JP2018179941A - Mass spectrometer, method for signal processing by mass spectrometer, and program - Google Patents

Mass spectrometer, method for signal processing by mass spectrometer, and program Download PDF

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亨 青西
Toru Aonishi
亨 青西
純一 木村
Junichi Kimura
純一 木村
立 桑谷
Tatsu Kuwatani
立 桑谷
岳史 平田
Takeshi Hirata
岳史 平田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To increase the spatial resolution of the concentration distribution of a detection target element in a mass spectrometer.SOLUTION: A sample cell 1 can hold a sample in a carrier gas 30. A laser beam irradiation unit 2 continuously irradiates the sample 10 with a laser beam pulse. A transport pipe 4 transports the carrier gas 30 containing an aerosol 20 generated by irradiation of the sample 10 with a laser beam pulse. An ion generation unit 5 generates ions from the aerosol 20 by turning the carrier gas 30 containing the aerosol 20 supplied through the transport pipe 4 into plasma. A mass analysis unit 6 separates ions of a detection target element, measures the amount of the ions, and acquires a signal. An operation unit 7 calculates the mass of the detection target element in the aerosol 20 generated by the continuous emission of each laser beam pulse, from the detected intensity of the signal of the detection target element, and acquires the concentration distribution of the detection target element in the sample 10 based on the calculated mass.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、質量分析計、質量分析計の信号処理方法及びプログラムに関する。   The present invention relates to a mass spectrometer, a signal processing method for a mass spectrometer, and a program.

近年、有機物質及び無機物質の微細構造の分析が各分野で行われている。特に、生きた細胞中に金属微粒子等が過度に偏在すると毒性を呈することがあるので、その分布と集中のメカニズムを解明することは、生物学や医学の見地から重要である。また、こうした微細な粒子は、隕石のような天然の岩石中を初めとする無機物中に不純物又はナノグレインとしても含まれている。   In recent years, analysis of microstructures of organic substances and inorganic substances has been performed in each field. In particular, when metal microparticles and the like are excessively distributed in living cells, they may exhibit toxicity. Therefore, it is important from the biological and medical standpoints to elucidate the mechanism of their distribution and concentration. In addition, such fine particles are also contained as impurities or nanograins in minerals such as natural rocks such as fluorite.

微細粒子の空間分布と元素濃度とを同時に調べる手法として、例えば、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＸ：Energy Dispersive X-ray spectrometry）が搭載された透過型電子顕微鏡及びナノ二次イオンマイクロプローブ質量分析（Ｎａｎｏ−ＳＩＭＳ：Secondary Ion Mass Spectrometry）を用いて、二次元分布画像及び微細粒子の組成を決定する手法が知られている。しかし、これらの手法は、生体組織やミリメートルスケールより大きな岩石標本のような巨視的なサンプルには適用することができない。   As a method for simultaneously examining the spatial distribution of fine particles and the element concentration, for example, a transmission electron microscope and nanosecondary ion microprobe mass spectrometry equipped with energy dispersive X-ray spectrometry (EDX) There is known a method of determining the composition of a two-dimensional distribution image and a fine particle using (Nano-SIMS: Secondary Ion Mass Spectrometry). However, these techniques can not be applied to macroscopic samples such as biological tissue and rock samples larger than millimeter scale.

これに対し、巨視的なサンプルの組成分析が可能な手法として、レーザーアブレーション誘導結合プラズマ質量分析法（ＬＡ−ＩＣＰ−ＭＳ：Laser Ablation - Inductively Coupled Plasma - Mass Spectrometry）が知られている（非特許文献１）。レーザーアブレーション誘導結合プラズマ質量分析法は、高感度かつ高スループットで、マクロ画像から微視的画像を生成することができる。その一方で、分解能についてはマイクロメータスケールには至らないため、微細構造の分析には一般的に制限がある。この分解能の制限については、タイムオブフライト（ＴＯＦ：Time of Flight）型の誘導結合プラズマ質量分析法によって、１μｍオーダーにまでは改善が可能である。   On the other hand, laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS: Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry) is known as a method capable of macroscopic sample composition analysis (non-patented) Literature 1). Laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry can produce microscopic images from macro images with high sensitivity and high throughput. On the other hand, analysis of microstructures is generally limited because resolution does not reach micrometer scale. This resolution limitation can be improved to the order of 1 μm by time-of-flight (TOF: time-of-flight) inductively coupled plasma mass spectrometry.

Charlotte Giesen, Larissa Waentig, Thomas Mairinger, Daniela Drescher, Janina Kneipp, Peter H. Roos, Ulrich Panneab, Norbert Jakubowskib, “Iodine as an elemental marker for imaging of single cells and tissue sections by laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry”, J. Anal. At. Spectrom, 2011, 26, pp. 2160-2165.Charlotte Giesen, Larissa Waentig, Thomas Mairinger, Daniela Drescher, Janina Kneipp, Peter H. Roos, Ulrich Panneab, Norbert Jakubowskib, “Iodine as an elemental marker for imaging of single cells and tissue sections by inductive ablations J. Anal. At. Spectrom, 2011, 26, pp. 2160-2165.

しかし、レーザーアブレーションによって分析対象元素が含まれるエアロゾルを生成する場合、生成したエアロゾルを質量分析計へ輸送する過程で空気力学的な拡散希釈が生じる。そのため、拡散希釈による空間分解能の低下を補償するには、さらなる対策が必要となる。生成したエアロゾルを質量分析計へ輸送する機構の幾何学的設計を改善することで、拡散希釈による分解能の低下を抑制できるものの、拡散希釈自体を防止できるものではないため、その効果には限界がある。   However, when laser ablation produces an aerosol containing an element to be analyzed, aerodynamic diffusion dilution occurs in the process of transporting the generated aerosol to a mass spectrometer. Therefore, additional measures are required to compensate for the decrease in spatial resolution due to diffusion dilution. By improving the geometrical design of the mechanism that transports the generated aerosol to the mass spectrometer, it is possible to suppress the decrease in resolution due to diffusion dilution, but since diffusion dilution itself can not be prevented, its effect is limited. is there.

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。   Other problems and novel features will be apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.

本発明の第１の態様である質量分析計は、
外部から供給されたキャリアガス中にサンプルを保持可能に構成されたサンプルセルと、
前記サンプルセルに保持された前記サンプルにレーザー光パルスを連続的に照射するレーザー光照射部と、
前記サンプルに前記レーザー光パルスが照射されることで生じたエアロゾルを含むキャリアガスを輸送する輸送管と、
前記輸送管を介して供給された前記エアロゾルを含むキャリアガスをプラズマ化して前記エアロゾルからイオンを生成するイオン生成部と、
前記イオンに含まれる検出対象元素のイオンを分離し、分離した前記検出対象元素のイオンの量を計測して信号を取得する質量分析部と、
前記質量分析部で検出された前記検出対象元素の信号強度から、連続的に照射されたレーザー光パルスのそれぞれが照射されたときに生じたエアロゾルに含まれる前記検出対象元素の質量を算出し、算出した前記検出対象元素の質量に基づいて前記サンプルにおける前記検出対象元素の濃度分布を取得する演算部と、を有するものである。 The mass spectrometer which is the first aspect of the present invention is
A sample cell configured to be able to hold a sample in an externally supplied carrier gas;
A laser beam irradiation unit for continuously irradiating a laser beam pulse to the sample held in the sample cell;
A transport tube for transporting a carrier gas including an aerosol generated by irradiating the sample with the laser light pulse;
An ion generation unit for plasmatizing a carrier gas containing the aerosol supplied via the transport pipe to generate ions from the aerosol;
A mass analysis unit that separates ions of a detection target element contained in the ions and measures the amount of the separated ions of the detection target element to obtain a signal;
From the signal intensity of the detection target element detected by the mass analysis unit, the mass of the detection target element included in the aerosol generated when each of the continuously irradiated laser light pulses is irradiated is calculated; And a calculation unit for acquiring a concentration distribution of the detection target element in the sample based on the calculated mass of the detection target element.

本発明の第２の態様である質量分析計は、上記の質量分析計であって、
前記サンプルセル及び前記レーザー光照射部は、連続的に照射される前記レーザー光パルスによって前記サンプルの表面を走査可能に構成される、ものである。 A mass spectrometer according to a second aspect of the present invention is the mass spectrometer described above,
The sample cell and the laser beam irradiation unit are configured to be capable of scanning the surface of the sample by the laser beam pulse continuously irradiated.

本発明の第３の態様である質量分析計は、上記の質量分析計であって、
前記サンプルセル及び前記レーザー光照射部は、連続的に照射される前記レーザー光パルスによる前記サンプルの表面のラスタースキャンが可能に構成され、
前記演算部は、前記サンプルにおける前記検出対象元素の濃度分布の二次元像を取得する、ものである。 A mass spectrometer according to a third aspect of the present invention is the mass spectrometer described above,
The sample cell and the laser beam irradiation unit are configured to enable raster scan of the surface of the sample by the laser beam pulse that is continuously irradiated,
The calculation unit is configured to obtain a two-dimensional image of a concentration distribution of the detection target element in the sample.

本発明の第４の態様である質量分析計は、上記の質量分析計であって、
前記レーザー光パルスの照射回数をＮ、前記質量分析部で計測された前記検出対象元素のイオンの数をＭ、前記レーザー光パルスの照射時刻をｔｉ、前記質量分析部が前記検出対象元素のイオンを計測した時刻をξｋ、ｉを１以上Ｎ以下の整数、ｋを１以上Ｍ以下の整数とすると、
時刻ξｋに計測された信号の強度ｙ（ξｋ）と、時刻ｔｉに照射されたレーザー光のシングルパルスによって生じたエアロゾルに含まれる前記検出対象元素の質量ｘｉとの関係は、以下の式（１）で表され、
前記演算部は、式（１）を用いて前記質量ｘｉを算出する、ものである。
ただし、ｇ（ξｋ−ｔｉ）は、以下の式（２）で表される単一パルス応答関数である。ｓは、ノイズを示す項である。
ただし、τ１及びτ２はエアロゾル輸送過程の減衰定数であり、Δはエアロゾルの輸送過程の無駄時間であり、当該質量分析計固有の予め定められた値を有する。 A mass spectrometer according to a fourth aspect of the present invention is the mass spectrometer described above,
The number of irradiation of the laser light pulse is N, the number of ions of the detection target element measured by the mass analysis unit is M, the irradiation time of the laser light pulse is t i , and the mass analysis unit is the detection target element Let 時刻k be the time at which the ions were measured, i be an integer from 1 to N, and k be an integer from 1 to M.
The relationship between the intensity y (ξ k ) of the signal measured at time ξ k and the mass x i of the detection target element contained in the aerosol generated by the single pulse of the laser light irradiated at time t i is Is expressed by equation (1) of
The calculation unit is to calculate the mass x i using Expression (1).
Here, g (ξ k −t i ) is a single pulse response function represented by the following equation (2). s is a term indicating noise.
Here, τ 1 and τ 2 are attenuation constants of the aerosol transport process, and Δ is a dead time of the aerosol transport process and has a predetermined value unique to the mass spectrometer.

本発明の第５の態様である質量分析計は、上記の質量分析計であって、
前記サンプルにおける前記検出対象元素の濃度分布の取得に先だって、
基準サンプルにレーザー光のシングルパルスを照射して生じたエアロゾルに含まれる前記検出対象元素のイオンの量を計測して信号を検出し、
検出した信号に前記単一パルス応答関数を回帰させることにより、当該質量分析計固有の減衰定数τ１及びτ２とデッドタイムΔとを予め決定する、ものである。 A mass spectrometer according to a fifth aspect of the present invention is the mass spectrometer described above,
Prior to obtaining the concentration distribution of the detection target element in the sample,
A signal is detected by measuring the amount of ions of the detection target element contained in an aerosol generated by irradiating a single pulse of laser light to a reference sample;
By regressing the single pulse response function to the detected signal, predetermining a said mass analyzer specific damping constant tau 1 and tau 2 and the dead time delta, is intended.

本発明の第６の態様である質量分析計は、上記の質量分析計であって、
式（２）において、ξｋ−ｔｉ＝ｔとしたとき、以下の式（３）を満たす、ものである。
A mass spectrometer according to a sixth aspect of the present invention is a mass spectrometer as described above,
When 式k −t i = t in the equation (2), the following equation (3) is satisfied.

本発明の第７の態様である質量分析計は、上記の質量分析計であって、
以下の式（４）を最小化し、かつ、式（５）を満たす条件下で、前記質量ｘｉを算出する、ものである。
ただし、Ｊは前記モデルと観測した信号との間の二乗誤差であり、右辺第２項はＬ２ノルムであり、λはＪの値を最小化するように決定される正規化パラメータであり、式（４）に含まれるベクトル及び行列は以下の式（６）〜（８）で表される。
A mass spectrometer according to a seventh aspect of the present invention is a mass spectrometer as described above,
The following equation (4) is minimized, and the mass x i is calculated under the condition satisfying the equation (5).
Where J is the squared error between the model and the observed signal, the second term on the right side is the L2 norm, λ is a normalization parameter determined to minimize the value of J, and The vectors and matrices included in (4) are expressed by the following equations (6) to (8).

本発明の第８の態様である質量分析計の信号処理方法は、
外部から供給されたキャリアガス中にサンプルを保持可能に構成されたサンプルセルと、
前記サンプルセルに保持された前記サンプルにレーザー光パルスを連続的に照射するレーザー光照射部と、
前記サンプルに前記レーザー光パルスが照射されることで生じたエアロゾルを含むキャリアガスを輸送する輸送管と、
前記輸送管を介して供給された前記エアロゾルを含むキャリアガスをプラズマ化して前記エアロゾルからイオンを生成するイオン生成部と、
前記イオンに含まれる検出対象元素のイオンを分離し、分離した前記検出対象元素のイオンの量を計測して信号を取得する質量分析部と、を備える質量分析計において、
前記質量分析部で検出された前記検出対象元素の信号強度から、連続的に照射されたレーザー光パルスのそれぞれが照射されたときに生じたエアロゾルに含まれる前記検出対象元素の質量を算出し、算出した前記検出対象元素の質量に基づいて前記サンプルにおける前記検出対象元素の濃度分布を取得する、ものである。 According to an eighth aspect of the present invention, there is provided a signal processing method of a mass spectrometer,
A sample cell configured to be able to hold a sample in an externally supplied carrier gas;
A laser beam irradiation unit for continuously irradiating a laser beam pulse to the sample held in the sample cell;
A transport tube for transporting a carrier gas including an aerosol generated by irradiating the sample with the laser light pulse;
An ion generation unit for plasmatizing a carrier gas containing the aerosol supplied via the transport pipe to generate ions from the aerosol;
A mass analysis unit that separates ions of a detection target element contained in the ions and measures an amount of the separated ions of the detection target element to obtain a signal;
From the signal intensity of the detection target element detected by the mass analysis unit, the mass of the detection target element included in the aerosol generated when each of the continuously irradiated laser light pulses is irradiated is calculated; The concentration distribution of the detection target element in the sample is obtained based on the calculated mass of the detection target element.

本発明の第９の態様であるプログラムは、
外部から供給されたキャリアガス中にサンプルを保持可能に構成されたサンプルセルと、
前記サンプルセルに保持された前記サンプルにレーザー光パルスを連続的に照射するレーザー光照射部と、
前記サンプルに前記レーザー光パルスが照射されることで生じたエアロゾルを含むキャリアガスを輸送する輸送管と、
前記輸送管を介して供給された前記エアロゾルを含むキャリアガスをプラズマ化して前記エアロゾルからイオンを生成するイオン生成部と、
前記イオンに含まれる検出対象元素のイオンを分離し、分離した前記検出対象元素のイオンの量を計測して信号を取得する質量分析部と、
前記信号に基づいて前記サンプルにおける前記検出対象元素の濃度分布を取得する演算を行うコンピュータで構成される演算部と、を備え質量分析計において、
前記演算部に、
前記質量分析部で検出された前記検出対象元素の信号強度から、連続的に照射されたレーザー光パルスのそれぞれが照射されたときに生じたエアロゾルに含まれる前記検出対象元素の質量を算出させる処理と、
算出した前記検出対象元素の質量に基づいて前記サンプルにおける前記検出対象元素の濃度分布を取得する処理と、を行わせる、ものである。
プログラム。 A program according to a ninth aspect of the present invention is
A sample cell configured to be able to hold a sample in an externally supplied carrier gas;
A laser beam irradiation unit for continuously irradiating a laser beam pulse to the sample held in the sample cell;
A transport tube for transporting a carrier gas including an aerosol generated by irradiating the sample with the laser light pulse;
An ion generation unit for plasmatizing a carrier gas containing the aerosol supplied via the transport pipe to generate ions from the aerosol;
A mass analysis unit that separates ions of a detection target element contained in the ions and measures the amount of the separated ions of the detection target element to obtain a signal;
An arithmetic unit comprising a computer that performs an operation to acquire the concentration distribution of the detection target element in the sample based on the signal;
In the operation unit,
Processing to calculate the mass of the detection target element contained in the aerosol generated when each of the continuously irradiated laser light pulses is irradiated from the signal intensity of the detection target element detected by the mass analysis unit When,
And a process of acquiring a concentration distribution of the detection target element in the sample based on the calculated mass of the detection target element.
program.

本発明によれば、質量分析計において検出対象元素の濃度分布の空間分解能を向上させることができる。   According to the present invention, it is possible to improve the spatial resolution of the concentration distribution of the detection target element in the mass spectrometer.

実施の形態１にかかる質量分析計の構成を模式的に示す図である。FIG. 1 is a view schematically showing a configuration of a mass spectrometer according to a first embodiment. 輸送管の流れの流速分布を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the flow velocity distribution of the flow of a transport pipe. 輸送によるエアロゾルの拡散希釈の様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of the diffusion dilution of the aerosol by transport. 演算部の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a calculating part. レーザー光のシングルパルスに対応して質量分析部で検出される信号強度分布を示す図である。It is a figure which shows the signal intensity distribution detected in a mass analysis part corresponding to the single pulse of a laser beam. 連続的にレーザー光パルスを照射する場合に質量分析部で検出される信号の分布を示す図である。It is a figure which shows distribution of the signal detected in a mass spectrometry part, when irradiating a laser beam pulse continuously. 質量分析部が検出したイリジウムに対応する信号強度の線プロファイルを示す図である。It is a figure which shows the line profile of the signal strength corresponding to the iridium which the mass spectrometry part detected. 質量分析部が検出したイリジウムに対応する信号強度の線プロファイル（図７）に非負デコンボリューション法による信号処理を適用した後の分布を示す図である。It is a figure which shows distribution after applying the signal processing by the nonnegative deconvolution method to the line profile (FIG. 7) of the signal strength corresponding to the iridium which the mass spectrometry part detected. 図７に示す分布の網掛け部分を拡大した図である。It is the figure which expanded the shaded part of the distribution shown in FIG. 質量分析部が検出したイリジウムに対応する信号強度の線プロファイル（図９）に非負デコンボリューション法による信号処理を適用した後の分布を示す図である。It is a figure which shows distribution after applying the signal processing by the nonnegative deconvolution method to the line profile (FIG. 9) of the signal strength corresponding to the iridium which the mass spectrometry part detected. サンプル上の２．５ｍｍ×２．５ｍｍ四方の領域の光学顕微鏡像、非負デコンボリューション法を適用していない状態の信号強度分布、及び、非負デコンボリューション法の適用後の信号強度分布を示す図である。A diagram showing an optical microscope image of a 2.5 mm × 2.5 mm square area on a sample, a signal intensity distribution without applying the nonnegative deconvolution method, and a signal intensity distribution after applying the nonnegative deconvolution method is there.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals, and the redundant description will be omitted as necessary.

実施の形態１
実施の形態１にかかる質量分析計について説明する。実施の形態１にかかる質量分析計は、レーザーアブレーション質量分析計として、より詳しくはレーザーアブレーション誘導結合プラズマ（ＩＣＰ:Inductively Coupled Plasma）質量分析計として構成される。図１に、実施の形態１にかかる質量分析計１００の構成を模式的に示す。 Embodiment 1
A mass spectrometer according to the first embodiment will be described. The mass spectrometer according to the first embodiment is configured as a laser ablation mass spectrometer, more specifically, as a laser ablation inductively coupled plasma (ICP) mass spectrometer. FIG. 1 schematically shows the configuration of the mass spectrometer 100 according to the first embodiment.

質量分析計１００は、サンプルセル１、レーザー光照射部２、ガス供給管３、輸送管４、イオン生成部５、質量分析部６及び演算部７を有する。   The mass spectrometer 100 includes a sample cell 1, a laser beam irradiation unit 2, a gas supply pipe 3, a transport pipe 4, an ion generation unit 5, a mass analysis unit 6, and a calculation unit 7.

サンプルセル１は、内部空間にサンプル１０を保持可能に構成される。この例では、サンプルセル１は、例えば上面が光を透過させる部材で構成され、例えば図１のＺ方向から照射されたレーザー光２Ａがサンプル１０に到達可能に構成される。   The sample cell 1 is configured to be capable of holding the sample 10 in the inner space. In this example, the sample cell 1 is formed of, for example, a member whose upper surface transmits light, and for example, the laser light 2A irradiated from the Z direction in FIG.

ガス供給管３は、サンプルセル１に外部からキャリアガス３０を供給する。キャリアガス３０としては、例えばヘリウム（Ｈｅ）が用いられる。   The gas supply pipe 3 supplies the carrier gas 30 to the sample cell 1 from the outside. For example, helium (He) is used as the carrier gas 30.

レーザー光照射部２は、サンプルセル１内に保持されたサンプル１０にレーザー光のパルスを照射可能に構成される。このときのレーザー光パルスのパルス幅は、例えば５〜１０［ｎｓｅｃ］である。また、レーザー光照射部２は、レーザー光パルスでサンプル表面をＸ−Ｙ平面内で走査、すなわちラスタースキャンすることができる。なお、このＸ−Ｙ平面内におけるレーザー光パルスのラスタースキャンは、レーザー光照射部２を移動させ、又は、レーザー光２Ａの出射方向を変化させることで実現してもよいし、サンプルセル１に対するレーザー光照射部２の位置を固定し、サンプル１０が保持されたステージ（不図示）をＸ方向及びＹ方向の一方又は両方に移動させることで実現してもよい。   The laser light irradiator 2 is configured to be capable of irradiating the sample 10 held in the sample cell 1 with a pulse of laser light. The pulse width of the laser light pulse at this time is, for example, 5 to 10 [nsec]. In addition, the laser light irradiation unit 2 can scan the sample surface in the XY plane, that is, raster scan, with the laser light pulse. The raster scan of the laser light pulse in the XY plane may be realized by moving the laser light irradiation unit 2 or changing the emission direction of the laser light 2A. The position of the laser beam irradiation unit 2 may be fixed, and the stage (not shown) on which the sample 10 is held may be moved in one or both of the X direction and the Y direction.

サンプル１０にレーザー光パルスが照射されると、いわゆるレーザーアブレーションによりエアロゾル２０が生じる。具体的には、レーザー光パルスが照射されたサンプル１０の表面層がレーザー光励起による振動で分子間の結合が切られるか、あるいは振動により発生した高温により蒸発するなどして発生した原子、分子及びこれらのクラスターからなるエアロゾル２０が生じる。このエアロゾル２０は、キャリアガス３０によって、輸送管４を介してイオン生成部５へ輸送される。レーザーアブレーションによって生じるエアロゾル２０は、例えば１０〜５００ｎｍの直径（中央値は、１００〜１５０ｎｍ）を有する懸濁物として、キャリアガス３０中に含まれる。   When the sample 10 is irradiated with a laser light pulse, an aerosol 20 is generated by so-called laser ablation. Specifically, atoms, molecules, and the like which are generated when the surface layer of the sample 10 irradiated with the laser light pulse is broken by intermolecular bonding by vibration due to laser light excitation, or evaporated due to high temperature generated by vibration. An aerosol 20 consisting of these clusters is produced. The aerosol 20 is transported by the carrier gas 30 to the ion generation unit 5 via the transport pipe 4. The aerosol 20 generated by laser ablation is contained in the carrier gas 30 as a suspension having a diameter of 10 to 500 nm (median is 100 to 150 nm), for example.

輸送管４は、例えば直径が４ｍｍの管である。輸送管４は、キャリアガス３０とともに輸送管４を流れるエアロゾル２０の拡散希釈及びウォッシュアウトが層流の状態で生じるように構成される。輸送管４の内壁面近傍ではガスの流速が遅くなるので、輸送管４の中では流速ｖに分布が生じる。図２に、輸送管４の流れの流速分布を模式的に示す。この流速分布と拡散とにより、エアロゾル２０が輸送管４によって輸送されるにつれて、エアロゾル２０に分布が生じ、希釈される。   The transport pipe 4 is, for example, a pipe having a diameter of 4 mm. The transport tube 4 is configured such that diffusive dilution and washout of the aerosol 20 flowing through the transport tube 4 with the carrier gas 30 occurs in a laminar flow. In the vicinity of the inner wall surface of the transport pipe 4, the flow velocity of the gas is slowed, so that a distribution occurs in the flow velocity v in the transport pipe 4. The flow velocity distribution of the flow of the transport pipe 4 is schematically shown in FIG. Due to the flow velocity distribution and the diffusion, as the aerosol 20 is transported by the transport pipe 4, a distribution occurs in the aerosol 20 and is diluted.

図３に、輸送によるエアロゾル２０の拡散希釈の様子を示す。図１に示すように、領域Ａは輸送管４のサンプルセル１側の入り口付近であり、領域Ｂは輸送管４の中間付近であり、領域Ｃは輸送管４のイオン生成部５側の出口付近である。図３からわかるように、エアロゾル２０はサンプルセル１で発生し、その直後の領域Ａでは未だ拡散することなく分布している。領域Ｂでは、流速差及び拡散によって、エアロゾル２０が流れ方向に分布している。領域Ｃでは、エアロゾル２０が更に拡散し、流れ方向の広い範囲に分布が広がってしまう。   FIG. 3 shows the state of diffusion dilution of the aerosol 20 by transportation. As shown in FIG. 1, the region A is near the entrance of the transport tube 4 on the sample cell 1 side, the region B is near the middle of the transport tube 4, and the region C is the exit of the transport tube 4 on the ion generating portion 5 side. It is near. As can be seen from FIG. 3, the aerosol 20 is generated in the sample cell 1 and is distributed without spreading in the region A immediately after that. In the region B, the aerosol 20 is distributed in the flow direction by the flow velocity difference and the diffusion. In the region C, the aerosol 20 further diffuses, and the distribution spreads over a wide range in the flow direction.

イオン生成部５は、輸送管４を通じて、レーザーアブレーションで蒸発したエアロゾル２０を含むガスが供給される。このとき、イオン生成部５でのガスのプラズマ化を実現するため、メイクアップガス３１が一般に含まれる。メイクアップガス３１としては一般にアルゴンガスが用いられる。アルゴンガスは、ガス供給管３によってサンプルセル１にキャリアガス３０とともに供給されてもよいし、サンプルセル１とイオン生成部５との間で輸送管４に供給されてもよい。イオン生成部５は、供給されたガスに高周波磁場を印加して誘導結合プラズマを発生させる、これにより、レーザーアブレーションで蒸発したエアロゾル２０がイオン化される。イオン化されたエアロゾル２０を含むガスは、例えばイオンレンズ（不図示）によって引き出されて、質量分析部６へ向けて収束される。   The ion generation unit 5 is supplied with a gas including the aerosol 20 evaporated by the laser ablation through the transport pipe 4. At this time, a makeup gas 31 is generally included to realize the plasma formation of the gas in the ion generation unit 5. Generally, argon gas is used as the makeup gas 31. The argon gas may be supplied together with the carrier gas 30 to the sample cell 1 by the gas supply pipe 3, or may be supplied to the transport pipe 4 between the sample cell 1 and the ion generation unit 5. The ion generator 5 applies a high frequency magnetic field to the supplied gas to generate an inductively coupled plasma, whereby the aerosol 20 evaporated by the laser ablation is ionized. The gas containing the ionized aerosol 20 is extracted by, for example, an ion lens (not shown) and focused toward the mass analysis unit 6.

質量分析部６は、エアロゾル２０から生じたイオンのうちで検出対象元素のイオンを質量分離し、分離したイオンの量（すなわち数）を計測することで信号を生成する。計測は、後述するように、所定の間隔で行われる。このとき、質量分析部６は、分離したイオンのカウント数を信号強度として取得する。取得した信号は、演算部７に出力される。   The mass analysis unit 6 mass separates ions of the detection target element among the ions generated from the aerosol 20, and generates a signal by measuring the amount (that is, the number) of the separated ions. The measurement is performed at predetermined intervals as described later. At this time, the mass analysis unit 6 acquires the count number of separated ions as a signal intensity. The acquired signal is output to the calculation unit 7.

演算部７は、質量分析部６が生成した信号に対して信号処理を行い、サンプル１０における検出対象元素の濃度分布を取得する。   The calculation unit 7 performs signal processing on the signal generated by the mass analysis unit 6, and acquires the concentration distribution of the detection target element in the sample 10.

演算部７は、質量分析部６での分析結果を、サンプルセル１におけるサンプル１０のレーザー光の照射位置と時間的に同期させる。換言すれば、演算部７は、質量分析により得られた各計測時刻における検出イオンの信号強度をレーザー光パルスの照射タイミング、すなわち照射位置と関連付ける。これにより、検出イオンの信号強度のＸ−Ｙ平面における二次元像、すなわち、検出対象とした元素の二次元濃度分布を取得することができる。   The calculation unit 7 temporally synchronizes the analysis result of the mass analysis unit 6 with the irradiation position of the laser light of the sample 10 in the sample cell 1. In other words, the calculation unit 7 associates the signal intensity of the detected ion at each measurement time obtained by mass analysis with the irradiation timing of the laser light pulse, that is, the irradiation position. As a result, it is possible to obtain a two-dimensional image of the signal intensity of the detected ion in the X-Y plane, that is, a two-dimensional concentration distribution of the element to be detected.

演算部７の構成を図４に示す。演算部７は、制御部７１、メモリ７２、信号処理部７３及び像生成部７４を有する。制御部７１は、レーザー光照射部２の動作を制御信号ＣＯＮにより制御可能に構成される。レーザー光照射部２が照射するレーザー光の強度、パルス間隔、パルスの照射回数等の情報ＤＡＴ１は、例えばメモリ７２に予め格納されており、制御部７１は、必要応じてこれらの情報ＤＡＴ１をメモリ７２から読み出し、レーザー光照射部２の動作の制御に用いることができる。   The configuration of the calculation unit 7 is shown in FIG. The calculation unit 7 includes a control unit 71, a memory 72, a signal processing unit 73, and an image generation unit 74. The control unit 71 is configured to be able to control the operation of the laser beam irradiation unit 2 by the control signal CON. The information DAT1 such as the intensity of the laser beam irradiated by the laser beam irradiation unit 2, pulse intervals, the number of times of pulse irradiation, etc. is stored in advance in the memory 72, for example, and the control unit 71 stores these information DAT1 as needed. 72 can be read out and used to control the operation of the laser beam irradiation unit 2.

信号処理部７３は、質量分析部６で検出された信号ＳＩＧが入力される。そして、信号処理部７３は、後述する非負デコンボリューション（ＮＤ：Non-negative Deconvolution）法を用いた信号処理を入力された信号に対して行い、レーザー光パルスのそれぞれが照射されたことによって生じたエアロゾル２０に含まれる検出対象元素の質量（図４の信号ＳＩＧ＿ＮＤ）を算出することができる。このとき、信号処理に必要なパラメータを示す情報ＤＡＴ２は、は予めメモリ７２に格納されており、信号処理部７３は必要に応じてメモリ７２から情報ＤＡＴ２を読み出すことができる。   The signal processing unit 73 receives the signal SIG detected by the mass analysis unit 6. Then, the signal processing unit 73 performs signal processing using a non-negative deconvolution (ND) method described later on the input signal, and is generated by the irradiation of each of the laser light pulses. The mass of the detection target element contained in the aerosol 20 (signal SIG_ND in FIG. 4) can be calculated. At this time, the information DAT2 indicating the parameters necessary for signal processing is stored in advance in the memory 72, and the signal processing unit 73 can read the information DAT2 from the memory 72 as needed.

像生成部７４は、信号処理部７３で算出された各レーザー光パルスに対応する検出対象元素の質量（図４の信号ＳＩＧ＿ＮＤ）を、パルスが照射された位置と関連付け、二次元平面上にプロットする。これにより、像生成部７４は、サンプルの表面における検出対象元素の濃度分布（図４の符号ＩＭＧ）を取得することができる。例えば、サンプルのパルス照射位置に関する情報ＤＡＴ３は予めメモリ７２に格納されており、像生成部７４は、必要に応じてメモリ７２から情報ＤＡＴ３を読み出すことができる。   The image generation unit 74 plots the mass of the element to be detected (signal SIG_ND in FIG. 4) corresponding to each laser light pulse calculated by the signal processing unit 73 with the position where the pulse is irradiated, and plots it on a two-dimensional plane. Do. Thereby, the image generation unit 74 can acquire the concentration distribution (symbol IMG in FIG. 4) of the detection target element on the surface of the sample. For example, the information DAT3 related to the pulse irradiation position of the sample is stored in advance in the memory 72, and the image generation unit 74 can read the information DAT3 from the memory 72 as needed.

なお、演算部７の動作の詳細については、別途説明する。   The details of the operation of the arithmetic unit 7 will be separately described.

次いで、質量分析部６での検出結果について検討する。質量分析部６での検出結果は、図３の領域Ｃに示すように、エアロゾル２０の分布が拡散希釈により広がっている。そのため、ある時刻にレーザー光が照射されることで生じたエアロゾル２０に対応して検出される信号は、急峻なピークを有する分布ではなく、最大値をとってから時間の経過とともに徐々に減衰してゆく分布を有することとなる。図５に、レーザー光のシングルパルスに対応して質量分析部６で検出される信号強度分布を示す。図５に示すように、５〜１０［ｎｓｅｃ］のパルス幅のシングルパルスを照射したにもかかわらず、輸送過程の拡散希釈により、信号の検出範囲が５０００ｍｓにまで広がってしまうことが理解できる。   Next, the detection result of the mass analysis unit 6 will be examined. In the detection result of the mass spectrometry unit 6, as shown in area C of FIG. 3, the distribution of the aerosol 20 is spread by diffusion dilution. Therefore, the signal detected corresponding to the aerosol 20 generated by irradiating the laser light at a certain time is not a distribution having a sharp peak but gradually attenuates with the passage of time after the maximum value is taken. It will have a moving distribution. FIG. 5 shows a signal intensity distribution detected by the mass analysis unit 6 in response to a single pulse of laser light. As shown in FIG. 5, it can be understood that the signal detection range is extended to 5000 ms due to the diffusion dilution in the transport process despite the irradiation with a single pulse having a pulse width of 5 to 10 [nsec].

また、レーザー光をパルス状に連続的に照射すると、これらの時間的分布を有する信号が連続的に検出される。図６に、連続的にレーザー光パルスを照射する場合に質量分析部６で検出される信号の分布を示す。上記したとおり、１つのパルスに対応する検出信号の分布は５０００ｍｓ程度の範囲に広がるため、パルス間の間隔が短い場合には、複数のパルスに対応する複数の信号分布（図６の破線で示す波形）に重なりが生じ、複数の信号分布の積分信号（図６の実線で示す波形）が検出されてしまう。図６では、パルスの照射時刻を×で表示している。このため、各パルスに対応する信号が埋没してしまい、結果として信号強度の二次元像の空間分解能が低下してしまう。   In addition, when the laser light is continuously irradiated in the form of pulses, signals having these temporal distributions are continuously detected. FIG. 6 shows the distribution of signals detected by the mass analysis unit 6 when the laser light pulse is continuously irradiated. As described above, since the distribution of the detection signal corresponding to one pulse spreads in a range of about 5000 ms, when the interval between the pulses is short, a plurality of signal distributions corresponding to a plurality of pulses (indicated by a broken line in FIG. Overlapping occurs in the waveforms, and integrated signals (waveforms shown by solid lines in FIG. 6) of a plurality of signal distributions are detected. In FIG. 6, the irradiation time of the pulse is indicated by x. For this reason, the signal corresponding to each pulse is buried, and as a result, the spatial resolution of the two-dimensional image of the signal intensity is reduced.

これを解決するには、輸送管４の直径を小さくして輸送管壁面におけるガスの相対的流速低下を抑制するなど、質量分析計の物理的構成を改善することが考え得る。しかしながら、境界層による流速分布は必然的に生じるため、物理的構成を改善したとしても、エアロゾル２０の拡散希釈の抑制には限界がある。   In order to solve this, it can be considered to improve the physical configuration of the mass spectrometer, such as reducing the diameter of the transport pipe 4 to suppress the decrease in relative flow velocity of gas on the transport pipe wall surface. However, since the flow velocity distribution by the boundary layer inevitably occurs, the suppression of the diffusive dilution of the aerosol 20 is limited even if the physical configuration is improved.

そこで、本実施の携帯にかかる質量分析計１００では、演算部７における信号処理により、サンプルのＸ−Ｙ平面における二次元像の空間分解能を向上させる。以下では、輸送管４を流れるガスによるエアロゾル２０の輸送を、層流における線形動的モデルを用いて表現する。   Therefore, in the mass spectrometer 100 according to the present embodiment, the spatial resolution of the two-dimensional image on the X-Y plane of the sample is improved by the signal processing in the computing unit 7. In the following, transport of the aerosol 20 by the gas flowing through the transport pipe 4 is expressed using a linear dynamic model in laminar flow.

ここで、レーザー光の単一パルスによって生じる、時刻ｔにおける信号強度ｙ（ｔ）を以下の式（９）のモデルで表す。
ただし、ｘは、レーザー光のシングルパルスによって生じたエアロゾル２０の時刻ｔ＝０における全質量を示す。ｇ（ｔ）は、輸送中のエアロゾル２０の拡散希釈及びウォッシュアウトの時間的プロファイルを表すシングルパルス応答関数である。 Here, the signal intensity y (t) at time t, which is generated by a single pulse of laser light, is expressed by the model of the following equation (9).
Here, x represents the total mass at time t = 0 of the aerosol 20 generated by a single pulse of laser light. g (t) is a single pulse response function that represents the temporal profile of diffusion dilution and washout of the aerosol 20 during transport.

このシングルパルス応答関数は、以下の式（１０）で表される。
ただし、τ１及びτ２はエアロゾル輸送過程の減衰定数であり、Δはエアロゾルの輸送過程の無駄時間であり、装置固有の予め定められた値を有する。なお、サンプル中の元素の量を保存するため、ｇ（ｔ）は以下の式（１１）を満たすように設定される。
This single pulse response function is expressed by the following equation (10).
Where τ 1 and τ 2 are the attenuation constants of the aerosol transport process, and Δ is the dead time of the aerosol transport process, having a predetermined value specific to the device. In addition, in order to preserve | save the quantity of the element in a sample, g (t) is set so that the following formula | equation (11) may be satisfy | filled.

ｇ（ｔ）に含まれるパラメータτ１、τ２及びΔは、サンプル１０の二次元像を取得する前の準備実験又は校正作業として、基準サンプルにレーザー光のシングルパルスを照射して信号を検出し、最小自乗法を用いてフィッティングすることで求めることができる。ｇ（ｔ）に含まれるパラメータτ１、τ２及びΔは、質量分析計及び検出対象元素に対して固有の値となる。したがって、この準備実験又は校正作業は、質量分析計ごとに、かつ、検出対象元素ごとに行う必要がある。 Parameters τ 1 , τ 2 and Δ included in g (t) detect a signal by irradiating a single pulse of laser light to a reference sample as a preparatory experiment or calibration before acquiring a two-dimensional image of the sample 10 It can be determined by fitting using the least squares method. The parameters τ 1 , τ 2 and Δ contained in g (t) have unique values for the mass spectrometer and the element to be detected. Therefore, this preparatory experiment or calibration operation needs to be performed for each mass spectrometer and for each element to be detected.

次いで、演算部７の信号処理について詳しく説明する。サンプル１０の検出対象元素の濃度分布を示す二次元像を取得する場合、サンプル１０にレーザー光パルスを連続的に照射した状態で信号強度を測定する。このときのレーザー光パルスの照射は、制御部７１によって制御される。この場合、上述の図６に示したような信号分布が得られる。ここで、ラスタースキャンによるレーザー光パルスの照射回数をＮ（Ｎは１以上の整数）としたとき、時刻（ｔ）における信号強度ｙ（ｔ）は、レーザー光のシングルパルスに対応する式（９）のモデルの重ね合わせとして、以下の式（１２）で表される。
ただし、ｘｉは、ｉ（iは、１≦ｉ≦Ｎを満たす整数）番目のレーザー光パルスによって生じたエアロゾル２０に含まれる検出対象元素の時刻ｔｉにおける全質量である。 Next, signal processing of the calculation unit 7 will be described in detail. When acquiring a two-dimensional image showing the concentration distribution of the detection target element of the sample 10, the signal intensity is measured in a state in which the sample 10 is continuously irradiated with the laser light pulse. The irradiation of the laser light pulse at this time is controlled by the control unit 71. In this case, a signal distribution as shown in FIG. 6 described above is obtained. Here, when it is assumed that the number of times of laser light pulse irradiation by raster scan is N (N is an integer of 1 or more), the signal intensity y (t) at time (t) is an equation (9) corresponding to a single pulse of laser light. It is represented by the following equation (12) as superposition of the model of.
However, x i is the total mass at time t i of the detection target element contained in the aerosol 20 generated by the i-th (i is an integer satisfying 1 ≦ i ≦ N) laser beam pulse.

ここで、信号強度ｙ（ｔ）の計測時刻をξｋ（ｋは、１≦ｋ≦Ｍを満たす整数、ただし、Ｍは１以上の整数であり、計測回数である）とすると、Ｍ回取得された信号強度を式（１３）で示すベクトルで表記できる。
Here, assuming that the measurement time of the signal strength y (t) is ξ k (k is an integer satisfying 1 ≦ k ≦ M, where M is an integer of 1 or more and is the number of times of measurement), M times are acquired The signal strength thus obtained can be expressed by the vector shown by equation (13).

また、上記のｘｉ（１≦ｉ≦Ｎ）は、以下の式（１４）で示すベクトルで表記できる。
Moreover, said x i (1 <= i <= N) can be described with the vector shown by the following formula (14).

ξｋ、ｔiのそれぞれに対応する関数ｇ（ｔ）は、式（１０）より、以下の式（１５）で表記できる。
以上より、式（１５）で示される応答関数ｇ（ξｋ−ｔｉ）を要素とする行列Ｇを用いると、以下の式（１６）が成立する。
ただし、ｓはノイズを示すベクトルである。式（１５）より、行列Ｇは以下の式（１７）で表される。
よって、式（１６）は、以下の式（１８）となる。
The function g (t) corresponding to each of 、 k and t i can be expressed by the following equation (15) from the equation (10).
From the above, when the matrix G having the response function g (ξ k −t i ) represented by the equation (15) as an element is used, the following equation (16) is established.
Where s is a vector indicating noise. From equation (15), the matrix G is expressed by the following equation (17).
Therefore, equation (16) becomes equation (18) below.

しかし、行列Ｇはフルランクではないので、式（１８）は不定となり、このままでは解を得ることができない。そこで、本実施の形態では、質量分析計の特性から以下の条件を導入する。   However, since the matrix G is not full rank, equation (18) is undefined, and no solution can be obtained as it is. Therefore, in the present embodiment, the following conditions are introduced from the characteristics of the mass spectrometer.

まず、式（１８）に対する正則化について、以下の式（１９）が成立する。本実施の形態では、式（１９）で示すモデルと観測した信号との間の二乗誤差Ｊが最小となる条件下で、式（１８）が解かれるものとする。
ただし、右辺第２項はＬ２ノルムであり、λは正規化パラメータである。ここでは、λは、Ｊの値を最小化するように決定される。 First, the following equation (19) is established for regularization with respect to equation (18). In the present embodiment, it is assumed that the equation (18) is solved under the condition that the square error J between the model represented by the equation (19) and the observed signal is minimum.
However, the second term on the right side is L2 norm, and λ is a normalization parameter. Here, λ is determined to minimize the value of J.

Ｌ２ノルム正規化項に加えて、さらに、エアロゾル２０に含まれる検出対象元素の全質量を示すｘｉは負の値となることはないという制約を課す。この制約は、以下の式（２０）で表される。
In addition to the L2 norm normalization term, further, a constraint is imposed that x i indicating the total mass of the detection target element contained in the aerosol 20 can not be a negative value. This constraint is expressed by the following equation (20).

上記の式（１９）及び（２０）で示す条件を式（１８）に課した上で、質量ｘｉをそれぞれ求める本手法を、非負デコンボリューション法と称する。信号処理部７３は、非負デコンボリューション法を用いた信号処理を行うことで、レーザー光パルスのそれぞれによって蒸発したエアロゾル２０に含まれる検出対象元素の全質量ｘｉを求めることができる。つまり、上述したように、拡散希釈により広がった分布を有する検出信号を非負デコンボリューション法で信号処理することで、レーザー光パルスのそれぞれが照射された時刻ｔｉにキャリアガス中に放出された検出対象元素の質量ｘｉを精度よく見積もることができる。そして、像生成部７４が、各パルスに対応して算出された質量ｘｉをプロットすることで、輸送による拡散希釈の影響を除去した検出対象元素の二次元濃度分布を取得することができる。 The present method for obtaining the mass x i after imposing the conditions shown by the above formulas (19) and (20) in the formula (18) is referred to as a nonnegative deconvolution method. The signal processing unit 73 can obtain the total mass x i of the detection target element contained in the aerosol 20 evaporated by each of the laser light pulses by performing signal processing using the nonnegative deconvolution method. That is, as described above, the detection signal having a distribution spread by diffusion dilution is processed by the non-negative deconvolution method, so that the detection is performed in the carrier gas at the time t i when each of the laser light pulses is irradiated. The mass x i of the target element can be estimated accurately. Then, by plotting the mass x i calculated corresponding to each pulse, the image generation unit 74 can obtain a two-dimensional concentration distribution of the detection target element from which the influence of diffusion dilution due to transport has been removed.

以下、質量分析計１００における非負デコンボリューション法を用いた二次元像取得の有利性について検証する。まず、質量分析計１００を用いて、隕石サンプルに含まれるイリジウム（Ｉｒ）ナノ粒子を測定した。ここでは、隕石のサンプルをスライスし、エポキシ樹脂上にマウントして表面を研磨した。レーザー光パルスの繰り返し率は、０．００４［ｓｅｃ／ｐｕｌｓｅ］、すなわち２５０Ｈｚである。信号の計測の間隔は、０．００４［ｓｅｃ／ｐｕｌｓｅ］であり、すなわち計測の周波数は２５０Ｈｚである。レーザー光の走査速度は２［μｍ／ｓｅｃ］である。ｇ（ｔ）のパラメータは、τ１＝０．８７６２［ｓｅｃ］、τ２＝０．８１８７［ｓｅｃ］、Δ＝０．３６６５とした。この条件で、サンプル上の約１４００μｍを直線状に走査し、検出対象元素であるイリジウムの信号強度の線プロファイルを取得した。 Hereinafter, the advantages of two-dimensional image acquisition using the nonnegative deconvolution method in the mass spectrometer 100 will be verified. First, iridium (Ir) nanoparticles contained in a fluorite sample were measured using a mass spectrometer 100. Here, a sample of vermiculite was sliced and mounted on epoxy resin to polish the surface. The repetition rate of the laser light pulse is 0.004 [sec / pulse], that is, 250 Hz. The measurement interval of the signal is 0.004 [sec / pulse], that is, the measurement frequency is 250 Hz. The scanning speed of the laser beam is 2 μm / sec. The parameters of g (t) are τ 1 = 0.8762 [sec], τ 2 = 0.8187 [sec], and Δ = 0.3665. Under this condition, approximately 1400 μm on the sample was linearly scanned, and a line profile of signal intensity of iridium as an element to be detected was obtained.

図７に、質量分析部６が検出したイリジウムに対応する信号強度の線プロファイルを示す。図７に示す分布は、質量分析部６が検出した時点では、非負デコンボリューション法による信号処理が行われていない。なお、高い周波数で計測を行うため、信号強度は量子化されている。また、図９に、図７に示す分布の網掛け部を拡大した図を示す。   The line profile of the signal intensity corresponding to the iridium which the mass spectrometry part 6 detected in FIG. 7 is shown. The distribution shown in FIG. 7 is not subjected to signal processing by the nonnegative deconvolution method when detected by the mass analysis unit 6. Note that the signal strength is quantized in order to perform measurement at a high frequency. Further, FIG. 9 shows an enlarged view of a shaded portion of the distribution shown in FIG.

図８に、質量分析部６が検出したイリジウムに対応する信号強度の線プロファイル（図７）に非負デコンボリューション法による信号処理を適用した後の分布を示す。なお、高い周波数で計測を行うため、信号強度は量子化されている。図８に示す分布は、図７に示す分布と比べて、各パルスに対応する信号強度が分離されるため、ピークが明確に分離しており、かつ、量子化されパルス状になった観測信号から連続分布のピーク信号が検出されている。観測信号と処理後の信号とはピーク強度が異なっているが、イオンの総量は保存されている。   FIG. 8 shows a distribution after applying signal processing by the non-negative deconvolution method to the line profile (FIG. 7) of signal intensity corresponding to iridium detected by the mass analysis unit 6. Note that the signal strength is quantized in order to perform measurement at a high frequency. As compared with the distribution shown in FIG. 7, in the distribution shown in FIG. 8, the signal intensity corresponding to each pulse is separated, so the peaks are clearly separated, and the observation signal in a quantized and pulse form The peak signal of continuous distribution is detected from. Although the observed signal and the processed signal have different peak intensities, the total amount of ions is preserved.

図１０に、図９に示す信号分布を非負デコンボリューション法によって処理するに当たり、一般化誤差（ＧＥ）とλの値との関係を併せて表示している。ここでは、一般化誤差を最小にするλ＝０．００３１６を用いて、信号処理を行った。図１０に示すように、信号を量子化した状態でも非負デコンボリューション法が好適に適用することができ、高い分解能を実現できることが確認できた。また、図１０には、１０２０［μｍ］付近のピークを拡大して表示したが、１μｍよりも小さな半値全幅（ＦＷＨＭ：full width at half maximum）を有する急峻なピークが得られていることがわかる。これにより、サブミクロンの、すなわち１μｍよりも小さな分解能を有する像を得ることができる。   FIG. 10 shows the relationship between the generalized error (GE) and the value of λ when processing the signal distribution shown in FIG. 9 by the nonnegative deconvolution method. Here, signal processing was performed using λ = 0.00316 which minimizes the generalization error. As shown in FIG. 10, it has been confirmed that the nonnegative deconvolution method can be suitably applied even in the state where the signal is quantized, and high resolution can be realized. Moreover, although the peak around 1020 [μm] is enlarged and displayed in FIG. 10, it can be seen that a sharp peak having a full width at half maximum (FWHM) smaller than 1 μm is obtained. . This makes it possible to obtain an image having a resolution of submicron, ie smaller than 1 μm.

次に、サンプル上の２．５ｍｍ×２．５ｍｍ四方の領域からイリジウム（Ｉｒ）の分布像を取得した。図１１に、サンプル上の２．５ｍｍ×２．５ｍｍ四方の領域の光学顕微鏡像、非負デコンボリューション法を適用していない状態の信号強度分布、及び、非負デコンボリューション法の適用後の信号強度分布を示す。   Next, a distribution image of iridium (Ir) was acquired from a 2.5 mm × 2.5 mm square area on the sample. In FIG. 11, an optical microscope image of a 2.5 mm × 2.5 mm square area on a sample, a signal intensity distribution in a state where the nonnegative deconvolution method is not applied, and a signal intensity distribution after application of the nonnegative deconvolution method Indicates

図１１に示すように、非負デコンボリューション法の適用後の二次元像は、非負デコンボリューション法を適用していない状態の二次元像と比べて、像の輪郭が明確になっており、像の鮮鋭化が実現されていることが理解できる。   As shown in FIG. 11, the two-dimensional image after application of the nonnegative deconvolution method has a clear image contour compared to the two-dimensional image in the state where the nonnegative deconvolution method is not applied, and the image It can be understood that sharpening is realized.

以上説明したように、実施の形態１にかかる質量分析計１００によれば、レーザーアブレーションによって生じたエアロゾル２０中の粒子をＩＣＰ質量分析計で検出し、非負デコンボリューション法によって検出結果に含まれるエアロゾル２０の拡散希釈の影響を低減することで、より分解能が高い２次元イメージングを実現することができる。   As described above, according to the mass spectrometer 100 of the first embodiment, the particles in the aerosol 20 generated by laser ablation are detected by the ICP mass spectrometer, and the aerosol included in the detection result by the nonnegative deconvolution method. By reducing the influence of diffusion dilution of 20, two-dimensional imaging with higher resolution can be realized.

また、非負デコンボリューションは、質量分析計の物理的構成を変更することなく、一般的な質量分析計での検出結果に適用することが可能である。さらに、非負デコンボリューションは、細胞から組織に至る有機体や無機鉱物など、分析対象となるサンプルの種類によらず適用することが可能である。すなわち、本実施の携帯にかかる非負デコンボリューション法による信号処理は、汎用性が高い質量分析手法である。   Also, non-negative deconvolution can be applied to detection results of a general mass spectrometer without changing the physical configuration of the mass spectrometer. Furthermore, non-negative deconvolution can be applied regardless of the type of sample to be analyzed, such as organisms from cells to tissues and inorganic minerals. That is, the signal processing by the non-negative deconvolution method according to the present embodiment is a highly versatile mass analysis method.

また、上述したように、準備実験又は校正作業を質量分析計ごとに、かつ、検出対象元素ごとに行うことで、異なる質量分析計、異なる検出対象元素に対しても非負デコンボリューション法を容易に適用することができる。   Also, as described above, by performing preparatory experiments or calibration operations for each mass spectrometer and for each detection target element, non-negative deconvolution methods can be easily performed for different mass spectrometers and different detection target elements. It can apply.

その他の実施の形態
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上述では、隕石サンプルの組成分析について説明したが、生体試料などの有機体など、他のサンプルの分析を行うこともできる。また、サンプル自体の組成分析のみならず、物体に付着した１μｍ以下の微粒子の検出や組成分析を行うことも可能である。 Other Embodiments Note that the present invention is not limited to the above embodiment, and can be appropriately modified without departing from the scope of the present invention. For example, although the compositional analysis of a meteoritic sample is described above, analysis of other samples, such as organisms such as biological samples, can also be performed. Moreover, not only composition analysis of the sample itself but also detection and composition analysis of fine particles of 1 μm or less attached to an object can be performed.

上述の実施の形態では、演算部７は像生成部７４を有するものとして説明したが、これは例示に過ぎず、信号処理部７３で算出された各レーザー光パルスに対応する検出対象元素の質量に基づいてサンプルの表面における検出対象元素の濃度分布を取得することは、他の構成においても実現することが可能である。例えば、信号処理部７３に像生成部７４の機能を併合してもよい。または、像生成部７４を含む、画像処理能力が高い信号処理装置を演算部７とは別に設けてもよい。   Although the arithmetic unit 7 is described as having the image generation unit 74 in the above embodiment, this is merely an example, and the mass of the detection target element corresponding to each laser light pulse calculated by the signal processing unit 73 Obtaining the concentration distribution of the element to be detected on the surface of the sample based on can be realized also in other configurations. For example, the function of the image generation unit 74 may be merged with the signal processing unit 73. Alternatively, a signal processing device having high image processing capability, including the image generation unit 74, may be provided separately from the calculation unit 7.

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた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において種々の変更が可能であることはいうまでもない。   As mentioned above, although the invention made by the present inventor was concretely explained based on an embodiment, the present invention is not limited to the embodiment mentioned already, A various change in the range which does not deviate from the gist It goes without saying that it is possible.

１ サンプルセル
２ レーザー光照射部
２Ａ レーザー光
３ ガス供給管
４ 輸送管
５ イオン生成部
６ 質量分析部
７ 演算部
１０ サンプル
２０ エアロゾル
３０ キャリアガス
３１ メイクアップガス
７１ 制御部
７２ メモリ
７３ 信号処理部
７４ 像生成部
１００ 質量分析計 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 sample cell 2 laser beam irradiation part 2A laser beam 3 gas supply pipe 4 transport pipe 5 ion generation part 6 mass analysis part 7 calculation part 10 sample 20 aerosol 30 carrier gas 31 makeup gas 71 control part 72 memory 73 signal processing part 74 Image generator 100 mass spectrometer

Claims (9)

外部から供給されたキャリアガス中にサンプルを保持可能に構成されたサンプルセルと、
前記サンプルセルに保持された前記サンプルにレーザー光パルスを連続的に照射するレーザー光照射部と、
前記サンプルに前記レーザー光パルスが照射されることで生じたエアロゾルを含むキャリアガスを輸送する輸送管と、
前記輸送管を介して供給された前記エアロゾルを含むキャリアガスをプラズマ化して前記エアロゾルからイオンを生成するイオン生成部と、
前記イオンに含まれる検出対象元素を分離し、分離した前記検出対象元素のイオンの量を計測して信号を取得する質量分析部と、
前記質量分析部で検出された前記検出対象元素の信号強度から、連続的に照射されたレーザー光パルスのそれぞれが照射されたときに生じたエアロゾルに含まれる前記検出対象元素の質量を算出し、算出した前記検出対象元素の質量に基づいて前記サンプルにおける前記検出対象元素の濃度分布を取得する演算部と、を備える、
質量分析計。 A sample cell configured to be able to hold a sample in an externally supplied carrier gas;
A laser beam irradiation unit for continuously irradiating a laser beam pulse to the sample held in the sample cell;
A transport tube for transporting a carrier gas including an aerosol generated by irradiating the sample with the laser light pulse;
An ion generation unit for plasmatizing a carrier gas containing the aerosol supplied via the transport pipe to generate ions from the aerosol;
A mass analysis unit that separates a detection target element contained in the ions, measures the amount of the separated detection target element ions, and acquires a signal;
From the signal intensity of the detection target element detected by the mass analysis unit, the mass of the detection target element included in the aerosol generated when each of the continuously irradiated laser light pulses is irradiated is calculated; An arithmetic unit for acquiring a concentration distribution of the detection target element in the sample based on the calculated mass of the detection target element;
Mass spectrometer. 前記サンプルセル及び前記レーザー光照射部は、連続的に照射される前記レーザー光パルスによって前記サンプルの表面を走査可能に構成される、
請求項１に記載の質量分析計。 The sample cell and the laser beam irradiation unit are configured to be able to scan the surface of the sample by the laser beam pulse sequentially irradiated.
A mass spectrometer according to claim 1. 前記サンプルセル及び前記レーザー光照射部は、連続的に照射される前記レーザー光パルスによる前記サンプルの表面のラスタースキャンが可能に構成され、
前記演算部は、前記サンプルにおける前記検出対象元素の濃度分布の二次元像を取得する、
請求項１又は２に記載の質量分析計。 The sample cell and the laser beam irradiation unit are configured to enable raster scan of the surface of the sample by the laser beam pulse that is continuously irradiated,
The calculation unit acquires a two-dimensional image of a concentration distribution of the detection target element in the sample.
The mass spectrometer according to claim 1 or 2. 前記レーザー光パルスの照射回数をＮ、前記質量分析部で計測された前記検出対象元素のイオンの数をＭ、前記レーザー光パルスの照射時刻をｔｉ、前記質量分析部が前記検出対象元素のイオンを計測した時刻をξｋ、ｉを１以上Ｎ以下の整数、ｋを１以上Ｍ以下の整数とすると、
時刻ξｋに計測された信号の強度ｙ（ξｋ）と、時刻ｔｉに照射されたレーザー光のシングルパルスによって生じたエアロゾルに含まれる前記検出対象元素の質量ｘｉとの関係は、以下の式（１）で表され、
前記演算部は、式（１）を用いて前記質量ｘｉを算出する、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の質量分析計。
ただし、ｇ（ξｋ−ｔｉ）は、以下の式（２）で表される単一パルス応答関数である。ｓは、ノイズを示す項である。
ただし、τ１及びτ２はエアロゾル輸送過程の減衰定数であり、Δはエアロゾルの輸送過程の無駄時間であり、当該質量分析計固有の予め定められた値を有する。 The number of irradiation of the laser light pulse is N, the number of ions of the detection target element measured by the mass analysis unit is M, the irradiation time of the laser light pulse is t i , and the mass analysis unit is the detection target element Let 時刻k be the time at which the ions were measured, i be an integer from 1 to N, and k be an integer from 1 to M.
The relationship between the intensity y (ξ k ) of the signal measured at time ξ k and the mass x i of the detection target element contained in the aerosol generated by the single pulse of the laser light irradiated at time t i is Is expressed by equation (1) of
The calculation unit calculates the mass x i using Equation (1):
The mass spectrometer according to any one of claims 1 to 3.
Here, g (ξ k −t i ) is a single pulse response function represented by the following equation (2). s is a term indicating noise.
Here, τ 1 and τ 2 are attenuation constants of the aerosol transport process, and Δ is a dead time of the aerosol transport process and has a predetermined value unique to the mass spectrometer. 前記サンプルにおける前記検出対象元素の濃度分布の取得に先だって、
基準サンプルにレーザー光のシングルパルスを照射して生じたエアロゾルに含まれる前記検出対象元素のイオンの量を計測して信号を検出し、
検出した信号に前記単一パルス応答関数を回帰させることにより、当該質量分析計固有の減衰定数τ１及びτ２とデッドタイムΔとを予め決定する、
請求項４に記載の質量分析計。 Prior to obtaining the concentration distribution of the detection target element in the sample,
A signal is detected by measuring the amount of ions of the detection target element contained in an aerosol generated by irradiating a single pulse of laser light to a reference sample;
Regression of the single pulse response function to the detected signal predetermines the attenuation constants τ 1 and τ 2 specific to the mass spectrometer and the dead time Δ.
The mass spectrometer according to claim 4. 式（２）において、ξｋ−ｔｉ＝ｔとしたとき、以下の式（３）を満たす、
請求項５に記載の質量分析計。 In the formula (2), when 式k −t i = t, the following formula (3) is satisfied:
The mass spectrometer according to claim 5. 以下の式（４）を最小化し、かつ、式（５）を満たす条件下で、前記質量ｘｉを算出する、
請求項６に記載の質量分析計。
ただし、Ｊは前記モデルと観測した信号との間の二乗誤差であり、右辺第２項はＬ２ノルムであり、λはＪの値を最小化するように決定される正規化パラメータであり、式（４）に含まれるベクトル及び行列は以下の式（６）〜（８）で表される。
The mass x i is calculated under the condition of minimizing the following equation (4) and satisfying the equation (5),
The mass spectrometer according to claim 6.
Where J is the squared error between the model and the observed signal, the second term on the right side is the L2 norm, λ is a normalization parameter determined to minimize the value of J, and The vectors and matrices included in (4) are expressed by the following equations (6) to (8).
外部から供給されたキャリアガス中にサンプルを保持可能に構成されたサンプルセルと、
前記サンプルセルに保持された前記サンプルにレーザー光パルスを連続的に照射するレーザー光照射部と、
前記サンプルに前記レーザー光パルスが照射されることで生じたエアロゾルを含むキャリアガスを輸送する輸送管と、
前記輸送管を介して供給された前記エアロゾルを含むキャリアガスをプラズマ化して前記エアロゾルからイオンを生成するイオン生成部と、
前記イオンに含まれる検出対象元素のイオンを分離し、分離した前記検出対象元素のイオンの量を計測して信号を取得する質量分析部と、を備える質量分析計において、
前記質量分析部で検出された前記検出対象元素の信号強度から、連続的に照射されたレーザー光パルスのそれぞれが照射されたときに生じたエアロゾルに含まれる前記検出対象元素の質量を算出し、算出した前記検出対象元素の質量に基づいて前記サンプルにおける前記検出対象元素の濃度分布を取得する、
質量分析計の信号処理方法。 A sample cell configured to be able to hold a sample in an externally supplied carrier gas;
A laser beam irradiation unit for continuously irradiating a laser beam pulse to the sample held in the sample cell;
A transport tube for transporting a carrier gas including an aerosol generated by irradiating the sample with the laser light pulse;
An ion generation unit for plasmatizing a carrier gas containing the aerosol supplied via the transport pipe to generate ions from the aerosol;
A mass analysis unit that separates ions of a detection target element contained in the ions and measures an amount of the separated ions of the detection target element to obtain a signal;
From the signal intensity of the detection target element detected by the mass analysis unit, the mass of the detection target element included in the aerosol generated when each of the continuously irradiated laser light pulses is irradiated is calculated; Acquiring a concentration distribution of the detection target element in the sample based on the calculated mass of the detection target element;
Mass spectrometer signal processing method. 外部から供給されたキャリアガス中にサンプルを保持可能に構成されたサンプルセルと、
前記サンプルセルに保持された前記サンプルにレーザー光パルスを連続的に照射するレーザー光照射部と、
前記サンプルに前記レーザー光パルスが照射されることで生じたエアロゾルを含むキャリアガスを輸送する輸送管と、
前記輸送管を介して供給された前記エアロゾルを含むキャリアガスをプラズマ化して前記エアロゾルからイオンを生成するイオン生成部と、
前記イオンに含まれる検出対象元素のイオンを分離し、分離した前記検出対象元素のイオンの量を計測して信号を取得する質量分析部と、
前記信号に基づいて前記サンプルにおける前記検出対象元素の濃度分布を取得する演算を行うコンピュータで構成される演算部と、を備え質量分析計において、
前記演算部に、
前記質量分析部で検出された前記検出対象元素の信号強度から、連続的に照射されたレーザー光パルスのそれぞれが照射されたときに生じたエアロゾルに含まれる前記検出対象元素の質量を算出させる処理と、
算出した前記検出対象元素の質量に基づいて前記サンプルにおける前記検出対象元素の濃度分布を取得する処理と、を行わせる、
プログラム。 A sample cell configured to be able to hold a sample in an externally supplied carrier gas;
A laser beam irradiation unit for continuously irradiating a laser beam pulse to the sample held in the sample cell;
A transport tube for transporting a carrier gas including an aerosol generated by irradiating the sample with the laser light pulse;
An ion generation unit for plasmatizing a carrier gas containing the aerosol supplied via the transport pipe to generate ions from the aerosol;
A mass analysis unit that separates ions of a detection target element contained in the ions and measures the amount of the separated ions of the detection target element to obtain a signal;
An arithmetic unit comprising a computer that performs an operation to acquire the concentration distribution of the detection target element in the sample based on the signal;
In the operation unit,
Processing to calculate the mass of the detection target element contained in the aerosol generated when each of the continuously irradiated laser light pulses is irradiated from the signal intensity of the detection target element detected by the mass analysis unit When,
Performing a process of acquiring a concentration distribution of the detection target element in the sample based on the calculated mass of the detection target element;
program.
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