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JP2005214799A - Analyzer, method, and program for analyzing data - Google Patents

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JP2005214799A
JP2005214799A JP2004021725A JP2004021725A JP2005214799A JP 2005214799 A JP2005214799 A JP 2005214799A JP 2004021725 A JP2004021725 A JP 2004021725A JP 2004021725 A JP2004021725 A JP 2004021725A JP 2005214799 A JP2005214799 A JP 2005214799A
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JP
Japan
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data
peak
mutual information
analysis
target sample
Prior art date
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Pending
Application number
JP2004021725A
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Japanese (ja)
Inventor
Rika Aoyanagi
里果 青柳
Masahiro Kudo
正博 工藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Seikei Gakuen
Original Assignee
Seikei Gakuen
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Seikei Gakuen filed Critical Seikei Gakuen
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for selecting a specified peak in a plurality of elements, in analysis of an analytical data. <P>SOLUTION: This data analyzer 10 for selecting the specified peak resulting from the specified element out of the plurality of peaks, based on the analytical data of an objective sample containing the plurality of elements has a means for acquiring the analytical data of the objective sample, a means for acquiring an analytical data of a reference sample, a classifying means for classifying the marked peaks into the peaks having a preset threshold value or more of intensity and the peaks having intensity less than the preset threshold value, respectively, as to the analytical data of the objective sample and the analytical data of a reference sample, a calculation means for calculating mutual information volumes about the intensities of the marked peaks before and after the classification, and a selection means for selecting the specified peak, based on the respective mutual information volumes of the plurality of elements. A value of an average value or more determined based on the average value of the peak intensities of the marked peaks in the analytical data of the reference sample is set as the threshold value, in the classifying means. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、複数の要素が含まれる対象サンプルについて分析して得られる分析データを解析する、データ解析装置、データ解析方法およびデータ解析プログラムに関する。   The present invention relates to a data analysis apparatus, a data analysis method, and a data analysis program for analyzing analysis data obtained by analyzing a target sample including a plurality of elements.

自然科学、社会科学等の分野において、複数の要素が含まれるサンプルについて分析して得られるデータに複数のピークが混在しているとき、特定の要素に起因する特異的なピークの選出をいかにして行うかは重要な課題である。一般には、複数の要素中の各要素を参照サンプルとして、その参照サンプルについて分析して得られた分析データが有するピークとの比較により、特定の要素に起因する特異的なピークを選出する。   In the field of natural science, social science, etc., when multiple peaks are mixed in the data obtained by analyzing a sample containing multiple elements, how to select specific peaks due to specific elements This is an important issue. In general, each element in a plurality of elements is used as a reference sample, and a specific peak due to a specific element is selected by comparison with a peak of analysis data obtained by analyzing the reference sample.

しかし、科学分析におけるタンパク質や高分子材料のように複雑なデータ解析が必要となる場合、単なる参照サンプルとの比較では特定ピークを選出することが困難な場合がある。   However, when complex data analysis is required, such as proteins and polymer materials in scientific analysis, it may be difficult to select a specific peak by comparison with a simple reference sample.

例えば、飛行時間型二次イオン質量分析法(TOF−SIMS)においては、材料表面をスキャンすることにより、その材料表面に分布するある特定の化学種について特有な分子イオンピーク等に基づいて分布のイメージングが可能である。タンパク質や高分子材料のような巨大分子の場合でも、その巨大分子に特異的な分子イオンピークが決定できれば、分布のイメージングが可能となる。しかし、現在のイオン化システムでは、そのような巨大分子は大部分がフラグメントイオンとなる。一次イオン源の改良によって比較的大きなフラグメントイオン化が可能となったが、タンパク質や高分子材料のように互いに類似の構造を持つ物質の場合、多数のフラグメントイオンが混在する複雑なスペクトルとなるため、特異的なフラグメントイオンの選出には適切な解析法が必要である。特に、新しい物質の測定では、特異性の高いピーク全てを予想することが困難なため、数百から数千存在する全ピークを評価できる手法が必要である。   For example, in time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS), by scanning the surface of a material, the distribution of the distribution is based on a specific molecular ion peak for a specific chemical species distributed on the surface of the material. Imaging is possible. Even in the case of a macromolecule such as a protein or a polymer material, if a molecular ion peak specific to the macromolecule can be determined, the distribution can be imaged. However, in current ionization systems, such macromolecules are mostly fragment ions. The improvement of the primary ion source has enabled relatively large fragment ionization, but in the case of substances with similar structures such as proteins and polymer materials, the complex spectrum is composed of many fragment ions. Appropriate analysis methods are required to select specific fragment ions. In particular, in the measurement of a new substance, it is difficult to predict all the peaks with high specificity, and therefore, a technique capable of evaluating all the peaks existing in the hundreds to thousands is necessary.

特異的なフラグメントイオンの選出に適切な解析方法として、分析データを主成分分析(PCA)や判別分析(LDA)をはじめとする多変量解析で解析することが知られている。しかし、多変量解析を用いたデータ解析において、特に主成分分析や線形判別分析は、分析過程で行列計算を経るので、正確な結果を得るためには解析に用いるピークの数がデータの数よりも小さいことが望ましい。特に、新しいサンプルの測定に際しては、調べたい化学種に起因するフラグメントイオンの予想が困難であるために、可能性のある全てのピークを対象に主成分分析や判別分析を効果的に実施するためには、膨大なデータもしくは繰返し処理が必要となる。   As an analysis method suitable for selection of specific fragment ions, it is known to analyze analysis data by multivariate analysis including principal component analysis (PCA) and discriminant analysis (LDA). However, in data analysis using multivariate analysis, especially principal component analysis and linear discriminant analysis undergo matrix calculation in the analysis process, in order to obtain accurate results, the number of peaks used for analysis is more than the number of data. It is desirable to be small. In particular, when measuring a new sample, it is difficult to predict fragment ions caused by the chemical species to be examined, so that principal component analysis and discriminant analysis are effectively performed for all possible peaks. Requires a large amount of data or repeated processing.

その他に特異的なフラグメントイオンの選出に適切な解析方法として、例えば、非特許文献1に示されているような、相互情報量による解析法がある。これは、あるピークについての強度を調べることによって生じる情報エントロピー変化量(相互情報量)を用いて、測定データに現れる各ピークの重要性を客観的に定量化する手法である。具体的には、各フラグメントイオンピークの強度を試料と参照サンプルとの間で比較した前後での相互情報量を計算し、特定の物質(巨大分子)に起因する可能性を数値化する。その際、ピーク強度の比較における閾値には、相互情報量を最大とする値を使用する。その結果から求める巨大分子の定性、定量、分布イメージングが可能となる。   As another analysis method suitable for selecting specific fragment ions, for example, there is an analysis method based on mutual information as shown in Non-Patent Document 1. This is a method for objectively quantifying the importance of each peak appearing in measurement data using an information entropy change amount (mutual information amount) generated by examining the intensity of a certain peak. Specifically, the mutual information amount before and after comparing the intensity of each fragment ion peak between the sample and the reference sample is calculated, and the possibility of being attributed to a specific substance (macromolecule) is quantified. At this time, a value that maximizes the mutual information amount is used as the threshold value in the comparison of peak intensities. Qualitative, quantitative, and distribution imaging of macromolecules determined from the results is possible.

S.Aoyagi,M.Hayama,U.Hasegawa,K.Sakai,M.Tozu,T.Hoshi and M.Kudo, e-Journal of Surface Science and Nanotechnology,1,67-71(2003).S. Aoyagi, M. Hayama, U. Hasegawa, K. Sakai, M. Tozu, T. Hoshi and M. Kudo, e-Journal of Surface Science and Nanotechnology, 1, 67-71 (2003).

しかしながら、非特許文献1に示されているような、相互情報量を最大にする値を閾値として計算した相互情報量を用いた解析方法は、ピーク強度から二種類の試料グループが識別できるかどうかのみである。つまり、ある閾値に対する各サンプルのそのピークの強度の高低のみを判断基準としているため、たとえ、図1のように分離できたとして、この相互情報量の値が大きい場合でも、バックグラウンドの強度が高いと、定量および分布イメージングに適さない場合がある。つまり、相互情報量の値から選出されたフラグメントイオンピークの中からバックグラウンドの強度が十分に低いものを再び選ぶ必要がある。   However, the analysis method using the mutual information calculated by using the value that maximizes the mutual information as a threshold as shown in Non-Patent Document 1 can identify two types of sample groups from the peak intensity. Only. That is, since only the level of the intensity of the peak of each sample with respect to a certain threshold is used as a criterion for judgment, even if the mutual information amount is large even if the separation can be performed as shown in FIG. Higher may not be suitable for quantitative and distribution imaging. In other words, it is necessary to select again a fragment ion peak selected from the mutual information value with sufficiently low background intensity.

本発明は、統計科学上十分である必要最低限のデータ数で、かつ、より単純な過程で、複数の要素が含まれる対象サンプルについて分析して得られる分析データに含まれる複数のピークから特定の要素に起因するピークを選出することが出来るデータ解析装置、データ解析方法およびデータ解析プログラムである。   The present invention is specified from a plurality of peaks included in analysis data obtained by analyzing a target sample including a plurality of elements in a simpler process with a minimum number of data sufficient for statistical science. A data analysis apparatus, a data analysis method, and a data analysis program capable of selecting a peak due to the element.

本発明は、複数の要素が含まれる対象サンプルについて分析して得られる対象サンプル分析データに基づいて、前記対象サンプル分析データに含まれる複数のピークから前記複数の要素のうちの特定の要素に起因するピークを選出するデータ解析装置であって、前記対象サンプル分析データを取得する手段と、前記複数の要素のうち少なくとも1つの要素が除かれた参照サンプルについて分析して得られる参照サンプル分析データを取得する手段と、前記対象サンプル分析データおよび前記参照サンプル分析データのそれぞれについて、ある着目ピークを、あらかじめ設定された閾値以上の強度を有するピークと、前記閾値未満の強度を有するピークとに分類する分類手段と、前記分類の前後の前記着目ピークの強度に関する相互情報量を計算する計算手段と、前記複数の要素それぞれについて得られる前記相互情報量に基づいて、前記特定要素に由来する特定ピークを選出する選出手段と、を有し、前記分類手段において、前記参照サンプル分析データにおける前記着目ピーク強度の平均値に基づいて決定した平均値以上の値を前記閾値として設定する。   The present invention is based on target sample analysis data obtained by analyzing a target sample including a plurality of elements, and is caused by a specific element among the plurality of elements from a plurality of peaks included in the target sample analysis data. A data analysis apparatus for selecting a peak to be analyzed, comprising: means for acquiring the target sample analysis data; and reference sample analysis data obtained by analyzing a reference sample from which at least one of the plurality of elements is removed For each of the acquisition means, the target sample analysis data, and the reference sample analysis data, a certain peak of interest is classified into a peak having an intensity greater than or equal to a preset threshold and a peak having an intensity less than the threshold. The mutual information regarding the intensity of the peak of interest before and after the classification is calculated. And calculating means for selecting a specific peak derived from the specific element based on the mutual information obtained for each of the plurality of elements, and in the classification means, the reference sample analysis data A value equal to or higher than the average value determined based on the average value of the peak intensity of interest in is set as the threshold value.

また、前記データ解析装置において、前記計算手段において計算された相互情報量が、あらかじめ設定された基準相互情報量未満の場合は、前記分類手段および前記計算手段は前記基準相互情報量以上になるまでそれぞれ分類および計算をすることが好ましい。   In the data analysis apparatus, when the mutual information amount calculated by the calculating means is less than a preset reference mutual information amount, the classification means and the calculating means until the reference mutual information amount is equal to or greater than the reference mutual information amount. Each is preferably classified and calculated.

また、前記データ解析装置において、さらに、前記分類手段において、前記計算手段における最大の相互情報量を与える閾値が閾値として設定されることが好ましい。   In the data analysis apparatus, it is preferable that a threshold value that gives a maximum mutual information amount in the calculation unit is set as a threshold value in the classification unit.

また、前記データ解析装置において、前記計算手段において計算された相互情報量が、前記基準相互情報量に達しない場合は前記最大の相互情報量を与える閾値に基づく分類の前後の相互情報量に基づいて、前記選出手段において前記特定ピークとして選出することが好ましい。   Further, in the data analysis device, when the mutual information amount calculated by the calculating means does not reach the reference mutual information amount, the mutual information amount before and after the classification based on the threshold value that gives the maximum mutual information amount Thus, it is preferable to select the specific peak as the specific peak.

また、前記データ解析装置において、前記選出手段において、前記特定ピークは前記相互情報量の値が大きいピークを特定ピークとして選出することが好ましい。   In the data analysis apparatus, it is preferable that the selecting unit selects a peak having a large mutual information value as the specific peak.

また、前記データ解析装置において、前記対象サンプル分析データおよび前記参照サンプル分析データは、前記対象サンプルおよび前記参照サンプルのそれぞれについて、複数回分析されることが好ましい。   In the data analysis apparatus, it is preferable that the target sample analysis data and the reference sample analysis data are analyzed a plurality of times for each of the target sample and the reference sample.

また、前記データ解析装置において、さらに、前記特定ピークに基づいて、前記対象サンプル中の前記特定要素の分布をイメージングする手段、を有することが好ましい。   The data analysis apparatus preferably further includes means for imaging the distribution of the specific element in the target sample based on the specific peak.

また、前記データ解析装置において、さらに、前記特定ピークに基づいて、前記対象サンプル中の前記特定要素の定量を行う手段、を有することが好ましい。   The data analysis apparatus preferably further includes means for quantifying the specific element in the target sample based on the specific peak.

また、前記データ解析装置において、前記対象サンプル分析データおよび参照サンプル分析データは、科学分析により分析して得られるデータであることが好ましい。   In the data analysis apparatus, the target sample analysis data and the reference sample analysis data are preferably data obtained by analysis through scientific analysis.

また、前記データ解析装置において、前記科学分析が、二次イオン質量分析またはX線光電子分光分析であることが好ましい。   In the data analysis apparatus, the scientific analysis is preferably secondary ion mass spectrometry or X-ray photoelectron spectroscopy.

また、本発明は、複数の要素が含まれる対象サンプルについて分析して得られる対象サンプル分析データに基づいて、前記対象サンプル分析データに含まれる複数のピークから前記複数の要素のうちの特定の要素に起因するピークを選出するデータ解析方法であって、前記対象サンプル分析データを取得するステップと、前記複数の要素のうち少なくとも1つの要素が除かれた参照サンプルについて分析して得られる参照サンプル分析データを取得するステップと、前記対象サンプル分析データおよび前記参照サンプル分析データのそれぞれについて、ある着目ピークを、あらかじめ設定された閾値以上の強度を有するピークと、前記閾値未満の強度を有するピークとに分類する分類ステップと、前記分類の前後の前記着目ピークの強度に関する相互情報量を計算する計算ステップと、前記複数の要素それぞれについて得られる前記相互情報量に基づいて、前記特定要素に由来する特定ピークを選出する選出ステップと、を有し、前記分類ステップにおいて、前記参照サンプル分析データにおける前記着目ピーク強度の平均値に基づいて決定した平均値以上の値を前記閾値として設定する。   Further, the present invention provides a specific element of the plurality of elements from a plurality of peaks included in the target sample analysis data based on target sample analysis data obtained by analyzing a target sample including a plurality of elements. Analyzing a reference sample obtained by analyzing a reference sample from which at least one of the plurality of elements is removed, and a method of analyzing the reference sample from which the target sample analysis data is obtained A step of acquiring data, and for each of the target sample analysis data and the reference sample analysis data, a certain peak of interest is divided into a peak having an intensity greater than or equal to a preset threshold and a peak having an intensity less than the threshold. The classification step for classification and the intensity of the peak of interest before and after the classification. A calculation step for calculating a mutual information amount, and a selection step for selecting a specific peak derived from the specific element based on the mutual information amount obtained for each of the plurality of elements. A value equal to or higher than the average value determined based on the average value of the peak intensity of interest in the reference sample analysis data is set as the threshold value.

また、前記データ解析方法において、前記計算ステップにおいて計算された相互情報量が、あらかじめ設定された基準相互情報量未満の場合は、前記基準相互情報量以上になるまで前記分類ステップおよび前記計算ステップが繰り返されることが好ましい。   In the data analysis method, when the mutual information amount calculated in the calculation step is less than a preset reference mutual information amount, the classification step and the calculation step are performed until the mutual mutual information amount is equal to or greater than the reference mutual information amount. Preferably it is repeated.

また、本発明は、複数の要素が含まれる対象サンプルについて分析して得られる対象サンプル分析データに基づいて、前記対象サンプル分析データに含まれる複数のピークから前記複数の要素のうちの特定の要素に起因するピークを選出するデータ解析プログラムであって、コンピュータを、前記対象サンプル分析データを取得する手段と、前記複数の要素のうち少なくとも1つの要素が除かれた参照サンプルについて分析して得られる参照サンプル分析データを取得する手段と、前記対象サンプル分析データおよび前記参照サンプル分析データのそれぞれについて、ある着目ピークを、あらかじめ設定された閾値以上の強度を有するピークと、前記閾値未満の強度を有するピークとに分類する分類手段と、前記分類の前後の前記着目ピークの強度に関する相互情報量を計算する計算手段と、前記複数の要素それぞれについて得られる前記相互情報量に基づいて、前記特定要素に由来する特定ピークを選出する選出手段と、を有し、前記分類手段において、前記参照サンプル分析データにおける前記着目ピーク強度の平均値に基づいて決定した平均値以上の値を前記閾値として設定するデータ解析装置として機能させる。   Further, the present invention provides a specific element of the plurality of elements from a plurality of peaks included in the target sample analysis data based on target sample analysis data obtained by analyzing a target sample including a plurality of elements. A data analysis program for selecting a peak due to a computer obtained by analyzing a target sample analysis data and a reference sample from which at least one of the plurality of elements is removed A means for acquiring reference sample analysis data, and each of the target sample analysis data and the reference sample analysis data has a certain peak of interest, a peak having an intensity greater than or equal to a preset threshold, and an intensity less than the threshold Classification means for classifying into peaks, and the peak of interest before and after the classification Calculation means for calculating mutual information on intensity, and selection means for selecting a specific peak derived from the specific element based on the mutual information obtained for each of the plurality of elements, and the classification means The data analysis device functions as a threshold value that sets a value equal to or greater than the average value determined based on the average value of the peak intensity of interest in the reference sample analysis data.

また、前記データ解析プログラムにおいて、前記計算手段において計算された相互情報量が、あらかじめ設定された基準相互情報量未満の場合は、前記分類手段および前記計算手段は前記基準相互情報量以上になるまでそれぞれ分類および計算をすることが好ましい。   In the data analysis program, when the mutual information amount calculated by the calculating means is less than a preset reference mutual information amount, the classification means and the calculating means until the reference mutual information amount is equal to or greater than the reference mutual information amount. Each is preferably classified and calculated.

本発明によれば、相互情報量の計算においてバックグラウンドを考慮した閾値を用いることにより、統計科学上十分である必要最低限のデータ数で、かつ、より単純な過程で、複数の要素が含まれる対象サンプルについて分析して得られる分析データに含まれる複数のピークから特定の要素に起因するピークをより正確に選出することが出来る。   According to the present invention, by using a threshold in consideration of the background in the calculation of mutual information, a plurality of elements are included in a simpler process with the minimum number of data sufficient for statistical science. It is possible to more accurately select a peak due to a specific element from a plurality of peaks included in analysis data obtained by analyzing a target sample.

本発明の一実施形態におけるデータ解析システムは、図2に示すように、データ解析装置10、少なくとも一つの分析装置20を含んで構成することができる。データ解析装置10、分析装置20は、ネットワーク等の情報伝達媒体を介して、所定のプロトコルにしたがって相互に情報を伝達可能に接続されている。分析装置20において、所定の分析が行われることにより得られた分析データはデータ解析装置10に送信される。データ解析装置10は取得した分析データに基づいて解析を行う。   As shown in FIG. 2, the data analysis system according to an embodiment of the present invention can be configured to include a data analysis device 10 and at least one analysis device 20. The data analysis device 10 and the analysis device 20 are connected to be able to transmit information to each other according to a predetermined protocol via an information transmission medium such as a network. Analysis data obtained by performing a predetermined analysis in the analysis device 20 is transmitted to the data analysis device 10. The data analysis apparatus 10 performs analysis based on the acquired analysis data.

なお、データ解析装置10と分析装置20は一つの装置として機能してもよい。データ解析装置10は分析装置20に組み込まれていてもよいし、分析装置20はデータ解析装置10に組み込まれていてもよい。また、データ解析装置10と分析装置20はネットワーク等を介して接続されていなくてもよい。その場合、分析データ等は分析装置20においてフレキシブルディスク、光磁気ディスク、光ディスク等の記録媒体に記憶され、データ解析装置10においてフレキシブルディスクドライブ、光磁気ディスクドライブ、光ディスクドライブ等の記録媒体データ読取手段等により読み込まれる。また、本実施形態におけるデータ解析システムは、分析装置20を必ずしも必要としない。分析装置20を経ないで得られたデータの解析を行う場合には、データ解析装置10において、直接、分析データ等が入力されてもよい。   The data analysis device 10 and the analysis device 20 may function as a single device. The data analysis device 10 may be incorporated in the analysis device 20, or the analysis device 20 may be incorporated in the data analysis device 10. Further, the data analysis device 10 and the analysis device 20 may not be connected via a network or the like. In this case, the analysis data and the like are stored in a recording medium such as a flexible disk, a magneto-optical disk, and an optical disk in the analysis device 20, and a recording medium data reading means such as a flexible disk drive, a magneto-optical disk drive, and an optical disk drive in the data analysis device 10. Read by etc. Further, the data analysis system in the present embodiment does not necessarily require the analysis device 20. When analyzing the data obtained without going through the analysis device 20, analysis data or the like may be directly input in the data analysis device 10.

データ解析装置10は、図2に示すように、制御部100、記憶部120、表示部140、入力部160及びデータインターフェース180等を含んで構成することができる。   As shown in FIG. 2, the data analysis apparatus 10 can be configured to include a control unit 100, a storage unit 120, a display unit 140, an input unit 160, a data interface 180, and the like.

制御部100は、CPU等の制御素子を含んで構成され、データ解析装置10を統合的に制御する機能を有する。   The control unit 100 includes a control element such as a CPU, and has a function of controlling the data analysis apparatus 10 in an integrated manner.

記憶部120は半導体メモリ、ハードディスク等を含んで構成され、制御部100で処理されるプログラム、分析データおよび計算データ等の電子情報を格納及び保持する。格納及び保持されるデータが大量となる場合には、ハードディスク装置、磁気テープ装置、磁気ディスク装置、光ディスク装置、光磁気ディスク装置等の大容量記憶装置を補助記憶装置として用いることも好適である。   The storage unit 120 includes a semiconductor memory, a hard disk, and the like, and stores and holds electronic information such as programs processed by the control unit 100, analysis data, and calculation data. When a large amount of data is stored and held, it is also preferable to use a mass storage device such as a hard disk device, a magnetic tape device, a magnetic disk device, an optical disk device, or a magneto-optical disk device as an auxiliary storage device.

表示部140は、モニタ等を含んで構成され、データ解析装置10からユーザに対して情報を提示したりするために用いられる。   The display unit 140 includes a monitor and the like, and is used for presenting information from the data analysis apparatus 10 to the user.

入力部160はキーボード、マウス、タッチパネル等を含んで構成され、ユーザから処理に用いられる各種情報を取得するために用いられる。表示部140と入力部160は、タッチパネル等のような一体のユーザインターフェースであってもよい。   The input unit 160 includes a keyboard, a mouse, a touch panel, and the like, and is used to acquire various types of information used for processing from the user. The display unit 140 and the input unit 160 may be an integrated user interface such as a touch panel.

データインターフェース180は、ネットワーク等を介して分析装置20におけるデータインターフェースと情報伝達可能に接続され、分析データ等を送受信するために用いられる。   The data interface 180 is connected to the data interface in the analysis apparatus 20 through a network or the like so as to be able to transmit information, and is used for transmitting and receiving analysis data and the like.

また、データ解析装置10は、制御部100、記憶部120、表示部140、入力部160及びデータインターフェース180を含んだ構成として説明したが、これらの構成全てが1つの装置に含まれている必要はない。例えば、データ解析装置10は、記憶部120、入力部160をそれぞれ独立の装置としておき、他の制御部100、表示部140及びデータインターフェース180を含んだ構成と、適宜組み合わせてもよい。   Further, the data analysis device 10 has been described as including the control unit 100, the storage unit 120, the display unit 140, the input unit 160, and the data interface 180. However, all of these configurations need to be included in one device. There is no. For example, the data analysis apparatus 10 may be appropriately combined with a configuration including the control unit 100, the display unit 140, and the data interface 180, with the storage unit 120 and the input unit 160 as independent devices.

データ解析装置10は、記憶部120に格納された、本実施の形態に係るデータ解析プログラムを実行することにより、分析装置20において複数の要素が含まれる対象サンプルについて分析して得られる対象サンプル分析データ、に基づいて解析を行う。あるいは、データ解析装置10は、記憶部120に格納された、本実施の形態に係るデータ解析プログラムを実行することにより、分析装置20を経ないで得られた、複数の要素が含まれる対象サンプルについて分析して得られる対象サンプル分析データ、に基づいて解析を行う。   The data analysis apparatus 10 executes a data analysis program according to the present embodiment, which is stored in the storage unit 120, so that the analysis apparatus 20 analyzes a target sample including a plurality of elements and obtains the target sample analysis Analysis based on the data. Alternatively, the data analysis device 10 executes the data analysis program according to the present embodiment stored in the storage unit 120, and is obtained without passing through the analysis device 20, and includes a target sample including a plurality of elements. The analysis is performed based on the target sample analysis data obtained by analyzing the above.

ここで、本実施形態における対象サンプル分析データは、自然科学及び社会科学の分野において、対象サンプルについて調査して得られ、2次元座標でプロットできるデータであれば特に制限はない。例えば、統計データ、計測データ、計算データ、地図データ、スペクトルデータ等が挙げられる。また、対象サンプル分析データは、物質の鑑識や物質の検出や物質の化学的組成の決定のための技術的手法である科学分析、により分析して得られるデータであることが好ましい。対象サンプル分析データは、分析装置20を経ないで得られたデータでも良く、例えば、アンケートの集計を人手によって行ったデータ等であってもよい。   Here, the target sample analysis data in the present embodiment is not particularly limited as long as it is data obtained by investigating the target sample in the fields of natural science and social science and can be plotted with two-dimensional coordinates. For example, statistical data, measurement data, calculation data, map data, spectrum data, and the like can be given. Further, the target sample analysis data is preferably data obtained by analysis through scientific analysis, which is a technical technique for identifying a substance, detecting a substance, and determining a chemical composition of the substance. The target sample analysis data may be data obtained without going through the analysis device 20, for example, data obtained by manually collecting questionnaires.

分析装置20としては、複数の要素が含まれる対象サンプルについて分析して、対象サンプル分析データが得られる装置であれば特に制限はないが、科学分析を行うことができる科学分析装置であることが好ましい。   The analysis device 20 is not particularly limited as long as it is a device that analyzes target samples including a plurality of elements and obtains target sample analysis data, but may be a scientific analysis device capable of performing scientific analysis. preferable.

科学分析としては、例えば、核磁気共鳴分光分析(NMR)、赤外分光分析(IR)、ラマン分光分析、紫外可視分光分析、原子吸光分光分析、電子スピン共鳴分光分析(ESR)、蛍光X線分光分析(XRF)、X線光電子分光分析(XPS)等の分光分析;二次イオン質量分析(SIMS)、マトリクス支援レーザ脱離イオン化法(MALDI)等の質量分析(MS);X線回折分析;高速液体クロマトグラフ(HPLC)、ガスクロマトグラフ(GC)、ゲルろ過クロマトグラフ(GPC)等の分離分析;示差走査熱量分析(DSC)、熱重量・示差熱分析(TG−DTA)、熱重量・質量分析(TG−MS)等の熱分析;等が挙げられる。また、これらの各分析方法を組み合わせた分析であってもよい。科学分析装置は、これらの各分析方法を行う装置を組み合わせた装置であってもよい。   Scientific analysis includes, for example, nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR), infrared spectroscopy (IR), Raman spectroscopy, ultraviolet-visible spectroscopy, atomic absorption spectroscopy, electron spin resonance spectroscopy (ESR), fluorescent X-ray Spectroscopic analysis (XRF), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), etc .; secondary ion mass spectrometry (SIMS), mass analysis (MS) such as matrix-assisted laser desorption ionization (MALDI); X-ray diffraction analysis Separation analysis of high performance liquid chromatograph (HPLC), gas chromatograph (GC), gel filtration chromatograph (GPC), etc .; differential scanning calorimetry (DSC), thermogravimetric / differential thermal analysis (TG-DTA), thermogravimetric Thermal analysis such as mass spectrometry (TG-MS); Moreover, the analysis which combined each of these analysis methods may be sufficient. The scientific analysis device may be a device that combines devices that perform these analysis methods.

本実施形態においては、科学分析は、複数の成分を含むサンプルについて測定したときに複雑なスペクトル、クロマトグラム等が得られることが多い分析方法であることが好ましい。中でも二次イオン質量分析(SIMS)、X線光電子分光分析(XPS)であることがより好ましく、タンパク質や高分子材料を含む多種の要素を含むサンプルについて分析したときにより複雑なスペクトルが得られる飛行時間型二次イオン質量分析であることがさらに好ましい。   In this embodiment, it is preferable that the scientific analysis is an analysis method in which complicated spectra, chromatograms, and the like are often obtained when a sample including a plurality of components is measured. Of these, secondary ion mass spectrometry (SIMS) and X-ray photoelectron spectroscopic analysis (XPS) are more preferable, and more complex spectra can be obtained when analyzing samples containing various elements including proteins and polymer materials. More preferably, it is time-type secondary ion mass spectrometry.

本発明のデータ解析方法の一実施形態は、図3に示すフローチャートの各工程を実行することにより実現される。データ解析方法の各工程はコンピュータで処理可能なデータ解析プログラムに変換されて記憶部120に格納および保持される。制御部100は、記憶部120に保持されているデータ解析プログラムを読み出し、各工程を順次実行する。本実施形態において各工程は必須要件ではなく適宜組み合わせて実行することができる。   One embodiment of the data analysis method of the present invention is realized by executing each step of the flowchart shown in FIG. Each step of the data analysis method is converted into a data analysis program that can be processed by a computer, and stored and held in the storage unit 120. The control unit 100 reads a data analysis program held in the storage unit 120 and sequentially executes each process. In this embodiment, each process is not an essential requirement and can be executed in combination as appropriate.

まず、ステップS10では、分析装置20において、複数の要素を含む対象サンプルについて所定の分析が行われる。分析装置20は、データインターフェース等を用いてネットワーク等を介して、分析された対象サンプル分析データをデータ解析装置10へ送信する。データ解析装置10では、データインターフェース180を用いて対象サンプル分析データを取得し、記憶部120に格納する。この分析は、1つの対象サンプルに対して複数回行われることが好ましい。より好ましくは3回以上行われる。   First, in step S10, the analysis device 20 performs a predetermined analysis on a target sample including a plurality of elements. The analysis apparatus 20 transmits the analyzed target sample analysis data to the data analysis apparatus 10 via a network or the like using a data interface or the like. In the data analysis apparatus 10, target sample analysis data is acquired using the data interface 180 and stored in the storage unit 120. This analysis is preferably performed multiple times for one target sample. More preferably, it is performed 3 times or more.

ステップS12では、対象サンプルに含まれる複数の要素のうち少なくとも1つの要素が除かれた参照サンプル、について分析装置20によって対象サンプルと同様の分析が行われる。参照サンプルの数は対象サンプルに含まれる分析対象となる複数の要素の数に対して、同数以上であることが好ましい。参照サンプルについての分析条件は、ステップS10で行われた対象サンプルの分析時と同じ条件であることが好ましい。分析装置20は、データインターフェース等を用いてネットワーク等を介して測定された参照サンプル分析データをデータ解析装置10へ送信する。データ解析装置10では、データインターフェース180を用いて参照サンプル分析データを取得し、記憶部120に格納する。この分析は、1つの対象サンプルに対して複数回行われることが好ましい。より好ましくは3回以上行われる。   In step S12, the analysis device 20 performs the same analysis as the target sample on the reference sample from which at least one of the plurality of elements included in the target sample is removed. The number of reference samples is preferably equal to or greater than the number of elements to be analyzed included in the target sample. The analysis conditions for the reference sample are preferably the same as those for the analysis of the target sample performed in step S10. The analysis device 20 transmits reference sample analysis data measured via a network or the like using a data interface or the like to the data analysis device 10. In the data analysis apparatus 10, reference sample analysis data is acquired using the data interface 180 and stored in the storage unit 120. This analysis is preferably performed multiple times for one target sample. More preferably, it is performed 3 times or more.

ここで、分析装置20により得られる対象サンプル分析データおよび参照サンプル分析データには、分析装置20にて行われる測定方法に応じたスペクトルデータまたはクロマトグラムが含まれる。   Here, the target sample analysis data and the reference sample analysis data obtained by the analyzer 20 include spectrum data or chromatograms corresponding to the measurement method performed by the analyzer 20.

ステップS14では、対象サンプル分析データおよび参照サンプル分析データに含まれるスペクトルデータまたはクロマトグラムについて、ある着目ピークの強度を、その着目ピークに対してあらかじめ設定された閾値Vに基づいて閾値V以上の強度を有するピークと、閾値V未満の強度を有するピークとに分類する。そして、分類前後の情報エントロピーと、分類前後の情報エントロピーの変化量である相互情報量と、を計算する。なお、ピーク強度とは、一般的にはある分析によって得られるデータ中のピークの強さまたはピークの高さをいうが、本実施形態ではピークの面積強度も含む。また、ピークの頻度も含む。   In step S14, for the spectrum data or chromatogram included in the target sample analysis data and the reference sample analysis data, the intensity of a certain peak of interest is set to an intensity equal to or higher than the threshold V based on a threshold V preset for the peak of interest. And a peak having an intensity less than the threshold value V. Then, the information entropy before and after the classification and the mutual information amount that is the amount of change in the information entropy before and after the classification are calculated. The peak intensity generally refers to the peak intensity or peak height in data obtained by a certain analysis, but in the present embodiment also includes the peak area intensity. It also includes peak frequency.

ここで、情報エントロピーとは統計力学のエントロピーと同様、状態の曖昧さを表す指標である。ある状態において、起こりうる事象全ての確率から、その状態を客観的に表す指標で、S=−Σpi(log2pi)で表される(S:情報エントロピー、pi:ある事象iの生じる確率)。また、相互情報量(相互エントロピー)は、2つの事象系A,Bがあるときに事象系Aの情報エントロピーS(A)から、事象系Bについての情報を得た後の事象系Aについての情報エントロピーS(A/B)、を引いたもので、I(A;B)=S(A)−S(A/B)で表される(I:相互情報量)。最初の曖昧さから、あることを調べた後の曖昧さを差し引いたもので、あることによって知りたいことが確定されたかどうかを示す指標である。 Here, the information entropy is an index representing the ambiguity of the state, similar to the entropy of statistical mechanics. An index that objectively represents the state from the probabilities of all the events that can occur in a certain state, and is represented by S = −Σpi (log 2 pi) (S: information entropy, pi: probability of occurrence of an event i) . The mutual information amount (mutual entropy) is obtained for the event system A after obtaining information about the event system B from the information entropy S (A) of the event system A when there are two event systems A and B. It is obtained by subtracting information entropy S (A / B), and is represented by I (A; B) = S (A) −S (A / B) (I: mutual information amount). The initial ambiguity is the index that indicates whether or not the ambiguity after examining something is subtracted from the initial ambiguity.

まず、事前エントロピー(a priori entropy)を算出する。制御部100は、ステップS10およびS12において記憶部120に保持された対象サンプル分析データおよび参照サンプル分析データより、分析装置20により分析されたデータ数をN、対象サンプルについて分析装置20により分析されたデータ数をn(a1)、参照サンプルについて分析装置20により分析されたデータ数n(a2)として、事前エントロピーS(A)を式(1)に基づき算出する(i=1,2)。   First, a priori entropy is calculated. The control unit 100 analyzes the number of data analyzed by the analyzer 20 from the target sample analysis data and the reference sample analysis data held in the storage unit 120 in steps S10 and S12, and the target sample was analyzed by the analyzer 20. The prior entropy S (A) is calculated based on the equation (1), where n (a1) is the number of data and n (a2) is the number of data analyzed by the analyzer 20 for the reference sample (i = 1, 2).

S(A)=−Σ[p(ai)log2p(ai)] ・・・(1) S (A) = − Σ [p (ai) log 2 p (ai)] (1)

ここで、確立p(ai)は、式(2)で表される。   Here, the establishment p (ai) is expressed by Expression (2).

p(ai)=n(ai)/N ・・・(2)   p (ai) = n (ai) / N (2)

次に、事後エントロピー(a posteriori entropy)を算出する。制御部100は、まず、ある着目ピークの強度に対して閾値V1を設定する。そして、分析された一連のデータ内で、閾値V1以上の強度を有するピークと、閾値V1未満の強度を有するピークとに分類する。対象サンプルについて分析されたデータ数n(a1)中、閾値V1以上のデータ数をn(a1,b1)、閾値V1未満のデータ数をn(a1,b2)と、参照サンプルについて分析されたデータ数n(a2)中、閾値V1以上のデータ数をn(a2,b1)、閾値V1未満のデータ数をn(a2,b2)として、事後エントロピーS(A/B)を式(3)に基づいて算出する(j=1,2)。   Next, a posteriori entropy is calculated. First, the control unit 100 sets a threshold value V1 for the intensity of a certain peak of interest. And it classify | categorizes into the peak which has an intensity | strength more than threshold value V1, and the peak which has an intensity | strength less than threshold value V1 in the analyzed series of data. Among the number of data n (a1) analyzed for the target sample, n (a1, b1) is the number of data greater than or equal to the threshold value V1, and n (a1, b2) is the number of data less than the threshold value V1. In the number n (a2), the number of data greater than or equal to the threshold value V1 is n (a2, b1), the number of data less than the threshold value V1 is n (a2, b2), and the a posteriori entropy S (A / B) is expressed by Equation (3). Calculate based on (j = 1, 2).

S(A/B)=−Σ[n(ai)/N]・Σ[p(ai,bj)log2p(ai,bj)] ・・・(3) S (A / B) = − Σ [n (ai) / N] · Σ [p (ai, bj) log 2 p (ai, bj)] (3)

ここで、確立p(ai,bj)は、式(4)で表される。   Here, the establishment p (ai, bj) is expressed by Expression (4).

p(ai,bj)=n(ai,bj)/N ・・・(4)   p (ai, bj) = n (ai, bj) / N (4)

そして、制御部100は、式(5)で表される相互情報量I(A;B)を算出する。   And the control part 100 calculates the mutual information amount I (A; B) represented by Formula (5).

I(A;B)=S(A)−S(A/B) ・・・(5)   I (A; B) = S (A) -S (A / B) (5)

例えば、図1の(a)のように、サンプル1(ここでは対象サンプル)について分析されたデータ5点中のある着目ピークの各強度と、サンプル2(ここでは参照サンプル)について分析されたデータ5点中のサンプル1と同じ着目ピークの各強度が、設定した閾値Vでは全く区別できない場合は相互情報量I(A;B)は最小値0となる。図1の(b)のように閾値Vでサンプル1とサンプル2の各ピークが完全に区別できる場合は相互情報量I(A;B)は最大値1となる。   For example, as shown in FIG. 1 (a), each intensity of a peak of interest in 5 data analyzed for sample 1 (target sample here) and data analyzed for sample 2 (here reference sample) When the intensities of the same peak of interest as Sample 1 among 5 points cannot be distinguished at all by the set threshold value V, the mutual information amount I (A; B) becomes the minimum value 0. As shown in FIG. 1B, when the peaks of sample 1 and sample 2 can be completely distinguished with threshold V, mutual information I (A; B) has a maximum value of 1.

式(5)で算出された相互情報量I(A;B)があらかじめ定めた基準相互情報量I0以上になった場合は、そこで相互情報量の計算を終了する。I0以上にならない場合は閾値V1は少し値を下げて閾値V2として再設定され、相互情報量I(A;B)が計算される。つまり、相互情報量がI0以上になるまでステップS14が繰り返される。ただし、閾値Vがあらかじめ定めた値V0以下となった場合は計算を終了してもよい。この場合、そのピークについては特定ピークとして選出されない。I0の設定としては、例えば、S(A)、0.9×S(A)等とすることができる。 When the mutual information amount I (A; B) calculated by the equation (5) becomes equal to or larger than the predetermined reference mutual information amount I 0 , the calculation of the mutual information amount is ended there. If the value does not exceed I 0, the threshold value V1 is slightly lowered and reset as the threshold value V2, and the mutual information amount I (A; B) is calculated. That is, step S14 is repeated until the mutual information amount becomes I 0 or more. However, the calculation may be terminated when the threshold value V is equal to or less than a predetermined value V 0 . In this case, the peak is not selected as a specific peak. The setting of I 0 can be, for example, S (A), 0.9 × S (A), or the like.

本実施形態において、ステップS14におけるピーク強度の比較の際に、各試料間でピーク強度が区別できるかどうかを比較するのではなく、バックグラウンドを考慮した閾値、つまり、参照サンプル分析データにおける着目ピーク強度の強度値として、一連のデータ内の着目ピーク強度の平均値に基づいて決定した平均値以上の値が用いられる。例えば、着目ピーク強度の平均値の1倍〜20倍、好ましくは1倍〜10倍を最初の設定閾値V1として相互情報量が計算されることが好ましい。I0以上にならない場合は、I0以上になるまで、例えば、閾値をV1から着目ピーク強度の平均値の0.1倍〜0.5倍刻みで下げていくことが好ましい。 In the present embodiment, when comparing peak intensities in step S14, it is not compared whether the peak intensities can be distinguished between samples, but a threshold considering the background, that is, the peak of interest in the reference sample analysis data. As the intensity value of the intensity, a value equal to or higher than the average value determined based on the average value of the peak intensity of interest in the series of data is used. For example, the mutual information amount is preferably calculated by setting the average value of the peak intensity of interest to 1 to 20 times, preferably 1 to 10 times, as the first set threshold V1. If the unit is not to be I 0 or more, until I 0 or more, for example, it is preferable to lower by 0.1-fold to 0.5-fold increments of the average value of the target peak intensity thresholds from V1.

さらには、最大の相互情報量を与える場合を閾値とする場合と、バックグラウンドを考慮した閾値(参照サンプルにおけるピーク強度の平均値以上の値)を用いる場合の、両方について相互情報量を計算することが好ましい。この場合は、バックグラウンドを考慮した閾値による相互情報量の計算結果が優先されることが好ましい。バックグラウンドを考慮した場合に相互情報量が十分に大きいイオンピークが得られない場合は、従来の相互情報量を最大にする閾値による相互情報量の値を用いる。   Furthermore, the mutual information amount is calculated for both the case where the maximum mutual information amount is given as a threshold value and the case where a threshold value considering the background (a value equal to or higher than the average value of the peak intensity in the reference sample) is used. It is preferable. In this case, it is preferable that the calculation result of the mutual information amount by the threshold considering the background is prioritized. When an ion peak having a sufficiently large mutual information amount cannot be obtained in consideration of the background, the value of the mutual information amount based on a threshold value that maximizes the conventional mutual information amount is used.

ステップS14の処理は、対象サンプルについて分析されたデータ中の各ピーク、および参照サンプルについて分析されたデータ中の各ピークの全てに対して行われてもよいし、各ピークの中からあらかじめ選定されたピークに対して行われてもよい。   The process of step S14 may be performed for each peak in the data analyzed for the target sample and all the peaks in the data analyzed for the reference sample, or may be selected in advance from each peak. May be performed on the peak.

ステップS16では、制御部100は、ステップS14で求められた相互情報量とその相互情報量が算出されたときの閾値に基づいて、特定ピークを選出する。選出は、対象サンプルおよび参照サンプルそれぞれについて、相互情報量が大きいものから順番に、または閾値が大きいものから順番に、または相互情報量が大きくかつ閾値が高いものから順番に任意の数のピークが選出されることが好ましい。また、選出されたピークがこのような順番で表示部140を用いて表示されることが好ましい。選出される特定ピークの数は、相互情報量が1に近く、かつピーク強度が十分に高い場合は、各試料について1つで十分であるが、ピーク強度が低い場合は、2つ以上の特定ピークが選出されることが好ましい。選出される特定ピークの数は、例えば、後述する飛行時間型二次イオン質量分析(TOF−SIMS)によるイメージングの場合は、鮮明な画像が得られる程度にピーク強度が十分高い場合は、各試料について1つで十分であるが、バックグラウンドと区別できない不鮮明な画像しか得られないくらい強度が低い場合には、2つ以上の特定ピークが選出されることが好ましい。   In step S16, the control unit 100 selects a specific peak based on the mutual information amount obtained in step S14 and the threshold value when the mutual information amount is calculated. For each target sample and reference sample, an arbitrary number of peaks are generated in order from the largest mutual information amount, from the largest threshold value, or from the largest mutual information amount and the higher threshold value. It is preferable to be elected. In addition, the selected peaks are preferably displayed using the display unit 140 in this order. As for the number of specific peaks to be selected, one is sufficient for each sample when the mutual information is close to 1 and the peak intensity is sufficiently high, but when the peak intensity is low, two or more specific peaks are selected. It is preferable that a peak is selected. For example, in the case of imaging by time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS), which will be described later, the number of specific peaks to be selected is determined for each sample when the peak intensity is sufficiently high to obtain a clear image. It is preferable that two or more specific peaks are selected when the intensity is low enough to obtain only a blurred image that cannot be distinguished from the background.

以上のように、複数の要素が含まれる対象サンプルについて分析して得られる分析データに含まれる複数のピークから特定の要素に起因するピークを選出することが出来る。本実施形態は、対象サンプルに2種類の要素が含まれる場合の例であるが、3種類以上の要素が含まれる場合は、図4に示すようにして特定要素に起因するピークが選出されてもよい。例えば、4種類の要素が含まれる場合、段階1では物質4とその他の2種類のうちどちらかとして分類される。段階2では物質1とその他、段階3では物質2と物質3と分類されていき、物質1〜4のそれぞれについて特定ピークが選出される。   As described above, a peak caused by a specific element can be selected from a plurality of peaks included in analysis data obtained by analyzing a target sample including a plurality of elements. This embodiment is an example in the case where two types of elements are included in the target sample. However, when three or more types of elements are included, a peak due to a specific element is selected as shown in FIG. Also good. For example, when four types of elements are included, in Stage 1, the substance 4 is classified as either the substance 4 or the other two types. Stage 2 is classified as substance 1 and others, stage 3 is classified as substance 2 and substance 3, and a specific peak is selected for each of substances 1 to 4.

また、選出されたある特定要素のピークに基づいて、その特定要素の定性、定量、分布イメージング等が行われることが好ましい。また、複数の特定ピークが選出された場合には、複数の特定ピークに基づいて、その特定要素の定性、定量、分布イメージング等が行われることが好ましい。この場合、選出された複数の特定ピーク全てに基づいて定性、定量、分布イメージング等が行われてもよいし、選出された複数の特定ピークから選択された任意の数のピークに基づいて定性、定量、分布イメージング等が行われてもよい。   Moreover, it is preferable that qualitative, quantitative, distribution imaging and the like of the specific element are performed based on the selected peak of the specific element. When a plurality of specific peaks are selected, it is preferable that qualitative, quantitative, distribution imaging, etc. of the specific elements are performed based on the plurality of specific peaks. In this case, qualitative, quantitative, distribution imaging, etc. may be performed based on all of the selected plurality of specific peaks, or qualitative based on any number of peaks selected from the selected plurality of specific peaks, Quantification, distribution imaging, etc. may be performed.

定性結果、定量結果、分布イメージング結果等は表示部140を用いて表示されることが好ましい。選出された複数の特定ピークからどのピークを選択するかに応じて、表示部140を用いて表示される定性結果、定量結果、分布イメージング結果等が変化することが好ましい。   Qualitative results, quantitative results, distribution imaging results, and the like are preferably displayed using the display unit 140. It is preferable that the qualitative result, the quantitative result, the distribution imaging result, and the like displayed using the display unit 140 change according to which peak is selected from the selected plurality of specific peaks.

本実施形態のデータ解析方法は、データベースにない複雑な化学種に由来する特徴的にピークの速やかな検出のために、情報エントロピーを利用する参照サンプルとの比較による相互情報量を用いる。質量スペクトル、XPSスペクトル等のパターンの予測が困難な場合に特に有効である。また、ピーク数にかかわらず、統計科学上必要最低限のデータ数で各フラグメントイオンの重要性を一括して評価することができる。   The data analysis method of this embodiment uses mutual information by comparison with a reference sample using information entropy for the rapid detection of characteristic peaks derived from complex chemical species not in the database. This is particularly effective when it is difficult to predict patterns such as mass spectra and XPS spectra. Moreover, the importance of each fragment ion can be collectively evaluated with the minimum number of data required in statistical science regardless of the number of peaks.

以下、実施例および比較例を挙げ、本発明をより具体的に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, although an example and a comparative example are given and the present invention is explained more concretely in detail, the present invention is not limited to the following examples.

以下の実施例は、飛行時間型二次イオン質量分析(TOF−SIMS)により、タンパク質および高分子材料を含む対象サンプルについて得られる、複雑なフラグメントイオンから構成される質量スペクトルから、特定の物質に起因するピークを本発明の一実施形態のデータ解析方法に基づいて選出し、そのピークに基づいて特定物質の試料上での分布を得たものである。   The following examples show how specific time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS) can be applied to a specific substance from a mass spectrum composed of complex fragment ions obtained for a target sample containing proteins and polymeric materials. The resulting peak is selected based on the data analysis method of one embodiment of the present invention, and the distribution of the specific substance on the sample is obtained based on the peak.

(実施例)
ポリスルフォンを主成分とする中空糸型高分子透析膜の内外表面および細孔内に吸着したタンパク質ウシ血清アルブミン(BSA)の分布を調べた結果を示す。
(Example)
The result of investigating the distribution of protein bovine serum albumin (BSA) adsorbed on the inner and outer surfaces and pores of a hollow fiber type polymer dialysis membrane containing polysulfone as a main component is shown.

ポリスルフォンを主成分とする中空糸型高分子透析膜APS−E(旭メディカル製)に0.1Mりん酸緩衝生理食塩水(PBS、pH=7.4)中にウシ血清アルブミン(BSA;シグマケミカル製)を含む溶液(3.75g/dL)を1.2mL/hrの流量で7時間透析した。その後同じ速度で55分間、PBSを流した後、さらに蒸留水で洗浄した。洗浄後、高分子膜はデシケータ中で乾燥させた。   Bovine serum albumin (BSA; Sigma) in 0.1 M phosphate buffered saline (PBS, pH = 7.4) on a hollow fiber type polymer dialysis membrane APS-E (manufactured by Asahi Medical) mainly composed of polysulfone Chemical solution (3.75 g / dL) was dialyzed for 7 hours at a flow rate of 1.2 mL / hr. After that, PBS was allowed to flow for 55 minutes at the same speed, and further washed with distilled water. After washing, the polymer membrane was dried in a desiccator.

1次イオン源として12keVのGa+イオン源を用い、飛行時間型二次イオン質量分析装置TFS−2100(Physical electrons製)により作成した対象サンプルについて質量スペクトルを得た。参照サンプルとして何も作用させていない洗浄済みのAPS−E高分子膜を用い、同様に測定した。 Using a 12 keV Ga + ion source as a primary ion source, a mass spectrum was obtained for a target sample prepared by a time-of-flight secondary ion mass spectrometer TFS-2100 (manufactured by Physical electrons). The measurement was performed in the same manner using a washed APS-E polymer membrane that had no action as a reference sample.

膜構成物質に起因するフラグメントイオンが、BSAに起因するフラグメントイオンと類似しているために、単純なスペクトル比較では、特異的なイオンピークを特定することができない。 そこで、何も作用させていない洗浄済みの膜(サンプルA)と、BSA水溶液を透析させた膜(サンプルB)の飛行時間型二次イオン質量分析法による質量スペクトルを本発明の一実施形態の方法に従って解析した。   Since fragment ions attributed to membrane constituents are similar to fragment ions attributed to BSA, a simple ion comparison cannot identify a specific ion peak. Therefore, mass spectra obtained by time-of-flight secondary ion mass spectrometry of a washed membrane (sample A) that has not been acted on and a membrane (sample B) that has been dialyzed with an aqueous BSA solution are shown in one embodiment of the present invention. Analysis was performed according to the method.

質量スペクトルの測定範囲の内、40から210amuまでを有効なフラグメントイオンピークとし、各ピークの強度(総イオン強度で規格化)をサンプルAとサンプルBとで比較した。サンプルAについて調べる際には、サンプルBにおけるピーク強度の平均値を最低基準とし、サンプルAにおけるピーク強度と比較し、相互情報量を算出した。40から210amuまでの有効なフラグメントイオンピーク全てに対して、それぞれサンプルAについての場合とサンプルBについての場合について行った。   Within the measurement range of the mass spectrum, 40 to 210 amu were regarded as effective fragment ion peaks, and the intensity of each peak (normalized by the total ion intensity) was compared between Sample A and Sample B. When examining the sample A, the average value of the peak intensity in the sample B was used as the lowest standard, and compared with the peak intensity in the sample A, the mutual information amount was calculated. For all the effective fragment ion peaks from 40 to 210 amu, the case for sample A and the case for sample B were performed respectively.

相互情報量の結果からサンプルAすなわちこの膜要素に由来するフラグメントイオン、および、サンプルBすなわちBSAに由来するフラグメントイオンをそれぞれ選出される。選出されたフラグメントイオン(具体的にはBSA:m/z=45,60,72,88amu、APS−E:m/z=50,82,86,112amu)に基づいて、膜、およびBSAの分布図を二次イオン像として得た(イメージング)。   From the result of mutual information, a fragment ion derived from sample A, that is, this membrane element, and a fragment ion derived from sample B, that is, BSA, are selected. Based on the selected fragment ions (specifically BSA: m / z = 45, 60, 72, 88 amu, APS-E: m / z = 50, 82, 86, 112 amu), the membrane, and the distribution of BSA The figure was obtained as a secondary ion image (imaging).

実施例で求めたBSAのフラグメントイオンピークに基づく中空糸型高分子膜に吸着したBSAの分布イメージを図5に示す。また、同様に求めた、BSAを吸着させていない未処理の高分子膜のイメージ図を図6に示す。図5、図6において白い(明るい)部分がBSAが多く存在している部分と考えられる。図5では高分子膜の内外表面にBSAが多く存在するが、断面にはほとんど存在しないことがわかる。図6では白い部分はほとんど見られず、未処理の高分子膜にはBSAは存在しなく正しい分布が得られていることがわかる。   FIG. 5 shows a distribution image of BSA adsorbed on the hollow fiber type polymer membrane based on the fragment ion peak of BSA obtained in Examples. Further, FIG. 6 shows an image diagram of an untreated polymer film not adsorbed with BSA obtained in the same manner. In FIGS. 5 and 6, the white (bright) part is considered to be a part where a lot of BSA exists. In FIG. 5, it can be seen that a large amount of BSA exists on the inner and outer surfaces of the polymer film, but hardly exists in the cross section. In FIG. 6, almost no white portion is seen, and it can be seen that BSA is not present in the untreated polymer film and a correct distribution is obtained.

(比較例)
従来のように、最大の相互情報量を与える場合を閾値として計算を行った他は、実施例と同様にしてBSAに由来するフラグメントイオンを選出した(具体的にはm/z=45,46,58,59,60,72,88amu)。
(Comparative example)
A fragment ion derived from BSA was selected in the same manner as in the example except that the calculation was performed using a threshold value that gives the maximum amount of mutual information as in the past (specifically, m / z = 45, 46). 58, 59, 60, 72, 88 amu).

比較例で求めたBSAのフラグメントイオンピークに基づく中空糸型高分子膜に吸着したBSAの分布イメージを図7に示す。また、同様に求めた、BSAを吸着させていない未処理の高分子膜のイメージ図を図8に示す。図7では高分子膜の内外表面が白くなっているが、断面もわずかに白くなっていることがわかる。図8でも内外表面に白い部分が見られ、実施例に比較して正しい分布が得られていないことがわかる。   FIG. 7 shows a distribution image of BSA adsorbed on the hollow fiber type polymer membrane based on the BSA fragment ion peak obtained in the comparative example. Further, FIG. 8 shows an image diagram of an untreated polymer film not adsorbed with BSA obtained in the same manner. FIG. 7 shows that the inner and outer surfaces of the polymer film are white, but the cross section is also slightly white. Also in FIG. 8, white portions are seen on the inner and outer surfaces, and it can be seen that a correct distribution is not obtained as compared with the example.

TOF−SIMSは材料表面の化学種の同定、定量および分布のイメージングが可能な手法であるが、タンパク質のような巨大分子の場合はフラグメントイオンからの解析が必要となる。タンパク質は同じ20種のアミノ酸より構成されるため、異なるタンパク質でもフラグメントイオンが類似するため特定タンパク質に由来するフラグメントイオンの選出が困難であった。本実施例では、情報エントロピーに基づくデータ解析により、簡潔にタンパク質や高分子膜それぞれに起因するフラグメントイオンを選出し、膜へのタンパク質吸着をイメージングすることができた。   TOF-SIMS is a technique capable of identifying, quantifying, and imaging the distribution of chemical species on the material surface, but in the case of macromolecules such as proteins, analysis from fragment ions is required. Since proteins are composed of the same 20 kinds of amino acids, it is difficult to select fragment ions derived from a specific protein because fragment ions are similar even in different proteins. In this example, by analyzing data based on information entropy, it was possible to simply select fragment ions originating from proteins and polymer membranes, and to image protein adsorption on the membranes.

本実施例によれば、特に、互いに類似した構造をもつ巨大分子からなる物質を含む試料の二次イオン質量スペクトルにおいて、それぞれの物質にのみ由来すると確定できる二次イオンが、単純な参照サンプルとの比較や化学構造からの推測では決定困難な場合であっても、迅速に選出できる。特に、複数のタンパク質を含む試料においては、高分子のイオン化効率が高いクラスターイオンを一次イオン源として用いた場合でも、各タンパク質の識別には複雑な解析と膨大なデータ数を必要としていたが、本実施例によって各タンパク質に起因するフラグメントイオンの決定の一層の効率化が図られる。   According to this example, in particular, in a secondary ion mass spectrum of a sample containing substances composed of macromolecules having structures similar to each other, a secondary ion that can be determined to be derived only from each substance is a simple reference sample. Even if it is difficult to make a decision based on the comparison or the estimation from the chemical structure, it can be selected quickly. In particular, in samples containing multiple proteins, even when cluster ions with high ionization efficiency of macromolecules were used as the primary ion source, complex analysis and a huge amount of data were required to identify each protein. By this example, the efficiency of determination of fragment ions caused by each protein can be further improved.

本発明によれば、相互情報量の計算においてバックグラウンドを考慮した閾値を用いることにより、統計科学上十分である必要最低限のデータ数で、かつ、より単純な過程で、複数の要素が含まれるサンプルについて測定して得られる対象サンプル分析データに含まれる複数のピークから、特定の要素に起因するピークをより正確に選出することが出来る。自然科学及び社会科学の幅広い分野において、複雑なデータ解析を容易かつ迅速に行うことができる。   According to the present invention, by using a threshold in consideration of background in the calculation of mutual information, a plurality of elements are included in a simpler process with a minimum number of data sufficient for statistical science. It is possible to more accurately select a peak due to a specific element from a plurality of peaks included in target sample analysis data obtained by measuring a sample. Complex data analysis can be performed easily and quickly in a wide range of natural and social sciences.

(a)相互情報量=0の場合の、サンプルA,Bについての一連のデータにおける着目ピーク強度と閾値との関係を示す図である。(b)相互情報量=1の場合の、サンプルA,Bについての一連のデータにおける着目ピーク強度と閾値との関係を示す図である。(A) It is a figure which shows the relationship between the focused peak intensity | strength and threshold value in a series of data about the samples A and B in case of mutual information = 0. (B) It is a figure which shows the relationship between the focused peak intensity | strength and threshold value in a series of data about the samples A and B in case of mutual information = 1. 本発明の一実施形態におけるデータ解析装置を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the data analyzer in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態におけるデータ解析方法を示すチャート図である。It is a chart figure which shows the data analysis method in one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態における3種類以上の要素を含む場合の特定ピークの選出方法を示す図である。It is a figure which shows the selection method of the specific peak in the case of including 3 or more types of elements in one Embodiment of this invention. 本発明の実施例における高分子膜表面に吸着したタンパク質の分布イメージを示す図である。It is a figure which shows the distribution image of the protein which adsorb | sucked to the polymer film surface in the Example of this invention. 本発明の実施例における参照サンプルである未処理の高分子膜表面のタンパク質の分布イメージを示す図である。It is a figure which shows the distribution image of the protein of the surface of the non-processed polymer film which is a reference sample in the Example of this invention. 本発明の比較例における高分子膜表面に吸着したタンパク質の分布イメージを示す図である。It is a figure which shows the distribution image of the protein adsorb | sucked to the polymer film surface in the comparative example of this invention. 本発明の比較例における参照サンプルである未処理の高分子膜表面のタンパク質の分布イメージを示す図である。It is a figure which shows the distribution image of the protein of the surface of the non-processed polymer film which is a reference sample in the comparative example of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 データ解析装置、20 分析装置、100 制御部、120 記憶部、140 表示部、160 入力部、180 データインターフェース。   10 data analysis device, 20 analysis device, 100 control unit, 120 storage unit, 140 display unit, 160 input unit, 180 data interface.

Claims (14)

複数の要素が含まれる対象サンプルについて分析して得られる対象サンプル分析データに基づいて、前記対象サンプル分析データに含まれる複数のピークから前記複数の要素のうちの特定の要素に起因するピークを選出するデータ解析装置であって、
前記対象サンプル分析データを取得する手段と、
前記複数の要素のうち少なくとも1つの要素が除かれた参照サンプルについて分析して得られる参照サンプル分析データを取得する手段と、
前記対象サンプル分析データおよび前記参照サンプル分析データのそれぞれについて、ある着目ピークを、あらかじめ設定された閾値以上の強度を有するピークと、前記閾値未満の強度を有するピークとに分類する分類手段と、
前記分類の前後の前記着目ピークの強度に関する相互情報量を計算する計算手段と、
前記複数の要素それぞれについて得られる前記相互情報量に基づいて、前記特定要素に由来する特定ピークを選出する選出手段と、
を有し、
前記分類手段において、前記参照サンプル分析データにおける前記着目ピーク強度の平均値に基づいて決定した平均値以上の値を前記閾値として設定することを特徴とするデータ解析装置。
Based on target sample analysis data obtained by analyzing a target sample including a plurality of elements, a peak due to a specific element among the plurality of elements is selected from a plurality of peaks included in the target sample analysis data A data analysis device for
Means for obtaining the target sample analysis data;
Means for obtaining reference sample analysis data obtained by analyzing a reference sample from which at least one of the plurality of elements is removed;
For each of the target sample analysis data and the reference sample analysis data, a classification means for classifying a certain peak into a peak having an intensity equal to or higher than a preset threshold and a peak having an intensity less than the threshold;
Calculation means for calculating mutual information regarding the intensity of the peak of interest before and after the classification;
Selection means for selecting a specific peak derived from the specific element based on the mutual information obtained for each of the plurality of elements;
Have
The data analysis apparatus characterized in that, in the classification means, a value equal to or greater than an average value determined based on an average value of the peak intensity of interest in the reference sample analysis data is set as the threshold value.
請求項1に記載のデータ解析装置であって、
前記計算手段において計算された相互情報量が、あらかじめ設定された基準相互情報量未満の場合は、前記分類手段および前記計算手段は前記基準相互情報量以上になるまでそれぞれ分類および計算を繰り返すことを特徴とするデータ解析装置。
The data analysis apparatus according to claim 1,
If the mutual information amount calculated by the calculating means is less than a preset reference mutual information amount, the classification means and the calculating means repeat the classification and calculation until the reference mutual information amount is greater than or equal to the reference mutual information amount. Characteristic data analysis device.
請求項1または2に記載のデータ解析装置であって、
さらに、前記分類手段において、前記計算手段における最大の相互情報量を与える閾値が閾値として設定されることを特徴とするデータ解析装置。
The data analysis device according to claim 1 or 2,
Furthermore, in the classification means, a threshold value that gives the maximum mutual information amount in the calculation means is set as a threshold value.
請求項3に記載のデータ解析装置であって、
前記計算手段において計算された相互情報量が、前記基準相互情報量に達しない場合は前記最大の相互情報量を与える閾値に基づく分類の前後の相互情報量に基づいて、前記選出手段において前記特定ピークとして選出することを特徴とするデータ解析装置。
The data analysis apparatus according to claim 3,
If the mutual information amount calculated by the calculating means does not reach the reference mutual information amount, the selecting means determines the specific information based on the mutual information amount before and after the classification based on the threshold value that gives the maximum mutual information amount. A data analysis device characterized by being selected as a peak.
請求項1乃至4のいずれか1に記載のデータ解析装置であって、
前記選出手段において、前記特定ピークは前記相互情報量の値が大きいピークを特定ピークとして選出することを特徴とするデータ解析装置。
The data analysis device according to any one of claims 1 to 4,
In the selecting means, the specific peak selects a peak having a large mutual information value as the specific peak.
請求項1乃至5のいずれか1に記載のデータ解析装置であって、
前記対象サンプル分析データおよび前記参照サンプル分析データは、前記対象サンプルおよび前記参照サンプルのそれぞれについて、複数回分析されることを特徴とするデータ解析装置。
A data analysis device according to any one of claims 1 to 5,
The target sample analysis data and the reference sample analysis data are analyzed a plurality of times for each of the target sample and the reference sample.
請求項1乃至6のいずれか1に記載のデータ解析装置であって、
さらに、前記特定ピークに基づいて、前記対象サンプル中の前記特定要素の分布をイメージングする手段、
を有することを特徴とするデータ解析装置。
The data analysis device according to any one of claims 1 to 6,
Means for imaging the distribution of the particular element in the target sample based on the particular peak;
A data analysis apparatus characterized by comprising:
請求項1乃至6のいずれか1に記載のデータ解析装置であって、
さらに、前記特定ピークに基づいて、前記対象サンプル中の前記特定要素の定量を行う手段、
を有することを特徴とするデータ解析装置。
The data analysis device according to any one of claims 1 to 6,
Further, means for quantifying the specific element in the target sample based on the specific peak,
A data analysis apparatus characterized by comprising:
請求項1乃至8のいずれか1に記載のデータ解析装置であって、
前記対象サンプル分析データおよび参照サンプル分析データは、科学分析により分析して得られるデータであることを特徴とするデータ解析装置。
A data analysis device according to any one of claims 1 to 8,
The target sample analysis data and the reference sample analysis data are data obtained by analyzing by scientific analysis.
請求項9に記載のデータ解析装置であって、
前記科学分析が、二次イオン質量分析またはX線光電子分光分析であることを特徴とするデータ解析装置。
The data analysis device according to claim 9, wherein
The data analysis apparatus characterized in that the scientific analysis is secondary ion mass spectrometry or X-ray photoelectron spectroscopy.
複数の要素が含まれる対象サンプルについて分析して得られる対象サンプル分析データに基づいて、前記対象サンプル分析データに含まれる複数のピークから前記複数の要素のうちの特定の要素に起因するピークを選出するデータ解析方法であって、
前記対象サンプル分析データを取得するステップと、
前記複数の要素のうち少なくとも1つの要素が除かれた参照サンプルについて分析して得られる参照サンプル分析データを取得するステップと、
前記対象サンプル分析データおよび前記参照サンプル分析データのそれぞれについて、ある着目ピークを、あらかじめ設定された閾値以上の強度を有するピークと、前記閾値未満の強度を有するピークとに分類する分類ステップと、
前記分類の前後の前記着目ピークの強度に関する相互情報量を計算する計算ステップと、
前記複数の要素それぞれについて得られる前記相互情報量に基づいて、前記特定要素に由来する特定ピークを選出する選出ステップと、
を有し、
前記分類ステップにおいて、前記参照サンプル分析データにおける前記着目ピーク強度の平均値に基づいて決定した平均値以上の値を前記閾値として設定することを特徴とするデータ解析方法。
Based on target sample analysis data obtained by analyzing a target sample including a plurality of elements, a peak due to a specific element among the plurality of elements is selected from a plurality of peaks included in the target sample analysis data A data analysis method for
Obtaining the target sample analysis data;
Obtaining reference sample analysis data obtained by analyzing a reference sample from which at least one of the plurality of elements is removed;
For each of the target sample analysis data and the reference sample analysis data, a classification step of classifying a certain peak into a peak having an intensity equal to or higher than a preset threshold and a peak having an intensity less than the threshold;
A calculation step of calculating mutual information regarding the intensity of the peak of interest before and after the classification;
A selection step of selecting a specific peak derived from the specific element based on the mutual information obtained for each of the plurality of elements;
Have
A data analysis method characterized in that, in the classification step, a value equal to or greater than an average value determined based on an average value of the peak intensity of interest in the reference sample analysis data is set as the threshold value.
請求項11に記載のデータ解析方法であって、
前記計算ステップにおいて計算された相互情報量が、あらかじめ設定された基準相互情報量未満の場合は、前記基準相互情報量以上になるまで前記分類ステップおよび前記計算ステップが繰り返されることを特徴とするデータ解析方法。
The data analysis method according to claim 11, comprising:
If the mutual information amount calculated in the calculation step is less than a preset reference mutual information amount, the classification step and the calculation step are repeated until the mutual mutual information amount is equal to or greater than the reference mutual information amount. analysis method.
複数の要素が含まれる対象サンプルについて分析して得られる対象サンプル分析データに基づいて、前記対象サンプル分析データに含まれる複数のピークから前記複数の要素のうちの特定の要素に起因するピークを選出するデータ解析プログラムであって、
コンピュータを、
前記対象サンプル分析データを取得する手段と、
前記複数の要素のうち少なくとも1つの要素が除かれた参照サンプルについて分析して得られる参照サンプル分析データを取得する手段と、
前記対象サンプル分析データおよび前記参照サンプル分析データのそれぞれについて、ある着目ピークを、あらかじめ設定された閾値以上の強度を有するピークと、前記閾値未満の強度を有するピークとに分類する分類手段と、
前記分類の前後の前記着目ピークの強度に関する相互情報量を計算する計算手段と、
前記複数の要素それぞれについて得られる前記相互情報量に基づいて、前記特定要素に由来する特定ピークを選出する選出手段と、
を有し、
前記分類手段において、前記参照サンプル分析データにおける前記着目ピーク強度の平均値に基づいて決定した平均値以上の値を前記閾値として設定するデータ解析装置として機能させることを特徴とするデータ解析プログラム。
Based on target sample analysis data obtained by analyzing a target sample including a plurality of elements, a peak due to a specific element among the plurality of elements is selected from a plurality of peaks included in the target sample analysis data A data analysis program for
Computer
Means for obtaining the target sample analysis data;
Means for obtaining reference sample analysis data obtained by analyzing a reference sample from which at least one of the plurality of elements is removed;
For each of the target sample analysis data and the reference sample analysis data, a classification means for classifying a certain peak into a peak having an intensity equal to or higher than a preset threshold and a peak having an intensity less than the threshold;
Calculating means for calculating mutual information regarding the intensity of the peak of interest before and after the classification;
Selection means for selecting a specific peak derived from the specific element based on the mutual information obtained for each of the plurality of elements;
Have
A data analysis program that causes the classification means to function as a data analysis apparatus that sets a value equal to or greater than an average value determined based on an average value of the peak intensity of interest in the reference sample analysis data as the threshold value.
請求項13に記載のデータ解析プログラムであって、
前記計算手段において計算された相互情報量が、あらかじめ設定された基準相互情報量未満の場合は、前記分類手段および前記計算手段は前記基準相互情報量以上になるまでそれぞれ分類および計算を繰り返すことを特徴とするデータ解析プログラム。

A data analysis program according to claim 13, comprising:
If the mutual information amount calculated by the calculating means is less than a preset reference mutual information amount, the classification means and the calculating means repeat the classification and calculation until the reference mutual information amount is greater than or equal to the reference mutual information amount. A featured data analysis program.

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