(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各種イオンの中で特定の質量を有するイオンを選択的に通過させる質量分離器と、その質量分離器を通過したイオンを検出して電流信号として出力する検出器と、前記質量分離器を通過するイオンの質量を時間経過に伴って順に変化させるように該質量分離器を制御する制御手段と、を具備する質量分析装置において、
a)前記検出器による電流信号を電圧信号に変換するものであって、非反転入力端が基準電位に接続された演算増幅器の反転入力端と出力端との間に、第１抵抗器と、第２抵抗器と第１スイッチとの並列接続回路と、が直列接続された回路が挿入されて成る電流−電圧変換器と、
b)前記電流−電圧変換器の後段に配設され、前記第１スイッチの閉成・開成の際の帰還抵抗でそれぞれ決まるゲインの比と逆のゲインを第２スイッチの閉成・開成に応じて有する電圧増幅器と、
を備え、前記制御手段は、質量走査の速度が所定以上である場合に前記第１及び第２スイッチを閉成し、それ以外のときに該第１及び第２スイッチを開成することを特徴とする質量分析装置。
【請求項２】
各種イオンの中で特定の質量を有するイオンを選択的に通過させる質量分離器と、その質量分離器を通過したイオンを検出して電流信号として出力する検出器と、前記質量分離器を通過するイオンの質量を時間経過に伴って順に変化させるように該質量分離器を制御する制御手段と、を具備する質量分析装置において、
a)前記検出器による電流信号を電圧信号に変換するものであって、非反転入力端が基準電位に接続された演算増幅器の反転入力端と出力端との間に、第１抵抗器と、第２抵抗器と第１スイッチとの並列接続回路と、が直列接続された回路が挿入されて成る電流−電圧変換器と、
b)前記電流−電圧変換器の出力電圧又はその出力電圧が所定ゲインで増幅された電圧をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換手段と、
c)前記アナログ−デジタル変換手段によるデジタル信号を演算するものであって、前記第１スイッチの閉成・開成の際の帰還抵抗でそれぞれ決まるゲインの比と逆のゲインを与える乗算又は除算を、その第１スイッチの閉成・開成に連動して実行する演算手段と、
を備え、前記制御手段は、質量走査の速度が所定以上である場合に前記第１スイッチを閉成し、それ以外のときに該第１スイッチを開成することを特徴とする質量分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は質量分析装置に関し、さらに詳しくは、所定質量範囲に亘る質量走査を行う質量分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
四重極質量フィルタを用いた質量分析装置では、四重極質量フィルタに印加する高周波電圧及び直流電圧を所定の関係を保って変化させることにより、検出するイオンの質量電荷比m/zを走査することができ、それにより得られるデータを用いて質量スペクトルを作成することができる。
【０００３】
こうした質量分析装置（ＭＳ）を液体クロマトグラフ（ＬＣ）の検出器として用いるＬＣ／ＭＳでは、分析のスループットを向上させるためにＬＣでの移動相の流速を上げる等の方法が採られるが、その場合、ＬＣのカラムから溶出する溶出液中の試料成分の変化が速くなる。そのため、試料成分の検出の正確性を確保するには、質量走査の速度（以下、スキャン速度という）を速くする必要がある。ところが、スキャン速度を上げると、検出器から出力される信号の周波数帯域が上がり、アナログ処理回路での周波数帯域の不足のために強度低下やピークの広がりなどの問題が生じる。
【０００４】
上記問題を解決するために特許文献１に記載の質量分析装置では、検出器による電流信号を電圧信号に変換する電流−電圧変換器においてゲインを切り替え可能とし、スキャン速度が速い場合には遅い場合に比べてゲインを下げて周波数帯域を広くするようにしている。ゲインを上げると周波数帯域は狭くなるが、その代わりにノイズ特性は良好になり、信号のＳＮ比を改善できる。これにより、スキャン速度が速い場合には周波数特性を重視した増幅を行い、一方、スキャン速度が遅い場合にはノイズ特性を重視した増幅を行うことができる。
【０００５】
上記特許文献１中の実施例に記載の装置では、２つの抵抗器を切り替えることでゲインを切り替えるようにしているが、そのために２つの開閉スイッチが必要でありコストが掛かる。また、スイッチの切り替えの際に、演算増幅器に帰還抵抗が挿入されないオープンな状態となるおそれがあり、発振等、回路が不安定な状態となる可能性がある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−５２９９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、上記特許文献１に係る発明を実現する際に、コストを削減し且つより安定な動作を保証できる回路を採用した質量分析装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために成された第１発明は、各種イオンの中で特定の質量を有するイオンを選択的に通過させる質量分離器と、その質量分離器を通過したイオンを検出して電流信号として出力する検出器と、前記質量分離器を通過するイオンの質量を時間経過に伴って順に変化させるように該質量分離器を制御する制御手段と、を具備する質量分析装置において、
a)前記検出器による電流信号を電圧信号に変換するものであって、非反転入力端が基準電位に接続された演算増幅器の反転入力端と出力端との間に、第１抵抗器と、第２抵抗器と第１スイッチとの並列接続回路と、が直列接続された回路が挿入されて成る電流−電圧変換器と、
b)前記電流−電圧変換器の後段に配設され、前記第１スイッチの閉成・開成の際の帰還抵抗でそれぞれ決まるゲインの比と逆のゲインを第２スイッチの閉成・開成に応じて有する電圧増幅器と、
を備え、前記制御手段は、質量走査の速度が所定以上である場合に前記第１及び第２スイッチを閉成し、それ以外のときに該第１及び第２スイッチを開成することを特徴としている。
【０００９】
また上記課題を解決するために成された第２発明は、各種イオンの中で特定の質量を有するイオンを選択的に通過させる質量分離器と、その質量分離器を通過したイオンを検出して電流信号として出力する検出器と、前記質量分離器を通過するイオンの質量を時間経過に伴って順に変化させるように該質量分離器を制御する制御手段と、を具備する質量分析装置において、
a)前記検出器による電流信号を電圧信号に変換するものであって、非反転入力端が基準電位に接続された演算増幅器の反転入力端と出力端との間に、第１抵抗器と、第２抵抗器と第１スイッチとの並列接続回路と、が直列接続された回路が挿入されて成る電流−電圧変換器と、
b)前記電流−電圧変換器の出力電圧又はその出力電圧が所定ゲインで増幅された電圧をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル変換手段と、
c)前記アナログ−デジタル変換手段によるデジタル信号を演算するものであって、前記第１スイッチの閉成・開成の際の帰還抵抗でそれぞれ決まるゲインの比と逆のゲインを与える乗算又は除算を、その第１スイッチの閉成・開成に連動して実行する演算手段と、
を備え、前記制御手段は、質量走査の速度が所定以上である場合に前記第１スイッチを閉成し、それ以外のときに該第１スイッチを開成することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
第１及び第２発明に係る質量分析装置ではいずれも、第１スイッチを閉成すると電流−電圧変換器の帰還抵抗は第１抵抗器のみになり、第１スイッチを開成すると第１抵抗器と第２抵抗器とを直列接続したものが帰還抵抗となる。電流−電圧変換器のゲインはこの帰還抵抗に比例する。したがって、第１及び第２発明に係る質量分析装置では、１個のスイッチの閉成・開成だけで電流−電圧変換器のゲインを切り替えることができ、コストを削減することができる。
【００１１】
また、２個の開閉スイッチを相補的に閉成・開成する場合や、第１信号経路を２つの信号経路のいずれかに選択的に接続するスイッチを用いる場合とは異なり、電流−電圧変換器のゲインの切り替えの際にも帰還ループがオープンになることがない。したがって、発振等が生じにくく、例えば分析途中で高速に切り替えが必要になるような場合でも、安定して電流−電圧変換動作を実行することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の一実施例である質量分析装置を、添付図面を参照して説明する。図４は本実施例による質量分析装置の概略構成図である。この質量分析装置はエレクトロスプレイイオン（ＥＳＩ）源を搭載したものである。
【００１３】
この質量分析装置では、ＥＳＩノズル２２が配設されたイオン化室２１と、プレ四重極質量フィルタ３２、主四重極質量フィルタ３３、イオン検出器３４が配設された分析室３１との間に、それぞれ隔壁で隔てられた第１中間真空室２４と第２中間真空室２８とが設けられている。イオン化室２１内は略大気圧であり、分析室３１内は高真空状態に維持され、その間の２つの中間真空室２４、２８は段階的に真空度が高くなる、多段差動排気系の構成が採られている。イオン化室２１と第１中間真空室２４との間は細径の脱溶媒パイプ２３を介して連通しており、第１中間真空室２４と第２中間真空室２８との間はスキマー２６の頂部に設けられた極小径の通過孔２７を介して連通しており、第２中間真空室２８と分析室３１との間は隔壁３０に設けられた小開口を介して連通している。
【００１４】
第１中間真空室２４及び第２中間真空室２８の内部にはそれぞれ構造は相違するものの、いずれもイオンを後段に効率良く輸送するためのイオンガイド２５、２９が配設されている。これらイオンガイド２５、２９と四重極質量フィルタ３２、３３には電圧発生部４０よりそれぞれ所定の電圧が印加される。このうち、四重極質量フィルタ３２、３３には、選別する質量電荷比に応じて、所定の高周波電圧と所定の直流電圧とが重畳された電圧±（Ｕ＋Ｖ・cosωt）が印加されるようになっている。電圧発生部４０などの動作はＣＰＵを中心に構成される制御部１０により統括的に制御され、その分析のための分析条件は使用者により入力部４１から設定される。
【００１５】
この質量分析装置の動作を概略的に説明する。例えば液体クロマトグラフのカラムから連続的に供給される液体試料はＥＳＩノズル２２の先端からイオン化室２１内にエレクトロスプレイされ、帯電した液滴中の溶媒が蒸発する過程で試料分子はイオン化される。イオンが入り混じった微細液滴はイオン化室２１と第１中間真空室２４との差圧により脱溶媒パイプ２３中に引き込まれ、加熱されている脱溶媒パイプ２３を通過する過程でさらに溶媒の気化が促進されてイオン化が進む。第１中間真空室２４内に配設されたイオンガイド２５により形成される電場の助けを受けてイオンは第１中間真空室２４内に入り、収束されて通過孔２７を通して第２中間真空室２８に送られる。
【００１６】
第２中間真空室２８内ではイオンガイド２９により形成される電場の作用により、さらにイオンは収束されて分析室３１へと送られる。分析室３１内では、各ロッド電極に印加されている電圧により決まる特定の質量電荷比を有するイオンのみが、四重極質量フィルタ３２、３３の長軸方向の空間を通り抜け、それ以外の質量電荷比を持つイオンは途中で発散する。そして、四重極質量フィルタ３２、３３を通り抜けたイオンがイオン検出器３４に到達し、イオン検出器３４ではそのイオン量に応じた電流信号を検出信号として出力する。この電流信号は増幅部３５で電圧信号に変換され、ＡＤ変換部３６でデジタル信号に変換されてデータ処理部３７に入力される。
【００１７】
スキャン測定の場合、制御部１０は予め入力部４１から設定されたスキャン速度、質量範囲などの分析条件に基づいて電圧発生部４０を制御し、各部への印加電圧を時間経過に伴って走査する。これにより、イオン検出器３４に到達し得るイオンの質量電荷比m/zが時間経過に伴って変化する。データ処理部３７は上述のような質量走査に伴って得られるデータに基づいて、質量スペクトルを繰り返し作成する。図２に同一の質量範囲Ｍ１〜Ｍ２に亘る質量走査を異なるスキャン速度で行う場合の質量変化の様子を模式的に示す。
【００１８】
図１は増幅部３５及びＡＤ変換部３６の回路構成を示す概略図である。イオン検出器３４から出力される電流信号ｉは電流−電圧変換器１１で電圧信号に変換されて、電圧増幅器１２で電圧増幅され、アナログフィルタ１３で不要な高周波成分が除去される。そして、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）１４で、所定のサンプリング周期でサンプリングされた後に各サンプル毎にデジタルデータに変換される。
【００１９】
電流−電圧変換器１１は、演算増幅器Ａ１と、第１抵抗器Ｒ１、第２抵抗器Ｒ２、スイッチＳＷ１、を含む。演算増幅器Ａ１の非反転入力端は基準電位Ｖ0（例えばGND）に接続され、反転入力端に電流信号が入力される。第２抵抗器Ｒ２とスイッチＳＷ１とは並列接続され、これと第１抵抗器Ｒ１との直列接続回路が演算増幅器Ａ１の反転入力端と出力端との間に接続されている。スイッチＳＷ１は制御部１０からの制御信号によりオンオフ駆動される。ここでは、Ｒ１＝１ＭΩ、Ｒ２＝９ＭΩである。スイッチＳＷ１がオンされると帰還抵抗はＲ１＝１ＭΩであり、スイッチＳＷ１がオフされると帰還抵抗はＲ１＋Ｒ２＝１０ＭΩとなる。演算増幅器Ａ１の出力端に現れる電圧は帰還抵抗に比例するから、スイッチＳＷ１がオフ状態であるときのゲインはＳＷ１がオン状態であるときのゲインの１０倍となる。
【００２０】
電圧増幅器１２は、演算増幅器Ａ２と、第３抵抗器Ｒ３、第４抵抗器Ｒ４、スイッチＳＷ２、を含む。演算増幅器Ａ２の非反転入力端に電流−電圧変換器１１の出力電圧が入力され、反転入力端と出力端との間に第４抵抗器Ｒ４が挿入されるとともに、反転入力端は第３抵抗器Ｒ３及びスイッチＳＷ２を介して基準電位に接続される。スイッチＳＷ２はスイッチＳＷ１と同様に制御部１０からの制御信号によりオンオフ駆動される。スイッチＳＷ２がオンされた状態では電圧増幅器１２は（Ｒ３＋Ｒ４）／Ｒ３の電圧ゲインを持ち、スイッチＳＷ２がオフされると、電圧ゲインは１となる。
【００２１】
ここで、第１乃至第４抵抗器Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値は、Ｒ１：Ｒ２＝Ｒ３：Ｒ４＝１：ｎ（但しｎ≧１）の関係となるように設定される。この例ではｎ＝９であり、上述のようにＲ１＝１ＭΩ、Ｒ２＝９ＭΩであり、Ｒ３、Ｒ４は例えばＲ３＝１ｋΩ、Ｒ４＝９ｋΩとされる。スイッチＳＷ１、ＳＷ２がオフ状態であるとき、電流−電圧変換器１１のゲインは１０倍、電圧増幅器１２のゲインは１倍となり、スイッチＳＷ１、ＳＷ２がオン状態であるとき、電流−電圧変換器１１のゲインは１倍、電圧増幅器１２のゲインは１０倍となる。したがって、スイッチＳＷ１、ＳＷ２がともにオン状態、オフ状態のいずれであっても、電流−電圧変換器１１と電圧増幅器１２とを合わせたゲインは変わらず、同一電流信号に対して出力される電圧信号は同じとなる。
【００２２】
電流−電圧変換器１１の周波数帯域は帰還抵抗と浮遊容量Ｃとにより決まり、帰還抵抗を大きくするほど、つまりゲインを高くするほど周波数帯域は狭くなる。スキャン速度が速い場合には信号の周波数が上がるため、制御部１０は電流−電圧変換器１１の周波数帯域を広げるように（ゲインを下げるように）スイッチＳＷ１を閉成させる。これにより、高周波数成分も通過し易くなる。一方、電流−電圧変換器１１及び電圧増幅器１２によるノイズは初段の電流−電圧変換器１１のノイズが支配的であるため、電流−電圧変換器１１のゲインを高くしてノイズを相対的に低くするほうが全体のノイズレベルは下がる。そこで、スキャン速度が遅く電流−電圧変換器１１の周波数帯域を広げる必要がない場合には、制御部１０は電流−電圧変換器１１のゲインを上げるようにスイッチＳＷ１を開成させる。これにより、ノイズレベルが下がり、信号のＳＮ比が改善される。
【００２３】
制御部１０は入力部４１から設定された分析条件の１つであるスキャン速度に応じて、つまりスキャン速度が所定値以上であるか否かに応じて上述のようにスイッチＳＷ１、ＳＷ２の閉成・開成を制御する。それによって、スキャン速度に応じた適切な検出データを取得することができる。
【００２４】
特に本発明の構成では、１個のスイッチＳＷ１の閉成と開成とにそれぞれ周波数重視の構成及びノイズ重視の構成が対応しており、切替えに伴う中間的な状態は存在しない。つまり、演算増幅器Ａ１の負帰還ループには常に帰還抵抗が挿入された状態が維持されるため、その切替え時にも回路を安定に保つことができ、発振などの不具合な状態となることを回避することができる。また、スイッチはそれ自身が浮遊容量を持つが、ここでは１個のスイッチＳＷ１のみが帰還ループに含まれるので、浮遊容量を減らして周波数帯域を広げるのに有利である。また、１個のスイッチで済むのでコスト的にも有利である。
【００２５】
本実施例の質量分析装置における実測の検出波形を図５及び図６に示す。図５はポリエチレングリコール（ＰＥＧ）を試料として分析した場合の検出波形であり、（Ａ）が周波数特性重視の構成（電流−電圧変換器のゲイン小）、（Ｂ）がノイズ重視の構成（電流−電圧変換器のゲイン大）である。なお、この実測に用いた装置は、同一試料を同一条件の下で分析する場合の再現性が±１％以下であることが保証されたものである。図５（Ａ））と（Ｂ）とを比較すると、周波数特性重視の構成では検出された波形が鋭く且つ強度も高くなっている。これは、より高い周波数成分の信号まで検出できたことによる。図６は試料を導入しない状態での検出波形、つまりノイズ成分の波形であり、（Ａ）が周波数特性重視の構成、（Ｂ）がノイズ重視の構成である。図６（Ａ）と（Ｂ）とを比較すると、ノイズ特性重視の構成では検出された波形の変動振幅が小さく滑らかである。
【００２６】
以上の実測結果から、使用者が設定したスキャン速度が速い場合に選択される周波数特性重視の構成では目的成分を高い感度で且つ高い質量精度で検出することができ、スキャン速度が遅い場合に選択されるノイズ特性重視の構成ではノイズを低減して高いＳＮ比で目的成分を検出できることが分かる。
【００２７】
図３は本発明の別の実施例による質量分析装置の増幅部３５及びＡＤ変換部３６の構成図である。図１と同じ構成要素には同じ符号を付して説明を略す。この実施例の構成では、電圧ゲイン可変の電圧増幅器１２に代えて、ＡＤＣ１４の後段にデジタル乗算器１７が設けられている。デジタル乗算器１７は制御部１０から出力されるスイッチＳＷ１の切替制御信号を受けて、スイッチＳＷ１が閉成状態であるときには１０を乗じ、スイッチＳＷ１が開成状態であるときには単に１を乗じる。したがって、上記電圧増幅器１２の機能をデジタル的に実現したものであり、上記実施例と同じ作用・効果を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施例による質量分析装置における増幅部及びＡＤ変換部の回路構成を示す概略図。
【図２】同一の質量範囲Ｍ１〜Ｍ２に亘る質量走査を異なるスキャン速度で行う場合の質量変化の様子を模式的に示す図。
【図３】本発明の他の実施例による質量分析装置における増幅部及びＡＤ変換部の回路構成を示す概略図。
【図４】本発明の一実施例による質量分析装置の全体構成図。
【図５】本実施例の質量分析装置における実測の検出波形を示す図。
【図６】本実施例の質量分析装置における実測の検出波形を示す図。
【符号の説明】
【００２９】
１１…電流−電圧変換器
１２…電圧増幅器
１３…アナログフィルタ
１４…アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）
１７…デジタル乗算器
ＳＷ１、ＳＷ２…スイッチ
Ａ１、Ａ２…演算増幅器
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４…抵抗器
１０…制御部
２１…イオン化室
２２…ＥＳＩノズル
２３…脱溶媒パイプ
２４…第１中間真空室
２５、２９…イオンガイド
２６…スキマー
２７…通過孔
２８…第２中間真空室
３０…隔壁
３１…分析室
３２…プレ四重極質量フィルタ
３３…主四重極質量フィルタ
３４…イオン検出器
３５…増幅部
３６…ＡＤ変換部
３７…データ処理部
４０…電圧発生部
４１…入力部
【図１】
0004957602.tif 000002
【図２】
0004957602.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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