JP2011102714A

JP2011102714A - 四重極質量分析装置におけるスペクトル信号補正方法

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Publication number: JP2011102714A
Application number: JP2009256891A
Authority: JP
Inventors: Takanori Murano; 孝訓村野
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2009-11-10
Filing date: 2009-11-10
Publication date: 2011-05-26
Anticipated expiration: 2029-11-10
Also published as: JP5412246B2

Abstract

【課題】四重極質量分析装置におけるスペクトル信号補正方法に関し、スキャンサイクル中に適宜ノイズを測定し、データ処理に反映させることを目的としている。
【解決手段】分子、原子等の粒子をイオン化し、イオン化した粒子を４重極マスフィルタを通したものを検出器で検出し、検出した信号をコンピュータで演算処理し、ＭＳスペクトルを得るようにした四重極質量分析装置において、ＭＳスペクトル採取におけるサイクル中に、ノイズを検出する工程を設け、ＭＳスペクトル採取におけるイオン検出信号と、前記検出されたノイズとを比較してスペクトル補正を行なうように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は四重極質量分析装置におけるスペクトル信号補正方法に関し、更に詳しくはノイズ成分を効果的に除去して正確なスペクトル信号を得るようにした四重極質量分析装置におけるスペクトル信号補正方法に関する。例えば、ＧＣ−ＭＳ（ガスクロマトグラフ質量分析計）、前処理装置のついたＧＣ−ＭＳの分野、あるいはＬＣ−ＭＳ（液体クロマトグラフ質量分析計）の分野で使用される。

四重極質量分析装置（ＱＭＳ）は、４極子の中にイオン化された流体を通過させ、フィルタ機能を利用して通過したイオンのスペクトルを得るようにした装置である。通常、ＱＭＳでは、マチュー（Ｍａｔｈｉｅｕ）の式に従い、常にＲＦ（高周波）とＤＣ（直流）をある比でもって駆動させ、マスフィルタとして機能させている。マスフィルタを介して検出器によってイオンを検出し、Ａ／Ｄコンバータによりデジタル処理し、コンピュータでデジタル処理が行われる。

図４は四重極質量分析装置の構成概念図である。分子、原子等の粒子は、イオン化ボックス２に入る。加熱されたフィラメント３により熱電子が放出され、イオン化ボックス２内の粒子に衝突してイオンを形成させる。この形成されたイオンは、リペラ（イオン加速レンズ）１により加速され、イオン化ボックス２から出射される。４はフィラメント３から放出された電子を捕獲するためのトラップ電極である。イオン化ボックス２には、粒子を送り込むためのキャリアガスが導入される。

イオン化ボックス２から出射されたイオンは、続くレンズ５で集束され四重極（ＱＰ）１０に入る。四重極１０は図に示すように４個の電極より構成され、それぞれ対向する電極に同じ電圧が印加される。印加される電圧は、高周波（ＲＦ）と直流電圧（ＤＣ）である。高周波発生器６と直流電源７は直列接続され、電極に印加される。この電圧と位相が９０°違う電圧が移相器８で作られ、先の電極ペアとは異なる電極ペア間に印加される。

ここで、高周波発生器６と直流電源７は、それぞれ周波数と電圧値が可変できるように構成されており、これらの電圧を印加することにより、四重極１０はマスフィルタとして機能することになる。四重極１０を通過したイオンは、ポストフィルタ１１を介して、コンバージョンダイノード（ＣＤ）１２に照射される。なお、マスフィルタは例えば１マスユニット毎にＲＦとＤＣがステップ送りで掃引されるように構成される。これにより、フィルタを通過するイオンの質量数が低質量側から高質量側へ（又は逆方向に）ステップ的に変化し、質量掃引が行われる。ここで、ある質量数のイオンを通過させているステップをマスステップと定義する。

ここで、ポストフィルタ１１は、ステップウェイト（ＳｔｅｐＷａｉｔ）期間と、データアクイジッション期間でその電位を変えるようになっている。この結果、ＣＤ１２の表面からは入射イオンに応じた電子ｅが出射され、検出器１３で検出される。検出されたイオン信号は図示しないＡ／Ｄコンバータによりデジタルデータに変換され、図示しないＡＰＵ（ＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）に送られ、データ処理が行われる。

図５は従来装置のデータ収集のタイムチャートである。以下にその動作を示す。
１）フィラメント３より発生する熱電子によって分子はイオン化され、適切なレンズ５によって集束され、ＱＰ１０に導入される。

２）ＱＰ１０に導入されたイオンは、ＱＰ１０に印加されたＲＦ／ＤＣ６，７によりマスフィルタリングされる。印加されるＲＦ／ＤＣは、図示しないＡＰＵによって、各マスステップで要求される電圧で印加される。図６は従来装置の動作説明図である。図４と同一のものは、同一の符号を付して示す。検出器１３で検出された各マスステップ毎の検出信号は、続くＡ／Ｄコンバータ１４によりデジタルデータに変換された後、ＡＰＵ１５に入力される。

ＡＰＵ１５は該Ａ／Ｄコンバータ１４の出力を受けて、データ採取を行ない、信号処理を行なう。同時に、検出器１３に対してデータアクイジッション指令を与える。
３）各マスステップにおいて、ＡＰＵ１５は信号検出系に指令を送り、ステップ−ウェイト（Ｓｔｅｐ−Ｗａｉｔ）の期間だけ、待機させる。

４）ステップ−ウェイトの期間だけ待機した後、ＡＰＵ１５は信号検出系に指令を送り、指定されたアキュムレーション（Ａｃｃｕｍｌａｔｉｏｎ）の期間、イオン検出信号を採取する。

５）検出されたイオン検出信号は、Ａ／Ｄコンバータ１４によりデジタル化され、ＡＰＵ１５によりさまざまな処理が行われ、計測中のマスのイオン強度としてデータ化される。

６）２）〜４）の動作を指定された質量数の範囲（ロウマス（Ｌｏｗ−ｍａｓｓ）〜ハイマス（Ｈｉｇｈ−ｍａｓｓ））を繰り返し、データ採取が行われることになる。
従来のこの種の装置では、２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）及びイオン散乱分析（ＩＳＳ）を複合することにより、試料の組成の同定を容易にし、定量性も可能となり、高感度で効率的な試料の分析を可能とした複合分析装置が知られている（例えば特許文献１参照）。また、分析感度を低下させることなく、光や中性粒子を確実に遮断してＳ／Ｎ比を向上させた粒子分離装置が知られている（例えば特許文献２参照）。或いはまた、四重極電極に高周波電圧と直流電圧の重畳電圧を印加し、イオン源からのイオン電流を該四重極電極を通して検出器で検出する四重極質量分析装置において、複数の微小チャネルを２次元的に配置し、四重極電極の中心軸が通過する位置に開口部を有して形成されるプレートを四重極電極の中心軸上に配置することにより検出器を構成する四重極質量分析装置が知られている（例えば特許文献３参照）。

特開平５−８９８１７号公報（段落００１３〜００１５、図１）特開平８−６４１６９号公報（段落００１２〜００１７、図１，図３）特開平１０−１４４２５４号公報（段落００１６〜００２０、図１，図２）

しかしながら、従来技術は中性分子によるノイズも含めてデータ化されているため、スペクトルの一致度や感度に影響していると考えられる。また、従来技術ではオフアクシスなど複雑な光学系を利用して物理的に中性分子を除去しているため、コストがかかるという問題がある。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、スキャンサイクル中に適宜ノイズを測定し、データ処理に反映させると共に、これによる測定中に変化するサンプル並びにキャリアガスの変動に対応する中性粒子ノイズの除去を行なうことができる四重極質量分析装置におけるスペクトル信号補正方法を提供することを目的としている。

上記の問題を解決するために、本発明は以下に示すような方法をとっている。
（１）請求項１記載の発明は、分子、原子等の粒子をイオン化し、得られたイオンを４重極マスフィルタを通して検出器で検出し、検出した信号をコンピュータで演算処理し、ＭＳスペクトルを得るようにした四重極質量分析装置において、ＭＳスペクトル採取におけるサイクル中に、ノイズを検出する工程を設け、ＭＳスペクトル採取におけるイオン検出信号と、前記検出されたノイズとを比較してスペクトル補正を行なうようにしたことを特徴とする。

（２）請求項２記載の発明は、ローマスからハイマスへ又はハイマスからローマスへステップ的にマスの値を変えていく場合において、それぞれのステップでステップウェィト期間と、スペクトルアクイジッション期間と、ノイズアクイジッション期間を設け、各ステップにおけるアクイジッション期間に検出したイオン検出信号とノイズアクイジッション期間に検出したノイズとの比較演算を行なうものであることを特徴とする。

（３）請求項３記載の発明は、ローマスからハイマスへ又はハイマスからローマスへステップ的にマスの値を変えていく場合において、それぞれのステップでステップウェイト期間と、スペクトルアクイジッション期間と、ノイズアクイジッション期間を設ける場合において、各ステップの最初と最後に前記ノイズアクイジッション期間を設けるようにしたことを特徴とする。

（４）請求項４記載の発明は、ローマスからハイマスへ又はハイマスからローマスへステップ的にマスの値を変えていく場合において、それぞれのステップでステップウェイト期間と、スペクトルアクイジッション期間とを設ける場合において、任意のステップで前記ノイズアクイジッション期間を設けるようにしたことを特徴とする。

（５）請求項５記載の発明は、イオンを検出していないステップウェイト期間の中にノイズアクイジッション期間を設けるようにしたことを特徴とする。

本発明は以下に示すような効果を奏する。
（１）請求項１記載の発明によれば、ＭＳスペクトルを採取する行程にノイズ検出行程を設けたので、イオン検出信号と検出されたノイズとを比較することにより、ノイズを除去することができ、また、測定中に変化するサンプル並びにキャリアガスの変動に対応する中性粒子ノイズの除去を行なうことができる。

（２）請求項２記載の発明によれば、スペクトルアクイジッション期間とノイズアクイジッション期間で検出した信号とノイズの比較演算を行って、ノイズ成分の除去を行なうことができる。

（３）請求項３記載の発明によれば、各マス位置の最初と最後にノイズアクイジッション期間を設け、この期間で検出したノイズアクイジッションデータを、それぞれのマスステップでのノイズデータとして、前記ノイズアクイジッションデータを用いることで、精度は若干落ちるものの、ノイズ成分の除去を行なうことができる。

（４）請求項４記載の発明によれば、任意のマス位置でノイズアクイジッション期間を設けることにし、このノイズアクイジッションデータを、それぞれのマスステップにおけるノイズデータとして用いることにより、精度は若干落ちるものの、ノイズ成分の除去を行なうことができる。

（５）請求項５記載の発明によれば、イオンを検出していないステップウェイト期間の中にノイズアクイジッション期間を設けたので、データ取得の効率を向上させることができる。

本発明の実施例１の動作を示すタイムチャートである。本発明の実施例２の動作を示すタイムチャートである。本発明の実施例４の動作を示すタイムチャートである。四重極質量分析装置の構成概念図である。従来装置のデータ収集のタイムチャートである。従来装置の動作説明図である。

以下、本発明の実施例について、詳細に説明する。
（実施例１）
図１は本発明の実施例１の動作を示すタイムチャートである。実施例１も基本的な構成は図４，図６と変わらず、アキュムレーション（Ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ：蓄積）の後にノイズ採取のための、ノイズアクイジッション（Ｎｏｉｓｅ−Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ：略してＮｏｉｓｅ−Ａｃｑ）期間を設け、その期間に図４に示す、検出器１３手前のポストフィルタ１１の電位を変化させるようになっている。以下に実施例１の動作を説明する。

１）フィラメント３より発生する熱電子によって、分子はイオン化され、適切なレンズ５によって四重極（ＱＰ）１０に導入される。
２）ＱＰ１０に導入されたイオンは、ＱＰ１０に加えられたＲＦ／ＤＣ６，７によりマスフィルタリングされ、印加されるＲＦ／ＤＣは、ＡＰＵ１５によって各マスステップで要求される電圧で印加される。

３）各マスステップにおいて、ＲＦ／ＤＣ６，７の応答、イオンの飛行時間を考慮し、ステップウェイトの時間を待機する。
４）ステップウェイト待機後、指定されたアキュムレーションの期間にアクイジッションに示すように、検出器１３によりイオン検出信号を採取する。

５）検出されたイオン検出信号は、Ａ／Ｄコンバータ１４によりデジタル化される。
６）アキュムレーション期間の後のノイズアクイジッション期間では、ポストフィルタ１１の電圧をレギュラポテンシャル（Ｒｅｇｕｌａｒｐｏｔｅｎｔｉａｌ）からノイズアクイジッションポテンシャル（ＮｏｉｓｅＡｃｑｐｏｔｅｎｔｉａｌ）に変更する（実際には０Ｖにする。若しくはレギュラポテンシャルの極性を反転させる）。

７）ポストフィルタ１１の電位を変更することで、イオンを検出器１３まで到達できないようにする。この結果、イオンを検出できないため、中性分子由来のノイズを検出することが可能となり、ノイズアクイジッション期間において、中性分子由来のノイズを検出する。つまり、中性分子はイオン化されていないために、ポストフィルタ１１の電位の影響を受けないため、検出器１３まで到達することができ、ノイズデータとして検出することができるのである。

８）７）で検出されたノイズシグナルを、Ａ／Ｄコンバータ１４によりデジタル化する。
９）ＡＰＵ１５の処理で５）で検出したイオンシグナルと、８）で検出したノイズシグナルとを比較演算させ、計測中のマスのイオン強度としてデータ化する。比較演算の処理の一例として、イオンシグナルからノイズを減算して、計測中のマスのイオン強度とする方法が考えられる。

１０）３）〜９）の動作を指定された質量数の範囲（ロウマス〜ハイマス）だけ繰り返し、データ採取が行われる。
この実施例によれば、スペクトルアクイジッション期間とノイズアクイジッション期間で検出した信号とノイズの比較演算を行って、ノイズ成分の除去を行なうことができる。
（実施例２）
図２は本発明の実施例２の動作を示すタイムチャートである。実施例１では、各マスステップ毎にノイズアクイジッション期間を設けているが、実施例２では、図２に示すように、スキャンの初めと終わりにノイズアクイジッションを行なうようにしたものである。このようにして、実施例２では、スキャンの初めと終わりにノイズアクイジッションを設けており、これらノイズアクイジッションのデータを、全ステップのノイズアクイジッションデータとして用いて補正演算を行なうものである。例えば、全スキャンをスキャンの初めのノイズアクイジッションデータを用いて補正をしてもよいし、全スキャンをスキャンの最後のノイズアクイジッションデータを用いて補正してもよい。

更には、最初のノイズアクイジッションデートと最後のノイズアクイジッションデータの平均をとり、全てのマスステップのノイズアクイジッションデータとして用いることもできる。この実施例によれば、各マス位置の最初と最後にノイズアクイジッション期間を設け、この期間で検出したノイズアクイジッションデータを、それぞれのマスステップでのノイズデータとして、前記ノイズアクイジッションデータを用いることで、精度は若干落ちるものの、ノイズ成分の除去を行なうことができる。
（実施例３）
実施例２では、スキャンの初めと終わりにノイズアクイジッション期間を設けた場合について説明した。しかしながら、本発明はこれに限るものではなく、適宜必要なマス位置でノイズアクイジッション期間を設けるようにしてもよい。この実施例によれば、それぞれのマスステップでのノイズデータとして任意の位置で取得したものを用いてスペクトルアクイジッション期間で測定したアクイジッションデータを補正することができ、精度は若干落ちるものの、ノイズ成分の除去を行なうことができる。
（実施例４）
実施例１〜実施例３では、各マスステップの最後、即ちアキュムレーション期間の後にノイズアクイジッション期間を設けた場合を示したが、これではイオン検出の時間を削ることになるので、若干効率が悪い。そこで、イオンを元々検出していない、ステップウェイト期間を利用してノイズアクイジッションを行なうものである。以下にその動作を説明する。ハードウェアの構成は、図４と図６に示すものを用いる。

３）各マスステップにおいて、ＲＦ／ＤＣ６，７の応答、イオンの飛行時間を考慮し、ステップウェイトの時間を待機する。
４）ステップウェイト期間に、ノイズアクイジッション期間を挿入し、ポストフィルタ１１の電位をレギュラポテンシャルからノイズアクイジッションポテンシャルに変更する。

５）ポストフィルタ１１の電位を変更することで、イオンを検出器１３まで到達できないようにする。この状態では、イオンを検出できないため、中性分子由来のノイズを検出することが可能となり、ノイズアクイジッション期間において、中性分子由来のノイズを検出する。

６）５）で検出されたノイズを、Ａ／Ｄコンバータ１４によりデジタルデータに変換する。
７）ステップウェイト待機後、指定されたアキュムレーションの期間にアクイジッションに示すように、イオン検出信号を採取する。

８）検出されたイオン検出信号は、Ａ／Ｄコンバータ１４によりデジタルデータに変換される。
９）ＡＰＵ１５は６）で検出したノイズデータと、８）で検出したイオンシグナルデータとを比較演算し、計測中のマスのイオン強度としてデータ化される。具体的例をあげると、アキュムレーション期間中に測定したデータからノイズアクイジッション期間で測定したノイズデータを減算することで、ノイズを含まないイオンシグナルデータを得る。

１０）３）〜９）の動作を指定された質量数の範囲（ロウマス〜ハイマス）を繰り返して、データ採取を行なう。
この実施例によれば、イオンを検出していないステップウェイト期間の中にノイズアクイジッション期間を設けたので、データ取得の効率を向上させることができる。
（実施例５）
（実施例１）〜（実施例４）において、ノイズアクイジッションを行なうために、ポストフィルタ１１の電位を変更しているが、ＱＰ１０の電位若しくは他のレンズでも、レギュラポテンシャルからノイズアクイジッションポテンシャルに変更することで、同様のことが期待できる。中性ノイズを検出するために荷電粒子を除去する手段、つまり荷電粒子阻止機構はポストフィルタに限るものではなく、現四重極質量分析装置に新たにレンズを配置することも考えられる。或いは、現配置されているレンズに任せることも可能である。

また、イオン化室（イオン化ボックス）２直後のレンズ５を荷電粒子を阻止するためのレンズとすることで、ＱＰ１０内には殆どの荷電粒子は進入できないので、これを計測することで、ケミカルなノイズではなく、エレクトロニクスのノイズとして測定、切り分けることも可能となり、またデータに反映させることも可能である。

以上、説明した本発明の効果を列挙すれば、以下の通りである。
１）オフアクシスなど光学的なメカの変更無しに、中性分子ノイズをデータから除去することができる。

２）中性粒子が引き起こすノイズは測定中に変化し、本発明は測定中にノイズリダクションを適用することを目的としているため、導入するキャリアやサンプルの量など測定条件に、受動的に適宜対応することができる。

３）また、同様に測定中に引き起こされる中性粒子のノイズを、一律なレベルのノイズカットでは検出限界に近いような小信号を減衰させてしまうことが考えられるが、本発明では、導入される中性粒子に応じたノイズカットを目的としているため、小信号の減衰を抑制することができる。

４）質量数依存誤差（スペクトル）補正等のためにダイナミックにレンズ電圧を掃引した場合にも、中性分子由来のノイズ量が変化してしまうが、リアルタイムにノイズ検出を行なうことで、小信号の減衰を防止することができる。

５）ノイズのクリーン化によりスペクトルを改善することができる。
６）スペクトル改善に伴い、ライブラリスペクトルの一致度を向上させることができる。

７）Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
８）（実施例４）では、イオン検出効率を損なうことなく、ノイズ検出を行なうことができる。

１リペラ
２イオン化ボックス
３フィラメント
４トラップ
５レンズ
６高周波電源
７直流電源
８移相器
１０四重極電極（ＱＰ）
１１ポストフィルタ
１２ＣＤ（コンバージョンダイノード）
１３検出器

Claims

分子、原子等の粒子をイオン化し、得られたイオンを４重極マスフィルタを通して検出器で検出し、検出した信号をコンピュータで演算処理し、ＭＳスペクトルを得るようにした四重極質量分析装置において、
ＭＳスペクトル採取におけるサイクル中に、ノイズを検出する工程を設け、ＭＳスペクトル採取におけるイオン検出信号と、前記検出されたノイズとを比較してスペクトル補正を行なうようにしたことを特徴とする四重極質量分析装置におけるスペクトル信号補正方法。
ローマスからハイマスへ又はハイマスからローマスへステップ的にマスの値を変えていく場合において、それぞれのステップでステップウェィト期間と、スペクトルアクイジッション期間と、ノイズアクイジッション期間を設け、各ステップにおけるアクイジッション期間に検出したイオン検出信号とノイズアクイジッション期間に検出したノイズとの比較演算を行なうものであることを特徴とする請求項１記載の四重極質量分析装置におけるスペクトル信号補正方法。
ローマスからハイマスへ又はハイマスからローマスへステップ的にマスの値を変えていく場合において、それぞれのステップでステップウェイト期間と、スペクトルアクイジッション期間と、ノイズアクイジッション期間を設ける場合において、各ステップの最初と最後に前記ノイズアクイジッション期間を設けるようにしたことを特徴とする請求項１記載の四重極質量分析装置におけるスペクトル信号補正方法。
ローマスからハイマスへ又はハイマスからローマスへステップ的にマスの値を変えていく場合において、それぞれのステップでステップウェイト期間と、スペクトルアクイジッション期間とを設ける場合において、任意のステップで前記ノイズアクイジッション期間を設けるようにしたことを特徴とする請求項１記載の四重極質量分析装置におけるスペクトル信号補正方法。
イオンを検出していないステップウェイト期間の中にノイズアクイジッション期間を設けるようにしたことを特徴とする請求項２乃至４の何れか１項に記載の四重極質量分析装置におけるスペクトル信号補正方法。