JP6976445B2 - 質量分析装置および質量分析方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスクロマトグラフ質量分析装置（ＧＣ／ＭＳ）、液体クロマトグラフ質量分析装置（ＬＣ／ＭＳ）等、クロマトグラフと組み合わせる質量分析装置および質量分析方法に関する。

質量分析の一つの手法としてＭＳ／ＭＳ分析（タンデム分析）と呼ばれる手法が広く用いられている。ＭＳ／ＭＳ分析を行うための質量分析装置としては種々の構成のものがあるが、装置構造が比較的簡単で操作も容易であるのが三連四重極型質量分析装置である。

特許文献１および非特許文献１には一般的な三連四重極型質量分析装置の構成とその動作方法が記載されている。イオン源で生成された試料成分由来のイオンが前段四重極マスフィルタ（Ｑ１）に導入され、特定の質量電荷比（ｍ／ｚ）を有するイオンがプリカーサイオンとして選別される。このプリカーサイオンが、コリジョンセル（Ｑ２）に導入される。コリジョンセル内には窒素ガス等が供給され、プリカーサイオンはコリジョンセル内でガスと衝突することで解離（ＣＩＤ）し、プロダクトイオンが生成される。このプロダクトイオンを後段四重極マスフィルタ（Ｑ３）で、質量選別されて検出器に到達し検出される。

上記のような三連四重極型質量分析装置は単独で使用される場合もあるが、しばしばガスクロマトグラフ（ＧＣ）や液体クロマトグラフ（ＬＣ）等のクロマトグラフと組み合わせて使用される。

三連四重極型質量分析装置におけるＭＳ／ＭＳ分析には、ＭＲＭ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｒｅａｃｔｉｏｎ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ：多重反応モニタリング）測定モード、ＳＩＭ（Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｉｏｎ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ：選択イオンモニタリング）測定モード、プリカーサイオンスキャン測定モード、プロダクトイオンスキャン測定モード、ニュートラルロススキャン測定モード、といった測定モードがある。

三連四重極型質量分析装置では、クロマトグラフにおいて試料中の各種成分が時間的に分離されるため、異なる質量電荷比のイオンに対するＳＩＭ測定モード又はＭＲＭ測定モードを順次切り替えながら次々に実行し、異なる化合物由来のイオン強度信号を得ることができるようになっている。特に、定量精度が求められる測定では、測定対象とする化合物と既知濃度の類似の化合物（同位体など）を用いて、各々に対応するＭＲＭ測定を行った後、補正を行うことで定量精度を高める手法が一般的に用いられている。

これらの測定を行う際に、質量分析装置では、イオン化の不安定化、質量分析装置の電圧電極の汚れ、もしくは印加電圧の不安定化等により信号強度が不安定となることがある。

信号強度が不安定となると、質量分析装置を用いて正しい結果が得られなくなるため、それらを未然に防止すること、また、それらが実際に起きた場合に迅速にモニタして警告を与えることで、不正確な測定を抑止するのは重要である。

特に、イオン化の不安定性については、印加電圧のようにモニタが容易でないことから、イオン源の電流モニタ手法、および一定電流化について検討が行われている。

特許文献２には、大気圧化学イオン源のイオン化に用いるコロナ放電の放電電流をモニタし、電流を一定に保つように印加電圧を変化させることで安定な大気圧化学イオン源を実現することが記載されている。

特許文献３には、エレクトロスプレーイオン源のイオン化に用いるプローブ電流をモニタし、電流を一定に保つようにプローブ印加電圧を変化させることで安定なエレクトロスプレーイオン源を実現することが記載されている。

しかし、液体用イオン源では、液体サンプルのスプレーの噴霧状態によりイオン化効率が変化することが知られており、放電電流、もしくはプローブ電流をモニタ、および一定化したとしても安定した信号強度を得られない場合がある。

特許文献４には、エレクトロスプレーイオン源のプローブ電流のほか、スプレー状態をモニタし、プローブ位置やプローブ印加電圧を制御して正常状態に復帰させる手法が記載されている。

また、キャリブレーションサンプルなど既知のサンプルを用いることで、予め設定された信号強度が得られるようにイオン源の位置や印加電圧を制御する手法が記載されている。

特開２００３−１７２７２６号公報 特開２００８−２６２９２２号公報 米国特許６４５２１６６号公報 米国特許出願公開２００５００７２９１５号公報

Ａｎａｌ． Ｃｈｅｍ． １９９０， ６２． ２１６２−２１７２ Ｔａｎｄｅｍ−ｉｎ−Ｓｐａｃｅ ａｎｄ Ｔａｎｄｅｍ−ｉｎ−Ｔｉｍｅ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：Ｔｒｉｐｌｅ Ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅｓ ａｎｄ Ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ Ｉｏｎ Ｔｒａｐｓ Ｊｏｄｉｅ Ｖ． Ｊｏｈｎｓｏｎ ａｎｄ Ｒｉｃｈａｒｄ Ａ． Ｙｏｓｔ＊

しかしながら、従来技術におけるイオン源安定化のモニタ手法として用いられてきたイオン源の電流値の計測やスプレー状態の観察は、実際に得られる信号強度との相関関係は低い。このため、質量分析部では、イオン化ブローブの汚染などにより、イオン源が不安定になると、正しい定量結果が得られず、高い定量精度が得られなかった。

また、従来技術においては、電流測定デバイスや噴霧計測用のＣＣＤデバイスなどが必要であり、そのためのコストも要していた。

また、信号強度との相関関係を改善するために、キャリブレーションサンプルなど既知のサンプルを用いる測定を実施すると、特別なサンプル導入手段が必要となることや、既知濃度サンプル測定のために、通常測定にスケジュール上の制限が加わることなどの問題が生じる。

本発明の目的は、安価でありながら高精度な定量結果を得ることが可能な質量分析装置及び質量分析方法を実現することである。

上記目的を達成するため、本発明は次のように構成される。

クロマトグラフ装置から送られた測定試料をイオン化するイオン源と、前記イオン源により生成されたイオンを検出する検出器を有し質量を分析する質量分析部と、前記質量分析部により分析されたイオンを溶出時間及び信号強度からなる複数のデータとするコントローラとを備える質量分析装置において、前記コントローラは、上記複数のデータを複数のチャンネルに分割し、前記複数のチャンネルのそれぞれを複数の小区間に分割し、分割した複数の前記小区間ごとにデータが検出されるように前記検出器を制御し、分割した複数の前記小区間のデータに基づいて、前記イオン源が安定か不安定かを判定する。

クロマトグラフ装置から送られた測定試料をイオン化するイオン源により生成されたイオンを検出して質量を分析し、分析したイオンを溶出時間及び信号強度からなる複数のデータとする質量分析方法において、上記複数のデータを複数のチャンネルに分割し、前記複数のチャンネルのそれぞれを複数の小区間に分割し、分割した複数の前記小区間ごとにデータを検出し、分割した複数の前記小区間のデータに基づいて、前記イオン源が安定か不安定かを判定する。

本発明によれば、安価でありながら高精度な定量結果を得ることが可能な質量分析装置及び質量分析方法を実現することができる。

液体クロマトグラフ質量分析装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施例１である液体クロマトグラフ質量分析装置におけるデータ構成の説明図である。 実施例１の動作フローチャートである。 実施例１におけるコントローラの内部機能ブロック図である。 クロマトピーク近辺のサイクルで得られた小区間内でのシグナルの一例を示すグラフである。 クロマトピーク近辺のサイクルで得られた小区間内でのシグナルの他の例を示すグラフである。 実施例２の動作フローチャートである。

本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。

（実施例１）
以下、本発明を液体クロマトグラフ質量分析装置に適用した場合の実施例を説明する。

図１は、液体クロマトグラフ質量分析装置１００の概略構成を示す図である。

図１において、液体クロマトグラフ質量分析装置１００は、液体クロマトグラフ装置１１と、イオン源６と、質量分析部８と、コントローラ１０とを備える。質量分析部８は、質量分離部７と、検出器９と備えている。

液体クロマトグラフ質量分析装置１００では、液体クロマトグラフ装置１１から送られた溶液（測定試料）をエレクトロスプレーイオン源や大気圧化学イオン源などのイオン源６でイオン化する。

イオン源６により生成したイオンは、真空中の質量分析部８へと導入され四重極型、飛行時間型、磁場型など様々な質量分離部７で分離され、検出器９により信号として検出される。検出器９により検出された信号はコントローラ１０により処理され、質量分析部８により分析されたイオンを溶出時間及び信号強度からなる複数のデータを作成し、作成したデータを複数のチャネルに分割する。

コントローラ１０は、信号処理のほか、イオン源６、質量分離部７、検出器９などの制御を行うことができる。

図２は、本発明の実施例１である液体クロマトグラフ質量分析装置１００におけるデータ構成の説明図である。図２に示した例は液体クロマトグラフ質量分析装置１００で測定を行ったときに得られる典型的なクロマトグラムを示している。

図２において、クロマトグラムは、横軸をＬＣやＧＣの溶出タイミングを示す溶出時間とし、縦軸を信号強度の合計値としている。

図２に示した例においては、クロマトピーク１が検出されている。ＭＲＭ測定では、測定対象となる（ｍ／ｚ）や、それに伴うレンズ電圧条件などの測定条件をチャンネル（セグメントともいう）ごとに変更して測定が実施される。これら信号の各点は、測定方法が異なる複数のチャンネルにおける測定の信号量の積算値がプロットされている。

通常、これらの複数のチャンネルのうちの１チャンネル４の信号積算時間は１から１００ｍｓ程度に設定される。また、チャンネル数は１〜１００程度に設定される。一度測定をおこなうチャンネルセットの一周期をサイクルと呼ぶ。１サイクルは通常５０〜１０００ｍｓ程度に設定される。図２においては、Ｎ番のサイクル２と、Ｎ＋１番のサイクル３とを拡大して示している。

以上の説明は、クロマトグラフ質量分析装置で一般的に実施されている測定方法である。

本発明に実施例１では、同一測定条件で測定されるチャンネル４内を複数の小区間５に分割し、それらの各々で測定値を得る。同チャンネルの小区間５では測定条件は同一となる。この小区間５の時間は典型的には１０〜１０００ｕｓ程度となる。これらの小区間５において信号量（データ量）を積算し、それらのばらつきを判定する。

ばらつきの指標としては、最大値と最小値の差、標準偏差、尖度、歪度などの指標があり、これらを用いてバラつきが統計上のランダム性や経験則から得られる参照値に対して有意に悪化しているかを判定することが可能である。

これにより、イオン源６において、イオン生成が安定に行われているかを判定することが可能となる。

図３は、本発明の実施例１における動作フローチャートであり、測定信頼性の保障やユーザーにメンテナンスタイミングを周知することが可能な動作の説明図である。また、図４は、実施例１におけるコントローラ１０の内部機能ブロック図である。

図４において、コントローラ１０は、小区間測定指令部１０１と、データ記憶部１０２と、小区間信号量積算部１０３と、信号ばらつき計算部１０４と、信号ばらつき評価部１０５と、動作制御部１０６とを有している。

図３および図４において、小区間測定指令部１０１は、検出器９に指令し、測定条件を同じくするチャンネル４内の複数の小区間５ごとにデータが検出されるように検出器９を制御する（ステップＳ１）。次に、検出器９が検出した信号をデータ記憶部１０２に格納し、小区間信号量積算部１０３により、データ記憶部１０２に格納された信号（データ）が積算され、積算された信号のばらつきが信号ばらつき計算部１０４により計算される（ステップＳ２）。

次に、信号ばらつき評価部１０５が、小区間５ごとの信号の、同一チャンネル４内における信号ばらつきを評価する（ステップＳ３）。信号ばらつきの評価（判定）は、予め決めたバラつき評価方法に基づき、安定性を評価する（イオン源６が安定か不安定かを判定する）。

ステップＳ３において、安定と評価された場合には、動作制御部１０６は、イオン源６の動作を制御し、警告無しにそのまま測定を継続する（ステップＳ４）。この結果は測定中のイオン源６が安定であり、測定妥当性の証明（エビデンス）になる。測定妥当性の証明は、信号ばらつき評価部１０５から表示部２０に指令し、測定が妥当であることを表示することで行うことができる。

なお、表示部２０は、図４に示した例においては、コントローラ１０と別箇に配置されているが、コントローラ１０と一体となっていてもよい。さらに、表示部２０ではなく、測定した信号が妥当であることを記憶する記憶部とすることも可能である。

一方、ステップＳ３において、不安定と評価された場合には、測定中、または測定後に警告を実施する（ステップＳ５）。

警告の方法としては、表示部２０に測定精度について注意付与することを表示するもの、ユーザーに対し、メンテナンス推奨のためアラームを発するものがある。または、液体クロマトグラフ質量分析装置１００に内蔵された自動メンテナンス機能を作動させるものなどある。本発明による機能により発せられたアラームに基づき、それらのひとつ、もしくは複数を行うことが可能となる。

次に、本実施例１において、実際に測定に適用した例を説明する。

図５は、テストステロンのＬＣ質量分析を行った際に、クロマトピーク近辺のサイクルで得られた小区間内でのシグナル（信号）を示すグラフである。図５に示したデータにおけるチャンネル測定時間は４０ｍｓであり、小区間５の時間幅は０．４ｍｓである。また、各小区間５の信号平均値は１０．４、ばらつきの指標となる標準偏差は３．５であった。

上記信号平均値、標準偏差は、希少現象を計測する際に観測されるポアソン分布で解釈できる。ポアソン分布では、平均値Ｎ個の事象に対し、標準偏差がＮの平方根となることが知られている。

図５に示した例における信号の平均値１０．４から予想される標準偏差は３．２となり、得られている計測値３．５は、有意なばらつきとはみなされない正常な状態と判断される。

図６は、クロマトピーク近辺のサイクルで得られた小区間内でのシグナルの他の例を示すグラフである。図６に示したデータにおけるチャンネル測定時間は
４０ｍｓであり、小区間５の時間幅は０．４ｍｓである。

図５に示した例と比較し、図６に示した例は、シグナルが大きく変動しているのが分かる。各小区間５の信号平均値は４．５、ばらつきの指標となる標準偏差は４．１であった。図５に示した例と同様の見積もりで平均値４．５から予想される標準偏差は２．１であるのに対し、得られている計測値の標準偏差４．１は、有意に大きいと判断できる。この結果から、図６に示した測定ではイオン源６が不安定化しているとの判断を行うことがきる。

このように本発明の実施例１を液体クロマトグラフ質量分析装置に適用することにより、特別なデバイスを用いることなく、安価でありながら高精度な定量結果を得ることが可能な質量分析装置及び質量分析方法を実現することができる。また、安価、かつ高精度な装置安定性のモニタ手法を提供し、装置のメンテナンスや最適化にフィードバックすることができる。

なお、小区間５の測定を行って、ばらつきの指標と合計値を算出した後（データの平均値、標準偏差を計算した後）、小区間５ごとの各信号量をハードディス等の記憶保存デバイス（データ記憶部１０２）から削除しても良い。

これにより、小区間５ごとに蓄積される信号データを大幅に削減することが可能となり、少ない記憶保存デバイスであっても、本発明を実現することが可能となる。

（実施例２）
次に、本発明の実施例２について説明する。

図７は、本発明の実施例２における動作フローチャートであり、イオン源６の測定条件を自動的に調整することが可能な動作の説明図である。

実施例２は、実施例１と同様に、液体クロマトグラフ質量分析装置１００に適用した場合の例である。液体クロマトグラフ質量分析装置１００の概略構成及びコントローラ１０の内部機能ブロックは、図１及び図３に示したものと同様であるので、図示及び詳細な説明は省略する。

イオン源６の測定条件（イオン生成条件）は、イオン源６に印加する電圧、噴霧や加熱に用いられるガス流量、イオン源６の温度などにより決定される。これらのパラメータ調整を行うのは、通常、ユーザーが行っているが、本発明の実施例２を用いることで、上記パラメータ調整を自動化することができる。

図７及び図４において、小区間測定指令部１０１は、検出器９に指令し、測定条件を同じくするチャンネル４内の複数の小区間５で測定を実施する（ステップＳ１）。次に、検出器９が検出した信号をデータ記憶部１０２に格納し、小区間信号量積算部１０３により、データ記憶部１０２に格納された信号（データ）が積算され、積算された信号のばらつきが信号ばらつき計算部１０４により計算される（ステップＳ２）。

次に、信号ばらつき評価部１０５が、小区間５ごとの信号の、同一チャンネル４内における信号ばらつきを評価する（ステップＳ３）。信号ばらつきの評価は、予め決めたばらつき評価方法に基づき、安定性を評価する。

ステップＳ３において、信号ばらつき評価部１０５が安定と評価した場合には、調整は終了となる（調整完了（ステップＳ６））。

一方、ステップＳ３において、信号ばらつき評価部１０５が不安定と評価した場合には、動作制御部１０６は、イオン源６に印加する電圧、位置、噴霧や加熱に用いられるガス流量、イオン源６の温度などの条件（イオン生成条件）を変更して（ステップＳ７）、再度、測定を実施する（ステップＳ１）。

これらのプロセス（ステップＳ１〜Ｓ３、Ｓ７）を繰り返し実行することで、最適な測定条件（イオン生成条件）を自動で設定することが可能である。

また、実施例２においても、実施例１と同様に、小区間５の測定を行って、ばらつきの指標と合計値を算出した後、小区間５ごとの各信号量をハードディス等の記憶保存デバイス（データ記憶部１０２）から削除して、データを大幅に削減するように構成しても良い。

このように本発明の実施例２を液体クロマトグラフ質量分析装置に適用することにより、実施例１と同様に、特別なデバイスを用いることなく、安価でありながら高精度な定量結果を得ることが可能な質量分析装置及び質量分析方法を実現することができる。

さらに、実施例２によれば、信号が不安定な場合は、上記パラメータ調整を自動的に行い、最適な測定条件を自動で設定することができる。

なお、ステップＳ７の測定条件の変更は、測定した信号の平均値、標準偏差により、調整する（変更する）電圧値等を実験に予め定めておき、それにしたがって実行する構成とすることができる。

上述した例は、本発明を液体クロマトグラフ質量分析装置に適用した場合の例であるが、本発明は、液体クロマトグラフ質量分析装置のみならず、ガスクロマトグラフ質量分析装置等の、クロマトグラフ装置と組み合わせる質量分析装置及び質量分析方法に適用可能である。

特に、選択イオンモニタリング（ＳＩＭ）測定、多重反応モニタリング（ＭＲＭ）測定等の測定を行うクロマトグラフ質量分析装置に好適である。

１・・・クロマトピーク、 ２・・・Ｎ番サイクル、 ３・・・Ｎ＋１番サイクル、 ４・・・チャンネル、 ５・・・小区間、 ６・・・イオン源、 ７・・・質量分離部、 ８・・・質量分離部、 ９・・・検出器、 １０・・・コントローラ、 １１・・・液体クロマトグラフ装置、 １００・・・液体クロマトグラフ質量分析装置、 １０１・・・小区間測定指令部、 １０２・・・データ記憶部、 １０３・・・小区間信号量積算部、 １０４・・・信号ばらつき計算部、 １０５・・・信号ばらつき評価部、 １０６・・・動作制御部

Claims (12)

1. クロマトグラフ装置から送られた測定試料をイオン化するイオン源と、前記イオン源により生成されたイオンを検出する検出器を有し質量を分析する質量分析部と、前記質量分析部により分析されたイオンを溶出時間及び信号強度からなる複数のデータとするコントローラとを備える質量分析装置において、
   前記コントローラは、上記複数のデータを複数のチャンネルに分割し、前記複数のチャンネルのそれぞれを複数の小区間に分割し、分割した複数の前記小区間ごとにデータが検出されるように前記検出器を制御し、分割した複数の前記小区間のデータに基づいて、前記イオン源が安定か不安定かを判定することを特徴とする質量分析装置。
2. 請求項１に記載の質量分析装置において、
   前記コントローラは、複数の前記小区間のデータの平均値及び標準偏差を計算し、前記平均値及び前記標準偏差に基づいて、前記イオン源が安定か不安定かを判定することを特徴とする質量分析装置。
3. 請求項２に記載の質量分析装置において、
   表示部をさらに備え、
   前記コントローラは、前記イオン源が安定か不安定かを前記表示部に表示させることを特徴とする質量分析装置。
4. 請求項２に記載の質量分析装置において、
   前記コントローラは、前記イオン源が不安定であると判定した場合、前記イオン源のイオン生成条件を変更することを特徴とする質量分析装置。
5. 請求項３又は４に記載の質量分析装置において、
   前記コントローラは、前記小区間のデータを記憶するデータ記憶部を備え、前記小区間のデータの平均値及び標準偏差の計算が終了した後、前記データ記憶部に記憶した前記小区間のデータを削除することを特徴とする質量分析装置。
6. 請求項１、２、３、４、５のうちのいずれか一項に記載の質量分析装置において、
   前記クロマトグラフ装置は、液体クロマトグラフ装置であることを特徴とする質量分析装置。
7. クロマトグラフ装置から送られた測定試料をイオン化するイオン源により生成されたイオンを検出して質量を分析し、分析したイオンを溶出時間及び信号強度からなる複数のデータとする質量分析方法において、
   上記複数のデータを複数のチャンネルに分割し、前記複数のチャンネルのそれぞれを複数の小区間に分割し、分割した複数の前記小区間ごとにデータを検出し、分割した複数の前記小区間のデータに基づいて、前記イオン源が安定か不安定かを判定することを特徴とする質量分析方法。
8. 請求項７に記載の質量分析方法において、
   複数の前記小区間のデータの平均値及び標準偏差を計算し、前記平均値及び前記標準偏差に基づいて、前記イオン源が安定か不安定かを判定することを特徴とする質量分析方法。
9. 請求項８に記載の質量分析方法において、
   前記イオン源が安定か不安定かを表示部に表示させることを特徴とする質量分析方法。
10. 請求項８に記載の質量分析方法において、
    前記コントローラは、前記イオン源が不安定であると判定した場合、前記イオン源のイオン生成条件を変更することを特徴とする質量分析装置。
11. 請求項９又は１０に記載の質量分析方法において、
    前記小区間のデータをデータ記憶部に記憶し、前記小区間のデータの平均値及び標準偏差の計算が終了した後、前記データ記憶部に記憶した前記小区間のデータを削除することを特徴とする質量分析方法。
12. 請求項７、８、９、１０、１１のうちのいずれか一項に記載の質量分析方法において、
    前記クロマトグラフ装置は、液体クロマトグラフ装置であることを特徴とする質量分析方法。

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