JP5293562B2 - Ion trap mass spectrometer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高周波電場の作用によってイオンを閉じ込めたりイオンを選別したりするイオントラップを備える質量分析装置に関し、さらに詳しくは、イオントラップを構成する電極に印加する高周波電圧として矩形波電圧を用いるイオントラップ質量分析装置に関する。 The present invention relates to a mass spectrometer having an ion trap that traps ions or sorts ions by the action of a high-frequency electric field. More specifically, the present invention relates to an ion that uses a rectangular wave voltage as a high-frequency voltage applied to an electrode constituting the ion trap. The present invention relates to a trap mass spectrometer.
質量分析装置においてイオントラップは、高周波電場の作用によりイオンを捕捉して閉じ込めたり、特定の質量電荷比m/zを持つイオンを選別したり、さらにはそうして選別したイオンを開裂させたりするために用いられる。典型的なイオントラップは、後述するように、内面が回転1葉双曲面形状である1個のリング電極と、このリング電極を挟んで対向して配置された内面が回転2葉双曲面形状である1対のエンドキャップ電極とからなる3次元四重極型のイオントラップであるが、これ以外に、平行配置された4本のロッド電極から成るリニア型のイオントラップも知られている。本明細書では、便宜上、「3次元四重極型」を例に挙げてイオントラップの説明を行う。 In a mass spectrometer, an ion trap captures and confines ions by the action of a high-frequency electric field, selects ions with a specific mass-to-charge ratio m / z, and cleaves the selected ions. Used for. As will be described later, a typical ion trap has a single ring electrode whose inner surface is a rotating one-leaf hyperboloid shape, and an inner surface disposed opposite to the ring electrode is a rotating two-leaf hyperboloid shape. Although it is a three-dimensional quadrupole ion trap composed of a pair of end cap electrodes, a linear ion trap composed of four rod electrodes arranged in parallel is also known. In this specification, for the sake of convenience, the ion trap will be described by taking “three-dimensional quadrupole type” as an example.
従来の一般的なイオントラップでは、通常、正弦波状の高周波高電圧をリング電極に印加することで、リング電極及びエンドキャップ電極で囲まれる空間にイオン捕捉用の高周波電場を形成し、この高周波電場によりイオンを振動させつつ閉じ込める。これに対し、近年、正弦波状の高周波高電圧の代わりに矩形波高電圧をリング電極に印加することでイオンの閉じ込めを行うイオントラップが開発されている(特許文献1、特許文献2、非特許文献1など参照)。この種のイオントラップは、通常、ハイ、ローの二値の電圧レベルを有する矩形波電圧が使用されることから、デジタルイオントラップと呼ばれる。
In a conventional general ion trap, a high frequency electric field for capturing ions is usually formed in a space surrounded by the ring electrode and the end cap electrode by applying a sinusoidal high frequency high voltage to the ring electrode. To confine ions while vibrating. On the other hand, in recent years, ion traps that confine ions by applying a rectangular wave high voltage to the ring electrode instead of a sinusoidal high frequency high voltage have been developed (
従来の正弦波高電圧により駆動される方式のイオントラップ(以下「アナログイオントラップ」と呼ぶ)では、正弦波状の高周波高電圧を発生するためにLC共振器を用いており、正弦波電圧の振幅を変化させることにより捕捉可能なイオンの質量範囲を制御している。一方、デジタルイオントラップでは、電圧レベルの相違する2つの直流電圧を高速にスイッチングすることで矩形波状の高周波電圧を発生しており、通常、矩形波電圧の振幅を一定に維持したまま周波数を変化させることにより捕捉可能なイオンの質量範囲を制御する。したがって、アナログイオントラップに比べてリング電極に印加する高電圧の振幅が小さくて済むため、高周波電圧発生回路を低コストで構成することができる。また、電極間での不所望な放電の発生を回避できるという利点もある。 A conventional ion trap driven by a sine wave high voltage (hereinafter referred to as an “analog ion trap”) uses an LC resonator to generate a sine wave high frequency high voltage, and the amplitude of the sine wave voltage is reduced. The mass range of ions that can be captured is controlled by changing the mass. On the other hand, a digital ion trap generates a rectangular high-frequency voltage by switching two DC voltages with different voltage levels at high speed, and usually changes the frequency while keeping the amplitude of the rectangular wave voltage constant. To control the mass range of ions that can be trapped. Therefore, since the amplitude of the high voltage applied to the ring electrode is smaller than that of the analog ion trap, the high frequency voltage generation circuit can be configured at low cost. In addition, there is an advantage that generation of undesired discharge between the electrodes can be avoided.
上記デジタルイオントラップでは、リング電極に印加される矩形波電圧の電圧レベルは±数百V〜±数kV程度と高く、またその周波数は数十kHz〜数MHzと幅広い。このような矩形波電圧を発生するために、高周波電圧発生回路は、電力用MOSFETなどの高速の半導体スイッチング素子により正の高電圧と負の高電圧とを切り替える構成が採用されている(特許文献2、非特許文献1参照)。また、正及び負の高電圧はその電圧レベルの安定性が重要であることから、外部から供給される商用交流電圧を昇圧し、さらにその出力電圧を交流/直流変換して電圧レベルを安定化させるような構成の直流安定化電源装置が用いられる。しかしながら、高精度な電源装置を用いたとしても、商用交流電圧に由来するリップル(交流成分)が出力電圧に或る程度重畳することは避けられない。 In the digital ion trap, the voltage level of the rectangular wave voltage applied to the ring electrode is as high as about ± several hundreds V to ± several kV, and the frequency is as wide as several tens of kHz to several MHz. In order to generate such a rectangular wave voltage, the high-frequency voltage generation circuit employs a configuration in which a positive high voltage and a negative high voltage are switched by a high-speed semiconductor switching element such as a power MOSFET (Patent Document). 2, see Non-Patent Document 1). In addition, the stability of the voltage level is important for positive and negative high voltages, so the commercial AC voltage supplied from outside is boosted, and the output voltage is AC / DC converted to stabilize the voltage level. A stabilized DC power supply device having such a configuration is used. However, even if a high-accuracy power supply device is used, it is inevitable that a ripple (AC component) derived from the commercial AC voltage is superimposed on the output voltage to some extent.
デジタルイオントラップでは、リング電極に印加している矩形波電圧の分周信号をエンドキャップ電極に印加し、そのときの矩形波電圧の周波数に応じた特定の質量電荷比を有するイオンのみを共鳴励起させてイオントラップから排出させることができる。質量スペクトルを取得する際には、上記の共鳴励起排出を利用し、矩形波電圧の周波数を走査することにより、イオントラップから排出するイオンの質量電荷比を走査して排出されたイオンを検出器で検出する。共鳴励起により排出されるイオンの質量電荷比は矩形波電圧の周波数の2乗に反比例する一方、矩形波電圧の振幅に比例する。そのため、質量走査の際に矩形波電圧の振幅が変動すると、排出されるイオンの質量電荷比にずれが生じることになる。上述したように矩形波電圧に重畳するリップルは振幅の変動要因の1つであるから、質量電荷比のずれをもたらす。 In the digital ion trap, a rectangular wave voltage divided signal applied to the ring electrode is applied to the end cap electrode, and only ions having a specific mass-to-charge ratio according to the frequency of the rectangular wave voltage at that time are resonantly excited. Can be discharged from the ion trap. When acquiring the mass spectrum, the resonance excitation discharge described above is used to scan the frequency of the rectangular wave voltage, thereby scanning the mass-to-charge ratio of the ions discharged from the ion trap and detecting the discharged ions. Detect with. The mass-to-charge ratio of ions ejected by resonance excitation is inversely proportional to the square of the frequency of the rectangular wave voltage, while being proportional to the amplitude of the rectangular wave voltage. Therefore, if the amplitude of the rectangular wave voltage fluctuates during mass scanning, there will be a shift in the mass-to-charge ratio of the ejected ions. As described above, the ripple superimposed on the rectangular wave voltage is one of the fluctuation factors of the amplitude, so that the mass-to-charge ratio shifts.
従来のイオントラップ質量分析装置では、質量電荷比の真値が既知である較正試料(キャリブラント)を予め測定することにより、装置の誤差特性を補正できるような近似的な補正式を作成しておき、目的試料の測定時にはその補正式を用いて質量誤差の補正を行うような処理が行われている。しかしながら、前述したように商用交流電圧に由来して矩形波電圧に重畳するリップルの影響は、上記のような補正式では補正することができない。そのため、リップルの影響が大きくなると、質量スペクトルの質量精度や質量分解能が低下するという問題が生じる。 In a conventional ion trap mass spectrometer, an approximate correction equation is created so that the error characteristics of the apparatus can be corrected by measuring in advance a calibration sample (calibrant) whose true value of mass-to-charge ratio is known. In addition, when the target sample is measured, a process for correcting the mass error using the correction formula is performed. However, as described above, the influence of the ripple derived from the commercial AC voltage and superimposed on the rectangular wave voltage cannot be corrected by the correction equation as described above. Therefore, when the influence of ripple becomes large, there arises a problem that the mass accuracy and mass resolution of the mass spectrum are lowered.
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、上記のようなデジタルイオントラップを利用して質量分析を行うイオントラップ質量分析装置において、リング電極へ印加される矩形波電圧に重畳する商用交流電圧由来のリップルの影響を排除し、取得される質量スペクトルの質量精度や質量分解能を高めることを主たる目的としている。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and in an ion trap mass spectrometer that performs mass analysis using the digital ion trap as described above, it is superimposed on a rectangular wave voltage applied to a ring electrode. The main purpose is to eliminate the influence of ripples derived from commercial AC voltage and increase the mass accuracy and mass resolution of the acquired mass spectrum.
上記課題を解決するために成された本発明は、複数の電極からなるイオントラップの内部に各種イオンを一旦捕捉し、該イオントラップから排出されるイオンの質量電荷比を走査して、その排出されたイオンを検出することにより質量走査を実行するイオントラップ質量分析装置において、
a)イオントラップ内にイオンを保持しつつ一部のイオンを排出するために少なくとも電極の1つに矩形波電圧を印加するべく、商用交流電圧から直流電圧を発生する直流電圧源と、該直流電圧源による直流電圧をスイッチングして矩形波とするスイッチング手段と、を含む矩形波電圧発生手段と、
b)前記商用交流電圧の位相を検出する位相検出手段と、
c)前記位相検出手段により検出される交流電圧の位相が特定位相であるときに質量走査を開始するべく前記矩形波電圧発生手段を制御する質量走査制御手段と、
d)質量電荷比が既知である較正試料に対し、前記質量走査制御手段による前記特定位相を複数設定してそれぞれ質量走査を実行しその結果からそれぞれ質量誤差を求め、該質量誤差を利用して質量電荷比を変数とする誤差補正情報を作成して記憶しておく補正情報取得手段と、
e)目的試料の測定時に、前記質量走査制御手段により前記特定位相を1つ設定して質量走査を実行し、その結果に対し前記補正情報取得手段に記憶しておいた誤差補正情報を用いた補正を実行して質量スペクトルを求める補正処理手段と、
を備えることを特徴としている。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention is designed to temporarily capture various ions in an ion trap composed of a plurality of electrodes, scan the mass-to-charge ratio of ions discharged from the ion trap, and discharge the ions. In an ion trap mass spectrometer that performs mass scanning by detecting generated ions,
a) a DC voltage source for generating a DC voltage from a commercial AC voltage to apply a rectangular wave voltage to at least one of the electrodes in order to discharge some ions while holding the ions in the ion trap; A rectangular wave voltage generating means including switching means for switching a DC voltage from a voltage source into a rectangular wave;
b) phase detection means for detecting the phase of the commercial AC voltage;
c) mass scanning control means for controlling the rectangular wave voltage generating means to start mass scanning when the phase of the AC voltage detected by the phase detecting means is a specific phase;
d) For a calibration sample with a known mass-to-charge ratio, a plurality of specific phases are set by the mass scanning control means, mass scanning is performed, mass errors are respectively obtained from the results, and the mass errors are used. Correction information acquisition means for creating and storing error correction information with the mass-to-charge ratio as a variable;
e) At the time of measuring the target sample, the mass scanning control unit sets one specific phase and executes mass scanning, and the error correction information stored in the correction information acquiring unit is used for the result. Correction processing means for performing correction and obtaining a mass spectrum;
It is characterized by having.
本発明に係るイオントラップ質量分析装置では、イオントラップは3次元四重極型イオントラップ、リニア型イオントラップのいずれでもよい。3次元四重極型イオントラップの場合には、イオンを捕捉するためにリング電極に矩形波高電圧が印加され、質量走査において特定の質量電荷比を有するイオンが排出される場合には、さらにエンドキャップ電極に上記矩形波電圧を分周した周波数を有し振幅が適宜に設定された矩形波低電圧が印加される。 In the ion trap mass spectrometer according to the present invention, the ion trap may be either a three-dimensional quadrupole ion trap or a linear ion trap. In the case of a three-dimensional quadrupole ion trap, a rectangular wave high voltage is applied to the ring electrode in order to capture ions, and when ions having a specific mass-to-charge ratio are ejected in mass scanning, the end is further increased. A rectangular wave low voltage having a frequency obtained by dividing the rectangular wave voltage and having an appropriately set amplitude is applied to the cap electrode.
本発明に係るイオントラップ質量分析装置では、好ましくは、較正試料を測定する際の特定位相を3以上とし、特に、0、+(2/3)π、−(2/3)πの3つ設定してそれぞれ質量走査を実行するとよい。 In the ion trap mass spectrometer according to the present invention, the specific phase when measuring the calibration sample is preferably 3 or more, and in particular, three of 0, + (2/3) π, and − (2/3) π. It is good to set and execute mass scanning respectively.
例えば3次元四重極型イオントラップを用いた構成では、上述したように、リング電極に印加される矩形波電圧に商用交流電圧に由来するリップルが重畳していると、その商用交流電圧の周波数(通常50Hz又は60Hz)及び位相に同期した質量誤差が生じる。所定の質量範囲に亘る質量走査を開始する際の商用交流電圧の位相が常に同一であり、質量走査が一定速度であれば(時間軸に対し質量電荷比の変化がリニアであれば)、上記のようなリップルに由来する質量誤差の正弦波成分はW・sin(m/z・L)と書くことができる(但し、m/zは質量電荷比、Lは定数、Wは振幅である)。そして、この振幅Wは質量電荷比を変数とする関数で表すことができる。 For example, in a configuration using a three-dimensional quadrupole ion trap, as described above, if a ripple derived from the commercial AC voltage is superimposed on the rectangular wave voltage applied to the ring electrode, the frequency of the commercial AC voltage is superimposed. (Usually 50Hz or 60Hz) and mass error synchronized to the phase. If the phase of the commercial AC voltage at the start of mass scanning over a predetermined mass range is always the same and the mass scanning is at a constant speed (if the change in mass-to-charge ratio is linear with respect to the time axis), then The sinusoidal component of the mass error derived from ripples such as can be written as W · sin (m / z · L) (where m / z is the mass-to-charge ratio, L is a constant, and W is the amplitude) . The amplitude W can be expressed by a function having a mass-to-charge ratio as a variable.
質量誤差には、装置の機械的な寸法誤差などに由来する誤差と、上記のようにリップルに由来する交流成分の誤差とがあり、両者の和が質量誤差であるとみなすことができる。また、いずれの誤差も質量電荷比を変数とする関数で表すことができ、質量電荷比が既知である複数の較正試料(又は質量電荷比が既知である複数の成分を含む較正試料)の測定結果、つまり真の質量電荷比と測定値との差、に基づいて関数を近似的に求めることができる。そこで本発明に係るイオントラップ質量分析装置では、補正情報取得手段は、1乃至複数の較正試料に対し、質量走査の開始点の交流電圧位相を決めた質量走査を実行し、その結果からそれぞれ質量誤差を求め、該質量誤差を利用して質量電荷比を変数とする上記関数などを含む誤差補正情報を作成して記憶しておく。この誤差補正情報は、従来のように、装置の機械的な寸法誤差などに由来する質量誤差を反映したものではなく、リップルに由来する交流成分の質量誤差も反映したものである。 The mass error includes an error derived from a mechanical dimensional error of the apparatus and an AC component error derived from ripple as described above, and the sum of both can be regarded as a mass error. Any error can be expressed by a function having a mass-to-charge ratio as a variable, and measurement of a plurality of calibration samples having a known mass-to-charge ratio (or a calibration sample including a plurality of components having a known mass-to-charge ratio). Based on the result, that is, the difference between the true mass-to-charge ratio and the measured value, the function can be determined approximately. Therefore, in the ion trap mass spectrometer according to the present invention, the correction information acquisition means performs mass scanning with the AC voltage phase at the starting point of mass scanning determined for one or more calibration samples, and the respective masses are obtained from the results. An error is obtained, and error correction information including the above function having the mass-to-charge ratio as a variable is created and stored using the mass error. This error correction information does not reflect a mass error due to a mechanical dimensional error of the apparatus as in the prior art, but also reflects an AC component mass error due to a ripple.
目的試料に対する質量走査を行う際には、常に、商用交流電圧の特定の位相(例えば0)に同期して質量走査を開始させるようにする。これにより、リップルに由来する質量誤差も再現性がある状態、つまり誤差補正情報を取得した際と同様の状態となるから、補正処理手段は、目的試料の質量走査を行って得られた結果に対し、補正情報取得手段に記憶しておいた誤差補正情報を用いた補正を実行し、上記のような質量誤差が除去された質量スペクトルを求める。 When mass scanning is performed on the target sample, the mass scanning is always started in synchronization with a specific phase (for example, 0) of the commercial AC voltage. As a result, the mass error due to ripple is also in a reproducible state, that is, the same state as when the error correction information is acquired, so that the correction processing means can obtain the result obtained by performing the mass scan of the target sample. On the other hand, correction using the error correction information stored in the correction information acquisition unit is executed to obtain a mass spectrum from which the above-described mass error is removed.
本発明に係るイオントラップ質量分析装置によれば、イオントラップの寸法誤差などに起因する質量誤差を補正するとともに、従来は考慮されていなかった商用交流電圧に由来する交流成分の影響による質量ずれも補正することができる。それにより、質量精度、質量分解能の高い質量スペクトルを得ることができる。また、上記のように電気的な制御や信号処理により、商用交流電圧に由来する質量誤差を除去できるので、イオントラップを駆動するための矩形波電圧を発生するための回路(矩形波電圧発生手段)において、直流電圧を平滑化する(リップルを除去する)ための回路を或る程度簡略化することができ、そうした回路のコスト削減が可能となる。 The ion trap mass spectrometer according to the present invention corrects a mass error caused by a dimensional error of the ion trap and the like, and also causes a mass deviation due to the influence of an AC component derived from a commercial AC voltage that has not been considered in the past. It can be corrected. Thereby, a mass spectrum with high mass accuracy and mass resolution can be obtained. In addition, since the mass error derived from the commercial AC voltage can be removed by electrical control and signal processing as described above, a circuit for generating a rectangular wave voltage for driving the ion trap (rectangular wave voltage generating means) ), The circuit for smoothing the DC voltage (removing the ripple) can be simplified to some extent, and the cost of such a circuit can be reduced.
以下、本発明の一実施例であるイオントラップ質量分析装置について、添付図面を参照して説明する。図1は本実施例のイオントラップ質量分析装置の要部の概略構成図である。 Hereinafter, an ion trap mass spectrometer according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a main part of the ion trap mass spectrometer of the present embodiment.
このイオントラップ質量分析装置は、試料をイオン化するイオン化部1と、3次元四重極型のイオントラップ2と、イオンを検出する検出部3と、を含む。ここでは、イオン化部1はマトリクス支援レーザ脱離イオン源(MALDI)であり、サンプルプレート12上に載置された試料Sに対し、レーザ照射部11から出射したレーザ光が照射される。このレーザ光照射により試料S中の試料成分がイオン化され、発生したイオンは引き出し電極13により引き出され、イオン輸送光学系14を通して輸送される。
The ion trap mass spectrometer includes an
イオントラップ2は、1個のリング電極21と対向配置された1対のエンドキャップ電極22、24とからなり、これら電極21、22、24で囲まれた空間がイオン捕捉領域となる。入口側エンドキャップ電極22の中央にはイオン入射口23が穿設され、上述したようにイオン化部1から出射したイオンはイオン入射口23を経てイオントラップ2内に導入される。一方、出口側エンドキャップ電極24にあってイオン入射口23とほぼ一直線上にはイオン出射口25が穿設されている。イオン出射口25を通ってイオントラップ2内から排出されたイオンは検出部3に到達して検出される。検出部3は、イオンを電子に変換するコンバージョンダイノード31と二次電子増倍管32とから成り、入射したイオンの量に応じた検出信号をデータ処理部8に送る。
The ion trap 2 includes one
リング電極21には主電源部4が接続され、エンドキャップ電極22、24には補助電源部5が接続されている。主電源部4は、第1電圧源41により生成される正電圧VHと第2電圧源42により生成される負電圧VLとを第1スイッチ43及び第2スイッチ44により切り替えることで矩形波電圧VOUTを生成する。第1スイッチ43及び第2スイッチ44はパワーMOSFET等の半導体スイッチング素子である。第1及び第2電圧源41、42は外部の商用交流電源100から供給される商用交流電圧から直流電圧を生成する直流電圧源装置である。正電圧VH及び負電圧VL、つまり矩形波電圧のハイレベルとローレベルは、例えば±250V、±500V、±750V、±1000V、などとすることができる。但し、矩形波電圧VOUTの振幅はこれに限らない。また、矩形波電圧の周波数は一般的には数十kHz〜数MHz程度の範囲である。
A main power supply unit 4 is connected to the
制御部6はCPUやデジタル回路などにより構成され、上記スイッチ43、44をオン・オフするパルス信号を主電源部4に供給するとともに、補助電源部5を制御する。これにより、イオントラップ2内に所定の質量範囲のイオンを捕捉するとともに、蓄積したイオンの中で特定の質量電荷比を有するイオンをイオン出射口25を通して選択的にイオントラップ2から排出させ、当該イオンに対する検出信号を取得する。交流電圧位相検出部7は正弦波状の商用交流電圧の位相が0となる(負の方向にゼロクロスする)タイミングを検出し、それに対応した検出信号を制御部6へ送る。また、補正情報作成部9は制御部6の制御の下にデータ処理部8からデータを受け取って、後述するような質量誤差を補正するための補正情報を作成して記憶するとともに、必要に応じてその補正情報を読み出してデータ処理部8に与える。
The
本実施例のイオントラップ質量分析装置では、主電源部4からリング電極21に所定の矩形波高電圧を印加している状態で、その矩形波電圧の分周信号をエンドキャップ電極22、24に印加することにより、イオントラップ2内に保持しているイオンの中で特定の質量電荷比を有するイオンを選択的に共鳴励起し、イオン出射口25を通してイオンを排出する。このとき、リング電極21に印加される矩形波電圧の周波数Ω及び振幅Eと、イオントラップ2から排出されるイオンの質量電荷比Mとには、
M∝E/Ω2
の関係がある。制御部6はこの関係に基づいて、矩形波電圧の周波数Ωを所定の範囲で変化させることにより、イオントラップ2から排出されるイオンの質量電荷比を走査する。データ処理部8はこうした質量走査に伴って検出部3から得られる検出信号に基づいて、所定の質量範囲に亘る質量スペクトルを作成する。
In the ion trap mass spectrometer of the present embodiment, a frequency-divided signal of the rectangular wave voltage is applied to the
M∝E / Ω 2
There is a relationship. Based on this relationship, the
イオントラップ2の各電極21、22、24の機械的な寸法誤差、相対配置のずれなどのために、実際に測定される質量スペクトルには質量誤差が生じる。こうした誤差には測定再現性があるため、質量電荷比Mを変数とした誤差関数Fdを予め求めておき、これを用いて誤差を補正することが可能である。図4は、質量走査の際の質量電荷比Mと質量誤差Dとの関係の一例を示す図である。この図に示すように、質量電荷比Mに対する誤差Dは、
D=Fd(M) …(1)
となる。通常、誤差関数Fdは、質量電荷比Mの真値が既知である複数の較正試料(キャリブラント)を用いて近似的に求める。較正試料の数(較正を行う質量電荷比の点数)が多いほど、誤差関数Fdの近似の精度は高くなる。
Due to mechanical dimensional errors of each
D = Fd (M) (1)
It becomes. Usually, the error function Fd is approximately obtained using a plurality of calibration samples (calibrants) whose true value of the mass-to-charge ratio M is known. The greater the number of calibration samples (the number of mass-to-charge ratio points to be calibrated), the higher the accuracy of approximation of the error function Fd.
第1電圧源41及び第2電圧源42の出力である直流電圧VH、VLに商用交流電圧Vacに起因したリップル(交流成分)が重畳していると、図5に示すように、上記の誤差関数Fdには商用交流電圧に同期した交流成分誤差が重畳する。一般に、質量走査時に質量電荷比の変化は測定の時間軸に対して線形である。そのため、質量誤差の交流(正弦波)成分はW・sin(M・L)と記述することができる。ここで、Lは定数、Wは振幅である。交流成分の周波数は決まっているから、交流成分の位相が質量走査に同期していれば、振幅Wは質量電荷比Mを変数とした関数Fa(M)で表すことができる。即ち、質量誤差の交流成分Dacは図6に示すように次の(2)式で表される。
Dac=Fa(M)・sin(M・L) …(2)
したがって、この交流成分Dacを考慮した場合、(1)式で示した質量誤差Dは、
D=Fd(M)+Fa(M)・sin(M・L) …(3)
となる。(3)式右辺の第2項が、従来考慮されていない商用交流電圧に起因するリップルによるものである。
When ripples (AC components) resulting from the commercial AC voltage V ac are superimposed on the DC voltages V H and V L that are the outputs of the
Dac = Fa (M) · sin (ML) (2)
Therefore, when this AC component Dac is taken into consideration, the mass error D shown in the equation (1) is
D = Fd (M) + Fa (M) · sin (ML) (3)
It becomes. The second term on the right side of equation (3) is due to the ripple caused by the commercial AC voltage that has not been considered in the past.
本実施例のイオントラップ質量分析装置では、質量誤差の交流成分の位相と質量走査とを同期させるために、交流電圧位相検出部7により商用交流電圧の位相が0になるタイミングを検出し、この検出結果で決まる特定の位相に質量走査の開始点を同期させるようにしている。このような同期的な制御により、質量誤差の交流成分も測定再現性を有することになり、(3)式に基づいた補正式により質量誤差を補正することが可能となる。 In the ion trap mass spectrometer of this embodiment, in order to synchronize the phase of the AC component of the mass error and the mass scanning, the AC voltage phase detector 7 detects the timing when the phase of the commercial AC voltage becomes 0, The start point of mass scanning is synchronized with a specific phase determined by the detection result. By such synchronous control, the AC component of the mass error also has measurement reproducibility, and the mass error can be corrected by a correction formula based on the formula (3).
具体例を挙げて、質量誤差を補正するための補正情報の作成処理とこの補正情報に基づく質量データの補正処理とを説明する。図2は質量誤差を補正するための補正情報の作成処理を示すフローチャート、図3はこの補正情報を利用した質量データの補正処理を示すフローチャートである。 As a specific example, correction information generation processing for correcting a mass error and mass data correction processing based on the correction information will be described. FIG. 2 is a flowchart showing a correction information creation process for correcting a mass error, and FIG. 3 is a flowchart showing a mass data correction process using the correction information.
例えば較正動作の実行の指示に応じて補正情報作成処理が開始されると、まず複数(特に数は限定されないが多いほうが好ましい)の較正試料の中で1つ目の較正試料が測定位置に設置される(ステップS1)。制御部6は質量走査の開始タイミングを商用交流電圧の位相0に設定し(ステップS2)、その条件の下で所定の質量範囲の質量走査を複数回実行する。即ち、交流電圧位相検出部7から与えられる検出信号に基づいて、商用交流電圧Vacの位相が0のタイミングで質量走査が開始されるように測定シーケンスを決めて各部の動作を制御する。
For example, when the correction information creation process is started in response to an instruction to execute a calibration operation, first, among the plurality of calibration samples (in particular, the number is not limited, but it is more preferable), the first calibration sample is set at the measurement position. (Step S1). The
データ処理部8はその複数回の質量走査により得られるスペクトルデータを積算し、それにより得られる質量スペクトル上でピーク検出を行ってピークトップに対応した質量電荷比m/zの測定値を取得する。これにより、質量走査開始点が交流電圧位相0であるときの測定値が得られる(ステップS3)。このときの質量電荷比の測定値をMc1とする。
The
次に同じ較正試料に対し、質量走査の開始タイミングを商用交流電圧位相(2/3)πに設定し(ステップS4)、上記ステップS3と同様に、その条件の下で複数回の質量走査を繰り返し実行し、その結果から、対応する質量電荷比の測定値を取得する(ステップS5)。このときの質量電荷比の測定値をMc2とする。 Next, for the same calibration sample, the mass scanning start timing is set to the commercial AC voltage phase (2/3) π (step S4), and a plurality of mass scans are performed under the same conditions as in step S3. The measurement is repeatedly executed, and the corresponding measurement value of the mass to charge ratio is acquired from the result (step S5). The measured values of mass-to-charge ratio at this time is Mc 2.
さらにまた同じ較正試料に対し、質量走査の開始タイミングを商用交流電圧位相−(2/3)πに設定し(ステップS6)、上記ステップS3と同様に、その条件の下で複数回の質量分析を繰り返し実行し、その結果から、対応する質量電荷比の測定値を取得する(ステップS7)。このときの質量電荷比の測定値をMc3とする。 Furthermore, for the same calibration sample, the mass scanning start timing is set to commercial AC voltage phase − (2/3) π (step S6), and mass analysis is performed a plurality of times under the same conditions as in step S3. Are repeatedly executed, and the corresponding measurement value of the mass-to-charge ratio is obtained from the result (step S7). The measured value of the mass-to-charge ratio at this time is Mc 3 .
質量走査開始時の商用交流電圧の位相が0、(2/3)π、−(2/3)πである3つの質量電荷比の測定値Mc1、Mc2、Mc3が得られると、これをデータ処理部8から受けた補正情報作成部9がその3つの測定値から平均値を計算する(ステップS8)。その較正試料の質量電荷比の真値がMc0であるとすると、測定値Mc1、Mc2、Mc3は次のように記述することができる。
Mc1=Mc0+Fd(Mc0)+Fa(Mc0)・sin(Mc0・L) …(4)
Mc2=Mc0+Fd(Mc0)+Fa(Mc0)・sin(Mc0・L+2π/3) …(5)
Mc3=Mc0+Fd(Mc0)+Fa(Mc0)・sin(Mc0・L−2π/3) …(6)
これらの質量電荷比の平均値Mcsは、
Mcs=(Mc1+Mc2+Mc3)/3=Mc0+Fd(Mc0) …(7)
となり、上記(4)〜(6)の各式で存在していたsinの項、つまり交流成分は除去されることになる。
When the measured values Mc 1 , Mc 2 , and Mc 3 of the mass-to-charge ratio in which the phase of the commercial AC voltage at the start of mass scanning is 0, (2/3) π, and − (2/3) π are obtained, The correction information creation unit 9 that has received this from the
Mc 1 = Mc 0 + Fd ( Mc 0) + Fa (Mc 0) · sin (
Mc 2 = Mc 0 + Fd (Mc 0 ) + Fa (Mc 0 ) · sin (Mc 0 · L + 2π / 3) (5)
Mc 3 = Mc 0 + Fd (Mc 0 ) + Fa (Mc 0 ) · sin (Mc 0 · L−2π / 3) (6)
The average value Mc s of these mass-to-charge ratios is
Mc s = (Mc 1 + Mc 2 + Mc 3 ) / 3 = Mc 0 + Fd (Mc 0 ) (7)
Thus, the sin term, that is, the AC component, existing in the equations (4) to (6) is removed.
制御部6は全ての較正試料に対する測定が実行されたか否かを判定し(ステップS9)、ここで測定が終了したと判断されるまでステップS1へ戻る。複数の較正試料についてそれぞれ質量走査の開始の交流電圧位相が相違する3つの質量電荷比の測定値及びその平均値が得られたならば、ステップS9からS10へ進む。
The
補正情報作成部9は、複数の較正試料に対する測定結果を用いて、質量誤差を補正するための関数を求める。上述したように質量電荷比の平均値Mcsは交流成分の影響を受けないから、まず、複数の較正試料について得られた互いに異なる複数の質量電荷比の真値Mc0に対応した平均値Mcsを用いて誤差関数Fdの近似式を求め、装置の機械的誤差などの要因による質量誤差を求める補正関数fdを作成する。 The correction information creation unit 9 obtains a function for correcting the mass error using measurement results for a plurality of calibration samples. As described above, since the average value Mc s of the mass-to-charge ratio is not affected by the AC component, first, the average value Mc corresponding to the true value Mc 0 of the plurality of different mass-to-charge ratios obtained for the plurality of calibration samples. An approximate expression of the error function Fd is obtained using s , and a correction function fd for obtaining a mass error due to factors such as a mechanical error of the apparatus is created.
質量電荷比の測定値の誤差を補正するためには、上記補正関数fdに加え、商用交流電圧由来の誤差も補正する必要がある。そこで、上述したように測定された複数の較正試料に対する質量電荷比の測定値Mc1、Mc2、Mc3から、(3)式中のFa(M)、つまり誤差の交流成分の振幅値を求めるための関数を次のように導出する。即ち、(4)〜(6)式から、
Mc1−Mcs=Fa(Mc0)・sin(Mc0・L)=a1
Mc2−Mcs=Fa(Mc0)・sin(Mc0・L+2π/3)=a2
Mc3−Mcs=Fa(Mc0)・sin(Mc0・L−2π/3)=a3
と書ける。これらの式を用いて、
a1 2+a2 2+a3 2=(3/2)・Fa(Mc0)2
となるから、
Fa(Mc0)=√{(2/3)・[(Mc1−Mcs)2+(Mc2−Mcs)2+(Mc 3 −Mc s ) 2 ]} …(8)
となる。(8)式より、3つの測定値Mc1、Mc2、Mc3から振幅Fa(Mc0)が得られるから、複数の較正試料について得られた互いに異なる複数の質量電荷比の真値Mc0に対応した測定値Mc1、Mc2、Mc3を用いて関数Faの近似式を求め、交流成分の振幅を求める関数fa(M)を作成する(ステップS11)。
In order to correct an error in the measured value of the mass-to-charge ratio, it is necessary to correct an error derived from the commercial AC voltage in addition to the correction function fd. Therefore, from the measured values Mc 1 , Mc 2 , Mc 3 of the mass-to-charge ratio measured for the plurality of calibration samples as described above, Fa (M) in the equation (3), that is, the amplitude value of the AC component of the error is obtained. The function to obtain is derived as follows. That is, from the equations (4) to (6),
Mc 1 −Mc s = Fa (Mc 0 ) · sin (Mc 0 · L) = a 1
Mc 2 −Mc s = Fa (Mc 0 ) · sin (Mc 0 · L + 2π / 3) = a 2
Mc 3 −Mc s = Fa (Mc 0 ) · sin (Mc 0 · L−2π / 3) = a 3
Can be written. Using these equations,
a 1 2 + a 2 2 + a 3 2 = (3/2) · Fa (Mc 0 ) 2
So,
Fa (Mc 0 ) = √ {(2/3) · [(Mc 1 −Mc s ) 2 + (Mc 2 −Mc s ) 2 + (Mc 3 −Mc s ) 2 ]} (8)
It becomes. Since the amplitude Fa (Mc 0 ) can be obtained from the three measured values Mc 1 , Mc 2 , and Mc 3 from the equation (8), the true value Mc 0 of a plurality of different mass-to-charge ratios obtained for a plurality of calibration samples. An approximate expression of the function Fa is obtained using the measured values Mc 1 , Mc 2 , and Mc 3 corresponding to, and a function fa (M) for obtaining the amplitude of the AC component is created (step S11).
補正情報作成部9は、上記のように較正試料の測定結果から求めた関数fd、faを、質量誤差を補正するためのデータとして内蔵するメモリに記憶し(ステップS12)、補正情報の作成処理を終了する。 The correction information creation unit 9 stores the functions fd and fa obtained from the measurement result of the calibration sample as described above in a built-in memory as data for correcting the mass error (step S12), and creates correction information. Exit.
質量電荷比の真値が未知である測定対象試料の測定時には、次のような手順で測定及びデータ処理を実行する。
例えば測定実行の指示がなされると、測定対象試料が測定位置に設置される(ステップS21)。制御部6は質量走査の開始タイミングを商用交流電圧の位相0に設定し(ステップS22)、その条件の下で所定の質量範囲の質量走査を複数回実行する。即ち、交流電圧位相検出部7から与えられる検出信号に基づいて、商用交流電圧Vacの位相が0のタイミングで質量走査が開始されるように測定シーケンスを決めて各部の動作を制御する。
When measuring a measurement target sample whose true value of mass-to-charge ratio is unknown, measurement and data processing are executed in the following procedure.
For example, when a measurement execution instruction is given, the measurement target sample is placed at the measurement position (step S21). The
データ処理部8はその複数回(例えばn回とする)の質量走査により得られるスペクトルデータを積算し、それにより質量スペクトルを取得する(ステップS23)。この質量スペクトルには上述したような質量誤差が含まれる。そこで、次にデータ処理部8は補正情報作成部9に記憶されている関数fd、faを用いて、質量誤差の補正処理を実行する。即ち、各質量電荷比の測定値Mtは質量走査開始時を交流電圧位相0に設定した状態で測定されるから、測定値Mtと真値Mとは次の関係となる。
Mt=M+Fd(M)+Fa(M)・sin(M・L)≒M+fd(Mt)+fa(Mt)・sin(Mt・L)
したがって、或る質量電荷比の真値Mは次の(9)式から近似的に求めることができる。
M≒Mt−fd(Mt)−fa(Mt)・sin(Mt・L) …(9)
The
Mt = M + Fd (M) + Fa (M) · sin (M · L) ≈M + fd (Mt) + fa (Mt) · sin (Mt · L)
Therefore, the true value M of a certain mass-to-charge ratio can be approximately obtained from the following equation (9).
M≈Mt−fd (Mt) −fa (Mt) · sin (Mt · L) (9)
質量スペクトル全体について質量誤差を補正する場合には、質量電荷比毎に(9)式に従った演算を行えばよい(ステップS24)。これにより、イオントラップ2等の機械的な誤差などによる質量誤差のみならず、商用交流電圧の交流成分が直流電圧VH、VLに重畳することによる質量誤差も除去されるので、従来よりも高い精度の質量スペクトルを得ることができる。 When correcting the mass error for the entire mass spectrum, the calculation according to the equation (9) may be performed for each mass to charge ratio (step S24). This eliminates not only a mass error due to a mechanical error of the ion trap 2 or the like but also a mass error caused by superimposing the AC component of the commercial AC voltage on the DC voltages V H and V L , so that A highly accurate mass spectrum can be obtained.
なお、上記説明では、較正試料に対し質量走査の開始時における商用交流電圧位相を0、(2/3)π、−(2/3)πの3種類に設定した状態でそれぞれ測定を行ったが、位相は必ずしも上記の値とは限らない。但し、上記説明から明らかなように、同一較正試料に対する複数の測定値の平均をとったときに交流成分が除去されるような位相に決めておくことが望ましい。 In the above description, the measurement was performed in a state in which the commercial AC voltage phase at the start of mass scanning was set to three types of 0, (2/3) π, and − (2/3) π for the calibration sample. However, the phase is not necessarily the above value. However, as is clear from the above description, it is desirable to determine the phase so that the AC component is removed when the average of a plurality of measured values for the same calibration sample is taken.
また、上記実施例は一例であって、本発明の趣旨の範囲で適宜に、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。例えば上記実施例は3次元四重極型のイオントラップであったが、多重極(例えば四重極)ロッドを用いたリニア型イオントラップにも本発明を適用することができる。 Further, the above-described embodiment is merely an example, and it is obvious that modifications, corrections, and additions may be appropriately made within the scope of the present invention, and included in the scope of claims of the present application. For example, although the above embodiment is a three-dimensional quadrupole ion trap, the present invention can be applied to a linear ion trap using a multipole (for example, quadrupole) rod.
1…イオン化部
11…レーザ照射部
12…サンプルプレート
13…引き出し電極
14…イオン輸送光学系
2…イオントラップ
21…リング電極
22…入口側エンドキャップ電極
23…イオン入射口
24…出口側エンドキャップ電極
25…イオン出射口
3…検出部
31…コンバージョンダイノード
32…二次電子増倍管
4…主電源部
41…第1電圧源
42…第2電圧源
43…第1スイッチ
44…第2スイッチ
5…補助電源部
6…制御部
7…交流電圧位相検出部
8…データ処理部
9…補正情報作成部
100…商用交流電源
DESCRIPTION OF
Claims (3)
a)イオントラップ内にイオンを保持しつつ一部のイオンを排出するために少なくとも電極の1つに矩形波電圧を印加するべく、商用交流電圧から直流電圧を発生する直流電圧源と、該直流電圧源による直流電圧をスイッチングして矩形波とするスイッチング手段と、を含む矩形波電圧発生手段と、
b)前記商用交流電圧の位相を検出する位相検出手段と、
c)前記位相検出手段により検出される交流電圧の位相が特定位相であるときに質量走査を開始するべく前記矩形波電圧発生手段を制御する質量走査制御手段と、
d)質量電荷比が既知である較正試料に対し、前記質量走査制御手段による前記特定位相を複数設定してそれぞれ質量走査を実行しその結果からそれぞれ質量誤差を求め、該質量誤差を利用して質量電荷比を変数とする誤差補正情報を作成して記憶しておく補正情報取得手段と、
e)目的試料の測定時に、前記質量走査制御手段により前記特定位相を1つ設定して質量走査を実行し、その結果に対し前記補正情報取得手段に記憶しておいた誤差補正情報を用いた補正を実行して質量スペクトルを求める補正処理手段と、
を備えることを特徴とするイオントラップ質量分析装置。 Ions that once trap various ions inside an ion trap consisting of a plurality of electrodes, scan the mass-to-charge ratio of ions ejected from the ion trap, and perform mass scanning by detecting the ejected ions In the trap mass spectrometer,
a) a DC voltage source for generating a DC voltage from a commercial AC voltage to apply a rectangular wave voltage to at least one of the electrodes in order to discharge some ions while holding the ions in the ion trap; A rectangular wave voltage generating means including switching means for switching a DC voltage from a voltage source into a rectangular wave;
b) phase detection means for detecting the phase of the commercial AC voltage;
c) mass scanning control means for controlling the rectangular wave voltage generating means to start mass scanning when the phase of the AC voltage detected by the phase detecting means is a specific phase;
d) For a calibration sample with a known mass-to-charge ratio, a plurality of specific phases are set by the mass scanning control means, mass scanning is performed, mass errors are respectively obtained from the results, and the mass errors are used. Correction information acquisition means for creating and storing error correction information with the mass-to-charge ratio as a variable;
e) At the time of measuring the target sample, the mass scanning control unit sets one specific phase and executes mass scanning, and the error correction information stored in the correction information acquiring unit is used for the result. Correction processing means for performing correction and obtaining a mass spectrum;
An ion trap mass spectrometer comprising:
前記補正情報取得手段は較正試料の測定時に、前記質量走査制御手段による前記特定位相を、0、+(2/3)π、−(2/3)πの3つ設定してそれぞれ質量走査を実行することを特徴とするイオントラップ質量分析装置。 The ion trap mass spectrometer according to claim 1,
The correction information acquisition means sets the specific phase by the mass scanning control means to 0, + (2/3) π, and − (2/3) π when the calibration sample is measured, and performs mass scanning respectively. An ion trap mass spectrometer characterized in that it is executed.
前記補正処理手段は、前記特定位相を0に設定して質量走査が実行された結果に対し補正処理を行うことを特徴とするイオントラップ質量分析装置。 The ion trap mass spectrometer according to claim 2,
The ion trap mass spectrometer is characterized in that the correction processing means performs correction processing on a result of mass scanning performed with the specific phase set to zero.
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