WO2023144876A1 - 質量分析装置及び質量分析装置のｒｆチューニング方法 - Google Patents

質量分析装置及び質量分析装置のｒｆチューニング方法 Download PDF

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晃 山田
克 近藤
晋介 皆田
康 照井
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株式会社日立ハイテク
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    • H01J49/34—Dynamic spectrometers
    • H01J49/42—Stability-of-path spectrometers, e.g. monopole, quadrupole, multipole, farvitrons

Definitions

  • the present disclosure relates to mass spectrometers and RF tuning methods for mass spectrometers.
  • Mass spectrometers are broadly divided into those that mainly perform quantitative analysis and those that mainly perform qualitative analysis.
  • a typical mass spectrometer that mainly performs quantitative analysis is a triple quadrupole mass spectrometer (hereinafter referred to as "TripleQMS") having a plurality of quadrupole mass spectrometers in the device. .
  • the TripleQMS has the advantage of allowing specific ions of the sample to be measured to pass through continuously, which enhances the performance of quantitative analysis.
  • a mass spectrometer that mainly performs qualitative analysis includes a time-of-flight mass spectrometer (hereinafter referred to as "TOF/MS").
  • Measurement ions are made to fly in a vacuum, and mass separation is performed by measuring the time it takes the ions to reach the detector. Since the observable mass width is wide and a high-resolution mass spectrum can be easily obtained, the qualitative analysis performance is enhanced. Recently, hybrid mass spectrometers combining multiple QMS and TOF/MS have been commercialized, and there are also devices that can handle both qualitative and quantitative analyses.
  • a mass spectrometer creates a vacuum inside the device, installs electrodes of various shapes inside, and controls and selects the ions introduced into the device with an electric field.
  • a quadrupole mass spectrometer also called a Q mass (QMS) or mass filter, has four cylindrical electrodes.
  • QMS Q mass
  • the central axis of each electrode is fixed so that it is positioned at the vertex of a square.
  • a positive and negative DC voltage ⁇ U and a high-frequency voltage ⁇ V ⁇ cos ⁇ t are superimposed on adjacent electrodes of the fixed cylindrical electrodes, and a voltage ⁇ U ⁇ V ⁇ cos ⁇ t is applied.
  • the mass spectrometer controls ions with an electric field
  • the accuracy and stability of the DC voltage and the high-frequency voltage applied to the electrodes are directly linked to the device performance, for example, the mass axis stability. Therefore, the specifications required for the DC voltage and the high frequency voltage are becoming stricter, and the voltage applied to the mass filter is required to have accuracy and stability on the order of ppm.
  • the usage environment has expanded from companies and university laboratories to hospital clinical laboratories, etc., and it is necessary to operate the device in a temperature range of 5 to 35 degrees Celsius, for example.
  • the temperature of the control board that generates the DC voltage and the high frequency voltage also changes. Therefore, changes in the environmental temperature cause changes in the DC voltage and the high frequency voltage, resulting in fluctuations in the mass axis.
  • Patent Document 1 discloses a mass spectrometer that prevents displacement of the mass axis when the ambient temperature changes.
  • feedback control calculations for controlling the amplitude of the high-frequency voltage (RF voltage) applied to the electrodes to a target value are configured to be performed by digital calculations that are not affected by temperature changes.
  • the circuit element for obtaining the feedback of the amplitude of the RF voltage will have an error. Because of the large number of circuit elements involved, it is difficult to pinpoint the location of the cause when a problem is found in the amplitude of the RF voltage.
  • the main purpose of the present disclosure is to provide a mass spectrometer that can easily isolate the cause when there is an abnormality in the high-frequency voltage applied to the electrodes.
  • the present application includes a plurality of means for solving the above problems.
  • the power supply circuit has an analog multiplier, and in the RF tuning mode, the amplitude of the output signal of the analog multiplier is fed back, and the amplitude of the output signal of the analog multiplier is controlled so that it becomes the target amplitude of the high frequency voltage.
  • a high-frequency voltage generated by a power supply circuit is applied to the quadrupole electrodes.
  • FIG. 2 is a diagram showing a conventional radio frequency voltage circuit system (RF tuning mode) of a mass spectrometer
  • FIG. 3 is a diagram showing a first example of a high frequency voltage circuit system (RF tuning mode)
  • FIG. 10 is a diagram showing a second example of a high frequency voltage circuit system (RF tuning mode)
  • FIG. 10 is a diagram showing a third example of a high frequency voltage circuit system (RF tuning mode);
  • FIG. 10 is a network configuration diagram according to a second embodiment;
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a mass spectrometer 1 according to Example 1.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a mass spectrometer 1 according to Example 1.
  • a measurement sample sent from a pump such as a liquid chromatograph is ionized by the ion source 100 . Since the ion source 100 operates under atmospheric pressure and the mass spectrometer in vacuum, ions 110 are introduced into the mass spectrometer (here, TripleQMS) through the atmosphere-vacuum interface 120 .
  • Ions 110 generated from ion source 100 have various masses. By applying a DC voltage from the power supply circuit 200, only target ions derived from the measurement sample are selectively passed.
  • a collision gas 170 (nitrogen gas, argon gas, etc.) for dissociating target ions is introduced from a supply source through a gas line 171 into the second quadrupole electrode section 141 .
  • the second quadrupole electrode section 141 only an AC voltage is normally applied from the power supply circuit 200 to the internal second quadrupole electrode 131 .
  • mass selectivity is eliminated, and fragment ions are generated by colliding target ions that have passed through the first quadrupole electrode unit 140 with the collision gas 170 .
  • the generated fragment ions pass through the second quadrupole electrode section 141 and enter the third quadrupole electrode section 142 .
  • the third quadrupole electrode section 142 a high-frequency voltage and a DC voltage for allowing target fragment ions to pass are applied from the power supply circuit 200 to the third quadrupole electrode 132 therein. Only fragment ions pass through the third quadrupole electrode section 142 . The target fragment ions that have passed through the third quadrupole electrode section 142 are detected by the detector 150 . Mass spectrometry is performed by sending the detection signal to the data processing unit 160 .
  • control unit 180 may be a single device, or may be composed of a plurality of devices. Also, the control unit 180 may be integrated with the data processing unit 160 . Also, the control unit 180 may be incorporated inside the mass spectrometer 1 or may be provided outside the mass spectrometer 1 .
  • FIG. 1 is an example of a mass spectrometer 1 equipped with a TripleQMS, it can also be applied to a SingleQMS or quadrupole mass spectrometer in which a single quadrupole electrode is installed.
  • the power supply circuit 200 is equipped with a high frequency voltage circuit system that controls the high frequency voltage.
  • FIG. 2 shows a high-frequency voltage circuit system of the mass spectrometer 1. As shown in FIG. FIG. 2 shows the circuit configuration of a high-frequency voltage circuit system for mass spectrometry, which is referred to as a high-frequency voltage circuit system in measurement mode.
  • the resonance circuit 207 finally generates an RF voltage to be applied to the quadrupole electrodes.
  • the resonance circuit 207 is, for example, a transformer having a primary side coil and a secondary side coil. A high-frequency current is supplied to the primary coil from the RF drive circuit 206 to generate an RF voltage in the secondary coil, and the generated high-frequency voltage is applied to the quadrupole voltage connected to the secondary coil.
  • An FPGA (Field Programmable Gate Array) 201 is a high-frequency voltage generation controller that controls the generation of RF voltages applied to the quadrupole electrodes.
  • the FPGA 201 outputs a control signal for operating the sine wave generation circuit 202 and a target amplitude signal indicating the target amplitude of the RF voltage applied to the resonance circuit 207 .
  • a sine wave generation circuit 202 receives a control signal from the FPGA 201 and outputs a sine wave
  • a DAC (Digital Analog Converter, DA converter) 203 receives a target amplitude signal from the FPGA 201 and generates a voltage corresponding to the target amplitude signal.
  • An amplified sine wave is obtained by multiplying the sine wave output from the sine wave generation circuit 202 and an amplification voltage for amplifying the sine wave by an analog multiplier 205 .
  • a first PI (Proportional Integral) control circuit 204 and a detection circuit (second detection circuit) 208 are provided.
  • a detector circuit 208 detects the amplitude of the RF voltage generated by the resonant circuit 207 and applied to the quadrupole voltage.
  • the first PI control circuit 204 controls the amplification voltage for amplifying the sine wave in the analog multiplier 205 according to the difference between the target amplitude from the DAC 203 and the actual amplitude fed back from the detection circuit 208 .
  • FIG. 3 is a diagram showing a conventional circuit configuration when performing RF tuning in the high-frequency voltage circuit system shown in FIG.
  • the circuit configuration at this time is called a high-frequency voltage circuit system in RF tuning mode.
  • the feedback control from the detection circuit 208 is cut off while mass spectrometry is not being performed, and the actual amplitude and the target amplitude of the RF voltage applied to the quadrupole electrodes by the target amplitude signal from the FPGA 201 are adjusted. This is the mode to check whether the error is within the specified allowable range. The actual amplitude of the RF voltage can be confirmed by monitoring the output of the detection circuit 208.
  • FIG. 1 is a diagram showing a conventional circuit configuration when performing RF tuning in the high-frequency voltage circuit system shown in FIG.
  • the circuit configuration at this time is called a high-frequency voltage circuit system in RF tuning mode.
  • the feedback control from the detection circuit 208 is cut off while mass spectrometry is not being performed, and the actual amplitude and the target ampli
  • the engineer determines the correction amount (offset) of the target amplitude signal output by the FPGA 201 so that the RF voltage error falls within the allowable range.
  • An RF voltage is generated by the target amplitude signal.
  • the high-frequency voltage circuit system switches the circuit connection, and the voltage corresponding to the target amplitude signal from the DAC 203 is directly input to the analog multiplier 205 without being subjected to feedback control by the first PI control circuit 204, and is detected.
  • the amplitude of the RF voltage applied to the quadrupole electrodes, output from circuit 208, is monitored.
  • Such voltage adjustment by offset is performed when the error in the RF voltage is relatively small. Instead, maintenance of the mass spectrometer should be performed.
  • the RF voltage is applied to resonance circuit 207 via analog multiplier 205 and RF drive circuit 206 and detected via the RF detection capacitor and RF amplitude detection circuit included in detection circuit 208 . Therefore, when a relatively large error is detected in the RF voltage during RF tuning, it is not easy to identify the cause of the abnormality.
  • the quadrupole electrode connected to the analog multiplier 205 and the resonance circuit 207 is the circuit element that is highly likely to cause a large error leading to the occurrence of an RF voltage abnormality.
  • the analog multiplier 205 may vary in multiplication output due to individual differences, and may cause an abnormality in the RF voltage. The malfunction of the analog multiplier 205 can be eliminated by replacing parts.
  • the quadrupole electrode may cause abnormalities in the RF voltage due to dirt adhering to the electrode during mass spectrometry. Abnormality of the quadrupole electrode is resolved by cleaning the electrode.
  • the high-frequency voltage circuit system of the first embodiment is configured to be able to distinguish whether the analog multiplier 205 is abnormal or other abnormalities. As a result, when an abnormality occurs in the RF voltage during RF tuning, it is possible to easily isolate the cause of the abnormality and select an appropriate maintenance method.
  • FIG. 4 shows a first example of the high frequency voltage circuit system (RF tuning mode) in the first embodiment.
  • a feedback circuit is newly provided to feed back the output signal of the analog multiplier 205 to the upstream side.
  • the same circuit elements as those in the circuit configuration in FIG. the same circuit elements as those in the circuit configuration in FIG.
  • the circuit configuration during mass spectrometry is such that the feedback circuit (detection circuit 209 and ADC 210) newly added in FIG. is entered. That is, the high-frequency voltage circuit system in the measurement mode has the same circuit configuration as shown in FIG. The same applies to other examples of the high-frequency voltage circuit system (RF tuning mode) to be described later.
  • the feedback circuit detects the amplitude of the output signal of the analog multiplier 205 with a detection circuit (first detection circuit) 209, and performs AD conversion with an ADC (Analog Digital Converter, AD converter) 210. , to the FPGA 201 .
  • the value measured by the detection circuit 209 is AD-converted and read into the FPGA 201.
  • the FPGA 201 adjusts the amplitude of the output signal of the analog multiplier 205 to a desired amplitude based on the difference between the output value of the ADC and the target amplitude signal.
  • the amplitude of the output signal of the analog multiplier 205 is controlled to a desired amplitude.
  • FIG. 5 shows a second example of the high-frequency voltage circuit system (RF tuning mode) in the first embodiment.
  • the basic circuit configuration of the second example is the same as that of the first example, but the feedback method of the amplitude of the output signal of the analog multiplier 205 is different from the first example.
  • the feedback circuit of the second example detects the amplitude of the output signal of the analog multiplier 205 with the detection circuit 209 and feeds it back to the first PI control circuit 204 .
  • the value measured by the detection circuit 209 is input to the first PI control circuit 204, and based on the difference between the amplitude of the output signal of the DAC 203 and the output signal of the analog multiplier 205, the sine wave from the sine wave generation circuit 202 is detected.
  • the amplitude of the output signal of analog multiplier 205 is controlled to the desired amplitude.
  • a feedback circuit an example of switching the input to the first PI control circuit 204 between the measurement mode and the RF tuning mode is shown. of PI control circuits may be provided.
  • the analog multiplier 205 and the quadrupole electrode which are the main causes of RF voltage abnormalities, are separated from each other, and the presence or absence of each abnormality can be detected, thereby facilitating maintenance of the apparatus. can do.
  • FIG. 6 shows a third example of the high frequency voltage circuit system (RF tuning mode) in the first embodiment.
  • the basic circuit configuration of the third example is common to the first example, but the feedback method of the amplitude of the output signal of the analog multiplier 205 is different from the first or second example.
  • the feedback circuit of the third example detects the amplitude of the output signal of the analog multiplier 205 with the detection circuit 209 and feeds it back to the second PI control circuit 211 .
  • the output of the DAC 203 and the amplitude of the output signal of the analog multiplier 205 detected by the detection circuit 209 are input to the second PI control circuit 211 , and the output of the second PI control circuit 211 is sent to the sine wave generation circuit 202 . is entered.
  • the sine wave generation circuit 202 adjusts the amplitude of the generated sine wave based on the difference between the output signal of the DAC 203 and the amplitude of the output signal of the analog multiplier 205, so that the amplitude of the output signal of the analog multiplier 205 is a desired value. Amplitude is controlled.
  • the analog multiplier 205 and the quadrupole electrode which are the main causes of RF voltage abnormalities, are separated from each other, and the presence or absence of each abnormality can be detected, thereby facilitating maintenance of the apparatus. can do.
  • FIG. 7 is a network configuration diagram of the mass spectrometer management system according to the second embodiment.
  • Example 2 the mass spectrometer 1 according to Example 1 is connected to a server (information processing device) 3 via a network 2 .
  • the control unit 180 of the mass spectrometer 1 monitors the operation status of the mass spectrometer 1 including the output of the detection circuit 208 and the output of the detection circuit 209, and reports data indicating the operation status to the server 3 via the network 2. . Assume that the data indicating the operation status includes the output data of the detection circuit 208 and the output data of the detection circuit 209 .
  • Server 3 accumulates the data. By analyzing this data, an engineer can confirm the operation status of the mass spectrometer 1 and predict a failure.
  • Data analysis can also be performed automatically using an AI program running on the processor of server 3.
  • an AI program running on the processor of server 3. For example, based on the time-dependent change in the output of the detection circuit 208 and the time-dependent change in the output of the detection circuit 209 of the mass spectrometer 1 in operation, it is possible to detect the occurrence of a problem in the voltage applied to the quadrupole electrode and to determine the cause thereof. is in the circuit downstream of the resonant circuit 207 or is due to the individual difference of the analog multiplier 205 .
  • the AI detects a sign of failure of the voltage applied to the quadrupole electrodes. is also possible.
  • the AI When the AI detects the occurrence of a problem or its sign, the AI sends a command to the mass spectrometer 1 via the network 2 to display the status of the problem on a display unit (not shown) of the mass spectrometer 1, and notifies the engineer of the problem. You can give instructions on how to deal with As a result, when there is a problem with the mass spectrometer 1, the user of the mass spectrometer 1 confirms the state of the problem, contacts the engineer, and the engineer visits the installation location of the device to investigate the location of the problem. It becomes possible to reduce the step of performing, and it becomes possible to improve the availability of the mass spectrometer 1 .
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications.
  • the above-described embodiments have been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the described configurations.
  • it is possible to replace part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment.
  • Control unit 200 Power supply circuit 201 FPGA 202 Sine wave generation circuit 203 DAC 204 First PI control circuit 205 Analog multiplier , 206...RF drive circuit, 207...resonance circuit, 208...detection circuit (second detection circuit), 209...detection circuit (first detection circuit), 210...ADC, 211...second PI control circuit.

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Abstract

電極への印加電圧に異常があった際に、原因箇所の切り分けを容易に行える質量分析装置を提供する。四重極電極と、四重極電極に印加する高周波電圧を生成する電源回路（２００）とを備える質量分析装置において、電源回路（２００）はアナログ乗算器（２０５）を備え、ＲＦチューニングモードにおいて、アナログ乗算器（２０５）の出力信号の振幅をフィードバックして、アナログ乗算器（２０５）の出力信号の振幅が高周波電圧の目標振幅となるように制御された状態で、電源回路が生成した高周波電圧を四重極電極に印加する。

Description

質量分析装置及び質量分析装置のＲＦチューニング方法
　本開示は、質量分析装置、質量分析装置のＲＦチューニング方法に関する。
　従来、質量分析法は様々な分野で活用されており、例えば環境、医薬品、食品等の分野で幅広く使用されている。最近はＤＮＡシーケンサの普及から、遺伝情報から生成するタンパク質や、細胞内の修飾後タンパクの構造解析が注目されており、創薬、臨床研究での新たな知見が得られ始めている。
　質量分析装置の使用環境も、企業、大学の研究室から病院の臨床検査室等に広がってきており、質量分析の専門家が使用する装置から、他分野の専門家も利用する装置に変わってきている。そのため、質量分析法の特長の一つである高感度はもちろんのこと、より簡便で、耐久性の高い装置が求められている。
　質量分析装置は、大きく定量分析を主に行う装置と定性分析を主に行う装置に分かれる。定量分析を主に行う代表的な質量分析装置には、装置内に複数の四重極型質量分析計を有する三連四重極型質量分析装置（以下、「ＴｒｉｐｌｅＱＭＳ」と記載する）がある。ＴｒｉｐｌｅＱＭＳは測定試料の特定イオンを、連続的に通過させることが可能という特長から定量分析性能が高くなる。一方、定性分析を主に行う質量分析装置には飛行時間質量分析計（以下、「ＴＯＦ／ＭＳ」と記載する）がある。測定イオンを真空中で飛行させ、イオンが検出器まで到達する時間を計測することで質量分離する。観測可能な質量幅が広く、また高分解能な質量スペクトルが得やすいことから、定性分析性能が高くなる。昨今は複数のＱＭＳとＴＯＦ／ＭＳを結合したハイブリッド型の質量分析装置も製品化されており、定性、定量分析の両方に対応する装置もある。
　質量分析計は装置内部に真空を生成し、内部に様々な形状をした電極を設置、装置に導入されたイオンを電場で制御、選択する。例えば、四重極型質量分析計はＱマス（ＱＭＳ）もしくはマスフィルタとも呼ばれ、４本の円柱状電極を有している。四重極型質量分析計では、それぞれの電極の中心軸が正方形の頂点に配置されるように固定されている。固定された円柱状電極の隣り合った電極に、それぞれに正負の直流電圧±Ｕと高周波電圧±Ｖ・ｃｏｓωｔを重畳し、±Ｕ±Ｖ・ｃｏｓωｔなる電圧を印加する。電荷を持ったイオンがこの電極内に導入されると、電極に印加された電圧、周波数に応じて、特定の質量電荷比（ｍ／ｚ値）をもつイオンのみ安定な振動をして電極内を通過する。一方、それ以外のイオンは電極内を通過中に振動が大きくなり、電極に衝突するなどして、通過することができなくなる。この直流電圧と高周波電圧の比を一定に保ちつつ、高周波電圧を直線的に変化させることで質量スペクトルを得る。
　このように、質量分析装置は電場でイオンを制御することから、電極に印加される直流電圧と高周波電圧の精度安定性は、例えば質量軸安定性という装置性能に直結する。そのため直流電圧、高周波電圧に求められる仕様も厳しくなっており、マスフィルタに印加する電圧にはｐｐｍオーダーの精度安定性が求められている。
　また、使用環境も、企業、大学の研究室から病院の臨床検査室等に広がってきており、例えば５～３５℃の温度範囲で装置を動作させる必要がある。質量分析装置の周囲温度が変化すると直流電圧や高周波電圧を生成する制御基板の温度も変化するため、環境温度の変化は直流電圧や高周波電圧の変化をもたらし、結果、質量軸の変動につながる。
　特許文献１には、周囲温度が変化した場合の質量軸のずれを防止する質量分析装置が開示されている。
特開２０１４－１４６５２５号公報
　特許文献１では、電極に印加する高周波電圧（ＲＦ電圧）の振幅を目標値に制御するためのフィードバック制御の演算は温度変化の影響のないディジタル演算で行うように構成している。
　これに対して、質量分析装置の電源において、電極に印加する高周波電圧がアナログ乗算器を用いて生成されるよう構成されている場合、ＲＦ電圧の振幅のフィードバックを得るための回路要素に誤差を生じさせる多くの回路要素が含まれているため、ＲＦ電圧の振幅に不具合が見いだされた場合に、その原因箇所を特定することが困難である。
　本開示の主な目的は、電極に印加する高周波電圧に異常があった場合に、原因箇所の切り分けを容易に行える質量分析装置を提供することにある。
　上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
　本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、四重極電極と、四重極電極に印加する高周波電圧を生成する電源回路とを備える質量分析装置において、電源回路はアナログ乗算器を備え、ＲＦチューニングモードにおいて、アナログ乗算器の出力信号の振幅をフィードバックして、アナログ乗算器の出力信号の振幅が高周波電圧の目標振幅となるように制御された状態で、電源回路が生成した高周波電圧を四重極電極に印加する。
　本開示によれば、電極への印加電圧に異常があった際に、原因箇所の切り分けを容易に行える質量分析装置を提供できる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。
質量分析装置の装置構成を示す図である。 質量分析装置の高周波電圧回路系（計測モード）を示す図である。 質量分析装置の従来の高周波電圧回路系（ＲＦチューニングモード）を示す図である。 高周波電圧回路系（ＲＦチューニングモード）の第１の例を示す図である。 高周波電圧回路系（ＲＦチューニングモード）の第２の例を示す図である。 高周波電圧回路系（ＲＦチューニングモード）の第３の例を示す図である。 実施例２に係るネットワーク構成図である。
　図１は、実施例１に係る質量分析装置１の装置構成を示す図である。
　液体クロマトグラフ等のポンプより送液された測定試料は、イオン源１００にてイオン化される。イオン源１００は大気圧下で、質量分析計は真空で動作することから、大気と真空とのインターフェース１２０を通して、イオン１１０が質量分析計（ここでは、ＴｒｉｐｌｅＱＭＳ）に導入される。
　イオン源１００から発生するイオン１１０は様々な質量を持っているが、第１の四重極電極部１４０では、その内部の第１の四重極電極１３０に目的のイオンを通過させる高周波電圧と直流電圧とが電源回路２００より印加されることにより、測定試料由来の目的イオンのみが選択通過される。
　第２の四重極電極部１４１には、目的イオンを解離させるためのコリジョンガス１７０（窒素ガスやアルゴンガス等）が供給源からガスライン１７１を通して導入されている。第２の四重極電極部１４１では、内部の第２の四重極電極１３１に通常、電源回路２００より交流電圧のみを印加する。これにより、質量選択性を無くし、第１の四重極電極部１４０を通過してきた目的イオンとコリジョンガス１７０とを衝突させることでフラグメントイオンを生成する。生成されたフラグメントイオンは、第２の四重極電極部１４１を通過し、第３の四重極電極部１４２に入る。
　第３の四重極電極部１４２では、その内部の第３の四重極電極１３２に、目的のフラグメントイオンを通過させる高周波電圧と直流電圧とが電源回路２００より印加されることにより、目的のフラグメントイオンのみが第３の四重極電極部１４２を通過する。第３の四重極電極部１４２を通過した目的フラグメントイオンは検出器１５０で検出される。検出信号がデータ処理部１６０へ送られることで、質量分析が行われる。
　これらの制御は制御部１８０によって行われる。制御部１８０は単一の機器であってもよいし、複数の機器から構成されてもよい。また、制御部１８０はデータ処理部１６０と一体であってもよい。また、制御部１８０は質量分析装置１内部に組み込まれてもよいし、質量分析装置１の外部に設けられてもよい。
　図１はＴｒｉｐｌｅＱＭＳを備える質量分析装置１の例であるが、四重極電極を単数設置したＳｉｎｇｌｅＱＭＳ、四重極質量分析計にも適用可能である。
　電源回路２００には高周波電圧を制御する高周波電圧回路系が備えられている。図２に質量分析装置１の高周波電圧回路系を示す。図２は質量分析を行う場合の高周波電圧回路系の回路構成を示しており、計測モードの高周波電圧回路系と呼ぶ。
　共振回路２０７は、四重極電極に印加するＲＦ電圧を最終的に生成する。共振回路２０７は、例えば１次側コイルと２次側コイルとを有するトランスである。１次側コイルにＲＦドライブ回路２０６から高周波電流が流されることにより、２次側コイルにＲＦ電圧が発生し、発生した高周波電圧が２次側コイルに接続された四重極電圧に印加される。ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）２０１は四重極電極に印加するＲＦ電圧の生成を制御する高周波電圧生成制御部である。ＦＰＧＡ２０１は、正弦波生成回路２０２を動作させる制御信号と、共振回路２０７に印加するＲＦ電圧の目標振幅を示す目標振幅信号とを出力する。正弦波生成回路２０２はＦＰＧＡ２０１からの制御信号を受けて正弦波を出力し、ＤＡＣ（Digital Analog Converter、ＤＡ変換器）２０３はＦＰＧＡ２０１からの目標振幅信号を受けて、目標振幅信号に応じた電圧を出力する。正弦波生成回路２０２が出力する正弦波と正弦波を増幅する増幅電圧とをアナログ乗算器２０５により乗算計算することで増幅された正弦波が得られる。
　四重極電極に印加されるＲＦ電圧の振幅は、質量分析動作に伴い変動する。この変動を抑えるため、高周波電圧回路系ではＲＦ電圧の振幅に対して、フィードバック制御を行っている。このため、第１のＰＩ（Proportional Integral）制御回路２０４と検波回路（第２の検波回路）２０８とが設けられている。検波回路２０８は、共振回路２０７によって発生させられ、四重極電圧に印加されるＲＦ電圧の振幅を検出する。第１のＰＩ制御回路２０４は、ＤＡＣ２０３からの目標振幅と検波回路２０８からフィードバックされてきた実振幅との差分に応じて、アナログ乗算器２０５において正弦波を増幅させる増幅電圧を制御する。
　図３は、図２に示した高周波電圧回路系において、ＲＦチューニングを実施するときの従来の回路構成を示す図である。このときの回路構成をＲＦチューニングモードの高周波電圧回路系と呼ぶ。ＲＦチューニングモードは、質量分析を実行していない状態で、検波回路２０８からのフィードバック制御を遮断し、ＦＰＧＡ２０１からの目標振幅信号によって四重極電極に印加されるＲＦ電圧の実振幅と目標振幅との誤差が所定の許容範囲に収まっているかどうかを確認するモードである。ＲＦ電圧の実振幅は検波回路２０８の出力をモニタすることで確認できる。ＲＦ電圧の誤差が許容範囲を超える場合には、ＲＦ電圧の誤差が許容範囲に収まるよう、エンジニアは、ＦＰＧＡ２０１が出力する目標振幅信号の補正量（オフセット）を決定し、質量分析時では、オフセットさせた目標振幅信号によりＲＦ電圧を発生させる。
　ＲＦチューニング時には高周波電圧回路系は回路接続を切り替えて、第１のＰＩ制御回路２０４によるフィードバック制御を受けることなく、ＤＡＣ２０３からの目標振幅信号に応じた電圧がそのままアナログ乗算器２０５に入力され、検波回路２０８から出力される、四重極電極に印加されるＲＦ電圧の振幅がモニタされる。
　このようなオフセットによる電圧調整はＲＦ電圧の誤差が比較的小さい場合に行われ、ＲＦ電圧の誤差が大きい場合には、装置側に異常が発生していることが想定されるので、オフセットによる調整ではなく、質量分析装置のメンテナンスを実行する必要がある。しかしながら、図３の回路構成においてＲＦ電圧は、アナログ乗算器２０５、ＲＦドライブ回路２０６を経て共振回路２０７に印加され、検波回路２０８に含まれるＲＦ検出キャパシタ、ＲＦ振幅検出回路を経て検出される。このためＲＦチューニングにおいてＲＦ電圧に比較的大きな誤差が検出された場合において、異常原因の特定が容易ではない。
　ここで、図３の回路構成において、ＲＦ電圧の異常の発生につながる大きな誤差を生む可能性の高い回路要素はアナログ乗算器２０５と共振回路２０７につながる四重極電極である。アナログ乗算器２０５は、その個体差によって乗算出力がばらつき、ＲＦ電圧の異常を発生させるおそれがある。アナログ乗算器２０５の異常は部品の交換により解消される。一方、四重極電極は質量分析中の電極への汚れの付着により、ＲＦ電圧の異常を発生させるおそれがある。四重極電極の異常は電極の洗浄により解消される。そこで、実施例１の高周波電圧回路系は、ＲＦチューニングモードにおいて、アナログ乗算器２０５の異常であるか、それ以外の異常であるかを切り分け可能に構成する。これにより、ＲＦチューニング時にＲＦ電圧に異常が発生した場合に、異常原因の切り分けを容易にでき、適切なメンテナンス方法を選択することが可能になる。
　図４に、実施例１における高周波電圧回路系（ＲＦチューニングモード）の第１の例を示す。図４の回路構成例では、アナログ乗算器２０５の出力信号を上流側へフィードバックするフィードバック回路を新たに設ける。なお、図４の回路要素のうち、図２の回路構成と同じ回路要素については、同じ符号を付して重複する説明を省略する。また、質量分析時（計測モード）の回路構成は、図４において新たに追加されたフィードバック回路（検波回路２０９及びＡＤＣ２１０）が遮断され、検波回路２０８からの出力が第１のＰＩ制御回路２０４に入力される。すなわち、計測モードの高周波電圧回路系は図２に示した回路構成と等しくなる。後述する高周波電圧回路系（ＲＦチューニングモード）の他の例についても同様である。
　フィードバック回路は、具体的には、アナログ乗算器２０５の出力信号の振幅を検波回路（第１の検波回路）２０９にて検出し、ＡＤＣ（Analog Digital Converter、ＡＤ変換器）２１０でＡＤ変換を行い、ＦＰＧＡ２０１にフィードバックするものである。検波回路２０９で測定した値をＡＤ変換してＦＰＧＡ２０１に読み込み、ＦＰＧＡ２０１はアナログ乗算器２０５の出力信号の振幅が所望の振幅となるように、ＡＤＣの出力値と目標振幅信号との差分に基づき、ＤＡＣ２０３の出力または正弦波生成回路２０２の振幅を補正することにより、アナログ乗算器２０５の出力信号の振幅が所望の振幅となるよう制御する。
　これにより、アナログ乗算器２０５からの個体差がＲＦ電圧の振幅に異常をもたらすことはないことが担保され、それでもなお検波回路２０８からのＲＦ電圧の振幅に異常がある場合には、四重極電極または、アナログ乗算器２０５よりも下流の電源回路にあると判断できる。また、目標振幅信号とＡＤＣ２１０の出力とを比較することにより、アナログ乗算器２０５の異常を検出することができる。このように、ＲＦ電圧の異常発生の主要因となるアナログ乗算器２０５と四重極電極とを切り分けて、それぞれの異常の有無を検出可能にすることにより、装置のメンテナンスを容易にすることができる。
　図５に、実施例１における高周波電圧回路系（ＲＦチューニングモード）の第２の例を示す。第２の例の基本的な回路構成は第１の例と共通であるが、アナログ乗算器２０５の出力信号の振幅のフィードバック方法が第１の例とは異なる。
　第２の例のフィードバック回路は、具体的には、アナログ乗算器２０５の出力信号の振幅を検波回路２０９で検出し、第１のＰＩ制御回路２０４にフィードバックするものである。このフィードバックにより、検波回路２０９で測定した値を第１のＰＩ制御回路２０４に入力し、ＤＡＣ２０３の出力とアナログ乗算器２０５の出力信号の振幅との差分に基づき、正弦波生成回路２０２からの正弦波を増幅することにより、アナログ乗算器２０５の出力信号の振幅は所望の振幅となるように制御される。なお、フィードバック回路として、計測モードとＲＦチューニングモードとで第１のＰＩ制御回路２０４への入力を切り替える例を示したが、計測モードで用いる第１のＰＩ制御回路２０４とは別にＲＦチューニングモード用のＰＩ制御回路を設けてもよい。
　第２の例によっても、ＲＦ電圧の異常発生の主要因となるアナログ乗算器２０５と四重極電極とを切り分けて、それぞれの異常の有無を検出可能にすることにより、装置のメンテナンスを容易にすることができる。
　図６に、実施例１における高周波電圧回路系（ＲＦチューニングモード）の第３の例を示す。　第３の例の基本的な回路構成は第１の例と共通であるが、アナログ乗算器２０５の出力信号の振幅のフィードバック方法が第１の例または第２の例とは異なる。
　第３の例のフィードバック回路は、具体的には、アナログ乗算器２０５の出力信号の振幅を検波回路２０９で検出し、第２のＰＩ制御回路２１１にフィードバックするものである。第２のＰＩ制御回路２１１にはＤＡＣ２０３の出力と検波回路２０９で検出されたアナログ乗算器２０５の出力信号の振幅とが入力され、第２のＰＩ制御回路２１１の出力が正弦波生成回路２０２に入力されている。正弦波生成回路２０２が、ＤＡＣ２０３の出力とアナログ乗算器２０５の出力信号の振幅との差分に基づき、生成する正弦波の振幅を調整することにより、アナログ乗算器２０５の出力信号の振幅は所望の振幅となるように制御される。
　第３の例によっても、ＲＦ電圧の異常発生の主要因となるアナログ乗算器２０５と四重極電極とを切り分けて、それぞれの異常の有無を検出可能にすることにより、装置のメンテナンスを容易にすることができる。
　図７は、実施例２に係る質量分析装置管理システムのネットワーク構成図である。
　実施例２では、実施例１に係る質量分析装置１をネットワーク２経由でサーバ（情報処理装置）３に接続している。質量分析装置１の制御部１８０は、検波回路２０８の出力と検波回路２０９の出力とを含む質量分析装置１の稼働状況を監視し、ネットワーク２経由でサーバ３へ稼働状況を示すデータを報告する。稼働状況を示すデータとして、検波回路２０８の出力データと検波回路２０９の出力データとを含むものとする。サーバ３はそのデータを蓄積する。エンジニアがこのデータを分析することにより、質量分析装置１の稼働状況の確認や故障の予知を行うことができる。
　これにより、質量分析装置１に異常が発生した際に迅速な対応が可能となり、質量分析装置１の可用性を向上させることが出来る。また、このようなデータを装置の改良や開発に供することが容易になる。
　データ分析は、サーバ３のプロセッサで稼働するＡＩプログラムを用いて自動で行うことも可能である。例えば、稼働中の質量分析装置１の検波回路２０８の出力の経時変化と検波回路２０９の出力の経時変化とに基づいて、四重極電極への印加電圧の不具合の発生の検知や、その原因が共振回路２０７より下流の回路にあるのか、アナログ乗算器２０５の個体差にあるのかの切り分けをＡＩが行うことが可能である。また、稼働中の質量分析装置１の検波回路２０８の出力の経時変化と検波回路２０９の出力の経時変化とに基づいて、ＡＩが四重極電極への印加電圧の不具合発生の予兆を検知することも可能である。
　ＡＩが不具合発生またはその予兆を検知した場合、ＡＩが質量分析装置１の図示しない表示部に不具合の状況を表示するよう、ネットワーク２経由で質量分析装置１へ命令を送信するとともに、エンジニアへ不具合への対処の指示を行うことができる。これにより、質量分析装置１に不具合があった際に、質量分析装置１のユーザーが不具合の状況を確認し、エンジニアへ連絡を行い、エンジニアが装置の設置場所に赴き、不具合の発生個所を調査するという工程を削減することが可能となり、質量分析装置１の可用性を向上させることが可能になる。
　以上、本開示に係る技術によれば、質量分析装置の電極への印加電圧に不具合があった際に、原因箇所の切り分けを容易に行うことができる。
　また、装置の組み立て時や動作時に不具合が発生した際、不具合発生箇所の特定が容易化することにより、解析を行うエンジニアの所要工数の削減につながる。また、装置使用者にとっては、装置に不具合が起こったことによる装置停止時間の削減になる。
　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１…質量分析装置、２…ネットワーク、３…サーバ、１００…イオン源、１１０…イオン、１２０…インターフェース、１３０…第１の四重極電極、１３１…第２の四重極電極、１３２…第３の四重極電極、１４０…第１の四重極電極部、１４１…第２の四重極電極部、１４２…第３の四重極電極部、１５０…検出器、１６０…データ処理部、１７０…コリジョンガス、１７１…ガスライン、１８０…制御部、２００…電源回路、２０１…ＦＰＧＡ、２０２…正弦波生成回路、２０３…ＤＡＣ、２０４…第１のＰＩ制御回路、２０５…アナログ乗算器、２０６…ＲＦドライブ回路、２０７…共振回路、２０８…検波回路（第２の検波回路）、２０９…検波回路（第１の検波回路）、２１０…ＡＤＣ、２１１…第２のＰＩ制御回路。

Claims (7)

  1. 　四重極電極と、前記四重極電極に印加する高周波電圧を生成する電源回路とを備える質量分析装置であって、
    　前記電源回路は、前記高周波電圧の目標振幅を設定する目標振幅信号を出力する高周波電圧生成制御部と、正弦波生成回路と、前記正弦波生成回路の生成する正弦波と前記正弦波を増幅する増幅電圧とを乗算するアナログ乗算器と、前記アナログ乗算器の出力信号の振幅を検出する第１の検波回路とを備え、
    　ＲＦチューニングモードにおいて、前記第１の検波回路で検出した前記アナログ乗算器の出力信号の振幅をフィードバックして、前記アナログ乗算器の出力信号の振幅が前記高周波電圧生成制御部で設定された前記高周波電圧の前記目標振幅となるように制御された状態で、前記電源回路が生成した前記高周波電圧を前記四重極電極に印加する質量分析装置。
  2. 　請求項１において、
    　前記電源回路は、前記目標振幅信号をＤＡ変換して前記目標振幅信号に対応する電圧を生成するＤＡ変換器と、前記四重極電極に印加された前記高周波電圧の振幅を検出する第２の検波回路とを備え、
    　計測モードにおいて、前記第２の検波回路で検出される前記四重極電極に印加された前記高周波電圧の振幅と前記目標振幅信号に対応する電圧との差分に応じて前記増幅電圧が設定され、
    　前記ＲＦチューニングモードにおいて、前記第２の検波回路で検出される前記四重極電極に印加された前記高周波電圧の振幅がモニタされる質量分析装置。
  3. 　請求項２において、
    　前記電源回路は、前記第１の検波回路の出力信号の振幅をＡＤ変換するＡＤ変換器を備え、
    　前記ＲＦチューニングモードにおいて、前記目標振幅信号に対応する電圧が前記増幅電圧として設定され、前記高周波電圧生成制御部は、前記ＡＤ変換器の出力値が入力され、前記ＡＤ変換器の出力値と前記目標振幅信号との差分に基づき、前記目標振幅信号を補正する、または前記正弦波生成回路が生成する正弦波の振幅を補正する質量分析装置。
  4. 　請求項２において、
    　前記ＲＦチューニングモードにおいて、前記第１の検波回路で検出される前記アナログ乗算器の出力信号の振幅と前記目標振幅信号に対応する電圧との差分に応じて前記増幅電圧が設定される質量分析装置。
  5. 　請求項２において、
    　前記ＲＦチューニングモードにおいて、前記正弦波生成回路は、前記第１の検波回路で検出される前記アナログ乗算器の出力信号の振幅と前記目標振幅信号に対応する電圧との差分に応じて、生成する正弦波の振幅を制御する質量分析装置。
  6. 　四重極電極と、前記四重極電極に印加する高周波電圧を生成する電源回路とを備える質量分析装置のＲＦチューニング方法であって、
    　前記電源回路は、前記高周波電圧の目標振幅を設定する目標振幅信号を出力する高周波電圧生成制御部と、正弦波生成回路と、前記正弦波生成回路の生成する正弦波と前記正弦波を増幅する増幅電圧とを乗算するアナログ乗算器と、前記アナログ乗算器の出力信号の振幅を検出する第１の検波回路と、前記四重極電極に印加された前記高周波電圧の振幅を検出する第２の検波回路とを備え、
    　前記第１の検波回路で検出した前記アナログ乗算器の出力信号の振幅をフィードバックして、前記アナログ乗算器の出力信号の振幅が前記高周波電圧生成制御部で設定された前記高周波電圧の前記目標振幅となるように制御された状態で、前記電源回路が生成した前記高周波電圧を前記四重極電極に印加し、
    　前記第２の検波回路で検出される前記四重極電極に印加された前記高周波電圧の振幅をモニタするＲＦチューニング方法。
  7. 　請求項６において、
    　前記第２の検波回路で検出される前記四重極電極に印加された前記高周波電圧の振幅の前記高周波電圧の前記目標振幅との誤差に応じて、前記高周波電圧生成制御部が出力する前記目標振幅信号がオフセットされるＲＦチューニング方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2002033074A (ja) * 2000-07-18 2002-01-31 Japan Atom Energy Res Inst 四極子質量分析計用四極子電極印加電圧発生回路
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