JP6745538B2 - 分析装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、質量分析器などの分析装置に関するものである。

特許文献１には、分析対象の分子をイオン化するイオン化ユニットと、イオン化ユニットにより生成されたイオンを選択的に通過させるフィルタユニットと、フィルタユニットを通過したイオンを検出する検出ユニットとを有する分析装置であって、検出ユニットは、マトリクス状に配置された複数の検出エレメントを含み、さらに、複数の検出エレメントの中で、検出を有効にする検出エレメントを含む検出パターンを切り替える再構成ユニットを有する分析装置が開示されている。イオン化ユニットは、複数のイオン源を含み、さらに、分析装置は、イオン源の特性変化に基づいて複数のイオン源の接続を切り替える駆動制御ユニットを有する。

国際公開ＷＯ２０１５／０２９４４９公報

質量分析器などの分析装置においては、より小型で、より精度の高いものが常に要望されている。

本発明の一態様は、分析対象の分子をイオン化するイオン化ユニットと、イオン化ユニットにより生成されたイオンを選択的に通過させる場を形成するフィルタユニットと、フィルタユニットを通過したイオンを検出するディテクタユニットと、イオン化ユニットを電気的に駆動するイオンドライブ回路と、フィルタユニットを電気的に駆動するフィールドドライブ回路と、ディテクタユニットの感度を制御するディテクタ回路と、イオンドライブ回路およびフィールドドライブ回路の出力を制御する制御ユニットとを有する分析装置である。

イオンを選択的に通過させる場の典型的なものは、電場、磁場、および電磁場であり、イオンを選択的に通過させる場は、これらの少なくともいずれかを含んでもよい。

イオンドライブ回路と、フィールドドライブ回路と、制御ユニットとを含む分析装置の全体または一部を、ハンディタイプのコンパクトなハウジングユニットに収納することができる。

分析装置の制御ユニットは、前記イオンドライブ回路を介して、前記イオン化ユニットのエミッション電流を安定化させる安定化ユニットを含む。

分析装置は、イオン化ユニット、フィルタユニットおよびディテクタユニットが順番に収納されたセンサーハウジングと、センサーハウジングを収納したチャンバと、チャンバ内を減圧する減圧ユニットと、センサーハウジングのイオン化ユニットまたはその近傍に、分析対象の分子を含むガスを流入するキャピラリとを有してもよい。測定対象のガスをチャンバではなく、イオン化ユニットをはじめとする測定用のユニットが収納されたセンサーハウジングにキャピラリを接続することにより、リアルタイムで、チャンバ内の雰囲気に影響されにくい測定が可能となる。

さらに、減圧ユニットを、センサーハウジング外のチャンバ内圧力および温度によりフィードバック制御するユニットを設けることにより、チャンバ内の状態をより安定的に制御できる。従来は、チェンバの容量をセンサーハウジングに対して十分に大きなものにすることにより、センサーハウジング内の条件を一定に保持するようにしていた。これに対し、チャンバ内の圧力をフィードバック制御する場合は、センサーハウジング内の状態がチャンバ内に表れることが望ましく、チャンバの容量Ｖｃをセンサーハウジングの容量Ｖｈにできるだけ近づけることが望ましい。たとえば、これらの比Ｖｃ／Ｖｈは、１．５から１０の範囲が望ましく、１．５から５の範囲がさらに望ましい。この方式により、チャンバを小さくすることが可能となり、システム全体のサイズを大幅にダウンできる。

安定化ユニットは、エミッション電流とターゲット電流との差分が１％以下になるようにイオン化ユニットのフィラメントに供給されるフィラメント電圧を段階的に制御する第１の安定化ユニットと、エミッション電流とターゲット電流との差分が０．１％以下になるようにフィラメント電圧をフィードバック制御する第２の安定化ユニットとを含む。

本発明のさらに異なる形態の１つは、分析装置の制御方法である。分析装置は、分析対象の分子をイオン化するイオン化ユニットと、イオン化ユニットにより生成されたイオンを選択的に通過させる場を形成するフィルタユニットと、フィルタユニットを通過したイオンを検出するディテクタユニットと、イオン化ユニットを電気的に駆動するイオンドライブ回路と、フィルタユニットを電気的に駆動するフィールドドライブ回路と、イオンドライブ回路およびフィールドドライブ回路の出力を制御する制御ユニットとを有し、制御方法は、制御ユニットが、イオンドライブ回路を介して、イオン化ユニットのエミッション電流を安定化させることを有し、安定化させることは、エミッション電流とターゲット電流との差分が１％以下になるようにイオン化ユニットのフィラメントに供給されるフィラメント電圧を段階的に制御することと、エミッション電流とターゲット電流との差分が０．１％以下になるようにフィラメント電圧をフィードバック制御することとを含む。

四重極質量分析センサーを備えたガス分析装置の概略構成を示す図。 分析装置のブロックダイアグラム。 分析装置のボードレベルのブロックダイアグラム。 分析装置の処理の概要を示すフローチャート。 温度による補正を行う処理を示すフローチャート。 エミッション電流を安定化する処理を示すフローチャート。

図１にガス分析装置（ガス分析システム）の一例を示している。この分析装置１は、四重極型質量センサーを内蔵した質量分析装置であり、キャピラリ９により導かれたガス５の成分（分子）を定量的に分析しようとするものである。この分析システム１は、四重極型質量センサー（以降ではセンサー）１０と、センサー１０を駆動し、センサー１０から得られたデータを解析するコントロールボックス２０と、センサー１０を収納したチャンバ３０と、チャンバ３０と連絡管３８で繋がり、チャンバ３０の内部を減圧するユニット（減圧ユニット）であるターボポンプ（ターボモレキュラポンプ）３１およびダイアフラムポンプ（粗引きポンプ）３２と、チャンバ３０の内圧をモニタするプレッシャゲージ３３と、装置内外の配線を接続するためのターミナルブロック３５と、電源ユニット３６とを含み、これらが長方形のハウジング（ハウジングユニット）５０に収納されている。ハウジングユニット５０のサイズは３００ｍｍ×１５０ｍｍ×１５０ｍｍ程度であり、従来のメートル単位の大きさの質量分析器が、コンパクトで持ち運びができる程度のハンディタイプと称されるサイズにまとめられている。

センサー１０は、ガス５の分子をイオン化するイオン化ユニット１１と、イオンレンズ１２と、四重極フィルタ１３と、イオンディテクタであるファラデーカップ１４と、これらを順番に収納した筒状（チューブ状）のセンサーハウジング１９とを含む。イオン化ユニット１１は、イオン源となるフィラメントを含み、フィラメントから放出された熱電子と分析対象の分子とが衝突してイオン化される。四重極フィルタ１３は、イオンを選択的に通過させる場（フィールド）を形成するフィルタユニットであり、本例では、選択的に通過させる場として四重極電場を形成する。すなわち、四重極フィルタ１３は４本の電極を１組として、それらに囲まれた空間に直流成分と高周波成分とを有する四重極電場を形成する。四重極電場の中心軸に沿ってイオンが通過すると、イオンはその速度と直交する方向に収束力と発散力とを繰り返し受ける。このため、四重極フィルタ１３においては、フィルタ１３に形成される四重極電場の高周波の周波数、直流と高周波の電圧および質量電荷比が所定の条件になったときに、その質量電荷比のイオンが選択的に四重極電場を通過し、イオンディテクタ１４に到達し、到達したイオン量がイオン電流として測定される。

センサー１０は、センサーハウジング１９が、立方体状のチャンバ３０の一方の壁面を貫通し、チャンバ３０にセンサーハウジング１９のほぼ全体が収納されるように取り付けられている。センサーハウジング１９の先端（イオン化ユニット１１の側）にはキャピラリ９が接続されており、キャピラリ９により導入されるガス５は、センサーハウジング１９を介してチャンバ３０に流出するようになっている。センサーハウジング１９には、例えば、イオン化ユニット１１のフィラメントの取付用の隙間、イオンディテクタ１４またはフィルタユニット１３の付近に設けられた開口１５などがあり、それらを介してチャンバ３０と連通しており、ハウジング１９の内部は基本的にチャンバ３０と同じ減圧雰囲気に保持されている。

キャピラリ９を介して導入されたガス５は、先ず、センサーハウジング１９に導入され、チャンバ３０に放出された後、ターボポンプ３１などによりシステム外に放出される。したがって、チャンバ３０内を循環したガスがセンサーハウジング１９に入ったりすることはなく、キャピラリ９を介して供給されるガス５の成分をリアルタイムで精度よく分析できる。

センサーハウジング１９の後方は、配線を収納した取付パイプ２８を介してコントロールボックス２０に取り付けられている。コントロールボックス２０には、プレッシャゲージ（プレッシャモニタ）３３を制御するピラニボード２３と、イオン化ユニット１１を電気的に駆動するイオンドライブ回路６１が搭載されたイオンドライブボード２４と、四重極フィルタ１３を電気的に駆動するＲＦドライブユニット（ＲＦユニット）６２ｒを含むフィールドドライブ回路６２が搭載されたフィールドドライブボード２５と、イオンディテクタ１４の出力感度（ゲイン）を制御するディテクタ回路６３が搭載されたディテクタボード２６と、全体の制御を行うＣＰＵ２１と、ＣＰＵ２１と上記の各ボードを接続するとともにターボポンプ３１などの他の機器を制御するマイクロコントローラボード２２と、コントロールボックス２０の内部を冷却するファン２９と、各ボードの温度を検出する温度センサー２７とが収納されている。

温度センサー２７の一例は赤外線サーモパイルセンサーであり、コントロールボックス２０内の温度を代表値（各回路の周辺温度）として検出しているが、各ボードからの赤外線を検出して各ボードの温度を各回路の周辺温度として検出してもよい。また、各ボード、例えば、イオンドライブボード２４、フィールドドライブボード２５、ディテクタボード２６に赤外線センサー、熱電対、測温抵抗体素子などの温度センサーを装着し、各ボードに搭載されている回路の周囲の温度を取得してもよい。

分析システム１は、さらに、チャンバ３０の内圧を制御するとともに、チャンバ３０、チャンバ３０とターボポンプ（ターボモレキュラポンプ）３１とを接続する配管３８などの真空系を加温するヒーター３９の温度制御を行う真空・温度制御インターフェイスユニット５５と、ハウジング５０の内部を換気して温度制御するファン５３とを含む。真空・温度制御インターフェイスユニット５５は、チャンバ３０の内部の温度を測定するように設けられた温度センサー、典型的には、赤外線サーモパイルセンサー３４によりチャンバ３０の温度をモニタリングする機能を含む。

図２に、分析装置１の電気的なシステム構成を示している。マイクロコントローラ（制御ユニット）２２は、ＣＰＵサブシステム２１と協同してセンサー１０の測定対象や、環境条件などに応じて、各回路６１、６２および６３の出力を制御し分析装置１の動作を管理するユニット（機能）２２ｘを含む。動作管理ユニット２２ｘは、フィルタユニット１３を通過する質量電荷比を順番に変えて分析装置１をスキャンモードで作動させる機能（ユニット）を含む。ＣＰＵサブシステム２１およびマイクロコントローラ２２に付随して、分析装置１は、ＵＳＢ、ＳＤカード、ＨＤＭＩ（登録商標）、イーサネット（登録商標）、ＲＳ４８５などの様々な規格の通信インターフェイス２１ｙおよび２２ｙを含む。

マイクロコントローラ２２は、プレッシャモニタ３３と、真空・温度制御インターフェイスユニット５５とから得られた情報に基づいて、チャンバ３０の真空度および温度をフィードバック制御する圧力・温度制御ユニット（圧力・温度制御機能）２２ａを含む。圧力・温度制御ユニット２２ａは、真空度を制御するために、ポンプ３１および３２の能力を制御するが、主には高真空側のターボモレキュラポンプ３１を回転数制御することにより、所定の真空度が保たれるように制御する。圧力・温度制御ユニット２２ａは、同時に、チャンバ３０の温度を一定に保つようにヒーター３９の出力を制御する。

センサー１０の性能を一定に保つためにチャンバ３０内の真空度を制御する場合、チャンバ３０の容量が大きい方が真空度の変動が小さく、従来はチャンバ３０の容量を、例えば、センサー１０の２０倍あるいはそれ以上にすることが通例であった。しかしながら、チャンバ３０内のガスが入れ替わらないとセンサー１０（ディテクタ１４）の出力は変わらないため、チャンバ３０の容量が大きいと時間的な感度が鈍く、また、チャンバ３０内のガスの平均値がセンサー１０で検出されるだけなので成分の変動に対する感度も低いという欠点があった。また、温度などの要因で、いったんチャンバ３０の真空度が変動すると、それを所望の状態に戻すために多くの時間を要するという問題もあった。

これに対し、本システム１においては、チャンバ３０の容量を小さくすることにより、測定条件を安定させるとともに、上記の問題を解決するようにしている。すなわち、まず、チャンバ３０の容量を小さくすることにより、チャンバ３０の内部の条件の変動が圧力モニタ３３および／または温度センサー３４により、より敏感に捉えられるようにしている。減圧ユニットである真空ポンプ３１および３２の制御における、チャンバ３０の真空度および温度によるフィードバック制御の精度を向上することにより、チャンバ３０内の条件を安定させることができる。さらに、チャンバ３０の容量を小さくすることにより、ガス成分の変動をリアルタイムに、より精度よく測定することが可能となる。また、チャンバ３０の容量を減らすことにより、分析システム１を携帯可能な程度にコンパクトに纏めることができるというメリットもある。チャンバ３０の容量Ｖｃとセンサーハウジング１９の容量Ｖｈとは以下の条件を満たすことが望ましい。
１．５ ＜ Ｖｃ／Ｖｈ ＜ １０・・・（１）

条件（１）の上限は、８であることが望ましく、５であることがさらに望ましく、３であることがいっそう好ましい。

また、チャンバ３０の内圧をモニタリングするプレッシャモニタ３３は、チャンバ３０の中のセンサーハウジング１９の外の領域の圧力をモニタリングするように構成されている。キャピラリ９から供給されるガス５の圧力に変動があった場合、その影響は、センサーハウジング１９を経てチャンバ３０に流出した後に表れ、チャンバ３０は小容量ではあるが、キャピラリ９に対して容量は大きく、急激な圧力変動は抑制される。したがって、モニタリングされる圧力変動は抑制され、それに呼応して減圧ユニットである真空ポンプ３１および３２のうち、特にチャンバ３０の内圧を制御するターボポンプ３１が急激に制御されることを抑制でき、キャピラリ９から供給されるガス５の圧力変動に対してもスムーズに対応できる。

マイクロコントローラ２２は、さらに、イオンドライブ回路６１およびフィールドドライブ回路６２の出力設定と、ディテクタ回路６３の感度設定（ゲイン設定）とを温度検出ユニット（温度センサー）２７により検出された回路周辺の温度に基づいてそれぞれ補正（補償、調整）する補正ユニット（補正機能、補償機能、調整ユニット）２２ｂを含む。この例では、補正ユニット２２ｂは、イオンドライブ回路６１およびフィールドドライブ回路６２のそれぞれの出力設定と、ディテクタ回路６３のゲイン設定とを、０℃から８０℃の範囲で、１０℃毎に、予めそれらの設定値の補正量が格納されたルックアップテーブル６９を参照して補正する。ルックアップテーブル６９の代わりに関数など他の補正値を算出または出力する方式を採用してもよい。

たとえば、フィールドドライブ回路６２の中の、四重極フィルタ１３に四重極電場を形成するＲＦドライブユニット６２ｒにおいては、ＲＦ電圧、ＤＣ＋電圧、ＤＣ−電圧をＡＭＵ単位でリニアに出力する必要がある。これに対し、ＲＦドライブユニット６２ｒの出力（電圧および／または電流）は、ＲＦドライブユニット６２ｒを含むフィールドドライブ回路６２が設置されている環境温度で微小ながら変動し、ＡＭＵに対するリニアリティが低下することがある。この誤差は測定誤差の要因となり得る。

ガス５に含まれる成分を定性的に求める場合は、ＲＦドライブユニット６２ｒの出力の変動は定性的な測定にほとんど影響しない。一方、ガス５に含まれる成分を定量的に求める場合は、ＲＦ電圧等のＡＭＵに対するリニアリティが保証されていないと、イオン電流の測定結果を濃度に換算することの意味がなくなる可能性がある。したがって、補正ユニット２２ｂは、ＲＦドライブユニット６２ｒの環境温度（周辺温度）により、予め求められているルックアップテーブル６９の補償値（出力設定値、補正値、あるいは差分）を参照し、ＲＦドライブユニット６２ｒの出力設定（ベース値、ベースカーブ）を、この例であればＡＭＵに対する出力設定値を所定の範囲内で温度に依存して変えることにより、環境温度が変動しても、ＲＦドライブユニット６２ｒから出力されるＲＦ電圧、ＤＣ＋電圧、ＤＣ−電圧のＡＭＵに対するリニアリティを保持するようにしている。

したがって、この分析装置１においては、四重極型の質量分析器でありながら、従来不可能とされていた定量分析を可能としている。四重極電場に限らず、イオンを選択的に通過させたり、保持したりする電場、磁場または電磁場といったフィールド（場）を形成する（ドライブする）電圧または電流を、ＡＭＵ、質量電荷比、イオン移動度などのイオンまたは分子の特性により制御する際に、回路の周囲の温度により、そのドライブする電圧または電流を制御する信号または情報を、温度または温度差により相対的に制御することにより、フィールドをドライブする電圧または電流の温度依存性を抑制でき、より精度の高いフィールドをフィルタユニット１３に形成できる。

イオンドライブ回路６１においても、フィールドドライブ回路６２とは環境温度（周辺温度）に対する感度および傾向が異なることがあるが、出力が変動する可能性がある。イオンドライブ回路６１では、例えば、イオン化ユニット１１のフィラメント電圧および／フィラメント電流が変動する可能性があり、補正ユニット２２ｂによりそれらの電圧および電流値の設定、例えばベースカーブあるいはベース値を、温度により補正または補償できる。ディテクタ回路６３ではディテクタ１４であるファラデーカップおよび／またはエレクトロンマルチプライヤーの利得や出力信号の増幅量（ゲイン）を温度により補正または補償できる。補償ユニット２２ｂは、これらの回路６１および６３に対してもフィールドドライブ回路６２と同様の方法により、設定値を補償し、リニアリティを確保するようにしている。

マイクロコントローラ（制御ユニット）２２は、さらに、イオンドライブ回路６１を介して、イオン化ユニット１１のイオン化能力を示すエミッション電流Ｅａを安定化させる安定化ユニット２２ｃを含む。本例においては、エミッション電流Ｅａを０．１％、すなわち、ｎＡレベルに制御する。イオン化ユニット１１のエミッション電流Ｅａの変動を１％以下、さらに望ましくは０．１％以下に制御することにより、フィルタユニット１３に入力されるイオン量を実質的に一定に保つことができる。このため、フィルタユニット１３において分離され、ディテクタユニット１４において検出される各種イオンの量、すなわち、ガス５中の含有量（含有比）を、高い精度で、定量的に求めることができる。

本例のイオン化ユニット１１は、フィラメントを用いて、熱電子を出力する方式であり、安定化ユニット２２ｃは、エミッション電流Ｅａとして、例えば、イオンボックス電流を測定し、エミッション電流Ｅａがターゲット電流Ｅｔの±１％以内になるようにフィラメント電圧Ｆｖを予め設定されたルックアップテーブルなどに従って段階的に制御する第１の安定化ユニット（収束ユニット）２２ｄと、エミッション電流Ｅａがターゲット電流Ｅｔの±０．１％以内になるように、フィラメント電圧Ｆｖをフィードバック制御により微小量（Δｆ）動かす第２の安定化ユニット（フィードバック制御ユニット）２２ｅとを含む。フィードバック制御の一例はＰＩＤ（比例−積分−微分制御）である。

図３に、イオンドライブ回路６１およびディテクタ回路６３のさらに詳細な構成をブロックダイアグラムで示している。イオン化ユニット１１は、イオンボックス１１ｂに配置されたフィラメント１１ｆと、リペラー電極１１ｒとを含む。キャピラリ９によりセンサー１０に入力されたガス５は、イオン化ユニット１１でイオン化され、生成されたイオン流（イオン化されたガス）３がイオンレンズ１２によりフィルタユニット１３のフィールド（四重極電磁場）１３ｆに導かれる。フィールド１３ｆにより分離あるいは選択されたイオンがディテクタユニット１４に到来し、コレクタ１４ｃとの間に流れるイオン電流として観測される。

イオンドライブ回路６１は、イオン化ユニット１１を構成するエレメントに対してパワーを供給するドライバユニット６１ａと、イオン化ユニット１１をモニタリングおよび制御するモニタ・コントロールユニット６１ｂとを含む。ドライバユニット６１ａは、例えば、２つのフィラメント１１ｆのそれぞれにフィラメント出力制御ユニット７１ａおよび７１ｂを介してフィラメント駆動電力を供給し、リペラー電極１１ｒのリペラー電圧を設定し、さらに、イオンボックス１１ｂおよびイオンレンズ１２の電圧を設定する。フィラメント出力制御ユニット７１ａおよび７１ｂは、各フィラメントパワーをそれぞれ、即座にシャットダウンするためのＭＯＳＦＥＴスイッチを含む。

イオンドライブ回路６１は、フィラメント電圧Ｖｆおよびフィラメント電流Ｉｆを測定する回路７２を含み、この例ではモニタ・コントロールユニット６１ｂを介してマイクロコントローラ２２にフィードバックする。イオンドライバ回路６１は、イオンボックス電流Ｉ１とイオンレンズ電流Ｉ２とをそれぞれ測定する回路７３および７４を含み、この例ではモニタ・コントロールユニット６１ｂを介してマイクロコントローラ２２にフィードバックする。

フィラメント出力制御ユニット７１ａおよび７１ｂは、出力としてそれぞれのフィラメント１１ｆに供給される電圧Ｖｆを制御し、フィラメント電流Ｉｆをモニタする。フィラメント電圧Ｖｆは、例えば、分析装置１の起動および停止時には段階的に増減されるように制御され、定常時においては、測定対象の分子をイオン化できる熱電子を放出できる電圧に制御されるとともに、エミッション電流Ｅａが一定になるように制御される。エミッション電流Ｅａとしては、イオンボックス電流Ｉ１および／またはイオンレンズ電流Ｉ２を参照できる。イオンボックス電流Ｉ１はフィラメント１１ｆに近いために電流値が大きく、エミッション電流Ｅａとしての変化を捉えやすい。その反面、イオンボックス電流Ｉ１の場合、フィラメント１１ｆから放出された電子による影響が考えられる。このため、本例においては、イオンボックス電流Ｉ１と、イオンレンズ電流Ｉ２とを比較することにより、イオンボックス電流Ｉ１から熱電子の影響を除いたエミッション電流Ｅａを求めている。

フィラメント電圧Ｖｆは、エミッション電流Ｅａが一定になる、例えば、ターゲット電流Ｅｔに対して誤差が０．１％以下、あるいは０．１％未満、すなわち、誤差がｎＡレベルになるように、制御される。このようなエミッション電流制御は、上述したようにマイクロコントローラ２２の安定化ユニット２２ｃで実現してもよく、イオンドライバ回路６１のモニタ・コントロールユニット６１ｂで実現してもよい。

イオンドライブ回路６１を構成する回路素子の特性が周囲温度により微小に変動するために、イオンドライブ回路６１の出力であるフィラメント電圧Ｖｆも周囲温度により微小に上下する。このため、モニタ・コントロールユニット６１ｂは、補正ユニット２２ｂから、イオンドライブ回路６１自身またはその周囲の温度に基づく補正信号Ｓ１を受け入れて、フィラメント電圧Ｖｆの基準となる電圧を補正する。

同様に、フィールドドライブ回路６２においては、ＲＦユニット（ＲＦパワーアンプリファイヤ）６２ｒが補正信号Ｓ１を受け入れて、ＲＦ出力の基準となる電圧、周波数などの出力設定を補正し、フィールドドライブ回路６２を含む基板周囲の温度による変動を抑制する。ディテクタ回路６３は、ディテクタ１４で得られるイオン電流Ｉ３を増幅するアンプ７５と、アンプ７５のゲインを制御するゲインコントローラ７６とを含み、ゲインコントローラ７６が補正信号Ｓ１を受け入れて、アンプ７５のゲインの設定を、ディテクタ回路６３を含む回路基板の周囲の温度で補正し、アンプ７５の出力に対する、回路基板周囲の温度による影響を抑制する。アンプ７５は、例えば、ゲイン調整が可能でリニアリティも高いＴＩＡ（トランスインピーダンスアンプ）とＶＧＡ（可変ゲインアンプ）との組み合わせを採用できる。

図４に、分析装置１のマイクロコントローラ（制御ユニット）２２が行う制御（処理）の概要をフローチャートにより示している。分析装置１によりガス５の成分をモニタする場合は、ステップ８１において、動作管理ユニット２２ｘにより、分析装置１をスキャンモードで作動させ、質量電荷比の異なる分子（成分）を順番に検出する。この処理においては、質量電荷比の異なるイオンがフィルタユニット１３を順番に通過してディテクタユニット１４に到達するように、フィールドドライブ回路６２により、フィルタユニット１３の四重極電場１３ｆを制御する。

ステップ８１においては、ガス５の成分の時間的な変化をモニタしたり、成分の平均値を適当な時間間隔で取得することが多く、スキャンが繰り返し行われる。その際、スキャン中、スキャンを繰り返す都度、あるいはスキャンを適当な回数繰り返した後に、ステップ８２において、補正ユニット２２ｂが、それぞれの回路６１〜６３の周囲の温度により設定値の補正を行う処理を行い、ステップ８３において、安定化ユニット２２ｃが、エミッション電流Ｅａを一定に維持するための処理を行う。

図５に、回路（ボード）の周囲温度により、回路の出力設定（設定値、基本パラメータ、ベースカーブなど）を補正する処理８２を、さらに詳しく示している。ステップ８５において、それぞれの回路６１〜６３が搭載されているボードまたは周囲の温度を検出する。ステップ８６において、補正ユニット２２ｂは、ルックアップテーブル６９を参照し、検出された温度に対して、イオンドライブ回路６１の出力設定値、例えば、フィラメント電圧Ｖｆを算出するための基本的な設定値を変える必要があれば、ステップ８６ａで、イオンドライブ回路６１に補正指示（補正信号）Ｓ１を出力する。

同様に、ステップ８７において、検出された回路周囲温度により、フィールドドライブ回路６２、本例においてはＲＦユニット６２ｒの設定値を補正または変更する必要があれば、ステップ８７ａで、フィールドドライブ回路６２に補正指示を出す。また、ステップ８８において、検出された回路周囲温度により、ディテクタ回路６３の感度（ゲイン）を補正または変更する必要があれば、ステップ８８ａで、ディテクタ回路６３に補正指示を出す。

このように、各回路６１〜６３の出力設定あるいは感度設定を、それらの回路の周囲温度により補正することにより、各回路６１〜６３の周囲温度が変動した場合であっても、イオン化ユニット１１のイオン化能力を一定に保ち、フィルタユニット１３のイオン選択性能を一定に保ち、また、ディテクタユニット１４における感度を一定に保つことができる。したがって、各回路６１〜６３を搭載したボード２４〜２６およびその他のボード２１〜２３などを、温度条件が変わりやすいコンパクトなハウジング５０に、真空用のポンプ３１、３２や、ヒーター３９などと一緒に収納しても、分析性能を維持することができる。このため、ハンディタイプのようなコンパクトなサイズで、高性能の分析装置１を提供できる。補正ユニット２２ｂは、これらの回路６１〜６３のうち、周辺温度により出力あるいは感度が大きく影響を受ける１または２つの回路の出力または感度のみを補正するものであってもよい。

図６に、イオン化ユニット１１のエミッション電流Ｅａを安定化する処理８３を、さらに詳しく示している。ステップ９１において、動作管理ユニット２２ｘが、フィラメント電圧Ｖｆをターゲット値にセットし、イオンドライブ回路６１は、設定されたフィラメント電圧Ｖｆでイオン化ユニット１１を駆動（ドライブ）する。ターゲット値は、分析装置１が起動中あるいは停止準備中であれば、フィラメント電圧Ｖｆを段階的に上げ下げするシーケンスによってセットされる。定常運転中は、フィラメント１１ｆの寿命管理スケジュールにしたがい、所定のエミッション電流Ｅａが得られる予定の電圧にセットされる。

ステップ９２において、安定化ユニット２２ｃは、ターゲットのエミッション電流値Ｅｔと実際のエミッション電流値Ｅａとの差分ΔＥを計算する。ステップ９３において、差分ΔＥが１％以下に収まらなければ、ステップ９４において、フィラメント電圧Ｖｆを予め設定された間隔で、段階的に増減する（収束処理）。

ステップ９３において、差分ΔＥが１％未満であると判断されると、収束処理を終了し、ステップ９５のフィードバック制御に移行し、本例ではＰＩＤループを実行する。ステップ９６において、ＰＩＤ制御の出力であるフィラメント電圧Ｖｆの差分ΔＶｆを取得して、フィラメント電圧Ｖｆを補正する。ステップ９７において、エミッション電流Ｅａの差分ΔＥを再計算し、ステップ９８において差分ΔＥが０．１％未満であれば、イオンドライブ回路６１により、設定されたフィラメント電圧Ｖｆでイオン化ユニット１１を駆動（ドライブ）する。

ステップ９８において、差分ΔＥが０．１％以上であると判断されると、ステップ９９において、差分ΔＥが１％未満であれば、ステップ９５に移動してフィードバック制御によりフィラメント電圧Ｖｆを補正する。一方、差分ΔＥが１％以上であると、ステップ９２に戻って、フィラメント電圧Ｖｆを段階的に補正する収束処理でエミッション電流Ｅａがターゲット値Ｅｔに短時間に収束するようにする。これらの処理により、定常的な測定では、分析装置１のエミッション電流Ｅａの誤差を０．１％未満にすることができ、ほぼｎＡレベルでエミッション電流Ｅａを管理できる。したがって、フィルタユニット１３に形成されるイオン選別用のフィールド１３ｆに、一定量のイオン流３を精度よくコンスタントに供給することが可能となり、ガス成分をイオン化して測定するタイプの分析装置であって、定量分析が可能な分析装置１を提供できる。

上記においては、分析装置１のフィルタユニット１３として、四重極電場をイオン分離あるいは選択用のフィールド１３ｆとして形成する例に基づき説明しているが、フィールド１３ｆは、扇型磁場型、電場磁場二重収束型、飛行時間型などの電場あるいは磁場であってもよい。また、フィルタユニット１３は、ウィーンフィルタのように電場および磁場（電磁場）をイオン選択用のフィールド１３ｆとして形成するものであってもよい。さらに、フィルタユニット１３は、質量電荷比の代わりにイオン移動度によりイオンを選別するタイプの電場をフィールド１３ｆとして形成するものであってもよく、例えば、ＦＡＩＭＳなどの非真空タイプのフィルタユニット１３であってもよい。さらに、複数のタイプの異なるフィールド１３ｒを組み合わせて形成するフィルタユニット１３であってもよい。

また、上記の分析装置１は、センサー１０、コントロールボックス２０、真空ポンプ３１および３２などを一体でハンディタイプのサイズにまとめたハウジング（ハウジングユニット）５０を備えているが、センサー１０および真空系と、コントロールボックス２０とを分離して、それぞれのさらにコンパクトなハウジングに収納することも可能であり、回路群が周辺温度の変動に対して精度を維持できるので様々なアレンジに対応できる。また、センサー１０の一例は、サイズが数ｃｍ程度のコンパクトなものであるが、センサー１０はＭＥＭＳタイプのさらに小型なものであってもよい。また、分析装置１はハンディタイプであってもよく、さらに、携帯端末あるいはウェアラブルなサイズにまとめられたものであってもよい。
上記には、分析対象の分子をイオン化するイオン化ユニットと、前記イオン化ユニットにより生成されたイオンを選択的に通過させる場を形成するフィルタユニットと、前記フィルタユニットを通過したイオンを検出するディテクタユニットと、前記イオン化ユニットを電気的に駆動するイオンドライブ回路と、前記フィルタユニットを電気的に駆動するフィールドドライブ回路と、前記イオンドライブ回路および前記フィールドドライブ回路の出力を制御する制御ユニットと、前記イオンドライブ回路および前記フィールドドライブ回路の少なくとも一方の回路の周辺の温度を検出する温度検出ユニットと、前記少なくとも一方の回路の出力設定を前記温度検出ユニットにより検出された温度に基づいて補正する補正ユニットとを有する分析装置が開示されている。
分析装置は、前記イオンドライブ回路と、前記フィールドドライブ回路と、前記制御ユニットと、前記補正ユニットとを少なくとも収納するハンディタイプのハウジングユニットを有していてもよい。分析装置は、前記ディテクタユニットの出力感度を制御するディテクタ回路を有し、前記温度検出ユニットは前記ディテクタ回路の周辺の温度を検出する機能を含み、前記補正ユニットは、前記ディテクタ回路の感度設定を前記温度検出ユニットにより検出された温度に基づいて補正するユニットを含んでもよい。分析装置は、前記イオン化ユニット、前記フィルタユニットおよび前記ディテクタユニットが順番に収納されたセンサーハウジングと、前記センサーハウジングを収納したチャンバと、前記チャンバ内を減圧する減圧ユニットと、前記センサーハウジングの前記イオン化ユニットまたはその近傍に、前記分析対象の分子を含むガスを流入するキャピラリとを有してもよい。前記センサーハウジングは、前記フィルタユニットおよび前記ディテクタユニットの少なくとも一方の近傍で、前記チャンバと連通する開口部を含み、分析装置は、前記減圧ユニットを、前記センサーハウジング外の前記チャンバ内圧力および温度によりフィードバック制御するユニットを有してもよい。前記チャンバの容積Ｖｃと前記センサーハウジングの容積Ｖｈとの比Ｖｃ／Ｖｈは、１．５から１０であってもよい。分析装置は、前記イオンドライブ回路と、前記フィールドドライブ回路と、前記制御ユニットと、前記チャンバとを収納するハンディタイプのハウジングユニットを有してもよい。
分析装置は、前記イオンドライブ回路を介して、前記イオン化ユニットのエミッション電流を安定化させるユニットをさらに有してもよい。前記イオンを選択的に通過させる場は、電場、磁場および電磁場の少なくともいずれかを含んでもよい。前記フィールドドライブ回路は、前記フィルタユニットに振動場を形成するＲＦ出力を供給する回路を含んでもよい。
上記には、さらに、分析装置の制御方法が開示されている。前記分析装置は、分析対象の分子をイオン化するイオン化ユニットと、前記イオン化ユニットにより生成されたイオンを選択的に通過させる場を形成するフィルタユニットと、前記フィルタユニットを通過したイオンを検出するディテクタユニットと、前記イオン化ユニットを電気的に駆動するイオンドライブ回路と、前記フィルタユニットを電気的に駆動するフィールドドライブ回路と、前記イオンドライブ回路および前記フィールドドライブ回路の出力を制御する制御ユニットと、前記イオンドライブ回路および前記フィールドドライブ回路の少なくとも一方の回路の周辺の温度を検出する温度検出ユニットとを有する。当該制御方法は、前記制御ユニットが、前記少なくとも一方の回路の出力設定を前記温度検出ユニットにより検出された温度に基づいて補正することを含む。前記分析装置は、前記ディテクタユニットの出力感度を制御するディテクタ回路を有し、前記温度検出ユニットは前記ディテクタ回路の周辺の温度を検出する機能を含み、前記補正することは、前記ディテクタ回路の感度設定を前記温度検出ユニットにより検出された温度に基づいて補正することを含んでもよい。制御方法が、前記制御ユニットが、前記イオンドライブ回路を介して、前記イオン化ユニットのエミッション電流を安定化することをさらに有してもよい。

１ 分析装置、
１１ イオン化ユニット１１
１３ フィルタユニット１３
１４ ディテクタユニット１４

Claims (5)

1. 分析対象の分子をイオン化するイオン化ユニットと、
   前記イオン化ユニットにより生成されたイオンを選択的に通過させる場を形成するフィルタユニットと、
   前記フィルタユニットを通過したイオンを検出するディテクタユニットと、
   前記イオン化ユニットを電気的に駆動するイオンドライブ回路と、
   前記フィルタユニットを電気的に駆動するフィールドドライブ回路と、
   前記イオンドライブ回路および前記フィールドドライブ回路の出力を制御する制御ユニットとを有し、
   前記制御ユニットは、前記イオンドライブ回路を介して、前記イオン化ユニットのエミッション電流を安定化させる安定化ユニットを含み、
   前記安定化ユニットは、前記エミッション電流とターゲット電流との差分が１％以下になるように前記イオン化ユニットのフィラメントに供給されるフィラメント電圧を段階的に制御する第１の安定化ユニットと、
   前記エミッション電流と前記ターゲット電流との差分が０．１％以下になるように前記フィラメント電圧をフィードバック制御する第２の安定化ユニットとを含む、分析装置。
2. 請求項１において、
   前記イオンドライブ回路と、前記フィールドドライブ回路と、前記制御ユニットとを少なくとも収納するハンディタイプのハウジングユニットを有する、分析装置。
3. 請求項１または２において、
   前記イオンを選択的に通過させる場は、電場、磁場および電磁場の少なくともいずれかを含む、分析装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかにおいて、
   前記フィールドドライブ回路は、前記フィルタユニットに振動場を形成するＲＦ出力を供給する回路を含む、分析装置。
5. 分析装置の制御方法であって、
   前記分析装置は、分析対象の分子をイオン化するイオン化ユニットと、
   前記イオン化ユニットにより生成されたイオンを選択的に通過させる場を形成するフィルタユニットと、
   前記フィルタユニットを通過したイオンを検出するディテクタユニットと、
   前記イオン化ユニットを電気的に駆動するイオンドライブ回路と、
   前記フィルタユニットを電気的に駆動するフィールドドライブ回路と、
   前記イオンドライブ回路および前記フィールドドライブ回路の出力を制御する制御ユニットとを有し、
   当該制御方法は、
   前記制御ユニットが、前記イオンドライブ回路を介して、前記イオン化ユニットのエミッション電流を安定化させることを有し、
   前記安定化させることは、前記エミッション電流とターゲット電流との差分が１％以下になるように前記イオン化ユニットのフィラメントに供給されるフィラメント電圧を段階的に制御することと、
   前記エミッション電流と前記ターゲット電流との差分が０．１％以下になるように前記フィラメント電圧をフィードバック制御することとを含む、制御方法。

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