JP4907196B2 - 質量分析用データ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、質量分析技術に関し、特に、飛行時間型の質量分析装置におけるＡ／Ｄ変換器（アナログ／デジタル変換器）を用いた質量分析用データ処理装置に適用して有効な技術に関する。

飛行時間型の質量分析装置（ＴＯＦ−ＭＳ：Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）は、導入部、ＴＯＦ部、ゲイン調整器、イオン打ち出し信号発生器、データ収集回路などから構成され、試料をイオン化して加速・飛行させ、その質量に応じた飛行時間とイオンの強度（電圧値）を測定することで試料に含まれる成分を分析する装置である。

このＴＯＦ−ＭＳにおける分析においては、まず、分析される試料は、導入部にてイオン化され、測定開始と同時にＴＯＦ部に送り込まれる。ＴＯＦ部に入ったイオンは、イオン打ち出し信号のタイミングで電圧を印加されて、真空状態のＴＯＦ部の内部を所定の軌道で飛行する。

ＴＯＦ部の内部にて、イオンが検出器に到達（衝突）すると、検出器からはイオン検出信号が出力される。このイオン検出信号は、固定ゲイン設定のゲイン調整回路を介してＡ／Ｄ変換器を用いたデータ収集回路で収集され、そのデータはＣＰＵを介して入出力装置に出力される。測定結果はマススペクトルとして表示され、個々のスペクトルの強度（電圧値）およびその時間（質量）から試料に含まれる成分を分析することができる。

例えば、ＴＯＦ−ＭＳとしては、特許文献１に記載のように、ゲイン切替手段を設けて、オーバーレンジを検出したマススペクトルでは、ゲインを下げて再測定を行い、オーバーレンジが発生したピーク値の補償を行う技術が知られている。
特許第３７０１１３６号公報

ところで、前記のようなＴＯＦ−ＭＳについて、本発明者が検討した結果、以下のようなことが明らかとなった。図９および図１０を用いて説明する。図９は質量分析装置における測定の様子（ＴＯＦスキャン）および積算処理を示す図、図１０はＴＯＦスキャン毎の最大振幅値特性を示す図である。

たとえば、ＴＯＦ−ＭＳでは、１回の測定で得られるスペクトラムデータの測定感度（ＳＮ比）が不十分であることが多く、図９に示すように複数回の測定で得られる波形データを積算処理することによってマススペクトルを得て、測定の感度を向上させている。ここでは、マススペクトルを得るための測定をマススペクトル測定と呼び、１回の測定のことをＴＯＦスキャンと呼ぶ。ＴＯＦスキャンとは、１回のイオン打ち出し信号によって加速された分のイオンの検出器出力データ、すなわち図９に示すような、時間ｔｏ（イオン打ち出しタイミング）からｔ１までのスペクトラムデータを収集することを指すものとする。

なお、図９では、説明の便宜上、どのＴＯＦスキャンにおいてもほぼ同じ時間（質量）にピーク値を持ったスペクトラムデータとなっているが、本来は１つのイオンや、ほぼ同じ時間に複数のイオンが検出されるため、ＴＯＦスキャン毎にスペクトラムの形状（ピーク値の強度やスペクトラムの幅など）が変化する。

ＴＯＦ−ＭＳの大きな特徴として、イオン検出信号の電圧振幅値は、ＴＯＦスキャンの回数（時間の経過）によって徐々に変化する特性を持っている。ここで、“徐々に”とは１回前のＴＯＦスキャンで取得した振幅値に対して倍半分以下の変化量を指すこととし、振幅値が急激に変動するものではないことを意味する。

ＴＯＦスキャン回数に対するイオン検出信号の最大振幅値の変化は、図１０のようになる。最大振幅値とは、１回のＴＯＦスキャンで得られたスペクトラムデータの中で最大ピーク値と最小ピーク値の電圧差を指している（図９参照）。この最大振幅値は、検出器に衝突するイオン量に比例しており、すなわち図１０の特性は測定中のイオン濃度の変化も表している。この特性は、マススペクトル測定を開始した（イオン流入）後に増大し、ピークを迎えると、その後、徐々に減衰していき、その最大値と最小値の振幅差は２０倍以上になる場合もある。これは、マススペクトル測定開始直後はイオン濃度も高く、ＴＯＦスキャンで打ち出されるイオン数も多いが、ＴＯＦスキャンを繰り返すことで徐々に濃度が薄くなってくるためである。また、試料やＴＯＦ内部の真空度の違いなどにより特性の形状には若干の差異はあるものの、図１０のような徐々に、またはある程度単調な最大振幅値の変動特性を示す。

そのため、例えば、上記特性の最大値側にＡ／Ｄ変換器のフルスケール（入力可能電圧範囲）を合わせて測定した場合には、振幅値が低い信号に対するＡ／Ｄ変換器のダイナミックレンジ（分解能）が不足し、測定精度が大きく劣化してしまう。逆に、最小値側に合わせて測定した場合には、振幅が大きい信号に対して、Ａ／Ｄ変換器がオーバーレンジを起こし、正しいデータが取得されないため、同じように測定精度が大きく劣化してしまうといった問題がある。

一般的には、極めて高いダイナミックレンジ（多ビット）を持ったＡ／Ｄ変換器を用いることにより、このような問題を解決することは可能であるが、サンプリング周波数（時間分解能）の高いＡ／Ｄ変換器になると、ビット数の増加に伴い、コストの上昇を招いてしまうという問題が生じる。

また、前記特許文献１の技術では、一度マススペクトルを得てから、オーバーレンジの判断後、再度測定を行うために測定時間が長大化する。

以上のように、質量分析装置におけるデータ収集回路では、イオン検出信号の測定精度（ＳＮ比）を向上させるために、実施したＴＯＦスキャン回数分のデータは全て収集し、積算処理される。そのため、従来技術の一つ目の問題点は、低いダイナミックレンジでの測定データやオーバーレンジを起こした測定データが収集されると、積算データの信号再現性が大きく劣化してしまうことである。

また、従来技術の２つ目の問題点は、Ａ／Ｄ変換器からのオーバーレンジ信号の発生を検出して所定の測定感度となるまで再測定を繰り返す方法では、所望のマススペクトルを得るまでの測定時間が長大化することである。

そこで、本発明は、以上のような問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、飛行時間型の質量分析装置におけるＡ／Ｄ変換方式の質量分析用データ処理装置において、測定時間の経過に伴って信号レベルが変化するようなイオン信号に対しても、全てのＴＯＦスキャンにおいて、Ａ／Ｄ変換器でのオーバーレンジを発生させず、かつ高いダイナミックレンジでの測定を行うことで、イオン信号の再現性が高く、かつ所望のマススペクトルを効率良く短時間で得るための技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

前記目的を達成するために、本発明は、飛行時間データの測定・収集を行うＡ／Ｄ変換方式の質量分析用データ処理装置において、イオンの打ち出し毎にイオン検出信号の最大電位差を測定して格納する電位差演算手段と、電位差演算手段の出力により次回測定時のゲイン量を決定して設定するゲイン制御手段と、ゲイン制御手段によりゲインが調整されたイオン検出信号をサンプリングするＡ／Ｄ変換器とを少なくとも備え、以下のような実現手段を有するものである。

本発明の１つ目の実現手段は、１回前または複数回前のＴＯＦスキャンデータからイオン検出信号の最大振幅値（または所定の演算値）を抽出し、次のＴＯＦスキャンが実行される前に、その最大振幅値（または所定の演算値）を元に最適なゲイン量を決定し、入力信号のゲインを調整することにより、イオン信号をＡ／Ｄ変換器でサンプリングするものである。

また、本発明の２つ目の実現手段は、マススペクトルを得るためのゲイン調整値を予め取得しておき、ＴＯＦスキャン毎にその調整値をＴＯＦスキャンが実行される前にゲイン量を設定し、イオン信号をＡ／Ｄ変換器でサンプリングするものである。

さらに、本発明の３つ目の実現手段は、ＴＯＦ部にイオン量を検出する新たな検出器を設けて、ＴＯＦスキャン前に総イオン量を測定し、そのイオン量より、適切なゲイン調整値を算出して、ＴＯＦスキャンが実行される前にゲイン量を設定し、イオン信号をＡ／Ｄ変換器でサンプリングするものである。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

本発明によれば、飛行時間型の質量分析装置におけるＡ／Ｄ変換方式の質量分析用データ処理装置において、ＴＯＦスキャン毎に適切なゲイン調整を行ってイオン信号をＡ／Ｄ変換器によりサンプリングするので、Ａ／Ｄ変換器でのオーバーレンジを発生させず、かつ高いダイナミックレンジで測定が可能となり、イオン信号の信号再現性が高く、かつ所望のマススペクトルを効率良く得ることができる。

また、本発明によれば、飛行時間型の質量分析装置におけるＡ／Ｄ変換方式の質量分析用データ処理装置において、ＴＯＦスキャン毎の適切なゲイン調整に加えて、更に測定中にオーバーレンジが発生しても、それを検出してデータの格納有無の制御を行ってイオン信号のＡ／Ｄ変換器によるサンプリング精度を劣化させずに信号積算を可能にできる。これにより、高いダイナミックレンジを実現して、イオン信号の信号再現性が高く、かつ所望のマススペクトルを効率良く得ることができる。

さらに、本発明によれば、飛行時間型の質量分析装置におけるＡ／Ｄ変換方式の質量分析用データ処理装置において、測定を行う試料の濃度や種類によるイオン信号の信号振幅に対する適切なゲイン調整値を与えたり、また、１回または複数回前のマススペクトル測定時のイオン信号の信号振幅から得た結果から適切なゲイン調整値を測定開始時より設定可能にすることで、測定開始直後より、高いダイナミックレンジを実現して、イオン信号の信号再現性が高く、かつ所望のマススペクトルを効率良く得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

（実施の形態１）
図１により、本発明の実施の形態１であるＡ／Ｄ変換方式の質量分析用データ処理装置を用いた質量分析装置の構成の一例を説明する。図１は、Ａ／Ｄ変換方式の質量分析用データ処理装置を用いた質量分析装置の構成を示す。

実施の形態１の質量分析装置は、飛行時間型の質量分析装置であり、以下に述べる所定の方法によりデータ収集を行うものである。

この質量分析装置は、分析を行う試料をイオン化する導入部１と、イオン化された試料に電圧を印加して加速させ、検出器に向けてイオンを飛行させるＴＯＦ部２と、飛行してきたイオンを検出する検出器２１と、イオンを加速させるタイミングを決定するイオン打ち出し信号４ａを発生するイオン打ち出し信号発生器４とを有する部分と、検出器２１から発生されるイオン検出信号２ａの電圧値および飛行時間を計測・収集するためのデータ収集回路５００と、それを制御し、取得したデータ５００ｂを解析処理するためのＣＰＵ６と、その測定結果および解析結果を表示し、ユーザが装置制御を行うための入出力装置７とから構成される。

ここで、実施の形態１のデータ収集回路５００は、基本的にはＡ／Ｄ変換器を用いた質量分析用データ処理装置であり、イオン検出信号２ａをデジタル化し、ＴＯＦスキャンデータ５１ａに変換するＡ／Ｄ変換器５１と、デジタル化されたＴＯＦスキャンデータ５１ａの積算処理を行う信号積算演算回路５４と、積算されたデータを格納する積算メモリ５３と、クロック発生器５０と、カウンタ５２と、後述の構成要素とで構成される。

このデータ収集回路５００は、Ａ／Ｄ変換器５１の前段で、入力されるイオン信号のレベルを任意に調整できるゲイン調整回路５５と、デジタル化されたＴＯＦスキャンデータ５１ａからイオン信号の最大振幅値を求める電位差演算回路５６と、最大振幅値から次のＴＯＦスキャン時に最適なゲイン量を求め、ゲイン調整回路５５のゲインを設定するゲイン制御回路５７とで構成されている。

クロック発生器５０は、データ収集回路５００内の各構成回路で使用する様々な動作クロックを生成することができ、Ａ／Ｄ変換器５１や、カウンタ５２など、このクロック発生器５０からのクロック信号に同期して動作している。また、カウンタ５２はデータ収集回路５００内の各構成回路の時間情報となるカウンタ値５２ａや、測定開始信号５００ａを生成することができる。

次に、ＴＯＦスキャンを１回実行した時のデータ収集回路５００の動作について説明する。

ここでは、ＴＯＦスキャンが実行される前に、ゲイン制御回路５７から出力されたゲイン量データ５７ａが、すでにゲイン調整回路５５および信号積算演算回路５４に設定されている状態とする。ゲイン量データ５７ａの初期値はｎ（但し、０≦ｎ）とし、次のＴＯＦスキャン時には、ゲイン調整回路５５ではｎ倍、信号積算演算回路５４では１／ｎ倍という値が使用される。

まず、ＣＰＵ６もしくは外部の装置からＴＯＦスキャン開始命令が与えられると、データ収集回路５００内のカウンタ５２で測定開始信号５００ａが発生される。データ収集回路５００では、この信号の発生時間が基準時間（０秒）となり、ユーザが設定する時間範囲においてデータ収集が行われる。

測定開始信号５００ａを受けたイオン打ち出し信号発生器４は、ＴＯＦ部２にイオン打ち出し信号４ａを送り、ＴＯＦ部２はその信号を受けたタイミングでイオンを打ち出す。打ち出されて飛行したイオンが検出器２１に到着（衝突）すると、検出器２１からはイオン検出信号２ａが発生される。

イオン検出信号２ａはデータ収集回路５００に入力され、ゲイン調整回路５５でゲインを調整されてから、Ａ／Ｄ変換器５１でサンプリングされる。

ゲイン調整回路５５には、初期値としてｎ倍が設定されているため、入力されたイオン検出信号２ａはｎ倍されてＡ／Ｄ変換器５１に入力される。

Ａ／Ｄ変換器５１では、ｎ倍されたイオン検出信号５５ａを、ある時間周期でサンプリングし、各時間での電圧値を示すＴＯＦスキャンデータ（デジタル値データ）５１ａに変換する。取得されたＴＯＦスキャンデータ５１ａは、ｎ倍にゲイン調整された値のため、信号積算演算回路５４にて元の値に換算（１／ｎ倍）しながら積算メモリ５３に格納する。すでに積算メモリ５３にデータが格納されている場合は、信号積算演算回路５４にて一旦積算メモリ５３の内容を読み出し、換算後の現在のＴＯＦスキャンデータ５１ａを加算してから、再度、積算メモリ５３に格納する。

ＴＯＦスキャンデータ５１ａは、積算メモリ５３に格納される一方で、次のＴＯＦスキャン時のゲイン量を決定するために使用される。電位差演算回路５６では、ＴＯＦスキャンデータから、最大の電圧値を示す最大ピーク値と、最小の電圧値を示す最小ピーク値を検出し、その電位差を演算することにより、ＴＯＦスキャンデータ中の最大振幅値が求められる。この最小ピーク値には、Ａ／Ｄ変換器５１に信号を入力していない状態で測定した時のノイズレベル電圧（最大値または平均値）や、ユーザが直接設定した値を用いても良い。

次に、ゲイン制御回路５７は、現在のＴＯＦスキャンデータ５１ａから求めた最大振幅値５６ａを基に、次のＴＯＦスキャン時のイオン信号レベルが、なるべくＡ／Ｄ変換器５１のフルスケールに近く、かつ、オーバーレンジを起こさないようなゲイン量を決定する。

続いて、図２および図３により、実施の形態１のゲイン制御回路５７におけるゲイン調整処理の一例について説明する。図２は、イオン信号の最大振幅値特性とゲイン調整処理の様子を示す。図３は、マススペクトル測定時の処理フローを示す。

図３のフローチャートは１回のマススペクトル処理を示しており、処理３０８はゲイン制御回路５７が行う処理を示す。また本実施の形態では、各ＴＯＦスキャン間に生じる最大振幅値の変化が、１回前の値に対して±２５％（１／４）以内である信号（急激な変化はしない信号）についてゲイン調整を行った場合の動作を説明する。

測定開始から処理３００〜３０３（初期ゲイン量設定、ＴＯＦスキャン実行、測定データ格納、最大振幅値算出）によって、１回目のＴＯＦスキャンが終了し、ＴＯＦスキャンデータから最大振幅値が算出される。

次に、ゲイン制御回路５７では、ゲイン調整されているデータから算出された最大振幅値が、Ａ／Ｄ変換器５１のフルスケールに対し、どのくらいのレベルであるかを判定し、次のＴＯＦスキャン時のゲインを決定する（処理３０４）。処理３０４における判定は、図２に示すように、Ａ／Ｄ変換器５１のフルスケールを４等分し、得られた最大振幅値がフルスケールの１／４以下の範囲である場合はゲイン量（現設定値）を２倍し（処理３０５）、最大振幅値がフルスケールの３／４以上の範囲である場合は、ゲイン量（現設定値）を１／２倍する（処理３０６）。また、それ以外の範囲である場合は、ゲイン量は変えずに現設定値のまま（１倍）とする。

ここで、ゲイン量を決定するための最大振幅値には、１回前のＴＯＦスキャンデータを用いているが、複数回前までのＴＯＦスキャンデータから算出した最大振幅値（例えば、平均値，最大値、等）を使用しても良い。初期ゲイン量設定（処理３００）は、これまでの測定、または前回のマススペクトル測定で得られた最大振幅値等から決定してもよく、１回目のＴＯＦスキャン時にできるだけオーバレンジを発生させず、かつＡ／Ｄ変換器のフルスケールに近い値とするものであればよい。

実際に最大振幅値が変化したときにゲイン量がどのように調整されるかを図２に示す。例えば、フルスケールが４００ｍＶのＡ／Ｄ変換器５１を使用し、ゲイン設定値の初期値が１倍で、測定された最大振幅値が２４０ｍＶであった場合（ＴＯＦスキャン１回目）、フルスケールの１／４〜３／４の範囲と判定され、次回ＴＯＦスキャン時のゲイン設定値はそのまま１倍に設定される。

次にＴＯＦスキャン２回目では、測定された最大振幅値が３０５ｍＶであり、フルスケールの３／４以上の範囲と判定され、次回ＴＯＦスキャン時のゲイン設定値はフローチャートの処理３０６に従って１／２倍となる。

以下、同様に処理が繰り返され、ＴＯＦスキャン８回目では最大振幅値が９５ｍＶであり、フルスケールの１／４以下の範囲と判定されるため、次回ＴＯＦスキャン時のゲイン設定値はフローチャートの処理３０５に従って２倍され、ここでは２倍に設定される。

ゲイン制御回路５７で決定されたゲイン量データ５７ａは、ゲイン調整回路５５と信号積算演算回路５４に送られる。

このゲイン量データ５７ａ（ｎ）は、ゲイン調整回路５５では、前述したように次回ＴＯＦスキャン時のゲイン量（×ｎ）として設定される。

信号積算演算回路５４では、現在のＴＯＦスキャンデータ５１ａの電圧値を、ゲイン量データ５７ａ（ｎ）に従って、元の値に換算（×１／ｎ）しながら積算メモリ５３に格納する。

すでに積算メモリ５３にデータが格納されている場合は、信号積算演算回路５４にて一旦、積算メモリ５３の内容を読み出し、現在のＴＯＦスキャンデータ５１ａを加算してから、再度、積算メモリ５３に格納される。

もし、Ａ／Ｄ変換器５１でオーバーレンジを発生してしまった場合は、Ａ／Ｄ変換器５１から出力されるオーバーレンジ信号を信号積算演算回路５４で検出し、その回のＴＯＦスキャンデータの積算を行わないようにする。これにより、オーバーレンジ発生時に取得したデータを積算しないようにするため、マススペクトル測定の精度劣化を防ぐこともできる。

ＴＯＦスキャンを終えると、処理３０７にてＴＯＦスキャン回数による測定終了判定が行われ、条件を満たしていない場合、処理３０１（ＴＯＦスキャン実行）に戻って処理が繰り返され、条件を満たした場合には、測定終了となる。

このように、ゲイン制御回路５７では、１回前または複数回前のＴＯＦスキャンから算出された最大振幅値を基に、次のＴＯＦスキャンにおいてオーバーレンジを発生させないように、かつ、なるべく高いダイナミックレンジで測定できるようなゲイン設定値を決定することができる。

本実施の形態では、１回のマススペクトル測定中のゲイン制御について主に述べたが、マススペクトル測定毎の測定開始時のゲイン制御も同様に、１回前または複数回前のマススペクトル測定中に算出された最大値振幅を基に、次のマススペクトル測定の開始時にオーバーレンジを発生させない様に、かつ、なるべく高いダイナミックレンジで測定できる様なゲイン調整値を決定すれば良いことは容易に分かる。

以上のように、実施の形態１の質量分析用データ処理装置によれば、Ａ／Ｄ変換方式のデータ収集回路５００において、１回前または複数回前のＴＯＦスキャンで取得したデータからイオン検出信号の最大振幅値を検出し、その最大振幅値を基に、次回ＴＯＦスキャン時の入力信号レベルのゲインを調整しながら測定するので、全てのＴＯＦスキャンでオーバーレンジを発生させないように、かつ、なるべく高いダイナミックレンジでの測定を行うことができる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２における質量分析用データ処理装置およびデータ処理方法について説明する。

実施の形態２におけるデータ収集回路は、ゲイン調整方法に特徴があり、ハード的な構成および測定データの積算方法は前記実施の形態１と同様である。

図４により、ＴＯＦスキャン回数に対するイオン信号の最大振幅値特性の一例を説明する。図４は、イオン信号の最大振幅値特性を示す。

前記実施の形態１では、ＴＯＦスキャン間に生じる最大振幅値の変化量が、１回前の値に対して±２５％（１／４）以内であることを前提としているが、試料や測定条件によっては、図４に示すように、急な立ち上がりを持った特性を示す場合がある。

図４に示す特性では、マススペクトル測定開始（イオン流入）直後から最大振幅値は急激に増大し、１回目と２回目のＴＯＦスキャン間の最大振幅値の変化量は、１回前のデータに対して４倍以上増加し、２回目と３回目のＴＯＦスキャン間の変化量は２倍以上に増加している。但し、最大振幅値がピークを迎えてからは急激に減衰することはなく、図２と同様に徐々に減衰していく特性を示す。

このような特性に対し、前記実施の形態１で説明したゲイン調整を適用した場合、信号の最大振幅値が急激に変化する範囲のＴＯＦスキャンにおいて、図４に示すようにゲイン制御が最適なゲイン値に追従できず、オーバーレンジが発生してしまう可能性がある。

そこで、実施の形態２では、マススペクトル測定の前にプレスキャンを実施し、あらかじめイオン信号の最大振幅値特性を測定して、その特性に合わせた最適なゲイン量データを算出・記録し、実際のマススペクトル測定では、記録してあるゲイン量データをそのＴＯＦスキャン番号に合わせてメモリから読み出して設定することによって、全てのＴＯＦスキャンでオーバーレンジを発生させずに、かつ、高いダイナミックレンジでの測定が可能となる。

図５により、実施の形態２におけるマススペクトル処理の一例を説明する。図５は、マススペクトル測定時の処理フローを示す。

まず、処理５００でプレスキャン実行時の初期ゲイン量を設定する。但し、処理５００はプレスキャン実行前であり、測定する最大振幅値特性のピーク値が分からないため、大きい信号が入ってきてもオーバーレンジを起こさないようなゲイン量を設定しておく。

次に、プレスキャンを実行する（処理５０１）。プレスキャンでは、マススペクトル測定と同等の測定（同じ回数のＴＯＦスキャン）が行われ、ＴＯＦスキャン番号毎に最大振幅値を測定し、その測定値を基に、ＴＯＦスキャン番号毎に最適なゲイン量を算出する。プレスキャンで算出されたゲイン量データは、処理５０２でゲイン制御回路５７の内部にあるゲイン量メモリに格納される。

ここで、最大振幅値から最適なゲイン量を算出する方法は、前記実施の形態１で説明したゲイン制御のように、Ａ／Ｄ変換器５１のフルスケールに対して設けたしきい値に従ってゲイン量を決定しても良いし、一旦、最大振幅値特性のデータをＣＰＵ６に転送し、ＣＰＵ６にて最適なゲイン量データを演算しても良い。また、プレスキャンは１回とは限らず、複数回実行して、複数回分のゲイン量データの平均値を求め、その値をゲイン量メモリに格納しても良い。

処理５０３では、処理５０４で実行されるＴＯＦスキャン番号に合わせて、ゲイン量メモリから最適なゲイン量を読み出し、ゲイン調整回路５５および信号積算演算回路５４に自動的に設定する。処理５０４，５０５ではプレスキャンによって決められたゲイン設定でＴＯＦスキャンを実行し、測定データを積算メモリ５３に格納する。ＴＯＦスキャン終了後は、処理５０６でスキャン回数による測定終了判定が行われ、条件を満たしていない場合、処理５０３に戻り、次のゲイン設定からＴＯＦスキャン処理が処理５０７で繰り返され、条件を満たした場合にはそこで測定終了となる。

このように、実施の形態２では、マススペクトル測定の前にプレスキャンを実施し、あらかじめ最大振幅値の特性を測定して、その特性に合わせた最適なゲイン量データを算出・記録しておくことによって、図４のように、最大振幅値が急激に変化するようなイオン信号に対しても、記録されたゲイン量データに従って、自動的に最適なゲインを調整できるため、全てのＴＯＦスキャンでオーバーレンジを発生させず、かつ、なるべく高いダイナミックレンジでの測定が可能となる。

また、イオン信号の最大振幅値の特性は、試料や測定条件によって変化するため、マススペクトル測定時の特性が、必ずしもプレスキャンで測定した特性と一致するとは限らない。特に、急激に振幅値が増大する立ち上がりの部分については、その変化量が大きすぎる故に、ＴＯＦスキャン毎の最大振幅値が再現しない場合がある。そのため、プレスキャンで算出・記録したゲイン量データを設定して測定を行ったにも関わらず、オーバーレンジを起こしてしまう可能性がある。

この場合、実施の形態２におけるデータ収集回路では、例えば、ＴＯＦスキャン３回目で最大振幅値がピークを迎えるような急激な立ち上がりを持った特性に対しては、３回目まで（最大振幅値がピークを迎えるまで）のＴＯＦスキャンは、ＴＯＦスキャン番号毎に記録されているゲイン量を使用せずに、最大振幅値特性のピーク値に合わせて求めたゲイン量を使用することによって、立ち上がり部分でのオーバーレンジを発生させないように対応することが可能である。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３における質量分析用データ処理装置およびデータ処理方法について説明する。

実施の形態３におけるデータ収集回路は、ゲイン調整方法に特徴があり、ハード的な構成および測定データの積算方法は前記実施の形態１と同様である。

イオン信号の最大振幅値特性において、ピークの地点から徐々に減衰していく立ち下がりの部分については、試料・測定条件が変わってもほぼ同じ特性が得られると前述したが、立ち上がり部分の特性の違いによっては、立ち下がり部分の特性も若干変わってきてしまう。

そのため、前記実施の形態２では、プレスキャンによって、あらかじめイオン信号の最大振幅値の特性に合わせた最適なゲイン量を記録しておくことによって、全てのＴＯＦスキャンでオーバーレンジを発生させず、かつ、なるべく高いダイナミックレンジでの測定を実現していたが、上記のような理由でマススペクトル測定時のイオン信号の最大振幅値特性（特に立ち下がり側の特性）がプレスキャン時と異なってしまうような場合には、事前に記録したゲイン量データでは正しいゲイン調整ができずに、逆にオーバーレンジを発生したり、測定のダイナミックレンジが低くなってしまう可能性がある。

そこで、実施の形態３では、前記実施の形態１と前記実施の形態２を組み合わせ、イオン信号の最大振幅値の特性がピークを迎えるまでの立ち上がり部分と、ピーク後の立ち下がり部分によって、ゲイン調整方法を切り替えてＴＯＦスキャンを行うことによって、マススペクトル測定時のイオン信号の最大振幅値特性（特に立ち下がり側の特性）がプレスキャン時と異なってしまうような場合でも、全てのＴＯＦスキャンでオーバーレンジを発生させずに、かつ、なるべく高いダイナミックレンジでの測定が可能となる。

図６により、実施の形態３におけるマススペクトル処理の一例を説明する。図６は、マススペクトル測定時の処理フローを示す。

実施の形態３では、処理６００〜６０５（処理６１３）、処理６０６、処理６０７〜６１２（処理６１４）からなり、処理６０６を境にしてＴＯＦスキャンのゲイン調整方法を切り替える。

まず、イオン信号の最大振幅値の特性がピークを迎えるまでのＴＯＦスキャン（処理６１３）は、前記実施の形態２で説明したプレスキャンによるゲイン調整によってＴＯＦスキャンが行われる。処理６１３（処理６００〜６０５）の詳細については、前記実施の形態２の図５で説明したフローチャートと同様であるため省略する。

処理６０６では、取得された最大振幅値の変化方向が判定される。前回のＴＯＦスキャンで取得した最大振幅値に比べ、今回のＴＯＦスキャンで取得した最大振幅値の方が大きければ、現在のＴＯＦスキャンで得た最大振幅値は、特性の立ち上がり側の値と判断され、処理６０３〜６０６が繰り返される。

逆に、今回のＴＯＦスキャンで取得した値の方が小さい場合、特性の立ち下がり側と判断され、処理６０７に進む。

振幅値特性の立ち下がり側に入った場合のＴＯＦスキャン処理６１４は、前記実施の形態１と同じように、１回前のＴＯＦスキャンデータを基にしたゲイン調整によるＴＯＦスキャンが行われる。処理６１４（処理６０７〜６１２）の詳細については、前記実施の形態１の図３で説明したフローチャートと同様であるため省略する。

図６において、処理６０６の判定は、最大振幅値が前回ＴＯＦスキャン時より小さくなった場合としたが、最大振幅値の変化がある程度緩やかになった場合に処理６１４に移行してもよい。

このように、実施の形態３では、前記実施の形態１と前記実施の形態２を組み合わせ、イオン信号の最大振幅値特性のピーク値の前後でＴＯＦスキャンのゲイン調整の方法を切り替え、イオン信号の最大振幅値の特性がピークを迎えるまでの立ち上がり部分では、前記実施の形態２のようにあらかじめ記録したゲイン量に従ってＴＯＦスキャンを行い、ピーク後の立ち下がり部分については、前記実施の形態１のように１回前のＴＯＦスキャンデータを基に、次のＴＯＦスキャンに最適なゲイン量を算出しながらＴＯＦスキャンを行うことによって、イオン信号の最大振幅値の特性がピークを迎えるまでの特性が急峻で、マススペクトル測定時の最大振幅値特性の立ち下がり部分の特性がプレスキャン時と変わってしまうような場合でも、全てのＴＯＦスキャンでオーバーレンジを発生させず、かつ、なるべく高いダイナミックレンジでの測定が可能となる。

（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４における質量分析用データ処理装置およびデータ処理方法について説明する。

前記実施の形態１と重複する構成要素については、その機能の説明はできる限り省略する。

図７により、本発明の実施の形態４であるＡ／Ｄ変換方式の質量分析用データ処理装置を用いた質量分析装置の構成の一例を説明する。図７は、Ａ／Ｄ変換方式の質量分析用データ処理装置を用いた質量分析装置の構成を示す。

実施の形態４の質量分析装置では、前記実施の形態１の構成に加え、イオンを検出するための検出器２１と、ＴＯＦスキャンで打ち出される前にＴＯＦ部２００内に流入してきたイオン流量を検出するためのイオン流量検出器２２で構成される。

また、実施の形態４におけるデータ収集回路５０１は、前記実施の形態１の構成に加え、データ入力信号を選択するための選択器５８と、Ａ／Ｄ変換器５１でデジタル化されたＴＯＦスキャンデータ５１ａを基に、電圧値の積算値を求める電圧値演算回路５９で構成され、ＴＯＦスキャン前にあらかじめＴＯＦ部２００内のイオン量を検出しておき、そのイオン量によってイオン検出信号２１ａのゲインを調整することにより、前述したようなＴＯＦスキャン毎に信号レベルが変化するイオン検出信号に対して、全てのＴＯＦスキャンでプレスキャンを行うことなく、イオン量に対応したダイナミックレンジの設定を行うことができる。

図８により、実施の形態４におけるマススペクトル処理の一例を説明する。図８は、マススペクトル測定時の処理フローを示す。

マススペクトル測定が開始されると、データ収集回路５０１は選択器５８を端子ｂ側に切り替え、イオン流量検出器２２からの信号２２ａの測定を開始する。

この選択器５８は、カウンタ６１からの切り替え信号６１ｂによって制御される（処理８００）。

処理８０１では、ＴＯＦ部２００に流入してくるイオン流量を測定する。イオン流量検出器２２で、ＴＯＦスキャン前にＴＯＦ部２００内に流れ込んできたイオン量を検出し、その検出信号２２ａをデータ収集回路５０１のＡ／Ｄ変換器５１でサンプリングする。次に、電圧値演算回路５９において、Ａ／Ｄ変換器５１から出力されるサンプリング時間毎の電圧値データを全て積算する。このＴＯＦスキャン前のイオン量測定時間は任意の時間とし、ユーザが自由に設定できるものとする。

次に、ゲイン制御回路６０では、電圧値演算回路５９で算出された積算電圧値５９ａを基に、ＴＯＦスキャン時のイオン信号を測定するために最適なゲイン量を決定し、ゲイン調整回路５５および信号積算演算回路５４に設定される。ゲイン量データ６０ａを算出する方法は、あらかじめ作成しておいた変換テーブルに従って、イオン量からゲイン量データ６０ａを決定しても良いし、イオン量測定（処理８０１）毎にある変換式を用いた演算処理で求めても良い。処理８０１〜８０２によってゲイン量が決定されると、データ収集回路５０１は選択器５８を端子ａ側に切り替え、従来と同様にＴＯＦスキャン（処理８０４）が実行される。

このように、実施の形態４によれば、前記実施の形態１〜３のようにイオン検出信号から抽出した値によってゲイン調整を行うのではなく、ＴＯＦ部２００に別の検出器を設け、ＴＯＦスキャン前にあらかじめＴＯＦ部２００内のイオン量を検出しておき、そのイオン量によってイオン検出信号２１ａのゲインを調整することにより、前述したようなＴＯＦスキャン毎のイオン濃度（信号レベル）が変化するイオン検出信号に対して、全てのＴＯＦスキャンでプレスキャンを行うことなく、イオン量に対応したダイナミックレンジの設定を行うことができ、装置の高感度化を実現する質量分析用データ処理装置を提供できる。

以上、述べた実施の形態１〜４で説明した電位差演算回路５６、電圧値演算回路５９、ゲイン制御回路５７，６０は、近年の計測ボート等の信号処理で一般的に使われているＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）やそれに搭載されているＭＰＵ等を使用すれば、容易に実現することができるので、種々の実現手段があることは言うまでもない。

（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５における質量分析用データ処理装置およびデータ処理方法について説明する。

実施の形態５では、前記実施の形態１で述べたオーバーレンジが発生したＴＯＦスキャンデータの処理方法について詳しく説明する。本実施の形態の説明は、前記実施の形態１を用いて説明し、重複する構成要素については、その機能の説明はできる限り省略する。

図１１により、本発明の実施の形態５における積算メモリの構成の一例を説明する。図１１では、積算メモリ５３０の構成に加えて、Ａ／Ｄ変換器５１０、信号積算演算回路５４０も併せて示す。積算メモリ５３０は、ＯＤＤ側メモリ回路５３１と、ＥＶＥＮ側メモリ回路５３２からなる。なお、積算メモリ５３０内のメモリ回路は３つ以上でも良い。Ａ／Ｄ変換器５１０の出力信号（５１０ａ）は、Ａ／Ｄ変換器５１０でデジタル化したデータに加えて、Ａ／Ｄ変換器５１０の信号入力時がオーバーレンジしたことを示すデータが含まれている。

ＴＯＦスキャンが奇数回の場合の動作（処理１）は、Ａ／Ｄ変換器５１０でサンプリングされたデータ５１０ａと、ＯＤＤ側メモリ回路５３１でそれまでに積算処理されたデータを読み出し、加算処理を行ってＥＶＥＮ側メモリ回路５３２に格納する。同様に、ＴＯＦスキャンが偶数回の場合の動作（処理２）は、Ａ／Ｄ変換器５１０でサンプリングされたデータ５１０ａと、ＥＶＥＮ側メモリ回路５３２でそれまでに積算処理されたデータを読み出し、加算処理を行ってＯＤＤ側メモリ回路５３１に格納するものである。従って、マススペクトルを得るための積算処理結果は、測定終了後に最終的な積算結果が格納されているメモリ回路からデータを読み出すこととなる。

次に、オーバーレンジを発生したＴＯＦスキャンの全データを廃棄する処理について説明する。例えば、処理１の動作状態である奇数回目のＴＯＦスキャン中にオーバーレンジが発生した場合を例にとる。オーバーレンジを発生したＴＯＦスキャンは通常通り終了させるが、次のＴＯＦスキャンも、処理１の積算メモリ５３０の使用方法で積算処理を行う。これは、再度処理１の動作状態からデータ格納を行うことにより、オーバーレンジが発生する前までの積算結果が格納されているＥＶＥＮ側メモリ回路５３２を読み出して、新たにサンプリングしたデータを加算処理することにより、オーバーレンジを発生したＴＯＦスキャンデータを廃棄することが容易に実現可能である。

次に、本実施の形態におけるゲイン量調整データの制御方法について説明する。オーバーレンジを発生していない場合は、前記実施の形態１と同じ方法で行えばよいが、オーバーレンジの発生時は、最大振幅値の演算が精度よく行えないので、無条件でオーバーレンジが発生しない方向にゲイン量調整データを変更すればよい。

本実施の形態では、前記実施の形態１を例として説明したが、前記実施の形態２，３においても、図１１で示した積算メモリを使用することで、容易にオーバーレンジを発生したＴＯＦスキャン時の全データの廃棄が可能である。

以上、本実施の形態によれば、オーバーレンジが発生した場合でも、オーバーレンジによる信号積算結果の劣化を容易に防ぐことが可能である。

（実施の形態６）
次に、本発明の実施の形態６における質量分析用データ処理装置およびデータ処理方法について説明する。

これまでの実施の形態では、前回のマススペクトル測定やＴＯＦスキャン中の最大振幅値からゲイン量を調節するものを説明してきたが、本実施の形態では、マススペクトル測定を開始する前等の様に、前回の測定の最大振幅値がない場合、または、装置ユーザが試料の濃度等を変更した場合における測定開始時のゲイン値設定方法について述べる。本実施の形態では、試料の濃度とイオン信号の最大振幅値の相関関係を予め求めておき、その関係式から測定のゲイン量を決定するものである。

これにより、本実施の形態によれば、測定の開始時点から、適切なゲイン量で測定を開始することができる様になる。本実施の形態によるゲイン量調整は、前記実施の形態１，２，３のいずれにも適用可能である。

（実施の形態７）
次に、本発明の実施の形態７における質量分析用データ処理装置およびデータ処理方法について説明する。

実施の形態７では、前記実施の形態１で述べたＴＯＦスキャンデータの処理方法を基に説明し、重複する構成要素については、その機能の説明はできる限り省略する。

本実施の形態では、Ａ／Ｄ変換器５１における信号のサンプリングする速度がクロック発生器５０から発生されるクロック周期（ｔ）秒で行われるが、データ積算時にこのクロック周期以下でデータをサンプリングする場合について以下に述べる。

図１２により、本発明の実施の形態７における検出器からゲイン調整回路までの構成の一例を説明する。図１２では、イオンを検出する検出器２１とゲイン調整回路５５との間に、経路長可変回路６００が設けられている。経路長可変回路６００は、２つの経路を切り替えるための選択器６０１，６０２と、クロック発生器５０のクロック発生周期の１／２の遅延である０．５ｔの遅延器６０３からなり、経路ａと、遅延器６０３を介して０．５ｔだけ遅延量を生み出す経路ｂが形成されている。経路ａ，ｂの選択を行うための信号は、カウンタ５２から発生され、それに従って選択器６０１，６０２でイオン検出信号２１ａの通過経路を決定する。

積算メモリ５３への信号積算のサンプリング間隔は、前記実施の形態１ではクロック周期ｔであったが、本実施の形態では０．５ｔとなる。ここでは、カウンタ５２でＴＯＦスキャン回数の制御を行っており、奇数回目のＴＯＦスキャン時は経路ａを選び、偶数回目のＴＯＦスキャン時は経路ｂを選んで、イオン検出信号２１ａの積算処理を行う。その際の信号積算は、奇数回目のＴＯＦスキャンにおいて、測定開始信号５００ａを基準に経路ａを選択して０．５ｔの遅延のないイオン検出信号のサンプリングを行い、偶数回目のＴＯＦスキャンにおいて、測定開始信号５００ａを基準に経路ｂを選択して０．５ｔの遅延させたイオン検出信号のサンプリングを行い、それらの結果を格納する。従って、ＴＯＦスキャン終了後には、０．５ｔ間隔でイオン検出信号をサンプリングした結果が格納されるものである。

以上、本実施の形態によれば、サンプリング間隔ｔのデータ収集回路を使用してサンプリング周期０．５ｔを実現することができる。また、本実施の形態では、サンプリング周期ｔの１／２を例にとって説明したが、経路長可変回路６００内の経路数を増やすことで、容易にサンプリング周期ｔ以下のサンプリング間隔が実現できることは容易に推測できる。

（実施の形態８）
次に、本発明の実施の形態８における質量分析用データ処理装置およびデータ処理方法について説明する。

上述した実施の形態１〜５で説明したゲイン量の調整処理やオーバーレンジ発生時のデータ廃棄処理は、装置内の判定アルゴリズム等で行っても良いが、装置ユーザが実施の有無を決定してもなんら支障はなく、例えば、装置の制御ＰＣから選択的に測定モード変更として行っても良い。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

本発明は、質量分析技術に関し、特に、飛行時間型の質量分析装置におけるＡ／Ｄ変換器を用いた質量分析用データ処理装置に適用して有効である。

本発明の実施の形態１におけるＡ／Ｄ変換方式の質量分析用データ処理装置を用いた質量分析装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態１におけるイオン信号の最大振幅値特性とゲイン調整処理の様子を示す図である。 本発明の実施の形態１におけるマススペクトル測定時の処理フローを示す図である。 本発明の実施の形態２におけるイオン信号の最大振幅値特性を示す図である。 本発明の実施の形態２におけるマススペクトル測定時の処理フローを示す図である。 本発明の実施の形態３におけるマススペクトル測定時の処理フローを示す図である。 本発明の実施の形態４におけるＡ／Ｄ変換方式の質量分析用データ処理装置を用いた質量分析装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態４におけるマススペクトル測定時の処理フローを示す図である。 本発明の前提として検討した従来の質量分析装置における測定の様子（ＴＯＦスキャン）および積算処理を示す図である。 本発明の前提として検討した従来の質量分析装置におけるＴＯＦスキャン毎の最大振幅値特性を示す図である。 本発明の実施の形態５における積算メモリの構成を示す図である。 本発明の実施の形態７における検出器からゲイン調整回路までの構成を示す図である。

符号の説明

１…導入部、２，２００…ＴＯＦ部、３…ゲイン調整器、４…イオン打ち出し信号発生器、６…ＣＰＵ、７…入出力装置、２１…検出器、２２…イオン流量検出器、５０…クロック発生器、５１，５１０…Ａ／Ｄ変換器、５２，６１…カウンタ、５３，５３０…積算メモリ、５４，５４０…信号積算演算回路、５５…ゲイン調整回路、５６…電位差演算回路、５７，６０…ゲイン制御回路、５８…選択器、５９…電圧値演算回路、５００，５０１…データ収集回路、５３１…ＯＤＤ側メモリ回路、５３２…ＥＶＥＮ側メモリ回路、６００…経路長可変回路、６０１，６０２…選択器、６０３…遅延器。

Claims (5)

1. 試料の質量を分析する飛行時間型の質量分析装置における質量分析用データ処理装置であって、
   入力されたイオン検出信号のゲインを調整するゲイン調整回路と、
   前記ゲイン調整回路でゲイン調整されたイオン検出信号をサンプリングするＡ／Ｄ変換器と、
   前記Ａ／Ｄ変換器からのサンプリングデータを前記ゲイン調整前の値に換算しながら積算処理し積算メモリに格納する信号積算演算回路と、
   を備え、
   スキャンにより検出されたイオン検出信号の入力と、当該イオン検出信号の前記積算メモリへの格納とを、スキャンごとに繰り返し行う質量分析用データ処理装置において、
   前記Ａ／Ｄ変換器から出力された、前記ゲイン調整されたイオン検出信号の１回のスキャンでの最大振幅値を算出する電位差演算回路と、
   前記電位差演算回路により算出された前記ゲイン調整後の最大振幅値に基いて、前記ゲイン調整回路のゲインと前記信号積算演算回路が換算する換算率とを、当該イオン検出信号の前記積算メモリへの格納後であり同じ試料にかかる次のスキャンのイオン検出信号の入力前に変更するゲイン制御回路とを備え、
   前記信号積算演算回路は、前記変更後のゲイン及び換算率を用いて処理した前記次のスキャンのイオン検出信号を、前記変更前のゲイン及び換算率を用いて処理し前記積算メモリに格納されたイオン検出信号に積算することを特徴とする質量分析用データ処理装置。
2. 請求項１記載の質量分析用データ処理装置において、
   前記イオン検出信号の最大振幅値は、検出した信号のうち最大の電圧値と最小の電圧値との電位差である最大電位差値であることを特徴とする質量分析用データ処理装置。
3. 請求項１または２記載の質量分析用データ処理装置において、
   前記ゲイン制御回路は、前記イオン検出信号の最大振幅値が、所定の範囲の場合には前記ゲイン及び前記換算率を変更せず、当該所定の範囲よりも大きい場合に前記ゲインを小さく前記換算率を大きくなるように変更し、当該所定の範囲よりも小さい場合に前記ゲインを大きく前記換算率を小さくなるように変更することを特徴とする質量分析用データ処理装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項記載の質量分析用データ処理装置において、
   前記ゲイン制御回路は、直前の１回または複数回の測定における前記イオン検出信号の最大振幅値に基いて、前記ゲイン調整回路のゲインと前記信号積算演算回路が換算する換算率とを変更することを特徴とする質量分析用データ処理装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載の質量分析用データ処理装置において、
   前記イオン検出信号をｎ個の時間遅延を持った経路から選択して前記イオン検出信号をサンプリングするための回路へ出力する経路長可変回路を設け、前記Ａ／Ｄ変換器のサンプリング間隔（ｔ）より小さいサンプリング間隔（ｔ／ｎ）で信号積算を行うことを特徴とする質量分析用データ処理装置。

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