JP6130174B2 - 質量分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、温度制御部位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。

最適な温度状態でシーケンス法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、シーケンス法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、シーケンス法において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温度制御対象部位の温度を、前記測定情報設定手段によって設定された所望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、前記複数の測定情報に含まれる前記温度制御対象部位の制御温度値に基づき、前記複数の測定の実行順序を決定する測定実行順序決定手段を備え、
該測定実行順序決定手段は、前記測定情報の中で設定された前記温度制御対象部位の制御温度値が昇順または降順になるよう、前記複数の測定の実行順序を決定する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温度制御対象部位の温度を、前記測定情報設定手段によって設定された所望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、前記複数の測定情報に含まれる前記温度制御対象部位の制御温度値に基づき、前記複数の測定の実行順序を決定する測定実行順序決定手段を備え、
該測定実行順序決定手段は、前記測定情報の中で設定された前記温度制御対象部位の制御温度値が昇順または降順になるよう、前記複数の測定の実行順序を決定することを特徴としているので、
シーケンス法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の入力画面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の概念を示す図である。 本発明にかかるシーケンス法の入力画面の別の実施例を示す図である。

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、シーケンス法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。

シーケンス法を行なうためには、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、オペレータが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を作成する。この測定条件の中には、各測定で用いる各温度制御部位の設定温度情報も含まれている。

図３は、シーケンスを設定するための入力画面の一実施例を示している。従来の入力画面の項目に加えて、さらにメソッドファイル中に含まれている設定温度値が表示される表示欄が追加され、さらにその設定温度値の高低関係に基づいて、望ましい測定実行順序を提案して表示する表示欄が追加されている。

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。

オペレータにより測定順序の最適化が指令されると、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が短縮されるように、測定を実行する順番を決定し、図３に示すように、「実行順序」の欄に決定した実行順序を記入して表示する。

制御コンピュータは、この順番を以下のように決定する。すなわち、シーケンス表に入力されたすべての測定に対して、測定条件の中で指定された１つの温度制御部位の設定温度値を比較し、それらの設定温度値の大きさが昇順、または降順となるように、測定を実行する順番を決定する。これにより連続測定の際に異なる測定間で設定温度値の差が最小となるので、設定温度値の差をまったく考慮せず、単に入力順に実行していた従来よりも、温度到達までに要する待ち時間を大幅に短縮することができる。

図４（ａ）は、従来のシーケンス法によるタイミングチャートを表わしている。すなわち、シーケンス表に入力された測定ファイルのＮｏ順に測定を実行していた。例えば、Ｎｏ.１〜５の各測定における温度制御部位の制御温度値が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）の順番であったにも関わらず、その順番通りに測定が進められていなかった結果、目的温度に到達するまでの待ち時間が長くかかってしまい、測定全体の所要時間がどうしても長くなりがちであった。

一方、本願では、図４（ｂ）に示すように、温度制御部位の制御温度値がｔ₁→ｔ₂→ｔ₃→ｔ₄→ｔ₅となるように、全体の測定の順番をＮｏ.１→Ｎｏ.５→Ｎｏ.３→Ｎｏ.４→Ｎｏ.２に並び換えることにより、図４（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を短くすることが容易にできる（なお、これは高温側から低温側への逆の順番であっても良い）。

さらに、比較に用いられる設定温度値として、もし温度制御部位が複数存在している場合には、温度制御が予定されている複数の部位すべての設定温度値を足し合わせて平均した平均値を求めた上で、前記複数の測定間で比較する方法を取れば良い。その際、温度制御部位の熱容量の違いに関する情報により重み付けをした加重平均値を順番決定の基準に採用すれば、温度到達に要する待ち時間をより短くすることができる。

さらに、もし複数箇所ある温度制御部位の性質が、お互いに極端に異なっているような場合には、それらの平均値を取る行為自体が殆ど意味を成さないこともあり得るので、そのような場合には、（１）温度制御が予定されている複数の部位のうちで熱容量が最も大きい値を持った部位の制御温度値、（２）温度制御が予定されている複数の部位のうちで所望の温度への到達に最も時間がかかる部位の制御温度値、などを前記制御温度値の判断基準として優先的に採用して、測定の実行順序の決定を行なわせるようにしても良い。

なお、測定ファイルを低温側から高温側の順番にするか、あるいは高温側から低温側の順番にするかは任意であるけれども、場合によっては、温度制御部位の実際の昇温速度と降温速度の違いに基づいて、より効率的な方を選ぶようにしても良い。

昇温速度と降温速度は、シーケンス法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、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５は、シーケンスを設定するための入力画面の別の実施例を示している。従来の入力画面の項目とは別に、さらにメソッドファイル中に含まれている複数の温度制御部位ごとの設定温度１（例えば、イオン源の設定温度）、および、設定温度２（例えば、ＧＣインターフェイスの設定温度）が表示される表示欄が設けられ、さらに、その設定温度値の平均値の高低関係に基づいて、望ましい測定実行順序を提案して表示する表示欄が追加されている。この表示欄に表示された順番で測定を実行しても良いとオペレータが判断した場合は、オペレータが図５に図示していない「実行コマンド」をマウスでクリックすれば、装置が提案した順番の通りに複数の測定が実行に移される。

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シーケンス法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）所定の温度制御部位の設定温度値を昇順、または降順にした順番でシーケンス法を実行することにより、シーケンス全体の実行にかかる所要時間を大幅に短縮できる。

（２）温度制御部位全体の平均値、またはその平均値に各部位の熱容量で重み付けした加重平均値を昇順、または降順にした順番でシーケンスを実行することにより、シーケンス全体の実行にかかる所要時間をより大幅に短縮できる。

（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にするか、あるいは高温側から低温側への順番にするかを決める際の判断材料になり得る。

温度制御部位を備えた質量分析装置に広く利用できる。

Claims (6)

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温度制御対象部位の温度を、前記測定情報設定手段によって設定された所望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、前記複数の測定情報に含まれる前記温度制御対象部位の制御温度値に基づき、前記複数の測定の実行順序を決定する測定実行順序決定手段を備え、
   該測定実行順序決定手段は、前記測定情報の中で設定された前記温度制御対象部位の制御温度値が昇順または降順になるよう、前記複数の測定の実行順序を決定することを特徴とする質量分析装置。
2. 前記測定実行順序決定手段は、１つの測定で温度制御が予定されている複数の前記温度制御対象部位の設定温度値を平均した平均値を求め、求めた平均値に基づいて複数の測定の実行順序を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。
3. 前記平均値には、前記温度制御対象部位ごとに、その部位の昇温または降温速度を考慮して重み付けされた加重平均値が用いられることを特徴とする請求項２記載の質量分析装置。
4. 前記制御温度値には、複数の前記温度制御対象部位のうち、予め決められた所定の部位の制御温度値が優先的に採用されることを特徴とする請求項１記載の質量分析装置。
5. 前記温度制御対象部位は、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Ｑポールの中の少なくとも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。
6. 前記測定実行順序決定手段により決定された測定順序を表示する手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の質量分析装置。

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