JP5972651B2 - 飛行時間型質量分析計 - Google Patents

Description

本発明は、微量化合物の定量分析、定性一斉分析、および試料イオンの構造解析分野に用いられる飛行時間型質量分析計のデータ処理方法に関する。

［飛行時間型質量分析計（TOFMS）］
TOFMSは、一定量のエネルギーを与えてイオンを加速・飛行させ、検出器に到達するまでに要する時間からイオンの質量電荷比を求める質量分析装置である。TOFMSでは、イオンを一定のパルス電圧Ｖ_aで加速する。このとき、イオンの速度ｖは、エネルギー保存則から、
ｍｖ²／２ ＝ ｑｅＶ_a ………（１）
ｖ ＝ √（２ｑｅＶ／ｍ） ………（２）
と表わされる（ただしｍ：イオンの質量、ｑ：イオンの電荷、ｅ：素電荷）。

一定距離Ｌの後に置いた検出器には、飛行時間Ｔで到達する。

Ｔ ＝ Ｌ／ｖ ＝ Ｌ√（ｍ／２ｑｅＶ） ………（３）
式（３）により、飛行時間Ｔがイオンの質量ｍによって異なることを利用して、質量を分離する装置がTOFMSである。図３に直線型TOFMSの一例を示す。また、イオン源と検出器の間に反射場を置くことにより、エネルギー収束性の向上と飛行距離の延長を可能にする反射型TOFMSも広く利用されている。図４に反射型TOFMSの一例を示す。

［らせん軌道TOFMS］
TOFMSの質量分解能は、総飛行時間をＴ、ピーク幅をΔＴとすると、
質量分解能 ＝ Ｔ／２ΔＴ ………（４）
で定義される。すなわち、ピーク幅ΔＴを一定にして、総飛行時間Ｔを延ばすことができれば、質量分解能を向上させられる。しかし、従来の直線型、反射型のTOFMSでは、総飛行時間Ｔを延ばすこと、すなわち総飛行距離を延ばすことは装置の大型化に直結する。装置の大型化を避け、かつ高質量分解能を実現するために開発された装置が、多重周回型TOFMS（非特許文献１）である。この装置は、円筒電場にマツダプレートを組み合わせたトロイダル電場を４個用い、８の字型の周回軌道を多重周回させることにより、総飛行時間Ｔを延ばすことができる。この装置では、初期位置、初期角度、初期運動エネルギーによる検出面での空間的な広がりと時間的な広がりを１次の項まで収束させることに成功している。

しかし、閉軌道を多重周回するTOFMSには、「追い越し」の問題が存在する。これは閉軌道を多重周回するため、軽いイオン（速度大きい）が重いイオン（速度小さい）を追い越してしまうことにより起こる。このため、検出面に軽いイオンから順に到着するというTOFMSの基本概念が通用しなくなる。

この問題を解決するために考案されたのが、らせん軌道型TOFMSである。らせん軌道型TOFMSは、閉軌道の始点と終点を閉軌道面に対して垂直方向にずらすことを特徴としている。これを実現するためには、イオンをはじめから斜めに入射する方法（特許文献１）や、デフレクタを用いて閉軌道の始点と終点を垂直方向にずらす方法（特許文献２）、積層トロイダル電場を用いる方法（特許文献３）がある。

また、同様のコンセプトとして、追い越しの起こる多重反射型TOFMS（特許文献４）の軌道をジグザグ型にしたTOFMSも考案されている（特許文献５）。

［TOFMSのデータ取得法］
TOFMSから得られるマススペクトルは、検出器の電気信号をデジタル化するデジタイザにより作成される。近年では、高速デジタル回路技術の発達により、高分解能を達成できるTOFMSのデータ取得は、１〜４ＧＨｚサンプリングが主流である。つまり、０．２５〜１ｎｓの時間等間隔で電気信号、すなわちイオン強度をサンプリングしている。得られた時間等間隔のデータ列は、キャリブレーション式によって時間軸が質量電荷比（ｍ／ｚ）軸に変換される。このキャリブレーション式は、式（３）を基本に誘導される、
√（ｍ／ｚ）＝ａ＋ｂＴ＋ｃＴ²＋ｄＴ³＋… ………（５）
といった多項式が用いられることが多い。ここで、ａ、ｂ、ｃ、ｄは定数である。

M. Toyoda, D. Okumura, M. Ishihara and I. Katakuse, J. Mass Spectrom., 2003, 38, pp. 1125-1142. 特開２０００−２４３３４５号公報 特開２００３−８６１２９号公報 特開２００６−１２７８２号公報 英国特許第２０８００２１号公報 国際公開第２００５／００１８７８号パンフレット

飛行時間の延長、あるいはデジタイザによるサンプリング速度の向上による飛行時間型質量分析計の高分解能化が進むにつれて、マススペクトルに含まれるデータポイント数は飛躍的に増加している。また、液体クロマトグラフ−TOFMSやガスクロマトグラフ−TOFMSなどのクロマロ技術との連結、あるいはＭＡＬＤＩ法やＳＩＭＳ法をイオン源とし、位置情報ごとのマススペクトルを測定するマスイメージング法のような応用分野の発展も、データ量の増大につながっている。

しかしながら、時間等間隔で取得されるデータポイントの密度は、必ずしも情報量に見合ったものではない。仮に、質量分解能が同一だとすると、式（４）より、ピークの半値幅は、各イオンの飛行時間、すなわちイオンの質量の平方根に比例する。従来の方法では時間等間隔でデータがサンプリングされるため、各ピークに含まれるデータポイント数もイオンの質量の平方根に比例することになる。

一方で、一般的には、質量が大きくなるに従って、単位質量あたりに含まれる情報量が減るので、高質量域ではデータポイント数は少なくて良い。

その理由の第１は、飛行時間質量分析計の場合、イオン光学系の時間収差が大きくなり、ピーク幅ΔＴが大きくなるため、ｍ／ｚ３０００を境に、質量分解能が低下傾向にあるためである。

第２には、ｍ／ｚ値の小さい領域は、試料中の夾雑物やマトリックス由来の同位体ピークが増えるため、マススペクトルが複雑となり、高い質量分解能が必要である。

図３（ａ）は、ポリプロピレン・グリコールの平均分子量１０００、２０００、４０００の試料を混合して測定したマススペクトルである。このマススペクトルの全データポイント数は、７２３７７６個である。

図３（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、ｍ／ｚ６５６、１７１４、３３４３付近の拡大図である。図３（ｂ）には、主たる化合物由来の１ｕ間隔の同位体ピーク（Ａ）の他に、他の化合物由来の同位体ピーク（Ｂ）も観測されている。しかし、イオンの質量が大きくなるにつれ、図３（ｃ）、（ｄ）のような１ｕ間隔のピークが主流となる。

以上のように、飛行時間質量分析計では、時間等間隔でデータをサンプリングしているため、マススペクトル上で高い質量分解能が必要な低質量領域に合わせて十分にデータポイント数を確保すると、高質量領域で過剰なデータポイント数となり、ひいてはデータ量が過剰となる。

本発明の目的は、上述した点に鑑み、デジタイザによりデジタルデータに変換されたマススペクトルを、その全域において情報量を低減させることなく、データポイントを間引くことによりデータ量を圧縮・減少させることにある。

この目的を達成するため、本発明にかかる飛行時間型質量分析計は、
サンプルをイオン化するイオン源と、
生成したイオンを飛行させ、質量電荷比ごとに質量分離する飛行時間型質量分析部と、
該飛行時間型質量分析部により質量電荷比ごとに質量分離されたイオンを検出して電気信号を出力する検出部と、
該検出部から出力された電気信号を時間等間隔のデジタルデータに変換するデジタイザと、
該デジタイザから得られたデジタルデータが供給される処理装置と、
を備えた飛行時間型質量分析計において、
前記処理装置は、所定の飛行時間または所定の質量電荷比（ｍ／ｚ値）によって区切られたｍ／ｚ領域ごとに設定された異なるデータ点数で、複数の隣り合ったデータ点をまとめて１つのデータ点とすることにより前記デジタルデータの点数を低減させる圧縮処理を行う低減手段を備え、該低減手段によりデータ点数が低減されたデジタルデータを保存するようにしたことを特徴としている。

また、前記低減手段は、飛行時間、ｍ／ｚ値、およびイオンの強度値を、設定されたデータ点数間で平均値を取ることによりデータ点数を低減させることを特徴としている。

また、前記所定の飛行時間または所定の質量電荷比（ｍ／ｚ値）によって区切られたｍ／ｚ領域ごとに設定されるデータ点数は、測定されたイオンピークのｍ／ｚ値が大きくなるにつれて、より大きな値に設定することを特徴としている。

また、前記所定の飛行時間または所定の質量電荷比（ｍ／ｚ値）によって区切られたｍ／ｚ領域ごとに設定されるデータ点数は、予め指定された領域では、より小さな値に設定することを特徴としている。

また、前記イオン源に液体クロマトグラフ装置、またはガスクロマトグラフ装置を連結させ、クロマトグラフ法で分離された試料を測定したデジタルデータのデータ点数を低減させることを特徴としている。

本発明の飛行時間型質量分析計によれば、
サンプルをイオン化するイオン源と、
生成したイオンを飛行させ、質量電荷比ごとに質量分離する飛行時間型質量分析部と、
該飛行時間型質量分析部により質量電荷比ごとに質量分離されたイオンを検出して電気信号を出力する検出部と、
該検出部から出力された電気信号を時間等間隔のデジタルデータに変換するデジタイザと、
該デジタイザから得られたデジタルデータが供給される処理装置と、
を備えた飛行時間型質量分析計において、
前記処理装置は、所定の飛行時間または所定の質量電荷比（ｍ／ｚ値）によって区切られたｍ／ｚ領域ごとに設定された異なるデータ点数で、複数の隣り合ったデータ点をまとめて１つのデータ点とすることにより前記デジタルデータの点数を低減させる圧縮処理を行う低減手段を備え、該低減手段によりデータ点数が低減されたデジタルデータを保存するようにしたので、
デジタイザによりデジタルデータに変換されたマススペクトルを、その全域において情報量を低減させることなく、データポイントを間引くことによりデータ量を圧縮・減少させることが可能になった。

従来のTOFMS装置の一例を示す図である。 従来のTOFMS装置の一例を示す図である。 従来のTOFMS装置で取得されたデータの一例を示す図である。 本発明にかかるTOFMS装置の一実施例を示す図である。 本発明にかかるTOFMS装置のデータ設定方法の一例を示す図である。 本発明のTOFMS装置で取得されたデータの一実施例を示す図である。 本発明にかかるTOFMS装置のデータ設定方法の別の例を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

［実施例１］
図４は、本発明が適用される飛行時間質量分析装置の基本構成を示す図である。図中、１は飛行時間質量分析計を示している。飛行時間質量分析計１内には、イオンの質量電荷比の違いを反映して、異なる飛行時間でイオンが入射するマイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）検出器２が置かれている。

ＭＣＰ検出器２で検出されたイオンピークの信号は、デジタイザ３でＡ／Ｄ変換され、マイクロコンピュータなどで構成される処理部４に送られる。処理部４でデータ処理されたイオンピークの信号は、ｍ／ｚ値に変換された横軸上に並べられて、液晶画面などの表示部５にマススペクトルとして表示される。

このような構成において、飛行時間質量分析計１に内蔵された検出器２からの電気信号は、デジタイザ３により、時間等間隔のデジタルデータに変換されている。デジタルデータを受け取った処理部４では、データ量削減のために、ｍ／ｚ領域ごとに、複数の隣り合ったデータ点をまとめて１つのデータ点とする圧縮処理を行なう。

処理部４は、デジタイザ３から出力されたデジタルデータを一時的にストアしておくＤＲＡＭなどのメモリ４ａを備えている。メモリ４ａのデジタルデータには、入力部４ｂから入力された指示内容に基づいて、プロセッサ４ｃによる圧縮処理が加えられる。圧縮されたデータは、プロセッサ４ｃを介して、メモリ４ａからハードディスク４ｄに移されて保存される。

ｍ／ｚ値の境界となる飛行時間の値は、キャリブレーション式（５）を用いて計算される。いくつかの境界で区切られた領域内における圧縮率、すなわち、ひとまとめにされるデータ点数は、予め値を指定して、テーブルに入力しておく（図５）。

複数のデータ点をひとまとめにする際には、飛行時間値とイオン強度値については、その平均値を算出して採用すれば良い。得られたデータ点の飛行時間値をキャリブレーション係数により、ｍ／ｚ値に変換して、前記表示部に表示させる。

図６は、図３のデータを図５で示したテーブルに従って処理した結果である。この処理により、当初７２３７６６個あったデータ点数は、１４２６８７個へと、約２０％程度にまで圧縮削減された。

図５では、高質量域に行くほど、データの削減量を大きく設定しているが、実際には、高質量域ほど段階的にデータ削減量を大きくする方法ばかりではなく、興味の対象である所望の領域を選んでデータ点数を小さく設定することにより、その領域を特に十分なデータポイント量で維持させることも、もちろん可能である。

［実施例２］
飛行時間質量分析装置の基本構成は、実施例１と同じである。

実施例１では、飛行時間が等間隔のデータをまとめたが、ｍ／ｚ値が等間隔（飛行時間の２乗間隔）となるように、データ点数を統合・圧縮させることも可能である。

この場合、取得された時間等間隔のデータをｍ／ｚ値に対して等間隔となるように統合させる。そのためのｍ／ｚ領域と統合間隔を予め指定して、テーブルにしておく（図７）。この処理により、当初７２３７６６個あったデータ点数は、１１７６１９個へと、約１６％程度にまで圧縮削減された。

［実施例３］
飛行時間質量分析装置の基本構成は、実施例１、２と同じである。

実施例１、２では、飛行時間、またはｍ／ｚ値が等間隔のデータをまとめたが、この手法を液体クロマトグラフィー、またはガスクロマトグラフィーと連結させた飛行時間質量分析計のデータに適用して、そのデータ点数を圧縮させることも可能である。

また、ＭＡＬＤＩ法やＳＩＭＳ法と連結させた飛行時間質量分析計のマスイメージング法のデータに適用して、そのデータ点数を圧縮させることも可能である。

具体的な圧縮のさせ方は、実施例１、２と同じである。

飛行時間型質量分析装置のデータ処理法に広く利用できる。

１：飛行時間質量分析計、２：ＭＣＰ検出器１、３：デジタイザ、４：処理部、５：表示部

Claims (5)

1. サンプルをイオン化するイオン源と、
   生成したイオンを飛行させ、質量電荷比ごとに質量分離する飛行時間型質量分析部と、
   該飛行時間型質量分析部により質量電荷比ごとに質量分離されたイオンを検出して電気信号を出力する検出部と、
   該検出部から出力された電気信号を時間等間隔のデジタルデータに変換するデジタイザと、
   該デジタイザから得られたデジタルデータが供給される処理装置と、
   を備えた飛行時間型質量分析計において、
   前記処理装置は、所定の飛行時間または所定の質量電荷比（ｍ／ｚ値）によって区切られたｍ／ｚ領域ごとに設定された異なるデータ点数で、複数の隣り合ったデータ点をまとめて１つのデータ点とすることにより前記デジタルデータの点数を低減させる圧縮処理を行う低減手段を備え、該低減手段によりデータ点数が低減されたデジタルデータを保存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。
   
2. 前記低減手段は、飛行時間、ｍ／ｚ値、およびイオンの強度値を、設定されたデータ点数間で平均値を取ることによりデータ点数を低減させることを特徴とする請求項１記載の飛行時間型質量分析計。
3. 前記所定の飛行時間または所定の質量電荷比（ｍ／ｚ値）によって区切られたｍ／ｚ領域ごとに設定されるデータ点数は、測定されたイオンピークのｍ／ｚ値が大きくなるにつれて、より大きな値に設定することを特徴とする請求項１記載の飛行時間型質量分析計。
4. 前記所定の飛行時間または所定の質量電荷比（ｍ／ｚ値）によって区切られたｍ／ｚ領域ごとに設定されるデータ点数は、予め指定された領域では、より小さな値に設定することを特徴とする請求項１記載の飛行時間型質量分析計。
5. 前記イオン源に液体クロマトグラフ装置、またはガスクロマトグラフ装置を連結させ、クロマトグラフ法で分離された試料を測定したデジタルデータのデータ点数を低減させることを特徴とする請求項１記載の飛行時間型質量分析計。

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