(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体試料中の第１同位体粒子と第２同位体粒子について分析する同位体分析装置であって、
それぞれ特定の質量数をもつ第１同位体粒子と第２同位体粒子がともに安定軌道を描いてフィルタ内を通過し、気体試料中の第１同位体粒子と第２同位体粒子よりも大きな質量数を持つ粒子及び小さい質量数をもつ粒子の軌道が発散するようにフィルタ特性が設定された前段多重極フィルタと、
前段多重極フィルタを通過した粒子数を検出する前段検出手段と、
前段多重極フィルタの後段に直列に設けられ、第１同位体粒子または第２同位体粒子の一方が安定軌道を描いてフィルタ内を通過するようにフィルタ特性が設定された後段多重極フィルタと、
後段多重極フィルタを通過した粒子数を検出する後段検出手段と、
前段検出手段と後段検出手段の検出結果に基づき、第１同位体粒子および第２同位体粒子についての分析処理を行う処理手段と、
を含む同位体分析装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、
前段多重極フィルタおよび後段多重極フィルタはそれぞれ四重極フィルタであり、それぞれの上記フィルタ特性が得られるように、印加電力の定常成分と交流成分の比率が両フィルタで異なって設定されていることを特徴とする同位体分析装置。
【請求項３】
請求項１、２のいずれかに記載の装置において、
前段検出手段と後段検出手段では、各検出手段で検出すべき粒子数の程度に応じ、検出レンジが異なって設定されていることを特徴とする同位体分析装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の装置において、
前記処理手段では、前記分析処理として、第１同位体粒子と第２同位体粒子の存在比が算出されることを特徴とする同位体分析装置。
【請求項５】
請求項４に記載の装置において、
前段検出手段は、前段多重極フィルタを通過した粒子を部分的に捉える部分的捕捉手段と、捉えられた粒子の数を電流値に変換する電流計とを有し、
後段検出手段は、後段多重極フィルタを通過した粒子を捉える捕捉手段と、捉えられた粒子の数を電流値に変換する電流計を有し、
前記処理手段での存在比の算出は、両電流計の測定値と、部分的捕捉手段の捕捉率を示すパラメータとに基づいて行われることを特徴とする同位体分析装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の装置において、
前段多重極フィルタの前段と、後段多重極フィルタの前段とにそれぞれ設けられ、気体試料を各フィルタへ方向づけするとともに加速させるイオンレンズを有することを特徴とする同位体分析装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の装置において、
前段多重極フィルタの前段に設けられ、フィルタに導入される気体試料をイオン化するイオン化手段を備えたことを特徴とする同位体分析装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の装置において、
前段多重極フィルタおよび後段多重極フィルタは、一つの真空容器内に設けられていることを特徴とする同位体分析装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の装置において、
前段多重極フィルタの前段に設けられ、気体試料中の前記同位体粒子の濃度を増すための濃縮手段を有することを特徴とする同位体分析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同位体分析装置、特に、特定の質量数の粒子（原子または分子）を選択的に通過させるという多重極フィルタ（マスフィルタともいう）の機能を利用した分析装置に関する。また、本発明は、同様の原理を用いた質量分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、医療などの分野において、安定同位体の標識機能を利用した検査が行われている。この種の検査には、放射性同位体を用いる検査と異なり、被曝に関して配慮しなくてもよいという利点がある。
【０００３】
近年、安定同位体を用いた検査の一つとして、胃の中のヘリコバクター・ピロリ（Helicobacter pylori、以下ピロリ菌という）の存在を検知する13Ｃ尿素呼気分析が注目されている。ピロリ菌は、胃炎、胃潰瘍、十二指腸潰瘍などの原因菌であると考えられている。このピロリ菌は、尿素分解酵素を有し、強い酸性の中で生きるために、胃中の尿素からアンモニアを作り出して胃酸を中和している。ピロリ菌による尿素の分解時に二酸化炭素が発生し、胃の血管内に吸収されて肺に運ばれる。この二酸化炭素は、肺胞細胞におけるガス交換を通じて呼気中に含まれて、呼気とともに吐き出される。そこで、13Ｃ尿素呼気分析では、13Ｃにて標識された尿素を人体に経口投与する。そして、呼気を採集し、呼気中の13ＣＯ2、12ＣＯ2の存在比を分析する。ピロリ菌が存在しない場合よりも13ＣＯ2の比率が高いことをもって、ピロリ菌が存在すると判断される。
【０００４】
同位体存在比の測定には、従来、磁場型質量分析計が用いられてきた。しかし、磁場型質量分析計は、操作に熟練を要し、また、装置コストが比較的高いという欠点を有する。これに対し、四重極フィルタを備えた質量分析装置には、操作が簡単で装置コストが低いという利点がある。
【０００５】
以下、従来の四重極フィルタを備えた質量分析装置を説明する。この種の従来装置は、例えば、「真空の物理と応用（物理学選書１１）」熊谷寛夫、富永五郎、他、裳華房の３６８頁〜３７２頁や、「超高真空実験マニュアル」日本真空協会編、日刊工業新聞社の１２９頁〜１３２頁に示されている。
【０００６】
まず、四重極フィルタの原理を説明する。図１は、四重極フィルタの構成を示している。図示のように、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を設定して説明する。ｚ軸は四重極フィルタの中心軸であり、ｘ軸およびｙ軸はｚ軸に直交している。四重極フィルタは、中心軸を囲んで等間隔に配置された柱状の電極１００ａ〜１００ｄを有する。すなわち、電極１００ａ〜１００ｄはｚ軸に平行に、かつ、ｚ軸から等距離に配置されている。そして、電極１００ａ、１００ｃはｙ軸を挟んで対称に配置され、電極１００ｂ、１００ｄはｘ軸を挟んで対称に配置されている。、
また、四重極フィルタには電源ユニット１０２が設けられ、電源ユニット１０２は、定常電圧Ｕと高周波の交流電圧Ｖcos(ωｔ)を合成した印加電圧±｛Ｕ＋Ｖcos(ωｔ)｝を発生する。ここで、Ｖ、ωはそれぞれ振幅および角速度である。周波数電源ユニット１０２の一方の端子には電極１００ａ、１００ｃが接続され、他方の端子には電極１００ｂ、１００ｄが接続される。これにより、電極１００ａ、１００ｃと、電極１００ｂ、１００ｄには、位相が１／２波長ずれた電圧が印加される。上記のＵおよびＶの大きさは、図示しない制御部によって制御されている。
【０００７】
四重極フィルタ内におけるイオンの運動方程式は、下記のように表される。
【数１】
ｄ2ｘ／ｄζ2＋｛ａ−２ｑcos（２ζ＋π）｝ｘ＝０
ｄ2ｙ／ｄζ2−｛ａ−２ｑcos（２ζ＋π）｝ｙ＝０
ｄ2ｚ／ｄζ2＝０
【数２】
ａ＝±８ｅＵ／（Ｍω2・ｒ02）
ｑ＝４ｅＶ／（Ｍω2・ｒ02）
ζ＝ωｔ／２
ｒ0は電極１００ａ〜１００ｄの内接円の半径、Ｍはイオンの質量数、そして、ｅ＝1.602×10-19（Ｃ）である。上記をマシュー(Mathieu)の微分方程式として解くことにより、図２に斜線で示す安定領域が得られる。図２において、横軸および縦軸は、それぞれ上記のｑおよびａである。（ｑ，ａ）が安定領域内にあるという条件が満たされる場合には、ｚ軸方向に入射されたイオンは、フィルタ内に閉じ込められたまま移動してフィルタ内を通過する。この時、イオンの軌道は、ｚ軸まわりに複雑に振れ回るものの、フィルタから飛び出すことはない。この場合に、「イオンの軌道が安定する」、または、「イオンが安定軌道を描く」という。一方、（ｑ，ａ）が安定領域外にあるような条件下では、イオンの軌道が安定せずに発散し、イオンはフィルタ内から飛び出してしまう。
【０００８】
図３には、図２の安定領域の頂点部分が拡大して示されている。図中には、Ｕ／Ｖが一定値λ０であるときの直線ｍ０が示されている。ａ／ｑ＝２Ｕ／Ｖであるので、Ｕ／Ｖを一定にすると直線が描かれる。そして、点ｐ（四角形マーク）は、各質量数Ｍに対応する直線ｍ０上の点である。図３では、Ｕ、Ｖがある値のときのｑ、ａの値が質量数Ｍごとに求められ、これらの値に対応する位置に点ｐがプロットされている。各点ｐには該当する質量数が付されている。Ｕ／Ｖを一定値λ０に保ったまま、ＵおよびＶを変化させると、直線ｍ０に沿って点ｐが移動する。なお、詳細には、Ｍ／Ｚ（Ｍ／ｅ）の大きさが影響するが、ここでは、イオンがすべて１価であるものとし、上記のように質量数をパラメータにして考える。
【０００９】
ここで、直線ｍ０は、点ｐが一つしか安定領域内に入らないように設定されている。図３の状態では、質量数４４のイオン（12ＣＯ2が該当）のみが安定軌道を描く。Ｕ／Ｖを一定値λ０に保ってＵ、Ｖをスイープすることにより、安定領域に入るイオンの質量数が順次変化する。以上のようにして、四重極フィルタは、特定の質量数のイオンのみを選択的に通過させる機能を有し、かつ、通過させるイオンを順次変えていく機能を有する。なお、Ｕ／Ｖを一定に保ちながらＵ、Ｖを変化させるための構成として、高周波電圧の一部を整流して直流電圧に供給することが公知である。
【００１０】
図４は、上記の四重極フィルタを備えた分析装置の一例を示しており、この従来装置は、二酸化炭素の同位体分析に適して構成されている。同装置では、図示のように、真空容器２の中に、イオン化装置４、イオンレンズ６、四重極フィルタ８およびファラデーカップ１０が設けられている。真空容器２には、真空ポンプ１２が取り付けられている。
【００１１】
イオン化装置４は箱形タイプであり、容器１４の内部にフィラメント１６を備え、フィラメント１６には、電源１８から電流が供給される。イオン化装置４は、試料供給管２０と連通されている。フィラメント１６に通電した状態で試料供給管２０から気体試料が供給されると、気体試料中の粒子の電子がフィラメントからの電子衝撃によりはじき飛ばされて陽イオンが生成される。
【００１２】
イオンレンズ６では、中心軸２２に沿って複数枚のリング状の円盤２４が同軸に配置され、円盤２４の列の両端には、電源２６によって電圧が印加され、これにより電界が発生する。そして、陽イオンに対して中心軸２２に沿った方向の力が作用し、陽イオンを四重極フィルタ８へ向けて加速する。
【００１３】
四重極フィルタ８は、フィルタ中心軸がイオンレンズの中心軸２２と一致するように配置されている。四重極フィルタの構成は上記の通りであり、定常電圧Ｕと交流電圧Ｖの比は上記の一定値λ０に設定されている。そして、Ｕ、Ｖをスイープする範囲は、質量数４４（12ＣＯ2に該当）および質量数４５（13ＣＯ2に該当）を含む幾つかのイオンが順次安定領域に入るように設定されている。
【００１４】
ファラデーカップ１０は、四重極フィルタ８を通過した陽イオンが衝突するように設けられたイオンコレクタであり、ファラデーカップ１０では、イオンの衝突時に電流が発生する。ファラデーカップ１０には電流計２８が接続されており、電流計２８の測定値によって、衝突したイオンの数の大小が分かる。処理装置３０は、電流計２８の測定値に基づいて二酸化炭素の同位体存在比を求める。
【００１５】
次に、上記構成の分析装置を用いて二酸化炭素の同位体存在比を測定する場合における、分析装置の動作を説明する。試料供給管２０から供給される気体試料は、図示しない濃縮手段にて呼気サンプル中の二酸化炭素を濃縮することにより生成されたものである。気体試料は試料供給管２０からイオン化装置４へ供給される。イオン化装置４では、二酸化炭素の電子がはじき飛ばされて、１価の陽イオンが生成される。この陽イオンはイオンレンズ６を通過する際に加速され、四重極フィルタ８へ入射される。定常電圧Ｕ、交流電圧Ｖによって特定される質量数の陽イオンのみが安定軌道を描いてフィルタ内を通過し、ファラデーカップ１０に衝突する。衝突したイオンの数は、電流計２８を用いて測定される。
【００１６】
ここで、定常電圧Ｕ、交流電圧Ｖのスイープに伴って、四重極フィルタ８を通過する陽イオンが、12ＣＯ2+、13ＣＯ2+、12Ｃ18Ｏ16Ｏ+と変化する。従って、上記スイープに伴う電流計２８の測定値の変化に基づいて、処理装置３０では、図５の質量スペクトルが得られる。図５において横軸は陽イオンの質量数であり、縦軸は陽イオンの衝突数の大小を示す。そして、気体試料中の二酸化炭素の同位体存在比が求められ、この同位体存在比からピロリ菌の存在が検出される。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
（１）前述のように、四重極フィルタを備えた従来の分析装置は、操作が簡単で装置コストが安いという利点を有する。一方で、従来装置は複数の同位体についての測定を同時に行うことができず、このことが測定精度を悪化させる要因となりうる。この問題を下記に説明する。
【００１８】
従来装置では、図２から明らかなように、一度に一つの質量数のイオンが測定対象とされる。質量数が異なるイオンの分析タイミングは、定常電圧Ｕおよび交流電圧Ｖのスイープに要する時間に応じてずれる。一方、真空槽内のガス圧力や電子回路中のノイズ等は常に変動している。また、イオン化装置におけるイオンの発生量も変動する。従って、質量数の異なるイオンの分析が、それぞれ異なった条件下で行われ、分析条件の相違が分析精度に影響する可能性がある。
【００１９】
特に、同位体分析では精密な測定が要求される。上記の例では、通常の呼気中の12ＣＯ2（質量数４４）と13ＣＯ2（質量数４５）の存在比が９９：１程度であり、胃中にピロリ菌がいる場合でも13ＣＯ2の割合の増加幅はほんのわずかである。このように、同位体の存在比は大きく偏っており、比率の小さい同位体が標識として用いられ、そのために高精度な測定が要求される。ところが、従来装置では、２つの同位体の測定は数分の１秒程度ずれた時期に行われる。分析時期のずれが、同位体分析に要求されるような測定精度に影響を及ぼす可能性がある。（２）従来の分析装置は、図４に示すように、一つの検出手段で２つの同位体の粒子数を検出する。ところが、同位体の存在比は大きく偏っている。そのため、比率の高い粒子に関する測定と、比率の低い粒子に関する測定のどちらにおいても高い測定精度が得られるように検出手段を構成することは困難である。
【００２０】
すなわち、検出手段（例えば電流計）の検出レンジは、比率の高い粒子に合わせて設定する必要がある。これは、比率の低い粒子の測定に適した検出レンジといえない。そのため、比率の低い粒子、すなわち標識された粒子の測定精度の向上が困難である。
【００２１】
例えば、二酸化炭素の同位体存在比の分析では、12ＣＯ2の比率が13ＣＯ2よりも圧倒的に多い。従って、検出手段の検出レンジは、12ＣＯ2の測定時に検出すべき粒子数を網羅するように、広範囲に設定される。しかし、この設定の検出手段を用いては、13Ｃ尿素呼気分析に求められるような、元々微小量の13ＣＯ2の僅かな比率増の判別は容易でない。
【００２２】
（３）以上、同位体を対象とする分析を中心に本発明の課題を説明した。しかし、本発明の対象は、同位体分析の場合に限られるものではない。質量数の近い複数種類の粒子を分析するにあたっては、上記と同様の問題が生じうる。
【００２３】
また、ここでは、四重極フィルタを備えた分析装置を例に説明した。しかし、その他の多重極フィルタ（六重極、八重極など）を備えた分析装置を構成する場合においても同様の課題が存在する。多重極フィルタでは、特定の質量数の粒子のみが安定軌道を描くようにフィルタ特性を設定することにより、その機能が発揮される。この点では、四重極フィルタも、他の極数のフィルタも共通する。
【００２４】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、多重極フィルタの利点を生かし、かつ、質量数が互いに異なる粒子を分析する際の分析精度の向上を図ることができる同位体分析装置および質量分析装置を提供することにある。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
（１）本発明の同位体分析装置は、気体試料中の第１同位体粒子と第２同位体粒子について分析する同位体分析装置であって、それぞれ特定の質量数をもつ第１同位体粒子と第２同位体粒子がともに安定軌道を描いてフィルタ内を通過し、第１同位体粒子と第２同位体粒子よりも大きな質量数を持つ粒子及び小さい質量数をもつ粒子の軌道が発散するようにフィルタ特性が設定された前段多重極フィルタと、前段多重極フィルタを通過した粒子数を検出する前段検出手段と、前段多重極フィルタの後段に直列に設けられ、第１同位体粒子または第２同位体粒子の一方が安定軌道を描いてフィルタ内を通過するようにフィルタ特性が設定された後段多重極フィルタと、後段多重極フィルタを通過した粒子数を検出する後段検出手段と、前段検出手段と後段検出手段の検出結果に基づき、第１同位体粒子および第２同位体粒子についての分析処理を行う処理手段とを含む。
【００２６】
上記において、粒子数は、各フィルタを通過した粒子の数そのものでもよいが、この粒子数を示すなんらかの情報、パラメータでもよい。例えば、質量分析の際に用いられるイオン電流値でもよい。また、粒子数が分かる二次電子増倍管等によるイオンのカウント数でもよい。そして、後述するように、フィルタを通過した粒子のうちの一定割合の粒子数でもよい。
【００２７】
ここで、第１同位体粒子と第２同位体粒子は、質量数が１だけ異なるもの（例えば12ＣＯ2と13ＣＯ2）でも、質量数が２以上異なるもの（例えば14Ｎ2と15Ｎ2）でもよい。
【００２８】
前段多重極フィルタおよび後段多重極フィルタは、例えば、それぞれ四重極フィルタである。この場合、両フィルタにおけるそれぞれの上記フィルタ特性を得るためには、前述の印加電力の定常成分と交流成分の比率を両フィルタで異なって設定する。多重極フィルタは、四重極以外のもの、例えば六重極や八重極でもよい。そして、前段と後段では、極数が異なっていてもよい。
【００２９】
本発明によれば、気体試料中の第１同位体粒子と第２同位体粒子が前段多重極フィルタを通過して、これらの粒子の粒子数が検出される。前段多重極フィルタを通過した第１同位体粒子および第２同位体粒子は、後段多重極フィルタに送られる。ここでは、一方の同位体粒子が後段フィルタを通過し、その粒子数が検出される。従って、両検出結果を用いれば、第１、第２同位体粒子についての分析処理が可能である。この分析処理とは、例えば、第１同位体粒子と第２同位体粒子の存在比の算出である。
【００３０】
ここで、従来の多重極フィルタは、図３に示したように、一度に一つの質量数の粒子のみを通過させるように構成するのが一般的であった。そして、従来装置では、一方の同位体粒子の分析後、ある程度の時間をおいて与えられた気体試料を対象として他方の同位体粒子の分析が行われる。
【００３１】
このような従来装置と異なり、本発明では、前段多重フィルタのフィルタ特性が、二つの質量数の粒子を通過させるように設定されている。そして、これに直列に設けられた後段多重フィルタでは、上記二つの質量数の粒子の一方を通過させるように設定されている。二つのフィルタの直列配置により、二つの同位体粒子についての分析を同時に行うことができる。すなわち、本発明の分析装置では、一度に与えられた気体試料を対象として両方の同位体粒子の分析が行われる。そして、前段検出手段と後段検出手段での検出はほぼ同時に行われる。従って、本発明によれば、二つの同位体粒子についての分析タイミングのずれに伴う分析精度への影響が排除され、分析精度の向上を図ることができる。
【００３２】
以上、本発明によれば、取扱いやすく低コストであるという多重極フィルタ式分析装置の利点を生かし、かつ、分析精度の向上を図ることができる。
【００３３】
（２）本発明の一態様において、前段検出手段と後段検出手段では、各検出手段で検出すべき粒子数の程度に応じ、検出レンジが異なって設定される。前段検出手段の検出レンジは、第１同位体と第２同位体の粒子数に対応して設定される。そして、後段検出手段の検出レンジは、一方の同位体の粒子数に対応して設定される。従って、第１同位体と第２同位体の粒子数が大きく異なる場合でも、それぞれの粒子数が正確に測定される。
【００３４】
例えば、二酸化炭素の存在比の分析では、12ＣＯ2の比率が13ＣＯ2のよりも圧倒的に多い。このときに、前段検出手段の検出レンジは、両同位体の粒子数に対応して設定する。後段検出手段の検出レンジは、13ＣＯ2の粒子数に対応して設定する。これにより、微小量しか存在しない13ＣＯ2についても正確な測定が可能である。
【００３５】
（３）また、本発明の一態様では、前段検出手段は、前段多重極フィルタを通過した粒子を部分的に捉える部分的捕捉手段と、捉えられた粒子の数を電流値に変換する電流計とを有し、後段検出手段は、後段多重極フィルタを通過した粒子を捉える捕捉手段と、捉えられた粒子の数を電流値に変換する電流計を有し、前記処理手段での存在比の算出は、両電流計の測定値と、部分的捕捉手段の捕捉率を示すパラメータとに基づいて行われる。
【００３６】
部分的捕捉手段は、前段多重極フィルタを通過した粒子の一部がこの手段に衝突するように構成され、衝突粒子数に応じた電流を発生する。一方、上記の捕捉手段は、後段多重極フィルタを通過した粒子がこの手段に衝突するように構成され、衝突粒子数に応じた電流を発生する。各電流計の測定値からそれぞれのフィルタを通過した粒子数がわかる。
【００３７】
捕捉手段は、例えば前述のファラデーカップ、イオンコレクタである。また、部分的捕捉手段は、ファラデーカップやイオンコレクタであって、一部の粒子を透過させるように構成されたものである。
【００３８】
捕捉率は、部分的捕捉手段にて捕捉される粒子の割合である。捕捉率を示すパラメータは、例えば捕捉率そのものであり、また例えば、部分的捕捉手段における粒子の透過率でもよい。
【００３９】
多重極フィルタを通るイオンのエネルギー量は少ないので、粒子数を正確に検出するためには、上記のような粒子衝突時に電流を発生する捕捉手段を用いることが好ましい。ここで、前段検出手段ですべてのイオンを捕捉すると、後段での測定ができない。しかし、本発明では、前段に部分的捕捉手段を設けることにより、前段および後段での測定が可能である。
【００４０】
（４）本発明において、好ましくは、気体試料を各フィルタへ方向づけするとともに加速させるイオンレンズが、前段多重極フィルタの前段と、後段多重極フィルタの前段とにそれぞれ設けられる。これにより、前段多重極フィルタを通過した粒子の方向づけと速度が、後段のイオンレンズで再度調整される。
【００４１】
また、好ましくは、イオン化手段が、前段多重極フィルタの前段に設けられる。このイオン化手段でイオン化した気体試料がフィルタに導入されて同時測定され、正確な分析が行われる。また、好ましくは、前段多重極フィルタおよび後段多重極フィルタは、一つの真空容器内に設けられる。
【００４２】
また、好ましくは、気体試料中の前記同位体粒子の濃度を増すための濃縮手段が、前段多重極フィルタの前段に設けられる。例えば、前述の13Ｃ尿素呼気分析において、呼気中の二酸化炭素を濃縮しておくことにより、測定精度に対する他の物質（酸素、窒素など）の影響が低減する。濃縮手段としては、例えば、ガスクロマトグラフィが挙げられる。
【００４３】
（５）一方、本発明の別の態様は気体試料中の質量数の近い複数種類の粒子について分析する質量分析装置であり、この質量分析装置は、直列に設けられた複数の多重極フィルタを有し、後段のフィルタに行くに従って、安定軌道を描いてフィルタ内を通過する粒子の質量数範囲が狭く設定された多重極フィルタ列と、前記複数の多重極フィルタのそれぞれを通過した気体試料の粒子数を検出する検出手段とを含む。
【００４４】
上記構成によれば、後段のフィルタに行くに従って、少ない種類の粒子の粒子数が検出される。従って、各段での検出結果に基づいて、複数種類の粒子についての分析が可能である。ここでの分析では、例えば、複数種類の粒子についての質量スペクトルを求めてもよい。また、前述のように粒子の存在比を求めてもよい。
【００４５】
本発明は、前述の（１）に示したように、同位体分析用に好適に適用される。後段のフィルタほどフィルタ内を通過する粒子の質量数範囲を狭くするので、質量数が近い粒子の分析に適しているからである。しかし、同位体分析に限られず、他の粒子の質量分析にも適用可能である。特に質量数が近いが異なる種類の粒子の分析には、同位体分析と同様に、好適に適用される。
【００４６】
また、上記構成では、多重極フィルタ列に含まれるフィルタ数を３以上としてもよい。これにより、３種類以上の粒子（同位体粒子を含む）の測定が可能である。なお、フィルタ数を２とした場合には、前述の（１）の同位体分析装置と同様のフィルタ列の構成になる。
【００４７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態（以下、実施形態という）を、図面を参照し説明する。
【００４８】
「実施形態１」
実施形態１の分析装置は、二酸化炭素の同位体存在比の分析用に構成されている。ここでは、この分析装置が13Ｃ尿素呼気分析に用いられる。以下では、まず、図６を参照して、この分析装置の原理を説明する。
【００４９】
本実施形態では、前述の図１に示した四重極フィルタが、直列に２つ設けられる。前段側を前段フィルタ、後段側を後段フィルタという。各フィルタの全長は、１０cm程度、４つの電極の内接円の半径は約０．３cm、交流電圧の周波数は３．５ＭHz程度に設定されている。前段フィルタと後段フィルタでは、下記のように、フィルタ特性が異なって設定される。
【００５０】
前段フィルタでは、12ＣＯ2（質量数４４）と13ＣＯ2（質量数４５）が安定軌道を描くように、Ｕ、ＶがそれぞれＵ１、Ｖ１に固定されている。図６には、この時のＵ１／Ｖ１＝λ１に対応する直線ｍ１が示されている。図示のように、直線ｍ１上では、質量数４４、４５に対応する点ｐ４４、ｐ４５（四角形マーク）が安定領域内にある。図６から明らかなように、ここでのλ１は、図３の従来装置のλ０よりも小さく設定される。
【００５１】
一方、後段フィルタでは、13ＣＯ2（質量数４５）が安定軌道を描くように、Ｕ、ＶがそれぞれＵ２、Ｖ２に固定されている。図６には、この時のＵ２／Ｖ２＝λ２に対応する直線ｍ２が示されている。図示のように、直線ｍ２上では、質量数４５に対応する点ｐ４５が安定領域内にある。なお、ここでのλ２は、前述の図３のλ０と等しく設定してもよい。
【００５２】
気体試料はまず前段フィルタに入射され、12ＣＯ2と13ＣＯ2のみが前段フィルタを通過する。そして、前段フィルタを通過した12ＣＯ2と13ＣＯ2が後段フィルタに入射されるが、ここでは、13ＣＯ2のみが後段フィルタを通過する。従って、前段を通過して後段を通過しなかった粒子数と、前段および後段を通過した粒子数との比が、同位体存在比である。
【００５３】
実際には、前段フィルタの通過した粒子の一部Ｒ％（捕捉率という）を半透過型のファラデーカップで捉え、この一部分についての粒子数Ｎ１を測定する。そして、残りの（１００−Ｒ）％の粒子が後段フィルタに送られる。後段フィルタを通過した粒子は、別のファラデーカップに捉えられ、その粒子数Ｎ２が測定される。そこで、本実施形態では、下式（１）のように同位体存在比が導き出される。
【００５４】
【数３】
｛ N1×100/R−N2×100/(100−R)｝：｛ N2×100/(100−R)｝  ・・・（１）
ここで、N1×100/R−N2×100/(100−R)は、気体試料中の陽イオン12ＣＯ2+の数に相当し、N2×100/(100−R)は、陽イオン13ＣＯ2+の数に相当する。そして、胃中にピロリ菌がいない場合よりも13ＣＯ2+の比率が高いことをもって、ピロリ菌の存在が検出される。ただし、存在比の算出方法は、適宜変更してもよい。例えば、電流値から直接算出する計算式をたててもよい。
【００５５】
なお、本実施形態では、各フィルタにおいて、従来のような定常電圧Ｕおよび交流電圧のスイープは原則として行われない。この分析装置は、電圧値をスイープして、未知の物体の質量を測定するといった使い方は想定していない。分析対象の同位体が決められており（ここでは、二酸化炭素）、その同位体の存在比を測定する場合に用いられる。
【００５６】
図７は、本実施形態の同位体分析装置の構成を示す。図７において、図４同等の部材には同一の符号を与え、これらの部材についての説明は適宜省略する。
【００５７】
この分析装置では、真空容器２の中に、イオン化装置４、第１イオンレンズ３２、前段フィルタ３４、半透過型ファラデーカップ３６、第２イオンレンズ３８、後段フィルタ４０、ファラデーカップ４２が順次設けられている。第１イオンレンズ３２からファラデーカップ４２まで、同軸上に配置されている。第１イオンレンズ３２、第２イオンレンズ３８の構成は、図４のイオンレンズ６と同様である。また、前段フィルタ３３、後段フィルタ４０は、それぞれ、図６に示したフィルタ特性を有する四重極フィルタである。
【００５８】
半透過型ファラデーカップ３６は、前段フィルタ３４を通過した陽イオンが衝突するように設けられたイオンコレクタである。ただし半透過型ファラデーカップ３６には、一部のイオンが衝突し、残りのイオンは透過する。半透過型ファラデーカップ３６は、例えば複数の透過孔を設けた円盤を有し、透過孔を通って粒子が透過する。ここで、前述のように、半透過型ファラデーカップ３６に入射される粒子数に対する、透過せずに衝突する粒子数の割合を「捕捉率Ｒ％」とする。捕捉率Ｒ％は、後述する方法によって実測可能である。半透過型ファラデーカップ３６には、電流計５０が接続されている。電流計５０によって、イオンの衝突時に発生する電流が測定され、測定値から、衝突したイオンの数が分かる。一方、ファラデーカップ４２の構成は、図４のファラデーカップ１０と同様であり、ファラデーカップ４２には電流計５２が接続されている。
【００５９】
電流計５０、電流計５２の測定レンジは、それぞれが検出すべき電流値に応じて異なって設定されている。12ＣＯ2と13ＣＯ2の存在比は９９：１程度であるので、電流計５０で検出すべき電流値の方が圧倒的に大きく、電流計５２で検出すべき電流値は微小である。そこで、電流計５０と比べ、電流計５２の測定レンジは、小さい電流値に適して設定されている。各電流計５０、５２は、それぞれの測定レンジでの高い測定精度を得るように構成され、調整されている。
【００６０】
処理装置５４は、電流計５０および電流計５２と接続されている。処理装置５４は、電流計５０および電流計５２の測定値を基に、半透過型ファラデーカップ３６、ファラデーカップ４２に衝突したイオン数Ｎ１、Ｎ２を求め、前述の式（１）に従って同位体存在比を求める。
【００６１】
次に、本実施形態の分析装置の動作を説明する。試料供給管２０から供給される気体試料は、図示しない濃縮手段にて呼気サンプル中の二酸化炭素を濃縮することにより生成されたものである。濃縮手段は、例えばガスクロマトフラフィである。また、本出願人による特願平８−３３１２９４号または特願平８−３３３４８７号に記載された呼気採集装置を使用すれば、採集装置が濃縮手段として機能し、呼気封入容器には二酸化炭素が濃縮されて封入される。
【００６２】
濃縮状態の気体試料は試料供給管２０からイオン化装置４へ供給される。イオン化装置４では、フィラメントからの電子衝撃により二酸化炭素の電子がはじき飛ばされて、１価の陽イオンが生成される。なお、すべての気体試料をイオン化する必要はない。陽イオンは第１イオンレンズ３２を通過する際に加速され、前段フィルタ３４へ入射される。
【００６３】
前段フィルタ３４は、前述の図６の直線ｍ１のフィルタ特性に従って動作することにより、陽イオン12ＣＯ2+、13ＣＯ2+のみを通過させる。この際、両イオンは、中心軸まわりに振れ回る複雑な軌道を描きながらも、フィルタ内に閉じ込められたまま進む。すなわち、両イオンは安定軌道を描いてフィルタ内を進む。そして、通過した陽イオンのＲ％が、半透過型ファラデーカップ３６に衝突する。処理装置５４は、電流計５０の電流値から、衝突したイオンの数Ｎ１を求める。
半透過型ファラデーカップ３６を通過した陽イオンは、前段フィルタ３４を通過したイオンの（１００−Ｒ）％である。半透過型ファラデーカップ３６の通過前後で、12ＣＯ2+、13ＣＯ2+の比率は変わらない。半透過型ファラデーカップ３６を通過した陽イオンは、第２イオンレンズ３８に進む。
【００６４】
陽イオンは、前段フィルタ３４を通過する間、中心軸まわりに振れ回りながら進む。第２イオンレンズ３８では、陽イオンの運動方向が、後段フィルタ４０の中心軸方向と一致するように調整され、かつ陽イオンが加速される。そして、陽イオンは、後段フィルタ４０に入射される。
【００６５】
後段フィルタ４０は、前述の図６の直線ｍ２のフィルタ特性に従って動作することにより、陽イオン13ＣＯ2+のみを通過させる。すなわち、13ＣＯ2+のみが安定軌道を描いてフィルタ内を進む。通過した13ＣＯ2+は、ファラデーカップ４２に衝突する。処理装置５４は、電流計５２の電流値から、衝突したイオンの数Ｎ２を求める。
【００６６】
処理装置５４は、イオン数Ｎ１、Ｎ２と、半透過型ファラデーカップ３６での捕捉率Ｒから、前述の式（１）を用いて12ＣＯ2+、13ＣＯ2+の存在比を求める。そして、胃中にピロリ菌がいない場合よりも13ＣＯ2+の比率が高いことをもって、ピロリ菌の存在が検出される。
【００６７】
なお、本実施形態では、測定精度の向上のために、同位体存在比が既知の標準試料と、呼気サンプルを濃縮した気体試料とを交互に測定する。すなわち、標準試料を分析し、測定結果の存在比と、既知である真の存在比の相違を求める。この相違を用いて、気体試料の分析時に得られる存在比を補正する。交互測定を行うのは、前後段のフィルタの感度が同一でないことを考慮したものである。
【００６８】
また、前述の半透過型ファラデーカップ３６の捕捉率Ｒ％は、下記のように求められる。捕捉率Ｒ％の測定のために、前段フィルタ３４、後段フィルタ４０のフィルタ特性を同じに設定する。ここでは、12ＣＯ2+（または13ＣＯ2+）のみがフィルタ内を通過するようにフィルタ特性を設定する。そして、両フィルタに同一仕様の電流計を接続する。この状態で、上記と同様に分析装置を動作させる。このときに前段および後段での粒子数の検出値をＮａ、Ｎｂとすれば、Ｎａ／（Ｎａ＋Ｎｂ）×100が捕捉率Ｒ％に相当する。
【００６９】
以上、本実施形態の分析装置の構成と動作を説明した。本実施形態では、イオン化装置４にて一度に生成されたイオンを対象として、12ＣＯ2+、13ＣＯ2+のイオン数が測定される。そして、半透過型ファラデーカップ３６とファラデーカップ４２での測定は、ほぼ同時に行われる。従って、12ＣＯ2+、13ＣＯ2+の分析に際し、真空槽内のガス圧力や電子回路中のノイズ、イオン化装置４におけるイオンの発生量などが測定条件が同等である。分析条件を同等とすることにより、測定精度の向上を図ることができる。
【００７０】
また、従来は、一つの電流計が12ＣＯ2+、13ＣＯ2+両方についての測定に用いられていた。しかし、両イオンの存在比は大きく偏っているので、測定すべき電流値の程度も大きく異なる。そのため、両イオンについての高精度な測定は容易でなかった。これに対し、本実施形態では、二つの電流計５０、５２が用いられ、各電流計５０、５２の測定レンジは、それぞれが検出すべき電流値に適して設定される。すなわち、12ＣＯ2+および13ＣＯ2+を測定対象とする電流計５０の測定レンジは、比較的大きな電流値に適して設定される。一方、13ＣＯ2+のみを測定対象とする電流計５２の測定レンジは、小さい電流値に適して設定される。この場合、各電流計５０、５２を、それぞれの測定レンジでの高い測定精度を得るように構成することができる。従って、電流値の測定精度を高め、分析精度の向上を図ることができる。
【００７１】
特に、13Ｃ尿素呼気分析では、元々微小な13ＣＯ2のわずかな増加を検出しなければならない。そのため、分析装置には、高い測定精度が要求される。本実施形態は、この高い分析精度を得るために好適に用いられる。
【００７２】
なお、本実施形態では、二酸化炭素を分析対象とする同位体分析装置を説明した。しかし、この分析装置は、他の同位体の分析用にも構成できる。例えば、14Ｎ2、15Ｎ2の存在比を測定する装置が考えられる。この場合、前段フィルタのフィルタ特性は、質量数２８（14Ｎ2に対応）、質量数３０（15Ｎ2に対応）のイオンが安定軌道を描くように設定する。後段フィルタのフィルタ特性は、質量数３０のイオンが安定軌道を描くように設定する。これにより、上記と同様の構成にて14Ｎ2、15Ｎ2の存在比を分析できる。
【００７３】
また、各フィルタの定常電圧Ｕ、交流電圧Ｖの設定値を変更可能とし、任意の同位体を分析できる装置としてもよい。ここでの設定値の変更は、図６に示したようなＵ１、Ｖ１およびＵ２、Ｖ２の値の変更である。
【００７４】
その他、本実施形態では、四重極フィルタを備えた分析装置について説明したが、前述のように、他の極数のフィルタを備えた構成としてもよい。この場合も、前段フィルタには、12ＣＯ2+、13ＣＯ2+がフィルタ内を通過するようなフィルタ特性を与え、後段フィルタには、13ＣＯ2+がフィルタ内を通過するようなフィルタ特性を与えればよい。
【００７５】
また、本実施形態では、半透過ファラデーカップ３６に一部の粒子を衝突させるように構成し、捕捉率Ｒ％を用いて存在比を算出した。エネルギーレベルの低いイオンの粒子数の正確な検出を図るためである。これに対し、粒子を衝突させることなく、粒子数を検出する装置を設けてもよい。このときは、捕捉率Ｒ％を用いずに存在比を算出可能である。
【００７６】
「実施形態２」
上記の実施形態１は、本発明が同位体分析装置に適用された。これに対し、実施形態２は、同位体分析以外にも使用可能な質量分析装置として構成される。
【００７７】
ここでは、質量数ｎ１〜ｎ５の粒子（各粒子の質量数は、１ずつ異なる）を考える。この分析装置は、与えられた気体試料を分析して図８に示すような粒子数分布を求める。すなわち、質量数ｎ１、ｎ２と、質量数ｎ３と、質量数ｎ４、５との３ランクのそれぞれの粒子数である。
【００７８】
図９は、本実施形態の同位体分析装置の構成を示す。図９において、図４または図７同等の部材には同一の符号を与え、これらの部材についての説明は適宜省略する。
【００７９】
この分析装置では、真空容器２の中に、イオン化装置４、第１イオンレンズ６０、第１フィルタ６２、第１半透過型ファラデーカップ６４、第２イオンレンズ６６、第２フィルタ６８、第２半透過型ファラデーカップ７０、第３イオンレンズ７２、第３フィルタ７４、ファラデーカップ７６が順次設けられている。第１イオンレンズ６０からファラデーカップ７６まで、同軸上に配置されている。各イオンレンズ、半透過型ファラデーカップ、ファラデーカップの構成は、実施形態１と同様である。
【００８０】
第１フィルタ６２、第２フィルタ６８、第３フィルタ７４は、それぞれ図１に示すような四重極フィルタである。図１０は、各フィルタのフィルタ特性を示している。
【００８１】
第１フィルタ６２では、質量数ｎ１〜ｎ５の粒子が安定軌道を描くように、Ｕ、ＶがそれぞれＵ１１、Ｖ１１に固定されている。図１０には、この時のＵ１１／Ｖ１１＝λ１１に対応する直線ｍ１１が示されている。図示のように、直線ｍ１１上では、質量数ｎ１〜ｎ５に対応する点（四角形マーク）が安定領域内にある。
【００８２】
また、第２フィルタ６８では、質量数ｎ１〜ｎ３の粒子が安定軌道を描くように、Ｕ、ＶがそれぞれＵ１２、Ｖ１２に固定されている。図１０において、Ｕ１２／Ｖ１２＝λ１２に対応する直線ｍ１２上では、質量数ｎ１〜ｎ３に対応する点が安定領域内にある。図示のように、λ１２＞λ１１の関係にある。
【００８３】
また、第３フィルタでは、質量数ｎ３の粒子が安定軌道を描くように、Ｕ、ＶがそれぞれＵ１３、Ｖ１３に固定されている。図１０において、Ｕ１３／Ｖ１３＝λ１３に対応する直線ｍ１３上では、質量数ｎ３に対応する点が安定領域内にある。図示のように、λ１３＞λ１２の関係にある。
【００８４】
第１半透過型ファラデーカップ６４（捕捉率Ｒ１％）、第２半透過型ファラデーカップ７０（捕捉率Ｒ２％）、ファラデーカップ７６には、それぞれ、電流計７８、８０、８２が接続されている。実施形態１と同様に、各電流計での測定値から、各カップに衝突したイオンの数Ｎ１１、Ｎ１２、Ｎ１３が分かる。ここでも、各電流計の測定レンジは、それぞれが検出すべき電流値に適するように異なって設定されている。
【００８５】
また、処理装置８４が各電流計７８、８０、８２に接続されている。処理装置８４は、電流測定値から上記の衝突イオン数Ｎ１１、Ｎ１２、Ｎ１３を求め、これらから、図８に示した粒子数分布を求める。
【００８６】
実施形態２の分析装置の動作を説明する。なお、実施形態１と同様の内容の説明は、適宜省略する。
【００８７】
気体試料は、試料供給管２０からイオン化装置４へ供給される。イオン化装置４では陽イオンが生成され、この陽イオンは第１イオンレンズ６０を通過する際に加速され、第１フィルタ６２へ入射される。第１フィルタ６２は、図１０の直線ｍ１１のフィルタ特性に従って動作することにより、質量数ｎ１〜ｎ５のイオンを通過させる。通過したイオンのＲ１％が第１半透過型ファラデーカップ６４に衝突する。処理装置８４は、電流計７８の電流値から、衝突したイオンの数Ｎ１１を求める。半透過型ファラデーカップ３６を通過した陽イオン（質量数ｎ１〜ｎ５）は、第２イオンレンズ６６に達する。第２イオンレンズ６６では、陽イオンの運動方向が、第２フィルタ６８の中心軸方向と一致するように調整され、かつ陽イオンが加速される。そして、陽イオンは、第２フィルタ６８に入射される。
【００８８】
第２フィルタ６８は、図１０の直線ｍ１２のフィルタ特性に従って動作することにより、質量数ｎ１〜ｎ３のイオンを通過させる。通過したイオンのＲ２％が第２半透過型ファラデーカップ７０に衝突する。処理装置８４は、電流計８０の電流値から、衝突したイオンの数Ｎ１２を求める。第２半透過型ファラデーカップ７０を通過した陽イオン（質量数ｎ１〜ｎ３）は、第３イオンレンズ７２に達する。第３イオンレンズ７２では、陽イオンの運動方向が、第３フィルタ７４の中心軸方向と一致するように調整され、かつ陽イオンが加速される。そして、陽イオンは、第３フィルタ７４に入射される。
【００８９】
第３フィルタ７４は、図１０の直線ｍ１３のフィルタ特性に従って動作することにより、質量数ｎ３のイオンを通過させる。通過したイオンは、ファラデーカップ７６に衝突する。処理装置８４は、電流計８２の電流値から、衝突したイオンの数Ｎ１３を求める。
【００９０】
処理装置８４は、求めたイオンの数Ｎ１１、Ｎ１２、Ｎ１３から図８の粒子数分布を作成する。ここでは、イオン化装置４にて生成され、分析対象となったイオンのうち、質量数ｎ４またはｎ５のイオンの数は、下式（２）により与えられる。同様に、質量数ｎ１、ｎ２のイオンの数は下式（３）より与えられ、質量数ｎ３のイオンの数は下式（４）より与えられる。
【００９１】
【数４】
N11×100/R1 − N12×100/(100−R1)×100/R2   ・・・（２）
【数５】
N12×100/(100−R1)×100/R2 − N13×100/(100−R1)×100/(100-R2) ・・・（３）
【数６】
N13×100/(100−R1)×100/(100-R2)            ・・・（４）
処理装置８４は、各式から得られたイオン数を用いて粒子数分布を求める。なお、試料中に質量数ｎ２、ｎ４の粒子が含まれていないとすれば、図８は、そのまま質量数ｎ１、ｎ３、ｎ５の粒子についての粒子数分布となる。
【００９２】
以上、本実施形態の質量分析装置の構成と動作を説明した。このように、本発明は、同位体以外の粒子の質量分析にも適用可能である。また、直列に設けるフィルタの数を増やすことにより、２種類以上の粒子についての同時分析を行うことができる。
【００９３】
なお、本実施形態では、３つのフィルタが設けられているが、４つ以上のフィルタを設けてもよいことはもちろんである。各段のフィルタのフィルタ特性は、適宜、自由に設定できる。例えば、４つのフィルタを設ける場合において、各段のフィルタ特性として設定される質量数の範囲は、（４、３、２、１）の他、（８、６、４、２）や（３、２、２、１）など、任意の組み合わせに定められる。
【００９４】
【発明の効果】
本発明によれば、多重極フィルタを備えた分析装置にて、質量数が異なる粒子を同時に分析することが可能になる。従って、測定条件の時間的変動という誤差要因の測定結果への影響が低減される。また、本発明によれば、質量数が異なる粒子の分析において、粒子間の存在量が大きく偏る場合でも、粒子数が正確に検出される。これは、各検出手段の検出レンジを、検出すべき粒子数に適して設定することにより実現される。
【００９５】
このようにして、本発明によれば、取扱いが容易で低コストであるという多重極フィルタの利点を生かしつつ、分析精度の向上を図ることができる。本発明が13Ｃ尿素呼気分析に利用された場合、本発明は、ピロリ菌の容易かつ正確な検出に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  四重極フィルタの構成を示す説明図である。
【図２】  四重極フィルタにおいて粒子が安定した軌道を描く安定領域を示す説明図である。
【図３】  図２の安定領域の頂点部分であり、従来の分析装置のフィルタ特性を示す拡大図である。
【図４】  従来の四重極フィルタを備えた質量分析装置の構成図である。
【図５】  図４の装置によって求められる質量スペクトルを示す説明図である。
【図６】  本発明の実施形態１の同位体分析装置の原理として、フィルタ特性を示す説明図である。
【図７】  実施形態１の同位体分析装置の構成図である。
【図８】  実施形態２の質量分析装置によって求められる粒子数分布を示す説明図である。
【図９】  実施形態２の質量分析装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】  実施形態２の各フィルタのフィルタ特性を示す説明図である。
【符号の説明】
２  真空容器、４  イオン化装置、６  イオンレンズ、８  四重極フィルタ、１０，４２  ファラデーカップ、２０  試料供給管、２８，５０，５２  電流計、３０，５４  処理装置、３２  第１イオンレンズ、３４  前段フィルタ、３６半透過型ファラデーカップ、３８  第２イオンレンズ、４０  後段フィルタ。
【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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