(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン源で発生した各種イオンを加速した後に飛行空間内に導入し、イオンの質量に応じて相異なる飛行時間をもって該飛行空間を通過したイオンを検出器で検出する飛行時間型質量分析装置において、
a)前記検出器による検出信号を所定のサンプリング周期でサンプリングしてデジタルデータに変換するサンプリング手段と、
b)前記デジタルデータを一時的に蓄積するとともに、蓄積されたデジタルデータを所定のレートでデータ処理部へ転送するためのデータ蓄積手段と、
c)複数回の繰り返し測定を行う途中で、相対的に小さな質量を有するイオンに対応する検出信号をサンプリングするときに相対的に大きな質量を有するイオンに対応する検出信号をサンプリングするときよりもサンプリング周期を短くするように、前記サンプリング手段におけるサンプリング周期を変化させる制御手段と、
を備えることを特徴とする飛行時間型質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、飛行時間型質量分析装置（以下「ＴＯＦＭＳ＝Time of Flight Mass Spectrometer」と称す）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６はＴＯＦＭＳの原理的構成図である。図６では、質量分離部７を挟んで、左にイオン源６、右にイオン検出器２が配置されている。この例では、イオン源６はマトリックス支援レーザ脱離イオン化法によるものとなっている。イオン源６のサンプルスライド６２と、質量分離部７の引き出しグリッド７１及びエンドプレート７２と、イオン検出器２とは、イオン光軸Ｃに沿ってほぼ一直線状に配置されている。
【０００３】
レーザ源６１からのレーザ照射によってサンプルスライド６２上のサンプル６３から発生した各種イオンは、サンプルスライド６２と引き出しグリッド７１との電位差Ｖｓにより引き出しグリッド７１の方向に引き出され、加速された後に電場及び磁場を有さない飛行空間７３に導入される。このとき、質量（厳密には質量電荷比）の小さなイオンほど高い速度を与えられるため、より早く飛行空間７３を通過してイオン検出器２に到達する。イオンはイオン検出器２までほぼ直線的に飛行するので、この構成のＴＯＦＭＳは通常リニア型と呼ばれる。
【０００４】
上記構成のＴＯＦＭＳでは、イオンがサンプル６３を出発してからイオン検出器２に到達するまでの飛行時間は、そのイオンの質量の平方根に比例することが知られている。これは、上述のようなリニア型のみならず、折返し飛行を利用したリフレクトロン型であっても、一様電界モデルであれば同様である。
【０００５】
一般にＴＯＦＭＳでは、飛行時間はマイクロ秒というきわめて短いオーダであるため、イオン検出器２の出力信号をそのままデータ処理するのは実質的に不可能である。そこで、イオン検出器２の出力信号は高速のＡ／Ｄ変換器とメモリユニットとを備えるトランジェントレコーダに入力され、一旦、所定のサンプリング周期でサンプリングされてデジタルデータに変換され蓄積される。そのあと、順次、所定の伝送レートでもってデータ処理装置に転送され、そこで所定のデータ処理が実行される。すなわち、トランジェントレコーダが一種のデータバッファとして利用される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように飛行時間はイオンの質量ｍの平方根に比例するため、分解能ｍ／Δｍにおける単位質量Δｍ当たりの採取データ数は、質量が大きいほど多く、逆に質量が小さいほど少なくなる。データ処理に際してマススペクトル上で隣接するピークを分離するには、そのピークを構成するデータ数が多いほど分離が容易である。したがって、質量が大きい領域ではピーク分離が容易であっても、質量が小さいほどピーク分離は難しくなり、これにより分析可能な質量の下限が決まってしまう。
【０００７】
こうした質量の分析下限を下げるには、いくつかの方法が考え得る。１つは、飛行時間を充分に長くするように加速電圧を小さくする、つまり上記例で言えば電位差Ｖｓを小さくすることである。また、第２には、飛行空間７３の距離を伸ばすことである。更に第３には、トランジェントレコーダのＡ／Ｄ変換器でのサンプリング周波数を高くすることである。しかしながら、いずれの方法によっても、所定の質量範囲内でのデータ量が増加し、それだけ大容量のメモリユニットが必要となって、装置のコストが高くなるという問題がある。
【０００８】
また、この質量分析装置の前段にクロマトグラフ装置を接続して分析を行う場合には、一定周期で、所定の質量範囲に亘る測定を繰り返し連続的に行う必要がある。クロマトグラムのピーク情報を精度よく取得するためには、この測定周期を充分に短くすることが望ましい。しかしながら、トランジェントレコーダからデータ処理装置へのデータ転送レートにはハードウエア上の上限があるため、トータルのデータ量が多いとデータ転送の制限により測定周期が長くなってしまうという問題もある。
【０００９】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、全体のデータ量を適度に抑えながら、所望の質量範囲において分解能を上げることができるようなＴＯＦＭＳを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明は、イオン源で発生した各種イオンを加速した後に飛行空間内に導入し、イオンの質量に応じて相異なる飛行時間をもって該飛行空間を通過したイオンを検出器で検出する飛行時間型質量分析装置において、
a)前記検出器による検出信号を所定のサンプリング周期でサンプリングしてデジタルデータに変換するサンプリング手段と、
b)前記デジタルデータを一時的に蓄積するとともに、蓄積されたデジタルデータを所定のレートでデータ処理部へ転送するためのデータ蓄積手段と、
c)複数回の繰り返し測定を行う途中で、相対的に小さな質量を有するイオンに対応する検出信号をサンプリングするときに相対的に大きな質量を有するイオンに対応する検出信号をサンプリングするときよりもサンプリング周期を短くするように、前記サンプリング手段におけるサンプリング周期を変化させる制御手段と、
を備えることを特徴としている。
【００１１】
【発明の実施の形態及び効果】
すなわち、従来の飛行時間型質量分析装置では、トランジェントレコーダのＡ／Ｄ変換器におけるサンプリング周期は或る値に固定されていたのに対し、本発明に係る飛行時間型質量分析装置では、複数回の繰り返し測定の途中でそのサンプリング周期を２種類又はそれ以上に切り替えるようにし、サンプリング周期を短くした（つまりサンプリング周波数を高くした）期間の測定では、相対的に小さな質量を有するイオンに対応する検出信号をも精度よく（つまり細かい質量刻みで）測定できるようにしている。
【００１２】
具体的には、例えば、複数回の測定を繰り返し実行する場合、上記制御手段は、その１回乃至複数回の測定毎にサンプリング周期を変更する構成とする。サンプリング周期を短くすると、データ量は増加するものの、上述したように、相対的に小さな質量の領域まで細かい質量刻みでデータを取得できる。したがって、このようにして取得されたデータを利用してマススペクトルを作成すれば、小さな質量領域に現れているピークの分離も容易になるとともに、ピークトップに対応した質量の算出精度も向上する。また、所定質量範囲に対する全体のデータ量は、サンプリング周期を常に短い状態にしておく場合よりもかなり少なくて済むので、データ蓄積手段の容量を抑制することができるとともに、測定間隔も短くすることができる。
【００１３】
また、同じく複数回の測定を繰り返し実行する場合、予め設定されたタイムスケジュールに従って、サンプリング周期を変更する構成としてもよい。この構成によれば、質量が比較的小さな成分を分析するタイミングを狙ってサンプリング周期を短くし、その成分に対応するピークのデータ数を増加させることができ、それ以外の比較的質量が大きい成分を分析するタイミングでは相対的に長いサンプリング周期でデータを取得することにより、データ量を抑えることができる。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明の一実施例（以下「実施例１」という）である飛行時間型質量分析装置を図面を参照して説明する。図１は、この実施例１によるＴＯＦＭＳの要部の構成図である。図１において、ＴＯＦ分析部１は、図６に示したような飛行時間型の質量分離部７である。
【００１６】
イオン検出器２の検出信号は、トランジェントレコーダ３に入力され、その出力はデータ処理部４に送出される。トランジェントレコーダ３は、Ａ／Ｄ変換器３１、メモリ３２、メモリ制御部３３を備えるほか、周波数がＦ１であるクロック信号を生成する第１クロック生成部３４、周波数がＦ２であるクロック信号を生成する第２クロック生成部３５、第１又は第２のクロック信号の一方を選択してＡ／Ｄ変換器３１及びメモリ制御部３３に供給するための切替スイッチ３６を備えている。
【００１７】
Ａ／Ｄ変換器３１にあっては、入力されたクロック信号に基づいて入力アナログ信号をサンプリングし、これをＮビットのデジタルデータに変換する。メモリ３２及びメモリ制御部３３にあっては、上記サンプリング周期毎に得られるＮビットのデジタルデータをメモリ３２の所定アドレス領域に順次格納するとともに、所定の伝送レートで読み出してデータ処理部４へと転送する。制御部５は、イオンを飛行空間へ放出するためのトリガ信号をＴＯＦ分析部１に送出するとともに、切替スイッチ３６の切替動作を制御し、更には、その切替えに関わる情報をデータ処理部４へと送る。
【００１８】
図２は、上記構成の装置において、質量ｍを有するイオンの飛行時間が１０μ秒であるとした場合の、質量と飛行時間、更には、分解能ｍ／Δｍを２０００とした場合の質量幅Δｍ、その質量幅Δｍ当たりのデータ採取点数を示したものである。
【００１９】
例えば、いま、クロマトグラフの後段にこのＴＯＦＭＳを接続し、クロマトグラフにより時間的に分離された成分をＴＯＦＭＳにより順次検出するようにした構成では、所定の質量範囲に亘る測定を繰り返し行う必要がある。そこで、いま１秒間に１０回の測定を繰り返し行うものとすると、最大データ転送速度が１ＭＢ（メガバイト）／秒であると１回の測定当たりのデータ量は１００ＫＢとなる。１個のデータが２バイト（１６ビット）で構成されているとすると、データ採取点数は５００００点となる。図２より、サンプリング周波数が５００ＭＨｚであると、１００μ秒つまり質量１００００以下、サンプリング周波数が１ＧＨｚであると、５０μ秒つまり質量２０００以下の測定が可能であることになる。これが、データの転送レートからの制限である。
【００２０】
一方、例えばマススペクトルのピーク形状を形成したり隣接ピークの分離を行ったりするために、１個のピークに少なくても５点のデータが必要であるとすると、図２より、サンプリング周波数５００ＭＨｚでは質量２０００以上で、サンプリング周波数１ＧＨｚでは質量５００以上で、必要な分解能が確保できることになる。換言すれば、質量５００〜２０００の範囲において必要な分解能を得るには、サンプリング周波数を１ＧＨｚとする必要がある。
【００２１】
そこで、図１に示した装置では、Ｆ１＝５００ＭＨｚ、Ｆ２＝１ＧＨｚとし、制御部５は１回の所定質量範囲の測定毎に切替スイッチ３６を切り替えるように制御を行う。つまり、１回の測定毎に、質量範囲が５００〜２０００である測定と、質量範囲が２０００〜１００００である測定とを交互に行うことになる。データ処理部４では、このようにして得られたデータに対し適切な補正処理を行うことによりマススペクトルを作成し、更にこのマススペクトルに対して解析処理を行ってピーク分離やピークトップの質量を求めるようにすれば、質量範囲５００〜１００００の広い範囲で高い分解能での分析が可能となる。
【００２２】
次に、本発明の他の実施例（以下「実施例２」という）によるＴＯＦＭＳについて図３、図４を参照して説明する。図３は、実施例２によるＴＯＦＭＳの要部の構成図である。図１と同一又は相当する部分は、同一符号を付して説明を省略する。この実施例２のＴＯＦＭＳでは、制御部５はスケジュール管理部５１を備えている。スケジュール管理部５１は、ユーザがスケジュール設定部５２より設定したスケジュールに従って切替スイッチ３６を制御する機能を有する。
【００２３】
このＴＯＦＭＳのＴＯＦ分析部１にはクロマトグラフで分離された試料成分が順次導入される。ＴＯＦ分析を行うに先立って予備的にクロマトグラフ分析を実行し、図４（ａ）に示すようなクロマトグラムを作成しておく。ユーザはこのクロマトグラムを基に、試料成分を予測し、質量５００〜２０００の範囲での測定が必要な個所（時間）を判断する。そして、特定の時間期間だけ高いサンプリング周波数で検出信号のサンプリングが実行されるように、スケジュールを設定する。実際に分析が開始されると、スケジュール管理部５１は設定されたスケジュール通りに切替スイッチ３６を制御するから（図４（ｂ）参照）、特定の成分が分析されるタイミングでサンプリング周波数は５００ＭＨｚ→１ＧＨｚに変更される（図４（ｃ）参照）。これにより、該成分から発生する分子イオンに対応するマススペクトルのピークを、確実に且つ精度よく求めることができる。
【００２４】
本発明の更に他の実施例（以下「実施例３」という）によるＴＯＦＭＳについて図５を参照して説明する。図５は、実施例３によるＴＯＦＭＳの要部の構成図である。上記実施例２では予めユーザがタイムスケジュールを作成しておく必要があったが、この実施例３による質量分析装置では、測定中のクロマトグラムの形状に応じて、適応的にサンプリング周波数が切替えられるようになっている。
【００２５】
すなわち、データ処理部４に含まれるＴＩＣ（トータルイオンクロマトグラム）作成部４１は、分析時に図４（ａ）に示すようなクロマトグラムを時間経過に伴い作成する。例えば、特定の位置近傍にクロマトグラムのピークが現れた場合にサンプリング周波数を切り替えるようにするとき、ＴＩＣ作成部４１では、作成中のクロマトグラムでピークの立ち上がりを検出すると（例えば所定以上の傾きを検出すると）制御部５に対し指示信号を送る。また、そのピークの立ち下がりのタイミングで再び制御部５に対し指示信号を送る。制御部５ではこのような指示を受けて切替スイッチ３６を制御する。
【００２６】
これにより、予めスケジュールを作成しておかなくても、クロマトグラムに現れるピークに応じて適宜に質量範囲を変えて、高い分解能で測定を行うことができる。
【００２７】
なお、上記実施例はいずれも一例であって、本発明の趣旨の範囲で適宜変更や修正を行えることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例であるＴＯＦＭＳの要部の構成図。
【図２】  イオンの質量、飛行時間、分解能ｍ／Δｍを２０００とした場合の質量幅Δｍ、その質量幅Δｍ当たりのデータ採取点数の関係をまとめた図。
【図３】  本発明の他の実施例であるＴＯＦＭＳの要部の構成図。
【図４】  図３のＴＯＦＭＳの動作を説明するための波形図。
【図５】  本発明の他の実施例であるＴＯＦＭＳの要部の構成図。
【図６】  一般的なＴＯＦＭＳの原理構成図。
【符号の説明】
１…ＴＯＦ分析部
２…イオン検出器
３…トランジェントレコーダ
３１…Ａ／Ｄ変換器
３２…メモリ
３３…メモリ制御部
３４…第１クロック生成部
３５…第２クロック生成部
３６…切替スイッチ
４…データ処理部
４１…ＴＩＣ作成部
５…制御部
５１…スケジュール管理部
５２…スケジュール設定部
【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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