JP6054784B2 - 質量分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の試料について測定を順次自動的に実行する機能を備えた質量分析装置に関する。

質量分析装置は、サンプルをイオン源でイオン化し、生成したイオンをその質量電荷比に基づいて分離・分析する装置である。イオンを分離することで、サンプル内に含まれる物質の同定（定性分析）、測定対象物質の濃度測定（定量分析）が可能となる。

通常、質量分析装置では、予めオペレータが測定条件を設定し、試料を導入部に導入して測定が行われる。オートサンプラーを備えることにより、複数の試料について測定を自動的に行うことができる質量分析装置も提供されている。このように一連の測定を自動的に行う際には、複数の試料についてそれぞれの測定条件を測定順に入力して複数の測定を１つのシーケンスとして制御コンピュータに登録しておき、自動測定実行時には、制御コンピュータがオートサンプラーを駆動して測定順に試料を順次導入すると共に、登録されていた各試料についての測定条件を順次読み出して装置に設定して測定を順次行う。

図１（ａ）は登録されたシーケンスを制御コンピュータのモニタ画面に表形式で表示した一例を示す。このシーケンス表には５つの測定が登録されており、各測定ごとに試料を入れたバイアルの「バイアル番号」、「メソッドファイル名」、データを保存する「データファイル名」、「コメント」としてのサンプル名が入力されている。

「メソッドファイル」は、測定から解析までの一連の条件をまとめたファイルであり、予め試料の種類や測定用途に応じて各種用意されており、それをそのまま使用することも、その都度改編して新しく作ることもできる。
メソッドファイルは、たとえばガスクロマトグラフ質量分析装置（ＧＣ−ＭＳ）の場合には、図１（ｂ）に示すように「カラム流量」、「オーブン温度」、「伝送路温度」などのＧＣパラメータと、「測定モード」、「検出器電圧」、「掃引速度」、「掃引範囲」などのＭＳパラメータとから構成される。

オペレータは、シーケンス設定画面から、図１（ａ）に示すように、１から５まで測定順に試料名（バイアル番号）とその試料を測定するのに使用するメソッドファイル（Method１〜５）を入力し、保存されるデータのファイル名及びコメントを入力し、シーケンスを完成させて保存する。

そして、オペレータがオートサンプラーに指定どおり試料がセットされていることを確認して装置の操作画面から「シーケンスの実行メニュー」を選択し、保存しておいたシーケンスを指定して「実行」を指示すると、制御コンピュータは、メソッドファイルMethod１の内容に基づいて装置パラメータを設定した後、オートサプラーを制御してバイエル番号１のバイアルから試料Ｓ１をＧＣに導入し、測定１を開始する。

測定１が終了したら、全く同様にして測定２が開始され、このようにして、５つの測定が順次制御コンピュータの制御の元で自動的に実行される。

特開２００３−０２２７７９号公報 特開２００４−１７２０７０号公報

ところで、最適な条件下で質量分析測定を行なうためには、質量分析装置内の特定部位の温度を所定の値に設定して制御する必要のあることが多い。例えば、イオン源やイオン溜めなどでは、装置部材へのサンプル分子の吸着を防ぐ目的のために、測定対象ごとに温度を最適化することが行なわれる。

また、イオンを分離する質量分離部でも、温度を制御することによって構成部品の熱膨張による分析精度の低下を防ぎ、イオン分離の精度を高める場合がある。

温度の最適値は、装置の部位や測定の内容ごとに異なっているのが普通である。そのため質量分析では、ユーザが予め指定した箇所の温度が目的の設定温度に到達していることを確認し終わってから、測定が開始される。

最適な温度状態で自動測定を実行するためには、各測定が実行に入る前に、指定箇所のすべてが設定された通りの温度になっていなければならない。そのため、設定温度条件が異なる２つの測定を連続して実行するためには、２番目の測定に移る前に、装置温度を変更するための待ち時間が必要となる。

この待ち時間の存在は、自動測定の実行時間を長引かせる主な要因になっている。特に連続する２つの測定間で、設定される温度値に大きな差があるように測定順序が指定された場合は、待ち時間が必然的に長くなり、測定の待ち時間の長時間化がより深刻化する。

本発明の目的は、上述した点に鑑み、自動測定を実行する際に測定順序を考慮することにより、測定時間の短縮を実現させることのできる質量分析装置を提供することにある。

この目的を達成するため、本発明にかかる質量分析装置は、
（１）試料をイオン化するイオン源、
（２）得られた試料イオンをその質量電荷比に応じて分析する質量分析系、
（３）前記イオン源及び／又は質量分析系における少なくとも１つの部位の温度制御情報を含む複数の測定情報を、複数の測定に対応させて設定する測定情報設定手段、
（４）前記イオン源及び／又は前記質量分析系の所定の部位の温度を、前記測定情報設定手段によって設定された所定の温度値に制御しつつ、前記複数の測定を順次自動的に実行させる制御装置、
を備えた質量分析装置であって、
前記制御装置は、
（５）温度制御が予定される部位の昇温速度と降温速度のデータを記録した記憶手段、
（６）該記憶手段に記録された昇温速度と降温速度のデータと、前記複数の測定における所定の部位の設定温度のデータとに基づき、前記複数の測定を順次自動的に行なった際に予測される所要時間を複数の測定の測定順番を変えた複数の測定順について計算で求める計算手段、
を備えたことを特徴としている。

本発明の質量分析装置によれば、
（１）試料をイオン化するイオン源、
（２）得られた試料イオンをその質量電荷比に応じて分析する質量分析系、
（３）前記イオン源及び／又は質量分析系における少なくとも１つの部位の温度制御情報を含む複数の測定情報を、複数の測定に対応させて設定する測定情報設定手段、
（４）前記イオン源及び／又は前記質量分析系の所定の部位の温度を、前記測定情報設定手段によって設定された所定の温度値に制御しつつ、前記複数の測定を順次自動的に実行させる制御装置、
を備えた質量分析装置であって、
前記制御装置は、
（５）温度制御が予定される部位の昇温速度と降温速度のデータを記録した記憶手段、
（６）該記憶手段に記録された昇温速度と降温速度のデータと、前記複数の測定における所定の部位の設定温度のデータとに基づき、前記複数の測定を順次自動的に行なった際に予測される所要時間を複数の測定の測定順番を変えた複数の測定順について計算で求める計算手段、
を備えたことを特徴としているので、
自動測定において測定実行時間の短縮を実現させることのできる質量分析装置を提供することが可能になった。

従来のシーケンス法を表わす表の一例を示す図である。 本発明の質量分析装置の構成を示す図である。 本発明にかかるシーケンス法を表わす表の一実施例を示す図である。 本発明にかかるシーケンス法を表わす表の一実施例を示す図である。 本発明にかかるシーケンス法を表わす表の一実施例を示す図である。 本発明にかかるシーケンス法がもたらす効果を概念的に示す図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。本発明の質量分析装置は、図２に示すように、イオンの生成と分離を行なう質量分析装置本体１と、自動測定を実行するためのソフトウェアがインストールされた制御コンピュータ２とから成る。

自動測定を行なうためには、従来技術において説明した通り、制御コンピュータのモニタ画面に表示されたシーケンス表の測定１〜１０の入力が可能な空欄の各行に測定条件を順次入力することにより、図１と同様のシーケンス表、例えば図３に示すような３種類のサンプル（サンプル名を仮にｘ、ｙ、ｚとする）の測定条件が入力されたシーケンス表を作成する。この表の測定条件の中には、各測定で用いる各温度制御部位（例えば、部位Ａ、Ｂとする）の設定温度情報も含まれている。

制御コンピュータ２は、質量分析装置１を構成するイオン源４、質量分離部としてのＱポール（四重極電極）５、イオン検出器６など各部位の設定条件を、表３に書き込まれた内容に基づいて制御する。

このうち温度制御を必要としている部位としては、（１）イオン源、（２）ガスクロマトグラフ装置（ＧＣ）とイオン源とを結ぶＧＣインターフェイス部、（３）Ｑポール（四重極電極）、などが含まれている。

イオン源では、壁部に試料などの汚れ成分が吸着するのを防止する目的で、壁部をヒータで加熱する場合が多い。ＧＣインターフェイス部では、ＧＣカラムから流出する試料ガス成分が凝結や吸着を起こさないよう、ヒータで高温に保つ必要がある。Ｑポールは、分析精度を安定させる目的で、温度を恒温に維持させる場合が多い。これらの部位では、いずれもその設定温度を完全に管理することが、その装置性能を十分に発揮させる上で重要なファクターとなっている。

オペレータにより、連続測定にかかる予想時間の計算が指令されると、制御コンピュータは登録されたシーケンス表に入力された測定情報を読み取り、そこに書き込まれた複数の温度制御部位の設定温度値に基づいて、測定全体に要する時間を算出し、結果を図４に示すように、一覧にして表示する。

制御コンピュータは、この計算を以下のようにして行なう。すなわち、測定全体の所要時間の予測値を計算するためには、温度制御部位に与えられている昇温速度能力と降温速度能力に関する情報を利用すれば良い。

昇温速度は、ある温度制御部位を１℃上昇させるのに要する時間、降温速度は、ある温度制御部位を１℃下降させるのに要する時間と定義する。連続する２つの測定の間において、設定温度に差がある場合は、その設定温度差を昇温速度値、または降温速度値で割れば、到達に要する時間を計算することができる。

このとき、先に行なわれる測定の設定温度値よりも、後で行なわれる測定の設定温度値の方が高ければ、昇温速度値のデータを計算に用い、先に行なわれる測定の設定温度値よりも、後で行なわれる測定の設定温度値の方が低ければ、降温速度値のデータを計算に用いるようにする。

なお、最初の測定における設定温度への到達時間は、装置の初期温度から計算する。初期温度は、シーケンス法を実行する直前の温度であり、これを測定開始時にオペレータが直接入力しても良いし、制御装置が測定の順番を判断しているときの装置温度を、制御コンピュータ自身が質量分析装置から自動的に読み込むようにしても良い。

すなわち、温度制御が予定されている複数の温度制御部位ごとに昇温速度と降温速度のデータを記録した記憶手段を予め設けておき、その記録に基づいて、連続測定を行なった際に予測される温度制御所要時間をすべての測定の順番の組み合わせに対して計算で求め、その計算値が最短となる組み合わせを実際の実行順序として採用すれば、シーケンス全体の測定に要する時間を最短にすることができる。

例えば、初期温度が３０℃のとき、ＡとＢの２ヶ所の温度制御部位に対して設定温度が異なる３つの測定を実行する場合を考える。Ａ、Ｂのそれぞれに対する設定温度は、測定ｘが１００℃、８０℃、測定ｙが１２０℃、８５℃、測定ｚが１１０℃、８８℃、昇温特性はＡが５秒／℃、Ｂが１０秒／℃、降温特性はＡが１５秒／℃、Ｂが２０秒／℃であると仮定する。

測定の順番の組み合わせ（順列）は６通りあり、それぞれの組み合わせでは、設定温度への到達予測時間は図４のように計算される。測定を開始するためには、温度制御部位Ａ、Ｂの温度がともに設定温度に到達していなければならない。このため、設定温度に到達する時間は、温度制御部位Ａ、Ｂの到達予測時間のうち、長い方を採用する。その結果、これらから予測される最も到達に要する時間の短い順番は、ｘ→ｚ→ｙとなるので、シーケンス法は、この順番で測定を行なうことが最も効率的である。

制御コンピュータ２は、このようにして所要時間が短い順に連続測定の順序付けを行ない、その優先順序に基づいて、例えば図５のようにシーケンス表のメソッドファイルの順番を並び換えて表示する。

オペレータはこの並び換えられた優先順序を見て、もし１番上位に評価された測定順序（ｘ→ｚ→ｙ）で実際の測定を進めても良いと判断した場合は、その順序の数値をマウスで１回クリックすれば、その測定順序のデータがオートサンプラーの制御部に送信されて、オートサンプラーはそのランダムアクセス機能を活用しながら、被測定試料を決められた順番通りに順次測定していく。

なお、図５の例では試料の数が全部で３個だけだったため、６通りの測定順序の組み合わせを表示画面に表示するだけで済んだが、これがもし５個以上に増えると、組み合わせの数は１２０以上もの膨大な数になる。そこで、そのような場合には、全ての計算結果を表示する機能は残しながら、その順番を予測所要時間の短いものから順番に並び換えて表示する表示方法に基づいて表示させても良い。オペレータは、並び換えられた全ての結果を十分に吟味した上で、最も良いと考えられる測定順序を、実際の測定順序として採用することができる。

昇温速度と降温速度は、自動測定を実行する前に予め測定しておき、不揮発性メモリ等にデータを記憶させておく。測定の順番を決定するとき、制御コンピュータは、該当するメモリのアドレスからこの情報を読み込む。

昇温速度は、ヒータに供給する電力を一定にしたときの温度と時間の関係から実験的に求めることができる。また、降温速度は、温度制御部位をある温度まで上げ、ヒータ電源を切ったときの温度と時間の関係から実験的に求めることができる。昇温速度と降温速度に温度への依存性がある場合は、温度ごとに予め調べて記録しておく。

図６（ａ）は、従来のタイミングチャートを表わしている。すなわち、図１に示されるシーケンス表に入力されたメソッドファイルのＮｏ順に測定を実行していた。ｔ₁〜ｔ₅はＮｏ.１〜５の各測定における温度制御部位の制御温度値であり、ｔ₅＞ｔ₄＞ｔ₃＞ｔ₂＞ｔ₁（下付きの添え字は、入力された測定ファイル中に含まれている制御温度情報のうち、高い温度値から順番に５、４、・・・、１と表記した識別記号である）の関係がある。

一方、本発明では、連続測定を行なった際に予測される温度制御所要時間をすべての測定順に対して計算で求めた結果から、最も所要時間が短い測定順を選択して指定することができる。図６（ｂ）は、このようにして選択された最も所要時間が短い測定順で実行されたシーケンスのタイミングチャートを表わしている。図に示されているように、全体の測定の順番はＮｏ.１→Ｎｏ.５→Ｎｏ.３→Ｎｏ.４→Ｎｏ.２になっており、図６（ａ）に２回含まれていた降温のための待ち時間がなくなり、併せて各昇温時の昇温幅が小さくなるので、昇温のための待ち時間が短縮される。そのため、測定全体の所要時間が短くなっている。

また、測定の順番は、以下のような簡易的な方法で決定しても良い。すなわち、最初の測定は、シーケンス実行前の初期温度から最短時間で到達できる測定を選ぶ。次に、最初の測定の設定温度から最短時間で到達できる測定を２番目の測定として選ぶ。以下、同様にして、前回の測定に対し最短時間で設定温度に到達できる測定を順次、次回の測定として選んで行く。

このようにすると、到達時間の計算は、可能な組み合わせのうち、ごく一部の組み合わせに対してのみ行なえば良くなるので、制御コンピュータへの計算の負荷が軽減される。その場合、選ばれた順番が最短ルートになっている保証はないが、設定温度を考慮せずに入力されたままの順番でシーケンスを実行していた従来の方法と比較すれば、測定にかかる所要時間をより短くできることは明らかである。

なお、質量分析装置が複数のメソッドファイルを実行する際に、温度制御と関わりのある外部アタッチメントとして、ガスクロマトグラフ装置（ＧＣ）や熱天秤装置（ＴＧ）がある。これらの外部アタッチメントは、測定の開始と同時に、室温から高温に向かってオーブン温度（ＧＣの場合）や試料温度（ＴＧの場合）を上昇させていき、温度の上昇に伴って得られる試料ガスを質量分析装置で分析することにより、被測定試料の定性と定量を行なわせるユニットである。

通常、これらの外部アタッチメントの温度制御は、質量分析装置側の温度制御（イオン源、ＧＣインターフェイス、Ｑポールなどの温度制御）が完了した後に開始される。したがって、外部アタッチメントの温度制御は、質量分析装置本体の温度制御からは独立した形で、外部アタッチメント自身が持つ温度制御手段によって実行制御されるのが一般的である。

質量分析装置側の温度制御に要する実時間は、ひとつのメソッドファイルの測定が終了してから次のメソッドファイルの測定に移行するまで、およそ３０分ほどである。それと較べて、ＧＣやＴＧでは、装置温度を測定終了時点の高温状態から次の測定開始が可能となる室温状態にまで戻すのに要する実時間は、およそ５分である。

これらの実時間の比較から、ＧＣやＴＧを装備した質量分析装置では、ひとつのメソッドファイルの測定から次のメソッドファイルの測定に移行する際の所要時間を決める上で最も支配的な要因となっている工程は、実はＧＣやＴＧなどの温度制御工程ではなく、むしろ質量分析装置自身の温度制御工程であることが分かる。それゆえに、質量分析装置側の温度制御工程の効率化こそが全体の効率化につながると言える。

本発明により得られる効果は、以下の通りである。

（１）温度制御部位の昇温速度と降温速度を予め記録媒体に記録して保持しておくことにより、異なるメソッドファイル間で設定温度への到達に要する時間を計算により予測可能となるので、その予測により得られた所要時間が最も短い順番でシーケンス法を実行するように測定順序を決定すれば、自動測定全体の実行にかかる所要時間を大幅に短縮させることができる。

（２）温度制御部位の昇温速度と降温速度のデータに基づき、現在実行中の測定の設定温度条件から最短時間で移行可能な設定温度条件を備えた未測定のメソッドファイルを計算により決定し、決定されたメソッドファイルを、次に実行するメソッドファイルとして選ぶようにシーケンスを制御すれば、自動測定全体の実行にかかる所要時間を大幅に短縮させることができる。

（３）温度制御部位の昇温速度と降温速度を予め記録しておくことにより、測定順を決定する際に、低温側から高温側への順番と、高温側から低温側への順番とでいずれが短時間であるかを決める際の判断材料になり得る。

複数の試料について測定を順次自動的に実行する機能を備えた質量分析装置に広く利用できる。

Claims (5)

1. （１）試料をイオン化するイオン源、
   （２）得られた試料イオンをその質量電荷比に応じて分析する質量分析系、
   （３）前記イオン源及び／又は質量分析系における少なくとも１つの部位の温度制御情報を含む複数の測定情報を、複数の測定に対応させて設定する測定情報設定手段、
   （４）前記イオン源及び／又は前記質量分析系の所定の部位の温度を、前記測定情報設定手段によって設定された所定の温度値に制御しつつ、前記複数の測定を順次自動的に実行させる制御装置、
   を備えた質量分析装置であって、
   前記制御装置は、
   （５）温度制御が予定される部位の昇温速度と降温速度のデータを記録した記憶手段、
   （６）該記憶手段に記録された昇温速度と降温速度のデータと、前記複数の測定における所定の部位の設定温度のデータとに基づき、前記複数の測定を順次自動的に行なった際に予測される所要時間を複数の測定の測定順番を変えた複数の測定順について計算で求める計算手段、
   を備えたことを特徴とする質量分析装置。
2. 前記計算手段により計算された各測定順についての予測所要時間を表示する表示手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
3. 前記制御装置は、次の測定に進む際に必要となる温度制御に要する待ち時間を、その時点で未測定であるすべての測定について、実行中の測定の設定温度から計算によって求め、その計算値が最短となった未測定の測定が実際に次に実行される測定として採用されるよう連続測定を制御することを特徴とする請求項１記載の質量分析装置。
4. 前記昇温速度は、ヒータに供給する電力を一定にしたときの前記温度制御部位の温度と時間との関係から予め実験的に決定し、前記降温速度は、前記温度制御部位をヒータで所定の温度まで上げ、ヒータ電源を切った後の温度と時間との関係から予め実験的に決定することを特徴とする請求項１記載の質量分析装置。
   
5. 前記温度制御部位は、イオン源、ガスクロマトグラフ装置（ＧＣ）とイオン源とを結ぶＧＣインターフェイス部、および四重極電極の中の少なくとも１つであることを特徴とする請求項１記載の質量分析装置。

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