JP7280843B2 - 質量分析装置および質量分析方法 - Google Patents

Description

本発明は質量分析装置および質量分析方法に関し、特に、ニードルと、ニードルに対向する対向電極と、ニードルに電圧を印加するイオン源電源と、対向電極に電圧を印加する対向電極電源とを備えた質量分析装置、および、当該質量分析装置を用いた質量分析方法に関するものである。

質量分析装置を構成する部分としては、例えば、前処理部から注入される分析対象の試料を気化させ、気化した当該試料に高電界を印加することで気化試料をイオン化するイオン源が知られている。

特許文献１（国際公開第０３／０６５４０６号）には、質量分析装置において、前処理部であるクロマトグラフから分析対象の試料をイオン源に注入する際、特定の質量を有するイオンの電流値を測定し、当該電流値が閾値を下回った時にノズル詰まりが発生したと判断し、装置における測定異常の発生を操作者に知らせることが記載されている。

国際公開第０３／０６５４０６号

質量分析装置の測定中に高い頻度で発生する測定異常の原因には、前処理部からニードルに通じるチューブ内の詰まり（ノイズ詰まり）の他に、イオン源における放電がある。一般的にイオン源に印加可能な電圧には上限が設けられており、正常な質量分析装置では、当該電圧以下で使用される限り放電は起きない。しかし、イオン源で分析対象の試料をイオン化する際、イオン化されなかった試料がイオン源内部に夾雑物として堆積するため、イオン源内部の耐電圧が低下して放電が発生し得る。これにより、正常な測定ができなくなる。このとき、放電による異常測定の結果は、前処理部のチューブの詰まりなどの異常と分別がつかないため、異常箇所の特定および異常原因の除去に時間を要する課題がある。このことは、質量分析装置のメンテナンス性の低下、および、試料の浪費に繋がる。

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

一実施の形態である質量分析装置は、イオン源電源とフレームとの間、および、対向電極電源とフレームとの間のそれぞれに直列に接続されたリターン電流検出部を設け、それらのリターン電流検出部で測定された電流と閾値とを比較することで、放電の発生および放電発生箇所を検出するものである。

代表的な実施の形態によれば、質量分析装置の性能を向上させることができる。特に、測定中の異常放電発生時における放電発生箇所の特定を容易にし、試料の浪費の低減、有効な測定データの選択・取得、質量分析装置のメンテナンス性向上を実現できる。

実施の形態１である質量分析装置の概略図である。 実施の形態１である質量分析装置を構成するイオン源の放電電流を検出する電気回路の結線図である。 実施の形態２である質量分析装置の放電電圧および電流の特性を表すグラフである。 実施の形態２である質量分析装置における、異常放電を判断する閾値の設定を表す信号図である。 実施の形態２である質量分析装置における、異常放電を判断する閾値の設定を表す信号図である。 正負イオン切り替え測定時のイオン源電源のリターン電流波形を表す信号図である。 実施の形態３である質量分析装置における、正負切り替え測定時に突入電流をマスクする方法を説明する信号図である。 実施の形態４である質量分析装置を構成するイオン源電源および対向電極電源のそれぞれの突入電流の経路を表す結線図である。 実施の形態４である質量分析装置を構成する対向電極電源の放電電流および突入電流のそれぞれの経路を表す結線図である。 実施の形態４である質量分析装置のイオン源電源のリターン電流波形を示す信号図である。 実施の形態４である質量分析装置の対向電極電源のリターン電流波形を示す信号図である。 実施の形態１である質量分析装置の動作フローである。 実施の形態１である質量分析装置のユーザーインターフェース画面を示す模式図である。 実施の形態５である質量分析装置の概略図である。 比較例である質量分析装置を示す概略図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。

（実施の形態１）
以下では、リターン電流検出部を備えたイオン源電源と対向電極電源を搭載した質量分析装置であって、分析対象の試料を測定しているときのリターン電流検出部が検出する電流量と質量分析装置が測定しているイオン量の検出結果とから、測定異常、放電の有無および放電の発生箇所を検知する方法について説明する。

＜本実施の形態の構造＞
図１に、本実施の形態の質量分析装置の概略図を示す。図１は、質量分析装置におけるイオン源の放電電流を検出する手段を説明する図である。質量分析装置は、導電性を有し、グランド（フレームグランド）として機能する容器であるフレーム（装置フレーム）１を備えている。また、質量分析装置は、イオン源１０、収束部１１、分離部１２、検知器１３、イオン検出器７および制御部２を有している。

イオン源１０、収束部１１、分離部１２および検知器１３は、フレーム１内に設けられている。イオン源１０は、前処理部４から注入される分析対象の試料をイオン化する部分である。イオン源１０で生成されたイオン化試料９は、収束部１１で収束させられる。つまり、収束部１１は、収束部１１に設けられた電極９ａに電圧を印加することでイオン化試料を収束させる部分である。分離部１２は、収束部１１で収束したイオン化試料９を質量電荷比に応じてフィルタリングすることで、検出対象のイオン化試料９のみを通過させる部分である。このフィルタリングは、分離部１２に設けられた電極９ｂに電圧を印加することで行う。検知器１３は、分離部１２で通過したイオン化試料９の量に応じた電気信号を出力する装置である。イオン検出器７は、検知器１３から出力される電気信号からイオン量を取得する装置である。制御部２は、イオン量の検出結果をディスプレイ（表示部）に表示する装置である。前処理部４は、例えば、人の血液または尿などの試料（検査対象）を質量分析装置に送り込む装置である。

検知器１３は、分離部１２を通過したイオン化試料９を衝突させ、イオン化試料９から電子５を放出させるコンバージョンダイノード（電極）９ｃと、電子５が入射した際、電子５の量に応じた電気信号をイオン検出器７に出力するイオン電気変換部６と、を有する。

イオン源１０は、前処理部４から注入される分析対象の試料をイオン化させるニードル３と、試料をイオン化するための電圧をニードル３に印加するイオン源電源２０と、イオン化した試料を収束部１１へ引き込むための電界を生成する対向電極１９と、当該対向電極１９に電圧を印加する対向電極電源２１を有する。ニードル３および対向電極１９は、互いに離間してフレーム１内に設けられている。前処理部４とニードル３とは、チューブを介して接続されている。なお、対向電極１９は、ニードル３に対して対向する電極である。対向電極１９について、ここでは「対向」と記載しているが、ニードル３の面と対向電極１９の面とが互いに平行な状態で向き合っている必要はなく、また、対向電極１９が複数の電極により構成され、それらの電極のそれぞれの面が互いに平行な状態で向かい合っている必要もない。

イオン源電源２０および対向電極電源２１のそれぞれは、第１端子、第２端子および第３端子を有している。イオン源電源２０の第１端子（出力端子）は、ニードル３に電気的に接続されている。イオン源電源２０の第２端子（グランド）は、フレーム１に電気的に接続されている。イオン源電源２０の第３端子は、制御部２に電気的に接続されている。対向電極電源２１の第１端子（出力端子）は、対向電極１９に電気的に接続されている。対向電極電源２１の第２端子（グランド）は、フレーム１に電気的に接続されている。対向電極電源２１の第３端子は、制御部２に電気的に接続されている。ただし、イオン源電源２０内において、第１端子および第２端子に対し、第３端子は電気的に絶縁されている。同様に、対向電極電源２１内において、第１端子および第２端子に対し、第３端子は電気的に絶縁されている。

イオン源電源２０は、出力した電流を、フレーム１を介して戻ってきたリターン電流から検出可能にするリターン電流検出部（電流計）１ａを有している。対向電極電源２１は、出力した電流を、フレーム１を介して戻ってきたリターン電流から検出可能にするリターン電流検出部（電流計）１ｂを有している。

リターン電流検出部１ａは、イオン源電源２０とフレーム１との間に直列に接続されている。つまり、イオン源電源２０の第２端子とリターン電流検出部１ａとは電気的に接続され、リターン電流検出部１ａとフレーム１とは電気的に接続されている。言い換えれば、イオン源電源２０とフレーム１とは、リターン電流検出部１ａを介して電気的に接続されている。同様に、リターン電流検出部１ｂは、対向電極電源２１とフレーム１との間に直列に接続されている。つまり、対向電極電源２１の第２端子とリターン電流検出部１ｂとは電気的に接続され、リターン電流検出部１ｂとフレーム１とは電気的に接続されている。言い換えれば、対向電極電源２１とフレーム１とは、リターン電流検出部１ｂを介して電気的に接続されている。

リターン電流検出部１ａ、１ｂは、通過した電流量を検出し、当該検出した電流量を制御部２に送信する手段を有する。例えば、リターン電流検出部の電流量検出精度は数ｎＡ～数十ｎＡ程度であり、検出可能な電流量の範囲は数十μＡ程度である。

リターン電流検出部１ａ、１ｂが検出した電流量を送信する手段は、送信先である制御部２と電気的に絶縁されている。言い換えれば、リターン電流検出部１ａ、１ｂ、イオン源電源２０および対向電極電源２１は、制御部２に対して絶縁されている。また、リターン電流検出部１ａ、１ｂのそれぞれから上記電流量を制御部２に送信する経路の一部は、絶縁されている。これは、リターン電流検出部１ａ、１ｂ、イオン源電源２０および対向電極電源２１と制御部２とが互いに導通すると、リターン電流検出部１ａ、１ｂにおいて正確な電流の検出が困難となるためである。上記のように絶縁を行うことで、リターン電流検出部１ａ、１ｂでの電流検出精度を高めることができる。電気的に絶縁された状態でイオン源電源２０および対向電極電源２１から制御部２に電流量を送信する手段としては、例えば、車載通信で使用されるフォトダイオードを用いた光通信などを用いることができる。

制御部２は、イオン検出器７から送信されるイオン量の検出結果を操作者（装置操作者）へ表示する機能を有している。また、制御部２は、リターン電流検出部１ａ、１ｂから送信される電流量を受信して、当該電流量と、予め設定された閾値Ｔ１、Ｔ２とを比較することで電流量が正常か異常かを判断し、その判断結果を表示する機能を有している。また、制御部２は、質量分析全体の測定を制御する機能を有している。また、図１に示すように、制御部２が、リターン電流検出部１ａ、１ｂから送信される電流量（電流信号Ａ、Ｂ）を表示する機能を有していてもよい。操作者は制御部２を通して質量分析装置を操作する。図１に示すイオン量の検出結果、電流信号ＡおよびＢのそれぞれを示す信号図の横軸は時間であり、縦軸は電流量である。制御部２は、例えばパーソナルコンピュータおよびディスプレイで構成される。

リターン電流検出部から送信される電流量と比較する閾値は、イオン源１０が放電する際に流れる電流量を基に設定する。例えば、予めイオン源１０を放電させ、その放電開始時に流れる電流量を閾値として制御部２に保存する。また、放電を開始する前に異常を検知したい場合は、放電開始時の電流量より少し低い値を閾値として保存してもよい。また、リターン電流検出部１ａから送信される電流量と比較する閾値Ｔ１と、リターン電流検出部１ｂから送信される電流量と比較する閾値Ｔ２とは、別々の値でもよい。

次に、イオン源１０の放電種と放電電流の経路について、図２を用いて説明する。

図２に、本実施の形態の質量分析装置を構成するイオン源１０において、放電電流を検出する電気回路の結線図を示す。質量分析装置の正常な動作時には、イオン源１０において放電は起こらない。しかし、質量分析装置内の夾雑物の堆積などにより、質量分析装置内で異常な放電が起こる場合がある。図２では、異常な放電による電流の流れる経路を破線で示している。

イオン源１０において生じる放電の種類は、ニードル３から対向電極１９への放電２ｂと、ニードル３から対向電極１９以外のフレーム１に電気的に導通された部分への放電２ａとの２つがある。放電２ｂにより流れる異常放電の電流（放電電流）３ｂは、対向電極１９および対向電極電源２１を順に介してリターン電流検出部１ｂを通過し、さらにリターン電流検出部１ａを通過した後、電流出力元であるイオン源電源２０へ戻る。放電２ａにより流れる異常放電の電流（放電電流）３ａは、フレーム１を介してリターン電流検出部１ａを通過した後、電流出力元であるイオン源電源２０へ戻る。

このため、リターン電流検出部１ａは、放電２ａ、２ｂの両方の電流３ａ、３ｂを検出し、リターン電流検出部１ｂは、放電２ｂの電流３ｂのみを検出する。このことから、まず、リターン電流検出部１ａでイオン源１０の異常放電の有無を検知できる。加えて、リターン電流検出部１ｂの測定結果から、異常放電により流れた電流が、電流３ａの経路または電流３ｂの経路のいずれの経路で流れたものであるかを判断できる。つまり、イオン源１０の放電有無と放電発生箇所の特定とが可能となる。

このとき、制御部２は、リターン電流検出部１ａで測定された電流量の絶対値が閾値Ｔ１（図１参照）以上であり、かつ、リターン電流検出部１ｂで測定された電流量の絶対値が閾値Ｔ２（図１参照）未満のとき、放電２ａが生じていると判断する。また、制御部２は、リターン電流検出部１ａで測定された電流量の絶対値が閾値Ｔ１以上であり、かつ、リターン電流検出部１ｂで測定された電流量の絶対値が閾値Ｔ２以上のとき、放電２ｂが生じていると判断する。このようにして、制御部は、リターン電流検出部１ａ、１ｂのそれぞれで測定された電流量に基づいて、ニードル３と対向電極１９以外のイオン源の構成物との間の放電２ａの有無と、ニードル３と対向電極１９との間の放電２ｂの有無とをそれぞれ判断する。

図１には、リターン電流検出部１ａが送信した電流量を示す電流信号Ａと、リターン電流検出部１ｂが送信した電流量を示す電流信号Ｂと、イオン検出器７が送信したイオン量の検出結果を併せて示している。当該３つの波形は、イオン源１０で異常放電が発生していない正常な波形領域１Ｎと、放電２ｂが発生した放電の波形領域２Ｘと、放電２ａが発生した放電の波形領域１Ｘに分けている。

装置の操作者は、測定中、イオン量の検出結果のみをモニタしており、イオン源１０で異常放電が発生していない正常時は、正常なイオン量の結果を取得可能である。イオン源１０に放電が発生してリターン電流検出部１ａの電流量が閾値Ｔ１を超えた場合、制御部２は異常放電の発生をエラーやワーニングとして操作者へ表示、点灯または音などにより通知するとともに、リターン電流検出部１ｂの電流量と閾値Ｔ２の大小関係から放電発生箇所も表示する。例えば、波形領域１Ｘのような電流を検知した場合には、放電発生箇所はニードル３とフレーム１との間の放電２ａの経路で発生したものと判断できる。また、波形領域２Ｘのような電流を検知した場合には、放電発生箇所はニードル３と対向電極１９との間の放電２ｂの経路で発生したものと判断できる。

装置の操作者は、表示された情報を基に、測定の中断と、上記のようにして特定された放電発生箇所（イオン源１０）の洗浄などの放電原因除去の対応を実施することが可能となる。測定の中断（質量分析処理の停止）は、装置の操作者の操作により行われてもよく、波形領域１Ｘ、２Ｘのような異常電流を検知した時点で、制御部２により自動的に行われてもよい。

図１２に、本実施の形態の質量分析装置の動作フローを示す。本動作フローは、一般的な質量分析の動作フローに、前述した本実施の形態による放電検知の手順を組み込んだ一例である。

まず、ステップＳ１の装置起動処理では、制御部２を介して操作者から入力される質量分析の開始情報を基に質量分析装置の動作を設定する。当該開始情報は、例えば、質量分析の動作モード、搭載させる各種電源の電圧、および、測定終了条件（例えば測定時間）などである。

ステップＳ２の測定開始待ちは、操作者から制御部２を介して測定開始指示が入力されるまでの待機時に実施する処理である。当該処理は、例えば、定期的な装置状態の情報の読み込みなどである。

ステップＳ３は測定開始指示の入力判定であり、操作者から制御部２を介して測定開始指示が入力されると、ステップＳ４へ移動する。測定開始指示が未入力の状態ではステップＳ２へ移動する。

ステップＳ４のイオン量データ取得では、イオン検出器７から送信されるイオン量の検出データを制御部２に取り込む処理を実施する。

ステップＳ５の質量分析処理では、ステップＳ４で取得したイオン量データを、ステップＳ１で設定された動作モードなどの情報を基に演算処理する。動作モードは、例えば、質量分析のスキャンモードやＳＩＭ（Selected Ion Monitoring）モードである。

ステップＳ６の質量分析結果表示は、ステップＳ５の演算処理結果を制御部２の画面などに表示する処理である。表示する結果は、例えば、マススペクトラムまたはクロマトグラムなどである。

ステップＳ７の装置状態読み込みは、質量分析装置の状態が正常か異常かの判断が可能な装置状態情報を、質量分析装置に搭載された各種センサや検出器などから読み込む処理である。本実施の形態のリターン電流検出部で得た電流量は、ここで制御部２へ送信される。また、他の装置状態情報は、例えば、各種電源若しくは真空ポンプ部のエラー・警告情報、または、ヒータの温度情報などである。

ステップＳ８は装置状態情報のエラー・警告判定であり、ステップＳ７で読み込んだ装置状態情報でエラーまたは警告がある場合、ステップＳ９へ移動する。エラーまたは警告が無い場合は、ステップＳ１２へ移動する。

ステップＳ９は放電有無の判定であり、ステップＳ７で読み込んだ装置状態情報に含まれる本実施の形態のリターン電流検出部から送信される電流量の絶対値と閾値とを比較した結果から、制御部２が放電の発生が有ると判断した場合は、ステップＳ１０へ移動する。制御部２が放電の発生が無いと判断した場合は、ステップＳ１１へ移動する。

ステップＳ１０の放電対応処理は、イオン源１０で放電が発生した場合に実施する処理である。例えば、放電発生の警告を制御部２から操作者へ通知する、速やかに質量分析装置の測定動作を停止させるために測定終了の条件情報を真値にする、または、リターン電流検出部１ｂが送信する電流量を基に放電箇所を判定して操作者へ通知する、などである。

ステップＳ１１の他異常処理は、放電以外の異常状態に対する処理である。例えば、各種電源若しくは真空ポンプの動作エラーに対応した警告通知、または、測定終了条件への真値設定などである。

ステップＳ１２は測定動作の終了判定であり、操作者の測定終了指示を入力した場合、測定時間が終了した場合、または、ステップＳ１０若しくはＳ１１で測定終了条件が真値に設定された場合などに、質量分析装置の測定動作を終了する。

図１３は、本実施の形態の質量分析装置のユーザーインターフェース画面の一例を示す模式図である。ユーザーインターフェース画面１００は、制御部２のディスプレイ内に表示され、操作領域１１０と表示領域１１１とから構成される。

操作領域１１０は、装置を起動させる装置起動ボタン１０１と、質量分析の開始情報を入力する設定ボタン１０２とを有する。操作者は、装置起動ボタン１０１および設定ボタン１０２によりステップＳ１を実行する。また、操作領域１１０は、測定開始ボタン１０３と測定終了ボタン１０４とを有する。操作者は、測定開始ボタン１０３によりステップＳ３を実行し、測定終了ボタン１０４によりステップＳ１２を実行する。

表示領域１１１は、測定結果領域１０５と装置状態表示領域１０６とを有し、測定結果領域１０５はステップＳ６の実行結果であるイオン量の検出結果を、装置状態表示領域１０６はステップＳ７の実行結果をそれぞれ表示する。

装置状態表示領域１０６は、装置状態をモニタした総合結果を表示する装置状態結果１０７を有する。装置状態結果１０７の表示内容は、例えば、ステップＳ７で実行した装置状態読み込み結果に１つでもエラーまたは警告があれば異常を、エラーまたは警告が無ければ正常を表示する。

また、装置状態表示領域１０６は、詳細状態結果１０９を有する。詳細状態結果１０９は、例えば、ステップＳ７で実行した装置状態読み込み結果を個別に表示する。表示する結果は、例えば、イオン源１０の放電、温度、真空度などの異常の有無である。詳細状態結果１０９は、操作者が必要に応じて確認できるよう、普段はユーザーインターフェース画面１００に表示せずに、操作者の指示によって別画面で表示してもよい。制御部２が放電２ａまたは２ｂ（図１参照）の発生を検知した場合には、制御部２は当該放電の発生箇所を装置状態表示領域１０６に表示する。

＜本実施の形態の効果＞
ここで、本実施の形態の効果を説明するために、比較例の質量分析装置を図１５に示す。図１５に示す比較例の質量分析装置の構造は、イオン源電源２０および対向電極電源２１のそれぞれの第２端子とフレーム１との間に電流計が設けられていない点、および、イオン源電源２０および対向電極電源２１のそれぞれが第３端子を有していない点で、図１に示す質量分析装置とは異なる。上記電流計が設けられていないため、制御部２に異常電流の電流量は送信されない。

質量分析装置では、使用を継続することで内部に夾雑物（ゴミ）が溜まることが考えられる。内部に夾雑物が蓄積していない正常な質量分析装置は、イオン源内で放電が起こらないような耐電圧性能を有している。しかし、夾雑物の蓄積が進むと放電が起きるようになり、例えばニードルとフレームとの間、または、ニードルと対向電極との間で放電が起きる。このような放電が起きると、ニードルの本来の役割である試料のイオン化の効率が低下し、正常に質量分析を行うことが困難となる。

測定中、比較例の質量分析装置の操作者は、イオン量の検出結果のみをモニタしており、異常放電が発生すると、検出結果である当該イオン量が減少するなどの異常が確認されると考えられる。その場合、操作者は、測定を中断して放電原因を除去する。しかし、放電箇所を即座に特定できないため、質量分析装置の内部の各箇所の検査に時間を要する問題がある。

また、モニタしている検出結果であるイオン量が減少する異常の原因の１つとして、質量分析装置内の放電が考えられるが、その他に、前処理部とニードルとの間のチューブ内で生じる詰まりなど、当該放電以外の原因も考えられる。比較例の質量分析装置では、イオン量の検出結果のみをモニタして異常の有無を判断しているため、その異常原因が、放電か、チューブ内での詰まりなどのその他の要因によるものかを判断することができない。したがって、異常原因が放電以外にあるかどうかを検査するために時間を要する問題がある。

また、放電による測定異常が起きたときに、その異常に操作者が気付かず、有効でないイオン量の測定データを取得する虞がある。

また、異常放電が発生した時点から、その異常を認知して測定を中断するまでに時間を要するため、その間に試料を浪費する問題がある。例えば、試料が人の血液などである場合、予め用意された試料の量は多くなく、このような場合は特に、試料の浪費を極力抑える必要がある。

これに対し、本実施の形態では、図１に示すように、異常放電によりフレーム１を介して流れる電流３ａを検出するリターン電流検出部１ａと、異常放電によりフレーム１を介して流れる電流３ｂを検出する１ｂとを設けている。これにより、異常放電の発生を瞬時に検出することができる。また、リターン電流検出部１ａ、１ｂをイオン源電源２０、対向電極電源２１にそれぞれ設けているため、イオン源１０内での放電発生箇所を特定できる。また、イオン量の検出結果の異常の原因が、チューブの詰まりなどではなく放電にあることが明白であるため、異常原因が放電以外にあるかどうかを検査する工程を省くことができる。これにより、放電発生箇所の特定のために、質量分析装置の内外の各箇所を検査する工程を省略できるため、質量分析装置を用いた質量分析を短時間かつ低コストで行うことができる。よって、質量分析装置の性能を向上させることができる。

また、制御部２または操作者により即座に測定を中断できるため、試料の浪費を抑えることができる。特に、制御部２により測定を中止すれば、試料の浪費を最小限に抑えることができる。よって、質量分析装置の性能を向上させることができる。

以上から、放電による測定異常の発生を瞬時に認識できるため、短時間で測定を中断させて試料の浪費を削減できる。また、この時の測定データは異常が発生している無効なデータとして削除し、分析結果の健全性を確保できる。加えて、放電箇所も短時間で分かるため、メンテナンス性を向上できる。

本実施の形態の質量分析装置は、図１５に示す比較例の質量分析装置の電源とフレームとの間に単に電流計を設けることで実現でき、当該電流計により測定された電流量を監視することで上記効果を得ることができる。

（実施の形態２）
質量分析装置の測定では、分析対象の種類または分析方法に合わせてイオン源のニードルと対向電極に印加する電圧の極性が異なる。分析対象の試料を正イオン化させる場合は、ニードルと対向電極に正極性の電圧を、試料を負イオン化させる場合は、ニードルと対向電極に負極性の電圧を印加する。以下では、前記実施の形態１で説明した質量分析装置において、ニードルと対向電極に印加する電圧極性に合わせた放電有無を判断する閾値の設定方法について説明する。

図３に、本実施の形態の質量分析装置の放電電圧および電流の特性を表すグラフを示す。当該グラフにおいて、横軸は、イオン源のニードルの印加電圧であり、縦軸は、イオン源電源に搭載したリターン電流検出部が検出する電流量である。ニードル印加電圧を正極性の方向へ０Ｖから増加させるとリターン電流量も増加していき、ニードル印加電圧がＸ１に達すると、リターン電流量が急峻に増加する。このときニードル印加電圧Ｘ１は、正極性で放電が開始する電圧であり、リターン電流量Ｙ１は、正極性で放電が開始する電流である。一方、ニードル印加電圧を負極性の方へ０Ｖから減少させるとリターン電流は負極性の方向へリターン電流が増加していき、ニードル印加電圧がＸ２に達すると、リターン電流量が急峻に負極性の方向へ増加する。このときニードル印加電圧Ｘ２は、負極性で放電が開始する電圧であり、リターン電流量Ｙ２は、負極性で放電が開始する電流である。

ここで、正極性のニードル印加電圧Ｘ１と負極性のニードル印加電圧Ｘ２とは互いに異なり、正極性のリターン電流量Ｙ１と負極性のリターン電流量Ｙ２とは互いに異なる。このため、リターン電流量について１つ閾値を設定して放電有無を判断すると、以下のような場合に、放電を検出することができない点に注意する。

ここでは、比較例として、イオン源の放電有無を判断する閾値を正イオン測定時と負イオン測定時で同じ閾値を用いた場合について述べる。例えば、閾値に正極性のリターン電流量Ｙ１を設定した場合、負極性のリターン電流量Ｙ２が正極性のリターン電流量Ｙ１より低い場合、負イオン化させて測定して放電が発生しても、リターン電流検出部の電流量が閾値を下回っており、放電を検出することができない。このため、分析対象の試料を正イオン化して測定する際にイオン源の放電有無を判断する閾値と、負イオンを測定している際の閾値は、異なる値を設定する必要がある。

また、正極性のニードル印加電圧Ｘ１と負極性のニードル印加電圧Ｘ２とのそれぞれの絶対値は互いに異なり、正極性のリターン電流量Ｙ１と負極性のリターン電流量Ｙ２とのそれぞれの絶対値は互いに異なる。このため、リターン電流量の１つの絶対値のみで判断しようとすると、放電を検出することができない場合がある。

図４および図５に、本実施の形態の質量分析装置における、異常放電を判断する閾値の設定を表す信号図を示す。図４は、ニードルおよび対向電極に正電圧を印加した場合の信号図である。図５は、ニードルおよび対向電極に負電圧を印加した場合の信号図である。図４および図５のそれぞれにおいて、電流信号Ａ、Ｂのそれぞれを示す信号図の横軸は時間であり、縦軸は電流量である。

図４および図５では、放電有無を判断する閾値として、イオン源電源のリターン電流検出部１ａの電流量と比較するための正極性の閾値３０と、負極性の閾値３１とを記載している。また、図４および図５では、放電有無を判断する閾値として、対向電極電源のリターン電流検出部１ｂの電流量と比較するための正極性の閾値４０と、負極性の閾値４１とを記載している。ここで、閾値３０と閾値３１との絶対値は互いに異なる値を設定し、閾値４０と閾値４１との絶対値も互いに異なる値を設定している。

＜本実施の形態の効果＞
図４に示すように、試料を正イオン化して測定する場合は、閾値３０、４０を閾値として用い、図５に示すように、試料を負イオン化して測定する場合は、閾値３１、４１を閾値として用いることで、正と負の極性で放電電流が異なっていても、正常に放電の発生有無を判断することができる。

（実施の形態３）
質量分析装置では、分析時間を短縮するために前記の正イオン化して行う測定と負イオン化して行う測定とを短時間で切り替えて測定する手法（以下、正負切り替え測定と記載）がある。以下では、前記実施の形態２で説明した質量分析装置において、イオン源の放電有無を判断する方法について、図６および図７を用いて説明する。

正負切り替え測定（正負イオン切り替え測定）は、イオン源のニードルと対向電極に印加する電圧極性を短時間に切り替えることで実現する。このときの切り替え時間は、例えば、数ｍｓから数十ｍｓである。ここで、ニードルと装置のフレームとの間、および、対向電極と装置のフレームとの間には、物理的に浮遊容量が発生しており、イオン源電源と対向電極電源は、ニードルと対向電極に電圧を印加するとき、当該浮遊容量を充電することになる。

図６に、正負イオン切り替え測定時のイオン源電源のリターン電流波形を表す信号図を示す。図６の横軸は時間、縦軸はリターン電流量であり、時間軸は正イオン化して行う測定を表す測定（正）の領域と、負イオン化して行う測定を表す測定（負）の領域に別けている。また正極性の閾値３０と負極性の閾値３１も併せて記載している。ここで、閾値３０、３１の実線部分は、当該閾値が有効な領域である。例えば、閾値３０では、正イオン化して行う測定を表す測定（正）の領域を実線で表示し、測定（負）の領域では破線で表示しており、これにより、測定（正）の領域で、閾値３０が有効であることを明示している。反対に、閾値３１は、測定（負）の領域において実線で表示し、測定（正）の領域において破線で表示している。図６では、放電５１が起きた際の信号波形を一点鎖線で示している。

図６において、測定（負）から測定（正）に切り替える際、前述した浮遊容量を充電するための突入電流５０によりリターン電流量が大きくなっている。この時、リターン電流量は閾値３０を超えている。同様に、測定（正）から測定（負）に切り替える際も突入電流５０によりリターン電流量が閾値３１を超える。つまり、正負切り替え測定では、突入電流５０と放電電流とを分別できずに、切り替え動作時の突入電流を誤って放電として検出することになる。

その対策として、図７に、本実施の形態の質量分析装置における、正負切り替え測定時に突入電流をマスクする方法を信号図で示す。図７では、放電５１が起きた際の信号波形を一点鎖線で示している。正イオン化して行う測定と負イオン化して行う測定との切り替えは、質量分析装置の制御部２（図１参照）が制御している。制御部２は、突入電流が発生するタイミングを把握しているため、切り替えタイミング時に放電を検知しないよう閾値判定を実施しないデッドタイム５３を設けることが可能となる。なお、デッドタイム５３の期間は、事前に突入電流が安定するまでの時間を測定し、制御部２に設定しておく。図７の信号図では、デッドタイム５３の時間帯にハッチングを付している。

すなわち、ここでは、突入電流の発生する直前から、突入電流が安定するまでの一定時間、閾値判定を実施しない時間（デッドタイム５３）を設けている。この一定時間とは、少なくとも、突入電流の発生前の時点、つまり、正イオン化して行う測定と負イオン化して行う測定とを切り替える直前のタイミングから、電流量の絶対値が閾値より小さくなるまでの間の時間である。

＜本実施の形態の効果＞
上記のように、正負切り替え測定において、正イオン化して行う測定と負イオン化して行う測定との切り替え時に、放電を検知しないデッドタイムを設けて突入電流をマスクすることで、放電の誤検出を抑止することが可能となる。

（実施の形態４）
前記実施の形態３では、正イオン化して行う測定と負イオン化して行う測定とを短時間で切り替えて測定する際に発生する突入電流を誤って放電電流として検出することを回避するために、突入電流が発生するタイミングで、放電検出を実施しないデッドタイムを設けることについて説明した。以下では、当該デッドタイムはイオン源電源のリターン電流検出部が送信する電流量のみで必要となり、対向電極電源のリターン電流検出部が送信する電流量には不要となることを、図８～図１１を用いて説明する。

図８に、本実施の形態の質量分析装置を構成するイオン源電源および対向電極電源のそれぞれの突入電流の経路を表す結線図を示す。ここでは、例として、負イオン化して行う測定から正イオン化して行う測定に切り替えるために、ニードル３と対向電極１９との電圧を負極性から正極性に変更する動作について説明する。

まず、イオン源電源の突入電流経路について述べる。イオン源電源２０は、ニードル３に電圧を印加する際、ニードル３とフレーム１との間の浮遊容量７ａを充電する。この充電時に発生する突入電流８ａは、イオン源電源２０から出力されており、ニードル３と浮遊容量７ａ、フレーム１を介してリターン電流検出部１ａを通過してイオン源電源２０に戻る。つまり、突入電流８ａは、電流３ａ（図２参照）と同じ経路を通る。

次に、対向電極電源の突入電流経路について述べる。対向電極電源２１は、対向電極１９に電圧を印加する際、対向電極１９とフレーム１との間の浮遊容量７ｂを充電する。この充電時に発生する突入電流８ｂは、対向電極電源２１から出力されており、対向電極１９、浮遊容量７ｂ、フレーム１およびリターン電流検出部１ｂを順に通過して対向電極電源２１に戻る。つまり、突入電流８ｂは、電流３ｂ（図２参照）と反対の方向でリターン電流検出部１ｂを通過することになる。

図９を用いて、突入電流８ｂと電流３ｂの経路の方向をより具体的に説明する。図９は、本実施の形態の質量分析装置を構成する対向電極電源の放電電流および突入電流のそれぞれの経路を表す結線図である。図９では、電流３ｂの経路を実線で示し、突入電流８ｂの経路を破線で示している。

放電２ｂにより発生する電流３ｂは、対向電極１９に重畳し、対向電極電源２１の第１端子（出力端子）に吸い込まれる。この時、対向電極電源２１は正極性の電圧を出力しつつ電流を吸収する動作を行っている。対向電極電源２１に吸い込まれた電流３ｂは、リターン電流検出部１ｂを通過後、フレーム１を介して放電２ｂの電流供給元であるイオン源電源２０（図２参照）へ戻る。一方、突入電流８ｂの流れる方向は、対向電極電源２１が対向電極１９を正極性に充電するため、対向電極電源２１の第１端子（出力端子）から放出される方向となる。

以上から、突入電流８ｂと電流３ｂとは、リターン電流検出部１ｂを通過する方向が反対となる。

なお、上述した説明は、負イオン化して行う測定から正イオン化して行う測定に切り替えるために、ニードル３と対向電極１９の電圧を負極性から正極性に変更する動作についての説明である。これに対し、切り替える電圧極性を正極性から負極性に変更する動作についても、各電流が流れる方向が逆方向となるだけで、同様に突入電流８ｂと電流３ｂのそれぞれのリターン電流検出部１ｂを通過する方向は、互いに反対となる。

図１０に、本実施の形態のイオン源電源のリターン電流波形を信号図で示し、図１１に、本実施の形態の対向電極電源のリターン電流波形を信号図で示す。図１０および図１１に示す波形は、負イオン化して行う測定から正イオン化して行う測定に切り替えるために、ニードル３と対向電極１９の電圧を負極性から正極性に変更する際の波形である。図１０および図１１では、放電５１が起きた際の信号波形を一点鎖線で示している。

図１０に示すように、イオン源電源のリターン電流波形は、測定（負）から測定（正）への切り替えタイミングで突入電流５０が発生する。この突入電流５０を、誤って放電５１として検出しないために、前記実施の形態３で述べたように、デッドタイム５３を設けている。一方、図１１に示すように、対向電極電源のリターン電流波形でも、測定（負）から測定（正）への切り替えタイミングで突入電流５４が発生する。ただし、突入電流５４の流れる方向は、突入電流５０および放電５１のそれぞれの流れる方向に対して反対である。このため、デッドタイムを設けなくても、正イオン化して行う測定に切り替える際の閾値３０では、突入電流５４を誤って放電として検出することはない。

すなわち、制御部には、イオン源電源からニードルに印加する電圧の極性を切り替える際に、リターン電流検出部１ａで測定された電流量に基づいて放電を検知しないデッドタイム５３が設定されている。これに対し、対向電極電源から対向電極に印加する電圧の極性を切り替える際に、リターン電流検出部１ｂで測定された電流量に基づいて放電を検知しないデッドタイム５３は、制御部に設定されていない。言い換えれば、ここでは、イオン源電源からニードルに印加する電圧の極性を切り替える際、当該切り替えの直前から当該切り替え後までの一定時間、リターン電流検出部１ａで測定された電流量に基づいて放電を検知しない。これに対し、対向電極電源から対向電極に印加する電圧の極性を切り替える際は、当該切り替え動作の前後に亘って連続的に、リターン電流検出部１ｂで測定された電流量に基づいて放電の検出を行う。

＜本実施の形態の効果＞
正負切り替え測定において、正イオン化して行う測定と負イオン化して行う測定との切り替え時に発生する突入電流を放電として誤検出しないためには、イオン源電源に搭載したリターン電流検出部の送信する電流量のみに、放電を検知しないデッドタイムを設ければよい。これにより、デッドタイムの期間を予め測定する必要があるのは、イオン源電源のみとなり、対向電極電源では不要である。つまり、対向電極電源での測定に関し、デッドタイムを設定する必要がないため、放電検出するための立ち上げ調整時間を短縮することができる。

（実施の形態５）
前記実施の形態１～４では、イオン源における放電を検知する手段を記載した。以下では、リターン電流検出部を備えた収束部電源、分離部電源および検知器電源を搭載した質量分析装置であって、分析対象の試料を測定しているときのリターン電流検出部が検出する電流量と、質量分析装置が測定しているイオン量の検出結果とから、収束部、分離部および検知器における放電の有無を判断する方法について説明する。

イオン源以外の放電電流を検出する手段を説明するため、図１４に、本実施の形態の質量分析装置の概略図を示す。本実施の形態の質量分析装置は、収束部電源２２と、分離部電源２３と、検知器電源２４とを有している。収束部電源２２は、収束部１１に設けられた電極９ａに電圧を印加する電源である。分離部電源２３は、分離部１２に設けられた電極９ｂに電圧を印加する電源である。検知器電源２４は、検知器１３に設けられたコンバージョンダイノード（電極）９ｃに電圧を印加する電源である。

収束部電源２２、分離部電源２３および検知器電源２４は、出力した電流を、フレーム１を介して戻ってきたリターン電流から検出可能にするリターン電流検出部（電流計）１ｃ、１ｄおよび１ｅをそれぞれ有している。すなわち、収束部電源２２とフレーム１との間はリターン電流検出部１ｃを介して電気的に接続されており、分離部電源２３とフレーム１との間はリターン電流検出部１ｄを介して電気的に接続されており、検知器電源２４とフレーム１との間はリターン電流検出部１ｅを介して電気的に接続されている。

収束部電源２２、分離部電源２３および検知器電源２４のそれぞれは、前記実施の形態１の対向電極電源２１と同様に、第１端子、第２端子および第３端子を有している。収束部電源２２の第１端子（出力端子）は、電極９ａに電気的に接続されている。収束部電源２２の第２端子（グランド）は、フレーム１に電気的に接続されている。収束部電源２２の第３端子は、制御部２に電気的に接続されている。分離部電源２３の第１端子（出力端子）は、電極９ｂに電気的に接続されている。分離部電源２３の第２端子（グランド）は、フレーム１に電気的に接続されている。分離部電源２３の第３端子は、制御部２に電気的に接続されている。検知器電源２４の第１端子（出力端子）は、コンバージョンダイノード９ｃに電気的に接続されている。検知器電源２４の第２端子（グランド）は、フレーム１に電気的に接続されている。検知器電源２４の第３端子は、制御部２に電気的に接続されている。

ただし、収束部電源２２、分離部電源２３および検知器電源２４のそれぞれにおいて、第１端子および第２端子に対し、第３端子は電気的に絶縁されている。つまり、リターン電流検出部（電流計）１ｃ、１ｄおよび１ｅで検出した電流量を送信する手段は、送信先である制御部２と電気的に絶縁されている。言い換えれば、リターン電流検出部１ｃ、１ｄ、１ｅ、収束部電源２２、分離部電源２３および検知器電源２４は、制御部２に対して絶縁されている。

なお、収束部電源２２、分離部電源２３および検知器電源２４は、図１には示していないが、前記実施の形態１の質量分析装置にも設けられている。すなわち、本実施の形態の質量分析装置は、収束部電源２２、分離部電源２３および検知器電源２４がそれぞれリターン電流検出部１ｃ、１ｄおよび１ｅを有している点で前記実施の形態１の質量分析装置と異なる。

制御部２は、イオン検出器７から送信されるイオン量の検出結果を操作者へ表示する機能を有している。また、制御部２は、リターン電流検出部１ｃ、１ｄおよび１ｅから送信される電流量を受信して、当該電流量と閾値とを比較することで電流量が正常か異常かを判断し、その判断結果を表示する機能を有している。また、制御部２は、質量分析全体の測定を制御する機能を有している。操作者は、制御部２を通して質量分析装置を操作する。なお、上記のようにリターン電流検出部１ｃ、１ｄおよび１ｅから送信される電流量と閾値とを比較し、電流量が正常か異常かを判断するとともに、リターン電流検出部１ａ、１ｂから送信される電流量と閾値とを比較して、イオン源１０における放電の有無を判断してもよい。

＜本実施の形態の効果＞
質量分析装置の収束部、分離部および検知器の放電による測定異常が瞬時に分かるため、短時間で測定を中断させて試料の浪費を削減できる。また、この時の測定データは異常が発生している無効なデータとして削除し、分析結果の健全性を確保できる。加えて、放電箇所も短時間で分かるため、メンテナンス性を向上できる。

以上、本発明者らによってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

１ フレーム
１ａ～１ｅ リターン電流検出部（電流計）
２ 制御部
３ ニードル
４ 前処理部
６ イオン電気変換部
７ イオン検出器
９ｃ コンバージョンダイノード
１１ 収束部
１２ 分離部
１３ 検知器
１９ 対向電極
２０ イオン源電源
２１ 対向電極電源

Claims (13)

1. 試料を分析する質量分析装置であって、
   導電性を有する容器であるフレームと、
   前記フレーム内に設けられたニードルと、
   前記フレーム内において、前記ニードルと離間して設けられた電極と、
   前記試料から生成されたイオン化試料から放出された電子によりイオン量を検出する検出器と、
   前記検出器により測定された電流量を表示する制御部と、
   前記ニードルに第１電圧を印加する第１電源と、
   前記電極に第２電圧を印加する第２電源と、
   前記第１電源のグランドと前記フレームとの間に直列に接続された第１電流検出部と、
   前記第２電源のグランドと前記フレームとの間に直列に接続された第２電流検出部と、
   を有し、
   前記制御部は、前記第１電流検出部および前記第２電流検出部のそれぞれで測定された電流量に基づいて、前記ニードルと前記電極以外のイオン源の構成物との間の第１放電の有無と、前記ニードルと前記電極との間の第２放電の有無とをそれぞれ判断する、質量分析装置。
2. 請求項１記載の質量分析装置において、
   前記第１放電の発生を検知した場合、前記第１放電の発生箇所を表示し、前記第２放電の発生を検知した場合、前記第２放電の発生箇所を表示する、質量分析装置。
3. 請求項１記載の質量分析装置において、
   前記制御部は、
   前記第１電流検出部で測定された第１電流量の絶対値が第１閾値以上であり、かつ、前記第２電流検出部で測定された第２電流量の絶対値が第２閾値未満のとき、前記第１放電が生じていると判断し、
   前記第１電流量の絶対値が前記第１閾値以上であり、かつ、前記第２電流量の絶対値が前記第２閾値以上のとき、前記第２放電が生じていると判断する、質量分析装置。
4. 請求項３記載の質量分析装置において、
   前記制御部は、
   前記第１電圧および前記第２電圧の極性が正である場合、前記第１閾値として第３閾値を適用し、前記第２閾値として第４閾値を適用し、
   前記第１電圧および前記第２電圧の極性が負である場合、前記第１閾値として第５閾値を適用し、前記第２閾値として第６閾値を適用する、質量分析装置。
5. 請求項１記載の質量分析装置において、
   前記制御部は、ユーザーインターフェースに放電検知の有無を表示する、質量分析装置。
6. 請求項５記載の質量分析装置において、
   前記制御部は、前記第１放電または前記第２放電を検知した場合に、放電発生箇所を前記ユーザーインターフェースに表示する、質量分析装置。
7. 請求項１記載の質量分析装置において、
   正負イオン切り替え測定を行う場合において、前記制御部には、電源電圧切り替え時に放電を検知しないデッドタイムが設定されている、質量分析装置。
8. 請求項７記載の質量分析装置において、
   前記制御部は、前記第２電圧の極性を切り替える動作の前後に亘って連続的に、前記第２電流検出部で測定された第２電流量に基づいて放電を検知する、質量分析装置。
9. 請求項１記載の質量分析装置において、
   前記電極は、イオン源、収束部、分離部または検知器に設けられている、質量分析装置。
10. 試料を分析する質量分析方法であって、
    導電性を有する容器であるフレームと、
    前記フレーム内に設けられたニードルと、
    前記フレーム内において、前記ニードルと離間して設けられた電極と、
    前記試料から生成されたイオン化試料から放出された電子によりイオン量を検出する検出器と、
    前記検出器により測定された電流量を表示する制御部と、
    前記ニードルに第１電圧を印加する第１電源と、
    前記電極に第２電圧を印加する第２電源と、
    前記第１電源のグランドと前記フレームとの間に直列に接続された第１電流検出部と、
    前記第２電源のグランドと前記フレームとの間に直列に接続された第２電流検出部と、
    を備えた、質量分析装置を用い、
    前記制御部において実行されるステップとして、
    （ａ）前記質量分析装置を用いて質量分析処理を開始するステップ、
    （ｂ）前記（ａ）ステップの後、前記第１電流検出部および前記第２電流検出部から送信される電流量の絶対値と閾値とを比較した結果から、前記ニードルと前記電極以外のイオン源の構成物との間の第１放電の有無と、前記ニードルと前記電極との間の第２放電の有無とをそれぞれ判断するステップ、
    を有する、質量分析方法。
11. 請求項１０記載の質量分析方法において、
    前記制御部において実行されるステップとして、
    （ｃ）前記（ｂ）ステップで前記第１放電または前記第２放電の発生を検知した場合、前記第１放電または前記第２放電の発生箇所を表示するステップをさらに有する、質量分析方法。
12. 請求項１０記載の質量分析方法において、
    前記制御部は、前記（ｂ）ステップにおいて、
    前記第１電流検出部で測定された第１電流量の絶対値が第１閾値以上であり、かつ、前記第２電流検出部で測定された第２電流量の絶対値が第２閾値未満のとき、前記第１放電が生じていると判断し、
    前記第１電流量の絶対値が前記第１閾値以上であり、かつ、前記第２電流量の絶対値が前記第２閾値以上のとき、前記第２放電が生じていると判断する、質量分析方法。
13. 請求項１０記載の質量分析方法において、
    前記制御部において実行されるステップとして、
    （ｄ）前記（ｂ）ステップで前記第１放電または前記第２放電の発生を検知した場合、前記質量分析処理を停止させるステップをさらに有する、質量分析方法。

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