JPWO2019220497A1 - 飛行時間型質量分析装置 - Google Patents

Abstract

フライトチューブ２４６は、中空状であり、イオン射出部から射出されたイオンが導入される。リフレクトロン２４４は、フライトチューブ２４６内に設けられ、環状に形成された複数の電極２４４Ａ，２４４Ｂを同軸上に並べて構成される。真空チャンバ２４７は、分析時に真空状態となる真空室２４７Ａが内部に形成され、真空室２４７Ａ内にフライトチューブ２４６が設けられている。温調機構２４８は、フライトチューブ２４６を温調する。周囲温度センサ２５０は、真空チャンバ２４７の外側の周囲温度を検知する。周囲温度センサ２５０により検知される周囲温度に基づいて、温調機構２４８の目標温度が設定される。

Description

本発明は、イオン射出部から射出されたイオンが導入される中空状のフライトチューブを備えた飛行時間型質量分析装置に関するものである。

飛行時間型質量分析装置（ＴＯＦＭＳ：Time of Flight Mass Spectrometer）においては、分析対象であるイオンがイオン射出部から射出され、そのイオンが中空状のフライトチューブ内を飛行した後、検出器で検出される。これにより、検出器に到達するまでのイオンの飛行時間が測定され、その飛行時間に基づいてイオンの質量電荷比ｍ／ｚが算出される（例えば、下記特許文献１参照）。

フライトチューブは、金属により形成されている。したがって、フライトチューブの周囲の温度（周囲温度）が変化すると、フライトチューブが熱膨張又は熱収縮することにより、フライトチューブ内でのイオンの飛行時間が変動し、測定精度が悪くなるという問題がある。

そこで、フライトチューブを温調することにより、周囲温度が変化した場合であってもフライトチューブを一定温度に保つことが一般的に行われている。この場合、フライトチューブを温調する際の目標温度は一定温度（例えば４５℃）に設定される。

特開２０１７−５９３８５号公報

しかしながら、フライトチューブを一定の目標温度で温調した場合、例えば冬季のように周囲温度が低いときには、より多くの電力が必要になる。そのため、無駄な電力が必要となり、ランニングコストが高くなるという問題がある。

また、装置が設置される環境に応じて周囲温度が大きく変化する場合があるため、幅広い周囲温度に適用可能な高出力のヒータを用いる必要がある。そのため、製造コストが高くなるだけでなく、故障によりヒータが最大出力で駆動され続けた場合などには、火災の危険性があり、安全性が損なわれるという問題がある。

一方、上記のような問題を避けるために低出力のヒータを用いた場合には、狭い範囲の周囲温度にしか適用できない。この場合、空調により周囲温度を調整するなどの対応が必要となり、そのような空調を行うことができない環境においては、装置性能を十分に発揮することができないという問題がある。

また、冬季のように周囲温度が低いときには、装置を起動する際、フライトチューブの温度が目標温度で安定するまでに時間がかかるため、分析を開始するまでの待ち時間が長くなってしまう。このように、周囲温度に応じて、分析を開始するまでの待ち時間にばらつきが生じるという問題がある。

さらに、温調の目標温度と周囲温度との差が大きいほど、温調されるフライトチューブに生じる温度勾配（温度ムラ）が大きくなるという問題もある。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、ランニングコストを低減することができる飛行時間型質量分析装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、安全性を向上することができる飛行時間型質量分析装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、幅広い周囲温度に適用した場合でも、装置性能を十分に発揮することができる飛行時間型質量分析装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、分析を開始するまでの待ち時間にばらつきが生じにくい飛行時間型質量分析装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、温調されるフライトチューブに生じる温度勾配を小さくすることができる飛行時間型質量分析装置を提供することを目的とする。

（１）本発明に係る飛行時間型質量分析装置は、イオン射出部と、フライトチューブと、リフレクトロンと、真空チャンバと、温調機構と、周囲温度センサとを備える。前記イオン射出部は、分析対象であるイオンを射出する。前記フライトチューブは、中空状であり、前記イオン射出部から射出されたイオンが導入される。前記リフレクトロンは、前記フライトチューブ内に設けられ、環状に形成された複数の電極を同軸上に並べて構成される。前記真空チャンバは、分析時に真空状態となる真空室が内部に形成され、当該真空室内に前記フライトチューブが設けられている。前記温調機構は、前記フライトチューブを温調する。前記周囲温度センサは、前記真空チャンバの外側の周囲温度を検知する。前記周囲温度センサにより検知される周囲温度に基づいて、前記温調機構の目標温度を設定可能である。

このような構成によれば、真空チャンバの外側の周囲温度を周囲温度センサにより検知し、その周囲温度に基づいて設定された目標温度でフライトチューブを温調することができる。したがって、周囲温度が低いときには目標温度も低く設定することにより、ランニングコストを低減することができる。

また、周囲温度に基づいて温調機構の目標温度が設定されるため、低出力のヒータであっても、幅広い周囲温度に装置を適用することができる。したがって、故障によりヒータが最大出力で駆動され続けた場合などであっても、火災の危険性が低く、安全性を向上することができる。

また、幅広い周囲温度に装置を適用した場合でも、空調により周囲温度を調整したりすることなく、低出力のヒータを用いて装置性能を十分に発揮することができる。

また、周囲温度に基づいて温調機構の目標温度が設定されるため、周囲温度が低いときには目標温度も低く設定することにより、フライトチューブの温度が目標温度で安定するまでの時間をほぼ一定にすることができる。これにより、分析を開始するまでの待ち時間にばらつきを生じにくくすることができる。

また、周囲温度によらず、周囲温度と温調機構の目標温度との差を小さくすることができるため、温調されるフライトチューブに生じる温度勾配を小さくすることができる。

（２）前記飛行時間型質量分析装置は、前記周囲温度センサにより検知される周囲温度に基づいて、前記温調機構の目標温度を自動設定する目標温度設定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、周囲温度に基づいて温調機構の目標温度が目標温度設定処理部により自動設定されるため、目標温度の設定ミスが生じるのを防止することができる。したがって、目標温度を常に適切な温度に設定することができる。

（３）前記目標温度設定処理部は、前記周囲温度センサにより検知される周囲温度に対して一定値を加算又は減算することにより、前記温調機構の目標温度を自動設定してもよい。

このような構成によれば、周囲温度と温調機構の目標温度との差が常に一定になるように、温調機構の目標温度が自動設定される。したがって、分析を開始するまでの待ち時間がほぼ一定となり、温調されるフライトチューブに生じる温度勾配もほぼ一定となる。

本発明によれば、周囲温度が低いときには目標温度も低く設定することにより、ランニングコストを低減することができる。

また、本発明によれば、故障によりヒータが最大出力で駆動され続けた場合などであっても、火災の危険性が低く、安全性を向上することができる。

また、本発明によれば、幅広い周囲温度に装置を適用した場合でも、空調により周囲温度を調整したりすることなく、低出力のヒータを用いて装置性能を十分に発揮することができる。

また、本発明によれば、フライトチューブの温度が目標温度で安定するまでの時間をほぼ一定にすることができるため、分析を開始するまでの待ち時間にばらつきを生じにくくすることができる。

また、本発明によれば、周囲温度によらず、周囲温度と温調機構の目標温度との差を小さくすることができるため、温調されるフライトチューブに生じる温度勾配を小さくすることができる。

本発明の一実施形態に係る飛行時間型質量分析装置を備えた液体クロマトグラフ質量分析装置の構成例を示す概略図である。 フライトチューブの周辺の具体的構成を示す概略図である。

１．液体クロマトグラフ質量分析装置の全体構成
図１は、本発明の一実施形態に係る飛行時間型質量分析装置を備えた液体クロマトグラフ質量分析装置の構成例を示す概略図である。この液体クロマトグラフ質量分析装置は、液体クロマトグラフ部１及び質量分析部２を備えている。

液体クロマトグラフ部１は、移動相容器１０、ポンプ１１、インジェクタ１２及びカラム１３などを備えている。移動相容器１０には、移動相が貯留されている。ポンプ１１は、移動相容器１０内の移動相をインジェクタ１２へと送り出す。インジェクタ１２では、移動相容器１０からの移動相に対して、所定量の試料が注入される。試料が注入された移動相はカラム１３に導入され、カラム１３を通過する過程で試料中の各成分が分離される。カラム１３で分離された試料中の各成分は、質量分析部２に順次供給される。

質量分析部２は、飛行時間型質量分析装置（ＴＯＦＭＳ：Time of Flight Mass Spectrometer）により構成されており、イオン化室２０、第１中間室２１、第２中間室２２、第３中間室２３及び分析室２４などが内部に形成されている。イオン化室２０内は、略大気圧となっている。第１中間室２１、第２中間室２２、第３中間室２３及び分析室２４は、それぞれ真空ポンプ（図示せず）の駆動により真空状態（負圧状態）とされる。イオン化室２０、第１中間室２１、第２中間室２２、第３中間室２３及び分析室２４は、互いに連通しており、この順序に従って段階的に真空度が高くなるように構成されている。

イオン化室２０には、例えばＥＳＩ（Electro Spray Ionization）スプレーからなるスプレー２０１が設けられている。液体クロマトグラフ部１から供給される試料中の各成分を含む試料液は、スプレー２０１により、電荷が付与されながらイオン化室２０内に噴霧される。これにより、試料中の各成分由来のイオンが生成される。ただし、質量分析部２で用いられるイオン化法は、ＥＳＩに限らず、例えばＡＰＣＩ（Atmospheric Pressure Chemical Ionization）又はＰＥＳＩ（Probe Electro Spray Ionization）などの他のイオン化法が用いられてもよい。

第１中間室２１は、小径の管からなる加熱キャピラリ２０２を介して、イオン化室２０に連通している。また、第２中間室２２は、小孔からなるスキマー２１２を介して、第１中間室２１に連通している。第１中間室２１及び第２中間室２２には、それぞれイオンを収束させつつ後段へ送るためのイオンガイド２１１，２２１が設けられている。

第３中間室２３には、例えば四重極マスフィルタ２３１及びコリジョンセル２３２などが設けられている。コリジョンセル２３２の内部には、アルゴン又は窒素などのＣＩＤ（Collision Induced Dissociation）ガスが連続的又は間欠的に供給される。コリジョンセル２３２内には、多重極イオンガイド２３３が設けられている。

第２中間室２２から第３中間室２３に流入するイオンは、四重極マスフィルタ２３１により質量電荷比に応じて分離され、特定の質量電荷比を有するイオンのみが四重極マスフィルタ２３１を通過する。四重極マスフィルタ２３１を通過したイオンは、プリカーサイオンとしてコリジョンセル２３２内に導入され、ＣＩＤガスと接触して開裂されることにより、プロダクトイオンが生成される。生成されたプロダクトイオンは、多重極イオンガイド２３３により一時的に保持され、所定のタイミングでコリジョンセル２３２から放出される。

第３中間室２３及び分析室２４には、これらの室内を跨るようにトランスファー電極部２４０が設けられている。トランスファー電極部２４０は、第３中間室２３に設けられた１つ又は複数の第１電極２３４と、分析室２４に設けられた１つ又は複数の第２電極２４１とを含む。第１電極２３４及び第２電極２４１は、それぞれ環状に形成され、同軸上に並べて配置されている。コリジョンセル２３２から放出されたイオン（プロダクトイオン）は、トランスファー電極部２４０において複数の電極２３４，２４１の内側を通過することにより収束される。

分析室２４には、上記第２電極２４１の他、直交加速部２４２、加速電極部２４３、リフレクトロン２４４、検出器２４５及びフライトチューブ２４６などが設けられている。フライトチューブ２４６は、例えば両端部が開放された中空状の部材であり、その内部にリフレクトロン２４４が配置されている。

直交加速部２４２には、トランスファー電極部２４０からイオンが入射する。直交加速部２４２は、互いに間隔を隔てて対向する１対の電極２４２Ａ，２４２Ｂを備えている。１対の電極２４２Ａ，２４２Ｂは、トランスファー電極部２４０からのイオンの入射方向に対して平行に延びており、これらの電極間には直交加速領域２４２Ｃが形成されている。

一方の電極２４２Ｂは、複数の開口を有するグリッド電極により構成されている。直交加速領域２４２Ｃに入射するイオンは、当該イオンの入射方向に対して直交方向に加速され、一方の電極２４２Ｂの開口を通過して、加速電極部２４３へと導かれる。本実施形態において、直交加速部２４２は、分析対象となるイオンを射出するイオン射出部を構成している。直交加速部２４２から射出されるイオンは、加速電極部２４３によりさらに加速され、フライトチューブ２４６内に導入される。

フライトチューブ２４６内に設けられたリフレクトロン２４４は、１つ又は複数の第１電極２４４Ａと、１つ又は複数の第２電極２４４Ｂとを含む。第１電極２４４Ａ及び第２電極２４４Ｂは、それぞれ環状に形成され、フライトチューブ２４６の軸線に沿って同軸上に並べて配置されている。第１電極２４４Ａ及び第２電極２４４Ｂには、それぞれ異なる電圧が印加される。

フライトチューブ２４６内に導入されたイオンは、フライトチューブ２４６内に形成された飛行空間内に導かれ、当該飛行空間内を飛行した後に検出器２４５に入射する。具体的には、フライトチューブ２４６内に導入されたイオンは、第１電極２４４Ａの内側に形成された第１領域（第１ステージ）２４４Ｃで減速された後、第２電極２４４Ｂの内側に形成された第２領域（第２ステージ）２４４Ｄで反射されることにより、Ｕ字状に折り返されて検出器２４５に入射する。

イオンが直交加速部２４２から射出された時点から、検出器２４５に入射するまでの飛行時間は、イオンの質量電荷比に依存する。したがって、直交加速部２４２から射出される各イオンの飛行時間に基づいて、各イオンの質量電荷比を算出し、マススペクトルを作成することができる。

２．フライトチューブの周辺の具体的構成
図２は、フライトチューブ２４６の周辺の具体的構成を示す概略図である。フライトチューブ２４６は、真空チャンバ２４７内に設けられている。真空チャンバ２４７内には、分析時に真空状態となる真空室２４７Ａが形成されており、当該真空室２４７Ａ内にフライトチューブ２４６が設けられている。本実施形態において、真空室２４７Ａは、上述した分析室２４である。

真空チャンバ２４７の壁面には、外側から温調機構２４８が取り付けられている。温調機構２４８は、例えばヒータ（図示せず）を備え、真空チャンバ２４７を外側から加熱することにより、真空室２４７Ａ内を温調する。これにより、真空チャンバ２４７内のフライトチューブ２４６が間接的に温調される。ただし、温調機構２４８は、フライトチューブ２４６を間接的に加熱するだけでなく、冷却できるような構成であってもよい。また、温調機構２４８は、フライトチューブ２４６を間接的に温調するような構成に限らず、直接温調するような構成であってもよい。

真空チャンバ２４７の壁面には、外側から温度センサ２４９が取り付けられている。温度センサ２４９は、真空チャンバ２４７の壁面の温度を検知することにより、真空室２４７Ａ内の温度、より具体的には真空室２４７Ａ内のフライトチューブ２４６の温度を間接的に検知する。ただし、温度センサ２４９は、フライトチューブ２４６の温度を間接的に検知するような構成に限らず、直接検知するような構成であってもよい。

なお、フライトチューブ２４６には、高電圧が印加されている。そのため、フライトチューブ２４６に対して、温調機構２４８及び温度センサ２４９を直接取り付けることは困難である。したがって、本実施形態のように、温度センサ２４９によりフライトチューブ２４６の温度を間接的に検知し、温調機構２４８によりフライトチューブ２４６を間接的に温調するような構成が好ましい。

真空チャンバ２４７の外側には、真空チャンバ２４７には接触しない位置に周囲温度センサ２５０が設けられている。周囲温度センサ２５０は、液体クロマトグラフ質量分析装置が設置されている室内の温度を検知することにより、当該装置の周囲の温度（周囲温度）を検知する。周囲温度センサ２５０は、液体クロマトグラフ質量分析装置の近傍、特に質量分析部２の近傍に設けられていることが好ましい。

この液体クロマトグラフ質量分析装置には、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む制御部２６０が備えられている。制御部２６０は、ＣＰＵがプログラムを実行することにより、温調制御部２６１及び目標温度設定処理部２６２などとして機能する。

温調制御部２６１は、予め設定された目標温度に基づいて、温調機構２４８の動作を制御する。具体的には、温調機構２４８に備えられたヒータへの通電状態が温調制御部２６１により制御される。温調制御部２６１は、温度センサ２４９により検知される温度が目標温度に近付くように、温調機構２４８に対してフィードバック制御を行う。

目標温度設定処理部２６２は、周囲温度センサ２５０により検知される周囲温度に基づいて、温調機構２４８の目標温度を自動設定する。具体的には、目標温度設定処理部２６２は、周囲温度センサ２５０により検知される周囲温度に対して一定値を加算することにより、温調機構２４８の目標温度を自動設定する。これにより、温度センサ２４９により検知される温度が周囲温度に対して一定値だけ高い温度となるように、温調機構２４８の動作が制御される。上記一定値は、例えば１６〜３０℃の範囲内にあり、好ましくは２０℃程度である。

このように、周囲温度センサ２５０により検知される周囲温度を基準にして目標温度が設定されるため、冬季のように周囲温度が低いときには目標温度が比較的低く設定され、夏季のように周囲温度が高いときには目標温度が比較的高く設定される。すなわち、周囲温度が低いほど目標温度が低く設定され、周囲温度が高いほど目標温度が高く設定されるようになっている。

ただし、周囲温度センサ２５０により検知される周囲温度に基づいて温調機構２４８の目標温度が設定されるような構成であれば、周囲温度に一定値を加算することにより目標温度が設定されるような構成に限らず、任意の演算により目標温度を設定可能である。なお、温調機構２４８がフライトチューブ２４６を冷却するような構成の場合には、目標温度設定処理部２６２は、周囲温度センサ２５０により検知される周囲温度から一定値を減算することにより目標温度を設定するなど、任意の演算により目標温度を設定可能である。

また、目標温度設定処理部２６２により目標温度が自動設定されるような構成に限らず、周囲温度センサ２５０により検知される周囲温度を確認したサービスエンジニアなどが、手動で目標温度を設定できるような構成であってもよい。この場合、周囲温度センサ２５０により検知される周囲温度を表示するための表示器と、温調機構２４８の目標温度を設定するための操作部が、液体クロマトグラフ質量分析装置に備えられていてもよい。

なお、温調機構２４８の目標温度が変更された状態でフライトチューブ２４６の温調が実行されると、当該フライトチューブ２４６が熱膨張又は熱収縮することにより、フライトチューブ２４６を飛行するイオンの飛行時間が変化する。通常、測定されたイオン飛行時間に基づく当該イオンの質量電荷比の算出は、予め作成された質量較正テーブルに基づいて実行される。本実施形態に係る液体クロマトグラフ質量分析装置には、質量較正テーブルを記憶する質量校正テーブル記憶部２７０が備えられている。

質量較正テーブルは、所定の質量電荷比のイオンが観測されることが分かっている標準試料を用いて予備測定を行うことにより作成される。予備測定では、標準試料から生成されるイオンの飛行時間が測定され、その測定された飛行時間と所定の質量電荷比を対応付けることで質量較正テーブルが作成される。

質量較正テーブル記憶部２７０には、設定された目標温度に応じた質量較正テーブルが記憶される。これにより、温調機構２４８の目標温度が変更された場合においても、その変更された目標温度に対応した質量較正テーブルを使用することで、ＴＯＦＭＳで観測されるイオンの質量電荷比が変化することを防止することができる。質量較正テーブル記憶部２７０は、１つの目標温度に対応した質量較正テーブルを記憶し、目標温度が変更される度に上記予備測定を行うことでその質量較正テーブルが更新されるようにしてもよいし、複数の目標温度において予備測定を行うことで複数の質量較正テーブルを予め作成しておき、それらの複数の質量較正テーブルを質量較正テーブル記憶部２７０に記憶させておいてもよい。

３．作用効果
（１）本実施形態では、真空チャンバ２４７の外側の周囲温度を周囲温度センサ２５０により検知し、その周囲温度に基づいて設定された目標温度でフライトチューブ２４６を温調することができる。したがって、周囲温度が低いときには目標温度も低く設定することにより、ランニングコストを低減することができる。

（２）また、周囲温度に基づいて温調機構２４８の目標温度が設定されるため、低出力のヒータであっても、幅広い周囲温度に装置を適用することができる。したがって、故障によりヒータが最大出力で駆動され続けた場合などであっても、火災の危険性が低く、安全性を向上することができる。

（３）また、幅広い周囲温度に装置を適用した場合でも、空調により周囲温度を調整したりすることなく、低出力のヒータを用いて装置性能を十分に発揮することができる。

（４）また、周囲温度に基づいて温調機構２４８の目標温度が設定されるため、周囲温度が低いときには目標温度も低く設定することにより、フライトチューブ２４６の温度が目標温度で安定するまでの時間をほぼ一定にすることができる。これにより、分析を開始するまでの待ち時間にばらつきを生じにくくすることができる。

（５）また、周囲温度によらず、周囲温度と温調機構２４８の目標温度との差を小さくすることができるため、温調されるフライトチューブ２４６に生じる温度勾配を小さくすることができる。

（６）本実施形態では、周囲温度に基づいて温調機構２４８の目標温度が目標温度設定処理部２６２により自動設定されるため、目標温度の設定ミスが生じるのを防止することができる。したがって、目標温度を常に適切な温度に設定することができる。

（７）また、本実施形態では、周囲温度と温調機構２４８の目標温度との差が常に一定になるように、温調機構２４８の目標温度が自動設定される。したがって、分析を開始するまでの待ち時間がほぼ一定となり、温調されるフライトチューブ２４６に生じる温度勾配もほぼ一定となる。

４．変形例
以上の実施形態では、分析対象であるイオンを射出するイオン射出部が、直交加速部２４２により構成される場合について説明した。しかし、本発明は、直交加速方式の飛行時間型質量分析装置に限らず、直線加速方式の飛行時間型分析装置にも適用可能である。

また、本発明に係る飛行時間型質量分析装置は、液体クロマトグラフ部１と接続されることにより液体クロマトグラフ質量分析装置として構成されるものに限らず、例えばＭＡＬＤＩ（Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization）を用いた構成などのように、液体クロマトグラフ部１と接続されない構成であってもよい。

１ 液体クロマトグラフ部
２ 質量分析部
２４２ 直交加速部
２４４ リフレクトロン
２４４Ａ 第１電極
２４４Ｂ 第２電極
２４６ フライトチューブ
２４７ 真空チャンバ
２４７Ａ 真空室
２４８ 温調機構
２４９ 温度センサ
２５０ 周囲温度センサ
２６０ 制御部
２６１ 温調制御部
２６２ 目標温度設定処理部
２７０ 質量較正テーブル記憶部

Claims (4)

1. 分析対象であるイオンを射出するイオン射出部と、
   前記イオン射出部から射出されたイオンが導入される中空状のフライトチューブと、
   前記フライトチューブ内に設けられ、環状に形成された複数の電極を同軸上に並べて構成されるリフレクトロンと、
   分析時に真空状態となる真空室が内部に形成され、当該真空室内に前記フライトチューブが設けられた真空チャンバと、
   前記フライトチューブを温調する温調機構と、
   前記真空チャンバの外側の周囲温度を検知する周囲温度センサとを備え、
   前記周囲温度センサにより検知される周囲温度に基づいて、前記温調機構の目標温度を設定可能であることを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
2. 前記周囲温度センサにより検知される周囲温度に基づいて、前記温調機構の目標温度を自動設定する目標温度設定処理部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の飛行時間型質量分析装置。
3. 前記目標温度設定処理部は、前記周囲温度センサにより検知される周囲温度に対して一定値を加算又は減算することにより、前記温調機構の目標温度を自動設定することを特徴とする請求項２に記載の飛行時間型質量分析装置。
4. イオンの飛行時間と質量電荷比を対応付けた質量較正テーブルを記憶する質量較正テーブル記憶部をさらに備え、
   前記質量較正テーブルは、前記目標温度に対応付けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の質量分析装置。

Images