Notice: Undefined variable: fterm_desc_sub in /mnt/www/biblio_conv.php on line 353
質量分析装置
説明

質量分析装置

【課題】スキャン速度に応じて特性を切り替える電流−電圧変換器の構成を簡素にし且つ切替時の回路の安定性を向上させる。
【解決手段】電流−電圧変換器11は、演算増幅器A1の非反転入力端と出力端との間に、第1抵抗器R1と、第2抵抗器R2とスイッチSW1との並列回路とを直列に接続した回路を挿入する。制御部10はスキャン速度が速い場合にスイッチSW1を閉成して帰還抵抗を小さくし、ゲインを落とす一方周波数帯域を広げる。電流−電圧変換器11のスイッチは1個で済むのでコスト低減が図れ、切替え時に帰還ループがオープンにならないので電流−電圧変換器11の動作が安定になる。

【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を行う質量分析装置に関する。
【背景技術】
【0002】
四重極質量フィルタを用いた質量分析装置では、四重極質量フィルタに印加する高周波電圧及び直流電圧を所定の関係を保って変化させることにより、検出するイオンの質量電荷比m/zを走査することができ、それにより得られるデータを用いて質量スペクトルを作成することができる。
【0003】
こうした質量分析装置(MS)を液体クロマトグラフ(LC)の検出器として用いるLC/MSでは、分析のスループットを向上させるためにLCでの移動相の流速を上げる等の方法が採られるが、その場合、LCのカラムから溶出する溶出液中の試料成分の変化が速くなる。そのため、試料成分の検出の正確性を確保するには、質量走査の速度(以下、スキャン速度という)を速くする必要がある。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信号の周波数帯域が上がり、アナログ処理回路での周波数帯域の不足のために強度低下やピークの広がりなどの問題が生じる。
【0004】
上記問題を解決するために特許文献1に記載の質量分析装置では、検出器による電流信号を電圧信号に変換する電流−電圧変換器においてゲインを切り替え可能とし、スキャン速度が速い場合には遅い場合に比べてゲインを下げて周波数帯域を広くするようにしている。ゲインを上げると周波数帯域は狭くなるが、その代わりにノイズ特性は良好になり、信号のSN比を改善できる。これにより、スキャン速度が速い場合には周波数特性を重視した増幅を行い、一方、スキャン速度が遅い場合にはノイズ特性を重視した増幅を行うことができる。
【0005】
上記特許文献1中の実施例に記載の装置では、2つの抵抗器を切り替えることでゲインを切り替えるようにしているが、そのために2つの開閉スイッチが必要でありコストが掛かる。また、スイッチの切り替えの際に、演算増幅器に帰還抵抗が挿入されないオープンな状態となるおそれがあり、発振等、回路が不安定な状態となる可能性がある。
【0006】
【特許文献1】特開2008−52996号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、上記特許文献1に係る発明を実現する際に、コストを削減し且つより安定な動作を保証できる回路を採用した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第1発明は、各種イオンの中で特定の質量を有するイオンを選択的に通過させる質量分離器と、その質量分離器を通過したイオンを検出して電流信号として出力する検出器と、前記質量分離器を通過するイオンの質量を時間経過に伴って順に変化させるように該質量分離器を制御する制御手段と、を具備する質量分析装置において、
a)前記検出器による電流信号を電圧信号に変換するものであって、非反転入力端が基準電位に接続された演算増幅器の反転入力端と出力端との間に、第1抵抗器と、第2抵抗器と第1スイッチとの並列接続回路と、が直列接続された回路が挿入されて成る電流−電圧変換器と、
b)前記電流−電圧変換器の後段に配設され、前記第1スイッチの閉成・開成の際の帰還抵抗でそれぞれ決まるゲインの比と逆のゲインを第2スイッチの閉成・開成に応じて有する電圧増幅器と、
を備え、前記制御手段は、質量走査の速度が所定以上である場合に前記第1及び第2スイッチを閉成し、それ以外のときに該第1及び第2スイッチを開成することを特徴としている。
【0009】
また上記課題を解決するために成された第2発明は、各種イオンの中で特定の質量を有するイオンを選択的に通過させる質量分離器と、その質量分離器を通過したイオンを検出して電流信号として出力する検出器と、前記質量分離器を通過するイオンの質量を時間経過に伴って順に変化させるように該質量分離器を制御する制御手段と、を具備する質量分析装置において、
a)前記検出器による電流信号を電圧信号に変換するものであって、非反転入力端が基準電位に接続された演算増幅器の反転入力端と出力端との間に、第1抵抗器と、第2抵抗器と第1スイッチとの並列接続回路と、が直列接続された回路が挿入されて成る電流−電圧変換器と、
b)前記電流−電圧変換器の出力電圧又はその出力電圧が所定ゲインで増幅された電圧をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換手段と、
c)前記アナログ−デジタル変換手段によるデジタル信号を演算するものであって、前記第1スイッチの閉成・開成の際の帰還抵抗でそれぞれ決まるゲインの比と逆のゲインを与える乗算又は除算を、その第1スイッチの閉成・開成に連動して実行する演算手段と、
を備え、前記制御手段は、質量走査の速度が所定以上である場合に前記第1スイッチを閉成し、それ以外のときに該第1スイッチを開成することを特徴としている。
【発明の効果】
【0010】
第1及び第2発明に係る質量分析装置ではいずれも、第1スイッチを閉成すると電流−電圧変換器の帰還抵抗は第1抵抗器のみになり、第1スイッチを開成すると第1抵抗器と第2抵抗器とを直列接続したものが帰還抵抗となる。電流−電圧変換器のゲインはこの帰還抵抗に比例する。したがって、第1及び第2発明に係る質量分析装置では、1個のスイッチの閉成・開成だけで電流−電圧変換器のゲインを切り替えることができ、コストを削減することができる。
【0011】
また、2個の開閉スイッチを相補的に閉成・開成する場合や、第1信号経路を2つの信号経路のいずれかに選択的に接続するスイッチを用いる場合とは異なり、電流−電圧変換器のゲインの切り替えの際にも帰還ループがオープンになることがない。したがって、発振等が生じにくく、例えば分析途中で高速に切り替えが必要になるような場合でも、安定して電流−電圧変換動作を実行することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
本発明の一実施例である質量分析装置を、添付図面を参照して説明する。図4は本実施例による質量分析装置の概略構成図である。この質量分析装置はエレクトロスプレイイオン(ESI)源を搭載したものである。
【0013】
この質量分析装置では、ESIノズル22が配設されたイオン化室21と、プレ四重極質量フィルタ32、主四重極質量フィルタ33、イオン検出器34が配設された分析室31との間に、それぞれ隔壁で隔てられた第1中間真空室24と第2中間真空室28とが設けられている。イオン化室21内は略大気圧であり、分析室31内は高真空状態に維持され、その間の2つの中間真空室24、28は段階的に真空度が高くなる、多段差動排気系の構成が採られている。イオン化室21と第1中間真空室24との間は細径の脱溶媒パイプ23を介して連通しており、第1中間真空室24と第2中間真空室28との間はスキマー26の頂部に設けられた極小径の通過孔27を介して連通しており、第2中間真空室28と分析室31との間は隔壁30に設けられた小開口を介して連通している。
【0014】
第1中間真空室24及び第2中間真空室28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ガイド25、29が配設されている。これらイオンガイド25、29と四重極質量フィルタ32、33には電圧発生部40よりそれぞれ所定の電圧が印加される。このうち、四重極質量フィルタ32、33には、選別する質量電荷比に応じて、所定の高周波電圧と所定の直流電圧とが重畳された電圧±(U+V・cosωt)が印加されるようになっている。電圧発生部40などの動作はCPUを中心に構成される制御部10により統括的に制御され、その分析のための分析条件は使用者により入力部41から設定される。
【0015】
この質量分析装置の動作を概略的に説明する。例えば液体クロマトグラフのカラムから連続的に供給される液体試料はESIノズル22の先端からイオン化室21内にエレクトロスプレイされ、帯電した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21と第1中間真空室24との差圧により脱溶媒パイプ23中に引き込まれ、加熱されている脱溶媒パイプ23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24内に配設されたイオンガイド25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24内に入り、収束されて通過孔27を通して第2中間真空室28に送られる。
【0016】
第2中間真空室28内ではイオンガイド29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31へと送られる。分析室31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32、33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32、33を通り抜けたイオンがイオン検出器34に到達し、イオン検出器34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。この電流信号は増幅部35で電圧信号に変換され、AD変換部36でデジタル信号に変換されてデータ処理部37に入力される。
【0017】
スキャン測定の場合、制御部10は予め入力部41から設定されたスキャン速度、質量範囲などの分析条件に基づいて電圧発生部40を制御し、各部への印加電圧を時間経過に伴って走査する。これにより、イオン検出器34に到達し得るイオンの質量電荷比m/zが時間経過に伴って変化する。データ処理部37は上述のような質量走査に伴って得られるデータに基づいて、質量スペクトルを繰り返し作成する。図2に同一の質量範囲M1〜M2に亘る質量走査を異なるスキャン速度で行う場合の質量変化の様子を模式的に示す。
【0018】
図1は増幅部35及びAD変換部36の回路構成を示す概略図である。イオン検出器34から出力される電流信号iは電流−電圧変換器11で電圧信号に変換されて、電圧増幅器12で電圧増幅され、アナログフィルタ13で不要な高周波成分が除去される。そして、アナログ/デジタル変換器(ADC)14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。
【0019】
電流−電圧変換器11は、演算増幅器A1と、第1抵抗器R1、第2抵抗器R2、スイッチSW1、を含む。演算増幅器A1の非反転入力端は基準電位V0(例えばGND)に接続され、反転入力端に電流信号が入力される。第2抵抗器R2とスイッチSW1とは並列接続され、これと第1抵抗器R1との直列接続回路が演算増幅器A1の反転入力端と出力端との間に接続されている。スイッチSW1は制御部10からの制御信号によりオンオフ駆動される。ここでは、R1=1MΩ、R2=9MΩである。スイッチSW1がオンされると帰還抵抗はR1=1MΩであり、スイッチSW1がオフされると帰還抵抗はR1+R2=10MΩとなる。演算増幅器A1の出力端に現れる電圧は帰還抵抗に比例するから、スイッチSW1がオフ状態であるときのゲインはSW1がオン状態であるときのゲインの10倍となる。
【0020】
電圧増幅器12は、演算増幅器A2と、第3抵抗器R3、第4抵抗器R4、スイッチSW2、を含む。演算増幅器A2の非反転入力端に電流−電圧変換器11の出力電圧が入力され、反転入力端と出力端との間に第4抵抗器R4が挿入されるとともに、反転入力端は第3抵抗器R3及びスイッチSW2を介して基準電位に接続される。スイッチSW2はスイッチSW1と同様に制御部10からの制御信号によりオンオフ駆動される。スイッチSW2がオンされた状態では電圧増幅器12は(R3+R4)/R3の電圧ゲインを持ち、スイッチSW2がオフされると、電圧ゲインは1となる。
【0021】
ここで、第1乃至第4抵抗器R1〜R4の抵抗値は、R1:R2=R3:R4=1:n(但しn≧1)の関係となるように設定される。この例ではn=9であり、上述のようにR1=1MΩ、R2=9MΩであり、R3、R4は例えばR3=1kΩ、R4=9kΩとされる。スイッチSW1、SW2がオフ状態であるとき、電流−電圧変換器11のゲインは10倍、電圧増幅器12のゲインは1倍となり、スイッチSW1、SW2がオン状態であるとき、電流−電圧変換器11のゲインは1倍、電圧増幅器12のゲインは10倍となる。したがって、スイッチSW1、SW2がともにオン状態、オフ状態のいずれであっても、電流−電圧変換器11と電圧増幅器12とを合わせたゲインは変わらず、同一電流信号に対して出力される電圧信号は同じとなる。
【0022】
電流−電圧変換器11の周波数帯域は帰還抵抗と浮遊容量Cとにより決まり、帰還抵抗を大きくするほど、つまりゲインを高くするほど周波数帯域は狭くなる。スキャン速度が速い場合には信号の周波数が上がるため、制御部10は電流−電圧変換器11の周波数帯域を広げるように(ゲインを下げるように)スイッチSW1を閉成させる。これにより、高周波数成分も通過し易くなる。一方、電流−電圧変換器11及び電圧増幅器12によるノイズは初段の電流−電圧変換器11のノイズが支配的であるため、電流−電圧変換器11のゲインを高くしてノイズを相対的に低くするほうが全体のノイズレベルは下がる。そこで、スキャン速度が遅く電流−電圧変換器11の周波数帯域を広げる必要がない場合には、制御部10は電流−電圧変換器11のゲインを上げるようにスイッチSW1を開成させる。これにより、ノイズレベルが下がり、信号のSN比が改善される。
【0023】
制御部10は入力部41から設定された分析条件の1つであるスキャン速度に応じて、つまりスキャン速度が所定値以上であるか否かに応じて上述のようにスイッチSW1、SW2の閉成・開成を制御する。それによって、スキャン速度に応じた適切な検出データを取得することができる。
【0024】
特に本発明の構成では、1個のスイッチSW1の閉成と開成とにそれぞれ周波数重視の構成及びノイズ重視の構成が対応しており、切替えに伴う中間的な状態は存在しない。つまり、演算増幅器A1の負帰還ループには常に帰還抵抗が挿入された状態が維持されるため、その切替え時にも回路を安定に保つことができ、発振などの不具合な状態となることを回避することができる。また、スイッチはそれ自身が浮遊容量を持つが、ここでは1個のスイッチSW1のみが帰還ループに含まれるので、浮遊容量を減らして周波数帯域を広げるのに有利である。また、1個のスイッチで済むのでコスト的にも有利である。
【0025】
本実施例の質量分析装置における実測の検出波形を図5及び図6に示す。図5はポリエチレングリコール(PEG)を試料として分析した場合の検出波形であり、(A)が周波数特性重視の構成(電流−電圧変換器のゲイン小)、(B)がノイズ重視の構成(電流−電圧変換器のゲイン大)である。なお、この実測に用いた装置は、同一試料を同一条件の下で分析する場合の再現性が±1%以下であることが保証されたものである。図5(A))と(B)とを比較すると、周波数特性重視の構成では検出された波形が鋭く且つ強度も高くなっている。これは、より高い周波数成分の信号まで検出できたことによる。図6は試料を導入しない状態での検出波形、つまりノイズ成分の波形であり、(A)が周波数特性重視の構成、(B)がノイズ重視の構成である。図6(A)と(B)とを比較すると、ノイズ特性重視の構成では検出された波形の変動振幅が小さく滑らかである。
【0026】
以上の実測結果から、使用者が設定したスキャン速度が速い場合に選択される周波数特性重視の構成では目的成分を高い感度で且つ高い質量精度で検出することができ、スキャン速度が遅い場合に選択されるノイズ特性重視の構成ではノイズを低減して高いSN比で目的成分を検出できることが分かる。
【0027】
図3は本発明の別の実施例による質量分析装置の増幅部35及びAD変換部36の構成図である。図1と同じ構成要素には同じ符号を付して説明を略す。この実施例の構成では、電圧ゲイン可変の電圧増幅器12に代えて、ADC14の後段にデジタル乗算器17が設けられている。デジタル乗算器17は制御部10から出力されるスイッチSW1の切替制御信号を受けて、スイッチSW1が閉成状態であるときには10を乗じ、スイッチSW1が開成状態であるときには単に1を乗じる。したがって、上記電圧増幅器12の機能をデジタル的に実現したものであり、上記実施例と同じ作用・効果を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【0028】
【図1】本発明の一実施例による質量分析装置における増幅部及びAD変換部の回路構成を示す概略図。
【図2】同一の質量範囲M1〜M2に亘る質量走査を異なるスキャン速度で行う場合の質量変化の様子を模式的に示す図。
【図3】本発明の他の実施例による質量分析装置における増幅部及びAD変換部の回路構成を示す概略図。
【図4】本発明の一実施例による質量分析装置の全体構成図。
【図5】本実施例の質量分析装置における実測の検出波形を示す図。
【図6】本実施例の質量分析装置における実測の検出波形を示す図。
【符号の説明】
【0029】
11…電流−電圧変換器
12…電圧増幅器
13…アナログフィルタ
14…アナログ/デジタル変換器(ADC)
17…デジタル乗算器
SW1、SW2…スイッチ
A1、A2…演算増幅器
R1、R2、R3、R4…抵抗器
10…制御部
21…イオン化室
22…ESIノズル
23…脱溶媒パイプ
24…第1中間真空室
25、29…イオンガイド
26…スキマー
27…通過孔
28…第2中間真空室
30…隔壁
31…分析室
32…プレ四重極質量フィルタ
33…主四重極質量フィルタ
34…イオン検出器
35…増幅部
36…AD変換部
37…データ処理部
40…電圧発生部
41…入力部

【特許請求の範囲】
【請求項1】
各種イオンの中で特定の質量を有するイオンを選択的に通過させる質量分離器と、その質量分離器を通過したイオンを検出して電流信号として出力する検出器と、前記質量分離器を通過するイオンの質量を時間経過に伴って順に変化させるように該質量分離器を制御する制御手段と、を具備する質量分析装置において、
a)前記検出器による電流信号を電圧信号に変換するものであって、非反転入力端が基準電位に接続された演算増幅器の反転入力端と出力端との間に、第1抵抗器と、第2抵抗器と第1スイッチとの並列接続回路と、が直列接続された回路が挿入されて成る電流−電圧変換器と、
b)前記電流−電圧変換器の後段に配設され、前記第1スイッチの閉成・開成の際の帰還抵抗でそれぞれ決まるゲインの比と逆のゲインを第2スイッチの閉成・開成に応じて有する電圧増幅器と、
を備え、前記制御手段は、質量走査の速度が所定以上である場合に前記第1及び第2スイッチを閉成し、それ以外のときに該第1及び第2スイッチを開成することを特徴とする質量分析装置。
【請求項2】
各種イオンの中で特定の質量を有するイオンを選択的に通過させる質量分離器と、その質量分離器を通過したイオンを検出して電流信号として出力する検出器と、前記質量分離器を通過するイオンの質量を時間経過に伴って順に変化させるように該質量分離器を制御する制御手段と、を具備する質量分析装置において、
a)前記検出器による電流信号を電圧信号に変換するものであって、非反転入力端が基準電位に接続された演算増幅器の反転入力端と出力端との間に、第1抵抗器と、第2抵抗器と第1スイッチとの並列接続回路と、が直列接続された回路が挿入されて成る電流−電圧変換器と、
b)前記電流−電圧変換器の出力電圧又はその出力電圧が所定ゲインで増幅された電圧をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換手段と、
c)前記アナログ−デジタル変換手段によるデジタル信号を演算するものであって、前記第1スイッチの閉成・開成の際の帰還抵抗でそれぞれ決まるゲインの比と逆のゲインを与える乗算又は除算を、その第1スイッチの閉成・開成に連動して実行する演算手段と、
を備え、前記制御手段は、質量走査の速度が所定以上である場合に前記第1スイッチを閉成し、それ以外のときに該第1スイッチを開成することを特徴とする質量分析装置。

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図3】
image rotate

【図4】
image rotate

【図5】
image rotate

【図6】
image rotate


【公開番号】特開2009−231035(P2009−231035A)
【公開日】平成21年10月8日(2009.10.8)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−74841(P2008−74841)
【出願日】平成20年3月24日(2008.3.24)
【出願人】(000001993)株式会社島津製作所 (3,708)
【Fターム(参考)】