まず、一般的な多重周回飛行時間型質量� ��析装置の構成について説明する。図1(a)は一 般的な多重周回飛行時間型質量分析装置のイ オン光学系の概略図、図2はこのイオン光学� �を用いた多重周回飛行時間型質量分析装置� �全体構成図である。

 イオン源1では試料分子がイオン化され、 生成された各種イオンは所定のエネルギーを 付与されて飛行を開始する。なお、イオン源 1は例えば三次元四重極型イオントラップな� �のように、外部で生成された各種イオンを� �時的に保持し、それらイオンに所定のタイ� �ングで一斉にエネルギーを付与して飛行を� �始させるものでもよい。

 イオン源1を出発点として飛行を開始した イオンは入射スイッチ3により形成される偏� �電場を介し周回軌道2に導入される。この周� ��軌道2は、例えば図2に示すような複数の扇� �電極2a、2bによりそれぞれ生成される扇形電� ��の作用で形成される。なお、図2に示した扇 形電極は一部であり、実際にはより多数の扇 形電場が必要である。図では周回軌道2を略� �形状としているが、周回軌道2の形状はこれ� ��限らず、略楕円形状、8の字形状など、様々 な形状の周回軌道2が実現可能である。

 イオンは周回軌道2を半周だけ飛行した後 に又は複数回周回した後に出射スイッチ4に� �り形成される偏向電場を介して周回軌道2か� ��離脱され、外側に設けられたイオン検出器5 に到達して検出される。イオン検出器5の検� �信号はデータ処理部13に入力され、ここで各 イオンの飛行時間から質量への換算、マスス ペクトルの作成、さらには定性分析、定量分 析などが実行される。

 周回用電圧発生部11は、上述した扇形電� �2a、2bにそれぞれ所定の直流電圧を印加する� ��とで、扇形電場を形成させるものである。� ��た、入出射用電圧発生部12は、入射スイッ� �3及び出射スイッチ4にそれぞれ所定のタイミ ングで、周回軌道2への入射用の偏向電圧及� �周回軌道2からの出射用の偏向電圧を印加す� ��ものである。制御部10はこれら電圧発生部11 、12、イオン源1、データ処理部13などを制御� ��ることで、後述する質量分析を達成する。� ��力部14はユーザが分析のための各種パラメ� �タを入力するためのものである。

 図1において、ι、ι’、ι''はそれぞれ、� ��オン源1から周回軌道2への入射点P1まで(以� �、「入射部」という)の距離、周回軌道2のう ち半周だけを飛行する非追い越し(非周回)モ� ��ドでの経路の距離、及び周回軌道2からの出 射点P2からイオン検出器5まで(以下、「出射� �」という)の距離、である。非追い越しモー� ��での飛行距離は、L0=ι+ι’+ι''、で与えられ る。また、周回軌道2の1周の長さをLとする。 当然のことながら、装置によってイオン光学 系は異なり、例えばι=0となる場合(周回軌道2 上にイオン源1が存在する場合)等、図1に示し た構成は様々に変形が可能である。

 図1(b)は、イオン源1から出発したイオン� �入射スイッチ3を通して直線状の往復軌道2’ に導入し、往復軌道2’に沿って複数回往復� �せた後に、出射スイッチ4を通して離脱させ� ��イオン検出器5で検出するイオン光学系の構 成を示す。こうした往復軌道2’は両側にそ� �ぞれ反射電極を設けることで形成すること� �できる。この往復軌道2’も上述したような� ��回軌道2と同じく閉軌道であるから、広い意 味で周回軌道に含めて考えることができ、本 発明に係る質量分析方法が適用できることは 明らかである。

 図1に示したイオン光学系の構成において 、イオンの質量と飛行時間との関係について 説明する。いまイオン源1でのイオンの加速� �圧をV、素電荷をe、イオンの質量をm、イオ� �の価数を1とする。なお、イオンが多価イオ� ��であって価数が1以外のzである場合には、� �量mをm/zに置き換えればよい。

 上記条件の下で、非追い越しモードの測定� ��よるイオンの質量mと飛行時間t0との関係は� ��
である。一方、周期軌道2に沿って1周回以上� ��オンが飛行する周回モードの測定において� ��質量mであるイオンが周回軌道2をn周回した� ��にイオン検出器5に到達して検出されるとす ると、そのイオンの飛行時間tは、
となる。さらに、(1)式及び(2)式より、周回モ ードにおける飛行時間tと非追い越しモード� �飛行時間t0との関係として、
が得られる。

 周回モードの飛行時間スペクトルにおけ� ��イオンの追い越しの問題は、(2)式に明瞭に� ��れている。即ち、(2)式において、観測量で� ��る飛行時間tに対し、周回数nと質量mという2 つの未知変数が存在する。仮に周回数nが未� �であった場合でも、周回数nが全ての質量に� ��し一定の値となることが保証されるならば� ��例えば質量が既知である標準試料の測定に� ��り周回数nを求め、これを用いて未知の飛行 時間tから質量mをそれぞれ決定することは可� ��である。しかしながら、前述のように、周� ��モードでは質量の異なるイオンの追い越し� ��起こる可能性があり、飛行時間スペクトル� ��現れるピークの質量毎に周回数が異なると� ��う事態が起こる。この場合、観測された飛� ��時間tに対し、(2)式の未知変数である質量m� �周回数nとの両方を一意的に決定することは� ��可能である。このため、従来は、前述した� ��うに、追い越しの起こらない質量範囲に観� ��する範囲を限定するという手法が一般的で� ��った。

 上述のように測定対象の質量範囲を制限� ��なければならない理由は、追い越しが起こ� ��た場合に、(2)式において質量と周回数とを� ��意的に決定できないためである。これに対� ��、本発明に係る質量分析方法では、非追い� ��しモードでの追いつきや追い越しのない飛� ��時間スペクトルを利用し、周回モードでの� ��い越しの起こった飛行時間スペクトルを、� ��測される全ての又は特定の着目するイオン� ��ケットに対して質量と周回数とを一意的に� ��定可能な領域に分割する。なお、ここで「� ��オンパケット」とは、同一質量のイオンが� ��えば加速エネルギーのばらつき等の要因の� ��めに、時間方向に有限な広がりを持ちつつ� ��むイオンの集合体のことをいう。

 即ち、非追い越しモードでの飛行時間と� ��回モードでの飛行時間との関係について、( 3)式より、周回モードにおける飛行時間tは、 周回数nに対し,切片t0、傾きαt0の直線上に観� ��されることが分かる。周回数は自然数値し� ��とり得ないことから、非追い越しモードでt 0の飛行時間に観測されたイオンパケットは� �周回モードの観測においては、そこからαt0� ��隔の飛行時間しか採り得ないことが理解さ� ��る。この性質から、最初に非追い越しモー� ��で追い越しがなく、且つ全ての(実際的には 或る程度の広い)質量範囲に亘る飛行時間ス� �クトルを観測することにより、測定対象で� �る目的試料に含まれる全てのイオンパケッ� �について周回モードでの飛行時間を予測す� �ことが可能である。非追い越しモードにお� �る飛行時間スペクトルではイオンパケット� �或る時間幅を持つピークとして観測される� �したがって、周回モードにおいて予測され� �飛行時間についても、非追い越しモードで� �測されたピーク幅に依存した或る幅を持つ� �域が対応することになる。以下の説明では� �非追い越しモードにおける飛行時間スペク� �ル上のピークから予測される周回モードで� �飛行時間領域を「セグメント」と呼ぶ。

 或るイオンパケットについて、非追い越� ��モードで飛行時間t0の位置に観測されるピ� �クに対し、イオンパケットの飛行時間のば� �つきがδtであったとする。ここで飛行時間� �ばらつきは当然、ピーク幅に比例した値で� �り、直接にピーク全幅としてもよく、或い� �ピーク幅を適当な数で除し、ピーク全幅よ� �も小さい値に調整することもできる。以下� �非追い越しモードにて観測されるピークに� �し定義した飛行時間のばらつきを「初期時� �幅」と呼ぶ。

 周回モードで上記イオンパケットをn周回さ せた場合、初期時間幅δtに対応する周回モー ドでのセグメントの幅δtnは、(3)式より、
となることが分かる。非追い越しモードの測 定では、質量分解能の不足により一つのピー クとして観測されたイオンパケット群が、周 回モードにおいて十分な質量分解能での測定 を行った結果、複数のピークとして観測され ることがあり得る(後述の図5のセグメントSG8� ��照)。但し、その場合でも、非追い越しモー ドでのイオンパケット群の飛行時間差が初期 時間幅よりも小さければ、それら複数のピー クは(4)式で与えられる幅をもつ同一のセグメ ント内に収まる筈であるから、全てのピーク の質量と周回数とを一意的に決定することが 可能である。

 このように、非追い越しモードにおける� ��行時間スペクトルから周回モードで観測さ� ��るセグメントを予測するに際し、周回モー� ��で観測されるセグメントが互いにオーバー� ��ップしないこと、又は、仮にオーバーラッ� ��が起こった場合でも少なくともそのオーバ� ��ラップした範囲内にピークが観測されない� ��と、が必要である。何故なら、セグメント� ��オーバーラップが起こった領域にピークが� ��測されるという事態は、そのピークに対し� ��は非追い越しモードから予測される質量と� ��回数との組合せが複数存在し、それらを一� ��的に決定できない状態を意味するからであ� ��。セグメントのオーバーラップは、出射ス� ��ッチ4のタイミングを調整することにより比 較的容易に回避することができる。換言すれ ば、セグメントのオーバーラップを回避する ための条件を探索することは、出射スイッチ 4の適切なタイミングを決めることにほかな� �ない。以下に、セグメントのオーバーラッ� �を回避するための最も単純な方法の一例を� �明する。

 まず、非追い越しモードにおける飛行時� ��スペクトルより、観測された全ての(又は特 定の着目する)ピークに対してピーク位置t0i� �及び初期時間幅δt0i、を求める。ここではN� �のピークが観測されたものとする。ピーク� �置はピークトップ又はピーク重心といった� �ークの位置を代表する値であればよい。前� �のとおり初期時間幅は調整の自由度をもっ� �おり、初期時間幅が小さいほど周回モード� �おけるセグメントの幅も小さくなるため、� �グメントのオーバーラップを回避するのも� �易となる。

 いま飛行時間が最も短い、つまり質量が� ��も小さいイオンパケット#1をn1周回させるも のとする。出射スイッチ4は、イオンパケッ� �#1がちょうどn1周する直前に、周回軌道2側か ら出射イオン光学系側へと切り替えられる。 この操作により、周回モードの飛行時間スペ クトルにおいても、最も飛行時間の短いピー クはイオンパケット#1であることが保証され� ��。イオンパケット#1に対して周回数を設定� �ることにより、出射スイッチ4の切替えのタ� ��ミングが決定されると、これに続く他の全� ��のイオンパケットに対して次のように周回� ��が予測される。

 出射スイッチ4を切り替える時刻Tsについて� ��イオンパケット#1が出射スイッチ4を通過す� ��d秒前に該出射スイッチ4を切り替えたとす� �と、
である。これに対し、他のイオンパケット#i� ��周回数niは、
を満たす整数値であることが分かる。(6)式よ り全てのイオンパケットに対して、設定され た出射スイッチ4の切替時刻Tsに基づいて周回 数niを予測することができる。さらに(3)式よ� ��、予測された周回数niから観測される飛行� �間tiが予測できる。このようにして、非追い 越しモードで観測された全ての又は特定のピ ークに対し、周回モードでの周回数と飛行時 間とを予測することができる。

 次いで、複数のセグメントのオーバーラッ� ��を回避するための判定を行う。まず、上述� ��ように周回数が予測された時点で、初期時� ��幅δt0iに対するセグメント時間幅δtiが(4)式� ��り計算される。予測した飛行時間tiとセグ� �ント時間幅δtiとに対し、非追い越しモード� ��観測した全てのピークの組合せについて、� ��に示す2つの判定式(a)、(b)のいずれかの真偽 を判定する。
  (a) |ti-tj|>δti/2
  (b) |ti-tj|>(δti+δtj)/2

 上記判定式から明らかなように、セグメ� ��トのオーバーラップの判定としては、判定� ��(b)のほうが厳しく、判定式(b)は全てのセグ� ��ントが完全に分離された状態を保証する。� ��方、判定式(a)はセグメントのオーバーラッ� ��が生じる可能性は残るものの、セグメント� ��オーバーラップする範囲内にはピークが存� ��しないことを保証する。全てのピークの組� ��せに対し、選択した判定式が真であれば、� ��回モードの飛行時間スペクトルにおいて、� ��量と周回数とを一意的に決定可能なセグメ� ��トを設定することができる。これに対し、� ��定式が偽となるピークの組合せが一つでも� ��れば、その周回数では全てのピークの質量� ��一意的に決定することはできない。そこで� ��最初に戻り、イオンパケット#1の周回数を1� ��け増加させる又は減少させるなどして周回� ��を変化させ、上記と同様の手順でセグメン� ��のオーバーラップ判定を行う。

 こうした試行を繰り返し、セグメントの� ��ーバーラップが回避される周回数を検索す� ��。注意すべきなのは、(4)式に示されるよう� ��、周回数を増やすほどセグメント時間幅は� ��きくなり、セグメントがオーバーラップす� ��確率は大きくなることである。その結果、� ��えば判定式をより緩やかな(a)に選択し直し� ��り、或いは、初期時間幅を調整することに� ��りセグメント時間幅を狭めたりする必要が� ��じることがある。そうした対応を採っても� ��切なセグメントを設定できない場合には、� ��目するピークの本数を減らす等の対応も必� ��である。

 以上のようにして、非追い越しモードで� ��得される追い越しのない飛行時間スペクト� ��を利用することで、周回モードにおける追� ��越しのある飛行時間スペクトルを、質量と� ��回数とを一意的に決定可能なセグメントに� ��割することが可能となる。周回モードでの� ��行時間スペクトルにおいて各セグメントに� ��まれるピークは1本であっても複数本であっ ても周回数は同一であることが保証され、そ のピークの飛行時間から一意的に質量が定ま る。また、これにより出射スイッチ4の切替� �のタイミングが決定される。したがって、� �御部10は、こうして決まったタイミングに基 づいて出射スイッチ4を切り替えるべく入出� �用電圧発生部12を制御しつつ周回モードの測 定を実行し、データ処理部13はそれにより得� ��れる検出信号に基づいて飛行時間スペクト� ��を作成する。こうして取得された飛行時間� ��ペクトルにおいて各ピークの実測の飛行時� ��と上述のような予測に基づく周回数とから� ��質量を高い分解能で算出することができる� ��

 図3は、上記説明した本発明における質量分 析方法の手順の一例をまとめたフローチャー トである。
 まず、目的試料に対し非追い越しモードで� ��測定を実行し、飛行時間とイオン強度との� ��係を示す飛行時間スペクトルを取得する(ス テップS1、S2)。次に、データ処理部13におい� �以下のような処理を実行する。上記飛行時� �スペクトルに対しピーク検出を行い、各ピ� �クの飛行時間及び強度を求める。一般的な� �々なノイズピークなどが含まれるから、ノ� �ズピークを除去して着目するピークのみを� �出するために、ここでは強度が所定の閾値� �上のものの中から強度が高い順番に所定本� �(例えば15など)のピークを選別し、その選別� ��たピークについての飛行時間などのピーク� ��報を収集する(ステップS3)。なお、こうした ピークの選別は必ずしも行う必要はなく、ま たピーク選別を行う場合でもその選別条件は 任意に決めることができる。

 次いで、選別された各ピークについて上� ��のように初期時間幅などを設定した上で所� ��の条件を仮定(例えば最小質量のイオンの周 回数を仮定)して、周回モードにおける周回� �と飛行時間とを予測し、これに基づき、そ� �周回モードで観測される飛行時間スペクト� �上でのセグメントを設定する(ステップS4)。� ��れから、そうして設定された複数のセグメ� ��トがオーバーラップしない(又はオーバーラ ップしてもその範囲にピークが存在しない)� �否かを判定する(ステップS5)。セグメントが� ��ーバーラップする等、ピークの周回数と質� ��とが一意的に決まらない場合には、ステッ� ��S4へ戻り、先に仮定した周回モードの条件� �変更して再びセグメントの設定をやり直し� �その変更後のセグメントについてオーバー� �ップの判定を行う。

 そうして、周回数と質量とが一意的に決� ��るようなセグメントが求まったならば、セ� ��メントを確定し、各セグメントに対応した� ��回数などの情報を記憶する。また、これに� ��り、出射スイッチ4の切替えのタイミングも 決定するから、この情報を制御部10に与える( ステップS6)。その後、制御部10の制御の下、� ��的試料に対し周回モードでの測定を実行し� ��データ処理部13では周回モードにおける飛� �時間スペクトルを作成する(ステップS7、S8)� �そして、この飛行時間スペクトルに現れる� �ークの位置から正確な飛行時間を求め、こ� �飛行時間と記憶したおいた各セグメントの� �回数情報とから各ピークの質量を計算する(� ��テップS9)。こうして、周回モードの測定で� ��い越しが起こり、飛行時間スペクトル上で� ��回数が異なるような各ピークに対応するイ� ��ンの質量も高い分解能で求めることができ� ��。