(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定試料からイオン化されたイオンを検出する検出器により生成されたイオン電流信号をＡＤ変換するＡＤ変換器と、
前記ＡＤ変換器によりＡＤ変換されたイオン電流信号に基づいて前記測定試料の質量スペクトルを生成するデータ処理器とを備え、
前記データ処理器が、前記ＡＤ変換されたイオン電流信号を積算することにより、前記質量スペクトルを生成するアナログモードプロセッシングと、
前記ＡＤ変換されたイオン電流信号のパルスの高さが、所定の閾値を超えた回数をカウントすることにより、前記質量スペクトルを生成するカウンティングモードプロセッシングとを実行し、
前記測定試料が、高濃度成分と低濃度成分とを含み、
前記イオン電流信号が、前記高濃度成分に対応する高濃度成分イオン電流信号と、前記低濃度成分に対応する低濃度成分イオン電流信号とを含み、
前記アナログモードプロセッシングは、前記高濃度成分イオン電流信号を積算することにより、前記高濃度成分の質量スペクトルを生成し、
前記カウンティングモードプロセッシングは、前記低濃度成分イオン電流信号のパルスの高さが前記所定の閾値を超えた回数をカウントすることにより、前記低濃度成分の質量スペクトルを生成することを特徴とする質量分析装置。
【請求項２】
前記データ処理器が、ソフトウェアまたは論理回路により前記アナログモードプロセッシング及び前記カウンティングモードプロセッシングを実行する請求項１に記載の質量分析装置。
【請求項３】
前記ＡＤ変換器が、前記イオン電流信号を高速ＡＤ変換する高速デジタイザであり、
前記高速デジタイザのサンプリング周期が、前記閾値を超えたイオン電流信号のパルス間隔よりも短い請求項１又は２に記載の質量分析装置。
【請求項４】
前記高速デジタイザのサンプリング周期が、１ナノ秒以下である請求項３に記載の質量分析装置。
【請求項５】
前記アナログモードプロセッシングと前記カウンティングモードプロセッシングとは、並行して同時に動作するか、又は、時分割的態様で交互に動作する請求項１又は２に記載の質量分析装置。
【請求項６】
前記測定試料が大気であり、
前記高濃度成分がＣＯ２であり、
前記低濃度成分がＮ２Ｏである請求項１から５のいずれか一項に記載の質量分析装置。
【請求項７】
前記質量分析装置が、飛行時間型質量分析装置、シングルコレクターの磁場型質量分析装置、又は、四重極型質量分析装置である請求項１に記載の質量分析装置。
【請求項８】
前記測定試料からイオン化されたイオンを検出する前記検出器をさらに備える請求項１に記載の質量分析装置。
【請求項９】
高濃度成分と低濃度成分を含む測定試料からイオン化されたイオンを検出してイオン電流信号を生成する信号生成工程と、
前記信号生成工程により生成されたイオン電流信号を、前記高濃度成分に対応する高濃度成分イオン電流信号と、前記低濃度成分に対応する低濃度成分イオン電流信号と、にＡＤ変換するＡＤ変換工程と、
前記ＡＤ変換工程によりＡＤ変換された前記高濃度成分に対応する高濃度成分イオン電流信号と前記低濃度成分に対応する低濃度成分イオン電流信号に基づいて前記測定試料の質量スペクトルを生成するデータ処理工程とを包含し、
前記データ処理工程が、前記ＡＤ変換された高濃度成分イオン電流信号を積算することにより、前記高濃度成分の質量スペクトルを生成するアナログモード工程と、
前記ＡＤ変換された低濃度成分イオン電流信号のパルスの高さが、所定の閾値を超えた回数をカウントすることにより、前記低濃度成分の質量スペクトルを生成するカウンティングモード工程とを有することを特徴とする質量分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオンの生成、質量分離部への加速、検出の一連の測定を繰り返し行い、検出器から出力されるイオン電流信号に基づいて質量スペクトルを取得する質量分析装置及び質量分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン源において測定試料にエネルギーが印加されて生成されたイオンが検出器に到達する飛行時間に基づいて測定試料の質量スペクトルを取得する飛行時間型の質量分析装置が従来技術として知られている（特許文献１及び２）。
【０００３】
特許文献１に開示された飛行時間型の質量分析装置では、イオン源から発せられ、電界発生器によって加速されるイオンを、検出器が検出する。飛行時間型質量分析では、さまざまな質量電荷比（ｍ／ｚ比）を有するイオンが、複数のイオン群の系列として、それぞれ異なる飛行時間で検出器に到達する。各イオン群が検出器に到達すると、検出器はイオンの飛行時間及び強度を示す電気パルスの形のイオン電流信号を生成する。このイオン電流信号の電気パルスのタイミングは、イオンの飛行時間を表すことができ、その電気パルスの高さは、イオン束の強度の推定に用いることができる。
【０００４】
検出器により生成されたイオン電流信号は、プリアンプにより増幅される。プリアンプにより増幅されたイオン電流信号は分岐されて、互いに並列に配置されたＴＤＣ（Time-to-Digital-Converter、時間デジタル変換器）及びアナログ加算モジュールにそれぞれ供給される。ＴＤＣは、微量なイオンの質量範囲の質量スペクトルを取得する。アナログ加算モジュールは、イオン量の多い質量範囲の質量スペクトルを取得する。ＴＤＣとアナログ加算モジュールとは互いに同期しながら動作する。
【０００５】
このように、ＴＤＣとアナログ加算モジュールとを並列に配置することにより、質量分析装置により分析される測定試料の質量範囲のダイナミックレンジを拡大することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第2011/0186727号明細書（2011年08月04日公開）
【特許文献２】特開2008-59774号公報（2008年03月13日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述のような従来技術は、飛行時間型質量分析装置の非常に微弱なイオン電流信号をＴＤＣ及びアナログ加算モジュールというハードウェアにより高速に測定するため、実際の実現が非常に困難であり、現実的でないという問題がある。
【０００８】
例えば、上述の従来技術は、検出器により生成されたイオン電流信号を、プリアンプにより増幅し、ＴＤＣとアナログ加算モジュールとに分岐させる必要がある。このイオン電流信号のパルス幅はナノ秒単位と極めて短く、ナノ秒単位で立上って立ち下がるという非常に速い信号の変化を取り扱う必要がある。このため、プリアンプも調整が微妙、煩雑で困難である。
【０００９】
また、イオン電流信号の測定時間の精度はピコ秒単位と非常に高い必要がある。このため、各ハードウェア間を物理的に分岐させて結線するためのケーブル長が数センチメートル想定長と異なっていても、質量分析結果に多大な影響を及ぼす。このため、ケーブル長の調整が微妙、煩雑で困難である。
【００１０】
本発明は、前記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、測定試料の質量範囲のダイナミックレンジの拡大を容易に実現することができる質量分析装置及び質量分析方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するために、本発明に係る質量分析装置は、測定試料からイオン化されたイオンを検出する検出器により生成されたイオン電流信号をＡＤ変換するＡＤ変換器と、前記ＡＤ変換器によりＡＤ変換されたイオン電流信号に基づいて前記測定試料の質量スペクトルを生成するデータ処理器とを備え、前記データ処理器が、前記ＡＤ変換されたイオン電流信号を積算することにより、前記質量スペクトルを生成するアナログモードプロセッシングと、前記ＡＤ変換されたイオン電流信号のパルスの高さが、所定の閾値を超えた回数をカウントすることにより、前記質量スペクトルを生成するカウンティングモードプロセッシングとを実行することを特徴とする。
【００１２】
この特徴により、測定試料の質量範囲のダイナミックレンジを拡大するためのアナログモード及びカウンティングモードがソフトウェアまたは論理回路により実施される。このため、非常に微弱なイオン電流信号を取り扱うハードウェアの微妙、煩雑で困難な調整が不要になる。この結果、測定試料の質量範囲のダイナミックレンジの拡大を容易に実現することができる。
【００１３】
本発明に係る質量分析装置は、前記データ処理器が、ソフトウェアまたは論理回路により前記アナログモードプロセッシング及び前記カウンティングモードプロセッシングを実行することが好ましい。
【００１４】
本発明に係る質量分析装置は、前記ＡＤ変換器が、前記イオン電流信号を高速ＡＤ変換する高速デジタイザであり、前記高速デジタイザのサンプリング周期が、前記閾値を超えたイオン電流信号のパルス間隔よりも短いことが好ましい。
【００１５】
上記構成によれば、イオン電流信号の閾値を超えたパルスを一度検出した後、上記閾値を超えた次のパルスを検出することができるようになるまでに必要な不感時間を短縮することができる。
【００１６】
本発明に係る質量分析装置は、前記高速デジタイザのサンプリング周期が、１ナノ秒以下であることが好ましい。
【００１７】
上記構成によれば、２個ないし数個の少数のイオンが質量分解能以内に同時に検出される場合にも、それらのイオン数を正確にカウントすることができる。
【００１８】
本発明に係る質量分析装置は、前記アナログモードプロセッシングと前記カウンティングモードプロセッシングとは、並行して同時に動作するか、又は、時分割的態様で交互に動作することが好ましい。
【００１９】
上記構成によれば、高い繰り返し周波数におけるスペクトルの積算が可能となる。
【００２０】
本発明に係る質量分析装置は、前記測定試料が、高濃度成分と低濃度成分とを含み、前記アナログモードプロセッシングは、前記高濃度成分の質量スペクトルを生成し、前記カウンティングモードプロセッシングは、前記低濃度成分の質量スペクトルを生成することが好ましい。
【００２１】
上記構成によれば、高濃度成分の質量スペクトルと低濃度成分の質量スペクトルとを同一のサンプル試料で一度に測定することができる。
【００２２】
本発明に係る質量分析装置は、前記測定試料が大気であり、前記高濃度成分がＣＯ２であり、前記低濃度成分がＮ２Ｏであることが好ましい。
【００２３】
上記構成によれば、土壌微生物、植物の生命現象に関わりが深いＣＯ２、Ｎ２Ｏの質量スペクトルを同一のサンプル試料で一度に測定することができる。
【００２４】
本発明に係る質量分析装置は、飛行時間型質量分析装置、シングルコレクターの磁場型質量分析装置、又は、四重極型質量分析装置であることが好ましい。
【００２５】
上記構成によれば、イオン電流信号のピーク波形の発生時刻に基づいてイオンが検出器に到達する飛行時間を算出し、測定試料の質量スペクトルを取得することができる。
【００２６】
本発明に係る質量分析装置は、前記測定試料からイオン化されたイオンを検出する前記検出器をさらに備えることが好ましい。
【００２７】
本発明に係る質量分析方法は、測定試料からイオン化されたイオンを検出してイオン電流信号を生成する信号生成工程と、前記信号生成工程により生成されたイオン電流信号をＡＤ変換するＡＤ変換工程と、前記ＡＤ変換工程によりＡＤ変換されたイオン電流信号に基づいて前記測定試料の質量スペクトルを生成するデータ処理工程とを包含し、前記データ処理工程が、前記ＡＤ変換されたイオン電流信号を積算することにより、前記質量スペクトルを生成するアナログモード工程と、前記ＡＤ変換されたイオン電流信号のパルスの高さが、所定の閾値を超えた回数をカウントすることにより、前記質量スペクトルを生成するカウンティングモード工程とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明は、測定試料の質量範囲のダイナミックレンジの拡大を容易に実現することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】実施形態に係る質量分析装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【図２】上記質量分析装置により分析される大気成分に含まれるＣＯ２のスペクトルを示すグラフである。
【図３】上記大気成分に含まれるＮ２Ｏのスペクトルを示すグラフであり、（ａ）は一個のＮ２Ｏイオンのみが検出される場合のスペクトルを示すグラフであり、（ｂ）は複数個のＮ２Ｏイオンが検出される場合のスペクトルを示すグラフである。
【図４】上記質量分析装置に設けられた高速デジタイザが検出器から受け取るイオン電流信号を示すグラフである。
【図５】（ａ）は上記質量分析装置に設けられたアナログモードプロセッサが生成する質量スペクトルを示すグラフであり、（ｂ）は上記質量分析装置に設けられたカウンティングモードプロセッサが生成する質量スペクトルを示すグラフである。
【図６】（ａ）は上記アナログモードプロセッサにより生成された上記大気成分に含まれるＣＯ２の質量スペクトルを示すグラフであり、（ｂ）は上記カウンティングモードプロセッサにより生成された上記大気成分に含まれるＮ２Ｏの質量スペクトルを示すグラフである。
【図７】上記ＣＯ２の質量スペクトルから得られたクロマトグラムの面積と上記大気成分に含まれるＣＯ２の濃度との間の関係を示すグラフである。
【図８】上記カウンティングモードプロセッサによりカウントされた上記大気成分に含まれるＮ２Ｏイオンのカウント値と上記大気成分に含まれるＮ２Ｏの濃度との間の関係を示すグラフである。
【図９】（ａ）はアナログモードにより生成されたＰｂの質量スペクトルを示すグラフであり、（ｂ）はカウンティングモードにより生成されたＰｂの質量スペクトルを示すグラフである。
【図１０】（ａ）はアナログモードにより求められた２０４Ｐｂと２０６Ｐｂの同位体比を示すグラフであり、（ｂ）はカウンティングモードにより求められた２０４Ｐｂと２０６Ｐｂの同位体比を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００３１】
（本実施形態に係る質量分析装置１の構成）
図１は、実施形態に係る質量分析装置１の構成を模式的に示すブロック図である。飛行時間型の質量分析装置１は、測定試料７からイオン化されたイオンを検出してイオン電流信号を生成する検出器２と、検出器２により生成されたイオン電流信号を高速ＡＤ変換する高速デジタイザ３と、高速デジタイザ３により高速ＡＤ変換されたイオン電流信号に基づいて測定試料７の質量スペクトルをソフトウェアにより生成するデータ処理システム４（データ処理器）とを備える。
【００３２】
データ処理システム４は、高速デジタイザ３により高速ＡＤ変換されたイオン電流信号を積算することにより、測定試料７の質量スペクトルをソフトウェアにより生成するアナログモードプロセッサ５（アナログモードプロセッシング）と、高速デジタイザ３により高速ＡＤ変換されたイオン電流信号のパルスの高さが、所定の閾値を超えた回数をカウントすることにより、測定試料７の質量スペクトルをソフトウェアにより生成するカウンティングモードプロセッサ６（カウンティングモードプロセッシング）とを有する。アナログモードプロセッサ５とカウンティングモードプロセッサ６とは並行して同時に動作する。アナログモードプロセッサ５とカウンティングモードプロセッサ６とは時分割的態様で交互に動作してもよい。
【００３３】
高速デジタイザ３のサンプリング周期は、所定の閾値を超えたイオン電流信号のパルス間隔よりも短く、１ナノ秒以下であることが好ましい。
【００３４】
測定試料７は、高濃度成分と低濃度成分とを含む。アナログモードプロセッサ５は、測定試料７に含まれる高濃度成分の質量スペクトルを生成する。カウンティングモードプロセッサ６は、測定試料７に含まれる低濃度成分の質量スペクトルを生成する。例えば、測定試料７は大気であり、高濃度成分はＣＯ２であり、低濃度成分はＮ２Ｏである。
【００３５】
（質量スペクトルの取得方法）
質量分析装置１は、イオンの生成、質量分離部への加速、検出の一連の測定を繰り返し行い、検出器２から出力されるイオン電流信号を積算することで質量スペクトルを取得する。
【００３６】
質量スペクトルの取得方法には、ＡＤ変換器（Analog-to-Digital Converter (ADC)）でイオン電流信号値を積算するアナログモード（analog mode）と、イオン電流信号のパルスの高さが、設定された閾値を超えた回数を数え上げるカウンティングモード（counting mode）との２つの方法が存在する。
【００３７】
アナログモードは、イオン量をイオン電流信号の強度として直接測定することができる長所があるが、質量分析装置に由来するノイズも同時に積算するため、Ｓ／Ｎ（signal-to-noise）比が悪く、微弱なイオン電流信号を測定することが困難である。
【００３８】
一方、カウンティングモードは、閾値を超えるイオン電流信号を検出することで高いＳ／Ｎ比が得られるが、短い時間間隔に多量のイオンが飛んでくる条件では、イオンの数え落としが発生し質量スペクトルの定量性が悪化する。
【００３９】
そのため、存在量の多い多量のイオンの測定にはアナログモードを使用し、微量なイオンの測定にはカウンティングモードを使用するというように、質量スペクトルを取得するための検出システムを使い分ける必要がある。
【００４０】
しかしながら、質量スペクトルを単一の検出器で一度に取得する飛行時間型や四重極型の質量分析装置に、アナログモードの検出システムとカウンティングモードの検出システムとを実装することは非常に困難であり、現実的でない。
【００４１】
フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ、Field Programmable Gate Array）等のデジタル積算回路を搭載した高速ＡＤＣ積算器（アベレージャ）は、飛行時間型質量分析装置の定量可能範囲の拡大に貢献してきた。しかしながら、アベレージャによるアナログモードの波形積算は、同時に、極めて低濃度で存在する物質のイオン電流信号を希釈し、あるいは、覆い隠してしまう場合が存在する。
【００４２】
図２は、質量分析装置１により分析される大気成分に含まれるＣＯ２のスペクトルを積算することなく測定した結果を示すグラフである。図３は、上記大気成分に含まれるＮ２Ｏのスペクトルを積算することなく測定した結果を示すグラフであり、（ａ）は一個のＮ２Ｏイオンのみが検出される場合のスペクトルを示すグラフであり、（ｂ）は複数個のＮ２Ｏイオンが検出される場合のスペクトルを示すグラフである。大気中においてＮ２Ｏは、ＣＯ２の１／１０００程度の量が存在する。
【００４３】
図２に示されるように、比較的大量で高濃度のＣＯ２イオンが検出器に到達しており、個々のＣＯ２イオンが持つ僅かな飛行エネルギー（初速度）の差が、Ｐ１＝６．２ナノ秒（ｎｓ）の半値幅を持つピーク波形（ガウス波形）Ｗ１として観測される。この半値幅は質量分析装置において質量分解能と呼ばれる性能に対応する。
【００４４】
これに対して図３（ａ）に示されるＮ２Ｏは、１００回測定を行ったうち５０回ほどピーク波形Ｗ２が観測され、残りの５０回は全くピーク波形Ｗ２が観測されない程度に低濃度である。図３（ａ）では、この測定において検出されるＮ２Ｏイオンが１個のみである。そのため、パルス幅が、Ｐ２＝２．４ナノ秒と極めて狭くなっている。
【００４５】
このような低濃度のＮ２Ｏに基づく信号を前述したアナログモードにより積算すると、イオン（ピーク波形）の検出確率が１／２であることから、次の測定ではパルス（ピ―ク波形）が観測されないという事象、あるいは、僅かに異なる飛行時間にピ―ク波形が検出されるという事象によって、既に得られたピーク波形が質量分析装置に由来する乱雑なノイズにより希釈されてしまう。その結果、Ｎ２Ｏに基づく信号強度の減衰がもたらされる。
【００４６】
前述したカウンティングモードでは、イオン電流信号値の積算を行わず、個々の測定ごとに検出されたイオン電流信号のピーク波形をカウントすることから、前述した信号強度の減衰といった問題は原理的に起こり得ない。
【００４７】
カウンティングモードでは、図２に示すように一回の測定で多量のイオンが検出される高濃度サンプルの測定の場合は、イオンの数え落としが発生するため、イオンの定量結果を正しく得ることはできない。このため、高濃度サンプルの定量にはアナログモードを用いることでアベレージャによる測定結果と等価な結果が得られる。
【００４８】
カウンティングモードは、従来から飛行時間型質量分析装置で使用されてきているＴＤＣによっても実施可能である。しかしながら、ＴＤＣは、一度イオンを検出すると、その後、次のイオンを検出することができるようになるまでに必要な不感時間（dead time）が１５ナノ秒程度発生する。このため、図３（ｂ）に示すように同一分子種のイオンが質量分解能以内に複数個検出される場合でも、最初のイオンに相当するパルス幅Ｐ３のピーク波形Ｗ３以外の後続するイオンに相当するパルス幅Ｐ４のピーク波形Ｗ４は検出することができないという問題があり、また、ＴＤＣではカウンティングモードの実施と同時にアナログモードの波形積算（アベレージ）を行うことができないという問題がある。
【００４９】
（本実施形態に係る質量分析装置１の動作）
まず、測定試料７にエネルギーが印加されて生成されたイオンが検出器２により検出される。そして、検出器２は、検出されたイオンに基づいてイオン電流信号を生成する。次に、高速デジタイザ３は、検出器２により検出されたイオン電流信号を、１ギガサンプル／秒（ＧＳ／ｓ）以上の高サンプリングレートでＡＤ変換する。
【００５０】
図４は、高速デジタイザ３が検出器２から受け取るイオン電流信号を示すグラフである。図５（ａ）はデータ処理システム４に設けられたアナログモードプロセッサ５が生成する質量スペクトルを示すグラフであり、（ｂ）はデータ処理システム４に設けられたカウンティングモードプロセッサ６が生成する質量スペクトルを示すグラフである。横軸は質量電荷比（ｍ／ｚ）を示している。図４、図５（ｂ）の縦軸はイオン電流信号により表される検出強度を示しており、図５（ａ）の縦軸はイオンのカウント数により表される検出強度を示している。
【００５１】
図４に示されるピーク波形Ｗ５が生じる質量範囲Ｒ１は、測定試料７に含まれる高濃度成分のイオンに対応する。閾値Ｔｈを超えるピーク波形Ｗ６・Ｗ７が生じる質量範囲Ｒ２は、測定試料７に含まれる低濃度成分のイオンに対応する。
【００５２】
質量範囲Ｒ１で生じるイオン電流信号のピーク波形Ｗ５は、アナログモードプロセッサ５によりアナログモードで積算され、図５（ａ）に示される質量スペクトルが生成される。質量範囲Ｒ２で生じる閾値Ｔｈを超えるイオン電流信号のピーク波形Ｗ６・Ｗ７は、カウンティングモードプロセッサ６によりカウンティングモードでカウントされ、図５（ｂ）に示される質量スペクトルが生成される。
【００５３】
マルチスレッドによりアナログモードの計算処理を並列化すると、高い繰り返し周波数におけるスペクトルの積算が可能である。
【００５４】
（実施形態の効果）
本実施形態に係る質量分析装置１は、前述した問題を解決するために、高速デジタイザ３から測定ごとに得られるイオン電流信号の波形データに対して、アナログモードプロセッサ５によるアナログモードでの波形演算と、カウンティングモードプロセッサ６によるカウンティングモードでのイオンカウンティング処理とを同時に並行して行う。
【００５５】
多量なイオンの質量範囲ではアナログモードでの波形演算が実施され、微量なイオンの質量範囲ではカウンティングモードでのカウンティングが実行される。このため、従来の質量分析装置では得られない超高ダイナミックレンジの質量スペクトルを取得することができる。
【００５６】
従来、質量スペクトルを単一の検出器で取得する飛行時間型や四重極型の質量分析装置では、多量のイオンを測定することに適しているアナログモードと、微量なイオンを検出することに適しているカウンティングモードとのいずれか一方を選ぶ他は無かった。本実施形態では、アナログモードとカウンティングモードとの二つの処理方法を、イオン電流信号を取得した後のデータ処理システム４の計算処理によって質量分析装置１に実装する。このため、任意の質量範囲で処理方法を選択することができる。この結果、非常に高いダイナミックレンジを有する定量性の高い質量スペクトルを取得することが可能となる。
【００５７】
また、波形演算による高濃度成分の従来からの定量精度を損なうことなく、従来検出できていなかった検出確率が１未満の低濃度領域のイオンが検出できるようになり、低濃度領域のイオンの定量精度が著しく向上する。
【００５８】
本実施形態では、カウンティングモード処理が、高速デジタイザ３により高速ＡＤ変換されたイオン電流信号に基づいて実行されるので、ＴＤＣに見られる不感時間が高速デジタイザ３のサンプリングレートとなる。このため、イオンの数え落としが減少し、質量スペクトルの定量性が大きく改善される。典型的には、従来の１０ナノ秒オーダーの不感時間が本実施形態では１ナノ秒以下にまで短縮される。このため、同一の質量電荷比を有するイオンについても、質量分散を有するイオンについては同時に検知することが可能となる。
【００５９】
このように、２個ないし数個の少数のイオンが質量分解能以内に同時に検出される場合にも、それらのイオン数を正確にカウントすることができる。従って、低濃度・中濃度サンプルに対してもＴＤＣに比較して対応能力（定量性）が高くなる。
【００６０】
さらに、従来のイオンカウンティング処理は長い計測時間が必要であるが、本実施形態は、一度に数個のイオンを正しくカウントすることができ、高いカウントレートでもイオンを正確にカウントすることができる。このため、イオンの定量に必要な情報をＴＤＣに比べて短時間に得ることができ、質量の分析時間を短縮することができる。
【００６１】
本実施形態は、飛行時間型質量分析装置の検出システムに用いることができる。また、飛行時間型質量分析装置と同様に、質量スペクトルを単一の検出器で取得する四重極型質量分析装置、シングルコレクターの磁場型質量分析装置においても本発明を適用することができる。
【００６２】
本実施形態では、アナログモードとカウンティングモードとをデータ処理システム４のソフトウェアにより実施する例を示した。しかしながら、本発明はこれに限定されない。データ処理システム４の替わりにＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、あるいは、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ、Application Specific Integrated Circuit）のような論理回路により、アナログモードとカウンティングモードとをハードウェア的に実施してもよい。
【００６３】
本実施形態に係る質量分析装置は、例えば、体内での医薬品の代謝化合物の質量分析による定量に利用することができる。
【００６４】
医薬品は、体内に吸収され、様々な組織に分布したのち、（主に肝臓において）代謝され排泄される。その医薬品の一連の過程で普遍的な安全性が求められている。特に、代謝過程での構造変化の測定、並びに、他の医薬品との共存による代謝の経路及び速度の変化の測定は、医薬品の安全性の担保に極めて重要である。このような測定のためには、生体中に通常存在する多様な化合物の中から、医薬品由来の化合物を見つけ出し、定量を行う必要がある。
【００６５】
従来から、これらの測定は、ＬＣ（液体クロマトグラフィ）−トリプル四重極質量分析装置が広く用いられている。しかしながら、ＬＣ−トリプル四重極質量分析装置は、原理的にＬＣ上近接した溶出する複数の物質を一度に測定できない。飛行時間型質量分析装置にはこの問題はないものの、従来の飛行時間型質量分析装置は測定に十分な定量ダイナミックレンジを有していなかった。本発明は、このような、複雑で多様性に富んだサンプル中の成分の同定、定量に顕著な効果を奏する。
【００６６】
類似の問題は、医薬品といった人や家畜に対するものだけでなく、農薬など植物分野にも当てはまる（http://tominet.jp/yakuji/webfile/t1_11b3237e6da70060cdf96a1e1168533c.pdf（薬物動態解析、並びに Pk/Pd 参照））。
【００６７】
また、近年、米国環境保護局（ＥＰＡ）が指摘するように、一般家庭などから廃棄される医薬品が環境に放出され、森林、河川、海洋の生物、微生物により代謝された化合物が複雑に環境に影響することが危惧されている。これら多様な化合物を広い範囲で一斉に定量することが必要な分野において、本発明は問題解決の方法を提供することができると考えられる（https://www.epa.gov/hwgenerators/frequent-questions-about-management-standards-hazardous-waste-pharmaceuticals-proposed）。
【実施例１】
【００６８】
本発明の一実施例について図６〜図８に基づいて説明すれば以下のとおりである。
【００６９】
（実施例１の方法）
大気成分、特に、ＣＯ２、Ｎ２Ｏは、土壌微生物、植物の生命現象に関わりが深い。このため、大気成分のＣＯ２、Ｎ２Ｏの量の変化を詳細に追跡することは、農学上の応用研究を始め、化学肥料の過剰投与に起因する大気汚染のモニタリングにおいて意義が大きい。
【００７０】
しかしながら、これらのＣＯ２、Ｎ２Ｏの化合物は大気中の存在比がおよそ１０００：１である。このため、従来、同一のサンプル試料で一度に質量を測定することが困難であった。
【００７１】
そこで、本実施形態の実施例として、量の少ないＮ２Ｏをカウンティングモードで定量できるようにガスクロマトグラフィ（ＧＣ、gas chromatography）を用いて調整し、そのＮ２Ｏに対して１０００倍量存在するＣＯ２をアナログモードで定量することを試みた。
【００７２】
質量分析のための検出器２には、小型多重周回飛行時間型質量分析装置  InfiTOF-UHV （MSI.Tokyo株式会社）を用い、これに高速デジタイザ３として、U5303A型高速デジタイザ（米国  Keysight社）を接続して質量測定を行った。測定試料７としての大気成分の分離は、0.32 mmID x 15 mL GS-CARBONPLOT  カラム（米国  Agilent社）を用いて、2.0mL/minヘリウムをキャリアとして用いた。
【００７３】
質量測定は１ミリ秒（ｍｓ）間隔で行い、得られたイオン電流信号のスペクトルは、２個のXEON（米国  インテル社）プロセッサを搭載したパーソナルコンピュータ（ＰＣ）に取り込んだ。そして、１６並列の対象型並行処理にて、カウンティングモードによるイオンカウンティング、及び、アナログモードによるイオン電流信号の波形の積算を同時に実行した。次に、予めユーザが指定した時間分解能（例えば、１００ミリ秒（ｍｓ））ごとにアナログモードでの積算波形、及び、カウンティングモードに基づくヒストグラムとして質量スペクトルを記録した。
【００７４】
（実施例１の結果）
ＣＯ２とＮ２Ｏとの間の質量差は、僅か１１．３ミリダルトン（ｍＤａ）であるが、前述の用いた質量分析装置（質量分解能  １３，０００）で完全に分離できる状態で実験を行った。固定ループにより、５０マイクロリットル（μＬ）の大気分離カラムに１分間隔でインジェクトしてクロマトグラムを得た。
【００７５】
ＣＯ２とＮ２Ｏとは、それぞれ、保持時間０．５３分、及び、保持時間０．６５分に溶出し、それぞれのパルス幅は約２秒であった。この条件下でのＣＯ２とＮ２Ｏとのシングルイオン応答の際のピーク強度の平均は、約−６０ミリボルト（ｍＶ）であり、ベースラインのノイズレベルは０．５ｍＶであった。このため、イオンカウンティングの検出スレショルドは、−２０ｍＶとした。また、Ｎ２Ｏシングルイオン応答のパルス幅は、約２ナノ秒（ｎｓ）であり、実験条件下でのＮ２Ｏシングルイオンピークの検出幅（質量分解能相当）は９．８ナノ秒（ｎｓ）であった。
【００７６】
１００回の測定ごとに、アナログモードでの波形の積算からＣＯ２のクロマトグラムを得、カウンティングモードに基づくヒストグラムからＮ２Ｏのクロマトグラムを得、それらのクロマトグラム面積からＣＯ２とＮ２Ｏとの定量を行うこととした。ＣＯ２とＮ２Ｏとを窒素ガスにより希釈した標準希釈系列を作成し、その標準希釈系列を測定することによる応答を確認した。
【００７７】
本実施例により同時に測定したアナログモードでの波形と、カウンティングモードによるヒストグラムとを図６に示す。図６（ａ）はアナログモードにより生成されたＣＯ２の質量スペクトルを示すグラフであり、（ｂ）はカウンティングモードにより生成されたＮ２Ｏの質量スペクトルを示すグラフである。
【００７８】
比較的濃度の高いＣＯ２は、アナログモードにより、図６（ａ）に示されるピーク波形Ｗ８のパルス幅Ｐ３における面積（積分値）を用いて定量する。量の少ないＮ２Ｏは、カウンティングモードにより、図６（ｂ）に示されるヒストグラムＷ９のパルス幅Ｐ４における総カウント値に基づいて定量する。
【００７９】
図７は、アナログモードによるアベレージデータに基づくＣＯ２の質量スペクトルから得られたクロマトグラムの面積と測定試料７の大気成分に含まれるＣＯ２の濃度との間の関係を示すグラフである。横軸はＣＯ２の濃度を示し、縦軸はＣＯ２のクロマトグラムの面積を示す。図７に示す通り、濃度４００ｐｐｍから濃度８０００ｐｐｍの範囲でＣＯ２の質量分析の定量結果の良好な直線応答性が確認された。
【００８０】
図８は、カウンティングモードによりカウントされたＮ２Ｏイオンのカウント値と測定試料７の大気成分に含まれるＮ２Ｏの濃度との間の関係を示すグラフである。横軸はＮ２Ｏの濃度を示し、縦軸はＮ２Ｏイオンのカウント値を示す。クロマトグラムのパルス幅が２秒（２０００回測定）であることから、約１０００カウントで測定上限（１測定あたり確実に１個以上のイオンを検出するレベル）が予測されるが、本実施例では、図８に示すとおり、Ｎ２Ｏイオンのカウント値の２０００カウントまでカウント値の良好な直線応答性が示されている。
【実施例２】
【００８１】
本発明の他の実施例について図９及び図１０に基づいて説明すれば以下のとおりである。
【００８２】
（実施例２の方法）
太陽系史/地球史/生命史を明らかにする上で、ウラン（Ｕ）から鉛（Ｐｂ）への放射壊変を利用し、隕石・岩石試料に含まれるウランと鉛の同位体比からそれらの形成年代を決定するＵ−Ｐｂ年代分析は多大な貢献をしてきた。
【００８３】
従来、このＵ−Ｐｂ年代分析では数十μｍ径に収束させたイオンビームを試料に照射し生成される２次イオンを質量分析する２次イオン質量分析装置 (ＳＩＭＳ: Secondary Ion Mass Spectrometer) が広く用いられてきた。
【００８４】
しかしながら、２次イオン質量分析装置はイオン化効率が低いという弱点があり、得られる空間分解能・統計精度には限界があった。
【００８５】
そこで、本発明の実施例として、カウンティングモードを用い、２次イオン質量分析装置における検出感度、すなわち統計精度を向上させることを試みた。
【００８６】
実験は、鉛プレートを試料として用い、これを多重周回飛行時間型２次イオン質量分析装置 MULTUM-SIMS (Ref. M. Ishihara et al., Surface Interface Anal., 42, 1598 (2010)) で測定した。測定は、２ｍｓ間隔に行い、得られたスペクトルは、２つのXEON (米国、インテル社) プロセッサを搭載したＰＣに取り込み、１６並列の対象型並行処理にてイオンカウンティング及び波形の積算を同時に行った。
【００８７】
（実施例２の結果）
図９（ａ）はアナログモードにより生成されたＰｂの質量スペクトルを示すグラフであり、（ｂ）はカウンティングモードにより生成されたＰｂの質量スペクトルを示すグラフである。
【００８８】
アナログモードでの波形の積算、並びに、カウンティングモードに基づくヒストグラムから得られた鉛の安定同位体、２０４Ｐｂ、２０６Ｐｂ、２０７Ｐｂ、２０８Ｐｂの質量スペクトルを図９（ａ）（ｂ）に示す。地球起源の鉛同位体の天然存在比は２０４Ｐｂ、２０６Ｐｂ、２０７Ｐｂ、２０８Ｐｂがそれぞれ１．４％、２４．１％、２２．１％、５２．４％である。
【００８９】
実験は、最も存在量が多い２０８Ｐｂイオンが、一度のイオンビーム照射で数個検出されるカウンティングモードに適した条件で行い、イオンビーム照射１００００回分のイオン電流信号を積算することで質量スペクトルを得た。
【００９０】
図９（ａ）に示されるアナログモードで取得したスペクトルにおいて、ノイズによりその存在が判別できない２０４Ｐｂのピークが、図９（ｂ）に示されるカウンティングモードでは明瞭に検出できていることがわかる。
【００９１】
図１０（ａ）はアナログモードにより求められた２０４Ｐｂと２０６Ｐｂの同位体比を示すグラフであり、（ｂ）はカウンティングモードにより求められた２０４Ｐｂと２０６Ｐｂの同位体比を示すグラフである。
【００９２】
同様の測定を１０回施行し、各測定において２０４Ｐｂと２０６Ｐｂの同位体比を求めた結果を図１０に示す。アナログモードで取得したスペクトルでは、各ピーク波形のパルス幅における面積（積分値）を用いて定量し、カウンティングモードで取得したスペクトルでは、アナログモードと同一のパルス幅における総カウント値に基づいて定量を行った。横軸が測定回数、縦軸が２０４Ｐｂ／２０６Ｐｂ比を示す。破線Ｌ１は２０４Ｐｂと２０６Ｐｂとの天然存在比（１．４／２４．１＝０．５８）を示す。全１０回の測定における天然存在比からの誤差並びに、各測定点における統計精度(エラーバー)のいずれに点においても、アナログモードよりカウンティングモードの方が定量性に優れていることがわかる。
【００９３】
〔ソフトウェアによる実現例〕
質量分析装置１のデータ処理システム４は、集積回路（ＩＣチップ）等に形成された論理回路（ハードウェア）によって実現してもよいし、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を用いてソフトウェアによって実現してもよい。
【００９４】
後者の場合、データ処理システム４は、各機能を実現するソフトウェアであるプログラムの命令を実行するＣＰＵ、上記プログラムおよび各種データがコンピュータ（またはＣＰＵ）で読み取り可能に記録されたＲＯＭ（Read Only Memory）または記憶装置（これらを「記録媒体」と称する）、上記プログラムを展開するＲＡＭ（Random Access Memory）などを備えている。そして、コンピュータ（またはＣＰＵ）が上記プログラムを上記記録媒体から読み取って実行することにより、本発明の目的が達成される。上記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記プログラムは、該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体（通信ネットワークや放送波等）を介して上記コンピュータに供給されてもよい。なお、本発明は、上記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。
【００９５】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００９６】
１  質量分析装置
２  検出器
３  高速デジタイザ
４  データ処理システム（データ処理器）
５  アナログモードプロセッサ（アナログモードプロセッシング）
６  カウンティングモードプロセッサ（カウンティングモードプロセッシング）
７  測定試料
【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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