JP2018032481A - 質量分析装置及び質量分析装置用ソフトウエア - Google Patents

Abstract

【課題】フィラメント寿命の長い質量分析装置を提供する。【解決手段】本発明に係る質量分析装置は、熱電子を用いて試料をイオン化する質量分析装置であって、熱電子を生成するフィラメント２１２と、フィラメント２１２に供給する電力の大きさに対応して変化するパラメータの値を検出するパラメータ検出部３１１と、パラメータ検出部３１１が、前記電力が所定値を超えていることを示すパラメータの値を検出したときに所定の警告を発出する警告処理部３１２とを備える。これにより、ユーザがフィラメントへの電力の供給量が多いことを認識することができ、不必要であれば電力の供給量を低下させるための操作を行うこと等、電力を適切に設定する動機付けをユーザに与えることができる。【選択図】図２

Description

本発明は質量分析装置及び質量分析装置用ソフトウエアに関し、特に、熱電子で試料を直接イオン化する又は熱電子でバッファイオンを生成し、それにより試料をイオン化する質量分析装置及びそれに用いるソフトウエアに関する。

クロマトグラフ質量分析装置では、クロマトグラフ部のカラムで試料の成分を時間的に分離して質量分析部に導入し、質量分析部で試料をイオン化したうえで順次マススペクトルを取得する。質量分析部で試料をイオン化する方法の１つに、電子イオン化（ＥＩ）法がある。電子イオン化法では一般に、フィラメントを熱することにより熱電子を生成し、該熱電子を加速電圧で加速したうえで試料の分子に衝突させて該分子をイオン化する（例えば特許文献１参照）。また、熱電子によりバッファイオンを生成し、該バッファイオンを試料ガスに衝突させることにより試料をイオン化する化学イオン化（ＣＩ）法もよく用いられる。

これら質量分析装置では、単位時間当たりに生成される熱電子の量が多いほど生成されるイオンの量も多くなり、高感度の検出が可能となる。単位時間当たりに生成される熱電子の量を多くするためには、フィラメントに供給する電力を大きくすればよい。その一方で、フィラメントに供給する電力を大きくした状態で使用し続けると、フィラメントの寿命が短くなってしまう。そのため、これら質量分析装置では一般に、ユーザが検出感度を設定（例えば、高感度モードから高濃度（低感度）モードの間の数段階から選択）することができるようになっている。これにより、高感度な検出を行う必要があるときにはフィラメントに供給する電力を大きくし、高感度での検出が不要であるときには該電力を抑えるという設定を、ユーザが行うことができる。

特開2007-227255号公報

このようにフィラメントに供給する電力はユーザが行う設定によって調整することが可能であるものの、ユーザは、フィラメントの寿命を意識することなく、高感度な検出を行うことを選択しがちである。そのため、必要以上に高感度な状態、すなわちフィラメントに供給する電力が必要以上に大きい状態、が常態となり、フィラメントの寿命を不必要に縮めてしまうおそれがある。

本発明が解決しようとする課題は、よりフィラメント寿命の長い質量分析装置及び質量分析装置用ソフトウエアを提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明は、熱電子を用いて試料をイオン化する質量分析装置であって、
a) 熱電子を生成するフィラメントと、
b) 前記フィラメントに供給する電力の大きさに対応して変化するパラメータの値を検出するパラメータ検出部と、
c) 前記パラメータ検出部が、前記電力が所定値を超えていることを示すパラメータの値を検出したときに所定の警告を発出する警告処理部と
を備えることを特徴とする。

本発明に係る質量分析装置によれば、フィラメントに供給する電力が所定値を超えているときに、そのことを示すパラメータをパラメータ検出部が検出し、警告処理部が所定の警告を発出する。これにより、ユーザがフィラメントへの電力の供給量が多いことを認識することができ、不必要であれば電力の供給量を低下させるための操作を行うこと等、電力を適切に設定する動機付けをユーザに与えることができる。

前記パラメータには、フィラメントに供給する電流又は電圧を用いることができる。また、フィラメントから放出された熱電子によりイオン源内に生成される熱電子の流れ（熱電子流）も、フィラメントに供給する電力の大きさに対応して変化するため、前記パラメータとして用いることができる。フィラメントを用いたイオン源では従来より、フィラメントに供給される電力等ではなく、試料に対して直接作用するため試料のイオン化の効率をより直接的に表しているという点で熱電子流を測定している（特許文献１の背景技術の欄参照）ことから、前記パラメータには熱電子流を用いることが好適である。さらには、フィラメントが発する光（赤外線）の強度を検出して前記パラメータとして用いてもよい。あるいは、ユーザが設定する検出感度がフィラメントの電力と直接対応している場合には、当該検出感度の設定を前記パラメータとして用いてもよい。

警告処理部が発出する警告は、所定の画像を表示画面上に表示するものや、光あるいは音を発するもの等を用いることができる。但し、フィラメントに供給する電力が所定値を超えて警告が発出される状態であっても、検出感度を高くする必要がある場合には分析を続行する必要があるため、警告が発出され続けてもユーザに大きな心理的負荷を掛けない方が望ましい。この点で、警告処理部が発出する警告には、所定の画像を表示画面上に表示するものが好ましい。

本発明に係る質量分析装置用ソフトウエアは、前記質量分析装置の前記警告処理部における処理をコンピュータに実行させるソフトウエアであることを特徴とする。

本発明に係る質量分析装置及び質量分析装置用ソフトウエアによれば、フィラメントに供給する電力が所定値を超えているときに警告処理部が所定の警告を発出することで、ユーザがフィラメントに供給する電力を適切に設定することに資する。これにより、フィラメントの寿命を不必要に縮めてしまうということがなく、より長い時間、フィラメントを使用することができるようになる。

本発明に係る質量分析装置の一実施形態につき、全体の概略構成を示す図。 本実施形態の質量分析装置が有するイオン源の構成の詳細を示す図。 本実施形態の質量分析装置における表示部に表示される画面の全体の一例を示す図。 本実施形態の質量分析装置の表示部中のフィラメント交換時期表示窓に、フィラメントに供給する電力が所定値を超えていることの警告を表示していない状態(a)と、警告を表示している状態(b)を示す図。 本実施形態の質量分析装置が有するイオン源の構成の変形例を示す図。

図１〜図５を用いて、本発明に係る質量分析装置及び質量分析装置用ソフトウエアの実施形態を説明する。

図１は、本発明に係る質量分析装置の一実施形態であるガスクロマトグラフ質量分析装置１の全体の構成を示す図である。このガスクロマトグラフ質量分析装置１は、ガスクロマトグラフ部（ＧＣ部）１０と質量分析部（ＭＳ部）２０を有する。ＧＣ部１０は、試料を導入するインジェクタ１１と、インジェクタ１１で導入された試料の成分を分離するカラム１２を有する。

ＭＳ部２０は、カラム１２を通過した試料の分子をイオン化するイオン源２１と、イオン源２１でイオン化されたイオンを収束するイオンレンズ２２と、印加電圧を制御することによって該印加電圧で定まる質量電荷比m/zを有するイオンのみを通過させる四重極フィルタ２３と、四重極フィルタ２３を通過したイオンを検出する検出器２４を有する。ＭＳ部２０の全体は真空容器２５内に収容されており、該真空容器２５内は真空ポンプ２６によって真空に保たれる。

さらに、ガスクロマトグラフ質量分析装置１には、各部の動作を制御する制御部３１、後述の熱電子電流の設定値（検出感度）を含む各種の分析条件をユーザが入力する入力部３２、及び後述の警告画像を含む各種情報を表示する表示部３３が設けられている。これら制御部３１、入力部３２、及び表示部３３は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）３０のハードウエア及びソフトウエアにより具現化されている。制御部３１の機能及び表示部３３で表示される情報については、後で詳述する。

次に、イオン源２１の構成を説明する。イオン源２１は、図２に示すように、イオン化室２１１を有する。イオン化室２１１の壁は導電性の材料から成り、接地されている。イオン化室２１１には、カラム１２を通過した試料の分子を導入する試料分子導入口２１１１と、試料の分子がイオン化されたイオンを引き出すイオン引き出し口２１１２と、熱電子を導入する熱電子導入口２１１３と、熱電子を送出する熱電子送出口２１１４が設けられている。イオン引き出し口２１１２の外には前述のイオンレンズ２２が設けられており（図２には図示せず）、イオンレンズ２２とイオン化室２１１の電位差によりイオン化室２１１内の電子がイオンレンズ２２側に引き出される。

また、イオン源２１は、熱電子導入口２１１３の外側に配置された、熱電子を生成するフィラメント２１２を有する。フィラメント２１２には、該フィラメント２１２に電圧を印加し、該電圧が可変であるフィラメント電源２１３が接続されている。フィラメント電源２１３の電圧は制御部３１により制御される。フィラメント２１２とイオン化室２１１の壁（すなわち接地）には、両者の間にフィラメント２１２側を負とする電位差を付与する熱電子加速電源２１４が接続されている。

さらに、イオン源２１は、熱電子送出口２１１４の外側配置された熱電子コレクタ２１５を有する。熱電子コレクタ２１５は、フィラメント２１２で生成されてイオン化室２１１内を通過した熱電子を収集するものである。熱電子コレクタ２１５とイオン化室２１１の壁（接地）には、両者の間に熱電子コレクタ２１５側を正とする電位差を付与するコレクタ電源２１６と、フィラメント２１２と熱電子コレクタ２１５の間に流れる（熱電子コレクタ２１５で収集された）熱電子による電流（以下、「熱電子電流」とする）の値を測定する熱電子電流計２１７が設けられている。熱電子電流計２１７は通常の電流計であって、その出力値、すなわち熱電子電流の値を制御部３１に送信するように該制御部３１に接続されている。

制御部３１は、ガスクロマトグラフ質量分析装置１の各種の処理を行う機能を有しているが、ここでは本発明においてフィラメント２１２に供給する電力が所定値を超えているときに警告を発するための構成であるパラメータ検出部３１１及び警告処理部３１２について説明する。パラメータ検出部３１１は、熱電子電流計２１７からの出力値である熱電子電流の値を受信する。警告処理部３１２は、パラメータ検出部３１１が受信した熱電子電流の値が所定値を超えているか否かを判定し、該所定値を超えているときに、表示部３３に後述の警告表示をさせるための信号を該表示部３３に送信する。

図３に、表示部３３で表示される情報の一例を示す。この例では、表示部３３の画面上にクロマトグラム表示領域３３１と、マススペクトル表示領域３３２と、分析条件表示・入力領域３３３と、装置モニタ領域３３４が表示されている。クロマトグラム表示領域３３１に表示されるクロマトグラム、及びマススペクトル表示領域３３２に表示されるマススペクトルは、分析中に随時更新されるようになっている。分析条件表示・入力領域３３３は、フィラメント２１２に供給する電力を左右する熱電子電流の設定値を含む分析条件が表示されると共に、入力部３２を用いて分析条件を入力することができるようになっている。なお、分析条件は、分析条件表示・入力領域３３３に直接入力する方法の他に、分析条件等が記録されたファイル（メソッドファイル）を読み込ませることで入力することもできる。その場合には、読み込ませたメソッドファイルの内容が分析条件表示・入力領域３３３に表示される。

装置モニタ領域３３４には、ガスクロマトグラフ質量分析装置１中の各部の動作状況（ガスの流量、各部の温度や真空度、イオン化モード（「ＥＩ」、「ＣＩ」等））が表示される。また、装置モニタ領域３３４には、ＧＣ部１０及びＭＳ部２０で用いられている消耗品の交換時期を知らせる消耗品情報表示部３３５（図中の「ＧＣ消耗品」欄及び「ＭＳ消耗品」欄）が設けられている。「ＧＣ消耗品」では「セプタム」及び「ガラスインサート」、「ＭＳ消耗品」では「フィラメント」、「イオン源」、「検出器」が、交換時期を知らせる対象となっており、消耗品情報表示部３３５には各消耗品に対して1個ずつ、表示窓が設けられている。消耗品の交換時期は装置の稼働時間に基づいて消耗品毎に管理されており、交換時期に近くなる程、消耗品情報表示部３３５の表示窓の背景の色が濃く表示される。

本実施形態ではさらに、警告処理部３１２から警告表示をさせるための信号が表示部３３に入力されたときに、以下のように消耗品情報表示部３３５中のフィラメント交換時期表示窓３３５１に警告表示がなされる。当該警告表示がなされていない状態では、フィラメント交換時期表示窓３３５１にはフィラメントを図案化した黒色の記号ものが表示される（図４(a)）のに対して、当該警告表示がなされている状態では、フィラメント交換時期表示窓３３５１には上記黒色の記号に加えて赤色の上向きの矢印が表示される（図４(b)）。なお、いずれの場合にも、背景には上述の通り装置の稼働時間に基づいて求められたフィラメントの交換時期の近さを示す色で背景が表示される。

本実施形態のガスクロマトグラフ質量分析装置１の動作を、本発明に関わる点を中心に説明する。まず、ユーザが、分析条件表示・入力領域３３３に分析条件を入力するか、メソッドファイルを読み込ませることにより、分析条件が設定される。その際、入力される分析条件の1つとして熱電子電流の設定値が挙げられる。この設定値が大きい程、イオン源２１内で試料の分子と熱電子が衝突する確率が高くなってイオンが多く生成されるため検出感度が高くなる一方、より多くの電力をフィラメント２１２に供給する必要が生じるためフィラメント２１２の寿命が短くなる。

入力された分析条件に従って分析が開始されると、試料がインジェクタ１１から導入され、該試料がカラム１２を通過する間に成分毎に分離される。そして、試料を構成する分子が成分毎に異なる保持時間でイオン源２１に到達し、試料分子導入口２１１１からイオン化室２１１内に導入される。

イオン源２１では、フィラメント電源２１３からフィラメント２１２に電力が供給されることにより、フィラメント２１２から熱電子が放出される。この熱電子は熱電子加速電源２１４でフィラメント２１２とイオン化室２１１の壁の間に印加された加速電圧により加速されて熱電子導入口２１１３からイオン化室２１１内に導入される。イオン化室２１１内では熱電子の一部が試料の分子に衝突し、該分子がイオン化される。

こうして生成されたイオンは、イオンレンズ２２で収束され、四重極フィルタ２３への印加電圧により定まる所定の質量電荷比m/zを有するイオンのみが該四重極フィルタ２３を通過して検出器２４で検出される。これらイオンレンズ２２、四重極フィルタ２３及び検出器２４の動作は通常のガスクロマトグラフ質量分析装置と同様であるため、詳細な説明を省略する。

イオン化室２１１内の熱電子は、熱電子送出口２１１４からイオン化室２１１の外に送出される。送出された熱電子は、コレクタ電源２１６で与えられる熱電子コレクタ２１５とイオン化室２１１の壁との電位差により、該熱電子コレクタ２１５に捕獲され、熱電子電流計２１７から熱電子電流の値が出力される。

制御部３１は、熱電子電流計２１７から出力された熱電子電流の値に基づいて、熱電子電流がユーザにより設定された値に近づけるように、熱電子加速電源２１４の出力電圧をフィードバック制御する。なお、このフィードバック制御は、イオン化室２１１内の分子の濃度によって熱電子電流が変動するため必要となるものである。そのため、熱電子電流が同じ値であっても、分子の濃度によってフィラメントに供給される電力が多少相違することとなるものの、その相違はフィラメントに供給する電力の大きさを示す指標として熱電子電流を用いることに支障が生じるほど大きいものではない。

この制御部３１によるフィードバック制御と共に、制御部３１のパラメータ検出部３１１は、熱電子電流の値を受信して警告処理部３１２に送信する。警告処理部３１２は、熱電子電流の値が所定値を超えているか否かを判定し、所定値を超えていれば、警告表示のための信号を表示部３３に送信する。表示部３３に表示されるフィラメント交換時期表示窓３３５１は、警告処理部３１２からの信号を受けて、図４(b)に示した警告を表示する。フィラメント２１２に供給する電力が大きい程、熱電子電流も大きくなることから、警告を表示すべきフィラメント２１２への供給電力に対応して熱電子電流の前記所定値を定めておくことにより、適切な条件下で警告を発出することができる。

このような警告を表示することにより、当該警告表示を見たユーザが、フィラメント２１２への電力の供給量が多いことを認識することができる。そして、不必要であれば電力の供給量を低下させるための操作を行うこと等、電力を適切に設定する動機付けをユーザに与えることができる。一方、高感度でのイオンの検出が必要である場合には、警告表示に関わらず、分析を続行すればよい。

本発明は、上記実施形態には限定されない。
例えば、上記実施形態ではフィラメント２１２に供給する電力に対応して変化するパラメータとして熱電子電流計２１７で測定した熱電子電流の値を用いたが、フィラメント２１２に供給する電流や電圧を測定して当該パラメータとしてもよい。図５に示したイオン源２１Ａでは、通常の電流計から成るフィラメント電流計２１８を用いて、フィラメント２１２に流れるフィラメント電流の値を求めている。このフィラメント電流計２１８の出力は、パラメータ検出部３１１に入力され、当該値が所定値を超えていれば警告処理部３１２が上記と同様の警告処理を行う。なお、イオン源２１Ａには、熱電子電流のフィードバック制御を行うために、熱電子電流計２１７も設けられている。このように、イオン源２１Ａでは前述のイオン源２１よりも余分に電流計（フィラメント電流計２１８）を用いる必要があるものの、フィラメント２１２に供給する電力により近いパラメータであるフィラメント電流に基づいて、より適切な警告を行うことができる。

また、上記実施形態ではユーザが熱電子電流の設定値を入力するが、その代わりに、検出感度を数段階の数値で入力（数値を直接入力、プルダウンで選択、スライドバーを移動させて設定等）するようにしてもよい。その場合、この検出感度の数値に応じて、熱電子電流あるいはフィラメント電流の値を設定する。

あるいは、使用者がフィラメント２１２に供給する電力の値を直接入力するようにし、その値を上記パラメータとしてもよい。

図４に示した警告表示は一例であって、例えば図４(b)の上向きの矢印がより目立つように当該矢印を点滅させるようにしてもよいし、この矢印と併用又はそれとは別に警告を示す文字（文章）を表示してもよい。あるいは、警告として音や光を発するようにしてもよい。

さらには、上記実施形態ではガスクロマトグラフ質量分析装置を例に説明したが、同様のフィラメントを用いたイオン源を有する質量分析装置であれば本発明を適用することができる。
その他、本発明はその主旨に沿って、上記実施形態からの種々の変更が可能である。

１…ガスクロマトグラフ質量分析装置
１０…ＧＣ部
１１…インジェクタ
１２…カラム
２０…ＭＳ部
２１、２１Ａ…イオン源
２１１…イオン化室
２１１１…試料分子導入口
２１１２…イオン引き出し口
２１１３…熱電子導入口
２１１４…熱電子送出口
２１２…フィラメント
２１３…フィラメント電源
２１４…熱電子加速電源
２１５…熱電子コレクタ
２１６…コレクタ電源
２１７…熱電子電流計
２１８…フィラメント電流計
２２…イオンレンズ
２３…四重極フィルタ
２４…検出器
２５…真空容器
２６…真空ポンプ
３１…制御部
３１１…パラメータ検出部
３１２…警告処理部
３２…入力部
３３…表示部
３３１…クロマトグラム表示領域
３３２…マススペクトル表示領域
３３３…分析条件表示・入力領域
３３４…装置モニタ領域
３３５…消耗品情報表示部
３３５１…フィラメント交換時期表示窓

Claims (4)

1. 熱電子を用いて試料をイオン化する質量分析装置であって、
   a) 熱電子を生成するフィラメントと、
   b) 前記フィラメントに供給する電力の大きさに対応して変化するパラメータの値を検出するパラメータ検出部と、
   c) 前記パラメータ検出部が、前記電力が所定値を超えていることを示すパラメータの値を検出したときに所定の警告を発出する警告処理部と
   を備えることを特徴とする質量分析装置。
2. 前記パラメータ検出部が、前記イオン源内に生成される熱電子流を前記パラメータとして検出するものであることを特徴とする請求項１に記載の質量分析装置。
3. 前記警告処理部が、前記警告として所定の画像を表示画面上に表示するものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の質量分析装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の質量分析装置の前記警告処理部における処理をコンピュータに実行させる質量分析装置用ソフトウエア。

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