(57)【要約】【課題】走査速度が上昇するにつれて、四重極の検出能力を最大限にする装置と方法の提供【解決手段】質量分析計(100)の四重極(110)を電子的に制御するための装置(200)であって、その装置は、四重極(110)に結合された無線周波(RF)駆動回路要素および直流(DC)駆動回路要素と、前記ＲＦ駆動回路要素に関連したＲＦ制御ループ(220)と、前記ＤＣ駆動回路要素に関連したＤＣ制御ループ(230)と、及び前記ＤＣ制御ループ(230)に関連した制御ループ回路要素(1100)とを含み、前記制御ループ回路要素(1100)は、ステップ応答の整定時間(832)の期間中に前記ＤＣ制御ループ(230)の応答を変更して、前記整定時間(832)中に前記四重極(110)を通るイオンの透過率が、前記整定時間(832)中に前記ＤＣ制御ループ(230)の応答を変更しなかった場合に比べて大きくなるように構成される。【選択図】図１１
2006040890.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
四重極（１１０）に結合された無線周波（ＲＦ）駆動回路要素および直流（ＤＣ）駆動回路要素と、
前記ＲＦ駆動回路要素に関連したＲＦ制御ループ（２２０）と、
前記ＤＣ駆動回路要素に関連したＤＣ制御ループ（２３０）と、及び
前記ＤＣ制御ループ（２３０）に関連した制御ループ回路要素（１１００）とを含み、
前記制御ループ回路要素（１１００）は、ステップ応答の整定時間（８３２）の期間中に前記ＤＣ制御ループ（２３０）の応答を変更して、前記整定時間（８３２）中に前記四重極（１１０）を通るイオンの透過率が、前記整定時間（８３２）中に前記ＤＣ制御ループ（２３０）の応答を変更しなかった場合に比べて大きくなるように構成されている、質量分析計（１００）の四重極（１１０）を電子的に制御するための装置（２００）。
【請求項２】
前記制御ループ回路要素（１１００）が、高質量から低質量へと走査するために構成された容量性回路（１１１２）及び抵抗性回路（１１１４）を含む、請求項１に記載の装置（２００）。
【請求項３】
前記制御ループ回路要素（１１００）が、低質量から高質量へと走査するために構成された誘導性回路（１１５２）及び抵抗性回路（１１５４）を含む、請求項１に記載の装置（２００）。
【請求項４】
前記制御ループ回路要素（１１００）が、デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）（２０２）を含む、請求項１に記載の装置（２００）。
【請求項５】
前記ＤＣ制御ループ（２３０）の変更された応答により、前記整定時間（８３２）中における前記四重極（１１０）のイオン透過率が、前記ＤＣ制御ループ（２３０）の応答が変更されなかった場合の前記四重極（１１０）のイオン透過率に比べて大きくなることが可能になる、請求項１に記載の装置（２００）。
【請求項６】
前記ＤＣ制御ループ（２３０）に対する前記ＲＦ制御ループ（２２０）の制御電圧の比が増大する、請求項１に記載の装置（２００）。
【請求項７】
無線周波（ＲＦ）制御電圧（２４２）及び直流（ＤＣ）制御電圧（２７２、２６８）を発生（１２０２）し、
前記ＲＦ制御電圧（２４２）及びＤＣ制御電圧（２７２、２６８）を四重極（１１０）に供給（１２０４）し、及び
前記ＲＦ及びＤＣ制御電圧のステッピングに関連した整定期間（８３２）中に、前記ＲＦ制御電圧と前記ＤＣ制御電圧の比を変更（１２０６）することを含む、質量分析計（１００）の前記四重極（１１０）を電子的に制御するための方法（１２００）。
【請求項８】
前記ＤＣ制御電圧（２７２、２６８）が、低質量から高質量へと走査するために前記ＲＦ制御電圧（２４２）に遅れるように変更される、請求項７に記載の方法（１２００）。
【請求項９】
前記ＤＣ制御電圧（２７２、２６８）が、高質量から低質量へと走査するために前記ＲＦ制御電圧（２４２）に先行するように変更される、請求項７に記載の方法（１２００）。
【請求項１０】
前記ＲＦ制御電圧（２４２）と前記ＤＣ制御電圧（２７２、２６８）との比を変更することによって、前記整定時間（８３２）中に前記四重極（１１０）を通るイオンの透過率が、前記ＲＦ制御電圧（２４２）と前記ＤＣ制御電圧（２７２、２６８）との比が変更されなかった場合の前記四重極（１１０）を通るイオンの透過率に比べて大きくなることが可能になる、請求項９に記載の方法（１２００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、四重極質量分析計を電子的に駆動して、速い走査速度における信号性能を向上させるための装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
四重極質量分析法とも呼ばれる、四重極イオンフィルタを利用した質量分析法が長年にわたって使用されてきた。「四重極」と呼ばれる、四重極イオンフィルタを利用した質量分析法では、直流（ＤＣ）電圧および重畳無線周波（ＲＦ）電圧が供給される、４つの平行なロッドが使用される。ＤＣ及びＲＦ電圧によって、四重極はあらかじめ選択された無線周波数範囲にわたる走査により、質量範囲を走査することを可能にする。
【０００３】
一般に、四重極を用いてある質量範囲を走査して、特定の質量を有するイオンを突き止める場合、ＤＣ及びＲＦ電圧は、互いに一定の比率に維持され、ある時間期間にわたって、質量の異なるイオンをフィルタリングするように調整される。ある質量範囲を走査するために、フィルタリングしようとするイオンの原子質量に対応するステップで、ＤＣ及びＲＦ電圧が調整される。例えば、０．１原子質量単位（ＡＭＵ）のステップで、イオンを識別するように、ＤＣ及びＲＦ電圧が調整される。ある質量範囲にわたってＤＣ及びＲＦ電圧を調整することによって、質量分析計は、イオン及びアイソトープの質量に応じて、種々のイオン及び関連するアイソトープを識別することが可能になる。ＡＭＵステップに対応するＤＣ及びＲＦ電圧の各ステップには、四重極および関連する検出器によって与えられる結果の分析（積算と呼ばれる）の前に、それぞれのＤＣ及びＲＦ電圧を発生する電気回路要素を安定化させることが必要とされる。残念ながら、所与のＡＭＵステップサイズの場合、四重極を走査するのに望ましい速度が上昇し続けるので、信号の分析に利用可能な時間量は減少する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、走査速度が上昇するにつれて、四重極の検出能力を最大限にする装置と方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施形態によれば、質量分析計の四重極を電子的に制御するための装置は、四重極に結合された無線周波（ＲＦ）駆動回路要素および直流（ＤＣ）駆動回路要素と、ＲＦ駆動回路要素に関連したＲＦ制御ループと、ＤＣ駆動回路要素に関連したＤＣ制御ループと、ＤＣ制御ループに関連した制御ループ回路要素を含む。制御ループ回路要素は、ステップ応答の整定時間期間中にＤＣ制御ループの応答を変更して、整定時間中に四重極を通るイオンの透過率が、整定時間中にＤＣ制御ループの応答を変更しない場合に比べて大きくなるように構成される。
【０００６】
本発明の他の装置、方法、及び態様と利点については、図面及び好適な実施形態の詳細な説明に関連して説明される。
【０００７】
本発明は、特に添付図面に関連した例示的な実施形態の説明において、一例として説明される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ＤＣ制御ループの応答が変更され、ＤＣ制御ループの応答の向上によって、整定時間中に四重極を通るイオンの透過率が有効に改善される。その結果として、整定時間中に積算する場合の信号劣化が最小限に抑えられ、走査速度が上昇しても整定時間中に信号を正確に積算することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
高質量から低質量へとイオンを走査する四重極質量分析計における利用に関して以下に説明されるが、質量分析計の四重極を電子的に駆動するための装置および方法は、低質量から高質量へとイオンを走査する場合に使用され得る。
【００１０】
図１は、四重極質量分析計１００を例示したブロック図である。分析されるべき材料の試料が、試料入口１０２を介してイオン源１０６に送られる。試料入口は、例えば、空気および単純ガスのサンプリングに使用される膜または他の制限装置とするができ、或いはガスクロマトグラフィ、液体クロマトグラフィ、又は固相サンプラのようなより高度な装置とするができる。イオン源１０６は、試料入口１０２内の材料からイオンを発生させる。イオン源１０６は、電子または化学イオン化源、エレクトロスプレー又は大気圧源、或いは試料入口１０２内の材料を単一または複数の荷電イオンに変換する他の任意のイオン源とすることができる。イオン源１０６は、接続１４８を介して四重極１１０にイオンを送る。
【００１１】
四重極１１０は、イオンの原子質量に基づいて試料中の特定のイオンを分離または選択するイオン質量フィルタである。イオンフィルタとして使用される場合、及び適切なＲＦ及びＤＣ電圧が四重極１１０に印加される場合、四重極１１０は、原子質量に基づいて、イオン源１０６によって発生する複数のイオンから特定のイオンを選択する。次いで、選択されたイオンは、接続１５２を介して検出器１０８に送られる。四重極１１０は、ある質量範囲内を走査して、その質量範囲内における特定イオンを突き止めるために使用されることができ、又は特定の質量のイオンについて、単一イオンモニタ、即ち「ＳＩＭ」と呼ばれる、ある単一イオンの存在について試料をモニタするために使用され得る。
【００１２】
検出器１０８は、四重極１１０からイオンを収集して、イオンを電子（又は別の適切な電子信号）に変換し、検出されたイオンに関連する信号強度を測定する。典型的なイオン変換器には、連続または不連続変換ダイノード又は光電子増倍変換器が含まれる。検出器１０８からの出力信号は、接続１２８を介して検出器制御電子回路１１４に供給される。
【００１３】
高真空と低真空の双方をもたらす真空源１０４が、接続１２２を介してイオン源１０６を、接続１２４を介して四重極１１０を、及び接続１２６を介して検出器１０８を真空引きして、異なる構成要素に必要とされる適切な真空状態をもたらす。真空源１０４の真空ポンプ（図示せず）は一般に、低真空用の回転羽根式または乾式ポンプ、及び高真空をもたらすためのターボ分子ポンプ又は拡散ポンプを含む。
【００１４】
イオン源制御電子回路１１２は、接続１３２を介してイオン源１０６を制御するための高電圧素子と低電圧素子を含む。制御には、イオンガイドのためのＤＣ電圧とＲＦ電圧の双方の制御、及び検出しようとするイオンの質量の関数として変化するランプＤＣ電圧の制御が含まれる。また、イオン源制御電子回路１１２には、必要であれば、ヒータ制御回路、流量制御回路、及びフィラメント制御回路も含まれる。四重極制御電子回路２００は、その一部についてさらに詳細に後述されるが、接続１３４を介して四重極１１０に電圧を印加するための高電圧と低電圧のＲＦ及びＤＣ電圧発生器を含む。また、四重極制御電子回路２００は、四重極１１０に対するイオンの送り込み／送り出しを支援するための、事前および事後イオンガイドを含むこともできる。
【００１５】
検出器制御電子回路１１４は、接続１３６を介して、さまざまなタイプの検出器またはイオン変換装置のための電圧を生成する。検出器制御電子回路１１４は、検出器１０８からの信号の信号強度を測定するために、イオン信号を変換またはブーストするための電子増幅器を含む。検出器制御回路１１４のいくつかの増幅器（図示せず）は、さまざまなダイナミックレンジのアナログ素子であり、一方、他の増幅器はイオンを「カウント」するパルスカウンタである。
【００１６】
埋め込み式コントローラ１１６は、接続１３８、１４２、及び１４４を介して、それぞれ四重極質量分析計１００内のイオン源制御電子回路１１２、四重極制御電子回路２００、及び検出器制御電子回路１１４を制御し、例えば、単純な制御回路要素、又はオンボードオペレーティングシステムを有する完全埋め込み式コンピュータプロセッサとすることができる。ソフトウェア又はファームウェアが四重極制御電子回路２００の応答を制御する一実施形態では、埋め込み式コントローラ１１６は、後述されるＲＦ及びＤＣ制御電子回路の応答を制御するためのソフトウェア２５０を含む。代案として、ソフトウェア２５０の代わりに、ファームウェア又はディスクリートの論理回路要素を実現して、四重極制御電子回路２００によって供給されるＲＦ及びＤＣ制御電圧の応答を制御することもできる。
【００１７】
接続１２８における検出器１０８の出力は、イオン強度を表す信号であり、対象となる試料を相関させて、最終測定結果を提供するように埋め込み式コントローラ１１６によって使用される。接続１４６における埋め込み式コントローラ１１６の出力には、試料入口からの試料を解釈し、最終測定結果と相関させるために、四重極質量分析計１００の下流に配置された要素によって直接的または間接的に使用されるデータが含まれる。一般に、結果は、質量スペクトル又は試料イオンに関連した別の形式の質量情報である。
【００１８】
図２は、図１の四重極制御電子回路２００の一部を例示したブロック図である。四重極制御電子回路２００には、ＲＦ制御ループ２２０の素子およびＤＣ制御ループ２３０の素子を駆動するために使用される制御電圧を発生するデジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）２０２が含まれる。後述される代替実施形態の場合、別個のＤＡＣ（２０２及び２０２ａ）がそれぞれ、ＲＦ制御ループ２２０及びＤＣ制御ループ２３０を駆動する。この例では、接続２０４を介したＤＡＣ２０２の出力が、加算素子２０６に供給される。また、接続２１２におけるＲＦピーク検出信号も、加算素子２０６への入力になる。ＲＦ制御ループ２２０における加算素子２０６は、接続２１４を介して、補償素子２２２に出力を供給する。補償素子２２２は、例えば、能動的または受動的構成で構成された抵抗性及び容量性回路網とすることができる。
【００１９】
接続２２８における補償素子２２２の出力は、ミクサ２３６に供給される。例えば、局部発振器（ＬＯ）とも呼ばれる、発振器とすることが可能な周波数発生源２３２は、接続２３４を介してミクサ２３６に周波数基準信号を供給する。ミクサ２３６は、接続２３４における周波数基準信号と接続２２８における信号を組み合わせて、接続２３８によって適切なＲＦ振幅の信号を供給する。この実施形態の場合、周波数発生源２３２は、固定周波数発生源であり、ミクサ２３６は、接続２３４における基準信号の振幅を変調する。接続２３８における信号は、利得「ＡＲＦ」を有する増幅器に供給され、その増幅器は、接続２４４に０°の位相のＲＦ電圧信号を供給し、接続２４６に１８０°の位相のＲＦ電圧信号を供給する。
【００２０】
また、ＲＦピーク検出信号も、接続２１２を介して、フィードバック信号として、ＤＣ制御ループ２３０の加算素子２０８に供給される。代案として、ＤＣ制御ループ２３０への入力としてＲＦフィードバックを利用する代わりに、経路「Ａ」に沿って、接続２０４におけるＤＡＣ２０２の出力を加算素子２０８に供給することもでき、又はＤＡＣ２０２ａの出力を加算素子２０８への入力として供給することもできる。また、加算素子２０８は、接続２１８を介してフィードバック素子２２６からのフィードバック信号も受信する。接続２１６における加算素子２０８の出力は、補償素子２２２と同様とすることができる補償素子２２４に供給され、接続２７４によって出力信号が増幅器２７２に供給される。増幅器２７２は、利得「ＡＤＣ」を有する。接続２９６における増幅器２７２の出力は、＋ＶＤＣと略記される正のＤＣ電圧信号である。また、増幅器２７２の出力は、フィードバック素子２２６にも供給され、入力として、増幅器２６８にも供給される。増幅器２６８は、「−１」に等しい利得を有する。増幅器２６８の出力は、接続２６６における負の電圧−ＶＤＣである。
【００２１】
接続２４４における増幅器２４２の０°の位相のＲＦ出力および接続２９６における＋ＶＤＣ信号は、加算素子２４８に供給される。接続２５２における加算素子２４８の出力は、ＶＲＦ（０）＋ＶＤＣに等しいＲＦ及びＤＣ成分を有する信号である。接続２４６における増幅器２４２の１８０°出力および接続２６６における−ＶＤＣ信号は、加算素子２６４に供給される。接続２６２における加算素子２６４の出力は、ＶＲＦ（１８０）−ＶＤＣの特性を有する無線周波およびＤＣ信号である。
【００２２】
この例において、四重極１１０は、４つの平行なロッド２８６ａ、２８６ｂ、２９０ａ、及び２９０ｂを含む。この例において、ロッド２８６ａ及び２８６ｂは、接続２６２におけるＶＲＦ（１８０）−ＶＤＣ信号に結合され、ロッド２９０ａ及び２９０ｂは、接続２５２におけるＶＲＦ（０）＋ＶＤＣ信号に結合される。このようにして、四重極１１０は、ＲＦ及びＤＣ電圧信号によって同時に駆動され、この場合、四重極１１０の要素（ロッド）２８６ａ及び２８６ｂに供給されるＲＦ信号は、四重極１１０の要素（ロッド）２９０ａ及び２９０ｂに供給されるＲＦ信号から位相が１８０°ずれ、要素２８６ａ及び２８６ｂのそれぞれに供給されるＤＣ電圧は、要素２９０ａ及び２９０ｂに供給されるＤＣ電圧と逆極性になる。
【００２３】
四重極１１０からのイオン出力は、イオンを電流に変換する電子増倍管２８８に供給される。電子増倍管２８８の出力は、接続２９２によって検出器増幅器２９４に供給される。検出器増幅器２９４は、接続１２８を介して、検出器１０８（図１）の信号出力を検出器制御電子回路１１４（図１）に供給する。
【００２４】
四重極１１０に供給されるＶＲＦ電圧のピークは、所望のイオンの質量の関数であり、下記の公式によって表わされる。
Ｖｐｅａｋ＝７．２２×Ｎ×ｆ２×Ｒ０２   式１
ここで、Ｖｐｅａｋは四重極１１０でのピーク極電圧であり、ＮはＡＭＵ設定値であり、ｆはメガヘルツ（ＭＨｚ）単位のＲＦ信号の周波数であり、Ｒ０はインチ単位の四重極１１０の半径である。電圧ＶＤＣは、四重極１１０の要素に印加される等しい大きさで逆極性のＤＣ電圧である。１対の要素が正の電圧を受け取り、もう１対の要素が負の電圧を受け取る。四重極１１０に印加されるＤＣ電圧は、下記の式によって表わされる。
ＶＤＣ＝１．２１×Ｎ×ｆ２×Ｒ０２    式２
ここで、ＶＤＣはＤＣ電圧であり、ＮはＡＭＵ設定値であり、ｆはメガヘルツ（ＭＨｚ）単位のＲＦ信号の周波数であり、Ｒ０はインチ単位の四重極１１０の半径である。ＲＦ電圧と同様に、ＤＣ電圧に関する関係は、四重極技術の分野において知られており、式１及び式２はマチウ方程式と呼ばれる。
【００２５】
ＲＦ及びＤＣ電圧は一般に、四重極１１０からの質量における一定のピーク幅を強制するＲＦ：ＤＣ比を実現するように微調整される。ＲＦ：ＤＣ電圧比が大きくなると、ピーク幅が広くなり、ＲＦ：ＤＣ電圧比が小さくなると、ピーク幅が狭くなる。典型的な質量分析計の場合、イオンのピーク幅は、信号の半分の高さで０．５〜０．７ＡＭＵであり、図４に示されている。より分解能の高い技術、又はより高い分解能を必要とする計測器は、０．５ＡＭＵより狭いピークを使用する可能性がある。ピーク幅が０．７ＡＭＵに近づき超えると、単位質量分解能は低下し始める。一般に、より大きなＲＦ：ＤＣの比は、ＲＦ：ＤＣの比が所与の時間期間中に一定のままである場合に比べて、四重極１１０を通るイオンの透過率を良好にすることができる。
【００２６】
四重極が走査される場合には、特定の試料中に存在する全イオンを示す、質量スペクトル全体が生成される。「走査」という用語は、ある特定の時間Ｔ内における、質量分析計のある電圧範囲にわたるＲＦ及びＤＣ電圧のステッピング（段階的な変化）を表しており、これにより、その結果として、走査された試料中に存在するイオンのさまざまな原子量を表わすスペクトルが生じる。走査の各ステップにおいて、質量分析計は、信号積算によってイオン信号のレベルを求め、走査の各ステップで生じる信号量（及び対応するイオン強度）を求める。積算の後、四重極１１０に印加されるＲＦ及びＤＣ電圧が再びステッピングされる。ステップのサイズは、ＡＭＵのステップサイズによって決められる。このプロセスは、走査範囲全体が完了するまで反復される。一般に、走査は、イオン強度が経時変動するので、試料中のイオン強度をモニタするために連続して反復される。
【００２７】
一般に、走査の目標は、クロマトグラフピークの前後にわたって十分な走査結果を得ることにある。これを達成するためには、質量分析計が迅速に走査することが望ましい。これは、質量分析計が、迅速にステッピングし、迅速に信号を積算して、次のステップに移行し、走査プロセスを反復しなければならないことを意味する。
【００２８】
図３は、四重極質量分析計の走査に用いられる制御電圧プロファイルを例示したグラフ３００である。図３に示された例において、四重極質量分析計の走査は、高質量から低質量へと実施され、ある試験についてできるだけ多くの回数だけ繰り返される。横軸３０２は時間を表わし、縦軸３０４は電圧を表わす。曲線３１０は、全時間Ｔ内に生じるオーバヘッド部分３１２と走査部分３１４を含む。オーバヘッド部分３１２に関連した時間期間３１６及び走査部分３１４に関連した走査時間３１８によって、１つの走査が構成される。クロマトグラフピークに関する質量スペクトルを生成するのに必要な全時間Ｔは、オーバヘッド時間３１６と走査時間３１８の合計である。オーバヘッド時間３１６には、例えば、電圧回復時間、データ処理時間等が含まれる。クロマトグラフピーク毎に収集されるデータポイントの数を増加させるためには、オーバヘッド時間３１６または走査時間３１８のいずれかを最小限に抑えなければならない。後述するように、本発明の実施形態によれば、走査時間３１８は分析されるがオーバヘッド時間３１６は無視される。
【００２９】
図４は、典型的な質量ピークを例示したグラフ４００である。横軸４０２は質量を表わし、縦軸４０４は信号を表わす。質量ピーク４１０は、図３に示されるように、質量分析計が高質量から低質量へとステップ走査する際の信号ピークを表わす。質量分析計は、信号の半分の高さにおける質量ピーク幅が０．５〜０．７ＡＭＵの幅になるように調整される。図４に示される例の場合、ピーク４１０の半分の高さにおける幅は、０．６ＡＭＵである。ピーク４１２は、質量ピーク４１０で表わされたＮの質量のイオンに関連した、Ｎ＋１の質量を有するアイソトープを表わす。質量ピーク４１０は、対象となる質量範囲において質量軸に沿ってステップ走査により得られる。例えば、０．１ＡＭＵの各ステップ毎に、ＲＦ及びＤＣ制御電圧が安定化し、信号が積算され、全イオン質量（「存在度」または信号高さとも呼ばれる）が求められる。
【００３０】
図５は、質量ピーク前後にわたるデータ収集に使用されるステップの一部を例示したグラフ５００である。横軸５０２は時間を表わし、縦軸５０４は電圧を表わす。曲線５１０は、図３の走査部分３１４の小さい部分を表わす。図３の走査部分３１４は、数百または数千のステップからなり、それらの一部が図５の曲線５１０で示される。曲線５１０には、高さが０．１ＡＭＵで、全走査時間にわたって生じるステップ５１２が含まれる。各ステップは、５２２で示される持続時間を有する。各ステップには、四重極制御電子回路２００によって四重極１１０に印加されるＲＦ及びＤＣ制御電圧が安定化する整定時間５１４と、積算時間５１６とが含まれる。ＲＦ及びＤＣ制御電圧が整定時間５１４中に安定化すると、積算時間５１６中に四重極１１０によって送られる信号が、対象となる信号である。この時間、即ち積算時間５１６中に信号が積算され、その質量位置（即ち、原子質量単位）に関する全イオン質量が求められる。
【００３１】
走査速度が上昇するに従い、理想的には、積算時間は短縮され、整定時間は最小限に抑えられなければならない。１，０００ＡＭＵ／秒で走査する典型的な用途の場合、１ＡＭＵの範囲の走査には１ミリ秒（ｍｓｅｃ）かかる。０．１ＡＭＵステップの場合、整定および積算時間に１００マイクロ秒（μｓｅｃ）が利用できる。例えば、ＲＦ及びＤＣ制御ループが整定時間に２０μｓｅｃ費やす場合、四重極１１０からの信号の分析に利用可能な積算時間は、８０μｓｅｃになる。走査速度が上昇するにつれて、利用可能な積算時間が短くなる。例えば、毎秒５，０００ＡＭＵ（ＡＭＵ／ｓｅｃ）で四重極１１０を走査するのが望ましい場合には、各０．１ＡＭＵステップについて、わずか２０μｓｅｃしか利用できない。これは、全ステップ時間がＲＦ及びＤＣ制御ループの整定によって費やされ、信号を積算する時間が残らないことを示す。走査速度の上昇につれて、積算時間が短くなるので、ある量の信号劣化及び信号損失が生じる。さらに、信号強度を維持しようとする場合、Ｓ／Ｎ比の低下および四重極１１０を通るイオンの通過時間がより重要になる。
【００３２】
図６は、図５に示された技術を用いた走査速度の上昇の結果を例示したグラフ６００である。横軸６０２は質量を表わし、縦軸は信号強度を表わす。信号ピーク６１０は、１００ＡＭＵ／ｓｅｃの走査結果であり、信号ピーク６２０は、１，０００ＡＭＵ／ｓｅｃの走査結果であり、信号ピーク６３０は、５，０００ＡＭＵ／ｓｅｃの走査結果である。図示のように、走査速度が上昇するにつれて、信号強度は継続的に低下する。
【００３３】
本発明の一実施形態によれば、四重極１１０によって送られる信号は、整定時間中に積算される。図５に示されるように、整定時間５１４及び積算時間５１６を含む時間期間５２２を使用して、信号が積算される。
【００３４】
あいにく、整定時間中に信号を積算することには欠点がある。例えば、整定時間中の積算によって、不正確な信号結果が生じる可能性がある。さらに、前回のステップからの信号のサンプリングによって、やはり信号測定に悪影響を及ぼす可能性がある。さらにまた、四重極１１０が電圧レベル間で遷移している間に信号をサンプリングすることにより、信号が劣化する可能性がある。本発明の一実施形態によれば、整定時間中に積算する場合の信号劣化が最小限に抑えられるように、整定時間中に、ＲＦ及びＤＣ制御ループの応答が変更される。
【００３５】
図７のＡ及びＢは、接続２５２及び２６２（図２）における図２の四重極制御電子回路２００のＲＦ及びＤＣ制御電圧の応答をまとめて例示したグラフである。グラフ７００には、時間を表わす横軸７０２と電圧を表わす縦軸７０４が含まれる。ＲＦピーク電圧の応答は、曲線７０６を用いて示され、ＤＣピーク電圧の応答は曲線７２０を用いて示される。質量「Ｎ  ＡＭＵ」から質量「Ｎ−０．１  ＡＭＵ」へと（即ち、高質量から低質量へと）走査する場合に、部分７０８の間にわたり安定しているＲＦピーク電圧が、７１４で示された整定時間期間中に遷移する。この時間期間は整定時間７１４と呼ばれる。同様に、図２に関連して、曲線７２０を用いて示されたＤＣ制御電圧の応答は、ＲＦピーク電圧の応答７０６に追随し、整定時間７３２を含む。
【００３６】
図７のＡに示される例の場合、ＤＣ電圧応答とＲＦ電圧応答との間には、遅れ７２８がある。この遅れは、ＤＣ制御ループ２３０の応答、加算素子２４８及び２６４の応答、加算素子２０８に入力を供給するために実施される回路トポロジ（図２の入力経路「Ａ」または入力経路「Ｂ」）、並びにＲＦ制御ループ２２０の応答など、多くの要因に起因する。例えば、ＤＣ制御ループ２３０への供給が、ＤＡＣ２０２を用いて、経路「Ａ」に沿って（又は独立したＤＡＣ２０２ａによって）行われる場合、図７のＡに示されるＤＣ電圧応答が、ＲＦ電圧応答に関連した遅れを短縮するか、又はなくし、それどころかＲＦ電圧応答に先行する可能性さえある。
【００３７】
図７のＢに示されるように、ＲＦ制御ループとＤＣ制御ループとの間の任意の遅れに関係なく、一定のピーク幅（図４）を維持するために、整定時間前後のＲＦ：ＤＣ電圧比は、一定に保たれる。整定時間中、ＲＦ：ＤＣ比は、ＲＦ及びＤＣ制御ループの応答に従って、一定の状態から変化する可能性があり、結果として、７４８で示されるＲＦ：ＤＣ比に乱れを生じる可能性がある。この乱れによって、高い走査速度における四重極１１０の性能が劣化する可能性がある。四重極１１０がより速く走査されるので、データは整定時間中にサンプリングされる。ＲＦ制御ループ２２０及びＤＣ制御ループ２３０が、整定時間中に適正に制御されなければ、質量分解能、透過率、及び感度が損なわれる可能性がある。
【００３８】
図８のＡ及びＢは、本発明の一実施形態の動作をまとめて例示したグラフである。図８のＡにおいて、横軸８０２は時間を表わし、縦軸８０４は電圧を表わす。８０６で示されるＲＦピーク電圧の応答は、図７のＡの７０６で示されるＲＦピーク電圧の応答と同様である。整定時間８１８は、ＲＦピーク電圧が異なる値（即ち、異なる質量（即ち、０．１ＡＭＵステップ））へと遷移し始める時点８１４から、電圧遷移が完了する時点８１６までの時間として定義される。８２０で示されるＤＣピーク電圧の応答は、時点８３４から遷移を開始するが、これは、ＲＦ制御ループとＤＣ制御ループとの間の任意の遅れを無視すると、ＲＦピーク電圧の遷移とほぼ同じ時点である。本発明の一実施形態によれば、ＤＣ制御ループの応答が変更され、変更されたＤＣ制御ループ電圧応答８２４の結果として、ＤＣ制御ループは、その応答が変更されなかった場合に比べて、より速く０．１ＡＭＵ（この例の場合）のステップに対応する電圧に達するようになる。ＤＣ制御ループ応答の向上によって、整定時間８３２の間に四重極１１０を通るイオンの透過率が有効に改善される。従来のＤＣ電圧応答が、参考のために図８のＡに示され、７２４で表示される。
【００３９】
時点８１４と８３４、及び時点８１６と８３６におけるＲＦ：ＤＣ電圧比は、一定であり、上述のマチウ方程式１及び２によって表わされる。しかしながら、整定時間８３２の間にわたる曲線部分８２４によって示されるように、整定時間８３２中に、ＲＦ：ＤＣ電圧比は増大し、８２４で示される応答がもたらされる。このようにして、整定時間８３２の間にわたって四重極１１０を通るイオンの透過率が改善される。図８のＢに示されるように、改善された応答８５０によって、７４８で示される元の応答が相殺され、結果として、信号の性能が改善されて、整定時間中に信号を正確に積算できるようになる。本発明の実施形態では、時間セグメント８８８及び８８９の間にわたる定常状態のＲＦ：ＤＣ比は変更されず、応答８５０によって示されるように、整定時間中のＲＦ：ＤＣ比が変更されるだけである。
【００４０】
図９は、図２のＤＣ制御ループ２３０を例示したブロック図９００である。この実施形態において、ＤＣ制御ループ２３０に供給される有効設定値電圧を変更することにより、図８のＡに示される電圧応答が生じる。図９において、設定値電圧は、接続２１２を介して加算素子２０８に供給されるが、代案として、接続２０４またはＤＡＣ２０２ａ（図２）を介して供給されてもよい。
【００４１】
図１０は、図９のＤＣ制御ループ９００を例示した略図１０００である。設定値電圧は、接続２１２を介して、或いは代案として接続２０４を介して、又はＤＡＣ２０２ａ（図２）から第１の抵抗１００２に供給される。抵抗１００２の出力は、加算増幅器１００８の反転入力１００４に供給される。加算増幅器１００８の非反転入力は、接続１００６を介してアースに結合される。加算増幅器１００８の出力は、抵抗１０１２に供給される。抵抗１０１２は、増幅器１０１６に結合される。増幅器１０１６は、利得「ＡＤＣ」、関連抵抗１０１４、及び関連コンデンサ１０１８を有する。接続１０２２における増幅器１０１６の出力は、正のＤＣ電圧信号＋ＶＤＣである。
【００４２】
フィードバック経路Ｆには、抵抗１０２６が含まれる。増幅器１０１６の出力は、抵抗１０２８を介して増幅器１０３４に供給される。増幅器１０３４は−１の利得を有する。増幅器１０３４には、抵抗１０３２が含まれ、接続１０３６における増幅器の出力は、負のＤＣ電圧信号−ＶＤＣである。接続１０２２及び１０３６における信号は、図２の四重極１１０に供給される。
【００４３】
図１１は、本発明の考えられる具現化形態の１つを例示した略図１１００である。図１１に示されたＤＣ制御ループ２３０には、フィードフォワード回路１１１０が含まれる。フィードフォワード回路１１１０は、入力加算抵抗１００２（ＲＩＮ）の周りに接続されたコンデンサ１１１２及び抵抗１１１４を含む。フィードフォワード回路１１１０は、入力インピーダンスを周波数に依存させることによって、ＤＣ制御ループ２３０の設定値電圧を有効に変化させる。フィードフォワード回路１１１０を組み込む結果として、接続１０２２及び１０３６におけるＤＣ出力電圧の応答がより速くなる。フィードフォワード回路１１１０は、＋ＶＤＣ及び−ＶＤＣ電圧に適切な調整を行い、整定時間の間にわたって四重極１１０を通るイオンの透過率を改善し、整定時間中に四重極１１０を通るイオンの透過率が減少しないようにする。
【００４４】
一実施形態では、５．８マイクロ秒（μｓ）の時定数について、抵抗１１１４の値は２１．５キロオームであり、コンデンサ１１１２の値は２７０ピコファラッド（ｐＦ）である。これは、ＲＩＮの値が２０．８８キロオームの場合である。他の多くの抵抗値と静電容量値の組み合わせが、同様の結果をもたらすであろう。最終的な結果は、より速い走査速度のためにイオンの透過率がより高くなることである。フィードフォワード回路１１１０内の構成要素は調整可能であり、それによりステップ応答が調整可能になる。改善の調整範囲は、図８のＡには８６０で示され、図８のＢには８７０で示される。フィードフォワード回路１１１０でＤＣ制御ループ２３０を駆動する場合、ＲＦ：ＤＣ比を制御して調整することによって、増幅器の整定時間中に四重極１１０を通るイオンの透過率を維持するか又は増大させると同時に、質量分析計１００を走査することができる。このイオン透過率の改善の結果として、ＲＦ及びＤＣ電圧ステップの応答が微調整されることにより、より高い走査速度における信号損失が減少することになる。さらに、この実施形態の場合、フィードフォワード回路１１１０の構成要素が受動的なコンデンサ及び抵抗であるため、それらは簡単に修正または調整されて、ＤＣ制御ループ２３０の所望の応答を最適化することができる。フィードフォワード回路１１１０は、高質量から低質量へと走査する場合に好ましい。
【００４５】
ＲＦ：ＤＣ比は、フィードフォワード回路１１１０によって整定時間中に変更される。この実施形態の場合、フィードフォワード回路１１１０は、短い時間量でより高い利得をＤＣ増幅器１０１６及び１０３４に生じさせ、かくしてＲＦ：ＤＣ比が増大する。コンデンサ１１１２が充電されて新しい状態になると、より高い利得は停止し、従って定常状態の一定のＲＦ：ＤＣ比に戻る。上述したように別個のＤＡＣを用いる場合には、ファームウェア２５０はまずＤＣ制御ループ２３０の応答を変更し、次いでＲＦ制御ループ２２０の応答を変更して、短い時間期間の間に同様のＲＦ：ＤＣ比の増大をもたらす。
【００４６】
代案として、フィードフォワード回路１１５０は、インダクタンス１１５２及び抵抗１１５４を含むことができ、これによって、低質量から高質量への走査時に、ＤＣ応答を変更することができる。さらに、フィードフォワード回路１１１０又は１１５０の代わりに、図２に示されるような別個のＤＡＣ２０２ａで駆動することによって、ＤＣ制御ループ２３０の応答を変更することもできる。
【００４７】
図１２は、四重極１１０を電子的に制御するための方法の一実施形態の動作を例示したフローチャートである。フローチャートのブロックは、図示の順序で、図示の順序と無関係に、又はほぼ並行して実行され得る。ブロック１２０２では、図２の四重極制御電子回路２００を用いて、ＲＦ及びＤＣ制御電圧信号を発生する。ブロック１２０４では、ＲＦ及びＤＣ制御電圧が四重極１１０に供給される。ブロック１２０６では、電圧のステップの整定時間中にＲＦ電圧信号とＤＣ電圧信号との比が変更され、結果として、図８のＡ及びＢに示されるＤＣ制御ループ応答が生じる。ブロック１２０８では、整定期間が完了したか否かが判定される。整定期間がまだ完了していなければ、プロセスは、ブロック１２０６に戻る。しかしながら、整定時間が完了している場合には、ブロック１２１２において、ＲＦ電圧とＤＣ電圧との間における一定の比が再開される。
【００４８】
以上の詳細な説明は、単に本発明の典型的な具現化形態を理解するために与えられており、当該技術者であれば、添付の特許請求の範囲およびそれれらの等価物から逸脱しない修正が明らかであるので、不必要な制限を加えるものとみなすべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】四重極質量分析計を例示したブロック図である。
【図２】図１の四重極制御電子回路の一部を例示したブロック図である。
【図３】質量分析計の走査に使用される制御電圧プロファイルを例示したグラフである。
【図４】典型的な質量ピークを例示したグラフである。
【図５】質量ピークの前後にわたるデータの収集に用いられるステップの一部を例示したグラフである。
【図６】図５に示された技術を用いた走査速度の上昇の結果を例示したグラフである。
【図７】図２の四重極制御電子回路のＲＦ及びＤＣ制御電圧応答をまとめて例示した図である。
【図８】本発明の一実施形態の動作をまとめて例示したグラフである。
【図９】図２のＤＣ制御ループを例示したブロック図である。
【図１０】図９のＤＣ制御ループを例示した略図である。
【図１１】本発明の考えられる具現化形態の１つを例示した略図である。
【図１２】四重極を電子的に制御する方法の一実施形態の動作を例示したフローチャートである。
【符号の説明】
【００５０】
100  四重極質量分析計
110  四重極
200  四重極制御電子回路
202  デジタル−アナログ変換器
220  ＲＦ制御ループ
230  ＤＣ制御ループ
832  整定時間
1110  フィードフォワード回路
1112  コンデンサ
1114、1154  抵抗
1152  インダクタンス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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