JPWO2015045028A1 - ガスクロマトグラフ質量分析装置 - Google Patents

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Abstract

試料気化室12及びMS部2の間におけるキャリアガスの流路17にカラム保護ガス供給路4を接続する。待機中は、カラム保護ガス供給路4を介してカラム保護ガスを供給することにより、カラム保護ガス供給路4とキャリアガスの流路17との合流部16よりも下流側においてカラム11を保護することができる。このとき、合流部16よりも上流側におけるキャリアガスの流路17には、キャリアガスが残ったままの状態となる。したがって、その後に分析を開始する際にキャリアガスが供給されたときには、既にある程度のキャリアガスが流路17内に存在している。これにより、流路17内のガスをカラム保護ガスからキャリアガスへと完全に置換するための時間が短くなるため、分析開始までの待機時間を短縮することができる。

Description

本発明は、試料成分を含むキャリアガスをカラムに導入し、当該カラムにおいて分離された試料成分を真空チャンバ内でイオン化させることにより質量分析を行うガスクロマトグラフ質量分析装置に関するものである。
ガスクロマトグラフ質量分析装置(GC/MS)には、ガスクロマトグラフ部と質量分析部とが備えられている。キャリアガスとともにガスクロマトグラフ部のカラムに供給された各試料成分は、カラムを通過する過程で試料成分ごとに分離され、質量分析部に順次導かれてイオン化されることにより、質量分析が行われるようになっている(例えば、下記特許文献1参照)。
図4は、従来のガスクロマトグラフ質量分析装置の構成例を示した概略断面図である。このガスクロマトグラフ質量分析装置には、ガスクロマトグラフ部(GC部101)と質量分析部(MS部102)とが備えられている。
GC部101には、例えばカラム111、試料気化室112、カラムオーブン113及びAFC(Auto Flow Controller)114が備えられている。カラム111には、試料気化室112から、キャリアガスとともに試料成分が供給される。カラム111は、カラムオーブン113内に設けられており、分析中は、カラムオーブン113内のヒータ(図示せず)によりカラム111を加熱しながら、カラム111内に試料成分を供給することができるようになっている。
キャリアガスとしては、例えばHeガスが用いられる。キャリアガスは、AFC114を介して試料気化室112に供給することができるようになっており、分析中は、当該AFC114により試料気化室112に供給するキャリアガスの流量を調整することができる。
MS部102には、真空チャンバ(図示せず)が備えられており、この真空チャンバ内を真空状態とすることができる。分析中は、カラム111で分離された試料成分を、真空状態とされた真空チャンバ内に導いてイオン化し、そのイオンをイオン検出器(図示せず)で検出することにより質量分析を行うことができる。
このようなガスクロマトグラフ質量分析装置では、分析終了後に装置の電源を切った場合、次の分析の際に電源を投入しても、MS部102の真空チャンバ内が真空になるまでに時間がかかる。そのため、分析終了後、次の分析を行うまでに時間が空く場合であっても、装置の電源を投入した状態のまま待機させる場合が多い。
しかしながら、装置の電源を投入した状態でキャリアガスを流さずに長時間待機させた場合には、MS部102のイオン源が高温になることなどに起因して、カラム111(特にMS部102の直前の部分)が劣化するおそれがある。そこで、待機中は、カラム111を保護するために、カラム保護ガスをカラム111内に流通させる場合がある。
カラム保護ガスとしては、例えばNガスが用いられる。図4の例では、カラム保護ガスがAFC114を介して試料気化室112に供給され、試料気化室112からカラム111内に流れるようになっている。AFC114の上流側において、キャリアガス(Heガス)の流路103には開閉バルブ131が設けられており、カラム保護ガス(Nガス)の流路104には開閉バルブ141が設けられている。
これにより、分析中は、開閉バルブ131を開状態とし、開閉バルブ141を閉状態とすることにより、試料気化室112を介してカラム111にキャリアガスを供給することができる。一方、待機中は、開閉バルブ131を閉状態とし、開閉バルブ141を開状態とすることにより、試料気化室112を介してカラム111にカラム保護ガスを供給することができる。
特開2013−44647号公報
上記のような従来のガスクロマトグラフ質量分析装置においては、待機中に、AFC114、試料気化室112及びカラム111内がカラム保護ガスで満たされた状態となる。したがって、その後に分析を開始する際には、キャリアガスを供給することにより、AFC114、試料気化室112及びカラム111内のカラム保護ガスをキャリアガスに置換した上で、分析を開始する必要がある。
しかしながら、この場合、AFC114及び試料気化室112内にデッドボリュームが存在していることなどに起因して、AFC114、試料気化室112及びカラム111内のガスの置換に時間がかかり、分析開始までの待機時間が長くなってしまうという問題があった。
図5は、AFC114、試料気化室112及びカラム111内のガスの置換にかかる時間の一例を示した図である。この図5では、分析開始時にAFC114、試料気化室112及びカラム111内のNガス(カラム保護ガス)をHeガス(キャリアガス)に置換した場合に、MS部102において検出されるNガスの絶対強度の経時的変化の一例が示されている。
この図5に示すように、カラム111内のガスをほぼ完全に置換するために長時間、待機する必要がある。一方、十分な時間が経過する前に分析を開始した場合には、カラム111内にNガス(カラム保護ガス)が残存しているため、分析の精度が低下するおそれがある。
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、分析開始までの待機時間を短縮することができるガスクロマトグラフ質量分析装置を提供することを目的とする。
本発明に係るガスクロマトグラフ質量分析装置は、試料を気化するための試料気化室と、前記試料気化室から試料成分を含むキャリアガスが導入されるカラムと、前記カラムにおいて分離された試料成分を真空チャンバ内でイオン化させることにより質量分析を行う質量分析部と、前記試料気化室及び前記質量分析部の間におけるキャリアガスの流路に接続され、前記カラムを保護するためのカラム保護ガスを前記流路内に供給するためのカラム保護ガス供給路と、分析中には試料成分を含むキャリアガスが前記質量分析部に流入し、待機中にはカラム保護ガスが前記質量分析部に流入するように、ガスの流量を調整するガス流量調整部とを備えたことを特徴とする。
このような構成によれば、待機中は、試料気化室及び質量分析部の間におけるキャリアガスの流路に接続されたカラム保護ガス供給路を介して、カラム保護ガスを供給することにより、カラム保護ガス供給路とキャリアガスの流路との合流部よりも下流側においてカラムを保護することができる。このとき、前記合流部よりも上流側におけるキャリアガスの流路には、キャリアガスが残ったままの状態となる。
したがって、その後に分析を開始する際にキャリアガスが供給されたときには、既にある程度のキャリアガスが流路内に存在している。これにより、流路内のガスをカラム保護ガスからキャリアガスへと完全に置換するための時間が短くなるため、分析開始までの待機時間を短縮することができる。
カラム保護ガスは、キャリアガスよりも安価なガスであることが好ましい。これにより、待機中はキャリアガスの消費を抑え、より安価なカラム保護ガスを用いてカラムを保護することができるため、ランニングコストを低減することができる。
前記カラム保護ガス供給路は、前記カラムの下流側において前記流路に接続されていることが好ましい。
このような構成によれば、待機中は、カラムの上流側にキャリアガスが残ったままの状態となるため、その後に分析を開始する際にキャリアガスが供給されたときには、既に多くのキャリアガスがカラム内に存在している。したがって、流路内のガスをカラム保護ガスからキャリアガスへと完全に置換するための時間がさらに短くなるため、分析開始までの待機時間を効果的に短縮することができる。
この場合、カラム保護ガスは、カラムの下流側にのみ供給されることとなるが、カラムの下流端が接続される質量分析部が特に高温となりやすく、その周辺でカラムが劣化しやすいため、このような構成であっても効果的にカラムを保護することができる。
前記ガスクロマトグラフ質量分析装置は、待機中にキャリアガスの流量が所定値以上となった場合に、その旨を報知する報知処理部をさらに備えていてもよい。
このような構成によれば、カラム保護ガス供給路を介してカラム保護ガスが供給されている待機中にもかかわらず、所定値以上の流量でキャリアガスが流れている場合に、異常を検知して報知することができる。したがって、キャリアガスが無駄に流れるのを防止することができるため、キャリアガスの消費を抑えることができる。
前記ガスクロマトグラフ質量分析装置は、前記カラムを加熱するためのカラムオーブンと、分析中には前記カラムオーブンにより前記カラムを加熱し、待機中には前記カラムの温度が分析時よりも低くなるように調整するカラム温度調整部とをさらに備えていてもよい。
このような構成によれば、待機中にキャリアガスの流路に残されるキャリアガスが、カラムオーブンにより加熱され、温度が上昇しすぎることによって劣化するのを防止することができる。また、待機中にカラムオーブンで無駄な電力が消費されるのを防止することができる。
前記ガス流量調整部は、試料成分を含むキャリアガスを前記質量分析部に流入させることにより自動で分析を開始させるとともに、分析終了後には、カラム保護ガスを前記質量分析部に流入させることにより自動で待機状態に移行させることができることが好ましい。
このような構成によれば、自動で分析を開始させることができるだけでなく、分析終了後には自動で待機状態に移行され、カラム保護ガスによってカラムが保護された状態となるため、作業者の労力を軽減することができる。
本発明によれば、流路内のガスをカラム保護ガスからキャリアガスへと完全に置換するための時間が短くなるため、分析開始までの待機時間を短縮することができる。
本発明の一実施形態に係るガスクロマトグラフ質量分析装置の構成例を示した概略断面図である。 図1のガスクロマトグラフ質量分析装置における電気的構成の一例を示したブロック図である。 制御部による処理の一例を示したフローチャートである。 従来のガスクロマトグラフ質量分析装置の構成例を示した概略断面図である。 AFC、試料気化室及びカラム内のガスの置換にかかる時間の一例を示した図である。
図1は、本発明の一実施形態に係るガスクロマトグラフ質量分析装置の構成例を示した概略断面図である。このガスクロマトグラフ質量分析装置(GC/MS)には、ガスクロマトグラフ部(GC部1)と質量分析部(MS部2)とが備えられている。
GC部1には、例えばカラム11、試料気化室12、カラムオーブン13、AFC(Auto Flow Controller)14、APC(Auto Pressure Controller)15及び合流部16が備えられている。カラム11は、例えばキャピラリカラムからなり、その上流端が試料気化室12に接続されるとともに、下流端がMS部2に接続されている。
試料気化室12には、液体試料及びキャリアガスが供給され、試料気化室12内で気化された試料成分が、キャリアガスとともにカラム11内に導入されるようになっている。GC部1では、試料成分を含むキャリアガスがカラム11に導入されることにより、そのキャリアガスがカラム11を通過する過程で各試料成分が分離され、MS部2に順次導かれて分析が行われる。
カラム11は、ヒータ及びファンなど(いずれも図示せず)とともにカラムオーブン13内に収容されている。カラムオーブン13は、カラム11を加熱するためのものであり、分析時にはヒータ及びファンを適宜駆動させることにより、カラムオーブン13内の温度を一定に維持しながら分析を行う恒温分析、又は、カラムオーブン13内の温度を徐々に上昇させながら分析を行う昇温分析などが実行可能となっている。
キャリアガスとしては、例えばHeガスが用いられる。キャリアガスは、キャリアガス供給路3からAFC14を介して試料気化室12に供給される。AFC14は、キャリアガスの流量を調整するためのものであり、分析時には、キャリアガスが一定の流量でカラム11内を流れるように、キャリアガス供給路3から試料気化室12に供給されるキャリアガスの流量がAFC14により調整される。
本実施形態では、分析時以外の待機中に、カラム11を保護するためのカラム保護ガスが、カラム保護ガス供給路4を介してカラム11内に供給されるようになっている。これにより、分析終了後に装置の電源を投入した状態のまま待機させる場合であっても、カラム保護ガスがカラム11内を流れるため、MS部2のイオン源が高温になることなどに起因してカラム11が劣化するのを防止することができる。
カラム保護ガスとしては、例えばNガスが用いられる。カラム保護ガスは、Nガスに限られるものではないが、キャリアガスよりも安価なガスであることが好ましい。すなわち、キャリアガス及びカラム保護ガスは、カラム保護ガスの方が安価な組み合わせであれば、他の種々のガスを使用することができる。これにより、待機中はキャリアガスの消費を抑え、より安価なカラム保護ガスを用いてカラム11を保護することができるため、ランニングコストを低減することができる。
カラム保護ガス供給路4を介して供給されるカラム保護ガスの流量は、APC15により調整される。APC15は、カラム保護ガス供給路4内におけるカラム保護ガスの供給圧力を調整することにより、任意の流量でカラム保護ガスを供給することができる。
カラム保護ガス供給路4は、試料気化室12とMS部2との間におけるキャリアガスの流路17に接続されている。より具体的には、カラム保護ガス供給路4は、カラム11の下流側においてキャリアガスの流路17に接続されている。すなわち、カラム11に対するカラム保護ガス供給路4の合流部16が、カラム11におけるMS部2の直前に設けられた構成となっている。
合流部16としては、GC部1に検出器分岐システムを用いることができる。検出器分岐システムは,カラム11を下流側で分岐させ、複数の検出器に試料成分を導くことにより、複数種類の分析を並行して行うための分岐部を構成している。
MS部2には、真空チャンバ及びイオン検出器など(いずれも図示せず)が備えられている。分析中は、カラム11で分離された各試料成分が、真空状態の真空チャンバ内に導かれるようになっている。そして、真空チャンバ内でイオン化された各試料成分をイオン検出器で検出することにより、質量分析を行うことができる。
図2は、図1のガスクロマトグラフ質量分析装置における電気的構成の一例を示したブロック図である。このガスクロマトグラフ質量分析装置の動作は、例えばCPU(Central Processing Unit)を含む制御部5により制御されるようになっている。
制御部5は、CPUがプログラムを実行することにより、ガス流量調整部51、カラム温度調整部52、分析処理部53、自動分析制御部54及び報知処理部55などとして機能する。このガスクロマトグラフ質量分析装置には、当該制御部5の他、例えば液晶表示器からなる表示部6が備えられており、表示部6に対する表示を制御部5で制御することができるようになっている。
ガス流量調整部51は、AFC14及びAPC15を制御することにより、カラム11内に供給するガスの流量を調整する。具体的には、分析中は、APC15によりカラム保護ガス供給路4からのカラム保護ガスの供給を停止させた状態で、AFC14によりキャリアガスが一定の流量でカラム11内に供給される。これにより、キャリアガスが合流部16を通過してMS部2に流入し、このキャリアガスに含まれる試料成分の質量分析がMS部2で行われる。
一方、待機中は、合流部16において試料気化室12側に向かって作用するカラム保護ガスの圧力と、試料気化室12からのキャリアガスの供給圧力とが等しくなるように、APC15によりカラム保護ガス供給路4内のカラム保護ガスの供給圧力が調整される。これにより、待機中はカラム保護ガスのみが合流部16を介してMS部2に流入し、キャリアガスがMS部2に流入しない状態が維持される。
このように、本実施形態では、待機中は、試料気化室12及びMS部2の間におけるキャリアガスの流路17に接続されたカラム保護ガス供給路4を介して、カラム保護ガスを供給することにより、カラム保護ガス供給路4とキャリアガスの流路17との合流部16よりも下流側においてカラム11を保護することができる。このとき、合流部16よりも上流側におけるキャリアガスの流路17には、キャリアガスが残ったままの状態となる。
したがって、その後に分析を開始する際にキャリアガスが供給されたときには、既にある程度のキャリアガスが流路17内に存在している。これにより、流路17内のガスをカラム保護ガスからキャリアガスへと完全に置換するための時間が短くなるため、分析開始までの待機時間を短縮することができる。
特に、本実施形態では、カラム保護ガス供給路4がカラム11の下流側において流路17に接続されていることにより、待機中は、カラム11の上流側(合流部16よりも上流側)にキャリアガスが残ったままの状態となる。そのため、その後に分析を開始する際にキャリアガスが供給されたときには、既に多くのキャリアガスがカラム11内に存在している。したがって、流路17内のガスをカラム保護ガスからキャリアガスへと完全に置換するための時間がさらに短くなるため、分析開始までの待機時間を効果的に短縮することができる。
この場合、カラム保護ガスは、カラム11の下流側にのみ供給されることとなるが、カラム11の下流端が接続されるMS部2が特に高温となりやすく、その周辺でカラム11が劣化しやすいため、このような構成であっても効果的にカラム11を保護することができる。
カラム温度調整部52は、カラムオーブン13のヒータ及びファンなどを制御することにより、カラム11の温度を調整する。具体的には、分析中は、カラムオーブン13によりカラム11を加熱することで、カラム11内のキャリアガスを加熱することができる。カラム温度調整部52は、恒温分析時にはカラムオーブン13内の温度が一定となるように制御を行い、昇温分析時にはカラムオーブン13内の温度が徐々に上昇するように制御を行うこととなる。
一方、待機中は、カラム11の温度が分析時よりも低くなるようにカラム温度調整部52がカラムオーブン13を制御する。このとき、カラムオーブン13の駆動(ヒータへの通電)が停止されることにより、カラム11が加熱されない状態となることが好ましいが、このような構成に限らず、例えばカラムオーブン13のヒータへの供給電流を低下させるだけの構成であってもよい。
これにより、待機中にキャリアガスの流路17に残されるキャリアガスが、カラムオーブン13により加熱され、温度が上昇しすぎることによって劣化するのを防止することができる。また、待機中にカラムオーブン13で無駄な電力が消費されるのを防止することができる。
分析処理部53は、MS部2のイオン検出器からの検出信号に基づいて質量分析を行うことにより、質量電荷比を横軸、検出強度を縦軸とするマススペクトルを得ることができる。この分析処理部53の処理により得られるマススペクトルは、表示部6に表示することができる。
自動分析制御部54は、ガス流量調整部51、カラム温度調整部52及び分析処理部53などによる処理を自動で実行させることにより、自動で分析を行うための制御を行う。例えば分析時には、試料成分を含むキャリアガスをMS部2に流入させるように、自動分析制御部54がガス流量調整部51による処理を制御することにより、自動で分析を開始させることができる。
分析中は、自動分析制御部54が、MS部2のイオン検出器からの検出信号を分析処理部53で処理させることにより、自動で分析が行われる。そして、分析終了後には、カラム保護ガスをMS部2に流入させるように、自動分析制御部54がガス流量調整部51による処理を制御することにより、自動で待機状態に移行される。
このように、自動分析制御部54により自動分析を実行すれば、自動で分析を開始させることができるだけでなく、分析終了後には自動で待機状態に移行され、カラム保護ガスによってカラム11が保護された状態となるため、作業者の労力を軽減することができる。
報知処理部55は、AFC14からの入力信号に基づいて、作業者に異常を報知するための処理を行う。具体的には、AFC14において当該AFC14を通過するキャリアガスの流量を検知し、待機中にキャリアガスの流量が所定値以上となった場合には、その旨を報知処理部55が表示部6に表示させることにより作業者に報知する。
上記所定値は、キャリアガスがAFC14から試料気化室12側に流れる場合と、試料気化室12側からAFC14に流れる場合とで、同じ値であってもよいし、異なる値であってもよい。また、報知処理部55は、表示部6の表示により作業者に異常を報知するような構成に限らず、例えば音などの他の態様により作業者に異常を報知するような構成であってもよい。
これにより、カラム保護ガス供給路4を介してカラム保護ガスが供給されている待機中にもかかわらず、所定値以上の流量でキャリアガスが流れている場合に、異常を検知して報知することができる。したがって、キャリアガスが無駄に流れるのを防止することができるため、キャリアガスの消費を抑えることができる。
図3は、制御部5による処理の一例を示したフローチャートである。分析中は、キャリアガス供給路3からカラム11を介してMS部2にキャリアガスが供給されているが、分析が終了した場合には(ステップS101でYes)、ガス流量調整部51により、カラム保護ガス供給路4からMS部2にカラム保護ガスが流入するように切り替えられる(ステップS102)。
その後、分析が開始されるまでの間(ステップS105でYesとなるまでの間)、キャリアガスの流量が所定値以上となるか否かが監視される(ステップS103)。そして、キャリアガスの流量が所定値以上となった場合には(ステップS103でYes)、報知処理部55により異常が報知される(ステップS104)。
分析が開始された場合には(ステップS105でYes)、ガス流量調整部51により、キャリアガス供給路3からMS部2にキャリアガスが流入するように切り替えられ(ステップS106)、再びステップS101以降の処理が行われることとなる。
以上の実施形態では、キャリアガスの流路17に対するカラム保護ガス供給路4の合流部16が、カラム11の下流側に設けられた構成について説明した。しかし、このような構成に限らず、合流部16は、試料気化室12とMS部2との間であれば、カラム11の上流側などのように、他の位置に設けられていてもよい。
キャリアガスの流量の調整は、AFC14により行われるような構成に限らず、例えばAPCなどのような他の機構を用いて行われるような構成であってもよい。同様に、カラム保護ガスの流量の調整は、APC15により行われるような構成に限らず、例えばAFCなどのような他の機構を用いて行われるような構成であってもよい。
合流部16は、検出器分岐システムが設けられた構成に限らず、他の構成により、MS部2に流入するガスをキャリアガス又はカラム保護ガスに切り替えることができるようになっていてもよい。この場合、圧力制御によってガスを切り替えるような構成に限らず、例えば弁などの流路切替機構を用いてガスの流路を切り替えることができるような構成などであってもよい。
1 GC部
2 MS部
3 キャリアガス供給路
4 カラム保護ガス供給路
5 制御部
6 表示部
11 カラム
12 試料気化室
13 カラムオーブン
14 AFC
15 APC
16 合流部
17 流路
51 ガス流量調整部
52 カラム温度調整部
53 分析処理部
54 自動分析制御部
55 報知処理部

Claims (5)

  1. 試料を気化するための試料気化室と、
    前記試料気化室から試料成分を含むキャリアガスが導入されるカラムと、
    前記カラムにおいて分離された試料成分を真空チャンバ内でイオン化させることにより質量分析を行う質量分析部と、
    前記試料気化室及び前記質量分析部の間におけるキャリアガスの流路に接続され、前記カラムを保護するためのカラム保護ガスを前記流路内に供給するためのカラム保護ガス供給路と、
    分析中には試料成分を含むキャリアガスが前記質量分析部に流入し、待機中にはカラム保護ガスが前記質量分析部に流入するように、ガスの流量を調整するガス流量調整部とを備えたことを特徴とするガスクロマトグラフ質量分析装置。
  2. 前記カラム保護ガス供給路は、前記カラムの下流側において前記流路に接続されていることを特徴とする請求項1に記載のガスクロマトグラフ質量分析装置。
  3. 待機中にキャリアガスの流量が所定値以上となった場合に、その旨を報知する報知処理部をさらに備えたことを特徴とする請求項1又は2に記載のガスクロマトグラフ質量分析装置。
  4. 前記カラムを加熱するためのカラムオーブンと、
    分析中には前記カラムオーブンにより前記カラムを加熱し、待機中には前記カラムの温度が分析時よりも低くなるように調整するカラム温度調整部とをさらに備えたことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のガスクロマトグラフ質量分析装置。
  5. 前記ガス流量調整部は、試料成分を含むキャリアガスを前記質量分析部に流入させることにより自動で分析を開始させるとともに、分析終了後には、カラム保護ガスを前記質量分析部に流入させることにより自動で待機状態に移行させることができることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のガスクロマトグラフ質量分析装置。
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