(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定のダイオキシン類に作用する抗体（２２ｂ，４２ｂ）を固定した検出素子（２２，４２）をダイオキシン類を含む液体または気体試料中に曝し、該抗体（２２ｂ，４２ｂ）に特定のダイオキシンを捕捉させる手順と、
特定のダイオキシンを捕捉した前記検出素子（２２，４２）を真空容器（１２）内に配置する手順と、
前記検出素子（２２，４２）から捕捉したダイオキシンを気化脱離させ、さらにイオン化させてイオン化試料とする手順と、
前記イオン化試料の質量スペクトルを測定することにより捕捉したダイオキシンの同定および定量を行う手順とを有するダイオキシン測定方法。
【請求項２】
それぞれ異なる特定のダイオキシン類に作用する複数の抗体（２２ｂ，４２ｂ）を単一素子上に位置を定めて配置し固定した検出素子（２２，４２）をダイオキシン類を含む液体または気体試料中に曝し、該複数の抗体（２２ｂ，４２ｂ）にそれぞれ異なる特定のダイオキシンを捕捉させる手順と、
特定のダイオキシンを捕捉した前記検出素子（２２，４２）を真空容器内に配置する手順と、
前記検出素子（２２，４２）の前記各抗体（２２ｂ，４２ｂ）に捕捉したダイオキシンを順次、気化脱離させ、さらにイオン化させてイオン化試料とする手順と、
前記イオン化試料の質量スペクトルを順次測定することにより捕捉したダイオキシンの同定および定量を行う手順とを有するダイオキシン測定方法。
【請求項３】
請求項１，２のいずれか１項に記載したダイオキシン測定方法であって、
前記ダイオキシンの同定および定量を行う手順は、質量スペクトルに得られるピーク強度の総和から、捕捉したダイオキシンの総量を演算する手順を含むものであるダイオキシン測定方法。
【請求項４】
イオンサイクロトロン共鳴磁場内に配設され、内部に分析セル（１４）を備えた真空プローブ（１２）と、
特定のダイオキシン類に作用する抗体（２２ｂ，４２ｂ）を固定した検出素子（２２，４２）と、
前記抗体（２２ｂ，４２ｂ）に特定のダイオキシンを捕捉させた前記検出素子（２２，４２）を前記真空プローブ（１２）内の前記分析セル（１４）近傍位置に保持する検出素子保持手段（２０，４０）と、
前記検出素子（２２，４２）に対してレーザビーム（５２）を照射するレーザビーム照射手段（５０）と、
前記レーザビーム（５２）によって前記検出素子（２２，４２）から気化脱離した成分を前記分析セル（１４）においてイオン化し、前記分析セル（１４）を介して得られる信号をフーリエ変換処理して質量分析することにより当該成分を定量する質量分析手段（７）とを有するダイオキシン測定装置。
【請求項５】
請求項４に記載したダイオキシン測定装置であって、
前記検出素子（２２，４２）は、それぞれ異なる特定のダイオキシン類に作用する複数の抗体（２２ｂ，４２ｂ）を位置を定めて配置し固定したものであり、前記検出素子保持手段（２０，４０）は、前記検出素子（２２，４２）の位置を第１の方向に調整可能なものであり、
前記レーザビーム照射手段（５０）は、前記検出素子（２２，４２）に対する前記レーザビーム（５２）の照射位置を前記第１の方向とは異なる第２の方向に調整可能なものであるダイオキシン測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ダイオキシン類の同定・定量測定方法および装置に関し、詳しくは、抗原抗体反応を利用した検出素子を用いて、その検出素子により濃縮された特定のダイオキシン類を質量分析により、繁雑な選別作業を経ることなく同定・定量測定が可能なダイオキシン測定方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近来、将来にわたる生活環境の保全の立場から、環境を汚染する種々の化学物質の同定・定量測定が行われている。特に、強い毒性を持ち、かつ、広く汚染が懸念されているダイオキシンとその類縁化合物を精密かつ高感度に測定することが望まれている。
【０００３】
通称ダイオキシンと呼ばれるダイオキシン類化合物には、図１２に示すようなジベンゾ−ｐ−ダイオキシンを骨格とし、その炭素原子に連なる１〜４，６〜９の位置に１〜８個の塩素が結合した７５種類の塩素誘導体が存在する。そして、毒性はこれらの異性体ごとに大きく異なる。２，３，７，８の位置に塩素が結合した四塩素化合物（2,3,7,8-TCDDと略記する）が最も毒性が強い。
【０００４】
このことから、試料に含まれる各異性体それぞれの毒性を2,3,7,8-TCDDの毒性に比較換算する。これを毒性評価計数（TEF:Toxic Equivalent Factor ）と呼び、各種異性体の量とＴＥＦとの相乗積の和をもって対象試料全体としての毒性を評価することが行われている。したがって、ダイオキシンの測定評価では、他種類にわたる異性体を個々に分離し、同定・定量することが望まれる。
【０００５】
図１３に、ダイオキシン類の７５種類の塩素誘導体を列挙する。これら高い毒性を持つダイオキシン成分の分析では、極めて高い成分分離能を備え、かつ超高感度の分析が必要とされる。環境庁が開催した「ダイオキシンリスク評価検討会」が平成９年５月に最終報告書をとりまとめ、毒性および人の暴露の評価を行っている。これによれば、人の健康リスク評価指針値としては、体重１ｋｇ、１日あたり５ｐｇと示されている。
【０００６】
このような微量試料を測定するため、厚生省が平成９年２月に定めた「廃棄物処理におけるダイオキシン類標準測定マニュアル」（以下、マニュアルという）では、定量下限値を図１４のように定めている。これらをまとめると、測定時の最小検出濃度は、０．０２ｐｇ／μＬが要求されることになる。さらに超高感度測定を行う上での誤差となるバックグラウンド信号の混入をさけるため、マニュアルでは試料の採取方法から、前処理、器具・装置の整備にわたり詳しい指示が与えられている。このような条件が整えられた後、ダイオキシン類の測定は、高分解能ガスクロマトグラフによる成分分離と高分解能質量分析計による個々の成分の定量が定められている。
【０００７】
現在、混合物試料の成分分離に最も有効とされる手法はガスクロマトグラフ（ＧＣ）である。この方法により、ダイオキシンおよびその多くの異性体は、それぞれに定まった保持時間に従い、クロマトグラフカラム内で時間的に分離して順次流出する。
【０００８】
図１５は、四塩化ダイオキシンの分離流出を記録したガスクロマトグラムの例である。図１５では、２２種類の四塩化ダイオキシン異性体の分離を示している。１８分以上の分析時間を要しても、いくつかの異性体はなお分離せずに成分ピークが重畳しているのが認められる。もし他の同族体さらにはダイオキシンでない成分が試料に混在していれば、クロマトグラムがさらに複雑になることは明らかである。
【０００９】
クロマトグラムでは、ピーク部分の面積が対応する成分の量に比例するので、多成分の重畳するピークはそのまま定量誤差となる。したがって、ダイオキシン分析に用いられるガスクロマトグラフは、高い分離性能を有する高分解能ガスクロマトグラフ（HRGC:High Resolution Gas Chromatograph）を用いなければならなかった。
【００１０】
また、前述のマニュアルでは、定量は高分解能質量分析計（HRMS:High Resolution Mass Spectrometer）を用い、クロマトグラムの各ピークごとに対応する各同族体に特有のイオンを選択モニタリング法（SIM:Selective Ion Monitering）によって検出し、溶出時間ならびに同位体比を調べてダイオキシン類であることを確認した後、クロマトグラムのピーク部面積から内標準法によって定量を行うことが定められている。
【００１１】
ダイオキシン類の測定には、以上のような高度な測定装置と高度な測定技法とが必要であり、測定のためのコストが高く、測定時間も極めて長時間を必要とするものであった。そして、実際の測定試料には、同族体、異性体が複雑に混合しているダイオキシン類、さらには構造の類似したジベンゾフラン類やポリクロロビフェニル類（ＰＣＢ）などが共存することが多い。しかも、それらの僅かな量を高感度に検出しなければならず、分析は極めて困難なものになっている。したがって、分析法として現在最も信頼性の高い前述のＨＲＧＣ／ＨＲＭＳ法が指定されている。
【００１２】
しかし、このＨＲＧＣ／ＨＲＭＳ法は、使用される装置は極めて高価であり、操作も極めて煩雑で、測定時間も極めて長時間を要するものである。そして、このような複雑かつ高度な測定法ゆえに、日常的に分析できる機関は少数にとどまっている。これらの機関に分析を委託する場合にも、検体あたりの分析経費は非常に高価であり、所要日時も長期間となっている。これらは環境分析の必要性がますます増大している現在大きな問題となっている。
【００１３】
したがって、この問題の解決には、ＨＲＧＣ／ＨＲＭＳ法のような精密かつ高感度の測定法に加えて、異なる測定原理に基づく簡易な測定法を確立する必要がある。換言すれば、前述のＨＲＧＣ／ＨＲＭＳ法のような精密測定の前段階で行うことのできるダイオキシン類の簡易分析法が必要とされている。このような簡易分析法が低コストおよび短時間で行うことができれば、その結果により、さらに精密なＨＲＧＣ／ＨＲＭＳ法が必要かどうかを判定することができ、精密測定のためのスクリーニング（選別）を行うことができる。それにより、精密測定のコストおよび時間を節約することができる。
【００１４】
測定の簡易なスクリーニング測定としては、現在、抗原抗体反応を用いるいわゆるイムノアッセイ（Immunoasseay）法、特に酵素標識を応用する酵素イムノアッセイ（EIA:Enzyme Immunoasseay）法、蛍光色素で標識する蛍光イムノアッセイ（FIA:Fluorescent Immunoasseay）法および化学発光や生物発光に基づく発光イムノアッセイ（LIA:Luminescent Immunoasseay）法などが提唱されている。
【００１５】
例えば、米国Ｅｎｓｙｓ社やＭｉｌｌｉｐｏｒｅ社で開発され日本でも市販されている測定キットは、前述のＥＩＡ法によるものであり、それぞれ６〜５０ｐｐｂ、１〜９ｐｐｂで直線性のある検量ができるといわれている。いずれも感度は高く、スクリーニングとして有効な方法である。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
このように、ダイオキシン類の測定では、他種類にわたる同族体、異性体の超微量分析が必要とされる。このような高度な分析では、前述のＨＲＧＣ／ＨＲＭＳ法のような精密かつ高価な装置が必要となることは避けられない。しかし、このために測定単価は高価となり、測定日数も長く、ますます増大している環境分析の必要性に充分に応えることを困難にしている。もともと、精密かつ高感度の測定と簡易な測定とは、同種の測定原理に依存する限り相反する要求となる。
【００１７】
そこで、精密測定の前段階として、測定の簡易なスクリーニング測定が必要となる。しかし、抗原抗体反応を利用した前述のスクリーニング法では、抗原抗体反応の特質から、多種類に及ぶ同族体、異性体を持つダイオキシン類に対して、特定の分子に対象が限られる。しかも抗体が充分にモノクロナールではないために、毒性を異にする数種類の分子にも反応するという抗体交差性の問題を残している。
【００１８】
図１６は、前述の測定キットの一つの抗体交差性の例を示す図である。この測定キットは、ダイオキシン類の中でも最も毒性の強いといわれる2,3,7,8-TCDDの検量を目的とし、それに対する感度が最も高いが、他の数種類のダイオキシン類にも反応することが示されている。簡易測定であるスクリーニングにおいては、測定誤差が正の側に偏るのはある程度までは許容される。しかし、それも程度の問題であり、誤差が過大となることが多ければ、高価かつ長時間を要する精密測定の軽減というスクリーニング本来の目的を失うことになる。
【００１９】
しかも、他種類に及ぶダイオキシン類の生成過程は必ずしも明らかになっていない。ダイオキシン類、同族体、異性体の種類とそれらの含まれる比率は複雑であり、発生源によっても異なっている。従来のスクリーニング測定法では、これらの同族体、異性体を個別に分離・分析することは困難であった。これらを分析可能な新しいスクリーニング測定法が望まれていた。
【００２０】
そこで、本発明は、抗原抗体反応を利用した検出素子を用いて、その検出素子により濃縮された特定のダイオキシン類を質量分析によりさらに正確に同定・定量測定を行い、低コストかつ短時間に測定を行うことのできるダイオキシン測定方法および装置を提供することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のダイオキシン測定方法は、特定のダイオキシン類に作用する抗体を固定した検出素子をダイオキシン類を含む液体または気体試料中に曝し、該抗体に特定のダイオキシンを捕捉させる手順と、特定のダイオキシンを捕捉した前記検出素子を真空容器内に配置する手順と、前記検出素子から捕捉したダイオキシンを気化脱離させ、さらにイオン化させてイオン化試料とする手順と、前記イオン化試料の質量スペクトルを測定することにより捕捉したダイオキシンの同定および定量を行う手順とを有するものである。
【００２２】
また、本発明のダイオキシン測定方法は、それぞれ異なる特定のダイオキシン類に作用する複数の抗体を単一素子上に位置を定めて配置し固定した検出素子をダイオキシン類を含む液体または気体試料中に曝し、該複数の抗体にそれぞれ異なる特定のダイオキシンを捕捉させる手順と、特定のダイオキシンを捕捉した前記検出素子を真空容器内に配置する手順と、前記検出素子の前記各抗体に捕捉したダイオキシンを順次、気化脱離させ、さらにイオン化させてイオン化試料とする手順と、前記イオン化試料の質量スペクトルを順次測定することにより捕捉したダイオキシンの同定および定量を行う手順とを有するものである。
【００２３】
また、上記のダイオキシン測定方法において、前記ダイオキシンの同定および定量を行う手順は、質量スペクトルに得られるピーク強度の総和から、捕捉したダイオキシンの総量を演算する手順を含むものであることが好ましい。
【００２４】
また、本発明のダイオキシン測定装置は、イオンサイクロトロン共鳴磁場内に配設され、内部に分析セルを備えた真空プローブと、特定のダイオキシン類に作用する抗体を固定した検出素子と、前記抗体に特定のダイオキシンを捕捉させた前記検出素子を前記真空プローブ内の前記分析セル近傍位置に保持する検出素子保持手段と、前記検出素子に対してレーザビームを照射するレーザビーム照射手段と、前記レーザビームによって前記検出素子から気化脱離した成分を前記分析セルにおいてイオン化し、前記分析セルを介して得られる信号をフーリエ変換処理して質量分析することにより当該成分を定量する質量分析手段とを有するものである。
【００２５】
また、上記のダイオキシン測定装置において、前記検出素子は、それぞれ異なる特定のダイオキシン類に作用する複数の抗体を位置を定めて配置し固定したものであり、前記検出素子保持手段は、前記検出素子の位置を第１の方向に調整可能なものであり、前記レーザビーム照射手段は、前記検出素子に対する前記レーザビームの照射位置を前記第１の方向とは異なる第２の方向に調整可能なものであることが好ましい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明において使用する検出素子２２の表面を示す図である。検出素子２２は四角形板状を呈しており、検出素子２２の表面２２ａには、複数種類の抗体２２ｂが格子状に配置されてコーティングされている。各抗体２２ｂは、それぞれ異なる種類の特定のダイオキシンを捕捉するものである。ここでは、検出素子２２にそれぞれ異なる２５種類の抗体２２ｂがコーティングされているが、これに限らず、抗体の種類は任意の数でよい。
【００２７】
図２は、別の形態の検出素子４２の表面を示す図である。検出素子４２は円板状を呈しており、検出素子４２の表面４２ａには、複数種類の抗体４２ｂが同心円状に配置されてコーティングされている。この各抗体４２ｂも、それぞれ異なる種類の特定のダイオキシンを捕捉するものである。ここでは、検出素子４２にそれぞれ異なる４１種類の抗体４２ｂがコーティングされているが、これに限らず、抗体の種類は任意の数でよい。
【００２８】
図１、図２に示したような検出素子２２，４２を、測定試料を含む溶液内に浸漬し一定時間反応させる。反応後、検出素子２２，４２を脱イオン水でよく洗浄し乾燥させる。その検出素子２２，４２を、質量分析装置にセットして測定試料を分離し、その質量分析を行う。質量分析装置は、市販の各方式の装置を用いることができるが、フーリエ変換方式イオンサイクロトロン共鳴（FT-ICR:Fourier Transform Ion Cyclotron Resonace ）を利用した質量分析装置であれば、充分な質量分解能で試料を分析することができる。
【００２９】
ダイオキシン類は、例えば2,3,7,8-TCDDでは、融点３０５℃、分解温度＞７００℃であり蒸気圧も低い。けれども、常圧においてもガスクロマトグラフのカラム条件８０〜３００℃の温度でクロマトグラム測定に必要な気化が行われている。高真空中でこれを行えば検出素子から気化・脱離する試料の量は多くなる。本発明では、検出素子に捕捉された試料を、質量分析装置の高真空分析管内で３００〜７００℃の温度に加熱し、脱離する試料分子を直接質量分析装置により同定・定量することで、測定感度が極めて高いものとなる。
【００３０】
前記抗体を固定した検出素子２２，４２を、質量分析装置内に配置するには、例えば特開平６−３２５７３０号公報に記載の方法が有効に使用できる。図３は、特開平６−３２５７３０号公報に記載されている質量分析装置の主要部の構成を示す図である。本発明に使用する質量分析装置は、基本的にプローブ装置１０と、試料操作装置２０と、レーザ装置５０とから構成される。そして、プローブ装置１０は、前述のＦＴ−ＩＣＲによる質量分析を行うための装置である。すなわち、プローブ装置１０は、基本的にはイオンサイクロトロン共鳴磁場内に配設された高真空のプローブ１２内の分析セル１４の近傍に、検出素子２２を配置したものである。
【００３１】
この検出素子２２に対して、後述するレーザビーム５２を照射し、検出素子２２の表面に捕捉した試料を気化脱離させる。そして、分析セル１４を介してフーリエ変換により質量分析することによって、試料の成分を定量するよう構成されている。なお、分析セル１４には実時間分析セルが使用される。実時間分析セルとしては、本出願人による特願平３−５１８０２２号に記載されているようなものがある。
【００３２】
レーザ装置５０は、プローブ１２の外部からレーザビーム５２の焦点距離および焦点位置を調整する調整手段として、焦点距離調整用レンズ５４および焦点位置調整用反射鏡５６を有する。すなわち、熱源用レーザ５８（Ｎd ：ＹＡＧレーザ、波長１０６４ｎｍ）からのレーザビーム５２は、反射鏡６０ａ，６０ｃで光路を調整され、レンズ６２ａ，６２ｂで平行光線となり、そして焦点距離調整用レンズ５４で焦点距離を収束調整され、さらに反射鏡６０ｄ、焦点位置調整用反射鏡５６および反射鏡６０ｅ，６０ｆで焦点位置（光路）を変更調整された上で、分析セル１４の電極対の間隙を縦断し、検出素子２２の表面２２ａ上に照射されるよう構成されている。
【００３３】
なお、この場合、レーザビーム５２の検出素子２２の表面２２ａに対する焦点位置の変更は、この表面２２ａに平行に、図３における紙面垂直方向へ移動するよう調整されている。なお可視光レーザ６４は、熱源用レーザ５８の光軸（レーザビーム５２軸）調整用の可視領域レーザ（Ｈe −Ｎe レーザ、波長６３３ｎｍ）を示し、反射鏡６０ｂを介してレーザビーム５２と同軸上に重畳されるよう構成されている。また、レーザ装置５０は、プローブ１２に対してフランジ６６で気密に結合されており、レーザビーム５２はビューイングポート６８を通してプローブ１２内へ導入される。
【００３４】
図４は、試料操作装置２０の構成を示す断面図である。試料操作装置２０には、検出素子２２をプローブ１２内部の分析セル１４近傍位置に保持する保持軸２４が軸方向に移動可能に設けられている。ここでは、保持軸２４はプローブ１２の長手方向中心軸線から外れて配置されている。また、試料操作装置２０には、保持軸２４をプローブ１２の外部から操作して検出素子２２の位置を平行移動する回動つまみ２６が設けられている。
【００３５】
保持軸２４と回動つまみ２６との間（すなわち真空側と大気側との間）には、プローブ１２を気密に分離するためのベローズ２８が設けられている。したがって、保持軸２４の先端部の周面上において、その表面２２ａを分析セル１４側に向け、かつこれに近接して保持される検出素子２２は、回動つまみ２６を回動して保持軸２４を軸方向に直線移動することにより、プローブ１２の中心軸線に対して平行に直線移動させることができる。この移動操作は、ベローズ２８の伸縮動作を介して行われるので、スムーズかつ容易に達成される。なお、試料操作装置２０は、プローブ１２に対してフランジ３０により気密に結合されている。
【００３６】
試料操作装置２０とレーザ装置５０によって、レーザビーム５２を検出素子２２の表面２２ａに対して平行でかつ互いに直交する２軸方向に２次元走査することができる。すなわち、検出素子２２におけるレーザ照射位置を、直角座標形式で任意の位置に調節することができる。したがって、検出素子２２のように、表面２２ａに複数種類の抗体２２ｂが格子状に配置されているものに対して、それぞれの抗体２２ｂに順次レーザビーム５２を照射することができ、各抗体２２ｂに捕捉された異なる種類の特定のダイオキシンを順次分析することができる。
【００３７】
この試料操作装置２０では、その保持軸２４と回動つまみ２６との間をベローズ２８で完全気密に分離していることから、試料操作装置がコンパクトとなり、質量分析装置を小形かつ安価に提供することが可能となる。また、これと同時に、プローブ１２内の試料が、プローブ内部の超高真空には係わりなくスムーズに移動するので、質量分析装置を簡単かつ容易に操作することが可能となる。
【００３８】
また、レーザビームの照射位置を、試料表面に対して直角座標形式で調節できることから、質量分析装置の分析セル１４として、実時間分析セルを使用することにより、検出素子２２の各抗体２２ｂに捕捉されたダイオキシンの成分の定量分析およびこの成分の分布測定をリアルタイムでかつ容易に実行することが可能となる。しかも、ＦＴ−ＩＣＲによれば、その超高分解能特性から試料イオンの原子構成すなわち分子式レベルで試料の分析ができる。
【００３９】
図５は、他の形態の試料操作装置４０の構成を示す断面図である。この試料操作装置４０においては、検出素子表面の２次元走査を極座標形式で行うように構成したものである。試料操作装置４０は、検出素子４２を自由端面上に保持する保持軸４４と、この保持軸４４を偏心摺動部３２を介して回動操作する回動つまみ４６とを備えている。また、これら保持軸４４と回動つまみ４６との間を気密に分離するベローズ４８を備えるている。これにより、検出素子４２をプローブ１２の長手方向軸線周り（保持軸４４の軸線周り）にスムーズに回動できる。
【００４０】
この場合、レーザ装置５０によるレーザビーム５２は、保持軸４４の軸線と平行に照射される。また、レーザビーム５２の照射位置は、検出素子４２の表面４２ａに対してその回動半径方向へ移動調整し得るよう構成される。なお、この移動調整は、光軸調整用の可視光レーザ６４を参照して、焦点位置調整用反射鏡５６を調節することにより容易かつ的確に行うことができる。
【００４１】
そして、この結果、レーザビーム５２の照射位置を、検出素子４２の表面４２ａに対して極座標形式で調節することができる。したがって、検出素子４２のように、表面４２ａに複数種類の抗体４２ｂが同心円状に配置されているものに対して、それぞれの抗体４２ｂに順次レーザビーム５２を照射することができ、各抗体４２ｂに捕捉された異なる種類の特定のダイオキシンを順次分析することができる。
【００４２】
図６は、質量分析装置の演算入出力部７の構成を示す図である。質量分析装置のデータ処理は、演算入出力部７によって行っている。分析セル１４は、３対の電極を有し、静磁場内におかれた高真空容器から成るプローブ１２内に配置されている。分析セル１４内に試料ガスを導入してイオン化し、試料イオンによるイオンサイクロトロン共鳴の共振周波数を測定することにより、試料イオンの質量スペクトルを超高分解能で測定することができる。
【００４３】
駆動制御部３は、分析セル１４内の試料ガスをイオン化するために電子ビームの発生および制御を行う回路、試料イオンに対して高周波電圧を印加するための回路等を含むものである。また測定部４は、試料イオンによるイオンサイクロトロン共鳴の共振周波数を測定するための、高周波増幅器、フィルター回路、Ａ／Ｄ変換器等を含むものである。
【００４４】
演算入出力部７には、高速フーリエ変換等の種々のデータ処理を行う情報処理手段としてのＣＰＵ７０が設けられており、ＣＰＵ７０にはバス７１を介して主記憶装置としてＲＯＭ７２およびＲＡＭ７３が接続されている。ＣＰＵ７０は、ＲＯＭ７２に記憶されているシステムプログラムおよびデータと、ＲＡＭ７３にロードされたプログラムおよびデータに従って動作する。ＲＡＭ７３へのプログラムおよびデータのロードは入出力装置７６から行う。
【００４５】
このようなＲＡＭ７３にロードされるプログラムとしては、基本プログラムであるＯＳ（オペレーティング・システム）や質量分析装置としてのデータ処理機能を実現させる質量分析処理プログラム７３１、表示手段７４に対して文字や図形の表示を行う表示制御プログラム等がある。また、ＲＡＭ７３には、後述する受信波形を記憶するための受信波形記憶領域７３２が設けられている。
【００４６】
演算入出力部７には、文字および図形を表示する表示手段７４、操作者がデータを入力するための入力手段７５が設けられている。これらはインターフェース回路を介してバス７１に接続されている。表示手段７４としてはＣＲＴ、ＥＬ表示パネルや液晶ディスプレイ等が使用でき、入力手段７５としてはキーボード、マウス、トラックボール等が使用できる。
【００４７】
また、演算入出力部７には入出力装置７６が設けられている。入出力装置７６にはプリンタや、外部機器との測定情報等のやりとりを行う通信インターフェース回路等を含むものである。また、入出力装置７６としてフレキシブルディスク等の交換可能記憶媒体の入出力装置や固定ディスク装置を設けることもできる。インターフェース７７は、演算入出力部７と駆動制御部３および測定部４とを接続するための回路である。
【００４８】
次に、図７および図８により、ＦＴ−ＩＣＲ法の原理および動作の概略を説明する。図７は、分析セル１４の構成を示す図である。また図８は、分析セル内での試料イオンの運動状態を示す図である。分析セル１４は、相対向する３対の電極、すなわち励起電極１４１，１４１、受信電極１４２，１４２、トラップ電極１４３，１４３を有し、これらの電極対よりなる略立方体構造をなしている。分析セル１４は、その全体が高真空容器から成るプローブ１２内に配置されている。気化された試料分子は、分析セル１４内に導入され、ここで照射される電子ビーム１４６によってイオン化される。電子ビーム１４６は、フィラメント１４４から発射され、加速されて電子ビームコレクタ１４５に到達する。
【００４９】
イオン化された試料分子の熱運動の内、静磁場Ｂと直交する方向への運動成分は、分析セルに印加されている静磁場Ｂとの間に生じるローレンツ力を受けて、静磁場Ｂに直交する面内で円運動に変換されるので、その方向に拡散することはない。しかし、静磁場Ｂ方向へのイオンの運動はローレンツ力を生じない。このため、分析セルの３対の電極のうち静磁場Ｂに直交する１対のトラップ電極１４３には数Ｖの静電位がかけられ、イオンが静磁場方向に拡散することを防いでいる。こうして試料イオンは分析セル内で、拡散することなく円運動を続ける。この状態は、図８（ａ）に示されている。
【００５０】
イオンの電荷をｅ，質量をｍとすると、円運動の角周波数ωは、次の式１によって表される。
ω ＝ ２πｆ0 ＝(ｅ／ｍ)・Ｂ                        ・・・式１
すなわち、角周波数ωはイオンの質量に反比例し、静磁場に比例する。この円運動をイオンサイクロトロン運動といい、ｆ0 をイオンサイクロトロン周波数と呼んでいる。したがって、既知の静磁場Ｂを印加し、角周波数ωを精密に測定すれば、イオンの質量を正確に知ることができる。このことから、試料分子の化学組成を正しく求めることができる。
【００５１】
測定を行うには、静磁場に平行な１対の励起電極１４１，１４１に角周波数ωに等しい角周波数の高周波を印加する。試料イオンは、この高周波エネルギーを吸収して、サイクロトロン運動の回転半径を増大するとともに、ランダムであった個々のイオンのサイクロトロン運動の位相が揃ってくる。この現象がイオンサイクロトロン共鳴である。この状態は、図８（ｂ）に示されている。
【００５２】
このまま励起を続ければ、回転半径を増大したイオンパケットは、分析セルの電極に衝突し、放電して中性分子に戻る。しかし、分析セル内でサイクロトロン運動が最大になる時間（印加高周波のレベルに依存するが、１０-2〜１０-3秒の程度）内で励起高周波を遮断すれば、イオンはその時点のサイクロトロン運動を持続し、分析セル内で回転運動を続けるので、静磁場に平行な他の１対の受信電極１４２，１４２には、イオンの円運動に伴うサイクロトロン周波数に等しい高周波電圧が誘起される。誘起される高周波電圧の振幅はイオンの数に比例する。この状態は、図８（ｃ）に示されている。
【００５３】
図９は、受信電極１４２による受信波形とそのフーリエ変換した波形を示す図である。イオンサイクロトロン共鳴状態のイオンは残留気体分子との衝突により、真空圧によって定まる一定の割合で減少するので、前述の受信電極１４２に誘起される高周波電圧は減衰振動波となって減少していく。図９（ａ）に、イオンサイクロトロン共鳴に基づいて受信電極１４２により受信した受信波形の例を示す。この受信波形を増幅し、ＡＤ変換器によってデジタル信号に変換した後、コンピュータメモリに記憶する。具体的には、演算入出力部７のＲＡＭ７３中の受信波形記憶領域７３２に記憶する。
【００５４】
この受信波形は、サイクロトロン運動の時間変化を表している。記憶された受信波形をコンピュータによってフーリエ変換処理を行えば、周波数領域の信号に変換できる。具体的には、演算入出力部７のＲＡＭ７３中の質量分析処理プログラム７３１によってフーリエ変換処理を行う。図９（ｂ）に、受信波形をフーリエ変換して周波数領域とした信号を示す。この波形は試料イオンの質量スペクトルを示している。
【００５５】
この例では、２種類のイオンが存在しているため、図９（ａ）の時間領域信号は周波数の異なる減衰振動により構成され、測定される信号はそれらの合成されたうなり（ビート）波形を示している。フーリエ変換された図９（ｂ）の周波数領域信号は、異なるイオンそれぞれに対応する２つのピークを示している。すなわち、横軸の周波数は、試料イオンのサイクロトロン周波数であり、式１により試料イオンの質量と正確に対応付けられる。また、ピークの強度は、試料の量を表している。したがって、ピーク強度の総和は試料の総量を表すことになる。
【００５６】
以上のような測定原理によるＦＴ−ＩＣＲ質量分析法は、次の（１），（２）のような特徴を備えている。（１）複数のイオンの質量を同時に短時間で測定できる。（２）質量を現在最も高精度の測定が可能な周波数として測定できるため、質量分解能が極めて高く、試料分子の化学組成を直接求めることができる。ＦＴ−ＩＣＲに関する解説は、例えば、山崎等，「イオンサイクロトロン共鳴小型精密質量分析計」，J.Mass Spectrum Soc.Jpn. Vol.42 No.2（１９９４），ｐ．１０５−１１５；井上雅夫，「フーリエ変換質量分析計」，ぶんせき（１９８８．７），ｐ．４９０−４９５等に詳しく記載されている。
【００５７】
図３および図６に示すＦＴ−ＩＣＲ質量分析装置の保持軸２４に、ダイオキシン試料を捕捉した検出素子２２を取り付ける。図３では、静磁場Ｂは紙面と垂直な方向に印加されている。検出素子２２には、プローブ装置１０の外部に設けられたレーザ装置５０の熱源用レーザ５８からのレーザビーム５２が、可視光レーザ６４のレーザビームと重畳されて、ビューイングポート６８から導入され照射される。照射光の強度は、レーザ装置５０内の減衰器によって適切な強さに調整され、検出素子２２に捕捉されたダイオキシン試料は分解することなく気化・脱離し、分析セル１４内に拡散する。
【００５８】
分析セル１４内の試料分子は、電子ビームの照射によってイオン化される。イオン化された試料分子は、イオンサイクロトロン運動を行って分析セル１４内に捕捉されている。ここで、励起電極１４１に試料イオンの共鳴周波数を含む高周波電圧を印加し、試料イオンをすべて共鳴させる。次いで高周波電圧を遮断し、受信電極１４２に誘起する共鳴信号を増幅、デジタル化後、フーリエ変換処理を行い試料分子の質量スペクトルを得る。
【００５９】
図１０および図１１は、ＦＴ−ＩＣＲ質量分析装置によって得た質量スペクトルの例である。横軸の単位はＭ／Ｚである。Ｍはイオンの質量、Ｚはイオンの価数を示すが、ここでは１価のイオンだけを考えているので、Ｍ／Ｚが質量を表している。下段が０≦Ｍ／Ｚ≦３００での質量スペクトル、上段がＭ／Ｚ≧３００での質量スペクトルである。図１０は2,3,7,8-TCDDの質量スペクトルであり、図１１は2,3,7,8-TCDF（テトラクロロジベンゾフラン）の質量スペクトルである。
【００６０】
2,3,7,8-TCDDと2,3,7,8-TCDFは分子構造がよく似ているため、現在使用されている抗体では図１６に示すように抗体交差性を示してしまう。したがって、前述のイムノアッセイ測定キットによる４５０ｎｍ吸光度の測定では、捕捉された化合物の総量を得ることしかできず、毒性の異なる化合物を分離して定量することができない。
【００６１】
しかし、図１０の2,3,7,8-TCDDの質量スペクトルと、図１１の2,3,7,8-TCDFの質量スペクトルを比較すると、互いに重なりのないスペクトルピークがあることが分かる。例えば、2,3,7,8-TCDDのＭ／Ｚが３２２のピーク強度と、2,3,7,8-TCDFのＭ／Ｚが３０６のピーク強度を個々に求めれば、2,3,7,8-TCDDおよび2,3,7,8-TCDFをそれぞれ分離して定量することができる。このように、検出素子に捕捉された化合物を脱離・気化して質量スペクトルを測定することにより、毒性の異なる化合物を個々に分離して同定・定量することができる。
【００６２】
さらに、混合試料の質量スペクトルにおいて、ピーク強度の総和を求めれば、ダイオキシン類や類似化合物の総量も求めることができる。このような、個々の化合物に分離しての同定および定量、ならびに、類似化合物総量の定量は、測定者の手作業により計算するようにしてもよいし、質量分析処理プログラム７３１にそのための計算機能あるいは補助機能を持たせて、全自動あるいは半自動で定量できるようにしてもよい。
【００６３】
表面に抗体を固定した検出素子は、抗原抗体反応により特定のダイオキシン類、例えば2,3,7,8-TCDDとその類似化合物を有効に捕捉する。しかし、検知しなければならないダイオキシン類の種類は非常に多い。本発明では、検出素子２２，４２に、ダイオキシンのそれぞれ異なる同族体、異性体を選択的に捕捉する異なる抗体を同一素子上の定められた位置に固定している。検出素子２２，４２を測定試料と反応させることで、検出素子上の定められた位置に特定の化合物が捕捉される。
【００６４】
検出素子２２，４２を試料操作装置２０，４０の保持軸２４，４４に取り付け、試料の質量スペクトルを測定する。焦点位置調整用反射鏡５６の角度と、回動つまみ２６，４６を調整することにより、レーザビーム５２の照射位置を検出素子２２，４２上の任意の抗体の位置に定めることができる。１つの抗体に捕捉された化合物の質量スペクトルを求めたら、レーザビーム５２を次の抗体の位置に移動してその抗体に捕捉された化合物の質量スペクトルを求める。こうようにして、順次、複数の抗体に捕捉された化合物の質量スペクトルを短時間で効率よく測定することができる。このようにして、多種類にわたるダイオキシン類のスクリーニング測定を連続して短時間かつ高精度に行うことができる。
【００６５】
以上の実施の形態においては、検出素子として表面に複数の抗体を固定したものとしたが、これに限定されることはなく、表面に単一の抗体を固定した検出素子であってもよい。また、検出素子への抗体の固定方法としては、コーティング以外にも塗布による固定、検出素子への埋め込み等の任意の固定方法を使用することができる。さらに、試料分子のイオン化には電子ビームを用いているが、紫外線等の他の手段によりイオン化するようにしてもよい。
【００６６】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、以下のような効果を奏する。
【００６７】
抗体を固定した検出素子にダイオキシンを濃縮捕捉させ、捕捉したダイオキシンをＦＴ−ＩＣＲ質量分析により分析するようにしたので、ダイオキシン測定を簡易に、短時間で行うことができ、測定精度も高精度となる。また、毒性の異なる化合物を個々に分離して同定・定量することができる。このため測定コストを減少させることができ、スクリーニング測定としても極めて有効である。
【００６８】
異なる複数の抗体を検出素子上の定められた位置に固定しているので、多種類のダイオキシン類の同定および定量を、順次連続して行うことができ、多種類にわたるダイオキシン類の測定を短時間かつ高精度に行うことができる。
【００６９】
また、質量スペクトルに得られるピーク強度の総和から、捕捉したダイオキシンの総量を演算することも可能であり、ダイオキシンの総量も容易に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明において使用する検出素子の表面を示す図である。
【図２】図２は、別の形態の検出素子の表面を示す図である。
【図３】図３は、質量分析装置の主要部の構成を示す図である。
【図４】図４は、試料操作装置の構成を示す断面図である。
【図５】図５は、他の形態の試料操作装置の構成を示す断面図である。
【図６】図６は、質量分析装置の演算入出力部の構成を示す図である。
【図７】図７は、分析セルの構成を示す図である。
【図８】図８は、分析セル内での試料イオンの運動状態を示す図である。
【図９】図９は、受信電極による受信波形とフーリエ変換した波形を示す図である。
【図１０】図１０は、2,3,7,8-TCDDの質量スペクトルを示す図である。
【図１１】図１１は、2,3,7,8-TCDFの質量スペクトルを示す図である。
【図１２】図１２は、ジベンゾ−ｐ−ダイオキシンの化学構造を示す図である。
【図１３】図１３は、ダイオキシン類の７５種類の塩素誘導体を示す図である。
【図１４】図１４は、ダイオキシン類の定量下限値を示す図である。
【図１５】図１５は、四塩化ダイオキシンのガスクロマトグラムの例である。
【図１６】図１６は、ダイオキシン測定キットの抗体交差性の例を示す図である。
【符号の説明】
３…駆動制御部
４…測定部
７…演算入出力部
１０…プローブ装置
１２…プローブ
１４…分析セル
１７…インターフェース
２０，４０…試料操作装置
２２，４２…検出素子
２４，４４…保持軸
２８，４８…ベローズ
３２…偏心摺動部
５０…レーザ装置
５２…レーザビーム
５４…焦点距離調整用レンズ
５６…焦点位置調整用反射鏡
５８…熱源用レーザ
６４…可視光レーザ
６６，３０…フランジ
６８…ビューイングポート
７０…ＣＰＵ
７１…バス
７２…ＲＯＭ
７３…ＲＡＭ
７４…表示手段
７５…入力手段
７６…入出力装置
１４１…励起電極
１４２…受信電極
１４３…トラップ電極
１４４…フィラメント
１４５…電子ビームコレクタ
１４６…電子ビーム
２２ａ，４２ａ…表面
２２ｂ，４２ｂ…抗体
６０ａ〜６０ｆ…反射鏡
６２ａ，６２ｂ…レンズ
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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