣ１、ＳＣ２、ＳＣ３、ＳＣ４を発生する。

具体的には、図５に示す構成の回路は図６に示すようなタイミングで以て動作する。初期状態では、電圧切替制御信号ＳＣ１、ＳＣ３は「Ｌ」であり、第１及び第３スイッチＳＷ１、ＳＷ３がオフすることでエンドキャップ電極４、５への直流高電圧ＶＨ及び高周波電圧ＲＦの印加は遮断されている。一方、電圧切替制御信号ＳＣ２、ＳＣ４は「Ｈ」であり、第２及び第４スイッチＳＷ２、ＳＷ４がオンすることによりエンドキャップ電極４、５の電位は接地電位に固定されている。この初期状態において、イオンはイオントラップ２内に導入され、リング電極３に印加される高周波電圧により形成される電場によって、イオンはイオントラップ２内部に捕捉される。

この初期状態から、図６中のＴ１のタイミングで制御部１０が指令信号経路Ｓ１に指令信号パルスを送ると、パルス生成部１４では電圧切替制御信号ＳＣ４を「Ｈ」→「Ｌ」に反転させ、それから或る時間ｄ１だけ遅延して電圧切替制御信号ＳＣ３を「Ｌ」→「Ｈ」に反転させる。これにより、第２及び第３スイッチＳＷ２、ＳＷ３がオンし、第４スイッチＳＷ４はオフするから、エンドキャップ電極４、５に高周波電圧ＲＦが印加されることになる。もし、第３及び第４スイッチＳＷ３、ＳＷ４が同時にオンしてしまうと、高周波発生器１７の出力が接地されて破壊されるおそれがあるが、上記のように適宜の遅延時間ｄ１を設けることにより、第４スイッチＳＷ４が確実にオフした後に第３スイッチＳＷ３をオンさせることができる。

エンドキャップ電極４、５に高周波電圧ＲＦを印加することにより、イオントラップ２内に捕捉された各種イオンの中で特定の質量（又は質量範囲）を有するイオンが大きく振動されるため、例えば大きく振動させたイオンをイオントラップ２から排出させて除去することでアイソレーションを行うことができる。また、イオントラップ２内にＣＩＤガスを導入して特定質量を持つイオンを大きく振動させれば、そのイオンがＣＩＤガスに衝突して開裂するからイオンの衝突誘起解離を行うことができる。即ち、指令信号経路Ｓ１上の指令信号パルスは、イオントラップ２でのアイソレーション又はＣＩＤ動作の開始を指示するものである。

次に、図６中のＴ２のタイミングで以て制御部１０が指令信号経路Ｓ２に指令信号パルスを送ると、パルス生成部１４では電圧切替制御信号ＳＣ２、ＳＣ３を「Ｈ」→「Ｌ」に反転させ、それから或る時間ｄ２だけ遅延して電圧切替制御信号ＳＣ１を「Ｌ」→「Ｈ」に反転させる。これにより、第２及び第３スイッチＳＷ２、ＳＷ３がオフし、第１スイッチＳＷ１はオンするから、エンドキャップ電極４、５に直流高電圧ＶＨが印加されることになる。もし、第１乃至第３スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３が同時にオンしてしまうと、直流高電圧ＶＨが高周波発生器１７の出力に印加され破壊されるおそれがあるが、上記のように適宜の遅延時間ｄ２を設けることにより、第２及び第３スイッチＳＷ２、ＳＷ３が確実にオフした後に第１スイッチＳＷ１をオンさせることができる。

エンドキャップ電極４、５に直流高電圧ＶＨを印加すると、イオントラップ２内に捕捉されているイオンに運動エネルギーが付与され、イオントラップ２から排出されてＴＯＦＭＳ６に導入される。これにより、ＴＯＦＭＳ６による質量分析が開始される。即ち、指令信号経路Ｓ２上の指令信号パルスは、イオントラップ２からのイオンの排出開始を指示するものである。

その後に、図６中のＴ３のタイミングで以て制御部１０が指令信号経路Ｓ３に指令信号パルスを送ると、パルス生成部１４では電圧切替制御信号ＳＣ１を「Ｈ」→「Ｌ」に反転させ、それから或る時間ｄ３だけ遅延して電圧切替制御信号ＳＣ２、ＳＣ４を「Ｌ」→「Ｈ」に反転させる。これにより、第１スイッチＳＷ１がオフし、第２及び第４スイッチＳＷ２、ＳＷ４はオンするから、初期状態と同様にエンドキャップ電極４、５は接地されることになる。もし、第１、第２及び第４スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ４が同時にオンしてしまうと、高圧電源１６の出力が接地され破壊されるおそれがあるが、上記のように適宜の遅延時間ｄ３を設けることにより、第１スイッチＳＷ１が確実にオフした後に第２及び第４スイッチＳＷ２、ＳＷ４をオンさせることができる。指令信号経路Ｓ３上の指令信号パルスはＴＯＦ分析の終了を指示するものであり、また同時に必要に応じて次の分析対象のイオンをイオントラップ２に保持する動作の開始を指示するものである。

なお、アイソレーション又は衝突誘起解離を行う時間はイオントラップ２内でのＭＳ／ＭＳの繰り返し回数に依存し、ＴＯＦＭＳ６で質量分析する時間は質量範囲に依存する。そのため、制御部１０において、ＣＰＵ１１は分析条件に応じて指令信号パルスの発生時間間隔などを変更するようにカウンタ１２の時間を適宜設定する。したがって、上記構成では、様々な分析条件に柔軟に対応することができる。

上述したように、３系統の指令信号経路Ｓ１〜Ｓ３上の各指令信号パルスに対応して４個のスイッチＳＷ１〜ＳＷ４の動作は決まっており、イオントラップ２の動作モード（つまりイオンに関する操作の内容）も決まっている。そのため、例えば制御部１０の誤動作によりカウンタ１２の設定時間に誤りが生じたり、制御部１０とパルス生成部１４との間の指令信号経路等の断線やコネクタの接触不良などにより必要な指令信号パルスがパルス生成部１４に入力されないと、動作モードの順序が乱れ、不具合が発生することになる。

この不具合の例について図７、図８を参照して説明する。図７は指令信号経路Ｓ２→Ｓ１→Ｓ３の順番で指令信号パルスがパルス生成部１４に入力される場合の例である。この場合、最初に指令信号経路Ｓ２の指令信号パルスが入力されるため、エンドキャップ電極４、５にアイソレーション又はＣＩＤ動作のための高周波電圧ＲＦが印加されないまま直流高電圧ＶＨが印加され、これによってイオンはイオントラップ２から排出されてしまう。次いで指令信号経路Ｓ１の指令信号パルスが入力されると第４スイッチＳＷ４はオフされるが、エンドキャップ電極４、５には直流高電圧ＶＨが印加され続けたままとなるだけである。その後、指令信号経路Ｓ３の指令信号パルスが入力されると、第１スイッチＳＷ１はオフされて直流高電圧ＶＨの印加は停止されるものの、このとき第３スイッチＳＷ３がオンしたまま第４スイッチＳＷ４もオンされてしまうため、高周波発生器１７の出力が接地されて破壊に至るおそれがある。

一方、図８は指令信号経路Ｓ１→Ｓ３→Ｓ２の順番で指令信号パルスがパルス生成部１４に入力される場合の例である。この場合にも、指令信号経路Ｓ３の指令信号パルスが入力されたときに、第３スイッチＳＷ３がオンしたまま第４スイッチＳＷ４もオンされてしまうため、高周波発生器１７の出力が接地されて破壊に至るおそれがある。

特開2004-214077号公報

制御部１０とパルス生成部１４との間の指令信号経路等の断線やコネクタの接触不良などの不良により必要な指令信号パルスが到来しないときに、動作モードの順序が乱れて適切な分析が行えないのは仕方がないにしても、それが原因で装置の破壊や故障が起こることは極力防止することが望ましい。本発明はこうした点に鑑みて成されたものであり、その主な目的とするところは、上記のような各種不良や誤動作によっても装置の故障を防止することができる質量分析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、イオンに関する各種操作を行うための電場を形成する１乃至複数の電極と、該電極に電圧を印加する電圧印加手段とを具備し、該電圧印加手段により、前記電極に印加する電圧の極性、電圧値、直流／交流の少なくともいずれかを時間経過に伴って切り替えることでイオンに関する複数の操作を順番に実行する質量分析装置において、
a)分析動作を実行するためにＮ（Ｎは２以上）本の指令信号経路に規定の順序で以て指令信号を送る動作指示手段と、
b)異なる指令信号経路上の指令信号に応じてそれぞれ異なるイオン操作のための電圧切替制御信号を生成する信号生成手段と、
c)前記Ｎ本の指令信号経路上の指令信号が規定の順序で与えられているか否かを検証する順序検証手段と、
を備え、前記信号生成手段は、前記順序検証手段により指令信号が規定の順序で与えられないことを検知したときに、前記電極に電圧が印加されず且つ前記電圧印加手段の出力短絡も生じないように電圧切替制御信号を設定するようにしたことを特徴としている。

本発明に係る質量分析装置において、順序検証手段は、動作指示手段から信号生成手段に与えられるＮ本の指令信号経路上の指令信号の順序が規定の通りであるか否かチェックし、規定の通りであればそのまま分析を継続させる。一方、Ｎ本の指令信号経路上の指令信号の順序が規定の通りでないことが検知されたならば、信号生成手段は、電極に電圧が印加されず且つ電圧印加手段の出力短絡も生じないように電圧切替制御信号を設定する。例えば、ｎ番目の指令信号経路上の指令信号を認識した後に本来ｎ＋１番目の指令信号経路上の指令信号が発生する筈であるのに他の指令信号経路上の指令信号が認識された場合には、その誤った指令信号を認識した時点で速やかに電圧切替制御信号を上述したように設定する。具体的に、電圧印加手段において複数のスイッチのオン・オフにより電圧の切替えを達成している場合には、全てのスイッチをオフさせればよい。

また、電極に電圧を印加しないだけでなく、分析の遂行自体も停止させたほうがよいから、本発明に係る質量分析装置においては、順序検証手段により指令信号が規定の順序で与えられないことを検知したときに分析動作を停止する制御手段をさらに備える構成とするとよい。

また、制御手段により分析動作が停止されたときに異常を報知する異常報知手段をさらに備える構成としておけば、分析者はすぐに不具合に気付いて装置をチェックする等適切な対応をとることができる。

本発明に係る質量分析装置によれば、例えばノイズの混入などに起因する誤動作、信号線の断線や接触不良などが起こり、イオンに関する操作の順序が乱れるような誤った制御指令が到来しても、それによる装置の損傷や故障を回避することができる。また、不適切な分析を停止させることで、それ以降の分析のために試料を無駄に消費することも防止することができる。

但し、例えばバッチ処理で多数の試料を長時間をかけて分析するような場合には、ノイズ等の偶発的或いは一時的な不具合で以降の処理を全く停止してしまうと、却って多大な損失を生じることもある。

そこで本発明に係る質量分析装置では、前記動作指示手段は分析動作が停止された後に初期状態に戻した上で再び指令信号を送出し、前記順序検証手段はこの指令信号が規定の順序で与えられているか否かを検証し、前記制御手段は、前記順序検証手段により指令信号が規定の順序で与えられていることを検知したときに分析動作を再開させる構成としてもよい。この構成によれば、一旦分析が停止された後に不具合が解消されれば分析が再開されるので、効率的な分析と安全性の確保とを両立させることができる。

以下、本発明の質量分析装置の一実施例について図面を参照して説明する。本実施例による質量分析装置の全体構成は既に説明した図４と同じであるので説明を略す。

図１は本実施例の質量分析装置においてエンドキャップ電極に電圧を印加するための電圧発生部のブロック構成図、図２はこの電圧発生部の動作を説明するためのタイミング図、図３は本実施例による質量分析装置における電圧発生部の異常時の動作を示すタイミング図である。既に説明した図５と同一の構成要素には同一符号を付して、特に要しない限り説明を省略する。

図１に示すように、この実施例の構成では、制御部１０から３系統の指令信号経路Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を受ける切替シーケンサ１３は、上述したパルス生成部１４と順序判定部１５とを備える。パルス生成部１４は本発明における信号生成手段に相当し、順序判定部１５は順序検証手段に相当する。また、制御部１０は本発明における動作指示手段及び制御手段に相当する。順序判定部１５は、例えば３系統の指令信号経路Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３による指令信号パルスに応じて内部状態が遷移するステートマシンと、それぞれの内部状態において有効でないパルスが入力されたときにエラー信号を出力する（出力レベルが変化する又はパルスを出力する）回路とすることができる。

いま図２（ａ）に示すように、指令信号経路Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３上の指令信号パルスが規定の順序、つまり指令信号経路Ｓ１→Ｓ２→Ｓ３で与えられたとき、順序判定部１５の判定出力は変化しない（この例では「Ｌ」を維持する）。したがって、先に図６により説明したような電圧切替制御信号ＳＣ１〜ＳＣ４が切替部２０に送られ、切替部２０の各スイッチＳＷ１〜ＳＷ４は所定のシーケンスで以てオン・オフし、アイソレーション又はＣＩＤ→イオン排出→ＴＯＦ分析終了、と各操作が実行される。

一方、図２（ｂ）に示すように指令信号経路のＳ１、Ｓ２、Ｓ３上の指令信号パルスが規定外の順序、この場合には指令信号経路Ｓ１→Ｓ３→Ｓ２で与えられたとき、順序判定部１５の判定出力は誤った順序である指令信号経路Ｓ３上の指令信号パルスが入力されるとすぐに「Ｌ」→「Ｈ」に反転する。この判定結果を受けたパルス生成部１４は、電圧切替制御信号ＳＣ１〜ＳＣ４を全て「Ｌ」にする。これにより、切替部２０では第１乃至第４スイッチＳＷ１〜ＳＷ４がオフし、高圧電源１６、高周波発生器１７、エンドキャップ電極４、５は互いに切り離される。

上述の如く、図８に示すように誤った順序である指令信号経路Ｓ３上の指令信号パルスが入力された場合に、その立ち上がりエッジから所定の時間ｄ３だけ遅延した時点で電圧切替制御信号ＳＣ４が「Ｌ」→「Ｈ」に変化し、高周波発生器１７の出力が接地されてしまうおそれがある。したがって、その指令信号パルスの立ち上がりエッジから判定出力が「Ｌ」→「Ｈ」に変化するまでの所要時間を遅延時間ｄ３よりも短くしておくことにより、電圧切替制御信号ＳＣ４を「Ｌ」→「Ｈ」に変化させることなく「Ｌ」に維持することができる。この状態を示したのが図３である。即ち、指令信号経路Ｓ３上の指令信号パルスが入力された直後に判定出力が「Ｌ」→「Ｈ」に反転し、それ以降、電圧切替制御信号ＳＣ１〜ＳＣ４は全て「Ｌ」を維持する。それにより、切替部２０において全てのスイッチＳＷ１〜ＳＷ４はオフするから、高周波発生器１７の出力が接地されるという問題は生じない。

また、上記判定出力は制御部１０にも入力され、制御部１０はこれによりエラーが発生したことを認識して分析の遂行自体を中止し、表示部１８によりエラーが生じたことを報知する。これにより、以降の分析が中止されるので試料が無駄に消費されることがなくなり、分析者は分析エラーになったことを認識して適切な対処を迅速にとることができる。

但し、断線や接触不良などのハードウエア上の不具合の場合には上記のような不具合が自発的に解消される可能性はないが、例えば制御部１０へのスパイクノイズの混入等、一時的な要因である場合には上記のような不具合は自発的に解消される可能性が高い。そこで、多数の試料を順番に分析しているような場合には、制御部１０は順序判定部１５からエラー信号を受けた後に初期状態に戻した上で再び指令信号パルスを送り続け、順序判定部１５は繰り返し順序判定を実行する。そして、規定の順序で指令信号パルスが入力されたならばエラーを解除し、電圧切替制御信号ＳＣ１〜ＳＣ４が再び出力されるようにしてもよい。これにより、不具合が解消されたときに分析を自動的に再開することができる。

なお、上記実施例は本発明の一例であり、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。即ち、上記実施例ではイオントラップ２でのイオンに関する操作のみを例示したが、イオンを輸送するためのイオン光学系、四重極質量フィルタ、イオン検出器、などイオンに関する複数の何らかの操作を時間経過に伴って順番に実施するような各種の電極に電圧を印加する装置全般に利用することができる。

本発明の一実施例による質量分析装置における電圧発生部のブロック構成図。本実施例による質量分析装置における電圧発生部の動作を説明するためのタイミング図。本実施例による質量分析装置における電圧発生部の異常時の動作を示すタイミング図。本発明を適用する質量分析装置の一例の全体構成図。従来の質量分析装置における電圧発生部のブロック構成図。電圧発生部の正規の動作を示すタイミング図。電圧発生部の異常時の動作を示すタイミング図。電圧発生部の異常時の動作を示すタイミング図。

符号の説明

１…イオン化部
２…イオントラップ
３…リング電極
４、５…エンドキャップ電極
６…ＴＯＦＭＳ
７…検出器
１０…制御部
１１…ＣＰＵ
１２…カウンタ
１３…切替シーケンサ
１４…パルス生成部
１５…順序判定部
１６…高圧電源
１７…高周波発生器
１８…表示部
２０…切替部
ＳＷ１〜ＳＷ４…スイッチ

Claims

イオンに関する各種操作を行うための電場を形成する１乃至複数の電極と、該電極に電圧を印加する電圧印加手段とを具備し、該電圧印加手段により、前記電極に印加する電圧の極性、電圧値、直流／交流の少なくともいずれかを時間経過に伴って切り替えることでイオンに関する複数の操作を順番に実行する質量分析装置において、
a)分析動作を実行するためにＮ（Ｎは２以上）本の指令信号経路に規定の順序で以て指令信号を送る動作指示手段と、
b)異なる指令信号経路上の指令信号に応じてそれぞれ異なるイオン操作のための電圧切替制御信号を生成する信号生成手段と、
c)前記Ｎ本の指令信号経路上の指令信号が規定の順序で与えられているか否かを検証する順序検証手段と、
を備え、前記信号生成手段は、前記順序検証手段により指令信号が規定の順序で与えられないことを検知したときに、前記電極に電圧が印加されず且つ前記電圧印加手段の出力短絡も生じないように電圧切替制御信号を設定するようにしたことを特徴とする質量分析装置。
前記順序検証手段により指令信号が規定の順序で与えられないことを検知したときに分析動作を停止する制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
前記制御手段により分析動作が停止されたときに異常を報知する異常報知手段をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の質量分析装置。
前記動作指示手段は分析動作が停止された後に初期状態に戻した上で再び指令信号を送出し、前記順序検証手段はこの指令信号が規定の順序で与えられているか否かを検証し、前記制御手段は、前記順序検証手段により指令信号が規定の順序で与えられていることを検知したときに分析動作を再開させることを特徴とする請求項２又は３に記載の質量分析装置。