質量分析装置
【課題】スキャン速度を高速化する場合にプリアンプの周波数帯域が不足してピークの分離性が悪化するが、周波数帯域を広げるとノイズの増加や検出感度の低下を招く。
【解決手段】使用者により設定されるスキャン速度に応じて、スキャン速度が速い場合にはプリアンプ４０のゲインを下げる一方、周波数帯域を広げ、スキャン速度が遅い場合にはプリアンプ４０のゲインを上げる一方、周波数帯域を狭くするように帰還抵抗Ｒ１、Ｒ２を切り替える。また、プリアンプ４０の次段の倍率器４１の倍率も連動して切り替えることにより、帰還抵抗Ｒ１、Ｒ２の切り替えに拘わらずプリアンプ４０、倍率器４１を通してのゲインを一定に保つことで、それ以降の回路の構成や処理を簡単にする。
【解決手段】使用者により設定されるスキャン速度に応じて、スキャン速度が速い場合にはプリアンプ４０のゲインを下げる一方、周波数帯域を広げ、スキャン速度が遅い場合にはプリアンプ４０のゲインを上げる一方、周波数帯域を狭くするように帰還抵抗Ｒ１、Ｒ２を切り替える。また、プリアンプ４０の次段の倍率器４１の倍率も連動して切り替えることにより、帰還抵抗Ｒ１、Ｒ２の切り替えに拘わらずプリアンプ４０、倍率器４１を通してのゲインを一定に保つことで、それ以降の回路の構成や処理を簡単にする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は質量分析装置に関し、さらに詳しくは、所定質量範囲に亘る質量走査（スキャン測定）を行う質量分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
質量分離器として四重極質量フィルタを利用した四重極型質量分析装置では、中心軸を取り囲むように互いに平行に配置された４本のロッド電極に印加する電圧により、四重極質量フィルタを通過する、つまりは選別されるイオンの質量電荷比が決まる。具体的には、４本のロッド電極の中で、中心軸を挟んで対向する２本のロッド電極に＋（Ｕ＋Ｖ・cosωｔ）、他の２本のロッド電極に−（Ｕ＋Ｖ・cosωｔ）なる、直流電圧（Ｕ）に高周波電圧（Ｖ・cosωｔ）を重畳させた電圧を印加する。この場合、直流電圧値Ｕと高周波電圧の振幅値Ｖとを変更することにより、４本のロッド電極で囲まれる空間を通り抜け得るイオンの質量電荷比が変化する（特許文献１など参照）。
【０００３】
所定の質量範囲に亘る質量走査を行うには、一般に、Ｕ／Ｖを一定に保ってＵとＶとを時間経過に伴って変化させる。また、例えば液体クロマトグラフやガスクロマトグラフの検出器として質量分析装置を用いる場合には、時間経過に伴って順次得られる試料中の各種成分を検出するために、所定質量範囲に亘る質量走査が繰り返し行われる。こうした質量走査、つまりスキャン測定によって得られる検出信号に基づいて、横軸に質量電荷比m/z、縦軸にイオン強度（信号強度）をとった質量スペクトルを作成することができる。
【０００４】
こうした質量分析装置において、検出器としては一般的に二次電子増倍管などが利用されており、入射したイオンの量に応じた電流信号を出力する。そして、その電流信号は初段の増幅器（通常プリアンプと呼ばれる）で電流／電圧変換されるとともに信号増幅される。
【０００５】
近年、質量分析装置が広く利用されるようになるに伴い、処理のスループットを向上させるためにスキャン測定の速度（スキャン速度）の向上が求められている。ところが、スキャン速度を上げると、検出器から出力される検出信号の周波数帯域も上がるため、アナログ処理回路で周波数帯域が不足し、質量スペクトル上で隣接ピークの分離が悪くなるという問題が生じる。周波数帯域を制限するのは主としてプリアンプであるため、上記問題を回避するにはプリアンプの増幅率を下げて周波数帯域を広げればよい。ところが、そうするとノイズが増加し、また信号強度が低下するために検出感度が下がるという問題がある。この増幅率の低下を補うために検出器への印加電圧を上げることも考えられるが、そうすると検出器の寿命が短くなり、また検出器で発生するノイズが増加することになる。
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２７５７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、質量分析のスキャン速度を上げる際のピークの分離性を改善し、且つスキャン速度が遅い場合のノイズの増加や検出感度の低下も回避することができる質量分析装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために成された本発明は、イオンを質量電荷比に応じて分離して選択的に通過させる質量分離器と、該質量分離器を通過したイオンを検出する検出器と、を具備し、前記質量分離器を通過するイオンの質量を所定質量範囲で走査するスキャン測定を行う質量分析装置において、
a)前記スキャン測定における質量走査のスキャン速度を設定するための設定手段と、
b)前記検出器による検出信号を増幅するために複数の帰還抵抗を切替え可能に有する初段増幅器と、
c)前記設定手段により設定されたスキャン速度に応じて、該スキャン速度が速い場合には遅い場合に比べて、増幅率を下げる一方、周波数帯域を広げるように前記初段増幅器の帰還抵抗を切り替える制御手段と、
を備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
即ち、従来の質量分析装置では、スキャン速度とは無関係に初段増幅器（プリアンプ）の増幅率は一定であり、それ故に周波数帯域も一定であった。それに対し、本発明に係る質量分析装置では、例えば使用者が設定手段により所望のスキャン速度を設定すると、制御手段はそのスキャン速度に応じて、初段増幅器での増幅率と周波数帯域とが適切な値となるように帰還抵抗を切り替える。増幅率と周波数帯域との積つまりＧＢ積は一定であるため、増幅率を上げると周波数帯域は狭くなる。そこで、スキャン速度が相対的に速い場合には、必要な周波数帯域を確保するために増幅率を犠牲にして下げるように帰還抵抗を定める。一方、スキャン速度が相対的に遅い場合には、周波数帯域が相対的に狭くてもよいため増幅率を上げるように帰還抵抗を定める。
【００１０】
以上のようにして本発明に係る質量分析装置によれば、質量分析のスキャン速度が速い場合でも質量スペクトルでのピーク波形の鈍りを軽減して隣接ピークの分離性を向上させることができる。それにより、質量スペクトルに基づく質量の算出精度が向上し、質量が近接した異なる複数の成分を確実に捉えることが可能となる。一方、スキャン速度が相対的に遅い場合には、高い検出感度を確保することができるとともにノイズを減らして信号のＳＮ比を向上させることができる。これにより、微量成分の見逃しがなくなり、ピークの波形形状を安定させて定量精度の向上を図ることもできる。
【００１１】
また本発明に係る質量分析装置の一態様として、前記初段増幅器の次段にあって、該初段増幅器の帰還抵抗の切替えに連動して出力レベルが一定になるように倍率を切り替える倍率器をさらに備える構成とすることが好ましい。
【００１２】
この構成によれば、初段増幅器で増幅率を変化させても、該初段増幅器への入力信号が同一である場合に倍率器の出力信号のレベルは同一となる。そのため、この倍率器よりも後段の処理回路、例えば後段の増幅器やアナログ／デジタル変換回路などでは上記増幅率の相違が全く影響せず、回路構成や処理が複雑になることを避けることができる。
【００１３】
また本発明に係る質量分析装置において、前記制御手段は、高濃度試料の測定時にスキャン速度に関係なく前記初段増幅器の増幅率を下げるように帰還抵抗を切り替える構成としてもよい。
【００１４】
高濃度試料の測定時には検出器による検出信号のレベルが高く初段増幅器の増幅率が大きいと飽和してしまうおそれがある。上記構成によれば、こうしたおそれのある場合に、増幅率が下がるように帰還抵抗が切り替えられるので、信号が飽和することを防止して高濃度の成分も良好に分析することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施例である質量分析装置を図面を参照して説明する。図１はこの質量分析装置の質量分析部の全体構成図、図２は検出信号の処理回路の構成図である。本実施例の質量分析装置はＬＣ／ＭＳの一部であり、イオン化部として大気圧イオン化法の１つであるエレクトロスプレイイオン化法を利用したものとなっている。
【００１６】
図１において、図示しない液体クロマトグラフのカラム出口端に接続されたノズル１２が配設されたイオン化室１１と、プレ四重極質量フィルタ２２、主四重極質量フィルタ２３、及び検出器２４が配設された分析室２１との間に、それぞれ隔壁で隔てられた第１中間真空室１４と第２中間真空室１８とが設けられている。イオン化室１１と第１中間真空室１４との間は細径の脱溶媒パイプ１３を介して連通しており、第１中間真空室１４と第２中間真空室１８との間はスキマー１６の頂部に設けられた極小径の通過孔（オリフィス）１７を介して連通しており、第２中間真空室１８と分析室２１との間は隔壁２０に設けられた小開口を介して連通している。
【００１７】
イオン源であるイオン化室１１の内部は、ノズル１２から連続的に供給される液体試料の気化分子によりほぼ大気圧雰囲気（約１０5[Pa]）になっており、次段の第１中間真空室１４の内部はロータリポンプ２７により約１０2[Pa]の低真空状態まで真空排気される。また、その次段の第２中間真空室１８の内部はターボ分子ポンプ２８により約１０-1〜１０-2[Pa]の中真空状態まで真空排気され、最終段の分析室２１内は別のターボ分子ポンプ２９により約１０-3〜１０-4[Pa]の高真空状態まで真空排気される。即ち、イオン化室１１から分析室２１に向かって各室毎に真空度を段階的に高くした多段差動排気系の構成とすることによって、最終段の分析室２１内を高真空状態に維持している。
【００１８】
第１中間真空室１４及び第２中間真空室１８の内部にはそれぞれ構造は相違するものの、いずれもイオンを後段に効率良く輸送するためのイオン光学系が配設されている。即ち、第１中間真空室１４内には複数（４枚）の板状電極を傾斜状に３列に配置した第１レンズ電極１５が設けられており、この電極１５により形成する電場によって脱溶媒パイプ１３を介してのイオンの引き込みを助けるとともに、イオンをスキマー１６のオリフィス１７近傍に収束させる。また第２中間真空室１８内には、イオン光軸Ｃを取り囲むように８本のロッド電極を配置したオクタポール型の第２レンズ電極１９が設けられており、これによりイオンは収束されて分析室２１へと送られる。
【００１９】
第１レンズ電極１５、第２レンズ電極１９、四重極質量フィルタ２２、２３にはそれぞれ電源部３２、３３、３４より所定の電圧が印加され、特に四重極質量フィルタ２２、２３には、選別する質量電荷比に応じて、ＲＦ生成部３６で生成された所定の高周波電圧ＶcosωtとＤＣ生成部３５生成された所定の直流電圧Ｕとが合成部３７で加算された電圧±（Ｕ＋Ｖ・cosωt）が印加されるようになっている。これら電源部３２、３３、３４などの動作はマイクロコンピュータを中心に構成される制御部３０により統括的に制御され、その分析のための分析条件は分析条件設定部３１を介して使用者により設定される。なお、図１に記載のもの以外にも、各部には所定の電圧（主として直流電圧）が印加されるようになっているが、図面が繁雑になるため記載を省略している。
【００２０】
この質量分析装置の動作を概略的に説明する。ほぼ連続的に供給される液体試料はノズル１２の先端から電荷を付与されながらイオン化室１１内に噴霧（エレクトロスプレイ）され、液滴中の溶媒が蒸発する過程で試料分子はイオン化される。イオンが入り混じった微細液滴はイオン化室１１と第１中間真空室１４との差圧により脱溶媒パイプ１３中に引き込まれ、加熱されている脱溶媒パイプ１３を通過する過程でさらに溶媒の気化が促進されてイオン化が進む。第１中間真空室１４内に配設された第１レンズ電極１５により形成される電場の助けを受けてイオンは第１中間真空室１４内に入り、収束されてオリフィス１７を通して第２中間真空室１８に送られる。
【００２１】
第２中間真空室１８内ではオクタポール型の第２レンズ電極１９により形成される電場の作用により、さらにイオンは収束されて分析室２１へと送られる。分析室２１内では、各ロッド電極に印加されている電圧により決まる特定の質量電荷比を有するイオンのみが、四重極質量フィルタ２２、２３の長軸方向の空間を通り抜け、それ以外の質量電荷比を持つイオンは途中で発散する。そして、四重極質量フィルタ２２、２３を通り抜けたイオンは検出器２４に到達し、検出器２４ではそのイオン量に応じた電流信号を検出信号として出力する。
【００２２】
所定の質量範囲を繰り返し走査するスキャン測定を行う場合には、分析条件設定部３１によりスキャン速度、質量範囲等を含む分析条件が設定される。スキャン速度は最大が１５０００[amu/sec]（amu＝原子質量単位）であり、１５０００／ｎ[amu/sec]（但しｎ＝１、２、３、…）の複数段階でスキャン速度を設定できるものとする。この設定に応じて、制御部３０は、四重極質量フィルタ２２、２３に印加する電圧±（Ｕ＋Ｖ・cosωt）のＵ／Ｖの関係を一定に保ちつつ、直流電圧値Ｕと高周波電圧の振幅値Ｖとが所定の範囲で且つ速度で変化するように電源部３４を制御する。これにより、四重極質量フィルタ２２、２３を通過し得るイオンの質量電荷比が時間経過に伴って変化し、質量走査が達成される。
【００２３】
図２に示すように、検出器２４による検出信号はプリアンプ４０、第１倍率器４１、レベルシフト回路４２、第２倍率器４３、アナログフィルタ４４を順次経てアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器４５に入力され、ここで所定のサンプリング周期でサンプリングされた後に各サンプル毎にデジタルデータに変換される。そして、デジタルデータはデータ加工部４６で加工された後に演算処理用のＣＰＵ４７に入力されて、例えば質量スペクトルを作成するためのデータ処理が実行される。
【００２４】
上記各段の動作を順次説明する。検出器２４による電流信号はプリアンプ４０で電圧信号に変換される（つまりＩ／Ｖ変換される）とともに所定のゲイン（増幅率）で増幅される。このプリアンプ４０は２つの帰還抵抗Ｒ１、Ｒ２がスイッチＳＷ１、ＳＷ２により切り替え可能な構成となっており、ここではＲ＝１０ＭΩ、Ｒ２＝１ＭΩであって、ＳＷ１がオン、ＳＷ２がオフされた場合にはゲインは１０×Ｇ、ＳＷ２がオン、ＳＷ１がオフされた場合にはゲインはＧとなる。制御部３０により、スキャン速度が所定値以上である場合にはゲイン小（つまりゲインＧ）、スキャン速度が所定値未満である場合にはゲイン大（つまりゲイン１０×Ｇ）が選択される。
【００２５】
ここでスキャン速度に応じてゲインを切り替える意味を説明する。ここでの分析条件は、１[amu]（原子質量単位）当たりのサンプリング点数は１０であり、信号ピークは半値幅が１／２[amu]程度のガウス波形で、最大のスキャン速度が１５０００[amu/sec]であるとする。この場合に、プリアンプ４０で必要となる周波数帯域は計算によれば約５０[kHz]である。スキャン速度が速いほど広い周波数帯域が必要となる。一方、ノイズは初段のプリアンプ４０でのノイズが支配的であるため、ノイズレベルを低減するためにはプリアンプ４０でのゲインは高いほうが望ましい。また、検出信号の信号強度が低い場合には、感度を高めるためにプリアンプ４０のゲインを大きくする必要がある。このように高速のスキャン速度に対応するには広い周波数帯域が必要であり、ノイズの低減や検出感度の向上のためにはゲインを大きくするのが望ましい。しかしながら、同一のアンプでは増幅率と周波数帯域との積（ＧＢ積）は一定であるため、増幅率を上げると周波数帯域はそれに反比例して狭くなる。
【００２６】
そこで、スキャン速度が速い場合には周波数帯域を広げることを重視するためにゲインを落とし、スキャン速度が遅い場合には周波数帯域に余裕があるためにゲインを高くする。ここでは、スキャン速度が１２５０[amu/sec]以上である場合に帰還抵抗Ｒ２を選択してゲインＧとし、スキャン速度が１２５０[amu/sec]未満である場合に帰還抵抗Ｒ１を選択してゲインを１０×Ｇとする。
【００２７】
スキャン速度ＳＰと検出信号を処理するために必要となる周波数帯域ｆspとの関係は、本願発明者の計算によれば、
２．２５×ＳＰ≒ｆsp
となる。プリアンプ４０での周波数帯域ｆは、帰還抵抗Ｒｆ、浮遊容量Ｃｆに対し、
ｆ＝１／（２π×Ｒｆ×Ｃｆ）
であって、ｆ＞ｆspである必要がある。いま浮遊容量Ｃｆが２ｐＦであると仮定すると、Ｒｆが１ＭΩでは（つまり帰還抵抗Ｒ２を選択した場合には）、
ｆ＝１／（２π×Ｒｆ×Ｃｆ）＝７９[kHz]
であり、Ｒｆが１０ＭΩでは（つまり帰還抵抗Ｒ１を選択した場合には）、
ｆ＝１／（２π×Ｒｆ×Ｃｆ）＝７．９[kHz]
となる。即ち、Ｒｆが１ＭΩであれば、必要な周波数帯域５０kHzを確保することができることが分かる。
【００２８】
上記のようにプリアンプ４０で増幅された信号は次の第１倍率器４１に入力されるが、第１倍率器４１も制御部３０の制御の下に倍率（ゲイン）が切り替えられ、プリアンプ４０でゲインＧが選択された場合に１０倍の倍率が与えられ、プリアンプ４０でゲイン１０×Ｇが選択された場合には１倍の倍率が与えられる。したがって、プリアンプ４０と第１倍率器４１とを併せた総合的なゲインはスキャン速度には全く依存せず、スキャン速度が相違してもプリアンプ４０の入力信号のレベルが同一であれが第１倍率器４１の出力信号のレベルは同じとなる。
【００２９】
ここで、プリアンプ４０と第１倍率器４１でのノイズについて検討してみると、プリアンプ４０における抵抗ノイズ電圧密度Ｅｎは、
Ｅｎ＝√（４・ｋ・Ｔ・Ｒｆ）
となる。ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。周波数帯域をＢＷとすると、ノイズ電圧Ｖｎは、
Ｖｎ＝Ｅｎ×√（ＢＷ）
となる。上述のように電圧レベルを合わせるために、帰還抵抗として１ＭΩが選択された場合には第１倍率器４１では１０倍のゲインが与えられる。
【００３０】
ｋ＝１．３８×１０−２３[J/K]、Ｔ＝３００[K]とすると、Ｒｆ＝１０ＭΩ及び１ＭΩにおける抵抗ノイズ電圧密度Ｅｎは、それぞれＥｎ１０＝４０７[nV/√Hz]、及びＥｎ１＝１２８．７[nV/√Hz]となる。ここで使用しているオペアンプ自体のノイズは８[nV/√Hz]程度であるから、プリアンプ４０でのノイズは殆ど帰還抵抗によるものであるとみなせる。第１倍率器４１の後では、その前段のノイズは倍率の分だけ増幅されるため、Ｒｆ＝１０ＭΩ及び１ＭΩとしたときの第１倍率器４１の出力での抵抗ノイズ電圧密度Ｅｎ’は、それぞれＥｎ１０’＝４０７[nV/√Hz]、及びＥｎ１’＝１２８７[nV/√Hz]となる。即ち、プリアンプ４０でのゲインが大きいほうが第１倍率器４１の出力段ではノイズが低減されていることが分かる。また、プリアンプ４０への入力前に発生するノイズに由来してプリアンプ４０の出力後に現れるノイズのレベルは、プリアンプ４０の周波数帯域が狭いほど小さくなる。したがって、検出器２４で発生するノイズを考慮しても、帰還抵抗Ｒｆが大きいほうが相対的にノイズが低減されることになる。
【００３１】
上記のように第１倍率器４１において電圧レベルが調整された信号はレベルシフト回路４２に入力され、オフセット電圧分だけ直流的にシフトされて第２倍率器４３に入力される。第２倍率器４３は入力信号のレベルに応じて倍率が、１倍又は１６倍のいずれかに自動的に設定される倍率器である。即ち、入力信号の信号強度が所定値以下である場合には入力信号を１６倍し、それ以外では入力信号をそのまま出力する。これにより、ノイズを相対的に低減し、且つＡ／Ｄ変換器４５での入力レベルのフルスケールを有効に利用してダイナミックレンジを拡大することができる。
【００３２】
いま、第２倍率器４３の入力側のノイズをＮｐ、出力側でＡ／Ｄ変換器４５の入力端までの間のノイズをＮａとすると、Ａ／Ｄ変換器４５に入るノイズＮは、第２倍率器４３での倍率が１であるときに
Ｎ１＝Ｎｐ＋Ｎａ
第２倍率器４３での倍率が１６であるときに、
Ｎ１６＝１６×Ｎｐ＋Ｎａ
となる。これらをそれぞれＡ／Ｄ変換して得られる値Ｄは、
Ｄ１＝Ｎ１／１[LSB]＝（Ｎｐ／１[LSB]）＋（Ｎａ／１[LSB] ）
Ｄ１６＝Ｎ１６／１[LSB]＝（１６×Ｎｐ／１[LSB]）＋（Ｎａ／１[LSB]）
となる。後述するが、データ加工部４６ではまず乗算器４６１において第２倍率器４３での倍率の相違を補償するために、先の倍率が１である場合にはデジタル的に１６を乗じる演算を実行する。したがって、この場合にデータ値は、
Ｄ１’＝１６×Ｄ１＝（１６×Ｎｐ／１[LSB]）＋（１６×Ｎａ／１[LSB]）＝Ｄ１６＋（１５×Ｎａ／１[LSB]）
となる。これは、第２倍率器４３で１６倍の倍率とした場合よりも１５×Ｎａ／１[LSB]だけノイズが大きいことを意味している。換言すれば、第２倍率器４３で入力信号のレベルが低い場合に信号を１６倍することで、Ａ／Ｄ変換後に現れるノイズを相対的に低減できることが分かる。
【００３３】
第２倍率器４３の出力はアナログフィルタ４４に入力され、ここで帯域外の不要な周波数成分が除去される。このアナログフィルタ４４のカットオフ周波数は、ナイキストのサンプリング定理より、Ａ／Ｄ変換器４５のサンプリング周波数の１／２（ここでは１５０[kHz]）以下とする必要があるため、最大スキャン速度で要求される周波数帯域からｆｃ＝５０[kHz]としておく。そうして不要周波数成分が除去された信号はＡ／Ｄ変換器４５で３００[kHz]のサンプリングレートでサンプリングされ、各サンプルは１６ビットのデジタルデータに変換される。ここで、Ａ／Ｄ変換器４５で得られるデータを時系列順にａ０、ａ１、ａ２、ａ３、…であるとし、これが次のデータ加工部４６に入力される。
【００３４】
データ加工部４６では、まず上述のように第２倍率器４３での１倍又は１６倍の倍率の相違を補償するために、先の倍率が１倍である場合には、乗算器４６１においてＡ／Ｄ値に１６を乗じる演算を実行し、これを２０ビットのデータに拡張する。一方、先の倍率が１倍である場合には乗算は行わずに２０ビットデータへの拡張のみを行う。この乗算器４６１の出力データを時系列順にｂ０、ｂ１、ｂ２、ｂ３、…であるとすると、先の倍率が１の場合には、
ｂｎ＝ａｎ×１６
先の倍率が１６の場合には、
ｂｎ＝ａｎ
とする。但し、ａｎは１６ビットデータ、ｂｎは２０ビットデータである。
【００３５】
最終的に演算処理用ＣＰＵ４７が要求するデータレートはスキャン速度と同じで最大１５０[kHz]となる。上述のようにノイズの主体は抵抗の熱雑音であり、これはランダムノイズであるので、２つのサンプルの平均化処理により１／√２程度のノイズ低減を図ることができる。そこで、間引き処理部４６２では、サンプリングレートが３００[kHz]である隣接する２つのデータを平均化した間引き処理を行うことで、レートが１５０[kHz]であるデータ列を生成する。具体的には、３００[kHz]のレートで入力されるデータｂ０、ｂ１、ｂ２、ｂ３、…を利用し、次のような平均化処理を実行してレートを１／２に落とす。
ｃ０＝（ｂ０＋ｂ１）／２
ｃ１＝（ｂ２＋ｂ３）／２
…
ｃｋ＝（ｂ２ｋ＋ｂ２ｋ＋１）／２
…
これによりノイズが低減され、ノイズレベルが１／√２倍程度になることが期待される。
【００３６】
次にこの１５０[kHz]のレートのデータＣｋを、サンプリング周波数：１５０[kHz]、データ長：２０ビット、カットオフ周波数：３５[kHz]、タップ数：最大２５５、のＦＩＲフィルタ４６３でフィルタリング処理して、データ列α０、α１、α２、α３、… を生成する。これにより、質量分析信号データとしては形状を保存しながら、十分なノイズ除去を行うことができる。そして、データ長が２０ビットであるα０、α１、α２、α３、…を加算処理部４６４に入力し、指定された回数（最大２０４７回）加算することで３１ビットデータに変換し、３２ビット目については、加算するデータ内に一つでも１０４８５６０以上のものが或る場合に「１」、そうでない場合に「０」として、３２ビットデータを生成する。この３２ビットデータを演算処理用ＣＰＵ４７に送り込んで、質量スペクトル作成等の処理に供する。
【００３７】
以上のような検出信号の処理により、可能な限りノイズを低減し、信号強度が低い場合には信号強度を高くし、さらにはスキャン速度が高速で周波数帯域が不十分になるおそれがある場合にはこれを拡大して良好な信号を得ることができる。なお、上記説明では、スキャン速度に応じてのみプリアンプ４０での帰還抵抗を切り替えるようにしているが、検出信号のレベルが大きい場合、つまりはもともと分析対象の試料中の成分濃度が高い場合には、プリアンプ４０でゲインを大きくし過ぎると飽和して信号波形が歪むおそれがある。そこで、制御部３０は予め分析対象の試料中の成分濃度が高いことが分かっている場合には、スキャン速度に拘わらず小さな帰還抵抗を選択してプリアンプ４０のゲインを低く抑えるとよい。
【００３８】
また上記実施例では、プリアンプ４０のゲイン（及び周波数帯域）を２段階に切り替えるようにしていたが、これは３段階以上に切り替え可能であってもよいことは当然である。また、それ以外の点においても、本発明の趣旨の範囲で適宜変更や修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施例による質量分析装置における質量分析部の全体構成図。
【図２】本実施例の質量分析装置における検出信号の処理回路の構成図。
【符号の説明】
【００４０】
１１…イオン化室
１２…ノズル
１３…脱溶媒パイプ
１４…第１中間真空室
１５…第１レンズ電極
１６…スキマー
１７…オリフィス
１８…第２中間真空室
１９…第２レンズ電極
２０…隔壁
２１…分析室
２２…プレ四重極質量フィルタ
２３…主四重極質量フィルタ
２４…検出器
２７…ロータリポンプ
２８、２９…ターボ分子ポンプ
３０…制御部
３１…分析条件設定部
３２、３３、３４…電源部
３５…ＤＣ生成部
３６…ＲＦ生成部
３７…合成部
４０…プリアンプ
Ｒ１、Ｒ２…帰還抵抗
４１…第１倍率器
４２…レベルシフト回路
４３…第２倍率器
４４…アナログフィルタ
４５…Ａ／Ｄ変換器
４６…データ加工部
４６１…乗算器
４６２…間引き処理部
４６３…ＦＩＲフィルタ
４６４…加算処理部
４７…演算処理用ＣＰＵ
【技術分野】
【０００１】
本発明は質量分析装置に関し、さらに詳しくは、所定質量範囲に亘る質量走査（スキャン測定）を行う質量分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
質量分離器として四重極質量フィルタを利用した四重極型質量分析装置では、中心軸を取り囲むように互いに平行に配置された４本のロッド電極に印加する電圧により、四重極質量フィルタを通過する、つまりは選別されるイオンの質量電荷比が決まる。具体的には、４本のロッド電極の中で、中心軸を挟んで対向する２本のロッド電極に＋（Ｕ＋Ｖ・cosωｔ）、他の２本のロッド電極に−（Ｕ＋Ｖ・cosωｔ）なる、直流電圧（Ｕ）に高周波電圧（Ｖ・cosωｔ）を重畳させた電圧を印加する。この場合、直流電圧値Ｕと高周波電圧の振幅値Ｖとを変更することにより、４本のロッド電極で囲まれる空間を通り抜け得るイオンの質量電荷比が変化する（特許文献１など参照）。
【０００３】
所定の質量範囲に亘る質量走査を行うには、一般に、Ｕ／Ｖを一定に保ってＵとＶとを時間経過に伴って変化させる。また、例えば液体クロマトグラフやガスクロマトグラフの検出器として質量分析装置を用いる場合には、時間経過に伴って順次得られる試料中の各種成分を検出するために、所定質量範囲に亘る質量走査が繰り返し行われる。こうした質量走査、つまりスキャン測定によって得られる検出信号に基づいて、横軸に質量電荷比m/z、縦軸にイオン強度（信号強度）をとった質量スペクトルを作成することができる。
【０００４】
こうした質量分析装置において、検出器としては一般的に二次電子増倍管などが利用されており、入射したイオンの量に応じた電流信号を出力する。そして、その電流信号は初段の増幅器（通常プリアンプと呼ばれる）で電流／電圧変換されるとともに信号増幅される。
【０００５】
近年、質量分析装置が広く利用されるようになるに伴い、処理のスループットを向上させるためにスキャン測定の速度（スキャン速度）の向上が求められている。ところが、スキャン速度を上げると、検出器から出力される検出信号の周波数帯域も上がるため、アナログ処理回路で周波数帯域が不足し、質量スペクトル上で隣接ピークの分離が悪くなるという問題が生じる。周波数帯域を制限するのは主としてプリアンプであるため、上記問題を回避するにはプリアンプの増幅率を下げて周波数帯域を広げればよい。ところが、そうするとノイズが増加し、また信号強度が低下するために検出感度が下がるという問題がある。この増幅率の低下を補うために検出器への印加電圧を上げることも考えられるが、そうすると検出器の寿命が短くなり、また検出器で発生するノイズが増加することになる。
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２７５７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、質量分析のスキャン速度を上げる際のピークの分離性を改善し、且つスキャン速度が遅い場合のノイズの増加や検出感度の低下も回避することができる質量分析装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために成された本発明は、イオンを質量電荷比に応じて分離して選択的に通過させる質量分離器と、該質量分離器を通過したイオンを検出する検出器と、を具備し、前記質量分離器を通過するイオンの質量を所定質量範囲で走査するスキャン測定を行う質量分析装置において、
a)前記スキャン測定における質量走査のスキャン速度を設定するための設定手段と、
b)前記検出器による検出信号を増幅するために複数の帰還抵抗を切替え可能に有する初段増幅器と、
c)前記設定手段により設定されたスキャン速度に応じて、該スキャン速度が速い場合には遅い場合に比べて、増幅率を下げる一方、周波数帯域を広げるように前記初段増幅器の帰還抵抗を切り替える制御手段と、
を備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
即ち、従来の質量分析装置では、スキャン速度とは無関係に初段増幅器（プリアンプ）の増幅率は一定であり、それ故に周波数帯域も一定であった。それに対し、本発明に係る質量分析装置では、例えば使用者が設定手段により所望のスキャン速度を設定すると、制御手段はそのスキャン速度に応じて、初段増幅器での増幅率と周波数帯域とが適切な値となるように帰還抵抗を切り替える。増幅率と周波数帯域との積つまりＧＢ積は一定であるため、増幅率を上げると周波数帯域は狭くなる。そこで、スキャン速度が相対的に速い場合には、必要な周波数帯域を確保するために増幅率を犠牲にして下げるように帰還抵抗を定める。一方、スキャン速度が相対的に遅い場合には、周波数帯域が相対的に狭くてもよいため増幅率を上げるように帰還抵抗を定める。
【００１０】
以上のようにして本発明に係る質量分析装置によれば、質量分析のスキャン速度が速い場合でも質量スペクトルでのピーク波形の鈍りを軽減して隣接ピークの分離性を向上させることができる。それにより、質量スペクトルに基づく質量の算出精度が向上し、質量が近接した異なる複数の成分を確実に捉えることが可能となる。一方、スキャン速度が相対的に遅い場合には、高い検出感度を確保することができるとともにノイズを減らして信号のＳＮ比を向上させることができる。これにより、微量成分の見逃しがなくなり、ピークの波形形状を安定させて定量精度の向上を図ることもできる。
【００１１】
また本発明に係る質量分析装置の一態様として、前記初段増幅器の次段にあって、該初段増幅器の帰還抵抗の切替えに連動して出力レベルが一定になるように倍率を切り替える倍率器をさらに備える構成とすることが好ましい。
【００１２】
この構成によれば、初段増幅器で増幅率を変化させても、該初段増幅器への入力信号が同一である場合に倍率器の出力信号のレベルは同一となる。そのため、この倍率器よりも後段の処理回路、例えば後段の増幅器やアナログ／デジタル変換回路などでは上記増幅率の相違が全く影響せず、回路構成や処理が複雑になることを避けることができる。
【００１３】
また本発明に係る質量分析装置において、前記制御手段は、高濃度試料の測定時にスキャン速度に関係なく前記初段増幅器の増幅率を下げるように帰還抵抗を切り替える構成としてもよい。
【００１４】
高濃度試料の測定時には検出器による検出信号のレベルが高く初段増幅器の増幅率が大きいと飽和してしまうおそれがある。上記構成によれば、こうしたおそれのある場合に、増幅率が下がるように帰還抵抗が切り替えられるので、信号が飽和することを防止して高濃度の成分も良好に分析することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施例である質量分析装置を図面を参照して説明する。図１はこの質量分析装置の質量分析部の全体構成図、図２は検出信号の処理回路の構成図である。本実施例の質量分析装置はＬＣ／ＭＳの一部であり、イオン化部として大気圧イオン化法の１つであるエレクトロスプレイイオン化法を利用したものとなっている。
【００１６】
図１において、図示しない液体クロマトグラフのカラム出口端に接続されたノズル１２が配設されたイオン化室１１と、プレ四重極質量フィルタ２２、主四重極質量フィルタ２３、及び検出器２４が配設された分析室２１との間に、それぞれ隔壁で隔てられた第１中間真空室１４と第２中間真空室１８とが設けられている。イオン化室１１と第１中間真空室１４との間は細径の脱溶媒パイプ１３を介して連通しており、第１中間真空室１４と第２中間真空室１８との間はスキマー１６の頂部に設けられた極小径の通過孔（オリフィス）１７を介して連通しており、第２中間真空室１８と分析室２１との間は隔壁２０に設けられた小開口を介して連通している。
【００１７】
イオン源であるイオン化室１１の内部は、ノズル１２から連続的に供給される液体試料の気化分子によりほぼ大気圧雰囲気（約１０5[Pa]）になっており、次段の第１中間真空室１４の内部はロータリポンプ２７により約１０2[Pa]の低真空状態まで真空排気される。また、その次段の第２中間真空室１８の内部はターボ分子ポンプ２８により約１０-1〜１０-2[Pa]の中真空状態まで真空排気され、最終段の分析室２１内は別のターボ分子ポンプ２９により約１０-3〜１０-4[Pa]の高真空状態まで真空排気される。即ち、イオン化室１１から分析室２１に向かって各室毎に真空度を段階的に高くした多段差動排気系の構成とすることによって、最終段の分析室２１内を高真空状態に維持している。
【００１８】
第１中間真空室１４及び第２中間真空室１８の内部にはそれぞれ構造は相違するものの、いずれもイオンを後段に効率良く輸送するためのイオン光学系が配設されている。即ち、第１中間真空室１４内には複数（４枚）の板状電極を傾斜状に３列に配置した第１レンズ電極１５が設けられており、この電極１５により形成する電場によって脱溶媒パイプ１３を介してのイオンの引き込みを助けるとともに、イオンをスキマー１６のオリフィス１７近傍に収束させる。また第２中間真空室１８内には、イオン光軸Ｃを取り囲むように８本のロッド電極を配置したオクタポール型の第２レンズ電極１９が設けられており、これによりイオンは収束されて分析室２１へと送られる。
【００１９】
第１レンズ電極１５、第２レンズ電極１９、四重極質量フィルタ２２、２３にはそれぞれ電源部３２、３３、３４より所定の電圧が印加され、特に四重極質量フィルタ２２、２３には、選別する質量電荷比に応じて、ＲＦ生成部３６で生成された所定の高周波電圧ＶcosωtとＤＣ生成部３５生成された所定の直流電圧Ｕとが合成部３７で加算された電圧±（Ｕ＋Ｖ・cosωt）が印加されるようになっている。これら電源部３２、３３、３４などの動作はマイクロコンピュータを中心に構成される制御部３０により統括的に制御され、その分析のための分析条件は分析条件設定部３１を介して使用者により設定される。なお、図１に記載のもの以外にも、各部には所定の電圧（主として直流電圧）が印加されるようになっているが、図面が繁雑になるため記載を省略している。
【００２０】
この質量分析装置の動作を概略的に説明する。ほぼ連続的に供給される液体試料はノズル１２の先端から電荷を付与されながらイオン化室１１内に噴霧（エレクトロスプレイ）され、液滴中の溶媒が蒸発する過程で試料分子はイオン化される。イオンが入り混じった微細液滴はイオン化室１１と第１中間真空室１４との差圧により脱溶媒パイプ１３中に引き込まれ、加熱されている脱溶媒パイプ１３を通過する過程でさらに溶媒の気化が促進されてイオン化が進む。第１中間真空室１４内に配設された第１レンズ電極１５により形成される電場の助けを受けてイオンは第１中間真空室１４内に入り、収束されてオリフィス１７を通して第２中間真空室１８に送られる。
【００２１】
第２中間真空室１８内ではオクタポール型の第２レンズ電極１９により形成される電場の作用により、さらにイオンは収束されて分析室２１へと送られる。分析室２１内では、各ロッド電極に印加されている電圧により決まる特定の質量電荷比を有するイオンのみが、四重極質量フィルタ２２、２３の長軸方向の空間を通り抜け、それ以外の質量電荷比を持つイオンは途中で発散する。そして、四重極質量フィルタ２２、２３を通り抜けたイオンは検出器２４に到達し、検出器２４ではそのイオン量に応じた電流信号を検出信号として出力する。
【００２２】
所定の質量範囲を繰り返し走査するスキャン測定を行う場合には、分析条件設定部３１によりスキャン速度、質量範囲等を含む分析条件が設定される。スキャン速度は最大が１５０００[amu/sec]（amu＝原子質量単位）であり、１５０００／ｎ[amu/sec]（但しｎ＝１、２、３、…）の複数段階でスキャン速度を設定できるものとする。この設定に応じて、制御部３０は、四重極質量フィルタ２２、２３に印加する電圧±（Ｕ＋Ｖ・cosωt）のＵ／Ｖの関係を一定に保ちつつ、直流電圧値Ｕと高周波電圧の振幅値Ｖとが所定の範囲で且つ速度で変化するように電源部３４を制御する。これにより、四重極質量フィルタ２２、２３を通過し得るイオンの質量電荷比が時間経過に伴って変化し、質量走査が達成される。
【００２３】
図２に示すように、検出器２４による検出信号はプリアンプ４０、第１倍率器４１、レベルシフト回路４２、第２倍率器４３、アナログフィルタ４４を順次経てアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器４５に入力され、ここで所定のサンプリング周期でサンプリングされた後に各サンプル毎にデジタルデータに変換される。そして、デジタルデータはデータ加工部４６で加工された後に演算処理用のＣＰＵ４７に入力されて、例えば質量スペクトルを作成するためのデータ処理が実行される。
【００２４】
上記各段の動作を順次説明する。検出器２４による電流信号はプリアンプ４０で電圧信号に変換される（つまりＩ／Ｖ変換される）とともに所定のゲイン（増幅率）で増幅される。このプリアンプ４０は２つの帰還抵抗Ｒ１、Ｒ２がスイッチＳＷ１、ＳＷ２により切り替え可能な構成となっており、ここではＲ＝１０ＭΩ、Ｒ２＝１ＭΩであって、ＳＷ１がオン、ＳＷ２がオフされた場合にはゲインは１０×Ｇ、ＳＷ２がオン、ＳＷ１がオフされた場合にはゲインはＧとなる。制御部３０により、スキャン速度が所定値以上である場合にはゲイン小（つまりゲインＧ）、スキャン速度が所定値未満である場合にはゲイン大（つまりゲイン１０×Ｇ）が選択される。
【００２５】
ここでスキャン速度に応じてゲインを切り替える意味を説明する。ここでの分析条件は、１[amu]（原子質量単位）当たりのサンプリング点数は１０であり、信号ピークは半値幅が１／２[amu]程度のガウス波形で、最大のスキャン速度が１５０００[amu/sec]であるとする。この場合に、プリアンプ４０で必要となる周波数帯域は計算によれば約５０[kHz]である。スキャン速度が速いほど広い周波数帯域が必要となる。一方、ノイズは初段のプリアンプ４０でのノイズが支配的であるため、ノイズレベルを低減するためにはプリアンプ４０でのゲインは高いほうが望ましい。また、検出信号の信号強度が低い場合には、感度を高めるためにプリアンプ４０のゲインを大きくする必要がある。このように高速のスキャン速度に対応するには広い周波数帯域が必要であり、ノイズの低減や検出感度の向上のためにはゲインを大きくするのが望ましい。しかしながら、同一のアンプでは増幅率と周波数帯域との積（ＧＢ積）は一定であるため、増幅率を上げると周波数帯域はそれに反比例して狭くなる。
【００２６】
そこで、スキャン速度が速い場合には周波数帯域を広げることを重視するためにゲインを落とし、スキャン速度が遅い場合には周波数帯域に余裕があるためにゲインを高くする。ここでは、スキャン速度が１２５０[amu/sec]以上である場合に帰還抵抗Ｒ２を選択してゲインＧとし、スキャン速度が１２５０[amu/sec]未満である場合に帰還抵抗Ｒ１を選択してゲインを１０×Ｇとする。
【００２７】
スキャン速度ＳＰと検出信号を処理するために必要となる周波数帯域ｆspとの関係は、本願発明者の計算によれば、
２．２５×ＳＰ≒ｆsp
となる。プリアンプ４０での周波数帯域ｆは、帰還抵抗Ｒｆ、浮遊容量Ｃｆに対し、
ｆ＝１／（２π×Ｒｆ×Ｃｆ）
であって、ｆ＞ｆspである必要がある。いま浮遊容量Ｃｆが２ｐＦであると仮定すると、Ｒｆが１ＭΩでは（つまり帰還抵抗Ｒ２を選択した場合には）、
ｆ＝１／（２π×Ｒｆ×Ｃｆ）＝７９[kHz]
であり、Ｒｆが１０ＭΩでは（つまり帰還抵抗Ｒ１を選択した場合には）、
ｆ＝１／（２π×Ｒｆ×Ｃｆ）＝７．９[kHz]
となる。即ち、Ｒｆが１ＭΩであれば、必要な周波数帯域５０kHzを確保することができることが分かる。
【００２８】
上記のようにプリアンプ４０で増幅された信号は次の第１倍率器４１に入力されるが、第１倍率器４１も制御部３０の制御の下に倍率（ゲイン）が切り替えられ、プリアンプ４０でゲインＧが選択された場合に１０倍の倍率が与えられ、プリアンプ４０でゲイン１０×Ｇが選択された場合には１倍の倍率が与えられる。したがって、プリアンプ４０と第１倍率器４１とを併せた総合的なゲインはスキャン速度には全く依存せず、スキャン速度が相違してもプリアンプ４０の入力信号のレベルが同一であれが第１倍率器４１の出力信号のレベルは同じとなる。
【００２９】
ここで、プリアンプ４０と第１倍率器４１でのノイズについて検討してみると、プリアンプ４０における抵抗ノイズ電圧密度Ｅｎは、
Ｅｎ＝√（４・ｋ・Ｔ・Ｒｆ）
となる。ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。周波数帯域をＢＷとすると、ノイズ電圧Ｖｎは、
Ｖｎ＝Ｅｎ×√（ＢＷ）
となる。上述のように電圧レベルを合わせるために、帰還抵抗として１ＭΩが選択された場合には第１倍率器４１では１０倍のゲインが与えられる。
【００３０】
ｋ＝１．３８×１０−２３[J/K]、Ｔ＝３００[K]とすると、Ｒｆ＝１０ＭΩ及び１ＭΩにおける抵抗ノイズ電圧密度Ｅｎは、それぞれＥｎ１０＝４０７[nV/√Hz]、及びＥｎ１＝１２８．７[nV/√Hz]となる。ここで使用しているオペアンプ自体のノイズは８[nV/√Hz]程度であるから、プリアンプ４０でのノイズは殆ど帰還抵抗によるものであるとみなせる。第１倍率器４１の後では、その前段のノイズは倍率の分だけ増幅されるため、Ｒｆ＝１０ＭΩ及び１ＭΩとしたときの第１倍率器４１の出力での抵抗ノイズ電圧密度Ｅｎ’は、それぞれＥｎ１０’＝４０７[nV/√Hz]、及びＥｎ１’＝１２８７[nV/√Hz]となる。即ち、プリアンプ４０でのゲインが大きいほうが第１倍率器４１の出力段ではノイズが低減されていることが分かる。また、プリアンプ４０への入力前に発生するノイズに由来してプリアンプ４０の出力後に現れるノイズのレベルは、プリアンプ４０の周波数帯域が狭いほど小さくなる。したがって、検出器２４で発生するノイズを考慮しても、帰還抵抗Ｒｆが大きいほうが相対的にノイズが低減されることになる。
【００３１】
上記のように第１倍率器４１において電圧レベルが調整された信号はレベルシフト回路４２に入力され、オフセット電圧分だけ直流的にシフトされて第２倍率器４３に入力される。第２倍率器４３は入力信号のレベルに応じて倍率が、１倍又は１６倍のいずれかに自動的に設定される倍率器である。即ち、入力信号の信号強度が所定値以下である場合には入力信号を１６倍し、それ以外では入力信号をそのまま出力する。これにより、ノイズを相対的に低減し、且つＡ／Ｄ変換器４５での入力レベルのフルスケールを有効に利用してダイナミックレンジを拡大することができる。
【００３２】
いま、第２倍率器４３の入力側のノイズをＮｐ、出力側でＡ／Ｄ変換器４５の入力端までの間のノイズをＮａとすると、Ａ／Ｄ変換器４５に入るノイズＮは、第２倍率器４３での倍率が１であるときに
Ｎ１＝Ｎｐ＋Ｎａ
第２倍率器４３での倍率が１６であるときに、
Ｎ１６＝１６×Ｎｐ＋Ｎａ
となる。これらをそれぞれＡ／Ｄ変換して得られる値Ｄは、
Ｄ１＝Ｎ１／１[LSB]＝（Ｎｐ／１[LSB]）＋（Ｎａ／１[LSB] ）
Ｄ１６＝Ｎ１６／１[LSB]＝（１６×Ｎｐ／１[LSB]）＋（Ｎａ／１[LSB]）
となる。後述するが、データ加工部４６ではまず乗算器４６１において第２倍率器４３での倍率の相違を補償するために、先の倍率が１である場合にはデジタル的に１６を乗じる演算を実行する。したがって、この場合にデータ値は、
Ｄ１’＝１６×Ｄ１＝（１６×Ｎｐ／１[LSB]）＋（１６×Ｎａ／１[LSB]）＝Ｄ１６＋（１５×Ｎａ／１[LSB]）
となる。これは、第２倍率器４３で１６倍の倍率とした場合よりも１５×Ｎａ／１[LSB]だけノイズが大きいことを意味している。換言すれば、第２倍率器４３で入力信号のレベルが低い場合に信号を１６倍することで、Ａ／Ｄ変換後に現れるノイズを相対的に低減できることが分かる。
【００３３】
第２倍率器４３の出力はアナログフィルタ４４に入力され、ここで帯域外の不要な周波数成分が除去される。このアナログフィルタ４４のカットオフ周波数は、ナイキストのサンプリング定理より、Ａ／Ｄ変換器４５のサンプリング周波数の１／２（ここでは１５０[kHz]）以下とする必要があるため、最大スキャン速度で要求される周波数帯域からｆｃ＝５０[kHz]としておく。そうして不要周波数成分が除去された信号はＡ／Ｄ変換器４５で３００[kHz]のサンプリングレートでサンプリングされ、各サンプルは１６ビットのデジタルデータに変換される。ここで、Ａ／Ｄ変換器４５で得られるデータを時系列順にａ０、ａ１、ａ２、ａ３、…であるとし、これが次のデータ加工部４６に入力される。
【００３４】
データ加工部４６では、まず上述のように第２倍率器４３での１倍又は１６倍の倍率の相違を補償するために、先の倍率が１倍である場合には、乗算器４６１においてＡ／Ｄ値に１６を乗じる演算を実行し、これを２０ビットのデータに拡張する。一方、先の倍率が１倍である場合には乗算は行わずに２０ビットデータへの拡張のみを行う。この乗算器４６１の出力データを時系列順にｂ０、ｂ１、ｂ２、ｂ３、…であるとすると、先の倍率が１の場合には、
ｂｎ＝ａｎ×１６
先の倍率が１６の場合には、
ｂｎ＝ａｎ
とする。但し、ａｎは１６ビットデータ、ｂｎは２０ビットデータである。
【００３５】
最終的に演算処理用ＣＰＵ４７が要求するデータレートはスキャン速度と同じで最大１５０[kHz]となる。上述のようにノイズの主体は抵抗の熱雑音であり、これはランダムノイズであるので、２つのサンプルの平均化処理により１／√２程度のノイズ低減を図ることができる。そこで、間引き処理部４６２では、サンプリングレートが３００[kHz]である隣接する２つのデータを平均化した間引き処理を行うことで、レートが１５０[kHz]であるデータ列を生成する。具体的には、３００[kHz]のレートで入力されるデータｂ０、ｂ１、ｂ２、ｂ３、…を利用し、次のような平均化処理を実行してレートを１／２に落とす。
ｃ０＝（ｂ０＋ｂ１）／２
ｃ１＝（ｂ２＋ｂ３）／２
…
ｃｋ＝（ｂ２ｋ＋ｂ２ｋ＋１）／２
…
これによりノイズが低減され、ノイズレベルが１／√２倍程度になることが期待される。
【００３６】
次にこの１５０[kHz]のレートのデータＣｋを、サンプリング周波数：１５０[kHz]、データ長：２０ビット、カットオフ周波数：３５[kHz]、タップ数：最大２５５、のＦＩＲフィルタ４６３でフィルタリング処理して、データ列α０、α１、α２、α３、… を生成する。これにより、質量分析信号データとしては形状を保存しながら、十分なノイズ除去を行うことができる。そして、データ長が２０ビットであるα０、α１、α２、α３、…を加算処理部４６４に入力し、指定された回数（最大２０４７回）加算することで３１ビットデータに変換し、３２ビット目については、加算するデータ内に一つでも１０４８５６０以上のものが或る場合に「１」、そうでない場合に「０」として、３２ビットデータを生成する。この３２ビットデータを演算処理用ＣＰＵ４７に送り込んで、質量スペクトル作成等の処理に供する。
【００３７】
以上のような検出信号の処理により、可能な限りノイズを低減し、信号強度が低い場合には信号強度を高くし、さらにはスキャン速度が高速で周波数帯域が不十分になるおそれがある場合にはこれを拡大して良好な信号を得ることができる。なお、上記説明では、スキャン速度に応じてのみプリアンプ４０での帰還抵抗を切り替えるようにしているが、検出信号のレベルが大きい場合、つまりはもともと分析対象の試料中の成分濃度が高い場合には、プリアンプ４０でゲインを大きくし過ぎると飽和して信号波形が歪むおそれがある。そこで、制御部３０は予め分析対象の試料中の成分濃度が高いことが分かっている場合には、スキャン速度に拘わらず小さな帰還抵抗を選択してプリアンプ４０のゲインを低く抑えるとよい。
【００３８】
また上記実施例では、プリアンプ４０のゲイン（及び周波数帯域）を２段階に切り替えるようにしていたが、これは３段階以上に切り替え可能であってもよいことは当然である。また、それ以外の点においても、本発明の趣旨の範囲で適宜変更や修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施例による質量分析装置における質量分析部の全体構成図。
【図２】本実施例の質量分析装置における検出信号の処理回路の構成図。
【符号の説明】
【００４０】
１１…イオン化室
１２…ノズル
１３…脱溶媒パイプ
１４…第１中間真空室
１５…第１レンズ電極
１６…スキマー
１７…オリフィス
１８…第２中間真空室
１９…第２レンズ電極
２０…隔壁
２１…分析室
２２…プレ四重極質量フィルタ
２３…主四重極質量フィルタ
２４…検出器
２７…ロータリポンプ
２８、２９…ターボ分子ポンプ
３０…制御部
３１…分析条件設定部
３２、３３、３４…電源部
３５…ＤＣ生成部
３６…ＲＦ生成部
３７…合成部
４０…プリアンプ
Ｒ１、Ｒ２…帰還抵抗
４１…第１倍率器
４２…レベルシフト回路
４３…第２倍率器
４４…アナログフィルタ
４５…Ａ／Ｄ変換器
４６…データ加工部
４６１…乗算器
４６２…間引き処理部
４６３…ＦＩＲフィルタ
４６４…加算処理部
４７…演算処理用ＣＰＵ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンを質量電荷比に応じて分離して選択的に通過させる質量分離器と、該質量分離器を通過したイオンを検出する検出器と、を具備し、前記質量分離器を通過するイオンの質量を所定質量範囲で走査するスキャン測定を行う質量分析装置において、
a)前記スキャン測定における質量走査のスキャン速度を設定するための設定手段と、
b)前記検出器による検出信号を増幅するために複数の帰還抵抗を切替え可能に有する初段増幅器と、
c)前記設定手段により設定されたスキャン速度に応じて、該スキャン速度が速い場合には遅い場合に比べて、増幅率を下げる一方、周波数帯域を広げるように前記初段増幅器の帰還抵抗を切り替える制御手段と、
を備えることを特徴とする質量分析装置。
【請求項２】
前記初段増幅器の次段にあって、該初段増幅器の帰還抵抗の切替えに連動して出力レベルが一定になるように倍率を切り替える倍率器をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
【請求項３】
前記制御手段は、高濃度試料の測定時にスキャン速度に関係なく前記初段増幅器の増幅率を下げるように帰還抵抗を切り替えることを特徴とする請求項１又は２に記載の質量分析装置。
【請求項１】
イオンを質量電荷比に応じて分離して選択的に通過させる質量分離器と、該質量分離器を通過したイオンを検出する検出器と、を具備し、前記質量分離器を通過するイオンの質量を所定質量範囲で走査するスキャン測定を行う質量分析装置において、
a)前記スキャン測定における質量走査のスキャン速度を設定するための設定手段と、
b)前記検出器による検出信号を増幅するために複数の帰還抵抗を切替え可能に有する初段増幅器と、
c)前記設定手段により設定されたスキャン速度に応じて、該スキャン速度が速い場合には遅い場合に比べて、増幅率を下げる一方、周波数帯域を広げるように前記初段増幅器の帰還抵抗を切り替える制御手段と、
を備えることを特徴とする質量分析装置。
【請求項２】
前記初段増幅器の次段にあって、該初段増幅器の帰還抵抗の切替えに連動して出力レベルが一定になるように倍率を切り替える倍率器をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
【請求項３】
前記制御手段は、高濃度試料の測定時にスキャン速度に関係なく前記初段増幅器の増幅率を下げるように帰還抵抗を切り替えることを特徴とする請求項１又は２に記載の質量分析装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００８−５２９９６（Ｐ２００８−５２９９６Ａ）
【公開日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２２６７９３（Ｐ２００６−２２６７９３）
【出願日】平成１８年８月２３日（２００６．８．２３）
【出願人】（０００００１９９３）株式会社島津製作所 (3,708)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月６日（２００８．３．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月２３日（２００６．８．２３）
【出願人】（０００００１９９３）株式会社島津製作所 (3,708)
【Ｆターム（参考）】
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