JP6493076B2 - ピーク波形処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体クロマトグラフなどで得られたクロマトグラムや質量分析装置で得られたプロファイルスペクトルなどの測定波形に現れるピーク波形を処理し、セントロイド位置やピークトップ位置などのピーク情報を取得するピーク波形処理装置に関する。

質量分析装置において所定の質量電荷比（m/z）範囲に亘る測定が行われた場合、通常、その質量電荷比範囲におけるイオン強度の変化を示す測定波形としてプロファイルスペクトルが得られる。通常、このプロファイルスペクトルにおいては、一つの物質由来のイオンに対する強度信号は或る質量電荷比幅を持つピークとして現れる。そこで、そのイオンに対応する質量電荷比値を求め、求めた質量電荷比値の位置に線状のピークを描いたマススペクトルを作成するために、プロファイルスペクトル上の各ピークの重心を計算するセントロイド処理が一般に行われる（特許文献１、非特許文献１参照）。

こうしたセントロイド処理においてピークの重心位置（つまりはm/z値）とピーク強度値とを算出するアルゴリズムとして、台形近似を用いた手法がしばしば利用されている。図７はこのアルゴリズムの概略説明図である。

図７において、●で示す点Prが測定によって実際に得られたデータである。質量電荷比軸上で隣接する実測データPr同士を直線で結び、その直線と、一つのピークを形成する複数の実測データ値の中で値が最大であるピークトップ値を基準として定められた閾値との交点Ptを求める。図７に示すように、この交点Ptはピークの立ち上がり側と立ち下がり側とでそれぞれ求まる。そして、その閾値線上の二つの交点Pt及び閾値以上の実測データPrからそれぞれベースラインに垂線を引くことでベースラインとの交点を求め、その垂線を平行な対辺とし、ベースライン及び実測データPr同士を結んだ上記直線を非平行な対辺とする複数の台形を求める。図７の例では五つの台形が得られている。その複数の台形を統合して得られる多角形の重心を算出し、その重心が位置する質量電荷比の値をセントロイドの質量電荷比値とする。また、上記複数の台形の面積の合計をセントロイド強度値とする。

例えば液体クロマトグラフ（ＬＣ）等のクロマトグラフとイオントラップ飛行時間型質量分析装置（ＩＴ−ＴＯＦＭＳ）とを組み合わせたＬＣ−ＩＴ−ＴＯＦＭＳにおいて、ＬＣで分離されて次々にＩＴ−ＴＯＦＭＳに導入される化合物を漏れなく検出するためには、ＩＴ−ＴＯＦＭＳにおいて短い時間間隔で以て所定の飛行時間範囲（つまりは質量電荷比範囲）に亘る測定を繰り返す必要がある。そうした場合、ＩＴ−ＴＯＦＭＳにおいて１回の測定で得られる飛行時間スペクトル上で一つのピークの時間幅は狭くなり、一つのピークを構成する実測データの点数が少なくなる。

特開２００７−３０９６６１号公報

「技術分類 ２−４−１−３ 質量分析全般技術／データ処理／スペクトル処理／ピーク検出」、［online］、特許庁、［平成２７年８月３日検索］、インターネット＜URL: https://www.jpo.go.jp/shiryou/s_sonota/hyoujun_gijutsu/mass/2-4-1.pdf＞

上述したように台形近似を用いたアルゴリズムによるセントロイド処理を行う場合、一つのピークを構成する実測データの点数が少ないと、実際の重心の位置と計算によって求まる重心の推定位置との誤差が大きくなることがある。図８は、検出器からの検出信号をサンプリングしてデジタル値に変換する際のサンプリング時間間隔内で実際のピークトップの位置をずらしていったときのずれ量を横軸に、上述したアルゴリズムに基づく計算によって求まるセントロイド位置を縦軸にとった図である。ピークトップ位置のずれ量に拘わらずセントロイド位置が一定であるのが理想的であるが、ここではセントロイドの推定位置が１．３８〜１．４の間で大きく変動していることが分かる。即ち、上述した従来法では、セントロイド位置に関し実際のピークトップの位置に依存する系統誤差が発生することになる。

一般にＴＯＦＭＳは四重極型質量分析装置等に比べて高い質量精度が得られ、その質量精度の高さを活かして未知物質の同定（定性）に利用されることも多い。しかしながら、上述したようにセントロイド位置やピークトップ位置の系統誤差が大きいと、質量電荷比値に基づく物質の同定に支障をきたすことになる。

本発明はこうした課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、一つのピークを構成する実測データの個数が比較的少ない場合であっても、精度良くセントロイド処理を行い、セントロイド位置、ピークトップの位置、或いはピーク面積値などを正確に算出することができるピーク波形処理装置を提供することにある。

上記課題を解決するために成された本発明は、試料に対する所定の測定によって得られた測定波形上のピーク波形を処理することで、試料に含まれる物質の定性又は定量を行うためのピーク情報を算出するピーク波形処理装置において、
a)時系列的な実測データに基づくアップサンプリングを行うことで、時間的に連続する実測データの間に補間データを挿入するアップサンプリング処理部と、
b)前記アップサンプリング処理部によるアップサンプリング実施後の実測データ及び補間データに基づいて、台形近似を用いたセントロイド処理を行うことにより、ピークの重心位置、ピークトップ位置、ピークの高さ、及びピーク面積の少なくともいずれか一つをピーク情報として算出するピーク波形処理部と、
を備えることを特徴としている。

本発明に係るピーク波形処理装置においてアップサンプリング処理部は、測定波形を構成する時系列的な実測データに基づく適宜の倍率のアップサンプリングを行い、時間的に連続する実測データの間に補間データを挿入する。それによって、測定波形上の一つのピークを構成するデータの点数は増加する。ここで、アップサンプリングの手法は特に限定されない。例えば、音声やオーディオの分野で一般に利用されているデジタルフィルタやサンプリングコンバータなどによるサンプリング周波数変換手法を用いたり、或いは、より一般的な多項式近似によるデータ補間法、例えばラグランジェ補間やスプライン補間などを用いたりすることができる。また、ウェブレット補間法などを用いることもできる。

ピーク波形処理部はアップサンプリングされることでデータ点数が増加したピーク波形について、既存の手法、例えば上述した台形近似によるアルゴリズムを利用したセントロイド処理を行い、ピークの重心位置、ピークトップ位置、ピークの高さ、及びピーク面積の少なくともいずれか一つを算出し、それをピーク情報として定性分析や定量分析に提供する。アップサンプリングによってピーク波形の曲線形状は滑らかになるので、サンプリング時間間隔内で実際のピークトップの位置がずれるのに伴うセントロイド推定位置の変動、即ち系統誤差を低減することができる。

本発明に係るピーク波形処理装置は例えば、試料に対する質量分析によって得られたプロファイルスペクトル波形に現れるピーク波形を処理する際に有用であり、特に、質量精度が重要視される飛行時間型質量分析装置で得られたピーク波形の処理に有用である。即ち、本発明に係るピーク波形処理装置の一態様として、飛行時間型質量分析装置で得られた実測データを前記アップサンプリング処理部の処理対象とするとともに、前記ピーク波形処理部においてピークの重心位置を求め、その重心位置に対応する質量電荷比を物質を定性（同定）する情報として提供する構成とするとよい。

この構成では、プロファイルスペクトル上のピーク波形のセントロイド位置が高精度で求まるから、各イオンに対する質量電荷比値の算出精度が向上する。それによって、例えばデータベース検索などに基づく物質の同定の正確性が向上するほか、多価イオンピークに対するデコンボリューション処理が確実に行えるようになり、多価イオンの価数を正確に把握でき、その質量電荷比値の算出精度も向上する。

また本発明に係るピーク波形処理装置は、液体クロマトグラフィ分析やガスクロマトグラフィ分析によって得られたクロマトグラム波形に現れるピーク波形を処理し、得られたピーク高さやピーク面積などに基づいて定量を行う際にも利用できる。本発明に係るピーク波形処理装置では、ピーク高さやピーク面積の算出精度も向上するので、定量精度も向上する。

本発明に係るピーク波形処理装置によれば、測定波形上のピークのセントロイド位置、セントロイド強度、ピークトップ位置、ピーク高さ、ピーク面積などのピーク情報が従来よりも高い精度で求まる。それによって、そうしたピーク情報を利用した、試料中の物質の同定の精度や定量の精度を向上させることができる。

本発明に係るピーク波形処理装置を用いた質量分析システムの一実施例の概略構成図。 本実施例の質量分析システムにおける特徴的なピーク波形処理の手順を示すフローチャート。 実測データとそれに基づくアップサンプリング後のピーク波形を示す図。 本実施例によるピーク波形処理（台形近似利用）と従来のピーク波形処理とにおける、サンプリング時間間隔内での実際のピークトップ位置の相対的ずれ量とセントロイド推定位置との関係を示す図。 本実施例によるピーク波形処理（多項式近似利用）と従来のピーク波形処理とにおける、サンプリング時間間隔内での実際のピークトップ位置の相対的ずれ量とピークトップ推定位置との関係を示す図。 本実施例によるピーク波形処理（台形近似利用）と従来のピーク波形処理とにおける、サンプリング時間間隔内での実際のピークトップ位置の相対的ずれ量と算出されたピーク面積値との関係を示す図。 台形近似を用いたセントロイド処理のアルゴリズムの概略説明図。 従来のピーク波形処理における、サンプリング時間間隔内での実際のピークトップ位置の相対的ずれ量とセントロイド推定位置との関係を示す図。

本発明に係るピーク波形処理装置を用いた質量分析システムの一実施例について、添付図面を参照して説明する。

図１は本実施例の質量分析システムの概略構成図である。
飛行時間型質量分析装置（ＴＯＦＭＳ）１は、イオン源１１、ＴＯＦ型質量分離部１２、検出器１３、及びＡ／Ｄ変換器１４を含む。イオン源１１で生成されて出射された試料由来のイオンは、ＴＯＦ型質量分離部１２において質量電荷比に応じて時間方向に分離され、時間差を以て検出器１３に到達して検出される。飛行時間型質量分析装置１では、この質量分析のサイクルが短い時間間隔で繰り返される。検出器１３は順次到達するイオンの量に応じた検出信号を出力し、この検出信号はＡ／Ｄ変換器１４で所定のサンプリング時間間隔でデジタルデータに変換され、データ処理部２へと送られる。

データ処理部２は、データ記憶部２１、アップサンプラ２２、ピーク波形処理部２３、及びピーク情報記憶部２４を、機能ブロックとして含む。また、データ処理部２には、ユーザがデータ処理に関する適宜のパラメータを設定するための入力部３や、処理結果が出力される表示部４が接続されている。なお、データ処理部２の実体はパーソナルコンピュータであり、該コンピュータに予めインストールされた専用のデータ処理ソフトウエアを該コンピュータ上で動作させることにより、上記各機能ブロックを実現するようにすることができる。

図２は、本実施例の質量分析システムにおける特徴的なピーク波形処理の手順を示すフローチャートである。この図２に従って、ピーク波形処理を説明する。

ピーク波形処理が開始されると、アップサンプラ２２はデータ記憶部２１から１回の測定によって得られた、プロファイルスペクトルを構成する実測データを時間順に読み出し（ステップＳ１）、例えば２倍のアップサンプリング処理を行うことで、計算によって推定したデータを連続する実測データの間に挿入する（ステップＳ２）。
アップサンプリングの手法としては、一般的な音声やオーディオの分野で利用されているサンプリング周波数変換技術、具体的には、デジタルフィルタを用いたオーバーサンプリングやサンプリングコンバータを用いることができる。また、局所的に多項式近似を行って補間点を求める等、より一般的なサンプリング周波数変換技術を用いてもよい。また、周波数領域での補間は適合性が良好であるから、ウェブレット補間法などを用いてもよい。もちろん、２倍アップサンプリングでなく４倍アップサンプリング等、適宜の倍数のアップサンプリングを利用することができる。

図３は、４／３倍アップサンプリングであるサンプリング周波数変換処理を１４回繰り返し行うことで得られたピーク波形を示す図である。アップサンプリングの倍率を上げるほど精度は上がるもののそれだけ計算時間も掛かるから、精度と時間とのトレードオフによって予め倍率を決めておけばよい。

次に、ピーク波形処理部２３は、アップサンプリング後のデータ、つまりは実測データと計算で推定された補間データとから成るピーク波形に対し従来と同様に、セントロイド処理を行ってセントロイドピークを求めるとともに、ピークトップ位置やピーク面積値などを算出し（ステップＳ３）、それらの結果をピーク情報としてピーク情報記憶部２４に格納したり表示部４の画面上に出力したりする（ステップＳ４）。このときには、上述した台形近似を用いたセントロイド処理を利用してもよいし、多項式近似したあとに微分値がゼロとなる位置を求める等の、一般的なピーク位置算出方法を利用してもよい。

図４は、図８と同様の、サンプリング時間間隔内での実際のピークトップ位置の相対的ずれ量とセントロイド推定位置との関係を示す図であり、従来の手法での結果（図８と同じ結果）を一点鎖線で、アップサンプリング後に台形近似によるセントロイド処理を実施した本発明による手法での結果を実線で示している。この図から明らかなように、本発明による手法では、実際のピークトップ位置に拘わらずセントロイド位置はほぼ一定となっており、セントロイド位置における系統誤差が低減されていることが分かる。

図５は、サンプリング時間間隔内での実際のピークトップ位置の相対的ずれ量とピークトップ推定位置との関係を示す図であり、従来の手法での結果を一点鎖線で、アップサンプリング後に多項式近似によるピーク位置検出を実施した本発明による手法での結果を実線で示している。この図から明らかなように、アップサンプリング後に台形近似によるセントロイド処理ではなく多項式近似によるピーク位置検出を用いた場合でも、ピーク検出位置における系統誤差が低減されていることが分かる。

図６は、サンプリング時間間隔内での実際のピークトップ位置の相対的ずれ量と算出されるピーク面積値との関係を示す図であり、従来の手法での結果を一点鎖線で、アップサンプリング後に台形近似によるピーク面積計算を実施した本発明による手法での結果を実線で示している。この図から明らかなように、セントロイド位置やピークトップ位置のみならずピーク面積においても系統誤差が十分に低減されていることが分かる。

例えば上述したように質量分析によって得られたプロファイルスペクトルに基づいて算出されたピーク情報は、試料中の物質の同定（定性）などに利用される。即ち、セントロイド処理によってセントロイド位置が求まるから、そのピークに対応するイオンの質量電荷比値が得られる。この質量電荷比値を化合物データベースに基づくデータベース検索に供することで、該質量電荷比に対応する化合物を抽出し、同定結果として提示することができる。質量電荷比値が高い精度で求まることでデータベース検索の精度が向上し、同定不可となったり誤って同定したりすることを避けることができる。

上記実施例では、質量分析によって得られたプロファイルスペクトル中のピーク波形の処理に本発明を適用したが、液体クロマトグラフィ分析等で得られたクロマトグラム中のピーク波形の処理に本発明を適用し、ピーク面積やピーク高さの算出精度を向上させれば、それらを利用した定量精度を向上させることができる。

なお、上記実施例はいずれも本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜、変更、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当然である。

１…飛行時間型質量分析装置
１１…イオン源
１２…ＴＯＦ型質量分離部
１３…検出器
１４…Ａ／Ｄ変換器
２…データ処理部
２１…データ記憶部
２２…アップサンプラ
２３…ピーク波形処理部
２４…ピーク情報記憶部
３…入力部
４…表示部

Claims (2)

1. 試料に対する所定の測定によって得られた測定波形上のピーク波形を処理することで、試料に含まれる物質の定性又は定量を行うためのピーク情報を算出するピーク波形処理装置において、
   a)時系列的な実測データに基づくアップサンプリングを行うことで、時間的に連続する実測データの間に補間データを挿入するアップサンプリング処理部と、
   b)前記アップサンプリング処理部によるアップサンプリング実施後の実測データ及び補間データに基づいて、台形近似を用いたセントロイド処理を行うことにより、ピークの重心位置、ピークトップ位置、ピークの高さ、及びピーク面積の少なくともいずれか一つをピーク情報として算出するピーク波形処理部と、
   を備えることを特徴とするピーク波形処理装置。
2. 請求項１に記載のピーク波形処理装置であって、
   飛行時間型質量分析装置で得られた実測データを前記アップサンプリング処理部の処理対象とするとともに、前記ピーク波形処理部においてピークの重心位置を求め、その重心位置に対応する質量電荷比を物質を定性する情報として提供することを特徴とするピーク波形処理装置。

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