JP2008281469A - 質量分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出力安定時間をなくして、一連の質量走査にかかる時間を短縮し、全体のスループットを向上させることができる四重極型質量分析装置を提供する。
【解決手段】イオン化室１１と、イオン化室１１から出射したイオンを収束させるレンズ１５，１９と、イオンを質量分離する四重極質量フィルタ２２，２３と、四重極質量フィルタ２２，２３を通過したイオンを検出する検出器２４と、レンズ１５，１９に電圧を供給するレンズ電源部３１，３２と、四重極質量フィルタ２２，２３に直流電圧と高周波電圧を供給する四重極電源部３３と、レンズ電源部３１，３２と四重極電源部３３とを制御して質量走査する制御部６とを備え、制御部６は、最小質量数に対応する最小電圧から最大質量数に対応する最大電圧までの線形増加と、この線形増加に引き続く、最大電圧から最小電圧までの線形減少との繰り返しからなる三角波の質量走査を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液体クロマトグラフ質量分析（ＬＣ／ＭＳ）の検出器等として使用される質量分析装置に関するものであり、更に詳しくは、四重極型質量分析装置の質量走査（質量スキャン）技術に関する。

質量分離器として四重極質量フィルタを利用した四重極型質量分析装置では、中心軸を取り囲むように互いに平行に配置された４本のロッド電極に印加する電圧により、四重極質量フィルタを通過する。つまりは選別されるイオンの質量数が決まる。具体的には、４本のロッド電極の中で、中心軸を挟んで対向する２本のロッド電極に＋（Ｕ＋Ｖ・cosωｔ）、他の２本のロッド電極に−（Ｕ＋Ｖ・cosωｔ）なる、直流電圧（Ｕ）に高周波電圧（Ｖ・cosωｔ）を重畳させた電圧を印加する。この場合、直流電圧値Ｕと高周波電圧の振幅値Ｖとを変更することにより、４本のロッド電極で囲まれる空間を通り抜け得るイオンの質量数が変化する（特許文献１参照）。

即ち、四重極型質量分析装置では、四重極質量フィルタに印加される直流電圧値Ｕと高周波電圧の振幅値Ｖの値によって決まる特定の質量／電荷数（ｍ／ｚ）のイオンのみが安定な振動をして四重極質量フィルタを通過し、他のｍ／ｚのイオンは発散する。この現象を利用して、四重極質量フィルタに印加される直流電圧値Ｕと高周波電圧の振幅値Ｖとを所定の関係に保持しつつ両電圧を変化させることにより、四重極質量フィルタを通過するイオンのｍ／ｚを順次変化させること（質量走査）ができる。この質量走査により、試料に含まれる種々のｍ／ｚのイオンが検出され、このイオンの検出強度に基づき質量分析の結果としてマスクロマトグラムやマススペクトルが得られる。なお、質量分析においては質量数が異なるものであってもｍ／ｚが同じであれば区別できないため、本明細書では、通常の意味での質量数（陽子の数と中性子の数との和）ｍを電荷数ｚで割ったものを「質量数」と呼ぶこととする。

所定の質量範囲に亘る質量走査を行うには、一般に、Ｕ／Ｖを一定に保ってＵとＶとを時間経過に伴って変化させる。又、例えば液体クロマトグラフやガスクロマトグラフの検出器として質量分析装置を用いる場合には、時間経過に伴って順次得られる試料中の各種成分を検出するために、所定質量範囲に亘る質量走査を繰り返すスキャン測定が行われる。スキャン測定によって得られる検出信号に基づいて横軸に質量数（質量電荷比ｍ／ｚ）、縦軸にイオン強度（信号強度）をとった質量スペクトルを作成することができる。

これまで、質量数ｍ／ｚの質量走査時には、例えば、最小質量数ＭＳ＝１０ｍ／ｚから最大質量数ＭＥ＝１０００ｍ／ｚに設定し、それを繰り返す鋸波の走査をしている。

このような最小質量数ＭＳ＝１０ｍ／ｚから最大質量数ＭＥ＝１０００ｍ／ｚに質量走査して、そして、又、最小質量数ＭＳ＝１０ｍ／ｚから開始するという鋸波の波形の繰り返し走査においては、レンズ系の電圧、四重極質量フィルタの直流電圧値Ｕと高周波電圧の振幅値Ｖの設定は、図４の様に、最小質量数ＭＳに対応する最小電圧Ｖ_MSから最大質量数ＭＥに対応する最大電圧Ｖ_MEになり、そして、最小電圧Ｖ_MS設定となる鋸波の波形の繰り返し走査になる。最大電圧Ｖ_MEから最小電圧Ｖ_MSに変化させると、出力電圧の安定に時間がかかるので、図４に示すように出力安定時間Ｔ_Sをとっている。現在のところ、出力安定時間Ｔ_S＝８ｍｓ程度が必要である。
特開平１０−２７５７０号公報

このように、従来の四重極型質量分析装置における鋸波の波形の繰り返し走査では、出力安定時間Ｔ_S＝８ｍｓが必要であり、一連の質量走査にかかる時間が長く、全体のスループットが低い問題があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、出力安定時間Ｔ_Sをなくして、一連の質量走査にかかる時間を短縮し、全体のスループットを向上させることができる質量分析装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の態様は、（イ）試料をイオン化するイオン化室と、
（ロ）イオン化室から出射したイオンを収束させるレンズと、（ハ）イオンを質量分離する四重極質量フィルタと、（ニ）四重極質量フィルタを通過したイオンを検出する検出器と、（ホ）レンズに電圧を供給するレンズ電源部と、（ヘ）四重極質量フィルタに直流電圧と高周波電圧を供給する四重極電源部と、（ト）レンズ電源部と四重極電源部とを制御して質量走査する制御部とを備える質量分析装置であることを要旨とする。そして、本発明の態様に係る質量分析装置の制御部は、最小質量数に対応する最小電圧から最大質量数に対応する最大電圧までの線形増加と、この線形増加に引き続く、最大電圧から最小電圧までの線形減少との繰り返しからなる三角波の質量走査を行うことを特徴とする。

本発明によれば、出力安定時間Ｔ_Sをなくして、一連の質量走査にかかる時間を短縮し、全体のスループットを向上させることができる質量分析装置を提供することができる。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。又、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品や構成回路等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

本発明の実施の形態に係る四重極型質量分析装置は、図１に示ように、イオン源であるイオン化室１１と、プレ四重極質量フィルタ２２、主四重極質量フィルタ２３、及び検出器２４が配設された分析室２１とを備える液体クロマトグラム質量分析装置（ＬＣ／ＭＳ）である。この液体クロマトグラム質量分析装置は、イオン化部として大気圧イオン化法の１つであるエレクトロスプレイイオン化法を利用したものであり、イオン化室１１には、図示しない液体クロマトグラフのカラム出口端に接続されたノズル１２が配設されている。イオン化室１１と分析室２１との間には、それぞれ隔壁で隔てられた第１中間真空室１４と第２中間真空室１８とが設けられている。更に、イオン化室１１と第１中間真空室１４との間は細径の脱溶媒パイプ１３を介して連通しており、第１中間真空室１４と第２中間真空室１８との間はスキマー１６の頂部に設けられた極小径の通過孔（オリフィス）１７を介して通過している。又、第２中間真空室１８と分析室２１との間は隔壁２０に設けられた小開口を介して連通している。

イオン化室１１の内部は、ノズル１２から連続的に供給される液体試料の気化分子によりほぼ大気圧雰囲気（約１００ｋＰａ）になっており、次段の第１中間真空室１４の内部はロータリポンプ２７により約１０²Ｐａの低真空状態まで真空排気される。又、その次段の第２中間真空室１８の内部はターボ分子ポンプ２８により約１０^−１〜１０^−２Ｐａの中真空状態まで真空排気され、最終段の分析室２１内は別のターボ分子ポンプ２９により約１０^−３〜１０^−４Ｐａの高真空状態まで真空排気される。即ち、イオン化室１１から分析室２１に向かって各室毎に真空度を段階的に高くした多段差動排気系の構成とすることによって、最終段の分析室２１内を高真空状態に維持している。

第１中間真空室１４及び第２中間真空室１８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光学系が配設されている。即ち、第１中間真空室１４内には複数（４枚）の板状電極を傾斜状に３列に配設した第１レンズ電極１５が設けられており、この電極１５により形成する電場によって脱溶媒パイプ１３を介してのイオンの引き込みを助けるとともに、イオンをスキマー１６のオリフィス１７近傍に収束させる。又第２中間真空室１８内には、イオン光軸Ｃを取り囲むように８本のロッド電極を配置したオクタポール型の第２レンズ電極１９が設けられており、これによりイオンは収束されて分析室２１内へと送られる。

第１レンズ電極１５、第２レンズ電極１９、プレ四重極質量フィルタ２２、主四重極質量フィルタ２３にはそれぞれ第１レンズ電源部３１，第２レンズ電源部３２，四重極電源部３３より所定の電圧が印加される。特にプレ四重極質量フィルタ２２、主四重極質量フィルタ２３には、選別する質量数に応じて、ＲＦ生成部３６で生成された所定の高周波電圧ＶcosωｔとＤＣ生成部３４で生成された所定の直流電圧Ｕとが合成部３５で加算された電圧±（Ｕ＋Ｖ・cosωｔ）が印加されるようになっている。

これら第１レンズ電源部３１，第２レンズ電源部３２，四重極電源部３３などの動作はマイクロコンピュータを中心に構成される制御部６により統括的に制御される。なお、図１に記載のもの以外にも、各部には所定の電圧（主として直流電圧）が印加されるようになっているが、図面が繁雑になるため記載を省略している。制御部６は、第１レンズ電源部３１の電圧，第２レンズ電源部３２の電圧，四重極電源部３３の直流電圧値Ｕと高周波電圧の振幅値Ｖを質量走査時に設定する機能を有する。即ち、制御部６は、第１レンズ電源部３１の電圧，第２レンズ電源部３２の電圧，四重極電源部３３の直流電圧値Ｕと高周波電圧の振幅値Ｖの設定を、図３に示すように、最小電圧Ｖ_MSから最大電圧Ｖ_MEに線形増加し、そして、最大電圧Ｖ_MEから最小電圧Ｖ_MSに線形減少する三角波状に設定することで、電圧の出力安定時間Ｔ_Sをなくし、一連の質量走査にかかる時間を短縮して、スループットを向上させる。最小電圧Ｖ_MSは最小質量数ＭＳに対応し、最大電圧Ｖ_MEは最大質量数ＭＥに対応する。最小質量数ＭＳは、例えば、１０ｍ／ｚであり、最大質量数ＭＥは、例えば、１０００ｍ／ｚである。最小電圧Ｖ_MSから最大電圧Ｖ_MEに走査する時間Ｔ１と、最大電圧Ｖ_MEから最小電圧Ｖ_MSに走査する時間Ｔ２とは、必ずしも等しい必要はないが、Ｔ１＝Ｔ２としてもよいことは勿論である。第１レンズ電源部３１の電圧，第２レンズ電源部３２の電圧，四重極電源部３３の直流電圧値Ｕと高周波電圧の振幅値Ｖの設定を、図３に示すように三角波状に設定すれば、出力安定時間Ｔ_Sをなくすことができるので、一連の質量走査にかかる時間を減少して、スループットを向上させることができる。

図２に示すように、制御部６は、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）６１等のプログラマブル・ロジック・デバイス（ＰＬＤ）と、中央演算処理装置（ＣＰＵ）６２等の演算処理回路と、質量走査設定テーブル６３等の記憶装置を備える。

質量走査設定テーブル６３には、実施の形態に係る四重極型質量分析装置で測定可能な最小質量数ＭＳと最大質量数ＭＥとの間の質量範囲の各質量数を有するイオンがプレ四重極質量フィルタ２２、主四重極質量フィルタ２３を通過する条件である電圧を決める質量走査基準データが各質量数ｍ／ｚに対応して格納されている。即ち、質量走査設定テーブル６３には、第１レンズ電源部３１の電圧，第２レンズ電源部３２の電圧，四重極電源部３３の直流電圧値Ｕと高周波電圧の振幅値Ｖの設定を、図３に示すように、最小電圧Ｖ_MSから最大電圧Ｖ_MEに線形増加し、そして、最大電圧Ｖ_MEから最小電圧Ｖ_MSに線形減少する三角波状に設定する質量走査のパラメータが格納されている。

ＣＰＵ６２は、図２に示すように、スキャン制御モジュール６２１、パラメータ設定モジュール６２２、信号Ａ／Ｄ制御モジュール６２３等を備える。

図２に示すように、ＦＰＧＡ６１は、スキャンＤ／Ａ設定モジュール６１１、信号Ａ／Ｄ処理モジュール６１２等を備える。ＦＰＧＡ６１には、第１レンズＤ／Ａコンバータ６４，第２レンズＤ／Ａコンバータ６５，四重極ＤＣ Ｄ／Ａコンバータ６６，四重極ＲＦ Ｄ／Ａコンバータ６７及び信号Ａ／Ｄコンバータ６８が接続されている。第１レンズＤ／Ａコンバータ６４，第２レンズＤ／Ａコンバータ６５，四重極ＤＣ Ｄ／Ａコンバータ６６，四重極ＲＦ Ｄ／Ａコンバータ６７及び信号Ａ／Ｄコンバータ６８には、それぞれ、第１レンズ電源部３１，第２レンズ電源部３２，四重極電源部３３のＤＣ生成部３４、四重極電源部３３のＲＦ生成部３６、検出器２４が接続されている。

第１レンズＤ／Ａコンバータ６４は，ＦＰＧＡ６１のスキャンＤ／Ａ設定モジュール６１１から送られたデータをアナログ電圧に変換して出力し第１レンズ電源部３１を駆動し直流電圧値を生成させる。第２レンズＤ／Ａコンバータ６５は、スキャンＤ／Ａ設定モジュール６１１から送られたデータをアナログ電圧に変換して出力し，第２レンズ電源部３２を駆動し直流電圧値を生成させる。四重極ＤＣ Ｄ／Ａコンバータ６６はスキャンＤ／Ａ設定モジュール６１１から送られたデータをアナログ電圧に変換して出力し，四重極電源部３３のＤＣ生成部３４を駆動し直流電圧値Ｕを生成させる。四重極ＲＦ Ｄ／Ａコンバータ６７はスキャンＤ／Ａ設定モジュール６１１から送られたデータをアナログ電圧に変換して出力し，四重極電源部３３のＲＦ生成部３６を駆動し高周波電圧の振幅値Ｖを生成させる。信号Ａ／Ｄコンバータ６８は検出器２４から送られたアナログデータをディジタルデータに変換して出力し，ＦＰＧＡ６１の信号Ａ／Ｄ処理モジュール６１に送信する。

この結果、制御部６は、第１レンズ電源部３１の電圧，第２レンズ電源部３２の電圧，四重極電源部３３の直流電圧値Ｕと高周波電圧の振幅値Ｖの設定を、図３に示すように、最小電圧Ｖ_MSから最大電圧Ｖ_MEに、そして、最大電圧Ｖ_MEから最小電圧Ｖ_MSに三角波状に設定することで、電圧の出力安定時間Ｔ_Sをなくし、一連の質量走査にかかる時間を短縮して、スループットを向上させることができる。

次に、本発明の実施の形態に係る四重極型質量分析装置の動作を概略的に説明する。ほぼ連続的に供給される液体試料はノズル１２の先端から電荷を付与されながらイオン化室１１内に噴霧（エレクトロスプレイ）され、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１１と第１中間真空室１４との差圧により脱溶媒パイプ１３中に引き込まれ、加熱されている脱溶媒パイプ１３を通過する過程で更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１４内に配設された第１レンズ電極１５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１４内に入り、収束されてオリフィス１７を通して第２中間真空室１８に送られる。

第２中間真空室１８内ではオクタポール型の第２レンズ電極１９により形成される電場の作用により、更にイオンは収束されて分析室２１へと送られる。分析室２１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数を有するイオンのみが、プレ四重極質量フィルタ２２、主四重極質量フィルタ２３の長軸方向の空間を通り抜け、それ以外の質量数を持つイオンは途中で発散する。そして、プレ四重極質量フィルタ２２、主四重極質量フィルタ２３を通り抜けたイオンは検出器２４に到達し、検出器２４ではそのイオン量に応じたイオン強度信号を出力する。なお、検出器２４による検出信号はディジタルデータに変換されて、制御部６中のデータ処理装置に入力され、そこで所定のデータ処理が実行される。

本発明の実施の形態に係る四重極型質量分析装置では、四重極電源部３３よりプレ四重極質量フィルタ２２、主四重極質量フィルタ２３に印可する電圧±（Ｕ＋Ｖ・cosωt）のＵ／Ｖの関係を一定に保ちつつ、直流電圧値Ｕと高周波電圧の振幅値Ｖとを走査することにより質量走査が行えるようになっている。その際に、直流電圧値Ｕの走査を図３に示すように、三角波になるように制御するので、電圧の出力安定時間Ｔ_Sをなくし、一連の質量走査にかかる時間を短縮して、スループットを向上させることができる。

本発明は上記の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

既に述べた実施の形態の説明は一例であって、本発明の要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。例えば、制御部６の構成は一例であり、適宜に変更しても同様の機能を達成できる。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明の実施の形態に係る四重極型質量分析装置の全体構成図である。 図１に示した四重極型質量分析装置の制御部の主要部の概略を説明するブロック構成図である。 本発明の実施の形態に係る四重極型質量分析装置の質量走査を説明するための図である。 従来の四重極型質量分析装置の質量走査を説明するための図である。

符号の説明

１１…イオン化室
１２…ノズル
１３…脱溶媒パイプ
１４…第１中間真空室
１５…第１レンズ電極
１５…電極
１６…スキマー
１７…オリフィス
１８…第２中間真空室
１９…第２レンズ電極
２０…隔壁
２１…分析室
２２…プレ四重極質量フィルタ
２３…主四重極質量フィルタ
２４…検出器
２７…ロータリポンプ
２８…ターボ分子ポンプ
２９…ターボ分子ポンプ
３１…第１レンズ電源部
３２…第２レンズ電源部
３３…四重極電源部
３４…ＤＣ生成部
３５…合成部
３６…ＲＦ生成部
６１…処理モジュール
６１…ＦＰＧＡ
６２…ＣＰＵ
６３…質量走査設定テーブル
６４…第１レンズＤ／Ａコンバータ
６５…第２レンズＤ／Ａコンバータ
６６…四重極ＤＣ Ｄ／Ａコンバータ
６７…四重極ＲＦ Ｄ／Ａコンバータ
６８…信号Ａ／Ｄコンバータ
６１１…スキャンＤ／Ａ設定モジュール
６１２…信号Ａ／Ｄ処理モジュール
６２１…スキャン制御モジュール
６２２…パラメータ設定モジュール
６２３…信号Ａ／Ｄ制御モジュール

Claims (1)

1. 試料をイオン化するイオン化室と、
   イオン化室から出射したイオンを収束させるレンズと、
   前記イオンを質量分離する四重極質量フィルタと、
   前記四重極質量フィルタを通過した前記イオンを検出する検出器と、
   前記レンズに電圧を供給するレンズ電源部と、
   前記四重極質量フィルタに直流電圧と高周波電圧を供給する四重極電源部と、
   前記レンズ電源部と前記四重極電源部とを制御して質量走査する制御部
   とを備え、前記制御部は、最小質量数に対応する最小電圧から最大質量数に対応する最大電圧までの線形増加と、該線形増加に引き続く、前記最大電圧から前記最小電圧までの線形減少との繰り返しからなる三角波の質量走査を行うことを特徴とする質量分析装置。

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