專利名稱：四極型質量分析裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種使用了四極濾質器(mass filter)作為根據質量電荷比(m/z)分離源自試樣的離子的質量分析器的四極型質量分析裝置。
背景技術：
一般地，在四極型質量分析裝置中，將由試樣生成的各種離子導入四極濾質器來僅使具有特定的質量電荷比的離子選擇性地通過，利用檢測器對所通過的離子進行檢測來獲取與尚子的量相應的強度信號。如公知那樣，普通的四極濾質器由被配置成圍繞離子光軸且互相平行的四根桿電極構成，對該四根桿電極分別施加將直流電壓和高頻電壓(交流電壓)相加得到的電壓。能夠通過沿著四極濾質器的離子光軸的方向的空間的離子的質量電荷比取決于施加于桿電極的高頻電壓(振幅)和直流電壓。因此，通過根據分析對象的離子的質量電荷比適當地設定高頻電壓和直流電壓，能夠使作為目標的離子選擇性地通過并對其進行檢測。另外，使施加于桿電極的高頻電壓和直流電壓分別在規定范圍內變化，由此能夠在規定范圍內對通過四極濾質器的離子的質量電荷比進行掃描，根據此時由檢測器得到的信號來制作質譜。這就是所謂的掃描測量。更為詳細地說明施加于四極濾質器的桿電極的電壓，一般使四根桿電極中的隔著離子光軸相對的兩根桿電極之間電連接，對其中一個由兩根桿電極構成的組施加U+V · COSCOt的電壓,對另一個由兩根桿電極構成的組施加-U-V · COSCOt的電壓。該±U是直流電壓，土v*coson是高頻電壓。也有時對各桿電極還附加共用的直流偏置電壓，但該直流偏置電壓與能夠通過的離子的質量電荷比基本無關，因此在此對其忽略。此外，如上所述，嚴格地說，U是直流電壓的電壓值，V是高頻電壓的振幅值，但在以下說明中簡化地記為直流電壓U、高頻電壓V。

當進行上述的掃描測量時，通常進行如下控制在使直流電壓的電壓值U與高頻電壓的振幅值V之比(U/V)保持固定的同時，分別改變U和V(例如參照專利文獻I)。例如在如專利文獻2中記載的以往的四極型質量分析裝置中，利用D/A轉換器將從控制用CPU依次提供的電壓設定數據轉換為模擬電壓，由此生成掃描測量時施加于桿電極的直流電壓U。因此，相對于質量電荷比的變化的直流電壓U的變化為如圖6的(b)所示那樣的大致直線狀。通過調整該直流電壓U來對質量分辨率進行調整，該質量分辨率是質量分析裝置的重要的性能之一。利用基于圖7所示的馬提厄(Mathieu :有時也被稱為馬修)方程式的解的穩定條件的穩定區域圖來簡單地說明該情況。在被桿電極圍成的四極電場中離子能夠穩定地存在(即能夠在飛行途中不發散地通過四極濾質器)的穩定區域S是用如圖7的(a)和圖7的(b)中所示的大致三角形狀的框圍成的區域。伴隨質量電荷比的增加，穩定區域S如圖示那樣向與該質量電荷比的增加方向相同的方向(右方)移動并且擴大其面積。基本上，只要在進行質量掃描時以使直流電壓U連續進入穩定區域S內的方式來改變該電壓U，就能夠使具有作為目標的質量電荷比的離子依次通過四極濾質器。但是，質量分辨率根據表示直流電壓U相對于質量電荷比的變化的直線L橫穿穩定區域S內的哪個位置而不同。因而，為了在整個質量范圍內大致均勻地維持質量分辨率，需要改變直流電壓U，使得直線L橫穿形狀相似且位置和面積依次變化的穩定區域S內相對相同的部分。因此，以往，能夠通過調整“增益”和“偏移”這兩個參數來調整直流電壓U的線性的變化，進而能夠調整質量分辨率。具體地說，“增益”是能夠改變電壓U的變化量與質量電荷比的變化量之比的參數，如圖7的(b)所示，當改變“增益”時，表示質量電荷比與電壓U之間的關系的直線L的斜率發生變化。另一方面，“偏移”是能夠改變質量電荷比的變化(掃描)起點處的電壓U的絕對值的參數，如圖7的(a)所示，當改變“偏移”時，表示質量電荷比與電壓U之間的關系的直線L在電壓U軸方向上進行平移。在以往的四極型質量分析裝置中，在利用標準試樣進行校準時，通過自動調整上述兩個參數來對表示質量電荷比與電壓U之間的關系的直線的斜率、位置進行調整，從而能夠調整質量分辨率。另外，在普通的四極型質量分析裝置中，通過線圈將高頻電壓V與直流電壓U相加并施加于各桿電極。如專利文獻I所記載的那樣，在多數情況下，為了確保施加于桿電極的高頻電壓的振幅值的準確性，通過使用了二極管的檢波電路取出通過線圈后的高頻電壓的包絡線來作為檢波信號，將檢波信號與目標電壓之間的誤差反饋給用于產生高頻電壓的振幅調制器。然而，如在上述文獻中還指出的那樣，檢波用二極管的線性動作范圍并不太寬廣，因此檢波電路的輸出特性有時不是直線而是曲線。在二極管的非線性嚴重的情況下，相對于質量電荷比的變化的高頻電壓V的變化有時例如如圖6的(a)所示那樣成為大的曲線狀。在高頻電壓V與質量電荷比之間的關系如直流電壓U與質量電荷比之間的關系那樣是線性的情況下，利用了基于上述馬提厄方程式的穩定狀態圖的質量分辨率的說明成立，如果高頻電壓V與質量電荷比之間的關系是非線性的，則質量電荷比的范圍內的質量分辨率的均勻性下降。

圖8是改變“增益”和“偏移”時的低質量(m/zl68) 高質量(m/zl893)的質譜的實測例。圖8的(a)是進行了調整以使在高質量區域質量分辨率變得良好時的例子，但是此時可知在中質量區域(m/z652 m/zl225)質量分辨率變差(峰值寬度寬)。圖8的(b)是進行了調整以使在中質量區域質量分辨率變得良好時的例子，此時，在高質量區域分辨率變差。另外，在中質量區域質量分辨率良好，但離子靈敏度下降得相當低。圖8的(c)是使用線性良好的元件來作為用于檢波電路的二極管并進行了調整以使在整個質量區域質量分辨率變得良好時的例子。該狀態是幾乎理想的狀態，但是可實現該狀態的二極管難以到手且與普通的二極管相比成本格外高。專利文獻1:日本特開2002-33075號公報專利文獻2 :日本特開號公報

發明內容
發明要解決的問題本發明是為了解決上述問題而完成的，其主要目的在于提供一種四極型質量分析裝置，其即使在施加于四極濾質器的高頻電壓的相對于質量電荷比的線性差的情況下，也能夠在整個質量電荷比范圍內改善質量分辨率的均勻性。另外，本發明的另一目的在于提供一種能夠不給使用者添麻煩地在整個質量電荷比范圍內自動實現高的質量分辨率的均勻性的四極型質量分析裝置。用于解決問題的方案為了解決上述問題而完成的本發明是一種四極型質量分析裝置，其具備離子源，其對試樣進行離子化；四極濾質器，其由四根電極構成；四極驅動單元，其生成將與通過該四極濾質器的離子的質量電荷比相應的直流電壓與高頻電壓相加得到的電壓并施加于該四極濾質器；以及檢測器，其對通過上述四極濾質器的離子進行檢測，該四極型質量分析裝置的特征在于，上述四極驅動單元包括a)存儲單元,其事先存儲與質量電荷比相應的電壓設定數據，并且分別事先存儲增益、共用偏移、質量對應偏移來作為用于在進行質量掃描時改變與質量電荷比相應的直流電壓的控制參數，其中，該增益用于決定直流電壓與高頻電壓的振幅之比，該共用偏移用于決定不取決于質量電荷比的、根據掃描速度的不同而不同的偏移電壓，該質量對應偏移用于針對質量掃描的范圍內的多個質量電荷比分別設定不同的偏移電壓；以及b)直流電壓生成單元，其在執行質量掃描時生成施加于上述四極濾質器的直流電壓，該直流電壓是至少將以下電壓相加而得到的，即對根據質量電荷比的變化從上述存儲單元獲取到的電壓設定數據進行數字/模擬轉換并與從上述存儲單元獲取到的增益相乘而得到的電壓、對根據該時刻的掃描速度從上述存儲單元獲取到的共用偏移進行數字/模擬轉換而得到的電壓以及對根據質量電荷比的變化從上述存儲單元獲取到的質量對應偏移進行數字/模擬轉換而得到的電壓。在本發明所涉及的四極型質量分析裝置中，通過事先針對質量掃描對象的質量電荷比范圍內的多個質量電荷比適當地設定不同的質量對應偏移，能夠使在一次質量掃描期間施加于四極濾質器的離子選擇用的直流電壓的偏移電壓發生變化。由此，相對于質量電荷比的變化的直流電壓的變化不是線性而成為非線性。

如上所述，在用于對施加于四極濾質器的高頻電壓進行反饋控制的檢波電路的輸出特性具有非線性的情況下，相對于質量電荷比的變化的高頻電壓的振幅的變化必然為非線性，但能夠使直流電壓的變化變為非線性，使得與該高頻電壓的振幅變化的非線性相似。即，能夠使高頻電壓的振幅相對于質量電荷比的變化的特性與直流電壓相對于質量電荷比的變化的特性相似。由此，在進行質量掃描時無論質量電荷比為多少，表示高頻電壓與直流電壓之間的關系的掃描直線都通過基于馬提厄方程式的穩定區域內的相對大致相同的位置。發明的效果因而，根據本發明所涉及的四極型質量分析裝置，即使用于對施加于四極濾質器的高頻電壓進行反饋控制的檢波電路具有非線性特性，也能夠在要進行掃描的整個質量電荷比范圍內使質量分辨率大致均勻。另外，本發明所涉及的四極型質量分析裝置優選構成為還具備調整單元，該調整單元對上述離子源提供組成成分已知的規定的試樣，將通過上述四極濾質器的離子的質量電荷比轉換為多個等級，同時一邊在該質量電荷比固定的狀態下使提供給上述直流電壓生成單元的質量對應偏移發生變化，一邊監視由上述檢測器產生的檢測信號，以使在轉換為多個等級的質量電荷比下質量分辨率一致的方式決定針對各質量電荷比的質量對應偏移。
在該結構中，例如當使用者(分析者)進行按下執行自動調整的指示按鈕等簡單操作時，上述調整單元自動執行針對標準試樣等的分析，在所決定的多個等級的質量電荷比的情況下求出使得質量分辨率大致均勻的質量對應偏移，并存儲到存儲單元中。當然同時還能夠針對多個掃描速度分別求出恰當的共用偏移。因而，根據該結構，能夠不給使用者添麻煩地、自動地在整個質量電荷比范圍內將質量分辨率調整為大致均勻。


圖1是本發明的一個實施例的四極型質量分析裝置的主要部分的結構圖。圖2是圖1中的直流電壓產生部的概要模塊結構圖。圖3是表示用于產生直流電壓的控制參數的一例的圖。圖4是表示本實施例的四極型質量分析裝置的質量電荷比與直流電壓U之間的關系的圖。圖5是表示每個質量電荷比都進行了偏移校正時和不進行偏移校正時的質譜的實測例的圖。圖6的(a)是表示以往的四極型質量分析裝置的質量電荷比與高頻電壓V之間的關系的圖，圖6的(b)是表示以往的四極型質量分析裝置的質量電荷比與直流電壓U之間的關系的圖。圖7是表示在以往的四極型質量分析裝置中進行了增益和偏移的調整時的質量電荷比與直流電壓U之間的關系的圖。圖8是表示以往的四極型質量分析裝置的低質量區域 高質量區域的質譜的實測例的圖。
具體實施例方式下面，參照

本發明所涉及的四極型質量分析裝置的一個實施例。圖1是本實施例的四極型質量分析裝置的主要部分的結構圖，圖2是圖1中的直流電壓產生部的概要模塊結構圖。在本實施例的四極型質量分析裝置中，在離子源I中對試樣成分進行離子化，所生成的離子被導入到四極濾質器2的長軸方向的空間，僅使具有特定的質量電荷比的離子通過四極濾質器2到達檢測器3并對其進行檢測。四極濾質器2由四根桿電極21、22、23、24構成，該四根桿電極21、22、23、24被互相平行地配置成與以離子光軸C為中心的規定半徑的圓筒相內切。隔著離子光軸C相對的桿電極21與23電連接，隔著離子光軸C相對的桿電極22與24電連接，從四極驅動部5分別施加規定的電壓。四極驅動部5包括四極電壓控制部51，其構成為包括CPU等；控制數據存儲部52，其對四極電壓控制部51提供控制數據；直流電壓產生部53，其根據來自四極電壓控制部51的數據產生極性互不相同的±匸的兩個系統的直流電壓；高頻電壓產生部54，其產生相位彼此相差180° (=π)的土V · cos on的高頻電壓；變壓器55，其用于將高頻電壓與直流電壓相加；以及檢波部56，其包括用于監視施加于桿電極21 24的高頻電壓的二極管等。在控制數據存儲部52中，除了存儲有在本裝置中作為測量對象的針對質量電荷比范圍內的各質量電荷比的電壓設定數據以外，還存儲有“增益”、“共用偏移”以及“質量對應偏移”這三種控制參數。由檢測器3產生的檢測信號被輸入到數據處理部4，在轉換為數字數據之后實施質譜制作等各種數據處理。該數據處理結果被反饋到執行本裝置整體的控制的控制部6。控制部6包括自動調整部61，該自動調整部61用于如后述那樣自動決定存儲到控制數據存儲部52中的數據、參數，控制部6在執行質量分析動作時對四極電壓控制部51發出指示。如圖2所示，直流電壓產生部53包括第一 D/A轉換器530，其將電壓設定數據轉換為模擬電壓；第二 D/A轉換器531，其將電壓設定數據轉換為模擬電壓，并且將所提供的與“增益”相應的系數乘以該電壓；第三D/A轉換器532，其將所提供的“共用偏移”的值轉換為模擬電壓；第四D/A轉換器533，其將所提供的“質量對應偏移”的值轉換為模擬電壓；加法器536，其將從第三D/A轉換器532輸出的模擬電壓與從第四D/A轉換器533輸出的模擬電壓相加；加法器535，其將從加法器536輸出的模擬電壓與從第二 D/A轉換器531輸出的模擬電壓相加；加法器534，其將從加法器535輸出的模擬電壓與從第一 D/A轉換器530輸出的模擬電壓相加；反轉放大器538，其使從加法器534輸出的模擬電壓的極性反轉；力口法器537，其將從加法器534輸出的模擬電壓與直流偏置電壓Bias相加；以及加法器539，其將從反轉放大器538輸出的模擬電壓與直流偏置電壓Bias相加。上述D/A轉換器530、531、532、533分別具有適當的輸入輸出特性。另外，加法器534、535、536、537、539并不限于僅以1:1的比例對兩個輸入進行相加，還以適當的比進行相加。另外，具有根據需要進一步與固定值相加來使電壓進行電平移位的功能。圖3是表示在本實施例的四極型質量分析裝置中存儲在控制數據存儲部52的控制參數的例子的圖。“增益”是共用的值G，“共用偏移”是每個掃描速度(在該例中為125、2500,7500,15000[u/s]四個等級)都不同的值D1、D2、…，其中，該掃描速度是質量掃描時的條件之一，“質量對應偏移”是針對在質量電荷比范圍內設定的多個質量電荷比(在該例中為m/zl0、500、1000、1500、2000`五種)而不同的值Da、Db、…。對這些控制參數值預先準備了默認值，直接就用默認值時不一定能對四極濾質器2施加恰當的電壓，不能充分發揮性能。因此，當利用標準試樣進行校正動作時，自動調整部61按照如下的過程決定控制參數的最佳值。在進行自動調整時，將包含已知濃度的已知成分的標準試樣持續地導入到離子源
I。首先，自動調整部61指示直流電壓產生部53將“增益”和“共用偏移”設定為默認值。然后，在將掃描速度設定為最慢的速度(在該例中為125[u/s])之后，一邊從默認值起逐漸改變“增益”一邊反復進行質量掃描。自動調整部61從數據處理部4接收該質量掃描時得到的針對規定成分的信號強度的信息，找出使信號強度最大的最佳的“增益”，將該值設為G并存儲到控制數據存儲部52中。接著，在將“增益”設定為G的狀態下從默認值起逐漸改變“共用偏移”，找出最低掃描速度時的最佳的“共用偏移”，將該值設為Dl并存儲到控制數據存儲部52中。接著，在將“增益”設定為G、將“共用偏移”設定為Dl的狀態下，針對上述5個等級的質量電荷比的每個質量電荷比調整“質量對應偏移”，使得質量分辨率大致均勻。具體地說，當質量分辨率比最佳的質量分辨率小時，使“質量對應偏移”的值變小，相反地，當質量分辨率比最佳的質量分辨率大時，使“質量對應偏移”的值變大。然后，調整各自的“質量對應偏移”使得上述5個等級的質量電荷比時的質量分辨率的差收斂在規定的容許范圍內，將最終求出的值設為Da De并存儲到控制數據存儲部52中。最后，在將“增益”設定為G、針對上述各質量電荷比將“質量對應偏移”分別設定為Da De、并且對相鄰的質量電荷比之間進行線性插值的狀態下，一邊將掃描速度依次變為125 — 2500 — 7500 — 15000，一邊針對2500 [u/s]以上的掃描速度找出最佳的“共用偏移”。將這樣求出的值設為D2、D3、D4并存儲到控制數據存儲部52中。通過以上的處理，將要存儲到控制數據存儲部52中的“增益”、“共用偏移”、“質量對應偏移”的表中的值全部填滿。當在本實施例的四極型質量分析裝置中執行目標試樣的分析時，控制部6除了對四極電壓控制部51指示測量對象的質量電荷比范圍以外，還對四極電壓控制部51指示由分析者指示的或者根據測量對象的質量電荷比范圍等掃描條件決定的掃描速度。四極電壓控制部51按照該指示從控制數據存儲部52讀出“增益”、與掃描速度對應的“共用偏移”以及與質量電荷比范圍相應的“質量對應偏移”。然后，將在質量掃描中不變的“增益”和“共用偏移”提供給直流電壓產生部53，并且將隨著質量電荷比的變化而依次變化的電壓變化數據提供給高頻電壓產生部54和直流電壓產生部53。另外，伴隨質量電荷比的變化，將對針對多個等級的質量電荷比的“質量對應偏移”進行線性插值而求出的偏移值依次提供給直流電壓產生部53。在以往的四極型質量分析裝置中，直流電壓土U中的偏移電壓(用圖2而言，是相當于加法器536的輸出的電壓)不取決于質量電荷比，因此質量電荷比與直流電壓U之間的關系是如圖4中的虛線所示那樣的直線狀。與此相對地，在本實施例的四極型質量分析裝置中，加法器536的輸出電壓根據質量電荷比而變化，且其變化是質量分辨率不取決于質量電荷比而大致固定那樣的變化。因此，在高頻電壓V相對于質量電荷比的變化為如圖6的(a)所示那樣的非線性的情況下，直流電壓U相對于質量電荷比的變化也如圖4中的實線所示那樣成為折線狀。該直流電壓U的折線狀的變化相似于高頻電壓V的曲線狀的變化，因此能夠減輕由高頻電壓V的變化非線性導致的質量分辨率的不均勻性。

另外，在本實施例的四極型質量分析裝置中，“共用偏移”根據掃描速度而變更，因此掃描速度發生了變更時的質量分辨率的變化也變小。即，根據本實施例的四極型質量分析裝置，能夠在整個質量電荷比范圍內、所有掃描速度的情況下提高質量分辨率的均勻性。另外，為此而進行的控制參數的調整是自動進行的，因此不會花費分析者進行手動調整等操作的工夫，因此幾乎不會給分析者造成負擔。圖5是執行了利用上述質量對應偏移的質量分辨率校正時(本發明)和不執行該質量分辨率校正時(以往)的低質量(m/zl68) 高質量(m/zl893)的質譜的實測例。在不進行質量分辨率校正的情況下，如圖5的(a)所示,在中質量區域(m/z652. m/z 1005,m/zl225附近)質量分辨率變差。與此相對地，可知在實施了質量分辨率校正的情況下，特別是中質量區域的質量分辨率得到改善，在整個質量區域內質量分辨率的均勻性變高。根據本發明者基于實驗結果進行的計算能夠確認到能夠在整個質量區域內將質量分辨率的偏差抑制在±10%以內，另外，質量精度也得到提高。此外，上述實施例是本發明的一例，顯然即使在本發明的宗旨的范圍內進行適當地變形、添加、修正也包含在本申請的權利要求書中。例如，圖2所示的直流電壓產生部53的內部的模塊結構是一例，例如，當然也可以不是在將兩個系統的信號進行D/A轉換之后相加，而是將結構變更成在以數字的方式執行加減運算之后進行D/A轉換。另外，圖3所示的控制參數的表的設定也是一例，例如確定“質量對應偏移”的質量電荷比的值等是任意的。附圖標記說明1:離子源；2 :四極濾質器；21 24 :桿電極；3 :檢測器4 :數據處理部；5 :四極驅動部；51 :四極電壓控制部；52 :控制數據存儲部；53 :直流電壓產生部；531、532、533 D/A轉換器;534、535、536、537 :加法器；538 :反轉放大器；54 :高頻電壓產生部；55 :變壓器；56 :檢波部；C :離子 光軸。
權利要求
1.一種四極型質量分析裝置，具備離子源，其對試樣進行離子化；四極濾質器，其由四根電極構成；四極驅動單元，其生成將與通過該四極濾質器的離子的質量電荷比相應的直流電壓與高頻電壓相加得到的電壓并施加于該四極濾質器；以及檢測器，其對通過上述四極濾質器的離子進行檢測，該四極型質量分析裝置的特征在于，上述四極驅動單元包括 a)存儲單元，其事先存儲與質量電荷比相應的電壓設定數據，并且分別事先存儲增益、共用偏移、質量對應偏移來作為用于在進行質量掃描時改變與質量電荷比相應的直流電壓的控制參數，其中，該增益用于決定直流電壓與高頻電壓的振幅之比，該共用偏移用于決定不取決于質量電荷比的、根據掃描速度的不同而不同的偏移電壓，該質量對應偏移用于針對質量掃描的范圍內的多個質量電荷比分別設定不同的偏移電壓；以及 b)直流電壓生成單元，其在執行質量掃描時生成施加于上述四極濾質器的直流電壓，該直流電壓是至少將以下電壓相加而得到的，即對根據質量電荷比的變化從上述存儲單元獲取到的電壓設定數據進行數字/模擬轉換并與從上述存儲單元獲取到的增益相乘而得到的電壓、對根據該時刻的掃描速度從上述存儲單元獲取到的共用偏移進行數字/模擬轉換而得到的電壓以及對根據質量電荷比的變化從上述存儲單元獲取到的質量對應偏移進行數字/模擬轉換而得到的電壓。
2.根據權利要求1所述的四極型質量分析裝置，其特征在于， 還具備調整單元，該調整單元對上述離子源提供組成成分已知的規定的試樣，將通過上述四極濾質器的離子的質量電荷比轉換為多個等級，并且一邊在該質量電荷比固定的狀態下使提供給上述直流電壓生成單元的質量對應偏移發生變化，一邊監視由上述檢測器產生的檢測信號，以使在轉換為多個等級的質量電荷比下質量分辨率一致的方式決定針對各質量電荷比的質量對應偏移。
全文摘要
除了設置進行質量掃描時決定穩定狀態圖上所繪制的掃描直線的斜率和位置的“增益”和“共用偏移”以外，還設置能夠針對每個質量電荷比調整偏移的“質量對應偏移”，來作為提供給生成離子選擇用直流電壓的直流電壓產生部(53)的控制參數。當利用標準試樣進行自動調整時，在自動調整部(61)的控制下首先決定“增益”和“共用偏移”，之后決定針對各質量分辨率的“質量對應偏移”，使得質量分辨率大致均勻，并將它們存儲到控制數據存儲部(52)中。當分析目標試樣時，四極電壓控制部(51)按照從存儲部(52)讀出的控制參數控制直流電壓產生部(53)、高頻電壓產生部(54)。即使由于檢波部(56)的非線性而高頻電壓V為非線性，也能夠使直流電壓U變為與該非線性相似的折線狀，質量分辨率大致均勻。
文檔編號G01N27/62GK103069540SQ20108006852
公開日2013年4月24日 申請日期2010年8月6日 優先權日2010年8月6日
發明者水谷司朗, 菅原博史 申請人:株式會社島津制作所